KR102047851B1

KR102047851B1 - 멀티 채널 정전 터치 센서 회로

Info

Publication number: KR102047851B1
Application number: KR1020180021284A
Authority: KR
Inventors: 송청담
Original assignee: 송청담
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-11-22
Also published as: KR20190101217A

Abstract

본 발명은 콘덴서의 충방전을 이용한 정전 센서회로를 멀티 채널로 구현하여 검출속도를 높이면서도 배선의 미세 패턴화를 가능하게 한 멀티 채널 정전 터치 센서 회로에 관한 것이다. 본 발명의 회로는 N개의 스캔 전극과 N개의 감지 전극이 매트릭스 형태로 배열되어 있는 전극 매트릭스부(110)와, 상기 감지 전극에 각각 연결되어 감지 전극에 의한 정전 용량 변화를 검출하기 위한 N개의 정전 센서회로(126-0~126-N)와, 상기 정전 센서회로에 구형파 클럭신호를 인가하기 위한 발진회로(132)와, 상기 N개의 정전 센서 회로에 기준신호를 인가하기 위한 기준신호 생성회로(140)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 클럭 주파수(clock frequency)가 비교적 낮은 경우, 배선저항이 충방전에 영향을 주지 않기 때문에 검출 속도를 향상시킬 수 있고, 센서의 배선 폭을 크게 줄일 수 있고, 미세 패턴을 통해 감지 데이터의 정도(해상도)를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

멀티 채널 정전 터치 센서 회로{ MULTI CHANNEL CAPACITIVE TOUCH SENSOR CIRCUIT }

본 발명은 멀티 터치 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘덴서의 충방전을 이용한 정전(靜電) 센서회로를 멀티 채널로 구현하여 검출속도를 높이면서도 배선의 미세 패턴화를 가능하게 한 멀티 채널 정전 터치 센서 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 터치 스크린 상에서 터치한 위치를 검출하는 방식은, 저항막 방식, 적외선 방식, 정전 용량(Capacitive) 방식 등 여러 가지가 있다. 초창기에는 저렴한 비용으로 구현할 수 있는 저항막 방식 터치 스크린이 널리 사용되었으나, 근래에는 정전 용량의 변화를 검출하는 정전 용량 방식의 사용이 늘고 있다.

터치 센싱은 크게 두 가지 기술, 즉 터치 패널 기술과 터치 센서 회로 기술로 나눌 수 있다.

그리고 기본적인 정전 용량 방식은 터치 패널의 정전 용량의 변화를 감지하는 터치 센서 회로와 전하이송(charge transfer), 발진(relaxation oscillator) 직렬 용량 분압 비교 방식 등의 검출 방식 등으로 구성된다.

터치 패널(Touch Panel)은 주로 ITO(Indium-Tin-Oxide)로 불리는 투명 전극 (Transparent Electrode)으로 구성되어 주로 차동 방식 또는 전극의 정전 용량을 조절하는 방식이 사용된다.

터치 센서 회로는 시스템 반도체 공정 및 반도체 공정과 유사한 공정으로 구현된 터치 패널과 결합된 터치 패널의 전극에 인간의 손가락이나 얼굴이 닿을 때 발생하는 용량(전하)의 변화를 감지한다.

정전 용량 방식 터치 스크린 센서를 구성하는 기판에 특수 전도성 금속 (ITO, ATO 등) 물질을 코팅하여 투명 전극을 형성하는데, 이 터치 스크린에 사람이 접촉하면 접촉한 곳의 정전 용량(전하량)이 변화하는 것을 검출하는 방식이다.

대한민국 특허청 등록특허공보에 등록번호 10-1763589호로 공고된 "정전 용량방식 센서장치"는 고정 정전 용량인 피드백 정전 용량 대신에 상호 정전 용량(도전체의 터치 또는 지문의 접촉시 감소함)과 자기 정전 용량(도전체의 터치 또는 지문의 접촉시 증가함)을 이용하여, 전하 증폭기의 출력 신호 값이 피드백 정전 용량을 사용했을 때보다 더 크게 함으로써 감도를 개선할 수 있는 정전 용량방식 센서장치이다.

