專利名稱：電記錄定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電記錄定位裝置。
背景技術(shù)：
有各種游戲、玩具以及交互學(xué)習(xí)設(shè)備，在其中使用指示筆來指向表面上的一個區(qū)域，以便輸入數(shù)據(jù)或問題。有若干技術(shù)來確定感測表面上的指示筆的位置。一種方法是在所述感測表面中嵌入一系列諸如膜片開關(guān)之類的壓敏開關(guān)。然而，常規(guī)膜片開關(guān)具有有限的分辨率。另一方法由電容性的或電感性的元件的陣列組成，通過使所述指示筆接觸所述表面來改變它們的阻抗。然而，該方法的一個缺點是為了實現(xiàn)高分辨率，要求大量的象素元件。而且，由于電容性和電感性的影響一般較小，為了獲得較強的位置信號，必須將所述指示筆置于緊靠所述象素處。
在許多應(yīng)用中，希望能夠確定置于離開電氣有源表面短距離(如1mm至2cm)的指示筆的位置。在許多消費品中，希望用足夠厚度的、提供機械上和電氣上絕緣的塑料保護(hù)層來保護(hù)電氣有源元件。還可以在所述諸如塑料層的絕緣材料上形成數(shù)字、標(biāo)記、符號和圖畫，通過指向置于所述塑料表面的數(shù)字、標(biāo)記、符號或圖畫以便于用戶輸入數(shù)據(jù)。其它應(yīng)用包括在目錄單的頂層(打開)頁面上布置數(shù)字、標(biāo)記、符號或圖畫的系統(tǒng)。即使指針由于所述目錄表的厚度而與所述有源表面分開，也可以檢測出置于所述目錄表的打開頁面上的指針的位置。
在轉(zhuǎn)讓給本實用新型的受讓人的名為“表面定位系統(tǒng)及方法”的美國5,686,705號專利以及名為“表面定位系統(tǒng)及方法”的美國5,877,458號專利中描述了基于幾何算法的電記錄感測器單元。根據(jù)美國5,877,458號和5,686,705號專利的教導(dǎo)，通過根據(jù)由指示筆接收的所測量的信號強度而計算等位線的交點來確定所述指示筆的位置。在這里引入美國5,686,705號和5,877,458號專利的內(nèi)容并作為本申請的參考。
圖1-4示出了美國專利號5,686,705和5,877,458的幾何定位方法的一般原理。圖1是說明操作的基本原理的簡化幾何圖形。如圖1所示，二或三維的傳導(dǎo)表面10具有經(jīng)選擇的電阻率。在圖1的實施例中，分別把電接點12、14和16連接到導(dǎo)線24、26和28，以連接到處理器30。還把具有指示筆20的導(dǎo)線18連接到處理器，所述指示筆具有供用戶指示所述表面10上用戶所關(guān)心的位置的尖端22。如圖2所示，當(dāng)用戶在電阻性表面上選擇點P時，進(jìn)行了一系列的電場電位測量來計算所述指示筆的位置。確定無射頻(rf)信號施加到任何接點12、14和16時的直流(DC)偏移值。通過將等幅的rf信號施加到全部3個接點12、14和16來進(jìn)行第2測量，處理器30通過指示筆20測量滿標(biāo)的信號值。通過將rf信號施加于所述接點之一，如接點12，而例如接點14的第2接點接地，來進(jìn)行第3測量。由指示筆20進(jìn)行的信號測量將處于所述兩個接點間的等位線上(即圖2中的線X)的某處。通過對不同對的接點(假定12和16)分別施加信號和接地，來進(jìn)行第4測量，并且用指示筆20進(jìn)行的信號測量將位于所述兩個接點之間的等位線上(即圖2中的線Y)的某處，所述指示筆20的位置就是線X和Y的交點。為了說明的目的，以直線示出線X和Y。更一般的是，可使用由數(shù)學(xué)或經(jīng)驗確定的具有彎曲等位線的表面材料的信號電平梯度模型來確定所述指示筆在所述表面上的位置。
圖3說明了具有如薄片100之類的矩形導(dǎo)電材料片的美國5,877,458號專利的電記錄感測器系統(tǒng)的實施例。附于薄片100的邊緣附近并與之電氣連接的是接點102、104和106。分別連接在薄片100上的接點102、104和106與信號發(fā)生器122的接點126、128和130之間的是電氣導(dǎo)線108、110和112。信號發(fā)生器122包括rf發(fā)生器124、放大器134以及確定把哪個信號提供給接點126、128和130的開關(guān)132和136。微處理器142經(jīng)過電纜138和140分別控制開關(guān)132和136的狀態(tài)，來選擇哪個接點102、104和106接收常規(guī)或反向的rf信號。
指示筆116包括接收天線并通過電纜118耦合至信號測量級120。通過解調(diào)器144和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)146將信號解調(diào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ADC 146將數(shù)字化的信號提供給微處理器142。微處理器142包括RAM 145、ROM 147、時鐘148，以包含與已經(jīng)預(yù)存儲的位置有關(guān)的信息，以及包括音頻卡150和揚聲器154或監(jiān)視器152，以在所選擇的區(qū)域輸出信息。
當(dāng)將rf信號耦合至一個或多個接點102、104和106時，所述信號輻射貫穿薄片100的導(dǎo)電材料。在給定的一組通電的接點(如接點102和104)之間，由于薄片100的導(dǎo)電材料中的分布式的電阻而存在信號電平等位圖114A。所述信號電平等位圖包括所述等位線的形狀和值，并且可被存儲于所述微處理器的存儲器或ROM147中。原則上可通過尋找數(shù)學(xué)公式的唯一解來確定或通過經(jīng)驗確定這些等位線的形狀。此外，對于其它組的通電接點也將有信號等位圖，如對于通電接點102和106的等位圖114B。可以將在所述指示筆處接收的對于特定一組通電接點的信號強度的測量用于計算所述指示筆位于哪條等位線上。對于具有基本上正交的等位線的兩組通電接點的測量允許計算所述指示筆的位置，如圖3的點P所指示出的那樣。
圖4具有與圖3類似的元件，所述元件應(yīng)用于具有兩個半球傳導(dǎo)表面701和702的球體。使包含世界地理的詳細(xì)內(nèi)容的絕緣的圖表面601和602的形狀成為覆蓋半球表面701和702。半球701具有接點710、711和712。半球702具有接點740、741和742。配置連同電纜730、750和信號發(fā)生器722的導(dǎo)線760、761的開關(guān)770、771、772和773，使得以類似于薄片100的方式來驅(qū)動每個半球701和702。然而，由于球面幾何，由諸如接點710和711之類的兩個接點激勵的半球表面等位圖一般比薄片100的復(fù)雜得多。另外必須在球面坐標(biāo)中計算數(shù)學(xué)算法。
所述美國5,686,705號和5,877,458號專利的電記錄裝置和方法具有許多應(yīng)用，如交互式地球儀。美國5,686,705號和5,877,458號專利的電記錄感測器技術(shù)的一個優(yōu)點是比較簡單和便宜?？墒褂酶鞣N沉積的或涂層的材料來形成所述傳導(dǎo)表面100或701、702。位置分辨率優(yōu)于許多競爭技術(shù)，值得用于各種教育玩具。對于許多應(yīng)用，可以計算所述指示筆的位置到若干毫米之內(nèi)，使美國5,686,705號和5,877,458號專利的電記錄裝置可用于各種交互游戲中，所述交互游戲諸如由加利福尼亞州Emeryville的跳蛙玩具公司出售的EXPLORER GLOBETM。然而，本實用新型的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到所述美國5,686,705號和5,877,458號專利的電記錄裝置的若干缺點。一個缺點是要求相當(dāng)數(shù)量的電子存儲器和計算時間來進(jìn)行數(shù)學(xué)計算。為了將所測量的信號強度轉(zhuǎn)換成位置數(shù)據(jù)，等位圖或公式是有用的。實體的二維表面或具有均勻電阻率的表面上的通電接觸點之間的等位線，具有非線性的、非平行的且彎曲的輪廓，導(dǎo)致復(fù)雜的位置確定算法。而所述復(fù)雜的算法又導(dǎo)致相對較昂貴且慢速的電子設(shè)備。此外，在某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，諸如半球701的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述彎曲的幾何形狀進(jìn)一步使等位線的形狀的計算復(fù)雜化。因此，要求相當(dāng)數(shù)量的存儲器和計算時間來進(jìn)行每個位置計算。
