KR20130134109A - 정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법, 및 터치스크린 장치 - Google Patents

정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법, 및 터치스크린 장치 Download PDF

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KR20130134109A KR1020120057389A KR20120057389A KR20130134109A KR 20130134109 A KR20130134109 A KR 20130134109A KR 1020120057389 A KR1020120057389 A KR 1020120057389A KR 20120057389 A KR20120057389 A KR 20120057389A KR 20130134109 A KR20130134109 A KR 20130134109A
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Abstract

본 발명은 정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법, 및 터치스크린 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화에 의해 충전되는 제1 커패시터를 포함하는 제1 적분 회로부, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 소정의 기준 레벨과 비교하는 비교 회로부, 및 상기 비교 회로부의 출력에 의해 동작하는 복수의 스위치를 포함하는 잡음 제거부를 포함하며, 상기 비교 회로부는, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치 각각의 동작을 제어하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.

Description

정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법, 및 터치스크린 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SENSING CAPACITANCE, AND TOUCHSCREEN APPARATUS}
본 발명은 잡음에 의해 정전용량 변화 검출시에 나타나는 오류를 최소화할 수 있는 정전용량 감지 장치, 정전용량 감지 방법, 및 터치스크린 장치에 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 터치 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 일정한 패턴을 갖는 복수의 전극을 포함하며, 터치 입력에 의해 정전용량 변화가 생성되는 복수의 노드가 상기 복수의 전극에 의해 정의된다. 2차원 평면에 분포하는 복수의 노드는, 터치 입력에 의해 자체 정전용량(Self-Capacitance) 또는 결합 정전용량(Mutual-Capacitance) 변화를 생성하며, 복수의 노드에서 생성되는 정전용량 변화에 가중 평균 계산법 등을 적용하여 터치 입력의 좌표를 계산할 수 있다. 정확한 터치 입력의 좌표 계산을 위해서는 터치 입력에 의해 생성되는 정전용량 변화를 정확하게 감지할 수 있는 기술이 필요하나, 무선 통신 모듈, 디스플레이 장치 등에서 전기적 잡음이 발생하는 경우, 정전용량 변화를 정확하게 감지하는 데에 방해가 될 수 있다.
인용발명1은 터치센서의 커패시턴스 측정 회로 및 방법에 관한 것으로, 터치센서에서 발생하는 정전용량 변화로부터 충전되는 커패시터의 전압을 소정의 기준 전압과 비교하고, 그로부터 노이즈로 인한 정전용량 변화를 제거하는 내용을 개시하고 있지 않다. 또한, 인용발명2는 커패시턴스 측정 회로에 관한 것으로, 복수의 스위치를 이용하여 오프셋을 캔슬하는 내용만을 개시하고 있을 뿐, 노이즈로 인해 발생하는 정전용량 변화를 제거할 수 있는 내용은 전혀 개시하고 있지 않다.
한국 공개특허공보 KR 10-2011-0080254 미국 공개특허공보 US 2011/0242048
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 측정하고자 하는 정전용량 변화에 잡음에 의한 영향이 발생하는 경우, 이를 최소화할 수 있는 방법을 제안한다. 본 발명에 따르면, 측정하고자 하는 정전용량 변화로부터 제1 커패시터에 전하를 충전하고, 잡음에 의해 제1 커패시터가 영향을 받아 그 전압 레벨이 소정의 기준 레벨 이상으로 변동하는 경우, 제1 커패시터를 순간적으로 방전시켜 잡음에 의한 영향을 제거한다.
본 발명의 제1 기술적인 측면에 따르면, 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화에 의해 충전되는 제1 커패시터를 포함하는 제1 적분 회로부, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 소정의 기준 레벨과 비교하는 비교 회로부, 및 상기 비교 회로부의 출력에 의해 동작하는 복수의 스위치를 포함하는 잡음 제거부를 포함하며, 상기 비교 회로부는, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치 각각의 동작을 제어하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 잡음 제거부와 연결되며, 상기 제1 커패시터에 충전되는 전하에 의해 충전되는 제2 커패시터를 포함하는 제2 적분 회로부, 및 상기 제2 적분 회로부의 출력 신호로부터 터치 입력을 판단하는 연산부를 더 포함하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 잡음 제거부는, 접지단에 연결되는 제1 스위치와, 상기 제2 적분 회로부의 입력 노드에 연결되는 제2 스위치를 포함하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 비교 회로부는, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 커지면, 상기 제2 스위치를 턴-오프시키고, 상기 제1 스위치를 턴-온시키는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 비교 회로부는, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 양(+)의 제1 기준 레벨과 비교하는 제1 비교 회로와, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 음(-)의 제2 기준 레벨과 비교하는 제2 비교 회로를 포함하는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
또한, 상기 비교 회로부는, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨의 절대값이 상기 제1 기준 레벨 및 상기 제2 기준 레벨 중 적어도 하나보다 크면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치 각각을 동작시키는 정전용량 감지 장치를 제안한다.
