JP2004139562A - ポインティング装置並びにこれを具備するスキャナー、ロボット、携帯通信装置及び電子辞書 - Google Patents

Abstract

【課題】　 デジタイザ等のタブレットを必要とせず、機構的に簡単なポインティング装置及びこれを含むスキャナー、ロボット、携帯通信装置を提供すること。
【解決手段】 上記課題を達成するため、本発明に係るポインティング装置は、光を照射する光源と、前記装置全体の動きにより回転するボールと、イメージで前記装置の動きを検出する光学イメージ・センサーとを備え、前記光源からの光を前記ボールに照射して反射させたボールの表面のイメージを前記光学イメージ・センサーで受け取り、以前のイメージと現在のイメージとの違いを比較・分析してボールの移動方向と距離とに対するデータを出力することを特徴とする。
【選択図】　　図５

Description

　本発明は、ポインティング装置並びにこれを具備するスキャナー、ロボット、携帯通信装置及び電子辞書に関し、特に、ペン型のマウス装置に関するものである。

　従来の通常のマウスは、マウス・パッド等の平らな面にマウスを移動させ、マウスのボールを回転させることでカーソルの移動、およびクリックを可能にしている。

　また、前記通常のマウスの代わりに、ペン型マウスを使用して作業をする場合もあった。ペン型マウスは、マウスをペン型に形成して、人間の手書き動作に類似させてマウスの動作を一層便利にしようとしたものである。

　一般に、ペン型マウスでは、デジタイザ等のタブレットの上にペン型マウスを接近させたり、接触させたりすることをタブレットが認識する形態を有している。

　カーソルの移動は、ペン型マウスをタブレットの上でタブレットに接触しながら移動して行うのではなく、タブレット上の一定の間隔（通常は約１．５ｃｍ以内）を維持しながら、即ち、非接触で移動することにより行われる。従って、ペン型マウスを移動させること、即ちタブレットから一定の距離以内を維持しながらペン型マウスを移動させることは不便であり、ペン型マウスを少し使用するだけでも手首等が疲れてしまう。コンピュータ及びマウスの使用が飛躍的に増加しつつある今の時代では致命的な弱点である。

　また、従来のボール・マウスでペン型のマウスを実現するためには、ボールを小さくさせる必要があるが、ボールを小さくすると、マウスの動きを検出する精度が著しく落ちてしまい、機構上でも従来のマウスの精度を持たせることが不可能であった。そのため、ボールを利用した大部分のポインティング装置は、一般的にピニオン・ギア等を使いボールの回転を検出する方法を採っている。しかしボールが小さくなるほど、ピニオン・ギアを回転させる駆動力は小さくなる。従って、ポインティングの感度及び精度が落ちてしまい、ペン型のマウス等に適さない。

　また、従来の光学イメージ方式を使うペン型マウスは、動作の際に傾斜度が変わると、イメージ・センサーとパッド等の平坦面との距離も変わってしまい焦点が合わない等の理由からマウスの動作が認識されない問題点があった。

　また、従来のペン型の光学方式の装置でポインティング装置を実現する方法として、レンズを小さくして深度を大きく（カメラでいえば、レンズの絞りを小さくして被写体までの距離を長くする）し、装置の先に、尖って突出するボールペンやチップ・ポイント（Ｔｉｐ-Ｐｏｉｎｔ）でイメージと一定の距離を維持することで、ポインティングの動作による装置の傾きから起こる物体のイメージにおける歪みの現象を、ある程度解決するという方法もあるが、一定のパターンが書かれている平面上（パターンが印刷された紙やマウス・パッド等）においてのみ、ポインティング機能が可能であるに過ぎない。

　従って、本発明は、上記のような従来のペン型のポインティング装置の欠点を解決しようとするものである。

　すなわち、デジタイザ等のタブレットを必要としないポインティング装置（マウス等）を提供しようとするものである。

　また機構的にも簡単なマウスを提供しようとするものである。

　また、マウス・ボール（Ｍｏｖｉｎｇ　ＢａＬＬ）と接触させるのはベアリングのみであり、そのためボールの回転が円滑になり優れた動きの検出精度を持つマウスを提供しようとするものである。

　また、鉛筆のように自在に動かしながら使用できるマウスを提供しようとするものである。

　また、マウスが任意の角度で傾いている状態であっても、動作を正確に行えるマウスを提供しようとするものである。

　また、従来の光学マウスが作動できなかったガラス面や同一色の平らな材質のパッドの上でも、動作が行えるマウスを提供しようとするものである。

　また、光ガイドは光繊維（光ファイバ）を使用して光の損失を最小限にしながらも所望の物体の表面に光をガイドする為、光照射の効率が大変良く、必要のない物体の表面への光の損失を防止することができ、このような光ガイドをもって、照明による電力消耗を低減できる低電力の光学イメージ方式のマウスを提供しようとするものである。

　また、ペン型のポインティング装置において、装置を動かしてポインティングを検出する媒体であるボールが小さくても、マウスとして使用でき、且つ十分なポインティング精度を持つペン型のマウスを提供しようとするものである。

　また、大きさが小さいボールを採択することによりペン型のスキャン装置等においてエンコーダーの機能及び手書きの機能を具備するポインティング装置を提供しようとするものである。

　また、本発明は、簡単な構造で安価なポインティング装置を提供しようとするものである。

　また、本発明は、携帯電話機等に、小型のペン型ポインティング装置を裝着させ、ポインティング機能による手書き認識機能を設けて住所録の検索時においての索引語の入力及び検索機能を提供し、その際、手書きの機能と描く機能を提供しようとするものである。
　また、本発明は、手書き文字の認識機能、電子辞書機能及びディスプレー装置を具備し、認識された文字から構成される単語に関する辞書の内容をディスプレー装置の画面に出力する電子辞書を提供する。
　また、本発明は、どのようなペン型ポインティング装置においてもスクロール用ボタン１つでスクロール機能を簡単に提供することができる。即ち、スクロール・ボタンを押し続けながらペン型ポインティング装置を上下に動かすことでスクロールの機能を提供するものである。

　前記課題を解決する為、本発明は、ペン型のポインティング装置を具現化する際に起きる一般的な問題点（ポインティングの感度、機構物の外型の大きさ）を解決したものであって、小さいボールを採用してこの動きを光学イメージ・センサーでもって検出するものである。
　具体的には、本発明に係るポインティング装置は、光を照射する光源と、ポインティング装置全体の動きにより回転するボールと、ポインティング装置の動きをイメージで検出する光学イメージ・センサーとを備え、この光学イメ−ジセンサーは、回転するボールに前記光源からの光を照射して反射させたボールの表面のイメージを受け取り、以前のイメージと現在のイメージとの違いを比較・分析してボールの移動方向と距離とに対するデータを出力することを特徴とする。

　光学イメージ・センサーは光マウスに広く使用されている。現在、大部分の光学マウスでは光学イメージ・センサーに４００ＤＰＩ（ｄｏｔ／ｉｎｃｈ）の解像度を持つレンズと組み合わせて使用し、光学部で動きを検出するための計算に必要なイメージは、フレーム毎に１６×１６ピクセルのデータを使用している。

　以上のように、本発明のポインティング装置（マウス）は、安価な一般的な光学イメージ・センサーを装着し、且つセンサーの前端に、回転するボールの表面を検出する簡単な装置を付加し、直径７ｍｍ程度の小さなボールでも従来のマウスと同一の感度が得られるペン型の安定したマウス装置を具現化することにより、いままでの高価なペン型マウス入力装置に代替することができる。また人間工学的にも便利であり、安価なペン型マウスを簡単に実施することができる。

　このようなペン型マウスは手書きの作業に非常に適していて、絵を描く等のコンピュータ・グラフィックの機能をより簡単に実行できる。特に子供達がコンピュータで絵を書いたり字の書き方の演習をしたりする等の学習道具として便利性を有し、携帯が簡便である利点を持つノートブック等にも活用できる。ノートブックの場合でも中に装着されたパッド型マウス装置は時に不便でありペン型マウスを基本の装置として装着すれば、製品の付加価値を増すことができる。

　また、ペン型の場合にはマウスを、あたかもペンを使って手書きしているように動かせるので人体に与える疲労感を低減することができる。

　マウスを任意の角度で傾けてもマウスの動きを正確に検出できる効果がある。

　また、マウスのボールは多数のベアリングにのみ接触していて、感度が優れているという効果がある。

　また、従来の光学マウスが作動できなっかたガラス面や同一色の凹凸のない滑らかな材質上でもマウスの作動が可能となるという効果がある。

　また、ペン型のマウスでは、マウスが接触する面が小さくても良いので、手の平や手の甲のような屈曲なところでもマウスのポインティングは可能となる。従って、本発明による装置は、マウス・パッド等がない、いかなる場所でも自在に活用できる。

