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KR20030067690A - 영구자석을 이용한 스타일러스 입력장치 - Google Patents

영구자석을 이용한 스타일러스 입력장치 Download PDF

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KR20030067690A
KR20030067690A KR10-2003-7006904A KR20037006904A KR20030067690A KR 20030067690 A KR20030067690 A KR 20030067690A KR 20037006904 A KR20037006904 A KR 20037006904A KR 20030067690 A KR20030067690 A KR 20030067690A
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KR
South Korea
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stylus
permanent magnet
magnet
magnetic field
ink cartridge
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KR10-2003-7006904A
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다이엘 리
브라이언 테일러
마이클피. 하니
벤자민자제프 교리
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서크 코퍼레이션
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Abstract

자기장을 이용하는 스타일러스(30)에서, 영구자석(32)은 여러개의 자기센서(10,12)에 의해 감지될 수 있는 수동 스타일러스 내에 배치되는데, 상기 센서는 지구의 상대 자기장으로부터 스타일러스의 자기장을 제거하여 2차원 혹은 3차원으로 스타일러스(30)의 위치를 결정하기 위해 삼각공식에 사용되는 벡터를 얻게 되는데, 사용되는 자기센서(10,12)의 개수에 의존하여 한 쌍의 자기센서는 지구의 자기장에 대한 기준으로 사용될 수 있고, 각각의 자기센서는 감도(14), 널코일(42), 플립핑코일(44)의 방향을 바꾸기 위한 분극코일을 포함한다.

Description

영구자석을 이용한 스타일러스 입력장치{STYLUS INPUT DEVICE UTILIZING A PERMANENT MAGNET}
스타일러스를 이용하는 현재 입력장치는 디지털 타블렛이나 터치패드를 특징으로 한다. 디지털 타블렛은 타블렛이나 터치패드에 연결되어 있는 스타일러스를 이용하여 데이터를 입력하는데 사용되는 넓은 표면이다. 예를 들어, 스타일러스가 선을 통해 타블렛에 연결되어 있고, 스타일러스의 운동은 타블렛 표면을 움직일 때 감지된다. 상기 운동은 통상적으로 화면위의 선으로 나타내어진다.
대부분 스타일러스를 사용하는 형태의 타블렛의 작동방식은 전자기센서에 관련된다. 루프(loop) 내에서 이동하는 전류에 의해 자기장이 형성된다. 펜은 이러한 자기장을 취하는 코일을 갖고 있어서, 사익 자기장을 컨버터로 보내어 읽은 데이터로부터 X,Y 위치를 결정하게 된다. 이러한 형태의 펜은 데이터를 전송하기 위해 펜과 베이스장치 간의 테더(tether)가 필요하거나 배터리로 작동하여 터치패드로 감지될 수 있는 신호를 발생시키는 액티브펜(active pen)을 사용해야 한다 .
그러므로 종래의 기술에서 테더형 스타일러스(tethered stylus) 혹은 액티브펜이 필요없이 데이터를 입력하거나 커서를 제어하기 위한 스타일러스 시스템 혹은 펜을 제공하는 것이 이롭니다. 스타일러스가 내부 전력공급원이 없이 작동하는 것도 유익하다.
종래의 기술은 개인 휴대용 단말기(PDA)에 스타일러스를 사용하는 것을 기술한다. 감지되기 위해 스타일러스에 압력을 필요로 할 경우, PDA 표면인 손상될 것이다. 또한 스타일러스로 쓸 수 있는 면적인 보통 매우 좁다. 방금 글을 쓴 것에 "잉크 자국(inking trail)"이 보이지 않을 경우 스타일러스를 사용하는 것은 불가능하다. 스타일러스 운동과 화면에 표시되는 것 간의 지연이 발생되면 잉크로 쓰는 것(inking)은 어렵게 된다.
따라서 종래의 기술에 PDA 화면을 손상시키지 않고 오프 스크린 잉크쓰기 표면(off-screen inking surface)이나 빠른 비쥬얼 피드백(vidual feedback)을 제공하는 것이 바람직하다.
종래의 기술은 스타일러스의 압력을 감지할 수 있는 표면과 접촉하지 않고 작동할 수 있는 형태의 스타일러스를 나타내는데 실패했다. 다시 말해, 잉크로 쓰는 표면은 스타일러스를 감지할 수 있는 표면이다. 따라서 스타일러스를 감지하는 표면이 아닌 표면 위에서 스타일러스가 움직이는 것을 감지할 수 있는 것이 바람직하다.
종래의 기술은 스타일러스와 함께 사용되어야 하는 몇가지 종류의 감지표면을 제공한다. 따라서 종래의 기술에 감지가 가능한 감지표면이 필요없는 스타일러스를 제공하는 것이 바람직하다. 그러므로 스타일러스가 3차원 내에서 이동하는 것이 감지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또 다른 관점으로 쓰기를 온오프 할 수 있는 능력에 관한 것이다. 통상적으로 이러한 종류의 기능은 민감한 표면, 펜의 테더로부터 또 다른 장치 혹은 액티브 펜으로의 표면이 필요하다. 따라서 종래의 기술에 디스플레이에서 쓰기를 온오프 할 수 수 있는 스타일러스를 제공하는 것이 바람직한데, 여기서 스타일러스는 특별한 감지장치에 쓰지 않는 수동장치(passive device)이며, 또 다른장치에 물리적으로 연결되지 않는다.
