KR20080008554A

KR20080008554A - 시분할 복수 주파수를 이용하는 정전용량 검출방법 및검출장치

Info

Publication number: KR20080008554A
Application number: KR1020060067965A
Authority: KR
Inventors: 이상철
Original assignee: 에이디반도체(주)
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-01-24
Also published as: KR100828128B1; JP2009544938A; EP2047286A1; US8058883B2; US20090302871A1; EP2047286A4; CN101490566A; CN101490566B; WO2008010634A1

Abstract

본 발명에 따른 정전용량 검출방법은, 정전용량 검출판을 통해서 감지되는 정전용량에 따라 발진기에서 시분할된 복수의 주파수가 발진되도록 하고, 소정 시간 동안 상기 시분할된 복수의 발진 주파수를 카운트함으로써 노이즈에 의한 발진 주파수의 느림과 빠름이 서로 상쇄되어 전체 카운트 시간 동안의 카운트 값이 일정하도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 외부 노이즈에 의해 간섭받더라도 외부 노이즈에 의한 발진 주파수의 왜곡이 최소화되어 정전용량 검출판의 정전용량값만이 발진 주파수 변화의 요소로 받아지게 된다. 따라서 정전용량 변화를 감지함에 있어 노이즈에 의한 에러를 방지할 수 있다.

발진 주파수, 노이즈, 시분할 복수 주파수, 정전용량

Description

시분할 복수 주파수를 이용하는 정전용량 검출방법 및 검출장치{Method and apparatus for detecting capacitance using time division multi-frequency}

도 1 내지 도 4는 종래의 단일 삼각파 발진기를 설명하기 위한 도면;

도 5는 정전용량 검출판의 Cx에 외부 노이즈(Cp, V1)가 인가되는 모델을 나타낸 도면;

도 6은 외부 노이즈(Cp, V1)에 의해서 발진기의 발진주파수가 왜곡되는 현상을 설명하기 위한 그래프;

도 7은 본 발명에 따른 정전용량 검출방법을 설명하기 위한 그래프;

도 8은 발진 주파수에 대한 노이즈의 영향을 실측한 오실로스코프 파형;

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 검출장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 10과 도 14는 도 9의 시분할 복수 주파수 발진기(20)에서 시분할 복수 주파수가 출력되도록 하기 위한 내부 회로의 일 예를 설명하기 위한 도면;

도 11는 도 9의 시분할 복수 주파수 발진기(20)에서 시분할 복수 주파수가 출력되도록 하기 위한 내부 회로의 다른 예를 설명하기 위한 도면;

도 12는 도 10과 도 11의 시분할 스위치 온/오프 신호발생부(21, 22)에서 각 스위치 트랜지스터(MxS)를 동작시키는 타이밍도와 그에 따른 기준전류(Is)의 증감을 나타낸 그래프;

도 13는 도 9의 시분할 복수 주파수 발진기(20)에서 발생되는 출력전류가 정전용량 검출판(10)에 인가되는 전류 파형을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명>

10: 정전용량 검출판 20: 발진기

30: 주파수 카운터 40: 기준 주파수 생성부

50: 주파수 변화 연산부 60: 비교기

Cp, V1: 외부 노이즈

본 발명은 정전용량 감지방법 및 감지장치에 관한 것으로서, 특히 시분할 복수 주파수를 이용하는 정전용량 감지방법 및 감지장치에 관한 것이다.

정전용량 감지장치는 물체(예: 사람의 손가락)가 정전용량 검출판에 근접하거나 접촉될 때 검출판과 접근물체 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 검출하고 그 검출결과에 따라서 스위칭 신호를 발생시킨다. 이러한 정전용량 변화는 발진 주파수를 통해서 감지된다. 즉, 물체가 정전용량 검출판에 근접하면 물체와 검출판 사이에 정전용량의 변화가 발생하고, 이러한 검출판의 정전용량에 따라 발진기의 발진 주파수가 가변되며, 주파수 카운터를 통해서 이러한 발진 주파수를 카운트하여 미리 설정된 기준 카운트값과 비교 연산하여 물체의 접촉이나 근접에 따른 스위칭 신호를 발생한다.

