用于電容式觸摸屏的觸筆和觸筆電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于電容式觸摸屏的有源觸筆電路，所述電路包括反相電荷積分器電路和反相放大器。為了減少所述有源觸筆電路的電源消耗，觸摸屏感測電路在所述電容式觸摸屏處感測驅(qū)動線路電壓的增加，并且在檢測到所述增加時，將電源連接至所述反相電荷積分器和所述反相放大器?？蓪嵤┳詣釉鲆婵刂齐娐芬愿鶕?jù)所述電容式觸摸屏的所述靈敏度調(diào)節(jié)所述有源觸筆電路的增益。公開了一種雙頂端有源/無源觸筆，其中測量在使用期間流過所述無源頂端的電荷以設(shè)定所述有源觸筆頂端電路的增益。
【專利說明】用于電容式觸摸屏的觸筆和觸筆電路
[0001] 相關(guān)專利申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2012年4月29日提交的美國臨時專利申請No. 61/639, 951和于 2012年9月7日提交的美國非臨時專利申請No. 13/607,051的權(quán)益，所述專利申請的公開 內(nèi)容以引用方式并入。

【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明的實施例涉及觸筆技術(shù)，并且具體地講，涉及使觸筆和電容式觸摸屏 之間能夠相互作用的電路。電容式觸摸屏和觸筆技術(shù)的一家制造商包括新思公司 (SYNAPTICS，INC.)，其公司總部位于加利福尼亞州圣克拉拉斯科特大道3120號，郵編 95054(3120 Scott Blvd. , Santa Clara, CA 95054)〇
[0004] 標(biāo)題為"Passive stylus for capacitive sensors"（用于電容式傳感器的無源 觸筆）的美國專利No. 8, 125, 469在其說明書摘要中公開了用于電容式傳感器的無源觸筆， 該無源觸筆包括頂端和軸部。頂端被配置成與電容式感測設(shè)備電耦合并且與觸筆軸部物理 且電耦合。頂端包括接觸表面、支撐區(qū)域和柔性區(qū)域。接觸表面被配置成接觸與電容式感 測設(shè)備相關(guān)聯(lián)的設(shè)備表面。柔性區(qū)域設(shè)置在接觸表面和支撐區(qū)域之間。柔性區(qū)域包括硬度 梯度。支撐區(qū)域被配置成為柔性區(qū)域提供結(jié)構(gòu)支撐。
[0005] 標(biāo)題為 "Stylus input capacitive touchpad sensor"（觸筆輸入電容式觸摸板 傳感器）的美國專利No. 5, 942, 733在其說明書摘要中公開了電容式觸摸板，該電容式觸摸 板包括基板材料（諸如印刷電路板型層合材料），該基板材料具有設(shè)置在其第一面上在第 一（X)方向上延伸的多根第一平行導(dǎo)電跡線，以及設(shè)置在其相對的第二面上在通常正交于 第一方向的第二（Y)方向上延伸的多根第二平行導(dǎo)電跡線。將壓力導(dǎo)電材料層設(shè)置在基板 的面中的一者的上方。將在其背部表面上具有導(dǎo)電涂層的保護層設(shè)置在壓力導(dǎo)電材料的頂 部表面的上方，以保護壓力導(dǎo)電材料。在另選實施例中，電容式觸摸傳感器包括剛性基板材 料，該剛性基板材料具有設(shè)置在其一個面上的導(dǎo)電材料。將壓力導(dǎo)電材料層設(shè)置在基板上 的導(dǎo)電材料的上方。將柔性材料設(shè)置在壓力導(dǎo)電材料層的上方，該柔性材料具有設(shè)置在其 第一面上在第一（X)方向上延伸的多根第一平行導(dǎo)電跡線，以及設(shè)置在其相對的第二面上 在第二（Y)方向上延伸的多根第二平行導(dǎo)電跡線。將保護層設(shè)置在壓力導(dǎo)電材料的頂部表 面的上方，以保護壓力導(dǎo)電材料。在另一個實施例中，用氣隙取代壓力導(dǎo)電材料層并且通過 觸摸板周邊處的框架支撐上部層。
