KR20150131083A

KR20150131083A - 센서 신호의 에너지 효율적 측정 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150131083A
Application number: KR1020157026990A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 도르프너
Original assignee: 마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-11-24
Also published as: CN105051499A; TW201447714A; WO2014151222A1; US9946410B2; EP2972110B1; US20140267157A1; EP2972110A1

Abstract

용량형 센서 시스템의 강인성(robustness)을 개선하기 위한 방법은, 이하의 단계들: a) 상기 용량형 센서 시스템을 동작시키는 단계 -수신된 센서 신호들은 제1 중앙 주파수를 포함한 대역통과를 갖는 밴드-패스 필터에 의해 필터링됨- ; b) 상기 센서 시스템을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링(polling)하는 단계; c) 폴링된 센서 값이 소정의 임계값에 부합하는지를 결정하는 단계; d) 상기 소정의 임계값에 부합하면: d1) 상기 센서 시스템을 이용하여 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하는 것; d2) 상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성(consistent) 있는지 확인하는 것; d3) 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면 적어도 단계(d2)를 반복하고, 이때, 상기 밴드-패스 필터는 제2 중앙 주파수를 갖도록 제어되는 것을 포함하는 단계를 포함한다.

Description

센서 신호의 에너지 효율적 측정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ENERGY EFFICIENT MEASURMENT OF SENSOR SIGNAL}

본 출원은 2013년 3월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 61/800,816호의 이익을 청구하며, 상기 가출원은 그 전체가 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 센서 신호들의 측정에 관한 것으로서, 특히, 센서 신호들의 효율적인 에너지 측정에 관한 것이다.

잡음 또는 간섭의 영향 하에 있는 E-필드 센서 시스템들 또는 그밖의 다른 센서 시스템은, 전자기 간섭(EMI) 잡음, 예를 들면, 스위치 모드 배터리 충전기들, 소형 형광 램프들(CFL), 램프 조광기들 등으로부터의 무선 전파 잡음이 존재하는 경우 동작시에 강인(robust)해야 한다. 잡음은 신호 수신의 품질에 영향을 미치고, 또한 잡음은 수신 데이터 신호에 영향을 미치는데, 수신 데이터 신호는 소망하는 센서 데이터의 잘못된(부정확한) 센서 검출 또는 누락된(missing) 검출을 유발할 수 있다. 센서 스캐닝 주파수에서 및 그 근방에서의 잡음 전력(power)은, 수신 성능을 저감시키는 데에 결정적 인자이다. 잡음 주파수(들)은 정해진 주파수인데 반해, 무선 센서 시스템의 스캐닝 주파수는 변경될 수 있다. 모바일 및 원격 배터리식 애플리케이션은 배터리 용량이 제한되고 데이터 처리 및 저장 능력들에 대해서는 제한된 계산 능력 및 메모리를 가지기 때문에, 무선 센서 시스템 디바이스의 코드 사이즈 및 전류 소모는 매우 중요하다.

따라서, 잡음 존재하에 있는 예를 들면, e-필드 무선 센서 시스템과 같은 센서 시스템에서 강인성을 향상시킬 필요가 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 잡음 존재하에 있는 시스템에서 센서 신호의 강인성은, 이벤트, 예를 들면, 터치패드 또는 스크린의 터치/노-터치(no-touch) 확인 동안에, 스캐닝 주파수 스위칭을 통해 향상될 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에 따르면, 과도한 잡음으로 인해 이벤트 확인 동안에 신호 변동들(빈약한 신호-대-잡음 비)이 초래될 때, 스캔 주파수가 스위칭될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 용량형 센서 시스템의 강인성(robustness)을 개선하기 위한 방법은: a) 상기 용량형 센서 시스템을 동작시키는 단계 -수신된 센서 신호들은 제1 중앙 주파수를 포함한 대역통과를 갖는 밴드-패스 필터에 의해 필터링됨- ; b) 상기 센서 시스템을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링(polling)하는 단계; c) 폴링된 센서 값이 소정의 임계값에 부합하는지를 결정하는 단계; d) 상기 소정의 임계값에 부합하면: d1) 상기 센서 시스템을 이용하여 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하는 것; d2) 상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성(consistent) 있는지 확인하는 것; d3) 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면 적어도 단계(d2)를 반복하고, 이때, 상기 밴드-패스 필터는 제2 중앙 주파수를 갖도록 제어되는 것을 포함하는 단계;를 포함할 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 상기 센서 시스템은, 상기 밴드-패스 필터의 중앙 주파수에 일치하는 시스템 주파수로 동작되도록 구성되고, 또한 상기 제1 중앙 주파수와 제2 중앙 주파수에 일치하는 시스템 주파수들 간을 스위칭하도록 동작가능할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 단계는, 단계 d3)에서 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면, 단계들 b)-d)을 반복하는 것을 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 있다면, 센서 출력 신호의 상태를 변경하는 것을 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 제1 상태로부터 제2 상태로의 스위칭 및 제2 상태로부터 제1상태로의 스위칭을 결정하는 때에, 서로다른 임계값들이 적용될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 시스템 주파수는 각각, 상기 제1 주파수 또는 상기 제2 주파수일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 시스템 주파수는 상기 밴드-패스 필터의 대역통과 이내일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 센서 시스템은, 상기 제1 주파수 또는 상기 제2 주파수를 가진 캐리어 신호를 송신하는 제1 송신 전극을 포함하는 접근 센서를 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 센서 출력 신호는 터치 또는 노-터치(no-touch)를 표시할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 제1 폴링 속도는 20ms와 200ms의 사이 또는 10ms와 100ms의 사이일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 제2 폴링 속도는 100Hz 이상일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은, 수신 전극을 더 포함하고, 준정적(quasi-static) 교류 전계가 상기 송신 전극과 상기 수신 전극의 사이에 형성되고, 및 상기 수신 전극에서의 상기 신호의 감쇠가 측정될 수 있다.

