TWI379220B - - Google Patents

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1379220 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種電子電路技術，特別是有關於一種觸發 門檻值可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝置，其可應用於作 為一電子裝置的輸入設備，且其特點在具有一觸發門檻值可適應 性自動調整功能，可適應性地自動調整各個按鍵的觸發門檻值。 【先前技術】 電容感應式鍵盤（capacitive keyboard)為一種新科技之輸入設 備，其特點在於採用一可按壓之電容性電路結構來作為一個按 鍵。當使用者觸壓該按鍵時，其觸壓動作即可致使電容性電路結 構的電荷儲存面積受到擠壓而縮小小，因此而改變其電容值而使 得其上之電壓受到改變；而此電壓的改變即可作為一觸發信號來 觸發對應之按鍵信號。 電容感應式鍵盤的優點在於其機電部分係全部覆蓋於一片完 整的薄塑膠布的下方，因此不會如習知之裸露於外的傳統按鍵和 開關般地易於受到外在環境的磨損，也不需要如傳統之機械式按 ___— ____ ______ 一 -------——一------------ -一 —一 - _ - —— 鍵般地需要預留機械部件運動的空間而不必要地增大整體之體 積。此特點使得電容感應式鍵盤特別適用於輕薄短小之可攜式電 子裝置。 然而於實際應用上，電容感應式鍵盤的一項缺點在於其操作 可靠性較為不穩定。這是由於電容感應式鍵盤之按鍵的電容性電 路結構可能會隨著一些内在及外在的因素的影響而使得其電容值 產生產生變化。此些因素例如包括電路結構隨時間的磨損、覆蓋 材質隨時間的表損、溫濕度的變化、雜訊的干擾、等等。此外， 電容感應式鍵盤於實際應用時的靈敏度亦會受到使用者本身因素 •5- 1379220 的影響，例如使用者手指大小的不同、習慣性之施力大小的不同、 手指上是否沾有水或油脂、等等。 以上所述之因素均會影響到電容感應式鍵盤的靈敏度而影響 到其操作可靠度。有鑒於此，電子業界因此需求一種可隨時依據 實際之内外在因素而適應性地調整電容式按鍵之觸發門檻值的技 術。 【發明内容】 鑒於以上所述先前技術之缺點，本發明之主要目的便是在於 提供一種觸發門檻值可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝置， 其可隨時依據實際之内外在因素而適應性地調整電容式按鍵之觸 發門檻值。 本發明之觸發門檻值可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝 置係設計來應用於整合至一電子裝置，例如為電腦裝置、行動電 話裝置、掌上型計算機、和電子儀器、用以作為該電子裝置的輸 入設備，且其特點在具有一觸發門檻值可適應性自動調整功能， 可適應性地自動調整各個按鍵的觸發門檻值。 """ 於實體架構上，本發明之觸發門檻值可適應性自動調整式電 容感應式按鍵裝置至少包含：（A) —電容感應式按鍵電路模組；（B) 一按鍵觸動模式偵測模組；（C)一微分處理模組；（D)—負斜率偵測 模組；（E)—觸發門檻值設定模組；以及(F) —觸發信號產生模組。 本發明之觸發門檻值可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝 置的優點在於可不受任何内在因素（即結構本身之耗損）和外在因 素（即不同的使用者的手指狀況和環境溫濕度）的影響，可適應性地 自動設定一適當之觸發門檻值，使得電容感應式按鍵裝置的應用 無論於任何情況下均具有適當之操作可靠度。 -6- 1379220 【實施方式】 以下即配合所附之圖式，詳細揭露說明本發明之觸發門檻值 可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝置之實施例。 第1圖即顯示本發明之觸發門檻值可適應性自動調整式電容 感應式按鍵裝置（如標號100所指之方塊所示之部分，以下簡稱為 電谷感應式按鍵裝置”）的應用方式。如圖所示，本發明之電容感 應式按鍵裝置100於實際應用上係整合至一電子裝置10，例如為 電腦裝置、行動電話裝置、掌上型計算機、或電子儀器，用以作 鲁 為該電子裝置10的輸入設備》 第2圖即顯示本發明之電容感應式按鍵裝置1〇〇的功能模 型。如圖所示，本發明之電容感應式按鍵裝置1〇〇可於使用者之 手指30觸壓下其中一個按鍵2〇時，回應地自動產生一觸發門檻 值401，並依據此觸發門檻值4〇1來產生_按鍵觸發信號(tr)4〇2 來作為最終所需之處理結果。此按鍵觸發信號(TR)4〇2即可令電子 裝置10產生對應之鍵碼而完成一個鍵碼的輸入動作。 如第3圓所示，於實體架構上，本發明之電容感應式按鍵裝 • 置一 10〇至少包含:(A)—電容感應式按鏈電路模組ιό1;(Β) —按鏠觸 動模式偵測模組110 ; (C)—微分處理模組120 ; (D)—負斜率偵測 模組130 ; (Ε) —觸發門檻值設定模組140 ;以及(F)—觸發信號產 生模組150。以下即首先分別說明此些構件的個別屬性及功能。 電容感應式按鍵電路模組101例如為一如第4圖所示之弛張 振盈器（relaxation oscillator，RO)架構之電容感應式按鍵裝置。由 於弛張振盪器為電子業界所習用及熟知之一種電子電路，因此於 本說明書中將不對其内部架構及運作方式作進一步詳細之說明。 如第4圖所示，此弛張振盪塑之電容感應式按鍵電路模組101於 •Ί- 1379220 實際操作時可於按鍵20受使用者之手指30觸壓時，回應地產生 產生2種電容感應之頻率輸出信號：一 R〇型之電容感應輸出信 號知0(其波形如第5A圖所示）和一 RC(resistance-capacitance)型 之電容感應輸出信號Src (其波形如第5B圖所示）。此電容感應輸 出信號*SR〇ASRC的震盪頻率/放電時間即代表電容感應式按鍵電路 模組101中的電容器102的按壓電容值。

按鍵觸動模式偵測模組可擷取上述之電容感應式按鍵電 路模組101所產生之電容感應輸出信號(知〇或Src)來產生一按鍵 觸動回應波形信號厂press(其波形如第6圖所示）。此按鍵觸動回應 波形信號Kpress的波形即代表使用者的按鍵觸動模式為一重壓模式 (即以較大的力量來觸壓按鍵20)或一輕觸模式（即以較小的力量來 觸壓按鍵20)。此外’電容結構材料隨時間所產生之質變因素亦會 反應於此按鍵觸動回應波形信號Kpress的波形之中。 理論上，一般使用者之手指的觸壓動作通常會包括—初始之 因 靜止狀態（即放置於按鍵20上但未用力按下）、一起始之加速狀熊 (即開始向下施力來觸壓按鍵20)、一完全按下時之暫停狀態（即二 鍵20被完全按壓至最大位移的觖態）、以及一手指釋放狀雜 此於該按鍵觸動回應波形信號Fpress中，如第6圖所示，使用者手 指的起始加速狀態即相應至一下降邊緣201 (代表電容值因受到壓 縮而開始減小）、其完全按下時之暫停狀態即相應至—波谷區p 202、而其手指釋放狀態即相應至一上升邊緣203。 此外，理論上使用者之手指與按鍵20相隔一小距離而尚未* 全碰觸到按鍵20時即會造成一小量之電容感應。此部分之電容感 應則為相應至該下降邊緣201的前端部分。 