KR20130043863A - 접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법 - Google Patents

접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 접촉 감지 장치는, 복수의 감지 전극으로부터 정전용량 변화를 측정하는 복수의 감지 회로부, 상기 복수의 감지 회로부와 연결되어 상기 정전용량 변화를 디지털 신호로 변환하는 하나 이상의 TDC 회로부, 상기 디지털 신호로부터 접촉을 판단하는 연산부, 및 상기 적어도 둘 이상의 감지 회로부로부터 순차적으로 상기 정전용량 변화를 전달받기 위한 지연 회로를 포함한다. 본 발명에 따르면, 복수의 감지 전극으로부터 정전용량 변화를 측정하는 감지 회로부에 서로 다른 지연 시간을 부여하여 동작 시점을 제어하고, 동작 시점이 서로 다른 감지 회로부에서 생성된 정전용량 변화가 TDC 회로부에 순차적으로 입력되어 디지털 신호로 변환되도록 함으로써 적은 수의 TDC 회로부로 접촉 감지 장치를 구현할 수 있다.

Description

접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법{DEVICE AND METHOD FOR SENSING TOUCH INPUT}
본 발명은 순차적으로 감지 신호를 검출하여 하나 또는 적은 수의 신호 변환부로 다수의 감지 전극에서 발생하는 접촉 입력을 정확하게 감지할 수 있는 접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법에 관한 것이다.
터치스크린, 터치패드 등과 같은 접촉 감지 장치는 디스플레이 장치에 부착되어 사용자에게 직관적인 입력 방법을 제공할 수 있는 입력 장치로서, 최근 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant), 네비게이션 등과 같은 다양한 전자 기기에 널리 적용되고 있다. 특히 최근 스마트폰에 대한 수요가 증가하면서, 제한된 폼팩터에서 다양한 입력 방법을 제공할 수 있는 접촉 감지 장치로 터치스크린의 채용 비율이 날로 증가하고 있다.
휴대용 기기에 적용되는 터치스크린은 접촉 입력을 감지하는 방법에 따라 크게 저항막 방식과 정전용량 방식으로 구분할 수 있으며, 이 중 정전용량 방식은 상대적으로 수명이 길고 다양한 입력 방법과 제스처를 손쉽게 구현할 수 있는 장점으로 인해 그 적용 비율이 갈수록 높아지고 있다. 특히 정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 멀티 터치 인터페이스를 구현하기가 용이하여 스마트폰 등의 기기에 폭넓게 적용된다.
정전용량 방식의 터치스크린은 전극에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하기 위한 감지 회로와, 감지 회로에서 검출한 정전용량 변화를 신호처리하여 접촉 입력을 판단하는 신호 처리부 등으로 구성된다. 그러나 휴대용 기기에 주로 적용되는 터치스크린의 특성상, 터치스크린에게 허용되는 하드웨어 공간은 제한적이며, 터치스크린이 소모하는 전원 역시 휴대용 기기 전체의 효율적인 전원 관리를 위해 일정 범위로 제한될 수 밖에 없다. 따라서 복수의 전극에 개별적으로 연결되는 감지 회로 각각에 복수의 신호 처리부를 연결하는 것은 제한된 폼팩터 및 전원 관리 측면에서 문제점을 야기할 수 있다.
