专利名称：用于检测物体在平面中的位置的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测物体在平面中的位置的系统。相关领域用于定位配备有RFID标签的物体的感测系统是已知的。举例来说，带有内建RFID 标签的物体可以被廉价地定位在货架上或者自动机递送系统的特定终端处的特定位置，所述货架或终端包括天线回路设置。随后通过RF信号激活感测天线回路设置中的各单独天线。同样地，按照这种方式同样可以检测物体在游戏板上的位置。每一个特定位置由一个行天线回路与一个列天线回路的交点定义。已激活的天线回路以将要检测其位置的标记(token)的RFID标签的操作频率辐射出射频(RF)信号。该RF信号被RFID标签的内部天线接收到，在无源RFID标签的情况下，该RF信号为RFID标签提供电力。RFID标签随后发送一个响应信号，其被所述已激活的天线回路接收到并且被转换成检测信号，通过所述检测信号导出所述标记存在于被所述已激活的天线回路所覆盖的区域内。RFID标签的响应信号还可以包括从中可以导出RFID标签的特定身份代码的信息。这就允许检测多个RFID标签。在替换实施例中，RFID标签不主动发送响应信号，而是按照特定方式改变对于RF 信号的吸收并且从而改变已激活的天线回路的天线负载。RFID标签对于天线负载的特定改变是用于RFID标签的特定身份代码的措施(measure)。在理想情况下，当标记处在已激活的天线回路内部时其被检测到，否则就检测不到标记。但是在实践中对于传统的系统观察到，一方面天线回路具有死区，在其中检测不到标记，另一方面标记有时在天线回路外部被错误地检测到。因此，需要改进检测精度。
发明内容
本发明的发明人认识到，由天线回路生成的RF场的场强度从天线回路内部的某一位置到天线回路外部的某一位置相对缓慢地改变。相应地，相对较小的噪声贡献可能已经导致物体在不应当被检测到时而被检测到或者导致相反的情况。根据本发明的第一方面，提供一种用于检测物体在平面中的位置的系统，其在操作状态下包括-与所述平面对准的至少一个天线回路；-用于激活所述天线回路的RF信号发生器，其中，所述天线回路具有至少一个天线元件，其在横截所述平面的方向上的横径大于在与所述平面对准的方向上的横径。上述做法可以加长所述回路内部的磁场线的路径。这就导致增强的天线回路内部的均勻性，同时导致邻近天线回路的区域内的更大发散(从而弱化所述场)。其结果是大大改进了有源天线上方的场强度与邻近该区域的场强度之间的差异。此外，由于所述天线元件在横截所述平面的方向上的横径大于在与所述平面对准的方向上的横径，因此所述天线元件的表面积大于具有相同截面积的圆形轮廓的天线元件的情况。这种做法的有利之处在于，趋肤效应对于RF频率相对较强。也就是说，天线元件的表面对其电导率提供最重要的贡献。如果比值H/D相对较高，则可以实现低电阻性损耗， 同时天线元件的截面可以具有适中的面积。根据本发明的第二方面，提供一种用于检测物体在平面中的位置的系统，其在操作状态下包括-至少第一天线回路；-至少第二天线回路，其至少部分地在第一天线回路外部延伸；-用于为第一天线回路提供RF信号的RF信号发生器；-用于为第二天线回路提供与第一天线回路中的RF信号同相的RF信号的设施。 由第一天线回路在第一天线回路外部生成的电磁场与第一天线回路内部的场反相。因此， 由于第二天线回路在其内部生成与第一天线回路内部的场同相的电磁信号，因此其部分地消除第一天线回路与第二天线回路之间的区段内的电磁场，在该区段第二天线回路延伸到第一天线回路之外。完全的消除并不必要。如果第一天线回路外部的场恰好被大大弱化到足以防止放置在该区内的标签操作就足够了。这样，第一天线回路内部的场由于第二天线回路的存在而基本上保持不变。相应地，全部两项措施导致紧接在(第一)天线回路的外部区域内的磁场急剧减小。这导致大大改进了有源天线回路上方的场强度与邻近该区域的场强度之间的差异。由于这一明显的场强度差异，噪声对检测的影响更小。
下面将参照附图更加详细地描述上述和其他方面。其中图1示意性地示出了根据本发明的游戏设备；图2示出了根据本发明的另一种设备；图3示出了基于RFID的位置检测的现有技术天线阵列；图4示出了根据本发明的检测系统的第一实施例；图4A示出了根据图4中的IVA-IVA的截面；图5A示出了现有技术天线阵列的天线回路中的磁场；图5B示出了根据本发明的检测系统的天线回路中的磁场；图6A示出了根据本发明的检测系统中的相互交叉的天线元件的第一实例；图6B示出了根据本发明的检测系统中的相互交叉的天线元件的第二实例；
