CN109656430A - 一种具有接近探测功能的电容触摸屏 - Google Patents

一种具有接近探测功能的电容触摸屏 Download PDF

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吴锡淳
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吕岳敏
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Abstract

一种具有接近探测功能的电容触摸屏，包括基板，其一表面设有多个单元电极，并至少定义有一包含多个单元电极的主探测区；属于同一主探测区的多个单元电极间设有开关连接，开关连接设有第一开关，当第一开关断开时，单元电极相互独立，而当第一开关接通时，单元电极相互连接以构成一主电极；以及，还包括检测电路，当第一开关断开时，检测电路与各单元电极连接，以根据各单元电极的电容变化来检测手指在基板之上的触碰动作；而当第一开关接通时，检测电路与各主电极连接，以根据各主电极的对地电容变化来探测手部在触摸屏前方的动作。这种电容触摸屏，其探测的距离较远，能够探测到手部在触摸屏前方较远距离的动作。

Description

一种具有接近探测功能的电容触摸屏
技术领域
本发明涉及一种电容触摸屏，尤其是一种具有接近探测功能的电容触摸屏。
背景技术
电容触摸屏一般包括基板，其至少一表面设有多个感应电极，感应电极的宽度一般在0.5〜1.2cm之间，触摸屏可根据感应电极的对地电容(自电容)变化或是相邻感应电极间的互电容变化来探测手指在其表面的触碰动作，由此实现触摸感应功能。
为了拓展电容触摸屏的应用，有人提出在触摸屏中加入当手部接近而未接触到触摸屏的表面时也能被触摸屏感应到的接近探测功能。然而，目前这种接近探测功能一般是通过直接检测各感应电极的自电容变化并加强检测电路的信号分析来实现的，其受到感应电极宽度的限制，所能探测的距离非常短，因而无法探测到手部在触摸屏前方较远距离的动作，其应用并不广泛。
发明内容
本发明的目的为提供一种具有接近探测功能的电容触摸屏，其探测的距离较远，能够探测到手部在触摸屏前方较远距离的动作，所采用的技术方案如下：
一种具有接近探测功能的电容触摸屏，其特征为：
包括基板，其一表面设有多个单元电极，并至少定义有一包含多个单元电极的主探测区；
属于同一主探测区的多个单元电极间设有开关连接，所述开关连接设有第一开关，当所述第一开关断开时，所述单元电极相互独立，而当所述第一开关接通时，所述单元电极相互连接以构成一主电极；以及，
还包括检测电路，当所述第一开关断开时，所述检测电路与各单元电极连接，以根据各单元电极的电容变化来检测手指在基板之上的触碰动作；而当所述第一开关接通时，所述检测电路与各主电极连接，以根据各主电极的对地电容变化来探测手部在触摸屏前方的动作。
具体地，所述电容触摸屏可以仅包含所述基板，也可以为所述基板和其他板体(如保护板)的组合。所述单元电极可以设置在基板的内侧面或外侧面(当覆盖有保护板时)，由于电容触摸屏的主体区域一般为透明的，因而单元电极一般采用透明导电材料制作而成，如采用ITO薄膜图形化而成；单元电极一般为0.5〜1.2cm宽度的电极块、电极条，或是由0.5〜1.2cm宽度的电极块相互连接而成的电极串，如单元电极为两组相互垂直并交叉为感应阵列的电极串(X、Y电极串)。上述单元电极一般通过周边线路连出，周边线路可以为与单元电极处于同一基板表面的导电线路，尤其是金属薄膜图形化而成的导电线路。
主探测区为基板表面包含多个单元电极，尤其是多个相互靠紧的单元电极的一个区域，由此主探测区可以由其包含的单元电极所占的面积进行定义，例如：当一个主探测区的单元电极为相互交叉的X、Y电极串时，该主探测区可对应于其X、Y电极串交叉而成的感应阵列的所占面积。通过多个单元电极的组合，主探测区的宽度远较单元电极大，使得在进行接近探测时，检测电路能够获得足够的信号，以探测到更远的距离。所述基板可以仅有一个主探测区，也可以有多个主探测区。
