KR20140113073A - 접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치 - Google Patents

접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 소정의 주기로 입력되는 제1 전압과 제2 전압에 의해 충방전되는 버퍼 커패시터를 구비하는 버퍼부와, 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 적분하는 적분 회로부와, 상기 적분 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여, 상기 제2 전압을 생성하는 신호 변환부와, 상기 제2 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여, 터치 입력을 판단하는 터치 판단부를 포함할 수 있다.

Description

접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치{TOUCH SENSING APPARATUS AND TOUCHSCREEN APPARATUS}
본 발명은 접촉 감지 장치 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 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. 이 때, 복수의 노드에서 생성되는 정전용량 변화 등의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 이용하는데, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 분해능이 높아질수록 접촉 감지 장치의 감도 및 성능이 향상된다. 다만, 감도 및 성능이 향상된 접촉 감지 장치의 설계시, 높은 사양의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 이용하는 경우, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 면적이 커지게 되고, 제품 단가가 상승하는 문제점이 발생한다.
하기의 선행기술문헌 중 특허문헌 1은 터치스크린의 리드아웃 회로부에 관한 것으로서, 시그마 델타 원리를 터치스크린 장치에 적용하여 센싱 블록에 각각 저장된 2개의 센싱 전압값의 차이를 인가받아 델타 전압을 생성하고, 델타 전압을 N비트의 디지털 신호로 생성한다. 다만, 특허문헌 1은 터치스크린에서 발생한 정전용량 변화에 따른 전압을 피드백하는 내용을 개시하고 있지 못하다.
한국 공개특허공보 KR 10-2011-0026812
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제품의 부피 및 단가를 낮추고, 적분 회로부에서 발생할 수 있는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 기술적인 측면에 따르면, 소정의 주기로 입력되는 제1 전압과 제2 전압에 의해 충방전되는 버퍼 커패시터를 구비하는 버퍼부; 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 적분하는 적분 회로부; 상기 적분 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여, 상기 제2 전압을 생성하는 신호 변환부; 및 상기 제2 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여, 터치 입력을 판단하는 터치 판단부; 를 포함하는 접촉 감지 장치를 제안한다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼부는, 상기 제1 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제1 스위치; 및 상기 제2 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제2 스위치; 를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 180도의 위상차를 가지고 스위칭 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적분 회로부는, 접지단과 연결되는 비반전단을 구비하는 연산증폭기; 상기 버퍼 커패시터의 제2 노드와 접지단을 연결하는 제3 스위치; 상기 버퍼 커패시터의 제2 노드와 상기 연산 증폭기의 반전단을 연결하는 제4 스위치; 및 상기 연산증폭기의 반전단 및 출력단을 연결하는 피드백 커패시터; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 스위치는 상기 제1 스위치와 동일한 타이밍으로 스위칭 동작하며, 상기 제4 스위치는 상기 제2 스위치와 동일한 타이밍으로 스위칭 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 변환부는, 상기 적분 회로의 출력 전압이 인가되는 반전단 및 상기 기준 전압이 인가되는 비반전단을 구비하는 비교기; 및 상기 비교기의 출력 전압을 반전하는 반전기; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기준 전압의 레벨은 접지 전압의 레벨과 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 전압의 평균 전압 레벨은 상기 제1 전압의 전압 레벨을 추종할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼부 및 상기 적분 회로부는 각각 복수 개 구비되어, 복수의 상기 버퍼부 및 복수의 상기 적분 회로부는 각각 교대로 배치되고, N(N은 2이상의 자연수)번째 배치되는 상기 적분 회로부는 N+1 번째 배치된 상기 버퍼부에 상기 제1 전압을 제공하며, 마지막에 배치되는 상기 적분 회로부는 상기 신호 변환부와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 첫 번째 배치되는 상기 버퍼부는 터치 패널부의 감지 전극과 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 전압의 평균 전압 레벨은 상기 감지 전극에 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압 레벨을 추종할 수 있다.
본 발명의 제2 기술적인 측면에 따르면, 복수의 구동 전극, 복수의 감지 전극 및 상기 복수의 구동 전극과 상기 복수의 감지 전극의 교차점에서 형성되는 복수의 노드 커패시터를 포함하는 패널부; 상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 주기를 갖는 구동 신호를 인가하는 구동 회로부; 상기 복수의 감지 전극과 연결되어 상기 노드 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화를 검출하는 감지 회로부; 상기 감지 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하는 신호 변환부; 및 상기 신호 변환부의 출력 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여 터치 입력을 판단하는 터치 판단부; 를 포함하고, 상기 감지 회로부의 출력 전압의 평균 레벨은 상기 노드 커패시터의 출력 전압의 레벨을 추종하는 터치스크린 장치.
