專利名稱：用于獲得位置信息的裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是關(guān)于獲得與第一和第二部件的相對位置有關(guān)的位置信息的裝置，例如可以只用作為向計算機、控制器、游戲操縱臺之類輸入位置信息的裝置。
傳統(tǒng)的這類輸入裝置傾向于依賴摩擦滾動觸點和/或電阻膜，它們都易于磨損。
例如，在GB-A-872152中曾提出，通過感知加到第一部件上的信號和在電容耦合的第二部件上產(chǎn)生的信號之間的相位差來確定沿單軸的位置信息。在GB-A-1083222中用類似原理確定圍繞一轉(zhuǎn)動軸的相對角運動。
用于計算機、控制器和游戲操縱臺之類的輸入裝置要求提供有關(guān)沿兩個方向(特別是但不只是沿X-Y方向)相對運動的位置信息。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，我提供了獲得關(guān)于第一和第二部件相對位置信息的裝置，這第一部件包括至少3個隔離的導電部分；第二部件是導電的、與第一部件相鄰并與其電容耦合，第一和第二部件可以相對運動，從而使與第二部件有重疊關(guān)系的第一部件各部分的重疊比例可以變化；振蕩器裝置向第一部件的各部分之一提供第一波形信號，向第一部件的其它部分提供第二波形信號；對電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號進行分析的裝置，用于提供含有位置信息的裝置輸出信號，其特征在于那里提供了一個開關(guān)裝置，當開關(guān)裝置處于第一狀態(tài)時，第一波形信號被有選擇地加到第一部件的第一部分，而第二波形信號被加到第一部件的第二部分，從而使該裝置的輸出信號含有關(guān)于第一和第二部件沿第一方向相對位置的信息，當開關(guān)裝置處于第二狀態(tài)時，第一波形信號被加到第一部件的另一部分上，而第二波形信號被加到第一部件的另一不同部分，從而使該裝置的輸出信號含有關(guān)于第一和第二部件沿第二方向相對位置的信息。
這樣，利用本發(fā)明能方便地把利用兩部件之間電容耦合以獲得相對位置信息的原理應用于獲得關(guān)于第一和第二部件沿兩個方向(特別是但不只是X-Y方向)相對位置的信息，而不需要在第一和第二部件之間有任何摩擦或滾動觸點。
通常，當開關(guān)裝置處于第二狀態(tài)時，第二波形信號被加到第一部件的第二部分，從而使關(guān)于第一和第二部件在第一和第二方向上相對位置的位置信息能與一個共同的參考位置相關(guān)聯(lián)。
可以根據(jù)第一和第二波形信號的性質(zhì)，采用不同的方式分析第二部件中產(chǎn)生的信號。在一種結(jié)構(gòu)安排中，第一波形信號與第二波形信號有不同的相位，分析器裝置是通過比較第一或第二波形信號的相位和在電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號的相位，來分析第二部件中產(chǎn)生的信號。
最方便的情況是第一和第二波形信號彼此相位相差90°。
在一個實施例中，第一第二部件相對平坦和平行，它們之間有空間或絕緣，第一部件由4個電絕緣導電部分組成，它們通常排列成矩形陣列，并由通常為十字形的絕緣裝置使它們彼此絕緣。
可以把開關(guān)裝置安排成分別有選擇地向第一部分以及第二或第四部分提供第一波形信號，有選擇地向第三部分以及第四或第二部分提供第二波形信號，從而可以得到X-Y位置信息。
雖然該開關(guān)裝置可以是一個手動開關(guān)，但最好是該開關(guān)裝置由電子開關(guān)構(gòu)成，它按順序自動向第一部件的選定部分提供第一或第一和第二波形信號。例如，這種開關(guān)可以是一個在計算機控制下的多路轉(zhuǎn)換器，它與確定該裝置輸出信號是否包含例如X或Y位置信息的裝置同步。這樣，開關(guān)的操作狀態(tài)可以按需要的頻度變化，從而以所需的速率得到X-Y或其他雙向信息。