DE19700647C1 - Dateneingabevorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dateneingabevorrichtung mit einer rotierenden Kugel (Rollkugel) und einer Vorrichtung zur Erfassung der Rotation der Kugel.

Verschiedene Arten von Vorrichtungen zur manuellen Eingabe von Daten in elektronische Vorrichtungen sind bekannt, z. B. Tastaturen oder Drucktastenanordnungen. Mit dem Aufkommen von elektronischen Vorrichtungen, welche Anzeigeschirme benutzen, um den Bediener zu informieren und ihm zu helfen mit der Vorrichtung zu wechselwirken, ist es wichtig geworden, Dateneingabevorrichtung bereitzustellen, mit denen eine hervorgehobener Abschnitt auf dem Bildschirm (z. B. ein Cursor oder Zeiger) manipuliert werden kann, d. h. an einen gewünschten Ort auf dem Bildschirm bewegt werden kann. Eine bekannte Dateneingabevorrichtung diese Art ist eine Maus.

Eine Maus enthält im allgemeinen eine Kugel, welche in einem Gehäuse rotierend gelagert ist, wobei die Bewegung des Gehäuses durch einen Bediener dazu führt, daß die Kugel rotiert, da die Kugel mit der Oberfläche, welche sich unter dem Gehäuse befindet, in Reibungskontakt gehalten wird. Die Rotation der Kugel wird von Sensorelementen erfaßt, welche die Rotation in zwei unterschiedlichen Richtungen messen. Die Bewegung der Kugel in diesen zwei Richtungen wird dann in eine Bewegung des Cursors oder Zeigers auf dem zweidimensionalen Anzeigebildschirm übersetzt.

Eine Eingabevorrichtung, welche gemäß dem in Grunde genommen gleichen Prinzip arbeitet, ist der sogenannte Track-Ball. Ein Track-Ball besteht auch aus einer rotierenden Kugel in einem Gehäuse, wobei die Rotation der Kugel erfaßt wird, aber der Unterschied besteht darin, daß in Falle des Track-Balls nicht das Gehäuse bewegt wird, sondern die Kugel selbst vom Bediener bewegt wird. Dies hat den Vorteil, daß kein Raum zum Bewegen der Maus erforderlich ist. Folglich werden Track-Balls gerne in Vorrichtungen eingesetzt, bei denen verfügbarer Raum ökonomisch ausgenutzt werden muß, d. h. insbesondere in tragbaren Geräten wie Laptop-Computern.

Verschiedene Techniken zur Messung der Drehbewegung der Kugel sind bekannt. Eine besteht darin, Walzen bzw. Rollen vorzusehen, die die Kugel berühren, wobei die Walzen so orientiert sind, daß sie unterschiedliche Drehrichtungen der Kugel aufnehmen. Die Rotation der Walzen wird dann ausgewertet, z. B. durch optische Messung von Abtastscheiben, welche mit den Wellen verbunden sind, auf welchen die Walzen gehalten werden.

Es ist ebenfalls möglich, ein optisches Verfahren zur direkten Messung der Kugelrotation zu schaffen, wie in WO-94/22071 gezeigt. Gemäß diesem Dokument ist die Kugel mit einer Vielzahl von konkaven Reflektoren bedeckt und ähnelt daher einem Golfball. Lichtaussende- und Lichtempfangs-Vorrichtung sind um die Kugel herum angeordnet, wobei die unterschiedlichen Reflexionen der Kugel dazu verwendet werden, die Rotation der Kugel zu erfassen. Diese Kugel ist mit einer transparenten Schicht überzogen, um dadurch glatt zu rollen. Ein ähnliches Schema ist aus DE 30 45 133 A1 bekannt.

Ferner ist aus DE 39 12 354 A1 ein System zur genauen Messung der rotierten Distanz bekannt, in welchem mindestens zwei Permanentmagnete in der rotierenden Kugel vorgesehen sind, wobei die Magnete einen Winkel ungleich 0° einschließen. Mindestens zwei magnetischen Sensoren, wie Hall-Sensoren, sind um die Kugel herum angeordnet, um dadurch die Rotation der Kugel auf der Grundlage der Veränderung des Magnetfeldes zu messen.

Die oben erwähnten Systeme sind dadurch gekennzeichnet, daß der Cursor oder Zeiger an jeden gewünschten Punkt auf dem Bildschirm bewegt werden kann, um dadurch einen mit jenem Punkt in Verbindung stehenden Befehl auszuwählen, wobei der Bediener dann einen Knopf oder eine Taste betätigen muß, um dadurch die Vorrichtung dazu zu bringen, den Befehl auszuführen. Dieser scheinbare Vorteil wird zu einem Nachteil, wenn die Sichtbedingungen sich verschlechtern, d. h. wenn der Bediener den Bildschirm nicht klar sehen kann. Dies kann z. B. dann der Fall sein, wenn eine tragbare elektronische Vorrichtung im Freien bei direkter Sonneneinstrahlung verwendet wird. Dies ist ebenso der Fall, wenn der Benutzer blind ist. Tastaturen und Drucktastenanordnungen können oft von Blinden verwendet werden, z. B. einfach dadurch, daß ein gewünschter Befehl ausgeführt werden kann, indem eine Taste an einer bekannten Position eine vorbestimmte Anzahl von Malen gedrückt wird. Dagegen sind Eingabevorrichtungen mit rotierenden Kugeln im allgemeinen für blinde Personen nicht geeignet.

