CN102722274B - 一种触控笔系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种触控笔系统，其中包括一个导体尖端和一个连接，所述连接将所述导体尖端和一个驱动电路的第一个节点相连。其不仅能解决触控笔的侦测问题，更能完美解决其信号与其他信号的区分问题，而且本发明提供的方案成本低廉，便于大量推广。

Description

一种触控笔系统

技术领域

本发明涉及一种触控笔系统，尤其是配合电容式触控设备的电容式触控笔系统。

背景技术

电容式触控屏一般包含一个电极组或者电极网络和一个电路(例如触摸控制电路)，所述触摸控制电路用于感应或侦测电极上的电容的变化。当一个手指接近电极时会引入一些电容，于是手指就可以被感知和定位。对于一个手指操作时，显然会导致大一些的手指产生大的感应量，因为大的手指产生更大的接触面积；另一个因素是因为人手的指尖是软的，在接触面上会铺展开形成较大的接触面积。因而在一个优良的触控面板上手指可以产生较大电容变化量，从而被很容易的侦测。一般的，一个典型的手指接触会形成一个直径8mm的圆面。但触控屏并不限于手指操作，其他可以产生电容变化量的物体也是可行的，比如触控笔。但当触控笔在屏幕上滑动时，但是会产生两个问题，首先，触控笔笔尖直径很小，通常只有2mm的直径，另外，笔尖材料一般都是硬的。触控笔的产生是为了更舒服的书写手感和更精确的操作，但是其自身条件却与电容屏要求的较大接触面积所矛盾。触控笔产生的微小电容变化量（笔产生的信号）经常使得触控电路难以将其与测算系统本身的噪声信号区分开，这便是信噪比问题。还有一个问题值得一提，就是如何将笔产生的信号和手指产生的信号分别开。这里面有两种情况，第一，触控笔产生的小信号与手指距离触摸屏或者触摸板较远时产生的小信号会产生混淆，另一种情况是当握着触控笔的手接触到触控屏或触控板时，也会产生感应，这样就使得侦测和追踪笔产生的信号变的更难。本发明也解决了这个问题并同时提供一种辨识手指和笔的方法。

发明内容

本发明实际所要解决的技术问题是如何提供一种不但能流畅书写而且还能准确的与手指或者杂讯区别开的电容式触控笔系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种触控笔系统，其中包括一个导体尖端和一个连接，所述连接将所述导体尖端和一个驱动电路的第一个节点相连。

如此不仅能解决触控笔的侦测问题，更能完美解决其信号与其他信号的区分问题，而且本发明提供的方案成本低廉，便于大量推广。

附图说明

图1A是本发明触控笔的一种结构示意图

图1B是本发明触控笔的另一种结构示意图

图2是手和触控笔同时触摸触控设备的示意图

图3是弛缓振荡器的结构示意图

图4是在直流DCOS信号影响下电极电压的变化过程示意图

图5是在直流DCOS信号影响下手指和触控笔的测算数据散点图

图6是在正向方波DCOS信号影响下电极电压的变化过程示意图

图7是在正向方波DCOS信号影响下手指和触控笔的测算数据散点图

图8是在反向方波DCOS信号影响下电极电压的变化过程示意图

图9是在反向方波DCOS信号影响下手指和触控笔的测算数据散点图

图10A是一种求导后各个信道的数据散点图

图10B是另一种求导后各个信道的数据散点图

图11是TCSS信号和DCOS信号的同步示意图

图12是测算电桥、比较器和逻辑电路的连接结构示意图

图13A是从节点S引入手指或者触控笔后测算电桥的结构示意图

图13B是从节点R引入手指或者触控笔后测算电桥的结构示意图

图14A是节点R和S在补偿过程中的变化过程示意图

图14B是手指或触控笔电容和可变电容在补偿过程中的变化趋势示意图

图15A是从节点S引入触控笔和与举升电压变化趋势相反的电压源后测算电桥的结构示意图

图15B是从节点R引入触控笔和与举升电压变化趋势相反的电压源后测算电桥的结构示意图

图15C是从节点S引入触控笔和与举升电压变化趋势相同的电压源后测算电桥的结构示意图

图15D是从节点R引入触控笔和与举升电压变化趋势相同的电压源后测算电桥的结构示意图

图16A是从节点S引入触控笔和与举升电压变化趋势相反的电压源后所述节点R和S上的电势变化过程示意图

图16B是从节点S引入触控笔和与举升电压变化趋势相同的电压源后所述节点R和S上的电势变化过程示意图

具体实施方式

一种触控笔系统，其由一个触控设备、一个驱动电路和一个触控笔组成，所述触控设备可以是各种电容式的触控屏、触控板或触控块等等。所述驱动电路用于驱动所述的触控笔，其可以内置在所述触控笔中，也可以安设在其他位置。

