專利名稱：用于控制光標運動的基于球的裝置和用于這種裝置的光學單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于球的控制裝置。
本發(fā)明特別是涉及一種控制裝置，特別是用于控制光標在電子設備的屏幕上的運動，包括一個球面球形式的致動構(gòu)件，其限定一個可以被使用者操控的凸形的球形表面，也稱為探測表面。
本發(fā)明特別是涉及一種通常稱為Trackball類型的控制裝置，其中探測表面直接被使用者的手指或手操控。
本發(fā)明特別是涉及一種“光學的”或光電類型的控制裝置，包括球盒體，其限定圍繞至少球的一部分的凹形面并且包括至少一個供光束通過的窗口；用于在球旋轉(zhuǎn)時進行導向的元件，例如滾動球形體，其伸出于盒體的凹形面并且當球被操控時球在所述滾動球形體上滾動以便繞球的中心旋轉(zhuǎn)；光源，用于發(fā)射至少一穿過所述窗口、朝向球的方向的入射光束；以及裝置，其包括特別是透鏡和形成圖像傳感器的裝置，它們接受從被入射探測光束照射的球區(qū)域發(fā)出的光。
背景技術(shù)：
這樣一種普通設計由于1985年公開的文件DE-A-3.407.131中已知，其描述了一種鼠標，它的球安裝成在球盒體或殼體中旋轉(zhuǎn)，其中球在運動時被球形體引導，每個球形體本身被容納在容納球的殼體的凹形表面上的相配的空腔內(nèi)。
在此文件中示出和描述的裝置包括兩組發(fā)光二極管和光學傳感器，它們形成了用于探測球圍繞其中心的旋轉(zhuǎn)運動的光學裝置，以便將這些旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電信號。
相應地，球的凸形球形表面具有平滑的、甚至在整個球表面上均勻分布的圖案，所述圖案被照射并且它的圖像被傳感器捕捉，而后被已知的圖像處理裝置分析。
這樣的設計是特別有利的，因為在利用特別少的構(gòu)件的情況下可以探測和分析球的旋轉(zhuǎn)運動，沒有與球接觸的元件，唯一的運動的機械構(gòu)件由球自身構(gòu)成。
當上述裝置是鼠標時，它的盒體在外側(cè)也包括用于對各個開關(guān)進行致動的按鈕，其可以被正在對鼠標進行操控的操作者的手指致動，例如為了傳送信號，例如為了驗證光標在電腦屏幕上的位置。
已知很多利用這個文件的內(nèi)容來設計trackball的例子，其中球的頂部部分凸出于盒體，以便允許它直接被使用者的手操控。
這樣的控制裝置或trackball可以用在很多應用中，特別是當它具有非常小的尺寸時，可以應用在電子設備例如移動電話或GSM電話，或個人數(shù)字助理(PDA)中。
當trackball尺寸較大時，它例如可以用在車輛的乘客間的操控臺上以便經(jīng)由顯示屏控制各種功能，光標在所述顯示屏上移動。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明建議了一種上述類型的控制裝置，包括至少一個第一探測光源，發(fā)射至少一個朝向球的入射探測光束，其特征在于-第一光源發(fā)射不可見的光線；-裝置包括至少一個第二光源，所述第二光源與第一光源不同，并且朝向球發(fā)射可見的照亮光線用于照亮球。
因此，使用者所具有的控制裝置可以獨立地實現(xiàn)探測球的旋轉(zhuǎn)和照亮球，這提供了非常高的使用靈活性。
例如，光源在現(xiàn)有技術(shù)中由探測光源構(gòu)成，其總是在可見光波段發(fā)射并且光線在球的表面上反射或漫反射，這種光線被看成虛假的光線，在需要謹慎的應用場合下在乘客艙或座艙中可以被去除。
也可以與探測光源的波長無關(guān)地用使用者希望的顏色照亮球。因此，例如可以提供波長的調(diào)和并且因此提供由多個光源發(fā)射的可見的顏色的調(diào)和，所述多個光源例如是在汽車的乘客艙內(nèi)存在的發(fā)光二極管LED，各個汽車制造商通常設定相同的波長特征。
這樣的可能性由本發(fā)明的設計提供，沒有必要進行適配，或沒有必要與探測旋轉(zhuǎn)所需要的光源波長相稱地來形成圖像捕捉系統(tǒng)。
本發(fā)明還使得可以調(diào)節(jié)球的照亮強度(在需要光線閃動、發(fā)光或閃光等場合下)，無需考慮對光電探測球旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量的影響，所述測量通過傳感器例如是圖像捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)。
就照亮而言，本發(fā)明還使得可以消除在“等待”狀態(tài)和“運動探測”狀態(tài)之間的可見的光強變化，“運動探測”狀態(tài)存在于普通的光學系統(tǒng)中，利用在可見波段內(nèi)發(fā)射的探測光源來探測運動。
