CN1898633A - 用于使可移动物体回到中心位置的弹簧系统 - Google Patents

Abstract

压轮(75)在由边界(78)限定的压轮运动区之中是可以移动的。弓形弹簧(71－74)将压轮(75)连接到边界(78)上。每一个弓形弹簧(71－74)具有连接到压轮(75)的第一端和连接到边界(78)的第二端，并且该弓形弹簧将一个力施加到压轮(75)上，使得当没有外力施加到压轮(75)上时，将压轮(75)保持在压轮运动区的一个预定区域中。在一种实施方式中，每个弓形弹簧(71－74)包括一个平面螺旋件。当压轮(75)返回到压轮运动区的该预定区域中时，弓形弹簧(71－74)也能施加一个力来抑制压轮位置的任何振荡。压轮(75)也可以包括一个电极(91，92)，其通过弓形弹簧(94，96)中的一个电连接到位于压轮运动区之外的一个点上。

Description

用于使可移动物体回到中心位置的弹簧系统

技术领域

本发明涉及用于当没有外力施加到可移动物体上时使位于二维运动区中的该可移动物体回到中心位置的结构。

背景技术

我们考虑这样的装置，其中一个物体响应于施加在该物体上的外力在一个预定区域中的二维平面上移动。该物体在下面的讨论中将被称为压轮(puck)，并且其上允许移动的区域将被称为压轮运动区。例如，在共同待决的专利申请中描述了一个类似于“鼠标”的计算机指点设备。此设备包括一个压轮，该压轮响应于用户经由手指施加力到压轮上而在一个压轮运动区中的平面上移动。该表面具有位置传感器，其感测压轮在压轮运动区中的位置并且将该位置报告给连接到该装置上的数据处理系统。当用户释放压轮时，压轮返回到压轮运动区中的一个预定位置。用于使压轮返回的恢复力由将压轮连接到位于压轮运动区边缘的支撑件的弹簧产生。

可以用一个类似的机构来构造一个加速计。在这种情况下，当携带压轮的装置加速时压轮移动。可以通过将压轮的位置测量为时间的函数来量化该加速。一旦加速已经停止，压轮被弹簧拉回到它的起始位置。

当是鼠标时，用于回复压轮位置的弹簧应该提供一个恢复力，使压轮回到中心位置，而不需要用户施加一个大到足以使用户手感到疲劳的力来移动压轮。另外，用户施加的用于移动压轮的力在压轮运动区中不应改变，因为这样的变化会干扰用户定位压轮的精度。另外，为膝上型电脑和手持式计算机设计的实施方式重视指点设备的横向尺寸和指点设备的厚度。因此，在设计中不希望弹簧增加指点设备的厚度和横向尺寸。当是加速计或者类似设备时，恢复力应是各向一致的，而与压轮移动的方向无关。

发明内容

本发明包括一个可在压轮运动区之中移动的可移动压轮。该压轮运动区由一个边界限定。弓形弹簧将压轮连接到边界上。每一个弓形弹簧具有一个连接到压轮的第一端和一个连接到边界的第二端，并且该弓形弹簧将一个力施加到压轮上，使得当没有外力施加到压轮上时，将压轮保持在压轮运动区的一个预定区域中。在一种实施方式中，每个弓形弹簧包括一个平面螺旋件。在另一种实施方式中，当压轮返回到压轮运动区的该预定区域中时，多个弓形弹簧中的一个也施加一个力以抑制压轮位置的任何振荡。在另一种实施方式中，压轮也可以包括一个电极，其通过多个弓形弹簧中的一个电连接到位于压轮运动区之外的一个点上。在另一种实施方式中，该边界由一个材料层中的开口限定。在另一种实施方式中，压轮和弹簧由该材料层的一部分构成。

附图说明

图1A是指点设备10的俯视图。

图1B是指点设备10穿过图1A所示的线1B-1B的截面图。

图2是根据本发明一种实施方式采用了一个悬挂系统的指点设备70的俯视图。

图3-5阐释了根据本发明一种实施方式处于制造过程不同阶段的压轮、弹簧、压轮运动区边界的结构。

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，这些图阐释了一个指点设备10，该指点设备10采用上述类型的压轮来实现指点设备。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响应于正施加到其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、食指或多个手指施加的。另外，指点设备10包括一个用于确定压轮11在表面12上位置的感测机构。当用户释放压轮11时，13所示的弯曲弹簧使压轮返回到压轮运动区中的一个预定位置，该弯曲弹簧13将压轮11连接到压轮运动区的边界14上。