於具體實施上，此按鍵觸動模式偵測模組11〇例如包括（bi) •8· 1379220 一電容感應信號擷取單元111;(B2)—信號取樣單元112;以及(B3) 一低通濾波單元113。 電容感應信號操取單元1U係用以擷取電容感應式按鍵電路 模組101所產生之電容感應輸出錢（可為知〇或知)。信號取樣 單7G 112可對電容感應信號擷取單元U1所揭取到之電容感應輸 出信號（<SRO或SRC)進行取樣處理而獲得所需之按鍵觸動回應波形 信號Fpress。但由於信號取樣單元112的輸出信號會具有較大之雜 訊’因此再接著利用低通濾波單元113來瀘除其雜訊而獲得一低 ^ 雜訊之按鍵觸動回應波形信號，再接著將此低雜訊之按鍵觸 動回應波形彳§號rpress傳送至微分處理模組12〇作後續之處理。 微分處理模組120可接收上述之按鍵觸動模式偵測模組11〇 所輸出之按鍵觸動回應波形信號Fpress，並對該按鍵觸動回應波形 k號厂press提供二微分處理作用而產生一微分輸出信號。此微 分輸出信號Fdif的波形即代表按鍵觸動回應波形信號&挪相對於 時間的變化信號；亦即如第6圖所示，其波形係相應於按鍵觸動 回應波形彳5戒Kpress的下降邊緣201而產生·一波峰部301、相麻於 φ 其波谷區段南產i一平坦都_3〇2、以及相；於其上升邊緣2〇3 而產生一波谷部303。 於具體實施上，此微分處理模組120例如可採用一高通淚波 器來實現；但亦可為其它類型之微分處理電路^ 負斜率偵測模組130可接收上述之微分處理模組12〇所輸出 之微分輸出信號Fdif，並對該微分輸出信號Fdif提供一負斜率摘測 功能來偵測其振幅變化的最大值（以下表示為匕ax)。如第6圖所 禾，此振幅變化最大值Fmax即出現於微分輸出信號厂dif中的負斜 •9· 1379220 率部分，即振幅變化開始向下降的部分；且其即代表使用者之手 指30向下觸壓按鍵20時所施加之最大力量。 於具體實施上，由於斜率變化為負值，因此微分之後的數值 變化亦為為、。為了計算方便起見，我們可以加一個負號來令Fmax 轉換為正值。 觸發門檻值設定模組140可依據上述之負斜率偵測模組130 所求得之振幅變化最大值Fmax來求得其對應之電容值Cmin，再接 广著依據此電容值Cmin來設定一對應之觸發門檻值Cth。 於第一應用實例中，假設弛張振盪型電容感應式按鍵電路模 組101的額定電容值匸加^為100 pf，且假設使用者之手指30於 完全按下按鍵20時會致使其電容值降為10 pf (以下稱為”壓縮電 容值"，且表示為Cpressed)，則其振幅變化最大值Fmax大約為出現 於電容值為25 pf之瞬間時刻。因此於此情況下，觸發門檻值Cth 即設定為25 pf。 於第二應用實例中，假設弛張振盪型電容感應式按鍵電路模 組101的額定電容值Crated為80 pf，且假設使用者之手指30於完 全按下按鍵20時會致使其電容值降爲60 pf，則其振幅變化最大 值Pmax大約為出現於電容值為65 pf之瞬間時刻。因此於此情況 下，觸發門檻值Cth即設定為65 pf。 基本上，前述之觸發門檻值Cth之設定方式的基本原則為將 Cmin值加上Crated和Cmin之差值的一特定比例，例如為1/6至1/4 之間。 觸發信號產生模組150可依據上述之觸發門檻值設定模組 140所設定之觸發門檻值Cth來於後續處理弛張振盪型電容感應式 按鍵電路模組101所產生之電容感應輸出信號SR0;亦即若電容感 1379220 應輸出信號<sR0所代表之壓縮電容值（^吻如高於觸發門檻值cth， 則將其視為使用者的碰觸而不發出按鍵觸發信號(Tr)4〇2 ;反之， 若低於觸發門檻值Cth，則將其視為使用者的按鍵觸壓動作而發出 一對應之按鍵觸發信號(TR)4〇2，代表對應之按鍵20被按下。