专利名称：耳机及耳机的功率管理的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括耳机的装置，尤其涉及但不专门用于该装置的功率管理和/或功能控制。特别的，本发明涉及耳机功率管理，它包括消耗电源的一个或多个电路元件，比如蓝牙TM其他的无线接收机。
背景技术：
许多厂商已经设计出许多不同类型的耳机，具有智能的各种类型的终端用户应用。例如，用于听音乐的立体声耳机已经出现大约许多年，用于助听的耳机，便携式无线电设备等等[1-3]。
近来，已经开发了用户可以戴上的各种类型的耳机，把它们用于移动蜂窝电话或其他的便携式电子设备。已经产生了无数的耳机设计以使用户能够使用这种便携式电子设备而不需要持有电子设备所谓的“免提(hand-free)”操作方式。
许多近来开发的耳机是无绳的设备，结合蓝牙TM接收机或蓝牙TM接收机/发射机。蓝牙TM是电子制造商小组开发的无线电频率通信标准，允许各种类型的电子设备互连，而不需要电线，电缆或具体的用户干涉。蓝牙TM标准能够使各种电子设备相互之间操作，由于所有使用蓝牙TM的电子产品必须使用一致的标准，当数据比特被发送时，该标准规定在任何一个时间多少数据比特被发送，多少数据传输错误被处理等等。
可是改进的设计已经导致耳机的尺寸和重量的改善，耳机的功能性被显著地增加了。这就增加了工程师们的压力，考虑如何最有效地使用可用的电能，特别是对于无绳电池操作的耳机，其中电池寿命和可用的电量是有限的。
一个观点是改进电能的使用，各种制造商已经开发了结合电源管理特征的耳机。
一种现有技术的设计是来自SonyTM公司的SonyTMMDR-DS8000耳机。在该耳机中，提供了当耳机被用户戴上从而耳机被分开时改变状态的电机开关。这是通过头带扩展和拉拽开关机构而完成的。
在另一种现有技术的设计中[4]，当耳机接触用户时，通过内置在耳机中的金属环提供感应的噪声信号。该信号用于检测用户的存在或不存在以确定是否下电信号放大器。
尽管这些已知的省电耳机实现了期望的功能，但它们不是没有缺点。例如，机械开关相对庞大而且昂贵，并且还有长期使用的可靠性问题。而且，机械的头带开关方式不可变换为基于非头带的耳机，比如单耳设备，例如，通过蓝牙TM等无线操作的设备。基于检测感应噪声来感应用户的存在也不是很理想，特别是根据不同的物理条件给定了这种噪声的随机特性和它的幅度可变性，比如电极与用户接触的程度(例如，如果用户正在摇动)，主要的环境条件(例如，如果用户正在流汗或暴露在雨中)等等。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种装置，包括包括传感元件的耳机；电容测量电路，可操作用于测量传感元件的电容；和控制电路，可操作用于基于测量的传感元件的电容来确定用户是否正在戴耳机，和根据耳机是否被戴上来控制装置的功能。
因此，提供了一种简单的和可靠的方式，根据耳机是否被戴上来控制装置的功能。各种功能可以被控制。例如，控制的功能可以是省电功能。可替换的，功能可以涉及音频放大器的启动，无线通信收发机的启动，例如，音频产生器的音频信号的输出，和/或禁止用户输入信号。
可以使用任何形式的电容测量电路，例如可以使用基于RC电路的电路，张弛振荡器，相移测量，锁相环电路，电容分压器电路。基于电荷转移技术的电容测量特别适于该应用。因此电容测量电路可以包括抽样电容器并可操作用于从传感元件到抽样电容器转移电荷以便在抽样电容器上产生电势以便测量。而且，电容测量电路可以包括一个开关，可操作用于在进行电势的测量之前，从传感元件到抽样电容器顺序转移电荷包突发。
操作控制电路以便通过比较测量的传感元件的电容与一个或多个预定门限值来确定用户是否戴上耳机。测量的电容可以是电容的绝对值或电容的差分测量值，例如，与较早的测量值的差值。
电容测量电路可以在耳机的外部，例如在基础单元中，或可以在耳机的内部。而且，控制电路和/或提供被控制的功能的电路元件可以在耳机的外部，例如在基础单元中，或可以在耳机的内部。
根据本发明的第二个方面，提供了操作包括耳机的装置的方法，该方法包括测量耳机中的传感元件的电容；根据测量的电容来确定用户是否正戴着耳机；和响应于确定耳机是否正被戴着来控制该装置的功能。
测量传感元件的电容可以包括从传感元件到抽样电容器转移电荷；测量抽样电容上的电势；和根据测量的抽样电容器的电势来确定传感元件的电容。而且，从传感元件到抽样电容器转移电荷可以包括从传感元件到抽样电容器顺序转移一串电荷包。
确定用户是否正戴着耳机可以包括比较测量的传感元件的电容与一个或多个预定门限值，以便确定传感元件的电容是否由于用户的接近而已经被改变。而且，该方法可以包括调整一个或多个门限值以响应操作条件的改变。
根据本发明的第三个方面，提供了一种节能耳机，包括功率管理单元，操作用于当用户没有戴上耳机时减少耳机的功耗。功率管理单元包括耦合到电容传感器的传感电路。传感电路可操作用于测量电容传感器的电容，和根据测量的电容而产生用户存在信号。用户存在信号表示用户是否存在或不存在。功率管理单元可操作用于根据用户存在信号，控制在耳机中提供的一个或多个电路元件，典型的是功率控制。
