CN1327323C - 输入系统 - Google Patents

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Abstract

用户输入系统(1)，包括用于生成交变磁场的线圈(44)、无绳笔(9)以及电容电流测量装置或电场感测装置。无绳笔(9)包括共振电路(34)、导电壳体(28)以及导电尖端(36)。交变磁场在共振电路(34)中感生交变电压，该共振电路(34)与导电尖端(36)耦合。电容电流测量装置包括电阻薄层(40)和电流测量装置(42)，该电流测量装置用于测量从导电尖端(36)流到电阻薄层(40)的电容电流。电场感测装置包括电场感测接收电极(47)和电流感测电路(48)，用于测定电场感测接收电极(47)中由导电尖端(36)产生的电场所激发的电流。在每种情况下，在多个位置上感测电流并且比较不同的大小以测定导电尖端(36)相对于该多个位置的位置。系统也可以适于感测用户的手指(8)。用户输入系统(1)可以合并到显示设备、例如有源矩阵液晶显示设备(4)中。

Description

输入系统
技术领域
本发明涉及用户输入系统，或者用户输入设备，尤其是那些采用手持笔或者触笔(styluse)的设备。特别地，本发明适合于，但不限于显示设备、例如液晶显示设备的用户输入系统。
背景技术
已知有如计算机，自动售货机等等设备的很多种用户输入系统，设备或者界面。一些类型的输入设备如传统的键盘是基于机械操作的开关的，该开关是由用户通常用手指施加压力的这一直接行为激活的。其他类型的输入系统基于以其他的方式感知用户的行为。例如，传统的计算机鼠标感知用户引起的鼠标的移动。
许多类型的装置还含有显示设备或显示器，或者在使用的时候连接到显示设备或显示器上。一种已知的显示设备为液晶显示设备。通常在显示设备上正在显示的信息在用户输入数据、例如指令或者一些其它信息给装置的时候被更新(例如，通过计算机键盘输入的信息显示在计算机的显示器上)。
在某些装置中，显示设备和用户输入设备是以集成的显示器和用户输入设备的形式实现的。这样的设备通常被称作“触摸屏”设备。在这些情况下，在显示区域上希望的位置处，用户直接地或者使用物体、或者把物体如手指放在显示器附近位置来按压或者触摸显示器。显示器区域上的位置通常代表在屏幕上显示输入的选择。
在其它已知的输入系统、如US-4,878,533和EP-0,417,921公开的输入系统中，通过操纵和显示器接触的或者接近显示器的笔或者触笔，用户有选择地输入数据。实现这一输入系统的一种系统包括显示器上的环路或者线圈，用于生成交变的电磁场来激发笔中的感应电路，然后笔自身产生交变电磁场，该电磁场由显示器上的另外一个环路或者线圈感测(或者原始环路或者线圈在发送和感测之间时间复用)。在其它已知的系统中，依靠生成由显示器上的环路或者线圈感测的交变电磁场来感测笔，笔有内部电源而不是感应电路。这种类型的系统存在一个问题，即，感测回路或者线圈，以及关联的控制电子设备，在显示器中可能很难实现。另一个缺点是，取决于所需的应用，用户的手指不能被感测来允许同时或者交替的触摸屏输入。
US-5,365,461公开了一种输入系统，该系统感测手指输入和笔输入。交变电压源给电阻薄层提供交变电压，并且感测电阻薄层与用户手指或者笔的电容耦合。在用户手指的情况下，由用户提供接地的路径，流过电阻薄层的每一个角落的电流的相对大小被测量，并对结果进行处理来确定手指的位置。笔是导电笔，电连接到交变电压源(因此，笔和显示器物理连接在一起，即有线的)，在笔的操作过程中，交变电压被传送给笔，这样由于笔尖和电阻薄层之间的电容耦合，使得电流从笔尖流到电阻薄层。至于手指操作，流经电阻薄层每一个角落的电流的相对大小被测量，并对结果进行处理来确定笔的位置。
US-5,777,607公开了和US-5,365,461公开的相类似的系统，除了将笔用作为电压探测器。
另一已知感测技术的领域，包括电容感测和电场感测，也就是熟知的准静电(quasi-electrostatic)感测，以及可被称作交叉电容感测(cross capacitive sensing)。使用电场感测来检测三维空间中的物体已经为大家所知很长时间，其还例如被用在接近传感器(proximitysensor)中。在大自然中，象鼻鱼(gnathomenu petersii fish)使用电场感测来检测物体。以它最简单的形式，电容感测仅使用一个电极，对那个电极的负载电容做出测量。该负载电容由电极和电极附近的所有接地物体之间的所有电容之和所决定。这就是接近传感器所完成的。电场感测，可以被称为交叉电容感测，使用两个电极，有效地测量两个电极之间具体的电容。和电场生成仪器连接的电极可以被看作是电场感测发射电极，和测量仪器连接的电极可以被看作电场感测接收电极。第一个(发射)电极用交变电压激励。因此，由于两个电极之间的电容耦合，在第二个(接收)电极中感生位移电流(即，电场线的作用)。如果在电极附近放置物体(即在电场线中)，一些电场线被物体终止，电容电流减弱。如果对电流进行监控，就可以感测到物体的存在。
US-6,02,726公开了电场感测装置、特别地作为用于计算机和其它的应用的用户输入设备的使用。根据所需的应用，电场感测装置感测用户手指、手或者整个身体的位置。
