KR101499024B1 - 정전용량 센서 장치 - Google Patents

Abstract

본 기술에 의한 정전용량 센서 장치는 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부, 기준신호 발생부의 출력 신호를 입력 신호로 하여, 복수의 지연 시간 중 어느 하나의 지연시간으로 입력 신호가 기 설정된 레벨까지 도달하는 데 소요되는 시간을 지연시켜 출력하는 가변 지연부, 기준신호 발생부의 출력 신호 및 가변 지연부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부 및 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부를 포함할 수 있다.

Description

정전용량 센서 장치{Electrostatic Capacitance Sensor}

본 발명은 센서 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 정전용량 센서 장치에 관한 것이다.

정전용량 센서는 전하의 축전 효과를 이용하여 물리량을 정량화하는 센서로, 접촉식 및 비접촉식으로 구분할 수 있다. 특히, 비접촉식의 정전용량 센서는 근접 센서로 이용될 수 있으며, 물체의 존재 여부 판단, 연속 흐름, 적체 등의 감지 및 위치 제어 등 다양한 분야에 응용된다. 아울러, 접촉식 정전용량 센서는 터치 패널, 스위치, 키보드, 착좌 감지 등 다양한 분야에 이용되고 있다.

도 1은 일반적인 정전용량 센서 장치의 구성도이다.

발진부(11)는 지정된 듀티 비(duty ratio)를 갖는 구형파 신호를 출력한다. 발진부(11)의 출력신호(A1)는 위상 검출부(13)로 제공되는 한편, 지연부(15)를 통해 지연되어 위상 검출부(13)로 제공된다. 이에 따라, 위상 검출부(13)는 발진부(11)의 출력 신호(A1)와 지연부(15)를 통해 지연된 신호(B1)의 위상 차이를 검출한다.

위상 검출부(13)의 출력 신호(C1)는 출력 제어부(17)로 제공되며, 출력 제어부(17)는 이로부터 최종 출력 주파수를 생성한다.

도 1에 도시한 정전용량 센서 장치(1)에서 지연부(15)는 예를 들어 RC 지연회로로 구성할 수 있으며, 도 2는 그 예를 나타내었다.

도 2a는 도 1에 도시한 지연부의 일 예시도이다.

도 2a에 도시한 것과 같이, 지연부(15)는 발진부(11)의 출력 신호(A1)를 제공받아 일정시간 지연시켜 출력 신호(B1)를 생성하는 RC 지연회로일 수 있다.

저항소자(R)는 지정된 저항값을 갖도록 설계되며, 캐패시터(Cpara)는 정전용량 센서(1)의 감지단에 존재하는 기생 캐패시턴스를 나타내고, 캐패시터(Cx)는 접촉 또는 근접이 발생한 경우에 추가되는 캐패시턴스이다.

도 2a에 도시한 지연부를 적용한 정전용량 센서 장치(1)의 동작을 도 3a를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 일반적인 정전용량 센서 장치의 동작 타이밍도이다.

먼저, 발진부(11)의 출력 신호(A1)가 50%의 듀티 비를 가지며 주기 T를 갖는 구형파로 출력됨을 가정한다.

정전용량 센서 장치(1)에 유전체의 접근이 없는 경우, 발진부(11)의 출력 신호(A1)는 지연부(15)를 통해 시간 t만큼 지연되어 출력되며(B1), 위상 검출부(13)는 A1와 B1과의 위상 차이에 해당하는 신호(C1)를 출력한다. 그리고, 출력 제어부(17)로부터 출력되는 DC 전압의 레벨(D1)은 지연부(15)에 의한 지연시간에 해당하는 만큼 강하되어 출력된다(①).

한편, 유전체가 접근하는 경우에는 지연부(15)의 출력 신호가 Δt만큼 더 지연되어 출력되어(t+Δt) B1'와 같이 출력된다. 따라서, 위상 검출부(13)로부터의 출력 신호도 C1'와 같이 변화되고, 출력 제어부(17)에서 출력되는 DC 전압의 레벨(D1)은 유전체의 접근이 없을 때보다 더 강하된 상태로 출력된다(②).

도 3a에서, VH 및 VL은 발진부(11)의 출력단과 위상 검출부(13) 사이, 또는 지연부(15)의 출력단과 위상 검출부(13) 사이에 마련될 수 있는 안정화부에 공급되는 상한 기준전압(VH) 및 하한 기준전압(VL)을 나타낸다. 여기에서, 안정화부는 입력신호가 상한 기준전압(VH)에 도달하면 하이 레벨로 천이하고, 입력신호가 하한 기준전압(VL)에 도달하면 로우 레벨로 천이하는 비교기, 예를 들어 슈미트 트리거일 수 있으며, 발진부(11) 및 지연부(15)의 출력신호를 디지털 신호로 안정화시키기 위해 사용된다.

도 2b는 도 1에 도시한 지연부의 다른 예시도이다.

도 2b에 도시한 지연부는 전원전압 단자(VDD)와 발진부(11)의 출력 신호(A1) 인가 단자 간에 직렬 접속되는 제 1 전류원(I11)과 제 1 스위치(S1), 발진부(11)의 출력 신호(A1) 인가 단자와 접지단자 간에 직렬 연결되는 제 2 스위치(S2)와 제 2 전류원(I12)을 포함한다. 캐패시터(Cpara)는 정전용량 센서(1)의 감지단에 존재하는 기생 캐패시턴스를 나타내고, 캐패시터(Cx)는 접촉 또는 근접이 발생한 경우에 추가되는 캐패시턴스이다.

도 2b에 도시한 지연부는 발진부(11) 출력 신호(A1)의 라이징 에지에서 제 1 스위치(S1)가 온(on)되고 제 2 스위치(S2)가 오프(off)될 수 있고, 발진부(11) 출력 신호(A1)의 폴링 에지에서 제 1 스위치(S1)가 오프되고 제 2 스위치(S2) 온되도록 설계할 수 있다. 따라서, 출력 신호(A1)를 제공받아 동일 진폭을 갖는 삼각파 형태로 변환시켜 출력 신호(B1)를 생성하는 회로일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전류원(I11, I12)는 동일한 전류량을 통과시키는 전류원이 될 수 있다.

도 3b는 도 2b에 도시한 지연부를 구비하는 정전용량 센서 장치(1)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

정전용량 센서 장치(1)에 유전체의 접근이 없는 경우, 발진부(11)의 출력 신호(A1)는 지연부(15)의 캐패시턴스(Cpara+Cx)에 따라 충전/방전되는 시간이 결정되어 삼각파로 출력된다(B1). 이 때, 도 2b에 도시한 지연부(15)의 출력 신호(B1)는 t 시간 후 기 설정된 레벨(V_H)에 도달하게 된다. 또한, 위상 검출부(13)는 지연부(15)의 출력 신호가 기 설정된 레벨(V_H)에 도달하기 까지 소요되는 시간에 따른 신호(C1)를 출력한다. 출력 제어부(17)로부터 출력되는 DC 전압 레벨(D1)은 지연부(15)에 의한 지연시간에 해당하는 만큼 강화되어 출력된다(⑪).

