KR20110081501A - Capacitive touch screen device with driving shield electrode - Google Patents

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KR20110081501A
KR20110081501A KR1020100001694A KR20100001694A KR20110081501A KR 20110081501 A KR20110081501 A KR 20110081501A KR 1020100001694 A KR1020100001694 A KR 1020100001694A KR 20100001694 A KR20100001694 A KR 20100001694A KR 20110081501 A KR20110081501 A KR 20110081501A
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세심광전자기술(주)
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Abstract

PURPOSE: An electrostatic capacity type touch screen device for driving a shield electrode is provided not to accumulate the electric charge between a signal electrode and the shield electrode to improve the accuracy of measurement. CONSTITUTION: An electrostatic capacity type touch screen device comprises a touch screen panel(100) and a driving module(200). The driving module comprises a controller(210), a driver(220), a sensor(230), and a signal processor(240). The driver applies a voltage waveform to the signal electrode of the touch screen panel. The sensor detects the quantity of the electric charge accumulated to the signal electrode of the touch screen panel. The signal processor processes a sensing signal to acquire information about a contact location.

Description

차폐전극을 구동하는 정전용량방식 터치스크린 장치 {Capacitive Touch Screen Device with Driving Shield Electrode}Capacitive Touch Screen Device with Driving Shield Electrode

본 발명은 측정의 정밀도를 높이는 정전용량방식 터치스크린 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a capacitive touch screen device for improving the accuracy of the measurement.

터치스크린 장치는 터치스크린 패널(100)과 구동모듈(200)로 구성된다. 터치스크린 패널은 접촉하는 물체의 위치나 접촉 유무를 전기적 신호변화로 나타내는 센서이고, 구동모듈은 터치스크린 패널에 전기적 신호변화를 주기 위한 입력신호와 터치스크린 패널의 출력신호를 해석하여 위치정보로 전환한다. 터치스크린 장치는 입력이 간단하여, 휴대폰이나 모니터에서 많이 쓰이고 있다. 도 1은 정전용량방식 터치스크린 패널(100)의 단면도이다. 손가락은 접지된 전극처럼 작용한다. 신호전극(111)과 유리커버 그리고 손가락의 접촉면에는 일정한 정전용량이 생긴다. 손가락과 신호전극(111)이 겹치는 면적을 A, 유리커버(120)의 두께와 유전율상수를 각각 d, ε이라 하면, 신호전극과 손가락이 이루는 정전용량을 Ca는 아래 식과 같다.The touch screen device includes a touch screen panel 100 and a driving module 200. The touch screen panel is a sensor that indicates the position or contact of an object to be touched by an electrical signal change, and the driving module converts the input signal and the output signal of the touch screen panel into position information by applying an electrical signal change to the touch screen panel. do. Touch screen devices have a simple input, which is widely used in mobile phones and monitors. 1 is a cross-sectional view of a capacitive touch screen panel 100. The finger acts like a grounded electrode. A constant capacitance occurs on the contact surface between the signal electrode 111, the glass cover, and the finger. If the area where the finger and the signal electrode 111 overlap A is A, and the thickness and dielectric constant of the glass cover 120 are d and ε, respectively, the capacitance formed by the signal electrode and the finger C a is as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

손가락과 신호전극이 겹치는 부분이 대략 1㎠이고, 유리커버의 두께가 0.5mm, 유리커버의 유전율 상수가 6이라면, 손가락과 신호전극 사이의 정전용량은 1.2pF이다.If the area where the finger and the signal electrode overlap is approximately 1 cm 2, the thickness of the glass cover is 0.5 mm, and the dielectric constant of the glass cover is 6, the capacitance between the finger and the signal electrode is 1.2 pF.

도 2는 신호전극(111)의 평면도이다. 여러 신호전극이 나란하게 기판(110) 위에 형성된다. 신호전극은 빛이 투과되면서도, 전기전도 특성을 지닌 ITO막으로 만든다. 도 2에서 제일 위에 있는 신호전극을 S(0), 그 아래를 순차적으로 S(1), ..., S(n)이라고 명기하였다. 신호전극의 길이는 X0이고, 폭은 w이다. 2 is a plan view of the signal electrode 111. Several signal electrodes are formed on the substrate 110 side by side. The signal electrode is made of an ITO film having electrical conductivity while transmitting light. In FIG. 2, the signal electrode at the top is S (0), and the bottom thereof is designated as S (1), ..., S (n). The length of the signal electrode is X 0 and the width is w.

