CN104090699B - 电磁感应白板的线圈阵列及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁感应白板领域，公开一种电磁感应白板的线圈阵列，包括由导线绕制的多个线圈，上述线圈分别沿第一、第二方向排布，其中任一导线绕制的线圈数量≥1，任一线圈沿其排布方向的宽度为3个线间距，同一排布方向任意三个相邻线圈的线号组合是唯一的，由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。本发明通过剔除线圈阵列中有可能出现误操作的线号组合，避免了随机误操作，提高了触控的准确性。

Description

电磁感应白板的线圈阵列及其设计方法

技术领域

本发明涉及电磁感应白板领域，尤其涉及电磁感应白板的线圈阵列及其设计方法。

背景技术

电磁感应白板是一种利用电磁感应原理实现人机交互的装置，其一般包括显示屏、线圈阵列、控制单元以及电磁笔等主体设备，线圈阵列安装在显示屏的内侧，与控制单元连接。当电磁笔触碰显示屏时，线圈感应到电磁笔发射的电磁波，产生感应电动势，通过监控线圈阵列中各个线圈的电势高低或电流大小，控制单元即可对电磁笔的触控点进行准确定位。

传统的线圈阵列由沿X轴和Y轴排列的多个线圈构成，双方向线圈纵横交错形成网格状，每一个网格构成一个感应单元，其中每一个线圈由一条独立的导线绕制而成。以长×宽为160cm×120cm的白板为例，其X轴、Y轴方向分别需要排布160、120个线圈，这样双方向的引出线就有近600条之多，如此多的引出线，不但需要相应数量的电路元件，造成集线板体积庞大、成本上升，同时生产工艺难度大，生产效率低下，产品可靠性差，容易出现故障。

在此基础上出现了线路复用技术，与传统技术不同，其每一条导线用于绕制多个线圈，从而减少导线的数量，亦即减少引出线的数量，其线圈阵列如图1所示。

公开号为CN102236499、公开日为2011年11月9日的专利申请就公开了一种采用一线多匝工艺绕制而成的线网，线网是在电磁式白板板面下用电磁线按一定规律绕制成的一个平面直角坐标系，横坐标和纵坐标都只有21根线。其中任何一个方向中，任意相邻三匝线的线号组合是唯一的并且同一线号相邻两匝的最小间隔为9个线间距。

公告号为CN201503583、公告日为2010年6月9日的实用新型也公开了一种线路复用线圈阵列，该线圈阵列中任何两个输入单元(由相邻的3个线圈组组成)中至少有一个导线线号分别属于不同的绕组，或由属于三个相同绕组的感应线圈按照不同的方式排列而成。

具备上述结构的线圈阵列，任一个线圈都在其排布方向上跨越三个线间距，因而，线圈阵列中任一感应单元在X轴或Y轴任一方向上都被相互邻接的三个线圈所覆盖，设置任一方向中任意相邻三个线圈所对应三条导线的线号组合在该方向是唯一的，即该线号组合与该方向其他任意相邻三线圈所对应的线号组合均不同，则任一感应单元的坐标均可由覆盖该单元的两个线号组合唯一地确定，由此实现触控的准确定位。

以上方案虽然有效减少了导线数量，使得工艺更易实现、设备更稳定、并降低了成本，但在实际使用中，常常会出现随机误操作。例如电磁笔的触控点实际是在X轴编号为(1，2，3)的三个线圈之内，但控制单元识别到的位置却是在编号为(1，2，4)的三个线圈之内，触控准确性仍有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，而提供一种电磁感应白板的线圈阵列，能够避免随机误操作，提高触控的准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电磁感应白板的线圈阵列，包括由导线绕制的多个线圈，所述线圈分别沿第一、第二方向排布，其中任一导线绕制的线圈数量≥1，任一线圈沿其排布方向的宽度为3个线间距，同一排布方向任意三个相邻线圈的线号组合是唯一的，由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。