일 실시예에 따르면, 상기 감지 회로부는, 상기 노드 커패시터의 충전 전압과 상기 감지 회로부의 출력 전압이 소정의 주기로 입력되어 충방전 되는 버퍼 커패시터를 구비하는 버퍼부; 및 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 적분하는 적분 회로부; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼부는, 상기 노드 커패시터의 충전 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제1 스위치; 및 상기 감지 회로부의 출력 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제2 스위치; 를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 변환부는, 상기 감지 회로부의 출력 전압이 인가되는 반전단 및 상기 기준 전압이 인가되는 비반전단을 구비하는 비교기; 및 상기 비교기의 출력 전압을 반전하는 반전기; 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기준 전압의 레벨은 접지 전압의 레벨과 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 터치 판단부는, 상기 감지 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여 생성한 카운트 값과 소정의 기준 카운트 값을 비교하여 터치 입력 여부, 제스처 동작 및 터치 입력의 개수 중 적어도 하나를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치 및 터치스크린 장치에 의하면, 제품의 부피 및 단가를 낮추고, 적분 회로부에서 발생할 수 있는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 구비한 전자 기기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함될 수 있는 패널부를 나타낸 도이다.
도 3은 도 2에 도시한 패널부의 단면을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함되는 스위치에 인가되는 클럭 신호를 설명하기 위한 도이다.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다.
후술하는 본 발명의 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 일 실시예에 따른 접촉 감지 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 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 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.
본 발명에 따른 접촉 감지 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 회로와, 정전용량 감지 회로의 출력 신호를 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로, 디지털 값으로 변환된 데이터를 이용하여 터치 입력을 판단하는 연산 회로 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함될 수 있는 패널부를 나타낸 도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 패널부(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 마련되는 복수의 전극(220, 230)을 포함한다. 도 2에는 도시되지 않았으나, 복수의 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 전극(220, 230)에서 생성되는 감지 신호를 검출하고, 그로부터 터치 입력을 판단할 수 있다.
터치스크린 장치의 경우, 기판(210)은 복수의 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, 복수의 전극(220, 230)이 형성되는 영역 이외에, 복수의 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 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 복수의 전극(220, 230)이 도시되었으나, 이 외에 직사각형, 삼각형 등의 다양한 다각형 형상의 패턴을 가질 수 있음은 물론이다.
복수의 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 전극(220, 230)과 전기적으로 연결되어 터치 입력을 감지하는 장치는, 터치 입력에 의해 복수의 전극(220, 230)에서 생성되는 정전용량 변화를 검출하고 그로부터 터치 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 접촉 감지 장치가 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 패널부의 단면을 나타낸 도이다. 도 3은 도 2에 도시한 패널부(200)를 Y-Z 평면으로 잘라서 나타낸 단면도로서, 도 2에서 설명한 기판(310), 복수의 감지 전극(320, 330) 이외에 접촉을 인가받는 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 터치 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 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 도시한 블록도이다. 도 4를 참조하면 본 실실예에 따른 접촉 감지 장치는 구동 회로부 (410), 버퍼부(420), 적분 회로부(430), 신호 변환부(440), 터치 판단부(450)를 포함할 수 있다. 구동 회로부(410) 및 버퍼부(420) 사이에는 측정하고자 하는 정전용량 변화가 발생하는 노드 커패시터(Cm)가 연결될 수 있다. 노드 커패시터(Cm)는 본 실시예에 따른 정전용량 감지 장치가 측정하고자 하는 정전용량을 충전한 커패시터에 해당한다. 일례로 노드 커패시터(Cm)은 정전용량 방식의 터치스크린에서 포함되는 복수의 전극 사이에서 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance)에 대응 할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 정전용량 방식의 터치스크린에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 것으로 가정한다.
구동 회로부(410)는 전하를 충전하기 위한 소정의 구동 신호를 생성하여 노드 커패시터 Cm에 공급한다. 구동 신호는 펄스 형태를 갖는 구형파(Square Wave)일 수 있으며, 소정의 주파수를 갖는다.