또하나의 실시예에 따르면, 용량형 센서 시스템은: 용량형 센서 전극 배열; 상기 용량형 센서 전극 배열로부터 센서 신호들을 수신하는 밴드-패스 필터 -상기 밴드-패스 필터는 제1 중앙 주파수를 포함한 대역통과를 가짐- ; 및 평가 유닛을 포함하고, 상기 평가 유닛은: 상기 용량형 센서 전극 배열을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링하고, 폴링된 센서 값이 소정 임계값에 부합하는지를 결정하고, 상기 소정 임계값에 부합하면, 상기 센서 시스템을 이용하여, 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하고, 상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성 있는지 확인하고, 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면, 상기 밴드-패스 필터를 제2 중앙 주파수로 스위칭하도록 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 상기 용량형 센서 전극 배열은, 상기 제1 중앙 주파수 또는 상기 제2 중앙 주파수에 일치하도록 스위칭될 수 있는 가변 시스템 주파수로 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 있으면, 센서 출력 신호가 상태를 변경할 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 제1 상태로부터 제2 상태로의 스위칭 및 제2 상태로부터 제1상태로의 스위칭을 결정할 때, 서로다른 임계값들이 적용될 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 시스템 주파수는 각각, 상기 제1 주파수 또는 상기 제2 주파수일 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 시스템 주파수는 상기 밴드-패스 필터의 대역통과 이내이도록 선택될 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 상기 용량형 센서 전극 배열은, 상기 제1 주파수 또는 제2 주파수의 캐리어 신호를 송신하는 제1 송신 전극을 포함하는 접근 센서를 포함할 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 상기 센서 출력 신호는 터치 또는 노-터치를 표시할 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 상기 제1 폴링 속도는 20ms와 200ms의 사이 또는 10ms와 100ms의 사이일 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 상기 제2 폴링 속도는 100Hz 이상일 수 있다. 상기 시스템의 추가 실시예에 따르면, 수신 전극을 더 포함하고, 준정적 교류 전계가 상기 송신 전극과 상기 수신 전극의 사이에 형성되고, 상기 수신 전극에서 상기 신호의 감쇠가 측정될 수 있다.

더욱 또하나의 실시예에 따르면, 용량형 센서 시스템을 구비한 휴대 디바이스를 동작시키기 위한 방법은: a) 상기 디바이스를 저전력 모드로 스위칭하는 단계; b) 제1 주파수로 상기 용량형 센서 시스템을 동작시키는 단계 -수신된 센서 신호들은 상기 제1 주파수에 일치하는 대역통과를 갖는 밴드-패스 필터에 의해 필터됨- ; c) 상기 제1 주파수로 동작하는 상기 센서 시스템을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링하는 단계; d) 폴링된 센서 값이 소정의 임계값에 부합하는지 결정하는 단계; e) 상기 소정의 임계값에 부합하면: e1) 상기 제1 주파수로 동작하는 상기 센서 시스템을 이용하여 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하고; e2) 상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성 있는지 확인하고; e3) 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없으면, 적어도 단계 e2)를 반복하고, 이때, 상기 센서 시스템은 제2 주파수로 동작되고 상기 밴드-패스 필터는 상기 제2 주파수에 일치하도록 제어되는 단계; f) 단계 e3)에서 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 있다고 확인되면, 상기 휴대 디바이스를 저전력 모드로부터 정상 동작 모드로 스위칭하는 단계;를 포함할 수 있다.

도 1은 단일 밴드-패스 필터의 필터 기능을 도시한다.
도 2는 서로다른 중앙 주파수들을 갖는 2 밴드-패스 필터의 필터 기능들을 도시한다.
도 3은 정상 폴링 및 확인 폴링 동안에 센서 데이터를 폴링하는 타이밍을 도시한다.
도 4는 예시적인 휴대형 배터리식 디바이스를 도시한다.
도 5는 잡음이 없는 제1 필터 주파수를 이용한 데이터 폴링을 도시한다.
도 6은 필터의 밴드폭 밖의 잡음이 있는 제1 필터 주파수를 이용한 데이터 폴링을 도시한다.
도 7은 필터의 밴드폭 내의 잡음이 있는 제1 필터 주파수를 이용한 데이터 폴링을 도시한다.
도 8은 히스테리시스를 이용하여 정상 폴링과 확인 폴링의 동안에 센서 데이터를 폴링하는 타이밍을 도시한다.
도 9는 잡음이 있을 때, 서로다른 필터들 사이의 스위칭을 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 센서 시스템의 블록도를 도시한다.