[0006] 標(biāo)題為 "Paintbrush stylus for capacitive touch sensor pad"（用于電容式 觸摸傳感器板的畫筆式觸筆）的美國專利No. 5, 488, 204在其說明書摘要中公開了接近傳 感器系統(tǒng)，該接近傳感器系統(tǒng)包括具有傳感器矩陣陣列的觸摸傳感器板，該傳感器矩陣陣 列在連接至傳感器板的水平導(dǎo)體和垂直導(dǎo)體上具有特征電容。電容根據(jù)一個或多個對象與 傳感器矩陣的接近度而變化。將由于對象的接近而引起的每個節(jié)點在矩陣的X和Y方向上 的電容變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M在X和Y方向上的電壓。通過電路處理這些電壓以形成電信號，該 電信號代表對象的輪廓的形心，即其在X和Y維度中的位置。采用在體系結(jié)構(gòu)中固有可用 的降噪技術(shù)和背景電平設(shè)定技術(shù)。使用導(dǎo)電的畫筆型觸筆以在與觸摸傳感器板相關(guān)聯(lián)的顯 示器上產(chǎn)生漆樣筆觸。
[0007] 標(biāo)題為"Trackpad pen for use with computer touchpad"（用于與計算機觸摸板 一起使用的觸摸板筆）的美國專利No. 7, 612, 767在其說明書摘要中公開了用于與手指激 活的計算機觸摸板一起使用的筆或觸筆，其使用電容耦合的電壓信號來模擬手指在觸摸板 上的電容效應(yīng)。此外，該筆具有可用于將控制信號電容耦合至觸摸板的按鈕，這些控制信號 通過應(yīng)用軟件解譯為特定的用戶自定義輸入。該筆具有設(shè)置成與觸摸板接觸的導(dǎo)電頂端。 通過用適當(dāng)定時的電壓信號來偏置觸摸板電極，該筆改變觸摸板中電極的充電時間。充電 時間的這種改變通過觸摸板解譯為由于用戶手指的存在而引起的電容變化。因此，該筆可 與被設(shè)計為僅僅檢測手指運動的觸摸板一起使用。
[0008] 標(biāo)題為"Stylus Device Adapted For Use With A Capacitive Touch Panel"（適 合與電容式觸摸面板一起使用的觸筆設(shè)備）的美國專利申請公布No. 2010/0225614在其說 明書摘要中公開了適合與電容式觸摸面板一起使用的觸筆設(shè)備，其包括具有柄部部分的主 體以及連接至柄部部分的透明觸摸部分，該透明觸摸部分適合放置在電容式觸摸面板上并 且具有平坦的觸摸表面。透明導(dǎo)電膜在觸摸部分和柄部部分上形成，并且覆蓋觸摸部分的 觸摸表面使得當(dāng)用戶手持主體的柄部部分時透明導(dǎo)電膜與用戶的手電連接。
[0009] 本發(fā)明的實施例為已知的用于電容式觸摸屏界面的觸筆技術(shù)提供了另選形式。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的實施例包括用于電容式觸摸屏的觸筆和觸筆電路。根據(jù)一個實施例，觸 筆包括導(dǎo)電頂端以用于提供與電容式觸摸屏的電容耦合。反相電荷積分器連接至導(dǎo)電頂端 以用于提供與在導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的電荷成比例的輸出信號。反相放大器生成與從反相電荷 積分器輸出的信號成比例的放大信號。導(dǎo)電觸點在放大信號和觸筆外部之間提供電耦合或 電容耦合。電源電路為反相電荷積分器和反相放大器供電。
[0011] 根據(jù)另一個實施例，反相互阻抗放大器連接至導(dǎo)電頂端以用于生成與在導(dǎo)電頂端 處感應(yīng)的電流成比例的輸出信號。反相積分器提供與反相互阻抗放大器的積分輸出信號成 比例的輸出電壓。
[0012] 另一個實施例包括用于電容式觸摸屏的觸筆。觸筆包括用于封裝觸筆電路的細(xì)長 筒。觸筆電路包括連接至觸筆的導(dǎo)電頂端的積分器電路以用于生成與在導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的 電荷成比例的輸出信號，以及放大器電路以用于提供與來自積分器電路的輸出信號成比例 的輸出電壓。觸筆還包括導(dǎo)電觸點以用于在來自放大器電路的輸出電壓和觸筆表面之間提 供電耦合或電容耦合。在另選配置中，積分器電路連接至觸筆的導(dǎo)電頂端以用于生成與在 導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的電荷成比例的輸出信號。放大器電路提供與來自積分器電路的輸出信號 成比例的輸出電壓，該輸出電壓然后與觸筆表面f禹合。
[0013] 另一個實施例包括用于電容式觸摸屏的觸筆，其包括用于通過電容式觸摸屏中的 正向或負(fù)向驅(qū)動線路轉(zhuǎn)變來確定在觸筆頂端處感應(yīng)的電荷量的電路。觸筆還包括用于將正 向或負(fù)向電壓變化輸出至觸筆外部的電路，所述電壓變化與所確定的電荷量成比例。在這 種配置中，正向驅(qū)動線路轉(zhuǎn)變引起正向輸出電壓變化，并且負(fù)向驅(qū)動線路轉(zhuǎn)變引起負(fù)向輸 出電壓變化。
