CN109416609A - 具有接近感测的输入装置中的手指追踪 - Google Patents

Abstract

一种用于增加触摸和接近敏感触摸传感器的接近感测距离的系统和方法，其通过将时变电压或驱动信号驱动到至少还用一只手握住触摸传感器的用户，并随后当手指在触摸传感器中的感测电极的接近感测距离内时，在触摸传感器上的感测电极上感测来自用户的手指或拇指的驱动信号，从而在触摸传感器的接近感测方式中使用户的可检测性的距离能够更大。

Description

具有接近感测的输入装置中的手指追踪

技术领域

本发明总体涉及触摸和接近传感器。更具体地，本发明涉及改善追踪握住触摸并接近敏感装置的手指的能力。

背景技术

可用于本发明的电容式流量传感器有几种设计。检查触摸传感器的基础技术是有用的，以更好地理解任意电容敏感触摸板可如何利用本发明。

公司的触摸板是一种互电容感测装置并且是如图1中的框图所示出的示例。在该触摸板10中，X(12)和Y(14)电极的网格和感测电极16是用于限定触摸板的触敏区域18。通常地，触摸板10是大约16乘12个电极的矩形网格，或者在存在空间限制时是8乘6个电极的矩形网格。与这些X(12)和Y(14)(或行和列)电极交错的是的单个感测电极16。通过感测电极16来进行所有的位置测量。

公司的触摸板10测量感测线16上的电荷不平衡。当没有指示物体在触摸板10上或接近触摸板10时，触摸板电路20处于平衡状态，并且感测线16上的电荷平衡。当物体接近或接触触摸表面(触摸板10的感测区域18)时由于电容耦合而由指示物体产生不平衡时，在电极12、电极14上发生电容的变化。测量的是电容的变化，但不是电极12、电极14上的绝对电容值。触摸板10通过测量用于重新建立或重新获得感测线上的电荷的平衡而必需注入感测线16上的电荷的数量来确定电容的变化。

上述系统用于确定在触摸板10上或接近触摸板10的手指的位置，如下所述。该示例描述了行电极12，并且对列电极14以相同的方式重复。从行和列电极测量获取的值确定交叉点，该交叉点为在触摸板10上或接近触摸板10的指示物体的质心。

在第一步中，用来自P,N发生器22的第一信号驱动行电极12的第一组，并且用来自P,N发生器22的第二信号驱动不同但相邻的行电极12的第二组。触摸板电路20使用互电容测量装置26从感测线16获取值，该互电容测量装置26指示出最靠近指示物体的行电极。然而，在部分微控制器28的控制下的触摸板电路20还不能确定指示物体位于行电极的哪一侧，触摸板电路20也不能确定指示物体远离电极的距离。因此，该系统通过一个电极改变待驱动的电极组12。换言之，在组的一侧添加电极，而不再驱动组的另一侧上的电极。然后，通过P,N发生器22驱动新组，并且进行感测线16的第二次测量。

通过这两次测量可确定指示物体位于行电极的哪一侧并确定距离多远。使用比较两个测量信号的量值的方程，然后执行对指示物体的位置确定。

公司的触摸板的灵敏度或分辨率远高于行和列电极的16乘12网格所具有的灵敏度。分辨率通常为每英寸960计数或更高。精确的分辨率由组件的灵敏度、在相同行和相同列上的电极12和电极14之间的间距、以及对本发明不重要的其它因素确定。使用P,N发生器24对Y或列电极14重复上述过程。

虽然以上描述的触摸板使用X电极12和Y电极14的网格并使用独立且单一的感测电极16，但是通过使用多路复用，感测电极实际上可以是X电极12或Y电极14。

近年来，手持式或便携式电子装置变得多产。这些装置包括但不限于智能手机、视频游戏控制器、便携式视频游戏、TV遥控器、相机、增强现实眼睛、虚拟现实眼睛、多媒体播放器等。

通过提供与便携式电子装置的交互的新方法来增加能力已经成为了一种的趋势。一个挑战在于创建直观且高效的用户输入。一个具体的示例是，希望不仅在与触摸控制板、触摸屏、触摸板、触摸表面或触摸传感器的接触中追踪手指，而且还在三维空间中追踪手指。

