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CN101203901B - 带有旋转检测的基于手持式光标器的输入设备 - Google Patents

带有旋转检测的基于手持式光标器的输入设备 Download PDF

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CN101203901B
CN101203901B CN2005800290982A CN200580029098A CN101203901B CN 101203901 B CN101203901 B CN 101203901B CN 2005800290982 A CN2005800290982 A CN 2005800290982A CN 200580029098 A CN200580029098 A CN 200580029098A CN 101203901 B CN101203901 B CN 101203901B
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Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
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Abstract

本发明包括点选设备(10，60)，其具有其上限定了手持式光标器运动区域(19)的第一表面(12)、可移动手持式光标器(11)和位置检测器(93)。可移动手持式光标器(11)被限制为在手持式光标器运动区域(19)内的第一表面(12)上移动。位置检测器(93)确定手持式光标器(11)在手持式光标器运动区域(19)中的位置以及手持式光标器(11)绕与第一表面(12)垂直的轴线的转角。在一个实施例中，手持式光标器(11)包括位于手持式光标器(11)的第二表面上的手持式光标器电极(65，66)，第二表面平行于第一表面(12)。第一表面(12)包含与手持式光标器电极(65，66)平行的第一、第二和第三电极(51-53)，手持式光标器电极(65，66)与第一、第二和第三电极(51-53)中每个的一部分重叠。

Description

带有旋转检测的基于手持式光标器的输入设备
技术领域
本发明涉及输入设备，更具体而言涉及带有旋转检测的基于手持式光标器的输入设备。
背景技术
现代的计算机操作系统和图形程序需要用于控制指针在计算机显示器上的位置的点选设备。类似地，诸如个人信息管理器和手提电话之类的手持设备也将通过包含这样的点选设备而受益。对于台式PC来说，最成功的点选设备是“鼠标”。鼠标是一种手持的物体，其可以在靠近键盘的平表面上移动以控制指针在计算机显示器上的运动。鼠标移动过的方向和距离确定了指针在显示器上移动的方向和距离。传统的鼠标提供了使用者可以以较高的精度来移动的刚性物体。对于台式计算机，鼠标对定位问题提供了令人满意的解决方案。在工作空间的大小不足以提供鼠标可以在其上移动并能够使光标在屏幕上进行所需运动的路径的情况下，使用者简单地拿起鼠标并使鼠标回到工作空间中的中心位置。
除了提供上述的定位功能，鼠标还可以包含用于提供到计算机的其它形式的输入的附加按钮和轮子。例如，现在大多数的鼠标设计提供了用于发信号进行特定动作(例如显示使用者可以选择其它功能的菜单)的第二按钮。此外，在许多设计中设置了滚轮。在具体的应用中，滚轮用于使屏幕上的文本滚动或者控制其它多值函数。例如，通过旋转滚轮，可以增大或减小许多图形程序中的缩放水平。
尽管鼠标已经为台式PC市场中的点选设备问题提供了令人满意的解决方案，但是还没有用于便携式和手持计算机的类似成功的设备。这些计算机通常用在键盘附近缺少鼠标可以在其上移动的足够大平面的环境中。此外，需要携带单独的点选设备使得鼠标并不是这些应用的理想的选择。因此，当这些计算机用在这种环境中时，需要一些其它形式的点选设备。
用在这些环境中的点选设备必须解决快速且准确移动指针的问题。此外，设备必须以一种直观的方式操作，使得初学者不需要过多的介绍就能够理解。此外，点选设备必须在有限的工作空间中操作并适合于计算机或手持设备的形状因子。最后，还必须满足对低成本、低功耗和高可靠性的通常约束。
