KR100578494B1

KR100578494B1 - 자동 감도보상 기능을 갖는 정전용량 스위치

Info

Publication number: KR100578494B1
Application number: KR1020040098084A
Authority: KR
Inventors: 이상철
Original assignee: 에이디반도체(주)
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-05-11

Abstract

본 발명은 자동 감도보상 기능을 갖는 정전용량 스위치에 관한 것으로서, 감도 보상부(130)는 두 입력단으로 정전용량 비교기(111)에서 출력되는 전압과 소정의 설정감지전압(Vs)을 입력받아 이들의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 감도보상 비교기(131)와, 감도보상 비교기(131)의 출력신호의 급격한 변화를 방지하는 감도보상용 완충회로(132)와, 감도보상용 완충회로(132)를 거쳐 나오는 감도보상 비교기(131)의 신호를 입력받아 정전용량 비교기(111)의 두 입력단으로 보상전류를 공급하는 동작전류 보상회로(133)를 포함한다. 본 발명에 의하면, 감도 편차를 자동으로 보상할 수 있게 되어 스위칭 에러를 방지함과 동시에 생산수율을 높일 수 있게 된다.

감도보상, 완충회로, 비교기, 정전용량 스위치, 보상전류

Description

자동 감도보상 기능을 갖는 정전용량 스위치{Capacitance switch having auto-calibration function}

도1은 종래의 정전용량 스위치를 설명하기 위한 회로도;

도2는 본 발명에 따른 정전용량 스위치를 설명하기 위한 회로도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

110: 접촉감지부 111: 정전용량 비교기

120: 출력부 121: 스위칭 비교기

122: 스위칭용 완충회로 130: 감도보상부

131: 감도보상 비교기 132: 감도보상용 완충회로

133: 동작전류 보상회로

본 발명은 정전용량 스위치에 관한 것으로서, 특히 자동 감도보상 기능을 갖 는 정전용량 스위치에 관한 것이다.

정전용량 스위치는 종래의 푸쉬형(push type) 스위치와 달리 인체의 접촉에 의해서 동작하는데, 도1은 이러한 정전용량 스위치의 종래의 예를 설명하기 위한 도면이다.

도1을 참조하면, 제1기준커패시터(Cms)와 제1센싱가변커패시터(Cps)는 서로 병렬연결된 상태로 정전용량 비교기(10)의 비반전단자에 연결되고, 제2기준커패시터(Cmr)와 제2센싱가변커패시터(Cpr)는 서로 병렬연결된 상태로 정전용량 비교기(10)의 반전단자에 연결된다. 따라서, 정전용량 비교기(10)의 비반전단자로는 제1기준커패시터(Cms)와 제1센싱가변커패시터(Cps)의 정전용량합이 입력되고, 반전단자로는 제2기준커패시터(Cmr)와 제2센싱가변커패시터(Cpr)의 정전용량합이 입력된다.

제2기준커패시터(Cmr)는 제1기준커패시터(Cms)보다 더 큰 정전용량값을 가진다. 인체가 A, B 단자로 접근할수록 제1센싱가변커패시터(Cps)와 제2센싱가변커패시터(Cpr)의 정전용량값이 증가하는데, 그 증가속도는 제1센싱가변커패시터(Cps)가 더 빠르다. 따라서, 인체가 접촉되지 않은 경우에는 반전단자에 더 큰 정전용량값이 입력되지만, 인체가 접근할수록 비반전단자로 입력되는 정전용량의 증가량이 더 크므로 어느 순간에는 비반전단자로의 입력값이 더 크게 되어 정전용량 비교기(10)에서 스위칭 신호가 출력된다. 인체가 스위치를 터치할 때 비로소 스위칭 신호가 출력되도록 셋팅되어야 할 것이다.

외부로부터 강력한 ESD가 인가되는 환경에서는 반전단자나 비반전단자 중의 어느 하나에만 전기적 펄스가 가해져서 정전용량 비교기(10)의 출력에 에러가 발생할 우려가 많다. 보상 커패시터(Cc)는 바로 이러한 점을 염려하여 설치한 것이다.

