專利名稱：利用干擾排除裝置和方法的基于電容的鄰近傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種用作觸模敏感輸入器件的裝置與方法，特別涉及其中有效地排除來自檢測系統(tǒng)的電干擾的基于電容的用于觸摸檢測的裝置與方法。
現(xiàn)有技術(shù)中存在許多利用觸覺向數(shù)據(jù)處理器輸入數(shù)據(jù)的裝置和系統(tǒng)。這種裝置用于代替普通的指點裝置(例如鼠標(biāo)器或指示筆)，通過位于在一個墊(pad)上或顯示裝置上的手指提供數(shù)據(jù)輸入。這些裝置通過電容觸摸墊檢測手指位置，其中在墊上加上掃描信號，并檢測通過手指觸摸或靠近所述的墊而引起的電容的變化。通過在連續(xù)的時刻檢測手指位置，便可以檢測手指的運動。這種檢測裝置可用于控制計算機屏幕光標(biāo)。更通常地，它可以向各種電氣設(shè)備提供相應(yīng)于手指運動、姿勢、位置、書寫、簽名和畫圖運動的信息。
在Meadows等人的No.4,698,461美國專利中，披露了一種用不變電阻率的層覆蓋的觸摸表面。施加屏掃描信號，以便激勵選擇的觸摸表面邊沿，使得在屏的表面上建立一個交流電壓梯度。當(dāng)表面被觸摸時，從每個激勵的邊沿通過電阻表面流過一個觸摸電流，該電流然后到達用戶手指(通過電容或傳導(dǎo))，通過人體，最后通過人體電容和地電位接通。在邊沿上施加不同的掃描順序和電壓形式，并測量每種情況下的電流。通過測量這些電流便可以確定觸摸的位置。特別是代表觸摸位置的物理參數(shù)是從邊沿到表面上的觸摸點之間的電阻。當(dāng)觸摸點接近或遠離每個邊沿時，這電阻將發(fā)生變化。對于這種系統(tǒng)，術(shù)語“電容性觸摸墊”可能屬于用詞不當(dāng)，因為其中涉及的電容是用于從表面觸摸點通過人的手指產(chǎn)生耦合電流，而不是代表手指位置的參數(shù)。這一發(fā)明的缺點在于，精確的觸摸位置測量取決于表面的均勻的電阻率。制造這種具有均勻電阻的表面是困難而昂貴的，并且需要專門的制造方法和設(shè)備。
Meadows的461號專利的屏還包括一種用于使當(dāng)屏不被觸摸時存在的觸摸電流“回零”的或偏置為零的電路。在對屏操作時可以實現(xiàn)回零，并因而使得對于產(chǎn)生相當(dāng)弱的信號的觸摸，例如用戴著手套的手指觸摸，也能更準(zhǔn)確地確定。Meadows的461專利的屏還包括一種電路，用于自動地移動屏掃描信號頻率，使其離開雜散信號，例如在環(huán)境中可能存在的由陰極射線管變壓器產(chǎn)生的雜散信號的頻譜。這種屏力圖避免雜散信號的干擾，如果掃描頻率幾乎等于雜散信號的頻率時則可能發(fā)生這種干擾。微控制器通過監(jiān)視需要進行如上所述的觸摸電流的回零調(diào)整的數(shù)量，確定是否該移動掃描頻率。所述的用于產(chǎn)生頻率控制信號的唯一方法基于這種回零調(diào)節(jié)。
Meadows等人的美國專利No.4,922,061和Meadows的461號的相似之處在于，觸摸屏根據(jù)電阻的變化確定觸摸位置，而不是根據(jù)電容的變化。這尤其是從圖2可以明顯地看出，其中從邊沿到觸摸點的電阻被表示為Kx乘以Rx，其中Kx相應(yīng)于由76A表示的距離，該裝置使用基本上以隨機方式改變的頻率作為測量信號，從而減少對于來自雜散的電磁頻譜的敏感性。
Salvador的美國專利No.4,700,022描述了一種用于檢測的導(dǎo)電帶陣列，每個導(dǎo)電帶位于電阻發(fā)射帶之間。實際上手指從發(fā)射帶到檢測帶進行電接觸。觸摸的位置由在手指接觸的帶中的電阻變化(和上述的Meadows′461以及′061專利一樣)確定。對某個數(shù)量的同步采樣取平均值。有一個設(shè)計公式用來選擇采樣頻率使其不是最不希望的預(yù)定干擾信號的倍數(shù)。沒有提示進行采樣頻率的調(diào)整或使采樣頻率自動地適應(yīng)。