目前，对于便携式电脑市场中的点选设备问题主要有两种解决方案，即Synaptics capacitive TouchPadTM和IBM TrackPointTM。其它公司也制造多种这样的具有类似功能的设备。这些设备都远不能满足上述需求。TrackPointTM是通常置于便携式电脑的键盘中心处的小按钮。通过用手指施加横向力至按钮顶部，可以以类似于“操纵杆”的形式来移动按钮。不足的是，按钮仅能够移动较小的量；因此，按钮的位移不能直接对应于计算机显示器上的指针位置的位移。而是，按钮位移控制指针移动的方向利速度。使用者使用此种类型速度控制来定位指针的精度远小于用传统鼠标所能达到的精度。这种限制在需要小且精确的运动(例如在计算机图形程序中的绘图)的任务中尤其明显。
TouchPadTM是一种空白的矩形衬垫，一边为二至四英寸，通常位于大多数便携式电脑的键盘之下。该设备传感在矩形表面上的手指相对于设备的边缘的位置。这种传感是通过测量由使用者的手指在位于绝缘、低摩擦材料之下的一系列电极上引起的电容变化来完成的。
类似于TrackPointTM，TouchPadTM的精度也较低。本质上很难测量由相对于电路处于未知电势处的使用者引起的电容变化。此外，使用者手指的接触面积相对较大。因此，为了提供手指位置的精确测量，设备必须确定一些参数，例如手指和衬垫之间的接触区域的中心。不足的是，接触区域的大小和形状随着使用者施加的压力而改变。因此，这种确定最多能够得到有限的精度。实践中，使用者不能反复地执行精确的运动。
还存在当使用者无意中用手指或手腕碰到衬垫时发出错误信号的问题。在一些设备中，传统鼠标的“点击”功能是通过在衬垫上进行轻敲来进行的。结果，在打字过程中，这种无意中的触动导致指针在打字操作的过程中跳至新的位置，从而文本插入在新的位置处。
在以前提交的美国专利申请10/723,957(通过引用将其包含在这里)中，描述了满足这些需求的点选设备。该点选设备使用手持式光标器(puck)，当使用者经由其手指施加压力至手持式光标器时，手持式光标器在限定的运动区域中移动。当使用者释放手持式光标器时，一组弹簧使手持式光标器返回至其运动区域中的中心位置。手持式光标器的位置和手持式光标器上的压力由设备中的电极来确定。位置信息用于将指针定位在显示屏幕上。在使用者的手指压在手持式光标器上的期间，安装在设备中的软件将手持式光标器的运动转换成指针在设备显示器上的适当运动。当使用者释放手持式光标器时，手持式光标器和指针位置之间的耦合通过软件断开，由此，指针不会往回移动，同时手持式光标器回到中心位置。
尽管上述专利申请中教导的设备对便携式电脑市场中的点选设备问题提供了超过现有技术中主要解决方案的显著优点，但是还存在需要改进的许多方面。特别地，该基于手持式光标器的点选设备将通过包含附加的输入功能(提供了上述滚轮的功能)而受益。
发明内容
本发明包括一种点选设备，点选设备包括其上限定了手持式光标器运动区域的第一表面、可移动手持式光标器和位置检测器。可移动手持式光标器被限制为在手持式光标器运动区域中的第一表面上移动。位置检测器确定手持式光标器在手持式光标器运动区域中的位置以及手持式光标器绕与第一表面垂直的轴线的旋转角度。在一个实施例中，手持式光标器包括位于手持式光标器的第二表面上的手持式光标器电极，第二表面平行于第一表面。第一表面包含与手持式光标器电极平行的第一、第二和第三传感电极，手持式光标器电极与第一、第二和第三传感电极中每个的一部分重叠。在一个实施例中，所述位置检测器包含用于测量所述手持式光标器电极与所述第一、第二和第三电极中的每个之间的电容的电路。在一个实施例中，所述手持式光标器电极包含导电材料的平面层，所述导电材料的平面层具有不关于穿过所述手持式光标器且垂直于所述第一表面的任何轴线旋转对称的形状。在一个实施例中，所述手持式光标器电极包含导电材料的平面层，所述导电材料的平面层具有关于垂直于所述平面层的轴线圆形对称的形状，所述平面层被划分成彼此分离的第一和第二部分，所述部分中的至少一个是不对称的。例如，所述第一部分不关于所述轴线圆形对称。在一个实施例中，手持式光标器中还包括手指传感电极。所述手指传感电极包含重叠所述手持式光标器电极并可以相对于其移动的导电层。所述位置检测器包含用于测量所述手持式光标器电极与所述手指传感电极、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极中的每个之间的电容的电路。
附图说明
图1是点选设备10的俯视图。
