KR100601151B1 - 커패시턴스 분배를 이용한 터치 센싱 장치 및 그 방법 - Google Patents

커패시턴스 분배를 이용한 터치 센싱 장치 및 그 방법 Download PDF

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(주) 넥스트칩
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Abstract

본 발명은 커패시턴스 분배를 이용한 터치 센싱 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 상기 터치 센싱 장치는 터치에 의한 커패시턴스 변화를 감지하는 적어도 하나의 패드와 기준 전압을 일시 저장하는 소정 커패시터 사이에 전압 분배가 이루어지도록 제어하고, 상기 분배된 전압에 따른 전압 제어 발진기 출력의 발진 주파수를 소정 기준 값과 비교하여 해당 패드의 접촉을 인식할 수 있다.
터치 센서, 패드, 주파수, 커패시턴스, 분배

Description

커패시턴스 분배를 이용한 터치 센싱 장치 및 그 방법{Touch Sensing Apparatus Using Capacitance Division and Method of the Same}
도 1은 일반 전기전자 장치에서 사용되는 종래 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 터치 센서의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2의 터치 센서의 구체적인 회로도이다.
도 4는 도 3의 스위치들의 개폐에 따른 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 도 3의 터치 센서의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 분배 전압의 변화에 따른 주파수 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 터치 센서의 분배 전압 출력에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 터치 유무에 따른 발진 신호의 주파수를 비교한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 터치 센서
210: 패드(PAD)
220: 스위치
230: 감지회로
240: 센싱부
250: 제어부
본 발명은 터치 센싱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 커패시턴스 분배를 이용하여 터치를 인식하는 터치 센서 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 현대인들은 작게는 TV 등 가정용 가전 제품에서부터 크게는 기업용 생산 설비 장치까지 다양한 전기전자 장치를 흔히 사용하고 있으며 각 전기전자 장치를 작동시키기 위해 소정 스위치가 사용된다. 특히, 최근에는 휴대폰, PDA, DMB 폰과 같은 이동 통신 단말기 또는 컴퓨터 등을 빈번하게 사용함에 따라 사용자는 다양한 키 버튼을 누르며 일정 기능을 선택하거나 설정하는 것은 물론이고 문자 메시지 작성, 워드프로세싱, 멀티미디어 컨텐츠 감상 등 다양한 작업을 편리하게 수행할 수 있다. 또한, 여러 가지 개인 휴대 단말 장치에서 인터넷을 사용하는 것이 가능해짐에 따라 정보를 신속하고 용이하게 얻기 위한 수단으로서 전기전자 장치의 사용 빈도는 급증하고 있다.
하지만, 현재 대부분의 전기전자 장치의 조작은 단순히 물리적으로 스위치에 압력을 가해 작동시키는 것이 대부분이다. 이는 사용자의 손에 쉽게 피로를 줄 수 있을 뿐만 아니라 쉽게 스위치가 파손되는 문제점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근에 좀 더 사용자의 편의를 고려한 터치 센서가 개발되고 있다.
도 1은 일반 전기전자 장치에서 사용되는 종래 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서 보는 것과 같이, 터치 센서를 이용하여 전기전자 장치를 작동시키는 방법은 대략 3가지로 적외선 방식(110), 압력 방식(120), 전도 방식(130) 등이 있다.
상기 터치 센서란 기본적으로 손에 의한 접촉을 인식하는 센서로서 그 예로 엘레베이터의 상승/하강 스위치, 터치 스크린, 컴퓨터 키보드, 이동 통신 단말기의 키패드, 및 가전 제품의 스위치 등에서 살펴볼 수 있다.
