(57)【要約】【課題】トラックボールの直径を用途に合わせてスケーラブルに設定することが可能な座標入力装置を提供する。【解決手段】前後・左右の軸方向の並進移動を入力可能なジョイスティック１もしくはスイッチ。前後・左右の軸回りの回転移動を入力可能なトラックボール２。各入力装置の変位を検出するセンサ機構３。前記センサ機構３の出力値を座標に変換する演算部４。これらを備えた座標入力装置であって、トラックボール２の手前にジョイスティック１もしくはスイッチを配置する。３次元データの前後・左右方向の並進移動及び回転移動を直感的に入力することが可能であり、ジョイスティック１もしくはスイッチをトラックボール２の奥や横に配置した場合と比べて、トラックボール２の球体の大きさをスケーラブルに設定しても操作環境に支障を生じさせない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前後・左右の軸方向の並進移動を入力可能なジョイスティックもしくはスイッチと、前後・左右の軸回りの回転移動を入力可能なトラックボールと、各入力装置の変位を検出するセンサ機構と、前記センサ機構の出力値を座標に変換する演算部とを備えた座標入力装置であって、トラックボールの手前にジョイスティックもしくはスイッチを配置して成ることを特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
トラックボールの外周に回転リングと、回転リングの回転量を検出するセンサ機構とを備え、回転リングの回転で上下軸回りの回転移動を入力可能として成ることを特徴する請求項１に記載の座標入力装置。
【請求項３】
ジョイスティックのグリップ部に上下移動可能な機構と、上下軸方向の変位を検出するセンサ機構とを備え、上下軸方向の並進移動を入力可能として成ることを特徴する請求項１又は２に記載の座標入力装置。
【請求項４】
回転リングが上下方向に傾く機構と、回転リングの上下軸方向の変位を検出するセンサ機構とを備え、上下軸方向の並進移動を入力可能として成ることを特徴する請求項２又は３に記載の座標入力装置。
【請求項５】
前記センサ機構から出力される変位に任意の定数を乗算するデータ乗算処理部を備え、前記センサ機構の出力値と前記演算部の入力値の割合を任意に変更可能にして成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の座標入力装置。
【請求項６】
前記センサ機構から出力される変位に乗算する任意の定数をボリュームにより変更可能にして成ることを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲームや設計支援ソフト（ＣＡＤ）などに使用される座標入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの性能の向上により、ゲームやＣＡＤなどで３次元データを用いた動作の表現力が向上し、再現処理の高速化が可能となった。これに伴い、３次元データを素早く、直感的に操作することができる入力装置の必要性が高まっており、様々な入力装置が提案されている。特許文献１、２に記載の入力装置は、前後・左右の２自由度を有するジョイスティックに上下方向に稼働する機構を実装し、前後・左右・上下の３軸方向の並進移動を入力可能とした装置である。また、特許文献３、４に記載の入力装置は、トラックボールの外周にリング機構を配置し、トラックボールによる前後・左右軸回りの回転量と、リングによる上下軸回りの回転量によって前後・左右・上下の３軸回りの回転移動を入力可能とした装置である。さらに、特許文献５に記載の入力装置は、前後・左右・上下方向の並進移動を入力可能な装置と、前後・左右・上下軸回りの回転移動を入力可能な装置とを組み合わせた機構で、３次元物体に６自由度を与えることができる装置である。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１２６９０１号公報
【特許文献２】
特開平１１−１５５９５号公報
【特許文献３】
特許第２７７５８３９号公報
【特許文献４】
特開昭６０−１３４３３１号公報
【特許文献５】
