KR101179607B1 - 터치 검출 방법 및 터치 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치 검출 방법 및 터치 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예와 관련하여 터치 검출 장치는 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번 전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력하는 센서패드; 상기 교번 전압을 인가하는 교번 전압 인가부와 상기 센서패드와의 사이에서 형성되는 구동정전용량을 조정하는 구동정전용량 조정부; 및 터치 미발생시에 상기 교번 전압에 따른 상기 센서패드에서의 전압변동분 및 터치 발생시에 상기 교번 전압에 따른 상기 센서패드에서의 전압변동분의 차이에 기초하여 터치 신호를 획득하는 레벨 시프트 검출부를 포함하며, 상기 구동정전 용량 조정부는 복수개의 구동정전용량 중 적어도 하나를 선택하여 상기 센서패드와 상기 교번 전압 인가부를 연결시킬 수 있다.

Description

터치 검출 방법 및 터치 검출 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING OF TOUCH}

본 발명은 터치를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구동정전용량을 조정하여 부가 회로의 사용을 줄이는 터치 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.

터치 스크린 패널은 영상 표시 장치에 의해 표시된 내용에 기초하여 사람의 손 또는 다른 접촉수단으로 터치하여 사용자의 명령을 입력할 수 있도록 한 입력 장치이다.

이를 위하여 터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 전면(front face)에 구비되어 사람의 손 또는 다른 접촉 수단으로 직접 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 이에 따라 접촉 위치에서 선택된 지시 내용이 입력 신호로 받아들여진다.

터치 스크린 패널을 구현하는 방식으로는 저항막 방식, 광감지 방식 및 정전 용량 방식 등이 알려져 있다. 이 중 정전 용량 방식의 터치 패널은 사람의 손 또는 물체가 접촉될 때 도전성 감지 패턴이 주변의 다른 감지 패턴 또는 접지 전극 등과 형성하는 정전 용량의 변화를 감지함으로써 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다.

도 1a는 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 평면 구성도이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널은 횡방향의 선형 센서패턴(5a), 종방향의 선형 센서패턴(5b), 터치 신호를 분석하는 터치드라이브IC를 포함한다. 이러한 터치 스크린 패널은 선형 센서패턴(5)과 손가락(8) 사이에 형성되는 커패시턴스의 크기를 검출하는 방식으로서, 횡방향의 선형 센서패턴(5a)과 종방향의 선형 센서패턴(5b)을 스캔하여 신호를 검출함으로써 복수개의 터치 지점을 인식할 수 있다.

도 1b는 표시장치(20) 위에 설치된 도 1a의 정전식 터치 스크린 패널을 나타내는 도면이다.

도 1b를 참조하면, 표시장치(20) 위에 도 1a의 터치 스크린 패널이 배치된다. 따라서, 기판(1)의 상면에 선형 센서패턴(5)이 배치되며, 기판(1) 위에는 선형 센서패턴(5)을 보호하기 위한 보호패널(3)이 부착된다. 터치 스크린 패널은 접착부재(9)를 매개로 표시장치(20)에 접착되며, 표시장치(20)와의 사이에서 에어갭(9a)을 형성한다.

도 1b에서, 터치가 발생할 경우 손가락(8)과 선형 센서패턴(5) 사이에는 Ct와 같은 정전용량이 형성되고, 선형 센서패턴(5)과 공통전극(202) 사이에서도 Cvcom과 같은 정전용량이 형성되며, 선형 센서패턴(5)에는 미지의 기생정전용량인 Cp가 형성된다.

도 1c는 도 1b에서 터치가 발생한 경우 터치 검출을 위한 등가회로를 나타낸다.

도 1c를 참고하면, 손가락이 선형 센서패턴(5)에 접촉되면 Cvcom, Cdrv, Cp, Ct 등이 생성된다. 종래의 터치 스크린 패널은 Ct의 변화량을 검출하여 터치를 인식하므로 Cp, Cvcom 등은 노이즈로 작용하게 된다.

또한, 종래의 터치 스크린 패널에서는 센서패턴(5)에 Vdrv 같은 클락 신호를 인가한 후 선형 센서패턴(5)에서 검출되는 출력값인 변동량을 그대로 ADC(Analog to Digital Converter)의 입력으로 인가하여 ADC의 출력값을 구하였다. 따라서, 터치 스크린패널에 터치 발생시 센서패턴(5)의 출력단에서의 전압변동은 다음 [수학식 1]에 의해 결정된다.

[수학식 1]

여기서, △Vo는 센서패턴(5)에서의 전압 변동분, VdrvH는 교번전압(Vdrv)의 하이 레벨 전압, VdrvL은 교번전압의 로우 레벨 전압, Cdrv는 구동정전용량, Cp는 기생정전용량이며, Ct는 터치정전용량이다.