正常的功率控制是通过切换电路元件的开或关。然而，功率控制不需要是简单二元功能，而可以包括例如减少功率到待机水平，或减少提供给功率放大器的功率以便它仍操作但却在减少的增益上操作，例如，以便抑制否则可能发生的反馈。然而，应该明白，可以由功率管理单元或其他使用用户存在信号来控制与功率不直接相关的其他功能。例如，用户存在信号可以被用于控制耳机的其他功能，或输出能被耳机无线或有线连接的其它设备接收的外部输出信号。例如，摘去耳机可以被用于暂停播放声音或视频磁迹的行为，随后把耳机戴回将再次响应于用户存在信号而引起恢复播放。另一个例子是，当用户放上耳机时引起从外部扬声器到耳机扬声器的重放切换。带有周围噪声消除的耳机也是公知的。例如，这种耳机成功减少了飞行噪声并用于增加古典音乐重放的高保真度。还有公知的是，噪声消除电路消耗很大的功率，因而选择激活和去激活噪声消除电路是本发明一个有用的应用。
因此本发明进一步涉及一种减少功率消耗的耳机，包括需要功率的至少一个电路元件；电容传感器，可操作用于提供电容测量信号；和包括传感电路的功率管理单元，可操作用于响应于电容测量信号而产生用户存在信号，表明耳机是否正被戴着，和可操作用于基于所述用户存在信号来控制至少一个电路元件，或输出取决于所述用户存在信号的外部输出信号，以便由耳机所连接的另一个设备接收。至少一个电路元件可以控制耳机的功能，比如它的功率传输。可替换的，至少一个电路元件可以被用于通过向外部发送用户存在信号而间接控制外部设备的功能。
根据本发明的第四个方面，提供了操作耳机以便减少功耗的方法。该方法包括测量电容传感器的电容，根据测量的电容来确定用户是否存在，和响应于确定没有用户存在而下电耳机中的一个或多个电路元件以便减少耳机的功耗。
如上所述，用户优选检测可以被用于控制除了功耗之外的功能。因此，本发明还涉及一种操作耳机的方法，该方法包括测量电容传感器的电容；根据测量的电容来确定用户是否存在；和响应于确定是否用户存在，来控制耳机的功能，或输出耳机所连接的另一个设备可以接收的外部输出信号。耳机所连接的外部设备可以经无线或有线连接。
所要求的电容传感解决方案提供了简单的，廉价的和可靠的传感器，胜过于上述现有技术的机械解决方案。
电容传感器可以接近或直接接触操作，这取决于它的灵敏度是如何校准的。此外，还可以动态地调节电容传感器的灵敏度以应付周围条件的改变，比如湿度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种功耗减少的耳机，包括需要功率的至少一个电路元件；电容传感器，可操作用于提供电容测量信号；和包括传感电路的功率管理单元，可操作用于响应于电容测量信号而产生用户存在信号，表明耳机是否正被戴着，和基于所述的用户存在信号来控制至少一个电路元件。
传感电路可以包括抽样电容器，并进一步可操作用于从电容传感器到抽样电容器传送电荷以在抽样电容器上产生电势以便测量。
耳机可以进一步包括至少一个开关，可操作用于在进行任何电势测量之前，从电容传感器到抽样电容器顺序传送一串电荷包。
传感电路可以进一步包括一致过滤器，用于产生用户存在信号。
传感电路可以进一步可操作用于自动地执行自校准操作。
电容传感器可以包括一个电极，当耳机被戴时与用户电绝缘。
例如，电容传感器的感应电极可以位于传统hi-fi形式双耳耳机的外壳下或耳承的外壳内，该耳承形成便携音乐播放器的单耳或双耳现代样式耳机的部件，蓝牙TM附件耳机，助听器等等。电容传感器的感应电极可替换地提供在传统hi-fi形式的双耳耳机的头带上。还能够以传导条的形式被提供在耳机的扬声器区域内。通常，最好是把电容传感器的感应电极提供相对靠近用户的皮肤，这是由于信号强度与邻近相关。
至少一个电路元件可以包括蓝牙TM接收机。
根据本发明的另一个方面，提供了一种操作耳机以便减少功耗的方法，该方法包括测量电容传感器的电容；根据测量的电容来确定用户是否存在；和响应于确定没有用户存在而下电耳机中的一个或多个电路元件以便减少耳机的功耗。
测量电容传感器的电容可以包括从电容传感器到抽样电容器传送电荷；测量抽样电容器的电势；和从测量的抽样电容器电势确定电容传感器的电容。
从电容传感器到抽样电容器传送电荷可以包括从电容传感器到抽样电容器顺序传送电荷包突发。
确定用户是否存在可以包括比较测量的电容传感器的电容与一个或多个预定的门限值以便确定电容传感器的电容是否由于用户的接近已经被改变。
该方法可以包括调节一个或多个门限值以响应操作条件的改变。
为了更好的理解本发明和显示所实现的效果，现在参考附图，其中图1示意显示了根据本发明实施例的节能耳机；图2示意显示了耳机电路图，用于各种根据本发明的耳机；图3示意显示了根据本发明的用于各种耳机的各种部件的物理结构；图4显示了用于本发明各个实施例的功率管理单元；
图5显示了用于本发明各个实施例的电荷转移电容测量电路；图6显示了切换表，表示用于图5的电荷转移电容测量电路中的开关的切换顺序；图7显示了示意电路图，描述了图5的电荷转移电容测量电路的一部分的电等效重新配置；图8显示了图5的电荷转移电容测量电路的电容Cs两端的电压作为突发-方式操作期间的循环数的函数的曲线图；图9示意显示了根据本发明另一个实施例的装置；和图10A和10B示意显示了根据本发明又一实施例的装置。
具体实施例方式