상술한 종래의 정전용량 스위치는 제1기준커패시터(Cms)와 제2기준커패시터(Cmr)의 정전용량값을 정전용량 비교기(10)가 입력받으면서 감지대기상태에서 물체의 근접 또는 접촉을 기다린다. 따라서, 제1기준커패시터(Cms)와 제2기준커패시터(Cmr) 등의 구성요소들의 편차에 의해 감도(다르게 표현하면 감지거리)가 달라 일정한 감도조건이 요구되는 대량생산에서는 감도의 편차들로 인해 생산성이 떨어지게 되는 단점이 있다. 감도편차의 가장 큰 원인은 제1기준커패시터(Cms)와 제2기준커패시터(Cmr)의 편차에 있으며, 이 밖에도 소자의 납땜 상태, PCB 기판의 패턴 편차 등을 들 수 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 감도 편차를 자동으로 보상하여 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 정전용량 스위치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전용량 스위치는,

두 입력단으로 입력되는 정전용량값의 차이가 작을수록 출력전압이 높아지다가 이들의 입력 대소가 뒤바뀌는 경우에 최대전압을 출력하는 정전용량 비교기와, 서로 병렬연결된 상태로 상기 정전용량 비교기의 한쪽 입력단에 연결되는 제1기준커패시터 및 제1센싱가변커패시터와, 서로 병렬연결된 상태로 상기 정전용량 비교기의 다른 한쪽 입력단에 연결되는 제2기준커패시터 및 제2센싱가변커패시터를 포함하며, 상기 제2기준커패시터는 상기 제1기준커패시터보다 더 큰 정전용량값을 가지고, 상기 제1센싱가변커패시터 및 제2센싱가변커패시터는 인체가 접근할수록 정전용량값이 증가하는데, 상기 제1센싱가변커패시터가 상기 제2센싱가변커패시터보다 더 크게 증가하는 접촉감지부;

두 입력단으로 상기 정전용량 비교기에서 출력되는 전압과 소정의 설정감지전압을 입력받아 이들의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 감도보상 비교기와, 상기 감도보상 비교기의 출력신호의 급격한 변화를 방지하는 감도보상용 완충회로와, 상기 감도보상용 완충회로를 거쳐 나오는 상기 감도보상 비교기의 신호를 입력받아 상기 정전용량 비교기의 두 입력단으로 보상전류를 공급하는 동작전류 보상회로를 포함하는 감도보상부; 및

두 입력단으로 상기 정전용량 비교기에서 출력되는 전압과 소정의 기준전압을 입력받아 어느 값이 크냐에 따라 출력변화를 일으키는 스위칭 비교기를 포함하는 출력부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 출력부는 상기 정전용량 비교기의 출력전압의 변화속도를 제어한 후에 이를 상기 스위칭 비교기에 입력시키는 스위칭용 완충회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 출력부는, 상기 스위칭 비교기의 출력단에 베이스가 연결되는 제1트랜 지스터; 상기 제1트랜지스터의 콜랙터에 연결되는 저항; 상기 제1트랜지스터의 콜랙터에 콜랙터가 연결되며 베이스가 별도의 입력신호단자와 연결되는 제2트랜지스터; 및 상기 제2트랜지스터의 콜랙터에 베이스가 연결되며 에미터가 출력단이 되는 제3트랜지스터; 를 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 될 것이다.

[접촉감지부(110)]

물체가 접근 또는 접촉하면 접촉감지부(110)에서 정전용량의 변화가 생기게 된다. 구체적으로 접촉감지부(110)를 설명하면, 정전용량 비교기(111)의 비반전단자에는 제1기준커패시터(Cms)와 제1센싱가변커패시터(Cps)가 서로 병렬연결된 상태로 연결되고, 반전단자에는 제2기준커패시터(Cmr)와 제2센싱가변커패시터(Cpr)가 서로 병렬연결된 상태로 연결된다. 따라서, 정전용량 비교기(111)의 비반전단자로는 제1기준커패시터(Cms)와 제1센싱가변커패시터(Cps)의 정전용량합이 입력되고, 반전단자로는 제2기준커패시터(Cmr)와 제2센싱가변커패시터(Cpr)의 정전용량합이 입력된다.

제2기준커패시터(Cmr)는 제1기준커패시터(Cms)보다 더 큰 정전용량값을 가진다. 인체가 접근할수록 제1센싱가변커패시터(Cps)와 제2센싱가변커패시터(Cpr)의 정전용량값이 증가하는데, 그 증가속도는 제1센싱가변커패시터(Cps)가 더 빠르다. 따라서, 물체가 접촉되지 않은 경우에는 반전단자에 더 큰 정전용량값이 입력되지만, 물체가 접근할수록 비반전단자로 입력되는 정전용량의 증가량이 더 크므로 어느 순간에는 비반전단자로의 입력값이 더 크게 되어 정전용량 비교기(111)에서 물체가 접촉되지 않았을 때와 반대의 전압이 출력된다.제2기준커패시터(Cmr)와 제1기준커패시터(Cms)의 정전용량 차이가 클수록 감도가 떨어진다.

