KR20230114407A - 필압 측정 로드셀 및 이를 적용한 전자펜 - Google Patents

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KR20230114407A
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민병석
최연식
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주식회사 멤스팩
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Abstract

이 발명의 필압 측정 로드셀(100)은 전자펜의 팁에 의해 가해지는 필압에 따른 굽힘 특성을 갖는 회로기판(110)과, 회로기판(110)의 일측 하부면에 중첩 결합되어 회로기판(110)을 전자펜의 내부 프레임 등에 고정 또는 지지 가능한 지지대(120)와, 필압에 따른 회로기판(110)을 굽힘 변형시키고 복원시키는 탄성구조를 갖되 일측은 지지대(120)의 단부와 인접한 회로기판(110)의 하부면에 고정되고 타측은 회로기판(110)의 타측에 고정된 상태에서 회로기판(110)의 상부방향으로 연장되어 전자펜의 팁의 단부가 밀착되거나 고정되는 힌지(130), 및 지지대(120)와의 경계부위 근처의 필압이 가해지는 회로기판(110)의 하부 일측 표면과 대향하는 회로기판(110)의 상부 일측 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지(140)를 포함하여 구성된다.

Description

필압 측정 로드셀 및 이를 적용한 전자펜{Pen pressure measurement load cell and electronic pen applying it}
이 발명은 필압 측정 로드셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 이용하여 전자펜의 팁에 가해지는 수평방향 및 수직방향 쪽으로 작용하는 힘에 따라 변화하는 저항을 감지하여 색의 진하기와 굵기 등을 정밀하게 표현할 수 있는 필압 측정 로드셀에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 필압 측정 로드셀을 적용한 전자펜에 관한 것이기도 하다.
전자펜 시스템은 아날로그와　디지털이　결합된　새로운 개념의 펜으로, 일반 펜처럼 종이에 글자를 쓰면 펜에 내장된　메모리에 필기한 내용이 저장되고, 이를 다시 이미지 파일의 형태로 컴퓨터로 전송해 관리할 수 있도록 만들어진 펜이다. 일반 펜으로 쓴 문서도　스캐너(전자색분해기)로 스캔을 해서 이미지 파일의 형태로 저장할 수 있지만,　전자펜으로 쓴 문서는 스캔 과정이 필요 없고, 별도의 프로그램을 통해 문서를 손쉽게 관리할 수 있는 것이 장점이다. 초기에 개발된 전자펜은 컴퓨터와 연결해야만 사용할 수 있었다. 즉, 전자펜을 사용하려면 항상 컴퓨터의 전원을 켜 두어야 하고, 또한 컴퓨터 가까이에서만 사용해야 하는 불편함이 있었다. 더욱이 컴퓨터에 저장할 경우, 이미지 파일의　해상도가 낮아 내용을 정확히　알아보기　어려운 단점이 있었다.
현재는 전자펜에 내장된 메모리에 필기한 내용이 저장됨으로써 컴퓨터와 연결하기만 하면, 언제든지　디지털 데이터로 바꿀 수 있는 고기능 전자펜도 출시되고 있다. 심지어 전자펜 자체에　액정 디스플레이가 내장되어 있어 필기하는 내용을 직접 화면으로 확인할 수 있는 제품을 비롯해,　케이블에 연결하지 않고 무선으로 데이터를 전송할 수 있는 디지털펜도 개발되고 있으며, 디스플레이 상의 전자펜의 위치 정보를 감지할 수 있는 터치스크린 방식이나 외부에 감지 센서를 장착하여 전자펜의 이동 궤적을 감지할 수 있는 기술 등이 활용되고 있다.
한편, 필기구는 필기구에 작용하는 힘에 따라 필기구에서 표현되는 색의 진하기와 굵기 등이 변화하는 것을 알 수 있다. 필기구에 작용하는 힘을 필압 또는 필력이라 하는데, 태블릿에 실제 펜과 같은 느낌을 주기 위해서 필압 기능의 측정이 필요하다.
전자펜의 필압 측정을 위한 종래 기술의 종류를 설명하면 다음과 같다.
