JP5794810B2 - タッチパネルの寄生キャパシタンス補償方法及びその装置 - Google Patents
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Description
かようなタッチスクリーンは、抵抗膜(resistive overlay)方式、静電容量(capacitive overlay)方式、表面超音波(surface acoustic wave)方式、赤外線(infrared)方式、表面弾性波(surface elastic wave)方式、インダクティブ方式などの多様な方式が使われうる。
表面超音波方式のタッチスクリーンは、音波を発射するトランスミッタ(transmitter)をガラスの一方のコーナーに配し、一定間隔で音波を反射させるリフレクタ(reflector)を配し、その反対側にレシーバ(receiver)を配した形態で構成され、指のように音波を妨害する物体が、音波の進路を妨害するとき、その時点を計算してタッチ地点を認識する。
赤外線方式のタッチスクリーンは、肉眼で見えない赤外線の直進性を利用する方法であり、発光素子である赤外線LED(light-emitting diode)と、受光素子であるフォトレジスタとを互いに対面させて配してマトリックスを構成し、該マトリックス内で指のような物体によって光が遮断されることを感知し、タッチ地点を認識するのである。
前記のような目的を達成するために、本発明の一実施態様による寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置は、複数のセンシング・チャネルを含み、タッチスクリーン動作を行うために、前記センシング・チャネルに配されるセンシング・ユニットの変化をセンシングして信号として出力するタッチパネルと、前記タッチパネルから前記センシング・ユニットの変化信号を受信して増幅して出力する信号増幅ユニットを含むタッチ・コントローラと、を含み、前記タッチ・コントローラは、前記センシング・チャネルと共通電極との間の寄生キャパシタによって励起される寄生キャパシタンスの電荷量に相当するほどの電荷量を生成するために、共通電極電圧を入力として受ける寄生キャパシタンス補償ユニットを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、前記共通電極電圧と前記励起信号とを反転入力部を介して入力される差動増幅器であることを特徴とする。
望ましくは、前記励起信号と前記共通電極電圧は、加算されて前記反転増幅器に入力されることを特徴とする。
望ましくは、前記寄生キャパシタンスの電荷量は、前記励起信号と前記共通電極電圧との差に比例することを特徴とする。
望ましくは、前記差動増幅器の出力に、寄生キャパシタンス補償のためのネガティブ・キャパシタ(negative capacitor)をさらに含むことを特徴とする。
望ましくは、前記ネガティブ・キャパシタのキャパシタンスは、前記寄生キャパシタンスの1.7倍ないし2.3倍であることを特徴とする。
望ましくは、前記タッチ・コントローラは、前記信号増幅ユニットを介して出力されるタッチ信号をフィルタリングするフィルタ部と、前記タッチ信号をアナログ−デジタル変換させるアナログ−デジタル変換部とをさらに含むことを特徴とする。
望ましくは、前記タッチパネルがディスプレイパネルと一体であるオンセル(on-cell)・タイプであるか、あるいはオーバーレイ・タイプであることを特徴とする。
本発明の概念による実施形態は、多様な変更や変形を加えることができるので、特定実施形態を図面に例示し、本明細書または出願について詳細に説明する。しかし、それらは、本発明の概念による実施形態を特定の開示形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物及び代替物を含むものであると理解せねばならない。
各図面に提示された同じ参照符号は、同じ部材を示す。
以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態について説明することによって、本発明について詳細に説明する。以下の説明で、タッチスクリーン・パネルとタッチパネルは、互いに混用されて使われるものとする。
タッチスクリーン・パネル11は、ロウ(row)方向に配された複数のセンシング・ユニットと、カラム(column)方向に配された複数のセンシング・ユニットと、を含む。図示されているように、タッチスクリーン・パネル11は、センシング・ユニットが配される複数個のロウを具備し、それぞれのロウには、複数個のセンシング・ユニットが配される。それぞれのロウに配されるセンシング・ユニットは、互いに電気的に連結される。また、タッチスクリーン・パネル11は、センシング・ユニットが配される複数個のカラムを具備し、それぞれのカラムには、複数個のセンシング・ユニットが配される。それぞれのカラムに配されるセンシング・ユニットは、互いに電気的に連結される。
信号処理部12は、タッチスクリーン・パネル11のセンシング・ユニットのキャパシタンス変化をセンシングしてタッチデータを生成する。一例として、複数個のロウ及び複数個のカラムからのキャパシタンス変化をセンシングすることにより、前記タッチスクリーン・パネル11上で、指またはタッチペンなどが接触したか否かということと、接触した位置とを判断する。
