KR20150135940A - 터치 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20150135940A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드; 제1 입력단 및 제2 입력단을 가지며, 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하는 연산 증폭기; 상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량 양단의 전위를 제어하는 제1 스위치; 및 상기 센서패드의 출력단과 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 간의 연결을 스위칭하며, 상기 제1 스위치와 교번하여 온/오프되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때, 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에는 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압이 순차적으로 인가되는, 터치 검출 장치가 제공된다.

Description

터치 검출 장치 및 방법{TOUCH DETECTING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 터치 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선형성이 보장되며 외부 노이즈의 영향이 줄어들며 터치에 대한 응답 시간 감소가 없는 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
터치 스크린 패널은 영상 표시 장치의 화면에 표시된 문자나 도형을 사람의 손가락이나 다른 접촉수단으로 접촉하여 사용자의 명령을 입력하는 장치로서, 영상 표시 장치 위에 부착되어 사용된다. 터치 스크린 패널은 사람의 손가락 등으로 접촉된 접촉 위치를 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 입력 신호로서 이용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전식 터치 스크린 패널의 일 예에 관한 분해 평면도이다.
도 1을 참고하면, 터치 스크린 패널(10)은 투명 기판(12)과 투명 기판(12) 위에 차례로 형성된 제1 센서 패턴층(13), 제1 절연막층(14), 제2 센서 패턴층(15) 및 제2 절연막층(16)과 금속 배선(17)으로 이루어진다.
제1 센서 패턴층(13)은 투명 기판(12) 위에 횡방향을 따라 연결될 수 있으며, 행 단위로 금속 배선(17)과 연결된다.
제2 센서 패턴층(15)은 제1 절연막층(14) 위에 열방향을 따라 연결될 수 있으며, 제1 센서 패턴층(13)과 중첩되지 않도록 제1 센서 패턴층(13)과 교호로 배치된다. 또한, 제2 센서 패턴층(15)은 열 단위로 금속 배선(17)과 연결된다.
터치 스크린 패널(10)에 사람의 손가락이나 접촉 수단이 접촉되면 제1 및 제2 센서 패턴층(13, 15) 및 금속 배선(17)을 통하여 구동 회로 측으로 접촉 위치에 따른 정전용량의 변화가 전달된다. 그리고 이렇게 전달된 정전용량의 변화가 전기적 신호로 변환됨에 따라 접촉 위치가 파악된다.
그러나 이러한 터치 스크린 패널(10)은 각 센서 패턴층(13, 15)에 인듐-틴 옥사이드(ITO)와 같은 투명한 도전성 물질로 이루어진 패턴을 별도로 구비하여야 하고, 센서 패턴층(13, 15) 사이에 절연막층(14)을 구비하여야 하므로 두께가 증가한다.
또한, 터치에 의해 미세하게 발생하는 정전용량의 변화를 수차례 축적하여야 터치 검출이 가능하기 때문에 높은 주파수로 정전용량 변화를 감지하여야 한다. 그리고, 정전용량의 변화를 정해진 시간 내에 충분히 축적하기 위해서는 낮은 저항을 유지하기 위한 금속 배선을 필요로 하는데, 이러한 금속 배선은 터치 스크린의 테두리에 베젤을 두껍게 하고 추가의 마스크 공정을 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 2에 도시되는 바와 같은 터치 검출 장치가 제안되었다.
도 2에 도시되는 터치 검출 장치는 터치 패널(20)과 구동 장치(30) 및 이 둘을 연결하는 회로 기판(40)을 포함한다.
터치 패널(20)은 기판(21) 위에 형성되며 다각형의 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 센서 패드(22) 및 센서 패드(22)에 연결되어 있는 복수의 신호 배선(23)을 포함한다.
각 신호 배선(23)은 한쪽 끝이 센서 패드(22)에 연결되어 있으며 다른 쪽 끝은 기판(21)의 아래 가장자리까지 뻗어 있다. 센서 패드(22)와 신호 배선(23)은 커버 유리(50)에 패터닝 될 수 있다.
구동 장치(30)는 복수의 센서 패드(22)를 순차적으로 하나씩 선택하여 해당 센서 패드(22)의 정전용량을 측정하고, 이를 통해 터치 발생 여부를 검출해낸다.
터치가 발생하면 터치 발생 도구(예를 들면, 손가락)와 센서 패드(22) 사이에는 터치 정전용량이 형성되는데, 센서 패드(22)에 소정의 신호를 입력하면 터치 정전용량의 존부에 따라 센서 패드(22)로부터의 출력 신호가 달라지게 된다. 구동 장치(30)는 센서 패드(22)로부터의 출력 신호를 통해 터치 발생 여부를 판단하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 터치 검출 장치는 센서패드(22), 구동 정전용량(Cdrv), 연산 증폭기(OP-amp), 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다. 구동 정전용량(Cdrv), 연산 증폭기(OP-amp), 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 도 2의 구동 장치(30)에 포함되는 구성요소이다.
연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단은 센서패드(22)의 출력과 연결되고 제2 입력단에는 기준 전압(Vref)이 인가된다. 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 출력단 사이에는 구동 정전용량(Cdrv)이 연결되며, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위는 제1 스위치(SW1)에 의해 제어된다. 한편, 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 센서패드(22) 출력단 사이에는 제2 스위치(SW2)가 연결된다.
제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW1)는 교번하여 온/오프 되는데, 제1 스위치(SW1)가 온 되면, 센서패드(22)와 터치 발생 도구 사이의 터치 정전용량(Ct)이 그라운드 전위로 연결된다. 또한, 센서패드(22) 또는 신호배선 등에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cp) 양단 또한 그라운드 전위와 연결된다. 제1 스위치(SW1)의 온에 의해 터치 정전용량(Ct), 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv)이 리셋되며, 구동 정전용량(Cdrv)의 양단 전위는 모두 기준 전압(Vref)과 같아진다.
제1 스위치(SW1)가 오프 되고, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환된 후 정상 상태에 도달하면, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)이 모두 기준 전압(Vref)으로 충전되고, 연산 증폭기(OP-amp)에 의해 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하의 합과 동일한 양의 전하가 구동 정전용량(Cdrv)에 충전된다. 이는 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 좌변은 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하량의 합을 나타내고, 우변은 구동 정전용량(Cdrv)에 충전된 전하량을 나타낸다.
