CN107272921B - 有源触控笔、包括其的触摸感测系统和触摸感测方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种有源触控笔及包括其的触摸感测系统。有源触控笔对外部噪声不敏感，并且相对于从触摸屏输入的上行链路信号具有增强的感测性能。有源触控笔包括连接至地的壳体；从壳体的一侧向外突出并且与触摸屏接触的导电尖端；围绕壳体的外表面的导体层，在壳体和导体层之间设置有绝缘体；连接至导体层的笔驱动电路；以及连接导体层和笔驱动电路的开关。笔驱动电路200由壳体容纳，接收来自触摸屏的上行链路信号和触摸传感器驱动信号，生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号，并且通过导电尖端将所生成的笔驱动信号输出至触摸屏。

Description

有源触控笔、包括其的触摸感测系统和触摸感测方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年3月31日提交的韩国专利申请第10-2016-0039022号的权益，其全部内容如在本文中完全阐述的一样通过引用并入本文用于所有目的。
技术领域
本发明涉及一种触摸感测系统，更具体地，涉及一种使得能够通过有源触控笔(stylus pen)进行触摸输入的触摸感测系统。本发明还涉及一种触摸感测方法。
背景技术
用户接口(UI)被配置为使得用户能够与各种电子装置通信，因而能够如他们期望的一样容易地和舒适地控制电子装置。用户接口的示例包括小键盘、键盘、鼠标、屏幕显示器(OSD)和具有红外通信功能或射频(RF)通信功能的遥控器。用户接口技术不断扩展以提高用户的灵敏性和操作方便性。最近开发的用户接口包括触摸UI、语音识别UI、3D UI等。
便携式信息装置必然采用触摸UI。通过在显示装置的屏幕上形成触摸屏来实现触摸UI。触摸屏可以实现为电容式触摸屏。具有电容式触摸传感器的触摸屏感测当用户用他或她的手指或导电材料触摸(或接近)触摸传感器时触摸驱动信号的输入导致的电容的变化(即，触摸传感器的电荷的变化)，从而检测触摸输入。
电容式触摸传感器可以实现为自电容传感器或互电容传感器。自电容传感器的电极可以分别连接至在一个方向上形成的传感器线。互电容传感器可以形成在彼此垂直的传感器线的交叉处，在彼此垂直的传感器线之间设置有介电层。
近来，触控笔已普遍用作智能手机、智能书等中的人机接口装置(HID)以及手指。触控笔有利地允许比手指更精确的输入。触控笔包括无源触控笔和有源触控笔。由于触摸屏上的接触点中的电容的变化小，无源触控笔难以检测触摸位置。与无源触控笔相比，有源触控笔易于检测触摸位置，这是因为有源触控笔生成驱动信号并且将所生成的驱动信号输出至触摸屏上的接触点。
包括这种有源触控笔的触摸感测系统如下操作。
触摸屏驱动信号被施加到触摸屏。触摸屏驱动信号包括用于与有源触控笔同步的上行链路信号和用于感测施加到触摸屏的触摸输入的触摸传感器驱动信号。当有源触控笔与触摸屏接触时，有源触控笔接收来自触摸屏的上行链路信号，基于上行链路信号生成与触摸传感器驱动信号同步的下行链路信号(以下称为“笔驱动信号”)，并且通过导电尖端将生成的笔驱动信号输出至触摸屏。由于笔驱动信号与触摸传感器驱动信号同步，所以它用于增加触摸传感器驱动信号的灵敏度。触摸感测系统通过基于触摸传感器驱动信号和笔驱动信号感测触摸点中的电容的变化来感测触摸输入。
然而，在手掌与有源触控笔一起触摸触摸屏的情况下，出现了有源触控笔无法接收上行链路信号的问题。此处，手掌可以是握住触控笔的手的手掌或者是没有触控笔的手的手掌。在这种情况下，有源触控笔可能无法与触摸屏同步，因此不能执行正常操作。
有源触控笔不能接收上行链路信号的第一个原因是因为当手掌触摸触摸屏时，触摸屏的负载增加，使上行链路信号的幅值衰减。有源触控笔不能接收上行链路信号的第二个原因是因为当手掌触摸触摸屏时，上行链路信号被传送到用作有源触控笔的地的壳体，并且因而由于通过壳体接收的上行链路信号的干扰，使得有源触控笔不能够识别通过导电尖端接收的上行链路信号。
将参照图2A至图3对第一个原因进行详细描述。触摸驱动装置利用输入电源Vin生成上行链路信号，并且将所生成的上行链路信号施加至触摸屏。当传送至触摸屏的电荷量如图2A所示为Qin并且触摸屏的负载为Cpl时，从触摸屏检测的上行链路信号的幅值Vp为Qin/Cpl。此处，如图2B所示当手掌触摸触摸屏时，人体的负载Chl与触摸屏的负载Cpl相加。由于从触摸驱动装置提供的电荷的量Qin是相等的，所以由于人体的负载Chl加到触摸屏的负载Cpl上的幅值使上行链路信号的幅值Vp减小。也就是说，从触摸屏检测的上行链路信号的幅值Vp是Qin/Cpl+Ch1。由于电容器的电容与面积成比例，所以随着触摸屏与手掌之间的接触面积增加，人体的负载Ch1增加并且从触摸屏检测的上行链路信号的幅值Vp减小。