한편, 도 2b에 도시한 지연부(15)의 전류가 동일한 상태에서 유전체가 접근하는 경우에는 캐패시턴스(Cpara+Cx)가 상대적으로 증가하며, 이에 의해 충전/방전 시간이 다른 삼각파가 지연부(15)로부터 출력된다(B1'). 이 때, 지연부(15)의 출력 신호(B1')가 일정 전위에 도달하기 까지의 시간은 B1에 비해 Δt만큼 지연되고, 위상 검출부(13)의 출력 신호(C1') 또한 Δt만큼 더 지연되어 (t+Δt) 출력된다. 결국, 출력 제어부(17)에서 출력되는 DC 전압 레벨(D1)은 유전체의 접근이 없을 때보다 더 강화된 상태로 출력된다(⑫).

도 3a 및 3b에서, 지연부(15)의 출력 신호 B1과 B1'을 비교하여 보면, 유전체의 접근이 없는 경우의 출력 신호(B1)와 유전체가 접근한 경우의 출력 신호(B1')와의 지연시간이 미세한 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 지연시간 차이에 기초한 출력 제어부(17)의 출력 신호 또한 미세한 변화량만을 갖게 된다.

이와 같이, 정전용량 센서 장치(1)의 감도는 지연부(도 2a의 지연부)의 지연시간, 또는 지연부(도 2b의 지연부)의 출력 전위가 지정된 레벨까지 도달하는 데 소요되는 시간에 의존하게 되며, 기생 캐패시턴스(Cpara)가 작을수록 정전용량의 변화를 효과적으로 감지할 수 있다.

예를 들어, 정전용량 센서 감지단에 유전체의 접근이 없는 경우 센싱 캐패시턴스(Cx)는 0pF이고, 기생 캐패시턴스(Cpara)가 10pF이라 할 때, 정전용량 센서(1)의 감지단에 유전체가 근접하여, 즉 센싱 캐패시턴스(Cx)의 값이 0.1PpF의 정전용량 변화를 일으켰을 경우 0.1/1.0=0.01로, 1%의 변화량을 나타낸다. 반면, 위와 동일한 조건에서 유전체의 접근이 없는 경우 캐패시턴스(Cx+Cpara)가 5pF이라고 한다면 동일한 유전체의 접근에서 즉, 센싱 캐패시턴스(Cx)의 값이 0.1pF의 변화를 보인 경우에는 0.1/5=0.02로 2%의 변화량을 보이게 된다.

따라서 기생 캐패시턴스(Cpara)를 작게 하여 감지 성능을 향상시키는 방안을 고려해 볼 수 있으나, 기생 캐패시턴스(Cpara)를 감소시키기 위해서는 센서를 구동하는 회로 설계에 많은 제약 조건이 따른다. 또한, 기생 캐패시턴스(Cpara)가 작을수록 외부 노이즈에 민감하게 반응하여 오동작의 위험성도 증가한다.

본 발명의 실시예는 감도가 향상된 정전용량 센서 장치를 제공한다.

본 기술의 일 실시예에 의한 정전용량 센서 장치는 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부; 상기 기준신호 발생부의 출력 신호를 입력 신호로 하여, 복수의 지연 시간 중 어느 하나의 지연시간으로 상기 입력 신호가 기 설정된 레벨까지 도달하는 데 소요되는 시간을 지연시켜 출력하는 가변 지연부; 상기 기준신호 발생부의 출력 신호 및 상기 가변 지연부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부; 및 상기 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부;를 포함할 수 있다.

다른 관점에서, 본 기술의 실시예에 의한 정전용량 센서 장치는 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부; 상기 기준신호 발생부의 출력 신호가 지정된 레벨까지 도달하는 데 소요되는 시간을 지연시켜 출력하는 지연부; 가변전압으로부터 생성되는 제 1 기준전압과 상기 지연부의 출력 신호를 비교하고, 가변전압으로부터 생성되는 제 2 기준전압과 상기 지연부의 출력 신호를 비교하는 판단부; 상기 기준신호 발생부의 출력 신호와 상기 판단부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부; 및 상기 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부;를 포함할 수 있다.

또 다른 관점에서, 본 기술의 실시예에 의한 정전용량 센서 장치는 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부; 상기 기준신호 발생부의 출력단에 구비되는 저항부; 상기 저항부에 접속되어 복수의 전기적 경로 중 어느 하나를 순차적으로 선택하는 경로 설정부; 상기 경로 설정부에 의해 상기 저항부와 접속되어, 상기 기준신호 발생부의 출력 시간을 기준시간만큼 지연시키고 샘플링하는 제 1 샘플/홀드부; 상기 경로 설정부에 의해 상기 저항부와 접속되며, 감지단에 발생하는 캐패시턴스에 따라 상기 기준신호 발생부의 출력 시간을 지연시키고 샘플링하는 제 2 샘플/홀드부; 상기 제 1 샘플/홀드부 및 상기 제 2 샘플/홀드부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부; 및 상기 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부;를 포함할 수 있다.

본 기술에 의하면, 기생 캐패시턴스의 크기를 제어하지 않고, 구간적 약전계 영역에서의 지연시간을 이용하여 정전용량 센서 장치의 감도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 정전용량 센서 장치의 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시한 지연부의 예시도이다.
도 3a 및 도 3b는 일반적인 정전용량 센서 장치의 동작 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전용량 센서 장치의 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시한 가변 지연부의 예시도이다.
도 6a 및 도 6b는 가변 지연부의 저항 크기에 따른 지연시간 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전용량 센서 장치의 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시한 제 1 및 제 2 비교기의 일 예시도이다.
도 9는 비교기 기준전압 레벨에 따른 윈도우 크기 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 정전용량 센서 장치의 구성도이다.
도 11은 도 10에 도시한 저항부, 경로 설정부 및 샘플/홀드 회로부의 일 예시도이다.
도 12는 도 10에 도시한 정전용량 센서 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전용량 센서 장치의 구성도이다.

도 4에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 정전용량 센서 장치(10)는 기준신호 발생부(110), 비교부(120), 가변 지연부(130) 및 출력 제어부(140)를 포함한다.

기준신호 발생부(110)는 발진회로일 수 있으며, 예를 들어 듀티 비가 50%인 구형파 신호를 지정된 주기로 출력한다.

가변 지연부(130)는 기준신호 발생부(110)의 출력신호(A2)를 입력받으며, 제어신호(CTRL<0:n>)에 응답하여 복수의 지연 시간 중 어느 하나의 지연시간으로 입력 신호(A2)를 지연시켜 출력(B2)한다.

비교부(120)는 기준신호 발생부(110)의 출력신호(A2)와 가변 지연부(130)의 출력신호(B2)를 입력받아 위상 차이에 따른 신호를 출력하는 위상 비교기일 수 있다. 비교부(120)는 기준신호 발생부(110) 출력신호(A2)의 반전신호(A2_b)를 더 입력받는 것도 가능하며, 이 경우 기준신호 발생부(110)의 출력신호(A2)의 듀티 비를 보다 정확히 제어할 수 있다.

비교부(120)의 출력 신호(C2)는 출력 제어부(140)로 제공되며, 출력 제어부(140)는 비교부(120)의 출력 신호에 해당하는 DC 전압을 출력한다.

