DE69705753T2

DE69705753T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung einer arretierungs-artigen taktilen Rückkopplung

Info

Publication number: DE69705753T2
Application number: DE69705753T
Authority: DE
Inventors: Bertrand Harold Johnson; Knoedl, Jr
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2017-02-05
Also published as: EP0789321A3; DE69705753D1; US5914705A; EP0789321A2; JPH09231000A; JP3808577B2; EP0789321B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Bereitstellen einer taktilen Rückkopplung zu einem Benutzer.
Arretierungsartige Mechanismen findet man typischerweise an den Wellen drehbarer Schalter für die Lautstärke oder die Kanalwahl, wie sie beispielsweise bei manchen Fernsehgeräten und Radios zu finden sind. Solche arretierungsartigen Mechanismen werden auch bei der Steuerung des horizontalen und vertikalen Ablenkfaktors bei Oszilloskopen und ähnlichen Instrumenten verwendet.
Fig. 1A zeigt ein Beispiel eines arretierungsartigen Mechanismus, der bei einem herkömmlichen Drehschalter verwendet wird. Wie gezeigt, weist das Nockenelement 1 eine Anzahl von Tälern 4 und Hügeln 5 auf und ist um die Welle 7 in den durch die Pfeile A gezeigten Richtungen drehbar. Eine federbelastete Sperrklinke, die allgemein als Klinke 6 bezeichnet wird, besteht typischerweise aus einer Blattfeder 3 und einem Rollenlager 2, wobei die Blattfeder 3 das Rollenlager 2 an den Nocken 1 drückt. Wenn der Nocken 1 gedreht wird, bewirkt die Klinke 6, dass der Nocken 1 eine Ruhestellung bevorzugt, in welcher das Rollenlager 2 in einem der Täler 4 angeordnet ist. Diese Art von Arretierungsmechanismus bietet eine Rückstellkraft (z. B. eine zu der Bewegung des Nocken 1 entgegengesetzte Kraft), wenn versucht wird, eine der Haltestellungen in einem der Täler 4 zu verlassen. Die Wirkung besteht darin, dass die Hand des Benutzers zu einer gültigen Haltestellung des Schalters geführt wird.
Ein anderer Mechanismus, der verwendet wird, um eine arretierungsartige Wirkung zu erzielen, ist in Fig. 1B dargestellt. Ein ferromagnetisches Geradstirnrad 12 weist gerade Stirnflächen 13 auf und ist um die Welle 14 in den durch die Pfeile B angezeigten Richtungen drehbar. Ein Magnet 11 mit einem Süd-(10A) und einem Nord-(10B)pol ist in der Nähe des Stirnrades 12 angeordnet. Aufgrund der magnetischen Wirkung bleibt der Mechanismus in der Ruhestellung, wenn die geraden Stirnflächen 13 des Geradstirnrades 12 mit den Polen 10A und 10B des Magneten 11 ausgerichtet sind. Diese Art von Arretierungsmechanismus bietet ebenfalls eine Rückstellkraft, wenn versucht wird, eine der Haltestellungen zu verlassen.
Obgleich solche Arretierungsmechanismen für die Verwendung bei Drehschaltern geeignet sein können, sind solche Mechanismen für andere Anwendungen, die mehr als einen Freiheitsgrad erfordern, eingeschränkt verwendbar. Beispielsweise könnte es hilfreich sein, einen Arretierungsmechanismus an einer Cursor- Positionierungseinrichtung wie beispielsweise einer Einrichtung in der Art einer Rollkugel, auch Trackball genannt, oder einer Maus bereitzustellen, um eine exakte Position des Cursors auf einem Bildschirm zu erzielen. Ein Nachteil der Verwendung des zuvor beschriebenen Mechanismus bei einem Trackball oder einer mausartigen Einrichtung, welche die Bewegung einer Kugel nutzen, um den Cursor zu positionieren, besteht jedoch darin, dass auf der Oberfläche der Kugel reale Hügel und Täler (oder Stirnflächen) vorgesehen werden müssen, um die gewünschte Arretierungswirkung zu erzielen. Es können jedoch weder Hügel, Täler noch Stirnflächen auf der Oberfläche der Kugel verwendet werden, da die Kugel (an ihrem Platz) leicht in jegliche Richtung rollen können muss. Hügel oder Stirnflächen auf der Oberfläche der Kugel würden eine kontinuierliche und gerade Bewegung der Kugel verhindern. Kleine Eindellungen auf der Oberfläche der Kugel könnten eine Lösung bieten. Da die Eindellungen auf dem Trackball jedoch festgelegt sind, sind die verfügbaren Haltestellungen und die Richtungen zu diesen ebenfalls auf das Muster von Eindellungen festgelegt, sodass möglicherweise keine kontinuierlich "geraden" Pfade erzielt werden. Außerdem wird sich, wenn sich die Kugel frei drehen kann, die Richtung zu der nächsten Arretierungsstellung bei zusammengesetzten Bewegungen ständig ändern.
