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CN102804107A - 具有压力传感器的光学电容拇指控制 - Google Patents

具有压力传感器的光学电容拇指控制 Download PDF

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CN102804107A CN2010800267807A CN201080026780A CN102804107A CN 102804107 A CN102804107 A CN 102804107A CN 2010800267807 A CN2010800267807 A CN 2010800267807A CN 201080026780 A CN201080026780 A CN 201080026780A CN 102804107 A CN102804107 A CN 102804107A
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Abstract

一种小传感器表面被设计用来控制智能电话或移动互联网设备(MID)。所述传感器表面可以位于所提出的设备侧部的、当在用户的手中握持该设备时他/她的拇指或手指自然放落的位置处。所述传感器表面是同时凹和凸的，从而提供使用该传感器表面的可视和物理提示。该传感器可以包括电容感测、光学感测和压力感测能力，以将拇指姿势解译成设备控制。

Description

具有压力传感器的光学电容拇指控制
技术领域
本发明的实施例涉及用于手持计算平台的输入设备，并且更具体地，涉及具有压力和可选的光学传感器的拇指控制设备。
背景技术
诸如蜂窝电话、个子数据助理(PDA)，以及更近的新一代移动互联网设备(MID)和智能电话等的手持无线设备正在获得广泛的接受。为了在市场中具有竞争力并且为了满足消费者要求，服务提供商继续提供不断扩展的服务阵列和特征。
PDA或更一般的手持计算机初始设计用于用作存储笔记、联系信息、日历日期等的个人组织器。当代的MID手持设备附加的包括无线和蜂窝技术并且充当用于语音通信的电话。此外，许多设备允许用户访问各种信息并且包括服务和特征，例如互联网浏览、全球定位系统(GPS)地图和驾驶指导、即时股票报价、娱乐定位器、电子邮件服务和各种多媒体音乐以及视频捕获和回放功能等。
由于这种手持设备具有小的特性，因此命令输入一直以来都面临挑战。早些代的这些设备使用物理键来键入数据和命令。更近的是，非常好的触摸屏已经被开发出来。然而，无论是物理键还是屏幕上的虚拟键，他们都很小并且有时难以导航。如果用户的手指太大或缺少敲击正确键必需的灵活性，那么有时可能要使用触笔或其他指向棒。此外，即使只是输入基本的功能，键盘和触摸屏也可能难于只用一只手握持和操作。因此，用于移动设备的更易于操作的输入设备将会受到欢迎。
附图说明
当结合附图阅读以下对布置和示例性实施例的详细描述以及权利要求时，对本发明的上述和更好的理解可以变得显而易见，所有这些均形成本发明的公开的一部分。虽然以上和以下所写的和所说明的公开关注于公开本发明的布置和示例性实施例，但是应该清楚地理解，它们仅作为示例和说明，并且本发明不限于此。
图1A和图1B分别是包括本发明的拇指传感器的移动互联网设备(MID)的前视图和侧视图；
图2A和图2B分别是本发明的拇指传感器的一个实施例的前分解视图和后分解视图；
图3A-3C分别是包括光学传感器的本发明的另一个实施例的前视图、侧视图和后视图；
图4和图5分别是图3A-3C中所示的设备的前分解视图和后分解视图；
图6是说明用于拇指传感器的调节板和传感器输入的一个实施例的框图；
图7说明了光学和电容传感器子系统以及组合的混合系统关于传感器表面的拇指或手指的面积覆盖的比较性能；
图8A-8D是具有用蜂巢模式布置的椭圆电容电极的、有和没有可选光学孔的辐射状传感器模式的平面视图说明；
图9A-9D是具有被辐射分割的扇区的、有和没有光学孔的辐射状传感器模式的平面视图说明，其中所述扇区被沿着圆半径被进一步分割；
图10A-10D是具有交叠的多边电极板的、有和没有光学孔的辐射状传感器模式的平面视图说明；
图10E-10F是图10A-10D的补充图，意图详细说明对电极板的特定布置的描述；
图11A-11D是具有沿着轴线的传感器区域分割的、有和没有光学孔的网格传感器模式的平面视图说明；
图12A-12B是具有倾斜椭圆电极板的、有和没有光学孔的网格传感器模式的平面视图说明；
图13A-13B是有和没有光学孔的菱形网络传感器模式的平面视图说明；
图14A-14C示出了拇指传感器并且说明了拇指或手指的三维方位感测方法以便得到增强的位置信息。
具体实施方式
本文描述了设计用于控制智能手机或移动互联网设备(MID)的小型传感器。传感器表面可以安装在手持设备的侧面的位置上，该位置是当用户在其手中握持该设备时他的拇指自然落在的位置。传感器表面可以是凹的，提供使用该传感器表面的可视和物理提示。传感器被设计为使得指向、选择和控制姿势是本能的并且低疲劳的。
贯穿本说明书提及的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不必然都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合所述特定特征、结构或特性。
现在参考图1A和图1B，分别示出了包括本发明的拇指传感器102的一个实施例的说明性移动互联网设备(MID)的前视图和侧视图。MID 100可以包括各种特征，诸如显示屏104(其可以是触摸类型的屏幕)，以及用于电话功能的扬声器106和传话口(mouth piece)108。当然，尽管未必讨论到，但是任何在MID设备上找到的其他功能也可以存在。
