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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Eingabezeigevorrichtungen,
insbesondere bezieht sie sich auf eine kompakte Eingabevorrichtung
mit geringem Profil, die zur Verwendung in Handgeräten zum
Bewegen eines Cursors, zum Scrollen und Navigieren und zur Auswahl
von Objekten auf einer Anzeige geeignet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Zeigevorrichtungen
werden seit langem zusammen mit Computern verwendet, um die Benutzerinteraktion
mit graphischen Benutzerschnittstellen zu erleichtern, die mit Computerbetriebssystemen verbunden
sind durch, zum Beispiel, Bereitstellen von Mitteln zum allgemeinen
Navigieren und Auswählen
von Objekten. Allgemein sind Zeigevorrichtungen Eingabevorrichtungen,
die verwendet werden, um einen Cursor schnell und präzise zu
einer gewünschten
Position auf einer Anzeige zu bewegen. Dedizierte Zeigevorrichtungen
bieten eine weit größere Benutzbarkeit
zur Cursorbewegung als zum Beispiel ein Drücken der Pfeiltasten auf der
Tastatur. Einige der gebräuchlichsten
Zeigevorrichtungen umfassen Mäuse,
Rollkugeln (engl. trackballs), Tastfelder (engl. touchpads), Joysticks
und Lichtgriffel (engl. light pens). Die Maus ist die Eingabevorrichtung,
die bei weitem am gebräuchlichsten
zusammen mit Computern verwendet wird. Typischerweise ist die Maus
eine externe, mit dem Computer verbundene Vorrichtung, die Handbewegung
des Benutzers in Signale übersetzt,
welche der Computer versteht, um den Cursor in der gewünschten
Richtung auf dem Bildschirm zu bewegen. Ähnlich in der Funktion ist eine
Rollkugel eine Eingabevorrichtung, welche eine relativ große Kugel
ist, die Benutzer mit ihren Fingern rotieren, um den Cursor zu bewegen.
Diese sind bei CAD (Computer Aided Design)-Benutzern für Präzisionsarbeit
besonders beliebt, für
den gelegentlichen Benutzer haben sie aber oft eine relativ hohe
Lernkurve.
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Ein
weiterer Typ von Zeigevorrichtungen, der weithin zusammen mit Computern
verwendet wird, sind Tastfelder. Obwohl Tastfelder in erster Linie
auf Laptops verwendet wurden, weil sie leicht in die Einheit integriert
werden können, wurden
sie auch beliebter zur Verwendung mit Desktop-Computern. Eine Cursorbewegung
wird durchgeführt
durch Ziehen der Spitze des Fingers über die Tastfeldfläche und
Antippen der Fläche,
um auf ein Objekt zu klicken. Die Verwendung eines Tastfelds hat
auch eine kleine Lernkurve, da eine taktile Rückkopplung fehlt, d. h. sie
bietet keine analoge Kraft-Rückkopplung,
um dem Benutzer zu helfen, insbesondere, wenn man sich den Rändern des
Tastfelds nähert.
Eine taktile Rückkopplung
hilft dem Benutzer oft beim Steuern der Bewegung des Cursors, zum
Beispiel durch Vergrößern oder
Verlangsamen der Geschwindigkeit, mit der sich der Cursor bewegt,
durch mehr oder weniger Drücken
oder Bewegen der Zeigevorrichtung. Außerdem benötigt das Wesen von Tastfeldern
eine gewisse Quantität
an Fläche,
um deinen Finger herumzubewegen, was sie ungeeignet zur Verwendung in
kleinen Handgeräten
macht. Im Falle von Tastfeldern, bei denen der Benutzer auf eine
Stelle auf dem Bildschirm deutet, der auf eine Zeigevorrichtung,
wie beispielsweise einen Stift oder Eingabestift (Stylus), reagiert,
fehlt dieser Eingabetechnik eine taktile Rückkopplung und sie benötigt einen
externen Eingabestift, den der Benutzer mit sich herumtragen muss.
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Joysticks
werden weithin in Spieleanwendungen verwendet, wobei die Cursorbewegung durch
Bewegen des freien Endes des Joysticks um ein rotierendes Ende durchgeführt wird.
Obwohl Joysticks eine intuitive Möglichkeit bieten, um sich auf dem
Bildschirm zu bewegen, haben sie den Nachteil, relativ groß zu sein
(d. h. erweiterter Schaft und Knauf). Dieser Aspekt macht sie besonders
ungeeignet zur Verwendung in kompakten Umgebungen, wie beispielsweise
Laptops, ganz zu schweigen von kleineren Geräten, wie beispielsweise PDAs
(Personal Digital Assistant) etc. Außerdem führt eine normale Verwendung
des Joysticks zu mechanischer Beanspruchung, die auf Lötflächen und
Lötrollen
ansetzt, was seine Zuverlässigkeit über die
Zeit hinweg verringert. Lichtgriffel sind sehr intuitiv und leicht
zu bedienen, da man nur auf eine gewünschte Stelle auf dem Bildschirm
zum Navigieren oder Auswählen zeigt.
