TWI493518B - 以顯示面板實現觸控螢幕的方法與相關裝置 - Google Patents

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Description

以顯示面板實現觸控螢幕的方法與相關裝置
本發明係有關一種以顯示面板實現觸控螢幕的方法與相關裝置，尤指一種能利用顯示面板既有構造實現低成本整合式觸控螢幕的方法與相關裝置。。
觸控螢幕結合影像資訊的展示功能與感測觸控的觸控功能，是現代資訊社會最重要的人機介面之一。如何以低成本實現觸控螢幕，也成為現代電子廠商的研發重點。
為降低觸控螢幕的成本，本發明提供一種能利用顯示面板既有構造實現觸控螢幕的方法與相關裝置。
本發明揭露一種顯示面板，設有複數個第一導線S(j)、複數第二個導線G(i)與複數個顯示單元D(i,j)，各顯示單元D(i,j)耦接於對應的第一導線S(j)與第二導線G(i)。各第一導線S(j)與各第二導線G(i)相互絕緣並在一對應的跨越處Z(i,j)彼此跨越。本發明亦揭露一種控制系統，包括複數個驅動單元Sd(j)與複數個第二驅動單元Gd(i)、複數個切換電路Sx(j)與複數個第二切換電路Gx(i)，以及複數個電容感測單元Sc(j)與複數個輔助單元Gc(i)。切換電路Sx(j)耦接於第一導線S(j)、驅動單元Sd(j)與電容感測單元Sc(j)之間；切換電路Gx(i)則耦接於第二導線G(i)、第二驅動單元Gd(i)與輔助單元Gc(i)之間。
本發明亦揭露一種控制方法，在一感測階段中，經由該些第一導線的至少其中之一S(j)感測至少一對應跨越處Z(i,j)的電容；並在一顯示階段中，經由該些第一導線的至少其中之一S(j)驅動至少一對應顯示單元D(i,j)進行顯示。舉例而言，各顯示單元D(i,j)設有一電晶體T(i,j)，其係受控於第二導線G(i)以選擇性地將顯示單元D(i,j)導通至對應的第一導線S(j)。在顯示階段中，第二切換電路Gx(i)將第二導線G(j)導通至第二驅動單元Gd(i)，由第二驅動單元Gd(i)導通顯示單元D(i,j)的電晶體T(i,j)；切換電路Sx(j)則將第一導線S(j)導通至驅動單元Sd(j)，以經由第一導線S(j)驅動顯示單元D(i,j)進行顯示。
在感測階段中，第二切換電路Gx(i)將第二導線G(i)導通至輔助單元Gc(i)以使電晶體T(i,j)停止導通；切換電路Sx(i)則將第一導線S(j)導通至電容感測單元Sc(j)，以量測跨越處Z(i,j)的電容。
本發明亦揭露一種觸控螢幕，其係在顯示面板的共同電壓導體層上設置複數個孔洞，該些孔洞的位置相關於該些跨越處，每一孔洞的平面投影與跨越處的平面投影至少有部份重疊，以增強在跨越處感應電容變化的能力。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參考第1圖，其所示意的是一顯示面板10的實施例。顯示面板10設有複數個顯示單元，在第1圖中即以顯示單元D(i-1,j-1)至D(i+1,j+2)作為代表，各顯示單元可顯示影像的一個子像素；舉例而言，顯示單元D(i,j)、D(i,j+1)與D(i,j+2)可以是同一像素的三原色子像素。這些顯示單元D(i-1,j-1)至D(i+1,j+2)沿著複數條縱橫交錯的導線G(i-1)至G(i+1)以及導線S(j-1)至S(j+2)排列為陣列，各顯示單元D(i,j)耦接於對應的導線S(j)與導線G(i)。各導線S(j)與各導線G(i)相互絕緣並在一對應的跨越處Z(i,j)彼此跨越；因此，導線G(i)與S(j)在此跨越處Z(i,j)就會形成等效的互耦電容。
