KR20110105045A - 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법 및 캘리브레이션이 적용된 터치스크린 장치 - Google Patents

Abstract

터치스크린 장치의 각 센싱 노드들이 동일한 적분 커패시턴스를 가지도록 하는 보상하는 방법 및 이를 적용한 터치스크린 장치가 제공된다. 터치패널의 동작 신호선과 감지 신호선에 전기적으로 연결되어 노드 커패시터의 충전 및 방전 동작을 복수의 충방전 횟수만큼 반복하며, 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터를 상기 충방전 횟수와 상기 노드 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 전압으로 충전하는 커패시턴스 측정회로를 포함하는 터치스크린 장치에 대하여, 상기 충방전 횟수의 최초 설정값인 디폴트 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 디폴트 적분 전압을 측정하고, 목표 적분 전압, 상기 디폴트 적분 전압, 및 상기 디폴트 충방전 횟수를 이용하여 목표 충방전 횟수를 결정한후, 상기 결정된 목표 충방전 횟수로 상기 메모리의 충방전 횟수를 대체하는 방법으로 캘리브레이션을 수행한다. 캘리브레이션에 의해 상기 터치패널에 포함된 모든 센싱 노드의 적분 커패시터 충전 전압은 소정의 오차 범위 내에서 균일해진다.

Description

커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법 및 캘리브레이션이 적용된 터치스크린 장치{calibration method for capacitance measurement circuit and touch screen device using the same}

본 발명은 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법 및 캘리브레이션이 적용된 터치스크린 장치에 관한 것으로서, 터치스크린 장치의 각 센싱 노드들이 동일한 적분 커패시턴스를 가지도록 하는 보상하는 방법 및 이를 적용한 터치스크린 장치에 관한 것이다.

디지털 기기의 입력 방식으로 터치스크린이 주목받고 있다. 터치스크린은 구동 방식에 따라 정전용량 방식(capacitive type)과 저항막 방식(registantive type)으로 구분된다. 정전용량 방식은 인듐과 산화 주석의 전도성 화합물인 Indium Tin Oxide(In2O3+SnO2)로 코팅된 투명전극과, 투명전극에 부착된 센서로 구성된다. 투명전극에 지속적으로 전류가 흐르는 상태에서 센서는 가로 및 세로 방향으로 정밀하게 전하의 변화를 측정한다. 사람의 신체는 전도성을 띠므로 손가락이 터치 패널에 다가가거나 닿게 되면 투명전극에 흐르던 전자가 신체로 이동하게 되고, 센서는 이러한 전자의 변화를 감지하여 터치 좌표를 측정한다.

정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 터치 패널의 두께를 1mm 가량 더 줄일 수 있고 터치 패드의 내구성이 향상되며 외부압력에 의해 오작동할 우려가 적으며, 두 개의 손가락으로 이미지를 자유롭게 확대하거나 축소하는 멀티터치가 가능하다.

정전용량 방식은 위와 같은 장점들에도 불구하고 다음과 같은 문제를 안고 있다. 즉, 정전용량 방식의 터치스크린 장치는 그 터치 패널의 전압 인가점에서 멀리 떨어질수록 라인 저항 등의 요소에 의해 전압이 작아지므로 터치 패널에 포함된 복수의 노드 커패시터들에 대한 전하량 역시 전압 인가점에서 멀어질수록 작아지는 경향이 있다. 아울러, 터치 패널은 동일한 스펙의 노드 커패시터들로 이루어지지만 각 노드 커패시터마다 물리적 특성이나 제작 조건은 서로 상이하므로 각 노드 커패시터의 실제 커패시턴스는 모두 일정 오차 범위 내에서 서로 다른 값을 가진다.

이와 같은 라인 저항의 영향과 실제 커패시턴스의 차이로 인해 터치스크린 장치의 터치 감도는 터치 지점마다 일정하지 않으며, 특히 터치 패널의 전압 인가변에서 그 반대변으로 갈수록 터치 감도의 차이는 점차 커지는 경향이 있다. 이와 같은 터치 감도의 불균형으로 인해 터치 인식이 부정확해지고 오동작의 가능성이 상존한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 터치 패널의 모든 지점에 대해 동일한 터치 감도를 유지할 수 있도록 하는 캘리브레이션 방법과 캘리브레이션이 적용된 터치스크린 장치를 제공하는 것이다.

위의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 복수의 동작 신호선, 상기 복수의 동작 신호선에 절연되어 형성되는 복수의 감지 신호선, 및 복수의 노드 커패시터-상기 노드 커패시터는 각각 대응하는 동작 신호선과 대응하는 감지 신호선에 의해 형성됨-를 포함하는 터치패널과, 상기 동작 신호선과 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되어 상기 노드 커패시터의 충전 및 방전 동작을 메모리에 저장된 충방전 횟수만큼 반복하며, 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터를 상기 충방전 횟수와 상기 노드 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 전압으로 충전하는 커패시턴스 측정회로, 및 상기 커패시턴스 측정회로에 의해 측정된 상기 적분 커패시터의 충전 전압을 분석하여 사용자가 입력한 터치 지점을 감지하는 터치 판별부를 포함하는 터치스크린 장치에 대하여, 상기 충방전 횟수의 최초 설정값인 디폴트 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 디폴트 적분 전압을 측정하는 단계;와, 목표 적분 전압, 상기 디폴트 적분 전압, 및 상기 디폴트 충방전 횟수를 이용하여 목표 충방전 횟수를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 목표 충방전 횟수로 상기 메모리의 충방전 횟수를 대체하는 단계를 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

또한, 위의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는, 제1 커패시터의 일단 및 타단에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 커패시터의 충전 및 방전 동작을 복수 회 반복하는 충방전회로, 및 상기 제1 커패시터의 타단에 전기적으로 연결되는 제2 커패시터를 포함하며, 충전 및 방전 동작구간마다 상기 제2 커패시터를 단위 충전 전압으로 충전하여 상기 제1 커패시터의 충방전 횟수에 따라 누적되는 제1 전압으로 상기 제1 커패시터를 충전하도록 하는 적분회로를 포함하는 커패시턴스 측정회로에 대하여, 상기 충방전 횟수의 최초 설정값인 디폴트 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 디폴트 적분 전압을 측정하는 단계;와, 목표 적분 전압, 상기 디폴트 적분 전압, 및 상기 디폴트 충방전 횟수를 이용하여 목표 충방전 횟수를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 목표 충방전 횟수로 상기 메모리의 충방전 횟수를 대체하는 단계를 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

또한, 위의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는, 동작 신호선, 상기 동작 신호선에 절연되어 형성되는 감지 신호선 및 노드 커패시터-상기 노드 커패시터는 각각 대응하는 동작 신호선과 대응하는 감지 신호선에 의해 형성됨-로 이루어진 센싱 노드를 복수 개 포함하는 터치패널;과, 상기 동작 신호선과 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되어 상기 노드 커패시터의 충전 및 방전 동작을 미리 설정된 목표 충방전 횟수만큼 반복하며, 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터를 상기 목표 충방전 횟수와 상기 노드 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 전압으로 충전하는 커패시턴스 측정회로; 및 상기 커패시턴스 측정회로에 의해 측정된 상기 적분 커패시터의 충전 전압을 분석하여 사용자가 입력한 터치 지점을 감지하는 터치 판별부를 포함하며, 상기 목표 충방전 횟수는, 상기 적분 커패시터의 충전 전압이 상기 터치패널에 포함된 모든 센싱 노드에 대해 소정의 오차 범위 내에서 균일해지도록 각 센싱 노드마다 개별적으로 설정되는 터치스크린 장치에 관한 것이다.