기생정전용량(Cp) 값이 0인 이상적인 경우, Ct가 0인 조건에서는 구동정전용량(Cdrv)을 구동하게 되면 ADC의 입력은 교번전압(Vdrv)이 하강하게 되는 하강 에지(edge)에서 0V로 수렴하게 되며, 이는 Cdrv의 크기와 무관하다. Cdrv는 Ct가 0이 아닌 터치 상태에서 △Vo의 변화 정도를 조정하는 요소로만 작용하게 된다. 따라서, Cdrv의 크기를 정하는 문제는 ADC의 input range의 상한선만으로 고려할 수 있다.

반면에, 기생정전용량(Cp) 값이 0이 아닌 경우, 터치정전용량(Ct)가 0이라 하더라도 ADC의 입력이 0으로 수렴하지 않게 되며, Cdrv의 크기 변화는 Ct=0 인 경우 ADC의 입력값이 Cdrv의 크기에 따라 각각 달라지는 효과로 나타나게 된다. 한편 Cdrv의 크기에 따라 ADC의 input range의 상한선이 변화하는 효과 역시 작용한다. 결과적으로, Cdrv의 크기는 ADC의 input range의 범위에 영향을 주게 되며 이는 Cp의 값에 따라서 최적화된 ADC의 input range의 범위가 변화함을 의미한다.

일반적으로 Cp의 값은 센서패드의 내부와 외부의 조건에 따라서 일관적이지 않으므로, 이러한 특성은 ADC가 아날로그 멀티플렉서(Analog mutiplexer)를 통하여 multi-channel ADC로 기능하게 되는 경우에 ADC의 동작 범위를 정하기 어렵게 한다. 따라서 ADC의 input range를 최적화하기 위한 방법들이 개발되고 있다.

ADC의 reference voltage를 multi-channel 각각에 대해서 최적화하는 기술은 reference voltage를 제공하는 회로의 반응 속도에 따라서 ADC의 동작 속도를 제한하는 요소로 작용할 수 있으며, reference voltage를 세부 조절하기 위해서는 별도의 DAC(Digital to Analog Converter)가 필요하기 때문에 고비용을 필요로 하는 방법이다.

다음으로, Cdrv의 크기를 channel의 특성에 따라 조정하는 기술은, 상기 방법에 비해 별도의 DAC가 요구되지 않기 때문에 비용에 있어서 효율적인 면이 있으나, Cp가 큰 경우에 ADC의 input dynamic range를 확보하기 어려워 결과적으로 ADC 출력의 선형성이 악화되는 문제를 야기시킬 수 있다.

본 발명의 목적은 구동정전용량의 크기를 조정하여 부가 회로의 사용을 줄이고, 아날로그 디지털 변환기의 동작 범위를 조절할 수 있는 터치 검출 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번 전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력하는 센서패드; 상기 교번 전압을 인가하는 교번 전압 인가부와 상기 센서패드와의 사이에서 형성되는 구동정전용량을 조정하는 구동정전용량 조정부; 및 터치 미발생시에 상기 교번 전압에 따른 상기 센서패드에서의 전압변동분 및 터치 발생시에 상기 교번 전압에 따른 상기 센서패드에서의 전압변동분의 차이에 기초하여 터치 신호를 획득하는 레벨 시프트 검출부를 포함하며, 상기 구동정전 용량 조정부는 복수개의 구동정전용량 중 적어도 하나를 선택하여 상기 센서 패드와 상기 교번 전압 인가부를 연결시키는 정전식 터치 검출 장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 a) 터치입력도구와의 사이에서 터치정전용량을 형성하는 센서패드를 충전시킨 후 플로팅 시키는 단계; b) 상기 센서 패드와 교번 전압 인가부 사이에 위치한 구동정전용량을 결정하는 단계; c) 상기 센서패드에 소정의 주파수로 교번하는 교번 전압을 인가하는 단계; 및 d) 터치 발생 전후에 상기 교번 전압에 의한 상기 센서패드에서의 전압 변동분의 차이에 기초하여 터치 신호를 획득하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 구동정전용량의 크기를 조정하여 기생정전용량의 값에 따라 최적화된 아날로그 디지털 변환기의 동작 범위를 조절할 수 있으며, 별도의 디지털 아날로그 변환기를 필요로 하지 않기 때문에 비용을 감소시킬 수 있고, 회로를 부가적으로 사용하지 않아도 된다.

도 1a는 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 평면 구성도이다.
도 1b는 표시장치(20) 위에 설치된 도 1a의 정전식 터치 스크린 패널을 나타내는 도면이다.
도 1c는 도 1b에서 터치가 발생한 경우 터치 검출을 위한 등가회로를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 5는 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 입력 전압이 기생정전용량, 터치정전용량 및 구동정전용량의 값에 따른 변동 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부가 증폭기를 포함하는 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부가 차동 증폭기를 포함하는 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드에 관한 정보가 저장된 메모리부의 구조를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치(200)는 센서패드(210), 구동정전용량 조정부(220), 교번 전압 인가부(225) 및 레벨 시프트 검출부(230)를 포함한다.