在第1圖的實施例中，顯示單元D(i,j)內包括有電晶體T(i,j)及電容C0。顯示單元D(i,j)可以是一液晶顯示單元，電晶體T(i,j)可以是一薄膜電晶體，其源極耦接於導線S(j)，閘極耦接於導線G(i)，汲極則耦接於顯示單元D(i,j)的顯示電極，舉例而言，由一氧化銦錫(ITO，Indium Tin Oxide)透明導體層形成的電極；液晶會填充在此一顯示電極與另一個傳輸共同電壓Vcom的電極之間，形成顯示單元D(i,j)中的電容C0。各導線G(i)與導線S(j)可分別視為閘極導線與源極導線；電晶體T(i,j)受控於導線G(i)的位準，以選擇性地將顯示單元D(i,j)導通至對應的導線S(j)。
延續第1圖的實施例，請參考第2圖與第3圖。第2圖示意顯示面板10配合一控制系統20運作的實施例，第3圖則示意控制系統20的運作時序實施例，其橫軸為時間。對應顯示面板10的各導線G(i)、G(i’)與導線S(j)、S(j’)，控制系統20中設有複數個驅動單元Sd(j)、Sd(j’)與驅動單元Gd(i)、Gd(i’)，切換電路Sx(j)、Sx(j’)與切換電路Gx(i)、Gx(i’)，以及電容感測單元Sc(j)、Sc(j’)與輔助單元Gc(i)、Gc(i’)。對應導線S(j)，切換電路Sx(j)耦接於導線S(j)、驅動單元Sd(j)與電容感測單元Sc(j)之間。對應導線G(i)，切換電路Gx(i)則耦接於導線G(i)、驅動單元Gd(i)與輔助單元Gc(i)之間。
為兼顧顯示與觸控感測的功能，控制系統20可在時序上週期性地控制顯示面板10進行一感測階段與一顯示階段。在感測階段中，控制系統20經由導線S(j)感測應跨越處Z(i,j)的電容；在顯示階段中，則經由導線S(j)驅動對應顯示單元D(i,j)進行顯示。
控制系統20利用顯示面板10實現觸控螢幕的時序實施例可參考第3圖的下半部。控制系統20會為同一導線S(j)上的各個對應導線G(i)及G(i’)(譬如說i’=i+1)分別進行週期P1(i,j)與P1(i’,j)的控制，各週期P1(i,j)中有一顯示階段Pd(i,j)與一感測階段Pc(i,j)。
在週期P1(i,j)的顯示階段Pd(i,j)中，控制系統20的切換電路Gx(i)會將驅動單元Gd(i)導通至導線G(i)，由驅動單元Gd(i)導通顯示單元D(i,j)的電晶體T(i,j)。在電晶體T(i,j)導通後，切換電路Sx(j)也會將驅動單元Sd(j)導通至導線S(j)；經由導通的電晶體T(i,j)，驅動單元Sd(j)就可透過導線S(j)而將顯示單元D(i,j)對應的子像素資料(代表顯示單元D(i,j)應顯示的色階)傳輸至其電容C0，驅動顯示單元D(i,j)進行顯示。換句話說，各驅動單元Gd(i)、Gd(i’)就是驅動顯示面板10進行顯示的閘極驅動器(gate driver)，驅動單元Sd(j)、Sd(j’)則是源極驅動器(source driver)。
另一方面，在週期P1(i,j)的感測階段Pc(i,j)中，切換電路Gx(i)會切換使輔助單元Gc(i)導通至導線G(i)；切換電路Sx(j)則切換由電容感測單元Sc(j)導通至導線S(j)，以量測跨越處Z(i,j)的電容。輔助單元Gc(i)可經由導線G(i)向電晶體T(i,j)的閘極提供適當的電壓，一方面使電晶體T(i,j)維持於不導通的狀態，讓顯示單元D(i,j)能根據電容C0維持的子像素資料持續顯示；另一方面，輔助單元Gc(i)在導線G(i)上提供的電壓引發適當的電容至電荷轉換，使得電容感測單元Sc(j)能量測到跨越處Z(i,j)的等效電容。
