KR100534388B1 - 포인팅 장치 및 이를 구비하는 스캐너, 로봇,휴대통신장치, 전자사전 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지타이저 등의 타블렛이 필요 없고 장치적으로 간단한 포인팅 장치 및 이를 포함하는 스캐너를 제공하기 위한 것으로서, 빛을 조사하는 광원, 장치 전체의 움직임에 의하여 회전하는 볼, 입력된 이미지로 장치의 움직임을 검출하는 광학 이미지 센서로 이루어지고, 움직이는 볼에 상기 광원으로 빛을 조사하여 볼표면의 이미지를 광학 이미지 센서에서 받아들여, 이전 이미지와 현재 이미지의 차이를 비교 분석하여 볼 회전의 이동방향과 거리 데이터를 검출하여 출력하는 것을 특징으로 한다. 또한 볼표면에 반사된 이미지를 렌즈를 이용하여 광학 이미지 센서에 일정한 배율로 입력되도록 하는 것, 베어링볼을 볼과 접촉되게 배치하여 볼의 회전을 원활하게 하는 것 및 장치 형태는 펜 타입인 것이면 더욱 바람직하다.

Description

포인팅 장치 및 이를 구비하는 스캐너, 로봇, 휴대통신장치, 전자사전{POINTING DEVICE, AND SCANNER, ROBOT, MOBILE COMMUNICATION DEVICE AND ELECTRONIC DICTIONARY USING THE SAME}

본 발명은 포인팅 장치에 관한 것으로서, 특히 펜 형태로 된 마우스 장치에 관한 것이다.

종래에 통상의 마우스는 마우스 패드 등의 평평한 면에 마우스를 이동시켜 마우스의 볼을 굴림으로써 커서를 이동시키거나 클릭을 실현하고 있다.

또한 상기 통상의 마우스 대신에 펜형 마우스를 사용하여 작업을 하는 경우도 있다. 이는 마우스를 펜 모양으로 형성하여 인간의 필기동작과 유사하게 하여 마우스의 동작을 좀 더 편하게 하고자 하는 것이다.

일반적으로 펜형 마우스는 디지타이저 등의 타블렛 위에서 펜형 마우스를 근접시키거나 접촉시키는 것을 타블렛이 인식하는 방법이다.

또한 커서의 이동이 펜형 마우스를 타블렛 위에서 타블렛에 접촉하면서 이동시켜서 이루어지는 것이 아니라, 타블렛 위를 일정한 간격(통상은 1.5cm 이내)을 두고 즉 비접촉으로 이동시킴으로써 이루어진다. 따라서 펜형 마우스를 이동시키는 것, 즉 타블렛으로부터 일정한 거리 이내로 떨어뜨리면서 펜형 마우스를 이동시키는 것이 불편하며, 펜형 마우스를 조금만 사용하여도 손목 등이 피곤하게 된다. 컴퓨터 및 마우스의 사용이 비약적으로 증가하고 있는 요즈음 이는 치명적인 약점이 되고 있다.

또한 종래의 볼 마우스로 펜 타입의 마우스를 구현하기 위하여 볼이 작아져야 하는데, 볼이 작아지면 마우스 움직임의 감도가 급격히 떨어져 기구상으로 기존 마우스의 감도를 갖게 하는 것이 어려웠다. 즉 볼을 이용한 대부분의 포인팅 장치는 일반적으로 피니언기어 등을 통하여 볼의 회전을 인지하는 방법을 사용한다. 그러나 볼이 작아질수록 피니언 기어를 회전시킬 수 있는 구동력이 작아진다. 따라서 포인팅 감도 및 정확도가 떨어지게 되어 펜 타입 마우스 등에 적합하지 않았다.

또한 종래의 광학 이미지 방식으로 만든 펜형 마우스는 동작시 기울기가 변하면 이미지 센서와 평면과의 거리도 변하여 초점이 맞지 않는 이유 등으로 마우스의 동작이 인식되지 않는 문제점이 있었다.

또한 종래의 펜 타입의 광학방식 장치로 포인팅 장치를 구현하는 방법으로 렌즈를 작게 하여 심도를 깊게(카메라에서의 렌즈의 조리개를 작게 하여 물체의 상이 맺게되는 거리를 길게 함)하며 장치 앞에 뾰족하게 돌출된 볼펜이나 팁포인트(Tip Point)로 이미지와 일정거리를 유지하도록 하여 포인팅 동작에 따른 장치의 기울기에 따른 물체의 이미지 왜곡현상을 어느 정도 극복시켜주는 방식도 있지만 일정한 패턴이 놓여 있는 평면(패턴이 인쇄된 종이나 마우스 패드 등)에서만 포인팅 기능이 가능하다.그리고, 종래기술의 펜형 마우스는 측면의 베이링볼 지지부의 리테너에서 삽입되어 그 위치에서만 회전하는 베어링볼에 마우스 볼이 접촉되어 회전하게 됨으로써, 마우스 볼의 회전이 원활하지 못한 단점이 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여, 마우스 볼이 원할하게 회전할 수 있게 하여 움직임의 감도가 매우 뛰어난 펜타입 또는 마우스 타입 포인팅장치를 제공하기 위한 것이다.

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또한 펜 타입의 포인팅 장치에서 장치를 움직여 포인팅을 검출하는 매개체인 볼의 크기가 작아도 마우스로 사용할 수 있는 충분한 포인팅 감도를 갖는 펜 타입의 마우스를 제공하기 위한 것이다.

또한 작은 크기의 볼을 채택함으로써 펜 타입의 스캔장치 등에서 엔코더 기능 및 필기 기능을 구비하는 포인팅 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 간단한 구조이며 따라서 값싼 포인팅 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한 휴대폰 등에서도 소형의 펜타입 포인팅 장치를 장착시켜 포인팅기능에 의한 필기인식기능을 제공하여 주소록 검색시의 색인어 입력 및 검색기능을 제공하며 필기메모기능과 그림 그리기 기능을 제공한다.

또한 본 발명은 필기 문자인식 기능, 전자사전 기능 및 화면 디스플레이 장치를 구비하여 인식된 문자로 구성되는 단어에 관한 사전내용을 디스플레이 장치의 화면에 출력하는 전자사전을 제공한다.

또한 본 발명은 간단한 스크롤용 버튼 하나로 다양한 종류의 펜타입 포인팅 장치에서도 화면의 스크롤 기능을 제공한다. 즉, 스크롤 버튼을 누른 상태에서 펜타입 포인팅 장치를 상하로 움직으로써 포인팅하여 스크롤 기능을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 펜 타입의 포인팅 장치를 구현하기 위한 일반적인 문제(포인팅의 감도, 기구물의 외형 크기)를 해결한 것으로서, 작은 볼을 채용하고 이의 움직임을 광학 이미지 센서를 사용하여 검출하는 것이다.

광학 이미지 센서는 광마우스에서 많이 사용되고 있다. 현재 대부분의 광학 마우스에서는 광학 이미지 센서에서 400dpi(dot/inch) 해상도를 가질 수 있는 렌즈와 조합하여 사용하며 광학부에서 움직임을 검출하기 위한 계산에 필요한 이미지는 프레임당 16x16픽셀의 데이터를 사용하고 있다.

도1은 광학 이미지 센서에 입력된 이미지 데이터의 예로서 64레벨의 그레이 이미지(gray image)이다.(Agilent Optical mouse Sensor ADNS-2051, HDNS-2000 Data Sheet 참조). 광학 이미지 센서 내부는 이미지를 받아들이는 IAS(Image Acquisition system)과 입력된 이미지를 디지털 신호처리 하는 DSP(Digital Signal processor)와 마우스의 PS/2 모드를 선택하는 기능과 x, y축 성분에 해당되는 데이터로 변환하여 출력하는 출력 변환기(OUTPUT Converter)로 이루어져 있다. 광학 이미지 센서 내부의 DSP(Digital Signal Processor)는, 전후로 샘플링 되어 입력된 이전 이미지와 현재의 이미지를 상관(correlation) 계산에 의하여 비교, 분석하여 방향과 거리를 계산하고 이를 가로, 세로방향(x, y축 성분)으로의 변위 데이터로 출력한다. 도1의 2개의 이미지를 비교 분석하면 이미지가 좌측으로 3픽셀, 하측으로 1픽셀 이동했음을 알 수 있다. 이러한 이미지의 이동방향 및 거리의 계산은 시간이 많이 걸리지만 디지털 신호처리 프로세서(DSP)를 이용하면 짧은 시간 안에 계산해낼 수 있다.

따라서 광마우스에서 실제로 받아들이는 마우스 패드 등 평면의 영상의 크기는 400dpi에서 가로, 세로 16픽셀을 나타낼 수 있는 크기이면 족하다.

즉, 16 픽셀 ÷ (400픽셀/25.4mm) = 1.016 mm이다.