우선 터치 검출 장치(200)의 터치 검출 동작에 대해 설명한다.

센서패드(210)는 터치 입력을 검출하기 위하여 기판 상에 패터닝 된 전극으로서 손가락이나 도전체와 같은 터치 입력 도구와의 사이에서 터치정전용량(Ct)을 형성한다. 센서패드(210)는 투명도전체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 센서패드(210)는 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 예에서는 센서패드(210)가 메탈로 형성될 수도 있다.

센서패드(210)는 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력한다. 일 예로, 센서패드(210)는 소정 주파수로 교번하는 교번전압(Vdrv)에 응답하여 터치입력도구에 터치된 경우와 터치되지 않은 경우에 상이한 레벨 시프트 값을 출력한다.

터치 검출 장치(200)는 충전수단(SW)을 더 포함할 수 있다.

충전수단(SW)은 센서패드(210)의 출력단에 연결되어 충전 신호를 공급한다. 충전수단(SW)은 온/오프 제어단자에 공급되는 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 3단자 형의 스위칭 소자이거나, 제어신호에 따라 신호를 공급하는 OP-AMP 등의 선형 소자일 수 있다. 충전수단(SW)의 출력단에는 센서패드(210)에 작용하는 터치정전용량(Ct), 기생정전용량(Cp), 구동정전용량(Cdrv)이 연결되며, 충전수단을 턴 온 시킨 상태에서 입력단에 임의의 전압을 인가하면 Ct, Cdrv, Cp 등이 충전된다. 이 후, 충전수단(SW)을 턴 오프 시키면 Ct, Cdrv 등에 충전된 신호는 별도로 방전시키지 않는 한 충전된 상태로 고립된다. 이 때, 충전된 신호를 안정적으로 고립시키기 위하여 후술할 레벨 시프트 검출부(230)의 입력단은 하이 임피던스를 갖는 것이 바람직하지만, Cdrv 등에 충전된 신호를 방전시키면서 터치 입력을 관찰하거나, 다른 수단으로 충전 신호를 고립시키거나, 방전 개시 시점에서 신속한 관찰이 가능한 경우에는 레벨 시프트 검출부(230)의 입력단의 임피던스가 낮아도 무방하다.

전술한 충전 수단(SW)이 턴 온 되어 센서 패드에 충전된 전하는 충전 수단(SW)가 턴 오프 됨에 의해 고립된다. 이러한 고립 상태를 플로팅(floating) 상태라 칭한다. 충전 수단(SW)과 레벨 시프트 검출부(230) 사이에 고립된 충전 신호의 전하는 외부에 인가되는 교번 신호에 의해 전압의 레벨이 변하게 된다. 상기 전압 레벨은 터치가 발생한 경우와 터치가 발생하지 않은 경우에 상이하다. 이러한 터치 전후의 레벨 차이를 레벨 시프트라고 칭한다.

구동정전용량 조정부(220)는 센서패드와의 사이에서 형성되는 구동정전용량을 조정한다. 또한, 구동정전용량 조정부(220)는 복수 개의 구동정전용량 중 적어도 하나를 선택하여 센서 패드(210)와 후술할 교번 전압 인가부(225)를 연결시킬 수 있다.

구동정전용량 조정부(220)는 제1단이 센서패드에 병렬로 연결된 복수 개의 구동정전용량을 포함할 수 있으며, 교번 전압 인가부(225)와 연결되지 않은 구동정전용량의 제2단은 센서 패드(210)와 동일 전압 레벨을 갖는 노드에 연결될 수 있다. 또한, 구동정전용량 조정부(220)는 복수 개의 스위치를 포함하며, 각 구동정전용량의 제2단을 교번 전압 인가부(225)와 노드 중 하나에 스위칭시킬 수 있다.

구동정전용량 조정부(220)는 복수 개의 스위치의 온 또는 오프인지 여부에 기초하여 구동정전용량을 결정하는 제어부(도시 생략)를 더 포함할 수 있다.

제어부는 구동정전용량 조정부(220)에 포함된 스위치들의 온 또는 오프를 각각 제어할 수 있으며, 이를 통해 구동정전용량 조정부(220)는 구동정전용량을 조정할 수 있다. 이와 관련하여 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.

또한, 구동정전용량 조정부(220)는 입력이 센서패드와 연결된 버퍼를 더 포함할 수 있다. 이때, 버퍼의 출력은 구동정전용량이 연결되는 노드이다.

