JP2000330721A

JP2000330721A - 入力装置

Info

Publication number: JP2000330721A
Application number: JP11142715A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Sasaki; 義人佐々木; Takashi Hatauchi; 隆史畑内
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】回転体を用いた入力装置は、回転体とローラ
とを接触させ、ローラの回転を光学的に検出するもので
あるため、回転体のスリップなどの問題があった。【解決手段】球体の回転体１０の表面に、磁界反応部
１１と磁界非反応部１２を、回転方向へ規則的に形成す
る。回転検出部１６では、スピンバルブ型の磁気抵抗効
果素子の磁気センサ２１，２２を前記回転体１０の表面
に対向させ、また前記回転体１０の表面に外部磁界を与
える永久磁石２３，２４を設けておく。磁気センサ２１
に磁界反応部１１が対向すると、ハイト方向ｈの検出磁
界が強くなり、磁気センサ２２に磁界非反応部１２が対
向すると、ハイト方向ｈの検出磁界が弱くなる。両磁気
センサ２１，２２の抵抗値の変化から回転体１０の回転
を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータへ位
置情報などを与える回転体を有する入力装置に係り、特
に磁気抵抗効果型などの磁気センサを備えた入力装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、コンピュータへの外部入力装置
として使用される回転体を備えた入力装置の従来例を示
す斜視図である。図７に示す入力装置は、球体の回転体
１を有している。トラックボールと称される入力装置で
は、回転体１を直接指で回して入力操作が行われる。ま
たマウスと称される入力装置では、ケースの底部に前記
回転体１が設けられ、ケースをパッド上で移動させる
と、パッド上で前記回転体１が回転して入力操作が行わ
れる。

【０００３】図７に示す入力装置では、前記回転体１に
Ｘ軸回転を検出するＸローラ２と、Ｙ軸回転を検出する
Ｙローラ３が接触している。前記Ｘローラ２と一体に回
転する回転軸４にはＸ軸回転板５が固定されている。こ
のＸ軸回転板５には円周方向へ一定ピッチのスリットが
形成されている。このＸ軸回転板５に、前記スリットを
検出する光学センサ６が対向している。同様にＹローラ
３と一体に回転する回転軸７には、Ｙ軸回転板８が設け
られている。このＹ軸回転板８には円周方向へ一定ピッ
チのスリットが形成されており、このスリットを検出可
能な光学センサ９が対向している。

【０００４】前記回転体１が回転し、Ｘローラ２が回転
すると、光学センサ６からは、Ｘ軸回転板５の回転速度
に応じた周波数で、回転量に応じたパルス数の回転検出
出力が得られる。同様に、Ｙローラ３が回転すると、光
学センサ９からは、Ｙ軸回転板８の回転速度に応じた周
波数で、回転量に応じたパルス数の回転検出出力が得ら
れる。

【０００５】それぞれの光学センサ６および９からの回
転検出出力を波形整形して処理することにより、例えば
コンピュータの画面上でのカーソルやポインタの移動入
力などが可能になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図７に示す入
力装置は、回転体１とＸローラ２およびＹローラ３との
摩擦力でＸローラ２およびＹローラ３に回転力が与えら
れるものであるため、回転体１とＸローラ２またはＹロ
ーラ３との接触状態が悪いと、回転体１が回転したとき
にスリップが発生して、Ｘローラ２とＹローラ３に対し
回転体１の回転力を確実に伝達できないことがある。

【０００７】また、図７に示す入力装置では、回転体１
の周辺にローラ、回転軸、回転板および光学センサを配
置することが必要であるため、回転体１の周辺の機構を
収納するための大きなスペースが必要になる。その結果
入力装置の小型化に限界が生じる。

