CN103425296A - 主动式电容笔、电容触控面板和触控装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一个方面提供一种主动式电容笔，用于在电容触控面板（200）上进行操作，其包括：接收单元（1），其接收所述电容触控面板（200）发送的与测量信号同步的同步信号；控制处理单元（13），其根据所述接收单元（1）接收到的同步信号生成与所述测量信号同步的高压信号；和发送单元（2），其将所述高压信号发送至所述电容触控面板（200）以使所述电容触控面板（200）获取所述电容笔（100）的触控信息和位置信息。本发明提供的电容笔通过发送同步高压信号来增强触控面板的感应信号，使得触控面板可以感应小面积导电体，在手指触控的基础上扩展了笔的功能，大大提高了用户体验。同时电路实现简单，成本低廉，兼容性好。

Description

主动式电容笔、电容触控面板和触控装置

技术领域

本发明涉及触控技术，尤其涉及一种主动式电容笔、电容触控面板和触控装置。

背景技术

目前，由于电容触摸屏易操作，且灵敏度较高，已成为现阶段触控设备的首选。电容触摸屏所使用的电容屏一般是在玻璃或其他透明材料内制作透明导电的ITO（氧化铟锡）薄膜以形成纵横交错结构的导电膜，这些导电膜可以作为发送电极和接收电极。当手指点击屏幕，会和发送电极以及接收电极均形成耦合电容，从接触点吸收部分电流，从而造成接收电极的信号发生变化。即，电容式触摸屏在导体与其触摸时，通过导电膜形成的电场的变化检测导体在电容屏上的触摸位置，实现人机交互功能。

然而，如果采用导电材料制成的细笔尖操作电容屏，虽然笔尖也会从接触点吸收部分电流，但由于笔尖很细，吸收电流对接收电极的影响很小，难以检测，使得电容式触摸屏无法确定触摸位置。为了对接收电极产生较大影响，电容笔的笔尖除导电特性外，还必须很粗，这使得笔存在书写流畅性差、精确点击难、更无压感特性等问题，也就无法达到写画的效果。

发明内容

本发明鉴于以上问题，提供了一种主动式电容笔，其可以增强电容触控面板接收信号的强度，提高定位精度，并且可提高电容笔和电容触控面板之间的相互协调性，使电容笔和电容触控面板可以做出及时的响应。

本发明的一个方面提供一种主动式电容笔，用于在电容触控面板（200）上进行操作，电容触控面板（200）发送测量信号，其包括：接收单元（1），其接收所述电容触控面板（200）发送的与测量信号同步的同步信号；控制处理单元（13），其根据所述接收单元（1）接收到的同步信号生成与所述测量信号同步的高压信号；和发送单元（2），其将所述高压信号发送至所述电容触控面板（200）以使所述电容触控面板（200）获取所述电容笔（100）的触控信息和位置信息。

本发明提供的电容笔，通过发送与电容触控面板测量信号同步的高压信号来增强电容触控面板接收信号的强度，提高信噪比和定位精度。本发明电容笔的高压信号基于同步信号生成，该同步信号由接收线圈通过电磁场接收，具有良好的稳定性和抗干扰性，并且通过同步信号可使电容笔和触控面板协调工作。本发明提供的触控装置采用在电容触控面板端设置发送线圈来发送同步信号，并在电容笔端设置接收线圈来接收同步信号，即同步信号的接收和发送通过电磁场来进行，提高了信号的稳定性和抗干扰性，通过同步信号电容笔和电容触控面板可以协调工作，实现良好的触控操作。

本发明的另一个方面提供一种电容触控面板，电容笔（100）能在其上进行触控操作，其包括：板体（205）、第一电极组（201）、第二电极组（202）、发送线圈（203）以及面板控制处理单元（204），其中所述第一电极组（201）和所述第二电极组（202）互相交错配置在板体（205）上，所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为发送电极发送测量信号，所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为接收电极接收所述电容笔（100）发送的高压信号；所述面板控制处理单元（204）控制所述发送线圈（203）发送与所述测量信号同步的同步信号；所述面板控制处理单元（204）根据所述高压信号获取所述电容笔(100)的触控信息和位置信息。

