CN106716314A - 具内部压力倾斜旋转的笔*** - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有压敏尖端机构的笔设备，所述压敏尖端机构通过使用具有同时发射、接收及感测驱动器能力的多轴测量方案而在内部产生压力、倾斜及/或笔杆旋转，所述笔设备可结合接收***而操作或可以相对独立方式操作。提供用于操作所述笔设备以实现经改进功能的传信方案。提供用于操作笔及用于操作具有触摸传感器***的笔的***及方法。提供允许数字I/O引脚用以与触摸传感器电极介接的驱动/接收电路以及驱动及接收传感器电极信号的方法。此电路可以多种模式操作以感测耦合在笔内或来自笔外部的信号的各种组合。

Description

具内部压力倾斜旋转的笔***
技术领域
本发明一般来说涉及经改进电子笔测量***。
背景技术
关于感测模拟信号的电路，已知晓用于执行简单模/数转换的Σ-Δ模/数转换器(ΣΔADC)有一段时间，但随着可编程逻辑时钟速度已改进到可进行极良好转换功能的地步，所述Σ-ΔADC近期已变得极为普遍。以改进这些转换器速度及功能性为中心的许多新的想法及工作一直致力于允许此较数字转换方法替换较标准模拟技术。在触摸领域中，围绕已知电容性取样技术及Δ-Σ模/数转换的并入已授予了许多改进专利。
第8089289号美国专利具有现有技术的如下技术实例：使用Δ-Σ转换器且在相同功能的两个实施例图式中展示使用方波驱动及开关电容器功能(利用整流)的互电容性方案，如图20中所展示。
第7528755号美国专利展示现有技术的如下技术实例：使用Δ-Σ转换器且展示能够进行信号驱动或测量技术(可经由多路复用器进行选择)的方案，如图21中所展示。
第8547114号美国专利展示使用Δ-Σ转换器及开关电容器技术的现有技术的技术实例，如图22中所展示。
第8587535号美国专利展示现有技术的策略实例，此当前技术水平的互电容多点触摸***具有同时数字方波型式发射及同时接收、具有同步解调及笔控能力，如图23中所展示。此***不允许多模式同时触摸屏取样、因每一行使用不同位图案(此有效地扰乱接收到的噪声分布)而不具有真正同时取样、不能够进行自电容测量，且因使用方波驱动而具有含有主要频率以及其谐波的接收信号频谱(此需要较低迹线阻抗以防止较高谐波跨越面板而衰减)。
因此，需要可针对(举例来说)不同自模式、互模式及笔模式同时获取数据且具有对不同通道的同时取样的快得多的取样方法。
而且，在一些应用中，为经由信噪比改进(在可能的情况下)减少取样时间，需要连续取样方案及高级滤波方法、调制及解调方案以及数字域方法。为使成本及电力使用保持可能低，电路应尽可能多地位于数字领域中。
最后，现在可获得对阻抗的改变进行测量的许多不同触摸传感器，且还极大地期望提供可处置多个传感器类型及配置(包含当前已知的传感器类型及配置以及未来将开发的传感器类型及配置)的***。
关于电子笔，压力、倾斜及笔杆旋转是书写及墨迹特性的一部分，且即使是儿童也能意识到由书写器具的这三种不同操纵产生的所得铅笔或蜡笔线特性的差异。
使电磁及静电领域中的笔式数字化通常包含测量尖端压力及将所述尖端压力发射到接收***的方法。接收***可包含耐用玻璃或不透明***，所述耐用玻璃提供高光学透明度以用于观看由下伏显示装置显示的图像，所述下伏显示装置显示例如图形按钮及图标等图像。当用户(举例来说)用笔在显示装置上的衬底的外表面上进行书写时，所述笔将接收***解译及分辨的信号发送到通过感测接收***电极之间的振幅差异且经由调制或脉冲时序而确定的位置，压力值使用相同信号频率作为位置信号而发射。
第5633471A号美国专利展示现有技术的如下技术实例：使用压力传感器磁盘来测量通过笔尖端所发射的压力，如图41中所展示。
压力在具有测量电阻、电容、电感或光强度的改变的单个运动轴传感器的笔主体内部通常已被测量。这些解决方案通常通过将轴向力从笔的尖端发射到传感器机构的柱机构的运动而进行。如从以上图式可见，结果对压力曲线是非线性的。前述解决方案的缺点是：在笔朝向表面倾斜时，发射到传感器的力会降低。
倾斜确定对于现有及当前技术水平的电磁及静电笔***极为重要。在典型***中，压力信号随倾斜增加而按倾斜角度的余弦进行减小。由于不具有测量倾斜角度的方法，因此压力确定变得越来越无把握。
第5414227号美国专利展示使用一组多个连续环状电极用于发射及接收的倾斜与定向实例，如图42中所展示。
在一些笔***中，笔的倾斜与定向通过两个电极(主要位置电极及辅助垂直位移电极)而确定。两个所接收信号以某一倾斜角度展示定向与倾斜。
在一些笔***中，笔杆的倾斜与旋转位置通过尖端主发射器周围的额外信号生产发射器而确定。这些发射器将关于电极位置及传感器的接近度的信号以及所述能量的相对能量分布注入到行及列。
第8963889B2号美国专利展示使用尖端及额外单个或断环状电极元件的倾斜与旋转实例，如图43中所展示。
第8638320B2号美国专利展示使用尖端或者尖端及额外断环状电极元件的形状的倾斜与旋转的实例，如图44中所展示。
距检测表面的距离极大地减小经塑形电极或单独电极的电容耦合能量。如果使用交替的频率或数字位图案，那么这些方法可是有效的但具有一些限制。举例来说，经塑形电极不展示旋转定向，且甚至在距垂直呈小于45°的角度时，检测形状将不具有用于准确倾斜的充分信息。
使用多个电极通过增加的笔及***复杂性解决了处于低垂直角度时的垂直旋转定向与倾斜角度分辨率问题，但处于较高角度时，仅单个单独电极将呈现给传感器的表面，且因此处于较高角度时，笔杆旋转分辨率将较低，但倾斜角度得以改进。在处于45°时，压力及倾斜具有良好分辨率，但在笔杆相对于表面平面变得较平放时，压力分辨率下降。
图37是展示不同笔角度下的多电极解决方案的断环解决方案分辨率且还展示不同笔角度下的多电极连续环解决方案分辨率的图式。
即使在使用断环状电极解决方案的当前技术水平解决方案图44中，压力及笔杆旋转分辨率在相对于平面处于低角度时下降。
这些现有技术***上的压力与倾斜具有密切联系，但值通过具有不同分辨率、噪声特性及群组延迟的极不同且单独机构而生产。
“悬停”是使笔式数字化以在不触摸表面的情况下与***互动的能力。表面接触通常指示墨迹或点击动作。电磁(EMR)及静电(ES)***按默认在不与电极直接接触的情况下起作用。EMR及ES笔***通常具有悬停能力，所述悬停距表面的距离主要因信号与噪声考虑因素而受到限制。虽然ES***悬停的位置良好，但定向、倾斜及笔杆旋转通常因差信号分辨率而不可用。
“运动检测”是装置(最低限度)用以确定其是否已移动的能力。简单运动检测对于数字化笔从低功率模式变为高功率模式时可是有用的。存在用以测量此的高级方案，例如微加工悬臂梁加速度计或类似物。这些***已被减小到小大小、工作良好且具有大幅减小的成本，仍增加了***成本。
“接近检测”是装置用以确定其是否已被拿起、放下或其是否靠近于触摸表面的能力。此通常将是对接地***的自电容测量，但通常将通过多个电极及互电容测量而进行测量。
笔***中的“接地***”，接地路径通常被忽略且假设为低阻抗，然事实并非如此。通过笔尖端主要电极或辅助电极发射到接收***的任何电流还必须通过笔的笔杆、用户身体、用户周围的大气空间或通过地面且最终到达也可为浮动的***，且因此用户与含有接收***的装置之间可仅存在小电容。这些路径表示可变阻抗。
因此，需要从单个内部测量***产生正常及扩展笔角度的经改进压力、倾斜、笔杆旋转的方法以及例如接近、开关检测、滑块及高分辨率触摸区带感测等其它能力。
发明内容
本发明一般来说涉及能够压力、倾斜及笔杆旋转的经改进笔压力测量***以及关于触摸屏笔领域的普遍问题的其它解决方案。鉴于现有技术通常使用单点压力传感器或光学传感器，因此本发明的一些实施例使用多个(通常，4个)传感器(其可为一个装置的四个区段)，例如电容性传感器、压敏电阻器或应力传感器。所述四个传感器可测量轴向位移(其对应于抵靠表面按压尖端的压力)及/或横向位移(其对应于尖端的倾斜及/或旋转)。在优选实施例中，所述多个传感器可测量沿x、y及z的位移，而典型现有技术笔传感器仅测量沿Z的位移。
因此，本发明的一些实施例的目标是提供针对于数字领域笔的***及在压力、倾斜及笔杆旋转的确定及传输方面具有增强功能的定位***。
在一些实施例中，本发明实施耦合到多轴应变传感器、压力传感器或静电多元件电极配置的“笔尖筒夹枢轴机构”(NCPM)。而且，所述NCPM可经设计以将施加到笔尖的尖端的力转移到的内部多轴应变或压力传感器或利用所施加力以最小笔尖移动改变NCPM与静电多元件电极配置之间的间距。在一些实施例中，所述NCPM构造有背部枢轴以均衡施加到尖端的压力的力分布，使得横向力可测量且以正负方式分布。而且，在一些实施例中，所述NCPM经由压缩或张力而预加载有压力以将多轴传感器的响应移动到其相应范围的中间线性区域中。所述NCPM的优选实施例使用静电多元件电极配置、经由压缩而预加载有压力且构造有背部枢轴。
根据本发明的一些方面，提供如2016年6月21日的标题为“利用同时功能以实现经改进性能的多点触摸传感器及静电笔式数字化***(Multi-Touch Sensor andElectrostatic Pen Digitizing System Utilizing Simultaneous Functions forImproved Performance)”的PCT专利申请案PCT/US16/38497中所揭示的通道驱动器及电容性感测机构，所述通道驱动器及电容性感测机构与笔电极一起被采用以便以高精确度读取所述NCPM与断开电极环状元件之间的距离改变，以产生对内部压力、倾斜及笔杆旋转的多轴测量，同时执行其它信号功能，例如主要位置信号发射、经由辅助信号发射进行的定向、倾斜及旋转，还同时通过主要或辅助信号的已知调制技术或无线电发射而进行数字发射或接收。
而且，可使用非常适于小电容性测量改变的笔装置及驱动器方案来实施可用特征，例如开关、滑块、接近检测、高分辨率触摸表面等。
而且，本文中的***可能够通过调制方案或经由无线电发射而发射数据。
而且，NCPM可实施于多种类型的数字化仪***(例如静电、电磁或无源静电)中以添加压力、倾斜及笔杆旋转测量功能。
根据一些方面，连同辅助连续环状或断环状电极***一起使用导电NCPM的***可克服低分辨率操作条件，例如施加到笔尖尖端的横向力的压力或垂直笔杆旋转。
在本发明的一个方面中，提供一种具有压敏尖端机构的电子笔设备，所述电子笔设备包含枢转笔尖筒夹机构，所述枢转笔尖筒夹机构具有主要电极元件、对笔尖进行固持且经布置以在由多个辅助电极围封形成的空间内弹性地枢转。所述辅助电极围绕所述主要电极布置在不同位置处，使得在每一相应辅助电极与所述主要电极之间形成间隙。第一驱动/接收电路电连接到所述主要电极且经配置以将主要模拟电极信号驱动到所述主要电极上。第二驱动/接收电路连接到所述辅助电极、各自经配置以发射辅助模拟电极信号且同时感测跨越所述间隙而耦合的所述主要模拟电极信号。
在一些实施例中，所述第二驱动/接收电路各自经配置以在所述辅助电极中的每一者上发射不同辅助模拟传感器信号。所述不同辅助模拟传感器信号可各自包括不同于其它辅助模拟传感器信号的频率。一些版本具有后弹性缓冲器，所述后弹性缓冲器接纳所述枢转笔尖筒夹机构的后端、经构造以弹性地变形从而允许所述枢转笔尖筒夹机构进行受限轴向移动。在一些版本中，在所述后弹性缓冲器的另一侧上可设有额外z轴电极以测量所述主要电极的z轴(纵向)移动。
在其它实施例中，使用处理电路透过所述主要电极相对于所述辅助电极的移动而感测纵向移动，所述处理电路可操作地耦合到所述第一驱动接收电路及所述第二驱动接收电路，且可操作以通过感测及辨识所述主要电极与所述辅助电极之间的所述间隙的改变而感测所述笔尖上的总接触压力。所述主要电极元件可从前往后成锥形，且其中所述辅助电极经布置使得所述间隙在所述枢转笔尖筒夹机构不处于经枢转状况时是大体均匀的。
在一些实施例中，所述第一驱动/接收电路还可操作以与驱动第一模拟电极信号同时地感测从外部触摸屏或垫耦合到所述主要电极中的外部信号。在一些实施例中，外部触摸传感器可包含触摸传感器阵列及耦合到所述触摸传感器阵列的相应行及列的多个行及列驱动/接收电路，所述行及列驱动/接收电路可操作以同时感测所述触摸传感器阵列上的触摸传感器模拟传感器信号与从所述笔耦合到所述触摸传感器的所述主要模拟电极信号。所述行及列驱动接收电路可进一步可操作以同时感测从所述笔耦合到所述触摸传感器的所述辅助模拟电极信号。
在优选版本中，所述外部触摸传感器的所述行及列驱动/接收电路进一步构造有电压跟随Σ-ΔA/D转换器，所述电压跟随Σ-ΔA/D转换器与具有Σ-Δ输出滤波器的Σ-ΔD/A转换器组合以用于驱动行或列电极，所述电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二比较器输入上的虚拟信号节点处生产反馈输出而跟随第一参考比较器输入上的参考信号，所述Σ-Δ输出滤波器还连接到所述虚拟信号节点。驱动信号产生电路耦合到所述驱动/接收电路的所述参考比较器输入且操作以产生处于一或多个第一频率的互模拟传感器信号。这些版本的所述驱动/接收电路可以第一模式操作以将互信号驱动到所述电极，且可以第二模式操作以从所述电极感测所述互信号，且所述驱动信号产生电路进一步可以两种模式操作以同时感测处于不同于所述第一频率的一或多个笔频率的所述主要模拟电极信号。
在一些实施例中，所述笔的所述第一驱动接收电路及所述第二驱动接收电路各自利用电压跟随Σ-ΔA/D转换器而实施，所述电压跟随Σ-ΔA/D转换器与具有Σ-Δ输出滤波器的Σ-ΔD/A转换器组合以用于驱动其相应电极，所述电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二比较器输入上的虚拟信号节点处生产反馈输出而跟随第一参考比较器输入上的参考信号，所述Σ-Δ输出滤波器还连接到所述虚拟信号节点。驱动信号产生电路耦合到每一驱动/接收电路的所述参考比较器输入，且可操作以针对所述第一驱动接收电路产生处于一或多个笔频率的所述主要模拟电极信号且针对所述辅助电极中的每一者产生处于一或多个不同笔频率的所述辅助模拟信号。
