TW201502935A - 具有包含故障檢測裝置的多頻電容偵測之多點觸控觸控感測式裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明大致上的領域是一種設有投射式電容偵測的觸控螢幕裝置(1)，包括觸控感測式矩陣面板(10)，觸控感測式矩陣面板包括眾多導電列(11)及導電行(12)，該面板連接至電子控制機構(20)。電子控制機構產生以二不同頻率傳送的二週期傳送電壓。接收電壓的分析用以決定觸控感測面板上觸壓的位置，包含當列或行切斷時。藉由計算對應於此切斷的列或行之接收電壓中「虛擬的」中空之重心，而基本地決定切斷的列或行上的觸壓。

Description

具有包含故障檢測裝置的多頻電容偵測之多點觸控觸控感測式裝置
本發明係關於觸控感測或設有電容偵測的「觸控螢幕」表面，特別關於偵測二同時觸壓的「多點觸控」觸控表面。舉例而言，此功能對於「縮放」或影像旋轉是必要的。本發明更具體的領域是偵測該觸控感測表面上的偵測故障。本發明可應用至不同用途，但特別良好地適合航空及飛行器儀錶板，其中，故障偵測對於確保飛行安全是必要的。
「投影式」電容偵測在於實施導電列及行構成的偵測矩陣，導電列及行配置成偵測使用者的手指或任何其它的導電指標物體近接時導致的局部電容變化。「投影式電容」技術主要有如下二變異：- 「自行電容」偵測，在於讀取於矩陣觸控網路的列，然後讀取矩陣觸控網路的行； - 「交互電容」偵測，在於讀取矩陣觸控網路的各交點。
「交互電容」技術要求讀取整個面板。因此，假使矩陣包括N列及M行，則必須作N×M擷取，使得實施具有低響應時間之大型、高解析度面板時有問題。此外，「交互電容」中的測量能力比「自行電容」偵測中取得的測量能力還低，這使得使用者使用手套時會有問題。
「自行電容」偵測的優點在於，對於在前的面板，在讀取矩陣時，系統僅要求N+M擷取。圖1顯示此原理。在此圖1中，第一手指壓在行CI及列LJ的第一交點上，第二手指壓在行CK及列LL的第二交點上。列及行的輸出電壓VOUT顯示可容易辨識的位準下降。可以使用約為各位準下降的電壓測量，以準確地識別所要求的列及行。
但是，後一技術具有缺點。這是因為借助於併入在玻璃基底中之導電的及透明的列和行之網路而偵測一或多個觸壓。列或行的損失產生無法使用的死區。此缺陷最嚴重的在於其僅在使用者需要使用死區時出現。因此，其是系統未偵測到的潛伏故障。在例如觸控面板等用於大量消費者應用的產品中，此缺陷不一定是很麻煩的，但是，另一方面，在可靠度要求很重要以及必須確保系統的可利用性至少直到飛行或任務結束為止時之例如航空等某些技術領域上，這變得很嚴重。
此技術具有其它缺點。並非總是容易指派偵測到的列及行給使用者的手指真正地偵測到的正確交會點。未真正 地被偵測到的可能交會點一般稱為「鬼點」。為了克服此最後困難，申請人開發技術，在於以二不同擷取頻率執行矩陣的掃描。此技術說明於2012年6月的「SID 2012 DIGEST」公告之「Eliminating Ghost Touches on a Self-Capacitive Touch-Screen」。
本發明的標的是使用以二不同擷取頻率掃描矩陣之原理，建立偵測「自行電容」偵測裝置中的列或行之適當機構。更具體而言，本發明關於設有包括觸控感測式矩陣面板之投射式電容偵測的觸控螢幕裝置，觸控感測式矩陣面板包括眾多導電列及導電行，該面板連接至電子控制機構、以及接收及分析電子機構，電子控制機構對各導電列及行產生傳送電壓，接收及分析電子機構接收及分析源於各導電列及行的電壓。
