KR20130088040A - 고속 저전력 멀티-터치 터치 디바이스 및 그 제어기 - Google Patents

고속 저전력 멀티-터치 터치 디바이스 및 그 제어기 Download PDF

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KR20130088040A
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토마스 제이 레베스치
크레이그 에이 코르데이로
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

터치 감응 디바이스는 터치 패널, 구동 유닛, 감지 유닛, 및 측정 유닛을 포함한다. 패널의 노드에 가해지는 터치는 터치 패널의 2개의 전극(구동 전극과 감지 전극) 사이의 용량성 결합을 변화시킨다. 구동 유닛은 하나 이상의 구동 펄스를 포함할 수 있는 구동 신호를 구동 전극에 전달한다. 감지 유닛은 감지 전극에 결합되고, 축적된 신호를 제공하기 위해 전하 축적기에 전하를 축적하는 데 사용되는 응답 신호를 발생시킨다. 축적된 신호는 전극들 사이의 용량성 결합에 응답하고, 노드에서의 터치의 표시를 제공하기 위해 측정된다.

Description

고속 저전력 멀티-터치 터치 디바이스 및 그 제어기{HIGH SPEED LOW POWER MULTI-TOUCH TOUCH DEVICE AND CONTROLLER THEREFOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 그 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2010년 5월 25일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/348173호의 이익을 주장한다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2009년 5월 29일자로 출원된 발명의 명칭이 "고속 멀티-터치 디바이스 및 그 제어기(High Speed Multi-Touch Device and Controller Therefor)"인 미국 특허 출원 제61/182366호; 및 2009년 8월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "고속 멀티-터치 디바이스 및 그 제어기(High Speed Multi-Touch Device and Controller Therefor)"인 미국 특허 출원 제61/231471호; 및 2010년 1월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "고속 내잡음성 멀티-터치 터치 디바이스 및 그 제어기(High Speed Noise Tolerant Multi-Touch Touch Device and Controller Therefor)"인 미국 특허 출원 제12/652,343호에 관한 것이다.
본 발명은 일반적으로 터치 감응 디바이스, 특히 사용자의 손가락 또는 기타 터치 도구와 터치 디바이스 사이의 용량성 결합에 의존하는 터치 감응 디바이스에 관한 것이며, 특히 동시에 터치 디바이스의 상이한 부분에 가해지는 다수의 터치를 검출할 수 있는 이러한 디바이스에 적용된다.
터치 감응 디바이스는 기계적 버튼, 키패드, 키보드 및 포인팅 디바이스에 대한 필요성을 줄이거나 제거함으로써 사용자가 전자 시스템 및 디스플레이와 편리하게 인터페이스할 수 있도록 해준다. 예를 들어, 사용자는 아이콘에 의해 식별되는 위치에서 온-디스플레이 터치 스크린(on-display touch screen)을 간단히 터치함으로써 복잡한 일련의 명령어를 수행할 수 있다.
예를 들어, 저항, 적외선, 용량성, 표면 탄성파, 전자기, 근접장 이미징 등을 포함하는 터치 감응 디바이스를 구현하기 위한 몇 가지 유형의 기술들이 있다. 용량성 터치 감응 디바이스는 다수의 응용에서 잘 동작하는 것으로 알려져 있다. 많은 터치 감응 디바이스에서, 센서 내의 전도성 물체가 사용자의 손가락과 같은 전도성 터치 도구에 용량적으로 결합될 때 입력이 감지된다. 일반적으로, 2개의 전기 전도성 부재가 실제로 터치하는 일 없이 서로 근접하게 될 때마다, 이들 사이에 커패시턴스가 형성된다. 용량성 터치 감응 디바이스의 경우, 손가락과 같은 물체가 터치 감지 표면에 접근함에 따라, 작은 커패시턴스가 물체와 이 물체에 아주 근접하는 감지 지점 사이에 형성된다. 감지 지점들 각각에서의 커패시턴스의 변경을 검출하고 감지 지점의 위치에 주목함으로써, 감지 회로는 터치 표면을 가로질러 이동하면서 복수의 물체를 인식하고 이 물체의 특성을 판정할 수 있다.
터치를 용량적으로 측정하기 위해 이용되는 두 가지 공지의 기법이 있다. 첫번째 기법은 접지에 대한 커패시턴스를 측정하는 것으로, 이에 의해 신호가 전극에 인가된다. 전극에 근접한 터치는 신호 전류가 전극으로부터 손가락과 같은 물체를 통해 전기적 접지로 흐르게 한다.
터치를 용량적으로 측정하는 데에 이용되는 두번째 기법은 상호 커패시턴스에 의한 것이다. 상호 커패시턴스 터치 스크린은 신호를 전기장에 의해 수신 전극에 용량적으로 결합되는 구동 전극에 인가한다. 두 전극간의 신호 결합은 근접한 물체에 의해 감소되고, 이는 용량성 결합을 감소시킨다.
제2 기법과 관련하여, 다양한 부가의 기법이 전극들 사이의 상호 커패시턴스를 측정하는 데 사용되었다. 한 가지 이러한 기법에서, 수신 전극에 결합된 커패시터는 구동 신호의 다수의 펄스와 연관된 다수의 전하를 축적하는 데 사용된다. 구동 신호의 각각의 펄스는 이와 같이 이러한 "적분 커패시터(integrating capacitor)"에 축적되는 총 전압의 작은 부분에만 기여한다. 미국 특허 제6,452,514호(필립(Philipp))를 참조한다.
본 출원은, 그 중에서도, 동시에 또는 중복하는 때에 터치 디바이스의 상이한 부분들에 가해지는 다수의 터치를 검출할 수 있는 터치 감응 디바이스를 개시하고 있다. 게다가, 터치 디바이스는 다수의 전원을 필요로 하는 연산 증폭기를 포함하는 회로와 비교하여 전력을 거의 소비하지 않을 수 있다. 이를 달성하기 위해, 구동 신호에 대해 적당한 펄스 형상이 사용되는 것으로 가정하면, 일 실시예에서, 각각의 수신 전극에 대해 구동 신호의 미분된 표현 - 응답 신호라고 함 - 이 발생되도록 미분 회로가 바람직하게는 수신 전극에 결합된다. 예시적인 실시예에서, 각각의 미분 회로는 간단한 저항기-커패시터(RC) 회로를 포함할 수 있다. 구동 신호의 미분된 표현이 이어서 트랜지스터-기반 증폭기를 사용하여 증폭되고, 증폭된 신호는 이어서 전하 축적기에 신호를 축적하는 데 사용되며, 그 후에 하나 이상의 구동 사이클이 샘플링된다. 이때, 전하 축적기로부터의 축적된 신호의 측정된 값은 주어진 노드에서의 용량성 결합에 대한 대용물이며, 그 용량성 결합에 대한 변화는 주어진 노드로의 손가락 또는 다른 물체의 근접(예를 들어, 터치 스크린에 대한 터치)을 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 트랜지스터 증폭기는 입력을 증폭하도록 구성된 입력 제1 트랜지스터 및 전하 축적기 - 일부 경우에, 간단히 커패시터일 수 있음 - 를 충전하도록 전류원 출력으로서 구성된 제2 트랜지스터를 갖는 전압-전류 증폭기이다. 다른 공지된 트랜지스터-기반 증폭 회로 설계가 또한 사용될 수 있지만, 예시적인 실시예에서, 트랜지스터 증폭기는 피드백을 이용하는 것이 아니라 대신에 개루프를 동작시킨다. 일부 경우에, 회로는 응답 신호로서 트랜지스터 증폭기에 제공될 수 있는 구동 신호의 시간에 대한 도함수의 적어도 근사치를 어떤 형태로 포함하는 출력을 제공할 수 있다. 그의 동작을 위해 하나 이상의 연산 증폭기 디바이스에 의존하는 소정의 증폭기와 비교하여, 회로에 의한 전력 소모를 상당히 감소시키는 방식으로 트랜지스터 증폭기가 바이어스될 수 있다.
응답 신호의 피크 진폭 또는 평균 진폭과 같은 특성 진폭은 샘플링되는 구동 전극과 수신 전극 사이의 용량성 결합을 나타낸다. 특정 구동 전극 및 수신 전극에 대응하는 노드에서의 터치는 용량성 결합을 감소시키고 특성 진폭을 감소시키는 효과가 있다. 그러한 진폭의 감소는 구동 신호의 수 개의 펄스에 걸쳐 측정될 수 있지만, 일 실시예에서, 구동 신호의 단일 펄스만으로도 측정될 수 있다. 모든 열(column) 전극이 병렬 수신 회로를 가지기 때문에, 시간상 동시에 또는 중복하여 일어나는 터치 디바이스의 열 전극의 상이한 부분들에서의 다수의 터치가 이러한 방식으로 검출될 수 있다. 잡음 감소가 요구되는 경우, 각각의 구동/수신 전극 쌍(즉, 노드)에 대해 구동 신호로부터의 다수의 펄스를 채용하는 것이 유익할 수 있다.
