TWI610216B - 觸控感測系統及其驅動方法 - Google Patents

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Abstract

一種觸控感測系統，包括：一筆，包含嵌入在其中的一共振電路；複數個XY電極，包含複數個X電極和複數個垂直於該等X電極的Y電極；一天線，圍繞該等XY電極；以及一第一觸控驅動電路，其通過電性耦合將一共振感應信號傳遞至該筆並且通過該天線接收來自該筆的一共振信號。

Description

觸控感測系統及其驅動方法
本發明的實施例係關於一種觸控感測系統和用於驅動能夠感測筆和手指的觸控感測系統的方法。
配置使用者界面(UI)，使得使用者能夠與各種電子裝置交流，且因此能夠容易和舒適地控制電子裝置。使用者界面的實例包括小鍵盤、鍵盤、鼠標、螢幕視控顯示、以及具有紅外通信功能或射頻通信功能的遠程控制器。使用者界面技術已經持續擴展來增加使用者的靈敏度和便利操作。使用者界面近來已經發展成包括觸控使用者界面、聲音識別使用者界面、3D使用者界面等。
觸控使用者界面已經不可缺少地應用在便携式信息設備中，且已經擴展到家電的使用中。觸控使用者界面感測觸控觸控螢幕的手指或筆的位置且產生位置信息。
觸控螢幕劃分為感測導體的觸控螢幕，例如手指，以及感測筆的觸控螢幕。後者筆觸控螢幕的例子揭示在美國專利第7903085號(2011年3月8日)(以下，稱為“習知筆觸控感測裝置”)。習知筆觸控感測裝置包括含有嵌入共振電路的專用筆、從專用筆接收共振信號的迴路天線、以及從迴路天線的信號中提取專用筆的位置信息和筆壓信息的類比信號處理單元。
如第1圖所示，在習知筆觸控感測裝置中，用於引起筆PEN共振的方波信號通過穿過天線ANT的電磁共振路徑傳播，且被傳遞至筆PEN。從筆PEN的共振電路所產生的共振信號通過即是電磁場的電磁共振路徑來傳播，且通過天線ANT來接收。筆PEN的共振電路由通過電磁場所接收的方波信號來共振，且將共振信號傳遞至電磁場中的迴路天線。因 此，在習知筆觸控感測裝置中，筆PEN和天線ANT傳遞和接收電磁場中的共振信號。
然而習知筆觸控感測裝置具有下列缺點。
習知筆觸控感測裝置需要複數個迴路天線和用於順序地驅動迴路天線的切換電路，以便檢測XY座標系統中筆的觸控位置。迴路天線必須被實現成矩陣形式的重疊形狀，以便識別XY座標系統中的觸控點。進一步，因為分開的天線層必須被增加到顯示面板以便在顯示面板中實現迴路天線，顯示面板的厚度增加。因為必須增加用於將複數個迴路天線和類比信號處理單元連接至顯示面板的結構，電路連接裝置變得大且複雜。因此，當複數個迴路天線整合到顯示面板中時，提供輕薄和簡單的顯示裝置是困難的。
因為習知筆觸控感測裝置利用類比比較器比較筆的接收信號，只有筆存在或不存在可被識別，且準確表示筆的觸控位置的座標是困難的。因為應用在習知筆觸控感測裝置中的脈衝產生器限制共振信號的頻率，因此很難改變共振頻率。因為應用在習知筆觸控感測裝置中的類比信號處理單元基於周圍環境例如溫度和濕度顯示不同操作結果，其可靠性是低的。
一方面，一種觸控感測系統包括：一筆，包含嵌入在其中的一共振電路；複數個XY電極，包含複數個X電極和複數個垂直於該等X電極的Y電極；一天線，被配置以圍繞該等XY電極；以及一第一觸控驅動電路，被配置以通過電性耦合將一共振感應信號傳遞至該筆並且通過該天線接收來自該筆的一共振信號。
另一方面，一種用於驅動觸控感測系統的方法，該觸控感測系統包括：一筆，包含嵌入在其中的一共振電路；複數個XY電極，包含複數個X電極和複數個垂直於該等X電極的Y電極；以及一天線，圍繞該等XY電極，其中該方法包括：產生該筆的一共振感應信號；通過電性耦合將該筆的該共振感應信號傳遞至該筆；通過該天線接收來自該筆的一共振信 號；以及分析該天線的一接收信號以估測該筆的位置和筆壓。
2‧‧‧儲存器
12‧‧‧資料驅動電路
14‧‧‧掃描驅動電路
20‧‧‧時序控制器
30‧‧‧第一觸控驅動電路
32‧‧‧第二觸控驅動電路
40‧‧‧主機系統
100‧‧‧類比信號處理單元
110‧‧‧放大器
112‧‧‧帶通濾波器
114‧‧‧類比數位轉換器
200‧‧‧數位信號處理單元
202‧‧‧第一倍增器
204‧‧‧第二倍增器
206‧‧‧第一振盪器
208‧‧‧第二振盪器
210‧‧‧第一低通濾波器
212‧‧‧第二低通濾波器
214‧‧‧第一積分器
216‧‧‧第二積分器
218‧‧‧位置信息產生器
220‧‧‧筆壓信息產生器
230‧‧‧Tx驅動器
250‧‧‧數位解調器
300‧‧‧微處理器單元
310‧‧‧介面電路
320‧‧‧儲存器
ADC‧‧‧類比數位轉換器
ANT‧‧‧天線
C‧‧‧電容
Ch‧‧‧寄生電容
Csx‧‧‧電容
Cts‧‧‧觸控傳感器
D1~Dm‧‧‧資料線
DE‧‧‧資料致能信號
DIS‧‧‧顯示面板
FC‧‧‧鐵芯
G1~Gn‧‧‧閘極線
GC‧‧‧引導芯
GLS1‧‧‧上基板