【０００８】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、回転体を回転させたときに非接触式で確実な回転
検出出力を得られる入力装置を提供することを目的とし
ている。また本発明は、小型化を可能とした入力装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、外部からの力
で回転する回転体と、この回転体の回転に応じた検出出
力を得る回転検出部とを有する入力装置において、前記
回転体の表面には、外部磁界を引き込む磁界反応部と、
前記外部磁界を引き込まないあるいは前記磁界反応部よ
りも外部磁界の引き込み力の小さい磁界非反応部とが、
回転方向に向けて交互に設けられ、前記回転検出部に
は、前記回転体の表面に前記外部磁界を与える磁界発生
手段と、前記磁界反応部が前記磁界発生手段に対向した
ときと前記磁界非反応部が前記磁界発生手段に対向した
ときとで前記外部磁界の強度が変化する領域に設けられ
て、前記外部磁界の強度の変化に応じた検出出力を得る
磁気センサと、を備えていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】本発明では、磁界発生手段で回転体表面に
外部磁界を与え、この外部磁界の強度が回転体の表面の
構造に応じて変化するようになっている。この外部磁界
の強度が変化する領域に設けられた磁気センサからの出
力を得ることにより回転体の回転速度、回転量などを検
出することが可能である。

【００１１】回転体の回転は前記磁気センサにより非接
触で検出されるため、回転体の回転検出を確実にできる
のみならず、回転体の回転負荷も小さくなる。

【００１２】例えば、前記磁気センサは、検出する外部
磁界の強度に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果型
センサである。

【００１３】前記磁気抵抗効果型センサとしては、一定
方向に磁化の方向が固定された固定磁性層と、前記外部
磁界の強度に応じて磁化方向が変化するフリー磁性層と
を有し、前記固定磁性層とフリー磁性層との磁化方向の
違いにより電気抵抗が変化するものが好ましい。

【００１４】前記固定磁性層とフリー磁性層を備えたス
ピンバルブ型の磁気センサを用いると、外部磁界の強度
の変化を高出力で検出可能である。ただし、本発明で
は、磁気抵抗効果層（ＭＲ層）とＳＡＬ層とＳＨＡＮＴ
層とが積層されたＡＭＲ素子を用いることができる。本
発明での磁気センサは、磁気検出方向の異方性を備えた
ものであればどのようなものでもよく、例えば外部磁界
の検出強度に応じてインピーダンスが変化する磁気イン
ピーダンス効果素子（ＭＩ素子）であってもよい。

【００１５】また、前記回転検出部では、磁界反応部に
対向する位置と磁界非反応部に対向する位置とにそれぞ
れ前記磁気センサが設けられ、両磁気センサが直列に接
続されて両磁気センサに所定の電圧が与えられており、
前記両磁気センサの中点から回転体の回転に伴なう電圧
波形が得られるものとすることが可能である。

【００１６】あるいは磁気センサに固定抵抗を直列に接
続し、磁気センサと固定抵抗に電圧を印加するとともに
前記直列の中点から電圧波形を得るものであってもよ
い。

【００１７】また、前記回転検出部は、回転体の回転方
向に間隔を開けて複数設けられ、前記回転体が回転する
ときにそれぞれの回転検出部から位相の相違する検出出
力が得られて、回転体の回転方向を検知可能とされてい
るものが好ましい。

【００１８】また、前記回転体は球体で、前記磁界反応
部と磁界非反応部とが、前記回転体のそれぞれの回転方
向において規則的に配置されており、前記回転検出部
は、前記回転体の異なる方向への回転を検出できる位置
にそれぞれ設けられているものとすることが可能であ
る。

【００１９】回転体を球体とし、この回転体の異なる方
向への回転を検出可能とすることにより、二次元方向へ
の各方向に対応する入力が可能である。また本発明で
は、回転体がローラ状であり、この回転体に回転検出部
が対向し、一方向の回転入力のみが検出できるものであ
ってもよい。

【００２０】また本発明では、外力により回転させられ
る回転体に追従して回転する他の回転体が設けられ、こ
の他の回転体の表面に前記磁界反応部と磁界非反応部と
が設けられ、さらに回転検出部が対向するものであって
もよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の入力装置の一実施
の形態を示す斜視図である。図１に示す回転体１０は球
体である。この回転体１０は、小ローラなどに支持され
てＸ軸回りおよびＹ軸回り、さらにはＸ軸とＹ軸と交叉
する軸回りの三次元方向へ回転自在に支持されている。

