JPH10122840A

JPH10122840A - 光学式センサ

Info

Publication number: JPH10122840A
Application number: JP8282768A
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: 1996-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1998-05-15
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: TW360773B; EP0838777A2; EP0838777A3; JP3483234B2; DE69738850D1; EP0838777B1; US6153876A

Abstract

(57)【要約】【課題】操作部の大きな動きを広角度で高分解能でセ
ンシングできる光学式センサを実現する。【解決手段】凹面鏡２４をガイド部材３０で球面支持
する。凹面鏡２４は支柱２９ｂ、連結板２９ａを介して
ステックに連結されており、ステックに連動して傾く。
凹面鏡２４の上方には、フォトダイオード３５，３５お
予備発光ダイオード３６からなるセンサ部２６が設けら
れている。発光ダイオード３６から出射された光は、凹
面鏡２４で反射されてフォトダイオードに導かれる。凹
面鏡２４の傾きによってフォトダイオード３５に受光さ
れる光量が変化し、その検出出力が変化する。

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
めの入力装置やゲーム機の入力装置として好適な光学式
センサに関し、より詳しくはオペレータによって操作さ
れる操作部の動きを広角度、かつ高分解能でセンシング
できる一次元又は二次元の光学式センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等における画面上のポイン
ターを移動させる入力装置であるポインティングデバイ
スの従来例としては、ジョイステック及びステックタイ
プがある。

【０００３】図１７はジョイステック８を示しており、
ステック１をＸ軸方向へ動かすと、ステック１の動きが
ガイド２とシャフト３を介して回転方向及び回転数を検
出するロータリーエンコーダ４に伝わり、ロータリーエ
ンコーダ４の検出信号によってステック１のＸ軸方向に
おける回転方向と回転量が検出される構成になってい
る。Ｙ軸方向も同様に、ステック１の動きがガイド５と
シャフト６を介してロータリーエンコーダ７に伝わり、
ロータリーエンコーダ７の検出信号によりステック１の
Ｙ軸方向における回転方向と回転量が検出される構成に
なっている。

【０００４】次に、図１８に基づきロータリーエンコー
ダ４，７の検出原理について説明する。ステック１の動
きに連動してシャフト１１が回転すると、シャフト１１
に連結された回転板１２が回転する。回転板１２には複
数のスリット１３，１３…が放射状に形成されており、
回転板１２を挟んで配置された２組の発光素子９及び受
光素子１０にて発光素子９の光がスリット１３によりパ
ルス信号になり、受光素子１０で電気信号に変換され
る。この結果、パルス信号のカウント数に応じたステッ
ク１のＸ軸方向及びＹ軸方向における回転方向及び回転
量が電気的に検出される。

【０００５】そして、ジョイステック８を入力装置とし
て備えたコンピュータの画面上では、ロータリーエンコ
ーダ４，７によって検出されたステック１のＸ軸方向及
びＹ軸方向の出力電気信号に応じてポインターが移動す
る。

【０００６】図１９はステックタイプ２０の入力装置を
示す。このステックタイプ２０は、首振り可能になった
笠状の操作部１８、その下方に配設され、裏面中央部に
反射体取り付け用の穴が形成された弾性部１７及びこの
穴に形成された反射体１９を一体成形したホルダー２０
ａと、ホルダー２０ａを下面側より支持するベース基板
１６と、ベース基板１６の下面側に取り付けられたセン
サ部１５で構成されている。

【０００７】上記構成において、操作部１８を傾ける
と、これに応じて弾性部１７が弾性変形する結果、弾性
部１７に形成された反射体１９が操作部１８と同方向に
傾き、この反射体１９の傾きがセンサ部１５にて検出さ
れ、検出信号が光電変換されて電気信号として取り出さ
れる。そして、この出力電気信号に応じてポインターが
移動する。

【０００８】図２０はセンサ部１５を拡大して示す。こ
のセンサ部１５は発光素子１５ａと、その上方に配設さ
れた受光素子１５ｂを備えた光学式のセンサであり、受
光素子１５ｂの上方にはレンズ２２が配設されている。
また、図中２３は２次モールドである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のジョイステ
ック８を入力装置として用いる場合は、以下に示す問題
点がある。

【００１０】（１）ロータリーエンコーダ４，７は回転
軸であるシャフト１１を有するため、その回転域に邪魔
にならないような空間を設ける必要がある。このため、
この空間に起因してロータリーエンコーダ４，７を完全
に密閉することは困難である。この結果、内部へ塵埃が
侵入し易く、スリット１３が目詰まりするおそれがある
ため、誤動作を発生し易く、信頼性を向上する上で限界
があった。

