KR101325875B1 - 2차원 위치 센서 - Google Patents

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해럴드 필립
루벤 리스토브
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큐알쥐 리미티드
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Abstract

x 위치를 결정하기 위한 전극들 및 y 위치를 결정하기 위한 전극들을 포함하는 전극들의 패턴에 의해 정의되는 센싱 영역을 갖는 기판을 포함하는 2차원 위치 센서가 개시된다. x 전극들과 y 전극들은 일반적으로 x 방향으로 연장되어 y 방향으로 인터리브(interleave)된다. x 전극들은 적어도 제 1, 제 2, 제 3 그룹의 엘리먼트들을 포함하고, 제 1, 제 2, 제 3 그룹의 엘리먼트들은 서로 다른 x 그룹의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들이 x 방향으로 공동연장되어, x 전극들이 비율비교 용량성 신호들(ratiometric capacitive signals)을 제공하여, 센싱 영역에 걸친 준 연속적 x 위치 센싱을 제공한다. 또한, y 전극들은 저항 연결되거나 비율비교 쌍으로 구성되어 준 연속적 y 위치 센싱을 제공한다. 대안적으로, x 전극 그룹은 다른 면적의 x 인접 블록들의 쌍들을 형성하기 위해 서로 깍지끼기 형상이 되어, 단계식 x 위치 센싱, 및 y 전극에 의해 제공되는 단계식 y 위치 센싱을 제공한다.
Figure R1020070053232
2차원, 센서, 커패시턴스, 터치스크린, 터치패드

Description

2차원 위치 센서{TWO-DIMENSIONAL POSITION SENSOR}
도 1은 종래 기술의 2DCT용 전극 패턴(electrode pattern)을 도시하는 개략적 평면도(plan view)이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2DCT용 전극 패턴의 일부를 도시하는 개략적 평면도이다.
도 3은 y 전극에 연결하기 위한 전극 패턴 영역의 주변부에서의 전극 패턴 및 제 1 레이어 커넥션들을 도시하는 제 1 실시예에 따른 2DCT 프로토타입(prototype)의 평면도이다.
도 4는 x 전극에 연결되고 또한 y 전극 외부 공급 라인(선)을 도 3에 도시된 y 전극 커넥션에 연결하기 위한 전극 패턴 영역의 주변부에서의 전극 패턴 및 제 2 레이어 커넥션들을 도시하는 도 3의 2DCT 프로토타입의 평면도이다.
도 5는 제 1 실시예를 위한 구동 및 데이터 획득 회로의 개략적 시스템 레벨 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2DCT용 전극 패턴 및 y 커넥션들을 부분적으로 도시하는 개략적 평면도이다.
도 7은 제 2 실시예의 변형에 따른 전극 패턴 및 y 커넥션들을 부분적으로 도시하는 도 6과 유사한 개략적 평면도이다.
도 8은 y 전극에 연결하기 위한 전극 패턴 영역의 주변부에서의 전극 패턴 및 제 1 레이어 커넥션들을 도시하는 제 2 실시예에 따른 2DCT 프로토타입(prototype)의 평면도이다.
도 9는 y 전극들 간에 저항성 엘리먼트들을 연결하기 위한 저항성 레이어를 도시하는 제 2 실시예에 따른 2DCT 프로토타입의 평면도이다.
도 10은 x 전극에 연결되고 또한 y 전극 외부 공급 라인을 도 8에 도시된 y 전극 커넥션에 연결하기 위한 전극 패턴 영역의 주변부에서의 전극 패턴 및 제 2 레이어 커넥션들을 도시하는 도 8의 2DCT 프로토타입의 평면도이다.
도 11은 제 3 실시예를 위한 전극 패턴의 부분들을 도시하는 개략적 평면도이다.
도 12는 전극 패턴을 도시하는 제 3 실시예에 따른 2DCT 프로토타입의 평면도이다.
도 13은 제 4 실시예를 위한 전극 패턴의 부분들을 도시하는 개략적 평면도이다.
도 14는 제 5 실시예를 위한 전극 패턴의 부분들을 도시하는 개략적 평면도이다.
도 15는 제 6 실시예를 위한 전극 패턴의 부분들을 도시하는 개략적 평면도이다.
도 16은 본 발명은 구현하는 2DCT를 채택한 유리 터치 패널 장치의 개략적 평면도이다.
[1] DE 203,719 [2] US 4,198,539
[3] US 5,940,065 [4] US 6,506,983
[5] US 2,338,949 [6] US 4,827,084
[7] US 2,925,467 [8] US 4,293,734
[9] US 4,371,746 [10] US 4,822,957
[11] US 4,678,869 [12] US 3,699,439
[13] US 4,680,430 [14] US 5,438,168
[15] US 4,649,232 [16] US 4,686,332
[17] US 5,149,919 [18] US 5,463,388
[19] US 5,381,160 [20] US 5,844,506
[21] US 6,137,427 [22] US 4,733,222
[23] US 3,921,166 [24] US 6,452,514
[25] US 5,181,030 [26] US 5,305,017
[27] US 5,914,465 [28] WO 04/040240
[29] WO 2005/020056 [30] US 6,288,707
[31] US 4,650,926 [32] US 5,101,081
[33] US 5,157,227 [34] US 5,730,165
본 발명은 특히 손가락 또는 스타일러스펜에 의해 구동되는 2차원 용량성 위치 센서에 관한 것이다. 예시적 장치로는, 특히 액정 디스플레이(LCD), CRT(Cathode Ray Tube) 및 다른 타입의 디스플레이 상의 터치스크린 및 터치패드, 펜 입력 태블릿, 또는 피드백 제어 목적의 장치에 사용되는 인코더 등이 있을 수 있다.
기계장치로의 펜 또는 터치 입력에 대한 설명은, 특허 DE 203,719[1]에 구현된 바와 같이, 적어도 1908년도로 거슬러 올라간다.
터치스크린 및 포인팅 장치는 개인용 컴퓨터뿐만 아니라 PDA(Personal Digital Assistant), POS(Point of Sale) 터미널, 전자정보 및 티켓 발급 키오스크(Kiosk), 키친 어플라이언스(Kitchen Appliance) 등과 같은 다른 기기들과 관련되어 점차 대중화 및 보급화되고 있다. 이들 기기들은 점차 가격이 낮아지게 되고, 따라서 높은 레벨의 품질 및 견고성을 유지함과 동시에 좀더 낮은 제품 가격에 대한 필요성이 있게 되었다.
터치스크린은 일반적으로, 용량성(capacitive) 및 저항성(resistive)의 두 개의 카테고리로 나뉘어질 수 있다.
용량성 장치들과 관련되어, 용어 '2차원 용량성 트랜스듀서(two-dimensional capacitive transducer)' 또는 '2DCT'가 이하의 장치들에 대한 일반적 용어로 사용된다: 터치스크린, 터치 센싱 패드, 근접 센싱 영역, LCD, 플라즈마, 또는 CRT 스크린 등 상의 디스플레이 오버레이 터치 스크린, 기계 장치 또는 피드백 시스템용 위치 센싱, 또는 용량성 센싱 메커니즘에 의해 물체 또는 신체부분의 위치에 관련된 적어도 2차원 좌표계, 카르테시안 등을 리포트할 수 있는 표면 또는 볼륨을 갖는 다른 타입의 제어 표면(제한 없음).
저항성 장치들과 관련되어, 용어 '2차원 저항성 트랜스듀서(two-dimensional resistive transducer)' 또는 '2DRT'가 순수 갈바니 원리(galvanic principle)에 기초한 터치스크린 또는 펜 입력 장치를 언급하기 위한 일반적인 용어로 사용된다.
용어 '2DxT'는 2DCT 또는 2DRT 타입의 엘리먼트들을 언급한다.
용어 '터치'는, 소망의 출력을 발생시키기 위해 충분한 용량성 신호 세기의 신체부분 또는 기계적 컴포넌트에 의한 접촉 또는 근접을 의미한다. '근접'의 의미에서, 터치는 물리적 접촉 없이 2DCT를 '가리키는' 것을 의미할 수 있다. 이 때, 2DCT는 적절히 반응하기에 충분한 물체의 근접에 따른 용량성분에 반응한다.
용어 '엘리먼트'는 2DCT 또는 2DRT의 액티브 센싱 엘리먼트를 언급한다. 용어 '전극'은 엘리먼트의 주변부(periphery)의 연결 포인트를 언급한다.
용어 '스트라이프(stripe)'는 전선 도체(electrical line conductor)를 언급하는데, 전선 도체는 엘리먼트의 컴포넌트 부분이고, 2개의 끝단(말단)을 갖는다. 스트라이프는 의도된 실질적인 갈바니 저항성분을 갖고, 전선은 최소 저항성분을 갖는다. 스트라이프가 그것의 일부인 엘리먼트가 물리적으로 만곡되어 있으면, 스트라이프 또한 물리적으로 만곡되어 있다.
용어 '핀 쿠션(pin cushion)'은 파라볼릭(parabolic), 배럴(barrel) 또는 다른 형태의 2차원 변형이든 간에 2DCT로부터의 신호의 임의의 왜곡을 의미한다.
2DCT의 많은 타입들은 '핀쿠션' 또는 '하이퍼볼릭(hyperbolic)' 또는 '파라볼릭'과 같이 특징되는 기하적적 왜곡을 겪는 것으로 알려져 있다. 따라서, 기존의 터치 좌표계는 센싱 표면의 전기적 효과에 따라 오류가 발생된다. 이들 효과는 예컨대 피퍼(Pepper)에 허여된 US 4,198,539(본 명세서에 참조로 포함됨)와 같은 여러 특허문헌에서 심층적으로 설명되어 있다. 기하학적 왜곡에 대한 공지된 원인, 해결책 및 해결책들의 문제에 대해 밥 등(Babb et al)에 허여된 US 5,940,065[3] 및 US 6,506,983[4]에 잘 요약되어 있다. 문헌들은 본 명세서에 참조로 포함된다. US 5,940,065[3]는 다음의 두 분류의 중요 보정에 대해 설명한다: 1) 센싱 표면 또는 연결 전극에 대한 설계 또는 수정을 포함하는 전기기계적 방법; 2) 왜곡을 보정하기 위한 수학적 알고리즘을 사용하는 모델링 방법.
전기기계적 방법
평면 엘리먼트의 에지 조작: 크프뮬러 등은, US 2,338,949(1940년에 출원)에서, 작은 이용가능한 영역의 둘러싸는 X 및 Y에서의 매우 긴 사각형 테일(tail)을 사용하여 2DRT 일렉트로그래프 내의 에지 왜곡 문제를 해결한다. 크프뮬러는 4개의 테일들을 스트라이프들로 할당하는 방안을 더욱 택한다; 이들 스트라이프들은 사용자의 입력 영역은 침범하지는 않지만 전류 흐름에 평행한 측을 따라 비등방성 방식으로 전류 흐름에 대해 저항을 높이는 역할을 한다. 이와 같은 아이디어는 비록 약간 다르기는 하지만 거의 50년 이후에 야니브 등(Yaniv et al) 등에 허여된 US 4,827,084[6]에 다시 등장한다.
