KR101376861B1 - 정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법 및 터치스크린 장치 - Google Patents

정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법 및 터치스크린 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 커패시터에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 상기 구동 신호에 기초하여 상기 제1 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화에 의해 충전되어 제1 출력 전압을 생성하는 제2 커패시터를 포함하는 제1 적분 회로부; 및 상기 제2 커패시터의 정전용량 변화에 의해 충전되어 제2 출력 전압을 생성하는 제3 커패시터를 포함하는 제2 적분 회로부;를 포함하며, 상기 제2 출력 전압의 레벨은, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 한 주기 동안 적어도 두 번 이상 변화하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.

Description

정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법 및 터치스크린 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SENSING CAPACITANCE, AND TOUCHSCREEN APPARATUS}
본 발명은 정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법 및 터치스크린에 관한 것이다.
터치스크린, 터치패드 등과 같은 접촉 감지 장치는 디스플레이 장치에 부착되어 사용자에게 직관적인 입력 방법을 제공할 수 있는 입력 장치로서, 최근 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant), 네비게이션 등과 같은 다양한 전자 기기에 널리 적용되고 있다. 특히 최근 스마트폰에 대한 수요가 증가하면서, 제한된 폼팩터에서 다양한 입력 방법을 제공할 수 있는 접촉 감지 장치로 터치스크린의 채용 비율이 날로 증가하고 있다.
휴대용 기기에 적용되는 터치스크린은 터치 입력을 감지하는 방법에 따라 크게 저항막 방식과 정전용량 방식으로 구분할 수 있으며, 이 중 정전용량 방식은 상대적으로 수명이 길고 다양한 입력 방법과 제스처를 손쉽게 구현할 수 있는 장점으로 인해 그 적용 비율이 갈수록 높아지고 있다. 특히 정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 멀티 터치 인터페이스를 구현하기가 용이하여 스마트폰 등의 기기에 폭넓게 적용된다.
정전용량 방식의 터치스크린은 일정한 패턴을 갖는 복수의 전극을 포함하며, 터치 입력에 의해 정전용량 변화가 생성되는 복수의 노드가 상기 복수의 전극에 의해 정의된다. 2차원 평면에 분포하는 복수의 노드는, 터치 입력에 의해 자체 정전용량(Self-Capacitance) 또는 결합 정전용량(Mutual-Capacitance) 변화를 생성하며, 복수의 노드에서 생성되는 정전용량 변화에 가중 평균 계산법 등을 적용하여 터치 입력의 좌표를 계산할 수 있다. 정확한 터치 입력의 좌표 계산을 위해서는 터치 입력에 의해 생성되는 정전용량 변화를 정확하게 감지할 수 있는 기술이 필요하나, 무선 통신 모듈, 디스플레이 장치 등에서 전기적 잡음이 발생하는 경우, 정전용량 변화를 정확하게 감지하는 데에 방해가 될 수 있다.
미국 공개특허공보 2011/0163768 한국 공개특허공보 2011-137482
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 측정하고자 하는 정전용량 변화에 잡음에 의한 영향이 발생하는 경우, 이를 최소화할 수 있는 방법을 제안한다. 본 발명에 따르면, 제1 적분 회로부 및 제2 적분 회로부를 통해, 구동 신호의 한 주기 동안 (+), (-)방향으로 각각 두 번 적분하여 공통 잡음을 제거하는 정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법 및 터치스크린 장치를 제안한다.
