KR101235841B1 - 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치 - Google Patents

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홍성욱
김용재
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세원텔레텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치로서, 사용자의 터치스크린 터치에 따라 전하가 센싱 커패시터에 충전되어 측정 대상 신호인 센싱 신호를 생성하는 전류 제어부; 상기 센싱 신호의 기준을 위한 충전 커패시터에 전하의 충전시 비선형 제어 커패시터의 용량에 기초한 비선형 충전 구간과 충전 제어 저항에 따른 기울기에 기초한 선형 충전 구간으로 구분하여 충전 신호를 생성하는 충전 제어부; 및 상기 전류 제어부의 상기 센싱 커패시터로부터의 상기 센싱 신호와 상기 충전 제어부의 상기 충전 커패시터로부터의 상기 충전 신호를 대비하여 상기 센싱 커패시터의 정전용량을 측정하는 비교 센싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 충전 커패시터의 충전 변화 곡선에서 충전시 시작부분을 비선형적으로 급격하게 상승시켜 터치 스크린 상의 기생용량 커패시터에 의한 영향이 미치지 않도록 하고, 이후 충전 변화 곡선의 선형적 상승 부분에서는 그 기울기를 조절하여 소형부터 대형까지 다양한 사이즈의 터치 스크린 장치의 정전용량의 변화를 센싱할 수 있게 된다.

Description

터치 스크린의 정전 용량 측정 장치 {Device of measuring capacitance value of touch screen}
본 발명은 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치로서, 보다 상세하게는 소형에서 대형 사이즈에 이르기까지 다양한 사이즈의 정전 용량 터치 스크린의 정전용량 변화를 효과적으로 센싱하기 위한 정전 용량 측정 장치에 대한 것이다.
터치 스크린은 디스플레이와 함께 정보 입력 장치로 광범위하게 사용되며, 최근의 터치 스크린 기술은 인간이 컴퓨터와 대화할 수 있는 주요 도구로서 급진적인 발전을 이루고 있다. 사용자 친화적인 인터페이스로서의 터치 스크린은 중소형 모바일용 디스플레이 즉 핸드폰, 디지털 카메라, 네비게이션, 게임기 등에 사용이 점차 증가되고 있으며, 나아가서 스마트 가전기기 등의 대형 디스플레이에도 더욱 실효성을 증가하여 적용되고 있는 실정이다.
사용자는 터치스크린 상의 임의 지점을 스타일러스 펜이나 손가락으로 터치하는 것으로 원하는 명령을 하달할 수 있고, 이를 감지하기 위해, 터치 스크린 표시 장치는 영상을 표시하기 위한 다수의 화소 외에, 사용자가 터치한 지점을 감지하기 위한 다수의 터치 감지 센서를 포함한다.
각 화소에는 게이트 신호와 데이터 신호가 인가되고, 상기 각 터치 감지 센서에는 사용자에 의해 터치되는 것을 감지하여 그에 따른 감지신호를 출력한다. 이를 위해 터치 스크린 표시 장치는 게이트 신호와 데이터 신호를 인가하기 위한 게이트 구동부와 데이터 구동부, 및 터치에 따른 커패시터의 정전용량 변화량을 근거로 터치동작을 인식하기 위한 터치신호 인식회로를 포함한다.
손가락 등의 신체부위나 스타일러스펜에 의해 터치스크린이 터치되면 터치의 세기에 따라 터치된 센서용 커패시터의 정전용량이 변화된다. 예를 들어, 터치의 세기가 클수록 정전용량이 커지게 되는데, 이때 변하는 정전용량은 수 pF ~ 수십 pF 정도로 작고 터치스크린 상의 기생용량 커패시터는 수십 pF 이상이기 때문에 상기의 기생용량 커패시터로 인해 터치신호의 제어가 용이하지 않고 이로 인해 발생되는 상황에 대한 예상이 불가능하여 많은 문제점을 야기하고 있다.
나아가서 터치 스크린의 사이즈가 작은 경우에는 상대적으로 작은 정전용량에 따라 센싱할 필요가 있으며, 터치 스크린의 사이즈가 커지는 경우에는 상대적으로 큰 정전용량을 센싱해야 하므로 터치 스크린의 사이즈에 따라 각각의 터치 스크린의 정전 용량을 측정하는 장치와 방법이 상이하여 터치 스크린의 사이즈에 따라 서로 다른 정전용량 센싱 장치가 구비되어야 한다.