상기 수학식 1에 따라 구동 정전용량(Cdrv)의 양단 전압은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
제2 스위치(SW2)가 온 되기 전 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위차는 0V이므로, 터치 전후 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압의 변화량(ΔVo)은 상기 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전압(Vdrv)과 같아진다.
구동 정전용량(Cdrv), 기준 전압(Vref)은 일정한 값을 가지므로, 연산 증폭기(OP-amp) 출력단 전압의 변화량(△Vo), 즉, 레벨 시프트 값은 터치 정전용량(Ct)에 비례하게 되므로, 터치 검출에 있어서의 선형성이 확보될 수 있다.
그러나, 상기 수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 터치 정전용량(Ct)뿐만 아니라 기생 정전용량(Cp) 또한 터치 여부 검출에 영향을 주기 때문에, 터치 검출의 정확성이 떨어지게 된다.
따라서, 터치 전후의 레벨 시프트값과 터치 정전용량 간의 선형성이 확보되면서도 기생 정전용량의 영향을 최소화할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 레벨 시프트값과 터치 정전용량 간의 선형성이 보장되며, 회로 내에서 로우 패스 필터가 구현되어 외부 노이즈의 영향이 최소화된 터치 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 터치 발생에 따른 응답 시간 저하가 방지된 터치 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정전용량의 포화가 방지되면서도 터치 여부 검출의 민감도가 저하되지 않으며, 기생 정전용량의 영향이 최소화된 터치 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드; 제1 입력단 및 제2 입력단을 가지며, 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하는 연산 증폭기; 상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량 양단의 전위를 제어하는 제1 스위치; 및 상기 센서패드의 출력단과 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 간의 연결을 스위칭하며, 상기 제1 스위치와 교번하여 온/오프되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때, 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에는 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압이 순차적으로 인가되는, 터치 검출 장치가 제공된다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 제2 스위치와 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 사이에 형성되는 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에 상기 초과 전압과 상기 기준 전압이 선택적으로 인가되도록 제어하는 제3 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 센서패드의 출력 전압과 상기 기준 전압을 비교하여, 상기 센서패드의 출력 전압이 상기 기준 전압 이상이 될 때에는 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에 상기 기준 전압이 인가되도록 상기 제3 스위치를 제어하는 비교기를 더 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 구동 정전용량과 선택적으로 병렬 연결되어 함께 충전되며, 상기 제2 스위치가 오프되었을 시에는 선택적으로 충전된 전하를 상기 구동 정전용량에 공급하는 포화 방지 정전용량을 더 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 포화 방지 정전용량을 상기 구동 정전용량과 병렬 연결시키는 제4 스위치; 및 상기 제2 스위치 및 제4 스위치가 오프 상태일 때 상기 포화 방지 정전용량 양단을 동전위로 제어하여 상기 포화 방지 정전용량의 전하가 상기 구동 정전용량으로 이동할 수 있도록 하는 제5 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 센서패드와 연결된 기생 정전용량 또는 상기 터치 정전용량 중 적어도 일부를 충전시키는 기생 정전용량 보상 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 기생 정전용량 보상 회로는, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때 일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에는 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 장치는, 상기 센서패드의 출력 전압과 동일한 전압을 다른 센서패드에 인가하는 기생 정전용량 제거 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 기생 정전용량 제거 회로는, 상기 제1 스위치가 온 상태일 때에는 그라운드 전압, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때에는 상기 기준 전압과 동일한 크기의 전압을 상기 다른 센서패드에 인가할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드 및 일단에 기준 전압이 공급되는 구동 정전용량을 초기화시키는 단계; 상기 센서패드 출력단을 상기 구동 정전용량의 일단과 연결하되, 상기 구동 정전용량의 일단에 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압을 순차적으로 인가하여 상기 구동 정전용량을 충전하는 단계; 및 상기 구동 정전용량의 타단 전압 변동분을 기초로 터치 여부를 검출하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법이 제공된다.
상기 충전 단계는, 상기 센서패드 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 센서패드의 출력 전압이 상기 기준 전압 이상이 될 때 상기 구동 정전용량 일단에 기준 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충전 단계는, 포화 방지 정전용량을 상기 구동 정전용량에 병렬 연결시켜 함께 충전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 터치 검출 방법은, 상기 충전 단계 이후에, 상기 센서패드 출력단과 상기 구동 정전용량 간의 연결을 차단하고, 상기 포화 방지 정전용량에 충전된 전하를 상기 구동 정전용량으로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 충전 단계는, 기생 정전용량 보상 회로를 통해 상기 센서패드와 연결된 기생 정전용량 또는 상기 터치 정전용량 중 적어도 일부를 충전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기생 정전용량 보상 회로는, 일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 통해 충전을 수행할 수 있다.
상기 초기화 단계는, 상기 센서패드 외의 다른 센서패드에 그라운드 전압을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 충전 단계는, 상기 다른 센서패드에 상기 기준 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드; 상기 센서패드에의 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하며, 제1 입력단이 상기 센서패드와 교번하여 연결 및 차단되는 연산 증폭기; 상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량; 및 상기 센서패드와 상기 연산 증폭기의 제1 입력단이 연결될 때 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압을 순차적으로 인가하는 기준 전압 변화부를 포함하는, 터치 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 터치 검출의 기초가 되는 레벨 시프트값과 터치 정전용량이 선형성을 갖게 되기 때문에 선형 관계의 출력값을 쉽게 구할 수 있다는 이점을 얻을 수 있는 한편, 저항과 정전용량이 필터 기능을 함으로써 외부 노이즈의 영향이 줄어들 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 센서패드 출력과 구동 정전용량 연결 후 기준 전압보다 큰 초과 전압을 이용하여 충전을 수행함으로써, 저항 추가에 따른 응답시간 증가가 방지될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 구동 정전용량 충전시 추가 정전용량이 함께 충전되어 포화가 방지될 수 있으며, 충전 완료 후에는 추가 정전용량에 저장된 전하를 구동 정전용량으로 이동시키기 때문에 터치 여부 검출의 민감도 저하 또한 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 센서패드 주변의 기생 정전용량에 따른 영향이 최소화될 수 있다.
