具有壓力傳感器的光學電容拇指控制的製作方法

2023-06-12 05:42:21

專利名稱：具有壓力傳感器的光學電容拇指控制的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及用於手持計算平臺的輸入設備，並且更具體地，涉及具有壓力和可選的光學傳感器的拇指控制設備。
背景技術：
諸如蜂窩電話、個子數據助理(PDA)，以及更近的新一代移動網際網路設備(MID)和智慧型電話等的手持無線設備正在獲得廣泛的接受。為了在市場中具有競爭力並且為了滿足消費者要求，服務提供商繼續提供不斷擴展的服務陣列和特徵。PDA或更一般的手持計算機初始設計用於用作存儲筆記、聯繫信息、日曆日期等的個人組織器。當代的MID手持設備附加的包括無線和蜂窩技術並且充當用於語音通信的電話。此外，許多設備允許用戶訪問各種信息並且包括服務和特徵，例如網際網路瀏覽、全球定位系統(GPS)地圖和駕駛指導、即時股票報價、娛樂定位器、電子郵件服務和各種多媒體音樂以及視頻捕獲和回放功能等。由於這種手持設備具有小的特性，因此命令輸入一直以來都面臨挑戰。早些代的這些設備使用物理鍵來鍵入數據和命令。更近的是，非常好的觸控螢幕已經被開發出來。然而，無論是物理鍵還是屏幕上的虛擬鍵，他們都很小並且有時難以導航。如果用戶的手指太大或缺少敲擊正確鍵必需的靈活性，那麼有時可能要使用觸筆或其他指向棒。此外，即使只是輸入基本的功能，鍵盤和觸控螢幕也可能難於只用一隻手握持和操作。因此，用於行動裝置的更易於操作的輸入設備將會受到歡迎。


當結合附圖閱讀以下對布置和示例性實施例的詳細描述以及權利要求時，對本發明的上述和更好的理解可以變得顯而易見，所有這些均形成本發明的公開的一部分。雖然以上和以下所寫的和所說明的公開關注於公開本發明的布置和示例性實施例，但是應該清楚地理解，它們僅作為示例和說明，並且本發明不限於此。圖IA和圖IB分別是包括本發明的拇指傳感器的移動網際網路設備(MID)的前視圖和側視圖；圖2A和圖2B分別是本發明的拇指傳感器的一個實施例的前分解視圖和後分解視圖；圖3A-3C分別是包括光學傳感器的本發明的另一個實施例的前視圖、側視圖和後視圖；圖4和圖5分別是圖3A-3C中所示的設備的前分解視圖和後分解視圖；圖6是說明用於拇指傳感器的調節板和傳感器輸入的一個實施例的框圖；圖7說明了光學和電容傳感器子系統以及組合的混合系統關於傳感器表面的拇指或手指的面積覆蓋的比較性能；圖8A-8D是具有用蜂巢模式布置的橢圓電容電極的、有和沒有可選光學孔的輻射狀傳感器模式的平面視圖說明；圖9A-9D是具有被輻射分割的扇區的、有和沒有光學孔的輻射狀傳感器模式的平面視圖說明，其中所述扇區被沿著圓半徑被進一步分割；圖10A-10D是具有交疊的多邊電極板的、有和沒有光學孔的輻射狀傳感器模式的平面視圖說明；圖10E-10F是圖10A-10D的補充圖，意圖詳細說明對電極板的特定布置的描述；圖11A-11D是具有沿著軸線的傳感器區域分割的、有和沒有光學孔的網格傳感器模式的平面視圖說明；
圖12A-12B是具有傾斜橢圓電極板的、有和沒有光學孔的網格傳感器模式的平面視圖說明；圖13A-13B是有和沒有光學孔的菱形網絡傳感器模式的平面視圖說明；圖14A-14C示出了拇指傳感器並且說明了拇指或手指的三維方位感測方法以便得到增強的位置信息。
具體實施例方式本文描述了設計用於控制智慧型手機或移動網際網路設備(MID)的小型傳感器。傳感器表面可以安裝在手持設備的側面的位置上，該位置是當用戶在其手中握持該設備時他的拇指自然落在的位置。傳感器表面可以是凹的，提供使用該傳感器表面的可視和物理提示。傳感器被設計為使得指向、選擇和控制姿勢是本能的並且低疲勞的。 貫穿本說明書提及的「一個實施例」或「實施例」意味著結合該實施例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，在本說明書各處出現的短語「在一個實施例中」或「在實施例中」並不必然都指相同的實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以以任何合適的方式組合所述特定特徵、結構或特性。現在參考圖IA和圖1B，分別示出了包括本發明的拇指傳感器102的一個實施例的說明性移動網際網路設備(MID)的前視圖和側視圖。MID 100可以包括各種特徵，諸如顯示屏104 (其可以是觸摸類型的屏幕)，以及用於電話功能的揚聲器106和傳話口(mouthpiece) 108。當然，儘管未必討論到，但是任何在MID設備上找到的其他功能也可以存在。拇指傳感器102被示出為位於朝向MID 100的右上側。當然，在一些實施例中，為了左手用戶的方便性，它也可以位於MID的另一側。在該位置，當在用戶的手中握持設備100時用戶的拇指自然地落在傳感器102上。拇指傳感器102可以提供對MID設備100的若干種形式的控制。第一種允許用戶通過拇指在傳感器102表面上的滑動運動來嚴格地控制「指向」。該指向當然可以對應於某些動作，例如光標105在顯示屏104上的移動,文本編輯插入符的移動或選擇標示器的移動。第二種允許與指示器、光標或插入符的位置相關的「選擇」功能。通過用拇指物理地按壓傳感器102或者通過在傳感器表面上執行輕觸姿勢來實現該選擇功能。最後，用戶能夠在垂直或水平方向上執行「輕彈」(flick)。這些輕彈姿勢可以被映射為控制電子郵件包、網絡瀏覽器或者文檔觀看器/編輯器。