한편, 구동정전용량 조정부(220)는 센서패드 별로 구동정전용량을 각각 조정할 수도 있다.

교번 전압 인가부(225)는 교번 전압을 인가한다. 구체적으로, 교번 전압 인가부(225)는 소정 주파수로 교번하는 교번전압을 센서패드(210)의 출력단에 인가하여 센서패드(210)에서의 전위를 변동시킨다. 교번 전압 인가부(225)는 듀티비(duty ratio)가 동일한 클락 신호를 생성할 수도 있으나, 듀티비가 상이한 교번전압을 생성할 수도 있다. 또한, 교번 전압 인가부(225)는 공통전극(도시 생략)을 포함할 수 있다.

공통 전극은 표시 장치 내에서 공통 전압이 인가되는 전극 또는 표시 장치 내에서 공통으로 역할하는 전극을 지칭하는 것으로 표시장치 중 하나인 LCD에서는 액정의 구동을 위하여 공통 전압을 필요로 한다. 중소형 LCD에서는 소비 전류를 감소시키기 위하여 소정 주파수로 교번하는 교번 전압을 공통 전압으로 하며 대형 LCD에서는 DC 전압을 공통 전압으로 사용한다.

레벨 시프트 검출부(230)는 플로팅 상태에서 교번 전압(Vdrv)에 의해 발생하는 레벨 시프트를 검출한다. 구체적으로, 레벨 시프트 검출부(230)는 터치 미발생시의 센서패드(210)에서의 전압 변동분 및 터치 발생시 센서패드(210)에서의 전압 변동분을 측정하여 레벨 시프트가 발생하였는지를 검출할 수 있다. 즉, 센서패드의 전위는 인가된 교번 전압(Vdrv)에 의해 상승 또는 하강 하게 되는데, 터치가 발생한 경우의 전압 레벨 변동은 터치가 발생하지 않은 경우의 전압 레벨 변동 보다 작은 값을 가진다. 따라서, 레벨 시프트 검출부(220)는 터치 전후의 전압 레벨을 비교함으로써 레벨 시프트를 검출한다.

또한, 레벨 시프트 검출부(230)는 터치 발생 전후의 교번 전압에 따른 센서패드(210)에서의 전압 변동분의 차이에 기초하여 터치 신호를 획득할 수 있다.

레벨 시프트 검출부(230)는 다양한 소자 또는 회로의 조합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 레벨 시프트 검출부(230)는 센서패드(210)의 출력단의 신호를 증폭하는 증폭소자, ADC(Analogue to Digital Converter), VFC(Voltage to Frequency Converter), 플립플롭(Flip-Flop), 래치(Latch), 버퍼(Buffer), TR(Transistor), TFT(Thin Film Transistor), 비교기 등 중 적어도 하나를 조합하여 구성될 수 있다.

레벨 시프트 검출부(230)는 아날로그 디지털 변환기를 포함하며, 구동정전용량 조정부(220)에 의해 구동정전용량이 조정됨에 따라 아날로그 디지털 변환기의 입력 전위가 결정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

도 3을 참조하면, 터치 검출 장치(200)는 센서패드(210), 터치정전용량(Ct), 기생정전용량(Cp), 구동정전용량 조정부(220), 트랜지스터(Q), 전압 폴로워(Voltage Follower) 및 ADC를 포함할 수 있다.

센서패드(210)는 각각 독립 상태의 다각형으로 터치 스크린 전면에 걸쳐 복수 개가 배치된다. 따라서, 각각의 센서패드에서의 터치 면적이 산출되면 터치 스크린 상에서 터치 좌표를 산출할 수 있다.

먼저, 도 3에서 사용되는 용어를 다음과 같이 정의한다.

터치정전용량(Ct)은 센서패드(210)와 터치입력도구 사이에서 형성되는 정전용량을 의미하는 것이다.

기생정전용량(Cp)은 센서패드(210)에 부수되는 정전용량을 의미하는 것으로 센서패드(210), 신호배선, 표시장치 등에 의하여 발생하는 임의의 기생용량을 포함할 수 있다.

구동정전용량(Cdrv)은 센서패드(210)별 소정 주파수로 교번하는 교번전압(Vdrv)을 공급하는 경로에 형성되는 정전용량이다.

트랜지스터(Q)는 전계 효과 트랜지스터로서, 게이트에는 제어신호(Vg)가 인가되고, 소스(또는 드레인)에는 충전신호(Vb)가 인가될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 트랜지스터(Q)가 아닌 스위칭할 수 있는 다른 소자가 사용될 수 있다.

전압 폴로워(Voltage Follower)는 입력신호와 똑같은 신호가 출력으로 나오는 것으로, 입력단은 하이 임피던스(Hi-z) 특성을 갖는다. 전압 폴로워는 버퍼의 기능을 수행할 수 있다.