发明内容
本发明人已意识到如果能够提供笔输入系统，该系统也能被用作手指输入，但是笔和显示器不连接，即，该笔可被称为无绳笔，那么将是令人满意的。该系统，尤其是其感测元件能够方便地在显示设备(如液晶显示设备)中实现，则更可取。手指的输入能够容易地和这样的笔的输入区分开来，更可取。
本发明的首要方面是提供一个用户输入系统，包括：用于生成交变磁场(如交变电磁场的磁场分量)的装置，该生成装置例如是回路或线圈；包括共振电路的用户手持设备；用于接地(接地)的装置；导电尖端；用于接地的装置与共振电路第一侧耦合，导电尖端与共振电路第二侧耦合；共振电路用于在位于用于生成交变磁场的装置的附近时，提供从交变磁场中感生的交变电压；以及当导电尖端位于用于感测输出的装置附近时，用于感测由于交变电压而在导电尖端上提供的输出的装置。
优选地，感测由导电尖端提供的输出的装置包括如下两个装置，即，确定在多个位置感测的输出强度的装置，以及比较多个感测到的输出强度来确定导电尖端相对于该多个位置的位置的装置。
感测装置可包括电阻薄层和电流测量装置，如：安培计，用于测量从导电尖端流到电阻薄层的电容电流。
还可能为，感测装置包括电场感测接收电极和电流感测电路，来确定由导电尖端产生的电场在电场感测接收电极中激发的电流。
优选地，感测装置用于充分滤出在电场感测接收电极中产生的电流，该电流由用于生成交变磁场的装置生成的电场或电场分量产生。滤出可通过使用用于生成交变磁场的装置生成的电场和导电尖端生成的电场之间的相位差完成。附加地或者替代地，可提供屏蔽来充分阻断由用于生成交变磁场的装置所生成的任何电场，并且充分允许通过用于生成交变磁场的装置所生成的磁场。当用于成生交变磁场的装置为环路或者线圈时，屏蔽包括缠绕在线圈上的接地的超环面导线，则更可取。
该系统可以被配置来测定导电尖端到电场接收电极平面的距离，把测定的距离和预先确定的阈值相比较，如果测定的值小于或者等于阈值，则把导电尖端的位置看作输入，如果测定的值大于阈值，则不把导电尖端的位置看作输入。
用户手持设备被构造用作无绳笔或者触笔则更可取，采用导电尖端给用户提供书写的感觉则更可取。
用户手持设备包括外部壳体，用户可以通过该外部壳体手持用户手持设备，则更可取，并且，当用户持无绳笔来完成从共振电路的一端到地的一个连接时，对于用户的手而言，该壳体充分导电。还可能，耦合线圈位于壳体的内部或者外部来便于共振电路和用户的手之间的耦合。
该系统还包括感测用户手指的装置，则更可取。当电容电流感测执行感测时，由于使用无绳笔，所以从电流中可辨识地感测从用户的手指流到电阻薄层的电容电流。当电场感测执行感测时，电场感测电极也用于感测另一个生成的电场中的变化，由于用户的手指中断这后一个生成的电场。
另外，本发明提供了一种显示设备，例如，有源矩阵液晶显示设备，包括按照上面所描述的各方面中任一方面的用户输入系统。多个电流感测位置可以位于显示设备显示区域的周边上，在长方形显示区域的每个角落，则更可取。线圈可以被置于显示区域的周边上。在电容电流感测的情况下，也可以使用显示设备的共同电极或者平面电极作为电容电流感测装置的电阻薄层。
另外，本发明还提供一种用户手持设备，如：前面关于本发明先前方面所描述的的任何类型的无绳笔或者触笔。
另外，本发明提供一套用户手持设备，包括多个按照本发明前面所述方面的用户手持设备，其中每个用户手持设备有不同的调谐频率。通过对交变磁场的不同的生成频率进行响应，输入系统可以区分不同的笔，例如假设具有不同选择的颜色的虚拟输入。
另外，本发明提供一种用户输入系统，包括用于生成交变磁场的线圈，无绳笔，以及电容电流测量装置或电场感测装置。无绳笔包括共振电路，导电壳体和导电尖端。交变磁场感应共振电路中的交变电压，该共振电路和导电尖端耦合。电容电流测量装置包括电阻薄层和用于测量从导电尖端流到电阻薄层的电容电流的电流测量装置。电场感测装置包括电场感测接收电极和电流感测电路，用于测定在电场感测接收电极中由导电尖端生成的电场所激发的电流。在每种情况下，电流在多个位置被感知，比较不同的电流大小来确定导电尖端相对于多个位置的位置。该系统也可以适于感知用户的手指。用户输入系统可以合并到显示设备、如有源矩阵液晶显示设备中。
因此，提供一种无绳笔输入系统，该系统也可以允许来自用户手指的输入，并且可以容易地集成到显示设备、如液晶显示设备中。
参考下文所述的实施方式来描述本发明，本发明的上述方面以及其它的方面也将更显而易见。
附图说明
本发明的实施方式将通过实例并结合附图进行描述，其中：
图1是一体化的显示器和用户输入系统的示意说明(不是按比例)；
图2是显示屏的示意截面图(不是按比例)；
图3是图1中显示器和用户输入系统中某些元件的示意说明；
图4是被持于用户右手中的无绳笔的示意表示；
图5是连接到线圈上的驱动电路的示意表示；
图6是另一个显示器和用户输入系统中某些元件的示意说明；
图7是电场感测接收电极的电场感测装置的示意说明；
图8是展示电流感测电路的功能模块的框图；以及
图9是另一种无绳笔的示意表示。
具体实施方式
