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KR20140129057A - 터치 감지 디바이스 및 검출 방법 - Google Patents

터치 감지 디바이스 및 검출 방법 Download PDF

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KR20140129057A
KR20140129057A KR1020147023743A KR20147023743A KR20140129057A KR 20140129057 A KR20140129057 A KR 20140129057A KR 1020147023743 A KR1020147023743 A KR 1020147023743A KR 20147023743 A KR20147023743 A KR 20147023743A KR 20140129057 A KR20140129057 A KR 20140129057A
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KR
South Korea
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touch
sensitive film
signal
signal filter
touch sensitive
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Withdrawn
Application number
KR1020147023743A
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English (en)
Inventor
마티 하누 루수넨
잔 본 피페일러
비요른 프리두르 미크라달
브래들리 제이. 애치슨
데이비드 피. 브라운
Original Assignee
카나투 오와이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 카나투 오와이 filed Critical 카나투 오와이
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Abstract

터치 감지 디바이스는, 터치 감응성 막, 신호 필터, 전기 회로 및 처리부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 막은 터치가 물체에 의해 행해질 때, 외부 물체에 용량성 또는 유도성 결합될 수 있다. 신호 필터는 적어도 막의 저항 및 외부 물체에의 용량성 또는 유도성 결합에 의해 형성되고, 필터는 적어도 터치의 위치 및/또는 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스에 의해 영향을 받는 특성들을 갖는다. 전기 회로는 하나 이상의 위치들에서 터치 감응성 막에 결합되고, 적어도 하나의 주파수, 진폭 및 파형을 갖는 하나 이상의 여기 신호들을 신호 필터로 공급하고 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성된다. 처리부는 전기 회로에 결합되고, 하나 이상의 응답 신호들을 처리하고 그것에 의해 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 외부 물체에 의한 터치의 존재 또는 근접, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 검출하도록 구성된다.

Description

터치 감지 디바이스 및 검출 방법{A TOUCH SENSING DEVICE AND A DETECTION METHOD}
본 발명은 터치 감지 디바이스들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터치 감응성 막들을 갖는 터치 감지 디바이스들, 및 터치를 검출하고 그것의 위치를 검출하는 방법에 관한 것이다.
상이한 종류의 전기 장치에 대한 사용자 인터페이스는 오늘날 통상의 기계 버튼 대신에 터치 감응성 막에 기반하는 상이한 타입들의 터치 감지 디바이스들로 점점 더 흔히 만들어지고 있다. 널리 알려진 예들은 이동 전화기, 휴대용 컴퓨터 및 유사한 디바이스에서의 상이한 종류의 터치 패드 및 터치 스크린을 포함한다. 달성 가능한 정교하고 심지어 사치스런 사용자 경험에 더하여, 터치 감응성 막에 기반하는 터치 감지 디바이스는 또한 기능적으로 보다 다용도의, 더 작은, 더 저렴한, 더 경량의, 및 또한 시각적으로 더 매력을 갖는 디바이스들을 마련하는 것을 지속적으로 시도하는 설계자에게 우월한 자유권을 제공한다.
그러한 터치 감지 디바이스들에서의 중요한 요소는 하나 이상의 감지 전극들로서 역할을 하도록 구성되는 하나 이상의 전도층들을 포함하는 터치 감응성 막이다. 이러한 종류의 막의 일반적 동작 원리는 예를 들어, 손가락 끝 또는 일부 특정 포인터 디바이스에 의한 사용자의 터치가 터치 감응성 막이 연결되는 측정 회로에 의해 검출되는 것이다. 실제 측정 원리는 예를 들어, 저항성 또는 용량성일 수 있으며, 이 때 후자는 오늘날 가장 요구되는 응용들에서 최상의 성능을 제공하는 가장 진보된 대안으로 통상적으로 여겨진다.
용량성 터치 감지는 터치 감응성 막 상의 터치가, 전기적 관점에서 볼 때, 외부 커패시턴스를 터치 감응성 막이 연결되는 측정 회로에 결합시키는 것을 의미한다는 원리에 기반한다. 터치 감응성 막의 충분히 높은 감도로, 터치 감응성 막 상의 어떤 직접적 접촉도 필요 없고 용량성 결합은 터치 감응성 막의 근처로 적합한 물체를 가져오기만 함으로써 달성될 수 있다. 용량성 결합은 측정 회로의 신호들에서 검출된다. 이른바 투영된 용량성 방법에서, 측정 회로는 각각 신호를 공급하고 용량성 결합을 감지하는데 사용되는 구동 전극들 및 감지 전극들을 포함한다. 이러한 회로는 또한 각각의 공급/측정 전극 쌍 사이의 결합이 측정되도록 순차적으로 감지 전극들에 걸쳐 신속하게 스캔하도록 배열된다.
투영된 용량성 방법에서 알려진 터치 감응성 막들의 공통적인 것은 터치의 위치를 적절하게 판단할 필요성은 전도층들에서 많은 수의 분리된 감지 전극들을 필요로 한다는 것이다. 즉, 전도층들은 분리된 감지 전극들의 네트워크로 패턴화된다. 더 정확한 해상도를 원할수록, 더 복잡한 감지 전극 구성이 필요하다. 하나의 특히 도전적인 사안은 다른 한편으로, 흔히 최신식의 터치 감지 디바이스들의 가장 원하는 특성들 중 하나인 다수의 동시 터치의 검출이다. 복잡한 감지 전극 구성들 및 많은 수의 단일 감지 전극 요소들은 제조 공정뿐만 아니라 터치 감지 디바이스의 측정 전자 기기를 복잡하게 만든다.
터치 스크린들에서, 터치 감지 능력에 더하여, 터치 감응성 막은 전자 디바이스의 디스플레이 내에서 또는 상단 상에서 막의 사용을 가능하게 하기 위해 즉, 디바이스의 디스플레이가 터치 감응성 막을 통해 보여지는 것을 가능하게 하기 위해 광학적으로 투명해야 한다. 더욱이, 투명성은 또한 터치 감응성 막 가시성의 관점에서 볼 때 매우 중요하다. 예를 들어, LCD(액정 디스플레이), OLED(유기 발광 다이오드) 디스플레이, 또는 인터넷 신문(전자 신문) 디스플레이의 사용자에게 터치 감응성 막의 가시성은 사용자 경험을 심하게 떨어뜨린다. 지금까지, ITO(인듐 주석 산화물) 같은 투명한 전도성 산화물들은 터치 감응성 막들에서 전도층 재료들의 가장 통상의 그룹을 형성하였다. 그러나, 가시성의 관점에서 볼 때, 그것들은 이상적 해결법과는 거리가 멀다. 예를 들어, ITO의 고굴절률은 패턴화된 감지 전극들을 가시적으로 만든다. 문제는, 감지 전극 패턴화가 더 복잡해질수록, 현저해진다.
터치 감응성 막들에서의 하나의 유망한 새로운 접근법은 네트워크화된 나노구조체들로 형성되거나 이들을 포함하는 층들에서 찾게 된다. 적합한 전도성 성능 외에, 예를 들어, 관형 카본 분자의 측부에 공유 결합되는 플러렌(fullerene) 또는 플러렌 유사 분자들을 갖는 카본 나노버드(NANOBUD)들(NANOBUD®은 Canatu Oy의 등록 상표임) 또는 CNT(카본 나노튜브들)의 네트워크들로 구성되는 층은 예를 들어, ITO, ATO 또는 FTO 같은 투명한 전도성 산화물들보다 사람 눈에 덜 가시적으로 만들어질 수 있다. 게다가, 널리 알려져 있는 바와 같이, 나노구조체 기반 층들은 예를 들어, 투명한 전도성 산화물들에 비해서 우수한 가요성, 기계 강도 및 안정성을 가질 수 있다.
하나의 나노구조체 기반 해결법이 US 2009/0085894 A1에 보고되어 있다. 그것의 기술에 따르면, 나노구조체들은 예를 들어, 상이한 타입들의 카본 나노튜브들, 그래핀 플레이크(flake)들, 또는 나노와이어들일 수 있다. 막의 도핑은 그것의 전기 전도성을 증가시키기 위한 수단으로 언급된다. 상호 커패시턴스 및 단일층 자체 커패시턴스 접근법들에 기반하는 2개의 층 구성들이 거기에 논의되어 있다. 다수의 터치 검출이 개시된 막들에 의해 가능한 것으로 언급되어 있다. 그러나, 매우 복잡한 전극 및 측정 회로 구성들의 공통의 문제는 이러한 문서에서 해결되지 않는다.
