KR101560069B1 - 동적 커패시턴스 제어 및 개선된 터치-감지를 갖는 용량성 터치 스크린 - Google Patents

동적 커패시턴스 제어 및 개선된 터치-감지를 갖는 용량성 터치 스크린 Download PDF

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Abstract

용량성 터치 스크린 감지 디바이스의 감지 성능을 개선하기 위한 방법들 및 장치들이다. 감지 디바이스의 용량성 터치 패드들에 근접한 전도성 구조물들의 전위는, 터치 스크린 상의 물 또는 사용자가 착용한 장갑의 개재와 같은 외부 조건들에 기초하여, 기생 커패시턴스의 영향을 보상하기 위해 변경된다. 기생 커패시턴스에 대한 보상은 신호대 잡음비 및 따라서 디바이스의 감지 성능을 개선시킨다.

Description

동적 커패시턴스 제어 및 개선된 터치-감지를 갖는 용량성 터치 스크린{CAPACITIVE TOUCH SCREEN HAVING DYNAMIC CAPACITANCE CONTROL AND IMPROVED TOUCH-SENSING}
본 출원은, 2010년 8월 27일자로 출원되고, 발명의 명칭이 CAPACITIVE TOUCH SCREEN HAVING DYNAMIC CAPACITANCE CONTROL AND IMPROVED TOUCH-SENSING인, 미국 가출원 번호 61/377,837의 이득을 청구하고, 상기 출원은 그 전체가 여기에 참조로 포함된다.
본 발명은 용량성 터치 감지 기술들(capacitive touch sensing technologies)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 휴대폰(mobile phones) 및 다른 디지털 기기(digital appliances)에 사용되는 것과 같은 용량성 터치 감지 스크린에 관한 것이다.
터치 스크린은, 표시 영역의 표면 상에서 터치의 존재 및 위치를 검출할 수 있는 전자식 영상 디스플레이(electronic visual displays)이다. 디스플레이의 터치는 일반적으로 손가락이나 손으로 실시된다. 터치 스크린은 여러 가지의 전자, 음향 또는 광 원리 하에 동작한다. 본 출원은 용량성 터치 스크린과 관계가 있다.
용량성 터치 스크린 패널은 일반적으로 구리 또는 ITO(indium tin oxide)와 같은, 투명한 전도체로 코팅된, 유리와 같은, 절연체를 포함한다. 인간의 몸 또한 전도체이므로, 터치 스크린을 터치하면 결과적으로 커패시턴스에 있어서 측정가능한 변화를 야기한다. 터치에 의해 야기된 커패시턴스에 있어서의 변화는 터치 스크린 상의 특정한 위치에 국한(localize) 및 기록(register)된다.
개별 터치 패드들 및 멀티-터치 스크린들을 포함하는 용량성 터치 감지 기술은 최근에 휴대 전화(cell phones)에서 대형 디스플레이 모니터에 이르는 범위의 제품들에서 큰 호응을 얻고 있다. 많은 사람들은, 이러한 기술의 성공이 사용자의 경험으로 개선된 사용자 상호작용의 직접적인 결과라고 믿는다.
고체 상태 터치 감지 기술을 사용하는 것의 하나의 이점은 사실상 무제한인 그의 수명이다. 반복적으로 사용하면 시간이 흐름에 따라 닳는 무빙 컴포넌트들(moving components)을 갖는 기계적 대안들(mechanical alternatives)과는 달리, 고체 상태 터치 감지 스크린은 그러한 제한이 없다. 고체 상태 터치 감지 스크린은 좀처럼 실패하지 않고, 사용자는 사용자 인터페이스가 깨지는 것에 대해 거의 걱정하지 않는다. 용량성 터치 센서는, 외측 환경에서 분리되고 외측 환경의 영향을 크게 받지 않는 제품 내측에 민감한 컴포넌트들을 만드는, 유리 또는 성형 플라스틱(molded plastic)과 같은, 단일 고체 밀폐 표면(single solid sealed surface) 밑에 통합될 수 있다. 기계적 대안들로 달성하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 든다. 따라서, 용량성 터치 스크린 기술은, 먼지(dirt)와 습기(moisture)에 놓이는 혹독한 야외 환경(harsh outdoor environments), 산업 시설(industrial facilities) 및 다른 위치(other locations)에서 사용되는 제품들을 위해 큰 이점을 제공한다.
용량성 터치 감지 디바이스의 일반적인 구현에서, 타겟 터치 감지 패드는 일반적으로, 유리 강화 에폭시 라미네이트(FR4), 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 캐리어 상에 있는 구리 또는 ITO(indium tin oxide)의 정사각형, 직사각형 또는 원형 영역이다. 타겟 터치 감지 패드는 능동적으로 충전된 다음, 그의 자연 커패시턴스(natural capacitance)에 비례하는 레이트로 수동적으로 방전하도록 허용된다. 타겟 터치 감지 패드의 방전의 레이트는 몇 가지 잘 알려진 방법들 중 하나를 사용하여 측정된다. 손가락 또는 다른 전도성 부속물(conductive appendage)이 터치 감지 패드 위에 배치될 때, 손가락의 존재는 패드의 자연 커패시턴스에 더해 해당 패드의 커패시턴스를 증가시킨다. 이 상태에서, 터치 감지 패드는 더 많은 전하를 보유할 수 있고, 그 결과, 방전하는데 더 긴 시간이 걸린다. 두 가지 상태에서 특정한 터치 감지 패드를 방전하는데 걸리는 시간에 있어서의 차이를 측정함으로써, 패드가 터치되고 있는지 아닌지를 결정할 수 있다.
