KR20050074602A - 물체 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

물체 감지 시스템 및 방법 Download PDF

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KR1020057008458A
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베르켈 코넬리스 반
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 의사 정전기 감지로도 알려져 있으며 교차 용량성 감지라고도 하는 전기장 감지를 이용하는 물체 감지 시스템(50) 및 방법에 관한 것이다. 이 시스템(50)은 적어도 하나의 전기장 감지 전극 배열(30)을 포함하고, 각각의 전극 배열(30)은 하나의 전기장 감지 수신 전극(32)과 두 개의 전기장 감지 송신 전극(34, 36)을 포함한다. 전기장 감지 송신 전극들 중 하나(36)는 다른 전기장 감지 송신 전극(34)을 구동시키는 교류 전압(120)에 비해 적어도 일부 역상 부분, 예를 들면 반전된 신호를 포함하는 교류 전압(130)으로 구동된다. 이것은 전기장 감지 수신 전극(32)에서 유도된 전류의 변화를 검출함으로써 수행된 물체 감지의 공간 정밀도를 개선시킨다. 일례에서는 두 개의 전기장 감지 송신 전극(34, 36)이 전기장 감지 수신 전극(32) 주위에 배열된 환형 링 형태를 하고 있다.

Description

물체 감지 시스템 및 방법{CAPACITIVE OBJECT SENSOR}
본 발명은 전기장 감지(electric field sensing)를 이용하는 물체 또는 지형을 감지하는 것에 관한 것이다. 전기장 감지는 의사 정전기 감지(quasi-electrostatic sensing)로도 알려져 있으며, 교차 용량성 감지(cross capacitive sensing)라고도 한다. 본 발명은 특히 지문 감지에 적합하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
물체를 감지하는데 사용된 감지 기술은, 용량성 감지 및 의사 정전기 감지로도 알려져 있으며 교차 용량성 감지라고도 하는 전기장 감지를 포함한다. 3 차원 공간에서 물체를 검출하기 위해 전기장 감지를 이용하는 것은 오래 전부터 알려져 왔으며, 예를 들어 근접 센서에 사용된다. 사실상, gnathomenu petersii fish는 물체를 검출하기 위해 전기장 감지를 이용한다. 가장 단순한 형태로, 용량성 감지는 단 하나의 전극을 사용하며, 측정은 그 전극의 부하 캐패시턴스로 이루어진다. 이 부하 캐패시턴스는 전극과 전극 주위의 모든 접지된 물체 사이의 모든 캐패시턴스의 합에 의해 결정된다. 이것은 근접 감지에서 행해지는 것이다. 교차 캐패시턴스 감지라고도 하는 전기장 감지는 두 개의 전극을 사용하며, 이 두 개의 전극 사이의 특정 캐패시턴스를 효과적으로 측정한다. 전기장 생성 장치가 접속되는 전극은 전기장 감지 송신 전극으로 간주될 수 있으며, 측정 장치가 접속되는 전극은 전기장 감지 수신 전극으로 간주될 수도 있다. 제 1 (송신) 전극은 교류 전압의 인가에 의해 여기된다. 따라서 전극들 사이의 용량 결합(즉, 전속(electric field line)의 영향)으로 인한 제 2 (수신) 전극에 변위 전류(displacement current)가 유도된다. 만약 물체가 전극 가까이에(즉, 전속 내에) 위치하면, 일부 전속은 물체에 의해 차단되고 용량 전류는 감소한다. 만약, 전류를 감시하면, 물체의 존재를 감지할 수도 있다.
미국 특허 제 6,025,726 호는 특히 컴퓨터 및 기타 애플리케이션용 사용자 입력 장치로서 전기장 감지 장치를 사용하는 것을 개시하고 있다. 전기장 감지 장치는 응용에 따라서 사용자의 손가락, 손 또는 신체의 위치를 감지한다.
미국 특허 제 6,025,726에 개시된 바와 같은 장치는 물체 위치 감지에 있어서의 정밀도 또는 감도로 제한된다. 획득할 수 있는 정확도는, 예를 들어 지문의 각 융기부의 위치의 개별 감지가 요구되는 지문 감지와 같은 일부 애플리케이션에 대해서 바람직하거나 또는 요구되는 정밀도에 비해 현저하게 제한된다.
본 발명자는 종래의 장치에 의해 제공되는 것보다 더 국부화된(localised) 위치를 감지할 수 있는 전기장 감지를 채용하는 물체 감지 장치를 제공하는 것이 바람직하다고 판단하였다. 이로 인해, 전기장 감지 출력이 거리 r(r은 이상적인 수신기 전극으로부터의 거리)에 따라서 어떻게 떨어지는 지에 대한 감도 프로파일을 이용하여, 종래의 장치의 근본적인 한계를 분석하게 되었다. 이 평가는, 송신 전극 및 수신 전극 뒤에 접지판이 존재하는 경우에 종래의 장치는 전기장 감지 출력이 1/r6 정도로 떨어지는 감도 프로파일을 제공한다는 것을 보여 주었다.
도 1은 종래의 전기장 감지 시스템(실제 축척이 아님)을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 종래의 전류 감지 회로의 기능 모듈을 도시한 블록도.
도 3은 물체 감지 시스템의 전극 배열(실제 축척이 아님)을 도시한 도면.