본 발명의 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 복수의 감지 회로로부터 순차적으로 정전용량 변화를 입력받아 신호 처리함으로써, 적은 수의 신호 변환부로 접촉 입력을 판단할 수 있는 접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 제1 기술적인 측면에 따르면, 복수의 감지 전극으로부터 정전용량 변화를 측정하는 복수의 감지 회로부, 상기 복수의 감지 회로부와 연결되어 상기 정전용량 변화를 디지털 신호로 변환하는 하나 이상의 TDC 회로부, 상기 디지털 신호로부터 접촉을 판단하는 연산부, 및 상기 적어도 둘 이상의 감지 회로부로부터 순차적으로 상기 정전용량 변화를 전달받기 위한 지연 회로를 포함하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 지연 회로는 상기 TDC 회로부가 상기 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 상기 정전용량 변화의 특성에 기초하여 상기 복수의 감지 회로부 각각에 소정의 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 지연 회로는 상기 복수의 감지 회로부 각각에 서로 다른 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 감지 회로부는 상기 복수의 감지 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화를 측정하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
본 발명의 제2 기술적인 측면에 따르면, 정전용량 변화를 측정하는 복수의 감지 회로부, 상기 복수의 감지 회로부와 연결되어 상기 정전용량 변화로부터 디지털 신호를 생성하는 하나 이상의 신호 변환부, 상기 디지털 신호로부터 접촉을 판단하는 연산부, 및 상기 정전용량 변화를 순차적으로 전달받기 위해 상기 신호 변환부와 연결된 상기 복수의 감지 회로부 각각에 서로 다른 지연 시간을 설정하는 지연 회로를 포함하고, 상기 지연 시간은 상기 신호 변환부가 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 상기 정전용량 변화의 특성에 기초하여 설정되는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 복수의 감지 회로부와 전기적으로 연결되는 복수의 감지 전극이 마련되는 패널부를 더 포함하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 감지 회로부는 상기 복수의 감지 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화를 측정하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 신호 변환부는 상기 정전용량 변화에 대응하는 전압 신호가 소정의 기준 전압까지 변화하는데 걸리는 시간을 측정하는 TDC(Time-to-Digital Converter) 회로를 포함하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 지연 회로는 상기 정전용량 변화의 특성에 따라 상기 전압 신호가 상기 기준 전압까지 변화하는 데 걸리는 최소 시간 및 최대 시간의 차이를 고려하여 상기 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 복수의 감지 회로부 각각에 설정되는 지연 시간에 따라 상기 복수의 감지 회로부와 상기 신호 변환부 사이의 연결을 제어하는 스위칭 회로; 를 더 포함하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 연산부는 상기 디지털 신호의 가중 평균을 이용하여 상기 접촉을 판단하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
본 발명의 제3 기술적인 측면에 따르면, 복수의 감지 전극으로부터 복수의 정전용량 변화를 측정하는 단계, 상기 복수의 정전용량 변화를 순차적으로 입력받아 디지털 신호를 생성하는 단계, 및 상기 디지털 신호에 기초하여 접촉을 판단하는 단계를 포함하고, 상기 디지털 신호 생성 단계는, 상기 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 상기 복수의 정전용량 변화 각각의 특성에 기초하여 상기 복수의 정전용량 변화를 순차적으로 입력받는 접촉 감지 방법를 제안한다.
또한, 상기 디지털 신호 생성 단계는 상기 복수의 정전용량 변화를 복수의 전압 신호로 변환하는 단계, 상기 복수의 전압 신호 각각이 소정의 기준 전압까지 변화하는데 걸리는 제1시간을 측정하는 단계, 및 상기 제1시간을 상기 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 접촉 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 디지털 신호 생성 단계는 상기 제1시간의 최소값 및 최대값의 차이에 기초하여 상기 복수의 정전용량 변화를 순차적으로 입력받기 위한 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 지연 시간은 상기 복수의 감지 전극 각각에 서로 다르게 적용되는 접촉 감지 방법을 제안한다.
본 발명에 따르면, 복수의 감지 전극에서 감지 신호를 검출하는 감지 회로 각각에 서로 다른 지연 시간을 설정함으로써, 감지 신호를 순차적으로 신호 처리하여 접촉 입력을 판단한다. 따라서, 적은 수의 회로 블록 및 간단한 회로 구성으로 접촉 감지 장치를 구현하고, 접촉 감지 장치의 전력 소모량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치와 전기적으로 연결되는 접촉 감지 패널을 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 접촉 감지 패널의 단면을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치가 적용될 수 있는 전자 기기를 나타낸 도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 기기(100)는 화면을 출력하기 위한 디스플레이 장치(110), 입력부(120), 음성 출력을 위한 오디오부(130) 등을 포함하며, 디스플레이 장치(110)와 일체화되어 접촉 감지 장치를 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모바일 기기 같은 경우 접촉 감지 장치가 디스플레이 장치에 일체화되어 구비되는 것이 일반적이며, 접촉 감지 장치는 디스플레이 장치가 표시하는 화면이 투과할 수 있을 정도로 높은 빛 투과율을 가져야 한다. 따라서 접촉 감지 장치는 PET(Polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide) 등과 같이 투명한 필름 재질의 베이스 기판에 투명하고 전기 전도성을 갖는 ITO(Indium-Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), 탄소 나노 튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 또는 그라핀(Graphene)과 같은 물질로 감지 전극을 형성함으로써 구현될 수 있다. 디스플레이 장치의 베젤 영역(115)에는 투명 전도성 물질로 형성된 감지 전극과 연결되는 배선 패턴이 배치되며, 배선 패턴은 베젤 영역(115)에 의해 시각적으로 차폐되므로 은(Ag), 구리(Cu) 등과 같은 금속 물질로도 형성이 가능하다.
