CN100380297C - 自索引计算机指点设备的模块化组件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种指点设备(30)，其具有一个压轮子组件(50)和一个基座子组件(40)。压轮子组件(50)包括一个具有用户传感器的可移动压轮，所述用户传感器检测用户和压轮之间的相互作用。压轮被限制为在一个压轮运动区中移动。压轮子组件(50)包括一个支撑件(52)，所述支撑件具有一个位于其中的开口，所述开口确定所述压轮运动区的边界。基座子组件(40)包括一个所述压轮在其上移动的基座表面(45)、一个测量所述压轮在所述压轮运动区中位置的检测器(151-155，159)和一个连接机构(46，212，221)。所述连接机构(46，212，221)将所述基座子组件(40)连接到所述压轮子组件(50)上，使得所述压轮子组件(50)能容易地拆下。当所述压轮子组件(50)与所述基座组件分离开时，所述基座表面(45)是可到达的。所述压轮子组件(50)也包括一个使所述压轮返回到预定区域的复原机构(13)。

Description

自索引计算机指点设备的模块化组件
技术领域
本发明涉及和计算机等一起使用的指点设备。
背景技术
现代的计算机操作系统和图形程序需要一个指点设备以控制光标在计算机显示器上的位置。对于台式PC，最成功的指点设备是“鼠标”。鼠标是一个手持件，其在靠近键盘的一个平面上移动以控制光标在计算机显示器上的运动。鼠标移动的方向和距离决定了光标在显示器上移动的方向和距离。传统的鼠标提供一个用户能高精度移动的刚性体。对于台式计算机，鼠标为指点问题提供了一个满意的解决方案。偶尔当工作空间不足以提供鼠标所能移动的路径，以容许光标在显示器上的期望移动时，用户会简单地拿起鼠标并且使鼠标重新回到工作空间的中心位置。
虽然鼠标为台式PC市场中的指点设备问题提供了满意的解决方案，但类似的成功设备对于便携式和手持式计算机是不实用的。这些计算机经常用在缺少靠近键盘的、鼠标能在其上移动的、足够大的平面的环境中。因此，当这些计算机用在这样的环境下时需要某种其他形式的指点设备。
用在这些环境下的指点设备必须要解决迅速和准确地移动鼠标的问题。另外，该装置必须以一种新手用户无须大量指令就能理解的直觉方式来运行。另外，指点设备必须在有限的工作空间中运行，并且满足计算机或手持式装置的形状因数。最后，也必须满足低成本、低功耗和高性能的常规限制。
当前，对于膝上型计算机市场中的指点设备问题主要有两种解决方案：Synaptics的电容式TouchPadTM和IBM的TrackPiontTM。其他公司制造具有类似功能的这些设备的多个版本。这两种解决方案远没有满足上述要求。TrackPiontTM是一个通常位于膝上型计算机键盘中央的小按钮。通过手指在按钮的上部施加一个横向力，按钮可以以一种类似于“操纵杆”的方式移动。不幸的是，按钮仅能移动很小的量；因此，按钮的位移不能直接被映射成光标位置在计算机显示器上的位移。代替性地，按钮位移控制了光标移动的方向和速度。用户能采用此种类型的速度控制定位光标的精度明显低于传统的鼠标所能达到的精度。这种限制在需要小的、精确的移动，如在计算机图形程序中绘画的工作中特别明显。
TouchPadTM是一个一边长50-100毫米的空白长方形垫，其一般被放置在大多数膝上型计算机键盘的前面。该设备感测手指在长方形表面上相对于设备边缘的位置。此感测是通过测量由用户手指在位于一种绝缘的、低摩擦的材料之下的一串电极上引起的电容变化来实现的。
类似于TrackPiontTM，TouchPadTM也受到精度不高的困扰。其内在地难于测量由位于相对于电路未知电压处的用户所引起的电容改变。此外，用户手指的接触区域相对较大。因此，为了提供对手指位置的精确测量，该设备必须确定一些参数，如手指和垫之间接触区的中心位置。不幸的是，随着用户所施加压力的变化，接触区的尺寸和形状会改变。因此这些确定最多是有限精确的。实际上，用户不能重复地执行精确的移动。
