CN110794977B - 双向主动式触控笔及感测系统 - Google Patents

双向主动式触控笔及感测系统 Download PDF

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Abstract

本揭示提供一种双向主动式触控笔及感测系统，该触控笔包括一接收电极、一第一发射电极和一第二发射电极，其中该接收电极用以接收一触控板发出的一同步信号，且相对于该第一发射电极和该第二发射电极，该接收电极设置于最靠近该触控板的位置。本揭示能够提高收信强度。

Description

双向主动式触控笔及感测系统
技术领域
本揭示涉及一种感测技术，特别涉及一种双向主动式触控笔及感测系统。
背景技术
图1显示一种现有的输出输入感测系统。该系统包括一触控笔10、一触控板12及与该触控板12连接的一触控控制器（touch controller）14。触控笔10包括依序相连的一本体部101、一锥形部102和一尖端部103。触控笔10为主动式触控笔。触控笔10并包括多个用来接收或发送信号的电极。如图1所示，触控笔10包括配置在尖端部103上的一第一发射（TX1）电极112以及配置在锥形部102上依序远离第一发射电极112的一接收（RX）电极111和一第二发射（TX2）电极113。一般来说，接收电极111为环形电极，第一发射电极112和第二发射电极113为金属电极。通过触控板12与这些电极111、112和113间的信号传递，触控控制器14可计算得出触控笔10的座标和倾斜角。
具体来说，触控板12包括若干条相互交错的驱动线（未图示）和感测线（未图示），触控板12与触控笔10上的这些电极111、112和113形成电容耦合连接，触控控制器14通过感测触控板12上每个座标的电容变化，可得出触控笔10的位置和其相对于触控板12的倾斜角。
现有技术中，触控板12发出一同步信号S0，触控笔10的接收电极111接收该同步信号S0，第一发射电极112和第二发射电极113以该同步信号S0为时间基准来发射信号。触控笔10上的第一发射电极112较第二发射电极113靠近触控板12。一般来说，第一发射电极112发出第一信号E1，其在触控板12上产生电容变化，触控控制器14感测这些电容变化以判定触控笔10在触控板12上的座标；第二发射电极113发出第二信号E2，其在触控板12上产生电容变化，触控控制器14感测这些电容变化以判定触控笔10相对于触控板12的倾斜角。
现有的触控笔10具有如下缺点：
（1）触控笔10的接收电极111距离触控板12太远，接收电极111接收到的触控板12发出的同步信号的信号量较小，且容易被杂讯（noise signal）干扰。
（2）触控笔10的接收电极111设置在锥形部102上，为手指与触控笔10接触的位置，接收电极111容易被手指遮盖或干扰而导致收信不良。
（3）触控笔10的接收电极111与触控板12之间隔着第一发射电极112，第一发射电极112会吸收触控板12发出的同步信号，使得接收电极111接收到的同步信号的信号量减少。
（4）触控笔10的接收电极111、第一发射电极112和第二发射电极113为三个彼此独立的元件，使得组装过程繁复，容易存在组装上的误差或提高短路的机率。
有鉴于此，有必要提出一种新的方案，以解决上述问题。
发明内容
本揭示的目的在于提供一种双向主动式触控笔及感测系统，以解决接收电极收信不良的问题。
为达成上述目的，本揭示一方面提供一种双向主动式触控笔，包括：一本体部；一锥形部，其具有一底部及一顶部，该锥形部的底部具有较该顶部大的截面积，该锥形部的底部连接到该本体部；以及一尖端部，其连接到该锥形部的顶部，其中该尖端部包括：一接收电极，位于该尖端部上远离该锥形部的一末端，用于接收来自该触控笔之外的一同步信号；一第一发射电极，设置于该尖端部上较该接收电极接近该锥形部的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第一信号，其被提供来计算该尖端部的座标；以及一第二发射电极，设置于该尖端部上相较于该第一发射电极，距离该接收电极较远的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第二信号，其被提供来计算该触控笔的倾斜角。