손가락이 터치 감지 패드에 놓여 있을 때 커패시턴스에 있어서의 증가량은 터치 감지 패드의 설계 및 구성에 따라 달라진다. 손가락과 터치 감지 패드 사이의 용량 결합(capacitive coupling)이 클수록, 커패시턴스에 있어서의 변화가 크다. 반대로, 손가락과 터치 감지 패드 사이의 결합이 작을수록, 터치로 인한 커패시턴스에 있어서의 변화가 작다. 터치 감지 패드가 터치될 때 커패시턴스에 있어서의 더 큰 변화는 더 큰 신호대 잡음비(SNR)를 산출하고 이는 터치 감지 패드의 성능을 더 좋게 변환한다. 손가락으로 터치될 때 터치 감지 패드의 커패시턴스에 있어서의 증가의 비율은 패드의 자연 커패시턴스와 손가락의 존재에 의해 제공된 추가된 커패시턴스의 함수이다. 그에 따라, 패드가 인간의 손가락에 대한 더 나은 결합과 결부된 낮은 자연 커패시턴스를 갖는 경우, 터치에 대한 성능이 더 민감하게 발휘될 것이다.
터치 감지 패드의 자연 커패시턴스는 여러 요인들에 의해 결정된다. 패드의 구성에 사용된 물질들의 선택은, 캐리어(전도성 센서가 부착되는 유전체 기판임), 보호 기판(센서가 보호되는 표면 뒤에 있음) 및 전도체의 물질을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 터치 감지 패드 주위에 다른 전도체들의 배치 및 그러한 전도체들 상의 전위(electrical potential) 또한 터치 감지 패드의 자연 커패시턴스에 영향을 미친다. 전도체와 보호 기판 사이의 결합 또한 터치 감지 패드의 자연 커패시턴스에 영향을 미친다. 많은 다른 요인들이 존재하고, 이러한 리스트를 철저한 것으로 간주해서는 안 된다. 그에 따라, 인간의 손가락에 대한 더 나은 결합에 의해 더 낮은 자연 커패시턴스를 추구하는 접근법은 터치 감지 패드의 자연 커패시턴스를 자체적으로(inherently) 고정시키고 그에 영향을 미친다. 이것은 또한 센서의 구성을 완전히 변경하지 않고 SNR에 영향을 미치는 능력을 제한한다. 센서의 구성을 변경하는 것은 어렵고 비싸며 심지어 불가능할 수도 있다. 이러한 제한들의 제시는 나쁜 성능이나 매우 비싼 솔루션들로 이어지는 경향이 있다. 그에 따라, 용량성 터치 감지 스크린의 영역(area)에 있어서 개선의 여지가 있다.
본 발명의 실시예들은, 전위(electrical potential)의 선택적인 조작(selective manipulation), 및 그에 따라 터치 스크린 내(in) 및 주위(around)의 구조물들 또는 감지 패드들과 같은 터치 스크린의 요소들과 관련된 커패시턴스의 영향에 관여한다. 본 발명의 실시예들은 전기적으로 조작된 전도성 표면들(electrically manipulated conductive surfaces; EMCS)의 사용을 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, EMCS는, 예를 들어, 그들의 전위 또는 전하를 제어하여 전기적으로 조작될 수 있는 전략적으로 배치된 전도성 표면들이다. EMCS는, 터치 감지 패드의 감도 및 성능에 영향을 미치는 방식들로 EMCS의 전위를 바꿈으로써 터치 감지 패드의 커패시턴스에 영향을 미치기 위해 의도적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, EMCS는 전기적으로 조작될 수 있는 다른 터치 감지 패드들로서 구현될 수 있다. 이것이 끝나면, EMCS 또는 센서들로서 복수의 터치 감지 패드의 시간 다중화(time multiplexing)는 유사한 결과들을 산출하고, 각각의 터치 감지 패드의 자연 커패시턴스의 정확한 튜닝을 허용한다. 터치가 감지되는 동안 각각의 전도성 패드는 미리 결정된 시퀀스로 충전되고 방전의 레이트에 대해 모니터링된다. 터치 감지를 위해 사용되고 있지 않고 능동 감지 패드(active sensing pad)에 인접한 비활성 패드들(inactive pads)은 능동 감지 패드에 대하여 그들의 충전 레벨을 제어함으로써 EMCS로서 사용될 수 있다. EMCS의 효과적인 사용은 터치 감지 패드들의 상대적인 전하 및 커패시턴스를 동적으로 조정하고 원하는 성능을 위해 그것을 최적화하는 능력을 가능하게 한다.
일반적인 용량성 터치 스크린은 접착제가 도포되는 기판을 포함하고, 그 다음 인쇄 회로 기판(PCB)으로 만든 터치 패드가 접착제에 의해 기판에 접착된다. 트레이스들(traces), 다른 전도체들, 프로세서 및 다른 전기 컴포넌트들은 PCB 상에 형성될 수 있고, 또는 PCB에 부착될 수 있다.
