CN101110002A

CN101110002A - 位移式指点装置中的电容传感

Info

Publication number: CN101110002A
Application number: CNA2007101303694A
Authority: CN
Inventors: 乔纳·哈利; 罗伯特·E·威尔逊
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2027-07-18
Also published as: CN100514268C; DE102007032260B4; JP2008097579A; DE102007032260A1; US7889176B2; DE102007032260A9; KR20080008293A; US20080018596A1; JP4724157B2; KR100897694B1

Abstract

本发明公开了位移式指点装置中电容式传感的系统和方法。在一个方面，指点装置包括传感电极结构和可移动部件。传感电极结构包括周边区域中的周边传感电极围绕中央传感电极的配置。可移动部件可以在传感电极结构上在操作区域中运动。可移动部件包括目标电极，目标电极面向传感电极，并且对于可移动部件在操作区域中的每个位置，目标电极至少与中央传感电极的对应部分重叠。

Description

位移式指点装置中的电容传感

技术领域

本发明涉及位移式指点装置中的电容传感。

背景技术

现已开发了许多不同类型的指点装置用于将命令输入到机器中。例如，常常使用由手操纵的指点装置，通过操作该指点装置来将指令输入到计算机中，这些指点装置例如是计算机鼠标器、游戏杆、轨迹球、触摸板和键盘。这些指点装置允许使用者控制光标(例如虚拟的指针)在计算机屏幕上的运动、选择或移动计算机屏幕上显示的图表或其他虚拟对象、并打开和关闭与不同输入命令对应的菜单条目。

已经针对较大的电子装置和较小的便携式电子装置开发了指点装置，所述较大的电子装置(例如台式计算机)通常保持静止，所述较小的移动式电子装置例如是蜂窝电话和移动计算机系统。与用于便携式电子装置的指点装置相比，用于较大电子装置的指点装置通常对设计的限制更少、更灵活，因为可以使用更大的空间和更多的电能资源。用于便携式电子装置的指点装置一般应当允许用户快速精确地移动光标、以直觉方式工作、并在有限的工作空间和电能限制下进行工作。

已经开发了位移式指点装置来满足便携式电子装置中固有的限制。这些类型的指点装置包括可移动部件(例如游标器(puck)、按钮或其他可动体)，所述可移动部件在受到例如由用户手指施加的力时，在限定的运动域中运动。当用户松开可移动部件时，通常由恢复机构(例如一组弹簧)使可移动部件返回运动域的中心位置。位置传感器确定可移动部件在运动域中的位移，并通常将可移动部件的位移映射为光标的速度。在恢复机构已使可移动部件返回运动域的中心位置之后，位置映射系统通常将光标位置固定在显示器上。

在通常的位移式指点装置中，可移动部件响应于方向在x-y平面内的侧向力而进行二维运动。可移动部件的二维运动被映射到光标在显示器上的二维运动。除了响应于侧向力外，常常期望位移式指点装置具有对沿着与x-y平面正交的z轴施加到可移动部件的垂直力或z轴力进行检测的功能。例如可以用对这种z轴力的检测来产生信号，该信号用于对选择显示器上呈现的对象进行控制或者对屏幕上正在画出的虚线宽度进行控制。

需要一种位移式指点装置和方法，使之能够对沿垂直方向以及侧向施加到可移动部件的用户输入进行高精度检测。

发明内容

在一个方面，本发明公开了一种指点装置，该指点装置包括传感电极结构和可移动部件。传感电极结构包括周边区域中的周边传感电极围绕中央传感电极的配置。可移动部件可以在传感电极结构上在操作区域中运动。可移动部件包括目标电极，目标电极面向传感电极，并且对于可移动部件在操作区域中的每个位置，目标电极至少与中央传感电极的对应部分重叠。

根据下面的详细说明，包括附图和权利要求在内，可以了解本发明的其他特征和优点。

附图说明

图1是指点装置一种实施例的示意图，该指点装置包括一种示例性操作环境下的可移动部件、传感系统、测量系统和处理系统。

图2A是图1所示指点装置一种实施例的示意性俯视图。

图2B是图2A所示指点装置沿2B-2B线所取的剖视图。

图3A和图3B是图1所示传感系统的传感电极结构一种实施例上方各个不同位置处，由虚线所示目标电极一种实施例的俯视图。

图4A是图1所示指点装置一种实施例的示意性剖视图，该指点装置包括具有可移动电极的目标电极实施例。

图4B是图4A所示指点装置的示意性剖视图，其中，响应于用户手指施加的力，可移动电极已经移动到靠着传感系统。

图5A和图5B分别是目标电极一种实施例的俯视图和仰视图，该目标电极包括围绕中央目标电极结构的周边目标电极结构，中央目标电极结构包括可移动电极。

图6A是图1的指点装置一种实施例的示意性剖视图，该指点装置包括具有可移动电极的回弹目标电极实施例。

图6B是图6A所示指点装置的示意性剖视图，其中目标电极已经变形到遵从传感系统的表面区域。

图6C是图6B所示指点装置的示意性剖视图，其中，响应于用户手指施加的力，可移动电极已经运动到靠着传感系统。

图7是目标电极一种实施例的仰视图，该目标电极包括周边区域中围绕中央目标电极结构的周边目标电极结构，周边目标电极结构具有分立的适应性片段，中央目标电极结构具有可移动电极。

