KR101951353B1

KR101951353B1 - 위치 검출용 용량성 센서 디바이스를 위한 전극 디바이스

Info

Publication number: KR101951353B1
Application number: KR1020147011546A
Authority: KR
Inventors: 스테판 버거
Original assignee: 마이크로칩 테크놀로지 저머니 게엠베하
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2019-02-22
Also published as: EP2769471A1; CN103918182B; TW201326744A; US9442534B2; US20150145814A1; DE102011054690A1; CN103918182A; KR20140079801A; JP6140172B2; DE102011054690B4; EP2769471B1; TWI572845B; JP2014532981A; WO2013057159A1

Abstract

본 발명은 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 검출용 용량성 센서 시스템을 위한 전극 디바이스를 제공하며, 전극 디바이스는 송신 전극 구조, 수신 전극 구조 및 적어도 하나의 그라운드 전극 구조를 포함하고, - 상기 송신 전극 구조, 상기 수신 전극 구조 및 상기 적어도 하나의 그라운드 전극은 하나가 다른 하나의 위에 배치되고 서로 이격되고, - 상기 적어도 하나의 그라운드 전극은 상기 송신 전극 구조와 상기 수신 전극 구조 사이에 배치되고, 그리고 - 상기 송신 전극 구조는 교류 전기 신호로 로딩될 수 있는, 제1 송신 전극 구조를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 전극 디바이스를 포함하는 인쇄 회로 기판과 본 발명에 따른 전극 디바이스를 포함하는 용량성 센서 디바이스를 포함하는 핸드헬드 디바이스를 추가로 제공한다.

Description

위치 검출용 용량성 센서 디바이스를 위한 전극 디바이스{ELECTRODE DEVICE FOR CAPACITIVE SENSOR DEVICE FOR POSITION DETECTION}

본 발명은 특히 전극 디바이스에 대한(relative to) 물체(object)의 위치를 검출하기 위한, 용량성(capacitive) 센서 시스템을 위한 전극 디바이스에 관한 것이다.

용량성 센서 시스템에서, 특히 용량성 근접 센서들에서, 센서 구역(zone)으로의 물체, 예를 들어 손가락의 접근은 교류 전계(electric alternating field)를 발생시켜 측정함으로써 실질적으로 비접촉 식으로 측정된다. 전자 디바이스, 특히 핸드헬드 전자 디바이스의 기능들, 예를 들어 스위칭 기능들은 측정 신호로부터 유도될 수 있다.

예를 들어 핸드헬드 전자 디바이스에, 용량성 센서 시스템의 센서 구역들이 제공될 필요가 있고, 물체가 센서 구역으로 접근하는 동안, 센서 구역으로의 물체의 접근뿐 아니라, 센서 구역에 대한 물체의 위치도 검출될 수 있다.

센서 구역에 대한 물체의 위치에 따라, 핸드헬드 전자 디바이스에서 각각 다른 기능들을 수행할 수 있다. 그렇게 할 때에, 바람직하게는, 높은 위치 분해능(position resolution)이 요구된다. 용량성 센서 시스템이 각각 다른 전자 디바이스들에 적용될 수 있도록 하기 위해서는, 용량성 센서 시스템이 각각의 전자 디바이스의 그라운드 상태(grounding state)와 독립되어 있을 때, 더욱 바람직하다. 특히 용량성 센서 시스템들을 위한, 전극 구조들(configuration)이 종래 기술 분야에서 알려져 있고, 이 전극 구조들은 소위 로딩 방법(loading method)에 따라 동작되고, 여기에서 예를 들어 슬라이딩 컨트롤러를 구현하기 위해(슬라이딩 컨트롤러에서 있어서, 물체, 예를 들어 손가락의 위치를 슬라이딩 컨트롤러를 따라 검출하는 것이 중요함) 각각 나란히 인접하게 배치된 복수의 센서 전극들이 제공된다. 로딩 공법을 이용한 용량성 센서의 동작시, 수신 전극(receiving electrode)뿐만 아니라, 송신 전극(transmitting electrode)에 해당하는, 오직 하나의 센서 전극만이 요구된다.

교류 전기 신호가 센서 전극에 인가되어서, 교류 전계가 센서 전극으로부터 방출되며, 여기에서 (예를 들어, 센서 전극으로의 손가락 접근에 의한) 센서 전극들의 용량성 로드(load)는 평가 장치(evaluation device)에 의해 각각 검출되고 평가된다. 검출된 용량성 로드에 의해, 어느 센서 전극에서 손가락의 접근이 있었는지가 결정될 수 있다.

그러나, 이러한 용량성 센서 시스템들은, 매우 많은 전극들에 높은 분해능(위치 분해능)을 요구하며, 이것은 제조 공정에서, 예를 들어 용량성 슬라이딩 컨트롤러의 제조 공정에서 구조적인 노력을 상당히 증가시키는 단점이 있다. 또한, 센서 신호는 센서 전자기기들의 그라운딩 상태에 의존한다.

또한, 용량성 센서 시스템들은 다수의 센서 전극들을 갖는 것으로도 알려져 있고, 여기에서 용량성 센서 시스템들은 예를 들어 센서 전극들에 접촉하는 동안에 여러 센서 전극들을 동시에 커버하는 손가락 위치의 정확한 검출에 필요하다. 다시 말해, 대다수의 센서 전극들이 높은 위치 분해능을 요구하기 때문에, 제조 공정에서 구조적인 노력이 상당히 증가된다.

또한, 종래 기술에서 공지된 해법들은 하나의 평면, 예를 들어 전자 디바이스의 하우징 표면에 실질적으로 배치되는 단점을 갖는다. 그러나, 예를 들면 디바이스의 제조시 경비를 감소하기 위해, 하우징에 전극들이 배치되지 않는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 목적은 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 검출용 용량성 센서 디바이스를 위한 전극 디바이스를 제공하는 것이고, 상기 전극 디바이스는 적어도 부분적으로는 종래 기술에서 공지된 단점들을 회피하고 바람직하게는 적은 수의 센서 전극들을 이용하여 높은 위치 분해능을 가능케하며, 여기에서 위치 검출은 용량성 센서 디바이스를 제공하는 전자 디바이스의 그라운딩 상태와 독립되고, 또한 전극 디바이스가 전자 디바이스의 하우징에 배치될 필요가 없다.

본 발명에 따른 목적은 특허 독립항에 따른 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 검출용 용량성 센서 디바이스와 용량성 센서 시스템 각각을 위한 전극 디바이스를 이용하여 달성된다. 본 발명의 유용한 실시예들 및 개선 사항들은 종속항에서 나타난다. 해결하기 위한 요소(element)는 또한 전자 디바이스, 특히 핸드헬드 전자 디바이스이고, 이 디바이스는 본 발명에 따른 적어도 하나의 전극 구조를 갖는 적어도 하나의 용량성 센서 시스템을 포함한다. 또한, 본 발명의 대상은 인쇄 회로 기판이며, 인쇄 회로 기판에서 전기 전도층의 일부는 본 발명에 따른 전극 구조를 형성한다.

본 발명에 따르면, 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 검출용 용량성 센서 디바이스를 위한 전극 디바이스를 제공하며, 상기 전극 디바이스는 송신 전극 구조, 수신 전극 구조 및 적어도 하나의 그라운드 전극을 포함하고, 여기에서

- 송신 전극 구조, 수신 전극 구조 및 적어도 하나의 그라운드 전극은 하나가 다른 하나의 위에 배치되고 서로 이격되고,

- 적어도 하나의 그라운드 전극은 송신 전극 구조와 수신 전극 구조 사이에 배치되고, 그리고

- 송신 전극 구조는 교류 전기 신호로 로딩될 수 있는, 제1 송신 전극 구조를 포함한다.