拇指传感器102被示出为位于朝向MID 100的右上侧。当然，在一些实施例中，为了左手用户的方便性，它也可以位于MID的另一侧。在该位置，当在用户的手中握持设备100时用户的拇指自然地落在传感器102上。
拇指传感器102可以提供对MID设备100的若干种形式的控制。第一种允许用户通过拇指在传感器102表面上的滑动运动来严格地控制“指向”。该指向当然可以对应于某些动作，例如光标105在显示屏104上的移动，文本编辑插入符的移动或选择标示器的移动。
第二种允许与指示器、光标或插入符的位置相关的“选择”功能。通过用拇指物理地按压传感器102或者通过在传感器表面上执行轻触姿势来实现该选择功能。
最后，用户能够在垂直或水平方向上执行“轻弹”(flick)。这些轻弹姿势可以被映射为控制电子邮件包、网络浏览器或者文档观看器/编辑器。
传感器102的“指向”功能的应用的另外示例包括：垂直地和水平地滚动或旋转显示，滚动文档或网页，在文本或网页文档中移动选择光标或编辑插入符，在例如视频游戏或虚拟环境中旋转3D视图，精细地控制清晰的真实或虚拟相机的全景、倾斜和变焦，在交互地图上的精细全景&变焦控制，或数字相片的精细全景和变焦控制。
轻弹姿势的其他特定使用包括：在已经被组织为水平和垂直分类的图像集中快速翻动(flip)，以固定度数间隔执行用户界面元素的旋转，或在应用或窗口之间切换。
用于检测轻弹姿势的一种方法如下。拇指随着时间在传感器上或附近的运动可以被跟踪和记录，以形成三维姿势路径。可以通过测量给定的和完整的运动路径相对于可配置阈值的速度来将轻弹姿势与精细位置控制在算法上进行区分。可以基于三维运动路径的空间分析，尤其是基于姿势的开始和结束条件的存在(其可以包括检测对表面的触摸，之后是运动，之后是触摸的释放)来认为运动路径的完成。如果给定运动在给定方向超过可配置的速度阈值，则该运动姿势可以被认为是强方向轻弹姿势。运动的强度被映射为用户接口元素的变化的控制程度，例如调制三维用户界面对象的旋转速度。
检测在系统中的姿势的另一种方法是通过使用训练的数据集和模式分类技术。该方法的一个实施例是专用的支持向量机(SVM)。该技术用N-空间中的一组超平面来划分姿势和运动的空间，其中所述N-空间由对SVM的输入元数来定义。例如，SVM可以跟踪初始传感器读数、最后传感器读数、中间传感器读数、平均速度、最大速度、“压力”RMS，然后计算在6-空间中的分类。所描述的SVM还可以使用光学数据作为其状态空间的一部分(通过扩展所描述的元数)，而非依赖于已经融合的传感器数据。
SVM识别器可以直接使用，以及与递归助推(recursive boosting)和递归特征消除(Recursive Feature Elimination，RFE)一起使用来增加检测精确度。在姿势引擎中使用经训练的数据的特定特征在于它可以被再训练以支持非典型性用户。
姿势检测的所有方法可以单独地使用，或者结合另一种方法而用作姿势检测的混合方法。
通常在软件获取链中的多个点处处理指向和跟踪数据。特定实施例可能不同，但是通常的实例具有预滤波器、主滤波器以及次(或输出)滤波器。预滤波器的目的通常是通过表征传感器和应用任何简单的变换以从原始传感器参考帧移动到由主滤波器使用的参考帧，来准备在主滤波器中使用的原始数据采样。主滤波器被设计用于从单独的采样中移除噪声。最后，输出滤波器通常对主滤波器输出应用变换以使得数据更适合于直接使用。
当本发明的实施例是混合光学和电容传感器时，光学和电容数据还应当被融合到相同的坐标系中。取决于传感器设备的特定实施例，这可以在滤波器链的不同点处处理。在一个特定的实施例中，光学数据具有与电容滤波器分离的预滤波器并且仅在主滤波器期间与电容数据混合。
主滤波器的一个实施例是自适应无限冲击响应(IIR)滤波器，可以通过使用更慢、更慎重的拇指或手指运动精细地控制设备的绝对跟踪位置。同样可能的是相同指示器位置的扫略运动。自适应滤波器基于所测量的在传感器表面作出的运动的速度来动态地调整滤波的程度。给定绝对未滤波的位置Praw，先前滤波的位置Pprevious以及滤波因子f，可以用IIR滤波器来将滤波的绝对位置Pnew计算为
Pnew＝f*Praw+(1-f)*Pprevious。
滤波因子f在0和1之间连续地变化，并且影响滤波程度，或所跟踪运动的阻滞(dampening)。当f为1或接近1时，滤波被禁止，运动被加快，并且噪声增加。当它为0或接近0时，滤波为最大或接近其最大，噪声减少，并且运动被减慢或暂停。
滤波因子f取决于相对速度衰减函数F的输出。该衰减函数F一般将快速用户手指或拇指运动映射为f的较低值，并且将较慢的用户运动映射为f的较高值。当拇指或手指减慢或暂停其运动时，f的值将随着时间指数地衰减，以便最终使得值为1或接近1。另一方面，如果用户的实际被跟踪的运动(Praw)相对很快，则由于F的输出接近或到达1而可以减少或禁止滤波。f被对待为正经历加速和减速的阻滞点质量物理系统中的位置。在该系统下，快速的用户运动对应于位置表示f朝1的加速，而较慢的运动将减少或消除加速效果。f的位置表示受到朝0的恒定减速的影响。在该系统中，朝0的减速是可由用户通过运动的快或慢来控制的时间相关函数。接近0的f值的效果是高度滤波，并且用户以渐进精细增量运动的能力对应增加。为1或接近于1的值的效果是降低IIR滤波器的效果或禁止IIR滤波器。当降低或禁止滤波时，粗略或快速的运动是可能的。降低滤波还会增加噪声，但是一般而言，粗略运动比较小的、细致运动更容纳噪声，因此在实践中，通过适当的参数调节，噪声对用户是不可察觉的。可调整的功能参数可以被调节，以使得设备能够用编辑插入符在文本主体的字符之间或者用指示器在屏幕像素之间进行有目的且精确地移动，而不会显著地阻碍跨越显示屏幕的粗略运动。
