KR102186177B1 - 터치 센서 및 그의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상호 교차하는 구동 전극들과 감지 전극들을 포함하는 터치 센싱부; 상기 구동 전극들로 터치 구동 신호를 공급하는 터치 구동부; 및 상기 감지 전극들 중 제i 감지 전극으로부터 감지 신호를 전달받고, 상기 감지 신호에 대응하는 정전용량을 출력하는 정전용량 감지부; 를 포함하고, 상기 정전용량 감지부는, 상기 제i 감지 전극의 감지 신호를 입력받는 증폭기; 상기 증폭기의 출력 신호를 동위상(In-phase) 신호와 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 믹서 회로부; 및 상기 동위상 신호와 상기 직교위상 신호로 구성되는 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 I/Q 신호의 크기를 상기 제i 감지 전극의 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 신호 크기 계산부; 를 포함하는 터치 센서에 관한 것이다.

Description

터치 센서 및 그의 구동 방법{TOUCH SENSOR AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 터치 센서 및 그의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 위상 지연과 무관하게 신호 손실없이 정전용량을 복원할 수 있는 터치 센서 및 그의 구동 방법에 관한 것이다.
터치 센서는 저항막 방식, 정전용량 방식 또는 적외선 방식 등을 이용하여 사용자의 터치를 감지한다. 최근에는 중형 및 소형 모바일 제품군에서 뛰어난 가시성과 멀티 터치 기능 등에 장점이 있는 정전용량 방식 특히 상호 정전용량 방식이 주류를 이루고 있다.
정전용량 방식의 터치 센서의 경우, 구동 원리에 의해 주변 노이즈(noise)의 영향으로 터치 인식에 오류가 발생할 수 있다. 터치 센서의 주변 노이즈는 대표적으로 터치 센서가 주로 적용되는 디스플레이 동작에 의한 노이즈, 형광등에서 발생하는 노이즈, 및 삼파장 램프에서 발생하는 노이즈가 있다.
이러한 주변 노이즈는 특정 주파수 성분을 가지고 있는데, 터치 센서의 동작에 사용되는 주파수 대역과 겹칠 경우 간섭을 일으켜 터치 위치 감지가 어렵게 된다. 따라서, 노이즈 간섭을 회피하기 위해 터치 센서 구동에 사용되는 주파수를 변화시키는 주파수 호핑(frequency hopping) 방식이 사용되고 있다.
다만, 터치 센서의 기생 저항 성분 및 기생 정전용량 성분으로 인하여 구동 신호의 위상 지연이 발생되게 되므로, 추후 센싱 회로에서는 이러한 위상 지연을 반영하여 구동 신호의 주파수로 변조되어 있는 정전용량을 믹서(mixer)를 통해 복원하여야 한다.
그러나, 주파수 호핑 방식을 채용하는 경우 구동 주파수 별 위상 지연을 일일이 예상 및 산출하여야 하므로, 회로 구조의 복잡성이 증대되는 문제가 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 감지 신호를 동위상 신호와 직교위상 신호로 복조함으로써 위상 지연과 무관하게 신호 손실없이 정전용량을 복원할 수 있는 터치 센서 및 그의 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 사용자에 의해 정상적으로 발생된 터치와 물방울 등에 의해 비정상적으로 발생된 터치를 구별 가능한 터치 센서 및 그의 구동 방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 실시예에 의한 터치 센서는, 상호 교차하는 구동 전극들과 감지 전극들을 포함하는 터치 센싱부, 상기 구동 전극들로 터치 구동 신호를 공급하는 터치 구동부, 및 상기 감지 전극들 중 제i 감지 전극으로부터 감지 신호를 전달받고, 상기 감지 신호에 대응하는 정전용량을 출력하는 정전용량 감지부를 포함하고, 상기 정전용량 감지부는, 상기 제i 감지 전극의 감지 신호를 입력받는 증폭기, 상기 증폭기의 출력 신호를 동위상(In-phase) 신호와 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 믹서 회로부, 및 상기 동위상 신호와 상기 직교위상 신호로 구성되는 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 I/Q 신호의 크기를 상기 제i 감지 전극의 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 신호 크기 계산부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 신호 크기 계산부는, 상기 I/Q 신호에 기설정된 오프셋 값을 더하여 상기 I/Q 신호의 크기를 계산할 수 있다.