将参照图4至图9对第二个原因进行更详细的描述。当手掌触摸触摸屏时，上行链路信号通过人体被传送到有源触控笔的壳体。手掌可以是握住笔的手或另一只手，并且传送到人体的上行链路信号的幅值与触摸屏与手掌之间的接触面积成比例。图5的(A)示出了施加到触摸屏的上行链路信号，并且图5的(B)示出从人体检测的上行链路信号。如图5所示，随着手掌的接触面积增加，从人体检测的上行链路信号增加，并且上行链路信号被传送到有源触控笔的壳体。如图4所示有源触控笔通过在导电尖端与触摸屏之间形成的笔电容Cp接收来自触摸屏上行链路信号，并且此处，当手掌触摸触摸屏时，还通过在笔的壳体与触摸屏之间形成的人体电容Ch接收上行链路信号。此处，如图9所示，笔驱动电路同时从连接至正(+)端的导电尖端和连接至负(-)端的壳体(地)两者接收上行链路信号，并且因而不能正常地识别上行链路信号。
同时，当触摸屏处于其中触摸屏未连接至触摸感测系统的地球地等的浮置状态时(即，当触摸屏由便携式电池驱动时)，如图7的(A)所示，在手掌触摸触摸屏时，从触摸屏检测到的上行链路信号减小并且地波形(即，从触摸感测系统的外壳检测到的上行链路信号)相对于上行链路信号(A)以异相方式增大。在手掌甚至触摸触摸感测系统的外壳的情况下，异相上行链路信号通过人体被传送到笔的壳体。传送到笔的壳体的异相上行链路信号使通过导电尖端接收的上行链路信号的识别率降低。
其中当手掌触摸触摸屏时从触摸感测系统的外壳产生异相上行链路信号的机制将被描述。首先，如图6A所示，触摸驱动装置驱动上行链路信号以将输入电荷Qin施加到触摸屏。然后，在触摸屏中形成的面板电容Cpanel的一个电极(左电极)中积累正电荷+Qin，并且在面板电容Cpanel的另一个电极中积累负电荷-Qin。之后，如图6B中所示，当手掌触摸触摸屏时，人体电容Chuman进一步连接至触摸屏。因此，对应于负电荷-Qin的第一负电荷-Qpanel保留在面板电容Cpanel的一个电极(右电极)中，并且对应于负电荷-Qin的剩余部分的第二负电荷-Qhuman被存储在人体电容Chuman中。此处，由于电容具有在其两端存储相同量的电荷的性质，所以仅第一正电荷+Qpanel保留在面板电容Cpanel的一个电极中，而其他的剩余正电荷+(Qin-Qpanel)被推向触摸感测系统的地GND。因此，异相上行链路信号被施加到连接至触摸感测系统的外壳的地GND。
从图8A和图8B的模拟结果可以看出，随着触摸屏与手掌之间的接触面积增加，从触摸屏检测的上行链路信号的幅值减小，同时从触摸感测系统的地检测到的异相上行链路信号的幅值增加。
图9是示出当手掌触摸触摸屏时有源触控笔的关于笔驱动电路的结构的图。参照图9，笔驱动电路的接收单元可以包括具有连接至导电尖端的正(+)输入端和连接至地GND的负(-)输入端的放大器。当手掌触摸触摸屏时，负(-)输入端通过人体电容Ch连接至触摸屏，有源触控笔不得不受到从触摸屏输入的外部噪声的显著影响。
发明内容
本公开内容的一个方面提供了一种有源触控笔以及包括其的触摸感测系统，该有源触控笔对外部噪声不敏感并且相对于从触摸屏输入的上行链路信号具有增强的感测性能，而与手掌是否触摸触摸屏无关。
根据本公开内容的一个方面，有源触控笔包括：连接至地的壳体；从壳体的一侧向外突出并且与触摸屏接触的导电尖端；围绕壳体的外表面的导体层，在壳体和导体层之间设置有绝缘体；连接至导体层的笔驱动电路；以及连接导体层和笔驱动电路的开关。笔驱动电路可以由壳体容纳(cased)(或容置)，接收来自触摸屏的上行链路信号和触摸传感器驱动信号，生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号并且通过导电尖端将所生成的笔驱动信号输出至触摸屏。
至少一个1帧的触摸周期可以被分配以驱动触摸屏，并且开关可以在触摸周期内在用于输入上行链路信号的接收时段期间接通以连接导体层和笔驱动电路，并且在触摸周期内在用于输出笔驱动信号的传输时段期间断开以解除导体层与笔驱动电路之间的电连接。
导电尖端可以通过笔电容耦合到触摸屏，并且导体层可以通过人体电容耦合到触摸屏。
在接收时段期间，笔驱动电路可以通过导电尖端与导体层中的至少任一个接收上行链路信号。
当至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动触摸屏并且上行链路信号在触摸周期期间持续地被同相地施加至触摸屏时，开关可以在触摸周期内在用于输入上行链路信号的接收时段期间接通，并且当上行链路信号在在接收时段内被异相地输入至笔驱动电路时，开关可以断开。
当至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动触摸屏并且上行链路信号在触摸周期期间交替地被同相地和异相地施加在触摸屏上时，开关可以在触摸周期内在用于输入上行链路信号的接收时段期间保持在接通(ON)状态。
根据本公开内容的另一方面，触摸感测系统包括：触摸屏；触摸驱动装置，其将上行链路信号和触摸传感器驱动信号施加至触摸屏；以及有源触控笔，其生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号并且将生成的笔驱动信号输出至触摸屏。此处，有源触控笔可以包括：连接至地的壳体；从壳体的一侧向外突出并且与触摸屏接触的导电尖端；围绕壳体的外表面的导体层，在壳体和导体层之间设置有绝缘体；笔驱动电路，其接收来自触摸屏的上行链路信号和触摸传感器驱动信号，通过导电尖端将笔驱动信号输出至触摸屏，并且由壳体容纳；以及连接导体层和笔驱动电路的开关。