그렇게 함으로써, 또한 전극 디바이스에 대한 물체의 위치를 검출하기 위한 전극 디바이스를 다층 PCB에 집적시키는 것도 유용한 방식으로 가능하고, 여기에서 다층 PCB의 전기 전도층의 일부는 전극들을 형성한다.

송신 전극 구조는 교류 전기 신호로 로딩될 수 있는, 제2 송신 전극을 포함할 수 있다.

제1 송신 전극에 인가된 교류 전기 신호는 제2 송신 전극에 인가되는 교류 전기 신호에 대하여 역(inverse)일 수 있다.

수신 전극 구조는 하나의 제1 수신 전극과 하나의 제2 수신 전극을 적어도 포함할 수 있다.

제1 송신 전극과 제2 송신 전극 각각은 서로 이격된 다수의 전극 세그먼트들을 포함하는 경우에 유리하며, 상기 세그먼트들 각각은 서로 전기적으로 접속하며, 여기에서 양 송신 전극들의 전극 세그먼트들은, 제2 송신 전극의 전극 세그먼트가 제1 송신 전극의 각각 2개의 인접한 전극 세그먼트들 사이에 배치되도록, 나란하게 배치된다.

상기 두 개의 송신 전극들의 전극 세그먼트들은 동일한 형상과 동일한 표면적을 가질 수 있다.

제1 송신 전극은 제2 송신 전극과 인접하게 배치되고 제2 송신 전극과 이격될 수 있으며, 여기에서 바람직하게는 제1 송신 전극은 제2 송신 전극보다 더 작은 전극 표면적을 갖고/갖거나 인쇄 회로 기판의 가장자리(edge)로부터 제1 송신 전극까지의 거리는 인쇄 회로 기판의 가장자리로부터 제2 송신 전극까지의 거리보다 더 작다.

제1 수신 전극과 제2 수신 전극 각각은 서로 이격된 다수의 전극 세그먼트들을 포함할 수 있으며, 양 수신 전극들의 전극 세그먼트들은, 제2 수신 전극의 전극 세그먼트가 제1 수신 전극의 각각 2개의 인접한 전극 세그먼트들의 사이에 배치되도록, 나란하게 배치된다.

제1 수신 전극은 제2 수신 전극 위에(above) 배치되고 제2 수신 전극과 이격될 수 있다.

제1 수신 전극의 전극 세그먼트들의 폭(width)이 검출 축(detection axis)을 따라 감소하고 제2 수신 전극의 전극 세그먼트들 각각이 동일한 폭을 갖는 경우에 유리하다.

또한, 제1 수신 전극의 전극 세그먼트들의 폭이 검출 축을 따라 감소하고 여기에서 제2 수신 전극의 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축을 따라 증가하는 경우에 유리하다.

제1 수신 전극은 제2 수신 전극 위에(above) 배치되고 제2 수신 전극과 이격될 수 있으며, 여기에서 검출 가장자리로부터의 제1 수신 전극의 거리 및/또는 제2 수신 전극의 거리는 검출 축을 따라 감소 또는 증가한다.

송신 전극 구조, 수신 전극 구조 및 적어도 하나의 그라운드 전극 각각은 하나가 다른 하나의 위에 배치된 (다층) 인쇄 회로 기판의 전기 전도층들의 일부들에 의해 형성될 수 있다.

송신 전극 구조, 수신 전극 구조 및 적어도 하나의 그라운드 전극은 인쇄 회로 기판의 가장자리에 배치되므로, 송신 전극 구조와 수신 전극 구조 사이의 커플링 용량은 물체가 전극 디바이스로 접근하는 것에 바람직하게는 영향받을 수 있으며, 여기에서 가장자리에 위치한 디바이스는 전극들 중 적어도 하나가 인쇄 회로 기판의 가장자리에 도달하도록 선택될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전극 디바이스를 포함하는 인쇄 회로 기판, 특히 다층 인쇄 회로 기판(다층 PCB)이 제공되며, 여기에서 전극 디바이스의 전극들 각각은 하나가 다른 하나의 위에 배치된 인쇄회로기판(LP)의 전기 전도층들의 일부들에 의해 형성된다.

전극들 중 적어도 하나는 인쇄 회로 기판의 종료 가장자리(completion edge)까지 쭉(all the way) 연장될 수 있으며, 즉 본 발명에 따른 전극 디바이스의 적어도 하나의 전극은 인쇄 회로 기판의 가장자리에 있는 장소에 배치된다.

또한, 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판을 포함하는, 핸드헬드 디바이스, 특히 핸드헬드 전자 디바이스가 본 발명에 따라 제공된다.

또한, 용량성 센서 디바이스를 갖는, 핸드헬드 디바이스, 특히 핸드헬드 전자 디바이스가 제공되며, 여기에서 용량성 센서 디바이스는 본 발명에 따른 전극 디바이스를 포함한다.

전자 디바이스와 핸드헬드 전자 디바이스 각각은 스마트폰, 모바일 라디오 디바이스, 컴퓨터 마우스, 디바이스 원격 조종, 디지털 카메라, 게임 컨트롤러, 모바일 미니-컴퓨터, 태블릿-PC, 녹음 디바이스(dictating device), 미디어 플레이어 등일 수 있다.

본 발명의 상세한 설명 및 특징들과 본 발명의 구체적이고 예시적인 실시예들은 도면과 함께 다음의 설명으로부터 얻어진다.
도 1은 흡수 효과를 설명하기 위한 용량성 센서 시스템의 등가 회로도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제1 예시적 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제2 예시적 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제3 예시적 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제4 예시적 실시예를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제5 예시적 실시예를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제6 예시적 실시예를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제7 예시적 실시예를 나타낸다.
도 9는 가장자리에 위치한 전극들을 포함하는 인쇄 회로 기판 일부의 사시도를 나타내며, 전극들은 인쇄 회로 기판들의 전기 전도층들의 일부들에 의해 형성된다.
도 10은 본 발명에 따라 전극 디바이스들을 활성화시키기 위한 원리 회로도(principle circuit diagram)를 나타낸다.

본 발명에 따른 센서 시스템의 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 검출용 센서 시스템은 용량성 센서로러 실시되고, 이것은 동작 모드 "흡수(absorption)에서 동작한다. 동작 모드 "흡수"는 도 1에서 보다 상세히 기술한다.

또한, 본 발명에 따른 센서 시스템은 센서 시스템의 센서 신호들이 2가지 정보들, 다시 말해:

1. 사용자가 그/그녀의 손가락으로 커버하는 전극 구조의 센서 표면적이 얼마나 큰지, 그리고 센서 길이가 얼마나 긴지 각각, 그리고

2. 사용자가 그/그녀의 손가락으로 전극 구조의 어느 위치를 접촉하였는지를 제공하도록 설계된다.

도 1은 흡수 효과를 설명하고, 센서 시스템의 그라운딩 상태로부터 독립적으로 센서 시스템에 의해 수행되는 측정 과정을 설명하기 위한 용량성 센서 시스템의 등가 회로도를 나타낸다.

