混合指向装置的制作方法

专利名称：混合指向装置的制作方法
背景技术：
现代计算机操作系统和图形程序需要指向装置来控制计算机显示器上的光标的位置。同样，诸如个人信息管理器和蜂窝电话之类的手持设备也受益于包括这种指向装置。对于台式PC来说，最成功的指向装置是“鼠标”。鼠标是手持物体，其在键盘附近的平面上移动，以控制计算机显示器上的光标的移动。鼠标移动经过的方向和距离决定了显示器上的光标移动的方向和距离。常规鼠标提供用户可在很高的精确度下移动刚性物体。对台式计算机来说，对于指向问题，鼠标提供了令人满意的解决方法。当对于提供鼠标可以移动并调节屏幕上所希望的光标移动所经过的路径来说工作空间并不足够大时，用户仅仅是拿起鼠标并使鼠标重新置于工作空间的中心。
尽管对于台式PC市场中的指向装置问题，鼠标已经提供了令人满意的解决方法，但是类似成功的设备对于诸如蜂窝电话之类的手持设备来说是不可用的。这些设备在键区或屏幕附近缺少鼠标可在其上方移动的足够大的平面。除此之外，需要携带分离的指向装置使得鼠标对于这些应用来说变得不太理想。因此，当使用这些设备时需要一些其它形式的指向装置。
用在这些环境中的指向装置必须解决快速而精确地移动光标的问题。除此之外，该设备必须以在没有详尽指导的情况下初学者用户能够理解的直观方式操作。另外，指向装置必须在有限的工作空间内操作，并适合于手持设备的形状因素范围。最后，还必须满足通常的低成本、低功耗和高可靠性的限制。
在膝上型计算机的情况下，对于市场中的指向装置问题存在两种主要解决方法，即Synaptics capacitive TouchPadTM和IBMTrackPointTM。其它公司制作具有类似功能性的型式的这些设备。这两种设备都远不能满足上述要求。TrackPointTM是一般放置在膝上型键盘的中央的小按钮。该按钮可以采用类似于“操纵杆”的方式通过用手指在按钮的顶部施加横向力而移动。令人遗憾的是，该按钮只能移动少量；因此，该按钮的位移不能直接映射成计算机显示器上的光标位置的位移。替代地，按钮位移控制光标移动的方向和速度。用户使用这种类型的速度能够指向光标的精确度大大低于利用常规鼠标所获得的精确度。在需要小的、精确的移动的任务中，例如计算机图形程序中的图，该限制尤其明显。除此之外，这种类型的指向装置不提供按钮功能性。
TouchPadTM是空白的矩形垫，一侧为50～100mm，一般放置在大多数膝上型的键盘下面。该设备感测矩形的表面上手指相对于该设备的边缘的位置。这种感测通过测量由用户用手触摸绝缘的、低摩擦力材料之下的一系列电极所引入的电容变化来完成。
类似TrackPointTM，TouchPadTM也具有缺乏精确性的缺点。主要是难以测量由用户引入的电容变化，该用户相对于电路处于未知的电位。而且，用户手指的接触区比较大。因此，为了提供手指位置的精确测量，该设备必须确定一些参数，例如手指和垫之间的接触区的中心。令人遗憾的是，接触区随着由用户施加的压力而在尺寸和形状方面发生变化。因此，这种确定最好也只不过具有有限的精确度。实际上，用户不能重复执行精确的移动。
当用户无意中用手指或手腕接触该垫时，还存在由于错误信号而产生的困难。在一些设备中，常规鼠标的“点击”功能通过在该垫上轻敲来实现。结果，键入期间的这种无意触发使光标在键入操作当中跳到新的位置，并且文本插入到该新位置处。
在先前提交的美国专利申请10,723,957中，教导一种解决了上述许多问题的基于圆盘的指向装置，其在此被引入作为参考。该指向装置使用圆盘，当用户通过该用户的手指对圆盘施加压力时，该圆盘在限定的移动区内移动。当用户释放圆盘时，一组弹簧使该圆盘返回到其在移动区之内的中心位置。圆盘的位置和圆盘上的压力由设备中的电极决定。位置信息用于将光标指向在显示屏幕上。附属设备上的软件将在用户手指按在该圆盘上的时间内的圆盘的移动转变成设备的显示器上的适当的光标移动。当用户释放圆盘时，圆盘和光标位置之间的耦合被软件终止，因此当圆盘回到中心位置时，光标并不向后移动。