所述开关连接可设置在周边线路中，也可通过周边线路引出而设置在外部的电路(如FPC连线、外接电路板、外部的电路系统或计算机系统)中；优选所述开关连接的主体部分设置在外部电路中，由此第一开关可通过芯片，如集成多个开关的模拟开关芯片来实现——模拟开关芯片可根据输入到芯片中的电信号，来控制各个第一开关的接通或断开，从而实现将同属某主探测区的多个单元电极连接起来而构成主电极。
所述检测电路的主体可以为用来检测各单元电极或主电极电容的电路，具体地，其主体可以包括具有触摸检测功能或电容检测功能的电路或芯片。除此之外，所述检测电路还可包括一定的控制系统和/或分析系统，如由单片机或计算机的软、硬件构成的控制系统和/或分析系统，以便于在触摸屏的检测过程中对第一开关等各个开关进行自动控制，并根据所检测到的电容值分析出手部在触摸屏前方的位置或动作。
在本发明的一具体方案中，所述检测电路包括第一检测电路和第二检测电路。其中，第一检测电路用于检测手指在触摸屏前方的接近动作，其一般为电容检测电路；各开关线路可分别、直接连接至第一检测电路，以便于检测各主电极的对地电容。第二检测电路为触摸检测电路，如包括电容式触控芯片的电路，其用于检测手指在触摸屏上的触碰动作，各单元电极可直接与第二检测电路连接，也可通过另外的开关(如第二开关)与第二检测电路连接，在第一开关为切换开关的情况下，各单元电极还可利用第一开关在第一、二检测电路间进行切换，上述各开关均可通过模拟开关芯片来实现，并通过单片机或计算机进行控制。
在未感应到有手指或导体接近的一般情况下，所述第一开关可以保持导通，由此主探测区的单元电极相互连接而构成主电极，当手部出现在触摸屏前方时，主电极的对地电容(下文所提到的主电极电容均为其对地电容)受其影响而出现变化，其通过第一检测电路的检测即可被探测到，其中，由于主电极的宽度较大，手部在触摸屏前方不小于主电极宽度的距离处(实际上可达到5—20倍主电极宽度的距离)，即能够对主电极的电容造成影响而使其发生明显的变化，而且由于主电极的电容较大，其更加容易为第一检测电路所检测出来，由此，主电极能够探测到触摸屏前方更远的距离。
在触摸屏的实际工作过程中，还可为每个主电极的电容变化设置一定的阈值，当任一主电极的电容变化超过阈值时，检测电路认为手部(手指)已非常接近或触碰到触摸屏表面，由此关闭第一开关，使各主电极解散为单元电极，第二检测电路根据各单元电极的电容变化来检测手指在触摸屏上的触碰动作，其分辨率更高。
在本发明的一优选方案中，所述基板还包括至少一屏蔽区，所述屏蔽区至少设置在一主探测区的一侧边，所述屏蔽区至少包含一个作为屏蔽电极的单元电极，当所述第一开关接通时，所述屏蔽电极接地(可通过上述第一或第二开关实现)。屏蔽区可减少主电极受到的干扰，从而提高探测的距离和准确度。
在本发明的一优选方案中，所述基板还包含至少一副探测区，所述副探测区的面积小于各主探测区，所述副探测区至少包含一作为副电极的单元电极；当所述第一开关接通时，所述检测电路还与副电极连接(可通过上述第一或第二开关实现)，以进一步根据主电极和副电极电容变化之差别，来探测手指在触摸屏前方的动作。
具体地，所述主、副探测区并列设置，优选主探测区的面积不少于副探测区的5倍，或是主探测区所包含的单元电极的数量不少于副探测区的5倍，由此，当手部处于触摸屏前方时，主电极和副电极的电容均可发生变化，但这种变化存在着由主、副电极不同面积分别决定的非线性衰减规律，检测电路可进一步根据这种非线性的衰减规律的差别来消除外界的干扰，使得信号更加清晰，其探测距离更远。进一步优选地，至少一副探测区包含多个单元电极，所述单元电极之间也设有开关连线，所述开关连线也设有第一开关，当所述第一开关断开时，所述单元电极相互独立，而当所述第一开关接通时，所述单元电极相互连接以构成副电极。
在本发明的一优选方案中，所述电容触摸屏包括作为主探测区的左探测区和右探测区，当所述第一开关接通时，左、右探测区的单元电极分别构成作为主电极的左电极和右电极，所述检测电路分别检测左、右电极的电容变化，并根据左、右电极的电容变化(如左、右电极电容变化的比值)来计算手部在触摸屏前方的左右位置。在本发明的另一优选方案中，所述电容触摸屏包括作为主探测区的上探测区和下探测区，当所述第一开关接通时，上、下探测区的单元电极分别构成作为主电极的上电极和下电极，所述检测电路分别检测上、下电极的电容变化，并根据上、下电极的电容变化(如上、下电极电容变化的比值)来计算手部在触摸屏前方的上下位置。