또한 등록번호 10-1262837호로 공고된 "정전 용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스"는 터치를 검출하기 위한 추가적인 신호 조건이 없더라도 스위치드 커패시터 차지 펌프에 의해 터치 패널 정전 용량을 직접 전압 레벨로 변환할 수 있도록 하는 차지 펌프 기반 정전 용량-전압 변환 방식을 이용한 온칩 터치 센서 인터페이스이다.

또한 등록번호 10-1341924호로 공고된 "정전식 터치 센서"는 정전식 터치센서 패널의 교차하는 두 전극 사이의 상호(mutual) 커패시턴스(정전 용량)의 터치 동작에 따른 변화값을 평판 디스플레이에서 자체 생성되는 노이즈에 둔감하게 추출하도록 한 상호 정전 용량 측정방식을 사용하는 정전식 터치 센서이다.

그런데 정전 용량 방식으로 기존의 멀티 터치(패널)는 클럭 주파수(clock frequency)가 높아지면 회로의 시리즈에 들어가는 배선 저항의 영향으로 감지하는 능력이 저하하는 문제가 있다.

즉, 종래 방식은 클럭 주파수 (Clock frequency)가 수십 MHz이며, 센서의 저항(배선 저항)이 큰 경우, 충방전이 원활하게 이루어지지 않고, 신호 검출 능력이 급격히 저하된다. 이를 개선하기 위해서는 배선의 폭을 굵게 하여 배선 저항을 감소시킬 필요가 있고, 이 경우 미세한 면적의 감지가 불가능하게 된다.

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본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 콘덴서의 충방전을 이용한 정전 센서 회로를 멀티 채널로 구현하여 검출속도를 높이면서도 배선의 미세 패턴화가 가능한 멀티 터치 정전 센서 회로를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 회로는, N개의 스캔 전극과 N개의 감지 전극이 매트릭스 형태로 배열되어 있는 전극 매트릭스부와, 상기 감지 전극에 각각 연결되어 감지 전극에 의한 정전 용량 변화를 검출하기 위한 N개의 정전 센서회로와, 상기 정전 센서회로에 구형파 클럭신호를 인가하기 위한 발진회로와, 상기 N개의 정전 센서 회로에 기준신호를 인가하기 위한 기준신호 생성회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기준신호 생성회로는 기준 정전류원(current source) 및 클럭신호에 의해 기준신호를 생성하기 위한 기준 콘덴서와, 상기 기준 콘덴서의 충전 전압의 피크치(피크값, peak value)를 검출하기 위한 피크 검출부와, 상기 피크 검출부의 출력을 설정된 기준전압과 비교하여 정전류원을 구동하기 위한 제어신호를 생성하는 비교기를 포함한다.

상기 정전 센서 회로는 전극에 연결되는 콘덴서와, 제어신호에 따라 콘덴서에 전류를 인가하기 위한 정전류원과, 콘덴서의 충방전에 의해 생성된 전압을 검출하기 위한 검출회로를 포함한다.

본 발명에 따르면, 클럭 주파수(clock frequency)가 비교적 낮은 경우, 배선저항이 충방전에 영향을 주지 않기 때문에 검출 속도를 향상시킬 수 있고, 센서의 배선 폭을 크게 줄일 수 있다. 이와 동시에 검출 데이터의 정도(精度, 즉 해상도)를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 정전형 터치 센서는 물론 지문 센서, 키보드(패드), 게임기용 조그 셔틀, 리모트 컨트롤러 등, 다양한 분야에 적용할 수 있으며, 화면의 터치 센서와 지문 센서를 일체화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 충방전을 이용한 정전 용량 감지 개념을 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 클럭과 감지신호의 파형도,
도 3은 본 발명에 따른 멀티 채널 정전 터치 센서 회로의 예,
도 4는 본 발명에 따른 수동 매트릭스 회로의 예,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 검출회로의 제 1 예,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 검출회로의 제 2 예,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전 센서 회로의 동작 파형도이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 충방전을 이용한 정전 용량 감지 개념을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 클럭 검출 신호의 파형도이다.