도 4는 도 3의 전극 배열의 도 3의 라인 X1-X2를 통한 단면을 도시한 도면.
도 5는 물체 감지 시스템을 도시한 도면.
도 6은 소정의 전기장 감지 송신 전극에 공급된 질적으로 다른 교류 전압을 도시한 도면.
도 7은 이론적으로 정규화된 신호를 나타내는 물체 응답 곡선의 계산 결과를 전기장 감지 전극의 이상적인 방사상으로 대칭인 구성에 있어서의 전기장 감지 수신 전극에 대한 물체의 위치의 함수로서 도시한 도면.
제 1 측면에서, 본 발명은 의사 정전기 감지로도 알려져 있으며 교차 용량성 감지라고도 하는 전기장 감지를 이용하는 물체 또는 특징부 감지 시스템을 제공한다. 이 시스템은 적어도 하나의 전기장 감지 전극 배열을 포함하고, 각각의 전극 배열은 적어도 하나의 전기장 감지 수신 전극과 적어도 두 개의 전기장 감지 송신 전극을 포함한다. 전기장 감지 송신 전극들 중 하나(또는 전기장 송신 전극이 두 개보다 많은 경우에는 하나 이상)는 다른 전기장 감지 송신 전극을 구동시키는 교류 전압에 비해 적어도 일부 역상 부분, 예를 들면 반전된 신호 또는 반대 극성을 포함하는 것을 특징으로 하는 다른 형태의 신호를 포함하는 교류 전압으로 구동된다.
이것은 물체 또는 특징부의 존재로 인한 전기장 감지 수신 전극에서 유도된 전류의 변화를 검출할 때 수행된 물체 감지의 공간 정밀도를 개선시키는 경향이 있다.
바람직한 실시예에서는, 전기장 감지 수신 전극은 고형체(solid) 또는 블록 형상이고(예를 들어, 환형 링 형상과는 대조적인), 전기장 감지 송신 전극은 환형 링 형상이며, 제 1 전기장 감지 송신 전극은 전기장 감지 수신 전극 둘레에 위치하며, 제 2 전기장 감지 송신 전극은 제 1 전기장 감지 송신 전극 둘레에 위치한다(추가의 하나 이상의 전기장 감지 송신 전극이 존재하는 경우에는, 이들이 각각의 이전 전기장 감지 송신 전극 주위에 위치한다).
일실시예에서, 두 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 원형인 전기장 수신 전극 주위에 배열된 실질적으로 환형 형태이다.
다른 측면에서, 본 발명은 전술한 항목들을 제공하고 이들을 적절히 이용하는 것을 포함하는 물체 감지 방법을 제공한다.
구체적으로는 본 발명은 하나의 전기장 감지 수신 전극 및 적어도 두 개의 전기장 송신 전극을 각각 포함하는 적어도 하나의 전극 배열을 제공하는 단계를 포함하는 물체 감지 방법을 제공한다. 이 방법은 전기장 감지 송신 전극들 중 하나(또는 전기장 송신 전극이 두 개보다 많은 경우에는 하나 이상)를 다른 전기장 감지 송신 전극을 구동시키는 교류 전압에 비해 적어도 일부 역상 부분, 예를 들면 반전된 신호 또는 반대 극성을 포함하는 것을 특징으로 하는 다른 형태의 신호를 포함하는 교류 전압으로 구동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 청구범위에 청구된 바와 같다.
전술한 장치 및 방법은 종래의 장치에 비해 국부화된 위치 감지 범위를 증가시키는 경향이 있다. 개선된 감도 프로파일이 제공되며, 이것은 바람직한 예에서는 전기장 감도 출력이 1/r12 로 떨어지는 정도까지 국부화를 제공할 수도 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 예를 통해 본 발명의 실시예를 설명한다.
먼저, 종래의 전기장 감지 장치의 기본적인 동작의 개요를 설명한다. 도 1은 전기장 감지 송신 전극(2)과, 전기장 감지 수신 전극(4)과, 교류 전압원(6)과, 전류 감지 회로(8)를 포함하는 종래의 전기장 감지 시스템(1)(실제 축척이 아님)을 도시한 것이다.
교류 전압원(6)은 전기장 감지 송신 전극(2) 및 전류 감지 회로(8)에 접속된다. 전류 감지 회로(8)는 또한 전기장 감지 수신 전극(4)에 접속된다.
작동 중에, 교류 전압이 전기장 감지 송신 전극(2)에 인가되는 경우, 전속이 생성되는데, 이 전속(11, 12, 13)은 전기장 감지 수신 전극(4)을 통과한다. 전속(11, 12, 13)은 전류 감지 회로(8)(이 전류 감지 회로(8)는 교류 전압으로부터 탭오프 신호(tapped off signal)를 사용하여 전기장 유도 전류의 위상과 관련시키는데, 이에 대해서는 보다 상세히 후술함)에 의해 측정된 작은 교류 전류를 유도한다.
물체(10)가 두 전극(2, 4)의 근방에 위치하는 경우, 이 물체는 물체가 차지하고 있는 공간을 통과하는 전속(도 1에 도시된 상황에서는 전속(11, 12))을 차단하여 전기장 감지 수신 전극(4)으로부터 흐르는 전류를 감소시킨다. 따라서, 전류 감지 회로에 의해 측정된 전류 레벨이 두 전극(2, 4) 근방의 물체의 존재를 측정하는데 사용될 수도 있다.