根据本揭示实施例，该第一发射电极设置于该接收电极和该第二发射电极之间。
根据本揭示实施例，该尖端部的该接收电极、该第一发射电极和该第二发射电极沿着该触控笔的长度方向沿一直线排列，在该直线上彼此相距一段距离而不重迭。
根据本揭示实施例，该锥形部于对应该第二发射电极的位置具有一导体部，该锥形部的该导体部与该尖端部的该第二发射电极电性连接。
根据本揭示实施例，该第一发射电极发出的该第一信号和该第二发射电极发出的该第二信号具有彼此相异的频率，但于同一时间点发出，以回应该接收电极所接收到的该同步信号。
根据本揭示实施例，该第一发射电极发出的该第一信号和该第二发射电极发出的该第二信号具有彼此相异的频率，且于不同时间点发出，以回应该接收电极所接收到的该同步信号。
根据本揭示实施例，该第一发射电极发出的该第一信号和该第二发射电极发出的该第二信号具有相同的频率，但于不同时间点发出，以回应该接收电极所接收到的该同步信号。
根据本揭示实施例，该锥形部内部形成有一凹槽，该凹槽在该顶部形成一开孔，该尖端部的一部分收容于该凹槽中，该尖端部的另一部分暴露于该开孔之外。
本揭示另一发明提供一种双向主动式触控笔，包括：一本体部；一锥形部，其具有一底部及一顶部，该锥形部的底部具有较该顶部大的截面积，该锥形部的底部连接到该本体部；以及一尖端部，其连接到该锥形部的顶部，其中该尖端部包括：一接收电极，位于该尖端部上远离该锥形部的一末端，用于接收来自该触控笔之外的一同步信号；以及一第一发射电极，设置于该尖端部上较该接收电极接近该锥形部的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第一信号，其被提供来计算该尖端部的座标，其中该锥形部包括：一第二发射电极，设置于该锥形部上相较于该第一发射电极，距离该接收电极较远的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第二信号，其被提供来计算该触控笔的倾斜角。
本揭示另一方面提供一种感测系统，包括：一触控板；以及一双向主动式触控笔，可移动地与该触控板接触，其中该触控笔包括：一本体部；一锥形部，其具有一底部及一顶部，该锥形部的底部具有较该顶部大的截面积，该锥形部的底部连接到该本体部；以及一尖端部，其连接到该锥形部的顶部，其中该尖端部包括：一接收电极，位于该尖端部上远离该锥形部的一末端，用于接收来自该触控板的一同步信号；一第一发射电极，设置于该尖端部上较该接收电极接近该锥形部的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第一信号，该触控板通过感测该第一信号，以得出该触控笔的该尖端部在该触控板上的座标；以及一第二发射电极，设置于该尖端部上相较于该第一发射电极，距离该接收电极较远的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第二信号，该触控板通过感测该第二信号，以得出该触控笔相对于该触控板的倾斜角。
相较于现有技术，本揭示的触控笔具有如下优点：（1）触控笔的接收电极离触控板最近，接收电极接收到的触控板发出的同步信号的信号量大，同步信号接收良好，不易被杂讯干扰。（2）触控笔的接收电极设置笔尖处，不易被手指遮盖或干扰而导致收信不良。（3）触控笔的第一发射电极设置在接收电极上方，第一发射电极不会吸收触控板发出的同步信号，接收电极接收到的同步信号收信进一步提升。（4）触控笔的接收电极、第一发射电极和第二发射电极整合成一个机构，使得组装容易，不易造成组装上的误差或提高短路的机率。
为让本揭示的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1显示一种现有的输出输入感测系统。
图2显示根据本揭示的一种感测系统。
图3显示根据本揭示第一实施例之触控笔的电极配置的示意图。
图4显示根据本揭示第二实施例之触控笔的电极配置的示意图。
图5显示根据本揭示第三实施例之触控笔的电极配置的示意图。
第6A图显示根据本揭示的一个例子中触控笔上之电极的信号时序图。
第6B图显示根据本揭示的另一个例子中触控笔上之电极的信号时序图。
第6C图显示根据本揭示的再一个例子中触控笔上之电极的信号时序图。
