KR20190031587A - 가드-감지 정전용량 센서에서 감지 임피던스 결정 방법 - Google Patents

가드-감지 정전용량 센서에서 감지 임피던스 결정 방법 Download PDF

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KR20190031587A
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Abstract

로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법이되, 상기 센서는 감지 노드에 연결되는 전기 전도성인 감지 전극, 가드 노드에 연결되는 전기 전도성인 가드 전극, 주기적 가드 전압원, 및 작동 가능하게 연결된 제어 및 평가 회로를 포함한다. 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다:
a. 상기 주기적 가드 전압원을 활용하여 주기적 가드 전압을 제공하는 단계;
b. 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 기설정된 값 Zref의 기준 임피던스를 통해 진폭 Vrefi의 n개의 상이한 주기적 기준 전압들을 순차적으로 제공하는 단계이되, i및 n은 양의 정수이고, 1 ≤ i ≤ n 이고 여기서 n ≥ 2;
c. 진폭 Vrefi로 제공되는 각 기준 전압에 대해, 전류 측정 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가되는 각 전류의 진폭 Imi 에 대응하는 값을 결정하는 단계;
d. 상기 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 제공되는 감지 기준 전압 Vs 의 진폭을 결정하는 단계이되, 상기 제어 및 평가 회로에 의해 인가되어 진폭 0의 전류를 만들고;
e. 단계 d에서 결정된 상기 감지 기준 전압 Vs, 상기 주기적 가드 전압 Vg, 및 상기 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 상기 감지 전극의 상기 미상의 감지 임피던스 Zx를 산출하는 단계를 포함하는 방법.

Description

가드-감지 정전용량 센서에서 감지 임피던스 결정 방법
본 발명은 일반적으로 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하기 위한 정전용량 감지 회로 분야에 대한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법에 대한 것이다.
정전용량 감지는 최신 기술 분야에서 일반적으로 활용되고 있다. 예를 들어 자동차 분야에서, 정전용량 감지 회로는 에어백 또는 안전벨트 프리텐셔너 (pretensioner)와 같은 안전 장치의 가동을 제어하기 위해 탑승자 감지 시스템에 종종 설치된다. 오늘 날 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 회로라 지칭되는 정전용량 감지 회로에 일반적으로 활용된다.
“로딩 모드 (loading mode)"라는 용어는 비접촉식 3 차원 위치 측정을 수행하는데 사용되는 전기장 감지의 개념을 기술하는데 사용되며, 보다 구체적으로는 전극과 관련하여 인체의 존재 및 /또는 위치를 검출하는 데 사용된다. 검출은 인체를 통해 전극이나 송신기 플레이트로부터 접지로 뽑아진 전류를 측정하여 추정된다. 이러한 개념은 기타 일반적인 두 개의 정전용량 감지 모드인 “션트 (shunt) 모드” 및 “전송 (transmit)모드”와 구별된다. 다른 정전용량 감지 작동 모드에 대한 추가적인 설명은 Computer Graphics I/O Devices의 1998년 5월/6월호 58-60쪽의 제이 알 스미스 (J.R. Smith)저 제목 “Electric Field Sensing for Graphical Interfaces” 인 기술 문서를 참조한다.
해당 분야에 일반적으로 알려진 바와 같이 가드-감지 정전용량 센서는 감지 노드에 연결된 감지 전극 및 가드 노드에 연결된 가드 전극을 포함한다. 상기 센서는 작동 시에 가드 노드에 기설정된 진폭의 가드 전압을 제공하기 위해 가드 노드에 연결된 주기적 전압원을 더 포함한다.
센서는 감지 노드 및 가드 노드에 연결되는 제어 및 평가 회로를 더 포함한다. 제어 및 평가 회로는 작동 시에 미상의 감지 임피던스를 통해 결정되는 감지 전극으로부터 인출된 전류에 대응하는 감지 노드에 전류를 입력함으로써 가드 전극과 동일한 전위로 감지 전극을 유지하도록 구성된다. 양 전극들 사이의 공간은 따라서 전기장이 없으며, 가드 전극의 방향에서 임의의 위치에 있는 신체에 감지 전극이 둔감해진다.
본 발명의 맥락에서 감지 및 가드 전극이 동일한 전위를 갖고 상기 두 전극들 사이는 전기장이 없다는 일반적 이론 상의 추정을 하는 것으로 이해된다. 이러한 추정은 하기 설명에서도 사용될 것이다.