전극들(Tx(송신 전극) 및 Rx(수신 전극))은 서로 나란히 배치됨으로써, 상기 전극들 사이에서 기본 커플링 용량(C₁₂)이 형성된다. 손 또는 손가락(F)이 전극들(Tx, Rx) 쪽으로 접근하는 동안, 기본 커플링 용량(C₁₂)이 더 작아지므로(흡수), C₁₂를 통하여 흐르는 전류도 또한 더 작아진다.

전극(Tx)과 손가락(F) 사이의 커플링 용량은 C_1H로 나타내며, Rx와 손가락 사이의 커플링 용량은 C_2H로 나타낸다. 손가락(F)이 전극들(Tx, Rx)로 접근하는 동안, 커플링 용량(C_1H 및 C_2H)은 더 커진다. 그것에 의해, C₁₂와 병렬의 전류 경로가 전극(Rx)과 전극(Tx) 사이의 전류 경로가 생성되며, 상기 전류 경로는 송신(transmission)으로 해석될 수 있다.

C₁₂와 병렬인 이 전류 경로는 적합한 수단들에 의해 감소되어야 하며, 바람직하게는 다음에 기술된 바와 같이, 회피되어야 한다:

a) 또한, C_HGND(손가락(F)과 그라운드(GND) 사이의 커플링 용량)를 C_1H 보다 실질적으로 더 크게 만드는 것(또는 손가락(F)을 그라운드(GND)에 확실하게 접촉시키는 것)이 시도될 수 있다. 그것을 이용하여, C_1H를 통해 전극(Tx)으로부터 손가락(F)으로 흐르는 전류가 C_2H를 통해 전극(Rx)으로 흐르지 않는 것이 실질적으로 이루어진다. 실제는 그렇게 할 때, 송신(Tx->Rx)은 크게 방지되지만, 센서 시스템은 여전히 센서 시스템의 그라운딩 특성들에 의존한다.

b) 또한, 제2 송신 전극(Tx2)이 제공되는데, 이 제2 송신 전극은 주로 접근하는 손가락(F)과 함께 하여 커플링 용량(C_3H)으로 될 수 있다. 제2 송신 전극(Tx2)은, 제2 송신 전극(Tx2)과 수신 전극(Rx) 사이의 커플링 용량을 무시할 수 있도록, 수신 전극(Rx)과 상대적으로 배치되는 것이 바람직하다. 제2 송신 전극(Tx2)에는 생성기 신호(generator signal)가 로드되며, 생성기 신호는 제1 송신 전극(Tx)에 인가되는 생성기 신호에 대하여 역(inverse)인 것이 바람직하다. 그것에 의해서, C_1H를 통해 전극(Tx)으로부터 손가락(F)로 흐르는 전류가 돌아서(in turn) C_3H를 통해 직접 소실되는 것이 실질적으로 달성된다. 전극(Tx)으로부터 C_1H를 거쳐 손가락(F)으로 흐르는 전류가 C_2H를 통해 전극(Rx)으로 흐르는 추가 흐름이 회피된다. 전극들의 실시예에 있어서, 커플링 용량들(C_1H 및 C_3H)은 실질적으로 동일한 것으로 간주되어야 한다. 이는 제1 전극(Tx)과 제2 전극(Tx2)의 전극 폭을 거의 동일하게 함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 센서 시스템도 센서 시스템의 그라운딩 특성들(grounding characteristic)과 독립적이다.

바람직한 실시예에서는, 그라운딩 상태로부터 실질적으로 독립된 센서 시스템을 달성하기 위해, 2개의 송신 전극들(+Tx(도 1에서 Tx로 나타냄) 및 -Tx(도 1에서 Tx2로 나타냄))이 동시에 동작되며, 여기에서 전극들(+Tx 및 -Tx)에 인가된 송신 신호들과 생성기 신호들은 각각, 서로에 대하여 역이며 즉, 전극 신호들(+Tx 및 -Tx)의 교류 부분(alternating portions)의 합은 0이다.

센서 시스템 및 전극들 각각의 레이아웃에 의해, 접촉 시 +Tx와 사용자의 손가락(F) 사이의 커플링 용량이 -Tx와 손가락(F) 사이의 커플링 용량과 동일한 용량을 정확하게 이상적인 경우에 보인다는 점이 주목된다. 따라서, 커플링(+Tx → F)은 커플링(-Tx → F)에 의해 실질적으로 상쇄된다.

비그라운드형(non-grounded) 측정 전자기기(measurement electronics)에 있어서는, 전류가 사용자의 손가락으로부터 전극(Rx; 송신)으로 흐르고, 그렇게 할 때, 흡수의 측정 신호를 왜곡시키는 점이, 이러한 설계를 통해 방지된다.

그라운드형 측정 전자기기에 있어서는, 원리(principle)에 인해, 사용자의 손가락(F)에서 전극(Rx; 송신)으로 흐르는 전류는 무시할 정도로 작으므로, 그라운딩 상태와 독립하여 어떠한 송신 전류도 흐르지 않는 것이 보장된다. 이렇게 하여, 센서 신호는 그라운딩 상태로부터 독립된다. 결과적으로, 그것에 의해 그라운드형 및 비그라운드형 센서 전자기기에서 실질적으로 동일한 결과를 제공하는, 용량성 센서 시스템(위치 센서)이 동작 모드 흡수에 제공된다.

커플링 용량이 송신 전극들(+Tx 또는 -Tx) 중 하나에만 실질적으로 존재하도록, 수신 전극(Rx)은, 송신 전극들(+Tx, -Tx) 각각에 대하여(relative to) 설계되고 배치된다.

센서 시스템의 대안의 실시예에 있어서, 각각의 센서 레이아웃 및 각각의 절연층(isolating layer) 두께에 의한 송신 전류가, 하나의 송신 전극(+Tx)을 포함하는 센서 시스템만이 구성될 수도 있도록, 감소되고, 따라서 상기 센서 시스템이 그라운딩 상태로부터 대부분 독립되는 것이 실현될 수도 있다.

센서 시스템의 그라운딩 상태(그라운드형 또는 비그라운드형)가 알려져 있고, 또한 대체로 일정할 때, 하나의 활성 송신 전극(+Tx)만을 포함하는 센서 시스템도 구성될 수 있다.

용량성 슬라이딩 컨트롤러를 구현하기 위해, 용량성 센서 디바이스의 본 발명에 따른 전극 디바이스는 2개의 수신 신호들이 수신 전극 구조에서 탭핑되고(tapped) 측정되도록 구성된다. 실시예에서, 본 발명의 수신 전극 구조는 2개의 독립적인 수신 전극들을 포함한다. 본 발명의 추가 실시예에서, 수신 전극 구조는 2개의 수신 전극들을 포함하고, 수신 전극들 각각은 다수의 전극 세그먼트들로 형성된다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 수신 전극 구조의 수신 전극들은 2개의 유형들로 세분화될 수 있다. 수신 전극들의 2가지 유형들의 기능적인 동작(functional operation)은 아래에서 더 자세히 기술된다.

본 발명에 따르면, 용량성 슬라이딩 컨트롤러용 수신 전극 구조는 제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극의 조합에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 제2 유형의 2개의 수신 전극들을 포함하는 수신 전극 구조도 형성될 수 있다.

