KR20170052051A - 터치 센싱 방법, 터치 센싱 콘트롤러 및 이를 갖는 터치 센싱장치 - Google Patents

Abstract

서로 인접하는 센싱전극에서 차동적으로 수신된 센싱신호들을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 센싱 방법, 터치 센싱 콘트롤러 및 이를 갖는 터치 센싱장치가 개시된다. 터치 센싱장치는, 복수의 구동전극들과 복수의 센싱전극들이 배치된 터치 패널; 및 상기 구동전극들에 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 제공하는 구동부와, 상기 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 센싱부를 포함하는 터치 센싱 콘트롤러를 포함한다. 이에 따라, 서로 인접하는 센싱전극에서 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 고속 푸리에 변환을 통해 획득된 정보를 근거로 터치 발생 여부를 판별할 수 있다.

Description

터치 센싱 방법, 터치 센싱 콘트롤러 및 이를 갖는 터치 센싱장치{TOUCH SENSING METHOD, TOUCH SENSING CONTROLLER AND TOUCH SENSING DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 터치 센싱 방법, 터치 센싱 콘트롤러 및 이를 갖는 터치 센싱장치 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 인접하는 센싱전극에서 차동적으로 수신된 센싱신호들을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 센싱 방법, 터치 센싱 콘트롤러 및 이를 갖는 터치 센싱장치에 관한 것이다.

터치 센싱 장치는 기계식 버튼, 키패드, 키보드, 및 포인팅 장치의 필요성을 감소시키거나 없앰으로써 사용자가 전자 시스템 및 디스플레이와 편리하게 인터페이스할 수 있게 해준다. 예를들어, 사용자는 아이콘에 의해 식별되는 위치에서 디스플레이 중인 터치 스크린을 간단히 터치함으로써 복잡한 일련의 명령어들을 실행할 수 있다.

예를들어, 저항 방식, 적외선 방식, 정전용량 방식, 표면 탄성파 방식, 전자기 방식, 근접장 이미징(near field imaging) 방식 등을 비롯한, 터치 센싱 장치를 구현하는 몇가지 유형의 기술이 있다. 정전용량 방식의 터치 센싱 장치는 다수의 응용에서 잘 동작하는 것으로 밝혀졌다. 많은 터치 센싱 장치에서, 센서 내의 전도성 물체가 사용자의 손가락과 같은 전도성 터치 도구와 용량적으로 결합될 때 입력이 센싱된다. 일반적으로, 2개의 전기 전도성 부재가 실제로 터치하는 일없이 서로 근접하게 될 때마다, 이들 사이에 커패시턴스가 형성된다. 정전용량 방식의 터치 센싱 장치의 경우에, 손가락과 같은 물체가 터치 센싱 표면에 접근할 때, 물체와 아주 근접해 있는 센싱 지점 사이에 작은 커패시턴스가 형성된다. 각각의 센싱 지점에서 커패시턴스의 변화를 검출하고 센싱 지점의 위치에 유의함으로써, 센싱 회로는 다수의 물체를 인식하고 물체가 터치 표면에 걸쳐 움직일 때 물체의 특성을 결정할 수 있다.

터치를 용량성 측정하기 위해 이용되는 두 공지의 기술이 있다.

하나의 기술은 접지에 대한 정전용량을 측정하는 것으로, 이에 의해 신호가 전극에 인가된다. 전극에 근접한 터치는 신호 전류가 전극으로부터 손가락 같은 물체를 통해 전기적 접지로 흐르게 한다.

다른 하나의 기술은 상호 커패시턴스에 의한 것이다. 상호 정전용량 터치 스크린은 신호를 전기장에 의해 센싱전극에 용량성 커플링되는 구동전극에 인가한다. 두 전극들 간의 신호 커플링은 근접한 물체에 의해 감소되고, 이는 용량성 커플링을 감소시킨다.

한국공개특허 제2012-0095376호 (명칭: 다수의 구동 주파수 및 최대 우도 추정을 갖는 멀티-터치 터치 디바이스)(2012. 08. 28. 자 공개) 한국공개특허 제2011-0134886호 (명칭: 커런트 컨베이어를 갖는 다중 기능 커패시턴스 센싱 회로)(2011. 12. 15. 자 공개)

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 서로 인접하는 센싱전극에서 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 고속 푸리에 변환을 통해 획득된 정보를 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 센싱 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 터치 센싱 방법을 수행하는 터치 센싱 콘트롤러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 터치 센싱 콘트롤러를 갖는 터치 센싱장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 터치 센싱 방법은, (a) 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 복수의 구동전극들 각각에 제공하는 단계; (b) 복수의 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 단계를 포함한다.

일실시예에서, 상기 구동신호들은 상기 구동전극들 각각에 동시에 제공될 수 있다.

일실시예에서, 상기 구동신호의 주파수는 노이즈 성분의 주파수 대역을 회피하도록 결정될 수 있다.

일실시예에서, 터치 센싱 동작 중에 노이즈 성분이 유입이 되면 해당 노이즈 성분의 주파수 대역을 제외하여 구동신호의 주파수를 설정할 수 있다.

일실시예에서, 단계(b)는, (b-1) 차동적으로 상기 센싱신호를 수신하여 차동 센싱신호를 생성하는 단계; (b-2) 상기 차동 센싱신호를 밴드 패스 필터링하는 단계; (b-3) 밴드 패스 필터링된 센싱신호를 증폭하는 단계; (b-4) 증폭된 센싱신호를 아날로그-디지털 변환하는 단계; (b-5) 아날로그-디지털 변환된 센싱신호를 고속 푸리에 변환(FFT) 처리하여 센싱신호의 주파수 크기를 획득하는 단계; 및 (b-6) 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기와 상기 구동신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 증폭된 신호는 상기 구동신호의 주파수보다 2배 이상 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환될 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 터치 센싱 콘트롤러는, 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 복수의 구동전극들에 제공하는 구동부; 및 복수의 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 센싱부를 포함한다.

일실시예에서, 상기 구동부는 상기 구동전극들 각각에 정현파를 제공하는 디지털 함수 발생부를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 터치 센싱 콘트롤러는 터치 구동 제어부를 더 포함하고, 상기 디지털 함수 발생부는 상기 구동전극들 각각에 연결되어 상기 터치 구동 제어부의 제어에 응답하여 사인파를 정확한 주파수, 주기 및 위상을 정밀하게 발생시키도록 구성된 복수의 직접 디지털 합성(Direct Digital Synthesis, 이하, DDS) 모듈들을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 터치 센싱 콘트롤러는 주변의 노이즈 성분을 센싱하고 센싱된 노이즈 성분에 대한 주파수 특성을 상기 터치 구동 제어부에 제공하는 노이즈 센싱부를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 터치 구동 제어부는 상기 노이즈 센싱부에서 제공되는 노이즈 성분의 주파수 대역을 회피하여 상기 구동신호를 생성하도록 상기 구동부를 제어할 수 있다.

