CN102227702A - 根据无源感生位置依赖性电荷确定触摸位置的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过使用无源感生的位置依赖性电荷确定设备(例如触敏装置)表面上的触摸位置的系统和方法。在这种方法中，在装置的感测表面上确定触摸工具的位置。该方法包括：在第一时间段内，通过将所述感测表面的全部四个角连接到基准电压而对所述感测表面充电，以及在第二时间段内将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电，同时将相对的两个角接地。所述第一和第二时间段一起形成重复多次的充电/放电循环，之后对所述积分电容器的输出进行测量。对于所述感测表面的四对相邻角中的每一对执行该系列操作，从而得到四个积分电容器输出测量值，每个测量值都与不同的感测表面边缘相关联。然后，使用所述四个电荷测量值计算所述触摸工具在所述感测表面上的位置。

Description

根据无源感生位置依赖性电荷确定触摸位置的系统和方法
本发明文件与提交于2007年11月21日的美国专利申请序列号No.11/944,143有关，该专利的名称为“System and Method for Determining Touch Positions Based on Position-Dependent Electrical Charges”(根据位置依赖性电荷确定触摸位置的系统和方法)。
技术领域
本发明涉及用于确定手指或触摸工具的触摸位置的系统和方法。
背景技术
有许多方法可在触敏装置表面上感测手指或有线触笔或自由触笔的触摸位置，通常将触敏装置置于电子显示器的表面上方或将其用作自立式触摸片或显示器外触摸板。感测方法包括使用电阻性表面层的电阻和电容感测，以及例如声波和电感电磁感测技术。
最近，此类触敏装置以跨越各种行业的形式得到广泛的分布，包括(但不限于)娱乐(例如游戏、手持和移动应用)和各种与演示有关的行业(例如商业应用和教育应用)。
发明内容
本发明的多个方面涉及根据无源感生的位置依赖性电荷确定手指或触摸工具的触摸位置的系统和方法。
根据一个方面，本发明涉及用于确定触摸工具在设备感测表面上的位置的方法。该方法包括：在第一时间段内，通过将感测表面的全部四个角连接到基准电压而对感测表面充电；以及在第二时间段内将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电，同时将相对的两个角接地。第一和第二时间段一起形成重复多次的充电/放电循环，之后测量积分电容器的输出。对于感测表面的四对相邻角中的每一对进行该系列操作，从而得到四个积分电容器输出测量值，每个测量值都与不同的感测表面边缘相关联。然后，使用这四个电荷测量值计算触摸工具在感测表面上的位置。
根据另一个方面，本发明涉及用于确定触摸工具在设备感测表面上的位置的设备。该设备包括耦合到装置表面的信号驱动电路，该电路在第一时间段内将感测表面的全部四个角同时驱动到基准电压。该设备还包括耦合到感测表面的电荷测量电路。在与所述第一时间段交替的第二时间段内，通过将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电并且同时将两个相对的角接地，以无源地感生位置依赖性电荷并测量所述位置依赖性电荷。积分电容器内积聚的电荷指示感测表面上的坐标，以用于确定触摸工具的位置。
根据又一个方面，本发明涉及用于校准触摸测量系统以确定触摸工具在设备感测表面上的位置的方法。该方法包括：在第一时间段内将感测表面的全部四个角连接到基准电压，以及响应于第一时间段的结束，在第二时间段内将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电，同时将相对的两个角接地。将第一和第二时间段重复预定次数，并将积分电容器的电压输出与所选电压范围进行比较。基于以下条件确定对时间段的调节：当积分电容器的电压输出低于所选电压范围时，第二时间段缩短；当积分电容器的电压输出高于所选电压范围时，第二时间段延长。针对第二时间段的调节，可以对第一时间段进行调节以使两个时间段之和保持不变。调节后，重复该过程，以确定是否应进行额外的调节。
