专利名称：检测物体移动的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种检测系统，具体地涉及一种基于模拟数字转换器来对可移动物体的移动进行检测的检测系统，涉及一种使用所述检测系统的操纵杆，以及涉及一种对可移动物体的移动进行检测的方法。
背景技术：
在近来逐渐增长的例如移动电话、PDA等移动设备市场中，功能的多样性提高，使得在大多数现有移动设备中，提供具有光标的显示器，用户通常要通过操作杆来控制光标， 这种操纵杆可以包含例如与按钮相结合设置的五个开关，用户将操纵这五个开关以使显示器上的光标移动。当已经进入显示器上的菜单并且实际定位了用于选择预定项目的光标时，根据操纵杆的按钮向左侧或向右侧的移动来接通相应的开关，或者通过垂直地移动 (按压)所述操纵杆来获得“点击”功能。为了便于操作移动设备，要求通过操纵杆对光标的连续、高灵敏度和可靠的控制。 此外，移动设备的这种操纵杆必须小巧并且耐用，并且必须具有较高的性能和较低的价格。就此而言，参考文献W02007/122556A2公开了一种检测电路，用于检测诸如操纵杆之类的可移动物体的移动，其中，提供多个第一检测单元以检测在检测单元上存在或不存在光斑，可移动物体根据用户注意力(用户的操作)的移动影响光斑的位置。提供第二检测单元，以根据可移动物体沿另一方向的移动来检测光斑的光强度。具体地，通过第二检测单元检测光斑的两个强度，并且获得相应的输出信号，所述相应的输出信号表示可移动物体沿Z方向的移动(垂直移动，表示操纵杆布置的点击功能)。将检测单元的输出信号与相应的参考信号进行比较，得到一比特数字信号。在检测单元的每一个光电探测器处对所述信号进行数字化，以获得准备用于另外的数据评价的数字化信号。检测单元包括光电二极管和晶体管，所述晶体管用于对来自所述光电二极管的信号进行数字化。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对可移动物体的移动进行检测的检测系统，其中， 基于简化的电路布置以数字信号的形式提供所述可移动物体的移动的检测结果，提供一种使用所述检测系统的操纵杆，以及提供一种对可移动物体的移动进行检测的相应方法。根据本发明，通过根据所附权利要求所述的对可移动物体的移动进行检测的检测系统、操纵杆以及对可移动物体的移动进行检测的方法，实现了该目的。根据本发明的第一方面，用于对可移动物体的移动进行检测的检测系统包括光源，适用于发射光；反射单元，设置为与所述可移动物体功能连接，并且适用于反射所发射的光；模数转换器，适用于输出数字信号，所述模数转换器包括用于检测反射光并且输出检测信号以确定所述可移动物体的移动的至少一个检测器、适用于输出电流信号的电流源、 以及适用于接收检测信号和电流信号的至少一个电容器；共模控制器，适用于感测所述至少一个电容器上的电压，并且根据所感测的电压产生至少一个共模信号以控制所述电流源，其中对所述可移动物体的移动加以表示的数字信号基于所述至少一个检测器的输出信号和所述至少一个共模信号。根据本发明，可以可靠地检测所述可移动物体在X和Y平面内以及沿与所述X和Y 平面垂直的Z方向的移动的精确检测，而同时可以保持所述检测系统的复杂度较低。可以以操纵杆的形式来实现所述检测系统。因此，所述检测系统支持与所述操纵杆的角度测量相对应的X和Y检测，以及与沿Z方向的垂直移动相对应的点击检测。所述检测功能完全与所述模数转换器相耦合，以根据所述测量或检测信号获得精确的数字检测信号，其中可以对所述精确的数字检测信号进行任意另外的数据评估。应该注意的是，不需要知晓通过所述检测器的实际电流(即，所述检测器的光敏二极管用作感测元件)。可靠地检测电路中电流的增大并且将其转换为对检测到的可移动物体的移动加以表示的数字值，其中所述电流的增大是由于与用户执行的点击和释放功能相结合的检测器上的光强度(辐照度)增大或者相应光强度的相应增大或者减小而引起的。因此，根据本发明的电路布置利用简化的电路，提供了一种简单的方式来检测与所述可移动物体有关的在X和Y平面内的移动以及点击和释放功能，此外优选地，所述电路可以与一个芯片上的检测系统的另外电子部件集成在一起。所附权利要求限定了本发明的优选实施例。此外，所述至少一个电容器可以由来自电流源和所述至少一个检测器的电流来充电。所述至少一个检测器、光源、共模控制器和模数转换器可以设置在衬底上，并且所述反射单元可以适用于使光斑入射到所述衬底上。所述至少一个共模信号可以适用于设定所述电流源中流动的电流。所述模数转换器可以包括经由开关与所述电流源可连接的两个电容器。所述模数转换器还可以包括比较器，所述两个电容器上的电压被馈送至所述比较器的输入端子。所述比较器可以适用于将所述两个电容器上的电压进行比较，并且输出所述数字信号作为比较结果，所述数字信号被馈送至所述开关以控制所述开关的关断或接通状态。共模控制器可以适用于感测两个电容器上的中间电压并且将感测结果与预定的参考电压进行比较，所述共模控制器可以在所感测的中间电压在预定的阈值以下的情况下，产生至少一个共模信号以增大通过所有电流源的电流，并且可以在所感测的中间电压在预定的阈值以上的情况下，产生至少一个共模信号以减小通过所有电流源的电流。检测系统可以包括用于产生至少一个系统时钟的系统时钟发生器，其中所述比较器可以是使用所述系统时钟的时钟脉冲的时钟控制比较器。