特開平１０−１６１７６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、３次元物体の並進移動及び回転移動の操作を直感的に行うために、ジョイスティックもしくはスイッチとトラックボールとを組み合わせた構成の入力装置が提案されている。ジョイスティックもしくはスイッチの入力では、任意の方向にジョイスティックのグリップ部を倒すことで、あるいは任意の方向に対応したスイッチを押すことで、画面上の物体を対応した方向に並進移動することができる。一方、トラックボールの入力では、任意の方向にトラックボールを回転させることで、画面上の物体を対応した方向に回転移動させることができる。また、回転移動量を並進移動量に変換する演算部を実装すれば、任意の方向にトラックボールを回転させることで、画面上の物体を対応した方向に並進移動させることができる。
【０００５】
ジョイスティックもしくはスイッチでの操作では、グリップ部を倒しているあるいはスイッチを押している間、画面上の物体が移動し続ける機能（以下、データホールド機能と呼ぶ）を有するが、トラックボールの操作では、画面上の物体を移動させるためにトラックボールを回転させ続けなくてはいけない。
【０００６】
また、直感的な操作という観点でトラックボールの操作を考えるならば、トラックボールの回転移動量と、画面上の物体の回転移動量もしくは並進移動量は、１対１（等価）の対応が望ましい。具体的には、画面上の物体を各軸回りに回転させる場合では、ボール部の回転角度と画面上の物体の回転角度が等しく、また、画面上の物体を並進させる場合では、ボール部の回転量と画面上の物体の並進移動量が等しく設定される。ここで、データホールド機構のないトラックボールにおいて、トラックボールの回転移動量と画面上の物体の回転移動量もしくは並進移動量を等価とした場合、トラックボールの直径が小さければ、トラックボールを少し動かすだけで回転角度が大きく変化したり、トラックボールの一回転分の並進距離が少ないために何度も回転させなければならないといった操作上の不都合が生じる。
【０００７】
上記の理由により、目的とする用途に合わせてトラックボールの直径をスケーラブル（自由な大きさ）に設定できる構成が必要となる。しかしながら、ジョイスティックやスイッチ、キーボードなどの操作デバイスとトラックボールとを組み合わせた入力装置では、それらの配置方法によってはトラックボールを大きくできない場合がある。例えば、特許文献５に記載の入力装置では、ジョイスティックのグリップ部にトラックボールが配置されているために、トラックボールを大きくすることで設計が困難となるものであった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、トラックボールの直径を用途に合わせてスケーラブルに設定することが可能な座標入力装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る座標入力装置は、前後・左右の軸方向の並進移動を入力可能なジョイスティック１もしくはスイッチと、前後・左右の軸回りの回転移動を入力可能なトラックボール２と、各入力装置の変位を検出するセンサ機構３と、前記センサ機構３の出力値を座標に変換する演算部４とを備えた座標入力装置であって、トラックボール２の手前にジョイスティック１もしくはスイッチを配置して成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係る座標入力装置は、請求項１に加えて、トラックボール２の外周に回転リング５と、回転リング５の回転量を検出するセンサ機構６とを備え、回転リング５の回転で上下軸回りの回転移動を入力可能として成ることを特徴するものである。
【００１１】
また、本発明の請求項３に係る座標入力装置は、請求項１又は２に加えて、ジョイスティック１のグリップ部７が上下移動可能な機構８と、グリップ部７の上下軸方向の変位を検出するセンサ機構９を備え、上下軸方向の並進移動を入力可能として成ることを特徴するものである。
【００１２】
また、本発明の請求項４に係る座標入力装置は、請求項２又は３に加えて、回転リング５が上下方向に傾く機構１０と、回転リング５の上下軸方向の変位を検出するセンサ機構１１とを備え、上下軸方向の並進移動を入力可能として成ることを特徴するものである。
【００１３】