下面所描述的实施方式包括一体化的显示器和用户输入设备，即，触摸屏设备，其中，输入元件集成到显示设备中，用于给无绳笔提供激发电磁场，并且用于感测无绳笔和用户的手指。然而，应该意识到，在其它的实施方式中，可以提供相同的或者相应的输入元件，而没有显示设备元件，因此提供一个与显示器分离的单独的输入系统。
图1是根据第一实施例的一体化的显示器和用户输入系统1的示意说明(不是按比例)，被称为触摸屏设备。系统1包括壳体2，以及显示屏4。
在显示屏4上显示图像，该图像包括许多代表虚拟用户按钮6a，6b，6c的图标。在这个实例中，一个用户按钮，即用户按钮6a，被显示为通过用户把其左手手指8靠着显示屏放在显示屏显示用户按钮6a的区域内被选择。
图像还包括用户书写区域7，该区域是代表一个区域的图像，在该区域中通过用户移动笔或者触笔在区域上形成的虚拟文字、图画或者其它图案在用户移动笔的位置上被显示。在本实例中，提供了这样的输入来响应用户右手10所持的无绳笔9。无绳笔9是电子/电磁设备，因为它提供与传统的墨水笔类似的操作，所以称它为笔，这里，更具体的说是无绳笔。它也被称作触笔。
图2是显示屏4的示意截面图(不是按比例)。在本实施方式中，显示器是液晶显示器。显示屏4包括第一透明板12(如玻璃)和放置在其上的有源矩阵层14。液晶定向层16沉积于有源矩阵层14之上。显示屏4还包括第二透明板18(如玻璃)和在其上的共同电极层20，该电极层包括共同电极。第二透明板18有液晶定向层22，其沉积于共同电极20上。第二透明板18与第一透明板12相间隔。液晶层24包括扭曲向列液晶材料，放置于两个透明板12，18的定向层14，22之间。液晶显示设备的这些以及其它的细节，除了下文关于附加的包括电场感测元件所表述的，都可以按照传统的有源矩阵液晶显示设备，在本特定实施方式中，与US5,130,829公开的液晶显示设备相同，操作也相同，US5130829的内容在此被引用。
有源矩阵层14由许多个薄膜层构成，这些薄膜层使用传统的沉积和图案形成技术。有源矩阵层14包括多个显示元件。这里使用术语“显示元件”来指有助于显示屏4的显示功能的任何元件。在本实施方式中，多个显示单元包括象素电极，多晶硅薄膜晶体管(TFT)，(每个象素电极一个)，以及驱动线，即，行和列驱动线。
此外，有源矩阵层14包括输入元件，用于给无绳笔9提供激发电磁场，也用于感测无绳笔9和用户手指8，将在下文详细阐述。
按照传统方式使用共同电极在液晶层24的一面提供共同的电压电平，作为液晶光调变(即，显示)过程的一部分。因而，共同电极层20和显示屏4实际上作为一个整体，这样还包括传统的连接，用于给共同电极提供所需要的电压。然而，在本实施方式中，共同电极也用于感测来自无绳笔9或用户手指8的电容电流，将在下文详细阐述。因此，共同电极层20，有源矩阵层14，显示屏4实际上作为一个整体，还包括从共同电极到有源矩阵层14的输入元件的适当连接。
图3是显示器和用户输入系统1中某些单元的示意说明。系统1还包括导电材料构成的线圈44(或者为回路)。在本实例中，线圈44由沉积于第一透明板12上的导电轨道构成，作为有源矩阵层14的一部分。在其它的实施方式中，线圈44可以用任何其它适当的方式来实现，如沉积在第二透明板上，或者以铜线电缆的形式。线圈44与驱动电路46耦合。
系统1还包括无绳笔9。无绳笔9包括共振电路34，作为交变电压源工作，将在下文详细阐述。在操作中，共振电路/有效电压源34的一个输出端与地面耦合，另一个输出端与导电尖端36耦合，该导电尖端构成无绳笔9的一部分。系统1还包括电阻薄层40，在本实例中，通过上述共同电极来实现，并且因此基本上在形状和面积上与显示屏4的显示区域3对应。电阻薄层40的每个角落通过各自的安培计42与地面耦合。
系统1的操作如下。驱动电路46这样驱动线圈44，使得线圈44生成交变磁场。交变磁场的频率与无绳笔9中共振电路34的共振频率基本一致。交变磁场感生横跨共振电路34两端的交变电压，因此该共振电路在工作时可以被看作一个交变电压源(如图3所示)。
共振电路34的第一侧连接到无绳笔9的壳体或者其它结构。无绳笔的壳体或者其它结构对于用户的手10而言是充分导电的，当手持无绳笔9时，完成从共振电路34的第一侧到地面的连接(将在下文详细阐述)。
共振电路34的第二侧连接到无绳笔的导电尖端36。当尖端36置于电阻薄层40上时，尖端36与电阻薄层40之间的电容耦合引起电流从共振电路34流经笔尖端36到电阻薄层40，因此到达安培计42。以传统的方式，对由4个安培计42的每一个分别测量的各自的电流的相对大小进行处理，来确定尖端36相对于电阻薄层40的角落的位置。
本实施方式还包括可选装置，用于当电容耦合到电阻薄层40时附加地感测用户手指8。该装置包括传统的电容耦合触摸屏电路，其通过4个安培计42连接到电阻屏幕40，使得当用户手指8与电阻薄层40容性耦合时，构成到接地的电路。通常，以传统的方式，对4个安培计中的每一个测量的各自的电流的相对大小进行处理，来确定尖端36相对于电阻薄层40的角落的位置。以任何适当的方式区分由于用户手指8而在安培计42中测量到的的电流与由于无绳笔9而在安培计42中测量到的电流。在本实施方式中，是通过时间复用来实现的，即，驱动电路46和传统电容耦合触摸屏电路交替工作，并且在不同的时间检测各自的电流。在其它的实施方式中，与笔感测相比，可以为手指感测使用和检测单独的相位，或者可以使用不同的交变电压/电流的频率。