根据本公开内容的又一方面，使用根据本公开内容的触摸感测系统的触摸感测方法包括：通过有源触控笔接收来自触摸屏的触摸传感器驱动信号和上行链路信号，以及通过有源触控笔生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号并且将所生成的笔驱动信号输出至触摸屏。
附图说明
附图被包括来以提供对本发明的进一步理解，并且附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方式，并且与描述一起用于说明本发明的原理。在附图中：
图1是示出手掌与有源触控笔一起触摸触摸屏的状态的图。
图2A、图2B和图3是示出现有技术的有源触控笔不能接收上行链路信号的示例的图。
图4、图5、图6A、图6B、图6C、图7、图8A和图8B是示出现有技术的有源触控笔不能接收上行链路信号的另一示例的图。
图9是示出现有技术的有源触控笔易受外部噪声影响的原因的图。
图10是示意性地示出根据本公开内容的实施方式的触摸感测系统的图。
图11是示出应用了根据本公开内容的实施方式的触摸感测系统的显示装置的图。
图12是示出由互电容传感器实现的触摸屏的示例的图。
图13是示出由自电容传感器实现的触摸屏的示例的图。
图14是示出安装在像素阵列中的触摸传感器的示例的图。
图15是示出用于以时分方式驱动显示面板的像素和触摸传感器的方法的时序图。
图16是示意性地示出根据本公开内容的实施方式的有源触控笔的配置的图。
图17是示出对外部噪声不敏感并且增强相对于上行链路信号的检测性能(或感测性能)的有源触控笔的主要部件的图。
图18是示出通过设置在有源触控笔中的导体层消除外部噪声的原理的图。
图19A和图19B是示出在存在手掌接触和没有手掌接触的情况下在1个触摸周期的接收时段中的上行链路信号的接收路径的图。
图19C是示出在1个触摸周期的传输时段中的笔驱动信号的传输路径的图。
图20是示出1个触摸周期的接收时段和传输时段的每个时段中开关的接通/断开(ON/OFF)状态的图。
图21是示出当通过笔接收上行链路信号时使得有源触控笔能够容易地识别异相上行链路信号的驱动方案的图。
图22是示出当通过笔接收上行链路信号时使得有源触控笔能够容易地识别异相上行链路信号的另一驱动方案的图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施方式，其示例在附图中示出。尽可能地，贯穿附图使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。将要注意的是，如果确定技术可能误导本发明的实施方式，则将省略对该技术的详细描述。
[触摸感测系统]
图10是示意性地示出根据本公开内容的实施方式的触摸感测系统的图。
参照图10，根据实施方式的触摸感测系统包括显示装置10和有源触控笔20。
显示装置10具有显示功能和触摸检测功能。显示装置使得能够根据诸如手指和/或有源触控笔20的导电物体的接触进行触摸检测，显示装置10具有集成电容触摸屏。此处，触摸屏可以相对于用于实现显示的显示面板独立地配置，或者可以安装在显示面板的像素阵列中。触摸屏驱动信号被施加至触摸屏。触摸屏驱动信号包括用于与有源触控笔20同步的上行链路信号和用于感测施加至触摸屏的触摸输入的触摸传感器驱动信号。下文中将参照图11至图15对显示装置10的具体配置和操作进行描述。
有源触控笔20基于通过触摸屏接收的上行链路信号生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号并且将笔驱动信号输出至触摸屏的接触点以使得能够在触摸屏上容易地检测到笔触摸输入。具体地，有源触控笔20还包括在壳体的外表面上的导体层，并且通过将导体层连接至笔驱动电路，即使当手掌触摸触摸屏时，也可以确保关于触摸屏驱动信号的接收路径，并且笔驱动电路可以容易地接收上行链路信号。可以在导体层与笔驱动电路之间设置开关，并且根据条件接通和断开。将参照图16至图20对有源触控笔20的配置和增强上行链路信号检测性能(或感测性能)的方案进行描述。
触摸感测系统通过根据触摸屏上的触摸传感器驱动信号和笔驱动信号分析触摸行数据来感测由导电物体输入的触摸的位置。根据实施方式的触摸感测系统可以同时感测由手指输入的手指触摸和由有源触控笔20输入的笔触摸。可以基于根据触摸传感器驱动信号的触摸行数据的分析结果来感测手指触摸输入，并且可以基于根据笔驱动信号的触摸行数据的分析结果来感测笔触摸输入。在触摸感测系统中，笔驱动信号和触摸传感器驱动信号具有相同的相位，并且笔驱动信号的幅值(脉冲幅度)被设置为大于触摸传感器驱动信号的幅值，由此对笔触摸的位置的触摸行数据和手指触摸的位置的触摸行数据进行区别以容易地区分笔触摸输入和手指触摸输入。
[显示装置]
图11示出被应用根据本公开内容的实施方式的触摸感测系统的显示装置。图12示出由互电容传感器实现的触摸屏的示例。图13示出了由自电容传感器实现的触摸屏的示例。图14示出了安装在像素阵列中的触摸传感器的示例。图15示出用于以时分方式驱动显示面板的像素和触摸传感器的方法。
