TWI628576B - 主動式電容觸控裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一主動式電容觸控裝置，係提供一使用者對一電容式觸控面板使用並與該電容式觸控面板形成一接觸點，其中，該電容式觸控面板具有一驅動電路，且該驅動電路產生一含有頻率之訊號，該主動式電容觸控裝置包含一接觸元件以及一模擬電感電路，接觸元件係用以接觸該電容式觸控面板，該模擬電感電路耦接於該接觸元件，且該模擬電感電路增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，使該電容式觸控面板可偵測該接觸點之位置。

Description

主動式電容觸控裝置
本發明係有關一種電容觸控裝置，特別是一種主動式電容觸控裝置。
隨著觸控技術的發展，以及智慧手機與平板電腦的推出， 使用者可以很直覺地透過手指進行觸控操作，電容式觸控為常見的一種觸控原理，電容式觸控面板具有驅動電路，驅動電路會發送出含有頻率的訊號，觸控物(例如手指)經由與電容式觸控面板之接觸面積所產生的電容值，將含有有頻率的訊號加以吸收，使電容式觸控面板可偵測接觸點之位置，來達成人機介面之互動，但對電容式觸控面板而言，存在了不少問題：
第一、電容式觸控面板必須設置於在顯示模組的前方，直接影響螢幕顯示效果，特別是對反射型螢幕影響更嚴重，諸如電子墨水屏等類紙顯示幕，很難採用這一觸控技術。
第二、觸控物，例如手指，必須具有較大的接觸面積且要有導電性，才可使電容式觸控面板有效地感測接觸點之位置，以下將說明原因。
電容量定義如下及第一圖所示：
C：電容
A：二導電板重疊的面積
εr：二導電板之間的材料的相對靜態的介電常數
ε0：真空介電常數
d：二導電板之間的距離
由上可知，二導電板接觸面積越大電容量越大，也就是說若接觸面積過小，將導致接觸電容過低，而無法有效將訊號吸收，造成觸 控不靈敏。
第三、觸控的精準度與靈敏度容易受觸控物表面所沾染到 的異物影響，例如手指上有汗漬將導致感應的靈敏度下降。
因此有人提出利用被動式觸控筆作為電容式觸控面板之觸 控物，被動式觸控筆具有導電性，類似於手指的性質，習知被動式觸控筆通常為具有圓形接觸面的導電桿，該圓形接觸面的面積必須足夠大，才足以吸收電容式觸控面板之驅動電路所發送的訊號，請參考第二圖，其係習知被動式觸控筆的示意圖，當使用者使用被動式觸控筆的圓形接觸面2接觸電容式觸控面板50時，使用者的身體可視為一個電容60，使用者身體的靜電會流入地面且產生微弱電流與被動式觸控筆的圓形接觸面2和電容式觸控面板50表面產生電容效應10，對於頻率越高之電流來說，電容是低阻抗之良導體，於是被動式觸控筆的圓形接觸面2從與電容式觸控面板50之接觸點吸走一個很小的電流，因而對電容式觸控面板50產生信號，如前述所言，被動式觸控筆的圓形接觸面2與電容式觸控面板50之間的接觸面積必須夠大，才可得到有效的觸控，使得電容式觸控面板得以感測到接觸點。
此外，每家廠商生產的電容式觸控面板之驅動電路所發出 訊號的頻率並不相同，若使用者希望其所使用的觸控筆可以支援各家廠商所推出的電容式觸控面板，則必須使用被動式觸控筆，但被動式觸控筆有前述需有較大接觸面積之問題，爾後有人提出一種可以針對自家的產品(對應面板的訊號頻率)開發出的主動式觸控筆，該主動式觸控筆設有驅動電路及電極，輸出電場係對應於自家產品中觸控面板的感測線路，增加觸控面板感測精確度，且其主動式觸控筆皆設有感測電路及電極，感測觸控面板回饋的訊號，用以進行觸控辨識，但這些主動式觸控筆的構造非常複雜，除了製造成本高昂外，並無法使用於其他廠商的電容式觸控面板。
另外，有人提出將諧振原理應用於觸控面板，以增強觸控 面板的感測能力，但也僅限有應用諧振原理的觸控面板才具有較高的感測能力，也就是說，並不是所有觸控面板都具有高感測能力。
因此對於使用者而言，上述二種方案都無法提供使用者隨 心所欲使用同一支觸控筆操作任何電容式觸控面板，且又能兼顧高靈敏度的效果。
有鑑於此，本發明提供一種主動式電容觸控裝置，透過此 主動式電容觸控裝置可以提升使用的便利性以及電容式觸控面板感測的靈敏度。