본 발명의 제1 기술적인 측면에 따르면, 제1 커패시터에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 상기 구동 신호에 기초하여 상기 제1 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화에 의해 충전되어 제1 출력 전압을 생성하는 제2 커패시터를 포함하는 제1 적분 회로부; 및 상기 제2 커패시터의 정전용량 변화에 의해 충전되어 제2 출력 전압을 생성하는 제3 커패시터를 포함하는 제2 적분 회로부;를 포함하며, 상기 제2 출력 전압의 레벨은, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 한 주기 동안 적어도 두 번 이상 변화하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 제2 출력 전압의 레벨은, 상기 제1 출력 전압의 레벨이 감소하는 때에 증가하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 제1 출력 전압의 레벨은 감소, 홀드, 증가, 홀드, 증가, 홀드, 감소 및 홀드를 규칙적으로 반복하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 제1 적분 회로부는, 접지단에 연결되는 제1 스위치와, 상기 제1 적분 회로부의 입력 노드에 연결되는 제2 스위치;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치는 일정한 주기를 가지고 턴-온 및 턴-오프되며, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴-온 및 턴-오프되는 주기는, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기의 절반인 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 제2 적분 회로부는, 접지단에 연결되는 제3 스위치와, 상기 제2 적분 회로부의 입력 노드에 연결되는 제4 스위치;를 포함하며, 상기 제3 및 제4 스위치는 일정한 주기를 가지고 턴-온 및 턴-오프되며, 상기 제3 및 제4 스위치가 턴-온 및 턴-오프되는 주기는, 상기 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기와 동일한 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 제3 및 제4 스위치는, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기와, 상기 제1 또는 제2 스위치가 턴-온되는 시간만큼 위상 차이가 나도록 턴-온 및 턴-오프되는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 제1 적분 회로부는, 상기 제2 커패시터를 리셋하는 제5 스위치를 포함하며, 상기 제5 스위치는 상기 제1 스위치와 동일하게 동작하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
한편, 본 발명의 제2 기술적인 측면에 따르면, 제1 커패시터에 구동 신호를 인가하는 단계; 상기 제1 커패시터로부터 제2 커패시터를 충전하여 제1 출력 전압을 생성하는 단계; 및 상기 제2 커패시터로부터 제3 커패시터를 충전하여 제2 출력 전압을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 커패시터가 충전 및 방전하는 한 주기 동안, 상기 제2 출력 전압의 변화된 레벨을 복수 개 검출하는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 제1 출력 전압을 생성하는 단계는, 상기 제1 커패시터가 충전 및 방전하는 한 주기 동안, 접지단에 연결된 제1 스위치와 제1 출력 전압을 생성하는 제1 적분 회로의 입력 노드와 연결되는 제2 스위치를 두 번 씩 턴-온 및 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 제2 출력 전압을 생성하는 단계는, 상기 제1 커패시터가 충전 및 방전하는 한 주기 동안, 접지단에 연결된 제3 스위치와 제2 출력 전압을 생성하는 제2 적분 회로의 입력 노드와 연결되는 제4 스위치를 한 번 씩 턴-온 및 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 제2 출력 전압을 생성하는 단계는, 상기 제3 및 제4 스위치를, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기와, 상기 제1 또는 제2 스위치가 턴-온되는 시간만큼 위상 차이가 나도록 턴-온 및 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
한편, 본 발명의 제3 기술적인 측면에 따르면, 복수의 구동 전극과 복수의 감지 전극을 포함하는 패널부; 상기 복수의 구동 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 상기 구동 신호가 인가된 구동 전극과 상기 복수위 감지 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화를 감지하는 감지 회로부; 및 상기 구동 회로부 및 상기 감지 회로부의 동작을 조절하는 제어부;를 포함하고, 상기 감지 회로부는 제1 적분 회로부 및 제2 적분 회로부를 포함하며, 상기 제2 적분 회로부의 출력 신호의 레벨은 상기 구동 신호의 한 주기 동안 복수 번 변화하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 제2 적분 회로부는 상기 제1 적분 회로부에 포함된 커패시터에 충전되는 전하에 기초하여 상기 제어부로 전달되는 출력 신호를 생성하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 적분 회로부의 출력 신호로부터 상기 패널부에 인가되는 터치 입력을 판단하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 제2 적분 회로부의 출력 신호의 레벨은 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호 레벨이 감소하는 때에 증가하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨은 감소, 홀드, 증가, 홀드, 증가, 홀드, 감소 및 홀드를 규칙적으로 반복하는 터치스크린 장치를 제안한다.
