发明背景

有各种游戏、玩具以及交互学习设备，在其中使用指示笔来指向表面一 个上的区域，以便输入数据或问题。有若干技术来确定感测表面上的指示笔 的位置。一种方法是在所述感测表面中嵌入一系列诸如膜片开关之类的压敏 开关。然而，常规膜片开关具有有限的分辨率。另一方法由电容性的或电感 性的元件的阵列组成，通过使所述指示笔接触所述表面来改变它们的阻抗。 然而，该方法的一个缺点是为了实现高分辨率，要求大量的象素元件。而且， 由于电容性和电感性的影响一般较小，为了获得较强的位置信号，必需将所 述指示笔置于紧靠所述象素处。

在许多应用中，希望能够确定置于离开电气有源表面短距离(如1mm至 2cm)的指示笔的位置。在许多消费品中，希望用足够厚度的，提供机械上和 电气上绝缘的塑料保护层来保护电气有源元件。还可以在所述诸如塑料层的 绝缘材料上形成数字、标记、符号和图画，通过指向置于所述塑料表面的数 字、标记、符号或图画以便于用户输入数据。其它应用包括在目录单的顶层 (打开)页面上布置数字、标记、符号或图画的系统。即使指针由于所述目 录表的厚度而与所述有源表面分开，也可以检测出置于所述目录表的打开页 面上的指针的位置。

在转让给本发明的受让人的名为“Surface Position Location System and Method”的美国专利号5,686,705以及名为“Surface Position Location System and Method”的美国专利号5,877,458中描述了基于几何算法的电记 录感测器单元。根据美国专利号5,877,458和5,686,705的教学，通过根据 由指示笔接收的所测量的信号强度而计算等位线的交点来确定所述指示笔的 位置。在这里引入美国专利号5,686,705和5,877,458的内容并作为本申请 的参考。

图1-4示出了美国专利号5,686,705和5,877,458的几何定位方法的一 般原则。图1是说明操作的基本原则的简化几何图形。如图1所示，2或3维 的传导表面10具有经选择的电阻率。在图1的实施例中，分别把电接点12、 14和16连接到导线24、26和28，以连接到处理器30。还把具有指示笔20 的导线18连接到处理器，所述指示笔具有供用户指示所述表面10上用户所 关心的位置的尖端22。如图2所示，当用户在电阻性表面上选择点P时，进 行了一系列的电场电位测量来计算所述指示笔的位置。确定无射频(rf)信 号施加到任何接点12、14和16时的直流(DC)偏移值。通过将等幅的rf信 号施加到全部3个接点12、14和16来进行第2测量，处理器30通过指示笔 20测量满标的信号值。通过将rf信号施加于所述接点之一，如接点12，而 例如接点14的第2接点接地，来进行第3测量。由指示笔20进行的信号测 量将处于所述两个接点间的等位线上(即图2中的线X)的某处。通过对不同 对的接点(假定12和16)分别施加信号和接地，来进行第4测量，并且用指 示笔20进行的信号测量将位于所述两个接点之间的等位线上(即图2中的线 Y)的某处，所述指示笔20的位置就是线X和Y的交点。为了说明的目的， 以直线示出线X和Y。更一般的是，可使用由数学或经验确定的具有弯曲等位 线的表面材料的信号电平梯度模型来确定所述指示笔在所述表面上的位置。

图3说明了具有如薄片100之类的矩形导电材料片的美国专利号 5,877,458的电记录感测器系统的实施例。附于薄片100的边缘附近并与之电 气连接的是接点102、104和106。分别连接在薄片100上的接点102、104和 106与信号发生器122的接点126、128和130之间的是电气导线108、110和 112。信号发生器122包括rf发生器124、放大器134以及确定把哪个信号提 供给接点126、128和130的开关132和136。微处理器142经过电缆138和 140分别控制开关132和136的状态，来选择哪个接点102、104和106接收 常规或反向的rf信号。

指示笔116包括接收天线并通过电缆118耦合至信号测量级120。通过解 调器144和模数转换器(ADC)146将信号解调并转换成数字信号。ADC 146 将数字化的信号提供给微处理器142。微处理器142包括RAM145、ROM147、 时钟148，以包含与已经预存储的位置有关的信息，以及包括音频卡150和扬 声器154或监视器152，以在所选择的区域输出信息。

当将rf信号耦合至一个或多个接点102、104和106时，所述信号辐射 贯穿薄片100的导电材料。在给定的一组通电的接点(如接点102和104)之 间，由于薄片100的导电材料中的分布式的电阻而存在信号电平等位图114A。 所述信号电平等位图包括所述等位线的形状和值，并且可被存储于所述微处 理器的存储器或ROM147中。原则上可通过寻找数学公式的唯一解来确定或 通过经验确定这些等位线的形状。此外，对于其它组的通电接点也将有信号 等位图，如对于通电接点102和106的等位图114B。可以将在所述指示笔处 接收的对于特定一组通电接点的信号强度的测量用于计算所述指示笔位于哪 条等位线上。对于具有基本上正交的等位线的两组通电接点的测量允许计算 所述指示笔的位置，如图3的点P所指示出的那样。

图4具有与图3类似的元件，所述元件应用于具有两个半球传导表面701 和702的球体。使包含世界地理的详细内容的绝缘的图表面601和602的形 状成为覆盖半球表面701和702。半球701具有接点710、711和712。半球702 具有接点740、741和742。配置连同电缆730、750和信号发生器722的导线 760、761的开关770、771、772和773，使得以类似于薄片100的方式来驱 动每个半球701和701。然而，由于球面几何，由诸如接点710和711之类的 两个接点激励的半球表面等位图一般比薄片100的复杂得多。另外必须在球 面坐标中计算数学算法。