此 按鍵觸發信號(TR)402即可令電子裝置1〇產生對應之鍵碼而完成 ' 一個鍵碼的輸入動作。 以下即利用一應用實例來說明本發明之電容感應式按鍵裝置 100於實際應用時的操作方式。 Φ 當使用者以手指30壓下一按鍵20時，其即會致使按鍵觸動 模式偵測模組110產生一按鍵觸動回應波形信號其中該按 鍵觸動回應波形信號Fpress的波形包含一下降邊緣2〇1、一波谷區 段202、和一上升邊緣2〇3 ;且其中該下降邊緣2〇1係相應至使用 者手指的起始加速狀態（代表電容值因受到壓縮而開始減小）、其 波谷區段202係相應至完全按下時之暫停狀態、而其上升邊緣加 則係相應至手指釋放狀態。 接著由微分處理模組120對上述之按鍵觸動模式偵測模組π〇 馨-一所―產―生之接鍵I動-自-應-波形ms提供一微分處理作用而產—[ 一微分輪出信號厂训；其中該微分輸出信號rdif的波形係相應該按 鍵觸動口應波形彳s號厂㈣SS的下降邊緣2〇1而產生一波峰部、 相應其波谷區段202而產生一平坦部302、以及相應其上升邊緣 203而產生一波谷部303。 再接著由負斜率偵測模組13〇對上述之微分處理模組12〇所 輸出之微分輸出信號Fdif提供一負斜率偵測功能，藉以偵測其振幅 變化的最大值（以下表示為Kmax)。如第6圖所示，此振幅變化最大 值厂max即出現於微分輸出信號厂时中的負斜率部分，即振幅變化 !379220 開始向下降的部分；且其即代表使用者之手指3〇向下觸壓按鍵2〇 時所施加之最大力量。 接著由觸發門檻值設疋模組140依據上述之負斜率偵測模組 130所求得之振幅變化最大值Fmax來求得其對應之電容值Cmin， 再接著依據此電容值Cmin及一預定之比例原則（例如為1/6)來設 定一對應之觸發門權值。 此後，觸發〇號產生模組150即可受控於上述之觸發門檻值 5免定模組140所設定之觸發門楹值Cth來處理按鍵2〇被觸壓後所 產生之電容感應輸出信號SR0;亦即若知〇所對應之壓縮電容值 Cpressed 高於觸發門根值cth，則不發出按鍵觸發信號(TR)4〇2 ;反 之，若低於觸發門檻值cth，則將其視為使用者的按鍵觸壓動作而 發出一對應之按鍵觸發信號(TR)402,代表對應之按鍵20被按下。 此按鍵觸發信號(TR)402即可令電子裝置1〇產生對應之鍵碼而完 成一個鍵碼的輸入動作。 總而言之，本發明之觸發門檻值可適應性自動調整式電容感 應式按鍵裝置的優點在於可不受任何内在因素（即結構本身之耗 籲一―—損坪外在因素Γ即不同的便充者_指狀況和環磽溫濕度）的影-…—_ 響，可適應性地自動設定-適當之觸發門檻值，使得電容感應式 按鍵裝置的應用無論於任何情況下均具有適當之操作可靠度。本 發明因此較先前技術具有更佳之進步性及實用性。 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發 明之實質技術内容的範圍。本發明之實質技術内容係廣義地定義 於下述之中請專利範圍中。若任何他人所完成之技術實體或方法 與下述之㈣專職_㈣者衫全相同、歧為-種等效之 變更，均將被視m於本發明之中請專職圍之中。 -12· 1379220 【圖式簡單說明】 第1圖為一應用示意圖，用以圖解本發明的一個應用實例； 第2圖為一功能示意圖，用以圖解本發明的輸入輸出功能模 型； 第3圖為一架構示意圖，用以圖解本發明的基本架構； 第4圖為一架構示意圖，用以顯示本發明所採用之弛張振盪 型電容感應裝置的内部電路架構； 第5A圖為一信號波形圖，用以顯示本發明所處理之弛張振 盪型電容感應輸出信號〇SRO)的波形； 第5B圖為一信k波形圖，用以顯示本發明所處理之RC式電 容感應輸出信號(SRC)的波形； 第6圖為一信號波形圖，用以顯示本發明所處理之按鍵觸動 回應波形信號（Fpress)、微分輸出信號（Fdif)、、和按鍵觸發信號(TR) 的波形。 