用于电容式触摸屏的触笔和触笔电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电容式触摸屏的有源触笔电路，所述电路包括反相电荷积分器电路和反相放大器。为了减少所述有源触笔电路的电源消耗，触摸屏感测电路在所述电容式触摸屏处感测驱动线路电压的增加，并且在检测到所述增加时，将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。可实施自动增益控制电路以根据所述电容式触摸屏的所述灵敏度调节所述有源触笔电路的增益。公开了一种双顶端有源/无源触笔，其中测量在使用期间流过所述无源顶端的电荷以设定所述有源触笔顶端电路的增益。
【专利说明】用于电容式触摸屏的触笔和触笔电路
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年4月29日提交的美国临时专利申请No. 61/639, 951和于 2012年9月7日提交的美国非临时专利申请No. 13/607,051的权益，所述专利申请的公开 内容以引用方式并入。
【背景技术】
[0003] 本发明的实施例涉及触笔技术，并且具体地讲，涉及使触笔和电容式触摸屏 之间能够相互作用的电路。电容式触摸屏和触笔技术的一家制造商包括新思公司 (SYNAPTICS，INC.)，其公司总部位于加利福尼亚州圣克拉拉斯科特大道3120号，邮编 95054(3120 Scott Blvd. , Santa Clara, CA 95054)〇
[0004] 标题为"Passive stylus for capacitive sensors"（用于电容式传感器的无源 触笔）的美国专利No. 8, 125, 469在其说明书摘要中公开了用于电容式传感器的无源触笔， 该无源触笔包括顶端和轴部。顶端被配置成与电容式感测设备电耦合并且与触笔轴部物理 且电耦合。顶端包括接触表面、支撑区域和柔性区域。接触表面被配置成接触与电容式感 测设备相关联的设备表面。柔性区域设置在接触表面和支撑区域之间。柔性区域包括硬度 梯度。支撑区域被配置成为柔性区域提供结构支撑。
[0005] 标题为 "Stylus input capacitive touchpad sensor"（触笔输入电容式触摸板 传感器）的美国专利No. 5, 942, 733在其说明书摘要中公开了电容式触摸板，该电容式触摸 板包括基板材料（诸如印刷电路板型层合材料），该基板材料具有设置在其第一面上在第 一（X)方向上延伸的多根第一平行导电迹线，以及设置在其相对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导电迹线。将压力导电材料层设置在基板 的面中的一者的上方。将在其背部表面上具有导电涂层的保护层设置在压力导电材料的顶 部表面的上方，以保护压力导电材料。在另选实施例中，电容式触摸传感器包括刚性基板材 料，该刚性基板材料具有设置在其一个面上的导电材料。将压力导电材料层设置在基板上 的导电材料的上方。将柔性材料设置在压力导电材料层的上方，该柔性材料具有设置在其 第一面上在第一（X)方向上延伸的多根第一平行导电迹线，以及设置在其相对的第二面上 在第二（Y)方向上延伸的多根第二平行导电迹线。将保护层设置在压力导电材料的顶部表 面的上方，以保护压力导电材料。在另一个实施例中，用气隙取代压力导电材料层并且通过 触摸板周边处的框架支撑上部层。
[0006] 标题为 "Paintbrush stylus for capacitive touch sensor pad"（用于电容式 触摸传感器板的画笔式触笔）的美国专利No. 5, 488, 204在其说明书摘要中公开了接近传 感器系统，该接近传感器系统包括具有传感器矩阵阵列的触摸传感器板，该传感器矩阵阵 列在连接至传感器板的水平导体和垂直导体上具有特征电容。电容根据一个或多个对象与 传感器矩阵的接近度而变化。将由于对象的接近而引起的每个节点在矩阵的X和Y方向上 的电容变化转变为一组在X和Y方向上的电压。通过电路处理这些电压以形成电信号，该 电信号代表对象的轮廓的形心，即其在X和Y维度中的位置。采用在体系结构中固有可用 的降噪技术和背景电平设定技术。使用导电的画笔型触笔以在与触摸传感器板相关联的显 示器上产生漆样笔触。
