TWM480115U

TWM480115U - 投射式電容觸控面板結構

Info

Publication number: TWM480115U
Application number: TW103200389U
Authority: TW
Inventors: chang-guang Zhong; Sheng-Chang Guo
Original assignee: Inputek Inc
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-06-11
Also published as: CN203733093U; US20150077382A1

Description

投射式電容觸控面板結構

本創作係與電容觸控技術有關，特別是指具有高電阻導電層的接觸感應器的觸控電路結構設計，而特別適用於大尺寸觸控應用的一種投射式電容觸控面板結構。

觸控面板技術已被廣泛使用於多種不同領域及應用，例如行動電話、平板電腦、遊戲控制台以及多種其他裝置的螢幕。觸控螢幕是一種電子的視覺顯示器可供使用者藉由一或多根手指接觸螢幕來形成單點或多點手勢的控制動作。有些觸控螢幕還可以偵測物件，例如觸控筆、或一般或特別塗層的手套。觸控面板科技由於其可以讓使用者得以直接與顯示的內容互動，不像使用滑鼠、觸控板或其他多媒體裝置，因此廣受歡迎。

目前的觸控面板技術均可達到相同的結果，然而，還有多種不同的觸控面板技術可以達到觸控的感應需求。這些技術包含了電阻式觸控面板、表面聲波觸控面板、電容式觸控面板、紅外線網格觸控面板、光學觸控面板等等。近來，由於新的智慧型手機與平板電腦的推出，電容式觸控面板已愈來愈受到歡迎。

電容式觸控面板可以分為表面電容式觸控面板(單點觸控)以及投射式電容觸控面板(多點觸控)。投射式電容觸控面板可偵測多個接觸點，以及同時於該面板上進行放大、窄化、旋轉或拖曳一個圖樣的動作，這對使用者而言是非常有用且方便的。此外，投射式電容觸控面板克服了電阻式觸控面板會被磨損的缺點。

所有的投射式電容觸控面板都是由一個直、橫陣列的導電材質分層設於玻璃上所製成，這可藉由蝕刻一個導電層來形成網格圖樣的電極，或是蝕刻兩個分離且相垂直的導電材料層，使其有多個平行線藉以形成網格狀。在施加電壓到這個網格後即可產生一個均勻的靜電場而可被量測。當一個導電物(例如手指)接觸一個投射式電容觸控面板時，它會在接觸位置扭曲局部的靜電場，而這是可以像電容中的電荷般的被量測。如果一根手指橋接了兩條平行線之間的空隙，則電荷場可以更進一步的被一微控制單元準確的中斷及偵測。

在該網格上的每個獨立點(交叉點)的電容都可以被改變及量測，因此，這個系統可以準確的追踪接觸動作。由於投射式電容觸控面板的頂層係為玻璃，因此這是比低成本的電阻式觸控科技更為堅固的方案。此外，不同於傳統的電容式觸控科技，用投射式電容觸控面板系統來感測被動式觸控筆或是戴了手套的手指是可能的。

如上所述，在投射式電容觸控面板中最受歡迎的技術乃是軸交叉技術(Axis Intersect(AI)technology)。這個方法需要兩個軸，其中一軸是垂直線用以傳送信號，另一軸則是水平線用來感應電荷的變化，藉以分辨出交叉點是否被接觸。

在這個技術中，在正常狀況下兩個導電層的感應器需要表現出正常的功能，其一是用於垂直線而另一是用於水平線。此二層是藉由黏性物質貼在一起藉以形成一個完整的投射式電容觸控感應面板。顯然的，在這個技術中，準確的校準對於投射式電容觸控面板的品質及應有的功能而言是一個相當關鍵的因素。在這個已知的技術中，通常會使用低電阻感應器的圖樣(pattern)。另一方面，在電路中會使用到方波。

本創作之主要目的即在於改善前述之先前技術，以及簡化投射式電容觸控面板技術，減少因為較差的校準所產生的負面效應，同時再使投射式電容觸控面板的技術適用於目前相當數量的應用區塊，例如超大尺寸觸控面板，以及超微奈米碳管。