　また、光ガイドは光繊維を使用していて光の損失を最小限に抑えながら、所望する方向と場所へ正確に光をガイドすることにより、照明による電力の消耗を減らすので低電力型のマウスに適合可能である。

　また、小型のボールを採択することにより小型のペン型ポインティング装置を実現することができ、ペン型のスキャン装置等においてはエンコーダーの機能と共にポインティングの機能を提供することができる。

　また、装置の上端にレーザー装置を設け、プレゼンテーションの際に指示装置として有効に活用することができる。

　また、携帯電話機等においても小型のペン型ポインティング装置を装着させてポインティングの機能による手書き認識の機能を提供することにより、住所録の検索時における索引語の入力及び検索の機能を提供でき、手書きメモの機能や絵を描く機能を提供して製品の差別化、製品価値を高める効果がある。
　また、本発明は、ポインティング装置に手書き文字の認識機能、電子辞書の機能及びディスプレー装置を備え、認識された文字からなる単語に関する辞書内容をディスプレー装置に出力する等の様々な機能を提供することができる。
　また、本発明のポインティング装置においてはスクロール・ボタンが設けられ、このスクロール・ボタンを押しながらポインティング装置を上下へ動かすことで、従来のホイールマウス等においてのホイールによるスクロールの操作と同一の機能を簡単に提供できる利点があって便利である。

　以下、本発明の最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、光学イメージ・センサーに入力されるイメージデータの例であって、６４レベルのグレイ・イメージ（ｇｒａｙ　ｉｍａｇｅ）である（Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍｏｕｓｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ＡＤＮＳ−２０５１、ＨＤＮＳ−２０００のＤａｔａ　Ｓｈｅｅｔ参照）。
　光学イメージ・センサーの内部は、イメージを受け取るＩＡＳ（Ｉｍａｇｅ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ）と、入力されたイメージをデジタル信号処理するＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、マウスのＰＳ／２モードを選択する機能と、ｘ、ｙ軸の値に相当するデータへ変換して出力する出力変換器（ＯＵＴＰＵＴ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とから成る。
　光学イメージ・センサーの内部のＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）は、サンプリングされて入力される過去のイメージと現在のイメージとを相関（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）計算することにより比較、分析して方向と距離とを計算し、これを横、縦方向（ｘ、ｙ軸の値）の変位データとして出力する。
　図１の２つのイメージを比較分析すると、イメージが左側へ３ピクセル、下側へ１ピクセル移動したことが分かる。このようなイメージの移動方向及び距離の計算には時間がかなりかかるが、デジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）を利用すれば短時間に計算することができる。

　従って、光マウスにおいて実際に受け取るマウス・パッド等での平面の映像の大きさは４００ＤＰＩで、横、縦１６ピクセルを示すことができる大きさがあれば足りる。

　即ち、１６ピクセル÷（４００ピクセル／２５．４ｍｍ）＝１．０１６ｍｍである。

　理論的には約１．０ｍｍであるが、普通、マウスを利用する際の若干の揺れを考慮すると、安定したデータの入力のための領域の大きさは、約１．５ｍｍ×１．５ｍｍ程度であればよい。もっと小さい領域のボールの表面においてボールの動きを検出する場合には、イメージを受け取るレンズを８００ＤＰＩに合わせて設計することにより光マウス内部のイメージ・プロセッシングに必要とされる１６ピクセル×１６ピクセルに該当する面積の大きさは、１．０ｍｍの半分（１／２）の０．５ｍｍ×０．５ｍｍとなる。このように、レンズの解像度（倍率）を上げると、光学イメージ・センサーが処理するイメージデータに必要となるボールの表面の面積は小さくなる。このため、小さいボールを採択でき、ペン型マウスを可能にする。例えば直径３ｍｍ以上のボールであったら、１ｍｍ×１ｍｍに該当するボールの表面（４００ＤＰＩ解像度に該当するレンズを使用時）のイメージを使用してマウスの動きを検出することができる。

　本発明では、光学イメージ・センサーへ４００ＤＰＩ解像度のイメージが入力されるよう設計されたレンズをもって、光学イメージ・センサーとレンズとの距離が１５ｍｍ、レンズとボール表面との距離が１５ｍｍになるように構成し、レンズの焦点深度を約１ｍｍとし、レンズからボールの表面までの距離が１４ｍｍから１６ｍｍの間であれば、ボールの表面のイメージを光学イメージ・センサーで読み取りマウスの動きに対するデータを取得することができる。

　光マウスの照明は、一般的な光学センサーとは違うが、そのことは１６度から２５度においての照明角度（普通は２０度前後）を持たせて、動きを検出する面の荒い状態（粗度）を区別させることにより、何も書いていない白紙上でもマウスの動きを検出することができる。
　本発明においては、若干の粗度（微細ながら表面に凹凸がある状態）を持つボールを採択して、動くボールの表面を検出することによりマウス機能を行わせる。

　また光繊維を利用した光ガイドは、光を物体の表面近くまで誘導することで照射の効率を良くし、また、光繊維を自在に曲げることができるため、装置の空間を最小にすることができる。実際に従来の光学イメージ方式のマウスで広く使用されている光ガイドの替わりに本発明のように光繊維を使用して光を物体に照射した時の方が、マウスの感度がもっとも優れていることが分かった。これは、ＬＥＤからの光が拡がる特性を持っている為、従来では所望の物体表面に到達するまでの間に、必要としない物体表面にまで光が照射してしまい光量の損失があったからである。
　一方、本発明では光繊維は曲げられていても光の伝達がうまく行われ、所望の物体表面の近くまで光を誘導させ、光の大部分を必要な物体表面に集中的に照射させることができる。従って、良質のイメージを光学イメージ・センサーが取得でき、マウスポインティングの感度がよくなる。

　また光学イメージ・センサーでボールの動きが良好に検出できるように、ボールの表面に特定パターンの模様を印刷することが望ましい。ボール表面のパターン模様は、１６ピクセル（４００ＤＰＩを基準）の１／２の８ピクセル毎に映像が区別できるようにして、８ピクセル内のイメージに点、線又はパターンが少なくとも１つ以上存在するようにする。このような形態は、ジオデシックの球面状の正三角形で表すことができる（図１４参照）。従って各々の正三角形毎にパターンを持たせ、隣り合うパターンと区別できる形態を持つのが一番望ましい。

　以下、本発明による１実施例を図面に基づいて詳しく説明する。

　まず図面で使用される符号について説明する。図２〜図６は本発明による１実施例の構成を示す模式図であって、マウスの内部構造及び一部の外部構造を表している。

　図２〜６において、符号１０１はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）等の光を発散させる光源を示す。符号１０２は光繊維等からなる光ガイドを示し、この光ガイドは、前記ＬＥＤ１０１から発散される光を所望する方向へ、即ちボール１０３へ誘導する。前記ＬＥＤ１０１からの光がボール１０３へ正確に照射されるのであれば、この光ガイド１０２を省略できる。即ち、チップＬＥＤを光源として使用してボール１０３の表面近くで照射すれば光ガイド１０２を省略することができる。

　ボール（ｂａｌｌ）１０３は、通常のマウスに使用されるボールと類似しているが、その球面には微細な凹凸が形成されていたり、特定のパターンが印刷されていたりするのが望ましい。符号１０４はレンズを示し、このレンズは、ボール１０３で反射された光を集光する役割を持つものであり、またイメージを適切な大きさに拡大させる役割もする。しかしレンズ１０４は、ボール１０３と光学イメージ・センサー１０６との距離が近ければ反射されたイメージを拡大させる必要が無く、直接光学イメージ・センサー１０６へ入力できるものであれば省略することができる。

　符号１０５は反射鏡を示し、この反射鏡は、ＬＥＤ１０１から発せられた光が光ガイド１０２を経てボール１０３に照射され、このボールで反射され、レンズ１０４により集光された光を反射して、光学イメージ・センサー１０６へ照射するようにする。図６のように、光が直接光学イメージ・センサー１０６へ入る場合は、反射鏡１０５を省略することができる。
　符号１０６は光学イメージ・センサーを示し、このセンサーは、光マウスに使用されるものと類似のものを使用することができる。