所述美國5,686,705號和5,877,458號專利的電記錄定位感測系統(tǒng)的另一缺點是所述定位感測分辨率趨向于朝著所述有源表面的邊緣和拐角處而降低。所述美國5,686,705號和5,877,458號專利的定位感測方法是基于計算來自不同對的通電接點的等位線的交點。然而，所述等位線在普通表面形狀的邊緣和拐角處趨于平行。如眾所周知的那樣，根據(jù)兩條幾乎平行的線的交點而獲得點的位置的精確測量是困難的，因為所測量的數(shù)據(jù)中的微小的經(jīng)驗偏差會在所計算的交點中產(chǎn)生較大偏差。因此，位置分辨率將在表面100或701中所述不同對的通電接點的等位線近似平行的區(qū)域中變得較差。發(fā)明人用類似于圖4所示的半球701、702進(jìn)行的試驗表明，在半球701、702的邊緣周圍存在位置分辨能力大大降低的區(qū)域，發(fā)明人把這歸因于半球701、702的邊緣附近的近似平行的等位線。例如這使得設(shè)計交互式學(xué)習(xí)地球儀變得困難，在所述地球儀中用戶可指向位于赤道附近的小國家(如赤道幾內(nèi)亞)來獲得該國家的信息。類似地，對于諸如表面100之類的矩形傳導(dǎo)表面，在表面100的邊緣處也存在分辨率降低的區(qū)域，例如這使得識別位于平面地圖的邊緣處的小國家或地區(qū)變得困難。此外，如圖5A和5B所說明的那樣，均勻電阻率的平面表面的等位線是彎曲的并一般較少正交，并且因此比所希望的更復(fù)雜。這導(dǎo)致復(fù)雜且慢速的數(shù)學(xué)算法。
在表面100或701上形成連續(xù)電阻涂層的普通技術(shù)導(dǎo)致厚度和/或電阻率中的顯著的空間差異。在單批生產(chǎn)中，在每個表面的電阻中可能存在顯著的差異。貫穿所述感測表面的所述電阻率差異能夠顯著地影響等位線的輪廓。因此，有必要用二維算法來補償這些影響，所述二維算法導(dǎo)致復(fù)雜的以及耗費時間的生產(chǎn)過程。因此，要求大量的數(shù)據(jù)點來精確地繪制所述等位線。另外，典型地必須將大量的數(shù)據(jù)存儲于等位圖中。這增加了產(chǎn)品的成本。
由于高精確度、低制造成本以及比較簡單的構(gòu)造的潛在可能，使用與美國5,686,705號和5,877,458號專利類似計算的電記錄定位感測系統(tǒng)是所希望的。然而，先前所知的電記錄定位感測系統(tǒng)遭受以下問題，即由于沿邊緣區(qū)域布置的基本上平行的等位線而沿邊緣區(qū)域降低的分辨率、根據(jù)復(fù)雜的等位線計算位置對于有效的計算存儲器和計算時間的要求，以及進(jìn)行復(fù)雜校準(zhǔn)程序來繪制所述等位線的需要。
所希望的是一種用于提供對等位線信號輪廓的改進(jìn)控制的改進(jìn)的電記錄裝置和方法。
實用新型內(nèi)容本實用新型一般針對包括天線裝置以在電記錄定位檢測系統(tǒng)中產(chǎn)生電位梯度的電記錄定位感測系統(tǒng)、制造所述天線裝置的方法以及在電記錄定位系統(tǒng)中對所述天線裝置的使用。
本實用新型的一個目的是提供天線裝置，用于具有等位輪廓線的改進(jìn)的控制的電記錄系統(tǒng)。具體目的是降低所述等位輪廓線的曲率、改進(jìn)其線性度并改進(jìn)其正交性。在較佳實施例中，在局部區(qū)域中所述第1天線的指針的取向于一般與所述第2天線的指針的方向正交。
本實用新型的另一目的是提供一種天線裝置，在其中可校準(zhǔn)每個指針的電壓。在較佳實施例中，包括額外的定標(biāo)元件來允許調(diào)整所述分壓器的每個段的相對電阻，以補償電阻器的電阻率和厚度中的處理偏差。
本實用新型的又一目的是提供一種把所述天線裝置制造成平面單元并且然后將所述天線塑造成三維形狀的方法。在一個實施例中，以平面單元來形成所述天線裝置，然后將其塑造成半球形。
本實用新型的又一目的是使用所述天線裝置作為電記錄定位檢測系統(tǒng)的一部分。
這里描述的新穎的和創(chuàng)造性的天線裝置輻射出可由垂直或水平的等位場線組適當(dāng)描述的二維電位場，每條線具有與之相關(guān)聯(lián)的不同的電位值。把所述輻射場線的幅度和梯度簡單地設(shè)計于所述天線裝置之中。由于可用天線設(shè)計的函數(shù)來簡單地計算所產(chǎn)生的場電位，那么可把它用于定位接收天線位于哪條線上。當(dāng)把接收天線從一條等位線移動到另一條時，它將獲得它所位于的線上的場強。如果把所述接收天線置于輻射(或發(fā)射)天線上的單個位置中，則所述天線所感測到的電位的幅度將揭示出接收天線定位于哪條等位線上。
如果用戶希望更多地了解接收天線的位置而不是天線所駐留的等位線，則可使用第2發(fā)射天線。所述第2發(fā)射天線等的取向與所述第1發(fā)射天線成90°。在該配置中，用戶可使第1天線播送一組等位線，并且使接收天線定位于一條線上，然后該用戶可使所述第1天線關(guān)斷并且使位于90°的第2天線接通。用戶現(xiàn)在可通過正交場信息而在正交的等位線上對所述接收天線定位。由兩條等位線的交點揭示出所述接收天線的二維位置。當(dāng)然，還可能僅簡單地旋轉(zhuǎn)單個發(fā)射天線而先后在兩個不同方向上激勵該天線。當(dāng)然，本實用新型不限于在正交坐標(biāo)中的使用。然而，對于許多應(yīng)用來說，正交坐標(biāo)用最大的速率及分辨率提供所要求的精確性。
所述新穎的天線裝置包括與導(dǎo)電指針元件耦合的分壓器。每個指針元件具有電氣連接它們的點處的分壓器的電位。如果將射頻信號施加于所述分壓器，則所述指針元件將輻射出沿指針恒定(在任何給定時間點處)的但跨越指針有梯度變化的場。所述梯度是沿分壓器的梯度變化的反映。從而，如果所述指針元件是平行的且是直的，就產(chǎn)生了平行于Y坐標(biāo)(假定)的一系列等位線。將該天線定向于90°，或使用定向于90°的第2類似天線，將提供一組與X坐標(biāo)(假定)平行的等位線。每個這樣設(shè)計的天線將在一維上對接收天線定位。本實用新型不限于直線坐標(biāo)系統(tǒng)。在球面或其它坐標(biāo)系統(tǒng)中它也能同樣地適用。
在二維定位設(shè)備的一個實施例中，本實用新型的天線裝置包括由絕緣體分開的第1和第2天線，所述第1天線包括耦合至第1分壓器的多個電壓抽頭的多個第1導(dǎo)電指針，其中所述第1導(dǎo)電指針彼此有間隔，并且所述每個第1導(dǎo)電指針的電壓是施加于所述第1分壓器的第1輸入電壓接點和第2輸入電壓接點之間的全部電壓的預(yù)先選定的分?jǐn)?shù)；所述第2天線包括耦合至第2分壓器的多個第2電壓抽頭的多個第2導(dǎo)電指針，其中所述第2組導(dǎo)電指針的每一個的電壓是施加于所述第2分壓器的第1輸入電壓接點和第2輸入電壓接點之間的全部電壓的預(yù)先選定的分?jǐn)?shù)；其中所述第1和第2天線是彼此電氣絕緣的，并且其中所述第1和第2天線的指針在襯底的檢測區(qū)域中是不平行的；從而所述第1天線和所述第2天線可用于在所述檢測區(qū)域中產(chǎn)生相交的等位線。在較佳實施例中，所述分壓器是電阻片，該電阻片具有沿其邊緣耦合的發(fā)射指針。


圖1是用于確定指示筆的位置的電記錄定位感測系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)圖。
圖2是說明確定圖1的指示筆的位置的方法的現(xiàn)有技術(shù)圖。
圖3是圖1的系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)框圖。
圖4是用于確定指示筆相對于球體表面的位置的電記錄定位感測系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)框圖。
圖5A示出了具有2個通電接點的現(xiàn)有技術(shù)電阻層的說明性的等位線。
圖5B是示出類似于圖5A的具有另外通電接點組的電阻層的重疊的等位線的現(xiàn)有技術(shù)圖。
圖6A是本實用新型的天線裝置的第一實施例，具有以分壓器形式配置的阻抗元件來控制輻射指針的電壓。
圖6B示出了圖6A的天線裝置的變型，其中所述阻抗分壓器包括連續(xù)的電阻材料片。
圖7是圖6A的天線裝置的重疊等位線的說明性曲線圖。
圖8示出了圖6A的天線裝置的變型，它具有耦合至所述分壓器的額外的校準(zhǔn)元件，來校準(zhǔn)每個輻射指針的電壓。
圖9示出了圖6A的天線裝置的變型，其中所述指針元件在所述天線裝置的一部分上彎曲。
圖10A示出了從可塑襯底形成的本實用新型的天線裝置的實施例。
圖10B示出了塑造成圓錐形的圖10A的天線裝置。
圖11示出了塑造成兒童玩具外形的本實用新型的可塑天線。
圖12是平面天線裝置的較佳實施例的后視圖。
圖13是圖12的天線系統(tǒng)的正視圖。