또한 최근의 터치 방식으로 사용자의 모션을 인식을 하는 근접 터치가 제시되었는데, 근접 터치와 직접 터치의 경우에 각각의 정전용량 변화량이 현저하게 다르므로 근접 터치를 인식하기 위한 정전용량 센싱 장치와 직접 터치를 인식하기 위한 정전용량 센싱 장치가 별도로 구비됨으로 인해 터치 스크린의 가격을 상승시키면서 터치 스크린의 사이즈 또한 증가시키는 문제점을 야기하고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 터치 스크린의 사이즈에 따라 각각의 터치 스크린의 정전 용량을 측정하는 장치가 별도로 구비되어야 하는 비효율성을 제거하고자 한다.
또한 사용자의 모션을 인식을 하는 근접 터치와 직접 터치의 경우에 각각의 정전용량 변화량이 현저하게 다르므로 근접 터치를 인식하기 위한 정전용량 센싱 장치와 직접 터치를 인식하기 위한 정전용량 센싱 장치가 별도로 구비됨으로 인해 터치 스크린의 가격을 상승시키면서 터치 스크린의 사이즈 또한 증가시키는 문제점을 해결하고자 한다.
나아가서 터치 스크린의 기생용량 커패시터로 인해 터치신호의 제어가 용이하지 않고 이로 인해 발생되는 상황에 대한 예상이 불가능하여 많은 발생되는 문제점을 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 사용자의 터치스크린 터치에 따라 전하가 센싱 커패시터에 충전되어 측정 대상 신호인 센싱 신호를 생성하는 전류 제어부; 상기 센싱 신호의 기준을 위한 충전 커패시터에 전하의 충전시 비선형 제어 커패시터의 용량에 기초한 비선형 충전 구간과 충전 제어 저항에 따른 기울기에 기초한 선형 충전 구간으로 구분하여 충전 신호를 생성하는 충전 제어부; 및 상기 전류 제어부의 상기 센싱 커패시터로부터의 상기 센싱 신호와 상기 충전 제어부의 상기 충전 커패시터로부터의 상기 충전 신호를 대비하여 상기 센싱 커패시터의 정전용량을 측정하는 비교 센싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치이다.
바람직하게는 상기 충전 제어부는, 상기 충전 커패시터와 상기 충전 제어 저항이 직렬 연결되어 충전 제어 회로부를 형성하고, 상기 충전 제어 저항과 상기 비선형 제어 커패시터는 병렬 연결되며, 충전 전압원을 통해 상기 비선형 제어 커패시터와 상기 충전 커패시터가 충전되되, 상기 충전 커패시터는, 상기 비선형 제어 커패시터가 충전되는 동안 비선형적으로 충전되고 그 후 상기 충전 제어 저항에 따른 기울기로 선형적으로 충전되어, 상기 충전 신호를 생성할 수 있다.
또한 상기 전류 제어부는, 충전 전압원으로부터의 전하의 충전과 방전을 반복 수행하는 보조 커패시터; 상기 보조 커패시터의 방전에 따라 상기 보조 커패시터의 전하를 전달받아 충전하는 센싱 커패시터; 상기 보조 커패시터의 충전과 방전을 제어하는 제1 제어 스위치; 및 상기 센싱 커패시터의 충전과 방전을 제어하는 제2 제어 스위치를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 전류 제어부는, 상기 제1 제어 스위치와 제2 제어 스위치의 동작 속도 및 스위칭 횟수에 따라 상기 센싱 커패시터의 충전 전압이 결정될 수 있다.