트랜지스터(Q)를 턴 온 하여 충전신호(Vb)를 공급하여 구동정전용량(Cdrv), 터치정전용량(Ct), 기생정전용량(Cp)을 충전시킨다. 이 후, 트랜지스터(Q)를 턴 오프하면 전압 폴로워의 입력단은 하이 임피던스이므로 충전된 전하는 고립되며, 이에 따라 센서패드(210)의 출력단에서의 전위가 유지되기 때문에 센서패드(210)의 출력단에서의 전압(Vo)는 일정하게 유지된다. 이와 같이, 전하가 충전되어 고립된 상태를 플로팅(Floating) 상태라고 부른다. 이후, 교번전압(Vdrv)의 전압이 하강하게 되면, 센서패드(210)의 출력단에서의 전압(Vo) 레벨이 순간적으로 강하되는 현상이 발생하는데, 이러한 현상은 “킥백(kick-back)"이라고 불리기도 한다.

터치 미발생시 Cdrv에 의한 센서패드(210)에서의 전압변동(△Vo)은 다음의 [수학식 2]에 의해 변동된다.

[수학식 2]

터치 발생시 Cdrv에 Ct가 병렬로 부가되므로, 센서패드(210)에서의 전압변동(△Vo)은 다음의 [수학식 3]에 의해 변동된다.

[수학식 3]

여기서, △Vo는 센서패드(210)에서의 전압 변동분, VdrvH는 교번전압의 하이 레벨 전압, VdrvL은 교번전압의 로우 레벨 전압, Cdrv는 구동정전용량이고, Cp는 기생정전용량이며, Ct는 터치정전용량이다.

[수학식 2] 및 [수학식 3]을 살펴보면, Cdrv가 커짐에 따라 터치 미발생시 센서패드에서의 전압 변동의 크기가 커짐을 알 수 있다. 즉, Vdrv의 하강 에지(edge)를 사용하는 경우에 있어서, Cdrv가 클수록 ADC의 입력이 되는 전압은 역으로 작아지게 된다. ADC의 사용에 있어서, 입력 전압의 동작 범위는 ADC의 참조 전압(Reference Voltage)을 조절하여 최적화가 가능하다. 여기서, ADC의 참조 전압(Reference Voltage)은 ADC가 변환하고자 하는 전압의 범위를 설정하는데 기준이 되는 전압이다. 예를 들어, 참조 전압이 10V이고 4 비트의 분해능을 가진 ADC인 경우, 1 비트 당 1.25V에 해당하여 1.25V 단위로 입력 전압을 변환할 수 있다.

ADC는 high reference에 해당하는 REFP 단자와 low reference에 해당하는 REFN 단자가 포함되어 있으며, REFP와 REFN에 공급하는 신호를 변경하여 입력 전압의 동작이 가능한 범위인 입력 변동 범위(input dynamic range)를 변화시킬 수 있다. ADC의 입력 신호가 REFN과 REFP 사이의 범위를 벗어나는 경우에는 ADC의 결과값은 포화(saturation) 되어 노이즈(noise)로 보이게 되므로, 입력 신호의 가능한 변동 범위가 REFP, REFN의 범위를 넘지 않도록 주의를 기울여야 한다.

이하에서, ADC에는 REFP, REFN 신호를 받을 수 있는 단자가 묵시적으로 존재한다고 가정한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 구동정전용량 조정부(220)는 네 개의 구동정전용량(Cdrv1, Cdrv2, Cdrv3, Cdrv4) 및 네 개의 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함하는 경우를 들어 설명하기로 한다.

구동정전용량 조정부(220)는 제1단이 센서패드에 병렬로 연결된 복수 개의 구동정전용량(Cdrv)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 스위치가 각 구동정전용량과 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 교번 전압 인가부(225)와 연결되지 않은 구동정전용량의 제2단은 센서패드(210)와 동일 전압 레벨을 갖는 노드에 연결될 수 있다. 이 때, 구동정전용량 조정부(220)는 복수 개의 스위치를 이용하여 각 구동정전용량의 제2단을 교번 전압 인가부(225)와 노드 중 하나에 스위칭시킬 수 있다.

구동정전용량 조정부(220)의 회로에서 제 1 스위치(S1) 내지 제 4 스위치(S4)의 온 또는 오프로 제어함에 따라 교번 전압 인가부(225)에서 인가되는 교번 전압(Vdrv)의 구동 시에 Cdrv의 값을 선택할 수 있다. 펄스(Pulse)를 인가하여 Cdrv를 통한 킥백을 유도하는 경우에 각 스위치의 조합에 의해서 구동정전용량(Cdrv)의 값을 조정할 수 있다.

