JP3204844B2 - 角度検出装置およびこれを使用した入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源を有する発光部
と、光源からの光を受光検知する検出部とを有し、発光
部と検出部を結ぶ軸に対する両部の相対的な回転角度
や、この回転角度を加味した両部の相対的な傾き量の検
出を可能にした角度検出装置、およびこの角度検出装置
を使用した入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来各種映像が表示される画面に対して
外部から情報を入力する入力装置としては、ジョイスチ
ックが付いたコントローラや、マトリクス配列されたス
イッチ素子を有する平面的な座標入力装置などが主なも
のとなっている。前記ジョイスチックが付いたコントロ
ーラは、アクションゲームにおいて画面でのキャラクタ
の移動や動作指示を行う操作などを行う場合には適して
いるが、画面の任意の場所に現れる釦にカーソルマーク
を合わせるなどの操作には不向きである。またこの種の
コントローラはコード式のものであるために、画面の近
くでしか操作できない。また従来の平面的な座標入力装
置は、画面の手前に平面的な指示盤を設置するスペース
が広く必要になり、また構造も複雑でコストの高いもの
となっている。

【０００３】そこで、最近では図１２に示すような超音
波を使用した入力装置が考えられている。この入力装置
は、機器本体の画面１の両側などに水平軸（ｘ軸）方向
に間隔を開けて配置された音源２ａ，２ｂが設けられて
いる。人が手で持って操作する操作部材３には、前記音
源２ａと２ｂから発せられる超音波を検知する検出部が
設けられている。音源２ａ，２ｂからは、超音波が互い
に位相をずらしてパルス変調されて発せられる。操作部
材３の検出部では、音源２ａと２ｂからの超音波を識別
して受信し、受信された各超音波の位相差などから音源
２ａとの距離Ｌａと音源２ｂとの距離Ｌｂとが算出さ
れ、これにより、操作部材３の水平面（Ｈｘ−Ｈｙ面）
上での位置が検出できるようになっている。操作部材３
を水平面（Ｈｘ−Ｈｙ面）にて移動させ必要に応じて操
作釦を押すと、操作部材３にて受信された情報が有線で
または無線で機器本体に与えられ、機器本体ではＨｘ−
Ｈｙ面での操作部材３の位置が演算され、例えば機器本
体の画面１に現れたカーソルマーク４が移動させられ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示す入力装置
では、水平面（Ｈｘ−Ｈｙ面）上での操作部材３の位置
を検出し、その情報を機器本体に与えることは可能であ
るが、操作部材３をＨｘ−Ｈｙ平面上のある位置に停止
させてθｘ方向へ傾けたとしても、その傾き角度を検出
することはできない。さらに操作部材３のθｙ方向やθ
ｚ方向への回転角度を検出することも不可能である。ま
た、超音波は簡単な構成で実現できるが、温度に対する
安定性が悪く、しかも外乱ノイズが多いなど、信頼性の
面で問題が多く残されている。超音波以外でも交流磁界
を利用し、３次元空間での位置と角度を求める方法も提
案されているが、装置が大型化し、非常に高価である。

【０００５】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、発光部と検出部との相対的な回転角度などを簡単
な構造で高精度に検出できるようにした角度検出装置お
よびこの角度検出装置を使用した入力装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による角度検出装
置は、発光部と検出部とが離れて配置され、前記発光部
には、識別可能な光を発する２個の光源が間隔を開けて
配置され、前記検出部には、それぞれの光を所定面積の
スポット光とする絞り口と、絞り口の中心を通る軸と交
叉するＸ−Ｙ直交座標を設定したときにＸ軸方向に配列
する受光部とＹ軸方向に配列する受光部とが設けられ、
各スポット光に対するＸ軸方向に配列する受光部での受
光光量の差とＹ軸方向に配列する受光部での受光光量の
差からそれぞれのスポット光の位置を求め、両スポット
光の中心を結ぶ線の前記Ｘ−Ｙ座標上での傾き角度を求
める算出部が設けられていることを特徴とするものであ
る。

【０００７】また、上記において、Ｘ−Ｙ直交座標を前
記傾き角度だけ回転させた回転座標Ｘα−Ｙαを設定
し、算出部にて、Ｘα−Ｙα座標上での前記両スポット
光の中点の位置が求められるものである。

【０００８】さらに、算出部にて、両スポット光の中心
間の距離と前記光源の配置間隔とから発光部と検出部と
の距離が求められるものである。

【０００９】上記検出部は、１つの絞り口と、Ｘ軸方向
とＹ軸方向にそれぞれ配列する４つの受光部とを設ける
ことにより構成でき、または、２つの絞り口と、一方の
絞り口を通過したスポットを検出するＸ軸方向に配列す
る２つの受光部と、他方の絞り口を通過したスポット光
を検出するＹ軸方向に配列する２つの受光部とが設ける
ことにより構成できる。

【００１０】また本発明による角度検出装置は、発光部
と検出部とが離れて配置され、前記発光部からはほぼ直
線偏光の光が発せられ、前記検出部には、前記発光部か
ら発せられる光の偏光方向に対して互いに逆方向に傾い
た偏光成分を透過する２個のフィルタと、それぞれのフ
ィルタを透過した光を検出する受光部が設けられ、それ
ぞれのフィルタを透過した光の受光光量の差から、発光
部と検出部との回転角度を求める算出部が設けられてい
ることを特徴とするものである。