도 1은 통상적인 터치 스크린 패널의 분해 평면도이다.
도 2는 통상적인 터치 검출 장치의 분해 평면도이다.
도 3은 도 2의 터치 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시한 회로도이다.
도 6은 도 5의 회로도의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 7의 회로도의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 10은 도 9의 회로도의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 그리고 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 시스템을 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시하는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 터치 검출 장치는 센서패드(410), 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv), 연산 증폭기(OP-amp), 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다.
센서패드(410)는 터치 입력 검출을 위해 기판 상에 패터닝된 전극으로서 터치 입력 도구와의 사이에서 터치 정전용량(Ct)을 형성한다. 센서패드(410)는 각각 독립 상태의 다각형으로 복수 개가 형성될 수 있으며, 투명 도전체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 센서패드(410)는 ITO(indium-tin-oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), IZO(indium-zinc-oxide), CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv)은 센서패드(410) 및 이와 연결된 신호배선(미도시됨) 당 하나씩 그룹을 이룰 수 있다. 센서패드(410), 신호배선, 기생 정전용량(Cp), 구동 정전용량(Cdrv)을 합하여 "터치 센싱 유닛(touch sensing unit)"라 한다. 이 터치 센싱 유닛은 각각의 구성요소가 멀티플렉서에 의해 전기적으로 연결된 경우를 포함하는 개념이다.
기생 정전용량(Cp)은 센서패드(410)에 부수되는 정전용량을 의미하는 것으로 센서패드(410) 또는 신호배선 등에 의해 형성되는 일종의 기생 용량이다. 기생 정전용량(Cp)은 터치 검출 장치(400)가 LCD 등의 표시 장치 위에 장착될 때 표시 장치의 공통 전극과의 사이에서 형성되는 정전용량을 포함하는 개념일 수 있다.
연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)은 센서패드(410)의 출력단(N1)과 연결되고 제2 입력단에는 기준 전압(Vref)이 인가된다. 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N3) 사이에는 구동 정전용량(Cdrv)이 연결되며, 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위는 제1 스위치(SW1)에 의해 제어된다. 한편, 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)과 센서패드(410) 출력단(N2) 사이에는 제2 스위치(SW2)가 연결된다. 또한, 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단(N3)은 레벨 시프트 검출부와 연결된다. 레벨 시프트 검출부는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 등을 포함할 수 있고, 연산 증폭기(OP-amp) 출력단에서의 전압 변동분에 기초하여 터치 여부를 검출해낸다.
도 4의 터치 검출 장치에 있어서는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 교번하여 온/오프 된다.
제1 스위치(SW1)가 온 되면, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp) 양단이 모두 그라운드 전위와 연결되고, 구동 정전용량(Cdrv)이 초기화된다.
제1 스위치(SW1)가 오프 되고, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환되면, 제2 스위치(SW2)의 양단 전위차가 기준 전압(Vref)과 같아지고, 정상 상태에 도달하면, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)이 모두 기준 전압(Vref)으로 충전된 상태가 되고, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하의 합과 동일한 양의 전하가 구동 정전용량(Cdrv)에 충전된다.
구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전압(Vdrv)은 수학식 2와 같아지고, 제2 스위치(SW2)가 온 되기 전 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위차가 0V이므로, 터치 전후 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압의 변화량(ΔVo)은 제2 스위치(SW2)가 온 된 후의 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전압(Vdrv)과 같아진다.
수학식 2를 참조하면, 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압의 변화량(ΔVo)은 기생 정전용량(Cp)에 따라 달라지게 되는데, 기생 정전용량(Cp)에 따른 영향을 최소화하기 위해 제2 스위치(SW2)와 구동 정전용량(Cdrv) 사이에 저항(Rserial)을 추가 배치하였다. 이러한 저항(Rserial)은 구동 정전용량(Cdrv)과 함께 로우 패스 필터(Low Pass Filter)로 기능하게 된다.
전술한 바와 같이, 센서패드(410)에는 부수되는 기생 정전용량(Cp)이 존재한다. 이러한 기생 정전용량(Cp)은 저항(Rserial)이 없는 경우에도 주변 배선에 존재하는 저항과 함께 로우 패스 필터로 기능하여 유기되는 노이즈를 일정 부분 차단하게 되지만, 저항(Rserial)이 추가됨으로써 로우 패스 필터의 차단 주파수(fSF=1/(2πRC)) 가 더욱 저주파 대역으로 이동하게 된다. 즉, 저항(Rserial)의 추가로 인해 패널 내의 부수 저항들이 작은 상황에서도 노이즈 차단이 가능해지며, 시정수(RC constant)를 일정값(Rserial×Cdrv) 이상으로 유지하는 효과를 얻게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 예시하는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 도 4를 참조하여 설명한 회로도에 기준 전압 변화부(600)가 추가되었다는 것을 알 수 있다.
기준 전압 변화부(600)는 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)에 연결되며, 인가되는 기준 전압의 전위를 일정 구간동안 상승시키기 위한 구성요소이다.
기준 전압 변화부(600)는 기준 전압 인가단(Vref)과 초과 전압 인가단(Vref.od)을 포함한다. 초과 전압 인가단(Vref.od)은 기준 저압(Vref)보다 큰 전압을 인가하는 부분이다. 또한, 기준 전압 인가단(Vref)과 초과 전압 인가단(Vref.od) 중 하나를 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)과 연결하는 제3 스위치(SW3)를 포함한다.
도 6은 도 5에 도시된 회로의 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 도 6을 참조하여, 도 5의 회로도 동작을 설명하면 다음과 같다. "SW1", "SW2", "SW3"으로 표시된 파형은 각 스위치의 온/오프 상태를 나타내는 것으로, 파형도가 하이(high)인 상태에 해당 스위치가 온 상태가 되는 것으로 가정한다. 또한, 제3 스위치(SW3)는 "SW3"의 파형도가 로우(low)일 때 초과 전압 인가단(Vref.od)과 연결되고, "SW3"의 파형도가 하이(high)일 때 기준 전압 인가단(Vref)과 연결되는 것으로 가정한다. 또한, 모니터링 전압(Vmonitor)은 제2 스위치(SW2)와 저항(Rserial)이 연결되는 노드(NM)의 전압이다.