일실시예에서, 상기 센싱부는 상기 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 상기 차동 센싱신호를 생성하는 복수의 커런트 컨베이어 회로들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 커런트 컨베이어 회로의 수는 상기 센싱전극의 수보다 1개 작을 수 있다.

일실시예에서, 홀수번째 커런트 컨베이어 회로는, 홀수번째 센싱전극에 연결된 제1 입력단 및 짝수번째 센싱전극에 연결된 제2 입력단을 포함하고, 짝수번째 커런트 컨베이어 회로는, 짝수번째 센싱전극에 연결된 제1 입력단 및 홀수번째 센싱전극에 연결된 제2 입력단을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 센싱부는, 상기 커런트 컨베이어 회로의 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 커런트 컨베이어 회로들 각각에서 출력되는 센싱신호를 제1 증폭하는 제1 신호 증폭부; 상기 신호 증폭기들 각각의 출력단에 연결된 복수의 액티브 필터들을 포함하고, 증폭된 센싱신호들 각각을 필터링하는 액티브 필터부; 상기 액티브 필터들 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 액티브 필터링된 센싱 신호들을 제2 증폭하는 제2 신호 증폭부; 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하고, 상기 제2 증폭된 센싱신호들 각각을 디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환부; 복수의 고속 푸리에 변환기들을 포함하고, 디지털 변환된 센싱신호들 각각을 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부; 및 상기 구동신호의 주파수 크기를 기준으로 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 판별부를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 센싱부는 상기 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 상기 차동 센싱신호를 생성하는 복수의 커런트 컨베이어 회로들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 커런트 컨베이어 회로의 수는 상기 센싱전극의 수와 동일할 수 있다.

일실시예에서, 홀수번째 커런트 컨베이어 회로는 홀수번째 센싱전극에 연결되고, 짝수번째 커런트 컨베이어 회로는 짝수번째 센싱전극에 연결될 수 있다.

일실시예에서, 상기 센싱부는, 서로 인접하는 커런트 컨베이어 회로의 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 커런트 컨베이어 회로들 각각에서 출력되는 센싱신호를 제1 증폭하는 제1 신호 증폭부; 상기 신호 증폭기들 각각의 출력단에 연결된 복수의 액티브 필터들을 포함하고, 증폭된 센싱신호들 각각을 필터링하는 액티브 필터부; 상기 액티브 필터들 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 액티브 필터링된 센싱 신호들을 제2 증폭하는 제2 신호 증폭부; 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하고, 상기 제2 증폭된 센싱신호들 각각을 디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환부; 복수의 고속 푸리에 변환기들을 포함하고, 디지털 변환된 센싱신호들 각각을 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부; 및 상기 구동신호의 주파수 크기를 기준으로 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 판별부를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 첫번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로는 플로팅된 제1 출력단 및 첫번째 신호 증폭기에 연결된 제2 출력단을 포함하고, 마지막번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로는 마지막번째 신호 증폭기에 연결된 제1 출력단 및 플로팅된 제2 출력단을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 액티브 필터부는 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 터치 센싱 콘트롤러는 상기 커런트 컨베이어 회로, 상기 제1 신호 증폭기, 상기 액티브 필터부, 상기 제2 신호 증폭부, 상기 아날로그-디지털 변환부 및 상기 고속 푸리에 변환부의 동작을 제어하는 터치 센싱 제어부를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 터치 센싱 제어부는 상기 아날로그-디지털 변환부가 상기 구동신호의 주파수 보다 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환하도록 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보를 상기 아날로그-디지털 변환부에 제공할 수 있다.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 터치 센싱장치는, 복수의 구동전극들과 복수의 센싱전극들이 배치된 터치 패널; 및 상기 구동전극들에 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 제공하는 구동부와, 상기 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 센싱부를 포함하는 터치 센싱 콘트롤러를 포함한다.

이러한 터치 센싱 방법, 터치 센싱 콘트롤러 및 이를 갖는 터치 센싱장치에 의하면, 서로 인접하는 센싱전극에서 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 고속 푸리에 변환을 통해 획득된 정보를 근거로 터치 발생 여부를 판별할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 터치 센싱 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 커런트 컨베이어 회로의 심볼을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 도 2에 도시된 커런트 컨베이어 회로의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 비교예에 따른 터치 센싱 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 비교예에 따른 터치 센싱 장치를 통한 터치 센싱 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그래프들이다.
도 6은 본 발명에 따른 터치 센싱 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 터치 센싱 장치를 통한 터치 센싱 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센싱 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 9a는 도 8a에 도시된 커런트 컨베이어 회로의 심볼을 설명하기 위한 도면이고, 도 9b는 도 8a에 도시된 커런트 컨베이어 회로를 설명하기 위한 등가회로도이다.
도 10는 도 8a에 도시된 커런트 컨베이어 회로의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 센싱 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 12은 터치 센싱 장치가 채용된 휴대폰에서 발생되는 충전기 노이즈를 설명하기 위한 주파수 노이즈 스펙트럼이다.
도 13은 도 12의 주파수 노이즈 스펙트럼에서 구동주파수 설정을 설명하기 위한 주파수 노이즈 스펙트럼이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 터치 센싱 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 터치 센싱 장치(100)는 터치 패널(110) 및 터치 센싱 콘트롤러(120)를 포함한다.

상기 터치 패널(110)은 구동신호를 전송하는 복수의 구동전극들(112)과 센싱신호를 전송하는 복수의 센싱전극들(114)을 포함한다. 상기 구동전극들(112)과 상기 센싱전극들(114)은 서로 다른 층에 배치될 수 있다. 도 1에서 구동전극들(112)이 아래층에 배치되고 센싱전극들(114)이 위층에 배치된 것을 도시하였으나 그 역도 가능하다. 상기 구동전극들(112)과 상기 센싱전극들(114)은, 평면상에서 관찰할 때, 매트릭스 타입으로 배치될 수 있다. 한편, 상기 구동전극들(112)과 상기 센싱전극들(114)은 동일한 층에 배치될 수 있다. 예를들어, 상기 구동전극들(112)과 상기 센싱전극들(114)은 서로 교호로 배치될 수도 있다.

상기 터치 패널(110)은 전형적으로 사용자가 터치 패널(110)을 통해 물체(컴퓨터, 핸드헬드 장치, 휴대폰, 또는 기타 주변 장치의 픽셀화된 디스플레이 등)를 볼 수 있도록 실질적으로 투명하다.

설명의 편의상, 구동전극들(112)과 센싱전극들(114)이 넓고 잘 보이도록 도시되어 있지만, 실제로는 비교적 좁고 사용자에게 잘 보이지 않게 되어 있을 수 있다. 게다가, 구동전극들(112)과 센싱전극들(114)이 가변 폭 - 예를들어, 전극간 프린지 전계(inter-electrode fringe field)를 증가시키고 그로써 구동전극들(112)과 센싱전극들(114)간 용량성 커플링(electrode-to-electrode capacitive coupling)에 대한 터치의 효과를 증가시키기 위해 매트릭스의 노드의 근방에서 다이어몬드-형상 또는 기타 형상의 패드의 형태로 증가된 폭 - 을 가지도록 설계될 수 있다.

