KR20160006982A - 부유 용량 보상회로를 갖는 정전식 터치입력장치 - Google Patents

부유 용량 보상회로를 갖는 정전식 터치입력장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 터치 칩은, 터치입력 검출회로 및 보상회로를 포함하며, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자 및 상기 보상회로의 출력단자는 터치입력 감지전극에 함께 연결되어 있고, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류의 방향전환과 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어진다.

Description

부유 용량 보상회로를 갖는 정전식 터치입력장치{Capacitive type touch input device with compensation circuit for stray capacitance}
본 발명은 사용자 입력을 위한 정전식 터치입력장치에 관한 것으로서, 특히 터치입력감도를 조절하기 위한 구조를 갖는 기술에 관한 것이다.
도전체(=전극)의 근처에 사람의 손가락과 같은 물체가 존재하는 경우, 상기 도전체와 상기 손가락 사이에는 정전용량이 형성된다. 이러한 정전용량은 상기 도전체와 상기 손가락 사이에서 전류의 통로를 제공할 수 있다. 상기 정전용량의 크기는 상기 도전체와 상기 손가락 사이의 거리에 의해 달리질 수 있다.
정전식 터치입력장치는 상술한 원리를 이용하여, 터치입력장치에 포함되는 터치패널의 표면에 복수 개의 도전체를 배치하고, 이 중 특정 도전체 근처에 손가락이 존재하는 경우 상기 특정 도전체를 통해 흐르는 전류의 크기가 달라지는 현상을 검출함으로써 터치입력이 이루어졌는지 여부를 검출하는 장치이다. 따라서 정전식 터치입력장치는 상기 전류의 크기를 측정하기 위한 터치입력 검출회로를 구비할 수 있다. 정전식 터치입력장치는 예컨대 스마트폰과 같은 사용자 기기의 일 구성요소로 기능할 수 있다.
터치입력 여부를 검출하고자 하는 검출대상 도전체에 터치입력이 이루어지지 않은 상태를 가정하면, 상기 검출대상 도전체에는 일정한 크기의 기준 커패시턴스가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 기준 커패시턴스는, 상기 검출대상 도전체와 다른 도전체 사이에 형성되는 상호 커패시턴스이거나, 또는 상기 검출대상 도전체와 다른 회로 소자들 간에 형성되는 부유 용량(=부유 커패시턴스)일 수 있다. 이때, 상기 상호 커패시턴스는 설계 의도에 따라 의도적으로 형성된 것일 수 있고, 상기 부유 용량은 의도하지 않게 발생하는 커패시턴스 성분일 수 있다. 상기 검출대상 도전체에 손가락 등의 접촉이 이루어지면 상기 검출대상 도전체에 형성되는 커패시턴스는 상기 기준 커패시턴스와는 다른 변화된 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 이때 상기 접촉에 의해 발생하는 커패시턴스의 변화량과 상기 기준 커패시턴스의 비율에 따라 터치입력 검출회로의 감도가 결정될 수 있다. 만일 상기 기준 커패시턴스의 크기가 너무 크다면, 상기 검출대상 도전체에 형성되는 커패시턴스가 터치입력에 의해 변화했는지 여부를 검출하기 어려울 수도 있다. 따라서 상기 기준 커패시턴스가 적정한 값을 갖도록 할 필요가 있다.
그러나 상술한 바와 같이, 상기 기준 커패시턴스에는 의도하지 않은 부유 용량이 포함될 수 있기 때문에, 기준 커패시턴스가 회로의 설계 의도보다 클 수 있다는 문제가 있다.
또한, 복수 개의 도전체가 배치되어 있는 정전식 터치입력장치에 있어서, 상기 복수 개의 도전체 사이에 제어할 수 없는 상호 커패시턴스가 형성될 수도 있다. 이러한 제어할 수 없는 상호 커패시턴스는 터치입력 검출회로의 입장에서는 상술한 부유 용량을 구성하는 것으로 볼 수 있다.
본 발명에서는 터치패널에 배치되는 전극에 터치입력이 이루어진 경우, 상기 터치입력에 의해 변화되는 커패시턴스의 변화량을 산출하는 기준이 되는 기준 커패시턴스의 값이 설계 의도와 다른 경우, 이를 보상할 수 있도록 하는 기술을 제공하고자 한다.
특히 상기 전극에 형성되는 커패시턴스의 값을 측정하기 위한 터치입력 검출회로에 상기 전극이 연결된 상태에서, 상기 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라보는 상기 전극에 관한 등가 커패시턴스의 값을 조절할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
터치입력 검출회로의 입력단에서 바라보는 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스의 값이 더 작을수록, 터치입력에 따른 상기 커패시턴스의 변화율이 더 커지기 때문에 터치입력 검출회로의 감도를 향상시킬 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 터치입력 검출회로의 입력단에는 보상회로가 연결될 수 있다. 이때, 터치입력 검출전극을 통해 흐르는 전류는 상기 터치입력 검출회로 및 상기 보상회로로 분기되어 흐를 수 있다. 따라서 상기 보상회로가 있는 경우에 상기 터치입력 검출회로로 입출력되는 제1 전류의 값은, 상기 보상회로가 없는 경우에 상기 터치입력 검출회로로 입출력되는 제2 전류의 값보다 더 작을 수 있다.
