JP2005513653A - 非接触検出型の入力装置 - Google Patents

Abstract

電子機器の操作を行なうための非接触検出を用いるユーザ入力装置及び方法に関する。ユーザ入力装置は、外周部に少なくとも１つの強磁性体プレートが取り付けられた実質的に円形のディスクを有している。入力装置はさらに磁石と当該磁石に隣接し検知指向軸が当該磁石と平行である磁気センサを有している。ディスクが回転する時、ディスクに取り付けられた強磁性体プレートが磁石や磁気センサと接触せず磁石から所定の距離内を通過するように、磁石と磁気センサはディスクの外周部周辺の回路基板上に配置されている。少なくとも１枚の強磁性体プレートが磁石から所定の距離内を通過するときに、磁気センサは信号を出力する。入力装置はさらに、強磁性体プレートが磁石から所定の距離内を通過するときに、ユーザがディスクの回転抵抗を感知できるように構成されており、それにより、感触のフィードバックを入力装置のユーザに提供する。

Description

本発明は一般に電子機器のユーザ・インタフェースに係り、とりわけ非接触検出と感触フィードバックを有する回転ディスク入力装置に関するものである。

電子機器におけるコントローラと入力装置は、メニューを介したナビゲーションのように、電子機器の様々な操作に利用されている。電子機器とユーザ・インタフェースに必要とされる機能に依存して、入力装置の構成は異なる。従来、携帯電話や他の電子機器で使われている入力装置としてジョイスティックコントローラがある。名前が示すように、当該入力装置はメニューのナビゲートやその他機能を実行するために、あらゆる方向に動く操縦桿（ｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇ ａｒｍ）から形成されている。例えば、ジョイスティックの操縦桿を上方に動かすと、ジョイスティックの付け根にある伝導体に接触する。この接触により一定の機能（すなわちメニューの上方スクロール）を可能とする信号が発生する。ジョイスティックの操縦桿を下方に動かすと似た機能（すなわちメニューの下方スクロール）が実行される。

従来広く用いられている他の入力装置として円形ディスク型デバイスがある。この入力装置には、電子装置の制御機能(すなわちメニューのスクロール)を実行するための、前後に回転可能な円形のディスクが備えられている。従来、円形のディスクは複数の電気接点をディスク上に備え、これらの接点は、ディスク外部にある少なくとも１つの端子と接触するよう構成されており、これにより回路が閉じられ、電子機器を操作するための信号が生成される。すなわち、複数の電気接点が端子上をスライドして、各々の電気接点が端子と接触する際に、信号が生成されえる。生成された信号は、メニューの上下スクロールのような制御操作に使用される。

端子上をスライドする複数の電気接点を持つディスクの問題点は、機械的に磨耗することである。スライドする電気接点は端子と機械的接触が必要であるため、機械的な磨耗（これにより電気接点の効率が悪化し、最終的には部分的あるいは完全な障害を引き起こす）を避けては通れない。さらに、ほこりと湿気が入力装置の電気的コンポーネントと機械的コンポーネントの双方に影響を与え、入力装置の制御・ナビゲーション操作において望ましくない悪化をもたらす。

以上のことを鑑み、感触フィードバックを備えつつ入力装置の性能を改善すると共に、入力装置内コンポーネントの電気的・機械的な磨耗を低減もしくは除去するような構造についてのニーズが存在する。

本発明は電子機器の操作を行なうための非接触検出を用いるユーザ入力装置及び方法に関する。ユーザ入力装置は、外周部に少なくとも１つの強磁性体プレートが取り付けられた実質的に円形のディスクを有している。入力装置はさらに磁石と当該磁石に隣接し検知指向軸が当該磁石と平行である磁気センサを有している。望ましくは、ディスクが回転する時、ディスクに取り付けられた少なくとも１枚の強磁性体プレートが、磁石から所定の距離内を通過するときに磁石や磁気センサと接触しないよう、磁石と磁気センサはディスクの外周部周辺の回路基板上に配置されている。少なくとも１枚の強磁性体プレートが磁石から所定の距離内を通過するときに、磁気センサは信号を出力する。入力装置はさらに強磁性体プレートが磁石から所定の距離内を通過するときに、ユーザがディスクの回転抵抗を感知できるように構成されており、それにより、感触のフィードバックを入力装置のユーザに提供する。