GLS2‧‧‧下基板
GOE‧‧‧閘極輸出致能信號
GSC‧‧‧閘極轉變時脈
GSP‧‧‧閘極起始脈衝
Hsync‧‧‧水平同步信號
L‧‧‧感應器
L11‧‧‧線圈
L12‧‧‧線圈
MCLK‧‧‧主要時脈
NCO‧‧‧數位控制振盪器
PEN‧‧‧筆
PIX‧‧‧像素電極
POL‧‧‧極性控制信號
POL1‧‧‧上極性板
POL2‧‧‧下極性板
PL‧‧‧位置信息
PP‧‧‧筆壓信息
RGB‧‧‧數位視頻資料
RMS‧‧‧均方根
RX‧‧‧X電極
TX‧‧‧Y電極
SSC‧‧‧源取樣時脈
SOE‧‧‧源輸出致能信號
SPR‧‧‧彈簧
Tdis‧‧‧顯示週期
Tfinger‧‧‧第二觸控檢測週期
Tpen‧‧‧第一觸控檢測週期
TSP‧‧‧觸控螢幕
Vcom‧‧‧公用電壓
Vsync‧‧‧垂直同步信號
X‧‧‧電極組
X1~Xi‧‧‧電極
XY‧‧‧電極
Y‧‧‧電極組
Y1~Yj‧‧‧電極
包含的附圖用以提供對本發明進一步的理解，且被併入且構成說明書的一部分，說明本發明的實施例且與說明書一起用來解釋本發明的主旨。在附圖中：第1圖是顯示習知筆觸控感測裝置中共振信號的傳遞和接收；第2圖是顯示根據本發明示例性實施例在觸控感測系統中電場的傳輸和共振信號的接收；第3圖是根據本發明示例性實施例之觸控感測系統的方框圖；第4圖至第6圖是說明根據本發明示例性實施例之觸控螢幕和顯示面板的各種組合；第7圖是顯示根據本發明示例性實施例在觸控螢幕中XY電極和天線的平面圖；第8圖是顯示根據本發明示例性實施例之一個時框的週期；第9圖是顯示筆的觸控感測操作的波形圖；第10圖是顯示手指的觸控感測操作的波形圖；第11圖是詳細顯示根據本發明示例性實施例之第一觸控驅動電路的電路圖；第12圖是顯示嵌入在筆中的感應器；第13圖是顯示第一觸控驅動電路運行的波形圖；第14圖是顯示第一觸控驅動電路整合到單片積體電路(IC)的例子；第15圖是說明產生在習知用於傳遞和接收共振信號的方法中之筆尖位置信息的錯誤；第16圖是說明能夠預防筆尖位置信息的錯誤的本發明示例性實施例的效果；第17圖和第18圖是說明筆的估測觸控輸入座標的原理；以及第19圖和第20圖是說明筆的估測筆壓的原理。
詳細參考本發明實施例，在附圖中說明其示例。盡可能，相同的參考數字貫穿附圖用於指代相同或相似部件。應注意如果確定技術可能誤導本發明的實施例，公知技術的詳細說明將被省略。
如第2圖所示，根據本發明一示例性實施例的觸控感測系統包括複數個XY電極X/Y、一天線ANT、以及一筆PEN。
該等XY電極X/Y分成一X電極組和一Y電極組。該X電極組包括複數個X電極。該Y電極組包括複數個垂直於X電極的Y電極，且一電介質介於其間。該等XY電極X/Y本質上具有與習知電容式觸控螢幕中的電極相同的結構。因此，本發明的實施例可將該等XY電極X/Y實現為用於習知手指觸控感應操作的觸控螢幕中的電極。
該等XY電極X/Y重疊顯示面板的像素陣列，其中輸入影像顯示於顯示面板上。因此，XY電極X/Y可由具有高透光率的材料例如銦錫氧化物(ITO)而形成。XY電極X/Y通過電容Csx與筆PEN電容性耦合。
電容Csx是形成在XY電極X/Y與筆PEN之間的電容。電耦合通過電容Csx在XY電極X/Y與筆PEN之間產生。XY電極X/Y通過電容Csx將電場的共振感應信號傳遞至筆PEN。
筆PEN包括共振電路。筆PEN的該共振電路共振以響應透過寄生電容Csx接收的共振感應信號，且產生共振信號。筆PEN的共振信號被傳遞至電磁場中的天線ANT。
天線ANT接收來自筆PEN的共振信號。天線ANT可實現為圍繞XY電極X/Y的單迴路天線。根據本發明實施例的觸控感測系統基於電容Csx中的變化，透過XY電極X/Y感測手指的觸控輸入，且利用XY電極X/Y與天線ANT感測筆PEN的觸控輸入。
根據本發明實施例的觸控感測系統可以耦接至各種類型的顯示裝置。例如，顯示裝置可以基於平板顯示器例如液晶顯示器(LCD)、場發射顯示器(FED)、電漿顯示面板(PDP)、有機發光顯示器、以及電泳顯示器(EPD)來實現。在以下敘述中，本發明實施例說明利用液晶顯示器作為平板顯示器的一個例子。可以使用其他平板顯示器。
如第3圖至第6圖所示，根據本發明實施例的顯示裝置包括一顯示面板DIS、一顯示驅動電路、一觸控螢幕TSP、一觸控螢幕驅動電路等。
顯示面板DIS包括形成在上基板GLS1和下基板GLS2之間的液晶層。顯示面板DIS的像素陣列包括形成在由資料線D1至Dm和閘極線(或掃描線)G1至Gn所界定的像素區域中的像素，其中m和n是正整數。每一個像素包括形成在資料線D1至Dm和閘極線G1至Gn的交叉處的薄膜電晶體(TFTS)、充電至資料電壓的像素電極、連接至該像素電極且保持液晶層電壓的儲存電容。