한편, 본 발명의 제2 기술적인 측면에 따르면, 복수의 제1전극과 복수의 제2전극 각각의 교차점에서 정의되는 복수의 노드 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화를 감지하는 방법에 있어서, 상기 노드 커패시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 단계, 상기 적어도 하나의 노드 커패시터에 충전된 전하를 공급받는 제1 커패시터의 전압 레벨을 소정의 기준 레벨과 비교하는 단계, 및 상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 공급된 전하가 방전되도록 복수의 스위치를 동작하는 단계를 포함하는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 비교 단계는, 양(+)의 부호를 갖는 제1 기준 레벨 및 음(-)의 부호를 갖는 제2 기준 레벨 각각과 상기 제1 커패시터의 전압 레벨을 비교하는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 동작 단계는, 상기 제1 커패시터의 전압 레벨의 절대값이 상기 제1 기준 레벨 및 상기 제2 기준 레벨 중 적어도 하나보다 크면, 상기 제1 커패시터에 공급된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치를 동작하는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 동작 단계는, 상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터와 접지단 사이에 연결되는 제1 스위치를 턴-온시키고, 상기 제1 커패시터와 적분 회로 사이에 연결되는 제2 스위치를 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
또한, 상기 제1 커패시터에 공급된 전하에 의해 제2 커패시터를 충전하는 단계, 및 상기 제2 커패시터의 전압으로부터 상기 정전용량 변화를 발생시킨 터치 입력을 판단하는 단계를 더 포함하는 정전용량 감지 방법을 제안한다.
한편, 본 발명의 제3 기술적인 측면에 따르면, 복수의 구동 전극과 복수의 감지 전극을 포함하는 패널부, 상기 복수의 구동 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부, 및 상기 구동 신호가 인가된 구동 전극과 상기 복수의 감지 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화를 감지하는 감지 회로부, 및 상기 구동 회로부 및 상기 감지 회로부의 동작을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 감지 회로부는 버퍼 회로, 스위칭 회로, 및 적분 회로부를 포함하고, 상기 버퍼 회로는 상기 정전용량 변화에 의해 충전되는 제1 커패시터를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 소정의 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하 일부가 방전되도록 상기 스위칭 회로를 동작하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 적분 회로부는 상기 제1 커패시터에 충전되는 전하에 기초하여 상기 제어부로 전달되는 출력 신호를 생성하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 적분 회로부의 출력 신호로부터 상기 패널부에 인가되는 터치 입력을 판단하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 스위칭 회로는 상기 제1 커패시터와 접지단 사이에 연결되는 제1 스위치와, 상기 제1 커패시터와 상기 적분 회로부의 입력단 사이에 연결되는 제2 스위치를 포함하는 터치스크린 장치를 제안한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 소정의 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 스위치를 턴-온시키고 상기 제2 스위치를 턴-오프시키는 터치스크린 장치를 제안한다.
본 발명에 따르면, 측정하고자 하는 정전용량 변화로부터 제1 커패시터를 우선 충전하고, 전기적 잡음에 의해 제1 커패시터의 전압 레벨에 변동이 발생하는지 여부를 판단한다. 제1 커패시터의 전압 레벨이 잡음에 의해 변동하여 소정의 기준 레벨보다 커지면, 제1 커패시터와 연결된 스위칭 소자를 조작하여 잡음에 의해 충전된 전하를 방전시킴으로써 잡음의 영향을 최소화하고 측정하고자 하는 정전용량 변화를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터치스크린 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 터치 감지 방법을 설명하는 데에 제공되는 도이다.