본 발명의 일 실시예에서, 출력 제어부(140)는 적분기 및 전압 제어 발진기를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 출력 제어부(140)는 적분기 및 아날로그-디지털 변환기로 구성할 수도 있다. 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 출력 제어부(140)를 구성하는 경우, 12비트 이상의 해상도를 갖는 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기가 필요하며, 따라서 변환 시간이 다소 길어질 수 있다. 반면, 전압 제어 발진기를 이용하는 경우에는 전압 제어 발진기의 주파수 설정 여하에 따라 카운터 값을 조절할 수 있어 동작 시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

도시하지 않았지만, 기준신호 발생부(11)의 출력단와 비교부(120) 사이에 제 1 안정화부가 마련될 수 있고, 가변 지연부(130)의 출력단과 비교부(120) 사이에 제 2 안정화부가 마련될 수 있다. 제 1 및 제 2 안정화부는 각각 상한 기준전압(VH)과 하한 기준전압(VL)에 따라 입력 신호 레벨을 디지털 신호로 변화시킨다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 안정화부는 입력신호가 상한 기준전압(VH)에 도달하면 하이 레벨로 천이하고, 입력신호가 하한 기준전압(VL)에 도달하면 로우 레벨로 천이하는 비교기, 예를 들어 슈미트 트리거일 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시한 가변 지연부의 일 예시도이다.

먼저, 도 5a의 가변 지연부(130)는 저항성분의 크기에 따라 입력신호의 지연시간을 가변시키는 가변 지연부로서, 입력단(A2)과 출력단(B2) 간에 병렬 접속되며 제어신호 즉, 저항 제어신호(CTRL_R<0:n>)에 응답하여 구동되는 복수의 스위칭 소자(S11, S12, …, S1n)와 각 스위칭 소자(S11, S12, …, S1n)의 출력단에 접속되는 저항기(R11, R12, …, R1n)를 구비하는 가변 저항부(1301)를 포함하며, 가변 저항부(1301)와 접지단자 사이에는 감지단에 발생하는 기생 캐패시턴스(Cpara)가 존재한다. 한편, 캐패시턴스(Cx)는 감지단에 유전체가 근접할 때 발생하는 추가적인 캐패시턴스이다.

앞서 설명하였듯이, 정전용량 센서의 감도는 입력 신호의 지연시간을 제어함에 의해 조절할 수 있는데, 기생 캐패시턴스(Cpara)를 감소시키는 것은 무리가 따르므로, 본 발명에서는 가변 저항부(1301)를 구성하는 스위칭 소자와 저항기의 저항 성분의 크기를 변화시켜 정전용량 센서의 감도를 향상시키고자 한다.

특히, 본 발명의 가변 지연부(130)는 기준신호 발생부(110)의 출력신호(A2)를 지연시켜 출력할 때, 초기에는 캐패시터(Cpara+Cx)의 전하 축적 특성에 따라 출력 전압이 급격히 상승하지만, 시간이 지날수록 상승 속도가 지수함수적으로 느려지는 특성이 있으므로, 출력 전압 레벨이 지수함수적으로 느려지는 선형 구간에서의 지연시간이 증대되도록 제어된다.

이에 대해 다시 도 2a를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2a에서, RC 지연회로의 입력단(A1)에 인가되는 전압을 Vin이라 하고, 출력단(B1)에 인가되는 전압을 Vo라 하면, RC 지연회로의 전달함수는 [수학식 1]과 같이 나타내어진다.

[수학식 1]

Vo = Vin*(1-exp(-t/R(Cpara+Cx)))

t =0 : Vo = 0V

t = ∞ : Vo = Vin

센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화시 t의 변화량을 계산하기 위해 [수학식 1]을 t에 대해 정리하면 [수학식 2]와 같다.

[수학식 2]

t = R*(Cpara+Cx)*ln(Vin/(Vin-Vo))

[수학식 2]에서 알 수 있는 바와 같이, 센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화에 대한 시간(t)의 변화량을 결정하는 데 있어서, 저항(R) 및 출력전압(Vo)의 두 가지 인자가 존재함을 알 수 있다.

따라서, 저항(R)값을 조절하게 되면 지연 시간의 변화량을 조절하여 정전용량 센서 장치의 감도를 조절할 수 있다.

RC 지연회로의 캐패시턴스가 동일하게 변화할 때, 저항(R)을 증가시키게 되면 지연시간의 변화량도 커지게 된다. 따라서, 도 5a에 도시한 것과 같이 복수의 스위칭 소자(S11, S12, …, S1n)를 병렬 연결하여 두고, 요구되는 감도에 맞도록 적어도 하나의 저항을 선택하여 사용할 수 있다.

복수의 스위칭 소자(S11, S12, …, S1n) 중 적어도 하나를 선택하기 위해서는 저항 제어신호(CTRL_R<0:n>)가 이용될 수 있으며, 이는 정전용량 센서 장치가 구비되는 호스트 장치의 컨트롤러, 또는 정전용량 센서 IC의 컨트롤러로부터 기 설정되어 제공될 수 있다.

결국, 정전용량 센서 장치에 요구되는 감도에 비례하여 저항값을 증가시킴으로써 지연시간의 변화량 또한 증가시킬 수 있다.

도 6은 동일한 정전용량 센서 장치에서 일정한 거리까지 유전체가 접근할 경우 즉, 센싱 캐패시턴스(Cx)가 동일하게 변화하고 기생 캐패시턴스(Cpara)가 같은 값을 갖는 경우 가변 지연부(130)의 저항 크기에 따른 지연시간 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에서 실선은 유전체 접근이 없는 경우 가변 지연부(130)의 출력 신호(B2)이다. 가변 지연부(130)에 포함된 저항소자의 크기가 작을 경우 일정한 거리까지 유전체가 접근하여도 ⓐ와 같이 미세한 지연시간을 갖는 신호가 출력된다. 반면, 저항소자의 크기가 클 경우 일정한 거리 내로 유전체 접근시 지연시간이 상대적으로 증가되어 ⓑ와 같은 지연시간을 갖는 신호가 출력될 수 있다.

가변 지연부(130)를 구성하는 저항소자(R11, R12, …, R1n)의 크기에 따른 지연시간 변화에 대해 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

먼저, R=10Kohm, 유전체에 반응하는 센싱 캐패시턴스(Cpara)의 값이 5pF이고, 가변 지연부(130)의 입력 전압(Vin)이 5V, 가변지연부(130) 출력 전압(Vo)이 4.5V인 것으로 가정한다.

유전체 근접이 없는 경우의 지연시간 t(1)은 10K*5pF*ln(5/0.5) = 50ns*ln10 = 115.13ns이다.

한편, 유전체가 근접하여 캐패시터(Cx+Cpara)의 센싱 캐패시턴스(Cx)가 0.1pF 증가된 경우에는 지연시간 t(2)가 10K*5.1pF*ln(10) = 117.43ns로 된다.

t(2)-t(1)=2.3ns

기준신호 발생부(110)에서 출력되는 구형파의 주파수가 1MHz라고 가정하면 반주기는 T/2=500ns 이고, 2.3ns는 0.46%에 해당하는 변화량이 된다.

