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KR101145501B1 - 2 와이어 터치 센서 인터페이스 - Google Patents

2 와이어 터치 센서 인터페이스 Download PDF

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KR101145501B1
KR101145501B1 KR1020057021752A KR20057021752A KR101145501B1 KR 101145501 B1 KR101145501 B1 KR 101145501B1 KR 1020057021752 A KR1020057021752 A KR 1020057021752A KR 20057021752 A KR20057021752 A KR 20057021752A KR 101145501 B1 KR101145501 B1 KR 101145501B1
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Abstract

터치 센서는 2 와이어를 이용하여 제어 시스템 또는 제어 장치와 인터페이스한다. 터치 센서의 출력은 출력 스위치를 제어한다.

Description

2 와이어 터치 센서 인터페이스{TWO WIRE TOUCH SENSOR INTERFACE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2003년 5월 15일에 출원되어 그 개시 내용이 본 명세서에 참조 결합되는 미국 가 특허 출원 제 60/470,961호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 2 와이어만을 이용하여 전계 효과 센서를 제어 시스템 또는 제어 장치와 상호 접속하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
터치 센서는 흔히 기계적 스위치의 대체물로 각광받는다. 하지만, 기계적 스위치를 터치 센서로 대체하는 경우에 일정한 제약이 수반된다. 예컨대, 전형적인 기계적 스위치는 간단한 2 터미널 장치인 반면에, 종래의 터치 센서는 일반적으로 동작하기 위해 3 와이어, 즉 전원 입력 와이어, 그라운드 와이어 및 출력 와이어를 필요로 한다. 따라서, 기계적 스위치를 터치 센서로 대체하는 것은 흔히 기계적 스위치 이용시 필요치 않은 제 3 와이어의 추가를 필요로 한다. 이점은 비용 및 복잡성을 증대시키고, 일정한 애플리케이션시에 기계적 스위치의 대체물로 터치 센서를 이용하는 것을 제약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념을 도시하는 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치를 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전압 출력을 출력 스위치의 시간 함수로 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 장치를 도시하는 개략도.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치(10)를 개념적으로 도시하는 블록도이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 센서 장치에 의해 대체될 기계적 스위치로부터, 그리고 기계적 스위치에 이르게 하는 와이어와 같은 터미널들(J1, J2)은 동작 전압원(도시되지 않음)에 접속된다. 스위칭 다이오드(D1)의 제 1 및 제 2 터미널은 터미널(J1) 및 커패시터(C1)의 제 1 터미널에 접속된다. 저장 커패시터(C1)의 제 2 터미널은 터미널(J2)에 접속된다. 스위칭 다이오드(D1)와 저장 커패시터(C1)의 접점은 전압 조정기(VR)의 입력부에 접속된다. 전압 조정기(VR)의 출력부는 터치 센서(TS)와 언더볼티지 검출기(Undervoltage Detector : UD)의 입력부에 접속된다. 터치 센서(TS)와 언터볼티지 검출기(UD)의 출력부는 출력 스위치(OS)의 입력부에 접속되고, 출력 스위치(OS)의 전원 터미널들은 제각기 터미널들(J1, J2)에 접속된다. 전압 조정기(VR), 언더볼티지 검출기(UD) 및 터치 센서(TS)의 그라운드 각각은 터미널(J2)에 접속된다.
동작시, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 스위칭 다이오드(D1)를 통해 저장 커패시터(C1)를 충전한다. 또한, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 스위칭 다이오드(D1)를 통해 전압 조정기(VR)를 바이어스한다. 전압 조정기(VR)로부터 터치 센서(TS)의 입력부로의 출력이 사전설정 전압보다 큰 경우에, 언더볼티지 검출기(UD)는 터치 센서(TS)가 출력 스위치(OS)를 제어하게 한다. 이러한 조건에서 터치 센서(TS)가 동작하지 않는다면, 출력 스위치(OS)는 기계적 스위치 개방과 같이 "오프" 또는 비도전성이다. 이런 조건에서 터치 센서(TS)가 동작한다면, 출력 스위치(OS)는 기계적 스위치 접속과 같이 "온" 또는 도전성이다. 하지만, 전압 조정기(VR)로부터 터치 센서(TS)의 입력부로의 출력이 사전설정 전압 미만이라면, 언더볼티지 검출기(UD)는 출력 스위치(OS)를 디스에이블한다. 이러한 조건에서, 출력 스위치(OS)는 터치 센서(TS)의 상태에 상관없이 오프로 남아있는다.
