JP2001511274A

JP2001511274A - 位置決定装置

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Publication number: JP2001511274A
Application number: JP53398198A
Authority: JP
Inventors: ジャクソン，ロドニー，フィリップ
Original assignee: ジャクソン、テクノロジー、リミテッド
Priority date: 1997-02-08
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 2001-08-07
Also published as: CN1160663C; WO1998035315A2; EP0966725A2; AU5994898A; US6611139B1; DE69808602T2; ATE225969T1; EP0966725B1; WO1998035315A3; DE69808602D1; CN1251672A

Abstract

(57)【要約】カーソルを三次元的に動かすこと等が可能な、コンピュータと共に使用可能な三次元位置決定装置。この装置は、可動部分（６４）と固定部分（６１）とを含む。可動部分（６４）の動きが、３個のホール効果装置（６９、７７、８１）の、直交する３方向への、３個の磁気機構（６７、７７、８１）に対する動きに翻訳される。可動部分（６４）は固定部分（６１）に対して、平面内での移動と旋回を行うことが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】位置決定装置本発明は、位置決定装置に関するものである。すなわち装置位置の三次元空間における動きに対応して、換言すれば位置を劃定するｘ、ｙ、ｚの３本の座標軸に比例して、３種類の電気信号を発信する位置決定装置、特に（排他的ではないが）コンピュータと接続して、コンピュータモニターに示されるカーソルまたは対象をｘ、ｙおよびｚ方向に動かすことが可能な位置決定装置に関する。コンピュータに用いられ、スクリーン上のカーソルの正確な位置を決定する慣用の装置（ゼロックス・コーポレーションの「マウス」等）は、二次元の動きに関する信号のみを発信する。既存のマウス型の位置決定装置およびこれに類似する二次元位置決定装置、例えばタッチスクリーン、ライトペン等はしばしば不正確であり、使いにくく、生物工学的に疲れが生じ、使用に限界がある場合も多く、特にマウスの場合には、埃やゴミの堆積により劣化傾向を示すということがわかっている。コンピュータ用の既存の位置決定装置として、位置に関する信号がホール効果装置（ホール効果素子）と磁場の相互作用により決定されるものが公知である。磁場の強さの決定にホール装置が用いられることが公知であり、この装置は、導体材料中、一般的には半導体の薄層中を流れる電流に対する磁場の相互作用により磁場の強度を決定するものである。このホール効果はＥ．Ｈホールにより１８７８年に初めて発見されたものであり、これ以降、技術改良が進展した。ホール効果の主な特徴は、電流の流れる導体上に磁場（Ｂフィールド）が発生することにより、Ｂに比例するホール電圧が生ずることである。ホール電圧はＢフィールドと導体表面が直交する場合に最大となる。あらゆる磁場は三次元的に存在し、磁界中の特定点付近に配置されたホール装置機構ではこの磁界の特定点の独特な関数としてのホール電圧が生ずる。磁石機構を用いて空間的な磁場の形状を発展させ、この機構がホールプローブ機構に対して可動的である場合、このホール装置により発生するホール電圧を加工すれば磁気機構の位置が劃定される。多数の特許出願がこの手法を使用している。その例を以下に挙げる。米国特許第４４５９５７８号明細書、１９８４年１０月７日出願米国特許第４６３９６６７号明細書、１９８７年１月２１日出願米国特許第４６５４５７６号明細書、１９８７年３月３１日出願米国特許第４８２５１５７号明細書、１９８９年４月２５日出願この手法における不都合な点は、この様な磁気部品の幾何学的中心の緩み、曖昧さおよび正確さの欠如である。他の欠点としてはＢ−フィールドが小さいこと、磁束集結の困難性、および磁石の動きにより、磁気材料中を循環する電流から、主な磁場の上に重なる磁場が付加的に生成することである。使用上の欠点は、上記のような磁気センサーは一般に大きく非常にかさばるという点である。大きな磁石を使用すれば、これにより発生した磁場から磁気に敏感な機器の障害を回避するための遮蔽装置も必要となる。コンピュータと連結使用される三次元位置決定装置も多数存在し、市販されている。