图6C示出了根据本发明的检测系统中的相互交叉的天线元件的第三实例；图7更加详细地示出了图6B的实施例；图7A更加详细地示出了图7的各元件；图8示出了根据本发明的检测系统的第二实施例中的天线阵列的一部分；图8A示出了第二实施例的截面；图9A示出了提供第二实施例中的相互交叉的天线元件的第一种替换方式；图9B示出了提供第二实施例中的相互交叉的天线元件的第二种替换方式；图10示出了根据本发明的位置检测系统的第三实施例；
图IOA示出了根据本发明的检测系统的天线回路中的磁场，其是根据图10中的截面 XA-XA ；图11示出了该第三实施例的一种替换实现方式；图IlA示出了图11的细节；图12更加详细地示出了在第三实施例中使用的电路；图13示出了根据本发明的位置检测系统的第四实施例；图14示出了根据本发明的位置检测系统的第五实施例。
具体实施例方式在下面的详细描述中将阐述许多具体细节以便提供对于本发明的透彻理解。但是本领域技术人员应当理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，没有详细描述公知的方法、规程和组件，以免模糊本发明的各方面。在下文中将参照附图更加全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的各实施例。但是可以按照许多不同形式来具体实现本发明，并且本发明不应当被理解成受限于这里所阐述的实施例。而是，提供这些实施例是为了使得本公开内容透彻且完全，并且将把本发明的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见可能对各层和区的尺寸和相对尺寸做了夸张。应当理解的是，当提到元件或层处在另一个元件或层“之上”、与之“连接”或者与之“耦合”时，其可以直接处在所述另一个元件或层之上、与之连接或者与之耦合，或者可以存在中间元件或层。与此相对，当提到元件“直接”处在另一个元件或层之上、与之“直接” 连接或者与之“直接”耦合时，则不存在中间元件或层。相同的附图标记始终指代相同的元件。这里所使用的术语“和/或”包括所列出的关联项目当中的一项或更多项的任意及所有组合。应当理解的是，虽然在这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述各个元件、组件和/或部分，但是这些元件、组件和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅仅是用来将一个元件、组件或部分与另一个元件、组件和/或部分区分开来。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下面所讨论的第一元件、组件、和/或部分可以被称作第二元件、组件和/或部分。在下面的描述中，第一和第二天线回路这一措辞将被用来在用于生成磁场的主要天线回路与用来衰减主要天线回路外部的磁场的次要天线回路之间进行区分。如果不存在次要天线回路，则天线回路这一措辞还将被用来表示主要天线回路。除非另行定义，否则这里所使用的所有术语(其中包括技术和科学术语)将具有本发明所属领域内的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解的是，比如在通常所使用的字典中所定义的那些术语应当被解释为具有与其在相关领域的情境中的含义相一致的含义，并且除非在这里明确定义，否则不应当按照理想化的或者过于正式的意义来对其进行解释。这里所提到的所有出版物、专利申请、专利以及其他参考文献都通过引用被全文合并于此。在发生冲突的情况下，本说明书(包括其中的定义)将处于支配地位。此外，这里的材料、方法和实例仅仅是说明性的，而不意图做出限制。图1是根据本发明的游戏设备1的示例性实施例的示意图。图1示出了具有游戏板2和若干个游戏棋子4、5的游戏设备1，所述游戏板2形成具有3D空间x、y、z中的x、y轴的平面。参照该坐标系还示出了其他附图。为了清楚起见，在图1中只示出了两个游戏棋子4、5 ；但是对于所述游戏可以使用任意适当数目的棋子。游戏板2在面朝上的表面上可以具有图案3，从而可以把游戏棋子4、5放置在该图案内。此外，游戏设备1还包括嵌入或集成在游戏板2内的感测系统(未示出)。所述游戏设备的感测系统配备有RF检测装置， 其用于检测游戏棋子4、5内的标签的存在。此外，所述游戏板可以被设置成启动输出，比如 LED光、音频输出等。