본 출원은 또한 터치 패널, 구동 유닛, 감지 유닛, 및 측정 유닛을 포함하는 터치 감응 장치를 개시하고 있다. 패널은 터치 표면 및 전극 매트릭스(electrode matrix)를 한정하는 복수의 전극을 포함할 수 있고, 복수의 전극은 복수의 구동 전극 및 복수의 수신 전극을 포함한다. 각각의 구동 전극은 매트릭스의 각자의 노드에서 각각의 수신 전극에 용량적으로 결합된다. 노드들 중 주어진 노드에 근접한 터치 표면 상의 터치가 구동 전극과 주어진 노드와 연관된 수신 전극 사이의 결합 커패시턴스(coupling capacitance)를 변경하도록 패널이 구성된다. 구동 유닛은, 이어서, 구동 신호를 발생시키고 구동 신호를, 예를 들어, 멀티플렉서를 통해 한번에 하나씩 구동 전극에 전달하도록 구성된다. 구동 신호는 단지 하나의 개별 구동 펄스이거나 이를 포함할 수 있거나, 복수의 이러한 구동 펄스 또는 이러한 구동 펄스 열을 포함할 수 있다. 감지 유닛은, 각각의 구동 전극에 전달된 각각의 구동 신호에 대해, 이러한 구동 전극에 용량적으로 결합되어 있는 복수의 수신 전극에 대한 응답 신호를 발생시키도록 구성될 수 있고, 각각의 응답 신호는, 일 실시예에서, 구동 신호의 미분된 표현을 포함한다. 이들 응답 신호 각각의 진폭은 연관된 노드에서의 결합 커패시턴스의 함수이다. 전하 축적기는 바람직하게는 축적된 신호를 제공하기 위해 각각의 응답 신호와 연관된 전하를 축적하는 데 채용되고, 축적된 신호의 전압 레벨 또는 다른 크기는 또한 전극 매트릭스의 연관된 노드에서의 결합 커패시턴스에 대응한다. 마지막으로, 측정 유닛은 바람직하게는 각각의 노드에 대한 축적된 신호를 측정하고 그로부터 터치 표면 상의 다수의 시간상 중복하는 터치(있는 경우)의 위치를 결정하도록 구성된다.
응답 신호에 대한 원하는 파형 형상을 제공하기 위해 구동 신호에서 사용되는 구동 펄스(들)의 형상이 조정되거나 선택될 수 있다. 예를 들어, 구동 펄스에 대해 직사각형 형상이 사용되는 경우, 감지 유닛에 의해 발생되는 응답 신호는 전형적으로 한 쌍의 반대 극성 임펄스 펄스(opposite polarity impulse pulse)를 포함하고, 이 펄스의 피크 진폭이 피크 검출기 및 선택적인 샘플/홀드 버퍼를 사용하여 분리될 수 있다. 대안적으로, 램프-형상의(ramp-shaped) 구동 펄스가 선택되는 경우, 응답 신호는 전형적으로 공칭상 직사각형인 펄스 형상을 포함하는데, 즉 2개의 비교적 가파른 하이-로우 천이(high-to-low transition) 사이에 배치된 비교적 일정한 진폭 안정기(amplitude plateau)를 포함한다. 그러한 직사각형-형상의 응답 신호는 있을 수 있는 특정 회로 요소의 생략 및 터치 디바이스의 전체적인 간소화를 가능하게 해준다.
일부 경우에, 트랜지스터 증폭기는 유니폴라(unipolar)일 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터 증폭기는 양의 전원(+Vcc) 및 접지에 결합되지만 음의 전원(-Vcc)에는 결합되지 않을 수 있다. 유사하게, 트랜지스터 증폭기는 음의 전원(-Vcc) 및 접지에 결합되지만 양의 전원(+Vcc)에는 결합되지 않을 수 있다. 트랜지스터 증폭기는 제1 및 제2 트랜지스터들을 포함할 수 있고, 일부 경우에, 어떠한 다른 트랜지스터도 포함하지 않을 수 있다. 각각의 트랜지스터는 베이스, 컬렉터 및 이미터를 포함할 수 있다. 하나의 트랜지스터는 NPN형 트랜지스터일 수 있는 반면, 다른 트랜지스터는 PNP형 트랜지스터일 수 있다. 제1 트랜지스터의 컬렉터는 제2 트랜지스터의 베이스에 결합될 수 있다. 전하 축적기는 제1 트랜지스터의 이미터와 제2 트랜지스터의 컬렉터 사이에 결합될 수 있다.
감지 유닛은 기준 회로를 포함할 수 있고, 기준 회로는 구동 유닛과 트랜지스터 증폭기 사이에 결합될 수 있다. 기준 회로는 구동 신호의 미분된 표현일 수 있는 응답 신호를 발생시킬 수 있고, 각각의 응답 신호의 미분은 응답 신호와 연관된 노드의 결합 커패시턴스에 기초한다. 기준 회로는 저항을 포함할 수 있고, 이 저항을 통해 각각의 노드의 결합 커패시턴스가 방전된다. 트랜지스터 증폭기의 제1 트랜지스터의 베이스는 기준 회로에 결합될 수 있다. 기준 회로는 제1 트랜지스터의 베이스를 바이어스시키도록 구성될 수 있다. 기준 회로는 유니폴라일 수 있고, 트랜지스터 증폭기가 또한 유니폴라일 수 있다.
개시된 장치는 또한 전하 축적기를 리셋시키도록 구성된 리셋 회로를 포함할 수 있다. 장치의 측정 유닛은 전하 축적기로부터의 각각의 축적된 신호를, 전극 매트릭스의 연관된 노드에서의 터치 또는 터치-직전(near-touch)을 나타내는 디지털 표현으로 변환시킬 수 있다.
관련 방법, 시스템 및 물품이 또한 논의된다.
본 출원의 이들 태양 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기의 개요는 청구된 기술적 요지를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니되며, 그 기술적 요지는 절차를 수행하는 동안 보정될 수도 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
<도 1>
도 1은 터치 디바이스의 개략도.
<도 2>
도 2는 터치 디바이스에서 사용되는 터치 패널의 일부분의 개략 측면도.
<도 3>
도 3은 관련 구동 및 검출 회로가 하나의 구동 전극 및 그에 용량적으로 결합된 하나의 수신 전극과 관련하여 도시되어 있는 터치 디바이스의 개략도.
<도 4>
도 4는 도 3의 터치 디바이스에 대한 구동 신호 및 대응하는 (모델링된) 응답 신호의 그래프로서, 여기서 구동 신호는 직사각형 펄스를 포함하고 응답 신호는 임펄스 펄스를 포함함.
<도 5>
도 5는 용량적으로 결합된 전극의 4x8 매트릭스를 갖는 터치 패널, 및 터치 패널 상의 다수의 동시적인 터치를 검출하는 데 사용될 수 있는 다양한 회로 구성요소를 포함하는 터치 디바이스의 개략도.
도면에 있어서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1에, 예시적인 터치 디바이스(110)가 도시되어 있다. 디바이스(110)는 전자 회로에 연결된 터치 패널(112)을 포함하며, 전자 회로는 간단함을 위해 114로 표시된 하나의 개략적인 상자 내에 그룹화되어 있고 총칭하여 제어기라고 한다.