電子控制機構對各導電列及行產生以標示為工作頻率之第一頻率傳送的第一週期傳送電壓、以及以標示為區別頻率之第二頻率傳送的第二週期傳送電壓，第二頻率不同於第一頻率：在無任何觸壓時，工作頻率的值充份地低而造成在此工作頻率下的接收電壓很小的變化，以及，區別頻率的值充份高而造成在此區別頻率時根據列及行的接收電壓的顯著變化；接收機構配置成決定用於各列及各行之在工作頻率時 第一接收電壓的值以及在區別頻率時第二接收電壓的值；其特徵在於該電子分析機構包括：- 在無任何觸壓時，各行及各列在工作頻率時的接收電壓的儲存值表；- 比較機構，建立用於各列及各行的接收電壓的測量值與接收電壓的儲存值之間的差，以決定測量差是否代表切斷的列或行及/或未受損害的列或行上的觸壓。
有利地，分析機構包括第一分析機構，配置成：假使列組的接收電壓顯示代表觸壓之「中空」以及行組的接收電壓未顯示代表觸壓之「中空」時，則行被診斷為切斷的，藉由測量位於觸壓的列之在工作頻率時取得的接收電壓與在區別頻率時取得的接收電壓之間的差異，決定該故障行的及觸壓的位置；以及假使行組的接收電壓顯示代表觸壓之「中空」以及列組的接收電壓未顯示代表觸壓之「中空」時，則列被診斷為切斷的，藉由測量位於觸壓的行之在工作頻率時取得的接收電壓與在區別頻率時取得的接收電壓之間的差異，決定該故障列的及觸壓的位置。
有利地，分析機構包括：第二分析機構，在偵測切斷的列或行的情形中，根據位於切斷的列或行近處在區別頻率時及在工作頻率時的接收電壓的值，計算假使列或假使行未受損害時取得的虛擬電壓值，該虛擬值給予電壓上的「虛擬中空」；第三分析機構，用於計算電壓上「虛擬中空」的重 心。
第四分析機構，根據知道該重心，決定該觸壓的正確位準。
有利地，工作頻率是在100kHz與500kHz之間，以及，區別頻率是在500kHz與5MHz之間。
1‧‧‧觸控感測式面板裝置
10‧‧‧觸控感測式面板
11‧‧‧列
12‧‧‧行
20‧‧‧控制及分析機構
31‧‧‧數位對類比轉換器
32‧‧‧放大器
33‧‧‧注入電容器
40‧‧‧多工器
50‧‧‧電子處理鏈
51‧‧‧緩衝記憶體
52‧‧‧類比對數位轉換器
53‧‧‧同步解調變器
54‧‧‧電子濾波機構
55‧‧‧表
60‧‧‧傳送-接收機構
200‧‧‧比較機構
201‧‧‧第一分析機構
202‧‧‧第二分析機構
203‧‧‧第三分析機構
204‧‧‧第四分析機構
在閱讀非限制性的說明及附圖，將可以更佳地瞭解本發明以及其它優點將清楚可見：圖1顯示在二不同觸壓的情形中「自行電容」觸控感測式面板的概要操作；圖2顯示由於施加頻率的作用，根據先前技術之裝置中三個不同的觸壓位置之列或行的輸出訊號之變化；圖3顯示對於二不同頻率，根據先前技術之裝置中依據觸壓位置之列或行的輸出訊號之變化；圖4顯示根據本發明之投射式電容觸控感測式裝置的概要視圖；圖5顯示在切斷行存在時及無任何觸壓時輸出電壓的變化；圖6顯示在切斷行的觸壓之情形中「自行電容」觸控感測式面板的操作；圖7顯示根據本發明之校正故障列或行的電壓值之原理。
根據本發明之具有投射式電容偵測的觸控螢幕裝置包括電子裝置，用於以二不同的擷取頻率來掃描列及行的矩陣。此掃描技術說明於已引用的公開文獻「SID 2012 DIGEST」中之「Eliminating Ghost Touches on a Self-Capacitive Touch-Screen」。
此技術顯示於圖2及圖3中。觸控螢幕包括導電列L和行C的網路。在後述中，導電列或行被視為不僅意指位於觸控感測式面板之下的電阻列，也意指連接這些電阻列至電子控制裝置的電連接。這些電連接通常安裝於稱為「可撓」電路之可撓印刷電路上。