静電容量型方式(capacitive overlay method)のタッチスクリーン・システムは、タッチ物体とタッチスクリーン・パネルの電極パターンとのキャパシタンスのサイズをセンシングするものであるために、多様なノイズから安定した出力を得られることが非常に重要である。
図2を参照すれば、相互容量方式は、駆動電極(drive electrode)に一定の電圧パルスを印加し、受信電極(receive electrode)で、電圧パルスに対応する電荷を収集(collected charge)する。このとき、ユーザの指が2個の電極間に置かれる場合、電場(点線)が変化する。
タッチパネルを採用するシステムは、2つの電極間の電場変化を介して、電極間のキャパシタンスが変わり、これを介してタッチを感知する。
既存タッチ機能を搭載したモバイル製品の場合、オンセル(on-cell)タイプのように、タッチスクリーン・パネル33をディスプレイパネル35上に位置させ、工程を減らし、また価格競争力を向上させようとしている。もし2枚のパネルを統合すれば、以前とは異なる問題点が発生する。すなわち、ユーザの指31で励起されるノイズ(skin accumulated noise)や、システムからのノイズ(noise from system)だけではなく、代表的な例として、タッチパネルのセンス・チャネルとディスプレイ・データラインとの間に生じる寄生キャパシタンスCbx,Cbyが大きく増加することになる。これによって、ディスプレイを駆動させるために、DDI(display driver IC)からディスプレイパネルに印加するさまざまなソース・チャネル(source channel)の電圧変動がノイズとして作用することになる。従って、2枚のパネルを統合したシステムは、既存のタッチセンサとは異なり、ディスプレイ・ノイズによる影響が非常に大きくなり、ノイズが低減された新しいタッチセンサ回路の開発が必要である。
前記センシング・ユニット(SU)には、その配置構造上、寄生キャパシタンス成分が存在する。一例として、前記隣接するセンシング・ユニット間に発生する水平寄生キャパシタンス成分Cadjと、センシング・ユニットとディスプレイパネル35との間で発生する垂直寄生キャパシタンス成分Cbx,Cbyとを含む。指またはタッチペンなどがセンシング・ユニットに接近したり、または接触することによって発生するキャパシタンス成分に比べて、前記寄生キャパシタンス値が大きい場合には、タッチ動作によって、センシング・ユニットのキャパシタンス値が変化しても、タッチをセンシングする感度が低くなる。
図4Aによれば、それぞれのセンシング・ユニット(SU)は、基本的に、寄生キャパシタンス成分Cbを有し、指またはタッチペンなどの物体の接近または接触によって、そのキャパシタンス値が変化し、さらなるキャパシタンス成分Csigが形成される。一例として、センシング・ユニット上に、導電物質(conductive object)が接近したり、または接触する場合には、センシング・ユニットのキャパシタンス値が増加する。
図4Bに図示されているように、多様なノイズが存在する場合、キャパシタンス値にノイズ成分が大きい影響を及ぼすことになるが、このときの変動(fluctuation)が激しいキャパシタンスCsen’によっては、正しいタッチが感知されない。その結果、タッチスクリーン装置のセンシング感度が非常に低下してしまう。
これに対して、LCDパネルは、共通電極を定電圧で駆動する方式と、続けて反転(inversion)させる方式とを有する。共通電極電圧幅は、ほぼ5Vであり、かような電圧スイッチングがタッチセンス・チャネルで励起されることを無視できない。共通電極を続けて反転させる方式のノイズが大きいことは言うまでもなく、共通電極を定電圧で駆動する方式も、ソース・チャネルにデータが書き込まれるごとに、多くのノイズを励起する。その理由は、ソース・チャネルに書き込まれるデータだけではなく、スルー(slew)によっても、LCDパネルが大きい影響を受けるためである。
図6の等価回路は、周辺回路と、寄生抵抗及びキャパシタ成分に係わる影響とは除外した。さまざまなタッチセンス・チャネルのうち1つのセンス・チャネルが選択されたとき、共通電極電圧パネル53で励起されるノイズソースをVc 691と定義した。このノイズソースVcからチャージアンプの出力までの伝達関数を簡略化すれば、次の数式1の通りである。
タッチ・コントローラ70は、本願でのtouch−DDIの一部として、または代替される用語として使われる。チャージアンプは、入力されるタッチ信号を電圧信号に変え、必要によっては、信号を増幅する差動増幅器(op amp)として主に構成される信号変換ユニットを有している。
図7AでCxは、タッチによって生成されるキャパシタをモデリングしたものであり、Cbは、タッチセンス・チャネルと共通電極との間に発生する寄生キャパシタンスである。Rs1、Rs2、Rs3は、タッチ・コントローラとタッチパネルとを連結するときに発生する寄生抵抗とすることができる。共通電極保護層を除去した場合、Cb下の電極に、図7Aのように、共通電極モジュレーション電圧VCOM INが印加され、タッチセンス・チャネルに影響を及ぼす。
図7Aは、Cbを共通電極層で直接センシングする方法であり、図7Bは、IC共通電極パッドでCbをセンシングする方式である。図7Aの場合、寄生キャパシタを共通電極層で直接センシングするために、ソースチャネル・ノイズまで補償が可能であり、図7Bの場合は、Rs1がノイズ補償に大きい影響を及ぼす構造である。
