KR20190030438A - 전자펜 - Google Patents

Abstract

전자펜이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자펜은, 전방에 위치하여 전자펜 감지 디스플레이의 펜감지 영역에 접촉할 때 작용하는 필압에 의해 이동 가능한 펜팁; 공진 회로를 구성하는 인덕터; 펜팁에 연결되되 펜팁의 반대측에 마련되는 전도성 탄성체 유닛; 및 펜팁의 이동에 기초하여 전도성 탄성체 유닛이 공진 회로에 선택적으로 연결하는 필압 감지용 커패시터들이, 전도성 탄성체 유닛과 접촉 가능하도록 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 수직방향으로 적층되는 적층식 필압 센서를 포함한다.

Description

전자펜{ELECTRONIC PEN}

본 발명은, 전자펜에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미세한 필압의 변화를 정확하게 측정할 수 있으면서, 내구성을 증진시킬 수 있는 전자펜에 관한 것이다.

최근 스마트폰이나 타블렛 컴퓨터 등 터치형 디스플레이를 구비하고 디스플레이면을 터치하여 조작할 수 있는 전자기기가 널리 보급되고 있다.

이러한 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기를 사용함에 있어서, 손가락 터치에 의한 조작만으로는 터치의 정확성이 떨어지며 터치의 압력을 측정하기 어려워 다양한 기능을 구현할 수 없기 때문에, 필기도구를 이용한 필기 입력의 기능을 구현하기 위해 펜형태의 입력도구인 전자펜의 보급이 늘고 있으며, 그 중요도가 커지고 있는 실정이다.

더욱이, 사용자가 쥐고 사용하는 전자펜의 휴대성 및 무게를 줄이고 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에 대하여 자유롭게 활용할 수 있도록, 배터리를 내장하지 않으면서도 무선으로 동작할 수 있는 전자펜이 개발되고 있다.

전자펜에 배터리가 내장되어 있지 않은 경우에는 화면에서 조작이 가능한 디스플레이를 구비한 전자기기의 입력장치에 구비된 커패시터(Capacitor)와 코일(Coil)이 연결된 공진회로에 의해, 전자펜에 구비된 커패시터와 코일이 연결된 공진회로가 공진되어 에너지가 전자펜으로 전달된다. 이렇게 전자펜에 전달된 에너지는 전자펜의 사용 시 전자펜에서 방출되며, 화면에서 조작이 가능한 디스플레이를 구비한 전자기기의 입력장치는 전자펜으로부터 전달되는 에너지를 감지하여 전자펜의 위치를 검출한다.

반면, 전자펜에 배터리가 내장된 능동형 전자펜은 내장된 배터리에서 에너지를 공급받아 외부로 전자기장을 방사하며, 화면에서 조작이 가능한 디스플레이를 구비한 전자기기의 입력장치는 전자펜으로부터 방사된 전자기장을 감지하여 전자펜의 위치를 검출한다.

이러한 전자펜은, 필기를 함에 있어 필기의 정확도를 높이기 위하여 터치형 디스플레이와 전자펜의 접촉위치를 정확하게 인식하는 기술이 필요하며, 나아가 실제 필기구로 필기하듯이 필압에 따라 필기 선의 굵기, 명암 등을 변화시키기 위하여 필압을 감지하는 기술이 요구된다.

도 1은, 전자기 유도 방식으로 동작하는 종래의 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기 및 전자펜의 동작 원리를 설명하는 도면이다. 도 1(a)에는, 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기의 일부로서, 코일 구동 드라이버(20)와, 루프 코일(30)이 도시되어 있으며, 전자펜(100)의 예시로서 커패시터와 인덕터로 구성된 공진 회로를 내장한 필기구를 도시하고 있다.

코일 구동 드라이버(20)는, 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기의 MCU(미도시됨) 등의 제어에 의해 소정의 주파수(즉, 전자펜의 공진 회로의 공진 주파수)를 갖는 스위칭 패턴을 제공받으면, 제공된 스위칭 패턴의 주파수에 따른 교류 전압을 루프 코일(30)로 출력한다.

루프 코일(30)은 소정의 인덕턴스를 가지며, 입력된 교류 전압에 의해 유도 전자기력(외부 전자기력①)을 방출한다.

한편, 전자펜(100)의 공진회로에서는, 방출된 외부 전자기력에 의해 공진하여 유도 전류를 생성하고, 생성된 유도 전류는 인덕터와 커패시터에 저장된다. 그리고 외부 전자기력의 방출이 중단되면, 자체 저장된 에너지(유도 전류)에 의해 공진 회로가 공진하여 유도 전자기력(작용 전자기력②)을 방출하게 된다.

한편, 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에 있어서, 루프 코일(30)의 내부 공간은 펜감지 영역(S)을 구성하게 된다. 펜감지 영역(S)에는, 도시하지 않았지만, 다양한 방식의 전자기력 감지 수단이 배치될 수 있다. 전자기력 감지 수단으로는, 예를 들면, 등록 특허 10-984036호를 참조할 수 있는 라인 안테나 구조를 이용할 수 있다.

한편, 전자펜(100)에서 자체적으로 전자기력(작용 전자기력)을 방출하게 되면, 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기의 펜감지 영역(S)에서는 전자펜의 작용 전자기력을 감지하게 되고, 감지된 작용 전자기력이 가장 큰 지점(전자펜 감지 위치)의 좌표를 측정하고, 측정된 좌표에 사용자가 전자펜(100)을 이용하여 조작을 입력하고자 하는 것으로 간주하게 된다.

도 1(b)은 루프 코일에서 방출하는 외부 전자기력의 파형을 보여주는 도면이다. 코일 구동 드라이버(20)에서 스위칭 패턴에 따라 루프 코일(30)로 교류 전압을 출력하면, 루프 코일(30)에 존재하는 인덕턴스에 의해 점진적으로 상승하는 외부 전자기력을 방출하게 되는 상태를 보여준다. 그리고 외부 전자기력은 일정 시간이 경과하면 동일한 특정의 강도로 방출되게 되며, 소정 시점(예를 들면, X 시점)에서 MCU의 제어에 의해 스위칭 패턴이 중단되어 교류 전압이 중단되면, 외부 전자기력의 방출도 중단된다.

도 1(c)은 전자펜의 공진 회로에서 출력하는 작용 전자기력의 파형을 보여주는 도면이다. 공진회로는 외부 전자기력에 의해 생성된 유도 전류에 의한 에너지를 잠시 저장할 수 있으며, 외부 전자기력의 방출이 중단되면, 자체 저장된 에너지에 의해 공진하여 작용 전자기력을 방출하게 된다. 작용 전자기력은, 저장된 에너지의 소모에 의해 방출량이 감소하게 된다.

이때, 작용 전자기력은 주파수 fo를 갖는다. 주파수 fo는 전자펜(100)의 공진 회로에 포함된 커패시턴스와 인덕턴스에 의해 결정될 수 있다. 즉,

의 식에 의해 결정된다.

한편, 외부 전자기력의 주파수와 공진 회로의 공진 주파수는 서로 일치하거나 배수인 것이 가장 효율적인 공진을 유발하므로, 코일 구동 드라이버(20)에서 출력하는 교류 전압의 주파수(즉, MCU에서 출력하는 스위칭 패턴의 주파수)도 fo인 것이 바람직하다.

도 2는 전자펜의 공진 회로의 공진 주파수를 변화시키는 방법을 설명하는 도면이다. 공진 회로는 적어도 하나의 인덕터(L)와 적어도 하나의 커패시터(C)를 루프로 구성하여 형성될 수 있다.

도 2(a)는, 인덕턴스(L)를 갖는 하나의 인덕터와 커패시턴스(C)를 갖는 하나의 커패시터를 연결하여 구성된 공진 회로를 보여준다. 이러한 기본적인 공진회로에서 방출하는 작용 전자기력의 공진 주파수(fo)는

로 표시할 수 있다. 또한, 작용 전자기력의 주기(To)는

로 나타낼 수 있다.