베커는, US 2,925,467에서, 엘리먼트의 시트(sheet) 저항성분에 대한 매우 낮은 저항성분의 에지 물질을 적절히 사용함으로써 비선형 에지 효과가 제거되는 2DRT 일렉트로그래프를 처음으로 설명한다. 방법은 2DCT를 구성하기 위해서도 사용될 수 있다.
피퍼는, US 4,198,539[2], US 4,293,734[8], 및 US 4,371,746[9]에서, 엘리먼트의 에지 저항성분 구조를 조작함으로써 2DCT를 선형화하는 방법을 설명하고 있다.
탈마지(Talmage)는, US 4,822,957[10]에서, 피퍼와 유사한 에지 패턴을 2DRT 엘리먼트 및 픽-오프 시트(pick-off) 시트와 함께 설명한다. 이와 같은 많은 다른 특허들이 다양한 방법을 사용하여 등록되었고, 이 분야는 오늘까지도 새로운 특허의 대상이 되고 있다. 이들 방법들은 개발 및 복제가 매우 어려운 것으로 알려졌으며, 이들은 차동의 열적 히팅 유도 에러(differential thermal heating induced error) 및 생산 문제점이 있는 경향이 있다. 매우 작은 정도의 국지적 오류 또는 드리프트(drift)가 좌표계 반응에 있어 실질적인 변화를 초래할 수 있다. 패턴형의 에지 스트립(patterned edge strip)의 저 저항성분이 구동 회로와 함께 문제를 일으켜서, 구동회로가 더 많은 전력을 소비하고 더 고비용이 되도록 한다. 피퍼의 특허를 참조하여 유사한 구현을 행하는 상당히 많은 특허들이 존재한다. 적어도 베커는 제조하기 쉽고 반복 제조하기 좋으므로, 베커에 비해 피퍼에 의해 구현된 개선점들은 크지 않다.
와이어 엘리먼트를 갖는 에지 저항성분: 케이블(Kable)은, US 4,678,869[11]에서, 펜 입력을 위한 2D 어레이를 개시한다. 2D 어레이는, 2축 상에 있는 저항성 디바이더 체인(resistive divider chain)과 체인에 연결되는 고 전도 전극들(highly conductive electrode)을 이용한다. 전극들은 감지 목적의 의도되지 않은(비의도) 저항성분을 일부 포함한다. 감지 신호는 두 개의 인접 전극들 사이에 발생되는 신호들로부터 보간(interpolate)된다. 비의도 저항성분은 반응에 있어 소량의 핀 쿠션을 초래한다. 특허는 또한 기술에 의해 생겨나는 소량의 핀 쿠션 왜곡을 보상하기 위한 알고리즘 수단을 개시한다.
케이블 방법은 연결된 스타일러스펜 이외의 것과는 연동가능하지 않다. 즉, 손가락에 반응하는 것으로 기술되어 있지 않다. 케이블 특허는 전도체들 간의 크로스오버를 필요로 하고, 따라서 적어도 3개의 구축 레이어들(도체, 절연, 도체)을 필요로 한다.
다중 액티브-에지 전극들: 터너(Turner)는, US 3,699,439[12]에서, 결과를 선형화하기 위해 모든 4개의 변(邊) 상에 다중 전극 커넥션(multiple electrode connection)들을 갖는 액티브 프로브(active probe)를 갖는 균일 저항성 스크린(uniform resistive screen)을 개시한다.
요시카와 등(Yoshikawa et al)과 울페(Wolfe)는, 각각 US 4,680,430[13] 및 US 5,438,168[14]에서, (모서리들과 반대로) 각 변에 다중 전극 포인트를 사용하여 한 축의 전극들로부터의 전류 흐름의 다른 축의 전극들과의 상호 작용을 감소시킴으로써 핀 쿠션 감소를 용이하게 하는 2DCT를 개시한다. 엘리먼트가 단순 시트 저항인 한편, 이 접근은 엘리먼트에 매우 근접한 각 커넥션 포인트에서의 (다이오드 또는 MOSFET의 선형 어레이와 같은) 다수의 액티브 전기 커넥션들을 포함한다.
나카무라(Nakamura)는, US 4,649,232[15]에서, 저항성 픽업 스타일러스를 구비하는 것을 제외하고는, 요시카와 및 울페와 비슷한 것을 개시한다.
순차적 스캔 스트라이프 엘리먼트(Sequentially Scanned Stripe Element): 그리니아스 등(Greanias et al)는 US 4,686,332[16] 및 US 5,149,919[17]에서, 보이에 등(Boie et al) 등은 US 5,463,388에서, 그리고 랜드마이어(Landmeier)는 US 5,381,160[19]에서, 교대하는 독립적으로 구동되고 센싱되는 스트라이프 도전체들을 X 및 Y 양 축에서 사용하여 센싱하는 엘리먼트 방법을 교시한다. 이로부터 손가락 터치, 픽업 장치, 또는 스타일러스 펜의 위치가 해석된다. 다중 레이어의 재료 및 특별 처리를 통해 구현된다. 그리니아스는 양 축에서의 높은 해상도를 달성하기 위해 스트라이프들 간의 보간 사용을 교시한다. 이들은 엘리먼트 내의 도전체들의 크로스오버를 가능하게 하기 위해 3개 이상의 레이어들을 필요로 한다. 이들은 한 스트라이프와 다른 스트라이프 간의 크로스 커플링 양(amount of cross coupling)이 아닌, 각 스트라이프 상의 용량성분 측정에 의존한다. 보이에는 또한 특별 가드 평면(guard-plane)을 교시한다.
비인스테드(Binstead)는, US 5,844,506[20] 및 US 6,137,427[21]에서, 케이블, 앨런, 저페이드(Gerpheide), 및 그리니아스(Greanias)에 의해 교시된 것과 유사한 방식의 개별 미세 와이어를 사용하는 터치스크린을 교시한다. 비인스테드는 매우 미세한 열 및 행 와이어를 사용하여 투명도를 달성한다. 특허는 또한 높은 해상도를 달성하기 위한 전극 와이어들 간의 그리니아스 보간 방법을 교시한다. 서로 간의 크로스 커플링 정도가 아닌, 각 스트라이프와 그라운드 간의 용량성분의 측정에 의해 스캔이 행해진다.
이반스(Evans)는, US 4,733,222[22]에서, 스트라이프들이 양 X 및 Y 축에서 순차적으로 구동되는 시스템을 개시한다. 이를 위해, 커패시터 디바이더 효과(capacitor divider effect)를 통해 센싱신호를 이끌어 내기 위한 커패시터들의 외부 어레이가 또한 사용된다. 스트라이프들만으로 가능한 것보다 더 미세한 해상도를 평가하기 위해 보간이 사용된다.
볼프(Volpe)는, US 3,921,166[23]에서, 용량성 스캐닝 방법을 사용하는 개별 키 기계적 키보드(discrete key mechanical keyboard)를 개시한다. 순차적으로 구동되는 입력 행(row)들과 순차적으로 센싱되는 열(column)들이 있다. 키를 누름으로써 행(row)에서 열(column)로의 커플링(coupling)을 향상시키고, 이와 같은 방법으로 n 키 롤오버(rollover)가 달성될 수 있다. 여기에서는 보간이 필요없다. 비록 2DCT는 아니지만, 볼프는 스캔형 스트라이프 엘리먼트 2DCT 기술의 실마리가 된다. 본 발명자에 의한 US 6,452,514[24]는 이와 같은 분류의 센서에 속한다.
이타야(Itaya)는, US 5,181,030[25]에서, 접촉의 위치를 읽는 저항성 평면으로 압력을 가할 때 커플링을 하는 저항성 스트라이프들을 갖는 2DRT를 개시한다. 스트라이프 또는 평면은 이들에 가해지는 1D 전압 기울기(gradient)를 가져서, 특정 스트라이프 상의 접촉의 위치가 쉽게 확인될 수 있다. 각 스트라이프는 각자의 적어도 하나의 전극 커넥션을 필요로 한다.
주기적 스캔형 스트라이프 엘리먼트(Cyclical Scanned Stripe Element): 저페이드 등(Gerpheide et al)은, US 5,305,017[26]에서, 절연체들에 의해 분리되는 오버랩핑 금속 스트라이프의 다중 직교 어레이들을 사용하는, 터치패드 커패시턴스 기반의 컴퓨터 포인팅 디바이스를 교시한다. 스캔 라인들은 주기적 반복 패턴으로 배치되어 구동 회로 필요조건을 최소화한다. 본 발명에 따른 결선(wiring)의 주기 특성은 절대 위치 파악을 위한 본 타입의 2DCT의 사용을 막는다. 본 발명은 본 발명은 마우스를 대체하기 위해 사용되는 터치패드에 적합한데, 여기에서는 실제 위치 결정이 필요하지 않고, 단지 상대적 모션 센싱만이 중요하다. 저페이드는 터치 위치에서 두 위상-반대 신호들(phase-opposed signals) 간의 신호 밸러스 방법을 교시한다.
병렬 독출 스트라이프 엘리먼트들(Parallel Read Stripe Elements): 앨런 등(Allen et al)은, US 5,914,465[27]에서, 아날로그 회로에 의해 병렬로 독출되는 행 및 열 스캔 스트라이프를 갖는 엘리먼트를 교시한다. 특허는 순차적으로 스캔되는 엘리먼트들보다 낮은 잡음과 빠른 반응 시간을 주장한다. 방법은 마우스 대체용 터치패드에 특히 적합하나, 더 큰 사이즈로는 잘 스케일링되지 않는다. 모든 스트라이프 엘리먼트 2DCT들과 같이, 다중 구조 레이어들이 요구된다. 앨런에 의한 방법은 큰 스케일의 집적 및 많은 갯수의 연결 핀들을 필요로 한다. 그것은 로(raw) 스트라이프들에 의해 달성될 수 있는 것보다 높은 해상도를 달성하기 위해 보간한다.
WO 04/040240[28], "전하 전달 용량성 위치 센서"에서, 필립(Philipp)은 도 12와 관련되어 터치스크린을 구성하기 위한 개별 저항성 1-D 스트라이프들을 사용하는 방법을 설명한다. 스트라이프들의 커넥션들이 서로 독립적이기 때문에, 이들 스트라이프들은 병렬 또는 순차적으로 독출될 수 있다. 더욱이, 도 6과 관련되어, 인접 집중 전극 엘리먼트들(adjacent lumped electrode elements)과 손가락과 같은 물체 사이의 보간된 커플링이 설명된다. WO 04/040240[28]은 본 명세서에 참조로 포함된다.