共模控制器还可以包括电压放大器，为电压放大器的一个端子提供所感测的中间电压，为电压放大器的另一个端子提供预定的参考电压，所述预定的参考电压包括所述预定的阈值。系统还可以包括适用于产生至少一个时钟信号的系统时钟发生器，所述数字信号基于系统时钟的时钟脉冲，并且被馈送至计数器以对预定个数的周期上的脉冲进行计数， 所计的脉冲个数与流过检测器的电流的差值相对应，其中所述电流的差值是由于可移动物体的移动而引起的。反射单元所引起的光斑可以包括反射光的预定的辐照度曲线，所述可移动物体沿预定方向的移动的确定可以基于由于所述移动而引起的在所述至少一个检测器上光斑的辐照度曲线的增大。根据第二方面的本发明还涉及一种用于可移动物体的操纵杆，所述操纵杆还包括根据本发明第一方面的检测系统。根据第三方面的本发明涉及一种对可移动物体的移动进行检测的方法。所述方法包括以下步骤将光发射到反射单元(步骤Si)；被设置为与可移动物体功能连接的反射单元对所发射的光进行反射(步骤S2)；至少一个检测器检测反射光并且输出检测信号以确定可移动物体的移动(步骤S3)；至少一个电容器接收检测信号和由电流源输出的电流信号(步骤S4)；感测所述至少一个电容器上的电压，根据所感测的电压，产生至少一个共模信号并且利用所述至少一个共模信号来控制电流源(步骤S5)；以及基于所述检测信号和所述至少一个共模信号，输出对可移动物体的移动加以表示的数字信号(步骤S6)。所述方法具有与结合本发明第一方面的检测系统而描述的优点相同的优点。本发明还可以通过以下附图和示例来阐明，其并非意欲限制本发明的范围。本领域普通技术人员应该理解，在本发明的范围之内，可以对各种实施例进行组合。
根据随后所述的本发明的实施例，以上目的、优势和特点以及各种其他优势和特征将变得清楚明白，在附图中图1示出了本发明的检测系统的布置的截面图；图2示出了根据本发明的检测系统的平面图；图3示出了检测系统的方框图，表示根据本发明的数据处理部件的概图以及这些数据处理部件的功能；图4示出了根据本发明的检测系统的衬底上的入射光的辐照度曲线；图5示出了检测系统的方框图，表示根据本发明的电路原理；图6示出了检测系统的方框图，描述电路布置的主要部件；图7示出了根据图6的电流参考和共模控制器的详细电路布置；图8示出了根据图6的模数转换器ADC的详细电路布置；以及图9示出了对可移动物体的移动进行检测的方法的具体步骤的流程图。
具体实施例方式图1以截面图的形式示出了根据本发明的检测系统10的总体配置。根据该说明书描述的示例，根据本发明的检测系统10可以实现为任意可以移动设备的操纵杆。在以下描述中，检测系统10也称作操纵杆，可以具体地以光学操纵杆的形式(例如用于对便携设备的显示器上的光标加以控制的任意其他定点设备的一部分)来提供所述操纵杆，或者所述操纵杆可以是用于对便携设备的显示器上的光标加以控制的任意其他定点设备的一部分。如图1所示，截面图示出了封装1，其中，在所述封装1的腔体3中设置的衬底2 上，提供了多个检测器(光敏元件或光接收元件)Dl至D4。将具有光感测功能的多个检测器Dl至D4设置在衬底2上，或者实现在(嵌入)衬底2中，其中由于截面图的原因仅示出了检测器D3和D4。通过金属层4将衬底2固定到封装1，优选地固定到封装1的在腔体3中的中心部分。将由单个发光元件或多个发光元件(发光装置)组成的光源S设置为与所述多个检测器Dl至D4相邻，优选地但不是必要的，设置在所述衬底2的中心部分。根据图1，所述多个检测器Dl至D4设置在所述光源S的周围，优选地根据预定的图案和/或对称性设置在所述光源S的周围。可以通过接合线和/或相应的连接装置来提供必要的电连接。衬底2结合所述多个检测器Dl至D4、光源S和相应的接合连接可以共同收纳于封装1内部，并且可以被封装1两侧的侧壁5包围。封装1可以设置为IC封装的形式，并且可以包括根据本发明的检测系统10。沿图1的垂直方向，根据本发明的优选实施例，以按钮6的形式在光源S上方设置并提供触摸表面，按钮6构成一般可移动物体，因此构成检测系统10的可触摸部分以供用户操作。根据图1，按钮6 (即，可移动物体)形成了封装1及其腔体3上的盖子，并且可以相对于封装1沿三个可能空间方向移动到一定程度。按钮6被柔性悬置机制可移动地(弹性地)支撑，所述柔性悬置机制优选地通过至少一个弹簧7来提供，当用户手指试图操作检测系统10并且向按钮6施力时，所述至少一个弹簧7允许按钮6在虚拟点周围倾斜几度。 可以得到按钮6的不同移动角度和位置，当去掉用户手指的力时，按钮6将回到其平衡位置 (如图1所示的竖直位置)。在按钮6的与封装1的腔体3相对并且面对的下表面或下部部分处，提供反射单元8，反射单元8用于沿朝着检测器Dl至D4的方向反射由光源S发射的光的至少一部分。 将反射单元8基本上安装在按钮6的中心部分，优选地安装在沿图1中向下方向朝着衬底 2、具体地朝着光源S延伸的突出部分处，可以以镜子或任意反射表面的形式来提供反射单元8，例如通过向按钮6的这一预定位置涂覆金属化层或金属化膜。弹簧7可以配置用于将按钮6固定到与平衡位置(没有向左侧或右侧移动的位置，图1所示的位置)相对应的预定位置，按钮6的移动由封装1的侧壁5来限制，根据优选实施例弹簧7固定到封装。艮口， 至少一个弹簧7将按钮6偏置到平衡位置，所述平衡位置是于图1所示的竖直位置。