KR101899895B1 - 전송 라인의 임피던스 변화들을 특징화함으로써 결정된 터치 감지 - Google Patents

전송 라인의 임피던스 변화들을 특징화함으로써 결정된 터치 감지 Download PDF

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Abstract

터치 패널 또는 스크린은 기판, 예를 들면 인쇄 회로 기판, LCD, 플라즈마 또는 LED 스크린 등에 제조된 나선형 전송 라인을 구비하며, 일정한 임피던스를 갖는다. 터치 패널에의 터치들은 터치들의 위치에서 전송 라인의 임피던스 변경들을 일으킬 것이다. 시간 영역 반사 측정법(TDR)은 복수의 펄스들의 소스에서 리턴 펄스 시간들을 정확하게 측정하고, 이후 리턴 펄스 시간들을 터치 패널 또는 스크린의 X-Y 좌표로 변환함으로써, 전송 라인의 임피던스 변경들에 대한 위치들을 결정하기 위해 사용된다.

Description

전송 라인의 임피던스 변화들을 특징화함으로써 결정된 터치 감지{TOUCH SENSE DETERMINED BY CHARACTERIZING IMPEDANCE CHANGES IN A TRANSMISSIOM LINE}
관련 특허 출원
본 출원은 바트링 제임스 에스와 리만 데니스 피이에 의하여 2011년 4월 21일자로 출원된 "전송 라인의 임피던스 변화들을 특징화함으로써 결정된 터치 감지"를 발명의 명칭으로 하는 공동 소유의 미국 특허 가출원 제61/477,952호에 대한 우선권을 주장하며, 이로써 상기 미국 특허 가출원은 일체의 목적을 위하여 본 출원에 참조로서 통합된다.
본 발명은 터치 감지 패널들과 스크린들에 관한 것으로, 특히, 터치 감지 패널 또는 스크린상에 제조된 전송 라인의 임피던스 변화들을 특징화함으로써, 터치 감지 패널 또는 스크린상에 터치된 위치를 감지하는 것에 관한 것이다.
터치 감지 패널들과 스크린들은, 가전 제품들, 상업적이고 산업적인 제어 패널들 등과 사용자 인터페이싱을 위해 다수의 응용기기들에 사용된다. 매트릭스에 배치된 복수의 터치 센서들, 예를 들면 정전용량성, 유도성, 저항성 터치 센서들은 각각 터치 센서 매트릭스의 특정 영역들 위에 손가락과 같은 물체를 위치시킴으로써 제각기 활성화될 수 있다. 매트릭스에 배치된 복수의 터치 센서들 각각은 정해진 활성 영역을 가지므로, 일단 터치 센서 매트릭스가 설계되면 그 설계 레이아웃으로부터 어떤 변형도 불가능하다. 패널에 터치 센서들의 매트릭스를 제조하고 그것에 전자장치를 지원하는 것 역시 복잡하고 고비용일 수 있다.
그러므로, 본 발명은 설계 및 구현 모두에 있어 유연하고, 제조 비용이 적은 터치 패널 또는 스크린을 제공하는 것이 요구된다.
일 실시예에 따른, 기판에의 터치들을 감지하고 그 위치 영역들을 결정하는 방법은 a) 샘플 시간 기준 값을 제공하는 단계; b) 타이밍 커패시터의 임의의 충전 전압을 제로 볼트로 방전하는 단계; c) 기판 위에 제조된 복수의 터치 위치 영역들을 포함하는 나선형 전송 라인의 제1 단부로 전압 진폭을 갖는 펄스를 송신하는 단계; d) 정전류원으로 상기 타이밍 커패시터를 충전하는 단계; e) 상기 샘플 시간 기준 값을 샘플 시간 기준 전압으로 변환하는 단계; f) 상기 샘플 시간 기준 전압과 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압을 비교하는 단계로서, 상기 샘플 시간 기준 전압과 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압이 동등하면, 이후 상기 샘플 시간 기준 값과 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서의 전압의 샘플을 저장하고, 이후 단계 h)로 진행하고, 및 상기 샘플 시간 기준 전압과 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압이 동등하지 않으면, 이후 단계 g)로 진행하는 단계; g) 상기 펄스가 끝났는지를 결정하는 단계로서, 상기 펄스가 끝났으면 이후 단계 a)로 리턴하고, 및 상기 펄스가 끝나지 않았으면 이후 단계 f)로 리턴하는 단계; h) 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서의 샘플링 전압이 상기 펄스의 전압 진폭보다 작은지를 결정하는 단계로서, 상기 펄스의 전압 진폭보다 작지 않으면, 이후 단계 a)로 리턴하고, 및 상기 펄스의 전압 진폭보다 작으면 이후 단계 i)로 진행하는 단계; 및 i) 상기 저장된 샘플 시간 기준 값을 상기 기판의 위치 영역으로 변환하고, 이후 단계 a)로 리턴하는 단계를 포함할 수 있다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 샘플 시간 기준 값을 제공하는 단계는 펄스가 종료하는 경우마다 샘플 시간 기준 값을 증가시키는 것을 포함한다. 본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 샘플 시간 기준 값을 제공하는 단계는 새로운 펄스가 시작하는 경우마다 샘플 시간 기준 값을 증가시키는 것을 포함한다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서 하나의 펄스를 어서팅하는 것과 이후 상기 나선형 전송 라인의 제2 단부에서 다음 펄스를 어서팅하는 것을 교대로 생성하는 단계; 상기 펄스가 상기 제1 단부에서 어서팅되면 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부로부터의 상기 전압 샘플을 저장하고, 상기 다음 펄스가 상기 제2 단부에서 어서팅되면 상기 나선형 전송 라인의 상기 제2 단부로부터의 다음 전압 샘플을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 샘플 시간 기준 전압과 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압을 비교하는 단계는 전압 비교기를 이용하는 것을 포함할 수 있다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서 저장된 샘플링 전압이 상기 펄스의 전압 진폭보다 작은지를 결정하는 단계는, 아날로그 디지털 변환기(ADC)로 상기 제1 단부에서의 전압의 저장된 샘플을 디지털 값으로 변환하는 것과, 및 디지털 비교기로 상기 디지털 값과 디지털 기준 값을 비교하는 것을 포함할 수 있다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 저장된 샘플 시간 기준 값을 상기 기판의 터치되었던 위치 영역으로 변환하는 단계는 복수의 샘플 시간 기준 값들과 그들에 대응하는 위치 영역들을 갖는 룩-업 테이블을 이용하여 상기 저장된 샘플 시간 기준 값에 대응하는 위치 영역을 검색하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 본 방법은 상기 기판의 터치된 위치 영역들의 분해능을 개선하기 위해 상기 제1 단부로부터의 전압 샘플에 대응하는 위치 영역과 상기 제2 단부로부터의 다음 전압 샘플에 대응하는 위치 영역을 평균하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 방법은 터치되었던 복수의 위치 영역들을 메모리에 저장하는 단계; 및 상기 메모리에 저장된 상기 복수의 위치 영역들로부터 인접한 위치 영역들에 대해 가우시안 개연성 분배를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 방법은 터치되었던 복수의 위치 영역들을 메모리에 저장하는 단계; 및 상기 메모리에 저장된 상기 복수의 위치 영역들로부터 유사한 위치 영역들을 평균하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 방법은 터치되었던 복수의 위치 영역들을 메모리에 저장하는 단계; 및 상기 메모리에 저장된 상기 복수의 위치 영역들로부터 위치 영역들을 변경시키는 방향과 속도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 기판은 앞쪽의 인쇄 회로 면에는 상기 나선형 전송 라인을 구비하고, 뒤쪽의 인쇄 회로면 면에는 전기 전도체로 덮여있는 인쇄 회로 기판을 포함하는 터치 패널일 수 있다. 본 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 기판은 그 위에 상기 나선형 전송 라인을 갖는 정면과 광 투과 전기 전도체로 덮인 배면을 구비한 광 투과성 절연 재질을 포함하는 터치 스크린일 수 있다.