在Gerpheide的美國專利No.5,305,017中，觸摸位置由真正的電容變化確定，而不是由電阻的變化確定。其中使用許多電極帶形成有效(Virtual)電極。這種方法不需在顯示屏上覆蓋均勻的電阻。不過，這種基于電容的檢測裝置可能受到其周圍的背景電噪聲的干擾，這種噪聲被耦合到檢測電極上而干擾位置檢測。這些雜散信號產(chǎn)生可能引起故障的干擾，干擾手指定位的檢測。裝置操作者甚至可以作為電干擾的天線，對檢測電極產(chǎn)生假的電荷注入或消除。
因而，需要一種觸摸檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如下特征(1)不需要電阻變化便可以確定觸摸位置，從而不需要在制造期間為制造均勻電阻而需要高的費用；(2)觸摸位置以和電極電阻或其連線無關(guān)的方式測量，因而擴大了可用于制造的材料以及方法的范圍；以及(3)不管電干擾信號的頻率，也不需昂貴的回零裝置便能從檢測系統(tǒng)中消除電干擾信號。
本發(fā)明采用一種觸摸定位裝置，該裝置通過使用絕緣的電極陣列形成有效電極，從而具有真正的電容變化。借助于不依賴于電極電阻的方法進行電容變化的測量，從而在制造過程中不需考慮電極電阻參數(shù)。不管什么樣的電干擾的頻率都能被消除，從而提供可靠的檢測信號。
本發(fā)明的一個說明性的實施例包括一個電極陣列，用以產(chǎn)生電容，所述電容隨在陣列附近的物體(例如手指、人體的其它部分、導(dǎo)電的指示筆等)的運動而變化，用于測量電容的變化的同步電容測量部分，所述的測量是和參考頻率信號同步的，以及用來產(chǎn)生參考頻率信號的參考頻率信號發(fā)生器，所述參考信號不會帶來干擾電容測量的電氣干擾，因而不干擾位置定位。
通過產(chǎn)生一個其頻率和干擾頻率不同的參考頻率信號來進行排除干擾。此外，參考信號利用隨機頻率產(chǎn)生，從而使得不會和干擾頻率相干，這樣便有效地排除了干擾。


圖1是按照本發(fā)明的原理實現(xiàn)的電容變化位置測量裝置的方塊圖；圖2A是圖1所示的電極陣列的一個說明性的實施例的平面圖；圖2B是圖2A的電極陣列的一個說明性實施例的側(cè)面截面圖；圖3A是圖1的電極陣列的另一個實施例的側(cè)面截面圖；圖3B是圖3A的電極陣列的平面圖；圖4是圖1的同步電極電容測量裝置的一個實施例的原理圖；圖5是圖1的同步電極電容測量裝置的另一個實施例的原理圖；圖6A-6D是圖4和圖5所示的電容測量部分的另一個實施例的電路圖；圖7是圖1所示的參考頻率發(fā)生器的一個實施例的方塊圖；以及圖8是圖1所示的參考頻率發(fā)生器的另一個實施例的方塊圖。
圖1所示為按照本發(fā)明實現(xiàn)的電容變化手指(或其它導(dǎo)電的身體部分或?qū)щ姷姆巧眢w部分)位置檢測系統(tǒng)10。電極陣列12包括多層的導(dǎo)電電極帶。電極和把電極連到該裝置上去的連線可以具有相當(dāng)大的電阻，從而可以允許使用各種材料和工藝制造。電極之間彼此電氣絕緣。在每兩個電極之間存在相互電容，在每個電極和地之間存在雜散電容。位于陣列附近的手指改變這些相互電容和雜散電容的值。這些電容值改變的程度取決于手指相對于電極的位置。一般地說，當(dāng)手指和有關(guān)電極越接近時，改變的程度也越大。
同步電極電容測量單元14和電極陣列12相連，并確定選擇的相互電容值與/或和電極有關(guān)的雜散電容值。為了減少干擾，由單元14在與由參考信號發(fā)生器16提供的參考頻率信號同步的定時進行大量的測量。所需的電容值通過對由單元14進行的各個測量進行積分、平均，或更一般地說，進行濾波而確定。用這種方式，除去在參考頻率附近具有強的頻率頻譜的雜散信號之外，在測量中的干擾基本上被排除了。
參考頻率發(fā)生器16試圖自動地選擇并產(chǎn)生一個參考頻率，其中不包括最不希望的雜散信號的頻率。這種方法基本上消除了干擾，盡管其頻率起初可能是未知的并甚至在操作期間可以改變。
