JP3408353B2

JP3408353B2 - コンピュータ等の入力装置

Info

Publication number: JP3408353B2
Application number: JP06607195A
Authority: JP
Inventors: 光夫小鉢; 朗宏藤田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JPH08263198A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パーソナルコンピュー
タ等における画面上のカーソル等を移動させるための入
力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等の表示装置に対する入力
装置（以下、ポインティングデバイスと称する）とし
て、トラックボールおよびマウスがある。トラックボー
ル１は、図３３，３４に示すように、主にパーソナルコ
ンピュータ２等のキーボード３に設置されており、指で
ボール４を回転させたときの回転方向と回転量に応じ
て、画面上のカーソルの位置を移動させるものである。
動作原理を簡単に説明すると、図３４に示すように、ボ
ール４に対してＸ軸、Ｙ軸の２軸方向にローラ５，６を
介して回転方向および回転数を検出するロータリーエン
コーダ７，８が設けられ、ボール４の回転方向に応じた
各ロータリーエンコーダ７，８の回転方向と回転量信号
が検出できる。この信号をパーソナルコンピュータ本体
にＸ軸方向、Ｙ軸方向に分離した電気信号に変換して伝
送し、コンピュータ本体側では信号に応じて画面上のカ
ーソル位置を移動させる。

【０００３】例えばＸ軸方向にボール４が回転すれば、
Ｘ軸方向のシャフト９が回転し、複数のスリット１０が
形成された回転板１１が回転する。回転板１１を挟んで
配された２組のＬＥＤ１２および受光素子１３では、Ｌ
ＥＤ１２の光がスリット１０によりパルス信号にされ受
光素子１３にて電気信号に変換される。これによって、
回転板１１の回転方向と回転数が検出され、Ｘ軸方向の
ボール４の回転量がわかるので、画面上のカーソル位置
をＸ軸方向に見合った方向へ回転量に応じて移動させ
る。また、ボール４の回転方向がＸ軸とＹ軸に対して４
５°の方向であれば、Ｘ軸、Ｙ軸のロータリーエンコー
ダ７，８より同時に回転方向と同量の回転量信号が得ら
れるため、それぞれの軸方向の信号に応じてカーソル位
置が斜めに移動される。

【０００４】また、マウス１５については、図３５，３
６に示すような形状をしており、下面にトラックボール
１と同様のボール１６が設置され、操作板１７あるいは
卓上を前後左右に移動させることにより、この動きに応
じて画面上のカーソルが移動し、さらにクリックボタン
１８を押すことにより入力操作を行うものである。な
お、内部構造は、ほぼトラックボール１と同等である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のトラックボール
では、機械的な稼働部分が必要であるため、から回りや
埃の侵入による誤動作が発生するおそれがある。また、
トラックボール自身を配置するスペースが必要となり、
省スペース化に対応できないという難点がある。

【０００６】また、マウスもトラックボールと同様の問
題がある他、マウスを移動させる平面が必要になり、携
帯用の小型パーソナルコンピュータ等には使用できない
という難点もある。なお、このような機械式マウスの代
わりに、光学式マウスとして発光素子と受光素子を用い
てＸ軸、Ｙ軸方向の移動量を検出するものがあるが、機
械的な稼働部がない代わりに専用の特殊な操作板が必要
になり、省スペース化には依然として対応できない。

【０００７】そこで、トラックボールやマウスよりさら
に操作スペースを小さくしたポインティングデバイスと
して、キーボード内のキーの間に配置されたポインティ
ングスティックがある。これは接点あるいは歪みセンサ
を用いた接触方式のものであるため、信頼性や耐久性に
難点があり、使用頻度の多いポインティングデバイスで
は、高信頼性、高耐久性の非接触方式が望まれている。
また、後段の入力処理の構成が複雑になり、コストの面
からも難点がある。

【０００８】そこで、本発明は、上記に鑑み、マウス等
と同等の操作性を有し、かつ省スペース化に対応できる
高信頼性および高耐久性の非接触方式の入力装置の提供
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による課題解決手
段は、図１の如く、２次元方向の加重により変位する可
動体２０と、発光素子２１と、可動体２０の変位に連動
して移動する、発光素子２１からの光の像を受光する受
光素子２２とを一体的に備えたものである。そして、可
動体２０は、人為的な操作によって変位する筒状の可動
部２６と、可動部２６をコンピュータ等の機器２３に取
り付けるための固定部２７とからなり、発光素子２１、
受光素子２２および結像用レンズ２８を一体的にした検
出体が可動部２６に内装されて固定部２７に装着され、
可動部２６の受光素子２２と対向する面が反射面３６と
され、表面処理が施されている。また、固定部２７と可
動部２６は材料あるいは材質を変え、必要とする硬度や
弾性を組み合わせて成形している。なお、発光素子２１
および受光素子２２のどちらか一方を可動体２０に設
け、他方を可動体２０に対向して設けてもよい。

【００１０】そして、図５の如く、可動体２０がキーボ
ード本体２４の複数のキー２５に囲まれた空間に設置さ
れたり、あるいは図３２の如く、可動体２０が手のひら
等によって操作可能なサイズとされ、コンピュータ等の
機器から分離して配置され、可動体２０の変位に応じて
コンピュータ等の表示装置５０のカーソル５１の移動方
向および移動速度を変化させる制御手段５２が設けられ
ている。

【００１１】

【作用】上記課題解決手段において、可動部２６を操作
して変位させることにより、その変位が発光素子２１、
受光素子２２からなる検出体によって検知される。すな
わち、変位した可動体２０に連動する発光素子２１から
の光の像の動きを受光素子２２により検出して、加重の
方向を互いに直交する２軸の各方向に置き換え、各軸方
向の出力のベクトルを求め、その合成ベクトルから操作
方向および操作量を演算する。これに基づいて、表示装
置５０のカーソル５１の移動方向および移動速度を決め
ることにより、可動体２０の操作に応じたカーソル５１
の移動が実現できる。