이상의 실시예들에 있어서, 상기 목표 충방전 횟수는, 상기 적분 커패시터의 목표 적분 전압과, 상기 목표 충방전 횟수의 최초 설정값인 디폴트 충방전 횟수만큼 충방전을 수행한 결과값인 디폴트 적분 전압, 및 상기 디폴트 충방전 횟수를 이용하여 결정되며, 구체적으로는 상기 목표 적분 전압과 상기 디폴트 적분 전압의 비례(比)에 상기 디폴트 충방전 횟수를 곱함으로써 결정된다. 상기 디폴트 충방전 횟수는 반올림 등을 통해 정수화되는 것이 바람직하다.

또한 이상의 실시예들에 있어서, 상기 목표 적분 전압은, 상기 디폴트 적분 전압 중 최대값 또는 최대값에 소정의 오프셋을 더한 값으로 결정된다.

또한 이상의 실시예들에 있어서, 상기 디폴트 충방전 횟수, 상기 목표 충방전 횟수 및 상기 동작 신호선에 입력되는 동작 신호의 디폴트 주파수를 이용하여 상기 동작 신호의 목표 주파수를 결정할 수 있으며, 구체적으로 상기 목표 주파수는 상기 목표 충방전 횟수와 상기 디폴트 충방전 횟수의 비례(比)에 상기 디폴트 주파수를 곱함으로써 결정된다.

한편, 위의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는, 제1 커패시터의 일단 및 타단에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 커패시터의 충전 및 방전 동작을 복수 회 반복하는 충방전회로, 및 상기 제1 커패시터의 타단에 전기적으로 연결되는 제2 커패시터를 포함하며, 충전 및 방전 동작구간마다 상기 제2 커패시터를 단위 충전 전압으로 충전하여 상기 제1 커패시터의 충방전 횟수에 따라 누적되는 제1 전압으로 상기 제1 커패시터를 충전하도록 하는 적분회로를 포함하는 커패시턴스 측정회로에 대하여, 상기 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 디폴트 적분 전압을 측정하는 단계; 및 상기 디폴트 적분 전압이 목표 적분 전압에 가까워지도록 디폴트 주파수를 조정하는 단계를 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

또한, 위의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는, 동작 신호선, 상기 동작 신호선에 절연되어 형성되는 감지 신호선 및 노드 커패시터-상기 노드 커패시터는 각각 대응하는 동작 신호선과 대응하는 감지 신호선에 의해 형성됨-로 이루어진 센싱 노드를 복수 개 포함하는 터치패널; 상기 동작 신호선과 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되어 상기 노드 커패시터의 충전 및 방전 동작을 미리 설정된 충방전 횟수만큼 반복하며, 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터를 상기 충방전 횟수와 상기 노드 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 전압으로 충전하는 커패시턴스 측정회로; 및 상기 커패시턴스 측정회로에 의해 측정된 상기 적분 커패시터의 충전 전압을 분석하여 사용자가 입력한 터치 지점을 감지하는 터치 판별부를 포함하며, 상기 동작 신호선에 인가되는 입력 신호의 주파수는, 상기 적분 커패시터의 충전 전압이 상기 터치패널에 포함된 모든 센싱 노드에 대해 소정의 오차 범위 내에서 균일해지는 주파수로 설정되는 터치스크린 장치에 관한 것이다.

마지막 2개의 실시예에 있어서, 상기 주파수는, 상기 커패시턴스 측정회로에 상기 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 측정한 디폴트 적분 전압이 목표 적분 전압에 가까워지도록 상기 동작 신호선에 인가되는 입력 신호의 최초 주파수를 조정하여 결정되며, 구체적으로, 상기 커패시턴스 측정회로의 디폴트 적분 전압이 상기 목표 적분 전압에 소정의 오차 범위 내로 동일해질 때까지 상기 주파수의 조정을 반복함으로써 결정된다.

본 발명의 실시예들에 따른 터치스크린 장치는 터치 패널의 모든 센싱 노드들에 대해 균일한 적분 커패시턴스를 제공하므로 터치 감도의 선형화로 인해 정확한 터치가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 커패시턴스 측정회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 커패시턴스 측정회로를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시턴스 측정회로의 동작관계를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 13은 처리 전 센싱 노드에서 적분 전압 Vy의 변화를 도시한 것이다.
도 9a 및 도 9b는 처리 전 센싱 노드들의 측정 결과를 시뮬레이션한 것이다.
도 10은 실시예 1의 캘리브레이션을 위한 목표 충방전 횟수의 산출 원리를 도시하는 그래프이다.
도 11은 캘리브레이션의 수행 단계를 도시한 순서도이다.
도 12, 도 14 내지 도 16은 실시예별로 캘리브레이션이 수행된 이후의 커패시턴스 측정 회로의 동작을 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 캘리브레이션 후의 센싱 노드들의 측정 결과를 시뮬레이션한 것이다.
도 18 및 도 19는 캘리브레이션이 수행된 이후의 다른 실시예에 의한 커패시턴스 측정 회로의 동작을 도시한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 이하에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

명세서 전체에서, "터치스크린 장치(touch screen device)"라 함은 입력 수단으로 터치 패널을 채택한 전자 기기를 통칭하는 것으로서, 터치 방식의 셀룰러 폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), PDA(personal digital assistant), PMP(personal multimedia player), 네비게이션(car navigation), 키오스크(kiosk), 가전 기기(home electronic instrument like TV, refrigerator etc.), 컴퓨터(computer like tablet pc) 등을 가리킨다.

캘리브레이션이 적용될 터치스크린 장치

도 1은 본 발명의 캘리브레이션이 적용되는 터치스크린 장치의 일례를 도시한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따른 터치스크린 장치는 터치 패널(100), 커패시턴스 측정회로(200) 및 터치 판별부(300)를 포함한다.

터치 패널(100)은 서로 절연되어 형성되는 복수의 동작 신호선(X1, X2, X3,..Xn)과 복수의 감지 신호선(Y1, Y2, Y3,...Yn)을 포함한다.

터치 지점을 나타내는 센싱 노드(110)는 하나의 감지 신호선과 하나의 동작 신호선에 의해 정의되며, 각 센싱노드(110)는 노드 커패시터(112)를 포함한다. 노드 커패시터(112)는 서로 절연되어 분리되는 동작 신호선과 감지 신호선에 의해 형성된다. 도 1에서는 i번째 동작 신호선과 j번째 감지 신호선에 의해 형성되는 노드 커패시터(112)의 커패시턴스를 Cij로 표기한다.

커패시턴스 측정회로(200)는 다수의 동작 신호선(X1, X2, X3,..Xn)과 다수의 감지 신호선(Y1, Y2, Y3,...Yn)에 전기적으로 연결되어, 각 노드 커패시터(112)의 커패시턴스(Cij)를 측정한다.

터치 판별부(300)는 커패시턴스 측정회로(200)에 의해 측정된 각 노드 커패시터의 커패시턴스에 기초하여, 커패시턴스의 변화량을 분석하여 사용자가 입력한 터치 지점을 감지한다.

이하, 커패시턴스 측정회로(200)에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시턴스 측정회로를 나타내는 도면이다. 도 2의 예에서, 커패시턴스 측정회로(200)는 충방전회로(220)와 적분회로(260)를 포함한다.

충방전회로(220)는 노드 커패시터(112)의 일단인 동작 신호선(Xi)과 노드 커패시터(112)의 타단인 감지 신호선(Yj)에 전기적으로 연결되며, 노드 커패시터(112)를 전원전압(VDD)으로 충전시키고 접지전압(GND)으로 방전시키기 위한 회로이다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 충방전회로(200)는 충전 및 방전 동작을 복수 회(N회)만큼 반복한다. 이하에서는 충전 및 방전 동작을 반복하는 횟수를 "충방전 횟수"라 칭한다.