【００２２】コンピュータの外部入力装置として使用さ
れるこの入力装置では、回転体１０が指で直接に回転さ
せられるものであってもよいし、例えばマウスの底部に
設けられて、マウスの移動に伴ってパッド上で回転する
ものであってもよい。

【００２３】この球体の回転体１０の表面には、磁界反
応部１１と磁界非反応部１２とが一定のピッチで交互に
規則的に形成されている。この磁界反応部１１と磁界非
反応部１２は、Ｘ軸回り方向とＹ軸回り方向の双方へ一
定のピッチで規則的に配置されているのみならず、Ｘ軸
回りとＹ軸回り以外のほとんどの回転方向に対して一定
ピッチで規則的に配列されている。

【００２４】図３は前記磁界反応部１１と磁界非反応部
１２の構造を拡大して示している。図３（Ａ）（Ｂ）は
それぞれ、球体の前記回転体１０の表面の断面形状を拡
大したものである。

【００２５】図３（Ａ）に示すものでは、回転体１０の
全体または少なくともその表面が磁性材料で形成されて
いる。前記磁性材料は、好ましくは、Ｆｅ−Ｎｉ合金、
Ｆｅ基やＣｏ基のアモルファス合金、Ｆｅ基の超微結晶
合金（ナノ結晶合金）などの高透磁率の磁性材料で形成
されている。前記磁性材料は、回転体１０の表面で各回
転方向に規則的な凹凸を形成しており、さらに磁性材料
の表面は、必要に応じてゴムや樹脂材料などの非磁性材
料層１３で覆われている。また図３（Ａ）に示すよう
に、非磁性材料層１３の表面は平滑な球面であることが
手で操作する上で望ましいが非磁性材料層１３の表面
が、前記凹凸形状に倣う凹凸面であってもよい。図３
（Ａ）に示すものでは、回転体１０の表面で凸となって
いる部分が磁界反応部１１で、凹となっている部分が磁
界非反応部１２である。

【００２６】図３（Ｂ）に示すものでは、球体の回転体
１０が樹脂などの非磁性材料により形成されており、そ
の表面に磁性材料層１４好ましくは高透磁率の磁性材料
層（例えば前記図３（Ａ）の説明に関して列記したもの
と同種の材料で形成された層）が形成されている。この
磁性材料層１４は、各回転方向に規則的に配列してい
る。この場合も、必要に応じて、磁性材料層１４の表面
が、ゴムや樹脂材料などの非磁性材料層１３で覆われ
る。磁性材料層１４が設けられている部分が磁界反応部
１１で、磁性材料層１４が設けられていない部分が磁界
非反応部１２である。

【００２７】前記磁性材料層１４は、回転体１０の表面
において薄膜形成工程によりドット状に形成されてもよ
いし、または各磁性材料層１４が回転体１０の表面に埋
設されていてもよい。あるいは回転体１０の表面におい
て、磁性材料層１４が正六角形や正八角形または円形な
どの目を有する網状に形成されており、回転体１０の各
方向への回転に応じて、磁界反応部１１と磁界非反応部
１２が交互に移動するものであってもよい。

【００２８】図１に示すように、回転体１０を回転自在
に支持する支持側には、Ｘ軸回り回転検出部１６とＹ軸
回り回転検出部１７とが固定して設けられ、それぞれの
回転検出部１６，１７が前記回転体１０の表面に対向し
ている。前記Ｘ軸回り回転検出部１６により回転体１０
のＸ軸回り成分θｘの回転検出出力が得られ、Ｙ軸回り
回転検出部１７により回転体１０のＹ軸回り成分θｙの
回転検出出力が得られる。またＸ軸回り回転検出部１６
からの回転検出出力とＹ軸回り回転検出部１７からの回
転検出出力とにより、回転体１０のＸ軸回りとＹ軸回り
以外の方向の回転も検出できる。

