2차원 위치 센서 document_id A220623046512

본 발명은 특히 손가락 또는 스타일러스펜에 의해 구동되는 2차원 용량성 위치 센서에 관한 것이다. 예시적 장치로는, 특히 액정 디스플레이(LCD), CRT(Cathode Ray Tube) 및 다른 타입의 디스플레이 상의 터치스크린 및 터치패드, 펜 입력 태블릿, 또는 피드백 제어 목적의 장치에 사용되는 인코더 등이 있을 수 있다. 기계장치로의 펜 또는 터치 입력에 대한 설명은, 특허 DE 203,719[1]에 구현된 바와 같이, 적어도 1908년도로 거슬러 올라간다. 터치스크린 및 포인팅 장치는 개인용 컴퓨터뿐만 아니라 PDA(Personal Digital Assistant), POS(Point of Sale) 터미널, 전자정보 및 티켓 발급 키오스크(Kiosk), 키친 어플라이언스(Kitchen Appliance) 등과 같은 다른 기기들과 관련되어 점차 대중화 및 보급화되고 있다. 이들 기기들은 점차 가격이 낮아지게 되고, 따라서 높은 레벨의 품질 및 견고성을 유지함과 동시에 좀더 낮은 제품 가격에 대한 필요성이 있게 되었다. 터치스크린은 일반적으로, 용량성(capacitive) 및 저항성(resistive)의 두 개의 카테고리로 나뉘어질 수 있다. 용량성 장치들과 관련되어, 용어 '2차원 용량성 트랜스듀서(two-dimensional capacitive transducer)' 또는 '2DCT'가 이하의 장치들에 대한 일반적 용어로 사용된다: 터치스크린, 터치 센싱 패드, 근접 센싱 영역, LCD, 플라즈마, 또는 CRT 스크린 등 상의 디스플레이 오버레이 터치 스크린, 기계 장치 또는 피드백 시스템용 위치 센싱, 또는 용량성 센싱 메커니즘에 의해 물체 또는 신체부분의 위치에 관련된 적어도 2차원 좌표계, 카르테시안 등을 리포트할 수 있는 표면 또는 볼륨을 갖는 다른 타입의 제어 표면(제한 없음). 저항성 장치들과 관련되어, 용어 '2차원 저항성 트랜스듀서(two-dimensional resistive transducer)' 또는 '2DRT'가 순수 갈바니 원리(galvanic principle)에 기초한 터치스크린 또는 펜 입력 장치를 언급하기 위한 일반적인 용어로 사용된다. 용어 '2DxT'는 2DCT 또는 2DRT 타입의 엘리먼트들을 언급한다. 용어 '터치'는, 소망의 출력을 발생시키기 위해 충분한 용량성 신호 세기의 신체부분 또는 기계적 컴포넌트에 의한 접촉 또는 근접을 의미한다. '근접'의 의미에서, 터치는 물리적 접촉 없이 2DCT를 '가리키는' 것을 의미할 수 있다. 이 때, 2DCT는 적절히 반응하기에 충분한 물체의 근접에 따른 용량성분에 반응한다. 용어 '엘리먼트'는 2DCT 또는 2DRT의 액티브 센싱 엘리먼트를 언급한다. 용어 '전극'은 엘리먼트의 주변부(periphery)의 연결 포인트를 언급한다. 용어 '스트라이프(stripe)'는 전선 도체(electrical line conductor)를 언급하는데, 전선 도체는 엘리먼트의 컴포넌트 부분이고, 2개의 끝단(말단)을 갖는다. 스트라이프는 의도된 실질적인 갈바니 저항성분을 갖고, 전선은 최소 저항성분을 갖는다. 스트라이프가 그것의 일부인 엘리먼트가 물리적으로 만곡되어 있으면, 스트라이프 또한 물리적으로 만곡되어 있다. 용어 '핀 쿠션(pin cushion)'은 파라볼릭(parabolic), 배럴(barrel) 또는 다른 형태의 2차원 변형이든 간에 2DCT로부터의 신호의 임의의 왜곡을 의미한다. 2DCT의 많은 타입들은 '핀쿠션' 또는 '하이퍼볼릭(hyperbolic)' 또는 '파라볼릭'과 같이 특징되는 기하적적 왜곡을 겪는 것으로 알려져 있다. 