제1 스위치(SW1)가 온, 제2 스위치(SW2)가 오프 상태일 때에는 모니터링 전압(Vmonitor)이 그라운드 전압이 된다. 그 후, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환되면, 저항(Rserial)에 전류가 흐르기 시작하며, 모니터링 전압(Vmonitor)은 초과 전압 인가단(Vref.od)을 통해 인가되는 전압을 향해 상승한다. 제3 스위치(SW3)가 초과 전압 인가단(Vref.od)과 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)을 연결하고 있기 때문이다. 초과 전압(Vref.od)이 기준 전압(Vref)보다 큰 값을 가지기 때문에 모니터링 전압(Vmonitor), 즉, 센서패드(410)와 저항(Rserial) 사이의 전위 상승 속도가 빨라지게 된다.
모니터링 전압(Vmonitor)이 그라운드 전압으로부터 상승하여 기준 전압(Vref)을 넘게 되면 제3 스위치(SW3)는 기준 전압 인가단(Vref)과 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)을 연결한다. 이에 따라, 센서패드(410)와 저항(Rserial) 사이의 전위는 기준 전압(Vref)을 향해간다.
RC 회로에서의 전압값 변화는 다음의 수학식으로 나타낼 수 있는데, 이 수학식에 비추어 볼 때 기준 전압(Vref) 단일 전원만으로 센서패드(410)와 연결된 정전용량들을 충전하는 것보다, 기준 전압(Vref)보다 큰 값을 갖는 초과 전압(Vref.od)으로 초기 충전을 하는 경우가 충전 속도를 더 빠르게 할 수 있는 것이다. 즉, 초기에 초과 전압(Vref.od)으로 구동하는 것이 센서패드(410) 출력단 전압을 더욱 빨리 기준 전압(Vref)으로 끌어올릴 수 있다.
Figure pat00003
도 6에서는 모니터링 전압(Vmonitor)이 초과 전압(Vref.od)까지 도달한 경우에 제3 스위치(SW3)가 전환되는 것으로 예시하였으나, 모니터링 전압(Vmonitor)이 기준 전압(Vref)에 도달하기만 하면 제3 스위치(SW3)를 전환시킬 수 있음은 물론이다.
제3 스위치(SW3)가 기준 전압 인가단(Vref)을 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)과 연결시킨 이후 정상 상태가 되면, 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압을 검출하여 터치 여부 검출을 할 수 있으며, 도 6에서는 그 시점을 화살표로 나타내었다.
도 5를 참조하여 설명한 실시예에 따르면, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환됨과 동시에 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)을 기준 전압(Vref)보다 더 큰 초과 전압(Vref.od)으로 설정해 주기 때문에, 제2 스위치(SW2)와 저항(Rserial)을 사이에 두고 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)과 연결되는 센서패드(410)의 출력단(N2)의 전위가 그라운드 전위로부터 기준 전위(Vref)로 신속하게 상승할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 터치 여부 검출은 제2 스위치(SW2)가 온 상태가 된 후 센서패드(410) 출력단(N2) 전위가 기준 전압(Vref)으로 유지되는 정상 상태에서 이루어지는데, 상기 설명한 바와 같은 이유로 정상 상태로의 도달 시간이 빨라짐에 따라 터치 여부 검출의 응답 시간을 단축시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 도 5를 참조하여 설명한 회로도의 기준 전압 변화부(600)에 비교기(610)가 추가되었다는 것을 알 수 있다.
비교기(610)의 두 입력단에는 센서패드(410)와 저항(Rserial) 사이의 노드(NM) 전압인 모니터링 전압(Vmonitor)과 기준 전압(Vref)이 입력되고, 비교기(610)의 출력 전압은 제3 스위치(SW3)의 제어 신호로서 사용된다.
비교기(610)는 모니터링 전압(Vmonitor)이 기준 전압(Vref)보다 작을 때에는 제1 전압을 출력하고, 모니터링 전압(Vmonitor)이 기준 전압(Vref) 이상일 때에는 제2 전압을 출력한다.
제1 전압과 제2 전압은 제3 스위치(SW3)의 제어 신호로서 이용되는데, 제1 전압은 제3 스위치(SW3)가 초과 전압 인가단(Vref.od)을 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)과 연결시키도록 제어한다. 한편, 제2 전압은 제3 스위치(SW3)가 기준 전압 인가단(Vref)을 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)과 연결시키도록 제어한다.
도 8은 도 7에 도시된 회로의 동작을 설명하는 파형도이다. "SW1", "SW2", "SW3"으로 표시된 파형은 각 스위치의 온/오프 상태를 나타내는 것으로, 파형도가 하이(high)인 상태에 해당 스위치가 온 상태가 되는 것으로 가정한다. 또한, 제3 스위치(SW3)는 "SW3"의 파형도가 로우(low)일 때 초과 전압 인가단(Vref.od)과 연결되고, "SW3"의 파형도가 하이(high)일 때 기준 전압 인가단(Vref)과 연결되는 것으로 가정한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제2 스위치(SW2)가 온 되기 전까지 모니터링 전압(Vmonitor)은 그라운드 전압으로 유지되며, 이에 따라 비교기(610)는 제1 전압을 출력한다. 따라서, 제3 스위치(SW3)는 초과 전압 인가단(Vref.od)과의 연결을 유지한다.
제2 스위치(SW2)가 온 상태가 되면, 모니터링 전압(Vmonitor)은 초과 전압(Vref.od)을 향해 상승하기 시작한다. 모니터링 전압(Vmonitor)이 상승하여 기준 전압(Vref) 혹은 기준 전압(Vref)을 기준으로 일정 범위 내의 전압이 되는 순간 비교기(610)의 출력은 제2 전압으로 바뀌고, 이에 따라 제3 스위치(SW3)는 기준 전압 인가단(Vref)과 연결된다. 이에 따라, 모니터링 전압(Vmonitor), 즉, 센서패드(410)와 저항(Rserial) 사이 노드(NM)의 전압은 기준 전압(Vref)으로 유지된다.