도 3은 차폐전극의 단면도이다. 차폐전극은 단일전극이고, 전극의 가로길이는 신호전극의 길이와 같은 X0이고, 전극의 세로길이는 Y0이다. 터치스크린 패널(100)은 TFT LCD등과 같은 표시소자의 창 위에 붙이는데, 차폐전극은 표시소자에서 오는 전자기파에 의한 오동작을 막는다. 기판의 두께가 d'이고, 기판의 유전율상수가 ε'라면, 신호전극과 차폐전극 사이의 정전용량(Cb)은 아래 식과 같다.3 is a cross-sectional view of the shielding electrode. The shielding electrode is a single electrode, the horizontal length of the electrode is X 0 equal to the length of the signal electrode, and the vertical length of the electrode is Y 0 . The touch screen panel 100 is attached on a window of a display element such as a TFT LCD, and the shielding electrode prevents malfunction due to electromagnetic waves coming from the display element. If the thickness of the substrate is d 'and the dielectric constant of the substrate is ε', the capacitance C b between the signal electrode and the shielding electrode is as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

신호전극의 폭이 0.8㎝이고, 길이가 5㎝, 두께가 0.25mm, 기판의 유전율 상수가 6이라면, 신호전극과 차폐전극 사이의 정전용량(Cb)은 약 10pF이다.If the width of the signal electrode is 0.8 cm, the length is 5 cm, the thickness is 0.25 mm, and the dielectric constant of the substrate is 6, the capacitance C b between the signal electrode and the shielding electrode is about 10 pF.

종래의 터치스크린 장치에서 차폐전극(112)은 접지시킨다. 도 4는 종래의 터치스크린 패널의 등가회로도이다. 신호전극(111)에는 구동 파형 V(t)이 걸리고, 신호전극은 손가락과 이루는 정전용량 Ca와 차폐전극과 이루는 정전용량 Cb이 병렬로 연결된 구조이다.In the conventional touch screen device, the shielding electrode 112 is grounded. 4 is an equivalent circuit diagram of a conventional touch screen panel. The signal electrode 111, the consuming drive waveform V (t), the signal electrode is a structure constituting the finger and the capacitance C a and the shielding electrode and forms electrostatic capacitance C b connected in parallel.

도 5는 터치스크린 장치의 구성도이다. 터치스크린 장치는 크게 터치스크린 패널(100)과 구동모듈(200)로 구성된다. 구동모듈은 한 개 또는 여러 개 IC로 구성된다. 구동모듈은 전체 제어를 담당하는 제어부(210)와 터치스크린 패널의 신호전극에 전압 파형을 걸어주는 구동부(220) 그리고 터치스크린 패널의 신호전극에 축적된 전하량을 감지하는 감지부(230)와 감지신호를 처리하여 접촉되는 위치정보를 알아내는 신호처리부(240)로 구성된다. 신호처리부는 외부 시스템에서 그 기능을 수행할 수도 있다. 구동부에서 신호전극으로 전압이 인가될 때는 감지부와 신호전극이 전기적으로 단절이 되고, 신호를 감지하는 경우에는 구동부와 신호전극이 전기적으로 단절된다. 감지부는 감지전극을 순차로 선택하는 (n×1) 멀티플렉스(231)와 전하를 모아서 전압으로 바꾸어주는 적분회로(232)로 구성된다. 손가락 접촉에 의한 전하(Q)가 연산증폭기(OP Amp)에 연결된 CS에서 모인다. OP Amp에서 출력이 되는 전압(V0)은 아래 식과 같다. 5 is a configuration diagram of a touch screen device. The touch screen device is largely comprised of the touch screen panel 100 and the driving module 200. The drive module consists of one or several ICs. The driving module includes a control unit 210 in charge of overall control, a driving unit 220 for applying a voltage waveform to the signal electrode of the touch screen panel, and a sensing unit 230 for sensing the amount of charge accumulated in the signal electrode of the touch screen panel. It is composed of a signal processor 240 for processing the signal to find out the position information to be contacted. The signal processor may perform its function in an external system. When voltage is applied from the driver to the signal electrode, the sensing unit and the signal electrode are electrically disconnected, and when detecting a signal, the driver and the signal electrode are electrically disconnected. The sensing unit is composed of an (n × 1) multiplex 231 for sequentially selecting the sensing electrodes and an integrating circuit 232 for collecting charges and converting them into voltages. Charge Q by finger contact collects at C S connected to the operational amplifier OP Amp. The voltage outputted from OP Amp (V 0 ) is as below.