これらの装置には、空間中の装置の動きを決定するためのジャイロスコープ機構、電子光学機構の使用の他、装置の１つにひずみゲージを用いてこの装置の位置の他の部分に対する動きを測定すること等により、三次元動作に関する信号を発生するための種々の方法が用いられている。既存の三次元位置決定装置は高価および／または不正確であり、取り扱いが不便、面倒であり、場合によっては身体的制約がこの装置の使用を制限する。しかるに本発明は、便利で、単純かつ正確であるとともに、コンピュータの入力装置として使用する場合には、現在の、または将来のソフトウエア技術の能力を向上させ、新たなより高性能なコンピュータ研究を可能とする三次元位置決定装置を提供することをその第一の目的とする。本発明の第二の目的は、コンピュータゲーム、医学、コンピュータグラフィックス、バーチャルリアリティー、ロボット工学、警備、教育、その他消費、および工業的用途に用いる付加的装置を提供することである。本発明者等により、本発明の第一の目的は、可動基盤上に設けられたホール効果装置と、この可動基盤に隣接するが距離を有する固定基盤に設けられた磁場発生手段とを有する三次元位置決定装置を提供することにより達成されることが見出された。３個の非連結の互いに関連しない磁気機構に対して可動の３個のホール効果装置を用いるのが好ましい。この磁気機構はそれぞれ、反発モード極性を有するように配置された２個の磁石と、この対向する磁石の間を移動するように設けられたホール効果装置を有するのが好ましい。この配置において測定されるホール電圧は、２個の磁石間のホール装置の位置に対応し、ホール装置が一方の磁石に隣接する場合のホール電圧は正の最大値を示し、装置が他方の磁石に隣接する場合は負の最大値を示す。ここで使用される磁石は小さなＮｄ．Ｂ．Ｆｅを含んでいると好ましい。高い飽和保磁力を有する希土類元素含有磁石は他の適当な磁気材料を更に含有してもよい。ホール装置は市販による慣用の半導体ホールチップから構成されるのが好ましいが、非常に高感度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）ホール装置によっても機能可能である。３個のホール装置および併用する磁石は、見かけ上は汎用の二次元位置決定装置、すなわちマウスと同様の本体中に装備され、装置のカバーの基盤に対する動きにより得られる三次元動作を行うように配置されているのが好ましい。３個のホール装置の動きは、装置カバーの基盤に対する、直交する３方向の動きの成分に対して比例するものであってもよい。装置に対して外的な力を全く付加されていない場合は、ホール装置を併用の磁石に対して一定の位置に戻すためのスプリングを用いてもよい。３個の位置モジュール（それぞれ２個の対向する磁石と１個のホール装置を併用して成る）の全ての間の距離が、どのモジュールの対向磁石間の距離よりも大きいことが好ましく、モジュール同士間の距離の全てが、全モジュールにおける対向磁石の間の距離の２倍以上であると更に好ましい。ホール電圧は、慣用の市販電子装置を用いて測定され、導線、赤外線または無線電送により、この後のコンピュータへの伝達のためにコード化されるのが好ましい。この場合、この装置に対する電力供給は充電可能バッテリーによるのが好ましく、このバッテリーを充電するための装置は、位置決定装置と共に使用される装置が必ず有するものである。３つのホール電圧に関するコード化された情報を、位置決定装置から受信した信号に対してコンピュータモニター上のカーソルまたは対象物を動かす機能を有するドライバーソフトウエアにより加工するのが好ましい。これにより、例えば二次元の動きは二次元スクリーン表面を横切る対象物の動きとして示され、三次元の動作はこの対象物のサイズを変化させること、またはこの他の方法で示される。マウスにより制御される対象物の、位置決定装置の動きに対応する挙動の仕方も、ドライバーソフトウエアにより支配されており、この位置決定装置の使用目的に合わせて調整される。好ましい実施の形態において、位置決定装置のカバーの特定方向への移動、例えばカバーをｘ方向にスライドさせることにより、この装置により制御される対象物をコンピュータモニター上の対応方向に進ませ、装置を元の位置に戻すことにより、または装置から手を放すことにより対象物の動作を停止させる。マウス型の装置のカバーは、慣用の二次元マウスと類似のボタンを有し、これによりソフトウエアへの付加的な入力が行なわれ、更に例えば自由度６の、すなわち３本の直交軸に沿った運動およびこれらの軸の周囲を回転する運動の入力可能であることが好ましい。しかしながら、他の実施の形態も可能であり、例えばホール効果装置機構が、他の装置本体と機械的に適当に連結状態で配置されてもよい。他の実施の形態としては、例えば操作レバー、片手用装置、両手用装置、またはマルチユーザー装置、および工業的使用における位置および動作検出装置がある。