적분회로(260)는 노드 커패시터(112)의 타단인 감지 신호선(Yj)에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 적분 커패시터의 양 단에는 커패시턴스(Cij)와 충방전 횟수의 곱에 비례하는 전압이 충전된다. 즉, 기준커패시터의 양 단에는 매 충방전 동작마다 단위 충전 전압이 충전되며, 충방전 횟수가 N회 반복되면 단위 충전 전압이 N회만큼 누적(적분)된 전압이 충전된다. 이때, 단위 충전 전압은 후술하는 바와 같이 노드 커패시터의 커패시턴스(Cij)에 비례한다.

터치 판별부(300)는 적분회로(260)의 적분 커패시터의 양단에 충전된 전압을 분석하여, 사용자가 입력한 터치 지점을 감지한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 손가락 등의 물체가 터치스크린에 접촉 또는 접근하는 경우 노드 커패시터(112)의 커패시턴스(Cij)가 변하고 이에 따라 적분회로(260)의 적분 커패시터의 양단에 충전된 전압 또한 변하기 때문에, 터치 판별부(300)는 적분 커패시터의 양단에 충전된 전압의 변화가 있는 센싱 노드를 감지하여 사용자가 입력한 터치 지점을 확인할 수 있다.

캘리브레이션의 요구 배경

이하, 전술한 커패시턴스 측정회로의 구체적인 동작을 살펴보고 그에 비추어 본 발명의 캘리브레이션이 요구되는 이유를 설명한다.

도 3은 커패시턴스 측정회로(200)에 대한 상세 회로도의 일례를 도시한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 충방전부(220)는 전원전압(VDD)이 인가되는 전원입력부(221), 전원입력 스위치(S1), 제1 접지스위치(S2) 및 제2 접지스위치(S3)를 포함한다.

전원입력 스위치(S1)는 전원 입력부(221)와 노드 커패시터(112)의 일단(즉, 동작 신호선) 사이에 전기적으로 연결되며, 제1 접지 스위치(S2)는 노드 커패시터(112)의 일단(즉, 동작 신호선)과 접지 사이에 전기적으로 연결된다.

제2 접지 스위치(S3)는 커패시터(112)의 타단(즉, 감지 신호선)과 접지 사이에 전기적으로 연결된다.

적분회로(260)는 적분 커패시터(262), 증폭기(264), 출력 단락 스위치(S4) 및 리셋 스위치(S5)를 포함한다.

증폭기(264)는 차동 증폭기(differential amplifier)이며, 반전단자는 노드 커패시터(112)의 타단에 연결되고 비반전단자는 접지된다.

적분 커패시터(262)는 노드 커패시터(112)의 타단 (즉, 연산증폭기의 반전단자)과 연산증폭기(264)의 출력단자 사이에 전기적으로 연결된다. 즉, 적분 커패시터(262)는 연산증폭기(264)의 출력을 연산증폭기(264)의 입력으로 부궤한(negative feedback)시키는 역할을 수행한다.

출력 단락 스위치(S4)는 적분 커패시터(262)와 연산증폭기(264)의 출력 사이에 연결되어, 적분 커패시터(262)가 연산증폭기(264)에 부궤한으로 연결 또는 차단되도록 한다. 도 3에서는 출력 단락 스위치(S4)가 적분 커패시터(262)와 연산증폭기(264)의 출력 사이에 연결되는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 출력 단락 스위치(S4)가 적분 커패시터(262)와 연산증폭기(264)의 입력 사이에 연결되도록 설계할 수도 있다.

리셋스위치(S5)는 연산증폭기(264)의 출력측과 연산증폭기(264)의 비반전단자 사이에 연결되며, 상기 적분 커패시터(262)에 충전된 전압을 방전시켜 초기화하는 역할을 한다.

다음은 도 4 내지 도 7을 참조하여, 커패시턴스 측정회로의 충방전 동작을 설명한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 충방전 동작은 소정의 횟수만큼 반복된다.

노드 커패시터(112)의 충전 동작을 설명하면, 도 4에 도시한 바와 같이 전원입력 스위치(S1)와 출력접지 스위치(S3)가 온 되고, 입력접지 스위치(S2)와 출력단락 스위치(S4)가 오프 된다. 이 경우, 도 7에 도시한 바와 같이 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)에는 VDD 전압만큼 충전된다.

그리고나서, 노드 커패시터(112)의 방전 동작이 수행되는데, 도 5에 도시한 바와 같이 전원입력 스위치(S1)와 출력접지 스위치(S3)가 오프 되고, 입력접지 스위치(S2)와 출력단락 스위치(S4)가 온 된다. 이 경우, 도 7에 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)은 접지 전위까지 방전되며, 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 단위 충전 전압(Vd)만큼 충전된다.

이때, 단위 충전 전압(Vd)은 다음의 수학식 1에 의해 결정된다.

(여기서, Vd는 단위충전전압, Cij는 노드 커패시터의 커패시턴스, Cref은 적분 커패시터의 커패시턴스, VDD는 전원전압)

수학식 1을 통해 알 수 있듯이, 노드 커패시터(112)의 방전 동작시, 적분 커패시터에는 노드 커패시터의 커패시턴스에 비례하는 단위 충전 전압(Vd)이 충전된다.

다음으로, 2회째의 충방전 동작이 시작된다.

2회째의 충전 동작의 스위치의 동작은 도 4와 동일하며, 이 경우에는 도 7에 도시한 바와 같이 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)에는 VDD 전압이 충전되며, 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 단위 충전 전압(Vd)로 유지된다.

이후 2회째의 방전 동작이 시작되는데, 2회째의 방전 동작의 스위치의 동작은 도 5와 동일하다. 이 경우에는 도 7에 도시한 바와 같이 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)은 접지 전위까지 방전되며, 적분 커패시터(262)에는 단위충전전압(Vd)이 추가로 충전되어, 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 결국 2Vd로 충전된다.

이와 같은 충방전회로(220)의 충방전 동작은 N회 반복되며, 이 경우 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 N*Vd에 해당하는 전압으로 충전된다. 즉, 적분 커패시터(262)의 양단에는 매 충방전 동작시마다 단위충전전압(Vd) 만큼 추가로 충전되어, 누적해서 N*Vd에 해당하는 전압으로 충전된다.

충방전 동작의 반복횟수가 지정한 횟수(도 7에서는 3회)를 초과한 경우에는, 적분 커패시터(262)에 충전된 전압을 방전시켜 초기화한다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이 리셋 스위치(S5)와 출력 단락 스위치(S4)를 온으로 하여, 적분 커패시터(262)에 충전된 전압(3*VDD)을 방전시켜 적분 커패시터의 양단의 전압을 0으로 한다.

이론적으로 터치 패널의 모든 센싱 노드에 대해 N회의 충방전이 수행될 때 도 7의 신호 패턴으로 동작 신호 S1, S2, S3, S4, S5, Vx가 입력되면 그에 따라 Vy의 적분 전압 신호가 모든 센싱 노드에 대하여 동일하게 발생하여야 함에도 실제로는 여러 가지 원인에 의해 Vy의 적분 전압 신호가 각 센싱 노드마다 불규칙하게 발생한다.