출력 스위치(OS)가 오프인 경우에, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 전술한 바와 같이 저장 커패시터(C1)에 인가된다. 출력 스위치(OS)가 온인 경우에, 이것은 본질적으로 회로 터미널들(J1,J2)을 단락시키고, 스위칭 다이오드(D1)를 역바이어스하며 저장 커패시터(C1)로부터 임의의 충전 전압을 제거한다. 이러한 조건에서, 저장 커패시터(C1)는 전압 조정기(VR) 및 터치 센서(TS)를 통해 방전한다. 결국, 저장 커패시터(C1)는 전압 조정기(VR)로의 입력 전압이 전술한 사전설정 전압보다 큰 전압 조정기(VR)의 출력 전압(및 터치 센서(TS)의 입력 전압)을 유지하는 데 충분하지 못할 정도로 방전한다. 전압 조정기(VR)로부터의 출력 전압이 사전설정 전압 미만으로 내려가는 경우에, 언더볼티지 검출기(UD)는 출력 스위치(OS)를 디스에이블하여, 출력 스위치(OS)를 개방시키거나 "오프" 상태로 복귀하게 한다. 출력 스위치(OS)가 개방되거나 "오프"되면, 전압은 스위칭 다이오드(D1)를 통해 저장 커패시터(C1)에 다시 인가되어, 저장 커패시터(C1)를 충전하고 전압 조정기(VR)를 바이어스한다. 대표적인 물리적 실시예에 있어서, 전술한 사이클은 터치 센서(TS)가 지속적으로 동작하는 시간의 약 95% 이상 동안에 출력 스위치(OS)가 접속되거나 "온"되고, 터치 센서(TS)가 동작하지 않는 시간 내내 출력 스위치(OS)가 개방되거나 "오프"되도록 반복한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상업적으로 이용가능한 소자를 이용하여 구현되는 장치(20)를 개략적으로 도시하고 있다. 장치(20)는 도 1과 연관시켜 전술한 장치(10)와 유사하지만, 도 1의 전압 조정기(VR) 및 언더볼티지 검출기(UD)의 기능을 단일 장치, 즉 전압 조정기(U1)로 통합한다. 전압 조정기(U1)는 특히 National Semiconductor사 제공의 전압 조정기 LP2951로 바람직하게 구현된다. 이 장치의 "에러" 핀은 출력 스위치(OS)의 제어 입력부에 접속된다. 전압 조정기(U1)의 출력 전압(및 터치 센서(TS)로의 입력 전압)이 사전설정 전압 미만인 경우에, 전압 조정기(U1)의 "에러" 핀 및 출력 스위치(OS)로의 제어 입력부는 그라운드에 내부 접속된다. 전압 조정기(U1)의 출력 전압(및 터치 센서(TS)로의 입력 전압)이 사전설정 전압보다 큰 경우에, 전압 조정기(U1)의 "에러" 핀은 본질적으로 개방 회로에 내부 접속된다.
또한, 장치(20)는 도 1의 실시예에 도시되어 있지 않은 다음의 추가 회로 구성요소, 즉 터미널(J1)과 스위칭 다이오드(D1) 사이에 접속되는 제 1 피크 전류 억제 저항(R5)과, 스위칭 다이오드(D1)와 저장 커패시터(C1) 사이에 접속되는 제 2 피크 전류 억제 저항(R1)과, 저장 커패시터(C1)에 병렬 접속되는 제너 다이오드(D2)와, 터치 센서(TS)의 출력부와 출력 스위치(OS)로의 제어 입력부 사이에 접속되는 전류 억제 저항(R2)과, 터치 센서(TS)로의 입력부와 터미널(J2) 사이에 접속되는 제 2 커패시터(C2)를 포함한다. 제 1 및 제 2 피크 전류 억제 저항(R1 및 R5)은 생략될 수 있지만, 자동 애플리케이션에서는 EMC 고려를 완화하기 위해 구비하는 것이 바람직하며, 또한 다른 애플리케이션에서도 구비하는 것이 바람직할 수 있다. 제너 다이오드(D2)는 예를 들어 유도 부하를 갖는 시스템에서 발생할 수 있는 고전압 과도 전류로부터 전압 조정기(VR)를 보호한다. 즉, 제어 다이오드(D2)로의 입력(및 전압 조정기(VR)로의 입력 전압)이 사전설정값을 초과한다면, 제너 다이오드(D2)는 사전설정 전압에서 입력 전압을 클램프할 것이다. 제너 다이오드(D2)는 과도 전류 보호가 중요치 않는 특정한 애플리케이션에서는 생략될 수 있다. 제 2 커패시터(C2)는 전압 조정기(U1)를 안정화시키기 위해 제공된다.
바람직한 실시예에 있어서, 터치 센서(TS)는 일리노이드주 위톤의 TouchSensor Technologies, LLC사가 제공하는 TS 100 제어 회로를 이용하는 터치 센서로 구현된다. 이러한 장치는 그 개시 내용이 본 명세서에 참조 결합된 미국 특허 제 6,320,282호에 개시되어 있다. 바람직하게, 출력 스위치(OS)는 본 기술 분야의 당업자들에게 알려져 있는 바와 같이 다른 방식으로 구현될 수 있다 하더라도, 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구현된다.
