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TWI455191B - 互容式觸控面板及觸控系統 - Google Patents

互容式觸控面板及觸控系統 Download PDF

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TWI455191B
TWI455191B TW101109544A TW101109544A TWI455191B TW I455191 B TWI455191 B TW I455191B TW 101109544 A TW101109544 A TW 101109544A TW 101109544 A TW101109544 A TW 101109544A TW I455191 B TWI455191 B TW I455191B
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Description

互容式觸控面板及觸控系統
本發明與觸控系統相關，並且尤其與利用單層電極實現觸控功能的技術相關。
隨著科技日益進步，近年來各種電子產品的操作介面都愈來愈人性化。舉例而言，透過觸控螢幕，使用者可直接以手指或觸控筆在螢幕上操作程式、輸入訊息/文字/圖樣，省去使用鍵盤或按鍵等輸入裝置的麻煩。實際上，觸控螢幕通常係由一感應面板及設置於感應面板後方的顯示器組成。電子裝置係根據使用者在感應面板上所觸碰的位置，以及當時顯示器所呈現的畫面，來判斷該次觸碰的意涵，並執行相對應的操作結果。
現有的觸控技術大致分為電阻式、電容式、電磁感應式、超音波式以及光學式幾類。圖一為一互容式(mutual-capacitive)觸控面板範例，其感應面板後方設有構成矩陣圖樣的透明感應線。此例中平行於X方向的感應線為驅動感應線，平行於Y方向的感應線為接收感應線。如圖一所示，每條驅動感應線各自連接至一驅動器12，每條接收感應線各自連接至一接收器14。一般而言，該等驅動器12會依序送出驅動信號，該等接收器14則持續接收感應信號。當觸碰發生時，對應於觸碰點的驅動感應線和接收感應線間會出現電容耦合現象，導致與互容量相關的感應信號(例如電壓值)發生變化。根據觸碰發生時送出驅動信號之驅動器12的位置，以及偵測到感應信號發生變化之接收器14的位置，後續電路即可判斷觸碰點在X/Y方向上的座標。
傳統上，驅動感應線和接收感應線是分別設置在不同平面的透明電極；兩個平面間設有介電層(dielectric layer)，用以形成電極間的互容。圖二(A)為目前最為廣泛使用的菱形電極圖樣。Y座標相同的深色菱形電極16彼此串接，構成X方向的驅動感應線；X座標相同的淺色菱形電極18彼此串接，構成Y方向的驅動感應線。由於深色菱形電極16及淺色菱形電極18是位於不同平面，所以兩種電極在圖面中重疊的部份實體上並未相連。
為了降低材料成本，有許多製造商將前述雙層電極結構壓縮為單層電極結構。在現行的單層電極結構中，深色菱形電極16及淺色菱形電極18的各菱形主體是設置在同一平面，兩種電極在圖面中重疊的部份則是以如圖二(B)所示之立體跨橋結構實現，圖二(B)係一俯視圖。於此範例中，兩個深色菱形電極16之間的連接線與菱形主體位於同一平面，但兩個淺色菱形電極18之間的連接線曲起而高於該平面，以跨越圖中標示為深色的連接線。由此可看出，現行的單層電極結構實際上並非真正的單層結構。由於立體跨橋結構製作不易且良率低，整體而言，採用現行單層電極結構可能反而增加製造程序的困難度與成本。
為解決上述問題，本發明提出一種新的互容式觸控面板及互容式觸控裝置，採用確實位於同一平面之電極和控制通道，不需要立體跨橋結構，因此能降低製程難度、節省觸控裝置的生產成本。
根據本發明之一具體實施例為一種互容式觸控面板，其中包含N列電極與複數個控制通道。該N列電極係位於同一平面且彼此不相連接。每一列電極各自包含彼此不相橋接之複數個電極元件。該等控制通道與該N列電極位於同一平面。該N列電極所包含之每一個電極元件各自對應於一控制通道。該互容式觸控面板所配合之一控制器透過該複數個控制通道發送複數驅動信號並接收複數感應結果。其中，該等電極元件中之一目標電極元件於一第一時間點接收該驅動信號，並於一第二時間點提供該複數感應結果之一。
