KR20090057360A

KR20090057360A - 용량성 위치 센서

Info

Publication number: KR20090057360A
Application number: KR1020097001051A
Authority: KR
Inventors: 해럴드 필립
Original assignee: 큐알쥐 리미티드
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2009-06-05
Also published as: WO2008001220A3; DE112007001486T5; WO2008001220A2; DE112007001486B4

Abstract

용량성 위치 센서는 바람직하게는 고리 모양의 감지 경로를 포함하고, 그 감지 경로는 그의 길이를 따라서 지정된 하나 이상의 가상 버튼들을 갖는다. 상기 감지 경로는 그것에 접속되어 그것을 복수의 섹션들로 세분하는 복수의 단자들을 갖고, 각 단자는 커패시턴스를 나타내는 신호에 대한 감지 채널을 제공한다. 감지 채널들은 바람직하게는 마이크로컨트롤러인 프로세서에 신호들을 제공하고, 프로세서는 사용자가 가상 버튼들 중 하나를 작동시키는 터치를 행하는 것과, 스크롤링 기능을 수행하는 터치를 행하는 것을 구별하도록 동작할 수 있다. 스크롤로서 결정되기 위해서는, 적어도 임계치 거리, 예를 들면 각도 또는 직선 거리에 걸쳐서 스팬하는 연속된 검출들(a succession of detects)이 있어야 한다. 터치로서 결정되기 위해서는, 미리 할당된 가상 버튼 위치들 중 하나 내에 모두 있는 연속된 검출들이 있어야 한다.

용량성 위치 센서, 스크롤, 터치

Description

용량성 위치 센서{CAPACITIVE POSITION SENSOR}

본 발명은 용량성 위치 센서에 관한 것으로, 특히, 곡선 경로 주위의 물체의 위치를 검출하기 위한 용량성 위치 센서에 관한 것이다.

용량성 위치 센서는 제어 및 기구(appliances), 메커니즘 및 기계류(machinery), 및 컴퓨팅과 관련하여 물질 변위 감지(material displacement sensing)뿐만 아니라 인간 인터페이스에 적용가능하다.

일반적으로 용량성 위치 센서는 근래에 점점 더 흔해졌고 인간 인터페이스에서 및 기계 제어를 위하여 수용되었다. 예를 들면 가전 기구 분야에서, 글라스 또는 플라스틱 패널을 통하여 조작 가능한 용량성 터치 제어를 발견하는 것은 이제 매우 흔한 일이다. 이들 센서들은 전하 전송 원리를 채용하는 매트릭스 센서 방법에 대하여 기술하는 US 6,452,514에 의해 점점 더 전형이 되고 있다.

용량성 터치 제어에 대한 시장 수요의 증가로 인해, 사용 및 구성에 있어서의 보다 큰 유연성뿐만 아니라 보다 낮은 기능 대비 비용(cost per function)에 대한 요구가 증가하고 있다. 유사하게, 현 세대의 비기계적 변환기(non-mechanical tranducers)로는 쉽게 충족될 수 없는, 보다 낮은 가격점(price points)에서의 용량성 물질 변위 센서들(예를 들면, 유체 레벨 센서, 기계적 움직임 센서, 압력 센 서 등)에 대한 요구가 상당하다. 다수의 응용들에서 2-D 터치 스크린 또는 터치 패드에 의해 제공되는 유연성과 거의 유사한(그러나 같지는 않은) 다수의 키 및 감지 위치들을 갖는 인간 인터페이스에 대한 요구가 있다.

근래에 애플 컴퓨터 아이포드(iPod) MP3 플레이어(US D472,245 참조)에 의해 대표되는 바와 같이, 입력 장치로서 '스크롤 휠'(scroll wheels)이 출현하였다. 이 장치들은 기계적 입력 스크롤 장치 또는 용량성 장치를 갖는다. 적당한 가격으로, 한편으로는 전자기계 제어의 기술적 결함을 극복하고, 다른 한편으로는 터치 스크린 또는 다른 진기한 것의 비용을 극복할 수 있는 새로운 인간 인터페이스 기술에 대한 상당한 수요가 존재한다.

본 출원인의 보다 앞선 국제 특허 출원 WO2005/019766A2는 저항성 감지 엘리먼트에 관한, 물체, 통상적으로 조작자의 손가락의 위치를 검출하기 위한 용량성 위치 센서에 대하여 기술하고 있고, 거기서 상기 감지 엘리먼트는 감지 경로를 포함하고 그 감지 경로를 복수의 섹션들로 세분하는 그 감지 경로를 따라서 접속된 단자들이 있다. 각 단자는 그 자신의 감지 채널에 연결되고, 각 감지 채널은 그의 단자와 시스템 접지 사이의 커패시턴스에 민감한 신호를 발생시킨다. 이 신호들은 분석을 위해 프로세서에 공급된다. 프로세서는 감지 채널들로부터의 신호들을 비교함으로써 어느 섹션 위에 물체가 위치하는지를 결정하고, 그 섹션을 스팬(span)하는 단자들로부터의 신호들을 비교함으로써 그 섹션 내에서의 물체의 위치를 결정한다. 이런 식으로, 감지 경로는, 스크롤 다이얼에 대한 원과 같은, 닫힌 루프(closed loop)로 형성될 수 있고, 조작자의 손가락 위치 및 움직임은 수월한 방 식으로 결정될 수 있다.

다른 휠 검출기에 대해서는 GB2050621A, US4158216, WO03/088176A1에 기술되어 있다. 선형 검출기에 대해서는 US5977956에 기술되어 있다.

<발명의 개요>

본 출원인은 이제 WO2005/019766A2에 기술된 용량성 위치 스크롤 센서에 대하여 개선점들을 개발하였다. WO2005/019766A2의 개시에 따르면, 물체의 위치를 검출하기 위한 용량성 위치 센서에 대하여 기술되어 있고, 그 용량성 위치 센서는,

(a) 감지 경로를 포함하는 감지 엘리먼트;

(b) 상기 감지 경로를 따라서 상이한 위치들에서 상기 감지 엘리먼트에 접속되어 상기 감지 경로를 복수의 섹션들로 세분하는 복수의 적어도 3개의 단자들;

(c) 상기 단자들 중 대응하는 것들에 접속된 복수의 감지 채널들 ― 각 감지 채널은 그의 단자와 시스템 접지 사이의 커패시턴스를 나타내는 신호를 발생시키도록 동작 가능함 ―; 및

(d) 상기 감지 채널들로부터의 신호들을 비교함으로써 어느 섹션 위에 물체가 위치하는지를 결정하고, 적어도 그 섹션을 스팬(span)하는 단자들로부터의 신호들을 비교함으로써 그 섹션 내에서의 물체의 위치를 결정하도록 동작 가능한 프로세서

를 포함한다.

본 발명에서는, 물체와의 용량 결합을 검출할 수 있는 개선된 용량성 위치 센서가 제공되고 상기 용량 결합은 상기 센서의 상기 감지 엘리먼트을 따르는 상기 물체의 움직이는 변위에 의해 또는 상기 감지 엘리먼트 상의 적어도 하나의 미리 정해진 절대 위치에서의 상기 물체의 용량 결합에 의해 야기될 수 있다. 본 발명의 용량성 위치 센서는 절대 위치로부터의 터치와 감지 엘리먼트 상의 움직이는 변위로부터의 터치를 구별할 수 있다.

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 물체의 위치를 검출하기 위한 용량성 위치 센서가 제공되고, 이 용량성 위치 센서는,

(a) 감지 경로 및 이 감지 경로를 따라서 일정한 간격을 두고 있는 복수의 감지 구역들(sensing areas)을 포함하는 감지 엘리먼트;

(b) 상기 감지 경로를 따라서 상위한 위치들에서 상기 감지 엘리먼트에 접속되어 상기 감지 경로를 복수의 섹션들로 세분하는 복수의 적어도 3개의 단자들;

(d) 상기 감지 채널들로부터의 신호들을 비교함으로써 (i) 어느 섹션 위에 물체가 위치하는지를 결정하고, 적어도 그 섹션을 스팬(span)하는 단자들로부터의 신호들을 비교함으로써 그 섹션 내에서의 물체의 위치 또는 (ii) 어느 감지 구역 위에 물체가 위치하는지를 결정하도록 동작 가능한 프로세서

를 포함한다.

