专利名称：位置跟踪信号发生器单元及具有该单元的输入系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置跟踪信号发生器单元及包括位置跟踪输入设备 的输入系统，所述位置,输入设备用于跟踪位置跟踪信号发生器 单元的位置以及输入信息。
背景技术：
位置跟踪输入设备是识别由用户移动的位置跟踪信号发生器 单元的位置并输入关于信号发生器单元及其轨迹的信息的设备。目
前，位置跟踪输入设备使用自然手写(natural handwriting)输 入系统结合作为输入笔的位置跟踪信号发生器单元来实现。为描述 简单起见，本发明将以位置跟踪信号发生器单元和作为自然手写输 入系统的位置跟踪输入设备为例来加以描述。
与平板电脑中的自然手写识别方法不同，在这种自然手写输入 系统中，输入笔的坐标值通过基于自然手写输入设备接收到参考信 号的时间和输入笔产生超声信号的时间之间的时间差计算距离来 识别，输入笔的轨迹则通过连接输入笔移动过程中的坐标值来识 别。所述参考信号可包括红外(IR)、射频(RF)或电磁(EM)感 应信号。
传统的位置跟踪信号发生器单元如图l所示。参照图1,传统 的位置跟踪信号发生器单元为笔式的，包括向该输入笔的主体IO 供电的电源15，产生参考信号的参考信号发生器13，产生超声信 号的超声发生器17以及控制参考信号发生器13和超声发生器17 的控制器11。
此外，这种传统的位置跟踪信号发生器单元还包括笔芯19,其穿过所述主体的中央，用于存储墨，使用户可实际地在纸上进行记
录或者仅用于改善用户的书写灵敏度。笔芯19通过圆柱形的超声 发生器17并与主体10相组合，而外壳20封装该超声发生器17和 笔芯19。超声发生器17典型地由压电膜形成。
如图1所示，外壳具有用于将超声发生器17产生的超声波发 射到外部的槽22。
此外，随着这种传统的位置跟踪信号发生器单元的超声发生器 17产生的超声信号的输出功率的提高，可获得覆盖范围更大的超声 信号。
因此，当输入系统中用于接^声信号的传感器靠近位置 信号发生器单元设置时，由位置跟踪信号发生器单元产生的超声信 号的强度不是问题。然而，当超声信号传感器远离位置跟踪信号发 生器单元设置时，超声信号达不到该传感器，因此，位置跟踪信号 发生器单元的位置就无法被精确地跟踪。
为解决上述问题，提出了一种增强超声信号的输出功率的方 法。然而，为提高超声信号的功率，覆盖笔芯19外表面的压电膜 的长度变长。相应于该长度的增加，被实施为输入笔的位置跟踪信 号发生器单元的厚度变大，这可能会4吏用户感到不舒服。
发明内容
本发明提供一种位置跟踪信号发生器单元和采用该位置跟踪 信号发生器单元的输入系统，通过该单元和系统，可扩大超声信号 的覆盖范围，且不会增加位置跟踪信号发生器单元的厚度。
根据本发明的一个方面，提供一种位置跟踪信号发生器单元， 包括多个超声信号发生器，其分开预定的距离，并基于超声控制 信号产生相应的超声信号；控制器，其产生超声控制信号并将该超 声控制信号输出给多个所^1声信号发生器，使得从多个超声信号发生器产生的超声信号可以交叠并放大；以及导引件，其包括用于 发射超声信号的发射槽，该导引件内部容纳多个超声信号发生器， 并与支承超声信号发生器的主体相结合。
控制器可以按照从相对于发射槽而言最远的超声信号发生器 开始到最近的超声信号发生器的顺序、以恒定的时间间隔产生并输 出超声控制信号，以使超声信号交叠并通itj^射槽发射交叠的超声 信号。
位置跟踪信号发生器单元还可包括基于参考控制信号产生参 考信号的参考信号发生器；其中，控制器产生参考控制信号，以便 以与从超声信号发生器产生的超声信号相同的时间周期产生参考 信号，并将该参考控制信号输出到参考信号发生器。
才艮据本发明的另一方面，提供一种输入系统，包括如上所述 的位置跟踪信号发生器单元；位置^J宗输入设备，其包括用于接收 从该位置跟踪信号发生器单元产生的参考信号的参考信号传感器， 和彼此分开以接收来自于该位置跟踪信号发生器单元的放大的超 声信号的多个超声信号传感器，该位置,输入设备用参考信号传 感器接收到参考信号的时间与多个超声信号传感器接收到超声信 号的时间之间的时间差来测量所述位置跟踪信号发生器单元的位