圖14A和14B示出了圖12的天線裝置的較佳實施例的細(xì)節(jié)，其中兩個天線具有定形的指針元件以降低所述兩個天線之間的相互作用。
圖15A示出了塑造成半球形形狀的天線裝置的說明性正視圖。
圖15B示出了圖15A的天線裝置的說明性后視圖。
圖15C示出了塑造成半球形形狀的具有所示重疊的兩個天線的天線裝置的較佳實施例。
圖16是包括平面天線裝置的本實用新型的電記錄定位感測系統(tǒng)的框圖。
圖17是本實用新型的實施例的框圖，其中所述分壓器具有中心電壓輸入抽頭。
圖18是用于文檔解譯系統(tǒng)的本實用新型的電記錄定位感測系統(tǒng)的框圖。
圖19是連同地球儀一起使用的電記錄定位感測系統(tǒng)的框圖。
圖20是使用中的圖19的電記錄定位感測系統(tǒng)的示意性分解圖。
具體實施方式
本實用新型一般包括包含有用于電記錄定位系統(tǒng)的天線裝置的電記錄定位感測系統(tǒng)、制造所述天線裝置的方法以及在電記錄定位系統(tǒng)中對所述天線裝置的使用。如在本申請中所使用的那樣，電記錄定位檢測系統(tǒng)是這樣的一種系統(tǒng)，在其中天線系統(tǒng)產(chǎn)生輻射電場，位于接近所述天線表面短距離處的包含接收天線元件的指示筆可以檢測出該電場。因此，如在本申請中所使用的那樣，電記錄定位系統(tǒng)可檢測離有源表面預(yù)先選擇的距離內(nèi)的指示筆的位置。
對于類似于圖1-4中所示的檢測系統(tǒng)來說，例如在其中由大約60kHz頻率的射頻(rf)驅(qū)動信號產(chǎn)生等位線，所述等位線所具有的瞬時電位將以與所述rf輸入信號的相同時間相關(guān)性而隨時間變化?？墒褂玫念l率的范圍可廣泛地改變，而沒有理論上的限制。可使用的頻率范圍的實際限制取決于技術(shù)的任何特定應(yīng)用的約束?？梢允褂帽娝苤碾姶艑W(xué)定律(即所述電場是所述電壓的梯度)來計算由隨時間變化的電位產(chǎn)生的電場。因此，可計算等位線圖并將其用于解譯最接近與有源表面相關(guān)聯(lián)的所述輻射天線系統(tǒng)的所檢測出的信號強度。
圖5A和5B示出了由現(xiàn)有技術(shù)實體電阻薄片產(chǎn)生的復(fù)雜等位線組。圖5A是說明具有拐角接點502、504、506和508的常規(guī)電阻性表面500的等位信號線的頂視圖。為了說明的目的，假定薄片500具有遍及整個表面的恒定電阻率。當(dāng)激勵特定接點組時，可以使用數(shù)學(xué)公式來計算所述等位線。由于從拐角接點注入電流，所以假定所述等位線呈現(xiàn)出遍及大部分薄片500的非直線形狀。一般而言，從特定接點組注入的電流將擴散而遍及所述薄片，并且可使用眾所周知的公式來計算任何給定點處的電位。當(dāng)由rf源激勵諸如接點502和504之類的兩個接點時，電阻性表面500在所述表面500的表面上輻射出信號?？蓮臄?shù)學(xué)公式中計算出場線的輪廓線500。一般而言，接近表面500的中心處的輪廓線將是比較線性的。諸如線508和510之類的排列在遠(yuǎn)離中心處的輪廓線將是顯著地非線性的。如由線510、512、514、516、520、522、524、528、530、532、534和536所指示出的那樣，等位輪廓線的實質(zhì)非線性在接近拐角處出現(xiàn)。注意到還可以激勵諸如接點506和504之類的正交接點對。通過替換所激勵的接點的順序，可產(chǎn)生水平和垂直的等位線。圖5B是對于作為多狀態(tài)激勵順序部分而順序地把脈沖輸入接點502-504以及504-506而形成的兩組重疊的等位線的現(xiàn)有技術(shù)圖?？梢钥闯觯陔娮栊詫?00的中心處，重疊的等位線近似于具有正交單元的柵格形圖案。由于所述等位線在表面500的中心處近似正交，但在拐角處變得近似平行，所以在拐角處的位置確定比在中心處的位置確定較差。此外，由于所述等位線具有復(fù)雜曲線和非線性分布，計算的復(fù)雜程度較高。這導(dǎo)致昂貴且慢速的電子設(shè)備。
此外，取決于均勻電阻率的實體二維表面必需用復(fù)雜二維算法來補償電阻中的偏差。這導(dǎo)致昂貴且慢速的電子設(shè)備。
所述新穎的天線裝置包括與導(dǎo)電指針元件耦合的分壓器。每個指針元件具有在電氣連接它們的點處的分壓器的電位。如果將射頻信號施加于所述分壓器，所述指針元件將沿指針輻射出恒定的(在任何給定時間點處)但具有跨越指針而梯度變化的場。所述梯度是沿分壓器的梯度變化的反映。從而，如果所述指針元件是平行且直的，就產(chǎn)生了平行于Y坐標(biāo)(假定)的一系列等位線。將該天線定向于90°，或使用定向90°的第2類似天線，將提供一組與X坐標(biāo)(假定)平行的等位線。由于所述新穎天線在所述指針元件間具有空隙，所以可方便地層疊兩個天線。當(dāng)頂層天線關(guān)斷時，底層天線可通過頂層天線中的開口區(qū)域向上輻射。為了避免電氣短路，在所述天線間布置絕緣體。
每個這樣設(shè)計的天線將在一維中探測置于其上的一個接收天線。也就是說，如果所述接收天線感測到具有特定強度的信號，就可在發(fā)射該電位的指針元件之上或之間對它進(jìn)行定位?？梢园言谒霭l(fā)射天線上的可感測出接收天線的區(qū)域稱為“有效區(qū)域”。由于一個發(fā)射天線在一維中探測所述接收天線，在一個發(fā)射天線的指針元件上存在“一維有效區(qū)域”，而在層疊兩個發(fā)射天線的區(qū)域上存在“二維有效區(qū)域”，這是層疊的天線上方的空間，兩個發(fā)射天線都向其中輻射。如果兩個天線部分重疊，則在它們之上的某些區(qū)域是一維有效區(qū)域，而某些區(qū)域是二維有效區(qū)域。
本實用新型不限于直線坐標(biāo)系統(tǒng)。在球面或其它坐標(biāo)系統(tǒng)中它也能同樣地適用。它還不限于一維和二維感測。
圖6A是包括產(chǎn)生兩組不同等位線的兩個天線的本實用新型的有源表面的較佳實施例的俯視圖。使用諸如絕緣紙、塑料、玻璃纖維或聚酯薄膜層之類的電氣絕緣的襯底670作為支撐結(jié)構(gòu)。在較佳實施例中，襯底670具有均勻厚度t。在襯底670的第1面672上，布置有第1天線680。以虛線示出的第2天線690與第1天線680隔開，并且被足夠厚度的絕緣材料隔開，以與第1天線680電氣絕緣。在較佳實施例中，把第2天線690布置于襯底670的第2面674上。這樣配置所述兩個天線，使得可獨立于另一天線而激勵每個天線。第1天線680具有激勵端子692和694，用于將rf電壓施加于第1天線680。第2天線690具有激勵端子696和698，用于將rf電壓施加于第2天線690。
雖然將理解到可使用任意數(shù)量的指針元件，但為了說明本實用新型原理的目的，僅示出了少量的指針元件。參考第1天線680，元件602、604、606、608、610、612、614、616和618的阻抗形成了阻抗分壓器。每個阻抗元件之間的電壓是端子692和694之間的全部rf激勵電壓的分?jǐn)?shù)，并且可使用眾所周知的分壓器規(guī)則來計算。第1天線680具有低電阻、導(dǎo)電的指針元件630、632、634、636、638、640、642和644。元件630耦合至阻抗元件602和604之間的節(jié)點；元件632耦合至阻抗元件604和606之間的節(jié)點；元件634耦合至阻抗元件606和608之間的節(jié)點；元件636耦合至阻抗元件608和610之間的節(jié)點；元件638耦合至阻抗元件610和612之間的節(jié)點；元件640耦合至阻抗元件612和614之間的節(jié)點；元件642耦合至阻抗元件614和616之間的節(jié)點以及元件644耦合至阻抗元件616和618之間的節(jié)點。由每個指針元件耦合到分壓器的位置唯一地確定每個指針元件的電壓。因此，每個導(dǎo)電指針元件輻射出的場所具有的幅度是該元件所耦合到分壓器的節(jié)點處的電壓的函數(shù)。如圖6A所示，指針630具有電壓V1，指針632具有電壓V2，指針634具有電壓V3，指針636具有電壓V4，指針638具有電壓V5，指針640具有電壓V6，指針642具有電壓V7，以及指針644具有電壓V8。注意到在較佳實施例中，在局部區(qū)域上這些指針基本上平行。因此，指針元件間的電位將趨于隨兩個指針間的距離而近似地線性變化。從而指針元件的集合輻射出空間上連續(xù)的一組等位線，所述輻射的等位線與所述指針元件基本上平行。術(shù)語等位線指的是沿線具有恒定信號幅度的線?？梢允褂闷渌愣ù笮〉膮?shù)，如相位，來獲得相同的結(jié)果。這里的例子是基于信號幅度的，但本實用新型不是這樣限制的。