根據(jù)本發(fā)明的其它特征-第一光源在紅外波段內(nèi)發(fā)射探測光線；-由第一探測光源發(fā)射的紅外探測光線的波長大約為880nm；-第二照亮光源發(fā)射的可見的照亮光線的波長在大約470nm到大約630nm之間；-光源是發(fā)光二極管；-第一光源和第二光源屬于一安裝到盒體上的光電模塊；-模塊包括光學的光線引導單元，其包括*用于由第一光源發(fā)射的不可見光線的第一光線入射表面；*用于由第二光源發(fā)射的可見光線的第二光線入射表面；*用于從球的被入射探測光束照射的區(qū)域發(fā)出的光線(RL1)的第三光線入射表面；*用于由第一光源發(fā)射的、經(jīng)由第一入射表面進入光學單元的不可見光線的第一出射表面；*用于由第二光源發(fā)射的、經(jīng)由第二入射表面進入光學單元的不可見光線的第二出射表面；*用于從球的被入射探測光束照射的區(qū)域發(fā)出的、經(jīng)由第三入射表面進入光學單元的光線的第三出射表面；-第三入射表面屬于光學單元的形狀如同物鏡的部分；-第一光線入射表面和第二光線入射表面以及第三光線出射表面大致向下定向并且設置在光學單元的底面上；-第一光線出射表面和第二光線出射表面以及第三光線入射表面大致向上定向并且設置在光學單元的頂面上；-各光線入射表面和光線出射表面大致沿光學單元的一垂直的橫向平面對準；-第三光線出射表面基本上垂直地與第三光線入射表面對準；-第二光線入射表面在橫向上位于第一光線入射表面和第三光線出射表面之間；第一光線出射表面在橫向上位于第二光線出射表面和第三光線入射表面之間；-第一光線入射表面在橫向上位于第二光線入射表面和第三光線出射表面之間；-第三光線入射表面在橫向上位于第二光線出射表面和第一光線出射表面之間；-第一光線出射表面在橫向上位于第二光線出射表面和第三光線入射表面之間；-光學單元包括能夠容納被球反射的探測光束的光線的傳感器的凹部；-所述凹部是在光學單元的底面上開口的盲凹部；-盒體包含用于供發(fā)射的光線和從球的被入射探測光束照射的區(qū)域發(fā)出的光線通過的窗口。
本發(fā)明還涉及一種用于本發(fā)明的裝置的光學單元，其特征在于，此光學單元通過模制和/或?qū)K狀體機械加工制成一整體件，由可被所述光線透射的材料制成。


通過閱讀下面的詳細的說明以及所參照的附圖獲得本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的特別是用于控制光標在電子設備的屏幕上運動的控制裝置的從上方和從3/4前右方的外部透視圖，包括一球面球形式的致動構(gòu)件；圖2是圖1中的裝置的各個部件的放大的分解透視視圖；圖3是與圖1的視圖相類似的視圖，其中沒有示出裝置的頂蓋、致動球、密封裝置和底蓋；圖4是圖3中示出的裝置的底部透視圖；圖5是圖3中示出的裝置的俯視圖，包含致動球、密封裝置和底蓋；圖6-8是沿圖5的線6-6和線8-8的放大剖視圖；圖9是裝置的塑料絕緣盒體的底視圖；圖10是形成裝置的底部光電模塊的各個構(gòu)件的分解透視圖；圖11從底部模塊的3/4前左方的頂部透視圖，其中示出了三個用于觸發(fā)三個驗證開關(guān)的構(gòu)件；圖12是圖11的底部模塊的底部透視圖；圖13是圖8的底部部分的放大詳圖，特別是示出了由兩個光源發(fā)射的以及由球的被照射區(qū)域發(fā)出的光束的主要路徑；圖14是圖13的光學單元的放大詳圖，并且是穿過光學單元的垂直和橫向的中間平面的剖視圖；圖15和16是圖14中的光學單元的俯視透視圖和底視透視圖；圖17-20是與圖13-16的視圖相類似的視圖，其中示出了光學模塊特別是其光學單元的第二實施方式；圖21-24是與圖13-16的視圖相類似的視圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的光學模塊特別是其光學單元的第二實施方式；圖25是圖4中的光電模塊的變化方案的底部透視圖，其包括用于對觸覺感應發(fā)生器進行供電或?qū)ζ溥M行控制的構(gòu)件；圖26是沿一穿過圖25中的一構(gòu)件的垂直平面的剖視詳圖。
具體實施例方式
為了描述本發(fā)明，垂直方向、縱向方向和橫向方向按照圖1中的V、L、T指示以非限定方式引入。
按照慣例，特征下面、上面、前面、后面和左側(cè)、右側(cè)也參照圖1引入。
在下面的說明中，相同的或類似的元件用相同的數(shù)字或字母標記示出。
在附圖中示出的實施例中，控制裝置是球裝置，也稱作“Trackball”。
裝置20基本上包括一個中心控制球或操作球或球形體，它裝在一普通形狀的盒體22中，所述盒體通常是由頂蓋24和底蓋26封閉的直角平行六面體。
特別是由圖2可以看出，裝置20的所有構(gòu)件在軸向上沿著主垂直軸線AV堆疊，所述主垂直軸線AV穿過球30的中心C并且形成了球的凹部的軸線。
特別是由圖9可以詳細看出，盒體22是一個例如由電絕緣塑料組成的模制件，其被一個水平的頂面32和一個水平的底面34限定。
裝置20在頂部部分上配有兩個觸覺感應發(fā)生器66L、66T，所述觸覺感應發(fā)生器構(gòu)造相同并且沿著兩個水平軸線即縱向軸線AL和橫向軸線AT設置。