또 하나의 실시예에 따른, 기판에의 터치들을 감지하고 그 위치 영역들을 결정하기 위한 장치는, 타이밍 커패시터와 정전류원을 포함하는 충전 시간 측정 유닛(CTMU); 샘플 시간 기준 값을 제공하는 샘플 시간 기준원; 상기 샘플 시간 기준 값을 샘플 시간 기준 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 변환기(DAC); 상기 DAC의 출력과 결합된 제1 입력과 상기 CTMU의 상기 타이밍 커패시터와 결합된 제2 입력을 구비한 전압 비교기; 기판 위에 제조된 복수의 터치 위치 영역들을 포함하는 나선형 전송 라인으로서, 상기 나선형 전송 라인은 제1 및 제2 단부들을 구비하고, 제1 전압 감지 노드는 제1 저항을 통해 상기 제1 단부에 결합하는 나선형 전송 라인; 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서 전압 진폭을 갖는 펄스를 생성하기 위한 펄스 생성기; 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에 연결된 입력과 상기 전압 비교기의 출력에 결합된 샘플 제어 입력을 구비한 샘플 및 홀드 회로; 상기 샘플 및 홀드 회로의 출력에 결합된 입력을 구비한 아날로그 디지털 변환기(ADC); 및 상기 ADC의 출력에 결합된, 메모리를 구비한 디지털 프로세서를 포함하고, 상기 펄스 생성기로부터의 펄스가 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에 어서팅되면, 상기 정전류원이 상기 타이밍 커패시터에 결합되어 충전을 시작하고, 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압이 상기 샘플 시간 기준원으로부터의 샘플 시간 기준 전압과 동등하면, 상기 전압 비교기는 상기 샘플 및 홀드 회로로 하여금 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 전압 감지 노드의 전압을 샘플링하여 홀드하게 하고, 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 전압 감지 노드에서 취해진 전압 샘플이 기준 전압보다 작으면, 이후 디지털 프로세서는 상기 샘플 시간 기준 값을 상기 기판의 위치 영역으로 변환할 수 있다.
구체적인 실시예에 따르면, 상기 나선형 전송 라인의 제2 단부는 제2 저항으로 종단될 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 나선형 전송 라인의 제2 단부는 종단되지 않을 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 멀티플렉서는 상기 제1 전압 감지 노드에 결합된 제1 입력, 제2 전압 감지 노드에 결합된 제2 입력 및 상기 샘플 및 홀드 회로의 입력에 결합된 출력을 구비한다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다.
구체적인 실시예에 따르면, 상기 기판은 앞쪽의 인쇄 회로 면에는 상기 나선형 전송 라인을 구비하고, 뒤쪽의 인쇄 회로면 면에는 전기 전도체로 덮여있는 인쇄 회로 기판을 포함하는 터치 패널일 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 기판은 그 위에 상기 나선형 전송 라인을 갖는 정면과 광 투과 및 전기 전도 재질로 덮인 배면을 구비한 광 투과성 절연 재질을 포함하는 터치 스크린일 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 광 투과 및 전기적인 전도 재질은 인듐 주석 화합물(ITO)일 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 터치 스크린은 그래픽 디스플레이와 시계 사이에 위치될 수 있다.
첨부한 도면과 관련된 다음의 설명을 참조하면, 본 발명을 더욱 완전하게 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 터치 패널 또는 스크린 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 개시에 따른 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템에 대한 펄스 파형의 전압 진폭 대 시간 그래프를 도시한다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린의 터치 영역들에 대한 다이어그램을 도시한다.
도 4는 본 발명의 특정 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 6은 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 시간-전압 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 개시에 따른, 도 4, 5 및 8에 도시된 혼합 신호 집적 회로 디바이스들의 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 소스 및 리턴 펄스들과 관련된 소스 펄스들, 리턴 펄스들, 샘플 펄스들 및 충전 전압들의 시간-전압 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 또 하나의 특정 실시예에 따른, 터치 패널 또는 스크린 시스템의 전송 라인의 각 단부로부터 TDR 샘플링을 인터리빙할 수 있는 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 개시에 따른, 도 9에 도시된 혼합 신호 집적 회로의 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 소스와 리턴 펄스들과 관련된 소스 펄스들, 리턴 펄스들 및 충전 전압들을 번갈아 생성하는 시간-전압 그래프를 도시한다.
도 11은 본 발명의 또 하나의 특정 실시예에 따른, 복수의 터치 위치들을 검출하고 결정하기 위해 도 1에 도시된 터치 패널 또는 터치 스크린의 동작에 대한 처리 흐름도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 또 다른 하나의 특정 실시예에 따른, 복수의 터치 위치들을 검출하고 결정하기 위해 도 1에 도시된 터치 패널 또는 터치 스크린의 동작에 대한 처리 흐름도를 도시한다.
본 발명은 다양한 변형물 및 대체 형태가 가능하지만, 바람직한 실시예들이 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었다. 하지만, 바람직한 실시예들의 설명은 본 발명을 여기에 개시된 바람직한 형태로 한정하려는 것이 아니며, 오히려 반대로, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 정의된 모든 수정물 및 등가물을 포함하려 한다.
시간 영역 반사 측정법(TDR)은 레이더와 유사한 원리로서 동작한다. 에너지 펄스는 일정한 임피던스를 갖는 전기 전도성 패스(예를 들면 전송 라인)를 따라 전송된다. 상기 펄스가 전기 전도성 패스의 비-종단된 단부(un-terminated end)에 도달하거나 전기 전도성 패스를 따라 임피던스가 변하면, 에너지 펄스의 일부 또는 모두는 그 소스로 다시 반사된다. 두 개의 금속 전도체들이 함께 매우 근접하게 위치되면, 두 개의 금속 전도체들은 금속 전도체들의 공간과 그들 사이의 절연 유전체에 의해 결정된 특성 임피던스를 갖는 전송 라인을 형성한다.
전송 라인이 그 특성 임피던스로 종단되면(terminated), 어떤 반사 펄스도 전송 라인의 시작에서 비롯되었던 그곳으로 되돌아가지 않을 것이다. 전송 라인이 비-종단되면, 전송된 펄스가 전송 라인의 시작에서 비롯되었던 그곳으로 되돌아가는 포지티브 반사 펄스가 있을 것이다. 전송 라인을 따라 어디에서든지 임피던스 차이가 있는 경우, 반사 펄스가 생성되어 나중에 검출될 것이다. 이 반사 펄스가 펄스원 위치로 리턴하는데 걸리는 시간은, 임피던스 차이가 생기는 거리를 결정하는데 사용된다. 전송 라인을 따른 정전용량의 증가(예를 들면, 손가락 터치)는, 리턴 반사 펄스가 생성된(전송된) 펄스에 대하여 네거티브되게 할 것이다.
펄스가 전송 라인을 따라 송신되면, 소스에서의 전압은 전송 라인의 임피던스를 특징짓는데 이용될 수 있다. 펄스원(pulse source)에서 펄스 전압 진폭 대 시간을 샘플링함으로써 전송 라인의 임피던스가 결정될 수 있고 또한 패널 또는 스크린에의 터치에 기인하는 어떤 임피던스 변화들이 전송 라인을 따라 생길 수 있다. 이는, 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면 터치 패널 또는 스크린상에 제조된 나선형의(serpentine) 전송 라인에 대해 제한되지 않는 수의 동시 터치들을 검출할 수 있는 능력을 제공한다. 또한 그것은 광범위한 재질 및 전송 라인들에 걸쳐 이용될 수 있다. 본 발명의 장점은 터치 패널 또는 스크린상에서 미세 분해능으로 제한되지 않는 수의 터치들을 검출하는데에 있다.
