KR20110076060A - 터치센서의 정전용량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터치센서(touch sensor)의 정전용량(capacitance) 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 종래의 정전용량 측정 기술에서는, 충전 분할(charging sharing)에 의해 상호 정전용량(mutual capacitance) 값의 측정이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생하는데, 측정하려는 곳의 정전용량 값을 정확히 미리 알 수 있다면 좋지만, 그럴 수 없기 때문에 일정 크기 이상의 캐패시터를 구현하여야 한다. 이로 인해, 외장 캐패시터로만 구현이 가능하며, 패널 로드 별로 각기 다른 가중 치를 두는 연산 방법을 택할 수밖에 없다. 이에 본 발명에서는, 터치센서의 패널 로드(panel load)의 정전용량(capacitance) 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있으며, 터치센서의 터치 감도를 증가시키면서 노이즈(noise)에 강인한 터치센서의 정전용량 측정 기술을 마련하고자 한다.
터치센서, 정전용량, 기준전압

Description

터치센서의 정전용량 측정 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING CAPACITANCE IN TOUCH SENSOR}
본 발명은 터치센서(touch sensor)의 정전용량(capacitance) 측정 기술에 관한 것으로, 특히 빠른 시간 내에 정확한 정전용량 변화를 측정하는데 적합한 터치센서의 정전용량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
터치센서(touch sensor)에서 정전용량은, 전극과 연결된 전기적 소자인 캐패시터(capacitor) 또는 그와 등가를 이루는 물질 또는 인체의 접촉에 의해서 결정된다. 이때, 인체의 경우 손가락 또는 신체의 특정 부위를 전극(PAD)에 직접 접촉을 할 경우뿐만 아니라 전극(PAD)에 직접 접촉은 하지 않더라도 전극(PAD)과 불특정 거리로 근접하는 것만으로도 전극(PAD)과 인체 사이에는 미세한 정전용량(capacitance) 성분이 형성됨을 알 수 있다.
또한, 근접된 신체부위와 전극과의 거리의 변화에 따라 정전용량이 변화되게 되며, 이는 전극과 신체와의 거리가 가까울수록 정전용량이 증가되고 멀어질수록 정전용량이 감소되는 결과로 측정이 된다.
이렇듯 전극과 신체부위와의 거리 변화에 따라 발생하는 정전용량의 변화량을 측정하여 전극과 인체와의 거리를 일정 수준으로 판단할 수 있으며, 이러한 판단의 결과를 이용하여 특정 임계 정전용량의 값을 설정한 후에 전극으로부터 측정된 정전용량 성분이 임계값 보다 크면 스위치가 접촉된 것으로 판단하고 그렇지 않은 경우는 스위치가 비접촉된 것으로 판단한다.
임계값은 터치센서의 파워 온(Power On)시점에서 접촉이 되지 않았을 시의 초기 측정된 값과, 주변 환경에 의해서 변화되는 값을 실험적으로 산출한 후에 그 값을 초기 측정값에 가감하여 결정하는 것이 일반적인 방식이다.
이러한 방식을 통해 반도체로 구현한 제품이 터치센서 IC이다. 현재 터치센서 IC는 기존에 각종 전자제품에 사용되던 기계적 스위치를 대신하여 이미 수많은 전자제품(휴대폰, TV, 세탁기, 에어컨, 전자레인지 등)에 적용되어 사용되고 있다.
그런데 이러한 터치센서 IC에서는 전극과 인체 사이에 형성된 정전용량이 불과 수 pF(피코패럿) 내지 수십 pF 정도에 불과하기 때문에, 이를 계산 및 측정하기 위한 여러 기법들이 제안된 바 있다.
종래의 정전용량 측정 기법의 일환으로, 전기적 스위치를 이용하여 전극(PAD)을 완전히 그라운드로 방전시킨 후에 전압에 연결된 정전류원으로부터 전극과 인체에 의해서 생성된 정전용량의 캐패시터 성분을 기준전압까지 충전되는 데에 소요되는 시간을 고속의 클럭(count clock)을 이용한 타이머(timer)로 측정하여 타이머의 값에 의해 정전용량의 값을 측정하는 기술이 있다.
