磁性地表显示设备

本发明涉及在表面上产生磁场的设备，其提供磁性地表，在该 磁性地表上可以放置对磁场有响应的对象。

利用磁场或时变电磁场确定对象的取向、位置或身份是公知的。 在最简单的形式下，公知的是，确定对象的取向与磁场的关系，例 如罗盘针与地球磁场的关系。这种布置提供了磁场方向的唯一指示， 而非其幅度。

基于霍耳效应或磁阻效应的磁传感器能够提供有关其中放置有 这种传感器的磁场的状态的更详细信息。从基于这些效应的传感器 既能获得幅度信息又能获得取向信息。

能够使用导电材料线圈产生恒定或时变磁场。这些磁场能够与 其他线圈耦合，并将这种耦合用于提供有关其他线圈状态或位置的 信息。例如，如US 4498076所公开的，由于这种耦合导致的效应用 在诸如防盗标签的系统中。基于类似效应的系统是公知的，其考虑 到确定对象的位置与其中嵌入各种线圈的板的关系。US 5188368中 公开了这种系统，其中，将嵌入线圈的象棋棋子置于其中提供有发 送与接收线圈的棋盘上。形成于线圈之间的谐振电路经由每个棋子 特有的谐振频率特性来识别它，并且通过扫描来自每个接收线圈的 相对响应识别棋盘上的特定位置。

US 5853327公开了一种具有置于其上的玩具人物的游戏板，通 过检测来自激励信号的响应可识别出每个人物，所述激励信号要馈 送给位于板内的线圈，并耦合到位于玩具人物内的线圈。通过对所 接收的线圈信号进行分析，该系统能够检测到特定棋子位于板上何 处。

美国申请2005/0075037A1公开了一种游戏垫，其中可以这样布 置磁性或有磁性吸引力的材料，使得放在该垫上的物品可以由磁力 保持在与所显示场景的特定部分匹配的选定位置上。

Paradiso等人在IBM Systems Journal，Vol.39，Nos.3&4，2000， pp 892-914的文章“Sensor systems for interactive surfaces″中公开了 若干用于捕捉交互式表面附近的各种姿态方式的不同系统，这些系 统包括无源磁耦合谐振标签。

Steurer和Srivastava在 http://nesl.ee.ucla.edu/projects/smartkg/docs/PerCom2003_SmartTable.p df的“System design of a smart table”中公开了一种桌子，当多个对 象放置在其表面上时，其可以同时跟踪和识别多个对象。

Pangaro等人在Proceedings of UIST 2002，2002年10月27-30 日的“The actuated workbench：computer-controlled actuation in tabletop tangible interfaces”中公开了一种装置，其使用磁力在二维 上移动桌子上的对象，该装置旨在供桌面有形接口使用。

上述示例展示了如何能够使用板中嵌入有源线圈系统的系统来 确定放在板上的无源对象的位置和身份。这种系统本来是复杂的， 尤其是以需要连接和驱动板中各种发送与接收线圈的方式。为了改 进定位精度，板中需要多个线圈，因此需要更复杂的电路。这增大 了设备的成本。

在很多应用中，例如玩具和游戏中，就成本而言这样复杂的线 圈布置可能是不合理的。相反，所需要的是为用户提供交互体验的 简单、鲁棒而便宜的方案。

本发明针对以下问题提供了一种解决方案，即，提供与对象相 对于磁性或可磁化表面的位置和/或取向有关的信息。借助于永磁体 或导电线圈提供了一种磁性“地表”。含有磁感测装置的有源对象能 够通过测量所感测的磁场幅度和/或方向对它们在表面上的位置和/ 或取向做出响应。

本发明的目的在于提供一种磁性地表显示设备，其中在表面上 产生并检测磁场以向放置在表面上的对象传达意义。

根据一个方面，本发明提供了一种磁性显示设备，其包括：表 面；多个磁场发射元件，其适于在整个所述表面产生多个不同磁场 水平，每个元件以相对于所述表面的固定关系定位；以及一个或多 个可移动对象，每个对象中都具有磁场传感器且适于感测所述表面 上一个或多个位置处的磁场水平并对其做出反应。