또한, 상기 믹서 회로부는, 상기 터치 구동 신호와 위상이 동일한 제1 복조 신호 및 상기 터치 구동 신호와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호를 공급받고, 상기 제1 복조 신호와 상기 제2 복조 신호를 이용하여 상기 복조 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 터치 구동부는, 상기 터치 구동 신호의 주파수를 변경할 수 있다.
또한, 상기 신호 크기 계산부는, 상기 터치 구동 신호의 주파수의 변경에 대응하여 상기 오프셋 값을 변경할 수 있다.
또한, 상기 오프셋 값은, 상기 동위상 신호에 더해지는 오프셋 값과 상기 직교위상 신호에 더해지는 오프셋 값을 포함할 수 있다.
또한, 상기 믹서 회로부는, 상기 증폭기의 출력 신호를 상기 제1 복조 신호와 믹싱하여 상기 동위상 신호를 출력하는 제1 믹서, 상기 동위상 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 제1 아날로그-디지털 컨버터, 상기 증폭기의 출력 신호를 상기 제2 복조 신호와 믹싱하여 상기 직교위상 신호를 출력하는 제2 믹서, 및 상기 직교위상 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 제2 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 믹서 회로부는, 상기 증폭기의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터, 상기 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 신호를 상기 제1 복조 신호를 이용하여 상기 동위상 신호로 복조하는 제1 곱셈기, 및 상기 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 신호를 상기 제2 복조 신호를 이용하여 상기 직교위상 신호로 복조하는 제2 곱셈기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 터치 센서의 구동 방법은, 제1 주파수의 터치 구동 신호를 구동 전극들로 공급하는 단계, 상기 구동 전극들과 교차하는 감지 전극들 중 제i 감지 전극으로부터의 제1 감지 신호가 증폭기로 입력되는 단계, 상기 증폭기의 출력 신호를 제1 동위상(In-phase) 신호와 제1 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 단계, 상기 제1 동위상 신호와 상기 제1 직교위상 신호로 구성되는 제1 I/Q 신호에 기설정된 제1 오프셋 값을 더하여 상기 제1 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 제1 I/Q 신호의 크기를 상기 제1 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 단계, 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 터치 구동 신호를 구동 전극들로 공급하는 단계, 상기 제i 감지 전극으로부터의 제2 감지 신호가 상기 증폭기로 입력되는 단계, 상기 증폭기의 출력 신호를 제2 동위상 신호와 제2 직교위상 신호로 복조하는 단계, 및 상기 제2 동위상 신호와 상기 제2 직교위상 신호로 구성되는 제2 I/Q 신호에 기설정된 제2 오프셋 값을 더하여 상기 제2 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 제2 I/Q 신호의 크기를 상기 제2 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 단계를 포함하고, 상기 제2 오프셋 값은, 상기 제1 오프셋 값과 상이하게 설정될 수 있다.
또한, 상기 증폭기의 출력 신호를 제1 동위상(In-phase) 신호와 제1 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 단계 및 상기 증폭기의 출력 신호를 제2 동위상 신호와 제2 직교위상 신호로 복조하는 단계는, 상기 터치 구동 신호와 위상이 동일한 제1 복조 신호 및 상기 터치 구동 신호와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호를 이용하여 복조 동작을 수행할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 감지 신호를 동위상 신호와 직교위상 신호로 복조함으로써 위상 지연과 무관하게 신호 손실없이 정전용량을 복원할 수 있는 터치 센서 및 그의 구동 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 사용자에 의해 정상적으로 발생된 터치와 물방울 등에 의해 비정상적으로 발생된 터치를 구별 가능한 터치 센서 및 그의 구동 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 터치 센싱부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량 감지부 및 터치 구동부의 구성을 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 I/Q 신호를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정상 터치 및 비정상 터치가 함께 발생한 경우의 I/Q 신호를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 오프셋 값을 더한 상태의 I/Q 신호를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 오프셋 값을 더한 상태의 I/Q 신호를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전용량 감지부 및 터치 구동부의 구성을 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 본 발명과 관련된 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. "연결", "결합" 또는 "접속"의 경우, 물리적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"되는 것뿐만 아니라 필요에 따라 전기적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"되는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 기재된 "~부(유닛)", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주 기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시예들과 관련된 도면들을 참고하여, 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서 및 그의 구동 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 터치 센싱부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터치 센서(100)는 터치 센싱부(110) 및 터치 제어부(120)를 포함할 수 있다.
터치 센싱부(110)는, 사용자에 의한 터치를 입력 받는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 터치에 의한 정전용량(capacitance)의 변화를 센싱하기 위하여 다수의 전극들을 구비할 수 있다.