压轮在压轮运动区中的位置可以通过许多种方法来确定。因为确定压轮位置的方法与本讨论无关，所以在此将不详细讨论各种位置感测机构。为了本讨论的目的，注意到这些方法中的许多种方法涉及测量位于压轮上的一个或多个电极与位于表面12上的电极之间的电容就足够了。在图1B中示出了一个典型的压轮电极。

虽然13所示的弯曲弹簧提供了所需的恢复力，但是弯曲弹簧有几个问题。如图1A-1B所示的弯曲弹簧阻止压轮到达压轮运动区的全部位置。在压轮的移动朝向弹簧在压轮运动区边界上的连接点的情况下尤其如此。因此，为了提供一个在压轮运动区中具有一个特定区域的装置，需要一个稍微大一点的横向区域来容纳该表面上的不可用空间，该不可用空间是弹簧处于它们的压缩状态所需要的。另外，对于压轮运动区的不同区域和不同的移动方向，移动压轮所需的力不同。通用的螺旋弹簧具有类似的问题。另外，弹簧具有一个显著的厚度，其增加了指点设备的厚度。在很多对空间要求苛刻的应用中该装置的厚度会成为问题。其他的解决方案，如弹性件或放射状的橡胶段，会受到压力响应的非线性影响，并由此在周界附近对用户施加额外的力。

现在参照图2，其是根据本发明一种实施方式采用了一个悬挂系统的指点设备的俯视图。指点设备70采用一种螺旋弹簧设计，其更接近地提供了上面讨论的理想特征。压轮75被连接到如71-74所示的四个螺旋弹簧上。每个螺旋弹簧的一端连接到压轮75，另一端同指点设备的固定部分连接于压轮运动区边界78的一个点上，该压轮运动区由盘76中的开口限定。一个典型的连接点如77所示。

最优选的弹簧是弯成大约270-360度的螺旋。即，于79连接到压轮上部(类似于钟表上的12点处)且于77截止在压轮运动区边界(类似于钟表上的9点和12点之间)的弹簧。虽然这是优选的弹簧结构，但是可以采用其他的弹簧结构。如果使用更短的弹簧，随着压轮移动到压轮运动区的末端，压轮趋向于旋转。在一些设计中这样的旋转会与位置感测机构发生干涉。弹簧长于360度会消耗更多的可用空间并且导致恢复力更柔弱。

如图2所示的压轮设计具有一个靠近压轮运动区边界的阴影区，其是弹簧宽度的三倍。宽度大约为0.25毫米的金属弹簧足以满足要求。因此，宽度小于1毫米的靠近于压轮运动区边界的区域是在此类基于螺旋弹簧的指点设备中浪费的所有区域。宽度为0.75毫米和厚度为1.5毫米的塑料弹簧对位于直径为60毫米的运动区中直径为30毫米的压轮是适当的。

如图2所示的实施方式对每个弹簧采用了一个平面螺旋件。即，当压轮处于压轮运动区的中心时，由弹簧实现的曲线在极坐标系统(R，θ)中由R＝k-k’θ给定。这里k和k’是常数。虽然此曲线对大多数弹簧长度是良好的近似，但是在两个末端处不同于这个关系的曲线也是有利的。在这样的弹簧中，弹簧的两端被调整为正切于弹簧连接到压轮和压轮运动区边界的点。这样的调整使压轮更容易到达压轮运动区的末端。另外，将认识到由每个平面螺旋件实现的精确曲线可以稍微不同于理想的螺旋且仍提供超过其他弹簧设计的重要益处。因此，术语“平面螺旋件”将被定义为包括以下的具有长度L和中心线的任意线性结构：其在极坐标系统(R，θ)中实现为曲线，使得对于θ的任意给定值，R对至少50％的L都在R₀＝k-k’θ的25％范围内。另外，可以采用其他形式的弓形弹簧；尽管这样的弹簧不能提供上面所讨论的螺旋件的所有优点。

本发明的上述实施方式采用四个弹簧使压轮回复到其静止位置。然而，可以采用其他数量的弹簧。原则上可以只采用一个弹簧；然而，该弹簧需要在两个方向上提供恢复力，因此不再具备各向同性，并且将比上述弹簧硬。另外，可以采用更多的弹簧来提供到压轮的附加电连接。

上述实施方式中的弹簧理想地使压轮回到位于移动区中心的静止位置。这些实施方式使所允许的从静止位置开始的移动量最大。然而，从前面的讨论将会很明显看出：每当压轮被释放时，压轮不需要被精确地返回到同一个起始位置。类似地，压轮不需要返回到精确位于压轮运动区中心的静止位置。只要压轮返回到这样的一个位置，该位置足够靠近压轮运动区的中心以允许压轮按某个希望的方向从该位置移动到一个新位置，本发明就将提供上面所讨论的弯曲弹簧设计的改进。