根据本发明的又一方面，提供一种输入系统，包括位置 信号发生器单元，其包括彼此分开以基于预定的超声控制信号产 生超声信号的多个超声信号发生器；导引件，该导引件中形成有用 于发射超声信号的发射槽，该导引件与支承超声信号发生器的主体 结合，并且内部容纳有多个超声信号发生器；以及位置跟踪输入设 备，其通过电线连接到位置跟踪信号发生器上，以产生超声控制信 号，以便使以预定时间周期从多个超声信号发生器产生的超声信号 交叠，以便放大，并且将该超声控制信号输出到所述多个超声信号发生器。
位置跟踪输入设备可以按照从相对于发射槽而言最远的超声 信号发生器开始到最近的超声信号发生器的顺序、以恒定的时间差
产生并输出超声控制信号，以便通itj^射槽发射交叠的超声信号。 位置跟踪输入设备可以用向最近的超声信号发生器输出超声 控制信号的时间与每个超声信号传感器接收到超声信号的时间之 间的时间差来测量所述位置跟踪信号发生器单元的位置。
通过结合附图详细描述本发明的实施方式，本发明的上述及其 他特征和优点将变得更加明显。在附图中
图l为示出传统的位置跟踪信号发生器单元的结构的示意图2为示出根据本发明第一实施方式的位置跟踪信号发生器单 元的结构的示意图3为示出才艮据本发明第一实施方式的、如图2所示的与主体 耦合的导引件(guide)的横截面图4为示出根据本发明第一实施方式产生的超声信号的波形和 所^声信号的交叠信号的波形的视图5为用以解释根据本发明第一实施方式的输入系统的整个结 构和输入方法的示意图6为根据本发明第二实施方式的输入系统的整个结构和输入 方法的示意图。
具体实施例方式
以下将参考附图描述本发明的示例性实施方式。
图2为示出根据本发明一实施方式的位置跟踪信号发生器单元
的结构的示意图。参照图2，根据本发明一实施方式的位置跟踪信号发生器单元在物理结构上包括主体200和与主体200耦合的导引 件300。
主体200包括电源230、超声信号产生单元240、参考信号发 生器220、控制器210以及笔芯250。电源230向超声信号产生单 元240、参考信号发生器220以及控制器210供电。参考信号发生 器220接收供给的电能，并基于从控制器210输入的参考控制信号 产生参考信号。在本发明中，参考信号可包括红外(IR)信号、射 频(RF)信号或电磁(EM)感应信号。
可在超声信号产生单元240的末端设置笔芯250,以便提供典 型的笔的书写灵敏度。此外，在笔芯250的内部可包含墨，以供用 户实际地书写。在这种情形下，笔芯250可以穿过超声信号产生单 元240,并插入主体200内。
超声信号产生单元240包括多个超声信号发生器240a和 240b，它们基于从控制器210输入的超声控制信号通过振动产生超 声信号；内部管242，其中央部分具有圆柱形空间用于容纳笔芯250; 以及支承体248，其与导引件300的内表面紧密M,以固定超声 信号发生器240的位置。
优选地，超声信号发生器24Oa和240b彼此分开预定的距离Ll， 以环绕内部管242的外表面。或者，超声信号发生器240a和240b 可以仅被提供到内部管242的预定区域上。超声信号发生器240a 和240b通过基于超声控制信号将电源230供给的电能转换成振动 能，产生超声信号。优选地，超声信号发生器用压电膜构造。
虽然在图2中示出了两个超声信号发生器240a和240b，当然， 也可设置三个或更多的超声信号发生器。另外，虽然这些超声信号 发生器可以彼此分开不同的距离，然而优选的是这些超声信号发生 器彼此分开相等的距离。
此外，如图2所示，优选的是，在用户使用输入笔进行书写操作时，将超声信号发生器240设置在更靠近纸张的位置(例如，输 入笔的下端)。控制器210、参考信号发生器220以及电源230可以 设置在主体200内的任何位置。
在导引件300的内部，提供有用以容纳超声信号发生器240的 空间。导引件300环绕着其中容纳的超声信号发生器240，与主体 200耦合。
导引件300包括下导引件310和上导引件320。上导引件320 的横截面具有诸如螺紋那样的锁定结构，使得能够通过装配、螺紋 连接或粘结与主体200互锁。