典型的电容触摸传感器以互电容或自电容的方式工作。在互电容方式中，例如驱动电极的至少一个电极可用变化的电压驱动，并且与例如感测电极的感测信号的至少另一个电极一起驱动。当手指或其它导电物体接近共面X和Y电极网格的发射(驱动电极)电极和接收(感测电极)电极之间的接点时，当指示物体接地时驱动电极和感测电极之间的信号耦合减小，或者当指示物体是小的电浮置物体时信号耦合可增加。

在自电容方式中，至少一个电极用变化的电压驱动，同时测量感测电极上的容性负载。当接地且导电的物体靠近X和Y电极时，感测电极上的容性负载增加。互电容方法和自电容方法都会受限于相对短距离处的物体检测。

发明内容

在第一实施例中，本发明是一种用于增加触摸和接近敏感触摸传感器的接近感测距离的系统和方法，，其通过将时变电压或驱动信号驱动到至少还用一只手握住触摸传感器的用户，并随后当手指在触摸传感器中的感测电极的接近感测距离内时，在触摸传感器上的感测电极上感测来自用户的手指或拇指的驱动信号，从而在触摸传感器的接近感测方式中使用户的可检测性的距离能够更大。

通过考虑以下结合附图的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、优点以及替代方面对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

图1是现有技术所存在的触摸板的操作的框图，并且该触摸板适用于本发明。

图2是本发明的第一实施例的框图。

图3是本发明的第一实施例的立体图，示出了手和圆柱形触摸传感器。

图4是本发明的另一实施例的立体图，示出了手、圆柱形触摸传感器和腕带。

图5是示出了触摸传感器和接近传感器的框图，其可设置在同一壳体内，但使用独立的驱动信号、驱动信号发生器和驱动及感测电极。

具体实施方式

现在将参考附图，附图中本发明的各个元件将给出数字标记，并且将在附图中讨论本发明，以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。应理解的是，以下描述仅是本发明原理的示例，不应视为缩小所附的权利要求。

第一实施例可增加触摸和接近感测装置(以下为“触摸传感器”)的接近感测距离，以允许可检测对象的检测距离更大。第一实施例也可以实现触摸传感器的新的应用。

图2是第一实施例的概念的框图。图2示出了包括至少一个可检测对象32和至少一个感测电极34、驱动信号发生器36、感测电路38以及电源50的触摸传感器30。电源为驱动信号发生器36和感测电路38提供能量。至少一个可检测对象32和感测电极34显示为彼此相邻。然而，此物理关系仅用于说明目的，而不是第一实施例的限制因素。驱动电极必须以某种方式联接到用户，使得用户成为至少一个驱动电极32上的信号的延伸，如下所阐明。

应该理解到的是，可以存在多个感测电极34，所有这些感测电极不改变第一实施例的操作。换言之，多个感测电极34不改变触摸传感器40可如何操作。然而，多个感测电极34可增加可以通过触摸传感器30的至少一个感测电极34检测到至少一个驱动电极32的空间的体积。

虽然至少一个驱动电极32(也为可检测对象)被示出为矩形物体，但是至少一个可检测对象可具有任意形状并具有多个凸出。例如，至少一个驱动电极32可以是与用户的具有多个手指和拇指的手联接的电极。实际上，用户的手变成了驱动电极32。

可如何实现第一实施例的示图在如图3所示的手持式触摸传感器40中。图3示出了触摸传感器40，其包括用于可由用户的手42握住的物体的壳体。例如，触摸传感器40可以是具有人体工程学上合意的柄的物体，该物体使得用户的手42的手指和拇指可放置在触摸传感器40上的预定位置。

这些预定位置可以是握在可用作触摸传感器的物体上的手42的自然停留位置。在这个示例中，触摸传感器40可以是基本上为圆柱形的形状，如图3所示。触摸传感器40可具有基本上为圆柱形的主体44，主体44上具有设置在触摸传感器40上的各个位置处的多个触摸传感器板46。

触摸传感器板46在触摸传感器40的壳体上的位置可以在当用户握住触摸传感器40时可能触摸的位置处，或者在用户需要触摸以便与触摸传感器交互的位置处。

例如，设置在圆柱形的主体上的触摸传感器板46可设置在当用户以表明用户将要使用触摸传感器的方式来握住触摸传感器40时手的手掌和指尖可能停留的地方。然而，在该示例中，触摸传感器显示屏或触摸屏48也可以设置在圆柱形的主体44的一端上。在触摸传感器40的圆柱形的主体44上可存在一个或多个的触摸屏。在该示例中，触摸屏48可大于或小于其它的触摸传感器板46，并且可以能够追踪用户的拇指的位置和移动而不仅仅是拇指的存在。因此，更小的触摸传感器46可以仅用于检测可检测对象的存在或接近，并且其它的触摸屏48可具有更多的性能并提供更强大的功能，例如本领域技术人员已知的执行检测和追踪的触摸传感器的功能。