本発明の第二の目的は、固定部分と可動部分とを含み、二次元的動作が固定部分に対して平面内で可動部分を動かすことにより行われ、三次元的動作が固定部分に対して可動部分を旋回させることにより行われることを特徴とする三次元位置決定装置により達成されることが見出された。可動部分が旋回する軸が平面と平行であることが好ましい。平面内での可動部分の動きが、例えばこれ以降の段階の送信ないし伝達用に二軸に分解される場合は、可動部分の回転軸は、平面の二軸の一方と平行であるのが好ましい。平面内の動きが直交軸、すなわちｘおよびｙ軸に分解される場合は、可動部分はこれらの軸の一方、例えばｘ軸に対して平行な軸の周囲を回転するのも好ましい。可動部分の運動がコンピュータまたは他の装置への伝達用にコードされる場合、平面内の可動部分の動きが、ｘ−ｙ平面における動作を示し、可動部分の旋回がｘ−ｙ平面に直交するｚ方向の動きを示す。固定部分に対する可動部分の動きは、単一または複数のホール装置と、磁場発生手段とを含む磁気機構により測定されるのが好ましい。しかしながら、他の適する手段、例えばスイッチまたは光学装置も使用可能である。単一または複数のホール装置が単一または複数の可動基盤上に設けられ、磁場発生手段が単一または複数の固定基盤上に、可動基盤と隣接するが、距離を有して設けられるのが好ましい。可動基盤が装置の可動部分と結合していると好ましい。また、磁場発生手段が、単一または複数の永久磁石、例えば小さいＮｄ−Ｂｅ−Ｆｅ希土類磁石を含んでいるのが好ましい。上述のように、３個の非連結の互いに関連しない磁気機構に対して可動の３個のホール効果装置が設けられてるのが好ましい。２個の磁気機構が、平面内で直交する２方向それぞれへの可動部分の動きを測定し、３番目の磁気機構が、固定部分に対する、可動部分の旋回の度合いを測定するように配置されているのが好ましい。一実施の形態において、３個のホール効果装置のうちの２個が位置決定装置本体内のスライド上に配置され、装置基盤に対するカバーの動きに伴い、併用する磁石に対するホール装置が作動するようにできる。残りのホール装置は旋回部材上に施され、装置の可動部分と共に動くように設計され、併用の磁石が固定部材上に施されるのが好ましい。スライドは、可動部分に直接連結しても、連結ロッドおよび旋回装置を介して連結するものでもよい。単一または複数の軸受けを、可動部分と固定部分の間に配置し、相対動作を助長することもできる。弾性的手段、例えばリターンスプリングを可動部分と固定部分の間に配置し、この２部分を外力が付加されない場合には所定の相対位置に戻す。この装置は、慣用の「マウス」装置の外観を有し、可動部分がカバー内に、固定部分が基盤内に設けられるのが好ましい。この装置は、可動部分が１本以上の軸の周囲を旋回するように設計可能であり、これにより自由度の増した入力が行われる。本発明は、従来技術に比して多数の利点を有する。すなわち静的な磁石を使用することにより、近傍の金属部材における渦電流の発生、更にはこの様な渦電流による付加的な磁場の発生を抑制し、結果的に装置からの信号エラーを低減する。本発明の磁気機構は、接触移動せず埃やゴミが堆積して悪影響を受けることがないため、位置決定に機械的手段を用いる従来の装置よりも優れている。埃やゴミを除くための手段、例えば柔軟性被覆を、位置決定装置の可動部分と固定部分の間に設けてもよい。一部分を他の部分に対して滑動させることにより二次元的動作を、更に旋回させることにより三次元的動作を行うように装置を使用する場合、多くの従来の装置よりも生体に疲れを及ぼしにくい装置と成される。使用者は、手と腕を上げ下げして装置の位置を上昇または下降させるのではなく、手を装置上に置いて操作をすることができる。ゼロ復帰スプリング、更に好ましくは種々の速度のゼロ復帰スプリングを設けることにより、装置の感触が改善される。この他の例としては、単一または複数のアクチュエータを装置の対向動作(couter movement)により用い、使用者に更にフィードバックを行うこともできる。特にマウス型形状に関する本発明の実施の形態では、可動式の既存の「マウス」位置決定装置とは異なり、周囲に対して固定的であるため、装置の使用に起因して繰り返し起こる神経的損傷発生が低減される。装置内に３個の同様の位置決定モジュール用いることにより、組立が容易かつ安価な機構が得られる。この３個の位置決定モジュールは、装置本体に比較して小さく、特に各モジュールにおける２個の対向する磁石間の距離は、個々のモジュール間の距離よりも小さく、これにより３個のモジュール間の磁気的干渉および外部磁場の発生が抑制され、更に外界の磁気的に敏感な機器との干渉を防ぐための遮蔽装置の必要性も低減される。以下、本発明をより明確に説明するために、添付の図面を参照しつつ例としての実施の形態を挙げる。図１は三次元マウス型位置決定装置の第一の実施の形態を示す部分切り取り斜視図である。