JPH08511363A - 誘導的に結合されたキーボード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コンピュータ(17)用の内蔵式キーボードは、可変磁界中で符号化された走査コードを介してホストコンビュータにキーストロークデータを送信する。好ましい実施例において、キーボード(10)は導体のループを発生する。コンピュータ(17)の本体中の復調回路(40)に接続された受信ループ(47)は、キーボード(15)から送信された磁気バーストに応じてｅｍｆスパイクを生成する。復調回路(49)は、受信ループ(47)から監視されたｅｍｆスパイクに応じてコンピュータＣＰＵに伝送するためにレジスタ(51)においてデジタル走査コードを再生する。

Description

【発明の詳細な説明】 誘導的に結合されたキーボード ［発明の分野］ 本発明は、特にコンピュータ用のキーボード入力装置に関し、特にキーボード からコンピュータまたはキーボードが結合されているその他の装置に入力データ を伝送する方法に関する。 ［発明の背景］ 全てのコンピュータシステムは、専用の機能を実行するために利用者入力を必 要とする。いくつかの場合において、必要とされる唯一の入力は、典型的にプロ グラムと呼ばれる予めプログラムされた命令のリストにしたがって処理を開始す る信号である。 特別な信号を受信し、ある目的に対して信号を自動的に処理し、結果を記憶ま たは表示する専用のコンピュータシステムが存在する。一例は、コンビュータ管 理された環境監視ステーションである。しかしながら、一般にコンピュータシス テムは周期的で頻繁な文字数字および幾何学的図形の入力を必要とする。この頻 繁な文字数字および幾何学的な入力の必要性は、デスクトップおよびポータブル コンピュータ等の全てのタイプのパーソナルコンピュータを含む、技術分野にお いてしばしば“汎用”コンピュータと呼ばれるもので典型的なものである。 典型的に、汎用コンピュータは文字数字入力用のキーボードおよび幾何学的図 形の入力用の“マウス”またはトラックボール等のポインティング装置を有して いる。文字数字入力はワード処理アプリケーション等に有効であり、幾何学的図 形入力はグラフィックアプリケーションに有効である。結果的に、汎用コンピュ ータシステムが利用者入力用のインターフェイスとしてタイプライターキーボー ドをシミュレートしたキーボードを有することはほとんど避けられない。 コンピュータ用のキーボードは、電気機械設計者が必要に迫られている研究課 題であり、コンピュータシステムの最も頻繁に使用され、酷使される部分である ことは疑いない。さらに、キーボードは比較的複雑な機械システムであり、典型 的に多数の可動および相互作用部分を必要とし、その部品は故障を生ぜずに数千 回動作されることが可能でなければならない。 キーボードはまた、一般的に動作には全く有益ではない絶え間なく降りかかる 異物にさらされる。粉塵、汚染、湿気、こぼれた液体、皮膚および爪等多くの物 質がキーボードに対する通常の侵入物である。良好なキーボード設計により異物 の侵入から動作素子を保護しなければならない。 キーボード設計の別の要求される事項は、キーストロークデータを構成し、提 供されたコンピュータまたはコンピュータ化されたシステムにデータを伝送する 問題である。キーが構成され、キーストロークがホストシステムで検出され、デ ータに変換されることのできる多数の異なる方法が存在して いる。典型的に、キースイッチはマトリクスに配列され、マトリクスの行が走査 される。これは多重化されたインターフェイスである。これは、ホストシステム のＣＰＵを使用してソフトウェアベースのモードで行われることが可能であるが 、キーボードにマイクロプロセッサを内蔵することに多数の利点が存在している 。 典型的に、内蔵マイクロプロセッサを備えたキーボードに対して、キーストロ ークデータはマイクロプロセッサに供給され、処理され、コード化され、伝送さ れる。最も一般的な伝送モードは、ホストシステムに対する直列接続ケーブルを 介するものである。ホストコンピュータが走査コードを受信したとき、キーボー ド制御装置は、走査コードが読取りに利用可能であることをＣＰＵに知らせる。 