在不同的实例中，本公开教导了无源梯度处理的用途、调节无源梯度传感器的参数以优化用于准确确定触摸工具位置的梯度大小以及多种触摸显示器和触摸工具。
上述本发明的发明内容并非意图描述本发明的每一个说明性实施例或每种实施方式。以下给出更具体的附图和具体实施方式来举例说明这些实施例。
附图说明
考虑到本发明的具体实施方式并结合附图，可以更全面地理解本发明，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例，用于确定触摸位置的电路布置；
图2(a)示出根据本发明的一个实施例，可用于解释图1中电路布置的操作的时间图；
图2(b)示出根据本发明的一个实施例，可用于解释图1中电路布置的操作的流程图；和
图3示出同样根据本发明的一个实施例的用于确定表面上的接触位置的另一个电路布置。
虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其具体的方式已以举例的方式在附图中示出并且将会作详细描述。然而，应当理解，本发明不一定受所述具体实施例的限制。相反，目的在于涵盖落入到所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
据信，本发明适用于具有参与传达信息的触敏性表面的多种不同类型的系统和设备。已发现本发明的各种具体实施特别适用于定位已经接触的特定表面区域(或表面坐标)。虽然本发明并不受限于此类具体实施，但可通过使用上下文的各种实例的讨论来理解本发明的各种方面。
本发明涉及用于确定触摸工具(例如触笔或手指)在设备感测表面上的位置的系统和方法。在此类应用中，在与设备感测表面上的区域接合的触摸工具上感生位置依赖性电荷。这可能涉及将感测表面的一个或多个角保持固定电势(例如接地)，并允许根据整个感测表面上的R-C延时确定感测表面其他角处的电势。例如，可以在时段Δt1内向全部四个角施加基准电压，然后将两个相邻角接地，同时在时段Δt2内将相对的两个相邻角向积分电容器内放电，其中Δt2小于通过感测表面的电阻对积分电容器放电所需的时间。该过程可重复多次，直到积分电容器上的电压稳定到相对不变的电压。可以对四对相邻角中的每一对再次重复该过程，从而产生可用于计算触摸工具位置的积分电容器测量值。
根据某些实施例，利用信号驱动电路和电荷测量电路感生位置依赖性电荷，并测量感测表面上的电荷，以指示触摸工具位置信息。在某些实施例中，感测表面均匀带电，并且在通过被感测角对感测表面放电过程中在积分电容器感生位置依赖性电荷。信号处理电路通过定位位置依赖性电荷指示的设备感测表面上的区域来响应位置依赖性电荷测量值。在上下文中，某些实施例使得位置依赖性电荷分别对应于感测表面上的预期接合区域。在相关的具体实施例中，表面为接触式可变阻抗平面，当接触时，该平面使得信号发生电路和信号处理电路响应并处理位置依赖性电荷，从而确定接触的表面区域。
同样根据本发明，使用作为信号处理电路一部分的至少一个感测通道来自动确定表面接合(如接触或触摸)的位置。例如，本发明的具体实施例使用四个感测通道(例如，表面的每对相邻角处各一个)。本发明的其他具体实施例利用少于四个感测通道(例如单个感测通道)确定二维触摸位置。
图1举例说明了使用梯度触摸检测的系统110。该系统110使用单个感测通道，经过积分电容器125在电子阻抗(感测表面)层111上定位触摸。为了产生电压梯度和在至少一个方向流动的电流，驱动电路116包括三态逻辑驱动器(112、113、114和115)以在四点(如其左上角UL、右上角UR、右下角LR和左下角LL)处驱动电阻层。驱动信号为二进制信号，例如，其中逻辑高对应于Vref＝+Vcc例如3至5伏，逻辑低对应于Gnd＝0伏。
系统110通过在手指/身体121的电容122上产生位置依赖性电荷来工作。然后将电容122上的位置依赖性电荷部分转移到积分电容器125(Cint)。通过合适地驱动和感测四角并分析对应的位置依赖性电荷，可以(例如)X-Y笛卡尔坐标的形式确定接触接合位置。