전도성 부분들(conductive parts)의 서로에 대한 근접성 때문에, 기생 커패시턴스는 단순히 전자 컴포넌트 또는 회로의 부분들 사이에 존재하는 불가피하고 보통 원치 않는 커패시턴스이다. 인덕터들, 다이오드들 및 트랜지스터들과 같은 모든 실제 회로 요소들은, 그들의 실제 행동이 이상적인 회로 요소들의 행동에서 벗어나게 할 수 있는 내부 커패시턴스를 갖는다. 기생 커패시턴스는 또한 와이어들 또는 인쇄 회로 기판 트레이스들과 같은 밀접 배치된(closely spaced) 전도체들 사이에 존재할 수 있다.
일반적인 터치 패드는 대략 10 pf(picofarads)의 자연 커패시턴스를 가질 수 있다. 여러 가지 중에서, 인쇄 회로 기판상의 인접한 트레이스들, 다른 전도성 아티팩트들 및 보호 기판은 기생 커패시턴스를 추가한다. 추가적인 기생 커패시턴스는 결과적으로 터치 패드 혼자의 자연 커패시턴스를 초과하는 터치 패드의 전체 커패시턴스의 순 증가(net increase)를 야기한다. 이러한 개념은 도 3에 도시된다. 기생 커패시턴스에 의해 야기된 전체 커패시턴스에 있어서의 증가는 몇 pf으로부터 임의의 실제 상한(any practical upper limit)에 이르는 범위일 수 있다.
터치 스크린의 일부인 일반적인 예시적 터치 패드는, 예를 들어, 직경이 14㎜인 디스크로 구조화될 수 있다. 이 크기에서, 일반적인 인간의 손가락은, 손가락이 터치 패드의 상단에 배치될 때 터치 패드의 표면 영역을 완전히 덮을 수 있다. 이는 손가락과 터치 패드 사이의 용량 결합을 극대화하는데 도움이 되고 높은 신호대 잡음비를 생성한다. 터치 패드 상의 손가락의 존재가 원인이 되는 커패시턴스에 있어서의 증가는 대략 5pf만큼일 수 있다. 터치 패드 상에서 기생 커패시턴스의 영향에 의존하는, 터치 패드 위에 손가락이 존재하여 야기된 커패시턴스에 있어서의 5pf 추가는, 자연 커패시턴스가 10pf이라고 가정할 때, 결과적으로 전체 커패시턴스의 50%의 증가를 야기할 수 있다. 그러나, 추가된 기생 커패시턴스의 크기(magnitude)가 높은 경우에, 전체 커패시턴스는 50%보다 상당히 적게 증가될 것이다. 기생 커패시턴스가 유난히 높은 경우, 터치 패드 위에서 손가락의 배치에 의해 만들어진 커패시턴스의 증가 퍼센트는 0으로 접근할 수 있고, 이 경우에, 손가락 터치의 존재는 검출될 수 없다. 기생 커패시턴스에 있어서의 이러한 큰 증가는, 예를 들어, 터치 스크린 패드의 표면상에 물이나 다른 전도성 물질의 존재가 원인이 될 수 있다.
EMCS을 포함하는, 본 발명에 따른 예시적인 터치 스크린 패드는 도 4에 도시된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 다양한 터치 스크린 패드 주위에 배치된 EMCS는 그 전위에 의해 전자제품에 결합되고, 그에 의해 EMCS와 터치 스크린 패드 사이의 유효 커패시턴스(effective capacitance)가 조작될 수 있다. EMCS 상의 전위를 조정함으로써, 손가락의 존재에 의한 터치 패드의 자연 커패시턴스의 변경(alteration)이 조작되어, 터치 패드에 결합할 때 손가락의 존재가 갖는 영향을 증가 또는 감소할 수 있다.
예를 들어, 터치 패드의 자연 커패시턴스가 대략 10pf이고, 기생 커패시턴스가 또 다른 10pf를 추가한 경우, 터치 패드 위에 손가락의 존재는 추가의 5pf을 추가하여, 손가락의 존재로 인한 변화는 25%의 증가이다. 그러나, 본 발명에 따르면, EMCS는 기생 커패시턴스를 감소 또는 보상하기 위해 사용된다. 기생 커패시턴스가 감소되고, 자연 커패시턴스와 손가락 존재로 인해 추가된 커패시턴스가 동일하게 유지되는 경우, 기생 커패시턴스에서 자연 커패시턴스의 합(sum)에 비해 손가락의 영향 퍼센트에 있어서 순 증가(net increase)가 존재하고, 따라서, 신호대 잡음비(SNR)가 더 커져, 본 발명에 따른 더 나은 감지 및 더 큰 설계 유연성으로 이어진다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 터치 스크린상의 감지 기능에 영향을 미치는 효과적인 양의 기생 커패시턴스에 있어서의 변화가 전략적으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 감지 기능에 영향을 미치는 순 커패시턴스의 총량(자연 커패시턴스 플러스 기생 커패시턴스)은 예상된 조건들에 따라 균일하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 물이 스크린상에 존재하는 것으로 예상되는 경우, 터치 감지 요소들 및 기생 커패시턴스를 유도할 수 있는 다른 컴포넌트들의 전위가 균일(equalize)하게 될 수 있어, 스크린상에 물 층의 존재에 의해 유도된 전체 순 커패시턴스(overall net capacitance)에 있어서의 변화가 감소되거나 사실상 제거된다. 물에 의해 유도된 추가 커패시턴스가 감소되는 경우에, 스크린을 터치하는 사용자의 손가락에 의해 유도된 커패시턴스의 변화량은 상대적으로 더 크고, 이로써, 터치 스크린의 반응성 및 성능을 개선한다.