参照图11至图15，根据实施方式的显示装置10可以基于诸如液晶显示器(LCD)、场致发射显示器(FED)、等离子体显示面板(PDP)、有机发光显示装置、电泳显示器等的平板显示装置来实现。在下文所描述的实施方式中，将对实现为LCD的显示装置进行描述，但是本公开内容的显示装置不限于此。
显示装置10包括显示模块和触摸模块。
包括在显示装置10中的触摸模块包括触摸屏TSP和触摸驱动装置18。
触摸屏TSP可以被实现为通过多个电容传感器感测触摸输入的电容触摸屏。触摸屏TSP包括具有电容的多个触摸传感器。电容可以被分类为自电容和互电容。自电容可以沿着在一个方向上形成的单层的导体线形成。互电容可以形成在彼此垂直的两个导体线之间。
如图12所示，通过互电容传感器Cm实现的触摸屏TSP可以包括Tx电极线、与Tx电极线相交的Rx电极线、以及形成在Tx电极线与Rx电极线的交叉处的触摸传感器Cm。Tx电极线是通过将触摸传感器驱动信号(和/或笔驱动信号)施加至触摸传感器Cm来向触摸传感器提供电荷的驱动信号线。Rx电极线是连接至触摸传感器Cm并且向触摸驱动装置18提供触摸传感器Cm的电荷的传感器线。在互电容感测方法中，通过经由Tx电极线将触摸传感器驱动信号(和/或笔驱动信号)施加至Tx电极来向触摸传感器Cm提供电荷，并且触摸传感器Cm的电容的变化通过Rx电极和Rx电极线与触摸传感器驱动信号和/或笔驱动信号同步地被感测，由此可以识别由导电物体输入的触摸。
如图13所示，在由自电容传感器Cs实现的触摸屏TSP中，电极31可以分别连接至在一个方向上形成的传感器线32。自电容传感器Cs包括形成在电极31中的每一个电极中的电容。在自电容感测方法中，当触摸传感器驱动信号(和/或笔驱动信号)通过传感器线32施加至电极31时，电荷Q被累积在触摸传感器Cs中。此处，当手指(或有源触控笔)触摸电极31时，寄生电容Cf另外地连接至自电容传感器Cs，导致总电容值改变。当由导电物体触摸的传感器的电容值和未触摸的传感器的电容值不同时，由触摸传感器感测的电荷量改变，由此可以确定是否施加了触摸。
触摸屏TSP可以接合至显示面板DIS的上偏振器，或者可以设置在显示面板DIS的上偏振器与上基板之间。此外，触摸屏TSP的触摸传感器Cm或Cs可以安装在显示面板DIS的像素阵列中。
在图14中示出了触摸屏TSP安装在显示面板DIS的像素阵列中的示例。参照图14，显示面板DIS的像素阵列包括触摸传感器C1至C4和传感器线L1至Li(i是小于m和n的正整数，m是显示面板DIS中包括的数据线的数目，并且n是显示面板DIS中包括的栅极线的数目)。像素101的公共电极COM被分成多个区间。触摸传感器C1至C4被实现为分开的公共电极COM。单个公共电极区间共同连接至多个像素101并且形成单个触摸传感器。因此，如图15所示，触摸传感器C1至C4在显示时段Td1和Td2期间将公共电压Vcom提供至像素101，并且在触摸周期Tt1和Tt2期间感测在接收触摸屏驱动信号Ts(或笔驱动信号)时的触摸输入。如上所述，触摸屏驱动信号Ts包括上行链路信号和触摸传感器驱动信号。笔驱动信号是基于上行链路信号与触摸传感器驱动信号同步的信号。
触摸驱动装置18将触摸屏驱动信号Ts施加至触摸传感器C1至C4，并且感测触摸传感器C1至C4的电荷的变化以确定导电物体是否已经触摸以及它的位置。
响应于从时序控制器16或主机系统19输入的触摸使能信号TEN，触摸驱动装置18在触摸周期Tt1和Tt2期间驱动触摸传感器。触摸驱动装置18在触摸周期Tt1和Tt2期间感测通过传感器线L1至Li施加至触摸传感器C1至C4的触摸输入。触摸驱动装置18通过分析根据触摸输入的存在与否而变化的触摸传感器的电荷的变化来确定触摸输入，并且计算触摸输入位置的坐标。触摸输入位置的坐标信息被发送至主机系统。
触摸驱动装置18在触摸周期Tt1和Tt2期间响应于触摸使能信号TEN而驱动触摸传感器C1至C4，并且此处，触摸驱动装置18可以在显示输入图像的1个显示帧周期内分配用于驱动触摸传感器C1至C4的至少两个触摸帧，从而将触摸报告速率增加到高于显示帧速率。
例如，如图15所示，当在1帧周期内的显示时段Td1和Td2和触摸周期Tt1和Tt2被划分为多个时段时，触摸驱动装置18在每个触摸周期Tt1和Tt2处感测触摸输入并且在每个触摸帧完成时的定时处将触摸输入的坐标信息发送至主机系统。因此，在本公开内容中，触摸报告速率可以增加至高于显示帧速率。显示帧速率是将1帧图像写入像素阵列的帧频率。触摸报告速率是产生触摸输入的坐标信息的速率。随着触摸报告速率越高，触摸输入的坐标识别率增加以提高触摸灵敏度。
包括在显示装置10中的显示模块可以包括显示面板DIS、显示驱动电路12、14和16、以及主机系统19。
显示面板DIS包括在两个基板之间形成的液晶层。显示面板DIS的像素阵列包括形成在由数据线D1至Dm(m是正整数)和栅极线G1至Gn(n是正整数)限定的像素区中的像素。每一个像素可以包括形成在数据线D1至Dm与栅极线G1至Gn的交叉的每个交叉处的薄膜晶体管(TFT)、充载数据电压的像素电极、连接至像素电极以保持液晶盒的电压的存储电容器等。