週期P1(i,j)結束後，控制系統20可進行另一個週期P1(i’,j)；在切換電路Gx(i’)/Sx(j)的時序控制下，驅動單元Gd(i’)/輔助單元Gc(i’)會分別和驅動單元Sd(j)/電容感測單元Sc(j)協同進行顯示階段Pd(i’,j)與感測階段Pc(i’,j)的運作，在另一顯示單元D(i’,j)上進行顯示，並量測另一跨越處Z(i’,j)上因觸控引起的電容變化量。
在一具體實施例中，不同導線S(j)與S(j’)上的切換電路Sx(j)、Sx(j’)，驅動單元Sd(j)、Sd(j’)與電容感測單元Sc(j)、Sc(j’)可同步運作。也就是說，當在導線S(j)上進行週期P1(i,j)時，同步地在導線S(j’)上進行週期P1(i,j’)(未示於第3圖)，同時以電容感測單元Sc(j)、Sc(j’)分別感測跨越處Z(i,j)與Z(i,j’)的電容，並同時以驅動單元Sd(j)、Sd(j’)分別驅動顯示單元D(i,j)、D(i,j’)進行顯示。
在每個週期P1(i,j)中，感測階段Pc(i,j)與顯示階段Pd(i,j)的進行順序可以互換；舉例而言，可在週期P1(i,j)中先進行顯示階段Pd(i,j)再進行感測階段Pc(i,j)。
在第3圖中，共同電壓Vcom會在複數個不同位準VcomA與VcomB間反轉切換。較佳地，各感測階段Pc(i,j)都會在共同電壓Vcom維持固定位準時進行，避免共同電壓Vcom的位準轉換影響觸控感測。
在實現觸控螢幕之餘，於另一模式下，控制系統20也可以僅將顯示面板10用於影像顯示，其控制時序則如第3圖上半部所示。在此情形下，導線S(j)配合導線G(i)、G(i’)的每個週期P0(i,j)與P0(i’,j)都只有顯示階段，切換電路Gx(i)、Gx(i’)分別將驅動單元Gd(i)、Gd(i’)持續導通至導線G(i)、G(i’)，切換電路Sx(j)則維持將驅動單元Sd(j)導通至導線S(j)，以在各週期P0(i,j)與P0(i’,j)中分別驅動顯示單元D(i,j)與D(i’,j)。各週期P0(i,j)與週期P1(i,j)的時間長短可以相同或相異。
換句話說，藉由控制系統20的時序控制，顯示面板10可彈性運作於不同的模式；其可實現觸控感測與顯示功能，也可以只單純進行顯示功能而停止觸控感測，或者，也可以只用於感測觸控而不顯示(即在各週期中取消顯示階段)。再者，控制系統20也可以在顯示面板10的不同部份實現不同的模式。譬如說，在導線G(i)上的各顯示單元D(i,j)進行顯示並在各跨越處Z(i,j)進行觸控感測，在導線G(i’)上則只驅動各顯示單元D(i’,j)進行顯示，而不對跨越處Z(i’,j)進行觸控感測。
第4圖顯示輔助單元Gc(i)與電容感測單元Sc(j)的電路實施例。輔助單元Gc(i)在節點N1耦接至切換電路Gx(i)，並設有開關S1與S2，以選擇性地將節點N1導通至電壓V1與V2的其中之一。電容感測單元Sc(j)可包含一放大器OP，例如一差動運算放大器，其輸入端之一於節點N2耦接於切換電路SX(j)，另一輸入端回授至節點N3；配合節點N2與N3間的開關S3與電容Cr，放大器OP可在節點N3的輸出端提供一(類比)輸出訊號Vo。
在感測階段中，輔助單元Gc(i)與電容感測單元Sc(j)共同實現一電容至電壓轉換電路，以將跨越處Z(i,j)的等效互耦電容Cz的電容值轉換為輸出訊號Vo的電壓大小。當輔助單元Gc(i)與電容感測單元Sc(j)運作時，感測階段可劃分為三個子時段，在第一個子時段，開關S1將電壓V1導通至節點N1，開關S2與S3不導通。在第二個子時段，開關S1停止導通，改由開關S2將電壓V2導通至節點N1，開關S3維持不導通；在此情形下，電壓V1與V2間的差異會將電容Cz的電容值反應於電荷，並轉移至電容Cr，以提供對應的輸出訊號Vo。在第三個子時段，開關S3導通以重設電容Cr中的電荷。電壓V1與V2可以低於電晶體T(i,j)的臨限電壓，使電晶體T(i,j)在感測階段中仍維持不導通的狀態。輸出訊號Vo可以另由類比至數位轉換器(未示出)轉換為數位訊號。