Jedoch hängt
die Effektivität
von Lichtgriffeln großteils
von der Größe des Bildschirms
ab und sie werden beispielsweise zunehmend schwieriger zu bedienen
mit Handgeräten
mit kleinen Bildschirmen.
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Obwohl
jede der Zeigevorrichtungen aus dem Stand der Technik in gewisser
Beziehung ihre Vorteile hat, sind sie nicht zur Verwendung bei der neuen
Generation kompakter Handgeräte
geeignet. Tastfelder wurden erfolgreich in diesen kleineren Geräten eingesetzt,
aber sie leiden am Mangel einer taktilen Rückkopplung und dem Nachteil
des Verwendens eines Eingabestifts, der in dem Gerätegehäuse verstaut
werden muss, was Masse hinzufügt. Es
sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Handgerät wie er hierin verwendet wird,
sich auf tragbare Geräte
bezieht, wie Personal Digital Assistants und drahtlose Kommunikationsgeräte, wie
der Nokia 9110 Communicator und seine Nachfolger. Viele dieser Geräte sind
typischerweise dadurch gekennzeichnet, dass der Bildschirm, die
Tastatur, typischerweise eine QWERTY-Format Tastatur, die dem Benutzer
eine bequemere Buchstabeneingabe bietet, und die Zeigevorrichtung
in einer Haupteinheit integriert sind, im Gegensatz zu einer getrennten
Anbringung. Ein bedeutendes Merkmal von Handgeräten ist, dass ihr kleiner Formfaktor
sie angenehm, leichtgewichtig und leicht zu tragen macht. Dies wiederum bringt
strenge Beschränkungen
auf die Quantität
an Platz, die eine Zeigevorrichtung einnehmen kann.
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Eine übliche Einrichtung
eines Mobiltelefons heute ist Short Messaging (SMS), wobei der Benutzer
eine kurze textuelle Nachricht unter Verwendung des herkömmlichen
Tastenblocks des Telefons tippt und sie dann an ein anderes Mobiltelefon
sendet. Da das Short Messaging und andere Anwendungen, die typischerweise
mit Interaktion zwischen den Benutzern zu tun haben, wie beispielweise
E-Mail entwickelt sind und gewöhnlich
verwendet werden, erfüllt der
herkömmliche
Tastenblock des Mobiltelefons unter Umständen nicht die Anforderungen
eines Benutzers. Ein Schlüsselfaktor
ist die Erleichterung und Geschwindigkeit des Tipgens einer Nachricht.
Einige Hersteller haben dies vorhergesehen und eine zusätzliche
getrennte Tastatureinheit bereitgestellt, die an ein Mobiltelefon
anschließbar
ist (wie beispielsweise das Ericsson Chatboard). Diese Geräte sind vorzugsweise
klein und von geringem Gewicht, stellen jedoch eine alphabetische
Tastatur mit zusätzlichen
Zugriffstasten für
allgemeine Funktionen, wie beispielsweise die oben erwähnte Mail
und SMS und auch vorzugsweise einen Satz an Tasten zum Bewegen des
Cursors, bereit. Da die Funktionen von Mobiltelefonen sich weiterentwickeln,
wird ein Bedürfnis nach
einem Gerät
mit geringem Profil zum Bewegen des Cursors auch für diese
Art von Hilfseinheiten vorhergesehen.
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Mobiltelefone
mit herkömmlicher
Tasten- oder Tastenanordnung, wie es in
USD 423,515 offenbart ist, oder andere
Arten wie in
USD 415,770 offenbart
ist, werden häufig
verwendet. Die zunehmende Verwendung von zusätzlichen Funktionen und Einrichtungen
des Mobiltelefons, wie beispielsweise Spiele, Internetzugang, Kalenderfunktionen
und dergleichen können
verlangen, dass der Hersteller des Mobiltelefons ein Scrollgerät in die
Vorrichtung einbaut. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist
in
EP 901 262 offenbart.
Diese Navigationstaste stellt eine ziemlich kompakte Konstruktion
für eine
relativ kleine Vorrichtung bereit, die dem Benutzer erlaubt, Menus
zu scrollen, Funktionen etc. auszuwählen. Wie es jedoch die Form
der Rolltaste suggeriert, benötigt
die Rolltaste etwas Platz in der Vorrichtung und wird für ein Handgerät mit sehr
geringem Profil nicht bevorzugt, insbesondere nicht für eine Vorrichtung vom
Typ Klappschalenbauweise. Ferner erlauben diese Navigationstasten
typischerweise ein Bewegen des Cursors oder eine Auswahl in nur
zwei Richtungen, d. h. oben-unten, rechts-links und können daher nicht
effektiv für
Funktionen verwendet werden, die eine freie Cursorbewegung benötigen.