因此，觸覺感應發(fā)生器以及與之相關(guān)的部件的相同或類似的元件和構(gòu)件分別用相同的附圖標記“L”和“T”表示。
盒體22也由它的縱向垂直側(cè)面36L和38L和它的橫向垂直側(cè)面36T和38T限定。
盒體22在其頂面32上限定一個通常半球形的空腔40，其被一個凹形的半球面42限定。
空腔40的容積稍微大于球30的下半部，因此空腔40部分圍繞球30并且在球的正常使用位置在球30的凸形球形外表面31和空腔40的凹面42之間存在徑向間隙。
盒體22在其底面34上限定一垂直向下開口的底部殼體44，底部殼體44大致是一直角平行六面體并且由一頂部水平壁46以及垂直側(cè)壁48L、48T、50L和50T限定。
底部殼體44容納底部模塊53的所有部件，所述底部模塊用于探測球30的旋轉(zhuǎn)運動、用于照亮球、用于處理信號以及用于控制觸覺感應發(fā)生器，底部模塊特別是在圖10-16中示出。
盒體22在其厚度上被一個橫向的橢圓形的中心狹槽52以及三個垂直的管狀通道54垂直穿過。
特別是由圖5可以看出，三個通道54圍繞中心軸線AV以相同方式成120度對稱分布，它們的軸線形成一個等邊三角形。
如同槽52，每個管狀通道54在其兩個對置端部垂直開口并且在球30的作用下在垂直方向上滑動地容納一個滾動的和/或滑動的球形體56。
三個球形體56在球30旋轉(zhuǎn)時進行引導并且相應地它們垂直地伸出空腔40的凹面42。
因此球通常在三個球形體56上滾動或滑動，以便繞其中心C旋轉(zhuǎn)。
特別是在圖9中可以看到，每個管狀通道54在相應的凹部58的中心處通到殼體44的頂壁46，所述凹部58比較淺并且具有基本上正方形的輪廓。
每個正方形的凹部58設計成容納一個形狀相配的觸發(fā)構(gòu)件60，觸發(fā)構(gòu)件屬于驗證開關(guān)并且在下面將要詳細闡述。
盒體22在其頂面32上也具有兩個凹部62T和62L，它們垂直向上開口并且每個容納一個觸覺感應發(fā)生器66T、66L。
盒體22也包括一個水平的側(cè)面狹槽68，它在其兩端開口，沿縱向穿過面36T和48T。
盒體22的頂部被蓋24封閉，它是一個由絕緣塑料制成的具有大致矩形輪廓的板狀的模制件，其底部水平面68垂直地壓在盒體22的頂面32上，蓋24例如通過螺釘70連接在盒體22上。
蓋24被一個垂直的圓形孔72穿透，用于通過球30的頂端露出部分。
所述蓋因此充當與三個球形體56彈性接觸的球的保持架。
底面68也具有兩個與殼體62T和62L相配的殼體74T和74L。
盒體22在其底部部分上也具有橢圓形的水平狹槽76，其在縱向上通到垂直的側(cè)面36T和48T。
盒體22的底部部分并且特別是凹部44在垂直向下的方向上被底蓋26封閉，底蓋26是一個厚的金屬片并且由此具有一個底部水平板78，其與盒體22的底面34的形狀相配并且通過四個垂直螺釘80連接到底面34上。
除了利用板78封閉盒體22的底部部分之外，金屬蓋26還充當在熱點與冷點的熱導體，所述熱點是任何散熱量大的電部件例如電磁觸覺感應發(fā)生器的軛，所述冷點例如是框架，由金屬制成(或其它的良熱導體材料，例如陶瓷材料)的蓋26連接到所述框架上；利用其外表面作為散熱器，并且為了這個目的，金屬蓋26與外部的熱交換能力由于兩個垂直的側(cè)面板82T和82L而增強，所述兩個側(cè)面板通過彎曲形成并且與底板78一體成形。
板82L與盒體22的側(cè)面36L相鄰，板82L通過一個水平螺釘84L連接到側(cè)面36L上，而垂直的板82T與側(cè)面36T相鄰，板82T通過兩個水平螺釘84T連接到側(cè)面36T上。
為了改善被在下面闡述的印刷電路板、特別是底板印刷電路板PCB2支承的部件的冷卻，并且特別是對于高散熱的部件300，例如那些給觸覺感應發(fā)生器供電或?qū)ζ溥M行控制的構(gòu)件，這些部件的某些部分302可以例如通過螺釘直接連接到面對蓋26的印刷電路板上，這可以從圖25和26中看到。
板82T具有一個水平狹槽86，其在盒體22的水平狹槽68對面。
例如可以由圖1可以看出，底板26沿著盒體22的每一側(cè)縱向延伸，形成了兩個側(cè)翼90，其包括用于將裝置20固定在一電子設備(未示出)中的孔92。
下面將要詳細闡述容納在底部凹部44中的底部模塊53。
模塊53是一個光電模塊，用于探測球30圍繞其中心的旋轉(zhuǎn)運動。
通過將光反射到在裝置20中使用的球的凸形外表面31上的光學以及圖像處理原理是公知的設計并且不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
所有將要提及的是，這些原理在于照亮球30的表面31，其表面狀態(tài)是優(yōu)選光滑的并且例如如文件DE-A-3.407.131所述具有在球30的整個表面上均勻地分布的規(guī)則的圖案。
使用了光學導航技術(shù)，它在于通過光學捕捉連續(xù)的表面圖像來測量位置變化以及用數(shù)學方法確定運動的方向和幅度。
不存在移動部件并且沒有必要具有高的光學校準精度。
