CN109844704B - 可抓握控制器系统、该控制器的制造方法及传感器系统 - Google Patents

可抓握控制器系统、该控制器的制造方法及传感器系统 Download PDF

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Abstract

公开了不管诸如手指的对象大小如何而使用互电容传感器和自电容传感器的组合来确定对象是何时与控制器接触的系统和方法。

Description

可抓握控制器系统、该控制器的制造方法及传感器系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2017年7月27日提交的序列号为62/537,862、名称为“使用次级互电容测量的自电容传感器和传感器阵列灵敏度校准方法”的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的内容在此通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体涉及接近传感器。更具体地，本公开涉及一种用于通过使用自电容传感器和互电容传感器的组合来确定手指对手动控制器的触碰的系统和方法。
背景技术
存在可适用于当前公开的实施例的触摸传感器的若干设计。有用的是，检查触摸传感器的基础技术以更好地理解任何触摸板可以如何利用当前公开的实施例。
Figure GDA0003492581500000011
公司的触摸板是互电容感测装置，并且示例如图1中的框图所示。在该触摸板10中，使用X(12)和Y(14)电极的栅格和感测电极16来限定触摸板的触敏区域18。通常，当存在空间限制时，触摸板10是大约16×12电极或8×6电极的矩形栅格。与这些X(12)和Y(14)(或行和列)电极交错的是单个感测电极16。通过感测电极16进行所有位置测量。
Figure GDA0003492581500000012
公司的触摸板10测量感测线16上的电荷失衡。当没有指向对象在触摸板10上或接近触摸板10时，触摸板电路20处于平衡状态，并且在感测线16上不存在电荷失衡。当指向对象由于对象接近或触摸触摸表面(触摸板10的感测区域18)时的电容耦合而造成失衡时，电极12、14上出现电容变化。测量的是电容变化，而不是电极12、14上的绝对电容值。触摸板10通过测量必须注入到感测线16上以重新建立或重新获得感测线上的电荷平衡的电荷量来确定电容变化。
如下所述，上述系统用于确定手指在触摸板10上或接近触摸板10的位置。该示例描述了行电极12，并且对于列电极14以相同的方式被重复。从行和列电极测量获得的值确定交叉点，该交叉点是在触摸板10上或接近触摸板10的指向对象的形心。
在第一步骤中，利用来自P、N发生器22的第一信号驱动第一组行电极12，并且利用来自P、N发生器的第二信号驱动不同但相邻的第二组行电极。触摸板电路20使用互电容测量装置26从感测线16获得指示哪一个行电极最靠近指向对象的值。然而，在微控制器28的控制下，触摸板电路20还不能确定指向对象位于行电极的哪一侧，而且触摸板电路20也不能确定指向对象的位置距离电极有多远。因此，系统将待驱动的该组电极12移动一个电极。换言之，在该组的一侧上的电极增加，而该组的相对侧上的电极不再被驱动。然后，由P、N发生器22驱动新的组，并且进行对感测线16的第二测量。
根据这两次测量，可以确定指向对象位于行电极的哪一侧以及距离多远。例如，通过使用例程或程序来比较所测量的两个信号的大小，然后执行指向对象位置确定。
Figure GDA0003492581500000021
公司的触摸板的灵敏度或分辨率远高于行和列电极的16×12栅格所表示的灵敏度或分辨率。分辨率的数量级通常为每英寸960计数或更高。精确的分辨率由部件的灵敏度、相同行和列上的电极12、14之间的间隔以及对本公开并不重要的其他因素确定。使用P、N发生器24对Y或列电极14重复上述过程。
虽然上述
Figure GDA0003492581500000022
触摸板使用X电极12和Y电极14的栅格以及单独的单个感测电极16，但是通过使用多路复用，感测电极也可以是X电极12或Y电极14。
自电容传感器也是本领域普通技术人员已知的。当传感器使用自电容来测量对象与自电容传感器的接近时，在远距离处的较大对象和近距离处的较小对象这两种情况中的每一个在自电容传感器上具有类似的电容负载时，可能难以区分这两种情况之间的差异。例如，在特定的虚拟现实控制器(例如，Cirque公司的VR GRIPTM)上，因为可能使用各种大小的手指，所以可能难以确定手指是否伸展到VR控制器的传感器上方，或者手指是否实际上处于接触。因此，与接近控制器中的现有技术的状态相比，提供能够确定手指何时接触的控制器将是有利的。