물론, 본 발명에 따른 접촉 감지 장치가 노트북의 터치 패드 등과 같이 디스플레이 장치와 일체로 구비되지 않아도 되는 경우에는, 단순하게 회로기판에 금속으로 감지 전극을 패터닝하여 제조하는 것도 가능하다. 다만 설명의 편의를 위하여, 이하 터치스크린의 경우를 전제로 본 발명에 따른 접촉 감지 장치 및 접촉 감지 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실시예에 따른 접촉 감지 장치와 전기적으로 연결되는 접촉 감지 패널을 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 접촉 감지 패널(200)은 기판(210), 기판(210) 상에 마련되는 복수의 감지 전극(220, 230)을 포함한다. 도 2에는 도시되지 않았으나, 복수의 감지 전극(220, 230) 각각은 배선 및 본딩 패드를 통해 기판(210)의 일단에 부착되는 회로 기판의 배선 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다. 회로 기판에는 컨트롤러 집적회로가 실장되어 복수의 감지 전극(220, 230)에서 생성되는 감지 신호를 검출하고, 그로부터 접촉 입력을 판단할 수 있다.
터치스크린 장치의 경우, 기판(210)은 감지 전극(220, 230)이 형성되기 위한 투명한 기판일 수 있으며, PI(Polyimide), PMMA(Polymethylmethacrylate), PET(Polyethyleneterephthalate), PC(Polycarbonate)과 같은 플라스틱 재료, 또는 강화 글라스(tempered glass)로 마련될 수 있다. 또한, 감지 전극(220, 230)이 형성되는 영역 이외에, 감지 전극(220, 230)과 연결되는 배선이 마련되는 영역에 대해서는 통상 불투명한 금속 물질로 형성되는 배선을 시각적으로 차폐하기 위한 소정의 인쇄 영역이 기판(210)에 형성될 수 있다.
복수의 감지 전극(220, 230)은 기판(210)의 일면 또는 양면에 마련될 수 있으며, 터치스크린 장치의 경우 투명하고 전도성을 갖는 ITO(Indium Tin-Oxide), IZO(Indium Zinc-Oxide), ZnO(Zinc Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), 그라핀 계열 물질 등으로 형성될 수 있다. 도 2에는 마름모, 또는 다이아몬드 형상의 패턴을 갖는 감지 전극(220, 230)이 도시되었으나, 이 외에 직사각형, 삼각형 등의 다양한 다각형 형상의 패턴을 가질 수 있음은 물론이다.
복수의 감지 전극(220, 230)은 X 축 방향으로 연장되는 제1 전극(220)과, Y 축 방향으로 연장되는 제2 전극(230)을 포함한다. 제1 전극(220)과 제2 전극(230)은 기판(210)의 양면에 마련되거나, 또는 서로 다른 기판(210)에 마련되어 교차될 수 있으며, 기판(210)의 일면에 모두 마련되는 경우에는 제1 전극(220)과 제2 전극(230)의 교차 지점에 부분적으로 소정의 절연층을 형성할 수 있다.
복수의 감지 전극(220, 230)과 전기적으로 연결되어 접촉 입력을 감지하는 장치는, 접촉 입력에 의해 복수의 감지 전극(220, 230)에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하고 그로부터 접촉 입력을 감지한다. 제1 전극(220)은 컨트롤러 집적 회로에서 D1~D8로 정의되는 채널에 연결되어 소정의 구동 신호를 인가받을 수 있으며, 제2 전극(230)은 S1~S8로 정의되는 채널에 연결되어 컨트롤러 집적 회로가 감지 신호를 검출하는 데에 이용될 수 있다. 이때, 컨트롤러 집적 회로는 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화를 감지 신호로 검출할 수 있으며, 제1 전극(220) 각각에 순차적으로 구동 신호를 인가하고, 제2 전극(230)에서 동시에 정전용량 변화를 검출하는 방식으로 동작할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시한 접촉 감지 패널의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 접촉 감지 패널(200)을 Y-Z 평면으로 잘라서 나타낸 단면도이며, 도 2에서 설명한 기판(310), 복수의 감지 전극(320, 330) 이외에 접촉을 인가받은 커버 렌즈(340, Cover Lens)를 더 포함할 수 있다. 커버 렌즈(340)는 감지 신호 검출에 이용되는 제2 전극(330) 상에 마련되어 손가락 등의 접촉 물체(350)로부터 접촉 입력을 인가받는다.
