TWI450162B - 感應裝置及感應方法 - Google Patents

Description

感應裝置及感應方法

本發明內容是有關於一種感應裝置，且特別是有關於一種電容感應裝置。

以現今高科技技術而言，越來越多電子產品的操作介面都開始改用觸控式面板，使得觸碰感應裝置的需求日益成長。觸碰感應裝置幾乎已經成了任何按鍵式介面的基礎，而且以觸碰感應控制介面取代傳統的按鍵介面，毫無疑問地可以讓介面變得更直覺、使用上也更容易。

此外，本領域技術人員可藉由觸碰感應控制介面替代各種應用所需的機械式按鍵，例如：存取控制、行動電話、MP3播放器、PC週邊和遙控器等等，亦可因此節省產品製作所需的成本。

以一般的電容式感應裝置而言，其均需要利用兩個或兩個以上的振盪器相互搭配操作，依其所產生的信號頻率的差異，才能偵測所感應到的電容變化，進而感應到使用者的觸碰動作。

然而，上述作法不僅需要設置兩個或兩個以上的振盪器，且這些振盪器的操作特性必須非常一致，否則容易產生誤差而造成偵測上的錯誤。此外，設置多個振盪器的作法不僅讓電路設計更為複雜，且會佔去許多電路面積，並造成所需的製作成本增加。

本發明實施例提供一種感應裝置，其不僅可節省振盪器的使用，以避免因不同振盪器的操作特性不一致，而產生誤差並造成偵測上錯誤的問題。

本發明內容之一技術樣態係關於一種感應裝置，其包含一振盪器、一驅動器、一開關、一計數器以及一計時器。振盪器包含一輸入端以及一輸出端，其中輸入端耦接於一參考電容。驅動器耦接於振盪器之輸入端和輸出端以及參考電容，並根據振盪器所輸出之一振盪信號交互地輸出和汲取電流。開關設置於參考電容和一感應電容之間，並用以連接或斷開參考電容與感應電容。計數器耦接於振盪器之輸出端，並用以對振盪信號進行計數。計時器耦接於計數器，並用以分別於開關連接及斷開參考電容與感應電容時計時一操作期間，而計數器則是於操作期間計數開關連接及斷開參考電容與感應電容之狀態所各自對應之數值。

本發明內容之一技術樣態係關於一種感應方法，其用於一感應裝置，其中感應裝置包含一振盪器以及一驅動器，振盪器之一輸入端耦接於一參考電容，驅動器耦接於參考電容以及振盪器之一輸出端，並根據振盪器所輸出之一振盪信號交互地輸出和汲取電流。上述感應方法包含以下步驟：斷開參考電容與一感應電容；於參考電容與感應電容斷開之狀態下對振盪信號進行計數；對振盪信號進行計數的同時進行計時，以取得一操作期間；在取得操作期間後連接參考電容與感應電容；於參考電容與感應電容連接之狀態下在操作期間對振盪信號進行計數；以及讀取於參考電容與感應電容連接之狀態下所計數之數值，以偵測振盪器之輸入端之相對應電壓變化，而判斷參考電容與感應電容連接或斷開之狀態變化。

根據本發明上述技術樣態所述之技術內容，應用上述感應裝置及感應方法，不僅可避免採用多個振盪器造成偵測上錯誤的問題，更可以簡化電路設計，節省電路面積，並減少所需的製作成本。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。

第1圖係依照本發明實施例繪示一種感應裝置的示意圖。感應裝置100至少包含振盪器110、驅動器120、開關130、計數器140以及計時器150。

振盪器110包含輸入端114以及輸出端112，其中振盪器110的輸入端114與參考電容160耦接於一節點Q，而振盪器110的輸出端112則是輸出一振盪信號RCLK(例如：時序信號)。在此值得注意的是，參考電容160可以單一電容器來實現，或者以多個電容器並聯、串聯或串聯連同並聯的組合來實現，藉此形成一等效電容值CF，其不以第1圖所示為限。

驅動器120耦接於振盪器110的輸入端114和輸出端112以及參考電容160，並根據振盪器110所輸出的振盪信號RCLK進行操作，藉以交互地輸出(sourcing)電流IS至節點Q和自節點Q汲取(sinking)電流IS。在實作上，驅動器120可包含一可控電流源或是任何可提供可控電流源的電路。