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U.S 5,504,502 beschreibt
eine Zeigesteuervorrichtung, die zur Verwendung auf Laptop-Computern
geeignet ist. Die Vorrichtungskonstruktion beschreibt genau ein
bewegliches Betätigungsteil,
das einen Magneten enthält,
der von magnetischen Widerstandsdetektoren detektiert wird und bei
dem das Teil zur zentralen Position durch eine Feder zurückgebracht
wird. Jedoch hat die Konstruktion den Nachteil relativ kompliziert
zu sein, wodurch die Trägerstruktur
und die Feder in das Gerätegehäuse konstruiert
sein müssen.
Dies macht die Vorrichtung weniger kompakt im Hinblick auf Höhe und daher,
obwohl sie zufriedenstellend zur Verwendung in relativ größeren Laptopcomputern
ist, ist sie weniger nützlich
für relativ
kleine Handgeräte,
insbesondere jene, die ein Faltklappschalendesign einsetzen. Außerdem erzeugt
der einzelne Magnet, der in der beschriebenen Vorrichtung verwendet
wird, ein relativ schwaches Magnetfeld. Deshalb müssen die
Widerstandsdetektoren sehr empfindlich sein, wodurch sie zur Gesamtmasse
der Konstruktion beitragen. Auch wegen der Federkraft ist die Vorrichtung
ziemlich beschwerlich mit Finger oder Daumen zu bedienen, wodurch
der Benutzer die Vorrichtung leicht zur längeren Verwendung ungeeignet
finden wird.
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1 zeigt
ein Handgerät
vom Communicator-Typ, das die Raum-Layout-Beschränkungen beispielhaft darstellt,
die in vielen Geräten
mit kleinem Grundriss inhärent
sind. Das Gerät
umfasst eine Haupteinheit 100, in die eine Vielzahl an
Tasten 104, die eine Tastatur bilden, in eine Oberfläche 108 einer Haupteinheit
eingebaut sind. Zur verbesserten Kompaktheit ist die Vorrichtung
in einer zweistückigen Faltklappschalenbauweise
konstruiert, die um ein Scharnier 116 rotiert, welche eine
Haupteinheit 100 und einen oberer Teil 118 umfasst,
der eine Anzeige 120 enthält. Wegen des kleinen Grundrisses
gibt es sehr wenig Platz auf einer Oberfläche 108 für eine Zeigevorrichtung
der oben beschriebenen Art. Um eine Cursorbewegung zu steuern, wird
eine Gruppe von vier Pfeiltasten 112 zur Bewegung in eine
entsprechende Richtung des Pfeils eingesetzt. Die Verwendung von
Pfeiltasten, die funktionsmäßig ähnlich zu
denen auf einer PC-Tastatur sind, funktioniert als eine platzsparende
Lösung
für eine
rudimentäre
Bewegung des Cursors gut. Jedoch bewegt ein Drücken von Pfeiltasten typischerweise
den Cursor oder scrollt den Bildschirm in diskreten Schritten, die
nicht die glatte und effiziente Bewegung bereitstellen, die von
anderen Zeigevorrichtungen bereitgestellt wird. Außerdem stellen
Pfeiltasten nicht die taktile Rückkopplung
bereit, die notwendig ist, um dem Benutzer während des Navigierens oder
Scrollens zu helfen.
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Die
Veröffentlichung
JP 06 318134 offenbart eine
Eingabevorrichtung, welche einen beweglichen Teil umfasst, an dem
ein erster Magnet befestigt ist, eine feste Unterlage, an der ein
fester Magnet befestigt ist und eine Vielzahl von Reed-Relais, die
auf die Anwesenheit eines Magnetfelds reagieren. Die Reed-Relais
wurden kreisförmig
angeordnet, so dass sie den Zahlsymbolen entsprechen, die auf die
Abdeckung der Eingabevorrichtung gedruckt sind. Das Bringen von
beweglichen Teilen in die Nähe
eines Zahlensymbols verursacht, dass das entsprechende Reed-Relais verbunden
wird. In Reaktion darauf, dass das Reed-Relais verbunden wird, wird
angenommen, dass der Benutzer die Zahl eingegeben hat. Die Anziehungskraft
des ersten und zweiten Magneten bringt den beweglichen Teil in die
ursprüngliche
Position zurück.
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Die
Veröffentlichung
JP 08 185257 offenbart eine
Eingabevorrichtung für
Koordinateninformation. Die Eingabevorrichtung besteht aus einem
beweglichen Teil, mit dessen Boden ein erster Magnet verbunden ist,
eine feste Unterlage, mit der ein zweiter Magnet verbunden ist,
und vier Hall-Elemente, die auf jeder Seite des zweiten Magnets
platziert sind. Der bewegliche Teil besteht aus einem Knopf und
einem Rand, dessen Zweck es ist, zu verhindern, dass der bewegliche
Teil vom Gerätgehäuse herabfällt. Zwischen
dem beweglichen Teil und der festen Unterlage sind eine Anzahl an
Kugeln angeordnet, deren Zweck es ist, das Verstellen des beweglichen Teils
oberhalb der festen Unterlage zu ermöglichen. Die Anziehung des
ersten und zweiten Magneten bringt den beweglichen Teil in die ursprüngliche
Position zurück.