傳感器102的「指向」功能的應用的另外示例包括垂直地和水平地滾動或旋轉顯示，滾動文檔或網頁，在文本或網頁文檔中移動選擇光標或編輯插入符，在例如視頻遊戲或虛擬環境中旋轉3D視圖，精細地控制清晰的真實或虛擬相機的全景、傾斜和變焦，在交互地圖上的精細全景&變焦控制，或數字相片的精細全景和變焦控制。輕彈姿勢的其他特定使用包括在已經被組織為水平和垂直分類的圖像集中快速翻動(flip)，以固定度數間隔執行用戶界面元素的旋轉，或在應用或窗口之間切換。用於檢測輕彈姿勢的一種方法如下。拇指隨著時間在傳感器上或附近的運動可以被跟蹤和記錄，以形成三維姿勢路徑。可以通過測量給定的和完整的運動路徑相對於可配置閾值的速度來將輕彈姿勢與精細位置控制在算法上進行區分。可以基於三維運動路徑的空間分析，尤其是基於姿勢的開始和結束條件的存在(其可以包括檢測對表面的觸摸，之後是運動，之後是觸摸的釋放)來認為運動路徑的完成。如果給定運動在給定方向超過可配置的速度閾值，則該運動姿勢可以被認為是強方向輕彈姿勢。運動的強度被映射為用戶
接口元素的變化的控制程度，例如調製三維用戶界面對象的旋轉速度。檢測在系統中的姿勢的另一種方法是通過使用訓練的數據集和模式分類技術。該方法的一個實施例是專用的支持向量機(SVM)。該技術用N-空間中的一組超平面來劃分姿勢和運動的空間，其中所述N-空間由對SVM的輸入元數來定義。例如，SVM可以跟蹤初始傳感器讀數、最後傳感器讀數、中間傳感器讀數、平均速度、最大速度、「壓力」 RMS，然後計算在6-空間中的分類。所描述的SVM還可以使用光學數據作為其狀態空間的一部分(通過擴展所描述的元數)，而非依賴於已經融合的傳感器數據。SVM識別器可以直接使用，以及與遞歸助推(recursive boosting)和遞歸特徵消除(Recursive Feature Elimination,RFE) 一起使用來增加檢測精確度。在姿勢引擎中使用經訓練的數據的特定特徵在於它可以被再訓練以支持非典型性用戶。姿勢檢測的所有方法可以單獨地使用，或者結合另一種方法而用作姿勢檢測的混合方法。通常在軟體獲取鏈中的多個點處處理指向和跟蹤數據。特定實施例可能不同，但是通常的實例具有預濾波器、主濾波器以及次(或輸出)濾波器。預濾波器的目的通常是通過表徵傳感器和應用任何簡單的變換以從原始傳感器參考幀移動到由主濾波器使用的參考幀，來準備在主濾波器中使用的原始數據採樣。主濾波器被設計用於從單獨的採樣中移除噪聲。最後，輸出濾波器通常對主濾波器輸出應用變換以使得數據更適合於直接使用。當本發明的實施例是混合光學和電容傳感器時，光學和電容數據還應當被融合到相同的坐標系中。取決於傳感器設備的特定實施例，這可以在濾波器鏈的不同點處處理。在一個特定的實施例中，光學數據具有與電容濾波器分離的預濾波器並且僅在主濾波器期間與電容數據混合。主濾波器的一個實施例是自適應無限衝擊響應(IIR)濾波器，可以通過使用更慢、更慎重的拇指或手指運動精細地控制設備的絕對跟蹤位置。同樣可能的是相同指示器位置的掃略運動。自適應濾波器基於所測量的在傳感器表面作出的運動的速度來動態地調整濾波的程度。給定絕對未濾波的位置Praw，先前濾波的位置Pprevious以及濾波因子f，可以用IIR濾波器來將濾波的絕對位置Pnew計算為Pnew = f*Praw+(l_f)*Pprevious。濾波因子f在O和I之間連續地變化，並且影響濾波程度，或所跟蹤運動的阻滯(dampening)。當f為I或接近I時，濾波被禁止，運動被加快，並且噪聲增加。當它為O或接近O時，濾波為最大或接近其最大，噪聲減少，並且運動被減慢或暫停。濾波因子f取決於相對速度衰減函數F的輸出。該衰減函數F —般將快速用戶手指或拇指運動映射為f的較低值，並且將較慢的用戶運動映射為f的較高值。當拇指或手指減慢或暫停其運動時，f的值將隨著時間指數地衰減，以便最終使得值為I或接近I。另一方面，如果用戶的實際被跟蹤的運動(Praw)相對很快，則由於F的輸出接近或到達I而可以減少或禁止濾波。f被對待為正經歷加速和減速的阻滯點質量物理系統中的位置。在該系統下，快速的用戶運動對應於位置表示f朝I的加速，而較慢的運動將減少或消除加速效果。f的位置表示受到朝O的恆定減速的影響。在該系統中，朝O的減速是可由用戶通過運動的快或慢來控制的時間相關函數。接近O的f值的效果是高度濾波，並且用戶以漸進精細增量運動的能力對應增加。為I或接近於I的值的效果是降低IIR濾波器的效果或禁止IIR濾波器。當降低或禁止濾波時，粗略或快速的運動是可能的。降低濾波還會增加噪聲，但是一般而言，粗略運動比較小的、細緻運動更容納噪 聲，因此在實踐中，通過適當的參數調節，噪聲對用戶是不可察覺的。可調整的功能參數可以被調節，以使得設備能夠用編輯插入符在文本主體的字符之間或者用指示器在屏幕像素之間進行有目的且精確地移動，而不會顯著地阻礙跨越顯示屏幕的粗略運動。自適應濾波器設計用於解決拇指傳感器系統的特性中固有的問題。該問題涉及拇指或手指與傳感器表面之間的相對大小差異。如果選擇單個濾波級別，而非動態方案，則所選擇的用於精細像素或文本光標定位的最優的值對於意圖跨越整個屏幕或跨越文本的大主體移動光標的大運動而言可能太慢。類似地，所選擇的對於大運動最優的因子可以證明不能用於精細控制。動態控制濾波器參數的額外的優點是避免用不合適的高度濾波阻滯用戶的較輕、較快的運動。該自適應濾波方案的輸出可以貫穿用戶界面使用，以改善對涉及位置運動的所有應用的控制感測。另一主濾波器實施例包括使用多極多抽頭有限衝擊響應濾波器(FIR)。