所述美国专利号5,686,705和5,877,458的电记录装置和方法具有许多 应用，如交互式地球仪。美国专利号5,686,705和5,877,458的电记录感测 器技术的一个优点是比较简单的和便宜的。可使用各种沉积的或涂层的材料 来形成所述传导表面100或701、702。位置分辨率优于许多竞争技术，值得 用于各种教育玩具。对于许多应用，可以计算所述指示笔的位置到若干毫米 之内，使美国专利号5,686,705和5,877,458的电记录装置可用于各种交互 游戏中，所述交互游戏诸如由加利福尼亚州Emeryville的跳蛙玩具公司出售 的EXPLORER GLOBETM。然而，本发明的发明人已经认识到所述美国专利号 5,686,705和5,877,458的电记录装置的若干缺点。一个缺点是要求相当数量 的电子存储器和计算时间来进行数学计算。为了将所测量的信号强度转换成 位置数据，等位图或公式是有用的。实体的2维表面或具有均匀电阻率的表 面上的通电接触点之间的等位线，具有非线性的、非平行的且弯曲的轮廓， 导致复杂的位置确定算法。而所述复杂的算法又导致相对较昂贵且慢速的电 子设备。此外，在某些拓扑结构中，诸如半球701的拓扑结构，所述弯曲的 几何形状进一步使等位线的形状的计算复杂化。因此，要求相当数量的存储 器和计算时间来进行每个位置计算。

所述美国专利号5,686,705和5,877,458的电记录定位感测系统的另一 缺点是所述定位感测分辨率趋向于朝着所述有源表面的边缘和拐角处而降 低。所述美国专利号5,686,705和5,877,458的定位感测方法是基于计算来 自不同对的通电接点的等位线的交点。然而，所述等位线在普通表面形状的 边缘和拐角处趋于平行。如众所周知的那样，根据两条几乎平行的线的交点 而获得点的位置的精确测量是困难的，因为所测量的数据中的微小的经验偏 差会在所计算的交点中产生较大偏差。因此，位置分辨率将在表面100或701 中所述不同对的通电接点的等位线近似平行的区域中变得较差。发明人用类 似于图4所示的半球701、702进行的试验指示出，在半球701、702的边缘 周围存在位置分辨能力大大降低的区域，发明人把这归因于半球701、702的 边缘附近的近似平行的等位线。例如这使得设计交互式学习地球仪变得困难， 在所述地球仪中用户可指向位于赤道附近的小国家(如赤道几内亚)来获得 该国家的信息。类似地，对于诸如表面100之类的矩形传导表面，在表面100 的边缘处也存在分辨率降低的区域，例如这使得识别位于平面地图的边缘处 的小国家或地区变得困难。此外，如图5A和5B所说明的那样，均匀电阻率 的平面表面的等位线是弯曲的并一般较少正交，并且因此比所希望的更复杂。 这导致复杂且慢速的数学算法。

在表面100或701上形成连续电阻涂层的普通技术导致厚度和/或电阻率 中的显著的空间差异。在单批生产中，在每个表面的电阻中可能存在显著的 差异。贯穿所述感测表面的所述电阻率差异能够显著地影响等位线的轮廓。 因此，有必要用2维算法来补偿这些影响，所述2维算法导致复杂的以及耗 费时间的生产过程。因此，要求大量的数据点来精确地绘制所述等位线。另 外，典型地必须将大量的数据存储于等位图中。这增加了产品的成本。

由于高精确度、低制造成本以及比较简单的构造的潜在可能，使用与美 国专利号5,686,705和5,877,458类似计算的电记录定位感测系统是所希望 的。然而，先前所知的电记录定位感测系统遭受以下问题，即由于沿边缘区 域布置的实质上平行的等位线而沿边缘区域降低的分辨率、根据复杂的等位 线计算位置对于有效的计算存储器和计算时间的要求，以及进行复杂校准程 序来绘制所述等位线的需要。

所希望的是一种用于提供对等位线信号轮廓的改进控制的改进的电记录 装置和方法。

                            发明概述

本发明一般针对包括天线装置以在电记录定位检测系统中产生电位梯度 的电记录定位感测系统、制造所述天线装置的方法以及在电记录定位系统中 对所述天线装置的使用。

这里描述的新颖的和创造性的天线装置辐射出可由垂直或水平的等位场 线组适当描述的2维电位场，每条线具有与之相关联的不同的电位值。把所 述辐射场线的幅度和梯度简单地设计于所述天线装置之中。由于可用天线设 计的函数来简单地计算所产生的场电位，那么可把它用于定位接收天线位于 哪条线上。当把接收天线从一条等位线移动到另一条时，它将获得它所位于 的线上的场强。如果把所述接收天线置于辐射(或发射)天线上的单个位置 中，则所述天线所感测到的电位的幅度将揭示出接收天线定位于哪条等位线 上。

如果用户希望更多地了解接收天线的位置而不是天线所驻留的等位线， 则可使用第2发射天线。所述第2发射天线等的取向与所述第1发射天线成 90°。在该配置中，用户可使第1天线广播一组等位线，并且使接收天线定位 于一条线上，然后该用户可使所述第1天线关断并且使位于90°的第2天线接 通。用户现在可通过正交场信息而在正交的等位线上对所述接收天线定位。 由两条等位线的交点揭示出所述接收天线的2维位置。当然，还可能仅简单 地旋转单个发射天线而先后在两个不同方向上激励该天线。当然，本发明不 限于在正交坐标中的使用。然而，对于许多应用来说，正交坐标用最大的速 率及分辨率提供所要求的精确性。