图1示意显示了节能耳机100。耳机100包括第一和第二外壳102a和102b，分别外罩用于再现立体声的扬声器112a和112b。外壳102a和102b通过头带104被物理连接在一起，头带104包括用于收容电缆(未显示)的凹处，该电缆连接第二外壳102b中的扬声器112b到收容在第一外壳102a中的电子器件120。
外壳102a和102b由外壳罩108和内罩106组成，当耳机100被戴上时内罩106接触用户的耳朵。外壳罩108可以被用于安装各种用户可操作的控制(未显示)，比如音量控制，频道控制等等。内罩106可以被提供填充物以便用户舒适并可以由各种材料制成，包括例如柔性的防水聚合板材。当耳机100被戴上时，内罩106中的开口把扬声器112暴露于用户的各个耳朵。
耳机电子器件120提供功率管理功能以便当没有用户配戴耳机100时减少功耗。耳机电子器件120使用电容传感以便检测用户是否戴上耳机100。除了功率管理之外，耳机电子器件120还可以提供各种其他的功能，比如下述的那些。
通过耳机电子器件120例如通过使用电荷转移技术来测量感应板160的电容来实现电容感应，如下面详述的。在内罩106的下面把感应板160提供在耳机100中。因此，在该实施例中，当耳机被戴上时，感应板160不接触用户，并被用于通过感应用户的接近来检测用户的存在，而不是用户与感应板160的任何物理接触。这就使得耳机100与传统的没有结合功率管理功能的耳机一样的舒适，而且也能够使用常规的耳机设计，这是由于外罩106不需要被截切或其他的修改以容纳触觉传感器。
图2示意显示了根据本发明的用于耳机的各个实施例的耳机的电子器件120。耳机电子器件包括电源122，用于给射频(RF)接收机130供电，射频接收机130接收和解码发送到耳机100的信号。此外，耳机电子器件120还包括功率放大器114，放大接收机130所解码的音频信号并把放大的音频信号馈送到用于立体声再现的各个扬声器112a和112b。接收机130可以是传统的蓝牙TM接收机，或其他的无线接收机，比如ZigbeeTM。无线包括可能使用的红外链路或无线电链路。
电源122可以包括可充电池加相关充电和功率调节电路。在可替换的实施例中，可以通过常规的电池或外部电源来供电耳机100。然而，在图2的实施例中，可充电电池的使用方便允许耳机100的无绳操作。
电源122的正输出被电耦合到正电源线124。电源122的负或接地输出被电耦合到负电源线126。形成耳机电子器件120的电子部件被电耦合到负电源线126。此外，提供功率管理单元150用于电连接正电源线124到正电源线的可断开部分124’。操作功率管理单元150将正电源线部分124’从正电源线124断开切断了对从正电源线部分124’供电的任何电子部件的供电，从而当功率管理单元150处于断开状态时，减少了耳机电器件120消耗的总功率。
当功率管理单元150处于断开状态时，只有功率管理单元150本身需要从电源122吸收一些功率。在该实施例的变化中，需要永久处于激活状态的任何电子部件电连接在正电源线124和负电源线126之间，而当耳机100没有被戴上时可以被关闭的任何电子部件被电连接在正电源线部分124’和负电源线126之间。
图3示意显示了形成图1的耳机100的各种部件的物理结构。
所示的罩106的一部分接近于用户的耳朵110。罩106把用户110和耳机100中所提供的感应板160分开。
如图所示，经感应板连接器154电耦合到感应板160的是形成一部分功率管理单元150的电荷感应电路152。电荷感应电路152电连接在正电源线124和负电源线126之间以便从电源122吸收功率。通过电荷感应电路152提供两个输出，控制输出156和测量输出158，这些将结合功率管理单元150的各种部件在下面进行进一步描述。
图4示意显示了用于本发明各个实施例的功率管理单元150。功率管理单元150包括电荷感应电路152，通过感应板连接器154电连接到感应板160。
电荷感应电路152电连接在正电源线124和负电源线126之间，并可操作用于测量感应板160的电容。电荷感应电路152具有两个输出156和158。一个输出是测量输出158，它的电压电平表示测量的感应板160的电容。另一个输出是控制输出156，用于指示信号处理器162测量输出158的电压电平何时可被读出。
信号处理器162电连接在正电源线124和负电源线126之间。可操作用于处理测量的电容值并确定用于感应板160的那些测量的电容值是否表明用户110的存在，下面更详细的描述该处理。信号处理器162提供控制输出168，它的输出电平表明用户存在(输出电平＝逻辑1)或用户不存在(输出电平＝逻辑0)。
对其中可以由控制输出168提供的输出电流不足以直接驱动场效应晶体管(FET)开关166的实施例，在功率管理单元150中还提供了可选的驱动电路164。FET开关166可操作用于电耦合正电源线124到正电源线部分124’以便启动连接到后一个电源线124’的电子部件。提供这种驱动电路164时，它从正电源线124和负电源线126之间吸收功率来对本身供电。
可选的，通过使用集成电路(IC)设备可以一起提供电荷感应电路152和信号处理器162，比如可以用英国的Quantum Research Group of Hamble的QT110传感器IC。
图5显示了电荷转移电容测量电路155。美国专利号US-B1-6,466,036[5]描述了类似的电荷转移电容测量电路，并且在此本申请的内容结合参考它的全部内容。