도 2(b)는 도 2(a)의 기본적인 공진 회로에 커패시턴스가 변경가능한 필압 감지용 커패시터(ΔC)를 추가한 회로를 보여주고 있는데, 이러한 회로에서의 공진 주파수는

로 산출할 수 있다.

도 2(c)는 도 2(a)의 공진 회로에 인덕턴스가 변경가능한 필압 감지용 인덕터(ΔL)를 추가한 회로를 보여주고 있는데, 이러한 회로에서의 공진 주파수는

로 된다.

도 2(d)에서는 필압 감지용 커패시터와 필압 감지용 인덕터를 동시에 추가한 형태로서, 이 경우에는

로 공진 주파수를 결정할 수 있다.

따라서, 전자펜(100)이 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기의 펜감지 영역(A)에 접촉하게 되는 펜팁과 필압 감지용 인덕터 및/또는 필압 감지용 커패시터를 기계적으로 연결함으로써, 사용자가 전자펜을 터치형 디스플레이에 대하여 누르는 압력에 따라 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변화하도록 구성하고, 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에서 인덕턴스 및/또는 커패시턴스의 변화량을 측정할 수 있다면, 사용자가 전자펜(100)을 터치형 디스플레이에 대하여 누르는 정도를 나타내는 필압을 측정할 수 있게 된다.

도 3은, 전자펜의 공진 회로에 포함된 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변화하여 전자펜에서 방출하는 작용 전자기력의 공진 주파수의 변화하는 것을 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 전자펜에 필압이 작용하지 않는 경우에는 기본적인 공진 주파수(fo)를 갖는 작용 전자기력이 출력되게 되지만, 필압이 작용하여 공진 회로의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변경됨으로써 공진 주파수가 변화하고 있는 것을 알 수 있다.

터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에서는 이렇게 출력되는 작용 전자기력의 주기(T)를 감지하고, 감지된 주기(T)와 기본 주기(To)를 비교함으로써, 인덕턴스 및/또는 커패시턴스의 변화량을 산출하여 필압을 측정하게 된다.

도 4는 전자펜의 구성 예를 중요 부분만을 간략하게 도시한 도면이다.

도 4(a)는 전자펜에 작용하는 압력에 따라서 커패시턴스가 변화하는 압력 센서를 적용한 예를 보여준다. 도시된 코일(110)은 외부 전자기력에 의해 공진하는 인덕터를 구성하기 위한 것으로서, 관 형태의 페라이트 코어(112)의 둘레에 형성되어 있다. 한편, 페라이트 코어(112)의 내부에는 전자펜의 전방으로 돌출될 수 있는 펜팁(105)이 연장되어 삽입되어 있으며, 펜팁(105)의 후방에는 압력 센서(114)가 배치되어 있다. 이로써, 사용자가 전자펜을 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에 대하여 누르면 펜팁(105)이 후방으로 눌려지게 되고, 펜팁(105)은 압력 센서(114)에 압력을 작용하게 되어, 필압이 감지될 수 있도록 한다. 한편, 펜팁(105)은 페라이트 코어(112)의 내부에 형성된 관 형태의 내부에서 움직일 수 있으나, 펜팁(105)과 페라이트 코어(112)가 일체로 동작할 수도 있다.

도 4(b)는 전자펜에 작용하는 필압을 인덕턴스의 변화에 의해 감지할 수 있도록 구성한 예를 보여주는 도면으로서, 코일(110)을 보빈(113)의 둘레에 형성하고, 보빈(113)의 내부에는 펜팁(105)의 눌려짐에 따라 이동 가능한 페라이트 코어(112)를 배치하고 있다. 이러한 구성에서는, 페라이트 코어(112)의 움직임에 따라서 인덕턴스가 변화하게 되므로, 이를 이용하여 필압을 감지한다.

하지만, 위와 같은 종래의 전자펜에서는, 고가의 압력 센서를 사용해야 한다는 단점이 있으며, 변화하는 커패시턴스 또는 인덕턴스에 대하여 정밀한 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 등록특허 10-1459535호는 유연성 기판의 양면에 형성된 전극들에 의한 기생 정전용량을 이용하여 필압 감지용 커패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 평면형 필압 센서를 구비하고 있다.

도 5는 종래의 기술에 따른 평면형 필압 센서를 도시한 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 평면형 필압 센서(220)는 유전율이 ε이고 두께가 d인 유전체 기판(222)을 사이에 두고, 유전체 기판(222)의 하부에는 전체 면적에 해당하는 하부전극(224)으로 덮여있으며, 유전체 기판(222)의 상부에는 공통전극(225)과 접촉전극(223)이 마련되어 있다.

이때 하나의 접촉전극(223)의 면적 A와 상응하는 하부전극(224)의 부분이 평판 전극으로 이루어진 필압 감지용 커패시터(ΔC)를 형성하게 되며, 정전용량은 다음과 같다.

C = ε* A/d

이러한 평면형 필압 센서(220)는 접촉전극(223)의 갯수와 동일한 수의 필압 감지용 커패시터(ΔC)들이 형성되므로, 이들이 활성화 되는 갯수에 따라 커패시터의 정전용량이 달라지게 되어 앞에서 설명한 공진회로의 주파수를 변화시키는 역할을 하게 된다.

본 예에서는 공통전극(225)을 중심으로 6개의 접촉전극(223)들이 대칭되게 배치되어 있으므로 정전용량은 C의 6배가 될 수 있으며, 전도성 고무(210)가 접촉하면서 접촉면적의 변화에 따라 공통전극(225)에만 접촉하는 경우, 공통전극(225)과 양쪽으로 인접한 2개의 접촉전극(223)이 접촉한 경우, 공통전극(225)과 양쪽으로 인접한 4개의 접촉전극(223)이 접촉한 경우, 공통전극(225)과 양쪽으로 인접한 6개의 접촉전극(223)이 접촉한 경우의 총 4 단계의 변화가 가능하다.

이러한 평면형 필압 센서는 간단한 구조를 가지면서도 필압을 디지털 방식으로 측정할 수 있는 장점이 있으나, 필압 감지 단계를 더욱 세밀하게 나누어 미세한 필압의 변화를 측정할 수 있도록 개선할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1459535호, 2014.11.03.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 필압 감지 단계를 더욱 세밀하게 나누어 미세한 필압의 변화를 측정할 수 있는 전자펜을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전방에 위치하여 전자펜 감지 디스플레이의 펜감지 영역에 접촉할 때 작용하는 필압에 의해 이동 가능한 펜팁; 공진 회로를 구성하는 인덕터; 상기 펜팁에 연결되되 상기 펜팁의 반대측에 마련되는 전도성 탄성체 유닛; 및 상기 펜팁의 이동에 기초하여 상기 전도성 탄성체 유닛이 상기 공진 회로에 선택적으로 연결하는 필압 감지용 커패시터들이, 상기 전도성 탄성체 유닛과 접촉 가능하도록 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 수직방향으로 적층되는 적층식 필압 센서를 포함하는 전자펜이 제공될 수 있다.

상기 적층식 필압 센서는, 일측에 마련되되 상기 필압 감지용 커패시터들의 일단부가 노출되는 필압 감지부; 및 상기 필압 감지부와 연결된 커패시터부를 포함할 수 있다.

상기 필압이 강할수록 상기 전도성 탄성체 유닛이 접촉하는 면적이 넓어지게 됨으로써 선택적으로 접촉되는 수가 점진적으로 늘어나도록, 상기 필압 감지용 커패시터들은 동일 층에서도 수평방향으로 상호 이격되어 복수 개 마련될 수 있다.