나아가서 상기 충전 제어부는, 그 일단이 상기 충전 전압원에 연결되고, 그 타단이 상기 비선형 제어 커패시터의 일단에 연결되어 상기 충전 커패시터와 상기 비선형 제어 커패시터에 충전 전하를 공급하는 제3 제어 스위치; 및 상기 비선형 제어 커패시터의 타단에 연결되어 상기 충전 커패시터와 상기 비선형 제어 커패시터에 충전된 전하를 방전시키는 제4 제어 스위치를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 비교 센싱부는, 상기 전류 제어부의 상기 센싱 커패시터로부터의 센싱 신호와 상기 충전 제어부의 상기 충전 커패시터로부터의 충전 신호를 대비하는 비교기; 상기 비교기의 출력 신호가 하이(High)인 경우 클럭 신호를 이용하여 카운팅하는 카운터; 및 상기 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성부를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 전류 제어부, 충전 제어부 및 비교 센싱부를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 전류 제어부는, 상기 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치의 동작을 제어하는 전류 컨트롤 블록을 더 포함하고, 상기 전류 컨트롤 블록을 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 충전 제어부는, 상기 제3 제어 스위치 및 제4 제어 스위치의 동작을 제어하는 전압 컨트롤 블록을 더 포함하고, 상기 전압 컨트롤 블록을 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 충전 커패시터의 충전 변화 곡선에서 충전시 시작부분을 비선형적으로 급격하게 상승시켜 터치 스크린 상의 기생용량 커패시터에 의한 영향이 미치지 않도록 하고, 이후 충전 변화 곡선의 선형적 상승 부분에서는 그 기울기를 조절하여 소형부터 대형까지 다양한 사이즈의 터치 스크린 장치의 정전용량의 변화를 센싱할 수 있게 된다.
또한 신호 대 노이즈 비(SNR)를 상승시켜 모션 기능을 부가하기 위한 근접터치와 직접 터치를 구분하여 센싱하는 것이 가능해진다.
나아가서 비선형 제어 커패시터와 충전 제어 회로를 구비한 간단한 구조의 충전 제어부를 적용함으로써, 단 하나의 정전 용량 측정 장치를 통해 다양한 사이즈의 터치 스크린 장치에 대한 정전 용량을 측정하고 부가 터치 기능까지 수행하게 되므로 터치 스크린의 단가를 낮추고 터치 스크린의 슬림화에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치의 개략적인 구성을 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치의 실시예에 대한 구성을 도시하며,
도 3 및 도 4는 상기 도 2의 본 발명에 따른 실시예에서 전류 제어부의 동작에 대한 실시예를 도시하며,
도 5는 상기 도 3 및 도 4의 과정을 반복 수행함에 따른 센싱 커패시터와 보조 커패시터의 충전 그래프를 도시하며,
도 6 및 도 7은 상기 도 2의 본 발명에 따른 실시예에서 충전 제어부의 동작에 대한 실시예를 도시하며,
도 8은 상기 도 6 및 도 7의 과정에 따른 비선형 제어 커패시터와 충전 커패시터의 충전 그래프를 도시하며,
도 9는 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치를 통한 정전 용량을 측정하는 과정에 대한 흐름도를 도시하며,
도 10은 상기 도 9의 과정에 따른 각각의 구성에서의 충전 그래프를 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 사용자의 터치 스크린 터치에 따른 정전 용량을 측정하는 장치를 제시하는 것으로서 사용자의 터치에 따른 센싱 커패시터에 대한 기준을 제공하는 충전 커패시터를 비선형 제어 커패시터의 용량에 기초한 비선형 충전 구간과 충전 제어 저항에 따른 기울기에 기초한 선형 충전 구간으로 구분하여 충전함으로써, 사용자의 터치를 구분하기 위한 신호의 제어를 용이할 수 있는 정전 용량 측정 장치를 제시한다.
도 1은 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한다.
본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)는 전류 제어부(110), 충전 제어부(130), 비교 센싱부(150) 및 타이밍 컨트롤러(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
전류 제어부(110)는 터치 스크린의 사용자 터치에 따른 정전용량 센서 기기의 일정한 양의 전하를 충전시키는 센싱 커패시터를 포함하고, 충전 제어부(130)는 상기 센싱 커패시터의 충전 전압에 대한 기준을 제공하는 충전 커패시터를 비선형 제어 커패시터의 용량에 기초한 비선형 충전 구간과 충전 제어 저항에 따른 기울기에 기초한 선형 충전 구간으로 구분하여 충전한다.
그리고 비교 센싱부(150)는 전류 제어부(110)의 상기 센싱 커패시터로부터의 센싱 신호와 충전 제어부(130)의 상기 충전 커패시터로부터의 충전 신호를 대비하여 상기 센싱 커패시터의 정전용량을 측정한다.