결국, 출력 제어부(140)에 구비된 적분기(미도시)의 출력 전압은 다음과 같다.

Vlpf(1) = 5(1-115.13/500) = 3.8487V (근접이 없는 경우)

Vlpf(2) = 5(1-117.43/500) = 3.8257V (근접이 있는 경우)

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 23mV

한편, R = 20Kohm, Cx+Cpara=5pF, Vin = 5V, Vo = VH = 4.5V인 경우에는 다음과 같다.

유전체가 근접하지 않은 경우 센싱 캐패시턴스(Cx)가 0pF이므로 지연시간 t(1)은 20K*5pF*ln(5/0.5) = 50ns*ln10 = 230.26ns이다.

유전체가 근접하여 센싱 캐패시턴스(Cx)의 값이 0.1pF으로 변화한 경우의 지연시간 t(2)는 20K*5.1pF*ln(10)=234.86ns가 된다.

t(2) - t(1) = 4.6ns

주파수가 1MHz라고 가정하면 반주기 T/2=500ns 이고, 4.6ns는 0.94%에 해당하는 변화량이 된다.

Vlpf(1) = 5(1-230.26/500) = 2.697V

Vlpf(2) = 5(1-234.86/500) = 2.651V

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 46mV

즉, 동일한 캐패시터(Cx+Cpara)에서 센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화에 대해 R이 클수록 t의 변화량이 커짐을 알 수 있다. 아울러, 지연시간의 변화량이 커짐에 따라 출력 전압의 차이 또한 증가한다.

도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 지연부(130-1)의 예시도이다.

본 실시예에 의한 가변 지연부(130-1)는 전원전압 단자(VDD)와 기준신호 발생부(110)의 출력 신호(A2) 인가 단자 간에 접속되는 제 1 가변전류 제어부(132)와, 기준신호 발생부(110)의 출력 신호(A2) 인가 단자와 접지단자 간에 접속되는 제 2 가변전류 제어부(134)를 포함할 수 있다.

제 1 가변전류 제어부(132)는 복수의 가변 전류 공급부를 포함하며, 각 가변 전류 공급부 각각은 전원전압 단자(VDD)와 기준신호 발생부(110) 출력 신호(A2) 인가 단자 간에 직렬 접속되는 제 1 전류원(I21, I22, …, I2m) 및 제 1 스위치(S21, S22, …, S2m)를 포함할 수 있다. 각 제 1 전류원(I21, I22, …, I2m)은 제 1 전류원 그룹을 이루며, 각 제 1 스위치 S21, S22, …, S2m)는 제 1 스위치 그룹을 이루고, 제 1 스위치 그룹(S21, S22, …, S2m)은 제어신호 즉, 제 1 전류 제어신호(CTRL_I1<0:m>)에 의해 온/오프가 제어된다.

유사하게, 제 2 가변전류 제어부(134)는 복수의 가변 전류 배출부를 포함하며, 각 가변 전류 배출부 각각은 기준신호 발생부(110) 출력 신호(A2) 인가 단자와 접지 단자 간에 직렬 접속되는 제 2 전류원(I31, I32, …, I3m) 및 제 2 스위치(S31, S32, …, S3m)를 포함할 수 있다. 각 제 2 전류원(I31, I32, …, I3m)은 제 2 전류원 그룹을 이루며, 각 제 2 스위치 S31, S32, …, S3m)는 제 2 스위치 그룹을 이루고, 제 2 스위치 그룹(S31, S32, …, S3m)은 제어신호 즉, 제 2 전류 제어신호(CTRL_I2<0:m>)에 의해 온/오프가 제어된다.

도 5b에서, 캐패시터(Cpara)는 정전용량 센서(1)의 감지단에 존재하는 기생 캐패시턴스를 나타내고, 캐패시터(Cx)는 접촉 또는 근접이 발생한 경우에 추가되는 캐패시턴스이다.

본 실시예에 의한 가변 지연부(130-1)는 기준신호 발생부(110)의 출력 신호(A2)를 삼각파 형태로 출력할 때, 캐패시터(Cpara+Cx)의 전하 축적 특성에 따라 출력 전압이 시간이 지날수록 상승시간이 변화되도록 제어한다.

제 1 전류원 그룹(I21, I22, …, I2m)과 제 2 전류원 그룹(I31, I32, …, I3m) 을 구성하는 각각의 전류원은 동일하거나 각기 다른 양의 전류를 공급할 수 있으며, 각 전류원의 전류 생성 및 배출양은 정전용량 센서 장치가 구비되는 호스트 장치의 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다.

또한, 기준신호 발생부(110) 출력 신호(A2)의 라이징 에지에서 제 1 스위치 그룹(S21, S22, …, S2m)이 온(on)되고 제 2 스위치 그룹(S31, S32, …, S3m)이 오프(off)될 수 있고, 출력 신호(A2)의 폴링 에지에서 제 1 스위치 그룹(S21, S22, …, S2m)이 오프되고 제 2 스위치 그룹(S31, S32, …, S3m)이 온되도록 설계할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 지연부(15)의 입력단(A1)에 발생되는 전류를 Iin이라 하고, 출력단(B1)에 인가되는 전압을 Vo라 하면, 지연부(15)의 전달함수는 [수학식 3]과 같이 나타내어진다.

[수학식 3]

Q=CV=it/C

Vo = (Iin*t)/(Cpara+Cx)

t = 0 : Vo = 0V

t = ∞ : Vo = ∞V (이론상 무한대이나 실제 공급전원 이상은 올라갈 수 없음)

센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화시 t의 변화량을 계산하기 위해 [수학식 3]을 t에 대해 정리하면 [수학식 4]와 같다.

[수학식 4]

t = ((Cpara+Cx)*Vo)/Iin)

[수학식 4]에서 알 수 있는 바와 같이, 센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화에 대한 시간(t)의 변화량을 결정하는 데 있어서, 전류(Iin) 및 출력전압(Vo)의 두 가지 인자가 존재함을 알 수 있다.

따라서, 전류(Iin)값을 조절하게 되면 커패시터(Cpara+Cx)가 일정 전위까지 도달하는 시간의 변화량을 조절하여 정전용량 센서 장치의 감도를 조절할 수 있다.

캐패시터(Cpara+Cx)에 동일한 전류(Iin)을 인가할때, 전류값(Iin)을 감소시키게 되면 일정 전위까지 도달하는 시간의 변화량은 커지게 된다. 따라서, 도 5b에 도시한 것과 같이 전류 공급단 및 배출단에 복수의 전류원 및 스위치를 병렬 연결하여 두고, 요구되는 감도에 맞도록 적어도 하나의 전류값을 선택하여 사용할 수 있다.

전류 공급 및 배출을 위해 복수의 스위치 중 적어도 하나를 선택하기 위해서는 전류 제어신호(CTRL_I1<0:m>, CTRL_I2<0:m>)가 이용될 수 있으며, 이는 정전용량 센서 장치가 구비되는 호스트 장치의 컨트롤러, 또는 정전용량 센서 IC의 컨트롤러로부터 기 설정되어 제공될 수 있다.