다만, 도 3의 회로에서는 Vdrv의 하강 에지(edge)의 킥백을 ADC로 검출하고자 하는 경우에, 하강 에지를 야기시킨 이후에 스위치를 바꾸게 되면 플로팅(floating) 되어 있던 복수 개의 구동정전용량들 중에 있을 수 있는 전하(charge)가 스위치를 통하여 회로에 전하 공유(charge sharing) 효과를 일으키게 되므로 원하지 않은 전압 변동이 발생하여 노이즈로 작용하게 될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 도 4의 구동정전용량 조정부(220)는 구동정전용량을 가변하기 위한 다른 형태의 회로에 대한 다른 실시예이다.

도 3에 도시한 회로와 다르게, 도 4에서의 회로는 복수 개의 구동정전용량이 Vdrv 또는 ADC의 입력단 중의 하나에 항상 연결되기 때문에 플로팅(floating)되는 경우가 없다.

도 4의 회로는 Vdrv의 하강 에지(edge) 시점에서 킥백(kick-back)에 참여하지 않은 구동정전용량이라고 할지라도 스위치를 변화하게 되면, 처음부터 킥백(kick-back)에 참여한 것과 동일한 효과를 낼 수 있는 회로이며, 이는 ADC의 입력 전위가 스위치로 연결된 구동정전용량에 피드백(feed-back)되므로, 상기 구동정전용량의 초기 전하(charge)를 0으로 유지할 수 있기 때문이다. 따라서 스위치를 바꾸는 경우마다 precharge를 수행하지 않아도 되는 이점이 있다.

한편, 도 3 내지 도 4와 같은 회로가 포함된 구동정전용량 조정부(220)를 통해 구동정전용량을 조정하기 위해 아래와 같은 단계를 진행할 수 있다.

(1) 먼저, 터치가 없는 상태에서 ADC의 출력을 구한다. 즉, Cdrv의 크기를 제일 작은 값에서부터 제일 큰 값에 이르기까지 순서에 따라 차례로 변화시켜 가면서 ADC의 출력값을 구한다. 여기서, REFN 및 REFP 단자를 각각 GND, VCC 전위로 놓는다.

(2) (1)에서 구한 ADC의 출력값을 조사하여 ADC의 입력 전위가 어느 범위에 존재하는지 확인한다.

(3) ADC의 입력 전위가 Cdrv의 변동에도 불구하고 어느 좁은 영역에 몰려 있다면 이는 Cp의 크기가 터치 발생시의 Ct보다 상대적으로 큰 경우에 해당할 개연성이 높은 것으로 판단할 수 있다. 즉, [수학식 3]에서 Ct에 따른 변동폭이 작은 경우에 해당하게 되므로 이 경우에는 ADC의 reference voltage를 조정하는 것이 요구되는 것으로 판단한다.

(4) ADC의 입력 전위가 Cdrv의 변동에도 불구하고 어느 좁은 영역에 몰려 있는 경우에는 ADC의 reference voltage를 조정한다. 클리핑(Clipping) 현상을 방지하지 않기 위해서 ADC의 출력이 0이 아니면서 가장 작게 되는 reference voltage를 선택한다. Reference의 선택 가능한 전압이 제한되어 있으므로, Cdrv를 변화시키면서 reference voltage와 Cdrv의 조합상 가장 ADC의 출력이 작은 조합을 선택한다.

(5) (1)부터 (4) 까지를 구분되는 터치 영역의 전 부분에 대해서 수행하여, 각 조합을 각각의 터치 영역 센싱시에 참조하여 ADC를 구성할 수 있도록 독출할 수 있는 메모리에 저장하고, 각 터치 영역에 대한 센싱시에 사용한다.

도 5는 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 입력 전압이 기생정전용량, 터치정전용량 및 구동정전용량의 값에 따른 변동 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 Cdrv가 클수록 아래쪽에 위치한 곡선에 해당한다.

도 5a는 기생정전용량의 값이 상대적으로 작은 경우에 대한 그래프이다.

도 5a에 도시한 바와 같이, Cp의 값이 상대적으로 작은 경우에 Cdrv의 크기를 2배수로 변경시키면서 ADC의 입력 전압이 Ct의 값에 따라서 어떻게 변동하는지를 시뮬레이션한 결과 그래프이다. Cp의 값이 작기 때문에, Ct의 값이 변화하는 경우에 ADC의 입력 신호의 스윙(swing) 폭이 큰 것을 알 수 있다.

도 5b는 기생정전용량의 값이 상대적으로 큰 경우에 대한 그래프이다.