自适应滤波器设计用于解决拇指传感器系统的特性中固有的问题。该问题涉及拇指或手指与传感器表面之间的相对大小差异。如果选择单个滤波级别，而非动态方案，则所选择的用于精细像素或文本光标定位的最优的值对于意图跨越整个屏幕或跨越文本的大主体移动光标的大运动而言可能太慢。类似地，所选择的对于大运动最优的因子可以证明不能用于精细控制。动态控制滤波器参数的额外的优点是避免用不合适的高度滤波阻滞用户的较轻、较快的运动。该自适应滤波方案的输出可以贯穿用户界面使用，以改善对涉及位置运动的所有应用的控制感测。
另一主滤波器实施例包括使用多极多抽头有限冲击响应滤波器(FIR)。该实施例允许传感器比IIR实现有更清楚的频率选择，并且消除IIR实现的不稳定性。对于FIR滤波器实现，基于所测量的系统的信号/噪声特性来计算系数。
FIR实施例能够使用与IIR滤波器方法类似的扩展以形成自适应滤波器系统。
另外的主滤波器实施例可以是有用的。具有有价值性质的一些实施例一般而言是预测滤波器和卡尔曼/扩展卡尔曼滤波器，特别是粒子滤波器。在这些实施例中，预测运动模型被用来通知下面的系统，以便辅助状态的计算以及减少响应滞后。它们在光学和电容数据的混合中也是有用的。
除了主滤波器，次滤波器可以应用于例如增强对类似鼠标的屏幕指示器使用模型的光标跟踪的稳定性。经滤波的点可以通过额外的加速曲线。该曲线将经主滤波的指示器速度V映射到经调整的指示器速度V′。指示器输入系统的期望性质是对用户输入的响应的线性。为了实现线性同时仍然允许依赖于运动的加速，可以使用将两个线性分段进行组合的曲线。
次滤波的一个实施例是使用Bezier曲线来平滑地连接表示在高和低速度处的两个速度映射值的两个线性加速分段。使用连接的线性分段避免了传统的鼠标加速曲线的不期望的性质，该传统的鼠标加速曲线要求用户在到处都是弯曲的速度空间中进行空间操作。这类似于要求用户在球体表面上画直线。该第二层的滤波在使屏幕像素或其他精细细节元素上的光标指示器稳定方面是重要的。
次滤波的另一实施例是双曲线正切(或其他平滑可微函数)弹道曲线。其他曲线可以被用来支持将平的速度空间映射到弯曲的速度空间的该功能，所述弯曲的速度空间允许用户具有精细和粗放指示器控制二者。
作为系统预滤波器的一部分或原始数据的未滤波的跟踪的拇指或手指点的计算可以通过若干独特算法来实现。通过将每个电极板考虑为空间中的点，然后计算乘以其电容测量的每个点的加权和来描述第一算法。类似于物理系统，电容被对待为质量的测量，并且单独的电极传感器表示在分立点处的质量采样。在该类似中，质量或电荷的中心是对诸如手指或拇指的大物体在电磁场以及影响电磁场中的位置的良好近似。
该质心计算的变型可以涉及使用通过特别选择的电极对进行的互电容的测量。可以顺序地选择这些对，并且他们的测量可以被聚集以形成在有诸如手指或拇指的物体存在时的电容场的空间映射。电极对提供的电容测量受直接位于电极对之间的物体的存在的影响最强烈。可以在电极对之间进行多个测量，所述电极对被空间地放置以使得在进行所述聚集时直接或近似在电极对之间的空间部分覆盖整个拇指传感器表面102。可以通过组合一系列的连续对测量来进行诸如手指或拇指的物体的出现和位置的更详细的三维映射。紧邻接近传感器表面102而取得的关于物体的大小、形状和体积的信息越多，该设备可以具有的整体位置结果越好，这考虑了退化到传统触摸板算法的各种情况。
第二变型使用与质心计算类似的方法，但是使用平方反比定律作为距离因子以便强调位置中的小改变，从而允许小传感器面积的更好利用。
预滤波器还可以包含设计用于自动地跟踪单独传感器板灵敏性或响应性中的差别的去偏(debiasing)方法。可以使用任意数量的不同去偏算法或技术。
去偏算法的一个示例是行列去偏。在该方法中，通过跟踪每个通道的最低观测值(Bi，i是通道号)、每个通道的高于Bi值的最大值Maxi、任何特定读数集的全局最小值M以及全局归一化常量Mnorm，来针对每个板归一化电容板。在每个传感器读数处，Bi被更新并且被从原始读数中去除以形成Wi，然后更新Maxi。在该点，用来自该集的最小去偏读数更新M，并且将Mnorm更新为(Wi/Maxi)的最小比率。然后通过这些中心计算方法中的一种使用Wi或归一化的(Wi/Maxi)-Mnorm来计算该点位置。
一些电容触摸板算法不着重于考虑针对电容传感器阵列表面的按平的拇指或手指。结果是当平或宽的物体与传感器表面接触时不准确或模糊的位置信息。因为在已有的电容触摸板算法中接触表面积对于位置的计算是非常重要的，因此可能存在由于与传感器表面接触的宽或平物体的滚动或偏移而导致的很大的不精确性或无意的运动。在传统轨迹板设备中被认为是退化的该使用情况在拇指传感器设备102中变为一般情况。组合的混合光学电容系统可以解决该问题。可选地，纯电容拇指传感器系统可以使用新颖的算法，该新颖的算法可以收集关于拇指或手指的更高阶的数据以便清楚地区分退化情况。新颖的算法可以在三维中分析拇指或手指相对应传感器表面的体积方位。在这样做时，出现在传统触摸板系统中的与退化情况相关联的不精确性或模糊性可以通过解释更高阶数据来避免。
体积数据集的解释方法可以通过数值优化将拇指或手指的表示的最拟合数学模型分配给该体积。该数学模型可以具有不同的接合点，例如在具有两个焦点的三维椭圆体的情况中，所述两个焦点中的一个可以被认为是拇指或手指尖。在另一模型中，圆柱或管子可以用作近似，在该情况中，管子以与拇指或手指的宽度相称的特定的半径向内偏移的一端可以被认为是拇指或手指尖。与传统触摸板系统相比，即使对于近似为椭圆体的平拇指或手指，以该方式表示为拇指或手指尖的上方焦点将保持在与用户的拇指或手指尖的位置更恒定和一致的位置。