WO 2005/020056[29]에서, 필립은 비등방성 도체 영역으로써 상호 이격된 제 1 및 제 2 저항성 버스-바(bus-bar)들을 포함하는 위치 센서를 개시한다(WO 2005/020056의 도 3 참조). 터치 또는 근접에 의해 비등방성 도전 영역에서 유도된 전류는 우선적으로 감지 회로에 의해 센싱되는 버스-바 쪽으로 흐른다. 예컨대 구동 회로에 의해 유도된 전류가 한 방향에 따라 우선적으로 흐르기 때문에, 위치 추정에 있어서의 핀 쿠션 왜곡은 대부분 한 방향으로 억제된다. 그러한 1차원 왜곡은, 스칼라 보정 계수(correction factor)를 적용하여 복잡한 벡터 보정의 필요성을 회피함으로써 매우 단순하게 보정될 수 있다. 이는 플라스틱 또는 유리 패널 또는 다른 유전체 뒤에서 커패시턴스를 센싱하기 위한 도전 재료의 2D 패턴을 제공한다. 이는 터치스크린 또는 '터치 패드'의 형식에 상관 없이 2DxT로 사용될 수 있다. 도전체는 투명할 수 있다. 예를 들면 ITO(indium tin oxide)로 제조되어 디스플레이 또는 다른 배경을 위해 적절한 투명 오버레이를 제공할 수 있다.
이러한 접근은 셀룰러 폰에 적합한 최대 약 2 인치(50 mm) 대각선 크기의 비교적 소형의 스크린 사이즈에 적합하다. 그러나, 예컨대 마이크로웨이브 오븐과 같은 일부 백색가전에서 필요한 것과 같은 더 큰 스크린들에서는 성능이 떨어진다. 더욱이, 이 설계에서 핸드셰도우 효과(handshadow effect)가 문제를 일으킬 수 있다.
US 6,288,707[30]에서, 필립은 비율비교 용량성 센싱 기법을 채택하는 컴퓨터 포인팅 장치의 일부로서 동작하도록 의도되는 용량성 위치 센서를 개시한다. 패턴형 금속 전극들의 어레이가 절연기판층 상에 배치되고, 여기서 사용자의 손가락이 전극 어레이 상을 움직일 때 가변하는 용량성 출력을 생성하도록 전극의 기하학적 배열이 선택된다.
첨부된 도 1은 US 6,288,707[30]의 도 4로부터 인용되었다. 패턴형 전극들의 어레이는 절연층 상에 배치되어, 사용자의 손가락이 전극 어레이 상을 움직일 때 가변하는 용량성 출력을 생성하도록 전극의 기하학적 배열이 선택된다. 배치는 일정 간격을 두고 배치되는 4개의 전극 집합들(각 차원당 2개)을 포함한다. 삼각형인 x 축 집합들은 보고 이해하기 더 쉽다. 삼각형 1의 제 1 집합은 모두 X1으로 표시된 출력 버스에 전기적으로 연결된다. 제 2 집합은 모두 X2로 표시된 출력에 연결된다. x 축에 대한 사용자 손의 위치는 X1 및 X2로부터의 신호들의 비율로부터 확인될 수 있다. 커패시턴스가 표면 면적에 직접적으로 비례하기 때문에, 그리고 X1에 연결되는 플레이트들이 X2에 연결되는 플레이트들보다 좌측편에 더 큰 표면 면적을 이루기 때문에(반대의 경우도 마찬가지임), 충분한 신호 세기를 제공하기에 충분히 가까운 범위에서 충분한 크기의 손가락 면적이 패턴 상에 있는 한, X1/X2 또는 X2/X1의 비율을 취하는 능력은 유지된다. 플레이트들의 대응 집합이 Y1 및 Y2 버스에 연결된다. Y 연결 집합도, 비록 X 집합들과는 다른 방식이지만, 비율비교적이다. Y 집합은 교번하는 Y1 연결 및 Y2 연결 사각형 스트라이프들(3 및 4)를 각각 포함하고, 위치 Y를 갖는 Y1 및 Y2 간의 표면 면적의 스무스(smooth)한 변화 비율을 생성하기 위한 방식으로 위치에 대해 변화하는 y 축 차원을 갖는다. y축 스트라이프 3 및 4의 각각의 인접한 쌍(pair)의 합은 일정하다. 따라서, 커패시턴스의 합은 임의의 두개의 쌍짓기된(paired) 스트라이프들에 대해서는 일정하다. 즉, 스트라이프들의 각 쌍에 대해 C(Y1) + C(Y2) = C(Y)가 성립된다. 그 다음, 사용자의 손가락이 y 축을 따라 움직일 때, 감지된 커패시턴스 비는 C(X1)/C(X2) 비와 같은 방식으로 측정된다. 즉, 최대 비가 분자(numerator)가 된다.
그러나, 이와 같은 설계는 x 방향의 2DCT 차원에 대해 제한된 능력을 제공한다.
수치적 방법
나카무라는, US 4,650,926[31]에서, 생 2D 좌표계 데이터(raw 2D coordinate data)를 보정하기 위한 룩업 테이블 시스템을 사용한, 타블렛(tablet)과 같은 일렉트로그래픽 시스템의 수치 보정을 위한 시스템을 개시한다.
드럼(Drum)은, US 5,101,081[32]에서, 원격수단을 통해 타블렛과 같은 일렉트로그래픽 시스템의 수치 보정을 위한 시스템을 개시한다.
맥더모트(McDermott)는, US 5,157,227[33]에서, 구역(zone) 또는 사분면(quadrant)에 의한 보고된 터치의 위치를 보정하기 위해 하나 이상의 다항식을 제어하기 위한 동작 동안에 사용되는 저장 상수들을 이용하는 2DxT를 보정하기 위한 수치적 방법을 교시한다.
밥 등(Babb et al)은, US 5,940,065[3] 및 6,506,983[4]에서, 보다 사소한 처리 변동을 보정하기 위해, 개별 유닛 기초로 그리고 구역 또는 사분면에 의한 분할없이, 학습 프로세스 동안에 결정된 계수들을 사용하여 2DxT 균일 시트 엘리먼트를 선형화하기 위한 수치 방법을 교시한다. 밥에 의해 개시된 방법은 복잡하고 '80 계수들(80 coefficients)' 및 4차 다항식을 포함한다. 이들의 계수들은 엄격하고 시간이 많이 걸리는 교정 절차를 통해 결정되어야 한다. 본 발명자가 감독한 실험에서, 일반적 사용에 적합한 정확도 레벨을 얻기 위해서는 6차 다항식이 필요하고, 그 결과는 열적 드리프트(thermal drift) 등으로 인한 미세한 후속 변동 후교정(slightest subsequent variations post-calibration)의 경향이 매우 높다는 것이 알려졌다. 특히, 코너 커넥션은 커넥션 사이즈 및 품질과 관련되어 높은 이득 팩터(factor)를 갖는 특이점(singularity)으로 동작하므로, 장기적인 좌표계 요동(fluctuation)에 크게 기여하는 것으로 알려졌다. 더욱이, 수치적 보정 방법은 높지 않은 해상도 출력을 발생하기 위해서도 높은 해상도 디지털 변환을 필요로 한다. 예를 들면, 고품질의 9 비트 좌표계 결과를 제공하기 위해서는 14 비트 ADC가 필요한 것으로 알려졌다. 증폭 시스템 및 ADC에 필요한 추가 비용 및 전력은 많은 어플리케이션에 있어 방해가 될 수 있다.
본 기술분야에서의 방대한 종래 연구에도 불구하고, 여전히 비교적 적은 수의 외부 커넥션을 갖는 저가, 단일 레이어(층), 넓은 면적, 투명, 저 왜곡 2DCT의 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은, x 위치를 결정하기 위한 전극들과 y 위치를 결정하기 위한 전극들을 포함하는 전극들의 패턴에 의해 정의되는 센싱 영역을 갖는 기판을 포함하는 2차원 위치 센서를 제공하며, x 전극들과 y 전극들은 일반적으로 x 방향으로 연장되어 y 방향으로 인터리브(interleave)되며, x 전극들은 제 1, 제 2, 제 3 그룹의 엘리먼트들을 포함하고, 제 1, 제 2, 제 3 그룹의 엘리먼트들은, 제 1 및 제 2 그룹의 엘리먼트들 중의 인접한 엘리먼트들이 센싱 영역의 일부 상에서 x 방향으로 공동 연장되고 제 2 및 제 3 그룹의 엘리먼트들 중의 인접한 엘리먼트들이 센싱 영역의 다른 부분 상에서 x 방향으로 공동 연장되어 x 전극들은 x 방향으로 센싱 영역에 걸친 비율비교 용량성 신호들(ratiometric capacitive signals)을 제공하도록 형상되는 2 차원 위치 센서를 제공한다.
x 전극들은 제 4 그룹의 엘리먼트들을 더 포함하고, 제 3 및 제 4 그룹의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들이 센싱 영역의 또다른 부분 상에 공동 연장되어, x 전극들은 x 방향으로 상기 센싱 영역에 걸친 비율비교 용량성 신호들(ratiometric capacitive signals)을 제공할 수 있다.
이 원리는 제 5 및 더 많은 그룹의 x 전극들을 부가하도록 확장될 수 있다. 기하학적으로, 원리는 무한히 확장될 수 있다. 그러나, 실제로는 외부 접촉을 위한 센싱 영역의 주변 에지 영역으로의 전극 공급 관통부(electrode feed-throughs)의 두께가 점차 얇아질 것이기 때문에, 어느 정도에서는 노이즈 고려 및 다른 관련 팩터에 정의되는 바와 같이 더 많은 그룹의 x 전극을 부가하는 것은 비실용적이 될 것이다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 외부 전선들이 센싱 영역의 주변부에서 전극들에 연결되고, 전선들은, x 전극의 각 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 각각의 전선들, 및 y 전극들에 연결되는 복수의 전선들을 포함한다.
실시예들의 한 그룹에서, 중추부(central spine)가 제공되며, 중추부는 중추부의 양측으로부터 연장되는 제 3 그룹의 x 전극들의 엘리먼트들을 상호연결하기 위해 센싱 영역의 주변부로부터 y 방향으로 연장되고, 따라서 x 전극의 제 3 그룹의 엘리먼트들이 센싱 영역의 주변부로부터 외부적으로 접촉될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 중추부는 상부에서 하부까지의 센싱 영역을 가로지르도록 연속적으로 연장되며, 이 경우 센싱 영역의 상부 또는 하부에 위치하는 단일의 외부 접촉만으로 충분할 것이다. 대안적으로, 중추부는 분할될 수 있다. 이 경우 2개의 외부 접촉이 센싱 영역의 주변부에서 (하나는 센싱영역의 상부, 다른 하나는 센싱영역의 하부에서) 필요하다.
중추부가 제공되면, 동일 높이 즉 동일 y 위치에 있는 중추부의 어느 한 측변 상의 대응 y 전극들이 공통으로 연결되어 추가적인 외부 커넥션 라인(선)들을 사용할 필요가 없어진다. 예를 들면, 센싱 영역의 주변부를 돌아나가는 도전성 트랙에 의해, 단일의 외부 커넥션 라인이 중추부의 어느 한 측변 상에서 y 전극들에 연결될 수 있다.