이론적으로는 약 1.0mm이지만 보통의 마우스에서 약간의 흔들림을 고려할 때에 안정적인 데이터 입력을 위해서는 대략 영역의 크기가 1.5mm × 1.5mm 정도이면 된다. 또한 보다 작은 영역의 볼표면에 의거하여 볼의 움직임을 검출할 수 있도록 하기 위해서는, 이미지를 받아들이는 렌즈를 800dpi에 맞도록 설계하면 광마우스 내부의 이미지 프로세싱에 필요한 16픽셀 × 16픽셀에 해당되는 면적은 1.0mm의 1/2인 0.5mm × 0.5mm가 된다. 이와 같이 렌즈의 해상도(배율)를 높이게 되면 광학 이미지 센서에서 처리하는 이미지 데이터에 해당되는 볼표면의 면적이 작게된다. 그에 따라서 작은 볼을 채택할 수 있게 되어 펜형 마우스로의 구현이 가능하게 된것이다. 지름 3mm이상의 볼에서 1mm × 1mm에 해당되는 볼표면(400dpi 해상도에 해당되는 렌즈 사용시)의 이미지를 이용하여 마우스 움직임을 검출할 수 있다.

본 발명에서는 광학 이미지 센서에 400dpi 해상도의 이미지가 입력되도록 설계된 렌즈로써 광학 이미지 센서와 렌즈와의 거리는 약 15mm이고, 렌즈와 볼표면의 거리는 15mm로 구성하였으며 렌즈의 초점심도는 약1mm 로서 렌즈와 볼표면의 거리가 14mm에서 16mm 사이에 위치된 볼표면의 이미지를 광학 이미지 센서로 읽어드려 마우스 움직임에 대한 데이터를 검출할 수 있다.

광마우스의 조명은 일반적인 광학센서와 차이가 있는데 그것은 16도에서 25도 사이의 조명각도(보통은 20도 전후)를 갖게 하여 움직임을 검출하는 면의 거친 상태(조도(粗度))를 구분하게 함으로써 아무것도 쓰여있지 않은 백지 위에서도 움직임이 검출되고 있다. 본 발명에서는 약간의 조도(미세하지만 표면에 요철이 있는 상태)를 갖는 볼을 채택하여 움직이는 볼의 표면을 검출함으로써 마우스 기능을 갖는다.

또한 광섬유를 이용한 광가이드는 빛을 물체 표면 가까이까지 유도하므로 조사의 효율이 매우 좋고, 또한 광섬유를 자유자재로 구부릴 수 있으므로 장치의 공간을 최소로 할 수 있다. 실제로도, 종래의 광학 이미지 방식의 마우스에서 널리 사용되는 광가이드 대신에 광섬유를 사용하여 빛을 물체에 조사하였을 때에 마우스 감도가 더 뛰어남을 알 수 있다. 이것은 LED에서 나온 빛이 퍼지는 특성 때문에 원하는 물체 표면에까지 도달하면서 필요 없는 표면까지 빛이 비쳐지기 때문에 광량의 손실이 있다. 반면, 광섬유는 구부려도 빛의 전달이 잘 이루어져 물체 표면 가까이에 근접시켜 조사하면 광량의 대부분을 물체 표면에 집중시킬 수가 있다. 따라서 양질의 이미지를 광학 이미지 센서가 얻게 되어 마우스 포인팅 감도가 좋아진다.

또한 광학 이미지 센서에서 볼의 움직임이 잘 검출될 수 있도록 볼 표면에 특정 패턴의 무늬를 인쇄하는 것이 바람직하다. 볼 표면의 패턴 무늬는 16픽셀(400DPI 기준)의 1/2인 8픽셀 단위로 영상이 구분될 수 있도록 하여, 8픽셀 내의 이미지에 점, 선 또는 패턴 무늬가 적어도 하나 이상 있도록 한다. 이러한 형태는 지오데식(Geodesic) 구면 형태의 정삼각형으로 나타낼 수 있다(도14 참조). 따라서 각각의 정삼각형 위치마다 패턴을 갖게 하며 이웃한 패턴들과 구분되는 형태를 갖으면 가장 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 한 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저 도면에 사용되고 있는 부호에 대하여 설명한다. 도2∼도6은 본 발명에 의한 한 실시예의 구성을 나타내는 모식도로서, 마우스의 내부구조 및 일부의 외부구조를 나타낸다.

도면에서 101은 LED(Light Emitting Diode) 등으로 구성되어 빛을 발산하는 광원이다. 102는 광섬유 등으로 구성된 광가이드로서, 상기 LED101에서 발산되는 빛을 원하는 방향 즉 볼103으로 유도한다. 상기 LED101로부터의 광이 볼103에 정확히 조사될 수 있다면 본 광가이드102는 생략될 수 있다. 즉, 칩LED를 광원으로 사용하여 볼103 표면에 가까이서 조사하여 광가이드102를 생략할 수 있다.

103은 볼(ball)로서 통상의 마우스에서 사용되는 볼과 유사한데, 그 구면(球面)에는 미세한 요철이 형성되어 있거나 특정한 패턴이 인쇄되는 것이 바람직하다. 104는 렌즈로서 볼103에서 반사된 빛을 집광(集光)하는 역할을 하는 것으로 이미지를 적절한 크기로 확대시키는 역할을 한다. 그러나 렌즈104는, 볼103과 광학 이미지 센서106의 거리가 가까워 반사된 이미지가 배율될 필요 없어 직접 광학 이미지 센서106으로 입력될 수 있는 것이라면 생략될 수 있다.

105는 반사경으로서, LED101에서 광가이드102를 통하여 볼103에 조사되고 반사되어 렌즈104에 의하여 집광되는 빛의 방향을 바꾸어 광학 이미지 센서 106으로 조사되게 한다. 도6과 같이 빛이 직접 광학 이미지 센서106으로 입사되면 반사경105는 생략될 수 있다. 106은 광학 이미지 센서로서 광마우스에 사용되는 것과 유사한 것을 사용할 수 있다.

107, 107a은 볼과 접촉되어 회전을 원활하게 하기 위한 베어링볼로서, 특히 베어링볼107a은 볼이 외부로 나가지 않도록 하단부에 위치되어 있다. 이 베어링볼107, 107a은 볼이 장치에서 빠지지 않고 원활하게 회전할 수 있다면 생략될 수 있다. 108는 각각의 베어링볼107, 107a를 감싸고 있는 베어링볼 지지부로서, 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성되어 있어 재질 특성상 베어링볼107, 107a의 회전을 매끄럽게 하고 있다. 도3에는 이들 배치의 한 예를 나타내고 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 베어링볼107, 107a가 볼103의 작동압력을 균등하게 받아드려 안정되고 원활하게 회전되도록 구성되어 있으면 족하다. 도4에는 베어링볼 배치의 다른 실시예를 나타내고 있다. 도4의 (a)는 볼과 베어링볼 지지부 사이에 베어링볼이 움직일 수 있는 공간을 설정하고 설정된 공간내에 다수의 베어링볼이 볼과 접촉되어 회전할 때에 베어링볼이 이동할 수 있도록 되어있다. 도4의 (b)와 (c)의 구조에서의 109는 베어링의 리데나(Retainer 또는 리테이너)와 유사한 형태의 베어링볼 리데나로서 베어링볼이 리데나109 안에서 원활한 회전을 갖는 구조로 되어있다. 도4(b)의 리데나109는 리데나109의 내면에 레일상의 홈을 형성하여 베어링볼107을 수용하고, 도4(c)의 리데나109는 리데나109의 내면에 홈을 형성하여 이 홈에 베어링볼107을 수용한다. 리데나109는 장치의 수직축을 중심으로 회전이 가능한 경우도 있다.

도4의 (d)의 구조는 베어링볼 지지부의 하단 영역에 볼103에 접촉되지 않는 베어링볼이 밀려 이동될 수 있도록 환상(環狀)의 테두리 공간이 형성되어 있다. 도4(e)는 (d)의 3차원 도면의 중간 절단면을 보여주고 있다. 베어링 지지부의 상단 영역에는 광학 이미지 센싱을 위하여 베어링볼이 광이 조사되는 곳으로 들어오지 못하게 하는 환상(環狀)의 방지턱120이 형성되어 있으며, 방지턱120에 닿는 베어링볼701, 705의 영역은 베어링볼이 밀려 이동될 수 있도록 환상(環狀)의 홈709이 형성되어 있다. 이러한 상하의 환상의 홈은 볼103의 회전시에 베어링볼들에 밀려서 이동되기 쉽도록 하기 위한 것이다. 하단의 환상의 홈710에 있는 베어링볼704가 볼103이 반시계방향으로 회전할 때 상측으로 올라가고 이에 따라 베어링볼703이 밑으로 내로온다. 베어링볼701은 볼103의 회전에 의하여 올라가서 환상의 방지턱120에 걸리면 환상의 홈을 통하여 도면상에서 좌측으로 이동하게 된다(도4(d),(f)). 한편 베어링볼705, 706은 볼103에 맞물려 볼103의 회전방향에 따라 하단으로 움직인다.

도4(f)는 위에서 내려다 본 베어링볼의 흐름도로서, 볼103이 반시계방향으로 회전할 때 볼과 맞물려 이동하는 베어링볼은 우측에서 좌측으로 이동되고 있다. 좌측 하단에 위치한 베어링볼707, 708은 계속 밀려 내려오는 베어링볼705, 706에 의하여 환상홈 및 주위의 공간 내에서 우측으로 움직이며 일정거리 이상 이동되면 베어링볼707은 환상홈에서 흘러 나와서 볼103과 맞물려 다시 좌측으로 이동하게 된다. 즉 이와 같이 베어링볼은 볼103의 회전과 함께 무한궤도의 형태로 이동하게 되어 있음을 보여주고 있다.