在图2中只是作为示例表示了由弹性材料或刚性材料制成的按钮6的形状以及封装1和弹簧7的形状，在不脱离本发明的原理和性能的情况下，可以以多种方式来提供或者设计这些部件或者确定这些部件的尺寸。被至少一个弹簧7的柔性支撑的按钮6处于竖直(平衡)位置，其中反射单元8 基本上与衬底2的上表面平行，并且反射单元8与光源S相对，使得反射单元8将光源S发射的光朝着设置在衬底2上的多个检测器Dl至D4反射。图2示出了根据本发明的检测系统10的平面图，并且具体表示了图1的封装1的衬底2上的顶视图。从图2中可以看出，反射单元8通过反射光源S的光，在衬底2上形成光斑9。当通过用户的操作使优选地承载反射单元8的按钮6柔性地移动时，所述多个检测器Dl至D4 上的反射光的光强度变化。通过对于检测器Dl至D4上的光强度变化进行评估来执行移动检测。从图2中可以看出，优选地，检测器Dl至D4设置在光源S周围，并且完全位于光斑 9之内。多个检测器也可以仅部分地位于光斑9之内。可以以多个光敏元件(例如光电检测器)的形式来提供多个检测器Dl至D4，每一个检测器Dl至D4的具体光电检测器可以根据预定图案或者阵列设置在每一个检测器Dl至D4的区域内。可以由诸如发光二极管之类的发光装置组成的光源S可以发射特定强度和波长(颜色)的光。在多个发光二极管的情况下，每一个发光二极管都可以发射一部分光，用于形成在图1中朝着上方导引并且在图1 中向下反射至检测器的完整光发射强度(辐照度)。图2中以虚线圆的形式示出了光斑9，但是这只是光斑9形状的示例，本发明不局限于光斑9的这种形状和面积，根据光源S的形状和反射单元8的形状，光斑9也可以具有诸如正方形或矩形形状之类的不同形状。在根据图2的衬底2上，将另外的面积分配给另外的数字电路区域，例如可以用于实现另外的通用数字电路的区域11和12。数字电路可以配置用于数据处理和控制，并且也可以包括内部系统时钟发生器以及相应的接口部分。此外，根据本发明并且如图2所示的检测系统的衬底2包括另外的预定区域，例如分配给模数转换器ADC的区域Al和A2，随后将结合本发明的检测系统10的另外功能来描述模数转换器ADC的布置和结构。关于图2所示的布置以及更具体地关于分配给特定功能元件的区域，应该注意的是该布置不局限于光源S和多个检测器Dl至D4的正方形轮廓，在通常的设计选项内，可以提供光源S或者检测器Dl至D4的不同形状。这同样适用于设置在衬底2上并且如图2所示的任意块或者部分。尽管图2所示的光斑9具有圆形区域，然而在不脱离本发明性能的情况下其他形状也是可能的。在多个检测器Dl至D4的区域内，检测器Dl至D4的光敏部件可以均勻地分布在专用区域，或者可以根据预定的图案来设置，所述预定的图案进一步依赖于所使用技术和另外的设计条件。同样，在这一方面的变化不会影响本发明的性能。除了图1所示的平衡位置之外，表示可移动物体的按钮6还可以具有不同的位置。 在用户操作按钮6的情况下，S卩，在用户在触摸按钮6上表面并且按钮6倾斜到α兴0的倾斜角的情况下，优选地通过基本上保持或者只是略微改变衬底2上光斑9的尺寸和位置，这引起具体地在多个检测器Dl至D4上的光强度的变化。即，当用户将按钮6移动至与倾斜角α =0(平衡位置)不同的另一倾斜角时，在所述多个检测器Dl至D4上出现光强度变化，并且例如沿诸如X方向之类的具体方向的移动引起具体检测器(例如检测器D3和D4) 上的光强度分布的变化，而按钮6 (以及反射单元8)沿(与X方向垂直的)Y方向的移动引起具体的检测器Dl和D2上的可利用的强度变化。相应地，由于可以倾斜的按钮6使得破坏了所述多个检测器D1-D4上的入射光的对称性，其中按钮6可以沿任意可能的方向倾斜(使反射单元8以相同的方式倾斜)，所以如果按钮6沿X方向并且朝着图2中右侧有任何移动，第四检测器D4就比第三检测器D3 接收更多的光，而第一检测器Dl和第二检测器D2仍然基本上接收相等量的光。其他移动按照类似的相应方式改变光强度(即，由于反射单元8的反射功能，使得改变入射到具体检测器Dl至D4上的光的量)。在检测器Dl至D4的输出信号的数据评估之后，例如通过针对检测器Dl至D4的在先检测的输出值与合适的阈值进行比较，可以获得与用户操作的按钮6的移动有关的精确信息。数据评估之后的输出信号用于控制任意相应显示器上待控制光标的位置。
在图1的上部位置，所示的箭头用于表示用户操作按钮6的可能性。即，具有“倾斜”标识的弧形箭头表示倾斜角度“ α，，的示例。图1中具有“点击”标识的垂直箭头表示沿与X和Y平面垂直的Z轴的检测，随后将更加详细地描述这种情形。图3示出了与根据本发明的检测系统的机械部件相结合的方框电路布置。如图3所示，将光源S简化表示为发光二极管LED，发光二极管LED发射导引至按钮6的下部部分(下表面)的光，反射单元8与按钮6分离。来自光源S的光被反射单元8 反射，并且照射到图3中由单独的光敏元件(例如光电二极管)表示的检测器Dl至D4上。图3所示的电路布置示出了中央控制器(中央数据评估和控制装置)13，中央控制器13用于执行对检测系统的总体控制和进一步控制专用数据评估。控制器13从检测系统的其他部件接收信息，并在相应的预定数据评估(优选地，根据预定程序而执行)之后提供对检测系统的必要控制。具体地，控制器13与系统时钟单元14相连，所述系统时钟单元14适用于向检测系统提供必要的系统时钟CLK。