본 발명에 따르면, 제1 적분 회로부 및 제2 적분 회로부를 통해, 구동 신호의 한 주기 동안 (+), (-)방향으로 각각 두 번 적분하여, 공통 잡음을 효율적으로 제거하할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치의 동작을 설명하는 데에 제공되는 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 기기(100)는 화면을 출력하기 위한 디스플레이 장치(110), 입력부(120), 음성 출력을 위한 오디오부(130) 등을 포함하며, 디스플레이 장치(110)와 일체화되어 터치스크린 장치를 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모바일 기기 같은 경우 터치스크린 장치가 디스플레이 장치에 일체화되어 구비되는 것이 일반적이며, 터치스크린 장치는 디스플레이 장치가 표시하는 화면이 투과할 수 있을 정도로 높은 빛 투과율을 가져야 한다. 따라서 터치스크린 장치는 PET(Polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide) 등과 같이 투명한 필름 재질의 베이스 기판에 투명하고 전기 전도성을 갖는 ITO(Indium-Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), 탄소 나노 튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 또는 그라핀(Graphene)과 같은 물질로 감지 전극을 형성함으로써 구현될 수 있다. 디스플레이 장치의 베젤 영역에는 투명 전도성 물질로 형성된 감지 전극과 연결되는 배선 패턴이 배치되며, 배선 패턴은 베젤 영역에 의해 시각적으로 차폐되므로 은(Ag), 구리(Cu) 등과 같은 금속 물질로도 형성이 가능하다.
물론, 본 발명에 따른 터치스크린 장치는 정전용량 방식에 따라 동작하는 것을 가정하므로, 소정의 패턴을 갖는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 또한 복수의 전극에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하기 위한 정전용량 감지 장치를 포함한다. 이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치 및 그 동작 방법을 설명한다.
도 2는 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)는 구동 회로부(230), 제1 적분 회로부(210), 및 제2 적분 회로부(220)를 포함할 수 있다. 구동 회로부(230)와 제1 적분 회로부(210) 사이에는 측정하고자 하는 정전용량 변화가 발생하는 커패시터 Cm이 연결될 수 있다.
도 2에서 커패시터 Cm은 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)가 측정하고자 하는 정전용량을 충전한 커패시터에 해당한다. 일례로, 커패시터 Cm은 정전용량 방식의 터치스크린에 포함되는 복수의 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance)에 대응할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)가 정전용량 방식의 터치스크린에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 것으로 가정한다. 이 경우, 커패시터 Cm은, 복수의 전극의 교차 지점에서 생성되는 결합 정전용량 변화에 의해 전하가 충전 또는 방전되는 노드 커패시터로 가정할 수 있다.
구동 회로부(230)는 커패시터 Cm에 전하를 충전하기 위한 소정의 구동 신호를 생성하여 커패시터 Cm에 공급한다. 구동 신호는 펄스 형태를 갖는 구형파(Square Wave)일 수 있으며, 소정의 주파수를 갖는다. 제1 적분 회로부(210)는 하나 이상의 커패시터를 포함하며, 제1 적분 회로부(210)에 포함되는 커패시터는 커패시터 Cm에 충전된 전하를 공급받아 충전 또는 방전된다. 제1 적분 회로부(210)는 커패시터에 충전 또는 커패시터로부터 방전되는 전하량으로부터 출력 전압을 생성한다. 즉, 제1 적분 회로부(210)의 출력 전압은 커패시터 Cm의 용량과 제1 적분 회로부(210)에 포함되는 커패시터의 용량, 그리고 구동 신호의 전압 레벨 등에 따라 결정될 수 있다.
제2 적분 회로부(220)는 하나 이상의 커패시터를 포함하며, 제2 적분 회로부(220)에 포함되는 커패시터는 제1 적분 회로부(210)에 포함된 커패시터에 충전되 전하를 공급받아 충전 또는 방전된다. 제2 적분 회로부(220)는 커패시터에 충전되거나 또는 커패시터로부터 방전되는 전하량으로부터 출력 전압을 생성한다. 제1 적분 회로부(210) 및 제2 적분 회로부(220)는 복수 개의 스위치를 포함하며, 상기 스위치 동작을 제어하여 제1 및 제2 적분 회로부(210, 220)의 동작을 제어할 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치는 구동 회로부(330), 제1 적분 회로부(310), 및 제2 적분 회로부(320)를 포함할 수 있다. 이하, 도 3에 도시된 회로도를 참조하여 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치의 세부 동작을 설명한다. 도 2와 마찬가지로, 커패시터 Cm은 정전용량 방식 터치스크린의 노드 커패시터에 대응할 수 있다.
