TW201810005A - 觸控筆、觸控系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種觸控筆，適用於一觸控面板。觸控筆包含一筆桿、一驅動電路、一導電筆尖以及一導電握持件。驅動電路設置於筆桿內部，用以產生一驅動訊號。導電筆尖設置於筆桿的一端，並且電性連接於驅動電路以接收驅動訊號。導電筆尖透過驅動訊號與觸控面板產生電容耦合，而於觸控面板上形成一第一感應電容。導電握持件設置於筆桿，並與導電筆尖電性絕緣。導電握持件對觸控面板產生一電容效應，而於觸控面板上形成一第二感應電容。第一感應電容位置與第二感應電容位置相對位置，用於供計算觸控筆的傾斜方向以及傾斜角度。

Description

觸控筆、觸控系統及其方法

本發明關於一種觸控筆及其觸控方法。

觸控電子裝置，廣泛地應用於各種領域。為了對觸控電子裝置進行更精確的觸控輸入，使用者通常使用主動式觸控筆進行各種觸控操作，特別是於觸控螢幕產生輸入軌跡以進行書寫或繪圖。

在使用一般筆於紙張上繪圖或書寫時，透過使用者不斷地變化筆的傾斜角度以及傾斜方向，會讓筆觸有所變化。傾斜角度以及傾斜方向除了變化筆劃的寬度，也決定了寬度是沿著哪一條軸線方向變化。

傳統的觸控筆只能偵測觸控座標產生輸入軌跡。如果需要變更輸入軌跡的態樣（特別是筆劃寬度），使用者必須通過其他介面操作，變更觸控電子裝置對輸入軌跡態樣的設定，無法直接透過傾斜觸控筆來改變輸入軌跡態樣。

本發明提出一種觸控筆，適用於一觸控面板。觸控筆包含一筆桿、一驅動電路、一導電筆尖以及一導電握持件。

驅動電路設置於筆桿內部，用以產生一驅動訊號。導電筆尖設置於筆桿的一端，且電性連接於驅動電路以接收驅動訊號。導電筆尖透過驅動訊號與觸控面板產生電容耦合，而於觸控面板上形成一第一感應電容。導電握持件設置於筆桿，並與導電筆尖電性絕緣。導電握持件用以對觸控面板產生一電容效應，而於觸控面板上形成一第二感應電容。

第一感應電容以及第二感應電容的相對位置，用於供計算觸控筆相對於觸控面板的傾斜方向以及傾斜角度。

本發明亦提出一種觸控方法，適用於一觸控筆對一觸控面板進行觸控輸入；觸控筆具有一筆桿、設置於筆桿一端的導電筆尖、以及設置於筆桿上並且與導電筆尖電性絕緣的導電握持件。

所述觸控方法包含：導電筆尖發出驅動訊號，以在觸控面板上形成一第一感應電容，且導電握持件對觸控面板產生電容效應而形成一第二感應電容；計算第一感應電容於觸控面板上的一觸控座標；計算第二感應電容於觸控面板上的一投影座標；以及依據觸控座標至投影座標之間的相對位置，計算觸控筆相對於觸控面板的傾斜方向以及傾斜角度。

基於本發明揭露的觸控筆、觸控系統以及觸控方法，觸控電子裝置或觸控面板的硬體架構不需要做變更，可以直接沿用既有的電容式觸控面板。對於觸控電子裝置，只需要更新相關的韌體及驅動程式，搭配本案提出的觸控筆，即可建立前述的觸控系統及觸控方法。也就是說，在硬體部分只有觸控筆需要被置換，有助於本發明所提供的觸控系統及觸控方法可以廣泛地被利用，並可直接用於升級現有的觸控系統。

參閱圖1所示，為本發明第一實施例所提供的一種觸控筆100，用於操作一觸控電子裝置200，產生一觸控輸入訊號，以對觸控電子裝置200進行觸控輸入。觸控電子裝置200可偵測觸控筆100的傾斜狀態，而即時改變輸入軌跡R的態樣。

如圖1所示，觸控電子裝置200至少具有一觸控面板210及設置於觸控面板210下的一顯示面板220。觸控面板210為電容式觸控面板，觸控筆100適用於觸控面板210，以供使用者在觸控面板210上進行觸控操作，以在觸控面板210上定義觸控座標T及輸入軌跡R。觸控面板210可感應其表面因觸控筆100造成的電容變化，而使觸控電子裝置200產生對應的觸控座標T，並顯示由連續觸控座標T合成的輸入軌跡R。