상기 적외선 방식(110)을 이용한 스위치는 한쪽에서 적외선을 조사하고 다른 한쪽에서는 그 적외선을 받아들이는 상태에서 상기 적외선의 흐름이 방해를 받은 경우에 터치된 것으로 인식하는 방식을 사용한다. 하지만, 이러한 방식은 다른 방식의 스위치에 비해 고가이며 고장률이 높아 결과적으로 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
또한, 상기 압력 방식(120)을 이용한 스위치는 압력에 의한 저항의 변화를 인식하는 방법을 사용한다. 즉, 사람의 손을 터치 센서에 접촉하는 경우 압력의 인가가 동반되는데 이 경우 압력에 의한 센서부의 저항변화가 생김으로 이러한 변화를 감지, 손가락의 접촉을 인지하는 방법이다. 하지만, 내부 하드웨어에서 사용 자의 인체 접촉이 인식될 때까지 사용자가 스위치를 눌러야 스위치의 입력이 감지되기 때문에, 사용자의 과다한 압력으로 인하여 스위치의 기능이 빨리 손상될 수 있으며 과다한 사용으로 인하여 스위치가 파손되는 경우도 있으며, 그로 인하여 내부 하드웨어에 습기가 침투하여 제품의 수명을 단축시키는 결과를 야기시킬 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 전도 방식(130)을 이용한 스위치는 인체가 70% 이상의 수분을 함유하고 이러한 수분은 매우 많은 이온들을 함유하고 있으므로 전극으로서의 기능을 수행할 수 있다. 따라서 이러한 특성을 이용하여 손이 전극면에 접근 시 생성되는 커패시턴스의 변화를 이용하여 접촉을 인식할 수 있도록 한다. 하지만, 터치 센서의 센서에서 사용자의 접촉을 터치 신호로 판단하기 위하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 ADC(Analog Digital Converter)를 사용한다. 그러나, 상기 터치 센서에 ADC의 추가로 인해 회로 면적을 상승시킬 뿐만 아니라 설계를 복잡하고 어렵게 하며 전력 소모도 커지게 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 터치에 의한 커패시턴스 변화가 이루어지는 패드와 기준 전압이 저장된 커패시터 사이에 이루어지는 전압 분배에 따라 전압 제어 발진기 출력의 발진 주파수가 달라지는 점을 이용하는 터치 센서 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하고 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 터치 센서는, 두 전극을 가지고 그 중 한 전극의 터치에 의한 커패시턴스 변화가 이루어지는 적어도 하나의 패드; 상기 적어도 하나의 패드의 다른 전극에 연결된 적어도 하나의 스위치; 및 소정 커패시터에 기준 전압을 일시 저장하고, 상기 적어도 하나의 스위치의 턴 온에 따라 상기 소정 커패시터에 저장된 상기 기준 전압을 상기 터치된 적어도 하나의 패드와 전압 분배하여 상기 분배된 전압을 출력하는 감지회로를 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터치 센서의 동작 방법은 터치가 없는 경우 전압 제어 발진기 출력의 주파수를 측정하여 기준값을 설정하는 단계; 커패시터에 기준 전압을 일시 저장하는 단계; 소정 스위치의 턴 온에 따라 터치에 의한 커패시턴스 변화가 이루어지는 적어도 하나의 패드 중 터치된 어느 하나의 패드와 상기 커패시터에 저장된 상기 기준 전압을 분배하는 단계; 상기 분배된 전압에 따른 상기 전압 제어 발진기 출력의 발진 주파수를 측정하는 단계; 상기 기준값과 상기 분배된 전압에 따른 상기 발진 주파수를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따른 해당 디지털 값을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 터치 센서(200)의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2에서 보는 것과 같이, 상기 터치 센서(200)는 패드들(210), 스위치들(220), 및 감지회로(230)로 구성된 터치 센싱부(240), 및 제어부(250)를 포함한다.
상기 터치 센싱부(240) 내의 상기 패드들(210)은 두 전극을 가지고, 그 중 인체 등이 터치되는 전극 쪽에 터치 또는 근접하게 접근될 때 그 위치(이하 '터치되는 위치'라 함)에서 커패시턴스 변화를 감지하는 장치로서, 사람의 손가락 등이 터치되거나 근접하면 그 사람 손가락에 의해 유도되는 커패시턴스의 증가가 이루어지도록 동작된다. 이때, 해당 터치되는 위치에는 일정 커패시턴스를 나타내는 커패시터가 형성될 수 있다. 상기 패드들(210)의 수는 제한되지 않고 본 발명의 기술이 적용되는 각각의 전기전자 장치에서 필요한 만큼 사용될 수 있고, 어느 패드의 접촉에 대하여 상기 제어부(250)에서 해당 디지털 값을 생성할 수 있다. 예를 들면, 4개의 패드들이 사용되는 경우에, 각 패드의 사이즈가 서로 다르게 설계될 수 있고, 이때 해당 패드의 터치에 따라 00, 01, 10, 11 등의 디지털 값이 생성될 수 있다. 이외에도, 엘레베이터의 상승/하강 스위치, 터치 스크린, 및 이동 통신 단말기의 키패드 등의 구현을 위한 해당 패드 수에 따라 다양한 형태의 디지털 값이 생성될 수 있다.
또한, 상기 패드들(210)은 상기 터치에 의한 상기 커패시턴스 변화가 일정 기간 이상 지속되는 경우에 터치된 것으로 판단하도록 하는 터치 패드가 될 수 있다. 따라서, 상기 패드들(210)에 신체의 일부가 일시적으로 터치 시에는 반응하지 않도록 할 수 있고 상기 터치 센서(200)의 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 터치에 의한 커패시턴스 변화가 일정 기간 이상 지속되는 경우에 다른 동작을 수행하도록 하거나 상기 패드들(210) 중에 두 개 이상이 동시에 터치되면 다른 동작을 수행하도록 하여 상기 터치 센서(200)의 기능을 보다 다양화 할 수도 있다.
상기 스위치들(220)은 상기 패드들(210)의 터치되는 전극과 버퍼(도 3의 322)의 한 입력 단자와 연결된다. 상기 스위치들(220)도 상기 패드들(210)에 대응하여 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 상기 스위치들(220)은 상기 패드들(210)에 형성되는 커패시터의 두 전극 사이에 연결되어 상기 터치 동작이 발생하지 않는 경우에 상기 커패시터의 리셋을 위하여 작동되는 스위치들(도 3의 305B ~ 308B)을 포함한다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 패드들(210)이 두 개 이상의 패드들로 구성될 때, 상기 스위치들(220)은 상기 두 개 이상의 패드들 각각에 연결되는 두 개 이상의 스위치들로 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상이 컴퓨터 키보드, 이동 통신 단말기의 키패드와 같은 다수의 스위치들을 포함하는 장치에 적용될 수 있다.