우선 구동 회로부(330)는 2개의 스위치 SW1과 SW2를 포함하며, 스위치 SW1은 전압 VDD를 공급하는 노드와 커패시터 Cm의 제1 노드에 연결된다. 한편, 스위치 SW2는 공통 전압(VCM)을 공급하는 노드와 커패시터 Cm의 제1 노드에 연결된다. 스위치 SW1이 턴-온되는 경우(닫히는 경우), 전압 VDD에 의해 커패시터 Cm에 전하가 충전되고, 스위치 SW2이 턴-온되면 커패시터 Cm에 충전된 전하가 방전된다. 결국, 스위치 SW1과 SW2는 서로 다른 턴-온 타이밍으로 동작할 수 있다.
한편, 커패시터 Cm의 제2 노드에는 제1 적분 회로부(310)가 연결된다. 제1 적분 회로부(310)는 연산 증폭기 OPA1, 커패시터 CF1, 커패시터 Cn과, 스위치 SW3 스위치 SW4, 스위치 SW5 등을 포함할 수 있다. 스위치 SW3은 구동 회로부(330)의 스위치 SW1보다 두 배 빠르게 동작하며, 스위치 SW4는 구동 회로부(330)의 스위치 SW2보다 두 배 빠르게 동작할 수 있다. 즉, 스위치 SW1 및 스위치 SW2가 턴-온 및 턴-오프되는 동안 스위치 SW3 및 스위치 SW4는 두 번 턴-온 및 턴-오프될 수 있다. 또한, 스위치 SW3과 SW4는 서로 다른 턴-온 타이밍으로 동작할 수 있다.
스위치 SW1와 SW3의 온/오프 동작에 의해 커패시터 Cm을 통해 제1 적분 회로부(310)의 커패시터 CF1에 전하가 공급된다. 제1 적분 회로부(310)의 커패시터 CF1과 병렬로 연결된 스위치 SW5가 턴-오프되는 동안에, 커패시터 Cm에 충전된 전하가 커패시터 CF1에 전달되며, 스위치 SW5가 턴-온되는 동안에 연산 증폭기 OPA1은 리셋된다. 이때 커패시터 CF1에 충전되는 전하로 인해 생성되는 연산 증폭기 OPA1의 출력 전압 Vbout은 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112012054688154-pat00001
수학식 1에서 알 수 있듯이, 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout은 커패시터 Cm과 커패시터 CF1의 용량 비율에 따라 결정된다. 따라서, 측정하고자 하는 전하를 포함하는 커패시터 Cm의 용량보다 훨씬 큰 용량을 갖는 커패시터로 CF1을 구성함으로써, 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout이 포화(saturation)되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제1 적분 회로부(310)에 포함된 커패시터 Cn의 제2 노드에는 제2 적분 회로부(320)가 연결된다. 제2 적분 회로부(320)는 연산 증폭기 OPA2, 커패시터 CF2, 스위치 SW6 스위치 SW7, 스위치 SW8 등을 포함할 수 있다. 스위치 SW6은 구동 회로부(330)의 스위치 SW1와 같은 주기로 동작하며, 스위치 SW7은 구동 회로부(330)의 스위치 SW2와 같은 주기로 동작할 수 있다. 다만, 스위치 SW6은 스위치 SW1과 주기가 같으나, 제1 적분 회로부(310)의 스위치 SW3가 턴-온 또는 턴-오프되는 시간만큼 빠르게 동작할 수 있다. 스위치 SW7 역시 스위치 SW2와 주기가 같으나, 제1 적분 회로부(310)의 스위치 SW4가 턴-온 또는 턴-오프되는 시간만큼 빠르게 동작할 수 있다. 즉, SW6 및 SW7의 동작 신호는, SW3 및 SW4의 동작 신호와 주기가 같으나 위상이 다를 수 있다. 또한, 스위치 SW6과 SW7는 서로 다른 턴-온 타이밍으로 동작할 수 있다.
SW6이 턴-온되고, SW7 및 SW8이 턴-오프되는 동안에 제1 적분 회로부(310)의 커패시터 Cn에 충전된 전하가 커패시터 CF2에 전달되며, 스위치 SW8이 턴-온되는 동안에 연산 증폭기 OPA1은 리셋된다.