位置定位器18處理來自同步電極電容測量單元14的電容測量信號，并提供位置信號例如供給主計算機使用，并把位置信號供給參考頻率發(fā)生器16。位置定位器單元18根據(jù)電容測量確定手指位置信號。在本領(lǐng)域中有幾種不同的公知的系統(tǒng)，用來根據(jù)和陣列中的電極相關(guān)的電容的測量確定手指位置。位置定位器可以提供一維的檢測(例如可變電阻器的滑動觸頭控制)，具有接觸確定的二維檢測(例如計算機光標(biāo)控制)，或完整的三維檢測(例如用于游戲和三維的計算機繪圖)?，F(xiàn)有技術(shù)中的位置定位器的例子如上述的Gerpheide的′017專利中圖1的標(biāo)號40和50所示。
電極陣列圖2A是在優(yōu)選的電極陣列12中的電極和規(guī)定X、Y方向的坐標(biāo)軸。這個實施例包括16個X電極和12個Y電極，但為清楚起見，只示出了6個X電極20和4個Y電極22。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道如何增加電極的數(shù)量。陣列最好被制成多層印刷電路板24的形式。這些電極是刻蝕而成的導(dǎo)電帶，它們和通道(Vias)26相連，通道26又把它們和陣列中的其它層相連。例如，陣列12在X方向大約65毫米，在Y方向大約49毫米。X電極的寬度大約0.7毫米，中心間距大約3.3毫米。Y電極大約3毫米寬，中心間距為3.3毫米。
圖2b是電極陣列12的側(cè)面截面圖。絕緣表層21是一種大約0.2毫米厚的一層透明的聚碳酸酯，在上表面具有摸著舒服的結(jié)構(gòu)，通過在上表面上添加有紋理的透明硬涂層可以增加其耐磨性。表層的底面可以用油墨進行絲網(wǎng)印刷，從而提供圖案和彩色。
X電極20、Y電極22，接地平面25和元件線27是在多層印刷電路板內(nèi)蝕刻而成的銅線。接地平面25覆蓋整個陣列面積并屏蔽電極使其不受可能由電路部分產(chǎn)生的電干擾。元件線27連接通道26，因而也連接電極20、22到圖1的其它電路元件。絕緣層31、32和33是在印刷電路板內(nèi)的玻璃纖維環(huán)氧樹脂層。它們的厚度分別大約為1.0毫米、0.2毫米和0.1毫米。這些尺寸可以改變，只要保持其一致性即可。但是所有X電極20和所有Y電極22各自必須尺寸相同。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以使用不同技術(shù)和材料形成電極陣列。例如，圖3A所示為另一實施例，其中電極陣列包括如上所述的絕緣表層40。通過絲網(wǎng)印刷工藝在絕緣表層40的反面交替地提供導(dǎo)電油墨層42和絕緣墨層43。X電極45位于絕緣表層40和X電極導(dǎo)電油墨層42之間。Y電極46位于絕緣油墨層43和導(dǎo)電油墨層44之間。另一個絕緣油墨層47被加于導(dǎo)電油墨層44的下面，并且接地平面48被加在Y電極導(dǎo)電油墨47上。每一層的厚度大約0.01毫米。
所得到的陣列是薄的并有柔性的，因而可以形成彎曲表面。在使用時，應(yīng)將其置于結(jié)實的固體支撐上。在另一個例子中，電極陣列可以利用柔性印刷電路板，例如軟性印刷線路板或沖壓的金屬片與金屬箔。
有多種幾何形狀和布置的電極可被用于手指位置檢測。其中的一個例子如圖3b所示。這是一個用于一維位置檢測的平行電極條陣列50，它可以用作“滑動電位計控制”或“烤面包器的暗度控制”。其它的例子包括菱形的網(wǎng)格(grid of diamonds)控制或磁盤扇區(qū)(sec-tors of a disk)的控制。
希望本發(fā)明的電極陣列能夠使用價廉的且能廣泛得到的印刷電路板制造工藝制造。還希望可能夠使用多種的表層材料，并根據(jù)紋理結(jié)構(gòu)和小的摩擦力進行選擇，在其上面應(yīng)該可以經(jīng)濟地印制藝術(shù)字畫和色彩。還希望表層可以和陣列的含電極的部分分開印制。這便允許使含電極的部分進行大量的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，而后再固定專門印制的表層。
