检测设备和方法

专利名称：检测设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监视基本上为球形的本体的转动和方位的至少一个的设备。本发明尤其，但不是排他地，涉及一种人机接口，其中用户通过改变一个基本上为球形的本体的方位对机器输入信息。
这种人机接口的一个例子是球跟踪装置，其中用户直接移动一个球形本体，球的转动方向和转动速度之一或二者将信息传递给相关的机器。这种人机接口的另一个例子是计算机鼠标，其中一个球被安装在壳体内，球的一部分通过壳体凸出，以便和计算机鼠标所在的表面接触。用户握住壳体并拖动鼠标横过表面而引起鼠标转动，转动的速度和方向之一或二者把信息传递给相关的机器。这种人机接口的另一个例子是控制杆，其中在杠杆的一端形成一个球座连接，用户移动杠杆而使得球在球座连接中转动，转动的方向和速度之一或二者把信息传递给相关的机器。
用于监视球形本体的方位的普通机构利用一对正交设置的轴，它们和球形本体接触，因而它们随球形本体的转动而转动。每个轴的转动使用各自的光学检测器测量，其中光束被连附于每个轴上的叶片遮断。所得的光脉冲以电子方式被记录和处理，以便向主机提供方位信息。不过，外界物质例如污物的进入可以干扰在球形本体和转轴之间的摩擦特性，也可能妨碍光学检测器使用的光束。
按照本发明，提供一种检测器，其中使用感应检测方案来监视安装在一个球形本体内或球形本体上的一个或几个谐振电路的方位或转动。利用这种结构，可以减少运动部件的数量，借以改善可靠性。
在一个优选实施例中，感应检测器包括发送天线和接收天线，它们借助于膜片和外界环境隔离，从而阻止外界物质进入容纳着和人机接口相关的电子电路的腔体内。最好是，所述膜片是不可渗透的。
下面结合


本发明的示例的实施例，其中图1示意地表示球形本体跟踪装置的侧视图；图2是构成图1所示的球形本体跟踪装置的一部分的谐振电路的电路图；图3是构成图1所示的球形本体跟踪装置的一部分的通过球的中心的截面图；图4A-4E是构成图1所示的球形本体跟踪装置的一部分的在印刷电路板上设置的绕组的示意的平面图；图5示意地表示和图1所示的球形本体跟踪装置相关的电子电路；图6示意地表示对于图1所述的球形本体跟踪装置的另一种替代的球形本体跟踪装置的侧视图；图7示意地表示计算机鼠标的侧视图；图8示意地表示控制杆的侧视图；图9示意地表示对于图8所示的控制杆的另一种替代的控制杆的侧视图；以及图10示意地表示对于图8所示的控制杆的第二种替代的控制杆的侧视图。
第一实施例现在参照图1-图5说明构成本发明的第一实施例的球形本体跟踪装置。
如图1所示，球形本体跟踪装置包括球1，其被支承在从平面的不可渗透的膜片5伸出的3个点支承3a，3b，3c上。在这个实施例中，平面膜片5位于X-Y平面内。点支承3阻止球1相对于膜片5侧向运动，但是允许球在用户的影响下沿所有方向转动。
球1包括3个谐振电路9a，9b和9c，它们一般被设置于在球1的中心交叉的相互正交的平面内。
膜片5使球1和印刷电路板(PCB)7分离，在印刷电路板上形成有发送天线和接收天线(图1未示出)。点支承3把球1的中心11保持在PCB 7上的固定点13的上方。
发送天线和一个激励信号发生器相连(图1未示出)，其向发送天线提供电信号，以便产生磁场。响应被施加于发送天线的电信号，产生的磁场在一个或几个谐振电路9中感应按照球1的方位而改变的谐振信号，这些谐振信号又在PCB 7上的接收天线中感应检测信号。接收天线和信号处理器(图1未示出)相连，其处理来自接收天线的检测的信号，以便确定球1的方位。
应当理解，不可渗透的膜片5阻止外界物质进入容纳PCB 7、激励信号发生器和信号处理器的腔体，不会受到发送天线、接收天线和谐振电路9之间的电磁耦合的干扰。
图2表示一个谐振电路9的电路图。如图所示，每个谐振电路9包括线圈21，其两端通过电容器23连接在一起。因为线圈21具有相关的电感，谐振电路9具有一个相关的谐振频率。在这个实施例中，每个谐振电路9具有在1MHz和3MHz之间的各个不同的谐振频率。