또한 도4(g)는 상단부와 하단부에 약간의 공차만을 더 두게 한 환상홈을 형성하여 도4(d)에서 설명한 원활한 베어링볼의 흐름에 대한 효과를 갖도록 한 것이다. 도4(h)는 도4(g)에서의 베어링볼들의 흐름을 위에서 바라본 도면이다. 볼103이 반시계방향으로 회전하는 경우에 베어링볼의 흐름은 상기에서 설명한 것과 유사하다. 우측에 있는 베어링볼713, 712, 711은 반시계방향으로 볼103이 회전함에 따라 올라가서 우측 베어링볼 방지턱120에 도달한다. 이때의 베어링볼711, 712, 713은 상측 환상홈을 통하여 좌측으로 이동하며, 이동된 베어링볼711, 712, 713은 좌측 하단으로 이동된다. 좌측 하단으로 이동된 베어링볼은 계속 밀려들어오는 베어링볼에 의하여 하단의 여유있는 원형테두리 공간을 통하여 우측으로 흘러들어가며 적절한 지점에서 볼103에 맞물려 다시 좌측방향으로 이동하게 되어 있다.

110은 펜형 마우스의 내부장치이고, 111은 외부장치이다. 112는 스프링으로서 볼103을 통하여 마우스에 가해지는 압력 및 충격을 흡수하며, 사용자로 하여금 필압(筆壓)을 느끼게 하고, 또한 후술하는 바와 같이 압력이 일정 이상이 되면 버튼 스위치113을 온 시킨다. 113, 114는 버튼 스위치로서 통상의 마우스의 좌/우 버튼의 역할을 한다. 즉 클릭이나 드래그 등을 위하여 사용된다.

이하, 광이 조사되어 볼103의 움직임이 검출되는 작용에 대하여 설명한다. LED101에서 조사된 빛은 광가이드102에 입력되고, 광가이드102는 LED101의 빛을 볼103의 표면에 조사되도록 유도한다. 볼103 표면에 조사되어 반사된 빛은 렌즈104를 통하여 반사경105를 거쳐 광학 이미지 센서106으로 입력되고 이미지 처리가 이루어져 볼103 표면의 움직임, 즉 마우스의 움직임을 검출한다. 광학 이미지 센서106은 일반적으로 PS2통신 등의 통신기능이 내장되어 있어, 볼103의 움직임을 나타내는 데이터를 외부의 PC 등으로 전송하여 마우스 기능을 가능하게 된다. 상기 동작에 있어서 볼103은 그 표면에 일정한 조도(粗度) 즉 거칠기를 갖고 있다. 볼103의 미세한 요철에 의거하여 볼103의 움직임을 광학 이미지 센서106이 검출할 수 있다.

도5는 마우스를 내부장치110과 외부장치111로 분리하고 버튼 스위치113, 114를 배치한 하나의 예이다. 마우스 패드 등의 평면에 접촉된 볼103을 누르면 내부장치110이 일체가 안으로 들어가 버튼 스위치113을 누르게 되는데, 이는 마우스의 왼쪽 버튼 등으로 활용할 수 있다. 외부에 노출된 버튼 스위치114는 마우스의 오른쪽 버튼 등으로 활용할 수 있다. 볼을 누르지 않으면 스프링112에 의해 내부장치가 밑으로 밀리게 되어 버튼 스위치113이 작동하지 않게 된다. 버튼 스위치113을 마우스의 왼쪽 버튼으로 활용할 경우에는 상기와 같이 내부장치110과 버튼 스위치113 사이에 적당한 간격이 있어 일정 거리 이상 볼103이 눌려지면 내부장치110 전체가 스프링112의 탄성력에 반하여 위로 이동되어 버튼 스위치113이 눌려져 작동되도록 한다. 또한 볼103에 압력이 가해질 때에 볼103 만이 이동하여 버튼 스위치113을 작동하게 하는 것도 가능하다.

한편, 도6은 광학 이미지 센서106을 SMD(Surface Mounting Device) 타입 등으로 제작하였을 때의 구성을 나타내는 모식도이다. 도5와는 달리 반사경의 필요가 없어지고 광학 이미지 센서가 상당히 작아지기 때문에 전체적으로 마우스를 작게 구현할 수 있게 되어 범용적으로 쓰일 수 있는 엔코더 기능의 장치로서도 활용될 수 있다. 도5와 도6의 115는 스크롤 버튼이다. 버튼을 누른 상태에서 상하의 포인팅 작업으로 스크롤 기능이 가능하다. 이 기능은, 장치에 탑재된 컨트롤러칩 내부의 ROM 프로그램을 수정하는 것으로서 간단하게 구현된다. 즉, 스크롤 버튼이 눌러진 상태에서 포인팅 장치를 위로 혹은 아래로 움직여 이동된 거리가 설정된 거리이상, 즉 움직인 거리에 대한 픽셀 값이 설정된 값 이상이면 상하의 스크롤 데이터가 발생한 것으로 간주하여 스크롤 기능을 구현한다. 이러한 방식은, 펜타입의 포인팅 장치 또는 펜마우스에서 휠을 회전시켜 스크롤을 구현하는 것보다 휠씬 편리하다.

일반적인 휠마우스에서의 스크롤 기능은, 휠을 회전시킴으로써 화면이 상하로 스크롤되어 이루어진다. 내부적으로는 휠을 회전시킬 때에 전자적인 펄스를 출력하여 하나의 펄스마다 화면의 스크롤이 실행되게 된다. 휠을 한바퀴 회전하였을 때에 22개의 펄스가 출력된다. 휠의 직경은 보통 24.5mm이고 휠의 둘레길이는 76.96mm 이다. 따라서 한　개의 펄스에 해당되는 길이는 3.49mm 이고, 이는 400 dpi의 해상도에서 약 55 픽셀에 해당되기 때문에 휠버튼을 약 3.49mm 움직이면 한 개의 스크롤 펄스를 출력한다.

본 발명에서의 스크롤 기능에 대하여 도5, 6 및 도28, 29, 30을 참조하면서 상세히 설명한다.

도28은 본 발명에 의한 포인팅 장치 내부의 콘트롤러와 주변 신호를 나타내는 구성도이다. 600은 광센서 등의 센서로부터 오는 장치의 좌표 변위를 나타내는 데이터로서, 포인팅 장치가 움직일 때에 x, y축으로의 움직임을 검출하여 그것을 수치화한 데이터이다. 601, 602는 좌우측의 버튼에 대한 데이터로서, 각각 포인팅 장치의 왼쪽 버튼과 오른쪽 버튼이 눌러졌을 때의 신호가 입력된다. 603은 스크롤 버튼에 대한 데이터로서, 스크롤 버튼이 눌러졌을 때의 상태를 데이터로서 입력한다.

604는 컨트롤러칩으로서 시스템을 제어하고 데이터의 입출력을 실행하는 프로그램이 장착되여 있다. 605는 컨트롤러칩604 내부에 장착된 프로그램 가능한 ROM 메모리이다. 606은 PC 등의 외부장치와 PS/2 또는 USB 방식으로 통신을 하는 인터페이스이다. 컨트롤러칩604는 버튼 상태와 장치 움직임의 좌표 변위를 입력받아 PC 등에 전달한다. 입력 데이터들의 값이 보통은 칩 내부의 레지스터에 저장되는데, 이 때에 스크롤 버튼이 눌러져 있는가를 체크하여 스크롤 데이터 처리를 수행한다. 일반적인 3D 포인팅 장치에서는 컨트롤러칩604는 추가적으로 Z축 관련 스크롤 데이터 또는 해당 펄스열 입력신호의 데이터를 받는다.

본 발명의 스크롤 기능, 즉 도5와 도6의 스크롤 버튼115을 누른 상태로 상하방향으로 장치를 움직여 화면의 상하 스크롤을 구현하기 위해서는 컨트롤러칩604의 내부 프로그램을 수정하여야 한다. 도27과 도28을 예로 들어 수정된 프로그램을 내장하는 컨로롤러604의 데이터 처리기능을 설명한다.

기존 마우스 장치의 제어 프로그램에서는 입력 데이터를 처리할 때 마다 도29의 처리루틴을 콜(CALL)해 주도록 수정한다. 도29는 스크롤 처리루틴를 나타내는 플로우챠트로서, 버튼 및 좌표변위 등의 입력 데이터의 변화가 있는가를 체크하여 스크롤의 데이터 처리를 수행한다.

610은 스크롤 기능처리에 대한 루틴을 나타내고 있다. 단계610을 제어 프로그램에서 콜(CALL)하면 곧바로 단계611을 실행한다. 단계611에서는 데이터의 변화가 있는가를 판단하여 변화가 있는 경우에 단계620의 스크롤 데이터 처리루틴을 수행하고 그렇지 않으면 단계610을 부른 메인 루틴으로 리턴된다.