キーボード技術に関して役立つ参考文献は文献（Michael Slater氏によるMicr oprocessor Based Design，287乃至303頁，Copyright 1989,Prentice Hall）で ある。別のものは、文献（Winn Rosch氏によるThe Winn Rosch Hardware Bible ，239乃至257頁，Copyright 1989,Prentice Hall）である。２つの参考文献のこ れらの部分はこの明細書では参照文献としている。 キーボードのケーブルによるホストコンピュータへの結合は、制限が多く、扱 い難い。例えばデスクのスペースが制限された場合、ケーブル用のスペースが問 題になる。ケーブルの長さはコンピュータに関するキーボードの位置も制限する 。また、ケーブルは２個の端部コネクタのいずれかにおける接 続不良等によって故障を受け易い別個の部品である。本発明以前に、コードを使 用せずにコンピュータにキーボードを結合することが試みられている。例えば、 ＩＢＭ社は走査コードを光学的に送出すために２個の赤外線放射ＬＥＤを備えた ＰＣ Ｊｒ．コンピュータを開発した。しかしながら、システムの信頼性はそれ 程高くなく、見通し線伝送範囲に制限される。 キーボードがケーブルを必要とせずに、見通し線伝送に制限されず、信頼でき る方法でホストコンピュータと通信することを可能にする装置および方法が必要 とされる。 ［発明の要約］ 好ましい実施例において、コンピュータ用のキーボード入力装置は、データお よび命令を入力する利用者の操作可能なキー手段のアレイと、キーボードの動作 を管理するマイクロプロセッサベースの制御手段と、制御手段にキー手段を接続 する電気接続手段と、キーボード素子に電力を供給する電源と、制御手段によっ て管理され、磁界発生器によって発生された変化磁界によってデジタル走査コー ドを送信する磁界発生器とを含んでいる。 好ましい実施例の磁界発生器は、制御手段によって期間を定められた電流バー ストが磁界バーストを生成する導体のループである。タイミングは、キー動作を 表すデジタル走査コードにしたがって設定される。 １実施例において、走査コード受信機はホストコンピュータの本体内に設けら れ、キーボードから磁気的に符号化され た直列信号を受信し、コンピュータのＣＰＵによる使用のためにデジタル走査コ ードにデータを変換する。この実施例において、受信機は、磁気バーストがコン ピュータＣＰＵへの通信のためにレジスタにおいてデジタル走査コードを再構成 するために監視および使用されるｅｍｆスパイクに変換されるように復調回路に 接続された導体ループである。 本発明の１つの観点において、走査コード用の磁気伝送手段を備えたキーボー ドと、磁気的に送信されるコードを変換してデジタル形態に戻す受信および復調 手段の両者を有するコンピュータシステムが提供される。 本発明は、ケーブル接続を必要とせず、見通し線伝送に依存しないキーボード を比較的安価で信頼できる方法で提供する。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、本発明によるキーボードを備えたコンピュータの斜視図である。 図２は、本発明によるマイクロプロセッサおよび磁気送信機にインターフェイ スされたキースイッチマトリクスを示す。 図３は、磁気的に符号化された走査コードを受信し、関連したデジタル走査コ ードをそれから再構成する受信機および復調回路を示す。 図４Ａは、本発明の１実施例による受信ループ中のｅｍｆのトレース例である 。 図４Ｂは、図４Ａの磁気的に符号化されたコードから再構成された直列デジタ ル走査コードである。 ［好ましい実施例の説明］ 図１は、本発明による誘導装置によって結合されたキーボードを備えた汎用ポ ータブルコンピュータの斜視図である。図１のコンピュータシステムは、ハウジ ング17および傾斜位置に回動できるディスプレイ19を含む基本装置13を含む。デ ィスプレイは、いくつかのタイプの利用可能な平面パネルディスプレイの１つで よい。ハウジング17は、ＣＰＵマイクロプロセッサ、Ｉ／Ｏバスおよびシステム ラムメモリ等の主要な電子動作素子を含んでいる。直列装置等に接続するための コネクタ（示されていない）が存在しており、それはポータブルコンピュータで 通常知られているものである。 