【００１２】これによって、非接触の光学方式による検
出が可能となり、高信頼性、高耐久性が得られる。しか
もキーボードの各キーの間に配置することによって、省
スペース化に対応したポインティングデバイスを提供す
ることができる。また、手のひら等によって操作可能な
サイズとして、コンピュータ等の機器から分離して配置
することによって、マウスと同等の操作性が得られると
ともにマウスのように平面上を移動させる必要がないの
で、省スペース化にも対応できる。

【００１３】

【実施例】

（第一実施例）本実施例のポインティングデバイスは、
図１〜４の如く、２次元方向の加重により変位する可動
体２０と、発光素子２１と、可動体２０の変位に連動し
て移動する発光素子２１からの光の像を受光する受光素
子２２とを一体的に備えており、凸形状で平面視Ｔ字形
とされ、図３に示すような寸法（単位：ｍｍ）になって
いる。そして、図５，６に示すように、パーソナルコン
ピュータ、ワードプロセッサ等の機器２３のキーボード
本体２４のＧ、Ｂ、Ｈの各キー２５によって囲まれた空
間に、キー２５の上面から１ｍｍ程度突出した状態で配
置されている。

【００１４】前記可動体２０は、人為的な操作によって
変位する可動部２６と、可動部２６をキーボード本体２
４に取り付けるための固定部２７とからなり、一体構造
になっている。そして、発光素子２１、受光素子２２お
よび結像用レンズ２８を一体的にした検出体としての反
射型のチルトセンサが、可動部２６に対向するように固
定部２７に装着されている。

【００１５】可動部２６は、上面が閉塞された円筒状に
形成され、その下側は左右方向（Ｘ軸方向）に張り出し
た脚３０となっている。固定部２７は、Ｔ字状とされ、
その下面側にチルトセンサを装着するための凹み３１が
形成されており、Ｘ軸方向の上面には可動部２６の脚３
０が配置され、Ｙ軸方向の下面には外部との電気的接続
を行う基板３２が取り付けられている。そして、可動部
２６の脚３０および固定部２７には、それぞれ貫通孔３
３ａ，３３ｂが形成されており、貫通孔３３ａ，３３ｂ
にねじ３４を嵌め込むことによりキーボード本体２４に
固定される。

【００１６】そして、可動体２０は変位または変角を生
じる必要があるため、固定部２７は剛性樹脂にて成形さ
れ、可動部２６は弾性樹脂にて成形されている。剛性樹
脂としては、熱可塑性の硬度９８以上（ＪＩＳＫ６３
０１試験方法による）、曲げ弾性率２０００ｋｇ／ｃｍ
²以上（ＡＳＴＭＤ７９０試験方法による）のプラス
チック、例えばＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ（ア
クリロニトリルブタジエンスチレン）、変性ＰＰＯ（変
性ポリフェニレンオキシド）等を主に用いる。また、弾
性樹脂としては、熱可塑性の硬度７０〜９８（ＪＩＳ
Ｋ６３０１試験方法による）、曲げ弾性率１００〜２０
００ｋｇ／ｃｍ²（ＡＳＴＭＤ７９０試験方法によ
る）のプラスチック、例えばポリエステルエラストマ
ー、ウレタンまたはゴム系の樹脂等を主に用いる。

【００１７】そして、固定部２７と可動部２６とは、精
度、耐久性の点から２色成形による成形によって一体構
造とされる。また、金型構造の問題やトータルコスト面
で、インサート成形でもよく、ねじ止め、フック止めに
よる方法でもよい。このように、可動体２０を柔剛の２
層構造にすると、加重に対してスムーズに可動体２０を
変位させることができ、ポインティングデバイスとして
の性能向上につながる。

【００１８】このとき、可動部２６のチルトセンサと対
向する約φ５ｍｍの天部３５の下面は、図７（ａ）に示
すように光の正反射を利用したチルトセンサによる角度
検出のために反射面３６とされる。すなわち、反射面３
６は、平面に成形され、鏡面仕上げ、またはメッキ処理
あるいは蒸着処理が施されている。また、他の方法とし
て、図７（ｂ）に示すように、可動部２６の天部３５に
固定部２７に用いた樹脂あるいは他の剛性樹脂にて２色
成形あるいはインサート成形により一体的に平板３７を
形成して、表面処理を施すことにより反射面３６とす
る。弾性樹脂のように軟らかいと直接表面処理を施すこ
とは困難であるが、この方法によると、樹脂が硬いので
表面処理を行いやすいという利点がある。さらに、反射
面３６は一般に平面であるが、図７（ｃ）に示すよう
に、可動部２６の変位あるいは変角の状態に応じて受光
素子２２への集光をよくするために曲率面としてもよ
い。このように、反射面３６となるような表面処理を行
うことにより、発光素子２１からの光を有効に利用でき
てチルトセンサの出力が大きくなり、しかもシャープな
像が得られるので、センサとしての検出特性を向上させ
ることができる。

