TWI395127B - 電容式觸控感測裝置及其方法 - Google Patents

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Description

電容式觸控感測裝置及其方法
本發明有關於一種觸控感測裝置及其方法，且特別是有關於一種電容觸控式螢幕(capacitive touch screen)的觸控感測裝置及其方法。
請參照第一圖，其所繪示為習知觸控式螢幕(touch screen)，包括顯示控制器(display controller)130、觸控面板(touch panel)150、感測電路(sensing circuit)155、液晶顯示面板(LCD panel)170。一般來說，觸控面板150製作於液晶顯示面板170上，而顯示控制器130接收影像信號(video signal)，並轉換成為面板控制信號(panel control signal)至液晶顯示面板170，使得液晶顯示面板170可根據面板控制信號來呈現影像。當使用者碰觸到觸控面板150時，觸控面板150產生感測信號(sensing signal)至感測電路155，而感測電路155即可根據感測信號而輸出位置信號，其表示使用者於觸控面板150上的碰觸點(touch point)位置。
請參照第二圖A，其所繪示為液晶顯示面板示意圖。一般來說，液晶顯示面板170可分為顯示區112與非顯示區114。顯示區112中包括薄膜電晶體陣列(TFT array)，而非顯示區114包括閘驅動器(gate driver)120源驅動器(source driver)125用以控制薄膜電晶體陣列中的電晶體。顯示控制器130輸出的面板控制信號可控制閘驅動器120產生閘驅動信號(gate driving signal)以及源驅動器125產生源驅動信號(source driving signal)。面板控制信號更包括一共通電壓信號(common voltage，Vcom)用以控制液晶顯示面板170上液晶(liquid crystal)的反轉(inversion)。閘驅動信號可控制薄膜電晶體陣列開啟或者關閉；源驅動信號可提供亮度資料至像素(pixel)。第二圖A中，在可攜式電子裝置之應用中，顯示控制器130可以整合有時序控制器(timing controller，簡稱TCON)、閘驅動器120以及源驅動器125。
影像信號包括垂直同步信號(Vsync)、水平同步信號(Hsync)、紅色信號(Red)、綠色信號(Green)、與藍色信號(Blue)。於液晶顯示面板170上顯示一條掃描線(scan line)的時間即為水平同步信號(Hsync)的一個週期。而於液晶顯示面板170上顯示一個圖框(frame)的時間即為垂直同步信號(Vsync)的一個週期。也就是說，假設液晶顯示面板170上有M條掃描線，則閘驅動器120可產生M個閘驅動信號，並且垂直同步信號(Vsync)的一個週期等於M個水平同步信號(Hsync)週期。而根據水平同步信號(Hsync)，M個閘驅動信號可依序被開啟。
請參照第二圖B，其所繪示為垂直同步信號(Vsync)、水平同步信號(Hsync)、共通電壓信號(Vcom)與閘驅動信號示意圖。垂直同步信號(Vsync)的週期開始於低準位的出現；而垂直同步信號(Vsync)的一週期包含複數個水平同步信號(Hsync)週期。而根據水平同步信號(Hsync)，複數個閘驅動信號可依序被開啟；共通電壓信號(Vcom)頻率為水平同步信號(Hsync)頻率的一半。如前所述，在可攜式電子裝置之應用中，顯示控制器130可以整合有時序控制器、閘驅動器120以及源驅動器125，共通電壓信號(Vcom)係存在於整合的顯示控制器130中。
於垂直的空白區間(Vertical Blanking Interval，簡稱VBI)，紅色信號(Red)、綠色信號(Green)、與藍色信號(Blue)皆不輸出任何資料，共通電壓信號(Vcom)也會維持在低準位。
請參照第三圖，其所繪示為習知電容式觸控面板(capacitive touch panel)示意圖。電容式觸控面板包括第一感測層151、第二感測層152、與遮蔽層(shielding layer)153。一般來說，第一感測層151與第二感測層152包括複數個感測元件，而每個感測元件皆可視為一個電容器。