共通電極ドライバ710では、共通電極モジュレーション電圧VCOMが出力され、Rs3を経て、寄生キャパシタ補償器730にVCOM INとして入力される。VCOM INは、Rs3抵抗を経た電圧であり、VCOMと区分した。
タッチ・コントローラ70には、寄生キャパシタ補償器730やチャージアンプ750などが構成要素として含まれている。前述のように、寄生キャパシタ補償器730に共通電極モジュレーション電圧VCOM INを印加し、寄生キャパシタCbのネガティブ・キャパシタCqを作って補償するのが、本発明の一実施形態による補償原理である。
寄生キャパシタ補償器730は、差動増幅器(differential op amp)からなり、共通電極モジュレーション電圧VCOM INが反転入力端に、励起パルスVINと共に並列に入力されている。励起パルスバッファ740は、励起パルスをバッファリングして、チャージアンプ750の入力端に印加する。ソース・ドライバ720は、ソース・チャネル電圧を印加し、このとき、ソース・チャネルと共通電極パネルとの間に数十nFほどの寄生キャパシタCsが励起される。差動増幅器の反転入力端と連結された抵抗RX,RY,RBは、キャパシタC1,C2,C3に代替されても同じ機能を具現できる。
寄生キャパシタ補償器730は、反転増幅器であり、共通電極モジュレーション電圧VCOM INと励起パルスVINとを、抵抗RX,RY,RBを利用して加算し、反転入力端に入力する。これによって、タッチをセンシングするためにチャージアンプに印加する入力信号Cxも、反転部に入力されねばならない。図7Cでのように、差動増幅器の反転入力端と連結された抵抗RX,RY,RBは、キャパシタC1,C2,C3に代替されても同じ機能を具現できる。
前述の寄生抵抗についての考慮は省略する。共通電極電圧をVc電圧ソース799に代する。寄生キャパシタに形成される総電荷量は、下記数式3のように、励起信号(excitation pulse)VINと共通電極電圧Vcとの差に比例する。
参考までに、タッチセンス動作は、アナログ電源5Vで動作し、共通電極モジュレーション電圧の変化幅は、一般的に5Vである。ネガティブ・キャパシタと寄生キャパシタとの総電荷量が同じになるのは、抵抗RX,RY,RBによって決定される。図7Dと数式3ないし数式5との条件によれば、ネガティブ・キャパシタが寄生キャパシタの影響をなくすことができる。すなわち、タッチによって形成されたCxの変化量だけを、チャージアンプ750を介してタッチセンス処理に利用させることができる。しかし、図7Dから分かるように、A,Bの2つの経路の位相が異なるものであるので、完全にノイズが消えるわけではない。かような方式の補償回路と共に、励起パルスの周波数を共通電極モジュレーション周波数と異なる帯域を使用し、チャージアンプの背後からアナログ・フィルタ760を使用し、ノイズをさらに減殺させることができることである。そして、留意すべき点は、寄生キャパシタ補償回路の閉ループ帯域幅(closed loop bandwidth)は、抵抗比によって低減されるものであるので、これを考慮した設計が要求される。
図8に図示されているように、前記集積IC 800は、タッチ・コントローラとして動作し、ディスプレイ・ノイズ補償を行うタッチ・コントローラ部810と、ディスプレイ駆動回路として動作するディスプレイドライバ・ユニット830を具備する。タッチ・コントローラ部810とディスプレイドライバ・ユニット830とを1つの半導体チップに集積することによって、生産コストを節減することができる。
また、図8に図示されているように、タッチ・コントローラ部810とディスプレイドライバ・ユニット830とはそれぞれ、電源を発生させる回路ブロック、所定のデータを保存するためのメモリ、及びそれぞれのブロックの機能を制御するための制御ユニットなどが備わる。これにより、タッチ・コントローラ部810とディスプレイドライバ・ユニット830とを1つの半導体チップに集積する場合、前記メモリ、電源発生部及び制御ユニットは、タッチ・コントローラ部810とディスプレイドライバ・ユニット830とに共通して使われるように具現されうる。
図9Aに図示されているように、前記ディスプレイ装置900は、ウインドーガラス(window glass)910、タッチパネル920及びディスプレイパネル940を具備できる。また、タッチパネル920とディスプレイパネル940との間には、光学的特性のために偏光板(polarizer)930がさらに配されうる。
タッチ・コントローラとディスプレイ駆動回路とが互いに区分されるチップに配される場合には、タッチ・コントローラは、一般的にCOF状で配され、ディスプレイ駆動回路は、一般的にCOG状で配されうるが、本発明の一実施形態による、タッチ・コントローラ及びディスプレイ駆動回路が内蔵された半導体チップは、前記COG及びCOFのうちいずれか一つで配されても差し支えない。