图8A和图8B分别是图1所示可移动部件一种实施例的分解图和剖视图。

图9A是重叠在图3A和图3B所示传感电极结构实施例上方的二维坐标系的示意性俯视图。

图9B是传感电极结构一种实施例的示意性俯视图，该传感电极结构包括围绕中央传感电极的三个周边传感电极。

图10是处理系统和测量电路的框图，该测量电路电连接到图3A和图3B所示目标电极和传感电极结构的等效电路。

图11是图1所示测量电路一种实施例的电路图。

图12是一种方法的实施例的流程图，该方法通过在图3A和图3B所示目标电极和传感电极结构两端施加输入信号来获得测量值。

图13是一种方法的实施例的流程图，该方法由根据图12的方法产生的测量值来产生显示控制信号。

图14是根据图12的方法在测量周期中测得的总电容作为时间的函数的曲线图。

具体实施方式

在下面的说明中，用相同的标号来表示相同的部件。此外，附图是为了以直观形式图示出示例性实施例的主要特征。不应认为附图图示了实际实施方式的每个特征或者所图示部件的相对尺寸，附图也不是按比例绘制的。

I.简介

下文中详细说明的实施例提供了位移式指点装置和方法，其以对不期望的倾斜力和电容传感结构中其他不期望的间隙改变进行补偿的方式，对可移动部件的位置进行电容式传感。这些实施例中的一些还能够对沿着垂直方向和侧向施加到可移动部件的用户输入进行高精度检测。特别是，这些实施例中的一些能够对力引起的可移动部件在三个方向上的位移进行测量，并且在侧向测量与垂直测量之间没有明显的串扰(crosstalk)。进行这些测量无需对可移动部件进行任何有线的电连接。另外，对可移动部件在操作区域中的整个侧向行程范围内都可以进行这些测量。

II.概览

图1示出了位移式指点装置10的一种实施例，它包括可移动部件12、传感系统14、测量系统16和处理系统18。指点装置10向显示控制器22输出显示控制信号20，显示控制器22驱动显示器24。

可移动部件12可以由游标器、按钮或其他可动体来实现。可移动部件12可以在限定的运动域中运动，本申请中将该运动域称为“操作区域”。在一种示例性操作模式中，用户的手指26在操作区域中操纵可移动部件12。在没有外部力施加到可移动部件12时，通常由恢复机构将可移动部件12在操作区域中进行归中(re-center)。恢复机构可以由一个或多个回弹(resilient)结构(例如弹簧或弹性体部件)实现，所述回弹结构将可移动部件向操作区域的中心区域促动(urge)。

如下面详细说明的，可移动部件12包括目标电极，传感系统14包括具有多个传感电极的传感电极结构。在某些实施例中，对于可移动部件12在操作区域中的各个位置，目标电极至少与中心传感电极的对应部分重叠，传感电极在完全覆盖目标电极的传感区域上延伸。目标电极耦合测量系统16施加在传感电极结构的各个电极对上的输入信号28。响应于所施加的输入信号28，测量电极结构产生传感信号30，该信号是对用户手指26与可移动部件12接触、以及对可移动部件12在操作区域中不同位置的响应。

测量系统16向传感系统14施加输入信号28，并根据所得的传感信号30产生测量值32。测量值32表示了可移动部件12在操作区域中的不同侧向位置以及施加到可移动部件12的垂直力。由此，测量系统16可以检测到可移动部件12在何时受到接触，或者何时按压可移动部件12以作出基于显示的选择。另外，测量系统16还可以检测可移动部件12在操作区域中的当前位置。传感系统16产生的测量信号32直接表达了可移动部件12在操作区域中的当前位置，或者表达了某种信息，根据该信息可以得到可移动部件12在操作区域中的当前位置。

处理系统18将测量信号32转换成显示控制信号20。在这个处理中，处理系统18根据测量信号32来确定可移动部件12在操作区域中的当前位置。处理系统18还确定可移动部件12与用户的手指26发生接触的接触时段。处理系统18可以产生的显示控制信号20的类型例如包括：描述可移动部件12在操作区域中位置的位置数据(例如在以操作区域的原点为中心的坐标系中的距离和方向)、光标位置和速度数据、以及卷动位置和距离数据。处理系统18通常可以由一个或多个单独的模块来实现，这些模块不限于任何具体的硬件、固件或软件配置。这一个或多个模块可以以任何计算环境或数据处理环境实现，包括以数字电子电路(例如专用集成电路，如数字信号处理器(DSP))来实现或者以计算机硬件、固件、设备驱动器或软件来实现。

显示控制器22处理显示控制信号20来控制指针34在显示器24上的运动。显示控制器22通常执行驱动程序(driver)来处理显示控制信号20。驱动程序通常可以以任何计算环境或处理环境来实现，包括以数字电子电路或者以计算机硬件、固件或软件来实现。在某些实施例中，驱动程序是操作系统或应用程序的组成部分。