Es ist ein Versuch unternommen worden, eine taktile Rückkopplung in einer mausartigen Eingabe/Ausgabe-Einrichtung zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise wendet sich US- Patent Nr. 5,186,629 einer taktilen Rückkopplung zu, die zu einer mausartigen Eingabe/Ausgabe-Einrichtung gesendet wird. Die Einrichtung ist dafür vorgesehen, eine Computerausgabe für blinde Computerbenutzer zur Verfügung zu stellen, um Graphikbilder des Computers zu visualisieren. Insbesondere wird festgestellt, wenn ein Objekt lokalisiert worden ist, indem eine Rückkopplung zu der Maus bereitgestellt wird, wenn eine Grenze (z. B. eine Grenze eines Fensters oder eines Bildes) getroffen wird. Die Rückkopplung erfolgt in Form eines leichten elektrischen Impulses oder einer physikalischen Vibration. Obwohl diese Einrichtung nützlich sein kann, um einen Benutzer aufmerksam zu machen, wenn eine Grenze getroffen wird, ist sie nicht besonders geeignet, um eine arretierungsartige physikalische taktile Rückkopplung mit Widerstands- und/oder Rückstellkräften bereitzustellen. Das heißt, die zuvor erwähnte Einrichtung liefert keine arretierungsartige Empfindung ähnlich der Empfindung, wie sie bei Verwendung eines physikalischen Nockens und einer Klinke empfunden wird.
Es sind auch Versuche unternommen worden, eine arretierungsartige Wirkung zu simulieren. US-Patent Nr. 5,204,600 betrifft beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Simulieren einer mechanischen Arretierung bei einer manuell bedienbaren, drehbaren, digitalen Kodierungseinrichtung, wie sie verwendet wird, um eine Anzeige oder ein Auslesen in einem elektronischen System zu steuern. Insbesondere simuliert die Einrichtung die taktile Rückkopplung einer physikalischen Arretierung, indem die Kodiererausgabe an die Anzeige oder die Ausleseeinheit zeitweilig eingefroren wird, wenn die Kodierungseinrichtung über einen virtuellen vorgegebenen Punkt (z. B. eine Haltestellung) hinaus gedreht wird. Wenn der Benutzer die Kodierungseinrichtung über den vorgegebenen Punkt hinaus dreht, schaltet das System eine Zeitverzögerung ein, während der die Ausgabe von der Kodierungseinrichtung an das zugehörige elektronische System auf dem Wert des vorgegebenen Punktes gehalten wird. Die Verzögerung ermöglicht dem Benutzer, die Bewegung der Kodierungseinrichtung anzuhalten, um einen gewünschten Wert eines vorgegebenen Punktes zu erzielen. Obwohl dieses Verfahren und die Einrichtung nützlich sein können, um unter Verwendung einer Anzeige oder einer Ausleseeinrichtung einen virtuellen vorgegebenen Punktwert zu erzielen, ist das Verfahren nicht besonders nützlich, um eine periodische, physikalische, arretierungsartige taktile Rückkopplung zu erhalten.
Dementsprechend wäre es nützlich, eine arretierungsartige taktile Rückkopplung in einer Eingabe/Ausgabe-Einrichtung der Art eines Trackballs oder einer Maus zur Verfügung zu stellen.
Gemäß eines Aspekts vorliegender Erfindung wird eine Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Gemäß eines anderen Aspekts vorliegender Erfindung wird ein Verfahren entsprechend Anspruch 7 zur Verfügung gestellt.
Eine feine oder genaue Cursorsteuerung auf einem Computerbildschirm wird bei Verwendung eines Trackballs, einer Maus oder einer anderen trackballartigen Eingabe/Ausgabe-Einrichtung schwierig, da der Benutzer die exakte Position des nächsten Haltepunktes des Cursors auf dem Bildschirm nicht voraussehen kann. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen es einem Benutzer, die Bewegungen der Hand fein abzustimmen, um den Cursor auf einem Bildschirm zu steuern, was beispielsweise insbesondere beim Zeichnen und bei CAD/CAM- Softwarepaketen nützlich sein kann. Mit der vorliegenden Erfindung ist der Benutzer in der Lage, bei einer trackballartigen oder mausartigen Eingabeeinrichtung eine arretierungsartige taktile Rückkopplung zu erhalten, ohne dass an der Einrichtung Hügel, Täler oder Magneten notwendig sind. Gemäß einer Ausführungsform vorliegender Erfindung können die Haltestellungen elektronisch modifiziert werden, um die arretierungsartige taktile Rückkopplung zu steuern.
Eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer taktilen Rückkopplung zu einem Benutzer weist eine Schale auf, ein rollendes Element, das drehbar in der Schale vorgesehen ist, einen bewegungsfühlenden Mechanismus, um einen Betrag der Verschiebung des rollenden Elementes zu bestimmen, wenn das rollende Element gedreht wird, und wenigstens einen Betätiger, der in der Schale vorgesehen ist, wobei wenigstens eine Bremsfläche in Beziehung zu dem wenigstens einen Betätiger vorgesehen ist. Der Betätiger schiebt die zugehörige Bremsfläche zu dem rollenden Kugelelement hin und zieht sie von diesem zurück.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Damit ein Fachmann auf dem Gebiet, auf welches sich der Erfindungsgegenstand bezieht, besser versteht, wie die vorliegende Erfindung auszuführen ist, werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben, in welchen: die
Fig. 1A und 1B Arretierungsmechanismen nach dem Stand der Technik zeigen; die
Fig. 2A und 2B Einrichtungen zur Realisierung einer arretierungsartigen taktilen Rückkopplung entsprechend von Ausführungsformen vorliegender Erfindung zeigen;
Fig. 2C ein Blockdiagramm der Steuerelektronik entsprechend einer Ausführungsform vorliegender Erfindung ist;
Fig. 3 eine Einrichtung zur Realisierung einer arretierungsartigen taktilen Rückkopplung entsprechend einer anderen Ausführungsform vorliegender Erfindung zeigt; die
Fig. 4A und 4B graphische Darstellungen des Kraftprofils in Abhängigkeit von der Verschiebung sind; die
Fig. 5A, 5B, 5C und 5D Einrichtungen zum Erhalten einer taktilen Rückkopplung entsprechend anderen Ausführungsformen vorliegender Erfindung zeigen; und
Fig. 6 eine Einrichtung zum Erhalten einer an der x-Achse oder y-Achse geführten Bewegung entsprechend einer Ausführungsform vorliegender Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Beziehen wir uns nun im Detail speziell auf die Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen analoge oder identische Elemente angeben, so stellt Fig. 2A einen synthetisch realisierten Mechanismus zum Erhalten einer arretierungsartigen taktilen Rückkopplung bei einer Trackball-Eingabeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform vorliegender Erfindung dar. Der in Fig. 2A gezeigte Mechanismus beinhaltet ein rollendes Element, wie beispielsweise den Trackball 20, Steuerelektronik 23, einen Elektromagneten/Betätiger 22, eine Bremskraftbelastungsfeder 25, eine Bremsfläche 21, einen Schubstab 29 mit einem Flansch 28 für die Belastungsfeder und ein Sockelelement 24, in welchem der Trackball 20 sitzt. Das Sockelelement 24 weist eine Oberfläche mit niedriger Reibung auf, auf welcher die Kugel 20 gleitet.
Die Bremsfläche 21 ist an einem Ende des Schubstabes 29 befestigt. An dem anderen Ende des Schubstabes 29 liegt der Flansch 28 für die Feder an der Bremskraftbelastungsfeder 25 an oder ist mit dieser verbunden. Die Bremskraftbelastungsfeder 25 liegt an dem Rahmen 27 an oder ist mit diesem verbunden und übt über den Schubstab 29 eine Belastungskraft auf die Bremsfläche 21 aus.
Der Schubstab 29 ist verschiebbar in einem Führungsloch 18 angeordnet, das in dem Elektromagneten/Betätiger 22 vorgesehen ist, und zieht die Bremsfläche 21, wenn er selektiv aktiviert und deaktiviert wird, zurück und schiebt diese vor. Der Schubstab 29 kann sich in dem Führungsloch 18 in den durch den Pfeil C angegebenen Richtungen bewegen.
Die Steuerelektronik 23 wird später detailliert beschrieben. Kurz gesagt aktiviert jedoch die Steuerelektronik 23, wenn sich die Kugel 20 um einen vorgegebenen Betrag bewegt, kurzzeitig den Elektromagneten/Betätiger 22, welcher wiederum den Schubstab 29 zurückzieht und die Belastungsfeder 25 gegen den Rahmen 27 presst. Durch diesen Vorgang wird die Bremsfläche 21 zurückgezogen, welche den Bremswiderstand an der Kugel 20 aufgibt, wodurch diese kurzzeitig frei rollen kann. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne deaktiviert die Steuerelektronik 23 den Elektromagneten/Betätiger 22, was der Belastungsfeder 25 ermöglicht, den Schubstab 29 und die Bremsfläche 21 vorzuschieben, sodass der Bremswiderstand an der Kugel 20 wieder aufgebaut wird. Diese Ausführungsform vorliegender Erfindung stellt eine arretierungsartige Wirkung an der Kugel zur Verfügung, die in einer reinen Hemmung und Freigabe, ohne Rückstellkraft, besteht. Die Hand des Benutzers erfährt während des kurzen Freigabeintervalls die Empfindung eines vorwärts gerichteten Stoßes aufgrund der Dynamik der menschlichen Wahrnehmung und der Reaktion des motorischen Systems, wie später detailliert beschrieben wird.
Natürlich sind Varianten dieser Ausführungsform vorliegender Erfindung möglich. Beispielsweise weist die in Fig. 2B gezeigte Ausführungsform vorliegender Erfindung eine Kugel 20, ein Sockelelement 24, in welchem der Trackball 20 sitzt, Steuerelektronik 23, einen Elektromagneten/Betätiger 22, einen Schubstab 29 und eine Bremsfläche 21 auf. Alle diese Elemente sind analog den zuvor in Bezug auf Fig. 2A beschriebenen Elementen vorgesehen. In dieser Ausführungsform wird eine Belastungskraft jedoch durch die direkte Wirkung des Elektromagneten/Betätigers 22 bereitgestellt. Wenn die Steuerelektronik 23 den Elektromagneten/Betätiger 22 aktiviert, schiebt der Schubstab 29 die Bremsfläche 21 vor und drückt diese dadurch gegen die Kugel 20 und hält die Kugel 20 fest, d. h. arretiert selbige. Diese Ausführungsform stellt ebenfalls eine arretierungsartige Wirkung zur Verfügung, die in einer reinen Hemmung und Freigabe, ohne Rückstellkraft, besteht.