Figure pat00003
Figure pat00003

Rs(Reset switch)를 연결하면 CS에 축적된 전하가 방전되면서 초기화된다. 적분기와 출력전압 V0을 읽는 ADC(Analog Digital Convert)를 한 개만 두고, 신호전극을 하나씩 멀티플렉스(231)를 써서 번갈아가면서 읽는다. 출력전압을 디지털로 변환된 값을 DSP(Digital Signal Processing)에서 위치좌표로 계산된다. 신호처리부(240)는 도 5에서와 같이 구동모듈(200) 내부에 있을 수도 있고, 외부 시스템에서 둘 수도 있다.When Rs (Reset switch) is connected, the electric charge accumulated in C S is discharged and initialized. There is only one ADC (Analog Digital Convert) that reads the integrator and the output voltage V 0 , and the signal electrodes are read alternately using the multiplex 231 one by one. The digital value of the output voltage is calculated as position coordinates by DSP (Digital Signal Processing). The signal processor 240 may be inside the driving module 200 as shown in FIG. 5 or may be placed in an external system.

손가락이 신호전극에 접촉하면 손가락과 신호전극 사이의 정전용량(Ca)이 유도되고, 이 정전용량에는 신호선의 전압파형에 대응되는 전하(Q)가 유도된다. 또한 신호전극과 차폐전극 사이에도 정전용량(Cb)이 유도되고, 이 정전용량에는 신호선의 전압 파형에 대응되는 전하(Q')가 유도된다. 신호선에 유도되는 총 전하(Qall)는 아래 식과 같다.When a finger is in contact with the signal electrode a capacitance (C a) between the finger and the signal electrode is guided, the capacitance, and the charge (Q) corresponding to a voltage waveform of the signal line is derived. The capacitance C b is also induced between the signal electrode and the shielding electrode, and the charge Q 'corresponding to the voltage waveform of the signal line is induced in the capacitance. The total charge (Q all ) induced in the signal line is as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 7은 종래의 정전용량방식 터치스크린 장치에서 적용한 구동방법이다. 차폐전극은 접지되어 구동한다. 신호전극에는 모두 동시에 V(t) 파형을 걸어주고, 각각의 신호전극에 유도된 전하를 순차적으로 잰다. 모든 신호전극에 동시에 파형이 인가된다. 신호전극에 0V를 걸어서 신호전극에 축적된 전하를 모두 소거한다. 이어 신호전극에 전압 V를 걸어준다. VS신호에 동기 되어 첫 번째 신호전극에 유도된 전하량을 잰다. 먼저 OP Amp의 적분회로의 Reset 스위치를 작동시켜서 CS에 축적된 전하를 소거하고, 이어 첫 번째 신호전극 S(0)을 적분회로에 연결하여 전하를 전압으로 바꾸어 측정한다. 첫 번째 신호를 읽었으면, Reset 스위치를 작동시켜서 CS에 축적된 전하를 소거하고, 이어 두 번째 신호전극 S(1)을 적분회로에 연결하여 전하를 전압으로 바꾸어 측정한다. 이와 같은 과정을 마지막 신호전극 S(n)까지 실행한다. 다음 프레임에서는 신호전극을 차폐전극에 걸린 접지 전압으로 낮추고, 전 프레임에서 진행을 반복한다.
7 is a driving method applied to a conventional capacitive touch screen device. The shielding electrode is grounded and driven. The V (t) waveforms are applied to the signal electrodes at the same time, and the charges induced in the respective signal electrodes are sequentially measured. Waveforms are simultaneously applied to all signal electrodes. 0V is applied to the signal electrode to erase all the charge accumulated in the signal electrode. The voltage V is then applied to the signal electrode. The amount of charge induced in the first signal electrode is measured in synchronization with the VS signal. First, the reset switch of the integrating circuit of OP Amp is operated to erase the charge accumulated in C S , and then the first signal electrode S (0) is connected to the integrating circuit to measure the charge by changing the voltage. When the first signal has been read, the reset switch is operated to erase the charge accumulated in C S , and then the second signal electrode S (1) is connected to the integrating circuit and the charge is converted into a voltage. This process is performed up to the last signal electrode S (n). In the next frame, the signal electrode is lowered to the ground voltage applied to the shielding electrode, and the process is repeated in the previous frame.