[0014] 另一個實施例包括用于為電容式觸摸屏的觸筆頂端充電的方法。該方法包括通 過電容式觸摸屏中的正向或負(fù)向驅(qū)動線路轉(zhuǎn)變來確定在觸筆頂端處感應(yīng)的電荷量，以及將 正向或負(fù)向電壓變化輸出至觸筆外部，所述電壓變化與所確定的電荷量成比例。根據(jù)該方 法，正向驅(qū)動線路轉(zhuǎn)變引起正向輸出電壓變化，并且負(fù)向驅(qū)動線路轉(zhuǎn)變引起負(fù)向輸出電壓 變化。
[0015] 反相電荷積分器和/或反相放大器可包括一個或多個運算放大器。這些組件和/ 或它們的功能也可集成。可提供屏蔽以隔離電路的組件，諸如頂端和反相電荷積分器之間 的連接件?？蓪⑵帘芜B接至觸筆電路的接地。屏蔽可采用具有環(huán)形橫截面并且沿觸筆的至 少一部分的軸線延伸的導(dǎo)電封裝件的形式，采用圍繞觸筆電路的至少一部分的導(dǎo)電纏繞件 的形式，采用用于觸筆電路的電路板的基本上連續(xù)的導(dǎo)電層的形式，和/或采用位于觸筆 電路的平面之上和/或之下的一個或多個導(dǎo)電平面的形式。
[0016] 電路可包括具有一個或多個電池的電源。電池可以是可再充電的。電源可包括直 流-直流轉(zhuǎn)換器以用于增加提供給電路的電壓。直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸入接地和輸出接地 可共用。在其他實施例中，直流-直流轉(zhuǎn)換器可包括使用反饋的調(diào)節(jié)器電路以用于調(diào)節(jié)輸 出電壓。光學(xué)隔離器可用于將輸出電壓的電平傳遞至輸入至轉(zhuǎn)換器的反饋。
[0017] 觸筆的頂端可采用多種形式，諸如球接觸點或其他細(xì)接觸點。頂端可包括金屬和 /或?qū)щ娋酆衔?。頂端可具有投射到觸摸屏上的小于3. 5毫米的橫截面。
[0018] 本發(fā)明的這些和其他實施例，如權(quán)利要求中所述，在下文中有所描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于電容式觸摸屏的觸筆總成的示例性橫截 面。
[0020] 圖2-4示出了示例性的另選觸筆電路原理圖，該電路可包括在圖1中示出的電路 模塊內(nèi)。
[0021] 圖5為流程圖，其描述了圖4中公開的電路的示例性操作。
[0022] 圖6示出了在電容式觸摸屏、觸筆總成和保持觸筆總成的人的身體之間形成的示 例性電容電路。
[0023] 圖7為流程圖，其示出了在圖6示出的電容電路內(nèi)的圖1觸筆總成中實施的圖2 觸筆電路的示例性操作。
[0024] 圖8-10示出用于觸筆電路的另選電源配置。
[0025] 圖lla-llc示出了用于觸筆電路的另選屏蔽配置。
[0026] 圖12示出了示例性省電電路。
[0027] 圖13a_c示出了在三個不同的時間標(biāo)度處的對電容式觸摸屏驅(qū)動線路電壓的示 波器捕獲。
[0028] 圖14示出了具有自動增益控制的雙頂端觸筆。
[0029] 圖15示出了用于自動設(shè)定觸筆放大電路的增益的示例性電路。

【具體實施方式】
[0030] 本文公開了本發(fā)明的詳細(xì)實施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，所公開的實施例僅僅是本發(fā)明 的示例，本發(fā)明可以各種和另選形式實施。附圖未必按比例繪制；可以使一些特征放大或最 小化以顯示特定組件的細(xì)節(jié)。因此，本文所公開的特定結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不是限制性的，僅作 為教導(dǎo)本領(lǐng)域的技術(shù)人員多方面地采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0031] 本發(fā)明的一個示例性實施例包括雙端觸筆。一個端子包括觸筆頂端，另一個端子 包括觸筆主體。被視作雙端設(shè)備的觸筆的電子特性可被描述為負(fù)電容器。觸筆對其結(jié)合到 的電路表現(xiàn)出負(fù)電容阻抗。
[0032] 例如，普通無源電容器的阻抗為：