버퍼부(420)는 하나 이상의 버퍼 커패시터를 구비하는데, 하나 이상의 버퍼 커패시터는 노드 커패시터(Cm)에 충전된 전압 및 신호 변환부(440)에서 출력되는 전압을 서로 다른 타이밍으로 전달받아 충방전될 수 있다. 이 때, 일 예로써 노드 커패시터에 충전된 전압 및 신호 변환부(440)에서 출력되는 전압은 동일한 듀티를 가지나, 180도의 위상차를 가지고 버퍼 커패시터에 전달될 수 있다.
적분 회로부(430)는 하나 이상의 피드백 커패시터를 포함하는데, 하나 이상의 피드백 커패시터는 버퍼 커패시터(Cm)에 충전된 전하를 공급받아 충방전되고, 적분 회로부(430)는 피드백 커패시터에서 충방전되는 전하로부터 출력 전압을 생성한다.
신호 변환부(440)는 적분 회로부(430)에서 출력되는 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여, 하이 또는 로우 레벨의 출력 전압을 생성한다. 일 예로, 신호 변환부(440)에서 출력되는 하이 또는 로우 레벨의 출력 전압은 각각 +1V 또는 -1V의 레벨을 갖는 전압으로 설정될 수 있다. 신호 변환부(440)의 출력 전압은 버퍼부(420) 및 터치 판단부(450)으로 제공된다.
터치 판단부(450)는 신호 변환부(440)의 출력 전압을 기준 클럭으로 카운트하여 터치 입력을 판단한다. 일 예로서, 터치 판단부(450)는 카운트 값을 소정의 기준 카운트 값과 비교하여, 터치 입력의 여부, 제스처 동작 및 터치 입력의 개수 중 적어도 어느 하나를 판단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 개략적으로 도시한 회로도이다. 도 5를 참조하면 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 구동 회로부(510), 버퍼부(520), 적분 회로부(530), 신호 변환부(540) 및 터치 판단부(550)를 포함할 수 있다. 구동 회로부(510) 및 터치 판단부(550)는 도 4의 구동 회로부(410) 및 터치 판단부(450)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
버퍼부(520)는 버퍼 커패시터(Cb) 및 스위치 SW1, SW2를 포함할 수 있다. 스위치 SW1은 버퍼 커패시터(Cb)의 제1 노드와 노드 커피시터(Cm) 사이에 배치될 수 있고, 스위치 SW2는 버퍼 커퍼시터(Cb)의 제1 노드와 신호 변환부(540)의 출력단 사이에 배치될 수 있다.
적분 회로부(530)는 스위치 SW3, SW4, 피드백 커패시터(CF) 및 연산 증폭기(OPA)를 포함할 수 있다. 스위치 SW3은 버퍼 커패시터(Cb)의 제2 노드와 접지단을 연결하며, 스위치 SW4는 버퍼 커패시터(Cb)의 제2 노드와 연산 증폭기(OPA)의 반전단 사이에 배치될 수 있다. 연산 증폭기의 비반전단은 접지단과 연결되며, 연산증폭기의 반전단과 출력단 사이에 피드백 커패시터(CF)가 배치될 수 있다.
신호 변환부(540)는 적분 회로부(530)의 출력단과 소정의 기준 전압을 비교하여, 하이 또는 로우 레벨의 출력 전압을 생성한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 신호 변환부(540)는 비교기(COMP)와 반전기(INV)를 포함할 수 있다. 비교기(COMP)의 반전단은 적분 회로부(530)의 출력단과 연결되고, 비교기(COMP)의 비반전단은 접지단과 연결된다. 비교기(COMP)의 출력단은 반전기(INV)의 입력단에 연결되어, 비교기(COMP)의 출력은 반전기(INV)에서 반전된다. 이 때, 비교기(COMP)의 비반전에 연결된 접지단으로부터 전술한 소정의 기준 전압의 레벨은 접지 전압의 레벨과 동일함을 알 수 있다. 다만, 이는 일 실시예로서, 다른 전압 레벨로 변경될 수 있음은 물론이다. 더하여, 도 5에 도시된 신호 변환부(540)는 일 예로써, 신호 변환부(540)는 적분 회로부(530)의 출력단을 비교기(COMP)의 비반전단에 연결하고, 비교기(COMP)의 반전단을 접지단에 연결함으로써, 반전기(INV)를 구비함 없이 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 포함되는 스위치에 인가되는 클럭 신호를 설명하기 위한 도이다. 스위치 SW1 - SW4에 인가되는 클럭 신호가 하이 레벨인 경우 스위치 SW1 - SW4는 턴 온되며, 로우 레벨인 경우 턴 오프 된다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하며, 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치의 동작을 설명하도록 한다.