다른 경우에, 사용자 터치에 의해 유도된 커패시턴스 변화량은, 터치 센서와 사용자의 손가락의 인접(close proximity)에 의해 유도될 것으로 예상되는 것에 비해 감소될 것으로 예상된다. 예를 들어, 사용자가 착용한 장갑은 결과적으로 사용자의 손가락이 터치 센서에서 더 멀리 배치되도록 하여, 사용자의 손가락이 시스템에 추가하는 추가의 커패시턴스의 양을 감소시킨다. 이러한 경우에, 터치 스크린의 전체 커패시턴스(자연 플러스 기생 커패시턴스)을 줄임으로써 사용자 터치에 의해 유도된 상대적인 변화량을 증가시키고 검출을 용이하게 하여, 터치 스크린의 감도를 증가시키는 것이 유리하다.
그에 따라, 본 발명의 특정 실시예들의 장점은, 효과적인 커패시턴스의 조작이 터치 스크린 설계 유연성을 더 크게 하여, 터치 스크린상의 물의 존재 또는 사용자가 착용하고 있는 두꺼운 장갑과 같은 알려진 외부 조건들을 처리하는 것을 가능하게 한다.
특정 실시예들의 또 다른 장점은 터치 스크린 디바이스가 더 높은 신호대 잡음비를 가져, 사용자 터치로 인한 커패시턴스에 있어서의 작은 변화를 검출하는 개선된 능력을 제공한다는 것이다.
특정 실시예들의 또 다른 장점은 터치 패드의 감지 성능을 동적으로 조정하여 설계 제약들이나 알려진 외부 조건들을 보상하는 능력이 있다는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소를 포함하는 용량성 터치 스크린 디바이스의 감지 성능을 개선하는 방법으로서, 상기 방법은, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 유효 커패시턴스를 변경하기 위해, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 기초하여 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접한 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위의 크기를 선택적으로 변경하는 단계; 및 후속하여 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 사용자 터치를 검출하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 실질적으로 매치하도록 변경된다. 대안적인 실시예에서, 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위와 실질적으로 다른 크기로 변경된다. 상기 방법은 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접한 복수의 전기 전도성 요소를 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복수의 전기 전도성 요소의 각각의 전위는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 기초하여 변경될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 용량성 터치 스크린은 복수의 용량성 터치 패드 요소를 포함할 수 있고, 복수의 전기 전도성 요소는 복수의 용량성 터치 패드 요소의 각각에 근접하게 배치될 수 있다. 적어도 하나의 전기 전도성 요소는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접하게 배치된 또 다른 용량성 터치 패드 요소일 수 있다.
다른 실시예들에서, 용량성 터치 감지 디바이스는, 사용자 터치를 감지하기 위한 프로세서와 동작가능하게 결합된 복수의 용량성 터치 감지 패드, 복수의 용량성 터치 감지 패드의 각각에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전기 전도성 요소, 및 용량성 터치 감지 패드들의 전위의 크기에 기초하고 예상된 외부 조건에 기초하여 전도성 요소들의 전위의 크기를 선택적으로 변경하기 위한 장치를 포함한다. 예상된 외부 조건은 용량성 터치 감지 디바이스 상의 물의 존재일 수 있고, 전기 전도성 요소들의 전위는 용량성 터치 감지 패드들의 전위에 실질적으로 매치하도록 변경될 수 있다. 다른 실시예들에서, 예상된 외부 조건은 사용자의 손가락과 용량성 터치 감지 패드들 사이에 개재되는 사용자 장갑일 수 있고, 전기 전도성 요소들의 전위는 용량성 터치 감지 패드들의 전위에 실질적으로 매치하도록 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 전기 전도성 요소들은 복수의 용량성 터치 패드 중 다른 용량성 터치 패드들일 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기 전도성 요소들은 용량성 터치 패드들과는 별개(separate from)의 전도성 구조물들이다. 전기 전도성 요소들은 용량성 터치 패드들과 동일한 기판상에 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소를 포함하는 용량성 터치 스크린 디바이스에서 기생 커패시턴스를 보상하는 방법은, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 기초하여 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접한 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위의 크기를 선택적으로 변경하는 단계, 및 후속하여 적어도 용량성 터치 패드 요소의 사용자 터치를 검출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 실질적으로 매치하도록 변경된다. 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위와 실질적으로 다른 크기로 변경된다. 상기 방법은, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접한 복수의 전기 전도성 요소를 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복수의 전기 전도성 요소의 각각의 전위는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 기초하여 변경될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 용량성 터치 스크린은 복수의 용량성 터치 패드 요소를 포함하고, 복수의 전기 전도성 요소는 복수의 용량성 터치 패드 요소의 각각에 근접하게 배치된다. 적어도 하나의 전기 전도성 요소는 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접하게 배치된 또 다른 용량성 터치 패드 요소일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면과 관련하여 다양한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명을 고려하여 더 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 터치 패드 디스플레이의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 예시적인 터치 패드 디스플레이의 개략적인 정면도이다.
