JP4944030B2 - 回転検出を備えたパックベースの入力デバイス - Google Patents

Description

発明の背景
最新のコンピュータオペレーティングシステム及び画像プログラムは、コンピュータディスプレイ上のカーソルの位置を制御するためのポインティングデバイスを必要とする。同様に、ピム（ＰＩＭ：personal information managers）及び携帯電話のような携帯端末も、係るポインティングデバイスを備えることにより恩恵を受ける。デスクトップ型パソコンの場合、最も成功しているポインティングデバイスは、「マウス」である。マウスは、コンピュータディスプレイ上のカーソルの動きを制御するために、キーボードの近くの平面上で移動する手持ち式の物体である。マウスが移動する方向と距離は、カーソルがディスプレイ上で移動する方向と距離を決定する。従来のマウスは、ユーザが非常に正確に移動させることができる剛性物体を提供する。デスクトップ型コンピュータの場合、マウスは、位置決めの問題に対する満足な解決策を提供する。マウスが移動して画面上での所望のカーソルの移動に適応できる経路を提供するほど十分に作業空間が広くない場合、ユーザは単純にマウスを持ち上げて、マウスを作業空間の中心に再度置く。

上述したポインティング機能を提供することに加えて、マウスは、コンピュータに他の入力形態を提供するために使用される追加のボタン及びホイールを含むように発展した。例えば、現在、ほとんどのマウスの設計は、ユーザが他の機能を選択できるメニューを表示することのようなアプリケーションの特定動作をシグナリングするための第２のボタンを提供する。更に、スクロールホイールが多くの設計において設けられている。スクロールホイールを用いて、画面上のテキストをスクロールする、又は特定のアプリケーションにおいて他の多価関数を制御する。例えば、多くの画像プログラムにおけるズームレベルは、スクロールホイールを回転させることにより、増減され得る。

マウスはデスクトップ型パソコンの市場においてポインティングデバイスの問題に対する満足な解決策を提供してきたが、ポータブルコンピュータ及びハンドヘルドコンピュータに対して、同様の成功したデバイスは利用できない。これらのコンピュータは、キーボードの近くに、マウスが移動できるほど十分に広い平面が無い環境で使用されることが多い。更に、別個のポインティングデバイスを携帯する必要性により、マウスがこれらの用途に対して決して理想的でない状態にする。従って、これらのコンピュータを係る環境で使用する際に、何らかの他の形態のポインティングデバイスが必要とされている。

これらの環境で使用するためのポインティングデバイスは、カーソルを迅速に正確に移動させる問題を解決しなければならない。更に、デバイスは、初心者のユーザが詳しく教わらずに理解できる分かりやすい態様で動作しなければならない。更に、ポインティングデバイスは、限定された作業空間で動作し、コンピュータ又は携帯端末のフォームファクタに適合する必要がある。最後に、低コスト、低電力消費、及び高い信頼性の通常の制約も満たす必要がある。

現在、ラップトップ型コンピュータの市場においてポインティングデバイスの問題に対する２つの主要な解決策、即ちシナプティクス（Synaptics）社の容量性タッチパッド（TouchPad（R））及びＩＢＭ社のトラックポイント（TrackPoint(R)）がある。他の企業も類似した機能を有するこれらデバイスのバージョンを製作する。これらデバイスの双方は、上記の要件を満たすには程遠い。トラックポイント（Ｒ）は、ラップトップ型コンピュータのキーボードの中心に一般に配置された小さなボタンである。そのボタンは、ボタンの上面に指で横力を加えることにより「ジョイスティック」に類似した態様で動くことができる。残念ながら、そのボタンは、わずかな量しか動くことができず、かくして、ボタンの変位は、コンピュータディスプレイ上のカーソル位置の変位に直接的にマッピングされることができない。代わりに、ボタンの変位は、カーソルが移動する方向と速度を制御する。ユーザがこのタイプの速度制御を使用してカーソルを位置決めすることができる精度は、従来のマウスで達成される精度よりも大幅に劣る。この制約は特に、コンピュータグラフィクスのプログラムにおける描画のような、細かくて正確な移動を要求するタスクにおいて顕著である。