图2是沿图1所示的线2-2所取的点选设备10的剖视图。
图3是在本发明的一个实施例中图1所示表面的一部分的俯视图，其中，手持式光标器在该表面上移动。
图4是用于电极51-55的等效电路的示意图。
图5图示其中电极布置是有意不对称以对手持式光标器的旋转进行测量的布置。
图6是例如沿着图5中的线6-6所取的点选设备的剖视图。
图7是用于测量各种电容的电路示意图。
具体实施方式
参考图1和2，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，图1和图2图示了根据上述专利申请中所教导的本发明一个实施例的点选设备10。图1是点选设备10的俯视图，图2是沿图1所示的线2-2所取的点选设备10的剖视图。点选设备10包括手持式光标器11，响应于施加至手持式光标器11的横向力，手持式光标器11在衬底15的表面12上、在手持式光标器运动区域19内移动。该力通常是通过使用者的手指施加至手持式光标器11的。手持式光标器11包括测量施加至手持式光标器11的竖向压力的压力传感机构。当传感的压力超过预定阈值时，启动指针跟踪功能，并且指针以由手持式光标器的运动所确定的方向和距离在屏幕上移动。此外，点选设备10包括用于确定手持式光标器11在表面12上的位置的传感机构。
当使用者通过移开其手指16而释放手持式光标器11时，手持式光标器11通过以13示出的弹簧返回至其中心的位置，其中弹簧13将手持式光标器连接至手持式光标器运动区域的侧面14。因为在其返回过程中使用者的手指不施加竖向力至手持式光标器11，所以与返回运动相关的位置改变不会报告至主机。就是说，指针保持在其以前的位置。这提供了方便的“回到中心位置”能力，该能力通常是通过拿起鼠标并将鼠标放回其运动区域的中心来实现的。回到中心位置在运动区域受到限制的便携式电脑、手持设备和其它小型应用中特别需要。
上述的专利申请教导了用于测量使用者施加在手持式光标器上的压力的多种机构，因此，这里将不再详细描述这些机构。为了本讨论的目的，应当注意可以使用具有能够相对于底面移动的顶面的手持式光标器就足够了。顶面由弹簧机构保持在合适的位置。当使用者施加压力至顶面时，顶面向底面移动的量取决于所施加的压力。手持式光标器的顶面和底面之间的距离是使用许多方法中的一种来测量的。例如，手持式光标器的顶面和底面可以包括形成平行板电容器的导电层。该电容器的电容依赖于板之间的距离，因此，电容的测量提供了对使用者所施加压力的测量。
一个实施例中传感手持式光标器位置的方式详细描述在上述专利申请中，因此这里不再详细描述。为了本讨论的目的，假设电容的传感方案可以用于确定手持式光标器的位置。这样的方案图示在图3中，图3是在本发明的一个实施例中图1所示表面12的一部分的俯视图，其中，手持式光标器在该表面12上移动。表面50包括以51-54示出的四个电极，电极51-54具有连接至外部电路的端子。为了简化视图，这些端子被省略了。手持式光标器具有底面，底面包括电极55，电极55在图中以虚线示出。电极51-55彼此电绝缘。例如，电极55可以用电介质层覆盖，电介质层提供了所需的绝缘，同时还允许电极55在其它电极上滑动。实际上，该电极可以图案化在衬底(其表面以50示出)的背面上。这减小了电极和手持式光标器电极之间的电容，但是能够适用于厚度为几微米或更小的衬底。电极55与电极51-54中的每个之间的重叠依赖于手持式光标器相对于电极51-54的位置。分别用A-D来表示电极55与电极51-54之间的重叠部分。
现在参考图4，图4是用于电极51-55的等效电路的示意图。电极55的与电极51重叠的部分形成的平行板电容器具有与重叠部分A成比例的电容。类似地，电极55的与电极52重叠的部分形成的平行板电容器具有与重叠部分B成比例的电容，等等。因为所有的电容器共用电极55的各个部分，所以等效电路由连接至公共电极58的四个电容器构成。该电极仅仅是指电极55。因此，通过测量电极55与电极51-54中的每个之间的电容，可以确定电极55相对于电极51-54的位置。这种确定可以通过控制器59来进行，控制器59可以是点选设备的一部分或者主机(点选设备形成为其一部分)的一部分。