상기 적층식 필압 센서는, 상기 전도성 탄성체 유닛이 접촉되는 센터 레이어; 상기 전도성 탄성체 유닛과 선택적으로 접촉하여 상기 필압 감지용 커패시터들이 형성되는 센서 패턴 레이어; 및 상기 센터 레이어 및 상기 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 그라운드 레이어를 포함할 수 있다.

상기 전도성 탄성체 유닛이 상기 센서 패턴 레이어에 접촉되는 경우 상기 센서 패턴 레이어와 상기 센터 레이어가 선택적으로 연결되고, 상기 그라운드 레이어는 상기 센서 패턴 레이어와 함께 필압 감지용 커패시터를 형성할 수 있다.

상기 센터 레이어는, 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되는 중심전극; 및 상기 중심전극과 상기 공진회로를 연결하도록 마련되는 보조전극을 포함할 수 있다.

상기 센터 레이어는, 상기 중심전극 및 상기 보조전극과 연결되지 않도록 이격되어 마련되는 센터 레이어 그라운드 전극을 더 포함할 수 있다.

상기 그라운드 레이어는, 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향에 인접하는 무전극부; 및 상기 전도성 탄성체 유닛과 접촉하지 않도록 상기 무전극부의 일측에 마련되는 전극부를 포함할 수 있다.

상기 무전극부는 유전체 기판으로 형성되며, 상기 전극부는 상기 유전체 기판에 코팅되는 전극층에 의해 마련되는 그라운드 전극일 수 있다.

상기 센서 패턴 레이어는, 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 상호 이격되는 복수의 센서 패턴을 형성하는 센서 패턴 전극; 및 상기 센서 패턴 전극과 연결되지 않도록 이격되어 마련되는 센서 패턴 레이어 그라운드 전극을 포함할 수 있다.

상기 센서 패턴 레이어는, 상기 센터 레이어를 중심으로 대칭으로 배치되는 제1 센서 패턴 레이어 및 제2 센서 패턴 레이어를 포함하며, 상기 그라운드 레이어는, 상기 센터 레이어와 상기 제1 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 제1 그라운드 레이어; 및 상기 센터 레이어와 상기 제2 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 제2 그라운드 레이어를 포함할 수 있다.

상기 센서 패턴 레이어는, 상기 제1 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제3 센서 패턴 레이어를 더 포함하며, 상기 그라운드 레이어는, 상기 제1 센서 패턴 레이어와 상기 제3 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 제3 그라운드 레이어를 더 포함할 수 있다.

상기 적층식 필압 센서는, 상기 전도성 탄성체 유닛이 접촉되는 중심전극을 구비하며, 상기 전도성 탄성체 유닛과 선택적으로 접촉하여 상기 필압 감지용 커패시터들이 형성되는 센터 겸용 센서 패턴 레이어; 및 상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어 사이의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 곳에 배치되는 그라운드 레이어를 포함할 수 있다.

상기 중심전극은 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 중앙에 배치되며, 상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어는, 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되, 상기 중심전극을 중심으로 대칭되도록 상호 이격되는 복수의 센서 패턴을 형성하는 센서 패턴 전극; 및 상기 센서 패턴 전극과 연결되지 않도록 이격되어 마련되는 센서 패턴 레이어 그라운드 전극을 더 포함할 수 있다.

상기 적층식 필압 센서는, 상기 그라운드 레이어의 상부에 배치되며, 상기 전도성 탄성체 유닛과 선택적으로 접촉하여 상기 필압 감지용 커패시터들이 형성되는 센서 패턴 레이어를 더 포함할 수 있다.

상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어는, 상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어; 및 상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어를 포함하며, 상기 그라운드 레이어는, 상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 하부에 배치되는 제1 그라운드 레이어; 및 상기 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 그라운드 레이어를 포함할 수 있다.

상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어는, 상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어; 및 상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어를 포함하며, 상기 그라운드 레이어는, 상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어와 상기 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 사이에 배치되는 제1 그라운드 레이어; 및 상기 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 그라운드 레이어를 포함할 수 있다.

상기 전도성 탄성체 유닛은, 상기 적층식 필압 센서를 향해 볼록한 형태의 반구형으로 형성되며, 필압에 따라 변형되는 전도성 고무일 수 있다.

상기 적층식 필압 센서의 상기 전도성 탄성체 유닛에 대향되는 단면은 사각형 및 원형 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 적층식 필압 센서를 마련함으로써, 필압의 감지단계를 세분화하여 미세한 필압의 변화를 측정할 수 있으며, 전자펜의 내구성을 증진시킬 수 있다.

도 1은 전자기 유도 방식으로 동작하는 종래의 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기 및 전자펜의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 전자펜에 포함된 공진 회로의 공진 주파수를 변화시키는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 전자펜의 공진 회로에 포함된 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변화하여 전자펜에서 방출하는 작용 전자기력의 공진 주파수의 변화하는 형태를 보여주는 도면이다.
도 4는 전자펜의 개략적인 구성예를 보여주는 도면이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 평면형 필압 센서를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필압 감지 기능을 갖는 전자펜의 원리 및 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 적층식 필압 센서와 전도성 탄성체 유닛을 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7의 적층식 필압 센서의 적층구조를 설명하기 위한 분리 사시도이다.
도 9는 도 8의 적층식 필압 센서의 센터 레이어를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 8의 적층식 필압 센서의 센서 패턴 레이어를 도시한 사시도이다.
도 11은 도 8의 적층식 필압 센서의 그라운드 레이어를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 7의 적층식 필압 센서의 동작을 설명하기 위해 각 전극들이 연결된 형태를 간략하게 도시한 적층식 필압 센서를 측면에서 본 단면도이다.
도 13은 다층 PCB를 설계하는 경우의 적층구조를 설명하기 위해 간략하게 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 6층 PCB를 설계하는 경우의 적층구조를 설명하기 위한 분리 사시도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시 예에 따라 4층 PCB를 설계하는 경우의 적층구조를 설명하기 위한 분리 사시도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자펜의 원리 및 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6(a)는 전자펜에서의 필압 감지 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 인덕터와 커패시터로 루프를 구성하여 구현한 공진 회로에 대하여 커패시터(C)에 병렬로 복수(본 예에서는 4개)의 필압 감지용 커패시터(ΔC1, ΔC2, ΔC3, ΔC4)가 스위치를 통해 추가된 회로를 도시하고 있다. 이러한 회로 구성에 의하면, 각 스위치의 동작에 따라서 공진 회로 전체의 커패시턴스가 변화하게 될 것을 예측할 수 있다. 또한, 필압에 따라서 각 스위치들의 동작이 제어될 수 있다면, 필압을 필압 감지용 커패시터들의 추가에 따라서 단계적으로 측정할 수 있음을 예측할 수 있다.

도 6(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자펜으로서, 도 6(a)에 도시된 바와 같은 회로를 전자펜에 구현한 형태의 중요한 부분만을 간략하게 도시한 도면이고, 도 6(c)는 적층식 필압 센서의 필압 감지부와 전도성 탄성체 유닛의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 이들 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 필압 감지 기능을 가지는 전자펜의 원리 및 구성을 간단하게 설명한 후, 본 발명의 적층식 필압 센서의 구조 및 동작은 후술하겠다.

본 발명의 실시 예에 따른 전자펜(1)은 배터리를 내장하지 않은 수동형 전자펜을 기준으로 설명하지만, 이에 한정되지 않고 배터리가 내장되어 있는 능동형 전자펜에도 적용될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 전자펜(1)은 펜팁(300)과, 페라이트 코어(400)와, 커패시터(C)와, 전도성 탄성체 유닛(500)과, 적층식 필압 센서(600)를 포함한다.

펜팁(300)은 전자펜의 전방을 향하도록 배치되고, 펜팁(300)에는 인덕터(L)를 이루는 코일이 감긴 페라이트 코어(400)가 연결되어 있다. 그리고 페라이트 코어(400)의 후방에는 전도성 탄성체 유닛(500)이 마련되어 있다.