예를 들면, 접근 검출을 위한 e-필드 센서 시스템은, 3-차원 전계 센서 배열을 이용하고, 보통은 예를 들어 100kHz 신호를 이용하여 준정적(quasi-static) 교류 전계를 만든다. 이러한 전계는, 그 전계를 생성하는 디바이스로부터 예를 들면, 수직으로 약 10cm 이상 확장된다. 사용자는 디바이스를 터치하지 않고도 예를 들어, 손을 이 전계에 진입시킬 수 있고, 그리고 사용자에 의해 수행되는 제스처들은 전계를 교란시킬 것이다. 그 다음 이러한 왜곡들이 센서 배열(sensor arrangement)에 의해 측정될 수 있고, 이 배열에 의해 결정된 동적 및 정적 특성이 어떤 유형의 제스처가 수행되었는지를 판단하는 데에 이용될 수 있다.

이러한 시스템은 사용자의 접근을 검출하기 위해 전형적으로 제1 동작 주파수에서의 직접 샘플링을 이용한다. 도 1에는, 본 발명의 교시들에 따른, 단일 주파수에 미치는 필터링 효과의 주파수 응답 다이어그램이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 중심 주파수가 100kHz인 밴드-패스 필터가 적용된다. 이는, 제1 동작 주파수에서의 또는 그 근방에서의 방해 잡음과 간섭 신호들이 센서 시스템의 적절한 동작을 저하시킬 수 있으므로, 송신기 전극에 의해 발생된 캐리어 신호에 집중하고, 반면에 캐리어 주파수를 방해할 수 있는 모든 다른 가능한 신호들을 필터링(filtering out)하는 것을 가능케 한다. 단일 주파수 필터링은 효율적일 수 있지만, 잡음 레벨들이 동작 신호 레벨에 비하여 높을 수 있기 때문에, 신규 EMC 표준 IEC61000-4-6에 부합하기에 충분히 효율적이지는 않다.

센서 디바이스의 전력 소모를 증가시키지 않고도 필터 효과를 향상시키기 위해서, 제2 동작 주파수가 도입될 수 있다. 도 2에는, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 2중 주파수들에 미치는 필터링 효과들의 주파수 응답 다이어그램이 도시되어 있다. 따라서, 도 2는 특정 스캐닝 주파수에서 획득된 한 세트의 센서 값들에 걸친 주요한 필터 효과를 보여준다. 센서 값 세트의 길이는 필터 기능의 선예도(sharpness)를 정의한다. 스캐닝 주파수에 근접한 잡음은 낮은 잡음 감쇠에 기인하여 신호 변동을 초래할 것이다. 동작 주파수는 잡음 주파수에 대하여 좋은 필터 특성을 갖도록 선택되어야 한다.

본 특정 실시예에 있어서, 제1 밴드-패스 주파수는 100kHz이고, 반면에 제2 밴드-패스 주파수는 40kHz이다. 하지만, 제1 주파수보다 더높은 주파수와 제2 주파수보다 더낮은 주파수가 또한 선택될 수도 있다. 만일 제1 동작 주파수에서 또는 그 근방에서의 잡음 및/또는 간섭(방해) 신호(들)에 기인하여 제1 동작 주파수에서의 측정이 저하되고(손상되고) 및 임계값을 초월하면, 센서 시스템은 밴드-패스 필터링을 제1 동작 주파수로부터 제2 동작 주파수로 스위칭할 것이다. 제2 주파수에서의 수신시에는 제1 동작 주파수에서의 또는 그 근방에서의 간섭(방해) 신호(들)가 억제되도록, 제2 동작 주파수는 그 자체의 필터 특성을 갖는다. 그리고 간섭(방해) 신호(들)가 제2 동작 주파수에 또는 그 근방에 있을 때에는, 그것은 제1 주파수에서의 수신시에는 억제될 수 있다. 제1 주파수로부터 제2 주파수로 스위칭할 때, 시스템 동작 주파수, 즉, 준정적 교류 전계의 주파수는 당연히 동시에 변경될 것이다. 따라서, 도 2에 도시된 실시예에서, 시스템이 방해원이 제1 주파수 근방에 있음을 검출한 경우, 송신기 전극은 100kHz 신호 대신에 40kHz 캐리어 신호를 송신할 것이다.

상술한 원리는, 송신기와 수신기를 이용하는 센서 시스템들로 제한되는 것이 아니며, 소정의 시스템 주파수를 사용하거나 또는 사용하지 않고 동작하는 어떠한 종류의 센서 시스템에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 상술한 방법은, 예를 들면, 용량형 전압 분배기 측정, 완화 발진기 등을 이용하여, 자기(self) 또는 상호 커패시턴스를 측정하는 용량형 센서 시스템에 적용될 수 있다. 그러므로 센서 시스템이 특정 주파수로 동작하지 않으면, 밴드-패스 주파수를 스위칭할 때 각자의 시스템 주파수의 변경은 당연히 불필요하다.