此外，游戏设备1还包括处理器装置(未示出)，其被设置成在检测由玩家关于游戏给出的用户移动时接收传感器输入、跟踪用户移动、导出用户移动的模式以及将该模式与特定模式进行比较以便评估玩家的技术。在前述内容中应当理解的是，可以通过检测每一个游戏棋子于何时何处被放置在游戏板2上来识别玩家或用户的移动。图2示出了另一种应用，其中使用RFID检测系统来选择将由MP3播放器再现的 MP3文件。RFID位置检测阵列通过多路复用器连接到至少一个RFID检测器。所述RFID检测器连接到MP3播放器IC (例如Melody)。所述应用运行在MP3播放器IC的ARM芯上。其通过所述检测器和多路复用器控制所述阵列的读出。多路复用器选择何时将哪一个天线元件连接到检测器。所述阵列被周期性地扫描，以便定位该阵列上的所有标签。结果被发送到MP3播放器IC，并且所述应用决定如何对这些结果做出响应，例如通过播放所选择的MP3 文件。图3示意性地示出了现有技术RF感测系统。所述感测系统意图用于具有设置在 4x4矩阵中的十六个扫描位置Pij的游戏板2。具有内建RFID标签3a的标记3被放置在这些扫描位置Pij的其中一个处。通过彼此相邻设置成一列的四个天线1A-1D以及彼此相邻设置成一行的四个天线1E-1H扫描游戏板1的各扫描位置Pij。首先，通过相继激活天线 IA到ID扫描所有各列i，从而查询对应于第一列到第四列的天线IA到ID当中的一个或更多个是否接收到来自RFID标签3a的信号。在该例中，只有扫描第三列的天线IC接收到来自RFID标签3a的信号。接下来，通过相继激活对应于第一行到第四行的天线IE到IH来扫描所有各行j，从而查询这些天线IE到IH当中的一个或更多个是否接收到来自RFID标签3a的信号。在该例中，只有扫描第二行的天线IF接收到来自RFID标签3a的信号。因此，存在标记2的扫描位置被确定为扫描位置P32。图4和图4A示出了根据本发明的用于检测物体在平面中的位置的系统(位置检测系统)的第一实施例，所述平面例如是游戏板的平面2，其与图4的绘图平面基本上重合。 图4A示出了图4的截面IVA-IVA。图4中所示的系统包括多个平行细长天线元件10A-10G以及横截所述多个元件10A-10G的另外的多个平行细长天线元件20A-20G。所述多个平行细长天线元件10A-10G分别在第一端耦合到公共互连线31。所述另外的多个平行细长天线元件20A-20G分别在第一端连接到另一条公共互连线32。每一对平行细长天线元件10A-10G 与公共互连线31的将它们相连的该部分一同形成天线回路。同样地，每一对平行细长天线元件20A-20G与公共互连线32的将它们相连的该部分一同形成天线回路。在后面将包括天线元件X、Y的天线回路标记为天线回路X+Y，例如天线回路10D+10E包括天线元件10D、 IOE0在图4所示的情况中，由平行细长天线元件10DU0E及其通过互连线31的互连形成的天线回路构成由RF信号发生器41激活的天线回路。按照这种方式形成的天线回路与必须检测其中的某一位置的平面2对准。所述系统还配备有用于激活天线回路的RF信号发生器41。从图4中可以看出，所述天线回路具有至少一个天线元件10D，其在横截所述平面的方向上的横径大于在与该平面对准的方向上的横径。在示出了图4的截面IVA-IVA的图 4A中进一步阐明了这一方面。在与平面1对准的方向上，各天线元件(例如10D)的横径等于厚度D。在横截平面1的方向上，各天线元件的横径等于高度H，其大于厚度D。这一措施导致用于磁场线的更长路径。这样就增强了天线回路内部的均勻性，同时导致邻近天线回路的区域内的更大发散(从而弱化所述场)。其结果是大大改进了有源天线上方的场强度与邻近该区域的场强度之间的差异。比值H/D例如处在5到100的范围内。如果所述比值远远小于5，例如小于2，则获得所述场强度差异方面的相对无足轻重的改进。如果所述比值远远大于100，例如大于500，则天线元件的材料变得过细从而难以处理，或者天线元件的高度对于外罩会提出不合实际的要求。还可以根据各天线元件之间的距离S来选择天线元件的高度H。举例来说，比值H/S可以被选择成处在0. 1到1之间的范围内，例如对于比值H/S可以选择数值0.5。图5A和图5B示意性地示出了此效应。图5A示出了由具有圆形截面的接线10H、 101形成的传统天线回路10H+10I的截面中的磁场线。图5B示出了根据本发明的检测设备的实施例中的天线回路10J+10K的截面的磁场线。图5A的传统天线回路示出了磁场线的逐渐增大的发散。