채널 D1~D8을 통해 순차적으로 제1 전극(320)에 구동 신호가 인가되면, 구동 신호가 인가된 제1 전극(320)과, 제2 전극(330) 사이에서 결합 정전용량이 생성된다. 제1 전극(320)에 순차적으로 구동 신호가 인가되면, 접촉 물체(350)가 접촉된 영역과 인접한 제1 전극(320)과 제2 전극(330) 사이에서 생성되는 결합 정전용량에서 정전용량 변화가 발생한다. 상기 정전용량 변화는 접촉 물체(350)와 구동 신호가 인가된 제1 전극(320) 및 제2 전극(330) 사이의 중첩된 영역의 면적에 비례할 수 있으며, 도 3에서는 채널 D2 및 D3에 각각 연결된 제1 전극(320)과 제2 전극(330) 사이에서 생성된 결합 정전용량이 접촉 물체(350)에 의해 영향을 받는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치(400)는 스위칭 회로(410), 스위칭 회로(410)에 대한 제어 신호를 생성하는 제어부(420), 신호 변환부(430)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 4에는 도시되지 않았으나, 접촉 감지 장치(400)는 복수의 감지 전극(310, 320)에서 생성되는 감지 신호를 검출하기 위한 감지 회로부를 포함할 수 있으며, 일례로 감지 회로부는 제2 전극(320)에서 생성되는 정전용량 변화를 채널 S1~S8을 통해 검출할 수 있다. 감지 회로부가 검출한 감지 신호는 스위칭 회로(410)에 입력되며, 스위칭 회로(410)는 입력된 감지 신호 중 적어도 일부를 선택하여 신호 변환부(430)로 전달한다.
스위칭 회로(410)는 상기 설명한 바와 같이 입력되는 복수의 감지 신호로부터 적어도 일부 - 바람직하게는 하나 - 의 감지 신호를 선택할 수 있는 멀티플렉서(Mux) 회로일 수 있다. 이때, 스위칭 회로(410)가 신호 변환부(430)로 전달하는 감지 신호는 제어부(420)가 생성하는 제어신호에 의해 선택될 수 있다.
신호 변환부(430)는 스위칭 회로(410)로부터 전달받은 감지 신호를 디지털 신호(SD)로 변환하여 출력한다. 복수의 감지 전극(310, 320)에서 생성되는 정전용량 변화는 감지 회로부에서 소정의 아날로그 신호 - 일례로 전압 신호 - 로 변환되어 스위칭 회로(410)로 공급된다. 이를 위해, 감지 회로부는 정전용량 변화로부터 전압 신호를 생성하기 위한 적분 회로를 포함할 수 있으며, 정전용량 변화에 따른 전압 신호를 스위칭 회로(410)에 공급할 수 있다.
복수의 제1 전극(310) 각각에 순차적으로 구동 신호가 인가되고, 복수의 제2 전극(320)으로부터 채널 S1~S8에서 동시에 정전용량 변화를 감지 신호로서 검출하는 경우를 가정하면, 감지 회로부에서 검출한 총 8개의 감지 신호가 동시에 신호 변환부(430)에 입력되어야 한다. 이때, 신호 변환부(430)가 감지 회로부에서 검출된 복수의 감지 신호를 모두 처리하기 위해서는 채널 S1~S8에서 검출된 감지 신호를 순차적으로 입력받을 필요가 있다.
