JPH11259231A

JPH11259231A - 入力装置

Info

Publication number: JPH11259231A
Application number: JP10060149A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Fujita; 朗宏藤田; Mitsuo Kobachi; 光夫小鉢
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】小型、且つ省スペースな装置構成で高分解能
で回転球の回転量及び回転方向をセンシングできる結
果、パーソナルコンピュータ等の入力装置として好適な
入力装置を提供する。【解決手段】発光素子１８から回転球１４に光を照射
すると、回転球１４の表面に形成されたドット反射試料
１５からの反射光が集光レンズ２０で集光されて受光素
子１９上にスポット光を形成する。本発明の入力装置で
は、このスポット光の軌跡をセンシングすることにより
回転球１４の回転量及び回転方向を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータのポインティングデバイス等における画面上のポ
インター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（ポインター
等を移動させる装置）の入力装置であるポインティング
デバイスとしては、トラックボールやマウス等の多くの
種類がある。

【０００３】図９はトラックボールの一従来例を示す。
このトラックボールは、ボール９と、Ｘ軸方向及びＹ軸
方向の２軸方向に配置され、ボール９の回転に連動して
回転するローラ７，８と、ローラ７，８の回転に連動し
て回転し、これにより、ボール９の回転方向及び回転量
を検出するロータリーエンコーダ１，１０とを備えてい
る。

【０００４】その検出原理を今少し具体的に説明する
と、例えば、Ｘ軸方向にボール９が回転すると、これに
伴ってローラ７及びこれに連結されたＸ軸方向のシャフ
ト４が回転し、複数のスリット６が形成された回転板５
が回転する。各回転板５，５にはこれらを挟むようにし
て２組のＬＥＤ２、受光素子３がそれぞれ対向配置され
ており、ＬＥＤ２の光がスリット６によりパルス信号に
され、受光素子３にて電気信号に変換される。この電気
信号によって回転板５の回転方向と回転数が検出され、
Ｘ軸方向のボール９の回転量がわかるので、ポインター
の位置をＸ軸方向に見合った方向へボール９の回転量に
応じた量だけ移動させる。

【０００５】図１０はトラックボールの他の従来例を示
す。このトラックボールは上記のトラックボールとは検
出原理が異なる。即ち、このトラックボールは、台座１
７に回転自在に支持されたボール１１を有し、ボール１
１の表面には多数の斑点１１ａが形成されている。台座
１７の下端部には光源１３とイメージセンサ（ＰＤアレ
イ）１２が配置されており、光源１３よりボール１１に
拡散光を当てると、その反射光をイメージセンサ１２が
受光し、イメージセンサ１２が撮像したイメージを前後
で比べて行くことによりボール１１の回転方向と回転量
を検出する検出原理をとっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図９に示す
従来のトラックボールでは、以下に示す問題点がある。

【０００７】（１）検出手段として、ロータリーエンコ
ーダ１，１０を用いており、その構造上、密閉構造にで
きないため、内部に塵埃等が侵入しやすく、スリット６
が目詰まりして誤動作を発生し易い。

【０００８】（２）回転板５に形成できるスリット６の
数にも限界があるため、高分解能でセンシングできな
い。

【０００９】（３）２次元方向を検出するためには、ロ
ータリーエンコーダが２組必要となるため、構造が複雑
となり、小型化及び省スペース化の妨げとなっている。

【００１０】一方、図１０に示すトラックボールでは、
上記のような問題はないものの、以下に示す問題点があ
る。

【００１１】（１）イメージセンサによりイメージセン
シングを行うため、高価な受光素子を要する結果、製品
のコストアップを招来する。

【００１２】（２）受光面がある程度必要なため、小型
化を図る上での制約となっていた。

【００１３】（３）検出原理が複雑であり、後段に複
雑、且つ高価な信号処理回路を必要とするため、この点
においても、製品のコストアップを招来する。

【００１４】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、小型、且つ省スペースな装置構成で高分解
能で回転球の回転量及び回転方向をセンシングできる結
果、パーソナルコンピュータ等の入力装置として好適な
入力装置を提供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、耐久性が高く長期に
わたって信頼性を維持できる入力装置を提供することに
ある。