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，我提供了一種獲得關(guān)于第一第二部件相對位置信息的方法，該方法利用一種裝置，它包含由至少3個電絕緣導體部分構(gòu)成的第一部件和導電的第二部件，這第二部件與第一部件相鄰并與其電容耦合，該裝置的振蕩器裝置向第一部件的一個部分提供第一波形信號，向第一部件的另一個部分提供第二波形信號，對電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號進行分析的裝置提供該裝置的輸出信號，其特征在于該方法的組成是相對移動第一和第二部件，從而使與第二部件有重疊關(guān)系的第一部件各部分的比例發(fā)生變化；操作一開關(guān)裝置使其處于第一狀態(tài)，從而使第一波形信號有選擇地應用于第一部件的第一部分，而第二波形信號加到第一部件的第二部分；對電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號進行分析以提供該裝置的輸出信號，它包含關(guān)于第一和第二部件沿第一方向的相對位置的信息；操作該開關(guān)裝置使其處于第二狀態(tài)，從而使第一波形信號有選擇地應用于第一部件的另一部分，而第二波形信號加到第一部件的另一不同部分；對電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號進行分析以提供該裝置的輸出信號，它包含關(guān)于第一和第二部件沿第二方向的相對位置的信息。
下面將參考附圖描述本發(fā)明，這些圖件是

圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的裝置的部分平面圖；圖2顯示圖1所示裝置的部分的端視圖；圖3是圖1和圖2的裝置所用的可能的電子電路圖。
參考附圖，用于向計算機、控制器、游戲操縱臺之類輸入位置信息的輸入裝置10由第一部件11和可相對運動的第二部件12組成。在此例中，第一部件11包括4個隔離的導體部分13、14、15和16，它們一般為平面的而且一般排列成矩形陣列，從而使13至16被一般為十字形的絕緣部件(標為17)使其彼此絕緣。
在本例中，第二部件12利用下文要解釋的裝置使得可在第一部件11上運動。在本例中，第一部件11的總面積至少為第二部件12的面積的4倍。
為了方便，第一部件11由單側(cè)印刷電路板材料構(gòu)成，或者是導電部分和絕緣部分的混合結(jié)構(gòu)。第一部件11可以由一個分立部件構(gòu)成，或者可以由已經(jīng)存在的印刷電路板的一部分或其延伸部分構(gòu)成。
第一部件11的部分13至16中每一個都被分別給予一個接頭20至23。
裝置10還包括一個正交振蕩器信號源25，它產(chǎn)生兩個基本相同的輸出信號26和27，這兩個信號是相位彼此相差90°的正弦波。信號之一，即標為26的信號，通過導體30連到第一部件11的第一部分13的端子20。同時，取決于電子開關(guān)31的狀態(tài)信號26可以通過導體32連到或者是第一部件11的第二部分14或者是第一部件11的第四部分16，這取決于裝置10的運行是要提供沿X軸(標為33)的位置信息還是要提供沿Y軸(稱為34)的位置信息。第二信號27通過導體36連到第一部件11的第三部分15的端子22，同時，取決于電子開關(guān)31的狀態(tài)，信號27被連接到第一部件11的第二部分14的端子21或者第一部件11的第四部分16的端子23。
裝置10還包括一個比較器裝置(標為40)，它有第一輸入端41連于導體30，導體30帶有從正交振蕩器裝置25到第一部件11的第一信號26，還有第二輸入端42，在本例中通過一柔線43連到第二部件12。
當然，第二部件12可以用任何其他類所希望的導體連接到輸入端42，例如包含一個或多個摩擦觸點或類似物的導體。
第二部件12也可以由一個印刷電路板構(gòu)成，并與第一部件11相鄰，使第一部件和第二部件之間有一空氣隙46。
可以用任何希望的已知手段限制第二部件12相對于第一部件11的運動，使第一部件11和第二部件12之間的距離d基本上為一常數(shù)，并使第一部件11和第二部件12基本上保持平行。
所以，將會理解，當?shù)诙考?2在第一部件上方運動時，與第二部件12成重疊關(guān)系的第一部件11各部分13-16的重疊比例將會改變。
第一部件11和第二部件12之間的空氣隙46中的空氣是不導電的，因此第一部件11和第二部件12是電容耦合的。
當然，如果希望的話，可以提供絕緣材料來代替第一部件11和第二部件12之間的空氣隙。在一個實例中，可以在第一部件11上放置聚乙烯或其他薄膜，而第二部件可以載有導電泡沫橡膠，當?shù)诙考?2運動時，導電泡沫橡膠在第一部件11上面運動。以這種方式使第一和第二部件11和12之間的空間在第二部件12運動過程中保持不變。其他結(jié)構(gòu)安排無疑是可能的。
當電子開關(guān)31所處狀態(tài)使第一信號26與兩部分13和16相連，使第二信號27與第二和第三部分14、15相連時，由于第二部件12與第一部件11電容耦合，第二部件12相對于X軸33(即沿著Y軸34)的運動便會改變在第二部件12中引起的信號的相位變化。這樣，比較器裝置40通過比較第一信號26和來自第二部件12的信號之間的相對相位，便可以提供一個輸出信號50以指示第二部件12與第一部件11相對于X軸33的相對位置。這里假定第一信號26和第二信號27不是彼此成反相位。