터치 패널(112)은 열 전극(116a 내지 116e)과 행 전극(row electrode)(118a 내지 118e)의 5x5 매트릭스를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다른 개수의 전극 및 다른 매트릭스 크기도 사용될 수 있다. 패널(112)은 전형적으로 사용자가 패널(112)을 통해 물체(컴퓨터, 핸드헬드 장치, 휴대폰, 또는 기타 주변 장치의 픽셀화된 디스플레이 등)를 볼 수 있도록 실질적으로 투명하다. 경계(120)는 패널(112)의 가시 영역(viewing area) 및 또한 바람직하게는, 사용되는 경우, 이러한 디스플레이의 가시 영역을 나타낸다. 전극(116a 내지 116e, 118a 내지 118e)은, 평면도에서 볼 때, 가시 영역(120) 상에 공간적으로 분포되어 있다. 설명의 편의상, 전극이 넓고 잘 보이도록 도시되어 있지만, 실제로는 비교적 좁고 사용자에게 잘 보이지 않게 되어 있을 수 있다. 게다가, 전극이 가변 폭 - 예를 들어, 전극간 프린지 전계(inter-electrode fringe field)를 증가시키고 그로써 전극간 용량성 결합(electrode-to-electrode capacitive coupling)에 대한 터치의 효과를 증가시키기 위해 매트릭스의 노드의 근방에서 다이아몬드-형상 또는 기타 형상의 패드의 형태로 증가된 폭 - 을 가지도록 설계될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전극은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 다른 적합한 전기 전도성 물질로 이루어져 있을 수 있다. 깊이 측면에서 볼 때, 열 전극과 행 전극 사이에 상당한 오옴 접촉(ohmic contact)이 일어나지 않도록 그리고 주어진 열 전극과 주어진 행 전극 사이의 유일한 유효 전기적 결합(significant electrical coupling)만이 용량성 결합이도록 열 전극이 행 전극과 상이한 평면에 있을 수 있다(도 1에서 볼 때, 열 전극(116a 내지 116e)이 행 전극(118a 내지 118e) 아래에 있다). 다른 실시예에서, 행 전극 및 이산된 열 전극 구성요소들은 동일한 기판 상에서 동일한 층에 배치되어 있고, 브리징 점퍼 전극은 이산된 열 전극 구성요소들(유전체에 의해 열 전극으로부터 떨어져 있음)을 연결시킴으로써 실질적으로 단일 층 구성을 사용하여 x-전극 및 y-전극을 형성하도록 구성된다. 전극의 매트릭스가 전형적으로 커버 유리, 플라스틱 필름, 기타 아래에 있으며, 따라서 전극이 사용자의 손가락 또는 기타 터치-관련 도구와의 직접적인 물리적 접촉으로부터 보호된다. 이러한 커버 유리, 필름 또는 기타의 노출된 표면은 터치 표면이라고 할 수 있다. 그에 부가하여, 디스플레이-유형 응용에서, 후방 차폐물(back shield)이 디스플레이와 터치 패널(112) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 후방 차폐물은 전형적으로 유리 또는 필름 상의 전도성 ITO 코팅으로 이루어져 있고, 접지되거나 외부의 전기적 간섭원으로부터의 터치 패널(112) 내로의 신호 결합을 감소시키는 파형으로 구동될 수 있다. 다른 후방 차폐 방식이 본 기술 분야에 공지되어 있다. 일반적으로, 후방 차폐물은 터치 패널(112)에 의해 감지되는 잡음을 감소시키며, 이는 일부 실시예에서 개선된 터치 감도(예를 들어, 보다 약한 터치를 감지하는 능력) 및 보다 빠른 응답 시간을 제공할 수 있다. 후방 차폐물은 때때로, 예를 들어, LCD 디스플레이로부터의 잡음 세기가 거리에 따라 급속히 감소하기 때문에 터치 패널(112)과 디스플레이 사이에 간격을 두는 것을 비롯한, 다른 잡음 감소 방법과 함께 사용된다. 이들 기법에 부가하여, 잡음 문제를 처리하는 다른 방법이 다양한 실시예를 참조하여 이하에서 논의된다.
임의의 열 및 행 전극간의 용량성 결합은 주로 전극들이 서로 가장 가까이 있는 영역에서의 전극들의 기하형태의 함수이다. 이러한 영역은 전극 매트릭스의 "노드"에 대응하며, 이들 중 일부가 도 1에 표시되어 있다. 예를 들어, 열 전극(116a)과 행 전극(118d) 사이의 용량성 결합은 주로 노드(122)에서 일어나고, 열 전극(116b)과 행 전극(118e) 사이의 용량성 결합은 주로 노드(124)에서 일어난다. 도 1의 5x5 매트릭스는 25개의 이러한 노드를 가지며, 이들 중 임의의 노드가, 각자의 열 전극(116a 내지 116e)을 제어기에 개별적으로 결합시키는 제어 라인(126)들 중 하나의 적절한 선택 및 각자의 행 전극(118a 내지 118e)을 제어기에 개별적으로 결합시키는 제어 라인(128)들 중 하나의 적절한 선택을 통해, 제어기(114)에 의해 어드레싱될 수 있다.
터치 위치(131)에 나타낸 바와 같이, 사용자의 손가락(130) 또는 기타 터치 도구가 디바이스(110)의 터치 표면과 접촉하거나 거의 접촉할 때, 손가락은 전극 매트릭스와 용량적으로 결합한다. 손가락은 매트릭스에 용량적으로 결합되고, 매트릭스로부터, 특히 터치 위치에 가장 가까이 있는 그 전극으로부터 전하를 끌어내고, 그렇게 할 때, 손가락은 가장 가까운 노드(들)에 대응하는 전극들 사이의 결합 커패시턴스를 변경한다. 예를 들어, 터치 위치(131)에서의 터치는 전극(116c/118b)에 대응하는 노드에 가장 가깝게 있다. 이하에서 더 기술하는 바와 같이, 이러한 결합 커패시턴스의 변화가 제어기(114)에 의해 검출되고 116a/118b 노드에서 또는 그 근방에서의 터치로서 해석될 수 있다. 바람직하게는, 제어기는, 있는 경우, 매트릭스의 모든 노드의 커패시턴스의 변화를 신속하게 검출하도록 구성되어 있고, 보간에 의해 노드들 사이에 있는 터치 위치를 정확하게 결정하기 위해 이웃 노드에 대한 커패시턴스 변화의 크기를 분석할 수 있다. 게다가, 제어기(114)는 유리하게도 동시에 또는 중복하는 때에 터치 디바이스의 상이한 부분에 가해지는 다수의 개별 터치를 검출하도록 설계되어 있다. 따라서, 예를 들어, 다른 손가락(132)이, 손가락(130)의 터치와 동시에, 터치 위치(133)에서 디바이스(110)의 터치 표면을 터치하는 경우, 또는 각자의 터치가 적어도 시간적으로 중복하는 경우, 제어기는 바람직하게는 이러한 터치 둘 모두의 위치(131, 133)를 검출하고 터치 출력(114a)을 통해 이러한 위치를 제공할 수 있다. 제어기(114)에 의해 검출될 수 있는 별개의 동시적인 또는 시간적으로 중복하는 터치의 수가 바람직하게는 2로 제한되지 않으며, 예를 들어, 전극 매트릭스의 크기에 따라 3, 4 또는 그 이상일 수 있다.
이하에서 더 논의하는 바와 같이, 제어기(114)는 바람직하게는 전극 매트릭스의 노드들 중 일부 또는 전부에서의 결합 커패시턴스를 신속하게 결정할 수 있게 해주는 각종의 회로 모듈 및 구성요소를 이용한다. 예를 들어, 제어기는 바람직하게 적어도 하나의 신호 발생기 또는 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛은 구동 전극이라고 하는, 한 세트의 전극에 구동 신호를 전달한다. 도 1의 실시예에서, 열 전극(116a 내지 116e)이 구동 전극으로서 사용될 수 있거나, 행 전극(118a 내지 118e)이 그렇게 사용될 수 있다. 구동 신호는 다양한 방식으로 전극에, 예를 들어, 첫번째 구동 전극부터 마지막 구동 전극까지 스캔되는 순서로 한번에 하나의 구동 전극에 전달될 수 있다. 각각의 이러한 전극이 구동될 때, 제어기는 수신 전극이라고 하는 다른 일련의 전극을 모니터링한다. 제어기(114)는 모든 수신 전극에 결합되어 있는 하나 이상의 감지 유닛을 포함할 수 있다. 각각의 구동 전극에 전달되는 각각의 구동 신호에 대해, 감지 유닛(들)은 복수의 수신 전극에 대한 응답 신호를 발생시킨다. 일 실시예에서, 각각의 응답 신호가 구동 신호의 미분된 표현을 포함하도록 감지 유닛(들)이 설계된다. 예를 들어, 구동 신호가 시간의 함수인 전압을 표현할 수 있는 함수 f(t)로 표현되는 경우, 응답 신호는 적어도 대략 함수 g(t)[단, g(t) = d f(t)/dt]이거나 이를 포함할 수 있다. 환언하면, g(t)는 구동 신호 f(t)의 시간에 대한 도함수이다. 제어기(114)에 사용되는 회로의 설계 상세에 따라, 응답 신호는, 예를 들어, (1) g(t)만; 또는 (2) 상수 오프셋 (g(t) + a)를 갖는 g(t); 또는 (3) 곱셈 스케일링 인자(multiplicative scaling factor) (b * g(t))를 갖는 g(t) - 스케일링 인자는 양이거나 음일 수 있고, 1 초과, 또는 0 초과 1 미만의 크기를 가질 수 있음 - ; 또는 (4) 이들의 조합을 포함할 수 있다. 어쨌든, 응답 신호의 진폭은 유리하게도 구동되는 구동 전극과 모니터링되는 특정 수신 전극 사이의 결합 커패시턴스에 관련된다. 물론, g(t)의 진폭은 또한 원래의 함수 f(t)의 진폭에 비례한다. 주목할 점은, 원하는 경우, 구동 신호의 단일 펄스만을 사용하여 주어진 노드에 대해 g(t)의 진폭이 결정될 수 있다는 것이다. 다른 실시예에서, 응답 신호는 미분되지 않는다. 예를 들어, 이하에서 더 논의되는 도 3의 회로에서, R1 및 Cc의 값이 충분히 클 수 있고, 및/또는 구동 신호의 변조 속도가 충분히 빠를 수 있어, R1 및 Cc와 연관된 RC 시상수가 구동 신호의 천이보다 훨씬 더 느리게 하며, 이 경우에 응답 신호가 여전히 R1 및 Cc의 함수일지라도 응답 신호는 구동 신호의 시간 도함수를 충분히 나타내지 않을 수 있다.