第一实施例不仅只包括检测用户的手、手指和拇指的存在或位置的触摸传感器板46和触摸屏48，而且还可包括用于将可通过触摸传感器30检测的信号驱动至用户上的系统。

在第一实施例中，驱动信号发生器36可将时变电压(“驱动信号”或“信号”)驱动到握住触摸传感器40的用户上，并且然后感测来自可存在于用户的手指或拇指上的驱动信号的耦合电压。在触摸传感器40的触摸传感器板46和触摸屏48上可检测到该信号。因此，触摸传感器板46和触摸屏48可通过感测电极34联接到设置在触摸传感器40内的感测电路38。感测电路38可设置在刚性或柔性的电路板上，该电路板设置在触摸传感器40内，或者甚至设置在触摸传感器自身的壳体上。

触摸传感器40可包括用于为驱动信号发生器36和感测电路38提供电力的电源。在第一实施例中，驱动信号发生器36、感测电路38、电源50、至少一个驱动电极32和至少一个感测电极34均可设置在触摸传感器40内。

在本发明的第一实施例中，至少一个驱动电极可形成与用户的直接的电偶(galvanic)连接。例如，这种电偶连接可通过驱动触摸传感器40的壳体上的与诸如手的用户的皮肤直接接触的暴露的驱动电极导体52来完成。例如，在图3中使用隐藏线所示出的大的掌状导体52可以是驱动电极32与用户的连接。

或者，连接可能不是直接接触。例如，注意到的是，至少一个驱动电极32可以在触摸传感器40内开始，但是可延伸超过触摸传感器的壳体以便联接至用户。例如，驱动电极32可为电容连接的形式。

形成电容连接的一种方法可以是使驱动电极32具有足够大的表面积并足够接近用户的一些部分，以便足够大的驱动信号可传递给用户。例如，在触摸传感器40中约12平方厘米并与用户的手距离约1毫米的金属板可能足以将足够大的信号电容性地联接至用户，然而金属板也可以更大或更小。金属板可在触摸传感器40的壳体的内侧或外侧上。

在图4所示出的另一替代实施例中，驱动电极32可通过成为包含驱动电极32的柔性带54的一部分来与用户接触。驱动电极32可在第一端处联接至触摸传感器40的壳体内的驱动信号发生器36，并且在第二端处联接至可缠绕用户的手或手腕的带54。

驱动电极32可以是金属、有机材料或无机化合物。驱动电极32也可以是柔性或刚性的。重要的是，驱动电极32与用户电容性地联接或直接接触。

在本发明的另一方面中，手持式触摸传感器40通常可与大地地面电隔离并且由电源50供电。出于这些原因，联接至握住手持式触摸传感器的用户的驱动电极32可变成参考电压，并且也可使得电源和电流性地连接至电源的组件调制。

在另一实施例中，触摸传感器40的电源50可联接至例如电池充电器或USB连接的外部参考接地。在这种情况下，用户仍然可用电压驱动，但是手持式触摸传感器40的参考接地没有被调制。

第一实施例也可包括图3和图4所示的特征。图3和图4示出了触摸屏48可提供从触摸屏48至握住触摸传感器40的用户的视觉反馈，以及提供输入。

触摸传感器40也可包括为电容性感测区域的在触摸屏48上的虚拟按键，该电容性感测区域在手指进入接近距离内时或通过触摸而被激活和去激活，并且可被标志成按键。此外，可以改变触摸屏48上的虚拟按键的位置，以便根据触摸屏48上显示的内容提供不同的功能。

在本发明的所有实施例中，本发明可大体上增加通过触摸传感器40可检测到的例如用户的手指或拇指的可检测对象的距离。这种能力对于为触摸传感器40增加功能可以是有用的，例如当手指接近触摸屏时点亮触摸屏48上的虚拟按键周围的区域。