該實施例允許傳感器比IIR實現有更清楚的頻率選擇，並且消除IIR實現的不穩定性。對於FIR濾波器實現，基於所測量的系統的信號/噪聲特性來計算係數。FIR實施例能夠使用與IIR濾波器方法類似的擴展以形成自適應濾波器系統。另外的主濾波器實施例可以是有用的。具有有價值性質的一些實施例一般而言是預測濾波器和卡爾曼/擴展卡爾曼濾波器，特別是粒子濾波器。在這些實施例中，預測運動模型被用來通知下面的系統，以便輔助狀態的計算以及減少響應滯後。它們在光學和電容數據的混合中也是有用的。除了主濾波器，次濾波器可以應用於例如增強對類似滑鼠的屏幕指示器使用模型的光標跟蹤的穩定性。經濾波的點可以通過額外的加速曲線。該曲線將經主濾波的指示器速度V映射到經調整的指示器速度V'。指示器輸入系統的期望性質是對用戶輸入的響應的線性。為了實現線性同時仍然允許依賴於運動的加速，可以使用將兩個線性分段進行組合的曲線。次濾波的一個實施例是使用Bezier曲線來平滑地連接表示在高和低速度處的兩個速度映射值的兩個線性加速分段。使用連接的線性分段避免了傳統的滑鼠加速曲線的不期望的性質，該傳統的滑鼠加速曲線要求用戶在到處都是彎曲的速度空間中進行空間操作。這類似於要求用戶在球體表面上畫直線。該第二層的濾波在使屏幕像素或其他精細細節元素上的光標指示器穩定方面是重要的。次濾波的另一實施例是雙曲線正切(或其他平滑可微函數)彈道曲線。其他曲線可以被用來支持將平的速度空間映射到彎曲的速度空間的該功能，所述彎曲的速度空間允許用戶具有精細和粗放指示器控制二者。作為系統預濾波器的一部分或原始數據的未濾波的跟蹤的拇指或手指點的計算可以通過若干獨特算法來實現。通過將每個電極板考慮為空間中的點，然後計算乘以其電容測量的每個點的加權和來描述第一算法。類似於物理系統，電容被對待為質量的測量，並且單獨的電極傳感器表示在分立點處的質量採樣。在該類似中，質量或電荷的中心是對諸如手指或拇指的大物體在電磁場以及影響電磁場中的位置的良好近似。該質心計算的變型可以涉及使用通過特別選擇的電極對進行的互電容的測量。可以順序地選擇這些對，並且他們的測量可以被聚集以形成在有諸如手指或拇指的物體存在時的電容場的空間映射。電極對提供的電容測量受直接位於電極對之間的物體的存在的影響最強烈。可以在電極對之間進行多個測量，所述電極對被空間地放置以使得在進行所述聚集時直接或近似在電極對之間的空間部分覆蓋整個拇指傳感器表面102。可以通過組合一系列的連續對測量來進行諸如手指或拇指的物體的出現和位置的更詳細的三維映射。緊鄰接近傳感器表面102而取得的關於物體的大小、形狀和體積的信息越多，該設備可以具有的整體位置結果越好，這考慮了退化到傳統觸摸板算法的各種情況。第二變型使用與質心計算類似的方法，但是使用平方反比定律作為距離因子以便強調位置中的小改變，從而允許小傳感器面積的更好利用。預濾波器還可以包含設計用於自動地跟蹤單獨傳感器板靈敏性或響應性中的差別的去偏(debiasing)方法。可以使用任意數量的不同去偏算法或技術。去偏算法的一個示例是行列去偏。在該方法中，通過跟蹤每個通道的最低觀測值(Bi, i是通道號)、每個通道的高於Bi值的最大值MaXi、任何特定讀數集的全局最小值M以及全局歸一化常量Mnmi，來針對每個板歸一化電容板。在每個傳感器讀數處,Bi被更新並且被從原始讀數中去除以形成Wi,然後更新MaXi。在該點，用來自該集的最小去偏讀數更新M，並且將Mnmi更新為(WiZiMaxi)的最小比率。然後通過這些中心計算方法中的一種使用Wi或歸一化的(WiZiMaxi) -Mnorm來計算該點位置。一些電容觸摸板算法不著重於考慮針對電容傳感器陣列表面的按平的拇指或手指。結果是當平或寬的物體與傳感器表面接觸時不準確或模糊的位置信息。因為在已有的電容觸摸板算法中接觸表面積對於位置的計算是非常重要的，因此可能存在由於與傳感器表面接觸的寬或平物體的滾動或偏移而導致的很大的不精確性或無意的運動。在傳統軌跡板設備中被認為是退化的該使用情況在拇指傳感器設備102中變為一般情況。組合的混合光學電容系統可以解決該問題。可選地，純電容拇指傳感器系統可以使用新穎的算法，該新穎的算法可以收集關於拇指或手指的更高階的數據以便清楚地區分退化情況。新穎的算法可以在三維中分析拇指或手指相對應傳感器表面的體積方位。在這樣做時，出現在傳統觸摸板系統中的與退化情況相關聯的不精確性或模糊性可以通過解釋更高階數據來避免。體積數據集的解釋方法可以通過數值優化將拇指或手指的表示的最擬合數學模型分配給該體積。該數學模型可以具有不同的接合點，例如在具有兩個焦點的三維橢圓體的情況中，所述兩個焦點中的一個可以被認為是拇指或手指尖。在另一模型中，圓柱或管子可以用作近似，在該情況中，管子以與拇指或手指的寬度相稱的特定的半徑向內偏移的一端可以被認為是拇指或手指尖。與傳統觸摸板系統相比，即使對於近似為橢圓體的平拇指或手指，以該方式表示為拇指或手指尖的上方焦點將保持在與用戶的拇指或手指尖的位置更恆定和一致的位置。在傳統的軌跡板系統中，在平的或滾動的拇指或手指情況中，得到的解釋位置將完全地取決於拇指或手指與傳感器表面進行接觸的表面的特定點或面積而雜亂地變化，即使用戶的意圖表示控制點可能位於其拇指尖或手指尖處或附近也是如此。用該方法，針對如現有傳感器子系統測量的電容數據的體積或三維算法方法對於其主要配置中的拇指傳感器設備的整體可用性是很關鍵的。參考圖IB以及圖14A、14B和14C，可以描述一算法方法，通過該算法方法可以感測和區分拇指或手指的三維方位以便得到增強的位置信息。圖14A描述了傳統的電容傳感器布置。