CN103984422A - 电容笔、电容触控面板和触控装置 - Google Patents

电容笔、电容触控面板和触控装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电容笔，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）发送的测量信号；信号处理单元（5），其根据所述接收单元（1）接收到的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

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。
本发明的一个方面提供一种电容笔，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）发送的测量信号；信号处理单元（5），其根据所述接收单元（1）接收到的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：第一电极组（201）；第二电极组（202）；以及控制处理单元（203），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，所述控制处理单元（203）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，所述控制处理单元（203）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信号；所述控制处理单元（203）根据所述响应信号获取所述电容笔（100）的信息。
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）包括互相交错的第一电极组（201）和第二电极组（202）以及控制处理单元（203）；所述控制处理单元（203）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，所述控制处理单元（203）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）发送的测量信号；信号处理单元（5），其根据所述接收单元（1）接收到的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），所述控制处理单元（203）根据所述接收电极接收的信号确定所述电容笔（100）的位置。
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。本发明提供的触控装置工艺简单，成本较低。
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为电容笔100和电容触控面板200的结构示意图图2为图1中电容笔的结构示意图；
图3为电容笔100的电路原理图；
图4为脉冲生成单元51的电路原理图；
图5为电容触控面板200的结构示意图；
图6为触控装置300的定位原理图
图7为图1所示触控装置的命令信息解析示意图；
图8为图1所示触控装置的命令信息编排示意图；
图9为命令解析单元53的一种具体实施方式；
图10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11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。如图1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，电容笔100接收该测量信号，并向电容触控面板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的信息，该信息包括电容笔的笔尖压力和/或按键信息。
图2为电容笔100和电容触控面板200的结构示意图。
如图2示，电容触控面板200中包括多个相互交错配置的电极101和102，图中为了简洁，仅示出一对相互垂直的电极。
电容笔100包括接收单元1、发送单元2、屏蔽罩3以及壳体4，在壳体4内设置有信号处理单元5（见图3）。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接收发送电极（比如电极101）发送的测量信号，设置在壳体4内的信号处理单元5根据接收单元1接收的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根据接收电极（比如电极102）接收的信号确定电容笔100的位置。需要说明的是，电极101或电极102可以既为发送电极又为接收电极。
在本实施方式中，接收单元1为环状导电性笔头，发送单元2为直径较小的导电性笔尖，笔头1位于笔尖2周围。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可与发送电极101形成耦合电容，从而接收发送电极101发送的测量信号。接收单元1的面积足以保证和发送电极101形成较大耦合电容，从而有效接收测量信号。接收单元1的形状也可以根据具体情形确定，例如可为扁平状、锥状或半球状等。
当电容笔100位于电容触控面板200的触控区域时，发送单元1与接收电极102形成耦合电容，从而发送与发送电极101发送的测量信号同步的高压信号。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。
屏蔽罩3设置在接收单元1和发送单元2之间，呈环状，用于隔离接收单元1和发送单元2，以防止接收单元1和发送单元2之间形成耦合电容，使得信号形成反馈通路引起自激振荡。接收单元1、发送单元2和屏蔽罩3彼此之间均绝缘。
壳体4用于固定接收单元1、发送单元2和屏蔽罩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。
图3为电容笔100的电路原理图。如图3示，信号处理单元5包括信号放大单元50、脉冲生成单元51、切换单元52、命令解析单元53、控制单元54、笔信息获取单元55、升压单元56。
信号放大单元50比如为放大器，用于放大接收单元1接收的信号。如果接收的信号足够强，也可省略信号放大单元50。
脉冲生成单元51用于根据接收单元1接收的信号生成与测量信号同步的脉冲信号。该脉冲信号一路通向切换单元52，另一路通向命令解析单元53。
切换单元52包括切换电路和反相器，用于使脉冲生成单元51生成的脉冲信号在同相和反相之间切换。当需要发送与测量信号同相的高压信号时，则将切换开关接通上方电路，让脉冲信号直接通过；当需要发送与测量信号反相的高压信号时，则将切换开关接通反相器，通过反相器使脉冲信号反相。