도 3은 기생 커패시턴스의 존재 및 영향을 도시하는 예시적인 종래 기술의 터치 패드 디스플레이의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적으로 조작된 전도성 표면들을 포함하는 예시적인 터치 패드 디스플레이의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 전기적으로 조작된 전도성 표면들을 포함하는 예시적인 터치 패드 디스플레이의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 패드 감지 디바이스의 개략적인 블록도이다.
본 발명은 다양한 수정들 및 대안적인 형태들로 처리할 수 있는 한편, 그의 구체적인 내용은 도면에서 예로서 도시되었고 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 설명된 특정한 실시예들로 본 발명을 제한하려는 의도는 없다는 것이 이해되어야 한다. 이에 반해, 첨부된 청구항들에서 표현된 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 수정들, 등가물들, 및 대안들을 커버하려는 의도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 용량성 터치 감지 스크린 디바이스(10)는 일반적으로 기판(12), 접착제(14), 터치 감지 스크린(16), PCB 기판(18), 트레이스들(20) 및 집적 회로 형태의 제어 프로세서(22)를 포함한다. 프로세서(22) 또는 다른 전자 컴포넌트들이 트레이스들(20)에 결합되어, 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 용량성 터치 감지 스크린(capacitive touch sensing screen; 10)의 구조물들 상의 전하(charge)를 제어 및 조작한다.
이제, 도 3을 참조하면, 일반적인 종래 기술의 용량성 터치 감지 스크린(16)은 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26), 제3 터치 패드(28), 트레이스들(20)에 결합된 터치 패드 전도체들(30), 금속 브래킷(metal bracket; 32) 및 나사(screw; 34)를 포함한다. 금속 브래킷(32) 및 나사(34)는 일반적으로 섀시 접지 전위(chassis ground potential)이다. 기생 커패시턴스(parasitic capacitance; 36)은 도 3에 도시된다. 전도성 부분들이 서로 근접하기 때문에 회로의 다양한 전도성 부분들 사이에 기생 커패시턴스(36)이 존재한다. 도 3에서, 기생 커패시턴스는, 제1 터치 패드(24)와 금속 브래킷(32) 사이, 제3 터치 패드(28)와 나사(34) 사이, 및 전도체들(30) 사이는 물론, 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26) 및 제3 터치 패드(28) 사이에 존재하는 것으로 도시된다. 기생 커패시턴스는 또한 다른 전도성 아티팩트들(conductive artifacts)과 같은 다른 요소들, 및 보호 기판 자체에 의해 추가될 수 있다.
도 3의 종래 기술의 터치 스크린에서, 기생 커패시턴스(36)의 크기는 예측할 수 없다. 예를 들어, 기생 커패시턴스들(36) 중 임의의 하나의 크기는 0에서 10pf 이상에 이르는 범위일 수 있다. 터치 패드들(24, 26, 28)의 자연 커패시턴스(natural capacitance)가 약 10pf라고 가정하면, 기생 커패시턴스의 부가적 영향(additive effect)은 터치 스크린(10)의 순 커패시턴스(net capacitance)를 20pf 이상 만큼 만들 수 있다. 손가락 터치가 또 다른 5pf을 추가한다고 가정하면, 손가락 터치로 인한 커패시턴스에 있어서의 총 변화는 단지 약 25%(5pf/20pf)이거나, 또는 더 적을 가능성이 있다. 따라서, SNR이 매우 낮고, 커패시턴스에 있어서의 변화의 사용가능한 검출가능 범위는 약 25%로 제한된다. 이러한 정보의 손실은, 예를 들어, 터치 패드가 장갑에 의해 사용될 때 또는 그것이 젖었을 때와 같은, 커패시턴스에 있어서의 미세한 변화들을 감지하는 능력을 제한한다.
도 4 및 6을 참조하면, 본 발명의 제1 예시적인 실시예는, 터치 패드(16)가 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적으로 조작된 전도성 표면들(electrically manipulated conductive surfaces; EMCS)(38)을 포함하는 것으로 도시된다. EMCS 요소들(38)은, 터치 패드들(24, 26, 28)과 동일한 물질, 예를 들어, ITO로 형성될 수 있고, 또는 그 밖에 다른 적절한 전도성 물질일 수 있다. EMCS 요소들(38)은 터치 패드들(24, 26, 28)과 동일한 기판상에 형성될 수 있고, 또는 별도의 인접 기판 상에 배치될 수 있다. EMCS 요소들(38)은 전위 조정 장치(potential adjustment apparatus; 52)를 통해 전기 전원 공급 장치(50)에 전도체들(41)을 통해 결합된다. 전위 조정 장치(52)는 프로세서(22)로부터의 신호에 응답하여 전도체들(41)에 인가된 출력 전위를 변경할 수 있는 임의의 적절한 알려진 회로일 수 있다. 대안적으로, 전위 조정 장치(52)가 생략될 수 있고, 전도체들(41)이 프로세서(22)와, 즉, 원하는 전위 조정을 가져오는 프로세서(22)와 직접 결합될 수 있다.