제어 및 평가 회로는 감지 노드에 입력하는 전류를 결정하고 감지 노드로 입력되는 전류를 나타내고 따라서 결정되는 감지 임피던스를 나타내는 출력 신호를 발생시키도록 구성된다. 이러한 작업들을 수행하기 위해, 제어 및 평가 회로는 일반적으로 트랜스임피던스 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다. 트랜스임피던스 증폭기의 음의 입력 및 양의 입력은 각기 감지 노드 및 가드 노드에 연결된다. 그 입력들 사이의 전위차를 0으로 유지하기 위해서 트랜스임피던스 증폭기의 출력 신호는 증폭기에 의해 음의 입력으로 입력된 전류에 비례한다. 아날로그-디지털 컨버터는 일반적으로 증폭기의 출력에 연결된다.
가드-감지 정전용량 회로는 방향성이 있고 비유전체 주변 물체에 의해 교란되지 않고 신체를 감지할 수 있는 장점을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 측정 회로는 낮은 임피던스에서 중요한 영향을 줄 수 있는 감지 임피던스 결정에 있어서의 무시할 수 없는 오차를 유발하는 비이상적인 구성요소들을 일반적으로 사용한다.
일반적으로, 감지 임피던스 결정에서의 오차는 다양한 미상의 임피던스와 연관되고, 이의 주요 소스는 감지-대-가드 임피던스이다. 가드-감지 임피던스는 가드 노드 및 감지 노드 사이의 임피던스로 이해된다. 가드-감지 임피던스는 또한 하기에서 기생(parasitic) 임피던스로 지칭된다.
해당 기술분야에는 정전용량 측정 회로에서 기생 임피던스의 영향을 억제하여 이상적이지 않은 시간 가변성 (time variant) 임피던스를 측정하는 해결책들이 이미 알려져 있다. 예를 들어 미국 특허 문헌 번호 제US 4,481,464호는 비이상적인 정전용량 측정 회로에서의 임피던스 측정을 개선하는 해결책을 개시한다. 상기 회로는 펄스 발생기, 사인파 발생기를 포함하는 입력부를 포함하고, 기생 임피던스에 대응하는 측정된 신호의 간섭(interference) 성분을 분리하기 위한 복조 (demodulation)를 수행한다.
그러나 이러한 솔루션은 커플링 모드에서 작동하는 정전용량 감지 시스템에만 적용되고 본 발명이 관련되는 로딩 모드 측정에는 적용될 수 없다.
본 발명의 목적은 따라서 선행 기술에 비해 센서의 측정을 개선하는 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법을 제공함으로써, 상기 설명된 결점들 및 단점들을 해결한다. 센서는 감지 노드에 연결된 전기 전도성 감지 전극, 가드 노드에 연결된 전기 전도성 가드 전극, 가드 노드에 진폭 Vg 의 주기적 가드 전압을 제공하기 위한 주기적 가드 전압원, 및 감지 노드 및 가드 노드에 작동 가능하게 연결된 제어 및 평가 회로를 포함한다.
본 발명의 맥락에서 별도로 명시되지 않는 한 전류 또는 전압의 “진폭 (amplitude)”은 상기 전류 또는 전압의 복소 진폭 (complex amplitude)을 지칭할 것이다.
제어 및 평가 회로는 동작 시에 감지 노드에 전류를 인가함으로써 감지 노드 및 가드 노드 사이의 전위차를 0으로 유지하고, 감지 노드에 인가된 상기 전류의 진폭에 대응하는 값을 결정하도록 구성된다.
상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다:
a. 상기 주기적 가드 전압원을 활용하여 주기적 가드 전압을 제공하는 단계;
b. 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 기설정된 값 Zref의 기준 임피던스를 통해 진폭 Vrefi의 n개의 상이한 주기적 기준 전압들을 순차적으로 제공하는 단계이되, i및 n은 양의 정수이고, 1 ≤ i ≤ n 이고 여기서 n ≥ 2;
c. 진폭 Vrefi로 제공되는 각 기준 전압에 대해, 전류 측정 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가되는 각 전류의 진폭 Imi 에 대응하는 값을 결정하는 단계;
d. 상기 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 제공되는 감지 기준 전압 Vs 의 진폭을 결정하는 단계이되, 상기 제어 및 평가 회로에 의해 인가되어 진폭 0의 전류를 만들고;
e. 단계 d에서 결정된 상기 감지 기준 전압 Vs, 상기 주기적 가드 전압 Vg, 및 상기 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 상기 감지 전극의 미상의 감지 임피던스 Zx를 산출하는 단계를 포함하는 방법.