本发明提供的电容触控面板，对电容笔具有良好的支持度，可实现电容笔的精确定位。

本发明再一个方面提供一种触控装置，其包括电容笔（100）；以及电容触控面板（200），其中

所述电容触控面板（200）包括板体（205）、第一电极组（201）、第二电极组（202）、发送线圈（203）以及面板控制处理单元（204），其中所述第一电极组（201）和所述第二电极组（202）互相交错配置在板体（205）上，所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为发送电极发送测量信号，所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为接收电极接收所述电容笔发送的高压信号；所述面板控制处理单元（204）控制所述发送线圈（203）发送与所述测量信号同步的同步信号；

所述电容笔（100）包括

接收单元（1），其接收所述电容触控面板（200）发送的同步信号；

控制处理单元（13），其根据所述接收单元（1）接收到的同步信号生成与所述测量信号同步的高压信号；和

发送单元（2），其将所述高压信号发送至所述电容触控面板（200）以使所述电容触控面板（200）获取所述电容笔（100）的触控信息和位置信息；

所述面板控制处理单元（204）根据所述高压信号获取所述电容笔(100)的触控信息和位置信息。

本发明提供的触控装置采用电容耦合方式，将电容笔的导电性笔尖作为发送单元，发送与电容触控面板的发送电极发出的测量信号同步的高压脉冲信号，使得电容笔的笔尖与电容触控面板之间形成更大的电压差，进而增大电容笔笔尖和电容触控面板之间的电场，导致笔尖从接触点吸收更大的电流，从而增强了电容触控面板的接收电极检测到的电容笔的信号，确保电容笔具有很细的笔尖。

进一步地，本发明提供的触控装置采用在电容触控面板端设置发送线圈来发送同步信号，并在电容笔端设置接收线圈来接收同步信号，即同步信号的接收和发送通过电磁场来进行，提高了信号的稳定性和抗干扰性，通过同步信号电容笔和电容触控面板可以协调工作，实现良好的触控操作。

附图说明

图1为本发明触控装置一个实施方式的结构示意图；

图2为图1中电容笔100的部分详细示意图；

图3为电容笔100的电路原理图；

图4为电容触控面板200的结构示意图；

图5A-图5D为图4所示电容触控面板200的发送线圈布置示意图；

图6为图4所示电容触控面板200的线圈布置另一示意图；

图7为触控装置300的定位原理图；

图8-图12为图1所示触控装置的命令信息编排示意图；

图13为图1所示触控装置的数据传输协议示意图；

图14表示在反相信号命令下电容笔100发送的信号波形和电容触控面接收信号强度的波形；

图15表示在反相信号命令下手指发送的信号波形和电容触控面接收信号强度的波形。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明提供的电容笔、电容触控面板和触控装置进行详细描述。在这些附图中，对于相同或者相当的构成要素，标注相同标号。以下仅为本发明的主动式电容笔、电容触控面板和触控装置的最佳实施方式，本发明并不仅限于下述结构。

图1为本发明触控装置一个实施方式的结构示意图，图2为图1中电容笔100的部分详细示意图。如图1和图2所示，本实施方式的触控装置300包括电容笔100和电容触控面板200。其中电容触控面板200发送测量信号以及与测量信号同步的同步信号，电容笔100接收该同步信号，并根据该同步信号向电容触控面板200发送与测量信号同步的高压信号，电容触控面板200根据该高压信号获取电容笔100的触控信息和位置信息。

电容笔100包括接收单元1、发送单元2、磁芯3以及壳体4，在壳体4内设置有电路单元（见图3）。

接收单元包括线圈和电容，线圈围绕磁芯3绕制，可以增强接收信号的强度。线圈和电容构成的谐振回路具有固定的谐振频率，通过调节线圈的电感值和电容值可以调节振荡频率使其与载波频率相同，这样可以达到最好的接收效果。