조작된 커패시턴스(40)는, 도 4에 도시된 바와 같이, EMCS(38)와 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26) 및 제3 터치 패드(28) 사이에 존재한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, EMCS(38)에 인가된 전위는, 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26) 및 제3 터치 패드(28)의 전위와 관련되어 조작되고 제어됨으로써, 조작된 커패시턴스들(40)의 유효 용량 값(effective capacitive value)을 조작한다. EMCS에 인가된 전위때문에, 조작된 커패시턴스(40)의 유효 값(effective value)이 능동적으로 제어되고, 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26) 및 제3 터치 패드(28)의 감도가 조정될 수 있으며, 예를 들어, 터치 커패시턴스 감지 스크린(10)의 표면 상의 물에 의해 야기된 추가의 기생 커패시턴스의 영향은 경감(mitigate) 또는 무효화(negate)될 수 있다.
이제, 도 4를 참조하면, 터치 스크린(10) 상의 물의 영향을 경감하기 위한 전략의 제1 예에서, EMCS 요소들(38)은 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26), 및 제3 터치 패드(28)와 동일한 전위로 설정된다. 예를 들면, 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26), 및 제3 터치 패드(28)가 ＋2.0VDC 전위로 동작되는 경우, EMCS 요소들(38)은 모두 동일한 ＋2.0VDC 전위로 충전된다. 제1 터치 패드(24), 제2 터치 패드(26), 제3 터치 패드(28), 및 EMCS 요소들(38) 사이에 전위 차가 존재하지 않으므로, 조작된 커패시턴스들(40)은 효과적으로 0으로 설정된다. 따라서, 각 터치 패드(24, 26, 28)가 10pf의 자연 커패시턴스를 갖는다고 가정하면, 임의의 기생 커패시턴스 컴포넌트가 효과적으로 0으로 감소하는 것은, 터치 스크린(10)의 순 커패시턴스를 터치 패드들(24, 26, 28)의 자연 커패시턴스인 10pf과 본질적으로 동일하게 만든다. 터치 스크린(10) 상의 물의 층에 의해 추가된 임의의 기생 커패시턴스는 감지 성능에 영향을 미치지 않을 것인데, 그 이유는, 그것이 터치 패드들(24, 26, 28) 및 EMCS 요소들(38)에 동등하게 커패시턴스를 추가하고, 이들은 모두 동일한 전위이기 때문이다. 손가락 터치가 터치 패드들(24, 26, 28) 중 임의의 것에 실시될 때, 손가락 터치가 5pf을 추가한다고 가정하면, 터치된 패드는 총 15pf의 커패시턴스, 즉, 그의 10pf의 자연 커패시턴스로부터 50% 증가를 갖는 것으로 나타날 것이다. 이는, 물이 터치 스크린(10) 상에 존재할 때조차, EMCS 없는 종래 기술의 터치 스크린으로부터의 SNR의 두 배이다.
사용자가 착용하고 있는 장갑으로 인한 용량 결합(capacitive coupling)의 감쇠를 보상할 때 유사한 전략이 유익할 수 있다. 장갑의 두께 때문에 터치 패드로부터 사용자의 손가락의 증가된 거리는, 사용자의 손가락과 터치 패드 사이의 용량 결합의 크기가 감소되는 것을 야기할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 손가락 터치는, 사용자가 맨 손가락으로 스크린을 터치할 때 5pf 증가하는데 반해, 사용자가 장갑을 착용하고 있을 때는 터치 스크린의 순 커패시턴스에 있어서 단지 2pf 증가만 야기할 수 있다. 도 3의 종래 기술의 터치 패드의 경우에, 10pf에 이르는 기생 커패시턴스가 터치 패드들(24, 26, 28)의 10pf 자연 커패시턴스에 추가되고, 20pf의 총 커패시턴스에 대해, 커패시턴스에 있어서의 변화 2pf는 단지 10% 변화 - 잡음으로 인한 변화들과 구별하기 어려운 변화량 - 에 이를 것이다.
그러나, 도 4의 EMCS 실시예에서, EMCS 요소들(38)의 전위는 터치 패드들(24, 26, 28)과 동일한 전위로 설정되어, 이로써 기생 커패시턴스의 영향을 제거하고, 각 터치 패드(24, 26, 28)는 그의 자연 커패시턴스 10pf와 동일한 전체 커패시턴스를 갖는다. 이러한 경우에, 장갑을 통한 사용자 터치로 인한 2pf 변화는 커패시턴스에 있어서 20% 변화에 이르고, 이는 잡음으로 인한 변화들로부터 구별하기가 훨씬 더 용이하다.
EMCS는 또한 사용자 터치로 인한 커패시턴스에 있어서의 변화가 터치 스크린과 관련된 하드웨어에 의해 효과적으로 측정되기에 사실상 너무 큰 경우에 유익하게 이용될 수 있다. 이는 신호 클리핑(signal clipping) - 또는 다시 말해 신호/정보의 손실을 야기한다. EMCS 요소들(38)에 적절한 전위를 인가함으로써, 신호 무결성과 안정성을 유지하면서 터치로 인한 변화를 제한하는 것이 가능하게 된다. 이는 감소된 이득으로 인한 더 작은 변화들을 믿을 수 있게 추론하는 것을 가능하게 만들고, 또한 훨씬 광범위한 제품들의 세트에 커패시턴스 감지(capacitive sensing)를 적용하는 것을 가능하게 만든다.