In Fig. 2C ist ein Blockdiagramm der Steuerelektronik 23 gezeigt. Die Steuerelektronik 23 beinhaltet eine monostabile Kippschaltung 30, auch Multivibrator genannt, und einen Ansteuerverstärker 31. Die Steuerelektronik 23 nutzt standardmäßige Cursor-Steuersignale, die von der Steuereinrichtung für den Cursor (z. B. dem Trackball oder der Maus) oder von dem Computer kommen. Die Steuersignale für den Cursor werden an den Multivibrator 30 übertragen, welcher basierend auf den Werten beispielsweise einer Widerstands/Kondensator-Schaltung (RC-Glied) (nicht gezeigt), die zum Aufbau des Multivibrators 30 verwendet wird, Steuersignale (CTL) erzeugt und die Dauer derselben steuert. Durch Änderung der Werte des Widerstandes und/oder des Kondensators kann die Dauer der Steuersignale CTL geändert werden. Solche monostabilen Kippschaltungen oder Multivibratoren sind allgemein bekannt und sollen nicht detailliert beschrieben werden.
Das Steuersignal CTL wird auf den Ansteuerverstärker 31 geführt, welcher das Steuersignal verstärkt, um einen ausreichenden Strom zum Betätigen des Elektromagneten/Betätigers 22 zur Verfügung zu stellen. Das verstärkte Steuersignal (AMCTL) wird dem Elektromagneten/Betätiger 22 zugeführt. Dementsprechend wird jedes Mal, wenn ein Cursor-Steuersignal ausgegeben wird, ein AMCTL ausgegeben, welches den Elektromagneten/Betätiger 22 aktiviert und die Bremsfläche 21 von der Kugel 20 weg oder gegen selbige drückt.
Um eine der echten arretierungsartigen Wirkung und der arretierungsartigen Empfindung einschließlich einer Rückstellkraft noch näher kommende Wirkung zu erhalten, ist in Fig. 3 eine andere Ausführungsform vorliegender Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform beinhaltet einen Trackball 20, eine Bremsfläche 21, einen Elektromagneten/Betätiger 22, Steuerelektronik 23, eine Bremskraftbelastungsfeder 25, einen Schubstab 29, eine Federbelastungsplatte 28 und ein Sockelelement 24, in welchem der Trackball 20 gleitet. Alle diese Elemente funktionieren analog den zuvor bezüglich Fig. 2A beschriebenen Elementen. Gemäß dieser Ausführungsform vorliegender Erfindung ist die Bremsfläche 21 jedoch an dem flexiblen oder biegsamen Federelement 34 befestigt, das zwei Enden 34A und 34B aufweist. Ein Ende 34B des flexiblen Federelementes 34 erstreckt sich von dem Schubstab 29 aus. Das andere Ende 34A ist an der Bremsfläche 21 befestigt. Wenn die Kugel 20 gedreht wird (z. B. indem ein Benutzer die Kugel dreht) stellt das flexible Federelement 34 an der Kugel 20 eine Rückstellkraft bereit. Das heißt, wenn der Trackball 20 gerollt wird, verformt sich das flexible Federelement 34 und stellt eine Rückstellkraft bereit, die der Verschiebungsrichtung der Kugel entgegen gerichtet ist und sich proportional mit der tatsächlichen Verschiebung erhöht. Wenn die Verschiebung der Kugel 20 (entweder durch einen Finger, die Hand oder andere Mittel) während des Anliegens der Rückstellkraft gestoppt und die Kugel 20 freigegeben wird, wird die Kugel 20 durch die Feder 34 in ihre vorherige arretierte Ausrichtung zurückgeführt.
Nach einem vorgegebenen Verschiebungsbetrag der Kugel 20 aktiviert die Steuerelektronik 23 kurzzeitig den Elektromagneten/Betätiger 22, wobei die Bremsfläche 21 zurückgezogen wird und das flexible Federelement 34 entspannen kann. Da die Kugel 20 nicht mehr arretiert ist, fällt die Rückstellkraft auf Null. Wiederum spürt die Hand des Benutzers aufgrund der Dynamik der menschlichen Wahrnehmung und der Reaktion des motorischen Systems den Eindruck eines Vorwärtsstoßes. Wenn die Bremsfläche 21 zurück in Kontakt mit dem Trackball 20 gebracht wird (indem der Elektromagnet/Betätiger 22 durch die Steuerelektronik 23 deaktiviert wird), ist die anfängliche Rückstellkraft Null, da das flexible Federelement 34 nicht mehr verformt oder deformiert ist, wobei die Kugel 20 in einer neuen Stellung/Ausrichtung arretiert ist. Wenn der Trackball 20 kontinuierlich in derselben Richtung gerollt wird, wird die Rückstellkraft wiederholt anwachsen und dann abfallen.