실제로는 모니터링 전압(Vmonitor)의 기준 전압(Vref) 부근에서 리플(ripple)이 관측될 수 있으며, 이러한 경우 비교기(610)의 출력 전압도 달라질 수 있다. 이러한 변동을 방지하기 위해 비교기(610) 출력단에 슈미트 트리거(Schmitt trigger)를 부가하거나, 비교기(610)의 첫번째 상승 트리거만 제3 스위치(SW3)의 동작에 이용되도록 논리 회로를 부가하는 방법 등을 이용할 수 있다.
도 7에 도시한 회로도에 따르면 제3 스위치(SW3)의 동작을 제어하기 위한 사전 작업(예를 들면, 제3 스위치(SW3)를 전환시키는 시간 조건에 대한 설정 및 저장 등) 없이도 최적화된 시점에서 제3 스위치(SW3)의 전환이 가능해진다.
구체적으로, 비교기(610)의 동작에 의해 일정 조건 하에서 제3 스위치(SW3)가 동작하여 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)에 인가되는 신호가 초과 전압(Vref.od)에서 기준 전압(Vref)으로 자동 전환되므로, 제3 스위치(SW3)의 전환 시점을 미리 예측할 필요가 없게 되며, 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)에 초과 전압(Vref.od)을 필요 이상의 시간 동안 공급함으로써 발생할 수 있는 오버슈팅(over-shooting) 현상이 방지될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 9를 참조하면, 도 7의 회로도에 구동 정전용량 포화 방지부(700)가 더 부가되었다는 것을 알 수 있다.
구동 정전용량 포화 방지부(700)는 구동 정전용량(Cdrv)과 병렬 연결되는 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf), 상기 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)의 일단(N5)과 구동 정전용량(Cdrv)의 일단(N3) 간 연결을 온/오프 제어하는 제4 스위치(SW4), 상기 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)의 양단 전압을 제어하는 제5 스위치(SW5)를 포함한다.
구동 정전용량 포화 방지부(700)는 센서패드(410)에 연결된 정전용량들을 충전하는 데에 필요한 만큼의 전하가 구동 정전용량(Cdrv)과 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 나누어 충전되도록 함으로서, 구동 정전용량(Cdrv)의 포화를 방지한다.
구동 정전용량(Cdrv)에 병렬 연결된 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 의해 연산 증폭기(OP-amp) 출력 전압 변화량은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이, 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)이 연산 증폭기(OP-amp)의 피드백 정전용량에 추가됨에 따라 구동 정전용량(Cdrv)의 포화는 방지될 수 있을지 모르지만 연산 증폭기(OP-amp) 출력 전압 변화의 민감도가 줄어들게 된다. 이러한 문제를 해결하려면, 구동 정전용량(Cdrv)이 포화되지 않는 조건 하에서 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 충전된 전하를 구동 정전용량(Cdrv)으로 최대한 이동시켜 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)이 연산 증폭기(OP-amp)의 출력 전압 변화에 영향을 주지 않도록 하여야 한다. 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 연결된 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)가 이러한 역할을 하는데, 이하 그 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 10은 도 9의 터치 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 파형도이다. "SW1", "SW2", "SW3", "SW4", "SW5"로 표시된 파형은 각 스위치의 온/오프 상태를 나타내는 것으로, 파형도가 하이(high)인 상태에 해당 스위치가 온 상태가 되는 것으로 가정한다.
제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때, 제2 스위치(SW2)는 오프 상태가 되며, 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)는 온 상태가 된다. 제5 스위치(SW5)가 온 됨에 따라 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf) 양단 전위차가 0V가 되는 초기화가 이루어진다. 이 때, 제3 스위치(SW3)는 초과 전압 입력단(Vref.od)과 연결되어 있을 수 있다.
제1 스위치(SW1)가 오프가 되고, 제2 스위치(SW2)가 온 상태가 되면, 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단을 통해 공급되는 기준 전압(Vref)에 의해 센서패드(410)가 충전되기 시작한다. 이 때, 센서패드(410) 출력단과 저항(Rserial)이 사이의 전압(Vmonitor)이 기준 전압(Vref) 또는 그 부근의 전압과 가까워지면 제3 스위치(SW3)가 기준 전압 입력단(Vref)과 연결되어, Vmonitor는 기준 전압(Vref)으로 유지된다. 제2 스위치(SW2)가 온 상태인 동안 제4 스위치(SW4)는 온 상태로 유지되며, 제5 스위치(SW5)는 오프 상태로 전환된다.
제4 스위치(SW4)가 온 상태로 유지되기 때문에, 구동 정전용량(Cdrv)과 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)은 병렬로 연결된다. 즉, 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N3) 사이에 연결된 피드백 정전용량은 구동 정전용량(Cdrv)과 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)이 더해진 값과 같게 된다.
이에 따라, 센서패드(410)에의 터치 발생 전후 연산 증폭기(OP-amp) 출력 전압 변화량은 위에서 설명한 수학식 4와 같아진다.
전술한 바와 같이, 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)이 더해짐에 따라 충전 동작 시 정전용량에 대한 포화는 방지될 수 있지만, 연산 증폭기(OP-amp) 출력 전압 변화량이 작아지게 되어 민감도는 악화될 수 있다.
따라서, 구동 정전용량(Cdrv)이 포화되지 않는 범위 내에서, 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 충전된 전하를 구동 정전용량(Cdrv)으로 옮겨 놓을 수 있다면 민감도가 악화되지 않으면서도 포화가 방지되는 효과를 얻게 된다.
다시 도 10을 참조하면, 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 전환되고 정상 상태에 도달한 후에는 제2 스위치(SW2)가 오프 상태로 전환된다. 이 때, 제4 스위치(SW4)를 오프 상태로 전환하면, 구동 정전용량(Cdrv)의 일단(N3)과 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)의 일단(N5) 간 연결이 끊어지게 되며, 이들은 직렬 연결 상태가 된다. 또한, 동시에 제5 스위치(SW5)를 온 상태로 전환하면, 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)의 양단이 동전위가 되어 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 충전되었던 전하들이 구동 정전용량(Cdrv)으로 이동하게 된다. 이는 연산 증폭기(OP-amp)의 입력이 무한대 임피던스 또는 이와 유사한 임피던스를 가지기 때문에 이동 경로가 구동 정전용량(Cdrv)을 향하는 방향밖에 없기 때문이다. 전하의 이동 방향은 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf) 양단의 전압이 감소하는 방향의 이동이므로 구동 정전용량(Cdrv)에는 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 저장되었던 전하가 추가되는 결과가 된다. 구동 정전용량(Cdrv)의 일단은 기준 전압으로 유지되는 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단과 연결되어 있으므로, 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압은 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 저장되었던 전하량의 크기에 비례하여 상승하게 된다.