도 4는 스위치 SW1 내지 SW7의 턴-온 및 턴-오프 상태에 따라 동작하는 정전용량 감지 장치를 설명하기 위한 도이다. 스위치의 신호가 하이-레벨인 경우 턴-온, 로우-레벨인 경우 턴-오프된 것이다. 도 4의 Vbout은 제1 적분 회로부의 연산 증폭기 OPA1의 출력 전압이며, Vintout은 제2 적분 회로부의 연산 증폭기 OPA2의 출력 전압이다.
(1)구간에서, 스위치 SW1 및 스위치 SW3이 턴-온되고 스위치 SW2 및 스위치 SW4가 턴-오프되어, 제1 적분 회로부의 커패시터 Cm에 (VDD-VCM) 만큼 충전된 전하가 비반전 적분되어 출력된다. (1)구간에서 제1 적분 회로부의 연산 증폭기 OPA1에서 출력되는 출력 전압 Vbout1은 아래의 수학식 2과 같이 결정된다.
Figure 112012054688154-pat00002
여기서, 공통 전압 VCM의 값은 VDD/2이며, Vnoise1은 (1)구간에서 유입되는 잡음의 크기이다. 이때, 제1 적분 회로부의 커패시터 Cn에 Vbout1-VCM 만큼의 전하가 충전되며, 스위치 SW6이 턴-온 되므로 제2 적분 회로부를 통해 커패시터 Cn에 충전된 전하만큼 적분되어 출력된다. (1)구간에서, 제2 적분 회로부의 출력 전압차 ΔVintout1은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112012054688154-pat00003
즉, (1)구간에서 스위치 동작 시 제2 적분 회로부의 출력 전압 Vintout은 ΔVintout1 만큼 증가하게 된다.
(2)구간에서, 스위치 SW1, 스위치 SW4 및 스위치 SW5가 턴-온되며, 스위치 SW2 및 스위치 SW3가 턴-오프된다. 스위치 SW5가 턴-온되므로, 제1 적분 회로부의 연산 증폭기 OPA1은 리셋되며, 상기 연산 증폭기 OPA1는 공통 전압(VCM)을 출력한다. (2)구간에서, 제2 적분 회로부의 스위치 SW6은 턴-오프되고, 스위치 SW7은 턴-온되므로, 제2 적분 회로부의 출력 전압 Vintout은 홀드된다.
(3)구간에서, 스위치 SW1 및 스위치 SW4는 턴-오프, 스위치 SW2 및 스위치 SW3는 턴-온되어 커패시터 Cm에 (VDD-VCM)만큼 충전되었던 전하가 방전되며, 제1 적분 회로부의 연산 증폭기 OPA1에서 출력되는 출력 전압 Vbout2은 수학식 4와 같다.
Figure 112012054688154-pat00004
수학식 2에서, Vnoise2는 (3)구간에서 유입되는 잡음이다.
(3)구간에서, 스위치 SW6은 턴-오프되고, 스위치 SW7은 턴-온되므로 제2 적분 회로부의 출력 전압 Vintout은 홀드된다.
(4)구간에서, 스위치 SW1 및 스위치 SW3은 턴-오프되고, 스위치 SW2, 스위치 SW4, 및 스위치 SW5는 턴-온된다. 스위치 SW5가 턴-온 되므로, 제1 적분 회로부의 연산 증폭기 OPA1는 리셋되며, 연산 증폭기 OPA1은 공통 전압(VCM)을 출력한다. 이때, 스위치 SW6이 턴-온되고 SW7이 턴-오프되어, 제1 적분 회로부의 커패시터 Cn에 (Vbout2-VCM)만큼 충전된 전하가 방전되며, 제2 적분 회로부의 출력 전압차 ΔVintout2는 수학식 5와 같다.
Figure 112012054688154-pat00005
따라서, (4)구간에서 제2 적분 회로부의 출력 전압 Vintout은 ΔVintout2 만큼 증가하게 된다.
스위치 SW 1 및 2가 한 번 동작하는 한 주기 동안, 제2 적분 회로부의 전체 출력 전압차 ΔVintout은 수학식 6과 같다.