다른 종래 기술 해결법이 WO 2011/107666 A1에서 제안된다. 그것은 예를 들어, 나노구조체들의 네트워크로 이루어진 터치 감응성 막을 갖는 터치 감지 디바이스를 개시하며, 이 때 막은 3.0 ㏀이 넘는 시트 저항을 갖는다. WO 2011/107666 A1에서는 복잡한 회로의 문제가 다루어지지만, 그것은 여전히 제한된 주파수 범위들에서 고저항 막들로 동작하는 것만을 제안한다.
바람직하게는 단일층 용량성 동작 원리를 가능하게 하는 단순한 감지 전극 구성을 갖고, 광범위한 전도성 막 저항들에서 동작할 수 있고, 더 양호한 잡음 제어를 위한 신호 주파수 조절이 가능하고, 매우 다양한 감지 알고리즘들 사용을 가능하게 하는 다용도의 터치 감지 디바이스를 제공하는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은 적어도 일부 또는 모든 상술된 이점들을 갖는 새로운 해결법들을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 저항을 갖는 전도성 재료를 포함하는 터치 감응성 막으로서, 막은 외부 물체에 의해 터치될 때, 외부 물체에 용량성 또는 유도성 결합될 수 있는 터치 감응성 막; 적어도 터치 감응성 막의 저항 및 외부 물체에의 용량성 또는 유도성 결합에 의해 형성되는 신호 필터로서, 신호 필터는 적어도 터치의 위치, 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스 또는 터치의 특성들의 조합에 의해 영향을 받는 특성들을 갖는 신호 필터; 하나 이상의 위치들에서 터치 감응성 막에 저항성으로 또는 무선으로 결합되는 전기 회로로서, 전기 회로는 적어도 하나의 주파수를 갖는 하나 이상의 여기 신호들을 신호 필터로 공급하고 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성되는 전기 회로; 및 전기 회로에 저항성으로 또는 무선으로 결합되는 처리부를 포함하며, 처리부는 하나 이상의 응답 신호들을 처리하고 그것에 의해 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 외부 물체에 의한 터치의 존재 또는 근접, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 또는 그것의 조합을 검출하도록 구성되는 터치 감지 디바이스가 제공된다.
터치 감응성 막은 일반적으로 터치 감지 디바이스에서의 터치 감응성 요소로서 사용될 수 있는 막을 의미한다. 터치 감지 디바이스는 외부 물체에 의해 디바이스를 터치함으로써 동작되는 모든 사용자 인터페이스 디바이스들뿐만 아니라 그러한 물체들의 존재, 근접 및 위치를 검출하는 다른 타입들의 디바이스들을 포함하는 것으로 본원에서 폭넓게 이해될 것이다.
본 발명의 터치 감응성 막은 외부 물체에 용량성 또는 유도성 결합될 수 있으며, 이는 외부 물체에 의한 터치가 막의 필터링 특성들의 변화들을 야기하는 것을 의미한다.
단어 “터치” 및 그것의 파생어들은 본 발명의 맥락에서 넓은 의미에서 손가락 끝, 스타일러스, 또는 일부 다른 포인터 또는 물체와 터치 감응성 막 사이의 직접적 기계적 또는 물리적 접촉뿐만 아니라, 물체가 터치 감응성 막과 환경 사이에, 또는 터치 감응성 막의 다른 지점들 사이에 충분한 용량성 또는 유도성 결합을 생성하도록 그러한 물체가 터치 감응성 막의 근처에 있는 상황들도 포함하는 것으로 사용된다. 이런 의미에서, 본 발명의 터치 감응성 막은 또한 근접 센서로서 사용될 수 있다.
“전도성 재료”는 본원에서 재료의 전도성 메커니즘 또는 전도성 타입과 관계없이 재료에서의 전하의 흐름을 허용할 수 있는 임의의 재료를 의미한다. 따라서, 전도성 재료는 본원에서 예를 들어, 또한 반도체의 또는 반전도성의 재료들을 포함한다. 터치 감응성 막에서 전도성 재료의 하나 이상의 층들이 있을 수 있다.
전도성 재료에 더하여, 터치 감지 디바이스는 또한 전체 작동 터치 감응성 요소를 구현하기 위해 필요한 재료의 다른 층들 및 구조체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 막의 기계적 보호를 위해 하나 이상의 층들이 있을 수 있다. 더욱이, 또한 굴절률 또는 색상 매칭을 위해 하나 이상의 층들, 및/또는 예를 들어, 내스크래치성, 장식, 방수성, 자체 세정 또는 다른 목적들을 위해 하나 이상의 코팅들이 있을 수 있다. 층형 요소들에 더하여, 터치 감응성 막은 또한 3차원으로 조직된 구조체들 예를 들어, 터치 감응성 막 또는 그것의 일부를 통해 연장되는 접촉 구조체들을 포함할 수 있다.
신호 필터는 적어도 터치 감응성 막 저항 및 외부 물체에의 용량성 또는 유도성 결합에 의해 형성된다. 이러한 신호 필터는 예를 들어, 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 대역 저지 또는 대역 통과 필터일 수 있다. 저역 통과 필터의 일 예는 출력이 커패시터를 거쳐 취해진 상태로 입력을 거친 RC(저항기-커패시터) 직렬 회로일 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 위의 저역 통과 필터에서 막 저항은 R을 나타낼 수 있고 터치에 의해 생성되는 용량성 결합은 C를 나타낼 수 있다.
“외부 물체”는 임의의 커패시터 또는 인덕터 또는 용량성 또는 유도성 포인터, 예를 들어, 사람 손가락 또는 금속 스타일러스, 유도성 결합을 위해 용량성 요소 또는 금속성 코일을 갖는 포인터들 등을 의미한다. 예를 들어, 코일을 갖는 스타일러스는 수동적(어떤 전류도 코일에 능동적으로 인가되지 않음) 또는 능동적(AC 또는 DC 전류가 코일에 인가됨)일 수 있다. 일반적으로 능동 코일을 갖는 스타일러스가 터치의 정확도, 응답 시간, 또는 투명성을 개선하기 위해 사용된다.
터치 감응성 막의 저항에 의한 신호 필터의 형성 및 외부 물체에의 결합은, 그러한 필터가 외부 물체로부터의 터치에 응하여 그것의 특성들을 변화시키고, 이러한 변화가 터치, 그것의 위치를 검출하고 매우 높은 정확도로 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스를 결정하기 위해 측정될 수 있다는 발명자들의 관찰에 기반한다.
이러한 실시예에 따른 전기 회로는 하나 이상의 위치들에서 터치 감응성 막에 저항성으로 또는 무선으로 결합된다. 회로는 상이한 타입의 접촉 전극들, 배선들 및 다른 형태의 전도체들, 스위치들, 및 터치 감응성 막 및 그것의 하나 이상의 전도층들을 터치 감지 디바이스의 나머지에 연결시키기 위해 필요한 다른 요소들을 포함할 수 있다. 저항성 연결은 물리적 접촉을 나타내는 반면에, 예를 들어, 전파, 유도성 또는 용량성 결합은 무선 결합과 관련된다. 저항성 결합의 예들은 솔더링, 클램프들 또는 다른 통상의 기법들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
전기 회로는 하나 이상의 여기 신호들을 신호 필터에 공급하고, 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성된다. 전기 회로는 후술되는 바와 같이, 처리부에 연결된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 신호들은 전기 회로를 통해 처리부에 의해 필터로 송신되고 그것으로부터 수신된다. 공급된 하나 이상의 여기 신호들은 적어도 하나의 주파수, 진폭 및 파형을 갖는다. 이것은 각각의 신호가 주파수, 진폭 또는 파형이 달라지거나 일정한 주파수, 진폭 및 파형을 가질 수 있고, 다수의 신호들의 경우에, 그것들은 동등한 또는 상이한 주파수들, 진폭들 및 파형들을 가질 수 있음을 의미한다. 실제로, 처리부와 함께 전기 회로는 단일 칩으로 부분적으로 또는 완전히 통합될 수 있다.
여기 신호는 회로를 통해 터치 감응성 막의 신호 필터에 공급되고 필터 특성들에서 터치가 유도하는 변화들을 모니터링하기에 적합한 조건들을 제공하는 임의의 전기 신호, 예를 들어, 펄스화된, 상승 및 하강 시간 제한된 또는 발진하는 전압 또는 전류일 수 있다. 여기 신호는 또한 예를 들어, 구동 신호 또는 자극 신호로 호칭될 수 있다. 통상의 예들은 AC 전류 및/또는 전압이다. 응답 신호는 회로를 사용함으로써 신호 필터로부터 수신되고 터치가 야기하는 필터 특성들의 변화들에 기반하고 이러한 신호에 의해 검출 가능한 터치의 검출을 가능하게 하는 상응하는 임의의 측정된 전기 신호이다.