在能夠與其他傳感器電極布置一起操作的該示例中，拇指傳感器表面102(用平面形式1400表示)具有以輻射蜂房形式布置的一集合的電容電極板1401。圖14B描繪了對應於單獨電容電極1401的位置中的每一個的、被表示為位於傳感器表面空間1400之中或之上的體積球狀體1403的示例電容傳感器測量數據的可視表示。這些球狀體表示至傳感器表面上或附近的諸如手指或拇指的物體的近似距離的測量。基於針對平行板電容器系統中距離、面積和電容之間的關係的經典公式來計算該距離。該公式是C = A/d。用這種方式，可以從每個傳感器電極近似地獲取距離項。圖14C是描繪一種方法的圖示，通過這種方法我們可以得到拇指或手指的幾何模型1404的近似方位，其中拇指或手指被建模為橢圓體、管子、連結和結合的球狀體的聯結集，或者拇指或手指的其他幾何對象表示和類似。使用數值擬合方法，三維位置和角方位幾何拇指模型1404可以被布置為由從傳感器測量得出的球狀體1403的聚集集合定義的流形(manifold)。當通過數值擬合獲得拇指或手指幾何模型的近似三維位置和方位時，我們現在可以分配充當用戶界面中的表示點的該幾何形狀內的或附近的任意點。類似地，可以從幾何模型中推斷關於角度或距離的信息。如果橢圓體被選擇來表示拇指或其的分段，則所述橢圓體的一個焦點1405可以被選擇作為用戶界面內的表示點。與從傳統觸摸板算法得到的點(其位置在1406被近似地給出)相比，該點關於拇指或手指尖或索引要直觀得多。該改善的表示點1405可以被輸入到後續濾波器級或用作數值擬合系統的後續循環的初始猜測。該新穎的方法通過在三維中執行空間分析而非相對於傳感器表面102的二維接觸點或接觸區域的中心的傳統分析，而解決了與相對電容傳感器區域的平拇指或手指相關的許多問題。雖然不限於圖14中所描繪的特定設計，但是單獨電極板1401的常規布置和橢圓體形狀改善了作為距離的傳感器測量的近似結果，這允許作為球狀體區域的表示。應當理解，該特定算法可以以包括輻射、網格和其他布置的各種傳感器設計來操作。先前算法的一種修改表示被建模為骨骼系統的拇指，該骨骼系統包括由兩個接合點連接的三個腕骨段。可以用由算法連結連接的橢圓體或球狀體來近似這些腕骨段，其中所述算法連結將拇指或手指系統的運動限制到從人類拇指或手指結合中固有的接合限制得出的約束。先前描述的三維體積分析可以通過採用完全接合的幾何模型來進一步增強，並且提供關於拇指或手指相對於傳感器表面102的方位的進一步信息。該信息可能是關鍵的，以用於穩定關於在現有觸摸板系統中存在的傳統退化或不可測量情況的位置數據。現在參考圖2A和圖2B，分別示出了根據一個實施例的拇指傳感器的前和後分解視圖。拇指傳感器可以包括傳感器基座200，在該傳感器基座200上可以放置印刷電路板(PCB) 202或調節板。PCB 202可以具有柔性連接器導線204，用於將PCB 202的電信號路由離開。傳感器蓋206 —般可以是具有凹表面的長橢圓形狀，用於舒服地容納人拇指的肉墊。在一個實施例中，夾子208可以被提供用於在組裝時將蓋子206固定在傳感器基座200上。傳感器蓋206可以包括用於感測拇指運動和姿勢的多個傳感器210。在一個實施例中，多個傳感器210可以是如前面所描述的電容傳感器陣列。還可以提供一個或多個觸覺開關或圓頂(dome)開關212。在一個實施例中，可以提供兩個圓頂開關，一個位於傳感器蓋206的頂部附近而另一個位於底部附近。如果開關本身不具有足夠的回覆彈性，則可以添加彈簧來使墊返回其 初始位置。來自傳感器的信號可以被路由到諸如導電膠條(zebra strip)連接器214的中央連接器。一般而言，導電膠條連接器214是允許印刷電路板202上的電子設備的快速對齊的封裝設備。它可以包括周圍運轉有碳帶的小橡皮條，其允許通過任何帶與兩個點對準而形成從板上的墊到傳感器210上的墊的接觸。可以在PCB 202的相反側提供導電膠連接器支撐件216以增加支撐。晶片218可以被提供來通過柔性連接器204組織用於設備外處理的傳感器數據。電容傳感器墊210可以被沉積在傳感器拇指表面的內部。取決於使用時所選擇的算法，電容傳感器使用被布置成各種新穎模式的多個單獨的電容傳感器，所述各種新穎模式被設計用於優化電容場。觸覺或圓頂開關212附接在該表面的下面，以使得用戶能夠通過在合適的時間滾動和施加壓力來在一個快速運動中「指向和點擊」。如上面參考圖I所述，MID 100可以裝配有優選地沿著設備的長邊沿(即，當以直立配置握持時的設備的左側或右側)的傳感器。用戶使他的拇指或手指滑擦過傳感器102的表面以提供用於控制例如光標105在顯示器104上的位置的二維輸入(即，χ-y輸入)。觸摸表面102可以附加地配備有壓力感測機構。至少，壓力感測機構確定用戶所施加的壓力是在預定閾值之上還是之下。從而，拇指界面提供「2. 的輸入——沿著二維(X和y)的標量輸入以及沿著第三維的布爾輸入。布爾輸入可以用來提供「點擊」(例如，選擇)或「輸入/接受/下一步」功能。通過監視布爾輸入的持續時間，設備可以區分「點擊」和「持續按壓」。在一個控制方案中，單次輕觸將會使設備從功率節省狀態喚醒。一旦喚醒，則單擊可以然後用來選擇對象以及雙擊可以用來取消選擇對象。持續按壓可以用來錨定高亮操作。後續χ-y輸入限定高亮的區域，用第二次持續按壓結束高亮操作。可替換地，用戶可以通過在限定高亮區域的運動(即，拖拽)中將接觸壓力保持在預定閾值以上來對區域進行高亮。在其他環境中，雙輕觸用來通過分級菜單結構導航「返回」。如果壓力感測機構提供所施加壓力的真實標量測量，則能夠實現全3D控制。