与此相反，在本发明的实施例的天线回路中，磁场线的发散在由天线回路 10J+10K定义的区的边界附近实质上发生急剧得多的改变。因此可以更加精确地确定将要定位的物体的标签是处在天线回路的内部还是外部。图6A、图6B、图6C示出了关于可以如何设置相互交叉的天线元件(例如10A、20A) 的不同实例。这些附图从下到上相继示出了第一天线元件10A、第二天线元件20A以及这两个天线元件10A、20A的组合。在图6A所示的实例中，天线元件IOA和天线元件20A分别配备有凹陷15A、25A，利用所述凹陷，天线元件10A、20A在其交叉点P处彼此紧咬。这是一个有利实施例，因为其可以被快速组装。天线元件10A、20A配备有绝缘涂层，从而在其交叉点 P处彼此不发生电接触。在图6B所示的实例中，天线元件IOA具有开口 16A，其允许接入天线元件20A的收窄部分^A。在图6C所示的实例中，天线元件10A、20A分别被分成多个耙指17A、27A。天线元件IOA的耙指17A与天线元件20A的耙指27A在交叉点P处延伸于彼此之间。如图6A中所示的天线元件10A、20A是优选的，这是因为其可以通过单一方向上的放置操作来组装，所述方向在这里是ζ轴的方向。图6B和图6C的天线元件10A、20A可以如图7和图7A中所示出的那样组装。图7从下到上示出了天线元件10A、一组链接的天线元件20A、单个天线元件20A以及组装好的天线元件10A、10B、20A、20B。图7A示出了两个链接的天线元件20A的顶视图。如图7和图7A中所示，天线元件20A由金属的双金属层形成。所述天线元件在每一侧具有耳部^A J9A。在一侧，所述金属层被折叠分开，从而在将下一个天线元件20A的耳部28A设置穿过天线元件10的开口 16A之后，耳部^A的各层可以夹紧所述下一个天线元件的耳部28A0天线元件的耳部29A与下一个元件的耳部28A形成收窄部分2&L·按照类似的方式，天线元件20A的耙指27A可以夹紧下一个天线元件20A 的耙指，并且天线元件IOA的耙指17A可以夹紧下一个天线元件IOA的耙指。不必将所有天线回路都设置在相同平面内。可以设想这样一种位置检测系统，其中将不同的天线回路设置在不同平面内，从而使得各平面可以一同近似一个更加复杂的表面，例如弯曲表面。
在前面的附图中所示出的本发明的实施例中，天线元件10A、20A等由单个叶片状导体形成。但是不必如此。天线元件可以由多于一个导体形成，前提是其在相同方向上传导电流并且被同时激活。图8和图8A中的部件对应于图4中的部件，其附图标记高了 100。图8和图8A示出了另一个实施例，其中各天线回路(例如110A+110B) (110AB)由具有天线元件110A、IlOB 的线圈形成，所述天线元件110A、110B分别具有多个绕组111A-114A。图8以透视图的形式示出了所述检测阵列的一部分，图8A示出了穿过其中一个天线元件IlOA的y-z平面内的截面。天线元件IlOA的绕组11IA-114A与其他天线元件120A的绕组121A-124A层叠并交
织 ο相互交叉的天线元件的绕组无须彼此交织。图9Α和图9Β示出了关于如何可以为由接线层叠形成的天线元件IlOA提供凹口 115Α，从而允许按照类似于在图6Α中对于叶片状天线元件10AU0B所示出的方式将天线元件IlOA与其他天线元件组装在一起。在图9Α 所示的实例中，围绕模具折叠形成天线元件的接线。在图9Β的实例中，在层叠接线的处理之后形成所述凹口。如在概要中所讨论的那样，可以替换地通过本发明的另一个实施例来获得磁场强度分布方面的所期望的改进，下面将参照图10更加详细地讨论该实施例。该图中的部件对应于图4中的部件，其附图标记高了 200。在图10所示的实施例中，本发明的系统具有第一多个天线元件210A-210G，所述第一多个天线元件具有圆形截面并且在y方向上延伸。同样地，其具有第二多个天线元件220A-220G，所述第二多个天线元件具有圆形截面并且在χ方向上延伸。如图10中所示，在该另一个实施例中，除了至少第一天线回路之外，本发明的用于检测物体在平面内的位置的系统还包括至少第二天线回路，其至少部分地在第一天线回路外部延伸。在图10中所示的操作状态下，第一天线回路210D+210E包括天线元件210D 和210Ε。第二天线回路210C+210F包括天线元件210C和210F。在该另一个实施例中，本发明的系统还包括用于为第一天线回路210D+210E提供RF信号的RF信号发生器Ml以及用于为第二天线回路210C+210F提供与第一天线回路210D、210E中的RF信号同相的RF信号的设施M3J44。控制器242控制RF信号发生器241和设施M3J44以用于根据下表的扫描模式来对天线元件210A-210G、220A-220G的阵列进行扫描。随即重复状态1_8的序列。或者可以采用另一种扫描模式。