所述新颖的天线装置包括与导电指针元件耦合的分压器。每个指针元件 具有电气连接它们的点处的分压器的电位。如果将射频信号施加于所述分压 器，则所述指针元件将辐射出沿指针恒定(在任何给定时间点处)的但跨越 指针有梯度变化的场。所述梯度是沿分压器的梯度变化的反映。从而，如果 所述指针元件是平行的且是直的，就产生了平行于Y坐标(假定)的一系列 等位线。将该天线定向于90°，或使用定向于90°的第2类似天线，将提供一 组与X坐标(假定)平行的等位线。每个这样设计的天线将在1维上对接收 天线定位。本发明不限于直线坐标系统。在球面或其它坐标系统中它也能同 样地适用。

在2维定位设备的一个实施例中，本发明的天线装置包括由绝缘体分开 的第1和第2天线，所述第1天线包括耦合至第1分压器的多个电压抽头的 多个第1导电指针，其中所述第1导电指针彼此有间隔，并且所述每个第1 导电指针的电压是施加于所述第1分压器的第1输入电压接点和第2输入电 压接点之间的全部电压的预先选定的分数；所述第2天线包括耦合至第2分 压器的多个第2电压抽头的多个第2导电指针，其中所述第2组导电指针的 每一个的电压是施加于所述第2分压器的第1输入电压接点和第2输入电压 接点之间的全部电压的预先选定的分数；其中所述第1和第2天线是彼此电 气绝缘的，并且其中所述第1和第2天线的指针在衬底的检测区域中是不平 行的；从而所述第1天线和所述第2天线可用于在所述检测区域中产生相交 的等位线。在较佳实施例中，所述分压器是电阻片，该电阻片具有沿其边缘 耦合的发射指针。

本发明的一个目的是提供天线装置，用于具有等位轮廓线的改进的控制 的电记录系统。具体目的是降低所述等位轮廓线的曲率、改进其线性度并改 进其正交性。在较佳实施例中，在局部区域中所述第1天线的指针的取向于 一般与所述第2天线的指针的方向正交。

本发明的另一目的是提供一种天线装置，在其中可校准每个指针的电压。 在较佳实施例中，包括额外的定标元件来允许调整所述分压器的每个段的相 对电阻，以补偿电阻器的电阻率和厚度中的处理偏差。

本发明的又一目的是提供一种把所述天线装置制造成平面单元并且然后 将所述天线塑造成3维形状的方法。在一个实施例中，以平面单元来形成所 述天线装置，并然后将其塑造成半球形。

本发明的又一目的是使用所述天线装置作为电记录定位检测系统的一部 分。

                           附图简述

图1是用于确定指示笔的位置的电记录定位感测系统的现有技术图。

图2是说明确定图1的指示笔的位置的方法的现有技术图。

图3是图1的系统的现有技术框图。

图4是用于确定指示笔相对于球体表面的位置的电记录定位感测系统的 现有技术框图。

图5A示出了具有2个通电接点的现有技术电阻层的说明性的等位线。

图5B是示出类似于图5A的具有另外通电接点组的电阻层的重叠的等位 线的现有技术图。

图6A是本发明的天线装置的装置的第1实施例，具有以分压器形式配置 的阻抗元件来控制辐射指针的电压。

图6B示出了图6A的天线装置的变型，其中所述阻抗分压器包括连续的 电阻材料片。

图7是图6A的天线装置的重叠等位线的说明性曲线图。

图8示出了图6A的天线装置的变型，它具有耦合至所述分压器的额外的 校准元件，来校准每个辐射指针的电压。

图9示出了图6A的天线装置的变型，其中所述指针元件在所述天线装置 的一部分上弯曲。

图10A示出了从可塑衬底形成的本发明的天线装置的实施例。

图10B示出了塑造成圆锥形的图10A的天线装置。

图11示出了塑造成儿童玩具外形的本发明的可塑天线。

图12是平面天线装置的较佳实施例的后视图。

图13是图12的天线系统的正视图。

图14A和14B示出了图12的天线装置的较佳实施例的细节，其中两个天 线具有定形的指针元件以降低所述两个天线之间的相互作用。

图15A示出了塑造成半球形形状的天线装置的说明性正视图。

图15B示出了图15A的天线装置的说明性后视图。

图15C示出了塑造成半球形形状的具有所示重叠的两个天线的天线装置 的较佳实施例。

图16是包括平面天线装置的本发明的电记录定位感测系统的框图。

图17是本发明的实施例的框图，其中所述分压器具有中心电压输入抽头。

图18是用于文档解译系统的本发明的电记录定位感测系统的框图。

图19是连同地球仪一起使用的电记录定位感测系统的框图。

图20是使用中的图19的电记录定位感测系统的示意性分解图。

                        本发明的详细说明

本发明一般包括包含有用于电记录定位系统的天线装置的电记录定位感 测系统、制造所述天线装置的方法以及在电记录定位系统中对所述天线装置 的使用。如在本申请中所使用的那样，电记录定位检测系统是这样的一种系 统，在其中天线系统产生辐射电场，位于接近所述天线表面短距离处的包含 接收天线元件的指示笔可以检测出该电场。因此，如在本申请中所使用的那 样，电记录定位系统可检测离有源表面预先选择的距离内的指示笔的位置。

对于类似于图1-4中所示的检测系统来说，例如在其中由大约60kHz频 率的射频(rf)驱动信号产生等位线，所述等位线所具有的瞬时电位将以与 所述rf输入信号的相同时间相关性而随时间变化。可使用的频率的范围可广 泛地改变，而没有理论上的限制。可使用的频率范围的实际限制取决于技术 的任何特定应用的约束。可以使用众所周知的电磁学定律(即所述电场是所 述电压的梯度)来计算由随时间变化的电位产生的电场。因此，可计算等位 线图并将其用于解译最接近与有源表面相关联的所述辐射天线系统的所检测 出的信号强度。