상기 감지회로(230)는 상기 터치 전에 소정 커패시터에 기준 전압(VREF)을 일시 저장하고, 상기 터치 시에 상기 스위치들(220)의 액티브에 따라 상기 소정 커패시터에 저장된 상기 기준 전압(VREF)을 상기 패드들(210) 중 터치된 하나의 패드와 전압 분배하여 상기 분배된 전압을 생성한다. 또한, 상기 감지회로(230)는 상기 스위치들(220)의 액티브에 따라 상기 터치된 하나의 패드의 전극과 연결되는 노드(분배 전압 노드)와 접지 사이에 연결된 다른 커패시터(도 3의 312)를 포함할 수 있다. 상기 다른 커패시터(도 3의 312)는 상기 스위치들(220)의 일정 동작에 따라 상기 분배된 전압에 따른 전압 제어 발진기(도 3의 323) 출력의 주파수를 결정하는 데 사용될 수 있다. 또한, 상기 감지회로(230)는 상기 분배된 전압을 버퍼링하는 증폭기(도 3의 322)를 포함할 수 있으며 상기 증폭기(도 3의 322)의 종류, 개수, 위치 등은 본 발명의 기술적 사상이 적용되는 각종 전기전자 장치의 형태에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 여기서는 하나의 버퍼(322)가 사용된 일례를 나타낸다. 상기 패드들(210), 상기 스위치들(220), 및 상기 감지회로(230)의 보다 상세한 동작은 이하 도 3을 참고하여 후술하기로 한다.
상기 제어부(250)는 상기 터치 센서(200)의 각 구성 요소들의 전반적인 제어를 담당한다. 또한, 상기 터치 센서(200)는 상기 감지회로(230)로부터 출력되는 상기 분배된 전압의 크기에 따라 소정 주파수로 발진하는 전압 제어 발진기(323)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부(250)는 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력되는 발진 신호의 주파수를 이용하여 상기 패드들(210) 중 어느 패드가 터치되었는 지를 판단할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 전압 제어 발진기(323)는 종래 터치 센서에서 사용되는 ADC에 비해 설계가 용이하고 출력의 절대값을 요구하지 않는 이점이 있다. 또한, ADC에 비해서 상대적인 면적이 작고 전력 소모량이 상대적으로 적으므로 경제적인 측면에서 보다 유리한 점이 있다.
도 3은 도 2의 터치 센서(200)의 구체적인 회로도이다.
도 3에서, 커패시터들(313 ~ 316)은 상기 패드들(210)의 각 패드에 손가락 등 인체 일부가 터치될 때 해당 커패시턴스(Cfinger1 ~ Cfinger4)를 가지는 커패시터들을 모델링하여 나타낸 것이다. 또한, 제1 복수의 스위치들(305 ~ 308) 및 제2 복수의 스위치들(305B ~ 308B)은 도 2의 스위치들(220)에 해당한다. 또한, 도 3에서, 감지회로(230)는 제1 스위치(301), 제2 스위치(302), 제3 스위치(303), 제4 스위치(304), 제1 커패시터(311), 제2 커패시터(312), 제3 커패시터(317), 버퍼(322), 및 전압 제어 발진기(323)를 포함한다.
상기 제1 스위치(301)는 기준 전압(VREF)을 받는 노드와 상기 제1 커패시터(311)의 한 전극 사이에 연결된다. 상기 제2 스위치(302)는 상기 기준 전압을 받는 노드와 접지 사이에 연결된다. 상기 제3 스위치(303)는 상기 버퍼(322)의 출력 노드와 접지 사이에 연결된다. 상기 제4 스위치(304)는 분배된 전압이 생성되는 노드(ND1)와 접지 사이에 연결된 스위치이다.
또한, 상기 제1 복수의 스위치들(305 ~ 308)은 각각의 스위치 마다 상기 분배된 전압이 생성되는 노드(ND1)와 상기 패드들(210) 각각의 한 전극 사이에 연결된다. 상기 제2 복수의 스위치들(305B ~ 308B)은 상기 패드들(210)의 상기 터치에 의한 커패시턴스 변화를 감지하기 위한 한 전극과 연결된다. 즉, 상기 제2 복수의 스위치들(305B ~ 308B)은 상기 패드들(220) 각각의 양 전극 사이에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 커패시터(311)는 상기 제1 스위치(301)의 한 전극과 상기 분배된 전압이 생성되는 노드(ND1) 사이에 연결된다. 상기 제2 커패시터(312)는 상 기 분배된 전압이 생성되는 노드(ND1)과 접지 사이에 연결된다. 또한, 상기 제1 커패시터(311)는 제1 커패시턴스(Cs), 상기 제2 커패시터(312)는 제2 커패시턴스(Cf)를 갖는다.
