TWI446253B - Single - layer sensing layer of two - dimensional capacitive touchpad - Google Patents

Description

單層感應層的二維電容式觸控板

本發明係有關一種電容式觸控板，特別是關於一種單層感應層的二維電容式觸控板。

電容式觸控技術之運作原理，係藉物件(例如手指或其他導體)接觸電容式觸控元件造成觸點處的感應層(touch sensor)的電容值變化，經由控制器定位出該觸點的位置。由於觸控元件的感應層係由導體製成，因此通常在感應層上覆蓋絕緣材質當作保護層(cover)保護該感應層。

圖1係手指接觸電容式觸控元件之示意圖，電容式觸控元件10是由感應層12及其上方覆蓋的保護層14組成。感應層12是導體，因此其與地端GND之間存有自體電容(self capacitor)Cs。保護層14是絕緣體，當手指16碰觸保護層14時，由於人體屬於導體且具有等同於接地的電位，因此感應層12與手指16之間將出現耦合電容Cp。在此情況下，感應層12可視為電容Cp的上電極板，手指16可視為電容Cp的下電極板且接地，中間的保護層14為電容Cp的介電層。所以在手指16碰觸保護層14時，電容Cp係與感應層12的自體電容Cs並聯，造成整體的自體電容值增加，透過偵測此自體電容的變化，可以達到手指的偵測。

習知偵測觸點的方法除了偵測自體電容外，還可以偵測感應層中兩電極板之間的交互電容(mutual capacitor)，如圖2所 示。感應層具有感應電極板18及20，兩者之間的電力線構成交互電容。當手指16靠近時，感應電極板18、20之間的電力線會被人體所形成的大下地電容所吸引，造成感應電極板18、20之間的交互電容值下降，透過偵測此交互電容的變化，同樣可以達到手指16的偵測。

圖3係習知單層感應層的二維電容式觸控板，左圖為俯視圖，右圖為左圖中A-A剖面線的剖面圖。其單層感應層包含多個感應單元22，而每個感應單元22係由彼此不相連接的感應電極板24及26組合而成，感應電極板24、26會隨著X方向改變其單位長度的面積。當導體28觸碰感應單元22上的保護層時，將導體28視為另一個電極板，而平行板電容器之電容值為 其中，A為兩電極板彼此重疊的面積，d為兩電極板之間的距離，ε為兩電極板之間介電層的介電常數。由公式1可知，導體28形成的電容值跟導體28與感應電極板24及26重疊的面積A成一正比例關係，因此，導體28於感應單元22的位置X1處形成一觸點時，偵測器30於感應電極板24、26偵測到的自體電容值變化量△C1、△C2，即代表導體28與電極板24、26之間形成的電容值，其與重疊的面積A成比例，又因為感應電極板24、26單位長度的面積A是隨著X方向改變， 自體電容值變化量△C1、△C2將與X方向上的位置有關，因此，利用自體電容值變化量△C1、△C2與感應電極板24、26的長度L即可定位出導體28位於X方向上的X1處，公式如下： L為感應電極板24及26的長度。而在Y方向上，偵測器30只要判斷是那個感應電極板的電容值有變化，即可得到Y方向上的位置。因此，使用單層感應層能夠完成二維的定位。

本發明的目的，在於提出一種單層感應層的二維電容式觸控板。

根據本發明，一種單層感應層的二維電容式觸控板包含第一電極板，與該第一電極板相鄰的第二電極板，以及穿插於該第一電極板與該第二電極板之間的第三電極板，其中，該第一、第二電極板用以偵測與該第三電極板之間形成的交互電容值，以定位出導體接觸該觸控板的位置。

圖4係本發明第一實施例，圖5係圖4實施例應用於二維電容式觸控板的示意圖。圖4上為此實施例感應跡線32的俯 視圖及剖面圖，感應跡線32為長條狀，下面的基底層34及上面的保護層36皆為屑型，使得夾於基底層34及保護層36之間的單層感應電極板38由左至右離操作平面越來越遠。當導體接觸保護層36，如圖4下的手指40，於位置X1時離感應電極板38的距離為d1，於位置X2時離感應電極板38的距離為d2，若以左邊為X方向上的原點，距離d與X方向上的位置成正比，再由公式1可知，手指40與感應電極板38形成的電容值與距離d成一反比例關係，得到下列公式： 因此，電容變化量的大小與手指40於X方向上的位置成一反比例關係。當手指40位於位置X1與X2時偵測到的電容變化量為△C3與△C4，若測到的電容變化量△C3大於△C4，就表示X1小於X2。當應用於二維式觸控板時，如圖5所示的俯視圖，為了有更精準的定位，使用兩種傾斜方向不同的感應跡線42、44並且兩兩成對形成感應單元46，再將多個感應單元46平行排例形成二維式觸控板。當導體28於X1處接觸感應單元36時，根據圖4及公式3之原理，偵測器30於感應跡線42、44偵測到的自體電容值與變化量△C5、△C6與X方向上的位置有關，因此，利用自體電容值變化量△C5、△C6與感應跡線42、44的長度L即可定位出導體28位於X方向上的X1處。