显示器24可以是例如平板显示器，例如LCD(液晶显示器)、等离子显示器、EL显示器(电致发光显示器)和FED(场致发射显示器)。

在某些显示器中，指点装置10和显示器24集成到单一的一体式装置中，如便携式(例如手持)电子装置中。便携式电子装置可以是人能够方便地携带的任何类型装置，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、数码相机和数码摄像机控制台。在其他实施例中，指点装置10和显示器24可以以单独的分立装置来实现，例如单独的指点装置和远程的基于显示的系统。远程系统通常可以是接收用户输入的、基于显示的任何类型设备，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可以经过有线通信连接(例如串行通信连接，如RS-232串行端口、通用串行总线、或PS/2端口)或者无线通信连接(例如红外(IR)无线连接或射频(RF)无线连接)而传递到远程系统。

III.示例性传感系统实施例

图2A示出了指点装置10的一种示例性实施例40的俯视图。图2B示出了指点装置40沿2B-2B线所取的剖视图。在指点装置40中，可移动部件12由游标器42实现。游标器42可以在由支撑框架46的壁45限定的操作区域45中运动。操作区域大体上可以是任何形状，包括圆形(如图所示)和多边形(例如矩形)形状。支撑框架46以机械方式支撑恢复机构48，为了说明目的，该恢复机构48由一组四个弹簧50来实现。支撑框架46安装在衬底51(例如印刷电路板)上。传感系统14被支撑在衬底51上游标器42的下方。

在工作中，游标器42响应于用户手指26施加的侧向力(即具有x-y平面内分量的力)而在操作区域44中运动。当用户通过移走其手指26而松开游标器42时，恢复机构48使游标器42返回其中心位置。

在某些实施例中，处理系统18根据测量信号32来确定用户何时向游标器42施加了超过选定阈值的垂直力(即具有沿z轴方向分量的力)。根据该信息，处理系统18判定游标器42是处于接触状态(即当用户正在操纵游标器42时)还是处于非接触状态(即当用户并非正在操纵游标器42时)。在非接触状态期间，处理系统18将光标34的速度设定为零，以使恢复机构48能够将游标器42归中而不影响光标44在显示器24上的位置。这种特性在膝上型计算机、手持装置和其他移动电子装置(这些装置中游标器42的移动域受到很大限制)中特别有利。

在某些实施例中，处理系统18还能够根据测量信号32来检测用户何时向游标器42施加了超过第二“点击”阈值的垂直力。根据该信息，处理系统18判定游标器42是否处于选择状态(或“点击”状态)，该状态可能对应于显示控制功能，所述显示控制功能对应于通常与计算机鼠标器的右键或左键相联系的功能。由此，用户可以通过将施加到游标器42的压力增大到预先标定的点击阈值以上，来在光标34在显示器24上的当前位置处进行点击。指点装置10的某些实施例包括机械式点击机构(例如回弹的穹形开关(dome switch))，该机构为点击阈值提供触觉反馈。

图3A和图3B示出了指点装置10的一种示例性实施例50的俯视图，其中，可移动部件12包括目标电极52(以虚线圆构成的假想区域表示)，传感系统14包括传感电极结构54。传感电极结构54包括围绕中央传感电极E的周边区域中四个周边传感电极A、B、C、D。在所示的实施例中，传感电极结构54设置在衬底5 1的平表面上。在其他实施例中，传感电极结构54可以设置在衬底51的一个或多个弯曲的(例如凸或凹的)表面上。传感电极A-E彼此电隔离开。电连接器(未示出)将传感电极A-E电连接到测量系统16。在某些实施例中，位于目标电极52与传感电极A-E之间的低摩擦介质隔离器使目标电极52对传感电极A-E电绝缘，同时允许目标电极52在传感电极A-E上滑动。目标电极52与各个传感电极A-E的重叠量取决于游标器42相对于传感电极A-E的位置。

图3A示出了定心到中央传感电极E上方的目标电极52。图3B示出了位置靠着操作区域44的外壁45的目标电极52。在本实施例中，在操作区域中可移动部件的各个位置，目标电极52都完全覆盖中央传感电极E。即，目标电极52的半径r_T至少是中央传感电极的半径r_E加上目标电极在操作区域中的径向运动范围r_M(即r_T≥r_E+r_M)。另外，在游标器42在操作区域中的各个位置，传感电极A-E都延伸过完全覆盖目标电极52的传感区域。即，传感区域的半径r_S至少是目标电极的半径r_T加上目标电极在操作区域中的径向运动范围r_M(即r_S≥r_T+r_M)。在所示的实施例中，传感区域与操作区域一致。在其他实施方式中，传感区域可以延伸到比操作区域更大的区域上。

目标电极52包括围绕中央目标电极结构并与其电连接的周边目标电极结构，所述中央目标电极结构包括可移动电极56(由虚线圆构成的假想区域表示)，可移动电极56可以大体上独立于周围的周边目标电极结构而朝向或远离传感电极结构54运动。如图3A和图3B所示，在游标器42在操作区域中的各个位置，中央传感电极E都完全覆盖可移动电极56。即，中央传感电极的半径r_E至少为可移动电极56的半径r_D加上目标电极在操作区域中的径向运动范围r_M(即r_E≥r_D+r_M)。