【００１１】上記において、発光部と検出部とを結ぶ軸
に交叉するＸ−Ｙ直交座標を設定したときに、一方の受
光部はＸ軸方向へのスポット光の移動量を検知でき、他
方の受光部はＹ軸方向へのスポット光の移動量を検知で
きるものとすることが好ましい。

【００１２】さらに上記各構造の角度検出装置を使用し
て、固定された機器本体側と移動自在な操作部材側の一
方に発光部を他方に検出部を設け、発光部と検出部とを
結ぶ軸に対する両部の相対的な回転角度情報を操作部材
から機器本体に入力する入力装置とすることが可能であ
る。

【００１３】

【作用】前記第１の手段では、発光部にて間隔を開けて
配置された２個の光源から識別可能な光が発せられる。
例えば両光源から一定の周波数で変調した光を発生さ
せ、両光源からの発光タイミング（位相）をずらすこと
により、それぞれの光を検出部にて識別することができ
る。またそれぞれの光源から発せられる光の波長や変調
周波数を異ならせておき、検出部の受光部により検出さ
れた各検出出力をバンドパスフィルタにて分離し、両光
源からの光を識別できるようにしてもよい。

【００１４】発光部の２個の光源から発せられた光は、
検出部にて絞り口を通過して所定の面積のスポット光と
なり、このスポット光が４分割受光部または２分割受光
部にて受光される。検出部にてＸ軸方向に分割された分
割受光部の受光光量の差をおよびＹ軸方向に分割された
分割受光部の受光光量の差を求めることにより、それぞ
れの光源から発せられた光のスポット光の位置を別々に
検出できる。両スポット光の位置から両スポット光の中
心を通る線を求めることができ、よって検出部のＸ−Ｙ
直交座標上での前記線の角度を知ることができる。これ
により発光部と検出部を結ぶ線に対する両部の相対的な
回転角度を検出することができる。

【００１５】また、検出部での前記Ｘ−Ｙ直交座標を前
記回転角度と同じだけ回転させた回転座標Ｘα−Ｙαを
設定し、両スポット光の中点のＸα−Ｙα座標上での位
置を検出することにより、発光部と検出部の相対的な回
転角度を加味した状態で、ｘ軸方向とｙ軸方向への両部
の傾き角度を検出することができる。

【００１６】また他の手段では、発光部から直線偏光の
光が発せられる。検出部には、発光部から発せられる光
の偏光方向に対して例えば＋４５度と−４５度の逆向き
の角度の偏光成分をそれぞれ透過する一対のフィルタ
と、このフィルタを透過した光を検出する受光部が設け
られている。両受光部での受光光量を比較することによ
り、両フィルタの偏光方向に対する光源からの光の偏光
方向の傾き角度を知ることができ、これにより発光部と
検出部を結ぶ軸に対する両部の相対的な回転角度を検出
することができる。

【００１７】また、発光部の２つの光源から識別可能な
光が発せられ、検出部の分割受光部にてそれぞれの光の
スポット光の位置が求められたときに、両スポット光の
中心間の距離と、発光部での光源の配置間隔とから、発
光部と検出部との距離を検出することも可能である。

【００１８】上記の角度検出装置の発光部と検出部を、
機器本体と操作部材とに別々に設置することにより、機
器本体に対する操作部材の向き（姿勢）を検出すること
ができる。よって操作部材をいずれかの姿勢に向けて操
作釦を押すなどすることにより、機器本体に対し三次元
的な位置情報を入力することが可能になる。

【００１９】上記角度検出装置または入力装置を使用す
ることにより、画面を有する機器に対して操作部材によ
り座標位置を入力することができ、または画面上に現れ
た押釦にカーソルマークを合せて操作することもでき
る。さらにバーチャルリアリティでの角度検出や位置ま
たは角度の入力として使用することも可能である。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図１は本発明の第１実施例による角度検出装置を使
用した入力装置を示す斜視図、図２ないし図６は角度検
出装置の基本的な構造およびその動作を説明するもので
ある。この入力装置は、固定側が機器本体１０であり、
この機器本体１０はコンピュータやＡＶ機器またはゲー
ム機本体などであり、ＣＲＴ画面１１を有している。移
動側は操作部材１２である。操作部材１２はリモートコ
ントローラとして機能するものであり、手で保持できる
程度の大きさである。操作部材１２と機器本体１０はコ
ードにて有線接続され、あるいは操作部材１２から機器
本体１１に対し赤外線通信や電波通信により検出情報
（主に角度検出情報）や操作指示信号が与えられる。

【００２１】上記入力装置は角度検出装置を備えている
が、図１の実施例では、機器本体１０側に発光部１５が
設けられ、操作部材１２側に検出部２０が設けられてい
る。この発光部１５と検出部２０とで、本発明の角度検
出装置が構成される。発光部１５の中心Ｏ１を通過する
水平軸をｘ軸とし、中心Ｏ１を通過する垂直軸をｙ軸と
したときに、ｘ軸上にて中心Ｏ１に対して等距離ａ（図
２参照）離れた位置に一対の点光源１６と１７が設けら
れている。図１では、発光部１５の中心Ｏ１が画面１１
の中心の（イ）の位置に示され、点光源１６と１７が画
面１１内に有るように示されている。

