位移型定点设备中的电容传感和绝对位置映射

摘要

本发明公开了位移型定点设备中的电容传感和绝对位置映射。可位移构件在传感系统上的操作区域中移动，该传感系统包括传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵。可位移构件的电导耦合元件将来自所述至少一个驱动电极的信号电容耦合至在该电导耦合元件下面的那些传感电极。测量系统生成指示所述电导耦合元件和那些传感电极之间的重叠量的测量信号。处理系统根据该测量信号来产生具有下述信息的输出信号，所述信息传达与电导耦合元件在操作区域中的绝对位置相对应的运动度量。至少一个分区传感电极可以包括分布在操作区域的各个分区中的分立电导传感元件。驱动电极可以包括散布于所述至少一个分区传感电极的传感元件中的分立电导传感元件。

说明书

技术领域

本发明涉及位移型定点设备(displacement type pointing device)中的电容传感(capacitive sensing)和绝对位置映射。

背景技术

已经开发出许多种定点设备，用于向机器输入命令。例如，诸如计算机鼠标、操纵杆(joystick)、跟踪球(trackball)、触摸屏和键盘之类的手控定点设备共同地被用于通过操作定点设备来向计算机输入指令。这种定点设备允许用户控制光标(即，虚拟指针)在计算机屏幕上的移动、选择或移动显示在计算机屏幕上的图标或其它虚拟物体、以及打开和关闭与不同输入命令相对应的菜单项目。

已经开发出用于趋向于保持固定的、诸如台式计算机之类的大型电子设备的定点设备，以及用于诸如蜂窝电话和移动计算机系统之类的小型便携式电子设备的定点设备。与用于便携式电子设备的定点设备相比，一般地，用于大型电子设备的定点设备具有更少和更灵活的设计限制，原因在于其可以使用更大的空间和更多的功率资源。一般而言，用于便携式电子设备的定点设备应当允许用户快速精确地移动光标，并且在有限的工作空间和功率限制内进行操作。

已经开发出位移型定点设备，用以满足便携式电子设备的固有限制。这些类型的定点设备包括可位移构件(例如，手持游标器(puck)、按钮或者其它可移动物体)，该可位移构件在例如通过用户的手指来施加压力之后在限定的运动场内移动。在典型的位移型定点设备中，可位移构件响应于平面方向上的横向力而进行二维移动。电阻器电路、电容传感器和磁性(霍尔效应，Hall-effect)传感器已经被用于确定可位移构件在运动场中的位移。所确定的可位移构件的位移被映射成显示器上的光标的二维移动。在用户释放可移动构件之后，一般地，恢复机构(例如，一组弹簧)将可位移构件返回到运动场中的中心位置。当可移动构件位于运动场的中心位置时，位置映射系统一般地固定显示器上的光标位置。

可位移构件的运动场一般地非常小。其结果是，位移型定点设备一般地以相对设备-光标映射模式或速度映射(或，操纵杆)模式来进行操作。在相对设备-光标映射模式下，可位移构件的位置和显示器上的光标的位置可以利用可变映射来平衡。在速度映射模式下，可位移构件的位置被映射成显示器上的光标的速度。一般地，可位移构件的运动场太小以至于无法提供绝对的设备-光标映射模式，在绝对的设备-光标映射模式下，可位移构件的位置和屏幕上的光标的位置一一对应。

需要的是这样的位移型定点设备和方法，该设备和方法能够高精确度地感应可位移构件的移动，并提供输入的绝对位置映射模式，其中可位移构件的位置和显示器上的光标的位置一一对应的。

发明内容

在一个方面，本发明的特征在于一种输入装置，该输入装置包括传感系统、可位移构件、测量系统和处理系统。传感系统包括传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵。可位移构件在传感系统上的操作区域中移动，并且包括电导耦合元件，该电导耦合元件可用于将来自所述至少一个驱动电极的信号电容耦合至在该电导耦合元件下面的那些传感电极。测量系统生成指示电导耦合元件和那些传感电极之间的重叠量的测量信号。处理系统根据该测量信号来产生具有下述信息的输出信号，所述信息传达与所述电导耦合元件在操作区域中的绝对位置相对应的运动度量。

在其它方面，本发明的特征在于一种输入装置，该输入装置包括传感系统和可位移构件。传感系统包括在操作区域的各个分区中的分区传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵。至少一个所述分区传感电极包括分布在操作区域的各个分区中的电导传感元件。驱动电极包括散布于所述至少一个分区传感电极的传感元件中的分立电导传感元件。可位移构件在传感系统上的操作区域中移动，并且包括电导耦合元件，该电导耦合元件将来自所述至少一个驱动电极的信号电容耦合至在该电导耦合元件下面的那些传感电极。

在另一个方面，本发明的特征在于一种输入方法，根据该输入方法，响应于可位移构件在传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵上的操作区域中的移动，生成这样的测量信号，该测量信号指示所述可位移构件的电导耦合元件和下面的那些传感电极之间的重叠量。根据所述测量信号来产生具有下述信息的输出信号，所述信息传达与所述电导耦合元件在所述操作区域中的绝对位置相对应的运动度量。

根据以下描述(包括附图和权利要求)，本发明的其它特征和优点将变得清楚。

附图说明

图1是在示例性操作环境中的定点设备的一个实施例的图示，该定点设备包括可位移构件、传感系统、测量系统和处理系统；

图2A是图1所示的定点设备的一个实施例的示意性顶视图；

图2B是图2A所示的定点设备沿线2B-2B的截面图；

图3是图1所示的定点设备的一个实施例的截面图；

图4A是操作区域的一个实施例的示意性顶视图；

图4B是传感系统的一个实施例的顶视图，该传感系统包括与图1所示的测量系统的一个实施例相耦合的传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵；