본 발명에 따른 방법은 가드-감지 임피던스에 영향을 주지 않고 감지 전극의 미상의 임피던스를 결정하는 방법을 제공한다. 물론 미상의 감지 임피던스 산출은 제어 및 평가 회로에 의해 감지 노드에 인가되는 전류가 0의 진폭인 것으로 사실 상 간주되어 이루어 진다. 이론적 추정으로 인해, 이는 본 발명이 가드 노드 및 감지 노드 사이의 기생 가드-감지 임피던스를 통해 흐르는 전류가 없고 결과적으로 가드 및 감지 노드 사이의 가드-감지 임피던스가 결정으로부터 제거되는 가상 사례에 있어서의 미상의 임피던스를 결정하는 것을 목적으로 함을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 단계 e는 하기의 수식을 활용하여 단계d에서 결정된 감지 기준 전압을 참조하여, 감지 전극의 미상의 감지 임피던스 Zx를 산출하는 단계를 포함한다:
Figure pct00001
상기 수식은 가상 작동 포인트에 Vs가 인가되어, 제어 및 평가 회로에 의해 감지 노드에 인가되는 전류가 실질적으로 0과 동일한 진폭을 갖는 회로의 단순화를 활용한다. 상기 수식은 기설정된 값들만을 조합한다.
본 실시예에서, 단계 d는 하기 수식을 활용하여 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 보간법(interpolation) 에 의해 산출하는 단계를 포함한다:
Figure pct00002
여기서 Vref1 및 Vref2 는 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 감지 노드에 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류의 진폭이다.
따라서, 감지 기준 전압 Vs은 두 개 측정치의 최소값으로 결정될 수 있고, 이는 보다 큰 오차 범위에서 일반적인 선행 기술 감지 임피던스 측정보다 단 하나 많은 것이다. 측정 결과의 속도는 측정된 임피던스가 시간 변화적이므로 중요한 속성이다.
본 실시예에서, 단계 d는 제어 루프로 감지 측정 회로에 의해 감지 노드로 인가된 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 감지 기준 전압Vs에 도달할 때까지 기준 전압 Vrefi의 값을 조절하는 단계를 포함한다.
감지 기준 전압을 결정하는데 활용되는 각 측정에 존재 하는 오차 범위를 줄이기 위해, 본 발명의 실시예는 감지 기준 전압 Vs이 소정의 오차 범위에 도달할 때까지 조절하는 제어 루프를 활용한다. 제어 루프는 센서의 반응 속도를 낮추지만, 감지 임피던스 측정 결과의 감도를 향상시킨다. 본 발명에 따른 제어 루프는 최적화된 측정을 제공하기 위해 감지 임피던스 측정의 감도와 반응성 사이에 균형을 맞추도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명 단계 d는 하기 수식을 활용하여 감지 기준 전압 Vsc의 진폭을 보간법(interpolation) 에 의해 산출하는 단계를 포함한다:
Figure pct00003
여기서 Vref1 및 Vref2 는 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 감지 노드에 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류이고; 산출된 감지 기준 전압 Vsc의 진폭에서 시작하여, 감지 측정 회로에 의해 감지 노드에 인가된 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 개선된 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 이용하여 기준 전압의 값을 조절한다.
본 발명의 상기 실시예에서, 감지 기준 전압의 결정이 두 개의 단계들로 수행된다. 제1단계는 두 개의 초기 측정에 의해 수행되는 보간법에 의한 산출이다. 상기 보간법 산출은 이상적인 값에 근접한 값을 초래하지만, 여전히 오차 범위가 있다. 제2단계는 제어 루프로 결과를 정밀하게 조절하여 상기 오차 범위를 감소시키는 단계로 구성된다. 이러한 방식으로, 감지 기준 전압을 결정하는 속도는 단일 제어 루프만을 활용하는 실시예에 비해 많이 향상되고, 상기 결과의 정확도는 보간법 산출 만을 활용하는 방법의 실시예와 비교하여 향상된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하기 위한 임피던스 측정 회로가 제공된다. 상기 센서는 감지 노드에 연결된 전기 전도성인 감지 전극, 가드 노드에 연결된 전기 전도성인 가드 전극을 포함한다.
임피던스 측정 회로는 가드 노드에 진폭 Vg 의 주기적 가드 전압을 제공하는 주기적 가드 전압원 및 감지 노드 및 가드 노드에 작동 가능하게 연결된 제어 및 평가 회로를 포함한다. 상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 감지 노드에 전류를 인가하여 감지 노드 및 가드 노드 사이의 전위차를 0으로 유지하고, 감지 노드에 인가된 상기 전류의 진폭에 대응하는 값을 결정하도록 구성된다.
임피던스 측정 회로는 기설정된 값 Zref의 기준 임피던스를 통해, 상기 감지 노드에 n개의 진폭 Vrefi의 상이한 주기적 기준 전압들을 제공하도록 구성되는 기준 주기적 전압원을 더 포함하는데, 여기서 i 및 n은 양의 정수, 1 ≤ i ≤ n 이고, 여기서n ≥ 2 이다.
