触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法
【专利摘要】公开了一种触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法。在手指触摸和不具有电池的触笔的触摸可被区分并检测的同时，可减小触笔的尺寸和制造成本。所述触摸输入系统包括：传感器面板，所述传感器面板包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道；触笔，所述触笔包括彼此串联的一个或多个初级线圈、与所述初级线圈并联的谐振电容器以及与所述初级线圈连接的导电尖端；与所述触笔连接的接地端；形成在所述传感器面板的边缘外侧的环形天线；和与所述第一通道、所述第二通道和所述环形天线连接的触摸控制器。
【专利说明】触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法
[0001]本申请要求2013年4月30日提交的韩国专利申请N0.10-2013-0048725的优先权，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】
[0002]本发明涉及一种触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法，其中在手指触摸和不具有电池的触笔的触摸可被区分并检测的同时，可减小触笔的尺寸和制造成本。
【背景技术】
[0003]近来，随着信息时代的到来，用于视觉上呈现电信息信号的显示领域快速发展。为了满足这种趋势，已发展了具有出色性能的各种平板显示装置，即小型化、轻重量和低功耗的平板显示装置。
[0004]平板显示装置的例子可包括液晶显示装置、等离子体显示面板装置、场发射显示装置(FED)、有机发光二极管显示装置等。
[0005]根据当前的趋势，触摸面板添加到平板显示装置，其中触摸面板用于通过人手或单独的输入单元识别触摸部分并传输对应于触摸的单独信息。当前，触摸面板被添加到显示装置的外表面。此外，根据触摸检测方式，触摸面板分为电阻触摸面板、电容面板、红外触摸面板等。近来，考虑到制造方法的便利、检测能力等，电容面板引起了关注。
[0006]近来，根据当前的趋势，除了使用手指的触摸输入之外，作为最引人注意的移动装置的智能手机、智能本等已使用通过笔书写或画画的触笔作为人机接口装置(HID)。触笔输入的优点在于可比手指进行更具体的输入并支持具体的画图和书写功能。
[0007]下文，将参照附图描述一般的电容触摸屏。
[0008]图1是一般的电容触摸屏的触摸检测电路的电路图。图2是图解使用图1的电路图、根据手指触摸的存在而获得的电压输出随时间变化的曲线图。
[0009]如图1中所示，一般的电容触摸屏的触摸检测电路包括交叉的第一电极Tx和第二电极Rx、通过负(_)输入端子接收第二电极Rx的输出并通过正(+)输入端子接收参考电压Vref的放大器5、和形成在放大器5的输出端子与负(_)输入端子之间的电容器Cs。
[0010]在此，第一电极Tx通过形成在其一端的焊盘接收输入电压Vin并通过形成在第二电极Rx的一端的焊盘感测通过放大器5输出的输出电压Vout。
[0011]一般来说，向第一电极Tx施加大约2到3 μ s的方波的触摸驱动信号作为输入电压。在这种情形中，与第一和第二电极Tx和Rx之间的互电容ACm成比例的电压被感测为输出电压Vout。
[0012]如图2中所示，当施加方波作为输入电压时，输出电压Vout随着时间流逝而增大(当不存在手指触摸时)。在这点上，当存在手指触摸时，手指与电极接触，从而互电容变化ACm减小，因而输出电压Vout的增加量减小。从Tx通道与Rx通道之间的交叉获得减小量，以计算数据，并可从数据提取手指触摸部分的坐标。
[0013]然而，当图1的触摸检测电路用于触笔触摸而不是手指触摸时，因为触笔的尖端与传感器面板表面之间的接触面积相对较小，所以电极之间的互电容变化ACm较小，因而在触笔触摸过程中很难感测互电容的变化。因而，坐标提取的精度降低。
[0014]当与形成在用于感测的传感器面板上的电极相比，触笔的尖端较小时，根据电极的存在产生坐标畸变，由此直接影响灵敏度。
[0015]此外，在使用同一触摸检测电路的手指触摸和触笔触摸的情形中，当通过触笔输入触摸时，出现了不能区分电极上的手掌触摸和触笔触摸的问题。就是说，很难对图1的检测电路提供在触笔触摸过程中的防误触(palm reject1n)功能。
[0016]尽管提出了使用与手指触摸不同的方法，例如电磁驱动方法来驱动触笔触摸的方法，但在这种情形中，除了电容电极之外，还进一步需要用于通过电磁驱动进行检测的单独面板，由此增加了组件和制造工艺的数量。
【发明内容】
[0017]因此，本发明旨在提供一种基本上克服了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题的触摸输入系统及使用该系统检测触摸的方法。
[0018]本发明的一个目的是提供一种触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法，其中在手指触摸和触笔触摸可被区分并检测的同时，可将触笔实施为不具有电池并且减小触笔的尺寸和制造成本。
[0019]在下面的描述中将部分列出本发明的附加优点、目的和特征，这些优点、目的和特征的一部分从下面的描述对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，或者可从本发明的实施领会到。通过说明书、权利要求书以及附图中具体指出的结构可实现和获得本发明的这些目的和其它优点。
[0020]为了实现这些目的和其它优点，并根据本发明的意图，如在此具体化和概括描述的，一种触摸输入系统包括:传感器面板，所述传感器面板包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道；触笔，所述触笔包括彼此串联的一个或多个初级线圈、与所述初级线圈并联的谐振电容器以及与所述初级线圈连接的导电尖端；与所述触笔连接的接地端；形成在所述传感器面板的边缘外侧的环形天线；和与所述第一通道、所述第二通道和所述环形天线连接的触摸控制器。