在操作上，驅動器120根據振盪器110所輸出的振盪信號RCLK輸出(sourcing)電流IS至節點Q，進而對參考電容160進行充電，當參考電容160的跨壓(如：節點Q的電壓)因充電而自接地電位或零電壓提升達到預設電壓時，振盪器110根據參考電容160的跨壓輸出相對應的振盪信號RCLK，以控制驅動器120，使得驅動器120自節點Q汲取(sinking)電流IS，進而對參考電容160進行放電，使得參考電容160的跨壓因放電而自預設電壓降低達到接地電位或零電壓，並重複上述過程。在實作上，可以藉由一張弛振盪器(Relaxation Oscillator)來實現上述振盪器110、驅動器120與參考電容160及其相互間的操作。此外，上述振盪器110可以藉由一施密特觸發型反相器(Schmitt trigger inverter)(如第2圖所示之元件115)、具有磁滯特性的比較器或是任何可產生高低電壓的電壓比較電路來實現。

開關130設置於參考電容160和一感應電容170之間，並用以連接或斷開參考電容160與感應電容170。在操作上，開關130係反覆進行切換，藉此使得感應裝置100得以進行即時偵測，其中開關130在一實施例中可藉由下列所述之控制裝置180來作控制，以進行切換動作，但不以此為限。同樣地，感應電容170可以單一電容器來實現，或者以多個電容器並聯、串聯或串聯連同並聯的組合來實現，藉此形成一等效電容值CS，其不以第1圖所示為限。上述感應電容170可配置於感應裝置100外部，而參考電容160則可依實際需求配置於感應裝置100內部或外部。

計數器140耦接於振盪器110之輸出端112，並用以接收振盪信號RCLK，對振盪信號RCLK進行計數。舉例而言，計數器140可計數振盪信號RCLK的週期或是振盪信號RCLK中高低電壓轉換的次數；換言之，在不脫離本發明之精神和範圍內，任何本領域具通常知識者當可作各種設計或調整，以符合實際上進行計數的需求。

其次，計時器150耦接於計數器140，並用以於開關130連接及斷開參考電容160與感應電容170時分別計時一個操作期間，而計數器140則是於操作期間內，對於開關130連接及斷開參考電容160與感應電容170之不同狀態，或是其所對應的不同振盪信號RCLK，計數其各自所對應之數值。

此外，感應裝置100更可包含控制裝置180，且控制裝置180在實作上可以是處理器、控制器、微控制器或其它控制單晶片或單元，其中控制裝置180耦接於計數器140和計時器150，並用以對計數器140於操作期間計數開關130連接參考電容160與感應電容170之狀態所對應之數值進行讀取，以偵測振盪器110之輸入端114之相對應電壓變化，而判斷參考電容160與感應電容170連接或斷開之狀態變化。

如此一來，當使用者進行觸碰感應操作而使感應電容170的等效電容值CS產生，使得感應電容170透過開關130反覆切換而與參考電容160反覆地連接或斷開，進而有相對應的電容變化時，振盪器110之輸入端114會依此具有相對應的電壓變化，且振盪器110所輸出的振盪信號RCLK亦會有所變化(如：信號週期變小)，此時便可藉由讀取計數器140之數值來偵測相對應的電容或電壓變化，之後再進一步根據電容或電壓變化完成觸碰感應操作所對應的執行程序。

第3圖係依照本發明實施例繪示另一種感應裝置的示意圖。相較於第1圖所示之感應裝置100，本實施例中的感應裝置300係採用雙向計數器340以及雙向計時器350。

在本實施例中，當開關130斷開參考電容160與感應電容170時，雙向計時器350可根據雙向計數器340所計數之數值向上計時一段操作期間。具體而言，當雙向計數器340向上計數的同時，雙向計時器350進行向上計時，待雙向計數器340向上計數至一最大數值時，雙向計時器350的計時暫停，此時雙向計時器350所計時的期間定為一段操作期間。接著，當開關130連接參考電容160與感應電容170時，雙向計時器350進行向下計時一段相同之操作期間，而雙向計數器340可基於上述所定之操作期間進行向下計數；換言之，雙向計數器340此時可進行向下計數持續一段操作期間。

