(57)【要約】【課題】アクティブピクセルセンサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の１つの態様はタッチパネルを提供する。当該タッチパネルは、アレイ状で配列されて、タッチイベントを検知する複数のアクティブピクセルセンサを含んでいる。各センサー素子は感光素子を含み、単一増幅器と接続される。当該センサー素子は、検知周期において光検出器により受信された輝度レベルを表す検出電圧を提供する。増幅器は検知周期において検出電圧を出力電圧に増幅させる。検知周期の後、出力電圧と検出電圧は予定の電圧レベルにリセットされる。リセット期間の後、光検出器および増幅器を無効にさせ、検出レベルを予定の電圧レベル以下に下げる。【選択図】図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサー素子であって、
第１電圧源に接続される第１増幅器端、電圧出力に動作可能に接続され且つ電流源に接続されるように設定される第２増幅器端及び制御端を有する増幅器と、
前記第１電圧源に動作可能に接続される第１素子端、及び、前記増幅器の制御端に動作可能に接続される第２素子端を有する感光素子と、
を含み、
前記電圧出力はリセット素子に動作可能に接続されて、前記電圧出力を予定のリセット電圧にリセットする、
ことを特徴とするセンサー素子。
【請求項２】
前記第２素子端と前記第２増幅器端との間に接続されて、導通状態と非導通状態で動作可能な第１スイッチング素子を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
前記リセット素子は第２スイッチング素子を含み、導通状態と非導通状態で動作可能であり、前記第１スイッチング素子が前記導通状態で動作する時、前記第２スイッチング素子も前記導通状態で動作することを特徴とする請求項２に記載のセンサー素子。
【請求項４】
前記増幅器は、ソース端、ドレイン端及びゲート端を有するトランジスタを含み、前記第１増幅器端は前記ソース端に動作可能に接続され、前記第２増幅器端は前記ドレイン端に動作可能に接続され、前記制御端は前記ゲート端に動作可能に接続されることを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項５】
前記電流源は、前記感光素子の第１素子端と第２素子端との間に接続されるキャパシタを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項６】
前記感光素子は前記第１素子端及び前記第２素子端の間に接続されるフォトダイオードと、フォトダイオードと並列に接続されるキャパシタと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項７】
感光アレイであって、
請求項２に記載された複数のセンサー素子を含み、前記センサー素子は複数の行に配置され、各行は行選択信号を受信するように設定されて、前記スイッチング素子を導通状態で動作させることを特徴とする感光アレイ。
【請求項８】
複数のセンサー素子を含むセンサー領域、コントロール領域及び検出回路領域を含むタッチパネルであって、
各前記センサー素子は、
前記コントロール領域からの第１電圧源に接続される第１増幅器端、電圧出力に動作可能に接続され且つ前記検出回路領域における電流源に接続されるように設定される第２増幅器端及び制御端を有する増幅器と、
前記第１電圧源に動作可能に接続される第１素子端、及び、前記増幅器の制御端に動作可能に接続される第２素子端を有する感光素子と、
を含み、
前記電圧出力はリセット素子に動作可能に接続されて、前記電圧出力を予定のリセット電圧にリセットする、
ことを特徴とするタッチパネル。
【請求項９】
各前記センサー素子は、前記第２素子端と前記第２増幅器端との間に接続され、導通状態及び非導通状態で動作可能な第１スイッチング素子を更に含むことを特徴とする請求項８に記載のタッチパネル。
【請求項１０】
前記リセット素子は第２スイッチング素子を含み、導通状態と非導通状態で動作可能であり、前記第１スイッチング素子が前記導通状態で動作する時、前記第２スイッチング素子も前記導通状態で動作することを特徴とする請求項９に記載のタッチパネル。
【請求項１１】
前記検出回路領域は、各前記センサー素子の前記電圧出力を計測するための計測装置を含むことを特徴とする請求項８に記載のタッチパネル。
