力量检测方法以及触控装置与流程

本发明公开了一种力量检测方法以及一种触控装置。

背景技术：

目前触控笔技术主要分为被动式电容技术与主动式电容技术。对于被动式电容笔来说，其笔尖处设计为能影响触控面板电容的材质，但目前因笔尖过大影响使用者体验而未被广泛使用。对于主动式电容笔来说，其系于笔身内建检测器，因此其笔尖可以近似于一般原子笔的规格。然而，目前市售的主动式电容笔的最高段数只到2048阶，其原因主要是受限于笔身内部空间与电池容量所能搭载的控制器。

技术实现要素：

为了解决触控笔力量检测的分辨率不足的问题，本发明公开一种可用于触控笔的力量检测方法，使能检测的压力段数不再受限于触控笔所搭载的控制器效能。

本发明揭露公开一种力量检测方法，用以检测触控笔施加于触控面板的力量。触控笔包含可变电容以及计时器，触控面板包含处理器。力量检测方法包含：(a)在单位时间中的第一区间内，利用计时器获得可变电容由饱和电压放电至阀值电压所需的放电时间值；(b)在单位时间中接续于第一区间的第二区间内，将放电时间值发送至处理器；以及(c)在单位时间结束之后，利用处理器根据放电时间值计算触控笔在单位时间所对应施加的力量。

本发明揭露一种触控装置，包含触控面板以及触控笔。触控面板包含处理器以及电连接该处理器的接收模块。触控笔包含可变电容、电连接该可变电容的计时器、电连接该计时器的控制器以及电连接该控制器的传送模块。其中当触控笔对触控面板施力时，控制器配置以在单位时间中的第一区间内，利用计时器获得可变电容由饱和电压放电至阀值电压所需的放电时间值，并配置以在单位时间中接续于第一区间的第二区间内，将放电时间值经由传送模块发送至接收模块，其中处理器配置以在单位时间结束之后根据接收模块所接收的放电时间值计算触控笔在单位时间所对应的力量值。

通过本发明所揭露公开的力量检测方法以及触控装置，所能检测的压力段数不再受限于触控笔所搭载的控制器效能，其能检测的压力段数高达数十万阶。

附图说明

图1为本发明一些实施方式的触控装置的示意图。

图2为图1的触控装置的功能方块图。

图3a为本发明一些实施方式的输入力量与可变电容的电容值的关系图。

图3b为将图3a中的横轴坐标取对数10(log)后输入力量与电容值的关系图。

图4为本发明一些实施方式的可变电容放电时的电压值与时间的关系图。

图5为本发明的一些实施方式的力量检测方法的流程图。

图6为本发明一些实施方式的触控笔端与触控面板端在相同时间轴上的各别步骤执行状况的示意图。

【符号说明】

100：触控笔

110：可变电容

111：电阻

120：计时器

130：传送模块

140：控制器

200：触控面板

210：处理器

230：接收模块

301、301’、401、402：线段

500：力量检测方法

s510、s520、s530：步骤

t：单位时间

t1：第一区间

t2：第二区间

t3：运算区间

vmax：饱和电压

vth：阀值电压。

具体实施方式

以下将以图式揭露公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单示意的方式绘示。并且，除非有其他表示，在不同图式中相同的组件符号可视为相对应的组件。这些图式绘示是为了清楚表达这些实施方式中各组件间的连接关系，并非绘示各组件的实际尺寸。

请参照图1。图1为本发明一些实施方式的触控装置的示意图。

请参照图2。图2为图1的触控装置的功能方块图。如图2所示，在一些实施方式中，触控装置包含触控笔100以及触控面板200。触控笔100包含可变电容110、计时器120、传送模块130以及控制器140。控制器140可以使可变电容110充电或放电、使计时器120开始或停止计时以及使传送模块发送信号。触控面板200包含处理器210以及接收模块230。触控笔100可通过传送模块130通信连接至触控面板200的接收模块230，以进行信号传输。