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Keines
der Dokumente aus dem Stand der Technik lehrt, wie man ein kontinuierliches
freihändiges
Scrollen in einer Eingabevorrichtung ermöglicht, das die Anziehungskraft
von zwei Magneten anwendet, um einen Rückstelleffekt für einen
beweglichen Knopf bereitzustellen.
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In
Anbetracht der vorangehenden, oben angeführten Nachteile ist es ein
Ziel der vorliegenden Erfindung eine Eingabevorrichtung und einen
Scrollmechanismus bereitzustellen, der kompakt, effizient und eine
geeignete taktile Rückkopplung
zur effektiven Verwendung in kleinen Handgeräten bereitstellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Kurz
beschrieben und gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung und bezogenen Merkmalen der Erfindung wird eine verstellbare
Eingabevorrichtung bereitgestellt, als Teil einer elektronischen
Vorrichtung, die einen Anzeigebildschirm zum Anzeigen eines Cursors
während
des Betriebs der Vorrichtung umfasst, der sich in einzelnen Schritten
zwischen einer ersten festen Position und einer zweiten festen Position
zum Auswählen
einer Funktion auf einer elektronischen Vorrichtung bewegt, wobei
die Eingabevorrichtung umfasst:
ein bewegliches, verstellbares
Teil, das einen ersten daran befestigten Magneten aufweist;
einen
zweiten Magneten, der an der ersten festgelegten Position in einer
festen Position befestigt ist;
einen dritten Magneten, der
an der zweiten festgelegten Position in einer nahen Entfernung von
der ersten Position in einer festen Position befestigt ist;
eine
Trägerschicht
zum Tragen des zweiten Magneten und des dritten Magneten an ihren
entsprechenden festgelegten Positionen; und mindestens zwei Sensoren
zum Ermitteln der Position des verstellbaren Teils.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung, zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen davon, kann
am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden
werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist,
in denen:
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1 ein
Handgerät
zeigt, das die Raumbeschränkungen
von Vorrichtungen mit kleinem Grundriss beispielhaft darstellt;
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2a das
Prinzip magnetischer Anziehungskraft zum Zentrieren zweier gestapelter
zylindrischer Magnete veranschaulicht;
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2b die
sich ergebende Bewegung veranschaulicht, wenn eine seitliche Kraft
auf den oberen Magneten angewandt wird;
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3a eine
Draufsicht der gestapelten zylindrischen Magnete von 2a zeigt;
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4a eine
Querschnittsseitenansicht eines magnetischen planaren Joysticks
gemäß einem
ersten Beispiel zeigt;
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4b eine
Draufsicht des magnetischen planaren Joysticks des ersten Beispiels
zeigt;
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5a eine
Querschnittsseitenansicht eines magnetischen, planaren Joysticks
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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5b eine
Draufsicht des magnetischen planaren Joysticks des zweiten Beispiels
zeigt;
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6 eine
Querschnittsseitenansicht eines 2-D planaren Joysticks zeigt, der
zwei Ringmagnete gemäß einem
dritten Beispiel verwendet;
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7 eine
Querschnittsseitenansicht eines 2-D planaren Joysticks zeigt, der
zwei Ringmagnete gemäß einem
vierten Beispiel verwendet;
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8 eine
Draufsicht der 1-D Scrollvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht;
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9a das
Prinzip einer digitalen Kraftrückkopplung
zur Bewegung in einzelnen Schritten zeigt;
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9b den
Fluss eines Magneten auf halbem Weg im Übergang zwischen zwei Magneten zeigt;
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9c die
Vervollständigung
eines einzelnen Schritts zeigt, der von dem Magneten herrührt, der
zum zweiten Magneten hingezogen wird;
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10 eine
1-D verstellbare Vorrichtung zeigt, die sich in diskreten Schritten
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung bewegt; und
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11 ein
beispielhaftes Handgerät
veranschaulicht, das die Eingabevorrichtung der vorliegenden Erfindung
implementiert.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Wie
in den vorhergehenden Abschnitten diskutiert, braucht die Verwendung
herkömmlicher
Zeigevorrichtungen beträchtlichen
Platz oder sie enthalten Komponenten, die zu unförmig sind, als dass sie bequem
mit Handgeräten
verwendet werden könnten.
Ein Hauptgrund für
die Unförmigkeit
sind zum Beispiel die mechanischen beweglichen Teile wie beispielsweise
Rollkomponenten in Joysticks und Rollkugeln, die in das Gerätegehäuse integriert
werden müssen.
Mit Tastfeldern gibt es typischerweise zusätzlich Unförmigkeit, da das Vorrichtungsgehäuse gewöhnlich entworfen
ist, um eine externe Zeigevorrichtung (Eingabestift) unterzubringen,
wenn sie nicht in Verwendung ist. Zu dem Problem tragen die relativ unförmigen mechanischen
Sensoren bei, die in die Haupteinheit eingebaut werden müssen, um
eine physische Bewegung festzustellen und in eine Cursorbewegung
zu übersetzen.