如图3所示，球1由球形塑料本体31构成，其中形成有3个正交的圆周槽33a，33b和33c。每个谐振电路9由在各个圆周槽33内的10匝绝缘的铜线35a，35b和35c构成。导线的两端被焊接到电容器的各个端子上。然后，缠绕的组件被封装并借助于包覆由聚合物环氧树脂形成的涂层37密封。
如图4A-4E所示，PCB 7基本上是方形的，具有固定点13，球1的中心11被点支承3支承在所述固定点的上方，所述点支承基本上位于PCB 7的中心。在这个实施例中，在PCB 7上形成有5个绕组，其中的4个形成发送天线，其余的一个形成接收天线。这5个绕组分别示于图4A-4E。
发送天线由两对激励绕组形成。图4A和4B表示第一对激励绕组，下文称为X_sine线圈41和X_cosine线圈43，图4C和4D表示第二对激励绕组，以后称为Y_sine线圈51和Y_cosine线圈53。
如图4A所示，X_sine线圈41由导电轨迹构成，所述轨迹基本上围绕着PCB 7的周边延伸，沿X方向沿PCB 7的一半长度离开交叉点，在交叉点，在PCB 7的每个边沿上导电轨迹跨过PCB 7的相应的相对边沿。用这种方式，有效地形成第一电流环路45a和第二电流环路45b。当信号施加于X_sine线圈41时，电流围绕第一电流环路45a和第二电流环路45b沿相反的方向流动，产生基本上垂直地通过包括点13的Y-Z平面的磁场。
如图4B所示，X_cosine线圈43由导电轨迹构成，所述轨迹基本上围绕着PCB 7的周边延伸，离开两个交叉点，分别位于沿X方向沿PCB 7的路线的1/4和3/4处。用这种方式，形成3个环路47a，47b，47c，其中外环47a和47c大约是内环47b的尺寸的一半。当信号施加于X_cosine线圈43时，电流沿围绕外环47a，47c的一个方向流动，并沿围绕内环47b的相反方向流动。用这种方式，围绕内环47b流动的电流产生的磁场和围绕外环47a，47c流动的电流产生的磁场的极性相反，从而产生基本上垂直通过包括点13的X-Y平面的磁场。
如果θx是在谐振电路9的平面和X方向之间的对向角，则在X_sine线圈41和谐振电路之间的电磁耦合和sinθx成比例，在X_cosine线圈43和谐振电路之间的电磁耦合和cosθx成比例。
如图4C，4D所示，Y_sine线圈51和Y_cosine线圈53相应于X_sine线圈41和X_cosine线圈43分别被转动90度。用这种方式，如果θy是在谐振电路9的平面和Y方向之间的对向角，则在Y_sine线圈51和谐振电路之间的电磁耦合和sinθy成比例，在Y_cosine线圈53和谐振电路之间的电磁耦合和cosθy成比例。
如图4E所示，接收天线由检测器绕组61构成，其围绕PCB 7的周边延伸。发送天线和接收天线的部局使得每个激励绕组包括在检测器绕组61中的多个电流分量，它们相互抵消，使得在发送天线和接收天线之间的直接电磁耦合基本上不产生检测电流。使用这种平衡的激励绕组具有另一个优点，即和一个平面线圈相比，来自激励绕组的发射以较快的速度随距离而减小。这允许使用较大的驱动信号，同时仍然满足对于电磁发射所需的要求。
在这个实施例中，每个谐振电路9的方位借助于施加激励信号被依次询问，所述激励信号的频率等于被询问的谐振电路的谐振频率，使得谐振信号被包括在被询问的谐振电路中，但是不包括在其它的谐振电路中。此外，在谐振电路的询问期间，角度θx和θy借助于按顺序寻址第一和第二对激励绕组被依次确定。从这些测量中，可以监视球1围绕x轴和y轴的转动。
现在参照图5给出角度θx的测量的概要说明。激励信号发生器71在各自不同的输出端产生同相信号I(t)和正交信号Q(t)。同相信号I(t)通过幅值调制一个具有载波频率f0的振荡载波信号被产生，所述载波频率和被询问的谐振电路9的谐振频率基本相同，其中使用在调制频率f1振荡的第一调制信号，所述调制频率在这个实施例中是3.9kHz。因此同相信号I(t)的形式如下I(t)＝Asin2πf1tcos2πf0t (1)