예시적인 실시 형태에서, 구동전극들(112)과 센싱전극들(114)은 ITO(indium tin oxide) 또는 다른 적당한 전기 전도성 물질로 이루어져 있을 수 있다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(120)는 구동부(122), 센싱부(124) 및 제어부(126)를 포함한다. 동작시, 상기 터치 센싱 콘트롤러(120)는 상기 구동전극들(112)에 서로 다른 구동주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 제공하고, 상기 센싱전극들(114) 각각에서 센싱되는 센싱신호들을 고속 푸리에 변환(FFT)하여 상기 구동주파수에 대한 상기 센싱주파수 크기의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다.

상기 구동부(122)는 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들을 상기 구동전극들(112) 각각에 동시에 제공한다. 예를들어, 제1 구동전극에는 제1 주파수(f0)를 갖는 구동신호를 제공하고, 제2 구동전극에는 제2 주파수(f1)를 갖는 구동신호를 제공하고, 제3 구동전극에는 제3 주파수(f2)를 갖는 구동신호를 제공하고, 제4 구동전극에는 제4 주파수(f3)를 갖는 구동신호를 제공한다. 상기한 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들은 상기 제어부(126)의 제어에 따라 생성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 구동신호들은 사인(sine)파 또는 코사인(cosine)파 등의 정현파를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 구동신호들은 서로 다른 위상에서 시작할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 구동부(122)는 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들을 이용하여 동시에 상기 구동전극들(112)을 구동하므로 터치 센싱 시간이 빠르고 이에 따라 고속 응답이 가능하다.

본 실시예에서, 상기 구동부(122)는 상기 구동전극들 각각에 정현파를 제공하는 디지털 함수 발생부를 포함할 수 있다. 상기 디지털 함수 발생부는 상기 구동전극들 각각에 연결되어 상기 터치 구동 제어부의 제어에 응답하여 사인파를 정확한 주파수, 주기 및 위상을 정밀하게 발생시키도록 구성된 복수의 직접 디지털 합성(Direct Digital Synthesis, 이하, DDS) 모듈들을 포함할 수 있다.

상기 센싱부(124)는 차동 수신부(410), 제1 신호 증폭부(420), 액티브 필터부(430), 제2 신호 증폭부(440), 아날로그-디지털 변환부(450), 고속 푸리에 변환부(460) 및 터치 판별부(470)를 포함한다.

상기 센싱부(124)는 상기 센싱전극들(114) 각각에서 센싱신호를 차동적으로 수신하여 차동 센싱신호를 생성하고, 상기 차동 센싱신호를 고속 푸리에 변환하여 차동 센싱신호의 주파수 크기를 획득하고, 상기 센싱신호의 주파수 크기와 상기 구동신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다.

즉, 터치가 발생한 전극은 해당 전극에 부여된 정현파의 진폭이 감소된 형태로 수신이 된다. 감쇄된 정현파의 주파수는 상기 차동 수신부(410)를 통해 감소된 양만 감지되고 증폭됨으로 터치로 발생한 신호 변화량에 의해 터치가 발생한 센서의 구동주파수에 해당하는 FFT 결과의 진폭(Magnitude)값은 증가한다.

상기 차동 수신부(410)는 상기 센싱전극들(114) 각각에 연결되어 서로 인접하는 센싱전극들의 센싱신호들을 수신한다. 상기 차동 수신부(410)는 복수의 커런트 컨베이어 회로들(current conveyor circuit)을 포함할 수 있다. 상기 커런트 컨베이어 회로들 각각은 상기 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 상기 차동 센싱신호를 생성하고 생성된 차동 센싱신호를 상기 신호 증폭부(430)에 제공한다. 본 실시예에서, 상기 커런트 컨베이어 회로는 차동 커런트 컨베이어(differential current conveyor) 회로일 수 있다.

상기 제1 신호 증폭부(420)는 복수의 제1 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 차동 수신부(410)에서 출력되는 차동 센싱신호를 증폭하여 상기 액티브 필터부(430)에 제공한다. 본 실시예에서, 상기 제1 신호 증폭기들은 차동증폭기(differential amplifier)를 포함할 수 있다.

상기 액티브 필터부(430)는 증폭된 센싱신호들 각각을 액티브 필터링하여 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다. 상기 액티브 필터부(430)는 복수의 밴드 패스 필터들(band pass filters)을 포함할 수도 있다. 한편, 상기 액티브 필터부(430)는 복수의 로우 패스 필터들(low pass filters)을 포함할 수도 있다.

즉, 수신단은 입력신호의 주파수 대역을 관심을 갖고 있는 구동 주파수 대역으로 설정할 수 있도록 밴드 패스 필터를 사용할 수도 있다. 또는, 고속 푸리에 변환(FFT)의 분해능에 따라 저주파 성분은 FFT로 구별해 낼 수 있음으로 로우 패스 필터들을 사용할 수도 있다. 또는, 커런트 컨베이어와 전압 증폭기의 고주파 차단 주파수 성분을 이용하여 로우 패스 필터 없이 바로 증폭기 단을 연결 할 수도 있다.

상기 제2 신호 증폭부(440)는 복수의 제2 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 액티브 필터링된 센싱신호들을 증폭하여 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다. 본 실시예에서, 상기 제2 신호 증폭기들은 차동증폭기(differential amplifier)를 포함할 수 있다.

상기 아날로그-디지털 변환부(450)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하고, 액티브 필터링된 센싱신호들 각각을 디지털 변환하여 상기 고속 푸리에 변환부(460)에 제공한다. 상기 아날로그-디지털 변환부(450)는 상기 구동주파수보다 최소 2배 이상 빠른 주파수로 ADC변환을 실시한다. 상기 구동주파수에 대한 정보는 상기 제어부(126)로부터 제공받을 수 있다. 본 실시예에서, 상기 아날로그-디지털 변환기는 차동 아날로그-디지털 변환기(differential ADC)를 포함할 수 있다.

상기 고속 푸리에 변환부(460)는 복수의 고속 푸리에 변환기들을 포함하고, 디지털 변환된 센싱신호들 각각을 고속 푸리에 변환하여 센싱신호들 각각을 시간 도메인(Time Domain)에서 주파수 도메인(Frequency Domain)으로 변환하여 주파수 성분과 주파수 성분의 크기를 획득한 후 상기 터치 판별부(470)에 제공한다. 본 실시예에서, 시간 도메인(time domain)에서의 센싱을 주파수 도메인에서 센싱으로 변환함으로써, 디지털 신호처리에 매우 유용하다.

상기 터치 판별부(470)는 상기 구동신호의 주파수 크기를 기준으로 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다. 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보는 상기 제어부(126)로부터 제공받을 수 있다.

상기 제어부(126)는 터치 구동 제어부(127) 및 터치 센싱 제어부(128)를 포함한다.

