CN101252976A - 磁性地表显示设备 - Google Patents

Abstract

一种磁性显示设备，包括：台面(19)；多个磁场发射元件(72)，其适于在整个表面产生随空间变化的磁场；以及一个或多个可移动对象(15，17)，其适于感测整个表面(19)的磁场水平并对其做出响应。

Description

磁性地表显示设备

本发明涉及在表面上产生磁场的设备，其提供磁性地表，在该磁性地表上可以放置对磁场有响应的对象。

利用磁场或时变电磁场确定对象的取向、位置或身份是公知的。在最简单的形式下，公知的是，确定对象的取向与磁场的关系，例如罗盘针与地球磁场的关系。这种布置提供了磁场方向的唯一指示，而非其幅度。

基于霍耳效应或磁阻效应的磁传感器能够提供有关其中放置有这种传感器的磁场的状态的更详细信息。从基于这些效应的传感器既能获得幅度信息又能获得取向信息。

能够使用导电材料线圈产生恒定或时变磁场。这些磁场能够与其他线圈耦合，并将这种耦合用于提供有关其他线圈状态或位置的信息。例如，如US 4498076所公开的，由于这种耦合导致的效应用在诸如防盗标签的系统中。基于类似效应的系统是公知的，其考虑到确定对象的位置与其中嵌入各种线圈的板的关系。US 5188368中公开了这种系统，其中，将嵌入线圈的象棋棋子置于其中提供有发送与接收线圈的棋盘上。形成于线圈之间的谐振电路经由每个棋子特有的谐振频率特性来识别它，并且通过扫描来自每个接收线圈的相对响应识别棋盘上的特定位置。

US 5853327公开了一种具有置于其上的玩具人物的游戏板，通过检测来自激励信号的响应可识别出每个人物，所述激励信号要馈送给位于板内的线圈，并耦合到位于玩具人物内的线圈。通过对所接收的线圈信号进行分析，该系统能够检测到特定棋子位于板上何处。

美国申请2005/0075037A1公开了一种游戏垫，其中可以这样布置磁性或有磁性吸引力的材料，使得放在该垫上的物品可以由磁力保持在与所显示场景的特定部分匹配的选定位置上。

Paradiso等人在IBM Systems Journal，Vol.39，Nos.3&4，2000，pp 892-914的文章“Sensor systems for interactive surfaces″中公开了若干用于捕捉交互式表面附近的各种姿态方式的不同系统，这些系统包括无源磁耦合谐振标签。

Steurer和Srivastava在http://nesl.ee.ucla.edu/projects/smartkg/docs/PerCom2003_SmartTable.pdf的“System design of a smart table”中公开了一种桌子，当多个对象放置在其表面上时，其可以同时跟踪和识别多个对象。

Pangaro等人在Proceedings of UIST 2002，2002年10月27-30日的“The actuated workbench：computer-controlled actuation intabletop tangible interfaces”中公开了一种装置，其使用磁力在二维上移动桌子上的对象，该装置旨在供桌面有形接口使用。

上述示例展示了如何能够使用板中嵌入有源线圈系统的系统来确定放在板上的无源对象的位置和身份。这种系统本来是复杂的，尤其是以需要连接和驱动板中各种发送与接收线圈的方式。为了改进定位精度，板中需要多个线圈，因此需要更复杂的电路。这增大了设备的成本。

在很多应用中，例如玩具和游戏中，就成本而言这样复杂的线圈布置可能是不合理的。相反，所需要的是为用户提供交互体验的简单、鲁棒而便宜的方案。

本发明针对以下问题提供了一种解决方案，即，提供与对象相对于磁性或可磁化表面的位置和/或取向有关的信息。借助于永磁体或导电线圈提供了一种磁性“地表”。含有磁感测装置的有源对象能够通过测量所感测的磁场幅度和/或方向对它们在表面上的位置和/或取向做出响应。

本发明的目的在于提供一种磁性地表显示设备，其中在表面上产生并检测磁场以向放置在表面上的对象传达意义。

根据一个方面，本发明提供了一种磁性显示设备，其包括：表面；多个磁场发射元件，其适于在整个所述表面产生多个不同磁场水平，每个元件以相对于所述表面的固定关系定位；以及一个或多个可移动对象，每个对象中都具有磁场传感器且适于感测所述表面上一个或多个位置处的磁场水平并对其做出反应。

现在将参照附图以及通过举例对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1以平面图示出了根据本发明的一个实施例的磁性地表设备；