【００２９】前記Ｘ軸回り回転検出部１６とＹ軸回り回
転検出部１７とは構造が同じである。ただし、両回転検
出部１６と１７ではその向きが９０度相違している。

【００３０】図４はＸ軸回り回転検出部１６の構造を示
している。このＸ軸回り回転検出部１６は、ケース２０
内に磁気センサ２１と２２が設けられている。また、各
磁気センサ２１と磁気センサ２２の背部には、磁界発生
手段としての永久磁石２３および２４が設けられてい
る。

【００３１】前記磁気センサ２１と２２は、前記ハイト
方向（ｈ方向）への磁界強度に応じた検出出力を得るこ
とができる異方性検出素子により構成されている。

【００３２】前記磁気センサ２１と２２は、ホール素
子、磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス効果素子
（ＭＩ素子）などを用いることができるが、微弱な磁界
の変化に対して高感度な検出出力を得ることができる磁
気抵抗効果素子や磁気インピーダンス効果素子を用いる
ことが好ましい。この高感度な素子を用いると、回転体
１０の表面と回転検出部１６，１７とのクリアランスを
比較的広くすることが可能になり、設計上有利である。
前記磁気抵抗効果素子としては、外部磁界に対して高い
抵抗変化率を有するスピンバルブ型を用いることがさら
に好ましい。

【００３３】図２は前記磁気センサ２１，２２として用
いられる前記スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を示す
斜視図である。この磁気抵抗効果素子は、非磁性基板３
１の上にフリー磁性層３２、非磁性導電層３３、強磁性
材料による固定磁性層３４、反強磁性材料層３５が積層
されている。反強磁性材料層３５はＰｔ・Ｍｎ合金やα
−Ｆｅ₂Ｏ₃などであり、強磁性材料層３４はＮｉ・Ｆｅ
合金、Ｃｏ・Ｆｅ合金、Ｃｏ合金などである。反強磁性
材料層３５と固定磁性層３４との界面による交換異方性
磁界により、前記固定磁性層３４の磁化方向Ｂｐはハイ
ト方向ｈに固定されている。前記非磁性導電層３３は例
えば銅または銅合金である。前記フリー磁性層３２はＮ
ｉ・Ｆｅ合金、Ｃｏ・Ｆｅ合金、Ｃｏ合金などである。
図２では省略しているが、前記フリー磁性層３２にはハ
イト方向ｈと直交する方向（θｘ方向）へのバイアス磁
界が与えられており、外部磁界が与えられていない状態
では、フリー磁性層３２の磁化方向Ｂｆが前記θｘ方向
へ揃えられている。

【００３４】図４は、回転体１０の表面とＸ軸回り回転
検出部１６とのある瞬間での対向状態を示している。こ
のとき、磁気センサ２１および永久磁石２３の前方に回
転体１０の磁界反応部１１が対向しており、永久磁石２
３から発せられる外部磁界Ｈ１（磁力線）は磁界反応部
１１に引き付けられる。したがって磁気センサ２１に与
えられるハイト方向（回転体１０の表面に直交する方
向；ｈ方向）の磁界強度が大きくなる。このときの磁気
センサ２１では、フリー磁性層３２の磁化方向Ｂｆのハ
イト方向ｈへの傾き角度が大きくなる。

【００３５】一方、磁気センサ２２および永久磁石２４
の前方には、回転体１０の磁界非反応部１２が対向して
いる。よって永久磁石２４から発せられる外部磁界Ｈ２
（磁力線）は回転体１０の方向へ引き付けられず、磁気
センサ２２に与えられるハイト方向（回転体１０の表面
に直交する方向；ｈ方向）の磁界強度が小さくなる。こ
のとき磁気センサ２２では、フリー磁性層３２の磁化方
向Ｂｆのハイト方向ｈへの傾き角度が浅くなる。