본 발명의 용량성 위치 센서는 절대 위치에서의 터치와 키 파라미터들에 의하여 움직이는 변위에 의해 야기된 터치를, 알고리즘의 형태로 프로세서 내에 프로 그램될 수 있는, 터치의 지속기간 및 변위의 거리에 기초하여 구별할 수 있다.

스크롤로서 결정되기 위해서는, 적어도 임계치 거리, 예를 들면 고리 모양 센서에서의 각도 거리, 또는 선형 센서에서의 직선 거리에 걸쳐서 스팬하는 연속된 검출들(a succession of detects)이 있어야 한다. 터치로서 결정되기 위해서는, 미리 할당된 가상 버튼 위치들 중 하나 내에 있는 연속된 검출들이 있어야 한다. 즉, 그 검출들은 모두 가상 버튼을 정의하는 보고된 위치들의 특정 범위 내에 있어야 한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 감지 엘리먼트는 그 엘리먼트를 따라서 일정한 간격을 둔 관계로 위치하는 복수의 별개의(discrete) 감지 구역들을 포함한다. 4개의 별개의 감지 구역들이 있는 것이 바람직하지만, 위치 센서의 응용에 따라서는 더 많이 있을 수 있다. 만일 물체가 그 별개의 구역들 중 어느 하나에 용량 결합되면, 상기 감지 채널은 그 신호를 검출할 수 있다. 본 발명의 위치 센서는, 별개의 감지 구역에서의 터치 및 예를 들면 휴대폰(mobile phone)에서 움직이는 변위에 의해 야기되는 감지 경로를 따르는 터치를 검출하는 것이 중요한 서로 다른 응용들에서 이용될 수 있다. 상기 별개의 감지 구역들 중 적어도 하나와의 사용자의 손가락의 용량 결합은 휴대폰 상에서 원하는 기능을 선택하는 데 이용될 수 있다. 프로세서는 최소 시간 지속기간 동안 상기 별개의 감지 구역들 중 하나 상에서의 탭 또는 터치가 용량 결합을 야기하고 미리 정해진 기능을 선택하는 신호를 발생시키기에 충분하도록 프로그램될 수 있다. 각 별개의 감지 구역 사이에는, '데드' 영역들('dead' regions)이 있을 수 있고 이들 영역에서는 출력 신호가 생성되지 않 는다.

본 발명의 위치 센서는 유리하게는 절대 위치에서의 터치와 상기 감지 엘리먼트 상의 움직임에 의해 야기되는 터치를 구별할 수 있다. 상기 센서는 상기 감지 엘리먼트 상의 물체에 의해 야기되는 움직임의 최소 임계치를 검출하도록 프로그램될 수 있고 그 최소 임계치에 도달하면, 상기 센서는 상기 감지 엘리먼트를 따르는 상기 물체의 변위에 의해 야기되는 용량 결합이 검출될 것임을 인지할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 감지 엘리먼트는 형상이 아치형이다. 상기 감지 엘리먼트는 회전식 용량성 위치 센서(rotary capacitive positive sensor)에서 사용하기 위해 닫힌 루프의 형태로 되는 것이 특히 바람직하다.

특히 바람직한 실시예에서, 상기 용량성 위치 센서는 최소 임계치 값이 선택 가능하고 용량성 센서가 감지 엘리먼트 상의 물체의 움직임에 의해 야기되는 터치를 나타내는 신호를 생성하기 시작하기 위해서는 이 최소 임계치 값에 도달할 필요가 있도록 배열될 수 있다. 만일 감지 엘리먼트가 닫힌 루프의 형태로 되어 있다면, 회전식 용량성 위치 센서는 어떤 범위로부터 선택된 임계치 각도 값을 갖도록 배열될 수 있다. 상기 범위는 5도부터 내지 360도까지일 수 있지만, 더 적합한 범위는 20도부터 180도까지일 것이다. 바람직한 실시예에서, 상기 임계치 각도 값은 40도와 50도 사이에서 선택되고, 45도가 바람직하다. 만일 본 발명의 용량성 위치 센서가 45도의 임계치 각도 값을 갖도록 설정되어 있다면, 그 센서는 45도 각도 아래에서 상기 감지 엘리먼트 상의 움직이는 터치를 검출할 것이고, 그 임계치 값에 도달할 경우 상기 감지 엘리먼트는 물체와의 용량 결합을 나타내는 신호를 발생시 키도록 '잠금해제'(unlocked)될 수 있다. 출력 신호의 크기는 상기 감지 엘리먼트 상의 상기 물체의 변위의 거리에 기초할 수 있다. 예를 들면, 회전식 용량성 위치 센서 실시예에서, 물체는 적어도 하나의 회전 동안, 및 복수의 회전 동안, 상기 센서의 감지 엘리먼트 상에서 움직일 수 있고, 상기 물체가 움직인 거리는 상기 감지 채널들에 의해 처리되는 출력 신호를 결정할 수 있다. 본 발명의 이 양태는 특히, 예를 들면, 연락처 이름들, 전화 번호들 및 노래들에 관한 정보 목록들에서 위로 및 아래로 스크롤하는 것이 종종 요구되는 휴대폰 또는 MP3 플레이어에서 사용하기에 유익하다.

본 발명의 위치 센서가 '잠금해제' 조건에 도달할 경우, 즉, 주어진 거리만큼 상기 감지 엘리먼트 상의 사용자의 손가락의 변위에 의해 임계치 각도 값에 도달할 경우, 상기 감지 엘리먼트는 자유로이 스크롤 가능하게 되어 사용자가 그의 손가락을 상기 감지 엘리먼트를 따라서 시계 방향으로 또는 시계 반대 방향으로 움직임으로써 데이터의 목록에서 '위로' 또는 '아래로' 스크롤할 수 있게 된다. 상기 감지 엘리먼트를 따라서 사용자의 손가락의 변위 동안에 용량 결합이 감지되고 출력 신호는 발견된 원하는 데이터의 항목에 기초하여 상기 감지 엘리먼트로부터 사용자의 손가락이 제거될 때 생성될 수 있다. 임계치 각도 값에 도달하기 전에, 상기 감지 엘리먼트와의 물체의 용량 결합이 검출될 수 있지만, 출력 신호가 임계치 각도 값을 지나갈 때까지는, 하나 이상의 감지 채널들에서 어떤 출력 신호도 생성될 수 없다. 만일 사용자의 손가락이 미리 정해진 시간 기간 동안 스크롤을 멈춘다면, 그 스크롤 액션은 다시 시작될 필요가 있을 수 있다.

임계치 각도 값은 바람직하게는 프로세서 내에 프로그램된 알고리즘에 의해 리셋될 수 있다. 본 발명의 용량성 센서의 임계치 값을 리셋함으로써, 신호 출력을 생성하는 데 필요한 변위가 변경될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 용량성 위치 센서는 회전식 감지 엘리먼트의 중앙 영역에 하나 이상의 별개의 감지 구역들을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 만일 상기 감지 엘리먼트의 중앙 영역 내의 감지 구역들이 물체와의 용량 결합을 감지한다면, 상기 감지 엘리먼트로부터 생성되는 임의의 신호는 본 출원인의 보다 앞선 US 6,993,607 및 US 11/279,402에 기술된 Adjacent Key Supression(상표) 기술을 이용하여 감소되거나 '잠길'(locked out) 수 있다. 용량 결합에 의해 야기되는 감지 엘리먼트로부터의 임의의 출력 신호는 또한 중앙 감지 구역들로부터의 신호를 잠글 수도 있다.