TDR 회로는 전송 라인으로 에너지 펄스들을 생성하고, 이후 생성된 소스 펄스의 시작과 생성된 펄스의 소스로 되돌아가는 반사 펄스의 검출 사이의 시간 간격을 결정하는데 사용될 수 있다. 이 시간 간격은 이후 생성된 펄스의 소스로부터 반사 펄스를 일으키는 임피던스 "범프"까지의 거리를 결정하는데 사용된다. 시간 간격은 터치 패널의 전기 전도성 패스의 거리 및/또는 물리적인 위치, 예를 들면 X 및 Y 좌표로 변환될 수 있다. 테이블 룩업 및/또는 계산이, 시간 간격을 터치 패널 또는 스크린상의 거리 및/또는 물리적인 위치로 변환시키는데 이용될 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 터치 패널 또는 스크린은 기판, 예를 들어 인쇄 회로 기판 또는 광 투과 스크린상에 제조된 나선형의 전송 라인을 구비하며, 또한 일정한 임피던스를 갖는다. 터치 패널 또는 스크린에의 터치는 터치 위치에서 전송 라인의 임피던스의 변화를 일으킬 것이다. 전송 라인에 인가된 복수의 펄스들의 각 펄스의 시작 후 정확한 시간 증분에서 전송 라인의 펄스원 (근접) 단부에서의 전압 샘플링은, 터치(들)(손가락 또는 물체로부터의 정전용량)로 인해 야기된 전송 라인의 임피던스 변화(들)의 위치를 결정하는데 이용된다. 전송 라인 상에 터치에 의해 유도된 "임피던스 범프"는 전송 라인의 펄스원 단부로부터의 터치 위치의 거리에 비례하는 시간 간격으로 전송 라인의 펄스원 단부로 다시 리턴하는 네거티브 전압 펄스를 일으킨다. 이 네거티브 전압 펄스는, 정확한 리턴 시간에서 샘플링되는 경우 전송 라인의 펄스원 단부에서 전송 라인의 터치 위치와 펄스원 사이의 거리를 정의하는 전압 감소를 일으킬 것이다. 이 전압 강하가 샘플링되는 시간 간격(펄스원의 개시로부터 네거티브 전압 리턴 펄스까지의 시간)은 이후 터치 패널 또는 스크린의 X-Y 좌표로 변환될 수 있을 것이다.
터치 패널 또는 스크린, 또는 임의의 터치 응용기기가 하나 이상의 나선형의 전송 라인들을 구비한 기판상에 구현될 수 있다. 터치 감지를 위해 기판상에 나선형의 전송 라인을 이용하면, 터치 영역들이 어디에 그리고 얼마나 많이 구현될 수 있는지에 대해 물리적인 제한들이 없고, 터치 위치 소프트웨어 프로그램 구현이 용이하고, 또한 종래의 터치 감지 구현들에 비해 더 신뢰성이 있고 정확한 터치 감지가 가능하므로, 제조 비용이 적게 들고, 터치 패널의 설계가 아주 단순화된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 번호로 표시하고, 유사한 구성요소는 작은 접미 문자를 달리한 동일 번호로 표시한다.
도 1은 본 개시의 교시에 따른 터치 패널 또는 스크린 시스템의 블록도를 도시한 도면이다. 터치 패널 또는 스크린(100)은 전도성 면과 비전도성 면을 구비한 기판(110)과, 기판(110)의 비전도성 면에 근접한 일정한 임피던스 나선형 스트립 라인(112)과, 혼합 신호 집적 회로 디바이스(102)와, 제1 종단 저항(106)과, 제2 종단 저항(104)을 포함한다. 터치 패널을 위해, 일정한 임피던스 나선형 스트립 라인(112)과 기판(110)은 양면 인쇄 기판 보드(PCB)로부터 제조될 수 있는데, 여기서 PCB의 한 면은 (노드(108)에서 전력 공급 공통 또는 접지에 연결되는) 연속적인 동박이고, 다른 한 면은 도 1에 도시된 나선형 스트립 라인(112) 구성으로 에칭된 동박일 수 있다. 터치 스크린을 위해, 광 투과성 절연 재질은 그 위에 나선형 스트립 라인(112)(내부를 통과하는 광을 실질적으로 차단할 수 없는 광 투과성 재질 또는 매우 얇은 전기 전도성 재질의 어느 하나로 만들어짐)을 구비한 정면과, 광 투과 및 전기 전도성 재질, 예를 들면, ITO(indium tin oxide)로 덮은 배면을 구비한다. 액정 디스플레이(LED), 발광 다이오드(LED) 디스플레이, 플라즈마 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 등이, 그래픽들과, 푸시 버튼들, 슬라이드 스위치들, 게이지들, 다이얼들 등과 같은 기타 시각 표시들을 디스플레이하기 위해 상술한 터치 스크린의 뒤에 위치될 수 있다.
터치 패널 또는 스크린 기판 정면의 나선형 스트립 라인(112)과 배면의 전도성 레이어는, 일정한 임피던스 스트립 라인 형태의 전송 라인을 만드는데, 이 전송 라인은 그 특성 임피던스로 종단되면 어떤 신호 반사도 없고, 예를 들면, 전압 정재파 비(VSWR) 1:1이고, 비-종단되면 생성 펄스와 진폭에 있어서 실질적으로 동등한 포지티브 신호 반사를 갖는다. 제1 및 제2 종단 저항들(106, 104)은 나선형 스트립 라인(112)의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 저항값을 갖는다. 하지만, 나선형 스트립 라인(112)을 따라 어디에서든지 임피던스 부정합(mismatch)이 있으면, 반사 (네거티브 신호) 펄스는 생성 (신호) 펄스가 최초 인가된 단부로 리턴될 것이다.