在传统的轨迹板系统中，在平的或滚动的拇指或手指情况中，得到的解释位置将完全地取决于拇指或手指与传感器表面进行接触的表面的特定点或面积而杂乱地变化，即使用户的意图表示控制点可能位于其拇指尖或手指尖处或附近也是如此。用该方法，针对如现有传感器子系统测量的电容数据的体积或三维算法方法对于其主要配置中的拇指传感器设备的整体可用性是很关键的。
参考图1B以及图14A、14B和14C，可以描述一算法方法，通过该算法方法可以感测和区分拇指或手指的三维方位以便得到增强的位置信息。图14A描述了传统的电容传感器布置。在能够与其他传感器电极布置一起操作的该示例中，拇指传感器表面102(用平面形式1400表示)具有以辐射蜂房形式布置的一集合的电容电极板1401。图14B描绘了对应于单独电容电极1401的位置中的每一个的、被表示为位于传感器表面空间1400之中或之上的体积球状体1403的示例电容传感器测量数据的可视表示。这些球状体表示至传感器表面上或附近的诸如手指或拇指的物体的近似距离的测量。基于针对平行板电容器系统中距离、面积和电容之间的关系的经典公式来计算该距离。该公式是C＝A/d。用这种方式，可以从每个传感器电极近似地获取距离项。图14C是描绘一种方法的图示，通过这种方法我们可以得到拇指或手指的几何模型1404的近似方位，其中拇指或手指被建模为椭圆体、管子、链接和结合的球状体的联结集，或者拇指或手指的其他几何对象表示和类似。使用数值拟合方法，三维位置和角方位几何拇指模型1404可以被布置为由从传感器测量得出的球状体1403的聚集集合定义的流形(manifold)。当通过数值拟合获得拇指或手指几何模型的近似三维位置和方位时，我们现在可以分配充当用户界面中的表示点的该几何形状内的或附近的任意点。类似地，可以从几何模型中推断关于角度或距离的信息。如果椭圆体被选择来表示拇指或其的分段，则所述椭圆体的一个焦点1405可以被选择作为用户界面内的表示点。与从传统触摸板算法得到的点(其位置在1406被近似地给出)相比，该点关于拇指或手指尖或索引要直观得多。该改善的表示点1405可以被输入到后续滤波器级或用作数值拟合系统的后续循环的初始猜测。该新颖的方法通过在三维中执行空间分析而非相对于传感器表面102的二维接触点或接触区域的中心的传统分析，而解决了与相对电容传感器区域的平拇指或手指相关的许多问题。虽然不限于图14中所描绘的特定设计，但是单独电极板1401的常规布置和椭圆体形状改善了作为距离的传感器测量的近似结果，这允许作为球状体区域的表示。应当理解，该特定算法可以以包括辐射、网格和其他布置的各种传感器设计来操作。
先前算法的一种修改表示被建模为骨骼系统的拇指，该骨骼系统包括由两个接合点连接的三个腕骨段。可以用由算法链接连接的椭圆体或球状体来近似这些腕骨段，其中所述算法链接将拇指或手指系统的运动限制到从人类拇指或手指结合中固有的接合限制得出的约束。先前描述的三维体积分析可以通过采用完全接合的几何模型来进一步增强，并且提供关于拇指或手指相对于传感器表面102的方位的进一步信息。该信息可能是关键的，以用于稳定关于在现有触摸板系统中存在的传统退化或不可测量情况的位置数据。
现在参考图2A和图2B，分别示出了根据一个实施例的拇指传感器的前和后分解视图。拇指传感器可以包括传感器基座200，在该传感器基座200上可以放置印刷电路板(PCB)202或调节板。PCB 202可以具有柔性连接器导线204，用于将PCB 202的电信号路由离开。传感器盖206一般可以是具有凹表面的长椭圆形状，用于舒服地容纳人拇指的肉垫。在一个实施例中，夹子208可以被提供用于在组装时将盖子206固定在传感器基座200上。传感器盖206可以包括用于感测拇指运动和姿势的多个传感器210。在一个实施例中，多个传感器210可以是如前面所描述的电容传感器阵列。
还可以提供一个或多个触觉开关或圆顶(dome)开关212。在一个实施例中，可以提供两个圆顶开关，一个位于传感器盖206的顶部附近而另一个位于底部附近。如果开关本身不具有足够的回复弹性，则可以添加弹簧来使垫返回其初始位置。来自传感器的信号可以被路由到诸如导电胶条(zebra strip)连接器214的中央连接器。一般而言，导电胶条连接器214是允许印刷电路板202上的电子设备的快速对齐的封装设备。它可以包括周围运转有碳带的小橡皮条，其允许通过任何带与两个点对准而形成从板上的垫到传感器210上的垫的接触。可以在PCB 202的相反侧提供导电胶连接器支撑件216以增加支撑。芯片218可以被提供来通过柔性连接器204组织用于设备外处理的传感器数据。
电容传感器垫210可以被沉积在传感器拇指表面的内部。取决于使用时所选择的算法，电容传感器使用被布置成各种新颖模式的多个单独的电容传感器，所述各种新颖模式被设计用于优化电容场。触觉或圆顶开关212附接在该表面的下面，以使得用户能够通过在合适的时间滚动和施加压力来在一个快速运动中“指向和点击”。
如上面参考图1所述，MID 100可以装配有优选地沿着设备的长边沿(即，当以直立配置握持时的设备的左侧或右侧)的传感器。用户使他的拇指或手指滑擦过传感器102的表面以提供用于控制例如光标105在显示器104上的位置的二维输入(即，x-y输入)。触摸表面102可以附加地配备有压力感测机构。至少，压力感测机构确定用户所施加的压力是在预定阈值之上还是之下。从而，拇指界面提供“2.5D”的输入——沿着二维(x和y)的标量输入以及沿着第三维的布尔输入。
布尔输入可以用来提供“点击”(例如，选择)或“输入/接受/下一步”功能。通过监视布尔输入的持续时间，设备可以区分“点击”和“持续按压”。在一个控制方案中，单次轻触将会使设备从功率节省状态唤醒。一旦唤醒，则单击可以然后用来选择对象以及双击可以用来取消选择对象。持续按压可以用来锚定高亮操作。后续x-y输入限定高亮的区域，用第二次持续按压结束高亮操作。