图5A和5B示出了由现有技术实体电阻薄片产生的复杂等位线组。图5A 是说明具有拐角接点502、504、506和508的常规电阻性表面500的等位信 号线的顶视图。为了说明的目的，假定薄片500具有遍及整个表面的恒定电 阻率。当激励特定接点组时，可以使用数学公式来计算所述等位线。由于从 拐角接点注入电流，所以假定所述等位线呈现出遍及大部分薄片500的非直 线形状。一般而言，从特定接点组注入的电流将扩散而遍及所述薄片，并且 可使用众所周知的公式来计算任何给定点处的电位。当由rf源激励诸如接点 502和504之类的两个接点时，电阻性表面500在所述表面500的表面上辐射 出信号。可从数学公式中计算出场线的轮廓线500。一般而言，接近表面500 的中心处的轮廓线将是比较线性的。诸如线508和510之类的排列在远离中 心处的轮廓线将是显著地非线性的。如由线510、512、514、516、520、522、 524、528、530、532、534和536所指示出的那样，等位轮廓线的实质非线性 在接近拐角处出现。注意到还可以激励诸如接点506和504之类的正交接点 对。通过替换所激励的接点的顺序，可产生水平和垂直的等位线。图5B是对 于作为多状态激励顺序部分而顺序地把脉冲输入接点502-504以及504-506 而形成的两组重叠的等位线的现有技术图。可以看出，在电阻性层500的中 心处，重叠的等位线近似于具有正交单元的栅格形图案。由于所述等位线在 表面500的中心处近似正交，但在拐角处变得近似平行，所以在拐角处的位 置确定比在中心处的位置确定较差。此外，由于所述等位线具有复杂曲线和 非线性分布，计算的复杂程度较高。这导致昂贵且慢速的电子设备。

此外，取决于均匀电阻率的实体2维表面必需用复杂2维算法来补偿电 阻中的偏差。这导致昂贵且慢速的电子设备。

所述新颖的天线装置包括与导电指针元件耦合的分压器。每个指针元件 具有在电气连接它们的点处的分压器的电位。如果将射频信号施加于所述分 压器，所述指针元件将沿指针辐射出恒定的(在任何给定时间点处)但具有 跨越指针而梯度变化的场。所述梯度是沿分压器的梯度变化的反映。从而， 如果所述指针元件是平行且直的，就产生了平行于Y坐标(假定)的一系列 等位线。将该天线定向于90°，或使用定向90°的第2类似天线，将提供一组 与X坐标(假定)平行的等位线。由于所述新颖天线在所述指针元件间具有 空隙，所以可方便地层叠两个天线。当顶层天线关断时，底层天线可通过顶 层天线中的开口区域向上辐射。为了避免电气短路，在所述天线间布置绝缘 体。

每个这样设计的天线将在1维中探测置于其上的一个接收天线。也就是 说，如果所述接收天线感测到具有特定强度的信号，就可在发射该电位的指 针元件之上或之间对它进行定位。可以把在所述发射天线上的可感测出接收 天线的区域称为“有效区域”。由于一个发射天线在1维中探测所述接收天 线，在一个发射天线的指针元件上存在“1维有效区域”，而在层叠两个发射 天线的区域上存在“2维有效区域”，这是层叠的天线上方的空间，两个发射 天线都向其中辐射。如果两个天线部分重叠，则在它们之上的某些区域是1 维有效区域，而某些区域是2维有效区域。

本发明不限于直线坐标系统。在球面或其它坐标系统中它也能同样地适 用。它还不限于1维和2维感测。

图6A是包括产生两组不同等位线的两个天线的本发明的有源表面的较佳 实施例的俯视图。使用诸如绝缘纸、塑料、玻璃纤维或聚酯薄膜层之类的电 气绝缘的衬底670作为支撑结构。在较佳实施例中，衬底670具有均匀厚度t。 在衬底670的第1面672上，布置有第1天线680。以虚线示出的第2天线690 与第1天线690隔开，并且被足够厚度的绝缘材料隔开，以与第1天线680 电气绝缘。在较佳实施例中，把第2天线690布置于衬底670的第2面674 上。这样配置所述两个天线，使得可独立于另一天线而激励每个天线。第1 天线680具有激励端子692和694，用于将rf电压施加于第1天线680。第2 天线690具有激励端子696和698，用于将rf电压施加于第2天线690。

虽然将理解到可使用任意数量的指针元件，但为了说明本发明原理的目 的，仅示出了少量的指针元件。参考第1天线680，元件602、604、606、608、 610、612、614、616和618的阻抗形成了阻抗分压器。每个阻抗元件之间的 电压是端子692和694之间的全部rf激励电压的分数，并且可使用众所周知 的分压器规则来计算。第1天线680具有低电阻、导电的指针元件630、632、 634、636、638、640、642和644。元件630耦合至阻抗元件602和604之间 的节点；元件632耦合至阻抗元件604和606之间的节点；元件634耦合至 阻抗元件606和608之间的节点；元件636耦合至阻抗元件608和610之间 的节点；元件638耦合至阻抗元件610和612之间的节点；元件640耦合至 阻抗元件612和614之间的节点；元件642耦合至阻抗元件614和616之间 的节点以及元件644耦合至阻抗元件616和618之间的节点。由每个指针元 件耦合到分压器的位置唯一地确定每个指针元件的电压。因此，每个导电指 针元件辐射出的场所具有的幅度是该元件所耦合到分压器的节点处的电压的 函数。如图6A所示，指针630具有电压V1，指针632具有电压V2，指针634 具有电压V3，指针636具有电压V4，指针638具有电压V5，指针640具有电 压V6，指针642具有电压V7，以及指针644具有电压V8。注意到在较佳实施 例中，在局部区域上这些指针实质上平行。因此，指针元件间的电位将趋于 随两个指针间的距离而近似地线性变化。从而指针元件的集合辐射出空间上 连续的一组等位线，所述辐射的等位线与所述指针元件实质上平行。术语等 位线指的是沿线具有恒定信号幅度的线。可以使用其它恒定大小的参数，如 相位，来获得相同的结果。这里的例子是基于信号幅度的，但本发明不是这 样限制的。