虽然对于膝上型市场中的指向装置问题，上述专利申请中所教导的设备提供了明显超过主要现有技术解决方法的优点，但是当与蜂窝电话或其它具有相对小的屏幕的设备一起使用时，该设备决不是最佳的。在小屏幕上，改变圆盘的位置并接着采用类似于台式计算机上的鼠标移动的方式继续移动的能力是有限值，这是因为显示器中可用的信息量相对有限，因此可通过一对一地将圆盘位置映射给屏幕上的光标位置来充分访问。
另一方面，有限的屏幕尺寸将额外的费用置于诸如滚动之类的其它操作上。手持设备例如蜂窝电话的小屏幕可模拟小窗口，通过该小窗口可看到大得多的桌面。通过沿各个方向移动该窗口，可将所需的桌面部分指向在该窗口内。接着可以通过在该窗口内移动光标来选择该窗口内的桌面上的物体。因此，用在这种环境中的指向装置将受益于既具有指向功能又具有二维滚动功能。

发明内容
本发明包括具有可移动的圆盘和显示屏幕的指向装置。圆盘被限制在具有在其上限定的圆盘移动区的圆盘表面上移动。圆盘移动区分成指向区和功能区。控制器决定了圆盘在移动区内的位置。当圆盘处于指向区时，显示屏幕显示二维场景和光标，该光标采用被圆盘的位置控制的方式在场景内移动。当圆盘处于功能区时，控制器使场景改变。在一个实施例中，可变形的障碍物阻止圆盘移入功能区。该阻止通过用户沿平行于表面的方向对圆盘施加附加力来克服。在一个实施例中，可变形的障碍物在移动区的边缘上包括设置在圆盘和不可变形的障碍物之间的弹性元件。在一个实施例中，可变形的障碍物包括弹簧。
在一个实施例中，场景代表如同通过在表面上方可移动的窗口所看到的一部分表面的视图。当圆盘移入功能区时，控制器使该表面被如此看到的该部分改变到表面的邻近部分。在一个实施例中，窗口以依赖于圆盘在功能区中的位置的速度移动。


图1是指向装置10的顶视图。
图2是图1所示的指向装置10穿过线2-2的截面图。
图3是图1所示的表面12的一部分的顶视图，在本发明的一个实施例中圆盘在其上方移动。
图4是电极51-55的等效电路的示意图。
图5是圆盘70的截面图，其采用了可结合在圆盘中的圆顶形点击器(clicker)。
图6A是根据本发明的一个实施例的手持设备的示意图。
图6B是图6A所示的相应桌面和观察窗的顶视图。
图7是根据本发明的一个实施例的指向装置100的截面图。
图8是根据本发明的另一个实施例的指向装置120的截面图。
具体实施例方式
参考图1和2，可更容易地理解本发明提供其优点的方式，其示出根据上述专利申请所教导的发明的一个实施例的指向装置10。图1是指向装置10的顶视图，以及图2是图1所示的指向装置10穿过线2-2的截面图。指向装置10包括圆盘11，该圆盘响应于施加给圆盘11的横向力在圆盘移动区19内的衬底15的表面12上方移动。该力通常借助用户的手指施加到圆盘11上。圆盘11包括测量施加给圆盘11的垂直压力的压力传感机构。当感测到的压力超过预定阈值时，光标跟踪功能被激活，并且光标沿由圆盘的移动所决定的方向和距离在屏幕上移动。除此之外，指向装置10包括用于确定圆盘11在表面12上的位置的感测机构。
当用户通过移开用户的手指16来释放圆盘11时，圆盘11借助在13处所示的弹簧返回到其中心位置，该弹簧将圆盘连接到圆盘移动区的一侧14。由于在其返回期间用户的手指并没有对圆盘11施加垂直力，因此与该返回动作有关的位置改变并不被报告给主机设备。即，光标保持在其先前的位置处。这提供了方便的“重新置于中心”的能力，这通常通过将鼠标提起并将鼠标放回到移动区的中心来实现。在膝上型计算机、手持设备和其它其中限制了移动区的微型应用中，重新置于中心尤其地必要。
上述专利申请教导了用于测量由用户施加在圆盘上的压力的多个机构，因此这里将不再详细讨论这些机构。对于该讨论来说，足以值得注意的是，可以采用具有可相对于底表面垂直移动的顶表面的圆盘。顶表面通过弹簧机构保持在适当的位置。当用户对顶表面施加压力时，顶表面朝向底表面移动了取决于施加的压力的适当的量。圆盘的顶和底表面之间的距离利用多个方法之一来测量。例如，圆盘的顶和底表面可包括形成平行板电容器的导电层。该电容器的电容取决于这些板之间的距离，因此电容的测量提供了由用户施加的压力的测量。