【００３６】この磁気センサ２１，２２は、固定磁性層
３４の固定磁化の方向Ｂｐと、フリー磁性層３２の磁化
方向Ｂｆとの角度に応じて電気抵抗が変化する。図４に
示す状態では、磁気センサ２１の電気抵抗が小さく、磁
気センサ２２の電気抵抗が大きくなる。

【００３７】図５の等価回路に示すように、前記磁気セ
ンサ２１と磁気センサ２２とは直列に接続され、直列接
続された両磁気センサ２１と２２に所定の直流電圧Ｖが
与えられている。そして磁気センサ２１と磁気センサ２
２との直列接続の中点から検出電圧が得られる。例えば
図４に示す瞬間では、磁気センサ２１よりも磁気センサ
２２の電気抵抗が高いため、前記検出電圧は高くなる。
図４の状態から回転体１０がθｘ方向へ移動し、磁気セ
ンサ２１と永久磁石２３が磁界非反応部１２に対向し、
磁気センサ２２と永久磁石２４が磁界反応部１１に対向
すると、磁気センサ２１の抵抗が高く磁気センサ２２の
抵抗が低くなるため、前記検出電圧は低くなる。

【００３８】よって、回転体１０がＸ軸回りに回転し、
磁界反応部１１と磁界非反応部１２とが、Ｘ軸回り回転
検出部１６の前方をθｘ方向へ移動すると、検出電圧は
交互に変化する。この電圧変化を所定の閾値に基づいて
波形整形すると図６（Ａ）に示す矩形パルスが得られ
る。この電圧変化の周期は、図４に示す磁界反応部１１
の配列ピッチＰに一致する（比例する）。

【００３９】図６（Ａ）のパルス出力の周波数により、
回転体１０のＸ軸回りの回転速度を検出でき、また図６
（Ａ）のパルス数をカウントすることによりＸ軸回りの
回転量を検出できる。

【００４０】さらに、図４に示す一対の磁気センサ２
１，２２と一対の永久磁石２３，２４が組となった回転
検出部１６を、θｘ方向へ間隔を開けて２組設け、この
２組の回転検出部１６を磁界反応部１１の配列ピッチＰ
に対して例えば位相を（１／４）Ｐ＋ｎＰ（ｎは自然
数）だけずらしておく。その結果、回転体１０のθｘ方
向への移動に伴い、各回転検出部１６，１６から図６
（Ａ）と図６（Ｂ）に示すように、位相が（１／４）Ｐ
ずれた波形を得ることができる。この図６（Ａ）と図６
（Ｂ）のいずれの波形が進み位相であるかを認識するこ
とにより、回転体１０が＋θｘ方向へ回転しているか、
−θｘ方向へ回転しているかの回転方向を認識すること
ができる。

【００４１】なお、Ｙ軸回り回転検出部１７の構造は、
図４に示したＸ軸回り回転検出部１６と同じである。た
だしＹ軸回り回転検出部１７では、一対の磁気センサ２
１，２２と永久磁石２３，２４がθｙ方向へ並べられ
る。また＋θｙ方向か−θｙ方向かの回転の方向性を知
るためには、回転検出部１７をθｙ方向へ間隔を開け
て、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、それぞれの回転検
出部１７から例えば位相が（１／４）Ｐだけ異なる検出
出力を得るようにする。

【００４２】図４および図５に示した回転検出部１６で
は、一対の磁気センサ２１と２２が、磁界反応部１１の
配列ピッチＰに対して位相を（１／２）Ｐずらして配置
されしかも直列に接続されているため、両磁気センサ２
１と２２のそれぞれの電気抵抗の変化に比例した検出電
圧が得られる。よって、高感度な検出が可能である。

【００４３】また磁気センサ２１と磁気センサ２２に個
別に電流を与えて、それぞれの磁気センサ２１と２２に
流れる電流に基づいて抵抗値の変化を検出し、磁気セン
サ２１からの検出出力と磁気センサ２２からの検出出力
との差動をとっても図６と同様に、磁気センサ２１と磁
気センサ２２の抵抗値の差に相当した出力を得られる。

