CN103902119B - 触摸感测装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种触摸感测装置，包括：包括触摸屏的显示面板，在所述触摸屏上形成有多个触摸传感器；包括至少一个感测单元的触摸感测电路，所述至少一个感测单元以差分输入方式接收第一触摸传感器和与所述第一触摸传感器相邻的第二触摸传感器的自电容信号，并检测所述第一触摸传感器和第二触摸传感器的电容变化；和触摸控制器，所述触摸控制器分析从所述触摸感测电路接收的触摸原始数据并计算触摸输入位置的坐标，其中所述至少一个感测单元产生与相邻的第一触摸传感器和第二触摸传感器的电容之间的差对应的延迟，对产生的延迟进行计数，累加延迟的数量，将延迟的累加值转换为数字数据，并产生所述触摸原始数据。

Description

触摸感测装置
本申请要求2012年12月24日提交的韩国专利申请No.10-2012-0152487的优先权，为了所有目的在此援引该专利申请作为参考，如同在这里完全阐述一样。
技术领域
本发明的实施方式涉及一种触摸感测装置。
背景技术
用户接口(UI)被配置为使得人们(用户)能够与各种电子装置通信，因而可根据用户需要容易且舒适地控制电子装置。用户接口的例子包括按键、键盘、鼠标、屏上显示器(OSD)和具有红外通信功能或射频(RF)通信功能的遥控器。用户接口技术持续发展，以提高用户的感知力和处理便利性。近来用户接口已经发展到包括触摸UI、语音识别UI、3D UI等，触摸UI主要安装在便携式信息装置中。在家用电器或便携式信息装置的显示元件上安装触摸屏，从而实现触摸UI。
电容触摸屏具有比现有电阻触摸屏更佳的耐久性和清晰度并能够识别多点触摸输入和接近触摸(proximity touch)输入。因此，电容触摸屏具有能用于各种应用的优点。电容触摸屏的例子包括使用互电容作为触摸传感器的互电容触摸屏以及使用自电容作为触摸传感器的自电容触摸屏。如图1中所示，自电容触摸屏向自电容Cp提供恒定电流，直到充入自电容Cp的电压达到目标电压Vth为止，且自电容触摸屏在每一预定的时间段响应于比较器的输出信号Fo导通或关断开关SW，从而检测是否进行了触摸操作。然后，自电容触摸屏比较充入自电容Cp的电压达到目标电压Vth所花费的时间与预先确定的临界值。如图2中所示，根据自电容触摸屏内部产生的振荡时钟对自电容Cp的充入电压VCp达到目标电压Vth所花费的时间计数。触摸操作中所需的时间比非触摸操作中所需的时间长。当所需的时间大于等于临界值时，自电容触摸屏确定当前感测的触摸传感器为与触摸输入位置对应的触摸传感器。
在现有技术的自电容触摸屏中，感测灵敏度必须提高，从而提高用户感受到的触摸灵敏度并精确识别触摸输入轨迹或拖拽轨迹。然而，因为现有技术的自电容触摸屏必然需要对高频率的时钟计数，从而提高感测灵敏度，所以功耗增加。此外，因为现有技术的自电容触摸屏可在给定的时间段内仅进行一次感测操作，所以小于自电容的手指电容的检测能力降低。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种能不使用高频率的时钟来提高触摸检测能力并实现低功耗的触摸感测装置。
在一个方面中，一种触摸感测装置包括：包括触摸屏的显示面板，在所述触摸屏上形成有多个触摸传感器；包括至少一个感测单元的触摸感测电路，所述至少一个感测单元以差分输入方式接收在所述多个触摸传感器中的第一触摸传感器和与所述第一触摸传感器相邻的第二触摸传感器的自电容信号，并检测所述第一触摸传感器和第二触摸传感器的电容变化；和触摸控制器，所述触摸控制器配置成分析从所述触摸感测电路接收的触摸原始数据并计算触摸输入位置的坐标，其中所述至少一个感测单元产生与相邻的第一触摸传感器和第二触摸传感器的电容之间的差对应的延迟，对产生的延迟进行计数，累加延迟的数量，将延迟的累加值转换为数字数据，并产生所述触摸原始数据。
附图说明
