混合指向裝置的製作方法
2023-05-30 04:04:26 2
專利名稱：混合指向裝置的製作方法
背景技術：
現代計算機作業系統和圖形程序需要指向裝置來控制計算機顯示器上的光標的位置。同樣，諸如個人信息管理器和蜂窩電話之類的手持設備也受益於包括這種指向裝置。對於臺式PC來說，最成功的指向裝置是「滑鼠」。滑鼠是手持物體，其在鍵盤附近的平面上移動，以控制計算機顯示器上的光標的移動。滑鼠移動經過的方向和距離決定了顯示器上的光標移動的方向和距離。常規滑鼠提供用戶可在很高的精確度下移動剛性物體。對臺式計算機來說，對於指向問題，滑鼠提供了令人滿意的解決方法。當對於提供滑鼠可以移動並調節屏幕上所希望的光標移動所經過的路徑來說工作空間並不足夠大時，用戶僅僅是拿起滑鼠並使滑鼠重新置於工作空間的中心。
儘管對於臺式PC市場中的指向裝置問題，滑鼠已經提供了令人滿意的解決方法，但是類似成功的設備對於諸如蜂窩電話之類的手持設備來說是不可用的。這些設備在鍵區或屏幕附近缺少滑鼠可在其上方移動的足夠大的平面。除此之外，需要攜帶分離的指向裝置使得滑鼠對於這些應用來說變得不太理想。因此，當使用這些設備時需要一些其它形式的指向裝置。
用在這些環境中的指向裝置必須解決快速而精確地移動光標的問題。除此之外，該設備必須以在沒有詳盡指導的情況下初學者用戶能夠理解的直觀方式操作。另外，指向裝置必須在有限的工作空間內操作，並適合於手持設備的形狀因素範圍。最後，還必須滿足通常的低成本、低功耗和高可靠性的限制。
在膝上型計算機的情況下，對於市場中的指向裝置問題存在兩種主要解決方法，即Synaptics capacitive TouchPadTM和IBMTrackPointTM。其它公司製作具有類似功能性的型式的這些設備。這兩種設備都遠不能滿足上述要求。TrackPointTM是一般放置在膝上型鍵盤的中央的小按鈕。該按鈕可以採用類似於「操縱杆」的方式通過用手指在按鈕的頂部施加橫向力而移動。令人遺憾的是，該按鈕只能移動少量；因此，該按鈕的位移不能直接映射成計算機顯示器上的光標位置的位移。替代地，按鈕位移控制光標移動的方向和速度。用戶使用這種類型的速度能夠指向光標的精確度大大低於利用常規滑鼠所獲得的精確度。在需要小的、精確的移動的任務中，例如計算機圖形程序中的圖，該限制尤其明顯。除此之外，這種類型的指向裝置不提供按鈕功能性。
TouchPadTM是空白的矩形墊，一側為50～100mm，一般放置在大多數膝上型的鍵盤下面。該設備感測矩形的表面上手指相對於該設備的邊緣的位置。這種感測通過測量由用戶用手觸摸絕緣的、低摩擦力材料之下的一系列電極所引入的電容變化來完成。
類似TrackPointTM，TouchPadTM也具有缺乏精確性的缺點。主要是難以測量由用戶引入的電容變化，該用戶相對於電路處於未知的電位。而且，用戶手指的接觸區比較大。因此，為了提供手指位置的精確測量，該設備必須確定一些參數，例如手指和墊之間的接觸區的中心。令人遺憾的是，接觸區隨著由用戶施加的壓力而在尺寸和形狀方面發生變化。因此，這種確定最好也只不過具有有限的精確度。實際上，用戶不能重複執行精確的移動。
當用戶無意中用手指或手腕接觸該墊時，還存在由於錯誤信號而產生的困難。在一些設備中，常規滑鼠的「點擊」功能通過在該墊上輕敲來實現。結果，鍵入期間的這種無意觸發使光標在鍵入操作當中跳到新的位置，並且文本插入到該新位置處。