첫째로, FSR(Force Sensing Resistor)센서를 이용한 필압 측정 방법이 있다. 종래의 장치에서는 필압을 표현하기 위해서 힘에 의해서 저항이 바뀌는 FSR센서를 이용한다. 즉, 가해지는 힘에 따라 저항이 변하는 FSR의 특성을 이용하는 것이다. 전자펜의 터치 부위에 센서를 설치하면 필압을 구할 수 있다. 그러나, 이 센서는 힘을 가하다가 펜을 떼면 힘이 0으로 순간적으로 없어지기 어렵다. 즉, 고속의 반복동작에서도 펜에 필압이 존재하지 않으면 힘은 언제나 0으로 측정되어야만 펜은 정상적인 신뢰성을 가지게 된다.
또한, 종래의 필압 측정 장치는 일정 힘으로 누르고 있는 경우에도 계속 힘이 증가하는 것처럼 보이는 구조적 문제를 가질 수 있다. 즉, 상기 FSR 센서는 크리프(creep)특성이 좋지 않은 문제로 인해 고정밀 힘 센서로서는 사용되기 어렵다.
둘째로, 정전용량센서를 이용하여 필압을 측정하는 방법이 있다. 두 전극 사이의 간격이 변화되면, 두 전극 사이에 정전용량(C)의 변화가 발생하며, 정전용량 변화는 다음의 식과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
: 진공의 유전율,
Figure pat00003
: 비유전율, S: 전극 면적, d: 전극 간격이다. 이러한 원리를 이용하여 전자펜의 압력 측정부위에 정전용량센서를 채용하면, 실시간으로 변화되는 필압을 측정할 수 있다.
이러한 두번째의 방법은 힘의 변화에 따라 두 전극의 간격(d)이 변하고, 이 변한 간격으로 인한 정전용량 변화를 측정함으로써 필압을 측정하는 원리를 갖는다. 그러나, 이 방법을 구현하기 위해서는 두 전극 사이에 탄성체를 갖는 물체를 삽입해야 하고 크리프(creep)특성이 없어야 하는 전제 조건이 뒤따른다. 그런데, 정전용량센서를 이용하여 필압을 측정하는 방법에서 이러한 특성을 갖는 탄성체를 이용하거나 구현하기가 힘든 단점이 있다.
한편, 국내 등록특허 제10-2293761호에는 본 출원인이 출원하여 등록받은 "반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 이용한 필압 측정모듈 및 이를 적용한 전자펜"에 대해 공개되어 있다. 이 종래기술은 전자펜의 팁에 의해 가해지는 필압에 따른 탄성거동 특성을 갖는 회로기판과, 회로기판의 탄성거동 영역 중에서 필압이 가해지는 표면과 대향하는 일측 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지, 및 스트레인 게이지 주위의 회로기판에 고정되어 회로기판을 전자펜의 내부 프레임 등에 고정 또는 지지 가능한 지지대를 포함하여 필압 측정모듈을 구성하였다. 즉, 상기 종래기술에서는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 이용하여 전자펜의 팁에 가해지는 힘에 따라 변화하는 저항을 감지하여 색의 진하기와 굵기 등을 정밀하게 표현할 수 있도록 구성하였을 뿐, 실제 전자펜을 이용할 때에 전자펜의 팁에 가해지는 힘의 방향까지 고려해 색의 진하기와 굵기 등을 정밀하게 표현하도록 구성하지는 못하였다.