T1 구간에서, 스위치 SW1, SW3는 턴 온되고, 스위치 SW2, SW4는 턴 오프된다. 이 때, 노드 커패시터(Cm)의 충전 전압(Vx)에 따른 전하가 버퍼 커패시터(Cb)로 전달되어, 버퍼 커패시터(Cb)는 충전된다. 버퍼 커패시터(Cb)의 제1 노드의 전압(Va)은 노드 커패시터(Cm)의 충전 전압(Vx) 레벨까지 상승하게 된다.
T2 구간에서, 스위치 SW2, SW4는 턴 온되고, 스위치 SW1, SW3은 턴 오프된다. T2 구간의 시작 시점에서, 스위치 SW2, SW4가 턴 온되므로 버퍼 커패시터(Cb)의 제1 노드의 전압(Va)은 버퍼 커패시터의 충전 전압(Vx)과 신호 변환부(540)에서 출력되는 전압(Vq)의 차전압에 따른 레벨로 변동된다.
이 후, 버퍼 커패시터(Cb)의 제1 노드에 유지된 전압(Vx-Vq)에 따른 전하가 피드백 커패시터(CF)로 전달되어 연산 증폭기(OPA)의 출력단에서 연산 증폭기(OPA)의 출력단에서 출력 전압이 생성된다.
하나의 적분 구간 T1 및 T2 구간을 하나의 싸이클로 가정하는 경우, 하기의 수학식 1이 성립한다. 이 때, k는 싸이클의 수를 의미한다.
Figure pat00001
초기(k=0)에, 노드 커패시터(Cm)의 충전 전압 Vx(0)를 0.4V로, 연산 증폭기(OPA)의 출력 전압 Vu(0)를 0.1V로 가정하며, 비교기(COMP)에서 출력되는 하이 및 로우 레벨의 출력 전압은 1V 및 -1V의 출력 전압에 해당하는 것으로 가정한다. 이하, 본 실시예의 접촉 감지 장치의 동작을 상세히 설명하도록 한다.
초기(K=0)에, 연산 증폭기(OPA)의 출력 전압 Vu(0)가 0.1V이므로, 비교기(COMP)의 출력전압은 -1V이고, 반전기(INV)의 출력 전압인 Vq(0)은 1V가 된다. 따라서, Va(0)=Vx(0)-Vq(0)=0.4-1=-0.6V, Vu(1)=Vu(0)+Va(0)=0.1-0.6=-0.5가 성립한다. 위와 같이 반복되는 과정을 정리하면 하기의 표 1와 같은 결과를 확인할 수 있다.
Figure pat00002
상기 표 1에서, Vq(k)ave는 각 싸이클에 따른 신호 변환부(540)의 출력 전압 Vq(k)의 평균값을 나타낸다. 9번 째 싸이클에서 Vq(k)ave 값은 0.4V로서, 초기의 노드 커패시터(Cm)의 충전 전압 Vx와 동일함을 알 수 있다. 즉, 신호 변환부(540)의 출력 전압은 노드 커패시터(Cm)의 충전 전압을 추종(follow)하게 되므로, 터치 판단부(550)에서 신호 변환부(540)의 출력 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여 터치 입력의 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로 전압 Vq의 하이 또는 로우 레벨을 소정의 기준 클럭으로 카운트하고, 소정의 시간 동안의 카운트의 변화량으로부터 터치 입력의 여부를 판단할 수 있다. 또한, 전압 Vq를 소정의 기준 클럭으로 카운트하여 생성된 카운트 값과 소정의 기준 카운트 값을 비교하여 터치 입력 여부를 판단하는 것 또한 가능하다.
본 실시예에 따른 접촉 감지 장치는 신호 변환부(540)의 출력 전압의 하이 또는 로우 레벨을 기준 클럭으로 카운트 하여 터치 입력을 판단하므로, 고성능의 아날로그-디지털 컨버터를 구비함 없이 구현될 수 있다. 따라서, 접촉 감지 장치의 단가 및 부피를 낮출 수 있다.