일 실시예에서, 처리부는 전기 회로에 저항성으로 또는 무선으로 결합된다. 처리부는 하나 이상의 응답 신호들을 처리하고 그것에 의해 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 외부 물체에 의한 터치의 존재 또는 근접, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 및/또는 인덕턴스 또는 그 조합을 검출하도록 구성된다.
처리부는 프로세서, 신호 또는 펄스 생성기, 신호 비교기, 해석부, 및 다른 하드웨어 및 전자 기기뿐만 아니라 응답 신호들을 처리하기 위해 필요한 소프트웨어 툴들을 포함할 수 있다.
터치 감지 디바이스는 하나의 단일 전도층만을 갖는 터치 감응성 막을 활용하는 단일층 모드에서 동작 가능하다. 이것은 여기 및 응답 신호들에 대해 상이한 전도층들을 사용하는 2개의 층 접근법을 활용하는 대부분의 종래 기술 용량성 터치 감응성 막들에 비해서 유리한 간략화이다.
일 실시예에 따르면, 전기 회로는 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 처리부는 상기 응답 신호들을 서로 비교하고 그것에 의해 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 외부 물체에 의한 터치의 존재 또는 근접, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스 또는 그것의 조합을 검출하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 처리부는 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정하기 위해 응답 신호들을 여기 신호들과 비교하도록 구성된다.
일 실시예에서, 교류 전류 또는 전압은 신호 필터에 그것의 하나의 지점에서 여기 신호로서 제공되고 응답 신호로서의 교류 전압 또는 전류는 필터의 다른 지점에서 측정된다.
일 실시예에서, 신호 필터는 적어도 하나의 외부 구성 요소에 의해 추가로 형성된다. 이러한 적어도 하나의 외부 구성 요소는 위의 실시예들의 터치 감지 디바이스의 일부이고 그것은 전기 회로를 통해 처리부에 저항성으로 또는 무선으로 결합된다. 외부 구성 요소는 저항기, 정전류원, 커패시터 또는 인덕터 또는 그것의 조합일 수 있다. 이러한 외부 구성 요소는 디바이스에서의 다른 유닛들로 통합될 수 있다.
일 실시예에서, 교류 전류 또는 전압은 신호 필터에 그것의 하나의 지점에서 외부 구성 요소를 통해 여기 신호로서 제공되고 응답 신호로서의 교류 전압 또는 전류는 필터의 동일한 지점에서 측정된다.
일 실시예에 따르면, 신호 필터의 특성들은 상기 외부 물체와 감지막 사이의 거리, 외부 물체의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 상기 외부 물체의 물리적 특성들, 막의 저항, 감응성 막 재료와 외부 물체 사이의 유전체 또는 절연층의 존재, 두께 또는 유전율, 또는 그것의 조합에 의해 더 영향을 받는다.
외부 물체의 물리적 특성들은 예를 들어, 그것의 기하학적 구조, 재료, 배향 및 구성을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 전기 회로는 하나 이상의 전극들을 포함하고, 전극들 중 적어도 하나는 상기 여기 신호를 신호 필터로 공급하도록 구성되고, 전극들 중 적어도 하나는 신호 필터로부터 상기 전기 응답 신호를 수신하도록 구성된다. 전극들의 수는 구조체에 따라 달라질 수 있다.
하나의 바람직한 실시예에서, 신호 필터의 측정된 특성들은 진폭 응답, 위상 응답, 전압 응답, 전류 응답 또는 그것의 조합을 포함한다. 이러한 특성들은 터치의 존재 또는 근접, 그것의 위치 및 그것의 커패시턴스 또는 인덕턴스에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 처리부는 신호 대 잡음 비를 최대화하고/하거나 미리 결정된 주파수, 진폭 및 파형에서 디바이스의 정확도를 개선하기 위해 여기 신호의 적어도 하나의 미리 결정된 주파수, 진폭 및 파형에 기반하여 측정될 하나 이상의 특성들을 선택하도록 더 구성된다.
최적의 여기 주파수는 많은 요인들에 의존한다. 잡음은 주파수가 낮을 수록 증가할 수 있다. 다른 한편으로, 터치 검출을 방해하는 안테나 효과들은 매우 높은 주파수들에서 문제가 된다. 안테나 효과들은 측정 회로의 상이한 부분들이 회로와 환경 사이에 방해 신호들을 결합시키는 경향이 있는 안테나처럼 작용하는 것을 의미한다. 통상적으로 하부와 상부 차단 주파수 사이에 최적의 주파수 범위가 있다. 이러한 범위는 예를 들어, 터치 감응성 막에서의 전도성 재료의 저항, 막을 통한 임의의 코팅층의 두께 및 유전율, 외부 물체의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 주변의 전자 기기의 주파수들 및 전도성 막이 놓이는 기판의 재료에 의존한다. 예를 들어, 충분한 고주파수에 의해, PET 기판은 전도성 기판으로 되어, 여기 및 응답 신호들을 간섭한다. 그러므로, 동작 주파수 범위를 선택하고, 최적의 주파수에 영향을 미치는 그러한 요소들에 기반하여 주파수를 능동적으로 조절하고, 그에 상응하게 디바이스를 조정하는 능력(즉, 측정될 필터 특성 또는 동작 범위 내에서의 특정 여기 주파수를 선택함으로써)이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 터치 감지 디바이스의 터치 감응성 막은 평면에서의 연속적인 구조체로서 연장된다. 이것은 예를 들어, HARM 네트워크들의 경우에서와 같이, 구조체가 나노 또는 마이크로 축척에서 엄밀히 연속적이지 않더라도, 터치 감응성 막이 터치 감지 디바이스의 전체 감지 영역에 걸쳐 실질적으로 예를 들어, 고체이고, 비차단되고 비패턴화된 구조체로서 연장되는 것을 의미한다. 이러한 구조체는 또한 선택적으로 균질이다. 이러한 특징은 전도층의 가시성을 최소화할 뿐만 아니라 층의 어떤 패턴화도 요구되지 않을 때, 그것의 제조도 간략화한다. 그것은 또한 이러한 실시예에 따른 터치 감응성 막을 갖는 터치 감지 디바이스의 전자 기기를 간략화한다.
터치 감응성 막의 양호한 감도 및 터치 위치 해상도 성능은 단일층 동작 모드에서 그러한 비패턴화된 전도층의 사용을 가능하게 한다. 단일층 모드에서의 동작은 하나의 단일 전도층만이 터치 감지 측정들에서 사용되는 것을 의미한다. 멀티 터치 검출 능력은 또한 비패턴화된 단일층 동작 모드에서 이용 가능하다. 이와 같이, 단일층 능력은 또한 전체 터치 감응성 막을 오히려 얇은 구조체로서 생산하는 것을 허용한다.
일 실시예에서, 터치 감응성 막은, 전도성 재료로 구성되고 터치 감응성 막에 걸쳐 일방향으로 연장되는 단일 스트라이프 또는 2개 이상의 평행 스트라이프들; 및 비전도성 재료를 포함하는 상기 스트라이프들 사이의 영역들을 포함하며, 전기 회로는 스트라이프들 각각에 저항성으로 또는 무선으로 결합되고, 처리부는 각각의 스트라이프를 따라 터치의 존재, 근접 및 위치를 검출하도록 더 구성된다.
전기 회로의 전극들은 측정을 위해 신호들을 공급하고 수신하기 위해 각각의 스트라이프에 결합된다. 터치 위치는 1차원으로만 결정되어야 하고, 그렇게 하기 위해 스트라이프 마다 하나의 전극만을 사용하는 것이 가능하다.
일 실시예에서, 터치 감응성 막은 그것의 구부림을 허용하기 위해 가요성 구조체로 형성된다. “가요성” 구조체는 본원에서 적어도 하나의 방향으로 바람직하게는 반복적으로 막의 구부림을 허용하는 구조체를 의미한다. 일 실시예에서, 터치 감응성 막은 적어도 두 방향에서 동시에 가요성이 있다.
가요성 대신에 또는 가요성에 더하여, 터치 감응성 막은 또한 3차원 표면을 따라 또는 3차원 표면에 걸쳐 예를 들어, 열성형을 사용함으로써 그것의 변형을 허용하도록 변형 가능한 구조체로 형성될 수 있다.