布置于衬底670的另一面的第2天线690具有第2分压器，所述第2分 压器包括第2组阻抗元件650、652、654、656和658。可以使用众所周知的 分压器规则来计算每个阻抗元件之间的节点处的电压，该电压是施加于端子 696和698之间的全部电压的分数。导电指针元件662、664、666和668的每 一个都耦合至所述第2组阻抗元件之间的各自节点，从而在每个指针元件上 建立电压。如图6A所示，指针元件662是具有电压V1’的等位表面，指针元 件664是具有电压V2’的等位表面，指针元件666是具有电压V3’的等位表面 以及指针元件668是具有电压V4’的等位表面。

重要的是，由于这是一个具有每个指针元件充当rf天线的rf系统，通 过空中的广播产生了连续或平缓的rf场，导致在场强测量中，比测量由每个 元件产生的个别的电压可能获得更高的分辨率。所述元件间的连续场强值允 许进行高分辨率位置测量。此外，每个指针元件发射与该指针耦合到分压器 的点处的电压直接相关联的场。从而所有指针的最终效应产生了单个场，该 场的场电位分布反映出沿所述分压器的电压分布。

因此，所述分压器设计，即沿所述分压器的电压降，控制由所述天线指 针元件广播的2维场的电位分布。所述分压器的结构及相关指针元件天线可 用于产生线性且直线性的2维电位场分布。

通过测量电位，可确定所述2维场中的位置线，并且由于可方便地形成 线性且直线性的电位分布，所以可简化所要求的电子设备和算法。

通过使用两个这样的天线，其中每个天线包括分压器和指针元件，产生 两个分开产生的场是可能的。如果相对于另一天线这样安置所述天线，致使 (1)它们的指针元件区域重叠，(2)一个天线的指针元件与另一天线的指 针元件正交，以及(3)顶层天线的指针元件没有充分地阻挡来自底层天线的 指针元件的信号，那么可产生两个正交的、2维的以及每个都是线性且直线性 的电位分布。

因此，可以通过从每个天线测量所检测出的电位，来确定在所述两个2 维场中的位置点。当然，所述两个天线以及它们所广播的场不需要是线性、 直线性或正交的。但是具有这样的天线能简化电子设备和算法。

本设计的一个重要好处是，通过调整沿与每个天线相关联的分压器的1 维电压分布，可控制所述两个2维电位场分布的每一个。所述天线系统具有 重要的好处，因为可通过使用两个独立的1维算法，在算法上补偿制造所述 分压器期间所产生的电阻率中的偏差。与现有技术所要求的2维方法相比， 这充分地简化了电子设备和算法。

虽然可以用一系列端到端耦合的个别的电阻器来制造所述分压器，但是 较佳的制造方法是如图6B所示的那样，用电阻片601制造所述分压器。可把 所述电阻片制成每单元长度有恒定电阻。另一方面，所述电阻片601可具有 每单元长度的可变电阻。可使用众所周知的分压器公式来计算在诸如元件632 之类的指针元件耦合到电阻片601的特定节点处的相对电压。

如图7所示，每个天线680、690的指针元件形成明确的等位线。因此， 可以把所述两个天线的等位线设计成不仅线性以及直线性，而且彼此实质上 正交。这便于位置检测。根据下面详细描述的多状态激励方法，最好在不同 时刻顺序地激励天线系统600的两个天线680和690。如图7所示，点P可具 有与若干唯一激励顺序的每一个相关联的若干唯一电位。例如：两个天线都 关断时的电位、两个天线都打开时的电位、仅第1天线打开时的电位以及仅 第2天线打开时的电位。

对于一对天线来说，其中所述天线的每一个具有电阻片类型的分压器， 并且所述分压器具有在至少两个电气接点之间与其耦合的指针元件，最好使 用5状态激励算法来确定所述发射或广播天线对上的检测器(即接收天线) 的位置。所述算法包括通过5个状态的定序，然后操作在每个状态处进行的 测量，来获得检测场强测量值的设备的位置。该设备典型地是包含rf接收天 线的指示笔。在许多实施例中，使用指示笔来指向覆盖在所述发射天线对上 的区域，并且所述指示笔中的接收天线检测所述电场强度的大小。将所检测 出的信号发送到微处理器。由所述接收天线测量的所述5个状态是：

1.无电压施加到任何一个天线；

2.仅将梯度变化电压施加于顶层天线的分压器；

3.仅将恒定电压施加于顶层天线的分压器；

4.仅将梯度变化电压施加于底层天线的分压器；以及

5.仅将恒定电压施加于底层天线的分压器。 遵循该顺序，首先从其它4个测量值中的每一个中减去在状态1期间由所述 指示笔测量的电压，以去除任何DC误差分量。在减法之后，存在4个测量的 场电位值：分别是PTop-G；PTop-C；PBottom-G；以及PBottom-C，其中“G”指的是将 梯度变化电压施加于所述分压器，而“C”指的是将恒定电压施加于所述分压 器。其次，为了除去任何偏差，该偏差可归因于接收天线可能处于相对于下 层广播天线对的不同高度，对于顶层和底层天线来说把每个梯度测量值都归 一化到恒定电压测量值。从而，对于顶层天线，获得比值PTop-G/PTop-C＝PTop的 值，并且对于底层天线，获得比值PBottom-G/PBottom-C＝PBottom的值。当获得这些 比值时，如有必要的话，则每个比值都对于沿所述分压器的电阻中的任何偏 差而进行补偿(如在另一处所说明的那样，可能已经由插入于电路中的实际 设备作出该补偿)。最后，通过使用基于所设计的等位线分布的算法，根据 实际坐标可确定所述两个值PTop和PBottom中的每一个的位置含义。