為了達成本案之主要目的，投射式電容觸控面板技術中需有兩個關鍵部分被改善。其中之一乃是使傳送至感應線旳信號為三角波。於本創作中，傳送的信號可以是單一三角波，或可以是三角波與其他任一種波形波之組合。於此之波形乃是與習知投射式電容觸控面板技術有著很大的同，在習知的投射式電容觸控面板技術中，一般所使用的波形為方波。此外，上述兩個關鍵部份的另外其中之一乃是，本創作中在觸控面板上的感應線改為高電阻感應線。使用本創作之技術的感應圖樣設計，若是每條感應線的電阻愈高，則感應的效果愈好。此外，關於觸控面板結構而言，本創作僅具有一層ITO(氧化銦錫)導電層。

本創作的設計具有幾個優點。本創作所揭露的投射式電容觸控面板適用於大尺寸的觸控面板裝置。於本創作中，觸控面板結構具有單獨一層的ITO導電層，因此，不需要分別對兩層ITO導電層來校正其垂直線及水平線。我們可以很容易理解，觸控面板的尺寸愈大，則校正兩層ITO導電層的複雜度即愈高。此外，對這樣的大螢幕的分層工作也會更加複雜。反觀本創作，由於僅有一層ITO層，因此校正以及分層的工作即都不需要了。

此外，感應線或感應條是特別設計為高電阻的。通常來說，大尺寸的觸控面板即意味著ITO層的感應線會相當長，因此，其電阻即會相當高。而且，本創作之觸控面板非常適用於某些新材料，例如奈米碳管，因為奈米碳管是一種高電阻材料(奈米碳管的電阻遠高於一般ITO導電層)。

在一般的投射式電容觸控面板的操作模式中，其觸控感應乃是由垂直導電層、水平導電層以及設置於這兩個導電層之間以避免短路的一介電層所組成。這樣的結構事實上即是一個電容。因此，如果一個信號由水平線傳送出來，則對應的垂直線即同時會產生一耦合電壓，此乃是歸因於介電層的耦合效應。當一根手指接觸於交叉點時，電容即被改變(介電電容加上手指電容)，垂直線上的耦合電壓會比未接觸時更小。而這是一般投射式電容觸控面板的操作模式。

前述提到的一般投射式電容觸控面板，必須使用到低電阻感應線，在一條感應線中，方波乃是由一個節點(node)所傳送的，而由於ITO導電層的電阻問題，因此節點B的波形與節點A的波形會有一點不同。若是感應線的電阻愈高，則波形的差異也會愈大。在傳統投射式電容觸控面板的上述狀況來看，如果使用了高電阻感應線，則每條垂直感應線上的耦合電壓將會非常不同，這對於要找出感應線上的感應節點而言將會成為一個大問題。因此，傳統投射式電容觸控面板的觸控感應器的設計，必須使用低電阻導電層才能減少耦合電壓偏移的問題。然而，在本創作中，由於不同的工作機制(本創作的投射式電容觸控面板技術乃是基於一般投射式電容觸控面板技術以及表面電容觸控(surface capacitive touch,SCT)技術所發展出來)，因此導電層的電阻愈高則感應線即愈好。於此須注意的是，本創作的感應線乃是觸控面板上的ITO圖樣，有些時候，也稱之為感應條，此不同於用來連結觸控面板元件至其對應的控制器或電路的連接線。

一般而言，投射式電容觸控面板使用X,Y掃瞄邏輯來定位接觸位置。於本創作中，只有X方向可以被輕易的取得資訊，Y方向則需要使用取樣保留電路來依據感應線上的電阻偏差來收集電壓偏差。一條感應線上的高電阻偏差可以導引出高電壓偏差，此即是本創作用來找出接觸點的方式。