도30의 단계620은 스크롤 데이터를 처리하는 서브루틴이다. 단계621에서 스크롤 버튼이 눌러졌는가를 체크하고, 눌러져 있지 않으면 단계629에서 Y축 누적 픽셀값을 0으로 초기화 하고 단계620 루틴을 부른 메인루틴으로 리턴된다. 단계621에서 스크롤 버튼이 눌러져 있다고 판단되는 경우에는 단계622를 수행한다. 여기서는 컨트롤러의 X, Y 입력 데이터 중에서 포인팅 장치 움직임이 감지된 Y축 변위 데이터Yd를 상수Yp에 누적하여 놓는다. 누적 픽셀값Yp는 스크롤 버튼이 눌러진 상태에서의 Y축으로 이동된 포인팅 장치의 포인팅의 픽셀값이다.

단계622를 수행한 후에는 단계623을 실행한다. 단계623에서는 스크롤 버튼이 눌러진 상태에서 포인팅 장치의 커서가 움직이지 않도록 X, Y 입력 데이터를 0으로 설정해 놓는다.

단계623을 수행한 후에는 단계625에서 누적 픽셀값Yp가 설정 픽셀값Yth보다 큰가를 판단한다. 그 판단 결과에 의하여 큰 경우에는 단계626을, 작은 경우에는 단계627을 실행한다.

여기에서 설정 픽셀값Yth는 포인팅 장치의 스크롤 기능에 대하여 설명한 55 픽셀에 해당되는 값이다. 누적 픽셀값Yp가 설정 픽셀값Yth보다 큰 경우에 단계626에서는 스크롤 데이터 값을 1만큼 증가시키고 누적 픽셀값Yp를 설정 픽셀값Yth만큼 감소시킨다. 단계626을 실행후에는 단계625로 되돌아가 상기 과정을 반복한다.

Yp가 설정 픽셀값Yth보다 작은 경우에는 단계627에서 누적 픽셀값Yp가 -설정 픽셀값Yth보다 작은가를 판단한다. 그 판단 결과에 의거하여 작은 경우에는 단계628을 수행하며, 그렇지 않은 경우에는 단계630을 수행하여 단계620의 서브루틴을 부른 메인 루틴으로 돌아간다.

누적 픽셀값Yp가 -설정 픽셀값Yth보다 작은 경우에 수행되는 단계628에서는 스크롤 데이터 값을 1만큼 감소시키고 누적 픽셀값Yp는 설정 픽셀값Yth만큼 증가시킨다. 단계628을 수행한 후에는 단계625로 돌아가 상기 과정을 반복한다.

상기 과정에서 변화된 스크롤 데이터를 수신한 PC 등 외부장치는 이 스크롤 데이터에 의거하여 화면 스크롤을 수행한다.

620의 스크롤 처리루틴은, 스크롤 버튼이 눌러진 경우에 포인팅 장치를 상하로 이동시킴으로써 화면을 스크롤할 할 수 있도록 하기 위한 것이다.

도7은, 볼103 표면의 비평면성을 나타내는 도면이다. 201은 볼표면과 광학렌즈104와의 거리(L1)로서 15mm이고, 202는 볼표면의 검출영역(면적 1mm²)에 있어서 영역 중심에서 영역의 한쪽 가장자리까지의 직선거리(L2)로서 0.5 mm이고, 203은 볼표면의 검출영역에 있어서 중심에서 영역 가장자리로 연결된 직선과 접선과의 각도(θ)는

θ = sin^-1 ((L2/2)/볼의 반지름) = sin^-1(L2/볼의 지름)

와 같이 계산된다.

볼표면의 1mm² 면적에 대한 바같쪽에서의 최대 거리차이D는

L2 ×sinθ = L2 × L2/지름

으로 계산되며, L2에 해당되는 호의 길이는

볼의 지름 ×3.141592653 ×θ/180도

로 계산된다.

각 볼의 지름에 따른 각각의 근사적인 해법으로 계산된 결과를 다음 표에 나타낸다.

볼 지름	기울어진 각도 θ(degree)	호의 길이 (mm)	바깥쪽 거리차이 D (mm)
10mm	2.87	0.5002	0.025
9mm	3.19	0.50026	0.027
8mm	3.58	0.50033	0.031
7mm	4.10	0.5004	0.036
6mm	4.78	0.5006	0.042
5mm	5.74	0.5008	0.05
4mm	7.18	0.5013	0.063
3mm	9.59	0.5023	0.083
2mm	14.48	0.5054	0.125
1mm	30.0	0.5236	0.25

상기 결과에 의하면, 볼 지름이 3mm 이상에서는 볼표면의 검출 영역 가장자리 부분과 접선과의 거리는 렌즈가 갖고 있는 심도 1mm의 1/10이하인 0.083mm 이하이기 때문에 비교적 좋은 상을 얻을 수 있다. 따라서 볼의 지름이 3mm 이상이면 충분히 좋은 포인팅 감도를 얻을 수 있다. 또한 400dpi의 이미지(본 발명에서는 볼표면의 1.0 mm² 영역)를 받아들이도록 설계된 렌즈를 800dpi의 해상도를 갖도록 렌즈로 변경하면 볼표면에서 필요한 이미지 영역은 0.25mm² 만이 되어 볼의 크기를 더욱 작게 할 수 있다.

102의 광가이드는 광섬유를 사용하여 빛의 손실을 최소한으로 하면서 원하는 물체 표면에 가까이 빛을 가이드함으로써 광효율을 좋게 하고, 필요 없는 물체 표면으로의 빛의 손실을 방지함으로써 조명에 따른 전력소모를 최소화하는 저전력용의 광학 이미지 방식의 포인팅 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에서 사용되는 플라스틱 광섬유는 고순도 아크릴 레진(PMMA : Polymethyl methacrylate)으로 된 코어(Core)와 특수 불소 폴리머(F-PMMA : Fluorinated Poly methyl methacrylate)로 만들어진 얇은 클래드(Clad)층으로 구성되어 있다. 클래드의 굴절률(Reflective index)이 코어보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단으로부터 들어온 빛은 코어와 클래드의 접속면에서 난반사(Total Reflection)를 일으켜 코어를 통하여 광섬유의 다른 끝단으로　나간다. 코어의 굴절률은 1.495, 클래드의 굴절률은 1.402이다. 수광각도(Numerical Aperture) - 광섬유가 끝단에서 빛을 수용 할 수 있는 각도는 60도이다. 플라스틱 광섬유 장점중의 하나는 광섬유 단면적 대비 코어의 비율이 매우 크다는 것이다. 예를 들면, 외경 1mm의 광섬유 코어 지름은 0.98mm, 클래드층 두께는 0.02mm이므로 광섬유 단면적 대비 코어 비율은 98%이다. 이는 플라스틱 광섬유의 빛 전달 효율이 매우 높다는 것을 보여준다. 수광각도(Numerical Aperture) 60도에서 빛을 받을 수 있고 광섬유 단면의 거의 100%를 빛의 선로로 사용할 수 있다. 도8에 광섬유에서의 빛의 경로를 보여주고 있다. 도9는 기존의 광학 마우스에서 실제 사용되는 광가이드를 보여주고 있으며 도10은 1.5mm 광섬유를 광가이드로 이용했을 때의 형태인데, 광학 마우스 기능으로 좋은 감도를 유지하고 있다. 도11은 작은 LED나 칩형태의 LED를 사용하여 광섬유에 입력되는 조명의 양을 많게 하였을 때의 형태이다. 도11과 같이 광가이드를 구성했을 때에 LED에 흐르는 전류를 1/2로 하여도 기존의 광학 마우스와 비슷한 포인팅 감도를 갖게된다. 즉, 광학 마우스 센서에서 동작의 검출에 필요한 이미지가 1mm²의 영역이기 때문에 그 영역으로 광섬유 등을 이용하여 조명을 집중시키면 훨씬 작은 전류로도 향상된 포인팅 감도를 얻을 수 있다.

도12에서는 또 다른 실시예의 마우스를 도시하고 있는데, 좌측에 있는 LED101a에서 발산되는 빛은 광가이드102a를 통해서 볼103의 좌측에 있는 볼표면118a로 유도된다. 볼표면118a의 이미지(빛)는 반사경105a를 통하여 반투명 반사경117로 유도된다. 반투명 반사경117은 50%의 투과율로 좌측면이 코딩되어 있다. 반투명 반사경117에서는 반사경105a를 통해 입력된 좌측의 볼표면118a 이미지의 50%는 반투명 반사경117의 좌측면에서 반사되어 렌즈104로 유도되고 나머지 50%는 그냥 통과된다. 마찬가지로 우측의 볼표면118b에 대한 광학구조를 살펴보면, LED101b에서 발산되는 빛은 광가이드102b를 통해서 볼103의 우측에 있는 볼표면118b로 유도된다. 볼표면118b의 이미지는 반사경105b를 통해 반투명 반사경117로 유도된다. 반투명 반사경117의 우측면에서는 이미지의 50%가 그대로 반사경 내부로 통과하며 나머지 50%는 우측으로 반사된다. 이렇게 볼103의 좌측 볼표면118a의 50%의 이미지와 우측 볼표면118b의 50%의 이미지가 반투명 반사경117을 통해서 합쳐지게 되고, 이 이미지는 렌즈104를 통해 광학 이미지 센서106으로 입력되어, 이미지 처리가 이루어져 볼103 표면의 움직임을 검출한다. 이러한 장치의 구현을 위해서는 이미지를 중첩시키기 위한 정교한 광학장치가 요구된다.

