JP2005505075A - タッチセンシティビティ機能を有する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、表面（２）、上記表面（２）に接触した又は近傍のタッチ入力部材（６）の存在を検出し距離センサ信号を生成するためのタッチセンシティブ手段を有する、タッチセンシティビティ機能を有する装置に関する。従来の抵抗性又は容量性タッチセンシティブ層は透過性が限られているので、これはスクリーン品質をかなり低下させる。本発明によれば、タッチセンシティビティ機能を有する表示装置は、ディスプレイに層を追加せずに提供され、タッチセンシティブ手段（５）が、上記表面（２）に平行且つ近傍の面に、上記表面（２）の全体に渡って周期的に偏向するレーザ−ビーム（４，８）を放射するための手段（５１）と、上記タッチ入力部材（６）から反射又は散乱する光を受け取り上記距離センサ信号を生成する手段（５１，６０）とを有することを特徴とする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面及び前記表面に接触した又は近傍のタッチ入力部材の存在を検出し距離センサ信号を生成するためのタッチセンシティブ手段を有する、タッチセンシティビティ機能を有する装置に関する。本発明は、更に、タッチセンシティブ表示装置、キーボード、及びタッチセンシティビティ装置に対して斯かる装置のタッチ入力部材による接触を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高解像度ＬＣＤスクリーンが、携帯電話及び携帯用制御装置のような多くのアプリケーションに導入されている。これらのアプリケーションの大部分において、スクリーンのタッチスクリーン機能性が要求される。表示スクリーンのどこが触られたかを決定するために、一般に、容量性及び抵抗性のタッチセンシティブ層が使われる。これらの層は、インジウムスズ酸化膜のような透明導体に基づいている。これらの層の不利な点は透過性が限られることであり、このことは、特に今日の高解像度ＬＣＤディスプレイの画質を低下させる。
【０００３】
表示スクリーンに接触しているタッチ入力部材の存在を検出する別の概念は、交差する光ビームで表示面を覆うための一対の光エミッタ及び検出器の直行アレイと、このエミッタ及び検出器に結合され、いつでも単一のエミッタが光を発するようにこの直交アレイを電気的に走査する走査手段とに基づいている。斯かる表示装置は、例えば、ＵＳ４，３０１，４４７に記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それ故に、本発明の目的は、表面（例えば表示スクリーン）に層を追加する必要がなく、画質を低下せずに、複数の光エミッタ及び検出器並びに複雑な制御及び画像処理手段を更に必要としないタッチセンス機能を有する装置を提供することにある。特に、安価且つ信頼できる解決策が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、上記タッチセンシティブ手段が上記表面に平行且つ近傍の面に、上記表面の全体に渡って周期的に偏向するレーザ−ビームを放射するための手段、及び上記タッチ入力部材から反射又は散乱する光を受け取り上記距離センサ信号を生成する手段を有することによって特徴付けられる請求項１による装置によって達成される。この目的は、更に、請求項１２に規定されるようなタッチセンシティビティ表示装置、請求項１３に規定されるようなキーボード、及び請求項１４に規定されるようなタッチセンシティビティ装置の接触を検出する方法によって達成される。
【０００６】
本発明は、レーザーによる距離測定を用いるという概念に基づいている。レーザーを用いて距離を測定する単純且つ安価な方法は、一般に知られている。この方法は、タッチセンシティビティを備える目的で、従って付加的な層又は光エミッタ及び検出器のアレイ並びに複雑な制御及び処理手段を避けるために、装置に適用される。
【０００７】
本発明によれば、レーザービームは、表面全体を周期的に走査するようにレーザー放射及び検出手段によって放射される。斯かる入力部材が、表示スクリーンに接触していない又は少なくともレーザービームが当たるほど表面に近くない場合（このタッチ入力部材は、例えば、電子ペン、ポインタ又はユーザーの指）、レーザービームは表面のフレームからレーザ検出器に反射若しくは散乱する、又は反射するレーザービームはない。タッチ入力部材が、表面に接触する又は少なくともレーザービームが当たるほど表面に近い場合、レーザービームはタッチ入力部材からレーザ検出器に反射又は散乱する。レーザー検出器によって生成される距離センサ信号はかなりの変化を示し、タッチ入力部材の表面上の位置の決定を可能にする。本発明によれば光学的な原理が用いられているので、解決策は信頼性が高く、高精度である。
【０００８】