패널 동작 영역(114)은 복수의 터치 영역들로 구분될 수 있으며, 예를 들면, 터치 영역들(116, 118)은 두 개의 이러한 터치 영역들을 표현한다. 물체(미도시됨), 예를 들면 손가락이 터치 영역에 매우 가깝게 위치되면, 영향을 받은 터치 영역에 놓여있는 스트립 라인(112)의 부분에 의해 임피던스가 변경될 것이다. 이제 생성된 펄스원으로 다시 리턴하는 반사 펄스를 일으키는 임피던스 "범프(bump)"가 존재한다. (펄스원에서 펄스가 개시되는 시간을 기초로 하여) 반사 펄스가 펄스원에 다시 도달하는 시간을 측정함으로써, 펄스 신호원으로부터 터치된 패널 동작 영역(114)까지의 나선형 스트립 라인(112)의 길이(거리)가 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 개시에 따른 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 펄스 파형의 전압 진폭 대 시간 그래프를 도시한다. 혼합 신호 집적 회로 디바이스(102)는 노드(122)(도 1 참조)에서 펄스를 생성하는데, 펄스는 대략 VDD의 진폭과 나선형 스트립 라인(112)의 적어도 2배의 전파 시간의 펄스 시간 구간을 갖는다. 저항(106)은 나선형 스트립 라인(112)의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 저항값을 가지므로, 노드(120)에서의 펄스는 시각(150)에서 VDD/2로 상승할 것이다. 패널 동작 영역(114)에의 터치에 의해 야기된 리턴 펄스는, 시각(152)에 표현된 네거티브 진폭을 갖는다. 나선형 스트립 라인(112)의 개방(비-종단된) 단부(예를 들면, 도 1에서 노드들(124 및 126) 둘 다 고 임피던스에 있음)로부터 리턴하는 생성 펄스는 시각(154)에서 포지티브 진폭, 예를 들면, 대략 VDD/2을 가질 것이며, 또한 최초 생성 펄스 진폭(VDD/2)에 가산되어, 결과적으로 시각(154)에서 더욱 포지티브 진폭, 예를 들면, 대략 VDD가 된다. 시각들(150 및 152)에서 노드(120)의 전압 진폭 변화들을 검출함으로써, 터치 영역이 결정될 수 있다. 시각(150)에서 노드(120)의 포지티브 전압 펄스는 대략 VDD/2의 진폭이 되고, 시각(152)에서 네거티브 리턴 펄스는 노드(120)에서의 전압을 VDD/2보다 작은 진폭을 갖는 전압으로 만들며, 시각(154)에서 포지티브 리턴 펄스는 노드(120)에서의 전압을 대략 VDD의 진폭을 갖는 전압으로 만든다는 점을 주목할 필요가 있다(나선형 스트립 라인(112)의 말단 단부가 개방일 때). 시각(154)에서의 전압 진폭 결정은 터치 패널 또는 스크린상의 터치 영역을 결정하는데 필요하지 않다. 시각(154)에서의 전압 진폭 결정 값은 나선형 스트립 라인(112)의 전체 길이를 결정하는데 이용될 수 있거나, 및/또는 예를 들어 미지의 길이의 나선형 스트립 라인(112)에 적용될 때 TDR 펄스 시간 구간을 종료할 때를 결정하는데, 이용될 수 있다. 나선형 스트립 라인(112)의 말단 단부가 그 특성 임피던스로 종단되면, 시각(154)에서 양으로 반사된 어떤 포지티브도 없을 것이다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린의 터치 영역들에 대한 다이어그램을 도시한다. 터치 영역들, 예를 들면 터치 영역들(116 및 118)은 X-Y 매트릭스에 배치된다. 이진수들이 예를 들어 설명의 목적으로 각 행(Y축)과 각 열(X축)에 표시되어 있다. 터치 영역(116)은 Y=0101과 X=00101의 위치를 가지며, 터치 영역(118)은 Y=1000과 X=01001의 위치를 가진다. 이들 터치 영역들(116 및 118)의 양쪽 모두는 나선형 스트립 라인(112)의 서로 다른 특정 전파 시간들에 대응한다. 본 발명의 특징은 이하보다 상세하게 설명되듯이, 네거티브 펄스가 터치 패널 또는 스크린의 관련된 터치 영역의 터치로 인해 생기는 경우, 정확하고 정밀하게 특정 전파 시간들을 측정하는 것이다.
도 4는 본 발명의 특정 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다. 혼합 신호 집적 회로 디바이스(102)는 샘플 시간 증분 카운터(402), 충전 시간 측정 유닛(CTMU)(404), 디지털 아날로그 변환기(DAC)(406), 전압 비교기(408), 고속 샘플 및 홀드 회로(410), 아날로그 디지털 변환기(ADC)(418) 및 메모리를 구비한 디지털 프로세서(420)를 포함한다.
CTMU(404)의 기능은 도 6을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있는데, 도 6에는 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 시간-전압 그래프가 도시되어 있다. 커패시터(618)가 정전류원(604)를 통해 충전되면, 커패시터(618) 양단의 전압(V)은 식(1)에 따라 시간에 대해 선형적으로 증가한다.
I = C * dV/dT 식(1)
여기서 C는 커패시터(618)의 정전용량 값이며, I는 정전류원(604)로부터 흐르는 전류이며, 또한 V는 시간 T에서 커패시터(618)의 전압이다. 전류(I), 시간(T), 전압(V) 중 어느 2개의 값들을 안다면, 나머지 미지의 값은 2개의 알고 있는 값들로부터 계산될 수 있다. 예를 들면, 커패시터(618)의 정전용량과 정전류원(604)으로부터의 충전 전류를 알고 있다면, 이후 전압(V1)에서의 시간(T1)과 전압(V2)에서의 시간(T2)는 위의 식(1)을 이용하여 결정될 수 있다.
노드(122)에서 로직 레벨이 로직 로우("0")로부터 로직 하이("1")로 되면, 샘플 시간 증분 카운터(402)는 1씩 증가할 것이고, CTMU(404) 즉 정밀 시간 측정 모듈은 값을 알고 있는 커패시터(618)을, 결과적으로 복수의 경과 시간들 각각에 비례하는 커패시터(618)의 전압 충전 값들을 선형적으로 증가시키는 정전류원(604)으로 충전함으로써 정밀한 타이밍을 시작하도록 인에이블될 것이다. 노드(122)가 다시 로직 로우("0")로 되면, CTMU(404)는 다시 리셋되어 제로 전압 충전으로 된다. 이들 경과 시간들의 각각은 펄스가 소스 노드(120)와 나선형 스트립 라인(112)을 따라 터치된 영역 사이의 각각의 거리를 가고 오는데 걸리는 시간을 나타낸다. 이들 경과 시간들은 나선형 스트립 라인(112)의 길이를 통한 전파 지연 시간에 근거하여 터치 패널 또는 스크린(110)의 어느 영역 위치(들)가 터치되었는지를 결정하는데 이용될 수 있다. 하지만, 룩업 데이블이 (영역 위치들에 대해 교정되고 관련되어) 구성될 수 있고, 또한 각각 서로 다른 충전 전압 값을 터치 패널 또는 스크린(110)의 각각의 영역 위치와 연관시키는 디지털 프로세서(420)의 메모리에 저장될 수 있다. 디지털 프로세서(420)는 노드(122)에서 하이 및 로우 로직 레벨들을 갖는 복수의 펄스들을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 디지털 프로세서(420)는 한정하는 것은 아니지만 예를 들면 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그래머블 로직 어레이(PLA), 주문형 집적 회로(ASIC) 등일 수 있다. 디지털 프로세서(420)의 메모리는 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리일 수 있다.
CTMU는 www.microchip.com에서 이용할 수 있는 마이크로칩 애플리케이션 노트들(AN1250 및 AN1375)과, 둘 다 바트링 제임스 이에 의해 출원된 발명의 명칭이 "긴 시간 주기 측정"인 미국등록특허 7,460,441호와 발명의 명칭이 "전류-시간 디지털 아날로그 변환기"인 미국등록특허 7,764,213호에 더 상세하게 기술되어 있으며, 여기에 모든 목적을 위해 참조로서 통합된다.
DAC(406)는 전압 비교기(408)의 네거티브 입력에 아날로그 전압 기준 값을 제공하고, CTMU(404)의 커패시터(618)의 충전 전압은 전압 비교기(408)의 포지티브 입력에 결합된다. 샘플 시간 증분 카운터(402)로부터 출력된 카운터 값은 DAC(406)의 디지털 입력들에 결합되며, DAC(406)는 그 출력에 그로부터의 각각의 아날로그 전압을 제공한다. CTMU(404)로부터의 타이밍 충전 전압이 DAC(406)로부터의 전압과 같거나 크면, 전압 비교기(408)의 출력은 로직 하이("1")로 될 것이고, 샘플 및 홀드 회로(410)의 입력(428)에 인가된다. 샘플 및 홀드 회로의 입력(428)은 포지티브 에지에서 트리거된다(↑). 입력(428)에서의 포지티브 에지 트리거(↑)는 샘플 및 홀드 회로(410)가 샘플 펄스의 포지티브 에지가 발생하는 시각에서 노드(120)의 전압의 (그 샘플 입력(426)에서) 샘플을 취하도록 하게 할 것이다.