[0021]可绕着与所述导电尖端串联并设置在所述触笔的轴方向上的磁芯来缠绕所述初级线圈。
[0022]所述触笔可包括:具有孔的触笔筒，所述导电尖端通过所述孔部分凸出；和把手，所述把手形成在所述触笔筒的至少一个外围表面上并由高电阻导电材料形成。
[0023]与所述触笔串联设置的初级线圈的一端可与所述导电尖端连接；以及所述初级线圈的另一端可与所述触笔筒或由高电阻导电材料形成的把手连接。
[0024]在所述触笔触摸所述传感器面板的表面时，所述环形天线可从所述触笔中的初级线圈接收谐振感应信号。
[0025]根据本发明的另一个方面，提供一种使用触摸输入系统的触摸检测方法，所述触摸输入系统包括:传感器面板，所述传感器面板包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道；触笔，所述触笔包括彼此串联的一个或多个初级线圈、与所述初级线圈并联的谐振电容器以及与所述初级线圈连接的导电尖端；与所述触笔连接的接地端；和形成在所述传感器面板的边缘外侧的环形天线，所述方法包括用于按每一帧进行手指触摸感测和触笔触摸感测的时分驱动。
[0026]所述触笔触摸感测可包括依次向所述多个第一通道和所述多个第二通道施加信号并按每一通道根据所述环形天线的两端之间的电压差检测触摸。
[0027]所述检测触摸可包括:将所述导电尖端与所述传感器面板之间的感测电容器电连接到至少一个初级线圈；形成所述初级线圈和所述谐振电容器的谐振电路；以及接收由于所述初级线圈的感应而在所述环形天线中电磁谐振的感应电动势。
[0028]所述触笔可包括:具有孔的触笔筒，所述导电尖端通过所述孔部分凸出；和把手，所述把手形成在所述触笔筒的至少一个外围表面上并由高电阻导电材料形成。
[0029]当所述触笔触摸所述传感器面板的表面时，所述环形天线可从所述触笔中的初级线圈接收谐振感应信号。
[0030]应当理解，本发明前面的大体性描述和下面的详细描述都是例示性的和解释性的，意在对要求保护的本发明提供进一步的解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]给本发明提供进一步理解并且并入本申请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说明本发明的原理。在附图中:
[0032]图1是一般电容触摸屏的触摸检测电路的电路图；
[0033]图2是图解使用图1的电路图、根据手指触摸的存在而获得的电压输出随时间变化的曲线图；
[0034]图3是根据本发明的触摸输入系统的有源区域内部的结构的平面图；
[0035]图4是图解根据在图3的触摸输入系统中触笔的存在，沿图3的X轴，触笔与Tx通道之间的电容Csx以及Tx通道与Rx通道之间的互电容变化ACm的曲线图；
[0036]图5A到5C是图解预触摸状态、手指触摸状态和触笔触摸状态中电荷量的变化的示图；
[0037]图6是根据本发明的触摸输入系统的电路图；
[0038]图7A是与图6的触笔对应的电路图；
[0039]图7B是图解图7A的触笔的结构的示图；
[0040]图8A是与图6的触笔对应的另一个电路图；
[0041]图8B是图解图8A的触笔的结构的示图；
[0042]图9是图解图7A的触笔的结构的另一个示图；
[0043]图10是图解图9中所示的导电把手根据其材料的导电特性的曲线图；
[0044]图11是图解图8A的触笔的结构的另一个示图；
[0045]图12A和12B图解了根据本发明实施方式的输入系统的接地方法；
[0046]图13是根据本发明的触摸输入系统的传感器面板的平面图；
[0047]图14是图解根据本发明的触摸输入系统的帧驱动方法的示图；
[0048]图15A和15B图解了在根据本发明的触摸输入系统的触摸检测方法中从触摸传感器面板和触笔检测的波形；
[0049]图16A是用于测试根据本发明的触摸输入系统的信号强度的部分；
[0050]图16B是图解与X轴方向上的移动对应的电容Csx的变化的模拟图；
[0051]图17A是图解根据本发明的触摸输入系统的触摸面板和触摸面板中包含的环形天线的示图；
[0052]图17B是图解当触笔沿图17A的X轴移动时互感系数的曲线图；
[0053]图18A图解了根据本发明的触摸输入系统的触笔位于点A，B和C处的状态的示图；以及
[0054]图18B图解了在图18A的触笔的位置A，B和C处检测到的信号的波形。
【具体实施方式】
[0055]现在将详细描述本发明的优选实施方式，附图中图解了这些优选实施方式的一些例子。
[0056]根据本发明的触摸输入系统能够通过用于使用电容方法检测触摸的基本结构检测手指触摸，并通过触笔的内部谐振电路与形成在传感器面板的边缘外侧的环形天线之间的谐振来检测触笔触摸。也就是说，使用电容方法检测触笔触摸存在限制，因而可通过改变传感器面板的边缘外侧的结构和触笔的内部电路来检测触笔触摸，而无需单独的面板且与接触面积或电极图案的形状无关。
[0057]下文，将描述有源区域中形成的电容电极的结构及使用电容电极的触笔触摸的现象。
[0058]图3是根据本发明的触摸输入系统的有源区域内部的结构的平面图。图4是图解根据在图3的触摸输入系统中触笔的存在，沿图3的X轴触笔与Tx通道之间的电容Csx以及Tx通道与Rx通道之间的互电容变化Λ Cm的曲线图。
[0059]如图3中所示，当Tx通道和Rx通道的每个形成为条形时，这些电极布置成彼此交叉。作为任意的例子，将参照图4描述与触笔在图3的区域中的移动对应的电容变化。
[0060]为了检测图4的曲线图的电容变化，Tx通道与Rx通道之间的中心点被确定为原点；根据原点，轴和与其交叉的另一个轴分别被定义为X轴和Y轴；然后根据触笔的位置检测电容变化。在图3中，垂直轴为X轴(Rx方向)，水平轴为Y轴。当Y轴上的坐标值固定为O且只有X轴上的坐标值变化时进行测试。