외부로부터 강력한 ESD가 인가되는 환경에서는 반전단자나 비반전단자 중의 어느 하나에만 전기적 펄스가 가해져서 정전용량 비교기(111)의 출력에 에러가 발생할 우려가 많다. 보상 커패시터(Cc)는 바로 이러한 점을 염려하여 설치한 것이다.

정전용량 비교기(111)는 비반전단자에 입력되는 정전용량값이 커져서 반전단자와의 차이가 작아질수록 높은 전압을 출력하며, 비반전단자에의 입력값이 반전단자에의 입력값보다 크면 출력전압은 최대를 유지한다.

[감도보상부(130)]

감도보상은 초기 전원 인가시에 하게 되며, 동작하고 있는 동안 지속적으로 진행된다. 감도보상 비교기(131)는 정전용량 비교기(111)에서 출력전압을 입력받아 소정의 설정감지전압(Vs)과 비교하여 이들의 차이에 비례하는 전압을 출력한다.

제1기준커패시터(Cms)와 제2기준커패시터(Cmr)에 오차가 생기면 그 결과는 정전용량 비교기(111)의 출력전압의 변화로 나타난다. 제1기준커패시터(Cms)와 제2기준커패시터(Cmr)의 정전용량 차이가 설정된 것보다 편차에 의해 작아지면 정전용량 비교기(111)의 출력전압은 상승하고, 감도보상 비교기(131)의 출력전압은 감소하게 된다. 그러면, 동작전류 보상회로(133)는 정전용량 비교기(111)의 반전단자와 비반전단자로 보상전류를 적절히 공급하여 원 설정감도가 유지되도록 한다.

반대로, 제1기준커패시터(Cms)와 제2기준커패시터(Cmr)의 정전용량 차이가 설정된 것보다 편차에 의해 커지면 정전용량 비교기(111)의 출력전압은 감소하고, 감도보상 비교기(131)의 출력전압은 상승하게 된다. 그러면, 동작전류 보상회로(133)는 앞서의 경우와 반대로 동작하게 된다.

동작전류를 이용한 감도보상은 정전용량 비교기(111)의 입력단에 달려있는 두개의 가변 전류원(lniv, liv)을 조절하여 얻을 수 있다. 가변 전류원(lniv, liv)의 전류를 조절하면, 정전용량 비교기(111)의 두 입력단에 입력되는 등가 정전용량이 변하게 된다. 즉, 전류가 증가하게 되면 실제 입력단 전압은 상승하므로 등가 정전용량이 감소하게 되고, 반대로 전류를 줄이면 입력단 전압이 떨어지게 되어 등가 정전용량이 증가하게 된다.

따라서, 감도보상 비교기(131)에서 정전용량 비교기(111)의 출력전압과 설정감지전압(Vs)을 비교하여 이것에 따라 가변 전류원(lniv, liv)을 다르게 변화시키면 정전용량 비교기(111)의 출력이 감지대기상태에서 설정감도전압(Vs)으로 머물러 있게 된다.

감도보상용 완충회로(132)는 감도보상 비교기(131)의 출력신호의 급격한 변화를 방지하기 위한 것으로서 로우패스 필터(low pass filter, LPF)로 구현할 수 있는데, 도1에는 그 예로서 커패시터가 제시되었다. 감도보상용 완충회로(132)의 반응속도를 어느 정도 느리게 하여 물체의 접근 또는 접촉에 대한 정상적인 감지가 이루어질 수 있도록 하여야 하며, 정상적인 감지동작 중에는 감지출력신호를 받아 보상기능을 중단하여 정상적인 감지를 유지할 수 있도록 한다. 완충회로(132)를 이루는 커패시터의 정전용량값을 크게 하면 시상수가 커져서 반응속도가 느려진다.

[출력부(120)]

물체가 접근 또는 접촉하면 정전용량 비교기(111)의 출력전압은 스위칭용 완충회로(122)에 의존하여 올라간다. 스위칭용 완충회로(122)의 Rdeg를 크게 하여 시상수를 작게하면 반응속도가 빨라져서 정전용량 비교기(111)의 입력단에 약간의 정전용량 변화가 생겨도 바로 스위칭 비교기(121)에서 감지출력신호를 낼 수 있어 감도가 좋아지는 반면, Rdeg를 작게하면 시상수가 커져서 반응속도가 느려지기 때문에 정전용량 비교기(111)의 입력단에 큰 정전용량의 차이가 나지 않는 한 스위칭 비교기(121)에서 감지출력신호가 출력되기가 어려워진다.