【００２２】ただし実際の装置では、発光部１５の中心
Ｏ１は画面１１から外れた例えば（ロ）で示す位置にあ
る。この場合、操作部材１２の検出部２０に対して垂直
（図２では水平）に延びるＺ軸が画面１１の中心に向け
られたときに、操作部材１２の検出部２０の中心と発光
部１５の中心とを結ぶ線Ｊｏと、Ｚ軸との間にオフセッ
ト角θ0が生じる。実際の入力装置および角度検出装置
では、操作部材１２の検出部２０にて検出されたＹ方向
の検出角度から前記オフセット角θ0が除算されること
により画面に対するＺ軸の向き（対向角度）θｙが算出
される。または、発光部１５の中心Ｏ１を画面１１の中
心に位置させ、この中心Ｏ１を通るｘ軸上にて画面１１
から外れた左右側方位置（（ハ）の位置）に点光源１６
と１７を配置すれば、前記オフセット角θ0を除算する
必要はなくなる。いずれにせよ以下においては、角度検
出装置の構成および動作の説明を容易にするために、発
光部１５の中心Ｏ１が画面１１の中心の（イ）の位置に
あるものと仮定して説明する。

【００２３】前記２つの点光源１６と１７からは互いに
識別可能な光が発せられる。例えば各点光源１６と１７
は、赤外線発光ダイオードであり、両点光源１６と１７
からは、同じ周波数（周期）で且つ位相が１８０度ずれ
た変調光が出力される。図６（Ａ）は一方の点光源１６
を発光させる駆動パルスで、図６（Ｂ）は他方の点光源
１７を発光させる駆動パルスである。各点光源１６と１
７は共に、１６〜４０ｋＨｚ程度の周波数の駆動パルス
により変調発光し、光源１６と光源１７とでは発光周期
が１８０度ずれ、光源１６と光源１７とで異なるタイミ
ングにて交互に赤外線が発光されるようになっている。
操作部材１２に設けられた検出部２０は、図２に示すよ
うに、発光部１５に向く側から可視光カットフィルタ２
１、絞り板２２、受光素子２３の順に互いに平行に設け
られている。

【００２４】絞り板２２には矩形状の絞り口２２ａが開
口している。この絞り口２２ａの中心を通り絞り板２２
や受光素子２３に垂直となる軸を前記Ｚ軸とし、検出部
２０にてこのＺ軸に直交するＸ−Ｙ直交座標を設定す
る。図３に示すように、前記受光素子２３は４分割受光
部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを有するピンホトダ
イオードにより構成されている。前記Ｘ−Ｙ直交座標に
おいて、分割受光部の２３ａ，２３ｂの組と２３ｃ，２
３ｄの組はＹ軸方向に分割され、２３ｂ，２３ｄの組と
２３ａ，２３ｃの組はＸ方向に分割されている。

【００２５】点光源１６と１７からそれぞれ異なるタイ
ミング（異なる周期）にて発せられる赤外光は、前記矩
形状の絞り口２２ａにより絞られ、受光素子２３上に矩
形スポット光として照射される。図３では、光源１６か
ら発せられた赤外光の矩形スポット光をＳ１６で示し、
光源１７から発せられた赤外光の矩形スポット光をＳ１
７で示している。絞り口２２ａの開口面積と各受光部２
３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの受光面積、および受光
素子２３の受光面と絞り板２２の表面との距離ｍ（図５
参照）により、操作部材１２が一定の範囲内で各方向へ
傾いても、各矩形スポット光Ｓ１６とＳ１７は、４分割
受光部２３ａ〜２３ｄの受光検知領域から外れないよう
に設定されている。また可視光カットフィルタ２１が設
けられることにより、受光素子２３において、赤外光の
矩形スポットＳ１６，Ｓ１７以外の外光ノイズ成分が可
能な限り遮断されるようになっている。

【００２６】それぞれの分割受光部２３ａ〜２３ｄで
は、矩形スポット光の照射面積に基づいて光電変換され
た検出電流が得られる。処理回路については口述する
が、この検出電流は電圧に変換されて演算処理される。
そこで分割受光部２３ａ〜２３ｄでの矩形スポット光の
照射面積に基づく検出出力を、図３においてＬｕ，Ｒ
ｕ，Ｌｄ，Ｒｄで示す。前述のように、点光源１６と１
７からは異なるタイミングで赤外光が発せられるため、
受光素子２３にて矩形スポット光Ｓ１６が検出される時
刻と矩形スポット光Ｓ１７が検出される時刻が異なり、
処理回路にて時分割することにより各矩形スポット光Ｓ
１６とＳ１７ごとに、前記Ｌｕ，Ｒｕ，Ｌｄ，Ｒｄの検
出出力が得られることになる。

【００２７】次に、発光部１５と検出部２０とから成る
前記角度検出装置での角度検出動作について説明する。
図３は、操作部材１２がある姿勢のときに、検出部２０
にて検出された矩形スポット光Ｓ１６とＳ１７を示して
いる。図３の検出状態は、図１にて操作部材１２がＺ軸
に対して反時計方向へ回転させられた状態である。この
回転角度をαとする。すなわち、検出部２０側のＸ−Ｙ
直交座標のＸ軸に対し、点光源１６と１７とが配置され
た発光部１５側のｘ軸が角度αだけ相対的に回転した状
態を示している。