用于探測球的旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)基本上包括光電構(gòu)件，此光電構(gòu)件包括一圖像捕捉系統(tǒng)，其借助于一透鏡和至少一個朝著球30的表面31發(fā)射光線的第一“LED”兩極管；以及電子信號處理器，其產(chǎn)生相對運動Δx和Δy的數(shù)值，所述數(shù)值隨后轉(zhuǎn)換成在兩個通道上的信號。
相應地，模塊53基本上具有一頂部的水平的印刷電路板PCB1和一底部的水平的印刷電路板PCB2。
頂部的印刷電路板PCB1在其頂面上具有三組成對的固定接觸墊，它們呈等邊三角形設置，與殼體58和裝在通道54中的球形體56布置相同。
每對墊包括一中心墊94和一包圍中心墊94的邊緣墊96。
以已知的方式，每個觸發(fā)構(gòu)件60是一個圓蓋，作為一個非限定的例子，其包括星狀的四個徑向分叉，每個分叉具有一個與邊緣墊96保持電接觸的端部。
它也可以是一個簡單的形狀，如圓形的、矩形的、三角形等。
在構(gòu)件60的正常靜止狀態(tài)，它的中心部分100位于中心墊94的垂直上方并且與其對準。
中心部分100在形狀上具有一球形蓋102形狀的杯子，它的凸形朝向上方并且容納一相應的球形體5，根據(jù)球形體5一方面與球的表面的摩擦系數(shù)值和另一方面與圓頂和管狀通道的摩擦系數(shù)值，球形體5進行滾動和/或滑動。
當向下在球形體56上施加一垂直力時，中心部分100的球形蓋102離開它的高的穩(wěn)定位置(例如在圖11中示出)與中心墊94建立電接觸并且因此在兩個固定的墊94和96之間建立電接觸。
一旦作用在中心部分100上的觸發(fā)力釋放時，圓頂60的觸發(fā)構(gòu)件返回到穩(wěn)定狀態(tài)，在此穩(wěn)定狀態(tài)球面蓋位于高的位置上并且在兩個固定的墊94和96之間的電接觸被中斷。
三個中心墊94例如連接到印刷電路板PCB1中的一共同的導體印制線上，而每個邊緣的墊96連接到一個不同的相應的印制線上。
與各墊94和96連接的各印制線與底部印刷電路板PCB2的各印制線連接以已知的方式通過四個管狀的垂直間隔體104實現(xiàn)，所述間隔體優(yōu)選由導電的金屬制成并且插入到印刷電路板PCB1和印刷電路板PCB2之間。
兩個印刷電路板PCB1和PCB2以及間隔體104形成一堆疊或夾層體，其通過四個垂直的螺釘106組裝和連接在殼體44的頂面46之下，所述螺釘106橫穿所述間隔體104并且擰入盒體22的材料中。
因此在組裝位置，頂部印刷電路板PCB1的頂面被壓緊在凹部44的頂面46上并且如此定位，使得每對墊94、96位于殼體58的對面，觸發(fā)構(gòu)件“陷在”殼體58中，以便形成三個開關(guān)60-94-96，它們圍繞垂直軸線AV呈等邊三角形分布并且每一個開關(guān)被一相應的球形體56控制。
印刷電路板PCB1的連接是通過兩個螺釘107實現(xiàn)的。
為了將模塊53的各個構(gòu)件與盒體22并且因此與裝置20的外側(cè)電連接，模塊53具有一連接器108，此連接器108具有一通常已知的設計并且連接到底部印刷電路板PCB2的頂面上，并且它的輸出銷110水平延伸穿過水平狹槽68，從而附加的連接器(未示出)可以通過對準的狹槽68和86連接到連接器108上，從而將模塊53的電開關(guān)元件和光電探測元件與配備裝置20的電子裝置(未示出)的電路相連接。
在附圖中，操作球30處于其正常操作位置，在此位置球正被使用者旋轉(zhuǎn)。
在圍繞中心C的旋轉(zhuǎn)過程中，球30經(jīng)由其凸形的外表面31在滾動或滑動的球形體56上滾動，各個球形體56在它們的管狀通道54中以及在相應的觸發(fā)構(gòu)件60的球形蓋102中滾動。
三個球形體56在一水平面內(nèi)共面并且各構(gòu)件的尺寸和設置設計成，使得在球30的表面31和空腔40的表面42之間存在徑向間隙。
操作球30因此輕易地以較小的摩擦旋轉(zhuǎn)并且所有它的圍繞中心C的旋轉(zhuǎn)運動被底部模塊53探測，底部模塊53的光學軸線是穿過球的中心C的垂直軸線AV，所述光學軸線因此平行于各球56在它們各自的管狀通道54中的垂直滑動軸線。
當使用者希望使用球30作為致動驗證開關(guān)或各開關(guān)60-94-96的構(gòu)件，他必須通過大致垂直擠壓球，將球往下壓。
這樣的作用在球30上的推力或擠壓力被傳送到三個球形體56上，球30靠在這些球形體56上。
在按壓力的作用下，各個球形體56在各自的管狀導向通道54中垂直向下滑動，這導致相應的觸發(fā)構(gòu)件60彈性變形。
這就是如何通過向下擠壓球30以及借助于滾動的球形體56對球30進行作用來實現(xiàn)電開關(guān)功能。
球30在“開關(guān)”行程中的總體運動垂直的，沿著與底部模塊53的光學軸線對準的垂直軸線AV。
因此在球30的沿著軸線AV垂直向下的開關(guān)或觸發(fā)行程中，模塊53的透鏡116沒有探測到球30的旋轉(zhuǎn)運動，這種旋轉(zhuǎn)運動可能會產(chǎn)生代表球旋轉(zhuǎn)的虛假信號，因為球相對于透鏡116沒有轉(zhuǎn)動。