进一步地，所述线间距为10mm。

进一步地，由同一导线绕制的任意两相邻线圈的最小间隔为14个线间距。

或者提供一种电磁感应白板的线圈阵列，包括由导线绕制的多个线圈，所述线圈分别沿第一、第二方向排布，其中任一导线绕制的线圈数量≥1，除任一边线处的两个线圈外，其他任一线圈沿其排布方向的宽度均为3个线间距，同一排布方向任意三个相邻线圈的线号组合是唯一的，由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。

进一步地，线圈阵列的任意边线处同时绕制三个由不同线号导线所形成的线圈，任一边线处的三个线圈沿其排布方向的宽度分别为1个、2个、3个线间距。

进一步地，所述线间距为10mm。

进一步地，由同一导线绕制的任意两相邻线圈的最小间隔为14个线间距。

同时提供一种电磁感应白板线圈阵列的设计方法，包括：

A.根据白板尺寸及线间距计算第一、第二任一排布方向所需线圈数量M；

B.设置第一、第二任一排布方向所需导线数量N；

C.设置任一导线所绕制两相邻线圈之间的最小间隔d；

D.为各条导线编号，设置同一排布方向第1至L个线圈分别对应L条导线所绕制的起始线圈，确定第L+1至第M个线圈所对应导线的线号，使其满足：同一线号导线所绕制任意两相邻线圈的间距≥d、同一排布方向任意相邻三个线圈的线号组合是唯一的、由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上，其中1≤L≤N；

E.调整N、d、L的大小，重复步骤D，直至M个线圈均可确定其对应导线的线号。

进一步地，所述线间距为10mm。

进一步地，所述最小间隔d为14个线间距。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过剔除了线圈阵列中有可能出现误操作的线号组合，避免了随机误操作，提高了触控的准确性。

附图说明

图1为现有电磁感应白板线圈阵列示意图；

图2为本发明宽边框形式下线圈阵列示意图；

图3为本发明窄边框形式下线圈阵列示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明电磁感应白板的线圈阵列包括由导线绕制的多个线圈，为了减少引出线的数量，任意一条导线用于绕制多个线圈，当然也可仅绕制一个线圈，由同一导线绕制的所有线圈排布在同一方向上。这些线圈分别沿第一、第二方向排布，通常选定第一方向为直角坐标系X轴的正向或负向，选定第二方向为直角坐标系Y轴的正向或负向，沿第一、第二方向排布的线圈纵横交错形成网格结构，每一个网格构成一个感应单元。感应单元的大小取决于分别排布在第一、第二方向上相邻线圈的间距，即线间距的大小。根据触控精度要求的不同，感应单元大小的设置是有差异的，例如可以设置其为8×8mm、10×10mm、或15×15mm等，感应单元越小，触控精度越高，但所需导线的数量也越多。本实施例感应单元的大小设置为10×10mm，即双方向的线间距均为10mm。

以尺寸为160cm×120cm的电磁感应白板为例，其第一排布方向包括160个线间距，第二排布方向包括120个线间距。如图2所示，以第一排布方向为例，t为该方向相邻线圈的间距，T为白板尺寸范围，如果要保证白板尺寸范围T内每个感应单元，即160个线间距区域内的感应单元都能被相邻的三个线圈同时覆盖，那么该方向所需线圈的数量应为162个，每一个线圈沿该方向的宽度均为3个线间距。参见图2，线圈1、2、3、4及159、160、161、162分别为靠近该方向两边线处的四个线圈，其宽度均为3个线间距，除线圈1、2及161、162所覆盖的、分别靠近两边线的两个线间距宽度的区域外，其他区域的任一感应单元均可被三个相邻线圈同时覆盖。其边缘部分不能被三个线圈同时覆盖的区域，由于无法实现触控识别，通常利用白板边框将其包覆，而不占用白板的有效触摸面积。采用该方式，白板的边框会比较宽，会影响产品的美观，但并不影响其正常使用。