第4圖繪示的只是一實施例，其他可用於感測電容的電路架構均可應用於輔助單元Gc(i)與電容感測單元Sc(j)。或者，輔助單元Gc(i)與電容感測單元Sc(j)的架構也可互相調換；也就是說，改將電容感測單元、驅動單元 Gd(i)與切換電路Gx(i)群組在一起以對應導線G(i)，並將輔助單元、驅動單元Sd(j)與切換電路Sx(j)群組在一起以對應導線S(j)。
於另一實施例中，在第二圖中不一定要為每一導線G(i)均設置切換電路Gx(i)與輔助單元Gc(i)；某些導線G(i)可以直接耦接至對應驅動單元Gd(i)，只用於影像顯示，不進行觸控感測。舉例而言，若足標i除以3的餘數為0，則在控制系統20中為導線G(i)設置對應的切換電路Gx(i)與輔助單元Gc(i)；若足標i除以3的餘數為1或2，則在控制系統20中直接將導線G(i)耦接至Gd(i)。或者，不一定要為每一導線S(j)均設置切換電路SX(j)與電容感測單元Sc(j)。
控制系統20可整合實現於一晶片，舉例而言，顯示面板的時序控制晶片。於另一實施例中，各切換電路Gx(i)與對應的輔助單元Gc(i)、驅動單元Gd(i)整合設置於一閘極驅動器晶片中，各切換電路Sx(j)與對應的電容感測單元Sc(j)、驅動單元Sd(j)則整合設置於一源極驅動器晶片中，各切換電路Sx(j)、Gx(i)在感測階段與顯示階段間切換的時序則由時序控制晶片予以控制。
由於導線G(i)與導線S(j)的排列密度相當高，故利用跨越處Z(i,j)進行觸控感測所得的觸控位置解析度可以相當精密。較佳地，可將多個相鄰跨越處的感測結果綜合起來，增進觸控感測的量化(quantization)解析度。舉例來說，假設在各跨越處Z(i,j)的觸控感測結果(譬如說是將輸出訊號Vo進行類比至數位轉換的結果)原本為m位元的數位訊號，集合跨越處Z(i,j)、Z(i,j’)、Z(i’,j)與Z(i’,j’)(譬如說i’=i+1，j’=j+1)的數位感測結果，就可在此2*2個跨越處形成的區塊中提供(m+2)位元的數位感測結果，可提昇量化解析度並降低類比至數位轉換所需的解析度。
延續第1圖與第2圖的實施例，第5圖示意顯示面板10的一種實施例，例如一扭曲向列型(TN，Twisted Nematic)液晶顯示面板。顯示面板10可形成於一基底(如一玻璃基底)12；在此基底12上，各顯示單元D(i,j)以其電晶體T(i,j)耦接至一顯示電極PE，形成電容C0(第1圖/第2圖)的一極。顯示面板10另設有一導體層Vcom_ITO，覆蓋於各顯示單元D(i,j)的電晶體T(i,j)之上，由各顯示單元D(i,j)共用，用以導通共同電壓Vcom，為各顯示單元D(i,j)形成電容C0的另一極。舉例而言，各顯示電極PE可由一氧化銦錫透明導體層形成，而導體層Vcom_ITO則形成於另一氧化銦錫透明導體層。在將本發明技術應用於此種顯示面板以實現觸控螢幕時，由於導體層Vcom_ITO延伸覆蓋顯示面板10的所有顯示單元D(i,j)，若連各跨越處Z(i,j)也一併覆蓋，有可能影響在跨越處Z(i,j)的觸控感測。較佳地，可在導體層Vcom_ITO上設置複數個貫穿導體層Vcom_ITO的孔洞H，各孔洞對應一個跨越處Z(i,j)，以使跨越處Z(i,j)更容易感應到觸控引發的電容變化。舉例而言，如第5圖的右上附圖所示，各孔洞H在基底12的平面投影與各跨越處Z(i,j)的平面投影可以至少有部份重疊，使各跨越處Z(i,j)能暴露在導體層Vcom_ITO的覆蓋之外。孔洞H的形狀可以是任意幾何形狀，不同跨越處所對應的孔洞形狀可以是一致的或是相異的。在某些跨越處也可以不設置對應的孔洞，舉例而言，若某些跨越處未用以感測觸控，就不必設置對應的孔洞。孔洞的設置可增強以顯示面板10進行觸控感測的能力，也可增進顯示面板10的透光率。