这与前述内部系统时钟发生器相对应。控制器13 (以及时钟单元14)与光源控制器15相连，所述光源控制器15适用于控制光源S,并且具体地控制光源S的至少一个发光二极管，从而提供对光源S的功率控制， 即提供对发光强度(辐照度)和/或光的颜色分量(频率、波长)的控制。控制的可能性可以依赖于光源S中使用的具体发光元件，并且还可以依赖于所述多个检测器Dl至D4的光敏元件的灵敏度。此外如图3所示，检测器Dl至D4与点击检测器16相连，在点击检测器16中对检测器Dl至D4的输出信号执行第一预处理。就此而言，点击检测器16包括与点击检测结合使用的模数转换功能(A/D转换器)ADC，即，用于评估检测器Dl至D4的输出信号。随后详细描述点击检测器和相应的检测原理的使用，这也可以用于检测按钮6 (可移动物体)沿X 和Y方向的任意移动。将点击检测器16的检测结果馈送至数据处理器17，数据处理器17适用于提供另外的数据处理，即提供对点击检测器16的输出信号的数据评估，以获得与所需的光标移动和/或位置有关的信息。在点击检测器中执行的根据本发明的点击检测概念以及在数据处理器17中的相应数据处理提供了在由用户操作引起的按钮6移动(倾斜角度α和点击操作)与相应显示器上光标的所需移动或位置之间的相关性。可以通过另外的接口单元(I/O)将表示整个检测结果的、由数据处理器16获得的信息馈送至本发明的检测系统10的外部。检测系统的外部与任何另外装置或设备相对应， 所述任何另外装置或设备包括要控制的显示器，检测系统10连接至所述检测器或嵌入所述显示器中。结合示出了示意性布置的图3，将诸如光电二极管之类的一个光敏元件表示为检测器Dl至D4。就此而言应该注意的是，可以基于所述多个检测器Dl至D4的每一个检测器的所有光敏元件的输出信号，来执行点击检测，即按钮6沿Z方向移动的检测。根据本发明的优选实施例，具体地，可以将一个、多个或每一个检测器Dl至D4的具体(选定的)光敏元件分配给点击检测器16，以获得点击检测(Ζ检测)。除了多个检测器Dl至D4的光敏元件以外，还可以提供至少一个或者优选地预定个数的附加光敏元件(未示出)，附加的光敏元件主要用于点击检测，这些附加的光敏元件与点击检测器16相连，以获得附加光敏元件的输出信号(表示检测或感测信号)的必要数据评估。附加的光敏元件可以设置在衬底2上，优选地一方面与所述多个检测器Dl至D4 相邻，另一方面靠近光源S。然而，本发明不局限于这种布置，假设这些光敏元件完全位于光斑9之内，其中光斑9是由于来自光源S的被反射单元8反射的光引起的，那么用于点击检测的附加光敏元件可以设置在衬底2上的任意位置，而与是否通过用户操作将按钮6移动至任意小倾斜角度或者其任意最大值无关。在下文中将所述附加光敏元件称作具体的光敏元件PE，所述具体的光敏元件PE 例如用于执行点击检测(Z方向)，光敏元件PE形成检测器Dl至D4的一部分，或者是除了检测器Dl至D4之外另外单独提供的。提到具体的光敏元件PE (或者多个元件)意味着检测器的这些元件或附加地提供的。图4示出了具体光敏元件PE上的辐照度的检测波形(光强度曲线)。根据图4， 将基本上对称的辐照度提供到至少一个光敏元件PE上。在图4的示例中，考虑两个光敏元件，即位于光源S左侧的一个光敏元件PE以及位于光源S右侧的另一个光敏元件PE。将光敏元件PE的相应输出信号传送至电极检测器16通信，以用于另外的评估。当用户具体地通过如图1所示向下按压按钮6来操作按钮6以获得所需点击功能时，此时光源S和反射单元8之间的距离减小，衬底2上的辐照度增大。在图4中示出了相应的情况。具有较小峰值的实线与当按钮6没有被用户按压(即，释放按钮6)时的衬底2 上(并且因此在光敏元件PE上)的辐照度相对应，具有较高峰值的虚线表示当按压按钮6 以获得点击功能时衬底2上的辐照度。因此，点击检测用于评估按钮6的释放位置和按压位置之间的辐照度之差。根据所评估的差值，得出用于在显示器上移动要控制的光标的移动指令。在图4中，衬底上辐照度的曲线是优选方式的，但是不必基本上相对于中心线CL 对称，中心线与X和Y平面垂直并且优选地在光源S的中心处实质上与X和Y平面接触，其中X和Y平面由封装1的衬底2表示。其中相对于衬底2的衬底上辐照度最小的位置与在衬底2上辐照的反射光的光斑9的边界相对应。应该注意的是，图4中的辐照度曲线只示出了二维表示，但是实际上辐照度(光强度分布)在衬底的区域上具有三维布置(参见图 2)。图5示出了模数转换器ADC和另外数据路径的方框图，根据本发明，所述另外数据路径用于基于电流差的测量来测量点击功能(检测系统的点击操作)。图5的方框电路布置示出了模拟部分19和数字部分20。这两个部分之间的边界用图5中的虚线L表示。图5的电路布置包括至少一个电流源，优选地包括以第一电流源21和第二电流源 22的形式提供的两个上部电流源。提供由第三电流源23表示的另外的电流源作为底部电流源，并且将所述另外的电流源选择为固定至与流过顶部电流源21和22的电流大致相同的电流。底部(第三)电流源23的这一选择值是优选的值，并且本发明不局限于该值。将三个电流源21至23与共模控制器(共模控制装置)24相连，共模控制器(共模控制装置) 适用于通过提供预定的信号向图5的电路布置的ADC提供共模控制。为第一电流源21和第二电流源22提供水平共模控制信号(用于沿X方向的检测)。