发送单元2为直径较小的导电性笔尖，在本实施方式中，作为发送单元2的笔尖的直径小于3mm，其顶端可以包裹较柔软的材料（如橡胶）以提高书写的舒适度。

壳体4用于固定接收单元1、发送单元2和磁芯3，以及笔内电路。壳体4的端部设置有开口，以便作为发送单元2的笔尖与电容触控面板200接触的端部可以从中伸出。开口的大小与笔尖的粗细相对应。壳体4与手接触的部分为导体，由于人体本身是个较大的电容，比电容笔100的稳定性强，通过使电容笔100与人体连接，可以增强接收信号的稳定性。

电容笔100还包括供电单元（图中未示出），供电单元为电池或超级电容，由电池或超级电容配合DC-DC为电容笔供电。

当电容笔100位于电容触控面板200的触控区域时，接收单元1接收电容触控面板200发送的与测量信号同步的同步信号，设置在壳体4内的电路单元根据接收单元接收的测量信号和同步信号生成与测量信号同步的高压信号，该高压信号通过发送单元2发送至电容触控面板200，电容触控面板200根据接收的高压信号确定电容笔100的位置以及按压电容笔100上按键产生的按键信息和电容笔100在电容触控面板200上书写的压力信息。

图3为电容笔100的电路原理图。电容笔100包括预处理单元10、同步信号提取单元11、命令解析单元12、控制处理单元13、测量单元14、升压单元15。

预处理单元10用于对接收单元1接收的测量信号和同步信号进行预处理。

同步信号提取单元11用于从接收单元1接收的信号中提取同步信号。

命令解析单元12比如为硬件电路，用于从接收单元1接收的信号中提取所包含的命令信息。

控制处理单元13根据同步信号提取单元11所提取的同步信号产生发送信号，以及根据命令解析单元12所解析的各种命令作出不同的响应，可以是发送信号，可以进行各类测量然后存储，也可以是发送数据。

测量单元14用于获取电容笔100的笔尖压力以及按键信息等电容笔数据。

升压单元15用于将控制处理单元13产生的发送信号转换为高压信号，该高压信号通过发送单元2发送至电容触控面板200。

图4为电容触控面板200的结构示意图。如图4所示，电容触控面板200包括第一电极组201和第二电极202组、发送线圈203、面板控制处理单元204以及板体205（见图5）。第一电极组201和第二电极组202相互交错布置在板体205上，共同构成触控区域，触控区域上覆盖有绝缘层，防止手指或其它导体与第一电极组201和第二电极组202接触。第一电极组201和第二电极组202之间相互绝缘，在交错处会形成耦合电容。

第一电极组201和第二电极组202其中一组为发送电极，另一组为接收电极。若第一电极组201为发送电极，则第二电极组202为接收电极。若第一电极组201为接收电极，则第二电极组202为发送电极。两者可在面板控制处理单元204的控制下进行切换。或者面板控制处理单元204控制所述第一电极组201或第二电极组202作为发送电极发送测量信号并作为接收电极接收所述电容笔100发送的响应信号。也就是说，面板控制处理单元204控制第一电极组201和第二电极组202之一作为发送电极发送测量信号，面板控制处理单元204控制所述第一电极组201和第二电极组202之一作为接收电极接收所述电容笔100发送的信号。

面板控制处理单元204控制发送电极发送测量信号，处理接收电极接收到的信号，并根据处理结果确定触控信息和位置信息。

当电容笔100位于电容触控面板200的触控区域时，发送单元2与接收电极形成耦合电容，从而可向接收电极发送信号。

由于电容笔100的发送单元2的面积很小，所以和电容触控面板200的接收电极之间的耦合电容很小。如果不发送高压信号，接收电极接收到的信号会很小，信噪比很低，难以定位。为此，面板控制处理单元204控制发送线圈203向电容笔100发送与测量信号同步的同步信号，电容笔100根据该同步信号生成与测量信号同步的高压信号，并将其发送至电容触控面板200来增强接收信号强度，提高信噪比和定位精度。