分離したキーボード装置15は、磁力線21によって表された磁界で伝送される符 号化された情報によってケーブル接続を使用することなく、文字数字その他のキ ーストローク入力を提供する。 図２は、キーボード15の内部素子のいくつかを示した概略図である。この特定 の実施例において、キースイッチ（以下キーと言う）はマトリクス23で接続され 、キーボードのフレームワーク内に含まれたマイクロプロセッサ25によって走査 される。走査されたマトリクス構造は、非常に多数のキーに対して必要とされる Ｉ／Ｏポートビットの数を大幅に減少する。しかし、この走査されたマトリクス 構造は、キー動作が内蔵マイクロプロセッサによって認識される多数の代表的な 手段の１つであり、ここでは一例として使用されている。本発明は、実際にキー ストロークを認識してコード化する技術 的に知られた任意の手段と事実上組合わせられる。さらに、キーボードに関する その他多数の通常の特徴が存在するが、それらは本発明とほとんど関係ないため 、ここでは扱われていない。例えば、キーボードは典型的にナム・ロック（Num Lock）、キャップ・ロック（Caps Lock）、スクロール・ロック（Scroll Lock） 等を示す少数の指示ＬＥＤを有しており、これらの特徴はここでは説明されてい ない。 図２の走査されたマトリクスは、４ビット入力ポート29および４ビット出力ポ ート31を通ってマイクロプロセッサ25にインターフェイスされた16個のキーを示 す。プル・アップ抵抗（抵抗33が一例である）は内蔵された電池駆動電源に接続 されており（接続は図２には示されていない）、列のキーが押されなかった場合 、入力ポートにおいて高いレベルを生成する。 走査時、マトリクスは１時に１行づつ読取られる。出力ポートビットの１つは ０に設定され、一方その他は全て１に設定される。図２において、第２の下方の 行が読取られる。出力ビットが１に設定された行中のキーはキーを押したときに 効果的にディスエーブルされ、プル・アップ抵抗によって既に高く引上げられた 入力ポートビットに高レベルの出力ポートビットだけを接続する。０設定ビット によって駆動された行のキーは活動的である。活動的な行のキーを押すことが、 対応した列の入力ポートビットを低くする。各行は順次読取られ、シーケンスは 無制限に繰返される。 マトリクスは、利用者が迅速にキーを押し、それを戻した 場合にも、コンタクトがマイクロプロセッサによって検出ミスが生じないことを 保証する速度で完全に走査されなければならない。事実、接触動作だけでなく、 遮断もまた記録され、それはキーの組合わせが記録されることを可能にする。キ ーの組合わせは結果的に“ゴースト”キー読取りを実現するが、しかしこの潜在 的な問題は各キーと直列のダイオード（示されていない）を配置することによっ て処理されることは当業者に明らかであろう。 16個のキーのマトリクスが一例として示されており、多数の方法でより多くの キーに拡張可能である。例えば、より多くのビットを有する入力および出力ポー トが使用されてもよい。１個の16ビット入力および１個の16ビット出力のポート は256個のキーのマトリクスを支持する。その代りとして、４または８ビットを 有するさらに多くのポートが使用されてもよい。典型的に、完全なキーボード走 査は数ミリ秒ごとに１度行われる。 通常のキーボードおよび本発明のこの実施例において、内蔵マイクロプロセッ サは走査から導出された情報を16進法の走査コードに変換する。典型的な走査コ ードは、上記で参照されたウィン・ロッシュ(Winn Rosch)ハードウェア・バイブ ルの250乃至253頁に示されている。しかしながら、別の走査コードが随意に設計 されてもよい。 通常のシステムにおいて、マイクロプロセッサは４線式ケーブルで走査コード を直列的に送り、１つの電線がデータの全てを搬送する。通常の場合、コンピュ ータの主要な部分は、 キーボード制御装置のチップが、走査コードが読取りに利用可能であるＣＰＵに 中断を与える特別なＩ／Ｏポートでこれらの走査コードを受信する。その後ＣＰ Ｕは走査コードを読取り、キーストローク情報を入力として翻訳する。それを行 うプログラムは、典型的にシステムＢＩＯＳの一部分である。 本発明のシステムにおいて、コンピュータに走査モードを送信するケーブルは 存在しない。