命令解析单元53比如为硬件电路，用于解析脉冲生成单元51生成的脉冲信号所包含的命令信息。
控制单元54根据命令解析单元53所解析的命令控制脉冲生成单元51、切换单元52和笔信息获取单元55中的至少一个对所述命令进行响应。
笔信息获取单元55用于获取电容笔100的笔尖压力以及按键信息。
升压单元56用于将输入的脉冲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。
需要说明的是，信号放大单元50、脉冲生成单元51、切换单元52的位置可以相互调换。比如，切换单元52可以位于信号放大单元50和脉冲生成单元51前面；或者切换单元52可以位于信号放大单元50和脉冲生成单元51之间。信号放大单元50、脉冲生成单元51、切换单元52的位置可根据实际情况的需要进行调整。
图4为脉冲生成单元51的电路原理图。如图4所示，该脉冲生成电路51由电阻R1、R2和R3，电容C1以及比较器构成。由于输出电压在参考电压Vref和0之间切换，比较器的正相输入端的电压由R1和R2分压决定，在参考电压Vref附近变化。而接收单元1接收到的信号如图4中输入端波形所示，为围绕参考电压Vref上下波动的尖峰，只要调整好R1和R2的比例，就可以刚好让输入尖峰超过比较器的正相输入电压并且滤除噪声，得到很好的方形脉冲信号。
需要说明的是图4只是本发明的脉冲生成单元的一个具体例子，本发明并不局限于该电路，本领域技术人员可根据需要选择合适的脉冲生成电路，只要其可产生符合要求的同步脉冲信号即可。
图5为电容触控面板200的结构示意图。如图5所示，电容触控面板200包括第一电极组201和第二电极202组以及控制处理单元203组成。第一电极组201和第二电极202组相互交错，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202组接触。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。两者可在控制处理单元203的控制下进行切换。或者，所述控制处理单元（203）控制所述第一电极组（201）或第二电极组（202）作为发送电极发送包含命令信息的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，控制处理单元203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，所述控制处理单元（203）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信号。
控制处理单元203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摸位置。
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与发送电极形成耦合电容，发送单元2与接收电极形成耦合电容，因而电容笔100可以通过接收单元1接收发送电极发送的测量信号，并通过发送单元2向接收电极发送同步信号。
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，本发明的电容笔100发送与测量信号同步的高压信号来增强接收信号强度，提高信噪比和定位精度。具体地，电容笔100可从测量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，控制处理单元203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。
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。
图6为触控装置300的定位原理图。如图6所示，当电容笔100位于电容触控面板200的触控区域时，控制处理单元203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的控制处理单元203控制发送电极发送，电容笔100通过接收单元1接收携带有命令信息的测量信号，并通过信号处理单元5解析命令信息，并做出相应的响应，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测量笔尖压力及笔上按键信息，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。
比如可以对测量信号进行调制，以一定时长的不发送测量波的空闲状态作为命令。当发送电极空闲一段时间不发送测量信号，并保持在低电平状态，电容笔100可以探测到这段时间没有波形发出。因此，可根据这段低电平的时间长度来定义不同的命令，并通过电容笔100的命令解析单元53或控制单元54进行识别。
如图7所示，发送电极停止发送脉冲并保持低电平（如图7中虚线所示），经过一段时间，发送电极重新开始发送测量波。电容笔100探测到发送停止，其既可以通过命令解析单元53根据不同时间长度解析出各种命令；也可以用控制单元54计时，根据计时长短来对命令进行解析。根据这个时间长短，电容笔100判断出命令类型，然后作出相应的反应。
图7的波形A表示电容笔100接收到电容笔信息发送命令后的响应波形，本实施方式中所定义的数据传输协议如下：在测量信号高脉冲期间，若发送单元2发送的信号为上升沿，则表示发送数据为1；若发送单元2发送的信号为下降沿，则表示发送数据为0。在测量信号高脉冲期间发送单元信号只允许有一个上升或下降沿。
图7的波形B表示电容笔100接收到发送反相信号波的命令后发送的反相信号波。
图7的波形C表示电容笔100接收到电容笔信息获取命令，笔尖不用发送信号，在此期间进行笔尖压力和按键的测量。
需要说明的是，图7中A、B、C各段波形所对应的命令时长是不同的，此处为了便于理解，将各段波形命令终止位对齐。
还需要说明的是，本发明中，命令的编排方法不限于一定长度的低电平。也可以采用一定长度的高电平；或者具有一定时序组合关系的高低电平；或者具有一定时序组合的脉冲波形；或者连续发送的具有包络结构的脉冲波形等具有一定辨识度可解析的波形均可作为命令。图8列举了命令编排的多种方式的一些实例，例如采用一定长度的高电平；或者具有一定时序组合关系高低电平；或者具有一定时序组合的脉冲波形；或者连续发送的具有包络结构的脉冲波形，但不局限于已列举的编排方式。
如图8所示，图8中的波形A表示用一定时长空闲低电平编码命令信息，图8中的波形B表示用一定时长的空闲高电平编码命令信息；图8中的波形C表示用一定时长的空闲低电平接一定时长的空闲高电平编码命令信息；图8中的波形D表示用一个中等长度的脉冲后面跟随一个较长长度的脉冲编码命令信息，图8中的波形E表示用一个单一的长脉冲编码命令信息；图8中的波形F表示用连续多个很短的脉冲构成一个一定长度的包络波形编码命令信息。