【００１９】前記チルトセンサとして、発光素子２１で
あるＬＥＤ（発光ダイオード）および受光素子２２であ
る多分割（４分割）フォトダイオードを透光性のエポキ
シ樹脂等でそれぞれモールドした１次モールド部４０を
形成し、さらに両１次モールド部４０を遮光性のエポキ
シ樹脂等でモールドした２次モールド部４１を形成し
て、発光素子２１および受光素子２２の上方にレンズ２
８を配し、１次モールド部４０および２次モールド部４
１の上面に形成された円環状のレンズ枠４２にレンズ２
８の円筒状の支持脚４３を着脱可能に嵌合することによ
り、一体的に構成している。受光素子２２に対する外乱
光の影響を防ぐためには、レンズ２８を成形する際に樹
脂に可視光カット剤を混入すればよい。なお、受光素子
２２である４分割フォトダイオードの各フォトダイオー
ドをそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして、Ｘ軸、Ｙ軸に対し
て図８の如く配列している。

【００２０】そして、２次モールド部４１の上面に円形
の一対の突起４４が形成されており、チルトセンサを固
定部２７の凹み３１に装着して、突起４４を固定部２７
および可動部２６に形成された孔４５に嵌合すると、チ
ルトセンサは可動体２０に収納され、一体構造のポイン
ティングデバイスとなる。また、発光素子２１および受
光素子２２のリード端子４６は、フレキシブルプリント
配線板等によって基板３２に接続されている。

【００２１】そして、ポインティングデバイスには、図
９の如く、操作された可動体２０の変位を受光素子２２
の出力から検出してコンピュータ等の機器２３の表示装
置５０におけるカーソル５１またはアイコンの移動情報
として出力する制御手段５２が設けられている。制御手
段５２は、マイクロコンピュータあるいは制御ＩＣから
なり、受光素子２２からの出力電流の信号処理を行って
Ｘ軸方向およびＹ軸方向の出力信号を演算するアナログ
信号処理回路５３と、アナログ信号処理回路５３から出
力されたアナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換
回路５４と、Ａ／Ｄ変換された出力信号を操作方向およ
び操作量といった移動情報の信号へと変換するデジタル
信号処理回路５５と、コンピュータ等の機器２３に接続
可能とするためのシリアルインターフェイス５６と、発
光素子２１を駆動する駆動回路５７とを備えている。な
お、アナログ信号処理回路５３は、受光素子２２と同一
チップ上に集積化しておいてもよい。

【００２２】アナログ信号処理回路５３は、図１０の如
く、受光素子２２からの出力電流を電圧変換する電圧変
換部５８と、所定の２組のフォトダイオードＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄの出力電圧を加算する加算処理部５９と、加算さ
れた出力電圧からＸ軸方向およびＹ軸方向の出力を演算
する減算処理部６０とから構成される。なお、電圧変換
部５８は各フォトダイオードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応した
オペアンプ６１および抵抗Ｒ１を有し、加算処理部５９
は４個のオペアンプ６２および抵抗Ｒ２を有し、減算処
理部６０は２個のオペアンプ６３および抵抗Ｒ２を有し
ている。

【００２３】また、デジタル信号処理回路５５では、各
軸方向の出力のベクトルを合成して加重の方向と大きさ
を算出しており、これらからカーソル５１の移動方向と
移動速度を決定する演算処理を行っている。あるいは、
この演算処理の代わりに、Ａ−Ｄ変換した後、コンピュ
ータ等の機器側においてソフト的な処理、例えば各軸方
向の出力のベクトルをそれぞれ必要な分解数で分解し、
その分解数分の組み合わせをマトリックスとし、２次元
の方向や大きさとする簡易的な方法を実施してもよい。

【００２４】次に、ポインティングデバイスの検出原理
およびポインティングデバイスを操作したときの入力処
理について説明する。図１１に示すように、可動体２０
の天部３５を指先で２次元方向に操作すると、可動部２
６は固定部２７に支えられた脚３０の付け根より上部に
おいて変位し、可動部２６が少し傾いた状態となって反
射面３６とチルトセンサの光軸との角度に変化が生じ
る。したがって、発光素子２１から照射された光は、レ
ンズ２８を通過して可動部２６の反射面３６により反射
され、再びレンズ２８を通過して受光素子２２上に結像
される。このとき、受光素子２２に受光された光の像は
可動部２６の変位前後において移動している。

【００２５】ここで、図１２に示すように、可動部２６
の変位により反射面３６の変位は、発光素子２１と受光
素子２２が並ぶ軸すなわちＸ軸およびこれに直交するＹ
軸を中心とした回転となる。これより、人為的な操作に
よって与えられる荷重方向をＸ軸およびＹ軸を中心とし
た回転方向の２方向に置き換えて、入力処理を行うこと
ができる。例えば、図１３（ａ）に示すＸ軸周りの回転
により、受光素子２２上の光の像はＹ軸方向に移動す
る。また、図１３（ｂ）に示すＹ軸周りの回転により、
受光素子２２上の光の像はＸ軸方向に移動する。

【００２６】受光素子２２の４個のフォトダイオード
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで得られる電流値をそれぞれＩ_SCA，Ｉ
_SCB，Ｉ_SCC，Ｉ_SCDとする。そして、各フォトダイオー
ドＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力電流を電圧変換部５８により電
圧変換すると、それぞれＶ_A＝Ｒ１×Ｉ_SCA、Ｖ_B＝Ｒ１
×Ｉ_SCB、Ｖ_C＝Ｒ１×Ｉ_SCC、Ｖ_D＝Ｒ１×Ｉ_SCDとな
る。次に、Ｘ軸周りの回転に対しては、反射面３６の変
角によってＹ軸方向に光の像が移動するので、フォトダ
イオードＡ，ＣとフォトダイオードＢ，Ｄの２組に分け
て、それぞれの出力電圧を加算する。同様にＹ軸周りの
回転に対しては、フォトダイオードＡ，Ｂとフォトダイ
オードＣ，Ｄの２組に分けて、それぞれの出力電圧を加
算する。これにより、加算処理部５９からの出力とし
て、Ｘ軸周りの回転に対しては−（Ｖ_A＋Ｖ_C）と−（Ｖ
_B＋Ｖ_D）が得られ、Ｙ軸周りの回転に対しては、−（Ｖ
_A＋Ｖ_B）と−（Ｖ_C＋Ｖ_D）が得られる。そして、減算処
理部６０により、Ｘ軸方向の出力のベクトルとしてＶ_X
＝（Ｖ_A＋Ｖ_C）−（Ｖ_B＋Ｖ_D）、Ｙ軸方向の出力のベク
トルとしてＶ_Y＝（Ｖ_A＋Ｖ_B）−（Ｖ_C＋Ｖ_D）がそれぞ
れ得られる。