상기 저항성 감지 엘리먼트는 단일 저항기에 의해 구현될 수 있다. 예를 들면, 그것은 연속 패턴을 형성하도록 기판 상에 증착된 저항성 물질을 포함할 수 있다. 이것은 다양한 패턴들 중 어느 하나의 패턴으로 기판 상에 증착될 수 있는 제조하기 용이한 저항성 감지 엘리먼트를 제공한다. 대안으로, 상기 저항상 감지 엘리먼트는 복수의 별개의 저항기들로부터 만들어질 수 있다. 별개의 저항기들은 대안으로 복수의 도전성 감지 플레이트들과 직렬로 접속될 수 있고, 상기 감지 플레이트들은 물체와 상기 저항성 감지 엘리먼트 사이의 증가된 용량 결합을 제공한다. 이것은 널리 이용가능한 재고품 항목들(off-the-shelf items)로부터 제조될 수 있는 저항성 감지 엘리먼트를 제공한다.

상기 별개의 감지 구역들은 저항 물질을 포함할 수 있고 상기 감지 엘리먼트의 부분을 형성할 수 있다.

상기 저항성 감지 엘리먼트는 단위 길이당 실질적으로 일정한 저항을 가질 수 있다. 이것은 단순 균일 응답(simple uniform response)을 갖는 용량성 위치 센서를 제공한다.

보다 큰 위치 분해능(positional resolution)이 요구되는 경우 및/또는 비교적 긴 저항 감지 엘리먼트를 채용하는 경우, 상기 저항성 감지 엘리먼트는 3개보다 많은 수의 단자들을 포함할 수 있다.

상기 감지 채널들은 각각 상기 단자들과 시스템 접지 사이의 커패시턴스들 중 대응하는 하나와 직렬로 접속된 샘플링 커패시터를 포함하여, 전원 접압에 접속될 경우 상기 샘플링 커패시터들 각각에는 상기 단자들 중 대응하는 것들과 시스템 접지 사이의 커패시턴스에 의존하는 상당한 양의 전하들이 공급된다. 이것은 효과적으로 각 감지 채널에 상기 샘플링 커패시터의 커패시턴스와 상기 저항성 감지 엘리먼트와의 물체의 용량 결합에 의해 야기되는 접지에 대한 유효 커패시턴스를 포함하는 용량성 전압 분할기를 제공한다. 이것은 단자들 각각과 시스템 접지 사이의 커패시턴스들이 상기 샘플링 커패시터들 중 대응하는 것들에서 측정된 전압으로부터 결정될 수 있게 한다.

예를 들면, 상기 감지 채널들 각각은 복수의 스위칭 엘리먼트들을 포함하고 상기 용량성 위치 센서는 상기 스위칭 엘리먼트들의 스위칭 시퀀스가 상기 샘플링 커패시터들 각각이 상기 전원 전압에 접속되게 한 다음 그 전원 전압으로부터 분리 되게 하고 그 후 상기 단자들이 상기 시스템 접지에 접속되게 하도록 상기 스위칭 시퀀스가 수행되게 하도록 구성된 스위치 제어기를 포함한다. 이것은 대응하는 단자들 각각과 시스템 접지 사이의 커패시턴스들에 의존하는 상당한 양의 전하를 상기 샘플링 커패시터들 각각에 전송하는 간단한 방법을 제공한다.

상기 스위칭 시퀀스는 복수회 실행될 수 있고, 상기 단자들은 각 시퀀스 실행 전에 상기 시스템 접지로부터 분리되어, 상기 샘플링 커패시터들은 각 시퀀스 실행 동안에 증분식으로(incrementally) 충전된다. 이것은 가변적인 횟수로 행해질 수 있고, 그에 따라서 상기 샘플링 커패시터들 각각을 미리 정해진 레벨까지 충전하기 위해 필요한 시퀀스 실행의 횟수는 상기 단자들 각각과 시스템 접지 사이의 커패시턴스들을 나타내는 신호들을 제공하고, 또는 고정된 횟수로 행해지는 경우, 그에 따라서 고정된 횟수의 시퀀스 실행 후에 상기 샘플링 커패시터들 각각의 전하는 상기 단자들 각각과 시스템 접지 사이의 커패시턴스들을 나타내는 신호들을 제공한다.

만일 상기 단자들 각각과 상기 시스템 접지 사이에 상당한 레벨의 배경 용량 결합이 존재한다면(즉, 물체의 존재로 인한 것이 아니라), 상기 프로세서는 상기 비교 단계 전에 상기 신호들 각각으로부터 각각의 배경 신호들을 감산하도록 구성될 수 있다. 상기 배경 신호들은 그의 위치가 결정될 물체가 상기 용량성 위치 센서로부터 가장 멀리 있을 때 얻어지는 신호들에 대응할 수 있다. 이것은 상기 단자들과 상기 시스템 접지 사이의 커패시턴스들에 대한 상기 물체의 위치로 인한 효과들은 상기 물체가 존재하지 않을 때 발견되는 것들로부터 분리될 수 있다는 것을 의미한다. 상기 배경 신호들은 충전 조건들에 대해 설명하기 위해 사용 중에 정기적으로 계산될 수 있다.

물체가 존재하는지를 결정하기 위해 그리고 아무것도 존재하지 않는 경우 물체의 위치를 나타내는 파라미터를 발생시키려고 할 때 일어날 수 있는 혼란을 피하기 위해, 프로세서는 감지 채널들로부터의 각각의 신호들을 합산하고 그 합계의 크기가 검출 임계치를 초과하는 경우에만 물체의 위치를 나타내는 파라미터를 발생시키도록 구성될 수 있다. 상기 임계치는 설계자가 상기 용량성 위치 센서가 얼마나 민감하기를 바라는지에 따라서 설정될 수 있다. 예를 들면, 제어 패널 상에 가깝게 간격을 둔 다수의 용량성 위치 센서들이 존재하는 경우, 설계자는 하나의 용량성 위치 센서가 터치되고 있는 경우 인접한 용량성 위치 센서에서 긍정적 검출(positive detection)이 감지되는 것을 방지하기 위해 높은 검출 임계치를 요구할 수 있다. 다른 경우에는, 상기 용량성 위치 센서의 감도를 증가시키기 위해 보다 낮은 검출 임계치가 선호될 수 있다. 프로세서는 신호들의 합계의 크기가 검출 임계치를 초과하는지를 나타내는 상태 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 이것은 접속된 장치, 예를 들면, 제어 패널에 의해 제어되고 있는 기능 장비에 의한 적절한 응답을 도울 수 있다.

일단 물체의 위치를 나타내는 제1 파라미터가 발생되면, 상기 용량성 위치 센서는 나중 시간에 물체의 위치를 나타내는 제2 파라미터를 발생시키고 제1 시간과 제2 시간 사이의 물체의 움직임을 나타내는 신호를 출력할 수 있다.

검출될 물체는, 사용자에 의해 자유로이 위치가 정해질 수 있는 포인터, 예 를 들면, 손가락 또는 스타일러스일 수 있다. 대안으로, 상기 물체는 상기 저항성 감지 엘리먼트에 근접하여 유지된 와이퍼일 수 있고, 상기 저항성 감지 엘리먼트를 따라서의 상기 와이퍼의 위치는 상기 용량성 위치 센서에 의해 검출된다. 상기 와이퍼의 위치는 사용자에 의해, 예를 들면, 회전식 노브(rotary knob)를 돌림으로써 조정될 수 있고, 또는 상기 용량성 위치 센서가 인코더로서 작용할 수 있도록 접속된 장비에 의해 구동되는 샤프트(shaft)에 연결될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, 원형 엘리먼트는 전기적으로 직렬로 접속된 복수의 별개의 저항기들을 포함하고, 3곳에서 전극 접속들이 이루어지고, 저항기 쌍들의 접합들이 별개의 도전성 전극들에 접속되어 개별 감지 위치들을 형성한다. 최소로 유용한 센서는 원을 따라서 6개의 저항기를 가질 것이고 따라서 6개의 감지 구역을 가질 것이다.

또 다른 목적은 플라스틱 표면을 통하여 '손가락 스크롤 휠'(finger scroll wheel)을 제공하는 것이다.

본 발명의 일부 실시예들의 추가 목적들은 높은 신뢰도, 밀폐된 표면, 저전력 소비, 단순한 디자인, 제조의 용이함, 및 재고품 로직 또는 마이크로컨트롤러를 이용하여 동작하는 능력을 갖는 센서를 제공하는 것이다.