当用户不经意用手指或手腕触摸了该垫时，也有一些由错误信号引起的困难。在一些设备中，传统鼠标的“点击”功能是通过在该垫上轻击实现的。结果，在打字操作中，打字期间的这些不经意动作会使光标跳到一个新位置，并且文本会被插入到所述新位置。
基于用户用他或她的手指移动的“压轮”(puck)的设备提供了更高级别的精确度，因为压轮在所允许运动区中的位置能被精确地确定。另外，压轮能比上面所讨论的用在TrackPiontTM系统中的操纵杆移动更大的距离。
虽然基于压轮的指点设备提供更高的输入精度，但是清洁和更换压轮给出了独特的问题。压轮必须在位于压轮运动区中的表面上以低摩擦“感觉”轻柔地滑动，而不允许灰尘进入到该机构中。另外，如果灰尘进入了压轮机构，该机构难于清洁。最后，压轮部件容易被破坏，由此需要一种用于廉价替换关键部件的方法。
发明内容
本发明包括一种指点设备，其具有一个压轮子组件和一个基座子组件。压轮子组件包括一个可移动的压轮，其被限制为在一个压轮运动区中移动。压轮子组件包括一个支撑件，所述支撑件具有一个位于其中的开口，所述开口确定压轮运动区的边界。基座子组件包括一个所述压轮在其上移动的基座表面、一个测量压轮在压轮运动区中位置的检测器和一个连接机构。连接机构将基座子组件连接到压轮子组件上，使得压轮子组件可与基座组件可逆地分离开。当压轮子组件与基座组件分离开时，基座表面是可到达的。在一种实施方式中，压轮子组件进一步包括一个使压轮返回到压轮运动区中一个预定区域的复原机构。在另一种实施方式中，支撑件也包括第一触点，第一触点与基座子组件中相应的第二触点相配合，用于在压轮和基座子组件之间形成电连接。压轮优选地被一个弹簧电连接到第一触点上，所述弹簧使压轮返回到压轮运动区中的一个预定区域。
附图说明
图1A阐释了基于压轮的指点设备的俯视图。
图1B是图1A所示的指点设备穿过线1B-1B的截面图。
图2是根据本发明的一种实施方式的指点设备的截面图。
图3是图1所示的表面12的一部分的俯视图，在本发明的一种实施方式中压轮在该表面上移动。
图4是电极151-155的等效电路的示意图。
图5阐释了一个感测机构，其采用光学传感器来确定压轮在压轮运动区中的位置。
图6阐释了根据本发明的指点设备的另一种实施方式的俯视图。
图7是图6所示的指点设备穿过线7-7的截面图。
图8是一个具有根据本发明一种实施方式的指点设备的膝上型计算机的俯视图。
图9是图8所示的膝上型计算机穿过线9-9的截面图。
具体实施方式
参照图1A-1B能更容易地理解本发明提供其优点的方式，这些图阐释了一个基于压轮的指点设备10。图1A是指点设备10的俯视图，而图1B是指点设备10穿过图1A所示的线1B-1B的截面图。指点设备10包括一个压轮11，该压轮11响应于施加到该压轮11上的横向力在位于压轮运动区19中的基底15的表面12上移动。该力一般是由用户的手指、指尖、拇指、拇指指尖或多个手指施加的。压轮11包括一个测量施加在压轮11上的垂直压力的压力感测机构。另外，指点设备10包括一个确定压轮11在表面12上位置的感测机构。
压轮一般用于控制显示器上的光标。当用户施加在压轮11的垂直压力大于一个预定阈值时，压轮11在表面12上的任何位置改变被报告给主机装置，该指点设备形成了主机装置的一部分。这种位置改变被用于在显示器上移动光标，移动光标的幅度和方向取决于当将垂直力施加到压轮11上时压轮11的移动幅度和方向。即，如果压轮的移动由指点设备上的距离d和角度φ所定义的方向表征，那么光标的移动由显示器上的距离D和角度φ所定义的方向表征。主机装置中的一个硬件驱动器通常设置D和d之间的关系。
