提高觸敏器件的空間解析度的方法
2023-05-13 08:12:01 1
專利名稱：提高觸敏器件的空間解析度的方法
技術領域：
本發明總地涉及觸敏器件的領域，具體地說，涉及最優化容性傳感電極的形狀和布局，以增加使用有限數量的傳感器的傳感器件的有效空間解析度和/或物理範圍。
背景技術：
在容性觸敏器件中，在它可能具有的許多傳感器中的每個傳感器都包括形成電容器的一個極板的導電盤和一種測量該導電盤與另一個可移動的導電物形成的電容的方式。該可移動的導電物典型地是利用非導電隔離體與所述導電盤保持最小距離的手指或觸筆。兩個導電物(導電盤和可移動的導電物)連同它們之間的非導電電介質形成了一個電容器。本領域的技術人員公知，該電容器的電容隨著所述導電物之間的距離和/或重疊的改變而改變。在典型的器件中，導電盤(此後稱為電極)的數量、電極的尺寸以及電極之間的間距決定了觸敏器件的物理範圍和空間解析度。
在容性觸敏器件的典型實現中，在覆蓋電介質的傳感器電極陣列上滑動的手指的位置是通過觀測電容隨著手指在表面上移動而發生的改變來確定的。掃描和處理電路測量由於改變手指和給定的電極之間的重疊而發生的電容變化。如果手指大到足以與多個相鄰電極部分重疊，那麼內插就允許手指位置被確定為比電極間距高得多的解析度。內插計算遵循傳統的質心公式每個電極處的信號值的總和乘以它的坐標，再除以所有信號值的總和。該技術對於由行列電極組成的線性陣列、被布置為車輪輻條形式的徑向電極陣列或者被布置為填充平面空間的二維電極陣列都同樣有效。旨在提高內插精度或解析度的特殊電極形狀是各種相關技術設計之間的主要區別。
例如，授予Boie等的美國專利5,463,388教導了指尖大小的、交織的電極螺旋體，以最小化多觸點傳感器陣列所需的電極數量。交織確保了當手指集中在一個特定的電極上，而電極彼此相隔一個指尖寬度時，手指與多個電極重疊。穩定的內插通常需要手指與多個電極連續重疊。
多倫多大學Seonkyoo Lee的碩士論文「A Fast Multi-Touch-Sensitive Input Device」(1984)披露了正方形電極單元的虛擬組，以更快地確定在一個相鄰區域內是否存在一個物體，該論文作為引用被包含在本申請中。授予Gerpheide的美國專利5,767,457披露了通過在一個物體的任一側尋找虛擬電極組的平衡點來確定該物體的位置。這兩篇參考文獻都作為引用被包含進來。
最後，全部轉讓給Synaptics並作為引用被包含在這裡的美國專利5,543,590、5,543,591、5,880,411和6,414,671教導了在同一平面中的行列橫跨電極的密交織，這是通過以下步驟形成的將每行電極成形為互連的一串鑽石形狀，並將每列電極成形為一串鑽石形狀，其中心偏離行鑽石中心。
但是，這樣的器件還是需要對解析度的更多改進。雖然可以通過增加額外的傳感器元件來提高解析度，但是對掃描時間、電路成本和功耗的規定同時驅動著系統朝著儘可能少的傳感器元件的方向發展。因此，在傳感器陣列設計領域中需要在傳感器數量有限的情況下使解析度最大化的傳感器布局。這裡公開了一種觸敏器件，它解決了現有技術中對增大的解析度和減小的傳感器元件數量的需求。
發明內容
這裡公開了一種容性觸敏器件。這裡描述的觸敏器件的一個方面是圓形或直線形容性觸敏器件所需的傳感器電路數量的減少，同時保持相同的解析度和對單個物體的絕對位置確定。這裡描述的觸敏器件的相關方面是一種編碼模式，它允許容性觸敏器件的每個傳感器電路共享位於傳感器陣列中特別選定的位置上的多個電極，使得確定單個物體在陣列上的絕對位置的能力不受到損害。
圖1圖示了採用本發明的某些教導的觸敏器件。
具體實施例方式
這裡描述了一種容性接觸式傳感器。本發明的以下實施方式僅僅是說明性的，在任何方面都不應當被認為是限制性的。
這裡描述的觸敏器件通過以特定的模式分散共享電極，允許每個傳感器電路共享兩個或更多的電極。電極被共享的意思是它們通過公共導體電連接到同一容性測量傳感器電路，而無需復用開關。優選地，分隔一對共享電極的距離，即分散距離是器件中的電極數量的三分之一。這裡使用的觸敏器件還包括特定的編碼模式，使得1)相鄰的電極絕不共享相同的傳感器電路；以及2)共享同一傳感器電路的電極總是彼此相隔所述分散距離，即，大約相隔電極數量的三分之一。