본 발명의 마지막 관점은 스타일러스를 매우 좁은영역에서 쓸 수 있다는 것이다. 휴대전화를 이용하여 이메일을 보내는 것을 생각해 볼만하다. 현재 휴대전화의 입력장치는 시간낭비이며 불편하다. 종래의 기술에 이동 중에도 매우 소형 장치에 사용할 수 있도록 스타일러스로 작동하는 매우 작은 키보드를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전자정보장치용 입력장치에 관련되는데, 특히 2차원 혹은 3차원으로 작동하는 스타일러스(탐침형태의 펜)을 제공하여 작동범위 내에서 바늘이 이동하는 경로를 나타내는 선을 입력하거나 개인휴대용 단말기(PDA) 혹은 휴대전화 같은 휴대용 정보장치나 컴퓨터에서 커서를 움직이기 위한 장치에 관련된다.
도 1은 2쌍을 사용하는 경우 2차원, 3쌍을 사용하는 경우 3차원인 감도영역을 제공하기 위해 쌍으로 도시된 자기장 센서에 대한 평면도.
도 2A는 본 발명의 감도영역의 예를 도시하는 도면.
도 2B는 본 발명의 또 다른 감도영역의 예를 도시하는 도면.
도 2C는 본 발명의 또 다른 감도영역의 예를 도시하는 도면.
도 3은 스타일러스의 측단면도.
도 4는 자기장 센서의 회로 다이아그램.
도 5는 본 발명의 구성요소에 대한 계략적인 다이아그램.
도 6은 선택적인 실시예를 도시하는 스타일러스의 두 가지 측단면도.
도 7은 스타일러스의 선택적인 실시예를 도시하는 측단면도.
도 8은 스타일러스의 선택적인 실시예를 도시하는 측단면도.
도 9는 드라이브 코일의 확대도.
도 10은 스타일러스의 선택적인 실시예에 대한 측단면도.
도 11은 스타일러스의 선택적인 실시예에 대한 횡단면도.
도 12는 도 11에 도시된 수동 스타일러스의 횡단면도.
도 13은 디스플레이에 쓸 수 있도록 되어 있는 스타일러스로 도 11의 수동 스타일러스에 대한 확대 횡단면도.
도 14는 쓰기 표면 위에서 스타일러스 선단부에 의한 압력 정도를 결정하는데 사용되는 블록 회로 다이아그램.
도 15는 도 14에 도시된 압력을 감지하는 능동 스타일러스에 사용되는 트랜스미터의 회로 다이아그램.
* 부호 설명 *
10 : 제 1 자기장 센서12 : 제 2 자기장 센서
20,30 : 스타일러스32 : 영구자석
34 : 선단부40 : 브릿지
42 : 널코일44 : 플립코일
46 : 차동 증폭기52 : A/D 변환기
54 : CPU
본 발명의 목적은 2차원 혹은 3차원에서 작동하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다 .
영구자석만 필요로 하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
또 다른 목적은 터치다운 및 압력신호를 나타낼 수 있는 구동 스타일러스를제공하는 것이다.
또 다른 목적은 디스플레이 장치에 쓰지 "시작"및 "멈춤" 신호를 나타낼 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것인데, 신호는 정상적인 쓰지 운동으로 발생된다.
또 다른 목적은 오프 스크린에 사용될 때 종이 위에 스타일러스를 실제로 기재하도록 하는 잉크쓰기 카트리지(inking catridge)를 포함할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원 감지량을 제공하기 위해 충부한 양의 센서를 제공하여 3차원에서 작동할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 자기장 강도를 증가시켜 가변신호(changing signal) 인디케이터 기능을 하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다 .
또 다른 목적은 펜 몸체 내에 저장된 영구자석을 회전시켜, 극성을 바꾸고 디지털 "온(on)", "오프(off)" 신호를 제공하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 스타일러스의 회전을 감지할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적인 디스플레이 장치에 삭제기능을 수행하기 위해 전환될 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
잉크쓰기 카트리지와 기계적인 펜에 삽입될 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
소형 키패드와 사용할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이 또 다른 목적인, 키패드는 키패드의 키와 수동 스타일러스의 접촉을 감지한다.
또 다른 목적은 디스프레이 장치에 신호를 제공하여 명암의 정도를 변화시켜 그릴 수 있도록 압력을 변화시키는 능동 스타일러스를 제공하는 것이다.
선호되는 실시예에서, 본 발명은 자기장을 이용하여 작동하는 스타일러스에 관련되는데, 영구자석이 수동 스타일러스 내에 배열되어, 쓰는 영역 내에서 스타일러스의 위치를 결정하기 위해 삼각함수에 사용되는 벡터를 얻기 위해 지구의 상대 자기장으로부터 스타일러스의 자기장을 제외하는 여러개의 자석센서로 감지될 수 있다.
본 발명의 제 1 관점에서 각 자기센서의 쌍은 벡터를 제공하는데, 두 쌍은 2차원을 형성하기 위해 벡터정보를 제공하고 세 쌍은 3차원에 대한 벡터 정보를 제공한다.
제 2 관점에서 세 쌍의 자기센서는 가상의 직사각형 평면에서 네 개의 모서리 중 세 개에 배열된다.
제 3 관점에서 세 쌍의 자기센서는 지구의 자기장을 위한 기준역할을 한다.