[0061]在此，Λ Cm是指根据触笔的存在，Tx通道与Rx通道之间的互电容变化；Csx是指触笔与Tx通道之间的电容分布。可以看出，在整个区域中Csx比ACm大；当X坐标靠近O时，Csx的变化增加。此外，可以看出，与相邻区域相比，ACm在原点O处减小。因而，为了检测触笔触摸，在灵敏度和位置分辨率方面有利的是使用Csx作为数据，而不是使用ACm。
[0062]因而，根据本发明的触摸输入系统测量触笔的位置，但是使用具有较高灵敏度的Csx的检测方法。
[0063]图5A到5C是图解预触摸状态、手指触摸状态和触笔触摸状态中的电荷量变化的示图。
[0064]图5A到5C是每个都呈条形的Tx通道10和Rx通道20在基板I上彼此交叉，且在Tx通道10与Rx通道20之间以及在Rx通道20上方和周围形成绝缘体25的情形的剖面图。形成在Rx通道20上方和周围的一部分绝缘体25可如图5A和5C中所示形成，可省略，或者可以是在基板I设置在显示器上方的同时形成的空气间隙。
[0065]如图5A中所示，当不存在触摸时,根据Tx通道的驱动电压Vd,电荷(Q=Cm x Vd)与Tx通道和Rx通道之间的互电容Cm成比例。
[0066]如图5B中所示，当存在手指触摸时，在Rx通道中感生的一些电荷被手指感应，由此减少了 Rx通道中感生的电荷的量。可以看出，由于手指触摸，Tx通道与Rx通道之间的互电容从Cm减小到Cm',从而获得减小的电荷(Q, =Cm' x Vd)。ACm=Cm-Cm'可被定义用作触摸灵敏度的指标。
[0067]如图5C中所示，当存在触笔触摸时，如果使用前述电容方法检测触笔触摸(在手指触摸状态和触笔触摸状态中，当向Tx通道施加驱动电压Vd时，检测Rx通道中感生的电荷的量)，因为触笔的尖端与传感器面板之间的接触面积比手指触摸的小，所以与手指触摸相比，触笔触摸的触摸灵敏度ACm减小，由此降低了坐标提取的精度。
[0068]也就是说，当使用不具有内部装置的无源型笔作为导体输入装置，以电容方式检测触摸时，出现了由于与手指相比触笔尖端的较小接触面积，触摸灵敏度和坐标提取的精度降低的问题。
[0069]触笔由于其尖端较小的尺寸而在坐标提取精度降低方面具有问题，而且当使用同一电容方法检测手指触摸和触笔触摸时在防误触方面具有问题。此外，Tx通道和Rx通道与显示驱动信号电容耦合，显示噪声会影响触摸感测信号。此外，无源型触笔不能向传感器传输单独信号，因而很难实现书写压力检测功能或具体的按钮功能。
[0070]根据本发明的触摸输入系统使用用于手指触摸的电容传感器面板，应用不具有电池的有源型触笔，且包括与触笔同步驱动并形成在传感器面板的边缘外侧的环形天线。下文，将描述触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法。
[0071]图6是根据本发明的触摸输入系统的电路图。图7A是与图6的触笔100对应的电路图。图7B是图解图7A的触笔100的结构的示图。
[0072]如图6中所示,根据本发明的触摸输入系统被主要划分成触笔100、包括触摸传感器200和天线400的传感器面板、触摸控制器(即触摸IC) 300和触笔接地端500。
[0073]触摸传感器200包括彼此交叉且设置在与传感器面板的中心区域对应的有源区域中的多个第一通道Tx和多个第二通道Rx。此外，作为形成在传感器面板的有源区域边缘外侧的天线400，围绕传感器面板的有源区域边缘形成环形的环形天线410，环形天线410具有彼此稍微间隔开的两端。
[0074]参照图7A和7B，触笔100包括一个初级线圈LI 120、与初级线圈LI 120并联的谐振电容器Cl 110、和与初级线圈LI 120连接的导电尖端101。
[0075]在触笔100中彼此并联的初级线圈LI 120和谐振电容器Cl 110的一侧与导电尖端101连接，另一侧与用于形成触笔100的由非导电材料形成的触笔筒连接并接地。在一些实施方式中，当用户作为触笔接地端500时，所述另一侧与对应于人体的接地电容器Ch连接。也就是说，触笔100也与触笔接地端500连接，以使触笔100的内部电路稳定。
[0076]当触笔100与传感器面板接触时,从电路方面来看,环形天线410用作次级线圈L2410。换句话说，作为形成在传感器面板边缘外侧的次级线圈L2 410的环形天线、第一通道Tx和第二通道Rx与触摸控制器300连接并通过触摸控制器300对它们进行信号控制。
[0077]结果，当触笔100与传感器面板的表面接触时，环形天线410接收触笔100中的初级线圈LI 120的电感信号，作为在环形天线L2 410与初级线圈LI 120之间感生的互感系数M12。在此，环形天线400被形成为围绕传感器面板的边缘并包括形成在与触摸控制器300连接的两端处的焊盘。
[0078]触摸控制器300与环形天线410连接，并包括用于放大环形天线410的两端之间的电压差的放大器310、与放大器310连接以去除噪声的滤波器单元(模拟前端(AFE))320、与滤波器单元AFE 320连接以将模拟信号转换为数字信号的转换器(模拟-数字转换器(ADC)) 330、与转换器ADC 330连接以收集数字信号从而提取坐标的信号处理器(数字信号处理器(DSP)) 340、以及用于产生施加给传感器面板中的每个通道的信号的驱动信号产生器305。在此，当触笔100与触摸传感器200接触时，作为一种谐振电路，初级线圈LI 120和谐振电容器ClllO组成封闭电路。
[0079]从驱动信号产生器305施加给每个通道的信号可采用与封闭电路中的谐振频率(f=l/[2 π *(L2*C2) ~0.5])相同频率的方波或正弦波。施加给每个通道的信号是一种交流(AC)电压，每个线圈具有与所施加的信号具有类似波形的信号形状，或者具有波形随时间流逝而增大的信号。