如圖2以及圖3所示，觸控筆100具有一筆桿120、一驅動電路140、一導電筆尖160、以及一導電握持件180。

如圖2及圖3所示，筆桿120內部至少局部為中空，容置驅動電路140及必要的電源供應單元110；電源供應單元110包含但不限定於一次電池、二次電池、電容或其他可產生電力的技術手段，提供電力至驅動電路140。

如圖3及圖4所示， 驅動電路140設置於筆桿120的內部，且導電筆尖160電性連接於驅動電路140。驅動電路140產生一驅動訊號S以驅動導電筆尖160。導電筆尖160接收驅動訊號S；當導電筆尖160接近或接觸該觸控面板210以定義觸控座標T時，導電筆尖160透過驅動訊號S與觸控面板210產生電容耦合（capacitive coupling），而在觸控面板210上形成對應於觸控座標T的第一感應電容C1。觸控面板210偵測導電筆尖160在觸控面板210產生的第一感應電容C1，觸控電子裝置200計算第一感應電容C1的位置以得到觸控座標T，並且以一或多個連續產生的觸控座標T進行合成作為輸入軌跡R。

參閱圖4，驅動電路140的細節說明如下。驅動電路140至少包含一時脈產生器142、一控制器144、及一訊號放大器146。

時脈產生器142用於提供驅動訊號S，特別是具有特定頻率的脈波訊號。脈波訊號的特定頻率，可以讓第一感應電容C1產生與頻率相關的週期性變化，藉以作為一訊號特徵。觸控電子裝置200可以透過這個訊號特徵識別第一感應電容C1是由導電筆尖160所造成，並區別第一感應電容C1與其他感應電容的差異。當然，驅動訊號S不限定於脈波訊號，也可以是其他形式的週期性/非週期性的訊號，只要能讓第一感應電容C1帶有訊號特徵，而可以讓觸控電子裝置200區隔第一感應電容C1與其他感應電容的差異即可。控制器144電性連接於時脈產生器142，用於控制時脈產生器142，以致能或調整驅動訊號S的輸出。

訊號放大器146電性連接於時脈產生器142以接收驅動訊號S；訊號放大器146放大驅動訊號S，並輸出驅動訊號S至導電筆尖160。導電筆尖160由訊號放大器146接收驅動訊號S，輸出驅動訊號S以產生一電場。當導電筆尖160接近或接觸該觸控面板210表面以定義觸控座標T時，導電筆尖160發出的驅動訊號S在觸控座標T對應的位置對觸控面板210產生電容耦合（capacitive coupling）效應，而形成第一感應電容C1。觸控電子裝置200具有必要的電子電路、觸控面板210韌體及/或驅動程式，以計算對應於第一感應電容C1位置的觸控座標T，或是依據一或多個連續產生的觸控座標T 產生輸入軌跡R，從而產生一觸控輸入命令。

如圖2及圖3所示，導電筆尖160設置於筆桿120的一端，且電性連接於驅動電路140的訊號放大器146。導電筆尖160接收驅動訊號S，而產生脈衝形式或具有特定週期性變化的電場，而電容耦合於觸控面板210以形成第一感應電容C1。依據第一感應電容C1得到的觸控座標T或輸入軌跡R，被用於生成對觸控電子裝置200輸入的觸控輸入命令。常見的應用為手寫輸入或繪圖，位於觸控面板210上的觸控座標T可以產生繪製一個點的觸控輸入命令，使得觸控電子裝置200驅動顯示面板220在對應於觸控座標T的位置顯示一個點；而輸入軌跡R則產生繪製輸入軌跡R的觸控輸入命令，使得觸控電子裝置200產生顯示輸入軌跡R，驅動顯示面板220在對應位置顯示輸入軌跡R。在觸控筆100的筆桿120垂直於觸控面板210的情況下，所呈現的輸入軌跡R的態樣，例如輸入軌跡R寬度，或點的直徑，係為一預設態樣，由系統預設或由使用者設定。

如圖2、圖3及圖5所示，導電握持件180設置於筆桿120，並且透過筆桿120連接於導電筆尖160。導電筆尖160與導電握持件180之間保持一間隔距離，且筆桿120的部分或全部不具備導電性，藉以使得導電握持件180與導電筆尖160電性絕緣。導電筆尖160接近或接觸該觸控面板210表面以定義觸控座標T時，導電握持件180也同時對觸控面板210產生一電容效應，而於觸控面板210上形成一第二感應電容C2。觸控電子裝置200計算對應於第二感應電容C2位置的投影座標P。第一感應電容C1位置至指向第二感應電容C2位置的方向，也就是由觸控座標T指向投影座標P的方向，定義觸控筆100於觸控面板210上的傾斜方向B；且第一感應電容C1位置與第二感應電容C2位置之間的距離，也就是觸控座標T與投影座標P之間的位置，與觸控筆100相對於觸控面板210的傾斜角度A相關，可供觸控電子裝置200計算傾斜角度A。

