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KR102154169B1 - 3축 포스센서 - Google Patents

3축 포스센서 Download PDF

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KR102154169B1
KR102154169B1 KR1020180084680A KR20180084680A KR102154169B1 KR 102154169 B1 KR102154169 B1 KR 102154169B1 KR 1020180084680 A KR1020180084680 A KR 1020180084680A KR 20180084680 A KR20180084680 A KR 20180084680A KR 102154169 B1 KR102154169 B1 KR 102154169B1
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신재욱
김병호
이정진
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주식회사 시노펙스
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Abstract

본 발명은 사용자의 힘에 의해 다수 단계의 힘에 의한 입력을 수행할 수 있는 3축 포스센서에 관한 것으로서, 삼각뿔 형태로 형성되고 터치패널이 형성된 전자기기의 화면에 맞닿아 감지된 압력과 방향을 인지하여 x, y축의 입력을 인지한다. 또한, 수직방향에 대한 압력값을 이용하여 z축을 입력하는 펜팁; 상기 펜팁에 입력되는 압력 정보에 따라 각각 x축 y축 및 z축 입력을 받는 센서부; 상기 센서부에 고정되어 상기 센서부가 위로 당겨져 고정시키도록 구성된 스프링; 상기 스프링에 고정되어 구성된 고정판; 및 상기 센서부와 연결되고 상기 고정판의 상부면의 중심과 연결되며 상기 스프링의 중심을 관통하여 구성된 샤프트;를 포함하여 구성되어 선의 굵기 등을 표현할 수 있도록 하여 다양한 단계의 입력을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