图7显示根据本揭示的触控笔的硬件架构图。
具体实施方式
为使本揭示的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本揭示进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本揭示，本揭示说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证，并不用于限定本揭示。此外，本揭示说明书和所附权利要求书中所使用的冠词「一」一般地可以被解释为意指「一个或多个」，除非另外指定或从上下文可以清楚确定单数形式。
图2显示根据本揭示的一种感测系统。该系统包括一触控笔20、一触控板22及一触控控制器24。触控笔20为一主动式触控笔，亦即，本身具有电源，由该电源驱动以接收或发射信号的触控笔。触控板（或称触控面板）22 可为一电容式触控面板，其可与一显示面板结合而具有显示功能。触控笔20可移动地与触控板22接触，亦即，触控笔20与触控板22是两个独立的部件，但是触控笔20可在触控板22的外表面上移动，以达成例如类似笔迹书写的功能。触控控制器24与触控板22电性连接，用以计算手指或尖状物（或触控笔20）接触触控板22时在触控板22上的座标。
如图2所示，触控笔20包括一本体部201、一锥形部202及一尖端部203。触控笔20的锥形部202可以是圆锥体的形状。锥形部202具有一底部及一顶部，其中锥形部202的底部的（横截面）截面积较顶部的（横截面）截面积大。本体部201连接到锥形部202的底部，而尖端部203连接到锥形部202的底部。具体来说，锥形部202内部形成有一凹槽，该凹槽在该顶部形成一开孔，尖端部203的一部分收容于该凹槽中，尖端部203的另一部分暴露于该开孔之外。
此外，触控笔20还包括一尖端套头（tip cover）204，其套在尖端部203的一末端。尖端套头204的材质可为橡胶或塑胶。尖端套头204可以增加在触控板22上书写的舒适度。尖端套头204为可替换的，也可以使用不同的尖端套头204以获得不同的书写体验。此外，触控笔20还包括设置在触控笔20内部的一笔控制器200，其为触控笔20的内部电路。
图3显示根据本揭示第一实施例之触控笔20的电极配置的示意图。图3为图2中A部分的放大图。如图3所示，触控笔20的尖端部203上设置有一接收（RX）电极211、一第一发射（TX1）电极212和一第二发射（TX2）电极213。这些电极211、212和213可为金属电极。这些电极211、212和213彼此相距一段距离或彼此以绝缘体隔开，也就是说，这些电极211、212和213基本上非电性相连。
具体来说，接收电极211、第一发射电极212和第二发射电极213皆位在尖端部203上。接收电极211位于尖端部203上远离锥形部202的一末端，第一发射电极212设置于尖端部203上较接收电极211接近锥形部202的位置，第二发射电极213设置于尖端部203上相较于第一发射电极212，距离接收电极211较远的位置。也就是说，第一发射电极212设置于接收电极211和该二发射电极213之间。较佳地，第二发射电极213完全埋入锥形部202中，第一发射电极212部分埋入锥形部202中，而接收电极211暴露在锥形部202之外。
具体来说，尖端部203上的接收电极211、第一发射电极212和第二发射电极213沿着触控笔20的长度方向沿一直线排列，这些电极211、212和213彼此以绝缘体隔开，例如接收电极211和第一发射电极212之间具有一第一绝缘体，第一发射电极212和第二发射电极213之间具有一第二绝缘体。这些电极211、212和213在该直线上彼此相距一段距离而不重迭，详细地说，这些电极211、212和213在该直线上的投影互不重迭。
尖端部203可以卡合、嵌合、弹片固定或粘着的方式固定到触控笔20的锥形部202上。尖端部203上的电极211、212和213可通过弹片或导线与设置于触控笔20内部的笔控制器201电性连接。笔控制器201可控制接收电极211的信号接收以及控制第一发射电极212和第二发射电极213的信号发送。