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于電容式觸摸屏觸筆的電路，所述電路包括： 導(dǎo)電頂端，其用于提供與電容式觸摸屏的電容耦合； 反相電荷積分器，其連接至所述導(dǎo)電頂端以提供與在所述導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的電荷成比 例的輸出信號； 反相放大器，其用于生成與從所述反相電荷積分器輸出的所述信號成比例的放大信 號；以及 觸摸屏感測電路，其用于在所述電容式觸摸屏處感測驅(qū)動線路電壓的增加，并且在檢 測到所述增加時，將電源連接至所述反相電荷積分器和所述反相放大器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述觸摸屏感測電路包括比較器以將所述驅(qū)動線 路電壓與閾值電壓進行比較。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述觸摸屏感測電路包括單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器以響 應(yīng)于從所述比較器輸出的指示所述驅(qū)動線路電壓超過所述閾值電壓的信號來將電源連接 至所述反相電荷積分器和所述反相放大器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中電位在所述頂端處的正轉(zhuǎn)變引起電壓在所述導(dǎo)電 觸點處的正轉(zhuǎn)變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中電位在所述頂端處的負(fù)轉(zhuǎn)變引起電壓在所述導(dǎo)電 觸點處的負(fù)轉(zhuǎn)變。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述反相電荷積分器和所述反相放大器包括一個 或多個運算放大器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述導(dǎo)電頂端為具有小于3. 5毫米的直徑的球點。
8. -種用于電容式觸摸屏觸筆的電路，所述電路包括： 導(dǎo)電頂端，其用于提供與電容式觸摸屏的電容耦合； 反相互阻抗放大器，其連接至所述導(dǎo)電頂端以生成與在所述導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的電流成 比例的輸出信號； 反相積分器，其用于提供與所述反相互阻抗放大器的積分輸出信號成比例的輸出電 壓； 導(dǎo)電觸點，其用于在來自所述反相積分器的輸出電壓和所述觸筆的外部部分之間提供 電耦合或電容耦合；以及 觸摸屏感測電路，其用于在所述電容式觸摸屏處感測驅(qū)動線路電壓的增加，并且在檢 測到所述增加時，將電源連接至所述反相電荷積分器和所述反相放大器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路，其中所述觸摸屏感測電路包括比較器以將所述驅(qū)動線 路電壓與閾值電壓進行比較。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中所述觸摸屏感測電路包括單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器以 響應(yīng)于從所述比較器輸出的指示所述驅(qū)動線路電壓超過所述閾值電壓的信號來將電源連 接至所述反相電荷積分器和所述反相放大器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述電路，其中電位在所述頂端處的正轉(zhuǎn)變引起電壓在所述導(dǎo)電 觸點處的正轉(zhuǎn)變。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述電路，其中電位在所述頂端處的負(fù)轉(zhuǎn)變引起電壓在所述導(dǎo)電 觸點處的負(fù)轉(zhuǎn)變。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述反相電荷積分器和所述反相放大器包括一 個或多個運算放大器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述導(dǎo)電頂端為具有小于3. 5毫米的直徑的球 點。