於另一實施例中，某些其他種類的顯示面板不需設置覆蓋顯示電極的共同電壓導體層，各導線的跨越處直接暴露在可感應外界電容變化的情況下；此種顯示面板可不需設置孔洞，直接應用本發明技術來將其實現為一觸控螢幕。舉例而言，橫向電場效應(IPS，In-Plane Swicthing)型液晶顯示面板與有機發光二極體(OLED，Organic Light Emitting Diode)就屬於此種顯示面板，也都可以運用本發明技術將其實現為觸控螢幕。
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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。
10．．．顯示面板
12．．．基底
20．．．控制系統
D(i-1,j-1)-D(i+1,j+2)、D(i,j)-D(i’,j’)．．．顯示單元
T(i-1,j-1)-T(i+1,j+2)、T(i,j)-T(i’,j’)．．．電晶體
Z(i-1,j-1)-Z(i+1,j+2)、Z(i,j)-Z(i’,j’)．．．跨越處
Gx(i)-Gx(i’)、Sx(j)-Sx(j’)．．．切換電路
Gd(i)-Gd(i’)、Sd(j)-Sd(j’)．．．驅動單元
Gc(i)、Gc(i’)．．．輔助單元
Sc(j)、Sc(j’)．．．電容感測單元
Vcom．．．共同電壓
N1-N3．．．節點
G(i-1)-G(i+1),S(j-1)-S(j+2),G(i)-G(i’),S(j)-S(j’)．．．導線
Cr、Cz、C0．．．電容
OP．．．放大器
S1-S3．．．開關
V1、V2．．．電壓
Vo．．．輸出訊號
P0(i,j)-P0(i’,j)、P1(i,j)-P1(i’,j)．．．週期
Pc(i,j)-Pc(i’,j)．．．感測階段
Pd(i,j)-Pd(i’,j)．．．顯示階段
VcomA、VcomB．．．位準
Vcom_ITO．．．導體層
PE．．．顯示電極
H．．．孔洞
第1圖示意根據本發明實施例的一種顯示面板。
第2圖示意根據本發明實施例的一種控制系統以控制第1圖顯示面板的一種實施例。
第3圖示意的是第2圖控制系統的運作時序實施例。
第4圖示意根據本發明實施例的一種控制系統。
第5圖示意根據本發明實施例的一種顯示面板。
10．．．顯示面板
20．．．控制系統
D(i,j)-D(i’,j’)．．．顯示單元
T(i,j)-T(i’,j’)．．．電晶體
Z(i,j)-Z(i’,j’)．．．跨越處
Gx(i)-Gx(i’)、Sx(j)-Sx(j’)．．．切換電路
Gd(i)-Gd(i’)、Sd(j)-Sd(j’)．．．驅動單元
Gc(i)、Gc(i’)．．．輔助單元
Sc(j)、Sc(j’)．．．電容感測單元
Vcom．．．共同電壓
G(i)-G(i’)、S(j)-S(j’)．．．導線
C0．．．電容

Claims (10)

