JP2001159949A - ボールレスマウス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 従来の光学式ロータリーエンコーダを使った
マウスのマウスボールの回転に伴いテーブルやマウスマ
ット上のゴミや汚れを巻き込みボールが滑り易くなった
り、ボールとフォトインターラプター間にゴミが付着し
てスリップすると言う問題を解決する。 【解決手段】 本発明のマウスでは光学式ロータリーエ
ンコーダの代わりに、マウス内部に超音波発信子と受信
子を装備し、マウスマットから反射される超音波と発信
された超音波の位相を比較することにより、マウス移動
量検出を行う。

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用ポイ
ンティングデバイスの一種であるコンピュータマウスに
おいて、超音波による移動距離検出を行う方法手段に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりコンピュータ、殊にパーソナル
コンピュータに使用されるマウスは光学式ロータリーエ
ンコーダを利用したもである。これはマウスが動くと
き、マウスに付属するマウスボールがデスクやマウスマ
ット上で回転し、その回転量をスリットのあるフォトイ
ンターラプタ円盤に伝え、フォトカプラーで回転に比例
した電気パルを得るものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の光学式ロータリ
ーエンコーダーを使用したマウスは、それが新品のうち
は殆ど問題なく作動する。しかし長期間使用するとマウ
スボールがテーブルとかマウスマットの間でスリップす
るようになる事、またマウスボールがテーブルやマット
の上のゴミや汚れを巻き込み、そのゴミがマウスボール
とフォトインターラプタ作動軸の間に巻きつき、ここで
もスリップを起こす。その為定期的な保守清掃が必要で
あった。又マウスボール自体はマウス本体に固定されな
いでフリーになっているためマウス自体がガタガタする
事、そのためマウスを輸送するときはボールをマウス本
体からはずしておく必要があった。なおロータリーエン
コーダは宿命的に動く部分を持つ機構から成り立ってい
るから寿命が短い等の問題を持っている。

【０００４】加えて、マウスの細かい動きに対する応答
はＣＡＤやＣＧ（コンピュータグラフィックス）の運用
の際に殊に重要な性能であるが、上記の如くロータリー
エンコーダは機械的な接触部分を持つため、運動の反転
の際バックラッシュがあり、マウスの細かい動きに対す
る応答が十分でない事が問題である。

【０００５】

【課題を解決する手段】本発明のマウスでは、ロータリ
ーエンコーダの如き機械構造をを排除し、超音波による
純電気的な方法によってマウスの移動量検出を行うよう
にした。従って本発明のマウスは動く機械構造を持たな
いため上記の課題を解決出来た。解決手段は次の通りで
ある。

【０００６】実施例に示すようにマウスマットに向けて
マウスから超音波を発射する事。

【０００７】マウスマットにおいて反射波はマウスが進
行する方向に伝播する成分とそれと反対方向に伝播する
成分に分けられるようにする事。なおマウスマット各反
射面での反射波の位相が揃うようにマウスマットの表面
を加工する事。

【０００８】マウスマットからの反射波は、マウスの進
行方向に伝播する反射波成分とその反対方向の成分に分
けられ、それぞれ超音波受信子によって検出増幅されＸ
方向の２信号、Ｙ方向の２信号の計４個の受信信号を得
る。これらの受信信号は超音波発信子に加えた電気信号
を基準として移相量の検出と同時にマウスの移動方向も
検出する。

【０００９】

【発明実施の形態】従来のロータリーエンコーダ式のコ
ンピュータマウスはマウス本体だけで動作した。つまり
従来のマウスは通常のテーブルやマウスマットの上で使
う事ができる。しかし本発明のボールレスマウスは、マ
ウスから発射し且つマウスマットから反射する超音波が
マウス移動量検出の主役を担っている。従って本発明の
マウスはマウス本体とこのマウス用に設計されたマウス
マットが対になって使用されるようになる。しかし従来
のマウスでも殆どの場合マウスマットを使用しているか
ら重大な欠点ではない。本マウスの購入者は本マウス購
入と同時にマットが付属するからかえって便利である。

【００１０】

【実施例】第１図は本発明のマウスの上面図である。図
の如くマウス１の支持体２に超音波発信子ＴとＸ軸方向
に２個、Ｙ軸方向に２個の超音波受信子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ
１，Ｙ２が取付けられる。支持体２の下部においてマウ
スの底面は開口しており、発信される超音波が下方に自
由に伝播するようになっている。本マウスはごく普通に
用いられる３ボタン式のマウスとして描かれているが、
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３はそのボタンスイッチである。