在該情況中，所測量的壓力輸入可以被映射到多個功能中的任何一個，所述多個功能例如所顯示內容的放大、變焦或在三維圖像的深度維度中的導航。在另一實施例中，本發明還可以應用於拇指滾輪控制。機械地耦合到旋轉的拇指滾輪的接觸開關或力傳感器產生能夠如上所述那樣使用的I. 5D或2D輸入。圖3A、3B和3C分別地示出了附加地包括光學感測的本發明的拇指傳感器的另一實施例的前視圖、側視圖和後視圖。當然，這也可以與圖I中所示的MID—起使用。如上述，拇指傳感器可以包括蓋子206，其具有同時凹和凸伸長的橢圓或「馬鞍」形狀並且可以包括如先前所述的電容傳感器210陣列。此外,可以提供窗口或孔來容許光學傳感器300。在一個實施例中，光學傳感器300可以包括光源，例如發光二極體(LED)302或雷射。此外，光檢測電路304可以被提供用來監視所檢測的光的改變以確定拇指運動。所選擇的光譜範圍可以包括任何波長，包括可見光或紅外光。圖4A和圖4B分別不出了圖3A和圖3B中所不的姆指傳感器的如和後分解視圖。如所不的，蓋子206包括電容傳感器210和用於光學傳感器的窗口 300。固持器400可以以相對於窗口 300的一角度固持光源302。固持器400可以包括稜鏡301。光檢測器304可以類似地位於固持器400的後面以檢測跨越傳感器表面的蓋子206的拇指運動。由拇指操作的觸摸傳感器的設計可能是有挑戰的 ，因為拇指和傳感器之間的接觸區塊相對於傳感器的絕對大小是很大的。電容傳感器210可以包括電容地(靜電地)耦合到用戶手指的表面電極陣列。單個感測電路在電極陣列中的通常大量元件之間電子地切換，從而進行單獨電容測量，以定位最受手指存在的影響的那些電極的位置，並由此估計手指的位置。然而，在包括物理上很小的許多元件的陣列的拇指傳感器中，大部分的元件將受到拇指類似的影響。因此，高電極計數可能通常是沒有太大幫助的。提供接近或I維橫向位置的模擬輸出的更簡單的電容感測設備已經可用數十年了。這些設備通常基於互電容、正弦波電極激勵和同步檢測。儘管這的確消除了在大量電極之間多路復用的需要並且因此提高了響應速度，但是它潛在地降低了傳感器的空間解析度。相反，光學觸摸傳感器能夠提供增加的解析度。然而，光學傳感器不能容易地區分真實接觸與接近。非常靠近觸摸感測表面的手指可能仍然操作光學傳感器。也許更重要地，能夠由單個光學傳感器跟蹤的運動範圍被限制到拇指接觸區塊大小的大約兩倍。圖4A和4B中所示的混合電容和光學傳感器是利用每個部件傳感器的優點並且克服其缺點的傳感器融合方法。具體地說，混合傳感器提供真實觸摸檢測和在可接受的大跟蹤範圍內的精細規I旲運動的跟蹤。本發明的操作可以基於四個基本概念I.電容和光學傳感器測量的組合，2.包括由多個同時驅動電極圍繞的單個感測電極的電極幾何形狀，3.多頻正弦波或碼分數字激勵，以及4.傳感器電極和用戶拇指之間的彈性絕緣層。傳感器的一個可能的幾何形狀包括圍繞與光學傳感器位於一起的單個感測電極S的四個驅動電極D1-D4。緊密間隔的驅動電極的每一個對著圍繞圓形感測電極的環的近似四分之一。驅動電極被不同的信號同時激勵；這些信號的加權和耦合到感測電極中。然後，感測電極信號被放大和解調以提取四個耦合的參數(互電容)(D1 ；S) (D2 ；S) (D3 ；S)和(D4 ；S)。因為大寄生電容的關係，拇指存在信號很可能將是大信號之上的小改變；這導致放大器和解調器級中的動態範圍問題。可以通過使用當所有的互電容相等時彼此抵消的反相驅動信號來減輕該問題。因此，用表現為對稱的偏離的差分信號來表示拇指位置。例如，四個驅動信號可能是Dl = sin (ω jt) +sin (ω 2t) +0. Olsin (ω 3t)D2 = sin (ω jt) -sin (ω 2t) +0. Olsin (ω 3t)D3 = -sin (ω jt) +sin (ω 2t) +0. Olsin (ω 3t)D4 = -sin (ω jt) -sin (ω 2t) +0. Olsin (ω 3t)在頻率O1工作的同步解調器將響應於y軸拇指位置，在頻率《2工作的同步解調器將響應於X軸拇指位置。在頻率ω3，系統是單端的(無差分的)，但是信號電平降低100倍，以幫助放大器動態範圍問題。在頻率ω3工作的同步解調器將響應於拇指接近。所有的三個解調器對單個傳感器輸入上同時操作(即，不需要多路復用)，並且很高的傳感器數據速率(例如，千兆赫)是可能的，僅受到信噪性能的限制。上述模擬正弦波激勵的一種替代是正交二進位碼驅動。在這種情況下，每個驅動信號是數字(開/關)脈衝群。相關檢測器替代同步解調器，提供與傳感器信號的模擬電平成比例的、與合適的碼型一致的輸出。它仍能使用反相驅動技術來中和寄生電容。該系統是有利的，因為它支持擴展頻譜方法並且不需要模擬驅動部件。它可以在僅具有單個外部放大器和A-D轉換器的現場可編程門陣列(FPGA)中實現。包含彈性表面層在拇指與設備接觸時提供了力敏響應。通過使用合適的閉孔發泡料或類似材料，力被轉換成適合用於電容感測的小位移。該附加的壓力信息可以使得能夠有更豐富的控制響應和姿勢語彙。如所述的，為了提供解決傳感器過度遮蔽問題的支持，用類似於可在光學滑鼠中找到的光學傳感器(在電極幾何形狀的中間)來補充電容傳感器。光學傳感器可以至少在一個方面增強設備的能力。在所有的電容傳感器電極都被拇指或手指完全覆蓋(傳感器過度遮蔽)，並且完全平的拇指或手指滑動被進行的情況下，在整個滑動過程中，電極板一直保持完全被拇指或手指覆蓋，因此電容系統可能無法提供更新的位置跟蹤信息。