请一并参阅图2和图3，触控板22包括若干条相互交错的驱动线（未图示）和感测线（未图示），触控板22也可包括设置在这些线之交叉处的若干个驱动电极（未图示）和感测电极（未图示）。通过这些驱动线和感测线，触控笔12可以发送信号到触控笔20的接收电极211，也可以接收触控笔20的第一发射电极212和第二发射电极213发出的信号。触控板22与触控笔20上的这些电极211、212和213形成电容耦合连接，触控控制器24通过感测触控板22上每个座标的电容变化，可得出触控笔20的位置和其相对于触控板22的倾斜角。
具体来说，触控板22发出一同步信号，触控笔20中的笔控制器200可以控制接收电极211以接收该同步信号。触控笔20的第一发射电极212和第二发射电极213是以接收电极211所接收到的该同步信号为时间基准来发射信号。
触控笔20的第一发射电极212根据接收电极211所接收到的该同步信号，发送一第一信号。第一发射电极212发出的该第一信号在触控板22上一定范围的区域产生了电容变化，触控控制器24感测这些电容变化（或感测出由电容值构成的一影像），从而判定出触控笔20（的尖端部203）在触控板22上的座标。
触控笔20的第二发射电极213根据接收电极211所接收到的该同步信号，发送一第二信号。第二发射电极213发出的该第二信号在触控板22上一定范围的区域产生了电容变化，触控控制器24感测这些电容变化（或感测出由电容值构成的一影像），从而判定出触控笔20相对于触控板22的倾斜角。
由于第一发射电极212较第二发射电极213靠近触控板22，因此以第一发射电极212发出的信号来判定触控笔20的座标较能够得出精确的座标。在一些例子中，所得出的触控笔20的座标也可以用在触控笔20相对于触控板22的倾斜角的计算。
触控笔20的倾斜角可以用于：（1）决定触控笔20在书写时的笔触大小，也就是，触控笔20的越倾斜时，笔触越大，笔触的呈现类似于一条线而非一个点；以及（2）校正触控笔20在触控板22上的座标，也就是，当触控笔20倾斜时，得出的座标可能有所偏移，触控笔20的倾斜角可以用来得出较为准确的座标。
相较于现有技术，本揭示的触控笔20具有如下优点：（1）触控笔20的接收电极211离触控板22最近，接收电极211接收到的触控板22发出的同步信号的信号量大，同步信号接收良好，不易被杂讯（noise signal）干扰。（2）触控笔20的接收电极211设置笔尖处，不易被手指遮盖或干扰而导致收信不良。（3）触控笔20的第一发射电极212设置在接收电极211上方，第一发射电极212不会吸收触控板22发出的同步信号，接收电极211接收到的同步信号收信进一步提升。（4）触控笔20的接收电极211、第一发射电极212和第二发射电极213整合成一个机构，使得组装容易，不易造成组装上的误差或提高短路的机率。
图4显示根据本揭示第二实施例之触控笔20的电极配置的示意图。相较于第一实施例，本揭示第二实施例中，锥形部202在对应尖端部203的第二发射电极213的位置具有一导体部220，锥形部202的导体部220与尖端部203的第二发射电极213电性连接。这样，笔控制器200与第二发射电极213间的电性连接可通过笔控制器200与锥形部202的导体部220电性连接来达成，简化了布线上的复杂度。并且，第二发射电极213发出的第二信号不会因通过锥形部202上的绝缘物质而衰减，且导体部220的横向长度够长，在触控板22上造成的电容变化有利于触控笔20之倾斜角的量测。
图5显示根据本揭示第三实施例之触控笔20的电极配置的示意图。相较于第一实施例，本揭示第二实施例中，第二发射电极213直接设置于锥形部202上（对应第二实施例中导体部220的位置）而非设置于尖端部203。锥形部202上的第二发射电极213是设置于锥形部202上相较该第一发射电极212，距离接收电极211较远的位置。这样，笔控制器200直接电性连接到锥形部202上的第二发射电极213，简化了布线上的复杂度。并且，锥形部202上的第二发射电极213的横向长度够长，有利于触控笔20之倾斜角的量测。
第6A图显示根据本揭示的一个例子中触控笔20上之电极的信号时序图。如前所述，触控笔20的第一发射电极212和第二发射电极213是以接收电极211所接收到的该同步信号为时间基准来发射信号。在这个例子中，于接收电极211接收到该同步信号（对应RX）后，第一发射电极212和第二发射电极213于同一时间点发出信号，亦即来自第一发射电极212的第一信号（对应TX1）和来自第二发射电极213的第二信号（对应TX2）是同时发出的，但是第一信号和第二信号具有彼此相异的频率。触控板22（或触控控制器24）可藉由分析所接收到的信号的频率，以得出那个信号是那个电极（212或213）发射出来的。