Da Handgeräte
immer kleiner werden, werden herkömmliche mechanische Lösungen sogar
noch unhaltbarer. Wie durch die Erfindung dargelegt, wird eine magnetische
Eingabevorrichtung mit geringem Profil, das insbesondere zur Verwendung
in Handgeräten
geeignet ist, in den folgenden Ausführungsformen beschrieben.
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2a veranschaulicht
das Prinzip, wie Magneten verwendet werden können, um eine Eingabevorrichtung
in ihre ausgeglichene Zentrumsposition gemäß der Erfindung zurückzubringen.
Die Figur zeigt eine Seitenansicht zweier zylindrischer (oder ringförmiger)
Permanentmagnete und ihre entstehenden magnetischen Flussdichten.
Permanentmagnete bestehen aus polarisierten geladenen Partikeln, die
einen magnetischen Fluss ausstrahlen, wie durch 210 gezeigt.
Die Flusslinien strahlen auf eine elliptische Weise aus und starten
immer am Nordpol und suchen einen Südpol, der normalerweise am
anderen Ende des Magneten ist. Wie in der Figur gezeigt, führen Permanentmagnete,
die gestapelt sind, so dass der Nordpol eine Magneten1 (M1) immer
zum Südpol
eines benachbarten Magneten2 (M2) zeigt, dazu, dass die Magnete
sich anziehen und die Flussdichte maximieren. Die beiden anziehenden
Magnete zeigen eine Tendenz, in den Zustand maximalen kombinierten
Flusses zurückzukehren,
wodurch die Magnete dazu tendieren, zu dieser zentrierten Position
trotz beliebiger anliegender äußerer Kräfte zurückzukehren.
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2b veranschaulicht
die Situation, wenn eine äußere seitliche
Kraft F1 an M1 angelegt wird, wobei M2 fest ist. M1 ist in der Lage
seitlich verstellt zu werden, wenn die Kraft F1 größer als
die magnetische Anziehungs- oder Rückstellkraft F2 wird, was eine
Tendenz für
die Magneten ist, zentriert zu bleiben. Wenn der M1 aus dem Gleichgewicht
weggedrückt
wird, wird die Flussdichte 210 und 212 gestört, da sich
M1 weiter vom Zentrum entfernt. Als eine Folge nimmt die Kraft F1
zu, die benötigt
wird, um M1 zu bewegen, da er sich weiter weg vom Zentrum entfernt.
An einem Punkt jedoch verschwindet die anziehende Kraft F2 zwischen
den Magneten, wenn der M1 sich zu weit weg bewegt. Wenn die Kraft
F1 freigelassen wird und bevor die Anziehungskraft verschwindet,
schnappt M1 zu seiner ursprünglichen zentrierten
Position zurück,
die in 2a veranschaulicht ist.
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Da
sich die Magneten aus ihrer ausgeglichenen Zentrumsposition wegbewegen,
wird das Flussfeld gestört,
wie oben beschrieben wurde. Ein magnetischer Feldsensor, wie beispielsweise
ein Hallsensor, kann diese Störung
in dem Magnetfeld feststellen. Hallsensoren sind elektromagnetische
Messfühler,
die eine Spannung erzeugen, die proportional zur Stärke eines
Magnetfelds (oder Flussdichte) ist, das durch sie hindurchgeht.
Die magnetische Flussdichte kann entweder von einem Permanentmagneten
oder einem elektrischen Strom kommen, was sie auch zum Messen von
Stromstärke
geeignet macht. Hallsensoren verwandeln das Magnetfeld in Spannung, die
verwendet werden kann, um die relative Position der Magneten zu
bestimmen.
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3a zeigt
eine Draufsicht der gestapelten ringförmigen Magneten von 2a,
die zusammen mit magnetischen Feldsensoren gezeigt sind. Während sie
in der zentrierten Position sind, emittieren die Magnete 300 einen
magnetischen Fluss 310 vom Nord- zum Südpol. Der magnetische Fluss 310 wird von
vier präzise
positionierten Hallsensoren 320–323 festgestellt,
die jegliche Veränderung
in dem magnetischen Fluss messen, wenn sich der Magnet in der x-y-Ebene
bewegt. In der Zentrumsposition erzeugt der Fluss gleiche Stromstärken in
allen vier Hallsensoren, die einen Gleichgewichtszustand angeben, den
sie z. B. in keine Cursorbewegung umsetzen. 3b zeigt,
wenn der obere Magnet bewegt wird, wenn eine Kraft F1 auf ihn angewandt
wird. Die Änderung
in der Position in der x-Richtung verursacht, dass der Fluss in
Richtung des Hallsensors 320 stört, der am nächsten gelegen
ist. Dies erzeugt eine größere Stromstärke im Sensor,
die in elektrische Signale umgesetzt werden kann, die einer Rechnungsvorrichtung
eine Bewegung angeben. Die oben beschriebenen Prinzipien bilden
die Basis für
eine magnetische Eingabevorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung
arbeitet.