他の実施形態では、円形ディスクの回転方向の検出を可能とするよう、入力装置は複数の磁石と磁気センサを含んでいる。

様々な図面にわたって類似あるいは同様の部分に参照符号を付している。ここでは、図面を参照しつつ説明を行なう。詳細な実施形態に関連して、本願の革新的な教示が記述されているが、ここに記述されている実施形態は、多くかつ有用な革新的な教示に対する数例の実施形態を提供しているに過ぎない。図１、２、３は本発明の代表的な実施形態である入力装置５の正面図、側面図、断面図である。入力装置５は携帯電話をはじめ、その他ナビゲーションまたはコントロールに対するサポートを必要とする様々な電子機器に用いられる。入力装置５は、非磁性体により構成される実質的に円形のディスク１０を有する。円形のディスク１０は、円形のディスク１０の外周部に沿って複数の強磁性体プレート１２を取り付けられているか、もしくは内部に組み込まれている。強磁性体プレート１２は円形のディスク１０の片面に配置することも、円形のディスク１０の内部に配置することも、円形のディスク１０の外部に突出して配置することも出来る。強磁性体プレート１２は鋼鉄のようないかなる強磁性材料からも製造することが出来る。円形のディスク１０はプリント基板（ＰＣＢ）１８上に配置されるか、あるいは、円形のディスク１０の回転を確保可能な支持部材２２を用いて電子機器内のあらゆるコンポーネントに固定可能である。一般的には、支持部材２２は円形のディスク１０の中心軸（ディスクの重心）と回転可能となるよう取り付けられ、ディスク１０のバランスのとれた回転を可能としている。

入力装置５は内部に、プリント基板１８上に配置された磁石１４および磁気センサ１６（例えばホールセンサ）を備えており、これらは円形のディスク１０の外周部周辺に位置している。磁気センサ１６は特定の検知指向軸を有している。磁気センサ１６はヒステリシスレベルに達したときに信号を出力する。これには後述する磁場が最低レベルを上回るときに信号を出力することが含まれる。磁石１４は、磁石１４から所定の距離内にある強磁性体プレート１２を引き付けるように配置される。磁気センサ１６は、プリント基板１８上で磁石１４と隣接し、強磁性体プレート１２が磁気センサ１６から所定の距離内にあるときに、電子機器のマイクロコントローラ（不図示）へ提供するための信号を磁気センサ１６が発生できるよう、その検知指向軸が磁石１４のＮ−Ｓ極に対して平行となるよう配置されている。信号に反応して、マイクロコントローラは例えば電子機器のディスプレー画面をスクロールする動作を実行できる。特に、強磁性体プレート１２が、磁石１４／磁気センサ１６の組み合わせ上を通過するときに、強磁性体プレート１２と磁石１４／磁気センサ１６の組み合わせ間の磁場が集中されて強くなる。それに対応して、磁石１４と強磁性体プレート１２の空間ギャップにおける磁気的な抵抗（すなわち磁気抵抗）は小さくなる。磁気センサ１６は磁場の集中に反応して検知可能な信号を発生する。

円形のディスク１０は、強磁性体プレート１２と、関連する磁石１４および磁気センサ１６とが、空間ギャップによって分離されるように配置される。この空間ギャップにより、円形のディスク１０は磁石１４および磁気センサ１６と接触することなく回転可能となる。しかも、強磁性体プレート１２が、磁石１４および磁気センサ１６の上を通過するとき、磁場は空間ギャップを横切って集中されるため、強磁性体プレート１２は、磁石１４や磁気センサ１６と接触する必要がない。空間ギャップの間隔は、引き合う磁石１４と強磁性体プレート１２の間で、磁気センサ１６を動作させるための十分な磁場の集中を提供できる程度の、任意の距離とすればよい。

強磁性体プレート１２、磁石１４および磁気センサ１６が集中した磁場を形成するとき、磁気センサ１６はプリント基板１８を通して、プリント基板１８に取り付けられたマイクロコントローラ（不図示）のような他のコンポーネントに信号を出力する。マイクロコントローラはメニューをナビゲーションし、結果をＬＣＤ画面（不図示）のような画面上に表示する。なお、磁気センサが発生した信号は、全ての所望のコントロールアプリケーションによって使用可能である。

円形のディスク１０が回転し、円形のディスク１０内の強磁性体プレート１２の１つが、磁石１４および磁気センサ１６の上を通過するとき、磁石１４と強磁性体プレート１２の間の磁気引力は円形のディスク１０に向けられ、その結果ディスク１０に回転抵抗が発生し、緩やかに停止する。この回転抵抗により、磁気センサ１６により発生された信号により実行されたある操作／機能に対応した感触フィードバックを入力装置５のユーザに提供する。磁石１４と強磁性体プレート１２の間の磁気引力による感触フィードバックにより、回転抵抗を入力装置５のユーザに感じさせることが可能となり、入力装置５のユーザに操作感を提供することが可能となる。例えばこの操作により、メニューをスクロールする際の各ステップにおいて、ユーザはメニューのスクロールにおける１ステップに対応する回転抵抗（すなわちクリック感）を感じることができる。ユーザがすばやくメニューの複数の項目をスクロールする場合、各ステップに一致した回転抵抗フィードバックが発生し、ユーザは複数回の回転抵抗フィードバックを感じることになる。