在一實施例中，當開關130斷開參考電容160與感應電容170時，雙向計數器340於上述操作期間自一第一數值向上計數至一第二數值；相反地，當開關130連接參考電容160與感應電容170時，雙向計數器340則是於上述操作期間自第二數值向下計數至一第三數值，其中第三數值可等於或大於第一數值。

在實作上，當開關130連接參考電容160與感應電容170時，即便沒有觸碰感應的操作，感應電容170的等效電容值CS不會完全等於0，故事實上前述第三數值仍會大於第一數值，且一般而言，兩者差異的部份可稱作背景值，其中此背景值可以由控制裝置180來記憶，以供後續觸碰感應操作的判斷。此後，當等效電容值CS具有一定程度的變化時，便可由控制裝置180判斷等效電容值CS的變化是否大於上述背景值，若是的話，則判斷為有觸碰感應的操作發生。為此，在實作上，於前述第三數值大於第一數值的情形下，仍需第三數值與第一數值之間差距有相當的預定數值，才表示有觸碰感應的操作發生。

此外，由於振盪信號RCLK的週期或頻率可能隨著參考電容160、感應電容170之電容值以及電流IS的大小作變化，因此上述第三數值可隨著觸碰感應操作所產生之感應電容170的電容值增加而相對應增加。

舉例而言，當開關130斷開參考電容160與感應電容170時，雙向計時器350進行向上計時一段操作期間，且雙向計數器340於上述操作期間自0向上計數至最大數值(如：數值2^N ，N為一正整數)；接著，當開關130連接參考電容160與感應電容170時，雙向計時器350向下計時相同的操作期間，此時雙向計數器340依據參考電容160與感應電容170所形成的等效電容值變化(或是振盪器110之輸入端114的相對應電壓變化)進行計數。

若是感應電容170趨近於0的話，則參考電容160與感應電容170形成的等效電容值趨近原先參考電容160的等效電容值CF，而雙向計數器340會於雙向計時器350向下計時的操作期間，自數值2^N 向下計數至0(理想狀態下)；另一方面，若是感應電容170不為0的話，則參考電容160與感應電容170形成的等效電容值會較原先參考電容160的等效電容值CF大，而雙向計數器340會於雙向計時器350向下計時的操作期間，自數值2^N 向下計數至一個大於0的數值，且此大於0的數值可隨著感應電容的電容值增加而相對應增加。

此外，在一實施例中，上述雙向計數器340和雙向計時器350之操作可藉由控制裝置180進行控制。換言之，控制裝置180可用以控制雙向計時器350根據雙向計數器340所計數之數值向上計時一段操作期間，並用以控制雙向計數器340基於此操作期間進行向下計數。

其次，控制裝置180更可用以設定雙向計數器340可計數之一最大數值和雙向計時器350可計時之一最大期間。換言之，控制裝置180可以一可程式化的晶片或積體電路來實現，而雙向計數器340可計數的最大數值和雙向計時器350可計時的最大期間可透過控制裝置180執行程式化的程序來進行設定。如此一來，便可透過將可計數的最大數值增加以及將可計時的期間拉長，藉此提高感應裝置於偵測時的靈敏度或解析度。

值得注意的是，第3圖所示之雙向計數器340和雙向計時器350僅為本發明其中一實施例，在不脫離本發明之精神和範圍內，任何本領域具通常知識者當可對第1圖所示之計數器140和計時器150進行調整，以符合實際設計的需求；換言之，第1圖所示之計數器140可以藉由向上計數器、向下計數器或是任何種類的計數器來實現，而第1圖所示之計時器150則可以藉由向上計時器、向下計時器或是任何種類的計時器來實現，本發明不以第3圖所示為限。

除上述之外，本發明另一實施方式係關於一種感應方法，藉此對觸碰感應操作進行偵測。第4圖係依照本發明實施例繪示一種感應方法的流程圖。本實施例中的感應方法可應用於如第1圖或第3圖所示之感應裝置中，下列為方便說明起見，係以第3圖所示之感應裝置300以及第4圖所示之感應方法的流程圖來作說明。值得注意的是，在本實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行，第4圖所示之流程圖僅為一實施例，並非用以限定本發明。