【００１６】また、本発明の他の目的は、安価な入力装
置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の入力装置は、多
数の反射試料が規則性をもって配置された回転球に発光
素子より光を照射し、該回転球の変位に連動して移動す
る該回転球からの反射光を受光素子で受光し、該受光素
子の検出信号に基づき該回転球の回転量及び回転方向を
検出するように構成されており、そのことにより上記目
的が達成される。

【００１８】好ましくは、前記受光素子が中心部に配置
された１個のフォトダイオードと、該フォトダイオード
の周囲に配置された４個以上のフォトダイオードで構成
され、各フォトダイオードで検出される単位時間当たり
の出力に基づき前記回転球の回転量を検出し、該受光素
子の受光面上を移動する反射スポットの軌跡に基づき該
回転球の回転方向を検出する構成とする。

【００１９】また、好ましくは、前記反射試料は前記回
転球の表面に形成されたドット反射試料である構成とす
る。

【００２０】また、好ましくは、前記ドット反射試料の
表面を覆うように前記回転球の表面に透明樹脂又は赤外
光透過樹脂をコーティングする構成とする。

【００２１】また、好ましくは、前記反射試料は前記回
転球の内部に配置された正多面体の反射試料である構成
とする。

【００２２】また、好ましくは、前記発光素子と前記受
光素子との間に遮光部材が配置され、該発光素子からの
光が該受光素子に直接入射しないように構成する。

【００２３】また、好ましくは、前記回転球が台座に回
転自在に支持され、且つ該台座の該回転球との対向面に
該回転球を支持する突起が形成されている構成とする。

【００２４】以下に本発明の作用を図３及び図４に基づ
き説明する。

【００２５】上記のように、受光素子を中心部に配置さ
れた１個のフォトダイオードと、このフォトダイオード
の周囲に配置された４個以上のフォトダイオードで構成
すると、以下の検出原理によって回転球の回転量及び回
転方向を検出することができる。

【００２６】即ち、図３に示すように、発光素子１８か
ら出た光は回転球１４の表面にあるドット反射試料１５
によって反射され、集光レンズ２０にて集光されて受光
素子１９の受光面３３上にスポット光３４（図４参照）
を形成する。この時、スポット光３４は回転球１４の回
転により、受光面３３上を多数個通り過ぎる。そこで、
本発明では、このスポット光３４が通り過ぎる時にＰＤ
１〜ＰＤ５で得られる単位時間当たりの出力（パルス出
力）を各電流計Ａ，Ａ…によってカウントし、このカウ
ント値により演算手段が下記（１）式に従って回転球１
４の回転量を検出している。

【００２７】出力＝Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ２）＋Ｉｓｃ（ＰＤ３）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４）＋Ｉｓｃ（ＰＤ５） …（１）次に、回転球１４の回転方向の検出原理を図４に基づき
説明する。ここで、回転球１４の回転方向の検出にはス
ポット光３４が受光面３３上でどういう軌跡を通ったか
を検出する必要がある。図４に示す受光面３３の例で
は、回転球１４の回転によりスポット光３４が図上左上
から右下の軌跡を通る例を示している。

【００２８】図４に示すように、各ＰＤ１〜ＰＤ５の光
出力のピークはＰ₁〜Ｐ₅となっており、ＰＤ５の光出力
Ｐ₅を起点にＸＹ２次元平面においてどの方向へスポッ
ト光３４が行ったかを検出する。なお、光出力のピーク
とは、同一のＰＤ上で、例えば、Ｐａ＜Ｐｂ、Ｐｂ＞Ｐ
ｃの時はＰｂを光出力のピークとする。図４に示す例で
は、Ｐ₅を起点にＰ₃とＰ₄が光出力のピークをもってい
る。