[0080]触笔接地端500可以是接触触笔100的用户或者是连接在触笔100与传感器面板之间的配线。未描述的参考标记“Ch”表示用户用作介电物质以使得当触笔100接触用户时在触笔100与触笔接地端500之间产生触笔接地端500的电容Ch的状态。
[0081]触笔100中包括的初级线圈LI 120和谐振电容器Cl 110被配置成具有适当的值，以便与通过感测电容器Csx 250输入的信号的频率实现电磁谐振，其中感测电容器Csx250通过与包括彼此交叉的第一和第二通道Tx/Rx的传感器面板的触摸传感器200电容耦合而形成。在此，谐振频率满足条件€=1/[2 31*仏2和2)~0.5]。此外，感测电容器Csx 250是当触笔100的导电尖端101触摸传感器面板时通过接触区域处的电容耦合形成的假想元件，而不是组成电路的实体装置。
[0082]在触笔100中的电磁谐振过程中产生的磁信号通过初级线圈LI 120与形成在传感器面板中的环形天线L2 410之间的互感系数M12，在对应于环形天线的次级线圈L2 410中产生感应电动势。感应电动势通过用于放大环形天线410的两端之间的电压差的放大器310放大，经过包括去除噪声的滤波器的滤波器单元AFE 320，并通过转换器ADC 330转换为数字信号。之后，通过信号处理器DSP340经适当的算法从信号提取坐标，然后将坐标数据传输给主机系统。
[0083]根据本发明，因为触笔100的初级线圈LI 120通过与环形天线L2 410的互感系数M12在对应于环形天线的次级线圈L2 410中直接产生感应电动势，所以初级线圈LI 120与环形天线L2 410之间的磁耦合系数不会减小并被考虑。因而，触笔100可变细并可降低制造成本。
[0084]现在将参照图7B描述触笔100的结构。绕着设置于触笔100的轴方向上的磁芯135来缠绕触笔100中包括的初级线圈LI 120。触笔100的轴方向对应于触笔100的长度方向并对应于XYZ坐标系统的Z轴方向。
[0085]触笔100的触笔筒150可包括初级线圈LI 120、谐振电容器Cl 110和磁芯135，并具有孔，其中通过孔使导电尖端101部分凸出。在此，导电尖端101可与触笔筒150绝缘。为此，在孔周围进一步形成绝缘缓冲物，以围绕导电尖端101。此外，触笔筒150可与触笔接地端500连接。因而，初级线圈LI 120的一端与导电尖端101连接，另一端与触笔筒150的接地端125连接。
[0086]现在将描述如上构造的触笔100的操作。
[0087]初级线圈LI 120的一端通过导电尖端101与传感器面板的触摸传感器200电容耦合，以形成感测电容器Csx 250。因而，来自触摸传感器200的每个通道的输入信号通过感测电容器Csx 250驱动包括初级线圈LI 120和谐振电容器Cl 110的谐振电路。
[0088]电路以下述方式配置，即从驱动信号产生器305输入到触摸传感器200的通道Tx和Rx的信号的频率与包括初级线圈LI 120和谐振电容器Cl 110的谐振电路的电磁谐振频率相同，由此由于电磁谐振，信号强度随时间流逝而增大。在这种情形中，初级线圈LI120的另一端通过包括与触笔100的触笔筒150接触的人体和手的接地电容器Ch而接地。
[0089]如上所述，当触笔100触摸传感器面板的表面时，可产生感测电容器Csx250，且可通过触笔筒150接地。此外，施加给感测电容器Csx 250的信号通过触笔100中包括的导电尖端101传输到初级线圈LI 120。初级线圈LI 120和谐振电容器Cl 110在封闭电路的状态下谐振，使得信号幅度随时间流逝而增大。此外，谐振电路中的初级线圈LI 120的磁信号通过互感系数M12被感生在环形天线410中。按每一通道执行环形天线中的感测。
[0090]图8A是与图6的触笔100对应的另一个电路图。图8B是图解图8A的触笔100的结构的示图。
[0091]参照图8A和8B，触笔100包括彼此串联的多个初级线圈LlA和LlB 120a和120b、与彼此串联的初级线圈LlA和LlB 120a和120b并联的谐振电容器C2 110、以及与初级线圈LlB 120b连接的导电尖端101。
[0092]触笔100中彼此串联连接的初级线圈LlA和LlB 120a和120b以及与初级线圈LlA和LlB 120a和120b并联的谐振电容器C2 110的一侧与导电尖端101连接，另一侧与用于形成触笔100的由非导电材料形成的触笔筒150连接并接地。在一些实施方式中，当用户作为触笔接地端500时，所述另一侧与对应于人体的接地电容器Ch连接。也就是说，触笔100也与触笔接地端500连接，以使触笔100的内部电路稳定。
[0093]当触笔100与传感器面板的表面接触时，环形天线410接收触笔100中的初级线圈LlA和LlB 120a和120b的电感信号，作为环形天线L2 410与初级线圈LlA和LlB 120a和120b之间感生的互感系数M12。如参照图6所述的，环形天线400被形成为围绕传感器面板的边缘并包括形成在与触摸控制器300连接的两端处的焊盘。
[0094]触笔100中包括的初级线圈LlA和LlB 120a和120b以及谐振电容器C2110被配置成具有适当的值，以便与通过传感器面板的感测电容器Csx 250输入的信号的频率实现电磁谐振。换句话说，触笔100的初级线圈LlA和LlB 120a和120b以及谐振电容器C2110被配置成具有适当的值，以便与通过感测电容器Csx 250输入的信号的频率实现电磁谐振，其中感测电容器Csx250通过与包括彼此交叉的第一和第二通道Tx/Rx的传感器面板的触摸传感器200电容耦合而形成。在此，谐振频率满足条件f=l/[2 *(L2*C2) ~0.5]。此夕卜，感测电容器Csx 250是当触笔100的导电尖端101触摸传感器面板201时通过接触区域处的电容耦合形成的假想元件，而不是组成电路的实体装置。