제 4 관점에서 각각의 자기센서는 감도방향을 변화시키기 위한 분극코일(polarizing coil), 널 코일(null coil) 및 플립핑 코일(flipping coil)을 포함한다.
제 5 관점에서, 수동 스타일러스에서 발생된 "시작" 및 "멈춤" 신호는 스타일러스 몸체 내에서 영구자석이 빨리 움직임으로써 자기센서로 감지가 가능하다.
각 도면에 부호가 부여된다. 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 원리를 나타내고자 하는 것이므로 좁은 측면에서 청구항을 보지 말아야 한다.
본 발명의 현재 선호되는 실시예는 전력원을 사용하지 않고 자기장을 발생시키는 수동 스타일러스의 방향 및 위치를 결정할 수 있는 여러개의 자기센서이다. 본 발명의 선호되는 실시예에서, 여러개의 자기센서는 직접 감지장치이다. 예를 들어, 자기센서는 필립스 반도체에서 KMZ51로 판매되고 있는 자기장 센서가 될 수 있다. 그러나 비슷한 결과를 가져오는 유사한 자기센서가 대신 사용될 수도 있다. 자기 파일 센서(magnetic file sensor) KMZ51는 저렴하므로 본 발명에 사용하기에 적합하다.
선호되는 실시예에서, 자기장 센서는 쌍으로 되어 있고 위로 적층되거나 옆으로 나란히 배열되며 적층되었을 때 PC 보드 같은 비전도상 재료로 분리된다. 각 자기장 센서의 쌍은 스타일러스에 하나의 벡터를 제공한다. 그러므로 두 쌍의 자기장 센서는 두 개의 벡터를 제공할 수 있어서 2차원에서 스타일러스의 위치를 결정할 수 있다.
선택적인 실시예에서, 제 3 자기장 센서가 추가되어 세 개의 자기장 센서가 각각 두 개의 그룹으로 형성된다. 제 3 자기장 센서는 3차원 감도를 제공하기 위해 상하 감도를 나타낸다.
선호되는 실시예에서, 세 개의 자기장 센서 세트가 배열되어 그 사이에 직선을 갖도록 한다. 예를 들어, 도 1은 제 1 자기장 센서 쌍(10), 제 2 자기장 센서 쌍(12)을 도시하는데, 각 쌍은 세 개의 자기장 센서(8)로 구성된다. 자기장 센서(8)의 감도방향은 화살표(14) 방향으로 강해진다. 각 쌍(10,12)에서 화살표(14)로 표시된 점은 감도가 도면 밖을 향한다는 것이다. 감도의 근접영역은 점선(16)으로 표시된다.
안타깝게도 스타일러스는 제 1,2 자기센서 쌍(10,12) 사이에 직접 놓여 있는 직선(18)을 따라 배열될 경우 감지될 없다. 감지되기 위해서는 제 3 쌍(20)의 자기장 센서를 포함하는 것이 선호적이다. 상기 제 3 쌍(20)은 3차원으로 스타일러스를 매우 간단하게 감지할 수 있도록 하며, 선(18)에 나타나는 "맹점(blind spot)"을 제거한다.
선택적인 실시예는 세 개의 자기장 센서의 세 쌍(10,12,20)인데, 상기 쌍들은 선호적으로 사각형 혹은 직사각형의 네 모서리에 배열되는 것이 선호적이다. 상기 영역은 영역(16)으로 표시되었다.
감도영역은 자기장 센서를 어디에 두는지에 따라 변할 수 있다. 이것은 감도영역이 상대적인 영역인 것을 의미한다. 예를 들어, 커서제어 입력장치의 경우, 감도 영역(22)은 도 2A에 도시된 바와 같이 혹은 도 2B 혹은 2C에 도시된 바와 같이 세 개의 자기장 센서 쌍(24)에 대해서 상대적이다. 여기서 중요한 것은 감도 영역이 매우 가까워서, 임의로 설정된 영역이 선택되어 사용자가 쓰거나 그릴 수 있도록 해주거나 스타일러스 및 센서를 사용할 때 컴퓨터 스크린의 정해진 영역에서 커서가 움직이도록 한다.
도 3은 현재 선호되는 스타일러스(30)는 펜형태이며, 선단부(34) 가까이에 있는 영구자석(32)을 갖는다. 스타일러스(20)는 선호적으로 그 강도가 지구의 자기장과 동일한 자기장을 갖는다.
스타일러스(30)의 작동을 이해하기 위해서는 자기장 센서의 작동원리를 이해해야 한다. 선호되는 실시예의 각 자기장센서는 분극코일을 포함한다. 분극코일은 사용자로 하여금 자기장 센서가 민감한 방향을 바꾸게 한다. 이러한 특징으로 사용자는 오프셋(offset)이라 드리프트(drift) 등을 상쇄시킬 수 있다. 일반적으로 사용자는 자기장 센서를 이따금씩 제로아웃(zero-out)시키기 위해 방향을 바꾸지만, 측정하기 전에는 일반적으로 이러한 작업을 하지 않는다. 자기장 센서는 약 1volt DC에서 1MHz까지 대역이 좋다.
도 4에 도시된 바와 같이, 자기장 센서는 널코일(42) 및 플립 코일(44)을 포함하는 브릿지(40)이다. 좋은 동적범위를 얻기 위해서 자기장이 더 커짐에 따라서자기장 센서를 포화시키기 시작하기 때문에 측정을 하기 전에 플립핑(flipping)을 피해는 것이 가장 좋다. 이 시점에서 자기장 센서는 선형성을 잃기 시작한다.