圖6是本發明第二實施例，圖7係圖6實施例應用於二維電容式觸控板的示意圖。本實施例的感應跡線48具有感應電極板50，其上的保護層是使用兩種介電常數的絕緣材質所組合而成，而組合的比例沿著X方向改變，以圖6為例，一開始，感應電極板40上具有介電常數為ε 1的絕緣材質52，接著在絕緣材質52上挖去三角形的區域，再填充入介電常數為ε 2的絕緣材質54，根據公式1得知 手指40與感應電極板50形成的電容值會隨著保護層上兩種絕緣材質的比例變化而改變。因此，在量測感應電極板40的自體電容時，自體電容的變化量即為手指40與感應電極板50形成的電容值，其將會與手指40於X方向上的位置有關。當應用於二維式觸控板時，如圖7所示的俯視圖，為了有更精準的定位，將會有兩種保護層挖去三角形方向不同的感應跡線56、58，兩兩成對形成感應單元60，再將多個感應單元60平行排例形成二維式觸控板。當導體28於X1處接觸感應單元50時，根據圖6及公式4之原理，偵測器30於感應跡線56、58偵測到的自體電容值與變化量△C7、△C8與X方向上的位置有關，因此，利用自體電容值變化量△C7、△C8與感應跡線56、58的長度L即可定位出導體28位於X方向上的X1處。

如圖8所示，感應單元62具有成對的感應跡線64、66。感應跡線64的保護層上由右至左具有由密至疏的孔洞，而感 應跡線66的保護層的孔洞的疏密方向則跟感應跡線64相反。而感應跡線64、66的保護層上的孔洞，填入與保護層不同的介電常數ε 的絕緣材質，如空氣，孔洞越密則代表兩種絕緣材質的比例變化。當導體28於X1處接觸感應單元62時，根據圖6及公式4之原理，於感應跡線64、66偵測到的自體電容值與變化量△C9、△C10與X方向上的位置有關，因此，利用自體電容值變化量△C9、△C10與感應跡線64、66的長度L即可定位出導體28位於X方向上的X1處。

圖9是本發明第三實施例，圖10係圖9實施例應用於二維電容式觸控板的示意圖。如圖9上所示，本實施例使用短激勵脈寬(short excitation width)We的激勵信號68來激勵感應電極板70，因為感應電極板70如同無數個RC電路串接而成，短激勵脈寬的激勵信號68並無法將整條感應電極板70充電至相同於激勵信號68的電壓Ve，將會如圖中所示由V1到Vn越趨微弱。當導體接觸感應電極板70上的保護層，如圖9下的手指40，不論手指40碰觸於X1處還是Xn-1處，電容值手指40與感應電極板70形成的電容值△C皆相同，但是因為激勵信號68同時會對電容△C充電並且充至的電壓值會與手指40所在的位置相關，於X1處便充至電壓V1，於Xn-1處便充至電壓Vn-1，而電容值△C相對於C1…Cn較大，回傳信號的電壓值將與手指40所在的位置相關，因此，可以得到下例公式： 偵測到的電壓變化量△V跟手指40於X方向的位置成一正比例關係。當應用於二維式觸控板時，如圖10所示的俯視圖，為了有更精準的定位，使用兩兩成對的感應跡線72、74形成感應單元76，分別於左右同時以短激勵脈寬的激勵信號68激勵，再將多個感應單元76平行排列形成二維式觸控板。當導體28於X1處接觸感應單元76時，根據圖9及公式5之原理，偵測器30於感應跡線72、74偵測到的電壓變化量△V1、△V2與X方向上的位置有關，因此，利用電壓變化量△V1、△V2與感應跡線72、74的長度L即可定位出導體28位於X方向上的X1處。