이때, 터치입력 검출회로가 바라보는 상기 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스는, 상기 터치입력 검출회로에 입력되는 전류의 적분값에 비례할 수 있다. 왜냐하면 상기 터치입력 검출회로에 입력되는 전류는 상기 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스에 의해 저장되어 있던 전하에 의해 형성되는 것이기 때문이다. 따라서 상기 보상회로가 있는 경우에 상기 터치입력 검출회로가 바라보는 상기 터치입력 검출전극에 형성된 제1 커패시턴스는, 상기 보상회로가 없는 경우에 상기 터치입력 검출회로가 바라보는 상기 터치입력 검출전극에 형성된 제2 커패시턴스보다 더 작을 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 회로에서는, 상술한 보상회로를 이용하여, 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라보는 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스의 등가 값을 더 작게 만들 수 있다.
이와 반대로, 본 발명의 다른 양상에 따라 제공되는 회로에서는, 상술한 보상회로를 이용하여, 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라보는 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스의 등가 값을 더 크게 만들 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 터치 칩은 터치입력 검출회로; 및 보상회로를 포함한다. 이때, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자 및 상기 보상회로의 출력단자는 터치입력 감지전극에 함께 연결되어 있고, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류의 방향전환과 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어진다.
본 발명의 다른 양상에 의해 제공되는 터치입력장치는, 터치입력 감지전극; 상기 터치입력 감지전극과 상호 커패시턴스를 형성하는 한 개 이상의 제2 전극; 터치입력 검출회로; 및 보상회로를 포함한다. 그리고 상기 터치입력 검출회로의 입력단자 및 상기 보상회로의 출력단자는 상기 터치입력 감지전극에 함께 연결되어 있고, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류의 방향전환과 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어진다.
본 발명에 따르면 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라보는 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스의 등가 값을 더 작게 할 수 있는 기술을 제공할 수 있다. 그 결과 상기 터치입력 검출전극에 터치입력이 이루어진 경우, 상기 터치입력 검출전극에 형성되는 커패시턴스의 변화량을 더 민감하게 감지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라보는 터치입력 검출전극에 형성된 커패시턴스의 등가 값을 더 크게 할 수 있는 기술을 제공할 수 있다. 그 결과 상기 터치입력 검출전극에 터치입력이 이루어진 경우, 상기 터치입력 검출전극에 형성되는 커패시턴스의 변화량에 대한 민감도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 터치패널에 배치되는 전극들의 배치 구조의 일예를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 터치패널에 배치되는 전극들을 통해 흐르는 전류를 측정하는 터치입력 검출회로의 구조를 나타낸 것이다.
도 2b는 도 2a에 도시한 구조의 각 스위치의 동작 타이밍도 및 이에 따른 출력값의 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 나타낸 배치구조를 갖는 전극들 사이에 상호 커패시턴스가 형성되는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라본 터치입력 검출전극의 커패시턴스의 값을 감소시키기 위한 보상회로의 예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치입력장치의 회로 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 부유용량 보상회로의 시간에 따른 동작 특성을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 터치패널에 배치되는 전극들의 배치 구조의 일예를 나타낸 것이다.
도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력장치(100)에 포함되는 구성요소들의 상호 연결관계를 나타낸 것이다. 터치입력장치(100)는 제1층(L1)에 배치된 제1 전극(EC1~EC9), 제2층(L2)에 배치된 제2 전극(ER1~ER10), 및 제1 전극(EC1~EC9)과 제2 전극(ER1~ER10)에 연결된 터치-칩(10)을 포함할 수 있다. 터치-칩(10)은 제1배선(11)을 통해 제2 전극(ER1~ER10)에 연결되고, 제2배선(12)을 통해 제1 전극(EC1~EC9)에 연결될 수 있다. 각각의 전극(EC1~EC9, ER1~ER10)은 다른 모든 전극들로부터 절연되어 있다.
도 1의 (b)는 특히 제1 전극(EC1~EC9) 및 제2 전극(ER1~ER10)의 상대적인 배치관계를 나타낸 것이다. 제1 전극(EC1~EC9)은 제1층(L1)에 배치되고, 제2 전극(ER1~ER10)은 제2층(L2)에 배치되며, 제1층(L1)과 제2층(L2) 사이에는 제1 전극(EC1~EC9)들을 제2 전극(ER1~ER10)들로부터 절연하기 위한 절연층(L3)이 배치되어 있다.
도 1에 따른 터치입력장치(100)의 제1 모드에 따른 동작원리는 다음의 예를 통해 설명할 수 있다. 이하 설명을 위해, 전극(EC4)과 전극(ER3)이 교차하는 부분에 터치입력이 이루어졌다고 가정한다.
우선 터치-칩(10)은 전극(EC1~EC9) 각각에 대하여 커패시턴스의 변화가 일어났는지 여부를 순차적으로 검출한다. 이때, 전극(EC1~EC3, EC5~EC9)에는 터치입력이 존재하지 않으므로 전극(EC1~EC3, EC5~EC9)에 대한 커패시턴스의 변화는 존재하지 않는다. 그러나 전극(EC4)에는 터치입력이 이루어졌으므로 전극(EC4)에 대한 커패시턴스의 변화가 감지될 수 있다. 따라서 터치-칩(10)은 전극(EC4)이 차지하는 영역 중 어디엔가 터치입력이 이루어졌다고 판단할 수 있다.