当用户通过移开用户手指16来释放压轮11时，压轮11借助于13所示的弹簧返回到其中心位置，该弹簧将压轮连接到压轮运动区的一侧14上。由于在其返回期间用户手指没有在压轮11上施加垂直力，与该返回移动相关的位置改变不报告给主机装置。这样就提供了一种方便的“回到中心位置”的能力，该能力一般通过拿起鼠标并将鼠标重新放置在运动区的中心来实现。这对膝上型计算机、手持设备和其他其中的运动区受到限制的微型装置是尤其需要的。
虽然上述指点设备对当前包括在膝上型计算机中的传统指点设备提供了很多改进，但是该指点设备需要定期清洁。灰尘和其他碎屑会在压轮运动区的表面上积累，并且干扰压轮在此表面上的平滑移动。另外，将压轮定位在压轮运动区中的弹簧也会被破坏。最后，提供以下的设计是有益处的，该设计能被容易地定制成包括一个制造商厂标或一个更完美地适合左撇子用户的按钮配置。
本发明通过采用两个子组件设计来构造指点设备解决了这些问题。现在参照图2，其是根据本发明一种实施方式的指点设备30的截面图。指点设备30包括一个基座子组件40和一个压轮子组件50。压轮子组件50包括压轮51、一个具有开口54的平板52和弹簧55，该开口54限定了压轮运动区，该弹簧55使得当压轮51被释放时将压轮51返回到压轮运动区中的一个预定位置。
基座子组件40包括一个表面45，位于该表面45上的位置传感器41被用于测量压轮在压轮运动区中的位置。将传感器与压轮电绝缘开的保护层(未在图中示出)优选地覆盖住这些传感器。基座子组件40也可以包括一个控制器，该控制器从传感器41接收信号并从这些信号计算压轮51的位置。下面将对确定位置的方式进行更详细的讨论。
基座子组件40也包括一个用于将压轮子组件50安全地保持在基座子组件中的定位凹槽(detent)46。压轮子组件50优选地啮合到基座子组件40中。如弹簧49的多个弹簧可以被用于保持压轮子组件50抵靠在定位凹槽46上。然而，可以采用任何无需特殊工具就使基座子组件40同压轮子组件50连接和不连接的任意机构。例如，根据本发明的一种指点设备可以采用多个螺钉来将基座子组件40和压轮子组件50保持在一起。
如上面所注意到的，一个指点设备(如指点设备30)会聚集灰尘和其他碎屑，这些灰尘和碎屑会干扰压轮的平滑移动或压轮的位置感测机构。因此，根据本发明的指点设备优选地允许其用户拆开指点设备并清洁压轮和下表面。另外，允许用户容易地更换压轮机构的设计是优选的，因为由于磨损或错误使用弹簧和/或压轮部件可能会变得失去效用。最后，特定计算机或其他主机装置的制造商可能希望在压轮和周围平板上包括一个厂标或其他定制的标记。因此，允许将指点设备制造为具有多种专用压轮子组件中任意一种的设计是有益的。
另外，基座子组件40包括多个连接器47，该连接器47与压轮子组件40上的相应连接器58配合，用于将来自压轮51的信号传送到控制器(未示出)。优选的是经由一个或多个弹簧55将这些来自压轮51的信号耦接到连接器58。正被讨论的弹簧或者由电导体制成，或者具有埋入在其中或覆盖在其上的电导体。
可以通过多种方法中的任意一种来感测压轮在压轮运动区中的位置。通常，每一种方法都利用基座子组件中的一个或多个部件。在图3中阐释了这样的一个位置感测机构。图3是图1所示的表面12的一部分的俯视图，在本发明的一种实施方式中压轮在该表面上移动。表面150包括151-154所示的四个电极，它们具有连接到外部电路的端子。为了简化该图，已经省略了这些端子。压轮具有一个下表面，该下表面包括一个电极155，在该图中以虚线显示该电极。电极151-155被彼此电隔离开。例如，电极155可被覆盖一个电介质层，该电介质层提供所需的绝缘同时仍然允许电极155在其他电极上滑行。该电极实际上可被图案化地形成在基底的背面，该基底的表面如150所示。这减少了相对于压轮电极的电容，但是可能对几个毫米或更小的基底厚度是很实用的。电极155和电极151-154中的每一个之间的重叠取决于压轮相对于电极151-154的位置。分别由A-D来表示电极155和电极151-154之间的重叠。