给本发明提供进一步理解并且并入本申请中组成本申请一部分的附图图解了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1和2图解了在现有技术的自电容触摸屏中用于检测是否进行了触摸操作的方法；
图3到5图解了根据本发明典型实施方式的触摸屏和显示面板的各种组合；
图6是根据本发明典型实施方式的显示装置的框图；
图7是显示图6中所示的显示面板的像素的等效电路图；
图8是显示触摸屏和显示面板的时分驱动方法的垂直同步信号的波形图；
图9是电容触摸屏的等效电路图；
图10图解了触摸屏的触摸传感器与触摸感测电路的感测单元之间的关系；
图11示意性图解了在触摸控制器与触摸感测电路之间输入和输出的信号、以及触摸感测电路的感测单元的内部构造；
图12A显示了当没有触摸输入时感测单元的时序图；
图12B显示了当触摸传感器被触摸时感测单元的时序图；
图13图解了自电容信号的充电斜率根据触摸输入的变化；
图14和15图解了根据本发明典型实施方式的显示装置的整个感测操作；
图16图解了VCDL电路的构造的例子；
图17图解了根据点时钟的时序图的例子；
图18图解了延迟幅度根据电流变化的变化；以及
图19图解了现有技术和本发明典型实施方式的特性之间的对比。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的实施方式，附图中图解了这些实施方式的一些例子。尽可能地在整个附图中使用相同的参考数字表示相同或相似的部件。应当注意，如果确定已知技术可能误导本发明的实施方式，则将省略对这些已知技术的详细描述。
可基于诸如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示面板(PDP)、有机发光显示器和电泳显示器(EPD)这样的平板显示器实现根据本发明典型实施方式的显示装置。在下面的描述中，将使用液晶显示器作为平板显示器的一个例子描述本发明的实施方式。可使用其他平板显示器。
与根据本发明实施方式的显示装置连接的触摸屏可由通过多个电容传感器感测触摸输入(或接近输入)的电容触摸屏实现。电容触摸屏包括多个触摸传感器。当通过等效电路看时，每个触摸传感器可由自电容表示。触摸屏可以以图3到5中所示的各种构造形成在显示装置的显示面板上。
如图3中所示，根据本发明实施方式的触摸屏TSP可贴附到显示面板的上偏振板POL1。可选择地，如图4中所示，触摸屏TSP可形成在显示面板的上偏振板POL1与上基板GLS1之间。可选择地，如图5中所示，触摸屏TSP的触摸传感器可内置在显示面板的像素阵列中并可通过线彼此连接。在图3到5中，“PIX”表示像素的像素电极，“GLS2”表示下基板，“POL2”表示下偏振板。
图6是根据本发明实施方式的显示装置的框图，图7是显示图6中所示的显示面板的像素的等效电路图。
如图6和7中所示，根据本发明实施方式的显示装置包括连接有触摸屏TSP的显示面板10、显示驱动器、触摸屏驱动器、主机系统50等。
显示面板10包括下基板、上基板和形成在下基板与上基板之间的液晶层。可使用玻璃、塑料、膜等制造下基板和上基板。显示面板10包括以矩阵形式布置的像素。显示面板10的下基板包括数据线11、与数据线11正交的栅极线(或扫描线)12、形成在数据线11和栅极线12的交叉处的多个薄膜晶体管(TFT)、用于向像素充入数据电压的多个像素电极1、每个都与像素电极1连接并保持像素的电压的多个存储电容器等。通过根据提供给像素电极1的数据电压与提供给公共电极2的公共电压Vcom之间的电压差产生的电场来驱动每个像素，由此调整由像素透射的入射光的量。每个TFT响应于来自栅极线12的栅极脉冲(或扫描脉冲)导通，由此向像素电极1提供来自数据线11的数据电压。公共电极2可形成在显示面板10的下基板或上基板上。