[0095]在触笔100中的电磁谐振过程中产生的磁信号通过初级线圈LlA和LlB120a和120b与形成在传感器面板201中的环形天线L2 410之间的互感系数M12，在对应于环形天线的次级线圈L2 410中产生感应电动势。感应电动势通过用于放大环形天线410的两端之间的电压差的放大器310放大，经过包括去除噪声的滤波器的滤波器单元AFE 320，并通过转换器ADC 330转换为数字信号。之后，通过信号处理器DSP340经适当的算法从信号提取坐标，然后将坐标数据传输给主机系统。
[0096]如上所述，触笔100的初级线圈LlA和LlB 120a和120b通过与环形天线L2 410的互感系数M12在对应于环形天线的次级线圈L2 410中直接产生感应电动势，所以初级线圈LlA和LlB 120a和120b与环形天线L2 410之间的磁耦合系数不会减小并被考虑。因而，触笔100可变细并可降低制造成本。
[0097]比较图8B的触笔100与图7B的触笔100，图8B的触笔100和图7B的触笔100的区别仅在于绕着磁芯135的不同区域来缠绕图8B的初级线圈LlA和LlB 120a和120b，因而将不在此给出对相同组件的详细描述。之后，在磁芯135与导电尖端101之间，或者在多个磁芯135之间可进一步设置弹簧或弹性橡胶130。当导电尖端101按压传感器面板的表面时，弹簧130被按压预定程度。因而，仅当相对于传感器面板的表面按压导电尖端101时才产生电磁谐振，由此可实现触笔100的输入检测和书写压力检测。此外，即使触笔100靠近传感器面板，也只有当触笔100被按压预定程度时触笔100才操作。因而，触笔100可用作用于防止误操作的开关。在电磁谐振过程中产生的磁信号被传输到形成在传感器面板边缘外侧并用作一种次级线圈L2 410的环形天线410，因而通过触摸控制器300检测环形天线410两端之间的电压差。
[0098]图8B的触笔100的优点在于初级线圈LlA和LlB 120a和120b彼此不干扰，由此可减小它们之间的寄生电容。在一些实施方式中，当寄生电容可忽略不计时，只要灵敏度不会由于寄生电容而降低，可选择图8B的触笔100。
[0099]图9是图解图7A的触笔100的结构的另一个示图。图10是图解图9中所示的把手或导电把手117根据其材料的导电特性的曲线图。
[0100]现在将参照图9描述触笔100的结构。触笔100中包括的初级线圈LI 120绕着设置于触笔100的轴方向上的磁芯135而缠绕。在此，初级线圈LI 120的一端与导电尖端101连接，另一端与触笔筒150的导电把手117连接。
[0101]把手形成在触笔筒的至少一个外围表面上并由高电阻导电材料形成。例如，导电把手117形成在用户握持的手柄上并用作接地端。导电把手117可由参照图10描述的高电阻导电材料(例如导电塑料和导电石墨)形成。当导电把手117由高电阻导电材料形成时，与金属材料相比，可显著增加磁信号的透过率。因而，在这种情形中，可减小磁信号的衰减，从而天线400也接收磁信号。在这种情形中，导电尖端101也可由高电阻导电材料形成，从而很容易透过磁场。
[0102]图9的触笔100具有下述技术特征，即初级线圈LI 120的另一端与由高电阻导电材料形成的导电把手117连接。此外，触笔筒150与触笔接地端500之间的接触结构以及图9的触笔100的操作与图7B的触笔100的相同。因而，参照图7B的详细描述可理解图9的触笔100的结构和操作。
[0103]图11是图解图8A的触笔100的结构的另一个示图。
[0104]现在将参照图11描述触笔100的结构。触笔100中包括的初级线圈LlA和LlB120a和120b绕着设置于触笔100的轴方向上的磁芯135而缠绕。在此，初级线圈LI 120的一端与导电尖端101连接，另一端与触笔筒150的导电把手117连接。
[0105]如上所述，导电把手117形成在用户握持的手柄上并用作接地端。导电把手117可由参照图10描述的高电阻导电材料(例如导电塑料和导电石墨)形成。当导电把手117由高电阻导电材料形成时，与金属材料相比，可显著增加磁信号的透过率。因而，在这种情形中，可减小磁信号的衰减，从而天线400也接收磁信号。在这种情形中，导电尖端101也可由高电阻导电材料形成，从而很容易透过磁场。
[0106]图11的触笔100具有下述技术特征，即初级线圈LI 120的另一端与由高电阻导电材料形成的导电把手117连接。此外，触笔筒150与触笔接地端500之间的接触结构以及图11的触笔100的操作与图8B的触笔100的相同。因而，参照图8B的详细描述可理解图11的触笔100的结构和操作。
[0107]图12A和12B图解了根据本发明实施方式的输入系统的接地方法。
[0108]图12A图解了如上所述通过人体和触笔100的触笔筒150接地。
[0109]如图12A中所示，在通过人体(用户)接地的情形中，包括传感器面板201的显示装置2000和人体分别通过电容Cbl和Cb2与地耦合。当用户通过另一只手把持显示装置2000时，电容Cb2通过另一只手和人体较强地与地耦合，以形成用于传输AC信号的封闭电路。
[0110]在此，显示装置2000是指包括传感器面板201的显示面板。显示面板的例子可包括液晶显示面板、有机发光显示面板、等离子体显示面板、量子点显示面板、电泳显示面板等。在此，在一些实施方式中，面板可进一步包括光源，在这种情形中，可进一步包括单独的壳体单元。
[0111]此外，传感器面板201可贴附到显示装置2000，在阵列工艺中与显示装置的面板表面一起形成，或者形成在面板内。
[0112]可选择地，在无线触笔的情形中，无线触笔通过图9A中所示的结构，经人体接地。
[0113]图12B图解了有线触笔，有线触笔的接地端通过配线170直接与贴附有传感器面板201的显示装置2000的触摸控制器连接。在这种情形中，触笔100和传感器面板201通过配线170物理连接。
[0114]图13是根据本发明的触摸输入系统的传感器面板201的平面图。
[0115]如图13中所示，根据本发明的触摸输入系统的传感器面板201被大致划分为有源区域和边缘区域。
[0116]在有源区域中，多个第一通道Tx 210和多个第二通道Rx 220的每个都呈条形且彼此交叉。图13图解了条形的通道。在一些情形中，第一通道Tx 210和第二通道Rx 220的形状可以以使用电容方式的各种图案形式进行变化。