本发明的实施例的另一用途可以是，在触摸传感器40上指示悬停在触摸传感器40上方或朝触摸传感器40移动但没有触发对触摸传感器的任何其它输入的手指的位置。换言之，可检测对象到触摸传感器46或触摸屏48的接近可使触摸传感器40的一些部分对用户提供手指接近触摸传感器的特定的触摸传感器板46或触摸屏48的一些视觉反馈、触觉反馈或听觉反馈。

本发明的另一方面可以是，触摸传感器40可以是现有技术的触摸传感器，其具有X和Y电极的驱动和感测网格，电极以本领域技术人员公知的方式操作。然而，在另一替代实施例中，触摸传感器40可改变电极的功能，使得所有的电极变成驱动电极32或感测电极34。因此，驱动信号可来自除触摸传感器40之外的但仍可通过触摸传感器检测到的装置。

图5以框图示出了在本发明的另一实施例中，触摸传感器和接近传感器的功能可以在单个触摸和接近感测装置60中分开。在本发明的该实施例中，可存在两个驱动信号发生器以及单独的驱动电极和感测电极，一个驱动信号发生器用于作为触摸传感器62操作的装置的一部分，并且一个不同的驱动信号发生器以及驱动电极和感测电极用于作为接近传感器64操作的装置60的一部分。

本发明的实施例可应用于虚拟现实(VR)系统或增强现实系统中，在虚拟现实系统中用户不能直接看见他们自己的手，在增强现实系统中用户可以看见，但是即使使用视线仍然需要更多的方法来与AR交互。

在VR系统中，部分用户在不能看见他们的手时，可能在定位手持式游戏控制器上的某些按键上有问题。本发明的实施例可使VR系统向用户显示在手持式触摸传感器的触摸表面上方的他们自己的手指的位置，因此用户可触摸正确的按键或控制件。这也可用于VR动作，例如在VR中抓取物体、指向、多变的触发动作、多变的挤压、轻弹、捏紧拳头等。

虽然所有这些能力在VR中都很有用，但是他们在AR中也很有用。考虑例如智能手机或眼镜的AR装置，其可以组合虚拟物体和真实物体并将它们组合在显示器上，例如智能手机的显示器或AR眼镜的镜片。

在本发明的一个实施例中，例如智能手机或眼镜之类的装置可以产生通过单独的手持式触摸传感器40可检测到的驱动信号，或者手持式触摸传感器可以产生通过智能手机或眼镜可检测到的驱动信号。

以上实施例描述了本发明的手持式装置的应用，但其它应用也是可能的。在另一实施例中，驱动电极位于车辆的座椅中。在该应用中，多个驱动电极可用在相同的触摸感测电极上的多个座位中。在这种情况下，驱动电极可用于区分与装置交互作用的不同用户。这在需要识别驾驶员和副驾驶员的汽车应用中可以特别有用。

概括地说，本发明的第一实施例的最基本形式如下。第一实施例是用于增加触摸和接近传感器的接近感测距离的系统，并且该系统包括用于触摸和接近传感器系统的壳体、电源、用于产生驱动信号的驱动信号发生器、用于从驱动信号发生器接收驱动信号的至少一个驱动电极、至少一个感测电极、用于在至少一个感测电极上接收电容性联接的驱动信号的感测电路、从至少一个驱动电极接收驱动信号的可检测对象，其中至少一个感测电极间接地与来自至少一个驱动电极的驱动信号电容性耦合，其中至少一个感测电极检测可检测对象上的驱动电极，从而间接地检测来自驱动电极的驱动信号，其中通过感测电路可检测到可检测对象的距离大于可检测对象未接收到驱动信号的距离。

类似地，第一实施例的方法是提供相同的系统，并且然后在至少一个驱动电极上产生驱动信号，将驱动信号从至少一个驱动电极传递到可检测对象，将可检测对象上的驱动信号电容性联接到至少一个感测电极，并且使用感测电路检测可检测对象，其中通过感测电路可检测到可检测对象的距离大于可检测对象未接收到驱动信号的距离。

尽管以上仅详细描述了几个示例实施例，但是本领域技术人员将容易理解到的是，在没有实质上脱离本发明的情况下在示例实施例中可以进行多种修改。因此，所有这些修改旨在包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。除了那些权利要求中明确使用与相关功能结合“装置”之外，申请人的明确意图是不对于本文任何权利要求进行任何限制。

Claims (12)