进一步地，面板控制处理单元204控制发送线圈203向电容笔100发送命令信号，电容笔100可从命令信号中提取命令信息；同时根据提取的命令信息作出响应，并将响应结果通过发送单元2发送至接收电极，面板控制处理单元204根据接收电极接收的信号确定电容笔100的触控信息，例如触摸位置、笔尖压力、按键信息等。

图5A-图5D为图4所示电容触控面板200的发送线圈布置示意图。其中，在图5A中发送线圈203围绕板体205的周边布置，这样布置不会影响整个结构的厚度，可使电容触控面板保持原来的厚度。在图5B和图5C中，发送线圈203布置在板体205的下方，二者均采用印制的方式生成线圈；在图5B中从外到内绕制线圈，并且线圈末端最后通过跳接、打孔等方式引出，此种方式场强较强，中央和边缘场强均衡；图5C所示为两线并行向内绕制的方式，此种方式只需印制单层板，工艺较为简单。在图5D中，发送线圈203布置在板体205下方，并且在发送线圈203和板体205之间布置有显示屏206。

图6为图4所示电容触控面板200的线圈布置另一示意图。如图6所示，可以将板体205所在区域分成几个部分，比如在图6中将板体205下方分成四个区域，在每个区域分别布置线圈，这些线圈彼此分别布线，这样布置的优点是磁场能量更集中，所需功耗更低，但是控制起来比较复杂。

图7为触控装置300的定位原理图。如图7所示，当电容笔100位于电容触控面板200的触控区域时，面板控制处理单元204选择X轴电极作为接收电极，每2个相邻的X轴电极作为一组，测量其接收信号的差分值。比如，X1和X2一组，X2和X3组，X3和X4一组，依此类推。通过各组电极接收信号的差分值，即可算出电容笔100位于X轴方向的坐标。同理，可以将Y轴电极作为接收电极，测量得到电容笔100位于Y轴的坐标。

还可对X轴的单个接收电极进行逐个扫描，分别测得各个接收电极的接收信号的强度，通过各个接收电极接收信号的强度得到电容笔100位于X轴方向的坐标。通过同样的方式得到电容笔100位于Y轴的坐标。

当然，触控装置300的定位方式除上述两种外还有多种，可根据实际要求进行具体设置。

本发明提供的触控装置300，为了使电容笔100同电容触控面板200可以协调工作，制定了命令信息及数据传输的协议。命令信息由电容触控面板200的面板控制处理单元204控制发送线圈203发送，电容笔100通过接收单元1接收该命令信息，并通过命令信息解析单元12解析命令信息，并做出响应，响应信号通过发送单元2发送至电容触控面板200。

在本实施方式中，命令信息主要包括以下3种：

1、反相信号生成命令，其指示电容笔100向电容触控面板200发送与测量信号同步且反相的信号。

2、电容笔信息获取命令，其指示电容笔100测量笔尖压力、笔上按键、加速度、旋转等参数信息，测量完后存储起来。

3、电容笔信息发送命令，其指示电容笔100将存储的笔尖压力、按键或者其他信息，转化成脉冲波形反馈给电容触控面板200。

如图8所示是一种命令和同步信号的编排方式。采用固定频率的脉冲作为载波信号，载波脉冲的周期要小于测量波的周期，通过调节载波信号的发送时长来作为各种命令和同步信号。如图8最后一个波形所示，其中同步信号的载波发送周期和测量波的周期时长相同，保证笔提取出来的信号可以和触控装置的测量波一致。命令编排可以采用不同的载波发送长度，或是不同长度的载波组合来实现，只要对各种不同形状的载波所代表的命令意义做出定义，电容笔就可以解析各种命令并进行相应的响应。