具体地，整个电路布置优选地包括两个ADC，即一个ADC用于沿X方向的检测，一个ADC用于沿Y方向的检测。为了简化电路的表示，在图5和后续附图中只示出了一个ADC。将用于沿X方向和Y方向检测的相应共模信号分别提供至ADC。本发明不局限于用于获得对沿X方向和沿 Y方向的检测加以表示的数字信号的两个ADC结构，可以只使用一个ADC。如果只使用一个 ADC,并且进行时分复用来检测沿X方向或沿Y方向的移动，则也需要相应地复用相应的共模信号(分别针对X方向和Y方向)。第三电流源23经由开关与积分电容25相连，并且与设置成时钟比较器的比较器 26的输入相连。还向比较器沈提供构成参考电压的电压Vref，比较器沈还适用于与参考电压Vref结合来提供比较过程。具体地，积分电容器25的两侧与时钟比较器沈相连。另外，图5的电路示出了两个光敏二极管，所述光敏二极管表示光源元件PE。假设这些光敏元件PE被反射光照射，并且产生根据预定范围的电流(例如，约ΙμΑ)。光敏元件 PE与积分电容器25相连，两个电流源21和22馈送电流，电流源21和22适用于提供预定的电流，所述预定的电流可以是光敏元件PE电流的两倍。第三电流源23可以接触为切换至右侧或者左侧的光敏元件ΡΕ。关于图5的电路布置的操作，如果积分电容器25的左侧电势(电压)大于右侧电势，则第三电流源23与左侧相连。这意味着左侧的电压下降，并且右侧的电压上升。一单积分电容器25左侧的电压变得小于右侧的电压，比较器沈就在下一个时钟沿(由图3的内部时钟发生器14提供的时钟)检测这种电压差，并且将第三电流源23切换至积分电容器25的右侧。这意味着右侧的电压开始下降，以及左侧的电压开始上升。一单右侧电压变得小于左侧电压，比较器沈也可以在接下来的时钟沿检测到这种情况，将电流源23切换至左侧，并且根据本发明的检测系统功能的过程再次从头开始。因此，比较器沈的输出按照输出信号OUT的形式在功率(高电平)和地(低电平)之间切换。在图5的时钟表达中示出了比较器沈的输出信号，表示比较过程依赖于检测系统的电路功能的结果。也就是说，当左侧和右侧光敏元件PE上的电流相等时，0和1的个数相等，以及当两侧的电流不相等时，1和0的个数不相等。因此，通过对大量时钟周期上的1的个数简单地进行计数，可以获得电流差的精确测量。在模拟部分19中执行电流检测和预处理时，在数字部分中执行对比较器26的比较过程的结果的数据评估，具体地将比较器沈的输出信号馈送至计数器27。通过在预定位置处检测电路中的电流的这种概念，可以检测由于光敏元件PE上增大或减小的辐照度而引起的电流增大或者减小，光敏元件PE上增大或减小的辐照度与点击检测或者X和Y平面中的任意检测相对应。为了使光敏元件PE的电压保持在地和电源电压(例如电压Vdd)之间，电流源、至少根据优选实施例的第一电流源21和第二电流源22可以具有光敏元件PE电流的大约两倍的电流。不需要精确地知晓流过光敏元件PE的电流，流过光敏元件PE的电流甚至可以变化，因为其依赖于来自光源S、被反射单元8反射、并入射到光敏元件PE上的光的量，光敏元件PE的量子效率、环境条件、杂散光和其他可能的影响。就此而言，引入由图5中的共模控制器M表示的共模控制。共模控制器34适用于利用至少一个共模控制信号以控制的方式影响多个电流源21至23，还适用于测量积分电容器25两侧的中间电压，为此目的，提供积分电容器25和共模控制器M的两端(侧，端子)之间的相应连接。将积分电容器25两侧的中间电压与参考电压Vref进行比较，如果测量出电压过低，则增大流过所有三个电流源21至23的电流。按照类似的方式，如果在积分电容器25处出现的测量和评估电压过高(基于共模控制器M的影响)，则减小流过多个电流源21至23的电流。为此目的，以相应的方式产生共模控制信号，并且基于预定的阈值来确定检测结果，即电压在该值以上还是在该值以下。因此，共模控制器M的输出表示流过光敏元件PE的中间电流。也就是说，共模控制器M适用于执行自我控制，具体地适用于主要由如图5所示的模拟部分19建立的模数转换器的自我调节概念。更具体地，从点击检测的观点来看，在按钮6的点击期间，即当用户试图选择显示器上的菜单上的具体项目并且在所述具体项目上已经放置了光标(在X和Y平面中的检测)时，以及当按钮6被按压以移动到更靠近衬底2的特定程度时(参见图1)，入射到衬底以及相应光敏元件PE上的辐照度(光的量)增大，并且作为反应，流过光敏元件PE的电流显著增大(参见表示辐照度曲线的图4)。也就是说，通过检测由共模控制器M输出的并且例如提供给各个电流源21至23 的控制信号(即，至少一个信号)的差值，更具体地可能地与预定阈值相结合随时间评估这些值，可以可靠地检测按钮6 (可移动物体)的点击操作。就此而言，检测系统，具体地如图5所示的检测系统的模拟部分19，与共模控制器 24和数字部分20相结合用作1比特一阶西格玛德尔塔转换器。根据图5，图5的电路布置的模拟部分19与模数转换器ADC相对应，模数转换器 ADC —方面与共模控制器M相连，另一方面与数字部分20相连。更具体地，比较器沈的输出与计数器27相连，计数器27属于电路布置的数字部分20，并且适用于对输出信号OUT 形式的比较器沈的输出脉冲(从时钟信号CLK得出)进行计数。优选地，以10比特计数器的形式提供计数器27。计数结果表示数据密度调制。(零=0000...