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 터치스크린 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다. 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 터치스크린 장치를 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모바일 기기 같은 경우 터치스크린 장치가 디스플레이 장치에 일체화되어 구비되는 것이 일반적이며, 터치스크린 장치는 디스플레이 장치가 표시하는 화면이 투과할 수 있을 정도로 높은 빛 투과율을 가져야 한다. 따라서 터치스크린 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 영역에는 투명 전도성 물질로 형성된 감지 전극과 연결되는 배선 패턴이 배치되며, 배선 패턴은 베젤 영역에 의해 시각적으로 차폐되므로 은(Ag), 구리(Cu) 등과 같은 금속 물질로도 형성이 가능하다.
물론, 본 발명에 따른 터치스크린 장치는 정전용량 방식에 따라 동작하는 것을 가정하므로, 소정의 패턴을 갖는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 또한 복수의 전극에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하기 위한 정전용량 감지 장치를 포함한다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치 및 그 동작 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)는 제1 적분 회로부(210), 비교 회로부(220), 및 잡음 제거부(230) 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 구성 요소 이외에 추가로 제2 적분 회로부(240)와 구동 회로부(250)를 더 포함할 수도 있다.
도 2에서 커패시터 Cm은 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)가 측정하고자 하는 정전용량을 충전한 커패시터에 해당한다. 일례로, 커패시터 Cm은 정전용량 방식의 터치스크린에 포함되는 복수의 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance)에 대응할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)가 정전용량 방식의 터치스크린에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 것으로 가정한다. 이 경우, 커패시터 Cm은, 복수의 전극의 교차 지점에서 생성되는 결합 정전용량 변화에 의해 전하가 충전 또는 방전되는 노드 커패시터로 가정할 수 있다.
제1 적분 회로부(210)는 커패시터 Cm에 충전된 전하로부터 충전 또는 방전되는 제1 커패시터를 포함할 수 있다. 제1 커패시터는 연산 증폭기(OP-AMP)를 포함하는 적분 회로에 의해 커패시터 Cm과 연결될 수 있으며, 커패시터 Cm에 충전된 전하를 전달받아 충전된다. 제1 적분 회로부(210)는 제1 커패시터에 충전되는 전하에 대응하는 전압을 출력할 수 있다.
제1 적분 회로부(210)의 출력 전압은 비교 회로부(220) 및 잡음 제거부(230)로 입력된다. 비교 회로부(220)는 제1 적분 회로부(210)가 출력하는 전압 신호의 레벨을 기준 레벨과 비교하여 그 결과를 잡음 제거부(230)에 전달한다. 잡음 제거부(230)는 제1 적분 회로부(210)의 출력 전압 레벨과 기준 레벨의 비교 결과에 따라 제1 적분 회로부(210)의 출력 전압에 포함된 잡음의 영향을 제거할 수 있다.
비교 회로부(220)와 잡음 제거부(230)에 의해 잡음의 영향이 제거된 제1 적분 회로부(210)의 출력 전압은 제2 적분 회로부(240)로 전달된다. 제2 적분 회로부(240)의 전체적인 구성은 제1 적분 회로부(210)와 유사하다. 즉, 제2 적분 회로부(240)는 제1 적분 회로부(210)의 출력 전압에 의해 전하가 충전 또는 방전되는 제2 커패시터를 포함할 수 있으며, 제2 커패시터에 충전되는 전하량에 의해 결정되는 출력 신호를 생성한다.
본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치(200)가 정전용량 방식의 터치스크린에 적용되는 경우, 제2 적분 회로부(240)의 출력 신호는 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter, ADC)로 입력되어 디지털 신호로 변환될 수 있다. ADC에 의해 변환된 디지털 신호는 연산부가 터치 입력을 판단하는 감지 데이터로 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치는 제1 적분 회로부(310), 비교 회로부(320), 잡음 제거부(330), 제2 적분 회로부(340), 구동 회로부(350) 등을 포함할 수 있다. 이하, 도 3에 도시된 회로도를 참조하여 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치의 세부 동작을 설명한다. 도 2와 마찬가지로, 커패시터 Cm은 정전용량 방식 터치스크린의 노드 커패시터에 대응하는 것으로 가정한다.
우선 구동 회로부(350)는 2개의 스위치 SW1과 SW2를 포함하며, 스위치 SW1은 전압 VDD를 공급하는 노드와 커패시터 Cm의 제1 노드에 연결된다. 한편, 스위치 SW2는 접지단(GND)과 커패시터 Cm의 제1 노드에 연결된다. 따라서, 스위치 SW1이 턴-온되는 경우(닫히는 경우), 전압 VDD에 의해 커패시터 Cm에 전하가 충전되고, 스위치 SW2이 턴-온되면 커패시터 Cm에 충전된 전하가 방전된다. 결국, 스위치 SW1과 SW2는 서로 다른 턴-온 타이밍으로 동작할 수 있다.