즉, 도 1의 터치스크린 장치에서, 동작 신호선(X1, X2, X3,..Xn)에 전압이 인가될 때, 그 전압 인가점에서 각 노드 커패시터(112)까지 떨어진 거리는 모두 서로 상이함을 알 수 있다. 전하량(Q)은 커패시턴스(C)와 전압(V)의 곱으로 산출되는바(Q=C*V), 전압의 인가점에서 멀리 떨어질수록 라인 저항 등의 요소에 의해 전압(V)이 작아지므로 각 노드 커패시터(112)의 전하량(Q) 역시 전압의 인가점에서 멀어질수록 작아지는 경향이 있다. 아울러, 모든 센싱 노드에 동일한 스펙의 노드 커패시터(112)를 채택한다 하더라도 노드 커패시터(112)마다 물리적 특성이나 제작 조건은 서로 상이하므로 실제의 커패시턴스(C)는 모두 미세하지만 서로 다른 값을 가진다. 이와 같은 라인 저항의 영향과 실제 커패시턴스의 차이로 인해 센싱 노드들 간에 N회의 충방전에 따른 Vy의 최종 충전량이 서로 달라진다. 이를 도 8을 참고로 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 캘리브레이션이 수행되기 이전의 터치스크린 장치에서, 전압 인가점에서 멀리 떨어져 있는 센싱 노드 및/또는 실제 커패시턴스가 스펙보다 작은 노드 커패시터를 포함하는 센싱 노드를 '처리 전 센싱 노드'라 부르기로 한다.

도 8은 처리 전 센싱 노드에서 적분 전압 Vy2의 변화를 도 7의 이론적인 Vy1의 변화와 비교하기 위해 함께 도시한 것이다.

도 8의 예에서 충방전 반복 횟수 N은 3회라 가정한다.

먼저, 도 7에서 설명한 바와 같이 이론적으로 목표하는 Vy1의 변화는, 1회차 충방전(N=1)에서 Vy1=Vd이고, 2회차 충방전(N=2)에서 Vy1=2Vd, 3회차 충방전(N=3)에서 Vy1=3Vd이다. Vy1의 변화는 도 8에서 실선으로 표시된다.

이에 비해 처리 전 센싱 노드에서의 Vy2 변화를 살펴보면, 1회차 충방전(N=1)에서 Vy2=Vd-α이고, 2회차 충방전(N=2)에서 Vy=2Vd-2α, 3회차 충방전(N=3)에서 Vy=3Vd-3α이다. Vy2 변화는 도 8에서 점선으로 표시된다.

도 8에서 보듯, N회의 충방전이 이루어진 후 Vy1과 Vy2 간에는 3α의 커패시턴스 차이가 발생함을 알 수 있다. 따라서 Vy1의 값을 가지는 센싱 노드와 Vy2의 값을 가지는 센싱 노드가 동일한 터치스크린 장치에 존재할 때 두 센싱 노드 간에는 3α의 차이에 비례하는 터치 감도의 차이가 발생하게 된다. 이를 터치 패널 전체로 확대하여 해석하면 터치스크린 장치의 터치 감도의 분포가 균일하지 못한 것으로 볼 수 있으며, 특히 전압 인가변에서 그 반대변으로 갈수록 터치 감도의 차이는 점차 커지게 된다. 이와 같은 터치 감도의 불균형으로 인해 터치 인식이 부정확해지고 오동작의 가능성도 높아진다.

참고로, 도 9a는 처리 전 센싱 노드들의 적분 커패시터에 누적되는 전하량의 분포를 3차원으로 시뮬레이션한 것이고, 도 9b는 처리 전 센싱 노드들의 적분 커패시터에 충전되는 적분 전압의 분포를 2차원으로 시뮬레이션한 것이다.

도 9a는 동작 신호선(X1, X2, X3,..Xn)의 왼편으로 전원 전압이 공급되는 경우의 누적 전하량의 분포를 특히 도시한다. 도 9a에서, 전체적으로 보면 그래프의 좌측으로 갈수록 센싱 노드의 누적 전하량이 많아지고 그래프의 우측으로 갈수록 센싱 노드의 누적 전하량이 적어짐을 확인할 수 있다. 다만 전술한 바와 같이 각 센싱 노드마다 노드 커패시터의 실제 커패시턴스(C)가 여러 가지 이유로 서로 상이하므로 도 9a의 누적 전하량 분포에서 국부적으로 불규칙하게 상승하는 지점들도 존재한다.

또한 도 9b에서, 터치 패널에 충방전이 이루어질 때마다 적분 커패시터에 충전되는 전하량이 각 센싱 노드마다 불규칙한 것을 볼 수 있다.

본 발명은 도 1 내지 도 7의 실시예에 따른 터치스크린 장치가 터치 패널의 전체에 걸쳐 고른 터치 감도를 유지하도록 다음과 같은 소정의 캘리브레이션 과정을 거칠 것을 제안한다.

캘리브레이션의 실시예 1

실시예 1의 캘리브레이션은 터치스크린 장치를 구성하는 센싱 노드들 각각에 대해 최적의 목표 충방전 횟수를 산출하여 적용함으로써 모든 센싱 노드에 대해 균일한 수준의 적분 전압이 유지되도록 한다.

도 10은 실시예 1의 캘리브레이션을 위한 목표 충방전 횟수의 산출 원리를 도시하는 그래프이다.

도 10은 임의의 센싱 노드에 대한 적분 커패시터의 충전 패턴을 도시하고 있으며, Vd는 캘리브레이션 후의 목표 적분 전압을 나타내고, Vo_{i ,j}는 (i, j) 좌표의 센싱 노드에 대한 캘리브레이션 전의 디폴트 적분 전압을 나타낸다. 또한 Nd_i,j는 (i, j) 좌표의 센싱 노드를 목표 적분 전압에 이르게 하는 목표 충방전 횟수를 나타내고, No는 디폴트 충방전 횟수를 나타낸다.

도 10의 그래프에 의하면, 캘리브레이션이 수행되기 이전에는 No번의 충방전에 의해 Vo_{i ,j}의 충전 전압이 적분되지만 목표로 하는 충전 전압인 Vd에 못미치므로 추가적인 충방전이 이루어져야 함을 알 수 있다. 여기서, 목표하는 충방전 횟수 Nd_{i ,j}는 다음의 수학식 2와 같이 구할 수 있다.

구체적인 예로, (i, j) 좌표의 센싱 노드에 있어서 목표 적분 전압 Vd가 100 V이고, 디폴트 적분 전압 Vo_{i ,j}는 50 V이며, 디폴트 적분 전압에 이르게 하는 디폴트 충방전 횟수 No는 2라고 가정한다. 이와 같은 예에서, 상기 센싱 노드는 2번의 충방전에 의해 50 V로 충전되지만 타 센싱 노드들과 균일한 충전 전압을 유지하기 위한 목표 충전 전압은 100 V이므로 2번의 충방전을 더 수행하는 캘리브레이션을 수행하여야 한다. 따라서 캘리브레이션을 위한 목표 충방전 횟수 Nd_{i ,j}는 (100V / 50V) * 2회 = 4회로 결정된다.

한편, 목표 충방전 횟수 Nd_{i ,j}는 정수의 값을 가져야 하므로 수학식 2의 결과값이 소수점 이하의 자리를 가질 경우 반올림 또는 미리 정해진 규칙의 올림을 통해 정수화하는 과정이 더 추가될 수 있다.

수학식 2에서 디폴트 충방전 횟수(No)를 제외한 나머지 즉, 목표 적분 전압(Vd), 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j}) 및 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})는 시험에 의해 측정되거나 수학식 2를 통해 결정되어야 하는 변수들이므로, 다음의 과정들을 통해 상기 변수들을 확정하는 캘리브레이션을 수행한다.

도 11은 실시예 1의 캘리브레이션 수행 방법을 도시한 순서도이다.