국내 등록특허 제10-1373203호 국내 공개특허 제2013-0061958호 국내 등록특허 제10-2293761호
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 이용하여 전자펜의 팁에 가해지는 수평방향 및 수직방향 쪽으로 작용하는 힘에 따라 변화하는 저항을 감지하여 색의 진하기와 굵기 등을 정밀하게 표현할 수 있는 필압 측정 로드셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 상기와 같은 필압 측정 로드셀을 적용한 전자펜을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 필압 측정 로드셀은, 전자펜의 팁에 의해 가해지는 필압에 따른 굽힘 특성을 갖는 회로기판과, 상기 회로기판의 일측 하부면에 결합되어 상기 회로기판을 전자펜의 내부에 고정 또는 지지 가능한 지지대와, 상기 회로기판에 고정되어 필압에 따라 상기 회로기판이 굽힘 변형되었다가 원상태로 복원되도록 하는 힌지, 및 상기 지지대와의 경계부위 근처의 굽힘력이 가해지는 상기 회로기판의 하부 일측 표면과 대향하는 상기 회로기판의 상부 일측 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 포함하고, 상기 회로기판은 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지에 접속되어 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 집적회로를 구비하고, 상기 힌지는 상기 회로기판의 상부방향으로 일정 길이로 연장되어 전자펜의 팁의 단부가 밀착되거나 고정되어 전자펜의 팁의 길이방향의 중심축과 상기 회로기판의 길이방향의 중심축이 서로 간에 어긋나도록 하는 연장부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 힌지는 일측이 상기 지지대의 단부와 인접한 상기 회로기판의 하부면에 고정되고, 타측이 상기 회로기판의 타측에 고정된 상태에서 상기 회로기판의 상부방향으로 연장되어 상기 연장부를 형성하고, 상기 힌지의 일측과 타측 사이가 상기 회로기판의 하부면과 이격된 형태를 갖되, 중간 부위에 상기 회로기판의 하부면과 가장 많이 이격되는 절곡부를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 힌지는 상기 절곡부의 양측으로 상기 회로기판의 하부면을 향해 일정 길이의 하향 경사진 형태 및 상향 경사진 형태를 갖되 서로 간에 대칭되는 형태를 갖는 것이 더 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 회로기판은 평판이거나 평판의 중앙 부분이 일정 크기로 파여 개방된 형태를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 지지대는 상기 회로기판과 동일한 PCB로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전자펜은, 상기와 같이 구성된 필압 측정 로드셀을 적용하여 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 전자펜의 팁에 의해 쓰여지는 글자나 모양을 감지하는 광학장치를 포함하고, 전자펜의 전방공간을 상하로 분할하여 하부에 상기 광학장치를 배치하고 상부에 상기 필압 측정 로드셀을 배치하여 구성하는 것이 바람직하다.
이 발명은 전자펜의 팁의 길이방향의 중심축과 스트레인 게이지가 부착되는 회로기판의 길이방향의 중심축을 서로 간에 어긋나게 배치하여, 전자펜을 이용할 때에 전자펜의 팁에 가해지는 수평방향 및 수직방향 쪽으로 작용하는 복합적인 힘을 스트레인 게이지에서 감지하여 이를 색의 진하기와 굵기 등으로 정밀하게 표현할 수가 있다.
또한, 이 발명은 초소형인 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 이용함에 따라, 소형화가 가능하고, 감도 및 히스테리 특성이 우수할 뿐만 아니라, 구동을 위한 회로가 간단하다는 장점이 있다. 즉, 이 발명은 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 필압 측정 로드셀을 적용한 전자펜의 개념도이고,
도 2 내지 도 11은 이 발명에 따른 필압 측정 로드셀의 개발과정을 설명하기 위한 다양한 구조물 및 그 실험결과에 대한 그래프이고,
도 12 및 도 13은 이 발명의 한 실시예에 따른 필압 측정 로드셀의 개념 사시도 및 측면도이고,
도 14 및 도 15는 도 12에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도 및 실물 사진이고,
도 16은 도 12에 도시된 필압 측정 로드셀에 수직방향의 힘(수직힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이고,
도 17은 도 12에 도시된 필압 측정 로드셀에 수평방향의 힘(수평힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이고,
도 18은 이 발명의 다른 실시예에 따른 필압 측정 로드셀의 사시 개념도이고,
도 19는 도 18에 도시된 필압 측정 로드셀에 수직방향의 힘(수직힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이며,
도 20는 도 18에 도시된 필압 측정 로드셀에 수평방향의 힘(수평힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이다.
이하, 이 발명에 따른 필압 측정 로드셀 및 이를 적용한 전자펜의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 필압 측정 로드셀을 적용한 전자펜의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전자펜은 후술할 필압 측정 로드셀(필압 측정 모듈)을 적용하여 구성한 것으로서, 일반적인 전자펜과 동일 개념으로 구성하면 된다. 즉, 이 실시예의 전자펜은 국내 등록특허 제10-1252243호에 공개된 "미세구조화 광학필름"등을 이용하여 사용할 수 있도록 광학장치를 갖도록 구성할 수 있다. 여기서, 광학장치는 조명부와 감지부를 포함하여 구성할 수 있는데, 조명부에서는 광학필름에 적외선 또는 방사선 등의 빛을 조사하고, 감지부에서는 조명부가 조사한 빛을 광학필름에서 반사 또는 산란시킨 빛을 감지하여 표면에 형성된 다수의 마크의 패턴을 인식할 수 있다.