当前的系统和方法也存在其他缺陷、缺点和问题。
发明内容
在第一实施例中，公开了一种不管手指大小如何而使用不同类型的电容传感器的组合来确定手指是何时与控制器接触的系统和方法。
因此，所公开的实施例包括一种用于可抓握控制器的系统，该系统具有：抓握部，被构造成手可抓握；以及传感器阵列，位于抓握部中。阵列可包括：第一自电容传感器；以及第一互电容传感器和第二互电容传感器，位于第一自电容传感器的两侧。在一些实施例中，传感器阵列被布置成线性阵列。在进一步的实施例中，线性阵列进一步具有第一端和第二端，并且第一互电容传感器位于第一端，第二互电容传感器位于第二端。在更进一步的实施例中，传感器阵列被布置成竖直线性阵列，或被布置成水平线性阵列。
在另一公开的实施例中，第二自电容传感器邻近于第一自电容传感器定位，并且第一自电容传感器和第二自电容传感器两者都位于第一互电容传感器和第二互电容传感器之间。在进一步的实施例中，传感器阵列被布置成具有第一端和第二端的线性阵列，并且第一互电容传感器位于第一端，第二互电容传感器位于第二端。在更进一步的实施例中，传感器阵列被布置成竖直线性阵列，或被布置成水平线性阵列。在更进一步的实施例中，第一自电容传感器和第二自电容传感器在竖直轴线上被布置成一个在另一个上方，该竖直轴线进一步包括左侧和右侧，并且第一互电容传感器包括位于竖直轴线左侧的细长传感器，第二互电容传感器包括位于竖直轴线右侧的细长传感器。
在其他公开的实施例中，自电容传感器进一步包括分段式传感器。
还公开了用于制造可抓握控制器的方法，该可抓握控制器具有被构造成手可抓握的抓握部。该方法的实施例包括：将传感器阵列定位在抓握部中。阵列的实施例包括第一自电容传感器、第一互电容传感器和第二互电容传感器。该方法的实施例进一步包括：将第一互电容传感器和第二互电容传感器定位在第一自电容传感器的两侧。
在进一步的实施例中，阵列进一步是包括第一端和第二端的线性阵列，并且该方法包括：将第一互电容传感器定位在第一端；并且将第二互电容传感器定位在第二端。在更进一步的实施例中，该方法包括：将传感器阵列布置成竖直线性阵列，或者将传感器阵列布置成水平线性阵列。在进一步的实施例中，该方法包括：将第二自电容传感器邻近于第一自电容传感器定位；并且将第一自电容传感器和第二自电容传感器两者定位在第一互电容传感器和第二互电容传感器之间。
其他公开的实施例包括一种传感器系统，该传感器系统具有：第一互电容传感器，具有内侧和外侧；第二互电容传感器，具有内侧和外侧；以及第一自电容传感器，靠近于第一互电容传感器的内侧并且靠近于第二互电容传感器的内侧定位。在进一步的实施例中，传感器系统包括邻近于第一自电容传感器定位的第二自电容传感器，并且第一自电容传感器靠近于第一互电容传感器的内侧定位，第二自电容传感器靠近于第二互电容传感器的内侧定位。在更进一步的实施例中，第一互电容传感器、第一自电容传感器、第二自电容传感器和第二互电容传感器沿竖直轴线布置。
其他公开的实施例包括一种触摸传感器系统，该触摸传感器系统具有：一个或多个自电容传感器；一个或多个互电容传感器，靠近于一个或多个自电容传感器定位，并且一个或多个互电容传感器被配置成测量靠近一个或多个自电容传感器的对象的互电容。在进一步的实施例中，一个或多个自电容传感器和一个或多个互电容传感器被布置成线性阵列、同轴阵列或多维阵列。
其他公开的实施例包括一种触摸传感器系统，该触摸传感器系统具有多个双模电容传感器的阵列，其中双模电容传感器中的至少两个被配置成检测互电容。在进一步的实施例中，多个双模电容传感器的阵列是线性阵列、同轴阵列或多维阵列。
还公开了其他的实施例。
考虑以下结合附图的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征、优点和可选方面对本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是示出可根据所公开的实施例修改的、现有技术的触摸传感器设计的框图。
图2是可在实施例中使用的控制器的透视图，其中传感器阵列可能位于控制器的抓握部上。
图3是所公开的实施例中的互电容传感器和自电容传感器的位置的特写示意图。
图4A是示出以竖直方式设置在控制器上的传感器的另一位置的另一实施例。
图4B是示出以圆形阵列设置的传感器的另一配置的另一实施例。