本発明の好適実施例は、従属項に規定される。好ましくは、請求項２に記載されているように、タッチ入力部材の位置は、レーザービームの放射角と、レーザー放射及び検出手段との間の距離並びに反射の方向とから計算され、この距離は、レーザ検出器によって受け取られる光に含まれ、又はこの光から得ることができる。特に、変動するレーザ放射波長の関数としてレーザー検出器が受け取る光の位相に、レーザー放射及び検出手段からレーザ検出器にレーザー光が進行する経路の長さに関する情報が含まれる。
【０００９】
好ましくは、上記タッチセンシティブ手段は、レーザーダイオード及びフォトダイオードを有する。レーザーダイオードは、レーザービームを放射及び検出するために共通に使用されることが有利である。レーザーダイオードから放射される光は散乱してレーザーダイオードに戻り、従って放射されたレーザービームは変調される。
【００１０】
更に、レーザー放射及び検出手段並びにレーザー検出器は、好ましくは表示スクリーンのフレーム内、特にフレームの同じ角部に位置する。従って、本発明は、大量生産に重要な任意のスクリーンサイズ及び型式に容易に用いることができる。
【００１１】
好適実施例によれば、表面のフレームは、光を散乱し及び距離読取りを生じさせるために使用されない。タッチ入力部材が、表面に接触し又はレーザービームが当たるほどに少なくともスクリーンに近い場合にのみ、レーザービームはタッチ入力部材からレーザー検出器に反射又は散乱する。タッチ入力部材が存在しない場合、距離読取りは生じない。
【００１２】
あるいは、レーザー反射手段、例えば反射面は、フレームの特定の位置、特にビームの位置及び／又は表面のサイズを較正することができるように1つ以上の角部に置くことができる。基本的には、斯かるレーザー反射手段は、単に、レーザービームを十分に反射及び／又は散乱する白いフレームを有することができる。このようにして、タッチ入力部材が存在しない場合、レーザー放射及び検出手段とフレームとの間の距離を連続して測定することができる。タッチ入力部材が存在するとき、タッチ入力部材に当たる前、及びタッチ入力部材に当たった後に、フレームまでの距離が測定される。この情報はタッチ入力部材に当たっている間にレーザービームの角度を較正するために使用することができる。レーザービームがタッチ入力部材に当たっているとき、タッチ入力部材とセンサとの間の距離が測定される。この結果得られた角度及び距離の情報は、スクリーンが触られる座標を求めるために使用することができる。
【００１３】
レーザー放射及び検出手段は、好ましくは、レーザービームを表示スクリーンの真上の面に放射するために配される。従って、タッチ入力部材が表面に接触しているか、又はタッチ入力部材が既に表面に非常に近いのかさえも、検出することがかなり容易である。あるいは、レーザー放射及び検出手段を表面又はこの表面の上の層の僅かに下に配し、レーザービームが表面又は上記層の真下の面に放射されるようにすることもできるだろう。タッチ入力部材が表面又は上記層に接触しているかどうかを検出するため、表面又は上記層はフレキシブルであり、しかもタッチ入力部材は、表面のフレームに代わってレーザービームを反射するようなへこみを表面又は上記層に生じさせる必要がある。
【００１４】
好適実施例によれば、レーザの自己混合に基づいた距離測定が使用される。従って、レーザーダイオードは、レーザー放射及び検出手段並びにレーザー検出器として共通に使用され、レーザーダイオードから放射される光が散乱してレーザーダイオードに戻り、従って発生したレーザービームが変調される。この変調（一般に「アンジュレーション（undulation）」とも呼ばれる）は、検出手段（一般にはフォトダイオード）でレーザー出力パワーをモニタリングすることによって検出される。レーザーダイオード自体が電流変調の場合、この効果は、レーザーダイオードとターゲットとの間、即ちレーザーダイオードとレーザービームを反射するフレーム又はレーザービームを反射するタッチ入力部材の接触点との間の距離を測定するために使用することができる。レーザの自己混合に基づいて距離を測定する単純且つ安価な方法は、一般に既知であるが、タッチセンシティビティ機能を実現するために表示スクリーンに有利に適用することができる。
【００１５】
表示スクリーンの全体に渡ってレーザービームを周期的に偏向するために、好ましくは、レーザービームを偏向するミラーの向きを周期的に変化させる振動手段が備えられる。好ましくは、振動手段は、単純な電池式機械目覚まし時計又は腕時計から既知であるような、電子駆動機械振動子を有する。しかしながら、振動手段の他の実現も可能である。
【００１６】
