专利名称：诸如鼠标的用户可操作的定点设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电器控制或与电器通信的用户可操作设备，
特别涉及一种诸如鼠标的用户可操作定点设备(pointing device)。该电器 可以是例如计算机、PDA、移动电话、GPS设备、游戏设备、电视机、 车载娱乐系统或个人训练监控装置(personal exercise monitoring device)。
背景技术：
用户与计算机或计算机控制设备之间的最常用的接口之一是检测 鼠标在适当平面上的2D运动并将相应的信号提供给计算机用于移动屏
幕上的指针的传统鼠标。由此，传统鼠标包括用于定位指针、选择数 据、打开和关闭窗口或菜单以进一步选择、启动和关闭程序或应用软 件、以及在不同形式下输入指令的按键。此外，计算机鼠标可包括其 它功能，例如，通常利用滚轮实现的滚动功能。
机械鼠标包括位于鼠标结构中的球，该球在平面上滚动，它的移 动被球外的传感器检测到。此技术通常是光学机械或全光学的。在光 学鼠标中，光学传感器监控适当表面的微光特征以记录鼠标的移动。 表面点有例如LED，传感器选取并比较表面的连续图像以检测运动。
在近年来，无线技术也已经应用于鼠标。在广泛应用的技术中， 在鼠标和连接到主机的USB设备之间形成低功耗、低速的无线连接。如 今，蓝牙技术正在成为电子设备之间无线通信的标准。例如，可连接 到USB连接器的蓝牙适配器是可购得的。计算机和具有集成蓝牙接口的 其他电子设备也是可购得的，这也正成为一种标准解决方案。因此， 提供有蓝牙接口的鼠标也已经可以购得。
针对将加速计、角速率传感器、陀螺仪、 一般而言的3D运动检测
应用于计算机鼠标(在许多情形下也同时应用无线技术)已经提出了
各种建议。所谓的MEMS (微型机电系统)技术的发展为实现上述的解 决方案提供了良好的工具。这些建议在US 4787051、 US 4839838、 US 5181181、 WO 01/90877 Al、 US 2004/0066371和EP 1103884 Al中已经提出。
实现使用加速计的用于运动检测的计算机鼠标具有一些问题。这 些问题可通过例如使用某些附加传感器和用于处理传感器数据的算法 来克服。
另一问题是解决方案仍包括许多为形成设备而机械组装在一起的 独立部件。使用新技术方案的设备比传统的设备更昂贵，但实际上并 没有给出明显的优点。
依我们的观点，最严重的问题是缺乏用户可操作设备(例如鼠标) 的这种新颖概念，而这种概念能够使用上文考虑的新技术实现简单且 低成本的设备，所述设备可能是代替传统机械和光学鼠标的新的基本 解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电器控制或与电器通信的用户可操 作设备，特别是一种诸如鼠标的用户可操作定点设备，所述设备在很 大程度上解决了上述问题。
为实现此目的，用于电器控制或与电器通信的用户可操作设备、 特别是诸如鼠标的用户可操作定点设备，包括电部件和电路，所述电 部件和电路包括传感器装置、处理装置和无线通信装置，用于检测至 少包括设备的旋转运动的运动，生成与所述运动相关的数据并将所述数据传输到电器，所述用户可操作设备的特征在于其限定于权利要 求l的特征部分中。权利要求2至8限定了本发明的用户可操作设备的不 同实施例。
为实现此目的，用于电器控制或与电器通信的用户接口包括用户 可操作设备，所述用户可操作设备包括传感器装置、处理装置和无线 通信装置，用于检测至少包括设备的旋转运动的运动，生成与所述运 动相关的数据并将所述数据传输到电器，所述用户接口的特征在于 其限定于权利要求9的特征部分中。权利要求10至13限定了本发明的用 户接口的不同实施例。
本发明的设备的制造成本很低。设备的结构很简单且耐用。球形 在刚度重量比方面是理想的。仅存在少许部件，这些部件将全部是电 子工业中的标准部件。当大批量生产开始时，将大部分所需部件集成 在特殊的蓝牙装置中将可能变得经济可行，制造成本可进一步降低。
