KR20050083833A - 전하전송 용량성 위치센서 - Google Patents

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KR20050083833A
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Abstract

바디를 따라서의, 사용자의 손가락일 수 있는 대상체의 위치가 용량적으로 센싱된다. 측정 회로는, 직선 또는 곡선 형상일 수 있는 바디의 두 끝단으로의 전하의 동시 주입을 측정한다. 계산 수단은 소자의 각 끝단으로 주입되는 전하의 양에 있어서의 상대적 변화의 비를 계산한다. 이 계산의 결과는 1차원 좌표 갯수 및 감지 상태 표시인데, 이들 양자는, 좌표 및 감지 상태를 측정 명령으로 번역하는 가전기기 컨트롤러와 같은 또다른 기능적 소자로 공급될 수 있다.

Description

전하전송 용량성 위치센서{CHARGE TRANSFER CAPACITIVE POSITION SENSOR}
본 발명은, 전자장치에 대한 휴먼 인터페이스(human interface) 및 물체 변위 센싱을 위한 장치 및 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 선 또는 곡선을 따라서의 위치를 용량적으로 센싱하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은, 본 발명자에 의해 2002년 10월 31일에 특허출원되어 시리얼번호 제60/422,837호를 갖는 미국가출원(US Provisional Application)에 대해 우선권을 주장한다.
용량성 센서(capacitive sensor)는 휴먼 인터페이스 및 머신 컨트롤을 위해 계속 더 널리 사용되고 있다. 가전 분야에서, 유리 또는 플라스틱 패널을 통해 동작하는 용량성 터치 컨트롤을 발견하는 것은 이제 매우 일반적이다. 이들 센서들은 본 출원인의 미국특허 제6,452,514호(본 명세서에서 전체로 참조됨)에 의해 점점 더 일반화되고 있는데, 상기 특허는 전하전송 원리를 이용한 메트릭스 센서 방안에 대해 설명하고 있다.
용량성 터치 컨트롤에 대한 늘어나는 시장 수요로 인해, 좋은 가격 대 성능비와, 사용 및 구성에서의 더 큰 융통성에 대한 필요성이 더욱 늘어나고 있다. 이와 유사하게, 저가의 용량성 물체 변위 센서(예컨대, 유체 수위 센서, 기계적 이동 센서, 압력 센서)에 대한 요구도 커지는데, 이는 비 기계적 트랜스듀서의 현 세대와는 쉽게 부합될 수는 없다.
많은 애플리케이션에 있어서, 미국특허 제4,476,463호 (Ng) 및 미국특허 제5,305,017호(Gerpheide)에서 개시된 바와 같이, 2-D 터치 스크린 또는 터치 패드에 의해 제공되는 융통성과 유사한, 많은 키(key) 및 센싱 위치를 갖는 휴먼 인터페이스가 필요하다. 예를 들면, 컴퓨터 모니터에 있어서, 밝기(brightness) 및 콘트라스트(contrast)의 조정이 가능하도록 하기 위해 스크린 베젤(bezel) 상에 컨트롤부 를 갖는 것이 바람직하다. 이상적으로는, 연속적으로 조정가능한 컨트롤부(예컨대, 전위차계(potentiometer))가 사용되어 이러한 파라미터를 컨트롤한다. 가격 및 미적 요구사항으로 인해, 적은 수의 베젤 장착 메뉴 선택 버튼들을 선호함에 따라 이들은 일반적으로 제거되고 있는데, 이는 사용자가 이해하기에 더욱 어렵도록 한다.
전자 및 의료 테스트 장비 분야에서, LCD 디스플레이가 종종 베젤 버튼 열(row)과 연관되어 사용되어, 소프트웨어-구동 메뉴 기능을 제공한다. 이러한 많은 애플리케이션들은 터치 스크린의 가격, 제한된 콘트라스트, 및 취성(脆性)(fragility)과 맞지 않는다. 또한, 이들 중 일부의 성능에는 깊거나 제한된 메뉴 옵션 및 가시적 시차(視差)(parallax)의 문제점이 있다. 이러한 타입의 메뉴 컨트롤의 예로는, 데이튼 오하이오(Dayton, OH)의 NCR 코오포레이션에 의해 제조된 LCD-5305와 같은, 요즘의 임의의 현금출납기에서 볼 수 있다. 경제적 고려사항이 충족될 수 있다면, 제조사들은 스크린 상에 또는 스크린의 에지의 가까이에 더 높은 해상도의 컨트롤부를 사용할 것이다. 이와 유사한 수요가 가전기기, 교육용 게임, 정보/인터넷 키오스크 등에서도 형성된다.
HIVAC 분야에 있어서, 벽 장착 온도 컨트롤부에서의 현재의 기술상태는 모리스타운 뉴저지의 하니웰 코오포레이션에 의해 제조된 모델명 CT8602에 의해 예시된다. 상기 모델은 소형 LCD 스크린을 갖는 메뉴-구동 시스템이다. 이들 장치에서의 향상된 특징은 단순 다이얼 또는 슬라이더 기반 컨트롤부와 비교할 때 종종 비직관적인 메뉴 깊이 레벨을 통해 억세스된다.
전기기계적 휴먼 인터페이스 컨트롤부(예컨대, 푸쉬버튼, 멤브레인 스위치, 및 전위차계)는 신뢰성이 떨어지고, 물 침투에 약하고, LCD 기반의 메뉴 시스템에서만 채산성 측면에서 사용가능하다는 공지된 문제점을 가지고 있다. 다이얼 및 저항 전위차계와 같은 고전적 사용자 컨트롤부는 패널 개구(openings)를 필요로 하는데, 이는 제품 속으로 먼지와 습기가 들어가도록 한다. 이들은 또한 '투명한' 외관을 제공하지 못하며, 점차 일반적으로 생각되며, 산업 디자이너들의 융통성을 굉장히 제한한다. 미국특허 제5,920,131호(Platt)는, 자기적으로(magnetically) 심(seam)이 없는 패널 표면에 고정되고 패널 표면 아래에서 위치 센싱 검출기와 자기적으로 상호 작용하는 로터리식 손잡이(knob)의 형태로써 상기 문제에 대한 해결책을 개시한다. 이러한 해결책은 여전히 손잡이를 필요로 하고, 제조하기에 비용이 많이 들고, 많은 애플리케이션이 선형 센싱을 필요로 하지만 로터리식 장치로서만 잘 작동된다.
적절한 가격으로 전기기계식 컨트롤부의 기술적 문제점과 터치 스크린의 가격 또는 그 외의 것을 해결할 수 있는 새로운 휴먼 인터페이스에 대한 실질적인 요구가 존재한다. 본 발명의 의도는, 이러한 문제들을 동시에 해결하는 새로운 종류이 터치센서를 제공하는 것과, 여러 산업계 및 애플리케이션에 걸쳐 새로운 종류의 위치 센서를 위한 기반을 제공하는 것이다.
기계적 변위 센싱의 기술분야에서, 셰비츠 사(슬로, UK)에 의해 예시되는 LVDT들은 프로세스 컨트롤에서의 피드백을 위해 정확한 위치 정보를 제공한다. 셰비츠 XS-B와 같은 다른 더 작은 장치들이 기계 또는 장비 내에 장착된다. 이러한 장치들은 보통 매우 정확하지만 고비용 솔루션이고, 고가의 신호 컨디셔너(conditioner)로 행해지는 자기장 밸런스 측정에 의존한다. 이들 장치들은 매우 신뢰성있는 비접촉 센싱을 제공하고, 좋은 정밀도로 가혹 환경에서 동작할 수 있다. 이들은 물리적 접촉을 사용하지 않음으로써 저항성 전위차 방법(resistive potentiometric method)의 와이퍼-신뢰성 문제를 해결한다. 유사하게, RDP 일렉트로센스사(Pottstown, PA USA)의 RCDT 용량성 트랜스듀서에 의해 예시되는 바와 같은 용량성 위치 센서가 있는데, 이는 동작하기 위해서는 특수의 고가의 신호 컨디셔너를 필요로 한다. 이러한 기술의 예시가, 브리지 기반 회로(bridge based circuit)를 설명하는 미국특허 제5,461,319호(Peters)에서 더 자세히 설명되어 있다. 용량성 기반 장치들은 선형 및 회전 위치 센싱 둘 다를 할 수 있도록 한다. 예를 들면, 미국특허 5,079,500호(Oswald)는 용량성 와이퍼를 갖는 선형 또는 로터리식 '전위차계'를 개시하는데, 이는 갈바니 와이퍼(galvanic wiper)를 사용하지 않기 때문에 더욱 높은 신뢰성이 있는 위치 센싱 방법을 제공한다. 압력 및 추정에 의한 유체 수위의 측정을 위해 변형될 수 있다. 그러나, 이상 설명된 기술은 매우 복잡하고 제조비용이 높다는 문제점이 있어서, 하이-엔드 또는 산업 장비로의 사용이 제한된다.