따라서, 기존의 터치 좌표계는 센싱 표면의 전기적 효과에 따라 오류가 발생된다. 이들 효과는 예컨대 피퍼(Pepper)에 허여된 US 4,198,539(본 명세서에 참조로 포함됨)와 같은 여러 특허문헌에서 심층적으로 설명되어 있다. 기하학적 왜곡에 대한 공지된 원인, 해결책 및 해결책들의 문제에 대해 밥 등(Babb et al)에 허여된 US 5,940,065[3] 및 US 6,506,983[4]에 잘 요약되어 있다. 문헌들은 본 명세서에 참조로 포함된다. US 5,940,065[3]는 다음의 두 분류의 중요 보정에 대해 설명한다: 1) 센싱 표면 또는 연결 전극에 대한 설계 또는 수정을 포함하는 전기기계적 방법; 2) 왜곡을 보정하기 위한 수학적 알고리즘을 사용하는 모델링 방법. 전기기계적 방법 평면 엘리먼트의 에지 조작: 크프뮬러 등은, US 2,338,949(1940년에 출원)에서, 작은 이용가능한 영역의 둘러싸는 X 및 Y에서의 매우 긴 사각형 테일(tail)을 사용하여 2DRT 일렉트로그래프 내의 에지 왜곡 문제를 해결한다. 크프뮬러는 4개의 테일들을 스트라이프들로 할당하는 방안을 더욱 택한다; 이들 스트라이프들은 사용자의 입력 영역은 침범하지는 않지만 전류 흐름에 평행한 측을 따라 비등방성 방식으로 전류 흐름에 대해 저항을 높이는 역할을 한다. 이와 같은 아이디어는 비록 약간 다르기는 하지만 거의 50년 이후에 야니브 등(Yaniv et al) 등에 허여된 US 4,827,084[6]에 다시 등장한다. 베커는, US 2,925,467에서, 엘리먼트의 시트(sheet) 저항성분에 대한 매우 낮은 저항성분의 에지 물질을 적절히 사용함으로써 비선형 에지 효과가 제거되는 2DRT 일렉트로그래프를 처음으로 설명한다. 방법은 2DCT를 구성하기 위해서도 사용될 수 있다. 피퍼는, US 4,198,539[2], US 4,293,734[8], 및 US 4,371,746[9]에서, 엘리먼트의 에지 저항성분 구조를 조작함으로써 2DCT를 선형화하는 방법을 설명하고 있다. 탈마지(Talmage)는, US 4,822,957[10]에서, 피퍼와 유사한 에지 패턴을 2DRT 엘리먼트 및 픽-오프 시트(pick-off) 시트와 함께 설명한다. 이와 같은 많은 다른 특허들이 다양한 방법을 사용하여 등록되었고, 이 분야는 오늘까지도 새로운 특허의 대상이 되고 있다. 이들 방법들은 개발 및 복제가 매우 어려운 것으로 알려졌으며, 이들은 차동의 열적 히팅 유도 에러(differential thermal heating induced error) 및 생산 문제점이 있는 경향이 있다. 매우 작은 정도의 국지적 오류 또는 드리프트(drift)가 좌표계 반응에 있어 실질적인 변화를 초래할 수 있다. 패턴형의 에지 스트립(patterned edge strip)의 저 저항성분이 구동 회로와 함께 문제를 일으켜서, 구동회로가 더 많은 전력을 소비하고 더 고비용이 되도록 한다. 피퍼의 특허를 참조하여 유사한 구현을 행하는 상당히 많은 특허들이 존재한다. 적어도 베커는 제조하기 쉽고 반복 제조하기 좋으므로, 베커에 비해 피퍼에 의해 구현된 개선점들은 크지 않다. 와이어 엘리먼트를 갖는 에지 저항성분: 케이블(Kable)은, US 4,678,869[11]에서, 펜 입력을 위한 2D 어레이를 개시한다. 2D 어레이는, 2축 상에 있는 저항성 디바이더 체인(resistive divider chain)과 체인에 연결되는 고 전도 전극들(highly conductive electrode)을 이용한다. 