【請求項１２】
前記複数のセンサー素子は複数の行に配列され、前記コントロール領域は、前記複数の行における前記複数のセンサー素子に複数の電圧供給線を提供するように設定され、各前記電圧供給線は異なる電圧供給信号を有して、前記複数の行における異なる行のセンサー素子に前記第１電圧源を提供することを特徴とする請求項８に記載のタッチパネル。
【請求項１３】
前記電圧供給線のうちの１つの電圧供給信号は、前記電圧供給線のうちのその他の電圧供給信号と重ならないことを特徴とする請求項１２に記載のタッチパネル。
【請求項１４】
前記複数のセンサー素子は複数の行に配列され、前記タッチパネルは、更に複数の表示画素及び複数のゲート線を含み、前記表示画素は複数の画素行に配置され、前記複数のゲート線は前記複数の画素行に制御信号をそれぞれ提供し、前記複数のゲート線のうちの１つまたは複数が、前記複数の行のうちの１つまたは複数の行における前記センサー素子に前記第１電圧源を提供することを特徴とする請求項８に記載のタッチパネル。
【請求項１５】
タッチセンシング方法であって、
複数のセンサー素子をタッチパネルに配置するステップと、
検知周期において光検出器により受信された輝度レベルを表す検出電圧を提供するように、各前記センサー素子に前記光検出器を提供するステップと、
前記センサー素子の前記検出電圧を増幅して、前記検知周期における前記検出電圧を表す出力電圧を提供するステップと、
前記検知周期の後のリセット周期において、前記出力電圧を予定の電圧レベルにリセットするステップと、
を含むことを特徴とするタッチセンシング方法。
【請求項１６】
上記リセット周期において、前記検出電圧を前記予定の電圧レベルにリセットするステップを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載のタッチセンシング方法。
【請求項１７】
前記リセット周期の後のオフ期間において、前記光検出器を無効にさせ、前記検出電圧を前記予定の電圧レベル以下に下げるステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載のタッチセンシング方法。
【請求項１８】
前記複数のセンサー素子はアレイ状で前記タッチパネルの複数の位置に配列され、前記タッチセンシング方法は、
各前記複数のセンサー素子の前記出力電圧を計測して、複数の計測電圧を提供するステップと、
前記計測電圧を比較して、前記タッチパネルにおけるタッチ位置を判断するステップと、
を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載のタッチセンシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチセンサアレイに関し、特に、アクティブピクセルセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
低温ポリシリコン（low temperature poly-silicon, LTPS）技術の成熟につれ、タッチセンサを駆動回路とともにガラス基板上に製造することが可能となって来た。アクティブピクセルセンサ（active pixel sensor, APS）はその名の通りパシブピクセルセンサ（Passive Pixel Sensor, PPS）とは異なり、その原因はアクティブピクセルセンサにおけるセンサー素子には能動型増幅器を有しており、例えば薄膜トランジスタ（thin film transistor, TFT）のように光検出器により検出された感知信号を増幅する。これによって、アクティブピクセルセンサの信号対雑音比（SNR）が大幅に増加されることが可能となった。パシブピクセルセンサに比べ、アクティブピクセルセンサの最大の欠点は、アクティブピクセルセンサの各センサー素子には多くの電子部品を含んでいるため、センサー素子のサイズを縮小することが難しい（特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００３】
従って、センサ素子により少ない電子部品を含むアクティブピクセルセンサの製造方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６４１０８９９号明細書