同步電極電容測量單元圖4表示同步電極電容測量單元的更詳細(xì)的情況。其主要部分包括(a)用于在電極陣列中和參考信號同步地產(chǎn)生電壓變化的部分，(b)用于產(chǎn)生代表位移電荷因而也代表電極陣列的電極之間耦合狀態(tài)的信號的部分，(c)用于對所述和參考信號同步的信號進行檢波的部分，以及(d)用于低通濾波所述檢波信號的部分。單元14最好通過多路轉(zhuǎn)換器或開關(guān)和電極陣列相連。在本實施例中要被測量的電容是電極之間的相互電容，但也可以是電極對地的雜散電容或所述相互或雜散電容的代數(shù)和(即和或差)。
圖4表示和電極陣列12相連的同步電極電容測量單元14的一個特定的例子，用來測量電極之間的相互電容的代數(shù)和。所有元件被分為4個主要的功能方塊。有效電極同步方塊70把每個X電極連接到線路CP或CN中的一個，每個Y電極和線RP或RN中的一個相連。這些電極用開關(guān)選擇地和這些線相連，所述開關(guān)最好是在位置定位器裝置18(圖1)的控制下的CMOS開關(guān)，用來選擇合適的電極進行電容測量。(見Gerpheide的′017號專利，在其中的圖1中由信號S說明了這種電極的選擇。)在任何時間和CP線相連的所有電極被認(rèn)為形成一個“正的有效X電極”。類似地，和CN、RP、以及RN相連的電極分別形成“負(fù)的有效X電極”、“正有效Y電極”和“負(fù)有效Y電極”。
參考頻率信號最好是來自參考頻率發(fā)生器16(圖1)的數(shù)字邏輯信號。參考頻率信號通過與門72供給單元14，與門72還具有一個“驅(qū)動啟動”輸入端，由參考頻率發(fā)生器16(圖1)提供信號。與門的輸出通過反相器74和非反相緩沖器76分別送入線RP和RN，它們是電容測量部分78的一部分。在最佳實施例中，驅(qū)動啟動信號總是TRUE，以便使參考頻率信號通過。在另一個優(yōu)選的實施例中，當(dāng)如后所述要進行干擾計算時，由參考頻率發(fā)生器使其為FALSE。當(dāng)驅(qū)動啟動信號為FALSE時，驅(qū)動信號停留在一個恒定的電壓電平上。當(dāng)驅(qū)動信號是TRUE時，它是參考信號的復(fù)制信號。
電容測量部分78包含一個微分電荷轉(zhuǎn)移電路80，如Gerpheide的美國專利5349303的圖4所示，在此列為參考。上述專利的圖4的電容CS1和CS2相應(yīng)于正負(fù)有效電極對地的雜散電容。圖4的CHOP信號在本發(fā)明中是一種一般的方波信號，其頻率等于參考頻率信號的一半，并由圖中所示的除以2電路81產(chǎn)生。如Gerpheide的′303專利所述，該電路把CP和CN(其中的線68和72)保持為恒定的虛擬地電位。
電容測量部分78還具有非反相驅(qū)動緩沖器76，它驅(qū)動RN以及負(fù)有效Y電極以便改變電壓電平，使得復(fù)制驅(qū)動啟動信號的變化。反相緩沖器74驅(qū)動RP和正有效Y電極以便改變電壓電平，使得和驅(qū)動啟動信號的變化相反。因為CP和CN被保持為虛擬接地，所以這些電壓的變化是在有效Y電極和有效X電極之間存在的相互電容兩端的凈電壓變化。和這些電壓的變化乘以合適的電容值成正比的電荷因而被耦合到節(jié)點CP和CN上(“耦合電荷”)。因此，電荷傳遞電路在其輸出端Q01和Q02提供比例微分電荷，它正比于耦合電荷因而也正比于電容。
簡明地說，這微分電荷是比例系數(shù)K乘以“平衡(balance)”L的積，其中L是由下式給出的這些電容的組合L＝M(xp，yn)+M(xnyp)-M(xp，yp)-M(xn，yn)其中M表示在有效電極“a”和有效電極“b”之間的相互電容。平衡時的電荷表示如Gerpheide的美國專利5,305,017中所述的相對于有效電極位置的手指位置。比例系統(tǒng)K具有和驅(qū)動啟動信號變化方向相同的符號。