전극들은 감지 목적의 의도되지 않은(비의도) 저항성분을 일부 포함한다. 감지 신호는 두 개의 인접 전극들 사이에 발생되는 신호들로부터 보간(interpolate)된다. 비의도 저항성분은 반응에 있어 소량의 핀 쿠션을 초래한다. 특허는 또한 기술에 의해 생겨나는 소량의 핀 쿠션 왜곡을 보상하기 위한 알고리즘 수단을 개시한다. 케이블 방법은 연결된 스타일러스펜 이외의 것과는 연동가능하지 않다. 즉, 손가락에 반응하는 것으로 기술되어 있지 않다. 케이블 특허는 전도체들 간의 크로스오버를 필요로 하고, 따라서 적어도 3개의 구축 레이어들(도체, 절연, 도체)을 필요로 한다. 다중 액티브-에지 전극들: 터너(Turner)는, US 3,699,439[12]에서, 결과를 선형화하기 위해 모든 4개의 변(邊) 상에 다중 전극 커넥션(multiple electrode connection)들을 갖는 액티브 프로브(active probe)를 갖는 균일 저항성 스크린(uniform resistive screen)을 개시한다. 요시카와 등(Yoshikawa et al)과 울페(Wolfe)는, 각각 US 4,680,430[13] 및 US 5,438,168[14]에서, (모서리들과 반대로) 각 변에 다중 전극 포인트를 사용하여 한 축의 전극들로부터의 전류 흐름의 다른 축의 전극들과의 상호 작용을 감소시킴으로써 핀 쿠션 감소를 용이하게 하는 2DCT를 개시한다. 엘리먼트가 단순 시트 저항인 한편, 이 접근은 엘리먼트에 매우 근접한 각 커넥션 포인트에서의 (다이오드 또는 MOSFET의 선형 어레이와 같은) 다수의 액티브 전기 커넥션들을 포함한다. 나카무라(Nakamura)는, US 4,649,232[15]에서, 저항성 픽업 스타일러스를 구비하는 것을 제외하고는, 요시카와 및 울페와 비슷한 것을 개시한다. 순차적 스캔 스트라이프 엘리먼트(Sequentially Scanned Stripe Element): 그리니아스 등(Greanias et al)는 US 4,686,332[16] 및 US 5,149,919[17]에서, 보이에 등(Boie et al) 등은 US 5,463,388에서, 그리고 랜드마이어(Landmeier)는 US 5,381,160[19]에서, 교대하는 독립적으로 구동되고 센싱되는 스트라이프 도전체들을 X 및 Y 양 축에서 사용하여 센싱하는 엘리먼트 방법을 교시한다. 이로부터 손가락 터치, 픽업 장치, 또는 스타일러스 펜의 위치가 해석된다. 다중 레이어의 재료 및 특별 처리를 통해 구현된다. 그리니아스는 양 축에서의 높은 해상도를 달성하기 위해 스트라이프들 간의 보간 사용을 교시한다. 이들은 엘리먼트 내의 도전체들의 크로스오버를 가능하게 하기 위해 3개 이상의 레이어들을 필요로 한다. 이들은 한 스트라이프와 다른 스트라이프 간의 크로스 커플링 양(amount of cross coupling)이 아닌, 각 스트라이프 상의 용량성분 측정에 의존한다. 보이에는 또한 특별 가드 평면(guard-plane)을 교시한다. 비인스테드(Binstead)는, US 5,844,506[20] 및 US 6,137,427[21]에서, 케이블, 앨런, 저페이드(Gerpheide), 및 그리니아스(Greanias)에 의해 교시된 것과 유사한 방식의 개별 미세 와이어를 사용하는 터치스크린을 교시한다. 