尽管可以使用任何适当的电容测量技术，但电荷转移电容测量电路155的电路最好适于在IC上实现。另外，使用电荷转移技术测量电容具有许多优点，因为相比于各种其他的用户存在检测技术来说，在低制造成本上它提供了卓越的性能。
步骤C期间(图6表中的概述)，第一开关元件S1被用于经过抽样电容器Cs和被测量的电容Cx来驱动电荷。在图6的步骤D中S1打开之后，在Cs和Cx上留下剩余电荷。基尔霍夫电流法则和电荷守恒原理规定了这些电荷Qx和Qs是相同的。然而，因为Cs＞＞Cx，在Cx上发现更大的剩余电压，而相反，在Cs上发现较小的电压。图7揭示了图5的安排可以被看作当考虑图6的步骤C中的S1关闭时的电容分压器。
在图5中，明显地描述了感应板160以表明在本发明的的使用中，不是本发明的装置的一部分的物体的存在或移动是通过电容测量来感应的。尽管附图有时显示了感应板160和未知的电容Cx，但应该明白，对于本领域技术人员来说，所述的Cx是感应板160到自由空间或到电接地的电容。通过用户的存在或接近，Cx的值被修改。
再次参考图5，第二开关元件S2被用于清除Cx上的电压和电荷，并还允许测量Cs两端的电压Vcs。应该注意的是，S2的使用使得S1被重复循环以便建造Cs上的电荷。这提供了较大的可测量电压值和更大精度，增加了感应增益或灵敏度而不使用有源放大器。第三开关元件S3用作复位开关并被用于在开始电荷转移突发之前复位Cs上的电荷，如下所述。
优选的控制电路172控制开关顺序和测量电路170的操作。控制电路172可操作用于利用示例的控制线174来切换开关S1，S2和S3.方框162所示的信号处理器需要把测量电路的输出翻译成可用形式。例如，这可以包括把循环计数变换为信号强度的二进制表示。此外，信号处理器162还可以包含线性信号处理元件，比如滤波器和/或非线性功能，比如门限比较，以便提供输出来适用于期望的应用。
尽管控制电路172和信号处理器162只是示意地在图5中表示，但本领域技术人员应该清楚，使用这些电路元件也可以与其它地方所述的电路元件(例如，从测量电路170用粗体输出箭头所示的)一起使用，并且为了表示清楚，各种电路元件和连接已经被省略。
图6的表格显示了利用图5的电路在一个实现方式中的切换顺序。首先，在步骤A，开关元件S2和S3被关闭以清除Cs和Cx上的电荷。在所有的开关被保持打开的步骤B的适当暂停之后，S1被关闭以便通过Cs和Cx驱动电荷(步骤C)。通过电容分压器公式来定义Cs两端的第一电压增加ΔVcs(1)＝VrCx/(Cs+Cx) (1)其中Vr是连接到S1的基准电压。
在步骤D中，所有的开关被保持打开。
在步骤E中，S2被关闭，而ΔVcs作为Cs正末端上的地基准的信号。利用停滞时间步骤B和D来防止开关交叉传导，这会降级Cs上的电荷构建。停滞时间可以很短，测量几纳秒，或较长，如果需要的话。步骤B-E可以以循环方式被重复，以提供电荷转移周期的“突发”。在适当的电荷转移串长度之后，电荷转移周期被终止并且以前述的方式在步骤F测量Vcs，例如，通过使用模拟-数字变换器(ADC)，S2关闭和其他的开关被打开。随着Vcs的测量，S3也被关闭以复位Cs准备下一个电荷转移串，在这期间，将从Cx到Cs传送进一步多个电荷包。
在可替换的变化中，可以组合步骤E和F以便在每个电荷转移周期进行测量。通过组合步骤E和F，它们是功能一致的，可以使测量电路170包括具有固定基准的简单电压比较器。在此情况下，当电压比较表明Vcs已经上升超过选择的门限值时，终止电荷转移周期的循环动作。到达该点所取的周期数变为信号读数，其表示电容Cx的值。该技术在下面进一步解释。
在步骤B-E的重复循环期间，在Cs上构建电压而不是在Cx上。在步骤E中Cx被连续放电，因而Cx不能构建电荷的增长量。然而，Cs自由地累积电荷，使得最终增加的电压取决于电压Vr和Vcs的差，如下所示ΔVcs(n)＝K(Vr-Vcs(n-1)) (2)其中Vr是电源电压，可以是固定的基准电压；n是电荷转移周期数；和K＝Cx/(Cs+Cx)。
Vcs两端的最终电压等于Vcs的初始值加上Vcs(N)之和，这等于所有后续ΔVcs值的总和。就是说Vcs(N)＝ΔVcs(1)+ΔVcs(2)+ΔVcs(3)+....ΔVcs(N) (3)或者Vcs(N)＝∑ΔVcs(n)＝K∑(ΔVr-Vcs(n-1)) (4)其中在n＝1至n＝N的范围上运行求和。
在每个电荷转移周期期间，Vcs上的附加增加电压小于从先前周期的增量，并且电压构建可以被描述成限制指数函数V(N)＝Vr-Vre-dn(5)其中d是时间比例因子。这产生了图8所示的分布图形。
实际中，最好在Vcs上升到近似与Vr相同之前终止突发。事实上，如果Vcs的上升被限制＜Vr的10％，则可使得该线性被用于多数应用可接受。为了简单地限制感应应用，Vcs可以被允许上升较高，代价是门限比较功能中的增加降级信噪比。
可以在固定或可变周期数之后终止电荷转移突发。如果使用固定数，测量电路170将能够表示连续的信号，就像ADC的形式或模拟放大器一样。如果使用可变的突发长度，则具有固定基准的简单比较器可以被用于测量电路170，并且突发长度是Vcs已经构建到等于比较电压的电平所需的。突发可以继续超过所需的数，但额外的电荷转移周期是多余的。实现比较电压所需的电荷转移周期的计数是输出结果，并且对于所有实际的目的可区分于ADC结果。通过重复图6的切换顺序可以获得这样的结果，包括循环周期数，以便周期地检查用户的存在(例如每秒)。