本發明將串聯諧振原理應用於主動式電容觸控裝置，使在特定頻率範圍下的訊號完全通過並被吸收。本發明所提供的主動式電容觸控裝置係提供一使用者對一電容式觸控面板使用並與該電容式觸控面板形成一接觸點，於該接觸點會產生電容效應，其中，該電容式觸控面板具有一驅動電路，且該驅動電路產生一含有頻率之訊號，本發明所提供的主動式電容觸控裝置包含一接觸元件以及一模擬電感電路。
本發明之接觸元件係用以提供使用者進行接觸該電容式觸控面板。本發明之模擬電感電路耦接於該接觸元件，且該模擬電感電路增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，使該電容式觸控面板可偵測該接觸點之位置。
一實施例中，模擬電感電路可為一電感元件，本發明之主動式電容觸控裝置經由接觸元件和電容式觸控面板接觸，透過該接觸點所產生的電容效應將電容式觸控面板的驅動電路所發送出含有頻率之訊號加以吸收，利用電感元件增加特定頻率之響應，本案不以此為限。
一實施例中，模擬電感電路為一運算放大器，且該運算放大器具有一回授電容，且該運算放大器可並聯一電阻元件。本發明之主動式電容觸控裝置經由接觸元件和電容式觸控面板接觸，透過該接觸點所產生的電容效應將電容式觸控面板的驅動電路所發送出有頻率的訊號加以吸收，利用運算放大器加入回授電容提升特定頻率響應能力，本案不以此為限。
一實施例中，模擬電感電路耦接於阻抗轉換電路，該阻抗轉換電路包含一運算放大器以及一電阻，電阻係並聯於運算放大器。本發明之主動式電容觸控裝置經由接觸元件和電容式觸控面板接觸，透過該接觸點所產生的電容效應將電容式觸控面板的驅動電路所發送出有頻率的訊號加以吸收，利用模擬電感電路的運算放大器加入回授電容，以及阻抗轉換電路的運算放大器加入回授電容且並聯電阻，以提升特定頻率響應能力 與其頻寬，本案不以此為限。
本發明利用諧振原理將主動式電容觸控裝置的接觸電容與 外接電感來增加特定頻率的吸收能力，以提升電容式觸控面板的敏感度，同時利用運算放大器來實現阻抗轉換，以及利用電容與電阻轉換至電感，進而實現大幅提升特定頻率響應能力的效果，本發明甚至利用可調整式的電容或電阻進行自動或手動調整接收之特定頻率，因此本發明所提供的主動式電容觸控裝置係適用於各類的電容式觸控面板，結構也相對簡單，大大降低生產的成本，也因為本發明所提供的主動式電容觸控裝置可以增加特定頻率的吸收能力，因此可以降低電容式觸控面板所需的接觸面積，以利更精準的觸控該面板細微之處。
緣是，本發明係針對以上問題加以研究，經長時間之設計 與開發，進而完成本案「主動式電容觸控裝置」，用以解決習知技術未能達成之標的。
2‧‧‧被動式觸控筆的圓形接觸面
10‧‧‧於電容式觸控面板所產生的電容效應
20‧‧‧接觸元件
30‧‧‧模擬電感電路
31‧‧‧電感元件
OP1、OP2‧‧‧運算放大器
C1‧‧‧回授電容
C2‧‧‧電容元件
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻元件
40‧‧‧阻抗轉換電路
50‧‧‧觸控面板
60‧‧‧使用者身體的電容
第一圖係電容量定義的示意圖。
第二圖係習知電容式觸控筆的示意圖。
第三圖係為串聯諧振電路示意圖。
第四A圖係單一電容元件的示意圖。
第四B圖係一電容元件再串聯一個電感元件的示意圖。
第四C圖係單一電容元件以及一電容元件再串聯一個電感元件所產生的導通數據曲線圖。
第五圖係本發明之主動式電容觸控裝置第一實施例的示意圖。
第六圖係本發明之主動式電容觸控裝置第二實施例的示意圖。
第七圖係本發明之第二實施例中運算放大器的示意圖。
第八圖係本發明之主動式電容觸控裝置第三實施例的示意圖。
第九圖係習知主動式電容觸控裝置和本發明主動式電容觸控裝置所產生的頻率響應能力比較圖。