图9为命令解析单元53的一种具体实施方式。该实施方式主要针对一定时长不发送测量波的空闲状态的编码方式。利用对电容的充放电时间的长短，配合二极管的单向特性进行滤波，提取出命令信号。命令解析单元53还可以采用其它电路结构提取命令信号。
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10和图11对该方法进行描述。
本发明中，电容触控面板200的发送电极发出包含发送反相信号命令信息的测量信号，电容笔100接收到该包含发送反相信号命令信息的测量信号后，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10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。
如图10所示，触控面板200发出携带发送反相信号命令的测量信号后，电容笔100发送与上述测量信号同相和反相的两种高压信号。因此电容触控面板200接收电极的接收信号强度呈现为两个相反的波形（见图10中c曲线左侧和中间的波形）。如果换成手指，如图11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。
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 (17)

1.一种电容笔，用于在电容触控面板（200）上进行操作，其特征在于，包括：
接收单元（1），其接收所述电容触控面板（200）发送的测量信号；
信号处理单元（5），其根据所述接收单元（1）接收到的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）的信息。
2.如权利要求1所述的电容笔，其特征在于，所述信号处理单元（5）包括：
脉冲生成单元（51），其根据所述接收单元（1）接收的信号生成与测量信号同步的脉冲信号；
升压单元（56），其将所述脉冲生成单元（51）生成的脉冲信号转化为高压信号。
3.如权利要求2所述的电容笔，其特征在于，所述信号处理单元（5）还包括：
笔信息获取单元（55），其用于获取所述电容笔笔尖压力和/或按键信息。
4.如权利要求2或3所述的电容笔，其特征在于，所述信号处理单元（5）还包括：
切换单元（52），其用于使所述电容笔（100）内的信号在同相和反相之间切换。
5.如权利要求4所述的电容笔，其特征在于，所述信号处理单元（5）还包括：
控制单元（54），其根据所述测量信号中的命令信息对所述脉冲生成单元（51）、或切换单元（52）和笔信息获取单元（55）中的至少一个进行控制。
6.如权利要求5所述的电容笔，其特征在于，所述信号处理单元（5）还包括：
命令解析单元（53），其用于解析所述测量信号中的命令信息，并将得到的命令信息发送至所述控制单元（54）。
7.如权利要求1所述的电容笔，其特征在于，还包括
屏蔽罩(3)，其设置在所述接收单元（1）和发送单元（2）之间以隔离所述接收单元（1）和发送单元（2）。
8.一种电容触控面板，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）；以及
控制处理单元（203），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，
所述控制处理单元（203）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包含命令信息的测量信号，
所述控制处理单元（203）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）发送的响应信号；
所述控制处理单元（203）根据所述响应信号获取所述电容笔（100）的信息。
9.如权利要求8所述的电容触控面板，其特征在于，所述电容笔（100）的信息包括电容笔（100）位置、笔尖压力、按键信息。
10.如权利要求9所述的电容触控面板，其特征在于，所述命令信息包括反相信号生成命令、电容笔（100）信息获取命令、电容笔（100）信息发送命令中至少一种，其中
所述反相信号生成命令指示所述电容笔（100）产生反相高压信号；
所述电容笔（100）信息获取命令指示电容笔（100））获取电容笔（100）的笔尖压力和/或按键信息；
所述电容笔（100）信息发送命令指示所述电容笔（100）发送包含电容笔（100）的笔尖压力和/或按键信息的信号。
11.如权利要求10所述的电容触控面板，其特征在于，
所述发送电极发送包含反相信号生成命令的测量波，并根据所述电容笔（100）生成的同相高压信号和反相高压信号确定所述电容笔（100）的位置。
12.如权利要求8所述的电容触控面板，其特征在于，所述命令信息被调制到所述测量信号上。
13.一种触控装置，其特征在于包括：
电容笔（100）；以及
电容触控面板（200），其中
所述电容触控面板（200）包括互相交错的第一电极组（201）和第二电极组（202）以及控制处理单元（203）；
所述控制处理单元（203）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，
所述控制处理单元（203）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）发送的测量信号；
信号处理单元（5），其根据所述接收单元（1）接收到的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），
所述控制处理单元（203）根据所述接收电极接收的信号获取所述电容笔（100）的信息。
14.如权利要求13所述的触控装置，其特征在于，
所述发送电极发送的测量信号包含命令信息；
所述电容笔（100）的信号处理单元（5）解析所述命令信息，并做出响应。
15.如权利要求14所述的触控装置，其特征在于，所述命令信息包括反相信号生成命令、电容笔（100）信息获取命令、电容笔（100）信息发送命令中至少一种，其中
所述反相信号生成命令指示所述信号处理单元（5）产生反相高压信号；
所述电容笔（100）信息获取命令指示所述信号处理单元（5）获取电容笔（100）的笔尖压力和/或按键信息；
所述电容笔（100）信息发送命令指示所述信号处理单元（5）发送包含电容笔（100）的笔尖压力和/或按键信息的信号。
16.如权利要求15所述的触控装置，其特征在于，所述发送电极发送包含反相信号生成命令的测量波，并根据所述信号处理单元生成的同相高压信号和反相高压信号确定所述电容笔（100）的位置。
17.如权利要求14-16任意一项所述的触控装置，其特征在于，所述命令信息被调制到所述测量信号上。
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