図２は三次元マウス型位置決定装置の第二の実施の形態を示す上面断面図である。図３は、図２に示す型の位置決定装置の縦断面図である。図４は、図２および図３に示す型の位置決定装置の横断面図である。図５は三次元マウス型位置決定装置の第三の実施の形態を示す部分切り取り略図である。図６は、ｘおよびｙ磁石を示すための図５と同様の図である。図７は、図５および図６の位置決定装置の分解図である。図８は、図５〜７の「ｚ」シャーシの平面図である。図９は、スラストボールレースを中央位置から外した場合の、図８と同様の図である。図１０は、位置決定装置中に用いられる３個のホール効果装置の電気的接続を示す略図である。図１１は、図１０に示す回路配置に代わる例を示す図である。図１に位置決定装置が示されている。参考と明確化のため、同図に三本の座標軸、ｘ、ｙおよびｚの方向を示す。装置本体は、基盤１とカバー２を有する。基盤１の外周とカバー２の間の界面に、カバー２が水平（ｘ−ｙ）平面において所定量動可能であり、基盤１に対してｘ軸と平行な軸の周囲を旋回可能とするために充分な隙間が設けられている。カバー２には２個のフォーク状構成物、ｘフォーク３とｙフォーク４とが設けられている。これらのフォークの双方が、円形断面の３個の平行なプロング（また）を有する。図面上の参照用軸により示されているように、ｘフォーク３の各プロングはｙ方向に沿って配列し、ｙフォーク４のプロングはｘ方向に沿って配列している。ｘ方向およびｙ方向は互いに直交している。各フォーク状部材（フォーク状構造物）の中央のプロングの先に取り付けられているのがホール効果装置である。ｘフォーク３の中央プロングには、ｘホール効果装置１４が取り付けられており、このｘホール装置１４は、半導体材料の実質的に平坦な三角形片から形成された慣用の半導体ホールチップを有し、この平面がほぼｘ−ｙ平面に沿うように配置されている。ｘホール効果装置１４と同様に、ｙフォーク４にもｙホール効果装置１５が取り付けられており、これはほぼｘ、ｚ平面に沿うように設けられている。ｘフォーク３およびｙフォーク４はｘスライド１３およびｙスライド１６とそれぞれ係合している。基盤１に対して、ピボット（旋回軸）５によりｚ旋回部材６が取り付けられ、この構造体がｘ軸に平行な軸の周囲を旋回するように構成されている。ｚ旋回部材６の突起部分にｚホールプローブ７が固定されている。このｚホールプローブ７は、ｚ旋回部材６に対して固定され、２個のｚ磁石８、９の間を動くように配置されている。このうちｚ磁石８は基盤１に固定されている。第二のｚ磁石９は基盤に形成された突起タブに固定されている。これらのｚ磁石は反発モード極性で配置され、希土類磁石、例えばＮｄ−Ｂ−Ｆｅを有している。基盤１、カバー２、フォーク３、４、およびｚピボットはプラスチック材料から構成されているのが好ましい。ｚ旋回部材６と基盤１の間には２個のｚリターンスプリング１０が配置され、この機構に外力が付加されない場合には、これらはｚ旋回部材６を、ｚ磁石８、９の中間に配置するｚホールプローブ７の位置に対して移動するように構成されている。ｚ旋回部材６中には２個の凹所、ｘ凹所１１およびｙ凹所１２が形成されている。ｘ凹所１１中には滑動可能に設けられたｘスライド１３が施されている。ｘスライドはｚ旋回部材６に対し、ｙ方向に滑動可能である。同様にｙスライド１６がｙ凹所１２に、滑動可能に、且つｘ方向にｚ旋回部材６に対して可動に設けられている。ｘスライドおよびｙスライドは、中央開口を有し、各開口の対向する端部に磁石が反発モードの極性を有するように施されている。双方のｘ磁石１７はｘ方向の線に沿ってに対向し、各ｙ磁石１８はｙ方向の線に沿って対向している。ｘフォーク３およびｙフォーク４は、ｚ旋回部材６を貫通して形成されたｘ凹所１１およびｙ凹所１２中に伸長し、それぞれｘスライド１３およびｙスライド１６と係合している。ｘフォーク３の両外側プロングとｘ凹所１１の側面との間にｘリターンスプリング１９が配置され、外力が付加されていない時にｘフォーク３をｘ凹所１１中の所定位置に戻すように設計されている。この結果、ｙホール効果装置１５が２つのｙ磁石１８の中間に位置するように成される。同様に、ｙリターンスプリング２０がｙフォークとｙ凹所１２の間に配置され、外力が付加されていない場合にｘホール効果装置１４をｘ磁石１７双方の間の中間点に戻す。リターンスプリングは、非磁性材料のベリリウム銅により構成される。図には示されていないが、ホール効果装置を、直流電流を供給する適当な電源に接続する。更にホール装置を、ホール電圧を監視可能な監視装置に連結し、ホール効果装置の、これらと関連する対向磁石の間における位置を測定する。３個のホール装置の位置に関する情報は、適する電子機器、コンピュータに対して更に伝達される。