샘플 및 홀드 회로(410)는 ADC(418)가 노드(120)의 전압 샘플을 읽어 그것을 디지털 표현으로 변환할 수 있도록 샘플 커패시터(미도시됨)에서 노드(120)의 전압 샘플을 홀드한다. 로직 하이("1")가 디지털 프로세서(420)의 입력(434)에 어서트되면, 디지털 프로세서(420)는 ADC(418)의 디지털 출력(432)에서 전압 샘플의 디지털 표현을 읽는 인터럽트 루틴을 실행하도록 초기화될 수 있다. 디지털 프로세서(420)는 또한, 디지털 회로 설계에 익숙하고 본 개시를 이용할 수 있는 사람들에게 알려진 임의의 다른 방법을 이용하여 ADC(418)로부터 출력을 읽을 수 있다.
노드(122)에서 펄스들은 프로세서(420)에 의해 반복적으로 생성될 수 있다. 노드(122)에서 각 펄스, 예를 들어 포지티브 에지 트리거가 시작될 때마다, CTMU(404) 타이밍 회로는 리셋되고(타이밍 커패시터는 제로 볼트로 리셋됨), 샘플 시간 증분 카운터(402)의 카운트 값은 한 카운트씩 증가한다. 샘플 시간 증분 카운터(402)로부터 제공된 서로 다른 카운트 값들의 수는 DAC(406), 샘플 및 홀드 회로(410) 및 ADC(418)의 분해능들에 근거하여, 기대되거나 및/또는 가능한 분해능에 의해 결정된다. 타이밍 커패시터(618)와 정전류 충전원(604)은 아날로그 회로들이고, 따라서 실제로 무한한 분해능을 가지지만, 온도, 전압 변화들 및 부품 에이징은 절대 분해능 반복성을 제한한다. 이 아날로그 부품 "드리프트"는 많은 방식들에 의해 보상될 수 있는데, 예를 들면 터치 시스템은 필요하거나 원한다면 재교정될 수 있다.
복수의 네거티브 펄스들을 리턴할 터치되는 복수의 위치들이 있을 수 있지만, 샘플 시간 증분 카운터(402)의 현재의 카운트 값에 대응하는 터치에만 관심이 있다. 펄스 반복률은 임의의 터치 움직임 또는 변화보다 훨씬 빠르므로, 샘플 시간 증분 카운터(402)의 카운터 값이 1부터 N까지 증가함에 따라 복수의 터치들 및/또는 터치 움직임들, 예를 들면 제스처링(gseturing)은 복수의 펄스들 동안에 용이하게 인식될 수 있다. 샘플 시간 증분 카운터(402)의 하나 이상의 카운터 값들은 터치 패널 또는 스크린(100)의 각 영역 위치와 연관되고 예를 들면, 각 영역 위치로 표현할 수 있다. 단지 하나의 충전 전압 (타이밍) 샘플이 비교기(408)의 출력으로부터 포지티브 에지마다(출력이 로직 로우에서 로직 하이로 될 때) 취하게 함으로써, 예를 들어 하나의 전압 샘플 "스냅샷"을 수행함으로써, ADC(418) 및 디지털 프로세서(420)에게 아날로그 디지털 변환 및 터치 위치 결정을 각각 수행할 충분한 시간이 제공될 수 있다.
네거티브 리턴 펄스가 그 펄스 시간 동안에 노드(120)에서 검출되면, 도 4에 도시된 회로는 펄스 시간 내에 오로지 하나의 전압 샘플만을 취할 것이지만, 회로 모듈 및 복잡성의 추가적인 이익은 각 시간 일치(match)에서 펄스 시간마다 하나의 샘플을 취하지만, 그러나 리턴 네거티브 펄스가 그 샘플 시간에 노드(120)로 리턴됨을 노드(120)에서의 전압 샘플이 나타내는 경우에는 샘플 시간 전압(터치 위치 영역)만을 저장함으로써, 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다. 혼합 신호 집적 회로 디바이스(102a)는 샘플 시간 증분 카운터(402), 충전 시간 측정 유닛(CTMU)(404), 디지털 아날로그 변환기(DAC)(406), 전압 비교기(408), 고속 샘플 및 홀드 회로(410), 아날로그 디지털 변환기(ADC)(418), 멀티플렉서들(519 및 520) 및 메모리를 구비한 디지털 프로세서(420)를 포함한다. 샘플 및 홀드 회로(410)는 멀티플렉서(519)와 결합되거나 또는 멀티플렉서(519)로서 결합될 수 있으며, 또한 ADC(418)의 적분 부분일 수 있다.
도 5에 도시된 TDR의 동작은, CTMU(404)로부터의 충전 전압 값이 DAC(406)로부터 기준 전압(샘플 시간)과 일치하면, 노드(120)에서 전압 샘플을 취한다. 노드(120) 전압 샘플은 ADC(418)에 의해 디지털 표현으로 변환된다. 펄스 오프 시간 구간 동안 시간이 많이 있으므로, 전압 샘플은 저전력 속도들에서 변환되고 평가될 수 있다. 그리고 나서 디지털 프로세서(420)는 한정하는 것은 아니지만 예를 들면, 이후 먼저 노드(120) 전압 샘플을 평가함으로써 디지털 표현을 평가할 수 있으며, 그리고 이 샘플이 VDD/2보다 작으면, (네거티브 펄스의 이동 시간을 나타내는) 샘플링된 충전 전압 값을 터치 위치로 변환하고 디지털 프로세서(420)의 메모리에 추가적인 사용을 위해 터치 위치를 저장한다.
멀티플렉서(519)는 각각의 노드(120 또는 122)에서 리턴 펄스를 모니터링하기 위해 노드(120 또는 122) 둘 중 어느 하나를 선택한다. 디지털 프로세서(420)는 또한, 스위치 멀티플렉서(520)를 통해 노드(122) 또는 노드(126) 둘 중 어느 하나를 구동할 수 있다. 멀티플렉서들(519 및 520)은 디지털 프로세서(420)에 의해 제어된다. 노드(122)가 구동되면, 노드(126)는 로직 로우("0")을 유지하고, 노드(126)가 구동되면, 노드(122)는 로직 로우("0")을 유지한다. 그러므로 나선형 스트립 라인(112)은 항상 그 특성 임피던스로 종단된 상태를 유지하므로, 리턴 (반사) 펄스들만이 터치 패널 또는 스크린(110)의 터치 위치 영역들에 의해 생성될 것이다.