在显示面板DIS的上基板上可以形成有黑矩阵、滤色器等。显示面板DIS的下基板可以具有TFT上的滤色器(COT)结构。此处，黑矩阵和滤色器可以形成在显示面板DIS的下基板上。提供有公共电压的公共电极可以形成在显示面板DIS的上基板或下基板上。偏振器附接至显示面板DIS的上基板和下基板，并且在与液晶接触的内表面上形成有用于设置液晶的预倾角的取向膜。在显示面板DIS的上基板与下基板之间形成有用于保持液晶盒的盒间隙的柱状间隔物。
在显示面板DIS的下表面下方可以设置有背光单元。背光单元可以被实现为边缘型背光单元或直接型背光单元以将光照射到显示面板DIS。显示面板DIS可以以诸如扭曲向列(TN)模式、垂直取向(VA)模式、面内切换(IPS)模式、边缘场切换(FFS)模式等的任何已知的液晶模式来实现。
包括数据驱动电路12、栅极驱动电路14和时序控制器16的显示驱动电路将输入图像的视频数据写入显示面板DIS的像素中。数据驱动电路12将从时序控制器16输入的数字视频数据RGB转换为模拟正极性/负极性伽玛补偿电压以输出数据电压。从数据驱动电路12输出的数据电压被提供至数据线D1至Dm。栅极驱动电路14将与数据电压同步的栅极脉冲(或扫描脉冲)依次地提供至栅极线G1至Gn以选择写入数据电压的显示面板DIS的像素线。栅极驱动电路14可以与像素一起设置在显示面板DIS的基板上。
接收来自主机系统19的诸如垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、数据使能信号DE、主时钟MCLK等的时序信号，时序控制器16使数据驱动电路12和栅极驱动电路14的操作定时同步。扫描时序控制信号包括栅极起始脉冲(GSP)、栅极移位时钟(GSC)、栅极输出使能信号(GOE)等。数据时序控制信号包括源极采样时钟(SSC)、极性控制信号(POL)、源极输出使能信号(SOE)等。
主机系统19可以将时序信号Vsync、Hsync、DE和MCLK与数字视频数据RGB一起发送至时序控制器16，并且执行与从触摸驱动装置18输入的触摸坐标信息XY相关联的应用程序。
图15的触摸使能信号TEN还可以通过主机系统19生成。在显示时段Td1和Td2期间，数据驱动电路12在时序控制器16的控制下将数据电压提供至数据线D1至Dm，并且栅极驱动电路14在时序控制器16的控制下将与数据电压同步的栅极脉冲依次地提供至栅极线G1至Gn。在显示时段Td1和Td2期间，触摸驱动装置18停止操作。
在触摸周期Tt1和Tt2期间，触摸驱动装置18将触摸屏驱动信号Ts施加至触摸屏TSP的触摸传感器。在触摸周期Tt1和Tt2期间，显示驱动电路12、14和16可以将幅值和相位与触摸屏驱动信号Ts的幅值和相位相同的AC信号提供至信号线D1至Dm和G1至Gm，以便使连接至像素的信号线D1至Dm和G1至Gn与触摸传感器之间的寄生电容最小化。在这种情况下，与触摸感测信号混合的显示噪声显著减小并且触摸感测的精度增加。
[触控笔]
图16是示意性地示出根据本公开内容的实施方式的有源触控笔20的配置的图。
参照图16，有源触控笔20包括笔驱动电路200、导电尖端210、壳体280、导体层290和开关300。笔驱动电路200包括输入/输出单元220、接收单元230、传输单元240、信号处理单元250、电源单元260和输入/输出接口270。
导电尖端210由诸如金属等的导电材料形成，并且从壳体280的一侧向外突出以用作输入/输出电极。由于导电尖端210用作输入/输出电极，因此有利地简化了有源触控笔20的结构。当导电尖端210触摸显示装置10的触摸屏TSP时，导电尖端210在接触点处耦接至触摸屏TSP。导电尖端210在接触点处接收来自触摸屏TSP的触摸屏驱动信号，并且将在有源触控笔20内产生的笔驱动信号输出至触摸屏TSP的接触点。
当导电尖端210触摸显示装置10的触摸屏TSP时，输入/输出单元220在1个触摸周期的接收时段(请参照图20)期间电连接导电尖端210和接收单元230，并且在传输时段(请参照图20)期间电连接导电尖端210和传输单元240，从而在时间上分离触摸屏驱动信号的接收定时和笔驱动信号的传输定时。
包括至少一个放大器和至少一个比较器的接收单元230在1个触摸周期的接收时段(请参照图20)期间数字地处理通过输入/输出单元220输入的触摸屏驱动信号。
信号处理单元250对包括在数字地处理的触摸屏驱动信号中的上行链路信号的模式(即，脉冲占空比、脉冲数目等)进行分析以检查触摸屏驱动信号的有效性。当检测到正常上行链路信号时，信号处理单元250确定触摸屏驱动信号有效，并且生成与包括在触摸屏驱动信号中的触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号PS。信号处理单元250可以参照设置(installed)的缺省参数集的信号生成条件(周期、占空比、数目等)以生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号PS。信号处理单元250将数字电平笔驱动信号输出至传输单元240。
包括电平移位器的传输单元240将笔驱动信号从数字电平转换为模拟电平。在1个触摸周期的传输时段(请参照图20)期间，传输单元240通过输入/输出单元220将电平移位的笔驱动信号输出至导电尖端210。