한편, 커패시터 Cm의 제2 노드에는 제1 적분 회로부(310)가 연결된다. 제1 적분 회로부(310)는 연산 증폭기 OPA1과, 커패시터 CF1, 커패시터 Cn, 스위치 SW3을 포함할 수 있다. 스위치 SW3은 스위치 SW1과 같은 주기로 동작한다. 따라서, 스위치 SW1과 SW3이 턴-온되고 스위치 SW2가 턴-오프되는 동안, 커패시터 Cm에는 전압 VDD에 의해 전하가 충전되고, 연산 증폭기 OPA1은 리셋된다. 한편, 스위치 SW1과 SW3이 턴-오프되고 스위치 SW2가 턴-온되는 동안에는 커패시터 Cm에 충전된 전하가 커패시터 CF1에 전달된다. 이때 연산 증폭기 OPA1의 출력 전압 Vbout은 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure pat00001
수학식 1에서 알 수 있듯이, 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout은 커패시터 Cm과 커패시터 CF1의 용량 비율에 따라 결정된다. 따라서, 측정하고자 하는 전하를 포함하는 커패시터 Cm의 용량보다 훨씬 큰 용량을 갖는 커패시터로 CF1을 구성함으로써, 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout이 포화(saturation)되는 것을 방지할 수 있다.
제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout은 비교 회로부(320)와 잡음 제거부(330)에 입력된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비교 회로부(320)는 전압 Vbout을 소정의 기준 전압 Vref1 및 Vref2와 비교한다. 이를 위해, 비교기 COMP1과 COMP2를 포함할 수 있으며, 각 비교기의 출력은 소정의 논리 회로를 거쳐서 잡음 제거부(330)로 출력된다. 일례로, 비교 회로부(320)의 출력 신호는, 잡음 제거부(330)의 스위치 SW7과 SW8의 턴-온/턴-오프를 제어할 수 있다.
잡음 제거부(330)는 복수의 스위치를 포함한다. 잡음 제거부(330)에 포함되는 스위치 SW4, SW5, SW7, SW8은 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout에 잡음에 의한 영향이 포함되었는지 여부에 따라서, 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout을 제2 적분 회로부(340)에 그대로 전달할지 여부를 결정한다.
이상적인 경우, 정전용량 방식 터치스크린의 전극에 의해 정의되는 노드 커패시터 Cm은 구동 회로부의 전압 VDD에 의해 충전되고 터치 입력에 의해 변화하며, 그 변화량이 제1 적분 회로부(310)의 커패시터 CF1에 의해 측정되어 출력 전압 Vbout에 반영된다. 그러나, 어떠한 이유로 터치스크린에 전기적 잡음이 유입되는 경우, 잡음에 의해 원치않는 정전용량 변화가 커패시터 Cm에 발생할 수 있다. 잡음에 의해 커패시터 Cm에서 발생한 정전용량 변화가 그대로 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout에 전달되는 경우, 이는 터치 입력의 정확한 판단을 저해하는 요소로 작용할 수 있다.
따라서, 비교 회로부(320)는 제1 적분 회로부(310)의 출력 전압 Vbout의 레벨을 소정의 기준 전압 레벨 Vref1 및 Vref2와 각각 비교하여, 터치스크린에 양(+, positive)의 성분을 갖는 잡음 또는 음(-, negative)의 성분을 갖는 잡음이 유입되었는지 여부를 판단한다. 일반적으로, 구동 회로부(350)와 제1 적분 회로부(310)의 스위칭 동작에 의해 나타나는 출력 전압 Vbout은 전하의 충전과 방전의 반복에 의해 완만하게 증가 혹은 감소하는 추세를 나타낼 수 있다. 따라서, 순간적으로 높은 전압 또는 낮은 전압이 검출되는 경우에, 전기적 잡음이 유입되어 커패시터 Cm에 영향을 미친 것으로 판단할 수 있다.