注意到在图5中，测量电路170被连接到Cs的(+)末端，并当S2被关闭时取读数。尽管Cs的(+)端是用于地基准信号的最方便的测量点，但也可以通过保持S1关闭而不是S2，来测量Cs的(-)近端上的Vcs。该读数则是Vr基准的而不是地-基准的，本领域技术人员应该清楚，这通常是次选的方案但始终是可能的。在任一种情况下，作出的测量是Vcs的实际值。相对于地还是Vr进行读取与本发明无关，重要的是Cs两端的差分电压。
尽管图5描述了使用测量电路170，但本领域技术人员应该明白，这仅仅是实现本发明的一种方式，并且使用这种测量电路不是实现本发明的可替换的实施例所必需的。
通过把附加的后获得算法结合到信号处理器162的处理能力中，可以对电荷转移电容测量电路155作出各种可选的改进。例子是1.漂移补偿方式，其中电路155可以根据影响信号强度的缓慢变化来连续调整它的门限。这些变化可以包括温度起伏，湿度增加，或机械漂移等等。这可以通过当没有检测被感应时，在转换速率受限速率上慢慢改变一个或多个基准电平来实现。
2.结合滞后，其中为了防止‘接触颤动’，电路155可以结合检测门限滞后，使得启动检测电平不同于，即高于非检测电平，因此在进入‘没有检测’状态之前，需要信号过渡通过低于门限电平的信号电平。
3.把合意过滤功能结合到电荷转移电容测量电路155中。可以通过比较测量的电容值与预定的门限值的一个或多个比较器来提供该特征。还可以通过信号处理器162提供该特征，顺序地比较测量的电容值与门限值多次，获得结果的轮询并且接受对于测量的电容值是否大于或小于门限值的合意作为最后结果。当检测用户的存在或不存在时，该特征减少了错误触发电荷转移电容测量电路155的数量，并因此提高了功率管理单元150的可靠性。
例如，通过编码在信号处理器中的各种算法可以提供上述的许多可选特征。它们也可以用于各种组合和程度，结合在此所述的各种电路，以便提供更强健的感应解决方案，可以适用于各种现实的感应挑战，比如灰尘积累，存在湿度，热漂移等等。
图9示意地显示了根据本发明另一个实施例的装置。该装置是便携式音乐播放器并包括耳机180，包括柔性导线202，允许耳机被连接到基础单元182。配置该装置以便当用户去掉耳机时音频信号的重放被自动暂停以及当用户重新戴上耳机时自动重新开始。
示例中的耳机是立体声耳机并包括位于各个第一186和第二188耳承外壳内的两个音频扬声器(未显示)。耳承外壳186，188被设计配戴在用户耳朵中以便用户能从扬声器听到音频。第一耳承外壳186内是电传导感应板196形式的传感元件。示例中的感应板是位于邻近耳承外壳186的内表面的金属环。利用常规技术，耳承外壳中的音频扬声器经柔性导线202内的金属线和可拆卸的插塞200连接到基础单元182。然而，也配置柔性导线202和插塞200，以便经感应板连接器导线197在感应板196和基础单元182之间建立电连接。
基础单元182包括外壳192，用户可访问控制按钮194，用于允许用户提供输入来控制装置的操作，控制电路(也称作控制器)204，电容测量电路205和音频信号产生器190。在此情况下，基础单元182是基于硬盘的音频播放器，并且音频产生器190包括用于存储音频文件和相关的驱动的硬盘206，以及读取电路208和放大器电路210。放大器电路经由插塞200和柔性导线202内的金属导线把信号提供给耳承外壳中的扬声器，以允许音频文件播放给户。
在使用中，用户插入耳机180的耳承186，188到各耳机朵中，并使用控制按钮194，指令基础单元182播放期望的音频轨道以提供给耳承中的扬声器。这实质上是以常规的方式实现的。即，控制电路204响应来自控制按钮的输入，适当配置硬盘驱动206和读取电路208，以便通过放大器电路210重放期望的音频轨道，经插塞200和柔性导线202到扬声器。
感应板196经由感应板连接器导线197被连接到电容测量电路。在操作期间，电容测量电路监视感应板196例如到系统地或其他参考电势的电容。这可以使用任何公知的电容测量技术来进行。例如，电容测量电路205可以基于电荷转移(如上所述)，测量包括感应板的RC电路的时间常数，或其他的技术，比如那些现有技术公知的基于张弛振荡器的技术，相移测量，锁相环电路，电容分压器电路等等。电容测量电路可以被配置成连续监视感应板196的电容，或不经常的读取，例如每5秒一次等等。
电容测量电路205被配置成提供表示测量的电容的电容测量信号给控制电路204。一旦收到电容测量信号，控制电路将它与存储的门限电平Cth相比较，Cth涉及耳机没有被戴上时所测量的感应板的电容。如果测量的电容小于门限值，假设耳机没有被戴上。另一方面，如果测量的电容大于门限值，则基于如上所述用户的存在增加了感应板的测量的电容假设头戴式正被戴着。因此，门限对应于当耳机没有被戴上时所测量的感应板的电容加上一个余量，以考虑到与用户的存在无关的测量电容中的噪声和变化。如果当耳机没有被戴上时预期平均测量电容为Cno，以及当耳机被戴上时预期平均测量的电容是Cyes，则该门限例如可以被设置在Cno和Cyes之间。