図２によって示された実施例において、マイクロプロセッサ25は、 電源39からの回路37中の電流を制御する電流制御装置35を動作する。制御された 電流は、１巻きの発生ループ41を通って流れ、例示的な磁力線43によって表され た磁界を生成する。図２において、発生ループ41は平面図で示されているため、 ループの平面に対して垂直に発生され、通常は本質的に円形である磁力線43は直 線として示される。 図３は、図２の発生ループ41およびハウジング17中に配置された受信装置45を 示す。受信装置45は、通常のシステム用の直列ケーブルにより走査モードを受取 り、システムＣＰＵにコードを送る特別なＩ／Ｏポートの機能を提供する。１実 施例において、受信装置45は汎用コンピュータ用のアド・インカードとして構成 されているが、別の実施例では受信装置はコンピュータハウジング中のハードワ イヤユニットである。後者は、ノートブック型、ラップトップ型および高度にポ ータブルなことが意図されたその他のコンピュータの好ましいケースである。 本発明において、キーストロークに関する情報は磁界43に おける符号化された磁気変化によりシステムＣＰＵに送信される。このために、 装置45はループ41によって生成された磁界を傍受する受信ループ47を有している 。磁界理論で良く知られているように、磁界の強度に変化がない場合は、ループ 47において影響はない。その後、情報を送信するために、磁界は増大するか、或 は消失することが必要である。 電気工学の分野において知られているように、２つの電気回路の間には相互イ ンダクタンスと呼ばれる定められた特性が存在している。相互インダクタンスは 、一方の回路中の電流の変化の結果、他方の回路において誘導されたｅｍｆを決 定する。もちろん、一方の回路中のｅｍｆの方向は他方のものにおける電流方向 の特性である。 図２および３によって示された本発明の実施例において、ループ41において生 成された電流１は、ループ47における電流の０からｉへ（およびｉから０へ）の 変化により生じた磁界43の変化のために第２のループにおいてｅｍｆＶ₁を生成 する。ループ47の両端の間で検出可能なｅｍｆ変化を生成するために、マイクロ プロセッサ25（図２）によって駆動される電流制御装置35は、ループ41において 電流の制限されたバーストを生成する。この電流が０からｉに変化すると、正の ｅｍｆがループ47において生成され、ループ41の中の電流が０に戻るように降下 すると、ループ47の中のｅｍｆの大きさは負の値に変化する。本発明におけるｅ ｍｆの変化は、走査コードを送信する能力を提供する。 一方の回路の電流変化により他方の回路において生成され たｅｍｆの大きさは他方の回路における時間に関する電流変化の速度、すなわち ｄｉ／ｄｔに比例することが経験的に知られており、相互インダクタンスの概念 において反映されている。したがって、送信ループの断面は、送信ループに電圧 を与えた結果としての電流の迅速な上昇に対する高い抵抗を妨げないように比較 的大きい。本発明のこの実施例において、送信ループは一側が約２ミリメートル の方形の導体からなり、約25ミリメートルの平均直径を有する。 示された実施例において、送信ループおよびキーボードの別の動作用の電流は 、電池ベースの電源39によって供給される。したがって、キーボードに対する電 力要求は最小レベルに維持されることが望ましい。しかしながら、キーボードの 他の回路、ハウジング17中のコンピュータ素子、または本発明によるコンピュー タシステムの近くの別の装置における電流レベルのための周囲の磁界によって生 成された疑似信号による伝送の崩壊を避けるように動作することも望ましい。説 明された実施例において、送信ループ中の電流は数ミリアンペアに制限され、干 渉は送信機に対する高い電力要求によってではなく、受信装置において処理され る。 受信ループ47において誘導されたｅｍｆは、システムＢＩＯＳの一部分として 構成された制御ルーティンにしたがって、受信装置において感知および復調回路 49によって監視されることが好ましく、出力レジスタ51はキーボードから送信さ れた受信走査コードで設定される。通常の復調器におけるように、走査コードが “準備できている”場合、装置49は、走査 コードが読取りに利用可能であるシステムＣＰＵ55にＩ／Ｏバス53を介して中断 を与える。