當電子開關(guān)31所處狀態(tài)使來自正交振蕩裝置35的第一信號26與第一部件11的部分13和14相連，使第二信號與第一部件的第三和第四部分15、16相連，則來自相位比較器40的輸出信號50將指示第二部件12相對于Y軸34(即沿著X軸33)的相對位置。
可以理解，當裝置10的操作使輸出信號50指示第二部件12相對于X軸33的位置時，第二部件相對于Y軸(即沿著X軸33)的運動將不會影響由于第二部件12與第一部件11電容耦合而在第二部件中產(chǎn)生的信號的相位；反之，當輸出信號50指示第二部件12相對于Y軸34的位置地，第二部件12相對于X軸33(即沿著Y軸34)的運動將不會影響在第二部件12中產(chǎn)生的信號的相位。
這樣，來自相位比較器的輸出信號50因電子開關(guān)31的狀態(tài)不同而可以指出第二部件12沿X軸33或Y軸34的位置。
電子開關(guān)31可以由人工控制，但最方便的是，安排電子開關(guān)31使其自動地按順序向第一部件11的不同部分13至16分別提供第一和第二信號26、27。所以，可以提供一個多路轉(zhuǎn)換器或類似部件作為電子開關(guān)31，而且可以理解，輸出信號50可以被適當?shù)厍袚Q到計算機、控制器、游戲操縱臺之類設備的不同輸入端，這樣，這些設備可以適當?shù)乩幂敵鲂盘?0來確定X-Y軸位置信息。
相位比較器40可以借助任何可用手段(例如一個(軟件)計時循環(huán)或(硬件)ASIC計數(shù)器或類似手段)來比較在兩個輸入端41和42的信號的相位。
可以理解，在許多含有電子控制裝置的電子裝備或其他設備中，有現(xiàn)成的微控制器或ASIC，而現(xiàn)成的微控制器或ASIC可以被用于得到裝置10中所用的一個或多個波形信號，如信號26和27，同時，這個微控制器或ASIC還可以包含必要的裝置來確定向第一部件11提供的波形信號與來自電容耦合的第二部件12的信號之間的相位差。
可以理解，振蕩器信號源25可以向多個位置傳感裝置提供適當?shù)牟ㄐ涡盘枴?br> 可以做各種修改而不偏離本發(fā)明的范圍。
特別是在上述實施例中描述的本發(fā)明所參考的裝置是用于獲得沿著總體上相互正交的X和Y軸33、34的位置信息。本發(fā)明可以被用于獲得其他雙方向信息，而且這兩個方向可以是直線的也可以不是直線的。例如，該裝置可以提供相對于彼此夾角120°的三個軸的位置信息，在這種情況下，第一部件可以包括三個電絕緣導體部分，構(gòu)成一個適當?shù)年嚵小?br> 在這每種情況中，最好是比較器裝置40測量在輸入端41和42處兩個信號之間的相位差，而兩個信號26和27最好是有相同波長和振幅的正弦波，但需要它們是不同相位的但又不是反相位的。這兩個信號26、27最好是相位相差90°。
根據(jù)圖1至3的裝置可以構(gòu)成為使其第一部件11的面積約為25×20mm。正交振蕩裝置25可以產(chǎn)生頻率約為10KHz的正弦信號或其他適當波形。頻率穩(wěn)定性不特別重要，但在第二部件相對于第一部件進行位置運動時頻率應保持穩(wěn)定。正交的或其他的振蕩器裝置25可以產(chǎn)生數(shù)字的一個或多個波形信號26、27，這些信號可以被濾波以根據(jù)需要提供正弦波或其他波形?；蛘撸袷幤餍盘?6/27可以由線性振蕩器產(chǎn)生。
盡管最好是運動部件12和固定部件11之間的距離一般保持不變，但在第二部件運動過程中距離d的小變化不會對所確定的位置運動有嚴重影響，如果空氣隙46足夠大的話。
在上面的描述或下面的權(quán)利要求或附圖中所披露的特征以各自的具體形式表現(xiàn)出來，或利用一個完成所披露功能的裝置或利用一個得到所披露結(jié)果的方法或過程把這些特征表現(xiàn)出來，這些特征可以單獨地或以這些特征的任何組合來用于以多種形式實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.