在一种实施方式中，压轮包括某种形式的振荡阻尼以确保压轮以尽可能少的振荡返回到其静止位置。一种用于抑制振荡的方式是当压轮被用户释放返回到其静止位置时，保证压轮保持下压以抵住下表面。在这种情况下，压轮和下表面之间的摩擦会提供阻尼力。这可通过将弹簧安装为使其将一个向下的力施加在压轮上来实现。例如，弹簧末端在压轮上的连接点可以被定位在距离下表面比弹簧另一端的连接点距离下表面更远处。另一种选择为，弹簧可以被变形，使得每个弹簧除了施加所述恢复力之外还施加一个向下的力。

本发明也是易于制造的且制造起来较经济。压轮和弹簧可以由弹簧所用类型的材料板制成，通过冲压或蚀刻板来产生压轮和连接到一个边沿上的弹簧，所述边沿提供了压轮运动区的边界。例如，可以采用传统的光刻技术来蚀刻一个塑料板以形成一个塑料压轮和连接到板边缘的塑料弹簧。现在参照图3-5，其阐释了根据本发明的一种实施方式处于制造过程不同阶段的压轮、弹簧、压轮运动区边界的结构。如图3所示，该过程起始于用一个光阻剂图案保护将成为压轮81、弹簧82、压轮运动区边界83的塑料板区域。然后蚀刻塑料以去除弹簧之间未受保护的塑料部分，并且去除光阻剂以留下单个塑料结构86，其如图4所示。

现在参照图5。如果压轮在压轮的表面上采用一个或多个电极作为诸如上面所讨论的位置测量方案的一部分，就能采用传统的电镀技术或真空沉积如喷溅来沉积来形成和图案化形成该电极。典型的电极如图5中91和92所示。如果需要电连接到电极，也能以给一个或多个弹簧电镀上电导体，该电导体将电极连接到压轮运动区的外围。例如，电极91通过电镀过的弹簧93连接到引线94上。类似地，电极92通过电镀过的弹簧95连接到引线96上。

也能采用本领域公知的技术以单个步骤由塑料来模压制成压轮、弹簧和边界。除了上面讨论的电镀、真空沉积技术之外，也能在模压过程期间埋入导体。

虽然本发明的上述实施方式采用的压轮运动区是圆形的，但是压轮运动区可以具有其他形状。例如，压轮运动区可以是椭圆形或长方形。在这些情况下，最优选的弹簧形状将不同于上面描述的那些形状，但通常仍然是弓形弹簧。

本发明的上述实施方式采用压轮作为可移动物体。然而，本发明也可以应用于其他对象。因此，在此所用的术语“压轮”包括将被返回到运动区之中一个固定位置的任意物体。

从前面的描述和附图来看，对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 (9)

1.一种装置(70)，其包括：

一个可移动的压轮(75)；

一个限定压轮运动区的边界(78)，所述压轮(75)在所述压轮运动区中相对于所述边界(78)移动；以及

一个第一弓形弹簧(71-74)，所述第一弓形弹簧(71-74)具有一个连接到所述压轮(75)的第一端和一个连接到所述边界(78)的第二端，所述弓形弹簧(71-74)将一个力施加到所述压轮(75)上，使得当没有外力施加到所述压轮(75)上时，将所述压轮(75)保持在所述压轮运动区的一个预定区域中。

2.第二弓形弹簧(71-74)，所述第二弓形弹簧(71-74)具有一个连接到所述压轮(75)的第一端和一个连接到所述边界(78)的第二端，所述弓形弹簧(71-74)将一个力施加到所述压轮(75)上，使得当没有外力施加到所述压轮(75)上时，将所述压轮(75)保持在所述压轮运动区的一个预定区域中。

3.如权利要求1所述的装置(70)，其中所述第一弓形弹簧(71-74)包括一个平面螺旋件。

4.如权利要求3所述的装置(70)，当所述压轮(75)返回到位于所述压轮运动区之中的所述预定区域时，所述第一弓形弹簧(71-74)也能施加一个力以抑制所述压轮(75)位置的任何振荡。

5.如权利要求1所述的装置(70)，其中所述压轮(75)进一步包括一个电极(91，92)，并且其中所述弓形弹簧(94，96)中的一个将所述电极(91，92)电连接到位于所述压轮运动区之外的一个点上。

6.如权利要求1所述的装置(70)，所述边界(78)包括位于一个材料层(76)中的开口。

7.如权利要求6所述的装置(70)，其中所述材料包括塑料。

8.如权利要求6所述的装置(70)，其中所述材料包括金属。

9.如权利要求9所述的装置(70)，其中所述压轮(75)和所述弹簧包括所述材料层(76)的一部分。

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