또한, 상기 버퍼(322)는 상기 분배된 전압을 버퍼링하기 위하여 상기 분배된 전압이 생성되는 노드(ND1)와 상기 제3 스위치(303)의 한 전극 사이에 연결된다. 도 3에서, 제3 커패시터(317)는 상기 전압 제어 발진기(323)의 입력 전압을 유지시키기(hold) 위하여 일정 커패시턴스(Chold)를 가지도록 설계되고, 제3 스위치(303)를 통하여 출력되는 상기 버퍼(322)의 신호가 안정적으로 유지되어 상기 전압 제어 발진기(323)가 불안정하게 동작하지 않도록 한다. 상기 버퍼(322)로서 비반전 증폭기뿐만 아니라 반전 증폭기 등 다양한 소자가 하나 이상 조합되어 사용될 수 있다.
상기 전압 제어 발진기(323)는 상기 버퍼(322)의 출력 단자와 상기 제어부(250)의 입력 단자 사이에 연결된다. 상기 전압 제어 발진기(323)는 상기 분배된 전압, 또는 상기 버퍼(322) 출력의 크기에 따라 소정 주파수로 발진하는 신호를 출력한다. 상기 전압 제어 발진기(323)는 입력 전압을 조절하여 출력 주파수 자체를 바꿀 수 있는 발진기 회로로서 L-C 회로 및 MOSFET 소자나 또는 GaAs FET나 BJT 능동 소자를 이용하여 구현될 수 있다.
상기 제어부(250)는 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력되는 발진 신호의 주파수를 이용하여 상기 패드들(210) 중 어느 패드가 터치되었는 지를 판단하고 해당 디지털값을 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 디지털값에 따라 온/오프 스위치 또는 터치 스크린 등의 기능을 실현할 수 있다. 이외에도, 상기 제어부(250)는 상 기 터치 센서(200)를 제어하기 위하여 상기 스위치들(301~308, 305B~308B)를 제어하기 위한 스위치 제어신호들(PH1~PH3, S1~S4, S1B~S4B)을 발생시킬 수 있다.
상기 터치 센서(200)의 동작을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 파워 온 후에 상기 패드들(210)에 터치되지 않았을 때, 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력되는 신호의 주파수가 측정되고 일정 저장 수단에 저장될 수 있다. 상기 이와 같이 측정된 주파수(또는 초기값)는 상기 패드들(210)에 가해지는 터치에 따라 상기 전압 제어 발진기(323)에서 발생하는 발진 신호의 주파수 측정값과 함께 비교될 수 있는 기준값이 될 수 있다. 여기서, 상기 터치 센서(200)의 회로 특성이나 주변 환경 등에 따라 상기 최초 주파수는 변경될 수 있고 그에 따라 비교 관점도 달라질 수 있으며, 이러한 설정을 위하여 상기 제어부(250)는 상기 최초 주파수를 기초로 소정 기준값을 설정할 수 있다.
즉, 상기 기준값은 상기 최초 주파수에 소정의 연산이 가해진 결과 도출되는 값으로 정해질 수 있다. 이를테면 상기 최초 주파수의 일정 배수, 상기 최초 주파수에 상수(constant)를 더하거나 뺀 값, 또는 상기 최초 주파수에 사칙혼합산이 복합된 값이 상기 기준값이 될 수 있다. 상기 최초 주파수는 상기 제어부(250)의 소정 메모리에 저장될 수 있고 상기 제어부(250)에서 상기 터치에 따라 변화된 주파수의 측정값과 해당 주파수의 기준값을 비교할 때 상기 기준값의 초기값으로 사용될 수 있다.
도 4는 도 3의 스위치들(220)의 개폐에 따른 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4에서 보는 것과 같이, 먼저, 상기 제1 스위치 제어 신호(PH1)는 하이 논리 상태에 있고 그 밖에 스위치 제어 신호들은 로우 논리 상태에 있다. 따라서, 상기 제1 스위치 제어 신호(PH1)에 의해 상기 제1 스위치(301) 및 상기 제4 스위치(304)를 턴 온 되고 그 밖에 다른 스위치들(상기 제2 스위치(302), 및 상기 제3 스위치(303))은 턴 오프 된다. 이때, 상기 기준 전압(VREF)가 상기 제1 커패시터(311)에 저장된다.
다음에, 상기 제1 커패시터(311)에 저장된 상기 기준 전압(VREF)을 분배시키기 위해 제1 스위치(301)는 턴 오프시키고 제2 스위치 제어 신호(PH2)를 논리 하이 상태로 변경하여 상기 제2 스위치(302)를 턴 온시킨다. 이에 따라, 상기 기준 전압(VREF)이 제1 커패시터(311)와 제2 커패시터(312) 및 터치에 의해서 생성된 커패시턴스에서 먼저 분배되고, 이 기간 동안에 상기 전압 제어 발진기(323)의 불안정성을 막기 위하여 제3 스위치 제어 신호(PH3)는 상기 제2 스위치 제어 신호(PH2)의 논리 하이 상태로 변경 시점과 시간 차이를 두고 논리 하이 상태로 액티브된다.