펜팁(300)은 전자펜(1)의 전방에 위치하여 휴대폰, 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기 등의 디스플레이 부분과 접촉하는 부분으로서 필기구의 촉과 같은 역할을 하며, 본 실시 예에서는 전자펜 감지 디스플레이의 펜감지 영역에 접촉할 때 작용하는 필압에 의해 전자펜의 몸체에 대하여 상대이동 가능하게 마련된다.

코일이 감긴 페라이트 코어(400)는 인덕터(L)를 이루며 커패시터(C) 및 후술할 필압 감지용 커패시터(ΔC)와 함께 공진회로를 구성하게 된다.

전도성 탄성체 유닛(500)은 적층식 필압 센서(600)를 향해 볼록한 형태의 반구형으로 형성되며, 필압에 따라 변형되는 전도성 고무일 수 있다.

한편, 전도성 탄성체 유닛(500)의 근방에는, 공진 주파수를 변경하기 위해 커패시턴스를 디지털적으로 변경시키기 위한 복수의 필압 감지용 커패시터(ΔC1, ΔC2, ΔC3, ΔC4)가 적층식으로 형성된 적층식 필압 센서(600)와 서로 접촉가능하게 근접하여 배치되어 있다.

필압 감지용 커패시터(ΔC)는 펜팁(300)의 이동에 기초하여 전도성 탄성체 유닛(500)과의 접촉에 의해 공진 회로에 선택적으로 연결된다.

그리고 커패시터(C)가 적층식 필압 센서(600)와 연결되어 있으며, 커패시터(C)는 앞에서 설명한 바와 같이 공진 회로를 구성하는 것이다.

이러한 구성을 포함하는 전자펜을 사용자가 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에 접촉시키면, 펜팁(300)에 작용하는 필압에 의한 압력이 페라이트 코어(400)에 작용하여 전도성 탄성체 유닛(500)이 필압 측정 센서(600)에 접촉하게 되고, 전자펜을 더 세게 접촉시켜 필압이 더 강하게 작용하게 되면, 전도성 탄성체 유닛(500)이 필압 측정 센서(600)에 눌려 찌그러지게 되고, 찌그러짐에 따라 전도성 탄성체 유닛(500)과 필압 측정 센서(600)의 접촉 면적이 넓어지게 된다.

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 필압이 약하게 작용하는 경우에는 전도성 탄성체 유닛(500)과 적층식 필압 센서(600)의 접촉 면적은 A가 되고 이보다 큰 필압이 작용하는 경우의 접촉 면적은 B가 된다.

이때, 각 필압 감지용 커패시터(ΔC)의 접촉 전극인 센서 패턴(632)을 접촉면의 넓이에 따라 순차적으로 전도성 탄성체 유닛(500)에 접속되도록 배치한다면, 전도성 탄성체 유닛(500)에 작용하는 필압에 따라서 순차적으로 필압 감지용 커패시터가 공진 회로에 연결되도록 할 수 있다.

즉, 전도성 탄성체 유닛(500)과 적층식 필압 센서(600)의 접촉에 의해 도 6(a)의 스위치를 닫는 효과가 발생하게 되는 것이다.

한편, 적층식 필압 센서(600)는 필압 감지부(601)와 커패시터부(602)를 포함하는데, 이에 대한 자세한 구조는 후술하기로 한다.

적층식 필압 센서(600)의 필압 감지부(601)에는 하나의 중심전극(611)과 각 필압 감지용 커패시터(ΔC1, ΔC2, ΔC3, ΔC4)를 형성하는 센서 패턴(632)들이 중심전극(611)으로부터 순차적으로 이격되어 배치되어 있다.

점선으로 도시된 전도성 탄성체 유닛(500, 도 6(c) 참조)은, 전자펜에 필압이 작용하지 않는 상태로서, 중심전극(611)에 살짝 접촉하고 있는 것으로 도시되어 있다. 물론, 이 상태에서는 전도성 탄성체 유닛(500)이 중심전극(611) 및 센서 패턴(632)의 어느 것에도 접촉하고 있지 않도록 이격된 상태로 유지되어도 무방하다.

다만, 이격된 상태를 유지하는 경우에는 인덕터(L)와 커패시터(C)만으로 공진회로가 구성되도록 회로가 구성되어야 할 것이다.

실선으로 도시된 전도성 탄성체 유닛(500)은, 전자펜의 펜팁(300)에 필압이 작용하여, 전도성 탄성체 유닛(500)이 적층식 필압 센서(600)의 필압 감지부(601)에 눌려 찌그러진 상태를 보여주고 있다. 도시된 상태에서는, 중심전극(611)을 포함하여, 2개의 필압 감지용 커패시터(ΔC1 및 ΔC2)의 접촉 전극에까지 전도성 탄성체 유닛(500)의 접촉면이 형성된 것을 볼 수 있다.

이 상태에서는 공진 회로의 커패시턴스는 C+ΔC1+ΔC2로 나타날 것이고, 공진 주파수는

로 변화할 것이며, 이에 의해 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기에서는 변화된 공진 주파수로부터 커패시턴스의 변화량을 산출하고, 필압을 인식하게 될 것이다.

도 5에 대하여 전술한 바와 같이, 종래의 기술에 따른 평면형 필압 센서를 갖는 전자펜에 있어서는, 접촉전극(223)이 전도성 고무(210)의 이동방향과 수직으로 배치되므로, 접촉전극(223)이 전도성 고무(210)와 선 접촉을 하여, 접촉 가능한 접촉전극(223)의 수는 하나의 축을 따라 점진적으로 늘어나게 된다.

따라서 평면 기판의 폭에 따라 형성할 수 있는 전극수가 제한되어 측정 가능한 필압의 변화 단계가 제한되어 미세한 필압의 변화를 측정할 수 없으므로, 이를 개선할 필요가 있다.

이러한 종래의 기술에 따른 평면형 필압 센서와 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층식 필압 센서(600)의 경우에는, 후술할 구조에 의해 필압 감지용 커패시터(ΔC)를 형성하는 전극층을 수직방향으로 적층시킴으로써, 필압 감지용 커패시터(ΔC)가 전도성 탄성체 유닛(500)의 이동방향을 따라 길게 배치되어 전도성 탄성체 유닛(500)과 점접촉을 하게 된다.

따라서 하나의 축이 아니라 수평 방향 및 수직 방향의 두개의 축을 따라 필압 감지용 커패시터(ΔC)들을 형성할 수 있으므로, 필압 감지용 커패시터(ΔC)의 수를 대폭 증가시킬 수 있어 필압의 감지 단계를 더욱 세분화 할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층식 필압 센서와 전도성 탄성체 유닛을 도시한 사시도이고, 도 8은 적층식 필압 센서의 적층구조를 설명하기 위한 분리 사시도이며, 도 9는 도 8의 적층식 필압 센서의 센터 레이어를 도시한 사시도이고, 도 10은 도 8의 적층식 필압 센서의 센서 패턴 레이어를 도시한 사시도이며, 도 11은 도 8의 적층식 필압 센서의 그라운드 레이어를 도시한 사시도이다.

이하에서는, 이들 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층식 필압 센서의 구조를 설명한다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 적층식 필압 센서(600)는 센터 레이어(610)와, 센서 패턴 레이어(630)와, 그라운드 레이어(650)를 포함하며, 이들이 수직방향으로 적층되는 구조를 가진다.

한편, 적층식 필압 센서(600)는 전도성 탄성체 유닛(500)이 접촉하는 필압 감지부(601)와 그 외의 부분인 커패시터부(602)로 구분될 수 있다.