또한 타이밍 컨트롤러(170)는 전류 제어부(110) 및 충전 제어부(130)의 충전과 방전을 제어하며, 비교 센싱부(150)의 상기 센싱 신호와 상기 충전 신호를 대비한 결과에 따른 카운팅 신호 발생을 제어한다.
본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)는 충전 제어부(130)의 구성에 중요한 특징을 가지는데, 종래에는 사용자 터치에 따른 정전용량을 측정함에 있어서 기준 전압을 제공하는 충전 커패시터의 충전 변화 곡선이 그라운드 전압부터 일정한 기울기를 가지며 선형적으로 기준 전압까지 상승하도록 구성됨으로 인해 기생용량 커패시터의 영향, 사이즈별로 상이한 터치 스크린의 터치에 대한 센싱, 근접 터치 인식 등의 다양한 문제점을 발생시켰으며, 이에 대하여 본 발명에서는 기준 전압을 제공하는 상기 충전 커패시터의 충전 변화 곡선을 일정부분 비선형적으로 급격하게 상승시키고 이후에 기울기를 조절하여 선형적으로 상승하도록 구성하여 상기의 다양한 문제점을 해결한다.
즉, 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)은, 상기 충전 커패시터의 충전 변화 곡선에서 충전시 시작부분을 비선형적으로 급격하게 상승시켜 터치 스크린 상의 기생용량 커패시터에 의한 영향을 미치지 않도록 하고, 이후에 충전 변화 곡선의 선형적 상승 부분에서는 그 기울기를 조절하여 소형부터 대형까지 다양한 사이즈의 터치 스크린 장치의 정전용량의 변화를 센싱할 수 있으며, 나아가서 신호 대 노이즈 비(SNR)도 상승되므로 모션 기능을 부가하기 위한 근접터치와 직접 터치를 구분하여 센싱하는 것이 가능해진다.
이하에서는 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치에 대한 구체적인 실시예를 통해 각 구성에 대하여 보다 자세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치의 실시예에 대한 구성을 도시한다.
상기 도 2에 도시된 본 발명에 따른 실시예를 참고하여 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)에 대하여 살펴보면, 전류 제어부(110)는 충전 전압원 Vcc를 통한 충전과 방전을 반복 수행하는 보조 커패시터 Cx(111)와 보조 커패시터 Cx(111)의 방전에 따라 보조 커패시터 Cx(111)의 전압을 전달받아 충전하는 센싱 커패시터 Ck(113)를 포함하며, 여기서 보조 커패시터 Cx(111)의 충전과 방전은 제1 제어 스위치 SW1(115)가 제어하고, 센싱 커패시터 Ck(113)의 충전과 방전은 제2 제어 스위치 SW2(117)가 제어하며, 제1 제어 스위치 SW1(115)와 제2 제어 스위치 SW2(117)의 동작 속도 및 스위칭 횟수에 따라 센싱 커패시터 Ck(113)의 충전 전압이 결정된다.
그리고 제1 제어 스위치 SW1(115) 및 제2 제어 스위치 SW2(117)의 온(ON)/오프(OFF)에 대한 로직(Logic)을 전류 컨트롤 블록(119)이 제어한다.
다음으로 충전 제어부(130)는 충전 커패시터 Ct(143)와 충전 제어 저항 Rt(141)이 직렬 연결되어 충전 제어 회로부(140)를 형성하고, 충전 제어 저항 Rt(141)에 비선형 제어 커패시터 Cu(131)가 병렬로 연결된다.
이와 같이 구성되는 충전 제어부(130)에서는 충전 전압원 Vcc을 통해 비선형 제어 커패시터 Cu(131)와 충전 커패시터 Ct(143)가 충전되는데, 여기서 충전 커패시터 Ct(143)는 비선형 제어 커패시터 Cu(131)가 충전되는 동안은 비선형적으로 충전되고 그 후 충전 제어 저항 Rt(141)에 따른 기울기로 선형적으로 충전된다. 즉, 충전 커패시터 Ct(143)에 대한 충전 변화 곡선에서 비선형 제어 커패시터 Cu(131)의 용량만큼은 비선형적으로 급격하게 상승하는데 실질적으로는 비선형 제어 커패시터 Cu(131)에 의해 충전 커패시터 Ct(143)의 충전 변화 곡선 상에서 신호의 비선형 영역은 제거되고 선형 영역만이 선택되는 것이다. 그 후의 충전 커패시터 Ct(143)의 충전 변화 곡선은 시간에 따라 충전 커패시터 Ct(143)에 충전되는 충전 기울기를 충전 제어 저항 Rt(141)을 통해 제어할 수 있다.