图5是传感系统的一个实施例的一部分的顶部放大图，该传感系统包括在分区传感电极和驱动电极的相互交错的电极指之间的噪声屏蔽(noise-shielding)电导体；

图6是叠加在操作区域的一个实施例上的电导耦合元件的一个实施例的示意性顶视图；

图7是叠加在操作区域的一个实施例上的电导耦合元件的一个实施例的示意性顶视图；

图8是叠加在传感系统的一个实施例上的、图7所示的操作区域实施例的示意性顶视图；

图9A和9B是在图1所示的传感系统实施例上的不同各点处的模拟地示出的电导耦合元件的一个实施例的顶视图；

图10是在图1所示的传感系统实施例上模拟地示出的电导耦合元件的一个实施例的顶视图；

图11A是图1的定点设备的一个实施例的示意性截面图，该定点设备包括具有可位移耦合构件的电导耦合元件的一个实施例；

图11B是图11A所示的定点设备的示意性截面图，其中，可位移耦合构件已经响应于用户手指所施加的垂直力而向传感系统移动；

图12A和12B各自为电导耦合元件的一个实施例的顶视图和仰视图，该电导耦合元件包括环绕中心电导耦合元件的外围电导耦合元件，所述中心电导耦合元件包括可位移耦合构件；

图13是图1所示的可位移构件的一个实施例的示意性截面图；

图14是处理系统的一个实施例和测量电路的一个实施例的框图，该测量电路与图9A和9B所示的电导耦合元件和传感系统的等效电路电连接；

图15是图1所示的测量电路的一个实施例的电路图；

图16是使用图9A和9B所示的传感系统来获得测量值的方法的一个实施例的流程图；

图17是从根据图16的方法来生成的测量值中产生显示控制信号的方法的一个实施例的流程图；

图18是根据图16的方法、在测量周期中测得的总电容作为时间的函数来绘制的图形；

图19是可以由图1所示的定点设备的实施例来执行的方法的一个实施例的流程图；

图20A是在图1所示的定点设备的一个实施例中、正从操作区域中的第一位置向第二位置移动的可位移构件的示意性示图；

图20B是根据绝对位置映射输入方法的一个实施例、响应于图20A所示的可位移构件的移动而正从显示屏幕中的第一位置向第二位置移动的光标的示意性示图。

具体实施方式

在以下的描述中，相似的标号用于标识相似元件。此外，附图意在以图示方式来示出示例性实施例的主要特征。附图并不意在示出实际实施例的每一个特征，也不意在示出所描绘的元件的相对尺度，并且附图的绘制并不成比例。

I.引言

图1示出了定点设备10的一个实施例，定点设备10包括可位移构件12、传感系统14、测量系统16和处理系统18。以下将详细描述，定点设备10能够高精确度地感应可位移构件12的移动，并提供输入的绝对位置映射模式，在该模式中，可位移构件12的位置被一一对应地映射成光标的位置。

一般而言，定点设备10可以并入到输入控制信号起到有用的目的任何类型的设备或系统中。为了说明的目的，定点设备10在这里被描述成用于将图形用户界面命令输入到机器(例如，便携式或台式计算机)中的系统组件。在图1所示的示意性操作环境中，定点设备10将输出信号20发送到对显示器24进行驱动的显示控制器22。在一些实施例中，处理系统18产生具有传达运动度量的信息的输出信号20，所述运动度量指示可位移构件12在操作区域中的移动。处理系统18可以产生的输出信号20的示例类型包括：描述了可位移构件12的绝对或相对位置的位置数据(例如，以操作区域的指定原点为中心的坐标系统的轴向距离)；描述了可位移构件12的速度的速度数据；以及滚动位置和距离数据。显示控制器22对输出信号20进行处理，以例如控制显示器24上的光标25的移动。

在一些实施例中，定点设备10和显示器24被集成为一个整体设备，例如便携式(例如，手持式)电子设备。便携式电子设备可以是人们能够容易地携带的任何类型的设备，包括蜂窝电话、无绳电话、传呼机、个人数字助理(PDA)、数字音频播放器、数码相机和数字视频游戏机。在其它实施例中，定点设备10和显示器24被实现为分离的独立设备，例如，分离的定点设备和基于远程显示器的系统。一般而言，远程系统可以是接收用户输入的、任何类型的基于显示器的电器，包括通用计算机系统、专用计算机系统和视频游戏系统。显示控制信号20可以经有线通信链路(例如，诸如RS-232串行端口、通用串行总线或PS/2端口之类的串行通信链路)或无线通信链路(例如，红外(IR)无线链路或射频(RF)无线链路)被发送到远程系统。在这些实施例中的一些中，可以将一个或多个模块并入(因而可以将处理系统18的一个或多个功能并入)远程系统，而不是并入定点设备10。

处理系统18一般地通过一个或多个分立模块来实现，该分立模块并不限于任何特定的硬件、固件或软件配置。所述一个或多个模块可以在任何计算或数据处理环境中实现，包括在数字电子电路中(例如，诸如数字信号处理器(DSP)之类的专用集成电路)或者在计算机硬件、固件、设备驱动器或软件中。在一些实施例中，用于实现处理系统18的模块的计算机处理指令和由这些模块生成的数据被存储在一个或多个计算机可读介电中。适于有形地收录这些指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失存储器，例如包括：诸如EPROM、EEPROM和闪存设备之类的半导体存储设备，诸如内部硬盘和可移动磁盘之类的磁盘，磁光盘，以及CD/DVD-ROM。