상술한 e-필드 센서를 이용하는 실시예에서, 밴드-패스 필터의 중앙 주파수는 제1 주파수와 제2 주파수 각각에 일치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 필터들은 비교적 좁은 대역통과를 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 높은 거리에 있는 손의 접근을 검출하도록 설계된 센서는, 더높은 센서 해상도/품질을 요구할 것이고, 그로 인해 밴드패스 필터는 비교적 좁아질 것이다. 하지만, 밴드-패스 필터는, 시스템의 각자의 동작 주파수만을 포함하는 대역통과를 갖도록 설계될 수도 있다. 다시, 상술한 바와 같이, 일부 센서 시스템은, 특정 동작 주파수를 요구하지 않을 수 있고, 따라서, 밴드-패스 필터는 주로, 예를 들면, 알려진 잡음원들을 배제하도록 설계될 수 있다.

하나의 동작 주파수로부터 다른 동작 주파수로의 주파수 스위칭은, 이벤트 확인 동안에만 초기화(initialize)될 수 있다. 신호가 터치/노-터치 검출을 위한 임계값과 교차하는 때에는, 이벤트가 터치일 수 있다. 이벤트 확인 동안, 상태 변경을 표시하는 조건에 부합해야 하는 한 세트의 측정값들(히스토리)이 있을 수 있다(센서 시스템을 더욱 신뢰성있게 만듦). 센서 상태를 온으로 스위칭하기 위해서는, 이 세트의 모든 측정값들이 임계값을 넘어야한다. 선택된 동작 주파수 근처의 방해(예를 들면, 잡음 및/또는 간섭)로 인하여, 이 세트 내의 모든 측정값들이 요구되는 임계값 조건에 부합지는 않도록, 신호 내에 변동(variation)이 있을 수 있다. 이 발생은, 동작 주파수 스위치를 초기화시킬 수 있다. 정상 실행시간(runtime) 동작 동안이 아니라 확인 동작 동안에, 그 세트의 측정값들의 신호 변동을 평가하는 것은 매우 중요하다. 이는, 정상 센서 폴링(예를 들면, 샘플링) 주파수가 확인 측정을 위한 폴링 주파수보다 훨씬더 느리기 때문이다. 누군가가 센서와 상호작용할 때에는 간섭 신호와 사용자 상호작용 사이에 어떤 차이도 결정될 수 없도록, 상기 느린 폴링 주파수는 히스토리의 동태(dynamic)를 일으킬 수 있다. 반면에, 높은 폴링 주파수에서의 사용자 상호작용(확인)은, 히스토리의 동태를 일으키지 않을 것이다. 확인 측정 동안의 폴링 주파수는 정상 폴링 주파수보다 매우 높아서 빠른 반응 시간을 보장하는데, 그 이유는 정상 폴링 주파수는 정상 실행시간 동안의 전력 소모를 절감하기 위해서 매우 느리기 때문이다.

일부 실시예들에 따르면, 폴링 주파수는 일단 간섭 잡음원이 검출되면 변경되지 않을 수 있다. 즉, 시스템은 다른 주파수 범위로 스위칭되는 동안에는 높은 폴링 주파수 내에 유지된다. 다른 실시예들에 따르면, 일단 간섭 이벤트가 검출되면, 시스템은, 실패된 확인으로 인해 어떤 이벤트도 실제로 발생하지 않았다고 추정하고, 그리고, 밴드-패스 필터 주파수 및 필요하다면 시스템의 동작 주파수를 스위칭하고, 또한 느린 폴링 주파수로 다시 스위치(switch back)할 수도 있다.

도 3은 이러한 시나리오를 더욱 상세하게 보여준다. 점선은 임계값을 표시하는데, 센서 신호는 높은 주파수에서 폴링을 초기화하기 위해 그 임계값을 넘어설 필요가 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시간 구간(t1-t2) 동안, 제1 주파수에서의 정상 폴링이 일어난다. 그리고 시간 주기(t2-t3) 동안, 높은 폴링이 제2 주파수로 일어난다. 시간(t3)부터 계속, 시스템은 제1 주파수에서의 정상 폴링으로 복귀한다. t2에서 고주파 폴링이 개시된 후에, 고주파 폴링의 모든 측정값들은 도 3에 도시된 예에서 임계값 위에 있다. 따라서, 시스템은, 센서 상태를 "오프"로부터 "온"으로 스위칭하고, 정상 주파수로 폴링을 계속한다. 도 3은 제1 상태로부터 제2 상태로의 센서 출력 신호의 스위칭을 보여준다. 제2 상태로부터 제1 상태로의 복귀 스위치(switch back)는, 신호 레벨이 임계값 아래로 떨어질 때에 높은 주파수에서의 폴링을 위한 또하나의 확인 구간을 이용하여 유사한 방식으로 결정될 것이다. 다른 실시예들에 따르면, 발진들(oscillations)을 회피하기 위해 서로 다른 임계값들을 갖는 히스테리시스가 적용될 수 있다.