그 다음, 터치-칩(10)은 전극(ER1~ER10) 각각에 대하여 커패시턴스의 변화가 일어났는지 여부를 순차적으로 검출한다. 이때, 전극(ER1~ER2, ER4~ER10)에는 터치입력이 존재하지 않으므로 전극(ER1~ER2, ER4~ER10)에 대한 커패시턴스의 변화는 존재하지 않는다. 그러나 전극(ER3)에는 터치입력이 이루어졌으므로 전극(ER3)에 대한 커패시턴스의 변화가 감지될 수 있다.
따라서 터치-칩(10)은 전극(EC4) 및 전극(ER3)에서만 커패시턴스의 변화가 감지되었으므로, 전극(EC4)과 전극(ER3)이 교차점에서 터치입력이 이루어졌다고 결정할 수 있다.
터치입력이 터치패널 상의 여러 지점에서 동시에 발생한 경우에도 각 터치지점을 위와 동일한 원리로 파악할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 터치패널에 배치되는 전극들을 통해 흐르는 전류를 측정하는 터치입력 검출회로의 구조를 나타낸 것이다.
도 2a에 나타낸 터치입력 검출회로(110)는 터치-칩(10) 내에 복수 개가 제공되어 있을 수 있다.
터치입력 검출회로(110)는 입력단자로서 입력단자(IN)을 포함하며, 출력단자로서 제1 출력단자(VOUT1) 및 제2 출력단자(VOUT2)를 포함할 수 있다.
제1 출력단자(VOUT1)와 제2 출력단자(VOUT2) 사이의 상대적인 전위차를 터치입력 검출회로(110)의 출력신호로서 제공할 수 있다. 그리고 입력단자(IN)는 전극(EC1~EC9, ER1~ER10) 중 어느 하나에 연결될 수 있으며, 스위치(81)에 의해 기준전위에 연결될 수도 있다.
터치입력 검출회로(110)는, 제1 연산증폭기(OA1) 및 제2 연산증폭기(OA2)를 포함할 수 있다.
제1 연산증폭기(OA1)의 비반전 입력단자에는 제1 기준전압(VREF_H)이 인가될 수 있고, 제2 연산증폭기(OA2)의 비반전 입력단자에는 제2 기준전압(VREF_L)이 인가될 수 있다.
제1 연산증폭기(OA1)의 반전 입력단자는, 스위치(61)를 통해 입력단자(IN)에 연결되고, 스위치(71)를 통해 제1 기준전압(VREF_H)에 연결될 수 있다. 제2 연산증폭기(OA2)의 반전 입력단자는, 스위치(62)를 통해 입력단자(IN)에 연결되고, 스위치(73)를 통해 제2 기준전압(VREF_L)에 연결될 수 있다.
제1 연산증폭기(OA1)의 출력단자는, 상기 제1 출력단자(VOUT1)로서 제공될 수 있으며, 스위치(72)를 통해 제2 기준전압(VREF_L)에 연결될 수 있다. 제2 연산증폭기(OA2)의 출력단자는, 상기 제2 출력단자(VOUT2)로서 제공될 수 있으며, 스위치(74)를 통해 제1 기준전압(VREF_H)에 연결될 수 있다.
제1 연산증폭기(OA1)의 출력단자와 반전 입력단자는 제1 적분 커패시터(CS1)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제2 연산증폭기(OA2)의 출력단자와 반전 입력단자는 제2 적분 커패시터(CS2)에 의해 서로 연결될 수 있다.
도 2a의 터치검출전극(101)은 예컨대 도 1에 나타낸 전극(EC1~EC9, ER1~ER10) 중 임의의 하나를 나타내는데, 도 2a에서는 전극(ER4)인 예를 나타낸다. 그리고 커패시턴스(CSELF)는 터치검출전극(101)과 사람의 손가락 사이에 형성된 '감지 커패시턴스'와 터치검출전극(101)과 사용자 기기의 임의의 부분 사이에 형성된 부유 커패시턴스의 합을 모델링하여 나타낸 것이다. 만일 터치검출전극(101) 근처에 사람의 손가락이 존재하지 않는다면 상기 '감지 커패시턴스'의 값은 0에 가까운 값을 가질 수 있으며, 커패시턴스(CSELF)의 값은 상기 부유 커패시턴스에 가까운 값을 가질 수 있다.
도 2b는 도 2a에 나타낸 터치입력 검출회로(110)의 동작 방식을 나타내는 타이밍도이다. 도 2b에서 가로축은 시간을 나타낸다.
신호(ΦR)는 스위치(71, 72, 73, 74, 81)의 온/오프 상태를 제어하는 신호로서 일종의 리셋신호이다.
신호(Φ1)는 스위치(61)의 온/오프 상태를 제어하는 신호이다.
신호(Φ2)는 스위치(62)의 온/오프 상태를 제어하는 신호이다.