本发明的设备基本上是具有蓝牙功能的多用途传感器组件，作为 用户可操作的控制或通信设备，其可以有许多其他的应用。
在下文中参照附图对本发明及其一些实施例进行更详细地描述， 其中
图l是示意性框图，示意性显示了根据本发明的用户可操作设备的 实施例；
图2至图4分别是部分剖面的俯视、正视和侧视图，示意性显示了
图l的设备的可能实现形式；
图5和图6示出了使用根据本发明的设备的可能方式； 图7和图8示意性显示了本发明的一些其它实施例； 图9显示了本发明的另一实施例；以及
图10至图12示意性显示了根据本发明的用户可操作设备的一些其它实施例。
具体实施例方式
图1至图4中显示的用户可操作设备1基本上是球2，该球2包括外表 面2'，用于自由滚动以及接收物理作用对表面和设备的影响。该设备， 例如诸如鼠标的用户可操作定点设备包括电部件和电路，所述电部件 和电路包括传感器装置3、 4、 5、处理装置7和无线通信装置8，用于检 测至少包括设备的旋转运动的运动，生成与所述运动相关的数据并将 所述数据传输到电器，用于该电器的控制或与该电器通信。设备l是独 立操作的球形设备，在球l内部具有以与球处于集成关系的必要物理属 性、传感器、电部件和电路，从而这种球充当用户可操作设备，用于 电器的控制或与电器通信。
图1至图4的设备1包括位于球2内部的各种传感器，包括加速计3、 磁场传感器4和压力传感器5。加速计3可包括例如三轴MEMS加速计。 磁场传感器4包括三个低功耗的单轴磁力计4a、 4b和4c，所述磁力计可 以是例如低成本的磁通门磁力计。压力传感器5可以是例如微型压阻式 传感器。
传感器部件还可包括用于提供数字传感器输出的电子设备，并且 用于将传感器输出转换成用于进一步处理和使用的数字数据的各种其 它电子电路也可能是必要的。用于处理传感器输出的必要的ADC电路 和其它电子电路在此作为一个单元6显示出。
中央处理单元7包括具有用于存储程序和数据的必要存储器的合 适处理器。程序提供例如用于处理传感器数据以将基本数据与噪声分 离的必要的过滤功能以及用于从通过传感器检测到的有关运动、压力 变化或其它物理作用的传感器数据中获得期望数据的计算功能。
设备l和使用它的与其连接的电器之间的链接是无线的。用于实现
连接的有利技术是蓝牙，因此图1至图4的示例性设备包括合适的蓝牙 芯片组8。
图1至图4的设备包括可充电电池9和必要的电源管理电路10。
在图2至图4的示意性显示的物理实现形式中，球2是中空球，设置 有坚固构造的、足够厚和适当柔性的球形外套ll。它可以由合适的橡 胶或塑性材料制成并可原本包括两个半体，在内部部件和电路的组装 之后，例如通过胶粘将所述两个半体粘彼此粘合。部件已经装配在印 刷电路板13上，磁场传感器4a和4b固定到辅助印刷电路板14上，连接辅 助印刷电路板14作为板13上的单列直插式装置。通过端板或弹簧15和 16将电池9机械和电连接到印刷电路板13的另一侧上。球形外套ll设有 与内充电连接器18对齐的孔17，充电连接器18通过导线19和20连接到 电池的接线端。外套内的中空空间填充有适当的填充材料12，例如， 泡沫塑料材料。外套基本上是气密的，因此，例如对球外表面2'的推 压导致球内部的压力升高。
本发明的设备的主要应用是诸如鼠标的用户可操作定点设备。图5 显示了包括显示屏的便携式计算机22和通过计算机鼠标或类似设备控
制该计算机的功能。这种控制功能包括例如光标和滚动功能。根据本 发明的球设备l用作鼠标。用户21通过用手指22移动球1来使用它，球 经由无线连接L发送通过移动和选择性地挤压该球而产生的鼠标控制 数据。还可通过处于适当表面23上的手21的手掌控制该球，如图6。