이와 같은 방식의 볼표면의 중첩된 이미지를 사용하는 것은 대상 이미지가 모두 같은 방향으로 움직이는 성질을 갖는 같은 구면 위의 이미지이기 때문에 가능하다. 이러한 방식의 장점은, 하나의 볼표면에서 받아들인 이미지보다 2개의 볼표면에서 받아들인 이미지를 통해서 이미지 프로세싱 하게 되기 때문에 보다 정교한 움직임을 검출할 수 있다는 것이다.

한편, 볼103에 일정한 문양(패턴)을 인쇄하면 그 문양을 사용하여 광학 이미지 센서106이 볼103의 움직임을 정확히 인식할 수 있으므로, 예를 들어 도14와 같은 지오데식 구면체와 같은 정삼각형 문양을 구비하는 것도 바람직하다.

예를 들어 일반적인 다면체로 구면체를 만드는 방법 중의 하나는 축구공과 같이 정6각형 20개와 정5각형 12개로 만드는 방법이 있는데(도13), 정6각형은 작은 정삼각형 6개로, 정5각형은 작은 정삼각형 5개로 분할할 수 있다. 이 때에 이용되는 정삼각형 개수는 180개인데, 하나의 정삼각형을 4개의 정삼각형으로 세분할 수록 구면체에 더 가깝게 된다. 따라서 180의 4의 배수로 증가시킬수록 구면체에 가깝게 된다.

따라서 720개(180×4) 정삼각형(도14 참조)으로 지름1cm의 구를 형성시켰을 때 구면체의 면적은

3.14 × 1cm × 1cm = 3.14 cm²

한 개의 정삼각형의 면적은 대략

3.14/720 = 0.00436 cm²

이 된다.

또한 삼각형 한 변의 길이는

root{0.00436 × 4/ root(3)} = 0.1cm

가 된다.

구면체에 보다 가깝게 하기 위하여 한 변의 길이가 1mm인 정삼각형 720개를 다시 4등분하면 삼각형의 개수는 2880이 되고, 그 때의 정삼각형의 한 변의 길이는 0.5 mm가 된다.

따라서 정3각형의 한 변의 길이가 0.5mm가 된다고 하는 것은 400dpi 해상도에서는 8픽셀에 해당되기 때문에, 16픽셀 단위의 이미지 처리를 하는 광학 이미지 센서에서는 적어도 한 개 이상의 정3각형 패턴을 갖게 되어 볼의 움직임을 검출하기 위한 이미지 패턴의 구분이 명확하게 된다. 이러한 삼각형 격자구조의 무늬로 볼의 표면을 인쇄하면 삼각형의 3변은 광학 이미지 센서에서 볼의 움직임을 충분히 검출할 수 있는 경계선이 되기 때문에 유효한 패턴구조가 된다. 지오데식 패턴은 구면체에서 있어서 표면의 면적을 균등분 할 때 가장 잘 표현되는 것으로 정삼각형 대신 그 위치 또는 각 삼각형마다 다른 문양을 인쇄할 수도 있다 . 또한 이러한 표현 방식 이외에도 볼표면에 400dpi 이상의 해상도를 갖는 인쇄방식으로 랜덤한 위치에 조밀하게 임의의 점을 인쇄하여 각기 다른 패턴의 이미지 형태로 인식하게 하여도 무방하다.

이러한 볼표면의 인쇄방법말고도 다른 방법을 사용할 수 있는데, 그것은 볼재질로서 투명성이 있으며, 재질 내부에 이물질 또는 이와 유사한 효과를 갖도록 기포나 다른 결정상태를 갖는 것을 세밀하게 형성된 볼을 제작하면 볼에 빛을 조사할 때 상기 이물질 등으로 인하여 임의의 패턴 모양의 문양이 형성되는 효과를 갖기 때문에 볼의 움직임을 검출할 수 있게 된다.

또 볼의 표면을 에칭 등의 방법으로 부식시켜 문양을 형성하여 빛을 반사시킴으로써 광학 이미지 센서가 볼의 움직임을 정확히 검출할 수 있다.

또한 볼재질에 있어서 야광물질이나 형광물질을 첨가하면 빛을 조사하여 상기 광학 이미지 센서가 볼표면에 나타나는 임의의 패턴 문양과 그렇지 않은 부분을 좀 더 명확히 구분할 수 있다. 또한 장치외부로 돌출한 볼에서 빛을 내게 함으로써 외관상 미려한 여러 모양과 디자인을 갖춘 제품으로서 다양성을 갖게 되는 장점이 있다. 특히 야광물질의 경우는 약간 투명한 재질의 볼을 사용할 경우 볼 전체에서 빛을 발하게 됨으로써 빛의 조사 위치가 특정 위치로 집중하지 않아도 되기 때문에 빛의 조사장치 및 그에 따른 광가이드의 다양성이 가능하다.

또한 볼 재질에 있어서 경도가 높은 금속보다는 우레탄 또는 플라스틱과 같이 부드러움을 함께 갖는 재질로 된 것을 이용하면 볼이 움직일 때 내부 베어링볼과 마찰할 때 생기는 소음을 격감시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 볼과 맞물려 움직이는 내부 베어링볼에 있어서도 표면이 매끄러운 세라믹, 지르코니아 및 플라스틱을 사용하면 볼의 회전시에 발생되는 소음을 격감시킬 수 있다.

이하, 본 발명 포인팅 장치의 활용 예들을 설명한다.

상기의 비접촉 광학 이미지 방식으로 마우스의 볼의 움직임을 검출하는 장치를 모듈화 하고 예를 들어 스캔 장치에 장착하여 스캔속도나 방향을 검출하는 엔코더 기능을 이용하여 스캔된 이미지를 정합하는 장치로 활용할 수 있고 또한 마우스의 포인팅 기능을 이용하여 필기가 가능한 장치로 활용할 수 있다.

도15는 상기 포인팅 장치가 결합된 펜형 스캐너 장치를 나타내는 외관도로서, 400은 펜형 스캐너의 이미지 입력부이고, 420은 본 발명의 포인팅 장치가 내장된 엔코더이다.

인코더420의 앞부분에 있는 볼은 이미지 입력부400의 입력단보다 앞으로 약0.5-1.0mm 정도 돌출되어 있으며 포인팅에 의한 필기동작이 자유롭도록 하단부에서도 돌출되어 있다. 스캔이나 필기동작 상태를 검출하기 위하여 동작시에는 볼은 안쪽으로 살짝 들어간 상태로 볼이 회전되도록 구성되어 있다. 스캔시 볼의 회전에 따른 포인팅(스캔속도와 방향)을 검출하여 X,Y방향의 엔코더데이터로 활용할수 있는데 이미지 입력부400에 의해 이미지를 스캔할 때 엔코더데이터의 X성분을 샘플링하여 일정한 속도로 스캔 데이터를 얻을 수 있으며, 엔코딩데이터의 Y성분을 이용하여 기울어진 이미지에 데이터를 교정한다. 또한 볼이 펜형 스캐너의 아래쪽에 위치해 있기 때문에 펜형 스캐너를 기울여 사용하여 볼에 의한 포인팅 기능만을 이용하면 마우스 동작이나 필기동작을 인식할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 스캐너의 구체적인 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.

도16은 펜형 스캐너의 전체 시스템 구성도로서 400의 이미지 스캔부와 420의 스캔동작 검출부와 430의 시스템 제어부로 나누어진다. 이미지 스캔부400의 동작을 설명한다. LED401는 광가이드402를 통해서 빛을 평면403 등에 조사한다. 평면403은 스캔하고자 하는 이미지가 있는 곳으로서, 조사된 빛은 평면403상의 이미지에 의해 반사, 산란되어 렌즈404를 통하여 CCD센서405로 입력된다. CCD 센서405에 입력된 이미지를 반영하는 빛은 전기적인 신호로 변경되어 증폭 회로부406을 통하여 적절한 전압 레벨의 아날로그 영상신호로 증폭되어 A/D변환기407에 인가된다. A/D변환기407은 입력된 아날로그 영상신호를 8비트(Bit)의 디지털 코드(Digital code)로 변환한다. A/D변환기407에서 변환되어 출력되는 디지털 데이터는 MCU409의 제어에 의해 메모리408에 저장된다.