请参考图1A所示，具体结构如下所述。所述触控笔1包括一个导体笔尖11和一个连接12。特别的，所述笔尖11由一个电容式的导体尖端（未图示）和一个可选的绝缘层111组成。所述绝缘层111用于防止意外短路，其也用于保护导体尖端意外的损坏或划伤所述触控设备，另外还可以起到装饰和美观的作用。所述导体尖端一般做成圆弧形，这样能在接触所述触控设备时候能保证各个角度的良好接触，也即是能保证一个持续的电容耦合，并与所述触控笔与触控设备形成的角度无关。所述导体笔尖通过一个连接12与所述驱动电路的第一节点相连。所述连接12上最好有一个屏蔽层112，其与所述驱动电路的第二节点相连。所述屏蔽层112的存在可以避免其他信号的干扰，比如在手握所述触控笔时，其可以避免手带来的干扰。

请参考图1B所示，在所述导体尖端的内部（未图示），还有一种其他填充物111。这种情况下，所述导体尖端相当于一个导体层包裹着内部材料。此时仍有一个连接12用于连接所述导体尖端和所述驱动电路的第一节点。相似的，所述连接12也有一个屏蔽层112，其连接到所述驱动电路的第二节点。

所述触控笔必须配合一个触控设备，所以所述触控设备要去侦测笔的位置并将其与手指信号和噪声信号区别开。所述手指或者触控笔靠近或接触所述触控设备的过程会被报告给一个主机或者操作系统，（本实施例中，可以简单的把所述主机或者操作系统看成一个cpu）所述主机或者操作系统会收到一个特殊的信号，将其区别于手指的触碰。在下述的第一种实施例中，会介绍一种侦测和区别的方法。其基本过程分别是扫描，计算处理和信号同步。

参看图2所示，在一个触控设备上通常都有许多个电极组或者电极阵列，电极间会有一定的电容，电极和接触物（如手指，触控笔）之间也存在电容。一旦一个手指或者触控笔足够靠近到所述触控设备，额外的电容就会被引入到附近的电极上。电极间本身的电容为自电容，出于手指和笔影响下的电容叫互电容。

参看图3，一种常用测算电极电容C_EL的方法是测算一个弛缓振荡器的频率。这种方法中，必须引入一些信号。触摸控制电路中的激励信号，简称为TCSS信号；驱动电路输出信号，简称DCOS信号；还有一个同步信号，简称SYNS信号。

如果一个触摸控制电路使用了弛缓振荡器，就会通过测量V_OUT震荡的周期测算电极电容C_EL；或者测量震荡频率甚至在一段观察时间内对图中节点电势V_OUT处（输出节点）的充放电循环次数进行计数。结合图4和图5参看，未被手指耦合的电极产生一个充放电循环次数n₀。如果被手指电容耦合，其循环次数n_f必定小于n₀，因为手指和电极的并联电容更大，需要更长的充电时间。手指产生一个相对大的耦合电容，于是其测算时间相对于测算时间基准线会有一个可见的增长。所述测算时间基准线是结合了电极本身电容的标准测算时间。可以发现，所述触控笔也能产生一个微小的轨迹（图5中a线段），因为笔产生的微小电容。该过程可以被一致应用到各个电极上。每个电极都通过一个模拟开关电路连接到所述触摸控制电路。

一个采用弛缓振荡器的所述触控笔的触摸控制电路工作过程如下。为了让所述触控笔带来的微小电容C_PEN能产生对振荡频率产生足够大的影响，本发明使驱动所述笔尖的信号与节点电势V_OUT同步。结合图6和图7参看，笔尖被一个减缓振荡速度的信号驱动，具体来说，给所述笔尖上加上与充放电循环相反的脉冲信号。其结果是振荡速度的减缓，相当于电路负荷了一个大的负载。于是所述触控笔会留下一个如图7中b的线段。

结合参看图8和图9，所述笔尖也可以被一个加速振荡速度的信号驱动，也即用一个配合充放电循环以加速振荡的信号驱动。这就可以被看作电路负荷了较小的负载，于是所述触控笔会留下一个如图9中c的线段，其线段长度低于测算时间基准线，这样的话，甚至可以被认为是一个负的电容值。