在优选实施例中，所述笔主要及辅助电极的所述驱动/接收电路类似于本文中针对所述触摸传感器行及列电极所描述的所述驱动接收电路而构造，且可利用各种笔计数及使用数字I/O引脚以所描述的各种驱动/接收电路变化形式实施。即，此些版本采用能够同时驱动及感测往返于电极的多个频率的相同电压跟随Σ-ΔA/D转换器设计。其它实施方案可采用模拟运算放大器电压跟随电路用于笔电极驱动/接收电路或能够同时驱动及接收相关信号的任何其它适合电路。由于驱动较少电极，因此通过优选驱动/接收电路实现的引脚计数、大小及成本减少在笔中并非如此重要的。
在一些实施例中，所述枢转笔尖筒夹机构包含其进一步包括前弹性缓冲器，所述前弹性缓冲器固持所述枢转笔尖筒夹机构的前端且经构造以弹性地变形从而允许所述枢转笔尖筒夹机构进行受限枢转及轴向移动。在一些版本中，所述主要电极与所述辅助电极之间的所述间隙可为空气间隙，或所述间隙可填充有柔性电介质或绝缘体。在优选版本中，所述枢转笔尖筒夹机构中使用围绕所述主要电极的圆周以相等角度间隔开的四个辅助电极，所述主要电极的轴向方向与笔轴对准。在其它版本中，可使用更多辅助电极，举例来说，例如5个、6个、7个、8个或更多辅助电极。优选地，所述电极处于相同纵向位置且围绕所述主要电极的圆周以相等角度间隔开。
在本发明的一些方面中，连接到笔尖的笔主要电极的倾斜及方向可通过感测从所述辅助电极耦合到所述主要电极中的信号而测量。由于无论是耦合到所述主要电极中还是耦合到所述主要电极外，耦合路径均相同，因此提供类似测量准确性。在这些版本中，所述主要电极的驱动接收电路经配置以同时接收及解调处于与所述辅助电极中的每一者不同的频率的单独信号。
根据本发明的一些方面，提供枢转笔尖筒夹机构，代替跨越间隙电容性地耦合信号的对置主要及辅助电极，所述枢转笔尖筒夹机构采用其它类型的压力传感器，例如压敏电阻器、应力传感器或其它适合压力传感器。在此实施例中，用围绕其周界耦合到中心枢转主体的多个压力传感器来替换所述多个辅助电极。从这些传感器确定枢转角度及方向。所述主要电极电连接到所述中心，且从所述压力传感器径向向外地提供多个辅助电极以将所述主要及辅助电极信号电容性地耦合到所述外部触摸传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种用于感测电子笔尖端的多个属性的方法。所述方法包含：用主要模拟电极信号驱动连接到从所述笔尖端突出的笔尖的主要笔电极。所述方法允许所述主要笔电极相对于布置在围绕所述主要笔电极的圆周的不同位置处的多个辅助笔电极弹性地枢转。在驱动所述主要电极信号的同时，所述方法感测所述辅助笔电极中的每一者上的所述主要模拟电极信号。所述方法接着解译所述辅助电极上的所述所感测主要模拟电极信号的信号电平以估计所述笔尖的枢转角度。所述方法还解译所述辅助电极上的所述所感测主要模拟电极信号的所述信号电平以估计所述笔尖的枢转方向。所述方法可进一步解译所述信号电平以测量所述笔尖的总接触压力或位移。由于在所述笔上感测这些信号，因此所述解译可在所述笔上的处理电路中执行，或可将数据发射到所配对装置，例如触摸传感器，且在彼处执行对所接收信号电平的解译。
在一些实施例中，在将所述主要模拟电极信号驱动到所述主要电极上的同时，所述方法通过感测触摸传感器的至少一个行电极及至少一个列电极上的所述主要模拟电极信号而感测所述电子笔尖端在所述触摸传感器上的位置。所述方法还可针对每一辅助电极用不同辅助模拟电极信号驱动所述多个辅助笔电极。
在一些实施例中，与用其信号驱动所述主要电极同时地，所述方法通过感测触摸传感器上的所述辅助模拟电极信号中的一或多者而感测所述电子笔尖端相对于所述触摸传感器的定向。在一些实施例中，与用其信号驱动所述主要电极同时地，所述方法通过感测触摸传感器上的所述辅助模拟电极信号中的两者或两者以上的量值的改变而随时间感测所述笔尖端相对于触摸屏的笔杆旋转。
在一些实施例中，所述方法可采用利用处于至少四个不同频率的辅助模拟电极信号驱动的至少四个辅助笔电极。与用其信号驱动所述主要电极同时地，所述方法还可通过感测并辨识所述主要笔电极与所述相应辅助笔电极之间的相应间隙的改变而测量所述笔尖上的总接触压力。与用其信号驱动所述主要电极同时地，所述方法还可感测从外部触摸传感器或垫耦合到所述主要电极中的外部模拟信号。
在各个方面中，本发明的方法可利用如本文中所描述的电压跟随Σ-ΔA/D转换器而操作以同时驱动及接收相同电极上的信号。一些方法可将处于笔频率的笔信号驱动到所述笔主要电极上，且在所述电极上接收利用触摸传感器从触点耦合到所述笔中的触摸传感器信号。一些方法可用处于不同于主要模拟信号的频率的辅助模拟信号驱动辅助笔电极，且在所述辅助模拟信号通过电容性耦合耦合到触摸传感器中之后接收这些信号，同时接收相同电极上的触摸传感器信号。此些方法可接收来自所述主要笔电极及所述辅助笔电极中的一或多者的如此耦合的信号以感测笔尖端的旋转，所有这些信号在其耦合到的相同触摸传感器行或列电极上同时以不同频率被接收。在本发明的其它方面，所述方法用围绕枢转笔尖筒夹机构布置的较常规压力传感器感测枢转角度、枢转方向及可能地总接触压力。这些方法中的一些方法还利用用于耦合到触摸传感器中的模拟笔电极信号驱动连接到笔尖的主要笔电极，且与本文中所描述的各种触摸传感器信号同时地在主要笔电极处接收模拟笔电极信号。
根据本发明的另一方面，提供一种用于同时测量触摸传感器上的触摸及笔输入的笔与触摸屏***。所述***包含多个驱动/接收电路，所述多个驱动/接收电路各自适于耦合到所述触摸传感器的单个行或列电极，每一驱动/接收电路可操作以便以至少一或多个触摸传感器频率将至少一个触摸传感器模拟信号驱动到其相应电极，且进一步可操作以同时感测以不同于所述触摸传感器频率的一或多个笔频率耦合到所述相应电极中的笔主要模拟电极信号。所述***还包含电子笔，所述电子笔包含枢转笔尖筒夹机构，所述枢转笔尖筒夹机构具有主要电极元件、对笔尖进行固持且经布置以在由多个辅助电极围封形成的空间内弹性地枢转。所述辅助电极围绕所述主要电极的圆周布置在不同位置处，使得在每一相应辅助电极与所述主要电极之间形成间隙。第一笔驱动/接收电路电连接到所述主要电极且经配置以将所述笔主要模拟电极信号驱动到所述主要电极上，且第二笔驱动/接收电路连接到所述辅助电极、各自经配置以发射辅助模拟电极信号且同时感测跨越所述间隙而耦合的所述笔主要模拟电极信号。作为替代，其它方面可替代地在主要电极上感测个别辅助电极信号，这是因为电容性耦合路径对于任一方向均是类似的。
在一些实施例中，所述***进一步包含耦合到所述多个驱动接收电路的触摸传感器，而在其它实施例中，可出售将被安装在适合笔及触摸传感器装置上的自身不具有触摸传感器或自身不具有笔的主体的笔尖端电路及触摸传感器电路。在一些实施例中，所述***还包含装纳所述触摸传感器的电子装置。
在一些实施例中，所述笔进一步包括处理电路，所述处理电路可操作地耦合到所述第一驱动接收电路及所述第二驱动接收电路且可操作以通过感测所述主要电极与所述辅助电极之间的所述间隙的改变而感测所述笔尖上的总接触压力。所述处理电路还可通过感测并辨识所述主要电极与所述辅助电极之间的所述间隙的常见改变而提取对所述笔尖上的纵向(z轴)压力的估计。
所述多个触摸传感器驱动/接收电路中的每一者可以第一模式操作以便以所述触摸传感器频率的一或多个第一频率将互模拟传感器信号驱动到其相应电极，且可以第二模式操作以从所述电极感测所述互模拟传感器信号，且驱动信号产生电路可进一步可以所述第一模式及所述第二模式两者操作以同时感测处于不同于所述第一频率的一或多个笔频率的所述笔主要模拟电极信号。所述多个触摸传感器驱动/接收电路中的每一者可进一步可以所述第一模式或所述第二模式或者这两种模式操作以同时产生处于所述触摸传感器频率中不同于所述第一频率的一或多个第二频率的自模拟传感器信号且同时感测所述自模拟传感器信号。
在一些实施例中，所述多个触摸传感器驱动/接收电路中的每一者可进一步利用电压跟随Σ-ΔA/D转换器来实施，所述电压跟随Σ-ΔA/D转换器与具有Σ-Δ输出滤波器的Σ-ΔD/A转换器组合以用于驱动所述行或列电极，所述电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二比较器输入上的虚拟信号节点处生产反馈输出而跟随第一参考比较器输入上的参考信号，所述Σ-Δ输出滤波器还连接到所述虚拟信号节点；所述多个触摸传感器驱动/接收电路中的每一者进一步包括驱动信号产生电路，所述驱动信号产生电路耦合到所述驱动/接收电路的所述参考比较器输入、可操作以产生处于一或多个第一频率的互模拟传感器信号。数字滤波器电路与解调电路可耦合到所述多个驱动/接收电路中的相应驱动/接收电路且可操作以使所同时感测笔模拟传感器信号与处于触摸传感器频率的相应信号分离并对所同时感测笔模拟传感器信号进行滤波。
鉴于前述内容，本发明的一些方面提供一种数字化笔，所述数字化笔在相对于接纳笔式数字化仪***的平面处于低角度时具有内部经改进压力及笔杆旋转敏感性及分辨率且通过使用多轴传感器在处于所有角度时均具有经改进倾斜分辨率以改进所传回的所得坐标位置的准确性以通过经改进能力较密切地匹配笔尖尖端的接触点的位置以计算偏移量且改进艺术工具及介质(media)(例如方形粉笔(square chalk)、铅笔、刷子及带刃/刮刀器具)的一般书写经历、绘图及模拟。
一些实施例使用具有无线电类型发射能力的所揭示压力机构来允许其中笔可独立于接收触摸***而用于引导光标移动的相对运动数字化模式。
根据本发明的一些方面，提供通过使用多轴应变、压力或电容性电极元件配置以及测量校准与信号发射方法而产生压力、倾斜及旋转信息的笔***。一些实施例可具有能够感测压力、倾斜及笔杆旋转的多轴尖端，其中主要电极元件的枢轴机构经制成为导电的且出于往返于接收***的耦合及实现对装置位置的测量的目的而充当主要位置电极。出于往返于接收***的耦合及实现对装置定向及倾斜的测量的目的可形成一组辅助环绕电极。此些环绕电极可将单个信号发送到多个辅助电极元件，从而使得接收***能够测量装置定向及倾斜。出于耦合到接收***及使得接收***能够测量装置定向、倾斜及旋转的目的，所述环绕电极可将单独信号发送到多个辅助电极元件。在一些版本中，电极元件中的一些或全部电极元件利用连接方案而变为柔性电路的一部分或可经由压缩接触利用柔性电极连接到测量与处理电路。
在一些实施例中，所述笔***包含信号用于多轴应变或压力传感器上的信号的改变的连续同时生产及测量的产生、调节与测量***。主要电极元件枢轴机构可经制成为导电的且充当主要位置电极，其中一组辅助环绕电极耦合到主要电极，且在内部测量电极之间的电容的改变以确定装置多轴压力、倾斜及笔杆旋转。出于往返于触摸***的耦合及通信以及对内部传感器电容改变的测量的目的，此***可包含用于主要及辅助电极元件上的信号的改变的连续同时生产及测量的信号产生、调节与测量***。
在另一方面中，可用具有抖动的小高频率信号驱动所述笔中的一些或全部电极。此信号是与多点触摸***上的自电容信号相同类型的信号，且以相同方式起作用以影响与其它电极信号同时发射且可同时测量的连续自电容信号。此特征有助于克服通道驱动器的内部滞后。此信号可用于测量与其它表面的接近或用户触摸。
所述笔***可能够发射通过现场调制或无线电类型发射而产生于笔上的数据。
在另一方面中，提供具有多轴压力、倾斜及旋转机构的笔***，所述多轴压力、倾斜及旋转机构能够实现非触摸数字化表面上的相对运动数据产生且能够通过无线电类型发射而实现发射以独立地充当相对位置产生装置。
在又一方面中，提供具有多模式功能性的笔***，所述多模式功能性能够经由与经启用接收***(例如触摸屏装置)的所发射场能量互动而实现绝对静电数字化定位或实现非启用表面上的相对运动数据产生且通过无线电类型发射而实现发射以独立地充当相对位置产生装置。
各种版本可包含用于利用相对X、Y、Z功能在定位***笔杆的相对端处执行交替功能以用于实现用户与接收***的互动的类似多轴尖端组合件。
在本发明的另一方面中，提供一种笔***，所述笔***使用驱动通道及方法来驱动笔装置中的所描述电极元件，如2016年6月21日提出申请的且标题为“利用同时功能以实现经改进性能的多点触摸传感器及静电笔式数字化***(MultiTouch Sensor andElectrostatic Pen Digitizing System Utilizing Simultaneous Functions forImproved Performance)”的同在申请中且共同拥有的PCT专利申请案PCT/US16/38497所涵盖。
这些以及其它随后将明了的目标及优点存在于如下文中更全面地描述及主张的构造及操作的细节中，对附图的参考构成其一部分，其中通篇中相似编号是指相似部件。不同应用具有不同要求，因此并非所有实施例均满足所有目标或均提供上文所描述的所有优点。
附图说明
图1展示能够执行本文中所描述的笔信令及感测方案的触摸传感器部分的启用多点触摸笔的接收***。
图2是本文中描述可在各种实施例中采用的传信方案的图2到6及图15到16的支持图例。
图3是同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收)且以注释指示能够实现此的不同引脚配置。
图4是同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收+互扫描)且以注释指示能够实现此的不同引脚配置。
图5是同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(接收+互扫描)且以注释指示能够实现此的不同引脚配置。
图6是同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收+互扫描)且以注释指示能够实现此的不同引脚配置。
图7是根据本发明的一些实施例的通道驱动器及接收器电路的框图。
图8A展示使用2个引脚的通道驱动器配置的实例，其中任何数字信号组合可经产生且发送到驱动器。此图式展示两个可能频率组合，但任何组合均是可能的。