【００１１】第２図は本発明のマウスの側面図である。
図面を簡明にするためにここでは超音波受信子Ｘ１，Ｘ
２が描かれていない。支持体２は台形状になっており、
その下部は開口している。マウス１はマウスマット３上
で使われ、マウスの底面はマウスマットの表面４に接し
ている。マウスマット３は発信子Ｔと、受信子Ｘ１，Ｘ
２，Ｙ１，Ｙ２との設置角度や超音波の周波数等に関連
して設計される三角波状の表面４を持っている。超音波
発信子Ｔより発信された超音波は図のようにマウスマッ
ト３の表面４で反射し、２分されて受信子Ｘ１，Ｘ２，
Ｙ１，Ｙ２で受信されるようになっている。

【００１２】第３図は支持体２に取付けられた超音波発
信子Ｔからの超音波がマウスマットの表面４で反射され
て４個の受信子に向かう様子を詳細に示したものであ
る。本図では説明を簡単にするために発信子ＴとＸ軸受
信子Ｘ１，Ｘ２の関係だけが描かれているが、反射の様
子は発信子ＴとＹ軸受信子Ｙ１，Ｙ２でも同じである。
つまりマウスマットの表面４はＸ，Ｙ両軸に関係なく反
射されるように製作される。又、ここでは発信子Ｔから
は一様な平面波が発射されるとする。この超音波５は表
面４で反射し、反射波６，７の如く２分される。

【００１３】第４図はマウスの移動に伴う超音波の位相
の変化を説明するものである。図では発信子Ｔと受信子
Ｘ２の関係だけを代表として取り上げているが、超音波
の伝播に関する位相変化は他の受信子でも同様である。
マウスマット３に対するマウス１の運動は相対的である
から、図の複雑化を避けるために、ここではマウスが停
止していてマット３がＸ方向に移動しているように書い
てある。ここで実線のマウスマット４が元の位置であ
り、現在では破線のマット４ａがｄだけＸ＋方向に移動
したとする。つまりマウスがｄだけ左に移動した事と同
じである。マウスマットの元の位置では超音波５は反射
面Ｐ１で反射し、反射は７となって受信子Ｘ２に達する
が、現在の状態では超音波５はＰ２の反射面で反射し、
反射波７ａとなって同じくＸ２に達する。両者の伝播行
程差は（ｈ＋ｓ）となる。超音波５はマット３に向かっ
て垂直に発射され、又受信子Ｘ２取付け軸とのマット面
との角度をφとすれば、伝播行程差（ｈ＋ｓ）は となる。今φ＝３０°とすれば、行程差は約１．１５ｄ
となる。ここで発信子Ｔからの超音波は発信子の一点か
ら発射されるように書いたが、この超音波は発信子Ｔの
全面から平面波であるからこの関係は変わらない。φ＝
３０°の時反射面の水平角は３０°と１５０°になる。

【００１４】次に、マウスの分解能について検討する。
従来のマウスにおいて最も良く使われているものは４０
０ｄｐｉ（１ｉｎｃｈ当り４００ｄｏｔ）である。つま
り０．０６３５ｍｍ当り１ｄｏｔ（１パルス）である。
本発明のマウスも同じ分解能を持たせるものとすれば、
本発明のマウスの超音波の必要な周波数を決定する事が
出来る。ここで前項のｄが０．０６３５ｍｍの時２πラ
ジアンの位相差が発生すれば良いのだから、超音波の空
気中の伝播速度を３４０ｍとして、超音波の周波数ｆ
は、 ｆ＝３４０^＊１０^３／（１．１５^＊０．０６３５）＝
４．６５６ＭＨｚ をとなる。この周波数は電子回路的にも扱い易い領域で
ある。

【００１５】マウスの移動に伴う超音波の位相の時間に
対する変化率はドップラー効果と呼ばれる。つまりマウ
スを移動している状態では反射超音波はトップラー効果
によって周波数が変化する。第４図の受信子Ｘ２から得
られる受信信号は伝播行程が短くなる変化であるから＋
の周波数偏移を持つ事になる。一方Ｘ１の方は同じ周波
数偏移だが偏移方向は−となる。

【００１６】第５図はマウスマット３の反射面４の多く
の反射面から反射している模様を表している。超音波発
信子Ｔおよび受信子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２はおおよそ
５ｍｍ程度の直径で作られるであろう。そしてマウスマ
ットの三角波状のピッチはおおよそ０．５〜１ｍｍ程度
で作られるであろう。従ってマット表面は多くの反射面
を持つ事になる。それぞれの反射面からの反射波が受信
子に向かうときその位相面８では位相が揃っていなけれ
ばならない。その条件は図５におけるスロープの長さＰ
が超音波の波長の整数倍でなければならない事である。
この条件から最も効率的なマット設計の基準が得られ
た。