现在参考图4对无绳笔9进行详细的说明，图4是被用户持于右手10的无绳笔9示意表示。无绳笔9包括壳体28。共振电路34包括和电容器32并联的感应器30。
对无绳笔9的操作包括用户的手10，当持有无绳笔9时，完成了从共振电路34的第一侧到地面的耦合。包括壳体28的无绳笔9的结构、材料和连接可以按照需要来实现以提供这样的功能。同样，配置无绳笔9的结构、材料和连接，使其最小化，或者至少缩小保护共振电路34不受线圈44生成的磁场影响的屏蔽，则更可取。
在本实施方式中，壳体28用绝缘塑料材料制成，除了一部分，这里为朝向笔的尖端的金属带29，例如如附图4所示布置该金属带。金属带29置于用户一般在使用时夹持无绳笔9的位置。因此，在使用的时候，在共振电路34和用户的手10之间提供有效耦合。由于该位于用户的手10和壳体28的金属带29之间的导电耦合是用于变换电流，其中电容耦合是主要的(如100kHz频率)，如果想要包含在金属带29的外侧(以及壳体28的其它部分，例如，如果希望为整个壳体28提供一致的表面外观)上的一个薄的绝缘层，如涂漆也是可能的。
在本实施方式中，金属带29提供有效耦合，然而，与整个壳体都是金属的情况相比，保护共振电路不受线圈44生成的磁场影响的屏蔽被减小，特别地，通过在无绳笔9中把共振电路34(或者至少其中的感应部分)放置在被壳体28的绝缘材料部分环绕的位置上，即远离金属部分29。
共振电路34的第二侧连接到导电尖端36，该尖端从壳体28中的一个豁口伸出。尖端36被优选地设计为在按压显示器2的外表面的时候给用户提供适当的书写感觉，同时足够尖或者在末端被制成一定形状，来允许与电阻薄层40有适当程度的电容耦合。
现在参考图5对驱动电路46进行详细阐述，图5是连接到线圈44的驱动电路46的示意表示。将这些结合起来提供电磁场生成器55(即磁场生成器)。
驱动电路46包括函数发生器50，可以被看作与内部电阻52串联的交流电压源51。电容器54和函数发生器50并联。线圈44的一端连接到电容器54和函数发生器50的一端，线圈44的另外一端连接到电容器54和函数发生器50的另外一端，并且也接地。
尽管可以使用任何适当的电路来用交流电驱动线圈44，这样的驱动电路装置是有益的，因为它提供了从函数发生器50到线圈44的相对有效率的能量传输。特别地，用理想的元件(如，零电阻线圈44和电容54)，当共振时，流经线圈44的电流IL就和流经电容器54的电流IC的相位相差180°，以致没有电流流经函数发生器50的内部电阻52。因此不会有电压从内部电阻52下降，即，横跨线圈44的电压会被最大化。然而，实际上，有与线圈44和电容器54相关的实际的电阻，在其上会有压降。
在上面所述的实施方式中，液晶显示设备的共同电极被用作电阻薄层40。这通过以下方式而成为可能，即把第二透明板18做的足够薄，以致于当用户手指10和无绳笔9被置于第二透明板18的外表面之上或者附近的时候，在用户手指10和无绳笔9之间产生充分的电容耦合。在其它的实施方式中，除了共同电极，可提供单独的电阻薄层，即，如传统电容触摸屏设备中的通常方法。另一种可能性是，电阻薄层可作为透明的导电层沉积在第二透明板18的外表面上。这些可能性也适用于线圈44。
在上面所述的第一个主要实施方式中，无绳笔9(和可选地用户手指8)的位置通过电容耦合提供的电流来感测。在第二个主要实施方式中，下文将结合图6至8详细阐述，使用电场感测来对无绳笔9(和可选地用户的手指8)的位置进行感测。
图6是第二个实施方式的显示器和用户输入系统1中某些元件的示意说明。系统1包括下列的各元件，其按照与第一个实施方式同样的方式来布置：导电材料做成的线圈44(或者回路)，驱动电路46，以及无绳笔9
然而，在第二个实施方式中，没有电阻薄层和与其连接的安培计。作为代替，电场感测元件被放置在显示屏4的显示区域3的每个角落附近。特别的，在显示区域3的每个角落上分别放置电场感测电极47，每个电场感测电极47与各自的电流感测电路48耦合。在该实施方式中，电场感测元件作为有源矩阵层14的一部分而形成，但是通常他们可以被配置在显示屏4的结构内任何便利的位置上。
在该实施方式中，驱动电路46和线圈44的操作方式与第一个实施方式中的操作方式相同，使得共振电路作为交变电压源工作。
在该实施方式中，共振电路34(作为交变电压源工作)提供的交变电压从无绳笔9的尖端36生成交变电场。当尖端36被置于显示区域之上或者附近时，该电场激励电场感测电极47，因此引起电流的流动，该电流由各个电流感测电路48进行感测或者测量。用传统的方式对由4个电流感测电路48中的每一个感测或测量的各个电流的相对大小进行处理，来确定尖端36相对于显示区域3的角落的位置。
电流感测电路48可以以任何适当的方式实现。在本实施方式中，它们的实现方式特别适于进一步可选的装置，该装置包含在本实施方式中，即，用于当用户手指8位于显示屏4附近时也能感测用户手指8的装置。这将结合图7和图8进一步阐述。