在先前提交的美國專利申請10,723,957中，教導一種解決了上述許多問題的基於圓盤的指向裝置，其在此被引入作為參考。該指向裝置使用圓盤，當用戶通過該用戶的手指對圓盤施加壓力時，該圓盤在限定的移動區內移動。當用戶釋放圓盤時，一組彈簧使該圓盤返回到其在移動區之內的中心位置。圓盤的位置和圓盤上的壓力由設備中的電極決定。位置信息用於將光標指向在顯示屏幕上。附屬設備上的軟體將在用戶手指按在該圓盤上的時間內的圓盤的移動轉變成設備的顯示器上的適當的光標移動。當用戶釋放圓盤時，圓盤和光標位置之間的耦合被軟體終止，因此當圓盤迴到中心位置時，光標並不向後移動。
雖然對於膝上型市場中的指向裝置問題，上述專利申請中所教導的設備提供了明顯超過主要現有技術解決方法的優點，但是當與蜂窩電話或其它具有相對小的屏幕的設備一起使用時，該設備決不是最佳的。在小屏幕上，改變圓盤的位置並接著採用類似於臺式計算機上的滑鼠移動的方式繼續移動的能力是有限值，這是因為顯示器中可用的信息量相對有限，因此可通過一對一地將圓盤位置映射給屏幕上的光標位置來充分訪問。
另一方面，有限的屏幕尺寸將額外的費用置於諸如滾動之類的其它操作上。手持設備例如蜂窩電話的小屏幕可模擬小窗口，通過該小窗口可看到大得多的桌面。通過沿各個方向移動該窗口，可將所需的桌面部分指向在該窗口內。接著可以通過在該窗口內移動光標來選擇該窗口內的桌面上的物體。因此，用在這種環境中的指向裝置將受益於既具有指向功能又具有二維滾動功能。
發明內容
本發明包括具有可移動的圓盤和顯示屏幕的指向裝置。圓盤被限制在具有在其上限定的圓盤移動區的圓盤表面上移動。圓盤移動區分成指向區和功能區。控制器決定了圓盤在移動區內的位置。當圓盤處於指向區時，顯示屏幕顯示二維場景和光標，該光標採用被圓盤的位置控制的方式在場景內移動。當圓盤處於功能區時，控制器使場景改變。在一個實施例中，可變形的障礙物阻止圓盤移入功能區。該阻止通過用戶沿平行於表面的方向對圓盤施加附加力來克服。在一個實施例中，可變形的障礙物在移動區的邊緣上包括設置在圓盤和不可變形的障礙物之間的彈性元件。在一個實施例中，可變形的障礙物包括彈簧。
在一個實施例中，場景代表如同通過在表面上方可移動的窗口所看到的一部分表面的視圖。當圓盤移入功能區時，控制器使該表面被如此看到的該部分改變到表面的鄰近部分。在一個實施例中，窗口以依賴於圓盤在功能區中的位置的速度移動。
圖1是指向裝置10的頂視圖。
圖2是圖1所示的指向裝置10穿過線2-2的截面圖。
圖3是圖1所示的表面12的一部分的頂視圖，在本發明的一個實施例中圓盤在其上方移動。
圖4是電極51-55的等效電路的示意圖。
圖5是圓盤70的截面圖，其採用了可結合在圓盤中的圓頂形點擊器(clicker)。
圖6A是根據本發明的一個實施例的手持設備的示意圖。
圖6B是圖6A所示的相應桌面和觀察窗的頂視圖。
圖7是根據本發明的一個實施例的指向裝置100的截面圖。
圖8是根據本發明的另一個實施例的指向裝置120的截面圖。
具體實施例方式
參考圖1和2，可更容易地理解本發明提供其優點的方式，其示出根據上述專利申請所教導的發明的一個實施例的指向裝置10。圖1是指向裝置10的頂視圖，以及圖2是圖1所示的指向裝置10穿過線2-2的截面圖。指向裝置10包括圓盤11，該圓盤響應於施加給圓盤11的橫向力在圓盤移動區19內的襯底15的表面12上方移動。該力通常藉助用戶的手指施加到圓盤11上。圓盤11包括測量施加給圓盤11的垂直壓力的壓力傳感機構。當感測到的壓力超過預定閾值時，光標跟蹤功能被激活，並且光標沿由圓盤的移動所決定的方向和距離在屏幕上移動。除此之外，指向裝置10包括用於確定圓盤11在表面12上的位置的感測機構。