LVDT 및 RCDT 타입의 트랜스듀서는 작동은 잘 되나, 자동차 및 가전제품에서 상업적으로 사용될 수 있는 저가 장치의 큰 규모 시장에서는 사용되지 않고 있다. 본 발명의 또다른 의도는, 고가의 신호 컨디셔너 또는 고가의 권선 또는 자석을 필요로 하지 않고 선형 또는 로터리식 위치 센싱에 적합한 용량성 기반의 새로운 종류의 위치 센서를 제공하는 것이다.
유체에 의해 직접 기인되는 용량성 변화를 측정하는 용량성 유체 센서가 존재한다: 한 예시로는 본 출원인의 미국특허 제6,457,355호에 개시되어 있다. 다른 예시들도 미국특허 제6,178,818호 등에 많이 있다.
기존의 용량성 유체 센서는, 가격과, 유전체 특성의 변화를 자동적으로 보상하는 기능의 부재로 인해 많이 사용되지는 않는다. 플라스틱 또는 유리 용기 밖에서부터 정확히 유체 수위를 측정할 수 있는 것은 거의 없다. 본 발명의 또다른 의도는 센싱되는 물체 또는 유체의 유전 특성과는 상관없이, 컨테이너의 내용물의 수위를 외부 또는 내부에서 경제적으로 센싱할 수 있는 새로운 타입의 용량성 기반 유체 센서를 제공하는 것이다.
본 출원인의 미국특허 제5,730,165호에서, 접지로의 커패시턴스의 변화를 감지하기 위해 단일 커플링 플레이트(single coupling plate)를 사용하는 용량성 필드 센서(capacitive field sensor)가 교시되어 있다. 본 장비는 반복적인 충전-후-전송(charge-then-transfer) 또는 충전-플러스-전송(charge-plus-transfer) 사이클을 이용하는 회로를 포함하고, 바람직하게는 미국특허 제5,730,165호에서 개시된 CMOS 소자들은 플로팅 단자를 가진다는 점에서 공통 집적 CMOS 푸쉬-풀 드라이버 회로와는 다른 CMOS 스위칭 소자를 사용한다. 본 출원인의 후속 미국특허 제6,288,707호에서, 1 또는 2차원에서의 위치를 센싱하기 위한 전하 전송 기술의 사용이 교시되어 있다. 미국특허 제5,730,165호 및 제6,288,707호의 개시내용은 본 명세서에서 전체로 참조된다.
본 출원인의 미국특허 제6,466,036호 "전하 전송 용량성 측정 회로"(본 명세서에서 전체로 참조됨)에서, 접지로의 커패시턴스의 변화를 검출하기 위해 단일 커플링 플레이트를 사용하는 또다른 용량성 필드 센서가 교시되어 있다. 본 장비는 반복적인 충전-후-전송 또는 충전-플러스-전송 사이클을 이용하는 회로를 포함하고, 중요하게는 모든 스위치의 하나의 단자가 기준 전압 또는 회로 접지로 연결되는 공통 집적 CMOS 푸쉬-풀 드라이버 회로를 사용한다. 미국특허 제6,466,036호의 개시내용은 본 명세서에서 전체로 참조된다.
도 1은 분포 커패시턴스 및 터치 포인트 커패시턴스 둘 다를 나타내는 전기적 저항성 시트 또는 도포 저항성 물질로 제조된 센싱 스트립을 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 컨트롤 및 신호 획득 회로의 개별적 바람직한 실시예를 나타내는 개략적 회로 다이어그램이다.
도 2c는 도 2a 및 2b의 신호 획득 회로와 사용가능한 스위칭 구성의 또다른 실시예의 개략적 회로 다이어그램이다.
도 2d는 본 발명의 위치 센싱 장치에서 사용되는 저항-커패시터 네트워크의 개략적 회로 다이어그램이다.
도 3a는 도 2a의 회로에 대한 스위칭 시퀀스를 나타내는 챠트이다.
도 3b는 도 2b의 회로에 대한 스위칭 시퀀스를 나타내는 챠트이다.
도 4는 도 1의 센싱 스트립의 축을 따라서 접촉 또는 근접의 비례 결과(ratiometric result)의 그래프로서, 여기서 2개의 그림들에서의 퍼센트 변위들은 서로 연관된다.
도 5는 선형 저항성분을 높이기 위해 지그재그 패턴으로 도포된 전기 저항성 물질로 제조된 센싱 스트립을 개략적으로 도시한다.
도 6a는 개별적 저항들의 직렬 스트링으로 제조된 센싱 스트립의 개략적 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 센싱 스트립의 측면도이다.
도 7은 스트립 저항 및 개별적 저항들의 스트링의 조합으로 제조된 센싱 스트립을 개략적으로 도시한다.
도 8a는 유체 수위 센서로 사용되는 저항성 센싱 스트립을 개략적으로 도시한다.
도 8b는 도 8a의 센서의 출력과 유체 수위와의 상관관계를 그래프로 나타낸다.
도 9는 '와이퍼(wiper)' 역할을 하는 가동(可動)식 피스톤에 인접한 스트립 센서의 사용을 기반으로 하는 선형 트랜스듀서를 개략적으로 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 각각, 인접한 로터리식 비접촉 '와이퍼'와 결합되는 고정 회전식 저항성 소자의 사용을 기반으로 하는 로터리식 트랜스듀서의 개략적 평면도 및 개략적 수직 단면도이다.
도 11은 아크형의 사용자 컨트롤 그래픽 소자를 갖는 벽 발광 조광기(dimmer) 컨트롤부를 개략적으로 도시한다.
도 12는 LCD 디스플레이 상에 위치하는 실질적으로 투명하고 수평적인 용량성 센싱 스트립을 구비하는 평판 디스플레이를 도시한다.
도 13은 컨트롤 손잡이로 구성되는 본 발명의 일실시예의 개략적 단면도이다.
도 14는 본 발명의 센서와 함께 사용되는 마이크로컨트롤러를 개략적으로 도시한다.
도 15는 대안적인 센싱 스트립을 도시한다.
일반적으로 말하면, 본 발명은, 센싱 대상체가 접촉하거나 매우 가까이 있게 되는, 2개의 전극들 사이에서 연장되는 저항성 또는 전도성 바디와 같은 센싱 바디를 따라 측정되는 포인트 또는 스폿에 따라 선형적으로 변하는 위치 출력을 갖는 용량성 센서를 제공한다. 상기 센서는 2개의 용량성 측정 채널들을 포함하고, 이들 각각은 전극들 중 하나에 각각 연결된다. 채널들이 동기적으로 동작될 때, 각 채널은, 대상체가 바디 근처에 있을 때 대상체에 의해 부가되는 용량성 부하에 대한 비선형 응답(주요 실시예에서 지수함수적 상승)을 갖고, 피스톤에대해 선형적으로 변하는 피스톤 출력을 제공하기 위해 선형적으로 결합된 개별 출력을 전달함으로써, 비례 센서로서 동작한다. 상기 결합은 예컨대 프로그램 가능 로직 또는 소프트웨어에서 아날로그 또는 디지털 회로를 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 센싱 소자 및 회로를 포함하고, 이들은 소자에 용량적으로 결합된 대상체 또는 핑거의 위치에 대한 1차원적 정보를 제공한다. 이러한 경우에 있어, 회로는 소자의 두 끝단으로의 전기전하의 동시적 주입을 측정한다. 계산 장치는 소자의 각 끝단으로 주입되는 전하의 양으로 상대적 전하들의 비를 계산한다. 이러한 계산의 결과는 1차원의 위치 좌표 갯수 및 감지 상태 표시이고, 이들 둘 다는 가전기기 컨트롤러와 같은 다른 기능적 소자로 공급될 수 있고, 이는 좌표 및 감지 상태를 명령 또는 측정값으로 번역된다.