　符号１０７、１０７ａはボールと接触しボールの回転を円滑にするためのベアリング・ボールであって、特にベアリング・ボール１０７ａはボールが外部へ離脱しないよう下端部に位置している。これらベアリング・ボール１０７、１０７ａは、ボールが装置から離脱せず円滑に回転できることが保証されれば省略することができる。符号１０８は、各々のベアリング・ボール１０７、１０７ａを取り囲むベアリング・ボール支持部であって、エンジニアリング・プラスチック等から構成され材質の特性上ベアリング・ボール１０７、１０７ａの回転を滑らかにしている。
　図３にはこれらの配置の１例を示しているが、必ずしもこれに限定されるのではなく、ベアリング・ボール１０７、１０７ａがボール１０３の作動圧力を均等に受け入れて安定且つ円滑に回転させる構成であれば良い。
　図４‐ＡからＨにはベアリング・ボールの配置における他の実施例を示している。図４‐Ａでは、ボールとベアリング・ボールの支持部間にベアリング・ボールの動ける空間を形成し、この空間で多数のベアリング・ボールがボールと接触して回転する際に、これらのベアリング・ボールは移動できるようになっている。図４‐Ｂ、Ｃの構造では、符号１０９は、ベアリングのリテーナ（Ｒｅｔａｉｎｅｒ）と類似の形態のベアリング・ボール・リテーナを示し、ベアリング・ボールがリテーナ１０９の中で円滑に回転できる構造となっている。
　図４‐Ｂのリテーナ１０９は、リテーナ１０９の内面にレール状の溝を形成してこの溝にベアリング・ボール１０７を收容し、また図４‐Ｃのリテーナ１０９は、リテーナ１０９の内面に溝を形成してこの溝にベアリング・ボール１０７を収容する。リテーナ１０９は、装置の垂直軸に対して回転が可能な場合もある。

　図４‐Ｄの構造では、ベアリング・ボールの支持部の下端領域に、ボール１０３と接触しないベアリング・ボールが押されて移動できるよう環状の円周空間が形成されている。
　図４‐Ｅは、図４‐Ｄの断面図の３次元形状を示している。ベアリング支持部の上端領域には光学イメージをセンシングする為、ベアリング・ボールは、光が照射されるところに入らないようにする環状の防止段差１２０が形成してあって、この防止段差１２０に当接するベアリング・ボール７０１、７０５の領域には、ベアリング・ボールが押されて移動できるようベアリング・ボールが動ける空間よりもう少し余裕のある大きさの環状の溝７０９が形成されている。このような上下の環状の溝は、ボール１０３の回転時に、ベアリング・ボールを移動し易くするためのものである。下端の環状の溝７１０にあるベアリング・ボール７０４は、ボール１０３が反時計方向へ回転する際に上方へ上がり、これによってベアリング・ボール７０３が下方へ下がってくる。
　ベアリング・ボール７０１は、ボール１０３の回転により上がり、環状の防止段差１２０に当接すると環状の溝に沿って図面において左側へ移動する（図４‐Ｄ、Ｆ）。またベアリング・ボール７０５、７０６は、ボール１０３と当接しボール１０３の回転方向に沿って下端へ移動する。

　図４‐Ｆは、上からみたベアリング・ボールの移動図であり、ボール１０３が反時計方向へ回転する際に、ボール１０３と当接して移動するベアリング・ボールは、右側から左側へ移動する。左側の下端に位置するベアリング・ボール７０７、７０８は、押されて下がり続けてくるベアリング・ボール７０５、７０６により環状溝及び隣の空間に沿って右側へ動き、一定以上の距離を動くと、ベアリング・ボール７０７は、環状溝から流れ落ちてボール１０３に当接し再び左側へ移動する。即ち、このようにベアリング・ボールはボール１０３の回転と共に無限軌道を移動することになる。

　また、図４‐Ｇでは上端部と下端部に若干の隙間を余分に設けた環状溝を形成して、図４‐Ｄで説明したような円滑なベアリング・ボールの流れの効果を持たせたものである。
　図４‐Ｈは、図４‐Ｇにおけるベアリング・ボールの流れを上から見た状態を示している。ボール１０３が反時計方向へ回転する場合にベアリング・ボールの流れは上記で説明したことと類似する。右側にあるベアリング・ボール７１１、７１２、７１３は、反時計方向へボール１０３が回転することにより上方へ昇り、ベアリング・ボールの防止段差１２０へ到達する。この際、ベアリング・ボール７１１、７１２、７１３は、上側環状溝に沿って左側へ移動し、これら移動したベアリング・ボール７１１、７１２、７１３は左側の下端へ移動する。左側の下端へ移動したベアリング・ボールは、続けて押され、移動してくるベアリング・ボールにより下端の余裕のある環状の円周空間に沿って右側へ移動して行き、適当なところで再びボール１０３に当接して左側方向へ移動する。

　図５において、符号１１０はペン型マウスの内部装置を示し、１１１は外部装置を示す。１１２はスプリングであって、ボール１０３を通りマウスに加えられる圧力及び衝撃を吸収し、使用者に筆圧を感じさせると共に後述するように圧力が一定以上となるとボタン・スイッチ１１３をオンさせる。１１３、１１４はボタン・スイッチであり、通常のマウスの左／右ボタンの役割をする。即ち、クリックやドラッグ等のため使用される。

　以下、光が照射されボール１０３の動きが検出される作用について説明する。
　ＬＥＤ１０１から照射された光は、光ガイド１０２に入り、この光ガイド１０２はその形状を変えることにより、ＬＥＤ１０１からの光を約２０°の角度でボール１０３の表面に照射するように誘導する。光ガイド１０２の先端の形態は、ボール１０３の表面に設定されたパターン領域の中に光の大部分が照射されるようになっている。ボール１０３の表面に照射され反射された光はレンズ１０４を通して反射鏡１０５を経て光学イメージ・センサー１０６へ入力され、そこでイメージ処理が行われボール１０３の表面の動き、即ちマウスの動きを検出する。
　光学イメージ・センサー１０６には一般的にＰＳ２通信等の通信機能が内装されていて、ボール１０３の動きを示すデータを外部のＰＣ等へ伝送してマウス機能を可能にする。上記動作においてボール１０３は、その表面が一定の粗度を持っている。ボール１０３の微細な凹凸に基づいてボール１０３の動きを光学イメージ・センサー１０６によって検出することができる。

　図５は、マウスを内部装置１１０と外部装置１１１とに分離し、ボタン・スイッチ１１３、１１４を配置した１つの例を示している。マウス・パッド等の平面に接触したボール１０３を押すと、内部装置１１０は、一体が中へ押されボタン・スイッチ１１３を押すことになるが、これはマウスの左ボタン等として活用することができる。外部に露出したボタン・スイッチ１１４はマウスの右ボタン等として活用することができる。ボールを押さないとスプリング１１２により内部装置が外側へ押されボタン・スイッチ１１３が作動しない。
　ボタン・スイッチ１１３をマウスの左ボタンとして活用する場合には、上記のように内部装置１１０とボタン・スイッチ１１３の間に適当な隙間があって、一定の距離以上にボール１０３が押されると内部装置１１０全体がスプリング１１２の弾性力に抗して上へ移動してボタン・スイッチ１１３が押され作動する。またボール１０３に圧力が加えられる時にボール１０３だけが移動してボタン・スイッチ１１３を作動させることも可能である。

　一方、図６は光学イメージ・センサー１０６をＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｕｎｔｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ）タイプ等で製作する際の構成を示す模式図である。図５とは違って反射鏡の必要性が無くなり、光学イメージ・センサーが相当小さくなるので、全体的にマウスが小さくなり汎用的に使用できるエンコーダー機能の装置としても活用できる。図５および図６において符号１１５は、スクロール・ボタンである。ボタンを押しながら上下にポインティング装置を移動させることでスクロールが可能となる。この機能は、装置に搭載されたコントローラ・チップ内部のＲＯＭプログラムを修正することで簡単に実現できる。
　即ち、スクロール・ボタンを押しながらポインティング装置を上下へ動かし、移動した距離が設定された距離以上、即ち移動した距離に対するピクセル値が設定された値以上であれば、これによりスクロール・データが発生したとみなされ、スクロールを行う。このような方法は、ペン型のポインティング装置又はペン型マウスにおいてホイールを回転させてスクロールを行うより便利である。
　一般のホイール・マウスにおけるスクロール機能は、ホイールを回転させることで、画面がスクロールすることになる。内部的にはホイールを回転させる際に電気的パルスを出力させ、１つパルスを出力させる毎に画面をスクロールさせる。ホイールを１回、回転させると、２２個のパルスが出力される。

　ホイールの直径は普通２４．５ｍｍであり、ホイールの円周は７６．９６ｍｍである。従って１個のパルスに該当する長さは３．４９ｍｍであって、これは４００ＤＰＩの解像度では約５５ピクセルに該当するので、ホイール・ボタンを約３．４９ｍｍ動かすと１個のスクロール・パルスを出力することになる。