제어기는 또한 일련의 응답 신호 입력으로부터 전하를 축적하는 회로를 포함할 수 있다. 이를 위한 예시적인 회로 장치는 하나 이상의 전하 축적기(326a), 예를 들어 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있고, 그의 선택은 구동 신호 및 대응하는 응답 신호의 성질에 의존할 수 있다. 각각의 펄스는 일부 전하 양자(quantum of charge)의 축적을 초래하고, 각각의 추가의 펄스가 연속하여 더 많이 더해진다. 제어기는 또한 축적된 신호의 아날로그 진폭을 디지털 형식으로 변환하는 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다. 불필요한 회로 요소의 중복을 피하기 위해 하나 이상의 멀티플렉서가 또한 사용될 수 있다. 물론, 제어기는 바람직하게는 측정된 진폭 및 연관된 파라미터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치와, 필요한 계산 및 제어 기능을 수행하는 마이크로프로세서를 포함한다.
주어진 측정 사이클과 연관된 하나 이상의 펄스에 대해 전극 매트릭스 내의 각각의 노드에 대한 응답 신호와 연관된 축적된 전하의 전압을 측정함으로써, 제어기는 전극 매트릭스의 각각의 노드에 대한 결합 커패시턴스에 관련된 측정된 값들의 행렬을 발생시킬 수 있다. 어느 노드(있는 경우)가 터치의 존재로 인한 결합 커패시턴스의 변화를 경험하는지를 결정하기 위해, 이들 측정된 값이 이전에 획득된 기준 값의 유사한 행렬과 비교될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 터치 디바이스에서 사용되는 터치 패널(210)의 일부분의 개략 측면도가 있다. 패널(210)은 전면층(212), 제1 세트의 전극을 포함하는 제1 전극층(214), 절연층(216), 바람직하게는 제1 세트의 전극에 직교하는 제2 세트의 전극(218a 내지 218e)을 포함하는 제2 전극층(218), 및 배면층(220)을 포함한다. 층(212)의 노출된 표면(212a) 또는 층(220)의 노출된 표면(220a)은 터치 패널(210)의 터치 표면이거나 이를 포함할 수 있다.
도 3은 구동 및 검출 회로와 같은 관련 제어기 회로가 결합 커패시턴스 Cc를 통해 하나의 구동 전극(314) 및 하나의 수신 전극(316)에 용량적으로 결합된 터치 패널(312)과 관련하여 도시되어 있는 터치 디바이스(370)를 도시한다. 읽는 사람은 이것이 터치 패널의 일반화 - 여기서, 구동 전극(314)은 복수의 구동 전극의 하나일 수 있고 수신 전극(316)은 마찬가지로 터치 패널 상에 매트릭스로 배열된 복수의 수신 전극의 하나일 수 있음 - 라는 것을 잘 알 것이다.
실제로, 본 명세서에 기술된 터치 측정 기법 중 적어도 일부에서 사용될 수 있는 관심의 한 특정의 실시예에서, 터치 패널은 16:10 종횡비를 갖는 48.3 ㎝(19 인치) 대각선의 직사각형 가시 영역을 가지는 40 × 64(40 행, 64 열) 매트릭스 디바이스를 포함할 수 있다. 이 경우에, 전극은 약 0.64 ㎝(0.25 인치)의 균일한 간격을 가질 수 있다. 이 실시예의 크기로 인해, 전극은 그와 연관된 상당한 표유 임피던스(stray impedance)(예를 들어, 행 전극에 대한 40K 오옴 및 열 전극에 대한 64K 오옴의 저항)를 가질 수 있다. 양호한 인적 요인 터치 응답에 대해, 매트릭스의 2,560 노드(40 * 64 = 2560) 모두의 결합 커패시턴스를 측정하는 응답 시간이, 원하는 경우, 비교적 빠르게(예를 들어, 20 밀리초 미만 또는 심지어 10 밀리초 미만) 될 수 있다. 행 전극이 구동 전극으로서 사용되고 열 전극이 수신 전극으로서 사용되는 경우 그리고 모든 열 전극이 동시에 샘플링되는 경우, 행 전극(구동 전극)마다 0.5 msec(또는 0.25 msec)의 시간 예산(time budget)에 대해, 40 행의 전극이 순차적으로 스캔되는 데, 예를 들어, 20 msec(또는 10 msec) 걸린다.
도 3a의 구동 전극(314) 및 수신 전극(316) - 그의 물리적 특성보다는 그의 전기적 특성으로(집중 회로 요소 모델의 형태로) 나타내어져 있음 - 은 40 × 64보다 작은 매트릭스를 갖는 터치 디바이스에서 찾아볼 수 있는 전극을 나타내지만, 이것이 제한하는 것으로 생각되어서는 안된다. 도 3의 이 대표적인 실시예에서, 집중 회로 모델로 나타낸 직렬 저항 R 각각은 10K 오옴의 값을 가질 수 있고, 집중 회로 모델로 나타낸 표유 커패시턴스 C 각각은 20 피코패럿(pf)의 값을 가질 수 있지만, 물론 이들 값이 결코 제한하는 것으로 보아서는 안된다. 이 대표적인 실시예에서, 결합 커패시턴스 Cc는 공칭상 2 pf이고, 전극(314)과 전극(316) 사이의 노드에 사용자의 손가락(318)에 의한 터치가 존재하는 것으로 인해 결합 커패시턴스 Cc가 약 25%만큼 떨어져 약 1.5 pf의 값으로 된다. 다시 말하지만, 이들 값이 제한하는 것으로 보아서는 안된다.
앞서 기술한 제어기에 따르면, 터치 디바이스(370)는 패널(312)의 각각의 노드에서의 결합 커패시턴스 Cc를 결정하기 위해 특정의 회로를 사용하여 패널(312)을 조사한다. 이 점에서, 읽는 사람은 제어기가 결합 커패시턴스를 나타내거나 그에 응답하는 파라미터, 예를 들어 앞서 언급하고 이하에서 더 기술되는 축적된 전하의 값을 결정함으로써 결합 커패시턴스를 결정할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 이 작업을 달성하기 위해, 디바이스(370)는 바람직하게는 구동 전극(314)에 결합된 저임피던스 구동 유닛(320); 결합 커패시턴스의 함수로서 응답 신호를 발생시키고(일부 실시예에서, 응답 신호는 구동 신호의 시간 도함수를 충분히 나타낼 수 있음) 트랜지스터 증폭기(372)와 같은 개루프 트랜지스터 증폭기를 사용하여 응답 신호를 증폭하는, 수신 전극(316)에 결합된 감지 유닛(369); 감지 유닛(369)에 결합된 전하 축적기(326a) - 전하 축적기는 각각의 노드에 대한 축적된 신호를 제공하기 위해 응답 신호의 함수로서 전하를 축적하도록 구성되고, 축적된 신호는 구동 신호의 하나 이상의 펄스와 연관되며 응답 신호에 대응하여 노드의 결합 커패시턴스에 응답하는 진폭, 크기, 전하 또는 전압을 가짐 - ; 및 감지 유닛(322)에 의해 발생된 응답 신호로부터 얻어지는 축적된 전하를 디지털 형식으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 유닛(324)을 포함한다. 구동 유닛(320)에 의해 공급되는 구동 신호의 특성(따라서 또한 감지 유닛(322)에 의해 발생되는 응답 신호의 특성)에 따라, 전하 축적기 회로(326a)는 또한 샘플/홀드 버퍼로서 역할할 수 있고, 전하 축적기(326a)를 리셋시키도록 동작가능한 관련 리셋 회로(326b)가 또한 포함될 수 있다. 대부분의 실제 응용에서, 디바이스(370)는 또한 주어진 때에 복수의 구동 전극 중 임의의 구동 전극을 어드레싱할 수 있기 위해 신호 발생기(320)와 터치 패널(312) 사이에 멀티플렉서를 포함하는 것뿐만 아니라, 하나의 ADC 유닛이 다수의 수신 전극과 연관된 진폭을 빠르게 샘플링할 수 있게 해주기 위해 ADC 유닛(324) 이전에 멀티플렉서를 포함할 것이며, 따라서 각각의 수신 전극마다 하나의 ADC 유닛을 필요로 하는 비용을 회피한다.