图2示出了图1的磁性地表设备在线A-A′上的局部剖视图；

图3示出了供图1的磁性地表设备使用的示例对象；

图4示出了沿图2的截面的磁场幅度的示例分布；

图5示出了磁性地表设备的显示面的平面图；

图6示出了图5的磁性地表设备中表面下方的线圈布置；

图7示出了图5的磁性地表设备中表面下方的备选线圈布置；

图8示出了用于放置在磁性地表设备上的玩具交通灯的示意性布置；以及

图9示出了用于产生任意磁性地表的二维线圈阵列的示例。

图1示出了本发明的示例实施例。示出了以游戏设备10形式的磁性地表设备，其具有台面(playing surface)19，台面19上提供了若干可见特征11、12、13、14、18。在该示例中，可见特征代表仿真地表的不同特征，可以由每个特征不同的视觉特性表示，包括颜色和指示标记。这些特征例如可以包括草地特征11、道路特征12、建筑特征13、交通灯特征14以及河道特征18。这些特征的每一个都具有唯一可识别的象征所代表的特征类型的视觉特性。指示出玩具车15在台而19上表示道路特征12的区域中的位置。显示出玩具船17位于河道特征18上，而玩具羊16在草地特征11上。

台面19可以是平面或非平面，并且可以具有一个或多个附加到该表面的地形特征。

为了本发明的目的，“磁性地表”一词意在包含磁场幅度和/或方向在诸如台面19的平面或非平面表面处或附近随空间变化的意义，并可以以类似于地图上的等高线或等压线的方式来理解。随空间变化的磁场的幅度和/或方向还可以至少部分地随时间变化。台面自身上方磁场强度分布形成了磁性地表。该磁性地表本身不是直接可见的，但可以由台面19上的可见特征来表示。在该地表内放置的经适当配置的对象作用下，可以使部分的磁性地表变得可见。这种对象可以是“对磁性有感知的”，即，可以配置它们使其以某种方式对它们置身其中的局部磁场的幅度和/或方向做出响应。

如图2示意性示出的，台面19下方提供了若干磁场发射元件21、22、23，图2示出了通过图1的磁性地表设备10的局部剖视图A-A′。这些磁场发射元件21、22、23的一些或全部可以是例如由磁化的铁磁材料或复合材料制成的永磁体。贴近台面19的每个区域11、12、13中的磁场水平取决于磁体21、22、23的强度，而磁体21、22、23的强度又取决于它们的磁化水平和制造磁体的材料的铁磁属性。由磁体21、22、23产生的磁场方向取决于每个磁体的取向。磁体21、22、23可以沿任意期望方向取向，不过典型地可以这样取向，即使每个磁体的南北取向平行或垂直于表面19的平面。可以对相邻的磁场发射元件21进行相对取向，使得每个元件的极性沿同一方向对准，从而确保区域12内的磁场是一致的。相反，相邻区域12、11中的磁场发射元件21、22的极性可以相反，使得在每个区域12、11内能够确定磁场的显著差异。

或者，磁场发射元件21、22、23的一些或全部可以由导电线圈绕组形成，并且由线圈绕组发射的磁场则取决于每个线圈中的绕组数、绕组的间距以及流经每个线圈的电流幅度和方向。这种线圈可以是卷绕式或螺旋绕式，并且还可以包括更高磁导率的材料的芯以使磁场集中。

图2中台面19上的位置所示的是图1中的玩具车15。该玩具车15位于由道路特征12限定的区域内。道路特征12下方的磁场发射元件21产生与道路特征相关的磁场。

图3所示的是图1和2的玩具车15的剖面示意图，示出了可在其中发现的各示范性功能组件。磁场传感器31连接到处理器32，处理器32又连接到视觉输出装置33、音频输出装置34和无线收发器36。在玩具车15位于台面19上的位置时，磁场传感器31感测紧邻处磁场的幅度和/或方向，在图2中该磁场对应于由道路特征12下方的磁场发射元件21产生的磁场。磁场传感器31的输出由处理器32读取。处理器32根据其内部所含的预编程的规则，确定向视觉输出装置33、音频输出装置34和无线收发器36发送什么信号(如果有的话)。例如，如果磁场传感器检测到特定预定值之间的磁通密度，处理器可以触发视觉输出装置33使其闪烁，并触发音频输出装置34以发出警报声。此外，或者替换地，可以由处理器32向无线收发器36发送信号，使无线收发器36向控制单元无线发射消息，控制单元将因此而执行预定动作。