　本発明においてのスクロール機能について図５、６及び図２８、２９、３０を参照しながら詳細に説明する。
　図２８は、本発明によるポインティング装置の内部にあるコントローラと周辺装置間における信号の行き来を示すシステム・ブロック図である。符号６００は、光センサー等のセンサーからの装置の座標変位を示すデータであり、ポインティング装置が動く時にｘ、ｙ軸においての移動を検出してそれを数値化したデータである。符号６０１、６０２は、左右の側にあるボタンに対するデータであり、各々ポインティング装置の左側ボタンと右側ボタンが押された時の信号がデータとして入力されるようになる。６０３はスクロール・ボタンに対するデータであり、スクロール・ボタンが押されたことをデータとして入力する。
　符号６０４はコントローラ・チップであり、システムを制御し、データを入出力するプログラムが記憶されている。６０５はコントローラ・チップ６０４の内部に装着されたプログラミング可能なＲＯＭメモリである。６０６はＰＣ等の外部装置と、ＰＳ／２又はＵＳＢの方式によって、通信をするインターフェイスである。コントローラ・チップ６０４は、ボタンの状態と装置の移動に関する座標変位のデータを得て、それをＰＣ等へ送信する。入力データ等の値は、普通チップ内部のレジスターに記憶されるので、まずはこのレジスターをチェックした上でスクロール・ボタンが押されているかどうかを確認しスクロールデータの処理を行う。一般に３Ｄポインティング装置では、コントローラ・チップ６０４は、追加的にＺ軸のスクロール・データ又は当該パルス列の入力信号のデータを受ける。
　本発明のスクロール機能、即ち、図５および図６に示すスクロール・ボタン１１５を押しながら上下に装置を動かすことで、画面のスクロールを実現する為には、コントローラ・チップ６０４の内部プログラムを修正することになる。図２７と図２８を例として取り上げて、修正されたプログラムが組み込まれたコントローラ・チップ６０４のデータ処理を説明する。
　従来のマウス装置等の制御プログラムにおいては、入力データを処理する度に図２９の処理ルーチンをコールすることになる。図２９は、スクロールの処理ルーチンを示すフローチャートであり、ボタン及び座標変位等の入力データの変化があるかをチェックしてスクロールのデータの処理を行う。
　符号６１０はスクロール機能の処理に関するルーチンを示す。ステップ６１０を制御プログラムにコールされると、まず、ステップ６１１を実行する。ステップ６１１ではデータの変化があったかを判断して、変化があった場合には、ステップ６２０のスクロール・データの処理ルーチンを実行し、変化がなかった場合には、ステップ６１０を呼んだメイン・ルーチンへリターンする。

　図３０のステップ６２０は、スクロール・データを処理するサブ・ルーチンである。ステップ６２１では、スクロール・ボタンが押されているか否かをチェックし、押されていなければステップ６２９でＹ軸の累積ピクセル値を０に設定し初期化を行ってステップ６２０のルーチンを呼んだメイン・ルーチンへリターする。ステップ６２１でスクロール・ボタンが押されていると判断する場合は、ステップ６２２を行う。ここではコントローラのＸ、Ｙの入力データの中、ポインティング装置の動きが検出されたＹ軸の変位データＹｄを常数Ｙｐに累積しておく。累積ピクセル値Ｙｐとは、スクロール・ボタンが押されている状態においてポインティング装置のＹ軸へ移動した距離に対するピクセル値である。
　ステップ６２２を行った後、ステップ６２３を実行する。ステップ６２３ではスクロール・ボタンが押されている状態でポインティング装置のカーソルが動かないようにＸ、Ｙの入力データを０に設定しておく。
　ステップ６２３を行った後は、ステップ６２５で累積ピクセル値Ｙｐが設定ピクセル値Ｙｔｈより大きいか否かを判断する。その判断の結果、大きい場合にはステップ６２６を、小さい場合にはステップ６２７を実行する。
　ここで設定ピクセル値Ｙｔｈは、上記ポインティング装置のスクロール機能について説明した５５ピクセルに該当する値である。累積ピクセル値Ｙｐが設定ピクセル値Ｙｔｈより大きい場合、ステップ６２６ではスクロール・データ値を１増加させ、累積ピクセル値Ｙｐを設定ピクセル値Ｙｔｈ分だけ減少させる。ステップ６２６を実行した後は、ステップ６２５へ戻り上記過程を繰り返す。
　Ｙｐが設定ピクセル値Ｙｔｈより小さい場合には、ステップ６２７で累積ピクセル値Ｙｐが−（マイナス）設定ピクセル値Ｙｔｈ（設定ピクセル値Ｙｔｈの陰数の値という意味）より小さいか否かを判断する。その判断の結果、小さい場合はステップ６２８を行い、そうではない場合はステップ６３０を行って、ステップ６２０のサブ・ルーチンを呼んだメイン・ルーチンへ戻る。
　累積ピクセル値Ｙｐが−（マイナス）設定ピクセル値Ｙｔｈより小さい場合に行うステップ６２８ではスクロール・データ値を１減少させ、累積ピクセル値Ｙｐは設定ピクセル値Ｙｔｈ分だけ増加させる。ステップ６２８を行った後はステップ６２５へ戻って上記過程を繰り返す。
　前記過程で変化したスクロール・データを受信したＰＣ等の外部装置は、このスクロール・データに基づいてページのスクロールを行う。
　スクロールの処理ルーチン６２０は、スクロール・ボタンが押された場合にポインティング装置を上下へ移動させることにより画面をスクロールできるようにするものである。

　図７は、ボール１０３の表面の非平面性を示す図面である。ボール１０３の表面と光学レンズ１０４との距離２０１（Ｌ１）は、１５ｍｍあり、ボール１０３の表面の検出領域（面積１ｍｍ^２）において領域の中心から領域の端までの直線距離２０２（Ｌ２）は、０．５ｍｍであり、ボール１０３の表面の検出領域において、中心から領域の端を結ぶ直線と接線との角度２０３（θ）は、
　　　　θ＝ｓｉｎ^−１（（Ｌ２／２）／ボールの半径）＝ｓｉｎ^−１（Ｌ２／ボールの直径）のように計算される。

　ボールの表面積１ｍｍ^２の外側において距離の最大の差Ｄは、
　　　　Ｌ２　×　ｓｉｎθ　＝　Ｌ２　×　Ｌ２／直径
のように計算され、Ｌ２に該当する円弧の長さは、
　ボールの直径　×　３．１４１５９２６５３　×　θ／１８０°
のように計算される。

　各ボールの直径による近似的な解法に基づいて各々計算された結果を次の表に示す。

　前記結果によると、ボールの直径が３ｍｍ以上ではボールの表面の検出領域の端部分と接線との距離は、レンズの深度の１ｍｍの１／１０の以下である、０．０８３ｍｍ以下であるため、比較的に良い像を取得することができる。
　従って、ボールの直径が３ｍｍ以上であれば充分に良好なポインティング感度が得られる。また、４００ＤＰＩのイメージ（本発明ではボールの表面の１．０ｍｍ^２の領域）を受け入れるよう設計されたレンズを、８００ＤＰＩの解像度を持つようなレンズへ変えると、ボールの表面から必要となるイメージの領域は０．２５ｍｍ^２だけになりボールの大きさを、さらに小さくすることができる。

　光ガイド１０２は、光繊維を使用して光の損失を最小限に抑えながら所望の物体の表面の近くまで光をガイドすることにより光効率を良くし、必要の無い物体表面への光の損失を防止することにより照明による電力の消耗を最小限にする低電力用の光学イメージ方式のポインティング装置を提供するためのものである。

　本発明で使用しているプラスチック製の光繊維は、図８に示すように、高純度のアクリル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）からなるコア（Ｃｏｒｅ）７００と、特殊フッ素ポリマー（Ｆ−ＰＭＭＡ；Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ　Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）からなる薄いクラッド（Ｃｌａｄ）７０１の層から構成されている。クラッド７０１の屈折率（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　Ｉｎｄｅｘ）はコア７００より低いので、光繊維の一端から入ってくる光は、コアとクラッドとの接触面で乱反射（Ｔｏｔａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を起こしてコアを通り光繊維の他端へ行く。コア７００の屈折率は１．４９５、クラッド７０１の屈折率は１．４０２である。
　受光角度（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ；光繊維の端から光を收容できる角度）は６０°である。プラスチック製の光繊維の利点の１つは、光繊維の断面積対コアの厚さの比率が非常に大きいことである。
　例えば、外径が１ｍｍの光繊維におけるコアの直径は、０．９８ｍｍあり、クラッド層の厚さは、０．０２ｍｍあるので、光繊維の断面積対コアの厚さの比率は９８％である。これはプラスチック製の光繊維の光の伝達効率が非常に高いことを示している。受光角度が６０°の際には、光を受け取る光繊維の断面のほぼ１００％を光の通路として使用できる。この光繊維における光の経路は、図８に矢印により示されている。

　図９は、従来の光学マウスで使用されている光ガイドを示し、図１０は１．５ｍｍの光繊維を光ガイドとして利用する際の形態を示しているが、この時、光繊維に入力される光は、ＬＥＤ照明からの光の一部にも拘わらず、光学マウスの実際のテストでは従来の光学マウスより、良好な感度を示している。

　図１１は、小さいＬＥＤか、又はチップ形態のＬＥＤを使用して、光繊維に入力される照明の量を多くした場合を示している。図１１のように光ガイドを構成した際にＬＥＤへ流れる電流を１／２にしても従来の光学マウスとほぼ同じポインティングの感度を発揮した。即ち、光学マウス・センサーにおける動作の検出に必要なイメージは、１ｍｍ^２の領域内であるから、その領域へ光繊維等を利用して照明を集中させれば遥かに小さい電流でも向上されたポインティングの感度が得られる。