측정 특징들과 조합하여 터치 감응성 막의 가요성 및/또는 변형성은 터치 감지 디바이스들을 구현하는 완전히 새로운 가능성들을 연다. 예를 들어, 이동 디바이스의 사용자 인터페이스로서 역할을 하는 터치 감응성 막은 터치 감응성 막이 디바이스의 전체 표면도 커버할 수 있기 위해 구부려지거나 디바이스 에지들로 연장되도록 형성될 수 있다. 3차원 디바이스의 상이한 표면들을 커버하는 터치 감응성 막에, 상이한 목적을 위해 수개의 터치 감지 영역들이 있을 수 있다. 하나의 감지 영역은 터치 스크린을 형성하는 디스플레이의 영역을 커버할 수 있다. 예를 들어, 디바이스의 측부들에서의 다른 감지 영역들은 통상의 기계 버튼들, 예를 들어, 전원 버튼 또는 볼륨 또는 밝기 슬라이더들 또는 다이얼들을 대체하는 터치 감응성 요소로서 역할을 하도록 구성될 수 있다.
가요성이고 및/또는 변형 가능한 터치 감응성 막들에 대한 양호한 선택은 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 하나 이상의 HARMS(고 종횡비 분자 구조체) 네트워크들을 포함하는 전도층이다. HARM 구조체들 및 그것의 네트워크들은 본질적으로 가요성이고, 따라서 터치 감응성 막을 구부림 가능하고/하거나 변형 가능하게 만드는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 터치 감응성 막은 광학적으로 투명하고, 따라서 예를 들어, 터치 스크린의 일부로서 터치 감응성 막의 사용을 가능하게 한다. 터치 감응성 막의 광학적 투명성은 본원에서 방출에서의 적합성에 적절한 주파수/파장 범위에서 막의 평면에 실질적으로 수직인 방향으로부터 입사 방사선의 적어도 10 %, 바람직하게는 적어도 90 %가 막을 통해 투과되는 것을 의미한다. 대부분의 터치 감지 응용들에서, 이러한 주파수/파장 범위는 가시광의 주파수/파장 범위이다.
광학적 투명성의 경우, 핵심은 터치 감응성 막의 전도성 재료이다. 동시의 전기 전도성 및 광학적 투명성의 필요 조건은 가능한 재료들의 수를 제한한다. 이런 의미에서, HARMS 네트워크들이 예를 들어, 투명한 전도성 산화물들의 투명성보다 우수한 투명성을 제공할 수 있으므로, HARMS 네트워크들은 광학적으로 투명한 터치 감응성 막에 대한 양호한 기반을 형성한다.
일 실시예에서, 터치 감응성 막은 고 종횡비 분자 구조체(HARMS) 네트워크, 전도성 폴리머, 그래핀 또는 세라믹, 은 또는 금과 같은 금속의 그리드들, 또는 금속 산화물을 포함한다. HARMS 또는 HARM 구조체들은 본원에서 나노미터 축척에서 특성 치수들 즉, 약 100 나노미터 이하의 치수들을 갖는 전기 전도성 구조체들을 의미한다. 이러한 구조체들의 예들은 CNT(카본 나노튜브)들, CNB(카본 나노버드)들, 금속 나노와이어들 및 카본 나노리본들을 포함한다. HARMS 네트워크에서, 다수의 이러한 종류들의 단일 구조체들 예를 들어, CNT들은 서로 상호 연결된다. 즉, 나노미터 축척에서, HARM-구조체들은 예를 들어, 전도성 폴리머들 또는 투명한 전도성 산화물들과 같은 엄밀히 연속적인 재료를 형성하지 않고, 오히려 전기적으로 상호 연결된 분자들의 네트워크를 형성한다. 그러나, 거시적인 축척에서 고려되는 바와 같이, HARMS 네트워크는 고체의, 모놀리식 재료를 형성한다. HARMS 네트워크들은 얇은 층의 형태로 생성될 수 있다.
감응성 막에서의 HARMS 네트워크(들)에 의해 달성 가능한 이점들은 광학적으로 투명한 터치 감응성 막들을 요구하는 응용들에서 유용한 우수한 기계적 내구성 및 높은 광 투과율을 포함하지만, 또한 매우 유연하게 조정 가능한 전기적 특성들을 포함한다. 이러한 이점들을 최대화하기 위해, 전도성 재료는 실질적으로 하나 이상의 HARMS 네트워크들로 구성될 수 있다.
HARMS 네트워크의 저항률 성능은 층의 밀도(두께) 및, 어느 정도까가지는, 또한 구조체들의 길이, 두께 또는 결정 배향, 나노구조체 번들들의 직경 등과 같은 HARMS 구조적 세부사항들에 의존한다. 이러한 특성들은 HARMS 제조 공정 및 그것의 파라미터들의 적절한 선택에 의해 조종될 수 있다. 카본 나노구조체 네트워크들을 포함하는 전도층들을 생산하는 적합한 공정들은 예를 들어, Canatu Oy에 의한 WO 2005/085130 A2 및 WO 2007/101906 A1에서 설명된다.
본 발명에 따른 터치 감지 디바이스의 일 실시예에서, 터치 감지 디바이스는 또한 햅틱 인터페이스 막으로의 역할들을 포함한다. 즉, 디바이스는 터치에 응하여 바람직하게는 감응성 막을 통해 햅틱 피드백을 제공하는 수단을 더 포함한다. 감응성 막을 통해 햅틱 피드백을 제공하는 것은 터치 감응성 막의 진동을 생성하는 터치 감응성 막에 부착되는 분리된 액츄에이터들에 기반하는 통상의 접근법 대신에, 감응성 막이 햅틱 피드백을 생성하는 수단의 일부로서 사용되는 것을 의미한다. 이것에 대해 다양한 가능성들이 있다. 햅틱 효과는 감응성 막에 의해 적합한 전자기장(들)을 생성함으로써 달성될 수 있다. 터치 감응성 막을 터치하는 사용자의 피부는 이러한 필드들을 상이한 느낌들로서 감지한다. 이러한 종류의 접근법은 용량성 햅틱 피드백 시스템으로 호칭될 수 있다. 다른 한편으로, 감응성 막은 예를 들어, 전기 활성 폴리머(인공 근육) 기반 햅틱 인터페이스의 일부로서 대안적으로 사용될 수 있으며, 여기서 감응성 막은 인터페이스의 하나의 층을 형성한다.
둘 다의 기능들 즉, 터치 검출 및 햅틱 피드백을 수행하는 하나의 가능성은 터치가 제1 기간 동안 검출되면, 햅틱 피드백이 그 다음 제1 기간을 뒤따르는 제2 기간에서 제공되도록 감응성 막이 터치 감지 회로 및 햅틱 피드백에 대한 신호들을 생성하는 수단에 교호로 결합되는 것이다. 제1 및 제2 기간들은 매우 짧게 조정될 수 있어 사용자는 디바이스가 지속적으로 동작하는 것을 경험한다.
하나 이상의 터치 감응성 막들은 예를 들어, (Tactus Technologies에 의해 상업화 하에 있는 바와 같은) 유체 공학 기반 햅틱 인터페이스와 함께 대안적으로 사용될 수 있으며, 여기서 터치 감응성 막은 유체의 가요성 저장소들로의 펌핑으로 인해 형상을 변화시키는 가요성 외부 햅틱 막과 통합된다. 하나 이상의 터치 감응성 막들은 가요성 외부 햅틱 막의 내부 및/또는 외부 표면들 상에 있을 수 있다. 이러한 경우에서, 터치 감응성 막은 터치 감지 회로에 지속적으로 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 터치 감지 디바이스의 일 실시예에서, 터치 감지막은 또한 변형 검출 막으로서 역할을 한다. 이것은 디바이스가 예를 들어, 감지막의 구부림, 비틀림 및/또는 늘어남을 감지하는 수단을 포함하는 것을 의미한다. 이것은 본 발명에 따른 터치 감지와 동시에 노드들 사이의 저항의 변화들 또는 신호 필터 특성들의 변화들을 측정함으로써 행해질 수 있다. 시스템의 신호 필터링 특성들이 막의 그리고, HARM들 및 전도성 폴리머들, 특히, 나노튜브들 및 나노버드들 그리고 보다 상세하게는 카본 나노튜브들 및 나노버드들을 포함하지만 이제 제한되지 않는 적어도 특정 재료들에 대한 저항률의 함수이므로, 신호 필터 특성들은 막이 예를 들어, 신장되거나, 압축되거나 그렇지 않으면 변형된다면, 변할 수 있다. 저항률 또는 신호 필터 특성들의 이러한 변화를 해석함으로써, 본 발명은 센서 막에 연결되는 노드들 사이에 예를 들어, 신장 또는 압축을 검출할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 대향하는 코너들에서의 노드들의 2개의 세트 사이의 신장의 감지는 구부림을 나타내는 반면에, 일방향에서 신장 및 타방향에서 압축을 감지하는 것은 비틀림을 나타낸다. 일부 구성들에서, 하나 이상의 노드들이 다수의 방향들에서 감지하기 위해 사용될 수 있다. 대안적인 구성들이 본 발명에 따라 가능하다.