可替换地，用户可以通过在限定高亮区域的运动(即，拖拽)中将接触压力保持在预定阈值以上来对区域进行高亮。在其他环境中，双轻触用来通过分级菜单结构导航“返回”。如果压力感测机构提供所施加压力的真实标量测量，则能够实现全3D控制。在该情况中，所测量的压力输入可以被映射到多个功能中的任何一个，所述多个功能例如所显示内容的放大、变焦或在三维图像的深度维度中的导航。
在另一实施例中，本发明还可以应用于拇指滚轮控制。机械地耦合到旋转的拇指滚轮的接触开关或力传感器产生能够如上所述那样使用的1.5D或2D输入。
图3A、3B和3C分别地示出了附加地包括光学感测的本发明的拇指传感器的另一实施例的前视图、侧视图和后视图。当然，这也可以与图1中所示的MID一起使用。如上述，拇指传感器可以包括盖子206，其具有同时凹和凸伸长的椭圆或“马鞍”形状并且可以包括如先前所述的电容传感器210阵列。此外，可以提供窗口或孔来容许光学传感器300。在一个实施例中，光学传感器300可以包括光源，例如发光二极管(LED)302或激光。此外，光检测电路304可以被提供用来监视所检测的光的改变以确定拇指运动。所选择的光谱范围可以包括任何波长，包括可见光或红外光。
图4A和图4B分别示出了图3A和图3B中所示的拇指传感器的前和后分解视图。如所示的，盖子206包括电容传感器210和用于光学传感器的窗口300。固持器400可以以相对于窗口300的一角度固持光源302。固持器400可以包括棱镜301。光检测器304可以类似地位于固持器400的后面以检测跨越传感器表面的盖子206的拇指运动。
由拇指操作的触摸传感器的设计可能是有挑战的，因为拇指和传感器之间的接触区块相对于传感器的绝对大小是很大的。电容传感器210可以包括电容地(静电地)耦合到用户手指的表面电极阵列。单个感测电路在电极阵列中的通常大量元件之间电子地切换，从而进行单独电容测量，以定位最受手指存在的影响的那些电极的位置，并由此估计手指的位置。然而，在包括物理上很小的许多元件的阵列的拇指传感器中，大部分的元件将受到拇指类似的影响。因此，高电极计数可能通常是没有太大帮助的。
提供接近或1维横向位置的模拟输出的更简单的电容感测设备已经可用数十年了。这些设备通常基于互电容、正弦波电极激励和同步检测。尽管这的确消除了在大量电极之间多路复用的需要并且因此提高了响应速度，但是它潜在地降低了传感器的空间分辨率。
相反，光学触摸传感器能够提供增加的分辨率。然而，光学传感器不能容易地区分真实接触与接近。非常靠近触摸感测表面的手指可能仍然操作光学传感器。也许更重要地，能够由单个光学传感器跟踪的运动范围被限制到拇指接触区块大小的大约两倍。
图4A和4B中所示的混合电容和光学传感器是利用每个部件传感器的优点并且克服其缺点的传感器融合方法。具体地说，混合传感器提供真实触摸检测和在可接受的大跟踪范围内的精细规模运动的跟踪。
本发明的操作可以基于四个基本概念：
1.电容和光学传感器测量的组合，
2.包括由多个同时驱动电极围绕的单个感测电极的电极几何形状，
3.多频正弦波或码分数字激励，以及
4.传感器电极和用户拇指之间的弹性绝缘层。
传感器的一个可能的几何形状包括围绕与光学传感器位于一起的单个感测电极S的四个驱动电极D1-D4。紧密间隔的驱动电极的每一个对着围绕圆形感测电极的环的近似四分之一。
驱动电极被不同的信号同时激励；这些信号的加权和耦合到感测电极中。然后，感测电极信号被放大和解调以提取四个耦合的参数(互电容)(D1；S)(D2；S)(D3；S)和(D4；S)。
因为大寄生电容的关系，拇指存在信号很可能将是大信号之上的小改变；这导致放大器和解调器级中的动态范围问题。可以通过使用当所有的互电容相等时彼此抵消的反相驱动信号来减轻该问题。
因此，用表现为对称的偏离的差分信号来表示拇指位置。
例如，四个驱动信号可能是：
D1＝sin(ω1t)+sin(ω2t)+0.01sin(ω3t)
D2＝sin(ω1t)-sin(ω2t)+0.01sin(ω3t)
D3＝-sin(ω1t)+sin(ω2t)+0.01sin(ω3t)
D4＝-sin(ω1t)-sin(ω2t)+0.01sin(ω3t)
在频率ω1工作的同步解调器将响应于y轴拇指位置，在频率ω2工作的同步解调器将响应于x轴拇指位置。在频率ω3，系统是单端的(无差分的)，但是信号电平降低100倍，以帮助放大器动态范围问题。在频率ω3工作的同步解调器将响应于拇指接近。所有的三个解调器对单个传感器输入上同时操作(即，不需要多路复用)，并且很高的传感器数据速率(例如，千兆赫)是可能的，仅受到信噪性能的限制。
上述模拟正弦波激励的一种替代是正交二进制码驱动。在这种情况下，每个驱动信号是数字(开/关)脉冲群。相关检测器替代同步解调器，提供与传感器信号的模拟电平成比例的、与合适的码型一致的输出。它仍能使用反相驱动技术来中和寄生电容。该系统是有利的，因为它支持扩展频谱方法并且不需要模拟驱动部件。它可以在仅具有单个外部放大器和A-D转换器的现场可编程门阵列(FPGA)中实现。
包含弹性表面层在拇指与设备接触时提供了力敏响应。通过使用合适的闭孔发泡料或类似材料，力被转换成适合用于电容感测的小位移。该附加的压力信息可以使得能够有更丰富的控制响应和姿势语汇。