중추부 실시예에서, 복수의 외부 전선들이 사용되어 센싱 영역의 주변부에서 전극들에 연결될 수 있고, 전선들은 센싱 영역을 개념적으로 좌측 및 우측으로 구분하는 중추부에 연결되어, x 전극들의 제 3 그룹을 연결하는 전선; 중추부의 좌측에 있는 x 전극들의 제 1 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선; 중추부의 우측에 있는 x 전극들의 제 1 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선; 중추부의 좌측에 있는 x 전극들의 제 2 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선; 중추부의 우측에 있는 x 전극들의 제 2 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선; 및 y 전극들에 연결되는 복수의 전선들을 포함한다.
x 전극들은 공동 연장을 위해 다양한 기하학적 형태로 구성될 수 있다.
예를 들면, 공동 연장되는 개별 그룹들의 x 전극들의 엘리먼트들은 이들의 공동 연장 거리 상에서 상보적 테이퍼(taper) 형상이 되어 비율비교 용량성 신호들을 제공할 수 있다. 대안적으로, 공동 연장되는 개별 그룹의 x 전극들의 엘리먼트들은 이들의 x 방향으로의 공동 연장 거리 상에서 가변 면적의 인접한 블록들을 구비하여 비율비교 용량성 신호들을 제공할 수 있다.
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예를 들면, 중추부 및 제 1, 제 2 및 제 3 그룹의 x 전극들을 갖는 실시예를 참조하면, 제 1 및 제 3 엘리먼트들은 각각 중추부 및 주변부로 또는 그것들로부터 테이퍼링되고, 제 2 엘리먼트들은 제 1 및 제 3 엘리먼트들의 테이퍼 형상을 상보하는 이중 테이퍼(double taper) 형상을 가질 수 있다. 보안적으로, 실시예의 다른 구현에 있어서, 테이퍼 형상 대신에, 제 1 및 제 3 엘리먼트들은 각각 주변부 및 중추부로 또는 그것들로부터 감소하는 면적의 상호 연결된 블록들의 형태를 취할 수 있고, 제 2 엘리먼트들은 제 1 및 제 3 엘리먼트들을 상보하기 위해 가변 면적의 블록을 가질 수 있다.
y 전극들은 개별적으로 및/또는 단체로 개별 외부 전선들에 연결되어 y 방향의 위치 정보를 제공한다. 이는 단순하고 신뢰성 있는 방안으로서, y 위치 정보가 단순히 신호가 나타나는 라인으로부터 추론된다. 부가적으로 중요한 신호가 하나 이상의 전선에서 나타나면, 보간 또는 다른 근사 방법이 사용될 수 있다. 일반적으로, 한 외부 라인을 각 y 전극으로 할당하기에 충분한 외부 라인들이 존재하지 않을 것이다. 따라서, 예를 들면 외부 라인으로 향하는 도전성 금속 트랙을 사용하여, 인접 y 전극들을 그룹으로 편성하는 것이 필요할 것이다. 예를 들면, y 전극은 2개, 3개, 또는 4개로 그룹화될 수 있다.
y 전극들은 저항성 엘리먼트들에 의해 상호 연결되어, 비율비교 용량성 신호들이 y 전극들의 부분집합에 연결되는 외부 전선들을 통해 출력되어 y 방향의 위치 정보를 제공할 수 있다. 이 구현에서, y 전극들은 WO 2004/040240[28]에 개시된 바와 같은 소위 슬라이더를 형성하도록 연결된다. 특히, 저항성 스트립이 y 전극 상에 놓이는 경우, 이는 도전체 전극과 병렬이 되기 때문에 단락된다. 그리고, 저항성 스트립이 인접 y 전극 사이에서 연장되는 경우, 이는 WO 2004/040240[28]의 도 6a에 도시된 바와 같이 저항성 상호 연결을 제공한다. 비율비교 신호는 슬라이더의 각 단에서의 적어도 두 개의 외부 라인들(하나는 상부 y 전극에 연결되고 다른 하나는 하부 y 전극에 연결됨)에 의해 검출될 수 있다. 중간 검출부를 부가함으로써, 즉 하나 이상의 부가적인 외부 라인들을 중간 y 전극들에 부가함으로써, 정확도가 높아질 수 있다. 일반적으로 이용가능한 외부 라인들의 갯수는 유한이고 제한되기 때문에(전형적인 수는 11임), 이와 같은 방안은 매우 융통성이 있다. 슬라이더 방안과 함께, 필요한 갯수의 외부 라인들이 x 전극을 연결하기 위해 할당되면, 나머지 이용가능한 외부 라인들은 모두 y 전극 커넥션을 위해 사용될 수 있다.
y 전극들은 적어도 2개의 y 전극의 수직으로 인접한 그룹들로 배치되고, 각 그룹의 y 전극들은 서로 다른 수직 범위를 갖고 있어서, 비율비교 용량성 신호가 각 그룹의 다른 y 전극들에 연결된 외부 전선들을 통해 출력되어 y 방향의 위치 정보를 제공할 수 있다. 각 그룹의 y 전극들은 바람직하게는 직접적으로 수직으로 인접한다. 즉 이들 사이에 인터리브되는 x 전극이 없다. 그러나, 손가락 또는 다른 의도된 액튜에이터에 비해 x 전극이 y 방향으로 작은 범위를 갖는 경우, y 전극들의 그룹은 사이에 삽입되는 x 전극을 가질 수 있다. 이와같은 y 전극들의 가변 수직 범위에 기반한 비율비교 방안은 US 6,288,707[30]에 (특히 도 4의 실시예에) 개시되어 있다.
전극들은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 재료 또는 다른 적절한 재료로 만들어 질 수 있다. 기판은 예를 들면 퍼스펙스(Perspex)와 같은 PMMA(polymethyl methacrylate), 또는 제오노르(Zeonor)(TM) 또는 토파스(Topas)(TM)과 같은 COP(Cycloolefin copolymer)와 같은 투명 플라스틱 물질 또는 유리 등의 투명 물질로 만들어질 수 있다. 그러나, 일부 어플리케이션에서, 전극 및/또는 기판이 불투명하게 될 수 있다.
x 방향 및 y 방향은 적절한 좌표계 시스템, 가장 흔하게는 그들이 직교하는 데카르트 시스템에 의해 정의되지만, 방향들은 비직교 각도일 수도 있다. 더욱이, 이하에서 x 및 y 방향은 때때로 편의상 수평 및 수직으로 각각 언급된다. 그러나, 이는 예를 들면 중력의 방향과 관련된 실제 공간에서의 특정 배치를 의미하는 것은 아니다.
본 발명의 이해를 돕고 본 발명이 효과적으로 수행되는 방법을 설명하기 위해, 첨부된 도면을 예시로서 참조한다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 2DCT용 전극 패턴의 대표적 부분을 도시하는 개략적 평면도이다. 여기서, 전극 패턴은 장치의 센싱 영역을 정의한다. 전극들은 기판 상에 배치된다. 기판은 도시되어 있지 않지만, 지면(紙面) 상에 놓이는 상부 표면을 갖는다. 기판은 PET(polyethylene terephthalate)와 같은 플렉시블 투명 플라스틱 재료일 수 있다. 기판은 일반적으로 절연성이다. 전극 패턴은 수백 옴/스퀘어의 비저항을 갖는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성된다. 이는 투명한 재질로서, 디스플레이 어플리케이션이나 하부 버튼 또는 기타 템플레이트가 보여질 필요가 있는 다른 어플리케이션에 적합하다.
일반적으로, 전극 패턴은 임의의 적절한 도전성 물질을 도포하거나 제거함으로써 만들어질 수 있다. 도포는 예를 들면 증기 도포 또는 스크린 프린트일 수 있다. 제거는 예컨대 레이저 또는 화학 에칭일 수 있다.
전극 패턴은 y 위치 결정을 위한 y 전극들(10, 12) 및 x 위치 결정을 위한 x 전극들(14, 16, 18, 20, 22, 24)을 정의한다. 설명된 바와 같이, x 전극 및 y 전극 모두는 일반적으로 x 방향으로 연장되고 y 방향으로 인터리브(interleave)된다. y 전극(10, 12)는 단순한 바 형상, 즉 긴 직사각형 형상이고, x 전극(14-24)은 테이퍼(taper)진 삼각형 형상을 갖는다.
x 전극에 대해 먼저 자세히 설명된다. y 전극에 대해서는 나중에 설명된다.
x 전극은 3개의 그룹으로 분류될 수 있다. 제 1 그룹의 테이퍼진 삼각형 전극(14, 24)는 센싱 영역의 좌측변 및 우측변에 배치된다. 이중으로 테이퍼진 제 2 그룹의 삼각형 전극들(16, 22)은, 전극들이 센싱 영역에서 각각 좌측변 및 우측변에서부터 중앙으로 안쪽으로 연장되도록 배치된다. 제 3 그룹의 x 전극들(18, 20)은 일체로 형성된 중추부(26)로부터 개별적으로 좌우로 바깥쪽으로 연장된다. 제 1 및 제 2 그룹들의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들(14, 16 및 24, 22)은 센싱 영역의 좌측변 및 우측변으로 각각 향하도록 센싱 영역의 외부 부위 I 및 IV 상에서 공동 연장(co-extend)된다. 제 2 및 제 3 그룹들(16, 18 및 22, 20)의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들은 중추부의 어느 한쪽에서 센싱 영역의 내부 부위 II 및 III 상에서 각각 x 방향으로 공동 연장된다.
이와 같은 방식으로, 제 1 및 제 2 또는 제 2 및 제 3 그룹의 공동 연장 전극들의 각각의 인접 쌍(pair)은 참고문헌[28]에서 언급한 바와 같이 소위 슬라이더를 형성한다. 특히, 슬라이더는 참고문헌[28]의 도 15에 도시된 종류의 것이다. 슬라이더의 동작을 설명하는 문헌의 관련 내용은 본 명세서에서 참조로 포함된다. 전극 엘리먼트들은 구동 장치 특히 사람의 손가락과 관련되어 적절히 형상되고 크기가 조절되어, x 방향으로 이들의 상호 연장의 길이를 담당하는 비율비교 용량성 신호(ratiometric capacitive signal)를 제공한다(즉, x 방향으로 겹친다).
좌측변 이중 테이퍼진 x 전극들(16)은 x 전극들(16)의 최좌측 에지에 가까운 센싱 영역의 좌측 주변부에서 y 방향으로 뻗는 도전성 전선(30)에 의해 외부 라인 X1으로 공통으로 연결된다. 이중 테이퍼진 전극들은 외부 커넥션을 용이하게 하기 위해 이들의 최좌측 말단에 본딩 패드 영역(33)을 갖는다.
좌측변 테이퍼진 x 전극들(14)은 x 전극들(14)의 최좌측 에지에 가까운 센싱 영역의 좌측 주변부에서 y 방향으로 뻗는 도전성 전선(32)에 의해 외부 라인 X2으로 공통으로 연결된다.