また、本発明の請求項５に係る座標入力装置は、請求項１乃至４のいずれかに加えて、前記センサ機構３、６、９、１１から出力される変位に任意の定数を乗算するデータ乗算処理部１２を備え、前記センサ機構３、６、９、１１の出力値と前記演算部４の入力値の割合を任意に変更可能にして成ることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の請求項６に係る座標入力装置は、請求項５に加えて、前記センサ機構３、６、９、１１から出力される変位に乗算する任意の定数をボリューム１３により変更可能にして成ることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。尚、説明にあたって図１に示すように、前後方向の軸をＸ軸、左右方向の軸をＹ軸、上下方向の軸をＺ軸と定義する。
【００１６】
図１（ａ）に請求項１に記載した座標入力装置の基本構成の一例を示す。この座標入力装置は、画面上の物体の前後・左右の軸方向の並進移動を入力可能なジョイスティック１と、画面上の物体の前後・左右の軸回りの回転移動を入力可能なトラックボール２と、これら入力装置であるジョイスティック１及びトラックボール２の変位を入力量として検出するセンサ機構３と、センサ機構３からの出力を座標に変換する演算部４とを備えて構成されており、ジョイスティック１がトラックボール２の手前に配置されている。つまり、座標入力装置の操作者とトラックボール２との間にジョイスティック１が配置されるものである。
【００１７】
ここで、演算部４は入力装置の内部に配置されていてもよい。すなわち、トラックボール２はその下側略半分がボールベース２０に埋め込まれ、上側略半分がボールベース２０の上面に突出して回転自在に保持されているが、このボールベース２０の内部に演算部４を設けることができる。また、ジョイスティック１はその下部がスティックベース２１に差し込まれ、上部がスティックベース２１の上面に突出して傾斜自在に保持されているが、このスティックベース２１の内部に演算部４を設けることができる。また、画面上の物体の前後・左右の軸方向の並進移動を入力可能な入力装置としては、ジョイスティック１の代わりに、前後・左右の軸方向を示す矢印の形状や配置位置を考慮したスイッチを用いても構わない。
【００１８】
図１（ｂ）に上記センサ機構３の一例を示す。このセンサ機構３のうちジョイスティック１に対応するものは傾斜検知スイッチ２２で構成されている。すなわち、ジョイスティック１をＸ−Ｙ平面の任意の方向に傾斜させることで、センサ機構３として実装された傾斜検知スイッチ２２が押され、ジョイスティック１が示す方向を検出することが可能となる。また、データホールド手段を用いることにより、傾斜検知スイッチ２２が押されている間じゅう、対応する方向に移動し続けるといった表現が可能となる。
【００１９】
また、センサ機構３のうちトラックボール２に対応するものはボール回転検知ローラ２３で構成されており、トラックボール２をＸ−Ｙ平面の任意の方向に回転させることで、センサ機構３として実装されたボール回転検知ローラ２３が回転する。このボール回転検知ローラ２３の回転数はボール回転検知ローラ２３に設けたエンコーダ２４で検出可能である。そして、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれに平行な二つのボール回転検知ローラ２３の回転量（数）を計算することで、Ｘ−Ｙ平面におけるトラックボール２の回転方向と回転量を検出することが可能となる。また、データホールド手段を用いることにより、トラックボール２が一定量の回転位置で固定されれば、対応する方向に回転し続けるといった表現が可能となる。
【００２０】
図２は本発明の座標入力装置のデータ処理の流れの一例を示すシステム構成図である。上記のように、ジョイスティック１の傾斜による変位は四方向に対応した傾斜検知スイッチ２２で検出し、また、トラックボール２の回転量はボール回転検知ローラ２３の回転に変換され、Ｘ軸、Ｙ軸に対応したエンコーダ２４で検出する。各傾斜検知スイッチ２２及びエンコーダ２４の検出結果の出力は、デジタル入力部やカウンタ２５を介し、バス２６を経てＣＰＵ等で構成される演算部４に取り込まれて座標に変換される。
【００２１】