图4C是示出以棋盘阵列设置的传感器的另一配置的另一实施例。
图5是根据本公开的控制器的另一实施例的示意图。
图6是根据本公开的控制器的另一实施例的示意图。
虽然本公开允许各种修改和替代形式，但是在附图中通过示例的方式示出了具体实施例，并且将在本文中对具体实施例进行详细描述。然而，应当理解的是，本公开不旨在受限于所公开的特定形式。相反，旨在涵盖落入由所附权利要求所限定的本发明的实质和范围内的所有修改、等同方案和替代方案。
具体实施方式
应当理解的是，在整个文档中使用的术语“触摸传感器”可以与“电容式触摸传感器”、“电容式传感器”、“电容式触摸和接近传感器”、“接近传感器”、“触摸和接近传感器”、“触摸面板”、“触摸板”和“触摸屏”互换使用。
还应当理解的是，如本文所使用的，术语“竖直”、“水平”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等可指代附图中所示的所公开的装置和/或组件中的特征的相对方向或位置。例如，“上方的”或“最上方的”可指代一个特征比另一特征位于更靠近页面的顶部。然而，这些术语应当被广义地解释为包括装置和/或组件具有其他取向，诸如顶部/底部、以上/以下、上方/下方、上/下和左/右根据取向可以互换的倒置或倾斜取向。
所公开的实施例克服了仅使用自电容传感器的电容负载检测来确定诸如手指的对象何时与控制器接触的缺点。换言之，所公开的实施例能够在对象接近传感器时更精确地执行对象的接近跟踪，而不管大小如何并且不管因此可能由对象引起的电容负载如何。
如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的，与自电容测量相比，利用互电容测量，灵敏度相对于对象远离传感器的距离的关系呈指数下降得更快。因此，所公开的实施例采用互电容测量而非采用检测对象接近的自电容测量来区分“触摸”。互电容信息用于检测触摸并帮助关联自电容接近测量的最大值。
一个公开的实施例涉及使用接近自电容传感器208的互电容传感器210来在对象接近控制器200的表面时执行对对象的改进的接近检测和跟踪。
在第一实施例中，控制器200可包括抓握部202，其中手212握持抓握部202。图2示出了控制器200的示例。应当理解的是，控制器200仅是示例，并且可使用任何类型的控制器200。如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到，可以针对接近和触摸检测除手212或手指之外的诸如触针、笔、棒等的对象或其他导电对象。进一步地，如还将认识到，还可检测其他对象，例如气体、液体或改变被感测空间的介电常数或电导率的任何其他物质。
此外，应当理解的是，虽然实施例可以应用于三维传感器、手指抓握传感器、接近或悬停应用，但是它们也可以应用于可能需要接近检测或接近距离跟踪的任何应用。
图2还提供了控制器200上的三维抓握部202表面的位置204的示意图。抓握部202(或触发器)的位置204被用虚线示意性地示为轮廓，以指示传感器可以放置在控制器200中的位置。如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的，当手指(例如，来自用户的手212)未与抓握部202接触时，手指可以在抓握部202中的自电容传感器208上产生与当手指与抓握部202接触时相同的电容负载，因为手指可能具有不同的大小，因此手指可能产生迥然不同的电容负载。因此，可能难以确定对位于距抓握部202一定距离的手指的自电容测量和对已与抓握部202接触或“触碰”的手指的自电容测量之间的差异。
如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的，所公开的实施例利用场强与接近的差异来进行自电容和互电容测量。互电容传感器210可以被设计成比自电容传感器208对距离具有明显更低的灵敏度。以这种方式，互电容传感器210能够更好地确定对象何时触摸抓握部202。
图3中所示的实施例示出了控制器200的抓握部202的至少一部分，该至少一部分被示出为线性传感器206，其中ABCD可以表示自电容传感器208。互电容传感器210(A'和D')设置在自电容传感器阵列208的每一端。互电容传感器210(A'和D'处)能够检测手指何时触摸线性传感器阵列206，并且该信息可以用于为相应的自电容传感器208测量设置阈值限制(例如，动态范围)。