图7和图8示意性显示了在本发明的设备中实现一些鼠标按键功能 的一种可能方式。在图7中，对球设备1的表面2'上的较轻推压P1在球 的内部产生相对于该推压强度的压力。压力传感器5检测到它并将相应 的信号提供给处理器7。设备还包括放大器24和固定到球设备的外套11 的变频器25。响应压力脉冲，处理器控制放大器24和变频器以生成触 觉反馈F1——短的低能振动脉冲。球l将例如表示鼠标左键点击的相应
控制信号S1发送到控制设备，例如计算机。在图8中，推压P2强度更大。 因此，处理器7控制设备发送例如表示鼠标右键点击的相应控制信号 S2，并提供相应更强的触觉反馈F3。
图10至图12示意性显示了可用于检测设备的旋转和其它运动的传 感器配置的一些其它实例。
在图10的实例中，设备2包括微型摄像机26以通过球表面2'内的 适当的窗口27来拍摄环境。例如，可通过处理由摄像机提供的画面数 据来确定球的旋转运动R的速度和方向。
在图ll的实例中，在电器30(例如计算机)中具有RF发射机31 (例 如蓝牙发射机)，在球2的内部具有几个天线28和用于处理由该天线提 供的信号的电路29的配置。球的位置可根据接收从发射机31到不同天 线28的信号的时间差来计算，并通过分析球位置的次序可得到球的运 动。
在图12的实例中，在电器32 (例如计算机)中具有光发射器33 (例 如适当的LED)，在球的内部具有几个在用于发射器33光的球的可透射 表面2'或小窗口后面的受光器34。球的位置可根据接收从发射器33到 不同受光器34的光信号的时间差来计算，并通过球位置的次序可得到 球的运动。
在下文中，对根据本发明设备的操作的两个实例进行描述 实例l
步骤l: CPU7打开或另外建立通向拟控制电器的信道。该电器可 以是例如计算机、移动电话、PDA、数据投影仪、玩具、电视机、汽 车。步骤l可被略去，电器或所使用的通信方法不需要初始化。
步骤2: CPU7建立球设备的运动的参考方向。这可经由通过将装
置短暂地旋转到预定方向或通过将装置放在某一 "初始方位"上的用 户输入来执行，在所述"初始方位"处，例如球的定向的一些可见线 索可被用户观察到。
步骤3: CPU7读出从传感器3、 4和5获取的传感器数据。
步骤4: CPU7执行必要的过滤功能以处理传感器数据，用于将基 本数据与噪声分离。
步骤5: CPU7根据基本传感器数据计算球设备的运动值。这通过 将加速计和磁场方向值转换成设备的运动和旋转坐标来执行。例如将 这些坐标转换成鼠标运动坐标。
步骤6: CPU7根据压力传感器数据计算压力，并确定用户是否想 要启动或停用相应的功能，例如鼠标按键功能。
步骤7: CPU 7经由信道将所计算的球设备运动值和其它功能值， 例如状态值发送到接收电器。
步骤8:返回到步骤3。
CPU7的一些或所有功能还可通过电器的CPU实现。例如，在一个
实施例中，用户可操作设备仅传递传感器数据，而有关坐标系和/或参 考方向的所有计算都在电器的CPU处计算。当然，用户可操作设备的 CPU7和电器的CPU之间的任意任务分配都是可能的，并在本发明的范 围内。
因此，本发明的用户可操作设备可充当与传统计算机鼠标相应的 设备在计算机或计算机控制电器与用户之间的接口中操作。然后球设 备需要例如能够以上文步骤2中所述的方式设置的参考方向。然后在下
表面上滚动该设备对应于通常的鼠标在表面上的移动。推压可对应于
如上文步骤6中以及更早地参照图7和图8所述的鼠标按键功能。例如，
同时挤压和滚动设备可对应于拖动功能，而自旋运动(绕垂直于下表 面的轴在适当位置旋转设备)可对应于滚动功能。
实例2
此实例描述球设备作为用于测量距离并将测量结果发送到适当的 电器的用户可操作设备的操作。
步骤l:CPU7打开或另外建立通向接收电器的信道。如果接收设
备或所使用的通信方法不需要初始化，则可略去步骤l。
步骤2: CPU7读出从传感器3、 4和5获取的传感器数据。
步骤3: CPU7执行必要的过滤功能以处理传感器数据，用于将基 本数据与噪声分离。