如所述的，为了提供解决传感器过度遮蔽问题的支持，用类似于可在光学鼠标中找到的光学传感器(在电极几何形状的中间)来补充电容传感器。光学传感器可以至少在一个方面增强设备的能力。在所有的电容传感器电极都被拇指或手指完全覆盖(传感器过度遮蔽)，并且完全平的拇指或手指滑动被进行的情况下，在整个滑动过程中，电极板一直保持完全被拇指或手指覆盖，因此电容系统可能无法提供更新的位置跟踪信息。于是，光学系统将接手当前跟踪位置的确定，其能够检测和跟踪该类型运动，因为拇指或手指的侧向滑动表面将是通过孔可见的并且可访问用于光运动跟踪，而不用考虑传感器的过度遮蔽的覆盖量。光学传感器的用来跟踪这种运动的能力通过更宽运动范围为用户提供了对界面的更精细和更鲁棒的控制。
除了在电容传感器无法确定时帮助运动跟踪之外，在任何特定实施例中，光学或电容数据对于一种类型的感测可能具有比另一种类型的感测更高的精确度。例如，在一个实施例中，光学传感器擅长速度角度检测，但是可能在速度检测方面相对较差。在该实施例中，电容数据在主滤波器中与光学数据混合。与光学输入或电容输入单独作用时相比，这产生更好的结果。
参考图7，其中的图表示关于由拇指或手指覆盖的传感器表面102的百分比，光学和电容传感器系统的比较性能优势和组合光学电容混合拇指传感器系统的性能。
在所提出的混合方案中，电容传感器主要用于触摸检测和三维绝对位置信息。力和绝对位置信息可以允许用户例如通过与触摸感测区的上或下周边的瞬间但有力的接触来执行向上翻页或向下翻页姿势。光学传感器提供沿着传感器表面的更高分辨率测量和靠近指示。
为了避免任何获取延迟，光学传感器可以响应于由电容传感器检测的触摸而被锁定在获取模式中。用这种方式缩短获取时间能够提高检测快速(例如，扫略)运动姿势的性能。
如上所述，针对用户的拇指进行的操作而设计的单个光学触摸传感器的性能可能受到传感器在一固定点收集光学数据以及用户拇指的运动范围超过拇指的宽度的事实的限制。即，当用户将他的拇指移向拇指范围之外时，传感器会丢失与拇指的光学接触，并且拇指的运动可能不再被测量。
在一个实施例中，本发明通过提供多个光学触摸传感器来扩展能够被跟踪的拇指运动的范围。在一个变型中，沿着最大预期运动的方向(沿着对应于腕掌关节的接合的运动弧)排列了三个传感器。优选地，相邻传感器之间的分离稍小于拇指接触区块的宽度。
相邻光学传感器之间的额外的重叠能够提供冗余(并且可能更准确)的测量并且使得易于进行从一个传感器到另一个传感器的测量的“移交”。
在本发明的另一个变型中，单个光学发射器-接收器对被光学地分割以通过多个端口呈现和收集。通过使用光束分离器或全景成像(即，形成“复眼”透镜的凸透镜阵列)来实现分离。端口或透镜的数量和间距优选地如上所述。
在本发明的任一变型中，还可以使用光学传感器来从用户获取生物测定数据。例如，传感器可以测量心率或皮肤温度。
电容传感器和光学传感器可以在拇指传感器表面盖上采用许多不同的形状和配置的形式。图8-13说明了其中的一些可能的形式。图8A-8D示出了七个传感器，其被布置为三个在中间，而其余的四个在任一侧。图8-13中所示的所有传感器可以是电容传感器，或对于混合的情况，中心的传感器可以是光学传感器，或在所讨论的多个光学传感器的情况中，在中间的所有三个传感器可以都是光学传感器。
参考图8至13，存在掌控传感器表面102上的电容电极的具体形状、大小和布置的特定或新颖设计或模式，其具有和不具有光学传感器孔，这增强拇指传感器系统的整体性能或作为该整体性能的基础(underly)。该布置可以采用各种整体形式，包括辐射或网格模式。
辐射模式被设计用于在传感器表面的中心放置更大的电容灵敏性。在该辐射模式中，若干电极板汇合的点位于传感器表面的中心。该共同的汇合点在中央结合点处提供增强的灵敏性，其中，多个电极可以在很小的测量区域上与拇指或手指尖接触。具有更多传感器的较大的拇指或手指接触表面按比例地增强信号强度C＝A/D，并且随后降低测量噪声和允许传感器作为控制设备促使更大的精确度。
网格模式可以具有有利性质，其使得对应于电极位移的采样点沿规则的间隔而设置，并且与轴对齐。这是有利的，因为它可以提供更可预测的跟踪模式，并且可以提供良好的算法简化。
参考图8至图13，描述了一组新颖的传感器设计。在每个附图中，圆图表示用正方长宽比描绘的给定设计。每个附图的下半部上的椭圆形状的图表示与它上面的图相同的设计，但是以更接近地反映当嵌入到传感器表面102时其形态的长宽比给出。圆图不是拇指传感器表面102的表示，但是被包括来使得给定模式中的固有对称性可以被清楚地描述。每种传感器设计都考虑了光学混合版本和纯电容版本。在每个附图中，并排给出了二者的示例。
参考图8A-8D，描述了新颖的辐射设计。该设计被布置为将一组六个电传导的、相同大小的传感器盘801放置成与第七中央传感器正切的紧致形式。该设计可以存在于光学混合形式803，或纯电容形式851中。光学混合用光学孔804替代中央电极板852。该特定的传感器设计可以固有地具有若干优势。一个优势可以在于以30度的倍数沿着轴的若干对称，所述轴包括主x和y轴。单独电极板的相对大的表面积增强了该特定布置测量更多距离对象的电容的能力。这种较大距离测量性质极大地增强了用于使三维算法运行良好的能力。相对较大电容测量降低了噪声电平。此外，边沿的椭圆形状提供了当手指或拇指跨越传感器表面滑动时电极板之间的更平滑的转移。此外，椭圆形状通过允许在盘、线段情况或椭圆情况中由点来更好地近似质心计算，来增强拇指或手指距离估计结果的精确度。
参考图9A-9D，描述了新颖的辐射设计。通过以规则的角间隔902将盘901辐射地分割成多个扇区来定义该设计。在该示例中，示出了6个扇区，但是可以选择更多或更少的扇区。沿着线903以特定半径进一步分割这些扇区。可以选择该半径以使内部扇区904和外部扇区905在面积上相等。这可以使每个电极板的信号响应均衡。可以用类似的方式构建光学版本，但是要切出适当大小的孔。电极板906和907可以被计算为面积相等。