우선, Vbout에 잡음의 영향이 반영되지 않은 경우, Vbout은 항상 Vref1보다 크고, Vref2보다 작은 값을 갖는다. 기준 레벨 Vref1은 음(-)의 성분을 갖는 잡음을 검출하기 위한 기준 레벨로서 음(-)의 부호를 가지며, 기준 레벨 Vref2는 양(+)의 성분을 갖는 잡음을 검출하기 위한 기준 레벨로서 양(+)의 부호를 갖는다.
잡음이 발생하지 않은 경우, Vbout은 항상 Vref2보다 작고 Vref1보다 크기 때문에, 비교기 COMP1과 COMP2의 출력 신호는 모두 하이(HIGH) 값을 갖는다. 따라서, 앤드 게이트(AND GATE)의 출력 신호 N 역시 하이(HIGH) 값을 가지며, 인버터(INV)의 출력 신호 NB는 로우(LOW) 값을 갖는다. 앤드 게이트(AND)의 출력 신호 N은 스위치 SW8에 연결되고, 인버터(INV)의 출력 신호 NB는 스위치 SW7에 연결된다. 따라서, 잡음이 발생하지 않은 정상 동작시에, 스위치 SW7은 턴-오프(개방)되고 스위치 SW8은 턴-온(단락)된다. 결국, 커패시터 Cn에 충전된 전하는 제2 적분 회로부(340)로 입력되며, 제2 적분 회로부(340)의 출력 전압 Vout은 아래의 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00002
반면 양(+)의 성분을 갖는 잡음이 유입되는 경우, 제1 적분 회로부(310)의 커패시터 CF1에 의해 커패시터 Cn에 충전되는 전하는 순간적으로 0V 부근의 값까지 감소하게 된다. 따라서, 낮은 기준 레벨 Vref1보다 작은 값이 전압 Vbout에서 나타나게 되므로, 비교기 COMP1이 로우(LOW) 신호를 출력한다. 비교기 COMP2는 여전히 하이(HIGH) 신호를 출력하므로, 결국 앤드 게이트(AND)의 출력 신호 N은 로우(LOW)가 되며, 인버터(INV)는 하이(HIGH) 값을 갖는 출력 신호 NB를 출력한다.
한편, 음(-)의 성분을 갖는 잡음이 유입되면, 잡음에 의해 제1 적분 회로부(310)의 출력 신호 Vbout이 순간적으로 증가하여 포화될 수 있다. 따라서 Vbout이 높은 기준 레벨 Vref2보다 높은 값을 갖게 되어 비교기 COMP1의 출력은 여전히 하이(HIGH)인 반면, 비교기 COMP2는 로우(LOW) 값을 갖는 출력 신호를 생성한다. 결국 앤드 게이트(AND)의 출력 신호 N은 로우(LOW) 값을 가지며, 인버터(INV)의 출력 신호 NB는 하이(HIGH) 값을 갖는다.
양(+) 또는 음(-)의 성분을 갖는 잡음이 유입되는 경우 모두, 앤드 게이트(AND)의 출력 신호 N은 로우(LOW) 값을 가지며, 인버터(INV)의 출력 신호 NB는 하이(HIGH) 값을 갖는다. 따라서, 스위치 SW7은 턴-온(단락)되고, 스위치 SW8은 턴-오프(개방)되어 제1 적분 회로부(310)의 커패시터 CF1에 의해 커패시터 Cn에 충전된 전하가 접지단으로 방전된다. 이와 같이 순간적인 잡음에 의해 나타나는 정전용량 변화를 제거함으로써 제2 적분 회로부(340)가 생성하는 최종 출력 전압 Vout은 보다 안정적인 값을 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 5 내지 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 터치스크린 장치는 패널부(410), 구동 회로부(420), 감지 회로부(430), 신호 변환부(440), 및 연산부(450)를 포함한다. 패널부(410)는 제1축 - 도 4의 가로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제1 전극과, 제1축에 교차하는 제2축 - 도 4의 세로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 정전용량 변화 C11~Cmn가 발생한다. 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화 C11~Cmn은 구동 회로부(420)에 의해 제1 전극에 인가되는 구동 신호에 의해 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화일 수 있다. 한편, 구동 회로부(420), 감지 회로부(430), 신호 변환부(440), 및 연산부(450)는 하나의 집적 회로(IC)로 구현될 수 있다.