根據本發明之另一具體實施例為一種互容式觸控裝置，其中包含N列電極、複數個控制通道及一控制器。該N列電極係位於同一平面且彼此不相連接。每一列電極各自包含彼此不相橋接之複數個電極元件。該等控制通道與該N列電極位於同一平面。該N列電極所包含之每一個電極元件各自對應於一控制通道。該控制器係用以透過該複數個控制通道對該等電極元件發送複數驅動信號或自該等電極元件接收複數感應結果。其中，該控制器於一第一時間點發送該驅動信號至該等電極元件中之一目標電極元件，並於一第二時間點自該目標電極元件接收該複數感應結果之一。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
根據本發明之一實施例為如圖三(A)所示之互容式觸控裝置300。於實際應用中，該觸控裝置可被整合於行動通訊設備、平板電腦、個人電腦或是互動式資訊顯示看板等電子系統中，但不以這些情況為限。觸控裝置300中包含十六個以矩陣形式排列的矩形電極元件P11~P44及一控制器32。如圖三(A)所示，電極元件P11~P44係位於同一平面，彼此不相連接，並各自透過一獨立的控制通道連接至控制器32。構成該等控制通道的線路與電極元件P11~P44亦位於同一平面，並且可被更密集地配置，以縮短相鄰電極元件的間距。
圖三(B)為電極元件P11~P33間的電容示意圖；每兩個相鄰的電極元件間都存在一個互容(mutual capacitance)。根據這些互容的變化，控制器32可判斷觸碰點發生的位置。舉例而言，若觸碰點在電極元件P22正中央，電容C12,22 、C21,22 、C22,23 、C22,32 的電容量變化會最明顯；若觸碰點在電極元件P12、P22中間，電容C12,22 的電容量變化會比其他電容顯著。相對地，若電容C21,22 、C21,31 、C31,32 、C22,32 之電容量變化相近且較其他電容顯著，則可判定觸碰點出現在電極元件P21、P22、P31、P32的交會處附近。圖三(C)係以黑點表示各個互容對應的互容感應點之座標位置，並以虛線框出各互容感應點主要掌管的感應區域。
於此實施例中，各個電極元件都可分別在不同時間點被選擇性地設定為用以接受驅動信號之驅動元件，或是用以提供感應結果之感應元件。易言之，不同於先前技術，本實施例中的電極元件並不是被各自固定為一驅動元件或一感應元件。舉例而言，控制器32可首先將驅動信號發送至電極元件P22，並量測環繞電極元件P22的八個電極元件(P11、P12、P13、P21、P23、P31、P32、P33)的電壓，據此判斷觸碰點是否出現在電極元件P22附近。在下一個時間點，控制器32可改以電極元件P23為驅動元件，並以環繞電極元件P32的八個電極元件(P12、P13、P14、P22、P24、P32、P33、P34)為感應元件，據此判斷觸碰點是否出現在電極元件P32附近。
依此類推，圖三(A)中的電極元件P11~P44可輪流被設定為接受驅動信號之驅動元件，且不以特定順序為限。舉例而言，控制器32可週期性地依序以電極元件P11~P44為驅動對象，由左至右、由上而下進行掃描。只要掃描的速度夠快，就不會錯失使用者的觸碰。這種掃描方式的好處之一是完全不會因鬼點(ghost point)產生誤判問題。須說明的是，選定一個目標電極元件做為驅動元件時，相對應的感應元件數量不以八個為限。舉例而言，選定電極元件P22為驅動元件時，控制器32可僅選擇四個電極元件(P12、P21、P23、P32)做為感應元件，或者是選擇多於八個電極元件做為感應元件。
實務上，控制器32可僅包含一個驅動器(類似圖一中的驅動器12)，並透過多工器的切換，使各時間點被該驅動器驅動的電極元件不同。相似地，控制器32可包含入個(或其他固定數量)接收器(類似圖一中的接收器14)，並透過多工器的切換，將被設定為感應元件的電極元件傳送感應結果至接收器。
如圖三(A)所示，電極元件P11~P44係各自透過一獨立的控制通道連接至控制器32，且該等控制通道的佈線不會互相重疊，因此不需要先前技術中的立體跨橋結構。實務上，電極元件的數量、形狀和排列方式皆不以圖三(A)所示之範例為限。上述做法可被應用在各種包含N列位於同一平面之電極的互容式觸控面板(N為大於1之整數)；該N列電極彼此不相連接，每一列電極又各自包含彼此不相連接之複數個電極元件。