US 6,466,036에서, 출원인은 접지에 대한 커패시턴스로 충전을 검출하기 위해 단일 결합 플레이트를 채용하는 용량성 필드 센서에 대하여 교시한다. 이 장치는 통상의 집적 CMOS 푸시풀(push-pull) 드라이버 회로를 이용한 반복 충전 후 전송(charge-then-transfer) 또는 충전 및 전송(charge-plus-transfer) 사이클들을 채용하는 회로를 포함한다. 이 기술은 본 발명의 일부 실시예들의 기초를 형성하고 본 명세서에 참고로 통합된다.

본 발명의 일 실시예는 감지 엘리먼트, 상기 감지 엘리먼트 내의 복수의 별개의 감지 구역들 및 상기 감지 엘리먼트에 또는 상기 별개의 감지 구역들 중 하나에 용량 결합된 손가락의 위치를 판독할 수 있는 원형 표면을 제공하도록 설계된 제어 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는 원을 따라서 3개의 전극 점들에서 동시에 커패시턴스를 측정하기 위한 3개의 감지 채널들 및 처리 논리 회로를 포함하는 프로세서와 같은 컴퓨팅 장치를 갖고, 상기 3개의 점들에서 측정된 커패시턴스의 양의 상대적인 변화들의 비율을 계산한다. 이 계산의 결과는 1차원 각도 좌표 숫자 및 검출 상태 지시자이고, 이들 양자는 다른 기능, 예를 들면 기구 제어기(appliance controller)에 공급될 수 있고, 이 기구 제어기는 상기 좌표 및 검출 상태를 커맨드 또는 측정치로서 해석한다. WO2005/019766A2의 개시는 본 명세서에 참고로 통합된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 감지 엘리먼트는 그 위에 3개의 별개의 전극들이 있는 원형 엘리먼트이다. 각 전극과, 용량성 신호 취득 및 신호 처리 수단으로 이루어진 회로 사이에 접속이 이루어진다. 상기 엘리먼트는 통상적으로 절연 기판 상에 배치되고, 검출을 위해 원하는 타깃들을 수용하기에 족할 만큼 크다. 감지 필드는 기판을 통하여 전파하고; 기판의 반대 측면은 인간의 터치 또는 기계적 와이퍼를 위한 능동 감지 표면을 형성한다. 상기 엘리먼트 상의 직접 터치도 가능하고 그 경우 기판은 기계적 캐리어(mechanical carrier)로서만 작용한다. 엘리먼트 는 기판이 필요하지 않을 만큼 단단할(solid) 수 있다고 추정되지만, 통상적으로 상기 엘리먼트는 기계적 지지를 필요로 하는 얇은 층일 것이다.

이제 몇 가지 정의를 한다. '접속(들)'(connection(s)) 또는 '접속된'(connected)이라는 용어들은 갈바니 전기 접촉(galvanic contact) 또는 용량 결합을 나타낸다. '엘리먼트'는 도전성 물질로 이루어진 물리적 전기 감지 엘리먼트를 나타낸다. '전극'은 엘리먼트를 적합한 드라이버/센서 전자 회로에 접속하기 위해 그 엘리먼트에 만들어지는 갈바니 전기 접속점들 중 하나를 나타낸다. '물체' 및 '손가락'이라는 용어들은 와이퍼 또는 포인터 또는 스타일러스와 같은 무생물 물체, 또는 대안으로 인간의 손가락 또는 다른 부속물에 관하여 동의어로 사용되고, 그것들 중 어느 것이라도 상기 엘리먼트에 인접하여 존재할 경우 갈바니 전기적으로(galvanically)든 비-갈바니 전기적으로(non-galvanically)든 임의의 우회 경로를 통하여 상기 엘리먼트의 영역으로부터 회로 기준으로의 국부적인 용량 결합을 일으킬 것이다. '터치'라는 용어는 물체와 엘리먼트 사이의 물리적 접촉, 또는 물체와 엘리먼트 사이의 자유 공간에서의 근접, 또는 물체와 엘리먼트 사이에 존재하는 유전체(예를 들면 글라스)와 물체 사이의 물리적 접촉, 또는 물체와 엘리먼트 사이에 존재하는 사이에 낀 유전체 층을 포함하는 자유 공간에서의 근접을 포함한다. 이하에서 '원'(circle) 또는 '원형'(circular)이라는 용어들은 열린 중간 부분을 갖는 윤곽 형상 및 임의의 사이즈의 임의의 타원체, 사다리꼴, 또는 다른 닫힌 루프를 나타낸다. 특정 회로 파라미터들, 또는 방위의 언급은 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 그 이유는 회로 또는 알고리즘을 변경하지 않 거나 약간 변경함으로써 광범위한 파라미터들이 가능하기 때문이고, 특정 파라미터들 및 방위는 단지 설명을 목적으로 언급될 뿐이다.

도 1은 휴대폰을 나타내는 본 발명의 실시예를 도시한다.

도 2는 유전체 표면의 한쪽 측면에 본딩된 도 1의 도전성 감지 엘리먼트의 단면도를 개략적으로 나타낸다.

도 3은 마이크로컨트롤러로서 구현된 제어 회로의 배선과 함께 도 2의 감지 엘리먼트의 전극 패턴을 나타낸다.

도 4a는 도 3의 휠 전극들로부터의 이상적인 채널 응답 신호들을 나타낸다.

도 4b는 도 3의 휠 전극들로부터의 실제의 채널 응답 신호들을 나타낸다.

도 5는 도 3의 센서에 대한 예시 처리 알고리즘의 흐름도이다.

도 1은 휴대폰을 나타내는 본 발명의 실시예를 도시한다.

도 1을 참조하면, 소위 휠을 형성하는 고리 모양의 감지 엘리먼트(60), 그 감지 엘리먼트(60)의 구역 내에 형성된 별개의 감지 버튼들(10, 20, 30, 40), 및 중앙 감지 버튼(50)을 포함하는 다기능 센서(5)를 갖는 휴대폰(100)을 나타내는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 또한 디스플레이(70)가 센서 구역 위쪽에 위치하여 도시되어 있다. 디스플레이(70) 및 다기능 센서(5)는 적합한 플라스틱 재료 또는 글라스와 같은 다른 선택 재료, 세라믹 재료, 합성 재료, 또는 목재 또는 목재 단판(wood veneer)과 같은 천연 재료로 만들어질 수 있는 장치의 정면 패널(80)에 형성된다. 그것은 채색될 수도 있다.

다른 실시예들에서 장치는 음악 재생기, 라디오, 게임 콘솔, 리모콘(remote controller)일 수 있고 또는 전화기, 음악 재생기, 비디오 재생기, 스틸 사진 저장 장치 및/또는 디스플레이 장치, 라디오, 게임 콘솔, 기내(in-flight) 멀티미디어 컨트롤러, 리모콘 등의 상기 기능들 중 복수의 기능들을 조합한 장치일 수 있다.

도 2는 상기 다기능 센서(5)를 수용하는 영역의 단면도를 개략적으로 나타낸다. 다기능 센서(5)는 정면 패널(80)의 영역에 형성되고, 정면 패널(80)은 다기능 센서(5)를 위한 기판을 형성한다. 기판은 상부 표면(85), 즉, 장치의 외부 표면을 갖고, 이 표면은 그 안에 상기 고리 모양의 감지 엘리먼트(60)의 부분으로서 형성된 고리 모양의 홈(65)과, 그 고리 모양의 홈(65)의 중심에 상기 중앙 감지 버튼(50)의 부분으로서 배열된 원형 홈(55)을 갖는다. 상기 홈들(55 및 65)은 인간의 손가락의 촉각 위치를 허용하는 치수로 만들어진다. 상기 홈들(55 및 65)은 밀링(milling), 몰딩(moulding) 또는 다른 적합한 프로세스에 의해 형성된다. 고리 모양의 홈(65)의 베이스에는 상기 별개의 감지 버튼들(10, 20, 30, 40)의 부분으로서 4개의 추가 원형 홈들(75)이 형성된다. 이들 추가 홈들(75)은 과도한 방해 없이 손가락이 고리 모양의 홈의 주위로 스크롤할 수 있도록 비교적 얕지만, 그럼에도 불구하고 사용자가 그것들의 존재를 느끼게 한다. 추가 홈들(75)에 대한 대안으로서, 버튼들(10, 20, 30, 40)의 위치, 또는 버튼 구역 위의 표면 거칠기의 변화와 같은 다른 촉각 피드백을 사용자에게 허용하기 위하여 돌출부(protrusion)가 이용될 수 있다.