図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、本発明の他の実施形態に係る入力装置５の図、および、入力装置５により発生した信号のタイミングチャートを示している。本実施形態の入力装置５は本質的には図１〜３に関連して説明した入力装置と同様である。しかしながら、本実施形態に係る入力装置５は、１４ａと１４ｂの少なくとも２つの磁石および、１６ａと１６ｂの少なくとも２つの磁気センサを有している。磁気センサ１６ａ、１６ｂのそれぞれは、関連する磁石１４ａ、１４ｂと隣接しその検知指向軸が平行となるように配置されている。磁石１４ａと１４ｂは、強磁性体プレート１２における磁石１４からの磁気引力により、円形のディスク１０におけるアンバランスな力やアンバランスな回転の原因とならないように、円形のディスク１０の外周部周辺での対称な位置（つまり、ディスクの両端）に配置されてもよい。磁気センサ１６ａおよび１６ｂは磁石１４ａと１４ｂと隣接し、それぞれが非対称な位置に配置される。すなわち、磁気センサ１６ａおよび１６ｂは円形ディスク１０の中心線に対してその片側に配置される。円形のディスク１０が回転し、円形のディスク１０の反対側にある第２の強磁性プレート１２ｂが第２の磁気センサ１６ｂから所定の距離内に入るよりも先に、第１の強磁性プレート１２ａが第１の磁気センサ１６ａから所定の距離内に入る状態となるように、磁気センサ１６ａおよび１６ｂは配置される。

円形のディスク１０が回転し、第１の強磁性プレート１２ａが第１の磁石１４ａから所定の距離内に入るとそこに引き付けられる。上記で既に説明した磁場の集中により、第１の磁気センサ１６ａから第１の信号（Ｓ１）が発生する（つまり、”Ｈｉｇｈ”を表す論理値が第１の磁気センサ１６ａの出力に表れる）。同時に、第１の強磁性プレート１２ａと対称な位置にある、第２の強磁性プレート１２ｂが第２の磁石１４ｂに近接しそこに引き付けられる。しかしながら、第２の磁気センサ１６ｂは第１の磁気センサ１６ａと非対称な位置にあるため、集中した磁場は形成されない（すなわち信号を発生するのに必要な最低水準を磁場が超えていない）。円形のディスク１２がさらに回転することにより、第２の強磁性プレート１２ｂが第２の磁石１４ｂの上を通過すると、第２の磁石１４ｂと第２の強磁性プレート１２ｂの間に集中した磁場が形成され、第２の磁気センサ１６ｂから第２の信号（Ｓ２）が発生する（つまり、”Ｈｉｇｈ”の論理値が第２の磁気センサ１６ｂの出力に表れる）。

この構成により、第１の磁気センサ１６ａから第１の信号（Ｓ１）が発生してから比較的すぐ後に、第２の磁気センサ１６ｂから第２の信号（Ｓ２）が発生することになる。そのため、第１の磁気センサ１６ａおよび第２の磁気センサ１６ｂがそれぞれ第１の信号（Ｓ１）および第２の信号（Ｓ２）を発生するシーケンスに基づいて、円形のディスク１０の回転方向を判定することができる。例えば、第１の磁気センサ１６ａから第１の信号（Ｓ１）の発生に続いて、第２の磁気センサ１６ｂから第２の信号（Ｓ２）が発生した場合、円形のディスク１０は第１の方向（例えば、時計回り）に回転していると判定できる。逆に、第２の磁気センサ１６ｂからの第２の信号（Ｓ２）が、第１の信号（Ｓ２）よりも先に発生した場合、円形のディスク１０は第２の方向（例えば、反時計回り）に回転していると判定できる。

入力装置５のユーザに提供される感触フィードバックは、強磁性体プレート１２が磁石１４に近接したときの回転抵抗により、上記で説明したのと同様に作用する。好ましくは、２つの磁石１４ａ、１４ｂと２つの強磁性体プレート１２ａ、１２ｂの磁気引力をユーザが１つの引力と感じることができるように、第１の磁気センサ１６ａからの第１の信号（Ｓ１）と第２の磁気センサ１６ｂからの第２の信号（Ｓ２）との時間差（Δｔ）は、十分小さくなっている。こうすることにより、入力装置５は円形のディスク１０の回転方向を判定可能とする一方で、所望の機能を実行するための信号の発生の示唆を、単一の感触フィードバックとしてユーザに対して提供することが出来る。