显示面板10的上基板可包括黑矩阵、滤色器等。偏振板分别贴附到显示面板10的上、下基板。在显示面板10的上、下基板中接触液晶的内表面上分别形成有用于设定液晶的预倾角的取向层。在显示面板10的上、下基板之间形成有衬垫料，以保持液晶单元的单元间隙恒定。触摸屏TSP的触摸传感器以图3到5中所示的各种构造形成在显示面板10上。
显示面板10可以以任何已知的液晶模式包括扭曲向列(TN)模式、垂直取向(VA)模式、面内切换(IPS)模式、边缘场切换(FFS)模式等实现。在显示面板10的背面可设置背光单元。背光单元可由边缘型背光单元和直下型背光单元之一构成并向显示面板10提供光。
显示驱动器包括数据驱动电路20、栅极驱动电路30和时序控制器40。显示驱动器向显示面板10的像素写入输入图像的数据。
数据驱动电路20将从时序控制器40接收的数字视频数据转换为正、负模拟伽马补偿电压并产生数据电压。然后，数据驱动电路20在时序控制器40的控制下向数据线11提供数据电压并反转数据电压的极性。
栅极驱动电路30依次向栅极线12提供与数据电压同步的栅极脉冲，并选择将要被施加数据电压的显示面板10的水平像素行。
时序控制器40向数据驱动电路20提供从外部主机系统50接收的数字视频数据。时序控制器40从主机系统50接收诸如垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、数据使能信号DE和点时钟DCLK这样的时序信号并产生用于控制数据驱动电路20和栅极驱动电路30的操作时序的时序控制信号。
触摸屏驱动器包括触摸感测电路60和触摸控制器70。
触摸感测电路60检测从触摸屏TSP接收的触摸传感器的电容变化。如图11中所示，触摸感测电路60包括与触摸传感器连接的多个感测单元，从而检测触摸传感器的电容变化。每个感测单元以差分输入方式接收相邻触摸传感器的自电容信号并检测触摸传感器的电容变化。每个感测单元产生与相邻触摸传感器的电容之间的差对应的延迟，并对产生的延迟计数。每个感测单元累加延迟的数量，然后将延迟的累加值转换为数字数据。每个感测单元将数字数据输出至触摸控制器70。数字数据可称作触摸原始数据。
触摸控制器70产生用于控制触摸感测电路60的操作的控制信号。触摸控制器70执行预先确定的触摸识别算法，并分析从触摸感测电路60接收的触摸原始数据。因此，触摸控制器70计算触摸(或接近)输入位置的坐标。触摸控制器70将包括触摸(或接近)输入位置的坐标的触摸报告数据传输到主机系统50。
主机系统50可由导航系统、机顶盒、DVD播放器、蓝光播放器、个人计算机(PC)、家庭影院系统、广播接收机和电话系统之一实现。主机系统50使用缩放器将输入图像的数字视频数据转换为适于显示面板10的分辨率的数据格式，并将转换后的数据和时序信号传输到时序控制器40。
主机系统50调制随输入图像的数据一起输入的垂直同步信号Vsync，因而在一个帧周期内可缩短显示驱动周期并可确保触摸屏驱动周期。如图8中所示，主机系统50可将一个帧周期时分为显示驱动周期T1和触摸屏驱动周期T2。在图8中，垂直同步信号Vsync是定义一个帧周期的时序信号，其与输入图像数据同步并被输入到主机系统50。调制后的垂直同步信号SYNC具有与输入的垂直同步信号Vsync相同的频率并具有比输入的垂直同步信号Vsync大的占空比。
主机系统50在由调制后的垂直同步信号SYNC的第一逻辑电平定义的触摸屏驱动周期T2期间启动触摸感测电路60，由此在触摸屏驱动周期T2期间驱动触摸屏驱动器。主机系统50在由调制后的垂直同步信号SYNC的第二逻辑电平定义的显示驱动周期T1期间向时序控制器40传输输入图像的数字视频数据和与数字视频数据同步的时序信号，由此在显示驱动周期T1期间驱动显示驱动器。因此，主机系统50向显示面板10的像素阵列写入输入图像数据。图8显示了调制后的垂直同步信号SYNC的第一逻辑电平和第二逻辑电平分别为低逻辑电平和高逻辑电平的例子。然而，本发明的实施方式并不限于此。例如，调制后的垂直同步信号SYNC的第一逻辑电平和第二逻辑电平可分别设为高逻辑电平和低逻辑电平。