전하 이동 전과 후의 총 전하량은 동일하므로, 다음과 같은 수학식 전개가 가능해진다.
Figure pat00005
Figure pat00006
즉, 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)으로부터 구동 정전용량(Cdrv)으로 전하를 이동시킨 후의 연산 증폭기(OP-amp) 출력단(N3) 전압 변화량(ΔVafter)은 상기의 수학식에서와 같이 증가하게 되며, 처음부터 구동 정전용량(Cdrv)만으로 연산 증폭기(OP-amp) 피드백 회로를 구성한 것과 동일한 수준의 민감도를 유지할 수 있게 된다. 도 10에서는 전하 이동 후 터치 여부 검출이 되는 시점을 화살표로 표시하였다.
수학식 2를 참조하면, 터치 전후 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단(N3) 전압 변화는 구동 정전용량(Cdrv)이 작을수록 민감도가 커지기 때문에, 구동 정전용량(Cdrv)은 허용 가능 범위 내에서 작게 형성하는 것이 바람직하다.
도 9의 실시예에 따르면, 구동 정전용량(Cdrv)을 최대한 작게 하면서도 포화가 방지되며, 그 민감도 또한 유지할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 검출 장치를 나타내는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 도 9의 회로도에 기생 정전용량 보상 회로(800) 및 기생 정전용량 제거 회로(900)가 더 포함되었다는 것을 알 수 있다.
기생 정전용량 보상 회로(800)는 피드백 정전용량(Cfb)을 포함하며, 피드백 정전용량(Cfb) 양단의 전위차는 제1 스위치(SW1)에 의해 제어된다. 피드백 정전용량(Cfb)의 일단(Nfb)은 제2 스위치(SW2)에 의해 현재 터치 여부 검출 대상인 센서패드(410-1) 출력과 연결 또는 차단되며, 타단에는 피드백 전압(Vfb)이 인가된다.
한편, 이하의 설명에서 기생 정전용량(Cp)은 현재 터치 여부 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 외의 다른 센서패드(410-2)에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cp0), 및 터치 여부 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)와 이웃하는 센서패드(410-2) 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cpt)을 모두 합성한 개념으로 이해되어야 한다.
제1 스위치(SW1)가 온 되고 제2 스위치(SW2)가 오프 상태인 경우에는, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp) 양단의 전위차가 0V가 되어, 전하가 충전되지 않게 된다. 또한, 구동 정전용량(Cdrv) 양단위 전위차 및 피드백 정전용량(Cfb) 양단의 전위차도 0V이 되며, 제5 스위치(SW5)도 온 되어 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf) 양단의 전위차도 0V가 된다. 즉, 모든 정전용량에 전하가 충전되지 않게 된다. 이 때, 제3 스위치(SW3)는 초과 전압 인가단(Vref.od)과 연결되기 때문에 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전위는 모두 초과 전압(Vref.od)과 같아지고, 피드백 정전용량(Cfb)의 양단 전위는 모두 피드백 전압(Vfb)과 같아진다.
제1 스위치(SW1)가 오프, 제2 스위치(SW2)가 온, 제5 스위치(SW5)가 오프 상태가 되면, 센서패드(410-1) 출력단(N2)과 저항(Rserial)이 연결되는 노드(NM)의 전위, 즉, 모니터링 전압(Vmonitor)이 초과 전압(Vref.od)을 향해 상승하게 된다. 모니터링 전압(Vmonitor)이 초과 전압(Vref.od) 부근에 도달하면, 제3 스위치(SW3)가 기준 전압 인가단(Vref)과 연결되고 모니터링 전압(Vmonitor)은 기준 전압(Vref)으로 유지된다.
이에 따라, 터치 정전용량(Ct)과 기생 정전용량(Cp)이 모두 기준 전압(Vref)에 의해 충전된다.
한편, 피드백 전압(Vfb)이 기준 전압(Vref)보다 크다면, 피드백 정전용량(Cfb) 양단 간에는 전위차가 발생하게 된다. 구체적으로, 피드백 정전용량(Cfb)의 양단 중 센서패드(410-1)의 출력단(N2)과 연결되는 일단(Nfb)의 전위가 피드백 전압(Vfb)이 인가되는 타단보다 낮은 전위가 되며, 이에 따라 피드백 정전용량(Cfb)은 터치 검출 장치에 전하를 공급하는 역할을 하게 된다.
정상 상태에서 터치 정전용량(Ct) 및 기생 정전용량(Cp)에 충전된 전하량의 합(Q1)은 구동 정전용량(Cdrv)과 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf) 및 피드백 정전용량(Cfb)이 공급하는 전하량의 합(Q2)과 같아지므로 다음과 같은 수학식이 전개될 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서, 피드백 전압(Vfb)을 기준 전압(Vref)의 2배인 것으로 가정하고, 이를 대입하면, 다음과 같아진다.
Figure pat00010
한편, 터치 전후 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단(N3) 전압의 변화량, 즉, 레벨 시프트(ΔVo) 값은 구동 정전용량(Cdrv) 양단의 전압(Vdrv)과 같은 값이 되기 때문에, 수학식 7에서 Vdrv를 ΔVo로 치환하면 다음과 같아진다.
Figure pat00011
이 때, 구동 정전용량(Cdrv)이 포화가 되지 않았다면, 제2 스위치(SW2)를 오프 시킨 상태에서 제4 스위치(SW4)를 오프 상태로 전환하고, 제5 스위치(SW5)를 온 상태로 전환시켜 포화 방지 정전용량(Cdrv.lpf)에 저장되었던 전하를 구동 정전용량(Cdrv)으로 이동시킨다. 이는 도 9 및 도 10을 참조하여 설명하였던 바와 같이, 포화를 방지하면서도 민감도를 악화시키지 않기 위한 것이다.