步骤4: CPU7根据基本传感器数据计算球设备的运动值。这通过 将加速计或磁场方向值转换成设备的运动和旋转坐标来执行。
步骤5: CPU 7经由信道将所计算的球设备运动值发送到接收电器。
步骤6:返回到步骤2。
本发明不限定于上述的实施例。例如，球结构也可以中空或部分
中空的。通过参照图9，球结构2也可以是柔性的，由此设备l在适当表 面23上的使用中可在某种程度上压成扁圆的。此处用于限定球的属性 的表述"设备基本上是球"也包括此可能性。
球内部的电部件例如也可组装在柔性印刷电路板或球外套的内表
面上。为组装设备，还可具有带有电配线的一些其它塑性结构或者所 述或所提及的替代物的任何组合。
上文提及的传感器仅仅是示例性的。还可具有例如陀螺仪传感器。 球表面上的电容感应，或用以确定在球的外表面上的物体或旋转、方 向、位置、内部压力的任意其它传感器可用于实现本发明的不同实施 例。
当然，除蓝牙技术之外的其它无线通信连接是可能的。代替RF连 接，连接也可以是光学的，例如如IrDA的红外连接。最希望球设备是 自供电或感应充电的。将来，这些替代物也将极有可能为低成本应用 所用。
本发明可在附带的权利要求范围内改变。
权利要求
1.一种用于电器控制或与电器通信的用户可操作设备、特别是诸如鼠标的用户可操作定点设备，包括电部件和电路，所述电部件和电路包括传感器装置、处理装置和无线通信装置，用于检测至少包括设备的旋转运动的运动，生成与所述运动相关的数据并将所述数据传输到电器，其特征在于所述设备(1)基本上是球(2)，所述球(2)包括外表面(2’)，用于自由滚动以及接收物理作用对表面和设备的影响；以及所述电部件和电路(3、4、5、6、7、8、9、10)以与所述球集成的关系位于球(2)内部，所述设备包括至少一个磁场传感器(4；4a、4b、4c)，用于检测设备的定向并在设备的操作中使用所述定向数据，所述设备包括至少一个压力传感器(5)，用于检测压力，例如指向所述外表面(2’)上的推压，所述传感器装置包括至少一个加速计(3)。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述球(2、 11) 是由橡胶和/或塑料制成的。
3. 根据权利要求l所述的设备，其特征在于所述外表面(2') 被制成弹性的，用于产生针对具有可变力的推压(Pl、 P2)的可感知 的响应。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述球结构(2) 被制成柔性的，以使它抵靠着坚硬表面(23)而变成扁圆的。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述设备(1)包括用于生成触觉反馈(Fl、 F2)的装置(24、 25)。
6. 根据权利要求1所述的设备，包括CPU (7)，其特征在于 所述CPU (7)经由通过将装置短暂地旋转或移动到预定方向或通过将 装置放在某一 "初始方位"上的用户输入来建立球设备的运动的参考 方向，在所述"初始方位"处，用户观察到球的定向的一些可见线索，在下表面上滚动所述设备对应于通常的鼠标在表面上的移动。
7. 根据权利要求l所述的设备，包括位于所述电器中的CPU，其 特征在于所述电器中的CPU经由通过将装置短暂地旋转或移动到预 定方向或通过将装置放在某一 "初始方位"上的用户输入来建立球设 备的运动的参考方向，在所述"初始方位"处，用户观察到球的定向 的一些可见线索，在下表面上滚动所述设备对应于通常的鼠标在表面上的移动。
8. 根据权利要求1所述的设备，包括CPU (7)和位于所述电器 中的CPU，其特征在于任何任务可在上面提到的CPU之间分配。
