TW200949632A - A trigger-threshold adaptable and auto-adjustable capacitive induction-type keying device - Google Patents

Description

200949632 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 〇 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 材質隨時間的衰損、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 200949632 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。 ❿ 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。 200949632 【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 "電容感應式按鍵裝置"）的應用方式。如圖所示，本發明之電容感 應式按鍵裝置1〇〇於實際應用上係整合至一電子裝置ίο，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 Ο 為該電子裝置ίο的輸入設備。 第2圖即顯示本發明之電容感應式按鍵裝置100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20時，回應地自動產生一觸發門檻 值401，並依據此觸發門檻值401來產生一按鍵觸發信號(TR) 402 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圖所示，於實體架構上，本發明之電容感應式按鍵裝 Ο 置1〇0至少包含:(A)一電容感應式按鍵電路模組1〇1;(Β) —按鍵觸 動模式/(貞測模組110 ; (C)—微分處理模組12〇 ; (d)一負斜率備測 模組130 , (E) —觸發門捏值設定模組[々ο ;以及(ρ)一觸發信號產 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。 電谷感應式按鍵電路模組101例如為一如第4圖所示之弛張 振盪器（relaxation oscillator，R0)架構之電容感應式按鍵裝置。由 於弛張振i器為電子業界所習用及熟知之__種電子電路因此於 本說明書巾將不對其㈣架構及運作方式作進—步詳細之說明。 如第4圖所示，此弛張減型之電容感應式按鍵電路模組ι〇ι於 -7- 200949632 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 $ro(其波形如第 5A 圖所示）和一 RC (resistance-capacitance)型 之電容感應輸出信號(其波形如第5B圖所示）。此電容感應輸 出信號SroASrc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1〇2的按壓電容值。 按鍵觸動模式偵測模組110可操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(^⑽或知^來產生一按鍵 © 觸動回應波形信號Fpress(其波形如第6圖所示）。此按鍵觸動回應 波开>彳§號Fpress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Fpress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一初始之 靜止狀態（即放置於按鍵20上但未用力按下）、一起始之加速狀態 (即開始向下施力來觸壓按鍵20)、一完全按下時之暫停狀態（即按 〇 鍵2〇被完全按壓至最大位移的狀態）、以及一手指釋放狀態。因 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2〇1 (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一波谷區段 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完 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:(B1) -8- 200949632 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。

