JP3832591B2 - 指示装置及びこれを備えた光学式座標入力装置 - Google Patents

Description

この発明は、光源の反射光を光センサで検出し、その情報に基づき座標を特定する光学式座標入力装置に用いられる指示装置及びこれを備えた光学式座標入力装置に関する。

従来、この種の装置として、バックライトを備えた液晶パネルの表示画素に対応させて光電変換素子を配置し、ペンの先端部を液晶パネル表面に当接させた際、その先端部の指示位置からの反射光を光電変換素子で検出することに基づいて指示位置を特定させる光学式座標入力装置に用いられるペンが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１１９８９８号公報（図２、図３）

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。

すなわち、従来の装置は、その先端部の構成が何ら開示されていない。したがって、通常考え得る構成ではペンの先端部で光が乱反射するので、その指示位置を正確に特定させるための情報を光学式座標入力装置に対して提供することができないという問題がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電源を不要としつつも正確に指示位置に係る情報を与えることができる指示装置及びこれを備えた光学式座標入力装置を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。

すなわち、請求項1に記載の発明は、光源の反射光を光センサで検出し、検出した光センサの情報に基づき座標算出部が座標を求める光学式座標入力装置に用いられる指示装置において、前記光源の光を透過する球体レンズと、前記球体レンズを先端部に取り付けるための凹状受部材と、前記球体レンズと前記凹状受部材との間に介在し、前記光源の光を反射する反射部材と、を備えていることを特徴とするものである。

［作用・効果］指示装置で光学式座標入力装置の特定箇所を指示すると、光源からの光が、指示装置の凹状受部材に取り付けられた球体レンズに入射する。入射した光は、反射部材で反射し、わずかに位置がずれて、入射した光と平行に同じ方向へ戻って光センサに入射する。つまり、わずかな位置ずれを伴う再帰反射という性質を備えるので、指示した位置での乱反射が防止できる。したがって、指示装置に電源を不要としつつも、正確に指示位置に係る情報を光学式座標入力装置に対して与えることができる。さらに、反射部材が光学式座標入力装置に当接しないので、摩耗することがなく、長期間にわたってその性能を維持することができる。

なお、上記の反射部材は、高反射率材料のシート状部材、高反射率材料を蒸着やスパッタで形成した厚膜や薄膜、凹状受部材を高反射率材料で形成し、不要部分の表面を荒らして乱反射面とし、凹状受部材の所要部分だけを反射面とする等の種々の構成が挙げられる。

また、前記凹状受部材は、前記光源の光を吸収する材質からなることが好ましい（請求項２）。凹状受部材での反射が抑制され、反射部材で反射した光だけが再帰的に光センサ側へ戻るので、より精度良く指示位置に係る情報を与えることができる。

また、前記反射部材は、前記球体レンズ（請求項３）または前記凹状受部材（請求項４）に被着されていることが好ましい。球体レンズと凹状受部材との間に反射部材を挟み込んで組み立てるよりも、精度良く反射部材の位置決めが可能であり、再帰反射特性を良好にすることができる。

上記の被着は、例えば、アルミニウムに代表される高反射率材料を真空蒸着したりスパッタリングしたり、または反射性シート材を貼り付けたりして行うことができる。

また、前記光センサの配置間隔をｗとした場合、前記球体レンズの直径は１．５ｗ〜２ｗの範囲であることが好ましい（請求項５）。球体レンズ径が１．５ｗより小さいと、光センサに必要な光量を反射させることができず、球体レンズが２ｗを超えると隣接する光センサにも光が反射するという不都合が生じるからである。

また、前記反射部材は、蒸着またはスパッタリングにより被着されていることが好ましい（請求項６）。蒸着法やスパッタリングによると反射部材を位置精度良く形成することができる。

また、前記反射部材は、前記球体レンズの中心となす立体角が鋭角となる範囲にわたって設けられていることが好ましい（請求項７）。立体角が鋭角を超えると、隣接する光センサにも光が戻る恐れがあるからである。

また、光学式座標入力装置は、上記いずれかに記載の指示装置を備えていることが好ましい（請求項８）。

この発明に係る指示装置によれば、再帰反射という性質を備えるので、指示した位置での乱反射が防止できる。したがって、指示装置に電源を不要としつつも、正確に指示位置に係る情報を光学式座標入力装置に対して与えることができる。さらに、反射部材が光学式座標入力装置に当接せず摩耗することがないので、長期間にわたってその性能を維持することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例について説明する。