한편 엔코더로 활용되고 있는 스캔동작 검출부420의 동작에 대하여 설명한다. LED411은 광가이드412를 통해서 빛을 볼413에 조사한다. 볼413은 평면403에서 스캔하는 속도에 따라 회전하고 있다. 볼413의 표면에 조사되어 반사된 빛은 렌즈414를 통하여 광학 이미지 센서410으로 입력된다. 광학 이미지 센서410은 입력된 이미지를 센서 내부에 있는 DSP(디지탈신호처리) 기능에 의해 스캔 방향과 속도를 검출하여, 이를 엔코더 X축(스캔방향과 일치), Y축(스캔방향과 수직) 데이터로 출력한다. 엔코더 데이터 중에 스캔방향과 일치하고 있는 X데이터는 A/D 변환기407의 샘플링에 직접 관여하여 스캔동작 검출 시에만 샘플링이 이루어지고 있다. 엔코더의 Y데이터는 메모리408에 저장된 이미지데이타의 기울기 정합시에 참조데이타로 활용되고 있다. 수직 데이터는 보통 스캔 이미지의 기울기나 왜곡을 보정해 주는데 매우 중요한 데이터로 활용되어진다. MCU409는 전체적인 시스템 제어 및 이미지 프로세싱, 문자인식 처리 등의 복합기능을 갖는 RISC칩이다. 431은 MCU409에 의해서 제어되어 스캔된 이미지나 인식된 문자 등을 표시하고, 또한 외부와의 통신을 담당하는 디스플레이 및 통신 제어모듈이다.

본 발명 포인팅 장치의 다른 활용 예를 설명한다.

본 발명에 의한 볼과 베어링볼의 구조는 볼캐스터(BALL CASTER)와 매우 유사하기 때문에 포인팅 장치가 볼캐스터 또는 볼트랜스퍼(BALL TRANSFER)로 활용될 수 있다. 이와 같은 경우는 단순한 볼캐스터 기능과 아울러 볼이 회전하는 만큼의 이동거리와 방향을 측정할 수 있다. 따라서 로봇에 장착되는 볼캐스터를 대신할 수 있으며, 이에 따라서 포인팅 장치가 장착된 로봇은 로봇이 이동할 때 따라서 회전하는 볼의 움직임을 측정하여 이동한 방향과 거리를 측정하는 네비게이션 기능을 제공할 수 있다. 임의의 출발점부터 현재위치까지의 상대적인 이동거리와 방향의 측정방법은 임의의 출발점에서의 X,Y좌표를 0으로 설정하고 현재의 위치까지 포인팅 장치에서 보내주는 X,Y 성분을 각각 누적하면 상대적으로 움직인 거리의 X,Y방향으로의 거리가 된다.

본 발명 포인팅 장치의 또 다른 활용 예를 설명한다.

포인팅 장치는 도17과 같이 한쪽 부분에 레이저 지시장치를 구비하여 프리젠테이션용 지시장치로 매우 유효하게 사용될 수 있다. 도17의 440은 본 발명의 포인팅 장치이고 441은 레이저 지시장치이다.

이하, 본 발명 포인팅 장치의 또 다른 활용예를 설명한다.

상기의 포인팅 장치를 소형화하여 휴대폰, PDA 등 휴대통신장치에 장착하여 필기인식을 가능하게 함으로써 주소록 등의 검색기능과 메모기능 및 그림 그리기 기능을 제공한다.

도18에는 본 발명의 포인팅 장치가 구비된 휴대폰에서의 시스템 블록도의 한 예를 나타내고 있다. 450은 사람이 손으로 잡고 문자를 쓰는 휴대폰에 있는 본 발명의 포인팅 장치로 구성하는 입력부로서, 쓰여지는 문자를 연속된 점으로 인식하여 이를 제어부451로 보낸다. 451은 휴대폰 등의 CPU를 포함한 제어부로서 입력부450으로부터 입력되는 문자에 대한 신호를 받아 데이터 저장부452를 참조하여 문자를 인식한다. 452는 상기 문자 입력방법에 의한 획데이터와 주소록데이터 및 기타데이터를 저장하는 데이터 저장부이다. 453은 휴대폰 표면에 위치하고 있는 각종 작동버튼에 대한 버튼 입력부이다. 버튼이 눌러진 것은 정보로서 제어부 451로 보내진다. 454는 입력된 문자를 인식하여 어떠한 문자가 입력되었는가를 표시하는 디스플레이 장치가 포함된 출력부이며 455는 휴대폰 본래의 기능을 위한 데이터 송수신을 위한 통신부이며, 456은 디지털카메라 및 외부기기와 연결될 수 있는 인터페이스장치가 구비되어 있는 장치이다.

필기인식은 포인팅 장치에 의해 포인팅된 데이터가 휴대폰 장치의 CPU로 들어오면 이를 분석,인식하여 의미있는 데이터나 실행명령으로 인식하여 처리하는 방법으로 이루어진다.

각 문자에 대하여 필기 동작시의 시작점을 기준으로 종료점까지의 상대적인 좌표값에 의거한 필기동작의 데이터를 미리 저장하고, 획의 시작점을 시작으로 하여 순차적으로 입력되는 획의 상대적인 값에 의거하여 미리 저장되어 있는 문자(기호등도 포함)의 데이터에서 해당하는 획을 찾아감으로써 문자를 인식한다.

상기 제어부451는 입력부450로 입력되는 문자의 각 획(劃)의 데이터를 취득하여 상기 획에 대한 데이터 저장부452를 조회하여 해당하는 획을 순차적으로 찾아감으로써 문자를 인식하는 문자 인식기능을 구현한다. 또한 입력부에서는 주소록 검색등의 빠른 명령수행을 위하여 입력버튼,통화버튼,취소버튼 및 상하선택버튼에 관련된 데이터입력을 받을수 있으며, 데이터 저장부는 획데이터와 함께 주소록 데이터 및 기타 다른 용도의 데이터를 저장하고 있다. 출력부에서는 데이터를 화면에 나타내는 디스플레이 장치와 음성출력장치를 포함하고 있다. 기타장치부는 디지털 카메라 기능을 포함하여 외부기기 연결 인터페이스 장치를 구비하고 있다.

한글의 문자를 인식하는 경우에는 자음은 한 스트로크로 정의되고 상기 자음의 시작점에 대한 상대적인 좌표값이 저장되어 있고, 모음은 장단(長短)의 종횡(縱橫)의 2 이상의 직선으로 정의되어 있다. 입력방법에 있어서 자음은 원칙적으로 연속된 한 획으로 구성된다. 다만ㄲ이나 ㅆ, 　ㄸ 　등의 자음은 상방을 향하는 직선 　다음에 　ㄱ이나 ㅅ , ㄷ 에 해당하는 선을 그어 입력한다. 이러한 자음의 입력방법을 도19에 나타낸다. 도면에서 점은 시작을 나타낸다.

다음에 모음은 수직 혹은 수평의 장단(長短) 직선으로 입력한다. 예를 들어 "ㅏ"이면 긴 수직선과 짧은 수평선을 입력한다. 이러한 입력방법은 한글창제의 원리인 응용한 것으로서 각 모음에 대한 입력방법을 도20에 나타낸다.

또한 기타 특수키, 숫자, 한영모드의 변환키 등에 해당하는 제스처 명령에 대한 입력방법을 도21에 나타낸다. 도22는 영숫자에 대한 입력방법의 한 예를 나타낸 것이다.

상기 예에 의한 한글의 문자 입력방법을 구체적으로 나타내면 다음과 같다.

한글처리는 초성, 중성, 종성의 한글 자모들을 하나씩 입력으로 받아서 처리하는 2벌씩 형태의 오토마타로 처리된다.

또한 휴대폰의 주소록 검색시에 검색의 효율성을 위하여 색인어 입력시에 한글을 사용할 경우 초성만 인식하여 해당자료를 찾아내게 하여 색인어 입력시간을 단축하여 신속한 검색동작을 진행하고 유사한 이름이 있는 경우 곧바로 통화되거나 선택작업 후에 통화할 수 있는 편리성을 갖도록 한다. 또 영문 또는 독일어와 같은 경우에는 두문자(頭文字) 또는 두문자와 두문자 다음글자만을 입력하여 검색할 수 있다. 예를들면, 홍길동이란 이름으로 검색할 때는 "ㅎㄷㄱ"만을 입력하여 검색하고 "James Martin"의 경우 "JM" 또는 "JAMA"만을 입력하여 검색한다.

따라서 작동방법의 한 예를 들면 휴대폰 주소록 입력버튼을 누른 후에 포인팅기능에 의한 필기동작을 인식하여 하나의 획 입력되어 인식되는 매순간에 인식된 결과를 디스플레이 표시창에 나타나게 하며, 색인어 입력 완료후에 검색버튼을 눌러서 주소록 등의 검색작업을 수행한다. 주소록 검색결과가 하나인 경우에는 곧바로 통화명령을 실행하고 두 개 이상의 경우에는 상하선택버튼에 의해 선택된 후에 통화버튼을 눌러서 통화를 실행하는 방법이다.

도23에는 휴대폰460에 적용된 포인팅 장치470의 예로서, 안테나 위치에 포인팅 장치가 장착된 경우이다. 최근의 화면 디스플레이장치461은 180도 회전하는 기능을 갖고 있어 화면을 보면서 작업을 할 수 있는 편리성이 있다. 휴대폰과 포인팅 장치 사이는 힌지469로 연결되어 필기 동작시에 포인팅 장치의 각도를 조정할 수 있다. 활용의 편리성을 위하여 장치 외부에 입력버튼465, 검색버튼466, 취소버튼467, 통화버튼468 및 상향 선택버튼463, 하향 선택버튼464를 구비할 수 있다. 상기 버튼가운데 입력버튼465과 취소버튼467을 하나의 버튼으로 하여 토글방식으로 사용할 수 있으며, 검색버튼466과 통화버튼468도 하나의 통합버튼으로 조합하는 등 버튼 개수를 축소할 수도 있다. 도24에서는 휴대폰 하단에 위치하여 휴대폰 폴더를 연상태에서 작동하는 형태도 가능함을 보여주고 있다.