DE 41 40 780 C2 offenbart eine Eingabevorrichtung, welche dem Bediener eine taktile Rückkopplung bereitstellt. Die beschriebene Eingabevorrichtung ist mit einer Maus vergleichbar, nur daß ein Teil der Fläche, auf welche der Bediener seine Hand legt, mit einer Anordnung von Tasten bedeckt ist, deren Höhe ansprechend auf die Zeigerposition auf einem Bildschirm eingestellt werden kann. Daher kann der Bediener die Position des Bildschirmzeigers "fühlen", mittels der Position einer erhobenen Taste in der Anordnung. Dieses System ist kompliziert, da es Tasten erfordert, die erhöht werden können, und eine Rückkoppelung von dem Bildschirmsteuerssystem erfordert, und schließlich nimmt es viel Raum ein.

DE 38 28 416 C2 offenbart eine Vorrichtung zur manuellen Steuerung einer elektronischen Vorrichtung. Diese Druckschrift gibt als Beispiel ein Bandspielgerät an, bei welchem ein Track-Ball selektiv verwendet wird, um die Bandposition einzustellen, und um einen Cursor auf einem Bildschirm zu bewegen. Der Track-Ball umfaßt eine Kugel und Walzen, wobei die Wellen der Walzen mit Bremsen verbunden sind. Die Bremsen werden ansprechend auf die Information betätigt, welche von dem Bildschirm oder von der Bandeinstellvorrichtung zurückgekoppelt wird, um dadurch den Bediener einen Widerstand in der Kugel an gegebenen Positionen fühlen zu lassen. Beide Bremsen können beispielsweise dann betätigt werden, wenn der Cursor den Rand des Bildschirmes erreicht, so daß der Bediener den Rand "fühlt". Wie im vorher beschriebenen Fall, ist diese Vorrichtung verhältnismäßig kompliziert, und die Bremsen erfordern einen ausreichenden Raum.

JP 62-75830 offenbart eine Maus, welche eine Bremse für die rotierende Kugel enthält.

Aufgrund ihrer Komplexität und ihrer Verwendung von Raum sind diese Vorrichtungen nicht für die Miniaturisierung geeignet, so daß sie nicht leicht in tragbaren Vorrichtungen zur Anwendung gebracht werden können, insbesondere nicht in kleindimensionierten Vorrichtungen, wie beispielsweise tragbaren Telefonen. Das Gebiet der kleinen tragbaren Vorrichtungen ist jedoch sehr vielversprechend für die Anwendung von Eingabevorrichtungen nach Art des Track-Balls, da Track-Balls so angeordnet werden können, daß sie weniger Raum einnehmen als vier Richtungstasten. Dies liegt daran, daß die Richtungstasten eine ausreichende Fläche haben müssen, sowie einen ausreichenden Abstand voneinander, da es ansonsten für den Bediener schwer wird, die individuellen Tasten zu betätigen, ohne Gefahr zu laufen, mehrere Tasten gleichzeitig zu drücken.

CA 2 012 199 offenbart ein Kommunikations-Handgerät mit einem Drehschalter und einer Anzeige. Die Bewegung des Schalters bewirkt die Markierung von Menüpunkten auf dem Bildschirm, wobei eine Auswahl durch Drücken des Schalters geschieht. Der Drehschalter umfaßt bogenförmige Vertiefungen, in welche eine von einer Feder gedrückte Kugel eingreift, so daß der Rotation ein Widerstand entgegengesetzt wird und die Bewegung in diskrete Schritte aufgeteilt wird.

Die Veröffentlichung "Mouse with Geodesic Ball, "Research Disclosure", July 1989, Seite 519" zeigt eine Eingabevorrichtung für einen Computer in Form einer Maus, die eine geodätische Mauskugel anstelle einer sphärischen Kugel verwendet. Die gezeigte Mauskugel hat eine Anzahl flacher Seiten, so daß mit der Maus ein diskretes Lesen erfolgen kann. Die Kugel sorgt außerdem für eine taktile Rückkopplung, was insbesondere für blinde Bediener nützlich ist.

EP 0 520 089 A1 betrifft eine Maus zur Dateneingabe und zur Steuerung. Dabei ist eine auf eine Kugel ausgeübte Reibkraft einstellbar gemacht. Dies erfolgt entweder auf mechanische Weise oder mittels Magnetkraft. Die Mauskugel enthält einen aus Eisen oder einem ähnlichen magnetisch empfindlichen Material ausgeführten Kern. Ein Magnet ist im Mausgehäuse außerhalb der Kugel angeordnet. Der innere Kern der Kugel kann kleine Unebenheiten aufweisen kann, die jeweils sehr nahe beieinander angeordnet sind. Diese Anordnung soll die Auswirkung haben, daß eine sich ändernde Kugelkraft erzeugt wird, die am kleinsten wird, wenn eine Unebenheit oder "Beule" (bump) dem Magneten am nächsten ist. Dies hat zur Folge, daß ein Bediener die Kugelbewegung in kleinen Stufen fühlen kann. Der Steuermagnet kann ein Elektromagnet sein, wobei eine Kraft durch Ändern des Stroms durch die Spule gesteuert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dateneingabevorrichtung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 520 089 A1 bekannt ist, derart weiterzubilden, daß ein Minimum an Elementen benötigt wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Dateneingabevorrichtung gelöst, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 1, 7 und 9 angegeben ist. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß kann eine Eingabevorrichtung auf einfache Weise miniaturisiert werden und dennoch auf vorteilhafte Weise von einem Bediener, der auch blind sein kann, eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Dateneingabevorrichtung, welche eine rotierende Kugel enthält, bei welcher die rotierende Kugel in der Lage ist, eine vorbestimmte und endliche Zahl von Zuständen einzunehmen, und der Bediener das Einnehmen dieser Zustände fühlen (und vorzugsweise hören) kann.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der Ausführungen der Erfindung ersichtlich werden. Es wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, in welchen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, bei welcher die Wechselwirkungsvorrichtungen auf der Grundlage einer mechanischen Wechselwirkung arbeiten;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, bei welcher die Wechselwirkungsvorrichtungen auf der Grundlage einer magnetischen Wechselwirkung arbeiten;