なお、円形のディスク１０の回転方向を判定するための実装方法は他にも存在する。例えば、円形のディスク１０が回転するとき、第１の磁気センサ１６ａが信号を停止する前に、第２の磁気センサ１６ｂが信号を発生し始める（つまり、磁気センサ１６ａ、１６ｂの両方に関与する集中した磁場を形成できるよう強磁性体プレートは十分な大きさを有する）ように、少なくとも２つの磁石１４ａ、１４ｂおよび２つの磁気センサ１６ａ、１６ｂを配置する。この実装においても、磁気センサ１６ａ、１６ｂのどちらが信号を先に発生し始めたかに基づき、回転方向を判定することが出来る。さらに、このように実装することにより、先に述べた構成において磁気センサ１６ａ、１６ｂのどちらか一方のみが集中した磁場を検知した後で、ディスクの回転方向が反転されたときにも、回転方向の誤判定の可能性を回避するのに役立つであろう。

その他、異なる厚さを持つ強磁性体プレート１２と単一または複数の磁石／磁気センサのペアを用いることにより、強磁性体プレート１２の１つが磁石１４および磁気センサ１６との間に集中した磁場を形成する際には、異なる磁場強度が生じることとなる。磁場の強さにより、磁気センサ１６により生成される信号強度は異なったものとなる。この場合、円形のディスク１０の回転方向は前回の信号強度と現在の信号強度を比較して判定される。

円形のディスク１０の外周に配置されたいくつかの強磁性体プレート１２により、スクロール操作の分解能を向上させることが可能である。そのため、強磁性体プレート１２をさらに増やすことにより、円形のプレート１０の１回転に対するステップ数を増加させることが出来る。例えば、４枚の強磁性体プレートをもつ円形のディスク１０では、信号は１／４回転毎に発生する。強磁性体プレートの数が増加するに従い、ユーザがメニューをスクロールするのに必要な回転数は減少することになる。

図５は、図１，２，３に示された代表的な実施形態に係る入力装置５の操作におけるフローチャートを示している。初期状態において、入力装置５は非動作状態にあると仮定する（つまり、信号は発生していない）。次に、メニューのスクロールのような機能を実行したいという希望に伴い、ステップ３０において入力装置５の円形のディスク１０を回転する。円形のディスク１０が回転すると、ステップ３２において円形のディスク１０内の強磁性体プレート１２が磁石１４から所定の距離内にあると判定されると、強磁性体プレート１２と磁石１４の間の磁気引力がステップ３４において検出される。円形のディスク１０が、磁石１４から所定の距離内に強磁性体プレート１２が入る程度十分に回転していない場合、磁気引力は検出されず、代わりに、円形のディスク１０がさらに回転するまで待つべく、ステップ３０に戻る。

強磁性体プレート１２から磁石１４への磁気引力が働く場合、磁石１４および磁気センサ１６に集中した磁場が形成され、ステップ３６では、集中した磁場により磁気センサ１６が電流／電気信号の発生を開始する。この電流／電気信号はコントロール操作（つまり、メニューの上下スクロール）の実行に用いられる。強磁性体プレート１２が磁石１４から所定の距離内に位置している間は、電流／電気信号が発生し続ける。よって、ステップ３８では、強磁性体プレート１２が磁石１４から所定の距離外に移動したか否かを判定する。移動していない場合、磁気センサ１６は電流／電気信号を発生し続ける。しかしながら、ステップ３８において、いったん強磁性体プレート１２が所定の距離外に移動したと判定されると（つまり、さらに円形のディスクが回転した場合）、ステップ４０において電流／電気信号の発生は停止され、処理はステップ３０に戻る。一以上の磁石と、一以上の強磁性体プレートとの少なくとも一方を用いて、このプロセスが何回も繰り返されることにより、例えば、各々の信号によりメニューの１ステップのスクロールを実行することで、メニューを介したナビゲートが可能となる。

上記の詳細な説明において、本発明の方法と装置の代表的な実施形態に関連した図を用いて説明したが、本発明は開示された具体例に限定されることはなく、請求項によって定義される範囲で発明の思想から逸脱することなく様々な再構成、修正、置換が可能である。