정면 패널은 또한 하부 표면(95)을 갖고 그 위에는 도전성 감지 전극들(104, 105, 106 및 108)이 위치한다. 전극(108)은 중앙 버튼(50)을 위한 중앙 원형 홈(55) 아래에 위치한다. 전극들(104, 105 및 106)은 전극(108)의 바깥쪽에 배열되고 집합적으로 고리 모양의 형상을 갖는다. 전극들(104, 105 및 106)의 방사상으로 외부 부분은 고리 모양의 홈(65)(및 방사상의 버튼 홈들(75))의 아래에 배열된다.

도전성 전극들은 하부 표면(95) 상에 설치된다. 이것은 직접 본딩에 의해, 예를 들면, 증발을 통하여, 또는 지지 재료(도시되지 않음)의 시트, 예를 들면, 유연성이 있는 유전체 플라스틱 재료의 박막을, 유전체 표면의 한쪽 측면에 본딩하거나 고착시키는 것에 의해 이루어질 수 있고, 상기 전극들은 상기 지지 재료 상에 형성된다.

도전성 전극들은 여러 가지 방법으로, 예를 들면, PCB, FPCB, 필름 상의 은 또는 탄소, 필름 상의 ITO(indium tin oxide), 또는 필름 상의 Orgacon(상표)을 이용하여 형성될 수 있다. 패널(80)의 두께는 사용되는 재료 및 전극 사이즈에 따라서 센서들에 대하여 선택된 임계치 레벨을 조정함으로써 변경될 수 있다. 통상적으로, 패널은 1 mm와 10 mm 사이, 더 일반적으로는, 2 mm와 6 mm 사이의 두께를 가질 것이다. 글라스의 경우, 최대 가능한 두께는 일반적으로 약 10 mm이고, 플라스틱 재료의 경우 약 5 mm이다.

버튼 영역들(10, 20, 30, 40)은 추가로 전극들(104, 105 및 106) 아래에 배열된 압력 감지 엘리먼트를 가질 수 있다. 압력 감지 엘리먼트는 압력 감지 변환기(pressure sensing transducer)를 포함하고, 이것은 별개의 또는 아날로그 출력을 가질 수 있고, 인가된 압력에 대해 예측 가능한 방식으로 응답할 수 있는 임의의 형상으로, 제한 없이, 임의의 압축 가능한 재료로 만들어질 수 있다.

버튼 영역들(10, 20, 30 및 40)은 추가로 프로세서의 제어 하에 또는 장치로부터의 독립적인 제어 하에 음향 또는 움직임 응답을 제공하도록 전극들(104, 105 및 106) 아래에 배열된 촉각 엘리먼트(haptic element)를 가질 수 있다. 촉각 엘리먼트는, 제한 없이, 솔레노이드, 스피커, 압전 소자(piezo element), 모터, 또는 인가된 전원에 응답하는 다른 움직이는 매스 트랜스듀서(mass transducer)를 포함할 수 있다. 압력 감지 엘리먼트 및 촉각 엘리먼트의 양자가 조합하여 제공될 수 있다.

도 3은 주로 마이크로컨트롤러와 같은 단일 논리 장치일 수 있는 프로세서 칩(125)으로 구현되는 제어 회로의 배선과 함께 도전성 전극들(104, 105, 106 및 108)의 전극 패턴을 상우측 부분에 나타낸다. 마이크로컨트롤러는 바람직하게는 푸시풀 타입 CMOS 핀 구조, 및 전압 비교기로서 작용하도록 만들어질 수 있는 입력을 가질 수 있다. 대부분의 통상의 마이크로컨트롤러 I/O 포트들은 이것이 가능한데, 그 이유는 그것들은 거의 이상적인 MOSFET 스위치들뿐만 아니라 비교적 일정한 입력 임계치 전압을 갖기 때문이다. 필요한 기능들은 단일 범용 프로그램 가능한 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 도는 다른 집적 칩, 예를 들면 FPGA(field programmable gate array) 또는 ASIC(application specific integrated chip)에 의해 제공될 수 있다.

중앙 전극(108)은 도시된 바와 같이 원 형상을 갖는다. 고리 모양의 감지 엘리먼트(60)의 3개의 전극들(104, 105 및 106) 각각은 동일한 형상이고, 그 전극들은 각도로 서로 120도만큼 오프셋되어 완전한 고리 모양의 패턴을 형성한다. 각 전극은 감지 엘리먼트(60)의 각도 범위의 2/3에 걸쳐서, 즉, 240도에 걸쳐서 연장한다. 고리 모양의 홈(65)과 대략 일치하는, 그 전극들의 집합적 범위의 방사상으로 외부 부분의 위에는, 임의의 특정 각도로 3개의 전극들 중 2개의 전극이 존재하지 않는 다른 전극과 테이퍼형 관계(tapered relationship)로 존재한다. 따라서 고리 모양의 홈 내의 주어진 위치에서의 손가락 터치의 각도 위치는 하나의 전극으로부터의 신호의 부재 및 다른 2개의 전극들로부터의 신호들의 비율로부터 결정될 수 있다.

동일한 효과를 제공하기 위해 도전성 전극들의 다른 기하학적 형태들이 이용될 수 있다. 이러한 종류의 배열의 추가 상세는 본 출원인의 보다 앞선 US 특허 US 6,288,707(예를 들면 도 4, 5 및 6 및 이를 뒷받침하는 본문 참조)에 그리고 또한 본 출원인의 보다 앞선 WO2005/019766A2(도 15 및 이를 뒷받침하는 본문 참조)에 제시되어 있다. 중요한 것은 상호 같은 범위로 연장하는 전극 쌍들이 민감한 구역에서 각도에 따라서 그래주에이션(graduation)을 제공한다는 것이다.

전극들(104, 105, 106 및 108)은 각각의 단자들(101, 102, 103 및 107)을 갖고 거기서 각각의 접속 라인들은 도시된 바와 같이 각각의 감지 채널들 CH0, CH1, CH2 및 CH3에 대하여 전기적으로 접속된다.

감지 채널들 CH0, CH1, CH2 및 CH3에 대한 접속 라인들은 각각의 저항기들 R0, R1, R2 및 R3를 통하여 이어진 다음 2개로 분리되어 각 쌍의 하나의 접속은 마이크로컨트롤러 칩(125)의 하나의 핀에 접속되고 다른 접속은, 버스트(bursts) 동안에 전하 수집 및 축적을 위한 감지 커패시터들인, 각각의 커패시터 C0, C1, C2 및 C3를 통하여 접속된다.

도시된 다른 핀들은 2개의 출력 라인들(122 및 124)에 접속된다. 출력 라인(122)은 휠의 주위로 움직임 δθ의 각도들을 나타내는 각도 값들 출력하기 위한, 즉, 각도 센서를 위한 것이다. 출력 라인(124)은 중앙 터치 버튼(50) 또는 고리 모양의 감지 엘리먼트 상에 위치하는 버튼들(10, 20, 30, 40) 중 임의의 버튼으로부터 발신할 수 있는 터치 신호를 출력하기 위한 것이다. 그 출력들은 아날로그 형태로 필터링될 수 있는 펄스폭 변조(PWM) 신호이거나, 잘 알려진 UART, SPI, 또는 I2C 포맷(또는 임의의 다른 타입)과 같은 직렬 출력일 수 있다.

접지, 양의 전력, 리셋, 클록, 어드레스 선택 등을 위한 핀들과 같은, 마이크컨트롤러(125)의 추가 핀들은 도시되어 있지 않은데, 그 이유는 이들은 본 발명에 직접적인 관계가 없고 이 기술분야의 숙련자에 의해 쉽사리 이해될 것이기 때문이다.