布置于襯底670的另一面的第2天線690具有第2分壓器，所述第2分壓器包括第2組阻抗元件650、652、654、656和658。可以使用眾所周知的分壓器規(guī)則來計算每個阻抗元件之間的節(jié)點處的電壓，該電壓是施加于端子696和698之間的全部電壓的分?jǐn)?shù)。導(dǎo)電指針元件662、664、666和668的每一個都耦合至所述第2組阻抗元件之間的各自節(jié)點，從而在每個指針元件上建立電壓。如圖6A所示，指針元件662是具有電壓V1′的等位表面，指針元件664是具有電壓V2′的等位表面，指針元件666是具有電壓V3′的等位表面以及指針元件668是具有電壓V4′的等位表面。
重要的是，由于這是一個具有每個指針元件充當(dāng)rf天線的rf系統(tǒng)，通過空中的廣播產(chǎn)生了連續(xù)或平緩的rf場，導(dǎo)致在場強測量中，比測量由每個元件產(chǎn)生的個別的電壓可能獲得更高的分辨率。所述元件間的連續(xù)場強值允許進(jìn)行高分辨率位置測量。此外，每個指針元件發(fā)射與該指針耦合到分壓器的點處的電壓直接相關(guān)聯(lián)的場。從而所有指針的最終效應(yīng)產(chǎn)生了單個場，該場的場電位分布反映出沿所述分壓器的電壓分布。
因此，所述分壓器設(shè)計，即沿所述分壓器的電壓降，控制由所述天線指針元件播送的二維場的電位分布。所述分壓器的結(jié)構(gòu)及相關(guān)指針元件天線可用于產(chǎn)生線性且直線性的二維電位場分布。
通過測量電位，可確定所述二維場中的位置線，并且由于可方便地形成線性且直線性的電位分布，所以可簡化所要求的電子設(shè)備和算法。
通過使用兩個這樣的天線，其中每個天線包括分壓器和指針元件，產(chǎn)生兩個分開產(chǎn)生的場是可能的。如果相對于另一天線這樣安置所述天線，致使(1)它們的指針元件區(qū)域重疊，(2)一個天線的指針元件與另一天線的指針元件正交，以及(3)頂層天線的指針元件沒有充分地阻擋來自底層天線的指針元件的信號，那么可產(chǎn)生兩個正交的、二維的以及每個都是線性且直線性的電位分布。
因此，可以通過從每個天線測量所檢測出的電位，來確定在所述兩個二維場中的位置點。當(dāng)然，所述兩個天線以及它們所播送的場不需要是線性、直線性或正交的。但是具有這樣的天線能簡化電子設(shè)備和算法。
本設(shè)計的一個重要好處是，通過調(diào)整沿與每個天線相關(guān)聯(lián)的分壓器的一維電壓分布，可控制所述兩個二維電位場分布的每一個。所述天線系統(tǒng)具有重要的好處，因為可通過使用兩個獨立的一維算法，在算法上補償制造所述分壓器期間所產(chǎn)生的電阻率中的偏差。與現(xiàn)有技術(shù)所要求的二維方法相比，這充分地簡化了電子設(shè)備和算法。
雖然可以用一系列端到端耦合的個別的電阻器來制造所述分壓器，但是較佳的制造方法是如圖6B所示的那樣，用電阻片601制造所述分壓器?？砂阉鲭娮杵瞥擅繂卧L度有恒定電阻。另一方面，所述電阻片601可具有每單元長度的可變電阻。可使用眾所周知的分壓器公式來計算在諸如元件632之類的指針元件耦合到電阻片601的特定節(jié)點處的相對電壓。
如圖7所示，每個天線680、690的指針元件形成明確的等位線。因此，可以把所述兩個天線的等位線設(shè)計成不僅線性以及直線性，而且彼此基本上正交。這便于位置檢測。根據(jù)下面詳細(xì)描述的多狀態(tài)激勵方法，最好在不同時刻順序地激勵天線系統(tǒng)600的兩個天線680和690。如圖7所示，點P可具有與若干唯一激勵順序的每一個相關(guān)聯(lián)的若干唯一電位。例如兩個天線都關(guān)斷時的電位、兩個天線都打開時的電位、僅第1天線打開時的電位以及僅第2天線打開時的電位。
對于一對天線來說，其中所述天線的每一個具有電阻片類型的分壓器，并且所述分壓器具有在至少兩個電氣接點之間與其耦合的指針元件，最好使用5狀態(tài)激勵算法來確定所述發(fā)射或廣播天線對上的檢測器(即接收天線)的位置。所述算法包括通過5個狀態(tài)的定序，然后操作在每個狀態(tài)處進(jìn)行的測量，來獲得檢測場強測量值的設(shè)備的位置。該設(shè)備典型地是包含rf接收天線的指示筆。在許多實施例中，使用指示筆來指向覆蓋在所述發(fā)射天線對上的區(qū)域，并且所述指示筆中的接收天線檢測所述電場強度的大小。將所檢測出的信號發(fā)送到微處理器。由所述接收天線測量的所述5個狀態(tài)是1.無電壓施加到任何一個天線；2.僅將梯度變化電壓施加于頂層天線的分壓器；
3.僅將恒定電壓施加于頂層天線的分壓器；4.僅將梯度變化電壓施加于底層天線的分壓器；以及5.僅將恒定電壓施加于底層天線的分壓器。
遵循該順序，首先從其它4個測量值中的每一個中減去在狀態(tài)1期間由所述指示筆測量的電壓，以去除任何DC誤差分量。在減法之后，存在4個測量的場電位值分別是PTop-G；PTop-C；PBottom-G；以及PBottom-C，其中“G”指的是將梯度變化電壓施加于所述分壓器，而“C”指的是將恒定電壓施加于所述分壓器。其次，為了除去任何偏差，該偏差可歸因于接收天線可能處于相對于下層廣播天線對的不同高度，對于頂層和底層天線來說把每個梯度測量值都?xì)w一化到恒定電壓測量值。從而，對于頂層天線，獲得比值PTop-G/PTop-C＝PTop的值，并且對于底層天線，獲得比值PBottom-G/PBottom-C＝PBottom的值。當(dāng)獲得這些比值時，如有必要的話，則每個比值都對于沿所述分壓器的電阻中的任何偏差而進(jìn)行補償(如在另一處所說明的那樣，可能已經(jīng)由插入于電路中的實際設(shè)備作出該補償)。最后，通過使用基于所設(shè)計的等位線分布的算法，根據(jù)實際坐標(biāo)可確定所述兩個值PTop和PBottom中的每一個的位置含義。
可使用許多不同的天線方向圖來確定在所述發(fā)射或廣播天線對上的檢測器(即接收天線)的位置。在一個備擇天線配置中，所述頂層和底層天線具有不同的幾何配置。如圖15A所示，在一個這樣的實施例中，第1(任選地為所述“頂層”)天線具有耦合至，假定，圍繞半球表面的環(huán)形的彎曲指針元件的電阻片分壓器。環(huán)1510中可具有單個間斷，但是最好是環(huán)繞“緯度”。尤其是，如圖15B所示，環(huán)1510基本上與所述第2天線的分壓器1560的線平行。所述第2(任選地為所述“底層”)天線具有連續(xù)電阻片分壓器1560，該分壓器無終端而形成環(huán)。所述分壓器1560具有沿所述連續(xù)分壓器間隔布置的至少3個電氣接點?？捎啥鄠€激勵順序來激勵所述接點，來形成特殊的連續(xù)場。所述底層天線還包括多個指針元件?？梢越凭鶆虻胤植歼@些指針元件遍及檢測區(qū)域。該天線對典型地用于半球形的形狀上。雖然不是這樣限制的，但是下面的例子將論述半球形例子。
為了確定位于所述半球上的接收天線的位置，使用6狀態(tài)激勵算法。
1.無電壓施加到任何一個天線；2.僅將梯度變化電壓施加于頂層天線的分壓器1520；3.僅將恒定電壓施加于頂層天線的分壓器1520；4.通過將電壓施加于所述至少三個接點中的兩個或多個接點，僅將第1梯度變化電壓應(yīng)用于底層天線的分壓器1560；5.通過將不同的電壓圖案施加于所述至少三個接點中的兩個或多個接點，僅將第2梯度變化電壓施加于底層天線的分壓器1560；以及6.僅將恒定電壓施加于底層天線的分壓器。
遵循該順序，首先從其它五個測量值中的每一個中減去由指示筆中的接收天線在狀態(tài)1期間所測量的電壓，以去除任何DC誤差分量。在減法之后，存在5個測量的場電位值分別是PTop-G；PTop-C；PBottom-G1；PBottom-G2以及PBottom-C。
其次，為了除去任何偏差，該偏差可歸因于接收天線可能處于相對于下層廣播天線對的不同高度，對于頂層和底層天線來說把每個梯度測量值都?xì)w一化到恒定電壓測量值。從而，對于頂層天線，獲得比值PTop-G/PTop-C＝PTop的值，并且對于底層天線，獲得兩個比值PBottom-G1/PBottom-C＝PBottoml以及PBottom-G2/PBottom-C＝PBottom2的值。當(dāng)獲得這三個比值時，如有必要的話，則每個比值都對于沿所述分壓器的電阻中的任何偏差而進(jìn)行補償。最后，通過使用基于所設(shè)計的等位線分布的算法，確定所述值PTop、PBottom1和PBottom2值的位置含義。需要兩個值來唯一確定與所述底層天線相關(guān)聯(lián)的第2坐標(biāo)的坐標(biāo)值，因為所測量的電位可能是在特定梯度激勵圖案所產(chǎn)生的等位線上的兩個點中的任何一個處。從而，需要在從兩個激勵配置中產(chǎn)生的等位線上測量這些點，來獲得唯一的坐標(biāo)點。