특정 변형 가능한 외부 물체들에 대해, 커패시턴스 또는 인덕턴스는 터치 감응성 막에 가해지는 힘으로 변화되고 따라서 결정된 커패시턴스 또는 인덕턴스는 힘에 대한 프록시로서 사용될 수 있다. 힘은 예를 들어, 터치를 수행할 때 사용자가 디바이스에 가하는 힘을 의미한다. 사람 손가락은 예를 들어, 힘의 적용시에 변형되어 센서 막에 근접하여 증가된 면적을 야기한다. 이것은 커패시턴스가 그에 상응하게 변화되는 것을 야기할 것이다. 대안적으로, 유도성 외부 물체가 사용되고, 사용자가 예를 들어, 외부 물체의 코일을 변형시키거나 코일에서 표면까지의 거리를 변화시킨다면(예를 들어, 스프링을 통해), 인덕턴스는 그에 상응하게 변화되고 힘 또한 측정될 수 있다.
본 발명의 터치 감지 디바이스는 표준 또는 맞춤식 독립형 모듈 또는 일부 더 큰 디바이스, 예를 들어, 이동 전화기, 휴대용 또는 태블릿 컴퓨터, e-리더, 전자 내비게이터, 게이밍 콘솔, 냉장고, 믹서기, 식기 세척기, 세탁기, 커피 자판기, 스토브, 오븐 또는 다른 백색 가전 제품 표면, 차량 계기판 또는 핸들 등의 일부로서 통합되는 분리 불가능한 유닛으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 디바이스의 부분들 사이의 무선 결합은 이하 중 하나이다: 전파에 의한 결합, 자기장을 통한 결합, 유도성 또는 용량성 결합.
“디바이스의 부분들 사이의 무선 결합”이란 상술된 임의의 디바이스 요소들 사이의 무선 결합을 의미한다.
구성은 메인 디바이스 및 터치 감지 모듈 둘 다에 위치되는 전극들 사이에 정전기 또는 전기 역학 유도를 생성하는 AC 전류 및 데이터의 생성, 송신 및 수신을 처리하는 추가의 전자 기기를 필요로 할 수 있다. 이러한 2개의 디바이스들은 이하의 방법들 중 하나 이상에 의해 함께 무선으로 결합될 수 있다:
- 데이터 및 전력 송신이 대향하는 코일들 사이의 자기장으로부터 전류에 의해 유도되는 전자기 유도(유도성 결합, 전기 역학 유도).
- 자기장들을 통한 근거리 필드 전자기 유도성 결합인 자기 공명.
- 전력이 안테나에 의해 수신되는 전파들로부터 생성되고, 데이터 송신이 방사 필드 부하를 실질적으로 변화시키는 전파들(예를 들어, RFID 기술).
- 에너지 및 데이터가 전극들의 대향하는 평면들로부터 전달되는 용량성 결합 (또는 정전기 유도).
터치 센서들은 직접적으로 솔더링된 와이어들에 의해 또는 연결기들을 통해 응용 디바이스들로 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 이것은 센서들이 떨어져 열려 있도록 요구되지 않는 영역들에서 통상적으로 위치되는 고정된 설비들에서 충분하다. 예를 들어, 휴대용 디바이스들에서, 그것들은 터치 디스플레이 응용들에서 통상적으로 볼 수 있으며, 여기서 디스플레이는 실제로 터치 감지막 아래에 있고 스크린 그 자체는 디바이스에 영속적으로 부착된다. 터치 감지 디바이스가 디바이스의 제거 가능한 부분에 위치되는 경우, 일단 터치 감지 디바이스는 상기 부분에 부착되면, 상기 부분에 디바이스를 연결시킬 수 있는 연결기를 통상적으로 필요로 할 것이다. 이러한 방법은 기능적이지만 그것은 특정 응용들에서 적합하지 않을 수 있다. 더욱이, 터치 구성 요소가 디바이스에 영속적으로 부착되도록 의도될지라도, 솔더 또는 연결기들을 통해 구성 요소를 연결시키는 것과 연관되는 제조 비용 및 설계 한계들이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 터치 감지 디바이스가 제공된다. 그것은 터치 감응성 막을 포함하는 터치 감지 모듈, 하나 이상의 여기 신호들을 터치 감지 모듈로 공급하고 터치 감응성 모듈로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성되는 전기 회로를 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 전기 회로는 터치 감지 모듈에 무선으로 결합된다.
일 실시예에서, 2차원 및 3차원 터치 센서 디바이스들은 예를 들어, 서비스 가능 부분들 내부를 유지하고 변경하기 위해 인클로저(enclosure) 커버가 제거되어야 할 응용들에 제공된다. 또한, 예를 들어, 습하거나, 폭발성이 있거나, 그렇지 않으면 위험한 환경들에 대해 파손되지 않는 캡슐화를 필요로 하거나, 상호 연결 와이어들과 같은 직접적 연결이 달리 불가능하거나, 비용이 들거나 매우 불편한 디바이스들에 데이터 입력 방법을 제공하는 것은 강력한 방법이다.
일 실시예에서, 먼지, 마모 및 찢김 또는 파손에 민감한 전력 및 데이터 송신을 위한 어떤 물리적 연결기도 없다. 어떤 연결기도 갖지 않는 경우, 오염, 화학적 또는 물리적 저하 또는 기계적 손상에 민감한 부분들이 보다 적어 디바이스의 신뢰성을 증가시킨다.
확고하게 고정되지 않으면, 의도되지 않은 연결 해제를 갖고 따라서 데이터 또는 전력 손실을 야기할 수 있는 직접적인 물리적 접촉이 회피될 수 있다. 설비로부터 전력을 취하고 애드 호크 터치 센서 또는 포괄적 데이터 입력 출력 디바이스로서 작동하는 고정된 설비들에의 원격 제어 디바이스로서 기능할 수 있다.
모듈에서 터치 센서 기능성들을 유지하고 메인 디바이스로부터 그것을 분리함으로써, 그것들은 최종 어셈블리에서만 별도로 생산되고 함께 조합될 수 있는 상이한 서비스 가능 부분들이 된다. 전극은 인쇄 회로 기판 상의 금속 영역 또는 인쇄된 와이어로서 비용 효율적으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 터치 센서 모듈 및 메인 디바이스는 서로에 물리적으로 부착될 수 있지만 전력 또는 데이터 또는 둘 다는 그것들 사이에서 무선으로 송신된다. 실제로, 센서, 여기 및 감지 전자 기기는 데이터 처리부와 함께 존재하여 전체 유닛이 독립된 주변 플러그 인이다.
본 발명의 2 양태에 따르면, 터치 감지 디바이스로 외부 물체의 존재, 근접, 위치, 인덕턴스, 커패시턴스 또는 이러한 특징들의 조합을 검출하는 방법으로서, 적어도 하나의 주파수, 진폭 및 파형을 갖는 하나 이상의 전기 여기 신호들을 적어도 터치 감지 디바이스에서의 터치 감응성 막의 저항 및 외부 물체와의 상기 막의 용량성 또는 유도성 결합에 의해 형성되는 신호 필터로 공급하는 단계, 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하는 단계, 및 상기 하나 이상의 응답 신호들을 처리하고 그것에 의해 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 외부 물체에 의한 터치의 존재, 또는 상기 터치의 위치를 검출하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
터치 감지 디바이스의 터치 검출 감도 및 터치 위치 해상도는 신호 필터의 특성들 및 처리 수단 성능에만 의존하지 않는다. 당연히 그것은 또한 예를 들어, 접촉 전극 구성의 문제이다. 다른 한편으로, 터치 감응성 막 및 그것을 활용하는 터치 감지 디바이스의 터치 위치 해상도는 또한 접촉 위치들의 수 및 서로에 대한 그리고 막에 대한 그것들의 배치에 의존한다. 이들은 비패턴화된 전도층을 갖는 단일층 접근법에서 특히 중대한 사안들이다. 통상적으로, 예를 들어, US 7,477,242 B2 및 US 2008/0048996 A1에서 설명되는 이러한 타입의 앞서 알려진 디바이스들은 직사각형 형상의 전도층 및 그것의 코너들에서의 4개의 접촉 전극에 의존한다. 그러나, 이러한 구성은 매우 복잡한 신호 처리를 필요하게 만들고, 이러한 디바이스의 정확도는 매우 낮다. 그러한 해결법에 따른 가요성 구조체를 제공하는 것이 특히 어렵다. 또한, 멀티 터치 능력은 그러한 종류의 접근법으로 달성하기에 매우 도전적일 수 있다. 이러한 어려움들은 본 발명에서 완화되거나 회피된다.