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4a zeigt
ein erstes Beispiel einer magnetischen Eingabevorrichtung, wie sie
beispielhaft durch die Erfindung dargestellt wird. Eine Seitenansicht
eines zweidimensionalen magnetischen planaren Joysticks wird als
in das Gehäuse
eines Handgeräts
integriert veranschaulicht. Ein Paar von Magneten M1 und M2 ist
in der Gleichgewichtszentrumsposition gestapelt. Der planare Joystick
ist ein Kunststoffknopf, der von einem Finger in einer beliebigen Richtung
in der x-y-Ebene bewegt werden kann. Der Knopf ist geformt, so dass
der Finger auf einer Knopfoberseite 402 M1 in die gewünschte Richtung
verstellt. Der Knopf erstreckt sich nach unten über M1, um eine Lippe 404 zu
bilden, die sich unter das Gerätegehäuse 400 bewegt,
wenn der Knopf bewegt wird. Die Lippe verhindert auch, dass der
Knopf unbeabsichtigt vom Gehäuse
aushebt. In der Zentrumsposition wird M1 auf M2 gestapelt und durch
ein Verstellelement 410 getrennt, um ein Bewegen durch Reduzierung
von Reibung zu erleichtern. Das Verstellelement 410 kann
aus jeglicher dauerhafter Komponente mit geringer Reibung gemacht
werden, die nicht magnetische Felder blockiert, wie beispielsweise
Polytetrafluorethylen (PTFE) Polymer. Das Verstellelement 410 ist
an M2 zum Beispiel mit einem Kleber befestigt. M2 ist an einer Leiterplatte 416 fixiert
und befestigt. Auch auf die Leiterplatte 416 fixiert sind
die Hallsensoren 420 zum Messen der Änderung des magnetischen Flusses 418,
die von der Bewegung von M1 herrührt.
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4b zeigt
eine Draufsicht des magnetischen planaren Joysticks des ersten Beispiels.
Die Knopfoberseite 402 wird von einem Finger in die Richtung
bewegt, in die der Benutzer den Cursor zu wünschen bewegt. Die Bewegung
des Knopfes ist durch eine Gehäusewand 401 in
alle Richtungen beschränkt.
Wenn M1 bewegt wird, wird die Änderung im
Fluss von eingebetteten Hallsensoren 420 abgetastet. Außerdem wird,
wenn der Knopf in eine Richtung weiter weg vom Zentrum verstellt
wird, mehr Kraft ausgeübt,
um ihn zurück
zum Zentrum zu bringen. Diese Form einer analogen Rückkopplung
gibt dem Benutzer an, dass der Cursor sich schneller bewegt, wenn
der Knopf weiter weg bewegt wird.
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5a zeigt
eine Seitenansicht eines planaren Joysticks gemäß einem zweiten Beispiel der
Erfindung. Die Ausführungsform
verwendet zwei zylindrische Magnete, wobei eine Knopfoberseite aus Kunststoff 502 über M1 gekapselt
ist. Ein Verstellelement 510 ist am Unterteil von M1 und
Knopf 502 befestigt, so dass die gesamte Einheit in einer
Vertiefung 501 im Gerätegehäuse 500 verstellbar
ist. Die Bewegung des Knopfes in der Vertiefung ist durch die Vertiefungswände 504 beschränkt. An
einer Leiterplatte 516 ist ein zweiter zylindrischer Magnet
M2 und Hallsensoren 520 befestigt. Eine Füllschicht 514,
die lediglich Luft oder ein Material, um einen Träger zum Befestigen
eines Gerätegehäuses 500 bereitzustellen.
Wenn der Knopf, der M1 enthält,
bewegt wird, stört
ein magnetisches Flussfeld 518 entsprechend, was von den
Hallsensoren 520 festgestellt wird. Die magnetische Kraft
zwischen Magneten M1 und M2 ist vorzugsweise so stark, dass sie
verhindert, dass Magnet M1 sich aus der Vertiefung 501 hebt
(und hilft dabei, zu verhindern, dass Magnet M1 versehentlich verloren
wird). Zum Beispiel haben Ringmagnete eine sehr starke magnetische
Kraft.