类似地，正交信号Q(t)通过幅值调制一个具有载波频率f0的振荡载波信号被产生，其中使用在调制频率f1振荡的第二调制信号，第二调制信号和第一调制信号具有π/2弧度(90°)的相位差。因此正交信号Q(t)的形式如下Q(t)＝Acos2πf1tcos2πf0t(2)同相信号I(t)被施加于X_sine线圈41，正交信号Q(t)被施加于X_cosine线圈43。
产生的总磁场具有相应于X_sine线圈41和X_cosine线圈43的分量。在相应于X_sine线圈41的总磁场的分量和被询问的谐振电路9之间的电磁耦合C1按照以下函数随θx作正弦变化C1∝sinθx(3)类似地，在相应于X_cosine线圈43的总磁场的分量和被询问的谐振电路9之间的电磁耦合C2也随θx作正弦变化，但是与电磁耦合C1具有π/2弧度(90°)的相位差，于是C2∝cosθx(4)用这种方式，在被询问的谐振电路中感应的谐振电流Ires由来自X_sine线圈41的第一分量和来自X_cosine线圈43的第二分量构成，其中第一和第二分量的幅值随角度θx而改变。具体地说，感应的谐振电流Ires呈下式Ires∝cos2πf0t.cos(2πf1t-θx-θc)(5)其中θc是一个固定的相移。实际上，感应的谐振电流Ires的幅值包络函数的相位随角度θx转动。
只要被询问的电路9的平面不和PCB 7的平面正交，感应的谐振电流Ires便在检测线圈61内感应一个成正比的检测电流，其被输入到信号处理器，在本实施例中，信号处理器由解调器73、相位检测器75和角度计算器77构成。解调器73除去频率为f0的检测电流的分量，剩下频率为f1的解调信号。解调的信号被输入到相位检测器75，其测量解调信号相对于参考相位的相位，输出测量的相位到角度计算器77，其确定角度θx。
在本实施例中使用的激励信号发生器和信号处理器在英国专利申请GB 2374424A中描述了，其内容被包括在此作为参考。
一旦被询问谐振电路9的角度θx被测量，便可以通过转换激励信号发生器71的输出I(t)和Q(t)从X_sine线圈41和X_cosine线圈43到Y_sine线圈51和Y_cosine线圈53来测量θy。在对于谐振电路9测量角度θx和θy之后，通过改变频率f0，使得和另一个谐振电路的谐振频率匹配，改变被询问的谐振电路。
第二实施例在第一实施例中，描述了一种球形本体跟踪装置，其中由机器监视用户引起的球的转动。这种球形本体跟踪装置通常和显示器一道使用，用于控制光标在显示器上的运动。在这种系统中，一旦光标被定位在显示器表面的一个所需的部分上(例如和计算机程序有关的图标上)，通常用户便激励一个开关来表示一个选择。
现在参照图6说明第二实施例，其中在球形本体跟踪装置内包括一个转换装置。在图6中，和第一实施例的对应元件相同的元件用相同的标号表示，并不再进行详细说明。
如图6所示，开关81被安装在PCB 7上，并伸入一个点支承3。在这个实施例中，开关81是一种常开的弹簧加载开关，点支承3c由弹性材料制成，其当用户用力(即比改变球1的方位更用力)向下压时发生变形，使得开关81的接点闭合，用于表示用户的选择。
第三实施例第一和第二实施例说明了一种用户直接控制球1的球形本体跟踪装置。
现在结合图7说明本发明的第三实施例，其中球形本体跟踪装置被包括在计算机的鼠标内。在图7中，和第一实施例的对应元件相同的元件用相同的标号表示，并且不再详细说明。
如图7所示，球1和PCB 7一道被安装在壳体91内。球1的一部分伸出壳体91，在通常使用时，球1的这个凸出的部分位于表面93上，使得当用户握住壳体91在表面93上拖动鼠标时，球1转动。球1的这个转动通过以和第一实施例相同的方式由发送天线和接收天线被检测。
虽然图1未示出，PCB 7借助于不可渗透的膜片和球1隔离，因此和壳体91的外部隔离。在这个实施例中，激励发生器和信号处理器位于一个主装置内，其通过电缆和计算机鼠标相连(图7未示出)。