【００２９】なお、図４において、Ｐ₃’はＰＤ３が光
出力のピークＰ₃を検出した時点のＰＤ４の光出力を示
し、Ｐ₃''はその時点のＰＤ１の出力、Ｐ₃'''はその時
点のＰＤ２の出力をそれぞれ表している。

【００３０】この例では、Ｐ₅が検出された後、Ｐ₄がま
ず検出されるが、ここでは、Ｐ₄よりもＰ₄’（その時点
のＰＤ３の出力）の方が大きいのでＰ₄は無視する。次
に、Ｐ₃が検出されるが、他のＰ₃'，Ｐ₃''，Ｐ₃'''がＰ
₃よりも小さい時にＰ₃とＰ₃'の比より回転球１４の回転
方向を検出することが可能となる。つまり、本発明で
は、Ｐ₅を起点にＰ₁〜Ｐ₄の内、最大ピーク（本例で
は、Ｐ₃）を持つタイミングでその他の２番目の値
（Ｐ₃’）と比較して軌跡、即ち、回転球１４の回転方
向を求めている。

【００３１】このような本発明の入力装置によれば、ロ
ータリエンコーダを用いたトラックボールとは異なり、
密閉構造とすることが可能になるので、塵埃の侵入によ
る誤動作を発生することがない。

【００３２】また、機械的な可動部がなく、構造が簡単
なため耐久性が良くメンテナンスが不要であり、省スペ
ース化にも十分対応することが可能となる。

【００３３】更に、反射試料の密度を変化させることに
より、高分解能でセンシングすることも可能であり、あ
らゆるコンピュータ等の入力装置として使用できる。

【００３４】また、受光素子がフォトダイオードである
ので、高性能で安価、且つ小型な入力装置を実現でき
る。

【００３５】加えて、ドット反射試料の表面を覆うよう
に回転球の表面に透明樹脂又は赤外光透過樹脂をコーテ
ィングする構成によれば、ドット反射試料を保護するこ
とができるので、長期にわたって信頼性の高い入力装置
を実現できる。

【００３６】また、発光素子と前記受光素子との間に遮
光部材を配置し、発光素子からの光を受光素子に直接入
射しないように構成すると、誤動作のない入力装置を実
現できる。

【００３７】また、回転球が台座に回転自在に支持さ
れ、台座の回転球との対向面に回転球を支持する突起を
形成する構成によれば、接触抵抗を低減できるので、回
転球を小さな力でスムーズに回転することが可能にな
る。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき具体的に説明する。

【００３９】（実施形態１）図１〜図４は本発明入力装
置（トラックボール）の実施形態１を示す。まず、図１
に基づき本実施形態１の入力装置の構成について説明す
る。遮光性を有する材料からなる台座１７の上端部にお
ける中央部には半球状の支持穴１７ａが形成され、この
支持穴１７ａに回転球（ボール）１４が回転自在に支持
されている。より具体的には、支持穴１７ａの内面には
複数個の突起２１，２１…が設けられており、これらの
突起２１，２１…によって、支持穴１７ａ内にほぼ下半
分が挿入された回転球１４が回転自在に支持されてい
る。このような突起２１によって回転球１４を支持する
構造によれば、接触抵抗を低減できる分、小さな力で回
転球１４をスムーズに回転できる利点がある。

【００４０】回転球１４の表面には、円形の多数のドッ
ト反射試料１５，１５…が規則性（ここでは、表面上に
均一なピッチで形成）をもって形成されている。なお、
回転球１４表面のドット反射試料１５以外の面１６は低
反射率の表面加工が施されている。

【００４１】台座１７の支持穴１７ａの下方に位置する
部分は開口１７ｂされ、ここに、発光素子１８と受光素
子１９が取り付けられている。より具体的には、開口１
７ｂ内に上端部を臨ませて、図上左側に発光素子１８
が、右側に受光素子１９が配置されている。発光素子１
８と受光素子１９との間には遮光板２２が台座１７から
立設されている。遮光板２２は発光素子１８から右斜め
上に向けて照射される光が受光素子１９に直接入射する
のを防止する機能を有する。なお、受光素子１９の上部
には集光レンズ２０が取り付けられている。