Fig. 3 eine Perspektivansicht einer Struktur zum Halten von Magneten ist, die in der in Fig. 2 gezeigten Kugel enthalten sind; und

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, welche einen optischen Rotationsdetektor verwendet.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet eine rotierende Kugel, die Ziffer 2 bezeichnet die Vertiefungen in der Oberfläche der Kugel 1, die Ziffer 3 bezeichnet mechanische Wechselwirkungs­ vorrichtungen (Eingriffsvorrichtungen), welche mit den Vertiefungen 2 auf der Oberfläche der Kugel 1 wechselwirken, und die Ziffer 4 bezieht sich auf Rotationserfassungs­ vorrichtungen, um zu erfassen, wie weit die Kugel 1 rotiert wurde. Die mechanische Wechselwirkungsvorrichtung 3 besteht vorzugsweise aus einer Kugel 31, welche an einer Feder 32 festgemacht ist.

Die Rotationserfassungsvorrichtungen 4 sind mit einer Rotationsauswerteschaltung (nicht abgebildet) verbunden, in welcher die Stärke der Rotation der Kugel 1, die von den Detektoren 4 erfaßt wird, in ein elektrisches Signal übersetzt wird, welches seinerseits als Eingabe der elektronischen Vorrichtung bereitgestellt wird, in welcher die gegenwärtig beschriebene Ausführung eingebaut ist. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist in einem Gehäuse (nicht abgebildet) enthalten, um dadurch eine Dateneingabevorrichtung mit einer Rollkugel zu bilden, wie beispielsweise ein Track-Ball oder eine Maus.

Wenn die in Fig. 1 gezeigte Kugel 1 aus der in der Figur gezeigten Position rotiert wird, d. h. der Position, in welcher die kleinen Kugeln 31, die von den Federn 32 gedrückt werden, in den Vertiefungen 2 gehalten werden, dann wird ein Benutzer einen gewissen mechanischen Widerstand spüren. Andererseits ist, wenn die Kugeln 31 noch nicht in gegebenen Vertiefungen 2 eingerastet sind, die zum Rotieren der Kugel 1 notwendige Kraft kleiner als im Fall, daß die Kugeln 31 sich in einer der Vertiefungen 2 befinden. Wenn eine der Kugeln 31 den Rand 21 einer Vertiefung 2 erreicht, dann wird die Kugel 31 in der Vertiefung 2 einrasten. Dieser einrastende Eingriff kann von dem Bediener, der die Kugel 1 betätigt, leicht gefühlt werden, und vorzugsweise führt das Einrasten einer Kugel 31 zu einem hörbarem Klickgeräusch. Auf diese Weise kann der Benutzer die Bewegung der rotierenden Kugel 1 fühlen und hören.

Die Zahl der Zustände, in welchen die mechanischen Wechselwirkungsvorrichtungen 3 und die Vertiefungen 2 sich in Eingriff befinden, sind endlich, und werden von der Zahl der Vertiefungen auf der Oberfläche der Kugel 1 bestimmt, und von der Zahl der Wechselwirkungsvorrichtungen 3, die entlang der Peripherie 1 angeordnet sind. Die Zahl der Zustände wird ebenso von der relativen geometrischen Anordnung der Vertiefungen und der Eingriffsvorrichtungen bestimmt, und von der Symmetrie, mit welcher die Vertiefungen und Eingriffsvorrichtungen angeordnet sind. Vorzugsweise entspricht diese endliche Anzahl von Zuständen, in welchen die Kugeln von den in den Vertiefungen 2 stehenden Wechselwirkungsvorrichtungen 3 gehalten wird, einer gegebenen Anzahl von Zuständen auf einem Anzeigebildschirm der elektronischen Vorrichtung, in welcher die Dateneingabevorrichtung der gegenwärtig beschriebenen Ausführung verwendet wird. Genauer gesagt kann der Bildschirm z. B. ein Menü anzeigen, in welchem der Cursor an n Positionen auf dem Bildschirm bewegt werden kann, wobei n eine ganze Zahl ist. In diesem Fall wird bevorzugt, daß die in Fig. 1 gezeigte Eingabevorrichtung ebenfalls in der Lage ist n Zustände einzunehmen. In diesem Fall kann der Benutzer direkt "fühlen" (und hören) wenn die rotierende Kugel 1 den Cursor von einer Position zur nächsten bewegt. Obwohl diese Entsprechung zwischen der Zahl der Zustände, welcher ein Cursor (oder ein Zeigerelement) auf einem Bildschirm einnehmen kann, und der Zahl der Zustände, die die Kugel 1 einnehmen kann, bevorzugt ist, ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf eine solche Entsprechung beschränkt. Es ist vielmehr genauso gut möglich, daß die Zahl der Zustände, die die Kugel 1 einnehmen kann, größer oder kleiner ist als die Zahl der Zustände, die der Cursor auf dem Bildschirm einnehmen kann.