在一个示例性实施例中，在充电期内，在“感测”侧和“驱动”侧之间的整个感测表面上感生均匀(位置依赖性)电压。例如，感测侧可以是由相邻角UR和LR限定的一侧，驱动侧可以是相对的相邻角UL和LL限定的一侧。在放电期内，感测侧的角(UR/LR)经开关101通过电阻118连接到积分电容器125，驱动侧的角(UL/LL)接地。在测量序列中，充电期和放电期交替进行，每个充电放电循环中积分电容器125都会累积电压，直到完成预定次数的驱动循环，然后结束测量序列。在序列末尾，使用例如模数转换器(ADC)131测量来自积分电容器内累积电荷的电压信号。
该序列重复四次，从而感测每一侧并可以进行触摸位置计算。积分电容器125的测量输出电压包括触摸工具121施加到感测表面111上的可变效应，该效应与触摸工具相对于感测侧的距离成比例。来自触摸电容的电荷被释放到每一侧，该电荷与由触摸点与两侧的电阻差形成的分流器成比例。根据在感测表面上每个方向(X和Y)的相对侧处感测到的触摸电容的比率计算触摸工具的粗略位置。例如，当感测由UR/LR限定的一侧时，进行X+测量；当感测由UL/LL限定的一侧时，进行X-测量；当感测由UL/UR限定的一侧时，进行Y+测量；当感测由LL/LR限定的一侧时，进行Y-测量。表1示出四个顺序信号组合，称为序列1。
表1：序列1
  量度   UL   UR   LL   LR   计算
  X+   接地   感测   接地   感测
  X-   感测   接地   感测   接地   X位置
  Y+   感测   感测   接地   接地
  Y-   接地   接地   感测   感测   Y位置
参照图1和表1，在驱动器控制逻辑130用相同的基准电压Vref驱动三态驱动器112、113、114和115的输入的情况下，开始测量。四个三态驱动器的输出同时进行，从而在第一时间段将其输出电压施加到传感器111。在第一时间段结束时，将两个相邻角连接到地面123(Gnd)，同时感测相对的两个相邻角。通过将未被感测的两个角接地，在传感器111的整个电阻平面上产生从一侧到另一侧的(非线性)电压梯度。触摸工具121经开始充电到基准电压的电容122(C122)，从传感器111耦合到地面123。然后，将C122上一部分位置依赖性的电荷转移到积分电容器125，从而在电容器125上产生电压，该电压取决于触摸点和感测侧之间距离与触摸点和感测表面基准(接地)侧之间距离的比率。表1示出允许计算X和Y位置的测量序列。
如所指出的那样，当感测表面的角由驱动电压隔开时，利用开关101将两个相邻感测角连接到积分电容器128，同时将与感测角相对的两个相邻角接地。同时，关闭开关124，主体电容122上保持的电荷经感测侧转移到积分电容器125。开关124任选地作为脉冲宽度调制闸提供。
对电容122的充电和向积分电容器125转移电荷的过程可以重复预定次数，以将电容器125上的电压累积到稳定水平，下文将结合图2(a)和2(b)进一步讨论。然后通过模数转换电路131测量由积分电容器输出电压Vint所表示的积分电容器累积的总电荷，存储所得实测值用于处理器134进行后续位置计算。然后可将积分电容器125复位至初始状态，通常为0伏。
图2(a)示出了举例说明相对于图1的传感器111产生和处理信号的时间图。图2(a)的第一条线示出了由于在一对感测角处向感测表面111施加传感器驱动脉冲而产生的充电放电循环的序列。图2(a)的第二条线示出了由于在与感测角相对的一对角(称为驱动角)处向感测表面111施加传感器驱动脉冲而产生的充电和接地循环的序列。在t1到t2的第一时间段内，向感测角和驱动角施加基准电压。在时间t2，将驱动角接地，在t2到t3的第二时间段，将感测表面经感测角向积分电容器Cint内放电。图2(a)的第三条线示出在每个放电循环内积分电容器Cint中累积的电压。将第一和第二时间段重复固定次数的循环，之后Cint上的电压在可测量的范围内达到稳定值，该范围由Vmin和Vmax表示。为了举例说明，图2(a)仅示出最初的四个脉冲循环(t1至t8)和最后的四个脉冲循环(以举例的方式用t100至t106表示)，中间用分割线隔开，以表示使Cint达到稳定电压水平(在时间t102之后达到)需要额外的脉冲。在脉冲循环结束时，测量Cint的电压输出(Vmeas)，并将积分电容器重新放电至初始电压Vo，例如0伏。还应当理解，可以在不将积分电容器重新放电至初始电压的情况下开始新循环，只要新的初始电压是已知的。然后，可以对不同的一对感测角重复脉冲循环序列，直到对传感器的四侧全部进行了测量，以便计算触摸位置。