可使用许多不同的天线方向图来确定在所述发射或广播天线对上的检测 器(即接收天线)的位置。在一个备择天线配置中，所述顶层和底层天线具 有不同的几何配置。如图15A所示，在一个这样的实施例中，第1(任选地为 所述“顶层”)天线具有耦合至，假定，围绕半球表面的环形的弯曲指针元 件的电阻片分压器。环1510中可具有单个间断，但是最好是环绕“纬度”。 尤其是，如图15B所示，环1510实质上与所述第2天线的分压器1560的线 平行。所述第2(任选地为所述“底层”)天线具有连续电阻片分压器1560， 该分压器无终端而形成环。所述分压器1560具有沿所述连续分压器间隔布置 的至少3个电气接点。可由多个激励顺序来激励所述接点，来形成特殊的连 续场。所述底层天线还包括多个指针元件。可以近似均匀地分布这些指针元 件遍及检测区域。该天线对典型地用于半球形的形状上。虽然不是这样限制 的，但是下面的例子将论述半球形例子。

为了确定位于所述半球上的接收天线的位置，使用6状态激励算法。

1.无电压施加到任何一个天线；

2.仅将梯度变化电压施加于顶层天线的分压器1520；

3.仅将恒定电压施加于顶层天线的分压器1520；

4.通过将电压施加于所述至少3个接点中的两个或多个接点，仅将第1 梯度变化电压应用于底层天线的分压器1560；

5.通过将不同的电压图案施加于所述至少3个接点中的两个或多个接点， 仅将第2梯度变化电压施加于底层天线的分压器1560；以及

6.仅将恒定电压施加于底层天线的分压器。 遵循该顺序，首先从其它5个测量值中的每一个中减去由指示笔中的接收天 线在状态1期间所测量的电压，以去除任何DC误差分量。在减法之后，存在 5个测量的场电位值：分别是PTop-G；PTop-C；PBottom-G1；PBottom-G2以及PBottom-C。

其次，为了除去任何偏差，该偏差可归因于接收天线可能处于相对于下 层广播天线对的不同高度，对于顶层和底层天线来说把每个梯度测量值都归 一化到恒定电压测量值。从而，对于顶层天线，获得比值PTop-G/PTop-C＝PTop的 值，并且对于底层天线，获得两个比值PBottom-G1/PBottom-C＝PBottom1以及PBottom-G2/ PBottom-C＝PBottom2的值。当获得这3个比值时，如有必要的话，则每个比值都对 于沿所述分压器的电阻中的任何偏差而进行补偿。最后，通过使用基于所设 计的等位线分布的算法，确定所述值PTop、PBottom1和PBottom2值的位置含义。需 要两个值来唯一确定与所述底层天线相关联的第2坐标的坐标值，因为所测 量的电位可能是在特定梯度激励图案所产生的等位线上的两个点中的任何一 个处。从而，需要在从两个激励配置中产生的等位线上测量这些点，来获得 唯一的坐标点。

本发明的天线设计还允许调整每个指针元件的相对等电位。图8示出了 设计成允许对每个元件830、832、834的电压进行额外控制的本发明的实施 例800。如图8所示，分压器包括端到端耦合的电阻器810、812、814和816。 把所述链路的两个端点，即节点802和804，配置成由rf电压源激励。然而， 正常的制造偏差会导致所述电阻器810、812、814和816中的每一个与它们 的标称目标值偏离20-30％。把额外的电阻调整元件820、822、824和826配 置成允许每个电阻器能微调其有效值。电阻调整元件820、822、824和826 可包括任何用于微调电阻值的常规元件。例如，电阻调整元件820、822、824 和826可包括通过机械微调或激光微调而在实际厚度中微调的电阻器。此外， 电阻调整元件820、822、824和826可包括任何被配置成允许调整电阻调整 元件820、822、824和826的有效电阻的电阻器和熔丝等常规配置。为了补 偿沿电阻片601的电阻率中的偏差，可在所述片中形成孔或穿孔洞。

如图17中所说明的并如下面详细描述的那样，沿分压器的可变电阻的又 一种补偿方法是使用一个或多个输入电压抽头。

本发明的天线系统的优点之一是，它提供了一种控制具有复杂形状的表 面的等位轮廓的方法。较佳的是，两个天线680、690的指针元件定义正交栅 格，因为这降低了根据在空间中特定点处所测量的电压而计算位置的计算复 杂程度。然而，本发明也可适用于各种弯曲且非平面的表面。图9示出了本 发明的实施例，在其中，第1天线920的指针910在2维表面905上具有第1 曲率半径。第1天线920具有耦合在一起作为分压器的电阻元件930、932、934、 936和938，以确定每个指针元件910的电压。第2天线940以虚线示出，并 且在第1天线920下与表面905空间上隔开的。第2天线具有指针元件950， 所述元件的每一个的电压由在电阻器962、964、966和968之间该元件耦合 到所述分压器的节点来确定。第2天线940的指针元件950可具有第2曲率 半径。位于第1天线920的指针元件与第2天线940的指针元件之间所形成 的区域ABCD中的点P具有显著的对称性。因此，点P处的电压将是点P离开 线段AB和DC的间距以及点P离开线段BC和AD的间距的准线性函数。

较佳的制造方法是在诸如塑料或聚酯薄膜衬底之类的绝缘衬底上形成所 述天线。制造有阻值且导电的元件的较佳方法是用形成图案的导电油墨薄膜。 可使用任何有阻值材料来制造所述分压器的电阻器，如碳基聚合物油墨或碳 基水油墨。可从导电油墨或金属薄层形成所述指针。一种较佳的低成本构造 方法是使用高速印刷技术，将碳和银油墨印刷于聚酯薄膜或纸衬底上。丝网 印刷技术能最佳地用于聚合物基油墨，而苯胺印刷和Graveur处理能最佳地 用于水基油墨。