이 경우, 스위치들(305~308) 중 어느 하나는 액티브가 되어서, 상기 기준 전압(VREF)이 제1 커패시터(311)와 제2 커패시터(312)뿐만 아니라, 상기 패드들(210) 중 터치된 패드에 형성된 상기 복수의 커패시터들(313 ~ 316) 중 해당 커패시터와도 전압분배가 이루어지도록 한다.
이때, 전압 분배 회로에 적용될 수 있는 전압 분배 공식에 따라, 상기 분배된 전압이 생성되는 노드(ND1)에 걸리는 전압은 [수학식 1]과 같은 전달함수로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112006016411744-pat00001
[수학식 1]에서, Vdivide는 전압 분배에 따른 상기 ND1 노드의 전압, Cs는 제1 커패시터(311)의 커패시턴스, Cf는 제2 커패시터(312)의 커패시턴스, Cfinger는 상기 패드들(210) 중 터치된 패드에서 형성된 해당 커패시터이다. 즉, Cfinger는 상기 복수의 커패시터들(313 ~ 316) 중 어느 하나이고, 이때, 해당 패드의 터치되는 전극은 신체에 의하여 접지된 것으로 가정될 수 있다. 여기서, 상기 제2 커패시터(312)는 상기 분배된 전압에 의하여 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 주파수가 적절히 나타나도록 이용된 보조 커패시터이다.
상기 버퍼(322)는 상기 분배된 전압 Vdivide을 버퍼링하고, 상기 제3 스위치(303)가 턴 온 될 때, 상기 버퍼링된 전압이 상기 전압 제어 발진기(323)로 출력된다.
도 4와 같이 반복되는 스위치 제어 신호들(PH1~PH3)에 따라 이와 같은 동작을 반복적으로 처리할 때, 상기 패드들(210)에 터치가 발생되었는지를 나타내는 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 발진 주파수를 순차적으로 획득할 수 있다. 이 에 따라, 미리 결정된 상기 기준값과 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 발진 주파수를 비교하여 어느 패드가 터치되었는지 판단할 수 있다.
즉, 상기 패드들(210) 중 어느 하나에 터치 동작이 이루어진다면 일정 커패시턴스가 상기 복수의 커패시터들(313 ~ 316) 중 어느 하나에 형성되고, 상기 터치 센서(200)는 어느 패드가 터치되었는지 판단한다. 따라서, 상기 복수의 커패시터들(313 ~ 316)에서 발생한 커패시턴스 변화에 따라 변화된 주파수 측정값을 계산하기 위해 상기 스위치들(220)은, 도 4의 제3 스위치 제어 신호(PH3)의 액티브 기간마다 하나씩 순차적으로 액티브된다.
예를 들어서, 스위치 제어 신호들(S1~S4)에 따라 스위치들 305 -> 306 -> 307 -> 308 순서로 액티브시켜 주파수 변화를 측정할 수 있고, 그 순서는 본 발명의 기술이 적용되는 대상에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 이때, 상기 스위치들(305~308)이 오프된 동안에 패드(210)의 커패시터들(313~316)을 리셋시키기 위한 상기 제2 복수의 스위치들(305B ~ 308B)은 상기 제1 복수의 스위치들(305 ~ 308)이 턴 온 될 때, 스위치 제어 신호들(S1B~S4B)에 따라 턴 오프 된다.
이상에서 설명한 구성 장치들을 이용하면, 상기 터치 센서(200)는 상기 분배된 전압을 이용하여 상기 전압 제어 발진기(323)에서 사용되는 발진 주파수를 변화시킬 수 있고 이에 따라 발진 주파수의 변화 유무에 따라 어느 패드가 터치되었는가를 판단할 수 있다. 여기서 하나의 패드(210) 당 하나의 스위치(220)를 연결하여 사용하는 것이 가능하며, 도 3에서는 그 일례로서 4개의 패드와 해당 스위치들을 예로 보여준다.
상기 제어부(250)는 상기 터치 센서(200)를 제어하기 위하여 스위치 제어 신호들(PH1~PH3, S1~S4, S1B~S4B)을 발생시키고, 상기 패드(210) 중 어느 패드가 터치되었는 지를 판단하고 해당 디지털값을 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 디지털값에 따라 터치 스크린 등의 기능을 실현할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 것과 같이 상기 터치 센서(200)의 전체 동작을 제어할 수 있다.