본 발명의 한 양태는 2개의 전극 사이에 연장되는 센싱 바디를 따라 대상체의 위치를 센싱하는 용량성 센서를 제공한다. 상기 센서는, 2개의 전극들에 각각 연결되는 각 2개의 센싱 채널들과 개별적으로 연관된 스위칭 소자들에 2개의 다른 소정의 전압을 제공하기 위한 2개의 전압원을 포함한다. 각 센싱 채널들은 2개의 단자들을 갖는 각 샘플 커패시턴스를 포함하고, 이들 중 하나는 전기 스위칭 소자를 포함하지 않는 수단에 의해 개별 전극에 연결된다. 또한, 각 채널은 3개의 전기 스위칭 소자들을 포함하고, 이들 각각은, 소정 전압의 2개의 소스들 중 하나에 유일하게 개별 샘플 커패시터의 단자들 중 하나를 연결하는 단일의 개별 단락 상태 및, 소정 전압들의 2개의 소스들 중 어느 하나에도 단자들 중 개별적 하나를 연결하지 않는 개별 개방 상태를 포함한다. 개별적 전압 측정 회로는 각 채널과 연관되어, 개별적 샘플 커패시터의 단자들 중 소정 하나에서 측정된 전압에 반응하는 전압 출력을 제공한다. 또한, 선택적으로 스위칭 소자들을 개방하고 단락하기 위한 스위치 컨트롤러, 및 2개의 전압 측정회로들의 개별적 출력들로부터 대상체의 위치를 계산하기 위한 수단이 있다.
본 발명의 다른 태양은, 2개의 끝점을 갖는 커브를 따라 대상체의 위치를 센싱하기 위한 용량성 센서를 제공한다. 이 경우에 있어, 센서는 2개의 끝점에 인접하게 개별적으로 연결된 2개의 전극들 사이에서 연장되는 저항성 센싱 스트립을 포함한다. 이는, 복수의 전기적 스위칭 소자들 중 하나를 선택적으로 단락시키기 위한 스위치 컨트롤러; 각기 개별적 전극에 연결되고, 개별적 전압 측정 회로로부터의 개별적 출력을 갖는 2개의 센싱 채널; 2개의 전압 측정 회로들의 개별적 출력으로부터 대상체의 위치를 계산히기 위한 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 다른 디지털 계산 회로과 같은 수단을 포함한다. 전술한 문장에서 설명된 2개의 센싱 채널들 각각은, 2개의 단자들을 갖는 개별 샘플 커패시터-상기 개별 2개의 단자들 중 하나는 전기 스위치 소자들 중 하나를 포함하지 않는 수단에 의해 개별적 전극으로 연결됨-; 2개의 라인들 중 소정 하나로 양 단자들을 연결함으로써 개별 샘플 커패시터를 리셋하기 위한 적어도 하나의 개별적 전기 스위칭 소자; 및 두개의 단자들 중 하나를 제 1 라인으로, 그리고 2개의 단자들 중 다른 하나를 제 2 라인으로 교번으로 스위칭하기 위한 적어도 2개의 부가적 개별 스위칭 소자들을 포함한다.
본 발명의 또다른 태양은, 2개의 전극들 사이에서 연장되는 센싱 바디를 따라 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법을 제공한다. 여기서, 2개의 전극들 각각은 개별 용량성 측정 채널에 연결되고, 이들 각각은 2개의 전극들 중 개별적 하나에 연결되는 2개의 단자들 중 제 1 단자, 및 개별 출력을 갖는 개별 전압 측정 회로에 연결되는 개별 제 2 단자를 갖는 개별 샘플 커패시터를 포함한다. 상기 방법은 반복적 그리고 단일 패스 변형을 구비하고, 이들 둘다는 샘플 커패시터들 각각을 개별적 소정 초기 상태로 동시에 리셋함으로써 개시되고, 여기서 가장 공통으로 선택되는 초기 상태는 각 샘플 커패시터들의 플레이트들 둘다를 접지 전위 또는 DC 기준 전압 레벨로 리셋한다. 2개의 샘플 커패시터들일 리셋된 다음, 채널들 각각과 연관된 개별 제 1 스위치는 단락되어, 각 샘플 커패시터의 2개의 단자들 중 개별 제 2 단자를 제 1 소정 전압에 연결시킨다. 소정의 인터벌을 대기한 이후, 양 제1스위치들은 개방되고, 개별 제2스위치들은 단락되어 개별 샘플 커패시터들의 개별 제 1 단자들 각각을 개별 제 2 소정 전압에 연결시킨다. 그 후, 각 방법은 개별 전압 측정 회로에 의해 개별 샘플 커패시터의 개별 제1 단자에서 개별 전압을 동시에 측정하고, 그 다음 2개의 전압 측정 회로들의 출력에서 대상체 위치를 계산하는 것을 요구한다.
본 발명의 또다른 양태는, 2개의 전극들 사이에 연장되는 센싱 바디를 따라 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법을 제공한다. 여기서 상기 각각의 2개의 전극들은 개별 용량성 측정 채널에 연결되고, 전술한 바와 같이 2개의 전극들 중 개별 하나에 연결되는 2개의 단자들 중 제 1 단자를 갖는다. 그러나, 이 경우, 각 샘플 커패시터의 제 1 단자는 또한 개별 출력을 갖는 개별 전압 측정 회로에 연결된다. 전술한 바와 같이, 상기 방법은 각 반복은, 샘플 커패시터들 각각을 개별 소정 초기 상태로 리셋한 다음 각 샘플의 2개의 단자들 중 개별 제 2 단자를 제 2 소정 전압으로 연결하기 위해 개별 제 1 스위치를 동시에 단락한다. 소정 인터벌을 대기한 다음, 제 1 스위치들 둘다는 개방되고, 개별 제2 스위치들은 단락되어, 개별 샘플 커패시터들의 개별 제 2 단자들의 각각을 제 2 선택전압으로 연결시킨다. 그 다음, 개별 전압 측정 회로는, 양 채널들을 위해, 개별 샘플 커패시터의 개별 제 1 단자에서 개별 전압을 측정하기 위해 사용되고, 2개의 전압 측정 회로들의 출력들은 대상체의 위치를 계산하기 위해 사용된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 센싱 소자는 다소의 균일(동질) 물질로 제조된 직사각형 또는 아크형 저항성 스트립이다. 신호 획득 및 신호 프로세싱 획득 수단으로 구성된 회로로의 연결을 위해 스트립의 각 끝에서 전극으로 연결된다. 각 스트립은 일반적으로 절연 기판 상에 배치되고, 사용자의 핑거 또는 감지 목적의 다른 소정의 타겟을 수용할 만큼 충분한 길이 및 폭을 갖는다. 센싱 필드는 기판을 통해 전달되어, 저항성 스트립에서 먼 곳의 기판 측면이 액티브 센싱 표면으로 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 다른 실시예에서는, 스트립은 전극들 간에 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 개별적 저항들을 포함하여, 개별적 센싱 위치를 형성한다. 이러한 종류의 센서를 위한 최소 구성은 스트립 및 3개의 센싱 영역에서 2개의 저항들을 갖는데, 하나는 각 끝단에 있고, 다른 하나는 2개의 개별 저항들의 접합부에 있다.
제 2 실시예의 변형에서, 개별 도전성 전극들은 충분히 작은 크기이고, 절연 기판은 필드 혼합에 충분한 만큼 두껍고, 이는 효과적으로 기판의 센싱 측면 상에서 포인팅 대상체의 센싱 위치를 "부드럽게" 한다.
본 발명의 일부 실시예의 목적은 스트립에 인접하거나 근처에 있는 위치의 1차원 정보를 제공한다. 여기서 대상체의 위치는 스트립을 따라서 커패시턴스의 변화를 초래한다.
본 발명의 일부 실시예의 또다른 목적은 대상체의 계산된 위치를 나타내는 코드화된 출력을 제공할 뿐 아니라, 코드화된 출력을 유효화하기 위해 충분한 신호의 감지를 나타내는 신호를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예들의 또다른 목적은 사용자들의 하나 이상의 개별적 터치 버튼들의 선택으로서 코드화된 출력을 해석한다.
본 발명의 일부 실시예들의 다른 목적은, 예컨대, 스트립을 따라서의 유체 수위 또는 피스톤의 연장과 같은 물체의 변위의 양에 대한 1차원적 정보를 제공한다. 이는 스트립이 커버되는 만큼 스트립을 따라서 분포 커패시턴를 증가시킨다.
전술한 특징 및 장점은 본 발명의 실시를 익히기를 원하는 본 기술분야의 당업자에게는 유익하지만, 전술한 내용은 모든 특징 및 장점을 나타내기 위한 것은 아니다. 더욱이, 본 발명의 다양한 실시예들은 본 발명의 전술한 특징 및 장점의 다양한 조합을 제공할 수 있고, 모든 전술된 특징들 및 장점들의 일부가 일부 실시예에 의해 제공될 것이다.