図１は、実施例に係る入力ペン及びこれを備えたタブレットの概略構成図である。図２は、（ａ）は入力ペンの全体図であり、（ｂ）は先端部を拡大した縦断面図であり、図３は、入力ペン及びタブレットの縦断面図である。

入力ペン１はタブレット７と別体で備えられ、図２（ａ）に示すように、その外観がペン状を呈するとともに、先端部３に球状を呈するガラスビーズ５を備えている。先端部３は、下向き円錐形状を呈し、その下部に取り付けられたガラスビーズ５側で操作者がタブレット７上の所望の位置を指示するようになっている。上記のガラスビーズ５は、例えば、その屈折率が空気の屈折率の約２倍の材質で形成されている。

なお、上記の入力ペン１が本発明の指示装置に相当し、タブレット３が本発明の光学式座標入力装置に相当し、先端部３が本発明の凹状受部材に相当し、ガラスビーズ５が本発明の球体レンズに相当する。

タブレット７は、例えば、図示しないコンピュータに位置情報を与えるために利用される。その外観は、平板状を呈し、上面には位置検出可能な指示範囲９を備えている。枠線９ａは、指示範囲９を明示的に操作者に対して表すために付されている。

図３に示すように、タブレット７は、下層から上層に向かって順に、バックライト１１と、裏面ガラス基盤１３と、液晶層１５と、ブラックマトリクス層１７と、表面ガラス基盤１９とを備えている。

本発明における光源に相当するバックライト１１は、例えば、表示装置等に利用される液晶パネルに備えられたものと同等のものであり、図３において上方に向けて光を放射する。裏面ガラス基盤１３は、バックライト１１の光を良好に透過し、かつ充分な機械的強度を有するとともに、液晶層１５が形成されるベースとなる。液晶層１５は、裏面ガラス基盤１３の表面に形成され、タブレット７のｘ−ｙ方向（図１参照）にマトリクス状にＴＦＴ２１が透明電極とともに形成されている。また、ＴＦＴ２１に隣接し、かつ対となるように光センサ２３が形成されている。なお、一対のＴＦＴ２１と光センサ２３とが一つの画素Ｐを構成している。ここでは、各画素Pの配置間隔、換言すると光センサ２３の配置間隔を符号ｗで表している。

ブラックマトリクス層１７は、指示範囲９におけるコントラストを調整するとともに、図示しない接合部分を、指示範囲９側から見えないように覆うブラックマトリクス２５が形成されている。指示範囲９を有する表面ガラス基盤１９は、バックライト１１からの光を透過するとともに、入力ペン１による押圧に対して充分な摩耗強度を有する材質で形成されている。

図１に示すように、タブレット７の側方には、ｙ方向に配置された各光センサ２３の出力信号を順次に検出するための第１のマルチプレクサ２７が備えられている。また、タブレット７の上方には、ｘ方向に配置された各光センサ２３の出力信号を順次に検出するための第２のマルチプレクサ２９が備えられている。第１及び第２のマルチプレクサ２７，２９が検出した情報は、座標算出部３１に与えられる。座標算出部３１は、その情報に基づいて入力ペン１が先端部３で指示した指示範囲９内の座標を求める。求められた情報は、座標算出部３１から位置情報として出力される。

図２（ｂ）に示すように、入力ペン１の先端部３の下部にはガラスビーズ５の外形寸法よりやや大径であって、かつガラスビーズ５の半径よりやや深いの凹部３２が形成されている。この凹部３２とガラスビーズ５の間には反射部材３３が介在している。

反射部材３３は、ガラスビーズ５外面に存在し、その半球よりも小さな面積を覆うように形成されている。また、その中心P１が入力ペン１の中心P２と一致するように設けられている。さらに、図３に示すように、ガラスビーズ５の中心となす立体角θが鋭角となるように設定してある。立体角θが鋭角を超えると、後述するように隣接する画素の光センサにまで光が戻る恐れがあるからである。反射部材３３の材質は、バックライト１１からの光を反射する性質のもので形成されている。その材質としては、高反射率材料が好ましく、アルミニウムが例示される。一方、先端部３は、少なくとも凹部３２の表面がバックライト１１からの光を吸収する材質であることが好ましい。なお、これに代えて、少なくとも凹部３２の表面に、光を乱反射するような処理を施しておいてもよい。