제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극의 조합은 센서의 휴지 상태(idle state) 또는 대기 상태(waiting state)(즉, 센서가 활성화되지 않은 경우)에서, 사용자가 센서를 터치하는지 여부를 검출하기 위해, 제1 유형의 수신 전극의 센서 신호와 수신 신호가 각각 측정되고 평가되도록 하는 이점을 갖는다. 따라서, 특히, 수신 전력이 가능한 낮아야 되는 적용들에서는, 전류가 절약될 수 있다. 접촉이 검출된 후에만, 제2 유형의 수신 전극의 수신 신호가 전극 디바이스에 대한, 물체, 예를 들어 손가락의 전류 위치를 검출하기 위해 탭핑되고 평가될 수 있다.

반면에, 제2 유형의 2개의 수신 전극들의 결합은 유용한 신호가 2배 정도 크고, 따라서 신호 대 잡음 비도 각각 더 크다는 이점을 갖는다. 추가적 이점은, 추가적인 기술 측정들이 필요없이도 측정 결과가 제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극의 결합에서 더 선형이라는 것이다.

이어서, 제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극을 보다 상세하게 기술한다. 또한, 제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극이 결합되는 경우와 제2 유형의 2개의 수신 전극들이 결합되는 경우에, 본 발명에 따른 전극 디바이스에 대한 물체의 위치가 어떻게 계산되는지를 보다 상세하게 기술한다.

제1 유형의 수신 전극을 포함하는 전극 디바이스:

제1 유형의 수신 전극을 포함하는 전극 디바이스는 전극 디바이스에 대한 물체, 예를 들어 손가락의 위치로부터 독립적으로, 커버되는 전극의 길이와 전극 표면적 각각에 거의 비례하는 신호를 생산한다. 전극 디바이스에 접촉하는 경우(실제로는 전극 디바이스의 전극들은 절연층 재료로 피복될 수 있음), 커플링 용량은 각각의 위치에서 변한다. 전극 디바이스의 비접촉시와 전극 디바이스의 접촉시의 전기 용량 값(capacitance value)의 차이는 측정 신호(measurement signal)로서 사용될 수 있다.

흡수 모드에서, 송신 전극(Tx)와 수신 전극(Rx) 사이의 커플링 용량은(도 1 참조) 다음 규칙(rule)에 따라 감소한다:

,

여기에서 K는 비례 계수(proportionality factor)이고 L은 노출 길이(length of the exposure)이다. 따라서: △C는 길이(L)에 비례한다.

또한, 센서 디바이스를 제1 동작 모드에서 제2 동작 모드로, 예를 들어 절전 모드(sleep mode)에서 활성 모드로 전환하기 위해, 노출의 검출을 제공할 수도 있다. 이 목적으로, 동작 모드로 변화되기 전에 초과되어야만 하는, 소정의 임계 값이 제공될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 최소 노출 및/또는 최소 노출 시간(duration of an exposure)을 포함할 수 있다.

제2 유형의 수신 전극을 포함하는 전극 디바이스:

전극 디바이스에 대한, 물체, 예를 들어 손가락의 위치에 종속하는 제2 유형의 수신 전극을 포함하는 본 발명에 따른 전극 디바이스는, 커버되는 전극의 길이와 전극 표면적 각각에 거의 비례하고, 또한 전극 디바이스에 대한 물체의 위치(P)에 거의 비례하는 신호를 생산한다. 전극 구조가 터치되는 경우(실제로는 전극 구조의 전극들은 절연층의 재료로 피복될 수 있음), 각 위치에서 커플링 용량은 변한다. 전극 디바이스의 비터치시와 전극 디바이스의 터치시 사이의 전기 용량 값들의 차이는 측정 신호로서 사용될 수 있다.

흡수 모드에서, 송신 전극(Tx)과 수신 전극(Rx) 사이의 커플링 용량은(도 1 참조) 다음 규칙에 따라 감소한다:

,

여기에서 K는 비례 계수이고, P는 전극 디바이스에 대한 손가락의 위치이고, L은 노출의 길이이다. 따라서: AC ~ L*P(즉, △C는 L과 P에 비례함)이다.

제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극의 결합에서 전극 디바이스에 대한 물체의 위치의 계산:

상기에서 기술된 바와 같이, 제1 유형의 수신 전극은 다음과 같이 대략적으로 제공된다:

.

제2 유형의 수신 전극은 다음과 같이 대략적으로 제공된다:

.

전극 디바이스에 대한 물체의 위치는 다음과 같이 지수(quotient)에 의한다:

.

여기에서 계산 결과 자체는 노출로부터 독립적이다. 이것은, 전극들을 커버하는 손가락의 폭(어린이 또는 성인의 손가락), 노출 폭의 변화(예를 들어, 물체가 전극들에 대해 움직이는 동안 물체의 폭이 변하는 경우), 전극들을 커버하는 손가락의 거리 또는 거리의 변화, 및 특히 장갑의 사용 여부로부터 독립적으로 각각 정확하게 검출되고 결정된다.

제2 유형의 2개의 수신 전극들을 포함하는 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 계산:

상기에서 기술된 바와 같이, 제2 유형의 수신 전극은 다음과 같이 대략적으로 제공된다:

.

제2 유형의 2개의 수신 전극들은 역으로 배치되고, 즉 검출 축을 따라 배치되는 본 발명에 따르면, 제1 수신 전극에서 탭핑된 센서 신호는 감소하지만, 다른 수신 전극에서 탭핑된 센서 신호는 증가한다.

제1 수신 전극에 대해, 전극 디바이스는 다음과 같이 대략적으로 제공된다:

.

제2 수신 전극에 대해, 전극 디바이스는 다음과 같이 대략적으로 제공된다:

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물체, 예를 들어 손가락에 의한 전극 디바이스의 노출은 수신 전극들에서 탭핑된 2개의 신호들의 합으로부터 계산되며, 여기에서 그 결과는 노출의 길이로부터 독립적이다. 상기 2개의 신호들의 차이는 2 x L에 종속되며, 이것은 전극 디바이스에 대한 물체의 위치를 의미한다.

위치는 다음의 지수로부터 계산된다.

여기의 계산 결과 자체는 노출로부터 독립적이다.

송신 전극들과 수신 전극들 각각의 다양한 배치들과 실시예들을 포함하는 본 발명에 따른 전극 구조들은 이후 나타내지며 도 2 내지 도 8과 관련된다.

도 2 내지 도 8에 나타난 모든 전극 구조들은 다음이 적용된다:

- 전극들(E1과 E2)은 수신 전극 구조의 수신 전극들이다.

- 전극들(E3와 E4)은 송신 전극 구조의 송신 전극들이다.

도 2 및 도 3의 전극 디바이스들에서, 송신 전극들(E3와 E4)은 위상에 있어서 반대로 활성화되며, 즉 송신 전극들(E3와 E4) 각각에는 교류 전기 신호가 로드되며, 여기에서 제1 송신 전극(E3)에 인가된 교류 전기 신호는 제2 송신 전극(E4)에 인가된 교류 전기 신호에 대해 역이다. 도 4 내지 도 8의 전극 디바이스에서 각각의 송신 전극들의 동작에 대하여 2가지 가능성이 기본적으로 존재한다: 첫 번째 변형(variant)에 있어서는, 제1 송신 전극(E3)을 제1 교류 전기 신호로 로드할 수 있고 제2 송신 전극(E4)을 제2 교류 전기 신호로 로드할 수 있으며, 여기에서 제1 교류 전기 신호는 제2 교류 전기 신호에 대해 역이다. 두 번째 변형에 있어서는, 제1 송신 전극(E3)을 교류 전기 신호로 로드할 수 있는 반면에, 제2 송신 전극(E4)은 그라운드 전극으로 동작되며, 즉 용량성 센서 디바이스의 그라운드와 커플링된다.