显示控制器22一般地运行驱动器以对输出信号20进行处理。一般而言，驱动器可以在任何计算或处理环境中实现，包括在数字电子电路中、或者在计算机硬件、固件或软件中。在一些实施例中，驱动器是操作系统或应用程序的组件。

显示器24例如可以是平板显示器，例如，LCD(液晶显示器)、等离子体显示器、EL显示器(电致发光显示器)和FED(场发射显示器)。

以下将详细描述，可位移构件12包括电导耦合元件，而传感系统14包括传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵。可位移构件12可以用手持游标器、按钮或其它可移动物体来实现。在一些实施例中，可位移构件12由电导体组成，在这种情况下，可位移构件12完全由电导耦合元件组成。在其它实施例中，除了电导耦合元件之外，可位移构件12还包括其它元件(例如，输入按钮)。

可位移构件12可以在受限的运动区域中移动，该受限运动区域在这里称为“操作区域”(operational zone)。在一种示例性操作模式下，用户的手指26在操作区域内操纵可位移构件12，并且传感系统14检测可位移构件在操作区域中的位置。电导耦合元件将测量系统16施加给所述至少一个驱动电极的输入信号28电容性耦合至在电导耦合元件下面的那些传感电极。响应于所施加的输入信号28，传感电极产生传感信号30，该传感信号30是对用户手指26对可位移构件12的触摸的响应，并且是对可位移构件12在操作区域中的不同位置的响应。

II.传感系统和可位移构件的示例性实施例

图2A示出了定点设备10的示例性实施例40的顶视图。图2B示出了定点设备40沿线2B-2B的截面图。在定点设备40中，可位移构件12用手持游标器42来实现。手持游标器42可以在由支撑框架46的围壁45限定的操作区域44中移动。操作区域44可以具有任何形状，包括弯曲形状(例如，椭圆形和圆形)、多边形状(例如，矩形)和曲线形状。在图示的实施例中，操作区域44具有圆角矩形的形状，该圆角的曲率半径与圆形手持游标器42的半径相匹配。支撑框架46安装在基板48(例如，印制电路板)上。传感系统14设在手持游标器42之下、基板48之上。

在操作时，手持游标器42响应于用户手指26所施加的横向力(即，具有图2A所示的x-y平面中的分量的力)而在操作区域44内自由移动。手持游标器42可以在传感系统14之上、在支撑面50上滑动，支撑面50可以是传感系统14的低摩擦的电绝缘顶层。在一些实施例中，手持游标器42被限制于在操作区域44内进行二维移动。

在一些实施例中，磁性机构将手持游标器42限制于在支撑面50上进行二维移动。例如，在一些示例性实施例中，手持游标器42被磁性吸引至支撑结构50。在这些实施例中，手持游标器42和支撑结构50中的一个或这两者都可以各自包括永磁体。

在其它实施例中，机械机构将手持游标器42限制于在支撑面50上进行二维移动。例如，图3示出了图2B所示的定点设备40的一个实施例52，其中，可位移构件包括把手56和基座58，并且支撑框架46用壳体60来实现，壳体60包括顶部62和侧壁64。顶部62包括侧壁66，侧壁66限定了开口68，把手56通过该开口68来伸出。可位移构件54的操作区域一般地由把手56在开口68内的运动范围来限定。可位移构件54的基座58在空腔70内自由地横向滑动，空腔70形成在壳体60的侧壁64和顶部62之间。这样，壳体60将可位移构件54限制于在支撑面50上进行二维移动。

在一些实施例中，传感系统14包括在操作区域的各个分区中的分区(regional)传感电极和至少一个驱动电极。在这些实施例的一些中，至少一个所述分区传感电极包括分布在操作区域的各个分区中的分立电导传感元件，而驱动电极包括散布于所述至少一个分区传感电极的传感元件中的分立电导传感元件。

图4A和4B示出了操作区域94的一个实施例以及传感系统14的一个实施例72，该传感系统14包括四个分区传感电极74、76、78、80和一个驱动电极82。驱动电极82包括一种式样(pattern)的电极指84，而各个分区传感电极74-80包括各自式样的电极指86、88、90、92。驱动电极82的电极指84分布在操作区域94中，该操作区域94经图4B中的电极指84-92的式样来模拟示出。分区传感电极74-80的电极指86-92位于操作区域94的各个分区中。具体而言，分区传感电极74的电极指86位于分区1中，分区传感电极76的电极指88位于分区2中，分区传感电极78的电极指90位于分区3中，而分区传感电极80的电极指92位于分区4中。

分区传感电极74-80的电极指86-92一般地排列成规则阵列，该规则阵列提供了跨操作区域94的各个分区的均一密度的电极指。在传感系统72中，驱动电极82的电极指84散布于分区传感电极74-80的电极指86-92中。具体而言，分区传感电极74-80的电极指86-92与驱动电极82的电极指84相互交叉从而形成交错的电极指阵列，在该电极指阵列中，驱动电极82的电极指84穿插在操作区域94的各个分区中的分区传感电极74-80的电极指86-92之间。

在图示的实施例中，传感电极74-82被排列在基板48(参见图2B)的平面上。在其它实施例中，传感电极74-82被排列在基板48的一个或多个弯曲(例如，凸起或凹陷)表面上。