當使用者的手碰觸到電容式觸控面板時，碰觸點位置的等效電容值會改變，藉由偵測碰觸點位置的等效電容值之改變，感測電路155即可偵測碰觸點的實際位置並且輸出位置信號。遮蔽層153主要的用途在於隔離面板控制信號以及感測信號，使得感測信號不會受到面板控制信號的影響。
第四圖為習知電容式觸控感測裝置40示意圖。習知電容式觸控感測裝置40包括：保護層420、觸控面板450、感測保護層457以及共通電壓信號層480。保護層420是為了保護電容式觸控感測裝置40而設置，避免因觸控而產生刮痕或刮傷電容式觸控感測裝置40。感測保護層457是為了保護觸控面板450，由於感測層451、452之感測元件通常為電容，為了保護觸控面板450不會變形，因此將觸控面板450加一層感測保護層457。觸控面板450包括：第一感測層451、第二感測層452以及遮蔽層453。一般來說，第一感測層451與第二感測層452包括複數個感測元件，而每個感測元件皆可視為一個電容器。
當使用者的手碰觸到電容式觸控面板時，碰觸點位置的等效電容值會改變，因此，電容式觸控感測裝置40即可利用此特性來偵測碰觸點的實際位置並且輸出位置信號。遮蔽層453主要的用途在於提供遮蔽以隔離共通電壓信號層480以及觸控面板450信號間之相互干擾。由於習知共通電壓信號層480是交流信號，信號會不停地轉態，對觸控面板450會造成嚴重的雜訊干擾，因此需要遮蔽層453提供遮蔽以隔離來自共通電壓信號層480以及觸控面板450信號間之相互干擾。然而，遮蔽層453會增加觸控面板450之製造成本與降低透光率。由於製造觸控面板450時，需要將遮蔽層453分別與第二感測層452以及感測保護層457黏合，如此當黏合失誤而報廢整片觸控面板450時，生產成本會因此增加，也因為多了遮蔽層453，會使得觸控面板450由三層增加至四層，因而會使電容式觸控感測裝置40降低透光率。
第五圖顯示習知源驅動(source driver)信號與共通電壓信號關係圖。習知觸控感測裝置係利用交流共通電壓信號(AC Vcom)；舉例而言，交流共通電壓信號為-1V至4V，則源驅動信號之源擺幅(source swing)需為-1V至4V之反向信號才可提供源驅動信號與交流共通電壓信號之電壓差為5V，亦即源驅動信號提供之工作電壓範圍為5V。
由於習知觸控感測裝置係利用交流共通電壓信號，故需使用四層的電容式觸控感測裝置，然而，四層的電容式觸控感測裝置價格昂貴，因此需要一種可減少使用層數之電容式觸控感測裝置，以進一步地降低成本與增加透光率。
本發明的目的係提出一種觸控螢幕的電容式觸控感測裝置及其方法，使得觸控式螢幕中的電容式觸控面板不需具有遮蔽層並且可以正確地輸出位置信號。
因此，本發明提出一種電容式觸控感測裝置，包括：保護層；感測層，配置於該保護層之下方，用以感測一碰觸以產生一位置信號；以及直流共通電壓信號層，電連接於直流電壓以遮蔽信號干擾。
因此，本發明提出一種電容式觸控感測方法，包括：施加直流共通電壓信號於一可攜式裝置之小尺寸螢幕之共通電壓信號層；產生對稱於該共通電壓信號層的驅動信號驅動一驅動器；以及感測碰觸以輸出位置信號。
因此，本發明提出一種觸控式螢幕，包括：液晶顯示面板；觸控面板，用以因應一碰觸而產生感測信號；顯示控制器，用以處理影像信號以產生面板控制信號，面板控制信號包括一固定共通電壓；以及感測電路，耦接於觸控面板，用以接收感測信號以產生位置信號。
為了使　鈞局能更進一步瞭解本發明特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
第六圖顯示根據本發明之一實施例的電容式觸控感測裝置，包括保護層620、觸控面板650與共通電壓信號層680。觸控面板650包括第一感測層651、第二感測層652以及感測保護層657。保護層620是為了保護電容式觸控感測裝置60而設置，避免因觸控而產生刮痕或刮傷電容式觸控感測裝置60。感測保護層657是為了保護觸控面板650，由於感測層651、652之感測元件為電容軟板，為了保護觸控面板650不會變形，因此可將觸控面板650加一層感測保護層657；或者，亦可將觸控面板650直接貼合於共通電壓信號層680，而不加感測保護層657。保護層620及感測保護層657通常為經硬化處理之化合物，例如為二氧化矽或玻璃。感測層651、652為導電性佳且透光性佳之化合物，例如氧化銦錫防護層(ITO shielding)。
