TWI411789B

TWI411789B - 電容式觸控元件

Info

Publication number: TWI411789B
Application number: TW98136278A
Authority: TW
Inventors: Kun Hua Tsai; Kai Lan Chuang
Original assignee: Himax Tech Ltd
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2013-10-11
Also published as: TW201115156A

Description

電容式觸控元件

本發明係有關於一觸碰式面板，尤指應用一積分器之一電容式觸控元件。

在多樣化的電子產品中，觸碰式面板提供了使用者簡便而又容易操作的介面。傳統的觸碰式面板多以電容搭配運算放大器來實現。請參照第1圖，第1圖為習知電容式觸控元件100的示意圖。電容式觸控元件100包含有一電流源I、一電容C₁ 、運算放大器110、一開關120以及一控制模組130。在一般情況之下，電流源I會不斷地對電容C₁ 充電以形成一輸入電壓V_X ，而同時運算放大器110輸出端的一輸出電壓V_out 經開關120回授到運算放大器110的一第一輸入端(-)而使得輸入電壓V_X 等於輸出電壓V_out ，當輸入電壓V_X 超過運算放大器110的一第二輸入端(+)之輸入電壓V_BG 時，開關120會斷開運算放大器110的第一輸入端(-)與輸出端的連接，而將第一輸入端(-)接地以重置輸入電壓V_X 。在輸入電壓V_X 被重置之後，開關120會連接運算放大器110的第一輸入端(-)與輸出端，而電流源I再次對電容C₁ 充電，並重覆上述步驟。也就是說，輸入電壓V_X 會以一固定的斜率()上昇，直到其等於輸入電壓V_BG ，之後便重置輸入電壓V_X 為零，重覆上述步驟以形成一週期性的三角波，而輸出電壓V_OUT 會一直追蹤著輸入電壓V_X 的數值。之後，運算放大器110再將輸出電壓V_OUT 傳送給控制模組130以決定是否達到一觸碰事件產生之條件。

請配合第1圖來參照第2圖，第2圖為當一觸碰事件發生時，習知電容式觸控元件100內運算放大器110的第一輸入端(-)所見的電容值變化示意圖。當該觸碰事件發生時，一物體(例如：使用者的手指)接觸到面板而形成一寄生電容C_f ，此時電流源I再對電容C₁ 加上寄生電容C_f 充電，使輸入電壓V_X 以另一固定而較原先低的斜率()上昇，直到等於輸入電壓V_BG ，之後重置為零，重覆上述步驟以形成另一週期較長的三角波。請參照第3圖，在沒有觸碰事件發生時，輸入電壓V_X 會以()的斜率形成一三角波，而在有觸碰事件時，輸入電壓V_X 則會以()的斜率形成一週期較長的三角波，控制模組130會根據不同週期的三角波來判斷觸碰事件是否發生，例如在一預定時間內計算該三角波的個數或是計算產生該三角波一預定個數之週期所需要的時間。

由上述說明可知，於判斷觸碰事件是否發生時，習知電容式觸控元件100需要一段時間等待多個三角波週期的產生，因此需要較長的反應時間，且電容C₁ 在實作上需要較大的面積，往往造成製作成本的增加。再者，於實作上，一個面板需要使用到多個感測元件，而每個感測元件之間無可避免地會因印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)的線路以及電路中輸入/輸出墊(Input/Output pad)所形成的雜散電容而造成觸碰事件判定時的誤差以及各個感測元件間的干擾(crosstalk)。請參照第4圖，其為習知電容式觸控面板的部分電路示意圖。第4圖中僅顯示出6個習知電容式觸控元件100a～100e，其結構與運作如同第1圖所示之電容式觸控元件100，故於此不另贅述。當觸碰點在節點A時，習知電容式觸控元件100a會因為所見到的雜散電容會與當觸碰點在節點B時的不同，因此即使兩者同在習知電容式觸控元件100a所處理的一感測軸X₁ 上，在最後輸出的觸碰點判斷結果上也會略有不同，而當面板的面積愈大，感測軸也會愈長，進而導致不同觸碰點所得出的判斷結果的岐異處愈發嚴重，影響觸控元件的偵測判定。

因此，本發明的目的之一係在於提供一電容式觸控元件以提高觸碰事件判定的正確性以及速度，並克服雜散電容對觸碰事件判定的影響。

依據本明之一實施例，其提供了一種電容式觸控元件，包含有：一可變電容、一積分器以及一偵測器。該可變電容依據該電容式觸控元件上的一觸碰事件(touch event)而改變其電容值。該積分器耦接於該可變電容與一參考訊號，用以依據該可變電容之電容值與該參考訊號來產生一輸出訊號。該偵測器耦接於該積分器，用以接收該輸出訊號並依據該輸出訊號來產生一觸碰事件偵測結果。

依據本發明之另一實施例，其提供了一種電容式觸控元件，包含有：一訊號檢測器以及一斜率偵測器。該訊號檢測器依據該電容式觸控元件上的一觸碰事件來產生一輸出訊號。該斜率偵測器則耦接於該訊號檢測器，用以依據該輸出訊號之一斜率以產生一觸碰事件偵測結果。