图5示出了传感系统72的一个实施例96的一部分，该传感系统72额外包括至少一个噪声屏蔽电导体，该噪声屏蔽电导体介于分区传感电极74-80的电极指86-92与相邻的、驱动电极82的电极指84之间。在图5所示的传感系统96的所述部分中，噪声屏蔽电导体98穿插在驱动电极82的电极指84与分区传感电极76的电极指88之间。噪声屏蔽电导体98与参考电位100电气连接，该参考电位100一般地是地电位。噪声屏蔽电导体98降低了分区传感电极74-80与驱动电极82之间的直接电容耦合，并从而降低了噪声。

在图4B所示的实施例中，传感电极74-82与测量系统16的实施例102相连接。具体而言，各个分区传感电极74-80各自与传感电路104、106、108、110相连接，而驱动电极82与驱动电路112相连接。驱动电路112向驱动电极82施加输入信号，而传感电路104-110测量指示出电导耦合元件和那些传感电极之间的重叠量的传感信号。

在其它实施例中，至少一个驱动电路向分区传感电极74-80施加输入信号28，而传感电路测量在驱动电极处产生的传感信号30。

图6示出了叠加在操作区域94(参见图4A和4B)的实施例116上的电导耦合元件114的实施例。电导耦合元件114一般地具有空间广度，从而电导耦合元件114从操作区域116中的任意位置向操作区域116中的任意其它位置的移动可以使得电导耦合元件114重叠至少两个分区传感电极，该分区传感电极位于操作区域116的各个边界分割分区(即，分区1-4)中。以这种方式与操作区域116相关联地限定电导耦合元件114的尺寸避免了可位移构件在操作区域116中的不确定移动。

虽然电导耦合元件114可以自由地在整个操作区域116中移动，但是该移动的可分辨部分限于边界为120的有效区域(active area)118，边界120与下述位置相对应：即，在电导耦合元件114与操作区域94的外围相接触地移动时该电导耦合元件114的形心位置。在一些实施例中，有效区域118具有基于显示器24的指定像素分辨率和指定浏览分辨率(navigation resolution)来设定的尺寸，其一般地确定了用户必须运用在可位移构件的移动上的控制量，从而实现对显示器24(参见图1)上的光标25的逐个像素的控制。

例如，在一个示例性实施例中，指定的显示器分辨率是XGA 1024×768像素，而指定的浏览分辨率是819dpi(每英寸的点数)。利用浏览分辨率来分割屏幕分辨率产生了宽度为1024/819＝1.25英寸、高度为768/819＝0.94英寸的有效区域。在该示例性实施例中，操作区域宽度(w1)为2.5英寸而高度(h1)为2.19英寸。在这个示例中，电导耦合元件114的直径(d1)等于有效区域118的宽度和高度中的较大者(即，1.25英寸)。

一般而言，操作区域的尺寸和电导耦合元件的尺寸可以通过调节浏览分辨率而针对给定的屏幕分辨率来调节。高浏览分辨率的一个潜在缺点是增大了用户控制的难度，原因在于手持游标器的很小移动就会转换成显示器24上光标25的很大移动。在一些情况下，通过增加分区传感电极的数目可以减小操作区域的尺寸，同时保持相同的浏览分辨率，如图7所示。

图7示出了叠加在操作区域实施例124上的电导耦合元件114的一个实施例122，操作区域实施例124被分割成6个分区。在指定显示器分辨率为XGA 1024×768像素而指定浏览分辨率为819dpi的示例性实施例中，有效区域126与上述示例具有相同尺度(即，宽度为1024/819＝1.25英寸，而高度为768/819＝0.94英寸)，但是操作区域124和电导耦合元件122的面积分别减少了25％和43％。具体而言，操作区域124的高度(h2)为0.94+0.94＝1.88英寸，操作区域124的宽度(w2)为0.94+1.25＝2.19英寸，而电导耦合元件122的直径(d2)为0.94英寸。

在一些实施例中，至少一个分区传感电极被分割成至少两个位于各自不同的操作区域范围中的电极结构，该不同的操作区域范围被其它各个分区传感电极所相互分离。例如，图8示出了模拟地叠加在传感系统130的一个实施例上的操作区域124，传感系统130包括传感电极的空间排列阵。在这个排列阵中，分区传感电极132被分割成两个分区传感电极结构134、136(即，分区传感电极3-1和3-2)，该分区传感电极结构134、136位于所述空间排列阵的各自不同的区域中(即，操作区域124的分区3和分区6中)，所述区域被其它各个分区传感电极(即，分区传感电极1和4)所相互分离。

在图8所示的那种类型的实施例中，电导耦合元件与分区传感电极的叠加的最大程度至多等于分离各个经分割的分区传感电极的所有电极结构对的距离中的最短的那个距离。

图9A和9B示出了定点设备40(参见图2B)的示例性实施例150的顶视图，该实施例150包括电导耦合元件152(由虚线圆来模拟示出)和传感系统154，传感系统154包括在环绕驱动电极E的外围分区中的四个外围传感电极A、B、C和D。在图示的实施例中，传感系统154被排列在基板48(参见图2B)的平面上。在其它实施例中，传感系统154可以被排列在基板48的一个或多个弯曲(例如，凸起或凹陷)表面上。电极A-E相互电绝缘。电接头(未示出)将电极A-E电连接到测量系统16(参见图1)。在一些实施例中，位于电导耦合元件152和电极A-E之间的低摩擦介电隔片(dielectric spacer)将电导耦合元件152和电极A-E电绝缘，同时允许电导耦合元件152在电极A-E上滑动。电导耦合元件152和各个电极A-E之间的重叠量取决于手持游标器42相对于电极A-E的位置。