Fig. 4A stellt das Kraftprofil in Abhängigkeit von der Verschiebung entsprechend einer Ausführungsform vorliegender Erfindung dar. Wie durch die durchgezogenen Linien angegeben ist, lässt die Steuerelektronik 23, wenn die Kugel 20 vorwärtsgeschoben wird, auf Basis der erzeugten Cursor- Steuersignale den Elektromagneten/Betätiger 22 deaktiviert, wodurch die Bremsfläche 21 gegen die Kugel 20 gedrückt werden kann. Dies ist als Position D angegeben, welche eine arretierte Ruhestellung darstellt. Wenn die Kugel 20 verschoben wird, liefert das flexible Federelement 34 eine rückwärts gerichtete Kraft, die schnell mit dem Betrag der Verschiebung anwächst (wie durch den Abschnitt a der Kurve angegeben), bis diese eine maximale Rückstellkraft -M erreicht. Diese maximale Rückstellkraft -M hängt unter anderen Faktoren von der Stärke der Federn 25 und 34 und der Stärke der Reibung zwischen der Kugel 20 und der Bremsfläche 21 ab. Nachdem die maximale Rückstellkraft -M erreicht ist, tritt ein Rutschen oder Schlupf auf, wie durch den Abschnitt b der Kurve dargestellt ist. Das heißt, nachdem die maximale Rückstellkraft -M erreicht ist, kann die Kugel 20, wenn auf diese ausreichend Kraft ausgeübt wird, weiter verschoben werden. Nach einem vorgegebenen Betrag einer vorwärts gerichteten Verschiebung aktiviert die Steuerelektronik 23 kurzzeitig den Elektromagneten/Betätiger 22, die Bremsfläche 21 wird freigegeben und die arretierte Ruhestellung D2 wird erreicht. Wenn eine umgekehrte Bewegung der Kugel 20 auftritt, wird eine analoge Kurve erzielt, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt ist.
Fig. 4B stellt das Kraftprofil in Abhängigkeit von der Verschiebung dar, wenn kein Schlupf oder Rutschen der Bremse auftreten kann. Wie gezeigt, erfolgt die Vorwärtsbewegung der Kugel 20 bis zu dem Punkt, wo die maximale Rückstellkraft -M ausgeübt wird. Würde die Kugel 20 durch die Hand des Benutzers freigegeben, bevor dieser Punkt erreicht ist, würde sie zu der Arretierungsruhestellung F zurückkehren. Wenn die Vorwärtsbewegung der Kugel 20 über den Punkt, an dem die maximale Rückstellkraft -M erreicht ist, hinaus erfolgt, aktiviert die Steuerelektronik 23 auf Basis der Steuersignale für den Cursor kurzzeitig den Elektromagneten/Betätiger 22, und die Kugel 20 wird freigegeben und es wird eine neue Arretierungsruhestellung F2 erreicht. Eine solche Arretierungswirkung mit angreifender Bremse kann erzielt werden, indem eine relativ starke Feder 25, eine relativ schwache Feder 34 zur Verfügung gestellt und/oder die Stärke der Reibung zwischen der Kugel 20 und der Bremsfläche 21 erhöht wird.
Wie bereits zuvor erwähnt, nutzen die in den Fig. 2A, 2B und 3 gezeigten Ausführungsformen vorliegender Erfindung die menschliche Wahrnehmung und motorische Dynamik, um eine arretierungsartige taktile Rückkopplung zu erzielen. Um beispielsweise den Trackball vorwärts zu rollen, übt die Hand des Benutzers eine vorwärts gerichtete (positive) Kraft aus. Diese ausgeübte Kraft wird anfänglich durch die rückwärts gewandte (negative) bremsende Widerstands- oder Federkraft des Arretierungsmechanismus ausgeglichen. Da die Reaktionszeit der menschlichen motorischen Steuerung verglichen mit dem Bremsfreigabeintervall langsam ist, bleibt die von der Hand des Benutzers ausgeübte vorwärts gerichtete (positive) Kraft während des Freigabeintervalls tendenziell konstant. An dem Punkt, wo die Widerstands- oder Rückstellkraft auf Null zurückgesetzt wird, ist die auf den Trackball ausgeübt Nettokraft tendenziell positiv, was im Ergebnis bewirkt, dass der Trackball nach vorn beschleunigt wird, bis der Widerstand wieder hergestellt ist oder die maximale Rückstellkraft der Feder erneut erreicht ist. Wenn die Bremse freigegeben wird, hat der Benutzer das Gefühl, dass der Ball nach vorn gestoßen wird, was von dem Benutzer sehr ähnlich einem herkömmlichen Arretierungsmechanismus empfunden wird.
Es sollte angemerkt werden, dass die auf die Kugel ausgeübte Bremskraft, wie in den Fig. 2A, 2B und 3 gezeigt, unter bestimmten Umständen für eine Maus- Eingabe/Ausgabeeinrichtung nicht die gewünschten Ergebnisse erzielen kann. Bei einer derartigen Maus beispielweise, die dafür vorgesehen ist, über eine Tischoberfläche oder ein Mauspad gerollt zu werden, würde, wenn eine Bremsfläche an der Kugel der Maus angreifen würde, während diese über das Mauspad gerollt wird, der Bremswiderstand hinsichtlich der Mitnahmereibung mit dem Mauspad konkurrieren, was das Rollen der Kugel verhindern könnte, was wiederum eine fehlerhafte Cursorreaktion zum Ergebnis hätte. Bei einer alternativen Anordnung einer Maus, die eine direkte optische oder elektrostatische Erfassung eines gemusterten Mauspads nutzt, könnte es keine inneren beweglichen Teile geben, auf welche die Bremskraft ausgeübt werden könnte. In diesem Fall kann die Bremskraft direkt auf die darunter befindliche Fläche ausgeübt werden, über welche die Maus bewegt wird.