还可以在能由真空模塑处理形成的衬底上形成所述有阻且导电层的图 案。尤其是所述衬底可包括平的乙烯基薄片。这允许可把本发明的天线塑造 成2维平面表面，并随后可使用众所周知的真空模塑处理将其塑造成更复杂 的3维形状。图10A是形成于可塑衬底1005上的天线系统1000的顶视图。 第1天线1010包括布置于可塑衬底1005的第1表面上的第1组指针元件1020。 所述第1组指针元件中的每一个耦合至第1电阻器分压器1030的不同节点， 所述电阻器分压器1030包括具有每单元长度预选电阻值的电阻器。把第2天 线1040布置于对面并以虚线示出。如所示，所述第2天线的指针元件形成环 1050。把第2天线1040的指针元件的每一个连接到第2电阻器分压器1060 的不同节点，该电阻器分压器具有每单元长度预选电阻值。可使用诸如真空 或加压成形模塑之类的常规塑料和聚合物模塑处理来塑造天线系统1000。例 如，如图10B所示，可把天线系统1000塑造成圆锥形状。平面表面上的点P 被转换成图10B的圆锥形表面上的点P*。如从图10B中可看出的那样，在P* 周围的区域中，指针元件保持局部对称。因此，等电位将趋向于相对于相邻 指针元件形成的栅格的位置的准线性函数。

当把平面天线系统形成为复杂形状时，为了保留简化的算法，可把位置 探测问题分解成两个要素。第1要素包括施加于形成之前存在于所述平面衬 底上的天线方向图的位置探测问题。第2要素是施加翻译算法或表示所述平 面表面到复杂表面的实际变换的映射。

还可把本发明的天线系统塑造成各种形状。如图11所示，可把天线系统 1110塑造成诸如儿童玩具1104的一部分1102的表面之类的复杂表面。即使 所述表面总体上是高度非平面的，但是第1天线1120和第2天线1130在局 部表面区域上实质上可以是正交的。因此，玩具1104的局部点P的等电位将 趋向于是相对于相邻指针元件的位置的准线性函数。

图12通过透明绝缘薄片示出了在所观察的薄片的另一面上印刷的天线装 置1200的较佳实施例的视图。在该实施例中，确定指示笔相对于平面支撑面 的位置。由端接点1201和1202激励的电阻片1203形成了用于激励第2天线 1210的指针元件的分压器。图13示出了图12的天线装置的视图具有印刷在 所视面上的第2天线。示出了位于天线1310表面上的指示笔1304。天线1310 具有由配置成接点1340和1350之间的第1分压器的电阻片1330激励的指针 元件1320。

在指针元件之间选择最佳距离或间隙中，平衡了若干因素。一般来说， 在顶层天线上，希望指针元件之间的距离足够大，使得来自所述底层天线的 广播不受所述顶层天线的结构的阻隔。此外，指针间的间隔越宽，两个天线 之间的电容耦合将越小，两个天线耦合是最佳的。根据这些因素，看上去希 望在所述指针元件之间设计宽间隔。然而，随着所述指针元件之间的距离增 加，它们有效地广播信号的能力降低。此外，如果通过减少指针宽度而加宽 所述指针元件之间的距离，所述天线的电阻增加，这将导致天线间的有害的 交叉耦合。因此，选择所述指针元件之间的距离涉及到平衡所有这些因素。

另一组要求平衡的因素涉及每个指针元件的宽度。宽指针易于产生较佳 的广播特性，且导致来自其它物体的较少干扰，例如像，用户的手抓住指示 笔进行指向。但是宽指针元件具有增加天线间的电容耦合的缺点。这是因为 所述两个天线之间的电容耦合是来自所述两个天线的每一个的指针的重叠的 直接函数。如果指针的宽度较宽，就存在更多的重叠区域。为了着手解决这 个问题，把所述指针元件设计成在两个天线的指针可能交叉的点处较窄，而 在其它区域较宽。这说明于图14B中。指针1410定位于所述顶层天线上，与 底层天线相比，所述指针具有较不宽阔的加宽区域，以便不阻挡来自必须通 过所述顶层天线辐射的底层天线的场。指针1420定位于底层天线上，并且具 有虽然较短但相对较宽的加宽区域，使得所述底层天线能够在所述顶层天线 的指针之间有效地辐射。当然，本发明不受可变宽度指针元件的精确设计的 限制。相反，对于所述新颖天线的每个应用，使几何形状最优化。

在单个电气绝缘的薄片相对的另一面上形成所述天线不是必需的。可以 把它们形成在分开的薄片上，然后夹在一起形成一种配置，其中一个天线的 指针不平行于另一天线的指针，并且其中由绝缘薄片之一来分开所述天线。 然而，以这种方式形成天线有一些缺点。一个缺点是所述两个薄片必需一致 对齐，以进行一致且无差错的操作。另一缺点是在非平面配置中，使所述两 个薄片彼此紧紧靠近是困难的。所述两个天线之间的可变间隔可能导致灵敏 度和精确度的降低。

图16是包括类似于图12-14所示的天线装置的电记录定位感测系统的框 图。以平面配置来说明应用。在一个实施例中，处理器(较佳的是微处理器)、 控制器1601调整有源天线装置1621的操作，并接收位置数据1617，它使用 所述数据来确定在紧接着天线装置1621的指针元件的有效区域1609的附近 的指示笔1611的位置。控制器1601还包括用户接口1618以及用于通过扬声 器1620输出音频输出的音频块1619。