在图6和图8中，可以发现加载笔尖的DCOS信号可以干扰弛缓振荡器的充放电循环，并且延长或缩短这个充放电的过程。还能发现，如果DCOS信号的振幅增加，则对于充放电过程的影响也增大。这种影响是与电容C_PEN和DCOS信号的摆幅成比例的。

由于电容耦合，于是只有电势变化量才会影响。直流变化值是不会影响这个充放电过程的。DCOS信号的形状可以是不同的，可能会有一个尖锐而快速的斜坡，可以有多个跃变的过程等等，但是只要不使得电极电压V_EL超过一个充放电的门槛值（图4、6、8中的V_THR），都是无关的。

同时也可以发现，只要适当的控制DCOS信号，可以使得所述触控笔带来的电容显得更大，更小，甚至出现一个负值的效果。

接下来集中解释如何控制DCOS信号。

对于电极电容的扫描过程是一个迭代的过程，当所述电极组或者电极阵列中所有的电极依次被扫描过后，扫描过程会从序列中第一个电极重新开始，如此依次扫描很多次，于是就会出现很多组的测算数据，所述测算数据会被所述触摸控制电路收集处理。所述驱动电路可以生成电势变化量（增加或减少）作为其输出，所述电势变化量会驱动所述笔尖。所述电势变化量的振幅和方向是可以控制的。根据不同组的所述测算数据，所述笔尖会被不同振幅或者不同方向的电势变化量驱动。

在收集完了所述的多组测算数据后，所述触摸控制电路会去区分手指信号和笔的信号。这个区分的过程受一个数学函数控制。结合参见附图7和附图9，分别代表了两组不同的数据，它们都包含了各个信道的所述测算数据，所述这些数据在图中都是离散的点。附图7中和附图9中的数据分别作求导处理，可以得到两个如附图10A(称为组A)和10B（称为组B）中描述的散点图，两图中的前几个数据的纵坐标都是一样的，因为它们反应的是手指产生的影响。对于所述笔尖，被两个绝对值相同但是方向相反的电势变化量驱动，于是在两组中反应所述触控笔影响的数据大小基本相等，方向却是相反的。所述数学函数可以通过一个组A+组B的运算来保留代表手指影响的数据并且消除代表所述触控笔影响的数据，此时代表手指影响的数据纵坐标变成原来的两倍左右。同样的，为了保留代表所述触控笔影响的数据，所述数学函数会进行组A-组B的运算。更进一步，如果在两个组中，反应所述触控笔影响的数据并不是完全相同的绝对值，所述数学函数甚至可以进行组A+n₁*组B或者组A-n₂*组B的运算，参数n₁和n₂的目的就是尽可能的消除手指或者笔的影响，其大小取决于两组中数据的纵坐标的比例，归根结底也就取决于所述电势变化量的振幅。

所述触摸控制电路和驱动电路的结构可以是多种多样的。一般的，所述触摸控制电路比所述驱动电路要复杂，因而，在两个电路的关系中，所述触摸控制电路是主动方，而驱动电路是从动方。但也有其他形式的关系，比如所述触摸控制电路和所述驱动电路可以都是一个第三方控制电路或者集成电路的从动方，这两个电路配合工作并受到所述第三方控制电路或者集成电路的控制。理论上来说，所述驱动电路在两者关系中也可以做主动方，控制所述触摸控制电路。对于这两者的关系，有很多的可能性，都应该包含在本发明的保护范围内。在本发明优选的实施例中，所述触摸控制电路是两者关系中的主动方。

两者关系尽管可以很不同，但是这两个电路都会遵循一个共同的原则。具体的来说，这个原则就是有必要将从动方与主动方同步。

TCSS和DCOS信号一般是两个方波，它们的变化趋势都可以这样描述：上升沿，稳态，下降沿，稳态，如此循环往复。除这两个信号之外，还有一个同步信号SYNS，所述SYNS信号被TCSS信号触发，意味着TCSS信号的状态改变发生后，可以在SYNS信号的波形图上看到一个上升沿或下降沿。类似的，SYNS信号的状态改变会触发DCOS信号的状态改变。

在一个优选实施例中，TCSS信号触发SYNS信号，SYNS信号再触发DCOS信号，在这三个信号中存在一个连锁反应关系。参见图11，图中比较了TCSS信号和DCOS信号。TCSS信号的上升沿成为激励跃变，所述上升沿过后的稳态成为观察期。在所述观察期中，会有一个采样点出现在下降沿之前。由于TCSS信号触发SYNS信号，SYNS信号又触发了DCOS信号，所以DCOS信号的第一个上升沿相对于TCSS信号的第一个上升沿必定有所延迟。但所述延迟并不会很久，TCSS信号的第一个上升沿必定在采样点之前出现。在这种条件下，可以保证所述触摸控制电路的信号（即TCSS信号）和驱动电路的信号（即DCOS信号）之间存在一个粗略的同步关系。