为了使产品更美观，还可以采用窄边框的方式进行处理，如图3所示。线圈1、2、3同时绕制在该排布方向一边线处，线圈160、161、162同时绕制在该排布方向的另一边线处。除线圈1、2及161、162外，其他任一线圈沿该方向的宽度均为3个线间距，线圈1、2沿该方向的宽度分别为1个、2个线间距，线圈161、162沿该方向的宽度分别为2个、1个线间距。这样即可使任一感应单元均被三个相邻线圈覆盖，实现触控识别，而无需再加宽白板边框。

下表即为采用上述窄边框方式处理边缘线圈后的绕线序列表，线圈阵列第一、第二排布方向分别采用20条导线绕制线圈，线圈的绕制均遵循该绕线序列表。

绕线序列表单元格内斜线后的数字表示绕线柱编号，斜线前的数字或字母表示由该绕线柱绕出线圈所对应的导线编号；以该表中的黑色单元格为例，该数字表示线圈阵列第43根绕线柱上绕出的线圈由线号为9的导线绕制而成。尺寸为160cm×120cm的电磁感应白板，其线圈阵列的第一排布方向需要162个线圈，161个绕线柱，第二排布方向需要122个线圈，121个绕线柱。由该表可知，第一排布方向线号为0的导线共绕制形成8个线圈，这8个线圈分别由第1、20、34、63、85、111、134和157这8根绕线柱上绕出；而第二排布方向线号为0的导线共绕制形成6个线圈，这6个线圈分别由第1、20、34、63、85和111这6根绕线柱上绕出。

绕制时，任一边线处同时绕制三个由不同线号的导线所形成的线圈，如该表中第1根绕线柱上，即该排布方向的起始边线处同时绕出由编号为0、1、2的导线所形成的线圈；同样的，第161根绕线柱上，即该排布方向的终止边线处也同时有三个由不同线号的导线所形成的线圈绕回，只是由于该表所示均为线圈绕出位置与绕线柱的对应关系，因此未标示第161根绕线柱的情况，其终止边线处线圈绕回的情况可参见图3。

除任一边线处的两个线圈外，其他任一线圈起始于绕线序列表中该线圈所对应的绕线柱，终结于3个线间距后的绕线柱，即其他任一线圈沿其排布方向的宽度均为3个线间距，而边线处的两个线圈沿其排布方向的宽度分别为1个、2个线间距。如此得以保证，每一个感应单元都能被三个相邻的线圈所覆盖。当然，如果不考虑白板边框的宽度，也可设置任一线圈沿其排布方向的宽度均为3个线间距。

由于同一条导线所绕制的线圈之间会形成电磁干扰，为了尽量减小干扰，可将任一导线所绕制的任意两相邻线圈设置得足够远，由上表可知，本实施例中任一导线所绕制的任意相邻两线圈的间隔大于等于14个线间距，该间隔距离既能够保证干扰足够小，又能够保证导线的复用率。

为了保证线圈阵列中任意一个感应单元都能被唯一地标识，从而实现触控定位，本实施例的线圈阵列，第一、第二任一排布方向中任意相邻三个线圈的线号组合是唯一的，即该组合与该方向其他任意相邻三个线圈的线号组合均不同。例如，上表中第6、7、8号三个相邻绕线柱所对应的三个相邻线圈的线号组合为(7，8，9)，该表所示的其他任意三个相邻线圈的线号组合中不再包括该组合。

前面已经描述过，仅具有上述结构线圈阵列的电磁感应白板，在使用过程中，常常会出现随机误操作，例如电磁笔的触控点实际是在第一排布方向线号为(1，2，3)的三个线圈之内，但控制单元识别到的位置却是在该方向线号为(1，2，4)的三个线圈之内。通过大量实验发现出现该误操作现象的两点，其线号组合具备相邻的特点，即在同一排布方向任意相邻四个线圈的线号组合中存在(1，2，3，4)这样一个组合，当触控点落在线号为3与4的线圈之间时，由于外界电磁信号干扰、算法精度误差或电磁笔倾斜角度过大，有可能造成线号为4的线圈感应生成的电流较线号为3的线圈感应生成的电流更大，结果导致控制单元将原本位于线号组合(1，2，3)内的点判断为位于线号组合(1，2，4)之内，从而造成误判，降低了触控的准确度。