タッチパッドは、５．０８ｃｍ（２インチ）〜１０．１６ｃｍ（４インチ）の辺を有し、一般に大半のラップトップ型コンピュータのキーボードの下に配置された何の装飾もない長方形のパッドである。そのデバイスは、デバイスのエッジに対して長方形の表面上での指の位置を検出する。この検出は、低摩擦絶縁材料の下にある一連の電極上でユーザの指によってもたらされる容量変化を測定することにより達成される。

また、トラックポイント（Ｒ）と同様に、タッチパッドは、正確さの欠如という欠点もある。回路に対して未知の電位にあるユーザによってもたらされる容量変化を測定することは本質的に困難である。更に、ユーザの指の接触領域は比較的大きい。従って、指の位置の正確な測定を行うために、当該デバイスは、指とパッドとの間の接触領域の中心のような、何らかのパラメータを求めなければならない。残念ながら、接触領域のサイズと形状は、ユーザにより加えられる圧力で変動する。従って、そのようなパラメータを求めることは、よくても限られた精度を有する。実際問題として、ユーザは、正確な移動を反復可能に行うことはできない。

また、ユーザが指又は手首で偶発的にパッドに触れた際に誤った信号を生じるという問題もある。いくつかのデバイスにおいて、従来のマウスの「クリック」機能は、パッド上で軽くたたくことにより実施される。この結果、タイピングの間の係る偶発的な起動により、カーソルがタイピング動作の途中で新しい位置にジャンプし、テキストがその新しい位置に挿入される。

参照により本明細書に援用される、本願よりも前に出願された米国特許出願第１０／７２３，９５７号では、これらの要件を満たすポインティングデバイスが説明されている。そのポインティングデバイスは、ユーザがユーザの指によってパックに圧力を加えた際に、画定された可動域内で移動するパックを利用する。ユーザがパックを放すと、一組のスプリングが、可動域内の中心位置にパックを戻す。パックの位置及びパックにかかる圧力は、当該デバイスの電極により求められる。位置情報を用いて、ディスプレイ画面上でカーソルを位置決めする。装置のディスプレイ上の適切なカーソル位置へとユーザの指がパックを押している間に、取り付けられた装置のソフトウェアが、パックの動きを変換する。ユーザがパックを放すと、パックとカーソル位置との間の結合がソフトウェアにより切断され、従って、パックが再び中心に置かれる間に、カーソルは逆方向に移動しない。

上述した特許出願に教示されたデバイスは、ラップトップ型コンピュータの市場におけるポインティングデバイスの問題に対する主な従来技術の解決策よりも優る重要な利点を提供するが、改善の余地が大いにある。特に、このパックベースのポインティングデバイスは、上述したスクロールホイールの機能性を提供する追加の入力機能を含むことから恩恵を受けるであろう。

発明の概要
本発明は、パック可動域が画定された第１の表面、可動パック、及び位置検出器を有するポインティングデバイスを含む。可動パックは、パック可動域内の第１の表面上で移動するように制限される。位置検出器が、パック可動域におけるパックの位置、及び第１の表面に対して垂直な軸を中心としたパックの回転角度を求める。一実施形態において、パックは、第１の表面に平行な、パックの第２の表面上にパック電極を含む。第１の表面は、パック電極に平行な第１、第２、及び第３の検知電極を含み、パック電極は、第１、第２、及び第３の検知電極の各々の一部分の上にある。一実施形態において、位置検出器は、パック電極と第１、第２、及び第３の検知電極のそれぞれとの間の静電容量を測定するための回路を含む。一実施形態において、パック電極は、パックを貫通し、且つ第１の表面に垂直な任意の軸を中心として回転対称でない形状を有する導電材料の平面層を含む。一実施形態において、パック電極は、導電材料の平面層を含み、その平面層は、その平面層に垂直な軸を中心として円対称である形状を有し、その平面層は互いから分離された第１及び第２の断片に分割され、前記断片の少なくとも１つは、非対称である。例えば、第１の断片は、軸を中心として円対称ではない。一実施形態において、指検知電極がパックに含められる。指検知電極は、パック電極の上にあり、パック電極に対して移動可能な導電層を含む。位置検出器は、パック電極と指検知電極、第１の電極、第２の電極、及び第３の電極のそれぞれとの間の静電容量を測定するための回路を含む。

