JP4061322B2 - 慣性感知入力デバイス - Google Patents

Description

本発明は感知入力デバイスであり、特に加速度の変化を感知することで、操作者の手の運動慣性と運動状態により起こる回転量或いは移動量を検知する一種の慣性感知入力デバイスを指す。

現在市場に出回っているポイント入力用のデバイスは多種に及ぶ。その中でよく見られるのがレーザーポインター或いはマウスである。マウスに関しては、検知方式によりスクロールマウス、ＬＥＤ光学マウス、そして最新のレーザー式光学マウス等に分類できる。そのうちスクロールマウスはデスク上を移動するためホコリ等が付着しやすいので、定期的にローラーの汚れを掃除しマウスによる検知の正確性を保たなければならない。ＬＥＤ光学マウスは物体表面のざらつきによる陰影を用いて識別するため、大理石の机、タイル、金属等のような滑らかなものの表面ではマウス操作がうまくいかなくなる。レーザーはコヒーレント光（coherent light）を利用し、表面の細部を直接反射でき、陰影により識別する必要がないので、ＬＥＤ光学マウスと比べて比較的良好な移動検出が得られる。しかしその光学感知の原理ゆえに、ガラス或いはアクリル等の透明な机に対しては機能的に制約を受けてしまう。

１９９５年、Ｇｙｒａｔｉｏｎ社は特許文献１、特許件名「Ｇｙｒｏｓｃｏｐｉｃ ｐｏｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ」を提出、該特許はジャイロスコープを用いて空間に於ける手の回転運動を検知し、感知した角速度をスクリーン上にあるカーソルの移動で表わして、空間マウスの機能をなすものである。そしてデスク上の運動に対しては、光学或いはスクロールの方式を用いて手の移動を感知するのである。また現在市場には当該企業の空間ジャイロマウスという商品も見られる。該商品はデスク上と空間に於いて人の手による移動を感知し、デスク上での操作時には一般的なＬＥＤ光学マウスと同様にＬＥＤ光学感知技術を用いてシグナルを取り、デスク以外での操作はジャイロスコープを用いて回転シグナルを感知する。この種のマウスはＬＥＤ光学と慣性感知原理を融合しているため、マウスは余分にジャイロスコープとの整合性が求められ、それがコストの上昇を招いてしまっている。また、ジャイロスコープによる空中運動を感知するマウスはジャイロスコープのコストに制限があり、現在高レベルのジャイロスコープの平均価格は約ＵＳ＄４０程度で、市場で売られている単軸ジャイロスコープの価格は約ＵＳ＄３０であり、Ｇｙｒａｔｉｏｎ社製の「Ｇｙｒａｔｉｏｎ Ｉｎ−Ａｉｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｕｓｅ」の価格は約ＵＳ＄７９になる。そのためコスト面と価格面での商品競争力が光学マウスに劣ることとなるのである。

総括してみると、この種のマウスには以下のような問題点が含まれる。
（１）平面での操作時、この種のマウスは光学感知原理により位置の変動を感知するため、電力浪費、移動検出等の問題点を有している。
（２）空間での操作時、ジャイロスコープにより回転角を計算するが、それは価格が高額なため商品化しても競争力に欠ける。

レーザーポインターについては、大部分はプレゼンテーションに使用し、単独のレーザーポインティング機能しか有していない。レーザーポインターと空間の運動状態を感知できるマウスとが融合し、操作者がプレゼンテーション或いはコンピューターデバイスの操作を行いやすいようになったデバイスはないということであった。

上述の問題を解決するため、本発明は慣性感知入力デバイスを設計し、使用の利便性と精確な感知等の目標を達するものであり、また平面上・空間中とも使用可能な製品である。

米国特許第５８９８４２１号明細書

本発明の主な目的は慣性感知入力デバイスを提供することにある。それは複数の慣性センサーを利用し、該慣性センサーの配置と差分演算子により、該慣性感知入力デバイスが平面或いは空間並進運動をしやすくすると同時に、操作者の運動状態をも感知できるもので、該慣性感知入力デバイスの平面或いは空間中での位置を検知する目的が達成できるのである。

本発明の副次的目的は一種の慣性感知入力デバイスを提供することにある。それは感知切換部を用いて該慣性感知入力デバイスを制御し感知機能を変換可能にし、平面或いは空間での運動状態の感知を選択できるという目的を達成するものである。

本発明の更に別の目的は一種の慣性感知入力デバイスを提供することにある。それはリセットスイッチを用いて慣性センサーを切り換え、該慣性感知入力デバイスによる平面上での運動状態の感知を起動或いは停止して、操作者が操作しやすいようにする目的を達するものである。