每一列L及每一行C具有長度1的電阻R。因此，在列的一端與接點A之間有電阻RA。電阻RA小於R。在接觸點發生的情形中，當列或行被掃描時，此電阻值修改輸出電壓VOUT。各列及各行最初被當作網路RC的一部份處理，網路RC之與手指與矩陣之間耦合的電容Cd相關連的電阻R形成第一階低通濾波器。圖2顯示由於施加頻率的作用，在三個不同的觸壓位置之列的輸出訊號VOUT之變化，第一曲線C1是用於位在列的邊之觸壓，第二曲線C2是用於位在列的中間之觸壓，第三曲線C3是用於位在列的端部之觸壓。圖2的比例在雙軸上是對數。然後，如圖2所示，有頻率FMIN使得不論觸壓位置為何RA的變化都造成VOUT的最小變化。相反地，有頻率FMAX，使得RA的變化造成VOUT根據觸壓位置顯著衰減。因此，在此頻 率FMAX，藉由測量此衰減，然後容易發現電阻RA的值，因而決定列上接觸點的位置。
圖3顯示根據觸壓的位置之沿著導電列的對於頻率FMIN及FMAX的輸出訊號VOUT的變化。此圖3包括二圖形。上方圖形顯示在列的啟始處的變化。下方圖形顯示在列的端部之輸出訊號VOUT的變化。在圖3，虛線顯示的曲線代表在頻率FMAX的VOUT訊號中的變化，以及，連續線顯示的曲線代表在頻率FMIN的VOUT訊號的變化。藉由測量在二頻率FMIN及FMAX的VOUT，取得用以決定列上及因而要求的行上之接觸點的位置之列的電阻RA的值有關之資訊，使得觸壓能被完全地定位。
藉由非限制性的實例，圖4顯示設有投射式電容偵測之觸控感測式面板裝置1。其基本上包括：- 觸控感測式面板10，包括第一基底及第二基底，第一基底包括彼此平行的第一串導電列11，第二基底包括彼此平行的第二串導電行12；- 控制及分析機構20，控制及分析觸控感測式裝置的操作所需之各式各樣傳送及接收訊號；- 高頻可變頻率正弦波產生器30，經由數位對類比轉換器「DAC」31、放大器32、及注入電容器33，以交流電壓VIN供應觸控感測面板。典型地，頻率是在數百kHz與數MHz之間；- 多工器40。其連續地施加輸入電壓VIN給觸控感測式面板10的各行12，然後給各列11，以及，將對應 於施加的電壓VIN之各輸出電壓VOUT導引至電子處理鏈50；- 電子處理鏈50，包括緩衝記憶體或「緩衝器」51、類比對數位轉換器或ADC 52、連接至頻率產生器30的同步解調變器53及電子濾波機構54。經過過濾的訊號被送至分析機構20；- 傳送-接收機構60或是「UART」意指「通用非同步接收器發射器」，其確保由分析機構20處理的訊號再傳送至外部，外部通常是與觸控感測式面板耦合的顯示裝置以及顯示控制、修改或確認所要求的資訊。
裝置如下所述地操作。在標稱的模式中，由在第一工作頻率FMIN及在第二區別頻率FMAX的輸入電壓VIN連續地及不斷地掃描面板的列及行。此電壓由機構30、31、32及33構成的電子組件產生。
在無任何接近的手時，觸控感測控制器以頻率FMIN連續地產生面板的影像以及經由滑動平均自其導出靜止的阻抗表。此影像從阻抗的立即值的表55中減掉，以形成差異表，從差異表能夠指派各交會點的狀態。本方法部份地說明於專利EP 0 567 364「Process for operating a capacitive tactile keyboard」中。
當有圖4中由手指符號代表的觸壓及根據此觸壓而在接觸點與接地之間產生某電容時，此電容主要經由列及行的電阻而連接至多工器40。
電阻及電容元件將造成系統的總阻抗值Z變化，以及 作用在輸出訊號VOUT，輸出訊號VOUT等於Z．VIN，其中，Z=A+Bj。訊號VOUT接著由電子鏈50解調變以便藉由同步解調變器53而取出有效值VOUT=Z．VIN，其中，Z=A+Bj，以及，j=sin(2 π．F．T)。藉由作為具有高品質因數的帶通濾波器，同步解調變用以過濾電磁干擾「EMI」，可避免使用不是很有選擇性的被動濾波器。
