CN100570700C - 能伸延移动的定位设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位设备(70)包括：可移动圆盘(76)，通过对其施加侧力可以在预定的移动范围中移动。第一线性弹簧(72)，其附着于圆盘(76)，第一弹簧(72)在移动范围中的每一位置对圆盘(76)施加第一力；第二线性弹簧(74)，其也附着于圆盘(76)，第二弹簧(74)在所述移动范围中的每一位置对圆盘(76)施加第二力。当没有对圆盘(76)施加侧力时，第一和第二弹簧(72，74)使圆盘(76)返回到在所述移动范围中的预定位置。第一线性弹簧(72)围绕弯曲点(82)折叠并附着于相对圆盘(76)为固定的定位设备(70)的一部分。

Description

能伸延移动的定位设备

发明背景

为了使以下讨论简明，本发明将根据在计算机上使用的定位设备来描述；但是，本发明可以用在包括手持计算机，移动电话，视频游戏机等的数据处理系统的广阔范围内。现代计算机操作系统和图形程序需要定位设备来控制计算机显示器上的光标位置。对于桌面PC，最成功的定位设备是“鼠标”。鼠标是一种手持设备，其通过在键盘附近的平坦表面移动而控制在计算机显示器上光标的移动。鼠标移动的方向和距离决定了在显示器上光标移动的位置和距离。传统的鼠标提供了用户能相当精确地移动的刚性物体。对于台式计算机来说，鼠标为定位问题提供了很满意的解决方案。当工作台不足以大到可以提供鼠标移动和调节光标在显示器上所需的移动的路径的时候，用户只需简单地拿起鼠标并将鼠标返回到工作台中心。因此，鼠标能提供几乎无限的移动范围。

虽然在台式PC市场上鼠标为定位设备问题提供了满意的解决方案，但类似成功的设备并不适用于便携式和手持计算机。这些计算机经常在键盘周围没有足够大的平面来让鼠标移动的环境中使用。因此，在这样的环境中使用计算机时，需要其他形式的定位设备。

用于这些环境的定位设备必须解决迅速且精确地移动光标的问题。此外，该设备还必须以让新手无需更多指示就能理解的直觉方式操作。而且，定位设备必须在有限的工作台中操作并与计算机或手持设备的形式相匹配。最后，还必须满足低成本，低功耗以及高可靠性的常规性限制。

2003年11月24日提交的在先美国专利申请10/722,698合并在此作为参考，其中公开的定位设备满足所述的这些需求。当用户通过其手指对圆盘施压时，该定位设备使用该圆盘在所定义的范围内移动。当用户释放圆盘时，一组弹簧使得该圆盘返回到其移动范围的中心位置。圆盘的位置以及圆盘上的压力由设备中的电极来确定。该位置信息用来对显示屏上的光标定位。配套设备上的软件在用户手指按压圆盘期间将圆盘的移动转换成光标在该设备的显示器上适当的移动。当用户释放圆盘时，在圆盘和光标位置之间的关联由软件来中断，从而，当圆盘返回中心时光标不再向后移动。

虽然以上描述的专利申请中所公开的设备相比于膝上型的市场中定位设备问题的现有主要解决方案具有显著的益处，但其在许多方面仍然有改进的地方。具体地，提供尽可能地将移动范围与定位设备的总尺寸之比尽可能的接近一是很有益处的。

发明内容

本发明包括定位设备，其具有通过对其作用侧力而能在预定范围内移动的可移动圆盘。圆盘配有第一线性弹簧，该第一弹簧在移动范围内的每个位置给圆盘施加第一力。圆盘还配有第二线性弹簧，该第二弹簧在移动范围内的每个位置给圆盘施加第二力。该第二力在与第一力相反的方向上施加给圆盘，当对圆盘不再施加侧力时，第一和第二弹簧使得圆盘返回到移动范围内的预定位置。第一线性弹簧围绕弯曲点折叠并且附着于相对于圆盘固定的定位设备的一部分。在一个实施例中，该第一线性弹簧包括弹性绳。该第一线性弹簧还可以包括用来将该第一线性弹簧附着于圆盘上的透明引带头，其中当圆盘处于静止位置时该第一线性弹簧是不可见的。在一个实施例中，该第一线性弹簧具有比移动范围内的最大尺寸还长的松弛长度。在一个实施例中，第一线性弹簧的最小长度大于在移动范围内的两点之间的距离差。