在圖1中圖示了包含這裡的教導的觸敏器件。容性觸敏器件100是一維圓形陣列，但是也可以使用其他布局，例如直線形陣列等。圓形陣列包括22個電極，編號為0-21。圓形陣列只包括11個傳感器電路。這些傳感器電路可以採用本領域的技術人員已知的各種傳感器電路的形式。在美國專利6,323,846，名為「Method and Apparatus forIntegrating Manual Input」中披露了一種這樣的電路，該專利作為引用被包含在這裡。通過位於每個傳感器電極的外部的編號來指定對應於每個電極的傳感器電路。
觸敏器件100因而每個傳感器享有兩個電極。然而，可以讓每個傳感器享有額外的電極。圖1中的每個電極還包括一個組指示符「A」或「B」。每個A組電極與一個「B」組電極共享一個傳感器。如上所述，優選的分散距離(即共享一個傳感器的兩個電極之間的距離)是大約傳感器數量的三分之一的跨度，因而大約是器件的特徵尺寸的三分之一。因此對於圖1中的圓形器件而言，優選的分散距離大約是圓形的周長的三分之一，因而環繞傳感器的大約三分之一。任意兩個相鄰的電極以及共享傳感器電路的兩個電極因而將是均勻間隔的，即圍繞圓周的路徑的三分之一。例如，A組中的電極1與B組中的電極8共享傳感器1。電極1位於大約11點鐘的位置上，而電極8位於大約7點鐘的位置上。類似地，A組中的電極0與B組中的電極15共享傳感器0。電極0位於大約十二點鐘的位置上，而電極15位於大約四點鐘的位置上。
替換地，傳感器也可被構建為一維直線形陣列。對於這樣一個傳感器，分散模式基本上與圓形陣列相同直線形陣列可以被視為在兩個電極之間斷開、不再捲曲的圓形陣列。同樣，優選的是共享一個傳感器的兩個電極之間的分散距離大約是該器件的特徵尺寸的三分之一，對於一個直線形傳感器而言，特徵尺寸就是該器件的長度。
顯然，因為多個電極共享一個傳感電路，所以不能確定與單個電極接觸(靠近)的物體的絕對位置。為了絕對位置內插在根據此處的原理構建的器件中正常發揮作用，每個電極必須足夠窄，足以使被跟蹤的物體，通常是手指或者導電筆與多個(例如，兩個或三個)相鄰的電極重疊。同樣，為了消除任何不確定性，被跟蹤的物體必須小於分散距離，以使它不會與任何傳感器電路的兩個共享電極都重疊。
雖然其它電極共享模式也是可能的，但是這些模式中的一些不能用於不含糊地確定手指的位置。例如，分散距離為陣列尺寸一半的電極布局將會失敗。對於圓形陣列，這將對應於圓周相對側的電極的共享，彼此相隔180度。無論怎樣實現解碼和內插，系統都無法判斷手指或觸筆是否真地位於沿圓周半圈的相對位置上。
因此每個傳感器電路都與多個電極相連，所以這裡圖示的傳感器需要以下這樣的解碼方法該方法尋找具有最大信號的電極集合，然後判斷兩個可能的電極組中的哪一組將這些最大信號歸因於鄰近的而非分散的電極。一旦知道了這種最佳解碼，就可以在鄰近電極之間開始傳統的質心內插。為了質心計算的目的，每個傳感器的全部信號都被歸因於它在鄰近組中的電極，而將它來自分散組的另一個電極歸結為零信號，對質心的貢獻為零。假設傳感器電路的信噪比足夠大，那麼這裡描述的傳感器與每個電極具有一個獨立傳感器的傳統位置檢測器具有相同的位置解析度。
下面的計算機指令的例子演示了在本發明中用於尋找正在接觸圓形電極陣列的某個地方的手指或觸筆的位置的算法。傳感器和電極映射被保存在查找表(LUT)中，以最小化對觸指位置進行解碼所需的計算。LUT對於每一組將電極編號映射到傳感器編號(Sensor_to_A_type_electrode，Sensor_to_B_type_electrode)，映射對應於相鄰電極的傳感器編號(next_X_electrode_sensor，previous_X_electrode_sensor，其中X＝A或B)，映射電極編號到傳感器編號(Electrode_to_Sensor)。這些LUT的使用簡化了使用本發明計算手指位置的過程，但它們不是必需的。
利用代碼實現的算法的簡要描述如下所述1.掃描傳感器陣列，收集對應於每個傳感器的信號值。
2.使用代碼段findMaxSensor來定位具有最大強度信號的傳感器。