【００２７】このとき、Ｘ軸周りの回転角度とＶ_Xとの
関係は、図１４に示すようにリニアな出力変化を有する
Ｓ字カーブとなる。同様に、Ｙ軸周りの回転角度とＶ_Y
との関係は、図１５に示すようにリニアな出力変化を有
するＳ字カーブとなる。したがって、Ｖ_Xのリニア出力
範囲では、Ｘ軸回転角度に対してＶ_Xが一義的に決定さ
れ、Ｖ_Yのリニア出力範囲では、Ｙ軸回転角度に対して
Ｖ_Yが一義的に決定される。なお、Ｖ_XとＶ_Yの算出時
に、Ｘ軸周りの回転ではＡとＣ、ＢとＤの各フォトダイ
オード、Ｙ軸周りの回転ではＡとＢ、ＣとＤの各フォト
ダイオードの出力電流をそれぞれ加算したのは、光の像
の移動方向に対して有効に使用できる受光面積を大きく
するためであり、実使用上のアセンブリばらつきによる
光軸のばらつきを吸収するためにも上記の加算処理は有
効となる。

【００２８】そして、アナログ信号処理回路５３によっ
て、Ｖ_XとＶ_Yの出力が得られたら、図１６に示すように
２方向のベクトルの合成により可動体２０に加えられた
加重に対する加重方向とその大きさが求められる。すな
わち、方向をθ、大きさをＶとすると、 θ＝ｔａｎ^-1（Ｖ_Y／Ｖ_X）（１）Ｖ＝Ｖ_X／ｃｏｓθ＝Ｖ_Y／ｓｉｎθ ＝Ｖ_X／ｃｏｓ（ｔａｎ^-1（Ｖ_Y／Ｖ_X））＝Ｖ_Y／ｓｉｎ（ｔａｎ^-1（Ｖ_Y／Ｖ_X））（２）以上のように、Ｖ_X，Ｖ_Yが求まれば、方向θおよび大き
さＶが決定する。そして、決定されたθおよびＶに基づ
いて、カーソル５１の移動方向と移動速度を求める。し
たがって、可動体２０を操作することにより、その操作
方向および操作量に対応して出力が得られ、これによっ
て表示装置５０においてカーソル５１は所望の方向に所
望の距離だけ移動させることができる。すなわち、可動
体２０に加える加重を大きくすれば、カーソル５１は加
えられた加重方向に速い移動速度で移動することにな
り、加重を小さくすればゆっくりと移動する。そして、
可動体２０から指を離せば、カーソル５１の移動は停止
される。

【００２９】次に、本実施例のポインティングデバイス
によって得られるＶ_X，Ｖ_Yが各回転角度に対しリニアな
出力変化となることについて、光学シュミレーション
（光線追跡方法）により確認した結果を図１７，１８に
示す。本シュミレーションでは、発光素子２１から点光
源にて、ある立体角Δω内に１２０本の光線を発射し、
使用する樹脂の屈折率、レンズ２８の曲率等をコンピュ
ータへ入力し、反射、屈折の原理に従いそれぞれの光線
についてシミュレーションを実施し、最終的に受光素子
２２へ到達する光線の強度を発射した１２０本分につい
て評価した。以上の手法において、初期１本当たりの光
線の強さを１００として、１２０本を発射（トータル強
度は１２０×１００＝１２０００）し、４分割フォトダ
イオードの受光素子２２にて得られた強度をＶ_X＝（Ａ
＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）、Ｖ_Y＝（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）と
して回転角度を横軸に、受光素子２２で得られた強度の
演算結果Ｖ_X，Ｖ_Yをグラフ化している。このシミュレー
ション結果からも角度の変化に対して、Ｖ_XとＶ_YのＳ字
カーブが得られ、リニア出力変化領域をポインティング
デバイスとしての使用領域とすることで、上記式（１）
（２）で示した方向θと大きさＶに変換することが可能
であることがわかる。なお、本シミュレーション結果で
Ｙ軸回転方向にオフセットずれを生じているのは、Ｙ軸
方向の発光素子２１と受光素子２２の位置関係が最適位
置からずれているためであり、シミュレーションを繰り
返すことで最適位置を求めることができる。

【００３０】このように、ポインティングデバイスとし
てチルトセンサとそれを収納する可動体とから構成する
ことにより、小型化を図ることができ、キーボードの各
キーに囲まれた空間に設置可能となり、コンピュータ等
の機器の省スペース化を達成できる。しかも、非接触の
光学方式を用いているので、機械的稼働部が存在せず高
信頼性が得られ、長期間の使用に耐え得る。また、アナ
ログ的に２次元の全方向の変位を検知できるため、入力
処理を容易に行うことができる。そのため、入力処理の
ためのソフトを簡単なものにすることができ、全体的に
コストの安いポインティングデバイスを提供することが
できる。