역으로 활성화된 송신 전극들에 의해, 전자 디바이스와 용량성 센서 디바이스 각각의 그라운딩 상태로부터 독립된 위치의 검출이 보장된다. 그러나, +Tx과 물체(F) 및 -Tx와 물체 사이의 커플링 용량들은 크기(size)가 동일한 것(도 1, Tx와 F 사이의 커플링 용량(C_1H)과 Tx2와 F 사이의 커플링 용량(C_3H) 참조)이 전제조건이다. 송신 전극 구조의 레이아웃에 의하면, 이 전제 조건은 도 1 및 도 2에 따른 전극 디바이스에서 충족된다. 도 4 내지 도 8에 따른 전극 디바이스들에 있어서는, 이것은 제1 송신 전극(E3)과 제2 송신 전극(E4) 사이의 크기 비에 의해 달성된다. 송신 전극들(E3 및 E4)의 크기 비와 각각의 전극 표면적의 선택은 실험 방식에 의해 각각 결정되고 최적화되거나, 또는 현장 계산(field calculation)에 의해서도 수행될 수 있다.

이 신호들은 수신 전극 구조의 수신 전극들(E1 및 E2)에서 연속적으로 탭핑되고 평가된다. 그러나, 신호들을 동시에 탭핑하고 평가하는 것도 가능하다.

도 2 내지 도 8의 전극 디바이스들에서, 수신 전극은 용량성 센서와의 접촉을 검출하는 데 이용되는 위치 독립성 신호(position independent signal)를 제공한다(이 전극은 제1 유형의 수신 전극임). 수신 전극 구조의 각각 다른 수신 전극은 위치 의존성 신호(position dependent signal)를 제공한다(이 전극은 제2 유형의 수신 전극임).

도 3 내지 도 7의 전극 디바이스들에서, 두 수신 전극들(E1 및 E2) 각각은 위치 의존성 신호를 제공하며(즉, 두 전극들(E1 및 E2)은 제2 유형의 수신 전극임), 여기에서 수신된 신호들은 상기 기술된 바와 같이 위치에 대해 반대(reverse)이다. 하나의 수신 전극에서 수신된 신호는 검출 축을 따라 증가하지만, 또 하나의 수신 전극에서 수신된 신호는 검출 축을 따라 감소한다.

일반적으로, 제1 유형의 수신 전극과 제2 유형의 수신 전극을 결합하는 것, 또는 제2 유형의 2개의 수신 전극들을 결합하는 것은 도 2 내지 도 8에 보여진 모든 전극 디바이스들에서 가능하다.

도 2 내지 도 8에 나타낸 모든 전극 디바이스들에서, 하나가 또 하나의 위에 6개의 평면들이 각각 도시된다. 여기의 전극 구조의 각각의 전극은 하나가 다른 하나의 위에 배치된 인쇄 회로 기판의 전기 전도층들의 일부들에 의해 형성된다. 또한, 각각의 전극 디바이스의 전극들은 인쇄 회로 기판의 가장자리 영역에 배치되고, 즉 각각의 전극 디바이스의 전극들은 인쇄 회로 기판의 가장자리 영역에 배치된 인쇄 회로 기판의 전기 전도층들에 의해 형성되며, 여기에서 전기 전도층들은 하나가 다른 하나 위에 배치되고 서로 이격된다.

그렇게 함으로써, 어떠한 추가 전도성 표면들(conductive surface)도 전극 디바이스에 대한 물체의 위치 검출을 위한, 본 발명에 따른 전극 디바이스를 제조하는 데, 전극들로 제공될 필요가 없다는 것이 실질적으로 달성된다. 전극 층들을 포함하는 인쇄 회로 기판의 영역이 핸드헬드 전자 디바이스의 하우징에 접근하도록 인쇄 회로 기판을 설계할 수 있으므로, 핸드헬드 디바이스로 향한 접근과 핸드헬드 디바이스에서 손가락의 위치 각각이, 전극 구조의 영역에서 여전히 확실하게 검출될 수 있다. 전극들의 배치 및 전극들을 형성하는 인쇄 회로 기판의 전도 층들의 실시예 각각은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 전극들이 인쇄 회로 기판의 적어도 하나의 가장자리까지 확장되도록, 선택된다.

송신 전극들과 수신 전극들 사이의 용량성 커플링은 인쇄 회로 기판의 가장자리 영역에서 형성된다. 도 2 내지 도 8에서 나타낸 전극 디바이스들에서, 전극들 각각의 왼쪽 위쪽 및 아래쪽 가장자리는 인쇄 회로 기판의 영역 내에 있으므로, 전극들의 오른쪽 가장자리만이 인쇄 회로 기판의 가장자리들까지 쭉 연장된다. 그라운드 전극(GND)은 송신 전극들과 수신 전극들 각각보다 더 큰 표면적을 갖고, 여기에서 그라운드 전극(GND)은 오른쪽 가장자리와 위쪽 가장자리를 갖는 인쇄 회로 기판의 가장자리 쪽으로 연장되도록 배치되고, 아래쪽 가장자리와 왼쪽 가장자리는 송신 전극들과 수신 전극들을 가로질러(over) 연장된다.

FD로 표시한 인쇄 회로 기판(LP)의 영역들은 다층 전자 인쇄 회로 기판의 평면들이고, 이 영역들은 본 발명에 따른 전극 디바이스를 형성하기 위해 비어있는 상태로 남겨질 수 있다. 대안적으로, 아래와 위에 배치된 평면들의 레이아웃 각각은, 이 평면들(FD)에 각각 복사되고 채택될(adopt) 수 있고, 즉 아래와 위 각각에 배치된 평면에 따른 전극 레이아웃은 이 평면들에 형성되고 위와 아래 각각에 배치된 평면의 전극들과 각각 병렬로(in parallel) 동작할 수도 있다.

도 2는 용량성 센서 디바이스에 대한 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제1 예시적 실시예를 나타낸다. 도 2의 위쪽 도면은, 인쇄 회로 기판(LP) 위의 평면도를 나타내고, 여기에서는 수신 전극들(E1 및 E2)과 그라운드 전극(GND)만을 나타낸다. 도 2의 아래쪽 도면은 단면(A-A)에 따른 단면도를 나타내고, 여기에서 본 발명에 따른 전극 디바이스의 전극들은 인쇄 회로 기판(LP)에서 하나가 다른 하나의 위에 배치되고 서로 이격되는 것이 더 명확해진다.

송신 전극들(E3 및 E4) 각각은 서로에 대해 이격된 다수의 전극 세그먼트들을 포함하며, 이것들 각각은 전기적으로 서로 접속한다. 여기의 양 송신 전극들(E3 및 E4)의 전극 세그먼트들은 제1 송신 전극(E3)의 2개의 인접한 전극 세그먼트들 각각의 사이에 제2 송신 전극(E4)의 전극 세그먼트가 배치되도록 나란히 배치되고, 즉 제1 전극(E3)의 전극 세그먼트들과 제2 송신 전극(E4)의 전극 세그먼트들은 서로 교대로 배치된다. 송신 전극들(E3 및 E4)의 전극 세그먼트들 전부는 폭이 동일하고 각각은 또한 동일한 표면적을 갖는다. 예를 들어, 전극들(E3 및 E4)의 전극 세그먼트들 각각은 예를 들어 2mm의 폭을 가질 수 있다.