이하에, 본 발명이 첨부 도면들을 참조하여 예들에 기반하여 예시된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명에 따른 터치 감지 디바이스의 하나의 가능한 구성을 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명에 따른 터치 감지 디바이스의 다른 가능한 구성을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 2차원의 패턴화되지 않은 터치 감응성 막의 예시이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 변형 감지 능력들을 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 5는 스트라이프형 터치 감응성 막이 사용되는 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 그리드에서 U자형 및 C자형의 스트라이프들을 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 터치 감지 디바이스로부터의 비교되는 수신된 응답 신호들의 도면들이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 여기 신호들과 비교되는 수신된 응답 신호들의 도면들이다.
본 발명의 설명이 후술되는 예들에 기반하여 뒤따른다.
저항성 막과 함께 외부 물체에의 용량성 또는 유도성 결합은 전자 신호 필터를 구성한다. 커패시턴스 또는 인덕턴스를 갖는 외부 물체와 함께 충분한 전기 저항률을 갖는 터치 감응성 막은 시스템의 얻어진 RC 시간 상수로 인해 저역 통과 RC 필터를 생성한다. 이러한 저역 통과 필터의 특성들은 시트 저항뿐만 아니라 외부 물체의 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스에 의존한다.
통상의 동작 모드에서, 하나 이상의 발진 신호들 또는 펄스들은 하나 이상의 위치들에서 필터로 공급된다. 터치 감응성 막에서, 터치 표면의 에지 상의 또는 에지에서의 임의의 2개의 지점들 사이의 저항은 그것들의 상대 위치 및 센서 영역의 기하학적 구조 및 시트 저항의 함수이다. 이러한 시스템에서의 커패시턴스 또는 인덕턴스는 시스템의 기생 커패시턴스 또는 인덕턴스 및 막과 결합된 외부 물체 사이에 형성되는 커패시턴스 또는 인덕턴스의 조합이다. 전자 필터링 특성들의 변화는 막의 저항률에 더하여, 시스템에서 존재하는 하나 이상의 용량성으로 또는 유도성으로 결합된 터치들에 의해 야기되는 부하가 있을 때, 상당하다. 언급된 신호 또는 펄스의 변화들을 측정함으로써, 전자 필터 특성들의 변화는 측정될 수 있고 따라서 하나 이상의 터치들의 위치가 추정될 수 있다. 예를 들어, 감지막으로의 전류의 변화를 측정함으로써, 센서와 외부 물체 사이의 커패시턴스 또는 인덕턴스는 계산될 수 있다. 마찬가지로, 감지 노드(특정 위치에서 터치 감응성 막에 연결되는 전기 회로의 일부) 마다의 신호 변화들은 외부 물체와의 상대적 거리의 변화들을 나타내고, 전체 전류 소모의 인지와 함께 감지 노드들에서의 응답 신호와 센서 노드들에서의 절대값들 사이의 차이들을 비교함으로써, 터치의 상대 위치는 다양한 알고리즘들에 의해 계산될 수 있다. 예를 들어, 샘플링된 펄스들의 진폭들은 터치 위치와 연관성이 있고 실제 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 1a는 신호가 노드에 공급되고 저역 통과 필터의 효과가 동일한 노드를 통해 측정되는 일 실시예를 도시한다. 시스템은 저항률 및 이러한 터치 감지막에 용량성으로 또는 유도성으로 결합되는 외부 물체 및 터치 감음성 막으로 구성된다. 신호 또는 펄스는 그것이 막 내에 어디에서든 도입될 수 있더라도, 감응성 막 내의 지점, 통상적으로 에지에 도입된다. 저항기, 정전류원, 커패시터 또는 인덕터 또는 그것의 조합과 같은 외부 구성 요소는 예를 들어, 측정 값의 전압 선형성을 증가시키고, 시스템에서의 특이성들을 회피하기 위해 전류 또는 퍼텐셜을 더 균등하게 분포시키고, 전류 또는 전압 퍼텐셜이 측정되는 것을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 외부 구성 요소는 저항성 막 및 외부 터치 물체와 함께 저역 통과 필터를 생성한다. 신호는 터치 막 및 외부 물체에 의해, 그리고 시스템의 저역 통과 필터 특성들을 변화시킴으로써, 생성되는 부하에 결합되고, 따라서 신호를 변경한다. 변경된 신호는 외부 구성 요소와 터치 감응성 막 사이에서 샘플링된다(수신된다). 2개 이상의 외부 물체들의 멀티 터치를 측정하기 위한 측정 원리는 거기에 하나 대신에 2개 이상까지의 평행 경로들을 외부 물체 커패시턴스 또는 인덕턴스에 형성하고 용량성 또는 유도성 결합이 증가되는 것으로 구분되는 단일 터치 상황과 유사하다. 샘플링된 신호는 외부 물체의 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스 및 터치 막, 외부 구성 요소 및 외부 물체에 의해 형성되는 저역 통과 필터와 신호의 상호 작용에 따라 다르다. 다수의 입력들/감지 노드들을 사용하는 것은 사람이 외부 물체의 터치의 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스를 더 정확하게 지정하는 것을 가능하게 한다. 상기 실시예에서, x 및 y 위치들 및 커패시턴스 또는 인덕턴스를 지정하기 위해, 입력 및 감지 노드들로서 다양한 가능한 조합들로 사용될 수 있는 3개의 노드가 각각의 터치마다 요구되고, 따라서, 예를 들어, 4개의 동시 터치에 대해, 12개의 입력 및 감지 노드가 요구된다.
도 1a에 따른 실시예의 더 일반적인 구성이 도 1b의 블록도에 도시되고, 3개의 신호 또는 펄스가 3개의 외부 구성 요소를 통해 터치 막 상의 3개의 지점(노드)로 공급되는 구체적인 실시예가 도 1c 에 도시된다. 샘플링된 신호들 또는 펄스들은 그 다음 외부 물체의 위치 및/또는 커패시턴스 또는 인덕턴스를 결정하기 위해 소스 신호 또는 펄스와 또는 다른 샘플링된 신호들 또는 펄스들과 비교된다.
도 2a는 신호가 노드에 공급되고 저역 통과 필터의 효과가 하나 이상의 대향하는 또는 인접한 노드들에서 측정되는 예시적인 실시예를 도시한다. 시스템은 저항률을 갖는 감응성 막 및 이러한 감응성 막에 용량성으로 또는 유도성으로 결합되는 외부 물체를 포함한다. 신호 또는 펄스는 감응성 막 내의 지점, 통상적으로 에지에서 도입되고(그것이 어디에서든 도입될 수 있더라도) 변경된 신호는 상이한 위치에서 수신된다. 수신된 신호는 외부 물체의 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스 및 터치 막 및 외부 물체에 의해 형성되는 저역 통과 필터와 신호의 상호 작용에 따라 다르다. 단일의 또는 다수의 입력 노드들에 대해 다수의 감지 노드들을 사용하는 것은 외부 물체의 터치의 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스의 더 정확한 지정을 허용한다. 상기 실시예에서, x 및 y 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스를 지정하기 위해, 3개의 입력 및 감지 노드가 각각의 터치 마다 요구되고, 따라서, 예를 들어, 4개의 동시 터치에 대해, 12개의 입력 및 감지 노드가 요구된다.
도 2a에 따른 실시예의 더 일반적인 구성이 도 2b의 블록도에 도시되고, 3개의 신호 또는 펄스가 3개의 외부 구성 요소를 통해 터치 막 상의 3개의 지점(노드)으로 공급되는 구체적 실시예가 도 2c에 도시된다. 샘플링된 신호들 또는 펄스들은 그 다음 외부 물체의 위치 및/또는 커패시턴스 또는 인덕턴스를 결정하기 위해 소스 신호 또는 펄스와 또는 다른 샘플링된 신호들 또는 펄스들과 비교된다.