充电/放电循环的时间(例如t3-t1)优选地保持不变，从而得到固定的积分周期和可预测的电磁辐射基频。由充电/放电循环内的第一和第二时间段的比率(例如，(t2-t1)/(t3-t1))确定的工作循环可以进行变化，以将Vmeas调节至Vmax和Vmin之间的所需范围内。触摸电容122(和寄生电容128)在放电周期内的时间常数随着传感器111表面的阻抗、触摸电容122和寄生电容128而变化。传感器111的阻抗和寄生电容128保持相对不变，但当触摸电容122在传感器111上的位置变化时，朝感测通道放电与朝驱动通道放电的相对时间常数也会改变。
可以通过使用算法将测量通道和其积分电容器125保持在所需的操作范围内，该算法基于之前序列所测得的Vint电平，改变每一个序列中传感器驱动脉冲的工作循环以得到所需范围的Vint最终电平。
允许充电时间Δt1＝(t2-t1)(第一时间段)可以足够让传感器111的表面完全充电至均匀的电压，例如Δt1可以为若干(3至6)个时间常数。放电时间Δt2＝(t3-t2)(第二时间段)不足以完全放电。通过将第一时间段设置为足以达到最大可能电容可以实现这一点。然后，可以根据需要调节放电时间Δt2，以使Vint稳定点介于Vmax和Vmin之间。通过以下方式可以做到这一点：首先选择Cint的值，然后在触摸之前执行算法，从而使驱动和测量脉冲的周期保持不变，同时根据需要改变工作循环以调节Vint电平。第一和第二时间段的最小值和最大值可以根据已知的系统参数预定，其中包括触摸电容和寄生电容的最小值和最大值、Cint电容、传感器阻抗、以及驱动器阻抗。作为另外一种选择，可以通过校正程序确定第一和第二时间段。
在一个示例性校正程序中，执行上述脉冲和测量循环预定次数，并将积分电容器125的输出电压与所选电压范围进行比较。如果输出电压在该范围内，则可以保持第一和第二时间段，而不进行调节(直到在重复该程序之后可以使用不同的一对相邻感测角进行调节)。如果积分电容器的输出电压高于所选电压范围，则增加第一时间段并减少第二时间段，然后重复校正程序。如果积分电容器的输出电压低于所选电压范围，则减少第一时间段并增加第二时间段，然后重复校正程序。在示例性实施例中，对第一和第二时间段执行调节，以使得第一和第二时间段之和保持不变。效果是使脉冲宽度驱动频率保持相同，同时改变工作循环。在实施过程中，对第一时间段长度的调节可以自由进行，而不会显著影响触摸位置测量，只要该时间长度足以对感测表面完全充电。
图2(b)汇总了图1和图2(a)的时间图举例说明的传感器111的驱动/放电循环和测量方法。在确定是否达到阈值的步骤中，阈值可以是触摸测量过程中的驱动/放电循环次数或任何其他合适的阈值参数。
完成对感测表面的全部四侧的测量时，可以在位置计算过程中使用由X+、X-、Y+和Y-表示的测量值来确定触摸坐标。首先，从电流测量值中减去所有测量的基线(无触摸)电平，以使用以下公式来确定未标度粗略触摸位置的笛卡尔坐标Xt和Yt，从而确定变化：
Xt＝(X+)/((X+)+(X-))，(公式1)
Yt＝(Y+)/((Y+)+(Y-))，(公式2)
电容测量值将包括将传感器所有部件接地的寄生电容，该电容在任何时候都存在于系统中，而不论是否触摸传感器。通过测量传感器上无触摸时所有参数(X+、X-、Y+、Y-)的基线，可以消除寄生电容的影响。从所有后续测量值中减去这些无触摸电容值，以消除恒定寄生电容的影响。本专利申请中有关电容测量的讨论均假设已经从所有电容测量值中减去基线寄生电容。