图7是一个电场感测接收电极47的电场感测装置的示意说明。提供一个(或者更多)电极作为电场感测发射电极102(注意该电极用于手指感测，对于无绳笔9的检测并不需要)。电场感测发射电极102可以被置于任何适当的位置，如在显示区域3周围，或者通过时间复用其它电场感测电极47并切换他们的用途为传输来提供。在本实施方式中，独立的发射电极作为有源矩阵层14的一部分而形成。感测装置还包括连接到电场感测接收电极47上的电流感测电路48，以及交变电压源106，该交变电压源连接到电场感测发射电极102上。
我们应首先考虑当无绳笔9不在显示屏4附近时该装置的操作，即我们首先考虑仅仅对用户手指8的感测。
在操作中，当交变电压加到电场感测发射电极102上时，生成电场线，其中示意性的电场线111和112穿过电场感测接收电极47。场线111，112感生小的交变电流，该电流由电流感测电路48测量(电流感测电路48使用来自交变电压的分接信号(tapped off signal)来与电场感生电流的相位协调，将在下文详细阐述)。
图7还展示了显示屏4的外表面114的位置。当用户手指8放在显示屏4的外表面114上(或者即使没有接触也在表面附近)，手指8中止那些场线(如图7所展示的情况，场线111)，否则那些场线将会穿过手指8所占据的空间，因此减弱了从电场感测接收电极47流出的电流。因此电流感测电路测量的电流电平被用作为电场感测接收电极47附近存在手指8的量度。
图8是展示电流感测电路48的功能模块的框图。电流感测电路48包括放大器120，其输入端连接到电场感测电极47上。放大器120的输出分为两部分，提供两个有效的处理通道。一个处理通道(在下文称为第一处理通道121)用于处理电场感测发射电极102所生成的场线(如111，112)提供的电流的变化(即，用于感测用户的手指8)。另一个处理通道(下文称为第二处理通道123)用于处理无绳笔9生成的电场提供的电流(即用于感测无绳笔9)。
第一处理通道121包括倍增器122和低通滤波器124。这些功能模块(以及那些在下文为第二处理通道123所描述的)可以以任何适当的方式实现，例如，使用US6025726公开的电路设计，在这里引用其内容。
第一处理通道121按照如下方式操作。电场感测接收电极47中感生的位移电流126被放大器120放大，并且被倍增器122用加到电场感测发射电极102上的电压的分接和相位偏移(由相位偏移模块实现，该模块这里没有示出)版本127倍增。分接电压被进行相位偏移，使得产生和位移电流126的相位相同的相位。因此，如果我们在这里假设放大器120是理想的，即，不给位移电流126引入任何额外的相位偏移，那么，分接电压的相位偏移90°。如果实际上放大器120给位移电流126引入额外的相位偏移，那么，分接电压的相位可以按照要求调整来适应。
然后，对倍增器122的输出进行低通滤波来提供输出信号128。输出信号128因此是对由电场感应发射电极102生成的电场在电场感应接收电极47中感生的电流的衡量，并且将响应放在电场感应电极102，47附近的手指8而有所变化。然后对输出信号128进行处理，也处理来自另外三个电场感测装置(即在另外三个角落上)的对应的输出，以便根据四个电场感测装置中的每一个所确定的各个电流的相对大小来确定手指10的位置。
我们现在应考虑当无绳笔在显示屏4附近时装置关于感应无绳笔9的操作。再次参考图6和7，如上面所述，驱动电路46驱动线圈44，使得线圈44生成交变磁场。使交变磁场的频率与无绳笔9的共振电路34的共振频率基本上相同。交变磁场感生跨接共振电路34的交变电压，该电路在操作中因此可以被看作为交变电压源。共振电路34作为交变电压源工作，生成电场，在图7中由场线155，156表示。当无绳笔9放在显示屏4的外表面114上面或者附近时，在电场感测接收电极47附近，无绳笔9生成的场线155，156通过电场感测接收电极47。场线155，156因此进一步感生更小的交变电流，该交变电流也由电流感测电路48测量，现在将再次结合图8详细阐述。
特别的，电流感测电路48的第二处理通道123用于处理由电场155，156感生的交变电流，现在进行描述。第二处理通道123包括第二倍增器142，第二低通滤波器144，和相位偏移模块146。这些功能模块可以以任何适当的方式实现。如上所述，在操作中，电场感测接收电极47感生的位移电流126被放大器模块120放大，来自放大器模块120的放大的输出被分开，并传送到倍增器142(也传送到倍增器122)。
加到电场感测发射电极102上的电压的分接和90°相位偏移的版本127也被输入到相位偏移模块146，相位偏移模块采用90°相位偏移。倍增器142用产生的分接电压的版本来倍增放大的电流信号，并且对产生的倍增信号用低通滤波器144进行低通滤波，来提供第二输出信号148。该第二输出信号148因此是由在无绳笔9的导电尖端36上产生的电场155，156在电场感测接收电极47中感生的电流的量度，并且将根据导电尖端36相对于电场感测接收电极47的位置而变化。
然后，输出信号148和从其它三个电场感测装置(即，在其它三个角落上)得到的对应的输出被处理，以便根据四个电场感测装置中的每一个所确定的各个电流的相对大小来确定无绳笔9的位置。