본 실시 예에서, 센터 레이어(610)의 상부에는 제1 센서 패턴 레이어(630a)가 배치되고, 하부에는 제2 센서 패턴 레이어(630b)가 배치되어 센터 레이어(610)를 중심으로 대칭되게 배치된다.

이때 센터 레이어(610)와 제1 센서 패턴 레이어(630a) 사이에는 제1 그라운드 레이어(650a)가 배치되며, 센터 레이어(610)와 제2 센서 패턴 레이어(630b) 사이에는 제2 그라운드 레이어(650b)가 배치된다.

그리고 제1 센서 패턴 레이어(630a)의 상부에는 제3 센서 패턴 레이어(630c)가 배치되며, 제1 센서 패턴 레이어(630a)와 제3 센서 패턴 레이어(630c) 사이에는 제3 그라운드 레이어(650c)가 배치된다.

한편, 센터 레이어(610)를 중심으로 대칭되게 배치되기 위해, 제2 센서 패턴 레이어(630b)의 하부에는 제4 센서 패턴 레이어(미도시)가 배치되고, 제2 센서 패턴 레이어(630b)와 제4 센서 패턴 레이어(미도시) 사이에는 제4 그라운드 레이어(미도시)가 배치된다.

즉, 센터 레이어(610)의 상부 방향으로는 제1 그라운드 레이어(650a), 제1 센서 패턴 레이어(630a), 제3 그라운드 레이어(650c), 제3 센서 패턴 레이어(630c) 순으로 배치되며, 나아가 제5 그라운드 레이어(미도시), 제5 센서 패턴 레이어(미도시) 순으로 추가 배치될 수 있다.

반대로, 센터 레이어(610)의 하부 방향으로는 제2 그라운드 레이어(650b), 제2 센서 패턴 레이어(630b), 제4 그라운드 레이어(미도시), 제4 센서 패턴 레이어(미도시) 순으로 배치되며, 나아가 제6 그라운드 레이어(미도시), 제6 센서 패턴 레이어(미도시) 순으로 추가 배치될 수 있다.

이러한 적층구조를 가짐으로써, 적층식 필압 센서(600)의 외부 단면에 필압 감지부(601)가 형성되며, 적층구조의 내부에 필압 감지용 커패시터들(ΔC1, ΔC2, ΔC3, ΔC4)이 형성되어 적층식 필압 센서(600)의 몸체는 커패시터부(602)가 된다.

한편, 필압 감지용 커패시터(ΔC)는 센서 패턴 레이어(630)와 그라운드 레이어(650)가 동시에 공진회로에 연결되면 서로 대전된 상태가 됨으로써 활성화된다.

그라운드 레이어(650)는 항상 공진회로에 연결되어있으며, 센서 패턴 레이어(630)가 공진회로에 선택적으로 연결됨으로써 필압 감지용 커패시터(ΔC)가 활성화 되는데, 이는 전도성 탄성체 유닛(500)이 필압 감지부(601)에 접촉하는 면적이 점진적으로 증가하면서 센터 레이어(610)와 센서 패턴 레이어(630)를 선택적으로 연결시키는 동작에 의해 이루어진다.

필압 감지부(601)는 전도성 탄성체 유닛(500)과 접촉 가능하도록 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향으로 적층식 필압 센서(600)의 일단부가 노출되어 형성되며, 중심전극(611)과 복수 개의 센서 패턴(632)이 노출되어 있다.

필압 감지부(601)의 단면은 사각형 및 원형 중 어느 하나일 수 있으며, 본 실시 예에서는 사각형의 단면이지만, 만약 원형으로 제작되는 경우에는 전도성 탄성체 유닛(500)과 단면이 동일하므로 최대 접촉면적과 동일하게 제작할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 실시 예에서는 필압감지부(601)가 평면이지만, 곡면으로 제작될 수도 있으며, 이 경우 전도성 탄성체 유닛(500)을 평면으로 설계할 수 있게 된다.

적층구조의 측면부에 필압 감지부(601)가 형성됨으로써, 종래의 평면형 필압 센서와 달리 센서 패턴 전극(631)의 센서 패턴(632)과 점접촉을 하기 때문에 훨씬 많은 수의 필압 감지 커패시터(ΔC)를 추가시킬 수 있게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 중심전극(611)은 필압 감지부(601)의 중심을 가로지르며 노출되어 있으며, 복수 개의 센서 패턴(632)이 중심전극(611)을 기준으로 하여 수직 방향으로 대칭되도록 일정한 간격을 두고 상호 이격 배치되어 있다.

본 실시 예에서는, 센서 패턴(632)들이 수직 방향을 따라 일렬로 배치되어 있으나, 인접한 층의 센서 패턴(632)과 어긋나게 배치하여 수직 방향으로 지그재그 형태를 갖도록 배치함으로써, 접촉 면적에 따라 접촉되는 센서 패턴(632)의 수를 조절할 수도 있을 것이다.

이렇게 수직 방향으로 적층된 구조를 가짐으로써, 필압이 강할수록 전도성 탄성체 유닛(500)이 접촉하는 면적이 넓어지게 되면서, 선택적으로 접촉되는 센서 패턴 레이어(630)의 수가 수직 방향으로 점진적으로 늘어나게 된다.

나아가, 센서 패턴(632)들이 동일 층의 센서 패턴 레이어(630)에서 수평방향으로 상호 이격되어 복수 개 마련됨으로써, 필압이 강할수록 전도성 탄성체 유닛(500)이 접촉하는 면적이 넓어지게 되면서, 선택적으로 접촉되는 센서 패턴(632)의 수가 수평 방향으로도 점진적으로 늘어나게 된다.

이렇게 적층식 필압 센서(600)의 외부 단면에 형성된 필압 감지부(601)에 수직 방향과 더불어 수평방향으로도 선택적으로 접촉되는 필압 감지용 커패시터가 배치됨으로써 종래의 평면형 필압 센서와 달리 필압 감지 커패시터를 대폭 증가시킬 수 있어 필압의 감지 단계를 더욱 세분화 할 수 있게 된다.

한편, 센터 레이어(610)는 전도성 탄성체 유닛(500)이 접촉되는 곳으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 중심전극(611)과, 보조전극(612)과, 센터 레이어 그라운드 전극(613)을 포함하며, 이러한 전극들은 유전체 기판(615)에 마련된다.

본 실시 예에 한정되지 않고, 유전체 기판(615)은 일반적인 PCB 설계의 경우와 같이 전극들을 본딩(bonding)하도록 프리프레그(prepreg)에 의해 형성될 수도 있다.

중심전극(611)은 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향인 필압 감지부(601)측으로 일단부가 노출되도록 마련되며, 보조전극(612)은 일측이 중심전극(611)과 연결되고 타측은 필압 감지부(601)가 아닌 다른 방향으로 노출되도록 마련된다.

본 실시 예에서는, 중심전극(611)이 필압 감지부(601)로 노출된 부분이 센터 레이어(610)의 길이와 동일하지만, 이와 달리 필압 감지부(601)의 중심부에만 노출되도록 하거나, 일정한 간격을 두고 이격된 복수개의 노출부분이 형성될 수도 있을 것이다.

필압 감지부(601)가 아닌 다른 방향으로 노출된 보조전극(612)의 일단부는 공진회로와 연결되며, 전류가 흘러들어오면 중심전극(611)을 거쳐 필압 감지부(601)에 접촉된 전도성 탄성체 유닛(500)으로 흐르게 된다.

센터 레이어 그라운드 전극(613)은 중심전극(611) 및 보조전극(612)과 연결되지 않도록 이격되어 마련되며, 센터 레이어(610)의 상하에 배치되는 그라운드 레이어(650)의 그라운드 전극(653)을 연결하는 역할을 한다.

한편, 그라운드 레이어(650)는 센터 레이어(610) 및 센서 패턴 레이어(630) 사이에 배치되며, 도 11에 도시된 바와 같이, 무전극부(651)와 전극부(652)를 포함한다.