【主要元件符號說明】 電子裝置10;按鍵20;使用者之手指30;本發明之觸發門檻值可 適應W自動調整式電容感應式按鍵裝置100;電容感應式按鍵電路 模組101 ;按鍵觸動模式偵測模組110;電容感應信號擷取單元 111 ;信號取樣單元112 ;低通濾波單元113 ;微分處理模組120 ; 負斜率偵測模組130 ;觸發門檻值設定模組140 ;觸發信號產生模 組150 ; Fpress的下降邊緣201 ; rpress的波谷區段202 ; Fpress 的上升邊緣203; Fdif的波峰部301; Fdif的平坦部302; Fdif 的波谷區段303 ;觸發門檻值401 ;按鍵觸發信號(TR) 402。 -13-

Claims (1)

1379220 十、申請專利範圍： 1. 一種觸發門檻值可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝 置，其可應用於整合至一電子裝置，且該電子裝置具有一組按鍵， 用以提供一觸發門檻值可適應性自動調整之按鍵式輸入功能； 此觸發門檻值可適應性自動調整式電容感應式按鍵裝置至少 包含： 一電容感應式按鍵電路模組，其於實際操作時可回應一按鍵 觸壓事件而產生一電容感應輸出信號； • 一按鍵觸動模式偵測模組，其可擷取該電容感應式按鍵電路 模組所產生之電容感應輸出信號來產生一按鍵觸動回應波形信 號；其中該按鍵觸動回應波形信號的波形包含一下降邊緣、一波 谷區段、和一上升邊緣； 一微分處理模組，其可接收該按鍵觸動模式偵測模組所產生 之按鍵觸動回應波形信號，並對該按鍵觸動回應波形信號提供一 微分處理作用而產生一微分輸出信號；其中該微分輸出信號的波 形係相應該按鍵觸動回應波形信號的下降邊緣而產生一波峰部、 參…相應其波谷區段而I生一平部友—蒋_應—其上并_邊緣而ϋ 一 波谷部； 一負斜率偵測模組，其可接收該微分處理模組所產生之微分 輸出信號，並對該微分輸出信號提供一負斜率偵測功能來偵測其 振幅變化的最大值； 一觸發門檻值設定模組，其可依據該負斜率偵測模組所求得 之振幅變化最大值所對應之電容值來以一預定之比例原則設定出 一對應之觸發門檻值；以及 一觸發信號產生模組，其可受控於該觸發門檻值設定模組所 1379220 設定之觸發門檻值來於處理該按鍵受外力觸壓時所產生之電容感 應輸出信號；其方式為若該電容感應輸出信號所對應之壓縮電容 值高於該觸發門檻值，則不發出按鍵觸發信號；反之，若低於該 觸發門檻值，則發出一對應之按鍵觸發信號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之觸發門檻值可適應性自動調 整式電容感應式按鍵裝置，其中該電容感應式按鍵電路模組為一 弛張振盪型電容感應裝置。 3. 如申請專利範圍第1項所述之觸發門檻值可適應性自動調 • 整式電容感應式按鍵裝置，其中該按鍵觸動模式偵測模組所擷取 之由該電容感應式按鍵電路模組所產生之電容感應輸出信號為一 RC型之電容感應輸出信號。 4. 如申請專利範圍第1項所述之觸發門檻值可適應性自動調 整式電容感應式按鍵裝置，其中該按鍵觸動模式偵測模組所擷取 之由該電容感應式按鍵電路模組所產生之電容感應輸出信號為一 RO弛張振盪型之電容感應輸出信號。 5. 如申請專利範圍第1項所述之觸發門檻值可適應性自動調 φ —整式電容感應式按_鍵裝置，其中該接鍵觸動糢_式偵測模組包括一 低通濾波器，用以對其所產生之電容感應輸出信號提供一濾除雜 訊之低通滤波功能。 6. 如申請專利範圍第1項所述之觸發門檻值可適應性自動調 整式電容感應式按鍵裝置，其中該微分處理模組係採用一高通濾 波器來實現。 -15·