비인스테드는 매우 미세한 열 및 행 와이어를 사용하여 투명도를 달성한다. 특허는 또한 높은 해상도를 달성하기 위한 전극 와이어들 간의 그리니아스 보간 방법을 교시한다. 서로 간의 크로스 커플링 정도가 아닌, 각 스트라이프와 그라운드 간의 용량성분의 측정에 의해 스캔이 행해진다. 이반스(Evans)는, US 4,733,222[22]에서, 스트라이프들이 양 X 및 Y 축에서 순차적으로 구동되는 시스템을 개시한다. 이를 위해, 커패시터 디바이더 효과(capacitor divider effect)를 통해 센싱신호를 이끌어 내기 위한 커패시터들의 외부 어레이가 또한 사용된다. 스트라이프들만으로 가능한 것보다 더 미세한 해상도를 평가하기 위해 보간이 사용된다. 볼프(Volpe)는, US 3,921,166[23]에서, 용량성 스캐닝 방법을 사용하는 개별 키 기계적 키보드(discrete key mechanical keyboard)를 개시한다. 순차적으로 구동되는 입력 행(row)들과 순차적으로 센싱되는 열(column)들이 있다. 키를 누름으로써 행(row)에서 열(column)로의 커플링(coupling)을 향상시키고, 이와 같은 방법으로 n 키 롤오버(rollover)가 달성될 수 있다. 여기에서는 보간이 필요없다. 비록 2DCT는 아니지만, 볼프는 스캔형 스트라이프 엘리먼트 2DCT 기술의 실마리가 된다. 본 발명자에 의한 US 6,452,514[24]는 이와 같은 분류의 센서에 속한다. 이타야(Itaya)는, US 5,181,030[25]에서, 접촉의 위치를 읽는 저항성 평면으로 압력을 가할 때 커플링을 하는 저항성 스트라이프들을 갖는 2DRT를 개시한다. 스트라이프 또는 평면은 이들에 가해지는 1D 전압 기울기(gradient)를 가져서, 특정 스트라이프 상의 접촉의 위치가 쉽게 확인될 수 있다. 각 스트라이프는 각자의 적어도 하나의 전극 커넥션을 필요로 한다. 주기적 스캔형 스트라이프 엘리먼트(Cyclical Scanned Stripe Element): 저페이드 등(Gerpheide et al)은, US 5,305,017[26]에서, 절연체들에 의해 분리되는 오버랩핑 금속 스트라이프의 다중 직교 어레이들을 사용하는, 터치패드 커패시턴스 기반의 컴퓨터 포인팅 디바이스를 교시한다. 스캔 라인들은 주기적 반복 패턴으로 배치되어 구동 회로 필요조건을 최소화한다. 본 발명에 따른 결선(wiring)의 주기 특성은 절대 위치 파악을 위한 본 타입의 2DCT의 사용을 막는다. 본 발명은 본 발명은 마우스를 대체하기 위해 사용되는 터치패드에 적합한데, 여기에서는 실제 위치 결정이 필요하지 않고, 단지 상대적 모션 센싱만이 중요하다. 저페이드는 터치 위치에서 두 위상-반대 신호들(phase-opposed signals) 간의 신호 밸러스 방법을 교시한다. 병렬 독출 스트라이프 엘리먼트들(Parallel Read Stripe Elements): 앨런 등(Allen et al)은, US 5,914,465[27]에서, 아날로그 회로에 의해 병렬로 독출되는 행 및 열 스캔 스트라이프를 갖는 엘리먼트를 교시한다. 특허는 순차적으로 스캔되는 엘리먼트들보다 낮은 잡음과 빠른 반응 시간을 주장한다. 방법은 마우스 대체용 터치패드에 특히 적합하나, 더 큰 사이즈로는 잘 스케일링되지 않는다. 모든 스트라이프 엘리먼트 2DCT들과 같이, 다중 구조 레이어들이 요구된다. 앨런에 의한 방법은 큰 스케일의 집적 및 많은 갯수의 연결 핀들을 필요로 한다. 