发射槽330设置在下导引件310的外表面上，以^tiL射从容纳 于导引件300内的超声信号发生器240a和240b产生的超声信号。 优选地，发射槽330是长形的，以使接近地面的整个最下侧的超声 信号发生器240a能够被充分地暴露。也即，发射槽330被设计成 可使从最下侧超声信号发生器240a产生的超声信号直接发射到空 气中，而无需通过在超声信号产生单元240与导引件300之间提供 的导引5M^进行传播。
同时，上导引件320形成与上超声发生器240b相关联的导引 路径，以^t通过发射槽330发射从内部容纳的上超声信号发生器 240b产生的超声信号。结果，从上超声信号发生器240b产生的超
声信号沿着导引5M^被向下导引到地面，并M射到空气中。
注意，假设设置三个超声发生器，则除最下侧超声发生器外的 两个上超声发生器均可被上导引件320环绕，由此，从其中产生的 超声信号可以沿着导引路径穿it^C射槽330被导引到空气中。
同时，控制器210向超声信号产生单元240和参考信号发生器 220输出超声控制信号和参考控制信号，以便超声信号产生单元240 和参考信号发生器2 2 0分别以预定的时间周期产生超声信号和参考 信号。注意，控制单元210产生并输出超声控制信号和参考控制信号，以便以相同的时间周期(即以相同的产生频率)产生超声信号 和参考信号。参考控制信号和超声控制信号可以被同时输出，或者 以恒定的时间差被分别输出。
控制器210产生超声控制信号，并将它们输出到相应的超声信 号发生器240a和240b。以预定时间间隔M声信号发生器240a 和240b产生的超声信号被彼此交叠和放大。
图3为示出根据本发明实施方式的与主体200相结合的导引件 300的横截面的示意图。参照图3,在超声信号产生单元240插入 导引件300内时，笔芯250穿过超声信号产生单元240的内部管242 和下导引件30。主体200与上导引件320紧密地掩^，使得从超声 信号发生器240a和240b产生的超声波不会沿着相反于地面的方向 狄氛
在超声信号产生单元240插入导引件300内的情况下，在超声 信号产生单元240的内部管242与导引件300的内表面之间形成导 引路径350， J^U^声信号发生器240b产生的超声信号沿着导引路 径340传播，以通it^射槽330 ^Jt射。
图4示出通过交叠根据本发明第一实施方式产生的超声信号和 超声信号的波形进行放大的过程。参照图4，控制器210产生用于 指示产生超声信号的超声控制信号并将其输出给超声信号发生器 240b。
超声信号发生器240b接收该超声控制信号，产生超声信号 (401:参照图4的@)。
从超声信号发生器240b产生的超声信号@沿导引路径350 (402 )向发射槽330传播。
另一方面，当从超声信号发生器240b产生的超声信号⑧到达 超声信号发生器240a时，即当超声信号③在超声信号发生器240a 与240b之间传播距离Ll时，将所述超声控制信号输出到超声信号发生器240a，以产生与该在前的超声信号具有相同频率和相位的超 声信号(403:参照图4的 )。
然后，超声信号③和⑥彼此交叠，产生放大的超声信号( + )。该放大的超声信号通itj^射槽330^JL射到空气中。
控制器210产生参考控制信号，使得参考信号以与超声信号相 同的时间周期(即以相同的产生频率)产生，而不管超声信号产生 的时间点，控制器210还将该参考控制信号输出给参考信号发生器 220。
即，控制器210可以产生参考控制信号，4吏得以与超声信号相 同的产生频率且以距产生超声信号的时间点恒定的时间间隔产生 参考信号，控制器210还将该参考控制信号输出给参考信号发生器 220。
另夕卜，控制器210可以产生这样的参考控制信号，该参考控制 信号用于指示在与从相对于发射槽330较远的超声信号发生器 240b或较近的超声信号发生器240a产生超声信号的同时产生参考 信号。
根据本发明的第一实施方式，超声控制信号和参考控制信号被 同时分别输出到超声信号发生器240a和参考信号发生器220，以便 同时发射M大的超声信号和参考信号。
图5示出根据本发明第一实施方式的输入系统的整个结构和输
入方法o