梯度取决于传感器111表面的参数，包括寄生电容大小和分布、表面电阻、触摸电容、Cint电容以及工作频率。触摸的灵敏度(由于触摸而产生的增量电容的位置)取决于整个传感器表面上存在的梯度。形成电荷梯度的衰减在很大程度上是由传感器薄层电阻(R)与寄生电容(C)之间的R-C衰减造成的。所施加信号的衰减使得由四个测量电路对触摸电容进行不同的测量，并且利用测量差值来计算触摸位置。例如，如果传感器表面为从UL至LR为具有大致0.0欧姆的铜片，那么当UL被其对应的信号驱动电路驱动时UL与LR之间将不会产生梯度。因此，用直接连接到LR的信号驱动电路测得因LR附近的触摸而产生的10pf电容变化为10pf，并且用连接到传感器表面相对角的相同信号驱动电路测得的值也为10pf。存在的触摸是可测量的，但如果测量值没有差异则不能计算触摸位置。在光谱的相对端，如果传感器的薄层电阻为100KΩ/平方、寄生电容为10,000pf，并且均匀分布在整个传感器表面上，那么由信号驱动电路在角UL上产生的1MHz信号将在整个传感器表面上的1/4距离内衰减至接近0。因此，由于过度衰减，接近传感器表面中间的触摸将在全部四个测量电路处显示可忽略不计的差异。然而，如果测量频率自1MHz下降的话，可发现将在上述整个100KΩ/平方的传感器表面上提供最佳梯度的频率。最佳的无源衰减导致在整个传感器的所有区域上产生最大的梯度差值。对于某些应用而言，优选梯度也为线性梯度。
一些传感器阻抗参数随传感器设计及其环境而有差别。例如，将传感器放置在接地底座附近或将金属挡板放置在传感器周边的上方将改变传感器的对地电容。如果传感器与其驱动信号匹配，则无源衰减达到足够水平，触摸性能可足够，并且可以使用常规的校正方法。如果传感器与信号不匹配，则可以调节一个或多个参数(例如施加信号的频率)，以获得所需的衰减曲线，如本文所述。
所提供的上述各种实施例仅出于举例说明的目的，不应认为是对本发明的限制。附图未按比例绘制。基于上述讨论和举例说明，本领域的技术人员将易于认识到，可对本发明进行各种修改和更改，而不用严格遵守本文所示和所述的示例性实施例和应用。例如，对于上述那些具有基于可操作放大器的积分器和连接到其求和接点的开关的系统而言，可使用其他电容测量电路；此类测量电路包括以下的一种或多种：连接到地面的积分电容器、Cypress PSOCTM电路、在共同待审和共同转让的专利申请11/612,790中描述的电路、3M Touch Systems Inc.的SMT3或EXII产品、或具有为隔离每个通道而添加的串联开关的其他已知电容比率控制器(如图3所示)、美国专利No.6,466,036(Quantum)中描述的电路、以及当每次只有一个通道可用时如美国专利No.4,954,823中讨论的电容频率转换器。上述专利文件中每一个都以引用方式全文并入。
提供了关于二维表面上测量位置的实例。明显的是，电路和方法也可应用于测量滚轮或一维“滑块”上的位置。
实例电路为简化电路，并且并非旨在限制替代的具体实施。例如，逻辑130控制的三态电路116可以采用微控制器控制的平行输入/输出(PI/O)端口实现。测量电路为对地参考，但在一些电路中可以优选替代参考，例如Vcc或Vcc/2参考。或者，可以周期性地改变测量基准电压和驱动电压，以在测量正向脉冲和负向脉冲之间交替。该技术可降低低频噪声的影响，如共同转让和共同待审的专利申请11/612,790中所述。
另外应当理解，虽然本发明的具体特征在一些附图中示出，而未在其他附图中示出，但这仅出于方便的目的，因为每一种特征均可与其他特征中的一种或多种结合，如本文教导内容所阐述的那样。此类修改和变化并不偏离本发明的真实精神和范围，其在以下权利要求书中所提及。

Claims (20)

1.一种用于确定触摸工具在触敏装置感测表面上的位置的方法，所述方法包括：
(a)在第一和第二时间段的多个循环内，
在所述第一时间段将所述感测表面的全部四个角连接到基准电压，以及
在所述第二时间段，将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电，同时将相对的两个角接地；
(b)在所述多个循环之后，测量所述积分电容器的输出；
对于所述感测表面的四对相邻角中的每一对重复步骤(a)和(b)，从而得到四个积分电容器输出测量值，所述四个测量值中的每一个都与不同的感测表面边缘相关联；和