Figure 112012054688154-pat00006
Figure 112012054688154-pat00007
Figure 112012054688154-pat00008
수학식 6에서 알 수 있듯이, 제2 적분 회로부의 최종 출력에서 공통 잡음이 제거되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 스위치 SW1 및 스위치 SW2에 의해 커패시터 Cm에 구동 신호를 한 주기 인가하는 동안, (+), (-)로 두 번 적분을 하는 효과를 나타내며, 이에 따라, 공통 잡음을 효율적으로 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 터치스크린 장치는 패널부(510), 구동 회로부(520), 감지 회로부(530), 신호 변환부(540), 및 연산부(550)를 포함한다. 패널부(510)는 제1축 - 도 5의 가로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제1 전극과, 제1축에 교차하는 제2축 - 도 5의 세로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 정전용량 변화 C11~Cmn가 발생한다. 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화 C11~Cmn은 구동 회로부(520)에 의해 제1 전극에 인가되는 구동 신호에 의해 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화일 수 있다. 한편, 구동 회로부(520), 감지 회로부(530), 신호 변환부(540), 및 연산부(550)는 하나의 집적 회로(IC)로 구현될 수 있다.
구동 회로부(520)는 패널부(510)의 제1 전극에 소정의 구동 신호를 인가한다. 구동 신호는 소정 주기와 진폭을 갖는 구형파(Square Wave), 사인파(Sine Wave), 삼각파(Triangle Wave) 등일 수 있으며, 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 인가될 수 있다. 도 5에는 구동 신호를 생성 및 인가하기 위한 회로가 복수의 제1 전극 각각에 개별적으로 연결되는 것으로 도시하였으나, 하나의 구동 신호 생성 회로를 구비하고 스위칭 회로를 이용하여 복수의 제1 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구성 또한 가능함은 물론이다.
감지 회로부(530)는 제2 전극으로부터 정전용량 변화 C11~Cmn을 감지하기 위한 적분 회로를 포함할 수 있다. 적분 회로는 적어도 하나의 연산 증폭기와 소정 용량을 갖는 커패시터 C1을 포함할 수 있으며, 연산 증폭기의 반전 입력단이 제2 전극과 연결되어 정전용량 변화 C11~Cmn을 전압 신호 등와 같은 아날로그 신호로 변환, 출력한다. 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 구동 신호를 인가하는 경우, 복수의 제2 전극으로부터 정전용량 변화를 동시에 검출할 수 있으므로, 적분 회로는 제2 전극의 갯수 m개 만큼 구비될 수 있다.
신호 변환부(540)는 적분 회로가 생성하는 아날로그 신호로부터 디지털 신호 SD를 생성한다. 일례로, 신호 변환부(540)는 전압 형태로 감지 회로부(530)가 출력하는 아날로그 신호가 소정의 기준 전압 레벨까지 도달하는 시간을 측정하여 이를 디지털 신호 SD로 변환하는 TDC(Time-to-Digital Converter) 회로 또는 감지 회로부(530)가 출력하는 아날로그 신호의 레벨이 소정 시간 동안 변화하는 양을 측정하여 이를 디지털 신호 SD로 변환하는 ADC(Analog-to-Digital Converter) 회로를 포함할 수 있다. 연산부(550)는 디지털 신호 SD를 이용하여 패널부(510)에 인가된 접촉 입력을 판단한다. 일실시예로, 연산부(550)는 패널부(510)에 인가된 접촉 입력의 갯수, 좌표, 제스처 동작 등을 판단할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 정전용량 감지 장치와, 도 5의 터치스크린 장치를 비교하면, 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 생성되는 노드 커패시터 C11~Cmn은 도 2 및 도 3의 커패시터 Cm에 대응한다. 또한, 도 5의 구동 회로부(520)는 도 2 및 도 3의 구동 회로부(230, 330)에, 도 5의 감지 회로부(430)는 도 2 및 도 3의 제1 적분 회로부(210, 310) 및 제2 적분 회로부(220, 320)를 포함하는 구성 요소로 볼 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
230, 330, 510: 구동 회로부
210, 310: 제1 적분 회로부
220, 320: 제2 적분 회로부
510: 패널부

Claims (16)

  1. 제1 커패시터에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부;
    상기 구동 신호에 기초하여 상기 제1 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화에 의해 충전되어 제1 출력 전압을 생성하는 제2 커패시터를 포함하는 제1 적분 회로부; 및
    상기 제2 커패시터의 정전용량 변화에 의해 충전되어 제2 출력 전압을 생성하는 제3 커패시터를 포함하는 제2 적분 회로부;를 포함하며,
    상기 제2 출력 전압의 레벨은, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 한 주기 동안 적어도 두 번 이상 변화하는 정전용량 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 출력 전압의 레벨은,