现在，参照图5描述根据本发明实施方式的输入系统的操作。 通itM合主体200和导引件300得到的位置跟踪信号发生器单元 50a (以下称作"输入笔")的控制器210以相同的时间周期(即以 相同的产生频率)产生参考控制信号和超声控制信号，并将它们输 出给参考信号发生器220和超声信号产生单元240。如上所述，超 声信号和参考信号可以同时产生，或以恒定的时间间隔分别产生。当从控制器210输入控制信号时，参考信号发生器220产生参 考信号。此外，如上所述，超声信号发生器240a和240b以恒定的 时间间隔顺序地产生超声信号。产生的超声信号彼此交叠并放大， 然后通it^L射槽330输出到空气中。
位置跟踪输入设备60a包括用于接收参考信号的参考信号传感 器40,和用于接^声信号的多个超声信号传感器30a和30b。应 当注意，超声信号传感器30a和30b彼此分开预定的距离。
以下以参考信号和超声信号同时产生的情形为例，描述根据本 发明第一实施方式的测量输入笔50a的坐标值的方法。
输入笔50a的坐标值(x， y)可以通过求解下列x和y的方程 式获得
a W+y2，且
b2- (c-x) 2+y2
假设射频信号或红外频率信号(即参考信号)以光速传播，则 参考信号一在输入笔50a内产生，就会被参考信号传感器40接收 到，因此，可通过用声速分别乘以接收该参考信号所用的时间以及 左侧超声传感器30a和右侧超声传感器30b接收超声信号所用的时 间差获得长度a和b。此外，由于长度c是预先设定的，因此可以 通过将a、 b及c的值代入到方程式1中得到坐标值(x， y )。还可 以使用通iti^输入笔50a而获得的坐标值，由用户输入手写的笔 迹(script )。
在以相同的频率(即以相同的时间周期)并以恒定的时间差从 输入笔50a产生参考信号和超声信号时，可将该时间差代入到上述 方程式1，得到输入笔50a的位置。例如，如果输入笔50a产生参 考信号的时间比产生超声信号的时间早时间(oc)，那么可以在接收 到参考信号并且时间(a)消逝之后，通过用每个超声传感器接收到超声信号的时间来测量输入笔50a的位置。
图6示出根据本发明第二实施方式的输入系统的整个结构和输 入方法。
根据第二实施方式的位置跟踪信号发生器单元50在超声信号 产生单元240和导引件300方面与第一实施方式具有类似的结构配 置。不同的是，省略了设置在主体200内的控制器210、参考信号 发生器220以及电源230。
具体地，第二实施方式的结构配置与第一实施方式的相似之处 在于超声信号产生单元240和笔芯250容纳在主体200内，导引 件300与主体200相结合，同时内部存放有所i^声信号产生单元 240。第二实施方式的结构配置与第一实施方式的不同之处在于 省略了控制器210、参考信号发生器220以及电源230，超声信号 产生单元240通过电线接收来自位置跟踪输入设备60b的超声控制 信号和能量，以产生超声信号。这里只描述与第一实施方式不同的 部件和操作。
参照图6，根据本发明第二实施方式的位置跟踪信号发生器单 元50b通过电线连接到位置J^输入设备60b上，以接收能量。此 外，位置跟踪输入设备60b以预定的时间周期产生超声控制信号， 然后将该超声控制信号输出到输入笔50b，所述超声控制信号用于 指示位置 信号发生器单元50b (也称作输入笔)产生超声信号。
接收到超声控制信号的输入笔50b的各信号发生器240a和 240b以预定的时间间隔产生超声信号，并通itJL射槽330发射放大 的超声信号。这些超声信号被设置在位置跟踪输入设备60b内的多 个超声传感器30a和30b接收。
位置,输入设备6Ob可以将向输入笔5 Ob输出超声控制信号 的时间设定为参考时间，用该参考时间到多个超声传感器30a和 30b接收到超声信号的时间的时间差来测量输入笔50a的位置，并进行与第一实施方式类似的输入操作。参考时间可以设定为向邻近
发射槽330的超声发生器240a输出该超声控制信号的时间。
如上所述，在本发明的位置跟踪信号发生器单元内，以恒定时 间间隔从多个超声信号发生器产生超声信号，所&适声信号然后交 叠并放大。结果，能够提高超声信号的强度并扩大其覆盖范围。
同时，由于如上所述的结构优点，本发明可以解决现有技术的 问题，即由为提高超声信号强度的大尺寸超声传感器引起的位置跟 踪信号发生器单元的大厚度的问题。