在另一实施例中，互电容传感器210(A'和D'处)可以被去掉，并且自电容传感器208(A和D处)用于执行互电容测量以减少执行测量所需的线性阵列206中的传感器元件以及相应电极的总数量。在另一实施例中，传感器208、210可以是可以在自电容检测模式和互电容检测模式之间切换的双模传感器。
图4A是示出以竖直阵列214设置在控制器200上的互电容传感器210和自电容传感器208的另一配置的另一实施例。如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的，除了其他方面，根据控制器200的类型，也可以使用其他形状、布置和配置的互电容传感器210和自电容传感器208。例如，图4B是示出以同轴阵列216设置的互电容传感器210和自电容传感器208的另一配置的另一实施例，并且图4C是示出以多维阵列218设置的互电容传感器210和自电容传感器208的另一配置的另一实施例。图4A至图4C中所示的传感器的布置仅仅是说明性的，可以使用更少或更多的传感器，可以使用不同的形状、大小，并且可以交换自电容传感器208和互电容传感器210的位置，可以使用不同的阵列，例如多层正交线性阵列(X-Y栅格)、3D打印立方体/角锥体、径向轮辐状等。
图5是根据本公开的控制器200的另一实施例的示意图。该实施例是以下示例：使用每手指单个自电容传感器208(例如，总共五个)和使用互电容传感器210，来检测抓握部202的哪一侧最初与伸展开的手指(例如，手212的掌侧面(图5中未示出))接触以及哪一侧与闭合的手指(例如，指尖)接触。其他数量、配置和布置的传感器208、210也是可以的。
图6是根据本公开的控制器200的另一实施例的示意图。如图所示，传感器可以布置在多区段(A、B、C、D)自电容传感器208的竖直阵列214中的多行中。水平布置自电容传感器208的区段(A、B、C、D)以测量手指的接近，而在阵列214中竖直布置多行以同时测量多个手指。虽然示出了五行四区段，但是也可以使用其他数量、配置和布置的区段、行和列。类似地，虽然示出了两个细长互电容传感器210，但是可以使用诸如分段式互电容传感器210的其他配置或其他数量的传感器210。
虽然上面仅详细描述了几个示例性实施例，但是本领域普通技术人员将容易理解的是，在示例性实施例中，在实质上不脱离本发明的情况下，可以进行许多修改。因此，所有这些修改旨在被包括在如所附权利要求中所限定的本公开的范围内。

Claims (28)

1.一种用于可抓握控制器的系统，所述系统包括：
抓握部，被构造成手可抓握；
传感器阵列，位于所述抓握部中，所述阵列进一步包括：
第一自电容传感器；以及
第一互电容传感器和第二互电容传感器，位于所述第一自电容传感器的两侧，
其中所述可抓握控制器被配置为根据互电容测量确定自电容接近测量的至少一个值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器阵列被布置成线性阵列。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述线性阵列进一步包括第一端和第二端，并且其中所述第一互电容传感器位于所述第一端，所述第二互电容传感器位于所述第二端。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述传感器阵列被布置成竖直线性阵列。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述传感器阵列被布置成水平线性阵列。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
第二自电容传感器，邻近于所述第一自电容传感器定位，并且其中所述第一自电容传感器和所述第二自电容传感器两者都位于所述第一互电容传感器和所述第二互电容传感器之间。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述传感器阵列被布置成线性阵列。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述线性阵列进一步包括第一端和第二端，并且其中所述第一互电容传感器位于所述第一端，所述第二互电容传感器位于所述第二端。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述传感器阵列被布置成竖直线性阵列。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述传感器阵列被布置成水平线性阵列。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一自电容传感器和所述第二自电容传感器在竖直轴线上被布置成一个在另一个上方，所述竖直轴线进一步包括左侧和右侧，并且其中，