首先，將參考電容160與感應電容170斷開(步驟S410)，其中斷開的步驟可藉由開關130來實現。此外，在此步驟S410中，可先對雙向計數器340和雙向計時器350進行重置(Reset)，藉此清除其中已存在的數值及時間，並可將雙向計數器340和雙向計時器350各自設定為向上計數和向上計時的模式。

接著，於參考電容160與感應電容170斷開之狀態下對振盪信號RCLK進行向上計數，並於對振盪信號RCLK進行計數的同時進行向上計時(步驟S420)。此步驟S420可利用雙向計數器340和雙向計時器350來執行。

然後，判斷上述計數是否計數至預設值(如：最大值)(步驟S430)。若尚未計數至預設值的話，則回到步驟S420，繼續進行計數和計時；相反地，若已計數至預設值的話，則執行下一步驟，將計時的步驟暫停，並將參考電容160與感應電容170連接(步驟S440)。其中，上述計數至預設值的時間可定為一段操作期間，且此操作期間可以是向上計時狀態下自0向上計數至一最大數值所需的時間。此步驟S440可利用雙向計數器340和雙向計時器350來執行，且雙向計數器340和雙向計時器350可各自設定為向下計數和向下計時的模式。

其次，於參考電容160與感應電容170連接之狀態下，進行向下計時，並同時對振盪信號RCLK進行向下計數(步驟S450)，其中此步驟S450可包含基於上述所定之操作期間進行向下計數，亦即進行向下計數持續一段操作期間。

接著，判斷向下計時是否持續達上述相同的一段操作期間(步驟S460)。若計時尚未達相同操作期間的話，則回到步驟S450，繼續進行計數和計時；相反地，若已計時達相同操作期間的話，則執行下一步驟，對於參考電容160與感應電容170連接之狀態下所計數之數值(步驟S470)進行讀取，藉此偵測振盪器110之輸入端114之相對應電壓變化。

依據上述實施例可知，當參考電容160與感應電容170斷開時，可於上述操作期間自第一數值向上計數至第二數值；相反地，當參考電容160與感應電容170連接時，則可於上述操作期間自第二數值向下計數至第三數值，其中第三數值可等於或大於第一數值。此外，由於振盪信號RCLK的週期或頻率可能隨著參考電容160、感應電容170之電容值以及電流IS的大小作變化，因此上述第三數值可隨著觸碰感應操作所產生之感應電容170的電容值增加而相對應增加。此外，當使用者進行觸碰感應操作而產生感應電容170，使得相對應的電容變化產生時，可藉由讀取計數之數值來偵測相對應的電容或電壓變化，並進一步完成觸碰感應操作所對應的執行程序。

由於一般的電容式感應裝置均需要利用兩個或兩個以上的振盪器相互搭配操作，依其所產生的信號頻率的差異，才能偵測所感應到的電容變化，進而感應到使用者的觸碰動作。然而，本案僅需使用單一的振盪器配合計時器和計數器的操作，即可對使用者的觸碰動作及其產生的電容變化進行感應，故不需使用精準設計的前端類比電路，亦不受多個振盪器搭配操作時因溫度、電壓或其它環境改變的影響而有不同的偵測結果產生。

其次，由於本發明上述實施例係根據計數值的變動來觀察有無電容或電壓的變化，因此僅需讀取計數的數值便可以偵測相對應電容或電壓的變化，判斷偵測的結果，更方便後續電路對計數值的變動執行相對應的程序及處理。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、300．．．感應裝置

110．．．振盪器

114．．．輸入端

112．．．輸出端

115．．．施密特觸發型反相器

120．．．驅動器

130．．．開關

140．．．計數器

150．．．計時器

160．．．參考電容

170．．．感應電容

180．．．控制裝置

340．．．雙向計數器

350．．．雙向計時器

S410、S420、S430、S440、S450、S460、S470．．．步驟

第1圖係依照本發明實施例繪示一種感應裝置的示意圖。

第2圖係繪示如第1圖所示之振盪器的電路示意圖。

第3圖係依照本發明實施例繪示另一種感應裝置的示意圖。

第4圖係依照本發明實施例繪示一種感應方法的流程圖。

100．．．感應裝置

110．．．振盪器

114．．．輸入端

112．．．輸出端

120．．．驅動器

130．．．開關

140．．．計數器

150．．．計時器

160．．．參考電容

170．．．感應電容

180．．．控制裝置

Claims (15)