於另一實施例中，每一個電極元件的形狀都是由頂點相連之兩個實心三角形構成的領結形，如圖四(A)所示。該等電極元件也是各自透過一獨立的控制通道(未繪示)連接至控制器32。圖四(B)和圖四(C)為圖四(A)之局部放大圖。圖四(B)中呈現兩個相鄰的電極元件P51、P52，間隙中之黑點代表電極元件P51、P52間之一互容感應點的位置座標，以虛線標示之四邊形則是對應於該黑點的感應區域。圖四(C)共呈現三列電極，由上到下各包含兩個、三個、兩個電極元件。以位在第二列中央的電極元件來說明，領結形的六個邊緣各與不同的電極元件相鄰，因此圖中標示出六個互容感應點不同的感應區域(虛線範圍)。該等感應區域可被設計為大小相同。控制器32會偵測各電極元件間的互容變化量，並可根據互容變化量高於一預設值之互容感應點的位置座標計算(例如以重心公式)觸碰發生點的座標。
經實驗證明，相較於採用圖三(A)所示之矩形電極圖樣，採用圖四(A)所示之領結形電極圖樣所得之偵測結果具有較佳的線性度。採用兩種電極圖樣產生的實驗數據分別呈現於圖五(A)和圖五(B)。此實驗係假設各互容感應點的感應區域大小相同且根據重心公式計算時被賦予相同的比重。左側欄位是以軟體模擬的觸控點實際座標，中間欄位是根據互容變化量及重心公式判定所得的座標，右側欄位則是兩座標的差異。由這兩個表格可看出，採用矩形電極圖樣時最大誤差量為0.78mm，採用領結形電極圖樣時的最大誤差量為0.5mm。
此外，由圖三(C)可看出，每個矩形電極元件主要與另外四個電極元件相鄰，形成四個互容，對應於四個互容感應點，並且對每個感應區域中互容感應點之互容值變化貢獻一半的力量，因此，每個矩形電極元件相當於可涵蓋4*1/2=2個感應區域。相對地，就圖四(C)中的領結形電極圖樣而言，每個領結形電極元件主要與另外六個電極元件相鄰，形成六個互容，對應於六個互容感應點，並且對每個感應區域中互容感應點之互容值變化貢獻一半的力量，因此，每個領結形電極元件相當於可涵蓋6*1/2=3個感應區域。據此，若以圖三(C)中之矩形電極圖樣以及圖四(C)中的領結形電極圖樣分別構成二面積相同之互容式觸控面板，且每一矩形電極元件之面積大小與每一領結形電極元件之面積大小相同，顯然地，領結形電極圖樣構成之互容式觸控面板具有1.5倍於矩形電極圖樣構成之互容式觸控面板的感應區域以及互容感應點。換言之，圖四(C)中的領結形電極圖樣設計可明顯提高用以定位觸碰點之感應區域以及互容感應點之密度，有效提升觸控裝置的定位能力。
圖六為適用於圖四(A)所示之領結形電極圖樣的控制通道佈線圖範例。如圖六所示，每一個電極元件都對應於一獨立的控制通道，且該等控制通道的佈線不會互相重疊，因此不需要先前技術中的立體跨橋結構。
於另一實施例中，每一個電極元件的形狀都是由頂點相連之兩個中空三角形構成的領結形(陰影部分為實心板材)，如圖七(A)所示。這種做法的好處在於可以節省原實心區域所需要的材料。於又一實施例中，每一個電極元件的形狀被設計為由頂點相連之三個三角形構成之一組合形狀，如圖七(B)所示，並能進一步排列構成如圖七(C)所示之電極組合。實務上，該等電極元件中的三角形可為正三角形，亦可為非三角形。前述控制器32採用的控制方法可直接應用於圖四(A)、圖七(A)、圖七(B)所呈現的電極圖樣。
根據本發明之另一實施例是包含N列電極及其控制通道但不包含控制器32的互容式觸控面板。該N列電極係位於同一平面且彼此不相連接。每一列電極又各自包含彼此不相連接之複數個電極元件(圖樣可如圖三(A)、圖四(A)、圖七(A)或圖七(B)所示，但不以此為限)。該等控制通道與該N列電極位於同一平面。該N列電極所包含之每一個電極元件各自對應於一控制通道。該互容式觸控面板所配合之一控制器係透過該複數個控制通道發送驅動信號並接收感應結果。
如上所述，本發明提出一種新的互容式觸控面板及互容式觸控裝置，採用確實位於同一平面之電極和控制通道，不需要立體跨橋結構，因此能降低製程難度、節省觸控裝置的生產成本。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
12．．．驅動器
14．．．接收器
16、18．．．電極
300．．．互容式觸控裝置