【００４２】上記構成において、発光素子１８から回転
球１４に光を照射すると、回転球１４の表面に形成され
たドット反射試料１５からの反射光が集光レンズ２０で
集光されて受光素子１９上にスポット光を形成する。本
実施形態の入力装置では、このスポット光の軌跡をセン
シングすることにより回転球１４の回転量と回転方向を
検出している。以下にその検出原理を説明する。

【００４３】図２に示すように、上記の受光素子１９
は、５分割されたフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ５によ
って構成されている。より具体的には、中心部のＰＤ５
の周囲に４つのＰＤ１〜ＰＤ４を配置したパターンにな
っている。なお、図２において、符号３３は受光素子１
９の受光面を示し、符号２８はＰＤ１の受光面を、２９
はＰＤ２の受光面を、３０はＰＤ３の受光面を、３１は
ＰＤ４の受光面を、３２はＰＤ５の受光面をそれぞれ示
している。

【００４４】但し、ＰＤ１〜ＰＤ５のパターン例は図２
に示すものに限定されるものではなく、中心部に１つ配
置し、その周囲に４つ以上のＰＤを配置するものであれ
ばよい。即ち、このような配置形態によれば、後述の説
明で明かなように、回転球１４の回転量及び回転方向を
検出できるからである。

【００４５】図３は入力装置の検出回路を示す。ＰＤ１
〜ＰＤ５には、それぞれ電流計Ａが接続されており、各
電流計Ａ，Ａ…はＰＤ１〜ＰＤ５で得られる単位時間当
たりの出力（パルス出力）をカウントし、最終的にこれ
らのカウント値に基づき図示しない演算手段が後述の
（１）式に基づき、回転球１４の回転量を検出する検出
形態をとっている。

【００４６】今少し具体的に説明すると、発光素子１８
から出た光は回転球１４の表面にあるドット反射試料１
５によって反射され、集光レンズ２０にて集光されて受
光素子１９の受光面３３上にスポット光３４（図４参
照）を形成する。この時、スポット光３４は回転球１４
の回転により、受光面３３上を多数個通り過ぎる。そこ
で、本実施形態では、このスポット光３４が通り過ぎる
時にＰＤ１〜ＰＤ５で得られる単位時間当たりの出力
（パルス出力）を各電流計Ａ，Ａ…によってカウント
し、このカウント値により演算手段が下記（１）式に従
って回転球１４の回転量を検出する検出形態をとってい
る。

【００４７】出力＝Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ２）＋Ｉｓｃ（ＰＤ３）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４）＋Ｉｓｃ（ＰＤ５） …（１）次に、回転球１４の回転方向の検出原理を図４に基づき
説明する。ここで、回転球１４の回転方向の検出にはス
ポット光３４が受光面３３上でどういう軌跡を通ったか
を検出する必要がある。図４に示す受光面３３の例で
は、回転球１４の回転によりスポット光３４が図上左上
から右下の軌跡を通る例を示している。

【００４８】図４に示すように、各ＰＤ１〜ＰＤ５の光
出力のピークはＰ₁〜Ｐ₅となっており、ＰＤ５の光出力
Ｐ₅を起点にＸＹ２次元平面においてどの方向へスポッ
ト光３４が行ったかを検出する。なお、光出力のピーク
とは、同一のＰＤ上で、例えば、Ｐａ＜Ｐｂ、Ｐｂ＞Ｐ
ｃの時はＰｂを光出力のピークとする。図４に示す例で
は、Ｐ₅を起点にＰ₃とＰ₄が光出力のピークをもってい
る。

【００４９】なお、図４において、Ｐ₃’はＰＤ３が光
出力のピークＰ₃を検出した時点のＰＤ４の光出力を示
し、Ｐ₃''はその時点のＰＤ１の出力、Ｐ₃'''はその時
点のＰＤ２の出力をそれぞれ表している。