於是，光學系統將接手當前跟蹤位置的確定，其能夠檢測和跟蹤該類型運動，因為拇指或手指的側向滑動表面將是通過孔可見的並且可訪問用於光運動跟蹤，而不用考慮傳感器的過度遮蔽的覆蓋量。光學傳感器的用來跟蹤這種運動的能力通過更寬運動範圍為用戶提供了對界面的更精細和更魯棒的控制。除了在電容傳感器無法確定時幫助運動跟蹤之外，在任何特定實施例中，光學或電容數據對於一種類型的感測可能具有比另一種類型的感測更高的精確度。例如，在一個實施例中，光學傳感器擅長速度角度檢測，但是可能在速度檢測方面相對較差。在該實施例中，電容數據在主濾波器中與光學數據混合。與光學輸入或電容輸入單獨作用時相比，這產生更好的結果。參考圖7，其中的圖表示關於由拇指或手指覆蓋的傳感器表面102的百分比，光學和電容傳感器系統的比較性能優勢和組合光學電容混合拇指傳感器系統的性能。在所提出的混合方案中，電容傳感器主要用於觸摸檢測和三維絕對位置信息。力和絕對位置信息可以允許用戶例如通過與觸摸感測區的上或下周邊的瞬間但有力的接觸來執行向上翻頁或向下翻頁姿勢。光學傳感器提供沿著傳感器表面的更高解析度測量和靠近指示。為了避免任何獲取延遲，光學傳感器可以響應於由電容傳感器檢測的觸摸而被鎖定在獲取模式中。用這種方式縮短獲取時間能夠提高檢測快速(例如，掃略)運動姿勢的性能。如上所述，針對用戶的拇指進行的操作而設計的單個光學觸摸傳感器的性能可能受到傳感器在一固定點收集光學數據以及用戶拇指的運動範圍超過拇指的寬度的事實的限制。即，當用戶將他的拇指移向拇指範圍之外時，傳感器會丟失與拇指的光學接觸，並且拇指的運動可能不再被測量。在一個實施例中，本發明通過提供多個光學觸摸傳感器來擴展能夠被跟蹤的拇指運動的範圍。在一個變型中，沿著最大預期運動的方向(沿著對應於腕掌關節的接合的運動弧)排列了三個傳感器。優選地，相鄰傳感器之間的分離稍小於拇指接觸區塊的寬度。相鄰光學傳感器之間的額外的重疊能夠提供冗餘(並且可能更準確)的測量並且使得易於進行從一個傳感器到另一個傳感器的測量的「移交」。在本發明的另一個變型中，單個光學發射器-接收器對被光學地分割以通過多個埠呈現和收集。通過使用光束分離器或全景成像(即，形成「複眼」透鏡的凸透鏡陣列)來實現分離。埠或透鏡的數量和間距優選地如上所述。在本發明的任一變型中，還可以使用光學傳感器來從用戶獲取生物測定數據。例如，傳感器可以測量心率或皮膚溫度。電容傳感器和光學傳感器可以在拇指傳感器表面蓋上採用許多不同的形狀和配置的形式。圖8-13說明了其中的一些可能的形式。圖8A-8D示出了七個傳感器，其被布置為三個在中間，而其餘的四個在任一側。圖8-13中所示的所有傳感器可以是電容傳感器，或對於混合的情況，中心的傳感器可以是光學傳感器，或在所討論的多個光學傳感器的情況中，在中間的所有三個傳感器可以都是光學傳感器。參考圖8至13，存在掌控傳感器表面102上的電容電極的具體形狀、大小和布置的特定或新穎設計或模式，其具有和不具有光學傳感器孔，這增強拇指傳感器系統的整體性能或作為該整體性能的基礎(underly)。該布置可以採用各種整體形式，包括輻射或網格模式。輻射模式被設計用於在傳感器表面的中心放置更大的電容靈敏性。在該輻射模式中，若干電極板匯合的點位於傳感器表面的中心。該共同的匯合點在中央結合點處提供增強的靈敏性，其中，多個電極可以在很小的測量區域上與拇指或手指尖接觸。具有更多傳感器的較大的拇指或手指接觸表面按比例地增強信號強度C = A/D，並且隨後降低測量噪聲和允許傳感器作為控制設備促使更大的精確度。網格模式可以具有有利性質，其使得對應於電極位移的採樣點沿規則的間隔而設置，並且與軸對齊。這是有利的，因為它可以提供更可預測的跟蹤模式，並且可以提供良好的算法簡化。參考圖8至圖13，描述了一組新穎的傳感器設計。在每個附圖中，圓圖表示用正方長寬比描繪的給定設計。每個附圖的下半部上的橢圓形狀的圖表示與它上面的圖相同的設計，但是以更接近地反映當嵌入到傳感器表面102時其形態的長寬比給出。圓圖不是拇指傳感器表面102的表示，但是被包括來使得給定模式中的固有對稱性可以被清楚地描述。每種傳感器設計都考慮了光學混合版本和純電容版本。在每個附圖中，並排給出了二者的示例。參考圖8A-8D，描述了新穎的輻射設計。該設計被布置為將一組六個電傳導的、相同大小的傳感器盤801放置成與第七中央傳感器正切的緊緻形式。該設計可以存在於光學混合形式803，或純電容形式851中。光學混合用光學孔804替代中央電極板852。該特定的傳感器設計可以固有地具有若干優勢。一個優勢可以在於以30度的倍數沿著軸的若干對稱，所述軸包括主X和I軸。單獨電極板的相對大的表面積增強了該特定布置測量更多距離對象的電容的能力。這種較大距離測量性質極大地增強了用於使三維算法運行良好的能力。相對較大電容測量降低了噪聲電平。此外，邊沿的橢圓形狀提供了當手指或拇指跨越傳感器表面滑動時電極板之間的更平滑的轉移。此外，橢圓形狀通過允許在盤、線段情況或橢圓情況中由點來更好地近似質心計算，來增強拇指或 手指距離估計結果的精確度。參考圖9A-9D，描述了新穎的輻射設計。通過以規則的角間隔902將盤901輻射地分割成多個扇區來定義該設計。在該示例中，示出了 6個扇區，但是可以選擇更多或更少的扇區。沿著線903以特定半徑進一步分割這些扇區。可以選擇該半徑以使內部扇區904和外部扇區905在面積上相等。這可以使每個電極板的信號響應均衡。可以用類似的方式構建光學版本，但是要切出適當大小的孔。電極板906和907可以被計算為面積相等。