Eine solche Einrichtung zum Ausüben einer Bremskraft auf die Fläche, auf welcher die Einrichtung bewegt wird, wie sie hier offenbart ist, ist z. B. in Fig. 5D gezeigt. Wie dargestellt, weist dieser Mechanismus einen Elektromagneten/Betätiger 41, eine Bremsfläche 42 und Steuerelektronik 43 auf. Wenn der Benutzer die Maus 103 über eine Gitterfläche 102 schiebt, meldet ein Sensor 101 die Verschiebung der Maus 103 als Cursor-Steuersignale. Die Steuerelektronik 43 gibt in Reaktion auf die Cursor- Steuersignale einen kurzen Steuerimpuls aus, der den Elektromagneten/Betätiger 41 aktiviert, wobei der Schubstab 47 zurückgezogen (oder vorgeschoben) wird, was bewirkt, dass die Bremsfläche 42 kurzzeitig die Gitterfläche 102 freigibt (oder gegen diese gedrückt wird), wodurch ein periodischer Widerstand erzeugt wird, welcher gleicherweise eine arretierungsartige taktile Rückkopplung imitiert. Eine andere Art von taktiler Rückkopplung kann außerdem realisiert werden, indem die Schale einer Maus- Eingabe/Ausgabeeinrichtung "angestoßen" wird (d. h. leicht auf diese geschlagen wird), wenn die Kugel gerollt wird. Bei einer trackballartigen Eingabe/Ausgabe-Einrichtung erbringt das Anstoßen des Trackballs selbst ebenfalls erwünschte Ergebnisse, da die resultierende Empfindung dem Gefühl einer arretierungsartigen Wirkung ausreichend ähnlich ist. Anders ausgedrückt erzielt das Integrieren eines Mechanismus zur Übertragung einer abrupten Änderung der Kraft auf die Hand des Benutzers eine Empfindung, die dem Gefühl einer arretierungsartigen Wirkung ähnlich ist.
Alternativ kann es vorteilhaft sein, einen Anstoßmechanismus in der Maus-Eingabeeinrichtung vorzusehen. Die in Fig. 5A gezeigte Einrichtung ermöglicht, dass die Kugel der Maus rollt, während eine synthetisierte arretierungsartige Wirkung bereitgestellt wird, indem die Schale der Maus angestoßen wird. Wie gezeigt, umfasst dieser Mechanismus einen Elektromagneten/Betätiger 41, eine träge Masse 42 und Steuerelektronik 43. Die Steuerelektronik 43 gibt in Reaktion auf Cursor-Steuersignale einen kurzen Ansteuerimpuls aus, der den Elektromagneten/Betätiger 41 aktiviert, wodurch der Schubstab 47 vorgeschoben wird und bewirkt, dass die träge Masse 42 die Schale 45 der Maus 44 "anstößt". Das Anstoßen der Schale 45, welche sich in Kontakt mit der Hand des Benutzers befindet, wird von dem Benutzer wahrgenommen und imitiert daher eine arretierungsartige taktile Rückkopplung.
In ähnlicher Weise wie gerade dargestellt, könnte bei der Trackball-Einrichtung aus Fig. 2B die Bremsfläche 21 in Fig. 2B durch die träge Masse 42 (aus Fig. 5A) ersetzt werden, um an die Kugel 20 zu schlagen und eine ähnliche Empfindung taktiler Rückkopplung zu erzielen.
Bei einer Einrichtung, die eine minimale oder keine Verschiebung beinhaltet, in der Art von Druck/Berührungsschaltern oder Tasten, können andere Anordnungen zum Anstoßen realisiert werden, um eine taktile Rückkopplung zu dem Benutzer zur Verfügung zu stellen. Ein solches Anstoßen kann beispielsweise bei Membranschaltern angewendet werden, oder bei einer visuellen berührungssensitiven Bildschirm-Anzeigeeinrichtung, welche auch als "Touchscreen"-Display bezeichnet wird, um eine taktile Rückkopplung zur Verfügung zu stellen, welche die Empfindung eines gedrückten Knopfes simuliert:
Die in Fig. 5B gezeigte Einrichtung ermöglicht das Anstoßen des Gehäuses eines visuellen "Touchscreen"-Displays, wenn das Display von dem Benutzer berührt wird. Wie gezeigt, beinhaltet dieser Mechanismus ebenfalls einen Elektromagneten/Betätiger 41, eine träge Masse 42 und Steuerelektronik 43. Das visuelle "Touchscreen"-Display 77 besteht typischerweise aus einem Bildschirm 49 und Sensoren (nicht gezeigt), die an dem Gehäuse 48 angeordnet sind, welches um den Umfang des Bildschirms 49 herum vorgesehen ist. Der Bildschirm 49 zeigt typischerweise eine Reihe von "Knöpfen" mit vorgegebenen Funktionen an. Wenn ein Benutzer den Bildschirm 49 an einer Position, die einem "Knopf" entspricht, berührt, dekodiert eine Dekodierungsschaltung die Signale von den Sensoren und bestimmt die Position des Fingers des Benutzers, um zu bestimmen, welcher "Knopf" "gedrückt" worden ist. Bisher hatte der Benutzer jedoch keine Möglichkeit zu merken, dass der "Knopf" tatsächlich "gedrückt" worden ist, bis eine Art von visuellem oder akustischem Zeichen gegeben wurde. (Solche visuellen "Touchscreen"-Displays sind im Fachgebiet allgemein bekannt und sollen nicht weiter im Detail beschrieben werden.)