在一个实施例中的感测圆盘位置的方式在上述专利申请中被详细描述，因此这里将不再详细讨论。对于该讨论来说，将假定可采用电容传感方案来确定圆盘的位置。这种方案在图3中示出，其是图1所示的表面12的一部分的顶视图，在本发明的一个实施例中圆盘在其上方移动。表面50包括在51-54处所示的四个电极，其具有与外部电路连接的端子。为了简化附图，省略了这些端子。圆盘具有包括在附图中用虚线示出的电极55的底表面。电极51-55彼此电隔离。例如，电极55可用介电层覆盖，其提供所需的绝缘，同时还允许电极55在其它电极上方滑动。这些电极实际上可被构图在衬底的背面，其表面在50处示出。这降低了这些电极和圆盘电极之间的电容，但是可能对于几毫米或更小的衬底厚度是实用的。电极55与电极51-54中的每一个之间的交叠取决于圆盘相对于电极51-54的位置。分别用A-D表示电极55和电极51-54之间的交叠。
现在参考图4，其是电极51-55的等效电路的示意图。电极55的与电极51交叠的部分形成了具有与交叠A成比例的电容的平行板电容器。类似地，电极55的与电极52交叠的部分形成了具有与交叠B成比例的电容的平行板电容器，等等。由于所有电容器共享电极55的部分，因此等效电路包括四个与共用电极相连的电容器。该电极是电极55。因此，通过测量电极55与电极51-54中的每一个之间的电容，可确定电极55相对于电极51-54的位置。该确定可由控制器59来执行，其可以是指向装置的一部分或主机设备的一部分，指向装置形成该主机设备的一部分。
为了实现用于选择当前光标位置处的项的“点击”，圆顶形点击器可结合到圆盘中。现在参考图5，其是采用这种点击器的圆盘70的截面图。圆盘70具有底电极73，其电容用于确定如上所述的圆盘在移动区中的位置。圆盘70还包括顶电极74，当用户按压该电极时，该顶电极74被压下。顶电极74是被安装用以在用户不按压电极时将强制该电极在72处所示的稳定槽(detent)上的弹簧。在图5所示的实施例中，多个弹簧71提供该功能。电极73和74之间的距离可通过测量这些电极之间的电容来确定。当用户轻轻按压电极74时，该电极向下移动直到它到达点击器75的顶部为止。如果用户用比由点击器75和弹簧71的物理特性所决定的某一阈值力更大的力按压电极74时，点击器75将突然成为圆顶被倒转的结构。这将减轻电极74上向上的力，并且电极74将更靠近电极75移动。该新的位置可通过测量电极74和75之间的电容来感测。
图5所示的点击器由圆顶形薄片材料构成，其具有当圆顶被压下到预定高度以下时突然改变的高度。状态的改变伴随有对电极74向上施加的力的改变。这为用户提供类似于当开关闭合时所获得的那种感觉。对该应用来说，术语“点击器”被限定为包括响应于对其施加的力而改变其尺寸之一的任何机械设备，其中尺寸改变是施加的力的非线性函数。优选级别的点击器具有双稳态尺寸，当施加到点击器的力大于第一阈值力时其在这些状态之间突然转换，并且当施加的力降到第二阈值以下时回到其初始状态。
依据类比可以更容易地理解本发明的一个实施例，其中大桌面的内容通过定位在桌面顶部上方的小观察窗来访问。现在参考图6A和6B。图6A是根据本发明的一个实施例的手持设备88的示意图。图6B是相应桌面61和观察窗62的顶视图。
观察窗62对应于手持设备上的显示器。桌面61在观察窗62下面的部分在手持设备的显示器上显示给用户。在图6B所示的实例中，桌面包含在64-66处示出的多个物体。在观察窗下面的那些物体可在显示器上看到。因此，手持设备88的用户可以看到物体66和物体64在手持设备88的屏幕87上的范围内的部分。然而，用户不能看到物体65，除非用户将观察窗62重新定位在物体65上方。
手持设备88包括指向装置80，其可采用类似于以上相对于图1-5所示的设备讨论的方式操作。具体地说，指向装置80包括在移动区82内移动的圆盘81。圆盘81在移动区82内的位置由控制器83感测，并用于控制光标63的位置和窗口62在桌面61的边界内的位置。还假定圆盘81包括压力传感机构，例如上述由控制器83监控的那种。当用户通过按压圆盘81使用该压力机构时，控制器注意光标63的位置，并利用该位置来执行预定动作，例如选择光标下面的物体。该压力机构还可以包括如上所述的点击器以便为用户提供反馈。