至少作二測量，一測量是在工作頻率FMIN，以及，一測量是在區別頻率FMAX。對於大尺寸的面板，可以使用數個區別頻率FMAX。有利地，頻率FMIN及FMAX分別由二同步解調變器53調變及解調變，而能夠在單一測量中取得代表觸壓的位置之電容C及電阻R的值。
最後，源自解調變器53之濾波的連續訊號由濾波器54濾波。
假使觸控感測式面板是未受損害的，亦即，假使所有列及所有行是未受損害的，則在單一觸壓期間，從最大偏壓的列訊號及行訊號附近的加權重心，計算其列及行位置，成對的點會給予觸壓座標。
在對齊的多個觸壓之情形中，以相同方式計算共同列或行，三個點會給予二觸壓的座標。
在非對齊的多個觸壓之情形中，以頻率FMIN、然後以頻率FMAX，測量四個點，導因於頻率變化之訊號變化用以決定鬼點的拒斥，以及，四個點給予不同觸壓的座標。
當列或行被切斷時，即使無任何觸壓，則在此有缺陷的列或行以及與其交會的列或行之間的電容相互耦合會消 失之範圍內，在切割的列或行之輸出電壓VOUT散亂。圖5顯示此電壓變化。列CJ切斷。電壓VOUT在此列具有峰值。根據本發明的裝置包括比較機構200，對各列及各行建立接收電壓的測量值與表55中的接收電壓的儲存值之間的差異，以決定測量到的差異是否代表切斷的列或行。固定的臨界值可以設定在儲存值之外，以將訊號在時間上的正當漂移及散亂以及測量雜訊列入考量。因此，藉由此機構，系統決定有缺陷的列或行。當然，這是假定在接收電壓儲存在表55中之後列或行才被切斷，表55通常發生在觸控感測式面板的操作實施之前或當測試初始時。在觸壓在切斷的列或行上時，此資訊接著被確認。
當列或行被切斷時，假使在此列或行發生觸壓，則有關的電壓VOUT會散亂。以圖6所示為例，螢幕包括由導電列L及導電行C構成的觸控感測式矩陣面板。使用者將其手指置於列LI及行CI的交點近處。行CI是被切斷的，且列LI是未受傷害的。在此情形中，如圖6中所見般，列的電壓VOUT是正常的且在列LI具有中空。另一方面，由於行CI被切斷，所以，行的電壓VOUT在切斷的行處僅有稍微的變化。
而且，根據本發明的觸控螢幕裝置具有增加的分析以及數位訊號處理機構，用於處理此切斷的列或行問題。它們在圖4中以代號201、202、203、及204顯示。它們基本上包括：- 第一分析機構201，配置成： - 假使列組的接收電壓顯示代表觸壓的「中空」以、及行組的接收電壓未顯示代表觸壓的「中空」，則行被診斷為切斷的，藉由測量位在該觸壓的列的工作頻率及區別頻率時取得的接收電壓之差異，決定該故障行的及觸壓的位置；以及- 假使行組的接收電壓顯示代表觸壓的「中空」以及列組的接收電壓未顯示代表觸壓的「中空」，則列被診斷為切斷的，藉由測量位在該觸壓的行的工作頻率及區別頻率時取得的接收電壓之差異，決定該故障列的及觸壓的位置。
- 第二分析機構202，在偵測切斷的列或行的情形中，根據處於切斷的列或行的近處之列或行的工作頻率及區別頻率時的接收電壓的值，計算假使列或假使行未受損傷時取得的虛擬電壓值，該虛擬值給予電壓上的「虛擬中空」。此重建是根據知道切斷的列或行的極近處之列或行所遞送的電壓訊號的一部份以及知道位在有缺陷的列或行的場合之未受損害的列或行上的觸壓所產生的理論訊號。圖7顯示此分析的結果。虛線曲線顯示例如切斷的行存在時電壓VREELLE的變化。細線曲線顯示在該切斷的行的情形中行重建之電壓VVIRTUELLE的「虛擬變化」；- 第三分析機構203，用於計算電壓之「虛擬中空」的重心；- 第四分析機構204，根據知道該重心而決定正確的觸壓位置。