图8B是展示3引脚配置驱动/接收电路的实施例的示意图。
图9是展示4引脚配置驱动/接收电路的实施例的示意图。
图10是展示具有在目前一代可编程逻辑中可能不可用的特殊要求的呈2引脚可编程逻辑配置的驱动/接收电路的实施例的示意图。
图11是展示具有特殊要求的呈1引脚可编程逻辑配置的驱动/接收电路的实施例的示意图。
图12是展示CIC(级联积分梳状)滤波/抽取/解调/振幅/相位样本链的实施例的框图，其展示表示三种单独触摸屏功能模式的三个不同同时频率的分辨率。
图13是展示由全部在相同5mS帧中取样的人类接触及笔式数字化仪两者所得的信号能量的图式。
图14是展示利用图13的同时自、笔及互扫描的单个捕获帧的时序图。
图15是展示同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收+双互扫描)且指示能够实现此的不同引脚配置。
图16是展示利用屏蔽元件的现有技术自电容测量及在同时驱动所有电极元件的情况下对本发明的***进行相同测量的图式。
图17是展示用以拒斥处于目标频率的连续干扰信号的相位调制方案的图式。
图18是三阶、400Mhz、100抽取CIC滤波器。
图19是驱动通道信号的简单模拟实例，其展示驱动、抖动及电压跟随(所感测)信号。
图20到23展示背景中所论述的现有技术电路。
图24是包含通道驱动器及接收电路的笔控制***的实施例的框图，所述接收电路构建有经配置以同时发射或接收用于笔压力、倾斜、笔杆旋转、发射及接收的多种模式的数字电路。
图25是笔压力、倾斜及旋转机构与传感器的简化横截面图的实施例的图式。
图26是笔压力、倾斜及旋转机构与传感器的详细横截面图的实施例的图式，所述笔压力、倾斜及旋转机构与传感器由用于倾斜及压力测量的四个(-X、+X、-Y、+Y)电极的断开传感器环状***形成、具有居中枢轴位置、具有连接器柔性电路及压缩与连接机构方法。
图27是笔压力、倾斜及旋转机构与传感器的详细横截面图的实施例的图式，所述笔压力、倾斜及旋转机构与传感器由用于倾斜的四个(-X、+X、-Y、+Y)电极的断开传感器环状***与用于压力测量的第五(+/-Z)电极形成、具有居中枢轴位置、具有连接器柔性电路及压缩方法。
图28是笔压力、倾斜及旋转机构的详细横截面图的实施例的图式，所述笔压力、倾斜及旋转机构具有四个电极的整体断开传感器环状倾斜***、具有居中枢轴位置及压力感测柔性电路、具有压缩方法。
图29是具有连续环状倾斜电极的笔压力、倾斜及旋转机构与传感器模块的详细横截面图的实施例的图式。
图30是展示在同时发射及接收适用于图25、26及31(举例来说)的实施例中的静电电容性电极信号的情况下笔信号的连续时间线的时序图。
图31是展示图25及26的静电电容性电极与内部及外部信号互动的实例的图式。
图32是展示本发明在具有处于不同笔倾斜角度的不同电极环状配置的情况下的分辨率的信号图。
图33是展示本发明在处于不同笔角度时的力分布及计算的信号图。
图34是展示本发明在处于不同笔角度时的力分布及计算的信号图。
图35是根据本发明的实施例的电子笔组合件的等距分解透视图。
图36是图35的笔组合件的***框图。
图37是展示现有技术笔与触摸屏***在具有处于不同笔倾斜角度的不同电极环状配置的情况下的分辨率的信号图。
图38是展示本发明与现有技术在处于不同笔倾斜角度时的相对分辨率能力的信号图。
图39是展示多可变电阻器组合件的现有技术图式。
图40是展示两轴四传感器应变计组合件的现有技术图式。
图41到44展示背景技术中所论述的现有技术电路。
具体实施方式
将依据结合附图考虑的以下说明来较好地理解被认为是各种发明的特性的新颖特征以及其其它优点，在附图中，以实例方式图解说明本发明的优选实施例。然而，将明确地理解，图式仅是出于图解及说明目的且并不用于定义对本发明的限制。
本文中提供从单个内部测量***产生正常及扩展笔角度的经改进压力、倾斜、笔杆旋转的电子笔设计、方法及***以及例如接近、开关检测、滑块及高分辨率触摸区带感测等其它能力。本文中的许多方案能够与2016年6月21日的标题为“利用同时功能以实现经改进性能的多点触摸传感器及静电笔式数字化***(Multi-Touch Sensor andElectrostatic Pen Digitizing System Utilizing Simultaneous Functions forImproved Performance)”的同在申请中且共同拥有的PCT专利申请案PCT/US16/38497中所描述的互补***互动并补充所述互补***，且利用高级取样及噪声拒斥模式来促使笔功能性的全频谱进入消费者市场。本文中提供来自此同在申请中且共同拥有的专利申请案的大部分揭示内容以在本文中图解说明其用于笔及笔/触摸***的应用。
具有经改进驱动、感测及笔接收能力的触摸传感器技术
图1是触摸屏控制***的实施例的框图，所述触摸屏控制***包含利用嵌入于半导体装置(其可为触摸屏控制器芯片或可集成到还具有其它***功能性的较大单芯片***布置中)中的灵活可编程逻辑构造的触摸屏驱动与接收电路10。通常，所述电路出现在触摸屏或其它触摸传感器控制器电路中。电路10在多个通道12上同时进行发射及接收以通过通道驱动器30将模拟传感器信号驱动到多点触摸传感器14的电极。所述电极通常包含布置成栅格的行及列电极，但可包含其它非对称电极布置、多个栅格或者可响应于触摸或接近而交叉耦合信号的其它适合电极布置。根据本发明的一些实施例，模拟传感器信号在多个同时频率16下被驱动。虽然在图式中展示四个通道驱动器，但此将图解说明多个通道驱动器，且优选版本将具有与存在触摸屏电极(行及列)同样多的通道，其中针对每一通道重复驱动模块(包含驱动电路及接收滤波器)的实例化。图式大体展示数字时钟域及其功能性、驱动模块阵列、***逻辑块、解调逻辑块及处理器与存储器逻辑块。处理器还包含用于存储可执行程序代码以控制并指导本文中所描述的各种数字逻辑及数字信号处理功能的程序存储器。
如图1的图式中可见，***触摸屏驱动器及传感器电路可体现于FPGA或ASIC中。一些实施例提供具有灵活配置的多点触摸***图1。一些实施例提供能够几乎仅在数字领域中操作的多点触摸***，如下文所描述，此意指可采用FPGA或者其它可重新配置或可编程逻辑装置(PLD)来构造几乎整个电路，而无需运算放大器或其它有源外部模拟组件，FPGA或PLD中所包含的驱动器电路除外。外部电阻器及电容器18全部均为补充FPGA的数字I/O电路以实现优选实施例中的通道驱动/接收电路所需。这是因为唯一地使用允许数字I/O引脚以类似于模拟传感器驱动器的方式起作用的Σ-Δ转换器组合。一些实施例提供以可编程逻辑或定制硅进行的***实施方案及操作。
图1的***框图的其它部分一般来说包含对传入的所感测信号进行滤波的低通滤波器/抽取器块18、***逻辑块20、解调逻辑块22及处理器与存储器逻辑块24，下文将进一步描述以上全部。经改进触摸传感器驱动电路及控制方案的大部分益处来自驱动/接收电路本身的设计及以灵活且可重新配置方式使用所述驱动/接收电路来驱动及接收不同类型的信号。优选地，驱动各种触摸传感器电极通道的驱动/接收电路体现于数字装置中，且使用数字I/O驱动器及接收器来驱动及接收信号，但在一些版本中，可与本文中所描述的传信方案一起采用模拟放大器或其它模拟组件。此设计可在本文中称为“数字通道驱动器30”、“通道驱动器30”及“驱动/接收电路30”。下文将描述通道驱动器的几种变化形式，接着描述推进准确地测量许多类型的触摸传感器上的触摸的能力的几种独特且有益信令及测量方案。
数字通道驱动器：
本发明的一些实施例使用能够将众多频率发射到可变阻抗传感器中且接收所述众多频率的数字通道驱动器硬件及单极RC滤波器，其中可在驱动器的数字侧上分辨阻抗的改变以确定来自每一传感器电极的阻抗的相对改变。
此类阻抗改变可以几种方式显现。浮动传感器***在由正弦波驱动时的电容改变将呈现为相位改变。浮动传感器***的电阻改变也将导致相位改变，最终，电阻性传感器***的电阻负载改变将导致DC偏移改变。这些改变是所产生参考信号(AC及/或DC)与所产生模拟反馈信号(其为来自1位ADC的“较高/较低”信号的数字流的平均表示)之间的改变。
一些实施例采用所述通道驱动器来介接到多种类型的传感器，例如投射式电容触摸屏、电阻性触摸屏、压敏触摸屏、应变计阵列触摸屏等。
本发明的一些实施例以并联方式使用所述通道驱动器以用信号组合来驱动触摸屏14或其它触摸传感器阵列，从而允许多模式同时触摸屏取样(自、互及接收)。此能力要求通道驱动器能够(最低限度)发射单个连续频率(自)、发射间歇频率(互TX)、接收频率(互RX)及接收笔频率(在相同实例下，此等全部通过单个Δ-Σ驱动器进行)以及处置滤波器、抽取及解调。通常，这些信号被产生并混合、或直接被产生、或者被产生并用通道输送、接着被发送到Σ-Δ1位ADC的参考中。
本发明的一些实施例利用与低振幅自电容模式信号组合的抖动信号使用所述并联通道驱动器来克服驱动/接收电路30中所采用的数字I/O引脚的输入滞后，且允许连续自电容性模式信号取样及相关联信号处理改进(例如关于图19所描述的改进)。通过使用将1位数字ADC驱动为高于及低于其滞环的低频率连续起作用信号(自电容信号)，针对在通道上接收到的信号(互RX及笔产生的模拟传感器信号)减少对较低振幅高频率噪声抖动的要求。
本发明的一些实施例采用所述并联通道驱动器来通过自电容性模式方法(同时驱动所有通道以消除通道间的不希望阻抗路径，从而仅允许由用户的触摸及接地路径所致的阻抗改变)提供经改进导电污染物(举例来说，例如盐水)拒斥的能力。
在同时驱动所有通道的情况下自电容模式的操作允许几乎理想的自电容性盐水拒斥操作，此归因于以下事实：可变阻抗路径的改变仅通过用户触摸发生于接地处且返回到触摸屏的阻抗路径的改变几乎为零。此尽可能接近于在所关注频率下驱动的连续平面。
图7是根据一些实施例的针对通道驱动器的驱动/接收电路的电路框图。本发明的一些实施例使用一或多个通道驱动器30的硬件阵列(如大体由编号为30的虚线内的组件所描绘)来驱动及接收到传感器的模拟传感器信号。每一通道驱动器30大体包含新颖电压跟随Σ-ΔA/D转换器，所述新颖电压跟随Σ-ΔA/D转换器包含：由驱动数字输出的Σ-Δ驱动器36构成的Σ-ΔD/A转换器，通常为模拟单极RC滤波器的Σ-Δ输出滤波器38连接到Σ-Δ驱动器36。电路的A/D转换器部分利用具有两个输入(一个输入连接到驱动触摸传感器电极40的Σ-Δ输出滤波器节点)的Σ-Δ比较器34来实施。还可使用第二EMI滤波器39来对电极40处的高频率噪声进行滤波。
Σ-Δ比较器的另一输入(即，参考输入)连接到模拟传感器驱动信号35，其含有用于在各种模式中驱动触摸传感器的一或多个模拟频率(其可为经调制信号)，如下文所论述。传感器驱动信号35展示为桥接集成电路11与外部组件，这是因为虽然信号通常以数字形式产生于集成电路上，但在一些版本中，所述信号可通过D/A输出而被驱动到外部，或所述信号在***设计允许的情况下可作为参考电压馈入到集成电路中，如下文关于电路的各种版本将进一步论述。此版本中的传感器驱动信号由驱动信号产生电路41产生。如下文进一步描述，此通常包含数字频率产生以及在同时发射多个信号的情形中混合数字信号。现在参考此版本的模拟传感器驱动信号35，此信号由驱动信号产生电路41产生，所述驱动信号产生电路馈送驱动/接收电路30中的每一者的参考；且可操作以产生处于第一频率的互传感器信号(或“互信号”)及处于不同于第一频率的第二频率的自传感器信号(或“自信号”)。驱动电极以用于检测自(相同电极)阻抗改变及互(与其它电极交叉耦合)阻抗改变的自传感器信号及互传感器信号首先在相应频率产生器处以数字方式产生，所述相应频率产生器优选地以相应频率f1及f2产生正弦波，但可产生其它连续变化信号，例如小波序列、经调制波或其它模拟变化型式。虽然通常将各种信号论述为处于特定频率，但信号还可为以一组频率载运的子信号群组，所述子信号群组将一起被驱动或在笔信号的情形中一起被发射。笔信号可包含从笔发射处于不同频率(称为一或多个笔频率)的多个信号的多个电极以识别可使用单个笔频率还是许多笔频率。出于本文中所论述的原因还添加抖动。应注意，此电路的一种特殊情形是在未使用自模拟传感器信号，且仅采用电路来接收处于第三频率的笔模拟传感器信号并发射互模拟传感器信号，且在其它节点处接收互模拟传感器信号时。在此情形中，仍将抖动添加到互模拟传感器信号。如所展示，模拟传感器驱动信号35连接到第二比较器输入，所述第二比较器输入用作电压跟随器，此是归因于Σ-Δ驱动器36到第一比较器34的反馈连接在节点37处输入。此连接使得驱动/接收电路30能够充当Σ-Δ模/数收发器。也就是说，电路30既通过Σ-Δ驱动器部分将存在于参考35上的信号驱动出，且又感测或接收跟随参考35所需的经驱动信号改变，所述经驱动信号改变指示由触摸电路上的触摸或者电极外部的信号或噪声(例如互模拟传感器信号及笔传感器信号)引起的阻抗改变。节点37处的反馈连接致使此节点充当“虚拟信号”节点，跟随A/D转换器的整个电压试图将所述“虚拟信号”节点与模拟传感器驱动信号35匹配。由于触摸传感器电极40的阻抗在被触摸时基于电容、电感或电阻的改变而改变，因此虚拟信号节点37处的信号含有指示此些改变的变化形式，这是因为电路的Σ-ΔD/A转换器部分将或多或少电压驱动到节点37以顺应阻抗改变。这些改变存在于节点33处的比较器输出信号中，所述比较器输出信号在块18处以较低数字取样速率被滤波及抽取以供***内部逻辑(例如图1中所展示的***内部逻辑)处理以检测并处理各种触摸及笔输入。电压跟随器电路还起作用以检测耦合到传感器电极40中的信号，例如由触摸屏笔产生的模拟信号或在其它触摸传感器电极上驱动且耦合到检测信号的电极中的互耦合信号。因此，所描绘电路适于驱动一或多个模拟信号且通过混合将被驱动到传感器驱动信号35中的所要传感器信号同时感测一或多个模拟信号，如下文将进一步描述。