100‧‧‧投射式電容觸控電路

101‧‧‧三角波產生器

102‧‧‧取樣保存電路

103‧‧‧類比開關

200‧‧‧觸控面板

201‧‧‧感應線

300‧‧‧輸入信號

301‧‧‧三角波或半三角波

302‧‧‧接觸點

第1圖係本創作之電路結構示意圖。

第2圖係本創作之觸控系統示意圖，包含了本創作所揭露的電路。

第3圖係本創作之操作狀態波形示意圖。

第4圖係本創作之電荷變化示意圖。

本案的所有圖式以及實施例的敘述乃是為了說明本創作的幾種方式，並非用以限制本創作之專利範圍。

如第1至4圖所示，關於本創作之觸控電路，信號源係以三角波取代方波並傳送至感應線。這不同於方波用於一般投射式電容觸控面板的控制信號。這個使用於觸控面板上的感應線的控制信號乃是由本創作之投射式電容觸控電路100所產生。該電路包含了一個三角波產生器101、複數取樣保存電路102以及複數類比開關103。該取樣保存電路係為一個類比裝置，而可對一個連續變化的類比信號的電壓進行取樣，並且在一段特定的最小時間區間內保存其電壓值於一個常數位階(constant level)。一該類比開關，也稱為雙向開關，是一個電子元件而可產生像繼電器一般的動作，但沒有移動的部分。而開關元件係為一對MOSFET(金氧半場效電晶體)，其一為N通道裝置，另一為P通道裝置。在開啟時，這個開關元件可以在兩個方向上傳導類比或數位信號；在關閉時則絕緣。在本創作中，該等取樣保存電路的數量係設定為M，而類比開關的數量則設定為N。此外，於本創作中，各該類比開關係連接於一觸控面板上的一感應線，且該等感應線係為高電阻感應線。一個觸控面板可以具有N條或多於N條的感應線。這個用來控制信號的電路係藉由其N個類比開關分別經由一電線連接於該觸控面板200上的一條感應線201以及該等取樣保存電路。本創作之類比開關係為觸控面板的輸出入(IO)腳位，該等類比開關藉由軟性印刷電路板(FPC)連接於觸控面板。該觸控面板的該等感應線係藉由銅或銀線連接於該軟性印刷電路板，而構成連接結構。該等感應線之材質係為氧化銦錫或奈米碳管。此外，該觸控面板200上的該等感應線201係聯合構成一單獨導通層，而不同於習知技術使用雙層導電層。

在操作時，首先，一個輸入信號300，其係為一恆定頻率信號，被傳送至該三角波產生器101用以控制該三角波產生器，該輸入信號係為由一微控制單元(MCU)所發出的一週期時脈信號；該輸入信號係為方波；且該輸入信號的頻率係由一韌體設計所產生。接著，該三角波產生器將輸出一個三角波或一個半三角波301至前述的類比開關103，該三角波係為一單一三角波，或該三角波為一三角波與其他任一種波形波的組合，在該三角波的升波段(A區)時，連接於該類比開關且被選到的感應線將被這個三角波信號所充電，且該三角波信號係被傳送至該接觸點302(連接於手指)用以對該接觸點302的電容充電。之後，在信號傳送的過程中的三角波的降波段(B區)時，電荷會藉由該類比開關而反方向傳送至各該對應的取樣保存電路，例如，該三角波信號傳送手指302的電容電荷至該取樣保存電路，且同時該三角波產生器101將被快速放電用以對下個升波段做準備。另一方面，被選擇的感應線上的電荷將被傳送至一個對應的取樣保存電路102而對其充電。而在一段時間內，該取樣保存電路的電荷將飽和。

須特別說明的是，在觸控面板沒有被接觸時，該取樣保存電路係輸出一個保存電壓(holding voltage)。定義Cpar為類比開關的寄生電容(parasitic capacitance)。而在該觸控面板被接觸時，在近端(即感應線的終點，且靠近類比開關)，Ctot=Cpar+Cfin，其中Cfin係為手指電容，而位於遠端(即感應線的終點，且遠離類比開關)。本創作之關鍵在於，藉由使用高電阻感應線，可以在對Ctot充電時產生更高的延遲時間，延遲時間T=1/(Rsen x Ctot)。假設Ctot為常數，則Rsen(接觸位置的電阻)將會不同。而假設手指接觸位置302具有的電容為Cfin，且取樣保存電路具有一保存電容Cpar。在第3圖的A區中，三角波製造出電荷至該手指接觸位置302，則在位置302的總電荷即為Cfin x V(tri)。在B區中，電荷將被傳送至Cpar，如果電荷在所有動作中都沒有耗損，那麼保存電壓將會是Cfin x V(tri)/(Cfin+Cpar)，在數百個時脈週期後，保存電壓會達到飽和，而VH即定義為飽和保存電壓，依據被選擇的感應線的接觸位置，VH將會是可變的。因此，較高電阻的感應線對於找出接觸位置而言，是更好的。