다기능 센서(5)로 되돌아가서, 도면은 고리 모양의 감지 경로를 따라서 4개의 각도 세그먼트들을 점선(dashed line)으로 보여주는데, 그 각도 세그먼트들은 서로에 대해 90도 간격을 두고 있고 각각은 30도의 각도를 스팬한다. 즉, 제1 세그먼트(110)는 각도 θ1으로부터 θ2까지 연장하고, 제1 세그먼트(110)는 각도 θ1으로부터 θ2까지 연장하고, 제2 세그먼트(111)는 각도 θ3으로부터 θ4까지 연장하고, 제3 세그먼트(112)는 각도 θ5로부터 θ6까지 연장하고, 제4 세그먼트(113)는 각도 θ7로부터 θ8까지 연장한다. 이들 4개의 세그먼트는 고리 모양의 감지 경로 내의 4개의 가상 버튼에 대한 감지 구역들을 나타내고, 도 1의 버튼들(10 내지 40)에 대응하며, 유일한 차이점은 그것들은 도 1의 도시와 비교하여 도 3에서는 45도만큼 회전되어 도시되어 있다는 점이다.

버튼들(10 내지 40)은 가상 버튼들이라고 불리는데, 그 이유는 그것들은 전용 전극들을 갖고 있지 않고, 그보다는 전극들(104, 105 및 106)로부터의 신호들의 처리에 의해 식별되기 때문이다.

이제 회로의 동작에 대하여 설명한다. 3개의 고리 모양의 전극들로부터의 신호들은 고리 모양의 경로 상의 터치 각도를 결정하기 위해 프로세서(125)에서 집합적으로 처리된다.

360도의 전체 각도 범위는 각도에 대하여 단 하나의 바이트 레지스터를 이용하는 일 실시예에서 최대 255개로 나누어지고 따라서 대략 1.4도의 각도 증분을 제공한다. 마이크로컨트롤러의 적합한 프로그래밍에 의해 보다 코오스(coarse)한 각도 분해능(angular resolution)이 설정될 수 있다. 통상적으로, 손가락 작동 휠의 경우, 각도 분해능은 각 각도 증분이 약 10에서 20도 사이 및 40에서 50도 사이의 어딘가에 있도록 설정될 것이다. 180도 또는 그 이상의 값에 접근하는 각도 증분은 이용되지 않아야 한다. 그 이유는 그 경우 스크롤 방향을 검출하는 것, 즉, 시계 방향과 시계 반대 방향을 구별하는 것이 불가능하게 되기 때문이다.

이제 도 4a를 이용하여 휠 각도를 계산하기 위해 스위칭 로직 내에 포함된 알고리즘에 대하여 설명한다. 도면은 휠 전극들(104, 105 및 106)로부터의 이상적인 채널 응답 신호들을 각도의 함수로 나타내는 그래프이고, 여기서 각도 0은 12시 또는 북쪽 위치인 것으로 간주된다. 전극(104)으로부터의 신호는 일점쇄선(dot-dash line)으로 도시되어 있고, 전극(105)으로부터의 신호는 점선(dash line)으로 도시되어 있고, 전극(106)으로부터의 신호는 이점쇄선(dot-dot-dash line)으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 0 내지 120도의 각도 범위에서는 전극(106)으로부터의 신호가 없다. 그 이유는 그것은 이 범위에 걸쳐서 각도 범위를 갖고 있지 않기 때문이고, 신호는 전극들(104 및 105)로부터의 선형으로 변하는 비례적인(ratiometric) 신호이고, 0도에서는 전극(104)에 의해 지배되고 120도에서는 전극(105)에 의해 지배되고, 이 2개의 전극(104 및 105)은 60도에서 같은 신호 강도를 제공한다. 또한, 120 내지 240도의 각도 범위에서는 전극(104)으로부터의 신호가 없고, 신호는 전극들(105 및 106)로부터의 비례적인 신호이고, 120도에서는 전극(105)에 의해 지배되고 240도에서는 전극(106)에 의해 지배되고, 이 2개의 전극(105 및 106)은 180도에서 같은 신호 강도를 제공한다. 마지막으로, 240 내지 360도의 각도 범위에서는 전극(105)으로부터의 신호가 없고, 신호는 전극들(106 및 104)로부터의 비례적인 신호이고, 240도에서는 전극(106)에 의해 지배되고 360도에서는 전극(104)에 의해 지배되고, 이 2개의 전극(106 및 104)은 300도에서 같은 신호 강도를 제공한다. 참고로, 가상 버튼들과 관련된 각도 세그먼트들의 각도 범위들도 그래프로 도시되어 있다.

도 4b는 도 4a와 유사하지만, 휠 전극들로부터의 채널 응답 신호들에 대하여 실제로 기대될 수 있는 것을 개략적으로 도시한다. 3개의 전극들로부터의 피크들은 동일한 신호 크기를 갖고 있지 않고, 또한 각 전극 신호는 서로 다른 제로 오프셋(zero offset)을 갖는다는 것을 알 것이다. 비례적인 신호 쌍들의 진행도 정확히 선형이 아니다. 이상적인 것으로부터의 이러한 일탈들은 적합한 신호 처리를 통하여 적어도 부분적으로 설명될 수 있다.

전극들(104, 105 및 106)로부터 얻어진 터치 각도는 다음과 같이 계산된다.

먼저, 채널들 CH0, CH1 및 CH3 각각으로부터의 신호들 S0, S1 및 S2 각각을 교정(calibration) 시에 발견되는 채널의 버스트 길이에 비례하여 스케일링하여 정규화된 신호들 S0', S1' 및 S2'를 제공한다. 버스트 길이는 비교기에 의해 설정된 임계치 전압에 도달하기 위해 필요한 감지 커패시터에서의 전하 축적의 사이클 수이다. 이것은 선형성을 향상시킨다.

둘째로, 정규화된 신호들 S0', S1' 및 S2' 중 가장 작은 것을 식별한다. 이것을 다른 2개의 신호로부터 감산하여 신호 A 및 B를 제공한다. 가장 작은 신호는 또한 휠의 3개의 주요 각도 세그먼트들 중 어느 것에 터치가 위치하는지를 식별한다. 예를 들면, S1'이 가장 작은 신호이면, 터치는 240도와 360도 사이에 있다.

셋째로, [120*A / (A-B)] + s*120으로서 각도를 계산한다. 여기서, s는 세그먼트 또는 채널 번호로서, 즉, 이 예에서는 0, 1 또는 2이다.

따라서 프로세서는 결정된 섹션을 스팬하는 단자들로부터 취해진 신호들의 비례적인 분석(ratiometric analysis)에 의해 그 결정된 섹션 내에서 물체의 위치를 결정하도록 동작 가능하다.

이것은 비교적 높은 레벨의 설명임을 알 것이다. 전하가 어떻게 축적되고 마이크로컨트롤러에 대한 신호 입력들에 전송되는지를 보여주는 보다 낮은 레벨의 상세 설명에 대해서는, 본 명세서에 참고로 통합되는 WO2005/019766A2, 특히 그의 도 5 내지 8 및 10의 상세 설명을 참조한다. 추가 상세는 본 명세서에 참고로 통합되는 US7148704에 발견될 수 있다.

또한, 마이크로컨트롤러(125)는 CH3으로부터의 신호 S3을 결정할 것이다. 이것은 단일 전용 터치 전극(108)으로부터의 것이다. 신호 S3의 취득은 본 출원인의 US 6,466,036과 같은 선행 기술에서 설명된 것과 같은 종래의 단일 버튼 취득이다.

지금까지는 각도 값이 어떻게 얻어지는지를 설명하였고, 이제는 보다 높은 레벨의 신호 처리에 대하여 설명한다.

도 5는 다기능 센서에 대한 예시 처리 알고리즘의 흐름도이다.