在本发明的又一优选方案中，所述电容触摸屏包括构成“田”字形排列的第一、第二、第三和第四主探测区，其分别为基板的左上、右上、右下和左下区域，当所述第一开关接通时，第一、第二、第三和第四主探测区的单元电极分别连接为第一、第二、第三和第四主电极；所述检测电路分别检测第一、第二、第三和第四主电极的电容变化，并依此探测手部在触摸屏前方的上下左右位置。具体地，可定义上电容为第一、第二主电极电容的和，下电容为第三、第四主电极电容的和，左电容为第一、第四主电极电容的和，右电容为第二、第三主电极组合电容的和；检测电路根据所述上、下电容变化(如上、下电容变化的比值)来计算手部在触摸屏前方的上下位置，以及根据左、右电容变化(如左、右电容变化的比值)来计算手部在触摸屏前方的左右位置。进一步优选地，还包括屏蔽区，所述屏蔽区为各主探测区之间的“十”字间隙区域，其至少包含一个作为屏蔽电极的单元电极，当所述第一开关接通时，所述屏蔽电极接地(可通过上述第二开关实现)。
本发明的有益效果在于：
在所提供的电容触摸屏中，采用开关线路将同属一主检测区的多个单元电极动态地连接起来，当开关线路接通时，单元电极组合为更大面积的主电极，主电极由于面积较大，能够根据其电容的变化，探测到触摸屏前方更远距离的手部动作，以实现更远距离的接近探测功能。除此之外，当开关线路断开时，各单元电路相互独立，电容触摸屏相当于普通的电容触摸屏，其能够以更高的分辨率来探测手指在触摸屏表面的触碰动作。
以下通过附图和实施例来对本发明的技术方案做进一步的说明。
附图说明
图1为实施例一的电容触摸屏的外形、结构示意图；
图2为实施例一的电容触摸屏的主探测区、屏蔽区的示意图；
图3为实施例一的电容触摸屏，其部分检测电路的示意图(仅画出一个主电极和屏蔽电极的对应电路，其顶端各端口用于与多个单元电极连接)；
图4为实施例一的电容触摸屏，其接近探测功能示意图；
图5为实施例一的电容触摸屏，其主电极的示意图(忽略了主电极中的各单元电极)；
图6为实施例一的电容触摸屏，其检测电路的工作流程示意图；
图7为实施例一的电容触摸屏，其某主电极的对地电容与手部距离的Ci—L关系示意图；
图8为实施例二的电容触摸屏，其部分检测电路的示意图(仅画出一个主电极和屏蔽电极的对应电路)，其顶端各端口与各单元电极连接；
图9为实施例二的电容触摸屏，其某主电极的信号、副电极的放大信号与手部距离的关系示意图；
图10为实施例二的电容触摸屏，其某主电极与副电极的差分信号与手部距离的关系示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1、图2所示，具有接近探测功能的电容触摸屏100，包括通过全贴合技术相互粘紧的透明保护板10和透明玻璃基板20，基板20的外表面设有多个由ITO薄膜图形化而成的单元电极30，单元电极30为由多个宽度为0.6mm(0.5〜1.2cm均可)的电极块串接而成的X电极串和Y电极串，大部分的X、Y电极串交叉构成“田”字形排列第一、第二、第三、第四感应矩阵，其分别为基板的左上、右上、右下和左下区域，定义第一、第二、第三、第四感应矩阵的所在区域分别为第一、第二、第三、第四主探测区410、420、430、440。主探测区之间的“十”字间隙区域450为屏蔽区，其包括四个作为屏蔽电极的单元电极45。主探测区所包含的单元电极数量为屏蔽区的5倍以上(面积也为5倍以上)。
如图1、图3所示，触摸屏100的一侧设有FPC接线50，各单元电极30通过金属薄膜图形化而成的周边线路31连接到接线50上，接线50上设有模拟开关芯片51、电容检测芯片52、触控芯片53和单片机芯片54。各个单元电极30直接连接到触控芯片53，而属于同一主探测区的多个单元电极则通过第一开关511连接至开关连接521，各个开关连接521再连接到电容检测芯片52，各屏蔽电极45通过第一开关512接地，第一开关511、512集成在模拟开关芯片51中，单片机芯片54用于控制模拟开关芯片51来实现各第一开关511、512的通断。
如图4、图5、图6所示，通过单片机芯片51的控制，在未感应到有手部200接近的一般情况下，第一开关511、512保持导通，由此第一、第二、第三、第四主探测区的单元电极分别连接、组合为各主电极40，其包括第一主电极41、第二主电极42、第三主电极43以及第四主电极44，其对地电容分别为C1、C2、C3、C4，而屏蔽电极45通过第一开关512接地。