【００５０】この例では、Ｐ₅が検出された後、Ｐ₄がま
ず検出されるが、ここでは、Ｐ₄よりもＰ₄’（その時点
のＰＤ３の出力）の方が大きいのでＰ₄は無視する。次
に、Ｐ₃が検出されるが、他のＰ₃'，Ｐ₃''，Ｐ₃'''がＰ
₃よりも小さい時にＰ₃とＰ₃'の比より回転球１４の回転
方向を検出することが可能となる。つまり、本実施形態
では、Ｐ₅を起点にＰ₁〜Ｐ₄の内、最大ピーク（本例で
は、Ｐ₃）を持つタイミングでその他の２番目の値
（Ｐ₃’）と比較して軌跡、即ち、回転球１４の回転方
向を求めている。

【００５１】より具体的には、ＸＹ２次元平面における
２点の位置を求め、その傾きを検出することにより、回
転球１４の回転方向を求めている。このため、この検出
形態によれば、中心部の１つのＰＤの周囲に４つ以上の
ＰＤを配置する必要がある。

【００５２】（実施形態２）図５は本発明入力装置の実
施形態２を示す。本実施形態２の入力装置は、回転球１
４の内部中央部に正多面体の反射試料２４を設けた構造
をとり、その他の構成については実施形態１の入力装置
と同様になっている。従って、対応する部分に同一の符
号を付し、重複する説明は省略する。

【００５３】本実施形態２の回転球１４は、その構造よ
り光又は赤外光を中央部の反射試料２４に導くために、
透明樹脂又は赤外光透過樹脂で作製されている。

【００５４】本実施形態２の入力装置においても、実施
形態１同様の検出原理で回転球１４の回転量及び回転方
向を検出することができる。

【００５５】（実施形態３）図６は本発明入力装置の実
施形態３を示す。本実施形態３の入力装置は、回転球１
４の表面に形成されるドット反射試料１５の形成密度が
高密度になっている点のみが実施形態１の入力装置とは
異なっている。なお、実施形態１と対応する部分には同
一の符号を付してある。

【００５６】本実施形態３の入力装置によれば、ドット
反射試料１５の形成密度が高い分、実施形態１の入力装
置よりも高分解能のセンシングが可能となる利点があ
る。

【００５７】このように、本発明によれば、反射試料１
５の形成密度を要求されるコンピュータ等の装置の仕様
に合わせて任意に選択することにより、種々のレベルの
分解能を有するセンシングが可能となる。

【００５８】（実施形態４）図７は本発明入力装置の実
施形態４を示す。本実施形態４の入力装置は、回転球１
４の表面に正多面体の反射試料２４を実施形態２の場合
よりも高密度に形成したものである。なお、上記各実施
形態と対応する部分には同一の符号を付してある。

【００５９】本実施形態４の入力装置によれば、正多面
体の反射試料２４の形成密度が高い分、実施形態２の入
力装置よりも高分解能のセンシングが可能となる利点が
ある。

【００６０】（実施形態５）図８は本発明入力装置の実
施形態５を示す。本実施形態５の入力装置は、ドット反
射試料１５を覆うように回転球１４の表面に透明樹脂又
は赤外光透過樹脂からなるコーティング４０を施した点
のみが実施形態１の入力装置とは異なっている。なお、
実施形態１と対応する部分には同一の符号を付してあ
る。

【００６１】本実施計形態の構造によれば、ドット反射
試料１５がコーティング４０によって覆われており、回
転球１４の回転時にもドット反射試料１５が突起２１に
接触することがないので、ドット反射試料１５の耐久性
を向上できる。このため、検出精度を長期にわたって維
持できるので、より信頼性の高い入力装置を実現できる
利点がある。