상기 터치 구동 제어부(127)는 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들을 상기 구동전극들(112) 각각에 동시에 제공하도록 상기 구동부(122)의 동작을 제어한다.

상기 터치 센싱 제어부(128)는 상기 아날로그-디지털 변환부(450)가 상기 구동신호의 주파수 보다 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환하도록 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보를 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(120)는 측정된 크기 및 연관된 파라미터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치(미도시)와, 필요한 계산 및 제어 기능을 수행하는 마이크로프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(120) 및/또는 상기 터치 센싱 장치(100)의 기타 부분은, 본 명세서에 기술된 기능들 중 하나 이상의 기능을 수행하기 위해, 하나 이상의 ASIC(application-specific integrated circuit), ASSP(application-specific standard product) 등으로 구현될 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, 터치스크린 구동 및 감지를 위해 주파수 도메인에서 정현파(Sine wave)를 갖는 서로 다른 송신 주파수를 갖는 구동신호들을 터치패널의 구동전극에 동시에 전송하고, 센싱전극으로부터 수신된 신호간의 차동(differential) 성분, 즉 터치 변화량만을 추출하여 증폭한 후에 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 그 변화량을 터치 감도로 판단한다.

또한, 상기한 방법과 노이즈 스펙트럼 분석을 통해 송신주파수를 실시간 변경하여 사용함으로써, 터치 구동 및 감지속도와 터치 감도를 향상시킬 수 있고, 노이즈에 대한 내성 또한 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 센싱전극들 각각의 종단에 차동 수신부를 배치하여 이미 알고 있는 송신 주파수 성분의 이득의 변화량을 통해 터치를 감지하므로써 다음과 같은 장점이 있다.

주파수 성분을 갖고 있는 노이즈 성분과 터치 성분의 구분이 용이하다. 따라서, 터치 스크린의 동작 환경에서 발생하는 노이즈 성분에 대해 별도의 프로세싱 없이 FFT의 결과를 사용하여 원하는 주파수의 수신 신호의 변화량만을 측정할 수 있으므로 노이즈에 대한 해결이 용이하다.

동시에 복수의 구동전극을 구동함으로 터치 센싱 시간이 빨라 고속 응답이 용이하다.

시간 도메인(time domain)에서의 센싱을 주파수 도메인에서 센싱하므로써 디지털 신호 처리에 매우 유용하다.

센서의 구동 주파수를 센서의 시상수에 근접하게 또는 감쇄를 감안하고 보다 빠르게 구동이 가능함으로 고저항성 센서(예를들어, 중대형 크기의 터치 패널 또는 단면센서)의 구동에 매우 유리하다.

도 2는 도 1a에 도시된 커런트 컨베이어 회로(412)의 심볼을 설명하기 위한 도면이다. 도 3는 도 2에 도시된 커런트 컨베이어 회로(412)의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 커런트 컨베이어 회로(412)는 전압 및 전류 팔로워(follower)들을 상호 연결함으로써 얻어진 다섯 단자를 갖는 디바이스이다.

상기 커런트 컨베이어 회로의 다섯 단자들은, 전압 입력 단자(Y), 제1 전류 입력 단자(X1), 제2 전류 입력 단자(X2), 제1 전류 출력 단자(Z1) 및 제2 전류 출력 단자(Z2)를 포함한다.

상기 커런트 컨베이어 회로의 2극성 전류 출력의 구현은 잡음 감소에 기여하며, 의사 차동(quasi-differential) 채널 구축을 위해 사용될 수 있다.

상기 제1 전류 출력 단자(Z1)는 전류 출력에 적합한 하이 임피던스 출력 단자이다. 상기 제1 출력 전류(IZ1)의 방향은 제1 전류 입력 단자(X1)에서의 입력 전류에 비례한다. 상기 커런트 컨베이어 회로의 입-출력 관계는 하기 행렬 등식에 의해 설명될 수 있다.

[식 1]

상기한 커패시턴스 센싱 회로의 복수 노드들에서 커패시턴스를 센싱하기 위해 커런트 컨베이어 회로를 사용하는 것은 다음 이득을 제공할 수 있다.

첫째, 커런트 컨베이어 회로는 로우 임피던스 전류 입력(XI)를 가지며, 이는 RF 또는 ESD와 같은 하이 임피던스 잡음 신호들에 대한 좋은 면역을 제공할 수 있다.

둘째, 전류 입력(XI)의 전압 전위는 하이 임피던스 전압 입력(YV)에 의해 제어되며, 이는 복수의 커패시턴스 센싱 모드들(셀프 커패시턴스 센싱 모드 및 상호 커패시턴스 센싱 모드)을 위한 최적의 구조를 구현하는 것을 허용한다.

셋째, 커런트 컨베이어 회로의 전류 출력들은 시그마-델타 변조기 또는 간단한 전하 적분 회로들과 같은 전하 적분/균형 회로들을 사용함으로써 측정 가능한 형태로 쉽게 변환될 수 있다.

마지막으로, 커런트 컨베이어 회로는 외부 폐쇄 루프 없이 동작할 수 있으며, 이는 서로 다른 센서 기생 커패시턴스에서 안정성을 제공한다. 커런트 컨베이어 회로들은 신호 증폭, 필터링 및 정류 아날로그 신호의 곱셈 및 나눗셈, 트랜스 임피던스 및 트랜스 컨덕턴스 증폭기, 및 광대역 라인 드라이버의 구축을 위해 아날로그 및 혼합 신호 ASIC 내에서 광범위하게 사용된다. 때로는 이상적인 트랜지스터라 불리는, 커런트 컨베이어 회로의 소수의 개별 구현만이 존재한다.

일 실시예에서, 커런트 컨베이어 회로는 폐쇄 루프 시스템을 사용하는, 연산 증폭기 기반 아키텍쳐일 수 있다. 다른 실시예에서, 커런트 컨베이어 회로는, 개방 루프 아키텍쳐를 사용하는 트랜스리니어 원리(translinear principle)를 사용할 수 있다. 대안적으로, 본 개시의 이득을 갖는 본 기술분야의 통상적인 기술자에 의해 인식될 것과 같이, 커패시턴스를 센싱하기 위해 커런트 컨베이어 회로의 다른 구현들이 사용될 수 있다.

본 실시예에서, 커런트 컨베이어 회로들은 첫번째 커런트 컨베이어 회로, 마지막번째 커런트 컨베이어 회로 및 나머지 커런트 컨베이어 회로들은 서로 다른 비대칭적 구조를 갖는다.

MOSFET들 각각의 길이는 동일하다 가정할 때 각 MOSFET들 각각의 폭은 아래와 같은 관계가 있다.

첫번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로의 경우, M11: M13=2:1의 관계와 M12:M14=2:1의 관계에 있다. 마지막번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로의 경우, M11: M13=1:2의 관계와 M12:M14=1:2의 관계에 있다. 나머지 센싱전극들 각각에 연결된 커런트 컨베이어 회로의 경우, M11: M13=1:1의 관계와 M12:M14=1:1의 관계에 있다.