　図１２は、さらに他の実施例のマウスを示しているが、図面において左側にあるＬＥＤ１０１ａから発散される光は、光ガイド１０２ａを通りボール１０３の左側にあるボール表面１１８ａへ誘導される。ボール表面１１８ａのイメージ（光）は、反射鏡１０５ａを経て半透明反射鏡１１７へ誘導される。半透明反射鏡１１７は、５０％の透過率を有するように左側の半面にコーティングが施されている。
　半透明反射鏡１１７では反射鏡１０５ａを経て入力された左側のボール表面１１８ａのイメージのうち５０％は半透明反射鏡１１７の左側半面から反射されてレンズ１０４へ誘導され、残りの５０％はそのまま通過する。同様に右側のボール表面１１８ｂに対する光は、ＬＥＤ１０１ｂから発散され光ガイド１０２ｂを通りボール１０３の右側にあるボール表面１１８ｂへ誘導される。
　ボール表面１１８ｂのイメージは、反射鏡１０５ｂを経て半透明反射鏡１１７へ誘導される。半透明反射鏡１１７の右側半面ではイメージの５０％がそのまま反射鏡の内部を通過し、残りの５０％は右側へ反射される。このようにボール１０３の左側のボールの表面１１８ａのイメージの５０％と、右側のボール表面１１８ｂのイメージの５０％とが半透明反射鏡１１７を通って合成され、この合成されたイメージはレンズ１０４を通って光学イメージ・センサー１０６へ入力され、次いで、イメージ処理が行われてボール１０３表面の動きが検出される。このような装置を具現化するためにはイメージを合成する為の光学装置が必要となる。

　このような方式でボールの表面のイメージを合成して使用することは、対象のイメージが全て同じ方向へ動く性質を持つ同じ球面上のイメージだから可能である。この方式の利点は、１つのボール表面から受け取ったイメージより、２つのボール表面から受け取ったイメージをイメージ・プロセッシング（撮像処理）するため、より精度の高い検出が可能である。

　一方、ボール１０３に一定の文様（パターン）を印刷すると、その文様を使用して光学イメージ・センサー１０６がボール１０３の動きを正確に認識できるので、例えば図１４のようにジオデシック（Ｇｅｏｄｅｓｉｃ）の球面体のような正三角形の文様を具備することも望ましい。

　例えば一般的な多面体で球面体を作る方法の１つに、サッカー・ボールのように２０個の正六角形と１２個の正５角形とから作る方法があるが（図１３）、正六角形は小さい６個の正三角形へ、正五角形は小さい５個の正三角形へ分割することができる。この際に利用される正三角形の個数は１８０であるが、その１つの正三角形を４個の正三角形へ分割すればするほど、球面体に近くなっていく。従って、１８０の４の倍数で分割していけば球面体に近くなっていく。

　従って、７２０個（１８０×４）の正三角形（図１４を参照）から直径１ｃｍの球を形成する場合の球面体の面積は、
　　　　３．１４　×　１ｃｍ　×　１ｃｍ　＝　３．１４ｃｍ^２
であり、１つの正三角形の面積は、おおよそ
　　　　３．１４／７２０　＝　０．００４３６ｃｍ^２
となる。

　また、三角形の一辺の長さは、
　　　　ルート{０．００４３６　×　４／ルート（３）｝　＝　０．１ｃｍ
となる。

　球面体へもっと近づけるため、一辺の長さが１ｍｍである７２０個の正三角形を再び４等分すると、三角形の個数は２８８０となり、その場合の正三角形の一辺の長さは０．５ｍｍとなる。

　従って、正三角形の一辺の長さが０．５ｍｍとなるということは、４００ＤＰＩの解像度では８ピクセルに該当するので、１６ピクセル毎にイメージの処理をする光学イメージ・センサーにとっては、少なくとも１つ以上の正三角形のパターンを有していることになり、ボールの動きを検出するためのイメージのパターンの区別が明確となる。このような三角形の格子模様をボールの表面に印刷すると、三角形の３辺は光学イメージ・センサーにとってボールの動きを充分に検出できる境界線となるため、有効なパターンとなる。
　ジオデシックのパターンは、球面体において表面の面積を均等分する際に良好に表現されるものであるが、正三角形の代わりに他の文様を印刷してもよい。また上記の方法以外にもボールの表面に４００ＤＰＩ以上の解像度を有する印刷方法で多数の点をランダムに印刷して、それぞれ異なるパターンのイメージであることを認識してボールの動きを検出してもよい。

　上記のようなボールの表面に印刷する方法の他に別の方法もある。それは、ボールの材質として透明性を有し、材質の内部に異物質、又はそれと類似の効果を持つ気泡やボールの材質と異なる結晶の状態を有するものを入れてボールを製作すれば、ボールに光を照射する時に前記異物質等により任意のパターンを形成する効果が発揮できるためボールの動きを検出することができる。

　また、ボールの表面にエッチング等の方法で文様を形成して光を反射させると、光学イメージ・センサーがボールの動きを正確に検出することができる。

　またボールへ夜光物質や螢光物質を添加して作ると、光を照射させた際、光学イメージ・センサーがボールの表面に任意のパターンが現れる部分とそうでない部分とを明確に区別することができる。また夜光物質等を入れて製作したボールを使うと、装置の外部より突出しているボールの部分から光を発散させることにより、綺麗な外観を有し、またデザインにおいても多様性を持たせることができる利点がある。特に夜光物質の場合、透明な材質からボールを作って、ボール全体から光を発散させることにより光の照射位置を特定の位置に絞らなくても光の照射装置及びそれに関連する光ガイドを多様に選択することができる。

　またボールの材質として、硬度の高い金属よりはウレタン又はプラスチック等のような柔らかい材質を利用すると、ボールが回転する際にベアリング・ボールと接触して生ずる摩擦音を低減できる利点がある。またボールと接触して動くベアリング・ボールにおいても表面の柔らかいセラミック、ジルコニア及びプラスチック製のものを使用すると、摩擦音を低減することができる。

　以下、本発明のポインティング装置の応用例を説明する。

　前記非接触光学イメージ方式によりマウスのボールの動きを検出する装置をモジュール化して、例えば、スキャン装置に組み込んでスキャンの速度や方向を検出するエンコーダー機能を使い、スキャンされたイメージを整合する装置として活用でき、またマウスのポインティング機能を使い、手書きが可能な装置として活用することができる。

　図１５は、前記ポインティング装置が組み込まれたペン型スキャナー装置を示す外観図であって、図面において、符号４００はペン型スキャナーのイメージ入力部であり、４２０は本発明のポインティング装置が組み込まれたエンコーダーである。

　エンコーダー４２０の前部にあるボールは、イメージ入力部４００の入力端より約０．５〜１．０ｍｍ程度突出していて、光学式ポインティングによる手書きの動作が自在になるよう下端部からも突出している。スキャン又は手書きの動作の状態を検出するため、動作時にはボールが少し中へ入っていきながら回転するよう構成されている。スキャンする際は、ボールの回転でもってポインティング（スキャンの速度と方向）を検出してＸ、Ｙのエンコーダーデータとしての活用もできるが、イメージ入力部４００によりイメージをスキャンする時にエンコーダーデータのＸ値をサンプリングすることでスキャンの速度に対するデータを取得、そしてエンコーダーデータのＹ値を利用することにより、傾いたイメージのデータを修正することができる。またボールがペン型スキャナーの下部に位置しているためペン型スキャナーを傾けて使ってもボールによるポインティング機能のみを利用すれば、マウスの動作や手書きの動作を認識することができる。

　以下、本発明によるスキャナーの具体的な実施例を図面に基づいて説明する。

　図１６はペン型スキャナー全体のシステム構成図であり、このスキャナーは、イメージ・スキャン部４００と、スキャン動作検出部４２０と、システム制御部４３０とから成っている。
　ここで、イメージ・スキャン部４００の動作を説明する。
　ＬＥＤ４０１が、光を、光ガイド４０２を通して平面４０３に照射する。この平面４０３は、スキャンしようとするイメージが照射される領域であって、照射された光は平面４０３上のイメージにより反射、散乱されレンズ４０４を通りＣＣＤセンサー４０５へ入力される。ＣＣＤセンサー４０５に入力されたイメージ化された光は、電気信号へ変換され増幅回路部４０６を経て適切な電圧レベルのアナログの映像信号へ増幅されてＡ／Ｄ変換器４０７に印加される。Ａ／Ｄ変換器４０７は入力されたアナログの映像信号を８ビット（Ｂｉｔ）のデジタル・コード（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｄｅ）へ変換する。Ａ／Ｄ変換器４０７で変換され出力されるデジタルデータはＭＣＵ４０９の制御によりメモリ４０８に記憶される。