  1. 一種觸控螢幕的方法，應用於顯示面板包含複數個第一導線、複數個第二導線與複數個顯示單元，各第一導線與各第二導線相互絕緣並在一對應的跨越處彼此跨越；各顯示單元耦接於該些第一導線的其中之一及該些第二導線的其中之一；該方法包含有：在一感測階段中，經由該些第一導線的至少其中之一感測相關於該些跨越處中一跨越處的電容；以及在一顯示階段中，經由該些第一導線的至少其中之一驅動至少一對應顯示單元進行顯示。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中各顯示單元中包含有一對應電晶體，其係受控於該各顯示單元對應的該各第二導線以選擇性地將該各顯示單元導通至對應的該各第一導線，該方法更包含：在該顯示階段中，經由該些第二導線的至少其中之一導通該對應顯示單元的該對應電晶體，以經由該對應顯示單元對應的該第一導線驅動該對應顯示單元進行顯示；以及在該感測階段中，經由該些第二導線的至少其中之一使該對應顯示單元的該對應電晶體停止導通，以經由該對應顯示單元對應的該第一導線量測該對應顯示單元對應於該第一導線與該第二導線的該跨越處的電容。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在該感測階段中，將該些第一導線的至少其中之一分別導通至一對應 的電容感測單元以量測該對應跨越處的電容。
  4. 如申請專利範圍第3項的方法，其中在該顯示階段中，將該些第一導線的至少其中之一分別導通至一對應的驅動單元以驅動該對應顯示單元進行顯示。
  5. 一種觸控螢幕，其包含有：複數個第一導線；複數個第二導線，各第一導線與各第二導線相互絕緣並在一對應的跨越處彼此跨越；複數個顯示電極；各顯示電極耦接於該些第一導線的其中之一及該些第二導線的其中之一；以及一共同電壓導體層，覆蓋於些顯示電極之上；該共同電壓導體層上設有複數個孔洞，其中，該些孔洞的位置係相關於該些跨越處。
  6. 如申請專利範圍第5項的觸控螢幕，其中各孔洞的平面投影與該些跨越處的其中之一的平面投影至少有部份重疊。
  7. 一種控制顯示面板裝置，作為一控制系統，用以控制一顯示面板，該顯示面板設有複數個第一導線、複數個第二導線與複數個顯示單元，各第一導線與各第二導線相互絕緣並在一對應的跨越處彼此跨越；各顯示單元耦接於該些第一導線的其中之一及該些第二導線的其中之 一；該控制顯示面板裝置包含有：複數個電容感測單元，各電容感測單元對應於該些第一導線的其中之一；當該各電容感測單元導通至該對應第一導線時，該各電容感測單元會對該第一導線對應的該些跨越處的至少其中之一進行電容量測；複數個驅動單元，各驅動單元對應於該些第一導線的至少其中之一；當該各驅動單元導通至該對應第一導線時，該各驅動單元會對該第一導線耦接的該些顯示單元的至少其中之一進行驅動；以及複數個切換電路，各切換電路耦接於該些第一導線的其中之一，該些切換電路在一感測階段中將該些第一導線分別導通至該些電容感測單元，並在一顯示階段中將該些第一導線分別導通至該些驅動單元。
  8. 如申請專利範圍第7項的控制顯示面板裝置，其中各顯示單元包含一電晶體，其係受控於該各顯示單元對應的該第二導線以選擇性地將該各顯示單元導通至該對應的第一導線。
  9. 如申請專利範圍第8項的控制顯示面板裝置，更包含：複數個第二驅動單元，各第二驅動單元對應於該些第二導線的至少其中之一；複數個輔助單元，各輔助單元對應於該些第二導線的至少其中之一；以及 複數個第二切換電路，各第二切換電路耦接於該些第二導線的其中之一。
  10. 如申請專利範圍第9項的控制顯示面板裝置，其中該些第二切換電路在該顯示階段中將該些第二導線導通至對應的第二驅動單元以導通對應的電晶體，並在該感測階段中將該些第二導線導通至對應的輔助單元以使對應的電晶體停止導通。
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