스텝 S1에서, 프로세서는 중앙 버튼(CH3)이 "검출중"(in detect)인지를 결정한다. 가장 단순하게, "검출중"은 신호가 단일 검출 사이클에 대한 임계치 이상임을 의미한다. 그러나, 바람직하게는 검출 적분기(detect integrator)가 이용되고, 그에 따라 검출은 설정된 것보다 많은 수의 연속 검출들이 보고된 경우에만 보고된다. 검출이 임계치 아래로 떨어지자마자, 적분은 중단되고 0에서 다시 시작한다. 필요한 연속 검출들의 수는 마이크로컨트롤러에서 프로그램 가능하고, 1과 256 사이에서(즉, 1 바이트 레지스터) 설정될 수 있다. 전형적인 값들은 3과 5 사이이다. 만일 CH3이 검출중이라면, 유효 결과 플래그가 설정되고 흐름은 스텝 S4로 이동하고 스텝 S4는 설정되어 있는 유효 결과 플래그를 고려하여 통과되고 스텝 S5에서 라인 124(마이크로프로세서의 핀 10) 상에서 터치 신호가 출력된다. CH3이 검출중이 아니라면, 프로세스 흐름은 스텝 S2로 이동하고 휠이 검출중인지가 테스트된다. 잡음 내성(noise immunity)을 제공하기 위해 한번 더 검출 적분이 이용되는 것이 바람직하다. 만일 휠이 검출중이 아니라면, 프로세스는 스텝 S1 전으로 되돌아간다. 만일 휠이 검출중이라면, 프로세스는 스텝 S3으로 이동하여 휠 검출의 성질을 결정한다.

휠 검출은 스크롤, 즉, 각도 입력이나, 또는 터치, 즉, 가상 버튼들 중 하나에서의 버튼 누름이라고 결정될 수 있다.

터치로서 결정되기 위해서는, 가상 터치 버튼들에 대한 미리 할당된 각도 범위들 중 하나 안에 있는 각도 θ_i의 적어도 m개의 연속된 검출들이 있어야 한다. 즉,

적어도 m개의 검출들에 대하여 θ1 < θ_i < θ2,

적어도 m개의 검출들에 대하여 θ3 < θ_i < θ4,

적어도 m개의 검출들에 대하여 θ5 < θ_i < θ6, 또는

적어도 m개의 검출들에 대하여 θ7 < θ_i < θ8

필요한 최소 검출 수는 바람직하게는 적어도 3이고, 더 바람직하게는 3과 10을 포함하여 그 사이이다.

스크롤로서 결정되기 위해서는, 적어도 임계치 각도에 걸쳐서 스팬하는 연속적으로 증가하거나 또는 연속적으로 감소하는 각도 θ_i의 적어도 k개의 연속된 검출들이 있어야 한다. 따라서 상기 임계치 각도는 스크롤이 검출되기 전에 돌아서 스크롤되어야 하는 각도이다. 손가락 작동 센서의 경우, 이것은 바람직하게는 약 10도와 90도 사이, 가장 바람직하게는 약 30도와 60도 사이, 특히 40도와 50도 사이의 어딘가로 설정된다. 출력은 연속적으로 증가하는, 또는 연속적으로 감소하는, 보고된 각도들의 시퀀스가 걸쳐 있는 전체 각도 범위이다. 스크롤에 대한 최소 검출 수 k는 편리하게는 가상 터치에 대한 최소 검출 수 m과 같을 수 있다. 수 k는 또한 바람직하게는 그것이 최소 각도 변위를 의미하도록 감지 경로의 각도 분해능을 고려하여 설정된다.

만일 가상 버튼 상의 터치 또는 스크롤이 결정되면 유효 결과 플래그가 설정된다.

스텝 S4에서, 만일 유효 결과가 중앙 버튼 또는 휠에서 발생하였다면, 프로세스는 스텝 S5로 진행하고 마이크로컨트롤러의 핀 9 및 10 중 하나의 핀 상에서, 즉, 라인들(122 및 124) 중 하나로 신호가 출력된다. 만일 스크롤이 검출되었다면, 스크롤의 각도 범위 δθ가 라인(122) 상에서 출력된다. 만일 터치가 검출되었다면, 이것은 그 터치가 "실제" 중앙 버튼(108) 상에 있는 것인지 또는 "가상" 버튼들(110 내지 113) 중 하나의 버튼 상에 있는 것인지의 지시와 함께 라인(124) 상에서 출력된다. 대체 구현에서, 출력들은 단일 핀 상에 제공된다. 그 후 프로세스는 스텝 S1 전의 시작으로 되돌아가고 적합한 커맨드에 의해 인터럽트될 때까지 끝없이 반복된다.

도 5의 예시 프로세스 흐름은 다수의 가능한 옵션들 중 하나임을 알 것이다. 예를 들면, 휠 및 중앙 버튼 신호들은 병렬로 처리될 수도 있다. 또한, 예를 들면, 본 출원인의 US 6,993,607에서 설명된 바와 같이, 중앙 버튼과 휠 신호들 사이에 인접 키 억제(adjacent key suppression)가 이용될 수도 있다. 또한 대체 실시예에서 중앙 버튼은 생략될 수 있다는 것을 알 것이다.

또한 상기 설명은 가상 버튼들을 갖는 휠에 관한 것이지만, 도전성 감지 경로가 원형일 필요는 없다는 것을 알 것이다. 예를 들면 직선 경로, 소위 슬라이더가 이용될 수도 있다. 그 동작은 고리 모양의 경로 장치와 유사할 것이고, 상기 예에서 각도 변위 등에 대한 언급들은 직선 변위로 대체될 것이라는 것은 말할 것도 없다. 직선 경로 장치는 전자 레인지(microwave ovens) 또는 쿠커 톱(cooker tops)(즉, 호브(hobs))과 같은 가전 기구의 제어를 위해 유리할 수 있다. 예를 들면, WO2005/019766A2에서, 특히 그의 도 14a 및 14c에서 설명된 바와 같이, 다른 형상의 감지 경로도 가능하다. 직선 감지 경로는 또한 일부 컴퓨터 관련 장치 응용에서 오피스 애플리케이션을 위해, 예를 들면, 디스플레이 구역의 한쪽 측면을 따라, 또는 디스플레이 구역과 연속하여 수직으로 연장하는 슬라이더를 위해 선호될 수 있다.

더욱이, 손가락 작동은 가능한 유일한 구현이 아니다. WO2005/019766A2에서, 특히 그의 도 11A 및 11B, 또는 도 12에 관련하여 설명된 바와 같이, 노브(knob)가 와이퍼와 같은 용량성 액추에이터를 갖는 노브 작동이 이용될 수 있다 이것은 감지 경로를 따라서 보다 큰 분해능을 제공할 수 있다.

더욱이, WO2005/019766A2에서, 특히 그의 도 3 내지 8에 관련하여 설명된 바와 같이, 도전성 감지 경로 대신에 저항성 감지 경로가 이용될 수도 있다는 것을 알 것이다. 저항성 감지 경로는 재료 또는 증착 방법에 대하여 제한 없이 탄소 필름, 금속 필름, ITO 또는 SnO, 도전성 플라스틱, 스크린 증착된 도체, 스퍼터링된 도체 등을 포함하는 임의의 저항성 재료로 만들어질 수 있다.

상기 예는 감지 경로를 따라서 동등한 각도 분리로 분포된 4개의 가상 버튼을 보여준다. 감지 경로를 따르는 가상 버튼 배치는 임의이고, 원한다면 단일 장치에서 동적으로 변경될 수 있다는 것을 알 것이다. 더욱이, 가상 버튼의 수는 하나로부터 분해능 제약에 따라서 가능한 한 최대까지의 임의의 수로 임의로 선택될 수 있다. 이것은 감지 경로의 형상, 즉, 고리 모양, 선형에 관계없이 사실이다.

상기 예는 감지 경로를 구성하는 3개의 전극들을 보여준다. 전극의 수는 필요에 따라 변경될 수 있다. 3은 닫힌 루프에 대하여 최소이다. 2는 닫히지 않은 경로에 대하여 최소이다. 그러한 전극들의 전형적인 수는 3 내지 5의 범위에 있을 것이다.