再參見圖4，同步電極電容測量部分78通過帶有電荷Q01和Q02的線連接到同步檢波器82，它可以是由參考頻率信號控制的雙極雙擲CMOS開關(guān)84。同步檢波器82的主要作用是對電荷Q01和Q02進行整流，它被連接到低通濾波器86，濾波器86可以是對微分電荷構(gòu)成積分器的一對電容器C1和C2。(例如積分器可以是一個每倍頻程頻率衰降6db的低通濾波器。)當(dāng)參考頻率信號剛好變正并且K是正時，電荷Q01和Q02分別在電容器C1和C2上積分。當(dāng)K為負(fù)時，電荷在相反的電容器上積分。用這種方式，在電容C1和C2上便積累和平衡L成正比的微分電荷。
圖5是同步電極電容測量單元14的另一個實施例。在這個實施例中，在電極陣列90中的每個電極被連接到專用的電容測量部分92，每個專用的電容測量部分92和同步檢波器94相連，然后連接低通濾波器96。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以對每個電極連續(xù)地提供電容測量，而前一個優(yōu)選的實施例任何一次只能測量一個電極結(jié)構(gòu)。圖5的實施例的缺點是較大的花銷，這可能和重復(fù)的元件有關(guān)。這是一種在提供多個元件以便同時進行測量和多路轉(zhuǎn)換一個元件而按順序地進行測量之間的普通的交換。顯然，可在大量的不同的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用這一交換。
此外，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理，許多單元可以以數(shù)字形式實現(xiàn)。雖然優(yōu)選的實施例目前使用基本的模擬處理，但預(yù)計將來用數(shù)字處理的花銷可能相對的低。
圖6對電容測量部分78(圖4)或92(圖5)提供了若干個優(yōu)選的替代方案。圖6A和6B表示的電路適用于測量電極(可以是實際的電極或有效(virtual)的電極)之間的相互電容，用Cmp，Cmn，和Cm代表。圖6C和6D所示的電路適用于測量由Cg表示的電極對地的電容。這些電路的每一個都提供一個代表被測電容的輸出電壓變化。這些電壓變化由下式給出對圖6AΔV輸出＝ΔV驅(qū)動×(Cmp-Cmn)/Cr對圖6BΔV輸出＝ΔV驅(qū)動×Cm/Cr對圖6CΔV輸出＝ΔV驅(qū)動×Cg/(Cg+Cr)對圖6DΔV輸出＝ΔV驅(qū)動×(Cg+Cr)/Cg這些公式和由Cr表示的已知的參考電容和由ΔV驅(qū)動表示的已知的驅(qū)動電壓變化有關(guān)。其它的電容測量部分可以根據(jù)電荷平衡技術(shù)，如Meyer的美國專利3,857,092所述。同步檢波器可以使用模擬或數(shù)字放大器實現(xiàn)，或使用National Semiconductor Company的“雙平衡混合器”集成電路(例如元件號為LM1496)實現(xiàn)。關(guān)于低通濾波器部分，現(xiàn)有技術(shù)中有許多不同的實施方案，例如開關(guān)電容積分器和開關(guān)電容濾波器、高階模擬濾波器和數(shù)字濾波器。
參考頻率發(fā)生器圖7是參考頻率發(fā)生器(圖1)的優(yōu)選實施例。發(fā)生器觀測位置信號以便估算某個干擾頻率的干擾程度。在檢測到相當(dāng)大的干擾的情況下，發(fā)生器16則選擇一個不同的頻率用于進一步的測量。發(fā)生器16總是試圖選擇一個和已被發(fā)現(xiàn)引起測量干擾的頻率不同的頻率進行測量，如下所述。
發(fā)生器16包括振蕩器100，例如，把其振蕩頻率設(shè)為4MHz，用來驅(qū)動微控制器102和除以(M+N)電路104。其中的值N是固定常數(shù)大約為50。M的值由微控制器102確定，例如，可以是由微控制器102規(guī)定的在61KHz到80KHz范圍內(nèi)的4個值之一。