因此，為了使得在垂直的驗證行程中沒有明顯的球旋轉(zhuǎn)運動被探測到，探測系統(tǒng)必須基本上在裝置以及球的垂直的徑向軸線中，也就是說在球的垂直運動軸線中。
現(xiàn)在將詳細闡述光電模塊53，特別是參考附圖10-24。
模塊53包括兩個不同的光源LS1和LS2，分別在可見光波段和不可見光波段發(fā)射光線，以便形成一用于探測球的旋轉(zhuǎn)的以及用于照亮球30的模塊。
在本發(fā)明的意義上，特征“照射(light)”是用于不可見的光線，所述不可見的光線朝向球發(fā)射以便允許探測球的旋轉(zhuǎn)，而特征“照亮(illuminate)”是用于可見的光線，所述可見的光線朝向球發(fā)射以便使得球在黑暗中可見和/或給予球一種可被使用者辨認的特殊的可見顏色。
用于探測球30的旋轉(zhuǎn)的第一光源LS1在此是一個第一LED二極管，其連接在底部印刷電路板PCB2中的切口113中。
由二極管LS1構(gòu)成的光源所發(fā)射的不可見的光線被一個光學單元114匯聚和導向，光學單元形成一個形狀復雜的光線引導體，其在兩個印刷電路板PCB1和PCB2之間水平延伸并且特別是包括一個中心探測透鏡116，此透鏡垂直向上定向并且其光學軸線與軸線AV相同，從而基本上垂直于球表面的被照射區(qū)域的表面。探測透鏡116使得可以將由球30的被照射區(qū)域發(fā)出的光線聚焦并且因此將此區(qū)域的圖像聚焦，所述探測透鏡116有利地通過模制與單元14的主體制成一整體件，單元14形成光學引導體或光線引導體并且因此包含透鏡116。
透鏡116與盒體的狹槽52對準，以便對被傳感器透過這個狹槽觀察到的球的被照射區(qū)域的圖像進行聚焦，并且頂部的印刷電路板PCB1具有一個橫向定向的橢圓形的中心切口118，其與盒體的狹槽52對準。
形成光線引導體的單元114的頂部的水平面120被壓緊在頂部的印刷電路板PCB1的底面115之下，并且單元114包括一個垂直位于透鏡116之下的、與透鏡116的垂直光學軸線相齊的盲圓柱形凹部122，此凹部容納靈敏元件124，此靈敏元件屬于一傳感器或球表面的被照射區(qū)域的圖像探測器126。
探測器126連接在底部印刷電路板PCB2的底面之下，底部印刷電路板PCB2具有一矩形的中心切口128用于設置各元件，特別是用于將引導體114與傳感器126組裝。
探測器126例如在商業(yè)上由“AGILENT TECHNOLOGIES”已知，見Mill Road in Palo Alto，California-USA第395頁，參考了ANDS-2620(Solid-State Sensor)，具有8個孔安裝類型的終端或銷。
以一種已知方式，模塊53的首要功能是穿過狹槽52照射球30以及通過透鏡116和傳感器126來捕捉由球30的被照射區(qū)域發(fā)出的不可見光線。兩個不同的光源在此由兩個發(fā)光二極管LED構(gòu)成，它們在橫向上彼此相鄰地支承在底部印刷電路板PCB2上并且被容納在橫向通到中心矩形切口128的切口或開口130中。
安裝二極管的SMC形式(SMT)提高了相對于單元114的定位精確度，并且避免了使用附加部件，這減小了空間需求。
兩個LED二極管LS1和LS2設置成分別大致垂直向上地朝向光學單元114的底面121的面狀部分(facing portion)135發(fā)射光線，特別是在圖13中可以看到，現(xiàn)在要詳細闡述光學單元114，它的第一實施例特別是在圖10-15中示出。
光學單元114由一種可被在模塊53中使用的光線透射的材料制成，其例如通過模制和/或機械加工制成一整體件。
見圖15和16，可以看到光學單元14具有大致直角平行六面體的形狀，由其頂面120、底面121和兩個相對的垂直橫向側(cè)面125和兩個相對的垂直縱向側(cè)面127限定。
頂面120通常開有凹槽，限定一垂直向上開口的空腔129，用于對從球30的表面31的被照射區(qū)域發(fā)出的、基本上沿著垂直軸線AV的光線RL1聚焦的透鏡116位于空腔129的左面部分中。底面121包括定心在軸線AV上的、橫截面為圓柱形的凹部122，其用于容納傳感器126。
在圖14中的橫向右側(cè)，空腔129容納一個多面體棱鏡131，其垂直伸出于頂面20的平面。
特別是可以在圖15中看出，棱鏡131在縱向上以對稱的方式朝著側(cè)面125延伸，棱鏡具有大致梯形形狀的恒定橫截面。
它的梯形橫截面在側(cè)向上被一第一傾斜側(cè)面限定，其在圖14中朝左定向，此第一傾斜側(cè)面是用于由第一光源LS1發(fā)射的不可見光線EL1的第一出射表面OS1。
梯形斷面在頂部上被一基本上水平的側(cè)面限定，其形成了用于由第二光源LS2發(fā)射的可見光線EL2的第二出射表面OS2。
第二出射表面OS2相對于水平面輕微傾斜，以便大致平行于球30的表面31的對置部分的切線，見圖13，從而穿過第二出射表面OS2射出的光束的光線大致在相對于球30的中心C的徑向上定向。