도25에는 상기 휴대폰에서의 필기입력에 의한 주소록 입력작업, 검색작업, 선택작업, 통화실행으로 이어진 작동방법에 대한 처리 흐름도이다.

500에서 입력버튼이 눌러지면 곧바로 "필기문자를 입력하세요" 라는 문자를 화면에 출력한후 501을 수행한다. 501은 획데이터를 입력받는 루틴으로 포인팅 장치로부터 한 획에 해당되는 데이터를 입력받아서 인식처리를 한다. 501의 획데이터 인식에서는 문자(자음과 모음 및 영숫자)에 대한 인식처리를 수행한다. 502는 문자 판별작업으로서, 501의 처리결과가 문자인지를 판별하고 문자인 경우에는 504를 수행하고 그렇지 않은 경우에는 503를 수행한다. 503에서는 취소버튼이 눌러졌는가를 검사하고 눌러진 경우에는 작업을 종료하고 그렇지 않은 경우에는 501의 처리과정으로 되돌아간다. 504는 한글2벌식 문자형성 작업으로서, 한글2벌식 오토마타라고도 한다. 일반적으로 컴퓨터에서 2벌씩 키보드 자판을 통하여 한글형성을 하는 처리루틴으로서 영문자 및 숫자도 처리한다. 504에서 처리되어 형성된 문자인식결과는 곧바로 505의 문자 출력작업을 통하여 화면에 출력한다. 출력한 후에는 506을 수행한다. 506에서는 검색버튼이 눌러졌는가를 조사하고 눌러진 경우에는 511을 실행하고 그렇지 않은 경우는 507의 획데이터 인식 작업을 수행한후 508을 실행한다. 508에서는 507의 결과가 문자인 경우 504의 한글2벌식문자형성 루틴을 실행하며, 문자가 아닌 경우는 509를 실행한다. 509에서는 제스처 명령중에 검색명령인가를 판별하며 검색명령인 경우는 511의 검색을 실행하며, 그렇지 않은 경우는 510에서 도20의 일반적인 제스처 명령을 실행한다. 510을 실행한 후에는 507의 획 데이터 인식 작업을 수행한다. 511에서는 인식된 문자를 참조하여 해당 주소록의 데이터를 검색하여 그 결과를 출력한 후 512를 실행한다. 512에서는 해당된 결과가 있는 경우에는 513으로 가고, 그렇지 않은 경우에는 작업을 종료한다. 513에서는 상향 또는 하향 선택버튼이 눌러졌는가를 조사하고 눌러진 경우에는 514로 가서 511에서 검색된 데이터의 다음 또는 이전 데이터를 선택하는 선택작업을 수행하며, 선택버튼이 눌러지지 않은 경우에는 515의 작업을 실행한다. 515에서는 통화버튼이 눌러진 경우에는 516으로 가서 현재 선택된 주소록 데이터에 해당되는 곳으로의 통화를 수행한 후에 작업을 종료한다. 통화버튼이 눌러지지 않은 경우에는 517의 작업을 실행한다. 517에서는 취소버튼이 눌러진 경우에는 작업을 종료하고 그렇지 않은 경우에는 514의 작업을 다시 실행한다.

상기 작동 중에 입력작업의 효율성을 위하여 색인어 입력시에 해당데이터를 곧바로 찾아낼 수 있도록 주소록 검색데이터의 참조인덱스 데이터를 구성 할 수도 있다.

이하, 본 발명 포인팅 장치의 또 다른 활용예를 설명한다.

상기의 포인팅 장치에 필기문자 인식기능, 전자사전 기능 및 디스플레이 장치를 구비하여 인식된 문자로 구성된 단어에 관한 사전내용을 디스플레이 장치에 출력하는 전자사전에 대하여 설명한다.

도26은 상기 기능이 구비된 전자사전으로 'd','e','v','i','c','e'를 필기로 입력한 후에 인식된 결과와 사전내용을 나타내고 있는 예시도이다. 550은 전자사전이고, 551은 디스플레이 장치이며, 552는 필기입력후에 완료 또는 사전검색 명령을 실행하기 위한 버튼이고, 553은 기능버튼으로서 일반 마우스에서의 좌, 우, 클릭 기능의 버튼이다. 554는 화면의 스크롤 기능을 위한 버튼이다. 556은 영단어 'device'를 인식하기 위한 필기동작의 예를 보여주고 있는 것으로서 필기동작의 궤적을 나타내고 있다.

도27에는 필기문자 인식기능, 전자사전 기능 및 디스플레이 장치가 구비된 상기 장치의 시스템 블록도의 한 예를 나타내고 있다. 560은 필기동작의 궤적 데이터를 입력하는 포인팅 장치를 포함하는 입력부로서, 입력된 데이터는 제어부563으로 보내진다. 563은 CPU를 포함한 제어부로서, 입력부560으로부터 입력된 필기문자에 관한 데이터에 대하여 인식처리를 한다. 필기문자 인식처리 시에는 데이터 저장부564를 참조한다. 564는 상기 문자인식에 필요한 참조 데이터 및 전자사전의 내용이 저장되어 있는 데이터 저장부이다. 561은 장치 외부에 위치하고 있는 각종 버튼의 동작에 대한 버튼 입력부이다. 버튼이 눌러졌을 때의 상태는 제어부563으로 보내어진다. 562는 필기 입력된 문자의 인식결과 및 사전내용을 표시하는 디스플레이 장치가 포함된 출력부이며, 565은 포인팅 기능 등을 위하여 데이터의 송수신을 하는 통신부이다 .

포인팅 장치 등의 입력부560에 의하여 입력된 데이터가 CPU인 제어부563으로 들어오면 이를 분석, 인식하여 의미 있는 문자 데이터로 인식하는 처리 등을 한다. 매 문자를 인식할 때 마다 디스플레이 장치에 인식결과를 출력하고 인식을 종료하려면 완료버튼을 누른다. 인식 종료된 후에는 인식된 단어를 색인어로 하여 내장된 전자사전 중에서 해당 내용을 찾아 디스플레이 장치에 출력하도록 한다.

포인팅 장치 등의 입력장치560을 통하여 입력된 데이터는 장치의 움직임(필기동작)에 관한 궤적 데이터로 구성되어 있는데, 펜다운(PEN-DOWN)에서 펜업(PEN_UP)까지의 데이터가 한 획을 구성된다. 획의 궤적에 대한 구조를 분석하여 획 단위의 인식을 한다. 또한 문자에 대한 인식은, 전후 획들의 관계 및 문자형성 상태를 분석하여 구현한다. 획의 인식은 예를 들면 ‘ㄱ'의 경우 처음에 일정 거리 이상으로 우측 수평방향으로의 궤적성분이 있으며 그 다음에 굴곡점부터는 하향으로의 궤적성분이 있는가를 분석하여 인식한다. 필기문자 인식에 대한 필기규정에 대해서는 상기한 바와 같다.

이상에서는 본 발명의 포인팅 장치의 활용예를 설명하였으나, 일반적인 디지털 펜에서도 적용이 가능하다. 입력펜 등으로 찾고자 하는 단어를 쉽게 입력할 수 있으므로 전자사전의 활용도가 한층 더 높아진다.

이상과 같이 본 발명의 마우스는, 저가의 일반적인 광학 이미지 센서를 장착하고 센서 앞단에서 회전하는 볼의 표면을 검출하는 간단한 장치를 부가하여 지름이 7mm 정도의 작은 볼로도 기존의 마우스와 같은 감도를 갖는 펜 타입의 안정적인 마우스 장치를 구현함으로써 지금까지의 고가의 펜형 마우스 입력장치를 대체할 수 있다. 또한 인간공학적으로 편리한 저가의 펜형 마우스를 손쉽게 구현할 수 있다.

이러한 펜형 마우스는 필기작업에 매우 적합하며 그림을 그리는 등 컴퓨터 그래픽 기능을 보다 간단하게 구현할 수 있다. 특히 어린이들이 컴퓨터로 그래픽을 그리거나 글씨 연습을 하는 등의 학습도구로서의 편리성이 있고 휴대가 간편한 장점이 있으므로 노트북 등에서 활용될 수 있다. 노트북과 같은 경우에도 내장된 패드형 마우스 장치가 때론 불편하기 때문에 펜타입 마우스를 기본으로 장착하여 사용하면 제품의 부가가치를 높일 수 있다.

또한 펜 타입의 경우에는 마우스를 마치 펜을 잡고 필기하듯이 하여 움직일 수 있으므로 인체에 주는 피곤이 경감된다.

마우스를 임의로 각도로 기울여도 마우스의 움직임을 정확하게 인식할 수 있는 효과가 있다.

또한 마우스의 볼은 다수의 베어링으로만 접촉되어 있어 감도가 매우 뛰어나다는 효과가 있다.

또한 종래의 광학 마우스가 작동되지 않는 유리면이나 동일 색깔의 매끄러운 재질 위에서도 마우스 작동이 가능하다는 효과가 있다.