이러한 종래의 기술은 정전용량의 측정을 위해 사용되는 고속 클럭의 한계로 인해 방전시에는 상대적으로 매우 짧은 시간에 방전을 완료하며, 충전시에는 충분한 타이머의 값을 얻기 위해서 매우 작은 전류를 공급하는 전류원(current source)을 사용한다.
이와 같이, 전류 값이 작을수록 보다 많은 시간을 확보하여 보다 많은 타이머 값을 측정할 수는 있으나, 반면에 충전하는 데에 사용되는 전류가 너무 작으면 외부의 노이즈(noise)에 대한 영향과 터치센서 반도체 내부의 기생전류에 의한 영향이 증가하여 충전에 소요되는 시간의 변화량이 노이즈 성분에 의해서 증가 또는 감소되는 경향으로 나타나기 때문에 효율적으로 정전용량을 충전하는 데에는 많은 문제점들이 발생할 수 있다.
종래의 터치센서의 정전용량 측정을 위한 또 다른 기술로서, 전기적 스위치를 이용하여 전극(PAD)을 완전히 VDD로 충전시킨 후에 그라운드(GND)에 연결된 저항을 통해 전극과 인체에 의해 생성된 정전용량의 캐패시터 성분을 기준전압까지 방전되는 데에 소요되는 시간을 고속의 클럭을 이용한 타이머로 측정하여 타이머의 값에 의해 정전용량의 값을 측정하였다.
이와 같은 종래기술 또한 정전용량의 측정을 위해 사용되는 고속 클럭의 한계에 의해서 급속 충전시에는 상대적으로 매우 짧은 시간에 충전을 완료하며, 방전시에는 충분한 값을 얻기 위해 MEGA OHM이상의 상당히 큰 저항을 연결하여 사용한다. 이때, 일반적으로 캐패시터에 충전된 전하가 저항을 통해 방전되는 경우 방전 전류는 수백 pA 내지 수 uA 정도의 미세 전류를 사용한다.
하지만, 위와 같은 종래기술 역시 일반적으로 사람의 손가락과 전극 사이에 서 얻어지는 정전용량이 수 pF ~ 수십 pF정도에 불과 함으로 방전을 하는 전류의 값을 줄일수록 더 많은 충전 시간이 소요되어 보다 많은 타이머 값을 측정할 수 있어 유리하나, 반면에 충전하는 데에 사용되는 전류가 너무 작으면 외부의 노이즈에 대한 영향과 터치센서 반도체 내부의 기생전류에 의한 영향이 증가하여 충전에 소요되는 시간의 변화량이 노이즈 성분에 의해서 증가 또는 감소되는 경향으로 나타나기 때문에 효율적으로 정전용량을 충전하는데 소요되는 시간을 측정하는데 많은 문제점들이 발생하게 된다.
게다가, 종래의 정전용량 측정 기술에서는, 충전 분할(charging sharing)에 의해 상호 정전용량(mutual capacitance) 값의 측정이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생하는데, 측정하려는 곳의 정전용량 값을 정확히 미리 알 수 있다면 좋지만, 그럴 수 없기 때문에 일정 크기 이상의 캐패시터를 구현하여야 한다.
이로 인해, 외장 캐패시터로만 구현이 가능하며, 패널 로드 별로 각기 다른 가중 치를 두는 연산 방법을 택할 수밖에 없다.
본 발명은 상술한 종래의 상황을 감안한 것으로, 터치센서의 패널 로드(panel load)의 정전용량(capacitance) 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 터치센서의 정전용량 측정 기술을 마련하고자 한다.