미리 정해진 기준 시간 동안 변화하는 전압 레벨의 크기를 측정하는 방식으로 감지 회로부가 생성한 전압 신호를 디지털 신호(SD)로 변환하는 신호 변환부(430)의 경우, 샘플 & 홀드(Sample & Hold) 기능이 신호 변환부(430) 내에서 구현될 수 있으므로 별다른 구성 요소 추가 없이 복수의 감지 신호를 순차적으로 입력받을 수 있다. 그러나, 미리 정해진 기준 전압 레벨까지 전압 신호가 변화하는 데에 걸리는 시간을 측정하는 방식으로 디지털 신호(SD)를 생성하는 신호 변환부(430)의 경우에는, 샘플 & 홀드 기능을 신호 변환부(430) 내에서 구현하기가 극히 곤란하여 도 4에 도시한 바와 같은 스위칭 회로(410)가 추가될 필요가 있다.
즉, 스위칭 회로(410)에서 순차적으로 복수의 감지 신호를 신호 변환부(430)에 전달하기 때문에, 별도의 샘플 & 홀드 기능이 신호 변환부(430) 내에 구현되지 않아도 감지 신호의 손실 없이 디지털 신호(SD)를 생성할 수 있다. 그러나, 스위칭 회로(410)에 채널 S1~S8을 통해 복수의 감지 신호가 동시에 입력되므로, 단순히 스위칭 회로(410)를 부가하는 것만으로는 동시에 검출한 복수의 감지 신호를 모두 디지털 신호(SD)로 변환하기가 매우 어렵다. 따라서, 스위칭 회로(410)에 복수의 감지 신호를 순차적으로 입력하기 위한 회로 구성이 필요하다. 이하, 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 복수의 감지 전극이 마련되는 패널부(510), 패널부(510)에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부(520), 패널부(510)에서 생성되는 감지 신호를 검출하는 감지 회로부(530), 스위칭 회로(540), 신호 변환부(550), 지연 회로(560), 및 연산부(570)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 패널부(510)는 서로 교차되는 복수의 감지 전극 - 가로 방향으로 연장되는 제1 전극 및 세로 방향으로 연장되는 제2 전극 - 을 포함하며, 구동 회로부(520)로부터 구동 신호를 인가받는 제1 전극과, 구동 신호가 인가된 제1 전극과 교차하는 제2 전극 사이에서는 결합 정전용량 C11~Cmn이 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 접촉 입력에 의해 생성되는 영역의 면적에 의해 결합 정전용량 C11~Cmn이 변화하는 량을 감지 회로부(520)에서 검출할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 총 m개의 제1 전극과, n개의 제2 전극이 패널부(510)에 포함되는 것을 가정한다.
감지 회로부(520)는 도 5에 도시된 바와 같이, 적분 회로를 포함한다. 적분 회로는 연산 증폭기와 커패시터 C1을 포함할 수 있으며, 결합 정전용량 C11~Cmn을 전압 신호로 변환하여 스위칭 회로(540)로 전달한다. 감지 회로부(520)는 복수의 제2 전극 각각에 대응하도록 총 n개의 적분 회로를 포함할 수 있으며, n개의 적분 회로 각각에서 생성되는 전압 신호가 스위칭 회로(540)에 순차적으로 전달되도록 지연 회로(560)에 의해 각 적분 회로의 동작이 제어될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 신호 변환부(550)가 감지 회로부(530)에서 생성된 복수의 전압 신호가 소정의 전압 레벨까지 변화하는 데에 걸리는 시간을 측정하여 연산부(570)가 필요로 하는 디지털 신호(SD)를 생성하는 경우에는, 신호 변환부(550)에 샘플 & 홀드 기능이 구현되기 곤란하기 때문에 복수의 감지 신호를 순차적으로 입력받을 필요가 있다. 이를 위해 본 실시예에서는 지연 회로(560)를 이용하여 복수의 적분 회로가 전압 신호를 생성하는 타이밍을 서로 다르게 제어하고, 이 타이밍을 스위칭 회로(540)가 복수의 적분 회로 각각에 연결되는 타이밍과 동기화시킬 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 더욱 자세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 복수의 감지 전극으로부터 정전용량 변화를 검출하기 위한 적분기를 포함하는 감지 회로부(630), 감지 회로부(630)의 적분기에서 검출한 감지 신호를 디지털 신호(SD1~SDn)로 변환하는 신호 변환부(650), 감지 회로부(650)의 적분기에서 검출한 감지 신호가 순차적으로 신호 변환부(650)에 전달되도록 제어하는 스위칭 회로(640)와 지연 회로(660-1~660-n)를 포함할 수 있다. 지연 회로(660-1~660-n)는 감지 회로부(630)에 포함되는 적분기 각각에 서로 다른 지연 신호(td1~tdn)를 입력한다.