當用戶通過移開用戶的手指16來釋放圓盤11時，圓盤11藉助在13處所示的彈簧返回到其中心位置，該彈簧將圓盤連接到圓盤移動區的一側14。由於在其返回期間用戶的手指並沒有對圓盤11施加垂直力，因此與該返回動作有關的位置改變並不被報告給主機設備。即，光標保持在其先前的位置處。這提供了方便的「重新置於中心」的能力，這通常通過將滑鼠提起並將滑鼠放回到移動區的中心來實現。在膝上型計算機、手持設備和其它其中限制了移動區的微型應用中，重新置於中心尤其地必要。
上述專利申請教導了用於測量由用戶施加在圓盤上的壓力的多個機構，因此這裡將不再詳細討論這些機構。對於該討論來說，足以值得注意的是，可以採用具有可相對於底表面垂直移動的頂表面的圓盤。頂表面通過彈簧機構保持在適當的位置。當用戶對頂表面施加壓力時，頂表面朝向底表面移動了取決於施加的壓力的適當的量。圓盤的頂和底表面之間的距離利用多個方法之一來測量。例如，圓盤的頂和底表面可包括形成平行板電容器的導電層。該電容器的電容取決於這些板之間的距離，因此電容的測量提供了由用戶施加的壓力的測量。
在一個實施例中的感測圓盤位置的方式在上述專利申請中被詳細描述，因此這裡將不再詳細討論。對於該討論來說，將假定可採用電容傳感方案來確定圓盤的位置。這種方案在圖3中示出，其是圖1所示的表面12的一部分的頂視圖，在本發明的一個實施例中圓盤在其上方移動。表面50包括在51-54處所示的四個電極，其具有與外部電路連接的端子。為了簡化附圖，省略了這些端子。圓盤具有包括在附圖中用虛線示出的電極55的底表面。電極51-55彼此電隔離。例如，電極55可用介電層覆蓋，其提供所需的絕緣，同時還允許電極55在其它電極上方滑動。這些電極實際上可被構圖在襯底的背面，其表面在50處示出。這降低了這些電極和圓盤電極之間的電容，但是可能對於幾毫米或更小的襯底厚度是實用的。電極55與電極51-54中的每一個之間的交疊取決於圓盤相對於電極51-54的位置。分別用A-D表示電極55和電極51-54之間的交疊。
現在參考圖4，其是電極51-55的等效電路的示意圖。電極55的與電極51交疊的部分形成了具有與交疊A成比例的電容的平行板電容器。類似地，電極55的與電極52交疊的部分形成了具有與交疊B成比例的電容的平行板電容器，等等。由於所有電容器共享電極55的部分，因此等效電路包括四個與共用電極相連的電容器。該電極是電極55。因此，通過測量電極55與電極51-54中的每一個之間的電容，可確定電極55相對於電極51-54的位置。該確定可由控制器59來執行，其可以是指向裝置的一部分或主機設備的一部分，指向裝置形成該主機設備的一部分。