구동 유닛(320)은 바람직하게는 내부 임피던스 - 바람직하게는 양호한 신호 무결성을 유지하고 주입되는 잡음을 감소시키며, 및/또는 빠른 신호 상승 및 하강 시간을 유지하도록 충분히 낮음 - 를 갖는 전압원이거나 이를 포함한다. 구동 유닛(320)은 그의 출력에서 시변 구동 신호를 구동 전극(314)에 제공한다. 구동 신호는 기본적으로 하나의 분리된 펄스로 이루어져 있을 수 있거나, 연속적인 AC 파형 또는 파형 패킷(사인파, 방형파, 삼각파, 기타 등등)을 형성하는 복수의 이러한 펄스 또는 펄스 열을 포함할 수 있다. 이 점에서, "펄스"라는 용어는 뚜렷한 신호 변동을 말하기 위해 광의로 사용되고, 짧은 지속기간 및 높은 진폭의 직사각형 형상으로 제한되지 않는다. 터치 패널 상의 터치(들)의 빠른 검출이 요망되는 경우, 구동 신호는 바람직하게는 주어진 노드에서의 결합 커패시턴스의 신뢰성있는 측정치를 획득하는 데 필요한 최소 개수의 펄스만을 포함한다. 이것은 큰 전극 매트릭스(즉, 감지할 많은 수의 노드)를 가지는 터치 패널에 특히 중요하게 된다. 구동 펄스(들)의 피크 또는 최대 진폭은 바람직하게는 양호한 신호대 잡음비를 제공하기 위해 비교적 높다(예를 들어, 3 내지 20 볼트). 도 3에서 단지 일 단부로부터 전극(314)을 구동하는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 구동 유닛(320)은 그의 양 단부들로부터 전극(314)을 구동하도록 구성될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 전극(314)이 큰 ITO-기반 매트릭스형 터치 센서에 존재할 수 있는 바와 같이 높은 저항(따라서 증가된 구동 신호 감쇠 및 잡음 오염에 대한 취약성)을 가질 때 유용할 수 있다.
읽는 사람은 구동 유닛(320)의 출력에서 제공되는 구동 신호와 특정의 구동 전극(314)에 전달되는 구동 신호가 구별될 수 있다는 것을 염두에 두어야만 한다. 이 구별은, 예를 들어, 구동 유닛을 복수의 구동 전극에, 예를 들어, 한번에 하나씩 선택적으로 결합시키기 위해 멀티플렉서 또는 기타 스위칭 디바이스가 구동 유닛(320)과 터치 패널(312) 사이에 배치될 때 중요하게 된다. 이러한 경우에 구동 유닛(320)은 그의 출력에서 연속적인 AC 파형(방형파, 삼각파, 기타 등등)을 가질 수 있지만, 멀티플렉서의 스위칭 동작으로 인해, 한번에 단지 하나의 이러한 파형의 펄스 또는 단지 몇 개의 펄스만이 임의의 주어진 구동 전극에 전달될 수 있다. 예를 들어, 연속적인 AC 파형의 하나의 펄스가 제1 구동 전극에 전달될 수 있고, AC 파형의 그 다음 펄스가 그 다음 구동 전극에 전달될 수 있으며, 모든 구동 전극이 구동될 때까지 이하 마찬가지이며, 모든 전극이 구동될 때 AC 파형의 그 다음 펄스가 다시 제1 구동 전극에 전달되고 이하 마찬가지로 되어 반복 사이클을 이룬다.
본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이, 구동 신호에서 사용되는 펄스의 형상이 디바이스에서 사용될 검출/측정 전자 장치의 선택에 영향을 줄 수 있다. 사용가능한 펄스 형상의 일례는 직사각형 펄스, 램프형 펄스(대칭이든 비대칭이든 상관없음) 및 사인파(예를 들어, 종 형상의) 펄스를 포함한다.
구동 유닛(320)은, 원하는 경우, 상이한 때에 상이한 펄스를 제공하도록 프로그래밍가능할 수 있다. 예를 들어, 구동 유닛이 멀티플렉서를 통해 복수의 구동 전극에 결합되어 있는 경우, 구동 유닛은 선 저항 및 표유 커패시턴스의 전극간 변동을 보상하기 위해 상이한 구동 전극에 상이한 신호 레벨을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 수신 전극과 연관된 손실을 보상하기 위해, 수신 전극(들)을 통해 긴 전도 길이를 필요로 하는 위치에 배치된 구동 전극은 유리하게도 보다 짧은 전도 길이를 필요로 하는 위치에 배치된 구동 전극보다 더 높은 진폭의 구동 신호로 구동된다. (예를 들어, 도 1의 전극 매트릭스를 참조하면, 행 전극(118a 내지 118e)이 구동 전극인 경우, 전극(118a)에서의 구동 신호가 전극(118e)에 근접한 제어 라인(126)의 배치로 인해 전극(118e)에서의 구동 신호보다 더 긴 길이의 수신 전극(116a 내지 116e)을 통해 결합된다.) 이러한 방식으로 상이한 구동 전극에 상이한 구동 신호 레벨을 제공하는 것은 큰 전극 매트릭스에 특히 유리한데, 그 이유는 터치 스크린에서의 손실에 대해 (수신 전극의 개수에 대응하는) 많은 개수의 검출 회로를 프로그래밍하기보다는, 단지 하나의 구동 신호가 선택된 양만큼 조정되며, 여기서 상이한 구동 전극에 전달되는 구동 신호는 필요한 경우 적절히(as appropriate) 상이한 양만큼 조정된다.
구동 전극(314)에 제공되는 구동 신호는 결합 커패시턴스 Cc를 통해 수신 전극(316)에 용량적으로 결합되고, 수신 전극은 차례로 감지 유닛(369)에 연결된다. 감지 유닛(369)은 따라서 (전극(314, 316) 및 결합 커패시턴스 Cc에 의해 전송되는) 구동 신호를 그의 입력(372a)에서 수신하고, 그로부터 출력(379)에 응답 신호를 발생시킨다. 일 실시예에서, 응답 신호가 구동 신호 - 그의 진폭은 결합 커패시턴스 Cc에 응답함 - 의 미분된 표현을 포함하도록 감지 유닛이 설계된다. 즉, 감지 유닛에 의해 발생된 응답 신호는, 일부 실시예에서, 구동 신호의 시간에 대한 도함수의 적어도 근사치를 어떤 형태로 포함하고 있다. 예를 들어, 응답 신호는 구동 신호의 시간 도함수, 또는 그러한 신호의, 예를 들어, 반전되고, 증폭되며(1 미만의 증폭을 포함함), 전류로 변환되고, 전압 또는 진폭이 오프셋되고, 및/또는 시간이 오프셋된 버전을 포함할 수 있다. 이전의 논의로부터 반복하면, 구동 전극에 전달되는 구동 신호가 함수 f(t)로 표현되는 경우, 응답 신호는, 적어도 대략적으로, 함수 g(t) (여기서, g(t) = df(t)/dt)이거나 이를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 응답 신호가 미분되지 않는다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 디바이스(370)에서의 R1 및 Cc의 값이 충분히 클 수 있고, 및/또는 구동 신호의 변조 속도가 충분히 빠를 수 있어, R1 및 Cc와 연관된 RC 시상수가 구동 신호의 천이보다 훨씬 더 느리게 하며, 이 경우에 응답 신호가 여전히 R1 및 Cc의 함수일지라도 응답 신호는 구동 신호의 시간 도함수를 충분히 나타내지 않을 수 있다. 대안적으로, R1 및 Cc의 값은 충분히 작을 수 있고, 및/또는 구동 신호의 변조 속도가 충분히 느릴 수 있어, R1 및 Cc와 연관된 RC 시상수가 구동 신호의 천이 정도이거나 그보다 빠르며, 이 경우에 응답 신호는 구동 신호의 시간 도함수를 충분히 나타낼 수 있다. 미분된 신호는 유리하게도 짧은 펄스를 트랜지스터 증폭기에 제공하고, 잡음 결합을 최소화하며, 전하 축적기에 빠른 응답 시간을 제공할 수 있다.