신호(Φ1), 신호(Φ2), 및 신호(ΦR)가 하이(high) 값을 가질 때에는 대응하는 스위치가 온 상태로 되고, 로우(low) 값을 가질 때에는 대응하는 스위치가 오프 상태로 된다.
두 개의 스위치(61, 62)로 이루어지는 회로부를, 터치입력 검출회로(110)의 입력단를 통해 흐르는 전류의 방향성을 조절하는 검출회로 스위치부(제1 스위치부)(410)로 정의할 수 있다. 제1 스위치부(410)의 동작에 따라 터치입력 검출회로(110)의 입력단를 통해 전류가 흘러 들어오거나 흘러 나갈 수 있다.
도 2b에서 신호(VIN)는 입력단자(IN)의 시간에 따른 전압을 나타낸 것으로서, 신호(Φ1)가 하이(high) 값을 가질 때의 신호(VIN)의 크기(ex: VREF_H)는 신호(Φ2)가 하이(high) 값을 가질 때의 신호(VIN)의 크기(ex: VREF_L)보다 크게 된다는 점을 도 2a의 회로의 구성에 의해 이해할 수 있다.
제1 출력단자(VOUT1)에서의 전위의 크기는, 스위치(71, 72, 73, 74, 81)에 의해 리셋되었을 때에 제2 기준전압(VREF_L)으로 된다. 그 후 신호(Φ1)의 상승 에지일 때마다 일정 수준 상승하게 된다. 이때 상승하는 수준은 이상적으로는 커패시터(CSELF)의 크기와 제1 적분 커패시터(CS1)의 크기의 상대적인 비율에 의해 결정될 수 있다. 그 이유는 도 2a의 회로구조 상 신호(Φ1)의 상승 에지에 따른 천이구간에서 커패시터(CSELF)를 통해 흐르는 전류(ICSELF)는 모두 제1 적분 커패시터(CS1)를 통해 흐르기 때문이다.
제2 출력단자(VOUT2)에서의 전위의 크기는, 스위치(71, 72, 73, 74, 81)에 의해 리셋되었을 때에 제1 기준전압(VREF_H)으로 된다. 그 후 신호(Φ2)의 상승 에지일 때마다 일정 수준 하강하게 된다. 이때 하강하는 수준은 이상적으로는 커패시터(CSELF)의 크기와 제2 적분 커패시터(CS2)의 크기의 상대적인 비율에 의해 결정될 수 있다. 그 이유는 도 2a의 회로구조 상 신호(Φ2)의 상승 에지에 따른 천이구간에서 커패시터(CSELF)를 통해 흐르는 전류(ICSELF)는 모두 제2 적분 커패시터(CS2)를 통해 흐르기 때문이다.
실제로 터치-칩(10)에 포함된 터치입력 검출회로가 도 2a에 나타낸 터치입력 검출회로(110)와 동일하게 모델링될 수 있다면, 터치입력 검출회로(110)의 설계 의도와 동일한 회로동작을 보장할 수 있다. 그러나 실제로는 도 2a에 나타낸 터치검출전극(101)에 커패시터(CSELF)만 형성되는 것이 아니고 '다른 커패시턴스'들이 형성될 수 있기 때문에, 상기 설계 의도와는 다른 회로동작이 일어날 수 있다는 문제가 있다. 이하 상기 다른 커패시턴스가 발생하는 이유를 도 3a 및 도 3b를 통해 설명한다.
도 3a는 도 1에 도시한 터치입력장치(100) 중 전극(ER4)의 커패시턴스에 변화가 있는지를 감지하는 순간을 나타낸 것으로서 설명의 편의를 위하여 전극(ER4)과 전극(EC1~EC9)만의 상호 배치관계를 나타낸 것이다. 이때, 전극(ER4)에는 전극(EC1~EC9)들과 교차하는 교차영역(78)이 존재한다. 이러한 교차영역(78)에 의해 전극(ER4)과 전극(EC1~EC9) 사이에는 각각 상호 커패시턴스가 형성될 수 있다. 이러한 상호 커패시턴스는 전류가 흐르는 통로를 제공할 수 있다. 이러한 상호 커패시턴스가 상술한 '다른 커패시턴스'에 해당한다.
도 3b는 도 3a에 나타낸 전극(ER4)을 중심으로 형성되는 용량성분들을 모델링한 일 예를 나타낸다.
사용자 기기에 포함된 LCD와 같은 다른 기구들(20)과 전극(ER4) 사이에는 커패시턴스(CSELFR4)가 형성되어 있을 수 있다. 그리고 전극(ER4) 가까이에 사람의 손가락 등 물체가 근접해 있는 경우에는, 상기 손가락과 전극(ER4) 사이에 감지 커패시턴스(CTOUCH)가 형성될 수 있다. 여기서, 감지 커패시턴스(CTOUCH)와 커패시턴스(CSELFR4)의 합을 전극(ER4)에 형성되는 자기 커패시턴스(self capacitance)(CSELF)(524)라고 지칭할 수 있다.