电源单元260产生笔驱动电路200的操作所需的电力。输入/输出接口270可以根据用户的按钮按压操作连接至电源单元260以提供接收单元230、传输单元240和信号处理单元250所需的电力。
壳体280连接至地GND并且容纳笔驱动电路200。
导体层290围绕壳体280的外表面，并且绝缘体位于导体层290与壳体280之间。导体层290与导电尖端210一起用作用于接收来自触摸屏的触摸屏驱动信号的接收路径。即使当手掌触摸触摸屏时，导体层290可以确保关于触摸屏驱动信号的接收路径，并且可靠地传送来自笔驱动电路200的上行链路信号。
[用于阻断外部噪声并且增强针对上行链路信号的检测性能的方案]
图17是示出对外部噪声不敏感并且增强针对上行链路信号的检测性能的有源触控笔的主要部件的图。图18是示出通过设置在有源触控笔中的导体层消除外部噪声的原理的图。
参照图17，根据实施方式的有源触控笔20还包括围绕壳体280的外表面的导体层290以及连接导体层290和笔驱动电路200的开关300，在导体层290与壳体280之间设置有绝缘体。导电尖端210通过笔电容Cp耦合至触摸屏TSP，并且导体层290通过人体电容Ch耦合至触摸屏TSP。笔驱动电路由壳体280容纳(或包覆)，接收来自触摸屏TSP的上行链路信号和触摸传感器驱动信号，生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号，并且将所生成的笔驱动信号通过导电尖端210输出至触摸屏TSP。由于笔驱动电路200还接收来自导体层290以及来自导电尖端210的上行链路信号，即使上行链路信号的幅值由于触摸屏TSP的负载(手掌接触)的增加而衰减，与现有技术相比，笔驱动电路200仍可以容易地接收上行链路信号。
此外，如图17所示，绝缘体可以以“绝缘体-导体层290-绝缘体”的顺序加到壳体280的外表面。在这种情况下，在壳体280与导体层290之间形成壳体电容Cc，并且在导体层290与触摸屏TSP之间形成人体电容Ch。在现有技术中，如图4所示，当手掌触摸触摸屏时，触摸屏的上行链路信号通过形成在壳体与触摸屏之间的人体电容Ch直接传送至用作地GND的壳体，因而，现有技术的有源触控笔由于通过壳体接收的上行链路信号的干扰而不能识别通过导电尖端接收的上行链路信号。相反，在本公开内容中，由于除了在壳体280与触摸屏TSP之间的人体电容Ch之外还设置有壳体电容Cc，所以当手掌触摸触摸屏TSP时，直接传送至壳体280的上行链路信号的量减小了“Cc/(Cc+Ch)”。因此，由于手掌触摸对笔地GND的影响减小，所以笔驱动电路200针对上行链路信号的识别性能增强。
如图17所示，将导体层290加到壳体280的外表面有效地减少了外部噪声的影响。参照图18，笔驱动电路200的接收单元230可以包括具有连接至导电尖端210和导体层290的正(+)输入端和连接至地GND的负(-)输入端的放大器。图9的现有技术的有源触控笔具有外部噪声通过壳体原样输入到放大器的负(-)输入端的结构，因此外部噪声的影响大。相反，在本公开内容中，由于有源触控笔20额外包括导体层290，所以外部噪声通过人体电容Ch和导体层290输入至放大器的正(+)输入端并且通过人体电容Ch和外壳电容Cc输入至放大器的负(-)输入端。因此，与现有技术相比，在正(+)输入端和负(-)输入端中抵消了外部噪声，显著地减小了有源触控笔上的外部噪声的值。
图19A和图19B是示出在存在手掌接触和没有手掌接触的情况下在1个触摸周期的接收时段中的上行链路信号的接收路径的图。图19C是示出在1个触摸周期的传输时段中的笔驱动信号的传输路径的图。图20是示出1个触摸周期的接收时段和传输时段中的每个时段中的开关的ON/OFF状态的图。
参照图19A、图19B和图20，在至少一个1帧的触摸周期被分配来驱动触摸屏TSP的情况下，开关300在触摸周期中的用于输入上行链路信号的接收时段期间接通以连接导体层290和笔驱动电路200。在这种情况下，导电尖端210可以通过笔电容Cp耦合至触摸屏TSP，并且导体层290可以通过人体电容Ch耦合至触摸屏TSP。
如图19所示，在接收时段中只有笔触摸触摸屏TSP而没有手掌接触的情况下，笔驱动电路200可以仅通过笔电容Cp耦合至触摸屏TSP。在这种情况下，笔驱动电路200可以接收来自触摸屏TSP的上行链路信号和触摸传感器驱动信号，并且生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号。
如图19B所示，在笔触摸触摸屏TSP连同手掌接触的情况下，在接收时段中，笔驱动电路200可以通过笔电容Cp和人体电容Ch耦合至触摸屏TSP。在这种情况下，人体电容Ch远远大于笔电容Cp。因此，笔驱动电路200主要通过人体电容Ch接收来自触摸屏TSP的上行链路信号和触摸传感器驱动信号，并且生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号。如以上参照图5所述，当手掌触摸触摸屏TSP时，通过笔电容Cp输入的上行链路信号的幅值减小，使得笔驱动电路200难以识别上行链路信号。然而，在这种情况下，由于通过人体电容Ch和开关300输入的上行链路信号的幅值增加，所以笔驱动电路200能够识别上行链路信号。因此，即使在手掌触摸触摸屏TSP的情况下，本公开内容的有源触控笔20仍可以容易地接收上行链路信号和触摸传感器驱动信号，并且生成与触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号。