그러면, 이하에서 본 발명에 따른 터치 센싱 장치를 이용한 터치 센싱 방법과 비교예에 따른 터치 센싱 장치를 이용한 터치 센싱 방법을 비교 설명한다.

도 4는 비교예에 따른 터치 센싱 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 비교예에 따른 터치 센싱 장치를 통한 터치 센싱 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그래프들이다.

도 4 내지 도 5c를 참조하면, 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들이 터치 패널에 순차적으로 제공된다. 상기 터치 패널은 정전용량 방식으로 사용자의 터치 여부를 판단하기 위해 구비된다.

터치 패널에서 센싱된 센싱신호들은 미분된 신호 형태를 갖는다.

미분된 신호 형태의 센싱신호들은 증폭된 후 적분된다.

적분된 센싱신호들을 통해 어느 위치에서 터치가 발생되었는지 좌표가 도출된다.

이처럼, 비교예에 따른 터치 센싱 장치의 구동 및 감지 기술은 시간도메인에서 구동전극에 일정 주기를 갖는 구형파(또는 사각파)를 순차적으로 송신하고 센싱전극를 통해 수신된 센싱신호인 구형파의 미분신호를 누적/적분하여 신호 크기의 변화량으로부터 사용자의 터치 여부를 판단하였다. 띠라서, 고감도 센싱이 어렵고 대형화에 단점이 있을 뿐만 아니라 노이즈 성분에 대한 취약하다.

도 6은 본 발명에 따른 터치 센싱 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 도 7a 내지 도 7c는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 터치 센싱 장치를 통한 터치 센싱 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그래프들이다.

도 6 내지 도 7c를 참조하면, 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들이 터치 패널에 동시에 제공된다. 상기 터치 패널은 정전용량 방식으로 사용자의 터치 여부를 판단하기 위해 구비된다.

터치 패널에서 센싱된 센싱신호들은 합성된 신호 형태를 갖는다.

합성된 신호 형태의 센싱신호들은 증폭된 후 FFT 처리된다.

FFT 처리된 센싱신호들은 분해 및 해석되어 어느 위치에서 터치가 발생되었는지 좌표가 도출된다.

이처럼, 본 발명에 따른 터치 센싱 장치의 구동 및 감지 기술은 터치 스크린의 구동 및 감지를 위해 통신 이론을 응용하여 신호의 처리를 주파수 도메인으로 전환하였다. 또한, 터치 감도 향상을 차동(differential) 신호 처리 기법을 적용하여 터치스크린 신호를 처리하였다.

구체적으로, 전통적인 통신 기법인 AM통신 방법의 원리를 응용하여 서로 다른 주파수를 갖는 다수의 정현파(사인파) 구동신호들 각각을 신호 전달 매질인 구동전극에 동시에 제공한다. 이어, 센싱전극으로부터 수신된 여러 주파수가 섞인 센싱신호에 대해서 각 수신단 간의 차동(differential) 성분, 즉 터치 변화량만을 추출한다. 이어, 터치로 발생된 터치 변위량 만을 증폭한 후에 FFT를 수행하여 송신한 주파수들을 찾아내고, 사용자의 터치로부터 발생한 각 주파수별 진폭(Amplitude, Magnitude)의 변화량을 측정함으로써, 사용자의 터치 여부 및 터치스크린 상의 절대 좌표를 계산할 수 있다. 따라서, 노이즈 스펙트럼 분석을 통해 송신 주파수를 실시간 변경하여 사용함으로써, 터치 구동 속도, 감지 속도 및 터치 감도를 향상시킬 수 있다. 또한 노이즈 성분이 주파수를 회피하거나 노이즈로 인한 센싱신호의 영향을 최소화할 수 있어 터치 스크린에서의 터치 감도를 향상시킬 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센싱 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 센싱 장치(200)는 터치 패널(110) 및 터치 센싱 콘트롤러(220)를 포함한다.

상기 터치 패널(110)은 도 1a에 도시된 터치 패널(110)과 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(220)는 구동부(122), 센싱부(224) 및 제어부(126)를 포함한다. 동작시, 상기 터치 센싱 콘트롤러(220)는 상기 구동전극들(112)에 서로 다른 구동주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 제공하고, 상기 센싱전극들(114) 각각에서 센싱되는 센싱신호들을 고속 푸리에 변환(FFT)하여 상기 구동주파수에 대한 상기 센싱주파수 크기의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다.

상기 구동부(122)는 도 1a에 도시된 구동부(122)와 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

상기 센싱부(224)는 상기 센싱전극들(114) 각각에서 센싱신호를 차동적으로 수신하여 차동 센싱신호를 생성하고, 상기 차동 센싱신호를 고속 푸리에 변환하여 차동 센싱신호의 주파수 크기를 획득하고, 상기 센싱신호의 주파수 크기와 상기 구동신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다.

상기 센싱부(224)는 차동 수신부(510), 제1 신호 증폭부(520), 액티브 필터부(430), 제2 신호 증폭부(440), 아날로그-디지털 변환부(450), 고속 푸리에 변환부(460) 및 터치 판별부(470)를 포함한다.

상기 차동 수신부(510)는 상기 센싱전극들(114) 각각에 연결되어 서로 인접하는 센싱전극들의 센싱신호들을 수신한다. 상기 차동 수신부(510)는 복수의 커런트 컨베이어 회로들을 포함할 수 있다. 상기 커런트 컨베이어 회로들 각각은 상기 센싱신호들을 수신하여 상기 차동 센싱신호를 생성하고 생성된 차동 센싱신호를 상기 제1 신호 증폭부(520)에 제공한다. 본 실시예에서, 상기 커런트 컨베이어 회로는 싱글 엔디드 듀얼 아웃풋 커런트 컨베이어(single ended dual current conveyor) 회로일 수 있다.

상기 커런트 컨베이어 회로의 수는 상기 센싱전극의 수와 동일하다. 이에 따라, 홀수번째 커런트 컨베이어 회로는 홀수번째 센싱전극에 연결되고, 짝수번째 커런트 컨베이어 회로는 짝수번째 센싱전극에 연결된다. 또한 첫번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로는 플로팅된 제1 출력단 및 첫번째 신호 증폭기에 연결된 제2 출력단을 포함하고, 마지막번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로는 마지막번째 신호 증폭기에 연결된 제1 출력단 및 플로팅된 제2 출력단을 포함할 수 있다.

상기 제1 신호 증폭부(520)는 복수의 제1 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 차동 수신부(510)에서 출력되는 차동 센싱신호를 증폭하여 상기 액티브 필터부(430)에 제공한다. 본 실시예에서, 상기 제1 신호 증폭기들은 차동증폭기(differential amplifier)를 포함할 수 있다.

상기 액티브 필터부(430)는 증폭된 센싱신호들 각각을 액티브 필터링하여 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다. 상기 액티브 필터부(430)는 복수의 밴드 패스 필터들(band pass filters)을 포함할 수도 있다. 한편, 상기 액티브 필터부(430)는 복수의 로우 패스 필터들(low pass filters)을 포함할 수도 있다.