除了采用固定频率不同长度的载波发送命令以外，还有别的命令编排方式。如图9所示，可以采用不同频率的载波进行命令发送，由于笔内接收线圈具有共振频率，当载波频率为共振频率时，其振幅最大；当载波频率偏离共振频率时振幅较小。可以通过笔内线圈接收到的振幅大小来区别不同的命令；同时也可以通过笔内线圈接收到的频率来区分不同的命令。

图10A和图10B所示是另一种命令或同步信号的发送方式。图10A所示，利用发送线圈的上升沿和下降沿带来的磁场突变可以激发笔内接收线圈以共振频率振荡，而上升沿和下降沿在笔上的振荡方向是不同的。为了更便于提取信号，可以通过增加电阻，适当增加接收线圈共振回路的阻尼让振荡更快结束，如图10B所示。这样笔上的接收线圈可以提取出所有的上升下降沿，从而发送线圈可以采用非载波的命令和同步信号编排方式，如图11所示。图中同步信号采用和测量波一样周期的波形进行发送，而命令部分采用了与同步信号脉冲长度不同的脉冲或脉冲组合进行发送，以便于区分命令和同步信号。

另外，如图12中曲线A和C所示，命令的编排还可以通过发送线圈停止发送一段时间（这段时间可以是高电平或低电平），笔通过停止发送时间的长短来解析命令。图12中B曲线所示为在命令期间插入一个上升或下降沿，用以翻转同步信号的发送方式。

图13为图1所示触控装置的数据传输协议示意图。如图13所示，最下端波形所示为笔收到反馈数据命令后的响应波形，本发明所定义的数据传输协议如下：在测量波高脉冲期间，若笔尖信号为上升沿，则发送数据1；若笔尖信号为下降沿，则发送信号为0。在测量波高脉冲期间笔尖信号只允许有一个上升或下降沿。

在使用本发明提供的触控装置300时，人手很容易与电容触控面板200接触，从而影响电容触控面板200对电容笔100的定位。为此本发明提供一种消除人手对电容笔100定位影响的方法。下面结合图14和图15对该方法进行描述。

本发明中，电容触控面板200向电容笔发送反相信号生成命令，电容笔100接收到该反相信号生成命令后，发送单元2（笔尖）发送与上述测量信号同相和反相的两种高压信号，电容触控面板200根据该两种高压信号获得两个接收信号强度随接收电极切换而变化的波形（见图14中c曲线左侧和中间的波形），并将该两个波形相减即可去除人手对电容笔100的干扰。

如果换成手指，如图15所示，由于手指不会主动发送信号，所以电容触控面板200接收电极的接收信号强度呈现为两个相同的波形。将所测得的两个波形相减，就可以很容易地去掉手指对笔的干扰，同时也增强了接收信号的强度，这样有利于提高定位精度，增强用户体验。

本发明触控装置的动作过程如下：

电容触控面板200的面板控制处理单元204控制第一电极组201和第二电极组202其中之一作为发送电极发送测量信号，并控制发送线圈203发送同步信号，当电容笔100位于电容触控面板200的触控区域时，电容笔100的接收单元1接收电容触控面板200发送的与测量信号同步的同步信号，并将其发送至控制处理单元15，控制处理单元15根据接收单元1接收的同步信号生成与测量信号同步的信号，该信号经过升压单元15升压后转化为高压信号，并通过发送单元2发送至电容触控面板200，面板控制处理单元204控制第一电极组201和第二电极组202其中之一作为接收电极接收该高压信号，并根据该高压信号确定电容笔100的位置及触控信息。

进一步地，面板控制处理单元204控制发送线圈203向电容笔100发送命令信号，电容笔100可从命令信号中提取命令信息；同时根据提取的命令信息作出响应，并将响应结果通过发送单元2发送至接收电极，面板控制处理单元204根据接收电极接收的信号确定电容笔100的触控信息，例如笔尖压力、按键信息等。

以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进。这些变型和改进也视为本发明的保护区间。

Claims (12)