제어 및 평가 회로는 진폭 Vrefi로 제공되는 각 기준 전압에 대해 감지 노드에 인가되는 각 전류의 진폭 Imi에 대응하는 값; 및 제어 및 평가 회로에 의해 인가되어 전류가 진폭 0에 이르게 되는, 기준 주기적 전압원에 의해 감지 노드에 제공될 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 작동 중에 결정하도록 구성된다. 제어 및 평가 회로는 또한 작동 중에 감지 기준 전압Vs, 주기적 가드 전압 Vg, 및 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 즉 기준 주기적 전압원에 의해 인가되는 Vs를 고려하여 가상의 작동 포인트에서, 감지 전극의 미상의 임피던스를 산출하도록 구성된다.
본 발명에서 사용된 “구성된다”라는 용어는 특히 구체적으로 프로그래밍되고, 레이아웃되고, 구비되거나 또는 배치되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 회로는 일반적인 선행 기술의 감지 임피던스 측정회로와 비교하여 주기적 기준 전압원 및 감지 노드에 연결된 기준 임피던스를 포함함으로써 상이하다. 작동 시에, 기준 전압원에 의해 제공되는 신호는 감지 임피던스 및 접지 사이의 회로에 의한 전류 손실을 보상하는데 필요한 신호를 결정하게 한다.
본 발명은 감지 임피던스를 통해 임피던스 측정회로에 의해 접지로 손실되는 전류를 보상하는 신호를 감지 노드에 제공함으로써, 회로가 대략적으로 감지 노드의 전위가 가드 노드의 전위와 동일하게 유지되고 제어 및 평가 회로에 의해 감지 노드에 제공되는 전류가 0과 같은 진폭을 가지므로 가드-감지 임피던스를 억제하는 작동점에서 작동하는 것으로 간주될 수 있다는 관점에서 제공된다. 상기 작동 지점에서, 전술된 감지 노드에 제공되는 신호는 감지 임피던스에 비례한다.
따라서 감지 임피던스를 통해 감지 전극으로부터 접지로 흐르는 전류를 보상하는데 필요한 신호를 결정하여 제어 및 평가 회로가 기생 가드-감지 임피던스를 억제하면서 감지 임피던스를 결정하도록 한다.
본 발명에 따른 회로 구현은 특별히 고가의 구성요소 없이 일반적으로 사용되는 기본 전기적 구성요소들을 사용한다. 따라서, 회로의 전체적 비용은 저렴하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제어 및 평가 회로는 하기 수식을 활용하여, 감지 기준 전압Vs, 주기적 가드 전압 Vg, 및 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 감지 전극 및 접지 사이의 미상의 임피던스를 작동 중에 산출하도록 구성된다:
Figure pct00004
본 실시예에서, 제어 및 평가 회로는 작동 시에 하기 수식을 통해 보간법에 의한 산출을 활용하여 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 결정하도록 구성된다:
Figure pct00005
여기서 Vref1 및 Vref2 는 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 감지 노드에 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류의 진폭이다.
실시예에서, 제어 및 평가 회로는 작동 시에 감지 측정 회로에 의해 감지 노드에 인가되는 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 사용하여 기준 전압값 Vrefi 을 조절함으로써 감지 기준 전압 Vs을 결정하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제어 및 평가 회로는 작동 시에 하기 수식을 통해 감지 기준 전압 Vsc 의 진폭을 결정하도록 보간법에 의한 산출을 활용하여 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 결정하도록 구성된다:
Figure pct00006
여기서 Vref1 및 Vref2 는 기준 주기 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 감지 노드에 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류이고; 이후 산출된 감지 기준 전압 Vsc의 진폭에서 시작하여, 제어 및 평가 회로는 작동 시에 감지 측정 회로에 의해 감지 노드에 인가된 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 개선된 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 이용하여 기준 전압의 값을 조절하도록 구성된다.
본 발명에 따른 임피던스 측정 회로의 장점은 작동 시에 본 발명에 따른 방법의 모든 단계들을 수행하도록 구성되는 것에 있다. 결과적으로, 상기 방법의 장점들은 회로에 적용된다. 또한, 회로는 특별히 고가의 구성요소들을 포함하지 않는다.
바람직하게, 상기 제어 및 평가 회로는 프로세서부 및 디지털 메모리부를 더 포함하고, 상기 디지털 메모리부는 그 안에 저장된 프로그램 코드를 포함하고, 컴퓨터에서 실행되는 경우 상기 프로세서가 본 발명에 따른 로딩 모드로 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법을 수행하도록 한다
컴퓨터 프로그램 코드는 임피던스 측정 회로가 자동화된 프로세스로 실시간으로 본 발명에 따른 방법의 단계들을 수행하도록 한다.
본 발명에 따른 회로 및/또는 방법은 탑승 감지를 수행하도록 운송수단에 구현될 수 있다. 결과물인 센서는 예를 들어 좌석 탑승 센서, 팔위치 센서, 아동 좌석 감지 센서 등이 될 수 있다.