圖11係本發明第四實施例的二維電容式觸控板的俯視圖，其單層感應層包含多個感應單元78，而每個感應單元78具有電極板80穿插於每個感應電極板82、84之間，做為感測交互電容時激勵用的電極板。在本實施例中，各個感應單元78的兩感應電極板82、84隨著X方向改變其單位長度的面積，具體而言，兩感應電極板82、84是相對的三角形而分別具有一斜邊，並以其斜邊平行相對。而位於兩感應電極板82、84之間的電極板80具有平行相對的兩側邊，其中一側邊與一感應電極板82的斜邊之間為等間距，另一側邊與另一感應電極板84的斜邊之間亦為等間距。

因此，於偵測感應電極板82、84時，偵測的並非感應電極板82、84的自體電容，而是感應電極板82、84對電極板80的交互電容。當導體28接觸感應電極板82、84上的保護 層時，導體28會如圖2一般吸收電極板80與感應電極板82、84之間的電力線，使得偵測到的交互電容值下降，而其交互電容變化量△C11、△C12跟導體28與感應電極板82、84所重疊的面積有關，重疊越多吸收的電力線越多交互電容變化量也越大，如圖11中所示，導體28與感應電極板84所重疊的面積較大，因此，其交互電容變化量、△C12將大於△C11。又因為本實施例的感應電極板82、84為三角形，會隨著X方向改變其單位長度的面積，感應電極板82、84的交互電容變化量將與導體28位於X方向上的位置有關，因此，根據感應電極板82、84的交互電容變化量△C11、△C12與感應電極板82、84的長度L便能定位出導體28位於X方向上的X1處。

而為了增加感應電極板82、84對電極板80所形成交互電容的電容值，於其他實施例中增加電極板彼此之間的相鄰邊長，因此感應電極板82、84可以改為如圖12的魚骨形電極板或是如圖13的S形電極板，電極板80則穿插於感應電極板82、84的間隙中，增加電極板80與感應電極板82、84彼此間的相鄰邊長，使得感應電極板82、84對電極板80所形成交互電容的電容值上升，增加感應的敏感度；其中：如圖12所示的感應電極板82、84和電極板80均呈魚骨形；其中：兩感應電極板82、84分別具有兩相對斜邊，該電極板80具有兩側邊，其與兩感應電極板82、84之斜邊之間為等間距。

又如圖13所示的兩感應電極板82、84分別具有兩斜邊，兩斜邊分別為一連續曲折狀而呈S形。該電極板80穿插在兩 感應電極板82、84之間，其兩側邊和兩感應電極板82、84的邊之間分別為等間距。藉此可使感應電極板82、84對電極板80所形成交互電容的電容值上升，增加感應的敏感度。

圖14係圖11實施例的另一實施方式。與圖11之實施例相似，但是其電極板80具有不同的連接方式，以方便佈線。而圖15、16亦是將圖12、13的電極板80改為如圖12的連接方式。

圖17係本發明應用於較大型觸控板的俯視圖。為了定位的精確度，感應電極板82、84的長度會有一最大值的限制，因此本發明應用於較大型的螢幕時，便將感應電極板82、84設計為兩行，而電極板80則一樣可以穿插於感應電極板82、84之間，以完成交互電容的偵測。

圖18係本發明之第五實施例的二維電容式觸控板，其單層感應層保有激勵用的電極板80，但是圖中之感應電極板86、88為長條型，電極板80則為斜線穿插於感應電極板86、88之間，使感應電極板86、88於X方向上對電極板80的距離有所變化，而感應電極板86、88對電極板80的距離越遠，之間的電力線越少，導體28接觸時感應電極板86、88上的保護層所造成的交互電容值變化量△C13、△C14的影響也越小，如圖18所示，於X1處感應電極板88距離感極板80較遠，偵測到交互電容值變化量△C13將小於△C14。因此，根據感應電極板86、88的交互電容變化量△C13、△C14與感應電極板86、88的長度L便能定位出導體28位於X方向上的X1處。

上述激勵用的電極板80皆均勻分佈在整片觸控板上，有較大的面積，對地的自體電容值較大，對其偵測自體電容時感應敏感度也較大，因此，對電極板80的自體電容進行偵測時，只要當導體接近觸控板任一處，導體對電極板80自體電容的影響將可以明顯的偵測出來。在導體是否接近觸控板的應用上，將不需要另外加裝其他接近偵測的偵測器，偵測電極板80的自體電容之電容變化量即有接近偵測(proximity sensing)的效果。