모든 확인 측정값들이 이벤트 조건에 부합(예를 들면, 모든 센서 신호 값들이 임계값 위에 있음)하지만 그 세트의 확인 측정값들 내의 변동(variation)이 너무 큰 경우에, 주파수 스위칭이 또한 개시될 수 있다. 각 동작 주파수의 필터 효과가 도 2에 도시되어 있다. 제2 동작 주파수를 추가함으로써, 조합된 필터 효과가 증가될 것이다. 2개의 동작 주파수들을 갖는 것의 장점은, 필터 길이를 증가시키지 않고도 진보한 필터링 효과를 얻어서, 이에 의해 센서 시스템에 의한 전력 소모의 증가가 없다.

상술한 바와 같은 e-필드 센서 시스템의 일 실시예에서, 보통, 송신 및 센서 전극들은 종종 평탄한 금속판들에 의하여 간단히 형성된다. 예를 들면, 인쇄회로기판이, 구리층으로 이러한 전극들을 형성하기 위해 패터닝될 수 있다. 전극들이 서로의 위에(above) 배열될 필요가 있는 경우, 다층 PCB의 서로다른 전도층들이 이러한 전극 배열들을 형성하도록 상응하게 패터닝될 수 있다. 사용자 접근 검출에 이용되는 e-필드 센서는 보통 대략 1Hz로부터 대략 100Hz의 주파수 범위에서 폴링될 수 있으며, 센서는 매 10밀리초 내지 1000밀리초 마다 한 세트의 측정값들을 획득할 것이다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 다른 속도가 적용될 수도 있다. 한 측정값 세트로부터 다음 측정값 세트까지의 센서 신호의 변동은, 센서와의 사용자 상호작용에 의해서 또는 잡음에 의해서 생길 수 있다. 스캐닝(동작) 주파수는, 잡음이 신호의 변동을 일으킨 경우에만 변경되어야 한다. 사용자 상호작용에 의해 생긴 변동과 잡음에 의해 생긴 변동 사이의 구별은, 이 폴링(샘플링) 주파수에서는 결정될 수 없다. 또하나의 요건에 따르면, 폴링 주파수는 센서에 의한 낮은 전력 소모를 보장하도록 가능한 낮아야 한다.

그리하여, 일단 센서값이 검출 임계값과 서로 겹치게 되면, 예를 들면 노-터치로부터 터치로 또는 그 반대로의, 센서의 상태 변경이 예상된다. 이러한 특수한 이벤트에서, 도 3의 시간(t2-t3) 사이에 도시된 바와 같이, 상태 변경을 확증하기 위하여, 측정은 높은 폴링 주파수에서 반복될 것이다. 이러한 이벤트 확인(확증) 동안에 잡음이 없으면, 측정 반복들 동안에 센서 값들 내에서 어떤 변동도 없을 것인데, 그 이유는 폴링 주파수가 통상적으로 200Hz 보다 더높고 또한 사용자가 이러한 짧은 시간 내에 어떠한 신호 변동들도 일으키지 않을 것이기 때문이다. 그래서, 반복된 측정값들의 히스토리에 변동이 있다면, 그 변동은 잡음에 의해 초래되었을 것이다. 따라서, 어떤 추가의 임계 교차값(들)도, 도 3에 도시된 바와 같이, 잡음에 의해 초래되지 않을 때까지는, 센서의 스캐닝 주파수는 변경될 수 있다.

다른 또하나의 실시예에 따르면, 이러한 시스템은 2개의 주파수를 이용하는 것으로 제한되지 않지만, 대부분의 경우들에서는 2개의 동작 주파수들이라도 충분할 수 있다. 다른 실시예들은, 다른 주파수들이 방해받는 경우에 훨씬 더많은 선택지들을 제공하도록, 2보다 많은 동작 주파수들을 이용할 수도 있다. 복수의 동작 주파수들 사이를 스위칭하기 위해 상태 머신이 이용될 수 있다.

도 4에는, 본 발명의 교시들에 따라서 활성화될 수 있는 사용자 디바이스(400), 예를 들면 스마트폰이 도시되어 있다. 용량형 센서들(410, 420)이 사용자 디바이스의 측면들에 내장될 수 있다(파지 구역(grip zone)). 이러한 용량형 센서들(410, 420)은 상술한 바와 같은 단순한 전극판들일 수 있다. 용량형 센서들은, 디바이스의 인쇄회로기판의 가장자리들에 형성될 수 있고, 또는, 하우징의 전도성 요소들에 의해 개별적으로 형성될 수도 있다. 이러한 전극들(410, 420)은 디바이스의 파지(gripping)를 검출하는 데에 이용될 수 있고, 그리고 이러한 검출은 디바이스를 활성화시키는 데에 이용될 수 있다. 그러므로 휴대형 배터리 동작형 디바이스가 저전력 모드 또는 슬립 모드에 있을 때에는, 제1 폴링 속도가 적용되고, 그리고 센서 시스템은 디바이스가 저전력 모드로부터 정상 동작 모드로 스위칭되어야 할지를 결정하는 데에 이용된다. 그러므로 제1 폴링 속도는, 단지 최소 에너지(기본적으로 배터리 시스템의 자체 방전 속도의 범위 내에 있는 분량)를 요구하는, 5Hz와 같은 비교적 낮은 속도로 설정된다. 일단 터치가 확인되면, 디바이스는 턴온되어 그의 "정상" 동작 모드로 동작한다. 디바이스는, 도 4에 도시된 바와 같은 모바일폰으로 제한되지 않으며, 오히려, 임의의 휴대형 디바이스, 특히, 컴퓨터 마우스, 원격 제어기 등과 같이 일반적으로 사용자에 의해 파지될 때 보통 활성화되는 휴대형 디바이스에 적용될 수 있다.