如图6和图8所示，所述节点电势V_OUT信号的状态变化和DCOS信号的状态变化并不精确对应，到达门限电压值V_THR才是充放电的结果，但并不是DCOS信号状态变化的直接结果。V_OUT信号和DCOS信号之间的延迟可以通过很多办法控制。比如可以通过一个建立于一个RC时间常数的模拟电路控制，再比如使用一个捕捉V_OUT信号状态变化的微控制器，然后在状态变化后设置一个等待循环或者固定延迟再触发DCOS信号的状态变化。如使用微控制器，可以更进一步做出改良，比如使得所述微控制器能观测整个V_OUT信号的周期，再控制DCOS信号的状态改变，使其正好发生在V_OUT信号的上升沿出现后的某个合适时机。

由于要支持多种信号模式，本发明并不严格限制所述TCSS信号和DCOS信号方波的形状。所述方波的宽度可以在一个合理的范围内变化。更甚，所述这两个信号不一定是周期性，甚至可以是随机的形状。这种不限制可能会导所述DCOS信号和TCSS信号之间出现漂移和不对应情况，所以需要一个同步信号SYNS来控制所述DCOS信号能较好的匹配所述TCSS信号。

在优选的实施例中，所述TCSS和DCOS信号是周期信号，并且是同周期的，这样，这两个信号之间是严格同步的。

所述的同步关系不一定必要是电信号，其也可能是光信号、电路控制、电场、磁场等等。例如，所述主动方可以是一个发光二极管，所述发光二级管可以通过其自身光线的亮或灭来触发所述SYNS信号。所述从动方可以是一种光电晶体，其能感应到所述发光二级管的光线明灭，并以此接收所述SYNS信号。例如一种优选的情况，这种光连接可采用红外发射和接收装置。

下文介绍一个配备更好的扫描方式优选的实施例。

下面介绍一种优选的扫描方式。所述触控设备上的每个电极都通过三个开关分别连接到举升电压回路、感应回路和参考回路。连接到所述感应回路的电极可以称为感应电极；连接到所述参考回路的电极可以称为参考电极。所述的这些开关都受到所述触摸控制电路中的CPU的控制。在扫描过程中，不同的开关会按控制把不同的电极接到相应的回路中。

从所述电极组或者电极序列中第一个电极开始，每两个相邻的电极会组成一个信道，并且产生比较关系。当把两个相邻的电极进行比较时，序列中考前的一个电极被看作参考电极而序列中靠后的一个电极被看作感应电极。把所述感应电极上的电容与参考电极上的电容进行比较，这样就会获得一个测算数据。每个所述信道上的测算数据都会被获得并保存，这样的过程并不是单次的，当所述序列中的所有电极都按次序两两进行比较以后，扫描过程会从所述序列中前两个电极重新开始。每个电极都可以通过开关的切换连接到所述举升电压回路、感应回路和参考回路。所述开关都受到所述触摸控制电路中的CPU的控制。除此之外，也有其他的改良方法，比如当手指或者所述触控笔的位置已经被大致限制在某些电极覆盖的区域内时，所述CPU可以暂停一部分所述开关的工作而专门控制这些电极上的开关，这样会增大扫描的频率和所述测算数据的获得率，从而增加了扫描的流畅度和精确度。更甚的，所述扫描方式也可以有别的变化，例如只扫描所述序列中奇数号的电极或者只扫描偶数号的电极等。

由于手指或者所述触控笔带来的电容产生的影响可以通过一个等效电路看到。所述等效电路中将所有的串并联电容都作了等效处理，并且在所述触摸控制电路中构成了一个测算电桥。所述电桥电路可以通过模拟开关连接到各个电极。参考图12所示的所述测算电桥、比较器和逻辑电路的结构和连接。有一个举升电压连接到节点L。所述测算电桥中有四个电容，分别是C_LS,C_LR,C_SG和C_RG。在电容C_LS和C_SG之间有一个节点S，所述节点S总是被连接到所述感应电极。在电容C_LR和C_RG之间有一个节点R，所述节点R总是被连接到所述参考电极。所述节点S和R之间设有一个比较器，用于判断两点之间的电势高低。有一个逻辑电路接收所述比较器的结果。理想情况下，所述参考电极和所述感应电极具有相同的物理尺寸，于是所述测算电桥原本处于平衡态，所述节点R和S无电势差。当手指或者所述触控笔接近或解除到所述触控设备时，所述平衡态即因外来电容而被破坏，所述节点R和S间产生电势差。当不平衡态产生后，所述逻辑电路就会引入一个可变电容来抵消外来电容的影响，从而使所述测算电桥恢复到平衡态。一般的，所述可变电容会被引入到节点R和S中电势较高的节点来维持平衡（反之，如果一个节点电势降低了，那么所述可变电容可以加在另一节点与地之间来降低其的电势）。所述逻辑电路和所述可变电容一起构成了一个可控电容C_ADC。请结合参看图13A和图13B，两图描述了所述可控电容C_ADC和一个代表手指或所述触控笔电容的C_OBJ在所述测算电桥中的影响。所述测算数据的振幅就是所述可控电容C_ADC的大小，当所述可控电容C_ADC连接到所述节点R时，所述测算结果就定义为正值，所述可控电容C_ADC连接到节点S时，所述测算结果就定义为负值。