【特許文献２】米国特許第５９２３３６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、センサ素子のサイズを縮小し難い課題を解決するために、センサ素子により少ない電子部品を含むアクティブピクセルセンサおよびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、アレイ状に配置されてタッチイベントを検知する複数のアクティブピクセルセンサを含むタッチパネルを提供する。各センサー素子は単一増幅器に接続される感光素子を含む。センサー素子は、検知周期において光検出器により受信された輝度レベルを表す検出電圧を提供するように配置される。増幅器は、検知周期において検出電圧を出力電圧に増幅する。検知周期後、出力電圧と検出電圧は予定の電圧レベルにリセットされる。リセット周期後、光検出器および増幅器を無効にさせて、検出レベルを予定の電圧レベル以下に下げる。
【０００７】
従って、本発明の第１の態様はタッチパネルに用いられるセンサー素子である。センサー素子は増幅器及び感光素子を含む。増幅器は第１増幅器端、第２増幅器端及び制御端を有する。第１増幅器端は第１電圧源に接続され、第２増幅器端は電圧出力に動作可能に接続され、且つ第２増幅器端は電流源に接続されるように設定される。感光素子は第１素子端および第２素子端を有する。第１素子端は第１電圧源に動作可能に接続され、第２素子端は増幅器の制御端に動作可能に接続され、そのうち、電圧出力はリセット素子に動作可能に接続されて電圧出力を予定のリセット電圧にリセットする。センサー素子は、第２素子端と第２増幅器端との間に接続される第１スイッチング素子を含み、当該第１スイッチング素子は導通状態及び非導通状態で動作することができ、これによりスイッチング機能を実現する。リセット素子は第２スイッチング素子を含み、当該第２スイッチング素子は導通状態及び非導通状態で動作可能であり、前記第１スイッチング素子が導通状態で動作する時、第２スイッチング素子も導通状態で動作される。例を挙げると増幅器はトランジスタであってもよい。
【０００８】
本発明の様々な実施例によれば、センサー素子は感光素子の第１素子端と第２素子端との間に接続されるキャパシタを更に含む。そのうち、感光素子は、第１素子端と第２素子端との間に接続されるフォトダイオードと、フォトダイオードと並列に接続されるキャパシタと、を含む。
【０００９】
本発明の第２の態様は、複数の上述したセンサー素子を有するタッチパネルである。タッチパネルは複数のセンサー素子からの電圧出力を有する。電圧出力は検出回路に伝送されて計測される。これによって、タッチイベントが発生した位置を判断する。
【００１０】
本発明の技術によれば、検出回路は各センサー素子からの電圧出力を計測するための計測装置を有する。
【００１１】
本発明の第３の態様はタッチセンシング方法であり、当該タッチセンシング方法は、
複数のセンサー素子をタッチパネルに配置するステップと、
各センサー素子に光検出器を提供し、当該光検出器は、検知周期において光検出器により受信された輝度レベルを表す検出電圧を提供するように配置されるステップと、
センサー素子の検出電圧を増幅して、検知周期における検出電圧を表す出力電圧を提供するステップと、
検知周期後のリセット周期において、出力電圧を予定した電圧レベルにリセットするステップと、
を含む。
【００１２】
本発明の様々な実施例によれば、当該方法は、リセット周期において、検出電圧を予定した電圧レベルにリセットするステップを更に含む。
【００１３】
本発明の様々な実施例によれば、当該方法は、リセット周期後のオフ期間において、光検出器を無効とさせて、検出電圧を予定の電圧レベル以下に下げるステップを更に含む。
【００１４】
本発明の第４の態様は統合型タッチパネルであり、タッチセンシング素子を当該表示パネルに提供する。表示パネル（画素行と画素列により構成される画素アレイを含み、複数のゲート線信号を利用して画素行を制御する）において、一部のゲート線信号をタッチパネルにおける異なる行のセンサー素子の電圧供給信号にすることは可能である。
【００１５】
本発明の目的及び利点がより一層明確に判るよう図面を参照しながら説明する。図１〜図６ｂに対する説明は下記の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるアクティブピクセルセンサの全体的配置図を示す図である。
【図２ａ】本発明の１例によるアクティブピクセルセンサにおけるセンサー素子の電子部品を示す図である。