1.一种主动式电容笔，用于在电容触控面板（200）上进行操作，所述电容触控面板（200）发送测量信号，其特征在于，包括：

接收单元（1），其接收所述电容触控面板（200）发送的与测量信号同步的同步信号；

控制处理单元（13），其根据接收到的同步信号生成与所述测量信号同步的高压信号；和

发送单元（2），其将所述高压信号发送至所述电容触控面板（200）以使所述电容触控面板（200）获取所述电容笔（100）的触控信息和位置信息。

2.如权利要求1所述的主动式电容笔，其特征在于，所述接收单元（1）包括线圈和电容，所述线圈和电容构成具有固定谐振频率的谐振回路，所述线圈围绕磁芯（3）绕制，所述磁芯（3）呈中空状，并套在所述主动式电容笔的笔尖上。

3.如权利要求1所述的主动式电容笔，其特征在于，所述接收单元（1）还接收所述电容触控面板（200）发送的命令信号，所述控制处理单元（13）根据该命令信号进行响应。

4.如权利要求3所述的主动式电容笔，其特征在于，所述命令信号编排方式包括不同的载波发送长度、不同长度的载波组合、不同频率的载波、非载波或无信号的时间。

5.一种电容触控面板，电容笔（100）能在其上进行触控操作，其特征在于，所述电容触控面板包括：

第一电极组（201）；

第二电极组（202）；

发送线圈（203）；

面板控制处理单元（204）；

板体（205）；

其中

所述第一电极组（201）和所述第二电极组（202）互相交错配置在板体（205）上，

所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为发送电极发送测量信号，

所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为接收电极接收所述电容笔（100）发送的高压信号；

所述面板控制处理单元（204）控制所述发送线圈（203）发送与所述测量信号同步的同步信号；

所述面板控制处理单元（204）根据所述高压信号获取所述电容笔（100）的触控信息和位置信息。

6.如权利要求5所述的电容触控面板，其特征在于，所述发送线圈（203）围绕所述板体（205）的周边布置。

7.如权利要求6所述的电容触控面板，其特征在于，所述发送线圈（203）布置在所述板体（205）的下方。

8.如权利要求6所述的电容触控面板，其特征在于，所述发送线圈（203）以单线或双线从外向内绕制的方式布置在所述板体（205）的下方。

9.如权利要求6所述的电容触控面板，其特征在于，所述发送线圈（203）包括分别布置在不同区域的几组线圈。

10.如权利要求5-9任一项所述的电容触控面板，其特征在于，所述面板控制处理单元（204）控制所述发送线圈（203）发送命令信号。

11.如权利要求10所述的电容触控面板，其特征在于，所述命令信号编排方式包括不同的载波发送长度、不同长度的载波组合、不同频率的载波、非载波或发送线圈停止发送信号的时间。

12.一种触控装置，其特征在于包括：

主动式电容笔（100）；以及

电容触控面板（200），其中

所述电容触控面板（200）包括

板体（205）；

第一电极组（201）；

第二电极组（202）；

发送线圈（203）；

面板控制处理单元（204），其中

所述第一电极组（201）和所述第二电极组（202）互相交错配置，

所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为发送电极发送测量信号，

所述面板控制处理单元（204）控制所述第一电极组（201）和第二电极组（202）之一作为接收电极接收所述电容笔发送的高压信号；

所述面板控制处理单元（204）控制所述发送线圈（203）发送与所述测量信号同步的同步信号；

所述电容笔（100）包括

接收单元（1），其接收所述电容触控面板（200）发送的同步信号；

控制处理单元（13），其根据所述接收单元（1）接收到的同步信号生成与所述测量信号同步的高压信号；和

发送单元（2），其将所述高压信号发送至所述电容触控面板（200）以使所述电容触控面板（200）获取所述电容笔（100）的触控信息和位置信息；

所述面板控制处理单元（204）根据所述高压信号获取所述电容笔（100）的触控信息和按键信息。

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