黑色矩陣、彩色濾波器等形成在顯示面板DIS的上基板GLS1上。顯示面板DIS的下基板GLS2可配置在COT(TFT上的彩色濾波器)結構中。在此情況下，該黑色矩陣和該彩色濾波器可形成在顯示面板DIS的下基板GLS2上。公用電極可形成在顯示面板DIS的下基板GLS2上或上基板GLS1上，其中公用電壓Vcom施加至公用電極。偏光板分別貼附至顯示面板DIS的上基板GLS1和下基板GLS2。用於設置液晶預傾斜角的配向層分別形成在接觸顯示面板DIS的上基板GLS1和下基板GLS2中的液晶的內表面上。一柱狀間隔形成在顯示面板DIS的上基板GLS1與下基板GLS2之間，以保持液晶元件的元件間隙恒定。
一背光單元可設置在顯示面板DIS的背面的下面。該背光單元，例如，可實現為一邊緣型背光單元和一直下式背光單元的其中之一，且將光照射至顯示面板DIS上。顯示面板DIS可在包括扭曲向列(TN)模式、垂直配向(VA)模式、平面內切換(IPS)模式、邊緣電場切換(FFS)模式等任何已知模式中實現。
該顯示驅動電路包括一資料驅動電路12、一掃描驅動電路14，以及一時序控制器20。該顯示驅動電路將輸入影像的影像資料電壓施加至顯示面板DIS的像素。資料驅動電路12將從時序控制器20接收的輸入影像的數位視頻資料RGB轉化成正負類比伽瑪補償電壓，且輸出該資料電壓。然後該資料驅動電路將該資料電壓供給至資料線D1至Dm。掃描驅動電路14將與該資料電壓同步的閘極脈衝(或掃描脈衝)順序地供給至閘極線G1至Gn，且選擇顯示面板DIS的線路，其中該資料電壓被施加至該線路上。
時序控制器20從主機系統40接收如垂直同步信號Vsync、水平同步信號Hsync、資料致能信號DE、以及主要時脈MCLK的時序信號。序控制器20產生利用時序信號用於分別控制資料驅動電路12與掃描驅動電路14的操作時序的一資料時序控制信號和一掃描時序控制信號。該資料時序控制信號包括一源取樣時脈SSC、一源輸出致能信號SOE、一極性控制信號POL等。該掃描時序控制信號包括一閘極起始脈衝GSP、一閘極轉變時脈GSC、一閘極輸出致能信號GOE等。
時序控制器20將輸入影像的時框率乘以“N”以得到頻率(時框率×N)Hz，N是等於或大於2的正整數。因此，時序控制器20可基於頻率Hz(時框率×N)控制每一個顯示驅動電路和觸控螢幕驅動電路的運行頻率。該輸入影像的時框率在國家電視標準委員會架構中是60HZ(一時框週期=16.67毫秒)，而在三相交流線路架構中是50HZ(一時框週期=20毫秒)。
觸控螢幕TSP包括第2圖和第7圖中顯示的XY電極X1至Xi和Y1至Yj與天線ANT。觸控傳感器Cts形成在XY電極X1至Xi和Y1至Yj交叉處，且觸控傳感器Cts的電荷量基於導體例如手指的存在或不存在而變化。XY電極X1至Xi和Y1至Yj可實現為用於檢測手指的觸控輸入之習知電容觸控螢幕中的電極。因此，根據本發明實施例之觸控螢幕TSP可透過在習知電容觸控螢幕的邊緣附加安裝天線ANT來簡單地實現。
如第4圖所示，觸控螢幕TSP的XY電極X1至Xi和Y1至Yj與天線ANT可貼附至顯示面板DIS的上極性板POL1上。或者，如第5圖所示，觸控螢幕TSP的XY電極X1至Xi和Y1至Yj與天線ANT可形成在顯示面板DIS的上極性板POL1與上基板GLS1之間。或者，如第6圖所示，觸控螢幕TSP的XY電極X1至Xi和Y1至Yj與天線ANT可沿顯示面板DIS的像素陣列以內嵌樣式嵌入顯示面板DIS的下基板GLS2中。在第4圖至第6圖中，‘PIX’表示液晶元件的像素電極，且‘POL2’表示顯示面板DIS的下極性板。觸控螢幕TSP的XY電極X1至Xi和Y1至Yj與天線ANT可形成在相同的平面或不同的平面上。
該觸控螢幕驅動電路包括一第一觸控驅動電路30和一第二觸控驅動電路32。
第一觸控驅動電路30順序地供給共振感應信號至XY電極X1 至Xi和Y1至Yj，且透過天線ANT接收來自筆PEN的共振信號。第一觸控驅動電路30將透過天線ANT接收的筆PEN的共振信號轉化成數位資料，且探測共振信號的振幅和相位。第一觸控驅動電路30將所探測之共振信號的振幅與一預定參考值比較，且決定筆PEN的觸控位置信息XY。進一步，第一觸控驅動電路30計算該所探測之共振信號的相位，且決定筆PEN的筆壓。透過第一觸控驅動電路30所產生的筆PEN的觸控位置信息XY和筆壓信息傳遞至主機系統40。
第二觸控驅動電路32基於觸控傳感器Cts的觸控操作之前和之後電容中的變化感測手指的觸控位置。該電容可劃分為一自電容和一互電容。第二觸控驅動電路32將一激勵信號順序地供應至X電極或XY電極X1至Xi和Y1至Yj，探測與激勵信號同步的觸控傳感器Cts的觸控操作之前和之後電容中的變化，且將電容中的變化轉化為數位資料。第二觸控驅動電路32將數位資料與一預定參考值比較，且決定手指的觸控位置信息XY。由第二觸控驅動電路32所產生的手指的觸控位置信息XY被傳遞至主機系統40。激勵信號可產生為例如脈衝和三角波之不同形狀的AC信號。第二觸控驅動電路32可實現為用於手指觸控輸入之習知電容性觸控螢幕中的觸控驅動電路。