所述可变电容有一定的分度，因而并不能瞬间就完美的补偿所述节点R和S之间的不平衡。请参见图14A，图中描述了所述比较器会在每一次引入所述可变电容之后重新判断所述节点R和S的电势大小，只要所述节点R和S的电势差还为达到某个足够接近零的值（理论上是严格为零，但是实际中受到器材精度的限制，通常会设置这样一个足够接近零的值作为标准），所述可变电容就会一直被修改调整,其调整过程可参见图14B。

请结合参看图15A到图15D，所述触控笔会带入额外的电容，也C_OBJ的一种。下述内容假定C_OBJ都是从所述节点S引入的。在此之后，所述可控电容C_ADC会被引入到图13A中的所述测量电桥中，具体情况请参见图13A。C_OBJ的值很小，因为其代表了所述笔尖带来的电容，那么所述测算数据的振幅（也就是C_ADC的大小）也会很小。在图15A中，所述触控笔被一个很高的电压驱动，所述电压变化的趋势与所述节点L上的举升电压相反，其所述节点R和S上的电势变化过程请参见图16A。当所述笔尖被驱动时，所述节点S的电势会比所述笔尖未被信号驱动时的电势。为了维持所述节点R、S间的平衡，图15A中所述C_ADC的大小必定比图13A中的大。在图15C中，C_OBJ和驱动电压一起从所述节点S引入，所述电压变化的趋势与所述节点L上的举升电压相同，其所述节点R和S上的电势变化过程请参见图16B。这种情况下，所述驱动电压会提高所述节点S的电势，于是所述测算结果就是负值。如果结合参看图13B、15B和15D，C_OBJ从所述节点R引入，也就是在优选的实施例中，所述触控笔接触到了参考电极。此时同样的遵循上述的原理，但是所述测算结果的正负性会相反。

Claims (10)

1.一种触控笔系统，其中包括一个导体尖端和一个连接，其特征在于：所述连接将所述导体尖端和一个驱动电路的第一个节点相连，所述驱动电路可以从驱动输出端对所述导体尖端产生一个随时间增加或减小的电势，所述导体尖端会被不同振幅或者不同方向的电势变化量驱动，所述驱动电路可提升输出电压摆幅并使其超过输入电压供应，电容触摸控制电路获取若干个测量装置的测算结果，对于每个所述的测量装置，所述导体尖端被不同振幅或者方向的电势变化量（增加或减小）所驱动，当所述导体尖端被两个绝对值相同但是方向相反的电势变化量驱动时，通过对两组数据相加或者相减的运算，实现所述触控笔影响被抵消而手指影响被保留或者手指影响被抵消而所述触控笔影响被保留。

2.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述连接中包括一个连接到所述驱动电路的第二个节点上的屏蔽层。

3.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述导体尖端上设有一个绝缘层用以保护其自身。

4.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述驱动电路可以从所述驱动输出端对所述导体尖端产生不同振幅的电势变化量。

5.如权利要求1或4所述的触控笔系统，其特征在于：所述电势随时间的变化量与一个或多个电容式触摸控制电路的激励信号随时间的变化量之间有一同步关系。

6.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述触摸控制电路与驱动电路间的同步关系可以是一种光学信号。

7.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述触摸控制电路与驱动电路间的同步关系可以是一种电路。

8.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述触摸控制电路与驱动电路间的同步关系可以是一种电场。

9.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：所述触摸控制电路与驱动电路间的同步关系可以是一种磁场。

10.如权利要求1所述的触控笔系统，其特征在于：当所述触控笔靠近或接触时，主机或者操作系统会接收到一个与其他手指接触时不同的识别接触的信号。