【図２ｂ】本発明の他の実施例によるアクティブピクセルセンサにおけるセンサー素子の電子部品を示す図であり、当該センサー素子は異なる電流源に接続されている。
【図３】本発明の１例によるセンサー領域を示す図であり、当該センサー領域は一アレイ状に配置されたセンサー素子を有する。
【図４】センサー素子における異なる信号レベルを示すタイミング図である。
【図５】本発明の１例によるタッチパネルにおける異なる信号を示すタイミング図である。
【図６ａ】本発明の１例による統合型タッチスクリーンを示す図であり、複数のアクティブピクセルセンサを有する。
【図６ｂ】本発明の他の実施例による統合型タッチスクリーンを示す図であり、複数のアクティブピクセルセンサを有する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の１例によれば、アクティブピクセルセンサは、図１に示すように、３つの領域、即ち、センサー領域、検出回路領域およびコントロール領域に分けられる。センサー領域にはセンサー素子アレイ（図３に示す）が含まれて、センサー領域における配光を検知する。センサーアレイからの感知信号は検出回路領域に伝送されて処理される。コントロール領域は、例えば、感知信号をセンサーアレイから検出回路領域に伝送することを制御し、センサ素子をリセットし、またはセンサ素子の供給電圧を制御するのに用いられる。センサー領域、検出回路領域及びコントロール領域は、単一基板上に集積回路として製造することができる。例えば、一部又は全部の集積回路は、低温ポリシリコン（low temperature poly-silicon, LTPS）を用いてガラス基板上に製造することができる。なお、アクティブピクセルセンサは、異なる材料を用いて異なる基板上に製造することも可能である。
【００１８】
液晶ディスプレイ（liquid crystal display, LCD）或いは発光ダイオード（light-emitting diode, LED）ディスプレイ等の表示パネルにおいて、センサー領域を表示パネルに統合させることは可能である。
【００１９】
本発明は、主にセンサー領域に関し、特に、センサー素子における電子部品と電子回路に関する。
【００２０】
図３に示すように、センサー領域１０はセンサー素子２０アレイを含んで、コントロール領域の異なる電圧供給線及びリセット信号線（図１に示す）に接続される。図３に示すように、各行のセンサー素子２０は分かれた電圧供給信号VDDｎとリセット信号RSTｎにより駆動され、且つ、各列のセンサー素子２０は一本の出力線VOUTｍに接続されて、センサー素子２０から出力電圧を検出回路２００に提供する。
【００２１】
本発明の１例によれば、センサー素子２０は図２ａ及び図２ｂに示すように、光検出器（感光素子）２２、キャパシタ２４、増幅器２６およびスイッチング素子２８を含む。増幅器２６は、例えば、単一トランジスタMsfであってもよい。光検出器２２は例えばフォトダイオードであってもよく、キャパシタ２４と並列に電気的に接続される。光検出器２２の一端は電圧レベルVDD1の供給電圧に電気的に接続され、且つこの電圧レベルは変えられることが好ましい。センサー素子２０が検出用に選択された場合、VDD1が高電圧であり、センサー素子２０が検出用に選択されなかった場合、VDD1が低電圧である（図４を参照）。光検出器２２の他端はトランジスタMsfのゲート端に接続され、このトランジスタMsfは能動型増幅器として用いられ、センシングポイントVpsにおける感光信号を増幅させる。増幅器２６は、ソースフォロアー又は共通ドレイン単一増幅器等であってもよく、バイポーラトランジスタ（Bipolar-Junction Transistor, BJT）を増幅器として用いた場合、増幅器がコモンコレクタ構造であることも可能である。Vpsにおける光漏れ電圧信号が増幅器２６を介して増幅された後、当該増幅信号はVoutとして出力される。図２ａに示すように、Voutは外部電流源４０に接続され、外部電流源４０は電圧レベルVSS1に接続される。出力電圧Voutはリセット信号RSTAを利用し、外部スイッチング素子SAを介して電圧レベルVRSTにリセットされることができる。Vpsの電圧レベルもリセット信号RST1を利用し、スイッチング素子２８を介して電圧レベルVRSTにリセットされることができるが、リセット信号RSTは１つの好適な実施例において、リセット信号RSTAと同期である。