도 5는 도 3의 터치 센서(200)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 상기 터치 센서(200)의 파워가 온되면, 상기 패드들(210)에 터치가 되지 않았을 때, 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력되는 신호의 주파수를 측정한다(S501). 이와 같이 측정된 최초 주파수는 상기 패드들(210)에 가해지는 터치에 따라 발생하는 발진 신호의 주파수 측정값과 함께 비교될 수 있는 기준값으로 사용될 수 있다. 상기 최초 주파수는 상기 제어부(250) 등에 포함된 소정 메모리 장치에 저장되어 상기 패드들(210)의 커패시턴스 변화에 따라 발생하는 주파수의 측정값과 기준값을 비교할 때 상기 기준값의 초기값으로 사용될 수 있다(S511). 예를 들어서, '기준값 = a*초기값 + b' 과 같은 형태로 사용될 수 있다. 여기서 a, b는 임의의 상수이다.
다음에, 앞서 언급한 스위치들(301 ~ 308, 305B ~ 308B)을 작동시키기 전에, 상기 전압 제어 발진기(323)를 이용하기 위한 준비 단계로서 상기 전압 제어 발진기(323)가 일정 기간(예를 들어, 10ms) 정지된 상태(S502) 후에 동작되도록 한다. 이는 실제 측정 전에 상기 전압 제어 발진기(323)의 동작을 일시 정시시켜서 소비 전력을 줄이기 위한 것으로서, 소비 전력이 문제되지 않는 경우에는 상기 전압 제 어 발진기(323)는 항상 동작되도록 할 수도 있다. 상기 전압 제어 발진기(323)가 동작된 후에는 일정 기간(예를 들어, 10ms) 안정화 기간을 둔다(S504). 상기 안정화를 위해 10ms 정도의 지연 기간이 필요한 것으로 가정하였으나, 이에 한정되지 않고 본 발명이 사용되는 전기전자 장치의 환경에 따라 변할 수 있다.
그 다음에 상기 스위치들(305 ~ 308, 305B ~ 308B)을 이용하여 패드(210)에 터치 여부를 검사하기 위해, 스위치/패드 번호 인덱스(i) 값을 1로 설정하여 i = 1 인 스위치부터 순차적으로 체크되도록 하고(S505), 총 스위치 개수(예를 들어, 도3에서 4개) 보다 큰 지 혹은 작은 지를 판단한다(S506). 이에 따라 총 스위치 개수 4 보다 크면, 리셋시켜 상기 전압 제어 발진기(323)의 동작을 위한 준비 과정(S502 ~ S504)을 거치게 한다(S508).
S506 단계가 만족되어 i번째 스위치를 턴 온 시키는 경우에(S507), 이때 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력된 발진 주파수를 이용하여, 상기 제어부(250)는 상기 발진 주파수의 변화에 따라 터치 유무를 계산할 수 있다. 상기 i번째 스위치의 턴 온 전에는 도 4와 같은 스위치 제어 신호들에 따라, 제1 커패시터(311)에는 기준 전압(VREF)가 저장되어 있다고 가정한다.
상기 i번째 스위치가 턴 온되면, 즉, 상기 스위치들(305 ~ 308) 중에 어느 하나의 스위치가 턴 온(305B ~ 308B 중 해당 스위치는 오프)되면 상기 턴 온된 스위치에 연결된 패드(210)에 형성된 커패시터(예를 들어, 313) 및 상기 제2 커패시터(312)는 상기 제1 커패시터(311)에 대하여 병렬로 연결된다. 따라서, 상기 제1 커패시터(311)에 저장된 기준 전압은 [수학식 1]에서 설명한 것과 같이 분배된다.
이와 같이 분배된 전압이 생성되면 이는 버퍼(322)를 거쳐 상기 전압 제어 발진기(323)로 출력되고 이에 따라 상기 전압 제어 발진기(323)는 상기 분배된 전압에 따라 일정 주파수로 발진하는 신호를 출력한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 분배 전압의 변화에 따른 주파수 변화를 설명하기 위한 도면이다. 위와 같이 실시되는 터치 센서(200)에서의 분배 전압에 대한 시뮬레이션 결과의 예가 도 7에 나타나 있다.
도 6에서 보는 것과 같이, 터치가 일어나기 전의 주파수와 터치가 일어난 후의 주파수는 다르다. 이는 도 7과 같이, 터치가 일어난 후의 분배 전압(710)과 터치가 일어나기 전의 분배 전압(720)이 다르기 때문이다. 즉, 분배 전압의 변화가 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 주파수에 영향을 미친다. 상기 출력의 주파수에 영향은 상기 터치 동작이 이루어질 때에 분배 전압이 작아질 수도 있고, 반대로 회로 구성에 따라 기준 분배 전압보다 더 커질 수 있으며 본 발명을 제작하는 설계자의 의도에 따라 변화될 수 있다.
예를 들어, 상기 패드들(210) 중 터치가 발생하여 한 커패시터(313)의 커패시턴스가 상승하면 역으로 제3 커패시터(317)에 인가되는 전압은 낮아지므로 터치가 일어나기 전의 주파수 보다 터치가 일어난 후의 주파수가 더 낮게 나타날 수 있다. 도 7과 같이, 터치가 일어나기 전의 분배 전압은 1.18V 정도이고, 이때, 720과 같이 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 주파수가 일례로 도 6의 그래프에서 1.18V에 대응되는 약 11 kHz일 수 있다. 또한, 710과 같이 터치가 일어난 후의 분배 전압은 0.95V 정도이고, 이때, 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 주파수가 10kHz로 나타날 수 있다.