主機系統40可實現，例如，作為電視系統、機頂盒、導航系統、DVD播放器、藍光播放機、個人電腦(PC)、家庭影院系統、以及電話系統且接收輸入影像。主機系統40從第一觸控驅動電路30接收筆PEN的觸控位置信息XY和筆壓信息，且從第二觸控驅動電路32接收手指的觸控位置信息XY。
主機系統40包括嵌入定標器的單晶片系統(SoC)，且將輸入影像的數位視頻資料RGB轉化為適合用於在顯示面板DIS上顯示的資料格式。主機系統40將輸入影像的數位視頻資料RGB與垂直同步信號Vsync、水平同步信號Hsync、資料致能信號DE、以及主要時脈MCLK的時序信號傳遞至時序控制器20。進一步，主機系統40運行與筆PEN的觸控位置信息XY和筆壓信息和從第一觸控驅動電路30及第二觸控驅動電路32接收之手指的觸控位置信息XY相關聯的應用。
第7圖是根據本發明實施例之顯示觸控螢幕的XY電極和天線 的平面圖。
如第7圖所示，XY電極包括沿平行於x軸設置的X電極X1至X6，和沿平行於y軸設置且垂直於X電極X1至X6的Y電極Y1至Y6。天線ANT可形成為圍繞XY電極X1至X6和Y1至Y6的單一天線。該單一天線可形成在像素陣列之外的邊框區域中，影像顯示在邊框區域中，使得像素的孔徑率未減少。
第8圖根據本發明實施例顯示一時框週期。
如第6圖所示當觸控螢幕TSP嵌入顯示面板DIS的像素陣列中，電性耦合在像素陣列和觸控螢幕TSP之間產生且不利地影響像素陣列和觸控螢幕TSP。因此，如第8圖(A)所示，當觸控螢幕TSP嵌入顯示面板DIS的像素陣列中，一時框週期可被時分割成顯示週期Tdis、第一觸控檢測週期Tpen、以及第二觸控檢測週期Tfinger。
當觸控螢幕TSP嵌入顯示面板DIS的像素陣列中，觸控螢幕TSP的XY電極可作為將公用電壓Vcom供給至像素的公用電極。在此情況，該公用電壓Vcom在顯示週期Tdis期間被供給至XY電極，且激勵信號或共振感應信號在第一觸控檢測週期Tpen和第二觸控檢測週期Tfinger期間被供給至XY電極。
當觸控螢幕TSP嵌入有機發光顯示器的顯示面板DIS的像素陣列中作為顯示裝置時，包括高電位電源電壓VDD、低電位電源電壓VSS、基準電壓等的像素電源電壓在顯示週期Tdis期間可被供給至觸控螢幕TSP的XY電極。
在顯示週期Tdis期間，該顯示驅動電路被驅動，且將輸入影像的數位影像資料供給至顯示面板DIS的像素。在第一觸控檢測週期Tpen中，第一觸控驅動電路30被驅動，且感測觸控螢幕TSP上的筆的觸控位置和筆壓。在第二觸控檢測週期Tfinger期間，第二觸控驅動電路32被驅動，且檢測導體例如觸控螢幕TSP上手指的觸控位置。
如第4圖和第5圖所示，當觸控螢幕TSP形成在與顯示面板DIS的像素陣列分離的上基板GLS1上時，在像素陣列與觸控螢幕TSP之間幾乎沒有電性耦合。因此，如第8圖(B)所示，當觸控螢幕TSP與顯示面板DIS的像素陣列分離時，一時框週期可被分配作為顯示週期Tdis。進一步， 一時框週期可分割為第一觸控檢測週期Tpen和第二觸控檢測週期Tfinger。在此情況下，顯示週期Tdis可重疊第一觸控檢測週期Tpen和第二觸控檢測週期Tfinger。
第9圖是顯示筆的觸控檢測操作的波形圖。
如第9圖所示，第一觸控驅動電路30在第一觸控檢測週期Tpen中運行，且將共振感應信號順序地供給至XY電極Y1至Yj和X1至Xi，藉此感應筆PEN的共振。嵌入在筆PEN的共振電路共振以通過電容Csx響應輸入的共振感應信號作為電場，且產生共振信號。天線ANT在電磁場中接收來自筆PEN的共振信號。第一觸控檢測電路30將通過天線ANT所接收的類比共振信號轉化為數位資料，且計算在數位資料中共振信號的振幅和相位，藉此檢測筆PEN的位置和筆壓。
第10圖是顯示手指的觸控檢測操作的波形圖。
如第10圖所示，第二觸控驅動電路32在第二觸控檢測週期Tfinger中運行。在互電容中，第二觸控驅動電路32將激勵信號順序地供給至Y電極Y1至Yj，且通過X電極X1至Xj接收與激勵信號同步的觸控傳感器Cts的電荷。當手指觸控觸控傳感器Cts，第二觸控驅動電路32基於觸控操作之前和之後觸控傳感器Cts電荷的變化量檢測觸控輸入。因此，在第二觸控檢測週期Tfinger期間，屬於Y電極組的Y電極Y1至Yj運行作為將激勵信號供給至觸控傳感器Cts的Tx頻道電極，且屬於X電極組的X電極X1至Xj運行作為接收觸控傳感器Cts的電荷的Rx頻道電極。
在自電容中，第二觸控驅動電路32將激勵信號順序地供給至X電極X1至Xj和Y電極Y1至Yj。在自電容中，第二觸控驅動電路32基於觸控運行之前和之後激勵信號的下降沿時間和上升沿時間中的變化通過X電極X1至Xj和Y電極Y1至Yj檢測觸控輸入。因此，在第二觸控檢測週期Tfinger期間，X電極X1至Xj和Y電極Y1至Yj分別運行作為Tx頻道電極和Rx頻道電極。
第11圖是詳細顯示第一觸控驅動電路30的電路圖。第12圖顯示嵌入筆的感應器。第13圖是顯示第一觸控驅動電路30的運行波形圖。
如第11圖至第13圖所示，第一觸控驅動電路30包括一類比信號處理單元100以及一數位信號處理單元200。