附图说明

图1是定位设备10的顶视图。

图2是在图1中所示的定位设备10的沿线2-2的截面图。

图3是在本发明的一个实施例中的圆盘移过图1所示的表面部分的顶视图。

图4是用于电极51-55的等效电路的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的指示器70的顶视图。

图6是使用透明引带头来将圆盘附着于弹簧上的指示器90的顶视图。

具体实施方式

参考图1和2能更容易地理解本发明的方式所提供的益处，其中图1和2图示了根据以上所述的专利申请所讲授的发明的一个实施例的定位设备10。图1是定位设备10的顶视图，而图2是在图1中所示的定位设备10的沿着线2-2的截面图。定位设备10包括圆盘11，其响应施加给圆盘11的侧力而在圆盘的移动范围19内沿基板15的表面12移动。压力通常通过用户的手指施加给圆盘11。圆盘11包括压力感应装置，其可以测量施加给圆盘11的垂直方向上的压力。此外，定位设备10包括用来确定在表面12上的圆盘11的位置的感应装置。

当用户移开其手指16而释放圆盘11时，圆盘11通过如13处所示的将圆盘连接到圆盘移动范围的侧面14的弹簧而返回到其中心位置。由于在其返回过程中用户的手指不对圆盘11施加垂直压力，因此与返回移动相关的位置改变不会报告给主机设备。也就是说，光标仍然在其先前的位置。这就提供了便捷的“返回中心”能力，这对鼠标而言通常需要将其抬起并将鼠标放到移动范围的中心才能得到。返回中心的能力在膝上型计算机，手持设备和其他限制了移动范围的微型设备中尤其需要。

圆盘在上述确定的专利申请中描述了在一个实施例中感应圆盘的位置的方式，因此，这里就不再详细讨论。为了讨论的目的，假定电容性感应方式用来确定圆盘的位置。这样的方式如图3所示，其是在本发明的一个实施例中的圆盘在其上移动的图1所示的表面的一部分12的顶视图。表面50包括如51-54所示的四个电极，其具有连接到外部电路的终端。为了使附图简明，省略了这些终端。圆盘具有包括了电极55的底表面，如图阴影所示。电极51-55相互电绝缘。例如，在仍然让电极55在其他电极上面滑过的同时，在电极55上覆盖一层提供所需绝缘的电介质层。电极实际上在基板的背面上被构图，其表面如50所示。这就降低了在这些电极和圆盘电极之间的电容，但对于基板的厚度为几个毫米或更薄是实用的。在电极55和电极51-54的每个之间的重叠取决于圆盘相对于电极51-54的位置。分别用A-D来表示在电极55和电极51-54之间的重叠。

现参考图4，其是电极51-55的等效电路图的示意图。电极55与电极51重叠的部分形成了具有与重叠A成比例的电容的平行板电容器。类似地，电极55与电极52重叠的部分形成了具有与重叠B成比例的电容的平行板电容器，等等。由于所有的电容器共享电极55的部分，因此等效电路由四个连接到在58处所示的共用电极的电容器组成。该电极刚好是电极55。因此，通过测定在电极55和电极51-54的每个之间的电容，就可以确定电极55相对于电极51-54的位置。该确定能由控制器59实现，控制器59可以是定位设备的一部分或其一部分由定位设备所形成的主机设备的一部分。

当用户释放圆盘时，上述实施例使用弯曲弹簧来复位圆盘。理想地，用来复位圆盘的弹簧提供使圆盘返回中心的回复力而无需用户施加让用户的手产生疲劳的压力。此外，压力不应当随圆盘的移动范围而改变，因为这种改变会干扰用户定位圆盘的精确度。此外，设计用于膝上计算机，手持设备以及其他微型设备的实施例都对定位设备的侧面尺寸和定位设备的厚度进行了优化。因此，弹簧增加了定位设备的厚度或侧面尺寸的设计不是优选的。