또한 본 발명은, 터치센서의 터치 감도를 증가시키면서 노이즈(noise)에 강 인한 터치센서의 정전용량 측정 기술을 마련하고자 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 터치센서(touch sensor)의 정전용량(capacitance) 측정 장치에 따르면, 패널 로드의 구동을 위한 패널 구동 전압을 상기 패널 로드로 제공하는 제 1 OP앰프와, 상기 패널 구동 전압에 의한 상기 패널 로드의 동작에 대응하여 발생되는 패널 로드 전압에 따라 기준 전압에서 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압을 생성하는 기준 전압 입력부와, 상기 패널 로드 전압을 모니터링 전압으로 변환하는 제 2 OP 앰프와, 상기 제 2 OP 앰프를 통해 변환되는 상기 모니터링 전압과 상기 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압을 상호 비교하여 정전용량 측정 결과를 생성하고, 생성되는 상기 정전용량 측정 결과에 따른 출력 전압을 상기 제 1 OP 앰프로 인가하는 제 3 OP 앰프를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기준 전압 입력부는, 상기 패널 로드 전압이 하이(high) 레벨 또는 로(low) 레벨로 천이됨에 따라 상기 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압을 상기 제 3 OP 앰프로 입력할 수 있다.
또한, 상기 기준 전압 입력부는, 상기 패널 로드 전압이 상기 로 레벨에서 상기 하이 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기 설정 레벨로 다운(down) 된 기준 전압을 생성하여 상기 제 3 OP 앰프로 입력할 수 있다.
또한, 상기 제 3 OP 앰프는, 상기 출력 전압을 상기 하이 레벨에서 상기 로 레벨로 천이시킬 수 있다.
또한, 상기 기준 전압 입력부는, 상기 패널 로드 전압이 상기 하이 레벨에서 상기 로 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기설정 레벨로 업(up) 된 기준 전압을 생성하여 상기 제 3 OP 앰프로 입력할 수 있다.
또한, 상기 제 3 OP 앰프는, 상기 출력 전압을 상기 로 레벨에서 상기 하이 레벨로 천이시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 OP 앰프는, 패널 구동 버퍼일 수 있다.
또한, 상기 제 2 OP 앰프는, 전압 변환 앰프일 수 있다.
또한, 상기 제 3 OP 앰프는, 비교기일 수 있다.
또한, 상기 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 전류 검출 전압 변환 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 패널 로드는, 상기 패널 구동 버퍼의 패널 구동 신호에 따라 하이 레벨 또는 로 레벨로 전위가 천이될 수 있다.
또한, 상기 패널 로드는, 상호 정전용량(mutual capacitance)을 충/방전하는 방식의 패널 로드일 수 있다.
또한, 상기 정전용량 측정 장치는, 상기 제 2 OP 앰프의 입출력 단자와 병렬로 연결되어 상기 패널 로드의 상기 상호 정전용량의 변화에 의해 유기된 전류를 검출하는 모니터링 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 상기 패널 로드가 상기 로우 레벨에서 상기 하이 레벨로 전위가 천이될 때 상기 패널 로드의 모니터링 전하가 상기 모니터링 저항으로 이동될 수 있다.
또한, 상기 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 상기 패널 로드가 상기 하이 레벨에서 상기 로 레벨로 전위가 천이될 때 상기 모니터링 전하가 상기 모니터링 저항에서 상기 패널 로드로 이동될 수 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 터치센서의 정전용량 검출 방법에 따르면, a) 패널 로드의 동작에 따른 패널 로드 전압을 모니터링 전압으로 변환하는 과정과, b) 상기 패널 로드의 전위 레벨이 천이될 때 상기 패널 로드의 정전용량 측정의 기준이 되는 기준 전압을 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압으로 변환하는 과정과, c) 상기 변환된 모니터링 전압과 상기 기 설정 레벨 변환된 기준 전압을 비교하여 비교 결과에 따른 출력 전압을 생성하는 과정과, d) 생성되는 상기 출력 전압에 따라 상기 패널 로드의 전위 레벨을 천이시키는 과정을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 과정 b)는, 상기 패널 로드의 전위 레벨이 하이 레벨 또는 로 레벨로 천이됨에 따라 상기 기준 전압을 상기 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압으로 변환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 과정 b)는, 상기 패널 로드의 전위 레벨이 상기 로 레벨에서 상기 하이 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기 설정 레벨로 다운된 기준 전압을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 과정 b)는, 상기 패널 로드 전압이 상기 하이 레벨에서 상기 로 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기 설정 레벨로 업된 기준 전압을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 상기 패널 로드 전압이 상기 로우 레벨에서 상기 하이 레벨로 전위가 천이될 때 상기 패널 로드의 모니터링 전하가 상기 패널 로드로부터 이동될 수 있다.