所述第一互电容传感器包括位于所述竖直轴线的左侧的细长传感器；并且
所述第二互电容传感器包括位于所述竖直轴线的右侧的细长传感器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一自电容传感器进一步包括分段式传感器。
13.一种用于制造可抓握控制器的方法，所述可抓握控制器包括被构造成手可抓握的抓握部，所述方法包括：
将传感器阵列定位在所述抓握部中，所述阵列进一步包括：
第一自电容传感器；
第一互电容传感器；以及
第二互电容传感器；并且
将所述第一互电容传感器和所述第二互电容传感器定位在所述第一自电容传感器的两侧，
其中所述可抓握控制器被配置为根据互电容测量确定自电容接近测量的至少一个值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述阵列进一步包括线性阵列，所述线性阵列包括第一端和第二端，并且其中所述方法进一步包括：
将所述第一互电容传感器定位在所述第一端；并且
将所述第二互电容传感器定位在所述第二端。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括：
将所述传感器阵列布置成竖直线性阵列。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括：
将所述传感器阵列布置成水平线性阵列。
17.根据权利要求13的方法，进一步包括：
将第二自电容传感器邻近于所述第一自电容传感器定位；并且
将所述第一自电容传感器和所述第二自电容传感器两者定位在所述第一互电容传感器和所述第二互电容传感器之间。
18.一种传感器系统，包括：
第一互电容传感器，进一步包括内侧和外侧；
第二互电容传感器，进一步包括内侧和外侧；
第一自电容传感器，靠近于所述第一互电容传感器的内侧并且靠近于所述第二互电容传感器的内侧定位，
其中所述系统被配置为根据互电容测量确定自电容接近测量的至少一个值。
19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括：
第二自电容传感器，邻近于所述第一自电容传感器定位；
其中所述第一自电容传感器靠近于所述第一互电容传感器的内侧定位；并且所述第二自电容传感器靠近于所述第二互电容传感器的内侧定位。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第一互电容传感器、所述第一自电容传感器、所述第二自电容传感器和所述第二互电容传感器沿竖直轴线布置。
21.一种触摸传感器系统，包括：
一个或多个自电容传感器；
一个或多个互电容传感器，靠近于所述一个或多个自电容传感器定位，并且其中所述一个或多个互电容传感器被配置成测量靠近所述一个或多个自电容传感器的对象的互电容，
其中所述系统被配置为根据互电容测量确定自电容接近测量的至少一个值。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个自电容传感器和所述一个或多个互电容传感器被布置成线性阵列。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个自电容传感器和所述一个或多个互电容传感器被布置成同轴阵列。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个自电容传感器和所述一个或多个互电容传感器被布置成多维阵列。
25.一种触摸传感器系统，包括：
多个双模电容传感器的阵列，其中所述双模电容传感器中的至少两个被配置成检测互电容，
其中所述系统被配置为根据检测的互电容测量确定自电容接近测量的至少一个值。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述多个双模电容传感器的阵列是线性阵列。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述多个双模电容传感器的阵列是同轴阵列。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述多个双模电容传感器的阵列是多维阵列。
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