【００１１】（２）回転板１２に形成できるスリット１
３の本数に限界があるため、高分解能でセンシングでき
ない難点もある。

【００１２】（３）ステック１の動きを２次元的に検出
するためには、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方にロータリ
ーエンコーダを配設する必要があるため、部品点数が増
加することに起因して、装置構成の小型化及び省スペー
ス化を図る上での妨げとなっている。

【００１３】また、上記従来のステックタイプ２０を入
力装置として用いる場合は、以下に示す問題点がある。

【００１４】（１）回転軸を有しないセンサ部１５を用
いており、密閉構造とすることが可能であるため、ジョ
イステック８に見られるような塵埃の侵入に起因する誤
動作は発生しないが、ステックタイプ２０は構造上、角
度検出が±１０°と狭く広角度検出（広角度センシン
グ）が困難である。その理由は、反射体１９が平面鏡で
あるため、操作部１８と連動して傾斜する反射体の傾斜
角度が大きくなると、反射体からの反射光を受光素子１
５ｂに有効に導くことができないからである。

【００１５】ここで、ステックタイプ２０はゲーム機の
入力装置としても用いられるが、ゲーム機の入力装置と
しては、操作部１３を大きく動かし、操作性を楽しむこ
とが要求される。特に子供ではその傾向が強い。

【００１６】しかるに、上記従来のステックタイプ２０
では、広角度センシングが不可能であるため、操作部１
８の操作量も制約されるため、ゲーム機の入力装置とし
ては改善する必要がある。

【００１７】（２）上記従来のセンサ部１５では、集光
手段として対物レンズ等のレンズ２２が必要であり、ま
た２次モールド２３も必要であるため、図２０に示すよ
うに、厚みが比較的大きなｔ１となり、光学式センサ１
５の小型化及び薄型化を図る上でのネックになってい
た。

【００１８】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、完全な密閉構造とすることができ、信頼性
を向上できる光学式センサを提供することを目的とす
る。

【００１９】本発明の他の目的は、操作部の大きな動き
を広角度で高分解能でセンシングでき、特にゲーム機の
入力装置として好適な光学式センサを提供することにあ
る。

【００２０】また、本発明の他の目的は、小型化及び薄
型化が図れ、コンピュータ装置等の入力装置として用い
る場合に、省スペース化が図れ、しかも操作性の向上が
図れる光学式センサを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式センサ
は、発光素子と該発光素子に対向配置された受光素子を
有し、固定配置されたセンサ部と、操作部に連結され、
該センサ部に対して移動する反射体とを備え、該反射体
が該発光素子からの出射光を該受光素子に導く凹面鏡で
あり、そのことにより上記目的が達成される。

【００２２】また、本発明の光学式センサは、発光素子
と該発光素子に対して二次元的に対向配置された複数の
受光素子を有し、固定配置されたセンサ部と、操作部に
連結され、該センサ部に対して二次元的に移動する反射
体とを備え、該反射体が該発光素子からの出射光を該複
数の受光素子に導く凹面鏡であり、そのことにより上記
目的が達成される。

【００２３】好ましくは、前記凹面鏡が支持体に回動自
在に球面支持される構成とする。

【００２４】また、好ましくは、前記凹面鏡の曲率中心
と回転中心が偏位している構成とする。

【００２５】また、好ましくは、前記凹面鏡の外側面に
前記回転中心に曲率中心を有する曲面からなる滑り面を
備え、かつ前記支持体の内側面にガイド面を形成した構
成とする。

【００２６】また、好ましくは前記支持体にストッパ部
を設け、かつ前記凹面鏡に該ストッパ部に当接するスト
ッパ部材を設ける構成とする。

【００２７】また、好ましくは、前記凹面鏡に立設した
支柱を介して該凹面鏡が前記操作部に連結され、前記セ
ンサ部がアームによって固定支持され、該アームが該操
作部及び該凹面鏡と共に一体的に移動する該支柱と干渉
しない位置に配設する構成とする。

【００２８】好ましくは、前記センサ部、前記凹面鏡、
前記支持体、前記アーム及び前記支柱を含む部分を密閉
手段によって密閉する構成とする。

【００２９】以下に、本発明の作用を説明する。

【００３０】上記のように、反射体として凹面鏡を用い
ると、凹面鏡はそれ自体集光機能を有するので、対物レ
ンズ等のレンズが不要になる。従って、その分、センサ
部を薄型化でき、凹面鏡に近付けることができるので、
光学式センサ全体を薄型化できる。よって、光学式セン
サの小型化及び低コスト化を図る上で有利である。