    상기 제1 출력 전압의 레벨이 감소하는 때에 증가하는 정전용량 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출력 전압의 레벨은 감소, 홀드, 증가, 홀드, 증가, 홀드, 감소 및 홀드를 규칙적으로 반복하는 정전용량 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 적분 회로부는,
    접지단에 연결되는 제1 스위치와, 상기 제1 적분 회로부의 입력 노드에 연결되는 제2 스위치;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치는 일정한 주기를 가지고 턴-온 및 턴-오프되며, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴-온 및 턴-오프되는 주기는, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기의 절반인 정전용량 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 적분 회로부는,
    접지단에 연결되는 제3 스위치와, 상기 제2 적분 회로부의 입력 노드에 연결되는 제4 스위치;를 포함하며, 상기 제3 및 제4 스위치는 일정한 주기를 가지고 턴-온 및 턴-오프되며, 상기 제3 및 제4 스위치가 턴-온 및 턴-오프되는 주기는, 상기 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기와 동일한 정전용량 감지 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제3 및 제4 스위치는,
    상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기와, 상기 제1 또는 제2 스위치가 턴-온되는 시간만큼 위상 차이가 나도록 턴-온 및 턴-오프되는 정전용량 감지 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1 적분 회로부는,
    상기 제2 커패시터를 리셋하는 제5 스위치를 포함하며, 상기 제5 스위치는 상기 제1 스위치와 동일하게 동작하는 정전용량 감지 장치.
  8. 제1 커패시터에 구동 신호를 인가하는 단계;
    상기 제1 커패시터로부터 제2 커패시터를 충전하여 제1 출력 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 제2 커패시터로부터 제3 커패시터를 충전하여 제2 출력 전압을 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 커패시터가 충전 및 방전하는 한 주기 동안, 상기 제2 출력 전압의 변화된 레벨을 복수 개 검출하는 정전용량 감지 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 출력 전압을 생성하는 단계는,
    상기 제1 커패시터가 충전 및 방전하는 한 주기 동안, 접지단에 연결된 제1 스위치와 제1 출력 전압을 생성하는 제1 적분 회로의 입력 노드와 연결되는 제2 스위치를 두 번 씩 턴-온 및 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 출력 전압을 생성하는 단계는,
    상기 제1 커패시터가 충전 및 방전하는 한 주기 동안, 접지단에 연결된 제3 스위치와 제2 출력 전압을 생성하는 제2 적분 회로의 입력 노드와 연결되는 제4 스위치를 한 번 씩 턴-온 및 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 출력 전압을 생성하는 단계는,
    상기 제3 및 제4 스위치를, 상기 제1 커패시터에 인가되는 구동 신호의 주기와, 상기 제1 또는 제2 스위치가 턴-온되는 시간만큼 위상 차이가 나도록 턴-온 및 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법.
  12. 복수의 구동 전극과 복수의 감지 전극을 포함하는 패널부;
    상기 복수의 구동 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부;
    상기 구동 신호가 인가된 구동 전극과 상기 복수의 감지 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화를 감지하는 감지 회로부; 및
    상기 구동 회로부 및 상기 감지 회로부의 동작을 조절하는 제어부;를 포함하고,
    상기 감지 회로부는 제1 적분 회로부 및 제2 적분 회로부를 포함하며, 상기 제2 적분 회로부의 출력 신호의 레벨은 상기 구동 신호의 한 주기 동안 복수 번 변화하는 터치스크린 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 적분 회로부는 상기 제1 적분 회로부에 포함된 커패시터에 충전되는 전하에 기초하여 상기 제어부로 전달되는 출력 신호를 생성하는 터치스크린 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제2 적분 회로부의 출력 신호로부터 상기 패널부에 인가되는 터치 입력을 판단하는 터치스크린 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 적분 회로부의 출력 신호의 레벨은 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호 레벨이 감소하는 때에 증가하는 터치스크린 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨은 감소, 홀드, 증가, 홀드, 증가, 홀드, 감소 및 홀드를 규칙적으로 반복하는 터치스크린 장치.
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