도 2는 종래의 전류 감지 회로(8)의 기능 모듈을 도시한 블록도이다. 전류 감지 회로(8)는 증폭기(20), 곱셈기(22) 및 저역 통과 필터(24)를 포함한다. 이들 기능 모듈은, 예를 들어 본 명세서에서 참조로서 포함된 미국 특허 제 6,025,726 호에 개시된 회로 설계를 이용하여 적절한 형태로 구현될 수도 있다.
작동 중에, 전기장 감지 수신 전극(4)에 포함된 변위 회로(26)는 증폭기(20)에 의해 증폭되고, 곱셈기(22)에 의해 전기장 감지 송신 전극(2)에 인가된 전압의 탭 오프되고 (도시되지 않은 위상 시프트 모듈에 의해)위상 시프트된 버전(27)과 곱해진다. 탭오프 전압은 변위 전류(26)의 위상과 그 위상이 동일하도록 위상 시프트된다. 따라서, 만약 증폭기(20)가 이상적인 경우, 즉 어떠한 부가적인 위상 시프트도 변위 전류(26)에 유입되지 않는다고 가정하면, 탭오프 전압의 위상은 90°시프트된다. 만약, 실제로 증폭기(20)가 부가적인 위상 시프트를 변위 회로(26)에 유입하지 않으면, 탭오프 전압의 위상은 이것을 수용하도록 조정된다.
곱셈기(22)로부터의 출력은 그 다음에 저역 통과 필터링되어 출력 신호(28)를 제공한다. 따라서 출력 신호(28)는 전기장 감지 송신 전극(2)에 의해 생성된 전기장에 의해 전기장 감지 수신 전극(4)에서 유도된 전류를 측정한 것이며, 전기장 감지 전극(2, 4) 근방에 위치하는 물체(10)에 응답하여 변할 것이다. 출력 신호(28)는 그 다음에 필요에 따라 외부 전자기기(도시되지 않음)에 의해 처리된다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 물체 감지 시스템의 전극 구성(30)(실제 축척되지 않음)을 도시한 것이다. 이 전극 구성은 전기장 감지 수신 전극(32), 내부 전기장 감지 송신 전극(34), 외부 전기장 감지 전극(36)을 포함한다. 전기장 감지 수신 전극은 실질적으로 원형이다(원 내부가 채워진 형상). 내부 전기장 감지 송신 전극(34)은 전기장 감지 수신 전극(32)을 둘러싸는 환형 링(annular ring shape) 형상을 갖는다. 외부 전기장 감지 송신 전극(36)은 내부 전기장 감지 송신 전극(34)을 둘러싸는 환형 링 형상을 갖는다. 따라서, 두 송신 전극(34, 36)은 그 중심이 동일하며, 또한 전기장 감지 수신 전극(32)과 동심이다.
각각의 이들 전극은 리드 아웃(lead out) 또는 컨택트를 구비하여 다음과 같이 제어 회로의 별개의 부분에 접속될 수 있다. 전기장 수신 전극(32)은 수신 전극 컨택트(37)를 구비한다. 내부 전기장 감지 송신 전극(34)은 내부 송신 전극 컨택트(38)를 구비한다. 외부 전기장 감지 송신 전극(36)은 외부 송신 전극 컨택트(39)를 구비한다. 각 전기장 감지 송신 전극(32, 34)의 환형 링 형태에 브레이크가 제공되어 컨택트(37, 38, 39)가 이 구성의 리드아웃이 될 수 있도록 한다. 이 대신에 다른 컨택트 구성이 제공될 수도 있으며, 예를 들어 홀을 통해 컨택트가 형성될 수도 있다(이 경우에 완전한 환형 링이 형성될 수도 있다).
명확성을 위해, 도 3은 컨택트들의 폭 및 이들 간의 간격에 비해 전극의 상대적인 크기에 대해 실제 축척으로 도시되지 않는다. 상술한 소자의 크기는 제조 능력 및 감지되는 물체의 통상적인 크기를 포함하는 여러 요인에 따라서 당업자들에 의해 선택될 것이다.
본 실시예에서는 이 장치가 지문 감지용으로 사용된다. 이 실시예에 사용된 크기는 다음과 같다.
전기장 감지 수신 전극(32)의 반경 : 40㎛
내부 전기장 감지 송신 전극(34)의 내부 반경 : 60㎛
내부 전기장 감지 송신 전극(34)의 외부 반경 : 73㎛
외부 전기장 감지 송신 전극(36)의 내부 반경 : 93㎛
외부 전기장 감지 송신 전극(36)의 외부 반경 : 101㎛
각 전극 사이의 환형 간격 : 20㎛ 및 19㎛
컨택트의 폭 : 20㎛
도 4는 전극 구성(30)을 도 3의 라인 X1-X2를 통한 단면으로 도시한 것이다. 도 3관 관련된 설명으로부터 이해할 수 있듯이, 단면 X1-X2를 따라서 내부 전기장 감지 송신 전극(34)의 두 부분과, 외부 전기장 감지 송신 전극(36)의 두 부분이 존재한다. 또한 도 4의 단면에는 전기장 감지 전극(32, 34, 36) 아래에 접지판(40)이 도시되어 있다.