【００３１】また、凹面鏡は平面鏡とは異なり、傾斜さ
せても受光素子に反射光を有効に導くことができる。従
って、広角度、かつ高分解能のセンシングが可能にな
る。このため、操作部を広角度に傾けることができるの
で、例えばゲーム機の入力装置のように、広角度に傾け
ることが要請されている分野において特に好適なものに
なる。

【００３２】また、コンピュータ装置のポインティング
デバイスとして使用する場合は、操作量に比較してポイ
ンタの移動量を相対的に小さくすることができるので、
その分、ポインタを精細に移動できる。即ち、入力装置
の感度を鈍くできる分、それだけ精細に移動できる。

【００３３】また、光学式のため非接触で検出できるの
で、耐久性を向上できる。加えて、ロータリーエンコー
ダとは異なり、センサ部に回転軸が不要であるので、塵
埃が侵入することがない。従って、誤動作を発生するお
それがないので、長期にわたって高検出精度を発揮でき
るので、信頼性の向上が図れる。

【００３４】また、受光素子を発光素子に対して２次元
に配置する構成によれば、１つのセンサ部で操作部の２
次元方向における傾き、つまり操作量を検出することが
できる。従って、ロータリーエンコーダとは異なり、一
つのセンサ部で済むので、省スペース化に容易に対応で
きる。

【００３５】また、凹面鏡を球面支持すれば、凹面鏡及
びこれに連動する操作部を任意の方向に容易に移動させ
ることができる。

【００３６】また、凹面鏡の曲率中心と回動中心を偏位
させる構成によれば、後述する実施形態の記載から明か
なように、センシング角度を容易に調整できるので、種
々の検出角度が要求される入力デバイスに対して幅広く
適用すること可能になる。

【００３７】また、凹面鏡の外側面に回転中心に曲率中
心を有する曲面からなる滑り面を備え、かつ支持体の内
側面にガイド面を形成する構成によれば、操作部をスム
ーズに移動できるので、操作性を向上できる。

【００３８】また、支持体にストッパ部を設け、かつ凹
面鏡にストッパ部に当接するストッパ部材を設ける構成
によれば、凹面鏡及び操作部が所定の傾斜角度で確実に
位置決めされるので、これらが不測に破損等されること
がない。

【００３９】また、凹面鏡に立設した複数本の支柱を介
して凹面鏡が操作部に連結され、センサ部がアームによ
って固定支持され、アームが操作部及び凹面鏡と共に一
体的に移動する支柱と干渉しない位置に配設する構成に
よれば、操作部の傾斜角度を向上する上で有利な構造と
なる。

【００４０】また、センサ部、凹面鏡、支持体、アーム
及び支柱を含む部分を密閉手段によって密閉する構成に
よれば、外乱光がセンサ部に検出されることがないの
で、検出精度の向上を図ることができる。

【００４１】

【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。

【００４２】（実施形態１）まず、図１に基づきこの光
学式センサの基本的な構造について説明する。なお、図
１はあくまでも光学式センサの基本的な構造を概念的に
示すものであり、細部の具体的な形状等は後述の図面に
より明らかにされる。

【００４３】図１に示すように、この光学式センサは、
上下に長い棒状のステック２９と、ステック２９の下端
部が中央部に連結された円形の連結板２９ａと、反射体
である凹面鏡２４と、連結板２９ａと凹面鏡２４とを連
結する４本の支柱２９ｂと、ベースプレート２７上に立
設されたアーム２８と、Ｌ字状をなすアーム２８の先端
側に取り付けられたセンサ部２６とを備えている。

【００４４】図２は上記基本構造に加え、その周囲の構
造も示している。即ち、ベースプレート２７の周囲には
側壁２７ａが立設されており、ベースプレート２７と側
壁１７ａによってケーシングが構成されている。ケーシ
ングの上面中央部は、ステック２９等のＸ軸方向及びＹ
軸方向への移動を許可する開口が形成されている。

【００４５】加えて、図２に示すように、連結板２９ａ
には蛇腹３２の上端部が連結され、蛇腹３２の下端部は
ベースプレート２７上に連結されている。このため、蛇
腹３２によって、連結板２９ａより下方の部分は密閉さ
れている。従って、外乱光がセンサ部２６にセンシング
されることもないので、検出精度が劣化することもな
い。