【００２８】図３において、光源１６からの赤外光の矩
形スポット光Ｓ１６の中心をＩ１とし、光源１７からの
赤外光の矩形スポット光Ｓ１７の中心をＩ２で示す。ま
た検出部２０側のＸ−Ｙ直交座標上での中心Ｉ１の座標
位置を（Ｘ１，Ｙ１）としＩ２の座標位置を（Ｘ２，Ｙ
２）で示す。発光部１５の中心Ｏ１と絞り口２２ａの中
心とを結ぶ線Ｊ１（図４参照）の受光素子２３上での交
点をＯａとすると、前記交点Ｏａは、Ｉ１とＩ２との中
心点に位置する。検出部２０のＸ−Ｙ直交座標上での交
点Ｏａの座標位置を（Ｘ０，Ｙ０）とする。図３に示す
Ｘ−Ｙ直交座標上においてtanαを求めると、数１の通
りである。

【００２９】

【数１】

【００３０】よって、操作部材１２および検出部２０の
Ｚ軸に対する回転角αは、数２の通りである。

【００３１】

【数２】

【００３２】ここで、上記数１におけるＸ１とＸ２は、
光源１６と１７から異なるタイミングで発生される赤外
光の矩形スポット光Ｓ１６とＳ１７に対し、Ｘ軸方向に
分割された分割受光部２３ｂ，２３ｄの組の受光光量
と、分割受光部２３ａ，２３ｃの組の受光光量との差を
とることで求めることができる。またＹ１とＹ２は、そ
れぞれの矩形スポット光Ｓ１６とＳ１７に対し、Ｙ軸方
向に分割された分割受光部２３ａ，２３ｂの組の受光光
量と、分割受光部２３ｃ，２３ｄの組の受光光量との差
から求めることができる。すなわち、各分割受光部での
受光出力Ｌｕ，Ｒｕ，Ｌｄ，Ｒｄと、座標Ｘ１，Ｘ２，
Ｙ１，Ｙ２は以下の数３で示す比例関係にある。よって
受光出力を演算することによりＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ
２、すなわち検出部２０のＸ−Ｙ直交座標上での各矩形
スポットＳ１６とＳ１７の位置を求めることができる。

【００３３】

【数３】

【００３４】各分割受光部の受光出力に対して上記数３
の演算を施し、さらに数１または数２の計算を行うこと
により、操作部材１２および検出部２０のＺ軸に対する
相対的な回転角度αを求めることができる。数１または
数２の計算は、例えば図１１（Ｂ）に示すデジタル演算
部（算出部）４８にて、（Ｙ２−Ｙ１）／（Ｘ２−Ｘ
１）の値とこれに対応する角度αをテーブルに予め設定
しておき、このテーブルを参照することにより上記角度
αを容易に求めることができる。

【００３５】次に、図３の検出状態では、操作部材１２
と検出部２０とがＺ軸に対して相対的に角度αだけ回転
した状態であり、しかも図３に示す検出部２０は移動側
である操作部材１２に設けられている。そのため、検出
部２０のＸ−Ｙ直交座標は機器本体１０側のｘ−ｙ直交
座標（空間に対して固定されたｘ−ｙ直交座標）に対し
て角度αだけ回転している。一方、操作部材１２により
機器本体１０に与えられる傾き情報は、機器本体１０側
のｘ−ｙ直交座標に対する角度θｘおよびθｙでなけれ
ばならない。そこで、図３において、検出部２０に固定
されたＸ−Ｙ直交座標に対して角度αだけ回転した回転
座標Ｘα−Ｙαを設定する。この座標上での中心Ｏａの
位置を求めると数４の通りである。

【００３６】

【数４】

【００３７】ただし、Ｘ１とＸ２は数５によって求める
ことができる。

【００３８】

【数５】

【００３９】上記のＸαとＹαを求めることにより、機
器本体１０側のｘ−ｙ座標を基準としたＺ軸傾き角度θ
ｘとθｙ（単位はラジアン）を求めることができる。図
４はθｙについて図示しているが、θｘについても同様
である。絞り口２２ａと受光素子２３の表面との距離を
ｍとすると、このｍは微小であるから、Ｘαとθｘ、Ｙ
αとθｙとの関係は数６のようになる。

【００４０】

【数６】

【００４１】以上から、各分割受光部２３ａ〜２３ｄか
らの受光検出出力Ｌｕ，Ｒｕ，Ｌｄ，Ｒｄに対して、数
３の演算を行い、さらに数１または数２の演算を行うこ
とにより、操作部材１２のＺ軸に対する回転角度αを求
めることができる。またこの角度αに基づき数４にてＸ
αとＹαを求め、ＸαとＹαおよびｍの値から機器本体
１０のｘ−ｙ座標に対するＺ軸の傾きθｘとθｙを求め
ることができる。Ｚ軸は操作部材１２の検出部２０の受
光面に対して垂直な軸であるため、θｘとθｙを求める
ことにより、機器本体１０のｘ−ｙ座標に対する操作部
材１２の傾き角度を検出できる。

【００４２】次に、上記角度検出装置では、発光部１５
と検出部２０とのＺ軸方向の距離Ｌ（図５参照）を求め
ることも可能である。図５に示すように、発光部１５で
の点光源１６と１７とのｘ軸方向の間隔を２・ａ＝Ａと
し、受光素子２３の受光面でのＩ１とＩ２の直線距離を
ｂとすると、これらの関係は数７のとおりである。