第七圖顯示根據本發明之一實施例所繪示之源驅動信號與共通電壓信號關係圖。如果可以實現於小尺寸螢幕上施加固定的共通電壓信號，可以將驅動共通電壓信號的耗電降低，這對可攜式產品之省電效益是非常重大的突破。於此實施例中，可以將固定電壓(可為0V～-2V，第七圖以0V為例)施加為直流共通電壓信號，源驅動信號與直流共通電壓信號之有效電壓差同樣為5V，源擺幅可為-5V至5V，亦即源驅動信號提供之工作電壓範圍為10V，則可達到源驅動信號與直流共通電壓信號之有效電壓差同樣為5V。於此實施例中，所欲之工作電壓為10V，可利用N井區(N-well，簡稱NW)與P井區(P-well，簡稱PW)之電壓差皆為5V之兩個深N井(deep N-well，簡稱DNW)來實現。
此外，液晶分子具有一種特性，就是不能夠一直固定在同一電壓不變，否則當時間一久，即使將電壓取消，液晶分子仍會因為特性被破壞而無法再因應電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。較佳地，每隔一段時間，就必須將電壓恢復原狀，以避免液晶分子的特性遭到破壞。但是當畫面一直維持不變時，亦即畫面一直顯示同一種灰階時，又不能將電壓維持相同，因此可將液晶顯示器內的像素分成兩種極性：一是正極性(P)，另一是負極性(N)。當源驅動電壓高於共通電壓信號時，稱之為正極性；反之，當源驅動電壓低於共通電壓信號時，稱之為負極性。不論是正極性或是負極性，都可以產生相同亮度的灰階。亦即，當源驅動電壓與共通電壓信號的電壓差絕對值是相同時，無論是源驅動電壓高，或是共通電壓信號高，所表現出來的灰階是一樣的。不過這兩種情況下，液晶分子的轉向卻是相反的，也就可以避免上述當液晶分子轉向一直固定在同一個方向所造成的特性破壞。也就是說，當顯示畫面一直不動時，仍然可以藉由正負極性不停的交替，以達到顯示畫面不動，同時液晶分子特性仍不會被破壞。所以即使液晶顯示器畫面靜止不動，其實裡面的電壓仍不停更換，而其中的液晶分子也會不斷轉向。
液晶面板可以有五種不同極性的變換方式：幀反轉(frame inversion)、列反轉(row inversion)、行反轉(column inversion)、點反轉(dot inversion)與三角反轉(delta inversion)，其可在下一次更換畫面資料時改變極性。舉例而言，以60赫茲(Hz)的更新頻率來說，亦即每16毫秒(ms)更改一次畫面的極性。也就是說，對於同一點而言，它的極性不停地變換。而相鄰的點是否擁有相同的極性，則是依照不同的極性轉換方式來決定。首先是幀反轉，其整個畫面所有相鄰的點，都具有相同的極性；而行反轉與列反轉則是分別在相鄰的行與列上具有相反的極性；另外點反轉則是每個點與自己相鄰的上下左右四個點，是不一樣的極性；最後是三角反轉，其以RGB三個點所形成的像素作為一個基本單位，當以像素為單位時，三角反轉就與點反轉很相似，也就是每個像素與自己上下左右相鄰的像素使用不同的極性來顯示。
由於極性變換方式與液晶螢幕的表現有關，因此先介紹液晶螢幕的兩種重要現象。液晶螢幕有串音干擾(crosstalk)的現象，所謂串音干擾就是液晶螢幕上相鄰的點之間要顯示的資料會互相影響，導致顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然串音干擾的現象成因有很多，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減低此一現象的發生。因此，面板極性變換方式使用點反轉是有其優勢。另外液晶螢幕還有閃爍(flicker)現象，亦即看液晶顯示螢幕的畫面時，畫面會有閃爍的感覺。這種現象並不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果，而是因為顯示的畫面像素在每次更新畫面時，會有些微的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。使用點反轉極性變換方式亦可降低此閃爍現象。