따라서, 이와 같은 상기 발진 주파수 변화를 통해, 상기 제어부(250)는 상기 패드들(210) 중 어떤 패드에서 터치가 발생되었는가를 용이하게 판단할 수 있다. 여기서, 각각의 패드들(210)에 따라 서로 다른 발진 신호의 주파수를 가지도록 할 수 있다. 예를 들면, 1번 패드는 60kHz, 2번 패드는 65kHz, 3번 패드는 70kHz, 및 4번 패드는 75kHz 등으로 상호 구분될 수 있다.
이와 같이 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력되는 신호의 주파수는 소정 클럭 신호를 카운트하여 측정될 수 있고, 이때의 측정 기간은, 예를 들어 10ms 정도이면 충분하다(S509).
이와 같이 측정된 상기 전압 제어 발진기(323) 출력의 주파수가 측정되면, 해당 측정값과 기준값을 비교한다(S510). 이때에는 상기 측정값에 일정 값(α)을 더하여 상기 기준값이 산출된 환경을 고려하여 상기 측정값이 비교되도록 할 수 있다. 만약 상기 비교 결과, 상기 측정값(또는 α를 더한 측정값)보다 상기 기준값이 작은 경우에는 인덱스(i)를 1 증가시켜서(S513), 상기 증가된 i 값에 따라 상기 스위치들(220)의 터치 여부를 다시 순차적으로 판단할 수 있도록 한다.
또한, 상기 측정값(또는 α를 더한 측정값)이 상기 기준값 보다 작은 경우에는 상기 측정값으로 상기 제어부(250)는 해당 패드가 신체 등에 의해 터치된 패드임을 인식하게 된다(S515). 여기서, 상기 인식이 제어부(250)에 통보될 수 있다. 또한, 상기 제어부(250)로서 MCU(Micro Controller Unit)가 사용될 수 있고, 특정 시스템을 제어하기 위한 전용 프로세서로서 대부분의 전기전자 장치에 채용돼 장치 의 두뇌 기능을 수행하는 핵심 칩으로 단순 시간 예약에서부터 일정 고유 기능까지 제품의 다양한 특성을 컨트롤할 수 있는 비메모리 반도체(시스템 반도체)를 의미한다. 따라서, 상기 제어부(250)는 상기 전압 제어 발진기(323)에서 출력되는 발진 신호의 주파수를 이용하여 상기 패드들(210) 중 어느 패드가 터치되었는 지를 판단하고 해당 디지털값을 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 디지털값에 따라 터치 스크린 등의 기능을 실현할 수 있다.
또한, 상기 측정값(또는 α를 더한 측정값)이 상기 기준값 보다 작은 경우에, 연속하여 다음 터치를 판단하기 위하여 단계(S505)부터 이하 단계를 수행하도록 할 수 있다. 그리고, 상기 측정값은 상기 제어부(250) 내에 저장된 기준값을 업데이트하는 데 사용될 수 있다(S512). 측정 환경의 영향을 반영하기 위하여 상기 측정값이 업데이트된다. 예를 들어, 같은 패드(210)에 대해서도 노이즈, 온도, 습도 등 환경에 따라 서로 다른 주파수 측정값이 나타날 수 있으므로, 이를 고려하여 상기 기준값은 상기 측정값을 기반으로 조금씩 다른 값으로 바뀔 수 있다.
예를 들어, 현재 '2번' 키만이 터치되었다고 가정하여 좀더 설명한다. 상기 i 값이 현재 1인 경우에, 이 때에는 총 스위치/패드 개수(예를 들어, 도 3에서 4) 보다 작으므로(S506) 스위치(305)을 턴 온시키고 출력 신호 주파수를 측정한다(S509). 이때 상기 측정값이 상기 기준값보다 크면 상기 i 값은 1 증가되고(S513), 상기 스위치(305)에 연결된 해당 패드는 터치가 발생되지 않았음을 상기 제어부(205)가 판단할 수 있다.
다시 단계(S505)부터 상기 증가된 i 값에 따라 동작을 실행하게 된다. 즉, 상기 터치 센싱 동작은 i = 2에서 상기 패드들(210)의 터치 유무를 판단하는 체크 동작을 다시 시작한다. 상기 i 값은 상기 총 스위치 개수 보다 작으므로(S506) 출력 신호 주파수를 측정한다(S509). 터치가 2번 키에서 발생한 경우를 가정하였으므로, 상기 제어부(250)는 상기 측정값이 상기 기준값 보다 작다는 것을 확인한다. 이때, 상기 제어부(250)는 상기 측정값을 반영하여 이전에 사용된 기준값을 업데이트시킬 수 있다(S512).
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 터치 유무에 따른 발진 신호의 주파수를 비교한 도면이다.