본 발명의 추가적인 세부사항 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 제한되지 않는 후술되는 상세한 설명으로 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 임피던스 측정 회로의 일 실시예의 레이아웃을 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도이다;
도 3은 도 2에 따른 미상의 감지 임피던스 산출을 수행하는데 활용되는 도 1의 감지 노드 주위를 설명하는 레이아웃이다.
본 발명의 맥락에서, “가드-감지 정전용량 센서”라는 용어는 “로딩 모드에서 작동하는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하기 위한 임피던스 측정 회로”를 지정하는 것으로 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가드-감지 정전용량 센서(10)는 감지 노드 (14)에 연결된 전기 전도성인 감지 전극 (12) 및 가드 노드 (18)에 연결된 전기 전도성인 가드 전극 (16)을 포함한다. 상기 두 전극들 (12, 16)은 그 사이에 직접 전류가 흐르지 않도록 갈바닉 (galvanically) 절연되어 있다.
센서 (10)는 가드 노드 (18)에 연결된 주기적 가드 전압원 (20) 및 감지 노드 (14)와 가드 노드 (18)에 동작 가능하게 연결된 제어 및 평가 회로 (22)를 포함한다.
센서 (10)는 기설정된 값 Zref의 기준 임피던스를 통해 감지 노드 (14)에 연결된 주기적 기준 전압원 (24)을 더 포함한다.
주기적 가드 전압은 기설정된 진폭 Vg 및 특정 주파수를 갖는다. 가드 전압의 주파수는 바람직하게는 감지 임피던스에 가해지는 주변 기생 임피던스의 영향을 최소화하도록 결정된다. 이러한 결정은 일련의 공지된 값들을 기반으로 한다.
제어 및 평가 회로 (22)는 감지 노드 (14)에 전류를 실시간으로 인가함으로써 감지 노드 (14) 및 가드 노드 (18) 사이의 전위차가 영으로 유지되도록 구성되고, 감지 전극 (12)으로부터 미상의 감지 임피던스 Zx를 통해 접지로 흐르는 전류를 보상하는 전류이다. 하기에서, 제어 및 평가 회로 (22)에 의해 인가된 전류는 또한 입력 전류로 지칭될 수 있다.
제어 및 평가 회로 (22)는 입력된 전류의 진폭에 대응하는 값을 작동 중 및 실시간으로 결정하도록 추가적으로 구성된다. 하기에서 후자의 값은 측정된 전류 Im로 또한 지칭될 수 있다.
실시예들에서, 제어 및 평가 회로는 예를 들어 트랜스임피던스 증폭기 (26)와 같은 전류-전압 컨버터를 포함하는데, 이의 음의 입력은 감지 노드 (14)에 연결되고 양의 입력은 가드 노드 (18)에 연결되어 있다. 감지 노드 (14) 및 가드 노드 (18)에 동일한 전위를 유지하기 위해서 트랜스임피던스 증폭기 (26)의 출력 전압은 감지 노드 (14)에 인가되는 전류에 비례한다.
바람직하게는, 제어 및 평가 회로 (22)는 트랜스임피던스 증폭기 (26)의 출력 전압의 변화를 결정하고 트랜스임피던스 증폭기(26)에 의해 인가된 입력 전류 Im의 값으로 변환하도록 구성된 측정 회로 (28)를 포함한다.
인체가 감지 전극 (12)에 인접하는 경우, 상기 감지 전극 (12)으로부터 상기 인체를 통해 접지로 전류가 흐른다. 감지 노드 (14)로부터 접지로 흐르는 전류가 증가한다. 제어 및 평가 회로 (22)는 입력된 전류 Im을 증가시켜서 반응하고, 상기 입력 전류 Im을 측정한다.
감지 전극 (12) 및 접지 사이의 추가적인 미상의 감지 임피던스 Zx에 의해 감지 전극 (12)에 인접한 신체의 유무가 센서의 회로 (12)에서 설계될 수 있다. 또한, Zx값은 상기 신체의 속성에 관련될 수 있다. 이후 센서는 성인, 아동 및 기타 신체를 구별할 수 있다. 주어진 신체에서, 미상의 임피던스 Zx값은 감지 전극 (12)으로부터 신체까지의 거리에 비례한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 방법 (50)의 제1 단계 (52)에서 가드 전압원 (20)는 가드 노드 (18)에 주기적 가드 전압Vg을 인가한다. 상기 주기적 가드 전압은 바람직하게는 진폭 Vg의 사인파 신호이다.
다음 단계 (54)에서, 기준 전압원 (24)은 감지 노드 (14)로 기준 임피던스 Zref를 통해 진폭 Vrefi의 상이한 n개의 주기적 기준 전압들을 순차적으로 제공하고, 여기서 i및 n수치들은 양의 정수이고, 1 ≤ i ≤ n 이고, 여기서 n ≥ 2이다.