또한 충전 제어부(130)는 비선형 제어 커패시터 Cu(131)의 일단에 연결되어 충전 커패시터 Ct(143)와 비선형 제어 커패시터 Cu(131)에 충전 전압을 공급하는 제3 제어 스위치 SW3(133)와 비선형 제어 커패시터 Cu(131)의 타단에 연결되어 충전 커패시터 Ct(143)와 비선형 제어 커패시터 Cu(131)에 충전된 전압을 방전시키는 제4 제어 스위치 SW4(135)를 포함하며, 제3 제어 스위치 SW3(133) 및 제4 제어 스위치 SW4(1135)의 온(ON)/오프(OFF)에 대한 로직(Logic)을 전압 컨트롤 블록(137)이 제어한다.
비교 센싱부(150)는 전류 제어부(110)의 센싱 커패시터 Ck(113)로부터의 센싱 신호 Vm과 충전 제어부(130)의 충전 커패시터 Ct(143)로부터의 충전 신호 Vs를 대비하는 비교기(151)와 비교기(151)의 출력 신호 Vo가 하이(High)인 경우 클럭 신호를 이용하여 카운팅하는 카운터(153)를 포함하며, 카운터(153)에 클럭 신호를 제공하기 위해 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성부(155)를 더 포함할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 전류 제어부(110), 충전 제어부(130) 및 비교 센싱부(150)를 제어하는데, 실질적으로는 전류 제어부(110)의 전류 컨트롤 블록(119)을 통해 제1 제어 스위치 SW1(115)와 제2 제어 스위치 SW2(117)를 제어하고 충전 제어부(130)의 전압 컨트롤 블록(127)을 통해 제3 제어 스위치 SW3(133)와 제4 제어 스위치 SW4(135)를 제어하며, 비교 센싱부(150)의 카운터(153)를 제어한다.
이와 같은 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)의 각각의 구성에 대한 동작을 통해 각각의 구성에 대하여 좀 더 살펴보기로 하는데, 먼저 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)의 전류 제어부(110)에 대하여 살펴본다.
도 3 및 도 4는 상기 도 2의 본 발명에 따른 실시예에서 전류 제어부의 동작에 대한 실시예를 도시한다.
우선 상기 도 3에 도시된 바와 같이 전류 컨트롤 블록(119)의 제어에 따라 제1 제어 스위치 SW1(115)는 온(ON)되고 제2 제어 스위치 SW2(117)가 오프(OFF)된 경우에, 충전 전압원 Vcc에 의해 보조 커패시터 Cx(111)에 전하가 충전된다. 그리고 상기 도 4에 도시된 바와 같이 전류 컨트롤 블록(119)의 제어에 따라 제1 제어 스위치 SW1(115)는 오프(OFF)되고 제2 제어 스위치 SW2(117)가 온(ON)되면 보조 커패시터 Cx(111)에 충전된 전하는 센싱 커패시터 Ck(113)로 이동하여 센싱 커패시터 Ck(113)에 전하가 충전되게 된다.
여기서 센싱 커패시터 Ck(113)의 용량이 보조 커패시터 Cx(111)의 용량보다 현저히 크게 설정되며, 보조 커패시터 Cx(111)는 제1 제어 스위치 SW1(115)와 제2 제어 스위치 SW2(117)의 반복적인 온(ON)/오프(OFF)에 따라 충전과 방전을 반복하여, 보조 커패시터 Cx(111)의 방전 횟수만큼 센싱 커패시터 Ck(113)에 전하가 계속적으로 충전되게 된다.