【００４３】

【数７】

【００４４】上記において、ｂは検出部２０側のＸ−Ｙ
直交座標上のＩ１（Ｘ１，Ｙ１）とＩ２（Ｙ１，Ｙ２）
の位置から以下の数８により求めることができる。

【００４５】

【数８】

【００４６】すなわち、各分割受光部の受光検出出力か
ら数３により、Ｘ１，Ｙ１，Ｘ２，Ｙ２を求め、数８に
よりｂを求め、さらに数７から距離Ｌを求めることがで
きる。上記の各演算は、操作部材１２内で行われてその
結果が有線または無線で機器本体１０に伝達され、ある
いは検出部２０の受光検出出力のみが機器本体１０に伝
達されて、機器本体１０側で上記の演算がなされる。

【００４７】この入力装置では、操作部材１２がＺ軸に
対してα方向へ回転しても、その回転角度αを加味し
て、機器本体１０側のｘ−ｙ座標（空間での固定座標）
に対するｘ方向とｙ方向の傾きθｘとθｙを検出するこ
とができる。よって手で持った操作部材１２がα方向へ
回転した姿勢であっても、機器本体１０に対してθｘと
θｙの傾きに基づく情報を与えることができ、例えば画
面１１上に表示されるカーソルマークをｘ−ｙ座標上に
て移動させることができる。すなわち空間内にて操作部
材１２を自由に動かして、画面１１での画像処理の指
示、例えば線を描いたり、画面１１上の釦表示にカーソ
ルマークを合せてスイッチ操作し、画面を切換えるなど
の入力が可能になり、この場合、手で持った操作部材１
２がＺ軸に対して回転したとしてもこの回転によってｘ
−ｙ座標に対する入力動作が狂うことがない。

【００４８】また、この入力装置および角度検出装置に
おいて、Ｚ軸に対する操作部材１２および検出部２０の
回転角度αを、機器本体１０の画面１１での表示に対す
る指示情報として利用できる。例えば操作部材１２をα
方向へ回転させることにより、画面１１に現れた画像を
機器本体側のｘーｙ座標内にて回転させるなどの操作が
でき、これは描画処理やゲームソフトでのキャラクタの
回転動作などに利用できる。

【００４９】また、図１において操作部材１２のθｘと
θｙ方向の傾き角度のみに基づいて画面１１上にてカー
ソルマークを移動させると、操作部材１２が画面１１に
近づいているときと、操作部材１２が画面１１から離れ
ているときとで操作感触に違いを感じさせることにな
る。操作部材１２を画面１１に近づけた位置と画面１１
から十分に離れた位置とで、操作部材を例えばθｘ方向
へ同じ角度だけ傾けた場合、この傾き角度θｘの情報に
基づいて画面１１でカーソルマークが同じ距離だけ移動
することになる。よって画面１１から離れた位置で操作
部材１２を傾けたときに画面１１上でカーソルマークが
あまり動いていないような感触となる。

【００５０】そこで、数７により求められる距離Ｌを加
味して補正することにより上記感触の相違を補うことが
できる。例えば発光部１５と検出部２０との距離Ｌが長
くなるにしたがって、操作部材１２のθｘまたはθｙ方
向の傾きに対し、画面１１上でのカーソルマークの移動
距離を長くするような補正を行う。これにより、操作部
材１２が画面１１に近づいた場合と離れた場合とでの操
作感触の違いを補正できる。また逆に操作部材１２が画
面１１からかなり遠くに離れたときには、上記補正によ
り操作部材１２がわずかに傾いただけで画面１１上のカ
ーソルマークが大きく動き、手振れによる操作入力の狂
いが生じるおそれもある。この場合には前記と逆の補正
を行い、距離Ｌが長くなったときには、操作部材１２の
θｘおよびθｙの傾きに対し画面１１上でのカーソルマ
ークの移動距離を短く抑えるようにすればよい。

【００５１】図７と図８は上記第１実施例の変形例を示
している。この検出部２０ａに設けられた受光素子２３
は、検出部側のＸ−Ｙ直交座標において、Ｘ軸方向に分
割された２分割受光部２３Ａ，２３Ｂと、Ｙ軸方向に分
割された２分割受光部２３Ｃ，２３Ｄとを有している。
それぞれの受光部の前方には、絞り板２２の絞り口２２
Ａと２２Ｂが位置し、さらに絞り口２２Ａと２２Ｂの光
源側前方にシリンドリカルレンズ２５ａと２５ｂが設け
られている。なお、２分割受光部２３Ａ，２３Ｂと２分
割受光部２３Ｃ，２３Ｄはきわめて接近した距離にて配
置されている。図８に示すように、シリンドリカルレン
ズを設けることにより、２分割受光部２３Ａと２３Ｂに
形成されるスポット光はＹ軸方向にて光が集束され、Ｘ
軸方向では光が集束されない。２分割受光部２３Ｃと２
３Ｄに形成されるスポット光ではＸ軸方向にて光が集束
され、Ｙ軸方向では光が集束されない。