【００２２】
図２ｂは本発明の他の実施例を示し、電流源はキャパシタ４２を含んで、スイッチング素子SAと並列に接続されて、出力電圧VoutおよびVpsの電圧レベルを同様なリセットレベルVRSTにリセットさせる。
【００２３】
図４はセンサ素子（図２ａ及び図２ｂを参照）の動作原理を示す。図４に示すように、VDD1は２つの電圧レベル、即ち、高電圧レベルVghと低電圧レベルVglを有する。VDD1が低電圧レベルVglにある場合、増幅器２６はオフである。VDD1が高電圧レベルVghにある場合、増幅器２６は検知周期（図４における周期Ｉ〜ＩＩ）において検知信号Vpsを増幅させる。周期Ｉ〜ＩＩにおいて、出力電圧Voutは大体Vpsに従って増加する。検知信号Vpsの振幅は光検出器２２が受けた光強度を表す。センサー素子２０がタッチされる場合、検知信号Vpsと出力電圧Voutは減少または変更される。従って、出力電圧Voutを通じてタッチイベントを感知することができる。
【００２４】
周期ＩＩ〜IIIにおいて、リセット電圧RST1とRSTAは高レベルにあって、スイッチング素子２８とSAをオフにさせ（導通状態である）、出力電圧Voutおよび信号VpsがすべてVRSTに等しいである。周期III〜IＶにおいて、信号RSTAとRST1はオフにされ、出力電圧Voutと信号Vpsは少し変更する可能性がある。時点IＶにおいて、VDD1は低電圧レベルVglに切り替えられ、信号VpsのレベルはVRST−（Vgh−Vgl）に低下される。時点IＶからVDD1が再度高レベルになる前まで、Vpsは徐々に増加するが、Vglを超えない。
【００２５】
図２ａと図２ｂに示すように、出力電圧Voutは検出回路領域（図１に示すように）において、特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit, ASIC）によって信号VOUT1として読まれる。
【００２６】
本発明の様々な実施例によれば、VDD1は周期的に高レベルVghと低レベルVglに動作される。電圧レベルVDD1が低レベルにある場合、増幅器２６が非導通状態である。同時に、スイッチング素子２８も非導通状態であって、センシングポイントVpsと出力電圧Voutを電気的に隔離させる。従って、センサー素子の出力がアレイにおけるその他のセンサー素子を干渉する可能性が低い。
【００２７】
供給電圧VDD1とリセット信号RST1のタイミング及びその他の関連する供給電圧とリセット信号との関係は図５に示す通りである。図５はｎ行のセンサー素子を有するタッチパネルに用いられる電圧供給信号とリセット信号を示すタイミング図である。センサー素子における任意の行のｎ個のセンサー素子の出力信号を走査することにより、タッチパネルにおけるタッチイベントを監視且つ制御するために、各行のセンサー素子にそれぞれｎ個の電圧供給信号VDD1,VDD2,VDD3,…,VDDｎを提供する。次のVDD1信号を提供する前に、先ず全ての信号VDD2,VDD3,…,VDDｎを用意させるために、２つの隣接するVDD1信号の時間間隔を必ず充分に長くする必要がある。図５に示すように、２つの隣接する電圧供給信号（VDD1,VDD2）、（VDD2,VDD3）、…、（VDDｎ,VDD1）の間には時間の重なりがない。従って、センサー素子における任意の列の読み出し電圧出力VOUTｍがセンサー素子における各行の電圧出力のレベルを明らかに表すことができる。
【００２８】
つまり、本発明の１例は複数のセンサー素子２０を含むセンサー領域を有するタッチスクリーンを提供することである。各センサー素子２０は増幅器２６（Msf）と感光素子２２を含む。増幅器２６は、第１電圧源（VDD1）に接続される第１増幅器端（S）と、電圧出力（Vout）に動作可能に接続される第２増幅器端（D）と制御端（G）とを有し、当該第２増幅器端は電流源４０に接続されるように設定される。感光素子２２は、第１電圧源（VDD1）に動作可能に接続される第１素子端、および増幅器の制御端に動作可能に接続される第２素子端（Vps）を有し、そのうち、電圧出力はリセット素子（SA）に動作可能に接続されて、電圧出力を予定のリセット電圧（VRST）にリセットさせる。センサー素子は、さらに第１スイッチング素子２８を含んで、第２素子端（Vout）および第２増幅器端（Vps）の間に接続され、且つ、当該スイッチング素子は導通状態と非導通状態で動作することができる。
【００２９】