虽然基于Σ-Δ的通道驱动/接收电路此处在优选版本中展示为仅采用数字I/O引脚且不需要模拟运算放大器或模拟A/D及D/A转换器或者开关，但此并非限制性的且其它版本既可在集成电路上又可在集成电路外采用此类模拟组件。举例来说，电路的A/D转换器部分可由具有能够以AC方式产生的参考阈值的数字输入或具有接受能够以AC方式产生的参考的一个输入的模拟比较器构成。
最近，为实现产生能够替换A/D转换器的较标准模拟版本(例如逐次逼近、积分及威尔金森(Wilkinson)ADC)的高频率高分辨率解决方案的目标而在Σ-ΔA/D转换器方面进行了大量工作。大量工作一直致力于准确性及线性方面的改进。在本发明中，分辨率、速度及可重复性是成功触摸屏功能所需的关键特征。独立地，不具有准确性及线性的简单Σ-ΔADC将找到极少应用。而如果与本发明的同时驱动模式及同时取样以及触摸***的内部校准耦合，那么Σ-ΔADC的这些及其它限制对于***操作变为微不足道的问题。与此类ADC设计的典型应用相比，本文中的Σ-Δ驱动器及传感器设计对非线性、低输入阻抗及准确性问题较不敏感。
如本文中的一些实施例中所采用，触摸屏驱动器及接收器电路包含通道驱动器30的硬件阵列(例如图7的硬件阵列)，其中具有以高频率时钟32操作的内部逻辑。数字输入及输出逻辑在被允许自由运行的情况下可在硅硬件的能力内切换及振荡，从而可能产生极高非期望的非期望的频率。经由定时触发器31将环路控制并限制到已知频率，所述定时触发器被设定到与硅硬件兼容且具有有利于外部滤波及内部分辨率的值的速度。
本文中的触摸屏驱动器及接收器电路的一些版本还包含通道驱动器的硬件阵列，所述通道驱动器的硬件阵列利用滤波器及抽取链来将数据从1位Σ-ΔA/D转换器的高频率低分辨率领域移动到进一步信号处理所需的功能的低频率高分辨率领域。
图11是展示图7的电路的实施例的示意图，所述电路使用可编程逻辑装置的一个引脚来实施、具有可需要定制目前一代可编程逻辑I/O电路的特殊要求。图11中所描绘的通道驱动器的优选实施例每通道使用单个引脚(标记为1)且在关于如本文中所论述的互发射模式不具有任何限制的情况下起作用，但目前因需要内部模拟通道、模拟开关、输出及输入缓冲器同时功能可需要定制硅，且还需要与使用较小输出滤波器电容C1较符合的较高数字缓冲器输出阻抗设定。当前输出缓冲器阻抗接近<1000欧姆的范围，其中5k欧姆到10k欧姆将允许小得多的C1值。针对提供此些特征的FPGA解决方案，仅需要定制配置而非定制电路修改来实现所描绘设计。
所描绘电路包含通道驱动器及接收器电路30，其中具有由块11识别的电路30的内部或板上部分(在IC上)以及利用内部电阻器R1及外部电容器C1实施的Σ-Δ输出滤波器38。标记为“驱动模块”的部分表示驱动通道电路的内部部分，针对每一通道重复所述内部部分。EMI滤波器39利用如所展示的外部电阻器及电容器来实施。在此实例中，EMI滤波器39是具有大约1Mhz的截止频率的低通RC滤波器。滤波器39作用以减少来自抖动的传出噪声、PWM信号噪声及可从通道驱动器30发出的时钟EMI。所述滤波器还作用以减少来自传感器电极的EMI(电磁干扰)且减少从传感器电极传入的ESD(静电放电)噪声。Σ-Δ驱动器电路36利用连接到Σ-Δ滤波器的外部部分且往回连接到电压跟随A/D电路输入的引脚1的数字输出驱动器来实施。电压跟随Σ-ΔA/D电路包含比较器34，所述比较器在此实施例中利用IC的内建驱动接收电路的比较输入接收器来实施。在此版本中，电路34的比较器被馈送有模拟传感器驱动信号35。比较器34输出被馈送到触发器31，所述比较器输出在所述触发器处利用本地高频率时钟信号CLK被时控以控制通过到触发器31输出33的信号的取样速率。此输出33载运传递到CIC滤波器与抽取器18且还作为反馈信号往回馈送到Σ-Δ驱动器36的高频率数字接收信号。在利用模拟传感器驱动信号35驱动比较器参考输入的同时使用此反馈来在虚拟信号节点37处接收模拟信号规定电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二输入上的虚拟信号节点处产生反馈输出而跟随第一输入上的参考信号，Σ-Δ输出滤波器也连接到虚拟信号节点37以驱动传感器电极。
节点33处的所接收信号在CIC与抽取器18处以较低取样速率被低通滤波及抽取。虽然此处使用CIC滤波器，但此并非限制性的且可使用任何适合低通数字滤波器布置。滤波器与抽取器18的输出被馈送到解调逻辑块(图1)，所述输出在所述解调逻辑块处被处理及解译以检测触摸传感器电极上的触摸输入。
现在参考模拟传感器驱动信号35，此信号由驱动信号产生电路41产生，所述驱动信号产生电路馈送驱动/接收电路30中的每一者的参考、可操作以产生处于第一频率的互传感器信号(或“互信号”)及处于不同于第一频率的第二频率的自传感器信号(或“自信号”)。驱动电极以用于检测自(相同电极)阻抗改变及互(与其它电极交叉耦合)阻抗改变的自传感器信号及互传感器信号首先在相应频率产生器42处以数字方式产生，所述相应频率产生器优选地以相应频率f1及f2产生正弦波，但可产生其它连续变化信号(例如小波序列、经调制波或其它模拟变化型式)。举例来说，f1、f2及f3信号中的一或多者可包含频率群组(例如三个正弦波频率)，其中所接收量值在解调之后累加在一起。扫频、跳频或啁啾方法还可与f2、f1及f3(自、互、笔)测量的模拟信号一起使用。针对传感器信号采用方波的现有技术通常并非针对这些信号的最佳选择，这是因为方波含有谐波，所述谐波在通过传感器电极时造成有害影响，且传感器测量跨越波的整个周期不可用。此版本以f1及f2频率产生正弦波，f1及f2频率为足够不同频率使得其在***的接收器逻辑部分中可容易被单独解调或由滤波器分离。自传感器信号被馈送到抖动电路，所述抖动电路将抖动添加到信号以改进分辨率且克服电路30的A/D转换器部分中的滞后问题，如下文进一步描述。可给所有自传感器信号添加共同抖动，或可使用独立产生的抖动。在加法器44处将抖动的自传感器信号添加到互传感器信号。如本文中所使用的抖动是低量值噪声信号的添加，所述低量值噪声信号通常在频域中成形以覆盖所要带宽。噪声的频率分量通常经选择为高于最终可用***频率范围，且噪声因此从最终读数中被滤除。通常将抖动噪声添加到A/D***以通过分解量化噪声(阶梯(step)噪声)而改进分辨率。本文中还使用所述抖动噪声来通过将输入电压随机地推动为低于及高于由比较器电路展现的滞环而克服1位A/D滞后。在将抖动添加到所展示的信号之后，两个分支接着在PWM调制器45处被进行单独的PWM(脉冲宽度调制)调制。接着，PWM信号传递到利用数字输出驱动器46(具有内部电阻)及Σ-Δ输出电容器47来实施的Σ-ΔD/A转换器。这两个D/A转换器的输出接着为处于f2频率的模拟抖动自信号以及具有相加的f1与f2的经组合模拟自信号与互信号。可将这些信号路由以馈入如所描绘的其它通道驱动/接收电路，以避免复制信号产生电路且在共同相位处提供驱动信号。模拟开关或多路复用器48提供控制驱动/接收电路30是驱动自信号及互信号两者还是仅驱动处于f2的自信号的能力。此实现下文所描述的模式选择及互扫描功能。倘若与特定设计一起采用的感测方案在某一时刻仅需要驱动互信号，那么自信号及抖动可被设定为零以提供处于频率f1的纯互信号。应注意，虽然所描绘电路产生自信号及互信号两者的模拟版本，但一些版本可包含控制选择开关，从而仅馈送一个D/A转换器、在将信号转换为模拟之前选择f2或f1+f2的模式(图9的版本具有此设计)。每一驱动/接收模块还可产生其自身的自信号、互信号或自信号与互信号，但此设计不必复制信号产生电路。对于其中针对每一行需要单独互频率的版本，每一驱动接收电路30可被馈送有以其它频率(例如f4、f5、f6、...、fn，最高达用于互耦合信号检测的行或列的数目)驱动的单独互信号。因此，本文中所论述的全范围的驱动及接收方案(包含图6及图15的驱动过程)可与此实施例一起应用。
驱动信号产生电路41的输出是馈送到比较器34的参考输入的模拟传感器驱动信号35，所述比较器是电压跟随Σ-ΔA/D转换器的一部分。此电路既用于驱动传感器电极(此可直接进行或通过滤波器39进行)又用于感测传感器电极阻抗的改变，如上文所论述。所述电路及本文中所描述的其它版本还可接收耦合到传感器电极中的其它信号，例如从其它电极耦合的互信号，或通过与触摸传感器阵列一起使用的有源笔而直接耦合到所连接电极中的笔信号。
图11的电路是优选的，这是因为所述电路使用较少输出引脚(每驱动/接收通道仅一个引脚)，且因此可采用驱动集成电路的大约100个I/O引脚的此类电路的阵列来驱动50行乘50列触摸传感器，例如触摸屏、触摸板或触敏织物(使用PEDOT可变电阻性电极)。然而，在FPGA平台上实施图11的电路及其其它1引脚等效物首先需要用于所采用的每一I/O引脚的比较输入及数字输出、其次在驱动器36处需要对于C1处的所需Σ-Δ输出滤波器足够高的数字输出阻抗(所述输出阻抗优选地介于一千欧姆到一万欧姆的范围内)且再次需要对模拟电压参考(馈送输入比较器的vref)及其它模拟组件(例如模拟开关)进行控制。一些现有FPGA产品可允许此控制，而其它FPGA产品不允许此控制。因此，在一些情形中需要定制ASIC或经定制FPGA产品以实现图11的电路。本文中的不同发射接收模式(包含图3、图4、图5、图6及图15的发射接收模式)可应用于此实施例。
通道驱动器图10的另一实施例每通道使用两个引脚且在不具有本文中关于一些其它实施例所论述的互发射模式限制的情况下起作用。其不像图11的实施例那般需要内部模拟通道及开关，但目前由于对输出及输入缓冲器同时功能以及较高数字缓冲器输出阻抗的需要而可仍需要定制硅。图10的所描绘实施例类似于图11中的版本而起作用，但采用两个引脚1及2，且使用针对Σ-Δ输出电容器47在用于传感器驱动信号的单个Σ-ΔD/A转换器(由驱动器46及电容器47组成)外部的外部电容器C2。驱动信号产生电路41还包含驱动器46及外部电容器47。此电容器47连接到引脚以对Σ-ΔD/A转换进行滤波，且将所得信号35在内部从引脚路由到比较器34参考输入，类似于图11的设计。可在芯片上电容器于驱动器附近不可用的情况下使用所描绘设计。此设计利用数字开关48而非模拟开关在f2或f1+f2的传感器信号之间进行选择。替代地，可在无需选择开关的情况下直接产生将被驱动的信号，然而此方案提供以两个驱动信号的数字版本来对其它驱动/接收电路进行馈送且避免复制大部分的驱动信号产生电路41的能力。对与FPGA实施方案一起使用此设计的要求首先为用于所采用的每一I/O引脚的比较输入及数字输出、其次为在驱动器36处对于C1处的所需Σ-Δ输出滤波器足够高的数字输出阻抗。本文中的不同发射接收模式(包含图3、图4、图5、图6及图15的发射接收模式)可应用于此实施例。
图9展示通道驱动/接收电路的另一实施例，其能够进行与先前两个实例相同的功能但使用标记为1到4的四个引脚。此实施例将对大多数现代可编程逻辑装置起作用但需要两个差分数字输入及两个数字输出引脚加上两个电阻器及两个电容器来每通道进行操作。针对此版本，引脚1及4处的数字输出驱动器不需要特别高输出阻抗。一般来说，驱动信号产生电路41与先前版本构造相同，其中控制开关48为数字开关，这是因为来自PWM调制器45的PWM信号仍以数字方式进入控制开关48。将传感器信号转换为模拟的Σ-ΔD/A转换器利用数字输出驱动器46以及由输出电容器47及电阻器R2组成的Σ-Δ输出滤波器来实施。此Σ-Δ输出滤波器优选地为具有大约1Mhz的截止频率的单极RC滤波器(如所描绘)。此滤波器输出是从滤波器输出电容器47连接回到引脚3、连接到比较器34的参考输入的模拟传感器驱动信号35。
驱动/接收电路30再次使用电压跟随Σ-ΔA/D转换器，所述电压跟随Σ-ΔA/D转换器在其参考输入处利用模拟传感器信号35驱动以实现Σ-Δ模/数收发器。此版本中的电压跟随电路的Σ-ΔD/A部分包含引脚1处的数字输出驱动器36以及由外部电阻器R1及电容器C1构建而成的Σ-Δ输出滤波器38。此版本中的实例性滤波器是具有约1Mhz的截止频率的单极RC滤波器。本文中所描述的各种单频率及多频率驱动及接收方案可全部与此实施例一起使用，包含图3、图4、图5、图6及图15的驱动过程。
图8B展示通道驱动器的另一实施例，其也可对现代可编程逻辑装置设计起作用，针对每通道总计三个I/O引脚仅需要使用两个差分数字输入比较器引脚及一个数字输出引脚。就此来说，其仅有限制是一次仅可一个作用的互电容性模式发射通道(互信令通常用于测量互耦合电容但可用于测量互电感或电阻性耦合信号)无法充当自接收或笔接收。在所描绘实施例中，驱动信号产生电路41为所有发射驱动模块共同的，且在单独位置处连接到电路30，f1互传感器信号以数字方式产生且馈送以在图式左上角的PWM f1块45中进行脉冲宽度调制。此电路在IC内部。此经调制f1互传感器信号被馈送到数字控制开关58，所述数字控制开关使Σ-ΔA/C转换器的位于节点33处的输出或PWM f1信号传递到Σ-Δ驱动器36，所述Σ-Δ驱动器通过连接到Σ-Δ输出滤波器38(其连接到引脚1)而经配置为Σ-ΔD/A转换器。类似于先前图，滤波器38的输出连接到虚拟信号节点37，所述虚拟信号节点连接到电压跟随Σ-ΔA/D转换器的位于引脚2上的输入。节点37还连接到EMI滤波器39且通过此滤波器耦合到行电极以发送及接收传感器信号，类似于本文中的其它版本。在此版本中，如可见，电压跟随Σ-ΔA/D转换器的位于引脚3处的参考输入连接到模拟自传感器信号。此信号由驱动信号产生电路41的另一部分产生，所述另一部分如所展示采取f2传感器信号的经抖动版本且以数字方式对此信号进行脉冲宽度调制并将此信号从输出驱动出，所述信号在所述输出处被Σ-ΔD/A输出滤波器47滤波，且接着被馈送到位于引脚3处的比较器参考节点。滤波器47通常在IC外部，且经抖动f2自传感器信号从引脚被驱动到此滤波器。此引脚并不计入电路的引脚计数中，这是因为此单个自传感器信号用于驱动在其它驱动通道处发射的所有其它自信号，如去往其它驱动模块的箭头所展示。在此版本中，互传感器信号作为数字PWM信号被馈送到其它通道驱动模块，如图式的左上角的电路41处所见。节点33处的所接收信号被连续滤波及抽取到块18处的内部接收器逻辑，类似于本文中的其它实施例。应注意，图8B的电路与图8A的电路之间的一个区别是阈值滞后的差异(大约30mV及大约150mV)，这是因为图8B中的比较器输入对照图8A中的数字输入而使用。具有较高滞后的数字输入对于图8A中所展示的在抖动块43处注入于A/D反馈环路中的抖动具有较多要求。