상기 제2 신호 증폭부(440)는 복수의 제2 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 액티브 필터링된 센싱신호들을 증폭하여 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다. 본 실시예에서, 상기 제2 신호 증폭기들은 차동증폭기(differential amplifier)를 포함할 수 있다.

상기 아날로그-디지털 변환부(450)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하고, 액티브 필터링된 센싱신호들 각각을 디지털 변환하여 상기 고속 푸리에 변환부(460)에 제공한다. 상기 아날로그-디지털 변환부(450)는 상기 구동주파수보다 최소 2배 이상 빠른 주파수로 ADC변환을 실시한다. 상기 구동주파수에 대한 정보는 상기 제어부(126)로부터 제공받을 수 있다. 본 실시예에서, 상기 아날로그-디지털 변환기는 차동 아날로그-디지털 변환기(differential ADC)를 포함할 수 있다.

상기 고속 푸리에 변환부(460)는 복수의 고속 푸리에 변환기들을 포함하고, 디지털 변환된 센싱신호들 각각을 고속 푸리에 변환하여 센싱신호들 각각을 시간 도메인(Time Domain)에서 주파수 도메인(Frequency Domain)으로 변환하여 주파수 성분과 주파수 성분의 크기를 획득한 후 상기 터치 판별부(470)에 제공한다. 본 실시예에서, 시간 도메인(time domain)에서의 센싱을 주파수 도메인에서 센싱으로 변환함으로써, 디지털 신호처리에 매우 유용하다.

상기 터치 판별부(470)는 상기 구동신호의 주파수 크기를 기준으로 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다. 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보는 상기 제어부(126)로부터 제공받을 수 있다.

상기 제어부(126)는 터치 구동 제어부(127) 및 터치 센싱 제어부(128)를 포함한다.

상기 터치 구동 제어부(127)는 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들을 상기 구동전극들(112) 각각에 동시에 제공하도록 상기 구동부(122)의 동작을 제어한다.

상기 터치 센싱 제어부(128)는 상기 아날로그-디지털 변환부(450)가 상기 구동신호의 주파수 보다 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환하도록 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보를 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(220)는 측정된 크기 및 연관된 파라미터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치(미도시)와, 필요한 계산 및 제어 기능을 수행하는 마이크로프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 9a는 도 8a에 도시된 커런트 컨베이어 회로의 심볼을 설명하기 위한 도면이고, 도 9b는 도 8a에 도시된 커런트 컨베이어 회로를 설명하기 위한 등가회로도이다. 도 10은 도 8a에 도시된 커런트 컨베이어 회로의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.

도 9a 내지 도 10을 참조하면, 커런트 컨베이어 회로는 전압 및 전류 팔로워(follower)들을 상호 연결함으로써 얻어진, 네 개의 단자를 갖는 디바이스이다.

상기 커런트 컨베이어 회로의 네 단자들은, 전압 입력 단자(YV), 전류 입력 단자(XI), 전류 출력 단자(IZ+) 및 전류 출력 단자(IZ-)를 포함한다. 상기 전압 입력 단자(YV)는 하이 임피던스 단자인데 반해, 상기 전류 입력 단자(XI)는 로우 임피던스 단자이다. 상기 전압 입력 단자(YV)에 가해진 입력 전압(VY)은 상기 전류 입력 단자(XI)의 전압(VX)로 전달될 수 있다(즉, VX = VY). 추가적으로, 상기 전압 입력 단자(YV)는 하이 임피던스 입력이므로, 상기 전압 입력 단자(YV)로 전류가 흐르지 않는다.

상기 전류 입력 단자(XI)에 가해진 입력 전류(I0)는 출력 단자들(IZ+ 및 IZ-)에서 출력 전류(IZ+)로 전달된다. 상기 출력 단자들(IZ+ 및 IZ-)는 균형잡힌 전류 출력(즉, IZ+ = -IX, IZ- = +IX)을 위해 사용된다.

상기 커런트 컨베이어 회로의 2극성 전류 출력의 구현은 잡음 감소에 기여하며, 의사 차동(quasi-differential) 채널 구축을 위해 사용될 수 있다.

상기 출력 단자(IZ+)는 전류 출력에 적합한 하이 임피던스 출력 단자이다. 상기 출력 전류(IZ)의 방향은 전류 입력 단자(XI)에서의 입력 전류에 비례한다. 상기 커런트 컨베이어 회로의 입-출력 관계는 하기 행렬 등식에 의해 설명될 수 있다.

[식 2]

커패시턴스 센싱 회로의 복수의 노드들에서 커패시턴스를 센싱하기 위해 커런트 컨베이어 회로를 사용하는 것은 다음 이득을 제공할 수 있다.

첫째, 커런트 컨베이어 회로는 로우 임피던스 전류 입력(XI)를 가지며, 이는 RF 또는 ESD와 같은 하이 임피던스 잡음 신호들에 대한 좋은 면역을 제공할 수 있다.

둘째, 전류 입력(XI)의 전압 전위는 하이 임피던스 전압 입력(YV)에 의해 제어되며, 이는 복수의 커패시턴스 센싱 모드들(셀프 커패시턴스 센싱 모드 및 상호 커패시턴스 센싱 모드)을 위한 최적의 구조를 구현하는 것을 허용한다.

셋째, 커런트 컨베이어 회로의 전류 출력들은 시그마-델타 변조기 또는 간단한 전하 적분 회로들과 같은 전하 적분/균형 회로들을 사용함으로써 측정 가능한 형태로 쉽게 변환될 수 있다.

마지막으로, 커런트 컨베이어 회로는 외부 폐쇄 루프 없이 동작할 수 있으며, 이는 서로 다른 센서 기생 커패시턴스에서 안정성을 제공한다. 커런트 컨베이어 회로들은 신호 증폭, 필터링 및 정류 아날로그 신호의 곱셈 및 나눗셈, 트랜스 임피던스 및 트랜스 컨덕턴스 증폭기, 및 광대역 라인 드라이버의 구축을 위해 아날로그 및 혼합 신호 ASIC 내에서 광범위하게 사용된다. 때로는 이상적인 트랜지스터라 불리는, 커런트 컨베이어 회로의 소수의 개별 구현만이 존재한다.

일 실시예에서, 커런트 컨베이어 회로는 폐쇄 루프 시스템을 사용하는, 연산 증폭기 기반 아키텍쳐일 수 있다. 다른 실시예에서, 커런트 컨베이어 회로는, 개방 루프 아키텍쳐를 사용하는 트랜스리니어 원리(translinear principle)를 사용할 수 있다. 대안적으로, 본 개시의 이득을 갖는 본 기술분야의 통상적인 기술자에 의해 인식될 것과 같이, 커패시턴스를 센싱하기 위해 커런트 컨베이어 회로의 다른 구현들이 사용될 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 센싱 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 센싱 장치(300)는 터치 패널(110) 및 터치 센싱 콘트롤러(320)를 포함한다.