参考图10A-10F，描述了新颖的辐射星形设计。通过几何地产生规则多边N点“星”形模式来定义该设计。该设计的功能可以用于减少相邻电极板之间的突然转移，使得由于表面积而电容响应均衡，增加转移的线性，并且因此提高诸如拇指或手指的物体跨越传感器表面滑动的传感器测量的规则性和预测性。转移边界的突然性的降低可以产生更一致的数据流，并且可以产生更平滑的整体点运动跟踪结果。该示例示出了具有6个点的星形模式，但是应当理解，该设计可以以任意数量的点如所描述的那样工作。该设计的点的数量被选定是由于包括了更高数量的三角形对称。
图10E和10F说明了公知的矩形“西洋双陆棋”传感器模式1075和相同模式的新颖的辐射布置1076之间的映射。在该映射下，矩形映射中的边沿1078和边沿1079对应于辐射映射中的边沿1080和边沿1081。电容电极板1083和1084经由从域的一端1078延伸到另一端1079的延长点1077而交叠。该设计的公知的特征是如果测试物体1082在边沿1078和边沿1079之间滑动，则板1083和1084上测量的电容将根据由测试物体1082覆盖的板的表面积而与测试物体的位置成比例的线性变化。
该性质在新颖的辐射映射1076中被保留，因此，由辐射地向内和向外滑动的测试物体1085对所测量电容的影响是近似线性的。因此，星形模式1076是西洋双陆棋模式1075的辐射映射。此外，应当显而易见的是，该线性性质在测试物体1086的角位置变化的情况中得以保留。再次参考图10，可以选择在星形模式1000的点1002的内部半径和光学孔1004的半径，以使电极板1005和1006的表面积关于下面的椭圆映射1009相等。可以类似地选择星形设计1003的内部半径1010，以使所有的电极板1007、1008面积上相等。电容设计1003的另外的期望的性质是许多独立内部电极的共同的中央结合点1011，其可以允许在许多薄且尖的电极的交叠或混叠中固有的电容混合特性。
参考图11A-11D，描述了可以具有或可以不具有光学孔的新颖网格模式。传感器表面102被一组正交线1101分割，从而通过分割使每个电极板1102在长宽比上近似正方形，并且还使得每个电极板1102具有相等的共同面积。可以关于或不关于光学孔1103计算该面积，其中该光学孔1103可以位于传感器域的中间或多个光学传感器的另一合适布置中。规则网格布置的优点是在传感器表面102上的每个电极板表面积的最大化。一般而言，增加表面积将增加电容测量并且可以显著地减少噪声。
参考图12A-12B，可以描述新颖的网格电容传感器设计。该模式可以存在于光学混合1201或纯电容1204的实施例中。光学孔1203可以位于斜角椭圆电极传感器1202的网格阵列布置的中间。没有光学传感器的布置1204可以利用通过省略光学孔、相应增加的电极板1205大小而获得的增加的可用表面积。电极板1202、1205的椭圆形状增强了电容传感器在一距离进行测量和近似点采样的能力。电极的曲边还可以提高在拇指或手指跨越传感器表面102滑动时在板之间转移的平滑度。
参考图13A和13B，可以描述新颖的菱形网格电容传感器设计，具有光学孔1302或多个孔的是设计1300，或不具有光学孔1302或多个孔的是设计1301。可以通过相对运动的主轴X和Y形成斜角来增强电极1303的交叠。只平行地沿着传感器域的X轴移动的滑动物体将总是以一斜角遇到和跨越转移边界1304。与如果使用规则正交网格(其中，跨越传感器电极的转移如阶跃函数一样突然)相比，该角度和倾斜转移边界1304可以使得相邻电极传感器1303之间的测量更线性地变化。可以对于Y轴进行相同的要求，其中，其关于长宽比的调整旋转地对称于X轴。给定主要正交布置的许多用户界面元件，对于可能是最常见的情况的平行于主轴运动的情况而言，菱形模式可以实现转移边界的线性化和得到平衡的测量。
图12A-B示出了在传感器表面102任一侧的12个伸长的电容传感器1202和一个中心光学传感器1203。在一些实施例中，传感器可以或可以不如上所讨论的那样重叠。图9A-D示出了辐射朝向的电容传感器，以及图13A-B示出了菱形形状的电容传感器。这些设计的任一个当然也可以包括光学传感器。
图6是说明本发明的操作的一个可能实施例的框图。PCB或调节板600可以接收来自电容传感器阵列602、机械圆顶开关604、光学发射器(LED)602和光学检测器608的输入/向其发送控制输出。在一些实施例中，这些光学件是可选的。可以通过前面所讨论的导电胶条连接器来连接电容传感器阵列。所有的信号和数据测量可以连续地被测量、数字化和组织成一系列数据流，以通过到MID上的柔性连接器而供进行设备外处理。
软件可以使用例如由有限冲击响应(FIR)滤波器进行的对数据的数据处理，来执行位置控制。使用姿势识别算法来进一步处理该数据以执行姿势控制。由于复杂性，可以在MID CPU上执行姿势识别。CPU可以是传统的微处理器，包括但不限于：英特尔公司x86、Pentium、Itanium系列、Atom系列微处理器、摩托罗拉系列微处理器或运行任何合适操作系统的类似物。例如，本发明的一个实施例使用微软
Figure BDA0000121098810000191
作为计算机系统400的操作系统。在另一实施例中，也可以根据本发明的教导使用其他操作系统，诸如但不限于：苹果
Figure BDA0000121098810000192
操作系统，Linux操作系统，Unix操作系统，3Com Palm操作系统等。
本发明的所说明的实施例的以上描述(包括在摘要中所描述的内容)不意图是穷举的或将本发明限制到所公开的精确形式。虽然本文中以说明性的目的描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明范围内的各种等同修改是可能的。