在操作中，可理解，所描绘电路通常将操作以将f2自传感器信号驱动到传感器电极并从传感器电极感测所述f2自传感器信号，且同时接收f1信号(如果所述f1信号从其它交叉传感器电极耦合通过的话)。在于个别电极通道上扫描互信号的过程中时，驱动过程到达此通道，逻辑使开关58改变为将f1互信号馈送出，且在此时间期间不使用从驱动模块传递到内部逻辑的数字信号。
在图3的图式(展示自电容性及接收信号)、图4的图式(展示互电容及不具有互TX通道的自电容以及不具有互TX通道的笔接收模式)及图5的图式(展示互电容及不具有互TX通道的笔接收模式)中所展示的信号驱动及接收方案可应用于图8B的实施例。
图8A展示通道驱动器的另一实施例，其在功能上类似于图8B的实例且在发射时于互电容性模式中类似地受限制。然而，此电路仅使用两个数字引脚，且因此可较好地用于高通道计数***中。可在其中可控制AC电压参考可用于数字输入引脚的情形中采用所描绘通道驱动器电路30，如通过被馈送到引脚2接收器(其在此实施例中用作Σ-Δ比较器)的电压参考的f2自传感器信号可见。通常，数字输入引脚用作比较器但FPGA或PLD设计并不总是提供控制此类引脚的参考电压的能力。在所述能力可用的情况下，可使用目前电路，其中共同自信号在PWM及驱动器45、46处从引脚被驱动出并被滤波以形成自传感器信号35的A/C版本，接着被馈入到单个引脚中、到达所有数字输入接收器的驱动器参考电压。如图式上所展示，如果在FPGA或PLD上A/C电压可被馈送到数字输入引脚参考，那么此方案才为可能的。如果否，那么所述方案必须利用定制ASIC来实施，在此情形中1引脚解决方案为优选的。许多现代可编程逻辑装置展现数字输入引脚上的约150mV滞后，所述滞后比以相同硬件的模拟比较器的规格上所展示的大约30mV滞后大得多。因此，使用模拟比较器对于获得较好信噪比为优选的，然而所描绘电路仍可以优于其它先前传感器驱动器电路的经极大改进经济性来实现多点触摸能力。电路的其余部分类似于图8B的电路而起作用，且可与和图8B的电路相同的自、互及笔发射及接收方案一起使用。
一些替代实施例包含采用较多模拟电路的解决方案，此可体现于ASIC中或IC外部的电路中，例如电压跟随Σ-Δ转换器中的较高阶A/D转换器及较高阶D/A转换器。而且，可使用经配置为对高分辨率模/数转换器进行馈送的电压跟随器缓冲器的运算放大器作为通道驱动器。这些解决方案因大大增加的硅有效面积要求及相关联模拟信号处置要求而并非理想的。
一些版本可包含产生驱动信号的一或多个频率的数值控制振荡器。此类振荡器在此领域中为众所习知且普遍知晓的。
现在参考可利用本文中所描述的电路或其它电路来进行的驱动及接收触摸传感器信号的过程，关于图2到6及图13到17大体描述了各种驱动及接收方案。
图2是用于解释图3到6、13及15的信令图式的图例。在顶部处，针对各种模拟传感器信号频率f1(用于互耦合信号)、f2(用于相同电极处的自感测信号)及f3(用于笔注入信号)给出符号。接下来，展示用于发射及接收各种信号的符号。用双向箭头来展示f2自信号，这是因为f2自信号在与其被发射或驱动相同的电极上被接收或感测。仅用针对接收的传入箭头及一些小混合频率符号展示接收符号。f3笔频率仅展示为接收，这是因为f3笔频率是在用户于触摸传感器上方及触摸传感器上移动笔时从外部笔电极被发射。互发射的扫描符号(在一系列线(行或列)上方)由具有穿过其的宽箭头的符号展示。在其之下，列示用于图1中所展示的实施例的优选时钟频率范围。
图3是展示同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收)且以注释指示本文中能够实现传信方案的不同引脚配置。在此版本中，阵列中的所描绘传感器电极为触摸屏或触摸传感器阵列的行302及列304。如本文中所论述，可使用其它类型的触摸传感器阵列，且电容性多点触摸传感器为优选的。符号指示第二频率f2自传感器信号在每一行302及列304电极上被发射且在相同电极上被感测，感测与发射同时进行，如上文关于驱动/接收电路所描述。与发送及接收第二频率f2自传感器信号同时地，第三频率f3笔传感器信号在所有行及列上被接收或被感测、当然从与触摸屏或触摸传感器一起使用的笔发射。虽然所有行及列展示为在所描绘方法中均被采用，但最低限度并非所有行或列必须用于执行所述方法。可选择子群组或所有行与列的群组。
图4是展示同时驱动方法的实施例的图式，其具有多模式状态(自+接收+互扫描)，且以注释指示能够实现此的不同引脚配置。如参考符号图例所展示，在每一行302上方优选地以5ms总循环对第一频率f1互模拟传感器信号进行连续扫描，且在所有行302及列304(当前进行发射的一者除外)处接收所述第一频率f1互模拟传感器信号。当所描绘扫描循环到达一行时，所述行中的行驱动接收电路改变模式以发射f1互传感器信号。当然，此f1互扫描过程可利用列而非行来进行，这是因为其定向并不重要。当完成最后一行时，扫描过程再次在第一行处开始。在所有行及列(当前进行发射的一者除外)上对第二频率f2自传感器信号同时进行发射及接收/感测。最后，在所有通道(当前进行发射的一者除外)上同时接收第三频率f3笔传感器信号。图13及14也描述此传信方案。图13是展示由全部在相同5mS帧(如图4的实例性时序方案中所使用)中被取样的来自人类接触及笔式数字化仪两者的所得信号能量的图式。与其它图式一样，特定时间周期并非限制性的且可使用其它时间周期。图14是展示利用图13的同时自、笔及互扫描的单个捕获帧的时序图。如图13中可见，对f2频率自信号的感测提供以二维格式存储的数据，其中一个维度为沿着底部上所展示的列而从其感测数据的位置，且另一维度为数据点的信号量值。从行接收到较多此二维数据，如阵列右边的自f2数据集上所展示。针对每一数据点的线条的大小表示信号强度。所感测自f2数据点展示触摸屏上的触摸，如由展示于阵列上的大椭圆形处的手指触摸所指示。类似地，针对笔f3频率接收二维数据，其中针对标记为笔f3的列而展示所接收笔数据且展示在其处笔被描绘为放置于触摸屏上的尖峰(spike)。行还接收数据尖峰，如沿着图的右侧的笔f3数据中可见，数据尖峰以所描绘笔位置为中心。如上文所论述，笔f3数据表示信号，所述信号产生于笔上且耦合(通常电容性耦合)到传感器阵列中，使得最接近笔的行及列接收较强信号而大多数行及列将不会检测到信号。最后，在图13中，通过感测f1互模拟传感器信号而检测的数据提供为三维阵列，这是因为每一所检测信号量值具有与其相关联的行及列位置，所述行及列位置为在检测数据点时针对作用互TX线的行(或列)及在其处检测数据点的列(或行)。第三维度是信号的量值，从而提供如同图13的底部处所描绘的互f1阵列的三维数据阵列。本文中所提供的驱动/接收电路设计的一个益处是其允许使用用于感测自数据及互耦合数据的相同电路来同时接收第三频率f3笔数据。通常，先前***要么需要单独阵列来检测笔数据要么需要以连续循环将电路切换到笔模式(不感测自数据或互数据)来检测笔且接着再切换回去以依据自信号或互信号中的一者来感测触摸。如图14的时序图中所展示，在5ms的实例性循环周期内针对100行触摸屏或触摸传感器展示所描绘信令过程。如时序图的顶部行中所展示，所有行及列可连续地接收处于f2的自传感器信号，在其上发射处于第一频率f1的互TX信号的当前发射行“当前TX行”除外。时序图的下一行展示所有行及列(再次减去当前发射互行“互TX”)可接收笔信号笔f3。笔时序图展示为填充少于所描绘的所有时间标度，这是因为并不总是接收笔信号，仅在笔接近或者触摸触摸屏或触摸传感器时接收笔信号。
仍参考图14的时序图，标记为互TX(f1)的下一行展示通过从行1到行100依序沿行向下扫描互信号而在每一行上发射所述互信号。每一行上的实例性时间周期给定为50uS。下一行展示在所有列上进行互信号接收(感测)以接收通过触摸传感器上的触摸而耦合到任何列的任何互信号，且下一行展示在所有行(其上发射互信号的行除外)上进行互接收。虽然所描绘方案在所有行上方扫描互模拟传感器信号，但当然可替代地扫描列，或可依序扫描行及列。而且，在任何特定控制方案中，少于所有行或列可被扫描有互信号。还可选择具有少于所有行及列的群组来发射及感测自信号。一种用于将信号驱动到多点触摸传感器及从所述多点触摸传感器接收所述信号的方法通常包含：(a)针对包括多点触摸传感器的行或列电极的第一电极群组中的每一者，通过将互模拟传感器信号馈送到连接到相应电极的相应Σ-ΔD/A转换器而依序扫描所述互模拟传感器信号穿过电极群组，所述互模拟传感器信号包括第一频率；(b)在执行(a)时，针对包括多点触摸传感器的行电极或列电极的第二电极群组中的每一者，通过Σ-ΔD/A转换器而将自模拟传感器信号同时驱动到耦合到相应行电极或列电极的引脚上，相应自电容性模拟传感器信号包括第二频率或在第二频率下调制的数据型式；(c)针对(b)中所使用的第二电极群组中的每一者，针对至少两种不同自及互模式同时对触摸传感器数据进行取样，所述触摸传感器数据包括由行或列电极的阻抗更改的处于第一频率及第二频率的所感测经更改传感器信号。
图5是同时驱动方法的实施例，其展示多模式状态(接收+互扫描)且以注释指示能够实现此的不同引脚配置。与以上版本一样，在每一行302上方优选地以5ms总循环对第一频率f1互模拟传感器信号进行连续扫描，且在所有行302及列304(当前进行发射的一者除外)处接收所述第一频率f1互模拟传感器信号。当扫描循环到达一行时，所述行中的驱动接收电路改变模式以发射f1互传感器信号。当然，行与列可互换。当完成最后一行时，扫描过程再次在第一行处开始。与接收第一频率f1传感器信号同时地在所有通道(当前进行发射的通道除外)上接收第三频率f3笔传感器信号。如上文所论述，最低限度通过选择一个以上电极(可包含所有电极)的群组而执行方法。大体用以下步骤描述所述方法：针对包括多点触摸传感器的行或列电极的第一电极群组中的每一者，通过将互模拟传感器信号馈送到连接到相应电极的相应Σ-ΔD/A转换器而依序扫描所述互模拟传感器信号穿过电极群组，所述互模拟传感器信号包括第一频率。在扫描f1互传感器信号的同时，针对包括多点触摸传感器的行电极或列电极的第二电极群组中的每一者，所述方法感测触摸传感器互数据，所述触摸传感器互数据包括通过行电极与列电极之间的耦合而更改的处于第一频率的所感测经更改传感器信号。所述方法可进一步包含：与互数据的感测同时地，针对第二电极群组中的每一者，所述方法使用执行互感测的相同A/D转换器来同时对从笔发射的处于不同于第一频率的频率的笔模拟传感器信号进行取样。同时取样可由与驱动相应行或列电极的每一个Σ-ΔD/A转换器集成在一起的电压跟随Σ-ΔA/D转换器来执行，所述电压跟随A/D转换器具有比较器，所述比较器具有第一参考比较器输入及第二比较器输入，第二比较器输入连接到Σ-ΔD/A转换器输出。一般来说，可使用图7的电路或可使用图5中所识别的电路实施例中的任一者或者其它适合电路。在此特定方法中，自发射信号未必为作用的。
图6是同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收+互扫描)且指示能够实现此的不同引脚配置。图6展示全信号功能，其中所有互及自以及接收模式均为作用的。如由符号及其图例所展示，在每一行302上方优选地以5ms总循环对第一频率f1互模拟传感器信号进行连续扫描，且在所有行302及列304(包含当前发射互信号的一者)处接收所述第一频率f1互模拟传感器信号。当然，此f1互扫描过程可利用列而非行来进行，这是因为其定向并不重要。当完成最后一行时，扫描过程再次在第一行处开始。在所有行及列上对第二频率f2自传感器信号同时进行发射及接收/感测。最后，在所有通道上同时接收第三频率f3笔传感器信号。如关于其它方法所论述，可在不背离本文中所描述的一般方法的情况下采用具有少于所有行或少于所有列的群组。举例来说，如果特定装置将不在特定行或列上进行感测，但大体执行本文中的方法，那么所述特定装置将使用如本文中所描述的电极群组。图13及14也描述此传信方案，只是针对此过程，图14的右上角的自f2RX/TX(所有列+行...)标记不应如关于图4那样排除当前发射行，这是因为所列示的电路布置(图9到11的4引脚最小功能、2引脚特殊及1引脚特殊)允许控制电路模式以在所有行(甚至当前发射互信号的行)上接收自f2信号及笔f3信号。针对所有这些方案应理解，可切换行与列，且还可与本文中所描述的电路及方案一起采用非传统形状的阵列。