如图16所示，控制器1601向发射逻辑块1603发送命令1602，使发射信 号序列执行位置检测功能。所述命令1602可包括开始和/或停止位置感测。 此外所述命令1602还可涉及所希望的分辨率，即命令1602还可包括指示发 射块1603调整操作模式来为特定应用获得所希望的分辨率或速率。

发射块1603根据预定的多状态激励顺序来激励天线装置1620的两个天 线。在较佳实施例中，使用每一个都具有电阻分压器片的两个天线。使用上 述的5状态激励算法来激励所述天线。发射逻辑块1603的激励信号最好经放 大器1604放大，并经具有导线屏蔽1605的导线被发射。每个天线具有两个 激励电阻分压器1607的电气接点1606，所述电阻分压器用于向每个天线的指 针1608提供电压。

指示笔1601具有接收所发射的信号的导电元件。具有接地屏蔽1611的 导体将所接收的信号传送到接收放大器1612。所述接收放大器1612可进行任 何常规放大、滤波和DC抑制功能，以放大并调节所接收到的信号。把经调节 的信号置入信号检测块1613，所述信号检测块执行解调、模数转换以及任意 的积分。在较佳实施例中，使用单频信号的同步解调，因为这提高了信噪比。 然而，同步解调要求定时信号1615和1616来协调信号检测块1613的活动。 在较佳实施例中，信号检测块1613对信号求积分以获得窄带滤波，并使用恒 定斜率的放电技术将积分的信号转换成数字值，用于由接收逻辑块1614解译。 所述接收逻辑块1614用接收定时信号1616来控制所接收的信号的检测处理。 对于使用同步解调的情况，发送与所述接收定时信号1616包含在一起的定时 信息1615。所述接收逻辑块1614接收来自接收信号检测块1613的数字数据， 并将该数据适当地格式化以传递到控制器1601。

图17是示出图6的系统的一部分的框图，其中为提高的位置精确度而修 改所述发射逻辑块1603和电压电阻分压器1607。如图17所示，电阻分压器 1607可包括一个或多个额外的输入电压抽头，来更精确地定义沿所述电阻分 压器1607的电压。

本发明的天线装置的一个应用是产生交互式图书。如图18所示，把目录 单1807的各页置于具有类似于图16的天线装置1609的至少一个天线装置1803 的有源表面上。把指示笔1804指向目录单1807的打开页的一部分处，以识 别单词、字母或图片。然后微处理器1801计算指示笔1804相对于天线装置1803 的位置。在较佳实施例中，使用扬声器1806来提供音频输出，作为用户将指 示笔1804指向目录单1807的一部分上的功能。对于可比较的电子精确度， 本发明的天线装置1621的分辨率大约比先前构造的电记录感测器高3倍，在 所述先前构造的电记录感测器中在电阻性表面的实体中产生等位线。此外， 在所述天线元件的边缘也保持所述分辨率，而不像所述实体有阻体那样在边 缘处的分辨率减少达4倍。

在较佳实施例中，本发明的天线系统用于检测平台上的指示笔的位置。 在所述平台上设置两个发射rf天线。接收天线或检测器置于指示笔中。该交 互印刷媒质或平台系统是本发明的受让人所申请的专利申请的主题。在这里 所引用的并作为参考的待决申请是名为“Interactive Platform and Locator System”的2000年4月27日申请的序列号60/200,725。

本发明的天线装置的一个应用是在类似于图20所示的地球仪中。如图15A 的后视图所示，平面绝缘衬底1505的一面上形成图案，具有成形为同心导电 环的指针1510。每个环耦合至电阻片的不同部分，所述电阻片充当在接点1530 和1580之间分压的分压器。因此，每个同心环将广播不同的等位线。所述绝 缘衬底的另一面上形成图案，具有径向方向的指针元件1550。每个指针耦合 至沿置于所述绝缘衬底的圆周处的电阻分压器1560的不同的接点。还可把所 述指针1550成形为非均匀厚度，以便提高所述天线结构的电磁特性。还可以 改变每个指针的径向长度，来交替长和短的径向指针1550，使得指针元件之 间的方位角间隔更均匀。为了说明的目的，图15A和15B中省略了一些细节 和结构。图15C示出了具有重叠的相对着的天线形状的较佳实施例。最好在 乙烯基衬底上制造所述天线装置，使用油墨处理来制造所述电阻元件和导电 指针。所述两个相对的天线定义了彼此正交的等位线，这些等位线是极坐标 (r，Θ)的简单函数。然后将制造好的图15C的装置真空模塑成半球形。

图19是具有半球形天线系统的定位感测系统的示意框图，所述天线系统 具有第1天线和第2天线，所述第1天线具有耦合至圆周电阻元件1907的径 向指针元件1908，而所述第2天线包括耦合至放射状地或经度地定向的分压 器1910的环形指针元件1909。布置发射块1903和放大器1904以根据上述的 6状态激励算法而向所述天线提供激励信号。

图20示出了具有如两个半球2001、一个塑料圆盘成形的天线装置的地球 仪的分解透视图，所述塑料圆盘支撑发射逻辑块2003。电气接点线2008将发 射逻辑块2003耦合至电气接线柱2009。把发射逻辑块2003电气耦合至支撑 轴2004，以提供与包含微处理器控制器(图20中未示出)的主电子单元2006 的连接。具有用于接收信号的接收天线的指示笔2007耦合至主电子单元2006。 最好由基座2005支撑所述地球仪。

虽然在此已详细描述了本发明的较佳实施例及其修正，但是要理解到本 发明不限于那些精确的实施例和修正，并且本领域的普通技术人员之一可对 其它的修正和变型起作用，而不背离附加的权利要求中所规定的本发明的要 旨和范围。

本申请是基于在这里引入并作为参考的2000年4月27日申请的临时专 利申请序列号60/200,722以及在这里引入并作为参考的2000年3月申请的 临时专利申请序列号60/200,960的，并要求它们的优先权。