上述の目的を達するため、本発明は慣性感知入力デバイスを提供するものであり、ケーシング、第一慣性感知部、第二慣性感知部及びマイクロコントローラーを含む。該第一慣性感知部は、該ケーシング内の回路基板に接合され、空間第二軸、空間第三軸の運動状態を感知し、また平面第一軸の運動状態も感知できる。該第二慣性感知部は、該回路基板と互いに接合し、空間第一軸の運動状態を感知し、また平面第二軸の運動状態も感知できる。該マイクロコントローラーは、回路基板に接合され、第一慣性感知部及び第二慣性感知部が発生させた電気信号を受信し、それを移動信号に変換し、シグナル伝達方式により電子ディスプレー装置に伝達できるのである。

比較的良いのは、該第一慣性感知部はさらに該マイクロコントローラーと互いに接合している第一加速度計を含む。該第一加速度計は該平面第一軸の加速度と該空間第一軸の加速度を感知できる。また、該マイクロコントローラーと互いに接合し合い該第一加速度計とは間隔を保っている補助加速度計を含む。該補助加速度計は該空間第一軸方向の加速度が感知できる。そのうち、該マイクロコントローラーは該第一加速度計と該補助加速度計が感知した該空間第一軸方向の加速度が受信可能で、差分方式での処理を用いて、該空間第三軸の回転運動状態を読み取ることができる。

比較的良いのは、該第二慣性感知部は第二加速度計であり、該マイクロコントローラーと互いに接合し合っている。そして該第二加速度計は該平面第二軸の加速度及び該空間第一軸の回転運動状態を感知できる。

比較的良いのは、該回路基板に接合された感知変換部は、該コントローラーにより三次元空間運動の演算及び二次元空間の運動移動演算のうちの一つが行われるのを変換により選択できる。

比較的良いのは、該マイクロコントローラーが該二次元空間での運動移動演算を選択した時、該回路基板に接合されたリセットスイッチは、該マイクロコントローラーにより二次元空間運動移動演算の実行及び二次元空間運動移動演算の停止の中から一つが行われるのを選択できる。

請求項１の発明は、慣性感知入力デバイスであり、ケーシング、第一慣性感知部、第二慣性感知部及びマイクロコントローラーを包含し、該第一慣性感知部は該ケーシング内の回路基板に接合され、空間第二軸、空間第三軸の運動状態を感知でき、また平面第一軸の運動状態も感知でき、該第二慣性感知部は該回路基板と互いに接合し、空間第一軸の運動状態を感知でき、また平面第二軸の運動状態も感知でき、該マイクロコントローラーは該回路基板に接合され、該第一慣性感知部及び該第二慣性感知部により発生した電気信号を受信し、それを移動信号に変換し、シグナル伝達方式により電子ディスプレー装置に伝達できることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、その第一慣性感知部はさらに第一加速度計及び補助加速度計を包含し、該第一加速度計は該マイクロコントローラーと互いに接合し、該平面第一軸の加速度と該空間第一軸の加速度を感知でき、該補助加速度計は該マイクロコントローラーと互いに接合し、かつ該第一加速度計とは間隔を保ち、該補助加速度計は該空間第一軸方向の加速度を感知できることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項３の発明は請求項２記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該マイクロコントローラーは該第一加速度計と該補助加速度計が感知した該空間第一軸方向の加速度が受信可能で、差分方式での処理を用いて、該空間第三軸の回転運動状態を読み取ることができることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項４の発明は、請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該第二慣性感知部は第二加速度計であり、該マイクロコントローラーと互いに接合し合って、該第二加速度計は該平面第二軸の加速度及び該空間第一軸の回転運動状態を感知できることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項５の発明は、請求項３記載の慣性感知入力デバイスにおいて、そのうち該第一加速度計は、さらに該空間第二軸の回転運動状態を感知できることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項６の発明は、請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該回路基板には感知変換部が接合され、該コントローラーにより三次元空間運動の演算及び二次元空間運動の移動演算の内の一つが行われるのを変換により選択できることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項７の発明は、請求項６記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該感知変換部が該マイクロコントローラーによる該三次元空間での運動演算の実行を変換により選択している時、該第一慣性感知部が該ケーシングの該空間第三軸での回転状態を検知し、該第二慣性感知部が該ケーシングが該空間第一軸での回転状態を検知し、該ケーシングの空間での運動状態を電子ディスプレー装置に反映させることができることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項８の発明は、請求項６記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該感知変換部が該マイクロコントローラーによる該三次元空間での運動演算の実行を変換により選択している時、該第一慣性感知部は該ケーシングの該空間第二軸での回転状態を検知することを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項９の発明は、請求項６記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該回路基板にはリセットスイッチが接合され、該マイクロコントローラーによる該二次元空間での運動移動演算を選択した時、該リセットスイッチは該マイクロコントローラーによる二次元空間運動移動演算の実行及び二次元空間運動移動演算の停止の中から一つを選択できることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項１０の発明は、請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、マウスでもあることを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。
請求項１１の発明は請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、プレゼンテーション時に手に取ることができ、コンピューターのカーソル移動を操作しプレゼンテーション用のポインティング装置になることを特徴とする慣性感知入力デバイス、としている。
請求項１２の発明は、請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、さらにレーザーポインターを含むことを特徴とする慣性感知入力デバイスとしている。