請參照第5圖，其為本發明電容式觸控元件之一實施例的示意圖。電容式觸控元件500包含有(但不限於)一可變電容C_R 、一積分器510以及一偵測器520。可變電容C_R 表示積分器510在一輸入端所見到的等效電容，包含印刷電路板的線路寄生電容、電路中輸入/輸出墊所形成的雜散電容等等。當電容式觸控元件500發生觸碰事件時，可變電容C_R 會依據該觸碰事件而改變其電容值，舉例來說，當一物體(例如：使用者的手指)接觸到面板而形成一寄生電容C_f ，會使輸入端所見到的等效容值增加。積分器510則耦接於可變電容C_R 與一週期性的參考訊號V_REF ，用以依據可變電容C_R 之電容值與參考訊號V_REF 來產生一輸出訊號V_OUT ’。偵測器520則耦接於積分器510而接收輸出訊號V_OUT ^’ ，並依據所接收的輸出訊號V_OUT ’來產生一觸碰事件偵測結果TR。在本實施例中，參考訊號V_REF 係為一週期性的方波，用來驅動積分器510，此外，積分器510包含有一運算放大器5101與一回授電容C_fb ，運算放大器5101具有一第一輸入端(-)耦接於可變電容C_R 以及一第二輸入端(+)耦接於參考訊號V_REF ，並於一輸出端V_OUT產生輸出訊號V_OUT ’給偵測器520，而回授電容C_fb 則耦接於第一輸入端(-)與輸出端V_OUT之間，將輸出訊號V_OUT ’回授給運算放大器5101的第一輸入端(-)。積分器510之運作可藉由下列等式來說明：

I ₁ *dT =I ₂ *dT =C _fb *(V _OUT _' -V _- )=(C _f +C _R )*(V _- )　(1)

其中I₁ 為流經可變電容C_R 以及寄生電容C_f 的電流，而I2為流經回授電容C_fb 的電流，由於運算放大器5101為一理想運算放大器，第一輸入端(-)不會有任何電流通過，因此I₁ =I₂ 。在一預定時間dT內，電流I₁ 對可變電容C_R 以及寄生電容C_f 所充電的電荷量為(C_f +C_R )*(V_- )，而電流I₁ 對回授電容C_fb 所充電的電荷量為C_fb *(V_OUT’ -V_- )。由上述的等式(1)可得到另一等式(2)：

並藉由等式(2)來進一步得到一等式(3)：

在等式(3)中，代表了輸出訊號V_OUT ’在時間軸上的斜率。

因此，在沒有觸碰事件發生時，C_f =0，故V_OUT ’會以一較小的斜率而上昇；而在有觸碰事件發生時，V_OUT ’則以一較大的斜率上昇。相較於在先前技術中，第1圖的電容式觸控元件100的輸出訊號V_OUT ，依據觸碰事件的有無分別以正比於、的斜率上昇，本發明的電容式觸控元件500的輸出訊號V_OUT ’則分別以正比於、的斜率上昇，其係應用了積分器的特性，使得輸出訊號V_OUT ’的斜率僅與電容值的比值有關，在實作上可避免使用大面積的電容，僅需要調整電容之間的比例即可，因此可節省製作上的成本。

此外，由於積分器510係由週期性的參考訊號V_REF 所驅動，因此在同一面板上使用多個本發明的感測元件(例如第5圖所示之電容式觸控元件500)時，每個均同時被參考訊號V_REF 所週期性地驅動，因此每個電容式觸控元件所處理的感測軸上不同觸碰點所見到的雜散電容等效上均相同，所以，在最後的觸碰點判斷結果上並不會有太大的差異，而各個感測元件間的干擾也會較先前技術來得低。

偵測器520則接收積分器510所產生的輸出訊號V_OUT ’，並依據輸出訊號V_OUT ’的斜率來產生觸碰事件偵測結果TR。舉例來說，偵測器520可偵測輸出訊號V_OUT ’在一預定時間T₁ 內的振幅變化量ΔV是否變大來決定觸碰事件偵測結果TR。請參照第6圖，其為第5圖中的電容式觸控元件500之一參考訊號V_REF 與一輸出訊號V_OUT ’的波形圖。當振幅變化量ΔV未有太大的變化或是為零時，偵測器520會判定觸碰事件未發生；然而，當振幅變化量ΔV超過一臨界值時，偵測器520則會判定觸碰事件已發生。

在另一實施例中，偵測器520則可偵測輸出訊號V_OUT ’在一預定時間T₁ 內是否超過一預定門檻值V_TH 來決定觸碰事件偵測結果TR。當輸出訊號V_OUT ’未能超過預定門檻值V_TH 時，偵測器520會判定觸碰事件未發生；然而，當輸出訊號V_OUT ’超過預定門檻值V_TH 時，偵測器520則會判定觸碰事件已發生。