도 5a에 도시한 바와 같이, Cp의 값이 상대적으로 큰 경우에 Cdrv의 크기를 2배수로 변경시키면서 ADC의 입력 전압이 Ct 값에 따라서 어떻게 변동하는지를 시뮬레이션 한 결과 그래프이다. Cp의 값이 크기 때문에 Ct 의 값이 변화하더라도 ADC 의 입력 값에 큰 변동이 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 도 5a에서 제일 아래쪽의 curve가 Cdrv가 가장 큰 경우이며 Ct의 변동에 따라서 ADC의 입력에 대한 변동폭이 가장 크게 된다. 하지만, ADC의 입력 가능 범위의 대부분은 킥백(kick-back)의 비 동작 영역에 해당하기 때문에, ADC의 성능을 제대로 발휘하기 어려운 문제가 있다. 이러한 경우, REFP와 REFN를 조정하여 ADC의 동작을 최적화하는 것이 필요하다.

한편, REFN과 REFP에 세밀한 전압 조절이 가능한 DAC를 사용하지 않는 경우, GND와 VCC 사이를 2분할 혹은 4분할 하기 위한 간단한 전압 분할 회로를 사용하는 것이 가능하며, REFP와 REFN이 세밀하게 조절되지 않더라도 Cdrv의 크기를 조절하는 것에 의해서 ADC의 입력으로 충분한 신호의 스윙(swing) 폭을 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부가 증폭기를 포함하는 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

도 6을 참조하면, 레벨 시프트 검출부는 센서패드(210)에 입력단이 접속된 증폭기를 포함한다. 증폭기(18)의 입력단이 하이 임피던스이므로 센서패드(210)의 출력단에서의 신호를 안정적으로 고립시킬 수 있다. 도 6에서는 전압(Vo)이 구동정전용량(Cdrv) 및 터치정전용량(Ct)에 의하여 변동되는 것은 도 4와 동일하지만, 레벨 시프트를 검출하는 수단으로 증폭기(18)가 사용되었다. 증폭기(18)는 센서패드(210)의 출력단에서의 신호를 증폭시키므로 터치 발생에 의한 레벨 시프트의 크기가 증폭기(18)를 거치게 되면 증폭되어 출력되어 보다 안정적으로 터치 신호를 획득할 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트 검출부가 차동 증폭기를 포함하는 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.

차동 증폭기(18a)는 반전 또는 비반전 차동입력전압 Vdif에 따라 센서패드(210)의 출력단에서의 신호를 차동 증폭한다. Vdif는 충전신호(Vb)에 대응하는 신호이거나, 터치 미 발생시의 센서패드(210)의 출력단에서의 신호일 수 있다. 이와 같이 Vdif가 터치 미 발생시의 센서패드(210)의 출력단에서의 신호인 경우 차동 증폭기(18a)는 터치 발생시의 레벨 시프트 값만을 증폭하여 출력할 것이므로 보다 깨끗하고 안정적인 터치 신호를 획득할 수 있도록 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드(210)에 관한 정보가 저장된 메모리부의 구조를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 센서패드(210)이 도트 매트릭스 형태로 배열되고, m*n의 분해능을 가질 때, 메모리부는 m개의 행과 n개의 열을 갖는 테이블로 구성될 수 있다. 메모리부에는 센서패드(210) 별로 또는 센서패드의 그룹별(예를 들면, 동일한 행 또는 동일한 열)로 터치가 발생하지 않았을 때의 해당 센서패드(210)의 출력단에서의 신호에 관한 정보가 저장된다. 예를 들어, M1-1 주소에는 터치 미 발생시 좌상단의 센서패드(210)에서의 출력값, 예를 들어 센서패드(210)에서의 전압 변동분(또는 전압 변동분을 디지털화한 후 ADC의 출력값)이 저장될 수 있다. 또한, 메모리부에는 센서패드(210) 별로 터치 미 발생시 또는 터치 발생시의 전압 변동분을 저장할 수 있다.

기생정전용량(Cp) 및 구동정전용량(Cdrv)은 센서패드(210) 별로 상이할 수 있다. 센서패드(210)의 위치, 배선길이, 기타 외부 요인 등을 모든 센서패드(210)에 대하여 동일하게 설계하는 것이 불가능하기 때문이다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 메모리부에 터치가 발생하지 않았을 때의 출력단에서의 신호(예를 들면, 전압)에 관한 정보를 센서패드(210) 별로 저장하여 관리함으로써 센서패드(210)의 특성이 상이한 경우에도 터치를 효과적으로 검출할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 단계 S910에서, 터치 검출 장치(200)는 터치 패드(210)를 구동한다. 구체적으로, 터치 패드(210)의 출력단에 충전 신호(Vb)를 인가하여 Cdrv 등과 같이 터치 패드(210)에 연결된 정전용량을 충전시킨 후 플로팅 시킨다.