微控制器102執(zhí)行干擾估算106和頻率選擇108的功能。它可以完成和系統(tǒng)有關(guān)的其它功能，例如位置定位。優(yōu)選的干擾估算功能106產(chǎn)生借助于位置定位單元18(圖1)產(chǎn)生的位置信號中的干擾的量度。其根據(jù)的原理是，干擾產(chǎn)生一個雜散的相當(dāng)大的位置信號的高頻分量，并按照下述的代碼描述進行操作。假定位置數(shù)據(jù)點X、Y和Z大約每10毫秒出現(xiàn)一次。簡短地說，它對于32個數(shù)據(jù)點計算X和Y的二次差分的絕對值以及Z的一次差分的絕對值的和，作為干擾量度IM。計算數(shù)據(jù)流的差分具有對該數(shù)據(jù)流進行高通濾波的效果。
詳細(xì)地說，對于每個數(shù)據(jù)點，干擾估算功能106執(zhí)行如下的步驟，其中ABS()表示絕對值函數(shù)XD＝X-XLAST；計算一次差分YD＝Y(jié)-YLASTZD＝Z-ZLASTXDD＝XD-XDLAST；計算二次差分；YDD＝Y(jié)D-YLASTIM＝IM+ABS(XDD)+ABS(YDD)+ABS(Z)；求和如果每一節(jié)32個采樣{執(zhí)行頻率選擇功能108(見以下說明)IM＝0}XLAST＝X；移動當(dāng)前值到最近的值XLAST＝Y(jié)ZLAST＝ZXDLAST＝XDYDLAST＝Y(jié)D在另一個實施例中，干擾估算功能106不根據(jù)位置信號進行估算，而是把上述的驅(qū)動啟動信號規(guī)定成為FALSE狀態(tài)，并讀出所得的同步電容測量值。當(dāng)電極之間沒有被該裝置加上電壓時，這便測量出和電極耦合的電荷。這些電荷一定是干擾的結(jié)果，因而便直接測量出這一干擾(來自雜散信號)。這是產(chǎn)生干擾測量IM的另一種方法。
優(yōu)選的頻率選擇功能塊108產(chǎn)生一個對于每一可被選擇的頻率的歷史的干擾測量表。在系統(tǒng)初始化時，把每一項置為零。此后，大約每32個數(shù)據(jù)點便由干擾估算功能106啟動頻率選擇功能。把當(dāng)前干擾量度IM對于當(dāng)前選擇的頻率作為一項輸入表中。然后掃描所有的表項。具有最低干擾量度項的頻率被選為新的當(dāng)前頻率，并把相應(yīng)的M值送到除以(M+N)單元104。大約每隔80秒把表中的每一項減小一個相應(yīng)于大約0.05mm的位置變化的量。用這種方式，如果有一頻率由于有一次具有強的干擾而被標(biāo)記為“差”，它將不會被永久地標(biāo)記為“差”。
對于不同實施例，上述功能可由微處理器實現(xiàn)，例如由Motorola制造的編號為MC 68HC705P6的微處理器作為微控制器102。
圖8表示參考頻率發(fā)生器16(圖1)的另一個優(yōu)選的實施例。它產(chǎn)生一個隨機變化的參考頻率信號。信號的每個周期具有不同的并基本上是隨機的時間間隔。雜散信號一致地跟隨隨機變化的同一序列是極不可能的。因而雜散信號基本上被和參考頻率同步的電容測量排除了。盡管排除的程度不像前一實施例那樣大，但是因為不需要干擾估算和頻率選擇功能，而使得這種發(fā)生器比較簡單。
圖8的發(fā)生器包括振蕩器110和除以(N+M)電路112。提供給除法器的值M來自偽隨機數(shù)發(fā)生器(PRNG)114，它產(chǎn)生在0到15范圍內(nèi)的數(shù)。參考頻率的每個周期控制PRNG 114，使其與之同步產(chǎn)生一個新的數(shù)。PRNG在現(xiàn)有技術(shù)中是熟知的。
對于圖7或圖8中的每一實施例，和N的值有關(guān)的M值的范圍可以增加或減少，從而給出可能頻率的較大或較小的范圍。N的值或振蕩器頻率可被調(diào)整，從而改變最大的可能頻率。代替除以(M+N)電路，也可以優(yōu)選地使用鎖相頻率合成器，例如Motorola MC145151-2，或由D/A轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的電壓控制的振蕩器。