손가락과 신호전극이 이루는 정전용량은 대략 1pF이고, 신호전극과 차폐전극 사이의 정전용량은 신호전극의 길이와 폭에 많이 의존한다. 휴대폰에 쓰이는 터치스크린 패널의 경우에 약 10pF 정도로 본다. 정전용량방식 터치스크린 장치에서 추출해야하는 물리량은 손가락의 접촉에 의한 정전용량이다. 정전용량의 크기는 전하량으로 전환되고, 전하량은 다시 전압으로 바꿔서 신호처리부의 ADC에서 출력된다. The capacitance between the finger and the signal electrode is approximately 1 pF, and the capacitance between the signal electrode and the shielding electrode is highly dependent on the length and width of the signal electrode. In the case of touch screen panels used in mobile phones, it is about 10pF. The physical quantity to be extracted in the capacitive touch screen device is the capacitance by the touch of a finger. The magnitude of the capacitance is converted into an amount of charge, and the amount of charge is converted into a voltage and output from the ADC of the signal processor.

도 8은 종래의 정전용량방식 터치스크린 장치의 검출전압 대비 전하량이다. 도 8에서 Q는 손가락의 접촉에 의한 전하량이고, Q'는 차폐전극과 신호전극 사이의 정전용량에서 유도된 값이다. 터치스크린 패널이 커질수록 신호성분인 Q의 비율이 줄어든다. 터치스크린 패널이 커질수록 검출되는 양에서 신호성분의 비가 줄어들기 때문에 검출력이 떨어진다. ADC가 8비트일 경우 상위 2-3비트는 차폐전극과 신호전극 사이에 축적되는 전하량에 해당되는 전압을 검출하므로 측정의 정밀도가 낮다.
8 is a charge amount compared to a detection voltage of a conventional capacitive touch screen device. In FIG. 8, Q is an amount of charge due to contact of a finger, and Q 'is a value derived from the capacitance between the shielding electrode and the signal electrode. The larger the touch screen panel, the smaller the ratio of Q, the signal component. The larger the touch screen panel, the lower the detection power because the ratio of signal components in the detected amount decreases. When the ADC has 8 bits, the upper 2-3 bits detect the voltage corresponding to the amount of charge accumulated between the shielding electrode and the signal electrode, so the measurement accuracy is low.

본 발명에서는 차폐전극에 신호전극과 같은 구동 파형을 걸어서, 두 전극 사이에 전압 차이가 없어, 신호전극과 차폐전극 사이에 전하가 축적되지 않게 하여 측정의 정밀도를 높였다.
In the present invention, a driving waveform such as a signal electrode is applied to the shielding electrode so that there is no voltage difference between the two electrodes, so that charges do not accumulate between the signal electrode and the shielding electrode, thereby increasing the accuracy of the measurement.

본 발명의 정전용량방식 터치스크린은 크기에 관계없이, 손가락의 접촉에 의한 정전용량을 정밀하게 잴 수 있다. 따라서 이 방법을 터치스크린 장치에 적용하면 측정의 정밀도를 높일 수 있다.
Regardless of the size, the capacitive touch screen of the present invention can accurately measure the capacitance by the touch of a finger. Therefore, applying this method to the touch screen device can increase the accuracy of the measurement.