筆PEN包括一LC平行共振電路，其中感應器L與電容C平行連接。在第11圖中，連接至筆PEN的‘Ch’表示當人握住筆PEN時產生的寄生電容。當通過電容Csx施加至筆PEN的共振感應信號的頻率等於LC平行共振電路的共振頻率時，筆PEN產生共振信號。因此，筆PEN不需要連接至LC平行共振電路的單獨電源。施加至筆PEN的共振感應信號在數位信號處理單元200中產生。共振感應信號以包括方波信號、正弦波信號等多種類型在數位信號處理單元200中產生。筆PEN的共振信號通過天線ANT被接收。
筆PEN的LC平行共振電路中的感應係數基於筆壓而變化。為此，感應器L被實現為如第12圖所示。纏繞鐵芯FC的線圈L11和纏繞引導芯GC的線圈L12彼此串聯連接。彈簧SPR安裝在鐵芯FC和引導芯GC之間。根據公式“L=μSN2/I”，電感與線圈的磁導率μ、橫截面區S以及N的平方次成正比，且與線圈的長度(I)成反比。因此，當筆PEN壓在觸控螢幕TSP上且筆PEN的筆壓產生時，鐵芯FC和引導芯GC之間的距離隨著彈簧SPR被壓縮而減少。換言之，當筆壓產生時，磁導率μ增加而線圈的長度(I)減少。因此，電感L增加。當LC平行共振電路中的電感L增加時，共振頻率減少。本發明的實施例可利用當筆壓產生時變化的共振頻率決定筆壓。
在第11圖和第13圖中，(A)顯示通過電容Csx施加至筆PEN電場的方波的共振感應信號的例子。(A')是當天線ANT接收筆PEN的共振信號時，響應方波的共振感應信號(A)在天線ANT中測量的類比信號。筆PEN的共振信號可表示為V=V 0．e-t/τ．cos(ωt+φ)。共振頻率ω可基於筆PEN的筆壓而變化。
類比信號處理單元100放大通過天線ANT所接收的類比共振信號，且從筆PEN提取共振信號的頻帶，藉此輸出數位共振信號。為此，該類比信號處理單元100包括一放大器110、一帶通濾波器(BPF)112、以及一類比數位轉換器(ADC)114。
放大器110通過其增益放大天線信號，且將天線信號傳輸至BPF112。在第11圖至第13圖中，(B)是由放大器110放大的天線信號。BPF112切斷除了LC平行共振電路的共振頻率的頻帶，且從天線信號移除 雜訊，藉此提取共振信號。ADC114量化由BPF112輸入的共振信號，且輸出數位共振信號。在第11圖和第13圖中，(C)是從ADC114輸出的數位共振信號且可表示為S(t)．sin(wt+φ)，其中S(t)是共振信號的振幅，ω是共振頻率，且φ是相位。
當由類比信號處理單元100輸入的數位信號中的共振信號由複數個表示時，數位信號處理單元200從複數個中提取一實部和一虛部，且基於實部和虛部計算共振信號的振幅。數位信號處理單元200將共振信號的振幅與一預定參考值比較，且決定在觸控螢幕TSP上是否感測筆PEN。此時，數位信號處理單元200基於XY電極的位置計算筆PEN的座標，其中共振信號被施加至XY電極。與此同時，數位信號處理單元200從數位共振信號提取共振信號的實部和虛部，基於該實部和虛部計算共振信號的相位，且基於共振信號的相位決定筆PEN的筆壓。為此，數位信號處理單元200包括一Tx驅動器230、一數位解調器250、一位置信息產生器218、以及一筆壓信息產生器220。
如第9圖所示，Tx驅動器230將頻率等於筆PEN的共振頻率的方形波信號順序地供給至XY電極X1至Xi和Y1至Yj作為共振感應信號。當基於位置信息產生器218的輸出(I)決定筆PEN定位在觸控螢幕TSP上，筆PEN的座標信息可基於XY電極X1至Xi和Y1至Yj的座標信息而計算，其中共振感應信號被施加至XY電極X1至Xi和Y1至Yj。
數位解調器250從數位共振信號提取共振信號的實部和虛部，且加上從每個實部和虛部移除高頻雜訊n次的結果，n是等於或大於2的一正整數。數位解調器250將加法結果提供至位置信息產生器218和筆壓信息產生器220。為此，數位解調器250包括第一振盪器206和第二振盪器208、第一倍增器202和第二倍增器204、第一低通濾波器(LPF)210和第二低通濾波器(LPF)212、以及第一積分器214和第二積分器216。
第一振盪器206將頻率和相位與共振信號相同的振盪信號(D)輸入至第一倍增器202，以便提取共振信號的實部。在第11圖和第13圖中，當(C)表示為S(t)．sin(wt+φ)，(D)可表示為sin(wt)。
第一倍增器202從接收的共振信號探測實部的包絡。第一倍增器202將來自第一振盪器206的振盪信號(D)與接收的共振信號(C)相 乘以輸出結果(E)。在第11圖和第13圖中，當(C)表示為S(t)．sin(wt+φ)且(D)表示為sin(wt)，第一倍增器202的輸出(E)可表示為
Figure TWI610216BD00001
。第一LPF 210從第一倍增器202的輸出(E) 中移除高頻雜訊，且將直流分量供給至第一積分器214。在第11圖和第13 圖中，當(E)被表示為
Figure TWI610216BD00002