본 발명의 상세한 설명을 읽음에 있어서, 본 문헌의 전체에 걸쳐 사용되는 일부 단어 및 문구의 정의를 파악하는 것이 도움이 된다. 이들 정의들이 주어질 때마다, 본 기술분야의 당업자는, 대부분의 경우는 아닐지라도 많은 경우에서, 상기 정의들이 상기 정의된 단어 및 문구의 이전의 그리고 이후의 사용에 적용됨을 알아야 한다. 본 설명의 시작에서, "포함(include)" 및 "포함(comprise)"과 이에서 유래된 용어는 제한이 없는 포함(inclusion)을 나타낸다; "또는(or)" 용어는 포괄적으로서 및/또는을 의미한다; "저항성 바디(resistive body)"는 용량성 모드에서 사용되고 갈바니 도전성 물질로 제조된 센싱 스트립을 나타낼 수 있다; "핑거(finger)" 또는 "센싱된 대상체(sensed object)"는, 소자의 가까이에서 센싱될 수 있는 실제 사람의 손가락, 임의의 신체적 부위, 또는 임의의 기계적 대상체를 나타낸다; 단어 "터치(또는 접촉)(touch)"는 소자와 핑거 사이에 유전체가 위치해 있더라고 핑거에 의한 본 발명의 소자로의 물리적 근접 또는 접촉을 나타낸다. 여기서, 상기 유전체는 고체, 액체, 가스 또는 자유공간의 임의의 조합을 포함한다; 그리고, 단어 "접지(ground)"는 회로 기준 전위 또는 회로 기준으로 회귀하는 임피던스 루프를 형성하는 필드 그라운드를 나타낸다. 여기서 접지는 본질적으로 갈바니일 필요는 없다.
일반적으로, 본 발명의 센서(10)는, 스틸 카메라에서 거리 측정을 위해 일반적으로 사용되는 액티브-IR 기반 광 삼각측량 센서(active-IR based optical triangulation sensor)와 유사한 방식으로 비례 센서(ratiometric sensor)로서 동작한다. 이와 같은 센서의 예로는 일본의 하마마츠사(Hamamatsu Corporation)의 타입 S1352가 있다. 유사한 장치가 이카리(Ikari)에게 허여된 미국특허 제4,761,546호에 개시되어 있다. 이러한 타입의 센서에서 선형 포토다이오드의 단부로부터 2개의 출력이 나온다. 그리고, 상기 출력이 프로세싱되어, 전체 결합된 신호 레벨이 임계값을 초과할 때 출력의 비가 포토다이오드 상의 광 스폿의 위치를 결정하도록 취해진다. 비례 결과는 광 스폿의 강도에 대해 독립적인 한편, 그 가능성은 신호 강도 및 신호 집중 시간에 따라 향상된다.
도 1은 양호한 센싱 구성을 도시한다. 여기서, 포인팅 기능을 위해 사용되는 사용자의 핑거, 바늘, 또는 다른 센싱 대상체(12)가, 컨트롤 표면에 부착될 수 있는 저항성 센싱 스트립(14)의 가까이로 온다. 센싱 스트립은 단위길이당 소정의 레지스턴스를 갖고 2개의 단부, 즉 전극(18, 20)을 갖는 시트 저항으로 구성될 수 있다. 접지(22)와 일반적으로 커플링되는 대상체(12)는 또한, 스폿 커패시턴스(24) (일반적으로 이하 Cx라 함)에 의해 센싱 스트립(14)에 결합된다. 이하 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 센싱 스트립을 따라서의 스폿 또는 포인트에서의 센싱 대상체에 의해 부가되는 용량성 부하인 근접-관련 스폿 커패시턴스(proximity-related spot capacitance) Cx는 측정에 있어 주요 관심 대상인 전기 파라미터이다. 센싱 스트립(14)은 또한, 주위 환경에 대한 분포 커패시턴스(25)(일반적으로 이하 Cd라 함)에 의해 접지로 커플링된다. 저항체 또는 센싱 스트립(14)은, 카본 필름, 메탈 필름, 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 SnO, 도전성 플라스틱, 스크린 도포 도전체, 스퍼터링 도전체 등을 포함한 임의의 저항성 물질로 제조될 수 있다. 결과물이 저항성인 스트립, 로드(rod), 라인, 아크, 또는 1, 2, 또는 3차원의 다른 적절한 형상이 되는 한, 도포 방법 또는 물질의 제한은 없다. 센싱 스트립의 몇몇의 특정 구성에 대해 특히 도 5 내지 도 9를 참조하여 이하에서 설명될 것이다. 스트레이(stray) 커패시턴스 Cd는 선형적으로 분포될 필요는 없다. 왜냐하면, 바람직한 스트립은 중첩의 원리에 의해 '덩어리(lumpy)' 커패시턴스와도 잘 동작하기 때문이다.
이제 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전극들(18 및 20)을 통해 센싱 스트립(14)으로 연결되는 2개의 바람직한 측정 구성들을 볼 수 있다. 각각의 도면에서, 회로는 2개의 채널들(26, 26' 및 28, 28')을 각각 포함한다. 각 바람직한 채널은 본 출원인의 미국특허 제6,466,036호에서 처음 개시된 타입의 개별 스위칭 회로를 포함한다. 여기서, 각 복수의 스위칭 소자들(30, 32, 34, 36, 38, 40)은 '레일-레퍼런스(rail-referenced)'이다. 왜냐하면, 이것은 Vr 및 회로 접지(22)로 표시되는 소정 기준 전압들 중 하나에 직접 전기적으로 연결되는 2개의 단자들 중 하나를 갖기 때문이다. 이후에 자세히 논의되는 특정 실시예들은, 비록 다른 레일 레퍼런스 구성이 사용될 수 있지만, US 6,466,036의 도 7을 참조로 이해될 수 있고, 본 발명의 도 2a 및 도 2b에서의 접지 및 Vr 기호들을 바꿈으로써 생겨나는 것들을 포함할 수는 있다. 또다른 관련 채널 토폴로지는 도 2c에서 도시되어 있는데, 이는 US6,466,036의 도 9에서 도시된 것과 동등하다. 이후 설명되는 예시적 케이스에서, 채널들은 선택된 인터벌 동안에(예컨대, 도 2a) 또는 소정 양의 전하가 전송될 때까지(예컨대, 도 2b) 동작한다. 본 출원인의 이전 특허의 내용에 익숙한 본 기술분야의 당업자라면, 채널 동작을 위해 여러 다른 선택이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 2개의 센싱 채널들(26, 26′, 28, 28′)은 동기적으로 동작한다. 즉, 스위치들(30, 32, 34)(일반적으로 이하에서는 각각 A, B, C라 함) 및 스위치들(36, 38, 40)(일반적으로 이하에서는 각각 A′, B′, C′라 함)의 2개의 각각의 세트들은 실질적으로 동시에 동작한다. 스위칭 시퀀스가 도 2a 및 도 2b의 회로를 위해 도 3a 및 도3b에서 각각 도시된다. 여기서, 스위칭 동작은, 도면에서 기호Φ로 표시되는 클럭 입력(44)에 응답하여 동작하는 적절한 스위치 컨트롤러(42)에 의해 컨트롤된다.
도 2a에서, 측정 회로(46, 46′)는 개별 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 그러나, 두 채널들(26, 26′)을 타임 멀티플렉싱하는 단일 ACD에 의해서도 동일한 기능이 제공될 수도 있다. 어느 구성이든 간에, ADC 값들은 고정 듀레이션(duration)의 전하-전송 사이클의 버스트의 끝에서 취해진다. 이러한 구성을 동작함에 있어, 컨트롤러(42)는 도 3a에 도시된 스위치들을 동시에 조작하고; 채널 결과들은, 2개의 채널 샘플 커패시터들(48, 48′)(이하, 일반적으로 각각 Cs1 및 Cs2라 함) 상의 전압이 단계 6에서 측정된 이후에 알려진다. 이들 결과들은 적절한 계산 수단(50)(예컨대, 마이크로프로세서)에서 결합되어, 포인팅 대상체의 위치를 나타내는 출력을 제공한다.
도 2b에서 도시된 구성에서, 컨트롤러는 도 3b에 도시된 스위치들을 동시에 조작한다. 각 스위칭 사이클 이후에, 비교기들(51, 51′)이 사용되어, 각각의 채널 샘플 커패시터(Cs1, Cs2) 상의 전압을 소정의 비교 전압 Vt와 비교한다. 샘플 커패시터들 중 어느 하나가 비교 전압에 도달할 때, 개별 커패시터를 위한 상기 전압에 도달하기에 필요한 전하-전송 사이클의 수가 개별 커패시터와 연관된 카운터(52, 52′)에 저장된다. 이들 값들은 이후 적절한 계산 수단(50)에 전달되어, 포인팅 대상체의 위치를 나타내는 출력을 제공한다.