因此，根据测量的电容是否超过门限值，控制器可以正确确定耳机是否被戴上以及启动或禁止该装置的功能(即，根据它是如何被编程操作的)。在此情况下，如果测量的电容小于门限电平Cth以至于确定耳机没有被戴上，则控制器指令音频产生器中的驱动和读取电路暂停重放。
可以根据测量的电容小于门限的持续时间，阶段性地控制装置的操作。例如，在开始暂停重放期间，该装置可以继续被充分供电，硬盘继续旋转等等。然而，如果在给定的时间周期之后，例如30秒，测量的电容还是小于门限电平Cth，则控制电路可以指令读取和驱动电路停止硬盘旋转，例如，以减少磨损。如果在另一个时间周期之后，例如另一个30秒，测量的电容保持小于门限电平Cth，则控制电路指令读取和驱动电路以及功率放大器进入功率节省模式。在又另一个时间周期之后，例如另外的一分钟或两分钟，如果测量的电容仍然保持小于门限电平Cth，则控制器可以配置成满功率下电该装置，假设用户已经持久地停止了聆听。
如果在任何阶段，测量的电容上升超过门限电平Cth，则控制器确定用户已经重新戴上耳机，并且从开始暂停的那个点继续播放。因此，提供给用户音频轨道的继续重放而不需要他自己来控制该装置。
为简化解释，在图9中作为离散元件显示了控制电路204、电容测量电路205和音频产生器190中的驱动和读取以及放大器电路。然而，应该明白，这些电路元1件的一些或全部的功能性可以通过单个集成电路来提供。例如，特定用途集成电路(ASIC)，或可以使用适当编程的微处理器。因此，集成电路部件中的上述电路功能的划分并不是很重要的。例如，测量的电容的模拟表示和门限电平之间的比较可以发生在电容测量电路内，电容测量电路然后提供二进制信号给控制电路以表明是否电容超过门限。
而且，将期望不依赖于基于电容的绝对测量的门限电平，控制电路可以被配置基于测量的电容的改变来确定用户何时戴上或去掉耳机。这具有适应测量中的漂移的优点，例如与环境条件中的改变有关。例如从一个测量到下一个测量的测量的电容的明显增加(或发生在给定的时间周期，比如几秒，这取决于进行测量的速率)将与用户戴上耳机有关。相反，从一个测量到下一个测量的测量(或给定的时间周期)的电容中的明显减少将与用户去掉耳机有关。例如，明显增加/减少可以被认为是耳机被戴上或不被戴上之间的测量的电容的期望差的50％或更多改变。
此外，还将期望，相同的技术可以被应用于许多其他的装置。例如，除了基于硬盘的音频播放器的基础单元之外，该装置可以是CD播放器，音频磁带播放器，收音机，DVD播放机，移动电话，基于固态的音频播放器，或可以与提供音频信号到耳机有关的任何其他装置。
而且，在一些实施例中，耳机本身可以包括所有需要的电路使得不需要单独的基础单元。这或许对一些装置是不切实际的，例如CD播放器，但可以用于其他的设备，比如固态音乐播放器，移动电话耳机等等。在一些情况下，可以使用基础单元，但上述电路的各个方面仍然位于耳机中。例如，如果担心至感应板的引线引起太多的拾音，电容测量电路可以位于耳机中以便可靠的电容测量。
除了(或替代)暂停重放之外，再有的是，本发明可以被用于控制装置的许多其他功能。例如，当耳机被去掉时，控制电路可以被配置成自动路由音频信号到驱动常规的(即不是耳机)箱式扬声器的外部放大器。在另一个例子中，控制电路可以配置成根据耳机是否被戴上来禁止对用户输入的响应。例如，如果耳机没有被戴上，用于切换装置的按钮可以被禁止以防止当处于用户的口袋或包里时的意外启动。可替换的，当耳机被戴上时，一些控制按钮，例如，增加音量按钮可以被禁止以防止意外地把音量增加到不舒服的等级。
耳机不必是立体声，而可以是单声道的。是立体声时，感应板可以被结合在有关两个用户耳朵的耳机中，如果需要的话。这允许装置响应于一个或另一个(或两个)耳承外壳从用户的头上移去。例如，如果一个耳承被去掉则该装置会暂停，或只有两个被去掉才暂停。而且，被控制的功能取决于哪个耳承(扬声器外壳)被去掉。例如，如果左耳的耳承被去掉，则到那个耳承中的扬声器的音频信号可以被停止，而另一个被保持。
应该明白，耳机和基础单元(在有基础单元的实施例中)之间的通信(音频信号和电容测量有关信号两者)可以是无线建立的，而不通过图9所示的柔性导线和插塞。例如可以使用上述的任何通信协议。
图10A和10B是用于描述本发明另一个实施例的装置的示意图。
图10A显示了目前被提供为蓝牙TM收发器类型的无线耳朵安装的单耳耳机300。这些被广泛用于移动电话，住宅使用的无绳电话，连接到陆地线路或因特网电话连接以及与其他的设备，例如运行在个人计算机上的软件应用程序。耳机300具有外壳301，它包括夹式耳环293，用于把设备固定到用户耳朵上；扬声器290，用于与用户的耳朵进行听觉通信；和麦克风295，用于从用户接收语音信号。
外壳301内最接近于夹式耳环293具有电传导感应板296形式的感应元件。该例中的感应板是位于邻近耳承外壳的内表面的金属环，以便靠近用户的皮肤。感应板296提供电容信号到电容测量电路305，电容测量电路305再提供用户存在信号到连接到设备的无线收发器297以及设备的音频发射器和接收器元件，也就是音频信号产生器290和麦克风295的控制电路304。
操作期间，电容测量电路305监视感应板296例如到系统地或到其他参考电势的电容。这可以利用任何公知的电容测量技术进行，结合参考上述的图9的例子。图9的例子还涉及设备结构的进一步的细节，包括使用门限。