【００３１】ところで、ポインティングデバイスによる
入力操作は常時行われているわけではないので、コンピ
ュータ等の機器２３がオンしている間、発光素子２１を
常時発光させる代わりに、発光素子２１を間欠的に発光
するように駆動し、このタイミングに合わせて受光素子
２２からの出力電流を検出するようにすると、低消費電
流化を図れるとともに、ノイズ等の外乱の影響も排除す
ることができ、信頼性を高めることができる。

【００３２】（第二実施例）本実施例では、図１９，２
０の如く、受光素子として４分割フォトダイオードの代
わりに２次元ＰＳＤ（半導体位置検出素子）７０を用い
ている。このＰＳＤ７０は、改良表面分割型であり、出
力電流を取り出すための端子を備えた外囲器の上面に窓
を備え、内部には入射光を電気信号に変換するためにＰ
Ｎ接合面が形成された半導体が取り付けられた構造をし
ており、表面側に４つの電極７１が設けられ、裏面側に
は共通電極が設けられている。なお、チルトセンサの他
の構造およびその他の構成は第一実施例と同じである。

【００３３】そして、発光素子２１から照射され可動体
２０の反射面で反射された光は、レンズ２８により集光
されてＰＳＤ７０に到達する。ＰＳＤ７０にスポット光
Ｐが入射すると、入射位置には光エネルギに比例した電
荷が発生し、この電荷は電流として各電極７１より出力
される。各電極７１からの出力電流により光の入射位置
を求めることができる。

【００３４】ここで、ＰＳＤ７０でのスポット光Ｐの入
射位置と電極７１から得られる電流の関係は、図２１
（ａ）において、以下に示すようになる。

【００３５】Ｉ₁＋Ｉ₂＝Ｉ₀（１／２−Ｘ／Ｌ_X）Ｉ₃＋Ｉ₄＝Ｉ₀（１／２＋Ｘ／Ｌ_X）Ｉ₂＋Ｉ₃＝Ｉ₀（１／２−Ｙ／Ｌ_Y）Ｉ₁＋Ｉ₄＝Ｉ₀（１／２＋Ｙ／Ｌ_Y）Ｉ₀：全電流（Ｉ₀＝Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋Ｉ₄）Ｉ₁：電極１での電流Ｉ₂：電極２での電流Ｉ₃：電極３での電流Ｉ₄：電極４での電流Ｌ_X：Ｘ軸上の受光面長さＬ_Y：Ｙ軸上の受光面長さＸ：座標軸を受光面中心にとったときの入射位置のＸ座
標Ｙ：座標軸を受光面中心にとったときの入射位置のＹ座
標これらより、Ｘ軸方向の入射位置は、（Ｉ₁＋Ｉ₂）／（Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋Ｉ₄）＝１／２−Ｘ／
Ｌ_X または、（（Ｉ₃＋Ｉ₄）−（Ｉ₁＋Ｉ₂））／（Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋
Ｉ₄）＝２Ｘ／Ｌ_X Ｙ軸方向の入射位置は、（Ｉ₂＋Ｉ₃）／（Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋Ｉ₄）＝１／２−Ｙ／
Ｌ_Ｙまたは、（（Ｉ_１＋Ｉ₄）−（Ｉ₂＋Ｉ₃））／（Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋
Ｉ₄）＝２Ｙ／Ｌ_Y となる。

【００３６】以上のように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の
ベクトルが得られ、図２１（ｂ）のように大きさ√（Ｘ
²＋Ｙ²）と方向θを求めることができる。したがって、
ＰＳＤ７０を用いてもカーソル５１の移動制御を行え、
第一実施例と同様の作用効果を奏し得る。

【００３７】（第三実施例）本実施例では、図２２の如
く、受光素子２２として４つのフォトダイオードＥ，
Ｆ，Ｇ，Ｈを用い、ＬＥＤである発光素子２１を中心と
したＸ軸およびＹ軸上に発光素子２１の周囲を囲むよう
に４つのフォトダイオードＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈを配置してい
る。発光素子２１および各フォトダイオードＥ，Ｆ，
Ｇ，Ｈは図示しないホルダーに内装され、それぞれリー
ド端子に搭載されて透光性樹脂によりモールドされてお
り、発光素子２１から直接フォトダイオードＥ，Ｆ、
Ｇ，Ｈに光が入射しないように発光素子２１とフォトダ
イオードＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈとの間は遮光されている。そし
て、ホルダーの上方にレンズ２８が取り付けられて、チ
ルトセンサが構成される。

【００３８】また、その他の構成は第一実施例と同じで
あるが、アナログ信号処理回路５３の構成が異なってい
る。すなわち、図２３の如く、各フォトダイオードＥ，
Ｆ，Ｇ，Ｈからの出力電流を電圧変換する電圧変換部７
５と、所定の２組のフォトダイオードＥ，ＦとＧ，Ｈの
出力電圧を減算してＸ軸方向およびＹ軸方向の出力を演
算する減算処理部７６とから構成され、電圧変換部７５
は各フォトダイオードＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈに対応したオペア
ンプ７７および抵抗Ｒ１を有し、減算処理部７６は２個
のオペアンプ７８および抵抗Ｒ２を有している。

【００３９】このような構成において、可動体２０の天
部３５を指先で２次元方向に操作すると、可動部２６は
変位し、その結果フォトダイオードＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈに受
光された光の像は可動部２６の変位前後において移動す
る。すなわち、可動部２６の変位により反射面の変位
は、発光素子２１と受光素子２２が並ぶ軸すなわちＸ軸
およびこれに直交するＹ軸を中心とした回転となる。例
えば、図２４（ａ）に示すＸ軸周りの回転により、フォ
トダイオードＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈ上の光の像はＹ軸方向に移
動する。また、図２４（ｂ）に示すＹ軸周りの回転によ
り、フォトダイオードＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈ上の光の像はＸ軸
方向に移動する。そして、各フォトダイオードＥ，Ｆ，
Ｇ，Ｈからの出力電流の値は光の像の位置により異な
り、Ｘ軸方向に対してはフォトダイオードＥ，Ｆの出力
電流の差から出力のベクトルとしてＶ_X＝Ｖ_E−Ｖ_F、Ｙ
軸方向に対してはフォトダイオードＧ，Ｈの出力電流の
差から出力のベクトルとしてＶ_Y＝Ｖ_G−Ｖ_Hが得られ
る。