图9A示出了以驱动电极E为中心的电导耦合元件152。图9B示出了靠着操作区域的外壁45摆置的电导耦合元件152。在该实施例中，在可位移构件在操作区域的各个位置中，电导耦合元件152完全与驱动电极E重叠。即，电导耦合元件152的半径r_T至少是驱动电极的半径r_E加上目标电极离操作区域中心的最大运动范围r_M(即，r_T≥r_E+r_M)。另外，在手持游标器42在操作区域的各个位置中，电极A-E横跨完全与电导耦合元件152重叠的传感分区。

电导耦合元件152包括环绕中心电导耦合元件、且与中心电导耦合元件电连接的外围电导耦合元件，该中心电导耦合元件包括可位移耦合构件156(由虚线圆圈模拟示出)。可位移耦合构件156可以基本与环绕的外围电导耦合元件相独立地向传感系统154移动和从传感系统154移开。在手持游标器42在操作区域的各个位置中，驱动电极E完全与可位移耦合构件156相重叠。即，驱动电极E的半径r_E至少是可位移耦合构件156的半径r_D加上电导耦合元件离操作区域的中心的最大运动范围r_M(即，r_E≥r_D+r_M)。

在图9A和9B所示的实施例中，传感系统154包括环绕单个驱动电极E的四个外围传感电极A-D，而电导耦合元件152包括环绕单个中心电导耦合元件156的外围电导耦合元件。在其它实施例中，传感系统154可以包括不同数目的外部传感电极。例如，图10示出了传感系统155，该传感系统155包括环绕驱动电极I的三个外围传感电极F、G、H。

图11A示出了定点设备40的一个实施例160，该实施例160包括电导耦合元件152(如图9A和9B所示)的实施例161，该电导耦合元件152包括环绕中心电导耦合元件164的外围电导耦合元件162的平面排列。中心电导耦合元件164包括可位移耦合构件166，该可位移耦合构件166通过弹性恢复机构168而与外围电导耦合元件162相连接。恢复机构168响应于施加给可位移耦合构件的外力而促使可位移耦合构件166回到平衡位置。例如，在一个示例性图示中，图11B示出了响应于用户手指26所施加的力而离开图11A所示的平衡位置且向传感系统14移动的可位移耦合构件166。仅出于示意性的目的，图11B示出了用户手指26与可位移耦合构件166相接触的情形。在实际的实施例中，用户手指26是通过定点设备10的其它组件而与可位移耦合构件166电绝缘的。用户手指26所施加的力使恢复机构168发生变形，并且作为响应，恢复机构168运用与所施加的力相反的恢复力并促使可位移耦合构件166向平衡位置移动。在用户手指26所施加的力移开之后，恢复机构168所运用的反向恢复力使可位移耦合构件166返回到平衡位置。

如图11A和11B所示，介电隔片170介于电导耦合元件161和传感系统14之间。在这个实施例中，介电隔片170包括分立的介电膜172、174、176，介电膜172、174、176附着于面向传感系统14的电导耦合元件161的各自隔离的表面区域。各个分立的介电膜172-176附着于电导耦合元件161的外围表面区域以及电导耦合元件161的至少一个中心表面区域。介电膜172-176可以在传感系统14的表面上自由滑动。在一些实施例中，介电带172-176由低摩擦的介电材料(例如，诸如尼龙和TEFLON^之类的塑胶材料)形成，其与电导耦合元件161的各个表面区域相粘连。

与使用一个均一的介电膜相比，使用多个分立的介电膜允许目标电极更好地适应传感系统上的任何表面不规则性。另外，介电隔片170通过增大电导耦合元件和传感系统之间的关于空气的介电常数，降低了传感系统对分离电导耦合元件和传感电极结构的间隙变化的敏感性。

在图示的实施例中，介电膜172-176是环形的。在其它实施例中，介电隔片170可以包括形状和尺寸与介电膜172-176不同的介电膜。例如，在一些实施例中，介电隔片170包括这样的介电材料(例如，TEFLON^)薄膜，该薄膜涂覆电导耦合元件152的整个朝下表面，并防止可位移耦合构件166与驱动电极电短路。另外，介电隔片170还包括两个环形的介电膜172、174，该介电膜172、174粘附于所述薄膜介电涂层的外露表面区域。该薄膜介电涂层一般地具有在25-100微米(μm)范围内的均一厚度，而两个环形介电膜172、174一般地具有在100-300μm范围内的厚度。

在一些实施例中，通过在传感系统154的外露顶部表面粘附很薄的(例如，在100μm量级上)介电涂层，来进一步降低电导耦合元件152、161和传感系统154之间的电短路风险。

图12A示出了平面电导耦合元件161(如图11A和11B所示)的示例性实施例180的顶视图。电导耦合元件180包括环绕中心电导耦合元件184的环形外围电导耦合元件182。中心电导耦合元件184包括可位移耦合构件186，该可位移耦合构件186通过平面恢复机构188而与外围电导耦合元件182相连接。恢复机构188包括环190，该环190分别通过柔性关联装置(linkage)192、194而与外围电导耦合元件182和可位移耦合构件186相连接，柔性关联装置192、194与将可位移耦合构件186对半分开的轴96相对准地排列。参考图12B，电导耦合元件180包括可选的介电材料的均一薄膜198以及两个环形的介电膜200、202，薄膜198涂覆电导耦合元件的底部表面，而介电膜200、202粘附于薄膜介电涂层198的各个底部表面区域。在一些实施例中，平面电导耦合元件180是使用印模(stamp)或冲模(die)技术来从电导材料(例如，金属)薄片中切割出来的。