또한, 상기 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 상기 패널 로드 전압이 상기 하이 레벨에서 상기 로 레벨로 전위가 천이될 때 상기 모니터링 전하가 상기 패널 로드로 이동될 수 있다.
본 발명에 의하면, 터치센서의 충전량과 방전량을 모니터링 저항으로 조절 가능하여 패널 로드(panel load)의 정전용량(capacitance) 값의 변화를 정확히 감지해 낼 수 있는 바, 터치 감도를 증가시키면서 회로 구현을 간소화할 수 있으며, 데이터 처리 속도를 증가시키면서 노이즈(noise)에 강인한 특성을 제공할 수 있다.
터치센서의 기본 동작은 터치 동작에 의한 패널 로드 정전용량의 변화량을 감지해 내는 것이다. 종래에 제시된 센싱 기술들은 센싱 과정에서 정확한 센싱 값을 추출해 낼 수 없기 때문에, 대략적인 값으로 연산을 수행하였다. 이로 인해 구현 회로가 매우 복잡해 지고, 구조적으로 패널 로드 크기에 따라 선택사항들을 고려해야 하는 문제가 있다.
본 발명에서는, 패널 로드의 정전용량 값을 정확히 측정할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.
본 발명에서는 패널 로드의 크기에 상관 없이 약속된 레벨로 구동을 하게 되면 패널의 정전용량 값을 정확히 측정할 수 있기 때문에 터치가 된 경우 어느 정도의 터치가 이루어졌는지 출력 값을 리니어(linear)하게 측정할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범 용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행 되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치센서(touch sensor)의 정전용량(capacitance) 측정 장치에 대한 개략적인 블록 구성도로서, 크게 패널(panel) 구동부(100)와 패널 로드(load)(200)로 구성될 수 있다.
여기서, 패널 구동부(100)는 본 실시예에 따른 전류 검출 전압 변환 회로를 포함하는 것으로, 패널 로드(200)를 구동시키기 위한 패널 구동 전압을 패널 로드(200)로 인가하고, 패널 로드(200)를 통해 발생되는 패널 로드 전압에 따라 패널 로드(200)의 정전용량 변화에 의해 유기되는 전류를 검출하며, 이에 따라 패널 로드(200)의 정전용량을 측정하는데 필요한 기준 전압을 일정 레벨로 변경하는 기능을 수행할 수 있다.
구체적으로 패널 구동부(100)는, 패널 로드(200)의 구동을 위한 패널 구동 전압을 패널 로드(200)로 제공하는 제 1 OP앰프(10)와, 패널 구동 전압에 의한 패널 로드의 동작에 대응하여 발생되는 패널 로드 전압에 따라 기준 전압(Vref)에서 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)을 생성하는 기준 전압 입력부(12)와, 패널 로드 전압을 모니터링 전압(VM)으로 변환하는 제 2 OP 앰프(14)와, 제 2 OP 앰프(14)를 통해 변환되는 모니터링 전압(VM)과 기 설정 레벨로 변경된 기준 전 압(VTref)을 상호 비교하여 정전용량 측정 결과를 생성하고, 생성되는 정전용량 측정 결과에 따른 출력 전압을 제 1 OP 앰프(10)로 인가하는 제 3 OP 앰프(16) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 OP 앰프(10)는, 예컨대 패널 구동 버퍼(buffer)로서, 제 3 앰프(16)의 출력 전압에 따라 패널 로드(200)를 구동시키는 역할을 할 수 있다.