복수의 터치 위치들을 저장함으로써, 터치 위치들의 패턴은 명백해질 것이다. 또한 터치 위치들을 오버 샘플링하고 저장함으로써, 샘플들의 데시메이팅(decimating), 평균화 및/또는 평활화(smoothing)는 더 정확하고 정밀한 터치 위치들을 산출할 것이다. 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면 비터비 처리와 같은 디지털 신호 처리는 또한 잡음 조건 하에서 정확도를 개선하는데 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 개시에 따른, 도 4, 5 및 8에 도시된 혼합 신호 집적 회로 디바이스들의 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 소스와 리턴 펄스들과 관련된 소스 펄스들, 리턴 펄스들, 샘플 펄스들 및 충전 전압들의 시간-전압 그래프를 도시한다. 전압 파형(750)은 노드(120)에서 다수의 네거티브 리턴 펄스를 보여주는 전압 진폭을 그래프로 나타내고, 전압 파형(752)은 타이밍 커패시터(618)의 충전 전압을 증가시키는 시간 선형을 그래프로 나타내며, 전압 파형(754)은 노드(122)에서 소스 펄스 전압을 그래프로 나타내고, 전압 파형들(756)은 노드(122)에서 생성된 복수의 펄스들에 걸쳐 취해진 서로 다른 시간 슬롯들을 나타내는 복수의 샘플 펄스들의 샘플 펄스 에지들을 그래프로 나타낸다. 설명의 목적을 위해, 연속되지 않는 이들 파형들의 세그먼트가 도시되어 있다. 네거티브 리턴 펄스들이 (노드(122)에서 각 2T 소스 펄스의 각각의 시작에 대한) 시각들(ta, tb 및 tc)에서 나타나 있다. 이들 네거티브 리턴 펄스들의 각각은 터치 패널 또는 스크린(110)의 서로 다른 위치 영역들에서의 터치들을 나타낸다. 표시된 바와 같이, 노드(120)에서의 전압의 각 샘플은, 타이밍 커패시터(618)의 충전 전압 값이 Vca, Vcb 및 Vcc 각각에 있을 때 취해진다. 네거티브 리턴 펄스들의 각각은 각 시각들(ta, tb 및 tc)에서 검출되었다면, 디지털 프로세서(420)는 이들 충전 전압 값들(Vca, Vcb 및 Vcc)을 각각 이용하여 터치되었던 터치 패널 또는 스크린(110)의 위치 영역들을 결정한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 터치 패널 또는 스크린 시스템의 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다. 도 8에 도시된 TDR 회로의 동작은 샘플 시간 증분 카운터(402)가 제거되고 디지털 프로세서(420)가 DAC(406)에 직접 디지털 입력 값들을 제공한다는 것을 제외하고는, 도 5에 도시된 회로와 유사하다. 디지털 프로세서(420)가 노드(122)로 소스 펄스들을 제공하므로, 디지털 프로세서(420)는 어떤 충전 전압 (시간들)에서 샘플들이 노드(120)에서 취해질 것인지를 정의하기 위해 내부 카운터를 또한 증가시킬 수 있다. 대안으로, 디지털 프로세서(420)는 비-순차적인(비-연속적인) 디지털 입력 값들을 생성하여 DAC(406)에 제공할 수 있다. 이는, 관심 있는 위치 영역들이 터치 패널 또는 스크린에 정의될 수 있거나 및/또는 오버 샘플링, 샘플 평균화, DSP 평가 알고리즘, 예를 들면 비터비 등과 함께 이용될 수 있을 때 유용하다. 또한, 관심 있는 이들 위치 영역들에 대한 시간 샘플 획득들을 제한함으로써, 전력을 추가로 절약할 수 있다. 디지털 입력 값들의 갱신하는 것은 시간 임계적이지 않은데, 그 이유는 이 갱신이 노드(122)가 로직 제로에 있을 때(샘플 충전 전압 값을 위치 영역으로 변환시키는 동안에) 통상 행해지기 때문이다.
설계된 샘플 시간을 나타내는 충전 전압 값 샘플 및 노드(120) 전압 샘플 둘 다 ADC(418)에 의해 디지털 표현들로 변환된다. 펄스 오프 시간 구간(노드(122)에서 로직 로우("0")) 동안 많은 시간이 있음으로, 이들 2개의 전압 샘플들은 저전력 속도들에서 순차적으로 변환되고 평가될 수 있다. 그리고 나서 디지털 프로세서(420)는 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 먼저 노드(120) 전압 샘플을 평가함으로써 디지털 표현을 평가할 수 있으며, 그리고 이 샘플이 VDD/2보다 작으면, (네거티브 펄스의 이동 시간을 나타내는) 샘플링된 충전 전압 값을 터치 위치로 변환하고 디지털 프로세서(420)의 메모리에 추가적인 사용을 위해 터치 위치를 저장한다.
대안으로 펄스들이 노드(122)에 인가되고, 이후 다음의 펄스가 노드(126)로 인가될 수 있음은 본 발명의 범위 내이다. 이에 의해, 교류 (핑-퐁) 펄스들은 터치 분해능을 효과적으로 개선할 수 있다. 이후 교류 펄스원 위치들(노드들(122 및 126))의 각각으로부터의 터치 네거티브 리턴 펄스들이 터치되는 영역을 좀 더 정확하게 결정하기 위해 평균화될 수 있다. 복수의 샘플들이 또한 터치 위치(들)의 결정을 세밀하게 하도록 평균화될 수 있다. 이에 의해, 복수의 및/또는 교류 (핑-퐁) 펄스들이 터치 위치 분해능을 효과적으로 개선할 수 있다.
전술한 교류 (핑-퐁) 펄스들을 행하기 위해, 멀티플렉서(519)는 각각의 노드(120 또는 122)에서 리턴 펄스를 모니터링하기 위해 노드(120 또는 122) 중 어느 하나를 선택한다. 디지털 프로세서(420)는 또한 스위치 멀티플렉서(520)를 통해 노드(122) 또는 노드(126)를 구동한다. 멀티플렉서들(519 및 520)은 디지털 프로세서(420)에 의해 제어된다. 노드(122)가 구동되면, 노드(126)는 로직 로우("0")을 유지하고, 노드(126)가 구동되면, 노드(122)는 로직 로우("0")을 유지한다. 그러므로 나선형 스트립 라인(112)은 항상 그의 특성 임피던스로 종단된 상태를 유지하므로, 리턴 (반사) 펄스들만이 터치 패널 또는 스크린(110)의 터치 위치 영역들에 의해 생성될 것이다.
도 9는 본 개시의 또 하나의 특정 실시예에 따른, 터치 패널 또는 스크린 시스템의 전송 라인의 각 단부로부터 TDR 샘플링을 인터리빙할 수 있는 혼합 신호 집적 회로 디바이스의 블록도를 도시한다. 혼합 신호 집적 회로 디바이스(102c)는 도 8에 도시된 디바이스(120b)와 실질적으로 동일한 요소들을 포함하고, 또한 전술한 바와 같이, 각 노드(122 및 126)를 교대로 구동하고 샘플링하는 요소들이 도 9에 도시된 회로에 제공된다. CTMU(404)의 일부는 정전류원(604), 타이밍 충전 커패시터(618) 및 전류 스티어링 스위치들(972)을 포함한다. OR 게이트(984)는 노드(122)에 결합된 제1 입력과 노드(126)에 결합된 제2 입력을 구비한다. 노드들(122 또는 126) 중 어느 하나가 로직 하이("1")이면, OR 게이트(984)의 출력은 로직 하이("1")가 될 것이므로, 이에 의해 스위치(972a)는 폐쇄되고, 스위치들(972b 및 972c)는 개방된다.
스위치들(972b 및 972c)이 폐쇄되고, 스위치(972a)가 개방되면, 커패시터(618)의 충전 전압은 제로 볼트에 있다. 스위치(972a)가 폐쇄되고, 스위치들(972b 및 972c)이 개방되면, 정전류원(604)은 타이밍 커패시터(618)의 충전을 시작한다. 멀티플렉서(519)는 각각의 노드(120 또는 124)에서 리턴 펄스를 모니터링하기 위해 노드(120) 또는 노드(124)를 선택한다. 멀티플렉서(519)는 디지털 프로세서(420)에 의해 제어된다. 디지털 프로세서(420)는 또한 노드(122) 또는 노드(126)를 드라이버들(936 또는 954) 각각을 통해 구동한다. 노드(122)가 구동되면, 노드(126)는 로직 로우("0")를 유지하고, 노드(126)가 구동되면, 노드(122)는 로직 로우("0")을 유지한다. 그러므로 나선형 스트립 라인(112)은 항상 그의 특성 임피던스로 종단을 유지하므로, 리턴 (반사) 펄스들이 터치 패널 또는 스크린(110)의 터치 위치 영역들에 의해 생성될 것이다.