由于各主电极40通过各自的开关连接521与电容检测芯片52连接，当手部200出现在触摸屏100前方，且距离L大致为各主电极宽度的1〜5倍时，各主电极40的电容Ci(i=1、2、3或4)受其影响而出现变化，其通过电容检测芯片52的检测，即可得到各主电极40的电容及其变化值，并进一步由单片机芯片54计算出：上电容Cup=C1+C2；下电容Cdown=C3+C4；左电容Cleft=C1+C4；以及右电容Cright=C2+C3；并根据上、下电容变化值的比值ΔCup/ΔCdown来计算手部200在触摸屏前方的上下位置，左、右电容的变化值的比值ΔCleft/ΔCright来计算手部200在触摸屏前方的左右位置，由此输出手部200悬空的位置。
如图6所示，在单片机芯片54的程序设置中，还可为每个主电极40的电容变化设置一定的阈值Cth，当任一主电极的电容变化ΔCi超过阈值Cth时，关闭第一开关511以使各主电极40解散为单元电极30，关闭第一开关512以使各屏蔽电极不接地，并启动触控芯片53，以根据各单元电极30的电容变化来检测手部(手指)200在触摸屏100上的触碰动作。
除此之外，还可根据Ci值以及Ci—L关系(如图7所示，由实验或经验获得)，
输出手部200与触摸屏100的距离L(可分别由各主电极40的电容变化Ci值计算出各自的Li值，最后取最小值)。
除此之外，在本实施例的其他方案中，为了避免信号的窜扰，各单元电极30还可通过一第二开关与触控芯片连接，在上述各第一开关打开时，第二开关关闭；或在第一开关为切换开关的情况下，各单元电极还可利用第一开关在第一、二检测电路间切换连接，所述第一、二开关均可通过模拟开关芯片来实现，并通过单片机芯片54或其他计算机进行控制。
实施例二
在实施例一的基础上，将其屏蔽区450重新定义为副探测区，而将原屏蔽电极45改为副电极，则构成本发明的实施例二。
具体地，如图8所示，原屏蔽电极45改为通过第一开关512与电容检测芯片52连接而不是接地，由此其为副电极。各主电极40在进行接近探测时，也通过接通第一开关512以使副电极45同时进行接近探测，各主电极40和副电极45所探测到的信号分别为S1、S2，有S1=S1A+S1N，S2=S2A+S2N，S1A、S2A分别为探测到的信号中，反映出手部处于触摸屏前方而导致主电极40对地电容变化的部分(如ΔCi)和副电极45对地电容变化部分，S1N、S2N分别为探测到的信号中的噪声部分。
由于各副电极45的面积较各主电极40小，当手部出现在触摸屏前方时，随着手部距离L的增加，S2A的非线性衰减要明显快于S1A，而S1N、S2N与L无关。由此，如图9所示，可将副电极45的信号S2放大为S2’=kS2，k为放大系数，其取值使得kS2N=S1N，而一般有kS2A<S1A(根据主、副电极的非线性衰减规律)，如图10所示，计算差分信号SD：
SD=S1-S2N’=S1A+S1N-kS2A-kS2N=S1A-kS2A
即可消除掉大部分的噪声，以提高正常信号的比例。由此使得所探测到的信号更加清晰，因而能够探测到触摸屏前方更远的距离。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种具有接近探测功能的电容触摸屏，其特征为：
包括基板，其一表面设有多个单元电极，并至少定义有一包含多个单元电极的主探测区；
属于同一主探测区的多个单元电极间设有开关连接，所述开关连接设有第一开关，当所述第一开关断开时，所述单元电极相互独立，而当所述第一开关接通时，所述单元电极相互连接以构成一主电极；以及，
还包括检测电路，当所述第一开关断开时，所述检测电路与各单元电极连接，以根据各单元电极的电容变化来检测手指在基板之上的触碰动作；而当所述第一开关接通时，所述检测电路与各主电极连接，以根据各主电极的对地电容变化来探测手部在触摸屏前方的动作。
2.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述单元电极为0.5〜1.2cm宽度的电极块、电极条，或是由0.5〜1.2cm宽度的电极块相互连接而成的电极串。
3.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述基板包括多个主探测区。