可以依照以上的详细描述对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应该被解读为要将本发明限制为在说明书和权利要求中所公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全要由所附权利要求来确定，其中所述权利要求应当根据已经建立的权利要求解释原则来解读。

Claims (23)

1.一种装置，包括：
触摸板，其被成形为容纳拇指，所述触摸板位于移动计算机设备上；
电容传感器阵列，其与所述触摸板相关联，用于检测拇指姿势，以为所述移动计算机设备在x和y方向上控制光标；以及
压力传感器机构，其与所述触摸板相关联，用于检测拇指压力以作为所述移动计算机设备的布尔输入。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压力敏感机构包括在所述触摸板下面的触觉开关。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压力敏感机构包括一对触觉开关，在所述触摸板的任一端有一个所述触觉开关。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述触摸板位于所述移动计算机设备的上侧部的、当握持所述移动计算机设备时拇指将自然放落的位置处。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：
导电胶条连接器，用于组织来自所述电容传感器阵列中的每个传感器的输出。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容传感器阵列中的单独电容传感器总体是椭圆形状的，并且被沿着所述触摸板的任一侧放置。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容传感器阵列中的单独电容传感器总体是菱形形状的。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容传感器阵列中的单独电容传感器总体是卵形的。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：
光学传感器，其与所述触摸板相关联，用于光学地检测拇指。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述光学传感器被放置在接近所述触摸板的中央，其中所述电容传感器阵列围绕所述光学传感器。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括：
多个光学传感器，其与所述触摸板相关联，用于光学地检测沿着所述触摸板的长度的拇指运动。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多个光学传感器沿着所述触摸板的中心线而放置，其中所述电容传感器阵列围绕所述光学传感器。
13.根据权利要求10所述的装置，还包括：
与所述光学传感器被共同放置的电容传感器。
14.一种用于控制手持计算机设备的方法，包括：
提供成形为容纳拇指的触摸板，所述触摸板位于所述计算机设备的上侧部的、当握持所述计算机设备时拇指将自然放落的位置；
电容地检测跨越所述触摸板的拇指运动，并且将拇指运动转变成x和y方向上的运动，以控制所述计算机设备的显示器上的光标；
检测所述触摸板上的压力，并且将压力转变成所述计算机设备的布尔输入。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述布尔输入能够包括点击输入。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
当检测压力时在轻触和持续压力之间进行区分。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：
光学地检测所述触摸板上或附近的拇指运动。
18.一种系统，包括：
手持计算机设备；
拇指触摸板，其位于所述计算机设备的上侧面板上；
电容传感器阵列，其与所述触摸板相关联；
至少一个光学传感器，其与所述触摸板相关联，其中，所述电容传感器阵列和所述光学传感器用于检测拇指姿势，以为所述计算机设备在x和y方向上控制光标；以及
压力传感器机构，其与所述触摸板相关联，用于检测拇指压力以作为所述计算机设备的布尔输入。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述拇指触摸板还包括：
马鞍形的外部盖子，其分布有所述电容传感器阵列；
所述盖子中的孔，用于允许光通过以用于所述光学传感器；
光源，其位于所述孔的后面；以及
光检测器，其位于所述孔的后面。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述拇指触摸板还包括：
导电胶条连接器，用于组织来自所述电容传感器阵列中的每个传感器的输出。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述压力敏感机构包括在所述触摸板下面的触觉开关。
22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述压力敏感机构包括一对触觉开关，在所述触摸板的任一端有一个所述触觉开关。
23.根据权利要求18所述的系统，其中，所述布尔输入能够包括点击输入。
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