图1所示的弯曲弹簧阻碍了圆盘到达移动范围的所有部分。如果圆盘向着在圆盘移动范围的外围上的弹簧的附着点移动，则这点将尤其真切。因此，为了在移动范围内提供具有指定区域的设备，需要稍大一些的侧面区域来在表面上提供无用的空间，其在弹簧压缩状态下对弹簧来说是需要的。此外，由于移动范围的压力基本不同，因此用于移动圆盘的压力对于圆盘移动范围的不同区域而不同。从而，在图1中所示的弯曲弹簧设计比理想状态要差。

本发明使用了弹簧结构，其中圆盘受到由正对着的线性弹簧所产生的回复力。现参考图5，其是根据本发明的一个实施例的指示器70的顶视图。指示器70包括圆盘76，其能在由边界77所限定的移动范围75内移动。圆盘76包括压力感应器，其检测用户的手指在其上的按下。当用户在圆盘76上推动时，移动范围75中的圆盘76的位置会传送到膝上型计算机或其他的设备。圆盘76附着到在71-74所示的四个线性弹簧，该线性弹簧在用户释放圆盘时使圆盘76返回到移动范围75的中心。

在本发明的实施例中，优选为弹性绳的线性弹簧比在圆盘的平衡位置和移动范围的边界之间的距离明显要长。每条绳系于相对于圆盘的移动范围为固定的点。在图5所示的实施例中，弹簧系于在79所示的柱上。选择弹簧的长度以使得当圆盘处于移动范围的中心时，每个弹簧都能对圆盘施加力。拉紧在圆盘的相对侧上的弹簧以便当圆盘处于移动范围的中心时，圆盘受到大小相等但方向相反的力。考虑圆盘76从其移动范围75中的静止位置沿X方向正向移动的情况。这样的移动拉伸了弹簧72而压短了弹簧74；从而，弹簧72施加的回复力增加，而弹簧74施加的回复力减小。当释放圆盘时，圆盘受到不再相等的回复力，因此，圆盘将返回到静止位置。

包括以上讨论的弹性绳的机械弹簧具有非零的松弛长度。机械弹簧的特性由比率R决定，R是弹簧的最大长度除以弹簧的原始松弛长度的比率。对于市场上可得的弹簧来说，R通常为约2.5或更低。因此，弹簧的长度必须要比移动范围的宽度长很多。考虑弹簧72。弹簧必须对移动范围中的圆盘的所有位置保持拉紧。因此，当圆盘处在80所示的位置时，弹簧72的长度必须大于或等于其松弛长度以确保其保持拉紧。圆盘还必须能移动到位置81，因此，弹簧的最大长度必须大于或等于D_MAX。如果圆盘的半径比D要小，则D_MAX大约为2.2D，其中D为平衡点和点80之间的距离。因此，拉伸的弹簧的最大长度必须至少等于松弛长度加2.2D。对以上所讨论的市场上可得的弹簧来说，如所示，松弛长度必须比大约D要大。因此，当圆盘从点80移动到点81时，弹簧长度可以从D变化到3.2D。

定位设备所需的区域为移动范围区域加上在弹簧松弛状态下保持弹簧所需的区域。因此，如果弹簧必须以其拉直的形式来安装，则定位设备的尺寸将增加2D。实际上，只有大约一半的区域是有用的。本发明使用能围绕例如在82所示的弯曲柱的柱折叠的柔性弹簧，以避免弹簧的末端的伸展超出移动范围。

以上讨论的实施例使用由弹性绳所构成的弹簧。但是，也可以使用其他形式的柔性弹簧，所提供的弹簧围绕柱或起相同功能的类似物体折叠。例如，原则上，也可以使用柔性弹簧圈。但是，这样的弹簧通常具有很大的截面，因此，会增加定位设备的厚度。对于膝上型计算机和手持设备等的很多应用来说，对整个设备的厚度有严格的限制，因此，这样的弹簧通常不实用。相反，聚合弹性绳可以具有少于1mm的直径，因此，不会增加定位设备的整个厚度。