따라서, 선호되는 자기장 센서는 널코일(42)을 포함한다. 차동증폭기(46)의 출력은 널코일(42)로 들어간다. 그래서 자기장 센서에서 제로 자기장이 얻어져서 선형성을 유지하면서 이득(gain)을 무한히 증가시킨다.
센서 시스템이 정확하다면 센서 시스템이 선형회로를 유지할 필요가 없다는 것이 중요하다. 대신에 사용자는 널 포인트(null point)를 선택해야 하고 선형 DAC를 공급하여 널 포인트를 유지한다. 그래서 센서 시스템에 광범위한 동적범위가 주어지게 된다. 널코일(42)을 이용하여 선형성과 좀더 나은 범위를 유지할 수가 있다.
자기장 센서의 범위는 몇가지 요소의 함수이다. 현재 선호되는 실시예에 사용되는 아나로그-디지털(A/D) 변환기 14비트이다. 상기 A/D 변환기는 11인치당 약 8.5인 감도영역을 유지하거나 일정한 종이 시트를 유지하기에 충분하다. 상기 감도영역은 자기장 센서 쌍이 약 4 혹은 5 인치로 분리될 때 얻어진다. 16bit A/D 변환기를 이용하여 크고 고른 범위를 얻게됨으로써 감도 영역이 넓어진다.
센서 시스템이 도 1에 도시된 구조와 같이 3쌍의 세 개의 자기장센서(10,12,20)로 작동한다고 가정하다. 센서 시스템이 처음에 켜지면, 시스템은 고정되고 데스크탑 컴퓨터에 연결된 것으로 가정될 수 있다. 첫번째 단계는 센서 시스템을 보정하여 지구의 자기장에 대한 위치를 결정할 수 있도록 한다. 이러한 정보는 선호적으로 드라이버, RAM 혹은 다른 저장장치에 저장된다. 이러한 정보는 감도 및 수정요소로 사용된다. 각각의 자기장 센서 쌍(10,12,20)은 인지된 감도영역(16) 내에 배치된 하나의 스타일러스에 하나의 벡터를 제공한다. 절대벡터를 결정하고 보정벡터를 빼는 것이 중요하다.
만약 전체 자기장 센서(10,12,20)가 서로 평행한 벡터를 보낸다면, 감도영역(16) 내에 자석이 없다고 가정할 수 있다. 지구의 자기장을 이미 알고 있기 때문에, 이것도 빼서 센서 시스템의 감도영역 내에 널 공간(null space)을 얻는다.
스타일러스가 널공간(감도영역)으로 유입될 때, 스타일러스가 존재하기 위한 문턱값은 벡터가 더 이상 평행하지 않다는 결과하다. 지구의 상대적인 자기장으로부터 스타일러스 내에 위치한 영구자석의 자기장을 빼서, 사용자는 스타일러스를 향하는 두 개의 벡터를 얻게 된다. 삼각형으로 스타일러스의 위치가 결정된다.
도 5는 선호되는 센서 시스템의 도식적인 다이아그램이다. 도시된 바와 같이 MUX(50)는 세 개의 자기장 센서 셋트(10,12,20)의 자기장 센서(8)로 가게 된다. MUX(50)로부터 나온 신호는 A/D 변환기(52)로 가고, CPU(54)를 통과한다. A/D 변환기(52)에 대한 입력은 퍼스널 컴퓨터로 삼각형 분할법(triangulation formular)을 처리하여 스타일러스 위치를 결정하여 이루어진다. 적합한 특성을 갖는 A/D 변환기의 좋은 예로써 8051 프로세서가 있다.
본 발명의 원리를 이해하는데 삼각형 분할법(triangulation method)에 대한 자세한 설명이 유용하다. 삼각형 분할은 보통 두가지 방식 중 하나로 이루어지는데, 이 둘가 본 발명에는 적합하지 않다. 첫 번째 방법은 x 혹은 y 센서가 0에 가까운 값을 갖을 때 정확한 좌표를 얻기가 어렵기 때문에 소용이 없다. 또한 사용자가 스타일러스를 기울이면, 정확한 좌표를 다시 얻을 수 있다.
두 번째 방법은 일정한 주파수에서 교류신호(alternating signal)를 필요로 하며 서로 일정한 거리에서 두 개의 센서를 이용한다. 이러한 방법은 자기센서는 비교류 자기장이라고 보고 주파수형성이 불가능하기 때문에 본 발명의 스타일러스를 추적하는데는 적합하지 않다.
그러므로 본 발명은 원형-삼각형 분할법(circular-triangulation method)을 이용한다. 상기 방법은 어떻게 멀리서 자기장이 떨어지는지에 대한 원리를 이용한다. 자기소스(magnetic source)가 센서로부터 멀어짐에 따라서 센서는 소스와 센서 산의 거리의 역 세제곱에 비례하는 값을 기록한다. 이러한 정보로 인해서 역세제곱 형태 및 센서값으로부터 계산된 반경으로 센서 주변에 가정의 원(hypothetical circle)을 그린다. 상기 원은 스타일러스가 놓일 수 있는 모든 가능한 투영한다.