在筆桿120的長度足夠作為觸控筆100的筆身的情況下，導電握持件180是設置於筆桿120的外表面，而且筆桿120整體全部由絕緣材料所製成而不具備導電性。

如圖2及圖3所示，於第一實施例中，筆桿120為一長空心管，並且全部由絕緣材料所製成而不具備導電性。導電握持件180是一套筒元件，導電握持件180的長度小於筆桿120的長度，且導電握持件180的內徑等於或略小於筆桿120的外徑。導電握持件180套設於筆桿120的中段上，導電握持件180透過緊配、黏貼或嵌設等方式固定於筆桿120的外表面。藉由筆桿120的隔離，導電握持件180與導電筆尖160之間為電性絕緣，使得導電握持件180與導電筆尖160個別地與觸控面板210產生電容效應；此外，導電筆尖160與導電握持件180之間也保持足夠的間隔距離，藉以降低二者之間的電容效應，避免干擾觸控面板210對第一感應電容C1以及第二感應電容C2的偵測。

如第圖6所示，於第二實施例中，作為導電握持件180的套筒元件可以包含一或多個開孔182。

如圖7所示，於第三實施例中，導電握持件180包含一或多個片體，沿著筆桿120的長軸方向固定於筆桿120的外表面。前述的片體上也可以設置一或多個開孔182。

如圖8所示，於第四實施例中，筆桿120可以是由多個元件互相連接組成，且互相連接的多個元件中至少具有一絕緣件120b。絕緣件120b位於導電握持件180與導電筆尖160之間，用以隔離導電握持件180與導電筆尖160，以使二者之間是電性絕緣。

如圖9所示，導電握持件180不必然需要設置於筆桿120的外表面；於第五實施例中，導電握持件180與導電筆尖160分別連接於筆桿120的兩端，且筆桿120的部分或全部不具備導電性。

如圖10所示，導電握持件180用以供使用者以手握持，以操作觸控筆100。於使用者握持導電握持件180時，導電握持件180與使用者之間電性導通。導電握持件180透過使用者進行接地，而具備接近或等同於接地之電位。於導電筆尖160在觸控面板210上進行觸控操作形成第一感應電容C1時，導電握持件180與觸控面板210之間也會發生自容效應（Self-capacitive effect）或互容效應(mutual-capacitive effect)等電容效應，而在觸控面板210上形成第二感應電容C2。第二感應電容C2的產生不受驅動訊號S影響，其訊號特徵與第一感應電容C1不同，使得觸控電子裝置200可以區別第一感應電容C1與第二感應電容C2的差異。

如圖10所示，觸控面板210上形成的第二感應電容C2，約略相當於導電握持件180於觸控面板210上的正投影。觸控面板210會回授此第二感應電容C2至觸控電子裝置200，由觸控電子裝置200計算出第二感應電容C2區域的形心或重心，以作為導電握持件180的中心點投影於觸控面板210的投影座標P。

如圖10所示，觸控電子裝置200於觸控面板210上定義一座標系統，並依據第一感應電容C1以及第二感應電容C2計算觸控座標T及投影座標P。導電握持件180的投影座標P與導電筆尖160的觸控座標T位置之間的相對位置關係，也就是第一感應電容C1與第二感應電容C2之間的相對位置關係，可以定義一向量V。

此向量V的方向係由第一感應電容C1的觸控座標T指向第二感應電容C2的投影座標P所定義，向量V的長度（向量V的絕對值）則為觸控座標T與投影座標P之間的距離L2。向量V的方向即為筆桿120相對於觸控面板210表面傾斜方向B。

如圖11所示，而導電握持件180至導電筆尖160之間的實際距離L1、導電握持件180的投影座標P與導電筆尖160的觸控座標T位置之間的距離L2，可以透過反三角函數關係，由觸控電子裝置200計算出觸控筆100的傾斜角度A，亦即觸控筆100與觸控面板210之間的夾角，傾斜角度A滿足下列關係：

如圖12所示，依據觸控座標T、傾斜方向B、以及傾斜角度A，觸控電子裝置200產生觸控輸入命令；而且依據傾斜方向B、傾斜角度A的變化，觸控輸入命令可以進一步被調整，從而使得觸控輸入命令被附加更多有關於觸控筆100方位的資訊。