도 1b, 도 1c, 도 2b 및 도 2c에서, 박스 “신호/펄스 생성기”는 예를 들어, 사인파형, 3각형, 정사각형 또는 톱니형의 형태일 수 있는 예를 들어, 하나 이상의 여기 전압 또는 전류 펄스들 또는 발진들(여기 신호들)을 생성하는 생성기를 나타낸다. 필요하다면, 그것은 또한 제어부 및/또는 클락과 같은 다른 기능성을 포함할 수 있다. “신호 비교기” 박스는 여기 및/또는 응답 신호들을 비교하고 구별하고 이러한 정보를 해석부에 제공하는 디바이스를 나타낸다. 그것은 예를 들어, 전압 또는 전류 주파수, 진폭, 위상 편이, 또는 파 형상 또는 형태를 비교할 수 있다. “해석부” 박스는 신호들을 신호 비교기 외로 처리하고, 가능하게는 또한 신호/펄스 생성기로부터의(예를 들어, 클락 또는 제어 기능들로부터의) 정보를 사용하는 유닛을 나타낸다. 필요하다면, 그것은 또한 제어부 및/또는 클락과 같은 다른 기능성을 포함할 수 있다. 그것은 또한 (예를 들어, 클락 또는 제어 기능들로부터) 정보를 예를 들어, 신호/펄스 생성기에 제공할 수 있다. 실제로, 모든 이러한 기능들은 단일 유닛 또는 칩으로 통합될 수 있고 따라서 분리되지 않을 수 있다.
여기 신호들은 개별 노드들로 송신될 수 있고 응답 신호의 상응하는 샘플들은 차례로, 또는 동시에 취해질 수 있다. 더욱이, 동일한 또는 상이한 여기 신호들은 개별 노드들로 송신될 수 있다. 여기 신호들은 동일한 또는 상이한 소스들로부터 있을 수 있다.
도 3a는 (단일의 또는 다수의 소스들로부터 있을 수 있는) 다수의 입력 신호들 또는 펄스들을 갖는 2차원 터치 감응성 막이 사용되는 실시예의 예시이다. 이러한 예에서, 3개의 외부 구성 요소는 소스와 필연적으로 2차원의 감응성 막 또는 감응성 시트 사이에 직렬로 각각 배치되고, 신호들은 외부 구성 요소들과 감응성 막 사이에서 샘플링된다. 어떤 터치도 없는 경우에, 샘플링된 신호들은 필터의 특성들에 관하여 주어진 특성 형태를 가질 것이다. 터치가 발생할 때, 외부 물체에의 용량성 또는 유도성 결합은 필터 특성들을 변화시킨다. 서로 또는 입력 신호에 대한 샘플링된 신호들 사이의 관계는 특성들의 이러한 변화 그리고 그로 인한 외부 물체의 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스에 대한 정보를 제공한다. 상기 실시예에서, x 및 y 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스를 지정하기 위해, 3개의 입력 및 감지 노드가 각각의 터치 마다 요구되고, 따라서, 예를 들어, 4개의 동시 터치에 대해, 12개의 입력 및 감지 노드가 요구된다. 따라서, 도 3a는 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스의 면에서 단일 터치를 완전히 지정할 최소 수의 노드들을 도시한다. 도 3b는 4개의 외부 구성 요소가 소스와 필연적으로 2차원의 감응성 막, 또는 감응성 시트 사이에 직렬로 각각 배치되고, 신호들이 단일 터치에 대한 정확도를 증가시키기 위해 또는 예를 들어, 다수의 터치들의 존재의 판단을 허용하기 위해 외부 구성 요소들과 감응성 막 사이에서 샘플링되는 동일한 것의 다른 실시예를 도시한다. 본원에 설명되는 2차원 터치 감응성 막은 또한 가요성이고/이거나 3D 표면으로 형성 가능할 수 있다.
도 4a 내지 도4c는 감응성 막이 터치 감지 회로 또는 알고리즘에 그리고 변형 감지 회로 또는 알고리즘에 교호로 결합되는 단일 막을 갖는 막 변형을 감지하는 예들을 도시한다. 이러한 경우에서, 적어도 3개의 노드가 측정들을 수행하기 위해 필요하다. 변형은 DC 전압 레벨에 의해 노드들 사이의 저항의 변화들을 측정함으로써 결정될 수 있다.
실제로, 센서 변형, 비틀림 또는 구부림은 필터 특성들을 다시 변화시키는 능동 영역 저항률을 변화시킴으로써 터치 감지에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 이러한 경우에서 터치 감응성 막은 적어도 동일한 막이 그것이 변형될 때 변형 센서, 및 어떤 변형도 행해지지 않을 때 터치 센서로서 역할을 하는 모드에서 여전히 사용될 수 있다.
도 5는 (단일의 또는 다수의 소스들로부터 있을 수 있는) 다수의 입력 신호들 또는 펄스들을 갖는 2차원 터치 센서의 실시예를 도시한다. 외부 구성 요소(51)는 소스 또는 소스들과 단일의 또는 필연적으로 1차원 감지막들의 세트(단일의 또는 감지 손가락들 또는 스트라이프들(52)의 집합) 사이에 직렬로 배치되고 신호들은 외부 구성 요소들과 감지막들 사이에서 샘플링된다. 스트라이프들은 양호한 성능을 위해 고 종횡비를 가져야 하며, 예를 들어, 길이 대 폭 비가 3보다 더 크거나, 보다 바람직하게는, 10보다 더 커야한다. 스트라이프들은 예를 들어, 일직선이거나 곡선일 수 있고 일정한 폭을 가질 필요가 없다. 단일 스트라이프의 경우에, 실시예는 슬라이더 또는 다이얼로서 작용할 수 있다. 어떤 터치도 없는 경우에, 샘플링된 신호들은 필터의 특성들에 관하여 주어진 특성 형태들을 가질 것이다. 터치가 발생할 때, 외부 물체에의 용량성 또는 유도성 결합은 필터 특성들을 변화시킨다. 입력 신호로 샘플링된 신호들 사이의 관계는 따라서 외부 물체의 위치 및 임의의 주어진 스트립에서의 터치의 존재에 대한 정보를 제공한다. 또한 외부 물체의 커패시턴스 또는 인덕턴스를 검출하기 위해, 하나 이상의 부가 샘플들은 막으로부터, 바람직하게는 스트라이프(52)의 대향 단부에서 취해질 수 있다. 상기 실시예에서, 스트라이프를 따른 터치 위치 예를 들어, 상기 스트라이프 상의 터치의 x 위치, 및 커패시턴스 또는 인덕턴스를 지정하기 위해, 2개의 입력 및 감지 노드가 각각의 터치마다 필요하고, 따라서, 예를 들어, 임의의 스트라이프를 따른 4개의 동시 터치마다, 8개의 입력 및 감지 노드들이 필요하다. 이것은 도 1a 및 도 2a의 구성들 둘 다에 따라 동작될 수 있다. 필연적으로 직교하는 것 예를 들어, y 방향으로의 터치의 위치는 특정 스트라이프 상의 터치의 존재를 식별함으로써 결정된다.
이러한 구성의 변경은 스트라이프 마다 2개의 전극들의 경우에, 전극들이 터치 영역의 동일 측부 또는 에지 상에 위치되도록 각각의 스트라이프를 “U” 또는 “C”자형으로 제작하는 것이다. 이것은 디바이스의 정확도를 증가시킬 수 있고 모든 접촉 전극들이 하나의 에지를 따라 국부화되는 것을 가능하게 하여, 설계 자유를 허용하고 예를 들어, 터치 영역의 하나 이상의 에지들인 베젤(bezel)들에 대한 요구를 감소시킨다.
도 6의 구성은 또한 2개의 층 구조체로 사용될 수 있으며, 이 때 각각의 층은 하나의 층의 스트라이프들이 다른 층의 스트립들과 평행하지 않도록 배향되는 스트라이프들의 세트를 갖는다. 바람직하게는, 배향은 90 도에 있다. 이러한 방식으로 그리드 구조체가 형성된다. 도 5는 “U” 또는 “C” 자형의 스트라이프들과 조합된 이러한 구성을 도시한다. 통상적으로, 층들은 예를 들어, 에어 갭 또는 절연 또는 유전체 재료에 의해 분리되어야 한다. 기판 또는 및 코팅은 그러한 절연체 또는 유전체로서 역할을 할 수 있다.
도 5 및 도 6에서의 표시들 “AC 인” 및 “AC 아웃”은 각각 신호 또는 펄스 입력 및 출력을 의미할 수 있다.