【００４０】このとき、Ｘ軸周りの回転角度とＶ_Xとの
関係は、図２５（ａ）に示すようにリニアな出力変化を
有するＳ字カーブとなる。同様に、Ｙ軸周りの回転角度
とＶ_Yとの関係は、図２５（ｂ）に示すようにリニアな
出力変化を有するＳ字カーブとなる。したがって、Ｘ軸
回転角度に対してＶ_Xが一義的に決定され、Ｙ軸回転角
度に対してＶ_Yが一義的に決定される。そして、アナロ
グ信号処理回路５３によって、Ｖ_XとＶ_Yの出力が得られ
たら、デジタル信号処理回路５５において、図２５
（ｃ）に示すように２方向のベクトルの合成により可動
体２０に加えられた加重に対する加重方向θとその大き
さＶが求められる。以上のように、方向θおよび大きさ
Ｖを決定できるので、このθおよびＶに基づいてカーソ
ル５１の移動方向と移動速度を求め、表示装置５０にお
いてカーソル５１は所望の方向に所望の距離だけ移動さ
せることができる。以上の如く、本実施例においても第
一実施例と同様の作用効果を奏し得る。

【００４１】（第四実施例）上記実施例では、チルトセ
ンサが発光素子２１、受光素子２２およびレンズ２８を
組み合わせたものであった。発光素子２１にＬＥＤを使
用しているため、ＬＥＤからの光が広がるので、集光す
るためにレンズ２８が必要となり、部品点数が多くなる
という弊害がある。そこで、本実施例では、レンズを不
要とした簡易な構造のチルトセンサを用いる。すなわ
ち、図２６の如く、可動部２６の天部下面にホログラム
レンズ８０を設ける。なお、その他の構成は第一実施例
と同じであり、同様の作用効果を奏する。

【００４２】ホログラムレンズ８０は反射板とレンズの
役割を果たすもので、発光素子２１であるＬＥＤから照
射された光は広がってホログラムレンズ８０に達する
が、ホログラムレンズ８０によって反射されると受光素
子２２に向かって集束され、受光素子２２上に入射され
る。このように、レンズを省略できるので、チルトセン
サを小型化でき、それに伴ってポインティングデバイス
自体の小型化を図れる。

【００４３】また、図２７の如く、発光素子２１として
ＬＥＤの代わりに半導体レーザ８１を用いれば、光は収
束して拡散しないのでレンズを完全になくすことがで
き、しかも可動体２０に反射面３６だけを形成すればよ
いので、ポインティングデバイスの構造をさらに簡易に
できる。なお、その他の構成は第一実施例と同じであ
り、同様の作用効果を奏する。

【００４４】（第五実施例）本実施例では、図２８の如
く、可動体２０の可動部２６に発光素子２１を設け、発
光素子２１に対向させて受光素子２２を設けている。受
光素子２２は遮光性樹脂によって成形されたホルダー８
５に内装されており、ホルダー８５の底面に固定された
基板８６に搭載されている。ホルダー８６は固定部２７
に装着され、ホルダー８５の上面には光を通過させる円
形のピンホール８７が形成されている。そして、ホルダ
ー８５の上方において発光素子２１が可動部２６の天部
３５に固定された基板８８に搭載され、可動部２６の変
位に連動して発光素子２１も変位する。なお、発光素子
２１はＬＥＤ、受光素子２２は４分割フォトダイオード
であり、可動体２０の構造は第一実施例と同じである。

【００４５】この構成によると、発光素子２１から照射
された光はピンホール８７を通過して受光素子２２に達
するが、図２９の如く、可動部２６の変位に連動して発
光素子２１も変位し、その発光素子２１の変位は可動部
２６の変位に等しく、受光素子２２上で光の像が変位す
る。このとき、可動部２６の変位の方向と光の像の変位
方向とは１８０度逆向きになる。なお、その変位は、発
光素子２１、受光素子２２、ピンホール８７のそれぞれ
の位置関係により調整可能である。そして、受光素子２
２上での光の像の変位量ΔＬ（受）は、次のようにな
る。

【００４６】ΔＬ（受）＝ΔＬ（発）×ｄ₁／ｄ₂ ΔＬ（発）：発光素子２１の変位量ｄ₁：ホルダー８５の上面と受光素子２２との距離ｄ₂：ホルダー８５の上面と発光素子２１との距離このように、可動部２６の変位に対応して各フォトダイ
オードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力電流が得られる。以後第一
実施例で示した信号処理方法に従ってＸ軸方向およびＹ
軸方向の出力のベクトルを求め、可動体２０への操作方
向および操作量が演算されて、カーソル５１の移動制御
が行われる。したがって、このような構造にすることに
よって、発光素子２１と受光素子２２とを並べて配置す
る必要がなくなり、一方の素子だけを配置できるスペー
スがあればよく、可動体２０を細くすることができるの
で、ポインティングデバイスをより一層小型化できる。

【００４７】また、可動部２６に直接発光素子２１を配
置する代わりに、図３０の如く、発光素子２１を固定部
２７に配置し、発光素子２１からの光を可動部２６の天
部３５に導く光ガイド９０を可動部２６の内部に設けて
もよい。光ガイド９０として、合成樹脂製光ファイバー
を可動部２６の成形時に埋め込んだり、あるいは透光性
樹脂によって可動部２６とともに一体成形する。これに
よると、可動体２０を細くできるとともに高さ方向の寸
法も短くでき、小型のポインティングデバイスとなる。