전하 이동 전과 후의 관계에 관한 수학식 5를 수학식 8에 대입하면, 다음과 같은 최종 레벨 시프트 값이 도출될 수 있다.
Figure pat00012
즉, 최종적으로 도출되는 레벨 시프트 값은 처음부터 구동 정전용량(Cdrv)만으로 연산 증폭기(OP-amp)의 피드백 회로를 구성한 경우와 동일한 민감도를 가질 수 있게 된다.
한편, 상기 수학식 9에서 피드백 정전용량(Cfb)을 기생 정전용량(Cp)과 동일한 값으로 조절할 수 있다면, 터치 전후의 레벨 시프트(ΔVo) 값은 기생 정전용량(Cp)에 무관한 값이 될 수 있다.
즉, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때 기생 정전용량 보상 회로(800)로부터 일정량의 전하량이 공급되는데, 피드백 정전용량(Cfb)의 크기를 적절히 조절한다면, 기생 정전용량 보상 회로(800)가 터치 정전용량(Ct) 외의 다른 모든 기생 정전용량(Cp)을 충전시키는 역할을 하게 된다. 따라서, 구동 정전용량(Cdrv)에 의한 충전이 터치 정전용량(Ct)만을 충전시키게 되므로, 터치 전후의 레벨 시프트(ΔVo) 값은 기생 정전용량(Cp)과 무관하며 터치 정전용량(Ct)에만 관계있는 값이 된다.
피드백 정전용량(Cfb)의 크기를 최적화하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 터치 정전용량(Ct)을 '0'이라 가정할 경우, 기생 정전용량(Cp)이 완전히 제거된다면, 제1 스위치(SW1)와 제5 스위치(SW5), 및 제2 스위치(SW2)가 번갈아 온/오프 되는 과정을 거쳤을 때, 연산 증폭기(OP-amp) 출력단(N3) 전압은 기준 전압(Vref)이 되어야 한다. 왜냐하면, 이상적인 경우 터치 검출 장치에 충전된 전하량의 변화가 없어야 하며, 이 때 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)과 출력단(N3) 간의 전위차는 언제나 '0'이어야 하기 때문이다.
따라서, 피드백 정전용량(Cfb) 값을 변화시키면서 연산 증폭기(OP-amp)의 출력단 전압 또는 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 출력단 전압을 확인한다면, 최적의 피드백 정전용량(Cfb) 값을 택할 수 있게 된다. 다른 소자의 파라미터, 예를 들면, 구동 정전용량(Cdrv) 값과 상관없이 피드백 정전용량(Cfb) 값만을 변화시키면서 최적의 값을 찾을 수 있으므로, 간단한 회로 교정 또는 최적화가 가능해진다.
한편, 기생 정전용량 제거 회로(900)는 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)와 인접한 다른 센서패드(410-2) 간의 관계에 의해 형성되는 기생 정전용량(Cpt)을 최소화하는 기능을 한다.
이러한 기능 수행을 위해 기생 정전용량 제거 회로(900)는 현재 터치 여부 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)의 출력단(N2) 전압과 동일한 전압을 다른 센서패드(410-2)에 공급한다.
제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때에는 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)의 출력단(N2)이 그라운드와 연결된다. 따라서, 센서패드(410-1)의 출력단(N2) 전위는 그라운드 전압(GND)과 같아진다.
한편, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때에는 현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1)의 출력단(N2)이 연산 증폭기(OP-amp)의 제1 입력단(N1)과 연결된다. 연산 증폭기(OP-amp)의 제2 입력단(N4)에는 기준 전압(Vref)이 공급되고 있으므로, 센서패드(410-1)의 출력단(N2) 전위 또한 기준 전압(Vref)과 같아진다.
따라서, 제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때에는 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 이외의 다른 센서패드(410-2)에 그라운드 전위(GND)를 공급해주고, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때에는 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 이외의 다른 센서패드(410-2)에 기준 전압(Vref)을 공급해준다면, 인접하는 센서패드 간 전위차는 0으로 유지될 수 있다.
사이에 유전 물질을 두고 2개의 도체가 존재한다면, 해당 구조에 충전되는 전하량(Q)은 Q=CV와 같은 수식으로 표현될 수 있다. 여기서, C는 해당 구조의 정전용량 값이며, V는 양 도체 사이의 전위차이다.
상기 수식에서, 양 도체의 전위차(V)를 0에 가깝도록 수렴시키면, 도체간 전위 차에 의해 끌려지는 전하량(Q)도 0에 가깝게 수렴시킬 수 있다. 정전용량(C)은 전하의 충전 능력에 비례하는 것이므로, 충전되는 전하량(Q)이 0에 가깝게 된다면, 도체 간 관계에 의해 형성되는 정전용량(C)도 0에 가깝게 수렴한다는 의미가 된다.
따라서, 2개의 센서패드(410-1, 410-2) 간 전위차를 항상 0에 가깝게 되도록 제어한다면, 2개의 센서패드(410-1, 410-2) 간 관계에 의해 발생할 수 있는 기생 정전용량(Cpt) 또한 최소화될 수 있다.
현재 터치 검출 대상이 되는 센서패드(410-1) 이외의 센서패드(410-2)에 그라운드 전위(GND) 및 기준 전압(Vref)을 교번하여 공급하는 기생 정전용량 제거 회로(900)는 제1 입력단이 출력과 연결된 피드백 증폭기(OP-amp_fb)를 포함할 수 있다. 피드백 증폭기(OP-amp_fb)의 제2 입력단에는 그라운드 전위(GND)와 기준 전압(Vref)을 교번하여 공급하는 신호원(SS)이 연결될 수 있다.
신호원(SS)은 로우(low) 신호가 그라운드 전위(GND)이고 하이(hing) 신호가 기준 전압(Vref)과 동일한 클록 신호일 수 있다. 신호원(SS)이 클록 신호일 때 그 주파수는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 스위칭 주파수와 동일하여야 하며, 제1 스위치(SW1)가 온 상태일 때에는 로우 신호, 제2 스위치(SW2)가 온 상태일 때에는 하이 신호가 출력되도록 동기화되어야 한다.