그리고 상기 다른 기구들(20)과 전극(EC1~EC9) 사이에는 각각 자기 커패시턴스(CSELF1~CSELF9)가 형성되어 있을 수 있다. 그리고 전극(ER4)과 전극(EC1~EC9) 사이에는 각각 상호 커패시턴스(CM1~CM9)가 형성되어 있을 수 있다. 이때, 자기 커패시턴스(CSELF1~CSELF9), 상호 커패시턴스(CM1~CM9), 및 커패시턴스(CSELFR4)는 터치검출전극인 전극(ER4)에 형성되는 부유 용량(529)인 것으로 정의할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라본 터치입력 검출전극의 커패시턴스의 값을 감소시키기 위한 보상회로의 예를 나타낸 것이다.
도 4의 실시예에서, 터치입력 검출전극은 전극(ER4)이다. 이때, 터치입력 검출회로(110)의 입력단자(IN)에서 바라본 터치입력 검출전극(ER4)의 커패시턴스의 값은, 부유 용량(529) 및 감지 커패시턴스(CTOUCH)로 이루어질 수 있다. 이때, 감지 커패시턴스(CTOUCH)는 사용자의 터치입력 여부에 따라 달라지는 값일 수 있다. 그리고 부유 용량(529)는 일정한 값을 가질 수 있는데, 만일 다른 기구들(20)의 전기적인 성질이 시간에 변하는 경우에는 부유 용량(529)의 값도 시간에 따라 주기적 또는 비주기적으로 변할 수 있다.
도 4는 도 2a에 나타낸 회로에서 아래의 세 가지 사항이 변경된 것이다.
첫째, 전극(ER4)를 중심으로 형성되는 부유 용량(529)를 모델링하여 표시하였다. 부유 용량(529)에는 도 3b에서 설명한 자기 커패시턴스(CSELF1~CSELF9), 상호 커패시턴스(CM1~CM9), 및 커패시턴스(CSELFR4)를 포함할 수 있다.
둘째, 전극(ER4)에 형성되는 자기 커패시턴스(self capacitance)(CSELF)(524)를 감지 커패시턴스(CTOUCH)와 커패시턴스(CSELFR4)로 구분하여 표시하였다.
셋째, 터치입력 검출회로(110)의 입력단자(IN)에 연결된 터치입력 검출전극(ER4)의 커패시턴스의 값을 감소시키기 위하여 터치입력 검출전극(ER4) 및 터치입력 검출회로(110)의 입력단자(IN)에 연결된 부유용량 보상회로(120)를 추가하였다.
도 4에서 터치입력 검출전극(ER4)의 커패시턴스 성분에 의하여 터치입력장치로 흘러 들어가는 전류(IIN_ER4)는, 커패시턴스(CSELFR4)로부터 흘러 들어가는 전류(ICSELF2), 감지 커패시턴스(CTOUCH)로부터 흘러 들어가는 전류(ICSELF1), 및 상기 상호 커패시턴스(CM1, CM2, ... CM9)들로부터 흘러 들어가는 전류(IL=IL1+IL2+…+IL9)로 구성될 수 있다. 그리고 상기 검출전극으로부터 상기 터치입력장치로 흘러 들어가는 전류는, 터치입력 검출회로(110)로 들어가는 전류(II)와 부유용량 보상회로(120)로 흘러 들어가는 전류(ICQ)로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유용량 보상회로(120)는, 전류(II)와 전류(ICQ)가 서로 동일한 부호를 갖도록 만들어 주기 위해서, 도 4에 도시한 것과 같은 구조를 가질 수 있다. 부유용량 보상회로(120)는, 연산증폭기(300), 연산증폭기(300)의 입력단자의 연결상태를 조절하는 보상회로 스위치부(제2 스위치부)(400), 및 보상 커패시터(320)를 포함할 수 있다. 보상 커패시터(320)의 일 단자는 터치입력 검출전극(ER4)에 연결되고, 타 단자는 연산증폭기(300)의 출력단자에 연결될 수 있다. 이때, 연산증폭기(300)의 출력단자에서의 전압(VS)이 도 2b의 신호(VIN)의 시간에 따른 변화 패턴을 추종하도록 설계할 수 있다. 이를 위하여 연산증폭기(300)의 비반전 입력단자(301)는 제1 스위치(SWH)에 의해 제1 보상전위(VRH)에 연결될 수 있고, 제2 스위치(SWL)에 의해 제2 보상전위(VRL)에 연결될 수 있다. 연산증폭기(300)에서는 반전 입력단자가 출력단자와 연결된 구조로 되어 있으며, 따라서 출력단자의 전압이 비반전 입력단자에 입력되는 전압과 동일하게 된다.