무전극부(651)는 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향에 인접하게 마련되어 필압 감지부(601)측으로 일단부가 노출되며, 유전체 기판으로 형성되고 도체가 아니기 때문에 전극부(652)와 전도성 탄성체 유닛(500) 사이에 전류가 흐르는 것을 막아준다.

전극부(652)는 전도성 탄성체 유닛(500)과 접촉하지 않도록 무전극부(651)의 일측에 마련되며, 유전체 기판(655)에 코팅되는 전극층에 의해 마련되는 그라운드 전극(653)이다.

그라운드 전극(653)은 항상 공진회로에 연결된 상태이며, 후술할 센서 패턴 전극(631)이 공진회로와 선택적으로 연결될 때 센서 패턴 전극(631)과 대전된 상태가 되어 필암 감지용 커패시터(ΔC)로서 활성화된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 그라운드 전극(653)과 인접한 그라운드 전극(653)과 사이에는 센터 레이어 그라운드 전극(613) 또는 센서 패턴 레이어 그라운드 전극(633)이 배치된다.

이렇게 센터 레이어 그라운드 전극(613) 또는 센서 패턴 레이어 그라운드 전극(633)을 마련함으로써, 도 8의 점선을 따라 각 층을 관통하여 그라운드 전극(653)끼리 연결시킬 수 있게 되고, 최종적으로는 공진회로에 연결된다.

한편, 센서 패턴 레이어(630)는 전도성 탄성체 유닛(500)과 선택적으로 접촉하여 필압 감지용 커패시터(ΔC)들을 형성하는 역할을 하고, 도 10에 도시된 바와 같이, 센서 패턴 전극(631)과 센서 패턴 레이어 그라운드 전극(633)를 포함하며, 이들 전극은 유전체 기판(635)에 마련된다.

센서 패턴 전극(631)은 일단부가 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향으로 노출되도록 마련되며 노출된 부분이 센서 패턴(632)을 형성한다.

센서 패턴 전극(631)은 필압 감지부(601)와 수직한 방향으로 길게 형성되며, 복수개의 센서 패턴 전극(631)이 동일한 센서 패턴 레이어(630)에서 일정한 간격으로 상호 이격되어 마련되는데, 공진회로와 선택적으로 연결될 때 그라운드 전극(653)과 대전된 상태가 되어 필암 감지용 커패시터(ΔC)로서 활성화된다.

이렇게 센서 패턴 전극(631)이 동일한 센서 패턴 레이어(630)에서 일정한 간격으로 상호 이격되어 마련됨으로써, 필압 감지부(601)에는 센서 패턴(632)이 수평방향을 따라 동일한 센서 패턴 레이어(630)에 일정한 간격으로 상호 이격되어 형성된다.

결국 필압 감지부(601)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 센서 패턴(632)이 수직방향 및 수평방향의 두 축을 따라 일정한 간격으로 상호 이격되어 형성됨으로써, 전도성 탄성체 유닛(500)이 센서 패턴(632)과 점 접촉을 하기 때문에, 종래의 평면형 필압 센서와 달리 필압 감지 커패시터(ΔC)의 수를 대폭 증가시킬 수 있게 된다.

센서 패턴 레이어 그라운드 전극(633)은 센서 패턴 전극(631)과 연결되지 않도록 이격되어 마련되며, 센서 패턴 레이어(630)의 상하에 배치되는 그라운드 레이어(650)의 그라운드 전극(653)을 연결하는 역할을 한다.

이하에서는, 도 12를 참조하여, 이러한 구조를 가지는 적층식 필압 센서(600)의 작용 및 효과를 설명한다.

도 12는 도 7의 적층식 필압 센서의 동작을 설명하기 위해 각 전극들이 연결된 형태를 간략하게 도시한 적층식 필압 센서를 측면에서 본 단면도이다.

도시된 바와 같이, 센터 레이어 그라운드 전극(613)과 센서 패턴 레이어 그라운드 전극(633)에 의해 모든 그라운드 전극(653a, 653b, 653c, 653d, 653e, 653f)이 하나로 연결되어 있고, 공진회로에 연결되어 있는 상태이다.

또한, 전도성 탄성체 유닛(500)은 센터 레이어의 중심 전극(611)과 제1 센서 패턴 레이어의 제1 센서 패턴 전극(632a)과 제2 센서 패턴 레이어의 제2 센서 패턴 전극(632b)과 접촉된 상태이다.

따라서, 공진회로로부터 보조전극(612)과 중심전극(611)과 전도성 탄성체 유닛(500)을 거쳐 제1 센서 패턴 레이어의 제1 센서 패턴 전극(632a)과 제2 센서 패턴 레이어의 제2 센서 패턴 전극(632b)까지 연결된 상태가 되는 것이다.

결국 공진회로에 연결된 제1 센서 패턴 전극(632a)과 제2 센서 패턴 전극(632b) 및 이들과 인접한 그라운드 전극(653a,653b, 653c, 653d)이 빗금친 부분의 유전체 기판을 사이에 두고 대전된 상태가 되어 일정한 정전용량을 가진 필압 감지용 커패시터(ΔC1, ΔC2, ΔC3, ΔC4)가 활성화된다.

만약, 지금 상태보다 필압이 더 가해지게 되면, 전도성 탄성체 유닛(500)은 제3 센서 패턴 레이어의 제3 센서 패턴 전극(632c)과 제4 센서 패턴 레이어의 제4 센서 패턴 전극(632d)까지 접촉하게 될 것이고, 더 많은 필압 감지용 커패시터가 활성화될 것이다.

도 12는 측면도이므로 수직 방향을 따라 점진적으로 접촉면적을 늘려가면서 필압 감지용 커패시터가 활성화되는 과정을 설명하였으나, 이는 수평 방향으로 점진적으로 접촉면적을 늘려가면서 필압 감지용 커패시터가 활성화되는 과정에서도 마찬가지로 적용된다.

다만, 동일층의 그라운드 전극(653)은 하나의 전극으로 마련되나, 동일층의 센서 패턴 전극(631)은 수평 방향을 따라 상호 이격되도록 복수 개 마련된다는 차이점이 있다.

따라서, 필압이 증가하여 접촉 면적이 증가하게 되면, 활성화된 필압 감지용 커패시터의 수가 증가하게 되므로 이에 따라 공진회로의 주파수가 변화하게 되어 터치형 디스플레이를 구비한 전자기기터치형 디스플레이를 구비한 전자기기터치형 디스플레이를 구비한 전자기기진 주파수로부터 커패시턴스의 변화량을 산출하고, 필압을 인식하게 될 것이다.

이와 같이, 본 실시 예에 따르면, 적층식 필압 센서를 구비함으로써 필압 감지용 커패시터가 수직적으로 배열됨과 동시에 수평적으로 배열할 수 있기 때문에, 평면형 필압 센서에 비하여 필압 감지용 커패시터의 수를 대폭 증가시킬 수 있어 필압 감지 단계를 더욱 세밀하게 나누어 미세한 필압의 변화를 측정할 수 있도록 개선할 수 있게 된다.

본 실시 예에 따른 적층식 필압 센서를 구비함으로써 얻을 수 있는 추가적인 효과는 다음과 같다.

종래의 평면형 필압 센서는 접촉 전극이 공기중에 노출되어 있어서 노출된 전극의 산화 가능성이 높아질 수 있으며, 한정된 면적에 다수의 전극을 설치하기 위해 전극의 폭을 줄이게 되면 반복되는 필압측정에 의해 전극과 기판의 점착력 저하로 전극 패턴이 손상될 수 있는 문제점이 생길 수 있게 된다.

그러나 본 실시 예에 따른 적층식 필압 센서는 필압 감지용 커패시터의 센서 패턴 전극(632)과 그라운드 전극(653)의 대부분이 적층식 필압 센서(600)의 내부에 위치하게 됨으로써, 공기중에 노출된 전극의 면적을 최소화 할 수 있어 전극의 산화 가능성이 낮아지게 된다.