參考圖10A-10F，描述了新穎的輻射星形設計。通過幾何地產生規則多邊N點「星」形模式來定義該設計。該設計的功能可以用於減少相鄰電極板之間的突然轉移，使得由於表面積而電容響應均衡，增加轉移的線性，並且因此提高諸如拇指或手指的物體跨越傳感器表面滑動的傳感器測量的規則性和預測性。轉移邊界的突然性的降低可以產生更一致的數據流，並且可以產生更平滑的整體點運動跟蹤結果。該示例示出了具有6個點的星形模式，但是應當理解，該設計可以以任意數量的點如所描述的那樣工作。該設計的點的數量被選定是由於包括了更高數量的三角形對稱。圖IOE和IOF說明了公知的矩形「西洋雙陸棋」傳感器模式1075和相同模式的新穎的輻射布置1076之間的映射。在該映射下，矩形映射中的邊沿1078和邊沿1079對應於輻射映射中的邊沿1080和邊沿1081。電容電極板1083和1084經由從域的一端1078延伸到另一端1079的延長點1077而交疊。該設計的公知的特徵是如果測試物體1082在邊沿1078和邊沿1079之間滑動，則板1083和1084上測量的電容將根據由測試物體1082覆蓋的板的表面積而與測試物體的位置成比例的線性變化。該性質在新穎的輻射映射1076中被保留，因此，由輻射地向內和向外滑動的測試物體1085對所測量電容的影響是近似線性的。因此，星形模式1076是西洋雙陸棋模式1075的輻射映射。此外，應當顯而易見的是，該線性性質在測試物體1086的角位置變化的情況中得以保留。再次參考圖10，可以選擇在星形模式1000的點1002的內部半徑和光學孔1004的半徑，以使電極板1005和1006的表面積關於下面的橢圓映射1009相等。可以類似地選擇星形設計1003的內部半徑1010，以使所有的電極板1007、1008面積上相等。電容設計1003的另外的期望的性質是許多獨立內部電極的共同的中央結合點1011，其可以允許在許多薄且尖的電極的交疊或混疊中固有的電容混合特性。參考圖11A-11D，描述了可以具有或可以不具有光學孔的新穎網格模式。傳感器表面102被一組正交線1101分割，從而通過分割使每個電極板1102在長寬比上近似正方形，並且還使得每個電極板1102具有相等的共同面積。可以關於或不關於光學孔1103計算該面積，其中該光學孔1103可以位於傳感器域的中間或多個光學傳感器的另一合適布置中。規則網格布置的優點是在傳感器表面102上的每個電極板表面積的最大化。一般而言，增加表面積將增加電容測量並且可以顯著地減少噪聲。參考圖12A-12B，可以描述新穎的網格電容傳感器設計。該模式可以存在於光學混合1201或純電容1204的實施例中。光學孔1203可以位於斜角橢圓電極傳感器1202的網格陣列布置的中間。沒有光學傳感器的布置1204可以利用通過省略光學孔、相應增加的電極板1205大小而獲得的增加的可用表面積。電極板1202、1205的橢圓形狀增強了電容傳感器在一距離進行測量和近似點採樣的能力。電極的曲邊還可以提高在拇指或手指跨越傳感器表面102滑動時在板之間轉移的平滑度。參考圖13A和13B，可以描述新穎的菱形網格電容傳感器設計，具有光學孔1302或
多個孔的是設計1300，或不具有光學孔1302或多個孔的是設計1301。可以通過相對運動的主軸X和Y形成斜角來增強電極1303的交疊。只平行地沿著傳感器域的X軸移動的滑動物體將總是以一斜角遇到和跨越轉移邊界1304。與如果使用規則正交網格(其中，跨越傳感器電極的轉移如階躍函數一樣突然)相比，該角度和傾斜轉移邊界1304可以使得相鄰電極傳感器1303之間的測量更線性地變化。可以對於Y軸進行相同的要求，其中，其關於長寬比的調整旋轉地對稱於X軸。給定主要正交布置的許多用戶界面元件，對於可能是最常見的情況的平行於主軸運動的情況而言，菱形模式可以實現轉移邊界的線性化和得到平衡的測量。圖12A-B示出了在傳感器表面102任一側的12個伸長的電容傳感器1202和一個中心光學傳感器1203。在一些實施例中，傳感器可以或可以不如上所討論的那樣重疊。圖9A-D示出了輻射朝向的電容傳感器，以及圖13A-B示出了菱形形狀的電容傳感器。這些設計的任一個當然也可以包括光學傳感器。圖6是說明本發明的操作的一個可能實施例的框圖。PCB或調節板600可以接收來自電容傳感器陣列602、機械圓頂開關604、光學發射器(LED) 602和光學檢測器608的輸入/向其發送控制輸出。在一些實施例中，這些光學件是可選的。可以通過前面所討論的導電膠條連接器來連接電容傳感器陣列。所有的信號和數據測量可以連續地被測量、數位化和組織成一系列數據流，以通過到MID上的柔性連接器而供進行設備外處理。軟體可以使用例如由有限衝擊響應(FIR)濾波器進行的對數據的數據處理，來執行位置控制。使用姿勢識別算法來進一步處理該數據以執行姿勢控制。由於複雜性，可以在MID CPU上執行姿勢識別。CPU可以是傳統的微處理器，包括但不限於英特爾公司x86、Pentium、Itanium系列、Atom系列微處理器、摩託羅拉系列微處理器或運行任何合適作業系統的類似物。例如，本發明的一個實施例使用微軟Windows 作為計算機系統400的作業系統。在另一實施例中，也可以根據本發明的教導使用其他作業系統，諸如但不限於蘋果Macintosh 作業系統，Linux作業系統，Unix作業系統,3Com Palm作業系統等。本發明的所說明的實施例的以上描述(包括在摘要中所描述的內容)不意圖是窮舉的或將本發明限制到所公開的精確形式。雖然本文中以說明性的目的描述了本發明的特定實施例和示例，但是如相關領域的技術人員將認識到的，在本發明範圍內的各種等同修改是可能的。