第6B图显示根据本揭示的另一个例子中触控笔20上之电极的信号时序图。在这个例子中，于接收电极211接收到该同步信号（对应RX）后，第一发射电极212和第二发射电极213于不同时间点发出信号，亦即来自第一发射电极212的第一信号（对应TX1）和来自第二发射电极213的第二信号（对应TX2）是不同时发出的，而且第一信号和第二信号具有彼此相异的频率。触控板22（或触控控制器24）可藉由分析所接收到的信号的频率或区别信号接收的时间点，以得出那个信号是那个电极（212或213）发射出来的。
第6C图显示根据本揭示的再一个例子中触控笔20上之电极的信号时序图。在这个例子中，于接收电极211接收到该同步信号（对应RX）后，第一发射电极212和第二发射电极213于不同时间点发出信号，亦即来自第一发射电极212的第一信号（对应TX1）和来自第二发射电极213的第二信号（对应TX2）是不同时发出的，但是第一信号和第二信号具有相同的频率。触控板22（或触控控制器24）可藉由区别信号接收的时间点，以得出那个信号是那个电极（212或213）发射出来的。
图7显示根据本揭示的触控笔20的硬件架构图。如图7所示，触控笔20包括笔控制器200，其可以专用集成电路（ASIC）来实现。笔控制器200中包括一微控制器（MicroControl Unit, MCU）71和一存储器72，存储器72存储有若干个供微控制器71执行的指令。存储器72可为易失性或非易失性存储器，或同时具有这两者。笔控制器200还包括一电源管理单元73，用以管理电力供应。电源管理单元73具有一电压侦测器730，可以侦测电池81是否连接，且当侦测到电池81处于低电位时，通知使用者更换电池或充电。电池81可为碱性电池（Alkaline Battery）、可充电锂电池（Li Battery）或可充电超级电容（SuperCapacitor）电池。
微控制器71连接一RX类比前端（analog front-end, AFE）部74和一RX解码器75，接收电极211接收到的同步信号通过RX类比前端部74和RX解码器75进行信号处理及编码后传入微控制器71。微控制器71并连接一第一编码器76，以将第一信号编码后由第一发射电极212发射。微控制器71并连接一第二编码器77，以将第二信号编码后由第二发射电极213发射。
笔控制器200还包括若干种传输介面，例如UART、GPIO、SPI和I2C。笔控制器200可通过SPI和I2C介面连接到一惯性测量单元（Inertial measurement unit，IMU）82，其可为9轴传感器。笔控制器200亦可具有一压力感测器83，其通过笔控制器200的一类比至数字转换器（ADC）78连接到微控制器71。压力感测器83用以量测笔尖的按压大小。
本揭示已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本揭示，本领域技术人员在不脱离本揭示之精神和范围内，当可作各种之更动与润饰，因此本揭示之保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种双向主动式触控笔，其特征在于，包括：
一本体部；
一锥形部，其具有一底部及一顶部，该锥形部的底部具有较该顶部大的截面积，该锥形部的底部连接到该本体部，该锥形部内部形成有一凹槽，该凹槽在该顶部形成一开孔；以及
一尖端部，其连接到该锥形部的顶部，该尖端部的一部份收容于该凹槽中，该尖端部的另一部份曝露于该开孔之外，
其中该尖端部包括：
一接收电极，位于该尖端部上远离该锥形部的一末端，用于接收来自该触控笔之外的一同步信号；
一第一发射电极，设置于该尖端部上较该接收电极接近该锥形部的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第一信号，其被提供来计算该尖端部的座标；以及