다시, 도 4를 참조하면, 터치 패드들(24, 26, 28)이 동일한 자연 커패시턴스 10pf을 갖는다고 가정하면, EMCS 요소들(38)의 전위는 터치 패드들(24, 26, 28)의 전위의 1/2로 설정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이는 5pf의 조작된 커패시턴스(40) 값을 야기할 수 있고, 이로써, 터치 패드들(24, 26, 28)의 전체 순 커패시턴스를 15pf으로 구축한다. 사용자 터치로부터 추가된 커패시턴스가 5pf인 것으로 가정하면, 그 결과는 커패시턴스에 있어서 25% 변화이고, 이는 터치 패드들(24, 26, 28)에 결합된 프로세서의 감지 범위를 더 잘 수용할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 이런 저런 유익한 전략들은, 감지된 조건들에 응답하여 동적으로 선택적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 신호 클리핑 조건이 프로세서에 의해 검출되는 경우, EMCS 요소들(38)의 전위는, 프로세서에서 프로그래밍된 알고리즘에 의해, 신호 클리핑이 더 이상 발생하지 않는 레벨로 감소될 수 있지만, 그것이 기생 커패시턴스의 영향을 무효화하기에 충분히 높은 레벨로 여전히 존재함으로써, 터치 스크린의 SNR을 최적화한다.
유사하게, 물의 존재를 검출하기 위한 알려진 방법들 및 장치들을 사용하면, 프로세서에서 프로그래밍된 알고리즘은, 조작된 커패시턴스들(40)을 효과적으로 0으로 만들기 위하여, 조작된 커패시턴스들(40)이 0이 아닌(non-zero) 레벨에서 터치 패드들(24, 26, 28)의 전위에 동일한 레벨로, EMCS 요소들(38)에 인가된 전위를 증가시킬 수 있다. 따라서, 터치 스크린(10) 상의 물의 영향은, 그것이 발생할 때 동적으로 효과적으로 어드레스될 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 터치 패드(24), 제3 터치 패드(28), 및 금속 브래킷(32)과 나사(34)와 같은 인접한 전도성 구조물들이 EMCS 요소들의 역할을 할 수 있어, 조작된 커패시턴스들(42)이 구축된다. 커패시턴스 변화를 검출하기 위해 각 터치 패드(24, 26, 28)가 프로세서에 의해 차례로 스캔됨에 따라, 인접한 터치 패드들의 전위들은, 감지 성능에 영향을 미치기 위하여, 위에서 설명된 바와 같이, 원하는 레벨로 조정될 수 있다. 예를 들어, 제2 터치 패드(26)가 활동중일 때, 제1 터치 패드(24) 및 제3 터치 패드(28)의 전위는 제2 터치 패드(26)의 감도에 영향을 미치도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 스크린 상에 물이 존재하는 경우에, 제1 터치 패드(24) 및 제3 터치 패드(28)의 전위들은 제2 터치 패드(26)의 전위에 매치하도록 조정될 수 있어, 조작된 커패시턴스(42)를 효과적으로 0으로 만든다. 추가로, 금속 브래킷(32) 및 나사(34)가 섀시 접지에서 격리되는 경우에, 전도체(44)를 통해, 터치 패드들(24, 26, 28)과 같은 이러한 요소들에 동일한 전위가 인가될 수 있어, 이러한 요소들로 인한 조작된 커패시턴스(42)를 효과적으로 0으로 만든다. 따라서, EMCS는 동적으로 터치 감지 패드들의 커패시턴스를 조정하기 위해 사용될 수 있고, 별도의 전용 EMCS 요소들이 사용되지 않는 경우에도, 원하는 감도를 위해 터치 감지 패드들의 커패시턴스를 최적화할 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 철저한 이해를 제공하는 수많은 구체적인 내용을 제시한다. 여기에 개시된 다양한 실시예들은 이러한 구체적인 내용의 일부 또는 전부 없이 실행될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 경우에 따라, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 당업자에게 알려진 컴포넌트들은 여기에 상세히 설명되지 않았다. 다양한 실시예의 수많은 특성과 장점이 다양한 실시예의 구조 및 기능의 상세와 함께 전술한 설명에서 명시되었지만, 이러한 개시는 단지 예시적인 것임이 이해될 것이다. 본 발명의 원리 및 사상을 이용하는 다른 실시예들이 구성될 수 있다. 따라서, 본 출원은 본 발명의 임의의 개조들 또는 변형들을 커버하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 용량성 터치 스크린의 표면 상에 배치된 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소(capacitive touch pad element)를 포함하는 용량성 터치 스크린 디바이스의 감지 성능을 개선하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 사용자 터치를 검출하기 위해 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위를 결정하는 단계;
    상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 대한 사용가능하고 검출가능한 커패시턴스의 변화 범위를 변경시키는 상기 용량성 터치 스크린 디바이스의 조건을 검출하는 단계;
    상기 검출된 조건 및 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 상기 결정된 전위에 기초하여, 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 유효 커패시턴스(effective capacitance)를 변경함으로써 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 대한 상기 사용가능하고 검출가능한 커패시턴스의 변화 범위를 개선하기 위해 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접하게 상기 용량성 터치 스크린의 표면 상에 배치된 적어도 하나의 다른 전기 전도성 구조물의 전위의 크기를 선택적으로 변경하는 단계; 및
    후속하여, 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 사용자 터치를 검출하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위는 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 실질적으로 일치(match)하도록 변경되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 구조물의 전위는 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위와 실질적으로 상이한 크기로 변경되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접하게 복수의 전기 전도성 요소를 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 전기 전도성 요소 각각의 전위는 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 전위에 기초하여 변경되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용량성 터치 스크린은 복수의 용량성 터치 패드 요소를 포함하고, 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 각각에 근접하게 복수의 전기 전도성 요소가 배치되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소에 근접하게 배치된 상기 적어도 하나의 다른 전기 전도성 구조물은 다른 용량성 터치 패드 요소인 방법.