전기장 감지 전극(32, 34, 36) 및 접지 판(40)은 임의의 편리한 방법으로 제조하면 된다. 여기서는 유리판(도시되지 않음)의 상부면에 전기장 감지 전극(32, 34, 36)을 증착시켜 이들을 형성하며, 접지 판(40)이 동일한 유리판의 바닥면에 증착된다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 물체 감지 시스템(50)을 도시한 것이다. 전술한 동일 구성요소에는 동일한 참조번호가 사용되었다. 물체 감지 시스템(50)은 복수의 전극 배열을 포함하는데, 이들 전극은 각각 전술한 유형 및 형상, 즉 도 3 및 4에 도시된 전기장 감지 수신 전극(32), 내부 전기장 감지 송신 전극(34) 및 외부 전기장 감지 송신 전극(36)을 각각 포함한다. 각 전극 배열은 행렬로 정렬된다. 명확성을 위해, 도 5에는 하나의 이러한 전극 배열(30)만이 도시되어 있다. 또한 명확성을 위해, 전기장 감지 수신 전극(32)의 일부만이 도시되어 있으며, 내부 전기장 감지 송신 전극(34) 및 외부 전기장 감지 송신 전극(36)의 각각의 두 환형 부분(도 4를 참조하여 전술한 바와 같이) 중 한 부분만이 도시되어 있다(즉, 도시된 부분은 도 3의 라인(X1-X3)의 전체가 아니라 도 3의 라인(X1-X3)을 통한 단면에 대응한다).
도 5에 도시된 바와 같이, 유리판(52)이 전극 배열(30) 위에 위치한다. 감지될 물체는 유리판(52)에 기대거나 그 근방에 위치할 수도 있다. 도 5에 도시된 예에서는, 손가락 끝이 유리판(52)을 누르고 있다. 전극 배열(30) 근방에 있는 유리판(52)에 대해 눌러진 손가락 끝의 지문 프로파일의 한 융기부가 도 5에 도시되어 있다. 자신의 전체 손가락 끝으로 유리판(52)을 누르면, 손가락 끝의 다른 융기부(도시되어 있지 않음)가 동시에 유리판(52) 상의 다른 위치, 즉 전극 배열의 행렬의 다른 전극 배열에 대응하는 위치를 누르게 된다.
전기장 감지 수신 전극(32) 및 내부 전기장 감지 송신 전극(34)은 도 1 및 2를 참조하여 설명한 바와 동일한 방식으로 교류 전압원(6) 및 전류 감지 회로(8)에 결합된다.
교류 전압원(6)은 또한 인버터 회로(56)를 통해 내부 전기장 감지 송신 전극(36)에 결합된다.
도 4를 참조하여 위에서 설명한 접지판(40)에 대응하는 접지판은 또한 그 아래에 전극 배열(30)을 포함하지만, 명확성을 위해 도 5에서는 도시되지 않는다. 이 접지판은 국부적으로 위치하는 것이 바람직하지만, 생략해도 된다.
다음은 도 6을 참조하여 물체 감지 시스템(50)의 동작을 설명한다. 도 6은 내부 및 외부 전기장 감지 송신 전극에 제공된 상이한 교류 전압을 정성적으로 도시한 것이다.
도 6은 내부 전기장 감지 송신 전극(34)에 직접 인가된 교류 전압원(6)에 의한 교류 전압(V34)의 곡선(120)을 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 이 교류 전압은 +/-10V 및 주파수 100kHz의 바이폴라 구형파이다. 도 6에는 교류 전압(V34)의 사이클의 정의 부분(122)과 부의 부분(124)이 나타나 있다.
인버터 회로(56)는 교류 전압원(6)에 의해 제공된 교류 전압을 반전시키고 반전된 출력은 출력 전기장 감지 송신 전극(36)으로 공급된다. 도 6은 이 반전된 교류 전압(V36)의 곡선(130)을 도시하고 있다. 도 6에는 반전된 전압(V36)의 사이클의 부의 부분(132)과 정의 부분(134)이 나타나 있다.
따라서, 내부 및 외부 전기장 감지 송신 전극을 고려하면, 내부 전기장 감지 송신 전극(34)이 교류 전압(V34)의 사이클의 정의 부분(122)에 의해 구동될 때, 외부 전기장 감지 송신 전극(36)은 반전된 전압(V36)의 사이클의 부의 부분(132)에 의해 구동된다. 마찬가지로, 내부 전기장 감지 송신 전극(34)이 교류 전압(V34)의 사이클의 부의 부분(124)에 의해 구동될 때, 외부 전기장 감지 송신 전극(36)은 반전된 전압(V36)의 사이클의 정의 부분(134)에 의해 구동된다. 즉, 두 송신 전극은 서로에 대해 반대 극성의 교류 전압으로 구동된다. 이것은 역상(antiphase) 동작이라고 할 수도 있다.