如同所見，根據本發明的觸控感測式裝置中實施的電子機構是簡單的，以及，不僅有效地解決投射式電容偵測(亦即，鬼點觸壓偵測)、由於同步偵測而對外部電磁干擾不靈敏、經由使用沒有諧波之純正弦波訊號而無來自電子環境的干擾壓等主要問題，也解決切斷列的偵測及當此偵測被證實時乾淨的虛擬訊號之重建。
1‧‧‧觸控感測式面板裝置
10‧‧‧觸控感測式面板
11‧‧‧列
12‧‧‧行
20‧‧‧控制及分析機構
31‧‧‧數位對類比轉換器
32‧‧‧放大器
33‧‧‧注入電容器
40‧‧‧多工器
50‧‧‧電子處理鏈
51‧‧‧緩衝記憶體
52‧‧‧類比對數位轉換器
53‧‧‧同步解調變器
54‧‧‧電子濾波機構
55‧‧‧表
60‧‧‧傳送-接收機構
200‧‧‧比較機構
201‧‧‧第一分析機構
202‧‧‧第二分析機構
203‧‧‧第三分析機構
204‧‧‧第四分析機構

Claims (3)

  1. 一種設有投射式電容偵測的觸控螢幕裝置(1)，包括觸控感測式矩陣面板(10)，該觸控感測式矩陣面板包括眾多導電列(11)及導電行(12)，該面板連接至電子控制機構(20)、以及接收及分析電子機構(50)，該電子控制機構(20)對各導電列及行產生傳送電壓(VIN)，該接收及分析電子機構(50)接收及分析源於各導電列及行的接收電壓(VOUT)，該電子控制機構對各導電列及行產生以標示為工作頻率之第一頻率(FMIN)傳送的第一週期傳送電壓、以及以標示為區別頻率之第二頻率(FMAX)傳送的第二週期傳送電壓，該第二頻率不同於該第一頻率；在無任何觸壓時，該工作頻率的值充份地低而造成在此工作頻率時的該接收電壓很小的變化，以及，該區別頻率的值充份高而造成在此區別頻率時根據列及行的該接收電壓的顯著變化；該接收及分析機構配置成決定用於各列及各行之在該工作頻率時第一接收電壓的值以及在該區別頻率時第二接收電壓的值；其特徵在於該電子分析機構包括：- 在無任何觸壓時，各行及各列在該工作頻率的該接收電壓的儲存值表；- 比較機構，建立用於各列及各行的該接收電壓的測量值與該接收電壓的儲存值之間的差，以決定測量差 是否代表切斷的列或行及/或未受損傷的列或行上的觸壓；- 第一分析機構，配置成：假使列組的該接收電壓顯示代表觸壓之「中空」以及行組的該接收電壓未顯示代表觸壓之「中空」時，則行被診斷為切斷的，藉由測量位於該觸壓的列之在該工作頻率時取得的接收電壓與在該區別頻率時取得的接收電壓之間的差異，決定該故障行的及觸壓的位置；以及假使行組的該接收電壓顯示代表觸壓之「中空」以及列組的該接收電壓未顯示代表觸壓之「中空」時，則列被診斷為切斷的，藉由測量位於該觸壓的行之在工作頻率時取得的接收電壓與在區別頻率時取得的接收電壓之間的差異，決定該故障列的及觸壓的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之觸控螢幕裝置，其中，該分析機構包括：第二分析機構，在偵測切斷的列或行的情形中，根據位於該切斷的列或行近處在該工作頻率時及在該區別頻率時的接收電壓的值，計算假使該列或假使該行未受損害時取得的虛擬電壓值，該虛擬值給予電壓上的「虛擬中空」；第三分析機構，用於計算電壓上該「虛擬中空」的重心。第四分析機構，根據知道該重心，決定該觸壓的正確位準。
  3. 如前述申請專利範圍中其中一項之觸控螢幕裝置，其中，該工作頻率是在100kHz與500kHz之間，以及，該區別頻率是在500kHz與5MHz之間。
TW103114028A 2013-04-19 2014-04-17 具有包含故障檢測裝置的多頻電容偵測之多點觸控觸控感測式裝置 TWI611327B (zh)

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