為了實現用於選擇當前光標位置處的項的「點擊」，圓頂形點擊器可結合到圓盤中。現在參考圖5，其是採用這種點擊器的圓盤70的截面圖。圓盤70具有底電極73，其電容用於確定如上所述的圓盤在移動區中的位置。圓盤70還包括頂電極74，當用戶按壓該電極時，該頂電極74被壓下。頂電極74是被安裝用以在用戶不按壓電極時將強制該電極在72處所示的穩定槽(detent)上的彈簧。在圖5所示的實施例中，多個彈簧71提供該功能。電極73和74之間的距離可通過測量這些電極之間的電容來確定。當用戶輕輕按壓電極74時，該電極向下移動直到它到達點擊器75的頂部為止。如果用戶用比由點擊器75和彈簧71的物理特性所決定的某一閾值力更大的力按壓電極74時，點擊器75將突然成為圓頂被倒轉的結構。這將減輕電極74上向上的力，並且電極74將更靠近電極75移動。該新的位置可通過測量電極74和75之間的電容來感測。
圖5所示的點擊器由圓頂形薄片材料構成，其具有當圓頂被壓下到預定高度以下時突然改變的高度。狀態的改變伴隨有對電極74向上施加的力的改變。這為用戶提供類似於當開關閉合時所獲得的那種感覺。對該應用來說，術語「點擊器」被限定為包括響應於對其施加的力而改變其尺寸之一的任何機械設備，其中尺寸改變是施加的力的非線性函數。優選級別的點擊器具有雙穩態尺寸，當施加到點擊器的力大於第一閾值力時其在這些狀態之間突然轉換，並且當施加的力降到第二閾值以下時回到其初始狀態。
依據類比可以更容易地理解本發明的一個實施例，其中大桌面的內容通過定位在桌面頂部上方的小觀察窗來訪問。現在參考圖6A和6B。圖6A是根據本發明的一個實施例的手持設備88的示意圖。圖6B是相應桌面61和觀察窗62的頂視圖。
觀察窗62對應於手持設備上的顯示器。桌面61在觀察窗62下面的部分在手持設備的顯示器上顯示給用戶。在圖6B所示的實例中，桌面包含在64-66處示出的多個物體。在觀察窗下面的那些物體可在顯示器上看到。因此，手持設備88的用戶可以看到物體66和物體64在手持設備88的屏幕87上的範圍內的部分。然而，用戶不能看到物體65，除非用戶將觀察窗62重新定位在物體65上方。
手持設備88包括指向裝置80，其可採用類似於以上相對於圖1-5所示的設備討論的方式操作。具體地說，指向裝置80包括在移動區82內移動的圓盤81。圓盤81在移動區82內的位置由控制器83感測，並用於控制光標63的位置和窗口62在桌面61的邊界內的位置。還假定圓盤81包括壓力傳感機構，例如上述由控制器83監控的那種。當用戶通過按壓圓盤81使用該壓力機構時，控制器注意光標63的位置，並利用該位置來執行預定動作，例如選擇光標下面的物體。該壓力機構還可以包括如上所述的點擊器以便為用戶提供反饋。
當圓盤81處於移動區82的區域84之內時，控制器使光標63在觀察屏幕87內移動。光標63在觀察屏幕87內的位置通過圓盤81在區域84內的位置來確定。控制器83包括一對一的映射，其為圓盤81在區域84中的每一個位置指定了光標63的位置。該映射優選是線性的。
當用戶將圓盤81移到區域84之外的位置時，圓盤位置和光標63的位置之間的耦合被斷開。在該區域中，使窗口62沿由圓盤81的位置決定的方向移動。例如，控制器83可被編程來執行滾動功能，其中當圓盤移動到位置86時，窗口62在桌面上沿在68處示出的方向移動。在該實施例中，窗口將繼續沿該方向移動直到用戶將圓盤81移回到區域84中為止。在一個實施例中，窗口以預定的恆定速度移動。在另一個實施例中，該速度作為圓盤和壁89之間的距離的函數而增加。類似地，如果圓盤移動到位置85，則窗口62將沿箭頭67所示的方向移動，等等。當圓盤處於視域82的相應角內時，可實現窗口的對角線移動。