예를 들면, 스위칭 배터리 충전기들, CFL, 조명 조광기들 등으로부터 발생되어 전도된 잡음에 대한 이러한 용량형 센서들(410, 420)의 잡음 강인성은, 본 발명의 교시들을 이용함으로써 실질적으로 개선된다. 이러한 개선은 파지 검출을 위한 EMC 표준 IEC61000-4-6을 쉽게 통과할 것이다. 추가로, 전류 소모가 낮게 유지되고, 프로그램 코드 크기가 작게 유지되며, 용량형 센서 감도가 잡음이 없는 환경이나 잡음이 높은 환경에도 동일하게 유지되고, 센서 반응 시간이 빠르게 유지된다.

잡음이 없는 센서 신호의 도식적 그래프들이 도 5에 도시되어 있고, 잡음이 있는 센서 신호가 도 6에 도시되어 있다. 센서 검출 샘플들의 히스토리가 명확하고 모호하지 않아서, 노-터치/터치 검출이 가능하다. 이는, 도 6에 도시된 바와 같이, 잡음이 센서 시스템의 캐리어 주파수와는 충분히 다른 주파수에 존재하기 때문에, 그 잡음이 히스토리 샘플들에 실질적으로 영향을 미치지 않는다는 사실에 기인한다.

도 7에는, 터치 센서에 의해 이용되는 스캐닝 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 잡음을 갖는 센서 신호의 도식적인 그래프가 도시되어 있다. 잡음으로 인해, 노-터치 히스토리 및 터치 히스토리 둘 다에서, 히스토리 샘플들이 무작위로 임계값의 위에 및 아래에 있게 된다. 샘플들 히스토리의 이 무작위성은, 터치 또는 노-터치 여부를 식별하는 것을 불가능하게 한다. 따라서, 스캐닝 주파수를 잡음 주파수로부터 멀리 이동시킴으로써, 터치 검출이 도 6에 도시된 바와 같이 다시 쉽게 결정될 수 있다.

도 8은 히스테리시스를 이용하여 노-터치/터치 결정을 위한 확인 이벤트를 도시한다. 다시, 확인 이벤트에서 터치 이벤트를 확인하기 위해서는, 사용자와 센서의 사용자 상호작용에 의해 일어나는 신호 변동도 없어야 하는 경우, 높은 신호 획득 반복 속도가 있을 것이다. 제1 상태로부터 제2 상태로 스위칭하기 위해서는, 임계값이 임계값(A)으로 설정될 수 있다. 만일 확인 이벤트 동안에 신호 변동이 있다면, 그때는 시스템의 동작 주파수는 잡음 간섭으로부터 멀리 이동하도록 변경되어야 한다. 이 경우에, 상술한 바와 같이, 센서 시스템의 캐리어 주파수는 밴드-패스 필터의 필터 주파수와 연동하여(along with) 스위칭된다. 이것은, 확인 구간 동안에 신호가 얼마나 많이 변할 수 있는지에 대한 미리정의된 제한을 가짐으로써, 결정될 수 있다. 일단 "터치"가 결정되었다면, 임계값은 제2 임계값(B)으로 스위칭될 수 있다. 따라서, 휴대형 디바이스는, 일단 "노-터치" 상태가 결정되었다면, 자동으로 스위치 오프될 수 있을 것이다. 하지만, 일단 "노-터치" 천이가 결정되면, 소정의 시간 동안 온(on) 상태를 유지하고 타이머가 만료할 때까지 어떠한 터치도 일어나지 않는다면 디바이스를 슬립 동작 모드로 단지 스위칭하도록, 타이머가 설정될 수도 있다.

도 9는, 센서를 폴링할 때 잡음 주파수를 회피하는 데에 충분하게 시스템 동작 주파수가 이동된 경우의 주파수 진폭 그래프를 도시한다. 2개의 주파수들을 이용하는 다른 실시예들에 따르면, 고정 시스템 동작 주파수 및 가변 시스템 동작 주파수가 이용될 수 있다. 예를 들면, 고정 주파수는 100kHz로 설정될 수 있고, 가변 주파수는, 시스템의 흔들림없는(undisturbed) 동작을 가능케 하도록, 고정 주파수와는 충분히 다르게, 시스템에 의해 설정될 수 있다. 예를 들면, 전압 제어 오실레이터와 같은, 주파수 제어가능 오실레이터가 다양한 실시예들에 따른 시스템의 주파수를 변경하도록 이용될 수 있다.