본 실시예에 따른 기준 전압 입력부(12)는, 패널 로드 전압이 하이(high) 레벨 또는 로(low) 레벨로 천이됨에 따라 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)을 제 3 OP 앰프(16)로 입력하는 역할을 할 수 있다.
구체적으로, 기준 전압 입력부(16)는, 패널 로드 전압이 로 레벨에서 하이 레벨로 천이될 때, 기준 전압(Verf)에서 기 설정 레벨로 다운(down) 된 기준 전압(VTref)을 생성하여 제 3 OP 앰프(16)로 입력할 수 있다. 이때, 제 3 OP 앰프(16)는, 예컨대 비교기로서, 제 1 OP 앰프(10)로 제공되는 출력 전압을 하이 레벨에서 로 레벨로 천이시킬 수 있다.
또한, 기준 전압 입력부(16)는, 패널 로드 전압이 하이 레벨에서 로 레벨로 천이될 때, 기준 전압(Vtef)에서 기설정 레벨로 업(up) 된 기준 전압(VTref)을 생성하여 제 3 OP 앰프(16)로 입력할 수 있다. 이때, 비교기인 제 3 OP 앰프(16)는, 제 1 OP 앰프(10)로 제공되는 출력 전압을 로 레벨에서 하이 레벨로 천이시킬 수 있다.
제 2 OP 앰프(14)는, 예컨대 전압 변환 앰프로서, 패널 로드(200)에서 유기되는 패널 로드 전압을 모니터링 전압(VM)으로 변환하는 역할을 할 수 있다.
이러한 제 2 OP 앰프(14)의 입출력 단자에는 패널 로드(200)의 상호 정전용량(mutual capacitance)의 변화에 의해 유기된 전류를 검출하는 모니터링 저항(RM)이 병렬로 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 장치에서는, 패널 로드(200)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 천이될 때, 패널 로드(200)의 모니터링 전하(QM)가 모니터링 저항(RM)으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 패널 로드(200)가 하이 레벨에서 로 레벨로 전위가 천이될 때, 모니터링 전하(QM)가 모니터링 저항(RM)에서 패널 로드(200)로 이동되는 것을 특징으로 한다.
패널 로드(200)는, 패널 구동 버퍼인 제 1 OP 앰프(10)의 패널 구동 신호에 따라 하이 또는 로 레벨로 전위가 천이될 수 있는데, 이러한 패널 로드(200)는, 상술한 바와 같은 상호 정전용량 방식의 패널 로드로서, 상호 정전용량 캐패시터(CM)와, 예컨대 패널 로드(200)의 상판에 위치할 수 있는 제 1 로드 캐패시터(CL1) 및 제 1 로드 저항(RL1)과, 패널 로드(200)의 하판에 위치할 수 있는 제 2 로드 캐패시터(CL2) 및 제 2 로드 저항(RL2) 등을 포함할 수 잇다.
이하, 상술한 구성과 함께, 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법을 첨부한 도 2 내지 도 6을 참조하여 예시적으로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 패널 로드(200)의 동작에 따른 패널 로드 전압을 모니터링 전압(VM)으로 변환하는 과정과, 패널 로 드(200)의 전위 레벨이 천이될 때 패널 로드의 정전용량 측정의 기준이 되는 기준 전압(Vref)을 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)으로 변환하는 과정과, 변환된 모니터링 전압(VM)과 기 설정 레벨 변환된 기준 전압(VTref)을 비교하여 비교 결과에 따른 출력 전압을 생성하는 과정과, 생성되는 출력 전압에 따라 패널 로드(200)의 전위 레벨을 천이시키는 과정 등을 포함할 수 있다.