图4A示出了指点装置10的一种实施例60，它包括目标电极52(如图3A和图3B所示)的一种实施例61，目标电极52的实施例61包括由周边目标电极结构62包围中央目标电极结构64的平面配置。中央目标电极结构64包括可移动电极66，所述可移动电极66由回弹恢复机构68连接到周边目标电极结构62。响应于向可移动电极施加外部力，恢复机构68将可移动电极66向平衡位置促动。例如，在一个示例性图示中，图4B示出了响应于用户手指26施加的力而从图4A所示平衡位置移开并靠着传感系统14的可移动电极66。仅为了示例性目的，图4B示出了与可移动电极66接触的用户手指26。在实际实施方式中，由指点装置10的其他部件使用户的手指26与可移动电极66电绝缘。用户的手指26施加的力使恢复机构68变形，恢复机构68响应于此而施加恢复力，所述恢复力与所施加的力相反并将可移动电极66向平衡位置促动。在撤去用户手指26施加的力时，恢复机构68施加的未受抵抗的恢复力使可移动电极66返回平衡位置。

如图4A和图4B所示，介质隔离器70位于目标电极52与传感系统14之间。在本实施例中，介质隔离器70包括分立的介质膜72、74、76，这些介质膜安装到目标电极52面向传感系统14的各个隔开的间隔区域。分立介质膜72-16中对应的介质膜安装到目标电极的周边表面区域和目标电极52的至少一个中央表面区域。介质膜72-76可以在传感系统14的传感电极结构表面上自由滑动。在某些实施例中，介质条72-76由低摩擦的介质材料(例如塑料材料，如尼龙和TEFLON^)形成，该材料粘接到目标电极52的相应表面区域。

使用与单一的均匀介质膜相对的多个分立的介质膜使目标电极能够更好地适应传感电极表面上的任何表面不规则。另外，介质隔离器70通过使目标电极与传感电极结构之间的介电常数相对于空气的介电常数增大，来减小传感系统对于间隙变化的敏感度，所述间隙是目标电极与传感电极结构分开。

在所示的实施例中，介质膜72-76是环形的。在其他实施方式中，介质隔离器70可以包括形状、尺寸与介质膜72-76不同的介质膜。例如，在某些实施例中，介质隔离器70包括介质材料(例如TEFLON^)的薄膜，并防止可滑动电极66与中央传感电极发生电短路。介质隔离器70还包括两个环形介质膜72、74，这两个环形介质膜粘附到薄膜介质涂层的暴露表面区域。薄膜介质涂层通常具有范围在25-100微米(μm)的均匀厚度，两个环形介质膜72、74通常具有范围在100-300μm的厚度。

在某些实施例中，通过将薄的(例如在100μm量级)介质涂层粘附到传感电极结构54的暴露顶表面，进一步减小了目标电极52与传感电极结构54之间发生电短路的风险。

图5A示出了平的目标电极61(如图4A和图4B所示)的一种示例性实施例80的俯视图。目标电极80包括包围了中央目标电极结构84的环形周边目标电极结构82。中央目标电极结构84包括可移动电极86，可移动电极86由平的恢复机构88连接到周边目标电极结构82。恢复机构88包括环90，环90由各个柔性连接构件(flexible linkage)92、94连接到周边目标电极结构82和可移动电极86，所述各个柔性连接构件92、94与平分可移动电极86的轴线96对准。参考图5B，目标电极80包括可选的均匀薄膜98和两个环形介质膜100、102，其中薄膜98由涂敷在目标电极底表面的介质材料构成，环形介质膜100、102粘附到薄膜介质涂层98的各个底部表面区域。在某些实施例中，利用印模(stamp)或冲模(die)将平的目标电极80从导电材料(例如金属)板中切出来。

图6A示出指点装置10的一种实施例110，它包括目标电极52(参见图3A和图3B)的一种实施例112。目标电极112类似于目标电极实施例61，只是目标电极112具有凸起平衡状态而不是平面平衡状态。在本实施例中，目标电极112的周边目标电极结构114提供了处于平衡状态的目标电极112的凸起形状。周边目标电极结构114有回弹性，并响应于被施加的力而顺应传感系统14的传感电极结构表面区域，所述被施加的力将目标电极112促动到靠着传感电极结构。目标电极112的这种柔性可以用来检测由用户手指26施加的压力。

图6B和图6C示出了响应于用户手指26施加的力，周边目标电极结构14和可移动电极66从图6A所示平衡位置移开并邻近传感系统14的一种示例性实施例。仅为了示例性目的，图6B和图6C示出了与可移动电极66接触的用户手指26。在实际实施方式中，由指点装置10的其他部件使用户的手指26与可移动电极66电绝缘。用户的手指26施加的力使周边目标电极结构114和恢复机构68变形。在图6B中，目标电极结构114已经发生变形以遵从传感系统的表面区域。在图6C中，可移动电极66已经响应于用户手指26施加的力移动到靠着传感系统。响应于所施加的力，周边目标电极结构114施加相反的力，将目标电极112向平衡状态促动。这种相反的力使目标电极112能够顺应传感电极结构的表面区域并从而适应传感电极结构的表面中任何非平面的偏差。在用户的手指26从可移动电极66移开时，周边目标电极结构的未受抵抗的力使目标电极82返回图6A所示的平衡状态。

图7示出了目标电极112(如图6A和图6B所示)一种示例性实施例120的仰视图。在本实施例中，周边目标电极结构121包括围绕中央目标电极结构124的分立片段122。由各个回弹连接构件将分立片段122安装到周边目标电极结构121的内圆周部分130。中央目标电极结构124包括可移动电极126和恢复机构128。如图7所示，目标电极120包括可选的均匀薄膜129和两个环形介质膜131、133，其中薄膜129由涂敷在目标电极底表面的介质材料构成，环形介质膜131、133粘附到薄膜介质涂层129的各个底部表面区域。在某些实施例中，利用印模或冲模将平的目标电极120从导电材料(例如金属)板中切出来。