[0007] 标题为"Trackpad pen for use with computer touchpad"（用于与计算机触摸板 一起使用的触摸板笔）的美国专利No. 7, 612, 767在其说明书摘要中公开了用于与手指激 活的计算机触摸板一起使用的笔或触笔，其使用电容耦合的电压信号来模拟手指在触摸板 上的电容效应。此外，该笔具有可用于将控制信号电容耦合至触摸板的按钮，这些控制信号 通过应用软件解译为特定的用户自定义输入。该笔具有设置成与触摸板接触的导电顶端。 通过用适当定时的电压信号来偏置触摸板电极，该笔改变触摸板中电极的充电时间。充电 时间的这种改变通过触摸板解译为由于用户手指的存在而引起的电容变化。因此，该笔可 与被设计为仅仅检测手指运动的触摸板一起使用。
[0008] 标题为"Stylus Device Adapted For Use With A Capacitive Touch Panel"（适 合与电容式触摸面板一起使用的触笔设备）的美国专利申请公布No. 2010/0225614在其说 明书摘要中公开了适合与电容式触摸面板一起使用的触笔设备，其包括具有柄部部分的主 体以及连接至柄部部分的透明触摸部分，该透明触摸部分适合放置在电容式触摸面板上并 且具有平坦的触摸表面。透明导电膜在触摸部分和柄部部分上形成，并且覆盖触摸部分的 触摸表面使得当用户手持主体的柄部部分时透明导电膜与用户的手电连接。
[0009] 本发明的实施例为已知的用于电容式触摸屏界面的触笔技术提供了另选形式。
【发明内容】
[0010] 本发明的实施例包括用于电容式触摸屏的触笔和触笔电路。根据一个实施例，触 笔包括导电顶端以用于提供与电容式触摸屏的电容耦合。反相电荷积分器连接至导电顶端 以用于提供与在导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号。反相放大器生成与从反相电荷 积分器输出的信号成比例的放大信号。导电触点在放大信号和触笔外部之间提供电耦合或 电容耦合。电源电路为反相电荷积分器和反相放大器供电。
[0011] 根据另一个实施例，反相互阻抗放大器连接至导电顶端以用于生成与在导电顶端 处感应的电流成比例的输出信号。反相积分器提供与反相互阻抗放大器的积分输出信号成 比例的输出电压。
[0012] 另一个实施例包括用于电容式触摸屏的触笔。触笔包括用于封装触笔电路的细长 筒。触笔电路包括连接至触笔的导电顶端的积分器电路以用于生成与在导电顶端处感应的 电荷成比例的输出信号，以及放大器电路以用于提供与来自积分器电路的输出信号成比例 的输出电压。触笔还包括导电触点以用于在来自放大器电路的输出电压和触笔表面之间提 供电耦合或电容耦合。在另选配置中，积分器电路连接至触笔的导电顶端以用于生成与在 导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号。放大器电路提供与来自积分器电路的输出信号 成比例的输出电压，该输出电压然后与触笔表面f禹合。
[0013] 另一个实施例包括用于电容式触摸屏的触笔，其包括用于通过电容式触摸屏中的 正向或负向驱动线路转变来确定在触笔顶端处感应的电荷量的电路。触笔还包括用于将正 向或负向电压变化输出至触笔外部的电路，所述电压变化与所确定的电荷量成比例。在这 种配置中，正向驱动线路转变引起正向输出电压变化，并且负向驱动线路转变引起负向输 出电压变化。
[0014] 另一个实施例包括用于为电容式触摸屏的触笔顶端充电的方法。该方法包括通 过电容式触摸屏中的正向或负向驱动线路转变来确定在触笔顶端处感应的电荷量，以及将 正向或负向电压变化输出至触笔外部，所述电压变化与所确定的电荷量成比例。根据该方 法，正向驱动线路转变引起正向输出电压变化，并且负向驱动线路转变引起负向输出电压 变化。
[0015] 反相电荷积分器和/或反相放大器可包括一个或多个运算放大器。这些组件和/ 或它们的功能也可集成。可提供屏蔽以隔离电路的组件，诸如顶端和反相电荷积分器之间 的连接件。可将屏蔽连接至触笔电路的接地。屏蔽可采用具有环形横截面并且沿触笔的至 少一部分的轴线延伸的导电封装件的形式，采用围绕触笔电路的至少一部分的导电缠绕件 的形式，采用用于触笔电路的电路板的基本上连续的导电层的形式，和/或采用位于触笔 电路的平面之上和/或之下的一个或多个导电平面的形式。
[0016] 电路可包括具有一个或多个电池的电源。电池可以是可再充电的。电源可包括直 流-直流转换器以用于增加提供给电路的电压。直流-直流转换器的输入接地和输出接地 可共用。在其他实施例中，直流-直流转换器可包括使用反馈的调节器电路以用于调节输 出电压。光学隔离器可用于将输出电压的电平传递至输入至转换器的反馈。
[0017] 触笔的顶端可采用多种形式，诸如球接触点或其他细接触点。顶端可包括金属和 /或导电聚合物。顶端可具有投射到触摸屏上的小于3. 5毫米的横截面。