然而，應注意到，並非所有的面板極性轉換方式都可以任意地搭配上述兩種共通電壓信號，亦即交流共通電壓信號與直流共通電壓信號。當使用直流共通電壓信號時，可使用所有的面板極性轉換方式。但若使用交流共通電壓信號，則面板極性轉換方式就只能選用幀反轉或列反轉。也就是說，如果想使用行反轉或是點反轉，應搭配直流共通電壓信號。
第八圖顯示根據本發明另一實施例之電容式觸控感測裝置80，包括保護層820、觸控面板850與共通電壓信號層880。觸控面板850包括感測層851。第八圖與第六圖類似，其差異在於第六圖之觸控面板650具有兩層感測層651、652，而第八圖之觸控面板850僅具有一層感測層851，另外第六圖之觸控面板650具有感測保護層657，而第八圖係直接將觸控面板850黏合於共通電壓信號層880。其餘運作方式類似前述，於此不再贅述。
第九圖為根據本發明實施例之電容式觸控感測方法流程圖。步驟920為施加一直流共通電壓信號於可攜式裝置之小尺寸螢幕之共通電壓信號層，由於直流共通電壓為一固定直流電壓位準，因此不會產生電壓振盪而影響感測層之信號品質，可以提供良好的遮蔽作用降低信號干擾；步驟940為產生對稱於共通電壓信號層的驅動信號驅動驅動器(driver)，較佳地，驅動信號可由N井區與P井區之電壓差皆為5V之複數個深N井產生；步驟960為感測一碰觸以輸出一位置信號。
第十圖是根據本發明實施例所繪示之觸控式螢幕100，包括顯示控制器1030、觸控面板1050、感測電路1055、液晶顯示面板1070。觸控面板1050包括第一感測層1051以及第二感測層1052。觸控面板1050製作於液晶顯示面板1070上，而顯示控制器1030接收影像信號，並轉換成為面板控制信號至液晶顯示面板1070，使得液晶顯示面板1070可根據面板控制信號來呈現影像。當使用者碰觸到觸控面板1050時，觸控面板1050可產生感測信號至感測電路1055，而感測電路1055即可根據感測信號而輸出一位置信號，而位置信號代表使用者於觸控面板1050上的碰觸點位置。第一感測層1051與第二感測層1052包括複數個感測元件，而每個感測元件皆可視為一個電容器。
本發明所揭露之觸控面板1050可以移除習知技術必需使用的遮蔽層。本發明利用顯示控制器1030施加一直流共通電壓之面板控制信號給液晶顯示面板1070，可以提供良好之遮蔽作用，避免面板控制信號耦合至感測信號。因此，本發明的優點係提出一種觸控式螢幕的電容式觸控感測裝置及其方法，使得觸控式螢幕中的電容式觸控面板不需具有遮蔽層，亦可正確地感測位置信號，並兼具有降低製造成本與增加螢幕透光率的優點。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
本案圖式中所包含之各元件列示如下：
112．．．顯示區
114．．．非顯示區
120．．．閘驅動器
125．．．源驅動器
130．．．顯示控制器
150、450．．．觸控面板
151、451．．．第一感測層
152、452．．．第二感測層
153、453．．．遮蔽層
155．．．感測電路
170．．．液晶顯示面板
40．．．電容式觸控感測裝置
420．．．保護層
457．．．感測保護層
480．．．共通電壓信號層
60、80．．．電容式觸控感測裝置
620、820．．．保護層
650、850、1050．．．觸控面板
651、1051．．．第一感測層
652、1052．．．第二感測層
657．．．感測保護層
680、880．．．共通電壓信號層
851．．．感測層
100．．．觸控式螢幕
1030．．．顯示控制器
1055．．．感測電路
1070．．．液晶顯示面板
本案得藉由下列圖式及說明，俾得更深入之了解：
第一圖所繪示為習知觸控式螢幕。
第二圖A所繪示為液晶顯示面板示意圖。
第二圖B所繪示為垂直同步信號、水平同步信號、共通電壓信號與閘驅動信號示意圖。
第三圖所繪示為習知電容式觸控面板示意圖。
第四圖所繪示為習知電容式觸控感測裝置示意圖。
第五圖顯示習知源驅動信號與共通電壓信號關係圖。
第六圖所繪示為本發明的電容式觸控感測裝置之一實施例。
第七圖顯示根據本發明之一實施例所繪示之源擺幅與共通電壓信號關係圖。