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5b zeigt
eine Draufsicht des magnetischen planaren Joysticks des zweiten
Beispiels. Knopf 502 wird in der Vertiefungsfläche 501 verstellt und
stört somit
den magnetischen Fluss von M1 und M2, der von Hallsensoren 520 festgestellt
wird, die um die Vertiefung herum positioniert sind. Eine Cursorbewegung
wird von der Bewegung von M1 zur Anzeige auf dem Bildschirm des
Handgeräts
umgesetzt. Die Ausführungsform
bietet dem Benutzer auch ausreichend analoge Rückkopplung während der
Verwendung.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines 2-D planaren Joysticks, der zwei
Ringmagnete gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung verwendet. Die Struktur des Knopfes umfasst eine Knopfoberseite 602,
die an einem Schaft 604 befestigt ist, der an einer Basis 606 befestigt
ist. Die Basis verhindert, dass der Knopf aus dem Gehäuse hervorsteht
und stellt eine sichere Bewegungsoberfläche für den Joystick bereit. Die
Basis 606 passt in den Ringmagneten M1, der sich seitlich
auf einem Verstellelement 610 bewegt, wenn die Knopfoberseite 602 verstellt
wird. Der Ringmagnet M2 ist auf einer Leiterplatte 616 fixiert
zusammen mit Hallsensoren 620, die in dem Ring M2 platziert
sind. Die Hallsensoren 620 sind positioniert, um die Flussänderung 618 und 619 festzustellen,
wenn der Knopf bewegt wird. Die Bewegung des Knopfes wird durch
den Schaft beschränkt,
der nach oben gegen die Vorrichtungsgehäusewand 608 stößt, wobei
eine Knopfbewegung verursacht, dass die magnetische Flussdichte 618 gestört wird,
wenn der Knopf in eine beliebige Richtung bewegt wird. Die magnetische
Anziehungskraft zwischen M1 und M2 stellt den natürlichen
Zentrierungseffekt für
den Knopf bereit.
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7 zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines 2-D planaren Joysticks, der
zwei Ringmagnete in einer alternativen Konstruktion und gemäß einem dritten
Beispiel der Erfindung verwendet. Das Beispiel umfasst eine Knopfoberseite 702,
die vollständig
den Ringmagneten M1 bedeckt. Befestigt an der Unterseite des Ringmagneten
M1 ist ein Verstellelement 710, so dass die gesamte Einheit
innerhalb einer Vertiefung des Vorrichtungsgehäuses 700 verstellbar
ist. Eine Bewegung der Knopfanordnung ist durch die Vorrichtungsgehäusewand 704 beschränkt. Ringmagnet
M2 ist an Leiterplatte 716 fixiert zusammen mit der Platzierung
von Hallsensoren 720 in M2. Die magnetischen Flussdichten
von 718 und 719 von den Magneten werden gestört, wenn
der Knopf in eine beliebige Richtung verstellt wird. Das Beispiel
ist eine einfachere Konstruktion, insofern sie keine Mittel hat
zu verhindern, dass der Knopf aus der Vertiefung aushebt. Eine Bewegung des
Knopfs 702 verursacht, dass die magnetische Flussdichte 718 gestört wird,
wenn der Knopf in eine beliebige Richtung verstellt wird, wobei
die magnetische Anziehung zwischen M1 und M2 den natürlichen
Zentrierungseffekt für
den Knopf bereitstellt.
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In
einer Variante des zweidimensionalen planaren Joysticks umfasst
eine erste Ausführungsform eine
eindimensionale Scrollvorrichtung, die eine Konstruktion ähnlich zum
zweidimensionalen planaren Joystick verwendet. Die Konstruktion
kann auf 4a basieren, wobei die Verstellbewegung
des Knopfes entlang einer Rille oder Schiene eine Flussstörung verursacht,
die von zwei Hallsensoren festgestellt wird. Eine beispielhafte
Anwendung dieser Anordnung ist eine bidirektionale Scrollvorrichtung zum
Scrollen durch Seiten auf einem Handgerät.
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8 veranschaulicht
eine Draufsicht der eindimensionalen Scrollvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Ein Scrollknopf 802, der an einem Magnet
M1 befestigt ist, der entlang Rille 804 verstellbar ist,
die in dem Vorrichtungsgehäuse 800 gebildet
ist. M1 wird über
einen Magneten M2 verstellt, der in der Zentrierungsposition in
der Rille ist, wodurch eine Störung
des magnetischen Flusses verursacht wird, wenn der Knopf bewegt wird.
Die Flussstörung
wird von einem Paar eingebetteter Hallsensoren 820 festgestellt,
die nahe den Enden des Verstellpfades positioniert sind.
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Zusätzlich zu
Eingabevorrichtungen, die eine kontinuierliche analoge Rückkopplung
bereitstellen, gibt es Anwendungen, wo eine digitale Rückkopplung
vorteilhaft sein kann. Beispielhaft kann ein freihändiger Scrollschalter
implementiert werden, um automatisch Text nach oben oder unten zu
scrollen. Der Schalter kann wenigstens drei Positionen umfassen,
wobei eine mittlere Position kein Scrolling bereitstellt, eine obere
Position ein nach oben Scrollen bereitstellt und eine untere Position
ein nach unten Scrollen bereitstellt. Mit mehreren zusätzlichen Schritten
in jeder Richtung könnte
man das Scrollen schneller machen. Eine digitale Rückkopplung
kann erreicht werden, indem ein verstellbarer Magnets von einem
stationären
Magneten zu einem anderen stationären Magneten "hüpft".
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9a zeigt
das Prinzip, wie eine digitale Rückkopplung
ausgeführt
wird. Der magnetische Fluss von M1 und M2 kombiniert sich, um die
Magnete in der gezeigten gestapelten Position ausgeglichen zu halten.