도 1 및 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 교류 전압(V34)의 인가로 인해 내부 전기장 감지 송신 전극(34)에 의해 생성된 전기장은 지문 융기부(54)에 의해 변형된 전기장 감지 수신 전극(32)으로부터의 전류(26)의 출력을 생성한다. 이것은 증폭기(20)에 입력되어, 곱셈기(22)에 의해 전압(V34)의 탭오프 및 위상 시프트된 버전(27)이 곱해지고 저역 통과 필터링되어 출력 신호(28)를 제공한다.
그러나, 여기서는 반전 전압(V36)의 인가로 인해 외부 전기장 감지 송신 전극(36)에 의해 생성된 전기장이 또한 지문 융기부(54)에 의해 변형되는 전기장 감지 수신 전극(32)으로부터 출력된 전류(26)에 기여한다. 따라서, 물체 감지 시스템(50)의 동작 동안에, 전류(26)에 대한 이 기여는 증폭기(20)의 입력이 되고, 곱셈기(22)에서 전압(V34)의 탭오프 및 위상 시프트된 버전(27)이 곱해지고, 저역 필터링되어 출력 신호(28)에 기여한다.
전류(26)에 대해 내부 전기장 감지 송신 전극(34)에 의해 이루어진 기여는 곱셈기(22)에 의해 승산될 때 출력 신호(28)에 대해 정의 기여를 제공한다.
그러나, 외부 전기장 감지 전극(36)에 인가된 전압은 내부 전기장 감지 전극(34)에 인가된 전압에 비해 반전된다. 따라서, 전류(26)에 대해 외부 전기장 감지 송신 전극(36)에 의해 이루어진 이 기여는 곱셈기(22)에 의해 승산될 때 정이 아니라 부의 기여를 출력 신호(28)에 제공한다. 따라서, 외부 전기장 감지 송신 전극(36)의 기여가 내부 전기장 감지 송신 전극(34)으로 인한 기여를 변화시키게 된다. 이 변화는 전기장 감지 수신 전극(32)의 위치에 대해 감지되는 물체, 본 경우에는 지문의 융기부(54)의 위치에 대한 전체 출력 신호(28)의 의존도를 개선시킨다.
따라서, 내부 전기장 감지 송신 전극(34)에 의해 제공된 전기장으로 인한 전류 감지 회로(8)로부터의 감지 출력(28)이 부가적인 외부 전기장 감지 송신 전극(36)에 의해 제공된 전기장에 의해 변형되므로, 반전된 전압(도 1에 도시된 종래의 장치에 비해)에 의해 구동된 부가적인 전기장 감지 송신 전극(36)을 제공하는 효과는 증가된 위치 감지를 제공하는 것이다.
이 효과는 정전기 상호작용이 거리에 따라서 떨어지는 성질을 이용한다. 수신 전극 바로 위에서는, 이 전극이 모든 방향으로 가장 가깝기 때문에, 전위(또는 전기장의 세기)가 내부 송신 전압에 의해 지배된다. 그러나, 중앙으로 갈수록, 내부 전극으로부터의 전위(또는 전기장의 세기)는 외부 송신기 전극으로부터의 (부의) 기여보다 더 빨리 감소하는데, 이것은 후자가 더 크기 때문이다. 이것은 순 신호(net signal)가 다른 경우보다 더 빨리 떨어진다는 것을 의미한다. 그러나 중심으로부터 더 멀어지면(두 전극을 넘어서), 내부 및 다른 전극으로부터의 기여는 0으로 되고 전체(순) 신호는 0으로 떨어지는 경향이 있다. 따라서, 내부 및 외부 전극으로부터의 기여를 적절하게 균형을 이루도록 함으로써 감도 프로파일을 변경시킬 수 있다.
다음은 전기장 감지 전극(32, 34, 36)의 평면에 평행한 "x-y" 평면(즉, 평면으로부터 고정된 "z" 위치, 여기서 x, y, z는 직교 좌표축)에서의 위치를 이용하여 이들 구성에 의해 제공된 위치 정밀도의 범위를 고려한다.
수학적 모델을 이용하면, 이론적으로 정규화된 신호(물체의 존재로 인한 출력(28)에서의 변화)를 전기장 감지 수신 전극에 대한 물체의 위치의 함수로서 나타내는 물체 응답 곡선이 이상적인 방사 대칭 배열에 대해 계산될 수 있다. 보다 구체적으로는, 내부 및 외부 전기장 감지 송신 전극을 각각 제공하는 두 개의 원형 동심 링을 구비하는 원형 전기장 감지 수신 전극이 고려된다.
도 7은 물체의 위치에 대한 정규화된 신호의 그러한 이론적인 계산의 결과를 나타내는데, 물체의 위치는 상대적인 단위로 정의된다. 이 계산은 다음과 같은 이상화된 상황에 대해 수행되었다.
원형 전기장 감지 수신 전극의 반경 = 내부 전기장 감지 송신 전극의 내부 반경 = 1,
내부 전기장 감지 송신 전극의 외부 반경 = 외부 전기장 감지 송신 전극의 내부 반경 = 1.5,
외부 전기장 감지 송신 전극의 외부 반경 = 2.