1.一种用于增加触摸和接近传感器的接近感测距离的系统，所述触摸和接近传感器系统包括：

壳体，用于所述触摸和接近传感器系统；

电源；

驱动信号发生器，用于产生驱动信号；

至少一个驱动电极，用于接收来自所述驱动信号发生器的所述驱动信号；

至少一个感测电极，其中所述至少一个感测电极间接地与来自所述至少一个驱动电极的所述驱动信号电容性耦合；

感测电路，用于在所述至少一个感测电极上接收所述电容性联接的驱动信号；

可检测对象，接收来自所述至少一个驱动电极的所述驱动信号，其中所述至少一个感测电极检测所述可检测对象上的所述驱动电极，从而间接地检测来自所述驱动电极的所述驱动信号，其中通过所述感测电路可检测到所述可检测对象的距离大于所述可检测对象未接收到所述驱动信号的距离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸和接近传感器系统进一步包括设置在所述壳体的外部上的至少一个触摸传感器板，其中所述至少一个触摸传感器板与所述至少一个感测电极联接，并且其中所述至少一个触摸传感器板检测所述可检测对象的接近并检测所述可检测对象在所述至少一个触摸传感器板上的接触。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸和接近传感器系统进一步包括在所述壳体的外部上的驱动电极导体，其中所述驱动电极导体与所述可检测对象直接接触，从而将来自所述至少一个驱动电极的所述驱动信号传递至所述可检测对象。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸和接近传感器系统进一步包括设置在所述壳体上的至少一个触摸屏，其中所述触摸屏向用户提供视觉反馈，并且其中所述触摸屏能够检测所述可检测对象在所述触摸屏上的存在和移动。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸和接近传感器系统进一步包括在所述壳体的外部上的驱动电极导体，其中所述驱动电极导体不与所述可检测对象直接接触，而是与所述可检测对象电容性耦合，从而将所述驱动信号从所述至少一个驱动电极传递至所述可检测对象。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸和接近传感器系统进一步包括在所述壳体的内部上的驱动电极导体，其中所述驱动电极导体不与所述可检测对象直接接触，而是与所述可检测对象电容性耦合，从而将所述驱动信号从所述至少一个驱动电极传递至所述可检测对象。

7.一种用于增加触摸和接近传感器的接近感测距离的方法，所述方法包括：

提供用于所述触摸和接近传感器的壳体；提供电源；提供用于产生驱动信号的驱动信号发生器；提供用于接收所述驱动信号的至少一个驱动电极；提供至少一个感测电极，其中所述至少一个感测电极间接地与来自所述至少一个驱动电极的所述驱动信号电容性耦合；提供用于在所述至少一个感测电极上接收所述电容性耦合的驱动信号的感测电路；并且提供从所述至少一个驱动电极接收所述驱动信号的可检测对象；

在所述至少一个驱动电极上产生所述驱动信号；

将所述驱动信号从所述至少一个驱动电极传递至所述可检测对象；

将所述可检测对象上的所述驱动信号电容性耦合至所述至少一个感测电极；并且

利用所述感测电路检测所述可检测对象，其中通过所述感测电路可检测到所述可检测对象的距离大于所述可检测对象未接收到所述驱动信号的距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括：

将至少一个触摸传感器板设置在所述壳体的外部上；

将所述至少一个触摸传感器板与所述至少一个感测电极联接；

检测所述可检测对象的接近并检测所述可检测对象在所述至少一个触摸传感器板上的接触。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括：

将驱动电极导体设置在所述壳体的外部上；

将所述驱动电极导体与所述至少一个驱动电极联接；

使所述驱动电极导体与所述可检测对象直接接触；并且

将所述驱动信号从所述至少一个驱动电极传递至所述可检测对象。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括：

将至少一个触摸屏设置在所述壳体上；

检测可检测对象在所述触摸屏上的存在和移动；并且

向使用所述触摸屏的用户提供视觉反馈。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括：

将驱动电极导体设置在所述壳体的外部上；

将所述驱动电极导体与所述至少一个驱动电极联接；并且

通过将所述驱动信号与所述可检测对象电容性耦合来将所述驱动信号从所述至少一个驱动电极传递至所述可检测对象。

12.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括：

将驱动电极导体设置在所述壳体的内部上；

将所述驱动电极导体与所述至少一个驱动电极联接；并且

通过将所述驱动信号与所述可检测对象电容性耦合来将所述驱动信号从所述至少一个驱动电极传递至所述可检测对象。