도 5는 상기 도 3 및 도 4의 과정을 반복 수행함에 따른 센싱 커패시터 Ck와 보조 커패시터 Cx의 충전 그래프를 도시하는데, 상기 도 5에서 보는 바와 같이 제1 제어 스위치 SW1(115)와 제2 제어 스위치 SW2(117)가 서로 반대되며 일정 주기로 반복하여 온(ON)/오프(OFF) 동작함에 따라 보조 커패시터 Cx(111)는 충전과 방전을 반복 수행하고 센싱 커패시터 Ck(113)에는 보조 커패시터 Cx(111)의 방전 전하가 지속적으로 충전된다. 결국 제1 제어 스위치 SW1(115)와 제2 제어 스위치 SW2(117)의 동작 속도와 횟수에 따라 센싱 커패시터 Ck(113)에 누적되는 전하량이 결정되게 된다.
다음으로 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치(100)의 충전 제어부(130)에 대하여 살펴본다.
도 6 및 도 7은 상기 도 2의 본 발명에 따른 실시예에서 충전 제어부의 동작에 대한 실시예를 도시한다.
먼저 상기 도 6을 참조하면, 충전 제어부(130)의 전압 컨트롤 블록(137)의 제어에 따라 제3 제어 스위치 SW3(133)가 온(ON)되고 제4 제어 스위치 SW4(135)가 오프(OFF)되면, 충전 전압원 Vcc에 의해 비선형 제어 커패시터 Cu(131)에 전하가 충전되며, 동시에 비선형 제어 커패시터 Cu(131)의 영향으로 충전 커패시터 Ct(143)에도 동일하게 전하가 충전된다.
상기 도 6에 따라 비선형 제어 커패시터 Cu(131)가 용량만큼 최대로 충전되면 상기 도 7에 도시된 바와 같이 비선형 제어 커패시터 Cu(131)는 회로상으로 오픈(open)된 것으로 간주될 수 있으므로 충전 전압원 Vcc의 전하는 충전 제어 저항 Rt(141)로 흐르게 된다.
그리고 충전 제어부(130)에서 충전 제어 회로부(140)의 충전 커패시터 Ct(143)와 충전 제어 저항 Rt(141)이 직렬로 구성됨에 따라 충전 커패시터 Ct(143)는 충전 제어 저항 Rt(141)에 따른 선형적 기울기로 충전되게 된다.
상기 도 7의 과정을 통해 충전 커패시터 Ct(143)에 기설정된 전하량이 충전되면 충전 커패시터 Ct(143)의 전압인 충전 신호 Vs는 비교 센싱부(150)로 전달되며, 제3 제어 스위치 SW3(133)는 오프(OFF)되고 제4 제어 스위치 SW4(135)는 온(ON)되어, 충전 커패시터 Ct(143)와 비선형 제어 커패시터 Cu(131)는 초기화된다.
도 8은 상기 도 6 및 도 7의 과정에 따른 비선형 제어 커패시터 Cu와 충전 커패시터 Ct의 충전 그래프를 도시하는데, 상기 도 8의 그래프에서 보는 바와 같이 충전 커패시터 Ct(143)의 충전은 비선형 제어 커패시터 Cu(131)의 용량에 기초한 비선형 충전 구간 A와 충전 제어 저항 Rt(141)에 따른 기울기에 기초한 선형 충전 구간 B로 구분될 수 있다. 여기서 충전 커패시터 Ct(143)의 충전에 따른 충전 변화 곡선에서 비선형 충전 구간 A는 비선형 제어 커패시터 Cu(131)의 용량만큼 바로 충전되는 것이므로, 실질적으로는 충전 커패시터 Ct(143)의 충전에 따른 충전 변화 곡선에서 비선형 영역은 제거되고 선형 영역만이 선택된다고 볼 수 있다. 이와 같이 비선형 영역을 제거하는 이유는 정전용량 센서 기기들이 보유한 기생용량 커패시터가 비선형 영역에서 많은 영향을 주기 때문에 이로 인해 신호의 제어가 용이하지 않고 발생되는 상황에 대한 예상이 불가능하기 때문이다. 즉, 본 발명에서는 충전 커패시터 Ct(143)의 충전 변화 곡선이 상기와 같이 구성될 수 있도록 비선형 제어 커패시터 Cu(131)를 이용하며, 이를 통해 충전 커패시터 Ct(143)의 신호 제어가 용이해진다.