時，第一LPF210輸出 (F)可表示為
Figure TWI610216BD00003
。
第一積分器214將接收的來自第一LPF 210的實部(同相位，I)的資料累加n次，且將加法結果供給至位置信息產生器218和筆壓信息產生器220。如果第一積分器214將資料(I)累加1024次，在第11圖和第 13圖中(G)可表示為
Figure TWI610216BD00004
。位置信息產生器218計算由第一積分器214 和第二積分器216輸入資料的均方根(RMS)，且輸出計算結果作為筆PEN 的位置信息PL。RMS值由
Figure TWI610216BD00005
計算，Isum是由第一積分器214累 加的共振信號的實部(同相位)，且Qsum是由第二積分器216累加的共振信號的虛部(正交，Q)。在第11圖和第13圖中，(I)是由位置信息產生器218輸出的筆PEN的位置信息PL的資料。當筆PEN的位置信息PL等於或大於預定參考值，確定筆PEN觸控了觸控螢幕TSP。
第二振盪器208將具有與共振信號相同的頻率和延遲共振信號90°的相位的振盪信號輸入至第二倍增器204，以便提取共振信號的虛部。在第11圖和第13圖中，當(C)表示為S(t)．sin(wt+φ)時，第二振盪器208的輸出可表示為cos(wt)。第二倍增器204從接收的共振信號探測虛部的包絡，第二倍增器204將接收的共振信號(C)與來自第二振盪器208的振盪 信號相乘以得到輸出(K)，
Figure TWI610216BD00006
。第二LPF212移除 來自第二倍增器204的輸出(K)的高頻雜訊，且將直流分量供給至第二積 分器216。第二LPF212的輸出可表示為
Figure TWI610216BD00007
。
第二積分器216將從第二LPF212接收的虛部(正交，Q)的資料累加n次，且將加法結果供給至位置信息產生器218和筆壓信息產生器220。如果第二積分器216累加虛部資料(I)1024次，在第11圖和第13 圖中(H)可表示為
Figure TWI610216BD00008
，筆壓信息產生器220基於第一積分器214和第 二積分器216輸入的資料計算反正切值，且輸出計算結果作為筆PEN的筆壓 壓。
第一振盪器206和第二振盪器208可實現為一數位脈衝產生器，例如，能夠改變輸出頻率的數位控制振盪器(NCO)。Tx驅動器230通過與第一振盪器206和第二振盪器208相同的原理產生共振感應信號，且可被實現作為數位控制振盪器(NCO)。因此，根據本發明實施例的觸控感測系統能夠容易改變筆PEN的共振頻率。
第14圖顯示第一觸控驅動電路30整合至單片積體電路(IC)的例子。
如第14圖所示，第一觸控驅動電路30可實現作為包括類比信號處理單元100、數位信號處理單元200、微處理器單元(MPU)300、介面電路310、以及儲存器320的一個芯片IC。
數位信號處理單元200進一步包括一儲存器2。儲存器2暫時儲存先前資料以便在積分器214和216中累加資料，且同樣暫時儲存從位置信息產生器218和筆壓信息產生器220所產生的資料。
微處理器單元300基於從儲存器2接收的筆PEN的位置信息PL與筆壓信息PP計算筆PEN的輸入位置的座標和筆壓，且將它們儲存在儲存器320。微處理器單元300插入筆PEN的輸入位置的座標信息，以便改變觸控螢幕TSP的分辨率為與顯示面板DIS的分辨率一致。微處理器單元300可執行用於移除雜訊和提高觸控識別性能的附加演算法。介面電路310通過標準介面將筆PEN的輸入位置的座標信息XY和筆壓信息傳遞至主機系統40。
本發明的實施例沒有使用XY電極作為天線。當AC電流供給至它們時全部導體每個形成自感應，且可輻射電磁場。然而，因為根據本發明實施例該XY電極當與本領域手指觸控電極相同方式用作天線時，具有非常低的天線效率，所以該XY電極未被用作天線。因為該XY電極由例如具有高阻抗的ITO的材料形成，XY電極的天線效率是低的。
在偶極天線中，能夠被傳遞和接收的信號的頻率可基於偶極天線的長度而變化。當信號的波長，傳播速度，以及頻率分別是λ,c，和f時，給出“λ=c/f”等式。根據以上等式，當天線的接收信號的頻率減少時，接收信號的波長增加。因此，考慮到形成在觸控螢幕TSP內部中的XY電極的 長度和形狀，XY電極不作為筆的共振頻率接收天線。根據本發明實施例在觸控感測系統中，XY電極不作為天線，且通過電場中的電性耦合將共振感應信號傳遞至筆PEN。
如果在電磁場中通過天線之共振信號的傳遞和接收方法用在習知技術中，探測筆的位置的錯誤可能產生。習知技術製造定位在筆的末端的筆尖作為非導體，且安裝纏繞在接近筆尖的鐵芯上的線圈。如第15圖所示，當筆傾斜時，筆的感應器由於筆的結構而影響未觸控筆的天線通道。因此，準確探測筆尖的位置是困難的。另一方面，如第16圖所示，當使用根據本發明實施例之XY電極時，電場的共振感應信號通過存在於XY電極和筆之間的電容Csx被傳遞至筆。因此，本發明的實施例可預防在本領域中產生的筆尖的位置識別中的錯誤。