回弹连接构件132使分立片段132能够各自顺应传感电极结构的表面区域。特别是，在未变形的状态下，各个分立片段122朝向传感电极结构倾斜，使目标电极120带有凸起形状。响应于向可移动电极126施加的向下的力，周边目标电极结构114和恢复机构128从凸起平衡状态变形到顺应传感系统14表面区域的平面形状。在这个过程中，各个连接构件132施加相反的力，将目标电极114向平衡状态促动。这些相反的力使目标电极114能够遵从传感电极结构的表面区域并从而容纳传感电极结构表面中的任何非平面的偏差。在撤去所施加的力时，连接构件132的未受抵抗的力使目标电极114返回图7所示的凸起平衡状态。

图8A示出了可移动部件10的一种实施例140的分解图，该实施例140包括按钮142、壳体144、恢复机构146和目标电极组件148。

按钮142包括致动器部件150，致动器部件150具有中央支柱151和顶部周边边缘152，顶部周边边缘152接合到支撑环154。按钮142通常是由柔性塑料材料形成的一体模制结构。支撑环154具有支撑环状板簧158的凸缘156，板簧158对致动器部件150进行回弹支撑。响应于沿垂直(即z轴)方向向致动器部件150施加外部力，板簧158将致动器部件150向图8A和图8B所示平衡位置促动。可以用由低摩擦材料(例如TEFLON^)制成的可选薄膜涂敷支撑环154的底部环状表面。

壳体144包括顶壁160和圆筒侧壁162，它们限定了内部室164，内部室164容纳恢复机构146和目标电极组件148。顶壁160具有顶部支撑表面166并包括圆形孔168，按钮142在顶部支撑表面166上滑动，致动器部件150的支柱151延伸穿过圆形孔168。壳体144通常由刚性材料(例如金属或塑料)形成。

恢复机构146包括支撑框架170和带状弹簧172，带状弹簧172由四个支柱174(图8A示出了其中三个)支撑，这些支柱174从支撑框架170的内部环状表面176向上延伸。支撑框架170和带状弹簧172通常由刚性材料(例如金属或塑料)形成。

目标电极组件148包括保持结构180、穹形开关182和目标电极184。保持结构180具有连接器186和腔188，连接器186夹持致动器部件150的支柱151末端，腔188容纳穹形开关182。保持结构180接合(例如热支撑(heat-staked))到覆盖腔188的目标电极184。目标电极184的底部表面涂敷有薄介质膜，介质材料的两个薄膜环190、192安装到薄介质膜的底部表面区域。

图8B示出了将按钮142、壳体144、恢复机构146和目标电极组件148组装到最终集成结构中之后，可移动部件140的剖视图。

在操作中，按钮142可以在壳体144的顶表面166上滑动，运动范围由壳体144的顶壁160中的孔168限定。由于通过支柱151将目标电极组件148安装到按钮142，所以目标电极组件148以相同的运动范围侧向运动。沿垂直(即z轴)方向向致动器部件150施加的向下的力被支柱151传递到穹形开关182和目标电极184的可移动电极。响应于施加这种向下的力，穹形开关182向用户提供触感反馈，并且可移动电极朝向传感系统14(如图1所示)的中央传感电极运动。

IV.测量电路和处理系统的示例性实施例

A.概览

下面的示例性指点装置方法是在指点装置50(如图3A和图3B所示)的情况下说明的。如图9A所示，本实施例中的传感电极结构54包括围绕单一传感电极E的四个周边传感电极A-D，目标电极52包括围绕单一的中央目标电极结构56的周边目标电极结构。在其他实施方式中，传感电极结构54可以包括其他数目的周边传感电极。例如，图9B示出了传感电极结构198，该结构包括围绕中央传感电极I的三个周边传感电极F、G、H。

图9示出了重叠在传感电极结构54上的示例性二维x-y坐标系。该坐标系方向使得x轴将周边传感电极A、B与周边传感电极C、D分开，且y轴将周边传感电极A、C与周边传感电极B、D分开。在这种方向的情况下，周边传感电极A、C具有仅限定在x轴一侧的x轴坐标，周边传感电极B、D具有仅限定在x轴相反侧的x轴坐标。x轴和y轴各自平分中央传感电极E。

图10是目标电极52和传感电极结构54的等效电路框图。目标电极52中与传感电极A-E重叠的各个部分形成了对应的平行板电容器，这些电容器的电容与对应的重叠量成比例。由于所有的电容器分享目标电极52的各部分，所以等效电路包括连接到公共目标电极52的五个电容器C_A、C_B、C_C、C_D和C_E，这些电容器的对应部分由标号52A、52B、52C、52D和52E表示。在所示的实施例中，输入信号28施加在中央传感电极E与各个周边传感电极A-D构成的相应配对(pairing)的两端。因此，等效电路包括中央传感电极E的电容C_E，该电容C_E与相互并联的周边传感电极A-D的电容C_A、C_B、C_C、C_D串联耦合。