图13示出了图1所示的可位移构件12的实施例210。该可位移构件210包括输入按钮212和电导耦合元件214。电导耦合元件214包括：与参考电位218(一般地是地电位)相连接的第一电导体216；与第一电导体216电绝缘的第二电导体220；以及一对互连的平面电导体222、224。第一介电层226将第一电导体216和第二电导体220相互电绝缘。第二介电层228将第二电导体220和电导体对222、224相互电绝缘。

输入按钮212中的开关230与电导体216电连接。开关230可用于选择性地将第一电导体216连接到第二电导体220。在图示的实施例中，开关230用弹性的电导圆顶开关来实现，该圆顶开关的外围部分与第一电导体216电连接。圆顶开关230具有松弛(或平衡)状态(如图13所示)，在该状态中，中心部分与接触结构232不相连接，接触结构232与第二电导体220电连接。响应于用户手指所施加的足够大的垂直向下力(即，负z方向的力)，圆顶开关230转换为变形偏置状态，在该变形偏置状态中，所述中心部分与接触结构232相接触，并从而将第一电导体216和第二电导体220电连接。在这种状态下，减少了电导耦合元件210和下方的传感系统电极之间的电容耦合，原因在于电容耦合信号的一部分通过参考电位218的源而泄漏了。当用户手指从输入按钮212移开时，圆顶开关230反弹回图13所示的松弛状态，并从而断开第二电导体220与参考电位218的源的连接。

III.测量电路和处理系统的示例性实施例

A.概况

以下将在定点设备150(图9A和9B所示)的情形下描述示例性定点设备方法。类似地，这些方法也适用于这里所描述的其它定点设备实施例。如图9A所示，该实施例中的传感系统154包括环绕单个驱动电极E的四个外围传感电极A-D，并且电导耦合元件152包括环绕单个中心电导耦合元件156的外围电导耦合元件。

图14是电导耦合元件152和传感系统154的等效电路的框图。与电极A-E相重叠的电导耦合元件152的各个部分形成了各个并联的平板电容器，这些电容器的电容与相应的重叠量成比例。因为所有的电容器都共享电导耦合元件152的一部分，所以该等效电路包括与共同的电导耦合元件152相连接的五个电容器C_A、C_B、C_C、C_D、C_E，该共同的电导耦合元件152具有用标号152A、152B、152C、152D、152E标识的各个部分。在图示的实施例中，输入信号28被施加于驱动电极E和各个外围传感电极A-D的各个组合对。因此，该等效电路包括与外围传感电极A-D的并联电容C_A、C_B、C_C、C_D串联耦合的驱动电极E的电容C_E。

在给定的测量周期中，测量系统16生成针对各个外部传感电极A-D的各个测量值32。输入信号28可以通过驱动电极E来驱动，并且在外围传感电极A-D的输出端进行测量。可替代地，输入信号28可以通过各个外围传感电极A-D来驱动，并且在驱动电极E的输出端以时间复用的方式来进行测量。电导耦合元件152将从测量系统16施加的输入信号电容耦合至驱动电极E和各个外围传感电极A-D的相应组合。响应于所施加的输入信号，传感系统154产生传感信号30，该传感信号30是对用户手指对可位移构件12的接触的响应以及对可位移构件12在操作区域中的不同位置的响应。具体而言，由测量系统16生成的各个测量值指示出电导耦合元件152和相应的外围传感电极之间的各自重叠程度。另外，在给定的测量周期中生成的测量值的组合指示出施加给可位移构件的垂直(或z轴)力。

处理系统18根据测量值32来生成输出信号20。在这个处理中，处理系统18基于测量值32来确定电导耦合元件152关于外围传感电极A-D的位置。

B.示例性测量电路实施例

图15示出了测量电路16的一个实施例300。测量电路300包括驱动放大器302和各自与各个外围传感电极A-D的输出端相连接的测量电路304、306、308、310。驱动放大器302通过驱动电极E来驱动输入信号28。在图示实施例中，输入信号28是方波脉冲。各个测量电路304-310包括各自的积分器312、314、316、318，各自的滤波器320、322、324、326，以及各自的模数(A/D)转换器328、330、332、334。各个积分器312-318包括各自的正输入端和负输入端，各个正输入端都与参考电压(V_REF)相连接，而各个负输入端通过各个负反馈环路而连接到相应的输出端，所述反馈环路包括反馈电容器C_F和复位开关。各个滤波器320-326对各个积分器312-318的输出进行滤波。各个模数转换器328-334对从各个滤波器320-326输出的经过滤波的信号进行采样。处理系统18接收由模数转换器328-334生成的数字测量值。

图16示出了测量系统16生成测量值32所依据的方法的实施例。根据该实施例，测量周期指数k可选地被初始化为0(图16，块340)。在各个测量周期的开始(图16，块342)，测量周期指数被加1(图16，块344)。测量电路16将输入信号V_IN，k施加给外围传感电极i(其中，i∈{A，B，C，D})和驱动电极E(图16，块346)。然后，测量电路16生成测量值V_OUT，ki(图16，块348)。测量电路16随后在重复所述处理之前等待下一个测量周期(图16，块342)。

因此，在各个测量周期k期间，处理器18闭合积分器312-318的复位开关，并向驱动电极E施加幅度为V_IN，k的方波脉冲。各个积分器312-318的输出端将生成下式(1)所给出的电压V_OUT，k：