따라서, 이 실시예의 전자펜은 상기와 같은 기능을 하는 광학장치와 전자펜의 팁에 가해지는 힘에 따라 변화하는 저항을 감지하는 필압 측정 로드셀을 전자펜의 전방 쪽에 배치하고, 기타 구성요소들에 해당하는 배터리와 충전을 위한 구성요소들에 대해서는 순차적으로 후방 쪽으로 위치하도록 구성할 수 있다. 한편, 전방 쪽에 배치되는 광학장치와 필압 측정 로드셀은 광학필름에 가능한 근접하고 전자펜의 팁과 가능한 가까이에서 밀착해야 하므로, 전방공간을 상하로 분할하여 하부에 광학장치를 배치하고 상부에 필압 측정 로드셀을 배치하는 것이 바람직하다.
아래에서는 이 발명에 따른 필압 측정 로드셀(필압 측정 모듈)의 개발과정에 대해 먼저 설명한다.
전자펜은 일반 필기구와 마찬가지로 사용자에 따라 세워서 사용하거나 다양한 각도로 눕혀서 사용한다. 따라서, 전자펜의 팁에는 세워서 사용함에 따라 전자펜의 팁의 길이방향과 동일한 수평방향의 힘과 다양한 각도로 눕혀서 사용함에 따라 수직방향 쪽으로 작용하는 힘이 복합적으로 작용한다. 따라서, 이 발명에서는 이러한 복합적인 힘에 대한 필압을 감지하는 필압 측정 로드셀을 개발하고자 하는 것이다.
그래서, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같은 구조물에 대해 수직방향으로 들어올리는 수직힘과 수평방향으로 미는 수평힘을 각각 인가해 실험한 결과, 수직힘에 대해서는 스트레인 게이지가 탑재될 부위를 중심으로 극단적인 응력의 변화가 발생하지만(도 3 참조), 수평힘에 대해서는 응력이 약할 뿐만 아니라 응력분포가 집중되지 못하였다(도 5 참조).
또한, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 도 2와 비교해 구조가 변형된 구조물에 대해 수평힘을 인가해 실험한 결과, 응력변화가 생기기는 하지만 여전히 그 응력의 발생 정도가 약하고 응력의 집중분포가 약하게 나왔다(도 7 참조).
이에, 수평힘에 대한 반응성을 좋게 할 수 있는 방법을 찾다가 상판(후술할 회로기판)에 약간의 벤딩을 주고 해석을 단순화하기 위해 후술할 힌지 부분을 삭제한 형태로 구조물을 수정하여 수직힘과 수평힘을 각각 인가해 실험한 결과, 수직힘의 경우 응력값이 높게 나타나지만 힌지를 추가하지 않음에 따라 응력값의 극단적인 변화는 없었다(도 9 참조). 그리고, 수평힘의 경우에도 도 5의 경우 0.75 수준인데 비해서 28 정도의 응력값을 나타내는 등 유의미한 결과를 얻을 수 있었다(도 11 참조).
상기와 같은 연구결과를 토대로 후술한 이 발명에 대한 필압 측정 로드셀을 완성하였다.
도 12 및 도 13은 이 발명의 한 실시예에 따른 필압 측정 로드셀의 개념 사시도 및 측면도이다. 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 필압 측정 로드셀(100)은 전자펜의 팁에 의해 가해지는 필압에 따른 굽힘 특성을 갖는 회로기판(110)과, 회로기판(110)의 일측 하부면에 중첩 결합되어 회로기판(110)을 전자펜의 내부 프레임 등에 고정 또는 지지 가능한 지지대(120)와, 필압에 따른 회로기판(110)을 굽힘 변형시키고 복원시키는 탄성구조를 갖되 일측은 지지대(120)의 단부와 인접한 회로기판(110)의 하부면에 고정되고 타측은 회로기판(110)의 타측에 고정된 상태에서 회로기판(110)의 상부방향으로 연장되어 전자펜의 팁의 단부가 밀착되거나 고정되는 힌지(130), 및 지지대(120)와의 경계부위 근처의 필압이 가해지는 회로기판(110)의 하부 일측 표면과 대향하는 회로기판(110)의 상부 일측 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지(140)(이하, "스트레인 게이지"라고도 함)를 포함하여 구성된다.