在一个给定的测量周期中，测量电路16通过在各个周边传感电极与中央传感电极E两端施加相应的输入信号，来对各个周边传感电极A-D产生相应的测量值32。可以驱动通过中央传感电极E的输入信号28并在周边传感电极A-D的输出端子处进行测量。或者，也可以驱动通过各个周边传感电极A-D的输入信号28并以时间复用(time multiplexed)方式在中央传感电极E处进行测量。目标电极将测量系统16施加的输入信号以电容方式耦合到中央传感电极E与各个周边传感电极A-D构成的相应配对两端。响应于所施加的输入信号，传感电极结构54产生传感信号30，该信号是对用户手指26触摸可移动部件12、以及对可移动部件12在操作区域中不同位置的响应。特别是，测量系统16产生的各个测量值表示了目标电极52与各个周边传感电极之间相应的重叠程度。另外，将给定测量周期中产生的测量值进行组合还表示了施加到可移动部件的垂直(即z轴)力。

处理系统18根据测量值32产生显示控制信号20。在此过程中，处理系统18根据测量值32来确定目标电极52相对于周边传感电极A-D的位置。

B.示例性测量电路实施例

图11示出了测量电路16的一种实施例200。测量电路200包括驱动放大器202和对应的测量电路204、206、208、210，这些测量电路连接到各个周边传感电极A-D的输出端子。驱动放大器202驱动通过中央传感电极E的输入信号28。在所示的实施例中，输入信号28是方波脉冲。每个测量电路204-210包括相应的积分器212、214、216、218、相应的滤波器220、222、224、226、以及相应的模数(A/D)转换器228、230、232、234。每个积分器212-218包括相应的正输入端子和相应的负输入端子，其中正输入端子连接到参考电压(V_REF)，负输入端子通过相应的负反馈回路连接到相应的输入端子，所述负反馈回路包括反馈电容C_F和复位开关。每个滤波器220-226对积分器212-218中相应那个的输出进行滤波。每个模数转换器228-234对从滤波器220-226中相应那个输出的经过滤波的信号进行采样。处理系统18接收模数转换器228-234产生的数字式测量值。

图12示出了一种方法的实施例，测量系统16根据该方法产生测量值32。根据该实施例，可选地将测量周期序数k初始化为0(图12，方框240)。在每个测量周期开始时(图12，方框242)，将测量周期序数加1(图12，方框2440。测量电路16将输入信号V_IN，k施加到周边传感电极i(其中i∈{A，B，C，D})与中央传感电极E的两端(图12，方框246)。此后测量电路16产生测量值V_OUT，ki(图12，方框248)。随后测量电路16在重复该处理之前等待下一个测量周期(图12，方框242)。

因此，在每个测量周期k中，处理器18将积分器212-218的复位开关闭合并向中央传感电极E施加大小为V_IN，k的方波脉冲。每个积分器212-218的输出端子会产生由式(1)表示的电压V_OUT，k：

V_{OUT, k} = \frac{C_{EQ, i}}{C_{F}} \cdot (V_{IN, k} - V_{REF}) + V_{REF} - - - (1)

其中C_F为积分器212-218的负反馈回路中反馈电容的值，C_EQ，i为中央传感电极E的电容C_E与各个周边传感电极A-D的电容C_i的等效串连总和，并由式(2)表示。

C_{EQ, i} = \frac{C_{i} \cdot C_{E}}{C_{i} + C_{E}} - - - (2)

用C_EQ，i对式(1)改写成式(3)：

C_{EQ, i} = C_{F} \cdot \frac{(V_{OUT} - V_{REF})}{(V_{IN} - V_{REF})} = K_{1} \cdot V_{OUT, i} + K_{2} - - - (3)

其中K₁＝C_F/(V_IN，i-V_REF)，K₂＝C_F·V_REF/(V_IN，i-V_REF)。因此，由于V_IN、V_REF和C_F已知，所以测得的输出电压V_OUT可以得到CE_Q，i的值。

在图11所示的实施例中，测量电路200驱动通过中央传感电极E的输入信号28并从周边传感电极A-D的输出端子测量所得的传感信号30。测量电路16(如图1所示)的其他实施例可以驱动通过各个周边传感电极A-D的输入信号28并以时间复用的方式从中央传感电极E的输出端子测量所得的传感信号30。

C.示例性处理系统实施例

图13示出了一种方法的实施例，处理系统18根据该方法用测量值32产生处理控制信号20。根据该实施例，处理系统18确定(i)在给定测量周期k中对于坐标轴P(例如，P∈{x，y})一侧的周边传感电极产生的测量值与(ii)在所述给定测量周期k中对于坐标轴P相反侧的周边传感电极产生的测量值这二者之间的差值(Δ_n)(图13，方框260)。处理系统18将该差值(Δ_n)对该给定测量周期k中产生的所有测量值总和进行归一化来产生

(图13，方框262)。处理系统18输出经归一化的差值

(图13，方框264)。如果尚未针对所有坐标轴确定坐标(图13，方框266)，则对下一个坐标轴重复该处理(图13，方框260-264)。否则，处理系统18在重复该处理(图13，方框258-266)之前等待下一个测量周期(图13，方框268)。