主机系统50响应于从触摸感测电路60接收的触摸报告数据，运行与触摸(或接近)输入相关的应用。
图9是电容触摸屏TSP的等效电路图。
如图9中所示，电容触摸屏TSP包括多个触摸传感器，每个触摸传感器包括电阻器R和用于形成自电容的电容器Cg，Cd和Co。电阻器R包括触摸屏TSP和显示面板10的线电阻和寄生电阻。电容器Cg是触摸屏TSP的线与栅极线12之间的电容器，电容器Cd是触摸屏TSP的线与数据线11之间的电容器。电容器Co是显示面板10的除数据线11和栅极线12之外的其他组件与触摸屏TSP的线之间的电容器。当通过向触摸屏TSP的线施加恒定电流来对触摸传感器充电时，充入触摸传感器的电压的波形被延迟了根据电阻器R和电容器Cg，Cd和Co而确定的时间常数RC。当使用导体或手指触摸触摸屏TSP时，由于电容器Cf，电容增加。因此，RC延迟进一步增加。因此，与非触摸部分相比，从触摸屏TSP的被触摸部分输入的自电容信号的斜率改变。
图10图解了触摸屏TSP的触摸传感器与触摸感测电路60的感测单元之间的关系。
n个触摸通道分别与触摸屏TSP的n个触摸传感器连接。包括n个感测单元SSU的触摸感测电路60通过n个触摸通道接收n个自电容信号T[1]到T[n]。n个感测单元SSU分别与n个触摸通道连接并接收n个自电容信号T[1]到T[n]。每个感测单元SSU不仅与连接到每个感测单元SSU的第一触摸通道连接，而且还与邻近于第一触摸通道的第二触摸通道连接。每个感测单元SSU差分地接收从第一触摸通道接收的第一自电容信号和从第二触摸通道接收的第二自电容信号。触摸感测电路60检测电容的变化和预定比特的触摸原始数据Sout。
图10中所示的每个触摸传感器包括由诸如氧化铟锡(ITO)这样的透明导电材料形成的透明电极。在图8中所示的触摸屏驱动周期T2期间向触摸传感器的透明电极提供恒定电流，在图8中所示的显示驱动周期T1期间向触摸传感器的透明电极提供图7中所示的公共电压Vcom。因而，每个透明电极用作像素的公共电极和触摸传感器的电极。每个透明电极具有比像素电极1的尺寸大的透明电极图案，从而透明电极与多个像素电极1重叠并向多个像素提供公共电压。
图11示意性图解了在触摸控制器70与触摸感测电路60之间输入和输出的信号、以及触摸感测电路60的感测单元SSU的内部构造。
如图11中所示，触摸感测电路60的每个感测单元SSU包括电荷泵单元601、电压-电流转换器602、电压受控延迟线(VCDL)电路603和延迟检测电路604。
电荷泵单元601响应于从触摸控制器70接收的电流供给使能信号CP_EN，在每一预定的时间段不仅向与电荷泵单元601连接的第一触摸传感器提供恒定电流，而且还向与第一触摸传感器相邻的第二触摸传感器提供恒定电流。电流供给使能信号CP_EN是向触摸传感器提供恒定电流的控制信号，由此在电流供给使能信号CP_EN的高周期(其表示提供恒定电流)期间对触摸传感器充电，在电流供给使能信号CP_EN的低周期期间将触摸传感器放电。电流供给使能信号CP_EN的高周期可与图8中所示的触摸屏驱动周期T2同步。
电压-电流转换器602具有差分输入结构，以使用来自第一触摸传感器的第一自电容信号作为第一输入，并使用来自第二触摸传感器的第二自电容信号作为第二输入。电压-电流转换器602将第一自电容信号转换为第一电流，并将第二自电容信号转换为第二电流。然后，电压-电流转换器602获得在触摸操作之前和之后第一电流的变化量和第二电流的变化量。
VCDL电路603响应于从触摸控制器70接收的点时钟DCLK，产生与第一和第二自电容信号的电容变化对应的延迟。点时钟DCLK是用于产生延迟的输入脉冲。在电流供给使能信号CP_EN的高周期期间可输入N次点时钟DCLK，其中N是正整数。因此，点时钟DCLK可被感测N次。延迟的幅度根据由第一和第二电流的变化量控制的偏压而变化。