샘플된 충전 전압 값 및 노드들(120 및 124)로부터의 전압 샘플들의 아날로그 디지털 변환들을 위한 하우스 키핑 시간을 충분하게 허용하도록 데드 시간들이 노드들(122 및 126)에서 소스 펄스들의 어서션(assertion) 사이에 도입될 수 있음은 본 발명의 범위 내에서 예상된다. 추가의 샘플 및 홀드 회로들이 노드들(120 및 124)로부터 전압 값들을 샘플링하고 홀딩하기 위해 활용될 수 있다. 소스 펄스들이 노드들(122 및 126) 사이에서 교대로 생성되면, ADC(418)와 디지털 프로세서(420)의 대기, 변환 및 계산 시간들에 따라서는 노드들(120 및 124)에서의 전압 값들을 위한 단일 공유 샘플 및 홀드 회로(410)만으로 충분하지 않을 수 있다.
도 10은 본 발명의 개시에 따른, 도 9에 도시된 혼합 신호 집적 회로의 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 소스와 리턴 펄스들과 관련된 소스 펄스들, 리턴 펄스들 및 충전 전압들을 번갈아 생성시키는 시간-전압 그래프를 도시한다. 전압 파형들(1050, 1054, 1051 및 1055)은 노드들(120, 122, 124 및 126) 각각에서의 전압 진폭들을 그래프로 나타낸다. 전압 파형(1052)은 타이밍 커패시터(618)에서 시간에 따라 선형으로 증가하는 충전 전압(time linear increasing voltage charge)을 그래프로 나타낸다. 노드들(122 및 126) 간의 교류 소스 펄스 구동은 나선형 스트립 라인(112)의 양쪽 단부들에서 두 배의 많은 전압 샘플들을 취하게 한다. 이 기법은 나선형 스트립 라인(112)의 양쪽 단부들로부터 취해진 터치 충전 전압 값들을 평균함으로써, 전압 샘플 비율을 증가시키기 위해 그리고 터치된 위치 영역의 분해능을 개선하기 위해 이용될 수 있다. 바람직하게는, 소스 펄스 시간은 나선형 스트립 라인(112)의 적어도 전파 시간(2T)의 2배이다.
여기에 설명된 TDR 터치 영역 위치 기법의 펄스 반복율은 터치 패널 또는 스크린을 터치하는 물체(들)(손가락(들))의 접촉 및/또는 움직임보다 훨씬 빠르다. 그러므로, 실제로 동일 터치 사건에 대해 복수의 검출된 터치 영역 위치들이 디지털 프로세서(420)의 메모리에 저장될 수 있으며, 터치된 위치 영역들의 결정을 더욱 개선하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 위치 영역 분해능은 터치하는 물체(뚱뚱한 손가락)의 영역보다 더 미세할 수 있으므로, 하나 이상의 터치된 위치 영역이 그 터치 사건에 대해 검출될 수 있을 것이다. 통계 분석은 터치된 위치 영역들의 검출뿐만 아니라 터치 움직임, 예를 들어 제스처링의 방향 및 속도를 개선하는데 사용될 수 있다. 오버 샘플링 및 데시메이션 기법들뿐만 아니라 가우시안 개연성 분석 및/또는 다른 통계적인 분석 방법들이 터치된 위치 영역들, 움직임, 움직임의 방향 및 패턴들을 개선하고 더 정확하게 정의하는데, 채용될 수 있다.
본 발명, 예를 들어 도 4, 5, 8 및 9에 개시된 바와 같이, 샘플 및 홀드 회로(들)와 결합한 CTMU를 구비한 TDR의 활용의 장점은 전력 소비, 비용, 인쇄 회로 기판 공간 및 필요한 모듈들 또는 디바이스들의 수를 상당히 절감할 수 있다는 것이다. 지금까지는 미세 타이밍 분해능을 얻고자 하는 경우 많은 전력을 소비하고 상당한 양의 열을 생성하는 초고주파 클록들과 초고속 카운터들, 디지털 비교기들 등을 필요로 했다. 그러나 본 발명에서는 그렇지 않아도 되는데, 이는 배터리 구동 전자 디바이스들, 예를 들면, 개인 정보 단말기(PDA), 태블렛 개인 컴퓨터의 터치 스크린, 터치 스크린 플라즈마, 발광 다이오드(LED) 및 액정 디스플레이(LCD) 패널들; 장비 및 기기 터치 제어 패널들 등에 사용되기 위해 잘 만들어진 간단한 저전력 혼합 신호(아날로그 및 디지털) 회로들을 이용하여 정확한 TDR 터치 위치를 검출하기 위한 초미세 시간 분해능 정도(精度)(granularity)가 얻어지기 때문이다.
도 11은 본 발명의 또 하나의 특정 실시예에 따른, 복수의 터치 위치들의 검출하고 결정하기 위해 도 1에 도시된 터치 패널 또는 터치 스크린의 동작에 대한 처리 흐름도를 도시한다. 단계(1102)에서, 샘플 시간 기준이 제로로 세팅된다. 단계(1104)에서, 샘플 시간 기준 값이 증가한다. 단계(1106)에서, 타이밍 커패시터의 어떤 충전 전압이라도 제로(0) 볼트로 방전한다. 단계(1108)에서, 2T 구간을 갖는 펄스가 터치 패널 전송 라인의 제1 단부에 인가된다. 단계(1110)에서, 정전류원이 타이밍 커패시터의 충전을 시작한다. 단계(1112)에서, 샘플 시간 기준 값은 샘플 시간 기준 전압으로 변환된다.
단계(1114)는 언제 타이밍 커패시터의 충전 전압이 샘플 시간 기준 전압과 동등한지를 결정하고, 동등할 때에는, 단계(1120)에서 터치 패널 전송 라인의 제1 단부의 전압이 샘플링되고 저장된다. 단계(1116)는 언제 2T 구간을 갖는 펄스가 끝났는지를 결정하고, 펄스가 끝났으면 단계(1104)는 현재의 샘플 시간 기준 값을 증가시키고, 이후에 이어지는 단계들이 계속된다. 단계(1122)는 터치 패널 전송 라인의 제1 단부에서 샘플링된 전압이 펄스 전압 진폭보다 작은지 여부를 결정하고, 그렇다면, 샘플 시간 기준을 터치된 위치 영역으로 변환한다. 그렇지 않다면, 현재의 샘플 시간 기준 값이 증가되고, 이후에 이어지는 단계들이 계속된다. 터치된 위치 영역이 메모리에 저장되고, 표시되고 및/또는 또 하나의 디바이스(미도시됨)와 통신될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 하나의 특정 실시예에 따른, 복수의 터치 위치들의 검출하고 결정하기 위해 도 1에 도시된 터치 패널 또는 터치 스크린의 동작에 대한 처리 흐름도를 도시한다. 도 12에 도시된 처리 흐름도는 샘플 시간 기준 값이 어떤 값으로 그리고 어떤 순서로 세팅될 수 있는 점을 제외하고는 도 11에 도시된 흐름도와 실제로 동일한 방법으로 기능한다. 이는 빠르게 움직이는 터치들의 더 빠른 획득 등을 위해 터치 패널 또는 스크인의 특정 영역들의 더 세밀 조사를 가능케 한다. 반복 펄스들이 터치 패널 전송 라인의 어느 하나의 단부(즉, 제1 또는 제2 단부)에 교대로 인가될 수 있고, 각 전압 샘플들이 샘플 시간 기준 전압 값들에 근거하여 상기 단부로부터 취해질 수 있음은 본 발명의 범위 내에서 예상할 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명의 한정을 내포하지 않고 이러한 한정을 의미하지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어서 수정물, 대체물, 및 등가물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.