现在参照图4，该图是电极151-155的等效电路的示意图。电极155与电极151重叠的部分形成了一个平行板电容器，其具有与重叠A成比例的电容。类似地，电极155与电极152重叠的部分形成了一个平行板电容器，其具有与重叠B成比例的电容，并且以此类推下去。因为所有的电容器共用了电极155的多个部分，等效电路由连接到158所示的公用电极的四个电容器组成。这个电极正好是电极155。因此，通过测量电极155和每个电极151-154之间的电容，就能确定电极155相对于电极151-154的位置。这个确定过程可由控制器159执行，该控制器159可以是指点设备的一部分或与指点设备相连接的主机装置的一部分。
在压轮运动区充分地大于压轮直径的实施方式中，可以在基底上放置4个以上电极。测量这些电极中的每一个与压轮之间的电容可以如上所述地确定压轮的位置。
也可以采用光学传感器如用在传统光学鼠标中的那些光学传感器来确定压轮在压轮运动区中的位置。现在参照图5，其阐释了这样的一种感测机构。在此实施方式中，压轮82的下表面84被正好位于压轮运动区表面81下方的光学鼠标传感器83照射。光学鼠标传感器在本领域是已知的，因此在此将不对其详细讨论。为了本讨论的目的，注意到光学鼠标传感器83具有一个照射压轮82下表面的照射系统和一个形成所照射表面的一部分的图像的成像传感器就足够了。该成像系统对下表面的连续图像进行比较以在图像之间确定压轮移动的幅度和方向。
前面合适位置感测机构的例子被提供作为实例。然而，从前面的讨论可以明显看出，不脱离本发明的教导，存在大量的能被采用的位置测量机构。
本发明的上述实施方式采用了一种特定的连接机构以将压轮子组件连接到基座子组件上。然而，不脱离本发明可以采用多种其他的连接机构。现在参照图6和7，它们描述了根据本发明的指点设备的另一种实施方式。图6是指点设备200的俯视图，而图7是图6中指点设备200穿过线7-7的截面图。指点设备200由压轮子组件210和基座子组件220构成。基座子组件220包括两个狭槽221，狭槽221的尺寸允许212所示的相应短小突出部穿过该狭槽。通过使短小突出部对齐狭槽，将压轮子组件210连接到基座子组件220上。一旦短小突出部穿到基座子组件上表面的下面，压轮子组件就被旋转直到短小突出部啮合相应的插孔226。
压轮子组件210和基座子组件220之间的电连接是经由短小突出部上的触点形成的，短小突出部上的触点啮合狭槽中的相应触点。在215和225示出了一对典型的触点。这些触点允许将压轮223中的电极连接到基座子组件220中的控制器235。控制器235也被连接到222所示的位置感测电极。
图6和7所示的连接机构不需要任何工具。用户能仅通过扭转压轮子组件直到使短小突出部与狭槽对齐来拆下压轮子组件。可以在压轮子组件210的表面上提供合适的标识或突起以有助于用户操作压轮子组件。因此，用户能容易地拆下压轮子组件来清洁和/或更换。一旦拆下压轮子组件，就能清洁基座子组件和压轮自身底面上的任何电极。
本发明尤其适合于在对指点设备具有有限空间的膝上型计算机或其他主机装置上实施。现在参照图8和9，这些图描述了具有根据本发明一种实施方式的指点设备的膝上型计算机。图8是膝上型计算机300的俯视图，而图9是穿过图8中线9-9的截面图。为了简化附图，已经从附图中省略了显示器。指点设备310优选地被定位为靠近膝上型计算机300的键盘320。基座子组件330被附着到膝上型计算机上，并且可以被安装在靠近键盘的表面上的一个凹坑中，从而提供更薄的整体膝上型计算机形状因数。另一个选择为，基座子组件330可被模制在膝上型计算机的表面中。在一种实施方式中，以一种防止用户拆下基座子组件的方式将基座子组件连接到此表面上。在这种实施方式中，指点设备和膝上型计算机的连接被提供在基座子组件的下面。用于提供这些连接的典型连接器如360和361所示。这样的配置允许以一种防止液体或碎屑通过指点设备进入膝上型计算机的方式来将基座子组件密封到膝上型计算机上。