本實用新型的天線設(shè)計還允許調(diào)整每個指針元件的相對等電位。圖8示出了設(shè)計成允許對每個元件830、832、834的電壓進(jìn)行額外控制的本實用新型的實施例800。如圖8所示，分壓器包括端到端耦合的電阻器810、812、814和816。把所述鏈路的兩個端點，即節(jié)點802和804，配置成由rf電壓源激勵。然而，正常的制造偏差會導(dǎo)致所述電阻器810、812、814和816中的每一個與它們的標(biāo)稱目標(biāo)值偏離20-30％。把額外的電阻調(diào)整元件820、822、824和826配置成允許每個電阻器能微調(diào)其有效值。電阻調(diào)整元件820、822、824和826可包括任何用于微調(diào)電阻值的常規(guī)元件。例如，電阻調(diào)整元件820、822、824和826可包括通過機械微調(diào)或激光微調(diào)而在實際厚度中微調(diào)的電阻器。此外，電阻調(diào)整元件820、822、824和826可包括任何被配置成允許調(diào)整電阻調(diào)整元件820、822、824和826的有效電阻的電阻器和熔絲等常規(guī)配置。為了補償沿電阻片601的電阻率中的偏差，可在所述片中形成孔或穿孔洞。
如圖17中所示的并如下面詳細(xì)描述的那樣，沿分壓器的可變電阻的又一種補償方法是使用一個或多個輸入電壓抽頭。
本實用新型的天線系統(tǒng)的優(yōu)點之一是，它提供了一種控制具有復(fù)雜形狀的表面的等位輪廓的方法。較佳的是，兩個天線680、690的指針元件定義正交柵格，因為這降低了根據(jù)在空間中特定點處所測量的電壓而計算位置的計算復(fù)雜程度。然而，本實用新型也可適用于各種彎曲且非平面的表面。圖9示出了本實用新型的實施例，在其中，第1天線920的指針910在二維表面905上具有第1曲率半徑。第1天線920具有耦合在一起作為分壓器的電阻元件930、932、934、936和938，以確定每個指針元件910的電壓。第2天線940以虛線示出，并且在第1天線920下與表面905空間上隔開。第2天線具有指針元件950，所述元件的每一個的電壓由在電阻器962、964、966和968之間該元件耦合到所述分壓器的節(jié)點來確定。第2天線940的指針元件950可具有第2曲率半徑。位于第1天線920的指針元件與第2天線940的指針元件之間所形成的區(qū)域ABCD中的點P具有顯著的對稱性。因此，點P處的電壓將是點P離開線段AB和DC的間距以及點P離開線段BC和AD的間距的準(zhǔn)線性函數(shù)。
較佳的制造方法是在諸如塑料或聚酯薄膜襯底之類的絕緣襯底上形成所述天線。制造有阻值且導(dǎo)電的元件的較佳方法是用形成圖案的導(dǎo)電油墨薄膜?？墒褂萌魏斡凶柚挡牧蟻碇圃焖龇謮浩鞯碾娮杵?，如碳基聚合物油墨或碳基水油墨?？蓮膶?dǎo)電油墨或金屬薄層形成所述指針。一種較佳的低成本構(gòu)造方法是使用高速印刷技術(shù)，將碳和銀油墨印刷于聚酯薄膜或紙襯底上。絲網(wǎng)印刷技術(shù)能最佳地用于聚合物基油墨，而苯胺印刷和Graveur處理能最佳地用于水基油墨。
還可以在能由真空模塑處理形成的襯底上形成所述有阻且導(dǎo)電層的圖案。尤其是所述襯底可包括平的乙烯基薄片。這允許可把本實用新型的天線塑造成二維平面表面，并隨后可使用眾所周知的真空模塑處理將其塑造成更復(fù)雜的三維形狀。圖10A是形成于可塑襯底1005上的天線系統(tǒng)1000的頂視圖。第1天線1010包括布置于可塑襯底1005的第1表面上的第1組指針元件1020。所述第1組指針元件中的每一個耦合至第1電阻器分壓器1030的不同節(jié)點，所述電阻器分壓器1030包括具有每單元長度預(yù)選電阻值的電阻器。把第2天線1040布置于對面并以虛線示出。如所示，所述第2天線的指針元件形成環(huán)1050。把第2天線1040的指針元件的每一個連接到第2電阻器分壓器1060的不同節(jié)點，該電阻器分壓器具有每單元長度預(yù)選電阻值。可使用諸如真空或加壓成形模塑之類的常規(guī)塑料和聚合物模塑處理來塑造天線系統(tǒng)1000。例如，如圖10B所示，可把天線系統(tǒng)1000塑造成圓錐形狀。平面表面上的點P被轉(zhuǎn)換成圖10B的圓錐形表面上的點P*。如從圖10B中可看出的那樣，在P*周圍的區(qū)域中，指針元件保持局部對稱。因此，等電位將趨向于相對于相鄰指針元件形成的柵格的位置的準(zhǔn)線性函數(shù)。
當(dāng)把平面天線系統(tǒng)形成為復(fù)雜形狀時，為了保留簡化的算法，可把位置探測問題分解成兩個要素。第一要素包括施加于形成之前存在于所述平面襯底上的天線方向圖的位置探測問題。第二要素是施加翻譯算法或表示所述平面表面到復(fù)雜表面的實際變換的映射。
還可把本實用新型的天線系統(tǒng)塑造成各種形狀。如圖11所示，可把天線系統(tǒng)1110塑造成諸如兒童玩具1104的一部分1102的表面之類的復(fù)雜表面。即使所述表面總體上是高度非平面的，但是第1天線1120和第2天線1130在局部表面區(qū)域上基本上可以是正交的。因此，玩具1104的局部點P的等電位將趨向于是相對于相鄰指針元件的位置的準(zhǔn)線性函數(shù)。
圖12通過透明絕緣薄片示出了在所觀察的薄片的另一面上印刷的天線裝置1200的較佳實施例的視圖。在該實施例中，確定指示筆相對于平面支撐面的位置。由端接點1201和1202激勵的電阻片1203形成了用于激勵第2天線1210的指針元件的分壓器。圖13示出了圖12的天線裝置的視圖具有印刷在所視面上的第2天線。示出了位于天線1310表面上的指示筆1304。天線1310具有由配置成接點1340和1350之間的第1分壓器的電阻片1330激勵的指針元件1320。
在指針元件之間選擇最佳距離或間隙中，平衡了若干因素。一般來說，在頂層天線上，希望指針元件之間的距離足夠大，使得來自所述底層天線的廣播不受所述頂層天線的結(jié)構(gòu)的阻隔。此外，指針間的間隔越寬，兩個天線之間的電容耦合將越小，兩個天線耦合是最佳的。根據(jù)這些因素，看上去希望在所述指針元件之間設(shè)計寬間隔。然而，隨著所述指針元件之間的距離增加，它們有效地廣播信號的能力降低。此外，如果通過減少指針寬度而加寬所述指針元件之間的距離，所述天線的電阻增加，這將導(dǎo)致天線間的有害的交叉耦合。因此，選擇所述指針元件之間的距離涉及到平衡所有這些因素。
另一組要求平衡的因素涉及每個指針元件的寬度。寬指針易于產(chǎn)生較佳的廣播特性，且導(dǎo)致來自其它物體的較少干擾，例如像，用戶的手抓住指示筆進(jìn)行指向。但是寬指針元件具有增加天線間的電容耦合的缺點。這是因為所述兩個天線之間的電容耦合是來自所述兩個天線的每一個的指針的重疊的直接函數(shù)。如果指針的寬度較寬，就存在更多的重疊區(qū)域。為了著手解決這個問題，把所述指針元件設(shè)計成在兩個天線的指針可能交叉的點處較窄，而在其它區(qū)域較寬。這說明于圖14B中。指針1410定位于所述頂層天線上，與底層天線相比，所述指針具有較不寬闊的加寬區(qū)域，以便不阻擋來自必須通過所述頂層天線輻射的底層天線的場。指針1420定位于底層天線上，并且具有雖然較短但相對較寬的加寬區(qū)域，使得所述底層天線能夠在所述頂層天線的指針之間有效地輻射。當(dāng)然，本實用新型不受可變寬度指針元件的精確設(shè)計的限制。相反，對于所述新穎天線的每個應(yīng)用，使幾何形狀最優(yōu)化。
在單個電氣絕緣的薄片相對的另一面上形成所述天線不是必需的?？梢园阉鼈冃纬稍诜珠_的薄片上，然后夾在一起形成一種配置，其中一個天線的指針不平行于另一天線的指針，并且其中由絕緣薄片之一來分開所述天線。然而，以這種方式形成天線有一些缺點。一個缺點是所述兩個薄片必需一致對齊，以進(jìn)行一致且無差錯的操作。另一缺點是在非平面配置中，使所述兩個薄片彼此緊緊靠近是困難的。所述兩個天線之間的可變間隔可能導(dǎo)致靈敏度和精確度的降低。
圖16是包括類似于圖12-14所示的天線裝置的電記錄定位感測系統(tǒng)的框圖。以平面配置來說明應(yīng)用。在一個實施例中，處理器(較佳的是微處理器)、控制器1601調(diào)整有源天線裝置1621的操作，并接收位置數(shù)據(jù)1617，它使用所述數(shù)據(jù)來確定在緊接著天線裝置1621的指針元件的有效區(qū)域1609的附近的指示筆1611的位置?？刂破?601還包括用戶接口1618以及用于通過揚聲器1620輸出音頻輸出的音頻塊1619。
如圖16所示，控制器1601向發(fā)射邏輯塊1603發(fā)送命令1602，使發(fā)射信號序列執(zhí)行位置檢測功能。所述命令1602可包括開始和/或停止位置感測。此外所述命令1602還可涉及所希望的分辨率，即命令1602還可包括指示發(fā)射塊1603調(diào)整操作模式來為特定應(yīng)用獲得所希望的分辨率或速率。