유리하게는, 기준 전압원 (24)은 Vref1진폭을 갖는 제1설정 기준 전압을 제공하고, Vref1 값은 감지 전극 (12)에 근접하는 유전체 (dielectric body)가 없는 경우에 필요한 전압에 상응하는 기설정된의 값일 수 있다.
일부 실시예에서, 측정 회로 (28)는 데이터를 저장하고 자동 단계들을 실행하기 위해 예를 들어 프로세서부 (30) 및 디지털 메모리부 (32)와 같은 구성요소들을 더 포함한다. 디지털 메모리부 (32)는 상기 방법 (50)에 사용되는 기설정된 값들을 저장하도록 구성된다.
바람직하게는, 상이한 기준 전압들은 모두 동일한 주파수를 갖고, 상기 주파수는 가드 전압의 주파수와 동일하다.
상기 방법 (50)의 또 다른 단계 (56)에서, 측정 시스템 (28)은 제공되는 진폭 Vrefi의 각 기준 전압에 대해, 제어 및 평가 회로 (22)에 의해 감지 노드 (14)에 인가되는 각 전류의 진폭 Imi에 해당하는 값을 결정한다.
이후 단계 (58)에서, 제어 및 평가 회로 (22)는 진폭 Ims의 감지 입력 전류가 0이 되게 만드는 진폭 Vs 의 감지 기준 전압 값을 결정한다.
측정된 입력 전류 Im은 Im- ≤ Im ≤Im+와 같이 소정의 임계 도메인의 값들 사이에 있는 경우 실질적으로 0으로 간주되는데, 여기서 Im+는 양의 임계값이고 Im-는 음의 임계값이다. 임계값 Im+ 및 Im-는 센서의 목표 감도 및 반응성에 따라 기설정된다. 물론, 광범위한 임계 도메인에서, 기준 전압 Vs의 결정은 신속하지만 부정확할 것이고, 반대로 좁은 임계 도메인에서 Vs의 결정은 시간비용이 들고 정확할 것이다. 임계 도메인은 바람직하게는 센서를 구상하는 동안에 설계된다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법 (50)의 단계 (58)는 하기와 같은 두 단계들을 포함한다:
제1단계 (60)에서, 두 개의 상이한 Vrefi 및 대응하는 설정된 Imi의 집합에 기반하여, 제어 및 평가 회로 (22)는 외삽법(extrapolation)에 의해 진폭 Ims = 0의 감지 입력된 전류를 초래하는 산출된 감지 기준 전압 진폭 Vsc를 산출한다.
외삽법 산출은 기준 전압 Vrefi의 주어진 주파수에 대해, 입력 전류의 진폭의 변화는 기준 전압원 (24)에 의해 제공되는 전압의 진폭에 선형 비례(linearly proportional)하다는 관점에 기반한다. 이는 주기적 기준 전압원 (24)에 의해 감지 노드에 제공되는, 각각 Vrefa, Vrefb의 진폭을 갖는 임의의 두 개의 상이한 주기적 기준 전압에 대해, 제어 및 평가 회로 (22)는 Vrefa, Vrefb 각각에 대해 두 개의 입력 전류 Ima, Imb를 측정하는 것을 의미하고, 하기의 관계식이 도출된다:
Figure pct00007
여기서 K는 상수이다.
결과적으로, 하기와 같은 수식이 추론될 수 있다:
Figure pct00008
여기서 Vref1 및 Vref2 는 기준 주기 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 감지 노드에 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류의 진폭이다. Ims = 0일 때, 후자의 수식이 다음과 같을 수 있다:
Figure pct00009
유리하게는, Vref1 및 Vref2는 기준 전압원 (24)에 의해 순차적으로 제공되는 처음 두 개의 기준 전압들이다.
제2단계 (62)에서, 제어 및 평가 회로 (22)는 결과치를 세밀하게 맞추기 위해 제어 루프 (34)를 활용한다. 일부 실시예에서, 상기 제어 루프(34)는 PID 콘트롤러 (36)를 포함한다. Vsc값에서 시작하여, 감지 입력 전류 세기 Ims에 도달할 때까지, 작동 시에 상기 PID 콘트롤러 (36)는 기준 주기적 전압 Vref의 진폭 값을 조절한다.
Vsc 값에서 시작하여, 제어 및 평가 회로 (22)는 감지 입력 전류 진폭 Ims가 실질적으로 0과 같은 값에 도달할 때까지, 단계 (62)에서 각각의 새로운 측정이 이루어진 후 기준 주기적 전압의 진폭값을 조절한다. 감지 입력 전류 진폭 Ims값에 일단 도달하면, 제어 및 평가 회로는 감지 기준 전압 Vs의 실제 진폭을 추론한다.