3.使用代碼段findMaxElectrode來計算手指所在的電極。
4.使用代碼段computeCentroid來計算質心。
5.重複步驟1-4。
#define NUM_SENSORS 11#define NUM_ELECTRODES 22//A組電極和傳感器映射Sensor_to_A_type_electrode[NUM_SENSORS]={0,1,2,3,4,5,6,7,9,11,13};
next_A_electrode_sensor[NUM_SENSORS]={1,2,3,4,5,6,7,1,3,5,7};
previous_A_electrode_sensor[NUM_SENSORS]={6,0,1,2,3,4,5,6,1,3,5};
//B組電極和傳感器映射Sensor_to_B_type_electrode[NUM_SENSORS]={15,8,17,10,19,12,21,14,16,18,20};
next_B_electrode_sensor[NUM_SENSORS]={8,8,9,9,1o,1o,0,0,2,4,6];
previous_A_electrode_sensor[NUM_SENSORS]={7,7,8,8,9,9,10,10,0,2,4};
//電極到傳感器的映射Electrode_to_Sersor[NUM_ELECTRODES]={0,//01,//12,//23,//34,//45,//56,//67,//71,//88,//93,//109,//115,//1210,//137,//140,//158,//162,//179,//184,//1910,//206//21};
//該代碼尋找具有最強信號的傳感器vold findMaxSensor(vold){unsigned char maxval,i;
max_sensor=0;
maxval=0;
for(I=0;1NUM_SENSORS;I++){If(SensorData[e]maxval){maxval=SensorData[i];
max_sensor=I;
}}}//該代碼尋找具有最強信號的電極//它通過檢查與屬於最大傳感器的電極相鄰的電極而開始。
//通過比較在屬於最大傳感器的電極的任一側的兩個電極的信號強度來識別正被觸碰的電極。
//具有最大信號的組是手指觸碰的一組。
void findMaxElectrode(void){int Asum,Bsum;
Asum=SensorData[next_A_electrode_sensor[max_sensor]]+SensorData[prevlous_A_electrode_sensor[max_sensor]];
Bsum=SensorData[next_A_electrode_sensor[max_sensor]]+SensorData[previous_B_electrode_sensor[max_sensor]];
if(AsumBsum){maxelectrode=Sensor_to_A_type_electrode[max_sensor];
}else{maxelectrode=Sensor_to_B_type_electrode[max_sensor];
}}//該代碼計算對應於觸指的質心//使用利用本發明的算法解碼出的位置#define CENTMULTIPLIER 8vold computeCentrold(vold){Int pos_sum,electrode;
char offset;
Int sval;
pos_sum=0;
total_signal=0;
//sum from maxelectrode in positive direction for two electrodesfor(offset=1;offset3;offset++){
electrode=maxelectrode+offset;
If(electrode=NUM_ELECTRODES){electrode-=NUM_ELCTRODES;
}sval=SensorData[Electrode_to_Sensor[electrode]];