중추부(26)에 의존하는 테이퍼진 x 전극들(18 및 20)은 물론 중추부에 의해 공통으로 연결되고, 중추부(26)를 통해 센싱 영역의 주변부로 전기적 접촉된다. 외부 라인 X3은 중추부(26)의 베이스에 접촉되는 전선(34)을 통해 중추부에 연결된다.
우측변 테이퍼진 x 전극들(24)은 대응되는 좌측 x 전극들(14)와 유사한 방식으로, x 전극들(24)의 최우측 에지에 가까운 센싱 영역의 우측 주변부에서 y 방향으로 뻗는 도전성 전선(36)에 의해 외부 라인 X4에 공통으로 연결된다.
우측변 이중 테이퍼진 x 전극들(22)은, 대응되는 좌측 x 전극들(16)과 유사한 방식으로 확대 본딩 패드 영역(39)의 도움으로, x 전극들(22)의 최우측 에지에 가까운 센싱 영역의 우측 주변부에서 y 방향으로 뻗는 도전성 전선(38)에 의해 외부 라인 X5에 공통으로 연결된다.
이와 같은 방식으로, x 전극들(14-24)는 독출을 위해 5개의 외부 라인들(X1-X5)에 외부적으로 연결된다.
y 전극들은 중추부(26)의 좌우에 따라 두개의 집합(10 및 12)으로 나뉘어진다. 전술한 바와 같이, 이들은 단순 바 형상이고, 좌측에서는 각 인접 집합의 x 전극들(14, 16, 18) 사이에, 우측에서는 각 인접 집합의 x 전극들(20, 22, 24) 사이에 배치된다. y 전극들(10 및 12)은 도전성 전선에 의해 수직으로 인접한 집합으로 연결된다. 따라서, 본 실시예에서 센싱 영역의 y 해상도는 상호 연결된 y 전극들의 수직 범위에 대응하는 수직 거리에 제한된다. y 전극의 집합 편성은 y 해상도를 저감시킨다. 그러나, y 전극을 위해 필요한 외부 라인들의 갯수를 낮춘다. 설명되는 예에서, 4개 쌍(pair)의 y 전극들로 이루어진 y 전극의 기저(基底) 집합은, 외부 라인 Y1의 일부를 이루는 전기적 도전성 트랙(50)에 공통으로 연결된다. 도면에서 명백하지는 않지만, 같은 높이에 있는 각 쌍의 y 전극들은 외부의 주변 트랙(run-around track)에 의해 공통으로 연결된다. 바로 그 위의 집합은, 비록 첫번째 쌍 만이 보이지만, 3개 쌍의 y 전극들로 이루어지고, 또다른 외부라인 Y2를 위해 트랙(52)에 연결된다. 전체로, 해당 도전성 트랙을 통해 개별 외부 라인들(Y1-Y7)로 연결되는 7개 집합의 y 전극들이 있다. 본 실시예에서, y 값은 7개의 외부 라인들로부터 취해지고, 7개의 외부라인들은 단순 제어 알고리즘을 위해 7 단위의 y 해상도를 제공한다. 추가적인 y 해상도가 인접 y 라인들 간의 보간을 통해 얻어지는 것도 가능하다.
정리하면, 2DCT는, x 방향으로 센싱 영역의 폭에 걸친 x 방향의 4개의 오버랩 영역들(I-IV)에 배치된 슬라이더를 통한 준 연속적인 x 해상도와, 3 및 4의 수직으로 인접한 집합으로 공통으로 연결되는 수평으로 연장되는 전극 막대들을 통한 스텝형 y 해상도를 제공한다. 전부 12개의 외부 라인들이 사용된다. 5개는 X 그리고 7개는 Y를 위한 것이다.
중추부와 이중 테이퍼형 전극들의 결합은, 센싱 영역의 x 방향의 큰 범위가, 투명하고 주변부를 제외하고는 외부 연결들이 없는 큰 센싱 영역을 제공하도록 허용한다. 더욱이, 전극 패턴 설계는 핸드셰도우 효과가 심각하지 않다는 것을 의미한다. 왜냐하면, 손가락의 물리적 위치로부터의 용량성 신호의 중심 시프트는 전극의 수평 범위에 의해 제한되기 때문이다. 예를 들면, 6인치(150mm)의 대각선 센싱 영역을 갖는 장치는 설계로 구성될 수 있다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 2DCT 프로토타입의 1:1 스케일, 즉 실제 사이즈의 평면도이다. 이는 y 전극들에 연결되는 전극 패턴 영역의 주변부에서 제 1 레이어의 커넥션들과 전극 패턴을 도시한다. 참조의 용이함을 위해, 이전의 개략적 도면에 의해 도시된 영역은 도면의 하부에서 점선의 사각형으로 표시되어 있다. 대략 실제 비율인 손가락 아웃라인 또한 도시되어 있다.
일반적 ITO 전극 패턴은 기판(40)의 주요부를 커버하는 것이 명백하다. 예에서의 패턴은 사각형 영역을 커버한다. 사각형 영역은 센싱 영역을 형성하는 터치스크린 또는 다른 장치의 영역과 매칭된다. x 전극들의 앞서 설명된 4개의 오버랩 영역들(I-IV)도 마킹되어 있다. 일반적으로 사각형인 기판(40) 또한 기판의 좌측변의 중간 부분에 넥 탭(neck tab)(42)을 갖는다. 넥 탭(42)은 이후 도면에서 설명되는 것처럼 외부 접촉을 위해 사용된다. 기판(40)의 좌측변, 넥 탭(42)에 인접한 측변 상에, y 전극을 위한 외부 라인들(Y1-Y7)을 형성하는 도전 트랙들(50-62)이 있고, 라인들(Y2-Y7) 각각은 트랙(52-62)을 통해 3개의 y 전극들에 연결되고, Y1은 트랙(50)을 통해 4개의 전극들을 연결하고, 장치의 좌측 절반(즉, 중추부(26)의 좌측으로 절반)에 전부 22개의 y 전극이 있다. 우측변에, 4개가 함께 편성된 기저에 있는 것과는 별도로, 3개로 편성된 22개의 y 전극들이 동일한 구성으로 되어 있다. 기판의 우측변 상에 외부 라인들(Y1-Y7)의 트랙들(50-62)은 기판의 상단을 돌아서 기판의 좌측변으로 뻗어져서, y 전극들 좌측변 및 우측변 대응 페이들, 그리고 공통으로 연결된 그룹들의 쌍들은 동일한 도전성 트랙으로 결합된다.
도 4는 도 3의 2DCT 프로토타입의 평면도이다. 이는 도 3에서 도시된 y 전극 커넥션들에 y 전극 외부 공급 라인들을 연결하고 x 전극들을 연결하기 위한 전극 패턴의 주변부에서의 제 2 레이어의 커넥션들 및 전극 패턴을 도시한다. 도 3 및 도 4의 제 1 및 제 2 레이어 사이에 절연 레이어가 개재된다. 이는 제 1 커넥션 레이어 및 제 2 커넥션 레이어들 간의 전기 접촉을 방지하기 위해 절연 영역, 및 제 1 및 제 2 커넥션 레이어들의 특정 다른 부분들 간에 전기적 접촉을 보장하기 위한 개방 영역을 제공한다.
y 전극 커넥션들이 먼저 설명된다. 7개의 전도성 트랙들(44)이 넥 탭(42)의 상부를 따라 x 방향으로 평행하게 기판(40)의 메인 영역의 우측 부분으로 연장된다. 그 다음, 이들은 팬 아웃(fan out)되어 확대된 접촉 패드(46)에서 종단된다. 확대된 접촉 패드는 y 전극 커넥션들(Y1-Y7) 각각을 위한 도 3의 제 1 커넥션 레이어에서의 트랙들(50-62)의 일부 바로 위에 있다. 따라서, y 전극 그룹들 각각으로부터의 그리고 각각으로의 신호들은 외부 접촉 트랙(44)를 통해 안밖으로 공급될 수 있다. 각 접촉 패드(46)의 절연 레이어 내에 개방 영역이 있다. 이는 제 2 커넥션 레이어 상의 각 Y1 내지 Y7 트랙들(44) 각각과, 제 1 커넥션 레이어의 Y1 내지 Y7 전선 트랙들(50-62) 간의 전기적 접촉을 보장하기 위한 것이다. Y1 내지 Y7 트랙들의 각각을 커버하는 절연 레이어에 절연 영역이 있다. 여기서 이들은 기판의 좌우측변 상에서 y 전극을 접촉하기 위한 ITO 패턴 위에 위치한다.
x 전극 커넥션들이 이제 설명된다. 외부 커넥션들(X1-X5)을 위한 5개의 전선들(30-38)이 도 2가 참조되어 이미 설명되었고, 도 5에서의 프로토타입의 제 2 커넥션 레이어에서 보여진다. 알 수 있는 바와 같이, x 전극 커넥션들은, y 전극 커넥션들과는 달리, 제 2 커넥션 레이어 상에서 완전히 제공된다. y 전극 커넥션들은 제 1 및 제 2 커넥션 레이어들 사이에 분포된다. 즉, 트랙들(30-38)은 기판(40)의 바닥측변을 돌아서 그 다음 5개의 병렬 트랙들로 모인다. 5개의 병렬 트랙들은 넥 탭(42)으로 향하고, 여기서 7개의 병렬 y 전극 커넥션들과 만난다. x 전극들을 접촉하기 위해 ITO 영역의 각 측변을 수직으로 위로 향하는 x 전극 커넥션 트랙들 및 패드들은 절연 레이어에 의해 y 전극 커넥션 트랙들로부터 전기적으로 분리된다.
도 5는 제 1 실시예의 터치스크린의 사용을 위한 다중 채널 센서 회로(140)의 개략적 시스템 레벨 도면이다. 도면에서, 센서 회로(140)는 x 전극들로부터의 5개의 용량성 전극 입력들(X1, X2, X3, X4, X5)과, 7개의 y 전극 입력들을 나타내는 단일 용량성 전극 입력(Yn)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 실제로, 총 요구되는 12 라인들을 제공하기 위해, 각각의 y 전극 입력에 대해 하나의, 7개의 그러한 라인들이 존재할 것이다. 기준 전압 레일(rail)(158)에 연결되는 충전 스위치(charging switch)(156)를 사용하여 모든 용량성 입력들 X1-X5 및 Y1-Y7을 동시에 충전하기 위해 충전 컨트롤 라인(charging control line)(157)이 사용된다.
변형예에서, 충전 컨트롤 라인(157)은 생략되고, 충전 스위치들(156)은 다양한 전극들을 전원에 일정하게 연결하는 풀-업 저항들(pull-up resistor)로 대체된다. 풀업 저항은, 레이어를 전하 감지기들의 어레이로 방전하기 위해 사용되는 방전 기간(discharge interval)보다 더 큰 RC 시간 상수를 제공하도록 선택된 저항값을 갖는다. 저항값은 예를 들면 15K 옴 내지 25K 옴 사이 값이다.