32．．．控制器
P11~P44、P51、P52．．．電極元件
圖一係繪示一互容式觸控面板範例。
圖二(A)為菱形電極圖樣示意圖。
圖二(B)係用以說明現行單層電極結構中的立體跨橋結構。
圖三(A)為根據本發明之一實施例中的觸控裝置方塊圖。
圖三(B)係用以呈現電極元件間的互容。
圖三(C)係用以說明各互容所對應的感應區域。
圖四(A)為根據本發明之一實施例中的電極圖樣。
圖四(B)和圖四(C)是圖四(A)之局部放大圖。
圖五(A)和圖五(B)為根據本發明之實驗數據列表。
圖六為適用於根據本發明之領結形電極圖樣的控制通道佈線圖範例。
圖七(A)和圖七(B)為根據本發明之實施例中的另外兩種電極圖樣。
圖七(C)為圖七(B)所示之電極組合範例。
300．．．互容式觸控裝置
P11~P44．．．電極元件
32．．．控制器

Claims (11)

  1. 一種互容式觸控面板，用以與一控制器協同運作，包含：N列電極，位於同一平面且彼此不相連接，每一列電極各自包含彼此不相橋接之複數個電極元件，其中N為大於1之整數；以及複數個控制通道，與該N列電極位於同一平面，該N列電極所包含之每一個電極元件各自對應於一控制通道，該控制器透過該複數個控制通道對該複數個電極元件發送複數驅動信號或自該複數個電極元件接收複數感應結果；其中，於一第一時間點，該複數個電極元件中之一目標電極元件接收該複數驅動信號之一，且環繞該目標電極元件之複數個電極元件提供該複數感應結果，以及該目標電極元件於一第二時間點提供該複數感應結果之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控面板，其中每一個電極元件各自之輪廓為一矩形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控面板，其中每一個電極元件各自之輪廓為由頂點相連之兩個實心三角形構成之一領結形。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控面板，其中每一個電極元件各自之輪廓為由頂點相連之兩個中空三角形 構成之一領結形。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控面板，其中每一個電極元件各自之輪廓為由頂點相連之三個三角形構成之一組合形狀。
  6. 一種互容式觸控裝置，包含：N列電極，位於同一平面，彼此不相連接，每一列電極各自包含彼此不相橋接之複數個電極元件，其中N為大於1之整數；複數個控制通道，與該N列電極位於同一平面，該N列電極所包含之每一個電極元件各自對應於一控制通道；以及一控制器，用以透過該複數個控制通道對該複數個電極元件發送複數驅動信號或自該等電極元件接收複數感應結果；其中，該控制器於一第一時間點發送該複數驅動信號之一至該複數個電極元件中之一目標電極元件，並自環繞該目標電極元件之複數個電極元件接收該複數感應結果，且該控制器於一第二時間點自該目標電極元件接收該複數感應結果之一。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之互容式觸控裝置，其中每一個電極元件各自之輪廓為一矩形。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之互容式觸控裝置，其中每一個電極元件各自之輪廓為由頂點相連之兩個實心三角形構成之一領結形。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之互容式觸控裝置，其中每一個電極元件各自之輪廓為由頂點相連之兩個中空三角形構成之一領結形。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之互容式觸控裝置，其中每一個電極元件各自之輪廓為由頂點相連之三個三角形構成之一組合形狀。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之互容式觸控裝置，其中該控制器自該等電極元件中依序選擇不同的電極元件做為該目標電極元件。
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