부유용량 보상회로(120)는, 전류(II)와 전류(ICQ)가 서로 동일한 부호를 갖도록 만들어주는 회로이다. 따라서 상기 전류(IIN_ER4)가 양의 값을 가질 때에 전류(II)와 전류(ICQ)는 모두 양의 값을 갖고, 상기 전류(IIN_ER4)가 음의 값을 가질 때에 전류(II)와 전류(ICQ)는 모두 음의 값을 가질 수 있다. 즉, 터치입력 검출회로(110)에 입출력되어야 할 전류의 일부가 부유용량 보상회로(120)에 입출력 될 수 있다. 그 결과 터치입력 검출회로(110)에 입출력되는 전류의 양이 감소하게 되고, 따라서 터치입력 검출회로(110)의 입력단자(IN)에서 바라본 터치입력 검출전극(ER4)의 커패시턴스의 값이 감소하게 된다. 위와 같은 회로구조를 갖는 경우, 터치입력 검출전극(ER4)에 대한 터치입력이 이루어져서 감지 커패시턴스(CTOUCH)의 값이 0이 아닌 값으로 되는 경우, 감지 커패시턴스(CTOUCH)의 변화를 더 민감하게 감지할 수 있다.
제1 실시예에서는, 제1 보상전위(VRH)는 예컨대 제1 기준전압(VREF_H)과 동일할 수 있고, 제2 보상전위(VRL)는 예컨대 제2 기준전압(VREF_L)과 동일할 수 있다. 또는 제2 실시예에서는, 제1 보상전위(VRH)는 제1 기준전압(VREF_H)보다 큰 전압(VREF_H')를 갖고, 제2 보상전위(VRL)는 제2 기준전압(VREF_L)보다 작은 전압(VREF_L')을 가질 수 있다(단, VREF_H>VREF_L). 도 4는 상기 후자의 제2 실시예를 도시한 것이다.
도 4에 나타낸 회로에서는, 상술한 검출회로 스위치부(410)와 보상회로 스위치부(400)가 서로 동기화되어 동작함으로써, 터치입력 검출회로(110)에 입력되는 전류(II)와 부유용량 보상회로(120)에 입력되는 전류(ICQ)의 방향성(즉, 부호)가 서로 동일하게 되도록 동기화될 수 있다.
스위치부(400)에서 제1 스위치(SWH)와 제2 스위치(SWL)이 동시에 온 상태로 되지는 않는다. 예컨대 제1 스위치(SWH)의 온/오프를 제어하는 제1 제어신호(Φ3)는 도 2b의 신호(Φ1)와 동일한 패턴을 가질 수 있고, 제2 스위치(SWL)의 온/오프를 제어하는 제2 제어신호(Φ4)는 도 2b의 신호(Φ2)와 동일한 패턴을 가질 수 있다.
도 4에서는 부유용량 보상회로(120)에 터치입력 검출전극(ER4)이 연결된 시점에서의 구성을 나타내었으나, 다른 시점에서는 터치입력 검출전극(ER4)은 다른 터치입력 검출전극으로 대체 될 수 있다. 이러한 회로 전환을 위해 스위치 또는 먹스와 같은 회로소자를 이용할 수 있지만, 도 4에서는 그 도시를 생략하였다.
도 4에서는 터치입력 검출전극(ER4)의 커패시턴스의 변화를 측정하는 순간의 예를 들었지만, 다른 전극을 커패시턴스의 변화를 측정하는 순간도 도 4와 유사한 회로구성을 가질 수 있다는 점을 쉽게 이해할 수 있다. 예컨대 전극(ER1~ER3, ER5~ER10) 중 어느 하나의 커패시턴스의 변화를 측정하는 순간에는, 도 4의 전극(ER4)만을 해당 전극으로 바꾸어 도시할 수 있다. 또한, 예컨대, 전극(EC1~EC9) 중 어느 하나의 커패시턴스의 변화를 측정하는 순간에는, 도 4의 전극(ER4)만을 해당 전극으로 바꾸어 도시하고, 도 4에 나타낸 전극(EC1~EC9)을 전극(ER1~ER10)으로 바꾸어 도시할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력장치의 회로 구성을 나타낸 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력장치는 터치입력 검출회로(110) 및 부유용량 보상회로(120) 및 터치입력 검출전극(101)을 포함하여 구성될 수 있다. 터치입력 검출회로(110) 입력단자와 부유용량 보상회로(120)의 출력단자는 터치입력 검출전극(101)에 함께 연결되어 있을 수 있다. 이때, 터치입력 검출회로(110)에는 터치입력 검출회로(110)의 입력단자에 입력되는 전류(II)의 부호를 조절하는 제1 스위치부(410)가 포함되어 있을 수 있다. 그리고 부유용량 보상회로(120)에는 상기 제1 스위치부(410)와 동기화되어 동작하는 제2 스위치부(400)가 포함되어 있을 수 있다. 제2 스위치부(400)는 제1 스위치부(410)와 동기화됨으로써, 터치입력 검출회로(110)의 입력단자에 입력되는 전류(II)의 부호와 부유용량 보상회로(120)의 출력단자에 입력되는 전류(ICQ)의 부호가 시간에 따라 동기화되도록 조절할 수 있다. 여기서 전류(II)와 전류(ICQ)의 부호가 시간에 따라 동기화된다는 것은, 전류(II)의 부호가 바뀌는 순간에 전류(ICQ)의 부호도 바뀐다는 것을 의미할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 제1 실시예에서는 특정 시점에 있어서 전류(II)와 전류(ICQ)의 부호가 동일하도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 상기 제1 실시예에 따라 제공되는 부유용량 보상회로의 시간에 따른 동작 특성을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
도 6에서 연산증폭기(300)의 출력단자에서의 전압(VS)은 신호(VIN)의 시간에 따른 변화 패턴을 추종하도록 설계할 수 있다. 그리고 도 6에 나타낸 실시예에서, 보상 커패시터(Ccomp)애 축적되는 전하(Qcomp)의 양 및 부호의 패턴은 전압(VS)이 나타내는 패턴을 따를 수 있다.