Wenn eine äußere seitliche
Kraft F1 auf M1 angewandt wird, startet der Fluss mit dem Stören, was
zu einer Rückstellkraft
F2 führt,
die dazu neigt, M1 zurück
zu M2 zu ziehen. Wenn M1 eine Position auf halbem Weg zwischen M2
und M3 erreicht, wie in 9b gezeigt,
wird die Flussdichte zwischen M2 und M3 geteilt, was dazu führt, dass
die Anziehungskraft von M3 exakt die von M2 ausgleicht. Wenn sich
M1 näher
an M3 bewegt, beginnt die Anziehungskraft von M3 die Kraft von M2
zu überwinden,
wodurch sie verursacht, dass M1 in eine zentrierte Position auf
M3 schnappt, wie in 9c gezeigt. In seiner einfachsten
Form kann diese digitale Bewegung implementiert werden, wobei der
Knopf von einer Konstruktion ist, so dass er sich innerhalb einer
Rille oder auf einer Schiene bewegt, um eine Bewegung in einzelnen
Schritten bereitzustellen.
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10 zeigt
eine diskrete eindimensionale Eingabevorrichtung, die gemäß der Erfindung
arbeitet. Ein Knopf 902 kann nach oben entlang Rille 900 zu
Position A bewegt werden oder nach unten zu Position B bewegt werden.
Permanentmagneten sind unterhalb an Positionen A und B fixiert,
die Knopfauswahlpositionen bezeichnen. Das diskrete Wesen der Eingabevorrichtung
stellt eine positive Rückkopplung bereit,
so dass der Benutzer sicher sein kann, dass ein Merkmal ausgewählt ist,
wenn der Knopf vollständig
in Position klickt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsform
nicht auf eine eindimensionale Bewegung beschränkt ist und dass die Erfindung
für diskrete
Bewegungen in zwei Dimensionen implementiert werden kann, z. B.
um die herkömmliche Vierpfeiltastennavigation
zu ersetzen.
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11 veranschaulicht
ein beispielhaftes Handgerät,
welches die Eingabevorrichtung implementiert, wie sie in der Erfindung
beschrieben ist. Ein zweidimensionaler planarer Joystick 940 ist
implementiert, um die vier Pfeiltasten zu ersetzen, die im Stand
der Technik verwendet werden. Der planare Joystick ist frei, sich
in eine beliebige Richtung in der x-y-Ebene zu bewegen (wie durch
die Pfeile angegeben ist), wodurch die Bewegung des planaren Joysticks
eine entsprechende Bewegung des Cursors auf der Vorrichtungsanzeige
verursacht. Die Erfindung stellt eine schnelle, einfache und intuitive
Möglichkeit
bereit, einen Cursor in Vorrichtungen mit kleinem Formfaktor zu
bewegen. Außerdem
eignet sich der planare Joystick zur Verwendung in kompakten Handgeräten wegen
seiner Knopfkonfiguration mit geringem Profil besonders gut.
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Eine
zweite beispielhafte Implementierung der Erfindung in dem Handgerät ist ein
Verstellknopf 952 entlang einer Rille 950. Der
Knopf kann zum Scrollen durch Seiten verwendet werden, die zu groß sind,
um auf einmal angezeigt zu werden. Die Scrollvorrichtung kann ein
analoger Schieber sein, wie er in Ausführungsform eins beschrieben
wurde, der am Zentrum ausgeglichen ist. Wenn der Knopf nach oben
oder unten bewegt wird, scrollt die angezeigte Seite entsprechend
nach oben oder unten. Die Verwendung diskreter Verstellknöpfe kann
auch in dem Handgerät
zusätzlich
zu der oben dargestellten Scrollfunktion für eine Anzahl an Funktionen
implementiert werden, wie beispielsweise Kontrastjustierung der
Anzeige oder Auswählen
von Menufunktionen. In dieser Anwendung entsprechen die verschiedenen
Positionen des Knopfes einem unterschiedlichen Kontrastniveau oder
können
eine Menufunktion, wie beispielsweise ein Telefonbuch, E-Mail oder das
Internet aktivieren.
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Obgleich
die Erfindung in einigen Hinblicken in Bezug auf spezielle Ausführungsformen
davon beschrieben wurde, werden Variationen und Modifikationen Fachleuten
offensichtlich sein. Da es zum Beispiel klar ist, dass die vorliegende
Erfindung beabsichtigt ist, mit einer Anzeige verwendet zu werden, braucht
die Vorrichtung der Erfindung nicht in dieselbe Vorrichtung wie
die Anzeige integriert zu werden, sondern kann an eine Anzeige oder
eine Vorrichtung, welche eine Anzeige hat, befestigt werden, d.
h. kann als eine Maus befestigbar sein oder in eine befestigbare
Tastatur integriert werden. Es ist deshalb beabsichtigt, dass den
folgenden Ansprüche
keine einschränkende
Auslegung gegeben wird, sondern sie sollten so gesehen werden, dass
sie Variationen und Modifikationen umfassen, die vom offenbarten
erfinderischen Gegenstand abgeleitet sind.