[0117]例如，第一通道Tx 210和第二通道Rx 220可具有菱形或其它多边形形状。在所有情形中，在根据本发明的触摸输入系统中，为了触笔触摸的精度，第一通道Tx 210和第二通道Rx 220的每个都最好在从中心起的上、下、左、右的任意方向上具有对称的形状。
[0118]为了接收从触笔100的谐振电路产生的谐振信号，在传感器面板201的边缘区域外侧形成环形天线410。为了防止边缘效应，如果可能的话，环形天线410被形成为比实际进行触笔输入和坐标提取的有源区域宽。在此，根据边缘效应，当检测使用触笔100的触摸时，如果通道具有非对称的形状，则坐标的提取精度在传感器面板201的边缘处降低。优选地，在触笔100触摸传感器面板的表面时，环形天线410从触笔100的初级线圈接收谐振感应信号。
[0119]环形天线410是一种感生电感的第三级线圈，其不包括具有物理形状的单独的磁芯。在此，环形天线410可以是使用环形天线410与触笔100之间的空气芯作为介质进行操作的线圈。
[0120]第一通道Tx 210和第二通道Rx 220可由用于透射显示装置中的光的透明电极形成。此外，手指触摸区域的第一通道Tx 210用于施加驱动信号，第二通道Rx 220用于接收检测信号。第一通道Tx 210和第二通道Rx 220分别通过形成在传感器面板201边缘外侧的焊盘230和布线255彼此电连接。
[0121]此外，可在环形天线410的两端形成环形天线焊盘240，环形天线焊盘240与形成在面板传感器201的一个边缘外侧的焊盘230平行形成。可通过触摸控制器检测环形天线焊盘240之间的电压差。
[0122]环形天线410可通过同一工艺与布线255同时形成。可选择地，为了提高环形天线410的电磁感应，传感器面板可进一步包括与环形天线410接触的片形的平坦磁芯。
[0123]图14是图解根据本发明的触摸输入系统的帧驱动方法的示图。
[0124]如图14中所示，根据本发明的触摸输入系统将一帧划分为触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧，并按每一帧时分驱动触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧。此外，触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧被交替驱动。
[0125]例如，当一帧对应于5到1ms时，帧频对应于100到200Hz。在这种情形中，当一帧被划分为触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧时，触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧的每一个的分配周期对应于2.5ms到5ms。这种情形对应于将一帧等分为触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧的情形。在一些实施方式中，可调整触笔触摸检测帧和手指触摸检测帧，使得在一巾贞中其中一个比另一个长。
[0126]当检测触笔触摸时，如果第一通道Tx的数量和第二通道Rx的数量分别为m和n，如图13中所示,第一通道Tx的m个通道Tx (I)到Tx Cm)和第二通道Rx的η个通道Rx
(I)到Rx (η)被依次驱动和感测。
[0127]也就是说，在触笔触摸检测帧中依次驱动总共“m+n”个通道。因而，例如，假定“m+n” = 50，则驱动一个通道的时间为将2.5ms到5ms除以50所获得的50 μ s到100 μ S。
[0128]此外，当检测手指触摸时，通过依次向第一通道Tx施加驱动信号并感测来自第二通道Rx的检测信号，检测基于触摸的变化，从而检测触摸位置。因为仅在手指触摸的检测过程中向第一通道Tx施加驱动信号，所以在手指触摸的检测过程中施加第一通道Tx的驱动信号的时间(2.5ms到5ms/m)可比在触笔触摸的检测过程中向每个通道施加信号的时间(2.5ms 到 5ms/ (m+n))长。
[0129]在这种情形中，每个通道的驱动信号和感测信号的波形被形成为，使得触笔输入和手指触摸被交替时分驱动，如下所述。
[0130]下文，将描述用于检测触笔触摸的驱动和感测每个通道的方法。
[0131]图15A和15B图解了在根据本发明的触摸输入系统的触摸检测方法中从触摸传感器面板和触笔检测的波形。
[0132]现在将参照图15A和15B描述根据本发明的触摸输入系统的两个相邻第一通道Tx(η)和Tx (η+1)的驱动和感测处理。
[0133]尽管图15A和15B图解了通道Tx (η)和Tx (η+1)的驱动步骤处理，但通过向Tx(I )到Tx (m)和Rx (I)到Rx (η)依次施加信号并按每一通道根据环形天线410两端之间的电压差检测触摸，可以以相同的方式进行驱动处理。
[0134]通过将导电尖端101与传感器面板201之间的感测电容器Csx电连接到初级线圈LI 120、形成初级线圈LI 120和谐振电容器C2的谐振电路、并接收由于初级线圈的感应例如由于在初级线圈LI 120与环形天线之间的互感系数Μ12而在环形天线410中电磁谐振的感应电动势，进行触摸检测。
[0135]同样，因为触笔100的初级线圈LI 120通过与环形天线L2 410的互感系数Μ12，在对应于环形天线的次级线圈L2 410中直接产生感应电动势，所以初级线圈LI 120与环形天线L2 410之间的磁耦合系数不会减小并被考虑。因而，触笔100可变细并可降低制造成本。
[0136]施加给第一和第二通道Tx (I)到Tx (m)和Rx (I)到Rx (η)的信号可采用与谐振频率相同频率的方波或正弦波，如图15Α中所示。
[0137]当触笔触摸传感器面板的表面时，触笔可通过用户接地。在此，触笔可通过非导电笔筒与传感器面板之间的直接接触或者非导电笔筒与传感器面板之间通过配线的连接而接地。