결국, 정전용량 센서 장치에 요구되는 감도에 비례하여 전류값을 조절함으로써 캐패시터(Cpara+Cx)의 전압이 일정 전위까지 도달하는 시간의 변화량 또한 조절 할 수 있다.

도 6b는 동일한 정전용량 센서 장치에서 일정한 거리까지 유전체가 접근할 경우 즉, 센싱 캐패시턴스(Cx)가 동일하게 변화하고 기생 캐패시턴스(Cpara)가 같은 값을 갖는 경우 가변 지연부(130-1)의 전류 크기에 따른 지연시간 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 6b에서 실선은 유전체 접근이 없는 경우 가변 지연부(130-1)의 출력 신호(B2)이다. 가변 지연부(130-1)에 포함된 전류값의 크기가 큰 경우 일정한 거리까지 유전체가 접근하여도 ⓒ와 같이 일정 전위까지 도달하는 시간이 빠르기 때문에 상대적으로 미세한 값을 가지는 신호가 출력된다. 반면, 전류값의 크기가 작은 경우 일정간 거리 내로 유전체 접근시 일정 전위까지 도달하는 시간이 상대적으로 증가되어 ⓓ와 같은 시간을 갖는 신호가 출력될 수 있다.

가변 지연부(130-1)를 구성하는 전류값의 크기에 기초하여 가변 지연부(130-1)의 출력 전위 레벨이 일정 전위까지 도달하는 시간 변화에 대해 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전류가 20uA, 유전체에 반응하는 센싱 캐패시턴스(Cpara)의 값이 5pF이고, 가변 지연부(130-1)의 출력 전압(Vo)이 1V인 것으로 가정한다.

유전체 근접이 없는 경우의 일정 전위(Vo)에 도달하는 시간 t(1)은 (5pF*1V)/20uA = 250ns이다.

한편, 유전체가 근접하여 캐패시터(Cx+Cpara)의 센싱 캐패시턴스(Cx)가 0.1pF 증가된 경우에는 일정 전위(Vo)에 도달하는 시간 t(2)가 (5.1pF*1V)/20uA = 255ns로 된다.

t(2)-t(1)=5ns

기준신호 발생부(110)에서 출력되는 구형파의 주파수가 0.5MHz라고 가정하면 반주기는 T/2=1000ns 이고, 5ns는 0.5%에 해당하는 변화량이 된다.

결국, 출력 제어부(140)에 구비된 적분기(미도시)의 출력 전압은 다음과 같다.

Vlpf(1) = 5(1-250/1000) = 3.75V (근접이 없는 경우)

Vlpf(2) = 5(1-255/1000) = 3.725V (근접이 있는 경우)

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 25mV

한편, Iin = 10uA, Cx+Cpara=5pF, Vo = VH = 1V인 경우에는 다음과 같다.

유전체가 근접하지 않은 경우 센싱 캐패시턴스(Cx)가 5pF이므로 시간 t(1)은 (5pF*1V)/10uA = 500ns이다.

유전체가 근접하여 센싱 캐패시턴스(Cx)의 값이 0.1pF으로 변화한 경우의 지연시간 t(2)는 (5.1pF*1V)/10uA=510ns가 된다.

t(2) - t(1) = 10ns

주파수가 0.5MHz라고 가정하면 반주기는 T/2=1000ns 이고, 10ns는 1%에 해당하는 변화량이 된다.

Vlpf(1) = 5(1-500/1000) = 2.5V

Vlpf(2) = 5(1-510/1000) = 2.45V

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 50mV

즉, 동일한 캐패시터(Cx+Cpara)에서 센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화에 대해 전류값이 작을 수록 t의 변화량이 커짐을 알 수 있다. 아울러, 일정 전위(Vo)에 도달하는 시간의 변화량이 커짐에 따라 출력 전압의 차이 또한 증가한다.

한편, [수학식 2] 및 [수학식 4]와 관련한 설명에서, 캐패시턴스(Cx+Cpara)에서 센싱 캐패시턴스(Cx)의 변화에 대한 시간(t)의 변화량을 결정하는 데 있어서, 저항(R) 또는 전류(Iin)와 더불어 출력전압(Vo)의 두 가지 인자가 존재함을 설명한 바 있다. 즉, 출력전압(Vo)을 변화시켜 지연부의 지연시간을 증가시키는 것도 가능한데, 지연부를 통과한 전압의 레벨은 지연부의 입력전압 레벨 및 지연회로를 구성하는 소자의 크기에 의존한다.

따라서, 기준신호 발생부(110)의 출력 전압과 기준전압을 비교하는 비교회로 및, 기준신호 발생부(110)의 출력전압을 지연시켜 출력하는 지연부의 출력 전압을 기준전압과 비교하는 비교회로를 각각 구성하고, 이 비교회로에 공급되는 기준전압의 크기를 변경시킨다면 지연회로의 출력 전압을 변화시키는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

예를 들어, 저항값(R)(또는 전류값(Iin))은 고정시키고 출력전압(V0)을 변화시켰을 경우의 지연 시간의 변화량을 살펴보기로 한다.

(1) 저항값(R)을 고정시킨 경우

V0=3.5V, R= 20Kohm, C=5pF, Vin = 5V, Vo = VH = 3.5V이며, 근접이 없는 경우를 가정한다.

이 경우 지연시간 t(1)=20K*5pF*ln(5/1.5) = 50ns*ln10 = 120.4ns가 된다.

한편, 근접이 발생하여 C = 5.1pF이라 가정하면 지연시간 t(2)=20K*5.1pF*ln(5/1.5) = 122.8ns이 되어, t(2)-t(1)=2.4ns의 차이가 발생한다.

기준신호 발생부에서 출력되는 신호의 주파수가 1MHz라고 가정하면 는 T/2=500ns 이고, 2.4ns는 0.48%에 해당하는 변화량이 된다.

결국, 출력 제어부에 구비된 적분기(미도시)의 출력 전압은 다음과 같다.

Vlpf(1) = 5(1-120.4/500) = 3.796V (근접이 없는 경우)

Vlpf(2) = 5(1-122.8/500) = 3.772V (근접이 있는 경우)

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 24mV

한편, V0=4.5V, R= 20Kohm, C=5pF, Vin = 5V, Vo = VH = 4.5V라고 가정하면, 근접이 없는 경우의 지연시간 t(1) = 20K*5pF*ln(5/0.5) = 50ns*ln10 = 230.26ns이 되고, 근접이 발생하여 C = 5.1pF이라 가정하면 t(2) = 20K*5.1pF*ln(10) = 234.86ns이 된다.

t(2) - t(1) = 4.6ns 이고, 주파수가 1MHz라고 가정하면 반주기에 해당하는 T/2=500ns 이고, 4.6ns는 0.94%에 해당하는 변화량이 된다.

또한, 출력 제어부에 구비되는 적분기의 출력 전압은 다음과 같다.

Vlpf(1) = 5(1-230.26/500) = 2.697V (근접이 없는 경우)

Vlpf(2) = 5(1-234.86/500) = 2.651V (근접이 있는 경우)

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 46mV

상기 예에서 알 수 있듯이 동일한 C의 변화에 대해 Vo가 클수록 t의 변화량이 커짐을 알 수 있다. 즉, ln(Vin/(Vin-V0)가 지연시간을 결정하는 인자로 작용하는 것이다.