구동 회로부(420)는 패널부(410)의 제1 전극에 소정의 구동 신호를 인가한다. 구동 신호는 소정 주기와 진폭을 갖는 구형파(Square Wave), 사인파(Sine Wave), 삼각파(Triangle Wave) 등일 수 있으며, 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 인가될 수 있다. 도 4에는 구동 신호를 생성 및 인가하기 위한 회로가 복수의 제1 전극 각각에 개별적으로 연결되는 것으로 도시하였으나, 하나의 구동 신호 생성 회로를 구비하고 스위칭 회로를 이용하여 복수의 제1 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구성 또한 가능함은 물론이다.
감지 회로부(430)는 제2 전극으로부터 정전용량 변화 C11~Cmn을 감지하기 위한 적분 회로를 포함할 수 있다. 적분 회로는 적어도 하나의 연산 증폭기와 소정 용량을 갖는 커패시터 C1을 포함할 수 있으며, 연산 증폭기의 반전 입력단이 제2 전극과 연결되어 정전용량 변화 C11~Cmn을 전압 신호 등와 같은 아날로그 신호로 변환, 출력한다. 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 구동 신호를 인가하는 경우, 복수의 제2 전극으로부터 정전용량 변화를 동시에 검출할 수 있으므로, 적분 회로는 제2 전극의 갯수 m개 만큼 구비될 수 있다.
신호 변환부(440)는 적분 회로가 생성하는 아날로그 신호로부터 디지털 신호 SD를 생성한다. 일례로, 신호 변환부(440)는 전압 형태로 감지 회로부(430)가 출력하는 아날로그 신호가 소정의 기준 전압 레벨까지 도달하는 시간을 측정하여 이를 디지털 신호 SD로 변환하는 TDC(Time-to-Digital Converter) 회로 또는 감지 회로부(430)가 출력하는 아날로그 신호의 레벨이 소정 시간 동안 변화하는 양을 측정하여 이를 디지털 신호 SD로 변환하는 ADC(Analog-to-Digital Converter) 회로를 포함할 수 있다. 연산부(450)는 디지털 신호 SD를 이용하여 패널부(410)에 인가된 접촉 입력을 판단한다. 일실시예로, 연산부(450)는 패널부(410)에 인가된 접촉 입력의 갯수, 좌표, 제스처 동작 등을 판단할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 정전용량 감지 장치와, 도 4의 터치스크린 장치를 비교하면, 제1 전극과 제2 전극의 교차점에서 생성되는 노드 커패시터 C11~Cmn은 도 2 및 도 3의 커패시터 Cm에 대응한다. 또한, 도 4의 구동 회로부(420)는 도 2 및 도 3의 구동 회로부(250, 350)에, 도 4의 감지 회로부(430)는 도 2 및 도 3의 제1 적분 회로부(210, 310), 비교 회로부(220, 320), 잡음 제거부(230, 330), 제2 적분 회로부(240, 340)를 포함하는 구성 요소로 볼 수 있다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 터치 감지 방법을 설명하는 데에 제공되는 도이다.
우선 도 5는 잡음이 유입되지 않는 경우에 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout과 제2 적분 회로부(340)의 출력 Vout을 나타낸 것이다. 도 5a에 도시된 바와 같이 잡음은 전혀 나타나지 않으며, 따라서 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout은 도 5b와 같이 안정된 파형을 나타낸다. 도 5c를 참조하면, 제2 적분 회로부(340)의 출력 Vout은 순차적으로 증가하여 약 170us의 시간에서 2.3V의 레벨을 나타낸다.
도 6은 일반적인 정전용량 감지 장치에 양(+)의 성분을 갖는 잡음이 유입되어 커패시터 Cm에 영향을 미치는 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 6a를 참조하면, 50us와 100us의 타이밍에 각각 양(+)의 성분을 갖는 잡음이 유입된다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 50us와 100us의 시간에서 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout이 잡음에 의해 순간적으로 0V 부근까지 감소한다. 제2 적분 회로부(320)의 출력 Vout은 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout에 비례하므로, 제2 적분 회로부(320)의 출력 Vout 역시 50us와 100us의 시간에서 순간적으로 감소한다. 따라서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제2 적분 회로부(320)의 출력 Vout은 1.89V에서 포화되고, 잡음이 발생하지 않은 경우의 정상적인 출력 레벨인 2.3V와 차이를 나타낸다.