여기서, 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)으로 변환하는 과정은, 패널 로드(200)의 전위 레벨이 하이 레벨 또는 로 레벨로 천이됨에 따라 기준 전압(Vref)을 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)으로 변환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)으로 변환하는 과정은, 패널 로드(200)의 전위 레벨이 로 레벨에서 하이 레벨로 천이될 때 기준 전압(Vref)에서 기 설정 레벨로 다운 된 기준 전압(VTref)을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압(VTref)으로 변환하는 과정은, 패널 로드 전압이 하이 레벨에서 로 레벨로 천이될 때 기준 전압(Vref)에서 기 설정 레벨로 업(up) 된 기준 전압(VTref)을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 패널 로드 전압이 로우 레벨에서 하이 레벨로 전위가 천이될 때 패널 로드(200)의 모니터링 전하(QM)가 패널 로드로부터 이동될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 패널 로드 전압이 하이 레벨에서 로 레벨로 전위가 천이될 때 모니터링 전하(QM)가 패널 로 드(200)로 이동될 수 있다.
먼저, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법, 구체적으로 패널 로드가 로 레벨에서 하이 레벨로 전위가 천이될 때의 구동 과정을 예시한 도면이다.
도 2에 예시한 바와 같이, 패널 구동부(100)에 의해 패널 로드(200)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이된다고 가정하면, 예컨대 0V에서 전원전압(VDD)으로 패널 로드(200)가 구동된다고 가정하면, 모니터링 전하(QM)(VDD×CM)만큼의 전하가 모니터링 저항(RM)으로 유입될 수 있다.
이때, 전압 변환 앰프인 제 2 OP 앰프(14)에 의해 패널 로드 전압(VA)은 기준 전압(Vref)에 수렴하게 되며, 이를 위해 모니터링 전하(QM)만큼의 전하는 모니터링 저항(RM)을 통해서 빠져 나가게 된다.
모니터링 전하(QM)가 모니터링 저항(RM)을 통해 흐르는 동안, 모니터링 전압(VM)은 IR 드롭(drop)에 의해 전위가 떨어지게 되는데, 이 전압은 모니터링 전하(QM)가 모니터링 저항(RM)으로부터 모두 빠져 나가게 되면 전하의 흐름이 없어지게 되므로 패널 로드 전압(VA)과 동일해 질 수 있다.
이러한 동작 중에 상술한 기준 전압(Vref)을 일정 레벨 낮은 기준 전압(VTref)으로 변경해 주게 되면, 비교기(16)의 출력 전압은 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이하게 된다.
도 3은 이러한 도 2의 구동 과정에서의 기준 전압(Vref) 및 일정 레벨 낮은 기준 전압(VTref)을 예시한 파형도이다.
도 3에서 굵은 실선이 모니터링 전압(VM)이고, 점선이 기존의 기준 전압(Vref)이며, 가는 실선이 본 실시예에 적용될 수 있는 기준 레벨(VTref)을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법, 구체적으로 패널 로드가 하이 레벨에서 로 레벨로 전위가 천이될 때의 구동 과정을 예시한 도면이다.
도 4에 예시한 바와 같이, 패널 구동부(100)에 의해 패널 로드(200)가 하이 레벨에서 로 레벨로 천이된다고 가정하면, 예컨대 전원전압(VDD)에서 0V로 패널 로드(200)가 구동된다고 가정하면, 모니터링 전하(QM)(VDD×CM)만큼의 전하가 모니터링 저항(RM)으로부터 유출될 수 있다.
이때, 전압 변환 앰프인 제 2 OP 앰프(14)에 의해 패널 로드 전압(VA)은 기준 전압(Vref)에 수렴하게 되며, 이를 위해 모니터링 전하(QM)만큼의 전하는 모니터링 저항(RM)을 통해서 빠져 나가게 된다.
모니터링 전하(QM)가 모니터링 저항(RM)을 통해 흐르는 동안, 모니터링 전압(VM)은 IR 드롭에 의해 전위가 상승하게 되는데, 이 전압은 모니터링 전하(QM)가 모니터링 저항(RM)으로부터 모두 빠져 나가게 되면 전하의 흐름이 없어지게 되므로 패널 로드 전압(VA)과 동일해 질 수 있다.