应当理解的是，对磁性有感知的对象，例如玩具车15、玩具船17或玩具羊16，根据需要每个对象具有的期望输出，可以包括以下装置中的任意一个或多个：视觉输出装置33、音频输出装置34和无线收发器36。

图4所示的是磁场水平42随沿A-A′方向横过图1的台面的距离41变化的图示。示出了三个不同的场水平43、44、45，其对应于三个不同的可见特征：建筑13、道路12和草地11。例如，道路特征12的场水平44可以是x±a，草地特征11的场水平45可以是y±a，建筑特征17的场水平43可以是z±a。因此可以配置图3的示例玩具车的处理器32，以仅对由磁场传感器31检测的x-a和x+a之间的磁场水平做出响应。

应当理解的是，术语“磁场水平”的含义旨在包含任何给定点处的磁场幅度和/或方向。出于本发明的目的，所指的磁场水平仅仅是非零的磁场水平，或至少可以从诸如由地球磁场产生的任何背景场水平区分出来的磁场水平。

可以根据磁场传感器31感测到的磁场水平将其他预定响应编入处理器32中。例如，可以将道路特征12再分成具有不同相应磁场水平的两个或两个以上区域。然后可以配置玩具车使之在位于这些不同区域上时相应地做出响应。此外，当不在道路特征12上时玩具车可以做出不同的响应。如果玩具车不在道路上而是在草地特征11上，可以由对应于该区域的磁场水平45触发备选响应。

在与台面交互作用的其他对象，例如玩具船17或玩具羊16中可以找到对应的特征。可以如此配置玩具船，使其在位于河道特征18中的位置时获得预定响应，而玩具羊16在位于草地特征上的位置时具有不同的预定响应。

应当理解的是，上述将要放在台面上的位置的对象的示例仅出于举例的目的而提供，还可以在本发明的范围内构思出其他类型的对象。此外，读者将领会到的是，除了本文所述的那些之外，台面19上多个更多类型的特征和布置是可能的，不过它们也在本发明的范围之内。还可以将每类特征(例如草地11或道路12)分成均具有不同磁场特征的两个或两个以上子特征，使得通过适当配置的对象可以独立识别每个子特征。例如，可以对道路12的不同区域进行配置，使得玩具车15将根据其处于道路12的哪一区域而做出不同的响应。而且，可以在台面19上提供代表相同类型特征的分立区域，因此它们将具有相同的视觉特征。相应地，与这种分立区域相关的磁场水平是相同的。

图5、6和7示出了根据本发明的磁性地表设备的特定示例。在图5中，示出了游戏设备50的示意平面图，其上提供了台面54。在台面上是各种视觉特征，包括名词表达51a-e和动词表达52a-e。每个名词表达51a-e在台面54上限定一区域，且每个名词表达具有对应的动词表达52a-e。对应于由名词和动词表达限定的每个区域提供磁场发射元件。在该示例中，磁场发射元件为线圈，通过经由电连接53施加的电流来驱动线圈。

在图5中，名词表达51a-e为动物，动词表达52a-e为动物发出的相应声音。例如，名词表达“牛”51a对应于动词表达“哞”52a。该游戏的任务是将对象放置到匹配的名词和动词表达区域51a、52a上。如果将两个适当配置的对磁性有感知的对象放置在匹配的区域上，就会从对象之一或二者触发预定的响应。例如，当位于对应的名词表达51a和动词表达52a上时，可以将每个对象配置成发出“哞”的声音以指示匹配正确。

图6和7示出了以线圈61a-e、62a-e、71a-e和72a-e形式的磁场发射元件的示例布置。在图6中，所有的线圈61a-e和62a-e具有基本相同的匝数，因此当用相同电流驱动时将发射相同的磁场幅度。为了使线圈61a-e、62a-e发射不同幅度(该幅度对应于每个名词表达51a-e或动词表达52a-e)的磁场，必须要用不同的电流驱动每个线圈。这可以通过很多常规手段实现，例如经由连接至一个或多个电流源的电阻器或开关网络。经由分离的电连接63a-e、64a-e来驱动线圈。可以通过用相同的电流驱动对应的线圈对61a、62a等来产生与相匹配的名词和动词对对应的相匹配的磁场幅度。尽管该布置允许将每个线圈单独驱动到适当水平，不过，这种布置可能在组件和线路方面很复杂。