图15是展示同时驱动方法的实施例的图式，其展示多模式状态(自+接收+双互扫描)且指示能够实现此的不同引脚配置。所描绘方法采用双轴扫描方案，其中可实现在独立互电容性模式期间进行操作或与其它取样及驱动模式同时进行操作。扫描针对与f1互扫描同时进行的独立互扫描使用额外第四频率。举例来说，行302上的TX(发射f1)及列304上的RX(接收f1)。列304上的TX互频率f4及行302上的RX互频率f4。在这些独立互扫描进行时，在所有行及列上发射及感测处于频率f2的自模拟传感器信号，且在所有行及列上感测笔信号。应理解，相同驱动/接收电路在其不同模式中经配置以在其循环穿过每一特定行时执行互扫描。一般来说，在一些情形中，所述方法可以少于所有行或列进行，且包含：针对包括多点触摸传感器的行或列电极的第一电极群组中的每一者，通过将互模拟传感器信号馈送到连接到相应电极的相应Σ-ΔD/A转换器而依序扫描所述互模拟传感器信号穿过电极群组，所述互模拟传感器信号包括第一频率。与此同时，所述方法：针对包括多点触摸传感器的行电极或列电极的第二电极群组中的每一者，通过Σ-ΔD/A转换器而将自模拟传感器信号同时驱动到耦合到相应行电极或列电极的引脚上，相应自模拟传感器信号包括第二频率或在第二频率下调制的数据型式。针对第二电极群组中的每一者，所述方法：针对至少两种不同自及互模式同时对触摸传感器数据进行取样，所述触摸传感器数据包括由行或列电极的阻抗更改的处于第一频率及第二频率的所感测经更改传感器信号。针对第一电极群组及第二电极群组中的每一者，所述方法：同时对从笔发射的处于不同于第一频率及第二频率的第三频率的第三笔模拟传感器信号进行取样。为实现双互扫描，所述方法针对并非用互模拟传感器信号f1来驱动的行或列(在此图式中，列)中的每一者，执行通过相应Σ-ΔD/A转换器将第二互模拟传感器信号依序扫描到耦合到相应行或列电极的引脚上，所述第二互模拟传感器信号处于不同于第一频率及第二频率且在所述方法中采用笔频率的情况下不同于第三笔频率的第四频率。接着针对用f1互信号来驱动的行或列中的每一者，所述方法针对至少两种不同自及互模式同时对触摸传感器数据进行取样，所述触摸传感器数据包括处于第二频率及第四频率的所接收经更改传感器信号。所述方法可使用与驱动相应行或列电极的每一个Σ-ΔD/A转换器集成在一起的电压跟随Σ-ΔA/D转换器来实现同时取样，所述电压跟随A/D转换器具有比较器，所述比较器具有第一参考比较器输入及第二比较器输入，所述第一参考比较器输入接收自模拟传感器信号且所述第二比较器输入连接到Σ-ΔD/A转换器输出。当通过以各种驱动/接收电路图中所展示的方式切换或耦合于互信号中而在循环中激活互模式时，可添加两个互信号。f4互信号以数字方式产生且可被馈送到多个通道驱动器，类似于如各种实施例中所描述的f1互信号。
图12是根据一些实施例的展示CIC滤波/抽取/解调/振幅/相位样本链的实施例的框图，其展示表示三个单独触摸屏功能模式的三个不同同时频率的分辨率。将来自比较器输出的所接收信号传递到滤波器及抽取块，在此版本中所述滤波器及抽取块利用CIC(级联积分梳状)滤波(至少在初始滤波级处)来实施。在块1202处，用CIC积分器开始滤波过程，在块1204处接着用抽取器将取样速率减少到1Mhz到4Mhz。接下来在块1206处，提供CIC抽取器(如果需要)以移除信号的DC分量。在块1208处，提供补偿FIR(如果需要)以补偿现有CIC滤波的影响(例如通带下垂及宽转变区)。
将所得数据发送到块1210，在1210处，对信号进行正交基带解调且将所产生I/Q数据发送到块1212，在1212处，计算振幅、相位及量值且可在将所述振幅、相位及量值发送到存储器1214以供存储及进一步DSP处理(如果需要)之前对所述振幅、相位及量值进行进一步滤波及抽取。接着使用每一信号的振幅、相位及量值随时间的改变来确定与传感器介接的物体(例如手指或笔)的存在。通常，自(f2)信号改变达极小相移，且互(f1)及笔(f3)、所接收信号的振幅改变。虽然此处描述正交基带解调，但此并非限制性的且可使用许多其它适合解调方案来提取呈可由***使用来解译触摸的形式的所感测信号。
图16是展示利用屏蔽元件的现有技术自电容测量及在同时驱动所有元件的情况下的本发明的图式。可在图上观察到本文中的电路的一个显著优点在于当驱动传感器阵列中的所有行及列(如本文中的电路及方法可实现)时，由存在于触摸传感器上的导电污染物导致的噪声大大减少。
返回参考图1的***框图以及图24及图36的笔***的框图，***包含几个功能块，所属领域的技术人员可在了解此说明及以下构造指示之后实施所述几个功能块。
抖动产生器：
本发明的一些实施例对所有通道使用相同抖动作为实现极类似***取样及外部噪声的方法或替代地针对每一通道引入简单延迟以允许受控相同抖动或半随机抖动产生。
可使用单个抖动信号产生器来对装置的所有驱动器通道供应抖动信号。在一些情形及模式中，将所有抖动信号设定为相同瞬时值以便改进同时取样外部噪声辨识可为有益的，但在一些情形中，在通道之间具有半随机抖动可证明为有益的。在抖动混合发生于通道驱动器(非共同抖动源)中的情况下，仅四个位置的简单寄存器延迟方案允许通道间的足够差异化。
本发明的一些实施例经由结合用作参考的连续低频率及低振幅自电容性信号使用经塑形抖动而提供经改进分辨率以克服对自电容模式信号以及其它所关注信号(例如互电容接收及/或笔接收信号)的滞后及量化。
在Σ-Δ模/数转换器中，使用抖动噪声来改进分辨率及克服数字1位ADC输入或比较器中的固有滞后。在当前硬件中，此可低至30mV及/或高达200mV。在不具有抖动的情况下，滞后将因量化而导致减小的分辨率，所述量化由以下导致：SD ADC的DAC部分必须将RC滤波器充电到超过与参考电压匹配所需的值达克服滞后阈值的程度—此过程必须接着被反向且RC电压必须被放电以超出滞后下限。此形成阶梯式“经量化”响应。
添加抖动是将通过后续滤波而容易被移除的已知噪声引入到***的方式。抖动有效地使信号随机移动到较接近于滞后上阈值或下阈值，使得真正信号可以较平均方式往返于上阈值及下阈值。使用连续改变的低频率及低振幅模拟信号在一定程度上也实现此效应。通过结合连续低振幅(例如，30mV到300mV)频率使用抖动，可针对其它所关注低振幅信号克服甚至大滞后同时允许在连续频率下的全部自测量。
高级调制方案：
本发明的一些实施例使用众所周知的调制方案(例如PSK)，但在新颖方式中针对于移除处于与驱动频率相同的频率的相干干扰信号。举例来说，图17描绘PSK相干同步解调：可利用数值控制振荡器(NCO)产生单频率信号且使所述单频率信号通过50％工作循环180度相移调制。根据本文中的技术，此信号经抖动且接着被驱动到触摸传感器电极作为自模拟传感器信号。对经恢复或经感测自信号相对于50％工作循环180度相位调制进行滤波及抽取以及解调以产生基带连续非相位调制信号。单频率得以恢复，其中益处是现在使处于相同频率的任何相干干扰信号减少或被高度拒斥。
作为另一实例，可替代地使用FSK相干同步解调方案：可利用50％工作循环产生双频率信号。可对经恢复信号相对于50％工作循环进行滤波及抽取以及解调以产生基带连续单频率(DC)信号；单频率得以恢复，其中益处是现在使处于相同频率的任何相干干扰信号减少或被高度拒斥。
CIC抽取器：
在CIC抽取器滤波器的实例性版本中，将来自通道驱动器的信号从1位高频率信号转换为低得多的频率高分辨率信号、利用CIC滤波器(实例性能力及速度如图18中所展示)对所述信号进行滤波及抽取。400:1到100:1的抽取降频比率范围将开发1MHz到4MHz的最终信号及每样本14位到16位的分辨率。可对这些值进行调整以改进分辨率、取样速度及电力消耗。经抽取通道信号含有不同模式信号(自电容信号(举例来说，处于200Khz)、互电容信号(举例来说，处于100KHz)、笔接收信号(举例来说，处于150KHz)及还有非期望的噪声信号)且这些信号必须被分出到其相应路径中且被进一步处理。
相位及振幅检测器：
虽然存在用于确定信号的相位及振幅且从信号群组选取特定信号(IQ解调为最常用技术)的许多众所周知的方法，但出于此描述目的且为简单起见，戈策尔(Goertzel)方法足以在逐帧基础上分辨每一信号的相位及振幅。在各种实施方案中，戈策尔方法可经修改以处置上文所描述的高级噪声减少调制方案但可在(举例来说)静电笔使用FSK、PSK、振幅或相位调制来发送数字信息或者信号之间的时序具重要性的情况下受限制。捕获此数字数据将需要对笔信号路径的较高级方案。这些方案在行业中众所周知。
定序产生器：
为允许驱动不同配置的触摸屏并以已知且受控制方式将所得数据映射到存储器中，需要一种配置方法，所述配置方法允许将任何驱动器通道放置成任何驱动次序且还将所得数据映射到已知存储器区域中，使得较高层级斑块(blob)(大的嘈杂触摸屏接触)跟踪所需的程序可以不需要针对不同大小及形状传感器定制代码或驱动器的经优化且***化方式来存取存储器。此通常需要配置阵列、对将如何使所得数据映射于存储器中的定义及对将如何且何时驱动传感器阵列的定义。
可配置存储器映射区域：
存储器阵列块包含用以存储配置阵列、所得2D及3D信号电平阵列、缓冲器阵列、滤波器结果阵列及校准阵列的存储器。
滤波器模块：
为使重复性任务(例如基线校准减法、正规化及滤波)自动化，滤波器模块在帧数据接收期间及/或在帧之间起作用以处理所接收数据。在互电容性的情形中，仅在完成行驱动之后处理列数据是理想的，只要滤波器处理不干扰对下一行所接收数据的存储器存取即可。可使用高级存储器存取方案来防止同时存取问题或可使用缓冲器方案来在一个缓冲器中更改数据而填充下一缓冲器帧。
处理器***：
在此领域中为众所习知且普遍知晓的。如图1中所描绘，可在各种实施方案中使用针对ASIC或FPGA的任何适合处理器核心。
滤波器方法：
本文中使用同时所取样数据(包含噪声)的噪声移除的新颖方法针对于通过识别及移除显现为所取样数据的共模比例改变的噪声而移除触摸数据中的相干或伪干扰噪声信号。
减去pCap(投射电容性)传感器上的触摸数据中的共模比例噪声是仅由于本发明的同时取样特性而可能的技术。触摸***的用户可充当天线且将噪声注入到所述***中。替代地，用户可有效地充当对***上的共模噪声的排放点。不可能讲出差异，这是因为噪声仅在触摸位置处可见且噪声与触摸能量成比例。硬触摸通常由于手指的曲率及所施加压力而导致触摸的中心处的最高电容性耦合。手指可被认为是低阻抗源或噪声的汇点。在手指侧处的触摸测量可由于电容器极板面积及距离而具有在中心处的触摸测量的触摸能量的一半。中心读数上的噪声可具有为10的SNR且侧读数也将具有为10的SNR。
如果在时间或解调方法中将触摸读数随机化或***，那么将不存在于任何时刻知晓触摸能量与噪声能量比率的可能性，仅知晓随时间的平均噪声。本发明的自电容性信号模式使用相同调制方案及滤波在相同时间对所有行及列进行取样，因此所有行及列将展示噪声脉冲以对触摸轮廓能量加上或减去。互电容信号模式是利用同时交替线(列)接收的线扫描(行)模式，因此所有交替线(列)将展示噪声脉冲以对所驱动线(行)下方的触摸轮廓能量加上或减去。使用自数据及互数据两者，帧间的噪声改变可被识别并被直接减少(经由线性或非线性技术)。
图19是驱动通道信号的简单模拟实例，其展示驱动、抖动及跟随(所感测)信号。描绘自驱动信号1902、互驱动信号1904、低频率抖动信号1906、这些信号的总和S+M+D1908(其被驱动到驱动器的参考跟随节点、虚拟信号节点)及所得Σ-Δ跟随信号1910(其表示驱动/接收电路的所取样传感器信号(在所述所取样传感器信号由Σ-Δ跟随电路驱动到传感器电极上时))。
电子笔输入
一些实施例提供能够结合启用笔的多点触摸***(例如，关于图1所描述)一起操作或作为用于光标控制及擦除功能的独立相对输入设备与多点触摸***操作解耦的定位***。
本发明的一些实施例提供能够与压力、应变或静电测量***以及驱动及取样方法一起使用的高级多轴传感器机构，所述驱动及取样方法使用具有支持逻辑的数字Σ-Δ类型电压跟随***(举例来说，图8A的数字Σ-Δ类型电压跟随***)来同时接收及发射装置内部及外部的信号，从而实现例如压力、倾斜、笔杆旋转、接近、开关、滑块及笔杆上或笔杆下的高分辨率多点触摸区带以及交替输入功能等功能。
本文中描述多轴感测的几种实例性布置(举例来说，图25、26、27、28及29)，所述实例性布置大体提供对压力、倾斜及笔杆旋转的类似经改进测量，从而提供通过使用下文所描述的笔尖筒夹枢轴电极移动而实现的结果(例如本文中所论述的结果)(举例来说，关于图33及34)。
图24是笔控制***的实施例的框图，所述笔控制***包含利用嵌入于半导体装置(其可为笔控制器芯片或可集成到还具有其它***功能性的较大单芯片***布置中)中的灵活可编程逻辑构造的电机驱动与接收电路150。电路150在多个通道152上同时进行发射及接收以通过通道驱动器170将模拟传感器信号驱动到笔电极设备154的电极。所述笔设备的电极配置为不对称或非对称电极布置，所述不对称或非对称电极布置交叉耦合笔内部的用以测量压力、倾斜及笔杆旋转的信号与笔外部的用以与经启用触摸屏***互动的信号。根据本发明的一些实施例，模拟传感器信号在多个同时频率156下被驱动。虽然在图式中展示四个通道驱动器，但此将图解说明多个通道驱动器，且优选版本将具有与存在笔电极同样多的通道，其中针对每一通道重复驱动模块(包含驱动电路及接收滤波器)的实例化。图式大体展示数字时钟域及其功能性、驱动模块阵列、***逻辑块、解调逻辑块及处理器与存储器逻辑块。处理器还包含用于存储可执行程序代码以控制并指导本文中所描述的各种数字逻辑及数字信号处理功能的程序存储器。
如图24的图式中可见，***笔驱动器及传感器电路可体现于FPGA或ASIC中。一些实施例提供具有灵活配置的笔***图24。一些实施例提供能够几乎仅在数字领域中操作的笔***，如下文所描述，此意指可采用FPGA或者其它可重新配置或可编程逻辑装置(PLD)来构造几乎整个电路，而无需运算放大器或其它有源外部模拟组件，FPGA或PLD中所包含的驱动器电路除外。用于RC滤波器的外部电阻器及电容器全部均为补充FPGA的数字I/O电路以实现优选实施例中的通道驱动/接收电路所需。这是因为唯一地使用允许数字I/O引脚以类似于模拟传感器驱动器的方式起作用的Σ-Δ转换器组合。一些实施例提供以可编程逻辑或定制ASIC进行的***实施方案及操作。
图24的***框图的其它部分一般来说包含对传入的所感测信号进行滤波的低通滤波器/抽取器块158、***逻辑块160、解调逻辑块162、处理器与存储器逻辑块164及无线电168、电力管理***172及电池***174，本文中进一步描述以上全部。经改进笔电极驱动电路及控制方案的大部分益处来自驱动/接收电路本身的设计及以灵活且可重新配置方式使用所述驱动/接收电路来驱动及接收不同类型的信号。优选地，驱动各种笔电极通道的驱动/接收电路体现于数字装置中，且使用数字I/O驱动器及接收器来驱动及接收信号，但在一些版本中，可与本文中所描述的传信方案一起采用模拟放大器或其它模拟组件。