이러한 동작 중에 상술한 기준 전압(Vref)을 일정 레벨 높은 기준 전 압(VTref)으로 변경해 주게 되면, 비교기(16)의 출력 전압은 로 레벨에서 하이 레벨로 천이하게 된다.
도 5는 이러한 도 4의 구동 과정에서의 기준 전압(Vref) 및 일정 레벨 높은 기준 전압(VTref)을 예시한 파형도이다.
도 5에서 굵은 실선이 모니터링 전압(VM)이고, 점선이 기존의 기준 전압(Vref)이며, 가는 실선이 본 실시예에 적용될 수 있는 기준 레벨(VTref)을 의미한다.
도 6은 본 실시예에 적용되는 모니터링 전압(VM), 기준 전압(Vref), 변경된 기준 전압(VTref), 패널 클럭, 기준 클럭 등을 예시한 파형도이다.
도 2 및 도 4의 구동 과정이 반복되면서, 패널 구동 버퍼인 제 1 OP 앰프(10)의 출력 전압은 상호 정전용량 캐패시터(CM)의 정전용량 값에 반비례하는 주파수를 갖는 클럭을 얻을 수 있다. 터치센서의 터치 전후에 따라 상호 정전용량 캐패시터의 정전용량 값이 변화하기 때문에, 기준 클럭의 카운트 변화를 검출해 낼 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는, 터치센서의 충전량과 방전량을 모니터링 저항(RM)으로 조절 가능하여 패널 로드(panel load)의 정전용량(capacitance) 값의 변화를 정확히 감지해 낼 수 있는 바, 터치센서의 패널 로드의 정전용량 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있게 구현한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 장치를 예시한 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법을 설명하는 도면으로서, 패널 로드가 로(low) 레벨에서 하이(high) 레벨로 전위가 천이될 때의 구동 과정을 예시한 도면,
도 3은 도 2의 구동 과정에서의 기준 전압(Vref) 및 기 설정 레벨로 다운된 기준 전압(VTref)을 예시한 파형도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터치센서의 정전용량 측정 방법을 설명하는 도면으로서, 패널 로드가 하이(high) 레벨에서 로(low) 레벨로 전위가 천이될 때의 구동 과정을 예시한 도면,
도 5는 도 4의 구동 과정에서의 기준 전압(Vref) 및 기 설정 레벨로 다운된 기준 전압(VTref)을 예시한 파형도,
도 6은 본 실시예에 적용되는 모니터링 전압(VM), 기준 전압(Vref), 변경된 기준 전압(VTref), 패널 클럭, 기준 클럭 등을 예시한 파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 패널 구동부
200 : 패널 로드
10 : 전압 변환 앰프
12 : 비교기
14 : 패널 구동 버퍼
16 : 기준 전압 입력부

Claims (21)

  1. 패널 로드의 구동을 위한 패널 구동 전압을 상기 패널 로드로 제공하는 제 1 OP앰프와,
    상기 패널 구동 전압에 의한 상기 패널 로드의 동작에 대응하여 발생되는 패널 로드 전압에 따라 기준 전압에서 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압을 생성하는 기준 전압 입력부와,
    상기 패널 로드 전압을 모니터링 전압으로 변환하는 제 2 OP 앰프와,
    상기 제 2 OP 앰프를 통해 변환되는 상기 모니터링 전압과 상기 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압을 상호 비교하여 정전용량 측정 결과를 생성하고, 생성되는 상기 정전용량 측정 결과에 따른 출력 전압을 상기 제 1 OP 앰프로 인가하는 제 3 OP 앰프
    를 포함하는 터치센서의 정전용량 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전압 입력부는, 상기 패널 로드 전압이 하이(high) 레벨 또는 로(low) 레벨로 천이됨에 따라 상기 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압을 상기 제 3 OP 앰프로 입력하는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 전압 입력부는, 상기 패널 로드 전압이 상기 로(low) 레벨에서 상기 하이(high) 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기 설정 레벨로 다운(down) 된 기준 전압을 생성하여 상기 제 3 OP 앰프로 입력하는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 OP 앰프는, 상기 출력 전압을 상기 하이(high) 레벨에서 상기 로(low) 레벨로 천이시키는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 전압 입력부는, 상기 패널 로드 전압이 상기 하이(high) 레벨에서 상기 로(low) 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기설정 레벨로 업(up) 된 기준 전압을 생성하여 상기 제 3 OP 앰프로 입력하는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 OP 앰프는, 상기 출력 전압을 상기 로(low) 레벨에서 상기 하이(high) 레벨로 천이시키는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 OP 앰프는, 패널 구동 버퍼인