【００１７】第６図はマット表面の実際例の一つを示し
ている。図のように上述の基準にしたがって円錐形状の
突起９作りこれを第７図の如く配列する。円錐形状にす
ればマットの上でのマウスの回転に無関係に受信子Ｘ
１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２に向けて超音波を反射させる事が
できる。又円錐形の傾斜を第３図の如く採る事によっ
て、殆どの反射波を受信子の位置する高さに集中させる
事が出来る。円錐形の上部が平坦化されている理由はマ
ウス運用者のがマットに触れたとき苦痛を感じないよう
にしたものである。

【００１８】第８図は本発明のマウスのダイアグラムで
ある。水晶やセラミック等を素材とする電歪素子である
超音波発信子Ｔを発振子とする発振器１０を装備する。
従って発信子Ｔは発振器の周波数を決定し同時にその周
波数の超音波を発信している。発振器１０の出力１２は
９０°移相器１１、ミキサ２３，２９にも送られる。移
相器１１の出力１４はミキサ１７，３５に送られる。一
方発振器出力１３はＣＰＵ３９にも送られてクロックパ
ルス発生用の源信号となっている。発振器出力１２と出
力１４は互いに９０°の位相差を持ち、出力１２の搬送
波を例えばｓｉｎωｔとすれば出力１４はｃｏｓωｔと
表される。超音波反射波は超音波受信子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ
１，Ｙ２で受信され電気信号に変えられて、それぞれ増
幅器１５，２１，２７，３３で増幅される。ここで超音
波発信子と受信子は同じ素材と製法で作られたものであ
るから、本質的に同じ温度特性を有し、周囲温度の変化
に応じて変動する発振子Ｔの発振周波数に追従する形で
受信子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の同調周波数も変化す
る。従って効率の高い受信が可能となる。それぞれの増
幅器からの出力１６，２２，２８，３４はミキサ１７，
２３，２９，３５に送られる。出力２２，２８はミキサ
２３，２９において搬送波１２と混合され、出力１６，
３４はミキサ１７，３５で搬送波１４と混合される。そ
してそれぞれのミキサにおいて搬送波と受信信号の差の
周波数成分が選択される。今Ｘ１とＸ２の受信系列につ
いてミキサで出力した差の周波数成分を計算する。出力
１６と２２の振幅は等しいとしてとりあえず次のように
表す。ここでωは発振器１０の搬送各周波数、ｐはドッ
プラーシフトである。 出力１６ ： Ｅｘ１＝Ｅｘｓｉｎ（ω＋ｐ）ｔ 出力２２ ： Ｅｘ２＝Ｅｘｓｉｎ（ω−ｐ）ｔ 搬送波１３ ： Ｅｏ１＝Ｅｏｓｉｎ（ωｔ） 搬送波１４ ： Ｅｏ２＝Ｅｏｃｏｓ（ωｔ） 従ってミキサ１７と２３から出力する差周波数成分は 出力１８ ： Ｅ１８＝ｋＥｘＥｏｓｉｎｐｔ 出力２４ ： Ｅ２４＝ｋＥｘＥｏｃｏｓｐｔ を得る。ところで出力１６，２２の周波数偏移が逆にな
ると、 出力１８ ： Ｅ１８＝−ｋＥｘＥｏｓｉｎｐｔ 出力２４ ： Ｅ２４＝ｋＥｘＥｏｃｏｓｐｔ となる。前者ではＥ１８の方がＥ２４よりも９０°進ん
でいるが、後者ではＥ１８の方がＥ２４よりも９０°遅
れている。この関係がＹ１，Ｙ２の出力にも同様に起こ
る。従来のマウス用ＣＰＵ３９はロータリーエンコーダ
からのＸ入力Ｙ入力の進み遅れに対してマウスの動く方
向を検出する機能を持っているが、本発明のマウスも出
力２０，２６，３２，３８ではロータリーエンコーダが
出力する信号と全く同じであるから、従来のマウス用Ｃ
ＰＵを使用してマウスの移動量を検出でき、ボタンスイ
ッチ情報と合成してコンピュータに出力できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明のマウスは以上説明したように構
成されるから次のような効果を持つ。

【００２０】マウスの移動量の検出が超音波を使用して
電気的に行われるので、従来のロータリーエンコーダ式
マウスで発生したような問題、ゴミの巻き込みによるス
リップ、機械的バックラッシュ等が全くない。