그러나, 발진기의 발진 주파수의 변화속도는 검출판에 근접하는 물체에 의해 유기되는 정전용량 변화 뿐만 아니라 돌출적으로 인가되는 외부의 무선 노이즈에 의해서도 바뀌게 된다. 뿐만 아니라 발진기에 연결되는 전원선에 갑자기 외부의 전기적 노이즈가 인가될 때에도 발진기의 발진 주파수가 바뀌게 된다.

도 1 내지 도 4는 종래의 단일 삼각파 발진기를 설명하기 위한 도면이다.

도 1은 기준전류(Is)를 발생하는 회로로서, 기준전류(Is)는 저항 R에 의해서 결정된다.

도 2는 충방전전류의 방향을 결정하는 회로로서, Cx에 충전된 전압이 Vref+보다 크면 Vref-가 될 때까지 계속 방전이 이루어지고 Vref-에 도달하면 다시 충전이 개시된다. 이러한 과정을 반복하면서 발진이 이루어진다. 여기서 Cx는 상기 정전용량 검출판에 형성되는 커패시터를 의미한다.

도 3은 도 2의 Cx에 충방전되는 전압파형과, 전압비교기(U1A, U2A) 및 플립플롭(FF)을 통과한 충방전 신호를 나타낸 것이다. 충방전 전압파형은 삼각파 형태를 하고 충방전 신호는 구형파 형태를 하면서 발진이 이루어진다. 발진 주파수는 기준전류(Is), 충방전 기준전압(Vref+, Vref-), 충방전 개폐용 스위치(FF)의 지연, 및 검출판의 정전용량값(Cx)에 따라 변한다.

도 4는 발진기의 출력단을 나타내는 회로도이다. 기준전류(Is)와 충전신호(high 전압)가 입력되면 M9가 도통되어 기준전류(Is)가 전류출력 포트로 나가고, 방전신호(low 전압)가 입력되면 M9는 오프되고 M11이 도통되어 기준전류(Is)가 전류출력포트를 통하여 접지로 방전된다.

발진기의 발진주파수는 Is/(2*Vth*Cx)로 대략 정의되며, 여기서 Vth = (Vref+ - Vref-)/2 이다. 따라서 발진기는 Cx의 값에 따라 발진 주파수가 가변되도록 고안되는 것이 일반적이다. 그러나 외부의 강한 노이즈가 정전용량 검출판에 영향을 미치면 발진 주파수는 외부 노이즈의 영향으로 외부 노이즈 주파수에 끌려간다.

도 5는 정전용량 검출판의 Cx에 외부 노이즈가 인가되는 모델을 나타낸 것이다. 외부 노이즈가 인가되는 정도는 가상의 기생 커패시터 Cp와 노이즈의 세기 V1에 의해 결정된다.

도 6은 외부 노이즈(Cp, V1)에 의해서 발진기의 발진주파수가 왜곡되는 현상을 설명하기 위한 그래프로서, 발진 주파수가 33MHz인 경우에 외부 노이즈를 1MHz ~63MHz로 변화시키면서 정현파 형태로 Cp를 통하여 인가한 경우를 예로 든 것이다.

도 6에서 알 수 있듯이, 발진 주파수의 왜곡이 33MHz에서 멀리 떨어진 부분에서는 매우 작았다가 33MHz에 근접할수록 증가하며 33MHz와 아주 근접한 경우에는 발진 주파수가 외부 노이즈의 성분을 추종하다 왜곡이 차츰 작아지는 현상을 나타낸다.

상술한 바와 같이 종래의 단일 삼각파 발진기는 외부 노이즈에 의해 발진 주파수가 많이 변화하기 때문에 순수한 Cx의 변화에 의한 발진 주파수를 얻지 못하여 정전용량 검출에 에러가 발생하게 된다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 외부 노이즈에 의한 발진 주파수의 편차를 최소화함으로써 정전용량 검출판의 커패시터 성분의 변화만을 발진 주파수 변화의 요소로 받아들이도록 하여 정전용량변화 검출의 에러를 최소화할 수 있는 정전용량 검출방법 및 검출장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전용량 검출방법은, 정전용량 검출판을 통해서 감지되는 정전용량에 따라 발진기에서 시분할된 복수의 주파수가 발진되도록 하고, 소정 시간 동안 상기 시분할된 복수의 발진 주파수를 카운트함으로써 노이즈에 의한 발진 주파수의 느림과 빠름이 서로 상쇄되어 전체 카운트 시간 동안의 카운트 값이 일정하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전용량 검출장치는, 정전용량 변화를 감지하는 정전용량 검출판과, 상기 정전용량 검출판의 정전용량에 따라 시분할된 복수의 발진 주파수를 출력하는 발진기와, 상기 발진기의 시분할 복수 주파수를 소정 시간 동안 카운트하는 주파수 카운터와, 상기 주파수 카운터의 카운트 값과 소정의 기준 카운트값의 차이인 주파수 변화를 연산하고 상기 주파수 변화가 소정의 감지레벨보다 클 경우에 감지신호를 출력하는 비교연산수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 7은 본 발명에 따른 정전용량 검출방법을 설명하기 위한 그래프로서, 1MHz~63MHz 범위에서 시분할된 다수의 삼각파를 발진하고 33MHz의 외부 노이즈가 여기에 인가되는 경우를 예로 든 것이다.