本発明の様々な実施例によれば、リセット素子（SA）は第２スイッチング素子を含み、導通状態と非導通状態で動作することができ、第１スイッチング素子２８が導通状態で操作される時、第２スイッチング素子も導通状態で操作される。
【００３０】
本発明の様々な実施例によれば、増幅器２６はソース端、ドレイン端及びゲート端を有するトランジスタを含み、第１増幅器端はソース端に動作可能に接続され、第２増幅器端はドレイン端に動作可能に接続され、制御端はゲート端に動作可能に接続される。
【００３１】
本発明の様々な実施例によれば、センサー素子はさらにキャパシタを含んで、感光素子の第１素子端と第２素子端との間に接続され、また、感光素子はフォトダイオードを含んで、第１素子端と第２素子端との間に接続される。なお、前記キャパシタとフォトダイオードは並列に接続される。
【００３２】
ここで注意しておきたいことは、センサー領域（図１に示すように）はタッチパネルのタッチスクリーン、または表示パネルに統合されたタッチスクリーンに用いられることができる。図６ａに示すように、タッチスクリーン１００は表示パネルに統合されている。表示パネルは画素１１０アレイを含んで、複数のゲート線G_1,G_2,…および複数のデータ線D_1,D_3,…により駆動される。タッチスクリーンの出力電圧Vout1,Vout2,…は検出回路２００に伝送される。
【００３３】
ここで注意しておきたいことは、タッチパネルの電圧供給信号VDD1,VDD2,…は重ならず（図５を参照）、且つ、表示パネルのゲート線信号G_1,G_2,…も重ならない。従って、図６ｂに示すように、タッチパネルの供給電圧信号として表示パネルのゲート線信号を利用することができる。例えば、ゲート線信号G_1はVDD1とし、ゲート線信号G_N+1はVDD2とし、G_2N+1はVDD3…等としてもよい。タッチパネルの供給電圧信号としてどのレベルのゲート信号を利用するかは、タッチパネルにおけるセンサー素子に対する表示パネルの画素分解能の配置により決められる。例えば、Nは１まで小さくなることも可能である。
【００３４】
本発明は、また、タッチセンシング方法を提供し、当該タッチセンシング方法は、
複数のセンサー素子をタッチパネルに配置するステップと、
検知周期において光検出器により受信された輝度レベルを表す検出電圧を提供するように、各前記センサー素子に前記光検出器を提供する。
【００３５】
センサー素子の検出電圧を増幅して、検知周期における検出電圧を表す出力電圧を提供するステップと、
検知周期後のリセット周期において、出力電圧を予定した電圧レベルにリセットするステップと、
を含む。
【００３６】
本発明の様々な実施例によれば、当該方法は、リセット周期において、検出電圧を予定した電圧レベルにリセットするステップを更に含む。
【００３７】
本発明の様々な実施例によれば、当該方法は、リセット周期後のオフ期間において、光検出器を無効とさせて、検出電圧を予定の電圧レベル以下に下げるステップを更に含む。
【００３８】
本発明の様々な実施例によれば、センサー素子はアレイ状でタッチパネルの複数の位置に配置され、なお、当該タッチセンシング方法は、更に、
各センサー素子の出力電圧を計測して、複数の計測電圧を提供するステップと、
計測電圧を比較して、タッチパネルにおけるタッチ位置を判断するステップと、
を含む。
【００３９】
以上、本発明の好適な実施例を挙げ説明したが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。当業者であれば、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り各種の変動や潤色を加えることができる。従って、本発明の保護範囲は特許請求の範囲に記載された内容を基準とする。
【符号の説明】
【００４０】
１０    センサー領域
２０    センサー素子
２２    光検出器
２４    キャパシタ
２６    増幅器
２８    スイッチング素子
４０    外部電流源
４２    キャパシタ
１００  タッチスクリーン
１１０  画素
２００  検出回路
D       ドレイン
G       ゲート
S       ソース
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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