权利要求
1.一种用于检测物体在平面O)中的位置的系统，其在操作状态下包括-与所述平面⑵对准的至少一个天线回路(10D+10E)；-用于激活所述天线回路的RF信号发生器Gl)，其中所述天线回路具有至少一个天线元件(10D，10E)，其在横截所述平面的方向上的横径(H)大于在与所述平面对准的方向上的横径(D)。
2.根据权利要求1的系统，包括多个平行细长天线元件(10A，…，10G，20A，...20G)， 其中通过将一对所述天线元件(10D，10E)切换成串联而动态地形成所述至少一个天线回路(10D+10E)。
3.根据权利要求2的系统，其中所述多个平行细长天线元件(10A，…，10G，20A，… 20G)具有静态地连接到互连线(31)的第一端。
4.根据权利要求1的系统，其中所述天线元件(10A，…，10G，20A，…20G)由叶片状元件形成。
5.根据权利要求1的系统，其中所述天线元件(120A)由在横截所述平面(102)的方向上层叠的一组接线(121A，...，124A)形成。
6.一种用于检测物体在平面中的位置的系统，其在操作状态下包括-至少第一天线回路O10D+210E)；-至少第二天线回路O10C+210F)，其至少部分地在第一天线回路外部延伸；-用于为所述第一天线回路提供RF信号的RF信号发生器041)；-用于为所述第二天线回路提供与所述第一天线回路中的RF信号同相的RF信号的设施(243，244)。
7.根据权利要求6的系统，其特征在于，所述至少第二天线回路(210A+21E)电容性闭合，并且通过电感方式耦合到所述第一天线回路(210B+210D)。
8.根据权利要求6或7的系统，包括多个平行细长天线元件Q10A，…210E)，其中通过将第一对所述天线元件(210B，210D)切换成串联而动态地形成至少一个第一天线回路 O10B+210D)，并且通过将第二对所述天线元件Q1A，210E)切换成彼此串联并且与电容性阻抗(CA1，CE1)串联而动态地形成至少一个第二天线回路Q10A+210E)。
9.根据权利要求2或8的系统，其特征在于，另外的多个平行细长天线元件(320A，···， 320G)，其被设置成横截所述多个平行细长天线元件(310A，…，310G)。
10.根据权利要求9的系统，其中所述多个天线元件(310A，…，310G)与所述另外的多个平行细长天线元件(320A，…，320G)分别是叶片状元件。
11.根据权利要求10的系统，其中所述多个天线元件(IOA)和所述另外的多个天线元件(20A)配备有凹陷(15A，25A)，所述天线元件通过所述凹陷彼此紧咬。
12.根据权利要求11的系统，其中所述多个和所述另外的多个天线元件具有静态地连接到第一互连线(ICl)的第一端，并且具有通过第一开关(SA1，…，SEl)和第一电容性阻抗(CA1，…，CEl)耦合到第二互连线IC2的第二端，并且第一对天线元件(210B，210C)的第二端通过第二开关(SB2，SU)和第二电容性阻抗(CB2，Ca)耦合到RF源的第一 RF信号供给线(RFl)，第二对天线元件Q10D，210E)的第二端通过第二开关(SD2，SE2)和第二电容性阻抗(CD2，CE2)耦合到RF源的第二 RF信号供给线(RF2)。
全文摘要
本发明涉及用于检测物体在平面(2)中的位置的系统，其在操作状态下包括-与所述平面(2)对准的至少一个天线回路(10D+10E)；-用于激活所述天线回路的RF信号发生器(41)。所述天线回路具有至少一个天线元件(10D，10E)，其在横截所述平面的方向上的横径(H)大于在与所述平面对准的方向上的横径(D)。替换地或附加地，用于检测物体在平面中的位置的所述系统在操作状态下包括-至少第一天线回路(210D+210E)；-至少第二天线回路(210C+210F)，其至少部分地在第一天线回路外部延伸；-用于为第一天线回路提供RF信号的RF信号发生器(241)；-用于为第二天线回路提供与第一天线回路中的RF信号同相的RF信号的设施(243，244)。
文档编号H01Q1/22GK102326291SQ201080008644
公开日2012年1月18日 申请日期2010年1月15日 优先权日2009年1月16日
发明者W·B·范罗森姆, W·J·F·方蒂詹 申请人:喜力思玩具公司