[0018] 本发明的这些和其他实施例，如权利要求中所述，在下文中有所描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为根据本发明的一个实施例的用于电容式触摸屏的触笔总成的示例性横截 面。
[0020] 图2-4示出了示例性的另选触笔电路原理图，该电路可包括在图1中示出的电路 模块内。
[0021] 图5为流程图，其描述了图4中公开的电路的示例性操作。
[0022] 图6示出了在电容式触摸屏、触笔总成和保持触笔总成的人的身体之间形成的示 例性电容电路。
[0023] 图7为流程图，其示出了在图6示出的电容电路内的图1触笔总成中实施的图2 触笔电路的示例性操作。
[0024] 图8-10示出用于触笔电路的另选电源配置。
[0025] 图lla-llc示出了用于触笔电路的另选屏蔽配置。
[0026] 图12示出了示例性省电电路。
[0027] 图13a_c示出了在三个不同的时间标度处的对电容式触摸屏驱动线路电压的示 波器捕获。
[0028] 图14示出了具有自动增益控制的双顶端触笔。
[0029] 图15示出了用于自动设定触笔放大电路的增益的示例性电路。
【具体实施方式】
[0030] 本文公开了本发明的详细实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明 的示例，本发明可以各种和另选形式实施。附图未必按比例绘制；可以使一些特征放大或最 小化以显示特定组件的细节。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不是限制性的，仅作 为教导本领域的技术人员多方面地采用本发明的代表性基础。
[0031] 本发明的一个示例性实施例包括双端触笔。一个端子包括触笔顶端，另一个端子 包括触笔主体。被视作双端设备的触笔的电子特性可被描述为负电容器。触笔对其结合到 的电路表现出负电容阻抗。
[0032] 例如，普通无源电容器的阻抗为：
[0033]
【权利要求】
1. 一种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括： 导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合； 反相电荷积分器，其连接至所述导电顶端以提供与在所述导电顶端处感应的电荷成比 例的输出信号； 反相放大器，其用于生成与从所述反相电荷积分器输出的所述信号成比例的放大信 号；以及 触摸屏感测电路，其用于在所述电容式触摸屏处感测驱动线路电压的增加，并且在检 测到所述增加时，将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
2. 根据权利要求1所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括比较器以将所述驱动线 路电压与阈值电压进行比较。
3. 根据权利要求2所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括单稳态多谐振荡器以响 应于从所述比较器输出的指示所述驱动线路电压超过所述阈值电压的信号来将电源连接 至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
4. 根据权利要求1所述的电路，其中电位在所述顶端处的正转变引起电压在所述导电 触点处的正转变。
5. 根据权利要求1所述的电路，其中电位在所述顶端处的负转变引起电压在所述导电 触点处的负转变。
6. 根据权利要求1所述的电路，其中所述反相电荷积分器和所述反相放大器包括一个 或多个运算放大器。
7. 根据权利要求1所述的电路，其中所述导电顶端为具有小于3. 5毫米的直径的球点。
8. -种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括： 导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合； 反相互阻抗放大器，其连接至所述导电顶端以生成与在所述导电顶端处感应的电流成 比例的输出信号； 反相积分器，其用于提供与所述反相互阻抗放大器的积分输出信号成比例的输出电 压； 导电触点，其用于在来自所述反相积分器的输出电压和所述触笔的外部部分之间提供 电耦合或电容耦合；以及 触摸屏感测电路，其用于在所述电容式触摸屏处感测驱动线路电压的增加，并且在检 测到所述增加时，将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