在一些应用中，在移动范围内看见弹性绳可能会影响美观。例如，许多电线都是由不透明的材料构成的，因此很容易看见。这个问题可以通过使用透明引带头将圆盘连接到弹簧的弹性绳而得以缓解。这样的结构如图6所示，其是使用透明引带头而将圆盘附着于弹簧的指示器90的顶视图。91所示的是弹性绳，而92所示的是透明引带头。引带头必须至少2D长以防止绳体在可视范围93内可见。在这样的结构中，弹簧系统的有效最小长度由于加入了引带头而增加，因此，弹簧和引带头都通过例如弯曲柱94和95的两个或者多个柱而折叠。虽然为清楚起见在图6中示出了弹簧系统在移动范围外的部分，但可以理解的是，这些部分通常放置于盖下，从而被隐藏。

在以上描述的实施例中，围绕柱弯曲弹簧而折叠弹性弹簧。但是，其中也能使用小滑轮结构来方便于沿柱移动弹簧。

本发明以上描述的实施例在释放圆盘时，使用4个线性弹簧来使圆盘回复到其静止位置。但，实施例也可以使用不同数量的弹簧。弹簧的最小数量是两个。例如，与在图5中所示的定位设备70类似的实施例也可以省略弹簧71和73。

从以上的说明和附图中本领域的技术人员也可以对本发明进行各种修改。因此，本发明的范围由附属的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种定位设备[70]，包括：

可移动圆盘[76]，通过对其施加侧力而使其能在预定的移动范围[77]内移动；

第一线性弹簧[72]，其附着于所述圆盘[76]，所述第一弹簧[72]在所述移动范围内的每一位置处对所述圆盘[76]施加第一力；

第二线性弹簧[74]，其附着于所述圆盘[76]，所述第二弹簧[74]在所述移动范围内的每一位置处对所述圆盘[76]施加分力，其中所述第一线性弹簧[72]围绕弯曲点[82]折叠并且附着于定位设备[70]的相对于所述圆盘[76]的移动为固定的部分。

2.根据权利要求1的定位设备[70]，其中所述第一线性弹簧[72]包括弹性绳。

3.根据权利要求1的定位设备[70]，其中所述第一线性弹簧[72]包括用来将所述第一线性弹簧[72]附着于所述圆盘[76]的透明引带头[92]，所述第一线性弹簧[72]在所述圆盘[76]处于所述静止位置时在所述移动范围内不可见。

4.根据权利要求1的定位设备[70]，其中所述移动范围的特征在于其是圆盘[76]在所述移动范围内穿过两个位置的最大距离，并且所述第一线性弹簧[72]具有比所述最大距离更长的松弛长度。

5.根据权利要求1的定位设备[70]，其中所述弯曲点[82]包括滑轮。

6.一种输入位置的方法，包括：

通过对可移动圆盘[76]施加侧力而使其能在预定的移动范围内移动的可移动圆盘[76]，所述移动范围的特征在于其是所述圆盘[76]在所述移动范围内穿过两个位置的最大尺寸；

提供附着于所述圆盘[76]的第一线性弹簧[72]，所述第一弹簧[72]在所述移动范围中的每一位置对所述圆盘[76]施加第一力；

提供附着于所述圆盘[76]的第二线性弹簧[74]，所述第二弹簧[74]在所述移动范围中的每一位置对所述圆盘[76]施加第二力，当没有给所述圆盘[76]施加所述侧力时所述第一和第二弹簧[72，74]将所述圆盘[76]返回到所述移动范围中的预定位置，其中所述第一线性弹簧[72]围绕相对于所述圆盘[76]的移动为固定的弯曲点[82]折叠。

7.根据权利要求6的方法，其中所述第一线性弹簧[72]包括弹性绳。

8.根据权利要求6的方法，其中所述第一线性弹簧[72]包括用来将所述第一线性弹簧[72]附着于所述圆盘[76]的透明引带头[92]，所述透明引带头[92]比所述最大尺寸长。

9.根据权利要求6的方法，其中所述第一线性弹簧[72]具有比所述最大尺寸长的松弛长度。

10.根据权利要求6的方法，其中所述弯曲点[82]包括滑轮。

Images