使用に際し、装置２のカバーは基盤１に対して移動する。カバー２を基盤に対してｘ方向に滑動させることにより、ｘホール装置１４が、ｘ磁石１７に対して動される。同様に、カバーを基盤に対してｙ方向に滑動させる結果、ｙホール効果装置１５がｙ磁石１８に対して移動する。カバー２を基盤１に対して旋回させると、ｚ旋回部材６が旋回し、ｚホール効果装置７がｚ磁石８および９の間で動く。このような基盤に対するカバー２の動きにより、３個のホール効果装置を３つの直交方向に動し、ホール効果装置の位置により三次元動作に関する電気的信号を発生する効果が得られる。これにより、例えば適当な駆動ソフトウエアを用いれば、コンピュータスクリーン上の三次元として認識される空間（three percei ved dimensions）で対象物またはカーソルを動かすことが可能とされる。図２、３および４に、本発明の他の実施の形態を示す。これらにおいても本発明の装置はカバー２５と基盤２６が用いられている。ピボット２７により、基盤上に旋回部材２８が設けられている。明確化のため、ここでも図面上に３本の座標軸ｘ、ｙ、ｚ軸を示す。旋回部材は、ｘ軸周囲を旋回するように構成されてる。旋回部材２８の一端にはホール効果装置２９が固定され、２個の対向する希土類磁石３０の間を移動する。旋回部材２８は２個のスプリング６１により支持されている。これらのスプリングは旋回部材２８を、ホール効果装置２９が磁石３０（基盤２６に取り付けられ、固定されている）の間の所定位置に保持される位置に戻す役割を果たす。この旋回部材に、第二の、対を成す磁石、ｘ磁石３１が取り付けられている。これらの磁石は旋回部材２８と同様の材料から成る構造体に、反発モードの極性を有するように施されている。磁石３０および３１は希土類磁石、例えばＮｄ−Ｂ−Ｆｅを含む。旋回部材２８に対してｘ方向に滑動可能にｘスライド３２が取り付けられている。ｘスライド３２の構成部分として、ホール装置３４を有するアーム３３が含まれ、旋回部材２８に対するｘスライド３２の動きにより、ホール装置３４のｘ磁石３１に対する動きが生ずるようになっている。磁石３１と同様に、２個の磁石３６がｘスライド３２上に設置され、この場合も相互の磁石が反発モードの極性で配置されている。また、２個のリターンスプリング３７が旋回部材２８上のｘスライド３２にそれぞれ支持されるように配置されているが、これらは装置に外力が加わらない場合にｘスライド３２を旋回部材に対して所定位置に移動させるように構成されている。このため、通常ホール効果装置３４はｘ磁石３１の中間位置に配置される。更に、ｘスライド３２に対して、そのｙ方向に可動のｙスライド３５が設けられている。ｙスライド３５から、アーム３８が突起し、この端部にｙホール効果装置３９が取り付けられている。アーム３８は、ｙホール効果装置３９が２個の磁石３６の間を、ｘスライド３２に対しｙスライドの動きに対応して移動するように配置されている。更に、ｙスライド３５の、ｙスライド３５とｘスライド３２の突起部分との間の対向端部にそれぞれリターンスプリング４０が設けられており、これにより、外力が付加されていない時は、ｙスライド３５がｘスライド３２に対する所定の休止位置に戻される。すなわち、一般的にはｙホール効果装置３９がｙ磁石３６の中間位置に戻される。４１の符号を付した、ｙスライド３５の最頂部分は、四角い断面を有し、突起端縁を有する。カバー２５の下面も突起部分４２を有し、ｙスライドの最頂部４１と共働する。この配置によりカバーがｙスライドに「スナップ−フィット（係合）」し、これによりカバーの動きがｙスライドの動きをもたらす。装置本体およびスライドは、非磁性プラスチック材料から構成され、リターンスプリングはベリリウム銅から構成される。カバー２５をｘ−ｙ平面内で滑動させるか、あるいはカバー２５をｘ軸に平行な軸の周囲で傾けることにより、カバー２５を基盤２６に対して移動させると、併用に磁石に対してｘ、ｙおよびｚホール効果装置が対応の動きを生ずる。図５〜９に、本発明の位置決定装置の他の実施の形態を示す。この実施の形態にも、基盤６１とカバー６４とが含まれ、カバーには３個のボタン７４が設けられている。カバー６４の形状は、片手で快適な操作が行えるように生体工学的に設計されている。カバー６４のスイッチを有する端部の対向端部は、装置を使用する時に使用者が腕を置くことのできる面となっている。上述した他の実施の形態とは異なり、この実施の形態では、基盤６１に対するカバー６４の動きを、３対の固定磁石に対して３個のホール効果装置の動きに翻訳（変換）するための機械的連結が含まれる。本実施の形態において、カバー６４はシャフト６２に連結されている。２個の連結ロッド、すなわちｘ連結ロッド７５およびｙ連結ロッド６３がシャフト上に回転可能に設けられている。連結ロッド７５および６３は、ｘおよびｙピストン７６、６６に対し、旋回可能に連結されている。