일정한 거리만큼 떨어진 제 2 센서는 반경이 다른 또 다른 원을 투영한다. 이러한 원들은 대부분 두 지점에서 교차하는데, 하나의 지점은 그려지지 않은 영역에서 센서 뒤에 있는데, 이 지점이 해결점으로써 제거될 수 있다는 것을 의미한다. 나머지 지점들의 좌표는 스타일러스의 좌표로써 포지시브 솔루션(positive solution)을 이용하고 두 개의 원의 교차점을 풀어서 계산된다.
이러한 방법은 전술된 각도방법(angle method)에 필요한 네 개의 센서와는 반대로 일정한 거리로 분리된 두 개의 x 혹은 y 센서만을 필요한 것이 바람직하다.
쓰는 표면에 대한 펜의 각도 변화는 두 개의 x,y 센서가 각 감지위치에 사용될 경우 스타일러스 좌표에 영향을 주지 않는다. 한 쌍의 센서로부터 x만큼 감소하는 것은 y만큼 증가하여 보정될 것이다. 두개의 센서 간의 크기는 (x^2+y^2)에 대한 제곱근으로 결정될 수 있다. 이것으로 낮은 x,y 값 때문에 각도의 교란을 제거하고 쓰는 표면에 대한 펜의 각도의 영향을 없앤다.
이러한 방법으로 상기 크기로부터 연장된 각도 대신에 처리되지 않은 상태의 센서크기를 사용하기 때문에 거리가 증가하게 된다. 동일한 개념이 전자기장에 적용되는데, 자기 쌍극자에 대한 거리의 역 세제곱과는 반대로 거리의 역 제곱으로 자기장에서 에너지를 잃는다. 각 안테나로부터 소스까지 구(球)가 그려질 수 있고, 소스의 좌표는 구의 교점을 풀어서 해답이 얻어진다. 이러한 방법으로 전자기 소스를 삼각형으로 나누어 물체가 자기센서의 안테나를 향하는 각도의 의존성이 제거될 수 있다.
선호되는 실시예에 사용된 스타일러스(30)는 영구자석(32)을 갖는 수동장치로 설명된다. 그러나 본 발명은 수동적인 구조에 변형을 가한 스타일러스의 선택적인 설계를 설명하며, 사용자가 위치를 결정하는 것 이상을 할 수 있도록 하는 능동요소를 추가하는 것을 설명한다.
예를 들어, 수동 스타일러스를 향상시키기 위해서, 스타일러스로 발생된 자기장의 강도를 변화시키는 것이 바람직하다. 강도의 변화가 감지될 수 있을 경우, 스타일러스는 수신장치에 더 많은 입력정보를 제공할 수 있다. 가변 자기장을 제공하는 실시예는 스타일러스 선단부에 가해지는 압력에 의존한다.
도 6에서 증가된 압력은 제 1 영구자석(62)이 제 2 영구자석(64)과 접촉할때까지 안쪽으로 스타일러스 선단부(60)를 밀게 된다. 조합된 영구자석(62,64)의 자기장은 각각의 자석보다 크고, 이러한 자기장의 강도의 증가는 감지될 수 있다. 스타일러스 선단부(60)의 압력을 해제하여 스트링(66)이 영구자석(62,64)을 밀게되고, 자기장의 강도를 초기 상태로 되돌린다. 이러한 모든 것들은 전기 공급원 없이 가능하다.
선택직인 실시예에서, 기본적인 스타일러스 설계를 넘어서는 능동요소를 도입할 수 있다. 예를 들어 도 7은 능동 스타일러스(70)의 선택적인 실시예를 도시한다. 여기서 스타일러스(70)의 내부가 자세히 도시되어 영구자석(72)이 정지하고 있을 때 제 1 방향을 향하고 있는 것을 도시하다. 도시된 바와 같이 자석의 S극은 스타일러스의 선단부를 향한다. 스타일러스 선단부(74)에 압력이 가해질 때 로드(76)는 영구자석(72)늘 밀어서 회전시킨다. 회전으로 인해서 영구자석(72)의 극이 바뀌고 S극이 스타일러스 선단부(74)로부터 떨어져 반대측면으로 가게 된다. 그러므로 스타일러스는 입력장치에 신호를 제공한다. 이 신호는 1에서 0으로 또한 그 반대로 바뀔 수 있다. 스프링(78)은 로드(76)를 스타일러스 선단부(74)쪽으로 밀어서 스타일러스 선단부에서 압력이 제거될 때 최초 방향으로 영구자석이 회전하도록 한다.
일반적으로, 스타일러스는 입력장치에 "Z"를 제공할 필요가 없다. 그러나 "Z"방향은 전자 페인트브러쉬를 사용할 때 무한범위의 압력값을 제공하기 때문에 유용한다.