本发明公开一种力量检测方法，用以检测触控笔100施加于触控面板200的力量。以下将参照图3a、图3b以及图4说明本力量检测方法的工作原理。

请参照图3a。图3a为本发明一些实施方式的输入力量f与可变电容110的电容值c的关系图。如图3a所示，线段301代表可变电容110的电容值c与输入力量f的关系曲线。由图3a可看出，使用者输入力量越大，可变电容110的电容值c也越大，因此若知道可变电容110的电容值c，则可对应得到使用者输入力量f。下文将描述电容值与输入力量的具体对应方法。

请参照图3b。图3b为将图3a中的横轴坐标(即，力量f)取对数10(即，取log)后与电容值c的关系图。由图3b中的线段301’可发现，log(f)与c近似线性关系，因此电容值c与力量f的关系式(1)可写为：

c＝a2logf+a3(1)

其中a2及a3为常数。依据可变电容110对于力量改变电容值的反应特性，会有特定的常数a2以及a3。换句话说，不同可变电容110所对应的图3a中的线段301及图3b中的线段301’可能具有不同斜率与起始点。在已知常数a2与a3的状况下，接下来只要得到可变电容110的电容值c，即可算出对应的力量f。以下将说明如何得到可变电容110的电容值c。

请参照图4。图4为本发明一些实施方式的可变电容110放电时的电压值与时间的关系图。如图4所示，可由可变电容110的放电时间值t推算出可变电容110的电容值c。在电压以及电阻相同的状况下，电流相同(v＝ir)，而较大的电容值能存有较多的电量(c＝qv)，因此其放电时间值较长。放电时间值与电容值的关系式(2)为：

其中t代表放电时间值，c为电容值，vmax为饱和电压，vth为阀值电压，vf为可变电容110所能到达的最终电压值，以接地进行自由放电为例，vf＝0。在其他实施方式中，也可让可变电容110接上不同电压源使其进行放电，此时vf可不为零。为说明简洁起见，在下文中vf、vmax以及vth将由自定义常数a1表示为：

再将(3)代入(2)，放电时间值与电容值的关系式可改写为公式(4)：

t＝-rc*lna1(4)

因此，选择适当的r、a1后，通过量测可变电容110由默认的饱和电压vmax自由放电至默认的阀值电压vth的放电时间值t，代入公式(4)可推算出可变电容110的电容值c，再通过公式(1)，即可进一步求得使用者输入的力量f的大小。换言之，将公式(1)的c代入公式(4)中，前述的计算流程可简化为以下放电时间t与力量f的关系式(5)：

t＝-r(a2logf+a3)*lna1(5)

以上已简介本发明的力量检测方法的工作原理，即通过量测可变电容110的放电时间值t，推算可变电容110的电容值c，再通过可变电容110的电容值c，推算使用者输入力量f。以下将配合图5以及图6说明本发明的具体实施细节。

请参照图5。图5为本发明的一些实施方式的力量检测方法500的流程图。如图5所示，本发明的力量检测方法主要包含步骤s510￣s530。使用者输入力量后，触控笔100以及触控面板200从步骤s510开始，经过一段时间执行完步骤s510￣s530，触控面板200的处理器210可得到使用者输入力量的确切数值，且其力量分辨率可达到数十万阶。

请参照图6。图6为本发明一些实施方式的触控笔100端与触控面板200端在相同时间轴上的各别步骤执行状况的示意图。图6的上方区块代表触控笔100端的步骤执行状况，而图6中下方区块代表触控面板200端的步骤执行状况。在如图6的实施方式中，每个单位时间t内包含第一区间t1以及第二区间t2，且在第二区间t2后紧接着运算区间t3。在一些实施方式中，图5的步骤s510在第一区间t1内完成，步骤s520在第二区间t2内完成，且步骤s510与s520皆由触控笔100执行；而步骤s530在步骤s520完成后由触控面板200执行，并在运算区间t3内完成，且运算区间t3在下个单位时间t之内。在如图6所示的实施方式中，经过单位时间t加上运算区间t3后可完成一次力量检测。在如图6的实施方式中，每间隔一段单位时间t即可开始下一次力量检测，而不须等待运算区间t3结束。有关步骤s510￣s530的实施细节，将于下文中搭配图5以及图6依序介绍。