터치 제어부(120)는 터치 센싱부(110)를 제어하며, 터치 센싱부(110)로부터 출력되는 감지 신호를 이용하여 정전용량의 변화를 센싱함으로써 터치 이벤트의 발생 여부, 위치, 크기, 세기 등을 검출할 수 있다.
즉, 상술한 터치 센싱부(110)와 터치 제어부(120)로 구성된 터치 센서(100)는 정전용량 방식의 터치 센서로 동작할 수 있다.
터치 센싱부(110)와 터치 제어부(120)는 하나의 기판 상에 형성될 수도 있고, 서로 다른 기판 상에 형성된 후 전기적으로 연결될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 터치 센싱부(110)는 다수의 터치 전극들(Tx, Rx)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 터치 전극들(Tx, Rx)은 다수의 구동 전극들(또는 송신 전극들이라고 함, Tx1~Txj)과 다수의 감지 전극들(또는 수신 전극들이라고 함, Rx1~Rxk)을 포함할 수 있다.
구동 전극들(Tx1~Txj)은 제1 방향(예를 들어, X축 방향)으로 길게 형성되어 제1 방향과 교차하는 제2 방향(예를 들어, Y축 방향)을 따라 복수개가 배열될 수 있다.
감지 전극들(Rx1~Rxk)은 제2 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 길게 형성되어 제1 방향(예를 들어, X축 방향)을 따라 복수개가 배열될 수 있다.
구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 상호 교차하여 위치함으로써, 정전용량 방식의 터치 센서로 동작할 수 있다.
구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)의 교차부는 다수의 센싱 노드를 형성할 수 있으며, 터치 센서(100)에 터치 이벤트가 발생하는 경우 터치 이벤트와 연관된 위치(센싱 노드)의 상호 정전용량이 변화하게 된다. 이러한 센싱 노드의 정전용량 변화를 검출하여 터치 위치를 검출할 수 있다.
예를 들어, 상호 교차 배치되는 j개의 구동 전극들(Tx1~Txj)과 k개의 감지 전극들(Rx1~Rxk)을 통하여 j개의 행 및 k개의 열로 이루어지는 복수의 센싱 노드들이 형성될 수 있다.
각각의 구동 전극들(Tx1~Txj)은 제1 방향(예를 들어, X축 방향)을 따라 소정 간격을 가지고 배열되는 복수개의 제1 터치 감지셀들(211)과, 상기 제1 터치 감지셀들(211)을 상호 전기적으로 연결하는 복수개의 제1 연결 패턴들(212)을 포함할 수 있다.
또한, 각각의 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 제2 방향(예를 들어, Y축 방향)을 따라 소정 간격을 가지고 배열되는 복수개의 제2 터치 감지셀들(221)과, 상기 제2 터치 감지셀들(221)을 상호 전기적으로 연결하는 복수개의 제2 연결 패턴들(222)을 포함할 수 있다.
이때, 제2 터치 감지셀들(221)은 제1 터치 감지셀들(211)과 중첩되지 않도록 제1 터치 감지셀들(211) 사이에 분산 배치될 수 있다.
도 2에서는 제1 터치 감지셀들(211)과 제2 터치 감지셀들(221)이 다각형의 형상을 갖는 경우를 도시하였으나, 제1 터치 감지셀들(211)과 제2 터치 감지셀들(221)의 형상은 다양하게 변화될 수 있다.
구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속이나 이들의 합금을 포함할 수 있다. 상기 금속으로는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 백금(Pt) 등을 들 수 있다.
또한, 구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 투명 도전성 물질로는 은나노와이어(AgNW), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(Antimony Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), 및 SnO2(Tin Oxide), 카본나노튜브(Carbon Nano Tube), 그래핀 (graphene) 등을 들 수 있다. 구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 각각 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 동일한 물질로 이루어지거나, 또는 상이한 물질로 이루어질 수 있다.
구동 전극들(Tx1~Txj)과 감지 전극들(Rx1~Rxk)은 기판(미도시) 상에 배치될 수 있다. 이러한 기판은 별도의 기판으로 구현될 수 있으며, 터치 센서(100)가 표시 장치에 포함되는 경우 표시 장치에 포함된 다양한 구성요소로 구현될 수 있다. 예를 들어, 기판은 표시 장치에 포함된 표시 패널일 수 있다.
다음으로, 터치 제어부(120)는 터치 구동부(121), 정전용량 감지부(122), 및 신호 처리부(123)를 포함할 수 있다.