为了避免上述误操作，本实施例的线圈阵列，由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。仍以(1，2，3，4)四个相邻线圈为例，其四个线号一共可以形成(1，2，3)、(1，2，4)、(1，3，4)和(2，3，4)四个用于标识触控点的线号组合，(1，2，3，4)四个相邻线圈中已经存在(1，2，3)、(2，3，4)这两个线号组合，那么线圈阵列该方向上其他任意三个相邻线圈的线号组合中就不能再包括(1，2，4)、(1，3，4)这两个线号组合。如绕线序列表所示，在同一排布方向上不存在(1，2，4)、(1，3，4)这两个线号组合。

为了更好地理解，下面对电磁感应白板线圈阵列的设计方法逐步进行说明。

步骤A.根据白板尺寸及线间距计算第一、第二任一排布方向所需线圈数量M：

以尺寸为160cm×120cm电磁感应白板的长边(第一排布方向)为例，其线间距为10mm，则第一排布方向有160个线间距，如图1所示，若要保证白板尺寸范围内每个感应单元，即160个线间距的区域都能被相邻的三个线圈同时覆盖，那么X轴方向所需线圈的数量应为162个，即M＝162。

步骤B.设置第一、第二任一排布方向所需导线数量N：

由于线圈阵列的每个感应单元都被相邻的三个线圈同时覆盖，为了能唯一地标识每一个感应单元，则需要同一排布方向任意相邻三个线圈的线号组合是唯一的，因此该方向所需导线的数量N必须满足，从N个数中任取3个所形成组合的数量大于该方向白板尺寸所能容纳感应单元的数量。以上述白板为例，其第一排布方向所需导线数量N必须满足大于160。

步骤C.设置任一导线所绕制两相邻线圈之间的最小间隔d：

如前文所述，为了尽量减小同一条导线所绕制线圈之间的电磁干扰，需要保证同一导线所绕制的任意两相邻线圈之间有一定的间隔，该间隔的最小值为d，即同一导线所绕制的任意两相邻线圈的间距≥d。d的选取应当既能够保证干扰足够小，又能够保证导线的复用率，实验证明当线圈阵列的线间距为10mm时，选取d＝14是最经济的。当然，如果线圈阵列的线间距选定为其他数值，则d的选取也需要做出适当的调整，以达到最经济的效果。

步骤D.为各条导线编号，设置同一排布方向第1至L个线圈分别对应L条导线所绕制的起始线圈，1≤L≤N，确定第L+1至第M个线圈所对应导线的线号，使其同时满足以下条件：

(1)同一线号导线所绕制任意两相邻线圈的间距≥d；

(2)同一排布方向任意相邻三个线圈的线号组合是唯一的；

(3)由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。

假定在步骤B中设置第一排布方向的导线数量N＝10，在步骤C中设置任一导线所绕制两相邻线圈之间的最小间隔为d＝15，为10条导线分别编号为1-10，设置该方向所排布的第1-10个线圈分别对应线号为1-10的导线所绕制的起始线圈。接下来就需要逐一确定第11-162个线圈所对应的导线线号。

第11个线圈对应的线号可以从1-9这9个线号中选择，判断各个线号是否同时满足上述三个条件，对于满足条件的继续进行第12个线圈的线号选择。以此类推，直到162个线圈都能对应到符合条件的线号，或者进行到某个线圈时已经无法对应到任何一个符合条件的线号。如果是前者，记录下每个线圈所对应的线号，即可实现线圈阵列的排布；但如果是后者，则需要返回，调整参数重新运算。

参数L的选取有多种方式，例如可以像前面所说的那样，设定L＝N，即设置前N个线圈分别对应N条导线所绕制的起始线圈，对应的顺序可以是N条导线的线号顺序，也可以是其他打乱线号的顺序；或者设定L＝3，即首先确定前三个相邻线圈的线号组合，之后线圈所对应的线号再逐一进行确定；或者设定L等于其他任意≥1而＜N的数。按照习惯，通常会设定L＝N，并设置前N个线圈分别按照导线的线号顺序对应N条导线所绕制的起始线圈，这也是最为简便的排列方式。