1) 목표 적분 전압(Vd)의 결정 : 모든 센싱 노드에 대해 최초 1회의 충전 적분을 수행한 결과(디폴트 충방전 횟수만큼 충방전하여 적분 커패시터를 충전한 결과)를 측정하고(S101), 그 중에서 최대 적분 전압치 또는 최대 적분 전압치에 소정의 오프셋값을 더한 값을 목표 적분 전압(Vd)으로 결정한다(S102). 이 경우 목표 적분 전압(Vd)은 수학식 2에서 변수로 대입된다. 선택적으로는, 충분히 많은 터치 패널들에 대해 측정한 테스트값을 참고하여 목표 적분 전압(Vd)을 미리 결정하고, 이를 수학식 2에 상수로 대입할 수도 있다.

2) 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})의 측정 : 모든 센싱 노드에 대해 최초 1회의 충전 적분을 수행한 결과를 측정하여 메모리의 미리 할당된 영역에 저장한다(S103). 디폴트 적분 전압을 저장하는 메모리 영역을 적분 전압 매트릭스라 부른다.

3) 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})의 결정 : 메모리의 또 다른 영역에는 각 센싱 노드들에 대한 충방전 횟수를 지정하는 충방전 횟수 매트릭스가 저장된다. 초기의 충방전 횟수 매트릭스는 모두 동일한 값의 디폴트 충방전 횟수가 지정되어 있다. 상기 디폴트 충방전 횟수(No)와, 상기 결정된 목표 적분 전압(Vd)과, 상기 측정된 센싱 노드별 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})을 수학식 2에 대입하여 센싱 노드별로 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})를 산출하고(S104), 산출된 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})로 상기 충방전 횟수 매트릭스를 갱신한다(S105).

S101 ~ S105의 캘리브레이션이 수행된 이후에 커패시턴스 측정 회로는 도 12와 같이 동작한다. 도 12에 의하면, 커패시턴스 측정 회로는 적은 횟수의 충방전으로 목표 적분 전압에 먼저 다다른 센싱 노드들이 최대 충방전 횟수의 센싱 노드가 목표 적분 전압에 다다를 때까지 리셋을 기다리는 방식으로 동작한다.

즉, 도 12에서, 상단은 최대 충방전 횟수보다 적은 횟수로 충방전하는 센싱 노드(이하 '제1 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이고, 하단은 최대 충방전 횟수의 센싱 노드(이하 '제2 센싱 노드라 한다)의 동작을 도시한 것이다.

도 12에서 보듯, 제1 센싱 노드는 3번의 충방전으로 목표 적분 전압 3Vd에 다다른 후 제2 센싱 노드가 목표 적분 전압에 다다를 때까지 3Vd를 유지하면서 리셋을 기다린다. 제2 센싱 노드는 3번의 충방전으로 3Vd-β에 도달할 뿐이고 1번의 충방전을 더 하고 나서야 목표 적분 전압 3Vd에 도달한다. 따라서 제1 센싱 노드 및 제2 센싱 노드는 4번의 충방전이 이루어진 후 비로소 리셋이 이루어진다.

캘리브레이션의 실시예 2

실시예 2의 캘리브레이션은 터치스크린 장치를 구성하는 센싱 노드들에 대한 입력 신호의 주파수를 보상함으로써 모든 센싱 노드에 대해 균일한 수준의 적분 전압이 유지되도록 한다.

도 13은 실시예 2의 캘리브레이션이 요구되는 배경을 설명하기 위한 적분 전압의 신호 파형도이다.

도 13은 도 8의 적분 전압의 신호 파형을 보다 상세히 도시한 것으로서, 실제의 신호는 정확하게 직각으로 상승 또는 하강하지 않고 해당 센싱 노드에 형성되는 시정수(τ)의 특성에 따라 포물선 형태로 상승하거나 하강한다.

터치 패널의 전압 인가점 또는 그에 근접한 센싱 노드(이를 '제3 센싱 노드'라 한다)는 전압 인가점에서 멀리 떨어진 센싱 노드(이를 '제4 센싱 노드'라 한다)나 전압 인가점에서 가장 멀리 떨어진 센싱 노드(이를 '제5 센싱 노드'라 한다)에 비해 라인 저항이 상대적으로 작으므로, τ(시정수)=R(라인 저항)*C(센싱 노드의 노드 커패시턴스)의 원리에 의하면 제3 센싱 노드의 시정수(τ_a)는 제4 센싱 노드의 시정수(τ_b)나 제5 센싱 노드의 시정수(τ_c)보다 작다.

이를 도 13에서 확인해보면, 제3 센싱 노드의 적분 전압은 작은 시정수(τ_a)로 인해 검은 실선과 같이 가파르게 상승하여 Vd, 2Vd 및 3Vd에 빠른 시간 안에 이르는 것을 볼 수 있다.

또한 제4 센싱 노드의 적분 전압은 제3 센싱 노드보다 크고 제5 센싱 노드보다는 작은 시정수(τ_b)로 인해 파란 실선과 같이 다소 완만하게 상승하는 것을 볼 수 있다. 다만 제4 센싱 노드의 적분 전압은 커패시턴스 측정 회로의 디폴트 주기(To) 내에 Vd 및 2Vd에 이르지만, 노드 커패시터의 3번째 방전에 따른 반 주기(To/2) 내에는 3Vd에 이르지 못하고 3Vd-δ로 충전된다.

또한 제5 센싱 노드의 적분 전압은 제일 작은 시정수(τ_c)로 인해 빨간 실선과 같이 가장 완만하게 상승하며, 커패시턴스 측정 회로의 디폴트 주기(To) 내에 Vd, 2Vd 및 3Vd에 이르지 못하고 각각 3Vd-α, 3Vd-2α 및 3Vd-3α로 충전된다.

이와 같이, 전압 인가점에서 멀어질수록 라인 저항의 증가로 인해 최종 적분 전압이 서로 달라지는바, 라인 저항에 따른 시정수의 차이에도 불구하고 센싱 노드들이 목표 적분 전압에 도달할 수 있는 충분한 시간적 여유를 부여하는 캘리브레이션이 요구된다.

이를 위해 실시예 2의 캘리브레이션은 터치 패널의 모든 센싱 노드들이 소정의 오차 범위 내에서 목표 적분 전압에 이를 수 있도록 각 센싱 노드에 대한 목표 주파수(또는 주기)를 적절히 결정하고, 결정된 목표 주파수들로 메모리의 주파수 매트릭스를 갱신한다.

실시예 2의 캘리브레이션 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 2의 캘리브레이션은 실시예 1의 목표 적분 전압(Vd)의 결정 단계 및 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})의 측정 단계를 동일하게 수행하고, 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})이 목표 적분 전압(Vd)에 가까워지도록 디폴트 주파수(fo)를 조정하여 가 목표 주파수(f'd)를 결정한다. 그리고 가 목표 주파수(f'd)의 신호를 인가하여 가 적분 전압(V'o_{i ,j})을 측정하고, 가 적분 전압(V'o_{i ,j})이 목표 적분 전압(Vd)에 도달하지 못한 것으로 확인되면 다시 가 목표 주파수(f'd)를 조정하여 새로운 가 목표 주파수(f''d)를 결정한다. 이와 같은 반복적인(iterative) 조정 및 측정 단계를 복수 번 수행함으로써 목표 적분 전압(Vd)에 이르게 하는 목표 주파수(fd)를 최종적으로 결정할 수 있다. 여기서, 디폴트 주파수(fd) 또는 가 목표 주파수(f'd, f''d 등)의 조정은 미리 설정된 주파수 옵셋을 더하거나 빼는 방식으로 자동화할 수 있다. 또한 이와 같은 캘리브레이션 과정을 모든 센싱 노드에 대해 수행함으로 센싱 노드별로 목표 주파수(fd)를 결정할 수 있으며, 결정된 목표 주파수(fd)들은 메모리의 주파수 매트릭스에 저장된다.