또한, 다른 예로 신호원(SS)은 기준 전압(Vref) 공급원과 스위치(미도시됨)로 구현될 수도 있다. 피드백 증폭기(OP-amp_fb)의 제2 입력단에 기준 전압(Vref)을 공급하되, 스위치를 통해 일정 간격으로 그 공급을 차단할 수 있다. 제1 스위치(SW1)가 온 될 때에는 기준 전압(Vref)의 공급을 차단하고, 제2 스위치(SW2)가 온 될 때에는 기준 전압(Vref)의 공급을 허용함으로써 신호원(SS)의 기능을 할 수 있다. 이 경우 피드백 증폭기(OP-amp_fb)의 제2 입력단과 기준 전압(Vref)을 연결 또는 차단시키는 스위치는 제2 스위치(SW2)와 동기화되어 온/오프 될 수 있다.
한편, 도 11에는 기생 정전용량 제거 회로(900)에 피드백 증폭기(OP-amp_fb)가 포함되는 것으로 예시되었으나, 피드백 증폭기(OP-amp-fb)는 제2 입력단에 공급되는 신호의 변형을 최소화하고 안정도를 향상시키기 위한 소자이므로, 피드백 증폭기(OP-amp_fb)는 생략되고, 신호원(SS)이 직접적으로 센서패드(410-2)의 출력과 연결될 수도 있음은 물론이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
410: 센서패드
600: 기준 전압 변화부
610: 비교기
700: 구동 정전용량 포화 방지부
800: 기생 정전용량 보상 회로
900: 기생 정전용량 제거 회로

Claims (18)

  1. 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드;
    제1 입력단 및 제2 입력단을 가지며, 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하는 연산 증폭기;
    상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량 양단의 전위를 제어하는 제1 스위치; 및
    상기 센서패드의 출력단과 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 간의 연결을 스위칭하며, 상기 제1 스위치와 교번하여 온/오프되는 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때, 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에는 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압이 순차적으로 인가되는, 터치 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치와 상기 연산 증폭기의 제1 입력단 사이에 형성되는 저항을 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연산 증폭기의 제2 입력단에 상기 초과 전압과 상기 기준 전압이 선택적으로 인가되도록 제어하는 제3 스위치를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서패드의 출력 전압과 상기 기준 전압을 비교하여, 상기 센서패드의 출력 전압이 상기 기준 전압 이상이 될 때에는 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에 상기 기준 전압이 인가되도록 상기 제3 스위치를 제어하는 비교기를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동 정전용량과 선택적으로 병렬 연결되어 함께 충전되며, 상기 제2 스위치가 오프되었을 시에는 선택적으로 충전된 전하를 상기 구동 정전용량에 공급하는 포화 방지 정전용량을 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 포화 방지 정전용량을 상기 구동 정전용량과 병렬 연결시키는 제4 스위치; 및
    상기 제2 스위치 및 제4 스위치가 오프 상태일 때 상기 포화 방지 정전용량 양단을 동전위로 제어하여 상기 포화 방지 정전용량의 전하가 상기 구동 정전용량으로 이동할 수 있도록 하는 제5 스위치를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때 상기 센서패드와 연결된 기생 정전용량 또는 상기 터치 정전용량 중 적어도 일부를 충전시키는 기생 정전용량 보상 회로를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 보상 회로는,
    상기 제2 스위치가 온 상태일 때 일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에는 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 포함하는, 터치 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서패드의 출력 전압과 동일한 전압을 다른 센서패드에 인가하는 기생 정전용량 제거 회로를 더 포함하는, 터치 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 제거 회로는,
    상기 제1 스위치가 온 상태일 때에는 그라운드 전압, 상기 제2 스위치가 온 상태일 때에는 상기 기준 전압과 동일한 크기의 전압을 상기 다른 센서패드에 인가하는, 터치 검출 장치.
  11. 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드 및 일단에 기준 전압이 공급되는 구동 정전용량을 초기화시키는 단계;
    상기 센서패드 출력단을 상기 구동 정전용량의 일단과 연결하되, 상기 구동 정전용량의 일단에 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압을 순차적으로 인가하여 상기 구동 정전용량을 충전하는 단계; 및
    상기 구동 정전용량의 타단 전압 변동분을 기초로 터치 여부를 검출하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전 단계는,
    상기 센서패드 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 센서패드의 출력 전압이 상기 기준 전압 이상이 될 때 상기 구동 정전용량 일단에 기준 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 충전 단계는,
    포화 방지 정전용량을 상기 구동 정전용량에 병렬 연결시켜 함께 충전시키는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충전 단계 이후에,
    상기 센서패드 출력단과 상기 구동 정전용량 간의 연결을 차단하고, 상기 포화 방지 정전용량에 충전된 전하를 상기 구동 정전용량으로 이동시키는 단계를 더 포함하는, 터치 검출 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 충전 단계는,
    기생 정전용량 보상 회로를 통해 상기 센서패드와 연결된 기생 정전용량 또는 상기 터치 정전용량 중 적어도 일부를 충전시키는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 기생 정전용량 보상 회로는,
    일단이 상기 센서패드와 연결되며 타단에 피드백 전압이 공급되는 피드백 정전용량을 통해 충전을 수행하는, 터치 검출 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 초기화 단계는, 상기 센서패드 외의 다른 센서패드에 그라운드 전압을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 충전 단계는, 상기 다른 센서패드에 상기 기준 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 터치 검출 방법.
  18. 터치 입력 도구와의 관계에서 터치 정전용량을 형성하는 센서패드;
    상기 센서패드에의 터치 여부에 따라 서로 다른 신호를 출력하며, 제1 입력단이 상기 센서패드와 교번하여 연결 및 차단되는 연산 증폭기;
    상기 연산 증폭기의 제1 입력단과 출력단 사이에 연결된 구동 정전용량; 및
    상기 센서패드와 상기 연산 증폭기의 제1 입력단이 연결될 때 상기 연산 증폭기의 제2 입력단에 초과 전압 및 상기 초과 전압보다 낮은 기준 전압을 순차적으로 인가하는 기준 전압 변화부를 포함하는, 터치 검출 장치.
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