도 4 및 도 6을 함께 참조하여 설명하면, 상기 제1 실시예를 구현하기 위하여, 제1 보상전위(VRH)는 제1 기준전압(VREF_H)보다 큰 전압(VREF_H')을 갖고, 제2 보상전위(VRL)는 제2 기준전압(VREF_L)보다 작은 전압(VREF_L')을 가질 수 있다(단, VREF_H>VREF_L).
이와 달리, 본 발명에 따른 제2 실시예에서는 특정 시점에 있어서 전류(II)와 전류(ICQ)의 부호를 서로 다르게 할 수도 있다. 상기 제2 실시예를 구현하기 위하여, 도 6에 나타낸 제1 보상전위(VRH)는 제1 기준전압(VREF_H)보다 작은 전압(VREF_H″)를 변경하고, 제2 보상전위(VRL)는 제2 기준전압(VREF_L)보다 큰 전압(VREF_L″)을 갖도록 변경할 수 있다(단, VREF_H>VREF_L).
상술한 제1 실시예는 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라본 터치입력 검출전극의 커패시턴스의 값을 감소시키는 효과가 있는 반면, 상술한 제2 실시예는 터치입력 검출회로의 입력단에서 바라본 터치입력 검출전극의 커패시턴스의 값을 증가시키는 효과가 있다. 따라서 상술한 제1 실시예는 터치입력 검출회로의 감도를 증가시키고, 상술한 제2 실시예는 터치입력 검출회로의 감도를 감소시키는 효과가 있다. 비록 도 1 내지 도 4에서는 상술한 제1 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 사상은 제2 실시예에 따른 구성 및 효과를 포함한다는 것을 이해할 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 칩을 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 이 터치 칩은, 터치입력 검출회로(110) 및 보상회로(120)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자(IN) 및 상기 보상회로의 출력단자는 터치입력 감지전극(101)에 함께 연결되어 있고, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류(II)의 방향전환과 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류(ICQ)의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제1 전류의 부호와 상기 제2 전류의 부호는 서로 동일할 수 있다. 또는, 상기 제1 전류의 부호와 상기 제2 전류의 부호는 서로 다를 수 있다.
이때, 상기 보상회로는, 보상 커패시터(320); 연산증폭기(300); 및 상기 연산증폭기의 입력단자에 서로 다른 두 개의 입력전압을 선택적으로 제공하도록 연결된 보상회로 스위치부(400)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 보상 커패시터의 일 단자는 상기 터치입력 감지전극(101)에 연결되고, 상기 보상 커패시터의 타 단자는 상기 연산증폭기의 출력단자(VS)에 연결될 수 있다.
이때, 상기 터치입력 검출회로(110)는 제1 연산증폭기(OA1) 및 제2 연산증폭기(OA2)를 포함하며, 상기 제1 연산증폭기의 비반전 입력단자에는 미리 결정된 제1 기준전압(VREF_H)이 인가되고, 상기 제2 연산증폭기의 비반전 입력단자에는 미리 결정된 제2 기준전압(VREF_L)이 인가되며, 상기 터치입력 감지전극(101)은 상기 제1 연산증폭기의 반전 입력단자 및 상기 제2 연산증폭기의 반전 입력단자에 검출회로 스위치부(410)를 통해 선택적으로 연결되도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 보상 커패시터의 상기 일 단자의 전위는 상기 터치입력 검출회로(110)에 의해 제어되고, 상기 보상 커패시터의 상기 타 단자의 전위는 상기 연산증폭기(300)의 출력단자의 전압(VS)에 의해 제어되며, 상기 보상회로 스위치부와 상기 검출회로 스위치부의 동작은 서로 동기화되어 있고, 상기 보상 커패시터 양단에 걸리는 전압의 극성의 변화는 상기 보상회로 스위치부와 상기 검출회로 스위치부의 동작에 동기화되어 있을 수 있다.
이때, 상기 제1 연산증폭기와 상기 제2 연산증폭기는 각각 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 전류를 적분하는 적분 커패시터(CS1, CS2)를 포함하며, 상기 터치입력 검출회로의 출력신호는 상기 제1 연산증폭기의 제1 출력단자(VOUT1)와 상기 제2 연산증폭기의 제2 출력단자(VOUT2) 간의 전위차로서 제공될 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 터치입력장치를 도 4를 참조하여 설명한다. 이 터치입력장치는, 터치입력 감지전극(101); 상기 터치입력 감지전극과 상호 커패시턴스(CM1, CM2, CM3, ..., CM9)를 형성하는 한 개 이상의 제2 전극(EC1, EC2, EC3, ..., EC9); 터치입력 검출회로(110); 및 보상회로(120)를 포함하며, 상기 터치입력 검출회로의 입력단자 및 상기 보상회로의 출력단자는 상기 터치입력 감지전극에 함께 연결되어 있고, 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류의 방향전환과 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어질 수 있다.