또한 본 발명에서 충전 제어부(130)는 충전 커패시터 Ct(143)와 충전 제어 저항 Rt(141)이 직렬로 구성된 충전 제어 회로부(140)를 도입하여 충전 커패시터 Ct(143)에 충전되는 전하의 충전 변화 곡선의 기울기를 제어할 수 있으며, 상기와 같이 충전 커패시터 Ct(143)의 충전 변화 곡선의 기울기를 조절함으로써 비교 센싱부(150)에 전달되는 신호에 대한 센싱의 시간적 조절이 가능하게 되어, 소형부터 대형까지 모든 사이즈의 정전용량 터치 스크린에 적용이 가능하다.
즉, 본 발명에 의하면 전류 제어부(110)의 충전 전하량에 대응하여 충전 커패시터 Ct(143)의 충전 속도를 조절할 수 있는데, 터치 센서의 실제 전하 흐름에 대한 전류 제어부(110)의 신호를 일정하게 유지하고 이에 대한 기준이 되는 충전 제어부(130)의 신호를 제어함으로써 전류 제어부(110)의 전하량에 대한 변화를 명확하게 확인할 수 있게 된다. 또한 본 발명의 충전 제어 회로부(140)는 신호 대 노이즈 비(SNR)도 상승시키게 되어 근접터치와 직접 터치를 구분하여 센싱하는 것이 가능해진다.
도 9는 본 발명에 따른 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치를 통한 정전 용량을 측정하는 과정에 대한 흐름도를 도시하며, 도 10은 상기 도 9의 과정에 따른 각각의 구성에서의 충전 그래프를 도시한다.
상기 도 9와 도 10을 같이 참조하여 본 발명을 이용한 정전 용량 측정 과정을 살펴보면, 사용자가 터치 스크린을 터치(S110)하여 터치 센서에 따른 정전 용량의 변화가 발생하면, 전류 제어부(110)는 측정 대상 센싱 신호 Vm을 생성하는데, 전류 제어부(110)의 각 구성에 대한 동작은 상기 도 3 및 도 4를 통해 살펴보았으므로 자세한 설명은 생략하며, 상기 도 5를 통해 살펴본 바와 같이 상기 도 10의 그래프에서 센싱 커패시터 Ck(111)가 충전되어 센싱 신호 Vm이 생성(S120)된다. 여기서 센싱 신호 Vm은 사용자에 의해 타이밍 컨트롤러(170)의 설정된 디폴트에 따라 결정될 수 있으며, 이와 같이 센싱 신호 Vm을 가변적으로 사용자가 조절함으로써 정전용량 센서의 환경에 따른 신호대 노이즈 비(SNR)을 높이거나 대형 사이즈의 정전용량의 측정이 가능해진다.
그리고 생성된 센싱 신호 Vm은 비교 센싱부(150)의 비교기(151)로 전달(S130)된다.
다음으로 충전 제어부(130)의 비선형 제어 커패시터 Cu(131)와 충전 커패시터 Ct(143)이 충전(S140)되는데, 충전 제어부(130)의 동작으로 충전 커패시터 Ct(143)가 충전되는 과정은 상기 도 6 및 도 7을 통해 살펴보았으므로 자세한 설명은 생략한다. 상기 충전 커패시터 Ct(143)의 충전 과정(S140)을 통해 충전 신호 Vs가 생성되고, 생성된 충전 신호 Vs는 비교 센싱부(150)의 비교기(151)로 전달(S150)된다. 여기서 타이밍 컨트롤러(170)는 비선형 제어 커패시터 Cu(131)와 충전 커패시터 Ct(143)를 충전하기 위한 충전 신호를 전압 컨트롤러 블록(137)로 전송하는데, 이때 타이밍 컨트롤러(170)는 카운터(153)를 초기화시키기 위한 신호를 카운터(153)로 전송한다.