為讓 鈞局貴審查委員及習於此技術人士，對本發明之功效完全了解，茲配合圖示及圖號，就本發明較佳之實施例說明如下：若能夠降低觸控面板與操作元件的接觸面積，則有利於精準地操控該觸控面板的細微之處，但降低觸控面積將導致電容下降，吸收觸控面板有頻率的訊號能力也會隨之下降，有鑒於此，本發明所提供的主動式電容觸控裝置使用串聯諧振原理，其中電容阻抗定義如下列公式，由此可知當電容越高，其兩端阻抗越低，故訊號越容易被吸收，本發明使用串聯諧振原理，可以讓主動式電容觸控裝置在特定頻率範圍下的訊號完全通過並被吸收。
其主要原因是，串聯一個電感元件於訊號吸收路徑，產生一個串聯諧振點，於該諧振頻率時，訊號將無損通過而被吸收。
請參考第三圖，其係為串聯諧振電路示意圖，由下列XL和ωL公式可以推導出ω=ω0，ω定義為電路的諧振角頻率，再由該諧振角頻率可以推算出面板驅動電路所發出的頻率f0。
請參考第四A圖、第四B圖以及第四C圖，第四A圖以及第四B圖分別係單一電容元件以及一電容元件再串聯一個電感元件的示意圖，第四C圖係單一電容元件以及一電容元件再串聯一個電感元件所 產生的導通數據曲線圖，由第四C圖可知，同樣在273kHz的情況下，一電容元件再串聯一個電感元件(圖中方型標記)於特定頻率下串聯諧振導通能力確實遠大於單一電容導通能力(圖中三角形標記)。
本發明所提供的主動式電容觸控裝置係提供一使用者對一電容式觸控面板使用並與該電容式觸控面板形成一接觸點，於該主動式電容觸控裝置與該電容式觸控面板間之該接觸點會產生電容效應，其中，該電容式觸控面板具有一驅動電路，且該驅動電路產生一含有頻率之訊號，本發明所提供的主動式電容觸控裝置包含一接觸元件以及一模擬電感電路。
本發明之接觸元件係用以提供使用者進行接觸該電容式觸控面板，該接觸元件的材質可為導電材質或高介電質材料，且在不影響電容效應的情況下，該接觸元件外層可包覆一非導電材質，本案不以此為限。
本發明之模擬電感電路耦接於該接觸元件，且該模擬電感電路增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，使該電容式觸控面板可偵測該接觸點之位置。
請參照第五圖所示，其係本發明之主動式電容觸控裝置第一實施例的示意圖，在此實施例中，模擬電感電路30為一電感元件31，本發明之主動式電容觸控裝置經由接觸元件20和電容式觸控面板50接觸，透過兩者之間接觸點所產生的電容效應10將該電容式觸控面板50的驅動電路(圖未示)所發送出該含有頻率之訊號加以吸收，並利用電感元件31增加特定頻率之響應，增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，本案不以此為限。
在上述第一實施例中，僅利用串聯單一電感可能產生品質因素(Q)較高，如此頻率範圍可能較低，本發明亦可利用主動式放大器來實現較佳的電感效應，請參照第六圖以及第七圖所示，其分別係本發明之主動式電容觸控裝置第二實施例的示意圖以及第二實施例中運算放大器的示意圖，在此實施例中，模擬電感電路30為一運算放大器OP1，且該運算放大器OP1具有一回授電容C1，且該運算放大器OP1可並聯一電阻元件R1，此時該接觸元件20可視為包含一電容元件C2以及一電阻元件R2之一串聯電路，該串聯電路與該模擬電感電路30串聯。本發明之主動式電容觸控裝 置經由接觸元件20和該電容式觸控面板50接觸，透過兩者之間接觸點所產生的電容效應10將電容式觸控面板50的驅動電路(圖未示)所發送出含有頻率之訊號加以吸收，且利用運算放大器OP1加入回授電容C1提升特定頻率響應能力，增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，本案不以此為限。
在第二實施例中，若參考下列公式，理論上，在串聯配置中，XC和XL會相互抵消，但實際上，理想化元件的電流是相反的，而造成這樣的原因主要是因為線圈會產生電阻的影響。因此，該電流提供給串聯諧振電路會是一個最大的共振。在f趨近於f0的情況下，電流最大，電路阻抗最小。在這種狀態下的電路被稱為接受器電路(acceptor circuit)。在f<f0且XL<<(-XC)的情況下，此時的電路為電容電路，f>f0且XL>>(-XC)的情況下，此時的電路為電感電路。