请参照图5的步骤s510。步骤s510对应至图6的第一区间t1。在使用者输入力量后，触控笔100内的可变电容110的电容值会随着使用者输入的力量改变。在步骤s510中，可通过控制器140使可变电容110由默认的饱和电压vmax放电至阀值电压vth，且同一时间使计时器120记录可变电容110的放电时间值。

举例来说，如图4所示，饱和电压vmax设定为3.3伏特，而阀值电压vth设定为0.6伏特。在图4中线段401对应的可变电容110具有较大的电容值，经过40毫秒由饱和电压vmax下降至阀值电压vth；而线段402对应的可变电容110的电容值较小，其经过20毫秒就由饱和电压vmax下降至阀值电压vth。

请参照图5的步骤s520。在通过控制器140使计时器120记录完可变电容110的放电时间值后，进行步骤s520。步骤s520对应至图6的第二区间t2。在步骤s520中，可通过控制器140使传送模块130在第二区间t2将记录到的放电时间值发送至触控面板200的接收模块230，接收模块230再将放电时间值传送至处理器210。

在一些实施方式中，传送模块130为无线传输模块；举例而言，传送模块130可为蓝芽装置，在一些实施方式中，蓝芽装置传递数据所需的第二区间约为10毫秒。而在一些实施方式中，传送模块130为有线传输模块；举例而言，传送模块130可为usb传输线，直接将数据传送给接收模块230。

在一些实施方式中，在第二区间t2内除了执行步骤520以外，触控笔100端的控制器140还可同时使可变电容110充电，使可变电容110由阀值电压vth回复至饱和电压vmax。

请参照图5的步骤s530。在进行完步骤s520后，进行步骤s530。步骤s530对应至图6中的运算区间t3。在步骤s530中，触控面板200的处理器210将放电时间值换算回力量值。

请参照图5。在步骤s530结束后，代表已完成一次力量检测。然而在步骤s520结束后，触控笔100即可立即开始执行步骤s510进行下一次力量检测。如图6所示，触控笔100在步骤s520对应的第二区间t2后旋即接续步骤s510所对应的第一区间t1。通过重复执行力量检测方法500，即可以在连续时间中持续检测使用者输入力量。

在一具体的实施方式中，若一秒需传送20次力量检测，即代表传送一笔数据至多可花费50毫秒的时间，故将一单位时间t定义为50毫秒。以一般16mhz的微处理器的计时器120为例，其最小的时间单位为0.0625us，又一单位时间t由第一区间t1及第二区间t2所构成，若传输放电时间值的第二区间t2长度为10毫秒，则用于计时的第一区间t1长度为40毫秒，也就是说，计时器120能区别64万段不同的放电时间，因此其能换算出的力量相应段数亦高达64万段。

根据本发明的构想，触控笔100端仅需执行简单的放电时间值的纪录及传输，至于较高阶复杂的力量转换计算则转由触控面板200的处理器210执行。因此，相较于现有的触控笔力量检测技术，触控笔的处理器需在一个单位时间内同时执行计时、运算及传输等功能，使得计算时间被压缩，故在一单位时间内可记录的段数较低，本发明的触控笔可在无须增加控制器的效能下，提升单位时间t内可计时区间的长度，故可增加力量检测的段数，并提高触控笔的笔尖辨识率。

在一些实施方式中，触控面板200的处理器210只要在第一区间t1及第二区间t2所构成的单位时间t内执行完步骤530即可。一般而言，触控面板200的处理器210可以在很短的运算区间t3(举例而言，小于10毫秒)内依据公式将放电时间值换算为力量f。但在一些较小型或是功能需求较低的装置，处理器210的运算区间t3可以比第一区间t1还长，而不会影响到本发明所公开的力量检测方法的效率。