現在、タッチスクリーン方式の製品は、幅広い分野で使われており、空間上の利点でもっていち早くボタン方式の機器を代替している。最も顕著な需要は、やはり携帯電話分野であるということができる。特に、携帯電話では、その便宜性だけではなく、端末のサイズに敏感な分野であるので、別途のキーを設けなかったり、キーを最小化するタッチホン方式が、最近大きく脚光を浴びているのが周知の事実である。よって、本発明によるタッチ・システム1300は、携帯電話1310に採用できることは言うまでもなく、タッチスクリーンを採用したTV(television)1320、銀行の現金の入金・引き出しを自動的に代行するATM(automated teller machine)機1330、エレベータ1340、地下鉄などで使われるチケット発給機1350、PMP(portable multimedia player)1360、電子ブック1370、ナビゲーション1380などに幅広く使われうる。それ以外にも、ユーザ・インターフェースが必要なあらゆる分野で、タッチディスプレイ装置は、いち早く既存のボタン式インターフェースを代替していることは自明である。
11 タッチスクリーン・パネル
12 信号処理部
31 ユーザの指
35,1020 ディスプレイパネル
51 タッチセンス・チャネル
53 共通電極パネル
55 ソースチャネル・ライン
511 共通電極電圧
513 ソース・チャネル
69,750 チャージアンプ
691 ノイズソース
70,75 タッチ・コントローラ
71,72 タッチパネル
710 電圧ドライバ
720,831 ソース・ドライバ
730 寄生キャパシタ補償器
740 励起パルスバッファ
760 フィルタ
770,813 ADC
780 デジタル・フィルタ
799 Vc電圧ソース
800 集積IC
810 タッチ・コントローラ部
811 読み取り回路
812 寄生キャパシタ補償部
815 ノイズ補償ブロック
816 MCU
817 デジタルFIRフィルタ
818 低電力発振器
819 信号送受信インターフェース
820 制御ロジック
830 ディスプレイドライバ・ユニット
832 階調電圧発生部
833 ディスプレイ・メモリ
834 タイミング制御ロジック
836 CPU及びインターフェース
850 ホスト・コントローラ
900,1000 ディスプレイ装置
910,1010 ウインドーガラス
920 タッチパネル
921 タッチスクリーン・コントローラ
930,1030 偏光板
940 ディスプレイパネル
941 ディスプレイ駆動回路
951,1021 半導体チップ
960 メインボード
1300 タッチ・システム
1310 携帯電話
1320 TV
1330 ATM
1340 エレベータ
1350 チケット発給機
1360 PMP
1370 電子ブック
1380 ナビゲーション
Claims (23)
- タッチを感知するタッチパネルでのセンシング・チャネルと共通電極との間の寄生キャパシタによって励起される寄生キャパシタンスの電荷量に相当するほどの電荷量を生成するために、共通電極電圧を入力として受ける寄生キャパシタンス補償ユニットを含み、
前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、前記共通電極電圧と並列に励起信号を入力され、
前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、前記共通電極電圧と前記励起信号とを反転入力部を介して入力される差動増幅器である
ことを特徴とするタッチ・コントローラ。 - 前記励起信号と前記共通電極電圧は、加算されて前記差動増幅器に入力される
ことを特徴とする請求項1に記載のタッチ・コントローラ。 - 前記寄生キャパシタンスの電荷量は、前記励起信号と前記共通電極電圧との差に比例する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタッチ・コントローラ。 - 前記差動増幅器の出力に、寄生キャパシタンス補償のためのネガティブ・キャパシタをさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載のタッチ・コントローラ。 - 前記ネガティブ・キャパシタのキャパシタンスは、前記寄生キャパシタンスの1.7倍ないし2.3倍である
ことを特徴とする請求項4に記載のタッチ・コントローラ。 - 前記タッチ・コントローラは、
前記タッチパネルで、前記センシング・チャネルに配されるセンシング・ユニットの変化をセンシングして出力されるタッチ信号を受信する信号変換ユニットと、
前記信号変換ユニットを介して出力されるタッチ信号をフィルタリングするフィルタ部と、
前記タッチ信号をアナログ−デジタル変換させるアナログ−デジタル変換部と、をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載のタッチ・コントローラ。 - 複数のセンシング・チャネルを含み、タッチスクリーン動作を行うために、前記センシング・チャネルに配されるセンシング・ユニットの変化をセンシングしてタッチ信号として出力するタッチパネルと、
前記タッチパネルから前記センシング・ユニットの変化信号を受信して電圧に変換して出力する信号変換ユニットを含むタッチ・コントローラと、を含み、
前記タッチ・コントローラは、前記センシング・チャネルと共通電極との間の寄生キャパシタによって励起される寄生キャパシタンスの電荷量に相当するほどの電荷量を生成するために、共通電極電圧を入力として受ける寄生キャパシタンス補償ユニットを含み、
前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、前記共通電極電圧と並列に励起信号を入力され、