상기 회로기판(110)은 가해지는 필압에 따른 굽힘 특성을 갖는 것으로서, 일반적인 회로기판(110)과 동일하게 평판이면서 상부면 및 하부면이 동박으로 코팅된 것으로서, 연성(Flexible) 또는 강성(Rigid) 소재로 구성할 수 있다.
또한, 회로기판(110)은 스트레인 게이지(140)에 접속되어 적어도 스트레인 게이지(140)를 구동하는 기능과 스트레인 게이지(140)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 판독 집적회로(ROIC : Readout integrated circuits) 등을 갖는다. 또한, 회로기판(110)은 스트레인 게이지(140)를 통해 감지한 신호를 판독 집적회로를 거쳐 외부로 전달하기 위한 신호라인을 갖는다.
상기 지지대(120)는 회로기판(110)의 일측 하부면에 중첩 결합되어 회로기판(110)을 전자펜의 내부 프레임 등에 고정 또는 지지하는 역할을 하는 것으로서, 일측면은 회로기판(110)의 일측 하부면에 중첩 결합되고 타측면은 내부 프레임 등에 고정 또는 지지된다. 즉, 지지대(120)는 전자펜의 팁에서 가해지는 필압에 따라 회로기판(110)이 변형되고, 그 변형정도를 스트레인 게이지(140)에서 정밀하게 감지할 수 있도록 회로기판(110)을 내부 프레임 등에 고정하거나 지지하는 역할을 한다. 따라서, 지지대(120)는 전자펜의 내부 구조 등에 따라 프레임 등에 끼워져 고정되는 등, 다양한 구조로 고정 또는 지지하도록 구성할 수 있다.
이렇듯, 지지대(120)는 회로기판(110)을 전자펜의 내부 프레임 등에 고정하거나 지지하면 되므로, 플라스틱, 금속 등 다양한 소재로 구성할 수 있다. 하지만, 이 실시예의 지지대(120)는 작업의 편의성 등을 고려해 회로기판(110)과 동일한 PCB로 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 동일한 PCB로 구성할 경우에는 PCB의 일반적인 공정으로 접합하거나 양면접착테이프 등으로 접합함으로써, 회로기판(110)의 일측 하부면에 중첩 결합한 지지대(120)를 편리하게 형성할 수가 있다.
상기 힌지(130)는 금속 재질로 구성되어 그 양측이 회로기판(110)의 하부면에 고정된 상태에서 전자펜의 팁에서 가해지는 필압에 따라 회로기판(110)이 굽힘 변형된 후 원래 상태로 복원되도록 가이드하는 것으로서, 그 양측 사이에 탄성구조를 갖도록 구성된다. 즉, 힌지(130)는 그 양측이 회로기판(110)의 하부면에 솔더링 또는 에폭시 등으로 접합 고정되되, 그 양측 사이 부분이 회로기판(110)의 하부면과 이격된 형태를 갖되, 중간 부위에 회로기판(110)의 하부면과 가장 많이 이격되는 절곡부(131)를 갖는다. 구체적으로는 힌지(130)의 일측이 지지대(120)의 단부와 인접한 회로기판(110)의 하부면에 면접촉 상태로 고정된 상태에서 일정 길이로 하향 경사진 형태를 갖다가 회로기판(110)의 하부면 쪽으로 절곡되어 일정 길이로 상향 경사진 형태를 갖다가 힌지(130)의 타측 부분이 회로기판(110)의 하부면에 면접촉 상태로 고정된다. 이때, 절곡부(131)에 해당하는 절곡 부위를 기준으로 양측은 대칭되는 형태를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 힌지(130)는 그 타측이 고정된 상태에서 회로기판(110)의 상부방향으로 일정 길이로 연장되는 연장부(132)를 더 갖는다. 여기서, 연장부(132)는 전자펜의 팁의 단부가 밀착되거나 고정되는 일정 너비를 갖는다. 따라서, 연장부(132)에 전자펜의 팁의 단부가 밀착되거나 고정되면, 전자펜의 팁의 길이방향의 중심축과 회로기판(110)의 길이방향의 중심축이 서로 간에 어긋나게 된다. 즉, 도면을 기준으로, 전자펜의 팁의 길이방향의 중심축이 회로기판(110)의 길이방향의 중심축 보다 상부 쪽에 위치하게 된다. 따라서, 전자펜의 팁에 필압이 가해지면, 회로기판(110)에 굽힘 변형이 발생하고, 이때의 굽힘력은 지지대(120)와의 경계부위 근처의 회로기판(110)의 하부 일측 표면에 집중되고, 이러한 굽힙력이 집중되는 회로기판(110)의 하부 일측 표면과 대향하는 회로기판(110)의 상부 일측 표면에 접착되는 스트레인 게이지(140)를 통해 그때의 필압을 감지할 수가 있다.