【００４６】また、凹面鏡２４はベースプレート２７上
に固定配置されたガイド部材３０によって球面支持され
ている。従って、ステック２９を、例えばＸ軸方向，Ｙ
軸方向に傾けると、これに伴って凹面鏡２４がＸ軸方
向，Ｙ軸方向に、例えば４５゜ずつスムーズに傾く。

【００４７】なお、ステック２９は蛇腹３２によってベ
ースプレート２７に固定されているため、ステック２９
自体が鉛直軸回りに３６０゜回転することはない。但
し、蛇腹３２は変形性に優れているので、ステック２９
をＸ軸方向及びＹ軸方向に、例えば４５゜程度傾斜させ
る場合に邪魔になることがない。

【００４８】また、アーム２８は図１に示すように、複
数の支柱２９ｂ間の適宜の位置に配設されているので、
ステック２９を４５゜傾けても、図３に示すように、凹
面鏡２４がアーム２８に当接して、破損等されることが
ない。

【００４９】なお、図３に示すように、凹面鏡２４が４
５゜傾斜した場合に、アーム２８との当接を可及的に回
避するために、アーム２８の該当箇所は薄肉２８ａに形
成されている。

【００５０】次に、図４〜図６に基づき、凹面鏡２４、
ガイド部材３０及びセンサ部２６の詳細について説明す
る。凹面鏡２４は中央部に穴を有する中空の半球状をな
し、上端部に半球体から延びる中空円板状の連結部３３
が連設されており、この連結部３３に支柱２９ｂ，２９
ｂの下端部が連結されている。凹面鏡２４の外側面２５
はこの外側面と略同一の曲率半径を有するガイド面３０
ａを有するガイド部材３０によって球面支持されてい
る。

【００５１】加えて、ガイド面３０ａには、接触抵抗
（摩擦抵抗）を少なくするために、半球状の突起３１が
複数設けられている。このため、凹面鏡２４はいわば点
接触状でガイド部材３０に球面支持される。従って、面
接触状態の場合に比べて摩擦抵抗を低減できるので、凹
面鏡２４に連結されたステック２９をスムーズに可動す
ることができる。

【００５２】ここで、ガイド部材３０の外側面には、傾
斜面からなる周回状のストッパ面３４が形成されてい
る。凹面鏡２４をステック２９に連動して、例えば図６
（ａ），（ｂ）に示すように、それぞれ＋４５゜、−４
５゜傾けると、いずれの場合においても、連結部３０の
下面側がストッパ面３４に当接し、凹面鏡２４がそれ以
上傾斜できないようになっている。即ち、連結部３３は
ストッパ部材としての機能も有する。このストッパ構造
により、過度の負荷による凹面鏡２４等の破壊を確実に
防止できる。

【００５３】次に、センサ部２６について説明する。セ
ンサ部２６は、アーム２８の先端側に形成された垂下部
２８ｂの下端部に配設され、発光ダイオード３６とその
下方に対向配置されたフォトダイオード３５で構成され
ている。フォトダイオード３５はＸ軸方向及びＹ軸方向
それぞれに複数個（図示例では２個ずつ）配設されてい
る。

【００５４】発光ダイオード３６から下方に出射された
光は、凹面鏡２４によって反射され、この反射光がフォ
トダイオード３５によって検出される。ここで、本実施
形態の光学式センサは、ステック２９の動きに連動し
て、凹面鏡２４が傾き、その傾き角度によって４個のフ
ォトダイオード３５によって受光される光量が変化する
ので、この変化量を検出することにより、凹面鏡２４、
つまりステック２９の傾き角を検出する検出原理を採用
している。但し、その詳細については後述する。

【００５５】以上の説明では、凹面鏡２４がセンサ部２
６の下方に配設された、いわば倒立型の光学式センサに
ついて説明したが、センサ部２６の上方に凹面鏡２４が
配設された、いわば正立構造の光学式センサについても
本発明を適用することができる。

【００５６】図７は正立構造の光学式センサを示す。上
記倒立構造の光学式センサと対応する部分には同一の符
号を付してある。即ち、ベースプレート２７上には、適
当な間隔を設けて立設された一対の部材からなるアーム
２８が配設されており、このアーム２８の間隔内に下方
に湾曲してなる凹面鏡２４が支持されている。凹面鏡２
４の外側面にはステック２９が連結されており、ステッ
ク２９に連動して凹面鏡がＸ軸方向及びＹ軸方向に傾斜
できる構造になっている。