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 OP 앰프는, 전압 변환 앰프인
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 OP 앰프는, 비교기인
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 전류 검출 전압 변환 회로를 포함하는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 패널 로드는, 상기 패널 구동 버퍼의 패널 구동 신호에 따라 하이(high) 레벨 또는 로(low) 레벨로 전위가 천이되는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 패널 로드는, 상호 정전용량(mutual capacitance)을 충/방전하는 방식의 패널 로드인
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 정전용량 측정 장치는,
    상기 제 2 OP 앰프의 입출력 단자와 병렬로 연결되어 상기 패널 로드의 상기 상호 정전용량의 변화에 의해 유기된 전류를 검출하는 모니터링 저항을 더 포함하는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 상기 패널 로드가 상기 로우(low) 레벨에서 상기 하이(high) 레벨로 전위가 천이될 때 상기 패널 로드의 모니터링 전하가 상기 모니터링 저항으로 이동되는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 터치센서의 정전용량 측정 장치는, 상기 패널 로드가 상기 하이(high) 레벨에서 상기 로(low) 레벨로 전위가 천이될 때 상기 모니터링 전하가 상기 모니터링 저항에서 상기 패널 로드로 이동되는
    터치센서의 정전용량 측정 장치.
  16. a) 패널 로드의 동작에 따른 패널 로드 전압을 모니터링 전압으로 변환하는 과정과,
    b) 상기 패널 로드의 전위 레벨이 천이될 때 상기 패널 로드의 정전용량 측정의 기준이 되는 기준 전압을 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압으로 변환하는 과정과,
    c) 상기 변환된 모니터링 전압과 상기 기 설정 레벨 변환된 기준 전압을 비교하여 비교 결과에 따른 출력 전압을 생성하는 과정과,
    d) 생성되는 상기 출력 전압에 따라 상기 패널 로드의 전위 레벨을 천이시키는 과정
    을 포함하는 터치센서의 정전용량 측정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 과정 b)는, 상기 패널 로드의 전위 레벨이 하이(high) 레벨 또는 로(low) 레벨로 천이됨에 따라 상기 기준 전압을 상기 기 설정 레벨로 변경된 기준 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는
    터치센서의 정전용량 측정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 과정 b)는, 상기 패널 로드의 전위 레벨이 상기 로(low) 레벨에서 상기 하이(high) 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기 설정 레벨로 다운(down) 된 기준 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는
    터치센서의 정전용량 측정 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 과정 b)는, 상기 패널 로드 전압이 상기 하이(high) 레벨에서 상기 로(low) 레벨로 천이될 때 상기 기준 전압에서 상기 기 설정 레벨로 업(up) 된 기준 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는
    터치센서의 정전용량 측정 방법.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 상기 패널 로드 전압이 상기 로우(low) 레벨에서 상기 하이(high) 레벨로 전위가 천이될 때 상기 패널 로드의 모니터링 전하가 상기 패널 로드로부터 이동되는
    터치센서의 정전용량 측정 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 터치센서의 정전용량 측정 방법은, 상기 패널 로드 전압이 상기 하이(high) 레벨에서 상기 로(low) 레벨로 전위가 천이될 때 상기 모니터링 전하가 상기 패널 로드로 이동되는
    터치센서의 정전용량 측정 방법.
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