3축 포스센서{THREE-AXIS FORCE SENSOR}
본 발명은 3축 포스센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 힘에 의해 다수 단계의 힘에 의한 입력을 수행할 수 있는 3축 포스센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 사용자가 본 발명의 3축 포스센서를 사용하면 기울어진 상태에서 가해진 압력을 감지하여 인지된 포스정보에 따라 다수 단계의 입력을 수행할 수 있는 3축 포스센서에 관한 것이다.
일반적으로 전자기기가 소형화되면서 터치스크린이 채용되었다. 터치스크린패널은 스크린에 사용자가 손가락이나 펜 등으로 화면을 누르면, 접촉된 위치를 인지하여 전자기기의 시스템에 전달하는 입력장치이다. 터치(입력)를 감지하는 방식에 따라 정전방식, 저항막방식, 적외선 방식, 초음파 방식, 카메라 방식 등의 다양한 방법이 있다 이 중 가장 많이 사용되는 방식은 정전용량방식으로 터치스크린 패널은 투명 필름(PET2)이나 유리(Glass)의 한쪽에 투명 전극층(ITO)를 증착시켜 일정량의 전류를 흐르게 하도록 구성되어 있다. 손가락이 터치스크린의 표면을 터치할 때 생기는 미세한 정전용량의 변화를 감지하여 터치 위치를 계산하는 방식이다.
그러나, 이와 같은 터치스크린은 해당 위치에 입력된 것만을 인지하는 구성으로 사용자가 휴대용 단말기에 터치센서에 의해 압력을 인지하는 포스터치센서(force touch sensor)로 발전하고 있다.
포스터치센서는 압력의 깊고 얕음을 인지한다는 의미에서 3D센서로도 불리운다. 이와 같은 정전용량형 포스 터치 센서에 있어서, 신호를 발생시키는 제1 전극부와 신호를 수신하는 제2 전극부로 구성된다. 여기서 제1 전극부는 TX(transmit) 또는 GND(Ground)로 구성될 수 있으며, 제2 전극부는 RX((Receive) 또는 Self-key로 구성이 가능하다.
휴대용 단말기에 사용되는 터치펜에 있어서도 3D 포스센서를 채용하여 펜으로부터 입력되는 정보를 x축, y축 및 z축 입력을 인지하는 펜이 개발되어 있다.
이와 같은 기술은 펜에 가해지는 필압을 이용하여 어플리케이션에 다양한 입력모드를 제공할 수 있다. 예컨대, 그림그리기 어플리케이션인 경우 필압을 이용하여 선의 굵기나 선의 농담(濃淡)을 조절할 수 있으며, 텍스트 어플리케이션이나 뷰어 어플리케이션인 경우 필압을 이용하여 문서를 확대하고 그 확대하는 정도를 필압으로 조정할 수 있다. 그 이외에도 게임 어플리케이션 등과 같이 많은 어플리케이션에 적용 가능하다. 그러나, 이와 같은 구조를 갖는 입력 장치는 구조가 복잡하여 고가이며 또한 펜의 형태로 만들어 지는 경우 정교한 기술이 요구된다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0033278호(발명의 명칭 : 전자 디바이스들을 위한 스타일러스)
따라서 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 사용자의 포스정보를 입력받아 이를 전자기기의 입력으로 사용할 수 있도록 하여 다양한 단계의 입력을 제공할 수 있는 3축 포스센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 사용자가 펜을 기울인 상태로 사용할 때 펜팁의 기울어진 상태에서 가해지는 힘에 따른 방향 정보를 입력받아 이를 전자기기의 입력으로 사용할 수 있도록 하여 다양한 단계의 입력을 제공할 수 있는 3축 포스센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 휴대용 단말기에 입력장치로 사용되는 스타일러스 펜을 제공함에 있어서 구조를 단순화하여 생산성을 높였으며 이에 따라 고장이 발생하는 비율도 낮추고 가격도 낮춘 3축 포스센서를 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 3축 포스센서는, 삼각뿔 형태로 형성되고 터치패널이 형성된 전자기기의 화면에 맞닿아 감지된 압력과 방향을 인지하여 x, y축의 입력을 인지한다. 또한, 수직방향에 대한 압력값을 이용하여 z축을 입력하는 펜팁; 상기 펜팁에 입력되는 압력 정보에 따라 각각 x축 y축 및 z축 입력을 받는 센서부; 상기 센서부에 고정되어 상기 센서부가 위로 당겨져 고정시키도록 구성된 스프링; 상기 스프링에 고정되어 구성된 고정판; 및 상기 센서부와 연결되고 상기 고정판의 상부면의 중심과 연결되며 상기 스프링의 중심을 관통하여 구성된 샤프트;를 포함하여 구성된다.
상기 센서부는, 상기 펜팁의 상부에 상기 펜팁과 고정되어 구성되고 상기 펜팁의 압력을 전달받는 누름판; 상기 누름판의 상부에 위치하고 상기 펜팁으로부터 상기 누름판에 가해지는 압력과 압력의 차이에 의해 x축 및 y축 입력을 감지하고, 수직 압력값을 감지하여 z축의 입력을 감지하는 포스센서판; 및 상기 포스센서판의 상부에 고정되어 배치되며 상기 포스센서판으로부터 입력된 x축, y축 및 z축 정보 정보를 수신하여 상기 전자기기로 전송하는 제어보드;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 포스센서판은, 상기 누름판의 압력을 입력받는 3개의 포스 센서가 등간격으로 형성되며 상기 누름판의 압력인 z축 정보를 감지하며 상기 3개의 포스센서의 압력의 차이에 따라 x축 및 y축을 감지하는 정보를 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 고정판은, 상기 스프링과 샤프트를 입력장치에 고정시키도록 구성될 수 있다.
따라서 본 발명의 3축 포스센서는 휴대용 단말기 또는 노트북 등의 전자기기의 입력장치에 채용되어 사용자의 포스정보를 입력받아 이를 전자기기에 입력할 수 있도록 하여 포스정보에 대응하는 선의 굵기, 속도 등을 표현할 수 있도록 하여 다양한 단계의 입력을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 3축 포스센서는 단말기에 입력장치로 채용되어 사용자가 펜을 기울인 상태로 사용할 때 펜팁의 기울어진 상태에서 가해지는 힘에 따른 포스정보를 입력받아 이를 전자기기의 입력으로 사용할 수 있도록 하여 선의 농담 및 방향 이동 속도 등을 표현할 수 있도록 하여 다양한 단계의 입력을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 3축 포스센서는 휴대용 단말기 또는 노트북 등의 전자기기에 입력장치로 사용되는 경우 구조를 단순화하여 생산성을 높였으며 이에 따라 고장이 발생하는 비율도 낮추고 가격도 낮춘 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 포스센서의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 포스센서의 일부와 가해지는 힘의 방향을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포스센서판을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스센서판을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 포스센서의 기울어짐에 따른 힘의 방향을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 포스센서의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 포스센서의 일부와 가해지는 힘의 방향을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포스센서판을 나타낸 평면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스센서판을 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 포스센서에 가해지는 힘의 방향을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 상술한 목적을 달성하기 위한 3축 포스센서는 펜팁(110), 센서부(120), 스프링(130), 고정판(140) 및 샤프트(150)를 포함하여 구성된다.