도 10은, 송신 전극(1050)과 예를 들면, 2개의 수신 전극들(1010 및 1020)을 이용하는 센서 시스템의 실시예를 도시한다. 하지만, 단일 수신 전극(1010) 또는 복수의 수신 전극들이 다른 실시예들에 따라서 이용될 수도 있다. 게다가, 보상 및 차폐에 이용되는 추가적인 전극들이 다양한 실시예들에 따라서 이용될 수도 있다. 송신 전극(1050)은, 화살표(1070)로 표시된 바와 같은, 송신 전극(1050)과 수신 전극들(10101, 1020)의 사이에 준정적 교류 전계를 발생시키는 데에 이용될 수 있다. 도 10은 2개의 수신 전극들(1010 및 1020) 사이를 스위칭하는 멀티플렉서(1060) 도시한다. 멀티플렉서의 출력부는 제어가능 밴드-패스 필터(1030)의 입력부에 결합된다. 평가/제어 유닛(1040)은, 제어가능 밴드-패스 필터(1030)의 출력 신호를 수신하고 밴드-패스 필터 주파수를 스위칭하거나 변경하기 위한 제어 신호를 제공한다. 더욱, 평가/제어 유닛(1040)은 송신 전극(1050)에 제공될 캐리어 주파수를 발생하는 발진기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 발진기를 대신하여, 마이크로컨트롤러가 그 포트들 중 하나에 각자의 주파수를 갖는 구형파 신호를 발생할 수 있다. 여기서 구형파 신호는, 나중에(further) 증폭되어 송신 전극(1050)에 제공될 수 있다. 수신 전극들(1010, 1020)은 준정적 전계(1070)에서의 교란을 측정하기 위해 이용될 수 있다. 하지만, 본 출원의 원리들은, 이러한 특정한 측정 기법에 제한되지 않는다. 다른 용량형 센서 시스템들은, 캐리어 주파수를 이용하는 서로다른 측정 기법들에 기반을 둘 수 있다. 예를 들면, 다른 측정 기법들이 다른 방식으로 캐리어 주파수를 이용하여 센서 신호의 감쇠를 분석할 수 있다. 또한, 어떠한 전용의 송신기-수신기 원리도 요구되지 않는다.

도 10에 도시된 시스템은, 필터의 밴드-패스 주파수를 스위칭하도록 필터를 제어할 수 있고, 그리고 송신 전극(1050)에 제공된 센서 송신 신호의 캐리어 주파수를 조정할 수 있다. 이를 위해, 제어가능 밴드-패스 필터(1030)가 이용될 수 있다. 대안으로, 멀티플렉서를 이용하여 2개의 개별 필터들이 이용될 수도 있다.

본 개시의 실시예들은 본 개시의 예시적인 실시예들을 참조하여 도시되고 설명되고 정의되었지만, 이러한 참조는 본 개시의 한정을 의미하지 않고 이러한 한정이 추정되지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야에 통상의 기술을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 사람들에게는 형태와 기능에 있어서 상당한 수정, 대체, 및 균등물들이 가능하다. 본 개시의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예시로서, 본 개시의 범위를 한정하지 않는다.