또한 센서 패턴 전극(632)과 전도성 탄성체 유닛이, 수직한 방향으로 점접촉을 하기 때문에 반복되는 필압측정에 의해서도 전극과 기판의 점착력 저하로 패턴이 손상될 수 있는 문제가 발생할 확률이 현저히 감소하게 된다.

결국, 적층식 필압 센서의 내부에 필압 감지용 커패시터가 형성됨으로써 적층식 필압 센서의 내구성이 증진되어 전자펜의 수명이 증가시킬 수 있게 된다.

도 13은 다층 PCB를 설계하는 경우의 적층구조를 설명하기 위해 간략하게 도시한 단면도이고, 도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 6층 PCB를 설계하는 경우의 적층구조를 설명하기 위한 분리 사시도이다.

6층의 구조를 가지는 PCB를 설계함에 있어서 기본구조는, 도 13에 자세히 도시된 바와 같이, 2개의 코어층(core, 800)과 3개의 프리프레그층(prepreg, 700)이 교대로 배치되고 각 층의 사이에 전극(900)이 배치된다.

이때 코어층(800)이 상대적으로 간격이 넓고 프리프레그층(700)은 상대적으로 간격이 좁기 때문에, 대전되는 두 전극에 의해 형성되는 필압 감지용 커패시터(ΔC)가 더욱 큰 정전용량을 얻기 위해서는 필압 감지용 커패시터(ΔC)를 형성하는 센서 패턴 전극(631, 도 8 참조)과 그라운드 전극(653, 도 8 참조)이 프리프레그층(700)을 사이에 두고 배치되어야 할 것이다.

도 14에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에서는, 제1 실시 예와 달리, 적층식 필압 센서(600)가 센터 겸용 센서 패턴 레이어(670c)를 포함함으로써, 센서 패턴 전극(672a, 672b, 672c)과 그라운드 전극(653a, 653b, 653c)이 프리프레그층(700a,700b,700c)을 사이에 두고 배치되어 형성되는 필압 감지용 커패시터(ΔC1, ΔC2, ΔC3)들이 더욱 큰 정전용량을 가질 수 있다는 이점이 있다.

본 실시 예에서는 센터 겸용 센서 패턴 레이어(670c)의 구조와 적층 순서에서 차이가 날 뿐 기본 원리 및 나머지 구성은 동일하므로, 이하에서는 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 그 설명은 생략한다.

먼저, 센터 겸용 센서 패턴 레이어(670c)는, 도 14에 자세히 도시된 바와 같이, 중심전극(671c)과 센서 패턴 전극(672c)과 센터 겸용 센서 패턴 레이어 그라운드 전극(674c)이 프리프레그층(700c)의 상부에 배치되어 형성된다.

중심전극(671a, 671b, 671c)은 전도성 탄성체 유닛(500)이 접촉되도록 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되면서 센터 겸용 센서 패턴 레이어(670c)의 중앙에 배치되며, 타단부는 공진회로(미도시)와 연결되어있는 상태이다.

자세히 설명하면, 도 14에 자세히 도시된 3개의 중심전극(671a, 671b, 671c)은 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향이 아닌 반대방향의 단부가 서로 연결되어 공진회로(미도시)와 연결된다.

한편, 본 실시 예에서 센서 패턴 전극(672a, 672b, 672c)은 중심전극(671a, 671b, 671c)을 중심으로 대칭되도록 복수 개가 상호 이격되어 배치되고, 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되어 센서 패턴을 형성하게 된다.

자세히 설명하면, 도 14에 자세히 도시된 센서 패턴 전극(672a, 672b, 672c)과 중심전극(671a, 671b, 671c)은 점선으로 표시된 바와 같이 프리프레그층(700a, 700b, 700c)의 단부와 일치하는 길이를 가진다.

이렇게, 전도성 탄성체 유닛(500)에 항상 접촉해야하는 중심전극(671a, 671b, 671c)을 한 층의 중앙에만 배치하고, 센서 패턴 전극(672a, 672b, 672c)을 중심전극(671a, 671b, 671c)의 주변에 배치함으로써, 본 발명의 제1 실시 예의 센터 레이어와 달리, 한 층 내에서도 중심전극(671a, 671b, 671c)에 의해 공진회로와 연결됨과 동시에 센서 패턴 전극(672a, 672b, 672c)에 의해 필압 감지용 커패시터를 형성하여, 중심층에도 필압 감지용 커패시터들을 형성할 수 있는 이점이 있다.

즉, 하나의 층에 중심전극(671a, 671b, 671c)과 센서 패턴 전극(672a, 672b, 672c)을 함께 구비함으로써, 제1 실시 예에서의 센터 레이어(610, 도 8 참조)와 센서 패턴 레이어(630, 도 8 참조)의 역할을 동시에 할 수 있다.

또한, 본 실시 예에 따르면, 제1 그라운드 전극(653a)의 상부에 제1 중심전극(671a)과 제1 센서 패턴 전극(672b)이 배치되고 그 사이에 제1 프리프레그층(700a)이 배치됨으로써, 제1 그라운드 전극(653a)과 제1 센서 패턴 전극(672b)이 필압 감지용 커패시터(ΔC1)를 형성하며, 이때 코어층(800)을 사이에 두는 것보다 전극간의 간격을 좁게 할 수 있어 더욱 큰 정전용량을 얻을 수 있게 된다.

코어층(800)은 제2 그라운드 전극(653b)과 제3 그라운드 전극(653c)의 하부에 배치됨으로써 필압 감지용 커패시터(ΔC1, ΔC2, ΔC3)들의 내부가 아닌 외부에 위치하여 정전용량의 변화와 무관하게 될 수 있다.

나아가, 본 실시 예에서는 3개의 중심전극(671a, 671b, 671c)이 배치됨으로써, 중심전극(671a, 671b, 671c)이 전도성 탄성체 유닛(500)과 더욱 안정적으로 접촉될 수 있다.

한편, 그라운드 전극(653a, 653b, 653c)은 점선으로 표시된 바와 같이 프리프레그층(700a, 700b, 700c)과 코어층(800)보다 짧은 길이를 가지므로, 전도성 탄성체 유닛(500)과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되지 않아 전도성 탄성체 유닛(500)과는 접촉하지 않는다.

그리고, 모든 그라운드 전극(653a, 653b, 653c)은 점선으로 표시된 바와 같이 비아홀 등을 통해 프리프레그층(700a, 700b, 700c)과 코어층(800)을 관통하여 연결된다.

도 15는 본 발명의 제3 실시 예에 따라 4층 PCB를 설계하는 경우의 적층구조를 설명하기 위한 분리 사시도이다.

본 실시 예는, 제2 실시 예와 비교할 때, 적층 순서에서 차이가 날 뿐 기본 원리 및 나머지 구성은 동일하므로, 이하에서는 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 그 설명은 생략한다.

4층의 구조를 가지는 PCB를 설계함에 있어서 기본구조는, 도 13에 자세히 도시된 바와 같이, 1개의 코어층(800)과 2개의 프리프레그층(700d, 700e)이 필요하므로, 필압 감지용 커패시터(ΔC4, ΔC5)가 더욱 큰 정전용량을 얻기 위해서는 상대적으로 간격이 좁은 프리프레그층(700d, 700e)을 사이에 두고 센서 패턴 전극(672d, 672e)와 그라운드 전극(653d, 653e)이 배치된다.

본 실시 예는, 제2 실시 예와 달리 하나의 코어층(800)이 중심에 배치되고, 코어층(800)에 인접하여 중심전극(671d, 671e)과 센서 패턴 전극(672d, 672e)이 배치되며, 그라운드 전극(653d, 653e)은 더 멀어지는 방향으로 배치되므로, 결국 필압 감지용 커패시터(ΔC4, ΔC5)가 코어층(800)을 중심으로 대칭되는 형태의 적층구조를 갖게 된다.