第四实施例如图8所示，本发明的球形本体跟踪装置可被包括在控制杆内。图8中的和第一实施例的对应元件相同的元件用相同的符号表示，并且不再详细说明。
在这个实施例中，球1在物理上和由用户操纵的杠杆101(即控制杆)相连。球1被转动地安装在壳体103内，从而形成球座连接，并且PCB 7被固定到壳体103内。用这种方式，当用户移动控制杆时，球1的方位改变，这个方位的改变通过使用形成在PCB 7上的发送天线和接收天线以和第一实施例相同的方式来检测。
第五实施例在第四实施例中，其中球形本体跟踪装置被包括在控制杆的布置内，球1不需要具有完全的转动自由度，因为杠杆101只在一个被限制的多面角内运动。这使得能够使用一个谐振电路9，因为其可以保证谐振电路的方位不和PCB 7的平面正交。
现在参照图9说明本发明的第五实施例，其中一个谐振电路形成在随球1运动的一片印刷电路板上，在图9中，和第四实施例的对应元件相同的元件用相同的标号表示，并且不再进行详细说明。
如图9所示，在这个实施例中，杠杆111通过球113的中心，球113被可转动地安装在壳体103内。杠杆的一端115a伸出到壳体103的外部，使得用户能够操纵杠杆111。杠杆111的另一端115b伸出球113一个短的距离，并且一个印刷电路板117被固定到所述一端115b，当杠杆111基本上垂直于PCB 7的平面时，PCB117的平面和PCB 7的平面近似平行。一个谐振电路(图9中未示出)被形成在PCB 117上。应当理解，当球113转动时，在形成在PCB 7上的发送天线和接收天线上方的PCBA 117上的谐振电路的位置将改变，这个位置使用和前面的实施例相同的处理进行测量。
第六实施例现在参照图10说明本发明的第六实施例，其中对第五实施例的控制杆方案增加了一个开关。第六实施例和第五实施例相同的元件用相同的标号表示，并且不再进行详细说明。
在这个实施例中，常开的弹簧加载开关121被安装到伸到壳体103的外部的杠杆111的端部115a上。开关121由导线123通过杠杆111和印刷电路板117相连。在这个实施例中，在PCB 117上形成有两个谐振电路。这两个谐振电路中的第一个和第五实施例的相同，并用于确定球113的方位。第二谐振电路包括开关121，使得通常第二谐振电路断开而不谐振。不过，当用户按下开关121时，所述第二谐振电路闭合，并响应被提供给PCB 7上的发送天线的在其谐振频率下的电信号而谐振。用这种方式，通过周期地施加在第二谐振电路的谐振频率下的电信号，可以连续地监视开关121是否被按下。
变型以及其它的实施例第四到第六实施例的控制杆也可以包括偏置装置，用于偏置杠杆111朝向中心位置，其中杠杆111和PCB 7垂直。例如，可以使用磁体来提供这些控制杆方案的磁性对中。
在第五和第六实施例中，在控制杆内的球的方位使用安装在印刷电路板上的谐振电路确定，所述谐振电路安装在球的外部。应当理解，谐振电路可以由在另一种类型的平面衬底上设置的导电轨迹构成。此外，谐振电路可以通过形成线圈，其每和一个电容器的一端相连来构成，所述电容器被直接设置在球形本体的表面上。
在另一种实施例中，谐振电路包括一个小的平面线圈(即具有大大小于球形本体的半径的半径)，谐振电路围绕球形本体的表面区域被隔开。借助于监视这些谐振电路相对于发送天线和接收天线的各个位置，可以确定球形本体的方位。另外，这些谐振电路可以嵌在球形本体的表面下。
在所示的实施例中，安装在球形本体内或球形本体上的谐振电路是无源谐振电路。另外，可以使用有源谐振电路，其包括放大器用于放大谐振信号。不过，这种有源谐振器需要包括电源的球形本体。
在第二和第六实施例中，用户按下开关以便进行选择。另外，如果像第一实施例中那样具有一个对用作球形本体的支承的弹性测量，则用户可以借助于推动球形本体使其更接近发送和接收天线进行选择，这使得在接收天线内感应较大的信号。