도 5에 도시된 접촉 감지 장치의 패널부(510)에서 첫 번째 제1 전극에 구동 신호가 인가되면, 감지 회로부(630)가 제2 전극으로부터 감지 신호를 검출한다. 감지 회로부(630)에 포함된 n개의 적분기는 각각 도 5에 도시된 정전용량 가운데 C11~C1n을 검출하며 이를 전압 신호로 변환한다. 이와 유사하게, 두 번째 제1 전극에 구동 신호가 인가되면 감지 회로부(630)가 제2 전극으로부터 정전용량 변화 C21~C2n을 검출하며, 마지막 m 번째 제1 전극에 구동 신호가 인가되면 감지 회로부(630)는 정전용량 변화 Cm1~Cmn을 검출한다.
검출한 정전용량 변화는 각각 스위칭 회로(640)를 통해 신호 변환부(650)에 입력되어 디지털 신호(SD1~SDn)로 변환되며, 스위칭 회로(640)가 n개의 적분기에 각각 연결되는 타이밍은 n개의 적분기가 지연 회로(660-1~660-n)로부터 지연 신호(td1~tdn)을 입력받아 동작하는 타이밍과 동기화될 수 있다. 이하, 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍 다이어그램이다. 이하, 설명의 편의를 위해 신호 변환부(650)는 적분기에서 검출한 전압 신호가 소정의 기준 전압까지 변화하는데 걸리는 시간을 측정하여 이를 디지털 신호(SD1~SDn)로 변환하는 TDC(Time-to-Digital Converter) 회로인 것을 가정한다.
TDC 회로에서 시간을 측정해야 하는 구간은 각 채널마다 모두 동일하게 부여될 수 있지만, 앞서 설명한 바와 같이 접촉 물체에 의해 생성되는 정전용량 변화는 각 채널에 연결된 감지 전극과 접촉 물체 사이의 중첩된 영역의 면적에 따라 결정되므로 각 채널마다 다르게 나타난다. 따라서, TDC 회로에서 디지털 신호(SD1~SDn)를 생성하는 데에 기준이 되는 아날로그 신호인 전압 신호가 소정 레벨까지 변화하는데 걸리는 시간 역시 각 채널마다 다르게 나타난다.
도 7에서는 감지 전극에서 감지 전극에서 정전용량 변화가 거의 생성되지 않아서 전압 신호가 소정 레벨까지 변화하는 시간이 가장 길 때의 시간 차를 tmax로 정의한다. 즉, tmax라는 시간 동안 적분기에서 검출한 전압 신호의 레벨 변화를 측정하면, 실제로 넓은 면적으로 접촉 영역이 형성된 경우에 전압 신호가 소정 레벨까지 변화하는 시간가 tmax에 대응하기 때문에, 디지털 신호(SD1~SDn)로 변환할 수 있는 감지 신호를 충분히 검출할 수 있다.
한편, 도 7에서는 각 채널에 부여되는 지연 시간을, TDC 회로가 각 채널에 연결되어 시간을 측정해야 하는 구간에서 tmax를 뺀 값으로 정의한다. 즉, 첫 번째 제1 전극에 구동 신호가 인가되면, 첫 번째 제2 전극으로부터 감지 신호를 검출하는 적분기에는 지연 시간을 부여하지 않고(td1=0으로 정의됨), 두 번째 제2 전극과 연결되는 적분기부터 순차적으로 td2, td3, ... tdn의 지연 시간을 부여한다. 결국 도 7에 도시된 바와 같이 td2와 tmax의 합은 TDC 회로가 첫 번째 제2 전극에서 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 데에 필요한 시간과 동일하다.