现在将参照附图以及通过举例对本发明的实施例进行描述，在 附图中：

图1以平面图示出了根据本发明的一个实施例的磁性地表设备；

图2示出了图1的磁性地表设备在线A-A′上的局部剖视图；

图3示出了供图1的磁性地表设备使用的示例对象；

图4示出了沿图2的截面的磁场幅度的示例分布；

图5示出了磁性地表设备的显示面的平面图；

图6示出了图5的磁性地表设备中表面下方的线圈布置；

图7示出了图5的磁性地表设备中表面下方的备选线圈布置；

图8示出了用于放置在磁性地表设备上的玩具交通灯的示意性 布置；以及

图9示出了用于产生任意磁性地表的二维线圈阵列的示例。

图1示出了本发明的示例实施例。示出了以游戏设备10形式的 磁性地表设备，其具有台面(playing surface)19，台面19上提供了若 干可见特征11、12、13、14、18。在该示例中，可见特征代表仿真 地表的不同特征，可以由每个特征不同的视觉特性表示，包括颜色 和指示标记。这些特征例如可以包括草地特征11、道路特征12、建 筑特征13、交通灯特征14以及河道特征18。这些特征的每一个都 具有唯一可识别的象征所代表的特征类型的视觉特性。指示出玩具 车15在台而19上表示道路特征12的区域中的位置。显示出玩具船 17位于河道特征18上，而玩具羊16在草地特征11上。

台面19可以是平面或非平面，并且可以具有一个或多个附加到 该表面的地形特征。

为了本发明的目的，“磁性地表”一词意在包含磁场幅度和/或 方向在诸如台面19的平面或非平面表面处或附近随空间变化的意 义，并可以以类似于地图上的等高线或等压线的方式来理解。随空 间变化的磁场的幅度和/或方向还可以至少部分地随时间变化。台面 自身上方磁场强度分布形成了磁性地表。该磁性地表本身不是直接 可见的，但可以由台面19上的可见特征来表示。在该地表内放置的 经适当配置的对象作用下，可以使部分的磁性地表变得可见。这种 对象可以是“对磁性有感知的”，即，可以配置它们使其以某种方式 对它们置身其中的局部磁场的幅度和/或方向做出响应。

如图2示意性示出的，台面19下方提供了若干磁场发射元件21、 22、23，图2示出了通过图1的磁性地表设备10的局部剖视图A-A′。 这些磁场发射元件21、22、23的一些或全部可以是例如由磁化的铁 磁材料或复合材料制成的永磁体。贴近台面19的每个区域11、12、 13中的磁场水平取决于磁体21、22、23的强度，而磁体21、22、 23的强度又取决于它们的磁化水平和制造磁体的材料的铁磁属性。 由磁体21、22、23产生的磁场方向取决于每个磁体的取向。磁体21、 22、23可以沿任意期望方向取向，不过典型地可以这样取向，即使 每个磁体的南北取向平行或垂直于表面19的平面。可以对相邻的磁 场发射元件21进行相对取向，使得每个元件的极性沿同一方向对准， 从而确保区域12内的磁场是一致的。相反，相邻区域12、11中的 磁场发射元件21、22的极性可以相反，使得在每个区域12、11内 能够确定磁场的显著差异。

或者，磁场发射元件21、22、23的一些或全部可以由导电线圈 绕组形成，并且由线圈绕组发射的磁场则取决于每个线圈中的绕组 数、绕组的间距以及流经每个线圈的电流幅度和方向。这种线圈可 以是卷绕式或螺旋绕式，并且还可以包括更高磁导率的材料的芯以 使磁场集中。