total_slgnal+=sval;
pos_sum+=CENTMULTIPLIER*sval*offset;
}//sum from maxelectrode in negative dlrection for two electrodesfor(offset=1;offset3;offset++){electrode=maxelectrode-offset;
if(electrode0){electrode+=NUM_ELECTRODES;
}sval=SensorData[Electrode_to_Sensor[electrode]];
total_slgnal+=sval;
pos_sum-=CENTMULTIPLIER*sval*offset;
}total_signal+=SensorData[maxe];
sval=pos_sum/total_signal;
sval+=CENTMULTIPLIER*maxelectrode;//absolute offset bymaxelectrodeif(sval0){Centroid=176+sval;
}else{Centroid=sval;
}}雖然參照有限數量的實施方式描述了本發明，但是本領域的技術人員將會意識到很多修改和變體。希望所有這樣的修改和變體都落在本發明要求保護的範圍內。
權利要求
1.一種觸敏器件，包括多個觸敏電極；和多個傳感器電路，其中傳感器電路的數量少於觸敏電極的數量，使得在多於一個的所述觸敏電極之間共享至少一個傳感器電路；其中，共享一個傳感器電路的觸敏電極中的每一個電極在空間上彼此相隔一分散距離，並且其中，每個觸敏電極直接連接到一個傳感器電路。
2.根據權利要求1所述的觸敏器件，其中所述分散距離約為該觸敏器件的特徵尺寸的三分之一。
3.根據權利要求1所述的觸敏器件，其中每個傳感器電路直接連接到兩個觸敏電極。
4.根據權利要求1所述的觸敏器件，其中所述多個觸敏電極被布置為圓形陣列。
5.根據權利要求4所述的觸敏器件，其中所述分散距離約為該圓形陣列的周長的三分之一。
6.根據權利要求4所述的觸敏器件，其中每個傳感器電路直接連接到兩個觸敏電極。
7.根據權利要求1所述的觸敏器件，其中所述觸敏電極被布置為直線形陣列。
8.根據權利要求7所述的觸敏器件，其中所述分散距離約為該直線形陣列的長度的三分之一。
9.一種跟蹤隨同觸敏器件一起使用的物體的方法，其中所述觸敏器件包括多個電極和多個傳感器電路，其中至少一個所述傳感器電路直接連接到一個以上的電極，該方法包括掃描所述多個傳感器電路，以收集對應於所述多個傳感器電路中的每一個傳感器電路的信號值；識別具有最大信號值的傳感器電路；識別具有最大信號值的電極，該電極對應於具有最大信號值的傳感器電路；以及參考具有最大信號值的電極和相鄰的電極計算正被跟蹤的物體的質心。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，用於識別具有最大信號值的傳感器電路以及識別具有最大信號值的電極所需的傳感器和電極映射被存儲在查找表中。
11.根據權利要求9所述的方法，其中識別具有最大信號值的電極的步驟包括挑選出與具有最大信號值的傳感器電路相關聯的每個電極；尋找與和具有最大信號值的傳感器電路相關聯的電極相鄰的每個電極；比較與相鄰電極相關聯的信號值；以及通過選擇具有帶最大信號值的相鄰電極的電極，識別具有最大信號的電極。
全文摘要
這裡公開了一種容性觸敏器件。這裡描述的觸敏器件的一個方面是圓形或直線形容性觸敏器件所需的傳感器電路的數量減少，同時保持相同的解析度以及對單個物體的絕對位置確定。這裡描述的觸敏器件的相關方面是一種編碼模式，它允許容性觸敏器件的每個傳感器電路共享在傳感器陣列中特別選定的位置上的多個電極，使得判斷單個物體在該陣列上的絕對位置的能力不受損害。
文檔編號G06F3/041GK101031870SQ200580027519
公開日2007年9月5日 申請日期2005年8月15日 優先權日2004年8月16日
發明者韋恩·卡爾·維斯特曼, 詹姆斯·E·奧爾四世, 約翰·格裡爾·艾裡亞斯 申請人:按鍵產品公司