【００５７】凹面鏡の下方に位置するベースプレート２
７上には、センサ部２６が固定配置されている。このセ
ンサ部２６は、下方の発光ダイオード３６と、上方のフ
ォトダイオード３６で構成されている。従って、このセ
ンサ部２６は、回転軸がないので、完全な密閉構造とす
ることができる。よって、塵埃が侵入して誤動作を発生
することがない。

【００５８】次に、図８〜図１５に基づき、正立構造の
光学式センサを例にとって、本発明光学式センサの検出
原理について説明する。なお、検出原理については倒立
構造の光学式センサについても同様である。

【００５９】まず、図８は本発明光学式センサの光線追
跡結果を示す。但し、同図（ａ）はステック２９及び凹
面鏡２４の傾斜角度が０゜の場合の光線追跡結果を示
し、同図（ｂ）はステック２９及び凹面鏡２４の傾斜角
度が４５゜の場合の光線追跡結果を示す。

【００６０】同図（ａ）からわかるように、ステック２
９及び凹面鏡２４の傾斜角度が０゜の場合、下方の発光
ダイオード３６から上方に向けて出射され、凹面鏡２４
によって下方に反射された反射光は図上左右のフォトダ
イオード３５，３５に均等に受光される状態になってい
る。

【００６１】一方、同図（ｂ）に示すように、ステック
２９及び凹面鏡２４の傾斜角度が４５゜の場合、反射光
は図上右側のフォトダイオード３５に受光され、左側の
フォトダイオード３５には受光されない状態になってい
る。

【００６２】従って、２つのフォトダイオード３５，３
５の検出出力の差分をとれば、凹面鏡２４、つまりステ
ック２９の傾き角度を検出することができる。

【００６３】なお、図８のシミュレーションに用いた光
学式センサの各部の仕様は以下の通りである。

【００６４】凹面鏡２４として、曲率半径Ｒ＝４．７ｍ
ｍのものを用い、曲率中心を光源（発光ダイオード３
６）の中心としている。また、凹面鏡２４の回動中心Ｏ
と光源の中心、即ち曲率中心との距離Ｌ＝０．７ｍｍと
した。また、凹面鏡２４の外側面の曲率半径は７ｍｍで
ある（図４，図５参照）。

【００６５】以下に検出原理の詳細を更に説明する。図
９及び図１０に示すように、センサ部２６は、４つのフ
ォトダイオード３５，３５…（以下ではＰＤ１〜ＰＤ４
と称する）と１つの発光ダイオード３６を上下２段に配
置した構造になっている。なお、具体的な配置構造につ
いては、本願出願人が先に提案した特願平８−７５００
８号に詳述されているので、ここでは省略する。

【００６６】ここで、４つのＰＤ１〜ＰＤ４は、平面視
において、発光ダイオード３６の中心（光源中心）の周
囲に９０゜間隔で均等配置され、ＰＤ１，ＰＤ３及びＰ
Ｄ２，ＰＤ４がＸ軸方向に並置され、ＰＤ１，ＰＤ２及
びＰＤ３，ＰＤ４がＹ軸方向に並置されている。

【００６７】上記の配置構造において、発光素子３６か
ら出射された光は、凹面鏡２４にて反射され、ＰＤ１〜
ＰＤ４で受光されて電気信号に変換される。即ち、４つ
のＰＤ１〜ＰＤ４が受光量に応じた電気信号を出力する
ようになっている。

【００６８】図１１は検出回路図を示す。ＰＤ１〜ＰＤ
４の検出出力の加算、減算が演算増幅器Ａによって行わ
れるようになっている。

【００６９】ここで、凹面鏡２４の傾き角度によってＰ
Ｄ１〜ＰＤ４に受光されるスポット光は、図１２
（ａ），（ｂ）に示すように移動する。即ち、凹面鏡２
４がＹ軸回転する場合（Ｙ軸を中心にしてＸ軸方向に傾
く場合）は、同図（ａ）に示すように、スポット光はＸ
軸方向に移動する。一方、凹面鏡２４がＸ軸回転する場
合（Ｘ軸を中心にしてＹ軸方向に傾く場合）は、同図
（ｂ）に示すように、スポット光はＹ軸方向に移動す
る。