터치 구동부(121)는 터치 센서(100)의 구동을 위하여 터치 센싱부(110)로 터치 구동 신호(Td)를 공급할 수 있다.
예를 들어, 터치 구동부(121)는 제1 구동 전극(Tx1)부터 제j 구동 전극(Txj)까지 순차적으로 터치 구동 신호(Td)를 공급할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고, 터치 구동부(121)는 다른 순서에 따라 시분할적으로 터치 구동 신호(Td)를 공급할 수 있으며, 또한 터치 구동 신호(Td)의 특성에 따라 복수 개의 구동 전극들에 대하여 동시 공급하는 방식을 사용할 수도 있다.
또한, 터치 구동부(121)는 외부 노이즈에 의한 간섭을 회피하기 위하여, 주파수 호핑(frequency hopping) 기능을 보유할 수 있다. 즉, 터치 구동부(121)는 외부로부터 공급되는 제어 신호에 대응하여 터치 구동 신호(Td)의 주파수를 변경할 수 있다.
일례로, 터치 구동부(121)는 제1 주파수(예를 들어, 150kHz)의 터치 구동 신호(Td)를 공급할 수 있으며, 외부 노이즈에 대응하여 구동 주파수의 변경이 필요한 경우 제1 주파수와 상이한 제2 주파수(예를 들어, 300kHz)의 터치 구동 신호(Td)를 공급할 수 있다.
또한, 터치 구동부(121)는 정전용량 감지부(122)의 복조 동작을 위한 복조 신호(Dm)를 정전용량 감지부(122)로 공급할 수 있다. 일례로, 복조 신호(Dm)는 터치 구동 신호(Td)와 위상이 동일한 제1 복조 신호 및 터치 구동 신호(Td)와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호를 포함할 수 있다.
정전용량 감지부(122)는 감지 전극들(Rx1~Rxk)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 감지 전극들(Rx1~Rxk)로부터 감지 신호들을 전달받을 수 있다. 또한, 수신된 감지 신호들에 대응하는 각 채널별 정전용량(C1~Ck)을 산출하여 출력할 수 있다. 이때, 정전용량 감지부(122)는 터치 구동부(121)로부터 전달된 복조 신호(Dm)를 이용하여 수신한 감지 신호들을 복조할 수 있으며, 이를 통해 해당 감지 신호에 대응하는 정전용량을 산출할 수 있다.
신호 처리부(123)는 정전용량 감지부(122)로부터 수신된 채널별 정전용량(C1~Ck)에 기반하여 소정의 논리 연산을 수행함으로써, 터치 센서(100) 상에 터치 동작이 수행(터치 이벤트 발생)되었는지 여부와 터치 동작이 수행된 위치 및 그 강도 등을 판별할 수 있다. 또한, 신호 처리부(123)는 터치 구동부(121) 및/또는 정전용량 감지부(122)에 대한 제어 동작을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량 감지부 및 터치 구동부의 구성을 보다 자세히 나타낸 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 I/Q 신호를 나타낸 도면이다.
특히, 도 4a 및 도 4b는 논-터치(non-touch) 상태에서의 오프셋(offset)을 상쇄한 경우를 도시한 것으로, 도 4a에서는 150kHz의 터치 구동 신호(Td)를 이용하였을 때의 I/Q 신호를 도시하였으며, 도 4b에서는 300kHz의 터치 구동 신호(Td)를 이용하였을 때의 I/Q 신호를 도시하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 정전용량 감지부(122)는 멀티플렉서(multiplexer, 210), 증폭기(220), 믹서 회로부(230), 및 신호 크기 계산부(250)를 포함할 수 있다.
멀티플렉서(210)는 터치 센싱부(110)의 감지 전극들(Rx1~Rxk)과 연결되어, 감지 전극들(Rx1~Rxk) 중 어느 하나의 감지 전극(예를 들어, 제i 감지 전극(1≤i≤k))으로부터의 감지 신호를 증폭기(220)로 전달시킬 수 있다.
도 3에서는 멀티플렉서(210)를 통해 감지 전극들(Rx1~Rxk)과 연결되는 하나의 정전용량 감지부(122)를 예시적으로 도시하였으나, 이에 제한되지는 않는다.
필요에 따라 정전용량 감지부(122)는 다수개가 설치될 수 있으며, 멀티플렉서(210)가 생략되는 경우 정전용량 감지부(122)는 각 채널별로 설치될 수 있다.