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um eine taktile Rückkopplung zu dem Benutzer eines visuellen "Touchscreen"-Displays zur Verfügung zu stellen, um anzuzeigen, dass der "Knopf" "gedrückt" worden ist. Wie zuvor angemerkt, empfängt eine Dekodierungsschaltung (nicht gezeigt) die Eingaben von den Sensoren, die um den Umfang des Bildschirms 49 herum angeordnet sind, und liefert in Reaktion auf das Berühren des Bildschirms 49 ein Signal BP an die Steuerelektronik 43. Die Steuerelektronik 43 gibt in Reaktion darauf einen kurzen Ansteuerimpuls aus, der den Elektromagneten/Betätiger 41 aktiviert, wodurch der Schubstab 47 vorgeschoben wird, was bewirkt, dass die träge Masse 42 an das Gehäuse 48 des visuellen "Touchscreen"-Displays 77 schlägt. Das Anstoßen des Gehäuses 48 fühlt der Benutzer, wenn sich die Hand des Benutzers in Kontakt mit dem Bildschirm 49 befindet. In analoger Weise wie zuvor beschrieben kann die träge Masse 42 an irgendeiner Stelle innerhalb des "Touchscreen"-Bildschirms 77 angeordnet sein, an oder in der Nähe des Gehäuses 48, um das Gehäuse 48 "anzustoßen", um eine taktile Rückkopplung zu erzielen, wenn der Bildschirm 49 berührt wird. Alternativ kann anstatt des Gehäuses 48 der Bildschirm 49 angestoßen werden.
Eine weitere "Anstoß"-Anordnung kann für Membranknöpfe an einer nicht-mechanischen Tastatur oder einem Tastenfeld realisiert werden, um eine taktile Rückkopplung zu erhalten, die das Klicken eines Knopfes simuliert. Die in Fig. 5C gezeigte Einrichtung ermöglicht das Anstoßen des Gehäuses eines Tastenfeldes oder einer Tastatur, wenn ein Membranknopf oder eine Taste an einer nicht-mechanischen Tastatur berührt wird. Wie beispielsweise bei der zuvor beschriebenen Anordnung weist der Mechanismus einen Elektromagneten/Betätiger 41, eine träge Masse 42 und Steuerelektronik 43 auf. Die Steuerelektronik 43 empfängt eine Eingabe von der Dekodierungsschaltung, die typischerweise verwendet wird, um die Membrantasten 79 zu dekodieren. In Reaktion auf das Berühren einer Membrantaste 79 durch den Benutzer gibt die Steuerelektronik 43 einen Impuls aus, der den Elektromagneten/Betätiger 41 aktiviert, wodurch der Schubstab 47 vorgeschoben wird, was bewirkt, dass die träge Masse 42 an das Gehäuse 78 der Membrantastatur 80 "anstößt". Das Anschlagen des Gehäuses 78 kann von dem Benutzer gefühlt werden, wenn sich die Hand des Benutzers in Kontakt mit einer der Membrantasten 79 befindet. Die träge Masse 42 kann an irgendeiner Stelle innerhalb der Membrantastatur 80, an oder in der Nähe des Gehäuses 78, angeordnet sein. Andere Anwendungen von Anstoßanordnungen können an Oberflächen verwendet werden, wo eine geringe oder keine Auslenkung der Taste, des Knopfes oder Schalters vorhanden ist.
Eine weitere Ausführungsform zum Erzielen einer taktilen Rückkopplung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Einrichtung beinhaltet einen Satz aus vier Arretierungsbremsen 51-54, welche durch einen Satz von vier Elektromagneten/Betätigern 56-59 durch die Steuerelektronik 60 bewegt werden. Die vier Arretierungsbremsen 51-54 sind in einer horizontalen Ebene entlang des Äquators der Kugel 50 vorgesehen.
Um eine geführte Bewegung entlang der Richtung der y- Achse zu erzielen, werden die beiden den Elektromagneten/Betätigern entsprechenden Bremsen 52 und 54 (einander gegenüberliegend, links und rechts) durch die Elektromagneten/Betätiger 57 bzw. 59 selektiv aktiviert, und somit wird die Kugel an diesen beiden Punkten arretiert, und die beiden Bremsen 51 und 53 (einander gegenüberliegend, oben und unten) werden durch die Elektromagneten/Betätiger 56 bzw. 58 freigegeben, sodass die Bewegung der Kugel 50 entlang der Richtung der x-Achse eingeschränkt ist, sich diese aber frei um die x-Achse drehen kann, wodurch eine geführte Bewegung entlang der y-Richtung bereitgestellt wird.
Analog werden, um eine geführte Bewegung entlang der Richtung der x-Achse zu erzielen, die beiden den Elektromagneten/Betätigern entsprechenden Bremsen 51 und 53 (einander gegenüberliegend, oben und unten) selektiv durch die Elektromagneten/Betätiger 56 bzw. 58 aktiviert, wodurch die Kugel an diesen beiden Punkten arretiert wird, und die beiden Bremsen 52 und 54 (einander gegenüberliegend, links und rechts) werden durch die Elektromagneten/Betätiger 57 bzw. 59 freigegeben, sodass die Bewegung der Kugel 50 entlang der y-Achse eingeschränkt ist, sich selbige aber frei um die y-Achse drehen kann, wodurch eine geführte Bewegung entlang der Richtung der x-Achse bereitgestellt wird.