본 발명의 실시예에서 감지 기준 전압 Vsis의 진폭을 결정하는 단계(58)는 상술된 외삽법을 통한 산출만을 활용하여 실현되는 것으로 인식되어야 한다. 제어 및 평가 회로 (22)는 산출된 감지 기준 전압 Vsc 을 하기의 추정을 활용하여 실제 감지 기준 전압 Vs로 동화시킨다:
Figure pct00010
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제어 루프가 기준 전압 진폭의 기설정된 값에서 시작되는 것을 제외하고는, 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 결정하는 단계(58)는 상기에 기술된 바와 같이 제어 루프를 포함하는 제어 및 평가 회로에 의해서만 실현되는데, 이는 모든 측정 경우들에서 동일할 것이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 감지 기준 전압 Vs이 결정되면, 상기 방법 (50)은 감지 전극 (14) 및 접지 사이의 미상의 감지 임피던스 Zx를 제어 및 평가 회로 (22)를 통해 산출하는 단계 (64)를 포함한다. 미상의 감지 임피던스 Zx 산출은 감지 노드 (14)에 적용되는 키르히호프의 회로 법칙으로부터 추론되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 제어 및 평가 회로 (22)에서 감지 노드 (14)에 가해지는 전류는 실질적으로 0이고 감지 노드 (14)의 전위는 가드 전위 Vg와 같다. 사용되는 수식은 예를 들어 하기와 같을 수 있다:
Figure pct00011
본 발명에 따른 회로의 보다 바람직한 실시예에서, 디지털 메모리부 (32)는 내장된 컴퓨터 프로그램 코드를 포함한다.
프로세서 상에서 실행되는 경우, 프로그램 코드는 전술된 바와 같은 본 발명에 따른 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법을 프로세서 (30)가 실행하도록 만든다.
10 센서 회로
12 감지 전극
14 감지 노드
16 가드 전극
18 가드 노드
20 주기적 가드 전압원
22 제어 및 평가 회로
24 주기적 기준 전압
26 트랜스임피던스 증폭기
28 측정 회로
30 프로세서부
32 메모리부
34 제어 루프
36 PID 콘트롤러
방법 단계들
52: 주기적 가드 전압 Vg를 인가하는 단계
54: 복수의 기준 전압들 Vrefi를 순차적으로 제공하는 단계
56: Vrefi 각각에 대해 각 Imi 값을 결정하는 단계
58: 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 결정하는 단계
60: 외삽법에 의해 Vs를 산출하는 단계
62: 제어 루프를 활용하여 Vs를 결정하는 단계
64: 미상의 감지 임피던스 Zx를 산출하는 단계

Claims (11)

  1. 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법이되, 상기 센서는 감지 노드에 연결되는 전기 전도성인 감지 전극, 가드 노드에 연결되는 전기 전도성인 가드 전극, 상기 가드 노드에 진폭 Vg의 주기적 가드 전압을 제공하기 위한 주기적 가드 전압원, 및 상기 감지 노드 및 상기 가드 노드에 작동 가능하게 연결된 제어 및 평가 회로를 포함하고,
    상기 제어 및 평가 회로는 상기 감지 노드에 전류를 인가하여 상기 감지 노드 및 상기 가드 노드 사이의 전위차를 0으로 유지하고, 상기 감지 노드에 인가된 상기 전류의 진폭에 대응하는 값을 결정하도록 구성되고,
    a. 상기 주기적 가드 전압원을 활용하여 주기적 가드 전압을 제공하는 단계;
    b. 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 기설정된 값 Zref의 기준 임피던스를 통해 진폭 Vrefi의 n개의 상이한 주기적 기준 전압들을 순차적으로 제공하는 단계이되, i및 n은 양의 정수이고, 1 ≤ i ≤ n 이고 여기서 n ≥ 2;
    c. 진폭 Vrefi로 제공되는 각 기준 전압에 대해, 상기 제어 및 평가 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가되는 각 전류의 진폭 Imi 에 대응하는 값을 결정하는 단계;
    d. 상기 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 제공되는 감지 기준 전압 Vs 의 진폭을 결정하는 단계이되, 상기 제어 및 평가 회로에 의해 인가되어 진폭 0의 전류를 만들고;
    e. 단계 d에서 결정된 상기 감지 기준 전압 Vs, 상기 주기적 가드 전압 Vg, 및 상기 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 상기 감지 전극의 상기 미상의 감지 임피던스 Zx를 산출하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 e는 하기의 수식을 활용하여 단계d에서 결정된 상기 감지 기준 전압을 참조하여, 상기 감지 전극의 미상의 감지 임피던스 Zx를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법:
    Figure pct00012
    .