본 발명에 따른 충방전을 이용한 정전 용량 감지 개념은 도 1에 도시된 바와 같이, 클럭(Clock)에 의해 온/오프되는 스위치(SW)가 충방전 콘덴서(C)와 병렬로 연결되어 있고, 충방전 콘덴서(C)에는 직렬로 정전류원(I)이 연결되어 스위치(SW)가 오프되면 정전류원(I)으로부터 전류 I가 흘러 콘덴서(C)를 충전하다가 스위치(SW)가 온되면 콘덴서(C)가 방전하도록 되어 있다. 이때 충방전 콘덴서(C)의 일단에 접근하면 검출 물체와 센서 부 사이에 형성된 검출용량(C')에 의해 충방전 콘덴서(C)의 충방전 파형이 변화하고, 이 변화된 충방전 파형이 검출전압(V')의 변화로 감지되는 것이다.

이러한 충방전 콘덴서(C)의 충방전을 제어하기 위한 클럭(Clock)은 도 2에 도시된 바와 같이 소정 주기를 갖는 구형파이고, 충방전 콘덴서(C)에 충전되는 전압은 소정 주기와 피크치 전압(V)을 갖는 톱니파(Saw Tooth Wave)이다. 도 2를 참조하면, 클럭(Clock)의 구형파 반주기(t)에 충방전 콘덴서(C)가 충전되면서 톱니파를 생성한다.

도 1 및 2를 참조하면, 충전전압 V는 다음 수학식 1과 같이 충전 시간(t)과 충전 전류(I)의 곱(It)을 콘덴서의 용량(C)으로 나눈 값으로 구한다. 여기서, 충전시간(t)은 클럭의 주기를 반으로 나눈 반주기 값이다.

예를 들어, 피크치를 2.5V, 클럭 주파수를 100 KHz라 할 때, C=10pF일 경우, 정전류 I는 수학식 1에 따라 5㎂로 구해진다. 그리고 손가락 등에 의해 발생되는 검출용량(C')을 1pF라 하면, 피크 전압(V')은 다음 수학식 2에 따라 대략 2.27V로 구해진다.

따라서 위 회로의 예에서 변화율은 (1 - 2.27/2.5)에 따라 대략 9%의 변화를 얻을 수 있게 된다. 실제에서 검출감도를 높이기 위해서는 피크(peak) 전압을 높이고, 콘덴서의 용량을 낮추는 것이 필요하다.

도 3은 본 발명에 따른 멀티 터치 정전 센서 회로의 예이다.

본 발명에 따른 멀티 터치 정전 센서회로는 도 3과 같이, N개의 스캔 전극(Y0~YN)과 N개의 감지 전극(X0~XN)이 매트릭스 형태로 배열되어 있는 패시브 매트릭스부(110)와, 정전 용량의 변화를 검출하기 위한 N개의 정전 센서 회로(126-0~126-N)와, 각 정전 센서 회로에 구형파 클럭신호를 인가하기 위한 발진회로(132)와, 기준신호를 만들기 위한 기준신호 생성회로(140)로 구성된다.

도 3을 참조하면, 패시브 매트릭스부(110)는 LCD 패널의 투명기판에 설치되는 ITO 전극에 스캔신호(Y_T)에 의해 순차적으로 구동되는 스캔 전극(Y0~YN)과, 스캔신호가 구동되면 해당 라인의 교차점의 터치를 감지하기 위한 N개의 감지 전극(X0~XN)으로 구성된다.

이때 스캔신호(Y_T)는 발진회로(132)의 출력이 버퍼(130-Z)를 통과한 일종의 구형파 클럭신호로서, 스위치 제어신호에 따라 해당 스위치(SW0~SWN)를 통해 스캔전극(Y0~YN)으로 전달된다.