，空闲=1010...， Fs = 1111. · ·)。还可以将计数结果传送至偏移单元观，偏移单元28可以与增益单元四相连。增益单元四还可以与阈值单元30相连，可以考虑预定的的阈值以避免由于任意噪声的影响导致的错误检测。此外，通过在更多时间周期上进行计数，可以提高精度。基于结合图3和图5所示和所述的检测和数据评估原理，另外的图6至图8示出了根据本发明另外实施例的方框电路和详细电路布置。根据图6，在该图的中心部分示出了图5中也示出的共模控制器24。共模控制器 M具有如上所述的通过产生至少一个共模控制信号来进行的共模控制功能，共模控制器 24 一方面与提供参考电流的电流参考电路31相连。另一方面，共模控制器M与表示模数转换器(下文中称作ADC 32)的电路32相连。如图6中粗略示出的，ADC 32包括第一光敏元件PEl和第二光敏元件PE2，第一光敏元件PEl和第二光敏元件PE2用于检测沿X和Y方向(X和Y平面)以及沿Z方向的任何移动，Z方向与X和Y平面垂直并且与点击功能相对应。如上所述，第一光敏元件PEl和第二光敏元件E2部分地或者完全地表示检测器Dl至D4，或者表示除了所述多个检测器Dl 至D4之外另外地提供的另外光敏元件，所述另外光敏元件位于通过反射单元8 (固定至按钮6，即，固定到可移动物体)将光源S的光反射到衬底2上而获得的光斑之内。输出输出信号OUT的ADC 32还可以按照与图5所示类似的方式与计数器27相连， 并且如上与偏移单元观、增益单元四和阈值单元30相连。现在参考的图7，图7示出了更多细节，即，示出了电流参考电路31和共模控制器 24的另外电路部件。所有部分的共同点是都与电源电压Vdd和地电势GND连接。电流参考电路31包括电流源33，电流源33用于提供参考电流作为共模控制器M 的参考值。共模控制器对提供用于确定共模信号的电路，共模信号被提供给ADC 32。在如图8所示的ADC 32中，将共模信号提供给不同的电流源21至23。图8还示出了位于光斑9(图幻之内的第一光敏元件PEl和第二光敏元件PE2的布置，其中根据入射到光敏元件PEl和PE2上的光来获得电流的变化。在图5中提到了积分电容器25，为了控制目的检测积分电容器25的端子之间的电压。这也在图8中示出，与图5中所示的布置不同，以两个电容器2 和25b的形式来提供积分电容器。感测电容器电压，并且将其馈送至共模控制器对。另外，还将积分电容器25a 和25b的电压馈送至比较器26，比较器沈与上述时钟控制的比较器相对应。关于共模控制器M，该控制器包括电路部分，确定两个光敏元件PEl和PE2的中间电压；以及电压放大器，控制电流源。优选地，光敏元件PE上的电压按照受控方式大约保持在电源电压(Vdd)和地电势的之间的中点。确定中间电压的电路包括串联连接的两个相等匹配的电阻Rl和R2，使得中间节点将处于中间电压。阻抗Rl和R2与两个匹配的源跟随器相连，每一个源跟随器均与光敏元件PE相连，以感测积分电容器2 和25b的电压。电压放大器具有与该中间电压相连的一个输入。另一个输入与参考电压Vref相连，在这种情况下电压放大器包括串联的两个相等晶体管以及源跟随器，所述串联的两个相等晶体管用于确定电源电压和地电势的中点，所述源跟随器与用于确定这两个光敏元件的中间电压的电路的源跟随器相匹配。如果光敏元件PEl和PE2上的中间电压变得低于参考电压，则放大器的输出电压升高，并且因此增大了流过ADC 32的电流源的电流(共模信号)。如果中间电压变得高于参考电压，则放大器的输出降低，并且因此(通过向ADC 32提供相应的共模信号)降低流过所述ADC 32的电流源的电流。如图6和8所示，ADC 32包括光敏元件PEl和PE2。因此，光敏元件PEl和PE2构成根据本发明的检测系统的输入端子，这是因为检测器Dl至D4(图2)上以及总体上光敏元件PEl和PE2上的辐照度表示感测功能，并且将光敏元件PEl和PE2拾取的入射光以及检测器Dl至D4的入射光输入至根据本发明的检测系统的电路。光敏元件PEl和PE2的电压大约处于电源电压Vdd和接地电势之间的中点。如从图8中可以看出的，光敏元件PEl和PE2与相应的积分电容器2 和2 直接相连。如上所述，两个电容器2 和2 的形式提供积分电容器，并且每一个积分电容器 25a和2 的一个端子与电源电压Vdd相连。另一个端子与光敏元件PEl和PE2相连，并且将相应积分电容器2 和25d的电压电平一方面馈送至比较器沈，另一方面由共模控制器 M (图6和图7)来感测。光敏元件PEl和PE2与积分电容器2 和25b的公共节点还分别连接至上部(即第一电流源21和第二电流源22)，并且经由开关与第三(底部)电流源23相连。刚好位于这些开关上方的晶体管具有短接的源极和漏极。晶体管用于补偿刚好位于第三电流源上方的开关的串扰。可以利用电流源对积分电容器2 和2 充电，S卩，根据检测系统的工作条件，利用电流源中的至少一个来对积分电容器2 和2 充电，以及根据这些元件上的入射光的条件，利用来自光敏元件PEl和PE2 (至少之一)或检测器Dl至D4的电流，对积分电容器2 和2 充电。因为晶体管栅极的电容在周围变化较大并且在OV周围效率不高，所以以两个电容器2 和25b的形式来提供积分电容器。优选地，将这些电容器设置为单个积分电容器 25的尺寸的两倍。