發(fā)射塊1603根據(jù)預(yù)定的多狀態(tài)激勵順序來激勵天線裝置1620的兩個天線。在較佳實施例中，使用每一個都具有電阻分壓器片的兩個天線。使用上述的5狀態(tài)激勵算法來激勵所述天線。發(fā)射邏輯塊1603的激勵信號最好經(jīng)放大器1604放大，并經(jīng)具有導(dǎo)線屏蔽1605的導(dǎo)線被發(fā)射。每個天線具有兩個激勵電阻分壓器1607的電氣接點1606，所述電阻分壓器用于向每個天線的指針1608提供電壓。
指示筆1610具有接收所發(fā)射的信號的導(dǎo)電元件。具有接地屏蔽1611的導(dǎo)體將所接收的信號傳送到接收放大器1612。所述接收放大器1612可進(jìn)行任何常規(guī)放大、濾波和DC抑制功能，以放大并調(diào)節(jié)所接收到的信號。把經(jīng)調(diào)節(jié)的信號置入信號檢測塊1613，所述信號檢測塊執(zhí)行解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及任意的積分。在較佳實施例中，使用單頻信號的同步解調(diào)，因為這提高了信噪比。然而，同步解調(diào)要求定時信號1615和1616來協(xié)調(diào)信號檢測塊1613的活動。在較佳實施例中，信號檢測塊1613對信號求積分以獲得窄帶濾波，并使用恒定斜率的放電技術(shù)將積分的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，用于由接收邏輯塊1614解譯。所述接收邏輯塊1614用接收定時信號1616來控制所接收的信號的檢測處理。對于使用同步解調(diào)的情況，發(fā)送與所述接收定時信號1616包含在一起的定時信息1615。所述接收邏輯塊1614接收來自接收信號檢測塊1613的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)馗袷交詡鬟f到控制器1601。
圖17是示出圖6的系統(tǒng)的一部分的框圖，其中為提高的位置精確度而修改所述發(fā)射邏輯塊1603和電壓電阻分壓器1607。如圖17所示，電阻分壓器1607可包括一個或多個額外的輸入電壓抽頭，來更精確地定義沿所述電阻分壓器1607的電壓。
本實用新型的天線裝置的一個應(yīng)用是產(chǎn)生交互式圖書。如圖18所示，把目錄單1807的各頁置于具有類似于圖16的天線裝置1609的至少一個天線裝置1803的有源表面上。把指示筆1804指向目錄單1807的打開頁的一部分處，以識別單詞、字母或圖片。然后微處理器1801計算指示筆1804相對于天線裝置1803的位置。在較佳實施例中，使用揚聲器1806來提供音頻輸出，作為用戶將指示筆1804指向目錄單1807的一部分上的功能。對于可比較的電子精確度，本實用新型的天線裝置1621的分辨率大約比先前構(gòu)造的電記錄感測器高3倍，在所述先前構(gòu)造的電記錄感測器中在電阻性表面的實體中產(chǎn)生等位線。此外，在所述天線元件的邊緣也保持所述分辨率，而不像所述實體有阻體那樣在邊緣處的分辨率減少達(dá)4倍。
在較佳實施例中，本實用新型的天線系統(tǒng)用于檢測平臺上的指示筆的位置。在所述平臺上設(shè)置兩個發(fā)射rf天線。接收天線或檢測器置于指示筆中。該交互印刷媒質(zhì)或平臺系統(tǒng)是本實用新型的受讓人所申請的專利申請的主題。在這里所引用的并作為參考的待決申請是名為“交互式平臺及定位器系統(tǒng)”的2000年4月27日申請的序列號60/200,725。
本實用新型的天線裝置的一個應(yīng)用是在類似于圖20所示的地球儀中。如圖15A的后視圖所示，平面絕緣襯底1505的一面上形成圖案，具有成形為同心導(dǎo)電環(huán)的指針1510。每個環(huán)耦合至電阻片的不同部分，所述電阻片充當(dāng)在接點1530和1580之間分壓的分壓器。因此，每個同心環(huán)將廣播不同的等位線。所述絕緣襯底的另一面上形成圖案，具有徑向方向的指針元件1550。每個指針耦合至沿置于所述絕緣襯底的圓周處的電阻分壓器1560的不同的接點。還可把所述指針1550成形為非均勻厚度，以便提高所述天線結(jié)構(gòu)的電磁特性。還可以改變每個指針的徑向長度，來交替長和短的徑向指針1550，使得指針元件之間的方位角間隔更均勻。為了說明的目的，圖15A和15B中省略了一些細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)。圖15C示出了具有重疊的相對著的天線形狀的較佳實施例。最好在乙烯基襯底上制造所述天線裝置，使用油墨處理來制造所述電阻元件和導(dǎo)電指針。所述兩個相對的天線定義了彼此正交的等位線，這些等位線是極坐標(biāo)(r，Θ)的簡單函數(shù)。然后將制造好的圖15C的裝置真空模塑成半球形。
圖19是具有半球形天線系統(tǒng)的定位感測系統(tǒng)的示意框圖，所述天線系統(tǒng)具有第1天線和第2天線，所述第1天線具有耦合至圓周電阻元件1907的徑向指針元件1908，而所述第2天線包括耦合至放射狀地或經(jīng)度地定向的分壓器1910的環(huán)形指針元件1909。布置發(fā)射塊1903和放大器1904以根據(jù)上述的6狀態(tài)激勵算法而向所述天線提供激勵信號。
圖20示出了具有如兩個半球2001、一個塑料圓盤成形的天線裝置的地球儀的分解透視圖，所述塑料圓盤支撐發(fā)射邏輯塊2003。電氣接點線2008將發(fā)射邏輯塊2003耦合至電氣接線柱2009。把發(fā)射邏輯塊2003電氣耦合至支撐軸2004，以提供與包含微處理器控制器(圖20中未示出)的主電子單元2006的連接。具有用于接收信號的接收天線的指示筆2007耦合至主電子單元2006。最好由基座2005支撐所述地球儀。
雖然在此已詳細(xì)描述了本實用新型的較佳實施例及其修正，但是要理解到本實用新型不限于那些精確的實施例和修正，并且本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員之一可對其它的修正和變型起作用，而不背離附加的權(quán)利要求中所規(guī)定的本實用新型的要旨和范圍。
權(quán)利要求1.一種控制輻射電場的大小和梯度的天線裝置，其特征在于所述天線包括a)具有至少兩個與之耦合的電氣接點的分壓器；以及b)按所述至少兩個接點之間的間隔與所述分壓器耦合的多個空間上隔開的、低電阻的指針元件，使得沿每個元件的長軸的電位近似均勻，并且每個指針元件以一個電位輻射，所述電位是所述元件耦合處的分壓器上電位的函數(shù)。
2.一種天線裝置，所述天線裝置控制從其輻射出的電場的大小和梯度，其特征在于所述天線包括a)成形為環(huán)形并具有在所述環(huán)上有間隔的至少三個電氣接點的分壓器；以及b)按在所述至少三個接點的每兩個之間的間隔與所述分壓器耦合的多個空間上隔開的、低電阻的指針元件，使得沿每個元件的長軸的電位是均勻的。
3.一種天線裝置，所述天線裝置控制從其輻射出的電場的大小和梯度，其特征在于所述天線包括a)具有至少兩個與之耦合的電氣接點的分壓器，所述分壓器置于橢球面上使得它與經(jīng)度重疊；以及b)在所述至少二個接點之間與所述分壓器間隔耦合的多個空間上隔開的、低電阻的指針元件，使得沿每個元件的長軸的電位是均勻的，并且所述指針元件的長軸與所述橢球面的緯度重合。
4.一種天線裝置，其特征在于包括a)由電氣絕緣體分開的第1天線和第2天線；b)所述第1天線包括i)具有至少二個與之耦合的電氣接點的第1分壓器；以及ii)在所述至少二個電氣接點之間與所述第1分壓器耦合的多個空間上隔開的、導(dǎo)電的指針元件；以及c)所述第2天線包括i)具有至少二個與之耦合的電氣接點的第2分壓器；以及ii)在所述至少二個電氣接點之間與所述第2分壓器耦合的多個空間上隔開的、導(dǎo)電的指針元件；其中所述第1天線是這樣定向的，使得所述第1天線的指針元件重疊于所述第2天線的一部分指針元件；并且所述第1天線的指針元件與所述第2天線的指針元件之間的角度處于0°至180°之間。