図３（ａ）に請求項２に記載した座標入力装置を実現する構造の一例を示す。この座標入力装置のトラックボール２の外周には回転リング５が略水平に設置されていると共にこの回転リング５の水平面における回転数を検出するためのエンコーダ２８が実装されている。回転リング５は例えば複数のローラなどで支持することができる。図３（ｂ）は図３（ａ）に示す座標入力装置の概略の断面図である。センサ機構６であるリング回転検知ローラ２７の周面と回転リング５の下面とが接触されており、回転リング５がＸ−Ｙ面（水平面）内で回転することでリング回転検知ローラ２７が回転する。このリング回転検知ローラ２７の回転数はリング回転検知ローラ２７に設けたエンコーダ２８で検出することが可能である。また、データホールド手段を用いることにより、回転リング５が一定量の回転位置で固定されれば、対応する方向に回転し続けるといった表現が可能となる。その他の構成は図１に示すものと同様である。そして、この座標入力装置では回転リング５の回転で画面上の物体の上下軸（Ｚ軸）回りの回転移動を入力することができるものである。
【００２２】
図４（ａ）に請求項３に記載した座標入力装置を実現する構造の一例を示す。この座標入力装置のジョイスティック１はグリップ部７が上下移動可能な機構８を実装する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、ジョイスティック１は棒状のスティック部２９の上部に筒状のグリップ部７が装着されて形成されており、スティック部２９の上端とグリップ部７の上側内面とがバネ３０で連結されている。また、スティック部２９の外面に取り付けられたガイド３１に沿ってグリップ部７に設けた滑走部３２を上下に移動させることによって、グリップ部７がスティック部２９に対して上下方向にスライド移動するように形成されている。このようにスティック部２９とバネ３０とガイド３１及び滑走部３２でグリップ部７が上下移動可能な機構８が形成されている。
【００２３】
この座標入力装置のジョイスティック１はグリップ部７の上下軸方向の変位を検出するセンサ機構９を実装する。すなわち、グリップ部７の内面には突起部３３が設けられており、また、スティック部２９の外面には２個の上下動検知スイッチ３４、３５が取り付けられている。この上下動検知スイッチ３４、３５の配置位置は上記突起物３３の上方と下方である。そして、上下動検知スイッチ３４、３５と突起部３３でグリップ部７の上下軸方向の変位を検出するセンサ機構９が形成されている。つまり、グリップ部７を握った使用者が意識してグリップ部７を上方または下方にスライド移動させない限り、突起部３３が上下動検知スイッチ３４、３５の間の中間位置になるように、バネ３０の長さや強度が設定されている。その他の構成は図１に示すものと同様である。
【００２４】
そして、グリップ部７を上方もしくは下方にスライド移動させることで、突起部３３の上側もしくは下側に配置された上下動検知スイッチ３４、３５が押され、グリップ部７がスライド移動して示す方向を検出することができ、従って、画面上の物体の上下軸（Ｚ軸）方向の並進移動を入力することができるものである。また、上下動検知スイッチ３４、３５の代わりに、スライド式のポテンショメータを取り付ければ、グリップ部７の上下方向の変位量を連続的に読み取ることが可能となる。
【００２５】
図５（ａ）に請求項４に記載の座標入力装置を実現する構造の一例を示す。この座標入力装置では図３（ａ）（ｂ）と同様の回転リング５を備えたものであるが、さらにこの回転リング５は上下方向に傾斜可能な機構１０を実装する。図５（ｂ）は図５（ａ）に示す座標入力装置の概略の断面図を示す。回転リング５は左右方向の回動軸３６を中心に回動して上下軸方向に傾斜可能であり、また、回転リング５はボールベース２０の上面に設けた前後二本のバネ３７、３８で支えられている。回転リング５の上下方向に傾斜可能な機構１０は上記回動軸３６とバネ３７、３８で構成されているが、回転リング５は回動軸３６及びバネ３７、３８に対して固定されておらず、従って、回転リング５は回動軸３６の上端やバネ３７、３８の上端に摺動しながらＸ−Ｙ面内で回転自在に形成されている。そして、回転リング５の表面に手を置いた使用者が意識して回転リング５を傾斜させない限り、回転リング５は水平に保たれるように、バネ３７、３８の長さと強度が設定されている。
【００２６】