此外，在第3圖A區(即升波段)中，取樣保存電路係工作在保存功能。而在B區(即降波段)中，取樣保存電路即工作在取樣功能，藉以收集手指接觸位置302的電荷。

藉此，如同上述，本創作的感應線乃是高電阻的感應線。因此，如第3圖所示，對於高電阻感應線而言，由不同的信號節點至該接觸位置302的阻抗是不同的。在一個恆定頻率下，飽和電荷將會不同，而其乃是依賴接觸點的變化。關於電荷的變化，可以基於對應的類比開關103的充電資訊來找出接觸位置，同樣的，被選擇的感應線將會被找到。因此，被接觸的位置可以藉由本創作的觸控面板技術來被找到。

在傳統的投射式電容觸控面板技術中，使用了X,Y掃瞄邏輯來定位接觸位置。於本創作中，只有X方向可以被輕易的取得資訊，Y方向則需要使用取樣保留電路來依據感應線上的電阻偏差來收集電壓偏差。一條感應線上的高電阻偏差可以導引出高電壓偏差。

對於一個依據本創作所揭露的技術來設計的觸控面板裝置，其將會以下述方式來操作。一觸控面板包含了N條(或接近N條)感應線在面板上，以及M個取樣保存電路在控制信號電路中。感應線的數量M 可以同時被充電且1MN。可注意的是，一般而言會有一個三角波產生器設置在一個晶片中，M個取樣保存電路設於一個晶片中，而類比開關則是依據一個晶片中的解碼器而為取樣保存電路的(2,4,8及16)倍的數量。通常，取樣保存電路(M個)會先被定義，類比開關(N個)則是晶片的輸出入(IO)端子(pin)，為了容易解碼而將N設計為2 x M,4 x M，或8 x M，此是取決於封裝中的輸出入端子數量以及取樣保存電路的充電時間等因素。通常該取樣保存電路(M個)會決定晶片的大小，且類比開關的數量N會被設計成為M的倍數。感應線的數量X則與N相關，例如，X=60而N=40，則兩個晶片需要符合所有需要被感應的感應線，因此最佳的做法即是使X=N或是X略少於但很接近N。若一個晶片具有M個取樣保存電路以及N個類比開關連接於觸控面板200，則僅有數量M的感應線會被同時選擇到，其他感應線則會是浮動或接地。

如果一條感應線具有10R的阻抗，人體電容是Ch，感應線的寄生電容是Cp。當該條感應線未被接觸時，充電時間係為1/(R x Cp)。而當靠近信號源的地方被接觸時，充電時間會是1/(R x(Cp+Ch)。而當遠離信號源的地方被接觸時，充電時間將會是1/(10 x R x(Cp+Ch))。因此，當三角波信號的輸入控制信號的頻率高於1/(R x Cp)時，取樣保存電路的飽和電荷將會不同。取樣保存電路的電壓值變化係顯示於第4圖。