本発明は平面或いは空間運動状態を感知できるという長所によって、コンピューター或いは電子ディスプレー装置の入力デバイスに応用できる。そのため業界の需要を満たし、さらに該産業の競争力を高めることになる。

図１に示したのは、本発明の比較的良好な第一実施例の各部部品の組合せ見取り図である。該慣性感知入力デバイスは上ケーシング３０１と下ケーシング３０２を有するケーシング３０の中に、回路基板３１、ボタンユニット３２、第一慣性感知部３３、第二慣性感知部３４、マイクロコントローラー３５、無線伝送モジュール３６、感知変換部３７及びリセットスイッチ３８（図中に表示なし）を設置している。

該第一慣性感知部３３は、回路基板３１上に接合され、空間第二軸、空間第三軸の運動状態と平面第一軸の運動状態を感知できる。このうち比較的良好な本実施例では、該第一慣性感知部３３はさらに第一加速度計３３１と補助加速度計３３２を含む。該第一加速度計３３１は該マイクロコントローラー３５と互いに接合し合い、該平面第一軸の加速度と該空間第一軸の加速度を感知できる。該補助加速度計３３２は該マイクロコントローラー３５と互いに接合しかつ該第一加速度計３３１とは間隔を保っている。該補助加速度計３３２は該空間第一軸の加速度が感知できる。

該第二慣性感知部３４は、該回路基板３１と互いに接合し、平面第二軸の運動状態を感知できかつ該空間第一軸の回転運動状態を感知できる。比較的良好な本実施例では、該第二慣性感知部３４は第二加速度計であり、該マイクロコントローラー３５と互いに接合している。該第二加速度計は該平面第二軸の加速度及び該空間第一軸の回転運動状態を感知できる。

該ボタンユニット３２は左ボタン３２１と右ボタン３２２を含み、使用者に入力の機能を供している。該コントローラー３５は該回路基板３１に接合され、該第一慣性感知部３３及び該第二慣性感知部３４により発生した電気信号を受信し、それを移動信号に変換し、シグナル伝達方式により電子ディスプレー装置（図中に表示なし）に伝達できるのである。比較的良好な本実施例では、該電子ディスプレー装置はテレビ（フラットテレビ）、マルチメディアディスプレー装置或いはコンピューターでありうる。該伝達方式は無線伝送モジュール３６の方式でシグナルが伝達できる他にも、信号線による有線伝送方式も使用可能である。

該感知変換部３７はスイッチコントローラー３７２と電気接続を行う変換キー３７１を有する。該スイッチコントローラー３７２は回路基板３１と接合し、該感知変換部３７は該慣性感知入力デバイス３による空間運動感知或いは平面運動感知のモード実行の切り換えを選択できる。該感知変換部３７が平面運動感知のモードを選択した場合、該第一慣性感知部３３は該平面第一軸の運動状態を感知できる。同時に、該第二慣性感知部３４は該平面第二軸の運動状態を感知できる。そのうち該平面第一軸と平面第二軸は相互に直交する。該感知変換部３７が空間運動感知のモードを選択した場合、該第一慣性感知部３３は該空間第二軸と空間第三軸の回転運動状態を感知でき、第二慣性感知部３４は該空間第一軸の回転運動状態を感知できる。そのため該第一慣性感知部３３と該第二慣性感知部３４の結合により、空間運動状態が感知可能な慣性感知入力デバイスが形成されるのである。