도 2의 실시예는 도 1의 실시예와 기능적으로 유사하다. 즉, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 스위칭 다이오드(D1)와 제 1 및 제 2 피크 전류 억제 저항들(R5, R1)을 통해 저장 커패시터(C1)를 충전한다. 또한, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 스위칭 다이오드(D1)와 제 1 및 제 2 피크 전류 억제 저항들(R5, R1)을 통해 전압 조정기(U1)를 바이어스한다. 전압 조정기(U1)로부터 터치 센서(TS)의 입력부로의 출력이 사전설정 전압보다 큰 경우에, 전압 조정기(U1)의 "에러" 핀은 전술한 바와 같이 본질적으로 개방 회로인 것에 내부 접속된다. 이러한 조건에서, 전압 조정기(U1)는 터치 센서(TS)가 출력 스위치(OS)를 제어하게 한다. 즉, 터치 센서(TS)가 동작하지 않는다면, 출력 스위치(OS)는 기계적 스위치 개방과 같이 "오프"이고, 터치 센서(TS)가 동작한다면, 출력 스위치(OS)는 기계적 스위치 접속과 같이 "온"이다. 하지만, 전압 조정기(U1)로부터 터치 센서(TS)의 입력부로의 출력이 사전설정 전압 미만으로 내려간다면, 전압 조정기(U1)는 전술한 바와 같이 출력 스위치(OS)의 제어 입력부를 그라운드에 접속하여 출력 스위치(OS)를 디스에이블한다. 이러한 조건에서, 출력 스위치(OS)는 터치 센서(TS)의 상태에 상관없이 오프로 남아있는다.
출력 스위치(OS)가 오프인 경우에, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 도 1과 연관하여 전술한 바와 같이 저장 커패시터(C1)에 인가된다. 출력 스위치(OS)가 온인 경우에, 이것은 본질적으로 회로 터미널들(J1,J2)을 단락시키고, 스위칭 다이오드(D1)를 역바이어스하며 저장 커패시터(C1)로부터 임의의 충전 전압을 제거한다. 이러한 조건에서, 저장 커패시터(C1)는 전압 조정기(U1) 및 터치 센서(TS)를 통해 방전한다. 결국, 저장 커패시터(C1)는 전압 조정기(U1)로의 입력 전압이 전술한 사전설정 전압보다 큰 전압 조정기(U1)의 출력 전압(및 터치 센서(TS)의 입력 전압)을 유지하는 데 충분하지 못할 정도로 방전한다. 전압 조정기(U1)로부터의 출력 전압이 사전설정 전압 미만으로 내려가는 경우에, 전압 조정기(U1)는 (전술한 바와 같이 전압 조정기(U1)를 통해 출력 스위치의 제어 입력부를 접지하여) 출력 스위치(OS)를 디스에이블하여, 출력 스위치(OS)를 개방시키거나 "오프" 상태로 복귀하게 한다. 출력 스위치(OS)가 디스에이블되면, 전압은 스위칭 다이오드(D1)를 통해 저장 커패시터(C1)에 다시 인가되어, 저장 커패시터(C1)를 충전하고 전압 조정기(VR)를 바이어스한다. 전형적인 실시예에 있어서, 전술한 사이클은 터치 센서(TS)가 지속적으로 동작하는 시간의 약 99.1% 이상 동안에 출력 스위치(TS)가 접속되거나 "온"되고, 터치 센서(TS)가 동작하지 않는 시간 내내 출력 스위치(TS)가 개방되거나 "오프"되도록 반복한다. 이점은 출력 스위치(OS)의 전압을 지속적으로 자극받는 터치 센서(TS)의 시간 함수로 도시하는 그래프인 도 3에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 4의 실시예는 전압 조정기(U1)와 커패시터(C2)를 생략한 것을 제외하면 도 2의 실시예와 유사하다. 도 4에서, 제너 다이오드(D2)는 과도 전류 보호와 전압 조정 모두를 제공하기 위해 선택되어 진다. 또한, 이 실시예는 출력 스위치(OS)의 제어 입력부와 전류 억제 저항(R2) 사이에 접속되는 풀-다운 저항(R3)을 추가한다. 풀-다운 저항(R3)은 터치 센서(TS)의 특성에 따른 선택 사항이다. 보다 구체적으로, 터치 센서(TS)가 본 기술 분야의 당업자들에게 알려진 바와 같이 액티브 고출력만을 갖는다면, 풀-다운 저항(R3)은 출력 스위치(OS)로의 제어 입력부에서 제어 전압을 생성하는 역할을 담당한다. 터치 센서(TS)가 액티브 고출력과 액티브 저출력 모두를 갖는다면, 풀-다운 저항(R3)은 생략되고 개방 회로로 대체될 수 있다. 전류 억제 저항(R2) 또한 생략될 수 있다.