또한 비교기에 의해 정의되는 임계치에 대한 상술한 버스팅은 신호 수집의 하나의 모드일 뿐이라는 것을 알 것이다. 다른 전하 전송 시퀀스가 이용될 수도 있다. 예를 들면, 다른 방식들에서는, 상술한 것과 유사한 스위칭 시퀀스가 (기준 임계치 전압이 초과되는지 여부에 기초하여 가변적인 횟수보다는) 일정한 횟수로 실행될 수 있다. 일정한 횟수 후에, 각 샘플링 커패시터 상의 전압은 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 측정될 수 있고 상기 전압들은 상술한 것과 유사한 방식으로 터치의 위치를 결정하는 데 이용될 수 있다(그러나 상기 전압들은 각 전송 사이클 동안에 얼마만큼의 전하가 전송되는지와 직접 관련되지 않을 것이고 버스트 모드와 같이 역으로 관련되지 않을 것임을 상기한다). 그러나, 버스트 모드 동작은 보다 복잡한 아날로그-디지털 변환기보다는, 비교기 및 카운터를 이용하여 구현될 수 있다는 이점이 있다.

또한 여기서 설명된 스위칭의 방법은 본 출원인의 US6466036에서 설명된 스위칭 시퀀스들 및 토폴로지들 중 어느 것에도 적응될 수 있고 이들은 본 명세서에 참고로 통합된다는 것을 알 것이다.

또한, 터치 패널은 절전을 위한 휴면 모드(sleep mode)를 갖는 것이 바람직하고 그러한 휴면 모드에서 터치 표면은 보다 긴 시간 간격에 걸쳐서 폴링된다는 것을 알 것이다. 휴면 모드는 특정 지속기간 동안 입력이 없으면 그 후에 자동으로 활성화할 것이다.

여기서 구체적으로 개설된 검출 방법들 또는 스위치 시퀀스들의 다양한 조합들을 포함하여, 이 기술분야의 숙련자라면 분명히 알 수 있을 다수의 변형들이 가능하다. 본 방법은 드리프트 보상(drift compensation), 교정(calibration), 짧은 스위치 닫힘 시간을 이용한 습기 억제, 가변적인 타이밍 펄스 변조(확산 스펙트럼)를 통한 잡음 내성 등을 위한 방법들을 포함한 임의의 수의 본 발명자들의 선행 특허들에서 교시된 방법들과 조합될 수 있다.

전술한 다소 광범위한 요약 설명은 이 기술분야의 숙련자 및 본 발명을 실시하는 법을 배우기를 원하는 자에게 유용할 것이라고 생각되지만, 전술한 내용은 모든 특징들 및 이점들을 열거하려는 것이 아님을 인지할 것이다.

비록 바람직한 실시예들에 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명에서 일탈하지 않고 다수의 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 모든 그러한 변형 및 변경은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다.

[참고문헌]

US6452514

WO2005/019766A2

US D472,245

GB2050621A

US4158216

WO03/088176A1

US5977956

US6993607

US 11/279,402

US6466036

US6288707

US7148704

Claims

물체의 위치를 검출하기 위한 용량성 위치 센서(capacitive position sensor)로서,

(a) 감지 경로를 포함하는 감지 엘리먼트 ― 상기 감지 경로는 그의 길이를 따라서 하나 이상의 지정된 감지 구역들을 가짐 ―;

(b) 상기 감지 경로를 따라서 상이한 위치들에서 상기 감지 엘리먼트에 접속되어 상기 감지 경로를 복수의 섹션들로 세분하는 복수의 단자들;

(c) 상기 단자들 중 대응하는 것들에 접속된 복수의 감지 채널들 ― 각 감지 채널은 그의 단자와 시스템 접지 사이의 커패시턴스를 나타내는 신호를 발생시키도록 동작 가능함 ―; 및

(d) 상기 감지 채널들로부터의 신호들을 비교함으로써 어느 섹션 위에 상기 물체가 위치하는지를 결정하고, 적어도 그 섹션을 스팬(span)하는 단자들로부터의 신호들을 비교함으로써 그 섹션 내에서의 상기 물체의 위치를 결정하도록 동작 가능한 프로세서 ― 상기 프로세서는 상기 복수의 감지 구역들 중 하나의 감지 구역 상의 절대 위치에서의 버튼 터치와 상기 감지 경로를 따르는 움직이는 변위에 의해 야기된 스크롤 터치를, 각각 터치의 지속기간 및 상기 감지 경로를 따르는 변위의 거리에 기초하여, 구별하도록 동작 가능함 ―

를 포함하는 용량성 위치 센서.
제1항에 있어서,

상기 감지 경로는 닫힌 루프를 형성하는 용량성 위치 센서.
제2항에 있어서,

상기 닫힌 루프는 원형이어서, 고리 모양의 감지 경로를 형성하는 용량성 위치 센서.
제3항에 있어서,

상기 고리 모양의 감지 경로 내에 배열된 추가의 용량성 감지 엘리먼트를 포함하는 용량성 위치 센서.
제1항에 있어서,

상기 감지 경로는 직선인 용량성 위치 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 감지 경로는 갭을 사이에 두고 서로 인접하여 연장하고 상기 단자들 중 대응하는 것들에 접속된 복수의 적어도 3개의 도전성 재료의 테이퍼형(tapering) 전극들을 포함하는 용량성 위치 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 물체의 위치를 반복적으로 결정하여 연속된 위치 신호들(a succession of position signals)을 수집하고, (i) 상기 연속된 위치 신호들이 적어도 임계치 거리에 걸쳐서 퍼져 있는 위치들을 지정한다면 스크롤 터치를 결정하고, 그에 응답하여 상기 물체가 상기 감지 경로를 따라서 움직인 거리를 나타내는 움직임 출력 신호를 제공하고, (ii) 상기 연속된 위치 신호들이 상기 복수의 감지 구역들 중 하나의 감지 구역에 있는 위치들을 지정한다면 버튼 터치를 결정하고, 그에 응답하여 작동된 상기 감지 구역을 나타내는 위치 출력 신호를 제공하도록 동작 가능한 용량성 위치 센서.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 감지 경로를 따라서 상이한 위치들에서 상기 감지 엘리먼트에 접속되어 상기 감지 경로를 적어도 3개의 섹션들로 세분하는 적어도 3개의 단자들이 존재하는 용량성 위치 센서.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 감지 엘리먼트를 따라서 간격을 둔 복수의 지정된 감지 구역들이 존재하는 용량성 위치 센서.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 용량성 위치 센서를 포함하는 장치.
물체의 위치를 검출하는 방법으로서,

(a) 감지 경로를 포함하는 감지 엘리먼트, 상기 감지 경로를 따라서 상이한 위치들에서 상기 감지 엘리먼트에 접속되어 상기 감지 경로를 복수의 섹션들로 세분하는 복수의 단자들, 및 상기 단자들 중 대응하는 것들에 접속된 복수의 감지 채널들을 포함하는 용량성 위치 센서를 제공하는 단계;

(b) 상기 감지 경로 상에 적어도 하나의 감지 구역을 지정하는 단계;

(c) 상기 물체를 상기 센서와 근접하게 하는 단계;

(d) 각 감지 채널에서 그의 단자와 시스템 접지 사이의 커패시턴스를 나타내는 신호를 발생시키는 단계;

(e) 상기 신호를 처리하여, 상기 감지 채널들로부터의 신호들을 비교함으로써 어느 섹션 위에 상기 물체가 위치하는지를 결정하고, 적어도 그 섹션을 스팬하는 단자들로부터의 신호들을 비교함으로써 그 섹션 내에서의 상기 물체의 위치를 결정하는 단계 ― 상기 복수의 감지 구역들 중 하나의 감지 구역 상의 절대 위치에서의 버튼 터치와 상기 감지 경로를 따르는 움직이는 변위에 의해 야기된 스크롤 터치는, 각각, 터치의 지속기간 및 상기 감지 경로를 따른 변위의 거리에 기초하여 결정됨 ―; 및

(f) 버튼 터치 또는 스크롤 터치가 결정되었을 때 각각 위치 출력 신호 또는 움직임 출력 신호를 출력하는 단계

를 포함하는 물체의 위치 검출 방법.