  8. 용량성 터치 감지 디바이스로서,
    상기 용량성 터치 감지 디바이스의 터치 감지 표면상에 배치되고, 상기 용량성 터치 감지 디바이스의 상기 표면의 사용자 터치를 감지하기 위해 프로세서와 동작가능하게 결합된 복수의 용량성 터치 감지 패드들;
    상기 복수의 용량성 터치 감지 패드들 각각에 근접하게 상기 용량성 터치 감지 프로세서의 상기 표면 상에 배치된 적어도 하나의 전기 전도성 요소; 및
    상기 용량성 터치 감지 패드들 중 선택된 용량성 터치 감지 패드에 대한 전위의 인가를 제어하고, 상기 복수의 용량성 터치 감지 패드들 중 상기 적어도 하나의 용량성 터치 감지 패드에 대한 사용가능하고 검출가능한 커패시턴스의 변화 범위를 변경시키는 상기 용량성 터치 감지 디바이스의 외부 조건을 검출하고, (ⅰ) 상기 용량성 터치 감지 패드들의 전위의 크기 및 (ⅱ) 상기 검출된 외부 조건에 기초하여, 상기 용량성 터치 감지 디바이스의 상기 표면과 상기 사용자 터치의 용량 결합의 감쇠를 보상하기 위해 상기 적어도 하나의 전기 전도성 요소의 전위의 크기를 선택적으로 변경하도록 동작가능한 장치
    를 포함하는 용량성 터치 감지 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 검출된 외부 조건은 상기 용량성 터치 감지 디바이스 상의 물의 존재이고, 상기 전기 전도성 요소들의 전위는 상기 용량성 터치 감지 패드들의 전위에 실질적으로 일치하도록 변경되는 용량성 터치 감지 디바이스.
  10. 제8항에 있어서, 상기 검출된 외부 조건은 사용자의 손가락과 상기 용량성 터치 감지 패드들 사이에 개재되는(intervening) 사용자 장갑이고, 상기 전기 전도성 요소들의 전위는 상기 용량성 터치 감지 패드들의 전위에 실질적으로 일치하도록 변경되는 용량성 터치 감지 디바이스.
  11. 제8항에 있어서, 상기 전기 전도성 요소들은 상기 복수의 용량성 터치 패드 중 다른 용량성 터치 패드들인 용량성 터치 감지 디바이스.
  12. 제8항에 있어서, 상기 전기 전도성 요소들은 상기 용량성 터치 패드들과는 별개의 전도성 구조물들인 용량성 터치 감지 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전기 전도성 요소들은 상기 용량성 터치 패드들과 동일한 기판 상에 형성되는 용량성 터치 감지 디바이스.
  14. 복수의 용량성 터치 패드 요소를 포함하는 용량성 터치 스크린 디바이스에서 기생 커패시턴스를 보상하는 방법으로서,
    상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 중 선택된 용량성 터치 패드 요소에 전위를 인가하는 단계;
    상기 선택된 용량성 터치 패드 요소의 사용자 터치로 인한 상기 선택된 용량성 터치 패드 요소의 자연 커패시턴스(natural capacitance)의 변화를 감지하는 단계;
    상기 선택된 용량성 터치 패드 요소의 사용가능하고 검출가능한 자연 커패시턴스의 변화 범위에 대한 변경을 검출하는 단계;
    상기 선택된 용량성 터치 패드 요소에 인가된 상기 전위에 기초하여, 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 중 인접하는 용량성 터치 패드 요소의 기생 커패시턴스를 보상하기 위해 상기 선택된 용량성 터치 패드 요소에 근접하게 위치된 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 중 인접하는 용량성 터치 패드 요소에 인가된 전위의 크기를 선택적으로 변경하는 단계; 및
    후속하여, 적어도 하나의 용량성 터치 패드 요소의 사용자 터치로 인한 상기 선택된 용량성 터치 패드 요소의 자연 커패시턴스의 변화를 감지하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 중 인접하는 용량성 터치 패드 요소의 전위는 상기 선택된 용량성 터치 패드 요소의 전위에 실질적으로 일치하도록 변경되는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 중 인접하는 용량성 터치 패드 요소의 전위는 상기 선택된 용량성 터치 패드 요소의 전위와 실질적으로 상이한 크기로 변경되는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 복수의 전기 전도성 요소를 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 복수의 전기 전도성 요소의 각각은 상기 복수의 터치 패드 요소의 각각에 근접하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 복수의 전기 전도성 요소 각각의 전위는 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소의 각각의 전위에 기초하여 변경되는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 복수의 용량성 터치 패드 요소 각각에 근접하게 복수의 전기 전도성 요소가 배치되는 방법.
  20. 삭제
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