另一實施例中，激勵用的電極板80的連接改由觸控板外部的電路連接，較佳者，可依偵測位置的需要由外部的電路選擇偵測位置處之電極板80，節省激勵時所需要的電力。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企 圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10‧‧‧電容式觸控元件

12‧‧‧感應層

14‧‧‧保護層

16‧‧‧手指

18‧‧‧電極板

20‧‧‧電極板

22‧‧‧感應單元

24‧‧‧感應電極板

26‧‧‧感應電極板

28‧‧‧導體

30‧‧‧偵測器

32‧‧‧感應跡線

34‧‧‧基底層

36‧‧‧保護層

38‧‧‧感應電極板

40‧‧‧手指

42‧‧‧感應跡線

44‧‧‧感應跡線

46‧‧‧感應單元

48‧‧‧感應跡線

50‧‧‧感應電極板

52‧‧‧介電常數為ε 1的保護層

54‧‧‧介電常數為ε 2的絕緣材質

56‧‧‧感應跡線

58‧‧‧感應跡線

60‧‧‧感應單元

62‧‧‧感應單元

64‧‧‧感應跡線

66‧‧‧感應跡線

68‧‧‧激勵信號

70‧‧‧感應電極板

72‧‧‧感應跡線

74‧‧‧感應跡線

76‧‧‧感應單元

78‧‧‧感應單元

80‧‧‧電極板

82‧‧‧感應電極板

84‧‧‧感應電極板

86‧‧‧感應電極板

88‧‧‧感應電極板

圖1係手指接觸電容式觸控元件的示意圖；圖2係手指造成交互電容變化的示意圖圖3係習知單層感應層的二維電容式觸控板；圖4係本發明第一實施例；圖5係圖4實施例應用於二維電容式觸控板的示意圖； 圖6係本發明第二實施例；圖7係圖6實施例應用於二維電容式觸控板的示意圖；圖8係圖6實施例另一實施方式之示意圖；圖9係本發明第三實施例；圖10係圖9實施例應用於二維電容式觸控板的示意圖；圖11係本發明第四實施例的觸控板俯視圖；圖12係將圖11的電極板改為魚骨形的示意圖；圖13係將圖11的電極板改為S形的示意圖；圖14係圖11實施例的另一實施例；圖15係將圖14的電極板改為魚骨形的示意圖；圖16係將圖14的電極板改為S形的示意圖；圖17係將圖11實施例應用於較大型觸控板的俯視圖；以及圖18係本發明第五實施例的觸控板俯視圖。

28‧‧‧導體

78‧‧‧感應單元

80‧‧‧電極板

82‧‧‧感應電極板

84‧‧‧感應電極板

Claims (7)

1. 一種單層感應層的二維式觸控板，包含：第一電極板，具有相對的兩側邊；第二電極板，位於該第一電極板之一側，用以偵測與該第一電極板之間形成的第一交互電容值；以及第三電極板，位於該第一電極板之另一側，用以偵測與該第一電極板之間形成的第二交互電容值；其中，該第二及第三電極板分別具有至少一斜邊，該第一電極板之其中一側邊和該第二電極板之斜邊之間為等間距，而該第一電極板之另一側邊和該第三電極板之斜邊之間為等間距；該第一、第二交互電容值被用來計算出導體接觸該觸控板的位置。
2. 如請求項1所述之觸控板，其中該第一電極板被激勵信號所激勵。
3. 如請求項1所述之觸控板，其中該第二電極板每單位長度之面積沿著第一方向由小變大，該第三電極板則沿著該第一方向由大變小。
4. 如請求項3所述之觸控板，其中該第二、第三電極板為三角形而分別具有一斜邊，該第一電極板的兩側邊為平行的兩長邊，兩長邊分別與第二、第三電極板的斜邊等間距。
5. 如請求項3所述之觸控板，其中該第二、第三電極板存在著許多空隙，該第一電極板穿插於該空隙中。
6. 如請求項1所述之觸控板，其中該第二、第三電極板之斜邊分別為連續曲折狀，該第一電極板之兩側邊也為連續曲折狀。
7. 如請求項6所述之觸控板，其中該第二、第三電極板係呈S 形，第一電極板係呈魚骨形，並穿插在第二、第三電極板之間。