在上述实施例中，在手持式光标器底部上的电极的形状优选是圆形，以减小由于电极的形状而产生的误差。复位弹簧允许手持式光标器稍微旋转。如果在手持式光标器的运动过程中，使用者的手指没有在手持式光标器的中心上，则所导致的转矩可能引起手持式光标器略微旋转。如果手持式光标器电极是圆形对称的，则这样的旋转不会改变位置测量。另一方面，如果手持式光标器电极不是圆形对称的，则即使在每个情况下手持式光标器的中心都在相同的位置，对于不同的旋转，手持式光标器和各个电极之间的重叠程度将会不同。
本发明基于以下结论：这样的不对称电极设计能够用于测量手持式光标器的定位，该定位对于指针控制或附加的功能是有用的信息。例如，可以测量手持式光标器的旋转，并且用于实现诸如滚动之类的附加功能。在游戏动作中手持式光标器的旋转可以用于旋转游戏中的目标。例如，在其中军用坦克在战场附近移动的游戏中，手持式光标器的旋转可以用于控制坦克上的炮塔的方向。
为了对手持式光标器的旋转进行测量，电极有意地布置成不对称的。现在参考图5，其图示了一种这样的布置。点选设备60包括四个电极51-54，四个电极51-54位于运动区域61的底部上。手持式光标器电极被竖直地分成两半65和66。然后测量表面上的每个电极与每个手持式光标器电极之间的电容。可以从这些电容测量来计算位置和旋转。然后，旋转信息可以用于进行滚动或一些其它特征。
如上所述，在手持式光标器的正常运动中，可能发生一些手持式光标器的旋转。如果这是一个问题，则旋转信息可以被限制为当手持式光标器在其静止位置处或靠近其静止位置时发生的旋转。在这点上，应当注意回位弹簧还使手持式光标器返回至预定的定位。
在本发明的一个实施例中，手持式光标器电极的两半被设计为使得通过电连接两半获得的电极具有旋转对称的形状。在该情况下，图3所示的电路布置能够用于在位置测量过程中通过电连接该两半来确定手持式光标器的位置。可以通过先断开一半然后再断开另一半来重复进行相同的测量，以提供旋转信息。
上述实施例使用分为两部分的手持式光标器电极。但是，也可以使用其它的电极设计。电容测量可以视作提供了在运动区域中手持式光标器电极与传感电极的每个重叠的面积。这些重叠部分的测量必须提供手持式光标器距某基准点的位移和手持式光标器绕其上的轴线进行的旋转。为了简化起见，位移将规定在笛卡儿坐标(x，y)中，并且转角将用A来表示。由此，至少必须有三个传感电极。此外，电极形状和位置必须使得能够确定x和y位移。例如，如果所有的电极具有相同的形状并且在x方向的线上对齐，则不能确定y位移。
如果要检测每个可能的位置和旋转，手持式光标器电极的形状优选满足两个条件。首先，电极的形状必须不是关于运动区域中的任何轴线圆形对称的。如果不满足这个条件，则可能存在一组值(x，y，A)，其提供了与另一组(x，y，A)相同的重叠部分值。此外，对于每个可能的手持式光标器位置和旋转，手持式光标器电极必须与所有的传感电极重叠。在其中与运动区域相比手持式光标器电极较小的实施例中，多于三个的传感电极可以用于覆盖运动区域的表面。在这样的实施例中，如果这三个电极没有布置在一条直线上，则手持式光标器电极足以与三个电极重叠。如果这些条件都不满足，则也能构造可操作的点选设备，但是，点选设备可能在一些位置处产生错误的结果。
如上所述，手持式光标器顶面上的压力用于检测使用者手指的存在并模拟与传统鼠标中使用的操作类似的“点击”操作，以发送信号至由手持式光标器控制的指针的当前位置用于某种功能的程序。例如，点击被用于发送信号至应当选择屏幕上的指针当前所指的列表项目的数据处理系统。应当注意，上述用于确定手持式光标器的位置和旋转的相同电容测量系统也可以用于测量使用者在手持式光标器上所施加的压力。
现在参考图6，图6是例如图5所示点选设备沿线6-6所取的剖视图。点选设备80使用手持式光标器81，手持式光标器81在其底面的上方具有悬置在弹簧84上的顶部电极82，电极65和66位于手持式光标器81的底面上。在此实施例中，通过手持式光标器81的外壳85中的凸缘83来防止电极82离开手持式光标器81。当使用者下按电极82时，电极82向电极65和66移动一段距离，该距离依赖于施加至电极82的力。因此，电极82与电极65或66之间的距离提供了对所施加力的测量。该距离是通过测量由电极82与电极65和66中的一者或两者所形成的电容器的电容来确定的。