延迟检测电路604对延迟进行计数并累加延迟的数量。延迟检测电路604将延迟的累加值转换为数字数据Sout[K:0]，并将数字数据Sout[K:0]输出至触摸控制器70。当第一触摸传感器被触摸时，第一电流的量减少。因此，延迟的幅度增加。结果，经过内部延迟单元的延迟的累加值减少。也就是说，被触摸部分处的延迟的累加值与未被触摸部分处的延迟的累加值不同。
图12A显示了当没有触摸输入时感测单元SSU的时序图，图12B显示了当输出自电容信号T[1]的触摸传感器被触摸时感测单元SSU的时序图。在图12A和12B中，附到累加值的附加字符“d”表示十进制数。
如图12A中所示，当没有触摸输入时，从感测单元SSU输出的延迟的累加值S0到Sn在所有触摸通道中都相同。然而，当施加触摸输入时，与其他触摸通道中延迟的累加值相比，其上被施加触摸输入的第一触摸通道的累加值、以及与第一触摸通道连接到相同感测单元的第二触摸通道的累加值变化。例如，如图12B中所示，当向输出自电容信号T[1]的触摸传感器施加触摸输入时，第一触摸通道中延迟的累加值S1和与第一触摸通道相邻的第二触摸通道中延迟的累加值S0分别为“20d”和“40d”，它们与其他触摸通道中延迟的累加值S2到Sn(即“30d”)不同。第一和第二触摸通道以差分输入与同一感测单元连接并彼此连接。因此，当第一和第二触摸通道中的一个变化时，另一个触摸通道也变化。
图13图解了自电容信号的充电斜率根据触摸输入的变化。由于触摸输入导致的电容增加，自电容信号的充电斜率减小。例如，如图13的(A)中所示，假定在没有触摸输入的状态中，自电容信号T[1]的充电斜率大于自电容信号T[2]的充电斜率。在这种情形中，如图13的(B)中所示，当向输出自电容信号T[1]的触摸传感器施加触摸输入时，自电容信号T[1]的充电斜率可小于自电容信号T[2]的充电斜率。此外，如图13中的(C)中所示，当向输出自电容信号T[2]的触摸传感器施加触摸输入时，图13的(C)中的自电容信号T[1]和T[2]的充电斜率之间的差可大于图13的(A)中的自电容信号T[1]和T[2]的充电斜率之间的差。
图14和15图解了根据本发明实施方式的显示装置的整个感测操作。
如图14中所示，根据本发明实施方式的显示装置响应于电流供给使能信号CP_EN，在每一预定的时间段向以差分输入与同一感测单元连接并彼此连接的第一和第二触摸传感器Cp1和Cp2提供恒定电流。如图15中所示，当向第一触摸电容器Cp1施加触摸输入时，自电容信号T[1]的充电斜率小于没有触摸输入时自电容信号T[1]的充电斜率。结果，电压-电流转换器602的第一电流Ip减小，电压-电流转换器602的第二电流In被保持。VCDL电路603的第一偏压VCP根据第一电流IP而变化，VCDL电路603的第二偏压VCN根据第二电流In而变化。当第一电流Ip由于第一和第二偏压VCP和VCN的变化而减小时，延迟幅度增加。结果，如图15中所示，用于决定是否施加触摸输入的延迟的累加值从“40d”减小到“30d”。
图16图解了VCDL电路603的构造的例子。图17图解了根据点时钟DCLK的时序图的例子。图18图解了延迟幅度根据电流变化的变化。
如图16和17中所示，从VCDL电路603输出信号D[1]到D[4]，其中信号D[1]到D[4]根据点时钟DCLK而被延迟均匀的幅度。如图18中所示，当图16中所示的第一电流Ip减小时，延迟的幅度(即图17中所示的延迟宽度1EA)增加。因此，点时钟DCLK经过的延迟的累加值可在同一点时钟DCLK的高周期期间变化。例如，假定点时钟DCLK的高周期为100ns。当第一电流Ip为10μs时，延迟的幅度为4.3，延迟的累加值为23(＝100/4.3)。此外，当第一电流Ip为8μs时，延迟的幅度为5.5，延迟的累加值为18(＝100/5.5)。
图19图解了现有技术和本发明实施方式的特性之间的对比。