図２は本発明の比較的良好な第一実施例の側面見取り図である。該リセットスイッチ３８は該下ケーシング３０２の下方に設置され、該回路基板３１と電気連結をしている。該リセットスイッチは該慣性感知入力デバイス３が平面感知モードとして選択された時に使用される。該慣性感知入力デバイス３がデスク上に置かれ操作される時、該リセットスイッチ３８はデスク面に遮られ弾き出されない。この時該慣性感知入力デバイス３はデスク上で正常に操作できる。通常、使用者がデスク上で操作を行う時、該慣性感知入力デバイス３の位置を調整し、該慣性感知入力デバイス３を必要な操作の位置へ移動するために該慣性感知入力デバイス３を引き上げる。該慣性感知入力デバイス３が引き上げられる時に、該慣性感知入力デバイス３の操作位置を調整し移動する時、該第一慣性感知部３３と該第二慣性感知部３４が作動され、該電子ディスプレー装置上のカーソルを共に移動させてしまうことを避けるため、本発明は該慣性感知入力デバイス３が引き上げられた時に該リセットスイッチ３８が弾き出されることを利用し、さらに該マイクロコントローラー３４が該第一慣性感知部３３と該第二慣性感知部３４の感知の影響を受けないようにし、電子ディスプレー装置の画面でのカーソルを一定の位置に留まっているようにできるのである。

図３、図１のうち図３に示したのは、本発明である慣性感知入力デバイスの比較的良好な第一実施例ブロック見取り図である。該感知変換部３７が平面感知モードに変換された時、該第一慣性感知部３３内の該第一加速度計は該慣性感知入力デバイス３の該平面第一軸（例えばX軸）の加速度値を感知でき、該第二慣性感知部３４は該平面第二軸（例えばY軸）の加速度を感知できる。該マイクロコントローラー３５は該第一慣性感知部３３と該第二慣性感知部３４により発生した電気信号を受信し、演算処理を経た後移動を読み取る。さらに該移動はシグナルにより該無線伝送モジュール３６を通じて電子ディスプレー装置２に伝達される。該電子ディスプレー装置２はスクリーン、テレビ或いはコンピューターのディスプレー等でありうる。

図４は、空間座標と角速度との関係見取り図である。該感知変換部３７が空間感知のモードに変換された時、該第二慣性感知部３４は該慣性感知入力デバイスによる該空間第一軸（Ｘ軸）の回転運動ω_xが発生させた加速度変化を感知し、それをマイクロコントローラー３５へ伝達する。さらに上下角度を得て、カーソル上下移動の入力信号とする。そして該無線伝送モジュール３６を通じて該電子ディスプレー装置２に伝達されるのである。

図５は、本創作の比較的良好な第一実施例で空間第三軸の回転運動を決定することに関する説明見取り図である。該第一慣性感知部３３の該第一加速度計３３１と該補助加速度計３３２が感知した空間第一軸（Ｘ軸）の加速度差を積分して移動（Ｓ_1、Ｓ₂）が得られ、その後Ｓ_1、Ｓ₂間の差異を推計する。第一加速度計３３１は該補助加速度計３３２と距離差ｈがあるため、該空間第三軸（Ｚ軸）の角度θの変化が得られ、カーソルが左右に移動する入力信号とすることができる。そして発生したシグナルを無線伝送モジュール３６を通じて出力し、該電子ディスプレー装置２が受信するようにすることで、画面にカーソルの位置を示すのである。

再び図４の説明に戻るが、該第一慣性感知部３３の該第一加速度計も該慣性感知入力デバイスにより該空間第二軸（Ｙ軸）の回転ω_yで発生した加速度信号を検知する。そしてそれをマイクロコントローラー３５に伝達して、処理を経た後さらに角度変化量を得て、カーソル移動の入力信号とする。そしてまた該無線伝送モジュール３６を通じて該電子ディスプレー装置２に伝達されるのである。

本発明が提供する慣性感知入力デバイスは、マウスに応用でき、また該マウスを用いて二次元空間と三次元空間の感知が行える。図６は、本発明である慣性感知入力デバイスがプレゼンテーションシステムに応用されたものの見取り図である。該プレゼンテーションシステム４はスクリーン４０、プロジェクター４１及びコンピューター４２を含む。該慣性感知入力デバイス３は三次元空間運動の演算に変換された時には、プレゼンテーション用のポインティング装置になりうる。そして報告者が大型のプレゼンテーション会場でプレゼンテーションを行う時、該慣性感知入力デバイス３を手に取って、コンピューター４２のカーソル移動を操作し、さらにそれをプレゼンテーションのスクリーン上に反映できる。そのため該慣性感知入力デバイス３はこのカーソル移動によりプレゼンテーション用のポインティング装置として使用できるのである。また、該慣性感知入力デバイス３はさらにレーザーポインター３９を含み、レーザースポットをプレゼンテーションのスクリーン４０上に投射できるのである。

上述部分を総括して言えば、本発明は平面或いは空間運動状態を感知できるという長所によって、コンピューター或いは電子ディスプレー装置の入力デバイスに応用できる。そのため業界の需要を満たし、さらに該産業の競争力を高めることになる。