300‧‧‧輸入信號

301‧‧‧三角波或半三角波

302‧‧‧接觸點

Claims

一種投射式電容觸控面板結構，包含有：一投射式電容觸控電路；一觸控面板；以及一連接結構，係連接於該投射式電容觸控電路以及該觸控面板之間。
依據申請專利範圍第1項之投射式電容觸控面板結構，其中：該投射式電容觸控電路包含有：一三角波產生器、複數類比開關以及複數取樣保存電路。
依據申請專利範圍第2項之投射式電容觸控面板結構，其中：該觸控面板包含有：一單獨導電層，該單獨導電層包含有複數具有高電阻的感應線。
依據申請專利範圍第3項之投射式電容觸控面板結構，其中：該連接結構包含有：一或複數個軟性印刷電路板，該等感應線係藉由銅線或銀線來連接於該一或複數個軟性印刷電路板。
依據申請專利範圍第4項之投射式電容觸控面板結構，其中：該等類比開關藉由電線連接於該等取樣保存電路；各該取樣保存電路連接於一該類比開關；且各該感應線連接於一該類比開關。
依據申請專利範圍第3項之投射式電容觸控面板結構，其中：該等感應線之材質係為氧化銦錫。
依據申請專利範圍第3項之投射式電容觸控面板結構，其中：該等感應線之材質係為奈米碳管。
依據申請專利範圍第3項之投射式電容觸控面板結構，其中：該三角波產生器係產生一三角波；該三角波係由該三角波產生器傳送至該等類比開關；且該三角波係藉由該等類比開關傳送至該觸控面板之該等感應線。
依據申請專利範圍第8項之投射式電容觸控面板結構，其中：該三角波係為一單一三角波，或該三角波為一三角波與其他任一種波形波之組合。
依據申請專利範圍第2項之投射式電容觸控面板結構，其中：該等類比開關的數量為N，該等取樣保存電路的數量為M，且1MN。
依據申請專利範圍第8項之投射式電容觸控面板結構，其中：更包含有一輸入信號，用以控制該三角波產生器；該輸入信號係為一恆定頻率信號；該輸入信號係為由一微控制單元(MCU)所發出的一週期時脈信號；該輸入信號係為方波；且該輸入信號係由一韌體設計所產生。
依據申請專利範圍第8項之投射式電容觸控面板結構，其中：該三角波包含有一升波段以及一降波段；於該升波段中，一個升波段三角波係藉由該等類比開關傳送至該等感應線；該升波段三角波係對位於該觸控面板上的一手指接觸位置的一電容進行充電；於該降波段中，一個降波段三角波係藉由該等類比開關傳送至該等取樣保存電路；該降波段三角波係對該等取樣保存電路充電，直到該等取樣保存電路飽和。
依據申請專利範圍第12項之投射式電容觸控面板結構，其中：於該升波段中，該等取樣保存電路係處於保存狀態；於該降波段中，該等取樣保存電路係處於取樣狀態。
一種投射式電容觸控面板結構，包含有：一投射式電容觸控電路；一觸控面板；以及一連接結構，係連接於該投射式電容觸控電路以及該觸控面板之間；該投射式電容觸控電路包含有一三角波產生器、複數類比開關以及複數取樣保存電路；該等類比開關的數量為N，該等取樣保存電路的數量為M，且1MN。
依據申請專利範圍第14項之投射式電容觸控面板結構，其中：該觸控面板包含有：一單獨導電層，該單獨導電層包含有複數具有高電阻的感應線。
依據申請專利範圍第15項之投射式電容觸控面板結構，其中：該連接結構包含有：一或複數個軟性印刷電路板，該等感應線係藉由銅線或銀線來連接於該一或複數個軟性印刷電路板；該等類比開關藉由電線連接於該等取樣保存電路；各該取樣保存電路連接於一該等類比開關；且各該感應線連接於一該類比開關。
依據申請專利範圍第15項之投射式電容觸控面板結構，其中：該等感應線之材質係為氧化銦錫。
依據申請專利範圍第15項之投射式電容觸控面板結構，其中：該等感應線之材質係為奈米碳管。
依據申請專利範圍第15項之投射式電容觸控面板結構，其中：該三角波產生器係產生一三角波；該三角波係由該三角波產生器傳送至該等類比開關；該三角波係藉由該等類比開關傳送至該觸控面板之該等感應線；該三角波係為一單一三角波，或該三角波為一三角波與其他任一種波形波之組合；一輸入信號，用以控制該三角波產生器；該輸入信號係為一恆定頻率信號；該輸入信號係為由一微控制單元(MCU)所發出的一週期時脈信號；該輸入信號係為方波；且該輸入信號係由一韌體設計所產生。
依據申請專利範圍第19項之投射式電容觸控面板結構，其中：該三角波包含有一升波段以及一降波段；於該升波段中，一個升波段三角波係藉由該等類比開關傳送至該等感應線；該升波段三角波係對位於該觸控面板上的一手指接觸位置的一電容進行充電；於該降波段中，一個降波段三角波係藉由該等類比開關傳送至該等取樣保存電路；該降波段三角波係對該等取樣保存電路充電，直到該等取樣保存電路飽和；於該升波段中，該等取樣保存電路係處於保存狀態；於該降波段中，該等取樣保存電路係處於取樣狀態。