채널 X1-X5 및 Y1-Y7은 전하가 전하감지기로 전달될 때 도면에 도시된 바와 같이 동시에 동작한다. 이는, 모든 충전된 전극들을 방전하기 위해 방전 스위치들(162)을 구동하는 단일 방전 컨트롤 라인(163)의 사용에 의해 행해진다. 전송 또는 전송 버스트가 일어난 이후에, 아날로그 멀티플렉서(182)는 마이크로프로세서(168)의 제어 하에서 전하 감지기 출력들 중 어느 것이 증폭기(184) 및 ADC(186)로 그리고 외부 제어 및 데이터 획득 회로(일반적으로 PC)로 공급되는지를 선택한다. 부가적으로, 리셋 컨트롤 라인(190)에 의해 제어되는 리셋 스위치들(188)의 어레이는 각 펄스 또는 펄스 버스트 이후에 구동되어 용량성 입력을 기지(旣知)의 기준(reference)(예를 들면 그라운드(ground))로 리셋한다. 설명의 간명함을 위해 각 채널 센서의 회로 엘리먼트들 중 많은 부분이 도면에서 생략되었음을 본 기술분야의 당업자에게는 명확할 것이다. x 채널들(X1-X5)에 관하여, 이들이 구동되어, 각 신호들로부터 획득될 필요가 있는 비율비교 정보를 고려하기 위해 신호들이 처리될 필요가 있다. 이는 참고문헌 [28] 및 [30]과 같은 헤럴드 필립에 의해 종래 기술 특허 문헌에서 설명된 "슬라이더" 방안이 사용되어 행해질 수 있다. 센서 회로들을 버스트들 등으로 구동하는 방법 및 센서 회로에 대한 자세한 설명은 참고문헌 [28], [30], 및 [34]과 같은 헤럴드 필립에 의해 종래 기술 특허 문헌에서 이용가능하다.
제 1 실시예를 정리하면, 설계는 센서 영역을 좌반부 및 우반부로 분할하는 중추부가 있는 중앙 대칭 전극 패턴을 갖는다는 것을 알 것이다. 중추부는 크리스마스 트리의 "트렁크(trunk)"를 구성하고, 트리의 "가지"는 단일 테이퍼 전극들이 되는데, 전극들은 트렁크의 어느 한쪽에서 외부로 연장되어 나와서, 센서 영역의 측면부에 외부적으로 연결되는 쌍둥이-테이퍼 전극의 2개의 집합의 제2 테이퍼와 공동 연장되며, 상기 쌍둥이 테이퍼 전극의 첫번째 테이퍼는 센서 영역의 측면부에 외부적으로 연결되는 추가의 2개의 단일 테이퍼 전극 집합들과 공동 연장된다. 모두 수평 방향으로 센싱하기 위한 이들 전극들은 센싱 영역의 측변에 외부적으로 연결되고 수직 위치 센싱 전극들을 형성하는 바(bar)들과 수직 방향으로 인터리브된다. 센싱 영역은 12개의 외부 커넥션들로 동작된다. 5개는 각 테이퍼 전극 집합들에 연결되는 수평 센싱을 위한 것이고, 7개는 22개의 수직 전극 행(row)들을 위한 것이다. 감축은 수직적으로 인접한 그룹들의 3 또는 4개의 전극 행들을 공통으로 연결함으로써 달성된다. 이는 수직 해상도를 희생하면서 외부 커넥션들의 전체 숫자를 줄이기 위한 것이다. 구조는 4개의 레이어들을 갖는 것에 대해 설명되어 있는데, 두 개는 커넥션들을 위한 것이고, 하나의 절연 레이어는 두 개의 커넥션 레이어들 간의 커넥션을 제어하기 위한 것이고, 하나의 전극 패턴 레이어는 커넥션 레이어들 중 하나 위에 직접 형성될 수 있는 것이다.
본 발명의 제 2 실시예가 이제 설명된다. 여러 부분에서 제 2 실시예는 제 1 실시예와 동일하다. 동일한 ITO전극이 사용된다. 더욱이, x 전극들을 위한 외부 커넥션들이 정확히 동일하므로, 전극 패턴 레이어와 제 1 전도성 레이어가 정확히 동일하다. 제 1 실시예와 제 2 실시예 간의 차이점은 y 센싱에 있다. 제 1 실시예에서, 전극 바는 y 전극 바의 수직적 분리에 의해 정의되는 해상도를 갖는 이산 y 위치 정보를 제공한다. 또는, 제 1 실시예에서 다중 인접 y 전극 바가 외부 커넥션 라인들의 숫자를 감소시키기 위해 공통으로 연결되는 경우에는, 공통 연결된 y 전극 바들의 각 그룹의 수직적 분리에 의해 정의되는 해상도를 갖는 이산 y 위치 정보를 제공한다. 제 2 실시예에서, 동일한 y 전극이 사용된다. 즉, 수평 바가 x 전극 사이에서 인터리브된다. 그러나, y 전극 바는 소위 "슬라이더" 구조[28]에서 저항성분이 있도록 서로 연결된다. 그리하여, 적절한 외부 측정 회로로의 연결을 통해 수직 방향의 준 연속적 위치 정보를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 2DCT를 위한 전극 패턴 및 y 커넥션의 일부를 도시하는 개략적 평면도이다. 사람의 손가락이 대강의 축척에 맞추어 도시되어 있다. x 전극들과 이들의 외부 커넥션 트랙들은 본 명세서의 간명함을 위해 생략되었다. 도면은 센싱 영역의 좌반부의 중간 부분을 도시한다. 이는 제 1 실시예와 유사하게, 다수의 수직적인 오프셋 y 전극 바들(10)을 갖는다. 13개가 도시되어 있다. 각각의 바는 그것에 직렬인 개별 저항(72)과 함께 전기 도전성, 즉 금속 라인들(70)에 의해 수직으로 인접한 바 또는 바들에 의해 연결된다. y 전극 바(10)는 전도 트랙들을 통해 외부적으로 연결된다. 전도 트랙은 Y 센싱을 위한 외부 커넥션 라인들로 연결된다. 도면에서, 4개의 외부 커넥션 라인들(54'-60')가 매 3번째 또는 4번째 y 전극에 연결되도록 도시되어 있다.
전기적으로, 저항들(72) 및 이들의 상호 연결(70)은 인접 y 전극 바들(10) 간에 저항성 경로를 제공하고, 저항성 경로는 전도성 외부 커넥션 라인들(54' 및 56', 56' 및 58' 등)의 수직적으로 인접한 쌍 사이로 연장된다. (임의의 한 쌍의 인접 라인(예를 들면, 54' 및 56')들의 경우, 이는 참고문헌[28]의 도 6a의 실시예의 슬라이더와 전기적으로 동일하다.) 예를 들면, 참고문헌[28]에 도시된 바와 같은 측정 회로 또는 본 목적을 위해 본 기술분야에서 공지된 다른 측정 회로를 사용하여, 참고문헌[28]에 도시된 바와 같이 y 위치를 감지하기 위해 비율비교 분석이 사용된다.
일반적으로, 제 2 실시예에서 최소한 2개의 외부 커넥션들이 있어야 한다. 외부 커넥션들은 슬라이더의 말단 커넥션을 형성한다. 말단 커넥션들은 바람직하게는 최상 및 최하 y 전극에, 또는 상부 및 하부 근처에서 적어도 하나 연결되어야 한다. 이들 2개의 말단 커넥션들 사이에 하나 이상의 부가적 외부 커넥션들을 제공하는 것이 또한 유익하다. 이로써 y 방향을 따라 다중 슬라이더를 효과적으로 형성함으로써 y 위치 센싱 정확성을 향상시킨다. 비용을 줄이기 위해 외부 커넥션들의 갯수를 일정 갯수로 제한하고자 하는 소망이 있을 것이다. 이 경우 x 전극을 위해 충분한 라인들을 할당한 다음에 여분의 외부 라인이 남는 만큼 많은 y 전극 외부 커넥션들이 제공될 수 있다.
도 7은 제 2 실시예의 변형예를 위한 전극 패턴 및 y 커넥션들의 부분을 도시하는 도 6과 유사한 개략적 평면도이다. y 전극 바(10) 및 외부 커넥션 라인들(52'-60')은 도 6을 참조하여 설명된 바와 같은 기능을 한다. 변형예에서, 인접한 y 전극들을 수직적으로 연결하기 위한 개별적 저항들을 사용하는 대신에, 단위 길이(y 방향)당 균일 저항성분의 저항성 스트립(74)이 제공되어, 각 y 전극 바 상에서 수직으로 연장된다. 전극 바들은 순수히 금속성, 즉 전도성이므로, y 전극 위에 놓이는 저항성 스트립의 부분은 전기적으로 비활성이다. 이는 수직 방향으로 보았을 때 이들이 y 전극에 대해 병렬으로 연결되고 따라서 단락되기 때문이다. 따라서, 각 y 전극 바 간에 있는 저항성 스트립의 부분은 도 6의 개별적 저항들과 같은 방식으로 각 y 전극 사이에서 저항성 경로를 형성한다. 저항성 스트립(74)은 예를 들면 탄소 기반 후막(carbon-based thick film)과 같은 고 저항성분 필름으로 만들어진다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 2DCT 프로토타입의 평면도로서, y 전극을 연결하기 위한 전극 패턴 영역의 주변부에서의 전극 패턴 및 제 1 레이어 커넥션을 도시한다. 도 8은 제 1 실시예의 도 3과 비교된다. 기본적으로, 넥 탭(42)를 갖는 기판(40)은 동일한 구조를 갖는다. 유일한 차이점은, 단지 3번째 또는 4번째 y 전극만이 외부 커넥션 라인들(50'-60')에 의해 연결되고 제 1 실시예의 공통 커넥션은 생략된다. 예외적으로 하부의 2개의 y 전극들은 전기적 트랙(50')에 공통으로 연결된다. 더욱이, y 전극들에게는 전체적으로 7개가 아닌 6개의 외부 라인들로 제공된 다.
도 9는 제 2 실시예에 따른 2 DCT 프로토타입의 평면도로서, y 전극들 간에 저항성 엘리먼트들을 연결하는 저항성 레이어를 도시한다. 레이어는 제 2 실시예 특유의 것이고, 저항성 경로(74)를 제공한다. 저항성 경로(74)는 y 전극 바들의 바깥쪽 끝단들의 끝단 상에서 센싱 영역의 각 측변에 대해 수직 상향으로 연장된다. 각 수직 연장 저항성 경로(74)는 적당한 저항을 갖는 물질의 단일 트랙으로 형성된다. 레이어는 고 저항성 물질(75)(회색 음영)로 부분적으로 커버된다. 고 저항성 물질(75)은 기판의 주변부와 기판에 인접한 넥 탭의 일부를 커버한다. 저항성 물질은 성곽모양(castellated or crenellated formation)(74)으로 종단되고, 성곽모양은 관련 저항성 물질 경로(75) 상에서 앞쪽 뒤쪽으로 교번한다. 따라서, 저항성 경로(75)는 각각의 y 전극 바의 바깥쪽 말단 부위에 직접 연결된다. 그러나, 저항성 경로(75)는 x 전극의 말단을 지나는 곳에서는 커버되어, x 전극들과의 부적절한 전기적 상호 작용을 방지한다. 대안적으로, x 전극을 지나는 것을 피하기 위해 예컨대 성곽 모양 경로를 따르는 꼬불꼬불한 경로(meandering path)(74)를 가질 수 있다.