第八圖所繪示為本發明的電容式觸控感測裝置之另一實施例。
第九圖繪示根據本發明具體實施例的電容式觸控感測方法流程圖。
第十圖所繪示為根據本發明具體實施例的觸控式螢幕。
80．．．電容式觸控感測裝置
820．．．保護層
850．．．觸控面板
851．．．感測層
880．．．共通電壓信號層

Claims (20)

  1. 一種電容式觸控感測裝置，運用於一觸控式螢幕，該裝置包括：一保護層；一感測層，配置於該保護層之下方，用以感測一碰觸以產生一位置信號；以及一直流共通電壓信號層，電連接於一直流電壓以遮蔽信號干擾；其中，該觸控式螢幕更包括一液晶顯示面板連接至一顯示控制器，該液晶顯示面板配置於該直流共通電壓信號層之下，該顯示控制器產生一源驅動信號，且該源驅動信號之一源擺幅係對稱於該直流電壓。
  2. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，其中該感測層包括複數個電容，配置於該保護層之下方，用以感測該碰觸以產生該位置信號。
  3. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，其中該感測層包括一氧化銦錫防護層，配置於該保護層之下方，用以感測該碰觸以產生該位置信號。
  4. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，其中該液晶顯示面板係以點反轉方式顯示一影像資料。
  5. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，其中該保護層的材質係為一玻璃材質。
  6. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，更包括該顯示控制器，耦接於該直流共通電壓信號層。
  7. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，更包括一另一感測層，配置於該感測層之下，用以與該感測層協同合作以感測該碰觸以產生該位置信號。
  8. 如申請專利範圍1所述的觸控感測裝置，更包括一感測保護層，配置於該直流共通電壓信號層之上，用以保護該感測層。
  9. 如申請專利範圍8所述的觸控感測裝置，其中該感測保護層的材質係為一玻璃材質。
  10. 一種電容式觸控感測方法，包括：施加一直流共通電壓信號於一可攜式裝置之一小尺寸螢幕之一共通電壓信號層；產生對稱於該共通電壓信號層的一驅動信號驅動一驅動器；以及感測一碰觸以輸出一位置信號。
  11. 如申請專利範圍10所述的觸控感測方法，其中該直流共通電壓信號係一直流信號。
  12. 如申請專利範圍10所述的觸控感測方法，更包括提供一感測層用以協同合作以感測該碰觸。
  13. 如申請專利範圍10所述的觸控感測方法，更包括提供一保護層以保護該小尺寸螢幕。
  14. 如申請專利範圍10所述的觸控感測方法，其中該小尺寸螢幕以點反轉方式進行顯示。
  15. 如申請專利範圍10所述的觸控感測方法，更包括以複數個深N井產生該驅動信號。
  16. 一種觸控式螢幕，包括： 一液晶顯示面板；一觸控面板，用以因應一碰觸而產生一感測信號；一顯示控制器，連接至該液晶顯示面板，用以處理一影像信號以產生一面板控制信號，該面板控制信號包括一固定共通電壓；一共通電壓信號層，接收該固定共通電壓，以及一感測電路，耦接於該觸控面板，用以接收該感測信號以產生一位置信號；其中，該液晶顯示面板配置於該共通電壓信號層之下，該顯示控制器產生一源驅動信號，且該源驅動信號之一源擺幅係對稱於該固定共通電壓。
  17. 如申請專利範圍16所述的觸控式螢幕，其中該觸控面板係由一第一感測層及一第二感測層所組成。
  18. 如申請專利範圍16所述的觸控式螢幕，其中該觸控面板係由一第一感測層、一第二感測層及一感測保護層所組成。
  19. 如申請專利範圍16所述的觸控式螢幕，其中該觸控面板係由一感測層所組成。
  20. 如申請專利範圍16所述的觸控式螢幕，其中該觸控面板係由一感測層及一感測保護層所組成。
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