　次に、エンコーダーとして活用されるスキャン動作検出部４２０の動作について説明する。
　ＬＥＤ４１１が、光を、光ガイド４１２を通してボール４１３に照射する。ボール４１３は、平面４０３上を回転可能であり、平面４０３をスキャンする速度で回転される。ボール４１３の表面に照射され反射された光はレンズ４１４を通り光学イメージ・センサー４１０へ入力される。光学イメージ・センサー４１０は入力されたイメージをセンサーの内部にあるＤＳＰ（デジタル信号処理）の機能によりスキャンの方向と速度を検出して、これをエンコーダーのＸ軸（スキャンの方向と一致）、Ｙ軸（スキャンの方向と垂直）のデータとして出力する。エンコーダーデータのうち、スキャンの方向と一致する方向のＸデータは、Ａ／Ｄ変換器４０７のサンプリングにかかわり、スキャン動作の検出時にだけサンプルリングが行われる。
　エンコーダー・データのうち、スキャン方向と垂直方向のＹデータは、メモリ４０８に記憶されたイメージに基づいて傾きを整合する際に活用される。垂直データは、スキャンされたイメージの傾きや歪みを補正する重要なデータとして活用される。ＭＣＵ４０９は、システム全体の制御及びイメージ・プロセッシング、文字認識処理等複合の機能を有するＲＩＳＣチップを示し、符号４３１は、ＭＣＵ４０９により制御されスキャンされたイメージや認識された文字等を表示して外部との通信を受け持つディスプレー及び通信制御モジュールを示す。

　本発明によるポインティング装置のさらに他の応用例を説明する。

　本発明によるポインティング装置のボールおよびベアリング・ボールの構造は、ボールキャスター（ＢＡＬＬ　ＣＡＳＴＥＲ）と酷似しているため、ポインティング装置は、ボールキャスター又はボールトランスファー（ＢＡＬＬ　ＴＲＡＮＳＦＥＲ）として活用することができる。このような場合、単純なボールキャスターの機能を提供できると共にボールが回転した分だけの移動距離と方向も測定することができる。従って、ロボットに装着されるボールキャスターを代替でき、これによりポインティング装置を装着したロボットは、ロボットの移動に従って回転するボールの動きを測定して移動方向と距離を測定するナビゲーションの機能を提供できる。
　任意の出発点から移動した位置までの相対的な移動距離とその方向を測定する方法は、任意の出発点のＸ、Ｙ座標の値を０に設定し、そこから移動した位置までの間でポインティング装置から送られてくるＸ、Ｙ軸の値をそれぞれ累積すれば相対的に動いた距離のＸ、Ｙ方向の距離となる。

　本発明によるポインティング装置のさらに他の応用例を説明する。

　ポインティング装置は、図１７のように片方にレーザー指示装置を具備しており、プレゼンテーション用の指示装置として有効に使用できる。図１７において、符号４４０は本発明のポインティング装置を示し、符号４４１はレーザー指示装置を示す。

　以下、本発明ポインティング装置のさらに他の応用例を説明する。

　上記のポインティング装置を小型化して携帯電話機、ＰＤＡ等の携帯通信装置に装着して手書きの認識を可能にすることにより住所録等の検索機能とメモ機能及び描き機能を提供する。

　図１８は本発明のポインティング装置を具備した携帯電話機のシステムブロック図の１例を示している。符号４５０は、人間が文字を手書きするため、携帯電話機に設けられた本発明のポインティング装置から構成された入力部であって、書かれた文字を連続した点で認識してこれを制御部４５１へ送る。この制御部４５１は、携帯電話機等のＣＰＵを含み、入力部４５０から入力される文字に対する信号を受け取り、データ記憶部４５２を参照して文字を認識する。このデータ記憶部４５２は、前記文字入力方法で利用する文字の字画データ、住所録データ及びその他データを記憶する。符号４５３は、携帯電話機の表面に位置する各種の作動ボタンに対するボタン入力部である。ボタンが押されたことは情報として制御部４５１へ送られる。符号４５４は、入力された文字を認識してその文字を表示するディスプレー装置が備わっている出力部であり、符号４５５は、携帯電話の本来の機能を行うためのデータを送受信する通信部であり、符号４５６は、デジタルカメラ及び外部機器を連結させるインターフェース装置を具備するその他の装置である。

　手書き文字の認識は、ポインティング装置によりポインティングされたデータが携帯電話装置のＣＰＵへ入力されると、これを分析、認識して意味のあるデータや実行命令と認識して処理する方法で行われる。

　各文字について、手書きの動作時の開始点を基準として終了点までの相対的な座標値による手書き動作のデータを予め記憶しておき、各文字の字画の開始点から順次に入力される字画の相対的な値に基づいて、予め記憶されている文字（記号等図含む）のデータの中から該当する字画を割り出していくことで文字を認識する。

　前記制御部４５１は、入力部４５０から入力される文字の各字画のデータを取得して前記字画に対するデータ記憶部４５２を照会し該当する字画を順次に探していくことで文字を認識する文字認識機能を具現化する。
　また入力部では住所録検索等の命令を即遂行のために入力ボタン、通話ボタン、取消ボタン及び上下選択ボタンでデータを入力することができ、データ記憶部は字画データと共に住所録データ及びその他の用途に関するデータを記憶している。出力部ではデータを画面に示すディスプレー装置と音声出力装置を含んでいる。その他装置部はデジタルカメラ等の外部機器を連結するためのインターフェース装置を具備している。

　日本語の文字を認識する場合には、平仮名等の文字の各ストロークを文字の字画として定義し、各文字の全ての字画に対してその開始点に対する相対的な座標値が記憶されている。入力方法において各文字は、原則的に連続した字画の組み合わせから構成される。このような文字の入力方法を図１９に示している。図面において点は開始点を示している。

　また、その他特殊キー、数字、和英モードの変換キー等に該当するジェスチャー命令に対する入力方法を図２１に示す。図２２は数字や英文字に対する入力方法の具体的な例を示している。

　上記例により英文字の入力方法が図２０に具体的に示されている。

　また、携帯通信装置における検索の効率性のため、索引語を入力する際に、単語を構成する文字の一部だけを入力しそれを検索語として該当する住所録等を探し出せば、索引語の入力時間を短くでき便利である。例えば、図２０において“ｈａｎｄ　ｗｒｉｔｔｅｎ”を検索する場合、“ｈｗ”又は“ｈａｗｒ”を入力して検索すれば便利である。

　なお、日本語の場合、文字を構成する字画の中の第１字画目だけか、又は第１、２字画目だけを入力して検索すると便利である。

　従って、作動方法の１例を挙げると、携帯電話機の住所録入力ボタンを押した後、ポインティング機能により手書きの動作と認識させ、１つの字画が入力されて認識される毎に認識の結果をディスプレー画面に表示させ、索引語の入力完了後に検索ボタンを押して住所録等の検索作業を遂行させる。住所録検索の結果が１つの場合には、直ちに通話命令を実行できる一方、結果が２つ以上の場合には、上下選択ボタンで選択した後、通話ボタンを押して通話を実行する方法である。

　図２３は、携帯電話機４６０に適用されるポインティング装置４７０の例を示しており、アンテナの位置にポインティング装置を装着させた場合を示している。最近の画面ディスプレー装置４６１は、１８０°回転できる機能を有しており画面を見ながら作業ができるという便利性を持っている。携帯電話機とポインティング装置とは、ヒンジ４６９で連結されていて、手書きの動作時にポインティング装置の角度を調整することができる。
　活用の便利性のため、装置の表面に入力ボタン４６５、検索ボタン４６６、取消ボタン４６７、通話ボタン４６８及び上方向選択ボタン４６３、下方向選択ボタン４６４を具備することができる。前記ボタンのうち、入力ボタン４６５と取消ボタン４６７とを１つのボタンにしてトグル方式で使用することも可能であり、検索ボタン４６６と通話ボタン４６８とをまた、１つのボタンにする等、ボタンの個数を減らすことも可能である。
　図２４は、ポインティング装置が携帯電話機の下端に位置していて、携帯電話機のフォルダを開いた状態で作動している態様を示している。