증폭기(220)는 멀티플렉서(210)에 연결되어, 멀티플렉서(210)에 의해 선택된 감지 전극의 감지 신호를 입력받을 수 있다. 예를 들어, 멀티플렉서(210)를 통해 제i 감지 전극(Ri)의 감지 신호가 증폭기(220)로 입력될 수 있다.
믹서 회로부(230)는 증폭기(220)와 연결되며, 증폭기(220)의 출력 신호를 동위상(In-phase) 신호(I)와 직교위상(Quadrature) 신호(Q)로 복조하여 신호 크기 계산부(250)로 출력할 수 있다.
이를 위하여, 믹서 회로부(230)는 터치 구동 신호(Td)와 위상이 동일한 제1 복조 신호(Dm1) 및 터치 구동 신호(Td)와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호(Dm2)를 공급받고, 상기 제1 복조 신호(Dm1)와 제2 복조 신호(Dm2)를 이용하여 복조 동작을 수행할 수 있다.
일례로, 믹서 회로부(230)는 제1 믹서(231), 제1 아날로그-디지털 컨버터(241), 제2 믹서(232), 및 제2 아날로그-디지털 컨버터(242)를 포함할 수 있다.
제1 믹서(231)는 증폭기(220)의 출력 신호를 제1 복조 신호(Dm1)와 믹싱하여 동위상 신호(I)를 출력할 수 있다.
제1 아날로그-디지털 컨버터(241)는 제1 믹서(231)와 연결되어, 제1 믹서(231)로부터 출력된 동위상 신호(I)를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
제2 믹서(232)는 증폭기(220)의 출력 신호를 제2 복조 신호(Dm2)와 믹싱하여 직교위상 신호(Q)를 출력할 수 있다.
제2 아날로그-디지털 컨버터(242)는 제2 믹서(232)와 연결되어, 제2 믹서(232)로부터 출력된 직교위상 신호(Q)를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
신호 크기 계산부(250)는 믹서 회로부(230)로부터 동위상 신호(I)와 직교위상 신호(Q)를 전달받고, 상기 동위상 신호(I)와 상기 직교위상 신호(Q)로 구성되는 I/Q(In-phase/Quadrature) 신호의 크기(T)를 계산할 수 있다.
이렇게 생성된 I/Q 신호의 크기(T)는 구동 주파수에 따른 터치 센서(100)의 신호 지연(delay)에 영향을 받지 않는다.
또한, 신호 크기 계산부(250)는 계산된 I/Q 신호의 크기(T)를 특정 감지 전극의 감지 신호에 대응하는 정전용량(C)으로 출력할 수 있다.
예를 들어, 멀티플렉서(210)를 통해 제i 감지 전극(Ri)이 선택된 경우, 제i 감지 전극(Ri)의 감지 신호에 대응하는 정전용량(Ci)이 신호 처리부(123)로 출력될 수 있다.
신호 크기 계산부(250)는 복소 신호인 I/Q 신호의 크기(T)를 계산할 때 CORDIC(COordinate Rotation DIgital Computer) 알고리즘을 사용할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 복소 신호의 크기를 계산 가능한 다양한 알고리즘이 채용될 수 있다.
신호 처리부(123)는 신호 크기 계산부(250)로부터 각 채널별 정전용량(C1~Ck)을 전달받을 수 있으며, 이를 통해 터치 이벤트의 위치 및 강도를 알아낼 수 있다.
한편, 터치 구동부(121)는 신호 발생부(310), 버퍼 회로(320), 및 디멀티플렉서(demultiplexer, 330)를 포함할 수 있다.
신호 발생부(310)는 특정 주파수를 갖는 터치 구동 신호(Td)를 생성하여, 버퍼 회로(320)를 통해 디멀티플렉서(330)로 공급할 수 있다.
디멀티플렉서(330)는 터치 센싱부(110)의 구동 전극들(Tx1~Txj)과 연결되며, 적어도 하나의 구동 전극을 선택하여 터치 구동 신호(Td)를 공급할 수 있다.
이때, 신호 발생부(310)는 터치 구동 신호(Td)의 주파수를 변경할 수 있으며, 제1 복조 신호(Dm1)와 제2 복조 신호(Dm2)를 믹서 회로부(230)로 공급할 있다. 제1 복조 신호(Dm1)는 터치 구동 신호(Td)와 동일한 신호로 설정될 수 있으며, 제2 복조 신호(Dm2)는 터치 구동 신호(Td)와 90도 위상차를 가지는 신호로 설정될 수 있다. 제2 복조 신호(Dm2)의 생성을 위하여, 신호 발생부(310)는 별도의 위상 시프터(phase shifter)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정상 터치 및 비정상 터치가 함께 발생한 경우의 I/Q 신호를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 오프셋 값을 더한 상태의 I/Q 신호를 나타낸 도면이다.