更にこれらのピストンはそれぞれホールチップホルダー７７および６９に連結されている。ピストンは、２個の永久磁石６８を設置可能とする手段を含むピストンブロック６７中に滑動可能に施されている。ピストンブロック６７は、ピストン６６および７６を、更にはホールチップホルダー６９および７７を、磁石６８間で直線的に動かす。ピストン６６および７８は断面が円形状に描かれているが、他の適当な形状を有してもよい。カバー６４に対するシャフト６２の対抗端部に、スラストリングボールレース７２が設けられている。スラストリングボールレース７２は、スナップフィット（係止部）を有するバリア７８と係合するボールレースカバー７９により立ち上がり部分７８内に保持される。スラストリングボールレース７２により、カバー６４が基盤６１に対して限られた量で横方向に動くことが可能となっている。カバーがこのように動くことにより、カバーの動きのｘ、ｙ成分により、ｘピストン７６およびｙピストン６６がそれぞれｘ方向、ｙ方向に移動する。立ち上がり部分７８内に、４個のリターンスプリング７３が設けられており、これにより外力が付加されていない場合に、スラストボールレース７２が凹所７１の中心にもたらされる。スラストボールレース７２が中央にもたらされると、ｘ、ｙ双方のホールチップホルダー７７および７９が両磁石のほぼ中央位置に配置される。図７のリターンスプリング装置に代わり、図８および図９に示す形態の装置を用いてもよい。図８の装置では、リターンスプリング７３に対して更に加圧バー８４が用いられている。スプリング７３の作用により、圧力が加えられていない場合、立ち上がり部分７８により劃定される面積内中央にスラストボールレース７２がもたらされる。すなわちゼロ復帰機能が働く。図９に、図８と同様の図を示すが、この場合のスラストボールレース７２は中央位置から外れている。このボールレース装置によると、カバー６４が基盤６１に対して滑らかに動かされる。このリターンスプリングはカバーに感覚を与え、例えばコンピュータスクリーン上にカーソルの動きを示すために、使用者がスプリングの圧力に抗してカバーを動かすことが必要となる。リターンスプリング７３は、最初の運動に対して弱い力を付与し、ボールスラストレース７２が更に離された場合に強化された力を付与する、複数の異なる速度のスプリングから構成されてもよい。ｘ、ｙピストンブロック６７、凹所７１、およびボールスラストレース７２の全てがｚシャーシ６５上に配置されている。ｚシャーシ６５は、係合構造体７９および８０により、基盤６１に旋回可能に設けられている。ｚ軸ホールチップホルダー８１もｚシャーシ６５上に設けられ、２個の対向する磁石を保持するｚ磁石ホルダー８２は基盤６１上に設けられている。ｚシャーシ６５と基盤６１との間に４個のｚリターンスプリング８３が設けられ、これにより、力が付加されていない場合にはｚシャーシを、ｚホールチップホルダー８１がｚ磁石ホルダー８２中に保持されている２個のｚ磁石のほぼ中間に配置される位置に戻す。第一および第二の実施の形態と同様に、基盤６１に対してカバー６４をｘ軸に平行な軸を中心として傾けることによりｚ方向の動作が得られる。カバー６４を傾けることにより、ｚシャーシが基盤に対して、ｚリターンスプリング８３に抗して旋回し、これによりｚホールチップボタンと、この中に保持されているホールチップが、ｚ磁石ホルダー８２中に保持される固定磁石に対して移動する。最後に、基盤６１上に印刷回路板８４が設けられ、更にこの上に３個のホールチップとボタンの操作に用いられる適当な電気回路構成要素（図示せず）が設けられる。更に、回路板８４には、この電子回路をホールチップに電気的に接続するための３個のチップリボン８５が施されている。この装置の磁石以外の全部分は、非磁気材料、好ましくはプラスチック材料から製造される。この実施の形態により、特にカバーをｘ、ｙ方向に動かす場合に、非常に滑らかな動作が行われる。更に、ｘ、ｙチップは、ｘ、ｙピストン７６、６６によりそれぞれ対応する磁石の間の線状経路を動くように制御されている。これにより装置が更に正確に操作されるようになる。図１０にホール装置と磁石のｘ、ｙ、ｚ軸に対する位置決定機の図を示す。これは位置決定装置の上述の実施の形態において使用されるものである。同図においてｘ軸位置決定機４５は、ホール効果装置４６と、反発モード極性で配置された２個の磁石４７および４８とを有している。ホール効果装置は、磁石４７、４８の間をこれらに対して動く。両磁石が反発モードで配置されているため、ホール効果装置４６を横切るホール電圧測定値は、ホール効果装置が一方の磁石に接近すると最大となり、他方の磁石に接近すると負の最大値となる。装置が２個の磁石間を移動する時に測定されるホール電圧は、ほぼ線形に変化する。