　図２５は、前記携帯電話機での手書き入力による住所録の入力作業、検索作業、選択作業、通話実行とすすむ作動方法に対する処理のフローチャートである。

　ステップ５００で入力ボタンを押すと、“手書き文字を入力して下さい”との案内が画面に出力されてステップ５０１へ行く。このステップ５０１では手書き文字の字画データを入力するルーチンであって、ポインティング装置から１字画に該当するデータを入力し認識処理を行う。ステップ５０１で字画データに基づいた認識において文字に対する認識処理を行う。
　ステップ５０２は文字の判別作業であって、ステップ５０１の処理結果が文字であるかどうかを判別し、文字と判別できた場合にはステップ５０４へ行き、そうではない場合にはステップ５０３へ行く。ステップ５０３では、取消ボタンが押された否かをチェックして、押された場合には作業を終了し、押されていない場合にはステップ５０１へ戻る。ステップ５０４は、文字合成作業である。文字の字画が認識されてステップ５０４で合成された文字を、ステップ５０５での文字の出力作業を経て画面に出力する。この出力後、ステップ５０６へ行く。
　ステップ５０６では検索ボタンが押されたか否かがチェックされ、押された場合にはステップ５１１へ行き、押されていない場合にはステップ５０７で字画データの認識作業を行ってステップ５０８へ行く。ステップ５０８ではステップ５０７においての認識結果が文字だった場合、ステップ５０４へ行き、文字ではない場合、ステップ５０９へ行く。ステップ５０９ではジェスチャー命令のうち、検索命令であるかを判断して、検索命令の場合にはステップ５１１で検索を行い、そうではない場合にはステップ５１０へ行き、図２０の一般的ジェスチャー命令を実行する。
　ステップ５１０の後、ステップ５０７へ進む。ステップ５１１では認識された文字を参照して該当住所録のデータを検索していき、その結果を出力した後、ステップ５１２へ行く。ステップ５１２で該当する結果がある場合にはステップ５１３へ行き、そうではない場合には作業を終了する。ステップ５１３では上又は下の選択ボタンが押されたか否かをチェックして、押された場合にはステップ５１４へ行きステップ５１１で検索されたデータの中からデータを選択する選択作業を行い、他方、選択ボタンが押されていない場合にはステップ５１５へ行く。ステップ５１５では通話ボタンが押された場合はステップ５１６へ行って前記で選択した住所録のデータの所へ電話をかける作業をして終了する。通話ボタンが押されていない場合にステップ５１７へ行く。ステップ５１７では取消ボタンが押された場合には作業を終了し、そうではない場合にはステップ５１３へ行く。

　前記作動中に入力作業の効率性のため、索引語の入力時に該当データをすぐに割り出せるように、住所録検索データの参照インデックスのデータを構成することも可能である。

　以下、本発明のポインティング装置の更なる他の応用例を説明する。
　前記のポインティング装置に、手書き文字の認識機能、電子辞書の機能及びディスプレー装置を具備し、認識された文字からなる単語に関する辞書内容をディスプレー装置に出力する電子辞書について説明する。

　図２６は、前記機能を備える電子辞書で‘ｄ’、‘ｅ’、‘ｖ’、‘ｉ’、‘ｃ’、‘ｅ’を手書きの方式で入力し認識した後、その認識結果と辞書内容を示している例示図である。５５０は電子辞書であり、５５１はディスプレー装置であり、５５２は手書き入力の後で完了又は辞書検索の命令を実行するためのボタンであり、５５３は機能ボタンであって、一般のマウスにおいての左、右のクリック機能のボタンである。５５４は画面をスクロールさせるためのボタンである。５５６は、英単語「ｄｅｖｉｃｅ」を認識するための手書き動作の例を示しているものであって、手書き動作の軌跡を示している。

　図２７には、手書き文字の認識機能、電子辞書の機能及びディスプレー装置を具備する前記装置のシステムブロック図の１例が示されている。５６０は、手書き動作の軌跡データを入力するポインティング装置を含んでなる入力部であって、入力されたデータは制御部５６３へ送られる。５６３はＣＰＵを含んでなる制御部であって、入力部５６０から入力される手書き文字に関するデータに対して認識の処理を行う。手書き文字の認識処理時にはデータ記憶部５６４を参照する。５６４は、前記文字認識に必要な参照データ及び電子辞書の内容が記憶されているデータ記憶部である。５６１は装置の外部にある各種ボタンの動作に対するボタン入力部である。ボタンが押されていることは制御部５６３へ送られる。５６２は手書きで入力された文字の認識結果及び辞書内容を表示するディスプレー装置を含んでなる出力部であり、５６５はポインティング機能のためのデータを送受信する通信部である。
　ポインティング装置等の入力部５６０から入力されたデータがＣＰＵの制御部５６３へ送信されると、これを分析、認識して意味のある文字のデータとして処理する。各文字を認識する度にディスプレー装置に認識の結果を出力させ、入力が終了したら完了ボタンを押す。こうして認識が終わった後、認識された単語を索引語として、組み込まれた電子辞書の中から該当する内容を見つけディスプレー装置にその意味を出力させる。

　ポインティング装置等の入力装置５６０から入力されたデータは、装置の動き（手書き動作）に関する軌跡データからなっていて、ペンダウン（ＰＥＮ−ＤＯＷＮ）からペンアップ（ＰＥＮ―ＵＰ）までの軌跡データが１つの字画として構成されている。字画の軌跡に対する構造を分析して、字画単位の認識を行う。また文字に対する認識は、前後の字画の関係及び文字形成の状態を分析して行う。字画の認識は、例えば「つ」のように、初めは一定距離以上右側へ水平にすすむ軌跡成分があり、その後、曲がり点から前に戻る軌跡成分があることを分析して認識する。手書き文字の認識において手書きに関する規則は前記で説明した通りである。
　以上は、本発明のポインティング装置の活用例を説明したが、一般的なデジタルペンへの適用も可能である。このようなデジタルペン等では、索引したい単語を簡単に入力できるようになり電子辞書の活用度が一層高められることになる。

本発明による１実施例のマウスに適用された光学イメージ・センサーから受け取ったイメージを示す図。 本発明による１実施例のマウスの構成を示す模式図。 (a)は、本発明による１実施例のマウス前端の一部断面図、同(b)および同（ｃ）は、ボールとボールの回転を円滑にするためのベアリング・ボールの配置の１例を示す図。 本発明による１実施例のマウス前端のボールとボールの回転を円滑にするためのベアリング・ボールの配置の他の実施例を示す一部断面図、 同他の実施例を示す一部断面図。 同他の実施例を示す一部断面図。 同他の実施例を示す一部断面図。 同他の実施例を示す一部断面図。 同他の実施例を示す一部断面図。 同他の実施例を示す一部断面図。 同他の実施例の説明図。 ボタン・スイッチを考慮に入れた本発明による１実施例のマウスの構成を示す一部断面図。 本発明による他の実施例を示すものであり、光学イメージ・センサーのチップの外形がＳＭＤタイプである場合のマウスの構成を示す一部断面図。 ボールの表面から受け取ったイメージの処理が可能とする領域に関する参考図。 光繊維の構造及び光の経路を示す模式図。 従来の光学マウスにおいて光ガイドを通した光の経路を示す模式図。 従来の光学マウスにおいて光ガイドを光繊維に替えた際の光の経路を示す模式図。 従来の光学マウスにおいて光ガイドを光繊維に替えてＬＥＤの大きさを小型にした場合の光の経路を示す模式図。 夫々異なるボール表面のイメージが重なる方式による光学イメージの検出装置の構成図。 サッカー・ボール状の正２０面体を展開した図面。 (a)は、ジオデシックの正三角形で表現した球面を示す図、同(b)は、同(a)の展開図。 本発明の応用例であって、ボールペン型光学マウス装置をエンコーダーとして装着したペン型スキャナー装置の模式図。 本発明の応用例であって、ボールペン型光学マウス装置がエンコーダーとして装着されたペン型スキャナー装置のシステム構成図。 レーザー指示装置を具備するポインティング装置の外観図。 ポインティング装置を具備する携帯通信装置のシステムブロック図。 日本語の手書き入力の方法を示す図。 英文字の手書き入力の方法を示す図。 モード変換、特殊記号等のジェスチャーに対する手書き入力の方法を示す図。 英文字及び数字に対する手書き入力の方法を示す図。 ポインティング装置を具備する携帯通信装置を示す正面図。 ポインティング装置を具備する携帯通信装置の他の例を示す正面図。 ポインティング装置を具備する携帯通信装置においての入力、検索、通話作業に対する作業処理のフローチャート。 本発明による１実施例のポインティング装置を使って、手書きの方式で文字を入力、認識して、その結果と、その結果に該当する電子辞書の内容を画面に示す例示図。 本発明の１実施例の電子辞書のシステムブロック図。 ポインティング装置の内部のコントローラ・チップとそれに関する信号データを示す図。 スクロール処理のフローチャートを示す図。 スクロール・データ処理のフローチャートを示す図。