특정 환경에서는 사용자에 의한 정상 터치(A)와 물방울 등에 의한 비정상 터치(B)가 함께 발생할 수 있다. 이때, 정상 터치(A)는 접지(ground)와 연관된 사용자 손가락 등에 의한 터치로서, 이와 관련된 I/Q 신호는 도 5 기준 제1 사분면에 위치할 수 있다. 또한, 비정상 터치(B)는 플로팅(floating) 상태인 물방울 등에 의한 터치로서, 이와 관련된 I/Q 신호는 제1 사분면과 반대인 제3 사분면에 위치할 수 있다.
이러한 두 개의 I/Q 신호는 그 크기가 동일하므로, 크기 계산만을 통해서는 정상 터치(A)와 비정상 터치(B)의 구분이 불가능하다.
즉, I/Q 신호의 크기만으로는 정전용량의 변화 방향을 알 수 없으며, 두 개의 I/Q 신호의 크기가 상이하더라도 정전용량의 변화 방향을 알 수 없다면 두 개의 터치의 구분이 불가능하다.
이에, 신호 크기 계산부(250)에서는 믹서 회로부(230)로부터 전달된 I/Q 신호에 기설정된 오프셋 값(Voffset)을 더한 후 I/Q 신호의 크기를 계산할 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이 두 개의 I/Q 신호에 각각 오프셋 값(Voffset)을 더한 후, 각 I/Q 신호의 크기를 산출한다면 그 크기가 상이하므로, 정상 터치(A)와 비정상 터치(B)의 구분이 가능해진다.
한편, 신호 크기 계산부(250)는 터치 구동 신호(Td)의 주파수 변경에 대응하여 오프셋 값(Voffset)을 변경할 수 있다. 즉, 도 4a 및 도 4b와 관련하여 살펴본 바와 같이, 구동 주파수의 크기에 따라 I/Q 신호의 방향이 달라질 수 있다. 이에 따라, 오프셋 값(Voffset)은 터치 구동 신호(Td)의 주파수 별로 다수개가 미리 설정되어 소정의 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
또한, 오프셋 값(Voffset)은 I/Q 신호 중 동위상 신호(I)에 더해지는 오프셋 값과, I/Q 신호 중 직교위상 신호(Q)에 더해지는 오프셋 값을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 오프셋 값을 더한 상태의 I/Q 신호를 나타낸 도면이다. 특히, 도 7에서는 오프셋 값(Voffset)의 방향과 I/Q 신호의 방향이 일치하지 않은 경우를 도시하였다.
이 경우, 오프셋 값(Voffset)과 I/Q 신호의 방향이 이루는 각도(θ)에 따라 신호 손실이 발생하게 된다.
이때, 오프셋 값(Voffset)의 크기를 E, I/Q 신호의 크기를 F, 오프셋 값(Voffset)과 I/Q 신호의 방향이 이루는 각도를 θ라고 할 때, 이렇게 얻은 신호 비율은 하기와 같이 도출될 수 있다.
Figure 112020021491733-pat00001
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전용량 감지부 및 터치 구동부의 구성을 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전용량 감지부(122')는 멀티플렉서(210), 증폭기(220), 믹서 회로부(230'), 및 신호 크기 계산부(250)를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 도 3과 관련한 실시예에서는 정전용량 감지부(122)가 믹서 회로부(230)를 통해 아날로그 도메인(analog domain)에서 복조 동작을 수행하나, 도 8과 관련한 본 실시예에서는 정전용량 감지부(122')가 믹서 회로부(230')를 통해 디지털 도메인(digital domain)에서 복조 동작을 수행하는 차이점이 있다.
따라서, 앞서 실시예와 변경된 구성요소인 믹서 회로부(230')를 중심으로 설명을 진행하도록 한다.
믹서 회로부(230')는 증폭기(220)와 연결되며, 증폭기(220)의 출력 신호를 동위상(In-phase) 신호(I)와 직교위상(Quadrature) 신호(Q)로 복조하여 신호 크기 계산부(250)로 출력할 수 있다.
이를 위하여, 믹서 회로부(230')는 터치 구동 신호(Td)와 위상이 동일한 제1 복조 신호(Dm1) 및 터치 구동 신호(Td)와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호(Dm2)를 공급받고, 상기 제1 복조 신호(Dm1)와 제2 복조 신호(Dm2)를 이용하여 복조 동작을 수행할 수 있다.