虽然参照本发明的示例性实施方式描述了位置跟踪信号发生 器单元及使用该位置跟踪信号发生器单元的输入系统，但是本领域 的普通4支术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下 可以做出各种修改。
例如，虽然在上面的描述中，在超声信号产生单元240中包括 两个超声信号发生器240a和240b，也可以以恒定的距离设置三个 或多个超声信号发生器。在这种情形下，可以从最上侧的超声信号 发生器开始、以对应于相邻超声信号发生器之间距离的时间间隔顺 序地产生超声信号，使得超声信号可被放大并发射。
因此，所公开的示例性实施方式应当认为另一描述意义上的而不 是限制意义上的。本发明的范围应当符合对所附权利要求而不是上 述描述的最宽泛理解，以便涵盖所有这些修改及其等同内容。
权利要求
1.一种位置跟踪信号发生器单元，包括多个超声信号发生器，所述多个超声信号发生器被分开预定的距离，并基于超声控制信号产生相应的超声信号；控制器，所述控制器产生超声控制信号并将该超声控制信号输出给多个所述超声信号发生器，使得从多个超声信号发生器产生的超声信号能够交叠并放大；以及导引件，所述导引件包括用于发射超声信号的发射槽，该导引件内部容纳有多个超声信号发生器，且与支承超声信号发生器的主体相结合。
2. #^;^'虔求1所述的位置^^信号纽器单元，其中，所述控制器按照W目对于发，而言最远的超声信号J^器开始到最近的超声 信号纽器的顺序、以恒定的时间间隔产生并输出超声控制信号，以使超声信号交叠以;SJlJ^^Ht;^交叠的超声信号。
3. #^1^^要求2所述的位置^^信号^A器单元，还包括基于参 考控制信号产生参考信号的参考信号itA器；其中，所述控制器产生参考控制信号，以便产生与v^^声信号iLl 器产生的超声信号具有相同频率的参考信号，并将该参考控制信号输出给参考信号处器。
4. "^t输入系统，包括W^怯求3的位置絲信号纽器单元5位置鹏输入设备，所述位置鹏输入设备包括用于^^J斤述位 置^^信号纽器单元产生的参考信号的参考信号传感器，和^DH^f 以接收来自该位置鹏信号j^A器单元的放大的超声信号的多个超声信 号传感器，该位置 输入设备用参考信号传感^#^^参考信号的时 间与多^1声信号传感^^^超声信号的时间之间的时间差来测量所 述位置鹏信号iLi器单元的位置。
5. -"#输入系统，包拾位置絲信号iLt器单元，其包拴多^i声信号^A器，所述多^N^声信号itA器^b^f以基i^ 定的超声控制信号产狄声信号；导引件，在该导引件中形^r用于发^i声信号的发wt，该导引件与支^^声信号iLt器的主体结合，且内部^M有多个所ii^声信号 发生器；以及位置i^^输入设备，所述位置i^^输入设备通过电线连接到位置跟 踪信号iLt器单iUi，以产^1声控制信号，以便使以预定时间周M 多^^声信号纽器产生的超声信号交叠，以<狄大，并将所^^声控 制信号输出到所述多^h^声信号JL^器。
6. :W^'J^求5所述的输入系统，其中，所述位置^i^"入设絲 照W目对于发^Ht而言最远的超声信号^A器开始到最近的超声信号发 生器的顺序、以恒定的时间差产生并输出超声控制信号，以^Utit^射 槽发射M的超声信号。
7. :N5U'JJ^求6所述的输入系统，其中，所述位置^i^输入设备用 向最近的超声信号^A器输出超声控制信号的时间与每^h^声信号传感 ^JtS，J超声信号的时间之间的时间差来测量所述位置i^^信号发生器 单元的位置。
全文摘要
本发明公开了位置跟踪信号发生器单元及具有该单元的输入系统。发明的位置跟踪信号发生器单元以恒定的时间间隔产生超声信号，以使从多个超声信号发生器产生的超声信号能够交叠并放大。因此，可以提高超声信号的强度并扩大其覆盖范围。由于如上所述的结构优点，本发明可以解决现有技术的问题，即由提高超声信号强度的大尺寸的超声传感器引起的位置跟踪信号发生器单元的大厚度的问题。
文档编号G06F3/033GK101556511SQ20081008993
公开日2009年10月14日 申请日期2008年4月9日 优先权日2008年4月9日
发明者李在俊, 高悼英 申请人:自由笔有限公司