본 발명의 접촉 감지 장치는 버퍼부(520), 적분 회로부(530), 신호 변환부(540)를 구비함으로써, 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터의 동작 원리를 적용하였다. 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터의 동작 원리를 본 실시예에 따른 접촉 감지 장치에 적용함으로서, 적분 회로부(530), 특히 연산 증폭기(OPA)에서 발 생하는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터의 동작 원리는 널리 알려진 내용이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상술한 본 실시예의 접촉 감지 장치는 하나의 버퍼부(520), 하나의 적분 회로부(530) 및 하나의 신호 변환부(540)를 구비함으로써, 1차 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터를 구현하였다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 고차 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터에 확장될 수 있다. 예를 들어, 2차 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터의 동작 원리를 적용한 접촉 감지 장치는 도 7에 도시된 바와 같이 구동 회로부(510), 버퍼부(520a), 적분 회로부(530a), 버퍼부(520b), 적분 회로부(530b), 신호 변환부(540) 및 터치 판단부(550)를 구비함으로써 구현될 수 있다. 또한, 3차 델타-시그마 아날로그 디지털 컨버터는 버퍼부, 적분 회로부, 버퍼부, 적분 회로부, 버퍼부, 적분회로부, 신호 변환부를 구비함으로써 구현될 수 있다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치를 포함하는 터치스크린 장치를 나타낸 도이다. 도 8를 참조하면, 본 실시예에 따른 터치스크린 장치는 패널부(810), 구동 회로부(820), 감지 회로부(830), 신호 변환부(840), 및 터치 판단부(850)를 포함한다.
도 8의 구동 회로부(820), 버퍼부(831), 적분 회로부(832), 신호 변환부(840), 터치 판단부(850)는 도 4 및 도 5의 구동 회로부(410, 510), 버퍼부(420, 520), 적분 회로부(430, 530), 신호 변화누(440, 540) 및 터치 판단부(450, 550)에 대응하는 것으로 동일한 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
패널부(810)는 제1축 - 도 8의 가로 방향 - 방향으로 연장되는 복수의 제1 전극과, 제1축에 교차하는 제2축 - 도 8의 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(820)에 의해 제1 전극에 인가되는 구동 신호에 의해 생성되는 결합 정전용량(mutual-capacitance) 변화일 수 있다. 한편, 구동 회로부(820), 감지 회로부(830), 신호 변환부(840), 및 터치 판단부(850)는 하나의 집적 회로(IC)로 구현될 수 있다.
구동 회로부(820)는 패널부(810)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 8에는 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(830)는 버퍼부(831) 및 적분 회로부(832)를 포함한다. 버퍼부(831)는 적어도 하나의 커퍼시터 C1를 포함하여, 복수의 제2 전극에 각각 연결되고, 적어도 하나의 커패시터 C1은 정전용량 변화 C11~Cmn 및 신호 변화부(840)의 출력 전압에 의해 의해 충방전될 수 있다. 적분 회로부(832)는 적어도 하나의 연산 증폭기와 소정 용량을 갖는 커패시터 C2를 포함할 수 있으며, 연산 증폭기의 반전 입력단이 버퍼부(831)와 연결되어 버퍼 커패시터의 충전 전압의 변화를 전압 신호 등과 같은 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. 복수의 제1 전극 각각에 순차적으로 구동 신호를 인가하는 경우, 복수의 제2 전극으로부터 정전용량 변화를 동시에 검출할 수 있으므로, 연산 증폭기 및 커패시터 C2는 제2 전극의 개수 n개 만큼 구비될 수 있다.
신호 변환부(840)는 감지 회로부(830)로부터 출력되는 아날로그 신호를 소정의 기준 레벨과 비교하여 +1V 또는 -1V의 전압 레벨을 갖는 하이 또는 로우 레벨의 출력 전압을 생성할 수 있다.
터치 판단부(850)는 신호 변환부(840)의 출력 전압를 이용하여 패널부(810)에 인가된 접촉 입력을 판단한다. 예를 들어, 하이 또는 로우 레벨을 가지는 신호 변환부(840)로부터 출력 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여, 하이 또는 로우 레벨의 카운트 값을 생성하고, 카운트 값으로부터 터치 입력 여부, 좌표, 제스처 동작 및 터치 입력의 개수 중 적어도 하나를 판단할 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.