펜팁(110)은 삼각뿔 형태로 형성되고 삼각뿔의 좁은 면적의 부분이 터치패널이 형성된 전자기기의 화면에 맞닿아 펜팁(110)이의 기울어진 상태에서 가해지는 힘에 의해 x축, y축 및 z축의 입력으로 작용한다. 이때 팬팁의 입력방식은 전자기기의 종류에 따라 정전용량 방식, 로드셀 방식(스트레인 게이지), 전자기공명식 등의 방식으로 x축, y축 및 z축의 입력을 전자기기에 전달할 수 있다.
한편, z축의 입력은 펜팁(110)이 눌려지면 그 압력이 센서부(120)에 전달되는 수직 압력이 z축의 입력이 된다. 즉, 펜팁(110)의 힘에 의해 포스가 감지된 압력과 방향을 인지하여 x, y축의 입력을 인지한다. 또한, 수직방향에 대한 압력값을 이용하여 z축의 입력을 인지한다.
센서부(120)에 채용된 포스센서의 종류는 1g 내지 250g, 1g 내지 500g 또는 1g 내지 1000g의 압력을 인지할 수 있으므로 250가지, 500가지 또는 1000가지의 압력을 각각 다른 선의 굵기나 농담, 컬러 또는 커서의 속도로 표현시킬 수 있다. 또는 압력에 따라 화면을 확대하여 보여줄 수도 있다.
센서부(120)는 펜팁(110)에 입력되는 압력에 따라 x축, y축 및 z축 입력을 받는다. 센서부(120)는 누름판(122), 포스센서판(124) 및 제어보드(126)를 포함하여 구성된다.
누름판(122)은 일측면은 하부에 구성된 펜팁(110)의 상부에 고정되어 구성되고 타측면은 상기 펜팁(110)의 압력을 그대로 전달받아 포스센서판(124)에 전달한다. 누름판(122)의 타측면에는 돌기(123)가 구성된다. 돌기(123)는 포스센서판(124)에 구성된 3개의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)와 접촉된 상태로 구성된다. 초기 상태에서 돌기(123)는 스프링(130)에 의해 가압되어 있는 상태이다. 이때, 펜팁(110)을 통해 힘이 가해지면 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)가 눌리면서 전술한 바와 같이 x축, y축 및 z축의 입력이 발생한다.
한편, 누름판은 펜팁(110)을 기울여 압력을 가하는 경우에는 각각의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에 불균등하게 압력이 전달되며 기울어진 상태에서 가해지는 불균등한 압력을 측정하여 기울어진 상태에서 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에 가해지는 압력을 측정하여 x축, y축 및 z축의 입력으로 변환한다.
포스센서판(124)은 상기 누름판(122)의 상부에 위치하고 누름판(122)의 압력을 감지하여 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에 가해지는 압력, 즉 포스정보와 상기 펜팁(110)의 기울어진 상태에서 불균등하게 가해지는 힘을 인지한다. 포스센서판(124)은 누름판(122)의 돌기(123)에 의해 가해지는 압력을 입력받는 3개의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)가 등간격으로 형성된다. 즉, 포스센서판(124)은 누름판(122)에 의해 수직축으로 가해지는 압력인 z축 정보와 기울어진 상태에서 불균등하게 가해지는 힘의 차이에 의한 정도를 나타내는 x축 정보 및 y축 정보를 감지한다. 포스센서판(124)은 상기 x축, y축 및 z축 정보를 3개의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)로 감지한다. 예컨대, 누름판(122)이 3개의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3) 중 인접한 2개의 포스센서, 예컨대, 제1 포스센서(124-1)와 제2 포스센서(124-2)를 동일한 힘으로 누르는 것으로 감지되면, 제1 포스센서(124)와 제2 포스센서(124-2)가 이루는 각도의 중심의 반대편측으로 기울어져 있는 상태로 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에 힘이 가해지는 것으로 감지할 수 있다. 또는 누름판(124)이 3개의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3) 중 제3 포스센서(124-3)만을 누르는 것으로 감지되면 3축 포스센서를 채용한 스타일러스펜(10)이 제3 포스센서(124-3)의 반대방향측으로 기울어져 있는 상태로 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에 힘이 가해지는 것으로 인지될 수 있다. 예를 들어 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에서 압력이 모두 감지되면 z축 방향의 압력으로 인지한다. 이때, 가해지는 힘은 3개의 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)의 합 또는 3개의 포스센서의 평균을 취하여 구할 수 있다.
즉, 포스센서(124)는 가해지는 포스정보를 인지할 수 있다. 또한 포스센서(124)가 감지하는 기울어진 상태에서 가해지는 압력에 따라 입력장치(10)를 이용하여 x축 및 y축 입력과 수직으로 가해지는 압력인 z축을 입력할 수 있다.
제어보드(126)는 상기 포스센서판(124)의 상부에 고정되어 배치되며 포스센서판(124)으로부터 입력된 수직축 압력정보인 z축 포스정보 및 펜팁(110)에 의해 기울어진 상태에서 포스센서(124-1, 124-2, 124-3)에 가해지는 압력정보인 x축 및 y축 포스정보를 수신하여 전자기기로 전송한다. 한편 제어보드(126)는 포스센서판(124)으로부터 수신된 펜팁(110)의 포스정보를 전송하지만 전자기기에서 실행되는 어플리케이션에 따라서는 펜팁(110)의 포스정보 중 필요로 하는 축 방향의 포스정보만을 활용할 수도 있다. 또는 전자기기에 현재 실행되는 어플리케이션에 따라서는 z축 정보를 사용하지 않고 x축 정보 및 y축 정보만을 활용할 수도 있다.
스프링(130)은 센서부(120)에 고정되어 센서부(120)가 위로 당겨져 고정시키도록 구성된다. 또한, 스프링(130)은 입력장치(10)가 휘어져 오류가 발생하지 않고 샤프트(150)와 함께 중심을 잡는 역할을 한다. 즉, 스프링(130)은 고정되어 형성된 포스센서(124)와 제어보드(126)를 위로 당겨 탄성에 의해 당겨지도록 하여 펜팁(110)에 의한 기울어짐의 영향을 받되 샤프트(150)의 휘어짐에 의한 영향을 감소시켜 펜팁(110)에 의해 가해지는 포스정보가 온전하게 전달될 수 있도록 한다. 또한, 스프링(130)은 사용자가 입력장치(10)를 잡고 힘을 가하여 펜팁(110)에 힘이 가해지면 포스센서(124)와 제어보드(126)에 힘이 온전하게 전달되도록 하고 사용자가 펜을 놓는 등의 동작에 의해 펜팁(110)에 가해지는 힘이 사라지면 포스센서(124)와 제어보드(126)를 살짝 위로 당겨 눌려있는 상태를 없애고 포스센서(124)와 누름판(122)의 돌기(123)가 접촉한 상태로 유지시킨다.
고정판(140)은 스프링(130)에 고정되어 구성되며, 입력장치(10)의 몸체와 연결된다.
샤프트(150)는 센서부(120)와 연결되고 고정판(140)의 상부면의 중심과 연결된다. 샤프트(150)는 스프링(140)의 중심을 관통하여 구성된다. 샤프트(150)는 일측 단부는 센서부(120) 중 누름판(122)에 고정되어 구성되고, 포스센서판(124)의 통공(125)를 통과하여 포스센서판(124)을 샤프트(150)의 외주면에 고정시킨다. 샤프트(150)는 제어보드(126)를 관통하여 고정시킨다. 샤프트(150)의 타단부는 고정판(140)의 하부면의 중심부에 고정되어 구성된다. 즉, 고정판(140)은 입력장치(10)의 몸체와 연결되며 스프링(130)과 샤프트(150)를 입력장치(10)에 안정적으로 고정시킨다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도식된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 스타일러스펜 110 : 펜팁
120 : 센서부 122 : 누름판
123 : 돌기
124, 124-1, 124-2, 124-3 : 포스센서판
125 : 통공 126 : 제어보드
130 : 스프링 140 : 고정판
150 : 샤프트