도 7은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 본 실시예의 정전용량 감지 장치에 양(+)의 성분을 갖는 잡음이 유입되는 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b와 같이 50us와 100us의 시간에서 양(+)의 성분을 갖는 잡음이 유입되는 것을 나타낸다. 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout은 도 6b의 경우와 유사하게 순간적으로 0V 까지 감소하는 파형을 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같이, 양(+)의 성분을 갖는 잡음이 유입되어 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout이 0V 까지 감소하면, 비교 회로부(320)는 Vbout이 기준 레벨 Vref1보다 낮아진 것으로 판단한다. 따라서, 비교기 COMP1의 출력이 로우(LOW) 값을 가지며 비교기 COMP2의 출력은 하이(HIGH) 값을 갖고, 그에 따라 앤드 게이트(AND)의 출력 신호 N과 인버터(INV)의 출력 신호 NB는 각각 로우(LOW)와 하이(HIGH) 값을 갖는다. 결국, 잡음 제거부(330)의 스위치 SW7이 턴-온(단락)되고 스위치 SW8은 턴-오프(개방)되어 잡음에 의한 커패시터 Cn의 정전용량 변화가 제2 적분 회로부(340)에 전달되지 않는다.
도 7c를 참조하면, 50us와 100us의 시간에서 제2 적분 회로부(340)의 출력 Vout이 어느 정도 감소하는 경향을 나타낸다. 그러나, Vout이 최종적으로 포화되는 전압 값은 2.27V로서 잡음이 유입되지 않은 경우를 가정한 도 5의 시뮬레이션 결과인 2.3V와 거의 차이가 없다. 따라서, 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치에서 잡음으로 인한 영향을 상당부분 제거하였음을 확인할 수 있다.
도 8은 일반적인 정전용량 감지 장치에 음(-)의 성분을 갖는 잡음이 유입된 경우를 가정한 시뮬레이션 결과이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 50us와 100us의 시간에서 음(-)의 성분을 갖는 잡음이 유입된다. 도 8b를 참조하면, 잡음이 유입된 시간에서 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout이 순간적으로 증가하여 2.5V 정도의 값으로 포화되며, 도 8c에 도시된 바와 같이 제2 적분 회로부(340)의 출력 Vout 역시 50us와 100us에서 순간적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 제2 적분 회로부(340)의 출력 Vout은 2.45V의 값에서 포화된다.
도 9는 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치에 음(-)의 성분을 갖는 잡음이 유입된 경우를 가정한 시뮬레이션 결과이다. 도 9a와 도 9b를 참조하면, 도 8a 및 도 8b의 경우와 유사하게 음(-)의 성분을 갖는 잡음이 50us와 100us의 시간에 각각 유입되어 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout이 순간적으로 증가한다. 제1 적분 회로부(310)의 출력 Vbout이 순간적으로 증가하여 기준 레벨 Vref2보다 커지면, 비교 회로부(320)의 비교기 COMP1의 출력은 하이(HIGH), 비교기 COMP2의 출력은 로우(LOW) 값을 갖는다. 결국, 앤드 게이트(AND)의 출력 신호 N은 로우(LOW) 값을 갖게 되고, 인버터(INV)의 출력 신호 NB는 하이(HIGH) 값을 갖게 되므로 스위치 SW7은 턴-온(단락)되고, 스위치 SW8은 턴-오프(개방)된다.
따라서, 잡음이 유입된 50us 및 100us의 시간에서 순간적으로 커패시터 Cn에 충전되는 전하가 스위치 SW7을 통해 접지단으로 방전되고, 스위치 SW8이 개방되어 제2 적분 회로부(340)에는 전달되지 않으므로 잡음에 의한 출력의 오차를 줄일 수 있다. 도 9c를 참조하면, 제2 적분 회로부(340)의 출력 Vout이 2.27V 정도의 값에서 포화되며, 이는 도 5c에 나타낸 잡음이 유입되지 않은 경우의 시뮬레이션 결과 값과 거의 동일한 수치이다.
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.