도 7에서 알 수 있듯이, 33MHz보다 약간 낮은 주파수에서는 발진 주파수가 노이즈 성분의 주파수로 상향 이동되며, 33MHz보다 약간 높은 주파수에서는 발진 주파수가 노이즈 성분의 주파수로 하향 이동된다. 따라서 33MHz보다 약간 낮은 주파수에서는 카운트수가 빨라지고 33MHz보다 약간 높은 주파수에서는 카운트수가 느려져서 전 구간에서 볼 때에는 주파수 카운트값의 변화가 없게 된다.

도 8은 발진 주파수에 대한 노이즈의 영향을 실측한 오실로스코프 파형이다. 구체적으로, 두개의 시분할된 발진 주파수 f1(1.40MHz), f2(1.96MHz)가 있을 경우에 (a)는 노이즈가 없는 경우이고, (b)는 1.65MHz의 노이즈가 인가되는 경우이다.

20us동안의 주파수 카운트값 즉, 구형파인 충방전신호를 세어보면 (a)의 경우에는 32.4개인데, (b)의 경우에도 32.3개로서 별 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 이는 노이즈 주파수인 1.65MHz보다 약간 낮은 주파수에서는 발진 주파수가 빨라지고 1.65MHz보다 약간 높은 주파수에서는 발진 주파수가 느려져서 전체적으로는 주파수 카운트값이 변하지 않았기 때문이다.

따라서 정전용량 검출판을 통해서 감지되는 정전용량에 따라 주파수를 발진하는 발진기에서 시분할된 복수의 주파수가 발진되도록 하고, 소정시간 동안 상기 시분할된 복수의 발진 주파수를 카운트하면, 노이즈에 의한 발진 주파수의 느림과 빠름이 서로 상쇄되어 전체 카운트 시간 동안의 카운트값이 일정하게 된다.

노이즈가 발진 주파수의 가운데에 위치하지 않으면 노이즈 간섭에 의한 영향이 완전히 상쇄되지 않을 수 있으므로, 이럴 경우를 염두에 두어 발진 주파수를 세밀하게 시분할하는 것이 바람직하며, 주파수 카운트 시간을 길게 하는 것이 바람직하다. 발진 주파수를 외부에서 영향을 주는 노이즈 대역을 포함하는 넓은 대역이 되도록 발생시키면 더욱 바람직하다.

발진 주파수의 대역이 항상 노이즈 주파수를 포함하는 중앙부에 있을 수는 없다. 이 경우 종래의 단일 주파수를 사용하는 경우는 단일 주파수와 노이즈 주파수가 근접할 때 단일 주파수가 노이즈 주파수로 끌려가는데 이러한 단일 주파수의 변화는 전체의 변화이므로 끌려간 비율만큼 오차가 나타난다. 그러나, 본 발명에 의할 경우에는 노이즈 주파수가 발진 주파수의 대역밖에 있더라도 노이즈 주파수에 근접한 발진 주파수만 주로 영향을 받으므로 발진 주파수의 오차는 종래의 단일 주 파수를 이용하는 경우에 비하여 무시될 만큼 작다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 검출장치를 설명하기 위한 도면이다. 정전용량 검출판(10)에 물체가 근접하면 물체와 검출판(10) 사이의 정전용량 Cx 값에 변화가 발생한다. 발진기(20)는 이러한 정전용량값에 따라 시분할된 복수의 발진 주파수 fo1, fo2, fo3, ..., fo(n-1), fo(n)을 출력한다. 여기서 n은 2 이상의 값이다.