这样，对于图9限定的x轴和y轴，处理系统根据式(4)和式(5)确定差值Δ_x和Δ_y：

Δ_x＝(C_EQ，B+C_EQ，D)-(C_EQ，A+C_EQ，C)

(4)

＝K₁·(V_OUT，B+V_OUT，D-V_OUT，A-V_OUT，C)

Δ_y＝(C_EQ，A+C_EQ，B)-(C_EQ，C+C_EQ，C)

(5)

＝K₁·(V_OUT，A+V_OUT，B-V_OUT，C-V_OUT，D)

假设V_REF设定为零电位，根据式(6)和式(7)来计算归一化差值

和

{\overset{&OverBar;}{Δ}}_{x} = \frac{(C_{EQ, B} + C_{EQ, D}) - (C_{EQ, A} + C_{EQ, C})}{C_{EQ, A} + C_{EQ, B} + C_{EQ, C} + C_{EQ, D}}

(6)

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

{\overset{&OverBar;}{Δ}}_{x} = \frac{(C_{EQ, A} + C_{EQ, B}) - (C_{EQ, C} + C_{EQ, D})}{C_{EQ, A} + C_{EQ, B} + C_{EQ, C} + C_{EQ, D}}

(7)

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

可以对这些归一化差值和

进行缩放，以产生与可移动部件在操作区域中的x和y坐标对应的值。根据式(6)和式(7)对差值Δ_x和Δ_y进行归一化减小了使目标趋于倾斜的无意施加的力造成的影响以及将目标电极与传感电极分开的间隙中其他变化造成的影响。

在结合图3A-图8B进行说明的实施例中，目标电极包括围绕中央目标电极结构的周边目标电极结构，其中中央目标电极结构包括可移动电极56，可移动电极可以基本上独立于周边目标电极结构而朝向或远离传感电极结构运动。在某些这样的实施例中，在可移动部件在操作区域中的每个位置，中央传感电极E都完全覆盖可移动电极56。在这些实施例中，可移动电极56的垂直运动只影响中央传感电极E的电容C_E。因此，电容C_E影响了对于所有周边传感电极进行的测量。因此，电容C_E只会对确定可移动部件的x和y坐标造成很小影响，因为这些坐标经过了对总电容的归一化处理。

在某些实施例中，可以通过由测量值32确定总电容(C_T)来测量施加到可移动部件的垂直(即z轴)力。假设V_REF设定在零电位，则C_T由式(8)表示：

C_T＝C_EQ，A+C_EQ，B+C_EQ，C+C_EQ，D

(8)

＝K₁·(V_OUT，A+V_OUT，B+V_OUT，C+V_OUT，D)

处理系统18根据给定测量周期中产生的所有测量值总和来确定可移动电极56朝向中央传感电极56的运动。特别是，可移动电极的垂直位移会减小可移动电极下方的间隙，从而增大处理系统18测得的总电容。

图14示出了当用户在时段T₁中向可移动电极56施加触摸力、并在时段T₂中向其施加选择力时，总电容C_T作为该时段中时间的函数的曲线图。在某些实施例中，响应于给定测量周期中产生的所有测量值总和超过第一阈值C_TOUCH的判定，处理系统18产生触摸状态信号，该信号表示外力已接触可移动部件。响应于给定测量周期中产生的所有测量值总和超过第二阈值C_SELECT的判定，处理系统18还产生选择状态信号，该信号表示已按压可移动部件以进行选择，其中第二阈值C_SELECT大于第一阈值C_TOUCH。

V.结论

本申请中详细说明的实施例提供了位移式指点装置和方法，其包括以对不期望的倾斜力和电容传感结构两端其他不期望的间隙改变进行补偿的方式对可移动部件的位置进行电容式传感。这些实施例中的一些还能够对沿垂直方向以及侧向施加到可移动部件的用户输入进行高精度检测。特别是，这些实施例中的一些能够在三个维度上对力引起的可移动部件运动进行测量，而不会在侧向测量与垂直测量之间造成显著的串扰。可以在无需与可移动部件进行任何有线电连接的情况下进行这些测量。另外，还可以在操作区域中整个侧向行程范围上进行这些测量。

其他实施方式也在权利要求的范围内。

本申请涉及Jonah Harley等人于2004年11月24日提交的题为“Compact Pointing Device”的在审美国专利申请No.10/723,957，该申请通过引用而结合于此。

Claims

1.一种指点装置，包括：

传感电极结构，其包括由周边区域中的周边传感电极围绕中央传感电极的配置；和

可移动部件，所述可移动部件能够于所述传感电极结构上在操作区域中运动，并包括目标电极，所述目标电极面向所述传感电极，并且对于所述可移动部件在所述操作区域中的每个位置，所述目标电极至少与所述中央传感电极的对应部分重叠。

2.根据权利要求1所述的指点装置，其中，对于所述可移动部件在所述操作区域中的每个位置，所述目标电极完全覆盖所述中央传感电极。

3.根据权利要求1所述的指点装置，其中，对于所述可移动部件在所述操作区域中的每个位置，所述传感电极延伸到完全覆盖所述目标电极的传感区域。

4.根据权利要求1所述的指点装置，其中，所述目标电极包括围绕中央目标电极结构的周边目标电极结构，所述中央目标电极结构包括可移动电极，所述可移动电极能够基本上独立于周围的所述周边目标电极结构而朝向或远离所述传感电极结构运动。