도 10은 도 8의 2DCT 프로토타입의 평면도로서, x 전극에 연결되고 또한 y 전극 외부 공급 라인을 도 8에 도시된 y 전극 커넥션에 연결하기 위한 전극 패턴 영역의 주변부에서의 전극 패턴 및 제 2 레이어 커넥션들을 도시한다. 이는, Y 라인이 하나 적다는 것을 제외하고는, 제 1 실시예의 도 4와 거의 동일하다. 즉, x 전극 외부 커넥션들(X1-X5) 및 관련 트랙들(30-38)은 동일하다. 그리고, (제 2 실시예에서는 하나 적다는 것을 제외하고는) Y 외부 커넥션(Y1-Y6)를 위한 외부 커넥 션 라인들(44)이 넥 탭(42)로부터 연장되어 제 1 커넥션 레이어의 매칭 트랙과 연결된다. 더욱이, 절연 레이어에는 제 1 실시예에서와는 유사한 적절한 개방 영역 및 절연 영역이 제공된다.
구동 및 데이터 획득 회로는, y 전극 신호의 "슬라이더" 타입 핸들링이 x 전극 신호들을 위해서도 필요한 경우는 제외하고는, 제 1 실시예와 관련되어 전술된 바와 유사하다. 이미 전술한 바와 같이, 적절한 회로는 참고문헌[28] 및 참고문헌[30] 및 [34]와 같은, 해럴드 필립스에 의한 종래 특허 문헌에 설명되어 있다.
도 11은 제 3 실시예에 대한 전극 패턴의 일부를 도시하는 개략적 평면도이다. 제 1 및 제 2 실시예와는 달리, 제 3 실시예는 중추부가 없다. 대신에, 센싱 영역의 중앙부가 이중 테이퍼형 전극 그룹의 공동 연장 영역에 의해 정의된다. 이중 테이퍼형 전극들은 장치의 좌측변 및 우측변에 외부적으로 접촉된다. 도면을 참조하면, y 전극(10)은, 중추부가 없는 상황에서 각기 센싱 영역의 한 측변에서 다른 측변으로 가로질러 연장되는 단일 바이다. y 전극(10)은 모두 좌측변으로부터 우측변으로, 또는 일부가 각 어느 한 측변으로부터, 또는 여분으로 양 측변으로부터 접촉될 수 있다. x 전극들은 y 전극(10)의 각 수직 인접 쌍 사이에 배치되고, 4 개 그룹의 x 전극들(80, 82, 84 및 86)로 구성된다. x 전극 그룹들(80 및 86)은 센싱 영역의 좌측변 및 우측변에서 각각 연장되는 단일 테이퍼 전극들이다. x 전극 그룹들(82 및 84)는 이중 테이퍼 전극들로서, 역시 센싱 영역의 좌측변 및 우측변으로부터 각각 연장된다. x 해상도를 위한 센싱 영역의 센싱 부분은 다른 x 전극 그룹이 상호 연장되는 3개의 부분에 의해 형성된다. 즉, 센싱 영역의 좌측의 제 1 부분 I는 x 전극 그룹들(80 및 82)의 x 방향으로의 공동 연장에 의해 정의되고, 센싱 영역의 중앙 영역의 제 2 부분 II는 이중 테이퍼 x 전극 그룹들(82 및 84)의 x 방향으로의 공동 연장에 의해 정의되고, 센싱 영역의 좌측의 제 3 부분 III는 x 전극 그룹들(84 및 86)의 x 방향으로의 공동 연장에 의해 정의된다. 이와 같은 방식으로, 제 1 및 제 2 그룹, 제 2 및 제 3 그룹, 제 3 및 제 4 그룹의 공동 연장 x 전극들의 각 인접 쌍은 참고문헌[28]에서 언급된 바와 같은 소위 슬라이더를 형성한다. 외부 커넥션은 제 1 및 제 2 실시예와 유사하다. 따라서 자세한 설명은 생략하도록 하겠다. 그러나, x 전극들의 위해 4개의 외부 커넥션 라인들 X1-X4가 필요하다는 것을 알 수 있다. y 전극에 대해서는 제 1 및 제 2 실시예에서와 동일한 고려 사항들이 적용된다. 이와 관련하여, 제 3 실시예에서는 y 전극 어드레싱이 제 1 실시예 또는 제 2 실시예를 따를 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 12는 제 3 실시예에 따른 2DCT 프로토타입의 평면도로서, 전극 패턴을 도시한다. 이는 도 12의 패턴 구조를 차용한다. 즉 x 전극 집합의 15행과 y 전극 바의 16행이 서로 인터리브된다. 기판(40)은 하측에 배치되는 넥 스터브(neck stub)(42)를 갖는데, 이는 본 실시예에서 더욱 편한 배치이다. 하부의 4개의 y 전극 바는 공통으로 연결되고(제 1 실시예를 따름), 다른 y 전극 바들은 3개의 그룹으로 공통으로 연결되어, 5개 라인들 Y1-Y5를 갖는 외부 측정 회로로 연결되는 5개의 개별 행들로 제한되는 y 해상도를 제공한다. 제 2 실시예를 따르는 프로토타입을 변형함으로써 y 해상도의 개선이 달성될 수 있다.4개의 전극 그룹들 각각은 자체 외부 라인 X1-X4를 각각 갖는다. 따라서 전체적으로 9개의 외부 커넥션 라인들 이 있다. 본 명세서의 간명함을 위해, 본 실시예에서는 프로토탕입의 다른 레이어들에 대해서는 도시하지 않는다. 그라나, 제 1 및 제 2 실시예에서의 것과 유사한 방안이 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
도 13은 제 4 실시예를 위한 전극 패턴의 일부를 도시하는 평면도이다. x 전극(82, 84, 86, 88)은 제 3 실시예와 동일한 방식으로 배치되어, x 전극 오버랩 I, II, 및 III의 3 개의 x 위치 센싱 열(column)들을 제공한다. (대안으로, x 전극이 제 1 및 제 2 실시예와 같이 배치될 수 있다.) 그러나, 제 4 실시예에서 y 전극은 이전 실시예들과는 다른 구성을 갖는다. 즉, 제 4 실시예에서, y 전극은 첨부된 도면들 중 도 1에 도시된 종래 기술의 비율비교 쌍짓기(pairing) 방안, 즉 참고문헌[30]의 도 4에 도시된 y 전극 구조를 따른다.
본 구성에서는, 전극 패턴의 각 유닛을 위해, x 전극(82, 84, 86, 88)의 각 인접 행의 사이에, 다른 영역의 이웃하는 독립 어드레스 y 전극들의 쌍이 있다. 따라서, 사용자의 손가락 또는 다른 액튜에이터가 이들 y 전극에 접근하면, 두개의 이웃하는 독립 어드레스 y 전극은, 이들의 상대적 면적과 비례하는 크기를 갖는 개별 신호를 제공한다. 이들 신호들 간의 비율은, 각 행의 독립 어드레스 y 전극 바의 이웃하는 쌍의 상대적인 면적을 변화시킴으로써 각 y 전극 유닛 내의 y 위치 특징이 된다. 설명예에서, 각 유닛은 5개의 y 전극 행들을 갖고 상부에서 하부까지의 면적 비율은 1:0, 1:2, 1:1, 2:1, 0:1이다. 여기서 제 1 값은 y 전극(92, 94, 96, 98)에 공통으로 연결된 제 1 집합(90)에서 파생된 신호의 것이고, 제 2 값은 y 전극(102, 104, 106, 108)에 공통으로 연결된 제 2 집합(100)에서 파생된 신호의 것이다. 제로 값은 그 행을 위해 y 전극이 순전히 다른 집합의 y 전극으로만 이루어진 것을 의미하고, 이는 예를 들면 각 유닛의 최상 및 최하 y 전극 행을 위한 경우이다. 제 1 집합(90)은 외부적으로 라인 Y1에 연결되고, 제 2 집합(100)은 라인 Y2에 연결된다. 각각의 추가적인 전극 패턴 유닛은 추가적인 2개의 외부 Y 커넥션을 필요로 할 것이다. 예를 들면, 15행의 y 전극들과 14 행의 x 전극들을 갖는 도 13에 도시된 전극 패턴 유닛을 사용하는 센서에서, 6개의 Y 커넥션 Y1-Y6과 4개의 X 커넥션 X1-X4, 즉 모두 10개를 필요로 하는 3개의 유닛이 있을 것이다.
원칙적으로는, 임의 갯수의 y 전극 행이 2개 집합의 공통 어드레스 y 전극을 갖는 유닛으로 그룹화될 수 있다. 그러나, 실제로는, 갯수는 정확도 제약에 d의해 제한된다. 유닛 당 y 전극 행의 갯수는 적어도 3개이고, (예시된 바와 같이) 4, 5, 또는 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상이 될 수 있다.
예시된 예에서 y 전극의 쌍들이 사용되지만, 원칙적으로는 세 개 이상의 y 전극이 사용될 수 있고, 일정 노이즈 레벨에 대해 더 큰 유닛들, 즉 더 많은 갯수의 행들이 외부 y 위치 커넥션들의 단일 쌍에 의해 어드레스될 수 있는 유닛들을 만드는 것을 가능하게 하는 경우에서 위치를 인코드하기 위해 이들의 상대적 영역들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
더욱이, 프로세싱 회로가 설명예에서와 같이 각 유닛에서 y 위치를 갖는 표면 면적의 스무스한 변화 비율을 생성하는 것이 편하지만, 원칙적으로 변화는 적절한 프로세싱 회로를 갖는 y와 함께 임의적일 수 있다.
Y 집합은 교번하는 Y1 연결 및 Y2 연결 사각형 스트라이프(3, 4)로 구성되는데, 이는 위치에 대해 변하는 y 축 차원을 가져서 위치 Y에 대한 스무스하게 변하는 Y1 및 Y2 간의 표면 면적 변화 비율을 생성한다. y 축 스트라이프(3 및 4)의 각 인접 쌍의 합은 일정하여, 커패시턴스의 합은 임의의 두 쌍짓기된 스트라이프들에 대해 동일하다. 즉, 각 쌍의 스트라이프들에 대해, C(Y1) + C(Y2) = C(Y)이다. 그 다음, 사용자의 손가락이 y 축을 따라 이동할 때, 더 큰 커패시턴스 값이 계산자(numerator)가 된다.