상기 터치 패널(110)은 도 1a에 도시된 터치 패널(110)과 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(320)는 구동부(122), 센싱부(224) 및 제어부(126)를 포함한다. 동작시, 상기 터치 센싱 콘트롤러(320)는 상기 구동전극들(112)에 서로 다른 구동주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 제공하고, 상기 센싱전극들(114) 각각에서 센싱되는 센싱신호들을 고속 푸리에 변환(FFT)하여 상기 구동주파수에 대한 상기 센싱주파수 크기의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다.

상기 구동부(122)는 도 1a에 도시된 구동부(122)와 동일하므로 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

상기 센싱부(124)는 차동 수신부(410), 제1 신호 증폭부(420), 액티브 필터부(430), 제2 신호 증폭부(440), 아날로그-디지털 변환부(450), 고속 푸리에 변환부(460), 터치 판별부(470) 및 노이즈 센싱부(480)를 포함한다.

상기 센싱부(124)는 상기 센싱전극들(114) 각각에서 센싱신호를 차동적으로 수신하여 차동 센싱신호를 생성하고, 상기 차동 센싱신호를 고속 푸리에 변환하여 차동 센싱신호의 주파수 크기를 획득하고, 상기 센싱신호의 주파수 크기와 상기 구동신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별한다. 본 실시예에서, 상기 차동 수신부(410), 상기 제1 신호 증폭부(420), 상기 액티브 필터부(430), 상기 제2 신호 증폭부(440), 상기 아날로그-디지털 변환부(450), 상기 고속 푸리에 변환부(460) 및 상기 터치 판별부(470)는 도 1a 및 도 1b에서 도시된 바 있으므로 동일한 도면부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

상기 노이즈 센싱부(480)는 주변의 노이즈 성분을 센싱하고 센싱된 노이즈 성분에 대한 주파수 특성을 상기 제어부(126)에 제공한다. 상기 노이즈 성분은 휴대폰에서 발생되는 충전기 노이즈 성분일 수도 있고, 주변 인공광에 의해 발생되는 노이즈 성분일 수도 있다.

상기 제어부(126)는 터치 구동 제어부(127) 및 터치 센싱 제어부(128)를 포함한다.

상기 터치 구동 제어부(127)는 서로 다른 구동주파수를 갖는 구동신호들을 상기 구동전극들(112) 각각에 동시에 제공하도록 상기 구동부(122)의 동작을 제어한다.

또한, 상기 터치 구동 제어부(127)는, 노이즈 성분의 주파수 대역을 회피하여 구동신호의 주파수를 결정한다. 즉, 터치 센싱 동작 중에 노이즈 성분이 유입되면, 상기 구동부는 해당 노이즈 성분의 주파수 대역을 제외하여 구동신호의 주파수를 설정한다.

상기 터치 센싱 제어부(128)는 상기 아날로그-디지털 변환부(450)가 상기 구동신호의 주파수 보다 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환하도록 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보를 상기 아날로그-디지털 변환부(450)에 제공한다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(320)는 측정된 크기 및 연관된 파라미터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치(미도시)와, 필요한 계산 및 제어 기능을 수행하는 마이크로프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 터치 센싱 콘트롤러(320) 및/또는 상기 터치 센싱 장치(300)의 기타 부분은, 본 명세서에 기술된 기능들 중 하나 이상의 기능을 수행하기 위해, 하나 이상의 ASIC(application-specific integrated circuit), ASSP(application-specific standard product) 등으로 구현될 수 있다.

통상적으로 터치 센싱은 외부 노이즈, 예를들어, 전원 노이즈, LCD 구동 노이즈, R/F 노이즈, 삼파장 노이즈 등에 민감하기 때문에 별도의 노이즈 제거를 위해 필터 알고리즘 또는 주파수 호핑 기술을 통해 터치스크린의 터치를 센싱하고 운용한다.

하지만, 본 발명에서는 센싱신호에서 이미 알고 있는 구동주파수 성분의 크기(Magnitude)의 변화량을 통해 터치를 센싱하므로 주파수 성분을 갖고 있는 노이즈 성분과 터치 성분의 구분이 용이하다. 따라서 터치스크린의 동작 환경에서 발생하는 노이즈 성분에 대해 별도의 처리없이 FFT의 결과를 사용하여 원하는 추파수의 센싱신호의 변화량만을 측정할 수 있음으로 노이즈에 대한 해결이 용이하다.

한편, 터치 센싱 장치가 채용되는 휴대폰에는 각종 노이즈 성분이 존재하므로 터치 센싱의 효율을 저감시킬 수 있다.

도 12는 터치 센싱 장치가 채용된 휴대폰에서 발생되는 충전기 노이즈를 설명하기 위한 주파수 노이즈 스펙트럼이다.

도 12를 참조하면, 휴대폰의 충전기에서 발생되는 노이즈(즉, 충전기 노이즈)는 대략 150kHz, 대략 300kHz 및 대략 470kHz 각각에서 발생되는 협대역 노이즈 성분과, 130kHz 내지 180kHz 대역, 260kHz 내지 370kHz 대역, 400kHz 내지 560kHz 대역 각각에서 발생되는 광대역 노이즈 성분을 포함한다. 이러한 충전기 노이즈가 휴대폰에 채용되는 터치 센싱 장치에 유입되면 처리에 어려움이 있다.

도 13은 도 12의 주파수 노이즈 스펙트럼에서 구동주파수 설정을 설명하기 위한 주파수 노이즈 스펙트럼이다.

도 13을 참조하면, 노이즈 스펙트럼에서 노이즈가 심한 주파수 대역인 대략 150kHz, 대략 300kHz, 대략 470kHz, 130kHz 내지 180kHz 대역, 260kHz 내지 370kHz 대역, 400kHz 내지 560kHz 대역을 피해서 각각 제1 구동주파수(f0), 제2 구동주파수(f1), 제3 구동주파수(f2), 제4 구동주파수(f3)를 구동한다. 센싱된 신호에서 해당 주파수 크기(Magnitude)의 변화율만 측정하면 노이즈를 회피하여 센싱이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 인접하는 센싱전극들간의 변위량을 증폭하므로 분해능을 높일 수 있다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100, 200, 300 : 터치 센싱 장치 110 : 터치 패널
112 : 구동전극 114 : 센싱전극
120, 220, 320 : 터치 센싱 콘트롤러 122 : 구동부
124, 224 : 센싱부 126 : 제어부
127 : 터치 구동 제어부 128 : 터치 센싱 제어부
410, 510 : 차동 수신부 420, 520 : 제1 신호 증폭부
430 : 액티브 필터부 440 : 제2 신호 증폭부
450 : 아날로그-디지털 변환부 460 : 고속 푸리에 변환부
470 : 터치 판별부 480 : 노이즈 센싱부

Claims (22)