【００４８】（第六実施例）本実施例では、図３１，３
２の如く、可動体２０をコンピュータ等の機器２３から
分離して配置しており、可動体２０が、ドーム状の可動
部９５と、可動部９５を人為的な操作によって傾動する
ように弾性的に支持する固定部９６とからなり、手のひ
らサイズで操作できるマウス形状になっており、コンピ
ュータ等の機器２３にコネクタを介して接続されてい
る。そして、固定部９６の上面中央に発光素子２１、受
光素子２２およびレンズ２８を一体的にしたチルトセン
サが装着され、チルトセンサの上方を覆うように可動部
９５が配されている。可動部９５は、逆椀状に形成され
ており、その下端が固定部９６の上面の周縁に形成され
た溝９７に挿入され、ばねまたはゴム等の弾性部材９８
によって固定部９６と一体になるように傾動自在に取り
付けられている。また、可動部９５のチルトセンサと対
向する面は平面とされ、ここに鏡面化するための表面処
理が施されて反射面９９が形成されている。なお、チル
トセンサの構造および入力処理方法は第一実施例と同じ
である。また、可動体の形状としては、マウスのような
形状に限らず手のひら程度の大きさの多角形の立体にし
てもよい。

【００４９】上記のような構造にすることによって、可
動体２０を任意の位置に置いて手のひらで可動部９５を
包むように持ち、手のひらを前後左右と２次元方向に動
かすと、可動部９５が傾き、これに伴って反射面９９が
傾いて、チルトセンサにより可動部９５の変位を検出す
ることができる。したがって、手のひらで可動体２０を
操作することができるので、マウスと同等の操作性を有
し、さらに、マウスのように平面上を移動させることが
不要になり、任意の位置に設置した状態で操作可能とな
り、省スペース化を達成でき、設置場所の状態を問わず
使いやすさを追究できる。また、マウスと異なって機械
的な稼働部がなく、コスト的にも信頼性の点でも従来の
マウス等のポインティングデバイスに比べて優れてい
る。

【００５０】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、本発明の範囲内で上記実施例に多くの修
正および変更を加え得ることは勿論である。例えば、可
動体２０の固定部２７と可動部２６はそれぞれ異質材料
で成形したが、同一材料で剛体あるいは弾性体に対する
硬度と曲げ弾性率を満たすことにより、同一材料で固定
部２７および可動部２６を成形してもよく、異質材料を
用いる場合に比べて材料コストを低減できる。また、固
定部２７を弾性体、可動部２６を剛体となるようにそれ
ぞれ成形してもよい。さらに、可動体２０を変位させる
ためには、可動部２６の固定部２７から立ち上がる部分
が弾性体であればよく、この部分だけを弾性樹脂で成形
するとよい。また、第五実施例において、受光素子２２
と発光素子２１の配置を逆にしてもよい。

【００５１】さらに、ポインティングデバイスをキーボ
ードのキー間に設置するだけでなく、コンピュータゲー
ム機のジョイスティックやマウスの代用またはスイッチ
や方向指示を要するナビゲーションシステム用としてキ
ーボード以外の別スペースに設置して使用することも可
能である。しかも、マウスのようにコネクタを通してコ
ンピュータ本体との通信を行う用途にも応用できる。

【００５２】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、可動体と検出体とを一体にした構成にすること
により、小型化を図ることができ、キーボードの各キー
に囲まれた空間に設置可能となり、コンピュータ等の機
器の省スペース化に寄与できる。また、非接触の光学方
式とすることにより、機械的な稼働部がないため検出精
度に変化がなく、高い信頼性を有したポインティングデ
バイスを提供することができるとともに、入力処理を簡
易に行え、総合的にコストのかからないポインティング
デバイスを実現できる。

【００５３】同種の材料または異種の材料を用いて、可
動部あるいは固定部のどちらか一方を剛体とし、他方を
弾性体とすることにより、可動体に加えられた加重に対
して確実に変位させることができ、意図した通りの入力
を行わせることができる。

【００５４】可動体の受光素子と対向する面を反射面と
し、表面処理を施すことにより、発光素子からの光を有
効に利用でき、検出体の出力が大きくなり、しかもシャ
ープな像が得られるので、検出特性を向上させることが
できる。

【００５５】発光素子および受光素子のどちらか一方を
可動体に設け、他方を可動体に対向して設けることによ
り、発光素子と受光素子を水平に並べて配置する場合に
比べて設置面積を少なくでき、より一層省スペース化を
図ることができる。

【００５６】可動体が手のひら等によって操作可能なサ
イズとされ、コンピュータ等の機器から分離して配置す
ることにより、適当な大きさを有するため操作性がよ
く、コンピュータ等の機器と別体にでき、機器の省スペ
ース化にも寄与でき、さらにマウスに比べて移動させる
必要がないので、設置場所を選ばず使用性も向上させる
ことができる。

【００５７】また、変位の検出方法として光学方式を採
用することにより、ソフト面において出力信号の処理方
法が容易になり、総合的なコスト低減を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のポインティングデバイス
の断面図