능동 스타일러스의 또 다른 선택적인 실시예가 도 8에 도시되었다. 스타일러스(80)는 스타일러스의 선단부(84) 가까이에 있는 코일구조(82)를 갖는 것으로 도시되었다. 코일구조(82)는 도 9에 도시된 바와 같이 구(92)에 배열된 세 개의 코일(86,88,90)로 구성된다. 코일(86,88,90)은 250KHz에서 1MHz 사이의 세 개의 다른 주파수를 갖는 드라이브 코일이다. 각각의 자기장 센서 쌍은 다른 드라이브 코일에 민감해진다. 이러한 방식으로 센서 시스템은 3차원으로 각 드라이브 코일의 위치를 추적할 수 있을 뿐만 아니라 회전을 감지할 수 있다. 결점이라면 필요한 주파수에서 드라이브 코일이 전력을 필요로 한다는 것이다. 그러나 XYZ 위치에서만 균형이 얻어지는 것이 아니라 높이(pith), 회전(roll), 흔들림(yaw)에서도 얻어진다. 그러므로 센서 시스템은 6자유도를 갖는다. 각 코일(86,88,90)에서 PDA 같은 장치로 신호를 전송할 수 있는데, 각 코일이 자체 신호 안테나 역할을 해서 무선으로 연결되기 때문이다.
따라서 본 발명은 동자장(dynamic field) 대신에 정자장(static magnetic field)을 사용한다. 이러한 사실은 본 발명의 기본적인 특징을 이용할 때 전력이 필요없고 좀더 많은 특징을 제공하려 할 때만 전력이 필요한 영구자석을 이용하는 방법을 제공한다.
도 10은 자기장의 강도를 증가시키기 위한 또 다른 장치를 도시한다. 스타일러스 선단부(100)는 영구자석(102)에 연결되고 실린더 코일(104)(횡단면으로 도시됨)에 연결된다. 스프링(106)은 또 다른 실린더 코일(108)과 접촉할 때까지 선단부(100)에 의해 압축되고 자기장의 강도를 증가된다.
도 11은 수동 스타일러스(110)의 선택적인 실시예에 대한 횡단면을 도시한다. 상기 수동 스타일러스(110)는 신규한 틸팅 자석(tilting magnet)을 이용하여자기센서에 "시작"과"멈춤"신호를 보낸다. 수동 스타일러스(110)의 구성요소는 플라스틱 하우징(112)인데 자기장을 방해하지 않는 다른 재료로도 만들어질 수 있다. 하우징(112)은 잉크 카트리지(116)를 교체하기 위해 제거될 수 있는 플라스틱 혹은 철 하우징 캡(114)을 갖는다. 잉크 카트리지(116)는 하우징(112)을 갖는 끼워맞춰지는 나사형 철 요소(118)를 갖는다. 나사형 쇠 요소(118)는 플라스틱 하우징(112)에 플라스틱 하우징 캡(114)을 연결하기 위해 설치된다. 스프링(120)은 플라스틱 하우징 캡(114)의 내부 및 끼워맞춤 나사형 철 요소(118) 사이에 배치된다. 잉크 카트리지(116)가 통과하기 위한 중간 구멍을 갖는 원형 세라믹 자석(122)은 끼워맞춤부(122) 위에 배치된다. 세라믹 자석(122)의 개수는 세라믹 자석의 위치를 감지하는데 사용되는 자기센서의 감도에 의존한다. 좀더 많거나 강한 자석은 수동 스타일러스(110)의 감지를 개선시킨다.
프라스틱 액츄에이터(124)는 잉크 카트리지(116)의 상단에 배열된다. 상기 플라스틱 액츄에이터는 원상태의 어스 자석(earth magnet)(126) 위를 고르게 누르도록 사용된다. 잉크카트리지의 상단은 움푹 패이거나 불규칙하게 만들어지는 반면에, 플라스틱 액츄에이터(124)는 자석과 안정된 접촉을 이루고, 원상태의 어스자석(126)은 세라믹 트리거 자석(128)이 배치되며, 철워셔(130) 경사진 내경을 갖는다. 상기 두 요소는 플라스틱 하우징(112)의 거의 모든 길이 방향을 따라 연장된 철 실린더(132)이고 플라스틱 하우징(112) 안으로 들어가는 플라스틱 하우징 캡(134)이다.
도 12는 도 11에 도시된 구동 스타일러스(110)의 횡단면도인데 현재 작동상태를 도시한다.
수동 스타일러스(110)의 작동은 사용자가 언제 디스플레이에 쓰기를 시작하고 멈추는지를 자기 센서가 결정하도록 하는 시스템에서는 신규한 것이다. 사용자는 수동 스타일러스(110)로 쓰기 시작할 것이다. 링크로 쓰기 위해 종이를 누르는 것 같이 부드럽고 적당한 압력을 가한 후에, 수동 스타일러스(110)는 "시작"신호 발생시키고, 디스플레이 장치는 "잉크쓰기" 혹은 디스플레이에 쓰기를 시작하게 된다.
상기 "시작"신호는 잉크 카트리지(116)의 압력으로 발생된다. 상기 압력으로 잉크 카트리지(116)는 약 1/16 혹은 1/8인치 위쪽으로 플라스틱 하우징(112) 안으로 이동하게 된다. 잉크 카트리지(116)는 플라스틱 액츄에이터(124)에 연결되는데, 세라믹 트리거 자석(128) 전체를 이동하여 철와셔(130)의 경사진 내경 안으로 부분적으로 들어가게 된다. 세라믹 트리거 자석의 하단부(138)와 하측 턱부분(136)이 만날 때 세라믹 트리거 자석(128)을 통과하지 못하는 플라스틱 액츄에이터(124) 때문에 잉크 카트리지(116)의 운동이 멈추게 된다.