주파수 카운터(30)는 발진기(20)에서 발진되는 시분할 복수 발진 주파수를 주파수 발생 기간(T)동안 카운트한다. 그러면 외부 노이즈가 주파수 발생 기간(T) 동안에 간섭되더라도 도 7 및 도 8에서 설명한 바와 같은 이유로 주파수 카운트값(S)에는 변화가 없게 된다.

시분할된 복수의 발진 주파수 fo1, fo2, fo3, ..., fo(n-1), fo(n)는 도 1에서 M2 부분을 제어하거나 R 부분을 제어하여 기준전류(Is)를 시분할로 증가시키거나 감소시킴으로써 얻을 수 있다. 그리고, 도 3에서 트랜지스터 M9 및 M11 부분을 제어함으로써 얻을 수도 있다.

도 10과 도 14는 도 1의 M2 부분을 제어함으로써 도 9의 시분할 복수 주파수 발진기(20)에서 시분할 복수 주파수가 출력되도록 하기 위한 내부 회로의 예를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 12의 (a)는 도 10의 시분할 스위치 온/오프 신호발생부(21)에서 각 스위치 트랜지스터(MxS)를 동작시키는 타이밍도이고, (b)는 그에 따른 기준전류(Is)의 증감을 나타낸 그래프이다. 도 13는 도 9의 시분할 복수 주파수 발진기(20)에서 발생되는 출력전류가 정전용량 검출판(10)에 인가되는 전류 파형을 설명하기 위한 도면이다.

도 10의 시분할 스위치 온/오프 신호발생부(21)에서 도 12의 tp1,tp2,tp3...tp(n)의 기간동안 각 스위치 트랜지스터 M1S, M2S, M3S, ..., MnS를 순차적으로 "온" 시키면 기준전류(Is)는 도 12의 (b)처럼 단계적으로 증가한다. 이 기준전류는 도 4를 통하여 출력전류를 만드는데 이는 도 13과 같은 충전과 방전전류를 번갈아 발생시키고 결국 도 9의 정전용량 검출판(10)의 정전용량값에 따른 발진주파수가 발생하게 된다.

기준전류의 증가는 발진주파수를 증가시키므로 기준전류의 각 단계가 증가하면서 발진 주파수는 빨라지므로 복수의 기준전류의 단계에 해당되는 복수의 발진주파수가 생성된다. 이러한 복수의 발진주파수를 버스트 형태로 발생(도 12에서 tp1~tp(n)과 다음 tp1~tp(n)발생기간 사이에 주파수 발생이 없는 구간을 두는 것)시켜 회로의 전력소모를 줄인다. 도 14는 스위치 트랜지스트 MxS를 전류미러소자 Msx의 상측에 위치시켜 MxS의 소스단이 인가전압 Vcc에 연결되는 구조를 갖도록 하여 낮은 인가전압에서의 MxS의 스위치 동작이 잘되도록 한 예이다.

도 11은 도 1의 R 부분을 제어함으로써 도 9의 시분할 복수 주파수 발진기(20)에서 시분할 복수 주파수가 출력되도록 하기 위한 내부 회로의 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 10과 동일하게 시분할 스위치 온/오프 신호 발생부(22)부에서 발생되는 신호(도 12의 (a))에 따라 스위치 트랜지스터 M1S, M2S, M3S, ..., MnS 이 순차적으로 "온"되면 저항 R1, R2, R3, ..., Rn은 병렬로 접속되고, 병렬접속된 저항을 통하여 흐르는전류(I(R))는 단계적으로 증가하게 되어 기준전류는 도 12의 (b)와 같게 된다.

복수의 발진주파수가 발생되고 각각의 발진주파수는 주파수 카운터에 의하여 카운트 되므로 각각의 발진주파수의 발생기간은 카운터값을 결정하는 중요한 변수이다. 복수의 발진주파수의 각각을 동일한 기간동안 발생시키면 주파수가 빠른 fo(n)이 카운터값이 제일 많으므로 fo(n)이 노이즈에 영향을 받을때가 주파수가 가장 낮은 fo1이 영향을 받을때 보다 노이즈 영향이 심하다.