본 발명은 터치입력 감지전극이 한 개의 층에 배치되어 있는 구조 및 복수 개의 층에 나뉘어 배치되어 있는 구조 모두에 대하여 적용될 수 있다. 또한, 상호 커패시턴스(mutual capacitance) 방식 및 자기 커패시턴스(self capacitance) 방식 모두에 대하여 적용될 수 있다.
본 명세서에서는 복수 개의 전극이 두 개의 층(layer)에 나뉘어 배치된 예를 도시하였으나, 대한민국 특허공개번호 10-2014-0044720등에 공개된 패턴과 같이 한 개의 층에 모든 전극에 배치된 경우에도 본 발명이 적용될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.
10: 터치-칩
100: 터치입력장치
110: 터치입력 검출회로
120: 부유용량 보상회로
ER1~ER10, EC1~EC9: 전극
11, 12: 배선
L1: 제1 층
L2: 제2 층
L3: 투명 절연층
OA1, OA2: 연산증폭기
300: 연산증폭기
320: 보상 커패시터
400: 보상회로 스위치부
410: 검출회로 스위치부

Claims (10)

  1. 터치입력 검출회로; 및 보상회로를 포함하며,
    상기 터치입력 검출회로의 입력단자 및 상기 보상회로의 출력단자는 터치입력 감지전극에 함께 연결되어 있고,
    상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류의 방향전환과 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어지는,
    터치 칩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류의 부호와 상기 제2 전류의 부호는 서로 동일한, 터치 칩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류의 부호와 상기 제2 전류의 부호는 서로 다른, 터치 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보상회로는, 보상 커패시터; 연산증폭기; 및 상기 연산증폭기의 입력단자에 서로 다른 두 개의 입력전압을 선택적으로 제공하도록 연결된 보상회로 스위치부를 포함하며,
    상기 보상 커패시터의 일 단자는 상기 터치입력 감지전극에 연결되고, 상기 보상 커패시터의 타 단자는 상기 연산증폭기의 출력단자에 연결되는,
    터치 칩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 터치입력 검출회로는 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기를 포함하며,
    상기 제1 연산증폭기의 비반전 입력단자에는 미리 결정된 제1 기준전압이 인가되고, 상기 제2 연산증폭기의 비반전 입력단자에는 미리 결정된 제2 기준전압이 인가되며,
    상기 터치입력 감지전극은 상기 제1 연산증폭기의 반전 입력단자 및 상기 제2 연산증폭기의 반전 입력단자에 검출회로 스위치부를 통해 선택적으로 연결되도록 되어 있는,
    터치 칩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보상 커패시터의 상기 일 단자의 전위는 상기 터치입력 검출회로에 의해 제어되고, 상기 보상 커패시터의 상기 타 단자의 전위는 상기 연산증폭기의 출력단자의 전압에 의해 제어되며,
    상기 보상회로 스위치부와 상기 검출회로 스위치부의 동작은 서로 동기화되어 있고,
    상기 보상 커패시터 양단에 걸리는 전압의 극성의 변화는 상기 보상회로 스위치부와 상기 검출회로 스위치부의 동작에 동기화되어 있는,
    터치 칩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연산증폭기와 상기 제2 연산증폭기는 각각 상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 전류를 적분하는 적분 커패시터를 포함하며,
    상기 터치입력 검출회로의 출력신호는 상기 제1 연산증폭기의 제1 출력단자와 상기 제2 연산증폭기의 제2 출력단자 간의 전위차로서 제공되는,
    터치 칩.
  8. 터치입력 감지전극; 상기 터치입력 감지전극과 상호 커패시턴스를 형성하는 한 개 이상의 제2 전극; 터치입력 검출회로; 및 보상회로를 포함하며,
    상기 터치입력 검출회로의 입력단자 및 상기 보상회로의 출력단자는 상기 터치입력 감지전극에 함께 연결되어 있고,
    상기 터치입력 검출회로의 입력단자를 통해 흐르는 제1 전류의 방향전환과 상기 보상회로의 출력단자를 통해 흐르는 제2 전류의 방향전환은 서로 동기화되어 이루어지는,
    터치입력장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보상회로는 보상 커패시터 및 보상회로 스위치부를 포함하고,
    상기 터치입력 검출회로는 검출회로 스위치부를 포함하며,
    상기 제1 전류의 방향전환의 시점, 상기 검출회로 스위치부의 상태변화 시점, 상기 제2 전류의 방향전환의 시점, 및 상기 보상회로 스위치부의 상태변화 시점은 서로 동기화되어 있는,
    터치입력장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 보상회로는 보상 커패시터를 더 포함하며,
    상기 보상 커패시터의 일 단자는 상기 터치입력 감지전극에 연결되고,
    상기 보상 커패시터 양단에 걸리는 전압의 극성의 변화는 상기 보상회로 스위치부와 상기 검출회로 스위치부의 동작에 동기화되어 있는,
    터치입력장치.
KR1020140086784A 2014-07-10 2014-07-10 부유 용량 보상회로를 갖는 정전식 터치입력장치 KR101591293B1 (ko)

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