【００５２】図７と図８に示す検出部２０ａは図１に示
す操作部材１２に設けられるものである。この操作部材
１２すなわち検出部２０ａがＺ軸に対して角度αだけ回
転したとすると、図示左側の２分割受光部２３Ａ，２３
Ｂでは、光源１６からの赤外光がシリンドリカルレンズ
２５ａにて集束され絞り口２２Ａにて絞られ、矩形スポ
ット光Ｓ１６ａとなって受光面に当たる。同様に光源１
７からの赤外光は矩形スポット光Ｓ１７ａとなって２分
割受光部２３Ａと２３Ｂの受光面に当たる。同様に、右
側の２分割受光部２３Ｃ，２３Ｄでは、光源１６からの
赤外光が矩形スポットＳ１６ｂとなって当たり、光源１
７からの赤外光が矩形スポット光Ｓ１７ｂとなって当た
る。左右の２分割受光部２３Ａ，２３Ｂと２３Ｃ，２３
Ｄは発光部１５からの距離Ｌに対して十分に短い距離に
て配置されているため、それぞれの分割受光部２３Ａ〜
２３Ｄでの受光出力をＬ，Ｒ，Ｕ，Ｄとしたときに、以
下の数９に示す演算を行うことにより、図３に示したＩ
１とＩ２の座標位置Ｘ１，Ｙ１とＸ２，Ｙ２を近似的に
求めることができる。

【００５３】

【数９】

【００５４】数９により求められたＸ１，Ｘ２，Ｙ１，
Ｙ２は、それぞれの光源１６および１７からの赤外光の
矩形スポット位置の近似座標を意味しているため、この
値に基づき数１または数２の演算を行うことにより、操
作部材１２と検出部２０ａとのＺ軸に対する相対的な回
転角度αを求めることができる。また数４、数５、数６
により機器本体１０側のｘ−ｙ直交座標に対する傾き角
度θｘとθｙを求めることができる。さらに数７により
発光部１５と検出部２０ａとの距離Ｌを近似的に求める
ことも可能である。

【００５５】図８の実施例では、左側の分割受光部２３
Ａ，２３Ｂにおいて、各矩形スポット光Ｓ１６ａとＳ１
７ａとが受光面に対しＹ軸方向へはずれないようにし、
右側の分割受光部２３Ｃ，２３Ｄにおいて、各矩形スポ
ット光Ｓ１６ｂとＳ１７ｂが受光面に対してＸ軸方向へ
外れないようにすることが必要であるが、これは各絞り
口２２Ａと２２Ｂの開口面積を広くしておくことにより
可能である。またシリンドリカルレンズ２５ａと２５ｂ
は必ずしも必要ではないが、シリンドリカルレンズを設
けておくことにより光源１６と１７からの光がＹ軸方向
とＸ軸方向へ集束されて検出されるため、光の利用効率
が高くなりＳ／Ｎ比（対信号雑音比）を高めることが可
能になる。

【００５６】次に図９および図１０は本発明の第２実施
例を示している。この実施例では、発光部３０と検出部
３５とで角度検出装置が構成されている。図１に示した
のと同様の入力装置において、発光部３０が機器本体１
０側に設けられ、検出部３５が操作部材１２側に設けら
れる。発光部３０には、赤外光発光ダイオードなどの点
光源３１が１個設けられ、その前方に偏光板３２が設け
られている。点光源３１から発せられて偏光板３２を透
過した赤外光は、発光部３０側の固定座標（ｘ−ｙ座
標）に対し偏光方向がｙ方向のほぼ直線偏光成分のみと
なる。なお光源３１は複数設けてもよい。

【００５７】検出部３５にはＸ−Ｙ直交座標において、
Ｙ軸に対して互いに逆側に−４５度と＋４５度の偏光成
分を透過するフィルタ３６と３７が設けられている。フ
ィルタ３６を透過した光は、Ｙ軸方向に分割された２分
割受光部２３Ａと２３Ｂとで受光検出され、フィルタ３
７を透過した光は、Ｘ軸方向に分割された２分割受光部
２３Ｃ，２３Ｄにより受光検出される。検出部３５が操
作部材１２に搭載され、操作部材１２が検出部３５から
延びる垂線であるＺ軸を中心として角度αだけ回転する
と、各フィルタ３６と３７が互いに逆方向へ４５度づつ
の偏光成分を透過するものであるため、それぞれのフィ
ルタを透過して２分割受光部にて受光される検出出力の
うち、発光部３０から発せられる直線偏光に対してフィ
ルタの透過偏光角度が近づく側にて受光光量が多くな
り、偏光角度が離れる側にて受光光量が低下する。

【００５８】フィルタ３６を透過して２分割受光部２３
Ａ，２３Ｂに形成される矩形スポット光Ｓ３６と、フィ
ルタ３７を透過して２分割受光部２３Ｃ，２３Ｄに形成
される矩形スポット光Ｓ３７（図１０参照）とはその面
積が互いに等しいものにし、各矩形スポットＳ３６とＳ
３７が各２分割受光部での受光領域から外れないように
することが必要である。発光部３０での偏光板３２の偏
光方向と、フィルタ３６またはフィルタ３７の偏光方向
とが完全に一致した場合の２分割受光部２３Ａ，２３Ｂ
での受光検出出力の総和または２分割受光部２３Ｃ，２
３Ｄでの受光検出出力の総和をＰ０とする。検出部３５
がＺ軸に対して角度＋α（単位は度（ｄｅｇ））だけ回
転したときの、２分割受光部２３Ａ，２３Ｂでの受光検
出出力の総和をＰ１、２分割受光部２３Ｃ，２３Ｄでの
受光検出出力の総和をＰ２とすると、Ｐ１，Ｐ２とＰ０
との関係は数１０の通りとなる。