参照图19C和图20，在至少一个1帧的触摸周期被分配来驱动触摸屏TSP的情况下，开关300在触摸周期内用于输出笔驱动信号的传输时段期间断开以解除导体层290与笔驱动电路200之间的电连接，从而防止笔驱动信号(下行链路信号)分散到导体层290。由于开关300的OFF操作，输出至触摸屏的笔驱动信号的灵敏度TSP可以增强。
同时，如以上参照图7所述，在触摸屏TSP处于其未连接至触摸感测系统的地GND的浮置状态的情况下(即，当触摸屏TSP由便携式电池驱动时)，当手掌触摸触摸屏TSP时，从触摸屏TSP检测的上行链路信号可以减小，并且触摸感测系统的地波形(即，从触摸感测系统的外壳检测的上行链路信号)可以以异相方式相对于上行链路信号增加。如果手掌触摸触摸感测系统的外壳，则异相上行链路信号通过人体电容Ch和外壳电容Cc传送至触控笔20的壳体280。传送至触控笔20的壳体280的异相上行链路信号降低了触控笔20相对于上行链路信号的感测性能。本公开内容提出了如下的解决方案。
图21和图22是示出当通过笔接收上行链路信号时使得有源触控笔能够容易地识别异相上行链路信号的驱动方案的图。
参照图21，在至少一个1帧的触摸周期Tt1至Tt6被分配以驱动触摸屏TSP，并且当在触摸周期Tt1至Tt6期间将上行链路信号同相地连续施加至触摸屏TSP的情况下，本公开内容的有源触控笔20控制开关300的开关操作以中断异相上行链路信号的接收。为此，开关300在触摸周期Tt1至Tt6中的用于输入上行链路信号的接收时段期间被接通，并且这里，当在接收时段内上行链路信号同相地输入至笔驱动电路200时，开关300可以保持在ON状态，并且当在接收时段内上行链路信号异相地输入至笔驱动电路200时，开关300可以断开。如图21所示，当手掌仅触摸触摸屏TSP时，通过笔20接收同步上行链路信号，因而，开关300可以连续地接通。然而，当手掌触摸触摸感测系统的外壳(连接至地)以及触摸屏TSP时，异相上行链路信号可以施加至导体层290。在这种情况下，当开关300断开时，输入至笔驱动电路200的异相上行链路信号可以被中断，并且笔驱动电路200可以仅接收通过导电尖端210输入的同相上行链路信号以便被同步驱动。此处，为了增强操作的稳定性，开关300的ON/OFF周期可以比触摸屏TSP中的上行链路信号的驱动周期长。
参照图22，笔20的开关300可以在接收时段期间恒定地保持在ON状态，并且将上行链路信号以同相和异相交替地施加至触摸屏TSP。换句话说，在至少一个1帧的触摸周期Tt1至Tt6被分配来驱动触摸屏TSP的情况下，在本公开内容中，在触摸周期Tt1至Tt6期间将上行链路信号以同相和异相的方式交替地施加至触摸屏TSP，并且在用于输入上行链路信号的接收时段期间，笔20的开关300可以保持在ON状态。当手掌仅触摸触摸屏TSP时，触摸屏TSP的上行链路信号通过笔20以同相接收。也就是说，触摸屏TSP的同相上行链路信号通过笔20以同相接收，并且触摸屏TSP的异相上行链路信号通过笔20以异相接收。同时，当手掌触摸触摸感测系统的外壳(系统地)以及触摸屏TSP时，触摸屏TSP的上行链路信号由笔20以相反相位接收。也就是说，触摸屏TSP的同相上行链路信号被笔20异相接收，并且触摸屏TSP的异相上行链路信号由笔20同相接收。
此处，由于笔20的开关300保持在ON状态，所以笔驱动电路200可以仅接收通过导电尖端210或导体层290输入的同相上行链路信号，以便被同步驱动，而与手掌是否触摸系统地无关。
如上所述，在本公开内容中，由于导体层被加到有源触控笔的壳体的外表面，并且导体层和笔驱动电路之间的电连接通过开关接通和断开，因此有源触控笔对外部噪声不敏感并且可以增强针对从触摸屏输入的上行链路信号的检测性能，而与手掌是否触摸触摸屏无关。
另外，在本公开内容中，由于当异相上行链路信号被输入至有源触控笔并且仅当输入同相上行链路信号时接通开关，所以可以进一步增强针对从触摸屏输入的上行链路信号的检测性能，而与手掌是否触摸系统地无关。
此外，在本公开内容中，由于同相上行链路信号和异相上行链路信号被交替地施加至触摸屏并且仅接收同相上行链路信号以执行同步驱动，所以可以进一步增强针对从触摸屏输入的上行链路信号的检测性能，而与手掌是否触摸系统地无关。
虽然已经参照大量示例性实施方式对实施方式进行了描述，但是应当理解，本领域技术人员可以在本公开内容的原理的精神和范围内设计出大量其他的修改和实施方式。更具体地，可以在本公开内容、附图和所附权利要求的范围内对主题组合设置的部件和/或设置进行各种变化和修改。除了部件和/或设置方面的变化和修改之外，替代性用途对于本领域技术人员来说也是明显的。

Claims (13)

1.一种有源触控笔，包括：
连接至地的壳体，所述壳体具有外表面；
从所述壳体的一侧向外突出并且要与触摸屏接触的导电尖端；
围绕所述壳体的外表面的第一绝缘层；
围绕所述第一绝缘层的导体层；
围绕所述导体层的第二绝缘层，所述第二绝缘层提供所述有源触控笔的外表面；