그러한 기능을 수행하는 예시적인 회로가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 터치를 나타내는 Cc에서의 용량성 결합을 결정하기 위해 ADC 유닛(324)에 의해 샘플링되는, 커패시터 C1을 충전시키기 위해 트랜지스터-기반 증폭기 회로(372)를 사용하는 터치 디바이스(370)를 도시한다. 트랜지스터 증폭기 회로(372)는 도시된 바와 같이 2개의 트랜지스터 Q2 및 Q1을 포함하며, 여기서 Q2는 NPN형 트랜지스터이고 Q1은 PNP형 저항기이지만, 다른 구성이 또한 고려된다. 각각의 트랜지스터의 베이스(B), 이미터(E) 및 컬렉터(C)가 도면에 표기되어 있다. 디바이스(370)에서의 미분된 신호는 커패시터 Cc 및 종단 저항기 R1에 의해 생성되고, 도시된 실시예에서의 저항기 R1은 공통 기준 회로(373)의 일부로서 포함된다. 전형적으로 R1보다 더 큰 풀업(pull-up) 저항기 R2를 또한 포함하는 기준 회로(373)는 원하는 대로 트랜지스터 Q2를 바이어스시키기 위해 기준 전압을 생성하도록 구성될 수 있는데, 예를 들어 트랜지스터 Q2는 "간신히 온(just on)"되도록 그의 문턱 전압과 실질적으로 같은 양만큼 바이어스될 수 있다. 신호 왜곡을 낮게 유지하면서 미분된 신호 레벨을 최대화하도록 종단 저항기 R1이 선택될 수 있다. 공통 기준 회로(373)는, 일 실시예에서, 0.7V 바이어스를 생성하도록 구성된다. 다른 구성에서, 이는 0V로 조정될 수 있고, 이는 센서에서의 DC 전압 오프셋에 의해 야기되는 센서에서의 은 이동(silver migration) 문제를 감소시키거나 제거할 수 있다. 전자의 경우에, 트랜지스터 증폭기(372)(지점(372a))로의 입력은 0.7V에서 유지되고, Cc로부터의 작은 미분된 신호가 그 지점에서 관찰된다.
트랜지스터 Q1 및 Q2 이외에, 트랜지스터 증폭기는 또한 적절한 양의 증폭 및 다른 관련 회로 특성을 제공하기 위해 도시된 바와 같은 저항기 R3, R4, 및 R5를 포함할 수 있다. 트랜지스터 증폭기(372)는 지점(372a)에서 나타나는 미분된 신호를 증폭시키고, 이 신호는 이어서 전하 축적기(326a) 내의 커패시터 C1을 충전시키는 데 사용된다. 커패시터 Cc에 근접해 있는 손가락(318)은, 구동 유닛(320)에 의해 제공되는 펄스와 같은 다수의 구동 파형에 걸쳐, 손가락(318)이 없는 경우에 나타나는 것보다 더 적은 전하가 커패시터 C1에 축적되게 할 것이다. 구동 유닛(320)으로부터의 하나 이상의 펄스 이후에, 커패시터 C1 상의 전하(예를 들어, 커패시터 C1 을 가로지른 전압)가 샘플링되고, ADC(324)에 의해 디지털 값으로 변환된다. 샘플링 후에, 전하 축적기(326a)의 커패시터 C1이, 후속하는 측정 사이클 이전에, 리셋 회로(326b)에 의해 리셋된다.
개루프 트랜지스터 증폭기(372)는 지점(372a)에 나타나는 신호를 증폭하고, 연산 증폭기를 이용하는 전형적인 증폭기 회로와는 달리 피드백 루프를 갖지 않는다(따라서, 개루프임). 트랜지스터 증폭기(372)에 나타내어져 있는 2개의 바이폴라 트랜지스터는 커패시터 C1을 충전시키는 전류 증폭기가 뒤따르는 반전 이득단(inverting gain stage)으로서 구성된다. 이 회로는 또한 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET) 증폭기 쌍으로서 구성될 수 있다. 트랜지스터 증폭기(372)는, 트랜지스터가 통상 상태에서 기준 회로(373)에 의해 간신히 온 상태로 바이어스될 때 약 100uA의 바이어스 전류를 가지며, 감지 유닛의 입력에서 구동 펄스가 나타날 때에만 응답한다. 디바이스(370)와 관련하여 도시된 것을 포함한 일부 구성에서, 이 회로는 양의 동작 전압 +Vcc만을 필요로 하는데, 이는 연산 증폭기를 위한 양의 전원 및 음의 전원 둘 모두를 포함하는 구성과 비교하여, 보다 낮은 전체 전력 요건을 초래한다는 것에 주목한다. 감지 유닛(369), 기준 회로(373), 및/또는 트랜지스터 증폭기 회로(372)는 따라서 유리하게 유니폴라 회로로서 구성될 수 있다.
수신 전극(316)이 복수의 수신 전극 중 하나의 수신 전극인 실시예에서, 각각의 수신 전극에 대한 전용 감지 유닛(369)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 게다가, 상이한 구동 전극에 대해 상이한 터치 스크린에서의 신호 손실을 보상하기 위해 상이한 감지 유닛에 상이한 양의 증폭(예를 들어, 트랜지스터 증폭기(372) 내의 그 저항기에 대한 상이한 저항기 값)을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 구동 전극과 연관된 손실을 보상하기 위해, 구동 전극(들)을 통해 긴 전도 길이를 필요로 하는 위치에 배치된 수신 전극에는 유리하게도 보다 짧은 전도 길이를 필요로 하는 위치에 배치된 수신 전극보다 더 큰 증폭이 제공된다. (예를 들어, 도 1의 전극 매트릭스를 참조하면, 행 전극(116a 내지 116e)이 수신 전극인 경우, 전극(116a)으로부터 수신된 신호는 전극(116e)에 근접한 제어 라인(128)의 배치로 인해 전극(116e)으로부터 수신된 신호보다 더 긴 길이의 구동 전극(118a 내지 118e)을 통해 결합된다.) 이러한 방식으로 상이한 수신 전극에 상이한 양의 증폭을 제공하는 것은 큰 전극 매트릭스에 특히 유리한데, 그 이유는 터치 스크린에서의 손실에 대해 (수신 전극의 개수에 대응하는) 많은 개수의 검출 회로를 프로그래밍할 필요성을 감소시킬 수 있기 때문이다.
앞서 언급된 바와 같이, ADC(324)는 바람직하게는 응답 신호의 하나 이상의 펄스와 연관된 축적된 전하를, 일 실시예에서 그의 전압을 샘플링함으로써, 추가적인 처리를 위해 마이크로프로세서와 같은 디지털 구성요소에서 사용되는 디지털 형식으로 변환하도록 제공된다. ADC는 임의의 적당한 설계의 것일 수 있는데, 예를 들어 고속 연속 근사 레지스터(successive approximation register, SAR) 및/또는 시그마-델타형 변환기(sigma-delta type converter)를 포함할 수 있다.
주어진 노드의 축적된 전하 값의 추가적인 처리와 관련하여, 축적된 전하 값 또는 전압 값이 메모리 레지스터에 저장될 수 있다. 원하는 경우, 주어진 노드와 연관된 다수의 이러한 값이 저장되고, 예를 들어, 잡음 감소를 위해, 평균될 수 있다. 게다가, 결합 커패시턴스의 감소가 일어났는지, 즉 어떤 양의 터치가 주어진 노드에 존재하는지를 판단하기 위해 측정된 진폭 값이 바람직하게는 이전의 샘플링된(기준) 값과 비교된다. 이러한 비교는, 예를 들어, 기준 값에서 측정된 값을 빼는 것을 수반할 수 있다. 기준값은 정상 범위 내의 모든 이전의 값의 이동 평균을 포함할 수 있다. 따라서, 평균은 다른 환경 인자들의 온도의 변화가 있다면 센서 특성의 임의의 장기 변화에 대한 보정을 제공할 것이다. 많은 노드를 포함하는 큰 터치 매트릭스를 수반하는 실시예에서, 모든 노드에 대한 측정된 값은 메모리에 저장될 수 있고, 각각의 노드에 대한 Cc의 변화를 결정하기 위해 각자의 기준 값과 개별적으로 비교될 수 있다(문턱값을 초과하는 변화는 그 노드 근방에서의 터치를 나타냄). 비교 데이터를 분석함으로써, 존재하는 경우, 터치 표면 상에서의 다수의 시간적으로 중복하는 터치의 위치가 결정될 수 있다. 검출될 수 있는 시간적으로 중복하는 터치의 개수는 터치 패널에서의 전극 그리드의 치수 및 구동/검출 회로의 속도에 의해서만 제한될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 노드들 사이에 있는 터치 위치를 정확하게 결정하기 위해 이웃 노드에 대해 검출된 차이에 대해 보간이 수행된다.