도 14는 제 5 실시예를 위한 전극 패턴의 일부를 도시하는 개략적 평면도이다. 본 실시예에서의 패턴은 이중 테이퍼 x 전극(16')의 형상이 "스톡 빌(stork bill)"에서, 테이퍼가 이중 테이퍼의 중간에서 바깥쪽으로 향하는 대신에 중간 방향으로 향하는 "보우 타이(bow tie)"로 반전된다는 점에서 이전 실시예에서의 패턴들과 다르다. 이중 테이퍼 형상은 중추부(26')를 갖는 실시예를 참조로 도시된다. 그러나, 중추부 없는 설계에서도 사용될 수 있다. 단일 테이퍼 x 전극(14', 18')은 이와 상응되게 반전되어, 보우타이 이중 테이퍼 전극(16')을 갖는 필요한 공동 연장을 형성한다.
도 15는 제 6 실시예를 위한 전극 패턴의 일부를 도시하는 개략적 평면도이다. 실시예는 도 2에서 설명된 제 1 실시예와 비교하여 이해될 수 있다. 제 1 실시예에서와 같이, 센싱 영역은 중추부(26")에 의해 좌반부 및 우반부로 분할된다. y 센싱은 좌 및 우측 y 전극 바들(10" 및 12")에 의해 수행된다. y 전극 바들은 좌측 및 우측 전극 행들(14", 16", 18" 및 20", 22", 24")들과 각각 인터리브된다. 제 6 실시예에 대해 더블 프라임이 추가되어, 대응하는 전극들의 참조 부호에 대해 동일한 참조 번호들이 사용된다는 것을 알 수 있다.
x 및 y 전극의 일반적인 구성이 제 1 실시예와 동일하고 y 전극의 형상이 동일하지만, x 전극의 형상이 다르다. 공동 연장의 영역을 형성하기 위한 스무스한 삼각형 테이퍼 처리하는 것 대신에, x 전극은 성곽모양을 갖는다. 여기서, x 전극 그룹들(14" 및 16", 16" 및 18", 20" 및 22", 22" 및 24") 간의 공동 연장은 y 방향의 깍지끼기(interdigitation)에 의해 형성된다. 이로써, 공동 연장 전극 쌍으로부터의 인접 블록들은 x 방향에 대한 면적 비율을 정의한다. 구동 면적 즉 손가락 접촉 면적이 센싱 영역의 좌반부 상의 타원형 점선으로 개략적으로 표시된 바와 같이 적절한 사이즈인 경우, x 전극의 공동 연장으로부터 파생되는 비율비교 신호들의 소망의 x 종속 변화(x-dependent change)는 깍지끼기 형상을 통해 y 방향으로 제공되는 면적 비율의 관점에서 여전히 달성된다. 깍지끼기 구성은 버튼 어레이용으로 일반적으로 사용되는 센서 영역에 바람직하다. 왜냐하면, 도면에서 'W'로 표시된 바와 같은, 각 깍지 유닛의 폭에 대응하는 x 위치 정보의 단계식 변화를 제공하기 때문이다. 이와 같은 방식으로, x- 및 y- 위치 정보에는 버튼 어레이용으로 바람직한 단계식 감도가 제공될 수 있다. 설명예에서, x 방향 비율비교 신호들에 있어서 14 단계(중추부(26")의 어느 한 측 당 7 단계)가 있을 것임을 알 수 있다.
센싱 영역을 개념상으로 사각형 그리드로 세분하기 위한 수평 및 수직 방향의 단계식 감도를 갖는 종류의 실시예는 제 2 및 제 4 실시예와 대비될 것이다. 제 2 및 제 4 실시예에서는, x 전극 및 y 전극의 "슬라이더" 타입 구성에 의해 제공되는 수평 및 수직의 준 연속적인 감도가 있다.
도 16은 본 발명의 전술한 임의의 실시예에 따른 2DCT를 구비하는 유리 터치 패널 장치의 개략적 평면도이다. 기판(40) 상에서 운반되는 전술한 2DCT 센서 영역이 예컨대 5mm 두께의 유리 패널(116)의 하부에 부착되고, 버튼 패턴 시트(110)가 유리 패널(116)의 하부와 기판(40) 사이에 샌드위치된다. 버튼 패턴 시트(110)는 정적 프린트 시트(static printed sheet)이나, 다른 경우에서는 다중 버튼 패턴들 간에 동적으로 변화할 수 있고/있거나 연속적 특징을 디스플레이할 수 있는 디스플레이 장치로 대체될 수 있다. 그 예로는 임의의 스칼라량(예컨대, 전력 또는 시간)을 제어하기 위한 긴 바를 나타내는 프로젝션이 있다. 이는 2DCT가 구비되는 장치의 제어와 관련이 있다. 일반적으로, 패널(116)은 유리일 필요가 없고, 임의의 적절한 유전체 재료일 수 있다. 일반적으로, 패널(116)은 정적 또는 동적 디스플레이와 일체화될 수 있도록 투명할 것이다. 패널은 일반적으로, 마이크로 오븐의 문, 조리기(cooker)의 상부 패널, 서비스 요원(service personnel)에 의해 현장에서 사용되는 핸드헬드 업무흐름 추적 장치(handheld workflow tracking device)의 하우징과 같이, 큰 장치의 일부를 형성한다.
예를 들면, 버튼 패턴 시트(110)는 5 x 6 그리드에 부합하는 어레이를 가지고, 이중 크기 버튼이 하부 우측 코너에 있어서, 전체로 30 - 1 = 29개의 버튼을 제공하는 것으로 도시되어 있다. 센서 영역으로부터의 외부 커넥션 라인들이 넥 탭(42)를 통해 PCB(Printed Circuit Board)(112)에 의해 운반되는 측정 회로로 공급된다. 측정 회로 PCB는 넥 탭(42)의 말단에 부착되고, 유리 패널(116)의 하부에 고정된다. 전기적 케이블 연결(114)를 통해, 측정 회로가 다른 디지털 전자기기 또는 전원에 연결된다.
본 발명을 구현하는 2DCT가 다양한 부가적 특징을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들면, 일부 기기에서는 '활성(wakeup)' 기능을 가져서 전체 장치가 슬립(sleep) 상태 또는 정지 모드 또는 백그리운드 상태에 있을 수 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 소정 거리로 신체 부분이 단순히 접근할 때 활성 신호가 발생되는 것이 바람직하다. 유닛이 백그라운드 상태에 있는 동안은 엘리먼트는 위치 파악 없이 단일 대형 용량성 전극으로 구동될 수도 있다. 상태 동안에 전자 구동 로직은, 반드시 2D 좌표계를 프로세싱할 정도로 충분할 필요는 없지만, 물체 또는 신체가 근접함을 결정할 만큼 충분할 필요는 있는 신호의 매우 작은 변화를 찾는다. 그 다음, 전자기기는 전체 시스템을 활성화시키고, 엘리먼트는 다시 2DCT 역할을 할 수 있도록 구동된다.

Claims (12)

  1. x 위치를 결정하기 위한 전극들 및 y 위치를 결정하기 위한 전극들을 포함하는 전극들의 패턴에 의해 정의되는 센싱 영역을 갖는 기판을 포함하는 2차원 위치 센서로서,
    x 전극들 및 y 전극들은 일반적으로 x 방향으로 연장되고 y 방향으로 인터리브(interleave)되며,
    상기 x 전극들은 제 1, 제 2, 제 3 그룹의 엘리먼트들을 포함하고, 제 1, 제 2, 제 3 그룹의 엘리먼트들은, 상기 제 1 및 제 2 그룹의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들은 상기 센싱 영역의 일 부분 상에서 x 방향으로 공동 연장되고 상기 제 2 및 제 3 그룹의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들은 상기 센싱 영역의 다른 부분 상에서 상기 x 방향으로 공동 연장되어, 상기 x 전극들이 상기 x 방향으로 상기 센싱 영역에 걸치는 비율비교 용량성 신호들(ratiometric capacitive signals)을 제공하도록 형상되는 2 차원 위치 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 x 전극들은 제 4 그룹의 엘리먼트들을 더 포함하고, 상기 제 3 및 제 4 그룹들의 엘리먼트들 중 인접한 엘리먼트들은 상기 센싱 영역의 또 다른 부분 상에 공동 연장되어, 상기 x 전극들이 상기 x 방향으로 상기 센싱 영역에 걸치는 비율비교 용량성 신호들을 제공하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센싱 영역의 주변부에 상기 전극들에 연결되는 복수의 외부 전선들을 더 포함하고, 상기 전선들은
    x 전극들의 상기 그룹들 각각의 엘리먼트들에 연결되는 각각의 전선들; 및
    상기 y 전극들에 연결되는 복수의 전선들
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    x 전극들의 제 3 그룹의 엘리먼트들을 상호연결하기 위해 y 방향으로 상기 센싱 영역의 주변부로부터 연장되는 중추부(central spine)를 더 포함하고,
    x 전극들의 상기 제 3 그룹의 엘리먼트들은 상기 중추부의 양측으로부터 연장되어 x 전극들의 상기 제 3 그룹의 엘리먼트들이 상기 센싱 영역의 주변부로부터 외부적으로 접촉되도록 하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센싱 영역의 주변부에서 상기 전극들에 연결되는 복수의 외부 전선들을 더 포함하고, 상기 전선들은
    상기 센싱 영역을 개념적으로 좌측 및 우측으로 구분하는 상기 중추부에 연결되어, x 전극들의 상기 제 3 그룹을 연결하는 전선;
    상기 중추부의 좌측에 있는 x 전극들의 상기 제 1 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선;
    상기 중추부의 우측에 있는 x 전극들의 상기 제 1 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선;
    상기 중추부의 좌측에 있는 x 전극들의 상기 제 2 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선;
    상기 중추부의 우측에 있는 x 전극들의 상기 제 2 그룹의 엘리먼트들에 연결되는 전선; 및
    상기 y 전극들에 연결되는 복수의 전선들
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    공동 연장되는 x 전극들의 각각의 그룹들의 상기 엘리먼트들은 이들의 공동 연장 거리 상에서 상보적 테이퍼(taper) 형상이 되어 상기 비율비교 용량성 신호들을 제공하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    공동 연장되는 x 전극들의 각각의 그룹들의 상기 엘리먼트들은 이들의 x 방향의 공동 연장 거리 상에서 가변 면적의 인접한 블록들을 구비하여 상기 비율비교 용량성 신호들을 제공하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 y 전극들은 개별적으로 및/또는 그룹들로 각각의 외부 전선들에 연결되어 y 방향의 위치 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 y 전극들은 저항성 엘리먼트들에 의해 상호 연결되어, 비율비교 용량성 신호들이 상기 y 전극들의 부분집합에 연결되는 외부 전선들을 통해 출력되어 y 방향의 위치 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 y 전극들은 적어도 2개의 y 전극의 수직으로 인접한 그룹들로 배치되고, 각 그룹의 상기 y 전극들은 서로 다른 수직 범위들을 갖고 있어, 비율비교 용량성 신호들이 각 그룹의 다른 y 전극들에 연결된 외부 전선들을 통해 출력되어 y 방향의 위치 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들은 투명 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 투명 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 위치 센서.
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