Claims

용량형 센서 시스템의 강인성(robustness)을 개선하기 위한 방법으로서:
a) 상기 용량형 센서 시스템을 동작시키는 단계 -수신된 센서 신호들은 제1 중앙 주파수를 포함한 대역통과를 갖는 밴드-패스 필터에 의해 필터링됨- ;
b) 상기 센서 시스템을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링(polling)하는 단계;
c) 폴링된 센서 값이 소정의 임계값에 부합하는지를 결정하는 단계;
d) 상기 소정의 임계값에 부합하면:
d1) 상기 센서 시스템을 이용하여 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하는 것;
d2) 상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성(consistent) 있는지 확인하는 것;
d3) 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면 적어도 단계(d2)를 반복하고, 이때, 상기 밴드-패스 필터는 제2 중앙 주파수를 갖도록 제어되는 것을 포함하는 단계;를 포함하는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제1항에 있어서,
상기 센서 시스템은, 상기 밴드-패스 필터의 중앙 주파수에 일치하는 시스템 주파수로 동작되도록 구성되고, 또한 상기 제1 중앙 주파수와 제2 중앙 주파수에 일치하는 시스템 주파수들 간을 스위칭하도록 동작가능한, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제1항에 있어서,
단계 d3)에서 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면, 단계들 b)-d)을 반복하는 것을 더 포함하는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 있다면, 센서 출력 신호의 상태를 변경하는 것을 포함하는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제1항에 있어서,
제1 상태로부터 제2 상태로의 스위칭 및 제2 상태로부터 제1상태로의 스위칭을 결정하는 때에, 서로다른 임계값들이 적용되는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제2항에 있어서,
시스템 주파수는 각각, 상기 제1 주파수 또는 상기 제2 주파수인, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제2항에 있어서,
시스템 주파수는 상기 밴드-패스 필터의 대역통과 이내인, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제2항에 있어서,
상기 센서 시스템은, 상기 제1 주파수 또는 상기 제2 주파수를 가진 캐리어 신호를 송신하는 제1 송신 전극을 포함하는 접근 센서를 포함하는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제8항에 있어서,
상기 센서 출력 신호는 터치 또는 노-터치(no-touch)를 표시하는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제1항에 있어서,
제1 폴링 속도는 20ms와 200ms의 사이 또는 10ms와 100ms의 사이인, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제10항에 있어서,
제2 폴링 속도는 10ms 미만인, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
제8항에 있어서,
수신 전극을 더 포함하고,
준정적(quasi-static) 교류 전계가 상기 송신 전극과 상기 수신 전극의 사이에 형성되고, 및 상기 수신 전극에서의 상기 신호의 감쇠가 측정되는, 용량형 센서 시스템 강인성 개선 방법.
용량형 센서 시스템으로서:
용량형 센서 전극 배열;
상기 용량형 센서 전극 배열로부터 센서 신호들을 수신하는 밴드-패스 필터 -상기 밴드-패스 필터는 제1 중앙 주파수를 포함한 대역통과를 가짐- ; 및
평가 유닛을 포함하고,
상기 평가 유닛은:
상기 용량형 센서 전극 배열을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링하고,
폴링된 센서 값이 소정 임계값에 부합하는지를 결정하고, 상기 소정 임계값에 부합하면,
상기 센서 시스템을 이용하여, 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하고,
상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성 있는지 확인하고, 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없다면, 상기 밴드-패스 필터를 제2 중앙 주파수로 스위칭하도록 제어하도록 구성된, 용량형 센서 시스템.
제13항에 있어서,
상기 용량형 센서 전극 배열은, 상기 제1 중앙 주파수 또는 상기 제2 중앙 주파수에 일치하도록 스위칭될 수 있는 가변 시스템 주파수로 동작하도록 구성된, 용량형 센서 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 있으면, 센서 출력 신호가 상태를 변경하는, 용량형 센서 시스템.
제15항에 있어서,
제1 상태로부터 제2 상태로의 스위칭 및 제2 상태로부터 제1상태로의 스위칭을 결정할 때, 서로다른 임계값들이 적용되는, 용량형 센서 시스템.
제14항에 있어서,
시스템 주파수는 각각, 상기 제1 주파수 또는 상기 제2 주파수인, 용량형 센서 시스템.
제14항에 있어서,
시스템 주파수는 상기 밴드-패스 필터의 대역통과 이내이도록 선택되는, 용량형 센서 시스템.
제14항에 있어서,
상기 용량형 센서 전극 배열은, 상기 제1 주파수 또는 제2 주파수의 캐리어 신호를 송신하는 제1 송신 전극을 포함하는 접근 센서를 포함하는, 용량형 센서 시스템.
제19항에 있어서,
상기 센서 출력 신호는 터치 또는 노-터치를 표시하는, 용량형 센서 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제1 폴링 속도는 20ms와 200ms의 사이 또는 10ms와 100ms의 사이인, 용량형 센서 시스템.
제21항에 있어서,
상기 제2 폴링 속도는 10ms 미만인, 용량형 센서 시스템.
제19항에 있어서,
수신 전극을 더 포함하고,
준정적 교류 전계가 상기 송신 전극과 상기 수신 전극의 사이에 형성되고, 상기 수신 전극에서 상기 신호의 감쇠가 측정되는, 용량형 센서 시스템.
용량형 센서 시스템을 구비한 휴대 디바이스를 동작시키기 위한 방법으로서:
a) 상기 디바이스를 저전력 모드로 스위칭하는 단계;
b) 제1 주파수로 상기 용량형 센서 시스템을 동작시키는 단계 -수신된 센서 신호들은 상기 제1 주파수에 일치하는 대역통과를 갖는 밴드-패스 필터에 의해 필터됨- ;
c) 상기 제1 주파수로 동작하는 상기 센서 시스템을 이용하여 제1 속도로 센서 데이터를 폴링하는 단계;
d) 폴링된 센서 값이 소정의 임계값에 부합하는지 결정하는 단계;
e) 상기 소정의 임계값에 부합하면:
e1) 상기 제1 주파수로 동작하는 상기 센서 시스템을 이용하여 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 센서 데이터를 폴링하고;
e2) 상기 제2 속도로 폴링된 센서 데이터가 일관성 있는지 확인하고;
e3) 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 없으면, 적어도 단계 e2)를 반복하고, 이때, 상기 센서 시스템은 제2 주파수로 동작되고 상기 밴드-패스 필터는 상기 제2 주파수에 일치하도록 제어되는 단계;
f) 단계 e3)에서 상기 제2 속도로 폴링된 상기 센서 데이터가 일관성 있다고 확인되면, 상기 휴대 디바이스를 저전력 모드로부터 정상 동작 모드로 스위칭하는 단계;를 포함하는, 용량형 센서 시스템을 갖는 휴대 디바이스를 동작시키는 방법.