스위치 단락 및 개방에 필요한 듀레이션들은 나노초 또는 마이크로초의 단위로 보통 측정된다. 그러나, 샘플링 커패시터들을 리셋하는 단계를 포함하는 단계들은 밀리초 범위일 수 있다. 실제 또는 최상의 타이밍은 특정 컴포넌트 값들의 선택에 좌우되는데, 이는, 샘플링 커패시터의 값에 한정되는 것이 아니라, 스위치 저항 및 센싱 스트립 저항을 포함한다. 예를 들면, 예컨대 10K옴과 같은 매우 낮은 저항의 스트립은, 저항성 스트립 자체를 통한 Cs1에서 Cs2로의 또는 그 역으로의 상당한 전하의 누출(cross-bleed)을 막기 위해, 100ns 이하의 스위치 단락 듀레이션을 필요로 한다.
센서 동작의 초기 페이스(phase) 동안에, 예컨대, 전원이 켜질 때, 아무 대상체(12)가 센싱 스트립 근처에 있지 않다고 가정되는 시간 동안의 기준 눈금을 얻기 위해, 양 채널들로부터의 베이스라인 또는 백그라운드 신호들로부터 교정(calibration) 눈금이 취해질 수 있다. 이들 눈금들은 전술된 동일한 스위칭 시퀀스를 사용하여 취해질 수 있다. 백그라운드 신호들은 비대칭일 수 있고, 스트립의 길이를 따라 위치하는 비등방성(anisotropic) 또는 '덩어리' 커패시턴스들로부터 축적된 전하로 구성될 수 있다. 이들 신호들은, 일정하게 있는 한, 차감 또는 다른 산술적 보상에 의해 이후의 샘플들로부터 제거될 수 있다. 일단 교정이 취해지고 나면, 각 채널로부터의 차등 눈금만이, 센싱 스트립을 따라서의 대상체의 위치를 계산하기 위해 프로세싱될 필요가 있다. 더욱이, 신호들의 백그라운드 레벨에서의 저속 변화들은, 비감지 인터벌 동안에 슬루 레이트 제한 방식(slew-rate limited manner)으로 '기준(reference)' 레벨들을 천천히 조정하는 '드리프트 보상(drift compensation)'방법을 사용함으로써 보상될 수 있다.
도 2b의 회로를 사용하여 대상체의 위치를 계산하기 위해, 2개의 센서 눈금들은 다음의 단계에 따라서 계산 수단(50)에 의해 프로세싱될 수 있다. 여기서, 실시간 획득 시간들은 Sig1 및 Sig2이고, 베이스라인 기준 레벨들은 Ref1 및 Ref2이다.
1) 델타 신호들 ΔSig1, ΔSig2를 계산한다.
ΔSig1 = Ref1 - Sig1
ΔSig2 = Ref2 - Sig2
2) 위치를 나타내는 비를 계산한다.
P = ΔSig2 / (ΔSig1 + ΔSig2)
여기서, 값 P는 스트립의 제 1 끝단(18)에서 기준이 되고, 0과 1 사이의 값을 갖는다.
도 2b에 도시된 종류의 회로를 사용함에 있어, 실시간 신호 Sig1 및 Sig2는 언제나 기준값 미만임을 주목해야 한다. 왜냐하면, 카운터들이 스트립 상의 스폿 커패시턴스가 증가함에 따라 더 적은 횟수를 카운트하기 때문이다. 이는 상기 결과의 극성 팩터(factor)로 들어가고, ΔSig를 위한 수식들이 (Sig-Ref)가 아닌 (Ref-Sig)를 기초로 하는 이유를 설명한다.
스트립에서부터의 가변 거리를 갖는 대상체의 감지를 위해, 전체 증가 신호 강도(ΔSig1 + ΔSig2)가 저장 최소 임계값 이상으로 상승할 때만 신호 프로세싱이 행해진다. 이러한 대상체 감지 프로세스는 바람직하게는 개시(onset) 감지 특성을 향상시키기 위해 히스테리시스 및 필터링을 포함해야 한다.
도 2a 회로의 신호 결과는 ΔSig를 위한 상기 수식들이 (Sig - Ref)를 기반으로 한다는 것을 제외하고는 매우 유사한 방식으로 프로세싱된다. 왜냐하면, 신호들이 기준 레벨에서 증가하는 커패시턴스에 따라 양의 값으로 상승하도록 가정되기 때문이다. 어느 회로든 간에, 값 P의 부호없는 크기(unsigned magnitude)를 고려하는 것이 중요하다.
결과가 다음과 같이 더욱 프로세싱될 수 있다:
(도 12에서처럼) 키 영역(key region)을 정의하기 위해, 결과를 세그먼트화하여 특정 위치'bin'에 위치하도록 함;
위치 노이즈를 제거하기 위해 P를 신호 필터링함; 또는
'리프트 오프(lift off)'감지. 이로써 신호의 대상체 및 이후 손실의 제거가 감지되고 프로세싱되어 마지막 접촉된 위치가 메모리에 저장되도록 함.
P의 값은 대상체 사이즈 또는 거리의 효과에 현저하게 무관하게 된다. 2% 이내의 정확도가 일반 컴포넌트로써 쉽게 구현되었다. 매체로서 공기를 통한 감지도 구현되었으며, 이는 새로운 형태의 사람 및 물체의 위치 센싱을 가능하도록 한다. 변위를 갖는 P의 선형성 및 범위는 도 4에서 표현된다. 여기서 구현된 선형성은, 근접 감지를 위해 채널들(26, 26′, 28, 28′) 중 임의의 하나에 대해 균등한 회로를 사용하고, 따라서 대상체 근접에 대한 상기 회로의 고 비선형(highly non-linear) (예컨대, 역 지수함수(inverse exponential)) 응답을 관찰하는 것에 익숙한 사람의 시각에서 보여질 때는 경이적이다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 2개의 측정 채널에서 2개의 동일 샘플 커패시턴스들을 사용하지만, 2개의 샘플 커패시터들이 2개의 커패시턴스 값들을 갖는다면 응답 곡선이 도 4에서 도시된 것에서 오프셋(offset)되지만, 센서 출력은 선형으로 계속 남아 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 본 발명자에 의해 이전에 개시된 커패시턴스 측정을 위한 전하 전송 방식을 사용하지만, 동기적 동작을 가능하도록 하기 위해 매칭 토폴로지를 갖는 2개의 다른 종류의 용량성 측정 채널들로부터 유도된 선형 위치 출력을 갖는 위치 센서를 구성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 단일 저항-커패시터(RC) 네트워크는 유사한 역 지수함수 출력을 갖는다. 2개의 RC 채널들은, 2개의 동시에 동작되는 RC 채널들의 시정수의 변화를 측정함으로써 센싱 스트립(14)를 따라서의 스폿에 대한 대상체(12)의 근접성으로 인해 생성되는 커패시턴스의 변화를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 도 2d에서, 컨트롤러(50)는 초기에 2개의 리셋 스위치들(41a)을 컨트롤하여 리셋 단계를 수행하고, 이는 접지로의 센싱 스트립의 양 단자들을 접속하는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음, 컨트롤러는 다른 스위치(41)을 동작시키서, 전압 소스로의 각각의 샘플 저항-커패시터 쌍(45, 49 및 45a, 49a)를 포함하는 2개의 RC 채널들(29, 29a)을 연결하여, 개별 디지털 측정 출력을 컨트롤러로 제공하기 위한 개별 아날로그-디지털 회로(47, 47a)에 의해 각 2개의 커패시터들(49, 49a)에서의 전압 상승을 측정한다.
스트립(14)을 따라서의 다중의 대상체 또는 접촉들의 감지는 P의 1차원 '중심(centroid)'이 된다. 각 포인트에서의 동일한 신호 강도의 2개의 접촉의 단순한 경우에 있어서, 값 P는 두 접촉 간의 중간점을 반영할 것이다. 한 접촉이 더 큰 커패시턴스를 갖는다면, 값 P는 더 큰 커패시턴스 포인트의 방향으로 기울게 될 것이다. 핑거와 같은 단일의 연장 대상체의 경우에는, P 값은 핑거 접촉의 중앙을 정확히 반영할 것이다. 이러한 영향은 중첩의 원리에 의해 가능해질 것이다.
많은 다른 선택들이 센싱 스트립의 구성을 위해 가능하다. 예컨대, 도 5는 절연 기판(58) 상에 배치되는 저항성 물질(60)의 지그재그 패턴을 포함하는 스트립(14)을 도시한다. 이러한 구성은, 근접 대상체에 대해 신형 응답을 제공하는 삼각형 웨이브 형상을 유지하는 한편, 스트립 저항성분을 사용가능한 레벨로 증가시키록 선택된다. 앞서 언급한 바와 같이, 낮은 스트립 저항성분은 Cs1에서 Cs2로의 또는 그 역으로의 상당한 전하 누출을 일으키고, 이는 비례 결과 P를 감쇄시킬 것이다. 일부 물질들 특히 인듐-틴 옥사이드(ITO)는 고 저항 성분을 만들도록 프로세싱하기에는 어렵고, 그 결과 증가된 트레이스(trace) 길이 및 제한된 트레이스 폭의 패턴의 식각 또는 도포가 적절할 결과를 얻기 위해 사용될 수 있다.