상기 스트레인 게이지(140)는 지지대(120)와의 경계부위 근처의 굽힙력이 집중되는 회로기판(110)의 하부 일측 표면과 대향하는 회로기판(110)의 상부 일측 표면에 접착되되, 회로기판(110)에 가해지는 필압에 연동하여 함께 변형되도록 회로기판(110)에 하드하게(견고하게, 딱딱하게) 접착된다. 즉, 스트레인 게이지(140)는 회로기판(110)의 동박 표면에 접착되어 회로기판(110)이 변형되는 경우 함께 변형된다. 한편, 스트레인 게이지(140)는 접착부재를 사용하여 회로기판(110)의 표면에 접착된다.
이 실시예의 스트레인 게이지(140)는 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 갖는다. 즉, 이 실시예의 스트레인 게이지(140)는 반도체형으로서, 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(Doping)시켜 형성한 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는다.
한편, 스트레인 게이지(140)는 필름 저항형 스트레인 게이지와 반도체형 스트레인 게이지로 분류될 수 있다. 이 발명에 적용되는 반도체형 스트레인 게이지(140)는 필름 저항형 스트레인 게이지보다 게이지 팩터(gauge factor)가 크므로 감도가 50배가량 크며, 저항값이 크므로 소모 전류가 작고 회로 제작이 유리하다. 또한, 반도체형 스트레인 게이지는 온도 특성이 우수하며, 일반 금속형 스트레인 게이지로 사용되고 있는 Ni, Cu 합금의 경우 게이지 팩터가 2.0 ~ 2.1 정도지만 반도체형 스트레인 게이지의 게이지 팩터는 이에 비해 10배가량 크다.
따라서, 반도체형 스트레인 게이지를 전자펜에 적용할 경우, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다. 또한, 접착부재로 응력전달이 우수한 접합재를 선정하고, 고집적화, 낮은 히스테리시스, 공정 단순화를 통한 수율 향상, 소형화, 원가절감 및 대량생산 등이 가능하다.
도 14 및 도 15는 도 12에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도 및 실물 사진이다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지(140)는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(Doping)시켜 형성하는 압저항체(R1, R2, R3, R4)를 포함한다. 여기서, 압저항체(R1, R2, R3, R4)는 힘을 받아 변형이 생기면, 저항값이 증가하거나 감소한다.
예를 들어, 인장응력이 작용하면 저항이 증가하고, 압축응력이 작용하면 저항이 감소한다. 도 14 및 도 15에 도시된 스트레인 게이지(140)는 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 스트레인 게이지가 이 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 이 발명은 하나의 작은 영역에 브리지 저항을 모두 갖는 풀 브리지(Full bridge) 저항의 스트레인 게이지(140)를 이용함에 따라, 구성이 단순화지고 제품에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 16은 도 12에 도시된 필압 측정 로드셀에 수직방향의 힘(수직힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이고, 도 17은 도 12에 도시된 필압 측정 로드셀에 수평방향의 힘(수평힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이다. 도 16 및 도 17에서 알 수 있듯이, 수직힘 또는 수평힘을 가할 경우 스트레인 게이지가 위치할 부분에서 응력이 집중되고 높은 응력치가 형성됨을 알 수 있다.
도 18은 이 발명의 다른 실시예에 따른 필압 측정 로드셀의 사시 개념도이다. 도 18에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 필압 측정 로드셀(100A)은 중앙 부분이 파인 형태의 회로기판(110A)을 이용한다는 것을 제외하고는 도 2의 필압 측정 로드셀(100)과 동일하게 구성된다. 따라서, 이 실시예에서는 그 구체적인 설명을 생략한다. 여기서, 회로기판(110A)은 평판의 중앙 부분이 일정 크기로 파여 개방된 형태를 갖되, 구체적으로는 힌지(130)의 절곡부(131)를 포함하여 절곡부(131)의 양측 일정 길이만큼 파여 개방된 형태를 갖는다.