수신 전극들(E1 및 E2) 각각은 또한 다수의 전극 세그먼트들을 포함할 수 있고, 이것은 또한 제1 수신 전극(E1)의 2개의 인접한 전극 세그먼트들 각각의 사이에 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트가 배치되도록 나란히 배치되고, 즉 수신 전극 구조에서 제1 수신 전극(E1)과 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들이 서로 교대로 배치된다.

수신 전극들(E1 및 E2)의 그리드 패턴(grid pattern)은 송신 전극들(E3 및 E4)의 그리드 패턴과 실질적으로 대응되고, 즉 수신 전극들(E1 및 E2)의 전극 세그먼트들 각각은 송신 전극들(E3 및 E4)의 전극 세그먼트 정확히 위에 실질적으로 위치한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들은 송신 전극(E4)의 전극 세그먼트들과 대응하고, 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트들은 송신 전극(E3)의 전극 세그먼트들과 대응한다.

수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축(DA)을 따라 일정하다. 그 때문에 송신 전극(E4)과 수신 전극(E2) 사이의 커플링 용량은 위치로부터 독립적이고, 즉 수신 전극(E2)은 송신 전극(E4)과 결합하여 제1 유형의 수신 전극 구조를 포함하는 전극 디바이스를 형성한다.

수신 전극(E1)의 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축(DA)을 따라 감소한다. 이것은, 송신 전극(E3)과 수신 전극(E1) 사이의 커플링 용량이 전극 디바이스의 오른쪽 영역에서보다 왼쪽 영역에서 더 높으며, 이것은 커플링 용량이 위치에 의존한다는 것을, 의미한다. 그것에 의해, 송신 전극(E3)은 수신 전극(E1)과 결합하여 제2 유형의 수신 전극 구조를 포함하는 전극 디바이스를 형성한다.

예를 들어, 이제 손가락이 검출 축(DA)을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이는 경우, 송신 전극(E3)과 수신 전극(E1) 사이의 커플링 용량은 감소하므로, 전극 디바이스에 대한 손가락의 위치는 상기 기술한 계산에 의해 결정될 수 있다.

송신 전극들과 수신 전극들 사이의 직접적 커플링 용량을 실질적으로 피하기 위해 송신 전극들(E3 및 E4)와 수신 전극들(E1 및 E2) 사이에 그라운드 전극(GND)이 배치된다. 이것은 또한 도 3 내지 도 8과 관련하여 이 후 기술될 전자 디바이스에 적용된다.

도 3은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제2 예시적인 실시예를 나타낸다. 송신 전극들(E1 및 E2) 각각의 설계 및 배치뿐 아니라 그것들의 기능은 도 2에서 기술한 바와 실질적으로 대응된다. 도 2에 나타낸 전극 디바이스와는 반대로, 수신 전극 구조는 제2 유형의 2개의 수신 전극들(E1 및 E2)에 의해 형성되고, 즉 양 수신 전극들은 위치 의존성 측정 신호를 제공한다.

2개의 수신 전극들(E1 및 E2)의 전극 세그먼트들의 그리드 패턴은 2개의 송신 전극들(E3 및 E4)의 그리드 패턴과 실질적으로 대응한다.

또한 여기에서, 제1 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트들은 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트와 교대로 배치된다. 제1 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축(DA)을 따라 감소하지만, 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축(DA)을 따라 증가한다. 이것은 송신 전극(E3)과 수신 전극(E1) 사이의 커플링 용량이 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 감소하지만, 송신 전극(E4)과 수신 전극(E2) 사이의 커플링 용량은 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 증가한다는 것을 의미한다.

위치의 계산은 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이 수행된다.

도 4는 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제3 예시적 실시예를 나타낸다. 도 4의 왼쪽 상단의 도면은, 인쇄 회로 기판(LP) 위의 평면도를 나타내고, 여기에서는 수신 전극들(E1 및 E2)과 그라운드 전극(GND)을 표시한다. 도 4의 오른쪽 상단의 도면은, 송신 전극들(E3 및 E4)이 배치된 인쇄 회로 기판(LP)의 하부 평면을 나타낸다. 이것은 송신 전극(E3)과 송신 전극(E4)이 하나의 평면에 배치되는 것을 의미하고, 따라서 송신 전극들은 인쇄 회로 기판의 동일한 전기 전도층의 일부들에 형성된다.

도 4에서 알 수 있듯이, 제1 송신 전극(E3)은 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리에 직접적으로 배치되지만, 송신 전극(E4)은 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 소정의 거리를 갖는다. 또한, 제1 송신 전극(E3)의 전극 표면적은 제2 송신 전극(E4)의 전극 표면적보다 현저하게 작다. 송신 전극(E3)과 수신 전극들(E1 및 E2)이 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)에 걸쳐서(over) 커플링 되는 것은, 이러한 구조에 의해 실질적으로 달성된다. 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 송신 전극(E4)까지의 거리에 의해, 송신 전극(E4)은 수신 전극들(E1 및 E2)과는 더 약하게 커플링되지만, 가장자리(K)로 접근하는 손가락과 더 강하게 커플링되는 것이 달성된다.

인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터의 송신 전극(E4)의 더 긴 거리와 송신 전극(E4)의 더 큰 표면적에 의해서, 송신 전극(E4)의 손가락과의 용량성 커플링이 E3의 손가락과의 용량성 커플링과 동일한 크기를 갖는 것이 달성될 수 있다. 2개의 송신 전극들(E3 및 E4)의 역 위상 활성(inversely phased activation)의 결과로, 손가락과의 상기 2개의 커플링들이 서로 실질적으로 무효화되는 것이 달성되며, 그것에 의해서 그라운드형과 비그라운드형 센서 전자기기들에 있어서 실질적으로 동일한 결과를 제공하는 용량성 센서가 제공된다.

수신 전극(E1)과 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들은 도 3에서 나타난 바와 같이 실질적으로 형성된다. 도 3의 전극 구조에서는 수신 전극들(E1 및 E2)의 전극 세그먼트들이 동일한 평면에 배치되는 반면에, 도 4의 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트는 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트의 위에 배치되고, 즉 수신 전극(E1)은 수신 전극(E2)의 위에 있는 평면에 배치된다. 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들이 제1 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트들 "사이에" 실질적으로 위치하도록, 제2 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들은 제1 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트와 관련되게 배치될 수 있다. 대안적으로, 도 4의 하부에서 나타낸 바와 같이, 제1 수신 전극(E1)의 전극 세그먼트들은 또한 수신 전극(E2)의 전극 세그먼트들의 그리드 패턴과 동일한 그리드 패턴으로 배치될 수 있다.

여기에서, 수신 전극 구조는 제2 유형의 2개의 수신 전극들에 의해 형성된다. 전극 디바이스에 대한 물체의 위치의 계산은 도 1과 관련하여 기술한 바와 같이 수행될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제4 예시적 실시예를 나타낸다. 이 경우에는, 송신 전극(E3 및 E4)의 실시예와 배치 각각은 도 4에서 나타낸 실시예와 배치에 실질적으로 대응한다. 수신 전극들(E1 및 E2)의 실시예와 배치 각각은 도 3에서 나타낸 실시예와 배치에 실질적으로 대응한다. 이것은 수신 전극들(E1 및 E2)이 하나의 평면에 배치되고 송신 전극들(E3 및 E4)이 하나의 평면에 배치되는 것을 의미한다.