그것은 로(raw) 스트라이프들에 의해 달성될 수 있는 것보다 높은 해상도를 달성하기 위해 보간한다. WO 04/040240[28], "전하 전달 용량성 위치 센서"에서, 필립(Philipp)은 도 12와 관련되어 터치스크린을 구성하기 위한 개별 저항성 1-D 스트라이프들을 사용하는 방법을 설명한다. 스트라이프들의 커넥션들이 서로 독립적이기 때문에, 이들 스트라이프들은 병렬 또는 순차적으로 독출될 수 있다. 더욱이, 도 6과 관련되어, 인접 집중 전극 엘리먼트들(adjacent lumped electrode elements)과 손가락과 같은 물체 사이의 보간된 커플링이 설명된다. WO 04/040240[28]은 본 명세서에 참조로 포함된다. WO 2005/020056[29]에서, 필립은 비등방성 도체 영역으로써 상호 이격된 제 1 및 제 2 저항성 버스-바(bus-bar)들을 포함하는 위치 센서를 개시한다(WO 2005/020056의 도 3 참조). 터치 또는 근접에 의해 비등방성 도전 영역에서 유도된 전류는 우선적으로 감지 회로에 의해 센싱되는 버스-바 쪽으로 흐른다. 예컨대 구동 회로에 의해 유도된 전류가 한 방향에 따라 우선적으로 흐르기 때문에, 위치 추정에 있어서의 핀 쿠션 왜곡은 대부분 한 방향으로 억제된다. 그러한 1차원 왜곡은, 스칼라 보정 계수(correction factor)를 적용하여 복잡한 벡터 보정의 필요성을 회피함으로써 매우 단순하게 보정될 수 있다. 이는 플라스틱 또는 유리 패널 또는 다른 유전체 뒤에서 커패시턴스를 센싱하기 위한 도전 재료의 2D 패턴을 제공한다. 이는 터치스크린 또는 '터치 패드'의 형식에 상관 없이 2DxT로 사용될 수 있다. 도전체는 투명할 수 있다. 예를 들면 ITO(indium tin oxide)로 제조되어 디스플레이 또는 다른 배경을 위해 적절한 투명 오버레이를 제공할 수 있다. 이러한 접근은 셀룰러 폰에 적합한 최대 약 2 인치(50 mm) 대각선 크기의 비교적 소형의 스크린 사이즈에 적합하다. 그러나, 예컨대 마이크로웨이브 오븐과 같은 일부 백색가전에서 필요한 것과 같은 더 큰 스크린들에서는 성능이 떨어진다. 더욱이, 이 설계에서 핸드셰도우 효과(handshadow effect)가 문제를 일으킬 수 있다. US 6,288,707[30]에서, 필립은 비율비교 용량성 센싱 기법을 채택하는 컴퓨터 포인팅 장치의 일부로서 동작하도록 의도되는 용량성 위치 센서를 개시한다. 패턴형 금속 전극들의 어레이가 절연기판층 상에 배치되고, 여기서 사용자의 손가락이 전극 어레이 상을 움직일 때 가변하는 용량성 출력을 생성하도록 전극의 기하학적 배열이 선택된다. 첨부된 도 1은 US 6,288,707[30]의 도 4로부터 인용되었다. 패턴형 전극들의 어레이는 절연층 상에 배치되어, 사용자의 손가락이 전극 어레이 상을 움직일 때 가변하는 용량성 출력을 생성하도록 전극의 기하학적 배열이 선택된다. 배치는 일정 간격을 두고 배치되는 4개의 전극 집합들(각 차원당 2개)을 포함한다. 삼각형인 x 축 집합들은 보고 이해하기 더 쉽다. 삼각형 1의 제 1 집합은 모두 X1으로 표시된 출력 버스에 전기적으로 연결된다. 제 2 집합은 모두 X2로 표시된 출력에 연결된다. x 축에 대한 사용자 손의 위치는 X1 및 X2로부터의 신호들의 비율로부터 확인될 수 있다. 커패시턴스가 표면 면적에 직접적으로 비례하기 때문에, 그리고 X1에 연결되는 플레이트들이 X2에 연결되는 플레이트들보다 좌측편에 더 큰 표면 면적을 이루기 때문에(반대의 경우도 마찬가지임), 충분한 신호 세기를 제공하기에 충분히 가까운 범위에서 충분한 크기의 손가락 면적이 패턴 상에 있는 한, X1/X2 또는 X2/X1의 비율을 취하는 능력은 유지된다. 