在图4中所示的电路中，形成两个处理通道，第一通道121包括第一倍增器122和第一低通滤波器124，第二通道123包括第二倍增器142和第二低通滤波器144。作为这样两个处理通道的替代，可以以时间复用的方式通过在0°相位90°相位之间切换相位基准输入而采用单个处理通道，。
在本实施方式中，共振电路34提供的交变电压与跨接线圈44的电压(理想地)相差90°相位。这意味着由线圈44所生成的电场在电场感测接收电极47中产生的电流(干扰的潜在形式)被电流感测电路48有效地(或者至少基本上)滤出，即“同相”的第一个通道121测量线圈44的耦合的位移电流，而“异相”的第二通道123测量无绳笔9的位移电流。
取代或额外地把线圈44生成的电场在电场感测接收电极47中产生的电流有效地滤出(如前面段落所述)，可以采用其它的方法。一种可能是周期性地断开线圈44，当线圈44断开的时候，测量电场感测接收电极47的电流。这很容易实现，因为线圈44的信号会衰减即消失得比无绳笔9的信号快的多。这是因为，当线圈断开时，两端都接地，因此线圈上没有相位差来产生信号。再参考图6，另外一种的可能性可以作为本实施方式中的优选选项采用，用于提供接地的围绕线圈44的超环面线(toroidal wire)180(为了清楚起见，在图中只示出具有超环面线180的线圈44的一部分，但是实际上，这将沿着线圈44的整个长度延伸)。超环面线180充分屏蔽线圈44生成的电场，但是不会明显影响线圈44生成的磁场，因为任何涡流(edicurrent)将沿着远离环线中心的方向。
这样调整驱动电路46和电流感测电路48，使得在笔远离显示屏4所要求的最大操作距离上从无绳笔9检测到的信号不至于太低以致于检测不到。同样，调整驱动电路46和电流感测电路48，使得当无绳笔9接触显示屏4时从无绳笔9检测到的信号不饱和。这优选地通过动态调整装置来实施，在该动态调整装置中在电流感测电路48和驱动电路46之间提供反馈路径，使得当电流感测电路48感测到的电流增强时加在线圈44上的电压降低。
如下为本实施方式中实现的另外一个优选选项。按照传统的方式从电极的相对电流确定无绳笔9的尖端36离开电场接收电极47的平面的距离(即，“高度”或者如图7中所示的z轴9as)如果显示平面是x轴和y轴来定义的)。比较确定的距离和预先确定的阈值。如果确定的值小于或者等于阈值，则无绳笔9被认为正被用户用于书写，确定的x-y位置被用作用户输入。然而，如果确定的值大于阈值，则认为在那个时刻用户没有使用无绳笔9进行书写的意图，即，系统在用户已把无绳笔9从虚拟书写表面移走的基础上工作，并且无绳笔9的x-y位置不会被看作用户输入。可以以任何适当的方式确定阈值，该方式包括使用算法来使得系统适应各个用户操作系统的方式，例如，通过使用标准练习进度表，通过它系统监控用户执行规定的书写任务并相应地调整阈值。替代地或者附加地，用户可以直接选择重置或改变阈值。
在上面的实施方式中，如参考图4所述的，通过无绳笔29的壳体28的导电部分29来完成用户的手10(因此接地)与共振电路34之间的耦合。然而，这样的耦合可以以任何提供所需耦合程度的方式实现。例如，壳体28可以为导电材料和绝缘材料的任何适当的组合，其提供所需的耦合量。也可以采用其它的配置。现在参考图9对一个优选配置进行阐述。
图9是无绳笔9的另一种优选配置。无绳笔9包括与先前描述相同的下列元件：壳体28，包括感应器30和电容器32的共振电路34，导电尖端36。在该配置中，壳体28由绝缘塑料制成。无绳笔9还包括耦合线圈31，被置于壳体28的内表面附近，基本上沿着无绳笔9的长度方向，因此，环绕共振电路34(耦合线圈31还可以可选地放置在壳体28的外测附近)。耦合线圈31连接到共振电路34的第一侧。导电尖端36连接到共振电路34的第二侧。耦合线圈用于容性耦合共振电路34和用户的手10提供的交变电流。壳体28的塑料材料表示在耦合线圈31和用户的手10之间形成的电容的电介质。达到这样效果的优选频率例如为100kHz。通过延长无绳笔9的长度，耦合线圈31把与用户的手10之间的耦合效果最大化。耦合线圈被用于最小化或者减少涡流(eddycurrent)，因此吸收线圈44生成的磁场的磁通量。这保存或者至少不会显著减少磁场到达共振电路34的效率。然而，作为另一种可能性，耦合线圈可以只在无绳笔9的一部分长度上延伸，并且可以例如这样安排，使得其不环绕共振电路34或者沿着共振电路34延伸。
在上面的实施方式中，把共振电路34准确地调谐到驱动线圈44的频率则更佳。由于这个原因，电容器32作为热稳定的电容器实现则更佳。例如，电容器32可以使用两个并联的电容器来实现，即一个聚苯乙烯(polystyrene)电容器，热漂移率为0.01％/℃，和6-50pF陶瓷电容器，热漂移率为0.03％/℃。
在上面的实施方式中，共振电路34包括并联的感应器和电容器。然而，可以使用基于其它的感应器/电容器电路作为共振电路，提供一种装置来引起磁场的感应，还提供存储装置来存储由此提供的能量。