此外，对图8中所示的电路布置的上部和下部的电流源(第一至第三电流源21至2 进行共射共基连接以获得合适的电路。图6至图8所示的电路布置可以如图5中情况一样以相应的方式与计数器27、偏移单元观、增益单元四和阈值单元30相连，以用于另外的数据评估。因为根据本发明的检测系统可以用于移动设备，所以需要降低检测系统的电路的功耗。因此，根据本发明的检测系统表现出低功率选项。期待的是需要每秒小于约200次测量。这意味着可以在测量之间关断所有内部模拟电路(图6至图8中所示的电路布置)，从而使功耗降低至泄漏水平。例如在需要选择IMHz的系统时钟并且需要每秒约100个采样的情况下，对于IOM 个时钟周期的测量时间仅IOM μ S。利用每秒约100个采样，需要每IOms进行一次这样的测量。基于这种特定条件，应该注意的是检测系统只需要在整个操作时间的约10%内是活动的，可以将功率降低因子10。另外，关于根据图2所示的多个检测器Dl至D4的布置，其中使用为X和Y方向之一的测量分配的两个检测器，这种测量的复用，即当在时间上复用顶部/底部测量(参见图 2的Y方向)和左侧/右侧电流测量(X方向)时，只需要一个模数转换器ADC。除了减小功耗之外，还可以减小衬底2(图2、上被电路覆盖的面积。采用与控制流过多个电流源21至23的电流的方式相类似的方式，根据本发明的另外实施例，可以通过控制光源S (具体地控制发光二极管LED)来执行对电流的控制，并利用这种控制概念来分别影响流过光敏元件PEl和PE2或者检测器Dl至D4的电流。在这种情况下，流过电流源的电流可以是固定的。这种控制表现出对于光源S发射的光的量以及所发射光的频率或波长的受控设置。当仅为具有可能多个发光元件的光源的一部分提供变化的功率时，也可以提供与光源S辐照的光的强度有关的控制。图9示出了与本发明第三方面相对应的对可移动物体的移动进行检测的方法的具体步骤的流程图。对可移动物体的移动进行检测的方法包括图9所示的步骤，其中执行第一步骤Si，以向反射单元发射光。根据第二步骤S2，被设置为与可移动物体(按钮)6功能连接的反射单元8反射所发射的光，在随后的步骤S3中，至少一个检测器检测所反射的光。在该步骤S3中，输出用于确定可移动物体的移动的检测信号。在第四步骤S4中，至少一个电容器25、2如、2恥接收检测信号和由电流源21至23输出的电流信号。第五步骤S5 涉及感测所述至少一个电容器25、2如、2恥上的电压，根据所感测的电压，产生至少一个共模信号并且利用所述至少一个共模信号来控制电流源。在第六步骤S6中，输出对可移动物体的移动加以表示的数字信号，所述数字信号基于所述检测信号和所述至少一个共模信号。
该方法具有与根据本发明第一方面的检测系统相同的优点。还应该注意的是，参考图1和图2，数字电路区域11和12、以及具体地配置用于容纳任意另外的模拟电路的区域Al和A2可以被金属屏蔽所覆盖，以避免由于辐照在衬底2 上以及因此而辐照在这些数字电路区域上的光所引起的问题。因为根据图2所示的第一数字电路区域11和第二数字电路区域12以及第一模拟区域Al和第二模拟区域A2完全地或者部分地位于由反射单元8的反射功能所产生的光斑9之内，所以光的遮蔽避免了对各个电路造成不期望的影响。备选地或者附加地，可以为反射单元8赋予合适的形状，以避免或者至少减小入射在数字电路区域11和12以及配置用于集成另外电路的模拟区域Al和A2 上的入射光。结合操纵杆的操作描述了根据本发明的对可移动物体的移动进行检测的检测系统和相应方法，具体地，是基于用户对按钮6 (可移动物体)的移动、以及检测系统结合检测方法对这种移动的检测来描述的。除了使用用于对操纵杆的移动进行检测的检测系统之外，本发明还可以应用于所有相应的设备或装置，在所述相应的设备或装置中类似地检测可移动物体沿三个空间坐标的任意小移动。可以以高可靠性利用电路来执行在基平面(X 和Y平面)内以及沿Z方向的可靠检测，其中，所述电路优选地以集成的形式设置在公共衬底(一个芯片上的布置)上，以易于制造和操纵所述电路。尽管已经在附图和上述描述中详细说明和描述了本发明，然而这些说明和描述将被看作是说明性和示例性的而不是限制性的；本发明不局限于公开的实施例。通过阅读附图、说明书和所附权利要求，本领域普通技术人员在实践要求保护的本发明时，可以理解和实践所公开实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他的元件或步骤，不定冠词“一个”不排除多个。权利要求中的任意参考符号不应该解释为限制本发明的范围。
权利要求
1.一种用于对可移动物体(6)的移动进行检测的检测系统，所述检测系统包括光源(S)，适用于发射光；反射单元(8)，设置为与所述可移动物体功能连接，并且适用于反射所发射的光；模数转换器(32)，适用于输出数字信号(OUT)，并且包括至少一个检测器(Dl至D4 ； PEl, PE2)，用于检测反射光并且输出检测信号以确定所述可移动物体的移动；电流源01、 22,23)，适用于输出电流信号；以及至少一个电容器05 ；25a, 25b)，适用于接收所述检测信号和所述电流信号；共模控制器(M)，适用于感测所述至少一个电容器上的电压，并且根据所感测的电压产生至少一个共模信号以控制所述电流源，其中对所述可移动物体的移动加以表示的所述数字信号基于所述至少一个检测器的所述输出信号和所述至少一个共模信号。