如上所述，手持式光标器81在运动区域中的位置和手持式光标器81的旋转还可以通过测量电容来确定。在这种情况下，电容是电极65和66与电极51-54之间的电容。现在参考图7，图7是用于测量各个电容的电路的示意图。应当注意，电极65和66可以单独或者一起连接至运算放大器92的输入，这依赖于被测量的特定电容。这些电极中连接至运算放大器的特定的一个是经由多路转换器96通过控制器93来确定的。为了简化附图，省略了从控制器至多路转换器和电极的具体连接。为了本讨论的目的，假设连接了电极65。当复位开关95首先闭合时，传感电极65和输出电压VOUT被强加至电势VREF。在重新打开复位开关后，驱动电压V1通过控制器93施加至电极51-54、65或82中的一个。考虑电极51上的测量，根据Q1＝C1·(V1-VREF)，其中C1是由电极65和电极51形成的电容器的电容，对相关的电容器进行充电。因为没有电荷移至传感电极65或从传感电极65离开，所以运算放大器将在反馈电容器94上施加电压，以将电极65保持在电势VREF。由此，VOUT-VREF＝C1/CREF·(VREF-V1)，其中CREF是电容器91的电容。通过在各个被驱动电极上顺序进行这样的测量，可以确定手持式光标器的位置、手持式光标器的转角和施加至手指传感器的压力。该电路对于本应用是有利的，因为其允许使用单个运算放大器和简单的数字驱动信号来进行多个电容测量。
然后，所获得的位置和旋转的信号传送至连接点选设备的数据处理系统97，以控制指针102的位置和/或连接数据处理器的显示器98上的具它特征。例如，旋转角度可以用于旋转显示器上显示的选择的目标(例如目标99)或者操作显示器上示出的窗口100中的滚动条101。
根据前述和附图，本发明的各种修改对于本领域技术人员将变得明显。由此，本发明仅由以下权利要求的范围来限定。

Claims (4)

1.一种点选设备(10，60)，包括：
第一表面(12)，其上限定了手持式光标器运动区域(19)；
可移动手持式光标器(11)，其被限制为在所述第一表面(12)上移动；和
位置检测器(93)，其确定所述手持式光标器(11)在所述手持式光标器运动区域(19)中的位置以及所述手持式光标器(11)绕所述手持式光标器(11)的与所述表面垂直的轴线的旋转角度，
其中，所述手持式光标器(11)包括位于所述手持式光标器(11)的第二表面上的手持式光标器电极(65，66)，所述第二表面平行于所述第一表面(12)，其中，所述第一表面(12)包含与所述手持式光标器电极(65，66)平行的第一、第二和第三传感电极(51-53)，所述手持式光标器电极(65，66)与所述第一、第二和第三传感电极(51-53)中每个的一部分重叠，并且
其中，所述手持式光标器电极(65，66)包含导电材料的平面层，所述导电材料的平面层具有关于垂直于所述平面层的轴线圆形对称的形状，所述平面层被划分成彼此分离的第一和第二部分(65，66)。
2.根据权利要求1所述的点选设备(10，60)，其中，所述位置检测器(93)包含用于测量所述手持式光标器电极(65，66)与所述第一、第二和第三传感电极(51-53)中的每个之间的电容的电路(92，94，93)。
3.根据权利要求1所述的点选设备，其中，所述第一部分(65)不关于所述轴线圆形对称。
4.一种点选设备(10，60)，包括：
第一表面(12)，其上限定了手持式光标器运动区域(19)；
可移动手持式光标器(11)，其被限制为在所述第一表面(12)上移动；和
位置检测器(93)，其确定所述手持式光标器(11)在所述手持式光标器运动区域(19)中的位置以及所述手持式光标器(11)绕所述手持式光标器(11)的与所述表面垂直的轴线的旋转角度，
其中，所述手持式光标器(11)包括位于所述手持式光标器(11)的第二表面上的手持式光标器电极(65，66)，所述第二表面平行于所述第一表面(12)，其中，所述第一表面(12)包含与所述手持式光标器电极(65，66)平行的第一、第二和第三传感电极(51-53)，所述手持式光标器电极(65，66)与所述第一、第二和第三传感电极(51-53)中每个的一部分重叠，并且
所述手持式光标器(11)还包括顶部电极(82)，所述顶部电极(82)包含与所述手持式光标器电极(65，66)重叠并可以相对于所述手持式光标器电极(65，66)移动的导电层，并且其中，所述位置检测器(93)包含用于测量所述手持式光标器电极(65，66)与所述顶部电极(82)、所述第一传感电极(51)、所述第二传感电极(52)、所述第三传感电极(53)中的每个之间的电容的电路(92，94，95、96)。
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