본 실시 예는 6층 PCB 구조보다 간단한 구조를 가질 수 있으며, 2개의 중심전극(671d, 671e)이 배치됨으로써, 중심전극(671d, 671e)이 전도성 탄성체 유닛(500)과 안정적으로 접촉될 수 있다.

이상 도면을 참조하여 본 실시 예에 대해 상세히 설명하였지만 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

L : 인덕터 C : 커패시터
210 : 전도성 고무 220 : 평면형 필압 센서
300 : 펜팁 400 : 페라이트 코어
500 : 전도성 탄성체 유닛 600 : 적층식 필압 센서
601 : 필압 감지부 602 : 커패시터부
610 : 센터 레이어 611 : 중심전극
630 : 센서 패턴 레이어 631 : 센서 패턴 전극
632 : 센서 패턴 650 : 그라운드 레이어
651 : 무전극부 652 : 전극부
653 : 그라운드 전극 670 :센터 겸용 센서 패턴 레이어
ΔC : 필압 감지용 커패시터

Claims (19)

1. 전방에 위치하여 전자펜 감지 디스플레이의 펜감지 영역에 접촉할 때 작용하는 필압에 의해 이동 가능한 펜팁;
   공진 회로를 구성하는 인덕터;
   상기 펜팁에 연결되되 상기 펜팁의 반대측에 마련되는 전도성 탄성체 유닛; 및
   상기 펜팁의 이동에 기초하여 상기 전도성 탄성체 유닛이 상기 공진 회로에 선택적으로 연결하는 필압 감지용 커패시터들이, 상기 전도성 탄성체 유닛과 접촉 가능하도록 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 수직방향으로 적층되는 적층식 필압 센서를 포함하는 전자펜.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적층식 필압 센서는,
   일측에 마련되되 상기 필압 감지용 커패시터들의 일단부가 노출되는 필압 감지부; 및
   상기 필압 감지부와 연결된 커패시터부를 포함하는 전자펜.
3. 제1항에 있어서,
   상기 필압이 강할수록 상기 전도성 탄성체 유닛이 접촉하는 면적이 넓어지게 됨으로써 선택적으로 접촉되는 수가 점진적으로 늘어나도록, 상기 필압 감지용 커패시터들은 동일 층에서도 수평방향으로 상호 이격되어 복수 개 마련되는 전자펜.
4. 제3항에 있어서,
   상기 적층식 필압 센서는,
   상기 전도성 탄성체 유닛이 접촉되는 센터 레이어;
   상기 전도성 탄성체 유닛과 선택적으로 접촉하여 상기 필압 감지용 커패시터들이 형성되는 센서 패턴 레이어; 및
   상기 센터 레이어 및 상기 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 그라운드 레이어를 포함하는 전자펜.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전도성 탄성체 유닛이 상기 센서 패턴 레이어에 접촉되는 경우 상기 센서 패턴 레이어와 상기 센터 레이어가 선택적으로 연결되고,
   상기 그라운드 레이어는 상기 센서 패턴 레이어와 함께 필압 감지용 커패시터를 형성하는 전자펜.
6. 제4항에 있어서,
   상기 센터 레이어는,
   상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되는 중심전극; 및
   상기 중심전극과 상기 공진회로를 연결하도록 마련되는 보조전극을 포함하는 전자펜.
7. 제6항에 있어서,
   상기 센터 레이어는,
   상기 중심전극 및 상기 보조전극과 연결되지 않도록 이격되어 마련되는 센터 레이어 그라운드 전극을 더 포함하는 전자펜.
8. 제4항에 있어서,
   상기 그라운드 레이어는,
   상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향에 인접하는 무전극부; 및
   상기 전도성 탄성체 유닛과 접촉하지 않도록 상기 무전극부의 일측에 마련되는 전극부를 포함하는 전자펜.
9. 제8항에 있어서,
   상기 무전극부는 유전체 기판으로 형성되며,
   상기 전극부는 상기 유전체 기판에 코팅되는 전극층에 의해 마련되는 그라운드 전극인 전자펜.
10. 제4항에 있어서,
    상기 센서 패턴 레이어는,
    상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 상호 이격되는 복수의 센서 패턴을 형성하는 센서 패턴 전극; 및
    상기 센서 패턴 전극과 연결되지 않도록 이격되어 마련되는 센서 패턴 레이어 그라운드 전극을 포함하는 전자펜.
11. 제4항에 있어서,
    상기 센서 패턴 레이어는,
    상기 센터 레이어를 중심으로 대칭으로 배치되는 제1 센서 패턴 레이어 및 제2 센서 패턴 레이어를 포함하며,
    상기 그라운드 레이어는,
    상기 센터 레이어와 상기 제1 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 제1 그라운드 레이어; 및
    상기 센터 레이어와 상기 제2 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 제2 그라운드 레이어를 포함하는 전자펜.
12. 제11항에 있어서,
    상기 센서 패턴 레이어는,
    상기 제1 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제3 센서 패턴 레이어를 더 포함하며,
    상기 그라운드 레이어는,
    상기 제1 센서 패턴 레이어와 상기 제3 센서 패턴 레이어 사이에 배치되는 제3 그라운드 레이어를 더 포함하는 전자펜.
13. 제3항에 있어서,
    상기 적층식 필압 센서는,
    상기 전도성 탄성체 유닛이 접촉되는 중심전극을 구비하며, 상기 전도성 탄성체 유닛과 선택적으로 접촉하여 상기 필압 감지용 커패시터들이 형성되는 센터 겸용 센서 패턴 레이어; 및
    상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어 사이의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 곳에 배치되는 그라운드 레이어를 포함하는 전자펜.
14. 제13항에 있어서,
    상기 중심전극은 상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되 상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 중앙에 배치되며,
    상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어는,
    상기 전도성 탄성체 유닛과 대향되는 방향으로 일단부가 노출되되, 상기 중심전극을 중심으로 대칭되도록 상호 이격되는 복수의 센서 패턴을 형성하는 센서 패턴 전극; 및
    상기 센서 패턴 전극과 연결되지 않도록 이격되어 마련되는 센서 패턴 레이어 그라운드 전극을 더 포함하는 전자펜.
15. 제14항에 있어서,
    상기 적층식 필압 센서는,
    상기 그라운드 레이어의 상부에 배치되며, 상기 전도성 탄성체 유닛과 선택적으로 접촉하여 상기 필압 감지용 커패시터들이 형성되는 센서 패턴 레이어를 더 포함하는 전자펜.
16. 제14항에 있어서,
    상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어는,
    상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어; 및
    상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어를 포함하며,
    상기 그라운드 레이어는,
    상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 하부에 배치되는 제1 그라운드 레이어; 및
    상기 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 그라운드 레이어를 포함하는 전자펜.
17. 제14항에 있어서,
    상기 센터 겸용 센서 패턴 레이어는,
    상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어; 및
    상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어를 포함하며,
    상기 그라운드 레이어는,
    상기 제1 센터 겸용 센서 패턴 레이어와 상기 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 사이에 배치되는 제1 그라운드 레이어; 및
    상기 제2 센터 겸용 센서 패턴 레이어의 상부에 배치되는 제2 그라운드 레이어를 포함하는 전자펜.
18. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 탄성체 유닛은,
    상기 적층식 필압 센서를 향해 볼록한 형태의 반구형으로 형성되며, 필압에 따라 변형되는 전도성 고무인 전자펜.
19. 제1항에 있어서,
    상기 적층식 필압 센서의 상기 전도성 탄성체 유닛에 대향되는 단면은 사각형 및 원형 중 어느 하나인 전자펜.

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