於一具體應用中，觸控電子裝置200依據觸控輸入訊號驅動顯示面板220顯示一筆劃。於觸控筆100垂直於觸控面板210表面時，顯示面板220顯示的輸入軌跡R具有一預設態樣，例如具有預設的輸入軌跡R寬度。觸控電子裝置200依據傾斜方向B及傾斜角度A即時調整輸入軌跡R顯示時的態樣，從而改變輸入軌跡R的寬度粗細。使用者在使用觸控筆100時進行書寫或繪圖時，顯示面板220所顯示的輸入軌跡R可以如同於紙上使用一般筆一樣出現筆觸變化。

如圖13所示，基於本發明實施例，本發明進一步提出一種觸控方法，適用於觸控筆200對觸控面板210進行觸控輸入。此一觸控方法可以偵測觸控筆100相對於觸控面板210的傾斜方向B以及傾斜角度A，從而調整輸入軌跡R的態樣。

首先，在觸控電子裝置200啟動之後，觸控電子裝置200初始化觸控面板210，並於觸控面板210上定義一座標系統（Step 310）。初始化觸控面板210及定義座標系統的步驟只需要在觸控電子裝置200啟動後執行一次即可，並不需要在每一次進行觸控輸入時都重新執行。

觸控筆100於開始運作之後，驅動電路140產生驅動訊號S。導電筆尖160發出驅動訊號S，透過驅動訊號S對觸控面板210產生電容耦合，以在觸控面板210上形成第一感應電容C1；於此同時，由於導電握持件180也是接近觸控面板210，並且透過使用者的握持而間接接地，導電握持件180也對觸控面板210產生電容效應而形成一第二感應電容C2（Step 320）。

觸控面板210偵測得到第一感應電容C1數據，包括偵測到電容值的偵測單元編號、每一偵測單元取得的電容值等，回授至觸控電子裝置200。觸控電子裝置200依據回授的第一感應電容C1，計算第一感應電容C1於觸控面板210上的觸控座標T（Step 330）。

觸控面板210偵測得到第二感應電容C2數據，包括偵測到電容值的偵測單元編號、每一偵測單元取得的電容值等，回授至觸控電子裝置200。觸控電子裝置200依據回授的第二感應電容C2的數據，包括偵測到電容值的偵測單元編號、每一偵測單元取得的電容值等，計算第二感應電容C2於觸控面板210上的投影座標P（Step 340）。前述Step 330與Step 340並未限定執行之次序，次序可以任意變換或是同時執行。

觸控電子裝置200依據觸控座標T以及投影座標P之間的相對位置，計算觸控筆100相對於觸控面板210的傾斜方向B以及傾斜角度A（Step 350）。計算傾斜方向B以及傾斜角度A的方式，可以是但不限定於：先決定觸控座標T至投影座標P之間的向量V，再以向量V計算傾斜方向B以及傾斜角度A。

前述的傾斜方向B，是由觸控座標T至投影座標P之間的方向，也就是向量V的方向。

前述的傾斜角度A為：

其中，L1為導電筆尖160至導電握持件180之間的距離，L2為觸控座標T至投影座標P之間的距離（向量V的絕對值）。

最後，觸控電子裝置200驅動顯示面板220顯示輸入軌跡R。觸控電子裝置200主要係依據觸控座標T、傾斜角度A及傾斜方向B，決定顯示輸入軌跡R的座標位置，以驅動顯示面板220顯示輸入軌跡R（Step 360）；同時，觸控電子裝置200即時監測傾斜方向B及傾斜角度A的變化，而依據傾斜方向B及傾斜角度A調整輸入軌跡R產生時的態樣（Step 380），例如調整輸入軌跡R為一鉛筆筆觸、一毛筆筆觸、一粗筆觸或一細筆觸，甚至是顏色調整的筆刷，本案不以此為限。

基於本發明一或多個實施例所提出的觸控筆100、觸控系統以及觸控方法，觸控電子裝置200或觸控面板210的硬體架構不需要做變更，可以直接沿用既有的硬體。對於觸控電子裝置200的變更，只需要更新相關的韌體及驅動程式，搭配本案提出的觸控筆100，即可建立前述的觸控系統及觸控方法。也就是說，只有觸控筆100需要被置換，有助於本發明所提供的觸控系統及觸控方法可以廣泛地被利用，並可用於升級現有的觸控系統。