Das selektive Aktivieren und Deaktivieren des x-Paares und y-Paares der Bremsen ermöglicht es dem Benutzer, den Cursor nur entlang der x-Richtung oder nur entlang der y- Richtung zu führen. Zusätzlich kann das freigegebene Bremsenpaar, welches nicht für die geführte x- oder y- Bewegung genutzt wird, verwendet werden, um eine arretierungsartige taktile Rückkopplung zu erzeugen, indem der Trackball 50 an bestimmten Haltestellungen kurzzeitig arretiert wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, eine geführte Bewegung des Trackballs entlang eines beliebigen Pfades zu erzielen, indem die Bremsanordnung auf einem Revolverkopf befestigt wird und dieser um eine vertikale Achse (senkrecht zu der Seite) gedreht wird, in Reaktion auf die Rückkopplung von dem angeschlossenen Computer oder der Steuerelektronik des Bremsenmechanismus. Alternativ zu einem Revolverkopf kann eine Anordnung aus Arretierungsbremsen um den Äquator des Trackballs herum verteilt sein, und es können selektiv Paare von Bremsen betätigt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Claims

1. Vorrichtung zur Bereitstellung einer arretierungsartigen taktilen Rückkopplung zu einem Benutzer, welche eine Schale (24) aufweist, ein rollendes Element (20), das drehbar in der Schale (24) aufgenommen ist, wobei das rollende Element (20) an einer Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten in Anlage kommen kann, und einen bewegungsfühlenden Mechanismus (23), um einen Betrag der Verschiebung des rollenden Elementes (20) zu bestimmen, wenn das rollende Element (20) gedreht wird, wobei die Vorrichtung

gekennzeichnet ist durch:

wenigstens einen Betätiger (22), der in Beziehung zu der Schale (24) vorgesehen ist; und

wenigstens ein Bremselement (21), das eine Längsachse aufweist und funktional mit jedem der Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten verknüpft ist, wobei sich jeder der Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten, an dem das rollende Element (20) in Anlage kommt, am Ende des wenigstens einen Bremselementes (21) befindet, wobei das wenigstens eine Bremselement (21) in Beziehung zu dem wenigstens einen Betätiger (22) vorgesehen ist, wobei der wenigstens eine Betätiger (22) das wenigstens eine Bremselement (21) entlang der Längsachse des wenigstens einen Bremselementes (21) vorschiebt und zurückzieht, um die Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten am Ende des wenigstens einen Bremselementes (21) entlang der Längsachse des wenigstens einen Bremselementes (21) zu bewegen und mit dem rollenden Element (20) in Kontakt zu bringen und auf Grundlage des Betrags der Verschiebung des rollenden Elementes (20) selektiv zu verhindern, dass sich das rollende Element (20) in der Schale (24) dreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche wenigstens ein Federelement (34) zum Bereitstellen einer Rückstellkraft umfasst, wobei ein erstes Ende des wenigstens einen Federelementes (34) mit dem wenigstens einen Betätiger (22) und ein zweites Ende desselben mit dem wenigstens einen Bremselement (21) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der wenigstens eine Betätiger (22) direkt mit dem wenigstens einen Bremselement (21) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der bewegungsfühlende Mechanismus (23) Steuerelektronik zum selektiven Aktivieren des wenigstens einen Betätigers (22) umfasst, um das wenigstens eine Bremselement (21) zurückzuziehen und vorzuschieben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Steuerelektronik auf Grundlage des Betrags der Verschiebung des rollenden Elementes (20) selektiv den wenigstens einen Betätiger (22) aktiviert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, die wenigstens eine Bremskraftbelastungsfeder (25) umfasst, welche zwischen dem wenigstens einen Betätiger (22) und der Schale (24) vorgesehen ist, um gegen die Schale (24) zu drücken und das wenigstens eine Bremselement (21) zu dem rollenden Element (20) hin zu drängen.

7. Verfahren zur Bereitstellung einer arretierungsartigen taktilen Rückkopplung zu einem Benutzer, welches die Schritte beinhaltet, ein rollendes Element (20) drehend in einer Schale (24) zu verschieben, wobei das rollende Element (20) an einer Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten in Anlage kommen kann; und die Verschiebung des rollenden Elementes (20) zu bestimmen, wenn das rollende Element (20) drehend verschoben wird, und welches durch folgenden Schritt gekennzeichnet ist:

Zurückziehen und Vorschieben des wenigstens einen Bremselementes (21) entlang einer Längsachse des wenigstens einen Bremselementes (21), das funktional mit jedem der Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten verknüpft ist, um die Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten entlang der Längsachse des wenigstens einen Bremselementes (21) zu bewegen und mit dem rollenden Element (20) in Kontakt zu bringen und auf Grundlage der Verschiebung des rollenden Elementes (20) die Drehung des rollenden Elementes (20) selektiv zu beeinflussen, wobei sich jeder der Vielzahl von beweglichen, reibungserzeugenden Kontaktpunkten, an dem das rollende Element (20) in Anlage kommt, an einem Ende des wenigstens einen Bremselementes (21) befindet.