[0138]如图15Α中所示，当驱动通道Tx (η)时，对于时间Tl，从触摸控制器向通道Tx (η)施加预定频率的方波或正弦波。此外，对于时间Τ2，可仅感测从电路和环形天线接收的信号，而不向通道Tx (η)施加信号。
[0139]也就是说，当向通道Tx (η)施加方波或正弦波时，在触笔的初级线圈LI 120与Tx通道之间形成经Tx通道与导电尖端之间的电容耦合形成的感测电容器Csx，并且当触笔触摸传感器面板的表面时，感测电容器Csx与导电尖端电连接。在此，初级线圈LI 120的信号具有在时间Tl内随时间流逝而增大的波形。这是因为当在封闭电路的谐振电路中与谐振电容器Cl 110串联的初级线圈LI 120通过谐振频率电磁谐振时，信号的幅度随着时间流逝而增大。
[0140]当触笔触摸传感器面板时，初级线圈LI 120通过互感系数M12与传感器面板中包括的环形天线耦合。因而，环形天线可感测通过触笔的谐振产生的电磁信号。
[0141]通过检测接收到的环形天线两端之间的电压差、放大电压差、去除放大的电压差的噪声、将被去除噪声的放大的电压差从模拟信号转换为数字信号并将数字信号存储在存储器中，存储与相应通道对应的环形天线两端之间的电压差相关的信号强度数字数据。
[0142]之后，如图15B中所示，关于通道Tx (n+1)，对于时间T3和T4施加驱动信号并进行感测(触摸检测)。之后，将对应于信号的数字数据存储在存储器中。
[0143]当通过前述处理收集了关于一帧的所有通道的信号强度数字数据时，通过触摸控制器的信号处理器提取对应于触笔位置的坐标。
[0144]如图中所示，仅对于时间Tl施加触笔的信号，因而可提供单独充分的感测周期。可选择地，对于时间T1+T2可同时进行信号施加和感测。这些方法具有优点和缺点。当对于时间T1+T2接收信号时，可增加接收信号的时间，由此提高测量信号的精度。然而，对于时间Tl驱动通道Tx或Rx,包括通道Tx或Rx的寄生环会导致用作环形天线中的噪声的磁信号。噪声可与从触笔的谐振电路产生的信号一起被环形天线接收。
[0145]因而，当由于寄生环导致的磁干扰而很难精确检测触摸时，可通过仅在时间T2中检测触笔的谐振信号来检测触摸。在这种情形中，因为对于时间Tl没有接收谐振信号，所以接收信号的时间和数据精度可能减小，但磁噪声不会影响环形天线。
[0146]通过使用根据本发明的触摸输入系统的模拟来检查是否能检测触笔触摸。
[0147]图16A是用于测试根据本发明的触摸输入系统的信号强度的部分。图16B是图解与X轴方向上的移动对应的电容Csx的变化的模拟图。
[0148]图16A图解了当触笔100位于Y轴上的点O且X轴的坐标变化时，通道Tx (η)和Tx (η+1)与触笔100的导电尖端之间的感测电容器的电容Csx，电容Csx通过图16B的模拟获得。
[0149]从图16A和16B可以看出，感测电容器的电容Csx在通道Tx的中心最高且随着远离中心减小。
[0150]当触笔100位于通道Tx (η)和Tx (η+1)的中部时,通道Tx (η)的感测电容Csx(η)与通道Tx (η+1)的感测电容Csx (η+1)相同。也就是说,满足Csx (n) = Csx (η+1)。
[0151]从图16Α和16Β可以看出，当与通道Tx (η)相比,触笔100靠近通道Tx (η+1)时，与通道Tx (η+1)稱合的感测电容Csx (η+1)大于与通道Tx (η)稱合的感测电容Csx (η)。也就是说，满足Csx (nXCsx (η+1)。因而，可产生并感测与耦合到每个通道Tx的感测电容成比例的信号，以获得由提取触笔位置所需的信号强度表示的模拟数据。
[0152]图17Α是图解根据本发明的触摸输入系统的触摸面板以及在触摸面板中包括的环形天线的示图。图17Β是图解当触笔沿图17Α的X轴移动时互感系数的曲线图。
[0153]如图17Α中所示，当传感器面板201的中心被确定为点O且水平轴和垂直轴分别被确定为X轴和Y轴时，如果触笔100沿X轴移动，则模拟用于产生磁信号的触笔的初级线圈LI 120与用于接收磁信号的传感器面板201的环形天线L2 410之间的互感系数Μ12。在这种情形中，从图17Β可以看出，互感系数Μ12在环形天线的中心部分(即有源区域)处在
0.5Α.U到1.5Α.U的范围内缓慢变化，在环形天线的边缘周围急剧变化并减小，这称为边缘效应。在这种情形中，布置有第一和第二通道的有源区域可被设计为与图17Β的互感系数Μ12远离点O增加的区域对应，以避免边缘效应。
[0154]图18Α图解了根据本发明的触摸输入系统的触笔位于点Α，B和C处的状态的示图。图18Β图解了在图18Α的触笔的位置Α，B和C处检测到的信号的波形。
[0155]如图18Α中所示，当触笔位于沿X轴(图18Α的垂直方向)的位置Α，Β和C时，向通道Tx (η)施加驱动信号。在这种情形中，从环形天线实际感测的信号的波形显示在图18Β中。
[0156]从18Α和18Β可以看出，当触笔位于被施加驱动信号的通道Tx (η)的中心部分的点A时，感测的信号的波形具有峰值强度；当触笔位于与相邻通道Tx (n-Ι)的边界区域的点B时，具有中间强度；当触笔位于相邻通道Tx (n-Ι)的中心部分的点C时，具有最弱的强度。当触笔位于靠近被施加驱动信号的通道时，感测的信号的波形增大；当触笔远离被施加驱动信号的通道移动时，感测的信号的波形减小。因而，可以预见波形在实际触摸点处最强。
[0157]施加给每个通道的模拟信号通过触摸控制器的ADC转换器转换为数字信号；之后，信号的强度被用于通过信号处理器使用适当的算法提取触笔的坐标。
[0158]也就是说，可检测具有最强波形的通道，以检测实际触笔触摸。
[0159]根据本发明的触摸输入系统及使用该系统的检测方法具有下面的优点。
[0160]也就是说，与包括用于手指触摸和触笔触摸的分离的各个面板的系统相比，本发明的触摸输入系统可降低制造成本并简化制造工艺。此外，触摸输入系统可实现薄的传感器面板。