なお、中心Ｐ１と中心Ｐ２とがある一定角度を有するように構成してもよい。これにより、入力ペン１を傾斜姿勢で保持している場合であっても、位置検出を精度よく行うことができる。

このように構成されている入力ペン１によりタブレット１１の指示範囲９内を指示した場合、以下のようにして位置情報が求められる。ここで図４を参照する。なお、図４は、位置検出の説明に供する図である。

すなわち、ガラスビーズ５の直下に位置する画素Ｐをバックライト１１からの光Ｒ１が透過し、その光Ｒ１がガラスビーズ５に入射したとする。その光Ｒ１はガラスビーズ５の表面で屈折して屈折光Ｒ２となった後、その上部にある反射部材３３で反射して反射光Ｒ３となり、その反射光Ｒ３がガラスビーズ５の表面で屈折して指示範囲９内における光Ｒ１とは離れた位置であって、かつそれとは平行な戻り光Ｒ４となって上記と同一の画素Ｐに入射する。これにより、指示範囲９内に形成されている複数個の画素Ｐのうち、ガラスビーズ５の直下に位置する画素Ｐの光センサ２３だけがバックライト１１の光を最も強く検出することになる。

このようにバックライト１１からの光Ｒ１が、再帰反射により入射した光Ｒ４とは僅かに位置がずれ、かつ入射した光に平行に戻るように構成しているので、ある画素Ｐを通過した光が同じ画素Ｐ内の光センサ２３によって検出される。なお、一般的な再帰反射性を備える反射シート等を入力ペン１の先端に貼り付けたような場合には、全く同一の方向へ光りが戻ることになって、同一の画素Ｐ内における光センサ２３によっては検出することができない。

上記のガラスビーズ５の直径は、画素Ｐの配置間隔ｗに対して１．５〜２ｗ程度の大きさであることが好ましい。具体的には、配置間隔ｗがおよそ３００μｍである場合には、ガラスビーズ５の直径は４５０〜６００μｍとなる。このような直径とすることにより、バックライト１１からの光を、透過してきた画素Ｐに対して確実に戻すことができ、確実に位置検出ができる。換言すると、ガラスビーズ５の直径が１．５ｗより小さいと、光センサ２３がオンするのに必要な光量を反射させることができず、ガラスビーズ５が２ｗを超えると隣接する画素Ｐの光センサ２３にも光が反射するという不都合が生じるからである。

このように、入力ペン１でタブレット７上の指示範囲９内における特定箇所を指示すると、バックライト１１からの光が、入力ペン１のガラスビーズ５に入射する。そして、入射した光は、反射部材３３で反射し、わずかに位置がずれて、入射した光と平行に同じ方向へ戻って光センサ２３に入射する。つまり、入力ペン１は、わずかな位置ずれを伴う再帰反射という性質を備えるので、入力ペン１で指示した位置での乱反射が防止できる。したがって、入力ペン１に電源を不要としつつも、正確にその指示位置に係る情報をタブレット７に対して与えることができる。さらに、反射部材３３がタブレット７の指示範囲９表面に直接的に接触することがないので、反射部材３３が摩耗せず長期間にわたってその性能を維持することができる。

次に、図５から図７を参照して、上述した入力ペン１の要部である先端部３の製造手法について説明する。

＜第１の製造手法＞
図５を参照する。

本手法では、ガラスビーズ５の一部位に反射部材３３を被着する工程と、反射部材３３を被着したガラスビーズ５を先端部３の凹部３２に嵌め込む工程とを備えている。なお、ガラスビーズ５が凹部３２内で回転してしまうことを防止するために、ガラスビーズ５を凹部３２に接着することが好ましい。

被着する工程では、例えば、真空蒸着を用いる。真空蒸着によると、反射部材３３をガラスビーズ５に対して位置精度良く形成することができ、位置検出精度を高くすることができる。