도 13은 사용자가 쓸 때 전술된 과정이 어떻게 나타나는지 도시하는 도면이다. 도면에 플라스틱 하우징(112), 직립위치에 있는 원상태의 어스 자석(126), 경사진 내경을 갖는 철와셔(130), 세라믹 트리거 자석(128), 플라스틱 액츄에이터(124)가 도시되었다. 플라스틱 액츄에이터(126)의 선단부(140)는 자석(126)의 하단면 위로 누른다. 자석(126)은 철와셔(130)의 좁은 가장자리부(142)에 안착된다.
원상태의 어스 자석(126)이 기울어진 위치에서 직립한 위치로 닿게 하는 것이 왜 "시작"신호를 보낼 것인지가 명확하지 않다. 그러나 수동 스타일러스(110)의 위치를 추적하는 자기센서는 또한 원상태의 어스자석(126)을 감지한다. 상기 어스자석(126)은 도 11,12에 도시된 바와 같이 기울어진 위치에서는 정지상태에 있고, 철와셔(130)에 이끌리는 자석에 의해 고정된다. 상기 자석(126)을 자유롭게하는데 필요한 힘은 매우 작은데 약 80 내지 100 그람정도 된다. 그러나 자유롭게 되었을 때 빠르게 가속되며 직립 위치로 이동하여 철와셔(130)의 가장자리부(142)에 자기적으로 이끌린다. 어스자석(126)이 이동한 거리가 매우 작지만, 감지할 수는 있는 것이다. 다행스럽게도, 이러한 운동은 매우 빠르고 쓸때 수동 스타일러스(110)의 통상적인 운동과 구별할 수 있는 열쇠가 된다. 이러한 운동은 너무나 빨라서 스타일러스를 보통 사용할 때 실수로 발생되지 않을 것이다.
마찬가지로 압력을 해제시켜 잉크 카트리지(116)가 어스자석(126)과 더 강하게 끌려서 경사지도록 할 것이다. 힘의 양은 약 45 내지 50그램이지만 변할 수 있다. 어스 자석은 기울어진 위치로 가려하지만 가장자리부(142)는 철와셔(130)의 경사진 내경의 경계표면과 비교해 볼 때 작다.
시작/정지 신호를 보내는데 필요한 잉크 카트리지(116)의 운동은 겨우 감지될만큼이며 구동 스타일러스(110)가 일반적인 잉크펜과 같은 기능을 할 수 있도록 해준다. 어스자석이 작동하기 위해 직립위치로 갔다가 해제되는 경사진 위치로 되돌아 올때 그 운동은 스타일러스를 사용하는데 방해되지 않는다. 또한 이러한 운동이 외부로 표시되는 것을 완화시키는 여러 가지 방법이 플라스틱 하우징(112)을 변형시켜 가능해진다.
본 발명의 또 다른 관점으로써 능동 스타일러스를 이용하여 압력을 감지하는 것이다. 스타일러스 선단부에 가해지는 압력 변화는 자기센서로는 감지하기가 어렵다. 따라서 압력을 감지하는데 저항고무(resistive rubber)를 사용한다. 고무는 압력의 작은 변화에 대한 저항성을 변화시킨다. 쓰는 표면 위에서 스타일러스 잉크 카트리지의 힘은 스타일러스의 경우의 케이스에 대해서 고무를 압축하는데 이용된다. 이러한 저항성의 변화는 RC 오실리에이터의 주파수 변환을 하는데 이용된다. 이러한 정보는 주파수 변환 트랜스미터에 보내진다. 데이터는 콘트롤러 보드에 있는 수신기로 전송된다. 콘트롤러 보드의 마이크로 콘트롤러는 신호의 주파수를 결정하거나 주어진 주파수의 변화를 결정해서 쓰는 표면에서 스타일러스 선단부에 가해지는 압력의 정도를 결정한다. 궁극적으로 압력 데이터는 두 가지 다른 방식으로 표시될 수 있다. 선의 폭이 변하거나 잉크의 그레이 스케일(gray scale)이 컴퓨터에 표시된다.
본 발명에서 압력변환기 역할을 하는 저항고무는 도 14에 도시된 회로에서 작동한다. 도 14는 RC 회로(152)에 연결된 저항고무(150)를 도시한다. 예를 들어, 555칩은 저항고무(150)로부터 입력받을 수 있다. RC회로(152)의 출력은 안테나(156)를 통해 RF 변조기(154)로 보내진다. RF 변환기(154)의 출력은 저항고무(150)가 압축되는 정도를 결정하여 가해지는 압력의 정도를 결정하는데 사용된다. 변환 테이블은 가해지는 압력의 양을 그려지는 선의 폭이나 명암에 대한 값에 관련시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 저항고무는 ZOFLEX ZF40(TM)이라는 이름으로 판매되고 있다. 도 15는 압력 데이터를 스타일러스로부터 콘트롤러 보드에까지 전달하는데 사용될 수 있다. 이러한 단지 샘플이므로 여기에 제한되지 않는다. 그러나 이러한 종류의 트랜스미터는 스타일러스의 일정한 공간 안에 배치될 수 있다.
본 발명은 여러 가지로 사용될 수 있는데 특히 휴대전화, 디지털 폰, PDA 같은 휴대장치와 단순하지만 효율적으로 전자장치에 데이터를 입력해야 하는 유사장치들에 사용될 수있다.