発明の好適な実施形態に関する詳細な説明
本発明がその利点を提供する態様は、図１及び図２を参照することによってより容易に理解されることができ、それらの図面は、上述した特許出願で教示される、本発明の一実施形態によるポインティングデバイス１０を示す。図１は、ポインティングデバイス１０の上面図であり、図２は、図１に示された線２−２に沿って切断されたポインティングデバイス１０の断面図である。ポインティングデバイス１０はパック（円形部材）１１を含み、パック１１は、パック１１に加えられる横力に応答してパック可動域１９内で基板１５の表面１２の上を移動する。力は一般に、ユーザの指によりパック１１に加えられる。パック１１は、パック１１に加えられる垂直圧力を測定する圧力検出機構を含む。検出された圧力が所定の閾値を超える場合、カーソルの追跡機能が活性化されて、カーソルは、パックの動きにより決定された方向と距離で画面上で移動する。更に、ポインティングデバイス１０は、表面１２上のパック１１の位置を求めるための検出機構も含む。

ユーザがユーザの指１６を外すことによりパック１１を解放すると、パック１１は、パック可動域の側部１４にパックを接続する、１３で示されたスプリングによって、その中心位置まで戻される。その戻りの間にわたり、ユーザの指がパック１１に鉛直力を加えないので、その戻りの動きに関連した位置の変化は、ホスト装置に伝えられない。即ち、カーソルはその以前の位置にとどまる。これは、マウスを持ち上げて可動域の中心にマウスを元の所へ置くことにより一般にマウスで達成される、従来の「再センタリング」能力を提供する。再センタリングは、ラップトップ型コンピュータ、携帯端末、及び可動域が制限される他の小型の応用形態において、特に必要である。

上述した特許出願は、ユーザによってパックに加えられる圧力を測定するための多数の機構を教示しており、従って、これらの機構は本明細書で詳細に説明されない。この説明のために、底面に対して移動できる上面を有するパックが使用され得ることに留意するだけで十分である。上面は、スプリング機構により所定位置に保持される。ユーザが上面に圧力を加えると、上面は、印加された圧力に応じた量だけ底面の方へ移動する。パックの上面と底面との間の距離は、多数の方法のうちの１つを利用して測定される。例えば、パックの上面と底面は、平行板コンデンサを形成する導電層を含むことができる。このコンデンサの静電容量は、金属板間の距離に依存し、従って、静電容量の測定値は、ユーザにより印加された圧力の測定値を提供する。

一実施形態においてパックの位置を検出する態様は、上述した特許出願で詳細に説明されており、従って本明細書で詳細に説明されない。この説明のために、容量性検出方式を利用してパックの位置を求めることができると仮定する。係る方式は図３に示され、図３は、本発明の一実施形態においてパックが移動する、図１に示された表面１２の部分の上面図である。表面５０は、外部回路に接続された端子を有する、５１〜５４で示された４つの電極を含む。図面を簡略化するために、これらの端子は省かれている。パックは、図面の想像線で示される電極５５を含む底面を有する。電極５１〜５５は互いから電気的に絶縁される。例えば、電極５５は、必要な絶縁を提供すると同時に、依然として電極５５が他の電極の上を滑動することを可能にする誘電体の層で被覆され得る。４つの電極は実際には、表面が５０で示される基板の裏面にパターン形成され得る。これにより、４つの電極とパック電極との間の静電容量が低減されるが、数ミリメートル又はそれ未満の基板厚さに対しては、実際に役に立つことができる。電極５５と各電極５１〜５４との間の部分的な重なりは、電極５１〜５４に対するパックの位置に依存する。電極５５と電極５１〜５４との間の部分的な重なりはそれぞれ、Ａ〜Ｄにより示される。