【図２】ポインティングデバイスの内部を示す図で、
（ａ）は上から見た図、（ｂ）は横から見た図

【図３】ポインティングデバイスの外形図

【図４】ポインティングデバイスの斜視図

【図５】本発明のポインティングデバイスを搭載した機
器の斜視図

【図６】（ａ）はキーボード上でのポインティングデバ
イスの配置図、（ｂ）は同じく側面図

【図７】可動体の反射面の構造を示す図で、（ａ）は平
面状の場合、（ｂ）は剛性樹脂により反射面を成形した
場合、（ｃ）は曲面にした場合

【図８】４分割フォトダイオードの配置図

【図９】ポインティングデバイスの制御ブロック図

【図１０】信号処理回路の構成図

【図１１】ポインティングデバイスの変位の様子を示す
図

【図１２】ポインティングデバイスの光路を示す図

【図１３】（ａ）はＸ軸周りに変位したときの光の像の
変位を示す図、（ｂ）はＹ軸周りに変位したときの光の
像の変位を示す図

【図１４】Ｘ軸方向における出力と回転角度との関係を
示す図

【図１５】Ｙ軸方向における出力と回転角度との関係を
示す図

【図１６】Ｘ軸およびＹ軸方向の出力のベクトルを示す
図

【図１７】Ｘ軸方向における出力と回転角度との関係の
シミュレーション結果を示す図

【図１８】Ｙ軸方向における出力と回転角度との関係の
シミュレーション結果を示す図

【図１９】第二実施例のポインティングデバイスの概略
構成図

【図２０】改良表面分割型ＰＳＤを示す図で、（ａ）は
斜視図、（ｂ）は断面図

【図２１】（ａ）は改良表面分割型ＰＳＤの位置検出法
を説明するための図、（ｂ）はＸ軸およびＹ軸方向の出
力のベクトルを示す図

【図２２】第三実施例のポインティングデバイスを示す
図で、（ａ）は受光素子の配置図、（ｂ）は光路を示す
図

【図２３】信号処理回路の構成図

【図２４】（ａ）はＸ軸周りに変位したときの光の像の
変位を示す図、（ｂ）はＹ軸周りに変位したときの光の
像の変位を示す図

【図２５】（ａ）はＸ軸方向における出力と回転角度と
の関係を示す図、（ｂ）はＹ軸方向における出力と回転
角度との関係を示す図、（ｃ）はＸ軸およびＹ軸方向の
出力のベクトルを示す図

【図２６】第四実施例のポインティングデバイスの断面
図

【図２７】レンズなしチルトセンサを用いたポインティ
ングデバイスの断面図

【図２８】第五実施例のポインティングデバイスの概略
断面図

【図２９】（ａ）は検出原理を説明するための図、
（ｂ）は受光素子上での光の像の変位を示す図

【図３０】発光素子と受光素子を対向させたポインティ
ングデバイスの概略断面図

【図３１】第六実施例のポインティングデバイスの概略
断面図

【図３２】ポインティングデバイスの操作状態を示す図

【図３３】従来のトラックボールが搭載されたパーソナ
ルコンピュータの斜視図

【図３４】トラックボールにおける動作原理を説明する
図

【図３５】マウスの斜視図

【図３６】マウスの断面図

【符号の説明】

２０可動体２１発光素子２２受光素子２６可動部２７固定部２８レンズ３６反射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−324186（ＪＰ，Ａ) 特開平６−119105（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−157238（ＪＰ，Ｕ) 実開昭60−93247（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/033 H01H 25/04,35/00 G05G 9/047 A63F 13/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元方向の加重により変位する可動体
と、発光素子と、該発光素子から照射され、前記可動体
の変位に連動して移動する光の像を受光する受光素子と
が一体的に設けられ、前記可動体は、上面が閉塞された筒状に形成され天部の
操作によって変位する可動部と、該可動部を支持する固
定部とからなり、前記可動部の天部下面に反射面が形成され、前記可動部と固定部とが、前記可動体を変位可能とする
弾性体を含む一体構造とされたことを特徴とするコンピ
ュータ等の入力装置。
【請求項２】可動部に対向するように受光素子が固定
部に装着されたことを特徴とする請求項１記載のコンピ
ュータ等の入力装置。
【請求項３】発光素子、受光素子および結像用レンズ
を一体的にした検出体が可動部に内装されて固定部に装
着されたことを特徴とする請求項２記載のコンピュータ
等の入力装置。
【請求項４】可動部あるいは固定部のどちらか一方を
剛体とし、他方を弾性体としたことを特徴とする請求項
１または２記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項５】可動部および固定部が同種の材料または
異種の材料から成形されたことを特徴とする請求項１〜
４のいずれかに記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項６】反射面は、天部下面に表面処理が施され
てなる、あるいは天部下面に一体的に形成された平板に
表面処理が施されてなることを特徴とする請求項１〜５
のいずれかに記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項７】可動体がキーボードの複数のキーに囲ま
れた空間に設置されたことを特徴とする請求項１〜６の
いずれかに記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項８】可動体の変位に応じてコンピュータ等の
表示装置のカーソルの移動方向および移動速度を変化さ
せる制御手段が設けられたことを特徴とする請求項１〜
７のいずれかに記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項９】固定部はコンピュータ等の機器から分離
して配置されたことを特徴とする請求項１記載のコンピ
ュータ等の入力装置。
【請求項１０】可動体が手のひら等によって操作可能
なサイズとされ、人為的な操作による２次元方向への加
重により可動部が傾動自在とされたことを特徴とする請
求項９記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項１１】受光素子が、４分割フォトダイオード
あるいは２次元半導体位置検出素子であることを特徴と
する請求項１〜１０のいずれかに記載のコンピュータ等
の入力装置。
【請求項１２】発光素子および受光素子を一体的にし
た検出体が固定部に装着され、天部下面にホログラムレ
ンズが反射板として設けられたことを特徴とする請求項
２記載のコンピュータ等の入力装置。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかに記載の入
力装置を備えたことを特徴とするコンピュータ等の機
器。