소정의 치수 세트가 주어질 때, 두 전기장 감지 송신 전극에 인가된 두 전압의 상대적인 크기가 상이한 경우, 물체의 위치에 대한 정상화된 신호에 대해 상이한 결과가 얻어진다. (전술한 실시예에서는, 동일한 크기의 전압이 내부 및 외부 전기장 감지 송신 전극에 인가되었지만(도 6 참조), 반드시 그럴 필요는 없으며, 다른 실시예에서는 상이한 크기의 전압이 인버터 회로(56)의 일부 또는 전체 시스템 내의 다른 부분으로서 제공된 적절한 회로를 사용하여 인가될 수도 있음에 주의하라.) 도 7은 각각의 V36/V34의 비(엄밀하게 말하면 크기의 비) = 0.65, 0.72 및 0.75에 기초한 세 개의 상이한 계산 결과를 도시한 것이다.
응답 곡선은 V36/V34의 작은 값(예를 들면, V36/V34 = 0.65)에 의해 평평하게 되는데, 즉 사실 내부 전기장 감지 송신 전극이 지배적이며, 이 응답은 종래의 단일 송신 전극 배열로 돌아가는 경향이 있다.
결과적으로, 응답 곡선은 V36/V34의 큰 값(예를 들면, V36/V34 = 0.75)에 대한 응답 곡선은 날카롭지만, 부의 급강하를 나타내는데, 즉 사실은 외부 전기장 감지 송신 전극이 지배적이다.
따라서, 최적의 응답(이 예에서는)은 V36/V34 = 0.72인 경우에 얻어지는데, 이 값에 대한 곡선이 거리에 따라서 급격하게 떨어지지만 부의 급강하는 포함하지 않기 때문이다. 실은 V36/V34 = 0.72 경우의 곡선은 1/r12 곡선에 해당하는데, 이것은 종래의 구성에 비해 크게 개선된 위치 정확도를 제공한다.
따라서, 두 전기장 감지 송신 전극에 인가된 상대적인 전압 크기를 최적화하거나 선택함으로써 상이한 응답 특성을 얻을 수 있다. 또는, 이것은 다양한 전기장 감지 전극의 크기를 적절히 최적화하거나 선택함으로써 달성될 수도 있다. 또 다른 대안은 전극의 크기 및 전압을 함께 선택하거나 변경하는 것이다.
이 실시예에서는 복수의 전극 배열(30)이 행렬로 제공된다. 각 전극 배열(30)로부터의 출력(28)은 물체 감지 동작(본 경우에는 지문 감지 및 분석)에 따라서 추가적인 제어 및 처리 회로(도시되지 않음)에 의해 적절한 방식으로 함께 처리된다.
전술한 구성의 한가지 이점은 물체를 감지 전극에 대해 직접 배치할 필요가 없이 감지가 발생한다는 것이다. 예를 들어 도 5를 참고하면, 손가락이 유리판(52)을 누를 수 있는데, 이 유리판은 전기장 감지 전극(32, 34, 36)으로부터 분리될 수 있으며, 따라서 이들 전극을 물리적인 손상으로부터 보호할 수 있다.
위 실시예에서, 여러 전극들의 크기가 설명되어 있다. 다른 애플리케이션에서는 다른 크기가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 전기장 감지 수신 전극, 내부 송신 전극 및 외부 전기장 감지 송신 전극은 서로 반경이 상이할 수도 있고, 이들 중 둘이 동일하거나 셋 모두 동일할 수도 있다. 또한, 절대 크기가 전술한 것과 상이할 수도 있다.
위 실시예에서, 내부 전기장 감지 송신 전극 및 외부 전기장 감지 송신 전극은 동심으로 배치된 원형 전기장 감지 수신 전극 둘레에 동심의 링 형태였다. 그러나, 링 외의 다른 형상이 이용되어 동심 레이아웃으로 배치될 수도 있다. 즉, 수신 전극은 정방형, 직사각형, 삼각형, 불규칙한 형상 등과 같은 임의의 블록 형상(이것은 환형에 비해 채워진 형상을 의미한다)일 수도 있고, 송신 전극은 이것을 둘러싸는 임의의 환형이며, 외부 송신 전극은 수신 전극을 둘러싸는 내부 송신 전극을 둘러싸는 환형이다.
전기장 감지 수신 전극, 제 1 전기장 감지 송신 전극 및 제 2 전기장 감지 송신 전극이 반드시 동심일 필요없이 편리한 배열로 정렬될 수도 있다. 이 경우에, 전극들의 임의의 적절한 레이아웃이 이용될 수 있으며, 제 2 전기장 감지 송신 전극에 공급된 구동 전압이 제 1 전기장 감지 송신 전극에 공급된 구동 전압에 비해 반대 극성 또는 역상의 어느 정도까지(또는 완전히) 반전된다.
전술한 실시예에서, 제 1 또는 종래의 전기장 감지 송신 전극 외에 하나의 부가적인 전기장 감지 송신 전극이 제공된다. 다른 실시예에서는, 다른 부가적인 전기장 감지 송신 전극이 제공되어 제 1의 종래의 전기장 감지 송신 전극으로부터의 출력의 위치 감지 효과를 더 변경시킬 수도 있다. 이들 다른 부가적인 전기장 감지 송신 전극은 제 1 전기장 감지 송신 전극에 공급된 구동 전압에 비해 반대 극성 또는 역상의 어느 정도까지(또는 완전히) 반전된 구동 전압에 의해 구동될 수도 있다. 환형 구성의 경우에, 이들 다른 전기장 감지 송신 전극들은 다른 환형 형상을 할 수도 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극이 환형 링인 경우에, 이들 다른 전기장 감지 전극들은 바람직하게는 다른 환형 링이다. 또한, 이들에 대해, 하나 이상의 다른 전기장 감지 송신 전극이 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극에 공급된 구동 전압과 동일한 구동 전압으로 구동될 수도 있다.