在第六实施例中，开关断开和闭合一个谐振电路，该谐振电路和用于确定球形本体的方位的谐振电路分开。另外，也可以使用一个谐振电路，其中线圈的两端分别和第一电容器的两端相连，并且开关和一个第二电容器的串连组合和第一电容器并联。用这种方式，当开关打开时，谐振电路具有第一谐振频率，而当开关闭合时，谐振电路具有和第一频率不同的第二谐振频率。因此，通过对发送天线施加基本上具有第一和第二谐振频率的电信号，便可以监视球形本体的方位，并可以确定开关的打开和闭合。
在另一个实施例中，开关可以被一个导磁材料(例如铁氧体)制成的可动件代替，所述可动件被置于构成谐振电路的绕组的至少一部分的附近。由用户引起的导磁材料的运动引起谐振特性例如谐振频率或品质因数的改变，这些改变可被测量。因此，使得用户能够通过移动导磁材料进行选择。
在所述的实施例中，利用物理安装装置阻止球形本体的侧向运动。不过，在一些实施例中，这不是必须的。例如，球形本体可以被空气射流支承着。在第一实施例中，使用点支承来支承球形本体。应当理解，其它类型的安装装置也是可能的。例如，可以使用滚珠轴承支承球形本体。
在所述实施例中，使用4个激励绕组和1个检测器绕组，每次寻址一对激励绕组。本领域技术人员应当理解，互逆的结构也是可能的，其中激励信号被施加于一个激励绕组上，而监视在多个检测器绕组内感应的信号，从而确定球形本体的方位。一般地说，谐振电路、激励绕组和检测器绕组的数量可以具有许多改变。
在优选实施例中，球形本体被可拆卸地安装，使得其可以由用户用作一个访问控制系统的一部分。具体地说，在球形本体内的谐振电路的各个谐振频率因球而改变，因此每个用户具有一个具有唯一谐振特性的球。人机接口装置执行一个初始化程序，其中对发送天线施加在所有可能的谐振频率下的激励信号，由接收天线接收的信号确定当前被使用的球的谐振频率。用这种方式，人机接口装置能够识别用户。
在所述的实施例中，球形本体形成人机接口的一部分，其中用户改变球形本体的方位以便对机器输入信息。不过，本发明一般可以用于其中球形本体的方位和/或运动传递信息的任何装置。例如，在飞机上，姿态检测器通常使用球形本体，其在一个杆上受力，由一种流体支承着，使得当飞机的姿态改变时，球形本体相对于地面保持在固定位置。因此，借助于安装发送天线和接收天线，使得它们随飞机而运动，便可以通过测量球形本体和发送与接收天线之间的相对方位来检测飞机的姿态。
权利要求
1.一种用于监视基本上呈球形的本体的方位和转动的至少一个的设备，所述设备包括基本上呈球形的本体；相对于所述球形本体被固定的至少一个谐振电路；用于在一个空间区域内定位所述球形本体的装置；发送天线，用于在包括所述球形本体的空间区域内产生交变磁场，以便在所述谐振电路或每个谐振电路中感应电信号；以及接收天线，用于接收响应于在所述谐振电路或每个谐振电路中的所述感应电信号而产生的感应的检测信号，其中，在i)所述发送天线和所述谐振电路或每个谐振电路，以及ii)所述谐振电路或每个谐振电路和接收天线，中的一项或两项之间的电磁耦合按照球形本体的方位而改变，使得在接收天线中的所述感应的检测信号根据球形本体的方位而改变。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述球形本体具有多个谐振电路。
3.如权利要求2所述的设备，其中多个谐振电路的每一个具有各自不同的谐振频率。
4.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中所述谐振电路或每个谐振电路被安装在所述球形本体内。
5.如权利要求1到3中任何一项所述的设备，其中所述谐振电路或每个谐振电路被安装在所述球形本体的外部。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述谐振电路或每个谐振电路包括被形成在平面衬底上的导电轨迹。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述平面衬底是印刷电路板。