最后，梯形斷面在側(cè)向上被一個完全反射的側(cè)面133限定，由第一光源LS1發(fā)射的光束EL1的光線在此側(cè)面133上被反射，以便將它們導向穿過第一出射表面OS1，這在圖13中可以看出。
光學單元114的底面121在橫向右側(cè)包括一個平坦的水平部分135，其垂直向上偏移并且包括一個第一光線入射表面IS1，由第一光源LS1發(fā)射的光線EL1通過這個第一光線入射表面IS1垂直向上沿著一個基本上平行于垂直軸線AV的軸線射入棱鏡131。
同樣，部分135包括一個第二光線入射表面IS2，由第二光源LS2發(fā)射的光線EL2通過這個第二光線入射表面IS2垂直向上朝向第二光線出射表面OS2沿著一個基本上平行于垂直軸線AV的軸線射入棱鏡131。
因此，可以從圖13中看到，由第一光源LS1發(fā)射的光束EL1在被表面133完全反射之后與由第二光源LS2發(fā)射的光束EL2相交。
光線RL1由球30的被入射光束照射的區(qū)域發(fā)出，所述入射光束基本上位于透鏡116的中心垂直軸線的右側(cè)。光線RL1通過第三光線入射表面IS3射入透鏡116，在被透鏡116聚焦之后通過第三光線出射表面OS3朝向傳感器126的靈敏元件124重新出射。
特別是由圖13可以看到，由于光學單元114和它與模塊53的其它構(gòu)件的相對位置關(guān)系，確保了各個構(gòu)件和部件、特別是兩個光源LS1和LS2以及光學單元114的各個構(gòu)件和部件的相對定位以非常小的空間需要實現(xiàn)。
第一光源LS1發(fā)射“不可見”光線，其例如是在紅外波段(infrareddomain)內(nèi)的波長例如為880nm的光線。
這種不可見的光線僅僅用來探測球30的旋轉(zhuǎn)，因此它不會導致球的可見的照亮的虛假效果。
然而，第二光源LS2發(fā)射在可見光波段內(nèi)的光線并且它的波長可以根據(jù)應用進行選擇。
為了照亮球，對于紅光而言它的波長例如為630nm，對于藍光而言它的波長上升到470nm。
球的照亮在裝置的外側(cè)是可見的，就是說球的頂部突出部分被第二光源LS2發(fā)射的光束EL2的反射和/或散射照亮，第二光源LS2在可見波段內(nèi)發(fā)射。
形成至少球的外層的材料選擇成使得發(fā)射的光束EL2的光線在此層內(nèi)散射并且在球的整個外表面層上產(chǎn)生均勻的照亮效果。
光線散射的質(zhì)量特別是取決于制造球的技術(shù)，由于球的制造技術(shù)，相應地例如可以在構(gòu)成球的外層的材料中分配例如粉末狀的均勻著色的顆粒，它們均勻平整地分布并且形成球表面上的圖案，顆粒分布于其中的材料例如是半透明的，圖案被圖像傳感器“看到”。
光學單元114因此是可見光和不可見光的復雜導向體，其通過模制將各個透鏡和光學表面制成一整體。
在圖17-20中示出的第二實施例中，棱鏡131在光學上僅僅用于透射由第二光源LS2發(fā)射的光束EL2，其通過第二底部光線入射表面IS2射入棱鏡131并且通過第二頂部光線出射表面OS2出射。
由第一光源LS1發(fā)射的光線的第一入射表面IS1在橫向上位于第二光線入射表面IS2和第三光線出射表面OS3之間。
垂直向上穿過第一表面IS1的光線在傾斜的完全反射表面133反射，完全反射表面133不再屬于棱鏡131，但是定向成使得發(fā)射光線EL1在其中完全地和水平地朝左側(cè)反射，以便到達第二傾斜的完全反射表面，其由光學單元114的左面的縱向側(cè)面127的對置部分構(gòu)成，如圖18所示。
在第二次完全反射之后，由第一光源LS1發(fā)射的光線EL1完全垂直向上改向并且通過第一光線出射表面OS1離開光學單元114，第一光線出射表面OS1在此是設置在空腔49的左側(cè)壁上的傾斜表面。
入射光線EL1在通過第一出射表面OS1出射后，被朝著表面31引導，以便照射大致盤狀的極點區(qū)域。
這個被照射區(qū)域的圖像和由這個區(qū)域發(fā)出的以便形成這個區(qū)域的圖像的光線垂直向下朝著透鏡116的第三入射表面IS3傳播，并且基本上沿著垂直軸線AV。
第三光線入射表面IS3因此在橫向上位于第一光線出射表面OS1和第二光線出射表面OS2之間。
如同前面所述，照亮光束經(jīng)由第二出射表面OS2基本上垂直于球30的表面31的對置部分投射，以便阻止或減小產(chǎn)生虛假反射的風險。
幾何相對位置關(guān)系也設計成使得被照亮光束EL2到達的區(qū)域不同于被探測光束EL1的光線到達的區(qū)域。
因此消除了照亮光束EL2的“虛假光線”出現(xiàn)在圖像捕捉系統(tǒng)124、126上的風險。
此外，所描述的設計使得可以為兩個光源選擇波長，它們之間的偏離非常大，以便進一步減小虛假光線風險。
在剛剛描述的第二實施例中，兩個光束EL1和EL2在光學單元114內(nèi)部沒有相交。
現(xiàn)在參照附圖21-23來闡述第三實施例。