應(yīng)當(dāng)理解，上述的優(yōu)選實施例的其它變化都落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這些變化包括不同的電極陣列幾何結(jié)構(gòu)，例如條形的柵格、菱形的柵格、平行的條以及各種其它形狀。還包括制造電極陣列的方法的各種改變。例如用印刷線路板(PCB)、柔性PCB、絲網(wǎng)印刷、沖壓的金屬片或金屬箔。還包括所用電容種類的改變，例如全平衡的(見Gerpheide的′017專利)、雜散的、相互的、半平衡的。
上述說明已按照本發(fā)明提供了某些優(yōu)選的實施例。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范內(nèi)作出各種改型，以下的權(quán)利要求包括了本發(fā)明的構(gòu)思。
權(quán)利要求
1.一種用于確定物體的位置，同時排除電干擾的基于電容的鄰近檢測器，包括(a)電極陣列，用于形成隨物體的運動而改變的電容；(b)和所述電極陣列相連的測量裝置，用來和參考信號同步地測量所述電容；以及(c)用于向測量裝置提供參考信號的發(fā)生器裝置，所述參考信號具有和電干擾信號的頻率不相干的頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的鄰近檢測器，其特征在于發(fā)生器裝置包括用于估算電干擾并用于產(chǎn)生參考信號的裝置，所述參考信號的頻率和所述電干擾的頻率不同。
3.如權(quán)利要求2所述的鄰近檢測器，其特征在于估算裝置包括用于存儲選擇的參考信號的頻率和對于每個所述頻率的電干擾的測量值IM的表，并用來產(chǎn)生參考信號的裝置，所述參考信號的頻率具有最低的與其相關(guān)的IM。
4.如權(quán)利要求1所述的鄰近檢測器，其特征在于發(fā)生器裝置包括用于產(chǎn)生參考信號的振蕩器裝置和用于隨機地改變由所述振蕩器裝置產(chǎn)生的參考信號的頻率的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的鄰近傳感器，其特征在于所述改變裝置包括用于和一個被提供的數(shù)成正比地改變參考信號的頻率的裝置，以及用于向改變裝置連續(xù)地提供數(shù)的偽隨機數(shù)發(fā)生器。
6.如權(quán)利要求1所述的鄰近檢測器，其特征在于還包括物體定位裝置，用來響應(yīng)測量裝置而產(chǎn)生代表物體相對于電極陣列的位置的具有高頻分量位置信號，并且其中所述發(fā)生器裝置包括估算裝置；用來響應(yīng)物體定位裝置而確定位置信號的高頻分量的大小，以及當(dāng)位置信號的高頻分量的大小超過預(yù)定值時，用來響應(yīng)估算裝置而改變參考信號的頻率的裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的鄰近檢測器，其中所述測量裝置包括驅(qū)動器裝置，用來在電極陣列上和參考信號同步地產(chǎn)生電壓變化，電荷測量裝置，用來和參考信號同步地測量和電極陣列耦合的電荷，并因而測量電容，用于選擇地禁止驅(qū)動裝置產(chǎn)生電壓變化、并在驅(qū)動裝置禁止期間進行測量代表干擾的量度IM的耦合電荷測量裝置，以及其中所述發(fā)生器裝置包括當(dāng)干擾量度IM超過預(yù)定值時用于改變參考信號的頻率的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的鄰近檢測器，其特征在于發(fā)生器裝置還包括用于存儲參考信號的頻率和對每一頻率的參考信號進行測量的有關(guān)干擾量度IM的表，并用于產(chǎn)生參考信號的裝置，所述參考信號的頻率具有與其相關(guān)的最低的干擾量度IM。