첫 번째 제2 전극으로부터 정전용량 변화를 검출하는 적분기는 TDC 회로가 스위칭 회로(640)를 통해 적분기에 연결되는 시점과 동시에 동작을 개시하여 정전용량 변화를 검출한다. 두 번째 제2 전극에 연결되는 적분기는 td2 만큼의 지연 시간이 흐른 뒤에 동작을 개시하여 정전용량 변화를 검출하며, 스위칭 회로(640)는 td2 + tmax 만큼의 시간이 경과한 후에 두 번째 제2 전극에 연결되는 적분기에 연결된다. 이와 같이, 복수의 제2 전극 각각에서 정전용량 변화를 검출하여 전압 신호를 생성하는 적분기를 순차적으로 동작시키고, n 번째 제2 전극과 연결된 적분기에 스위칭 회로(640)가 tdn + tmax의 시간만큼 지연되어 연결됨으로써, 별도의 샘플 & 홀드 기능을 TDC 회로가 구비할 필요없이 감지 신호를 순차적으로 입력받아 처리할 수 있다.
두 번째 제2 전극으로부터 신호를 입력받은 Ch1-2, Ch2-2, Chn-2의 경우를 예시로 설명하면 다음과 같다. TDC 회로는 첫 번째 제2 전극과 연결되는 적분기가 동작을 개시함과 동시에 스위칭 회로(640)를 통해 적분기에 연결된다. 그러나 첫 번째 제2 전극과 연결되는 적분기가 동작을 개시하는 시점(td2)에서도 TDC 회로는 첫 번째 제2 전극과 연결되는 적분기에 연결된 상태이며, 두 번째 제2 전극과 연결되는 적분기와는 td2 + tmax 만큼의 시간이 경과한 후에 연결된다.
하지만 앞서 설명한 바와 같이, 적분기에서 생성되는 전압 신호가 소정의 전압 신호에 도달하는데에 걸리는 최소 시간과 최대 시간 사이의 차이가 tmax로 이미 설정된 상태이기 때문에, 두 번째 제2 전극과 연결되는 적분기와는 td2 + tmax 만큼의 시간이 경과한 후에 연결된다 하더라도 신호 손실 및 오차 없이 정확한 시간을 TDC 회로에서 검출할 수 있다. 결국, 지연 회로(660)에서 생성하는 적분기 각각에 대한 지연 시간(td1~tdn)은 TDC 회로가 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 적분기에서 측정하는 정전용량 변화의 특성에 따른 tamx 값에 의해 결정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 접촉 감지 방법은 복수의 감지 전극으로부터 정전용량을 감지하는 것으로 시작된다(S800). 복수의 감지 전극과 전기적으로 연결되는 적분기에서 정전용량 변화를 감지하여 전압 신호를 생성할 수 있으며, 감지하는 정전용량 변화는 패널부(510)에 서로 교차하도록 마련되는 복수의 감지 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량 변화일 수 있다.
정전용량 변화 감지가 시작되면, 지연 회로(560)는 디지털 신호 생성에 필요한 시간 및 정전용량 변화에 기초하여 지연 시간을 설정한다(S810). 앞서 설명한 바와 같이 지연 시간은 복수의 감지 전극 각각에 연결된 적분기에 서로 다르게 부여될 수 있다. 따라서, 적분기가 정전용량 변화로부터 전압 신호를 생성하기 위한 적분 동작을 개시하는 시점이 서로 다르게 적용되며, 이에 대해서는 도 7을 참조한 위의 설명과 같은 방식이 적용될 수 있다. 즉, 스위칭 회로(540)의 동작이 서로 다른 지연 시간에 의해 동작 시점이 제어되는 적분기와 서로 동기화되어 하나의 TDC 회로로 모든 감지 전극에서 생성되는 감지 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
신호 변환부(550)는 스위칭 회로(540)로부터 정전용량 변화를 순차적으로 입력받아 디지털 신호를 생성한다(S830). 신호 변환부(550)는 TDC 회로일 수 있으며, 신호 변환부로 입력되는 정전용량 변화는 적분기에 의해 전압 신호로 변환된 아날로그 신호일 수 있다. 신호 변환부(550)는 전압 신호가 소정의 전압 레벨까지 도달하는 데에 걸리는 시간을 측정하고, 이를 디지털 신호로 변환하기 위해 복수의 버퍼와 래치로 구성되는 지연 셀(delay cell) 회로를 포함할 수 있다.