结合图10B描述图10A的无线耳机设备的使用的具体例子。
图10B示意地显示了移动电话或蜂窝电话310。(可以等效于无绳陆地线路电话或因特网电话)。电话310具有外壳311，在一侧上显示器314和键盘316是显然的。显示器或键盘可以具有整体的两维电容触摸传感器，例如，文本消息输入中文，日文，韩文或其他的语言字符。电话310进一步包括无线收发器320，用于与外围设备通信，比如蓝牙TM设备。此外，还示例了天线318，用于发送和接收信号到和从移动电话基站。电话310还包括扬声器312，用于发送语音信号到用户的耳朵，和麦克风313，用于从用户接收语音信号。
现在结合图10B的电话描述图10A的耳机的使用。
如果在耳机和电话之间建立了通信信道，则根据耳机中的用户存在信号，在耳机和电话之间切换音频发送和接收(扬声器和麦克风)。如果用户存在信号表明耳机正被戴上，则耳机的音频电路被激活而电话的被去激活。相反，如果用户存在信号表明耳机没有被戴上，则耳机的音频电路被去激活而电话的那些电路被激活。这能提供节省功耗。还可以抑制可能发生的反馈干扰。而且，如果耳机被戴上，则能够把电话铃音转向耳机，并抑制从电话发出铃音。该操作模式可以被用于不允许铃音或不礼貌的这种环境，比如观众席，餐馆或火车。如果用户存在信号表明耳机被戴上，则电话的另外的功耗电路也可以被去激活，通过把它们切换到低功率待机模式或满功率下电。例如，显示器背光可以被关闭，或有关显示器或键盘的两维电容触摸传感器阵列的感应电路可以被下电。
将期待，耳机可以类似地操作于很多其他的设备，除了所述的电话例子之外。
尽管本发明极易于各种修改和替换形式，通过示例的方式在附图中显示了特定的实施例并在此进行了详细描述。因而，技术人员应该明白，本发明许多不同的实施例是可能的。因此应该明白，附图和相应的详述不意在把本发明限制于所公开的特殊形式，而相反，本发明覆盖落入所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有修改，等效物和替换。
例如，技术人员将明白的是，电容感应需要使用传感器电路，用于测量两个引线或自由空间感应板的电容的绝对或相对电容，和用于提供一介输出，任何可用形式的电容测量结果。例如，出于本公开的目的，只能够产生单比特门限“检测”输出的设各将仍被认为是传感器电路。
技术人员还应该明白，电容传感器可以位于远离耳机。例如，电容传感器可以被提供在电子设备上，例如可操作耦合耳机的移动电话。
此外，技术人员应该清楚，可以利用电控开关来实现在此所述的各种开关，比如，通过双极性或场效应管，继电器，光电设备，或任何功能类似的电路。还应该清楚，控制器或控制电路可以包括能够产生数字控制信号的电路或系统。这样的控制器或控制电路可以控制电容测量电路传感器(包括其中的切换元件的控制)和测量电路，并可以产生决定输出，如果需要的话。这样的控制器或控制电路可以包括数字逻辑装置，比如可编程逻辑阵列或微处理器。
本领域技术人员还应该清楚，根据本发明的耳机不一定是结合接收器和发送器的无绳设备，或者只有接收器，不管它们是蓝牙TM功能的或其他的。而且，还应该清楚的是，本发明的各种实施例是通过用户只接近单耳可佩带的，而不需要使用立体声扬声器。
参考文献1.GB-A-1,483,8292.US-5,678,2023.US-B1-6,356,6444.JP2000278785A5.US-B1-6,466,036。
权利要求
1.一种装置，包括包括感应元件的耳机；电容测量电路，可操作用于测量感应元件的电容；和控制电路，可操作用于基于测量的感应元件的电容来确定用户是否正在戴耳机，以及根据耳机是否被戴上来控制装置的功能。
2.权利要求1的装置，其中，电容测量电路包括抽样电容器，并可操作用于从传感元件到抽样电容器转移电荷以便在抽样电容器上产生电势进行测量。
3.权利要求2的装置，包括至少一个开关，可操作用于在测量电势之前，从感应元件到抽样电容器顺序地转移电荷包突发。
4.权利要求1的装置，其中，控制电路可操作用于通过比较测量的感应元件的测量的电容与至少一个预定的门限值，来确定用户是否戴上耳机。
5.权利要求1的装置，其中，感应元件包括一个电极，当耳机被戴上时，该电极与用户电绝缘。
6.权利要求1的装置，其中，电容测量电路在耳机的内部。
7.权利要求6的装置，其中，控制电路在耳机的内部。
8.权利要求7的装置，其中，通过耳机内部的电路元件来提供将被控制的功能。
9.权利要求1的装置，其中，通过耳机外部的电路元件来提供将被控制的功能。
10.权利要求9的装置，其中，控制电路在耳机的外部。
11.权利要求10的装置，其中，电容测量电路在耳机的外部。
12.权利要求1的装置，其中，将被控制的功能是省电功能。
13.权利要求1的装置，进一步包括音频放大器，用于把音频信号提供给耳机中的扬声器，和其中将被控制的功能是激活音频放大器。
14.权利要求1的装置，进一步包括无线通信收发器，以及其中将被控制的功能是激活无线通信收发器。
15.权利要求1的装置，进一步包括音频产生器，用于输出音频信号，以及其中将被控制的功能是由音频产生器输出音频信号。