단계 S920에서, 터치 검출 장치(200)는 센서패드와 교번 전압 인가부 사이에 위치한 구동정전용량을 결정한다. 터치 검출 장치(200)는 복수 개의 구동정전용량 및 복수 개의 스위치를 이용하여 복수 개의 구동 정전 용량 중 적어도 하나의 제1단을 센서 패드와 연결시키고, 제2단을 교번 전압 인가부와 연결시킬 수 있다. 또한, 터치 검출 장치(200)는 제2단이 교번 전압 인가부와 연결되지 않은 구동 정전 용량을 센서패드와 동일 전압 레벨을 갖는 노드에 연결시킬 수 있다. 이후, 터치 검출 장치(200)는 센서패드(210)에 소정의 주파수로 교번하는 교번 전압(Vdrv)을 인가한다.

단계 S930에서, 터치 검출 장치(200)는 전압 변동분을 측정한다. 터치 검출 장치(200)는 터치 미 발생시에 센서패드(210)에서의 전압 변동분를 측정하고, 터치 발생시에 센서패드(210)에서의 전압 변동분을 측정함으로써, 터치 발생 전후의 전압 변동분의 차이를 측정할 수 있다.

단계 S940에서, 터치 검출 장치(200)는 전압 변동분의 차이에 기초하여 터치정전용량(Ct)을 획득한다.

단계 S950에서는 터치 검출 장치(200)는 획득한 터치정전용량을 이용하여 터치 면적을 산출한다. 또한, 터치 검출 장치(200)는 각각의 센서패드에서 산출된 터치 면적을 이용하여 터치 좌표를 산출한다.

위의 실시예는 단순히 본 발명의 일예일 뿐, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다.

이상 설명한 바와 같은 영상 표시 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 디스크 관리 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 전하가 충전된 후 플로팅 상태에서 교번 전압에 응답하여 터치 상태에 따른 신호를 출력하는 센서패드;
   상기 교번 전압을 인가하는 교번 전압 인가부와 상기 센서패드와의 사이에서 형성되는 구동정전용량을 조정하는 구동정전용량 조정부; 및
   터치 미 발생시에 상기 교번 전압에 따른 상기 센서패드에서의 전압 변동분 및 터치 발생시에 상기 교번 전압에 따른 상기 센서패드에서의 전압 변동분의 차이에 기초하여 터치 신호를 획득하는 레벨 시프트 검출부를 포함하며,
   상기 구동정전 용량 조정부는 복수개의 구동정전용량 중 적어도 하나를 선택하여 상기 센서 패드와 상기 교번 전압 인가부를 연결시키는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동정전용량 조정부는 제1단이 상기 센서패드에 병렬로 연결된 복수 개의 구동정전용량을 포함하며,
   상기 교번 전압 인가부와 연결되지 않은 구동정전용량의 제2단은 상기 센서패드와 동일 전압 레벨을 갖는 노드에 연결되는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 구동정전용량 조정부는 복수 개의 스위치를 포함하며, 각 구동정전용량의 제2 단을 상기 교번 전압 인가부와 상기 노드 중 하나에 스위칭 시키는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수 개의 스위치의 온 또는 오프인지 여부에 기초하여 상기 구동정전용량을 결정하는 제어부를 더 포함하는 정전식 터치 검출 장치.
   
5. 제3 항에 있어서,
   입력이 상기 센서 패드와 연결된 버퍼를 더 포함하고,
   상기 구동정전용량이 연결되는 상기 노드는 상기 버퍼의 출력인 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
6. 제1 항에 있어서,
   상기 구동정전용량 조정부는, 센서패드 별로 상기 구동정전용량을 각각 조정하는 것인 정전식 터치 검출 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서패드에 충전신호를 공급하여 터치정전용량에 전하를 축적하기 위한 충전 수단을 더 포함하는 정전식 터치 검출 장치.
   
8. a) 터치입력도구와의 사이에서 터치정전용량을 형성하는 센서패드를 충전시킨 후 플로팅 시키는 단계;
   b) 상기 센서 패드와 교번 전압 인가부 사이에 위치한 구동정전용량을 결정하는 단계,
   c) 상기 센서패드에 소정의 주파수로 교번하는 교번 전압을 인가하는 단계;
   및
   d) 터치 발생 전후에 상기 교번 전압에 의한 상기 센서패드에서의 전압 변동분의 차이에 기초하여 터치 신호를 획득하는 단계를 포함하는 터치 검출 방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 b) 단계는,
   복수 개의 구동정전용량 및 복수 개의 스위치를 이용하여 복수개의 구동정전용량 중 적어도 하나의 제1단을 상기 센서패드와 연결시키고, 제2단을 상기 교번 전압 인가부와 연결시키는 단계를 포함하는 것인 터치 검출 방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 b) 단계는, 상기 제2단이 상기 교번 전압 인가부와 연결되지 않은 구동정전용량을 상기 센서패드와 동일 전압 레벨을 갖는 노드에 연결시키는 단계를 더 포함하는 것인 터치 검출 방법.

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