Claims (22)

  1. 기판에의 터치들을 감지하고 그것의 위치 영역들을 결정하기 위한 방법으로서,
    a) 샘플 시간 기준 값을 제공하는 단계;
    b) 타이밍 커패시터의 임의의 충전 전압을 제로 볼트로 방전하는 단계;
    c) 기판 위에 제조된 복수의 터치 위치 영역들을 포함하는 나선형 전송 라인의 제1 단부로 소정의 전압 진폭의 펄스를 송신하는 단계;
    d) 정전류원으로 상기 타이밍 커패시터를 충전하는 단계;
    e) 상기 샘플 시간 기준 값을 샘플 시간 기준 전압으로 변환하는 단계;
    f) 상기 샘플 시간 기준 전압을 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압과 비교하는 단계,
    - 상기 샘플 시간 기준 전압과 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압이 동등하면, 상기 샘플 시간 기준 값과 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서의 전압 샘플을 저장하고, 이후 단계 h)로 진행하고, 그리고
    상기 샘플 시간 기준 전압과 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압이 동등하지 않으면, 단계 g)로 진행함 - ;
    g) 상기 펄스가 끝났는지를 결정하는 단계,
    - 상기 펄스가 끝났으면 단계 a)로 리턴하고, 그리고
    상기 펄스가 끝나지 않았으면 단계 f)로 리턴함 - ;
    h) 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서의 상기 샘플링 전압이 상기 펄스의 전압 진폭보다 작은지를 결정하는 단계,
    - 상기 펄스의 전압 진폭보다 작지 않으면 단계 a)로 리턴하고, 그리고
    상기 펄스의 전압 진폭보다 작으면 단계 i)로 진행함 - ; 및
    i) 상기 저장된 샘플 시간 기준 값을 상기 기판의 위치 영역으로 변환하고, 이후 단계 a)로 리턴하는 단계를 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 시간 기준 값을 제공하는 단계는 펄스가 종료하는 각 경우마다 샘플 시간 기준 값을 증가시키는 것을 포함하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 시간 기준 값을 제공하는 단계는 새로운 펄스가 시작하는 각 경우마다 샘플 시간 기준 값을 증가시키는 것을 포함하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서 하나의 펄스를 어서팅하는 것과 이후 상기 나선형 전송 라인의 제2 단부에서 다음 펄스를 어서팅하는 것을 교대로 수행하는 단계;
    상기 펄스가 상기 제1 단부에서 어서팅될 때에는 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부로부터의 상기 전압 샘플을 저장하고, 상기 다음 펄스가 상기 제2 단부에서 어서팅될 때에는 상기 나선형 전송 라인의 상기 제2 단부로부터의 다음 전압 샘플을 저장하는 단계를 더 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 시간 기준 전압을 상기 타이밍 커패시터의 충전 전압과 비교하는 단계는 전압 비교기를 이용하는 것을 포함하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서 저장된 샘플링 전압이 상기 펄스의 전압 진폭보다 작은지를 결정하는 단계는,
    아날로그 디지털 변환기(ADC)로 상기 제1 단부에서의 전압 저장 샘플을 디지털 값으로 변환하고, 및
    디지털 비교기로 상기 디지털 값과 디지털 기준 값을 비교하는 것을 포함하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저장된 샘플 시간 기준 값을 상기 기판의 터치되었던 위치 영역으로 변환하는 단계는 복수의 샘플 시간 기준 값들과 그들에 대응하는 위치 영역들을 갖는 룩-업 테이블을 이용하여 상기 저장된 샘플 시간 기준 값에 대응하는 위치 영역을 검색하는 것을 포함하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 기판의 터치된 위치 영역들의 분해능을 개선하기 위해 상기 제1 단부로부터의 전압 샘플에 대응하는 위치 영역과 상기 제2 단부로부터의 다음 전압 샘플에 대응하는 위치 영역을 평균하는 단계를 더 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    터치되었던 복수의 위치 영역들을 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 메모리에 저장된 상기 복수의 위치 영역들로부터 인접한 위치 영역들에 대해 가우시안 개연성 분배를 계산하는 단계를 더 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    터치되었던 복수의 위치 영역들을 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 메모리에 저장된 상기 복수의 위치 영역들로부터 유사한 위치 영역들을 평균하는 단계를 더 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    터치되었던 복수의 위치 영역들을 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 메모리에 저장된 상기 복수의 위치 영역들로부터 위치 영역들을 변경시키는 방향과 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 앞쪽의 인쇄 회로 면에는 상기 나선형 전송 라인을 구비하고, 뒤쪽의 인쇄 회로면 면에는 전기 전도체로 덮여있는 인쇄 회로 기판을 포함하는 터치 패널인, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 그 위에 상기 나선형 전송 라인을 갖는 정면과 광 투과 전기 전도체로 덮인 배면을 구비한 광 투과성 절연 재질을 포함하는 터치 스크린인, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 방법.
  14. 기판에의 터치들을 감지하고 그것의 위치 영역들을 결정하기 위한 장치로서,
    타이밍 커패시터와 정전류원을 포함하는 충전 시간 측정 유닛(CTMU);
    샘플 시간 기준 값을 제공하는 샘플 시간 기준원;
    상기 샘플 시간 기준 값을 샘플 시간 기준 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 변환기(DAC);
    상기 DAC의 출력부와 결합된 제1 입력부와 상기 CTMU의 상기 타이밍 커패시터와 결합된 제2 입력부를 구비한 전압 비교기;
    기판 위에 제조된 복수의 터치 위치 영역들을 포함하는 나선형 전송 라인 - 상기 나선형 전송 라인은 제1 단부 및 제2 단부를 구비하고, 제1 전압 감지 노드는 제1 저항기를 통해 상기 제1 단부와 결합함 - ;
    상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에서 소정의 전압 진폭의 펄스를 생성하기 위한 펄스 생성기;
    상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에 연결된 입력부와 상기 전압 비교기의 출력부에 결합된 샘플 제어 입력부를 구비한 샘플 및 홀드 회로;
    상기 샘플 및 홀드 회로의 출력부에 결합된 입력부를 구비한 아날로그 디지털 변환기(ADC); 및
    상기 ADC의 출력부에 결합된, 메모리를 구비한 디지털 프로세서를 포함하고,
    상기 펄스 생성기로부터의 펄스가 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 단부에 어서팅될 때에는, 상기 정전류원이 상기 타이밍 커패시터에 결합되어 충전을 시작하고,
    상기 타이밍 커패시터의 충전 전압이 상기 샘플 시간 기준원으로부터의 샘플 시간 기준 전압과 동등할 때에는, 상기 전압 비교기가 상기 샘플 및 홀드 회로로 하여금 상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 전압 감지 노드의 전압을 샘플링하여 홀드하게 하고,
    상기 나선형 전송 라인의 상기 제1 전압 감지 노드에서 취해진 전압 샘플이 기준 전압보다 작으면, 디지털 프로세서는 상기 샘플 시간 기준 값을 상기 기판의 위치 영역으로 변환하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 나선형 전송 라인의 제2 단부는 제2 저항기로 종단되는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 나선형 전송 라인의 제2 단부는 종단되지 않은, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1 전압 감지 노드에 결합된 제1 입력부, 제2 전압 감지 노드에 결합된 제2 입력부 및 상기 샘플 및 홀드 회로의 입력부에 결합된 출력부를 구비한 멀티플렉서를 더 포함하는 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서는 마이크로컨트롤러를 포함하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 앞쪽의 인쇄 회로 면에는 상기 나선형 전송 라인을 구비하고, 뒤쪽의 인쇄 회로면 면에는 전기 전도체로 덮여있는 인쇄 회로 기판을 포함하는 터치 패널인, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 그 위에 상기 나선형 전송 라인을 갖는 정면과 광 투과 및 전기 전도 재질로 덮인 배면을 구비한 광 투과성 절연 재질을 포함하는 터치 스크린인, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 광 투과 및 전기적인 전도 재질은 인듐 주석 화합물(ITO)인, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    그래픽 디스플레이를 더 포함하고,
    상기 터치 스크린은 상기 그래픽 디스플레이와 시계(a field of vision) 사이에 위치하는, 기판 터치 감지 및 위치 영역 결정 장치.
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