当圆盘81处于移动区82的区域84之内时，控制器使光标63在观察屏幕87内移动。光标63在观察屏幕87内的位置通过圆盘81在区域84内的位置来确定。控制器83包括一对一的映射，其为圆盘81在区域84中的每一个位置指定了光标63的位置。该映射优选是线性的。
当用户将圆盘81移到区域84之外的位置时，圆盘位置和光标63的位置之间的耦合被断开。在该区域中，使窗口62沿由圆盘81的位置决定的方向移动。例如，控制器83可被编程来执行滚动功能，其中当圆盘移动到位置86时，窗口62在桌面上沿在68处示出的方向移动。在该实施例中，窗口将继续沿该方向移动直到用户将圆盘81移回到区域84中为止。在一个实施例中，窗口以预定的恒定速度移动。在另一个实施例中，该速度作为圆盘和壁89之间的距离的函数而增加。类似地，如果圆盘移动到位置85，则窗口62将沿箭头67所示的方向移动，等等。当圆盘处于视域82的相应角内时，可实现窗口的对角线移动。
由于由指向装置实现的功能在圆盘移到区域84之外时突然改变，因此降低用户无意中改变功能的可能性的机构是所希望的。现在参考图7，其是根据本发明的一个实施例的指向装置100的截面图。指向装置100包括圆盘101，该圆盘在由边界壁102所限定的移动区内移动。为了简化附图，省略了感测圆盘在表面103上方的位置的电极。
移动区分成两个区域在105处示出的区域和在104处示出的围绕区域105的环形区域。移动区最靠近壁102的区域用来选择诸如上述滚动操作之类的功能。移动区中心的区域105用于常规的指向操作，其中光标被映射到由该区域中的圆盘位置所决定的位置。为了防止用户无意中将圆盘移到区域104中，可变形的边界放置在区域104和105的接合处，其用弹簧106和107示意地示出。为了将圆盘移到区域104中，用户必须在圆盘101上施加足够的横向压力以压缩弹簧，以至圆盘可进入区域104中。在普通指向模式中，由用户施加用以移动圆盘的横向力比压缩弹簧所需的横向力小得多，因此，如果不是有意识地用力，用户不太可能切换指向功能。
虽然上述实施例利用附着于壁102的弹簧来改变必须施加给圆盘以将圆盘移入区域104的横向力，但是可以利用其它机构。现在参考图8，其是根据本发明的另一个实施例的指向装置120的截面图。圆盘112包括例如泡沫橡胶的弹性材料的环形物110，其必须被压缩以将圆盘移入区域104。
以上参考图1和2所讨论的现有技术系统利用了恢复弹簧，例如弹簧13，从而在用户将他或她的手指离开圆盘时使圆盘重新置于中心。除此之外，这些弹簧在指向装置被颠倒时防止圆盘离开移动区。
如上所述，这种类型的现有技术指向装置提供了圆盘位置和光标位置之间的递增映射，其提供了在屏幕上光标位置的精密控制。与台式和膝上型计算机不同，许多手持设备所使用的屏幕区域相对小。因此，圆盘在移动区中移动的精确度足以提供对屏幕上的光标的足够控制。在这些实施例中，不需要以上参考图1和2所示的现有技术实施例所讨论的恢复弹簧，因为圆盘位置提供了相对于屏幕上的光标位置的一对一的映射，因此，当圆盘到达区域105的边界时，用户不必使圆盘重新置于中心来继续跨越屏幕移动光标。然而，仍可实行利用恢复弹簧的实施例，这是因为这些弹簧为用户提供了关于圆盘在移动区的位置的物理反馈。
除去恢复弹簧降低了指向装置成本，并增加了指向装置的可靠性。因此，假如提供了用于将圆盘限制在移动区的替换机构，则缺少这些弹簧的实施例是优选的。除此之外，阻止碎片进入移动区的实施例也是所希望的，因为这种碎片会阻止圆盘在移动区的表面上方的平滑移动。图8所示的覆盖物115和密封环116阻止了碎片进入移动区。
在其中恢复弹簧不再可用于将信号导入圆盘或从其中导出的实施例中，必须提供替换的信号路径。为此可使用例如电缆117的弹性导体组。或者，可在圆盘112的表面上提供导电迹线，其通过适当的“刮器(wiper)”与覆盖物115上相应的迹线连接。例如，该刮器可包括在密封环116中。