使用に際して、３個のホール装置をそれぞれ、直流電流供給電源４９、例えば電池に接続する。更に、装置の位置に関連し、ホール効果装置を横切って発生するホール電圧についての信号を発生する増幅器５０に、各ホール装置を接続する。ｘ、ｙ、ｚホール効果装置の、それぞれ対応する磁石に対する位置に関する３種の信号は、マイクロプロセッサ５１に供給される。マイクロプロセッサは、ホール電圧を、コンピュータのドライバーソフトウエアによる加工に適した信号に変換し、ドライバーソフトウエアがホール効果装置の位置および動きを、コンピュータスクリーン上のカーソルまたは対象物の動きに変換する。位置決定装置のカバーの、基盤に対する動きに応じた、コンピュータスクリーン上のカーソルまたは対象物の挙動はコンピュータドライバーソフトウエアにより決定される。この実施の形態において、ソフトウエアは、カーソルまたは対象物を所定方向に、装置カバーの基盤に対する同方向への動きに対応して動かすように構成されている。カバー上の圧力が解除されると、リターンスプリングが、ホール装置を所定の休止位置に戻し、静止状態のカーソルが示される。このソフトウエアにより、カーソルをスクリーン上の一点に迅速に移動させることが可能となり、次いでマウス本体が放され、カーソルの更に正確な位置決めが行われる。図１１に、３個のホール効果装置の電気的接続の、他の実施の形態を示す。ホール効果装置のセンサーからの信号が、増幅器５３に給送され、この出力をアナログ−デジタルコンバータ５４およびマイクロコントローラ５５を介して、送信機５６に接続する。受信側では、受信機５７がマイクロコントローラ５８とバッファ５９とを介してコンピュータ６０に接続されている。上記実施の形態は、双方とも周囲に対して固定的である。この装置は、装置カバーを基盤に対して滑動および旋回させることにより使用される。この機器は、使用が便利であり、既存の位置決定装置と比較して正確であり、繰り返しの神経的損傷を起こしにくい。上記実施の形態は例として記載したに過ぎず、本発明の範囲を逸脱しない限り更に種々の変更を行うことが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１１年１月２１日（１９９９．１．２１）【補正内容】使用上の欠点は、上記のような磁気センサーは一般に大きく非常にかさばるという点である。大きな磁石を使用すれば、これにより発生した磁場から磁気に敏感な機器の障害を回避するための遮蔽装置も必要となる。他の既存の装置は、国際特許出願公開第９３／２０５３５号公報に記載されている。この装置は操作レバーの形状であり、装置本体は末端壁と、これにより固定される弾性アームとを含む。この弾性アームはその頂部に固定された管部とハンドルを有する。管部はアームを取り囲み、環状磁石を旋回点水準に備え、これに対してアームが柔軟性を示す。４個のホール効果プローブの出力は、磁石の位置により影響を受け、アームの二次元的位置が示される。第二の回転式ハンドルの角位置は、他のホール効果プローブに対するハンドルと、動きに関して連結する他の磁石により感知される。ホール効果装置の他の使用例は米国特許第５００４８７１号明細書に記載されており、ここではコンピュータとの併用に適当な針の形状が示されている。この針は感圧スイッチを有するものであり、同スイッチは相互の相対運動のために磁石とホール効果装置を有してもよい。コンピュータと連結使用される三次元位置決定装置も多数存在し、市販されている。これらの装置には、空間中の装置の動きを決定するためのジャイロスコープ機構、電子光学機構の使用の他、装置の１つにひずみゲージを用いてこの装置の位置の他の部分に対する動きを測定すること等により、三次元操作に関する信号を発生するための種々の方法が用いられている。既存の三次元位置決定装置は高価および／または不正確であり、取り扱いが不便、面倒であり、場合によっては身体的制約がこの装置の使用を制限する。しかるに本発明は、便利で、単純かつ正確であるとともに、コンピュータの入力装置として使用する場合には、現在の、または将来のソフトウエア技術の能力を向上させ、新たなより高性能なコンピュータ研究を可能とする三次元位置決定装置を提供することをその第一の目的とする。本発明の第二の目的は、コンピュータゲーム、医学、コンピュータグラフィックス、バーチャルリアリティー、ロボット工学、警備、教育、その他消費、および工業的用途に用いる付加的装置を提供することである。本発明者等により、本発明の第一の目的は、可動基盤上に設けられた３個のホール効果装置と、この可動基盤に隣接するが距離を有する固定基盤に設けられた、併用の３個の磁場発生手段とを有する三次元位置決定装置を提供することにより達成されることが見出された。３個の非連結の互いに関連しない磁気機構に対して可動の３個のホール効果装置を用いるのが好ましい。