請參照第八圖所示，其係本發明之主動式電容觸控裝置第三實施例的示意圖，在此實施例中，模擬電感電路30耦接於阻抗轉換電路40，且該阻抗轉換電路40包含一運算放大器OP2、一電阻元件R3以及一電阻元件R4，電阻元件R3係並聯於運算放大器OP2，電阻元件R4係串聯於電阻元件R3與運算放大器OP2之並聯電路。本發明之主動式電容觸控裝置經由接觸元件20和電容式觸控面板50接觸，透過兩者之間接觸點所產生的電容效應10將電容式觸控面板50的驅動電路(圖未示)所發送出含有頻率之訊號加以吸收，利用模擬電感電路30的運算放大器OP1加入回授電容C1，以及阻抗轉換電路40的運算放大器OP2加入回授電容且並聯電阻R3，以提升特定頻率響應能力與其頻寬，增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，本案不以此為限。
此外，本發明所使用的電阻元件或電容元件可為可調整式 的電阻元件或電容元件，本案不以此為限。
一實施例中，訊號吸收電路可整合於一積體電路(IC)，本案不以此為限。
一實施例中，本發明的主動式電容觸控裝置可為一觸控筆或一觸控手套，本案不以此為限。
請參考第九圖，其係習知主動式電容觸控裝置和本發明主動式電容觸控裝置所產生的頻率響應能力比較圖，圖中的A曲線表示習知一般人體接觸僅有電容，圖中的B曲線表示本發明第一實施例利用電感增加特定頻率之響應，圖中的C曲線表示本發明第二實施例利用運算放大器加入回授電容，提升特定頻率響應能力，圖中的C曲線表示本發明第三實施例利用運算放大器加入回授電容並聯電阻，提升特定頻率響應能力與其頻寬，由該些資料可以清楚得知，本發明的主動式電容觸控裝置應用諧振原理確實能夠增加吸收含有頻率之訊號的能力。
本發明利用諧振原理來增加主動式電容觸控裝置吸收含有頻率之訊號的能力，以提升電容式觸控面板的敏感度，同時利用運算放大器來實現阻抗轉換，以及利用電容與電阻轉換至電感，進而實現大幅提升特定頻率響應能力的效果，本發明甚至利用可調整式的電容或電阻進行自動或手動調整接收之特定頻率，因此本發明所提供的主動式電容觸控裝置係適用於各類的電容式觸控面板，結構也相對簡單，大大降低生產的成本，也因為本發明所提供的主動式電容觸控裝置吸收含有頻率之訊號的能力增加，因此可以降低電容式觸控面板所需的接觸面積，以利更精準的觸控該面板細微之處。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明。因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (11)

  1. 一種主動式電容觸控裝置，係使用於一電容式觸控面板並形成一接觸點，其中，該電容式觸控面板具有一驅動電路，且該驅動電路產生一含有頻率之訊號，該主動式電容觸控裝置包含：一接觸元件，係用以接觸該電容式觸控面板；以及一模擬電感電路，耦接於該接觸元件，且該模擬電感電路增強該主動式電容觸控裝置接收該含有頻率之訊號之能力，使該電容式觸控面板可偵測該接觸點之位置。
  2. 如請求項1所述之主動式電容觸控裝置，其中該模擬電感電路為一電感元件。
  3. 如請求項1所述之主動式電容觸控裝置，其中該模擬電感電路一運算放大器。
  4. 如請求項3所述之主動式電容觸控裝置，其中該運算放大器具有一回授電容。
  5. 如請求項4所述之主動式電容觸控裝置，其中該運算放大器並聯一電阻元件。
  6. 如請求項1所述之主動式電容觸控裝置，其中該接觸元件的材質為導電材質或高介電質材料。
  7. 如請求項1所述之主動式電容觸控裝置，更包括一阻抗轉換電路。
  8. 如請求項7所述之主動式電容觸控裝置，其中該阻抗轉換電路包含一運算放大器以及一電阻元件。
  9. 如請求項2所述之主動式電容觸控裝置，其中該電感元件為可調整式的電感元件。
  10. 如請求項1所述之主動式電容觸控裝置，該主動式電容觸控裝置為一觸控筆或一觸控手套。
  11. 如請求項1所述之主動式電容觸控裝置，其中該接觸元件外層包覆一非導電材質。
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