【００５９】

【数１０】

【００６０】ここで、左右の両２分割受光部での受光検
出出力の差（Ｐ２−Ｐ１）および（Ｐ１−Ｐ２）を計算
すると、数１１の通りである。

【００６１】

【数１１】

【００６２】ここでＰ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ２−Ｐ
１）とすると、Ｐは数１２の通りである。

【００６３】

【数１２】

【００６４】数１２からαを求めると数１３の通りであ
る。

【００６５】

【数１３】

【００６６】すなわち２分割受光部２３Ａと２３Ｂの受
光検出出力の総和Ｐ１と、２分割受光部２３Ｃ，２３Ｄ
の受光検出出力の総和Ｐ２とから数１１と数１２さらに
数１３の演算処理を行うことにより、検出部３５と発光
部３０とのＺ軸に対する相対的な回転角度αを求めるこ
とができる。また、受光部２３Ａの受光検出出力Ｌと受
光部２３Ｂの受光検出出力Ｒに対して、また受光部２３
Ｃの受光検出出力Ｕと受光部２３Ｄの受光検出出力Ｄに
対して数１４の演算を行うことにより、図１０での各矩
形スポット光Ｓ３６とＳ３７の中心の位置Ｘａ，Ｙａを
算出できる。このＸａとＹａに対し数６と同様の演算を
行えば、検出部３５のＺ軸の発光部３０側に対する傾き
角度θｘとθｙ（図１参照）を算出することが可能であ
る。

【００６７】

【数１４】

【００６８】この場合数１４と数６の演算処理のみでθ
ｘとθｙを近似的に算出できるが、検出部３５が操作部
材１２に搭載されて、検出部３５のＸ−Ｙ直交座標がＺ
軸に対してαだけ回転しているので、この角度αにて補
正を行うことによりθｘとθｙをさらに高精度に算出す
ることが可能である。また２分割受光部２３Ａ，２３Ｂ
の代わりに矩形スポット光Ｓ３６のＸ軸方向への位置を
検出できるＰＳＤ素子を使用し、また２分割受光部２３
Ｃ，２３Ｄの代わりに矩形スポット光Ｓ３７のＹ軸方向
への位置を検出できるＰＳＤ素子を用いてもよい。

【００６９】次に図１１（Ａ）（Ｂ）は、前記各実施例
の角度検出装置において使用される回路構成について示
している。図１と図２などに示した第１実施例では、点
光源１６と１７から互いに位相が１８０度相違した赤外
光が、同じ周波数で間欠発光する。図９に示す第２実施
例においても点光源３１から赤外光が所定の周波数にて
間欠発光する。したがって、各実施例において、各分割
受光部２３ａ〜２３ｄまたは２３Ａ〜２３Ｄでは、前記
パルス周期に対応したほぼサイン曲線変化の受光出力が
得られる。

【００７０】図１１に示すように、それぞれの分割受光
部には電流・電圧変換器４１が接続され、各分割受光部
での受光出力の電流値が電圧値に変換される。それぞれ
の検出電圧はバンドパスフィルタ４２を通過し、パルス
発光（間欠発光）の周波数成分が除かれる。そして増幅
器４３によりそれぞれの検出電圧が電圧増幅され、検波
器４４によりそれぞれ検波され、各分割受光部の受光光
量に応じた電圧がＤＣ成分として取り出される。また各
検波器４４からの電圧出力が加算器４５により電圧値と
して加算されオートゲインコントロール回路４６に与え
られる。そしてゲインコントロール回路４６により増幅
器４３の増幅率が制御される。検波器４４からの各検出
電圧は、例えばアナログ・デジタル変換器４７によりデ
ジタル値に変換され、デジタル演算器４８により、和、
差、商、積の各演算が行われる。すなわち、数１ないし
数１４に示された各演算はデジタル演算器４８にて行わ
れる。よってデジタル演算器４８が、本発明の算出部に
相当する。

【００７１】図１１に示す回路が図１に示す操作部材１
２内に設けられている場合には、演算後の出力が、赤外
線送信またはＦＭ送信あるいは有線接続により機器本体
１０側に送信される。装置本体１０側では受信情報に基
づいて画面１１にカーソルマークなどの表示が行われ
る。または、分割受光部からの電流出力あるいは、電流
・電圧変換後の電圧出力に関する情報が有線または無線
で機器本体１０に送られ、バンドパスフィルタ４２以降
の回路が機器本体１０側に設けられてもよい。また、図
１に示すような入力装置において、前記各実施例の発光
部が操作部材１２側に設けられ、検出部が機器本体１０
側に設けられてもよい。

【００７２】例えば図３に示す検出部２０が機器本体１
０側に設けられ、２つの点光源１６と１７が操作部材１
２側に設けられている場合、図３に示す４分割受光部の
基準となるＸ−Ｙ座標は空間中に固定されたものとな
る。よってＸα−Ｙαの回転座標を用いた数４の演算を
行わなくても、数３および数５の演算処理に基づき、Ｚ
軸の傾き角度θｘとθｙを算出することが可能である。
この場合、数１または数２の演算でＺ軸に対する回転角
度αを検出できて、その情報を機器本体１０にて得るこ
とができ、また数３と数５さらに数６と同様の演算処理
のみでθｘとθｙを求めることができる。なお、本発明
の角度検出装置は図１に示すような操作部材１２を有す
る入力装置のみならず、バーチャルリアリティでの位置
および角度検出に応用することもできる。