Claims (4)

  1. 터치패널이 형성된 전자기기의 화면에 맞닿아 발생하는 압력을 전달하는 펜팁;
    상기 펜팁의 상부에 상기 펜팁과 고정되어 구성되고 상기 펜팁으로부터 압력을 전달받는 누름판;
    상기 누름판의 상부에 위치하고, 상기 누름판의 압력을 입력받는 3개의 포스 센서가 환상으로 등간격 배치되며, 상기 3개의 포스센서 각각에 가해지는 압력의 세기에 기반하여 z축 입력값을 감지하고, 상기 3개의 포스센서 각각에 가해지는 압력의 차이로부터 상기 전자기기의 화면에 대한 수직방향을 기준으로 한 기울어짐 정도 및 상기 펜팁의 x축 및 y축 입력값을 감지하는 포스센서판;
    상기 포스센서판의 상부에 고정배치되고, 상기 포스센서판에 의해 감지된 x축, y축 및 z축 입력값을 상기 전자기기로 전송하는 제어보드;
    상기 제어보드에 고정되어 상기 제어보드가 위로 당겨져 고정시키도록 구성된 스프링;
    상기 스프링에 고정되어 구성된 고정판; 및
    상기 제어보드와 연결되고 상기 고정판의 상부면의 중심과 연결되며 상기 스프링의 중심을 관통하여 구성된 샤프트;를 포함하는 3축 포스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포스센서판은 상기 3개의 포스센서 모두에서 압력이 감지되면 상기 3개의 포스센서에 가해지는 압력의 합 또는 상기 3개의 포스센서에 가해지는 압력의 평균에 해당하는 z축 입력이 있는 것으로 판정하는 3축 포스센서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정판은, 상기 스프링과 샤프트를 입력장치에 고정시키도록 구성되는 것인 3축 포스센서.
KR1020180084680A 2018-07-20 2018-07-20 3축 포스센서 Expired - Fee Related KR102154169B1 (ko)

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