图2中台面19上的位置所示的是图1中的玩具车15。该玩具车 15位于由道路特征12限定的区域内。道路特征12下方的磁场发射 元件21产生与道路特征相关的磁场。

图3所示的是图1和2的玩具车15的剖面示意图，示出了可在 其中发现的各示范性功能组件。磁场传感器31连接到处理器32，处 理器32又连接到视觉输出装置33、音频输出装置34和无线收发器 36。在玩具车15位于台面19上的位置时，磁场传感器31感测紧邻 处磁场的幅度和/或方向，在图2中该磁场对应于由道路特征12下 方的磁场发射元件21产生的磁场。磁场传感器31的输出由处理器 32读取。处理器32根据其内部所含的预编程的规则，确定向视觉输 出装置33、音频输出装置34和无线收发器36发送什么信号(如果 有的话)。例如，如果磁场传感器检测到特定预定值之间的磁通密度， 处理器可以触发视觉输出装置33使其闪烁，并触发音频输出装置34 以发出警报声。此外，或者替换地，可以由处理器32向无线收发器 36发送信号，使无线收发器36向控制单元无线发射消息，控制单元 将因此而执行预定动作。

应当理解的是，对磁性有感知的对象，例如玩具车15、玩具船 17或玩具羊16，根据需要每个对象具有的期望输出，可以包括以下 装置中的任意一个或多个：视觉输出装置33、音频输出装置34和无 线收发器36。

图4所示的是磁场水平42随沿A-A′方向横过图1的台面的距离 41变化的图示。示出了三个不同的场水平43、44、45，其对应于三 个不同的可见特征：建筑13、道路12和草地11。例如，道路特征 12的场水平44可以是x±a，草地特征11的场水平45可以是y±a， 建筑特征17的场水平43可以是z±a。因此可以配置图3的示例玩 具车的处理器32，以仅对由磁场传感器31检测的x-a和x+a之间的 磁场水平做出响应。

应当理解的是，术语“磁场水平”的含义旨在包含任何给定点 处的磁场幅度和/或方向。出于本发明的目的，所指的磁场水平仅仅 是非零的磁场水平，或至少可以从诸如由地球磁场产生的任何背景 场水平区分出来的磁场水平。

可以根据磁场传感器31感测到的磁场水平将其他预定响应编入 处理器32中。例如，可以将道路特征12再分成具有不同相应磁场 水平的两个或两个以上区域。然后可以配置玩具车使之在位于这些 不同区域上时相应地做出响应。此外，当不在道路特征12上时玩具 车可以做出不同的响应。如果玩具车不在道路上而是在草地特征11 上，可以由对应于该区域的磁场水平45触发备选响应。

在与台面交互作用的其他对象，例如玩具船17或玩具羊16中 可以找到对应的特征。可以如此配置玩具船，使其在位于河道特征 18中的位置时获得预定响应，而玩具羊16在位于草地特征上的位置 时具有不同的预定响应。

应当理解的是，上述将要放在台面上的位置的对象的示例仅出 于举例的目的而提供，还可以在本发明的范围内构思出其他类型的 对象。此外，读者将领会到的是，除了本文所述的那些之外，台面 19上多个更多类型的特征和布置是可能的，不过它们也在本发明的 范围之内。还可以将每类特征(例如草地11或道路12)分成均具有 不同磁场特征的两个或两个以上子特征，使得通过适当配置的对象 可以独立识别每个子特征。例如，可以对道路12的不同区域进行配 置，使得玩具车15将根据其处于道路12的哪一区域而做出不同的 响应。而且，可以在台面19上提供代表相同类型特征的分立区域， 因此它们将具有相同的视觉特征。相应地，与这种分立区域相关的 磁场水平是相同的。

图5、6和7示出了根据本发明的磁性地表设备的特定示例。在 图5中，示出了游戏设备50的示意平面图，其上提供了台面54。在 台面上是各种视觉特征，包括名词表达51a-e和动词表达52a-e。每 个名词表达51a-e在台面54上限定一区域，且每个名词表达具有对 应的动词表达52a-e。对应于由名词和动词表达限定的每个区域提供 磁场发射元件。在该示例中，磁场发射元件为线圈，通过经由电连 接53施加的电流来驱动线圈。