使用四个电荷测量值计算所述触摸工具在所述感测表面上的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二时间段之间的比率固定。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括改变所述第一和第二时间段之和，以使得在预定次数的循环之后，所述积分电容器的所述测量输出在预定范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二时间段之和固定。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括改变所述第一和第二时间段的比率，以使得在预定次数的循环之后，所述积分电容器的所述测量输出值在预定范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二时间段之和处在0.5微秒至5微秒的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个循环包括至少100次循环。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时间段的长度足以将所述感测表面充电到所述基准电压。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时间段的长度少于将所述感测表面从所述基准电压完全放电至0伏所需的时间。
10.一种用于确定触摸工具在装置的感测表面上的位置的设备，包括：
信号驱动电路，所述信号驱动电路耦合到所述装置的所述表面，以在第一时间段内将所述感测表面的全部四个角同时驱动到基准电压；和
电荷测量电路，所述电荷测量电路耦合到所述感测表面，在与所述第一时间段交替的第二时间段内，通过将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电并且同时将两个相对的角接地，以无源地感生位置依赖性电荷并测量所述位置依赖性电荷，其中积分电容器内积聚的电荷指示感测表面上的坐标以用于确定触摸工具的位置。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括开关，所述开关用于将所述感测表面的所述四个角中的每一个耦合到所述电荷测量电路。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括设置在所述开关和所述积分电容器之间的脉冲宽度调制闸。
13.根据权利要求10所述的设备，其中所述第一时间段的长度足以将所述感测表面充电至所述基准电压。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述基准电压在约3至5伏的范围内。
15.根据权利要求10所述的设备，其中所述第二时间段的长度小于将所述感测表面从所述基准电压完全放电至0伏所需的时间。
16.一种用于校正触敏装置以确定触摸工具在所述装置的感测表面上的位置的方法，所述方法包括：
(a)在第一时间段内，将所述感测表面的全部四个角连接到基准电压；
(b)响应于所述第一时间段的结束，在第二时间段内将所述感测表面的两个相邻角向积分电容器内放电，同时将相对的两个角接地；
(c)响应于重复预定次数的步骤(a)和(b)，将所述积分电容器的电压输出与所选电压范围进行比较；和
(d)响应于所述比较步骤，根据以下条件确定所述第二时间段的调节：
当所述积分电容器的所述电压输出低于所述所选电压范围时，减少所述第二时间段，并重复步骤(a)至(d)；和
当所述积分电容器的所述电压输出高于所述所选电压范围时，增加所述第二时间段，并重复步骤(a)至(d)。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括当所述第二时间段减少时增加所述第一时间段，并且在所述第二时间段增加时减少所述第一时间段。
18.根据权利要求17所述的方法，其中可对所述第一和第二时间段进行任何调节，使得所述第一和第二时间段之和保持不变。
19.根据权利要求17所述的方法，其中在调节之后，所述第一时间段的长度足以将所述感测表面充电至所述基准电压。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括对所述感测表面的所述四对相邻角中的每一对重复所引用的所述步骤。
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