도 1은 정전용량방식 터치스크린 패널의 단면도이다.
도 2는 신호전극의 평면도이다.
도 3은 차폐전극의 평면도이다.
도 4는 종래의 정전용량방식 터치스크린 패널의 등가회로도이다.
도 5는 정전용량방식 터치스크린 장치의 구성도이다.
도 6은 도 5의 감지부와 신호처리부의 구성도이다.
도 7은 종래의 정전용량방식 터치스크린 패널의 구동 파형이다.
도 8은 종래의 정전용량방식 터치스크린 패널의 검출전압 대비 전하량이다.
도 9는 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 등가회로도이다.
도 10은 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 구동 파형의 한 예이다.
도 11은 본 발명의 터치스크린 패널의 검출전압 대비 전하량이다.
도 12는 신호전극에 다중파형이 걸린 예이다.
도 13은 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 구동 파형의 한 예이다.1 is a cross-sectional view of a capacitive touch screen panel.
2 is a plan view of a signal electrode.
3 is a plan view of the shielding electrode.
4 is an equivalent circuit diagram of a conventional capacitive touch screen panel.
5 is a configuration diagram of a capacitive touch screen device.
FIG. 6 is a diagram illustrating a sensing unit and a signal processor of FIG. 5.
7 is a driving waveform of a conventional capacitive touch screen panel.
8 is a charge amount compared to a detection voltage of a conventional capacitive touch screen panel.
9 is an equivalent circuit diagram of a capacitive touch screen panel of the present invention.
10 is an example of a driving waveform of the capacitive touch screen panel of the present invention.
11 is a charge amount compared to a detection voltage of the touch screen panel of the present invention.
12 shows an example in which multiple waveforms are applied to a signal electrode.
13 is an example of a driving waveform of the capacitive touch screen panel of the present invention.

도 9는 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 등가회로도이다. 차폐전극과 신호전극에 동일한 파형 V(t)을 인가하였다. 차폐전극이 외부간섭 전자기파를 차단하려면, 출력저항을 낮게 설계한다. 도 9와 같은 등가회로에서는 차폐전극과 신호전극 사이의 정전용량에는 전하가 축적되지 않는다. 도 10은 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 패널의 구동 파형의 한 예이다. 차폐전극에 걸리는 전압 파형 S(t)는 신호전극에 걸리는 전압 파형 V(t)와 같다. 신호전극에는 모두 동시에 V(t) 파형을 걸어주고, 각각의 신호전극에 유도된 전하를 순차적으로 잰다. VS신호에 동기 되어 첫 번째 신호전극에 유도된 전하량을 잰다. 먼저 OP Amp의 적분회로의 Reset 스위치를 작동시켜서 CS에 축적된 전하를 소거하고, 이어 첫 번째 신호전극 S(0)을 적분회로에 연결하여 전하를 전압으로 바꾸어 측정한다. 첫 번째 신호를 읽었으면, Reset 스위치를 작동시켜서 CS에 축적된 전하를 소거하고, 이어 두 번째 신호전극 S(1)을 적분회로에 연결하여 전하를 전압으로 바꾸어 측정한다. 이와 같은 과정을 마지막 신호전극 S(n)까지 실행한다. 다음 프레임에서는 신호전극을 차폐전극에 걸린 접지 전압으로 낮추고, 전 프레임에서 진행을 반복한다. 9 is an equivalent circuit diagram of a capacitive touch screen panel of the present invention. The same waveform V (t) was applied to the shielding electrode and the signal electrode. If the shielding electrode blocks external interference electromagnetic waves, design the output resistance low. In the equivalent circuit of FIG. 9, no charge is accumulated in the capacitance between the shielding electrode and the signal electrode. 10 is an example of a driving waveform of the capacitive touch screen panel of the present invention. The voltage waveform S (t) across the shielding electrode is equal to the voltage waveform V (t) across the signal electrode. The V (t) waveforms are applied to the signal electrodes at the same time, and the charges induced in the respective signal electrodes are sequentially measured. The amount of charge induced in the first signal electrode is measured in synchronization with the VS signal. First, the reset switch of the integrating circuit of OP Amp is operated to erase the charge accumulated in C S , and then the first signal electrode S (0) is connected to the integrating circuit to measure the charge by changing the voltage. When the first signal has been read, the reset switch is operated to erase the charge accumulated in C S , and then the second signal electrode S (1) is connected to the integrating circuit and the charge is converted into a voltage. This process is performed up to the last signal electrode S (n). In the next frame, the signal electrode is lowered to the ground voltage applied to the shielding electrode, and the process is repeated in the previous frame.