【００２１】マウスボールを使用しないから重量が軽く
なる。又その他の機械機構がないから小型軽量に設計で
きる。

【００２２】本発明のマウスでは超音波の伝播が常にマ
ウスの部分に集中しているから、マウスのマット上の位
置によって伝播ロスが異なると言った問題が起こらな
い。また超音波の伝播行程が数１０ｍｍ程度と短くなり
伝播ロスが非常に少ない。従って受信された信号のレベ
ルが高くＳ／Ｎ（信号対雑音比）が高く誤動作が少なく
出来る。

【００２３】超音波の伝播媒質が空気であるから、伝播
速度が遅くそのため波長を短くしても低い周波数で使用
できる。従って電子回路上の設計が容易で且つ部品も安
いものが使える。

【００２４】本発明のマウスでは超音波の受信子がマウ
ス本体に取付けれているため、マウスに固定した座標軸
に基づいた移動量検出が達成されている。従って従来の
ロータリーエンコーダ式マウスと同一であり、マウス運
用上の混乱が起こらない。（コンピュータ入力装置の別
種であるデジタイザーでは、デジタイザーに固定した座
標軸での移動量検出が行われるのでマウスの回転に無関
係であり、マウスの移動量検出と異なるため運用上の混
乱を招く事がある。）

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のマウスの上面図。

【図２】 本発明のマウスの側面図。

【図３】 超音波発信子と受信子並びに超音波伝播経路
を示す。

【図４】 マウス移動と超音波の移相量の関係を示す。

【図５】 マウスマットと超音波干渉を示す。

【図６】 マウスマットの突起形状。

【図７】 マウスマットの表面形状の具体例。

【図８】 本発明のマウスの全体ダイアグラム。

【符号の説明】

１ マウス ２ 支持体 ３ マウスマット ４ マウスマット表面 ５ 発射超音波 ６ Ｘ１方向反射超音波 ７ Ｘ２方向反射超音波 ７ａ Ｘ２方向反射超音波 ８ 反射超音波の同一位相面 ９ マット表面の突起の具体例 １０ 発振器 １１ ９０°移相器 １２ 発振器出力搬送波 １３ ＣＰＵクロック源信入力 １４ 移相された発振器出力搬送波 １５ Ｘ１増幅器 １６ Ｘ１増幅器出力 １７ Ｘ１ミキサ １８ Ｘ１ミキサ出力 １９ Ｘ１低周波増幅器 ２０ Ｘ１低周波出力 ２１ Ｘ２増幅器 ２２ Ｘ２増幅器出力 ２３ Ｘ２ミキサ ２４ Ｘ２ミキサ出力 ２５ Ｘ２低周波増幅器 ２６ Ｘ２低周波出力 ２７ Ｙ２増幅器 ２８ Ｙ２増幅器出力 ２９ Ｙ２ミキサ ３０ Ｙ２ミキサ出力 ３１ Ｙ２低周波増幅器 ３２ Ｙ２低周波出力 ３３ Ｙ１増幅器 ３４ Ｙ１増幅器出力 ３５ Ｙ１ミキサ ３６ Ｙ１ミキサ出力 ３７ Ｙ１低周波増幅器 ３８ Ｙ１低周波出力 ３９ ＣＰＵ ４０ コンピュータへのケーブル Ｔ 超音波発信子 Ｘ１ Ｘ１方向超音波受信子 Ｘ２ Ｘ２方向超音波受信子 Ｙ１ Ｙ１方向超音波受信子 Ｙ２ Ｙ２方向超音波受信子 Ｓ１ 左ボタンスイッチ Ｓ２ 中央ボタンスイッチ Ｓ３ 右ボタンスイッチ φ マット面に対する超音波受信子取付け軸の角度 Ｐ１ 元のマウス反射面 Ｐ２ 現在のマウス反射面 ｈ 発射超音波方向移動量 ｓ 反射超音波方向移動量 ｄ マットの移動量 Ｐ 反射面の長さ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マウス１の底面に開口部を作り、電歪素
   子で作られた超音波発信子（Ｔ）と複数個の超音波受信
   子（Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２）を第１図の如く配列し、
   超音波発信子から発射された超音波のマウスマット３に
   よる反射波を上記超音波受信子によって受信する事によ
   って、マウスの移動距離を検出する事を特徴とするボー
   ルレスマウス。
2. 【請求項２】 請求項１の超音波発信子（Ｔ）からの超
   音波を反射する際、マウス１の移動方向に反射される成
   分とその反対方向に反射される成分を分離し、かつ反射
   波の位相面を揃える表面形状（４）を持つマウスマッ
   ト。