$V_{\mathrm{OUT},k}=\frac{C_{\mathrm{EQ},i}}{C_F}·(V_{\mathrm{IN},k}-V_{\mathrm{REF}})+V_{\mathrm{REF}}---\left(1\right)$

其中，C_F是积分器312-318的负反馈环路中的反馈电容器的值，C_EQ，i是驱动电极E的电容C_E和各个外围传感电极A-D的电容C_i的等效串联和，且由下式(2)给出：

$C_{\mathrm{EQ},i}=\frac{C_i·C_E}{C_i+C_E}---\left(2\right)$

按照C_EQ，i，式(1)可以重新写成式(3)：

$C_{\mathrm{EQ},i}=C_F·\frac{(V_{\mathrm{OUT}}-V_{\mathrm{REF}})}{(V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{REF}})}=K_1·V_{\mathrm{OUT},i}+K_2---\left(3\right)$

其中，K₁＝C_F/(V_IN，i-V_REF)，而K₂＝C_F·V_REF/(V_IN，i-V_REF)。因此，由于V_IN、V_REF和C_F是已知的，所以测得的输出电压V_OUT给出了C_EQ，i的值。

在图15所示的实施例中，测量电路300通过驱动电极E来驱动输入信号28，并测量从外围传感电极A-D的输出端得到的传感信号30。测量电路16(如图1所示)的其它实施例可以通过各个外围传感电极A-D来驱动输入信号28，并以时间复用的方式测量从驱动电极E的输出端得到的传感信号30。

C.示例性处理系统的实施例

图17示出了处理系统18根据测量信号32生成显示控制信号20所依据的方法的实施例。根据该实施例，处理系统18确定(i)和(ii)之间的差值(Δ_P)，(i)是在给定的测量周期k中针对在坐标轴P(例如，P∈{x，y})的一侧上的外围传感电极来生成的测量值，(ii)是在所述给定测量周期k中针对在坐标轴P的另一侧上的外围传感电极来生成的测量值(图17，块360)。处理系统18将差值(Δ_P)相对于在该给定测量周期k中生成的所有测量值的和进行归一化，从而生成(图17，块362)。处理系统18输出归一化后的差值(图17，块364)。如果还没有确定所有坐标轴的坐标(图17，块366)，则重复针对下一个坐标轴的处理(图17，块360-364)。否则，处理系统18在重复所述处理(图17，块358-366)之前等待下一个测量周期(图17，块368)。

因此，相对于图9A所定义的x轴和y轴，处理系统根据式(4)和(5)来确定Δ_x和Δ_y：

Δ_x＝(C_EQ，B +C_EQ，D)-(C_EQ，A+C_EQ，C)

   ＝K₁·(V_OUT，B+V_OUT，D-V_OUT，A-V_OUT，C)

                                                        (4)

Δ_y＝(C_EQ，A+C_EQ，B)-(C_EQ，C+C_EQ，D)

   ＝K₁·(V_OUT，A +V_OUT，B-V_OUT，C-V_OUT，D)

                                                        (5)

在假设将V_REF设置为零电位的情况下，根据式(6)和(7)来计算归一化差值和

${\bar{\Delta }}_x=\frac{(C_{\mathrm{EQ},B}+C_{\mathrm{EQ},D})-(C_{\mathrm{EQ},A}+C_{\mathrm{EQ},C})}{C_{\mathrm{EQ},A}+C_{\mathrm{EQ},B}+C_{\mathrm{EQ},C}+C_{\mathrm{EQ},D}}$

$=\frac{(V_{\mathrm{OUT},B}+V_{\mathrm{OUT},D})-(V_{\mathrm{OUT},A}+V_{\mathrm{OUT},C})}{V_{\mathrm{OUT},A}+V_{\mathrm{OUT},B}+V_{\mathrm{OUT},C}+V_{\mathrm{OUT},D}}$

                     (6)

${\bar{\Delta }}_y=\frac{(C_{\mathrm{EQ},A}+C_{\mathrm{EQ},B})-(C_{\mathrm{EQ},C}+C_{\mathrm{EQ},D})}{C_{\mathrm{EQ},A}+C_{\mathrm{EQ},B}+C_{\mathrm{EQ},C}+C_{\mathrm{EQ},D}}$

$=\frac{(V_{\mathrm{OUT},A}+V_{\mathrm{OUT},B})-(V_{\mathrm{OUT},C}+V_{\mathrm{OUT},D})}{V_{\mathrm{OUT},A}+V_{\mathrm{OUT},B}+V_{\mathrm{OUT},C}+V_{\mathrm{OUT},D}}$

                     (7)

这些归一化差值和可以进行缩放从而生成与可位移构件在操作区域中的x和y坐标相对应的值。根据式(6)和(7)来归一化差值Δ_x和Δ_y减小了往往会使目标倾斜的非故意施加的力的影响，以及分离电导耦合元件和传感电极的间隙的其它变化的影响。

在结合图9A-9B描述的实施例中，电导耦合元件152包括环绕中心电导耦合元件的外围电导耦合元件，所述中心电导耦合元件包括可位移耦合构件156，而可位移耦合构件156可以基本与环绕电导耦合元件相独立地向传感系统移动和从传感系统移开。在这些实施例的一些中，在可位移构件在操作区域的各个位置中，驱动电极E都完全与可位移耦合构件156重叠。在这些实施例中，可位移耦合构件156的垂直运动仅影响驱动电极E的电容C_E。因此，电容C_E影响针对所有外围传感电极进行的测量。其结果是，电容C_E仅轻微地影响可位移构件的x和y坐标的确定，原因在于这些坐标被相对于总电容来进行归一化。