이러한 점을 해결하기 위하여 복수의 발진주파수의 각각의 주파수의 카운터값을 동일하거나 유사하게 설정하는것이 바람직하다. 예를 들어 fo1의 발생기간을 tp1, fo2의 발생기간을 tp2, …, fo(n)의 발생기간을 tp(n)이라고하면, 일반적으로는 tp1=tp2=tp3….=tp(n)으로 설정하여 사용할수 있지만, 더욱 노이즈의 영향을 상쇄시키기 위해서는 카운트값이 동일하도록 (fo1*tp1)=(fo2*tp2)=, …, =(fon*tpn)이 되도록 tp를 조절하는 것이 바람직하다. 회로의 복잡성을 피하기 위해서 tp1>tp2>, …, tp(n-1)>tp(n)으로 설정하여도 된다.

기준 주파수 생성부(40)에서는 기준 주파수(R)를 생성한다. 검출판(10)의 정전용량 Cx의 가변속도보다 느린 속도로 기준 주파수(R)가 순차적으로 갱신되도록 하거나 또는 주기적으로 기준 주파수(R)가 단계적으로 갱신되도록 하여 기준 주파수(R)가 주파수 카운터(30)에 입력되는 발진 주파수의 카운트값(S)을 추종하도록 하는 것이 회로소자 및 주변 환경의 느린 경시적 변화를 보상하여 검출의 오동작을 막는데 바람직하다. 그러면, 발진 주파수의 경시적 느린 변화는 기준 주파수(R)에 의해 보상되며, 기준 주파수(R)의 보상속도보다 빠른 발진 주파수의 변화는 기준 주파수(R)에 의해 보상되기 전에 연산을 통하여 감지되고 출력된다. 따라서 기준 주파수(R)의 보상속도가 검출판(10)의 정전용량값의 변화를 감지하는 중요한 기준이 되며 검출판(10)에서 검출하고자 하는 정전용량의 변화보다 느린 속도로 기준 주파수(R)를 갱신하는 것이 필요하다.

주파수 변화 연산부(50)에서는 주파수 변화(X),

x = (aR-bS)/cR (a, b, c: 가중치이며 0.001-10000의 범위에서 선택함)

를 연산하고, 비교기(60)는 이러한 주파수 변화(X)가 소정의 감지레벨(D)보다 크면 감지신호를 출력한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 외부 노이즈에 의해 간섭받더라도 외부 노이즈에 의한 발진 주파수의 왜곡이 최소화되어 정전용량 검출판의 정전용량값만이 발진 주파수 변화의 요소로 받아지게 된다. 따라서 정전용량 변화를 감지함에 있어 노이즈에 의한 에러를 방지할 수 있다.

Claims

정전용량 검출판을 통해서 감지되는 정전용량에 따라 발진기에서 시분할된 복수의 주파수가 발진되도록 하고, 소정 시간 동안 상기 시분할된 복수의 발진 주파수를 카운트함으로써 노이즈에 의한 발진 주파수의 느림과 빠름이 서로 상쇄되어 전체 카운트 시간 동안의 카운트 값이 일정하도록 하는 것을 특징으로 하는 정전용량 감지방법.
정전용량 변화를 감지하는 정전용량 검출판;

상기 정전용량 검출판의 정전용량에 따라 시분할된 복수의 발진 주파수를 출력하는 발진기;

상기 발진기의 시분할 복수 주파수를 소정 시간 동안 카운트하는 주파수 카운터; 및

상기 주파수 카운터의 카운트 값과 소정의 기준 카운트값의 차이인 주파수 변화를 연산하고 상기 주파수 변화가 소정의 감지레벨보다 클 경우에 감지신호를 출력하는 비교연산수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 감지장치.
제1항에 있어서, 상기 시분할된 복수의 주파수 fo1, fo2, , ..., fo(n-1), fo(n)이 fo1<fo2<, ..., <fo(n-1)<fo(n)이고, fo1의 발생기간을 tp1, fo2의 발생기간을 tp2, …, fo(n)의 발생기간을 tp(n)라고 할 때, tp1>tp2>, …, tp(n- 1)>tp(n) 이 되도록 상기 발진기가 발진하는 것을 특징으로 하는 정전용량 감지방법.
제3항에 있어서, (fo1*tp1)=(fo2*tp2)=, …, =(fon*tpn)가 되도록 상기 발진기가 발진하는 것을 특징으로 하는 정전용량 감지방법.
제1항에 있어서, 상기 시분할된 복수의 발진 주파수는 소정의 발진시간동안 발진하고 일정기간 멈추었다가 다시 발진되는 것을 특징으로 하는 정전용량 감지방법.