도 19는 도 18에 도시된 필압 측정 로드셀에 수직방향의 힘(수직힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이고, 도 20은 도 18에 도시된 필압 측정 로드셀에 수평방향의 힘(수평힘)을 가한 응력분포를 실험한 그래프이다. 도 19 및 도 20에서 알 수 있듯이, 수직힘 또는 수평힘을 가할 경우 스트레인 게이지가 위치할 부분에서 응력이 집중되고 높은 응력치가 형성됨을 알 수 있다.
상기와 같은 이 실시예의 실험결과에서 알 수 있듯이, 수직힘 또는 수평힘을 가할 경우 스트레인 게이지가 위치할 부분에서 응력이 집중되고 높은 응력치가 형성됨에 따라, 이 발명의 필압 측정 로드셀은 전자펜을 이용할 때에 전자펜의 팁에 가해지는 수평방향 및 수직방향 쪽으로 작용하는 복합적인 힘에 따라 변화하는 저항을 스트레인 게이지에서 감지하고, 이를 색의 진하기와 굵기 등으로 정밀하게 표현할 수가 있다.
이상에서 이 발명의 필압 측정 로드셀 및 이를 적용한 전자펜에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
100, 100A : 필압 측정 로드셀 110, 110A : 회로기판
120 : 지지대 130 : 힌지
131 : 절곡부 132 : 연장부
140 : 스트레인 게이지

Claims (7)

  1. 전자펜의 팁에 의해 가해지는 필압에 따른 굽힘 특성을 갖는 회로기판과, 상기 회로기판의 일측 하부면에 결합되어 상기 회로기판을 전자펜의 내부에 고정 또는 지지 가능한 지지대와, 상기 회로기판에 고정되어 필압에 따라 상기 회로기판이 굽힘 변형되었다가 원상태로 복원되도록 하는 힌지, 및 상기 지지대와의 경계부위 근처의 굽힘력이 가해지는 상기 회로기판의 하부 일측 표면과 대향하는 상기 회로기판의 상부 일측 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 포함하고,
    상기 회로기판은 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지에 접속되어 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 집적회로를 구비하고,
    상기 힌지는 상기 회로기판의 상부방향으로 일정 길이로 연장되어 전자펜의 팁의 단부가 밀착되거나 고정되어 전자펜의 팁의 길이방향의 중심축과 상기 회로기판의 길이방향의 중심축이 서로 간에 어긋나도록 하는 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 필압 측정 로드셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 힌지는 일측이 상기 지지대의 단부와 인접한 상기 회로기판의 하부면에 고정되고, 타측이 상기 회로기판의 타측에 고정된 상태에서 상기 회로기판의 상부방향으로 연장되어 상기 연장부를 형성하고, 상기 힌지의 일측과 타측 사이가 상기 회로기판의 하부면과 이격된 형태를 갖되, 중간 부위에 상기 회로기판의 하부면과 가장 많이 이격되는 절곡부를 갖는 것을 특징으로 하는 필압 측정 로드셀.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 힌지는 상기 절곡부의 양측으로 상기 회로기판의 하부면을 향해 일정 길이의 하향 경사진 형태 및 상향 경사진 형태를 갖되 서로 간에 대칭되는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 필압 측정 로드셀.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로기판은 평판이거나 평판의 중앙 부분이 일정 크기로 파여 개방된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 필압 측정 로드셀.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지대는 상기 회로기판과 동일한 PCB로 구성되는 것을 특징으로 하는 필압 측정 로드셀.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 필압 측정 로드셀을 적용하여 구성한 것을 특징으로 하는 전자펜.
  7. 청구항 6에 있어서,
    전자펜의 팁에 의해 쓰여지는 글자나 모양을 감지하는 광학장치를 포함하고,
    전자펜의 전방공간을 상하로 분할하여 하부에 상기 광학장치를 배치하고 상부에 상기 필압 측정 로드셀을 배치하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전자펜.
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KR101373203B1 (ko) 2012-06-05 2014-03-12 (주)펜제너레이션스 반사형 디스플레이 및 이를 이용한 전자펜 시스템
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