전술한 실시예에서, 구동 전압의 형태는 도 6을 참조하여 설명된다. 다른 실시예에서는, 다른 값들 및/또는 형태가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 전기장 감지 송신 전극들 중 하나 또는 둘 모두에 대해 다른 진폭이 사용될 수도 있다. 마찬가지로 다른 주파수가 사용될 수도 있다. 위 실시예에서는, 파형이 구형파이다. 또한 사인파와 같은 다른 파형이 사용될 수도 있다.
위 실시예에서는, 제 2 전기장 감지 송신 전극에 공급된 전압이 제 1 전기장 감지 송신 전극에 공급된 구동 전압에 비해 반대 극성 또는 역상의 어느 정도까지(또는 완전히) 반전된다. 위 실시예에서는, 이것은 제 1 전기장 감지 송신 전극에 인가되는 구동 전압의 교호적인 사이클의 각각의 발진이 제 2 전기장 감지 송신 전극에 인가된 구동 전압에서 반전 형태로 반복된다는 것을 의미한다. 그러나, 이것은 이들 구동 전압이 전극에 동시에 인가될 필요는 없다. 저역 통과 필터(24)는 통합 시정수를 가지며, 보다 일반적으로는 시정수 내에서, 두 송신 전극이 동일한 양의 시간 동안 구동되며, 각각 기준 신호(27)에 대해 정확한(위상 또는 역상) 관계를 갖는다. 이 점을 고려하면, 전극이 동일한 위상을 갖는 시퀀스로 구동되지만, 부가적인 위상 지연을 스위칭함으로써 외부 전극이 구동될 때 기준 신호의 위상이 변하는 다른 방법을 상정할 수 있다.
위 실시예에서는, 전기장 감지 수신 전극에 유도된 변위 전류를 감지하는 데 전류 감지 회로(28)가 사용된다. 그러나, 이를 위해 임의의 다른 적절한 회로 또는 장치가 사용될 수도 있다. 한 방법은 본 출원인의 계류중인 특허 출원, 즉 미국 특허 출원 제 10/153261 호의 요지를 이루는 유형의 전류 감지 회로를 사용하는 것이다. 이 특허 출원의 요지는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
위 실시예에서는, 물체 감지 시스템이 지문 감지 및 해석 시스템의 일부로서 사용된다. 그러나, 본 발명은 이러한 사용에 제한되지 않고, 독자적인 물체 감지 시스템 또는 물체 감지를 포함하는 다른 프로세스 또는 시스템의 일부로서 이용될 수도 있다.
또한, "물체(object)"란 용어는 전체가 감지될 필요가 있는 분리된 물체에 한정되는 것이 아니라, 이 용어는 예컨대 주 실시예에서 설명한 바와 같이 손가락의 지문의 하나 이상의 융기부와 같이 개별적으로 분해되거나 감지될 수 있는 보다 큰 물체의 특징부 또는 요소를 포함한다. 다른 방법은 주어진 물체의 특징부를 감지함으로써 주어진 물체의 방향을 유도할 수도 있다.
물체 감지 시스템은 사용자 입력 또는 대화 수단을 제공하기 위해 디스플레이 디바이스 또는 시스템에 포함될 수도 있다. 예를 들면, 물체 시스템이 본 명세서에 참조로서 포함되는 미국 특허 제 5,130,829 호에 개시된 액정 디스플레이 디바이스의 라인을 따라서 구성되어 동작하는 활성 매트릭스 액정 디스플레이 디바이스의 내부에 포함될 수도 있다. 이 경우에, 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 출원 제 10/153261 호의 요지를 형성하는 유형의 전술한 전류 감지 회로가 사용되어 특별한 효과를 낼 수도 있다.
이상의 내용으로부터, 당업자들이라면 다른 변형 및 수정을 안출할 수 있을 것이다. 그러한 변형 및 수정은 종래 기술로서 이미 공지되어 있으며 본 명세서에 개시한 특징부 대신에 또는 추가로 사용될 수도 있는 다른 특징들을 포함할 수도 있다.
청구범위는 본 출원에서 특징부들의 특정한 조합으로 공식화되었지만, 본 발명의 범위는 임의의 청구항에서 현재 청구된 것과 동일한 발명과 관련되는 지에 관계없이 그리고 본 발명에서와 같이 동일한 기술적 문제점의 일부 또는 전부를 완화시키는 지의 여부에 관계없이, 본 명세서에 명시적으로 또는 함축적으로 또는 그 일반화된 형태로 개시된 신규한 특징들 또는 특징들의 임의의 신규한 조합을 포함한다.
별개의 실시예로서 개시한 특징들이 단일 실시예로 결합되어 제공될 수도 있다. 역으로, 간결성을 위해 단일 실시예에서 개시한 여러 특징들이 별개로 또는 임의의 적절한 조합으로 제공될 수도 있다. 본 출원 또는 본 출원으로부터 도출된 다른 출원이 계류중인 동안 새로운 청구범위가 이러한 특징들 및/또는 이들 특징들의 조합으로 공식화될 수도 있음에 주의하라.