또한 펜 타입의 마우스로서 닿는 면이 작아도 되기 때문에 손바닥이나 손등과 같은 굴곡이 있는 어떤 곳에서도 마우스 포인팅이 가능하다. 따라서 본 발명에 의한 장치는 마우스 패드 등이 없어도 임의의 장소에서 자유롭게 활용될 수 있다.

또한 광가이드는 광섬유를 사용하여 빛의 손실을 최소한으로 하면서 원하는 방향과 장소로 정확하게 빛을 가이드함으로써 조명에 따른 전류소모를 줄여 저 전력용 마우스에 적합하다.

또한 작은 크기의 볼을 채택함으로써 소형의 펜 타입의 포인팅 장치 구현이 가능하기 때문에 펜 타입의 스캔장치 등에서는 엔코더 기능과 함께 포인팅 기능을 제공할 수 있다.

또한 장치의 상단에 레이저 장치를 구비하여 프리젠테이션의 지시장치로서 매우 유효하게 활용될 수 있다.

또한 휴대폰 등에서도 소형의 펜타입 포인팅 장치를 장착시켜 포인팅기능에 의한 필기인식기능을 제공하여 주소록 검색시의 색인어 입력 및 검색기능을 제공하며 필기메모기능과 그림 그리기 기능을 제공하여 제품의 차별화 및 제품가치의 고양이 가능하다는 효과가 있다.

또한 본 발명은 포인팅 장치에서 필기문자 인식기능, 전자사전 기능 및 디스플레이 장치를 구비하여 인식된 문자로 구성된 단어에 관한 사전내용을 디스플레이 장치에 출력하는 등 다양한 기능을 제공한다.

또한 본 발명의 포인팅 장치에서는 스크롤 버튼을 부가하고, 이 스크롤 버튼이 눌러진 상태에서 포인팅 장치를 상하로 움직이면 종래의 휠마우스 등에서 휠에 의한 스크롤과 동일한 기능을 제공하는 이점이 있어 편리하다.

도1은 본 발명에 의한 한 실시예의 마우스에 적용된 광학 이미지 센서에서 받아들인 이미지를 나타내는 도면,

도2는 본 발명에 의한 한 실시예의 마우스의 구성을 나타내는 모식도,

도3은 본 발명에 의한 한 실시예의 마우스 앞단의 볼과 볼의 회전을 원활하게 하기 위한 베어링볼 배치의 한 예를 나타내는 도면,

도4는 본 발명에 의한 한 실시예의 마우스 앞단의 볼과 볼의 회전을 원활하게 하기 위한 베어링볼 배치의 다른 실시예를 나타내는 도면,

도5는 버튼 스위치를 고려한 본 발명에 의한 한 실시예의 마우스의 구성을 나타내는 모식도,

도6은 본 발명에 의한 다른 실시예를 나타내는 것으로서, 광학 이미지 센서의 칩 외형이 SMD 타입인 경우의 마우스의 구성을 나타내는 모식도,

도7은 볼 표면의 이미지처리 가능 영역에 대한 참고도,

도8은 광섬유의 구조 및 빛의 경로 모식도,

도9는 기존 광학 마우스에서 광가이드를 통한 빛의 경로의 모식도,

도10은 기존 광학 마우스에서 광가이드를 광섬유로 대처하였을 때의 빛의 경로의 모식도,

도11은 기존 광학 마우스에서 광가이드는 광섬유로 대처하고 LED의 크기를 소형화 한 경우의 빛의 경로의 모식도,

도12는 각기 다른 볼 표면의 이미지 중첩 방식에 의한 광학 이미지 검출장치의 구성도,

도13은 정20면체의 축구공을 전개한 도면,

도14는 지오데식으로 정삼각형으로 표현된 구면 및 그 전개도를 나타낸 도면이다.

도15는 본 발명의 활용예로서, 볼펜형 광학 마우스 장치가 엔코더로서 장착된 펜형 스캐너 장치의 외관도,

도16은 본 발명의 활용예로서, 볼펜형 광학 마우스 장치가 엔코더로서 장착된 펜형 스캐너 장치의 시스템 구성도,

도17은 레이저 지시장치를 구비하는 포인팅 장치 외관도,

도18은 포인팅 장치가 구비된 휴대통신장치의 시스템 블록도,

도19는 자음의 필기체 입력방법을 나타내는 도면,

도20은 모음의 필기입력방법을 나타내는 도면,

도21은 모드변환, 특수기호 등의 제스처에 대한 필기입력방법을 나타내는 도면,

도22는 영문자 및 숫자에 대한 필기입력방법을 나타내는 도면,

도23은 포인팅 장치가 구비된 휴대통신장치를 나타내는 도면,

도24는 포인팅 장치가 구비된 휴대통신장치의 다른 예를 나타내는 도면,

도25는 포인팅 장치가 구비된 휴대통신장치에서의 입력, 검색, 통화작업에 대한 작업처리 흐름도를 나타내는 도면,

도26은 본 발명에 의한 한 실시예의 포인팅 장치를 이용하여 필기 방식으로 문자를 입력하여 인식하고 그 결과와 결과에 해당되는 전자사전의 내용을 화면에 나타내는 예시도,

도27은 본 발명의 한 실시예인 전자사전의 시스템 블록도,

도28는 포인팅 장치 내부의 콘트롤러칩과 그와 관련된 신호 데이터를 나타내는 도면,

도29는 스크롤 처리의 흐름도를 나타내는 도면,

도30는 스크롤 데이터 처리의 흐름도를 나타내는 도면이다.

*도면의 주요부호에 대한 설명*

101, 101a, 101b : LED(Light Emitting Diode)(광원)

102, 102a, 102b : 광가이드

103 : 볼 104 : 렌즈

105 ,105a, 105b : 반사경

106 : 광학 이미지 센서

107, 107a : 베어링볼

701∼708 , 711∼ 716: 베어링볼

108 : 베어링볼 지지부

109 : 베어링볼 리데나

110 : 내부장치 111 : 외부장치

112 : 스프링

113, 114는 : 버튼스위치

115: 스크롤 버튼 116: 기능버튼

117: 반투명 반사경

120: 베어링볼 방지턱

301: LED

302: 광가이드

303: 광학 이미지 센서

304: PCB기판

305: 마우스 하단

306: 평면

307: 이미지 검출영역

400: 이미지 스캔 입력부

401,411: LED

402, 412 : 광가이드

403: 평면, 413 : 볼

404, 414: 렌즈

405 : CCD 센서

406 : 신호 증폭 회로부,

407 : A/D 변환기

408 : 메모리, 409: MCU

410: 광학 이미지 센서

420: 스캔동작 검출부

430: 시스템 제어부

431 : 디스플레이 및 통신 제어모듈

460 : 휴대통신장치

461 : 디스플레이 장치

463 : 상향선택버튼 464 : 하향선택버튼

465 : 입력버튼, 466 : 검색버튼 , 467 : 취소버튼 468: 통화버튼

469 : 힌지

470 : 포인팅 장치(입력부)

Claims (41)

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17. 사용자의 사용에 의해 회전하는 볼;

    상기 볼에 빛을 조사하는 광원;

    상기 광원에 의해 상기 볼로 조사된 빛을 집광하는 렌즈;

    상기 렌즈에 의해 집광된 이미지의 움직임에 의해 상기 볼의 움직임을 감지하는 광학 이미지 센서;

    상기 볼의 회전을 원활하게 하기 위한 다수의 베어링볼;

    상기 볼의 회전시, 상기 볼과 접촉된 베어링볼이 상기 볼과 접촉하면서 순환하도록 공간을 형성되고 상기 볼과 베어링볼이 빠지지 않도록 하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 지지부에는 상기 순환하는 베어링볼이 환형태로 순환하도록 하는 환상홈을 가지는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 포인팅 장치는 펜 타입인 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 포인팅 장치는 마우스 타입인 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
21. 제19항에 있어서, 상기 포인팅 장치를 누르는 일정 수준 이상의 압력을 감지하여 선택버튼 역할을 수행하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
22. 제21항에 있어서, 압력 감지는 상기 볼과 베어링볼과 렌즈와 이미지센서와 지지부를 포함하는 내부 장치가 외부장치를 따라 이동하면서 내부장치가 외부장치를 누르는 압력을 감지하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
23. 제22항에 있어서, 스위치는 상기 내부 장치와 외부 장치 사이에 있는 스프링과, 상기 스프링이 일정 이상 눌려졌을 때 동작하는 버튼 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
24. 스케닝을 위한 이미지센서의 측면에 제19항의 펜 타입 포인팅 장치를 가진 팬형 스캐너.
25. 제17항의 포인팅 장치가 볼캐스터의 위치에 부착되어 볼캐스터 역할 뿐만 아니라 이동거리와 방향 측정 역할도 수행하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 장치.
26. 제19항의 포인팅 장치를 구비한 휴대통신장치.
27. 제26항에 있어서, 상기 포인팅 장치가 휴대통신장치의 안테나 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대통신장치.
28. 제26항에 있어서, 상기 포인팅 장치가 휴대통신장치에 힌지에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 휴대통신장치.
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