(2) 전류값(Iin)을 고정시킨 경우

V0=5V, Iin= 20uA, C=5pF, Vo = VH = 1.5V이며, 근접이 없는 경우를 가정한다.

이 경우 지연시간 t(1)=(5pF*1.5V)/20uA = 375ns가 된다.

한편, 근접이 발생하여 C = 5.1pF이라 가정하면 지연시간 t(2)=(5.1pF*1.5V)/20uA = 382.5ns이 되어, t(2)-t(1)=7.5ns의 차이가 발생한다.

기준신호 발생부에서 출력되는 신호의 주파수가 0.5MHz라고 가정하면 반주기는 T/2=1000ns 이고, 15ns는 0.75%에 해당하는 변화량이 된다.

결국, 출력 제어부에 구비된 적분기(미도시)의 출력 전압은 다음과 같다.

Vlpf(1) = 5(1-375/1000) = 3.125V (근접이 없는 경우)

Vlpf(2) = 5(1-382.5/1000) = 3.0875V (근접이 있는 경우)

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 37.5mV

한편, V0=5V, Iin= 20uA, C=5pF, Vo = VH = 2V라고 가정하면, 근접이 없는 경우의 지연시간 t(1) = (5pF*2V)/20uA = 500ns이 되고, 근접이 발생하여 C = 5.1pF이라 가정하면 t(2) = (5.1pF*2V)/20uA = 510ns이 된다.

t(2) - t(1) = 10ns 이고, 주파수가 0.5MHz라고 가정하면 반주기는 T/2=1000ns 이고, 10ns는 1%에 해당하는 변화량이 된다.

또한, 출력 제어부에 구비되는 적분기의 출력 전압은 다음과 같다.

Vlpf(1) = 5(1-500/1000) = 2.5V (근접이 없는 경우)

Vlpf(2) = 5(1-510/1000) = 2.45V (근접이 있는 경우)

Vlpf(delta) = Vlpf(1) - Vlpf(2) = 50mV

상기 예에서 알 수 있듯이 동일한 C의 변화에 대해 Vo가 클수록 t의 변화량이 커짐을 알 수 있다. 즉, 기준신호 발생부(110)의 출력 전압과 기준전압을 비교하는 비교부 및, 기준신호 발생부(110)의 출력 신호를 지연시켜 출력하는 지연부와 기준전압을 비교하는 비교부에 제공되는 기준전압이 지연 시간을 결정하는 인자로 작용하는 것이다.

본 발명은 이러한 점에 착안하여 지연회로부의 출력 전압과 기준전압을 비교하는 비교기의 기준전압 레벨을 조정, 약전계 영역에서 지연 시간의 변화량을 증가시킬 수 있도록 하였으며, 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전용량 센서 장치의 구성도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 정전용량 센서 장치(20)는 기준신호 발생부(210), 지연부(220), 판단부(230), 비교부(240) 및 출력 제어부(250)를 포함할 수 있다.

기준신호 발생부(210)는 발진회로일 수 있으며, 예를 들어 듀티 비가 50%인 구형파 신호를 지정된 주기로 출력한다. 지연부(220)는 예를 들어 RC 지연회로로 구성할 수 있으며, 도 2a 또는 도 2b에 도시한 것과 같은 지연회로를 채택할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

판단부(230)는 제어신호 즉, 전압 제어신호(CTRL_V)에 응답하여 기준신호 발생부(210)의 출력 신호(A3)와 기준신호(VREF)를 비교하는 제 1 비교기(232) 및 지연부(220)의 출력 신호(B3)와 기준신호(VREF)를 비교하는 제 2 비교기(234)를 포함할 수 있다.

제 1 비교기(232) 및 제 2 비교기(234) 각각은 도 8과 같이 구성할 수 있다.

도 8은 도 7에 도시한 제 1 및 제 2 비교기의 일 예시도이다.

도 8을 참조하면, 제 1 비교기(232) 또는 제 2 비교기(234)는 입력 신호(IN)와 제 1 가변전압 제공부(2321)로부터 제공되는 상한 기준전압(VH)을 제공받는 제 1 연산부(2325), 입력 신호(IN)와 제 2 가변전압 제공부(2323)로부터 제공되는 하한 기준전압(VL)을 제공받는 제 2 연산부(2327) 및 제 1 및 제 2 연산부(2325, 2327)의 출력 신호를 래치하여 출력신호(OUT)를 생성하는 출력부(2329)를 포함한다.

제 1 가변전압 제공부(2321)는 제 1 전압 제어신호(CTRL_V1)와 제 1 기준전압(VREF)에 응답하여 상한 기준전압(VH)을 출력한다. 유사하게, 제 2 가변전압 제공부(2323)는 제 2 전압 제어신호(CTRL_V2)와 제 2 기준전압(VREF)에 응답하여 하한 기준전압(VL)을 출력한다.

그리고, 제 1 연산부(2325)는 입력 신호(IN)와 상한 기준전압(VH)을 비교하는 한편, 제 2 연산부(2327)는 입력 신호(IN)와 하한 기준전압(VL)을 비교하며, 출력부(2329)는 입력 신호(IN)가 상한 기준전압(VH)과 하한 기준전압(VL) 사이의 레벨을 갖는 경우 하이 레벨의 신호를 출력신호(OUT)로 출력한다.

본 실시예에서, 입력 신호(IN)는 도 7에 도시한 기준신호 발생부(210) 또는 지연부(220)의 출력 신호일 수 있다. 기준신호 발생부(210) 및 지연부(220)의 출력 신호는 고정값을 가지므로, 본 발명에서는 상한 기준전압(VH) 및 하한 기준전압(VL)의 레벨을 변경하여 지연부(220)의 약전계 영역에서의 지연시간의 변화량을 증가시킨다.

상한 및 하한 기준전압(VH, VL)의 레벨은 센서 장치가 적용되는 기기 및 요구되는 감도에 따라 결정될 수 있으며, 제 1 및 제 2 가변전압 제공부(2321, 2323)는 제 1 및 제 2 전압 제어신호(CTRL_V1, CTRL_V2)에 따라 입력 전압(VREF1, VREF2)의 레벨을 상승 또는 하강시킬 수 있는 구성이라면 어느 것이든지 채택 가능하다. 상한 및 하한 기준전압(VH, VL) 간의 전압 차이를 크게 할수록 입력 전압을 검출하기 위한 윈도우가 넓어지며, 이는 지연부(220)의 약전계 영역의 검출 범위를 넓힘을 의미하므로, 터치 또는 접근 여부를 보다 명확히 감지할 수 있다.

도 9는 비교기 기준전압 레벨에 따른 윈도우 크기 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 9에서 동일한 C값의 변화에 대해 비교기의 상한 기준전압(VH)은 상승시키고 하한 기준전압(VL)은 강하시키면 입력 신호(IN)의 전압을 검출하는 범위가 ⓔ에서 ⓕ로 증가하게 되고, 이는 결국 지연시간의 변화량을 증가시키는 결과를 가져와 센서 장치의 감도를 높일 수 있다.