Darüber hinaus hat die in Fig. 1 gezeigte Kugel 1 eine regelmäßige Anordnung von Vertiefungen 2 auf ihrer Oberfläche, d. h. die Vertiefungen 2 sind auf symmetrische Weise angeordnet. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da die individuellen Zustände, in welche die Kugel 1 einrasten kann, in gleichen Rotationsabständen der Kugel 1 auftreten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf eine solche symmetrische Anordnung beschränkt. Ganz im Gegenteil, wenn gewünscht wird, eine spezifische Anordnung von Zuständen eines Cursors auf einem Bildschirm wiederzugeben, ist es sehr wohl möglich, auch eine nicht symmetrische Anordnung von Vertiefungen auf der Kugeloberfläche vorzusehen, so daß die Bewegung der rotierenden Kugel 1 der Bewegung des Cursors auf dem Bildschirm sehr genau entspricht. Fig. 1 zeigt auch 2 mechanische Vorrichtungen, welche bezüglich der rotierenden Kugel 1 symmetrisch angeordnet sind. Es ist jedoch genauso möglich, nur eine mechanische Vorrichtung zu haben, oder mehr als zwei zu haben. Ferner muß eine Vielzahl solche Einrastvorrichtungen nicht notwendigerweise auf symmetrische Weise angeordnet sein.

Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Vertiefungen 2 auf der Kugel 1, und der symmetrischen Anordnung der mechanischen Eingriffsvorrichtungen 3 bezüglich der Kugel 1, kann das in Fig. 1 gezeigte System sechs Zustände einnehmen, wobei beachtet werden sollte, daß eine der Vertiefungen auf der Kugel 1 nicht in der Figur gezeigt ist, da sie sich auf der hinteren Seite der Kugel 1 befindet.

Erfindungsgemäß enthält das System der Fig. 1 keine konventionellen Lagervorrichtungen für die Kugel 1, da es möglich ist, die mechanischen Eingriffsvorrichtungen 3 auf solch eine Weise anzuordnen, daß sie auch den Zweck erfüllen, die Kugel 1 auf drehbare Weise zu halten. Mit anderen Worten: Die mechanischen Eingriffsvorrichtungen 3 bestimmen einerseits die endliche Zahl von Zuständen, welche das System durch Wechselwirkung mit den Vertiefungen 2 annehmen kann, und dienen andererseits auch als Lager für die Kugel 1, so daß sie eine Doppelfunktion erfüllen.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Rotationserfassung mit Hilfe einer optischen Erfassungsanordnung bewerkstelligt. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind Lichtleitvorrichtungen 81 (oder Lichterzeugungsvorrichtungen) vorgesehen, welche Lichtstrahlen auf die Oberfläche der Kugel 1 richten. Die Vertiefungen 2 sind so gebildet, daß das Licht aus den Leitvorrichtungen 81 auf einen Fotodetektor 82 fokussiert wird, wenn die Vertiefung 2 sich gegenüber dem Detektor 82 befindet, wie auf der rechten Seite der Fig. 4 gezeigt. Andererseits, wenn die Kugel 1 sich in einer anderen Position befindet, wird das Licht von der Leitvorrichtung 81 nicht den Fotodetektor 82 erreichen, wie auf der linken Seite der Fig. 4 gezeigt. Somit kann das Signal auf dem Fotodetektor 82 zur Bestimmung und Messung der Rotation der Kugel 1 verwendet werden. Die Lichtleitvorrichtung 81 kann aus bekannten Plastikmaterialien bestehen, welche die gewünschten Eigenschaften haben, wobei die Lichtquelle (nicht abgebildet) zur Zuführung von Licht an die Leitvorrichtung 81 z. B. ein Lichtquelle sein kann, welche mit einer konventionellen Tastaturbeleuchtung zusammenhängt. Es ist jedoch genauso möglich, daß die in Fig. 4 gezeigten Elemente 81 Lichtquellen sind, welche Licht an den gezeigten Orten erzeugen, z. B. LEDs.

Eine solche optische Rotationsmeßvorrichtung wird in der vorliegenden Erfindung verwendet, wodurch es somit möglich wird, die Vertiefungen 2 auf doppelte Weise auszunutzen. Die Vertiefungen 2 wechselwirken einerseits mit den Wechselwirkungsvorrichtungen 3 (z. B. Federn), um dadurch die diskreten Zustände zu konfigurieren, welche die Kugel 1 einnehmen kann, und welche der Benutzer beim Bewegen der Kugel 1 fühlt, und andererseits werden die Vertiefungen 2 zur Messung der Rotation der Kugel 1 verwendet. Eine besonders vorteilhafte Struktur ergibt sich dann, wenn die oben erwähnte Doppelfunktion der Wechselwirkungsvorrichtungen 3 (d. h. Wechselwirkung mit den Vertiefungen und gleichzeitig Halten der Kugel 1) mit dieser Doppelfunktion der Vertiefungen 2 kombiniert wird. Es sollte jedoch beachtet werden, daß das Merkmal einer optischen Rotationsmeßvorrichtung mit jeder der oben oder im Folgenden beschriebenen Ausführungen kombiniert werden kann.