由於由指向裝置實現的功能在圓盤移到區域84之外時突然改變，因此降低用戶無意中改變功能的可能性的機構是所希望的。現在參考圖7，其是根據本發明的一個實施例的指向裝置100的截面圖。指向裝置100包括圓盤101，該圓盤在由邊界壁102所限定的移動區內移動。為了簡化附圖，省略了感測圓盤在表面103上方的位置的電極。
移動區分成兩個區域在105處示出的區域和在104處示出的圍繞區域105的環形區域。移動區最靠近壁102的區域用來選擇諸如上述滾動操作之類的功能。移動區中心的區域105用於常規的指向操作，其中光標被映射到由該區域中的圓盤位置所決定的位置。為了防止用戶無意中將圓盤移到區域104中，可變形的邊界放置在區域104和105的接合處，其用彈簧106和107示意地示出。為了將圓盤移到區域104中，用戶必須在圓盤101上施加足夠的橫向壓力以壓縮彈簧，以至圓盤可進入區域104中。在普通指向模式中，由用戶施加用以移動圓盤的橫向力比壓縮彈簧所需的橫向力小得多，因此，如果不是有意識地用力，用戶不太可能切換指向功能。
雖然上述實施例利用附著於壁102的彈簧來改變必須施加給圓盤以將圓盤移入區域104的橫向力，但是可以利用其它機構。現在參考圖8，其是根據本發明的另一個實施例的指向裝置120的截面圖。圓盤112包括例如泡沫橡膠的彈性材料的環形物110，其必須被壓縮以將圓盤移入區域104。
以上參考圖1和2所討論的現有技術系統利用了恢復彈簧，例如彈簧13，從而在用戶將他或她的手指離開圓盤時使圓盤重新置於中心。除此之外，這些彈簧在指向裝置被顛倒時防止圓盤離開移動區。
如上所述，這種類型的現有技術指向裝置提供了圓盤位置和光標位置之間的遞增映射，其提供了在屏幕上光標位置的精密控制。與臺式和膝上型計算機不同，許多手持設備所使用的屏幕區域相對小。因此，圓盤在移動區中移動的精確度足以提供對屏幕上的光標的足夠控制。在這些實施例中，不需要以上參考圖1和2所示的現有技術實施例所討論的恢復彈簧，因為圓盤位置提供了相對於屏幕上的光標位置的一對一的映射，因此，當圓盤到達區域105的邊界時，用戶不必使圓盤重新置於中心來繼續跨越屏幕移動光標。然而，仍可實行利用恢復彈簧的實施例，這是因為這些彈簧為用戶提供了關於圓盤在移動區的位置的物理反饋。
除去恢復彈簧降低了指向裝置成本，並增加了指向裝置的可靠性。因此，假如提供了用於將圓盤限制在移動區的替換機構，則缺少這些彈簧的實施例是優選的。除此之外，阻止碎片進入移動區的實施例也是所希望的，因為這種碎片會阻止圓盤在移動區的表面上方的平滑移動。圖8所示的覆蓋物115和密封環116阻止了碎片進入移動區。
在其中恢復彈簧不再可用於將信號導入圓盤或從其中導出的實施例中，必須提供替換的信號路徑。為此可使用例如電纜117的彈性導體組。或者，可在圓盤112的表面上提供導電跡線，其通過適當的「刮器(wiper)」與覆蓋物115上相應的跡線連接。例如，該刮器可包括在密封環116中。
在上述實施例中，移動區分成指向區105和功能區104。在指向區中，圓盤的位置決定了設備的顯示屏幕上的光標的位置。當圓盤處於功能區時，屏幕顯示滾動以呈現虛擬桌面的其它區域。然而，可在功能區中實現其它功能。例如，當圓盤移入這些區域之一時，特定菜單可顯示在手持設備的屏幕上。接著可使用光標從這些菜單中進行選擇。原則上，在功能區中可實現改變與光標位置相對的被顯示資料的任何功能。
在本發明的上述實施例中，圓盤被限制在矩形移動區。然而，應當理解，移動區可具有任意的邊界形狀。例如，移動區可以是圓形或橢圓形。