また、上記の座標入力装置には、回転リング５の上下軸方向の変位を検出するセンサ機構１１が設けられている。このセンサ機構１１は二つのリング傾斜検出スイッチ３９、４０で構成されており、一方のリング傾斜検出スイッチ３９が回転リング５の手前側（前側）の下方においてボールベース２０の上面に突出して設けられており、他方のリング傾斜検出スイッチ４０が回転リング５の奥側（後側）の下方においてボールベース２０の上面に突出して設けられている。その他の構成は上記図１及び図３に示すものと同様である。そして、回転リング５の手前側もしくは奥側を押して回転リング５を傾斜させることで、手前側もしくは奥側のリング傾斜検出スイッチ３９、４０が押され、回転リング５の傾斜方向を検出することが可能となり、これにより、画面上の物体の上下軸（Ｚ軸）方向の並進移動を入力することができるものである。また、回動軸３６にエンコーダを取り付ければ、回転リング５の傾斜角度を検出することが可能となるものである。
【００２７】
図６には６自由度の入力を可能とする座標入力装置の構造の一例を示す。この座標入力装置は、請求項１及び３に記載の３自由度の並進移動入力装置である図４（ａ）（ｂ）に示すものと、請求項１及び２に記載のトラックボール２と回転リング５とを組み合わせた３自由度の回転移動入力装置である図３（ａ）（ｂ）に示すものとで構成され、並進移動入力装置を回転移動入力装置の手前に配置している。そして、これにより、トラックボール２の球体の大きさをスケーラブルに設定しても操作環境に支障を生じさせないものであり、また、トラックボール・ジョイスティック・回転リングの動きと画面上の物体の動きとを対応させて直感的に入力することが可能となるものである。
【００２８】
図７は上記６自由度の座標入力装置の一例におけるデータ処理の流れを示すシステム構成図である。画面上の物体の並進移動において、ジョイスティック１の傾斜の変位はＸ軸、Ｙ軸に対応した傾斜検知スイッチ２２で検出し、ジョイスティック１（もしくは図５に示す回転リング５）に実装された上下移動機構４１であるグリップ部７の上下方向の変位はＺ軸に対応した上下動検知スイッチ３４、３５で検出する。また、画面上の物体の回転移動において、トラックボール２の回転量はＸ軸、Ｙ軸に対応したエンコーダ２４で検出し、回転リング５の水平面での回転量はＺ軸回りの回転に対応したエンコーダ２８で検出する。そして、上記の各スイッチ２２、３４、３５及びエンコーダ２４、２８での検出結果の出力はデジタル入力部やカウンタ２５、４５を介し、パス４３を経てＣＰＵ等で構成される演算部４に取り込まれて座標に変換される。
【００２９】
図８は請求項５に記載の座標入力装置の特徴を実現するシステム構成の一例を示す。上記のようなジョイスティック１やトラックボール２や回転リング５等の入力装置４５の変位はセンサ機構３、６、９、１１で検出され、その変位データはセンサ機構３、６、９、１１から出力されてパス４６を経て演算部４に入力されるが、センサ機構３、６、９、１１の出力値に乗算処理を行うデータ乗算処理部１２をパス４６に接続し、センサ機構３、６、９、１１の出力値にデータ乗算処理部１２で任意の定数を乗算した後、乗算後のデータをデータ乗算処理部１２から演算部４に出力するようにしている。これにより、各入力装置４５の変位を検出したセンサ機構３、６、９、１１の出力値と演算部４に取り込まれる入力値の割合をデータ乗算処理部１２により任意に変更することができるものである。
【００３０】
また、乗算する定数はボリューム１３などにより変更可能に形成されている（請求項６）。これにより、ジョイスティック１による並進移動の速度を任意に設定したり、単位時間内のトラックボール２の回転量と座標の変更量の割合を任意に変更したりすることが可能となる。
【００３１】
本発明の座標入力装置を利用したコンテンツの例として、商品や美術品などの展示シュミレーションが挙げられる。すなわち、本発明の座標入力装置のジョイスティック１、トラックボール２、回転リング５を操作することにより、スクリーンやディスプレイに投影された３Ｄ画像の商品や美術品を並進移動及び回転移動させ、いろいろな視点から３Ｄ画像を見ることができる。さらに、トラックボール２及び回転リング５の回転移動量と、３Ｄ画像の回転移動量を１対１（等価）に設定すれば、トラックボール２の直径を大きくすることで、回転移動の分解能が向上し、３Ｄ画像の回転移動を直感的に操作することが可能となる。このような理由により、展示シュミレーションに用いる入力装置として本発明の座標入力装置の特性が必要といえる。