❹ 電容感應信號擷取單元111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信號（可為知〇或<SRC)。信號取樣 單元112可對電容感應信號擷取單元111所擷取到之電容感應輸 出信號（<SRO或^c)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來濾除其雜訊而獲得一低 雜訊之按鍵觸動回應波形信號Fpress，再接著將此低雜訊之按鍵觸 動回應波形信號Kpress傳送至微分處理模組120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 信號Kpress提供一微分處理作用而產生一微分輸出信號。if。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 回應波形信號。的下降邊緣2〇1而產生一波峰部3〇1、相應於 其波谷區段202而產生-平坦部3〇2、以及相應於其上升邊緣加 而產生一波谷部303。 於具體實施上，此微分處理模組⑶例如可採卜高通濟波 器來實現A亦可為其錢型之微分處理電路。 〜 =侦測模組13〇可接收上述之微分處理模 之微分輸出信號Fdif，並對該微分輪 】出 功能來_其振幅變化的最大值‘提供—負斜率俄測 示，此振幅變化最大〜P出現示為‘)。如第6圖所 印現於微分輸出信號Fdif中的負斜 -9« 200949632 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 變化亦為為負。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來求得其對應之電容值Cmin，再接 著依據此電容值Cmin來設定一對應之觸發門檻值Cth。 〇 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Crated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 φ 全按下按鍵20時會致使其電容值降為60 pf，則其振幅變化最大 值Lax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^^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知〇;亦即若電容感 200949632 應輸出信號Sro所代表之壓縮電容值cpressed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)4Q2 ;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 —對應之按鍵觸發信號(TR)402，代表對應之按鍵2〇被按下。此 按鍵觸發信號⑽術即可令電子裝置1G產生對應之鍵碼而完成 一個鍵碼的輸入動作。 Ο Ο 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。 當使用者以手指3G壓下-按鍵2G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—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ι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關始減小）、其 波谷區段加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ιι〇 :產生之按鍵觸動回應波形信號“提供—微分處理作用而產生 鍵St號Kdif;其中該微分輸出信號^的波形係相應該按 ^應其波谷區段加而產生-平坦部如、以及相應 2〇3而產生一波谷部3〇3。 、上升邊緣 再接著由負斜率债測模組⑽對上述之微分處理棋級 信號^提供一負斜率•力能，藉，：: 最大值(以下表示為。)。如“圖所示，此振 咖即出現於微分輸出信號^中的負斜率部*，即振 •11_ 200949632 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。 接著由觸發門檻值設定模組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 定一對應之觸發門檻值cth。 此後，觸發信號產生模組150即可受控於上述之觸發門檻值 設定模組140所設定之觸發門檻值Cth來處理按鍵20被觸壓後所 〇 產生之電容感應輸出信號Sro ;亦即若Sr〇所對應之壓縮電容值 cpressed高於觸發門檻值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2〇被按下。 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 © 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-適當之觸發門檻值，使得電容感應式 按鍵裝置的應用無淪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®。本發明之實質技術内容係廣義地定義 於下述之14專彳1m®巾。若任何他人所完成之技術實體或方法 與下述之申請專利範圍所定義者為完全㈣、或是為—種等效之 變更，均將被視為涵蓋於本發明之申請專利範圍之中。 -12- 200949632 【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’用以圖解本發明的輪入輸出功能模 型； 第3圖為一架構示意圖，用以圖解本發明的基本架構； 圖為架構示意圖，用以顯示本發明所採用之弛張振盡 型電谷感應裝置的内部電路架構； 第 圓為彳3號波形圖，用以顯示本發明所處理之弛張振 ❹盪型電容感應輸出信號〇SRO)的波形； 第B圖為彳5號波形圖，用以顯不本發明所處理之rc式電 各感應輸出信號(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（rdif)、、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3〇 ;本發明之觸發門檻值可 〇 適應性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 ;信號取樣單兀II2 ;低通濾波單元113;微分處理模組12〇 ; 負斜率债測模組130;觸發門檻值設定模組14〇 •，觸發信號產生模 組150 ; V⑽的下降邊緣201 ;心ress的波谷區段2〇2 ;心咖 的上升邊緣203; Fdif的波峰部3()1; ^的平坦部3()2; ^ 的波谷區段303 ;觸發門播值4〇ι ;按鍵觸發信號(tr) 4〇2。 •13-

Claims (1)

1. 200949632 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； 〇 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、 φ 相應其波谷區段而產生一平坦部、以及相應其上升邊緣而產生一 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 Ο ❹ 200949632 設定之觸發門檻值來於虛 應輸出信號；其方式為該按鍵受外力觸壓時所產生之電容感 值高於該觸發㈣值μ電容感應輸出信號所對應之>1縮電容 觸發門檻值’則發出 ^出按簡發信號’·反之，若低於該 2. 如申__^_發信鏡。 整式電容錢式按鍵裝置，销之觸發門檻值可適應性自動調 弛張振盪型電容感應裝置。其巾該電容感應式按鍵電路模組為- 3. 如申請專利範固第 整式電容感應式按鍵裝置，销述之觸發門檻值可適應性 自動調 之由該電容感應式按鍵其中該按鍵觸動模式制模組所類取 RC型之電容感應輸出信號。機組所產生之電容感應輸出信號為- 4. 如申請專利範圍第 整式電容感應式按鍵裝置料之觸發門錄可適應性自動調 之由琴電容感m从’其中該按鍵觸動模式偵測模組所操取 之宙琢％谷歇應式按鍵雷 RO 、，所產生之電容感應輸出信號為一 RO他張減狀電容麵輪出信號。 項所述之觸發 整式電容感應式按鍵裝置， 衣罝，其中該按鍵觸動模式偵測模组 低通濾波器，用以對其所產生電 訊之低通纽功能。 L感應輸出㈣提供-渡除雜 6.如申請專利範圍第J 整式電容感應式按鍵裝置， 波器來實現。 項所述之觸發門檻值可適應性自動調 其中該微分處理模組係採用一高通濾 -15-