可以依照以上的詳細描述對本發明進行這些修改。在所附權利要求中使用的術語不應該被解讀為要將本發明限制為在說明書和權利要求中所公開的具體實施例。相反，本
發明的範圍完全要由所附權利要求來確定，其中所述權利要求應當根據已經建立的權利要求解釋原則來解讀。
權利要求
1.一種裝置，包括 觸摸板，其被成形為容納拇指，所述觸摸板位於移動計算機設備上； 電容傳感器陣列，其與所述觸摸板相關聯，用於檢測拇指姿勢，以為所述移動計算機設備在X和y方向上控制光標；以及 壓力傳感器機構，其與所述觸摸板相關聯，用於檢測拇指壓力以作為所述移動計算機設備的布爾輸入。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述壓力敏感機構包括在所述觸摸板下面的觸覺開關。
3.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述壓力敏感機構包括一對觸覺開關，在所述觸摸板的任一端有一個所述觸覺開關。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述觸摸板位於所述移動計算機設備的上側部的、當握持所述移動計算機設備時拇指將自然放落的位置處。
5.根據權利要求I所述的裝置，還包括 導電膠條連接器，用於組織來自所述電容傳感器陣列中的每個傳感器的輸出。
6.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述電容傳感器陣列中的單獨電容傳感器總體是橢圓形狀的，並且被沿著所述觸摸板的任一側放置。
7.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述電容傳感器陣列中的單獨電容傳感器總體是菱形形狀的。
8.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述電容傳感器陣列中的單獨電容傳感器總體是卵形的。
9.根據權利要求I所述的裝置，還包括 光學傳感器，其與所述觸摸板相關聯，用於光學地檢測拇指。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述光學傳感器被放置在接近所述觸摸板的中 央，其中所述電容傳感器陣列圍繞所述光學傳感器。
11.根據權利要求I所述的裝置，還包括 多個光學傳感器，其與所述觸摸板相關聯，用於光學地檢測沿著所述觸摸板的長度的拇指運動。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述多個光學傳感器沿著所述觸摸板的中心線而放置，其中所述電容傳感器陣列圍繞所述光學傳感器。
13.根據權利要求10所述的裝置，還包括 與所述光學傳感器被共同放置的電容傳感器。
14.一種用於控制手持計算機設備的方法，包括 提供成形為容納拇指的觸摸板，所述觸摸板位於所述計算機設備的上側部的、當握持所述計算機設備時拇指將自然放落的位置； 電容地檢測跨越所述觸摸板的拇指運動，並且將拇指運動轉變成X和y方向上的運動，以控制所述計算機設備的顯示器上的光標； 檢測所述觸摸板上的壓力，並且將壓力轉變成所述計算機設備的布爾輸入。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述布爾輸入能夠包括點擊輸入。
16.根據權利要求14所述的方法，還包括當檢測壓力時在輕觸和持續壓力之間進行區分。
17.根據權利要求14所述的方法，還包括 光學地檢測所述觸摸板上或附近的拇指運動。
18.—種系統,包括 手持計算機設備； 拇指觸摸板，其位於所述計算機設備的上側面板上； 電容傳感器陣列，其與所述觸摸板相關聯； 至少一個光學傳感器，其與所述觸摸板相關聯，其中，所述電容傳感器陣列和所述光學傳感器用於檢測拇指姿勢，以為所述計算機設備在X和I方向上控制光標；以及 壓力傳感器機構，其與所述觸摸板相關聯，用於檢測拇指壓力以作為所述計算機設備的布爾輸入。
19.根據權利要求18所述的系統，其中，所述拇指觸摸板還包括 馬鞍形的外部蓋子，其分布有所述電容傳感器陣列； 所述蓋子中的孔，用於允許光通過以用於所述光學傳感器； 光源，其位於所述孔的後面；以及 光檢測器，其位於所述孔的後面。
20.根據權利要求19所述的系統，其中，所述拇指觸摸板還包括 導電膠條連接器，用於組織來自所述電容傳感器陣列中的每個傳感器的輸出。
21.根據權利要求18所述的系統，其中，所述壓力敏感機構包括在所述觸摸板下面的觸覺開關。
22.根據權利要求18所述的系統，其中，所述壓力敏感機構包括一對觸覺開關，在所述觸摸板的任一端有一個所述觸覺開關。
23.根據權利要求18所述的系統，其中，所述布爾輸入能夠包括點擊輸入。
全文摘要
一種小傳感器表面被設計用來控制智慧型電話或移動網際網路設備(MID)。所述傳感器表面可以位於所提出的設備側部的、當在用戶的手中握持該設備時他/她的拇指或手指自然放落的位置處。所述傳感器表面是同時凹和凸的，從而提供使用該傳感器表面的可視和物理提示。該傳感器可以包括電容感測、光學感測和壓力感測能力，以將拇指姿勢解譯成設備控制。
文檔編號G06F3/041GK102804107SQ201080026780
公開日2012年11月28日 申請日期2010年4月29日 優先權日2009年6月16日
發明者B·費倫, C·F·哈裡森 申請人:英特爾公司