Claims (14)

  1. 물체 감지 시스템에 있어서,
    전기장 감지 수신 전극(32)으로서 구성된 제 1 전극과, 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)으로서 구성된 제 2 전극과, 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)으로서 구성된 제 3 전극을 포함하는 전기장 감지 전극 배열(30)과,
    제 1 교류 전압(120)을 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)에 공급하고, 제 2 교류 전압 -상기 제 2 교류 전압(130)은 상기 제 1 교류 전압(120)에 비해 적어도 일부 역상(antiphase) 부분을 포함함- 을 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)에 공급하도록 구성된 구동 회로(6, 56)와,
    상기 제 1 및 제 2 교류 전압에 의해 각각 구동될 때 상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극에 의해 생성된 전기장에 의해 상기 전기장 감지 수신 전극(32)에서 유도된 전류를 처리하여 상기 전기장 내에 위치한 물체(54)로 인한 상기 유도된 전류의 변화를 검출하도록 구성된 감지 회로(8)를 포함하는
    물체 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 교류 전압(130)은 상기 제 1 교류 전압(120)의 반전된 형태인
    물체 감지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 환형 링 형상이고, 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)은 실질적으로 상기 전기장 감지 수신 전극(32) 둘레에 위치하며, 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)은 실질적으로 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34) 둘레에 위치하는
    물체 감지 시스템.
  4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    상기 전기장 감지 수신 전극(32)은 실질적으로 블록 형상이고, 상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 환형 형상이며, 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)은 실질적으로 상기 전기장 감지 수신 전극(32) 둘레에 위치하며, 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)은 실질적으로 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34) 둘레에 위치하는
    물체 감지 시스템.
  5. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    상기 전기장 감지 수신 전극(32)은 실질적으로 원형 형상이고, 상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 환형 링 형상이며, 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)은 실질적으로 상기 전기장 감지 수신 전극(32) 둘레에 위치하며, 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)은 실질적으로 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34) 둘레에 위치하는
    물체 감지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장 감지 전극 배열(30)은 추가의 전기장 감지 송신 전극으로서 배열된 하나 이상의 추가 전극을 더 포함하는
    물체 감지 시스템.
  7. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기장 감지 전극 배열(30)과 함께 행렬로 배열되는 하나 이상의 추가적인 전기장 감지 전극 배열 및 대응하는 감지 회로를 더 포함하는
    물체 감지 시스템.
  8. 물체 감지 방법에 있어서,
    전기장 감지 수신 전극(32)으로서 구성된 제 1 전극과, 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)으로서 구성된 제 2 전극과, 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)으로서 구성된 제 3 전극을 포함하는 전기장 감지 전극 배열(30)을 제공하는 단계와,
    제 1 교류 전압(120)을 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)에 공급하고, 제 2 교류 전압 -상기 제 2 교류 전압(130)은 상기 제 1 교류 전압(120)에 비해 적어도 일부 역상 부분을 포함함- 을 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)에 공급하는 단계와,
    상기 제 1 및 제 2 교류 전압에 의해 각각 구동될 때 상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극에 의해 생성된 전기장에 의해 상기 전기장 감지 수신 전극(32)에서 유도된 전류를 처리하는 단계와,
    상기 전기장 내에 위치한 물체(54)로 인한 상기 유도된 전류의 변화를 검출하는 단계를 포함하는
    물체 감지 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 교류 전압(130)은 상기 제 1 교류 전압(120)의 반전된 형태인
    물체 감지 방법.
  10. 제 8 항 또는 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 환형 링 형상이고, 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)은 실질적으로 상기 전기장 감지 수신 전극(32) 둘레에 위치하며, 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)은 실질적으로 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34) 둘레에 위치하는
    물체 감지 방법.
  11. 제 8 항 또는 9 항에 있어서,
    상기 전기장 감지 수신 전극(32)은 실질적으로 블록 형상이고, 상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 환형 형상이며, 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)은 실질적으로 상기 전기장 감지 수신 전극(32) 둘레에 위치하며, 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)은 실질적으로 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34) 둘레에 위치하는
    물체 감지 방법.
  12. 제 8 항 또는 9 항에 있어서,
    상기 전기장 감지 수신 전극(32)은 실질적으로 원형 형상이고, 상기 제 1 및 제 2 전기장 감지 송신 전극은 실질적으로 환형 링 형상이며, 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34)은 실질적으로 상기 전기장 감지 수신 전극(32) 둘레에 위치하며, 상기 제 2 전기장 감지 송신 전극(36)은 실질적으로 상기 제 1 전기장 감지 송신 전극(34) 둘레에 위치하는
    물체 감지 방법.
  13. 제 8 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장 감지 전극 배열(30)은 추가의 전기장 감지 송신 전극으로서 배열된 하나 이상의 추가 전극을 더 포함하는
    물체 감지 방법.
  14. 제 8 항 내지 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기장 감지 전극 배열(30)과 함께 행렬로 배열되는 하나 이상의 추가적인 전기장 감지 전극 배열 및 대응하는 감지 회로를 더 포함하는
    물체 감지 방법.
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