4.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述检测电路包括第一检测电路和第二检测电路,第一检测电路用于检测手指在触摸屏前方的接近动作，其为电容检测电路，各开关线路分别连接至第一检测电路；第二检测电路为触摸检测电路，其用于检测手指在触摸屏上的触碰动作。
5.如权利要求4所述的电容触摸屏，其特征为：各单元电极直接与第二检测电路连接。
6.如权利要求4所述的电容触摸屏，其特征为：各单元电极通过另外的第二开关与第二检测电路连接。
7.如权利要求4所述的电容触摸屏，其特征为：所述第一开关为切换开关，各单元电极通过第一开关在第一、二检测电路间进行切换。
8.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：设有对应每个主电极的电容变化阈值，当任一主电极的对地电容变化超过其阈值时，关闭第一开关，使各主电极解散为单元电极。
9.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述基板还包括至少一屏蔽区，所述屏蔽区至少设置在一主探测区的一侧边，所述屏蔽区至少包含一个作为屏蔽电极的单元电极，当所述第一开关接通时，所述屏蔽电极接地。
10.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述基板还包含至少一副探测区，所述副探测区的面积小于各主探测区，所述副探测区至少包含一作为副电极的单元电极；当所述第一开关接通时，所述检测电路还与副电极连接，以进一步根据主电极和副电极电容变化之差别，来探测手指在触摸屏前方的动作。
11.如权利要求10所述的电容触摸屏，其特征为：所述主探测区的面积不少于副探测区的5倍。
12.如权利要求10所述的电容触摸屏，其特征为：所述主探测区所包含的单元电极的数量不少于副探测区的5倍。
13.如权利要求10所述的电容触摸屏，其特征为：至少一副探测区包含多个单元电极，所述副探测区的单元电极之间也设有开关连线，所述开关连线也设有第一开关，当所述第一开关断开时，所述副探测区的单元电极相互独立，而当所述第一开关接通时，所述副探测区的单元电极相互连接以构成副电极。
14.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述电容触摸屏包括作为主探测区的左探测区和右探测区，当所述第一开关接通时，左、右探测区的单元电极分别构成作为主电极的左电极和右电极，所述检测电路分别检测左、右电极的电容变化，并根据左、右电极的电容变化来计算手部在触摸屏前方的左右位置。
15.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述电容触摸屏包括作为主探测区的上探测区和下探测区，当所述第一开关接通时，上、下探测区的单元电极分别构成作为主电极的上电极和下电极，所述检测电路分别检测上、下电极的电容变化，并根据上、下电极的电容变化来计算手部在触摸屏前方的上下位置。
16.如权利要求1所述的电容触摸屏，其特征为：所述电容触摸屏包括构成“田”字形排列的第一、第二、第三和第四主探测区，其分别为基板的左上、右上、右下和左下区域，当所述第一开关接通时，第一、第二、第三和第四主探测区的单元电极分别连接为第一、第二、第三和第四主电极；所述检测电路分别检测第一、第二、第三和第四主电极的电容变化，并依此探测手部在触摸屏前方的上下左右位置。
17.如权利要求16所述的电容触摸屏，其特征为：
定义上电容为第一、第二主电极电容的和，下电容为第三、第四主电极电容的和，左电容为第一、第四主电极电容的和，右电容为第二、第三主电极组合电容的和；以及，
检测电路根据所述上、下电容变化来计算手部在触摸屏前方的上下位置；根据左、右电容变化来计算手部在触摸屏前方的左右位置。
18.如权利要求16所述的电容触摸屏，其特征为：还包括屏蔽区，所述屏蔽区为各主探测区之间的“十”字间隙区域，其至少包含一个作为屏蔽电极的单元电极，当所述第一开关接通时，所述屏蔽电极接地。
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