第17圖和第18圖說明筆的估測觸控輸入座標的原理。在第17圖中，‘TX’表示第7圖和第9圖中顯示的Y電極，且‘RX’表示第7圖和第9圖中顯示的X電極。更具體地，第17圖顯示當共振感應信號順序地供給至全部(32×18)XY電極TX0至TX31和RX0至RX17時，獲得的天線接收信號的部分波形。當筆沒有接近觸控螢幕時，共振信號的大小(即，振幅)以與Y電極TX12的感測週期中的天線信號相同的方式測量作為一小值。另一方面，當筆觸控或接近觸控螢幕時，共振信號的大小以與X電極RX6的感測週期中的天線信號相同的方式測量作為一大值。因此，根據本發明實施例的觸控感測系統通過在XY電極(或TX和RX電極)的每個頻道的天線接收共振信號，計算RMS值，以及計算在XY電極的每個頻道的共振信號的大小。該觸控感測系統將共振信號的大小與一預定閾值比較，且當共振信號的大小大於預定閾值時決定筆定位在觸控螢幕上。第18圖是表示在每個頻道中測量的RMS值的圖示。更具體地，第18圖顯示筆觸控Y電極TX10(或Y10)和X電極RX6(或X6)的交叉的一例子。該觸控感測系統可通過Y電極TX10(或Y10)和X電極RX6(或X6)的交叉的座標準確地計算筆的座標。
第19圖和第20圖說明筆的估測筆壓的原理。在第19圖和第20圖中，反正切值是計算天線的接收信號和振盪器206和208的輸出之間的相位差的結果。在第19圖和第17圖中，x軸是時間，且y軸是接收信號的 波形振幅。當觸控螢幕上筆的壓力是低的，通過取樣和累加(或增加)天線信號與振盪器206和208的輸出之間的相位差而得到的計算結果作為一大值。另一方面，當觸控螢幕上筆的壓力是高的，共振大小增加，且累加天線信號與振盪器206和208的輸出之間的相位差的結果會收斂為零。因此，根據本發明實施例的觸控感測系統基於反正切值計算共振信號的大小，且估測筆壓。振盪器206和208的頻率必須基於天線的共振信號的頻率而設定。振盪器206和208的輸出波形可以是正弦波或方形波。這是因為通過天線接收的結果波形基於筆的性能而變化。例如，當筆的性能是良好的且在天線的接收終端的放大器的性能是良好的，充滿Tx驅動器230的輸出方形波的方形波的天線信號被接收。另一方面，當筆的性能或天線放大器的性能降低時，因為天線信號未充滿，接近正弦波的天線信號被接收。
如上所述，實施例將用於感應筆的共振的AC信號應用至習知手指觸控電極，通過電性耦合將AC信號傳遞至筆，以及通過天線接收共振信號。因此，因為實施例沒有將觸控感測系統的複數個迴路天線形成在顯示面板的基板上，實施例可簡化顯示面板的基板的結構，且可使顯示面板變輕薄。
只有當天線之間的距離固定時，該迴路天線作為天線。另一方面，習知手指觸控電極以導電棒形狀所形成。因此，手指觸控電極的數量可能多於在相同區域中迴路天線的數量。因此，實施例能詳細劃分能夠識別筆的觸控輸入的感測點。
因為實施例處理數位共振信號，該實施例不需要類比比較器。
因為本實施例決定是否有筆且同樣分析筆的振幅和相位，該實施例可表示筆的詳細座標。
該實施例不使用限制運行頻率的習知波形產生器，而使用不限制運行頻率變化的數位脈衝產生器。因此，本實施例在筆的共振頻率變化上有優勢。
因為本實施例最小化了在從筆接收共振信號的電路中的類比電路，本實施例相對於習知技術更少受周圍環境的影響。
因為本實施例將從筆接收共振信號的大部分電路實現作為數位信號處理電路，該觸控驅動電路可實現作為一個芯片IC。
因為本實施例將微處理器嵌入在觸控驅動電路中，本實施例可以改變觸控驅動電路的運行特性，且可容易實現觸控驅動電路的性能改善演算法。
儘管實施例參考其複數個例示性實施例已被說明，應理解的是本領域的技術人員可想到的複數個其他修改和實施例將落於本發明的原理範圍內。尤其，在主體結合配製的組成部分及/或配製中可能的各種變化和修改均在公開、附圖以及附加申請專利範圍的範圍內。除了組成部分及/或配製的變化和修改，替換使用同樣對本領域技術人員顯而易見。
本申請主張2013年9月26日提交的韓國專利申請第10-2013-00114372號的優先權利益，上述韓國專利申請通過參考全部納入到本文中。
ANT‧‧‧天線
Csx‧‧‧電容
PEN‧‧‧筆
X‧‧‧電極組
Y‧‧‧電極組

Claims (15)

  1. 一種觸控感測系統，包括：一筆，包含嵌入在其中的一共振電路；複數個XY電極，包括複數個X電極和複數個垂直於該等X電極的Y電極；一天線，其圍繞該等XY電極；以及一第一觸控驅動電路，被配置以通過電容性耦合將一電場的一共振感應信號傳遞至該筆並且在電磁場中通過該天線接收來自該筆的一共振信號，其中該電場的該共振感應信號通過存在於該等XY電極和該筆之間的電容被傳遞。
  2. 如專利申請範圍第1項所述的觸控感測系統，進一步包括一第二觸控驅動電路，被配置以將一激勵信號供給至該等Y電極並且通過與該激勵信號同步的該等X電極接收複數個電荷。