210, 310 : 제1 적분 회로부
220, 320 : 비교 회로부
230, 330 : 잡음 제거부
240, 340 : 제2 적분 회로부
250, 350 : 구동 회로부

Claims (16)

  1. 감지 전극에서 발생하는 정전용량 변화에 의해 충전되는 제1 커패시터를 포함하는 제1 적분 회로부;
    상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 소정의 기준 레벨과 비교하는 비교 회로부; 및
    상기 비교 회로부의 출력에 의해 동작하는 복수의 스위치를 포함하는 잡음 제거부; 를 포함하며,
    상기 비교 회로부는, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치 각각의 동작을 제어하는 정전용량 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잡음 제거부와 연결되며, 상기 제1 커패시터에 충전되는 전하에 의해 충전되는 제2 커패시터를 포함하는 제2 적분 회로부; 및
    상기 제2 적분 회로부의 출력 신호로부터 터치 입력을 판단하는 연산부; 를 더 포함하는 정전용량 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 잡음 제거부는,
    접지단에 연결되는 제1 스위치와, 상기 제2 적분 회로부의 입력 노드에 연결되는 제2 스위치를 포함하는 정전용량 감지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비교 회로부는,
    상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 커지면, 상기 제2 스위치를 턴-오프시키고, 상기 제1 스위치를 턴-온시키는 정전용량 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비교 회로부는,
    상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 제1 기준 레벨과 비교하는 제1 비교 회로와, 상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨을 제2 기준 레벨과 비교하는 제2 비교 회로를 포함하는 정전용량 감지 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비교 회로부는,
    상기 제1 적분 회로부의 출력 신호의 레벨이 상기 제1 기준 레벨보다 크거나 상기 제2 기준 레벨보다 작으면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치 각각을 동작시키는 정전용량 감지 장치.
  7. 복수의 제1전극과 복수의 제2전극 각각의 교차점에서 정의되는 복수의 노드 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화를 감지하는 방법에 있어서,
    상기 노드 커패시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 단계;
    상기 적어도 하나의 노드 커패시터에 충전된 전하를 공급받는 제1 커패시터의 전압 레벨을 소정의 기준 레벨과 비교하는 단계; 및
    상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 공급된 전하가 방전되도록 복수의 스위치를 동작하는 단계; 를 포함하는 정전용량 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 비교 단계는,
    제1 기준 레벨 및 상기 제1 기준 레벨보다 작은 값을 갖는 제2 기준 레벨 각각과 상기 제1 커패시터의 전압 레벨을 비교하는 정전용량 감지 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 동작 단계는,
    상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 상기 제1 기준 레벨보다 크거나, 상기 제2 기준 레벨보다 작으면, 상기 제1 커패시터에 공급된 전하가 방전되도록 상기 복수의 스위치를 동작하는 정전용량 감지 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 동작 단계는,
    상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 상기 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터와 접지단 사이에 연결되는 제1 스위치를 턴-온시키고, 상기 제1 커패시터와 적분 회로 사이에 연결되는 제2 스위치를 턴-오프시키는 정전용량 감지 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 커패시터에 공급된 전하에 의해 제2 커패시터를 충전하는 단계; 및
    상기 제2 커패시터의 전압에 기초하여 상기 정전용량 변화를 발생시킨 터치 입력을 판단하는 단계; 를 더 포함하는 정전용량 감지 방법.
  12. 복수의 구동 전극과 복수의 감지 전극을 포함하는 패널부;
    상기 복수의 구동 전극 각각에 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 및
    상기 구동 신호가 인가된 구동 전극과 상기 복수의 감지 전극의 교차점에서 발생하는 정전용량 변화를 감지하는 감지 회로부; 및
    상기 구동 회로부 및 상기 감지 회로부의 동작을 조절하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 감지 회로부는 버퍼 회로, 스위칭 회로, 및 적분 회로부를 포함하고, 상기 버퍼 회로는 상기 정전용량 변화에 의해 충전되는 제1 커패시터를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 소정의 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 커패시터에 충전된 전하 일부가 방전되도록 상기 스위칭 회로를 동작하는 터치스크린 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적분 회로부는 상기 제1 커패시터에 충전되는 전하에 기초하여 상기 제어부로 전달되는 출력 신호를 생성하는 터치스크린 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 적분 회로부의 출력 신호로부터 상기 패널부에 인가되는 터치 입력을 판단하는 터치스크린 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 상기 제1 커패시터와 접지단 사이에 연결되는 제1 스위치와, 상기 제1 커패시터와 상기 적분 회로부의 입력단 사이에 연결되는 제2 스위치를 포함하는 터치스크린 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 커패시터의 전압 레벨이 소정의 기준 레벨보다 크면, 상기 제1 스위치를 턴-온시키고 상기 제2 스위치를 턴-오프시키는 터치스크린 장치.
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