根據前面描述和附圖，本發明的多種修改對於本領域的技術人員將變得顯而易見。因此，本發明僅由以下權利要求的範圍來限定。
權利要求
1.一種指向裝置，包括具有在其上限定的圓盤移動區的第一表面，所述圓盤移動區分成指向區和功能區；在所述第一表面上移動的可移動圓盤；確定所述圓盤在所述移動區內的位置的控制器；和顯示二維場景和光標的顯示屏幕，當所述圓盤處於所述指向區中時，該光標採用被所述圓盤的所述位置進行控制的方式在所述場景內移動，其中當所述圓盤處於所述功能區時，所述控制器使所述場景改變。
2.權利要求1的指向裝置，進一步包括用於阻止所述圓盤移動到所述功能區中的可變形的障礙物，所述阻止通過用戶沿平行於所述第一表面的方向對所述圓盤施加力來克服。
3.權利要求2的指向裝置，其中所述可變形的障礙物包括在所述移動區的外圍上設置在所述圓盤和所述非可變形的障礙物之間的彈性元件。
4.權利要求3的指向裝置，其中所述彈性元件是與所述圓盤的壁接合的橡膠層。
5.權利要求3的指向裝置，其中所述可變形的障礙物包括彈簧。
6.權利要求1的指向裝置，其中所述場景代表如同通過在所述表面上方可移動的窗口所看到的一部分表面的視圖，並且其中所述控制器使被這樣觀察到的所述表面的所述部分改變到所述表面的鄰近部分。
7.權利要求6的指向裝置，其中所述鄰近部分依賴於所述圓盤在所述功能區中的所述位置。
8.權利要求6的指向裝置，其中所述窗口以依賴於所述圓盤在所述功能區中的所述位置的速度移動。
9.權利要求1的指向裝置，其中所述指向裝置進一步包括防止材料從所述移動區外部移動到所述移動區內部的覆蓋物。
10.一種用於將數據輸入到其上具有顯示屏幕的設備中的方法，所述方法包括提供在表面上的移動區內移動的可移動圓盤；將所述移動區分成指向區和功能區；提供被限制在所述第一表面上移動的可移動圓盤；顯示二維場景和光標，當所述圓盤處於所述指向區時，該光標採用被所述圓盤的所述位置進行控制的方式在所述場景內移動；以及響應於移動到所述功能區中的所述圓盤來改變所述場景。
11.權利要求10的方法，進一步包括需要不同幅度的力以使所述圓盤在所述功能區中而非所述指向區中移動。
12.權利要求10的方法，其中所述場景代表如同通過在所述表面上方可移動的窗口所看到的一部分表面的視圖，並且其中被這樣觀察到的所述表面的所述部分改變到所述表面的鄰近部分。
13.權利要求12的方法，其中所述鄰近部分依賴於所述圓盤在所述功能區中的所述位置。
14.權利要求12的方法，其中所述窗口以依賴於所述圓盤在所述功能區中的所述位置的速度移動。
全文摘要
公開了一種具有可移動的圓盤和顯示屏幕的輸入設備。該圓盤被限制在具有其上限定的圓盤移動區的圓盤表面上移動。該圓盤移動區分成指向區和功能區。控制器確定圓盤在移動區內的位置。顯示屏幕顯示二維場景和光標，當圓盤處於指向區時，該光標採用被圓盤的位置控制的方式在場景內移動。當圓盤處於功能區時，控制器使場景改變。阻止圓盤移入功能區的可變形的障礙物可用於防止無意中改變顯示場景。該阻止通過用戶沿平行於表面的方向對圓盤施加附加力來克服。
文檔編號G06F3/038GK1892555SQ20061000935
公開日2007年1月10日 申請日期2006年2月28日 優先權日2005年2月28日
發明者T·薩徹, J·哈利, J·N·霍倫霍斯特, F·馬塔 申請人:阿瓦戈科技通用Ip(新加坡)股份有限公司