压轮子组件以一种类似于上述的方式连接到基座子组件上。该连接机构允许压轮子组件被用户容易地拆下以进行清洁和/或更换。压轮子组件包括压轮341、弹簧342和上平板343。上平板343具有一个孔，其限定了压轮的运动区，并且该连接机构用于将压轮子组件连接到基座子组件上。
已经就与膝上型计算机一起使用的指点设备描述了本发明的上述实施方式。然而，从前面的讨论将会明显看出，本发明可被应用在多种不同的数据输入环境中。例如，根据本发明的指点设备可以是取代传统鼠标的独立指点设备。类似地，本发明的指点设备可被用作PDA或蜂窝电话上的指点设备，用于对这些装置上的菜单进行选择。
从前面的描述和附图来看，本发明的各种修改对于本领域普通技术人员来说将变得很明显。因此，本发明仅由所附的权利要求的范围进行限定。

Claims (10)

1.一种指点设备(30)，其包括：
一个压轮子组件(50)，其包括：
一个可移动的压轮(51)，其被限制为在一个压轮运动区(19)中移动；和
一个支撑件(52)，其具有一个位于其中的开口，所述开口确定所述压轮运动区的边界；
一个基座子组件(40)，其包括：
一个基座表面(45)，所述压轮在其上移动；和
一个位置检测器(151-155，159)，其测量所述压轮在所述压轮运动区中的位置；以及
一个连接机构(46，212，221)，用于将所述基座子组件(40)连接到所述压轮子组件(50)上，使得所述压轮子组件(50)可与所述基座子组件(40)可逆地分离开，并且当所述压轮子组件(50)与所述基座子组件(40)分离开时，所述基座表面(45)是可到达的。
2.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中所述可移动的压轮包括一个用户传感器，其检测用户和所述压轮之间的相互作用。
3.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中不采用工具，基座子组件(40)可与所述基座子组件(40)分离开。
4.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中所述压轮子组件(50)进一步包括一个复原机构(13)，其使所述压轮返回到所述压轮运动区中的一个预定区域。
5.如权利要求4所述的指点设备(30)，其中所述复原机构包括一个连接到所述压轮的弹簧(13)。
6.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中所述支撑件(52)进一步包括第一触点(215)，所述第一触点(215)与所述基座子组件(40)中相应的第二触点(225)相配合，用于在所述压轮和所述基座子组件(40)之间形成电连接。
7.如权利要求6所述的指点设备(30)，其中所述压轮通过一个弹簧(13)电连接到所述第一触点(215)上，所述弹簧(13)使所述压轮返回到所述压轮运动区中的一个预定区域。
8.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中所述位置检测器包括位于所述表面上的多个表面电极(151-154)和一个与所述压轮一起移动的压轮电极(155)。
9.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中所述基座子组件(40)被连接到一个便携式主机装置(300)上。
10.如权利要求1所述的指点设备(30)，其中所述基座子组件(40)与一个便携式主机装置(300)集成在一起。
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