符合の説明

１０１ａ、１０１ｂ　　ＬＥＤ（光源）
１０２、１０２ａ、１０２ｂ　　光ガイド
１０３　　ボール
１０４　　レンズ
１０５、１０５ａ、１０５ｂ　　反射鏡
１０６　　光学イメージ・センサー
１０７、１０７ａ　　ベアリング・ボール
１０８　　ベアリング・ボール支持部
１０９　　ベアリング・ボールリテーナ
１１０　　内部装置
１１１　　外部装置
１１２　　スプリング
１１３、１１４　　ボタン・スイッチ
１１５　　スクロール・ボタン
１１６　　機能ボタン
１１７　　半透明反射鏡
１２０　　ベアリング・ボール防止段差
３０１　　ＬＥＤ
３０２　　光ガイド
３０３　　光学イメージ・センサー
３０４　　ＰＣＢ基板
３０５　　マウス下端
３０６　　平面
３０７　　イメージ検出領域
４００　　イメージ・スキャン入力部
４０１、４１１　　ＬＥＤ
４０２、４１２　　光ガイド
４０３　　平面
４１３　　ボール
４０４、４１４　　レンズ
４０５　　ＣＣＤ・センサー
４０６　　信号増幅回路部
４０７　　Ａ／Ｄ変換器
４０８　　メモリ
４０９　　ＭＣＵ
４１０　　光学イメージ・センサー
４２０　　スキャン動作検出部
４３０　　システム制御部
４３１　　ディスプレー及び通信制御モジュール
４６０　　携帯通信装置
４６１　　ディスプレー装置
４６３　　上方向選択ボタン
４６４　　下方向選択ボタン
４６５　　入力ボタン
４６６　　検索ボタン
４６７　　取消ボタン
４６８　　通話ボタン
４６９　　ヒンジ
４７０　　ポインティング装置（入力部）
７０１〜７０８、７１１〜７１６　　ベアリング・ボール

Claims (41)

1. 　ポインティング装置であって、
   　光を照射する光源と、
   　前記ポインティング装置全体の動きにより回転するボールと、
   　前記ポインティング装置の動きをイメージで検出する光学イメージ・センサーとを備え、
   　前記光学イメ−ジセンサーは、回転するボールに前記光源からの光を照射して反射させたボールの表面のイメージを受け取り、以前のイメージと現在のイメージとの違いを比較・分析してボールの移動方向と距離とに対するデータを出力することを特徴とするポインティング装置。
2. 　前記ボールの表面から反射するイメージを、レンズを利用して光学イメージ・センサーへ一定の倍率でもって入力させることを特徴とする請求項１に記載のポインティング装置。
3. 　前記ボールと接触するよう配置され、ボールの回転を円滑にするベアリング・ボールをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のポインティング装置。
4. 　ペン型に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のポインティング装置。
5. 　前記光源からの光をボールの表面へ誘導する光繊維からなる光ガイドを更に有することを特徴とする請求項１に記載のポインティング装置。
6. 　前記光源としてチップＬＥＤを使用することを特徴とする請求項１に記載のポインティング装置。
7. 　前記ボールの表面の異なる２つ以上の領域に光を照射し、各々の領域から反射されたイメージを半透明の反射鏡で重ね、該重なったイメージを光学イメージ・センサーで受け取ってボールの動きを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
8. 　前記ボールの表面の異なる２つ以上の領域に光を照射し、各々の領域から反射されたイメージを各々に該当するイメージ・センサーで受け取り、その中で変位の幅がもっとも大きいイメージに基づいてボールの動きを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
9. 　前記光学イメージ・センサーにおいて、イメージ・プロセッシングに必要なデータに対応するボールの表面の面積は、１ｍｍ×１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
10. 　前記ボールは表面に文様を具備しており、前記光学イメージ・センサーがボールの表面の領域を確実に区別しボールの動きを正確に把握できることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
11. 　前記文様は、ジオデシックの正三角形の文様、又は三角形の配列毎に点、線若しくは任意のパターンからなる文様であることを特徴とする請求項１０に記載のポインティング装置。
12. 　前記ボールは、異物質を含み、且つ任意のパターンを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
13. 　前記ボールは、夜光物質又は螢光物質が添加されて形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
14. 　前記ボールは、その表面が腐蝕されて形成される任意のパターンを具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
15. 　前記ボールは、ウレタン又はプラスチックから形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
16. 　前記ベアリング・ボールは、セラミック、ジルコニア又はプラスチックから形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
17. 　前記ベアリング・ボールを支持する支持部を形成し、このベアリング・ボールの支持部と前記ボールとの間にベアリング・ボールが移動し得る空間が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
18. 　前記空間の下端には環状溝が形成され、ボールの回転時にベアリング・ボールが前記環状溝に沿って移動されることを特徴とする請求項１７に記載のポインティング装置。
19. 　前記環状溝には、断面からみてベアリング・ボールが少なくとも１つ收容されることを特徴とする請求項１８に記載のポインティング装置。
20. 　前記空間の最上端には、ベアリング・ボールが上昇するのを阻止する環状の防止段差が形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のポインティング装置。
21. 　前記空間の上端には、環状溝が形成され、前記ボールの回転時にベアリング・ボールが前記環状溝に沿って移動されることを特徴とする請求項１７に記載のポインティング装置。
22. 　前記環状溝には、断面からみてベアリング・ボールが少なくとも１つ收容されることを特徴とする請求項２１に記載のポインティング装置。
23. 　前記ボールは、その直径が７ｍｍ以下のものが使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
24. 　前記レンズは、解像度が４００ＤＰＩ以上のデータを受け取ってボールのイメージを比較、分析する構成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
25. 　内部装置と外部装置とに分けて形成され、前記ボール、光源、光学イメージ・センサーを前記内部装置に固定し、他の部品を外部装置に固定し、
    　ボールを垂直に押す時に、内部装置が一体となって移動してボールの表面から光学イメージ・センサーまでの距離を一定に維持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
26. 　ポインティング装置の作動時にボールに加わる圧力を吸收するスプリングをさらに具備することを特徴とする請求項２５に記載のポインティング装置。
27. 　前記ボールは、スプリングによりポインティング装置の外部方向へ押されるように力が加えられ、ボールがスプリングの弾性力に抗して内側へ押されることでボタン・スイッチがオン（ＯＮ）になることを特徴とする請求項２５に記載のポインティング装置。
28. 　スクロール・ボタンを具備し、
    　該スクロール・ボタンが押されていない状態ではポインティング装置の動きを通常のポインティング機能として認識し、
    　スクロール・ボタンが押されている状態ではポインティング装置の動きをスクロールに関するデータとして処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
29. 　請求項１〜２８項のいずれか１項に記載のポインティング装置が、イメージ・スキャン装置の方向及び速度を検出してスキャンされたイメージを整合する際の参照データとして活用するエンコーダーとして使用されることを特徴とするスキャナー。
30. 　請求項１〜２８項のいずれか１項に記載のポインティング装置が、ボールキャスターとして使用され、移動する際の方向及び移動距離が測定されることを特徴とするロボット。
31. 　レーザ・ポインティング装置を具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
32. 　請求項１〜２８項のいずれか１項に記載のポインティング装置を具備することを特徴とする携帯通信装置。
33. 　請求項１〜２８項のいずれか１項に記載のポインティング装置からなる入力部と、
    　文字を、各字画の開始点に対する相対的な座標値として記憶する記憶部と、
    　記憶部のデータに基づいて入力される文字を認識する認識部を含む制御部とを具備し、
    　前記制御部は入力部から入力される文字についての各字画の開始点に対する相対的な値を前記各字画に対するデータとして取得してそれを記憶部で照会し、該当する字画を順次に探して認識していくことにより何の文字であるか認識することを特徴とする携帯通信装置。
34. 　前記記憶部には住所録が記憶され、
    　前記住所録の索引語は、入力部から入力される文字を構成する一部の字画又は頭文字から成ることを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
35. 　前記記憶部には住所録が記憶され、
    　前記住所録の索引語は、入力部から入力される文字の第１、２画目の字画、又は単語の第１、２文字目のみからなることを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
36. 　前記入力部はアンテナの位置にあることを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
37. 　携帯通信装置の外部へ出ている前記入力部は、携帯通信装置の本体にヒンジで連結され、前記入力部がポインティングの機能を発揮する為に、入力部が一定の角度で曲がることを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
38. 　前記入力部は、携帯通信装置下端に位置して携帯通信装置フォルダを開いた状態で作動することを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
39. 　携帯通信装置の外部に入力部を配置し、
    携帯通信装置の外部に入力ボタン、検索ボタン、通話ボタン及び上下選択ボタンを配置し、
    　入力される文字及びボタンの実行結果を表す表示装置を具備することを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
40. 　ジェスチャー命令の入力で入力、検索、上下選択、通話を実行することを特徴とする請求項３３に記載の携帯通信装置。
41. 　請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置と、
    　文字に対するデータを入力する入力部と、
    　各文字に関する特徴を示す参照データ及び辞書の内容に対するデータを記憶する記憶部と、
    　認識された文字及び辞書の内容を表示する出力部と、
    　前記ポインティング装置を制御する制御部とを具備し、
    　入力部からの手書き動作の軌跡データを分析し、記憶部に記憶してある各文字に対する参照データを参照して入力されたデータに該当する文字を認識し、認識された文字からなる単語を辞書内容に対するデータから探し、該当する内容を出力部に表示することを特徴とする電子辞書。

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