一第二发射电极，设置于该尖端部上相较于该第一发射电极，距离该接收电极较远的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第二信号，其被提供来计算该触控笔的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该第一发射电极设置于该接收电极和该第二发射电极之间。
3.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该尖端部的该接收电极、该第一发射电极和该第二发射电极沿着该触控笔的长度方向沿一直线排列，在该直线上彼此相距一段距离而不重迭。
4.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该锥形部于对应该第二发射电极的位置具有一导体部，该锥形部的该导体部与该尖端部的该第二发射电极电性连接。
5.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该第一发射电极发出的该第一信号和该第二发射电极发出的该第二信号具有彼此相异的频率，但于同一时间点发出，以回应该接收电极所接收到的该同步信号。
6.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该第一发射电极发出的该第一信号和该第二发射电极发出的该第二信号具有彼此相异的频率，且于不同时间点发出，以回应该接收电极所接收到的该同步信号。
7.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该第一发射电极发出的该第一信号和该第二发射电极发出的该第二信号具有相同的频率，但于不同时间点发出，以回应该接收电极所接收到的该同步信号。
8.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于：该锥形部内部形成有一凹槽，该凹槽在该顶部形成一开孔，该尖端部的一部分收容于该凹槽中，该尖端部的另一部分暴露于该开孔之外。
9.一种双向主动式触控笔，其特征在于，包括：
一本体部；
一锥形部，其具有一底部及一顶部，该锥形部的底部具有较该顶部大的截面积，该锥形部的底部连接到该本体部，该锥形部内部形成有一凹槽，该凹槽在该顶部形成一开孔；以及
一尖端部，其连接到该锥形部的顶部，该尖端部的一部份收容于该凹槽中，该尖端部的另一部份曝露于该开孔之外，
其中该尖端部包括：
一接收电极，位于该尖端部上远离该锥形部的一末端，用于接收来自该触控笔之外的一同步信号；以及
一第一发射电极，设置于该尖端部上较该接收电极接近该锥形部的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第一信号，其被提供来计算该尖端部的座标，
其中该锥形部包括：
一第二发射电极，设置于该锥形部上相较于该第一发射电极，距离该接收电极较远的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第二信号，其被提供来计算该触控笔的倾斜角。
10.一种感测系统，其特征在于，包括：
一触控板；以及
一双向主动式触控笔，可移动地与该触控板接触，
其中该触控笔包括：
一本体部；
一锥形部，其具有一底部及一顶部，该锥形部的底部具有较该顶部大的截面积，该锥形部的底部连接到该本体部，该锥形部内部形成有一凹槽，该凹槽在该顶部形成一开孔；以及
一尖端部，其连接到该锥形部的顶部，该尖端部的一部份收容于该凹槽中，该尖端部的另一部份曝露于该开孔之外，
其中该尖端部包括：
一接收电极，位于该尖端部上远离该锥形部的一末端，用于接收来自该触控板的一同步信号；
一第一发射电极，设置于该尖端部上较该接收电极接近该锥形部的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第一信号，该触控板通过感测该第一信号，以得出该触控笔的该尖端部在该触控板上的座标；以及
一第二发射电极，设置于该尖端部上相较于该第一发射电极，距离该接收电极较远的位置，用于根据该接收电极所接收到的该同步信号，发送一第二信号，该触控板通过感测该第二信号，以得出该触控笔相对于该触控板的倾斜角。
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