도 8에서 보는 것과 같이, 상기 터치 센서(200)에 터치 동작이 발생된 경우의 발진 신호의 파형(810)은 터치 없는 경우의 파형(820)에 비하여 다른 주기를 나타내는 그래프가 출력될 수 있다. 예컨대, 터치된 패드가 있는 경우에는 상대적으로 좀 더 긴 주기를 가지면서 발진 신호의 파형이 전개될 수 있다. 따라서, 이와 같은 발진 신호의 주파수 차이를 통해서 상기 패드들(210)에 터치가 발생했는지를 판단될 수 있다.
위에서, 상기 분배 전압이 버퍼(322)의 양의 극성으로 입력되는 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 분배 전압이 버퍼(322)의 음의 극성으로 입력되는 경우에는 터치 시에 대하여 상대적으로 높은 전압이 상기 전압 제어 발진기(323)로 출력되도록 할 수도 있다. 이때에는 터치 시에 발진 주파수가 증가할 것이다.
본 발명에 따른 터치 센싱 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 터치 센서에서는, 터치 시 커패시턴스의 변화에 따라 인체 등의 접촉 여부를 인식할 수 있고, 커패시터들에 의해 분배된 전압을 입력 전압으로 사용하는 전압 제어 발진기를 이용하여 터치 시의 주파수 변동을 판단할 수 있으므로, ADC의 사용 없이 간단한 회로에 의하여 구현가능하고 전력소모를 줄일 수 있다.

Claims (12)

  1. 두 전극을 가지고 그 중 한 전극의 터치에 의한 커패시턴스 변화가 이루어지는 적어도 하나의 패드;
    상기 적어도 하나의 패드의 다른 전극에 연결된 적어도 하나의 스위치; 및
    소정 커패시터에 기준 전압을 일시 저장하고, 상기 적어도 하나의 스위치의 턴 온에 따라 상기 소정 커패시터에 저장된 상기 기준 전압을 상기 터치된 적어도 하나의 패드와 전압 분배하여 상기 분배된 전압을 출력하는 감지회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분배된 전압의 크기를 기반으로 상기 적어도 하나의 패드에 대응되는 디지털 값이 생성되는 것
    을 특징으로 하는 터치 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감지회로는,
    상기 스위치의 턴 온에 따라 상기 터치된 적어도 하나의 패드의 다른 전극과 연결되는 노드와 접지 사이에 연결된 다른 커패시터를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 터치 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감지회로는,
    상기 분배된 전압을 버퍼링하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분배된 전압의 크기에 따라 소정 주파수로 발진하는 전압 제어 발진기를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 터치 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감지회로는,
    제1 커패시터;
    상기 기준 전압을 받는 노드와 상기 제1 커패시터의 한 전극 사이에 연결된 제1 스위치;
    상기 제1 커패시터의 다른 전극과 접지 사이에 연결된 제2 커패시터;
    상기 기준 전압을 받는 노드와 접지 사이에 연결된 제2 스위치;
    상기 분배된 전압이 생성되는 노드와 접지 사이에 연결된 제4 스위치;
    상기 분배된 전압을 버퍼링하는 버퍼;
    상기 버퍼의 출력 노드와 제1 노드 사이에 연결된 제4 스위치; 및
    상기 제1 노드의 전압의 크기에 따라 소정 주파수로 발진하는 전압 제어 발진기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분배된 전압에 따른 상기 전압 제어 발진기 출력의 주파수는 상기 감지회로의 구성에 따라 상기 터치가 이루어질 때 소정 기준값 보다 작게 또는 크게 중 어느 하나로 나타나는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 패드는 두 개 이상의 패드들로 구성되고,
    상기 적어도 하나의 스위치는 상기 두 개 이상의 패드들 각각의 다른 전극에 연결되는 두 개 이상의 스위치들로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 터치 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는 상기 분배된 전압이 생성되는 노드와 상기 적어도 하나의 패드의 다른 전극 사이에 연결된 제1 복수의 스위치들을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 패드는 상기 터치에 의한 커패시턴스 변화를 감지하기 위한 한 전극과 상기 제1 복수의 스위치들 각각에 연결되는 다른 전극을 가지는 복수의 패드들을 포함하며,
    상기 복수의 패드들 각각의 양 전극 사이에 연결되는 제2 복수의 스위치들을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 터치 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 터치 센서는 온/오프 스위치 또는 터치 스크린 중 적어도 어느 하나에 이용되는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  11. 터치가 없는 경우 전압 제어 발진기 출력의 주파수를 측정하여 기준값을 설정하는 단계;
    커패시터에 기준 전압을 일시 저장하는 단계;
    소정 스위치의 턴 온에 따라 터치에 의한 커패시턴스 변화가 이루어지는 적어도 하나의 패드 중 터치된 어느 하나의 패드와 상기 커패시터에 저장된 상기 기준 전압을 분배하는 단계;
    상기 분배된 전압에 따른 상기 전압 제어 발진기 출력의 발진 주파수를 측정하는 단계;
    상기 기준값과 상기 분배된 전압에 따른 상기 발진 주파수를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따른 해당 디지털 값을 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 방법.
  12. 제11항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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