この磁気機構はそれぞれ、反発モード極性を有するように配置された２個の磁石と、この対向する磁石の間を移動するように設けられたホール高価装置を有するのが好ましい。この配置において測定されるホール電圧は、２個の磁石間のホール装置の位置に対応し、ホール装置が一方の磁石に隣接する場合のホール電圧はは正の最大値を示し、装置が他方の磁石に隣接する場合は負の最大値を示す。ここで使用される磁石は小さなＮｄ．Ｂ．Ｆｅを含んでいると好ましい。高い飽和保磁力を有する希土類元素含有磁石は他の適当な磁気材料を更に含有してもよい。ホール装置は市販による慣用の半導体ホールチップから構成されるのが好ましいが、非常に高感度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）ホール装置によっても機能可能である。３個のホール装置および併用する磁石は、見かけ上は汎用の二次元位置決定装置すなわちマウスと同様の本体中に装備され、装置のカバーの基盤に対する動きにより得られる三次元動作を行うように配置されているのが好ましい。３個のホール装置の動きは、装置カバーの基盤に対する、直交する３方向の動きの成分に対して比例するものであってもよい。装置に対して外的な力を全く付加されていない場合は、ホール装置を併用の磁石に対して一定の位置に戻すためのスプリングを用いてもよい。３個の位置モジュール（それぞれ２個の対向する磁石と１個のホール装置を併用して成る）の全ての間の距離が、どのモジュールの対向磁石間の距離よりも大きいことが好ましく、モジュール同士間の距離の全てが、全モジュールにおける対向磁石の間の距離の２倍以上であると更に好ましい。請求の範囲１．複数の可動基盤上に設けられた３個のホール効果装置と、これらの可動基盤に距離を有して隣接する複数の固定基盤上に設けられた併用の３個の磁場発生手段と、を有する三次元位置決定装置。２．磁場発生手段がそれぞれ２個の永久磁石を有し、併用されるホール効果装置がそれぞれ前記２個の磁石間を移動するようにされている、請求項１に記載の位置決定装置。３．３個のホール効果装置が直交する３方向に可動である、請求項１または２に記載の位置決定装置。４．少なくとも１個のホール効果装置が滑動部材上に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の位置決定装置。５．固定部分と、可動部分とを含む三次元位置決定装置であって、可動部分を固定部分に対して平面内で動かすことにより二次元動作を得、可動部分を固定部分に対して旋回させることにより三次元動作を得る、三次元位置決定装置。６．可動部分の旋回軸が前記平面に平行である、請求項５に記載の位置決定装置。７．ホール効果装置と、磁場発生手段を更に含む、請求項５または６に記載の位置決定装置。８．ホール効果装置が可動基盤上に設けられ、磁場発生手段が、可動基盤に距離を有して隣接する固定基盤上に設けられている、請求項７に記載の位置決定装置。９．３個のホール効果装置と、併用の３個の磁場発生手段とを含む、請求項５〜８のいずれかに記載の位置決定装置。１０．ホール効果装置が直交する３方向に可動である、請求項９に記載の位置決定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．可動基盤上に設けられたホール効果装置と、この可動基盤に距離を有して隣接する固定基盤上に設けられた磁場発生手段と、を有する三次元位置決定装置。２．磁場発生手段が２個の永久磁石を有し、ホール効果装置が前記２個の磁石間を移動するようにされている、請求項１に記載の位置決定装置。３．３個のホール効果装置と、併用の３個の磁場発生手段とを有する、請求項１または２に記載の位置決定装置。４．３個のホール効果装置が直交する３方向に可動である、請求項３に記載の位置決定装置。５．少なくとも１個のホール効果装置が滑動部材上に設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の位置決定装置。６．固定部分と、可動部分とを含む三次元位置決定装置であって、可動部分を固定部分に対して平面内で動かすことにより二次元動作を得、可動部分を固定部分に対して旋回させることにより三次元動作を得る、三次元位置決定装置。７．可動部分の旋回軸が平面に平行である、請求項２に記載の位置決定装置。８．ホール効果装置と、磁場発生手段を更に含む、請求項６または７に記載の位置決定装置。９．ホール効果装置が可動基盤上に設けられ、磁場発生手段が、可動基盤に距離を有して隣接する固定基盤上に設けられている、請求項８に記載の位置決定装置。１０．３個のホール効果装置と、併用の３個の磁場発生手段とを含む、請求項６〜９のいずれかに記載の位置決定装置。１１．ホール効果装置が直交する３方向に可動である、請求項１０に記載の位置決定装置。