  3. 如專利申請範圍第1項所述的觸控感測系統，更包括一第二觸控驅動電路，被配置以將一激勵信號供給至該等X電極和該等Y電極並且通過與該激勵信號同步的該等X電極和該等Y電極接收複數個電荷。
  4. 如專利申請範圍第1項所述的觸控感測系統，其中該天線包括圍繞該等XY電極的一單一天線。
  5. 如專利申請範圍第4項所述的觸控感測系統，其中該第一觸控驅動電路包括：一類比信號處理單元，被配置以放大通過該天線所接收的一類比共振信號，提取來自該筆的該共振信號的一頻帶，以及輸出一數位共振信號；一Tx驅動器，被配置以產生該共振感應信號且將該共振感應信號順序地供給至該等XY電極；一數位解調器，被配置以從該數位共振信號提取一實部和一虛部並且輸出累加每一個實部和虛部n次的結果，n是等於或大於2的一正整數；一位置信息產生器，被配置以計算從該數位解調器輸入的資料的均方根(RMS)值；以及 一筆壓信息產生器，被配置以計算從該數位解調器輸入資料的反正切值。
  6. 如專利申請範圍第5項所述的觸控感測系統，其中該類比信號處理單元包括：一放大器，被配置以放大通過該天線所接收的該類比共振信號；一帶通濾波器，被配置以切斷從該放大器的輸出中排除了該筆的共振頻率的頻帶；以及一類比數位轉換器，被配置以將該帶通濾波器的輸出轉化成該數位共振信號。
  7. 如專利申請範圍第6項所述的觸控感測系統，其中該數位解調器包括：一第一振盪器，被配置以輸出一第一振盪信號，該第一振盪信號的頻率和相位與通過該天線所接收的該筆的該共振信號的頻率和相位相同；一第一倍增器，被配置以將該第一振盪信號與通過該天線所接收之來自該筆的該共振信號相乘且輸出一乘法結果；一第一低通濾波器，被配置以從該第一倍增器的輸出中移除高頻率雜訊；一第一積分器，被配置以將從該第一低通濾波器輸入的資料增加n次且輸出一加法結果；一第二振盪器，被配置以輸出一第二振盪信號，該第二振盪信號具有與通過該天線所接收之來自該筆的該共振信號相同的頻率和從該共振信號延遲90°的相位；一第二倍增器，被配置以將該第二振盪信號與通過該天線所接收之來自該筆的該共振信號相乘且輸出一乘法結果；一第二低通濾波器，被配置以從該第二倍增器的輸出中移除高頻率雜訊；以及一第二積分器，被配置以將從該第二低通濾波器輸入的資料增加n次且輸出一加法結果。
  8. 如專利申請範圍第1項所述的觸控感測系統，其中該第一觸控驅動電路進一步包括一微處理器及一儲存器。
  9. 如專利申請範圍第1項所述的觸控感測系統，其中該筆獨立於分離電源而運行。
  10. 如專利申請範圍第9項所述的觸控感測系統，其中該筆的該共振電路包括一感應器及一電容器，其中該感應器包括纏繞在一鐵芯上的一第一線圈、纏繞在一引導芯上的一第二線圈、以及設置在該鐵芯與該引導芯之間的一彈簧，其中該第一線圈和該第二線圈彼此串聯連接起來。
  11. 一種用於驅動觸控感測系統的方法，該觸控感測系統包括：包含一共振電路嵌入其中的一筆、包含複數個X電極和複數個垂直於該等X電極的Y電極的複數個XY電極、以及圍繞該等XY電極的一天線，該方法包括以下步驟：產生該筆的一共振感應信號；通過電容性耦合將一電場的該共振感應信號傳遞至該筆；在電磁場中通過該天線接收來自該筆的一共振信號；以及分析該天線的一接收信號以估測該筆的位置和筆壓，其中該電場的該共振感應信號通過存在於該等XY電極和該筆之間的電容被傳遞。
  12. 如專利申請範圍第11項所述之用於驅動觸控感測系統的方法，進一步包括以下步驟：供給一激勵信號至該等Y電極；以及分析與該激勵信號同步之通過該等X電極所接收的信號以估測手指的位置。
  13. 如專利申請範圍第11項所述之用於驅動觸控感測系統的方法，更包括：供給一激勵信號至該等X電極和該等Y電極；以及分析與該激勵信號同步之通過該等X電極和該等Y電極所接收的信號以估測手指的位置。
  14. 如專利申請範圍第11項所述之用於驅動觸控感測系統的方法，其中分析該天線的該接收信號以估測該筆的位置和筆壓包括：放大通過該天線所接收的一類比共振信號，從該筆中提取該共振信號的頻帶，且將該類比共振信號轉化成一數位共振信號； 從該數位共振信號中提取來自該筆之該共振信號的一實部和一虛部且產生累加每一個實部和虛部n次的結果，n是等於或大於2的正整數；計算該累加結果的一均方根(RMS)值；以及計算該累加結果的一反正切值。
  15. 一種使用者界面，包括：一顯示器；一觸控感測系統，包括：一筆，包括嵌入在其中的一共振電路；複數個XY電極，包括複數個X電極和複數個垂直於該等X電極的Y電極；一天線，其圍繞該等XY電極；以及一第一觸控驅動電路，被配置以通過電容性耦合將一電場的一共振感應信號傳遞至該筆且在電磁場中通過該天線接收來自該筆的一共振信號；以及一處理器與儲存器，被配置以分析該天線的一接收信號以估測在該顯示器上該筆的位置與筆壓，其中該電場的該共振感應信號通過存在於該等YY電極和該筆之間的電容被傳遞。
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