在实际应用中，首先，决定正常施力范围(例如：5g￣200g)，并由最大施力值选定触控笔搭配的电阻111的电阻值r。在一些实施方式中，当力量太大时，记录放电时间值所需的第一区间t1可能太长。第一区间t1太长代表每次力量检测都需要较长的单位时间t，会造成触控笔100的时间分辨率较差。为解决此问题，可通过调整与可变电容110相连接的电阻111的电阻值r来调整所需的第一区间t1。电阻r的具体数值可表示如下式：

其中r代表电阻111的电阻值，t1代表所需的第一区间，cmax为触控笔100对触控面板200施加最大力量fmax时所对应的最大电容值，a1为前文公式(3)所述的自定义参数。根据上式调整电阻111的电阻值r即可对应调整施以最大力量fmax时所需第一区间t1的长度，以此改善触控笔100的时间分辨率。

接着，可通过校正机台针对触控笔100进行测试，以得到公式(1)中触控笔100的可变电容110与力量所对应的常数a2、a3。在一些实施方式中，具体测试方法系对触控笔100施以一连串的不同力量f1、f2、f3…，并记录触控笔100的可变电容110对应产生的一连串的电容值c1、c2、c3…，并由直线近似法或其他近似方式计算出此可变电容110所对应的a2、a3，即可进一步求得电容值c与力量f的关系。

在一些实施方式中，触控笔100的控制器可为微控制器(microcontrollerunit，mcu)。在一些实施方式中，将a1、a2、a3以及r的数值刻录进触控笔100的控制器140，并在使用前先由传送模块130将上述数值信息传送给触控面板200，如此一来，触控面板200内的处理器210在接收到触控笔100传输过来的放电时间值后，即可依据前文公式(5)的放电时间与力量转换公式，计算出力量的确切数值。

若欲进一步提升触控笔100的分辨率，可通过调整电阻111的电阻值r、最大外部力量fmax的范围来调整第一区间t1的长度；通过选用效能不同的传送模块130，可以调整第二区间t2的长度；而由以上方法，可以控制单位时间t的长度并进一步增加或减少每秒钟可以进行的力量检测次数。举例而言，若使用较小电阻值r与较小的最大力量fmax，使得第一区间t1缩短为15毫秒，如此一来单位时间t为25毫秒(即第一区间t1加上第二区间t2)，代表每秒钟可以进行40次力量检测。

在一些实施方式中，本发明所公开的力量检测方法进一步在运算区间t3中包含平滑化步骤。平滑化步骤将第n个输入力量对应的放电时间值、第n－1个输入力量对应的放电时间值，与第n－2个输入力量对应的放电时间值进行加权，以获得第n个时间单位所对应的加权输入放电时间值，其中n为大于2的整数。接着，再将所得到的加权放电时间值，带入前文公式(5)中，即可求得第n个时间的加权输入力量。一般而言，进行加权后得到的输入力量在时间上会较为连续。

在一些实施方式中，平滑化步骤的具体公式为：

σt＝0.6tn+0.3tn-1+0.1tn-2

上式中的系数0.6、0.3以及0.1仅为举例，加权配重可依据具体应用目的进行调整。且也可不只采用相邻三个输入力量f对应的放电时间值进行平滑化处理，举例来说可采用第n个、第n－1个、第n－2个以及第n－3个力量f对应的放电时间值进行平滑化处理。也可采用其他使线条平滑化的线性或非线性代数方法。或者，在另一些实施例中，平滑化步骤也可为将换算后的第n个输入力量、第n－1个输入力量与第n－2个输入力量进行加权，以获得第n个时间单位所对应的加权输入力量。应了解，在本发明所公开的实施方式中，设计者可根据应用目的设计平滑化公式。

由以上对于本发明的具体实施方式的详述，可以明显地看出，本发明所公开的力量检测方法所能检测的压力段数不再受限于触控笔所搭载的控制器效能，其能检测的压力段数高达数十万阶。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。