笔驱动电路，其接收来自所述触摸屏的触摸传感器驱动信号和上行链路信号，生成与所述触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号，并且通过所述导电尖端将所生成的笔驱动信号输出至所述触摸屏，并且所述笔驱动电路由所述壳体容纳；以及
连接所述导体层和所述笔驱动电路的开关。
2.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动所述触摸屏，以及
在所述触摸周期内用于输入所述上行链路信号的接收时段期间，所述开关被接通以连接所述导体层和所述笔驱动电路，以及
在所述触摸周期内在用于输出所述笔驱动信号的传输时段期间，所述开关被断开以解除所述导体层和所述笔驱动电路之间的电连接。
3.根据权利要求2所述的有源触控笔，其中，所述导电尖端通过笔电容耦合至所述触摸屏，以及所述导体层通过人体电容耦合至所述触摸屏。
4.根据权利要求3所述的有源触控笔，其中，在所述接收时段期间，所述笔驱动电路通过所述导电尖端和所述导体层中的至少任一个接收所述上行链路信号。
5.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
当至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动所述触摸屏并且所述上行链路信号在所述触摸周期期间连续地被同相地施加至所述触摸屏时，
所述开关在所述触摸周期内用于输入所述上行链路信号的接收时段期间被接通，以及当所述上行链路信号在所述接收时段内被异相地输入至所述笔驱动电路时，所述开关被断开。
6.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
当至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动所述触摸屏并且所述上行链路信号在所述触摸周期期间交替地被同相地和异相地施加至所述触摸屏时，
所述开关在所述触摸周期内在用于输入所述上行链路信号的接收时段期间保持在接通状态。
7.一种触摸感测系统，包括：
触摸屏；
触摸驱动装置，其将上行链路信号和触摸传感器驱动信号施加至所述触摸屏；以及
有源触控笔，其生成与所述触摸传感器驱动信号同步的笔驱动信号并且将所生成的笔驱动信号输出至所述触摸屏，
其中所述有源触控笔包括：
连接至地的壳体，所述壳体具有外表面；
从所述壳体的一侧向外突出并且要与所述触摸屏接触的导电尖端；
围绕所述壳体的外表面的第一绝缘层；
围绕所述第一绝缘层的导体层；
围绕所述导体层的第二绝缘层，所述第二绝缘层提供所述有源触控笔的外表面；
笔驱动电路，其接收来自所述触摸屏的所述触摸传感器驱动信号和所述上行链路信号，通过所述导电尖端将所述笔驱动信号输出至所述触摸屏，并且所述笔驱动电路由所述壳体容纳；以及
连接所述导体层和所述笔驱动电路的开关。
8.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其中，
至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动所述触摸屏，以及
在所述触摸周期内用于输入所述上行链路信号的接收时段期间，所述开关被接通以连接所述导体层和所述笔驱动电路，以及
在所述触摸周期内用于输出所述笔驱动信号的传输时段期间，所述开关断开以解除所述导体层与所述笔驱动电路之间的电连接。
9.根据权利要求8所述的触摸感测系统，其中，所述导电尖端通过笔电容耦合至所述触摸屏，并且所述导体层通过人体电容耦合至所述触摸屏。
10.根据权利要求9所述的触摸感测系统，其中，在所述接收时段期间，所述笔驱动电路通过所述导电尖端和所述导体层中的至少任一个接收所述上行链路信号。
11.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其中，
当至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动所述触摸屏并且所述上行链路信号在所述触摸周期期间连续地被同相地施加至所述触摸屏时，
所述开关在所述触摸周期内用于输入所述上行链路信号的接收时段期间被接通，以及当所述上行链路信号在所述接收时段内被异相地输入至所述笔驱动电路时，所述开关被断开。
12.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其中，
当至少一个1帧的触摸周期被分配以驱动所述触摸屏并且所述上行链路信号在所述触摸周期期间交替地被同相地和异相地施加至所述触摸屏时，
所述开关在所述触摸周期内在用于输入所述上行链路信号的接收时段期间保持在接通状态。
13.一种使用权利要求7至12中任一项所述的触摸感测系统的触摸感测方法，包括：
通过所述有源触控笔接收来自所述触摸屏的所述触摸传感器驱动信号和所述上行链路信号，以及
通过所述有源触控笔生成与所述触摸传感器驱动信号同步的所述笔驱动信号并且将所生成的笔驱动信号输出至所述触摸屏。
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