일례로, 믹서 회로부(230')는 아날로그-디지털 컨버터(245), 제1 곱셈기(235), 및 제2 곱셈기(236)를 포함할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(245)는 증폭기(220)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
제1 곱셈기(235)는 아날로그-디지털 컨버터(245)로부터 출력되는 신호를 제1 복조 신호(Dm1)를 이용하여 동위상 신호(I)로 복조할 수 있다.
제2 곱셈기(236)는 아날로그-디지털 컨버터(245)로부터 출력되는 신호를 제2 복조 신호(Dm2)를 이용하여 직교위상 신호(Q)로 복조할 수 있다.
믹서 회로부(230')에 의해 복조된 동위상 신호(I)와 직교위상 신호(Q)는 신호 크기 계산부(250)로 공급되며, 신호 크기 계산부(250)는 상기 동위상 신호(I)와 직교위상 신호(Q)로 구성되는 I/Q(In-phase/Quadrature) 신호의 크기(T)를 계산할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다. 앞서 언급한 도 1 내지 도 8과 상기 도 9를 참고하여, 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서의 구동 방법을 설명하도록 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 터치 센서의 구동 방법은 제1 주파수 구동 단계(S10), 제1 감지 신호 증폭 단계(S20), 제1 복조 단계(S30), 제1 정전용량 출력 단계(S40), 제2 주파수 구동 단계(S50), 제2 감지 신호 증폭 단계(S60), 제2 복조 단계(S70), 및 제2 정전용량 출력 단계(S80)를 포함할 수 있다.
제1 주파수 구동 단계(S10)에서는 제1 주파수의 터치 구동 신호(Td)를 구동 전극들(Tx1~Txj)로 공급할 수 있다.
제1 감지 신호 증폭 단계(S20)에서는 구동 전극들(Tx1~Txj)과 교차 위치하는 감지 전극들(Rx1~Rxk) 중 제i 감지 전극(Rxi, 1≤i≤k)으로부터의 제1 감지 신호가 정전용량 감지부(122, 122')의 증폭기(220)로 입력될 수 있다.
제1 복조 단계(S30)에서는 증폭기(220)의 출력 신호를 제1 동위상(In-phase) 신호(I1)와 제1 직교위상(Quadrature) 신호(Q1)로 복조할 수 있다. 이때, 제1 복조 단계(S30)에서는 터치 구동 신호(Td)와 위상이 동일한 제1 복조 신호(Dm1) 및 터치 구동 신호(Td)와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호(Dm2)를 이용하여 복조 동작을 수행할 수 있다.
제1 정전용량 출력 단계(S40)에서는 제1 동위상 신호(I1)와 제1 직교위상 신호(Q1)로 구성되는 제1 I/Q 신호에 기설정된 제1 오프셋 값(Voffset1)을 더하여 상기 제1 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 제1 I/Q 신호의 크기를 상기 제1 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력할 수 있다.
제2 주파수 구동 단계(S50)에서는 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 터치 구동 신호(Td)를 구동 전극들(Tx1~Txj)로 공급할 수 있다.
제2 감지 신호 증폭 단계(S60)에서는 상기 제i 감지 전극(Rxi)으로부터의 제2 감지 신호가 정전용량 감지부(122, 122')의 증폭기(220)로 입력될 수 있다.
제2 복조 단계(S70)에서는 증폭기(220)의 출력 신호를 제2 동위상 신호(I2)와 제2 직교위상(Quadrature) 신호(Q2)로 복조할 수 있다. 이때, 제2 복조 단계(S70)에서는 터치 구동 신호(Td)와 위상이 동일한 제1 복조 신호(Dm1) 및 터치 구동 신호(Td)와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호(Dm2)를 이용하여 복조 동작을 수행할 수 있다.
제2 정전용량 출력 단계(S80)에서는 제2 동위상 신호(I2)와 제2 직교위상 신호(Q2)로 구성되는 제2 I/Q 신호에 기설정된 제2 오프셋 값(Voffset2)을 더하여 상기 제2 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 제2 I/Q 신호의 크기를 상기 제2 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력할 수 있다.