410, 510, 820: 구동 회로부
420, 520, 831: 버퍼부
430, 530, 832: 적분 회로부
440, 540, 840: 신호 변환부
450, 550, 850: 터치 판단부

Claims (17)

  1. 소정의 주기로 입력되는 제1 전압과 제2 전압에 의해 충방전되는 버퍼 커패시터를 구비하는 버퍼부;
    상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 적분하는 적분 회로부;
    상기 적분 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여, 상기 제2 전압을 생성하는 신호 변환부; 및
    상기 제2 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여, 터치 입력을 판단하는 터치 판단부; 를 포함하는 접촉 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 버퍼부는,
    상기 제1 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제1 스위치; 및
    상기 제2 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제2 스위치; 를 더 포함하는 접촉 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 180도의 위상차를 가지고 스위칭 동작하는 접촉 감지 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적분 회로부는,
    접지단과 연결되는 비반전단을 구비하는 연산증폭기;
    상기 버퍼 커패시터의 제2 노드와 접지단을 연결하는 제3 스위치;
    상기 버퍼 커패시터의 제2 노드와 상기 연산 증폭기의 반전단을 연결하는 제4 스위치; 및
    상기 연산증폭기의 반전단 및 출력단을 연결하는 피드백 커패시터; 를 포함하는 접촉 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 스위치는 상기 제1 스위치와 동일한 타이밍으로 스위칭 동작하며, 상기 제4 스위치는 상기 제2 스위치와 동일한 타이밍으로 스위칭 동작하는 접촉 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 신호 변환부는,
    상기 적분 회로의 출력 전압이 인가되는 반전단 및 상기 기준 전압이 인가되는 비반전단을 구비하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력 전압을 반전하는 반전기; 를 포함하는 접촉 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 전압의 레벨은 접지 전압의 레벨과 동일한 접촉 감지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전압의 평균 전압 레벨은 상기 제1 전압의 전압 레벨을 추종하는 접촉 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부 및 상기 적분 회로부는 각각 복수 개 구비되어, 복수의 상기 버퍼부 및 복수의 상기 적분 회로부는 각각 교대로 배치되고, N 번째 배치되는 상기 적분 회로부는 N+1 번째 배치된 상기 버퍼부에 상기 제1 전압을 제공하며, 마지막에 배치되는 상기 적분 회로부는 상기 신호 변환부와 연결되는 접촉 감지 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    첫 번째 배치되는 상기 버퍼부는 터치 패널부의 감지 전극과 연결되는 접촉 감지 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전압의 평균 전압 레벨은 상기 감지 전극에 형성되는 노드 커패시터의 충전 전압 레벨을 추종하는 접촉 감지 장치.
  12. 복수의 구동 전극, 복수의 감지 전극 및 상기 복수의 구동 전극과 상기 복수의 감지 전극의 교차점에서 형성되는 복수의 노드 커패시터를 포함하는 패널부;
    상기 복수의 구동 전극 각각에 소정의 구동 주기를 갖는 구동 신호를 인가하는 구동 회로부;
    상기 복수의 감지 전극과 연결되어 상기 노드 커패시터에서 발생하는 정전용량 변화를 검출하는 감지 회로부;
    상기 감지 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 전압과 비교하는 신호 변환부; 및
    상기 신호 변환부의 출력 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여 터치 입력을 판단하는 터치 판단부; 를 포함하고,
    상기 감지 회로부의 출력 전압의 평균 레벨은 상기 노드 커패시터의 출력 전압의 레벨을 추종하는 터치스크린 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 감지 회로부는,
    상기 노드 커패시터의 충전 전압과 상기 감지 회로부의 출력 전압이 소정의 주기로 입력되어 충방전 되는 버퍼 커패시터를 구비하는 버퍼부; 및
    상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 적분하는 적분 회로부; 를 포함하는 터치스크린 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 버퍼부는,
    상기 노드 커패시터의 충전 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제1 스위치; 및
    상기 감지 회로부의 출력 전압을 상기 버퍼 커패시터의 제1 노드로 연결하는 제2 스위치; 를 더 포함하는 터치스크린 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 신호 변환부는,
    상기 감지 회로부의 출력 전압이 인가되는 반전단 및 상기 기준 전압이 인가되는 비반전단을 구비하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력 전압을 반전하는 반전기; 를 포함하는 터치스크린 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기준 전압의 레벨은 접지 전압의 레벨과 동일한 터치스크린 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 터치 판단부는,
    상기 감지 회로부의 출력 전압을 소정의 기준 클럭으로 카운트하여 생성한 카운트 값과 소정의 기준 카운트 값을 비교하여 터치 입력 여부, 제스처 동작 및 터치 입력의 개수 중 적어도 하나를 판단하는 터치스크린 장치.

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