如图19中所示，现有技术必然需要对高频率的时钟计数从而提高感测灵敏度，因而具有功耗增加的问题。此外，因为现有技术在给定的时间段内仅能够进行一次感测操作，所以小于自电容的手指电容的检测能力降低。因此，感测灵敏度降低。
另一方面，因为本发明的实施方式能够使用低频率的点时钟通过延迟的累加值找出相邻自电容信号之间的差，所以可减小感测操作中所需的电力。此外，本发明的实施方式对于给定的时间段(即电流供给使能信号CP_EN的高周期)输入多次点时钟，因而可进行多次感测操作。因此，本发明的实施方式可提高小于自电容的手指电容的检测能力并可提高感测灵敏度。
此外，本发明的实施方式不仅可应用于仅识别一个触摸点的单触摸方式，而且还可应用于能同时识别多个触摸点的多触摸方式。因为与单触摸方式相比，多触摸方式进一步实现低功耗和感测灵敏度的提高，所以本发明的实施方式在多触摸方式中显示出更强的效果。
尽管参考多个示例性的实施方式描述了本发明，但应当理解，本领域技术人员能设计出多个其他修改例和实施方式，这落在本发明的原理的范围内。更具体地说，在说明书、附图和所附权利要求书的范围内，在主题组合构造的组成部件和/或配置中可进行各种变化和修改。除了组成部件和/或配置中的变化和修改之外，替代使用对于本领域技术人员来说也将是显而易见的。

Claims (4)

1.一种触摸感测装置，包括：
包括触摸屏的显示面板，在所述触摸屏上形成有多个触摸传感器；
包括至少一个感测单元的触摸感测电路，所述至少一个感测单元以差分输入方式接收在所述多个触摸传感器中的第一触摸传感器和与所述第一触摸传感器相邻的第二触摸传感器的自电容信号，并检测所述第一触摸传感器和第二触摸传感器的电容变化；和
触摸控制器，所述触摸控制器配置成分析从所述触摸感测电路接收的触摸原始数据并计算触摸输入位置的坐标，
其中所述至少一个感测单元产生与相邻的第一触摸传感器和第二触摸传感器的电容之间的差对应的延迟，对产生的延迟进行计数，累加延迟的数量，将延迟的累加值转换为数字数据，并产生所述触摸原始数据，
其中在电流供给使能信号的高周期期间输入N次点时钟，其中N是正整数，所述高周期表示提供所述恒定电流；所述电流供给使能信号是从所述触摸控制器向所述第一触摸传感器和第二触摸传感器提供恒定电流的控制信号，由此在所述电流供给使能信号的高周期期间对所述第一触摸传感器和第二触摸传感器充电，所述点时钟是来自所述触摸传感器的用于产生延迟的输入脉冲。
2.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中所述感测单元包括：
电荷泵单元，所述电荷泵单元配置成响应于从所述触摸控制器接收的电流供给使能信号，在每一预定的时间段向所述第一触摸传感器和第二触摸传感器提供恒定电流；
电压-电流转换器，所述电压-电流转换器配置成具有差分输入结构，其中来自所述第一触摸传感器的第一自电容信号被用作第一输入，来自所述第二触摸传感器的第二自电容信号被用作第二输入，所述电压-电流转换器将所述第一自电容信号转换为第一电流，将所述第二自电容信号转换为第二电流；
电压受控延迟线电路，所述电压受控延迟线电路配置成响应于从所述触摸传感器接收的点时钟，产生与所述第一自电容信号和第二自电容信号的电容变化对应的延迟；和
延迟检测电路，所述延迟检测电路配置成对所产生的延迟进行计数，累加延迟的数量，并将延迟的累加值转换为所述数字数据。
3.根据权利要求2所述的触摸感测装置，其中延迟的幅度根据由所述第一电流和第二电流的变化量控制的电压受控延迟线电路的偏压而变化。
4.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中一个帧周期被时分为显示驱动周期和触摸屏驱动周期，其中在所述显示驱动周期中在该显示面板上显示图像，在该触摸屏驱动周期中驱动所述触摸屏，
其中所述电流供给使能信号的所述高周期与所述触摸屏驱动周期同步。
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