在一些实施例中，施加给可位移构件的垂直(或z轴)力可以通过根据测量值32确定总电容(C_T)来进行测量。假设V_REF被设置成零电位，则C_T由式(8)给出：

C_T＝C_EQ，A+C_EQ，B+C_EQ，C+C_EQ，D

 ＝K₁·(V_OUT，A+V_OUT，B+V_OUT，C+V_OUT，D)

                                                (8)处理系统18基于在给定的测量周期中生成的所有测量值的和来检测可位移耦合构件156向驱动电极E的移动。具体而言，可位移耦合构件的垂直位移将减小可位移耦合构件之下的间隙，并从而增大处理系统18所测得的总电容。

在一些实施例中，处理系统18被配置成根据测量信号32来检测何时用户已经对手持游标器42施加超过预校准的“点击”阈值的垂直力。基于该信息，处理系统18判断手持游标器42是否处于选择状态(或“点击”状态)，该选择状态可能对应于显示控制功能，而该显示控制功能与一般地和典型计算机鼠标的右侧按钮或左侧按钮中的一个或多个相关联的功能相对应。这样，用户可以通过增大施加给手持游标器42的、超过预校准的点击阈值的压力来点击显示器24上的光标34的当前位置。定点设备10的一些实施例包括提供点击阈值的触觉反馈的机械点击机构(例如，弹性圆顶开关)。

图18示出了在一段时间内、作为时间的函数来绘制的总电容C_T的设计图，在该段时间中，在时间段T₁中用户没有向可位移耦合构件156施加力，而在时间段T₂中用户向可位移耦合构件156施加了选择力。在一些实施例中，处理系统18响应于这样的判断，即，在给定的测量周期中生成的所有测量值的总和超过了与预校准的点击阈值相对应的电容阈值C_SELECT，而生成指示可位移耦合构件156已经被按压以作出选择的选择状态信号。

IV.示例性显示控制信号产生方法

图19示出了利用这里所描述的定点设备实施例来实现的输入方法的示例性实施例的流程图。以下将在图1所示的定点设备10的情形下描述这个方法。

根据这个方法，测量系统16响应于可位移构件在操作区域中、在传感电极和至少一个驱动电极的空间排列阵上的移动而生成测量信号32(图19，块370)。在这个处理中，测量系统16向驱动电极施加输入信号28。电导耦合元件将来自驱动电极的输入信号28电容耦合至在电导耦合元件下面的那些传感电极。测量系统16检测耦合过来的输入信号28作为传感信号30。这样，传感信号30是对用户手指26对可位移构件12的接触以及可位移构件12在操作区域中的不同位置的响应。

测量系统16根据得到的传感信号30来生成测量信号32。该测量信号32指示出电导耦合元件和下面的那些传感电极之间的重叠量，并因此指示出可位移构件12在操作区域中的不同位置。测量系统16所生成的测量信号32或者直接传达可位移构件12在操作区域内的当前位置，或者传达可以根据其来推导可位移构件12在操作区域内的当前位置的信息。如上所述，在一些实施例中，测量信号32还指示出施加给可位移构件12的垂直力。这样，测量系统16可以检测可位移构件12何时被接触或者被按压从而进行基于显示的选择。

在操作的绝对位置映射模式下，处理系统18根据测量信号32来产生具有下述信息的输出信号20，所述信息传达与电导耦合元件在操作区域中的绝对位置相对应的运动度量(图19，块372)。以下将参考图20A和20B来描述这个处理的一个实施例。

图20A示出了在操作区域376中、正从第一位置(用实线示出)向第二位置(用虚线示出)移动的可位移构件12(参见图1)的实施例374。图20B示出了在显示器24(参见图1)的区域380中、正从第一位置(用实线示出)向第二位置(用虚线示出)移动的光标378。根据操作的绝对位置映射模式，处理系统18产生输出信号20，从而使得在可位移构件374在操作区域376中的位置和光标378在显示区域380中的位置之间存在一一对应映射。

根据这些实施例，响应于如图20A所示的可位移构件374从第一位置向第二位置的移动，处理系统18产生使得光标378从第一位置向第二位置移动(如图20B所示)的输出信号。在这点上，处理系统18实现了操作区域376对显示区域380的绝对位置映射，其中，操作区域376的各点对应于显示区域380中的各点。如图20A和20B所示，操作区域376的宽度和高度分别为w_z和h_z，而显示区域380的宽度和高度分别为w_D和h_D。处理系统18依据式(9)和(10)、根据操作区域中的各点(x_z，y_z)来确定显示区域380中的相应点(x_D，y_D)：

$x_D=x_z·\frac{w_D}{w_z}---\left(9\right)$

$y_D=y_z·\frac{h_D}{h_z}---\left(10\right)$

有效区域和显示器之间存在对应性。操作区域和有效区域的尺寸可以随着分区的数目(例如，四个或六个)而变化。

处理系统18随后产生与根据式(9)和(10)确定的显示点位置相对应的输出信号20。

V.结论

这里所描述的定点设备实施例能够高精确度地感应可位移构件的移动，并提供输入的绝对位置映射模式，在该模式下，可位移构件的位置被一一对应地映射成光标的位置。

其它实施例也在权利要求的范围内。

相关申请的交叉引用

本发明涉及申请日为2006年7月18日、发明人为Jonah Harley等、题为“CAPACITIVE SENSING IN DISPLACEMENT TYPE POINTINGDEVIDES(位移型定点设备中的电容传感)”的共同待决美国专利申请No.11/488,559，该申请通过引用而结合于此。