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단계 d는 하기 수식을 활용하여 상기 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 보간법(interpolation) 에 의해 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법이되:
    Figure pct00013

    여기서 Vref1 및 Vref2 는 상기 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 상기 감지 노드에 상기 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류의 진폭인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d는 상기 감지 측정 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가되는 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 상기 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 이용하여 상기 기준 전압 Vrefi의 값 을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단계 d는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법이되:
    하기 수식을 활용하여 상기 감지 기준 전압 Vsc 의 진폭을 보간법(interpolation) 에 의해 산출하는 단계:
    Figure pct00014

    여기서 Vref1 및 Vref2 는 상기 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 상기 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 상기 감지 노드에 상기 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류이고;
    이후 상기 산출된 감지 기준 전압 Vsc의 진폭에서 시작하여, 상기 감지 측정 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가된 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 개선된 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 이용하여 상기 기준 전압의 값을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 로딩 모드에서 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하기 위한 임피던스 측정 회로이되, 상기 센서는 감지 노드에 연결되는 전기 전도성인 감지 전극, 가드 노드에 연결되는 전기 전도성인 가드 전극, 상기 가드 노드에 진폭 Vg의 주기적 가드 전압을 제공하기 위한 주기적 가드 전압원, 및 상기 감지 노드 및 상기 가드 노드에 작동 가능하게 연결된 제어 및 평가 회로를 포함하는상기 임피던스 측정 회로를 포함하고, 상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 상기 감지 노드에 전류를 인가하여 상기 감지 노드 및 상기 가드 노드 사이의 전위차를 0으로 유지하고, 상기 감지 노드에 인가된 상기 전류의 진폭에 대응하는 값을 결정하도록 구성되고,

    여기서 상기 임피던스 측정 회로는 기준 주기적 전압원을 더 포함하고, 상기 기준 주기적 전압원은 상기 감지 노드에 기설정된 값 Zref의 기준 임피던스를 통해 진폭 Vrefi의 n개의 상이한 주기적 기준 전압들을 순차적으로 제공하는 하도록 구성되고, i및 n은 양의 정수이고, 1 ≤ i ≤ n 이고 여기서 n ≥ 2인 것을 특징으로 하고;
    여기서 상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에:
    진폭 Vrefi로 제공되는 각 기준 전압에 대해 상기 감지 노드에 인가되는 각 전류의 진폭 Imi 에 대응하는 값; 및
    상기 기준 주기적 전압원을 활용하여 상기 감지 노드에 제공되는 감지 기준 전압 Vs 의 진폭, 상기 제어 및 평가 회로에 의해 인가되어 진폭 0의 전류를 만들고;
    결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하고; 및
    여기서 상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 상기 감지 기준 전압 Vs, 상기 주기적 가드 전압 Vg, 및 상기 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 상기 감지 전극의 상기 미상의 감지 임피던스를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 측정 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 상기 감지 기준 전압Vs, 상기 주기적 가드 전압Vg, 및 상기 기준 임피던스 Zref를 참조하여, 하기 수식을 활용하여 상기 감지 전극의 미상의 임피던스를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 측정 회로:
    Figure pct00015
    .
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 하기 수식을 활용하여 상기 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 보간법(interpolation) 에 의해 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 측정 회로이되:
    Figure pct00016

    여기서 Vref1 및 Vref2 는 상기 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2는 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 상기 감지 노드에 상기 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류의 진폭인 것을 특징으로 임피던스 측정 회로.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 상기 감지 측정 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가되는 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 상기 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 이용하여 상기 기준 전압 Vrefi의 값 을 조절하여 상기 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 측정 회로.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 하기 수식을 활용하여 상기 감지 기준 전압 Vsc 의 진폭을 보간법(interpolation) 에 의해 산출하는 것을 활용하여 상기 감지 기준 전압 Vs의 진폭을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하되,
    Figure pct00017

    여기서Vref1 및 Vref2 는 상기 기준 주기적 전압원에 의해 제공되는 두 개의 상이한 기준 전압이고, Im1 및 Im2 는 상기 제공된 전압 Vref1 및 Vref2 에 대해 상기 감지 노드에 상기 감지 측정 회로에 의해 인가되는 각 전류이고;
    이후 상기 산출된 감지 기준 전압 Vsc의 진폭에서 시작하여, 상기 제어 및 평가 회로는 작동 시에 상기 감지 측정 회로에 의해 상기 감지 노드에 인가된 전류의 진폭이 실질적으로 0이 되는 개선된 감지 기준 전압 Vs에 도달할 때까지 제어 루프를 이용하여 상기 기준 전압의 값을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 측정 회로.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 및 평가 회로는 프로세서부 및 디지털 메모리부를 더 포함하고, 상기 디지털 메모리부는 그 안에 저장된 프로그램 코드를 포함하고, 컴퓨터에서 실행되는 경우 상기 프로세서가 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 로딩 모드로 작동되는 가드-감지 정전용량 센서의 감지 임피던스를 결정하는 방법을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 임피던스 측정 회로.
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