센싱 스트립(14)은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 덩어리 모델(lumped model)에 따라 해석될 수 있다. 여기서, 복수의 개별 저항들(60)이 개별 금속 상호 연결 전극들(62)의 대응 세트를 통해 직렬로 연결된다. 이는 동질 스트립(homogeneous strip)과 동작 면에서는 유사하다. 그러나, 덩어리 버전의 변위 표현은 명백한 이유로 좀 더 입자화된다. 물론, 입자성은, 직렬 스트링에서 개별 저항들(60)의 인접 저항들 간의 거리를 줄임으로써 줄어들 수 있다. 예를 들면, 센싱 스트립(14)이 표면 장착 기술을 사용하여 제조된다면, 인접 저항들은 각 개입 금속 패드(62)를 오버랩하고, 이들 간의 좁은 갭만을 두고 위치될 수 있다.
이는, 종래의 제조 방법을 사용하여 스트립이 개별 저항들과 같은 공통 컴포넌트로부터 제조될 수 있도록 하는 장점을 갖는다. 이런 타입의 스트립의 응답은 '덩어리'인 것처럼 보이지만, 실제로 도전성 패드(62)가 손가락끝(또는 기계적 '와이퍼(wiper)')보다 작다면, 결과는 도 6의 다중 연결 커패시터(63)에 의해 도시되는 바와 같은 이웃 패드들 간의 삽입 커플링에 의해 부드럽게 된다. 전극 간격만큼의 기판(58) 두께가 주어진 경우 5mm 간격의 상호 연결 금속피복은 인지할 수 없을 만큼의 불연속성을 갖는 부드러운 동작을 나타낸다는 것이 증명되었다. 유전체 패널은 인접 전극으로부터의 필드를 섞는 것을 돕는 역할을 하여 바람직한 부드러움을 제공한다.
일부의 경우, 예컨대 개별 '키(key)'를 생성하는 것이 바람직한 경우에, 극단적인 덩어리화가 바람직하다. 이러한 종류의 구성이 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 도 7의 왼편에 도시되어 있는 복수의 소형의 넓게 분리된 저항들(60a)이 큰 동질 스트립(60b)과 함께 결합되어 '슬라이더(slider)'영역과 결합되는 개별 키를 제공한다. 예를 들면, 이러한 종류의 구성은, 개별적 제어 버튼들뿐만 아니라 연속적 가변 밝기 컨트롤부가 있는 PC 모니터 컨트롤 베젤(bezel) 상에서 사용된다. 실제로, 이러한 구성에서 슬라이더 영역 및 개별 키들의 임의의 혼합이 있을 수 있고, 이들은 임의의 소정 시퀀스로 분포될 수 있다. 도 7에서와 같은 덩어리 개별 영역의 혼합 또는 도 5, 6a, 및 6b와 같은 부드러운 개별 영역의 혼합, 설계자의 요망에 따른 모든 것이 있을 수 있다.
도 8a 및 도 8bd 도시된 바와 같이, 유체 수위 센서로서 스위치(14)를 사용하는 것도 가능하다. 컨테이너(64)가 비어 있다면, (기준으로부터의) 델타 신호들의 감지되지 않을 것이고, 결과는 (최소 신호 요구사항을 만족시키기 위해 실패로 인한 알고리즘 오버라이드(override)를 고려하여) P = 0이 될 것이다. 한편, 컨테이너(64)가 유체(66)로 가득 찬다면, 값 P는 0.5가 될 것이다. 왜냐하면, 커패시턴스는 전체 스트립에서 가로질러 균일하게 증가하고, 이러한 영향의 평균은 50%이기 때문이다. 더 작은 양의 유체는 0 초과 0.5 미만의 범위의 값이 될 것이다. 유체 수위 센서들은 외부 탱크 센서로서 또는 필요하다면 내부 '담금 스틱(dip stick)'로서 제조될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 피스톤-타입 센서(70)의 경우, 감지될 대상체는 바람직하게는 센싱 표면에서 떨어져 위치하는 피스톤(72)이다. 로터리식 센서에서, 감지될 대상체는 도 10a에서 도시된 바와 같이 새프트(shaft)(76)를 통해 접지(22)로 연결되는 로터리 '와이퍼(74)'일 수 있다.
벽 발광 조광기 또는 가전기기 컨트롤부는 도 11에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 여기서, 컨트롤 표면은, LED들의 시리즈 또는 세그먼트 LCD 디스플레이와 같이 막대 그래프 표시와 연관된 아크를 설명한다. 적절한 그래픽 소자(78)가 사용되어 패널 표면(16) 상의 터치의 위치를 보여줄 수 있다.
LCD 또는 다른 타입의 그래픽 디스플레이는, 도 12에 도시된 바와 같이, 컨트롤 표면(16) 상에 배치되는 투명한 ITO 저항성 스트립들의 시리즈를 구비할 수 있다. 이는 매우 낮은 수직 해상도를 갖는 매우 저가의 '터치 스크린'을 제공할 수 있다. 센싱 스트립의 출력은, 센싱 스트립이 연속적인 것(또는 도 7의 '덩어리')이더라도, 개별 키를 나타내는 출력을 제공하기 위해 프로세싱될 수 있다. 이러한 구성은 키패드 아래에서 사용되어, 인접한 디스플레이가 있거나 없는 매우 저렴한 컨트롤 패널을 구현할 수 있다. 키패드의 경우에는, 도전성 스트립은 표시가 명확히 되어 있는 불투명 패널 아래에 위치하기 때문에, 패널이 투명할 필요는 없다.
본 발명은 컨트롤 표면 상에서 '가상 손잡이(virtual knob)'(도 13)를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 여기서, 실제 손잡이(80)는 유리 또는 플라스틱 표면(16)을 통해서 동작하는 도전성 '와이퍼'(74)에 부착되고, 따라서 센싱 스트립(14)에 봉합된 표면을 통해 컨트롤하는 방법이 제공된다. 와이퍼(74)는 유리 또는 플라스틱과 같은 임의의 유전체를 통해 작동할 수 있다. 손잡이는, 플래트(Platt)의 미국특허 제5,920,131호에서 잘 알려진 바와 같이, 기계적으로 또는 자석(82)으로 제자리에 고정될 수 있고, 와이퍼 반대편 상에 스페이서 유전체(83)를 포함할 수 있다. 와이퍼(74)로부터의 용량성 리턴 경로는 바람직하게는 금속 또는 자석(82)으로의 연결을 통해 만들어지고, 이는 패널 자체를 리턴 커패시터 유전체로 사용하여 컨트롤 패널 내부에서 접지로의 좋은 커플링이 가능하도록 한다. 수분 침투를 막기 위한 주변 씰(seal)을 구비하는 것을 포함하여, 상기 계획의 여러 변형이 가능하다. 또한, 자석(82) 대신에 터치시에 신체를 접지 리턴 경로로 사용하는 것도 가능하다. 이것은 센싱 전자장치가 터치로 인한 커패시턴스의 증가를 감지하는 것이 가능하도록 하고, 이는 위치 신호 이외에 '터치 신호(touched signal)'을 생성하기 위해 사용될 수 있다. '터치 신호'는 사람이 손잡이 근처에 있거나 변화가 예상되는 것을 가전기기 컨트롤부에 알리기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 터치의 존재는 장치가 슬립(sleep) 모드에서 나오도록 하고 지시 LED 등을 턴-온하도록 사용될 수 있다.