도 6은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제5 예시적 실시예를 나타낸다. 여기서 수신 전극들 및 송신 전극들의 실시예와 배치는 도 5에서 나타낸 실시예와 배치에 실질적으로 대응한다. 그러나, 도 5의 배치와는 대조적으로, 수신 전극들(E1 및 E2)과 그라운드 전극(GND) 사이에 추가 평면이 제공되며, 추가 평면에 예를 들어 수신 전극들(E1 및 E2)의 복제물(copy)이 제공될 수 있으며 최상 평면의 전극들(E1 및 E2)과 전기적으로 병렬로 배치될 수 있다. 도 6의 전극 디바이스의 동작 모드는 도 5의 전극 디바이스의 동작 모드에 실질적으로 대응한다. 도 5뿐 아니라 도 6도 제2 유형의 2개의 수신 전극들을 포함한다. 전극 디바이스에 대한 물체의 위치를 검출하는 것은 도 1과 관련하여 기술한 바와 같이 수행된다.

도 7은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제6 예시적 실시예를 나타낸다. 여기서, 송신 전극들(E3 및 E4)의 실시예와 배치는 도 6 및 도 5와 관련하여 기술한 실시예와 배치에 실질적으로 대응한다.

상기 기술된 예시적 실시예들과는 반대로, 수신 전극 구조의 수신 전극들(E1 및 E2) 각각은 하나의 부품(one-piece)으로 형성된다. 양 수신 전극들은 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리에 배치되며, 여기에서 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 제1 수신 전극(E1)까지의 거리는 검출 축(DA)을 따라 증가하고, 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 제2 수신 전극(E2)까지의 거리는 검출 축(DA)을 따라 감소한다. 그것에 의해 이렇게 배열된 수신 전극들(E1 및 E2)은 각각 제2 유형의 수신 전극을 형성한다.

여기에 나타낸 실시예들에서, 수신 전극들(E1 및 E2)은 쐐기 형상(wedge-shaped)을 이루며, 여기에서 수신 전극(E1)의 폭은 검출 축(DA)을 따라 감소하고 수신 전극(E2)의 폭은 검출 축(DA)을 따라 증가한다. 또한, 수신 전극들(E1 및 E2)의 쐐기 형상 설계 대신에 전체 길이에서 동일한 폭을 가지는 2개의 스트립 형상의 수신 전극들이 또한 제공될 수 있다. 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 수신 전극들까지의 거리는 검출 축들을 따라 각각 증가하고 감소한다는 것이 단지 중요하다.

수신 전극들(E1 및 E2)은 또한 도 2 및 도 3에서 나타낸 송신 전극들(E3, E4)과 각각 결합될 수 있다.

또한, 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 수신 전극들(E1, E2)까지의 거리가 변하는 것에 의해, 수신 전극(E1, E2)과 접근하는 손가락 사이의 용량성 커플링도 검출 축을 따라 변하며, 따라서 상기 2개의 전극들(E1, E2) 각각은 제2 유형의 수신 전극을 형성한다. 전극 디바이스에 대한 손가락 위치의 계산은 도 1과 관련하여 기술한 바와 같이 수행된다.

도 8은 본 발명에 따른 전극 디바이스의 제7 예시적인 실시예를 나타낸다. 제1 송신 전극(E1)의 실시예 외에는, 도 8에서 나타낸 전극 구조는 도 7에 나타낸 전극 구조에 실질적으로 대응한다.

여기서, 제1 수신 전극(E1)은 각각 직사각형상과 스트립 형상으로 실질적으로 형성되고, 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)까지의 전체 길이에 걸쳐 확장된다. 이것은 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 제1 수신 전극(E1)까지의 거리가 검출 축(DA)을 따라 일정하게 유지되지만, 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)로부터 제2 수신 전극(E2)까지의 거리가 검출 축(DA)을 따라 감소하는 것을 의미한다. 그렇게 함으로써, 제1 수신 전극(E1)이 제1 유형의 수신 전극을 형성하고 수신 전극(E2)이 제2 유형의 수신 전극을 형성한다.

전극 디바이스에 접근하는 손가락의 위치 계산은 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이 수행된다.

도 9는 전극 디바이스의 전극들이 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리(K)까지 완전히 확장되는 것을 도시하기 위해 인쇄 회로 기판(LP)의 가장자리에 있는 영역의 사시도를 나타낸다.

도 10은 본 발명에 따른 전극 디바이스, 특히 도 2 내지 도 8의 전극 디바이스를 활성화시키기 위한 단순도를 나타낸다.

예를 들어, 100 kHz의 직사각형파 생성기(square wave generator)는 2개의 드라이버 부품들을 활성화시키고, 그리고 드라이버 부품들의 출력부들에서 180˚만큼 위상이 시프트된 2개의 생성기 신호들(+Tx 및 -Tx)이 나타나며, 상기 생성기 신호들은 송신 전극들(E3, E4)에 인가된다. 측정 신호 - 용량성 전류 또는 교류 전류 각각 - 는 수신 전극들(E1, E2)에서 탭핑되어, 아날로그 프론트엔드(Analog Frontend End; AFE)에 공급되고 그리고, 상기 아날로그 프론트엔드(AFE)에서 증폭되고 처리되며, 예를 들어 고역 및/또는 저역 필터링된다. 그 후, 증폭되고 처리된 신호는 아날로그-디지털 변환기(A/D)에서 디지털화되며, 여기서 상세히 나타내지 않는 디지털 신호 처리 단계에 공급된다.

도 2 내지 도 8과 관련하여 도시된 모든 전극 디바이스들은, 항상 2개의 송신 전극들(E3, E4)이 동시에 그리고 서로에 대해 180˚만큼 위상이 시프트된 신호들(즉, 역(inverted) 신호들)에 의해 활성화될 수 있도록, 수행되어 진다.

그러나, 오직 하나의 송신 신호(+Tx 또는 -Tx)를 사용하여 전극 디바이스들을 활성화시키는 것도 가능하다. 특히 도 4 내지 도 8의 전극 디바이스의 경우, 제2 송신 전극(E4)이 생략될 수 있다. 그에 따라, 용량성 센서 디바이스가 제공되는 전자 디바이스의 그라운딩 상태의 의존성을 증가시킬 수 있다.

그러나, 용량성 센서 디바이스와 전자 디바이스 각각의 그라운딩 상태가 변하지 않는 경우에 이 단점이 억제될 수 있으며, 특히 이것은 디바이스와 용량성 센서 디바이스 각각이 배터리 또는 전력 공급으로 항상 동작하는 경우이다.

본 발명은 몇몇 중요한 이점들을 포함한다:

전극 디바이스의 전극들은 인쇄 회로 기판에 직접 집적될 수 있다. 바람직하게는, 소위 다층 인쇄 회로 기판(다층 PCB)이라고 일컫는 것이 선택되고, 이것은 적어도 3개의 전기 전도층들을 가지며, 여기에서 하부 층(lower later)의 송신 전극들, 상부 층(upper layer)의 수신 전극들과 중간 층(middle layer)의 그라운드 전극이 배치될 수 있고, 각각의 전기 전도층의 일부에 형성될 수 있다.

역신호(inverse signal)를 갖는 2개의 송신 전극들(E3, E4)을 로딩시켜서, 용량성 센서 디바이스의 그라운딩 조건들(characteristic)의 독립성을 가능한 최대로 확장하도록 하는 추가 이점이 있다.