ここで、電極５１〜５５の等価回路の略図である図４を参照する。電極５１に部分的に重なる電極５５の一部は、部分的な重なりＡに比例する静電容量を有する平行板コンデンサを形成する。同様に、電極５２に部分的に重なる電極５５の一部は、部分的な重なりＢに比例する静電容量を有する平行板コンデンサを形成し、以下同様である。コンデンサの全てが電極５５の一部分を共有するので、等価回路は、５８で示された共通の電極に接続された４つのコンデンサからなる。この共通の電極は電極５５である。従って、電極５５と各電極５１〜５４との間の静電容量を測定することにより、電極５１〜５４に対する電極５５の位置を求めることができる。この位置を求めることは、コントローラ５９により行われることができ、コントローラ５９はポインティングデバイスの一部分、又はポインティングデバイスが一部分を形成するホスト装置の一部分とすることができる。

上述した実施形態において、パックの底面における電極の形状は好適には、電極の形状に起因するエラーを低減するために、円形である。復元スプリングにより、パックは多少回転することが可能である。パックの移動中に、ユーザの指がパックの中心に置かれない場合、結果として生じるトルクにより、パックはわずかに回転する可能性がある。パック電極が円対称である場合、係る回転は、位置の測定値を変化させないであろう。一方、パック電極が円対称でない場合、パック電極と個々の電極との間の部分的な重なりの程度は、パックの中心が各場合で同じ位置にあるにもかかわらず、種々の回転に対して異なるであろう。

本発明は、係る非対称電極の設計がパックの向きを測定するために使用され得るという観察に基づいており、そのパックの向きは、カーソルの制御又は追加の機能に対する有用な情報になることができる。例えば、スクローリングのような追加の機能を実現するために、パックの回転を測定して使用することができる。ゲーム動作においてパックの回転を使用して、ゲーム内の物体を回転させることができる。例えば、戦車が戦場の周りを移動するゲームにおいて、パックの回転を用いて、戦車の回転砲塔の方向を制御することができる。

パックの回転の測定を行うために、電極の構成は、意図的に非対称である。ここで、係る構成の１つを示す図５を参照する。ポインティングデバイス６０は、可動域６１の底面に配置された４つの電極５１〜５４を含む。パック電極は、６５と６６で示された２つの半体へ縦に分割される。次いで、表面上の各電極と各パック電極との間の静電容量が測定される。位置と回転の双方が、これら静電容量の測定値から計算され得る。次いで、回転情報を用いて、スクローリング又は他の何らかの機能を実施することができる。

上述したように、パックの多少の回転は、パックの通常の移動中に生じる可能性がある。これが問題になる場合、回転情報は、パックがその静止位置にあるか、又はその付近にある場合に生じる回転に制限され得る。この点に関して、留意すべきは、伸縮バネもパックを所定の向きに戻すことである。

本発明の一実施形態において、パック電極の２つの半体は、半体を電気接続することにより得られる電極が回転対称の形状を有するように設計される。この場合、図３に示された回路構成は、位置測定中に、半体を電気接続することによりパックの位置を求めるために使用され得る。最初に一方の半体が切り離された状態で、次いで他方の半体が切り離された状態で同様の測定が繰り返されて、回転情報を提供することができる。

上述した実施形態は、２つの部分に分割されたパック電極を利用する。しかしながら、他の電極設計を利用することができる。容量性測定は、可動域の各検知電極に部分的に重なるパック電極の面積を与えるものと考えられる。これら部分的な重なりの測定は、或る基準点からのパックの変位、及びパック上の軸を中心とするパックの回転を提供しなければならない。簡略化のために、変位は、デカルト座標（ｘ、ｙ）で指定され、回転角度はＡにより指定されることにする。従って、少なくとも３つの検知電極がなければならない。更に、電極の形状と位置は、ｘとｙの双方の変位を求めることができるようにする必要がある。例えば、電極の全てが同じ形状を有し、ｘ方向の線に揃えられている場合、ｙの変位を求めることはできない。

パック電極の形状は好適には、それぞれ考えられる位置と回転が検出可能であるべきである場合に２つの条件を満たす。第１に、電極の形状は、可動域内の任意の軸を中心として円対称でないことが必要である。この条件を満たさない場合、別の（ｘ、ｙ、Ａ）セットと同じ部分的な重なりの値を提供する値の（ｘ、ｙ、Ａ）セットとなる可能性がある。更に、パック電極は、それぞれ考えられるパックの位置と回転に対して、検知電極の全てに部分的に重なる必要がある。パック電極が可動域と比べて小さい実施形態において、４つ以上の検知電極を用いて、可動域の表面を覆うことができる。係る実施形態において、これら電極の３つが直線で配列されていない場合、パック電極はこれら３つの電極に部分的に重なることで十分である。これらの条件が満たされていない場合、動作可能なポインティングデバイスは依然として構成され得るが、そのポインティングデバイスは、いくつかの場所において誤った結果を生じる可能性がある。