在图5中，名词表达51a-e为动物，动词表达52a-e为动物发出 的相应声音。例如，名词表达“牛”51a对应于动词表达“哞”52a。 该游戏的任务是将对象放置到匹配的名词和动词表达区域51a、52a 上。如果将两个适当配置的对磁性有感知的对象放置在匹配的区域 上，就会从对象之一或二者触发预定的响应。例如，当位于对应的 名词表达51a和动词表达52a上时，可以将每个对象配置成发出“哞” 的声音以指示匹配正确。

图6和7示出了以线圈61a-e、62a-e、71a-e和72a-e形式的磁 场发射元件的示例布置。在图6中，所有的线圈61a-e和62a-e具有 基本相同的匝数，因此当用相同电流驱动时将发射相同的磁场幅度。 为了使线圈61a-e、62a-e发射不同幅度(该幅度对应于每个名词表 达51a-e或动词表达52a-e)的磁场，必须要用不同的电流驱动每个 线圈。这可以通过很多常规手段实现，例如经由连接至一个或多个 电流源的电阻器或开关网络。经由分离的电连接63a-e、64a-e来驱 动线圈。可以通过用相同的电流驱动对应的线圈对61a、62a等来产 生与相匹配的名词和动词对对应的相匹配的磁场幅度。尽管该布置 允许将每个线圈单独驱动到适当水平，不过，这种布置可能在组件 和线路方面很复杂。

图7中示出了可能更简单的布置，虽然该布置在期望的磁场相 对幅度方面较不灵活。在该布置中，线圈71a-e、72a-e虽然成为匹 配的对71a、72a等，但具有不同的匝数。能够经由公共的电连接73 将线圈连接到同一电源。为了确保用相同的电流驱动线圈，可以将 线圈串联电连接。或者，如果每个线圈的阻抗是匹配的，那么可以 将线圈并联电连接，这需要更低电压、更高电流的电源。

也可以使用不同类型磁场发射装置的组合。将诸如图5、6和7 中所示的线圈式装置与图2的永磁体组合能够在磁性地表设备中获 得增强的交互度。

图8所示的是供图1的磁性地表设备上使用的玩具交通灯80的 示例。当位于台面19上的正确位置14时，该交通灯80靠近线圈81。 流经线圈81的电流将产生磁场，磁场的场线82大致如图8所示。 交通灯80包含感测磁场水平的磁场传感器83。将处理器84配置成 读取磁场传感器83的输出并相应地确定输出。例如，可以将处理器 配置成对三个不同的磁场水平做出响应，每个水平对应于灯85a-c。 在第一磁场水平p±a处，处理器84点亮绿灯85a。在第二磁场水平 q±a处，处理器84点亮黄灯85b。在第三磁场水平r±a处，处理器 点亮红灯85c。

线圈81所承载的电流可以由作为磁性地表设备10的一部分的、 或与其分开的电流源提供。可以对该电流源编程以提供对应于上述 磁场水平的规则变化的电流水平。或者，可以将电流源配置成对用 户的特定动作(例如通过诸如开关或按钮的输入器件所做的动作) 做出响应，或者对道路特征12上存在玩具车15做出响应，该玩具 车15可以通过经由无线收发器36发射信号来发送其存在的信号。

图9所示的是磁性地表设备90中的线圈91的布置示例，在磁 性地表设备90中可以创建任意的磁性地表。经由外部电连接92向 线圈91施加适当电流导致线圈91产生在磁性地表设备90的整个表 面有所变化的相应磁场。图9中示出了由3×3网格构成的特定二维 线圈阵列。然而，可以使用任何适当图样或数量的线圈，以创建期 望的磁性地表。根据用途，这样产生的地表可以是暂时恒定或变化 的。

应当理解的是，这里所述的本发明不仅适用于游戏和玩具，而 且适用于区域定位是有用特征的其他应用。可以将本发明应用于需 要丰富但又不花哨的用户界面的任何应用。本发明的一个优点在于， 与必须要嵌入有源电子装置和扫描线圈的其他方法相比，能够便宜 地进行实施。

其他实施例在所附权利要求书的范围之内。