【００６２】なお、上記の実施形態は、本発明のあくま
でも一例を示すものであり、上記以外に種々の変形が可
能である。

【００６３】

【発明の効果】以上の本発明入力装置によれば、回転球
の回転量及び回転方向を高分解能にセンシングできる小
型、省スペース、高耐久且つ高信頼性のメンテナンスフ
リーのコンピュータ等の入力装置を安価に実現すること
ができる。

【００６４】加えて、反射試料の密度を変化させること
により、高分解能でセンシングすることも可能であり、
あらゆるコンピュータ等の入力装置として使用できる。

【００６５】また、受光素子がフォトダイオードである
ので、高性能で安価、且つ小型な入力装置を実現でき
る。

【００６６】また、特に請求項４記載の入力装置によれ
ば、ドット反射試料の表面を覆うように回転球の表面に
透明樹脂又は赤外光透過樹脂をコーティングする構成を
とるので、ドット反射試料を保護することができる分、
長期にわたって信頼性の高い入力装置を実現できる。

【００６７】また、特に請求項６記載の入力装置によれ
ば、発光素子と前記受光素子との間に遮光部材を配置
し、発光素子からの光が受光素子に直接入射しないよう
に構成しているので、誤動作のない入力装置を実現でき
る。

【００６８】また、特に請求項７記載の入力装置によれ
ば、回転球が台座に回転自在に支持され、台座の回転球
との対向面に回転球を支持する突起を形成しているの
で、接触抵抗を低減できる分、回転球を小さな力でスム
ーズに回転することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明入力装置の実施形態１を示す断面図。

【図２】実施形態１の入力装置の受光素子の配置例を示
すパターン図。

【図３】実施形態１の入力装置の検出回路を示す回路
図。

【図４】実施形態１の入力装置の回転球の回転方向の検
出原理を示す図。

【図５】本発明入力装置の実施形態２を示す断面図。

【図６】本発明入力装置の実施形態３を示す断面図。

【図７】本発明入力装置の実施形態４を示す断面図。

【図８】本発明入力装置の実施形態５を示す断面図。

【図９】トラックボールの一従来例を示す斜視図。

【図１０】トラックボールの他の従来例を示す断面図。

【符号の説明】

１４回転球１５ドット反射試料１７台座１７ａ支持穴１８発光素子１９受光素子２０集光レンズ２１突起２２遮光板２４反射試料４０コーティングＰＤ１〜ＰＤ５フォトダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の反射試料が規則性をもって配置さ
れた回転球に発光素子より光を照射し、該回転球の変位
に連動して移動する該回転球からの反射光を受光素子で
受光し、該受光素子の検出信号に基づき該回転球の回転
量及び回転方向を検出するように構成された入力装置。
【請求項２】前記受光素子が中心部に配置された１個
のフォトダイオードと、該フォトダイオードの周囲に配
置された４個以上のフォトダイオードで構成され、各フ
ォトダイオードで検出される単位時間当たりの出力に基
づき前記回転球の回転量を検出し、該受光素子の受光面
上を移動する反射スポットの軌跡に基づき該回転球の回
転方向を検出するように構成された請求項１記載の入力
装置。
【請求項３】前記反射試料は前記回転球の表面に形成
されたドット反射試料である請求項１又は請求項２記載
の入力装置。
【請求項４】前記ドット反射試料の表面を覆うように
前記回転球の表面に透明樹脂又は赤外光透過樹脂をコー
ティングしてある請求項３記載の入力装置。
【請求項５】前記反射試料は前記回転球の内部に配置
された正多面体の反射試料である請求項１又は請求項２
記載の入力装置。
【請求項６】前記発光素子と前記受光素子との間に遮
光部材が配置され、該発光素子からの光が該受光素子に
直接入射しないように構成された請求項１〜請求項５の
いずれかに記載の入力装置。
【請求項７】前記回転球が台座に回転自在に支持さ
れ、且つ該台座の該回転球との対向面に該回転球を支持
する突起が形成されている請求項１〜請求項６のいずれ
かに記載の入力装置。