본 발명의 또 다른 관점은 수동 스타일러스의 매우 작고 정확한 위치를 감지하는 능력에 관련된다. 이것은 키보드라고 하는 배우 좁은 영역에 수동 스타일러스가 사용되도록 한다. 키보드의 키는 수동 스타일러스의 작은 선단부로 작동된다. 예를들어, 휴대전화에 연결된 작은 키보드를 생각해 보자. 키보드는 본 발명의 자기센서를 갖고 어떠한 키가 눌려지는지를 결정할 수 있다. 이러한 감지능력으로 이메일을 보내는 것 같이 휴대전화에 문장을 빠르게 입력시킬 수 있다.
자체 메모리를 갖는 키보드로 LCD 디스플레이에 한 줄이 표시되는 작은 디스플레이 스크린을 내장랄 수 있다. 키보드는 전화를 하는 도중에 메모를 할 수 있도록 휴대전화에 연결되지 않도록 사용될 수 있다. 그리고 휴대전화에 연결되었을 때 키보드의 메모리는 휴대전화에 있는 메모리와 연동되어 사용자가 키보드에 저장된 데이터를 입력할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 휴대전화로 통화하면서 키보드에 메모를 할 수 있다. 통화가 끝난 후에 사용자는 키보드를 휴대전화에 연결하여 메모된 테이터를 키보드 메모리에서 휴대전화 메모리로 업로드시킨다. 통상적으로 휴대전화로 이메일 형태로 데이터를 보내기 원할 때 이용된다.
그러나 키보드는 휴대전화와 떨어져서 사용되지 않아도 된다. 키보드는 휴대전화에 부착되었을 때 사용될 수 있다. 사용자는 휴대전화의 넓은 디스플레이를 사용하거나 키보드에 설치된 LDC 화면을 사용할 수 있다. 키보드가 휴대전화에 부착되었을 때 LCD 화면이 어떻게 보이느냐에 따른다.
상기 설명은 본 발명의 원리를 적용하기 위해 설명한 것이다. 당해업자들은 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 변형을 가할 수 있다.

Claims (5)

  1. 전자장치에 입력시키기 위한 수동 스타일러스 시스템에 있어서, 수동 스타일러스는 영구자석을 사용하여 자기센서 시스템에 위치정보를 제공하는데, 상기 수동 스타일러스는 최소한 하나의 영구 자석으로 구성되며,
    최소한 하나의 영구자석의 위치를 감지하기 위한 자석센서 시스템에 있어서, 자기센서 시스템은 (1) 최소한 하나의 영구자석을 감지하고, (2) 기준점에 대한 초소한 하나의 영구자석의 위치를 결정하고, (3) 최소한 하나의 영구자석의 위치를 전송할 수 있는 여러개의 자기센서로 구성되며,
    또한 수동 스타일러스는 디스플레이 시스템으로 구성되는데 있어서, 디스플레이 시스템은 작동 범위 내에서 수동 스타일러스의 운동을 나타내는 디스플레이 시스템에 데이터를 표시하기 위해 최소한 하나의 영구자석의 위치를 이용하는 것을 특징으로하는 수동 스타일러스.
  2. 제 1 항에 있어서, 자기센서 시스템은 x,y 좌표정보를 제공하는 최소한 두 개의 자기센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동 스타일러스.
  3. 제 2 항에 있어서, 시스템은 또한 수동 스타일러스의 위치를 결정하기 위한 원형-삼각형 분할법을 이용하는데, 최소한 두 개의 자기센서로부터 나온 데이터는 수동 스타일러스의 운동 혹은 기울기로 인해서 수동 스타일러스 위치의 결정에 있어서 부정확함을 줄이기 위해 원형-삼각형 분할법에 사용되는 것을 특징으로 하는 수동 스타일러스.
  4. 제 3 항에 있어서, 수동 스타일러스는
    수동 스타일러스의 구성요소를 하우징하는 스타일러스 몸체,
    잉크 카트리지,
    잉크 카트지리의 비잉크 단부에 배치된 액츄에이터,
    잉크 카트리지가 배치된 구멍을 갖는 잉크카트리지의 잉크단부에 인접해 있는 최소한 하나의 위치 자석,
    최소한 하나의 위치자석 및 스타일러스 선단부 사이에 있고 잉크 카트리지 주변에 배치된 스프링,
    액츄에이터가 통과할 수 있는 구멍을 갖고, 잉크 카트리지의 비잉크 단부 위체 배치된 트리거 자석,
    표면에 안쪽 원뿔형태의 홈과 위부 턱모양 부분을 갖으며 트리거 자석 위에 배치된 철와셔,
    기울어지도록 정지하고 있는 시그널링 자석(signalling magnet)으로 구성되는데, 하측표면은 안쪽 원뿔형태의 홈에 대해서 최소한 부분적으로 정지하고 있는데, 잉크 카트리지는 시그널링 자석을 경사진 위치에서 직립한 위치로 밀어서 하측표면이 외부 턱모양 부분에 부분적으로 정지해 있도록 하는 것을 특징으로 하는 수동 스타일러스.
  5. 영구자석을 갖는 스타일러스 시스템을 이용하는 전자장치에 입력하기 위한 방법에서, 상기 방법은
    (1) 영구자석과 자기센서 시스템을 갖는 스타일러스 몸체를 제공하고,
    (2) 자기센서 시스템을 이용하여 영구자석을 감지하고,
    (3) 기준점에 대한 영구자석의 위치를 결정하고,
    (4) 스타일러스 몸체에서 영구자석의 위치를 전달하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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