9. 根据权利要求8所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括比较器以将所述驱动线 路电压与阈值电压进行比较。
10. 根据权利要求9所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括单稳态多谐振荡器以 响应于从所述比较器输出的指示所述驱动线路电压超过所述阈值电压的信号来将电源连 接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
11. 根据权利要求8所述电路，其中电位在所述顶端处的正转变引起电压在所述导电 触点处的正转变。
12. 根据权利要求8所述电路，其中电位在所述顶端处的负转变引起电压在所述导电 触点处的负转变。
13. 根据权利要求1所述的电路，其中所述反相电荷积分器和所述反相放大器包括一 个或多个运算放大器。
14. 根据权利要求1所述的电路，其中所述导电顶端为具有小于3. 5毫米的直径的球 点。
15. -种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括： 导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合； 反相电荷积分器，其连接至所述导电顶端以提供与在所述导电顶端处感应的电荷成比 例的输出信号； 反相放大器，其用于生成与从所述反相电荷积分器输出的所述信号成比例的放大信 号；以及 增益控制电路，其用于自动检测所述反相放大器的振荡并基于所述振荡检测调节所述 反相放大器的增益。
16. -种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括： 导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合； 反相互阻抗放大器，其连接至所述导电顶端以生成与在所述导电顶端处感应的电流成 比例的输出信号； 反相积分器，其用于提供与所述反相互阻抗放大器的积分输出信号成比例的输出电 压； 导电触点，其用于在来自所述反相积分器的输出电压和所述触笔的外部部分之间提供 电耦合或电容耦合；以及 增益控制电路，其用于自动检测所述反相放大器的振荡并基于所述振荡检测调节所述 反相放大器的增益。
17. -种电容式触摸屏触笔，包括： 无源顶端和有源顶端，所述无源顶端具有大于所述有源顶端的触摸屏触点； 电荷检测电路，其用于测量传递至所述无源顶端或从所述无源顶端传递的电荷量；以 及 增益设定电路，其用于基于通过所述电荷检测电路确定的传递至所述无源顶端或从所 述无源顶端传递的电荷量来设定所述有源顶端的增益。
18. 根据权利要求17所述的触笔，还包括一个或多个输入设备以及用于将在所述一个 或多个输入设备处接收的输入传递至电容式触摸屏设备的收发器。
19. 根据权利要求18所述的触笔，其中所述输入设备包括按钮。
20. 根据权利要求18所述的触笔，其中所述输入设备包括加速计。
21. 根据权利要求17所述的触笔，还包括一个或多个输出设备和接收器，所述接收器 用于接收来自电容式设备的信号以用于生成在所述输出设备处的输出。
22. 根据权利要求21所述的触笔，其中所述输出设备包括一个或多个LED。
23. 根据权利要求21所述的触笔，其中所述输出设备包括触觉设备。
24. 根据权利要求21所述的触笔，其中所述输出包括声音。
25. -种用于电容式触摸屏的触笔，所述触笔包括： 导电触笔顶端； 具有导电表面的细长触笔主体； 与所述触笔顶端和所述触笔主体电连通的负电容电路；以及 用于将电源施加于所述负电容电路的电路。
26. 根据权利要求25所述的触笔，其中所述负电容电路包括： 可变增益放大器；以及 电路，其用于可变地设定所述可变增益放大器的所述增益以防止所述负电容电路的振 荡。
27. 根据权利要求25所述的触笔，其中所述负电容电路包括微控制器。
28. 根据权利要求25所述的与电容式触摸屏设备结合的触笔，所述电容式触摸屏设备 被编程并且被配置成偏置一组检测的触笔坐标以对该组检测的触笔坐标和所述电容式触 摸屏上的所述触笔的实际坐标位置之间的误差进行校正。
【文档编号】G06F3/044GK104285198SQ201280072773
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2012年4月29日
【发明者】J.C.曼 申请人:Jcm电子笔有限责任公司