また、反射部材３３の被着は、スパッタリングを用いたり、アルミニウム製などのシート状部材をガラスビーズ５に貼り付けたりしてもよい。

＜第２の製造手法＞
図６を参照する。

本手法では、先端部３の凹部３２における一部位に反射部材３３を被着する工程と、ガラスビーズ５を凹部３２に嵌め込む工程とを備えている。

本手法によると、入力ペン１による位置の指示時に、ガラスビーズ５が指示範囲９に当接して凹部３２内で回転したとしても、反射部材３３の位置が不変であるので、ガラスビーズ５を凹部３２に固着しなくても検出位置精度を維持することができる。

上述した二手法によると、ガラスビーズ５と凹部３２との間に反射部材３３を挟み込んで組み立てるよりも、精度良く反射部材の位置決めが可能であり、再帰反射特性を良好にすることが可能である。

＜第３の製造手法＞
図７を参照する。

本手法では、先端部３をバックライト１１の光を効率よく反射する材質で形成してある点において上記二手法と相違する。

すなわち、高反射率材料で先端部３を構成し、上述の反射部材３３に相当する位置を除く範囲に乱反射面４１（図中に点線で示す）を形成する工程と、ガラスビーズ５を凹部３２に嵌め込む工程とを備えている。

乱反射面４１は、乱反射する性質を有するシート材を貼り付けたり、凹部３２面を荒らす処理を施したりして形成する。このように乱反射面４１を形成することにより、残った領域が上述した反射部材３３に相当する反射面４３となる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）指示装置としてペン形状を呈する入力ペン１を例に採って説明したが、本発明はそのような形状に限定されるものではない。例えば、下面に球体レンズ等を備えたマウス形状のものであってもよく、先端に球体レンズ等を備えて指先に取り付けることができる形状のものであってもよい。

（２）球体レンズとしてガラスビーズ５を例示したが、本発明は完全な球体に限らず、上述したような再帰反射性を有するレンズであればどのような形状のものであってもよい。

以上のように、この発明は、コンピュータ等において指示位置に関する情報を与えるための光学式座標入力装置に用いられる入力デバイスとしての指示装置及びこれを備えた光学式座標入力装置に適している。

実施例に係る入力ペン及びこれを備えたタブレットの概略構成図である。 （ａ）は入力ペンの全体図であり、（ｂ）は先端部を拡大した縦断面図である。 入力ペン及びタブレットの縦断面図である。 位置検出の説明に供する図である。 入力ペンの先端部を製造する第１の手法を示す図である。 入力ペンの先端部を製造する第２の手法を示す図である。 入力ペンの先端部を製造する第３の手法を示す図である。

符号の説明

１ … 入力ペン（指示装置）
３ … 先端部（凹状受部材）
５ … ガラスビーズ（球体レンズ）
７ … タブレット（光学式座標入力装置）
９ … 指示範囲
１１ … バックライト（光源）
２３ … 光センサ
３２ … 凹部
３３ … 反射部材

Claims (8)

1. 光源の反射光を光センサで検出し、検出した光センサの情報に基づき座標算出部が座標を求める光学式座標入力装置に用いられる指示装置において、
   前記光源の光を透過する球体レンズと、
   前記球体レンズを先端部に取り付けるための凹状受部材と、
   前記球体レンズと前記凹状受部材との間に介在し、前記光源の光を反射する反射部材と、
   を備えていることを特徴とする指示装置。
2. 請求項１に記載の指示装置において、
   前記凹状受部材は、前記光源の光を吸収する材質からなることを特徴とする指示装置。
3. 請求項１または２に記載の指示装置において、
   前記反射部材は、前記球体レンズに被着されていることを特徴とする指示装置。
4. 請求項１または２に記載の指示装置において、
   前記反射部材は、前記凹状受部材に被着されていることを特徴とする指示装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の指示装置において、
   前記光センサの配置間隔をｗとした場合、前記球体レンズの直径は１．５ｗ〜２ｗの範囲であることを特徴とする指示装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の指示装置において、
   前記反射部材は、蒸着またはスパッタリングにより被着されていることを特徴とする指示装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の指示装置において、
   前記反射部材は、前記球体レンズの中心となす立体角が鋭角となる範囲にわたって設けられていることを特徴とする指示装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の指示装置を備えたことを特徴とする光学式座標入力装置。
   

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