5.一種天線裝置，其特征在于包括a)由電氣絕緣體分開的第1天線和第2天線；b)所述第1天線包括i)具有至少二個與之耦合的電氣接點的第1分壓器；以及ii)在所述至少二個電氣接點之間與所述第1分壓器耦合的多個空間上隔開的、導(dǎo)電的指針元件；以及c)所述第2天線包括i)按環(huán)形成形并具有沿所述環(huán)上有間隔的至少3個電氣接點的第2分壓器；ii)在所述至少三個接點的每兩個之間按間隔與所述第2分壓器耦合的多個空間上隔開的、低電阻的指針元件，使得沿每個元件的電位是均勻的，并且使所述指針元件的取向與每個元件耦合到所述環(huán)處的環(huán)切線成恒定的角度；其中所述第1天線這樣定向，使得所述第1天線的指針元件重疊于所述第2天線的一部分指針元件；并且所述第1天線的指針元件與所述第2天線的指針元件之間的角度處于0°至180°之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的裝置，其特征在于所述指針元件的寬度沿元件的長度變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的裝置，其特征在于所述分壓器和所述多個指針元件置于絕緣表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述絕緣表面是平面的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述指針元件的長軸是直線形且平行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述指針元件的長軸與所述分壓器的線正交。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述指針元件的長軸是彎曲的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的裝置，其特征在于所述指針元件間的間隔是均勻的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的裝置，其特征在于每對相鄰指針元件之間的電位差是恒定的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的裝置，其特征在于所述分壓器是電阻分壓器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于所述分壓器耦合至具有可變電阻值的電阻元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述電阻元件是熔絲。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于可把所述可變電阻元件調(diào)整到所希望的值。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述分壓器具有多于兩個的電氣接點，并且至少不同的兩對電氣接點耦合至射頻驅(qū)動器。
19.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的裝置，其特征在于所述指針元件的長軸與橢球面的經(jīng)度重疊，并且所述分壓器是沿所述橢球面的赤道緯度的。
20.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于所述多個指針元件中的某些具有一種長度的長軸，而所述多個指針元件的另一些具有一種或多種其它長度的長軸。
21.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述指針元件環(huán)繞橢球面，使得所述指針元件的每一端都耦合至所述分壓器。
22.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于使所述指針元件的長軸的取向與橢球面的緯度成恒定的角度。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述熔絲是激光可修整的熔絲。
24.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述第1天線置于絕緣表面的第1面上，而所述第2天線置于所述絕緣表面的第2面上。
25.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述第1分壓器具有直線形狀。
26.根據(jù)權(quán)利要求4或25所述的裝置，其特征在于所述第2分壓器具有直線形狀。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述指針元件的長軸是直的。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述第1天線的指針元件與所述第1分壓器的線正交，并且所述第1分壓器與所述指針元件位于平面中。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于所述第2天線的指針元件與所述第2分壓器的線正交，并且所述第2分壓器與所述指針元件位于平面中。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于所述第1天線置于絕緣表面的第1面上，而所述第2天線置于所述絕緣表面的第2面上。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于所述第1分壓器放置得與所述第2分壓器平行。
32.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于a)所述第1天線置于第1絕緣表面的第1面上；b)所述第2天線置于第2絕緣表面的第1面上；以及c)所述第2天線置于鄰近所述第1絕緣表面的第2面。
33.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述第1分壓器具有直線的形狀，并且耦合至所述第1分壓器的所述指針元件的長軸是彎曲的。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于所述第2分壓器具有直線的形狀，并且耦合至所述第2分壓器的所述指針元件的長軸是彎曲的。
35.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述第1分壓器具有直線或圓形形狀。
36.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述第2分壓器具有圓形形狀。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于所述第1天線的指針元件與所述第1分壓器的線正交，并且所述第1分壓器與所述指針元件位于橢球面上。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于所述第1天線指針元件位于測地緯度上。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于所述橢球面是球面。
40.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于所述第2天線的指針元件與第2分壓器的圓周正交，并且所述第2分壓器與所述指針元件位于橢球面上。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述第2天線的指針元件位于所述橢球面的經(jīng)度上。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述橢球面是球面。
43.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述第1分壓器與經(jīng)度重疊，并且所述第2分壓器與緯度重疊。
44.一種電記錄定位感測系統(tǒng)，其特征在于包括a)由電氣絕緣體分開的第1發(fā)射天線和第2發(fā)射天線；所述第1天線包括i)具有至少二個與之耦合的電氣接點的第1分壓器；以及ii)在所述至少二個電氣接點之間與所述第1分壓器耦合的多個空間上隔開的、導(dǎo)電的指針元件；以及所述第2天線包括i)具有至少二個與之耦合的電氣接點的第2分壓器；以及ii)在所述至少二個電氣接點之間與所述第2分壓器耦合的多個空間上隔開的、導(dǎo)電的指針元件；其中所述第1天線這樣定向，使得所述第1天線的指針元件重疊于所述第2天線的一部分指針元件；并且所述第1天線的指針元件與所述第2天線的指針元件之間形成非零角。b)在兩個或多個電氣接點處耦合至所述第1分壓器并且在兩個或多個電氣接點處耦合至所述第2分壓器的處理器；c)耦合至所述處理器的接收天線。
45.一種電記錄定位感測系統(tǒng)，其特征在于包括a)由電氣絕緣體分開的第1發(fā)射天線和第2發(fā)射天線；所述第1天線包括i)具有至少二個與之耦合的電氣接點的第1分壓器；以及ii)在所述至少二個電氣接點之間與所述第1分壓器耦合的多個空間上隔開的、導(dǎo)電的指針元件；以及所述第2天線包括i)以環(huán)形成形并具有在所述環(huán)上有間隔的至少三個電氣接點的第2分壓器；ii)在所述至少三個接點的每兩個之間按間隔與所述第2分壓器耦合的多個空間上隔開的、低電阻的指針元件，使得沿每個元件的電位是均勻的，并且使所述指針元件的取向與每個元件耦合到所述環(huán)處的環(huán)的切線成恒定的角度；其中所述第1天線是這樣定向的，使得所述第1天線的指針元件重疊于所述第2天線的一部分指針元件；并且所述第1天線的指針元件與所述第2天線的指針元件之間形成非零角。b)在兩個或多個電氣接點處耦合至所述第1分壓器并且在三個或多個電氣接點處耦合至所述第2分壓器的處理器；c)耦合至所述處理器的接收天線。