도 14는 실시예 2의 캘리브레이션이 수행된 이후에 커패시턴스 측정 회로의 동작을 설명하기 위한 적분 전압의 신호 파형도이다.

커패시턴스 측정 회로는 메모리의 주파수 매트릭스에 지정된 목표 주파수에 따라 터치 패널의 각 센싱 노드들에게 입력 신호를 인가한다.

도 14에서, 센싱 노드 3은 캘리브레이션에 의해 목표 주파수가 1/Td1으로 결정되었으며, 전압 인가점 또는 전압 인가점에 근접해 있으므로 작은 시정수로 인해 적분 전압은 가파르게 상승하므로 여유 있게 Vd1, Vd2 및 Vd3에 도달하는 것을 볼 수 있다. 그리고, 3Vd에 다다른 후에는 센싱 노드 5가 3Vd에 다다를 때까지 3Vd를 유지하면서 대기한다.

센싱 노드 4는 캘리브레이션에 의해 목표 주파수가 센싱 노드 3의 것(1/Td1)보다 작고 센싱 노드 5의 것(1/Td3) 보다는 크게 결정되었으며, 센싱 노드 3보다는 전압 인가점에서 다소 멀리 떨어져 있으므로 보다 큰 시정수로 인해 적분 전압은 다소 완만하게 상승함을 볼 수 있다. 여기서 적분 전압이 완만하게 상승하다가 Vd1, Vd2 및 Vd3에서 만나는 지점을 기준으로 목표 주기(또는 목표 주파수)가 결정되도록 캘리브레이션이 수행되는 것이 바람직하다. 센싱 노드 4 역시 3Vd에 다다른 후에는 센싱 노드 5가 3Vd에 다다를 때까지 3Vd를 유지하면서 대기한다.

센싱 노드 5는 캘리브레이션에 의해 목표 주파수가 가장 작게 결정되었으며, 전압 인가점에서 가장 멀리 떨어져 있으므로 제일 큰 시정수로 인해 적분 전압은 매우 완만하게 상승함을 볼 수 있다. 여기서 적분 전압이 완만하게 상승하다가 Vd1, Vd2 및 Vd3에서 만나는 지점을 기준으로 목표 주기(또는 목표 주파수)가 결정되도록 캘리브레이션이 수행되는 것이 바람직하다. 센싱 노드 5가 Vd3에 도달하는 즉시 센싱 노드 3~5에 대해 리셋이 수행된다.

캘리브레이션의 실시예 3

한편, 터치 패널의 센싱 노드들 증 라인 저항의 영향을 가장 크게 받는 센싱 노드가 목표 적분 전압에 도달하는 주파수(또는 주기)를 목표 주파수로서 장치 전체에 대해 단일하게 결정하는 실시예 3의 캘리브레이션을 수행할 수도 있다. 이 경우, 주파수 매트릭스 대신 하나의 목표 주파수 설정값이 메모리에 저장된다.

실시예 3의 캘리브레이션 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 3의 캘리브레이션은 실시예 1의 목표 적분 전압(Vd)의 결정 단계 및 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})의 측정 단계를 동일하게 수행하고, 디폴트 적분 전압(Vo_i,j)이 가장 작은 센싱 노드에 대해 실시예 2의 반복적인(iterative) 조정 및 측정 단계를 복수 번 수행함으로써 목표 주파수(fd)를 결정한다. 실시예 2에서는 전체 센싱 노드들에 대해 반복적인 조정 및 측정 단계를 수행하지만, 실시예 3에서는 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})이 가장 작은 센싱 노드에 대해서만 수행된다는 점이 상이하다.

도 15는 실시예 3의 캘리브레이션이 수행된 이후에 커패시턴스 측정 회로의 동작을 설명하기 위한 적분 전압의 신호 파형도이다.

커패시턴스 측정 회로는 메모리에 저장된 목표 주파수에 따라 터치 패널의 각 센싱 노드들에게 입력 신호를 인가한다.

도 15에서, 센싱 노드 3은 실선의 적분 전압 신호로 표시되며, 전압 인가점 또는 전압 인가점에 근접해 있으므로 작은 시정수로 인해 적분 전압은 가파르게 상승하여 여유 있게 Vd1, Vd2 및 Vd3에 도달한다. 센싱 노드 4는 센싱 노드 3보다 전압 인가점에서 다소 멀리 떨어져 있으므로 보다 큰 시정수로 인해 적분 전압은 다소 완만하게 상승하지만 이 역시 여유 있게 Vd1, Vd2 및 Vd3에 도달한다.

센싱 노드 5는 전압 인가점에서 가장 멀리 떨어져 있으므로 제일 큰 시정수로 인해 적분 전압은 매우 완만하게 상승함을 볼 수 있다. 여기서 적분 전압이 완만하게 상승하다가 Vd1, Vd2 및 Vd3에서 만나는 지점을 기준으로 목표 주기(또는 목표 주파수)가 결정되도록 캘리브레이션이 수행되는 것이 바람직하다. 그리고 센싱 노드 5가 Vd3에 도달하는 즉시 센싱 노드 3~5에 대해 리셋이 수행된다.

캘리브레이션의 실시예 4

실시예 4의 캘리브레이션은 실시예 1의 목표 적분 전압(Vd)의 결정 단계, 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})의 측정 단계 및 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})의 결정 단계를 동일하게 수행하고, 그 외에 입력 신호의 주파수(또는 주기)를 보상하는 단계를 더 수행한다.

다시 말해서, 실시예 4의 캘리브레이션은 각 센싱 노드의 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})를 결정하고, 모든 센싱 노드가 동일한 시간 내에 해당 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})만큼 동작하여 1회의 충전 및 리셋을 수행하기 위한 입력 신호의 주파수(f_{i ,j})를 결정한다.

여기서는 실시예 1과 중복되는 1) 목표 적분 전압(Vd)의 결정 단계, 2) 디폴트 적분 전압(Vo_{i ,j})의 측정 단계 및 3) 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})의 결정 단계의 설명은 생략하고, 입력 신호 주파수의 보상 단계에 대하여만 상술한다.

4) 입력 신호 주파수의 보상 : 메모리의 또 다른 영역에는 각 센싱 노드들에 대한 입력 신호 주파수를 지정하는 주파수 매트릭스가 저장된다. 초기의 주파수 매트릭스는 모두 동일한 값(초기 주파수 fo)이 지정되어 있다. S101~S105 단계를 통해 센싱 노드별 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})가 산출되면, 산출된 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})를 다음의 수학식 3에 대입하여 센서 노드별 목표 주파수(fd)를 결정한다. 그리고 상기 결정된 목표 주파수(fd)로 상기 주파수 매트릭스를 갱신한다.

실시예 4의 캘리브레이션이 수행된 이후 터치 패널은 도 16과 같이 동작한다. 즉, 도 16에서, 상단은 주어진 충방전 구간 내에서 3회의 충방전으로 목표 적분 전압에 도달하는 센싱 노드(이하 '제6 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이고, 하단은 상기와 동일한 충방전 구간 내에서 4회의 충방전으로 목표 적분 전압에 도달하는 센싱 노드(이하 '제7 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이다.