9.如權(quán)利要求1所述的鄰近檢測器，其特征在于電極陣列包括在第一陣列中的彼此分開的許多第一電極帶，以及和第一電極帶接近的彼此分開的許多第二電極帶。
10.如權(quán)利要求9所述的鄰近檢測器，其中測量裝置包括驅(qū)動裝置，用來在電極陣列上和參考信號同步地產(chǎn)生電壓變化，電荷轉(zhuǎn)移裝置，和電極陣列相連，用于和參考信號的頻率同步地產(chǎn)生測量信號，所述測量信號代表由于電壓變化而耦合到電極陣列上的電荷，同步檢波裝置，和電荷轉(zhuǎn)移裝置相連，用于整流和參考信號同步產(chǎn)生的測量信號，以及低通濾波器裝置，和同步檢測裝置相連，用于產(chǎn)生代表整流信號的平均直流電壓因而也代表電極陣列的電容的信號。
11.如權(quán)利要求10所述的鄰近檢測器，其中所述測量裝置包括多個電容測量部分，每個和各自的電極帶相連。
12.如權(quán)利要求11所述的鄰近檢測器，還包括多個同步檢波部分，每個和各自的電容測量部分相連。
13.如權(quán)利要求1所述的鄰近檢測器，還包括位置定位裝置，和測量裝置的輸出相連，用于產(chǎn)生代表物體相對于電極陣列的位置的位置信號。
14.一種基于電容的觸摸檢測系統(tǒng)，用于排除干擾并通過檢測物體相對于觸摸墊的位置而產(chǎn)生數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)包括(a)和觸摸墊鄰接的用于產(chǎn)生電容的電極陣列，(b)用來和參考頻率信號同步地進行測量當(dāng)物體相對于墊運動時而產(chǎn)生的和觸摸墊相鄰接的電容的變化的裝置，以及(c)用于產(chǎn)生供給測量裝置的參考頻率信號的裝置，所述參考頻率信號的頻率遠離干擾的頻率，從而有效地排除所述干擾。
15.如權(quán)利要求14所述的檢測系統(tǒng)，其中參考頻率發(fā)生器裝置包括用于估算干擾的頻率并用于選擇其頻率遠離干擾頻率的參考頻率信號的裝置。
16.如權(quán)利要求14所述的檢測系統(tǒng)，其中參考頻率發(fā)生器裝置包括振蕩器和與振蕩器相連的偽隨機數(shù)發(fā)生器，用來產(chǎn)生其頻率是隨機的參考頻率信號。
17.如權(quán)利要求14所述的檢測系統(tǒng)，其中電極陣列包括相互分開的第一和第二電極組，用來對觸摸墊產(chǎn)生電容。
18.如權(quán)利要求17所述的檢測系統(tǒng)，其中第一和第二電極組基本上互相垂直，以便形成用來提供電容的有效電極(Virtual elec-trode)。
19.如權(quán)利要求14所述的檢測系統(tǒng)，其中所述測量裝置包括和電極陣列相連的電容測量部分，和電容測量部分相連的同步檢波器以及和檢波器相連的低通濾波器。
20.一種用來檢測在電極陣列上的物體位置的方法，包括下列步驟(a)在所述陣列上產(chǎn)生隨物體的運動而改變的電容，(b)和參考信號的頻率同步地測量所述陣列上的電容，以及(c)產(chǎn)生一個參考信號，它具有和影響所述電容的電干擾的頻率不相干的頻率。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括產(chǎn)生代表物體相對于電極陣列的位置的信號的步驟。
全文摘要
一種具有干擾排除功能的基于電容的鄰近檢測的裝置與方法,一對電極陣列(90)在觸摸檢測墊(12)上建立電容,該電容隨在墊(12)附近的導(dǎo)電物體的運動而變化,并且和一個參考頻率信號同步地測量電容的變化,從而提供物體位置的測量。通過產(chǎn)生其頻率和干擾的頻率不相干的參考頻率信號排除電干擾。
文檔編號G06F3/041GK1175315SQ95197542
公開日1998年3月4日 申請日期1995年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月7日
發(fā)明者喬治E·杰費德, 米切爾D·雷頓 申請人:西奎公司