이제 도 4로 돌아가면, 특정의 구동 신호 및 도 3에 도시된 유형의 감지 유닛에 의해 발생되는 대응하는 응답 신호뿐만 아니라 전하 축적기(326a)에 축적되는 얻어진 신호(예를 들어, 볼트 단위로 측정됨)의 전압 대 시간 그래프가 있다. 이 모델을 위해, 구동 전극, 수신 전극, 및 결합 커패시턴스의 전자적 특성(그에의 터치의 효과, 즉 커패시턴스를 2.0 pf에서 1.5 pf로 감소시키는 것을 포함함)이 도 3의 대표적인 실시예와 관련하여 전술된 바와 같은 것으로 가정되었다. 구동 신호(850a, 850b)는 일련의 3개의 직사각형 펄스를 포함하는 구형파(square wave)로서 도시되어 있으며, 직사각형 펄스 이후에 전하 축적기(326a)에서 측정이 행해지고, 이어서 전하 축적기 회로가 리셋된다. 디바이스(370)의 경우, 여기에 도시된 실시예에서의 측정 사이클은 각각의 구동 전극에 연속하여 인가되는 3개의 직사각형 펄스로 이루어진다. 응답 신호(855a)는 터치가 없는 경우에 지점(379)에서의 (모델링된) 미분된 응답이고, 응답 신호(855b)는 터치가 존재하는 경우에 동일한 미분된 응답이다. 샘플 출력(860a, 860b)은, 각각, 터치 없음 상태 및 터치 상태에서 전하 축적기(326a) 내의 커패시터 C1의 (모델링된) 얻어진 3개의 반복 계단 충전을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 응답 신호(855b)는 터치가 존재하는 경우에 커패시터 C1에 보다 적은 전하가 축적되게 한다.
구형파 이외의 파형이 구동 신호로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 램프 입력은 855a 및 855b에 계단 함수를 제공할 것이다. 램프 입력이 이용가능한 한, 계단 전압이 일정하게 유지될 것이다. 그러한 실시예에서, 전류 증폭기단이 제거될 수 있을 것이고, 출력 전압이 ADC에 의해 직접 측정될 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 입력 증폭기 이득은 ADC에 대한 모델 범위와 같은 정도로 조정될 것이다. 신호의 램프 시간이 짧은 경우, 모든 수신 라인이 샘플링될 때까지 전압을 유지하기 위해 샘플/홀드 회로가 추가될 수 있다. 램프 구동 신호는 잡음에 더 취약할 수 있지만, 잠재적으로 더 적은 펄스(어쩌면 하나의 펄스)가 필요할 것이다.
비-구형파 구동 신호의 다른 예는 사인파형이다. 사인파의 피크가 사인파 사이클의 가운데에 나타나 더 약하게 되어 잠재적으로 잡음에 취약하게 되는 것을 제외하고는, 그러한 회로는 구형파의 신호와 유사한 수신 신호를 발생시킬 것이다. 측정 사이클당 3개의 사인파는 전하가 전하 축적기에 축적되게 할 것이다.
도 5는 용량적으로 결합된 전극의 4x8 매트릭스를 갖는 터치 패널(712), 및 터치 패널 상의 다수의 동시적인 터치를 검출하는 데 사용될 수 있는 다양한 회로 구성요소를 포함하는 터치 디바이스(710)의 개략도이다. 전극 매트릭스는 평행한 구동 전극(a, b, c, d)을 포함하는 상부 전극 어레이를 포함한다. 또한 평행한 수신 전극(E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8)을 포함하는 하부 어레이도 포함된다. 상부 전극 어레이 및 하부 전극 어레이는 서로 직교하도록 배열된다. 이상에서 주어진 노드에 대해 결합 커패시턴스 Cc라고 하는 각각의 직교 전극 쌍 사이의 용량성 결합이 매트릭스의 다양한 노드에 대해, 도시된 바와 같이, C1a, C2a, C3a, C4a, C1b, C2b, 및 C3b 등 내지 C8d로 표시되어 있으며, 이들의 값 모두는 터치되지 않은 상태에서 대략 동일하지만, 앞서 기술한 바와 같이 터치가 가해질 때 감소된다. 또한, 다양한 수신 전극과 접지 사이의 커패시턴스(C1 내지 C8) 및 다양한 구동 전극과 접지 사이의 커패시턴스(a' 내지 d')가 도면에 나타내어져 있다.
이 매트릭스의 32개 노드, 즉 그와 연관된 상호 커패시턴스 또는 결합 커패시턴스는, 도 3a와 관련하여 기술된 회로, 즉 구동 유닛(714); 멀티플렉서(716); 감지 유닛(S1 내지 S8); 샘플/홀드 버퍼로서 또한 기능할 수 있는 전하 축적기(P1 내지 P8); 멀티플렉서(718); 뿐만 아니라 ADC(720); 및 제어기(722)에 의해 모니터링되고, 이들 모두는 (제어기(722)와 각각의 전하 축적기(P1 내지 P7) 사이의 연결이 예시의 용이함을 위해 도면으로부터 생략되어 있다는 것을 제외하고는) 적합한 전도성 배선 또는 와이어를 사용하여 도시된 바와 같이 연결된다.
동작 시, 제어기(722)는 멀티플렉서(716)의 동작에 의해 구동 전극 a에 전달되는 하나 이상의 구동 펄스를 포함하는 구동 신호를 구동 유닛(714)이 발생시키게 한다. 구동 신호는 구동 전극 a와의 그 각자의 상호 커패시턴스를 통해 각각의 수신 전극(E1 내지 E8)에 결합된다. 결합된 신호로 인해 감지 유닛(S1 내지 S8)은, 동시에 또는 실질적으로 동시에, 각각의 수신 전극에 대한 응답 신호를 발생시킨다. 따라서, 디바이스(710)의 동작에서의 이 시점에서, 구동 전극 a에 전달되는 구동 신호(예를 들어, 최대 5, 4, 3 또는 2개의 구동 펄스를 포함할 수 있거나 단지 하나의 구동 펄스를 가질 수 있음)는 감지 유닛(S1)이 노드(E1/a)에 대한 결합 커패시턴스(C1a)를 나타내는 진폭을 갖는 응답 신호를 발생시키게 하거나, 감지 유닛(S1)이 노드(E2/a)에 대한 결합 커패시턴스(C2a)를 나타내는 진폭을 갖는 응답 신호를 발생시키게 하며, 노드(E3/a 내지 E8/a)에 대응하는 다른 감지 유닛(S3 내지 S8)에 대해서도 마찬가지이고, 이들 모두는 동시에 이루어진다. 응답 신호가 아주 과도적인 특성을 가지는 경우, 전하 축적기(P1 내지 P8)는 감지 유닛(S1 내지 S8)에 의해 제공되는 각자의 응답 신호와 연관된 전하를 축적하기 위해 그리고 선택적으로 멀티플렉서(718)에 제공되는 전하 축적기의 출력에서의 그 전하를 샘플링 및 유지하기 위해 제공될 수 있다. 대안적으로, 응답 신호가 상당한 정상 상태 특성을 가지는 경우, 예를 들어, 응답 신호가 상기한 신호에서와 같이 하나 이상의 램프형 펄스의 형태로 되어 있는 경우, 전하 축적기가 저역 통과 필터 및/또는 피크 검출기로 대체될 수 있거나, 감지 유닛의 출력이 멀티플렉서(718)에 곧바로 공급되도록 전하 축적기가 단순히 생략될 수 있다. 어느 경우든지, 특성 진폭 신호가 멀티플렉서(718)에 전달되는 동안, ADC(720)가 먼저 노드(E1/a)와 연관된 특성 진폭을 측정하기 위해 전하 축적기(P1)에(존재하는 경우, 또는, 예를 들어 저역 통과 필터에, 또는 S1에) 결합되고, 이어서 노드(E2/a)와 연관된 특성 진폭을 측정하기 위해 전하 축적기(P2)에 결합되며, 이하 마찬가지로 하여, 마지막으로 노드(E8/a)와 연관된 특성 진폭을 측정하기 위해 전하 축적기(P8)에 결합되도록, 제어기(722)는 멀티플렉서(718)를 신속하게 순환시킨다. 이들 특성 진폭이 측정될 때, 그 값이 제어기(722)에 저장된다. 전하 축적기가 샘플/홀드 버퍼를 포함하는 경우, 제어기는 측정이 행해진 후에 전하 축적기를 리셋시킨다.