受信された走査コードがシステムＣＰＵによって読取られた後、出力 レジスタは受信される次の走査コードのためにリセットされる。 図４Ａは、予めプログラムされたコードプロトコールにしたがって送信コイル 421においてｉを処理した結果である受信されたｅｍｆ波形57（ループ４７の両 端間のＶ₁）のトレースの一例である。 図４Ｂは、受信されたｅｍｆ波形を監視した結果として生成された直列のビッ トパターン58を示す。 典型的な直列プロトコールのように、図４Ａおよび４Ｂによって例示された実 施例の伝送プロトコールにおいて、伝送率の逆数（ときどきボード(Baud)率と呼 ばれる）である予めプログラムされたビット時間（ｂｔ）63が存在している。走 査コード伝送用のこのビット時間は、ほとんどのシステムのクロック率に負担を 与える必要がない。例えば、非常に控え目の10メガヘルツのクロック率は10^-7秒 の期間を有する。例えば、クロック期間の1000倍のビット時間および１つの走査 コードを伝送するために最小で12ビット時間を仮定すると、コードは1.2×10^-3 秒で伝送される。その速さでタイプする人はわずかである。 この実施例において、プロトコールは送信ループ中の電流バーストによって生 成された受信ループの両端間に生じるｅｍｆスパイクからなる。キーボードマイ クロプロセッサ25（図２）は、閉成および開放の両キーストローク、並びにキ ーの組合わせを読取り、ビット時間にしたがった時間長の直列バーストで走査コ ードを送信する。ループ41中の各電流バーストはループ47においてスパイク59の ようなスパイクを生成し、それは約１／４のビット時間に及ぶ（この時間はビッ ト時問内で大きく変化してもよい）。 この実施例の走査コードは、上記の説明では米国ＩＢＭ社のそれに匹敵するキ ーボード用の慣例的な走査コードが参照されたが、別の実施例において使用され ることができる別のコードが多数存在する。図４において、コードスタート信号 はビット時間の２倍の時間の３つのスパイク61によって供給される。回路49（図 ３）は、コードスタート信号を認識し、データビットを示すスパイクのために次 の８ビット時間を監視し、感知されたビットにしたがって、出信号レジスタ51を 設定する。一定のスパイクを有するビット時間は論理１であり、スパイクのない ビット時間は論理０を生じる。８ビットが送信された後、送信機は２倍のビット 速度で５つのスパイクのストップコードを発し、別のスタート信号を捜索する。 本発明の技術的範囲内において異なるコード化方式で使用される多種のスタート およびストップコード（信号）が存在し、説明された手段は多数のものの中の１ つに過ぎない。 図４の実施例で送信された走査コード００１０１１０１はｈｅｘ ２Ｄであり 、これは好ましい実施例において使用されたプロトコールによる“ｘ”キーのメ ークコードであり、それはほとんどのＩＢＭ社のそれに匹敵するコンピュータキ ーボードシステムによって使用される通常の装置コードであ る。利用者がキーボードをタイプしたとき、本発明によるシステムは使用される キーのオンおよびオフ、並びにキーの組合せを連続的に翻訳し、コンピュータに 送信フループおよび受信ループを介して走査コードを送る。 本発明の技術的範囲を逸脱することなく多数の変更が示された実施例において 行われることができることは当業者に明らかであろう。数値は上記において述べ られているが、さらに多数のものが存在している。例えば、送信および受信ルー プの寸法、並びに発生された電流およびコード化されたデータのタイミング等の その他の変数の自由度が広い。同様に、好ましい実施例に記載された方式以外に 使用される多数のコード化方式が存在している。その他の多数の変更が本発明の 技術的範囲内に存在している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．データおよび命令を入力する利用者の操作可能なキー手段のアレイと、 前記キーボードの動作を管理するマイクロプロセッサベースの制御手段と、 前記マイクロプロセッサベースの制御手段に利用者の操作可能なキー手段の前 記アレイを接続する電気接続手段と、 前記キーボードの電力使用素子に接続され、キーボードに電力を供給する電力 供給手段と、 前記マイクロプロセッサベースの制御手段によって管理され、磁界発生手段に よって発生された変化している磁界によってデジタル走査コードを送信する磁界 発生手段とを含んでいるコンビュータ用のキーボード入力装置。 ２．前記磁界発生手段は前記マイクロプロセッサベースの制御手段によって管理 された電流制御回路によって駆動された導体の１以上のループ含み、磁界バース トは前記電流制御回路によって導体の前記１以上のループの中で発生させられた 電流バーストによって生成される請求項１記載のキーボード入力装置。 ３．前記マイクロプロセッサベースの制御手段は、各キーストロークの閉成およ び開放、並びにキー組合せを識別する前記デジタル走査コードを生成し、前記変 化している磁界を介して前記デジタル走査コードを直列に送信する制御ルーティ ンを含んでいる請求項１記載のキーボード入力装置。 ４．前記走査コードはパケットで磁気バーストとして送信さ れ、各パケットはスタート信号として第１の期間を定められたバーストシーケン スを含み、後続する一連の等しいビット時間が走査コードの１および０ビットを 表し、ビット時間内の磁気バーストはデジタル１を表し、ビット時間内の磁気バ ーストの不存在はデジタル０を表し、第２の期間を定められたバーストシーケン スはパケットのストップ信号である請求項１記載のキーボード入力装置。 ５．受信手段を結合する磁界の変化に応答してｅｍｆを発生する磁気信号受信手 段と、 前記磁気信号受信手段に接続され、前記磁気信号受信手段において発生された ｅｍｆスパイクを検出し、ｅｍｆスパイクの期間を定められた受信に応じたデジ タル値で出力レジスタを設定し、Ｉ／Ｏバスに結合されたＣＰＵに中断を与える 監視回路とを含んでいる汎用コンピュータのＩ／Ｏバスにインターフェイスする ように構成されたコード復調装置。 ６．前記磁気信号受信手段は前記監視回路に接続された導体の１以上のループを 含み、前記１以上のループに結合された磁界が急激に変化するたびに、前記監視 回路にｅｍｆスパイクを与える請求項５記載のコード復調装置。 ７．前記監視回路は、ｅｍｆバーストの直列の受信に応じて１および０で出力レ ジスタの連続したビットを設定するように前記Ｉ／Ｏバスを介して前記ＣＰＵに よって動作可能であり、ビット時間中のｅｍｆバーストはデジタル１を示し、ビ ット時間中のｅｍｆバーストの欠如はデジタル０を示している請求項５記載のコ ード復調装置。 ８．コンピュータの動作を管理するＣＰＵ手段と、 前記ＣＰＵにインターフェイスされ、周辺装置と通信するＩ／Ｏバスと、 前記Ｉ／Ｏバスにインターフェイスされ、コード化された磁気信号を監視して 、前記コード化された磁気信号に応答して前記ＣＰＵ手段に走査コードを送るコ ード復調手段と、 磁気発生手段を含み、走査コードとしてキー動作をコード化し、前記磁気発生 手段により発生された可変磁気信号によって前記コード復調手段に前記走査コー ドを送信する物理的に接続されていないキーボードとを含んでいる汎用コンピュ ータ。 ９．前記キーボードは、前記導体の１以上のループ中の電流バーストによって生 成された磁気バーストとして直列に送信されるデジタル走査コードとしてキーの 閉成および開放並びに組合せをコード化するように構成された制御ルーティンに したがってマイクロプロセッサによって制御された電流発生手段によって駆動さ れる導体の１以上のループを含んでいる請求項８記載の汎用コンピュータ。 １０．キーと関連しており、マイクロプロセッサに接続されたディスクリートな 信号発生器のマトリクスによってキーボード上のキー動作を読取り、 キー動作に対応するように特定の個々のデジタルコードにしたがって読取った ものを走査コードに変換し、 磁界発生手段によって発生された一連の磁気バーストにデジタル値を変換する ことによって走査コードを直列に送信し、 コンピュータ本体の中の復調回路に接続された受信ループによって一連の磁気 バーストを傍受し、 走査コードを表す一連の磁気バーストにしたがってデジタル走査コードにデジ タルレジスタを設定し、 出力レジスタからＣＰＵまでデジタル走査コードを伝送するステップを含んで いるキーボード上のキーアレイ上で行われるキー動作を汎用コンピュータのＣＰ Ｕに送信する方法。