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述至少一个电容器05;25a、25b)由来自所述电流源(21至2 和所述至少一个检测器(Dl至D4 ；PEl, PE2)的电流来充电。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述至少一个检测器(Dl至D4；PEUPE2)、所述光源(S)、所述共模控制器04)和所述模数转换器(3 设置在衬底( 上，所述反射单元(8)适用于使光斑(9)入射到所述衬底上。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述至少一个共模信号适用于设定在所述电流源Ql至23)中流动的电流。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述模数转换器(32)包括经由开关与所述电流源(21至2 可连接的两个电容器(25a、25b)。
6.根据权利要求5所述的检测系统，其中所述模数转换器(3 还包括比较器( )，所述两个电容器(25a、25b)上的电压被馈送至所述比较器的输入端子。
7.根据权利要求5所述的检测系统，其中所述比较器06)适用于将所述两个电容器 (25a、25b)上的电压进行比较，并且输出所述数字信号(OUT)作为比较结果，所述数字信号被馈送至所述开关以控制所述开关的关断或者接通状态。
8.根据权利要求5所述的检测系统，其中所述共模控制器06)适用于感测两个电容器 (25a、25b)上的中间电压，并且将所述感测结果与预定的参考电压进行比较。
9.根据权利要求8所述的检测系统，其中所述共模控制器04)在所感测的中间电压低于预定的阈值的情况下，产生所述至少一个共模信号以增大通过所有电流源(21至23)的电流，以及在所感测的中间电压高于所述预定的阈值的情况下，产生所述至少一个共模信号以减小通过所有电流源的电流。
10.根据权利要求6所述的检测系统，还包括用于产生至少一个系统时钟(CLK)的系统时钟发生器(14)，其中所述比较器06)是使用所述系统时钟的时钟脉冲的时钟控制比较器。
11.根据权利要求9所述的检测系统，其中所述共模控制器06)还包括电压放大器，为电压放大器的一个端子提供所感测的中间电压，为电压放大器的另一个端子提供预定的参考电压(Vref)，所述预定的参考电压(Vref)包括所述预定的阈值。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的检测系统，还包括适用于产生至少一个系统时钟(CLK)的系统时钟发生器(14)，所述数字信号(OUT)基于所述系统时钟的时钟脉冲，并且被馈送至计数器(XT)以对预定个数的周期上的所述脉冲进行计数，所计的脉冲个数与流过所述检测器(Dl至D4 ；PEUPE2)的电流的差值相对应，流过所述检测器的所述电流的差值是由于所述可移动物体(6)的所述移动而引起的。
13.根据权利要求3所述的检测系统，其中由所述反射单元(8)引起的所述光斑(9)包括反射光的预定的辐照度曲线，所述可移动物体(6)沿预定的方向(Z)的移动的确定基于由于所述移动而在所述至少一个检测器(Dl至D4 ；PEUPE2)上引起的所述光斑的辐照度曲线的增大。
14.一种用于移动设备的操纵杆，还包括根据权利要求1至13中任一项所述的检测系统。
15.一种对可移动物体(6)的移动进行检测的方法，所述方法包括以下步骤 将光发射到反射单元(8)(步骤Si)；被设置为与所述可移动物体功能连接的所述反射单元(8)对所发射的光进行反射(步骤 S2)；至少一个检测器(Dl至D4 ；PE1,PE2)检测反射光，并且输出检测信号以确定所述可移动物体的移动(步骤S3)；至少一个电容器05 ；25a, 25b)接收所述检测信号和由电流源输出的电流信号(步骤S4)；感测所述至少一个电容器上的电压，根据所感测的电压，产生至少一个共模信号并且利用所述至少一个共模信号来控制所述电流源(步骤S5)；以及基于所述检测信号和所述至少一个共模信号，输出对所述可移动物体的移动加以表示的数字信号(步骤S6)。
全文摘要
本发明涉及一种用于对可移动物体(6)的移动进行检测的检测系统。所述检测系统包括光源(S)，适用于发射光；反射单元(8)，设置为与可移动物体功能连接，并且适用于反射所发射的光；模数转换器，适用于输出数字信号(OUT)，并且包括用于检测反射光并且输出检测信号以确定可移动物体的移动的至少一个检测器(D1至D4；PE1，PE2)、适用于输出电流信号的电流源、以及适用于接收检测信号和电流信号的至少一个电容器；共模控制器，适用于感测所述至少一个电容器上的电压，并且根据所感测的电压产生至少一个共模信号以控制电流源，其中对可移动物体的移动加以表示的数字信号基于所述至少一个检测器的输出信号和所述至少一个共模信号。本发明还涉及一种使用检测系统的操纵杆，以及涉及一种对可移动物体的移动进行检测的方法。
文档编号G06F3/033GK102165397SQ200980137946
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者伯纳德斯·马丁内斯·约翰内斯·库普, 约翰内斯·安东尼·约瑟夫斯·范·格洛文 申请人:Nxp股份有限公司