플레이트들의 대응 집합이 Y1 및 Y2 버스에 연결된다. Y 연결 집합도, 비록 X 집합들과는 다른 방식이지만, 비율비교적이다. Y 집합은 교번하는 Y1 연결 및 Y2 연결 사각형 스트라이프들(3 및 4)를 각각 포함하고, 위치 Y를 갖는 Y1 및 Y2 간의 표면 면적의 스무스(smooth)한 변화 비율을 생성하기 위한 방식으로 위치에 대해 변화하는 y 축 차원을 갖는다. y축 스트라이프 3 및 4의 각각의 인접한 쌍(pair)의 합은 일정하다. 따라서, 커패시턴스의 합은 임의의 두개의 쌍짓기된(paired) 스트라이프들에 대해서는 일정하다. 즉, 스트라이프들의 각 쌍에 대해 C(Y1) + C(Y2) = C(Y)가 성립된다. 그 다음, 사용자의 손가락이 y 축을 따라 움직일 때, 감지된 커패시턴스 비는 C(X1)/C(X2) 비와 같은 방식으로 측정된다. 즉, 최대 비가 분자(numerator)가 된다. 그러나, 이와 같은 설계는 x 방향의 2DCT 차원에 대해 제한된 능력을 제공한다. 수치적 방법 나카무라는, US 4,650,926[31]에서, 생 2D 좌표계 데이터(raw 2D coordinate data)를 보정하기 위한 룩업 테이블 시스템을 사용한, 타블렛(tablet)과 같은 일렉트로그래픽 시스템의 수치 보정을 위한 시스템을 개시한다. 드럼(Drum)은, US 5,101,081[32]에서, 원격수단을 통해 타블렛과 같은 일렉트로그래픽 시스템의 수치 보정을 위한 시스템을 개시한다. 맥더모트(McDermott)는, US 5,157,227[33]에서, 구역(zone) 또는 사분면(quadrant)에 의한 보고된 터치의 위치를 보정하기 위해 하나 이상의 다항식을 제어하기 위한 동작 동안에 사용되는 저장 상수들을 이용하는 2DxT를 보정하기 위한 수치적 방법을 교시한다. 밥 등(Babb et al)은, US 5,940,065[3] 및 6,506,983[4]에서, 보다 사소한 처리 변동을 보정하기 위해, 개별 유닛 기초로 그리고 구역 또는 사분면에 의한 분할없이, 학습 프로세스 동안에 결정된 계수들을 사용하여 2DxT 균일 시트 엘리먼트를 선형화하기 위한 수치 방법을 교시한다. 밥에 의해 개시된 방법은 복잡하고 '80 계수들(80 coefficients)' 및 4차 다항식을 포함한다. 이들의 계수들은 엄격하고 시간이 많이 걸리는 교정 절차를 통해 결정되어야 한다. 본 발명자가 감독한 실험에서, 일반적 사용에 적합한 정확도 레벨을 얻기 위해서는 6차 다항식이 필요하고, 그 결과는 열적 드리프트(thermal drift) 등으로 인한 미세한 후속 변동 후교정(slightest subsequent variations post-calibration)의 경향이 매우 높다는 것이 알려졌다. 특히, 코너 커넥션은 커넥션 사이즈 및 품질과 관련되어 높은 이득 팩터(factor)를 갖는 특이점(singularity)으로 동작하므로, 장기적인 좌표계 요동(fluctuation)에 크게 기여하는 것으로 알려졌다. 더욱이, 수치적 보정 방법은 높지 않은 해상도 출력을 발생하기 위해서도 높은 해상도 디지털 변환을 필요로 한다. 예를 들면, 고품질의 9 비트 좌표계 결과를 제공하기 위해서는 14 비트 ADC가 필요한 것으로 알려졌다. 증폭 시스템 및 ADC에 필요한 추가 비용 및 전력은 많은 어플리케이션에 있어 방해가 될 수 있다.