在上面所述的实施方式中，无绳笔9相对于4个角落的位置从在4个角落上测量的相对电流来确定。可选地，可以确定来自4个角落的电流的总的大小，并将其用于确定无绳笔相对于显示屏4的倾斜角度，因为总电流是无绳笔9的感应器30和线圈44之间的磁场感应强度的函数。确定无绳笔9的倾斜角度很有用，因为可以有选择地安排系统使用这个信息来纠正视差(parallax)。产生该效果是因为无绳的导电尖端可距离实际图像平面多近的限制是由显示平面的顶层透明板18的厚度决定的。安排系统确定笔尖x-y位置，然而，用户会发现笔尖在x+Δx，y+Δy的位置，这是由他看笔的角度所决定的(与法线的角度为零说明Δ＝0，与法线的角度增加说明Δ增大)。安排该系统使用持笔的角度来估计笔是持于右手还是持于左手和/或还(根据书写风格)估计或者计算用户可能看笔的角度。可以安排系统根据这些结果进行调整。
在上面所述的所有实施方式中，在合适的地方，可以采用传统的电磁笔感测装置中采用的其他特征。例如，可以采用有各自不同的调谐频率的多个无绳笔，用于提供例如彩色差别。另一种可能性是可以随着将笔按压在显示器表面上时施加的压力而改变调谐频率，并且对该调谐频率进行处理，使得例如显示不同粗细的线来响应(无绳笔的尖端是有弹性的，当笔压着表面时，弹性笔尖把铁素体螺栓(ferrite stud)移动到感应器线圈，由此改变其感应值，并因此改变调谐频率)。
在上面的实施方式中，无绳笔9被做成传统笔的形状，来帮助用户进行虚拟书写。然而，也可以采用其它形状，事实上用于输入操作的物品通常不一定被认为和传统墨水笔有关联。如，物品可以被作为令牌(token)或者标签(tag)，可以被用于输入过程，其中用户仅仅需要把物品放置在显示器的特定区域上或者特定区域附近，来选择显示器上提供的一个特定的选择。
在上面所述的实施方式中，无绳笔9包括共振电路34。然而，在其它的实施方式中，可以使用任何适当类型的感应电路，并且这样的电路不一定是调谐的或者共振的。更普通地，共振电路34可以被任何电路或者其它装置代替，该电路或装置要能提供电压作为线圈44生成的磁场的感应结果。
在上面的实施方式中，线圈44由导电材料在电阻薄层40/显示区域4的周边环绕一次或者多次而形成(在图3和图6中，为了清晰，导电材料被示为环绕两次)。一种优先选择为材料环绕5次。环绕次数和采用的导电材料是可以根据要求变化的设计选择。同样，线圈44可以被放置在电阻薄层40/显示区域4的周边附近任何方便的地方，包括离电阻薄层40/显示区域4的周边一定距离的地方，和/或者不用迎合电阻薄层40/显示区域4的周边的形状，和/或者包括其一些部分位于电阻薄层40/显示区域4的一些部分之上。
尽管上述的实施方式结合液晶显示设备实现用户输入系统，应该意识到，这些实施方式仅仅用于说明，本发明也可以替代地结合任何其它适当形式的显示设备来实现，只要该显示设备允许容纳或者合并如前所述的那些输入系统。这样的显示设备例如包括等离子，聚合体发光二极管，有机发光二极管，场发射和交换反射显示设备。
阅读本说明书，其它的变化和修改对于本领域人员而言是显而易见的。这样的修改和变化包括本领域已知的等同的或者其它的特征，这些特征可以被用于替代或者补充本发明所描述的特征。

Claims (35)

1.一种用户输入系统，包括：
交变磁场生成器(55)；
笔或者触笔(9)，包括共振器(34)，地面耦合器，以及导电尖端(36)，地面耦合器与共振器(34)的第一侧耦合，并且导电尖端(36)与共振器(34)的第二侧耦合，共振器(34)是可操作的以当笔或者触笔(9)位于交变磁场生成器(55)的附近时提供从交变磁场生成器(55)生成的交变磁场感生的交变电压；以及
感测器，当导电尖端(36)在感测器附近时，感测经导电尖端(36)感生的交变电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，感测器确定在多个位置上感测到的输出强度，并比较多个感测到的输出强度来确定相对于该多个位置的导电尖端(36)的位置。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，感测器包括电阻薄层(40)和一个或多个电流测量器(42)，该测量器用于测量从导电尖端(36)流到电阻薄层(40)的电容电流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，感测器包括电场感测接收电极(47)和电流感测电路，该电流感测电路用于测定在电场感测接收电极(47)中由导电尖端(36)生成的电场(155，156)所激发的电流。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，感测器用于充分滤出由电场在电场感测接收电极(47)中产生的电流，该电场是由交变磁场生成器(55)生成的。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，通过使用交变磁场生成器(55)所生成的电场和导电尖端(36)所生成的电场(155，156)之间的相位差完成滤出。
7.根据权利要求1所述的系统，其中提供屏蔽(180)以充分阻断交变磁场生成器(55)所生成的任何电场，并且充分允许通过交变磁场生成器(55)所生成的磁场。
8.根据权利要求1所述的系统，被配置来测定导电尖端(36)离开电场接收电极(47)的平面的距离，把测定的距离和预先确定的阈值相比较，如果测定的值小于或者等于阈值，则把导电尖端(36)的位置看作输入，如果测定的值大于阈值，则不把导电尖端(36)的位置看作输入。