46.根據(jù)權(quán)利要求44或45所述的裝置，其特征在于所述第1天線的指針元件與所述第2天線的指針元件正交。
47.根據(jù)權(quán)利要求44或45所述的裝置，其特征在于所述第1天線置于絕緣表面的第1面上，而所述第2天線置于所述絕緣表面的第2面上，并且由所述第1天線的指針元件定義的區(qū)域基本上全部重疊于由所述第2天線的指針元件定義的區(qū)域。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于所述第1和第2天線以及所述絕緣薄片是平面的或在橢球面上。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的裝置，其特征在于a)所述橢球面是球或半球面；b)所述第1天線的分壓器位于沿所述球或半球面的經(jīng)度上；c)所述第1天線的指針元件在緯度上環(huán)繞所述球或半球面；d)所述第2天線的分壓器位于所述球或半球面的赤道或緯度上；以及e)所述第2天線的指針元件位于沿所述球或半球面的經(jīng)度上。
50.根據(jù)權(quán)利要求44或49所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括耦合至所述處理器，在兩個或多個電氣接點處耦合至所述第1分壓器，以便在三個或多個電氣接點處耦合至所述第2分壓器的激勵信號發(fā)射機。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括耦合在所述激勵信號發(fā)射機與所述第1和第2分壓器的每個電氣接點之間的放大器，所述發(fā)射機耦合至所述第1和第2分壓器。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括耦合在所述接收天線和所述處理器間的信號接收機，所述信號接收機能夠接收來自所述接收天線的經(jīng)測量的信號數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)傳送到所述處理器。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括耦合在所述接收天線與所述信號接收機之間的信號檢測器，所述信號接收機進(jìn)一步耦合至所述激勵信號發(fā)射機，其中所述信號接收機能夠使所接收的信號數(shù)據(jù)與從所述激勵信號發(fā)射機獲得的定時數(shù)據(jù)同步。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的裝置，其特征在于所述信號檢測器包括信號積分器、信號解調(diào)器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括耦合在所述接收天線與所述信號檢測器之間的接收放大器。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的裝置，其特征在于所述接收放大器具有放大、濾波和DC抑制電路。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的裝置，其特征在于所述接收天線通過電氣屏蔽電導(dǎo)線耦合至所述信號檢測器和信號接收機，所述導(dǎo)線具有足夠的長度，使得所述接收天線可放置在所述發(fā)射天線上的任何點處。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的裝置，其特征在于所述處理器包含程序，所述程序包括用于補償沿所述分壓器的電阻率中的非線性偏差的算法。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于所述處理器包括兩個獨立的一維算法，每個算法用于補償沿所述兩個分壓器的每一個的電阻率中的非線性偏差。
60.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括所述分壓器上的額外的電氣接點，所述額外的接點用于耦合能夠使每個額外接點處的電壓鎖定為預(yù)定值的分壓設(shè)備。
61.根據(jù)權(quán)利要求57所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括在所述第1或第2分壓器上的額外電氣接點，所述額外接點用于耦合分壓設(shè)備，該分壓設(shè)備附加地耦合于所述處理器，借此所述處理器控制沿所述分壓器的某些額外接點處的電壓，并且從而補償了沿所述分壓器的電阻率中的非線性偏差。
62.根據(jù)權(quán)利要求57所述的裝置，其特征在于所述處理器具有程序，該程序使接收天線定位算法被應(yīng)用于所述第1和第2天線，并且隨后根據(jù)在應(yīng)用所述接收天線定位算法期間從所述接收天線獲得的信號來計算所述接收天線的位置。
63.根據(jù)權(quán)利要求57所述的裝置，其特征在于所述絕緣體和發(fā)射天線置于一表面上，使得所述第1天線駐留于所述絕緣薄片的頂層，而所述第2天線駐留于所述絕緣薄片的底層。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的裝置，其特征在于所述第1頂層發(fā)射天線的指針元件具有在與所述第2底層發(fā)射天線的指針元件之間的距離匹配的間隔處變窄的寬度。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的裝置，其特征在于所述第2底層發(fā)射天線是這樣定向的，使得底層指針元件在所述定層指針元件較窄處越過所述頂層發(fā)射天線指針元件。
66.根據(jù)權(quán)利要求63所述的裝置，其特征在于所述底層發(fā)射天線的指針元件具有在與所述頂層發(fā)射天線的指針元件之間的距離匹配的間隔處變窄的寬度。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的裝置，其特征在于所述頂層發(fā)射天線是這樣定向的，使得其指針元件在所述底層指針元件較窄處越過所述底層發(fā)射天線指針元件。
68.根據(jù)權(quán)利要求65或67所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括置于所述發(fā)射天線之上的硬的半球面。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括置于指示筆中并通過電氣屏蔽電導(dǎo)線而耦合至所述信號檢測器和信號接收機的接收天線，所述導(dǎo)線具有足夠的長度，使所述指示筆可直接放置在所述發(fā)射天線上的任何點處。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的裝置，其特征在于所述處理器具有程序，該程序使5狀態(tài)激勵算法或6狀態(tài)激勵算法被應(yīng)用到所述第1和第2天線，并且隨后根據(jù)在應(yīng)用所述5狀態(tài)激勵算法或6狀態(tài)激勵算法期間從所述接收天線獲得的信號來計算所述接收天線的位置。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括耦合至所述處理器的可編程存儲器。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括一個或多個文檔或半球面，在其上具有符號、圖象或圖形圖案，它們的位置存儲于所述可編程存儲器中，使得當(dāng)把所述指示筆置于符號、圖象或圖形圖案上時，所述處理器計算所述指示筆的位置并將所述指示筆位置與所述指示筆下的符號、圖象或圖形圖案相關(guān)聯(lián)。
專利摘要一種用于電記錄定位感測系統(tǒng)的裝置，包括天線系統(tǒng)和信號強度檢測器。在一個實施例中，所述天線系統(tǒng)包括兩個天線(680、690)。所述檢測器測量來自每個天線(680、690)的信號強度。微處理器包含算法來計算接近所述天線(680、690)的檢測器的位置。
文檔編號G06F3/03GK2706799SQ0327641
公開日2005年6月29日 申請日期2003年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月19日
發(fā)明者馬克·弗勞爾斯 申請人:跳蛙企業(yè)股份有限公司