獲得關(guān)于第一和第二部件相對位置信息的裝置，第一部件包含至少三個隔離的導體部分，第二部件是導電的，與第一部件相鄰且與其電容耦合，第一和第二部件可相對運動，使得與第二部件有重疊關(guān)系的第一部件各部分的重疊比例可以改變，振蕩器裝置向第一部件的一個部分提供第一波形信號，向第一部件的另一部分提供第二波形信號，用于分析在電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號的裝置提供含有位置信息的裝置輸出信號，所述裝置的特征在于提供了一個開關(guān)裝置，從而當開關(guān)裝置處于第一狀態(tài)時，第一波形信號被有選擇地加到第一部件的第一部分，而第二波形信號被加到第一部件的第二部分，從而使裝置輸出信號含有關(guān)于第一和第二部件沿第一方向相對位置的信息，而當開關(guān)裝置處于第二狀態(tài)時，第一波形信號被加到第一部件的另一部分，而第二波形信號被加到第一部件的另一不同部分，從而使裝置輸出信號含有關(guān)于第一和第二部件沿第二方向相對位置的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于當開關(guān)裝置處于第二狀態(tài)時，第二波形信號被加到第一部件的第二部分，從而使關(guān)于第一和第二部件沿第一和第二方向的相對位置的信息能是相對于一個共同參考位置的位置信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的裝置，其特征在于第一波形信號與第二波形信號的相位不同，分析裝置通過比較第一或第二波形信號的相位與電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號的相位，來分析在第二部件中產(chǎn)生的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其特征在于第一波形信號與第二波形信號的相位相差90°。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個的裝置，其特征在于第一和第二部件是相對平坦和平行的，它們之間有空氣隙或絕緣。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個的裝置，其特征在于第一部件包括四個隔離的導體部分，排列成一般成矩形的陣列，并由一般由十字形的絕緣裝置使彼此隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其特征在于開關(guān)裝置分別有選擇地向第一部分和第二或第四部分提供第一波形信號，有選擇地向第三和第四或第二部分提供第二波形信號。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個的裝置，其特征在于開關(guān)裝置由一電子開關(guān)構(gòu)成，它自動地按順序向第一部件的選定部分提供第一或第一和第二波形信號。
9.獲得關(guān)于第一和第二部分相對位置信息的方法，所利用的裝置包括由至少三個隔離的導體部分構(gòu)成的第一部件和導電的第二部件，第二部件與第一部件相鄰并與其電容耦合，振蕩器裝置向第一部件的一個部分提供第一波形信號，向第一部件的另一部分提供第二波形信號，用于分析電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號的裝置提供裝置輸出信號，其特征在于該方法的組成是使第一和第二部件相對運動，從而使與第二部件有重疊關(guān)系的第一部件各部分的重疊比例發(fā)生變化；操作開關(guān)裝置使其處于第一狀態(tài)，從而使第一波形信號被有選擇地加到第一部件的第一部分，而把第二波形信號加到第一部件的第二部分；分析在電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號以提供裝置輸出信號，信號中包含了關(guān)于第一和第二部件沿第一方向相對位置的信息；操作開關(guān)裝置使其處于第二狀態(tài)，從而使第一波形信號加到第一部件的另一部分，而第二波形信號加到第一部件的另一不同部分，分析在電容耦合的第二部件中產(chǎn)生的信號以提供裝置輸出信號，信號中包含了關(guān)于第一和第二部件沿第二方向相對位置的信息。
全文摘要
獲得關(guān)于第一和第二部件相對位置信息的裝置，包括開關(guān)裝置，當其于第一狀態(tài)時，第一波形信號被有選擇地加到第一部件的第一部分，而第二波形信號被加到第一部件的第二部件，從而使裝置輸出信號含有關(guān)于第一和第二部件沿第一方向相對位置的信息，而當開關(guān)裝置處于第二狀態(tài)時，第一波形信號被加到第一部件的另一部分，而第二波形信號被加到第一部件的又一個另一部分，從而使裝置輸出信號含有關(guān)于第一和第二部件沿第二方向相對位置的信息。
文檔編號G01D5/12GK1239785SQ9811505
公開日1999年12月29日 申請日期1998年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月8日
發(fā)明者戴維·艾倫·伍德菲爾德 申請人:戴維·艾倫·伍德菲爾德