與第二實施例相比，光學單元114的設置是大致相同的，除了在光學單元114內(nèi)部第一光束ES1的光線只在傾斜表面133上經(jīng)歷一次完全反射，以便接下來經(jīng)由一個鄰近的第一出射表面OS1出射，限定三角形橫截面的棱鏡131′的兩個表面133和OS1在橫向上位于透鏡116和棱鏡131之間。
因此，在光學單元114的頂面上，第一出射表面OS1在橫向上位于第三光線入射表面IS3和第二光線出射表面OS2之間。
光學單元或光線導向體114因此被顯著簡化了，在光學單元114內(nèi)部不發(fā)生兩光束的光學相交。
觸覺感應發(fā)生器66L、66T是與探測球的旋轉(zhuǎn)的裝置獨立的，就是說它們不包括與探測裝置相同的構(gòu)件。
觸覺感應發(fā)生器66L和66T基本上分別具有一前滾子140L、140T，它們始終通過摩擦與球30的表面31相互作用并且旋轉(zhuǎn)連接到發(fā)生器軸142L、142T，發(fā)生器軸142L、142T的后軸端旋轉(zhuǎn)連接到轉(zhuǎn)子144L、144T上，轉(zhuǎn)子144L、144T屬于一個能夠在確定的角位置吸引和/或制動軸142L、142T的電磁裝置，此電磁裝置還包括一個定子146L、146T，定子146L、146T包含一管狀的軛，此管狀的軛容納管狀線圈148L、148T，管狀線圈148L、148T本身圍繞中心芯體147L、147T并且它的饋電導線連接到底部印刷電路板上，此底部印刷電路板支承用于控制觸覺感應發(fā)生器的電子構(gòu)件。
外部的部件146L、146T嵌在凹部62L、62T中并且被水平的螺釘152L、152T固定，所述螺釘橫向穿過金屬底蓋26的垂直板82L、82T中的相配的孔。
每個滾子140T通過彈性銷141L、141T始終壓緊在球30的表面31上。
因此可以將觸覺感應或效應應用在球30上，并且與球的運動的位置和方向無關(guān)，并且也與探測球30旋轉(zhuǎn)的裝置的操作無關(guān)。
密封裝置也設置在裝置20中，特別是阻止外部體、特別是灰塵進入到裝置中并且特別是空腔40中。
在操作球圍繞其軸線的旋轉(zhuǎn)運動中，密封裝置也具有清潔操作球30的表面31的功能。
在圖2和3中示出的實施例中，密封裝置具有一個頂部的彈性的墊圈300，例如由金屬制成；一個中間墊片302，例如由“特氟隆”制成；以及一個底部的墊片304，例如由金屬制成。
中間的柔性的墊圈302執(zhí)行在球的整個邊緣球形表面上的刮垢密封的功能，所述邊緣球形表面位于球的突出于蓋24的部分的底部上。
頂部的彈性的墊圈300是一個齒形的彈簧墊圈，其在形成中間墊圈302的刮垢密封的整個邊緣上施加一垂直向下的彈性力。
此外，當為了驗證或選擇動作而垂直向下擠壓球時，密封裝置提供受控的制動效應，這防止了球圍繞其中心的虛假的旋轉(zhuǎn)運動。
權(quán)利要求
1.一種特別是用于控制光標在電子設備的屏幕上運動的控制裝置(20)，包括-致動構(gòu)件(30)，其形狀為具有可以被使用者操控的探測表面(31)的球面球；-球盒體(22)，其限定一圍繞球(30)的至少一部分的凹形的面(42)；-元件(56)，其用于在球(30)旋轉(zhuǎn)時進行引導，從而球圍繞其中心(C)旋轉(zhuǎn)；-至少一個第一探測光源(LS1)，其用于發(fā)射至少一個朝向球(30)的入射探測光束(EL1)；以及-形成圖像傳感器(126)的裝置，其接收從球(30)的被入射探測光束(EL1)照射的區(qū)域發(fā)出的光線(RL1)；其特征在于，第一光源(LS1)發(fā)射不可見的光線(EL1)，并且裝置包括至少一個第二光源(LS2)，所述第二光源(LS2)與第一光源(LS1)不同，并且朝向球(30)發(fā)射可見的照亮光線(EL2)用于照亮球(30)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一光源(LS1)在紅外波段內(nèi)發(fā)射探測光線(EL1)。
3.如上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，由第一探測光源(LS1)發(fā)射的紅外探測光線(EL1)的波長大約為880nm。
4.如上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，第二照亮光源(LS2)發(fā)射的可見的照亮光線(EL2)的波長在大約470nm到大約630nm之間。
5.如上述權(quán)利要求之任一所述的裝置，其特征在于，光源(LS1，LS2)是發(fā)光二極管。
6.如上述權(quán)利要求之任一所述的裝置，其特征在于，第一光源(LS1)和第二光源(LS2)屬于一安裝到盒體(22)上的光電模塊(53)。