前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、前記共通電極電圧と前記励起信号とを反転入力部を介して入力される差動増幅器である
ことを特徴とする寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記励起信号と前記共通電極電圧は、加算されて前記差動増幅器に入力される
ことを特徴とする請求項7に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記寄生キャパシタンスの電荷量は、前記励起信号と前記共通電極電圧との差に比例する
ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記差動増幅器の出力に、寄生キャパシタンス補償のためのネガティブ・キャパシタをさらに含む
ことを特徴とする請求項7に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記ネガティブ・キャパシタのキャパシタンスは、前記寄生キャパシタンスの1.7倍ないし2.3倍である
ことを特徴とする請求項10に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記タッチ・コントローラは、
前記信号変換ユニットを介して出力されるタッチ信号をフィルタリングするフィルタ部と、
前記タッチ信号をアナログ−デジタル変換させるアナログ−デジタル変換部と、をさらに含む
ことを特徴とする請求項7に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記タッチパネルがディスプレイパネルと一体であるオンセル・タイプである
ことを特徴とする請求項7に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記タッチパネルは、オーバーレイ・タッチパネルである
ことを特徴とする請求項7に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - 前記タッチディスプレイ装置は、共通電極保護層が除去されたタッチディスプレイ装置である
ことを特徴とする請求項7に記載の寄生キャパシタンスを補償するためのタッチディスプレイ装置。 - タッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法において、
タッチが発生するとき、センシング・チャネルに配されたセンシング・ユニットのキャパシタンス変化を感知してタッチ信号として出力する段階と、
タッチ・コントローラが前記タッチ信号を入力されて増幅して出力する段階と、
前記タッチ・コントローラ内の寄生キャパシタンス補償ユニットが、前記センシング・チャネルと共通電極との間の寄生キャパシタによって励起される寄生キャパシタンスを補償するために、前記寄生キャパシタンスの電荷量に相当するほどの電荷量を生成するために、共通電極電圧を入力される段階と、を含み、
前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、前記共通電極電圧と並列に励起信号を入力され、
前記寄生キャパシタンス補償ユニットは、差動増幅器として前記共通電極電圧と前記励起信号とを反転入力部を介して入力される
ことを特徴とするタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記励起信号と前記共通電極電圧は、加算されて前記差動増幅器に入力される
ことを特徴とする請求項16に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記寄生キャパシタンスの電荷量は、前記励起信号と前記共通電極電圧との差に比例する
ことを特徴とする請求項16または請求項17に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記差動増幅器の出力に、寄生キャパシタンス補償のためのネガティブ・キャパシタをさらに含む
ことを特徴とする請求項16に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記ネガティブ・キャパシタのキャパシタンスは、前記寄生キャパシタンスの1.7倍ないし2.3倍内の値である
ことを特徴とする請求項19に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記増幅して出力されるタッチ信号をフィルタリングする段階と、
前記タッチ信号をアナログ−デジタル変換させる段階と、をさらに含む
ことを特徴とする請求項16に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記タッチ・システムのタッチパネルは、ディスプレイパネルと一体であるオンセル・タイプである
ことを特徴とする請求項16に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。 - 前記タッチ・システムのタッチパネルは、オーバーレイ・タッチパネルである
ことを特徴とする請求項16に記載のタッチ・システムにおいて寄生キャパシタンスを補償する方法。
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