신호 변환부(550)가 생성한 디지털 신호는 연산부(570)에 의해 접촉을 판단하는 데에 이용된다(S840). 연산부(570)는 디지털 신호로부터 접촉 입력이 발생한 위치, 접촉 입력이 인가된 시간, 접촉 입력에 의한 제스처 등의 입력 정보를 판단하고, 이를 전자 기기의 메인 컨트롤러로 전송할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
200 : 접촉 감지 패널
400 : 접촉 감지 장치
410, 540, 640 : 스위칭 회로
430, 550, 650 : 신호 변환부
530, 630 : 감지 회로부
560, 660 : 지연 회로

Claims (15)

  1. 복수의 감지 전극으로부터 정전용량 변화를 측정하는 복수의 감지 회로부;
    상기 복수의 감지 회로부와 연결되어 상기 정전용량 변화를 디지털 신호로 변환하는 하나 이상의 TDC 회로부;
    상기 디지털 신호로부터 접촉을 판단하는 연산부; 및
    상기 적어도 둘 이상의 감지 회로부로부터 순차적으로 상기 정전용량 변화를 전달받기 위한 지연 회로; 를 포함하는 접촉 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지연 회로는
    상기 TDC 회로부가 상기 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 상기 정전용량 변화의 특성에 기초하여 상기 복수의 감지 회로부 각각에 소정의 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지연 회로는,
    상기 복수의 감지 회로부 각각에 서로 다른 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 감지 회로부는,
    상기 복수의 감지 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화를 측정하는 접촉 감지 장치.
  5. 정전용량 변화를 측정하는 복수의 감지 회로부;
    상기 복수의 감지 회로부와 연결되어 상기 정전용량 변화로부터 디지털 신호를 생성하는 하나 이상의 신호 변환부;
    상기 디지털 신호로부터 접촉을 판단하는 연산부; 및
    상기 정전용량 변화를 순차적으로 전달받기 위해 상기 신호 변환부와 연결된 상기 복수의 감지 회로부 각각에 서로 다른 지연 시간을 설정하는 지연 회로; 를 포함하고,
    상기 지연 시간은 상기 신호 변환부가 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 상기 정전용량 변화의 특성에 기초하여 설정되는 접촉 감지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 감지 회로부와 전기적으로 연결되는 복수의 감지 전극이 마련되는 패널부; 를 더 포함하는 접촉 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 감지 회로부는,
    상기 복수의 감지 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화를 측정하는 접촉 감지 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 신호 변환부는,
    상기 정전용량 변화에 대응하는 전압 신호가 소정의 기준 전압까지 변화하는데 걸리는 시간을 측정하는 TDC(Time-to-Digital Converter) 회로를 포함하는 접촉 감지 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 지연 회로는,
    상기 정전용량 변화의 특성에 따라 상기 전압 신호가 상기 기준 전압까지 변화하는 데 걸리는 최소 시간 및 최대 시간의 차이를 고려하여 상기 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 감지 회로부 각각에 설정되는 지연 시간에 따라 상기 복수의 감지 회로부와 상기 신호 변환부 사이의 연결을 제어하는 스위칭 회로; 를 더 포함하는 접촉 감지 장치.
  11. 제5항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 디지털 신호의 가중 평균을 이용하여 상기 접촉을 판단하는 접촉 감지 장치.
  12. 복수의 감지 전극으로부터 복수의 정전용량 변화를 측정하는 단계;
    상기 복수의 정전용량 변화를 순차적으로 입력받아 디지털 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 디지털 신호에 기초하여 접촉을 판단하는 단계; 를 포함하고,
    상기 디지털 신호 생성 단계는, 상기 디지털 신호를 생성하는 데에 필요한 시간 및 상기 복수의 정전용량 변화 각각의 특성에 기초하여 상기 복수의 정전용량 변화를 순차적으로 입력받는 접촉 감지 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 디지털 신호 생성 단계는,
    상기 복수의 정전용량 변화를 복수의 전압 신호로 변환하는 단계;
    상기 복수의 전압 신호 각각이 소정의 기준 전압까지 변화하는데 걸리는 제1시간을 측정하는 단계; 및
    상기 제1시간을 상기 디지털 신호로 변환하는 단계; 를 포함하는 접촉 감지 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 디지털 신호 생성 단계는,
    상기 제1시간의 최소값 및 최대값의 차이에 기초하여 상기 복수의 정전용량 변화를 순차적으로 입력받기 위한 지연 시간을 설정하는 접촉 감지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지연 시간은 상기 복수의 감지 전극 각각에 서로 다르게 적용되는 접촉 감지 방법.
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