정전용량 센서 장치의 센싱 채널이 한 개 이상일 경우 도 7을 이용하여 동시 동작 및 순차 동작이 가능할 수 있고, 도 10의 실시예와 같이 순차로 구성하여 회로를 단순화할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 정전용량 센서 장치의 구성도이다.

도 10에 도시한 것과 같이, 본 실시예에 의한 정전용량 센서 장치(30)는 기준신호 발생부(310), 저항부(320), 경로 설정부(330), 제 1 샘플/홀드부(340), 제 2 샘플/홀드부(350), 증폭부(360) 및 출력 제어부(370)를 포함한다.

기준신호 발생부(310)는 지정된 듀티 비를 갖는 구형파 신호를 지정된 주기로 출력한다.

기준신호 발생부(310)의 출력 신호(A4)는 저항부(320)를 지나, 경로 설정부(330)에 의해 저항부(320)와 전기적으로 접속되는 제 1 샘플/홀드부(340) 또는 제 2 샘플/홀드부(350)로 입력된다. 예를 들어, 경로 설정부(330)는 경로 제어신호(CRTL_P)에 응답하여, 기준신호 발생부(310)에서 출력되는 신호의 홀수 주기에는 제 2 샘플/홀드부(350)로 경로를 설정하고, 짝수 주기에는 제 1 샘플 홀드부(340)로 경로를 설정할 수 있다.

샘플/홀드 회로는 샘플 기간에 아날로그 입력 전압값을 표본화하고, 홀드 기간에 표본화된 값을 일정하게 유지하는 회로이다. 따라서, 입력신호가 인가된 후 샘플/홀드 회로에서 센싱할 때, 즉 샘플 기간 동안 저항과 센싱 캐패시턴스에 의해 발생되는 지연시간을 부하에 영향을 받지 않도록 비교부에 전달해 주고, 홀드 기간 동안 캐패시터(Csh1, Csh2) 전압을 증폭부(360)에서 처리할 수 있도록 유지해 주는 역할을 하게 된다. 그리하여, 약전계 영역에서 지연시간이 증가하는 원리를 이용하여 감지단에의 유전에 접근 또는 터치 여부를 정확히 판정할 수 있게 된다.

도 11은 도 10에 도시한 저항부, 경로 설정부 및 샘플/홀드 회로부의 일 예시도이다.

도 11을 참조하면, 경로 설정부(330)는 경로 제어신호(CTRL_P)에 응답하여 구동되는 스위칭 소자일 수 있다.

제 1 샘플/홀드부(340)는 경로 설정부(330)의 제 1 스위칭단과 접지 단자 간에 접속되는 기준 캐패시터(Cr), 경로 설정부(330)의 제 1 스위칭단에 접속되는 제 1 연산부(3401), 제 1 연산부(3401)의 출력단과 제 1 샘플/홀드부(340)의 출력단자 간에 접속되며 클럭신호(CLK)에 의해 구동되는 제 1 스위치(SW1) 및 제 1 스위치(SW1)의 출력단과 접지단자 간에 접속되는 제 1 전압유지 캐패시터(Csh1)를 포함할 수 있다. 또한, 제 2 샘플/홀드부(350)는 경로 설정부(330)의 제 2 스위칭단과 접지단자 간에 접속되는 기생 캐패시터(Cpara) 및 경로 설정부(330)의 제 2 스위칭단에 접속되는 제 2 연산부(3501), 제 2 연산부(3501)의 출력단과 제 2 샘플/홀드부(350)의 출력단자 간에 접속되며 클럭신호(CLK)에 의해 구동되는 제 2 스위치(SW2) 및 제 2 스위치(SW2)의 출력단과 접지단자 간에 접속되는 제 2 전압유지 캐패시터(Csh2)를 포함할 수 있다.

여기에서, 기생 캐패시터(Cpara)는 감지단에 존재하는 기생 캐패시턴스의 등가 캐패시터이며, 기준 캐패시터(Cr)는 기생 캐패시터(Cpara)에 근사한 캐패시턴스값을 갖도록 설정된다. 아울러, Cx는 감지단에 근접 또는 터치가 발생한 경우 변화되는 캐패시턴스를 나타낸다. 또한, 샘플/홀드부(340, 350)의 제 1 및 제 2 전압유지 캐패시터(Csh1, Csh2)는 홀드시 전압을 일정하게 유지하기 위한 캐패시터이다.

경로 설정부(330)가 제 1 샘플/홀드부(340)로 경로를 설정한 경우에는 저항부(320)와 기준 캐패시터(Cr)가 RC 지연회로를 이루게 되고, 경로 설정부(330)가 제 2 샘플/홀드부(350)로 경로를 설정한 경우에는 저항부(320)와 캐패시터(Cpara+Cx)가 RC 지연회로를 이루게 되며, 이 경우 샘플/홀드부(340, 350)의 동작을 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 12는 도 10에 도시한 정전용량 센서 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

기준신호 발생부(310)에서는 지정된 듀티 및 지정된 주기를 갖는 구형파가 출력되며(A4), 이는 제 1 기간(T1)에 저항부(320)를 통해 제 2 샘플/홀드부(350)로 제공된다. 감지단에 근접 또는 터치가 발생하지 않는 경우 저항부(320)와 기생 캐패시터(Cpara)가 이루는 지연회로에 의해, 제 1 구간(T1)에 출력되는 구형파는 지정된 시간 지연되어 출력된다(B4-1). 그리고, 제 2 연산부(3501)로 제공되는 클럭신호(CLK)가 인에이블되는 구간 동안 제 2 샘플/홀드부(350)에서의 샘플링 전압은 Vs1으로 출력된다(ⓖ).

이후, 제 2 구간(T2)에 출력되는 구형파는 저항부(320)와 기준 캐패시터(Cr)가 이루는 RC 지연회로에 의해 지정된 시간 지연되어 출력된다(B4-2). 이때, 제 1 연산부(3401)로 제공되는 클럭신호(CLK)가 인에이블되는 구간 동안 제 1 샘플/홀드부(340)에서는 기준전압(Vr)이 출력된다.

따라서, 터치 또는 근접이 없는 경우 증폭부(360)의 출력 전압 레벨은 Av(Vr-Vs1)가 되고, 이는 출력 제어부(370)로 제공된다. 여기서 Av는 증폭부(360)의 증폭 이득이다.

한편, 감지단에 터치 또는 근접이 발생한 경우에는 제 2 샘플/홀드부(350)에 캐패시턴스(Cx)가 더해지게 되며, 저항부(320)와 제 2 샘플/홀드부(350)를 구성하는 캐패시턴스(Cpara+Cx)의 RC 지연에 의해 제 2 샘플/홀드부(350)의 출력 전압은 Vs1에서 Vs2로 ΔV만큼 낮아지게 된다(ⓗ). 이 경우, 기준전압(Vr)은 변화되지 않으므로, 증폭부(360)에 의한 출력 전압은 Av(Vr-(Vs1-ΔV))가 가 된다.

즉, 터치(근접)의 발생으로 인한 전압의 변화량은 다음과 같다.