100‧‧‧觸控筆

110‧‧‧電源供應單元

120‧‧‧筆桿

120b‧‧‧絕緣件

140‧‧‧驅動電路

142‧‧‧時脈產生器

144‧‧‧控制器

146‧‧‧訊號放大器

160‧‧‧導電筆尖

180‧‧‧導電握持件

182‧‧‧開孔

200‧‧‧觸控電子裝置

210‧‧‧觸控面板

220‧‧‧顯示面板

C1‧‧‧第一感應電容

C2‧‧‧第二感應電容

L1‧‧‧距離

L2‧‧‧距離

P‧‧‧投影座標

R‧‧‧輸入軌跡

S‧‧‧驅動訊號

A‧‧‧傾斜角度

T‧‧‧觸控座標

V‧‧‧向量

Step 310-360、380‧‧‧步驟

［圖1］是本發明第一實施例中，觸控筆與觸控電子裝置的立體圖； ［圖2］是本發明第一實施例中，觸控筆的分解圖； ［圖3］是本發明第一實施例中，觸控筆的剖面示意圖； ［圖4］是本發明第一實施例中，觸控筆的電路方塊圖； ［圖5］是本發明第一實施例中，觸控筆與觸控面板的側面示意圖，揭示觸控筆與觸控面板之間的電容效應； ［圖6］是本發明第二實施例中，觸控筆的立體圖； ［圖7］是本發明第三實施例中，觸控筆的立體圖； ［圖8］是本發明第四實施例中，觸控筆的分解圖； ［圖9］是本發明第五實施例中，觸控筆的分解圖； ［圖10］是本發明實施例中，觸控筆於觸控面板上進行觸控輸入的立體示意圖； ［圖11］是本發明實施例中，觸控筆與觸控面板的側面示意圖，揭示觸控筆相對於觸控面板的傾斜角度； ［圖12］是本發明實施例中，觸控筆與觸控電子裝置的立體圖，揭示觸控筆傾斜角度與筆劃寬度之關係；以及 ［圖13］是本發明實施例中，偵測觸控筆傾斜狀態的觸控方法之流程方塊圖。

Claims (10)

1. 一種觸控筆，適用於一觸控面板，包含： 一筆桿； 一驅動電路，設置於該筆桿內部，用以產生一驅動訊號； 一導電筆尖，設置於該筆桿的一端，且電性連接於該驅動電路以接收該驅動訊號，該導電筆尖透過該驅動訊號與該觸控面板產生電容耦合，而於該觸控面板上形成一第一感應電容；以及 一導電握持件，設置於該筆桿，並與該導電筆尖電性絕緣；該導電握持件用以對該觸控面板產生一電容效應，而於該觸控面板上形成一第二感應電容。
2. 如請求項1所述的觸控筆，其中，該驅動電路包含： 一時脈產生器，用以提供該驅動訊號； 一控制器，電性連接於該時脈產生器，以致能該驅動訊號的輸出；以及 一訊號放大器，接收該驅動訊號並放大該驅動訊號，且該訊號放大器輸出該驅動訊號至該導電筆尖。
3. 如請求項1所述的觸控筆，其中，該導電握持件透過該筆桿連接於該導電筆尖，該筆桿的部分或全部不具備導電性，且該筆桿不具備導電性的部份位於該導電握持件與該導電筆尖之間。
4. 如請求項1所述的觸控筆，其中，該導電握持件設置於該筆桿的外表面。
5. 如請求項1所述的觸控筆，其中，該筆桿包含多個互相連接的元件，且互相連接的元件中至少具有一絕緣件，位於該導電握持件與該導電筆尖之間。
6. 如請求項1所述的觸控筆，其中，該導電握持件與該導電筆尖分別連接於該筆桿的兩端。
7. 一種觸控方法，適用於一觸控筆對一觸控面板進行觸控輸入；該觸控筆具有一筆桿、設置於該筆桿一端的導電筆尖、以及設置於該筆桿上並且與該導電筆尖電性絕緣的導電握持件；該觸控方法包含： 該導電筆尖發出驅動訊號，以在該觸控面板上形成一第一感應電容，且該導電握持件對該觸控面板產生電容效應而形成一第二感應電容； 計算該第一感應電容於該觸控面板上的一觸控座標； 計算該第二感應電容於該觸控面板上的一投影座標；以及 依據該觸控座標至該投影座標之間的相對位置，計算該觸控筆相對於該觸控面板的傾斜方向以及傾斜角度。
8. 如請求項7所述的觸控方法，其中，該傾斜方向為由該觸控座標至該投影座標之間的方向。
9. 如請求項7所述的觸控方法，其中，該傾斜角度為：； 其中，L1為該導電筆尖至該導電握持件之間的距離，L2為該觸控座標至該投影座標之間的距離。
10. 如請求項7所述的觸控方法，更包含： 依據該觸控座標、該傾斜角度及該傾斜方向，驅動一顯示面板顯示一輸入軌跡；以及 依據該傾斜方向及該傾斜角度調整該輸入軌跡產生時的態樣。