동작시, 터미널들(J1, J2) 간의 전압은 제 1 및 제 2 피크 전류 억제 저항들(R5, R1)과 스위칭 다이오드(D1)를 통해 저장 커패시터(C1) 및 터치 센서(TS)의 입력부에 인가된다. 터치 스위치(TS)가 자극받는 경우에, 그 출력은 높아져서 풀-다운 저항(R3)과 출력 스위치(OS)의 제어 입력부의 접점에서 전위를 생성하고, 이어서 출력 스위치(OS)를 "온" 상태로 바이어스한다. 출력 스위치(OS)가 온이라면, 터미널(J1)은 본질적으로 출력 스위치(OS)를 통해 터미널(J2)에 대한 단락 회로로, 스위칭 다이오드(D1)를 역바이어스하고 저장 커패시터(C1)로부터 임의의 충전 전압을 제거한다. 이러한 조건에서, 저장 커패시터(C1)는 터치 센서(TS)를 통해 방전한다. 방전함에 따라, 저장 커패시터(C1)는 그 전압이 터치 센서(TS)를 구동시키는 데 충분하지 못할 때까지 터치 센서(TS)에 계속 전원을 공급한다. 이 시점에서, 자극받는 것에 상관없이, 터치 스위치(TS)는 더 이상 출력 스위치(OS)의 제어 터미널로의 출력을 생성하지 않고, 출력 스위치(OS)는 개방된다. 출력 스위치(OS)가 개방되는 경우에, 터미널들(J1 및 J2) 간의 전압이 저장 커패시터(C1)에 다시 인가되고, 전술한 사이클이 반복된다. 도 4의 실시예가 도 2의 실시예 만큼의 높은 수준의 정밀성과 제어성을 제공하고 있지 않지만, 도 4의 실시예는 도 2의 실시예 보다 저렴하면서 많은 애플리케이션에서 적절히 수행하는 데 충분할 정도의 정밀성을 제공하고 있다.
본 도면에서 언급되는 전압치, 저항치 및 커패시터 용량은 대표적이면서 바람직한 값들이다. 본 기술 분야의 당업자들이라면 쉽게 알 수 있듯이 전압, 저항 및 커패시터의 다른 값들이 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 여러 실시예들이 도시되고 전술되었지만, 본 기술 분야의 당업자들이라면 다음의 청구범위에서 규정되는 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고서 여러 수정을 할 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (5)

  1. 2 와이어 인터페이스를 구비하는 터치 제어 스위치 장치에 있어서,
    고 전압원에 접속되는 고 전압 터미널;
    저 전압원에 접속되는 저 전압 터미널;
    상기 고 전압 터미널에 접속되는 제1 터미널 및 상기 저 전압 터미널에 접속되는 제2 터미널을 구비하는 출력 스위치와,
    상기 고 전압 터미널에 접속되는 제1 터미널을 구비하는 제1 다이오드와,
    상기 저 전압 터미널에 접속되는 제1 터미널 및 상기 제1 다이오드의 제2 터미널에 접속되는 제2 터미널을 구비하는 제1 커패시터와,
    적어도 하나의 감지 전극 및 상기 적어도 하나의 감지 전극에 접속된 제어 회로를 포함하는 터치 센서와 - 상기 제어 회로는 상기 제1 다이오드와 상기 제1 커패시터의 접점에 접속되는 입력부를 구비하고, 상기 제어 회로는 상기 출력 스위치의 제어 입력 터미널에 접속되는 제어 출력부를 더 구비함 -,
    상기 제1 다이오드의 상기 제2 터미널과 상기 제1 커패시터의 상기 제2 터미널에 접속된 전원 입력부와 상기 제어 회로에 접속된 전원 출력부를 구비하는 전압 조정기와,
    사전설정 기준에 따라서 상기 출력 스위치를 선택적으로 인에이블(enable) 및 디스에이블(disable)시키는 인에이블먼트 회로(enablement circuit)
    를 포함하는 터치 제어 스위치 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이오드와 상기 저 전압 터미널의 사이에 접속된 제너 다이오드를 더 포함하는 터치 제어 스위치 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제너 다이오드는 상기 제1 커패시터와 병렬로 접속되는 터치 제어 스위치 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 조정기의 출력이 사전설정 전압 미만으로 내려가는 경우에 상기 출력 스위치가 디스에이블되는 터치 제어 스위치 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 조정기의 출력이 사전설정 전압 미만으로 내려가는 경우에 상기 출력 스위치가 개방되는 터치 제어 스위치 장치.
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