E.调整N、d、L的大小，重复步骤D，直至M个线圈均可确定其对应导线的线号。

接步骤D，当原来设定N＝10、d＝15、L＝10无法将每个线圈都对应到符合条件的线号时，就需要调整这些参数重新运算。经过多次运算，当设定N＝20、d＝14、L＝19时，将162个线圈均对应到了符合条件的线号，记录下该对应关系，即可生成线圈阵列排布所依据的绕线序列表。

继续调整参数还可以得到更多绕线序列表，实际生产中可以根据需要选取不同的绕线序列。作为原则，同一导线所绕制相邻线圈之间的间距越大，线圈之间的干扰越小，触控精度越高，但导线的复用率就越低；导线数量越多，触控精度越高，使用独立导线绕制独立线圈的精度最高，但是生产工艺的难度及成本也越高。确定绕线序列表时，需要在触控精度和生产工艺难度之间做出权衡，在保证性能及工艺都能满足实际要求的基础上，使用数量最少的导线、同时使任一导线所绕制的任意两相邻线圈之间的最小间隔最大，是最为理想的。

绕线序列表确定后，即可按照其中线号与绕线柱的对应关系进行导线的绕制，将绕制形成的线圈阵列进行固定，通常的做法是将其粘贴在在两层无纺布之间，并将线圈阵列第一、第二排布方向各自使用的导线及其共用的地线焊接到集线板上即可。

本实施例是以160×120cm的电磁感应白板为例进行说明的，实际生产中，电磁白板的尺寸可能还会更大，均可采用上述结构及方法予以实现。

Claims (10)

1.一种电磁感应白板的线圈阵列，包括由导线绕制的多个线圈，所述线圈分别沿第一、第二方向排布，其中任一导线绕制的线圈数量≥1，任一线圈沿其排布方向的宽度为3个线间距，同一排布方向任意三个相邻线圈的线号组合是唯一的，其特征在于：由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。

2.根据权利要求1所述的线圈阵列，其特征在于：所述线间距为10mm。

3.根据权利要求2所述的线圈阵列，其特征在于：由同一导线绕制的任意两相邻线圈的最小间隔为14个线间距。

4.一种电磁感应白板的线圈阵列，包括由导线绕制的多个线圈，所述线圈分别沿第一、第二方向排布，其中任一导线绕制的线圈数量≥1，除任一边线处的两个线圈外，其他任一线圈沿其排布方向的宽度均为3个线间距，同一排布方向任意三个相邻线圈的线号组合是唯一的，其特征在于：由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上。

5.根据权利要求4所述的线圈阵列，其特征在于：线圈阵列的任意边线处同时绕制三个由不同线号导线所形成的线圈，任一边线处的三个线圈沿其排布方向的宽度分别为1个、2个、3个线间距。

6.根据权利要求5所述的线圈阵列，其特征在于：所述线间距为10mm。

7.根据权利要求6所述的线圈阵列，其特征在于：由同一导线绕制的任意两相邻线圈的最小间隔为14个线间距。

8.一种电磁感应白板线圈阵列的设计方法，包括：

A.根据白板尺寸及线间距计算第一、第二任一排布方向所需线圈数量M；

B.设置第一、第二任一排布方向所需导线数量N；

C.设置任一导线所绕制两相邻线圈之间的最小间隔d；

D.为各条导线编号，设置同一排布方向第1至L个线圈分别对应L条导线所绕制的起始线圈，确定第L+1至第M个线圈所对应导线的线号，使其满足：同一线号导线所绕制任意两相邻线圈的间距≥d、同一排布方向任意相邻三个线圈的线号组合是唯一的、由同一排布方向任意相邻四个线圈中任意三个线圈所构成的线号组合，仅两组存在于该方向上，其中1≤L≤N；

E.调整N、d、L的大小，重复步骤D，直至M个线圈均可确定其对应导线的线号。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于：所述线间距为10mm。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：所述最小间隔d为14个线间距。