16.权利要求1的装置，进一步包括输入按钮，用于提供操作信号到控制电路以允许用户控制装置的操作，以及将被控制的功能是禁止来自输入按钮的信号。
17.一种操作包括耳机的装置的方法，该方法包括测量耳机中的感应元件的电容；根据测量的电容来确定是否用户正戴上耳机；和响应于确定是否耳机正被戴上来控制该装置的功能。
18.权利要求17的方法，其中，测量感应元件的电容包括从感应元件到抽样电容器转移电荷；测量抽样电容上的电势；和根据测量的抽样电容器的电势来确定感应元件的电容。
19.权利要求18的方法，其中，从感应元件到抽样电容器转移电荷包括从感应元件到抽样电容器顺序转移电荷包突发。
20.权利要求17的方法，其中，确定用户是否戴上耳机包括比较测量的感应元件的电容与至少一个预定门限值，以便确定是否由于用户的接近感应元件的电容已经被改变。
21.权利要求20的方法，包括调整一个或多个门限值以响应操作条件的改变。
22.权利要求17的方法，其中，控制装置的功能包括控制是否装置处于省电模式。
23.权利要求17的方法，其中，控制装置的功能包括控制是否激活无线通信收发器。
24.权利要求17的方法，其中，控制装置的功能包括控制是否激活音频信号产生器。
25.权利要求17的方法，其中，控制装置的功能包括控制是否禁止用于控制装置的操作的用户输入。
26.一种耳机，包括至少一个电路元件；电容传感器，可操作用于提供电容测量信号；和感应电路，可操作用于响应于电容测量信号而产生用户存在信号，表明耳机是否正被戴上，并可操作的用于基于所述用户存在信号来控制至少一个电路元件，或输出取决于所述用户存在信号的外部输出信号，以便由耳机所连接的另一个设备接收。
27.权利要求26的耳机，其中，感应电路包括抽样电容器并可操作用于从传感元件到抽样电容器转移电荷，以便在抽样电容器上产生电势来进行测量。
28.权利要求27的耳机，包括至少一个开关，可操作用于在进行电势的任何测量之前，从感应元件到抽样电容器顺序转移电荷包突发。
29.权利要求26的耳机，其中，感应电路包括合意滤波器，用于产生用户存在信号。
30.权利要求26的耳机，其中，感应电路进一步可操作用于自动执行自校准操作。
31.权利要求26的耳机，其中，电容传感器包括当耳机被戴上时与用户电绝缘的电极。
32.权利要求26的耳机，其中，至少一个电路元件包括无线通信收发器。
33.权利要求26的耳机，进一步包括功率管理单元，感应电路是它的一部分，以及其中，功率管理单元可操作用于基于所述用户存在信号减少至少一个电路元件的功耗，从而减少耳机的功耗。
34.一种操作耳机以便减少功耗的方法，该方法包括测量电容传感器的电容；根据测量的电容来确定用户是否存在；和响应于确定没有用户存在而下电耳机中的一个或多个电路元件以便减少耳机的功耗。
35.权利要求34的方法，其中，测量电容传感器的电容包括从电容传感器到抽样电容器转移电荷；测量抽样电容上的电势；和根据测量的抽样电容器的电势来确定电容传感器的电容。
36.权利要求35的方法，其中，从电容传感器到抽样电容器转移电荷包括从电容传感器到抽样电容器顺序转移电荷包突发。
37.权利要求34的方法，其中，确定用户是否存在包括比较测量的电容传感器的电容与一个或多个预定门限值，以便确定是否由于用户的接近电容传感器的电容已经被改变。
38.权利要求37的方法，包括调整一个或多个门限值以响应操作条件的改变。
39.一种操作耳机的方法，该方法包括测量电容传感器的电容；根据测量的电容来确定用户是否存在；和响应于确定用户是否存在，来控制耳机的功能，或输出外部输出信号，该外部输出信号能被与耳机相连接的另一个设备接收。
40.权利要求39的方法，其中，测量电容传感器的电容包括从电容传感器到抽样电容器转移电荷；测量抽样电容器上的电势；和根据测量的抽样电容器的电势来确定电容传感器的电容。
41.权利要求40的方法，其中，从电容传感器到抽样电容器转移电荷包括从电容传感器到抽样电容器顺序转移电荷包突发。
42.权利要求39的方法，其中，确定用户是否戴上耳机包括比较测量的电容传感器的电容与一个或多个预定门限值，以便确定是否由于用户的接近电容传感器的电容已经被改变。
43.权利要求42的方法，包括调整一个或多个门限值以响应操作条件的改变。
44.权利要求39的方法，其中，与耳机相连接的所述设备被无线连接到耳机。
45.权利要求39的方法，其中，与耳机相连接的所述设备被有线连接到耳机。
全文摘要
本发明涉及一种节能耳机100。耳机100包括功率管理单元150，可操作用于当用户110不存在时，减少耳机100的功耗。功率管理单元150使用电容感应来检测用户110的存在。电容感应是有利的，这是由于它提供了灵活和可靠的传感器，能通过检测用户接近或用户接触来精确地检测用户110的存在或不存在。而且在各种实施例中，可以调整电容传感器的灵敏度以应付用户移动或环境条件的改变，比如，耳机100上出现水或汗，以进一步提高感应可靠性。本发明进一步涉及利用用户存在信号的耳机，基于电容感应来控制耳机的其他功能或控制通过无线或有线与耳机相连接的外部设备。
文档编号H04R1/10GK101014207SQ20061006393
公开日2007年8月8日 申请日期2006年9月29日 优先权日2005年9月30日
发明者哈拉尔德·菲利普 申请人:哈拉尔德·菲利普