또한, 특히 인쇄 회로 기판의 영역에, 본 발명에 따른 전극 디바이스의 전극들이 배치된, 인쇄 회로 기판을 플렉서블 인쇄 회로 기판과 같이 형성하는 것이 가능하다.

상기 기술된 용량성 센서 시스템들, 전극 구조들과 본 발명에 따른 상기 시스템과 상기 전극 구조들의 변형들은, 전자 디바이스들, 특히 핸드헬드 전자 디바이스들에 추가의 사용자 인터페이스 및 맨-머신(man-machine) 인터페이스를 각각 구비시키기 위해 제공될 수 있다. 전자 디바이스 및 핸드헬드 전자 디바이스 각각은 스마트폰, 모바일 라디오 디바이스, 컴퓨터 마우스, 디바이스 원격 조종, 디지털 카메라, 게임 컨트롤러, 모바일 미니-컴퓨터, 태블릿-PC, 녹음 디바이스(dictating device), 미디어 플레이어 등일 수 있다.

Claims

전극 디바이스에 대한 오브젝트의 위치 검출을 위한 용량성 센서 디바이스용 전극 디바이스로서,
상기 전극 디바이스는 송신 전극 구조부, 수신 전극 구조부 및 적어도 하나의 그라운드 전극을 포함하며,
- 상기 송신 전극 구조부, 상기 수신 전극 구조부 및 상기 적어도 하나의 그라운드 전극은 하나가 다른 하나의 위에 배치되고 또한 서로 이격되며,
- 상기 적어도 하나의 그라운드 전극은 상기 송신 전극 구조부와 상기 수신 전극 구조부 사이에 배치되고, 그리고
- 상기 송신 전극 구조부는 제1 교류 전기 신호를 수신하도록 구성된 제1 송신 전극을 포함하고, 상기 수신 전극 구조부는 상기 송신 전극 구조부에 의해 송신된 신호를 수신하도록 구성된 제1 수신 전극을 포함하는, 전극 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 송신 전극 구조부는 제2 교류 전기 신호를 수신하도록 구성된 제2 송신 전극을 포함하는, 전극 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 제1 송신 전극에 인가되는 상기 제1 교류 전기 신호는 상기 제2 송신 전극에 인가되는 상기 제2 교류 전기 신호에 대해 역(inverse)인, 전극 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 수신 전극 구조부는 상기 송신 전극 구조부에 의해 송신된 신호를 수신하도록 구성된 하나의 제2 수신 전극을 포함하는, 전극 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 제1 송신 전극과 상기 제2 송신 전극 각각은 서로 이격된 다수의 전극 세그먼트들을 포함하고, 상기 세그먼트들 각각은 전기적으로 서로 연결되며,
둘 모두의 송신 전극의 상기 전극 세그먼트들은 상기 제2 송신 전극의 하나의 전극 세그먼트가 상기 제1 송신 전극의 각각 2개의 인접한 전극 세그먼트들 사이에 배치되도록 나란하게 배치되는, 전극 디바이스.
제5항에 있어서,
상기 2개의 송신 전극의 전극 세그먼트들은 동일한 형상과 동일한 표면적을 갖는, 전극 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 제1 송신 전극은 상기 제2 송신 전극과 나란히 배치되고 또한 상기 제2 송신 전극과 이격되며,
상기 제1 송신 전극은 상기 제2 송신 전극의 전극 표면적보다 더 낮은 전극 표면적을 갖거나, 인쇄 회로 기판의 가장자리로부터 상기 제1 송신 전극까지의 거리는 상기 인쇄 회로 기판의 가장자리로부터 상기 제2 송신 전극까지의 거리보다 작거나, 또는 상기 제1 송신 전극은 상기 제2 송신 전극의 전극 표면적보다 더 낮은 전극 표면적을 갖고 그리고 상기 인쇄 회로 기판의 가장자리로부터 상기 제1 송신 전극까지의 거리는 상기 인쇄 회로 기판의 가장자리로부터 상기 제2 송신 전극까지의 거리보다 작은, 전극 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 제1 수신 전극 및 상기 제2 수신 전극 각각은 서로 이격된 다수의 전극 세그먼트들을 포함하고,
둘 모두의 수신 전극의 상기 전극 세그먼트들은 상기 제2 수신 전극의 전극 세그먼트가 상기 제1 수신 전극의 각각 2개의 인접한 전극 세그먼트들 사이에 배치되도록 나란히 배치되는, 전극 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 제1 수신 전극은 상기 제2 수신 전극 위에(above) 배치되고 또한 상기 제2 수신 전극과 이격되는, 전극 디바이스.
제8항에 있어서,
상기 제1 수신 전극의 상기 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축을 따라 감소하고,
상기 제2 수신 전극의 상기 전극 세그먼트들 각각은 동일한 폭을 갖는, 전극 디바이스.
제8항에 있어서,
상기 제1 수신 전극의 상기 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축을 따라 감소하고,
상기 제2 수신 전극의 상기 전극 세그먼트들의 폭은 검출 축을 따라 증가하는, 전극 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 제1 수신 전극은 상기 제2 수신 전극 위에(above) 배치되고 또한 상기 제2 수신 전극과 이격되며,
검출 가장자리로부터 상기 제1 수신 전극까지의 거리는 검출 축을 따라 감소되거나, 상기 검출 가장자리로부터의 상기 제2 수신 전극까지의 거리는 검출 축을 따라 증가되거나, 또는 상기 검출 가장자리로부터 상기 제1 수신 전극까지의 거리는 검출 축을 따라 감소되고 그리고 상기 검출 가장자리로부터의 상기 제2 수신 전극까지의 거리는 검출 축을 따라 증가되는, 전극 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 송신 전극 구조부, 상기 수신 전극 구조부 및 상기 적어도 하나의 그라운드 전극 각각은 하나가 다른 하나의 위에 배치된 인쇄 회로 기판의 전기 전도층들의 일부들에 의해 형성되는, 전극 디바이스.
제13항에 있어서,
상기 송신 전극 구조부, 상기 수신 전극 구조부 및 상기 적어도 하나의 그라운드 전극은 상기 인쇄 회로 기판의 가장자리에 배치되므로 상기 송신 전극 구조부와 상기 수신 전극 구조부 사이의 커플링 용량이 상기 전극 디바이스로 접근하는 오브젝트에 의해 영향을 받을 수 있고,
상기 가장자리에 위치한 상기 디바이스는 상기 전극들 중 적어도 하나의 전극이 상기 인쇄 회로 기판의 종료 가장자리(completion edge)까지 완전히(all the way) 도달되도록 선택되는, 전극 디바이스.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전극 디바이스를 포함하는 인쇄 회로 기판으로서,
상기 전극 디바이스의 상기 전극들 각각은 하나가 다른 하나의 위에 배치된 상기 인쇄 회로 기판의 전기 전도층들의 일부에 의해 형성되는, 인쇄 회로 기판.
제15항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나의 전극은 상기 인쇄 회로 기판의 종료 가장자리까지 완전히 확장되는, 인쇄 회로 기판.
제15항에 있어서,
상기 인쇄 회로 기판은 다층의 인쇄 회로 기판인, 인쇄 회로 기판.
제15항의 인쇄 회로 기판을 포함하는 전기 핸드헬드 디바이스.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전극 디바이스를 포함하는 용량성 센서 디바이스를 포함하는 전기 핸드헬드 디바이스.