上述したように、パックの上面に加わる圧力を用いて、ユーザの指の存在を検出し、従来のマウスで使用されていたものと類似した「クリック」動作をシミュレートして、パックにより制御されるカーソルの現在位置が或る関数に使用されるべきであるプログラムに信号を送る。例えば、クリックを用いて、カーソルが現在ポインティングしている画面上のリストの項目が選択されるように、データ処理システムに信号を送る。留意すべきは、パックの位置と回転を求めるために上述した同じ容量性測定システムを用いて、ユーザによりパックに加えられた圧力を測定することもできることである。

ここで、図６を参照すると、図６は、線６−６に沿って切断された図５に示されたポインティングデバイスのようなポインティングデバイスの断面図である。ポインティングデバイス８０は、電極６５と６６が配置されたパック８１の底面の上に、スプリング８４で浮かされた上部電極８２を有するパック８１を使用する。この実施形態において、電極８２は、パック８１の外側シェル８５内のフランジ８３により、パック８１から離れないようにされる。ユーザが電極８２を押しつける場合、電極８２は、電極８２に印加される力に応じた距離だけ、電極６５と６６の方へ移動する。従って、電極８２と電極６５又は６６との間の距離は、印加された力の尺度を提供する。この距離は、電極８２、及び電極６５と６６の一方又は双方により形成されたコンデンサの静電容量を測定することにより求められる。

上述したように、可動域内のパック８１の位置、及びパック８１の回転も、静電容量を測定することにより求められ得る。この場合、静電容量は、電極６５及び６６と電極５１〜５４との間の静電容量である。ここで、図７を参照すると、図７は、個々の静電容量を測定するための回路の略図である。留意すべきは、電極６５と６６は、測定されている特定の静電容量に応じて、演算増幅器９２の入力に別個に、又は一緒になるようにして接続され得る。演算増幅器に接続されるこれら電極の特定の１つは、マルチプレクサ９６を介して、コントローラ９３により決定される。図面を簡略化するために、コントローラからマルチプレクサまでの特定の接続、及び電極は、省略されている。この説明のために、電極６５が接続されていると仮定する。リセットスイッチ９５が最初に閉じられる場合、検知電極６５及び出力電圧Ｖ_ＯＵＴは強制的に電位Ｖ_ＲＥＦにされる。リセットスイッチが再び開かれた後で、駆動電圧Ｖ_１が、コントローラ９３により電極５１〜５４、６５、又は８２の１つに印加される。電極５１での測定を考察する。電荷は、Ｑ_１＝Ｃ_１・（Ｖ_１−Ｖ_ＲＥＦ）に従って、関連したコンデンサの両端で生じ、ここで、Ｃ_１は電極６５と電極５１により形成されたコンデンサの静電容量である。電荷が検知電極６５上へ、又はそれから移動できないので、演算増幅器は、電極６５を電位Ｖ_ＲＥＦに保持するために、帰還コンデンサ９４の両端に電圧を印加する。従って、Ｖ_ＯＵＴ−Ｖ_ＲＥＦ＝Ｃ_１／Ｃ_ＲＥＦ・（Ｖ_ＲＥＦ−Ｖ_１）であり、ここで、Ｃ_ＲＥＦは、コンデンサ９１の静電容量である。駆動される電極のそれぞれにおいて係る測定を順次に行うことにより、パックの位置、パックの回転角度、及び指センサに印加されている圧力が確定され得る。この回路は、それにより単一の演算増幅器及び単一のデジタル駆動信号を用いて多くの静電容量の測定を行うことが可能になるという理由で、この用途に好都合である。