[0161 ] 可通过触笔的内部谐振电路与传感器面板的环形天线之间的谐振进行触摸检测，因而触笔不需要电池，由此与需要单独电源的有源触笔相比，可降低制造成本。此外，可实现轻小的触笔。
[0162]能使用不同的驱动方法区分并感测触笔触摸和手指触摸，因而在触笔触摸过程中很容易实现防误触，由此提高了触摸感测的精度。
[0163]对于触摸检测，使用在触笔与一个电极之间产生的感测电容Csx，而不是在电容方法中使用的彼此交叉的电极之间的互电容ACm ;且对于触笔触摸检测，使用相对大的感测电容，因而灵敏度有望提闻。
[0164]与施加给传感器面板中包括的电极(通道)的驱动信号同步地确定触笔的内部谐振信号的频率信号，很容易实现书写压力检测功能或具体按钮功能。
[0165]此外，用于触笔触摸检测的环形天线与形成有交叉电极的有源区域间隔开并形成在具有低灵敏度的边缘区域外侧，因而不管区域如何都可保持触笔的灵敏度。
[0166]根据本发明的触摸输入系统及使用该系统的触摸检测方法具有下面的效果。
[0167]第一，根据本发明的触摸输入系统可通过使用电容方法的用于触摸检测的基本结构检测手指触摸，并通过触笔的内部谐振电路与形成在传感器面板的边缘外侧的环形天线之间的谐振来检测触笔触摸。也就是说，使用电容方法检测触笔触摸存在限制，因而可通过改变传感器面板边缘外侧的结构和触笔的内部电路检测触笔触摸，而无需单独的面板且与接触面积或电极图案的形状无关。
[0168]第二，触笔的内部谐振电路的谐振线圈被简化，以减小根据谐振线圈的磁耦合系数，因可尽可能地制造薄且小的触笔，由此可降低制造成本。
[0169]第三，与包括用于手指触摸和触笔触摸的分离的各个面板的系统相比，触摸输入系统可降低制造成本并简化制造工艺。此外，触摸输入系统可实现薄的传感器面板。
[0170]第四，可通过触笔的内部谐振电路与传感器面板的环形天线之间的谐振进行触摸检测，因而触笔不需要电池，由此与需要单独电源的有源触笔相比，可降低制造成本。此外，可实现轻小的触笔。
[0171]第五，能使用不同的驱动方法区分并感测触笔触摸和手指触摸，因而在触笔触摸过程中很容易实现防误触，由此提高了触摸感测的精度。
[0172]第六，对于触摸检测，使用在触笔与一个电极之间产生的感测电容Csx，而不是在电容方法中使用的彼此交叉的电极之间的互电容ACm,且对于触笔触摸检测，使用相对大的感测电容，因而灵敏度有望提高。
[0173]第七，与施加给传感器面板中包括的电极(通道)的驱动信号同步地确定触笔的内部谐振信号的频率信号，能够很容易实现书写压力检测功能或具体按钮功能。
[0174]第八，用于触笔触摸检测的环形天线与形成有交叉电极的有源区域间隔开并形成在具有低灵敏度的边缘区域外侧，因而不管区域如何都可保持触笔的灵敏度。
[0175]在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可进行各种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明意在覆盖落入所附权利要求书范围及其等同范围内的对本发明的所有修改和变化。
【权利要求】
1.一种触摸输入系统，包括: 传感器面板，所述传感器面板包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道； 触笔，所述触笔包括彼此串联的一个或多个初级线圈、与所述初级线圈并联的谐振电容器以及与所述初级线圈连接的导电尖端； 与所述触笔连接的接地端； 形成在所述传感器面板的边缘外侧的环形天线；和 与所述第一通道、所述第二通道和所述环形天线连接的触摸控制器。
2.根据权利要求1所述的触摸输入系统，其中绕着与所述导电尖端串联并设置在所述触笔的轴方向上的磁芯来缠绕所述初级线圈。
3.根据权利要求2所述的触摸输入系统，其中所述触笔包括: 具有孔的触笔筒，所述导电尖端通过所述孔部分凸出；和 把手，所述把手形成在所述触笔筒的至少一个外围表面上并由高电阻导电材料形成。
4.根据权利要求3所述的触摸输入系统，其中: 与所述触笔串联设置的初级线圈的一端与所述导电尖端连接；以及 所述初级线圈的另一端与所述触笔筒或由高电阻导电材料形成的把手连接。
5.根据权利要求2所述的触摸输入系统，其中在所述触笔触摸所述传感器面板的表面时，所述环形天线从所述触笔中的初级线圈接收谐振感应信号。
6.一种使用触摸输入系统的触摸检测方法，所述触摸输入系统包括: 传感器面板，所述传感器面板包括:彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道；触笔，所述触笔包括彼此串联的一个或多个初级线圈、与所述初级线圈并联的谐振电容器以及与所述初级线圈连接的导电尖端；与所述触笔连接的接地端；和形成在所述传感器面板的边缘外侧的环形天线， 所述方法包括用于按每一帧进行手指触摸感测和触笔触摸感测的时分驱动。
7.根据权利要求6所述的触摸检测方法，其中所述触笔触摸感测包括依次向所述多个第一通道和所述多个第二通道施加信号并按每一通道根据所述环形天线的两端之间的电压差检测触摸。
8.根据权利要求7所述的触摸检测方法，其中所述检测触摸包括:将所述导电尖端与所述传感器面板之间的感测电容器电连接到至少一个初级线圈；形成所述初级线圈和所述谐振电容器的谐振电路；以及接收由于所述初级线圈的感应而在所述环形天线中电磁谐振的感应电动势。
9.根据权利要求7所述的触摸检测方法，其中所述触笔包括: 具有孔的触笔筒，所述导电尖端通过所述孔部分凸出；和 把手，所述把手形成在所述触笔筒的至少一个外围表面上并由高电阻导电材料形成。
10.根据权利要求9所述的触摸检测方法，其中当所述触笔触摸所述传感器面板的表面时，所述环形天线从所述触笔中的初级线圈接收谐振感应信号。
【文档编号】G06F3/044GK104133576SQ201310683991
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年4月30日
【发明者】金河中 申请人:乐金显示有限公司