【００７０】スポット光が上記のように移動すると、図
１３に示すように、Ｘ軸回転方向の各ＰＤ１〜ＰＤの減
算出力（（ＰＤ２＋ＰＤ４）−（ＰＤ１＋ＰＤ３））
と、Ｙ軸回転方向の減算出力（（ＰＤ１＋ＰＤ２）−
（ＰＤ３＋ＰＤ４））が変化するので、これを検出すれ
ば、凹面鏡２４のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾きを検出で
きることになる。

【００７１】以下に角度検出のための具体的な演算方法
について説明する。

【００７２】（１）下記（１）式で表されるＸ軸回転方
向の減算出力Ａ_Xを算出する。Ａ_X＝（Ｉｓｃ_(PD2)＋Ｉｓｃ_(PD4)）−（Ｉｓｃ_(PD1)＋Ｉｓｃ_(PD3)） …（１）

【００７３】（２）下記（２）式で表されるＹ軸回転方
向の減算出力Ａ_Yを算出する。Ａ_Y＝（Ｉｓｃ_(PD1)＋Ｉｓｃ_(PD2)）−（Ｉｓｃ_(PD3)＋Ｉｓｃ_(PD4)） …（２）

【００７４】（３）下記（３）式で表されるＸ軸回転方
向とＹ軸回転方向の加算出力Ｂ_X,Yを算出する。Ｂ_X,Y＝Ｉｓｃ_(PD1)＋Ｉｓｃ_(PD2)＋Ｉｓｃ_(PD3)＋Ｉｓｃ_(PD4) …（３）

【００７５】（４）下記（４）式及び（５）でそれぞれ
表されるＸ軸回転方向及びＹ軸回転方向の減算出力の増
加量△Ｘ，△Ｙを算出する。 △Ｘ＝Ａ_X／Ｂ_X …（４） △Ｙ＝Ａ_Y／Ｂ_Y …（５）

【００７６】そして、下記（６）式で表される凹面鏡２
４の傾き角度に対する△Ｘ及び△Ｙのベクトル（合ベク
トルの方向及び絶対値）を求めれば、凹面鏡２４、つま
りステック２９の傾き方向及びその大きさ、即ち、傾く
角度を求めることができる。

【００７７】 √｛（Ａ_X／Ｂ_X）²＋（Ａ_Y／Ｂ_Y）²｝ …（６）次に、図１４及び図１５に基づき凹面鏡２４の曲率中心
〜凹面鏡２４の回転中心Ｏ迄の距離Ｌと、検出角度θの
関係について説明する。なお、図１５の曲線は定性的な
曲線であり、図中のＰ点は凹面鏡２４を傾けてもスポッ
ト光が移動しない点である。図１５に示すように、スポ
ット光の動きは、Ｐ点を境にａ側（光源中心からの距離
ＬがＰ点を基準にして増大する方向）とｂ側（光源中心
からの距離ＬがＰ点を基準にして減少する方向）で反転
している。

【００７８】なお、凹面鏡２４の曲率半径Ｒ＝４．７ｍ
ｍとした本実施形態の光学式センサによればＬ＝０．１
ｍｍの点がＰ点となる。

【００７９】さて、距離Ｌがａ側にある時、スポット光
は、凹面鏡２４の傾き方向と逆方向に動く（図８参
照）。一方、距離Ｌがｂ側にある時は、スポット光は、
凹面鏡２４の傾き方向と同じ方向へ動く。

【００８０】ここで、上記の実施形態では、距離Ｌをａ
側に設定してあり、検出角度θが±４５゜であればよい
ので、図１５より距離ＬをＬ＝０．７ｍｍに設定すれば
よいことがわかる。

【００８１】なお、図１５より、凹面鏡２４の曲率中心
（光源中心）と回転中心Ｏをずらせば、センシング角
度、つまり検出角度θを任意に広くしたり、狭くしたり
することが可能になる。このことは、使用対象に応じて
適宜の検出角度θを容易に選択でき、種々の入力装置に
本発明の光学式センサが適用できることを意味してい
る。

【００８２】図１６は本実施形態の光学式センサのセン
サ部２６を示す。本実施形態では、まず、反射体として
凹面鏡２４を用いており、凹面鏡２４は上記従来の平面
鏡とは異なり、集光機能を有するので、対物レンズ等の
レンズが不要になる。第２に、図２０と図１６を対比し
てみればわかるように、本実施形態では、従来必要であ
った２次モールドが不要になる。このため、センサ部２
６の厚みをｔ₁からｔ₂へ薄くできる。従って、小型、薄
型化及び低コストが可能になる。