【００３２】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、前後・左右の軸方向の並進移動を入力可能なジョイスティックもしくはスイッチと、前後・左右の軸回りの回転移動を入力可能なトラックボールと、各入力装置の変位を検出するセンサ機構と、前記センサ機構の出力値を座標に変換する演算部とを備えた座標入力装置であって、トラックボールの手前にジョイスティックもしくはスイッチを配置するので、３次元データの前後・左右方向の並進移動及び回転移動を直感的に入力することが可能であり、ジョイスティックもしくはスイッチをトラックボールの奥や横に配置した場合と比べて、トラックボールの球体の大きさをスケーラブルに設定しても操作環境に支障を生じさせないものであり、従って、トラックボールの直径を用途に合わせてスケーラブルに設定することが可能となるものである。
【００３３】
また、本発明の請求項２の発明は、トラックボールの外周に回転リングと、回転リングの回転量を検出するセンサ機構とを備え、回転リングの回転で上下軸回りの回転移動を入力可能とするので、前後・左右・上下の３軸回りの回転移動量を入力可能に形成することができるものである。
【００３４】
また、本発明の請求項３の発明は、ジョイスティックのグリップ部に上下移動可能な機構と、上下軸方向の変位を検出するセンサ機構とを備え、上下軸方向の並進移動を入力可能とするので、前後・左右・上下の３軸方向の並進移動量を入力可能に形成することができるものである。
【００３５】
また、本発明の請求項４の発明は、回転リングが上下方向に傾く機構と、回転リングの上下軸方向の変位を検出するセンサ機構とを備え、上下軸方向の並進移動を入力可能とするので、回転リングにより上下軸方向の並進移動量を入力可能に形成することができるものである。
【００３６】
また、本発明の請求項５の発明は、前記センサ機構から出力される変位に任意の定数を乗算するデータ乗算処理部を備え、前記センサ機構の出力値と前記演算部の入力値の割合を任意に変更可能にするので、単一時間におけるセンサ機構から出力される変位と画面上の物体の移動量との対応を任意に設定することができる。具体的には、乗算定数を１以上に設定することで、センサ機構の出力値に対する画面上の物体の移動量が増加して少ない操作動作で画面上の物体の動きを大きくすることが可能となる。これは長い距離の移動や大きな物体を動かすときに有益となる。逆に、乗算定数を１以下に設定することで、センサ機構の出力値に対する画面上の物体の移動量が減少して大きな操作動作でも画面上の物体の動きを小さくすることが可能となる。これは精密で微妙な操作が要求されるときに有益となる。
【００３７】
また、本発明の請求項６の発明は、前記センサ機構から出力される変位に乗算する任意の定数をボリュームにより変更可能にするので、簡単な操作でセンサ機構の出力値と演算部の入力値の割合を任意に変更することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略の断面図である。
【図２】同上のデータ処理の流れの一例を示すシステム構成図である。
【図３】同上の他の実施の形態の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略の断面図である。
【図４】同上の他の実施の形態の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略の断面図である。
【図５】同上の他の実施の形態の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略の断面図である。
【図６】同上の他の実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図７】同上のデータ処理の流れの他例を示すシステム構成図である。
【図８】同上のデータ処理の流れの他例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
１  ジョイスティック
２  トラックボール
３  センサ機構
４  演算部
５  回転リング
６  センサ機構
７  グリップ部
８  グリップ部が上下移動可能な機構
９  センサ機構
１０  回転リングが上下方向に傾く機構
１１  センサ機構
１２  データ乗算処理部
１３  ボリューム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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