1. (a) 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 복수의 구동전극들 각각에 제공하는 단계;
   (b) 복수의 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 단계를 포함하는 터치 센싱 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동신호들은 상기 구동전극들 각각에 동시에 제공되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 구동신호의 주파수는 노이즈 성분의 주파수 대역을 회피하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 방법.
4. 제1항에 있어서, 터치 센싱 동작 중에 노이즈 성분이 유입이 되면 해당 노이즈 성분의 주파수 대역을 제외하여 구동신호의 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 방법.
5. 제1항에 있어서, 단계(b)는,
   (b-1) 차동적으로 상기 센싱신호를 수신하여 차동 센싱신호를 생성하는 단계;
   (b-2) 상기 차동 센싱신호를 액티브 필터링하는 단계;
   (b-3) 액티브 필터링된 센싱신호를 증폭하는 단계;
   (b-4) 증폭된 센싱신호를 아날로그-디지털 변환하는 단계;
   (b-5) 아날로그-디지털 변환된 센싱신호를 고속 푸리에 변환(FFT) 처리하여 센싱신호의 주파수 크기를 획득하는 단계; 및
   (b-6) 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기와 상기 구동신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 단계를 포함하는 터치 센싱 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 증폭된 신호는 상기 구동신호의 주파수보다 2배 이상 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환되는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 방법.
7. 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 복수의 구동전극들에 제공하는 구동부; 및
   복수의 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 센싱부를 포함하는 터치 센싱 콘트롤러.
8. 제7항에 있어서, 상기 구동부는,
   상기 구동전극들 각각에 정현파를 제공하는 디지털 함수 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
9. 제8항에 있어서, 터치 구동 제어부를 더 포함하고,
   상기 디지털 함수 발생부는 상기 구동전극들 각각에 연결되어 상기 터치 구동 제어부의 제어에 응답하여 사인파를 정확한 주파수, 주기 및 위상을 정밀하게 발생시키도록 구성된 복수의 직접 디지털 합성(Direct Digital Synthesis, 이하, DDS) 모듈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
10. 제9항에 있어서, 주변의 노이즈 성분을 센싱하고 센싱된 노이즈 성분에 대한 주파수 특성을 상기 터치 구동 제어부에 제공하는 노이즈 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
11. 제10항에 있어서, 상기 터치 구동 제어부는 상기 노이즈 센싱부에서 제공되는 노이즈 성분의 주파수 대역을 회피하여 상기 구동신호를 생성하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
12. 제7항에 있어서, 상기 센싱부는 상기 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 상기 차동 센싱신호를 생성하는 복수의 커런트 컨베이어 회로들을 포함하고,
    상기 커런트 컨베이어 회로의 수는 상기 센싱전극의 수보다 1개 작은 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
13. 제12항에 있어서,
    홀수번째 커런트 컨베이어 회로는, 홀수번째 센싱전극에 연결된 제1 입력단 및 짝수번째 센싱전극에 연결된 제2 입력단을 포함하고,
    짝수번째 커런트 컨베이어 회로는, 짝수번째 센싱전극에 연결된 제1 입력단 및 홀수번째 센싱전극에 연결된 제2 입력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
14. 제13항에 있어서, 상기 센싱부는,
    상기 커런트 컨베이어 회로의 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 커런트 컨베이어 회로들 각각에서 출력되는 센싱신호를 제1 증폭하는 제1 신호 증폭부;
    상기 신호 증폭기들 각각의 출력단에 연결된 복수의 액티브 필터들을 포함하고, 증폭된 센싱신호들 각각을 필터링하는 액티브 필터부;
    상기 액티브 필터들 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 액티브 필터링된 센싱 신호들을 제2 증폭하는 제2 신호 증폭부;
    복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하고, 상기 제2 증폭된 센싱신호들 각각을 디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환부;
    복수의 고속 푸리에 변환기들을 포함하고, 디지털 변환된 센싱신호들 각각을 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부; 및
    상기 구동신호의 주파수 크기를 기준으로 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 판별부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
15. 제7항에 있어서, 상기 센싱부는 상기 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 상기 차동 센싱신호를 생성하는 복수의 커런트 컨베이어 회로들을 포함하고,
    상기 커런트 컨베이어 회로의 수는 상기 센싱전극의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
16. 제15항에 있어서,
    홀수번째 커런트 컨베이어 회로는 홀수번째 센싱전극에 연결되고, 짝수번째 커런트 컨베이어 회로는 짝수번째 센싱전극에 연결된 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
17. 제16항에 있어서, 상기 센싱부는
    서로 인접하는 커런트 컨베이어 회로의 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 커런트 컨베이어 회로들 각각에서 출력되는 센싱신호를 제1 증폭하는 제1 신호 증폭부;
    상기 신호 증폭기들 각각의 출력단에 연결된 복수의 액티브 필터들을 포함하고, 증폭된 센싱신호들 각각을 필터링하는 액티브 필터부;
    상기 액티브 필터들 출력단 각각에 연결된 복수의 신호 증폭기들을 포함하고, 상기 액티브 필터링된 센싱 신호들을 제2 증폭하는 제2 신호 증폭부;
    복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하고, 상기 제2 증폭된 센싱신호들 각각을 디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환부;
    복수의 고속 푸리에 변환기들을 포함하고, 디지털 변환된 센싱신호들 각각을 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부; 및
    상기 구동신호의 주파수 크기를 기준으로 고속 푸리에 변환된 센싱신호의 주파수 크기간의 변화량을 근거로 터치 발생 여부를 판별하는 터치 판별부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
18. 제17항에 있어서,
    첫번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로는 플로팅된 제1 출력단 및 첫번째 신호 증폭기에 연결된 제2 출력단을 포함하고,
    마지막번째 센싱전극에 연결된 커런트 컨베이어 회로는 마지막번째 신호 증폭기에 연결된 제1 출력단 및 플로팅된 제2 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
19. 제14항 또는 제17항에 있어서, 상기 액티브 필터부는 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
20. 제14항 또는 제17항에 있어서, 상기 커런트 컨베이어 회로, 상기 제1 신호 증폭기, 상기 액티브 필터부, 상기 제2 신호 증폭부, 상기 아날로그-디지털 변환부 및 상기 고속 푸리에 변환부의 동작을 제어하는 터치 센싱 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
21. 제14항 또는 제17항에 있어서, 상기 터치 센싱 제어부는 상기 아날로그-디지털 변환부가 상기 구동신호의 주파수 보다 빠른 주파수로 아날로그-디지털 변환하도록 상기 구동신호의 주파수에 대한 정보를 상기 아날로그-디지털 변환부에 제공하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 콘트롤러.
22. 복수의 구동전극들과 복수의 센싱전극들이 배치된 터치 패널; 및
    상기 구동전극들에 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 구동신호들을 제공하는 구동부와, 상기 센싱전극들을 통해 센싱되는 센싱신호들을 차동적으로 수신하여 터치 발생 여부를 판별하는 센싱부를 포함하는 터치 센싱 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 센싱 장치.

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