상기 전체 회로는 도 14에서 도시된 바와 같이 마이크로컨트롤러(90)를 사용하여 동작될 수 있다. 마이크로컨트롤러(90)의 I/O 포트들은 도 3a 및 도 3b에서 도시된 바와 같이 정확한 시퀀스로 조작될 수 있다. 일반적으로 마이크로컨트롤러의 I/O 포트 핀은, 소프트웨어 컨트롤 하에서 스위칭 시퀀스를 구현하는데 필요한 적어도 3개의 스위치들을 구비한다. 소프트웨어는 도 2b의 회로 소자들(42, 50, 51, 51′, 52, 및 52′)의 기능뿐만 아니라 도 3a 및 도 3b에 도시된 알고리즘의 기능을 쉽게 구현할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 바람직하게는 푸쉬-풀 타입 CMOS 핀 구조와 전압 비교기의 역할을 하도록 될 수 있는 입력을 가져야 한다. 대부분의 일반적 마이크로컨트롤러 I/O 포트들은, 상대적으로 고정 입력 임계 전압뿐만 아니라 거의 이상적인 MOSFET 스위치들을 갖기 때문에, 이러한 것이 가능하다. 이러한 컨트롤러의 출력은, 아날로그 형태로 필터링될 수 있는 PWM 신호, 또는 잘 알려진 UART, SPI, 또는 I2C 포맷(또는 임의의 다른 타입)과 같은 시리얼 출력일 수 있다. 이러한 컨트롤러는, 예컨대 라이트 조광기 또는 모터 컨트롤용 트라이악(triac)을 제어하기 위해 유용한 기능을 프로세싱할 수 있다. 이 경우, 출력은 더욱 프로세싱되고, 애플리케이션은 특정된다.
이러한 방법의 유용한 변형은 연속적 비선형 센싱 스트립을 갖는 것이다. 스트립의 '테이퍼(taper)'가 형성되어, 시스템의 구조에 대해 회로의 신호 출력을 선형화하는 역 전달 함수를 제공함으로써 기계적 문제점 또는 비선형성을 수정할 수 있다. 대수(logarithm) 또는 다른 비선형 테이퍼의 사용은, 무엇보다도 센싱 소자의 일부 영역을 따라 변위를 결정하고자 하는 목적으로, 오디오 이득 컨트롤, 임의 종류의 조명 컨트롤부, 유체 수위 센서, 위치 센서 등에 사용될 수 있다; 비선형 테이퍼를 사용하는 이유는 많은 애플리케이션 분야에서 일반적으로 알려져 있으므로, 여기서 다시 설명하지는 않겠다. 도 6 또는 도 7에서 도시된 저항들의 사용은, 상당한 정교성을 갖고 편하게 그리고 저렴하게 상기 비선형 테이퍼들을 만들기 위해 사용될 수 있다. 상기 테이퍼들은 두꺼운 필름을 레이저 트리밍하거나, 가변적인 진공 도포 방법을 통해서 쉽게 만들어질 수 있다.
본 발명에서 설명된 스위칭 방법은 본 출원인의 미국특허 제6,466,036호에 기술된 바와 같은 임의의 스위칭 시퀀스 및 토폴로지들에 적용될 수 있다. 그러나, 바람직한 방법은 본 명세서의 도 2a, 도 2b, 및 도 3에 개시되어 있다. 상기 특정 토폴로지 및 스위칭 시퀀스는 외부 노이즈 및 누설 전류에 대해 매우 강하다. 왜냐하면, 신호 샘플링이, 스트립 자체가 접지 또는 다른 형태의 낮은 Z 기준에 연결되는 동안에 행해지기 때문이다. 다른 용량성 센싱이 사용될 수 있음이 이해될 수 있다. 그러나, 정확한 결과를 얻기 위해, 2개의 단부(18, 20)에서 행해지는 센싱 방법은, 적어도 전하 주입에 관한 한, 실질적으로 시간-동기적으로 행해진다. 예를 들면, 정현파 기반 회로가 사용될 수 있고, 정확한 결과를 얻기 위해, 양 단부(18 및 20)는 실질적으로 서로 일치하는 유사한 파형으로 구동된다. 이것이 본 발명의 한 양태이다; 양 단부 상의 구동 신호는 실질적으로 동일하고 일치한다. 이러한 방식으로, 최종 결과는 매우 비례적으로 될 수 있고, 따라서 소자의 저항성분 또는 스트레이 커패시턴스(stray capacitance)와는 매우 독립적으로 된다.
본 명세서에서 개시된 감지 방법 및 스위칭 시퀀스의 다양한 조합을 포함하여, 많은 변형이 있을 수 있고 이는 본 기술분야의 당업자에게 당연할 것이다. 본 방법은, 드리프트 보상, 교정, 단락 스위치 폐쇄 시간(short switch closure times)을 사용하는 수분 억제 등을 포함한 다수의 본 출원인의 특허에서 교시된 방법과 결합될 수 있다.
본 회로가, (커패시턴스 Cd가 상대적으로 일정히 유지되는 동안 압력 또는 휨을 갖는 센싱 소자의 저항성분 일정성에서의 변동을 참조함으로써) MEMs, 트랜스듀서, 압력 센서, 습기 감지기, 압전-저항 트랜스듀서 등에 사용될 수 있다. 물질 조성 및 소자의 구성 방법은 임의의 타입일 수 있다. 두꺼운 필름, 도전성 잉크 및 페이트, 진공 도포 물질, 도전성 폴리머, 투명 도전체, 및 일정 볼륨을 갖는 도전성 유체가 소자로서 사용될 수 있다. 이들 물질은, 제한없이 임의의 방법으로, 도포되거나, 에칭되거나, 형성되거나, 스탬프되거나, 몰딩되거나, 스크라이브(scribe)되거나 플레이트(plate)될 수 있다. 본 발명과 연계되어 임의의 공지된 물질 또는 프로세싱과의 임의 조합이 가능하다는 것은 본 기술분야의 당업자에게는 당연하게 여겨질 것이다. 이와 유사하게, 임의의 공지된 타입의 센싱 대상체가 사용될 수 있다. 즉, 센싱 대상체로는, 임의의 제한없이, 기계적 핑거, 로터리식 와이퍼, 바늘, 피스톤, 유체, 회전 볼, 이동 장비 또는 서브어셈블리의 부속물, 부드러운 유전체 표면의 도전성 부분 등, 저항성 전위차계, 기존의 용량성 트랜스듀서, LVDT 등과 연계되어 사용될 수 있도록 알려진 것들을 포함할 수 있다. 더욱이, 임의의 사람 또는 동물 몸체 부분도 센싱 대상체로서 사용될 수 있다.
도 15는 서로 인접하지만 갭에 의해 서로 분리되어 연장되는 한 쌍의 테이퍼진 삼각 전극(91, 92)에 기초한 대안적 센싱 스트립(14)을 도시한다. 각 전극은 이전 실시예에서와 같이 단자들(18, 20) 중 하나에 연결된다. 따라서, 센싱 스트립은, 전술한 실시예에서 사용된 저항성 바디 대신에 도전성 물질로 형성된다. 다른 형태의 테이퍼가 사용될 수 있다. 이러한 구성에 대해서는 본 출원인의 이전 미국특허 제6,288,707호에 더 자세히 개시되어 있다. (도 4, 도 5, 및 도 6과 관련 설명을 보라.)
본 발명은 몇몇의 바람직한 실시예를 참조로 설명되었지만, 많은 변형 및 수정이 본 발명을 벗어남 없이 행해질 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변형 및 수정은 첨부된 청구의 범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범주에 속하는 것으로 여겨져야 한다.
전술한 명세서 내용 중에 포함되어 있음.