15. -種用于電容式觸摸屏觸筆的電路，所述電路包括： 導(dǎo)電頂端，其用于提供與電容式觸摸屏的電容耦合； 反相電荷積分器，其連接至所述導(dǎo)電頂端以提供與在所述導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的電荷成比 例的輸出信號； 反相放大器，其用于生成與從所述反相電荷積分器輸出的所述信號成比例的放大信 號；以及 增益控制電路，其用于自動檢測所述反相放大器的振蕩并基于所述振蕩檢測調(diào)節(jié)所述 反相放大器的增益。
16. -種用于電容式觸摸屏觸筆的電路，所述電路包括： 導(dǎo)電頂端，其用于提供與電容式觸摸屏的電容耦合； 反相互阻抗放大器，其連接至所述導(dǎo)電頂端以生成與在所述導(dǎo)電頂端處感應(yīng)的電流成 比例的輸出信號； 反相積分器，其用于提供與所述反相互阻抗放大器的積分輸出信號成比例的輸出電 壓； 導(dǎo)電觸點，其用于在來自所述反相積分器的輸出電壓和所述觸筆的外部部分之間提供 電耦合或電容耦合；以及 增益控制電路，其用于自動檢測所述反相放大器的振蕩并基于所述振蕩檢測調(diào)節(jié)所述 反相放大器的增益。
17. -種電容式觸摸屏觸筆，包括： 無源頂端和有源頂端，所述無源頂端具有大于所述有源頂端的觸摸屏觸點； 電荷檢測電路，其用于測量傳遞至所述無源頂端或從所述無源頂端傳遞的電荷量；以 及 增益設(shè)定電路，其用于基于通過所述電荷檢測電路確定的傳遞至所述無源頂端或從所 述無源頂端傳遞的電荷量來設(shè)定所述有源頂端的增益。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸筆，還包括一個或多個輸入設(shè)備以及用于將在所述一個 或多個輸入設(shè)備處接收的輸入傳遞至電容式觸摸屏設(shè)備的收發(fā)器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸筆，其中所述輸入設(shè)備包括按鈕。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸筆，其中所述輸入設(shè)備包括加速計。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸筆，還包括一個或多個輸出設(shè)備和接收器，所述接收器 用于接收來自電容式設(shè)備的信號以用于生成在所述輸出設(shè)備處的輸出。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的觸筆，其中所述輸出設(shè)備包括一個或多個LED。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的觸筆，其中所述輸出設(shè)備包括觸覺設(shè)備。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的觸筆，其中所述輸出包括聲音。
25. -種用于電容式觸摸屏的觸筆，所述觸筆包括： 導(dǎo)電觸筆頂端； 具有導(dǎo)電表面的細(xì)長觸筆主體； 與所述觸筆頂端和所述觸筆主體電連通的負(fù)電容電路；以及 用于將電源施加于所述負(fù)電容電路的電路。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的觸筆，其中所述負(fù)電容電路包括： 可變增益放大器；以及 電路，其用于可變地設(shè)定所述可變增益放大器的所述增益以防止所述負(fù)電容電路的振 蕩。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的觸筆，其中所述負(fù)電容電路包括微控制器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的與電容式觸摸屏設(shè)備結(jié)合的觸筆，所述電容式觸摸屏設(shè)備 被編程并且被配置成偏置一組檢測的觸筆坐標(biāo)以對該組檢測的觸筆坐標(biāo)和所述電容式觸 摸屏上的所述觸筆的實際坐標(biāo)位置之間的誤差進行校正。
【文檔編號】G06F3/044GK104285198SQ201280072773
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月29日
【發(fā)明者】J.C.曼 申請人:Jcm電子筆有限責(zé)任公司