Zusätzlich zu den hörbaren Lauten, welche sich aus der mechanischen Wechselwirkung zwischen den Vertiefungen 2 und den Wechselwirkungsvorrichtungen 3 ergeben, kann die Ausgabe des Fotodetektors 82 zur Freigabe eines Audiosignals verwendet werden, z. B. eines Piepgeräusches, jedesmal daß eine Vertiefung an dem Fotosensor 82 vorbeiläuft. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit des Systems.

Die oben beschriebenen Ausführungen benutzen Vertiefungen 2 auf der Kugel 1 als erste Wechselwirkungsvorrichtungen und flexible Eingriffsvorrichtungen 3 als zweite Wechselwirkungsvorrichtungen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf ein solche spezifische Anordnung beschränkt. Es ist vielmehr ebenso möglich, daß die Kugel 1 Ausstülpungen bzw. Ausbeulungen anstelle der Vertiefungen besitzt, wobei diese Ausstülpungen mit zusammendrückbaren Federelementen wechselwirken, die um die Peripherie der Kugel 1 herum angeordnet sind. Das System arbeitet gemäß dem gleichen Prinzip wie oben beschrieben, nämlich so, daß die Kugel bei der Rotation in eine diskrete Anzahl von Zuständen einrasten wird, wobei die Zahl der Zustände von der geometrischen Anordnung der Ausstülpungen auf der Oberfläche der Kugel und der geometrischen Anordnung der um die Peripherie der Kugel herum angeordneten flexiblen Elemente bestimmt wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche ein anderes Wechselwirkungsprinzip zwischen den ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen verwendet. Wie in Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine rotierende Kugel. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine geometrische Anordnung von Permanentmagneten 51, welche innerhalb der Kugel 1 vorgesehen sind. Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer möglichen Struktur 5, um die Magnete 51 anzuordnen.

Die Bezugsziffer 61 bezeichnet einen Permanentmagneten, welcher gegenüber der Kugel 1 angeordnet ist. Die Ziffer 62 bezeichnet einen Elektromagneten, dessen Feldstärke durch Anlegen eines Stroms aus eine Quelle 71 eingestellt werden kann. Der Elektromagnet 62 besteht aus einer Spule 73, welche um einen Kern 74 gewickelt ist. Fig. 2 zeigt ferner einen Schalter 72, welcher dazu dient, zu symbolisieren, daß der Strom aus der Quelle 71 auf jede gewünschte Weise steuerbar ist, so daß die von dem Elektromagneten 62 erzeugte Magnetfeldstärke auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann.

Im Hinblick auf die Elemente 51 und 61, die in Fig. 2 gezeigt werden, beachte man, daß beide Elemente nicht notwendigerweise Permanentmagneten sind. Es ist ausreichend, wenn ein Element ein Permanentmagnet ist und das andere nur ferromagnetische Eigenschaften zeigt, z. B. aus magnetischen Weicheisen besteht. Es ist nur wichtig, daß die jeweiligen Elemente magnetisch wechselwirken. Es wird jedoch bevorzugt, daß beide Elemente 51 und 61 Permanentmagneten sind, wie oben beschrieben.

Die Anordnung der Fig. 2 arbeitet gemäß dem gleichen Prinzip wie jene der Fig. 1, nämlich daß die notwendige Kraft zum Rotieren der Kugel 1 von dem Positionsverhältnis zwischen den Permanentmagneten 51 in der Kugel und den Magneten 61 oder 62, die um die Kugel herum angeordnet sind, abhängt. Genauer gesagt, wenn die Nord- und Südpole der Magnete so angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, nämlich daß die Nordpole der Magnete 51 in der Kugel 1 zu der Oberfläche der Kugel hin gerichtet sind, bzw. die Südpole der um die Kugel herum angeordneten Magnete 61 zu der Oberfläche zeigen, dann führt die in Fig. 2 gezeigte Ausrichtung zu einem mechanischen Widerstand, wenn man versucht die Kugel an eine andere Position zu rotieren. Andererseits, wenn die Magnete 61, 62 und 51 nicht ausgerichtet sind, dann wird eine Kraft auf die Kugel ausgeübt, so daß sie in den Ausrichtungszustand rotiert wird.

Man beachte, daß die Orientierung der Magnete 51 in der Kugel und die Orientierung der Magnet außerhalb der Kugel beliebig sein kann. Wenn z. B. der in Fig. 2 gezeigte Permanentmagnet 61 umgedreht werden würde, d. h. sein Nordpol zur der Kugeloberfläche zeigen würde, dann würde die Wechselwirkung zwischen dem Magneten 61 und einem Magneten 51 dazu führen, daß der Magnet 51 abgestoßen werden würde. Dies würde dazu führen, daß die stabilen Zustände der Kugel (d. h. die Zustände in welche die Kugel einrastet) jene wären, bei welchen zwei Magnete 51 einen gleichen Abstand vom Magneten 61 halten.