9. 一种用于电器控制或与电器通信的用户接口，包括用户可操作设备，所述用户可操作设备包括电部件和电路，所述电部件和电路 包括传感器装置、处理装置和无线通信装置，用于检测至少包括设备 的旋转运动的运动，生成与所述运动相关的数据并将所述数据传输到电器，其特征在于所述设备(1)基本上是球(2)，所述球(2)包括以与所述球集 成的关系位于球(2)内部的所述电部件和电路(3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10)，并具有外表面(2，)，用于自由滚动以及接收物理作用对表面和设备的影响；所述设备包括至少一个磁场传感器(4; 4a、 4b、 4c)，用于检测 设备的定向并在设备的操作中使用所述定向数据，所述设备包括至少一个压力传感器(5)，用于检测压力，例如指 向所述外表面(2')上的推压，所述传感器装置包括至少一个加速计(3)，所述电器包括显示屏和相应的光标功能，所述电部件和电路(3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10)设置为，响应设 备(19)的滚动，将数据传输到所述电器，用于沿与滚动方向相对应 的方向移动光标，所述电器包括与通过计算机鼠标或类似设备控制所述电器的功能 相似的功能，所述电部件和电路(3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10)设置为，响应所 述表面(2')上的推压(Pl、 P2)，将表示相应的鼠标按键操作的数 据(Sl、 S2)传输到所述电器。
10. 根据权利要求9所述的用户接口，其中所述电器包括与通过 计算机鼠标或类似设备控制所述电器的功能相似的功能，其特征在于 所述电部件和电路(3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10)设置为，响应对设备 的同时挤压和滚动，将对应于拖动功能的数据传输到所述电器。
11. 根据权利要求9所述的用户接口，其中所述电器包括显示屏 和相应的滚动功能，其特征在于所述电部件和电路(3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10)设置为，响应自旋运动(绕垂直于下表面的轴线在适当位 置旋转设备)，将对应于滚动功能的数据传输到所述电器。
12. 根据权利要求9所述的用户接口，其中所述设备包括CPU(7)， 其特征在于所述CPU (7)经由通过将装置短暂地旋转或移动到预定 方向或通过将装置放在某一 "初始方位"上的用户输入来建立球设备 的运动的参考方向，在所述"初始方位"处，用户观察到球的定向的 一些可见线索，在下表面上滚动所述设备对应于通常的鼠标在表面上的移动。
13. 根据权利要求9所述的用户接口，包括位于所述电器中的 CPU，其特征在于所述电器中的CPU经由通过将装置短暂地旋转到 预定方向或通过将装置放在某一 "初始方位"上的用户输入来建立球设备的运动的参考方向，在所述"初始方位"处，用户观察到球的定 向的一些可见线索，在下表面上滚动所述设备对应于通常的鼠标在表面上的移动。
14.根据权利要求9所述的用户接口，包括CPU (7)和位于所述 电器中的CPU,其特征在于任何任务可在上面提到的CPU之间分配。
全文摘要
一种用于电器控制或与电器通信的用户可操作设备、特别是诸如鼠标的用户可操作定点设备，包括电部件和电路，所述电部件和电路包括传感器装置、处理装置和无线通信装置，用于检测至少包括设备的旋转运动的运动，生成与所述运动相关的数据并将所述数据传输到电器，其特征在于设备(1)基本上是球(2)，所述球(2)包括外表面(2’)，用于自由滚动以及接收物理作用对表面和设备的影响；以及在于所述电部件和电路(3、4、5、6、7、8、9、10)以与所述球集成的关系位于球(2)内部。本发明还涉及一种包括本发明的用户可操作设备的用户接口。
文档编号G06F3/0485GK101346686SQ200680049403
公开日2009年1月14日 申请日期2006年12月19日 优先权日2005年12月31日
发明者尤哈·吕特屈, 约翰尼斯·韦内宁 申请人:博尔-It公司