本発明の比較的良好な第一実施例に関する各部部品の組合せ見取り図である。 本発明の比較的良好な第一実施例に関する側面見取り図である。 本発明である慣性感知入力デバイスの比較的良好な第一実施例に関するブロック見取り図である。 空間座標と角速度の関係見取り図である。 本発明である比較的良好な第一実施例での空間第三軸回転運動の決定に関する説明見取り図である。 本発明である比較的良好なもう一つの実施例に関する見取り図である。

符号の説明

２ 電子ディスプレー装置
３ 慣性感知入力デバイス
３０ ケーシング
３０１ 上ケーシング
３０２ 下ケーシング
３１ 回路基板
３２ ボタンユニット
３２１ 左ボタン
３２２ 右ボタン
３３ 第一慣性感知部
３３１ 第一加速度計
３３２ 補助加速度計
３４ 第二慣性感知部
３５ マイクロコントローラー
３６ 無線伝送モジュール
３７ 感知変換部
３７１ 変換キー
３７２ スイッチコントローラー
３８ リセットスイッチ
３９ レーザーポインター
ｈ 距離
θ 角度
４ プレゼンテーションシステム
４０ スクリーン
４１ プロジェクター
４２ コンピューター

Claims (12)

1. 慣性感知入力デバイスであり、ケーシング、第一慣性感知部、第二慣性感知部及びマイクロコントローラーを包含し、該第一慣性感知部は該ケーシング内の回路基板に接合され、空間第二軸、空間第三軸の運動状態を感知でき、また平面第一軸の運動状態も感知でき、該第二慣性感知部は該回路基板と互いに接合し、空間第一軸の運動状態を感知でき、また平面第二軸の運動状態も感知でき、該マイクロコントローラーは該回路基板に接合され、該第一慣性感知部及び該第二慣性感知部により発生した電気信号を受信し、それを移動信号に変換し、シグナル伝達方式により電子ディスプレー装置に伝達できることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
2. 請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、その第一慣性感知部はさらに第一加速度計及び補助加速度計を包含し、該第一加速度計は該マイクロコントローラーと互いに接合し、該平面第一軸の加速度と該空間第一軸の加速度を感知でき、該補助加速度計は該マイクロコントローラーと互いに接合し、かつ該第一加速度計とは間隔を保ち、該補助加速度計は該空間第一軸方向の加速度を感知できることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
3. 請求項２記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該マイクロコントローラーは該第一加速度計と該補助加速度計が感知した該空間第一軸方向の加速度が受信可能で、差分方式での処理を用いて、該空間第三軸の回転運動状態を読み取ることができることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
4. 請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該第二慣性感知部は第二加速度計であり、該マイクロコントローラーと互いに接合し合って、該第二加速度計は該平面第二軸の加速度及び該空間第一軸の回転運動状態を感知できることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
5. 請求項３記載の慣性感知入力デバイスにおいて、そのうち該第一加速度計は、さらに該空間第二軸の回転運動状態を感知できることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
6. 請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該回路基板には感知変換部が接合され、該コントローラーにより三次元空間運動の演算及び二次元空間運動の移動演算の内の一つが行われるのを変換により選択できることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
7. 請求項６記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該感知変換部が該マイクロコントローラーによる該三次元空間での運動演算の実行を変換により選択している時、該第一慣性感知部が該ケーシングの該空間第三軸での回転状態を検知し、該第二慣性感知部が該ケーシングが該空間第一軸での回転状態を検知し、該ケーシングの空間での運動状態を電子ディスプレー装置に反映させることができることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
8. 請求項６記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該感知変換部が該マイクロコントローラーによる該三次元空間での運動演算の実行を変換により選択している時、該第一慣性感知部は該ケーシングの該空間第二軸での回転状態を検知することを特徴とする慣性感知入力デバイス。
9. 請求項６記載の慣性感知入力デバイスにおいて、該回路基板にはリセットスイッチが接合され、該マイクロコントローラーによる該二次元空間での運動移動演算を選択した時、該リセットスイッチは該マイクロコントローラーによる二次元空間運動移動演算の実行及び二次元空間運動移動演算の停止の中から一つを選択できることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
10. 請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、マウスでもあることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
11. 請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、プレゼンテーション時に手に取ることができ、コンピューターのカーソル移動を操作しプレゼンテーション用のポインティング装置になることを特徴とする慣性感知入力デバイス。
12. 請求項１記載の慣性感知入力デバイスにおいて、さらにレーザーポインターを含むことを特徴とする慣性感知入力デバイス。
    

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