5.根据权利要求4所述的指点装置，其中，对于所述可移动部件在所述操作区域中的每个位置，所述中央传感电极结构完全覆盖所述可移动电极。

6.根据权利要求4所述的指点装置，其中，所述中央目标电极结构包括回弹恢复机构，所述回弹恢复机构将所述可移动电极连接到所述周边目标电极结构，所述恢复机构能够响应于向所述可移动电极施加外力而将所述可移动电极向平衡位置促动。

7.根据权利要求1所述的指点装置，还包括位于所述目标电极与所述传感电极结构之间的介质隔离器。

8.根据权利要求7所述的指点装置，其中，所述介质隔离器包括分立的介质膜，所述介质膜安装到所述目标电极中与所述传感电极结构面对的各个隔开的间隔表面区域，所述介质膜可以在所述传感电极结构的表面上自由滑动。

9.根据权利要求8所述的指点装置，其中，各个所述分立介质膜安装到所述目标电极的周边表面区域和所述目标电极的至少一个中央表面区域。

10.根据权利要求1所述的指点装置，其中，所述目标电极有回弹性，并响应于向所述可移动部件施加的、将所述目标电极促动到邻近所述传感电极结构的力而顺应所述传感电极结构的表面区域。

11.根据权利要求10所述的指点装置，其中，所述目标电极包括由周边目标电极结构围绕的中央目标电极结构，所述周边目标电极结构包括分立片段，所述分立片段可以分别顺应所述传感电极结构的表面区域。

12.根据权利要求11所述的指点装置，其中，在未变形状态下，所述周边目标电极结构的各个片段朝向所述传感电极结构倾斜。

13.根据权利要求1所述的指点装置，还包括测量电路，所述测量电路耦合到所述传感电极并能够产生测量值，所述测量值表示所述目标电极与各个所述传感电极之间的重叠程度。

14.根据权利要求13所述的指点装置，其中，在给定测量周期中，通过在各个周边传感电极与所述中央传感电极两端施加相应的输入信号，所述测量电路能够产生针对各个所述周边传感电极的对应测量值，每个所述测量值表示所述目标电极与各个所述周边传感电极之间的重叠程度。

15.根据权利要求14所述的指点装置，还包括处理系统，所述处理系统能够根据所述测量值产生显示控制信号。

16.根据权利要求15所述的指点装置，其中，所述处理系统能够确定i)在给定测量周期中，对于位置仅限定在坐标轴一侧的周边传感电极产生的测量值与ii)在所述给定测量周期中，对于位置仅限定在所述坐标轴相反侧的周边传感电极产生的测量值这二者之间的差值，并通过将所述差值对所述测量周期中产生的所有所述测量值总和进行归一化来确定对应的位移值，其中所述坐标轴是相对于所述操作区域限定的。

17.根据权利要求15所述的指点装置，其中：

所述目标电极包括围绕中央目标电极结构的周边目标电极结构，所述中央目标电极结构包括可移动电极，所述可移动电极能够基本上独立于周围的所述目标电极结构而朝向或远离所述传感电极结构运动；并且

所述处理系统能够根据所述给定测量周期中产生的所有所述测量值的总和来检测所述可移动电极朝向所述中央传感电极的运动。

18.根据权利要求17所述的指点装置，其中，响应于对所述给定测量周期中产生的所有所述测量值总和超过第一阈值的判定，所述处理系统能够产生触摸状态信号，所述触摸状态信号表示外力已经接触所述可移动部件。

19.根据权利要求18所述的指点装置，其中，响应于对所述给定测量周期中产生的所有所述测量值总和超过第二阈值的判定，所述处理系统能够产生选择状态信号，所述选择状态信号表示所述可移动部件已受到按压以作出选择，所述第二阈值大于所述第一阈值。

20.根据权利要求15所述的指点装置，其中：

所述目标电极在未变形的平衡状态下大体上是凸起形状，并且在受偏压状态下大体上是平的，在所述受偏压状态下，所施加的力将所述目标电极促动到邻近所述传感电极结构；并且

根据所述目标电极从所述平衡状态向所述受偏压状态运动的过程中所述测量电路产生的所述测量值，所述处理系统能够产生触摸状态信号，所述触摸状态信号表示外力已经接触所述可移动部件。

21.根据权利要求20所述的指点装置，其中，所述目标电极包括围绕中央目标电极结构的周边目标电极结构，所述中央目标电极结构包括可移动电极，所述可移动电极能够基本上独立于周围的所述周边目标电极结构而朝向或远离所述传感电极结构运动，并且，在所述周边目标电极结构已被促动到邻近所述传感电极结构之后，根据所述中央目标电极结构朝向所述传感电极结构运动的过程中所述测量电路产生的所述测量值，所述处理系统能够产生选择状态信号，所述选择状态信号表示所述可移动部件已受到按压以作出选择。

22.一种指点装置，包括：

传感电极结构装置，其包括由周边区域中的周边传感电极装置围绕中央传感电极装置的配置；和

可移动部件装置，所述可移动部件装置能够于所述传感电极结构上在操作区域中运动，并包括目标电极装置，所述目标电极装置面向所述传感电极装置，并且对于所述可移动部件装置在所述操作区域中的每个位置，所述目标电极装置至少与所述中央传感电极装置的对应部分重叠。