***框图图24的组件基本上类似于图1以及上文相关联支持图及说明的触摸屏***图的组件。
图25是根据一些实施例的具有通道驱动器方案的多轴笔电极***的简化图式，其中横截面图沿着方向A-A而截取。下文进一步描述本发明的大体优选实施例的组件，且所述组件包含笔尖85、笔尖密封件与前枢轴阻尼缓冲器90、笔尖筒夹枢轴机构(NCPM)与主要收发器电极50、辅助收发器电极52、53、54、55、枢轴点205、后枢轴阻尼缓冲器200、导电区域缓冲器225、连接柔性电路80、压缩缓冲器92、组合件压缩70及通道驱动器420。标记为220的虚线框识别交替压缩与连接实施例通常发生连接方法220的区，下文进一步描述连接方法220。
主要电极50及辅助电极52、53、54、55连接到通道驱动器420，且通道驱动器420连接到笔***430的其余部分。
笔尖85：其是塑料、其它材料或接触书写表面的其它适合设备的小直径柱状件。笔尖在筒夹孔86处通过压缩力被固持到筒夹枢转机构50中。
本发明的一些实施例可使用导电或半导电笔尖。在高分辨率定向与倾斜的情况下，通过使用笔尖导电性实现的经改进信号强度的小益处在一些实施例中可是不必要的。笔尖性质(例如，静摩擦及动摩擦以及非导电笔尖的耐用性)可使非导电笔尖较优选。半导电笔尖将使主要信号较靠近于接收器，且因此经分辨位置点可较接近于预期墨迹位置，但主要电极元件的较大表面积及倾斜互动将使主要电极元件越来越接近于接收表面，此往往将所计算位置拉向如触摸传感器上所感测到的主要‘斑块’的形心。因此，同导电笔尖一样，准确定位仍必需要进行校正调整。
笔尖密封件与前枢轴阻尼缓冲器90：其是柔性弹性体机构，所述柔性弹性体机构优选地环绕笔尖及枢轴机构的前部并用于密封枢轴机构、使枢轴机构居中、对枢轴机构施加反压力，且允许笔尖处的受控向前横向及轴向移动。
所述笔尖密封件与前枢轴阻尼缓冲器由在操作温度范围内保持为柔韧的且在较高压力下不过度变形的弹性体(例如硅)或其它适合材料制成，所述缓冲器的形状可变化以包含与笔尖筒夹区域相对的或多或少体积，或可更改材料的硬度以调整其阻尼及枢轴移动性质。
所述密封件可延伸穿过的敞开笔杆以防止污物填塞在笔尖与笔杆之间，但通常将使用较软材料组合物来使此小区域压缩性质(笔尖与敞开笔杆之间)不支配枢轴横向移动性质。
笔尖筒夹枢轴机构(NCPM)与主要收发器电极50：在一些实施例中，其是允许在前面进行横向及轴向移动及在背侧进行轴向移动的***的机构部分，所述部分利用经适当塑形机构做出的稍微摇摆移动可转换为力、压力，或如果制成为导电的，那么可以静电方式测量机构周围的空间改变。对于将NCPM 50设计为导电的且被适当驱动的实施例，此机构变为主要收发器电极50。
笔尖筒夹枢轴机构可由导电金属、载电塑料或金属化塑料或任何类似耐用导电材料。枢轴机构在尖端处形成有能够接受笔尖柱且通过压缩配合或螺纹而固持笔尖柱的筒夹86类型开口。另一端是枢轴点延伸部或机构。枢轴机构大体通过在笔尖前端沿轴向或横向方向且在枢轴点205处(后端)仅沿轴向方向移动而起作用。
所述机构经大小设定以使其紧密接近于由塑料形成的内部围封笔杆或环绕所述机构的辅助电极(参见图28、27、26及29)。距离经设计为在所有侧上与笔尖处允许的横向移动的约两倍一样大。当将横向力施加到笔尖时，所述机构枢转且所述机构更靠近于内部空间的一侧且更远离相对侧。在巨大轴向或横向施加力的极端情形下，间距应仅改变为原始值的一半。
主要电极与辅助电极之间的间距将改变，且主要电极上传递到辅助电极的信号将改变。所展示的实施例是四个电极辅助***，因此仅轴向力将对全部四个传感器均等地产生板间距改变，且横向力将产生摇摆且将减小到一侧的板间距并增加相对侧处的板间距。
辅助收发器电极52、53、54、55：在一些实施例中，辅助电极在笔装置的笔杆内部均匀地间隔开且用于内部信号及间距测量的一些情形中，且还用于与用户或接收***进行外部信号互动。
与枢轴机构的辅助收发器电极元件互动描述为电容性多电极测量。以下章节中更详细地描述信号互动及外部使用。电极可形成为塑料制品，但为允许笔尖、前枢轴阻尼缓冲器、主要电极枢轴机构、辅助电极、柔性电路、压缩缓冲器及板等的整个组合件(如可在笔装置笔杆中往复运动的组合件)优选地易于组装的设计。
枢轴点205：在一些实施例中，枢轴机构的背部处的枢轴点执行使枢轴机构居中、防止横向移动、控制轴向移动及主要电极的电连接等任务。枢轴机构可经塑形以形成经修圆点或球，或者可由某一其它导电材料形成并***到机构中的孔中且通过轴向压缩而固持。所指向区域将通过导电区域缓冲器225与背板压缩缓冲器92连接到导电柔性电路。
压缩缓冲器92：在一些实施例中，基本上充当阻尼弹簧的经塑形机构执行到柔性电路的辅助电极压缩连接、经由厚度、形状及硬度的枢轴点轴向移动设定、向前力压缩机构的主要任务。
所述压缩缓冲器由在操作温度范围内保持为柔韧的且在较高压力下不过度变形的弹性体(例如硅)或其它适合材料制成，所述缓冲器的形状可变化以包含与笔尖筒夹区域相对的或多或少体积，或可更改材料的硬度以调整其阻尼及枢轴移动性质。
导电区域缓冲器225：其是各向异性硅磁盘，所述各向异性硅磁盘在两个平坦表面之间经由若干小列导电填充物进行导电，从而允许从柔性导体到电极元件的电连接而不具有硬耐磨触点，且还允许枢轴机构在枢轴点处进行的压缩。导电区域可是小的或经大小设定以大体匹配电极与柔性电路在每一侧的配置，而利用较小导电区域可可使对准问题最小化。
连接柔性电路80：在一些实施例中，柔性电路用于将信号从笔***处理板(参见图35、570)传到主要及辅助电极元件。
对于此多元件电容性方案，所需的只是电极元件与驱动器控制机构之间的连接方法。具有与辅助电极对准匹配的电极及枢轴点电极的柔性电路可使柔性电极与另一侧(其抵靠主要电极及辅助电极按压柔性电极)上的压缩缓冲器或硅磁盘(其具有在电极元件之间使用的导电区域及施加到柔性电路的背部的压缩力)直接接触，或与以上两者接触，如(参见图25、26、27)中分别展示。
压缩机构92：在一些实施例中，其是用于固持在***中及保持内部部分之间的预定压缩力70的一般机构。
通道驱动器420(参见图24，152)：在一些实施例中，通道驱动器基本上与如上文所描述的多点触摸***中所使用的通道驱动器30相同，且可使用上文所揭示的各种设计或其变化形式。每一通道能够克服关于触摸***中的Σ-Δ调制的主要问题(例如在对1位模/数进行取样中的滞后)，且能够以每通道多个频率同时进行发射及接收以及通过振幅及相位改变而测量驱动信号的阻抗改变。
通道驱动机构及方法允许任何类型的电容性或电阻感测元件配置或感测方法。可以高分辨率及精确度程度测量AC或DC驱动传感器的阻抗的任何改变。可对任何类型的电极配置(例如滑块、按钮、压力、触摸阵列或接近板)做出自或互电容测量(独立进行或同时进行)。还可进行电阻测量，因此可使用具有电阻元件的下压按钮开关来测量上开关的压力。以介于几百千赫范围内的频率进行近场或无线电数据发射是可能的并且促成利用当前反馈测量对I/O进行调制。
供与笔***一起使用的目前优选通道驱动器是图10中所展示的2引脚布置。
图26是根据一些实施例的多轴笔电极***的横截面图。图26与前图(图25)的基本上类似之处在于：所述多轴笔电极***使用用于确定施加到笔尖的轴向及横向力的四电极静电内部测量***。
图26与图25的不同之处大体为：a)图26展示NCPM 60及辅助电极65的轴向(沿笔杆向下)视图；及b)以下在枢轴尖端处的连接方案方法的差异。
枢轴尖端的所指向区域通过导电缓冲器105连接到导电柔性电路而不需要背板压缩缓冲器，导电缓冲器自身利用导电区域后面的柔性连接而处置压缩及连接。导电缓冲器105及非导电缓冲器93区域形成将四个辅助电极(在此图式中，其被分组且称作断环状电极65)连接到***的导电区域缓冲器。
此图式的编号方案遵循图25的编号方案，以上连接改变除外(笔尖85、前枢轴阻尼缓冲器90、笔尖筒夹枢轴机构与主要收发器电极60、断环状电极65、电介质间隙110、连接柔性电路80及柔性尾部95、压缩力70及笔主体75)。如可见，类似于图25的版本，主要电极元件从前往后纵向地成锥形，且其中辅助电极经布置使得电介质间隙110在枢转笔尖筒夹机构60不处于经枢转状况时沿着纵向方向为大体均匀的。
图27是根据一些实施例的多轴笔电极***的图式。图27基本上类似于前图(图26)，但其使用五电极静电内部测量***。在五电极辅助***的情形中，仅轴向力将不改变到四个辅助传感器的间距，而第五扁平背部传感器(Z元件63)间距将减小，且横向力将产生摇摆且将减小到一侧的板间距并增加相对侧处的板间距，而第五背部传感器将在一侧具有相等增加量且在另一侧具有相等减小量，因此横向力将抵消。
图26与图25的不同之处大体为：a)所指向区域被导电缓冲器元件100替换，b)非导电缓冲器92直接抵靠断环状电极62、Z电极63及导电缓冲器100而按压连接柔性电路80。
此图式的编号方案遵循图25的编号方案，以上连接及第五元件改变除外(笔尖85、前枢轴阻尼缓冲器90、笔尖筒夹枢轴机构与主要收发器电极60、电介质间隙110、连接柔性电路80及柔性尾部95、压缩力70及笔主体75)。
图28展示使用力传感器140作为柔性电路的一部分的实施例。所述配置是基本上不同的且将笔尖筒夹枢轴机构与断环组合件58展示为单片式组合件，其中主要电极60及辅助电极62一起移动且被固态电介质115分开。
压力传感器柔性电路140：在一些实施例中，柔性电路用于将信号从处理板传到主要及辅助电极元件、含有作为柔性电路的一部分的力传感器节点142(参考图39)。
对于此多轴力传感器方案，柔性电路是传感器，但可仍需要到主要电极及一或多个辅助电极的电极连接。在一侧具有传感器元件且在背部具有电极连接元件的多边柔性电路取决于堆叠定向可与含有导电区域的硅或非导电硅一起使用。
多元件压力方案的信号互动及与接收***的互动：在一些实施例中，当使用压力传感器时，外部互动就接收***互动来说基本上与先前说明相同，但因力的改变而相对静电板距离改变对传感器的阻抗做出测量。
在压力传感器的情形中，机构的背部相对传感器板将是大体平坦的，且机构将压入枢轴点及/或在枢轴点处摇摆，从而将力转移到传感器。仅轴向力将均等地将力施加到全部四个传感器。横向力将产生摇摆且将把力加到一侧以减小相对侧处的力。
此图式的编号方案遵循的图25的编号方案，以上改变除外(笔尖85、前枢轴阻尼缓冲器90、笔尖筒夹枢轴机构与主要收发器电极60、电介质间隙110、压缩力70及笔主体75)。
图29展示使用构建到柔性尾部中的力模块130的实施例，且所述图式展示退出到外部***的柔性尾部95。笔尖筒夹枢轴机构60在枢轴点区处附接到力模块130，且非导体缓冲器92用于保持抵靠前枢轴阻尼缓冲器90的***上的压缩力70。所展示的单个辅助电极是连续环状电极120,但优选替代实施例可使用在与外部触摸***互动时与以上多电极***(参见，图25、26、27)具有相同优点的四电极断环状电极配置。在应力模块的情形中，机构将附接到所述模块，且轴向力及横向力移动以及枢转移动基本上将如上文所提及。所述机构的背部处的压力及居中通过所述模块而处置。
力模块柔性电路130：在一些实施例中，柔性电路用于将信号从处理板传到主要及辅助元件、还含有可位于柔性尾部处的模块化封装中的应力传感器。
多元件应变方案的信号互动及与接收***互动：在一些实施例中，当使用应变传感器时，外部互动就接收***互动来说基本上与先前说明相同，但因力的改变而相对静电板距离改变对传感器的阻抗做出测量。
此图式的编号方案遵循图25的编号方案，以上改变除外(笔尖85、前枢轴阻尼缓冲器90、笔尖筒夹枢轴机构与主要收发器电极60、电介质间隙110、压缩力70及笔主体75)。
图30是展示在同时发射及接收静电电容性电极信号的情况下笔信号的连续时间线的时序图。针对四元件辅助电极断环配置(参见，图25、26及31)展示主要及辅助电极时序。所述图式展示在使用具有如本文中所描述的触摸传感器***的笔时可接收的f1及f2互传感器信号及自传感器信号。
图31展示根据一些实施例的四元件静电电极***的图式。展示框400处的内部力与倾斜信号测量及框410处的外部信号测量的所定义区带。笔***430控制通道驱动器420，其中每一通道驱动器500连接到主要电极50或辅助电极52、53、54、55。接收***由笔启用触摸***(位置***)450及触摸屏(位置传感器)440组成，所述触摸屏可根据本文中所描述的单点或多点触摸***或者其它适合触摸***设计而构造。
多元件静电方案的信号互动及与接收***互动：现在提供图31的实例性笔***在笔内部与外部进行的优选信号互动的说明。
可用具有抖动的小高频率信号驱动笔中的全部或一些电极。此信号是与多点触摸***上的自电容信号相同类型的信号，且以相同方式起作用以影响可测量的连续自电容信号，而且不管是30mV的模拟比较器输入还是150mV的数字输入，此信号均是用以克服通道驱动器的内部滞后的主要机制。此信号可用于测量与其它表面的接近或用户触摸。
内部力与倾斜信号测量400：
主要电极50用较低频率大振幅信号驱动，所述信号还跨越主要电极50与辅助电极52、53、54、55之间的小内部空气间隙而耦合。当枢轴机构经历轴向或横向力时，所述机构将进一步压入笔中，且此将利用横向力均匀地减小全部电容性间距间隙及/或减小摇摆。电容的改变使主要电极与辅助电极之间的经耦合能量改变，所述经耦合能量被测量且分辨为压力、倾斜及笔杆旋转。这些互动是在笔机构内部进行的。
外部信号测量410：
主要枢转电极50用较低频率大振幅信号驱动，所述信号充当到接收***的主要笔信号。接收***测量多个行及列上的此信号且使用此数据来分辨主要电极位置。
辅助电极52、53、54、55也同时用单个或多个交替高振幅信号驱动，所述信号与接收***互动，从而允许接收***测量并分辨定向、倾斜及旋转。图式(图32)展示用等同频率信号或四个单独频率信号驱动辅助环状电极之间的不同分辨率能力。
主要电极或辅助电极针对其其它功能还可从触摸***同时接收信号(例如自、互或所发射数据信号)，所述信号预期为相当小的且处于不同频率。
主要电极或辅助电极针对其其它功能还可同时将信号发射到触摸***。所发射数据信号在不同频率上应为大的，且因此在同时使用其它大振幅发射频率的情况下可使驱动器通道饱和。经由无线电发射数据或在辅助电极上与正常辅助发射信号交错地发射数据可是优选的。由于连续信号操作的本质及益处，因此以一半可能振幅驱动信号(在其将共享通道时)以防止驱动器通道的电压饱和可是优选的。