【００７３】

【発明の効果】以上のように、本発明では、発光部と検
出部とを結ぶ軸に対する両部の回転角度を検出でき、入
力装置に応用した場合に、操作部材から機器本体に対し
て上記回転角度に関する情報と指示を与えることが可能
になる。

【００７４】また発光部と検出部との回転角度を加味し
て傾き情報を得ることができ、例えば検出部が操作部材
などの移動側に設けられた場合であっても、検出部側の
直交座標の回転成分を加味した状態で、固定側の機器本
体に対してｘ軸とｙ軸方向の傾き角度θｘとθｙに関す
る情報を入力することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の角度検出装置を使用した
入力装置を示す斜視図、

【図２】第１実施例の角度検出装置を示す平面断面図、

【図３】第１実施例の検出部をＺ軸方向から見た拡大正
面図、

【図４】第１実施例の角度検出装置を示す側面断面図、

【図５】第１実施例の角度検出装置の各部の配置寸法を
示す説明図、

【図６】（Ａ）（Ｂ）は、第１実施例の光源を発光させ
る駆動パルスの波形図、

【図７】第１実施例の変形例を示す検出部の斜視図、

【図８】変形例の検出部の拡大正面図、

【図９】本発明の第２実施例の角度検出装置を示す斜視
図、

【図１０】第２実施例の検出部を示す拡大正面図、

【図１１】（Ａ）（Ｂ）は各実施例の角度検出装置の回
路の一例を示すブロック図、

【図１２】従来の入力装置を示す斜視図、

【符号の説明】

１０ 機器本体 １１ 画面 １２ 操作部材 １５ 発光部 １６，１７ 点光源 ２０ 検出部 ２１ 可視光カットフィルタ ２２ 絞り板 ２２ａ 絞り口 ２３ 受光素子 ３０ 発光部 ３１ 点光源 ３２ 偏光板 ３５ 検出部 ３６，３７ フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−289737（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−241757（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−175585（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−95704（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−106352（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−114415（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−177058（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−281820（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−287632（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 1/00 - 11/30 G06F 3/033

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光部と検出部とが離れて配置され、前
   記発光部には、識別可能な光を発する２個の光源が間隔
   を開けて配置され、前記検出部には、それぞれの光を所
   定面積のスポット光とする絞り口と、絞り口の中心を通
   る軸と交叉するＸ−Ｙ直交座標を設定したときにＸ軸方
   向に配列する受光部とＹ軸方向に配列する受光部とが設
   けられ、各スポット光に対するＸ軸方向に配列する受光
   部での受光光量の差とＹ軸方向に配列する受光部での受
   光光量の差からそれぞれのスポット光の位置を求め、両
   スポット光の中心を結ぶ線の前記Ｘ−Ｙ座標上での傾き
   角度を求める算出部が設けられていることを特徴とする
   角度検出装置。
2. 【請求項２】 前記Ｘ−Ｙ直交座標を前記傾き角度だけ
   回転させた回転座標Ｘα−Ｙαを設定し、算出部にて、
   Ｘα−Ｙα座標上での前記両スポット光の中点の位置が
   求められる請求項１記載の角度検出装置。
3. 【請求項３】 算出部では、両スポット光の中心間の距
   離と前記光源の配置間隔とから発光部と検出部との距離
   が求められる請求項１記載の角度検出装置。
4. 【請求項４】 検出部には、１つの絞り口と、Ｘ軸方向
   とＹ軸方向にそれぞれ配列する４つの受光部とが設けら
   れている請求項１または２記載の角度検出装置。
5. 【請求項５】 検出部には、２つの絞り口と、一方の絞
   り口を通過したスポットを検出するＸ軸方向に配列する
   ２つの受光部と、他方の絞り口を通過したスポット光を
   検出するＹ軸方向に配列する２つの受光部とが設けられ
   ている請求項１または２記載の角度検出装置。
6. 【請求項６】 発光部と検出部とが離れて配置され、前
   記発光部からはほぼ直線偏光の光が発せられ、前記検出
   部には、前記発光部から発せられる光の偏光方向に対し
   て互いに逆方向に傾いた偏光成分を透過する２個のフィ
   ルタと、それぞれのフィルタを透過した光を検出する受
   光部が設けられ、それぞれのフィルタを透過した光の受
   光光量の差から、発光部と検出部との回転角度を求める
   算出部が設けられていることを特徴とする角度検出装
   置。
7. 【請求項７】 発光部と検出部とを結ぶ軸に交叉するＸ
   −Ｙ直交座標を設定したときに、一方の受光部はＸ軸方
   向へのスポット光の移動量を検知でき、他方の受光部は
   Ｙ軸方向へのスポット光の移動量を検知できるものであ
   る請求項６記載の角度検出装置。
8. 【請求項８】 請求項１または６に記載の角度検出装置
   を使用した入力装置であって、固定された機器本体側と
   移動自在な操作部材側の一方に発光部が他方に検出部が
   設けられ、発光部と検出部とを結ぶ軸に対する両部の相
   対的な回転角度情報が操作部材から機器本体に入力され
   る入力装置。