【００４４】あるいは、回転検出部１６に磁気センサ２
１と永久磁石２３を１組だけ設け、この磁気センサ２１
に固定抵抗を直列に接続する。そして磁気センサ２１と
固定抵抗に一定の電圧を与え、直列接続の中点から検出
電圧を得ることにより、図６と同等の検出波形を得るこ
とができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明では、回転体の回転
を非接触にて検出でき、機械的な動作不良の生じない入
力装置を得ることができる。また入力装置を小型に構成
することも可能である。

【００４６】また回転検出部に、スピンバルブ型などの
磁気抵抗効果素子を用いると、微弱な磁界変化に対して
敏感に反応することができ、回転体と回転検出部とのク
リアランスを広く取ることができる。また複数の回転検
出部を用いて位相の相違する出力を得ることにより回転
体の方向を検出することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の入力装置の一実施の形態を示す斜視
図、

【図２】磁気センサの構造の一例を示す斜視図、

【図３】（Ａ）（Ｂ）は回転体の表面の磁界反応部と磁
界非反応部との構造を実施の形態別に示す断面図、

【図４】磁気センサと回転体との対向部を拡大して示す
断面図、

【図５】磁気センサの接続の一例を示す等価回路図、

【図６】（Ａ）（Ｂ）は磁気センサからの検出波形（波
形整形後）を示す説明図、

【図７】従来の回転体を有する入力装置を示す斜視図、

【符号の説明】

１０回転体１１磁界反応部１２磁界非反応部１６Ｘ軸回り回転検出部１７Ｙ軸回り回転検出部２１，２２磁気センサ２３，２４永久磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部からの力で回転する回転体と、この
回転体の回転に応じた検出出力を得る回転検出部とを有
する入力装置において、前記回転体の表面には、外部磁界を引き込む磁界反応部
と、前記外部磁界を引き込まないあるいは前記磁界反応
部よりも外部磁界の引き込み力の小さい磁界非反応部と
が、回転方向に向けて交互に設けられ、前記回転検出部には、前記回転体の表面に前記外部磁界を与える磁界発生手段
と、前記磁界反応部が前記磁界発生手段に対向したときと前
記磁界非反応部が前記磁界発生手段に対向したときとで
前記外部磁界の強度が変化する領域に設けられて、前記
外部磁界の強度の変化に応じた検出出力を得る磁気セン
サと、を備えていることを特徴とする入力装置。
【請求項２】前記磁気センサは、検出する外部磁界の
強度に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果型センサ
である請求項１記載の入力装置。
【請求項３】前記磁気抵抗効果型センサは、一定方向
に磁化の方向が固定された固定磁性層と、前記外部磁界
の方向に応じて磁化方向が変化するフリー磁性層とを有
し、前記固定磁性層とフリー磁性層との磁化方向の違い
により電気抵抗が変化するものである請求項２記載の入
力装置。
【請求項４】前記回転検出部では、磁界反応部に対向
する位置と磁界非反応部に対向する位置とにそれぞれ前
記磁気センサが設けられ、両磁気センサが直列に接続さ
れて両磁気センサに所定の電圧が与えられており、前記
両磁気センサの中点から回転体の回転に伴なう電圧波形
が得られる請求項１ないし３のいずれかに記載の入力装
置。
【請求項５】前記回転検出部は、回転体の回転方向に
間隔を開けて複数設けられ、前記回転体が回転するとき
にそれぞれの回転検出部から位相の相違する検出出力が
得られて、回転体の回転方向を検知可能とされている請
求項１ないし４のいずれかに記載の入力装置。
【請求項６】前記回転体は球体で、前記磁界反応部と
磁界非反応部とが、前記回転体のそれぞれの回転方向に
おいて規則的に配置されており、前記回転検出部は、前
記回転体の異なる方向への回転を検出できる位置にそれ
ぞれ設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載
の入力装置。