Die Anordnung der Magnete 51 in Fig. 2 entspricht der Anordnung der Vertiefungen 2 in Fig. 1. Darüber hinaus anspricht die Anordnung der Außenmagnete 61, 62 in Fig. 2 der Anordnung der flexiblen Eingriffsvorrichtungen 3 in Fig. 1. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezifische geometrische Anordnung von Wechselwirkungsvorrichtungen beschränkt, und daher können die Magnete 51, 61 und 62 im Prinzip auf jede geeignete Weise angeordnet sein. Jede beliebige Zahl solcher Magnete kann vorgesehen werden.

Die zwischen den Magneten herrschenden Kräfte können von dem Bediener, der die rotierende Kugel 1 betätigt, gefühlt werden, so daß der Bediener fühlen kann, wie die Kugel eine diskrete Zahl von Zuständen einnimmt. Dies führt zu einer Situation, die der in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen sehr ähnlich ist, so daß alle entsprechenden Aspekte, die in Zusammenhang mit Fig. 1 besprochen wurden, auch für die in Fig. 2 gezeigte Anordnung gelten.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung zeigt die Verwendung eines Permanentmagneten 61 und eines Elektromagneten 62 zusammen in einer Anordnung. Erfindungsgemäß werden jedoch Elektromagnete verwendet. Die Elektromagnete haben den Vorteil, daß ihre magnetische Feldstärke eingestellt werden kann. Daher kann durch Vorsehen einer geeigneten Steuervorrichtung (in Fig. 2 schematisch als Schalter 72 gezeigt), die Feldstärke auf die gewünschte Weise eingestellt werden. Die Feldstärke kann beispielsweise ansprechend auf Merkmale auf dem Bildschirm der elektronischen Vorrichtung, in welche die Eingabevorrichtung der Fig. 2 eingebaut ist, eingestellt werden. Es ist ebenso möglich die Stärke des Einrastens einzustellen, so daß ein Benutzer eine gewünschte Stärke auswählen kann.

Die Verwendung von Elektromagneten 62 hat einen weiteren wichtigen Vorteil. Durch Anschließen einer Spannungserfassungsvorrichtung (nicht abgebildet) an die Spule 73 wird die Rotation der Kugel 1 gemessen, da die vorbeilaufenden Permanentmagnete 51 eine Veränderung in der magnetischen Flußdichte bewirken, welche ihrerseits dazu führt, daß eine Spannung in der Spule 73 induziert wird. In der erfindungsgemäßen Ausführung wird die Rotation der Kugel 1 daher in Übereinstimmung mit der in den Spulen 73 der Elektromagnete 62 induzierten Spannung erfaßt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die Spannungsinduktion in den Spulen 73 der Elektromagnete 73 auch dazu verwendet werden, ein hörbares Signal zu erzeugen, z. B. ein Piep-Geräusch oder ein Klick-Geräusch, so daß der Bediener die Rotation der Kugel 1 hören kann, ähnlich dem mechanischen Klick-Geräusch, welches von der in Fig. 1 gezeigten Anordnung erzeugt wurde. Aus diesem Grund muß die elektronische Vorrichtung, in welche die in Fig. 2 gezeigte Eingabevorrichtung eingebaut ist, einen Lautsprecher und eine Lautsprecher-Steuervorrichtung haben, wobei die Lautsprecher-Steuer­ vorrichtung den Lautsprecher so ansteuert, daß dieser das spezifische Steuersignal immer dann abgibt, wenn die Spannung bzw. Spannungsänderung, die an der Spule gemessen wird, eine bestimmte Bedingung erfüllt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung bestehen die Magnete 51 in der Struktur 5 aus einem magnetisierbaren Material, wie magnetisch hartem Stahl, so daß die Magnete 51 sich wie Permanentmagnete verhalten, sobald sie magnetisiert wurden, wobei diese Magnetisierung jedoch durch Anlegen von ausreichend starken äußeren Magnetfeldern verändert werden kann. Eine Vorrichtung zur Magnetisierung und/oder Demagnetisierung dieser Magnete 51 kann aus einem Gleichstrommagneten zur Magnetisierung und einer Wechselstrom-Magnetquelle zur Demagnetisierung bestehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine "programmierbare" Kugel 1 zu schaffen, da die magnetischen Eigenschaften der individuellen Magnete 51 und der Kugel 1 von außen eingestellt werden können. Es ist beispielsweise möglich, die Kugel 1 während der Produktion auf eine gewünschte Weise magnetisch zu konfigurieren, wobei die Anwendung einer spezifischen Konfiguration von einer Kugel zur nächsten leicht verändert werden kann, indem einfach die Magnetisierungsstärke und das Magnetisierungsmuster für die Magneten 51 in der Kugel 1 individuell verändert wird. Darüber hinaus kann die Konfiguration zu einem späteren Zeitpunkt verändert werden, z. B. durch eine Magnetisier-/Demagnetiservorrichtung, die in der Vorrichtung enthalten ist, in welche die Eingabevorrichtung der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Ein Benutzer kann dadurch die magnetische Konfiguration in der Kugel 1 individuell einstellen, in Übereinstimmung mit seinen Präferenzen oder mit Erfordernissen der Vorrichtung und Software, die er benutzt.