【００８３】また、上述の如く本実施形態の光学式セン
サによれば、±４５゜といった広角度でセンシングでき
るので、±１０゜といった従来例に比べてセンシング角
度を格段に向上することができる。そして、このことに
起因して、ステック２９の傾き角度も大幅に向上でき
る。

【００８４】（その他の実施形態）上記の実施形態１で
は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ２つのフォトダイ
オードを配置したが、３つ以上のフォトダイオードをそ
れぞれの方向に配置することも可能である。

【００８５】また、上記の実施形態１では、Ｘ軸方向及
びＹ軸方向に複数のフォトダイオードを配置して２次元
センサを構成しているが、いずれか一方の方向に複数の
フォトダイオードを配置する構成とすることも可能であ
る。この場合は、一次元の広角度センシングが可能な光
学式センサを実現できる。

【００８６】また、上記の実施形態１では、複数のフォ
トダイオードをスポット状に配置することにより、発光
ダイオードに対して２次元的に配置する構成としたが、
１つのエリアセンサをＸ軸方向及びＹ軸方向に配置する
ことによっても２次元の光学式センサを実現できる。

【００８７】また、センサ部の構成要素としては、上記
の発光ダイオードとフォトダイオードの組み合わせに限
定されるものではない。

【００８８】また、上記の実施形態１では、４本の支柱
を用いているが、支柱に所定の強度があれば、１本の支
柱で凹面鏡を支持する構成とすることも可能である。

【００８９】

【発明の効果】以上の本発明光学式センサによれば、反
射体として凹面鏡を用いており、凹面鏡はそれ自体集光
機能を有するので、対物レンズ等のレンズが不要にな
る。従って、その分、センサ部を薄型化でき、凹面鏡に
近付けることができるので、光学式センサ全体を薄型化
できる。よって、光学式センサの小型化及び低コスト化
を図る上で有利である。

【００９０】また、凹面鏡は平面鏡とは異なり、傾斜さ
せても受光素子に反射光を有効に導くことができる。従
って、広角度、かつ高分解能のセンシングが可能にな
る。このため、操作部を広角度に傾けることができるの
で、例えばゲーム機の入力装置のように、広角度に傾け
ることが要請されている分野において特に好適なものに
なる。

【００９１】また、コンピュータ装置のポインティング
デバイスとして使用する場合は、操作量に比較してポイ
ンタの移動量を相対的に小さくすることができるので、
その分、ポインタを精細に移動できる。即ち、入力装置
の感度を鈍くできる分、それだけ精細に移動できる。

【００９２】また、光学式のため非接触で検出できるの
で、耐久性を向上できる。加えて、ロータリーエンコー
ダとは異なり、センサ部に回転軸が不要であるので、塵
埃が侵入することがない。従って、誤動作を発生するお
それがないので、長期にわたって高検出精度を発揮でき
るので、信頼性の向上が図れる。

【００９３】また、受光素子を発光素子に対して２次元
に配置する構成によれば、１つのセンサ部で操作部の２
次元方向における傾き、つまり操作量を検出することが
できる。従って、ロータリーエンコーダとは異なり、一
つのセンサ部で済むので、省スペース化に容易に対応で
きる。

【００９４】また、特に請求項３記載の光学式センサに
よれば、凹面鏡を球面支持する構成をとるので、凹面鏡
及びこれに連動する操作部を任意の方向に容易に移動さ
せることができる。

【００９５】また、特に請求項４記載の光学式センサに
よれば、凹面鏡の曲率中心と回動中心を偏位させる構成
をとるので、センシング角度を容易に調整できるので、
種々の検出角度が要求される入力デバイスに対して幅広
く適用すること可能になる。

【００９６】また、特に請求項５記載の光学式センサに
よれば、凹面鏡の外側面に回転中心に曲率中心を有する
曲面からなる滑り面を備え、かつ支持体の内側面にガイ
ド面を形成する構成をとるので、操作部をスムーズに移
動できるので、操作性を向上できる。

【００９７】また、特に請求項６記載の光学式センサに
よれば、支持体にストッパ部を設け、かつ凹面鏡にスト
ッパ部に当接するストッパ部材を設ける構成をとるの
で、凹面鏡及び操作部が所定の傾斜角度で確実に位置決
めされるので、これらが不測に破損等されることがな
い。

【００９８】また、特に請求項７記載の光学式センサに
よれば、凹面鏡に立設した支柱を介して凹面鏡が操作部
に連結され、センサ部がアームによって固定支持され、
アームが操作部及び凹面鏡と共に一体的に移動する支柱
と干渉しない位置に配設する構成をとるので、操作部の
傾斜角度を向上する上で有利な構造となる。