次いで、位置と回転に関して導出された信号は、データ処理装置に取り付けられたディスプレイ９８上のカーソル１０２及び／又は他の要素の位置を制御するために、ポインティングデバイスに取り付けられたデータ処理システム９７に送られる。例えば、回転の角度を用いて、ディスプレイ上に表示された物体９９のような、選択された物体を回転させる、又はディスプレイに示されるウィンドウ１００上のスクロールバー１０１を操作することができる。

本発明に対する様々な修正案が、上述した説明及び添付図面から当業者には明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

ポインティングデバイス１０の上面図である。 図１に示された線２−２に沿って切断したポインティングデバイス１０の断面図である。 本発明の一実施形態においてパックが移動する、図１に示された表面の部分の上面図である。 電極５１−５５の等価回路の略図である。 パックの回転の測定を行うために、電極の構成が意図的に非対称である構成を示す図である。 図５に示されたようなポインティングデバイスの、線６−６沿って切断した断面図である。 個々の静電容量を測定するための回路の略図である。

Claims (11)

1. 上面に画定されたパック可動域（19）を有する第１の表面（12）と、
   前記第１の表面（12）上で移動するように制限された可動パック（11）と、
   前記パック可動域（19）内の前記パック（11）の位置、及び前記表面に対して垂直な軸を中心として前記パック（11）の回転角度を求める位置検出器（93）とを含み、
   前記パック（11）が、前記第１の表面（12）に平行な、前記パック（11）の第２の表面上にパック電極（65、66）を含み、該パック電極（65、66）が導電材料の平面層からなり、該平面層が互いから縦に分離された第１及び第２の断片（65、66）に分割されている、ポインティングデバイス（10、60）。
2. 前記第１の表面（12）が、前記パック電極（65、66）に平行な、第１、第２、及び第３の検知電極（51〜53）を含み、前記パック電極（65、66）が、前記第１、第２、及び第３の検知電極（51〜53）のそれぞれの一部分の上にある、請求項１に記載のポインティングデバイス（10、60）。
3. 前記位置検出器（93）が、前記パック電極（65、66）と前記第１、第２、及び第３の検知電極（51〜53）のそれぞれとの間の静電容量を測定するための回路（92、94、93）を含む、請求項２に記載のポインティングデバイス（10、60）。
4. 前記パック電極（65、66）が、前記パック（11）を貫通し、且つ前記第１の表面（12）に垂直な任意の軸を中心として回転対称でない形状を有する、請求項１に記載のポインティングデバイス（10、60）。
5. 前記平面層がその平面層に垂直な軸を中心として円対称である形状を有する、請求項１に記載のポインティングデバイス（10、60）。
6. 前記第１の断片（65）が、前記軸を中心として円対称でない、請求項５に記載のポインティングデバイス（10、60）。
7. 前記パック電極（65、66）の上にあり、且つ前記パック電極に対して移動可能な導電層からなる指検知電極（82）を更に含み、前記位置検出器（93）が、前記パック電極（65、66）と前記指検知電極（82）、前記第１の電極（51）、前記第２の電極（52）、及び前記第３の電極（53）のそれぞれとの間の静電容量を測定するための回路（92、94、95、96）を含む、請求項２に記載のポインティングデバイス（10、60）。
8. ディスプレイ（100）を動作させるための方法であって
   可動パック（11）を含むポインティングデバイス（10、60）を準備し、
   前記パック（11）に関する位置と回転を周期的に求め、
   既に求められた位置からの前記位置の変化に応じて、ディスプレイ（100）上でカーソル（102）を移動させ、
   既に求められた回転からの、前記パック（11）の前記回転の変化に応じて、前記ディスプレイ（100）の別の態様を変化させることを含み、
   前記パック（11）が、導電材料の平面層からなるパック電極（65、66）を含み、該平面層が互いから縦に分離された第１及び第２の断片（65、66）に分割されている、方法。
9. 前記ディスプレイ（100）が、スクロールバー（101）を含み、前記回転の変化が前記スクロールバー（101）を操作する、請求項８に記載の方法。
10. 前記ディスプレイ（100）が、物体（99）を含み、前記回転の変化により、前記物体（99）が或る角度に回転する、請求項８に記載の方法。
11. 前記角度が、前記回転の変化により求められる、請求項１０に記載の方法。

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