Im folgenden wird ein Beispiel einer Anwendung der vorliegenden Erfindung gegeben. Zellulare Telefone (sogenannte Handys) umfassen heutzutage im allgemeinen kleine Datenbildschirme, welche dazu verwendet werden, dem Benutzer Informationen anzuzeigen. Typischerweise zeigt ein solcher Bildschirm ein Menü an, z. B. ein Liste von Telefonnummern, welche gespeichert sind, und welche durch einfaches Drücken einer bestimmten Taste automatisch angerufen werden können. In diesem Fall muß der Benutzer einen Cursor (Zeiger) zu einem gegebenen Punkt in der Liste bewegen, wobei dieser Punkt der gewünschten Telefonnummer entspricht. Unter der Annahme, daß der Benutzer nicht in der Lage ist den Bildschirm zu sehen, z. B. aufgrund der direkten Sonneneinstrahlung, daß er aber dennoch die Position des Punktes auf dem Bildschirm durch Übung kennt, erlaubt die Dateneingabevorrichtung der vorliegenden Erfindung es dem Benutzer, den Cursor an die gewünschte Position zu bewegen, obwohl der Benutzer den Bildschirm nicht sehen kann, auf welchem der Cursor bewegt wird. Wenn der Benutzer beispielsweise weiß, daß der gewünschte Punkt sich drei Schritte nach unten und ein Schritt nach links befindet, dann kann er die Kugel 1 der vorliegenden Erfindung nach unten rollen, bis er fühlt, daß drei Zustände eingenommen worden sind, vorauf hin er die Kugel um ein Schritt nach rechts bewegt. Er kann genauso gut die Zahl der Klick- oder Piep-Geräusche hören und zählen, die durch die Bewegung der Kugel 1 erzeugt werden. Gleichzeitig spart die Dateneingabevorrichtung der vorliegenden Erfindung Raum in Vergleich mit einem Satz von vier Druckknöpfen für Bewegung eines Cursors auf einem Bildschirm.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Anwendung beschränkt, und kann vorteilhaft auch z. B. in einem Laptop-Computer, einem sogenannten Palmtop-Gerät, wie einem elektronischem Adreß- und Notizbuch, oder in ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden.

Somit schafft die vorliegende Erfindung eine baulich einfache Dateneingabevorrichtung, welche eine rotierende Kugel enthält, wobei die Kugel in der Lage ist, eine vorbestimmte, endliche Zahl von Zuständen anzunehmen, und der Bediener fühlen und vorzugsweise hören kann, wie die Kugel diese Zustände einnimmt.

Claims (20)

1. Dateneingabevorrichtung, umfassend eine rotierende Kugel (1) und eine Rotations-Erfassungsvorrichtung (4; 73) zur Erfassung der Rotation der Kugel (1), wobei mindestens eine erste Wechselwirkungsvorrichtung (2; 51) an einem vorbestimmten Ort auf oder in der Kugel (1) vorgesehen ist, und mindestens eine zweite Wechselwirkungsvorrichtung (3; 61; 62) an einem vorbestimmten Ort um die Kugel (1) herum angeordnet ist, und die ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen (2; 51; 3; 61; 62) aufeinander eine Kraft ausüben, so daß die zum Rotieren der Kugel (1) notwendige Kraft von dem Positionsverhältnis zwischen der ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtung (2; 51; 3; 61; 62) abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen (3; 61; 62) Lager darstellen, um die Kugel (1) in einem rotierbaren Zustand zu halten.

2. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wechselwirkungsvorrichtung eine Vertiefung (2) ist, die in der Oberfläche der Kugel (1) vorgesehen ist, und die zweite Wechselwirkungsvorrichtung ein flexibles Element (3) ist, welches gegenüber der Oberfläche der Kugel (1) vorgesehen ist, wobei das flexible Element (3) die Oberfläche der Kugel (1) berührt und eine Kraft zur Oberfläche hin ausübt.

3. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flexibel Element (3) aus einer Federvorrichtung (32) und einer Kugelvorrichtung (31) besteht, wobei die Kugelvorrichtung (31) an einem zur Kugel (1) gerichteten Ende der Federvorrichtung (32) vorgesehen ist, und die Federvorrichtung (32) in einem Gehäuse so zusammengedrückt wird, daß sie die Kugelvorrichtung (31) zur Oberfläche der Kugel (1) drückt.

4. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wechselwirkungsvorrichtung eine Ausstülpung ist, die in der Oberfläche der Kugel (1) vorgesehen ist, und die zweite Wechselwirkungsvorrichtung ein flexibles Element ist, welches gegenüber der Oberfläche der Kugel (1) vorgesehen ist, wobei das flexible Element die Oberfläche der Kugel (1) berührt und eine Kraft zur Oberfläche hin ausübt.

5. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 2 oder einem von Anspruch 2 abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleitvorrichtung (81), welche Lichtstrahlen in Richtung der Oberfläche der Kugel (1) richtet, und eine Fotodetektiervorrichtung (82) vorgesehen ist, welche so angeordnet ist, daß Licht von der Lichtleitvorrichtung (81) auf die Fotodetektiervorrichtung (82) von einer Vertiefung (2) fokussiert wird, wenn die Vertiefung (2) sich in einem vorbestimmten geometrischen Verhältnis bezüglich der Lichtleitvorrichtung (81) und der Fotodetektiervorrichtung (82) befindet.

6. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgabesignal aus der Fotodetektiervorrichtung (82) dazu verwendet wird, die Rotation der Kugel (1) zu erfassen.

7. Dateneingabevorrichtung, umfassend eine rotierende Kugel (1) und eine Rotations-Erfassungsvorrichtung (4) zur Erfassung der Rotation der Kugel (1), wobei mindestens eine erste Wechselwirkungsvorrichtung an einem vorbestimmten Ort auf oder in der Kugel (1) vorgesehen ist, und mindestens eine zweite Wechselwirkungsvorrichtung an einem vorbestimmten Ort um die Kugel (1) herum angeordnet ist, und die ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen aufeinander eine Kraft ausüben, so daß die zum Rotieren der Kugel (1) notwendige Kraft von dem Positionsverhältnis zwischen der ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtung abhängt,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die erste Wechselwirkungsvorrichtung eine Vertiefung (2) oder Ausstülpung ist, die in der Oberfläche der Kugel (1) vorgesehen ist, und die zweite Wechselwirkungsvorrichtung ein flexibles Element (3) ist, welches gegenüber der Oberfläche der Kugel (1) vorgesehen ist, wobei das flexible Element (3) die Oberfläche der Kugel (1) berührt und eine Kraft zur Oberfläche hin ausübt,
• - die Rotationserfassungsvorrichtung (4) eine Lichtleitvorrichtung (81), welche Lichtstrahlen in Richtung der Oberfläche der Kugel (1) richtet, und eine Fotodetektiervorrichtung (82) umfaßt, welche so angeordnet ist, daß Licht von der Lichtleitvorrichtung (81) auf die Fotodetektiervorrichtung (82) von einer der Vertiefungen (2) oder Ausstülpungen der ersten Wechselwirkungsvorrichtung fokussiert wird, wenn die Vertiefung (2) oder Ausstülpung sich einem vorbestimmten geometrischen Verhältnis bezüglich der Lichtleitvorrichtung (81) und der Fotodetektiervorrichtung (82) befindet, und
• - das Ausgabesignal aus der Fotodetektiervorrichtung (82) dazu verwendet wird, die Rotation der Kugel (1) zu erfassen.

8. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Elemente (3) Lager darstellen, um die Kugel (1) in einem rotierbaren Zustand zu halten.

9. Dateneingabevorrichtung, umfassend eine rotierende Kugel (1) und eine Rotations-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der Rotation der Kugel (1), wobei mindestens eine erste magnetische Wechselwirkungsvorrichtung (51) an einem vorbestimmten Ort auf oder in der Kugel (1) vorgesehen ist, und mindestens eine zweite magnetische Wechselwirkungsvorrichtung (61; 62) an einem vorbestimmten Ort um die Kugel (1) herum angeordnet ist, und die ersten und zweiten magnetischen Wechselwirkungsvorrichtungen (51; 61; 62) aufeinander eine Kraft ausüben, so daß die zum Rotieren der Kugel (1) notwendige Kraft von dem Positionsverhältnis zwischen der ersten und zweiten magnetischen Wechselwirkungsvorrichtung (51; 61; 62) abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite magnetische Wechselwirkungsvorrichtung ein Elektromagnet (62) mit einer Spule (73) ist, welche gleichzeitig ein Bestandteil der Rotationserfassungsvorrichtung ist.

10. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Wechselwirkungsvorrichtung (51) ein Permanentmagnet ist.

11. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Wechselwirkungsvorrichtung (51) aus einem magnetisch hartem Material besteht.

12. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (62) mit einer Stromsteuervorrichtung (71; 72) zur Steuerung der von dem Elektromagneten (62) erzeugten Magnetfeldstärke verbunden ist.

13. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (73) mit einer Spannungserfassungsvorrichtung verbunden ist, welche eine Spannung erfaßt, die von einer Bewegung der ersten magnetischen Wechselwirkungsvorrichtung (51) induziert wird.

14. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserfassungsvorrichtung mit einer Steuervorrichtung verbunden ist, wobei die Steuervorrichtung einen Befehl abgibt, um ein hörbares Geräusch zu erzeugen, wenn die von der Spannungserfassungsvorrichtung gemessene Spannung eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.

15. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von ersten Wechselwirkungsvorrichtungen (2; 51) symmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der Kugel (1) auf oder in der Kugel (1) angeordnet ist.

16. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen (3; 61; 62) symmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der Kugel (1) angeordnet ist.

17. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabevorrichtung in einer Vorrichtung enthalten ist, die einen Bildschirm enthält, wobei eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche die Bewegung der Kugel (1), die von der Rotationserfassungsvorrichtung (4; 73) gemessen wird, in eine Bewegung einer Markierung auf dem Bildschirm übersetzt.

18. Dateneingabevorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen (2; 51; 3; 61; 62) auf solch eine Weise angeordnet sind, daß die Zahl der Zustände, die die Kugel (1) aufgrund der Wechselwirkung der ersten und zweiten Wechselwirkungsvorrichtungen (2; 51; 3; 61; 62) einnehmen kann, der Zahl der Zustände entspricht, die die Markierung auf dem Bildschirm einnehmen kann.

19. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dateneingabevorrichtung Teil eines Track-Balls ist.

20. Dateneingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Dateneingabevorrichtung Teil eines tragbaren Telefons ist.