Av(Vr-Vs1)-Av(Vr-Vs2)=Av(Vr-Vs1)-Av(Vr-(Vs1-ΔV))) = -AvΔV

따라서, 출력 제어부(370)에서 -AvΔV에 해당하는 만큼 출력제어부를 구성하는 전압제어발진기(VCO)에서 출력 주파수 변화량이 발생하거나, 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 출력값의 변화가 생겨서 터치(근접)의 유무를 판단할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 센서 장치의 감지단에 구성되는 RC 지연회로의 출력 신호, 또는 가변 전류원에 의한 지연 회로의 출력 신호 중 구간적으로 지수함수적인 특성을 갖는 구간에서 지연시간을 증가시킴으로써 감지단에 대한 터치 또는 근접 여부를 정확히 판단할 수 있다. 다른 한편, 비교부의 기준전압 레벨을 변경하여 지연시간을 증가시키는 효과를 얻어 근접 여부를 정확히 판단할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110, 210, 310 : 기준신호 발생부
120, 240 : 비교부
360 : 증폭부
130, 130-1 : 가변지연부
140, 250, 370 : 출력 제어부
1301 : 가변 저항부
220 : 지연부
230 : 판단부
320 : 저항부
330 : 경로 설정부
340, 350 : 샘플/홀드부

Claims (18)

1. 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부;
   상기 기준신호 발생부의 출력 신호를 입력 신호로 하여, 복수의 지연 시간 중 어느 하나의 지연시간으로 상기 입력 신호가 기 설정된 레벨까지 도달하는 데 소요되는 시간을 지연시켜 출력하는 가변 지연부;
   상기 기준신호 발생부의 출력 신호 및 상기 가변 지연부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부; 및
   상기 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부;를 포함하고,
   상기 가변 지연부는, 전원전압 단자와 상기 기준신호 발생부의 출력 신호 인가 단자 간에 접속되며, 제 1 전류 제어신호에 의해 공급 전류량이 가변되는 제 1 가변전류 제어부;
   상기 기준신호 발생부의 출력 신호 인가 단자와 접지단자 간에 접속되며, 제 2 전류 제어신호에 의해 배출 전류량이 가변되는 제 2 가변전류 제어부; 및
   감지단에 발생하는 캐패시터;
   를 포함하는 정전용량 센서 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 가변전류 제어부는, 복수의 가변 전류 공급부를 포함하고,
   상기 복수의 가변 전류 공급부 각각은, 상기 전원전압 단자와 상기 기준신호 발생부의 출력 신호 인가 단자 간에 직렬 접속되는 제 1 전류원 및 제 1 스위치를 포함하고, 상기 제 1 스위치는 상기 제 1 전류 제어신호에 의해 제어되는 정전용량 센서 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 가변전류 제어부는, 복수의 가변 전류 배출부를 포함하고,
   상기 복수의 가변 전류 배출부 각각은, 상기 기준신호 발생부의 출력 신호 인가 단자와 상기 접지단자 간에 직렬 접속되는 제 2 스위치 및 제 2 전류원을 포함하고, 상기 제 2 스위치는 상기 제 2 전류 제어신호에 의해 제어되는 정전용량 센서 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 출력 제어부는, 상기 비교부의 출력 신호를 적분하는 적분기; 및
   상기 적분기의 출력 신호에 따라 결정되는 주파수를 갖는 신호를 출력하는 전압 제어 발진기;
   를 포함하는 정전용량 센서 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 출력 제어부는, 상기 비교부의 출력 신호를 적분하는 적분기; 및
   상기 적분기의 출력 신호를 디지털 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기;
   를 포함하는 정전용량 센서 장치.
9. 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부;
   상기 기준신호 발생부의 출력 신호가 기 설정된 레벨까지 도달하는 데 소요되는 시간을 지연시켜 출력하는 지연부;
   가변전압으로부터 생성되는 제 1 기준전압과 상기 지연부의 출력 신호를 비교하고, 가변전압으로부터 생성되는 제 2 기준전압과 상기 지연부의 출력 신호를 비교하는 판단부;
   상기 기준신호 발생부의 출력 신호와 상기 판단부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부; 및
   상기 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부;
   를 포함하는 정전용량 센서 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 판단부는, 상기 제 1 기준전압을 입력받아 상한 기준전압을 생성하는 제 1 가변전압 제공부;
    상기 지연부의 출력 신호와 상기 상한 기준전압을 비교하는 제 1 연산부;
    상기 제 2 기준전압을 입력받아 하한 기준전압을 생성하는 제 2 가변전압 제공부;
    상기 지연부의 출력 신호와 상기 하한 기준전압을 비교하는 제 2 연산부; 및
    상기 제 1 연산부 및 상기 제 2 연산부의 출력 신호를 래치하여 출력하는 출력부;
    를 포함하는 정전용량 센서 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 가변전압 제공부는 상기 제 1 기준전압의 레벨을 상승시켜 출력하는 정전용량 센서 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 가변전압 제공부는 상기 제 2 기준전압의 레벨을 강하시켜 출력하는 정전용량 센서 장치.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 출력부는 상기 지연부의 출력 신호가 상기 상한 기준전압과 상기 하한 기준전압 사이의 레벨을 갖는 경우 지정된 레벨의 신호를 출력하는 정전용량 센서 장치.
14. 지정된 주기의 구형파를 출력하는 기준신호 발생부;
    상기 기준신호 발생부의 출력단에 구비되는 저항부;
    상기 저항부에 접속되어 복수의 전기적 경로 중 어느 하나를 순차적으로 선택하는 경로 설정부;
    상기 경로 설정부에 의해 상기 저항부와 접속되어, 상기 기준신호 발생부의 출력 시간을 기준시간만큼 지연시키고 샘플링하는 제 1 샘플/홀드부;
    상기 경로 설정부에 의해 상기 저항부와 접속되며, 감지단에 발생하는 캐패시턴스에 따라 상기 기준신호 발생부의 출력 시간을 지연시키고 샘플링하는 제 2 샘플/홀드부;
    상기 제 1 샘플/홀드부 및 상기 제 2 샘플/홀드부의 출력 신호의 위상을 비교하여 출력하는 비교부; 및
    상기 비교부의 출력 신호에 대응하는 레벨의 전압을 출력하는 출력 제어부;
    를 포함하는 정전용량 센서 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 경로 설정부는, 상기 구형파의 홀수 주기에는 상기 제 2 샘플/홀드부로 경로를 설정하고, 상기 구형파의 짝수 주기에는 상기 제 1 샘플/홀드부로 경로를 설정하는 정전용량 센서 장치.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 샘플/홀드부는, 상기 저항부와 접속되어 제 1 지연부를 구성하는 기준 캐패시터; 및
    클럭신호에 응답하여 상기 제 1 지연부의 출력 신호를 샘플링하여 출력하는 제 1 연산부;
    를 포함하는 정전용량 센서 장치.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 샘플/홀드부는, 상기 저항부와 접속되어 제 2 지연부를 구성하며 감지단에 발생하는 캐패시터; 및
    클럭신호에 응답하여 상기 제 2 지연부의 출력 신호를 샘플링하여 출력하는 제 2 연산부;
    를 포함하는 정전용량 센서 장치.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 클럭신호는 상기 제 2 지연부의 출력 신호 파형의 선형 구간에서 지정된 시간동안 인에이블되는 정전용량 센서 장치.

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