그리고 전류 제어부(110)로부터 전달된 센싱 신호 Vm와 충전 제어부(130)로부터 전달된 충전 신호 Vs를 비교 센싱부(150)의 비교기(151)가 대비하여 출력 신호 Vo를 생성(S160)하여 카운터(153)로 출력 신호 Vo가 전달(S170)되면, 카운터(153)가 클럭신호를 이용하여 출력 신호 Vo를 카운팅(S180)하고 카운팅된 시간에 따라 정전용량의 변화를 측정할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 비선형 제어 커패시터와 충전 제어 회로를 구비한 간단한 구조의 충전 제어부를 적용함으로써, 단 하나의 정전 용량 측정 장치를 통해 다양한 사이즈의 터치 스크린 장치에 대한 정전 용량을 측정하고 부가 터치 기능까지 수행하게 되므로 터치 스크린의 단가를 낮추고 터치 스크린의 슬림화에 기여할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 터치 센서,
100 : 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치,
110 : 전류 제어부, 111 : 보조 커패시터,
113 : 센싱 커패시터, 115 : 제1 제어 스위치,
117 : 제2 제어 스위치, 119 : 전류 컨트롤 블록,
130 : 충전 제어부, 131 : 비선형 제어 커패시터,
133 : 제3 제어 스위치, 135 : 제4 제어 스위치,
137 : 전압 컨트롤 블록,
140 : 충전 제어 회로부, 141 : 충전 제어 저항,
143 : 충전 커패시터,
150 : 비교 센싱부, 151 : 비교기,
153 : 카운터, 155 : 클럭신호 발생기,
170 : 타이밍 컨트롤러.

Claims (9)

  1. 사용자의 터치스크린 터치에 따라 전하가 센싱 커패시터에 충전되어 측정 대상 신호인 센싱 신호를 생성하는 전류 제어부;
    상기 센싱 신호의 기준을 위한 충전 커패시터에 전하의 충전시 비선형 제어 커패시터의 용량에 기초한 비선형 충전 구간과 충전 제어 저항에 따른 기울기에 기초한 선형 충전 구간으로 구분하여 충전 신호를 생성하는 충전 제어부; 및
    상기 전류 제어부의 상기 센싱 커패시터로부터의 상기 센싱 신호와 상기 충전 제어부의 상기 충전 커패시터로부터의 상기 충전 신호를 대비하여 상기 센싱 커패시터의 정전용량을 측정하는 비교 센싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 충전 커패시터와 상기 충전 제어 저항이 직렬 연결되어 충전 제어 회로부를 형성하고,
    상기 충전 제어 저항과 상기 비선형 제어 커패시터는 병렬 연결되며,
    충전 전압원을 통해 상기 비선형 제어 커패시터와 상기 충전 커패시터가 충전되되,
    상기 충전 커패시터는, 상기 비선형 제어 커패시터가 충전되는 동안 비선형적으로 충전되고 그 후 상기 충전 제어 저항에 따른 기울기로 선형적으로 충전되어, 상기 충전 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    충전 전압원으로부터의 전하의 충전과 방전을 반복 수행하는 보조 커패시터;
    상기 보조 커패시터의 방전에 따라 상기 보조 커패시터의 전하를 전달받아 충전하는 센싱 커패시터;
    상기 보조 커패시터의 충전과 방전을 제어하는 제1 제어 스위치; 및
    상기 센싱 커패시터의 충전과 방전을 제어하는 제2 제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    상기 제1 제어 스위치와 제2 제어 스위치의 동작 속도 및 스위칭 횟수에 따라 상기 센싱 커패시터의 충전 전압이 결정되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    그 일단이 상기 충전 전압원에 연결되고, 그 타단이 상기 비선형 제어 커패시터의 일단에 연결되어 상기 충전 커패시터와 상기 비선형 제어 커패시터에 충전 전하를 공급하는 제3 제어 스위치; 및
    상기 비선형 제어 커패시터의 타단에 연결되어 상기 충전 커패시터와 상기 비선형 제어 커패시터에 충전된 전하를 방전시키는 제4 제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 비교 센싱부는,
    상기 전류 제어부의 상기 센싱 커패시터로부터의 센싱 신호와 상기 충전 제어부의 상기 충전 커패시터로부터의 충전 신호를 대비하는 비교기;
    상기 비교기의 출력 신호가 하이(High)인 경우 클럭 신호를 이용하여 카운팅하는 카운터; 및
    상기 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 제어부, 충전 제어부 및 비교 센싱부를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    상기 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치의 동작을 제어하는 전류 컨트롤 블록을 더 포함하고,
    상기 전류 컨트롤 블록을 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 제3 제어 스위치 및 제4 제어 스위치의 동작을 제어하는 전압 컨트롤 블록을 더 포함하고,
    상기 전압 컨트롤 블록을 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린의 정전 용량 측정 장치.
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