8.如权利要求1到5中任何一项所述的设备，其中所述谐振电路或每个谐振电路包括平面线圈。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述平面线圈或每个平面线圈在所述球形本体的中心被对中。
10.如权利要求9所述的设备，包括多个平面线圈，它们具有各自的相互正交的平面。
11.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中所述谐振电路或每个谐振电路是无源谐振电路。
12.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中所述定位装置包括允许球形本体转动的物理安装装置。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述安装装置能够操作用于可拆卸地安装所述球形本体。
14.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中发送天线由平面衬底上的一个或几个激励绕组构成。
15.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中所述接收天线由平面衬底上的一个或几个检测器绕组构成。
16.如权利要求14或15所述的设备，其中所述平面衬底是印刷电路板。
17.如前述权利要求中任何一项所述的设备，还包括信号发生器，其能够操作用于产生激励信号，并被设置用于把产生的激励信号施加到所述至少一个激励绕组，以便在检测器绕组中产生电信号。
18.如前述权利要求中任何一项所述的设备，还包括信号处理器，其能够操作用于处理在检测器绕组中感应的信号，以便确定代表球形本体的方位的值。
19.如前述权利要求中任何一项所述的设备，还包括用于使发送天线和接收天线与球形本体隔开的膜片。
20.如权利要求19所述的设备，其中所述膜片是不可渗透的。
21.一种人机接口装置，包括如前述权利要求中任何一项所述的设备。
22.如权利要求21所述的人机接口装置，还包括用户可操作的开关装置。
23.如权利要求22所述的人机接口装置，其中所述开关装置可以操作用于改变安装在所述球形本体内或球形本体上的谐振电路的谐振特性。
24.一种包括如权利要求1到20中任何一项所述的设备的跟踪球设备。
25.一种包括如权利要求1到20中任何一项所述的设备的计算机鼠标。
26.一种包括如权利要求1到20中任何一项所述的设备的控制杆。
27.一种基本上呈球形的本体，具有至少一个相对于所述球形本体固定的谐振电路，用于如权利要求1到20中任何一项所述的设备中。
28.一种用于监视基本上呈球形的本体的方位和转动的至少一个的设备，所述设备包括基本上呈球形的本体；以及相对于所述球形本体被固定的至少一个谐振电路；发送天线，用于在包括所述球形本体的空间区域内产生交变磁场，以便在所述谐振电路或每个谐振电路中感应电信号；以及接收天线，响应于在所述谐振电路或每个谐振电路中的所述感应的电信号在其中感应检测信号，其中，通过所述谐振电路或每个谐振电路在发送天线和接收天线之间的电磁耦合按照球形本体的方位而改变，使得在接收天线中的所述感应的检测信号按照球形本体的方位而改变。
全文摘要
本发明披露了一种用于监视基本上呈球形的本体的方位或转动的设备。所述设备包括基本上呈球形的本体，其上固定有至少一个谐振电路。发送天线在包括所述球形本体的空间区域内产生交变磁场，所述磁场在所述谐振电路或每个谐振电路中感应电信号，以及接收天线接收响应在所述谐振电路或每个谐振电路中的所述感应电信号而产生的感应的检测信号。通过所述谐振电路或每个谐振电路在发送天线和接收天线之间的电磁耦合按照球形本体的方位而改变，从而使得在接收天线中的所述感应的检测信号按照球形本体的方位而改变。
文档编号G06F3/0354GK1647018SQ03807750
公开日2005年7月27日 申请日期2003年2月5日 优先权日2002年2月5日
发明者M·A·霍瓦德, C·S·西尔斯, V·A·克拉克 申请人:传感垫有限公司