Claims (28)

  1. 두 전극 사이에서 연장되는 센싱 바디를 따라서, 대상체가 상기 센싱 바디에 가장 근접하는 위치를 나타내는 출력을 제공하기 위해,
    2개의 용량성 센싱 채널;
    상기 2개의 채널을 동기식으로 작동시키기 위한 수단; 및
    계산 수단;을 포함하고,
    상기 각 채널은 상기 전극들 중의 각 하나에 연결되고, 각 채널은 대상체가 센싱 바디에 근접할 때 대상체에 의해 부과되는 용량성 부하에 대한 개별적 비선형 응답을 나타내는 개별적 채널 출력을 갖고,
    상기 계산 수단은 상기 2개의 채널로부터의 각각의 출력을 수신하고, 대상체의 위치에 따라 선형적으로 변하는, 상기 2개의 채널의 출력의 소정 선형 결합의 비를 계산하고, 상기 위치를 나타내는 출력으로서 상기 비를 공급하는, 용량성 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 채널로부터의 각 출력은, 대상체가 센싱 바디의 가까이 있을 때 측정된 제 1 개별 값과 대상체가 센싱 바디로부터 멀리 떨어져 있을 때 측정된 제 2 개별 값 간의 대수적 차이(algebraic difference)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    대상체는 접지점에 용량적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 센싱 채널은 개별 샘플 커패시터; 3개의 전기 스위칭 소자들; 및 개별 측정 회로를 포함하고,
    상기 개별 샘플 커패시터는 2개의 단자들을 구비하고, 상기 2개의 단자들 중 하나는 전기 스위칭 소자를 포함하지 않는 수단에 의해 관련 전극으로 연결되고,
    상기 3개의 전기 스위칭 소자들 각각은 개별 샘플 커패시터의 단자들 중 하나를 2개의 다른 기준 전압 중 단 하나에만 연결시키기 위한 단일 개별 단락 상태를 갖고, 개별 스위칭 소자들 각각은 단자들 중 각기 하나를 2개의 기준 전압들 중 어느 곳에도 연결시키기 않는 개별 개방 상태를 더욱 갖고,
    상기 개별 측정 회로는 개별 샘플 커패시터의 단자들 중 소정 하나에서의 전압 측정에 응답하여 개별 채널 출력을 공급하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 전기 스위칭 소자들을 더욱 포함하고,
    각 센싱 채널은, 2개의 단자들을 갖는 개별 샘플 커패시터; 상기 복수의 전기 스위칭 소자들 중의 적어도 하나의 개별 전기 스위칭 소자; 및 상기 복수의 전기 스위칭 소자들 중 적어도 2개의 부가적 개별 스위칭 소자들;을 포함하고,
    상기 2개의 단자들 중 하나는 전기 스위칭 소자들 중의 하나를 포함하지 않는 수단에 의해 개별 전극에 연결되고,
    상기 적어도 하나의 개별 전기 스위칭 소자는 양 단자들을 제 1 소정 기준 전압에 연결함으로써 개별 샘플 커패시터를 리셋하고,
    상기 적어도 2개의 부가적 개별 스위칭 소자들은, 개별 샘플 커패시터의 2개의 단자들 중 하나를 제 1 소정 기준 전압에, 그리고 2개의 단자들 중 다른 하나를 제 2 소정 기준 전압에 교번으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 채널은 관련 전극에서 파라미터 변경을 측정하기 위한 수단 및 개별 저항-커패시터 쌍을 포함하고,
    2개의 채널을 동기적으로 작동시키기 위한 수단은 적어도 3개의 전기적 스위칭 소자들을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하고,
    적어도 3개의 전기 스위칭 소자들 중 2개는, 상기 2개의 전극들 중 둘 다를 제 1 기준 전압에 동시에 연결시키도록 컨트롤러에 의해 작동 가능하고,
    적어도 3개의 전기 스위칭 소자들 중 적어도 3번째의 소자는 제 2 기준 전압을 각 저항-커패시터 쌍에 동시에 연결시키도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 채널은 샘플링 커패시터를 포함하고, 상기 샘플링 커패시터의 전압은 커패시터 부하에 대해 역지수적(inverse exponential)으로 상승하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계산 수단은 마이크로컨트롤러를 포함하고, 채널들을 동기적으로 동작시키기 위한 수단은 상기 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 복수의 스위칭 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는, 서로 인접하여 갭을 사이에 두고 연장하는 2개의 도전체 스트립을 포함하고, 상기 스트립들 중 적어도 하나는 길이를 따라 테이퍼(taper)지는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는 단일 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는 직렬로 연결되는 복수의 개별 저항들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정 조합은 선형 조합이여서, 상기 비가 대상체의 위치에 따라 선형적으로 변하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  13. 2개의 전극들 사이에서 연장되는 센싱 바디를 따라 대상체의 위치를 센싱하기 위해,
    상기 2개의 전극에 각각 연결되는 2개의 센싱 채널들; 스위치 컨트롤러; 및 대상체의 위치를 계산하기 위한 계산 수단;을 포함하고,
    상기 각각의 센싱 채널은 다시, 2개의 단자들을 갖고, 상기 단자들 중 하나는 전기 스위칭 소자를 포함하지 않는 수단에 의해 관련 전극에 연결되는 개별 샘플 커패시터; 3개의 전기 스위칭 소자들; 및 개별 측정 회로를 포함하고,
    상기 3개의 스위칭 소자들 각각은 개별 샘플 커패시터의 단자들 중 하나를 2개의 다른 기준 전압 중 단 하나에만 연결시키기 위한 단일 개별 단락 상태를 갖고, 개별 스위칭 소자들 각각은 단자들 중 각기 하나를 2개의 기준 전압들 중 어느 곳에도 연결시키기 않는 개별 개방 상태를 더욱 갖고,
    상기 개별 측정 회로는 개별 샘플 커패시터의 단자들 중 소정 하나에서의 측정에 응답하여 출력을 공급하고,
    상기 스위치 컨트롤러는 스위칭 소자들을 선택적으로 개방 또는 단락시키고,
    상기 계산 수단은 상기 2개의 측정 회로의 개별 출력들로부터 대상체의 위치를 계산하는, 용량성 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 계산 수단은 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 2개의 측정 회로로부터의 각 출력들을 합산하여, 상기 합산이, 저장되어 있는 최소 임계값을 초과하면 감지 출력을 제공하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는 단일 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  17. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는, 직렬로 연결되는 복수의 개별 저항들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  18. 2개의 전극 간에 연장되는 센싱 바디를 따라 대상체의 위치를 센싱하기 위해,
    복수의 전기 스위칭 소자들을 선택적으로 단락시키기 위한 스위치 컨트롤러;
    상기 전극들로부터 개별 입력들을 갖고, 개별 관련 측정 회로들로부터의 개별 출력들을 갖는 2개의 센싱 채널; 및
    2개의 개별 측정 회로들의 개별 출력들로부터 대상체의 위치를 계산하기 위한 계산 수단;을 포함하고,
    상기 센싱 채널들 각각은,
    2개의 단자들을 갖고, 이들 중 하나는 전기 스위칭 소자들 중 하나를 포함하지 않는 수단에 의해 각각의 전극에 연결되는 개별 샘플 커패시터;
    상기 개별 샘플 커패시터를, 이의 단자들 둘 다를 제 1 소정 기준 전압에 연결시킴으로써 리셋시키기 위한, 상기 복수의 전기 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 개별 전기 스위칭 소자; 및
    상기 개별 샘플 커패시터들의 2개의 단자들 중 하나를 제 1 소정 기준 전압으로, 그리고 상기 2개의 단자들 중 두 번째 단자를 제 2 소정 기준 전압으로 교번으로 스위칭하기 위한, 상기 복수의 전기 스위치 소자들 중 적어도 2개의 부가적 스위칭 소자;를 포함하는, 용량성 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 계산 수단은 마이크로컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 2개의 측정 회로로부터의 각 출력들을 합산하여, 상기 합산이, 소정 최소 임계값을 초과하면 감지 출력을 제공하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는, 서로 인접하여 갭을 사이에 두고 연장하는 2개의 도전체 스트립을 포함하고, 상기 스트립들 중 적어도 하나는 길이를 따라 테이퍼(taper)지는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  22. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는 단일 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  23. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱 바디는, 직렬로 연결되는 복수의 개별 저항들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 센서.
  24. 2개의 전극 사이에서 연장되는 센싱 바디를 따라 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법으로,
    상기 2개의 전극들 각각은 개별 용량성 센싱 채널에 연결되고, 상기 채널들 각각은 개별 샘플 커패시터를 포함하고, 상기 개별 샘플 커패시터의 2개의 단자들 중 하나는 상기 2개의 전극들 중 각 하나에 연결되고, 상기 각 채널들은 개별 출력을 갖는 개별 측정 회로를 더욱 포함하고, 상기 개별 측정 회로는 상기 개별 샘플 커패시터의 2개의 단자들 중 소정 하나에 연결되고,
    a) 상기 각 샘플 커패시터들을 개별 소정 초기 상태로 리셋하는 단계;
    b) 각 샘플 커패시터의 개별 소정 단자를 제 1 소정 전압으로 연결하기 위해, 상기 채널들 중 하나에만 각각 관련되는 개별 제 1 스위치들을 동시에 단락하는 단계;
    d) 소정 인터벌을 대기한 후, 제 1 스위치들 둘 다를 동시에 개방하는 단계;
    e) 개별 소정 단자가 아닌 개별 샘플 커패시터들의 각 단자들을 개별 제 2 소정 전압으로 연결하기 위해 개별 제 2 스위치들을 단락하는 단계;
    f) 각 채널에 대하여, 개별 측정 회로를 통해, 개별 샘플 커패시터들의 개별 소정 단자에서 개별 전압을 측정하는 단계; 및
    g) 상기 2개의 측정 회로의 출력들로부터, 대상체의 위치를 계산하는 단계;
    를 포함하는 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    대상체의 위치를 계산하는 단계는 상기 2개의 측정 회로들의 출력들로부터의 비를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 2개의 측정 회로들의 출력들로부터, 감지 상태 표시를 결정하는 추가적 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법.
  27. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 b) 내지 e) 단계들이 대상체의 위치를 계산하기 전에 소정 회수만큼 반복되는 것을 특징으로 하는 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법.
  28. 제 24 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 측정 회로들은 개별 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상체의 위치를 측정하기 위한 방법.
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