【００９９】また、特に請求項８記載の光学式センサに
よれば、センサ部、凹面鏡、支持体、アーム及び支柱を
含む部分を密閉手段によって密閉する構成をとるので、
外乱光がセンサ部に検出されることがないので、検出精
度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光学式センサの基本的な構造を概念的に
示す斜視図。

【図２】（ａ）はステックの傾斜角度０゜の場合、
（ｂ）はステックの傾斜角度−４５゜の場合をそれぞれ
示す、倒立構造の本発明光学式センサの断面図。

【図３】ステックの傾斜角度−４５゜の場合におけるア
ームと凹面鏡の位置関係を示す、倒立構造の本発明光学
式センサの断面図。

【図４】倒立構造の本発明光学式センサの下部構造を示
す断面図。

【図５】図４の部分拡大断面図。

【図６】（ａ）はステックの傾斜角度４５゜の場合、
（ｂ）はステックの傾斜角度−４５゜の場合をそれぞれ
示す、倒立構造の本発明光学式センサの断面図。

【図７】正立構造の本発明光学式センサの断面図。

【図８】（ａ）はステックの傾斜角度０゜の場合、
（ｂ）はステックの傾斜角度４５゜の場合をそれぞれ示
す、光線追跡図。

【図９】センサ部の配置状態を示す平面図。

【図１０】センサ部の配置状態を示す断面図。

【図１１】センサ部の検出回路図。

【図１２】（ａ）はＹ軸回転方向を、（ｂ）はＸ軸回転
方向をそれぞれ示す、スポット光の移動方向を示す図。

【図１３】傾き角度と検出出力との関係を定性的に示す
グラフ。

【図１４】凹面鏡を４５゜傾けた場合の光線を示す断面
図。

【図１５】検出角度θと光源中心点からの距離Ｌとの関
係を示すグラフ。

【図１６】本発明光学式センサの効果を説明するための
センサ部の断面図。

【図１７】従来のジョイステックの構造を示す斜視図。

【図１８】従来のロータリーエンコーダーの構造を示す
斜視図。

【図１９】反射体として平面鏡を用いた従来のステック
タイプの構造を示す断面図。

【図２０】従来のステックタイプのセンサ部の構造を示
す断面図。

【符号の説明】

２４凹面鏡２６センサ部２７ベースプレート２８アーム２９ステック２９ｂ支柱３０ガイド部材３０ａガイド面３２蛇腹３３連結部３４ストッパ面３５（ＰＤ１〜ＰＤ４）フォトダイオード３６発光ダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と該発光素子に対向配置された
受光素子を有し、固定配置されたセンサ部と、操作部に連結され、該センサ部に対して移動する反射体
とを備え、該反射体が該発光素子からの出射光を該受光素子に導く
凹面鏡である光学式センサ。
【請求項２】発光素子と該発光素子に対して二次元的
に対向配置された複数の受光素子を有し、固定配置され
たセンサ部と、操作部に連結され、該センサ部に対して二次元的に移動
する反射体とを備え、該反射体が該発光素子からの出射光を該複数の受光素子
に導く凹面鏡である光学式センサ。
【請求項３】前記凹面鏡が支持体に回動自在に球面支
持されている請求項１又は請求項２記載の光学式セン
サ。
【請求項４】前記凹面鏡の曲率中心と回転中心が偏位
している請求項２又は請求項３記載の光学式センサ。
【請求項５】前記凹面鏡の外側面に前記回転中心に曲
率中心を有する曲面からなる滑り面を備え、かつ前記支
持体の内側面にガイド面が形成されている請求項３又は
請求項４記載の光学式センサ。
【請求項６】前記支持体にストッパ部が設けられ、か
つ前記凹面鏡に該ストッパ部に当接するストッパ部材が
設けられている請求項３〜請求項５記載の光学式セン
サ。
【請求項７】前記凹面鏡に立設した支柱を介して該凹
面鏡が前記操作部に連結され、前記センサ部がアームに
よって固定支持され、該アームが該操作部及び該凹面鏡
と共に一体的に移動する該支柱と干渉しない位置に配設
されている請求項１〜請求項６記載の光学式センサ。
【請求項８】前記センサ部、前記凹面鏡、前記支持
体、前記アーム及び前記支柱を含む部分が密閉手段によ
って密閉されている請求項１〜請求項７記載の光学式セ
ンサ。