7.如上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，模塊(53)包括光學的光線引導單元(114)，其包括-用于由第一光源(LS1)發(fā)射的不可見光線(EL1)的第一光線入射表面(IS1)；-用于由第二光源(LS2)發(fā)射的可見光線(EL2)的第二光線入射表面(IS2)；-用于從球(30)的被入射探測光束(EL1)照射的區(qū)域發(fā)出的光線(RL1)的第三光線入射表面(IS3)；-用于由第一光源(LS1)發(fā)射的、經(jīng)由第一入射表面(IS1)進入光學單元(114)的不可見光線(EL1)的第一出射表面(OS1)；-用于由第二光源(LS2)發(fā)射的、經(jīng)由第二入射表面(IS2)進入光學單元(114)的不可見光線(EL2)的第二出射表面(OS2)；-用于從球(30)的被入射探測光束(EL1)照射的區(qū)域發(fā)出的、經(jīng)由第三入射表面(IS3)進入光學單元(114)的光線(RL1)的第三出射表面(OS3)。
8.如上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，第三入射表面(IS3)屬于光學單元(114)的物鏡形狀的部分。
9.如權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，第一光線入射表面(IS1)和第二光線入射表面(IS2)以及第三光線出射表面(OS3)大致向下定向并且設置在光學單元(114)的底面上。
10.如權(quán)利要求7至9之任一項所述的裝置，其特征在于，第一光線出射表面(OS1)和第二光線出射表面(OS2)以及第三光線入射表面(IS3)大致向上定向并且設置在光學單元(114)的頂面上。
11.如權(quán)利要求7至10之任一項所述的裝置，其特征在于，所述各光線入射表面和光線出射表面大致沿光學單元(114)的一垂直的橫向平面對準。
12.如上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，第三光線出射表面(OS3)基本上垂直地與第三光線入射表面(IS3)對準。
13.如權(quán)利要求11或12所述的裝置，與權(quán)利要求9相結(jié)合，其特征在于，第二光線入射表面(IS2)在橫向上位于第一光線入射表面(IS1)和第三光線出射表面(OS3)之間；第一光線出射表面(OS1)在橫向上位于第二光線出射表面(OS2)和第三光線入射表面(IS3)之間。
14.如權(quán)利要求11或12所述的裝置，與權(quán)利要求9相結(jié)合，其特征在于，第一光線入射表面(IS1)在橫向上位于第二光線入射表面(IS2)和第三光線出射表面(OS3)之間。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，第三光線入射表面(IS3)在橫向上位于第二光線出射表面(OS2)和第一光線出射表面(OS1)之間。
16.如權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，第一光線出射表面(OS1)在橫向上位于第二光線出射表面(OS2)和第三光線入射表面(IS3)之間。
17.如權(quán)利要求7至16之任一項所述的裝置，其特征在于，光學單元(114)包括能夠容納被球(30)反射的探測光束(RL1)的光線的傳感器(126)的凹部。
18.如上述權(quán)利要求的裝置，與權(quán)利要求9相結(jié)合，其特征在于，所述凹部是在光學單元(114)的底面上開口的盲凹部。
19.如上述權(quán)利要求之任一所述的裝置，其特征在于，盒體(22)包含窗口(52)，其用于供被發(fā)射的光線(EL1，EL2)和從球(30)的被入射探測光束(EL1)照射的區(qū)域發(fā)出的光線(RL1)通過。
20.一種用于按照權(quán)利要求7-18的裝置的光學單元(114)，其特征在于，光學單元(114)通過模制和/或?qū)K狀體機械加工構(gòu)成為一整體件，光學單元由可被所述光線(EL1，EL2，RL1)透射的材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝置(20)，包括致動球(30)；圍繞球(30)的盒體(22)；用于在球(30)旋轉(zhuǎn)時進行引導的元件(56)；至少一個第一探測光源(LS1)，用于發(fā)射至少一個朝向球(30)的入射探測光束(EL1)以及形成圖像傳感器(126)的裝置，其接收從球(30)的被入射探測光束(EL1)照射的區(qū)域發(fā)出的光線(RL1)，其特征在于，第一光源(LS1)發(fā)射不可見的光線(EL1)，并且裝置包括至少一個第二光源(LS2)，所述第二光源(LS2)與第一光源(LS1)不同，并且朝向球(30)發(fā)射可見的照亮光線(EL2)用于照亮球(30)。
文檔編號G06F3/0354GK1892558SQ200610090810
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月27日
發(fā)明者H·布里科, Y·皮薩德, J·加維涅 申請人:Itt制造企業(yè)公司