在一些例子中，测量从触摸屏***发出的自信号可是合意的。行及列可以不同自频率驱动以使得笔能够通过计算辅助电极上的所接收信号以及所述信号之间的平衡而测量笔杆相对行及列的初步定向。
图32是展示使用具有处于不同笔倾斜角度的不同电极环状配置的发明可实现的分辨率的信号图。展示用单频率信号驱动单个或多个辅助环状电极(环解决方案)或用四个单独频率信号驱动多个电极(断环解决方案)之间的不同分辨率能力。
图33是展示处于不同笔角度时针对本发明的各种实施例的力分布及计算的图式。
图34是展示处于不同笔角度时针对本发明的各种实施例的力分布及计算的图式。图33及34的最终图式展示在笔主体越过所述边缘被固持时放置在表面边缘处的笔尖尖端。
图35是根据本发明的一些实施例的展示经分解笔组合件的等距图。笔组合件505拆开为一般组件及区域，例如笔电极组合件510、交替电极组合件530、电源550、电力管理群组580、控制FPGA或ASIC 560、电路板570及交替输入电极组合件540。
图36是图35的经分解笔组合件的***框图。笔***框图500具有笔电极组合件510、交替电极组合件530、电源550、电力管理群组580、控制FPGA或ASIC 560、交替输入电极组合件540及无线电发射590。如可见，交替电极组合件530可包含还可用本文中在各种版本中所描述的驱动/接收电路30驱动及感测的控制按钮、滑块或开关。
图37是展示具有处于不同笔倾斜角度的不同电极环状配置的现有技术笔与触摸屏***的分辨率的信号图。
图38是展示处于不同笔倾斜角度时当前发明对照现有技术的相对分辨率能力的信号图。此及其它类似图式中的图表上所展示的量值一般是指在感测所列测量时可实现的信号强度。
不需要接收***的动作：在一些实施例中，利用启用无线电的装置，出于简单相对运动控制目的避开触摸屏***的操作是可能的。
根据各种实施例可提供可具有多个多轴笔电极***的笔***，其中一个多轴笔电极***或全部多轴笔电极***支持使用无线电来将压力、倾斜及笔杆旋转发射到计算机***的交替输入功能，所述计算机***可为针对光标移动或按钮功能的相对模式而驱动的拇指、手指或静物目标(作为实例，桌面)。确定触摸屏的存在可用作激活各种交替输入功能的方法，例如擦除器或光标移动功能。接着，接收***驱动器对倾斜进行定向，且适当地，基于倾斜的强度将相对鼠标移动发送到***。举例来说，以此方式采取的压力测量可由接收***驱动器进行解译以激活鼠标点击或其它光标功能。
具有使用无线电来发射压力、倾斜及笔杆旋转的单个多轴笔电极***的笔***可充当如上所述的相对指向装置，或者如果尖端移动可受到阻碍，例如在粗糙尖端上、在非光滑尖端上或甚至将尖端放置到草皮中，那么笔可充当相对鼠标替换。
结论、衍生物及范围
根据本发明的压力测量电路提供一种用于通过实现在现有技术的基础上改进的压力、笔杆旋转及倾斜数据而增强静电笔的可用性及特征集的设备及方法。经改进信令以及通道驱动及感测方案(特别是在结合本文中的触摸传感器***的情况下)增强了笔控能力。
虽然所描述实施例提供压力、倾斜及旋转信息，但并非所有实施例均将提供压力、倾斜及旋转信息，这是因为一些信息在一些应用中可是不需要的。
虽然展示及描述本发明的一些实施例，但应清楚地理解，本发明不限于此而是可以各种方式体现。依据前述说明，将明了，在不背离如权利要求书所定义的本发明的精神及范围的情况下做出各种改变。
因此，本发明的范围不应由所图解说明的实施例确定。
本文中描述多个个别本发明。本发明可单独地或以组合方式取得专利权。本文中所描述的特征的组合不应解释为限制性的，且本文中的特征可根据本发明以任何工作组合或子组合方式使用。因此，此说明应解释为给本文中的特征的任何工作组合或子组合提供书写支持。上文所描述的各种信令及信号处理功能可以硬件或软件实施。
如所属领域的技术人员依据本发明的揭示内容将易于了解，可根据本发明来利用目前存在或后期将开发的执行与本文中所描述的对应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的过程、机器、制品、物质组成、方式、方法或步骤。因此，所附权利要求书打算在其范围内包含此类过程、机器、制品、物质组成、方式、方法或步骤。

Claims (29)

1.一种具有压敏尖端机构的电子笔设备，所述笔包括：
枢转笔尖筒夹机构，其包含主要电极元件、对笔尖进行固持且经布置以在由多个辅助电极围封形成的空间内弹性地枢转；
所述辅助电极，其围绕所述主要电极布置在不同位置处，使得在每一相应辅助电极与所述主要电极之间形成间隙；
第一驱动/接收电路，其电连接到所述主要电极且经配置以将主要模拟电极信号驱动到所述主要电极上；及
第二相应驱动/接收电路，其连接到相应辅助电极、各自经配置以发射辅助模拟电极信号且同时感测跨越所述间隙而耦合的所述主要模拟电极信号。
2.根据权利要求1所述的电子笔，其中所述第二驱动/接收电路各自经配置以在所述辅助电极中的每一者上发射不同辅助模拟传感器信号。
3.根据权利要求2所述的电子笔，其中所述不同辅助模拟传感器信号各自包括不同于其它辅助模拟传感器信号的频率。
4.根据权利要求1所述的电子笔，其进一步包括后弹性缓冲器，所述后弹性缓冲器接纳所述枢转笔尖筒夹机构的后端、经构造以弹性地变形从而允许所述枢转笔尖筒夹机构进行受限轴向移动。
5.根据权利要求1所述的电子笔，其进一步包括处理电路，所述处理电路可操作地耦合到所述第一驱动接收电路及所述第二驱动接收电路，且可操作以通过感测及辨识所述主要电极与所述辅助电极之间的所述间隙的改变而感测所述笔尖上的总接触压力。
6.根据权利要求1所述的电子笔，其中所述主要电极元件从前往后成锥形，且其中所述辅助电极经布置使得所述间隙在所述枢转笔尖筒夹机构不处于经枢转状况时是大体均匀的。
7.根据权利要求1所述的电子笔，其中所述第一驱动/接收电路还可操作以与驱动第一模拟电极信号同时地感测从外部触摸屏或垫耦合到所述主要电极中的外部信号。
8.根据权利要求1所述的电子笔，其进一步包括外部触摸传感器，所述外部触摸传感器包含触摸传感器阵列及耦合到所述触摸传感器阵列的相应行及列的多个行及列驱动/接收电路，所述行及列驱动/接收电路可操作以同时感测所述触摸传感器阵列上的触摸传感器模拟传感器信号与从所述笔耦合到所述触摸传感器的所述主要模拟电极信号。
9.根据权利要求8所述的电子笔，其中所述行及列驱动接收电路进一步可操作以同时感测从所述笔耦合到所述触摸传感器的所述辅助模拟电极信号。
10.根据权利要求8所述的电子笔，其中所述外部触摸传感器的所述行及列驱动/接收电路进一步包括：
电压跟随Σ-ΔA/D转换器，其与具有Σ-Δ输出滤波器的Σ-ΔD/A转换器组合以用于驱动行或列电极，所述电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二比较器输入上的虚拟信号节点处产生反馈输出而跟随第一参考比较器输入上的参考信号，所述Σ-Δ输出滤波器还连接到所述虚拟信号节点；及
驱动信号产生电路，其耦合到所述驱动/接收电路的所述参考比较器输入、可操作以产生处于一或多个第一频率的互模拟传感器信号；且
其中所述驱动/接收电路可以第一模式操作以将互信号驱动到所述电极，且可以第二模式操作以从所述电极感测所述互信号，且所述驱动信号产生电路进一步可以两种模式操作以同时感测处于不同于所述第一频率的一或多个笔频率的所述主要模拟电极信号。
11.根据权利要求1所述的电子笔，其中所述笔的所述第一驱动接收电路及所述第二驱动接收电路各自包括：
电压跟随Σ-ΔA/D转换器，其与具有Σ-Δ输出滤波器的Σ-ΔD/A转换器组合以用于驱动其相应电极，所述电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二比较器输入上的虚拟信号节点处产生反馈输出而跟随第一参考比较器输入上的参考信号，所述Σ-Δ输出滤波器还连接到所述虚拟信号节点；及
驱动信号产生电路，其耦合到每一驱动/接收电路的所述参考比较器输入、可操作以针对所述第一驱动接收电路产生处于一或多个笔频率的所述主要模拟电极信号且针对所述辅助电极中的每一者产生处于一或多个不同笔频率的所述辅助模拟信号。
12.根据权利要求1所述的电子笔，其进一步包括前弹性缓冲器，所述前弹性缓冲器固持所述枢转笔尖筒夹机构的前端且经构造以弹性地变形从而允许所述枢转笔尖筒夹机构进行受限枢转及轴向移动。
13.一种感测电子笔尖端的属性的方法，所述方法包括：
(a)用主要模拟电极信号驱动连接到从所述笔尖端突出的笔尖的主要笔电极；
(b)允许所述主要笔电极相对于围绕所述主要笔电极的圆周布置在不同位置处的多个辅助笔电极弹性地枢转；
(c)与(a)同时地感测所述辅助笔电极中的每一者上的所述主要模拟电极信号；
(d)解译所述辅助电极上的所述所感测主要模拟电极信号的信号电平以估计所述笔尖的枢转角度；
(e)解译所述辅助电极上的所述所感测主要模拟电极信号的信号电平以估计所述笔尖的枢转方向。
14.根据权利要求13所述的方法，与(a)同时地通过感测触摸传感器的至少一个行电极及至少一个列电极上的所述主要模拟电极信号而感测所述电子笔尖端在所述触摸传感器上的位置。
15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：与(a)同时地针对每一辅助电极用不同辅助模拟电极信号驱动所述多个辅助笔电极；
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：与(a)同时地通过感测所述触摸传感器上的所述辅助模拟电极信号中的一或多者而感测所述电子笔尖端相对于所述触摸传感器的定向。
17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：与(a)同时地通过感测所述触摸传感器上的所述辅助模拟电极信号中的两者或两者以上的量值的改变而随时间感测所述笔尖端相对于触摸屏的笔杆旋转。
18.根据权利要求15所述的方法，其中存在分别用处于至少四个不同频率的辅助模拟电极信号驱动的至少四个辅助笔电极。
19.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：与(a)同时地通过感测并辨识所述主要笔电极与所述相应辅助笔电极之间的相应间隙的改变而测量所述笔尖上的总接触压力。
20.根据权利要求13所述的方法，与(a)同时地感测从外部触摸传感器或垫耦合到所述主要电极中的外部模拟信号。
21.一种用于同时测量触摸传感器上的触摸及笔输入的笔与触摸屏***，所述***包括：
多个驱动/接收电路，其各自适于耦合到所述触摸传感器的单个行电极或列电极，每一驱动/接收电路可操作以便以至少一或多个触摸传感器频率将至少一个触摸传感器模拟信号驱动到其相应电极，且进一步可操作以同时感测以不同于所述触摸传感器频率的一或多个笔频率耦合到所述相应电极中的笔主要模拟电极信号；
电子笔，其包括：
枢转笔尖筒夹机构，其包含主要电极元件、对笔尖进行固持且经布置以在由多个辅助电极围封形成的空间内弹性地枢转；
所述辅助电极，其围绕所述主要电极的圆周布置在不同位置处，使得在每一相应辅助电极与所述主要电极之间形成间隙；
第一笔驱动/接收电路，其电连接到所述主要电极且经配置以将所述笔主要模拟电极信号驱动到所述主要电极上；及
第二相应笔驱动/接收电路，其连接到相应辅助电极、各自经配置以发射辅助模拟电极信号且同时感测跨越所述间隙而耦合的所述笔主要模拟电极信号。
22.根据权利要求21所述的***，其进一步包括耦合到所述多个驱动接收电路的触摸传感器。
23.根据权利要求22所述的***，其进一步包括装纳所述触摸传感器的电子装置。
24.根据权利要求21所述的***，其中所述笔进一步包括处理电路，所述处理电路可操作地耦合到所述第一驱动接收电路及所述第二驱动接收电路，且可操作以通过感测并辨识所述主要电极与所述辅助电极之间的所述间隙的改变而感测所述笔尖上的总接触压力。
25.根据权利要求21所述的***，其中所述多个驱动/接收电路中的每一者可以第一模式操作以便以所述触摸传感器频率中的一或多个第一频率将互模拟传感器信号驱动到其相应电极，且可以第二模式操作以从所述电极感测所述互模拟传感器信号，且驱动信号产生电路进一步可以所述第一模式及所述第二模式两者操作以同时感测处于不同于所述第一频率的一或多个笔频率的所述笔主要模拟电极信号。
26.根据权利要求25所述的电路，其中所述多个驱动/接收电路中的每一者进一步可以所述第一模式操作以同时产生处于所述触摸传感器频率中不同于所述第一频率的一或多个第二频率的自模拟传感器信号且同时感测所述自模拟传感器信号。
27.根据权利要求25所述的电路，其中所述多个驱动/接收电路中的每一者进一步可以所述第二模式操作以同时产生处于所述触摸传感器频率中不同于所述第一频率的第二频率的自模拟传感器信号且同时感测所述自模拟传感器信号。
28.根据权利要求21所述的***，其中所述多个驱动/接收电路中的每一者进一步包括电压跟随Σ-ΔA/D转换器，所述电压跟随Σ-ΔA/D转换器与具有Σ-Δ输出滤波器的Σ-ΔD/A转换器组合以用于驱动所述行或列电极，所述电压跟随A/D转换器经连接以通过在第二比较器输入上的虚拟信号节点处产生反馈输出而跟随第一参考比较器输入上的参考信号，所述Σ-Δ输出滤波器还连接到所述虚拟信号节点；所述多个驱动/接收电路中的每一者进一步包括驱动信号产生电路，所述驱动信号产生电路耦合到所述驱动/接收电路的所述参考比较器输入、可操作以产生处于一或多个第一频率的互模拟传感器信号。
29.根据权利要求21所述的***，其进一步包括相应数字滤波器电路与解调电路，所述数字滤波器电路与解调电路耦合到所述多个驱动/接收电路中的相应驱动/接收电路且可操作以使所述所同时感测笔模拟传感器信号与处于触摸传感器频率的相应信号分离并对所述所同时感测笔模拟传感器信号进行滤波。
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