本発明の完全な理解を提供すべく、添付の図面を参照しながら詳細な説明が記載されている。
本発明の実施形態における入力装置の上面図である。 図１の入力装置の２−２に沿った側面図である。 図１の入力装置の３−３に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態における入力装置の上面図である。 図４Ａの入力装置によって生成された信号を示すタイミングチャートである。 図１のユーザ入力装置の操作を示すフローチャートである。

Claims (16)

1. 電子機器のユーザ入力装置であって、
   回転可能な実質的に円形のディスクと、
   前記ディスクの外周部周辺に位置し、前記ディスクに取り付けられた少なくとも１つの強磁性体プレートと、
   磁石と、
   前記磁石に隣接し、前記磁石と磁気的に平行方向に取り付けられた磁気センサと、
   を有し、前記磁石及び前記磁気センサは、前記ディスクが回転させられ、前記少なくとも１つの強磁性体プレートが前記磁石から所定の距離内を通過するときに前記磁気センサが信号を出力するように、前記ディスクの外周部周辺の近隣に位置していること
   を特徴とする入力装置。
2. 前記ディスクが回転させられ、前記少なくとも１つの強磁性体プレートが前記磁石から所定の距離内を通過するとき、前記少なくとも１つの強磁性体プレートと前記磁石との間の磁力により操作者が感知できる回転抵抗を生ずること
   を特徴とする請求項１の入力装置。
3. 更に、
   前記ディスクの外周部に沿って前記ディスクに取り付けられた複数の強磁性体プレート
   を有すること
   を特徴とする請求項１の入力装置。
4. 更に、
   複数の磁石と、
   対応する磁石に隣接し検知指向軸が該磁石に対し平行に配置されている複数の磁気センサと、を有し
   それぞれの前記磁石と対応する前記磁気センサは前記ディスクの外周部周辺の近隣に有すること
   を特徴とする請求項１の入力装置。
5. 前記磁石と前記磁気センサの少なくとも１つは回路基板に取り付けられていること
   を特徴とする請求項１の入力装置。
6. 少なくとも、前記磁石、前記磁気センサ及び前記少なくとも１つの強磁性体プレートのいずれかに形成された集中した磁場に反応することで前記磁気センサが前記信号を出力すること
   を特徴とする請求項１の入力装置。
7. 円形のディスクは、磁石および磁気センサと接触せずに操作が出来るように構成されていること
   を特徴とする請求項１の入力装置。
8. 前記磁気センサは、前記少なくとも１つの強磁性体プレートと接触すること無しに信号を出力すること
   を特徴とする請求項７の入力装置。
9. 更に、
   第２の磁石と、
   前記第２の磁石に隣接している第２の磁気センサと、
   を有し、
   前記ディスクが回転させられたとき、いずれの磁気センサからの信号の出力が先行したかによりディスクの回転方向を判定できるように、前記第２の磁石と前記第２の磁気センサは、磁石と磁気センサに近接した前記ディスクの外周部周辺の近隣に位置していること、
   を特徴とする請求項１の入力装置。
10. 前記電子機器が携帯電話であること
    を特徴とする、請求項１の入力装置。
11. 電子機器の入力装置の操作方法であって、
    複数の強磁性体プレートを有する実質的に円形のディスクを回転するステップと、
    前記強磁性体プレートの１つが磁石から所定の距離内を通過するときに電気信号を発生するステップと、
    前記電気信号に反応して電子機器の制御操作を実行するステップと、
    を有することを特徴とする入力装置の操作方法。
12. 前記電気信号を発生するステップは、
    磁石と前記強磁性体プレートの１つとの間に形成された集中した磁場の検出に反応し前記電気信号を発生するステップを含み、前記検出は、磁石と前記少なくとも１つの強磁性体プレートとが接触すること無しに実行されること、
    を特徴とする請求項１１の入力装置の操作方法。
13. 更に、
    前記強磁性体プレートの１つが磁石から所定の距離内に位置するとき、円形のディスクの回転方向と反対方向の回転抵抗を提供するステップ
    を有すること
    を特徴とする請求項１１の入力装置の操作方法。
14. 更に、
    複数の磁石を用いて、円形のディスクの回転方向を判定するステップ
    を有すること
    を特徴とする請求項１１の入力装置の操作方法。
15. 更に、
    前記電気信号を発生するステップに先行して、前記強磁性体プレートの１つと、前記磁石及び前記磁気センサとの間に集中した磁場を形成するステップ
    を有すること
    を特徴とする請求項１１の入力装置の操作方法。
16. 更に、
    前記集中した磁場を形成するステップは、前記強磁性体プレートの１つと、前記磁石及び前記磁気センサとの間に物理的な接触を与えることなく、集中した磁場を形成することを含むこと
    を特徴とする請求項１５の入力装置の操作方法。

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