相較於習知技術，本發明應用斜率來產生觸碰事件偵測結果的優點在於其僅需要極短的反應時間，而不需要如先前技術一般地等待輸出訊號經過多個週期才能進行判斷。再者，印刷電路的線路以及電路中輸入/輸出墊所形成的雜散電容會由於積分器的特性而提高輸出訊號的斜率，進而加速觸碰事件的判定。

請注意，上述的所有實施僅用以敘述本發明，而非用以限制本發明之範疇。舉例來說，第5圖中的偵測器520並不一定須搭配積分器510，而可以單獨與習知電容式觸控元件搭配，用來偵測一輸出訊號之敘率以產生一觸碰事件偵測結果，此一設計上的變化亦屬本發明的範疇。請參照第7圖，其為本發明電容式觸控元件之另一實施例的示意圖。電容式觸控元件700包含有(但不限於)一訊號檢測器702與一斜率偵測器704。訊號檢測器702可應用任何習知的電容式觸控元件來加以實現，用以依據電容式觸控元件700上的一觸碰事件來產生一輸出訊號V_out ”，而斜率偵測器704係耦接於訊號檢測器702，用以接收輸出訊號V_out ”，並依據輸出訊號V_out ”之一斜率以產生一觸碰事件偵測結果TR’。舉例來說，如同上述偵測器520的運作(可參閱第6圖)，斜率偵測器704可偵測輸出訊號V_OUT ”在一預定時間內的振幅變化量是否變大來決定觸碰事件偵測結果TR”，抑或偵測輸出訊號V_OUT ”在一預定時間內是否超過一預定門檻值來決定觸碰事件偵測結果TR’。

綜上所述，本發明提供一種電容式觸控元件，其應用了積分器的特性來得到一輸出訊號，再經由該輸出訊號的斜率來判定觸碰事件是否發生。積分器的使用可減少不必要的電容面積，進而減少了製作成本，此外，應用斜率來判定觸碰事件可增加電容式觸控元件的反應速度，而本發明應用了週期性訊號來驅動積分器，亦可有效地克服雜散電容對觸碰事件判定的影響。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、100a~100e、500、700．．．電容式觸控元件

110、5101．．．運算放大器

120．．．開關

130．．．控制模組

510．．．積分器

520．．．偵測器

702‧‧‧訊號檢測器

704‧‧‧斜率偵測器

C₁ ‧‧‧電容

C_R ‧‧‧可變電容

C_f ‧‧‧寄生電容

C_fb ‧‧‧回授電容

I‧‧‧電流源

第1圖為習知電容式觸控元件的示意圖。

第2圖為第1圖中運算放大器之輸入端於一觸碰事件發生時所見之電容值變化的示意圖。

第3圖為第1圖中的習知電容式觸控元件分別在有觸碰事件發生及無觸碰事件發生下的輸出訊號的波形圖。

第4圖為習知電容式觸控面板之部分電路的示意圖。

第5圖為本發明電容式觸控元件之一實施例的示意圖。

第6圖為第5圖中電容式觸控元件之一參考訊號與一輸出訊號的波形圖。

第7圖為本發明電容式觸控元件之另一實施例的示意圖。

500．．．電容式觸控元件

510．．．積分器

520．．．偵測器

5101．．．運算放大器

C_R ．．．可變電容

C_f ．．．寄生電容

C_fb ．．．回授電容

I₁ 、I₂ ．．．電流

Claims

一種電容式觸控元件，包含有：一可變電容，其會依據該電容式觸控元件上的一觸碰事件(touch event)而改變其電容值；一積分器，耦接於該可變電容與一參考訊號，用以依據該可變電容之電容值與該參考訊號來產生一輸出訊號；以及一斜率偵測器，耦接於該積分器，用以接收該輸出訊號並依據該輸出訊號之一斜率來產生一觸碰事件偵測結果。
如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控元件，其中該參考訊號係一週期性訊號。
如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控元件，其中該積分器包含有：一運算放大器，具有一第一輸入端耦接於該可變電容以及一第二輸入端耦接於該參考訊號，並於一輸出端產生該輸出訊號；以及一回授電容，耦接於該第一輸入端與該輸出端之間。
如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控元件，其中該斜率偵測器係偵測該輸出訊號在一預定時間內的振幅變化量以產生該觸碰事件偵測結果。
如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控元件，其中該斜率偵測器係偵測該輸出訊號是否在一預定時間內超過一預定門檻值以產生該觸碰事件偵測結果。
一種電容式觸控元件，包含有：一訊號檢測器，用以依據該電容式觸控元件上的一觸碰事件(touch event)來產生一輸出訊號；以及一斜率偵測器，耦接於該訊號檢測器，用以依據該輸出訊號之一斜率以產生一觸碰事件偵測結果。
如申請專利範圍第6項所述之電容式觸控元件，其中該斜率偵測器係偵測該輸出訊號在一預定時間內的振幅變化量以產生該觸碰事件偵測結果。
如申請專利範圍第6項所述之電容式觸控元件，其中該斜率偵測器係偵測該輸出訊號是否在一預定時間內超過一預定門檻值以產生該觸碰事件偵測結果。