도 7a는 균일한 저항률 및 6개의 접촉 전극들을 갖는 2차원 직사각형 터치 표면 상의 터치로부터 응답 신호들의 비교를 도시하는 도면이며, 이들 중 2개는 중심선 에지에 있고 서로 대향한다. 도면은 터치가 중심선으로부터 좌측으로 처음에 근소하게 상쇄되고, 그 다음 중심선을 잠시 온하지만 상단 쪽으로 중심을 근소하게 오프하고, 그 다음 단부에서 우측으로 근소하게 오프할 때, 이러한 2개의 접촉 노드 사이의 응답 신호들 사이의 차이를 도시한다. 그래프들은 상이한 감지 노드들(수신하는 전극들) 사이의 신호 차이들을 도시한다 즉, 측정들이 청구항 4의 실시예에 따라 수행된다. 이상적인 경우에, 차이는 제2 및 제6 그래프들에 대한 경우에서와 같이 터치가 대향하는 감지 노드들과 동등한 거리 및 각도에 있을 때, 제로이다. 이것은 필터 특성들의 변화들이 어떻게 신호에 영향을 주는지 그리고 예를 들어, 터치 위치가 어떻게 측정될 수 있는지를 명확히 나타낸다.
도 7b에서, 도 7a의 신호들은 실제 시스템에서의 경우일 수 있는 바와 같이, 고정된 간격으로 샘플링된다.
유사하게, 상이한 노드들에서의 응답 신호들의 차이와 대조적으로, 응답 신호와 여기 신호 사이의 차이는 필터 특성들의 변화들을 결정하여 터치 물체의 터치 존재, 근접, 위치 및 커패시턴스 또는 인덕턴스를 독자적으로 결정하는 데 이용될 수 있다. 도 8a내지 도 8c는 도 7a 및 도 b와 유사하게 여기 신호들과 비교되는 응답 신호들을 도시한다. 신호들의 차이를 시각적으로 관측하는 것이 어려우므로, 도 8c는 터치가 시간 위치 120 ㎲에서 제거될 때, 응답 대 여기 신호 차이를 디스플레이한다.
응답 신호의 다른 특성들은 또한 전압 또는 전류 파형 또는 형상, 진폭 또는 위상 편이와 같은 필터 특성들의 변화들을 확인하기 위해 사용될 수 있다. 필터 특성의 변화들의 결정에서 샘플링되고 사용되는 특성 또는 특성들은 예를 들어, 신호 대 잡음 비가 최대화되도록 자유롭게 선택될 수 있다. 더욱이, 여기 신호 주파수, 파형 (예를 들어, 사인파형의, 3각형의, 정사각형의, 톱니형 등) 및 진폭은 예를 들어, 간섭을 회피하거나 신호 대 잡음 비를 최대화하기 위해 선택될 수 있다.
본 발명은 상술된 예들에 제한되지 않고 실시예들은 청구항들의 범위 내에서 자유롭게 변경될 수 있다.

Claims (20)

  1. 저항을 갖는 전도성 재료를 포함하는 터치 감응성 막으로서, 터치가 외부 물체에 의해 행해질 때, 상기 외부 물체에 용량성 또는 유도성 결합될 수 있는 터치 감응성 막;
    적어도 상기 터치 감응성 막의 상기 저항 및 상기 외부 물체에의 상기 용량성 또는 유도성 결합에 의해 형성되는 신호 필터로서, 적어도 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스 또는 상기 터치의 특성들의 조합에 의해 영향을 받는 특성들을 갖는 신호 필터;
    하나 이상의 위치들에서 상기 터치 감응성 막에 저항성으로 또는 무선으로 결합되는 전기 회로로서, 하나 이상의 주파수, 진폭 및 파형을 갖는 하나 이상의 여기 신호들을 상기 신호 필터로 공급하고 상기 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성되는 전기 회로; 및
    상기 전기 회로에 저항성으로 또는 무선으로 결합되는 처리부를 포함하며, 상기 처리부는 하나 이상의 응답 신호들을 처리하고 그것에 의해 상기 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 상기 외부 물체에 의한 터치의 존재 또는 근접, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 또는 그것의 조합을 검출하도록 구성되는, 터치 감지 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 필터는 저역 통과 필터인, 터치 감지 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 신호 필터로부터 2개 이상의 응답 신호들을 수신하도록 구성되고, 상기 처리부는 상기 응답 신호들을 서로 비교하고 그것에 의해 상기 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 상기 외부 물체에 의한 터치의 존재, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 또는 그것의 조합을 검출하도록 구성되는, 터치 감지 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 처리부는 상기 응답 신호들을 상기 소스 신호와 비교하고 그것에 의해 상기 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 상기 외부 물체에 의한 터치의 존재, 상기 터치의 위치, 상기 터치의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 또는 그것의 조합을 검출하도록 구성되는, 터치 감지 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 회로를 통해 상기 처리부에 저항성으로 또는 무선으로 결합되는 외부 구성 요소를 더 포함하며, 상기 신호 필터는 상기 하나 이상의 외부 구성 요소에 의해 더 형성되는, 터치 감지 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 필터의 특성들은 상기 외부 물체와 상기 감지막 사이의 거리, 상기 외부 물체의 커패시턴스 또는 인덕턴스, 상기 외부 물체의 물리적 특성들, 상기 막의 상기 저항, 상기 감응성 막 재료와 상기 외부 물체 사이의 유전체층 또는 절연층의 존재, 두께 또는 유전율, 또는 그것의 조합에 의해 더 영향을 받는, 터치 감지 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 하나 이상의 전극들을 포함하고, 상기 전극들 중 하나 이상은 상기 여기 신호를 상기 신호 필터로 공급하도록 구성되고, 상기 전극들 중 하나 이상은 상기 신호 필터로부터 상기 전기 응답 신호를 수신하도록 구성되는, 터치 감지 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 필터의 특성들은 진폭 응답, 위상 응답, 전압 응답, 전류 응답, 신호 형상 응답 또는 그것의 조합을 포함하는, 터치 감지 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 처리부는 상기 여기 신호의 하나 이상의 미리 결정된 주파수, 진폭 및 파형에 기반하여 측정될 하나 이상의 특성들을 선택하도록 더 구성되는, 터치 감지 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 평면에서의 연속적인 구조체로서 연장되는, 터치 감지 디바이스.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은,
    상기 전도성 재료로 구성되고 상기 터치 감응성 막에 걸쳐 일방향으로 연장되는 2개 이상의 평행 스트라이프들; 및
    비전도성 재료를 포함하는 상기 스트라이프들 사이의 영역들을 포함하며,
    상기 전기 회로는 상기 스트라이프들 각각에 저항성으로 또는 무선으로 결합되고, 상기 처리부는 각각의 스트라이프를 따라 상기 터치의 상기 존재 및 위치를 검출하도록 더 구성되는, 터치 감지 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 상기 터치 감응성 막의 구부림을 허용하기 위해 가요성 구조체로서 형성되는, 터치 감지 디바이스.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 3차원 표면을 형성하도록 상기 터치 감응성 막의 변형을 허용하도록 변형 가능한 구조체로서 형성되는, 터치 감지 디바이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 광학적으로 투명한, 터치 감지 디바이스.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 HARMS(고 종횡비 분자 구조체) 네트워크, 전도성 폴리머, 그래핀 또는 세라믹 또는 금속 산화물을 포함하는, 터치 감지 디바이스.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 또한 햅틱 인터페이스 막으로서 역할을 하는, 터치 감지 디바이스.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 감응성 막은 또한 변형 검출 막으로서 역할을 하는, 터치 감지 디바이스.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리부에 의해 결정되는 상기 커패시턴스 또는 인덕턴스는 상기 터치의 힘 또는 힘의 상대 변화를 결정하기 위한 프록시로서 사용되는, 터치 감지 디바이스.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스의 부분들 사이의 상기 무선 결합은, 전파들에 의한 결합, 자기장들을 통한 결합, 유도성 또는 용량성 결합 중 하나인, 터치 감지 디바이스.
  20. 터치 감지 디바이스로 외부 물체의 존재, 근접, 위치, 인덕턴스, 커패시턴스 또는 이러한 특징들의 조합을 검출하는 방법으로서,
    하나 이상의 주파수, 진폭 및 파형을 갖는 하나 이상의 전기 여기 신호들을 적어도 상기 터치 감지 디바이스에서의 터치 감응성 막의 저항 및 상기 외부 물체와의 상기 막의 용량성 또는 유도성 결합에 의해 형성되는 신호 필터로 공급하는 단계;
    상기 신호 필터로부터 하나 이상의 응답 신호들을 수신하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 응답 신호들을 처리하고 그것에 의해 상기 신호 필터의 특성들의 변화들을 측정함으로써 상기 외부 물체에 의한 터치의 존재, 또는 상기 터치의 위치를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
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