图7中示出了可能更简单的布置，虽然该布置在期望的磁场相对幅度方面较不灵活。在该布置中，线圈71a-e、72a-e虽然成为匹配的对71a、72a等，但具有不同的匝数。能够经由公共的电连接73将线圈连接到同一电源。为了确保用相同的电流驱动线圈，可以将线圈串联电连接。或者，如果每个线圈的阻抗是匹配的，那么可以将线圈并联电连接，这需要更低电压、更高电流的电源。

也可以使用不同类型磁场发射装置的组合。将诸如图5、6和7中所示的线圈式装置与图2的永磁体组合能够在磁性地表设备中获得增强的交互度。

图8所示的是供图1的磁性地表设备上使用的玩具交通灯80的示例。当位于台面19上的正确位置14时，该交通灯80靠近线圈81。流经线圈81的电流将产生磁场，磁场的场线82大致如图8所示。交通灯80包含感测磁场水平的磁场传感器83。将处理器84配置成读取磁场传感器83的输出并相应地确定输出。例如，可以将处理器配置成对三个不同的磁场水平做出响应，每个水平对应于灯85a-c。在第一磁场水平p±a处，处理器84点亮绿灯85a。在第二磁场水平q±a处，处理器84点亮黄灯85b。在第三磁场水平r±a处，处理器点亮红灯85c。

线圈81所承载的电流可以由作为磁性地表设备10的一部分的、或与其分开的电流源提供。可以对该电流源编程以提供对应于上述磁场水平的规则变化的电流水平。或者，可以将电流源配置成对用户的特定动作(例如通过诸如开关或按钮的输入器件所做的动作)做出响应，或者对道路特征12上存在玩具车15做出响应，该玩具车15可以通过经由无线收发器36发射信号来发送其存在的信号。

图9所示的是磁性地表设备90中的线圈91的布置示例，在磁性地表设备90中可以创建任意的磁性地表。经由外部电连接92向线圈91施加适当电流导致线圈91产生在磁性地表设备90的整个表面有所变化的相应磁场。图9中示出了由3×3网格构成的特定二维线圈阵列。然而，可以使用任何适当图样或数量的线圈，以创建期望的磁性地表。根据用途，这样产生的地表可以是暂时恒定或变化的。

应当理解的是，这里所述的本发明不仅适用于游戏和玩具，而且适用于区域定位是有用特征的其他应用。可以将本发明应用于需要丰富但又不花哨的用户界面的任何应用。本发明的一个优点在于，与必须要嵌入有源电子装置和扫描线圈的其他方法相比，能够便宜地进行实施。

其他实施例在所附权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1、一种磁性显示设备，包括：

表面；

多个磁场发射元件，其适于在整个所述表面产生多个不同磁场水平，每个元件以相对于所述表面的固定关系定位；以及

一个或多个可移动对象，每个对象中都具有磁场传感器并且适于感测所述表面上一个或多个位置处的磁场水平并对其做出反应。

2、根据权利要求1所述的磁性显示设备，其中所述表面具有多个可见特征，其中，每个磁场水平对应于所述多个可见特征中的相应一个或多个。

3、根据权利要求2所述的磁性显示设备，其中所述多个可见特征中的每个都具有预定的视觉特性，其中，所述视觉特性中的每个都是由相应的唯一磁场水平来表示的。

4、根据权利要求1所述的磁性显示设备，其中至少一些所述磁场发射元件包括永磁体。

5、根据权利要求1所述的磁性显示设备，其中至少一些所述磁场发射元件包括导电线圈。

6、根据权利要求1所述的磁性显示设备，其中所述可移动对象的一个或多个含有视觉和/或音频输出装置。

7、根据权利要求1或6所述的磁性显示设备，其中所述可移动对象中的一个或多个含有无线发射机。

8、根据权利要求6所述的磁性显示设备，其中每个对象都含有电连接到所述磁场传感器和所述视觉和/或音频输出装置的处理器，其中，所述处理器适于通过提供用于激活所述视觉和/或音频输出装置的电信号来对来自所述磁场传感器的预定输出做出响应。

9、根据权利要求7所述的磁性显示设备，其中每个对象都包含电连接到所述无线收发器的处理器，其中，所述处理器适于通过提供用于激活所述无线收发器的信号来对来自所述磁场传感器的预定输出做出响应。

10、根据权利要求1所述的磁性显示设备，其中，所述设备为游戏设备，所述表面为台面，且所述可移动对象为游戏棋子。

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