도 16에서 보듯, 제6 센싱 노드는 주기가 To인 주파수 fo(=1/To)로 S1~S5, Vx, Vy의 신호가 입력되지만, 제7 센싱 노드는 주기가 Td인 주파수 fd(=1/Td)로 S1~S5, Vx, Vy의 신호가 입력된다. 따라서 제6 센싱 노드 및 제7 센싱 노드는 각각 3회 및 4회의 충방전이 이루어진 후 동시에 리셋 된다.

캘리브레이션의 결과

도 17a는 실시예 1 내지 실시예 4의 캘리브레이션이 수행된 이후에 센싱 노드들의 적분 커패시터에 누적되는 전하량의 분포를 3차원으로 시뮬레이션한 것이고, 도 17b는 센싱 노드들의 적분 커패시터에 충전되는 적분 전압의 분포를 2차원으로 시뮬레이션한 것이다. 도 17a 및 도 17b는 캘리브레이션이 수행된 이후에, 전술한 도 9a 및 도 9b와 각각 동일한 조건으로 시뮬레이션한 것이다.

도 17a에서 보듯, 그래프의 전반에 걸쳐 센싱 노드들의 누적 전하량이 큰 오차 없이 분포됨을 알 수 있다. 그래프의 중간에서 간헐적으로 센싱 노드의 누적 전하량이 일부 감소하는 지점들은 목표 충방전 횟수(Nd_{i ,j})의 정수화로 인해 반올림되지 못한 채 캘리브레이션이 수행된 것으로 볼 수 있으나, 전체적으로 누적 전하량의 균등 분포에 큰 영향을 미치지는 아니한다.

또한 도 17b에서, 터치 패널에 충방전이 이루어질 때마다 적분 커패시터에 충전되는 전하량이 각 센싱 노드에 대하여 규칙적인 것을 볼 수 있다.

마이너스 충전을 수행하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션

이상에서는 적분 커패시터의 양단 전압(Vy)에 양의 단위충전전압(Vd)이 충전되는 커패시턴스 측정회로의 실시예에 대한 캘리브레이션 방법을 설명하였지만, 적분 커패시터의 양단 전압(Vy)에 음의 단위충전전압(-Vd)이 충전되는 커패시턴스 측정회로의 실시예에 대하여도 동일한 원리의 캘리브레이션이 적용될 수 있다.

다시 말해, 도 3의 예에서, 전원입력 스위치(S1)와 출력 단락 스위치(S4)가 온되고, 입력접지 스위치(S2)와 출력접지 스위치(S3)가 오프된다. 이 경우에는 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)에는 VDD 전압만큼 충전되며, 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)에는 음의 단위충전전압(-Vd)이 충전된다.

그리고나서, 노드 커패시터(112)의 방전 동작이 수행되는데, 도 3의 예에서 전원입력 스위치(S1)와 출력단락 스위치(S4)가 오프되고, 입력접지 스위치(S2)와 출력접지(S3)가 온 된다. 이 경우, 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)은 접지 전위까지 방전되며, 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 -Vd로 유지된다.

2회째의 충전 동작 및 방전 동작은 전술한 바와 동일하며, 이 경우 충전 동작에 의해 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)에는 -Vd 만큼이 추가로 충전되어 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 -2Vd으로 충전된다. 또한 방전 동작에 의해 노드 커패시터(112)의 양단 전압(Vx)은 접지 전위까지 방전되며, 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 -2Vd로 유지된다.

이와 같은 충방전회로(220)의 충방전 동작은 N회 반복되며, 이 경우 적분 커패시터(262)의 양단 전압(Vy)은 N*(-Vd)에 해당하는 전압으로 충전된다.

마이너스 충전을 수행하는 커패시턴스 충전 회로에 대한 캘리브레이션은 전술한 실시예 1 내지 실시예 4의 캘리브레이션과 동일한 방법으로 수행된다.

그리고 캘리브레이션이 수행된 이후의 커패시턴스 측정 회로는 도 18과 같이 동작한다. 도 18에 의하면 적은 횟수의 충방전으로 목표 적분 전압에 먼저 다다른 센싱 노드들이 최대 충방전 횟수의 센싱 노드가 목표 적분 전압에 다다를 때까지 리셋을 기다리는 방식으로 동작한다.

다시 말해, 도 18에서, 상단은 최대 충방전 횟수보다 적은 횟수로 충방전하는 센싱 노드(이하 '제8 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이고, 하단은 최대 충방전 횟수의 센싱 노드(이하 '제9 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이다.

도 18에서 보듯, 제8 센싱 노드는 3번의 충방전으로 목표 적분 전압 -3Vd에 다다른 후 제9 센싱 노드가 목표 적분 전압에 다다를 때까지 -3Vd를 유지하면서 리셋을 기다린다. 제9 센싱 노드는 3번의 충방전으로 -3Vd+β에 도달할 뿐이고 5번의 충방전을 더 하고 나서야 목표 적분 전압 -3Vd에 도달한다. 따라서 제8 센싱 노드 및 제9 센싱 노드는 모두 4번의 충방전이 이루어진 후 리셋이 이루어진다.

또한 실시예 4에 상응하는 캘리브레이션이 수행된 이후의 커패시턴스 측정 회로는 도 19과 같이 동작한다. 즉, 도 19에서, 상단은 주어진 충방전 구간 내에서 3회의 충방전으로 목표 적분 전압에 도달하는 센싱 노드(이하 '제10 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이고, 하단은 상기와 동일한 충방전 구간 내에서 4회의 충방전으로 목표 적분 전압에 도달하는 센싱 노드(이하 '제11 센싱 노드'라 한다)의 동작을 도시한 것이다.

도 19에서 보듯, 제10 센싱 노드는 주기가 To인 주파수 fo(=1/To)로 S1~S5, Vx, Vy의 신호가 입력되지만, 제11 센싱 노드는 주기가 Td인 주파수 fd(=1/Td)로 S1~S5, Vx, Vy의 신호가 입력된다. 따라서 제10 센싱 노드 및 제11 센싱 노드는 각각 3회 및 4회의 충방전이 이루어진 후 동시에 리셋이 이루어진다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위에 한정되는 것은 아니고 아래의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 이용하여 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다. 또한, 본 발명 실시예들은 장치 및 방법에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 방법을 구현하기 위한 프로그램에도 용이하게 본 발명을 유추 적용할 수 있다.

100: 터치스크린패널 200: 커패시턴스 측정회로
300: 터치판별부 220: 충방전회로
112: 셀 커패시터 262: 기준 커패시터
264: 연산증폭기 S1: 전원입력 스위치
S2: 입력접지 스위치 S3: 출력접지 스위치
S4: 출력단락 스위치 S5: 리셋 스위치

Claims (23)