9.根据权利要求1所述的系统，其中导电尖端(36)位于其末端。
10.根据权利要求9所述的系统，其中导电尖端(36)适于给用户提供书写的感觉。
11.根据权利要求1所述的系统，其中笔或者触笔(9)包括外部壳体(28)，通过该外部壳体用户可以手持笔或者触笔(9)，并且，其中当用户手持笔或者触笔(9)时地面耦合器是通过用户的手(10)实现与地面的耦合。
12.根据权利要求11所述的系统，其中地面耦合器进一步被安排用于减少保护共振器(34)不受交变磁场产生器(55)生成的磁场影响的屏蔽。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，地面耦合器包括至少一部分壳体(29)，其与共振器(34)的第一侧耦合，并充分导电用于通过用户的手(10)与地面耦合。
14.根据权利要求13所述的系统，其中共振器(34)被置于笔或者触笔(9)中远离壳体的导电部分(29)的位置上。
15.根据权利要求12所述的系统，其中笔或者触笔(9)还包括线圈(31)，该线圈被安排用于耦合共振器(34)和用户的手(10)，同时充分允许交变磁场生成器(55)所产生的磁场到达共振器(34)。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括感测用户手指(8)的感测器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，感测用户手指的感测器包括电阻薄层(40)，一个或多个电流测量装置(42)，以及区分感测用户手指(8)和感测笔或者触笔(9)的装置。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，感测用户手指的感测器包括，电场感测发射电极(102)，电场感测接收电极(47)，以及用于感测用户手指引起的电流变化的电路(48)，该电流在电场感测接收电极(47)中由电场感测发射电极产生的电场激发。
19.根据权利要求1所述的系统，还包括一个或者更多的笔或者触笔，每个笔或者触笔(9)分别有不同的调谐频率。
20.一种显示设备，包括权利要求1所述的用户输入系统。
21.根据权利要求20所述的显示设备，其中用于感测经导电尖端(36)感生的交变电压的感测器被设置用来感测由导电尖端(36)在一个区域内提供的输出，该区域对应于显示设备的显示区域。
22.根据权利要求20所述的显示设备，其中显示设备是有源矩阵液晶显示设备。
23.根据权利要求20所述的显示设备，其中电阻薄层(40)由显示设备的共同电极来提供。
24.一种笔或者触笔，用于用户给用户输入系统提供输入，包括：
共振器(34)；
地面耦合器；以及
导电尖端(36)；
地面耦合器与共振器(34)的第一侧耦合，导电尖端(36)与共振器(34)的第二侧耦合，共振器(34)是可操作的，用于提供从交变磁场中感生的交变电压。
25.根据权利要求24所述的笔或者触笔，导电尖端(36)位于其末端。
26.根据权利要求25所述的笔或者触笔，其中导电尖端(36)适于给用户提供书写的感觉。
27.根据权利要求24所述的笔或者触笔，包括外部壳体(28)，用户将通过该外部壳体手持笔或者触笔(9)，并且，其中，当用户持笔或者触笔(9)时，地面耦合器通过用户的手(10)实现与地面的耦合。
28.根据权利要求27所述的笔或者触笔，其中地面耦合器进一步被安排用于减少保护共振器(34)不受磁场影响的屏蔽。
29.根据权利要求27所述的笔或者触笔，其中，地面耦合器包括壳体的至少一部分(29)，其与共振器(34)的第一侧耦合，并充分导电用于通过用户的手(10)与地面耦合。
30.根据权利要求29所述的笔或者触笔，其中共振器(34)被置于笔或者触笔(9)中远离壳体的导电部分(29)的位置上。
31.根据权利要求28所述的笔或者触笔，其中笔或者触笔(9)还包括线圈(31)，该线圈被安排用于耦合共振器(34)和用户的手(10)，同时充分允许磁场到达共振器(34)。
32.一套笔或者触笔，包括根据权利要求24所述的多个笔或者触笔，其中每个笔或者触笔有不同的调谐频率。
33.一种方法，感测来自笔或者触笔(9)的用户输入，包括：
产生通过笔或者触笔(9)的交变磁场；
在笔或者触笔(9)中从交变磁场中感生交变电压；
在笔或者触笔(9)的导电尖端(36)上提供来自交变电压的输出；以及
当笔或者触笔(9)被放置或者移动使得导电尖端(36)在感测装置附近时，使用感测器来感测输出。
34.根据权利要求33所述的方法，其中感测装置包括电阻薄层(40)和一个或多个电流测量器(42)，并且，感测输出包括使用一个或多个电流测量器(42)来测量从导电尖端(36)流动到电阻薄层(40)的电容电流。
35.根据权利要求33所述的方法，其中感测器包括电场感测接收电极(47)和电流感测器(48)，并且，感测输出包括使用电流感测器(48)来确定电流，该电流是在电场感测接收电极(47)中由导电尖端(36)产生的电场(155，156)所激发的。
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