1. 一種感應裝置，包含：一振盪器，包含一輸入端以及一輸出端，該輸入端耦接於一參考電容；一驅動器，耦接於該振盪器之該輸入端和該輸出端以及該參考電容，該驅動器係根據該振盪器所輸出之一振盪信號交互地輸出和汲取電流；一開關，設置於該參考電容和一感應電容之間，並用以連接或斷開該參考電容與該感應電容；一計數器，耦接於該振盪器之該輸出端，並用以對該振盪信號進行計數；以及一計時器，耦接於該計數器，並用以分別於該開關連接及斷開該參考電容與該感應電容時計時一操作期間，該計數器係於該操作期間計數該開關連接及斷開該參考電容與該感應電容之狀態所各自對應之數值。
2. 如請求項1所述之感應裝置，其中當該開關斷開該參考電容與該感應電容時，該計數器係於該操作期間自一第一數值向上計數至一第二數值，當該開關連接該參考電容與該感應電容時，該計數器係於該操作期間自該第二數值向下計數至一第三數值。
3. 如請求項2所述之感應裝置，其中該第三數值係等於或大於該第一數值。
4. 如請求項2所述之感應裝置，其中該第三數值隨著該感應電容之電容值增加而相對應增加。
5. 如請求項1所述之感應裝置，其中該計時器係於該開關斷開該參考電容與該感應電容時根據該計數器所計數之數值向上計時該操作期間。
6. 如請求項5所述之感應裝置，其中該計時器向上計時之該操作期間係為該計數器自0向上計數至一最大數值所需時間。
7. 如請求項5所述之感應裝置，其中該計數器係基於該操作期間進行向下計數。
8. 如請求項1所述之感應裝置，更包含：一控制裝置，耦接於該計數器和該計時器，用以讀取該計數器於該操作期間計數該開關連接該參考電容與該感應電容之狀態所對應之數值，以偵測該振盪器之該輸入端之相對應電壓變化，而判斷該參考電容與該感應電容連接或斷開之狀態變化。
9. 如請求項8所述之感應裝置，其中該控制裝置更用以控制該計時器根據該計數器所計數之數值向上計時該操作期間，並用以控制該計數器基於該操作期間進行向下計數。
10. 如請求項8所述之感應裝置，其中該控制裝置更用以設定該計數器可計數之一最大數值和該計時器可計時之一最大期間。
11. 一種感應方法，用於一感應裝置，該感應裝置包含一振盪器以及一驅動器，該振盪器之一輸入端耦接於一參考電容，該驅動器耦接於該參考電容和該振盪器之一輸出端，並根據該振盪器所輸出之一振盪信號交互地輸出和汲取電流，該感應方法包含：斷開該參考電容與一感應電容；於該參考電容與該感應電容斷開之狀態下對該振盪信號進行計數；對該振盪信號進行計數的同時進行計時，以取得一操作期間；在取得該操作期間後連接該參考電容與該感應電容；於該參考電容與該感應電容連接之狀態下在該操作期間對該振盪信號進行計數；以及讀取於該參考電容與該感應電容連接之狀態下所計數之數值，以偵測該振盪器之該輸入端之相對應電壓變化，而判斷該參考電容與該感應電容連接或斷開之狀態變化。
12. 如請求項11所述之感應方法，其中對該振盪信號進行計數的同時進行計時之步驟更包含：根據所計數之數值向上計時。
13. 如請求項12所述之感應方法，其中向上計時所取得之該操作期間係自0向上計數至一最大數值所需時間。
14. 如請求項12所述之感應方法，其中在該操作期間對該振盪信號進行計數之步驟更包含：向下計時該操作期間並基於該操作期間進行向下計數。
15. 如請求項11所述之感應方法，其中於該參考電容與該感應電容斷開之狀態下對該振盪信號進行計數之步驟係包含自一第一數值向上計數至一第二數值，而於該參考電容與該感應電容連接之狀態下對該振盪信號進行計數之步驟係包含自該第二數值向下計數至一第三數值，且該第三數值係等於或大於該第一數值。