1. 제1 커패시터의 일단 및 타단에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 커패시터의 충전 및 방전 동작을 복수 회 반복하는 충방전회로, 및
   상기 제1 커패시터의 타단에 전기적으로 연결되는 제2 커패시터를 포함하며, 충전 및 방전 동작구간마다 상기 제2 커패시터를 단위 충전 전압으로 충전하여 상기 제1 커패시터의 충방전 횟수에 따라 누적되는 제1 전압으로 상기 제1 커패시터를 충전하도록 하는 적분회로
   를 포함하는 커패시턴스 측정회로에 대하여, 상기 충방전 횟수의 최초 설정값인 디폴트 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 디폴트 적분 전압을 측정하는 단계;
   목표 적분 전압, 상기 디폴트 적분 전압, 및 상기 디폴트 충방전 횟수를 이용하여 목표 충방전 횟수를 결정하는 단계; 및
   상기 결정된 목표 충방전 횟수로 상기 메모리의 충방전 횟수를 대체하는 단계
   를 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 디폴트 적분 전압 중 최대값 또는 최대값에 소정의 오프셋을 더한 값을 목표 적분 전압으로 결정하는 단계를 더 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 목표 충방전 횟수는,
   상기 목표 적분 전압과 상기 디폴트 적분 전압의 비례(比)에 상기 디폴트 충방전 횟수를 곱함으로써 결정되는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 목표 충방전 횟수는,
   상기 목표 적분 전압과 상기 디폴트 적분 전압의 비례(比)에 상기 디폴트 충방전 횟수를 곱한 결과를 정수화함으로써 결정되는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 디폴트 충방전 횟수, 상기 목표 충방전 횟수 및 상기 동작 신호선에 입력되는 동작 신호의 디폴트 주파수를 이용하여 상기 동작 신호의 목표 주파수를 결정하는 단계; 및
   상기 결정된 목표 주파수로를 상기 디폴트 주파수를 대체하는 단계를 더 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 목표 주파수는,
   상기 목표 충방전 횟수와 상기 디폴트 충방전 횟수의 비례(比)에 상기 디폴트 주파수를 곱함으로써 결정되는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
7. 제1 커패시터의 일단 및 타단에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 커패시터의 충전 및 방전 동작을 복수 회 반복하는 충방전회로, 및
   상기 제1 커패시터의 타단에 전기적으로 연결되는 제2 커패시터를 포함하며, 충전 및 방전 동작구간마다 상기 제2 커패시터를 단위 충전 전압으로 충전하여 상기 제1 커패시터의 충방전 횟수에 따라 누적되는 제1 전압으로 상기 제1 커패시터를 충전하도록 하는 적분회로
   를 포함하는 커패시턴스 측정회로에 대하여, 상기 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 디폴트 적분 전압을 측정하는 단계; 및
   상기 디폴트 적분 전압이 목표 적분 전압에 가까워지도록 디폴트 주파수를 조정하는 단계
   를 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 조정된 디폴트 주파수에 의해 동작하는 상기 커패시턴스 측정회로의 디폴트 적분 전압이 상기 목표 적분 전압에 소정의 오차 범위 내로 동일해질 때까지 상기 디폴트 적분 전압 측정 및 상기 디폴트 주파수 조정 단계를 반복하는
   커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 디폴트 주파수의 조정은,
   상기 디폴트 주파수에 미리 정해진 크기의 주파수 옵셋을 더하거나 뺀 값으로 상기 디폴트 주파수를 갱신하여 수행되는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 디폴트 적분 전압 중 최대값 또는 최대값에 소정의 오프셋을 더한 값을 목표 적분 전압으로 결정하는 단계를 더 포함하는 커패시턴스 측정 회로의 캘리브레이션 방법.
11. 동작 신호선, 상기 동작 신호선에 절연되어 형성되는 감지 신호선 및 노드 커패시터-상기 노드 커패시터는 각각 대응하는 동작 신호선과 대응하는 감지 신호선에 의해 형성됨-로 이루어진 센싱 노드를 복수 개 포함하는 터치패널;
    상기 동작 신호선과 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되어 상기 노드 커패시터의 충전 및 방전 동작을 미리 설정된 목표 충방전 횟수만큼 반복하며, 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터를 상기 목표 충방전 횟수와 상기 노드 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 전압으로 충전하는 커패시턴스 측정회로; 및
    상기 커패시턴스 측정회로에 의해 측정된 상기 적분 커패시터의 충전 전압을 분석하여 사용자가 입력한 터치 지점을 감지하는 터치 판별부를 포함하며,
    상기 목표 충방전 횟수는, 상기 적분 커패시터의 충전 전압이 상기 터치패널에 포함된 모든 센싱 노드에 대해 소정의 오차 범위 내에서 균일해지도록 각 센싱 노드마다 개별적으로 설정되는 터치스크린 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 목표 충방전 횟수는,
    상기 적분 커패시터의 목표 적분 전압과, 상기 목표 충방전 횟수의 최초 설정값인 디폴트 충방전 횟수만큼 충방전을 수행한 결과값인 디폴트 적분 전압, 및 상기 디폴트 충방전 횟수를 이용하여 결정되는 터치스크린 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 목표 적분 전압은,
    상기 디폴트 적분 전압 중 최대값 또는 최대값에 소정의 오프셋을 더한 값으로 결정되는 터치스크린 장치.
14. 제12항에 있어서, 상기 목표 충방전 횟수는,
    상기 목표 적분 전압과 상기 디폴트 적분 전압의 비례(比)에 상기 디폴트 충방전 횟수를 곱함으로써 결정되는 터치스크린 장치.
15. 제12항에 있어서, 상기 목표 충방전 횟수는,
    상기 목표 적분 전압과 상기 디폴트 적분 전압의 비례(比)에 상기 디폴트 충방전 횟수를 곱한 결과를 정수화함으로써 결정되는 터치스크린 장치.
16. 제12항에 있어서, 상기 커패시턴스 측정회로는,
    상기 디폴트 충방전 횟수, 상기 목표 충방전 횟수 및 상기 동작 신호선에 입력되는 동작 신호의 디폴트 주파수를 이용하여 결정된 목표 주파수로 상기 동작 신호를 입력하는 터치스크린 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 목표 주파수는,
    상기 목표 충방전 횟수와 상기 디폴트 충방전 횟수의 비례(比)에 상기 디폴트 주파수를 곱함으로써 결정되는 터치스크린 장치.
18. 동작 신호선, 상기 동작 신호선에 절연되어 형성되는 감지 신호선 및 노드 커패시터-상기 노드 커패시터는 각각 대응하는 동작 신호선과 대응하는 감지 신호선에 의해 형성됨-로 이루어진 센싱 노드를 복수 개 포함하는 터치패널;
    상기 동작 신호선과 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되어 상기 노드 커패시터의 충전 및 방전 동작을 미리 설정된 충방전 횟수만큼 반복하며, 상기 감지 신호선에 전기적으로 연결되는 적분 커패시터를 상기 충방전 횟수와 상기 노드 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 전압으로 충전하는 커패시턴스 측정회로; 및
    상기 커패시턴스 측정회로에 의해 측정된 상기 적분 커패시터의 충전 전압을 분석하여 사용자가 입력한 터치 지점을 감지하는 터치 판별부를 포함하며,
    상기 동작 신호선에 인가되는 입력 신호의 주파수는, 상기 적분 커패시터의 충전 전압이 상기 터치패널에 포함된 모든 센싱 노드에 대해 소정의 오차 범위 내에서 균일해지는 주파수로 설정되는 터치스크린 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 주파수는,
    상기 커패시턴스 측정회로에 상기 충방전 횟수만큼 충방전을 수행하여 측정한 디폴트 적분 전압이 목표 적분 전압에 가까워지도록 상기 동작 신호선에 인가되는 입력 신호의 최초 주파수를 조정하여 결정되는 터치스크린 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 주파수는,
    상기 커패시턴스 측정회로의 디폴트 적분 전압이 상기 목표 적분 전압에 소정의 오차 범위 내로 동일해질 때까지 상기 주파수의 조정을 반복함으로써 결정되는 터치스크린 장치.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 주파수는,
    상기 최초 주파수에 미리 정해진 크기의 주파수 옵셋을 더하거나 뺀 값으로 상기 주파수를 갱신하여 조정되는 터치스크린 장치.
22. 제18항에 있어서, 상기 주파수는,
    상기 터치패널에 포함된 센싱 노드들 각각에 대해 설정되는 터치스크린 장치.
23. 제18항에 있어서, 상기 주파수는,
    상기 터치패널에 포함된 전체 센싱 노드에 대해 공통으로 설정되는 터치스크린 장치.

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