도 11은 본 발명의 정전용량방식 터치스크린 장치의 검출전압 대비 전하량이다. 도 11에서 차폐전극과 신호전극 사이의 정전용량에서 유도된 전하는 없다. 따라서 터치스크린 패널이 크기에 관계없이 신호성분이 달라지지 않는다. 따라서 터치스크린 패널의 크기에 관계없이 검출력이 유지된다.11 is a charge amount of a detection voltage of the capacitive touch screen device of the present invention. In FIG. 11, no charge is induced in the capacitance between the shielding electrode and the signal electrode. Therefore, the signal component does not change regardless of the size of the touch screen panel. Therefore, the detection power is maintained regardless of the size of the touch screen panel.

신호전극에 여러 파형이 걸리는 경우에는 각각의 파형을 평균한 값을 차폐전극에 인가한다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.When several waveforms are applied to the signal electrode, the average value of each waveform is applied to the shielding electrode. This is expressed as an equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

도 12는 신호전극에 2개의 파형이 걸린 예이다. 도 13은 도 12와 같은 경우 터치스크린 패널의 구동 파형의 한 예이다. 도 13에서는 V(1,t) 파형과 V(2,t) 파형이 0V와 V전압이 엇갈려서 걸린다. 따라서 차폐전극에 걸어주는 전압은 V(1,t)와 V(2,t)의 평균전압인 V/2인 DC 전압이다.
12 shows an example in which two waveforms are applied to a signal electrode. FIG. 13 is an example of a driving waveform of a touch screen panel in the case of FIG. 12. In Fig. 13, the V (1, t) waveform and the V (2, t) waveform are caught with a cross of 0V and V voltage. Therefore, the voltage applied to the shielding electrode is a DC voltage of V / 2, which is an average voltage of V (1, t) and V (2, t).

100 : 정전용량방식 터치스크린 패널
110 : 기판 111 : 신호전극 112 : 차폐전극
120 : 유리커버
200 : 구동모듈
210 : 제어부 220 : 구동부 230 : 감지부 240 : 신호처리부
300 : 손가락(접촉물체)100: capacitive touch screen panel
110 substrate 111 signal electrode 112 shielding electrode
120: glass cover
200: drive module
210: controller 220: driver 230: detector 240: signal processor
300: finger (contact object)

Claims (3)

차폐전극(112)과 신호전극(111) 사이에 축적되는 전하를 줄이도록 차폐전극에 특정한 파형을 인가하는 것을 특징으로 하는 정전용량방식 터치스크린 장치.Capacitive touch screen device, characterized in that to apply a specific waveform to the shielding electrode to reduce the charge accumulated between the shielding electrode 112 and the signal electrode (111). 제1항에 있어서 차폐전극(112)에 신호전극(111)과 동일한 파형을 걸어주는 정전용량방식 터치스크린 장치The capacitive touch screen device of claim 1, wherein the same waveform as the signal electrode 111 is applied to the shielding electrode 112. 제1항에 있어서 신호전극(111)에 걸어준 전압 파형이 두 개 이상이고, 신호전극에 걸어준 평균 전압 파형이 차폐전극(112)에 걸린 것을 특징으로 하는 정전용량방식 터치스크린 장치.The capacitive touch screen device according to claim 1, wherein at least two voltage waveforms are applied to the signal electrode and the average voltage waveform is applied to the shielding electrode.
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