정전 센서 회로(126-0~126-N)는 전극(X0~XN)에 연결되는 제0 내지 제2N 콘덴서(C0~C2N)에 정전류원(120-0~120-2N)이 연결되어 있고, 검출회로(150-0~150-N)가 충방전 콘덴서(C0~C2N)의 출력에 각각 연결되어 있다.

정전 센서 회로(126-0~126-N)의 각 검출회로 출력(Out_0~Out_N)은 스위치(170)를 통해 출력(Out)된다.

발진회로(132)는 내부에서 만들어도 좋고, 외부 클럭을 주입하는 방법도 좋다.

기준신호 생성회로(140)는 기준 정전류원(120-X) 및 클럭신호에 의해 충방전된 기준신호를 생성하기 위한 기준 콘덴서(CR)와, 기준 콘덴서(CR)의 충방전전압을 피크 검파(144)한 후 LPF(146)와 비교기(148)를 통해 정전류원(120-X)의 전류 값을 제어하여 톱니파의 파고(wave height)를 일정하게 한다.

도 4는 패시브 매트릭스의 구성 예이다.

도 4를 참조하면, 패시브 매트릭스(110)는 스캔전극(Y0~YN)이 스위치 제어신호에 따라 온/오프되는 스위치(SW0~SWN)를 통해 패시브 매트릭스(110)로 연결되고, 스위치(SW0~SWN)가 온된 스캔전극(Y0~YN)과 감지전극(X0~XN)의 교차점의 터치신호를 검출할 수 있다. 이때 각 스위치(SW0~SWN)는 도 3의 발진회로(132)의 출력이 버퍼(130-Z)를 거친 스캔신호(Y_T)를 입력받아 스위치 제어신호에 따라 해당 스캔전극(Y0~YN)으로 전달한다.

본 발명에 따른 하나의 정전 센서 회로(126-0)는 도 3에 도시된 바와 같이, 충방전 콘덴서(C0,C1), 정전류원(120-0,120-1), 클럭용 인버터(130-0,130-1), 및 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같은 검출회로(DET; 150-0)로 구성된다. 각 정전 센서 회로(126-0~126-N)는 모두 회로가 동일하게 구성되고, 도 4에 도시된 바와 같이 전극의 수에 따라 필요한 수가 결정된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 검출회로(DET)의 제 1 예이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 검출회로(DET)의 제 2 예이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전 센서 회로의 동작 파형도이다. 각 정전 센서 회로(126-0~126-N)의 검출회로(150-0~150-N)는 동일하므로 본 발명의 실시예에서는 하나의 검출회로(150-0)를 예로 들어 설명한다.

검출회로(150-0)의 제 1 예는 도 5에 도시된 바와 같이, 감지전압을 입력받아 피크치를 검출하기 위한 제1 피크 검출부(151)와, 기준전압을 입력받아 피크치를 검출하기 위한 제2 피크 검출부(152)와, 기준전압의 피크치와 감지전압의 피크치의 차를 구하기 위한 감산기(153)와, 오프셋 조정자의 조절(Zero adj)에 따라 터치가 검출되지 않은 상태에서 감지전압과 기준전압이 동일하도록 오프셋(Offset det)을 캘리브레이션(calibration)한 후 감산기(153)의 출력을 증폭하여 검출신호를 출력하는 연산 증폭기(154)로 구성된다. 도 5를 참조하면, 검출회로의 제1 피크 검출부(151)는 C1의 충방전 전압(V_C1)을 입력받고, 제2 피크 검출부(152)는 C0의 충방전 전압(V_C0)을 입력받아 피크치를 각각 검출한다.

검출회로(150-0)의 제 2 예는 도 6에 도시된 바와 같이, Lock In AMP로 구현될 수도 있다. 도 6을 참조하면, C1의 충방전 전압(V_C1)과 C0의 충방전 전압(V_C0)을 입력받아 스위치(155-1,155-2)와 LPF(156), 커패시터(157), 증폭기(Amp; 158), 검출기(159)를 통해 출력(out)되고, 증폭기(158)는 이득조절신호(Gain adj)에 따라 증폭도가 조절될 수 있다.