스위칭 비교기(121)의 비반전단자에 입력되는 소정의 기준전압(Vh)은 감지출력신호의 상태에 따라 이력을 갖게 하는 것이 안정한 감지출력신호 발생에 바람직하다. 즉, 물체의 접근 또는 접촉이 감지되지 않아 감지출력신호가 없을 때에는 기준전압(Vh)을 높여서 잡음이 감지되지 않도록 하고, 물체의 접근 또는 접촉이 감지 되어 감지출력신호가 있을 때에는 기준전압(Vh)을 낮추어 보상회로의 자동보상 동작 또는 미약한 감지신호등도 안정되게 감지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

별도의 입력신호단자(I)를 이용하여 입력신호를 입력받아, 감지대상물체의 접촉을 감지한 경우에 출력신호로 이를 내보내게 하는 기능을 포함시키면, 도어락 등에 적용하는데 매우 유용하다. 이를 구체적으로 설명하면, 물체의 접근 또는 접촉이 감지되면 정전용량 비교기(111)의 출력전압이 높아져서 스위칭 비교기(121)가 로우신호를 출력한다. 그러면, 트랜지스터 T1의 베이스로 신호가 입력되지 않으므로 T1은 오프되고, 외부 입력신호단자(I)로부터 베이스에 하이신호를 입력받고 있던 트랜지스터 T2의 콜렉터는 로우상태가 된다. 따라서, 트랜지스터 T2의 콜랙터에 베이스가 연결되는 T3는 오프되어 T3의 에미터를 통해서 출력이 발생되지 않게 된다. 따라서, 스위칭 비교기(121)의 출력과 트랜지스터 T3의 에미터를 통한 출력이 같게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 감도 편차를 자동으로 보상할 수 있게 되어 스위칭 에러를 방지함과 동시에 생산수율을 높일 수 있게 된다.

Claims

두 입력단으로 입력되는 정전용량값의 차이가 작을수록 출력전압이 높아지다가 이들의 입력 대소가 뒤바뀌는 경우에 최대전압을 출력하는 정전용량 비교기와, 서로 병렬연결된 상태로 상기 정전용량 비교기의 한쪽 입력단에 연결되는 제1기준커패시터 및 제1센싱가변커패시터와, 서로 병렬연결된 상태로 상기 정전용량 비교기의 다른 한쪽 입력단에 연결되는 제2기준커패시터 및 제2센싱가변커패시터를 포함하며, 상기 제2기준커패시터는 상기 제1기준커패시터보다 더 큰 정전용량값을 가지고, 상기 제1센싱가변커패시터 및 제2센싱가변커패시터는 인체가 접근할수록 정전용량값이 증가하는데, 상기 제1센싱가변커패시터가 상기 제2센싱가변커패시터보다 더 크게 증가하는 접촉감지부;

두 입력단으로 상기 정전용량 비교기에서 출력되는 전압과 소정의 설정감지전압을 입력받아 이들의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 감도보상 비교기와, 상기 감도보상 비교기의 출력신호의 급격한 변화를 방지하는 감도보상용 완충회로와, 상기 감도보상용 완충회로를 거쳐 나오는 상기 감도보상 비교기의 신호를 입력받아 상기 정전용량 비교기의 두 입력단으로 보상전류를 공급하는 동작전류 보상회로를 포함하는 감도보상부; 및

두 입력단으로 상기 정전용량 비교기에서 출력되는 전압과 소정의 기준전압을 입력받아 어느 값이 크냐에 따라 출력변화를 일으키는 스위칭 비교기를 포함하는 출력부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
제1항에 있어서, 상기 감도보상용 완충회로는 커패시터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
제1항에 있어서, 상기 출력부는 상기 정전용량 비교기의 출력전압의 변화속도를 제어한 후에 이를 상기 스위칭 비교기에 입력시키는 스위칭용 완충회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
제1항에 있어서, 상기 출력부는,

상기 스위칭 비교기의 출력단에 베이스가 연결되는 제1트랜지스터;

상기 제1트랜지스터의 콜랙터에 연결되는 저항;

상기 제1트랜지스터의 콜랙터에 콜랙터가 연결되며 베이스가 별도의 입력신호단자와 연결되는 제2트랜지스터; 및

상기 제2트랜지스터의 콜랙터에 베이스가 연결되며 에미터가 출력단이 되는 제3트랜지스터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.
제1항에 있어서, 상기 스위칭 비교기에 입력되는 기준전압은 물체의 접근 또는 접촉이 감지되지 않아 감지출력신호가 없을 때에는 잡음이 감지되지 않도록 높게 설정되고, 물체의 접근 또는 접촉이 감지되어 감지출력신호가 있을 때에는 감지출력신호가 없는 경우보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량 스위치.