그 다음 동작 단계에서, 제어기(722)는 구동 유닛(714)을 구동 전극 b에 결합시키기 위해 멀티플렉서(714)를 순환시키고, 이제 전극 b에 전달되는 하나 이상의 구동 펄스를 다시 포함하는 다른 구동 신호를 구동 유닛이 발생시키게 한다. 전극 b에 전달되는 구동 신호는 이전에 전극 a에 전달된 구동 신호와 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 전술된 터치 패널 손실과 관련한 이유로, 전극 b에 전달된 구동 신호는, 응답 신호가 도출되어 나오는 감지 전극(E1 내지 E8)의 단부에의 전극 b의 보다 더 가까운 근접(및 따라서 보다 낮은 손실)으로 인해, 전극 a에 전달된 진폭보다 더 작은 진폭을 가질 수 있다. 어쨌든, 전극 b에 전달된 구동 신호는 감지 유닛(S1)이 노드 E1/b에 대한 결합 커패시턴스 C1b를 나타내는 진폭을 갖는 응답 신호를 발생시키게 하고, 감지 유닛(S2)이 노드(E2/b)에 대한 결합 커패시턴스 C2b를 나타내는 진폭을 갖는 응답 신호를 발생하게 하며, 노드(E3/b 내지 E8/b)에 대응하는 다른 감지 유닛(S3 내지 S8)에 대해 마찬가지로 하는데, 이들 모두는 동시에 이루어진다. 제1 동작 단계와 관련하여 앞서 논의한 전하 축적기(P1 내지 P8) 또는 샘플/홀드 버퍼 또는 저역 통과 필터의 존재 또는 부존재가 여기에서 똑같이 적용가능하다. 어쨌든, 특성 진폭 신호(예를 들어, 응답 신호의 축적된 전하 또는 평균 진폭)가 멀티플렉서(718)에 전달되는 동안, ADC(720)가 먼저 노드(E1/b)와 연관된 특성 진폭을 측정하기 위해 전하 축적기(P1)에(존재하는 경우, 또는, 예를 들어, 저역 통과 필터에, 또는 S1에) 결합되고, 이어서 노드(E2/b)와 연관된 특성 진폭을 측정하기 위해 전하 축적기(P2)에 결합되며, 이하 마찬가지로 하여, 마지막으로 노드(E8/b)와 연관된 특성 진폭을 측정하기 위해 전하 축적기(P8)에 결합되도록, 제어기(722)는 멀티플렉서(718)를 신속하게 순환시킨다. 이들 특성 진폭이 측정될 때, 그 값이 제어기(722)에 저장된다. 피크 검출기가 샘플/홀드 버퍼를 포함하는 경우, 제어기는 측정이 행해진 후에 피크 검출기를 리셋시킨다.
2개 이상의 동작 단계가 이어서 유사한 방식으로 이어지고, 여기서 구동 신호가 전극 c에 전달되고, 노드(E1/c 내지 E8/c)와 연관된 특성 진폭이 측정되고 저장되며, 이어서 구동 신호가 전극 d에 전달되고 노드(E1/d 내지 E8/d)와 연관된 특성 진폭이 측정되고 저장된다.
이 시점에서, 터치 매트릭스의 모든 노드의 특성 진폭이 아주 짧은 시간 프레임 내에, 예를 들어, 어떤 경우에, 예를 들어, 20 msec 미만 또는 10 msec 미만 내에 측정되고 저장되었다. 제어기(722)는 이어서 각각의 노드에 대해 이들 진폭을 기준 진폭과 비교하여, 각각의 노드에 대한 비교 값(예를 들어, 차이 값)을 획득할 수 있다. 기준 진폭이 비터치 조건을 나타내는 경우, 주어진 노드에 대한 0의 차이 값은 이러한 노드에서 "터치 없음"이 일어나고 있는 것을 나타낸다. 한편, 상당한 차이 값은 노드에서의 터치 문턱값(부분적인 터치를 포함할 수 있음)을 나타낸다. 제어기(722)는, 앞서 언급한 바와 같이, 이웃 노드가 상당한 차이 값을 나타내는 경우 보간 기법을 이용할 수 있다.
달리 언급하지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 양, 특성의 측정치 등을 표현하는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 달리 언급하지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 기술되는 숫자 파라미터는 본 출원의 개시 내용을 이용하여 당업자가 달성하고자 하는 원하는 특성에 따라 다를 수 있는 근사치이다. 특허청구범위의 범주에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하려고 시도함이 없이, 각각의 수치적 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 본 발명의 넓은 범주를 기술하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 임의의 수치 값이 본 명세서에 설명된 특정 예에 기술되는 한, 이들은 가능한 한 합리적으로 정확히 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 시험 또는 측정 한계와 관련된 오차를 분명히 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 기술 분야의 당업자에게는 명백할 것이며, 본 발명이 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들어, 읽는 사람은, 달리 언급하지 않는 한, 하나의 개시된 실시예의 특징이 또한 모든 다른 개시된 실시예에도 적용될 수 있는 것으로 가정해야 한다. 또한, 본 명세서에서 언급된 모든 미국 특허, 특허 출원 공개, 및 기타 특허와 비특허 문서가, 이상의 개시 내용과 모순되지 않는 한, 참조 문헌으로서 포함된다는 것을 잘 알 것이다.

Claims (15)

  1. 터치 감응 장치로서,
    터치 표면 및 전극 매트릭스(electrode matrix)를 한정하는 복수의 전극을 포함하는 패널 - 복수의 전극은 복수의 구동 전극 및 복수의 수신 전극을 포함하고, 각각의 구동 전극은 매트릭스의 각자의 노드에서 각각의 수신 전극에 용량적으로 결합되어 있으며, 패널은 노드들 중 주어진 노드에 근접한 터치 표면 상의 터치가 구동 전극과 주어진 노드와 연관된 수신 전극 사이의 결합 커패시턴스(coupling capacitance)를 변경하도록 구성됨 - ;
    구동 신호를 발생시키고 구동 신호를 구동 전극에 전달하도록 구성되는 구동 유닛;
    개루프 트랜지스터-기반 증폭기를 포함하며, 구동 신호에 응답하여 복수의 수신 전극에 대한 응답 신호를 발생시키도록 구성된 감지 유닛 - 각각의 응답 신호의 진폭은 연관된 노드에서의 결합 커패시턴스에 대응함 - ;
    감지 유닛에 의해 발생된 대응하는 응답 신호에 기초하여 각각의 노드에 대한 축적된 신호를 제공하도록 구성된 전하 축적기; 및
    전하 축적기로부터의 축적된 신호를 측정하고 그로부터 터치 표면 상의 다수의 시간상 중복하는 터치(있는 경우)의 위치를 결정하도록 구성된 측정 유닛을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 트랜지스터-기반 증폭기는 유니폴라(unipolar)인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 트랜지스터-기반 증폭기는 제1 및 제2 트랜지스터를 포함하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 트랜지스터-기반 증폭기는 제1 및 제2 트랜지스터들 이외에 어떠한 트랜지스터도 포함하지 않는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 제1 트랜지스터의 컬렉터는 제2 트랜지스터의 베이스에 결합되는 장치.
  6. 제3항에 있어서, 전하 축적기는 제1 트랜지스터의 이미터와 제2 트랜지스터의 컬렉터 사이에 결합되는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 감지 유닛은 구동 유닛과 트랜지스터-기반 증폭기 사이에 결합되는 기준 회로를 추가로 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 기준 회로는 응답 신호를 발생시키고, 응답 신호는 구동 신호의 미분된 표현이며, 각각의 응답 신호의 미분은 응답 신호와 연관된 노드의 결합 커패시턴스에 기초하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 기준 회로는 저항을 포함하고, 이 저항을 통해 결합 커패시턴스가 방전되는 장치.
  10. 제7항에 있어서, 트랜지스터-기반 증폭기는 제1 및 제2 트랜지스터를 포함하고, 제1 트랜지스터의 베이스가 기준 회로에 결합되고, 제1 트랜지스터의 컬렉터가 제2 트랜지스터의 베이스에 결합되는 장치.
  11. 제7항에 있어서, 트랜지스터-기반 증폭기는 제1 및 제2 트랜지스터를 포함하고, 기준 회로는 제1 트랜지스터의 베이스를 바이어스시키도록 구성되는 장치.
  12. 제7항에 있어서, 기준 회로는 유니폴라인 장치.
  13. 제12항에 있어서, 트랜지스터-기반 증폭기가 또한 유니폴라인 장치.
  14. 제1항에 있어서, 전하 축적기를 리셋하도록 구성된 리셋 회로를 추가로 포함하는 장치.
  15. 제1항에 있어서, 측정 유닛은 각각의 축적된 신호를 디지털 표현으로 변환시키는 장치.
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