그리고 제1 충방전 콘덴서(C1)는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 구형파 클럭이 하이(high)인 반주기(t) 동안 정전류원의 전류 i1이 흘러 충전되고, 구형파 클럭이 로우(low)인 다른 반주기(T) 동안은 방전되어 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 톱니파를 생성한다.

이어서, 도 3에 도시된 바와 같은 멀티 터치 정전 센서회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

패시브 매트릭스부(110)에 터치가 감지되지 않을 경우, 단자(Y0~YN, X0~XN)의 검출용량(C')은 0이고, 제0 내지 제2N 콘덴서(C0~C2N)나 기준 콘덴서(CR)는 정전 용량값이 동일하고, 검출회로에서 C-V 변환된 전압은 검출 제로를 나타낸다. 이 경우 0V에서 1V 이하 정도의 일정 전압(제로조정에 의해 조정된 전압)을 나타낸다.

한편, 패시브 매트릭스부(110)에 터치가 감지될 경우에는 감지전극(X0~XN)의 검출용량(C')이 단자(X0~XN)를 통해 연결되고, 이 검출용량(C')은 콘덴서(C0~C2N)에 병렬로 연결되어 해당 콘덴서의 전체 정전 용량은 증가하게 된다.

그 결과 터치가 감지될 경우의 충전전압(V')은 앞서 수학식 2에 따라 구해지며, 기준 콘덴서의 충전전압보다 낮고, 그 차이(V-V'=△V)에 의해 터치를 검출할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

110: 패시브 매트릭스부 120-0~120-2N: 정전류원
120-X: 기준 정전류원 126-0~126-N: 정전 센서 회로
130-X,130-0~130-2N: 클럭용 인버터
130-Z: 버퍼 132: 발진회로
140: 기준신호 생성부 144,151,152: 피크 검출회로
146,156: LPF 148: 비교기
150-0~150-N: 검출회로 153: 감산기
154: 연산증폭기 155-1,155-2: 스위치
157: 커패시터 158: 증폭기
159: 검출기 170: 출력 선택스위치

Claims

복수의 스캔 전극(Y0~YN)과 복수의 감지 전극(X0~XN)이 매트릭스 형태로 배열되어 있는 패시브 매트릭스부(110)와, 상기 감지 전극(X0~XN)에 의한 정전 용량 변화를 검출하기 위한 N개의 정전 센서 회로(126-0~126-N)와, 상기 정전 센서 회로에 구형파 클럭신호를 인가하기 위한 발진회로(132)와, 상기 N개의 정전 센서 회로에 기준신호를 인가하기 위한 기준신호 생성회로(140)를 포함하는 멀티 채널 정전 터치 센서 회로에 있어서,
상기 기준신호 생성회로(140)는
기준 정전류원(120-X)과,
상기 기준 정전류원에 의해 충전되고 클럭신호에 방전되어 기준신호를 생성하기 위한 기준 콘덴서(CR)와,
상기 기준 콘덴서(CR)의 출력에서 피크치(피크값)를 검출하기 위한 피크 검출부(144)와,
상기 피크 검출부의 출력을 설정된 기준전압과 비교하여 정전류원을 구동하기 위한 제어신호를 생성하는 비교기(148)를 포함하는 멀티 채널 정전 터치 센서 회로.
삭제
제1항에 있어서, 상기 정전 센서 회로(126-0~126-N)는
적어도 2개 이상의 전극에 연결되는 제0 내지 제2N 콘덴서(C0~C2N)와,
제어신호에 따라 제0 내지 제2N 콘덴서(C0~C2N)에 전류를 인가하기 위한 제0 내지 제2N 정전류원(120-0~120-2N)과,
제0 내지 제2N 콘덴서(C0~C2N)에 충전되는 전압에서 차이 전압을 검출하는 검출회로(150-0~150-N)를 포함하는 멀티 채널 정전 터치 센서 회로.