이때, 제1 오프셋 값(Voffset1)와 제2 오프셋 값(Voffset2)은 구동 주파수에 대응하여 각각 다른 값으로 설정될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이지 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 터치 센서
110: 터치 센싱부
120: 터치 제어부
121: 터치 구동부
122: 정전용량 감지부
123: 신호 처리부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 상호 교차하는 구동 전극들과 감지 전극들을 포함하는 터치 센싱부;
    상기 구동 전극들로 터치 구동 신호를 공급하는 터치 구동부; 및
    상기 감지 전극들 중 제i 감지 전극으로부터 감지 신호를 전달받고, 상기 감지 신호에 대응하는 정전용량을 출력하는 정전용량 감지부; 를 포함하고,
    상기 정전용량 감지부는,
    상기 제i 감지 전극의 감지 신호를 입력받는 증폭기;
    상기 증폭기의 출력 신호를 동위상(In-phase) 신호와 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 믹서 회로부; 및
    상기 동위상 신호와 상기 직교위상 신호로 구성되는 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 I/Q 신호의 크기를 상기 제i 감지 전극의 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 신호 크기 계산부; 를 포함하며,
    상기 신호 크기 계산부는,
    상기 I/Q 신호에 기설정된 오프셋 값을 더하여 상기 I/Q 신호의 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 믹서 회로부는,
    상기 터치 구동 신호와 위상이 동일한 제1 복조 신호 및 상기 터치 구동 신호와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호를 공급받고, 상기 제1 복조 신호와 상기 제2 복조 신호를 이용하여 상기 복조 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 터치 구동부는,
    상기 터치 구동 신호의 주파수를 변경하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 크기 계산부는,
    상기 터치 구동 신호의 주파수의 변경에 대응하여 상기 오프셋 값을 변경하는 것을 특징으로 하는 터치 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 오프셋 값은,
    상기 동위상 신호에 더해지는 오프셋 값과 상기 직교위상 신호에 더해지는 오프셋 값을 포함하는 터치 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 믹서 회로부는,
    상기 증폭기의 출력 신호를 상기 제1 복조 신호와 믹싱하여 상기 동위상 신호를 출력하는 제1 믹서;
    상기 동위상 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 제1 아날로그-디지털 컨버터;
    상기 증폭기의 출력 신호를 상기 제2 복조 신호와 믹싱하여 상기 직교위상 신호를 출력하는 제2 믹서; 및
    상기 직교위상 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 제2 아날로그-디지털 컨버터; 를 포함하는 터치 센서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 믹서 회로부는,
    상기 증폭기의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터;
    상기 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 신호를 상기 제1 복조 신호를 이용하여 상기 동위상 신호로 복조하는 제1 곱셈기; 및
    상기 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 신호를 상기 제2 복조 신호를 이용하여 상기 직교위상 신호로 복조하는 제2 곱셈기; 를 포함하는 터치 센서.
  9. 제1 주파수의 터치 구동 신호를 구동 전극들로 공급하는 단계;
    상기 구동 전극들과 교차하는 감지 전극들 중 제i 감지 전극으로부터의 제1 감지 신호가 증폭기로 입력되는 단계;
    상기 증폭기의 출력 신호를 제1 동위상(In-phase) 신호와 제1 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 단계;
    상기 제1 동위상 신호와 상기 제1 직교위상 신호로 구성되는 제1 I/Q 신호에 기설정된 제1 오프셋 값을 더하여 상기 제1 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 제1 I/Q 신호의 크기를 상기 제1 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 단계;
    상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 터치 구동 신호를 구동 전극들로 공급하는 단계;
    상기 제i 감지 전극으로부터의 제2 감지 신호가 상기 증폭기로 입력되는 단계;
    상기 증폭기의 출력 신호를 제2 동위상 신호와 제2 직교위상 신호로 복조하는 단계; 및
    상기 제2 동위상 신호와 상기 제2 직교위상 신호로 구성되는 제2 I/Q 신호에 기설정된 제2 오프셋 값을 더하여 상기 제2 I/Q 신호의 크기를 계산하고, 계산된 제2 I/Q 신호의 크기를 상기 제2 감지 신호에 대응하는 정전용량으로 출력하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제2 오프셋 값은,
    상기 제1 오프셋 값과 상이한 것을 특징으로 하는 터치 센서의 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력 신호를 제1 동위상(In-phase) 신호와 제1 직교위상(Quadrature) 신호로 복조하는 단계 및 상기 증폭기의 출력 신호를 제2 동위상 신호와 제2 직교위상 신호로 복조하는 단계는,
    상기 터치 구동 신호와 위상이 동일한 제1 복조 신호 및 상기 터치 구동 신호와 90도 위상차를 갖는 제2 복조 신호를 이용하여 복조 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 터치 센서의 구동 방법.
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