在上述实施例中，移动区分成指向区105和功能区104。在指向区中，圆盘的位置决定了设备的显示屏幕上的光标的位置。当圆盘处于功能区时，屏幕显示滚动以呈现虚拟桌面的其它区域。然而，可在功能区中实现其它功能。例如，当圆盘移入这些区域之一时，特定菜单可显示在手持设备的屏幕上。接着可使用光标从这些菜单中进行选择。原则上，在功能区中可实现改变与光标位置相对的被显示资料的任何功能。
在本发明的上述实施例中，圆盘被限制在矩形移动区。然而，应当理解，移动区可具有任意的边界形状。例如，移动区可以是圆形或椭圆形。
根据前面描述和附图，本发明的多种修改对于本领域的技术人员将变得显而易见。因此，本发明仅由以下权利要求的范围来限定。
权利要求
1.一种指向装置，包括具有在其上限定的圆盘移动区的第一表面，所述圆盘移动区分成指向区和功能区；在所述第一表面上移动的可移动圆盘；确定所述圆盘在所述移动区内的位置的控制器；和显示二维场景和光标的显示屏幕，当所述圆盘处于所述指向区中时，该光标采用被所述圆盘的所述位置进行控制的方式在所述场景内移动，其中当所述圆盘处于所述功能区时，所述控制器使所述场景改变。
2.权利要求1的指向装置，进一步包括用于阻止所述圆盘移动到所述功能区中的可变形的障碍物，所述阻止通过用户沿平行于所述第一表面的方向对所述圆盘施加力来克服。
3.权利要求2的指向装置，其中所述可变形的障碍物包括在所述移动区的外围上设置在所述圆盘和所述非可变形的障碍物之间的弹性元件。
4.权利要求3的指向装置，其中所述弹性元件是与所述圆盘的壁接合的橡胶层。
5.权利要求3的指向装置，其中所述可变形的障碍物包括弹簧。
6.权利要求1的指向装置，其中所述场景代表如同通过在所述表面上方可移动的窗口所看到的一部分表面的视图，并且其中所述控制器使被这样观察到的所述表面的所述部分改变到所述表面的邻近部分。
7.权利要求6的指向装置，其中所述邻近部分依赖于所述圆盘在所述功能区中的所述位置。
8.权利要求6的指向装置，其中所述窗口以依赖于所述圆盘在所述功能区中的所述位置的速度移动。
9.权利要求1的指向装置，其中所述指向装置进一步包括防止材料从所述移动区外部移动到所述移动区内部的覆盖物。
10.一种用于将数据输入到其上具有显示屏幕的设备中的方法，所述方法包括提供在表面上的移动区内移动的可移动圆盘；将所述移动区分成指向区和功能区；提供被限制在所述第一表面上移动的可移动圆盘；显示二维场景和光标，当所述圆盘处于所述指向区时，该光标采用被所述圆盘的所述位置进行控制的方式在所述场景内移动；以及响应于移动到所述功能区中的所述圆盘来改变所述场景。
11.权利要求10的方法，进一步包括需要不同幅度的力以使所述圆盘在所述功能区中而非所述指向区中移动。
12.权利要求10的方法，其中所述场景代表如同通过在所述表面上方可移动的窗口所看到的一部分表面的视图，并且其中被这样观察到的所述表面的所述部分改变到所述表面的邻近部分。
13.权利要求12的方法，其中所述邻近部分依赖于所述圆盘在所述功能区中的所述位置。
14.权利要求12的方法，其中所述窗口以依赖于所述圆盘在所述功能区中的所述位置的速度移动。
全文摘要
公开了一种具有可移动的圆盘和显示屏幕的输入设备。该圆盘被限制在具有其上限定的圆盘移动区的圆盘表面上移动。该圆盘移动区分成指向区和功能区。控制器确定圆盘在移动区内的位置。显示屏幕显示二维场景和光标，当圆盘处于指向区时，该光标采用被圆盘的位置控制的方式在场景内移动。当圆盘处于功能区时，控制器使场景改变。阻止圆盘移入功能区的可变形的障碍物可用于防止无意中改变显示场景。该阻止通过用户沿平行于表面的方向对圆盘施加附加力来克服。
文档编号G06F3/038GK1892555SQ20061000935
公开日2007年1月10日 申请日期2006年2月28日 优先权日2005年2月28日
发明者T·萨彻, J·哈利, J·N·霍伦霍斯特, F·马塔 申请人:阿瓦戈科技通用Ip(新加坡)股份有限公司