本発明は、図面を基準にして更に詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明による表示装置１の第１実施例を示す。表示装置１は、レーザーダイオードを含むことができるレーザー放射及び検出手段５から放射されたレーザービーム４又は８を反射又は散乱するためのフレーム３を有する表示スクリーン２（即ち、表面）を有する。上記手段５は好ましくは上記矩形状表示スクリーン２の１つの角部に配され、表示スクリーン２全体の表面上で周期的に直に偏向されるレーザービームを放射する。即ち、表示スクリーン２の表面はレーザービーム４又は８によって、周期的に走査される。表示スクリーン２の表面に接触する又はその表面の近傍にあるタッチ入力部材によってレーザービームが遮断されることができるように、レーザービームは、表示スクリーンの表面の真上の面に放射されるように発生する。レーザービーム４又は８は、表示装置のフレーム３で終わるとき、４で表される。タッチ入力部材から散乱するときは、８で表される。両方の数字（４及び８）は、異なる瞬間では同じレーザービームに言及している。
【００１８】
タッチ入力部材（例えば、ユーザーの指）６が表示スクリーン２に接触していないとき、光が散乱してレーザー放射及び検出手段５に戻るように、レーザービーム４は表示スクリーン２のフレーム３から反射又は散乱する。従って、そこに含まれレーザービームを放出するために使用されるレーザーダイオードは、散乱して戻る光を検出するためにも使用される。このようにダイオードの光出力は、変調（アンジュレーション）を受ける。レーザーダイオード自体は電流変調されているので、この効果は、レーザーダイオードとレーザービーム４の反射の場所との間の距離を測定するために使用することができる。このように、タッチ入力部材６が表示スクリーン２に接触していない場合、レーザー放射及び検出手段５とレーザが指すフレーム３の点との間の距離は、散乱して戻った光を受け取った後レーザーダイオードによって発生するセンサ信号から求められる。
【００１９】
タッチ入力部材６が表示スクリーン２に接触すると（例えば、ユーザが例えば表示されたタッチボタン７上の特定の点において表示スクリーン２に触ると）、角度αで発せられるレーザービーム８は遮られてフレーム３の代わりに指６から反射又は散乱する。従って、レーザー放射及び検出手段５とレーザービーム８の反射の場所との間のより短い距離が、伝えられる。この信号の変化は、表示スクリーン２が触わられたという状況を報告する割込みを引き起こし、接触位置を計算するために使用することができる。
【００２０】
レーザー放射及び検出手段５に含まれるレーザ検出器によって発生するセンサ信号の一例が、図２に示されている。そこでは、レーザー放射及び検出手段５と反射の場所との間の測定距離ｄが、時間ｔに対して記録される。
【００２１】
センサ信号Ｓの第１の部分Ａは、表示スクリーンが触わられる前に記録された距離ｄを示す。その第１の部分Ａの部分Ａ１は、図１に示す実施例において、左上の角部から始まって右下の角部に行き元に戻るレーザービーム４による１走査期間の間に記録される距離を示す。信号Ｓの部分Ａ１１は表示スクリーンの長辺（水平）側に沿う走査によって記録され、一方、信号Ｓの部分Ａ１２は表示スクリーンの短辺（垂直）側に沿う走査によって記録される。信号が検出されないときの断絶部Ａ１３は、レーザービームが、走査の方向が変化する位置を示すために使われる吸収面に当たるときを示す。表示スクリーンが接触される前に記録された距離は、表示スクリーンが接触される瞬間に読み取る距離を較正するために使うことができる。
【００２２】
センサ信号Ｓの次の部分Ｂは、表示スクリーンが接触されている間に記録された距離ｄを示す。その一部分Ｂ２は、表示スクリーンの走査が終了する間に記録される。見て分かるように、信号Ｓは、期間Ａと比較して期間Ｂに変化し、タッチ入力部材でのレーザービームの反射により測定される短い距離によってローピークＢ１を示す。この短い距離は、タッチ入力部材と測定装置との間の距離を示す。ピークＢ１の時間長は、測定装置からの距離によって除算され表示スクリーンに接触するタッチ入力部材の半径を示し、一方、ピークの位置が、レーザー放射及び検出手段が位置している表示スクリーンの角部に対するタッチ入力部材の角度の目安である。このようにして、この角部に対するタッチ入力部材の角度を較正することができる。
【００２３】
レーザービーム従ってタッチ入力部材の角度は、偏向ミラーがレーザービームの角度を設定するために用いられる場合にその偏向ミラーの角度を測定するというような他の方法でも求めることができる。絶対接触位置、即ち（ｘ，ｙ）座標は、レーザービームの角度及び距離から計算することができる。これらの計算は、レーザー放射及び検出手段５の駆動ソフトウエアで行うことができる。これはタッチ入力が行われる装置、即ちコンピュータ、ＰＤＡ又は同様の装置によっても行うことができ、これは手段５自体を非常に簡単なものにする。
【００２４】
フレームまでの距離を測定している間に生じる距離情報を、レーザービームの角度を較正するために使用することができる。タッチ入力部材が検出されるとき、タッチ入力部材に当たる前後のレーザービームの角度の平均は、タッチ入力部材に当たっている間のビームの角度の良好な測定値である。
【００２５】
レーザー放射及び検出手段５の好適実施例は、図３に示される。そこでは、レーザーダイオード５１がレーザービーム４又は８を放出し、このレーザービームは、レンズ５２を通り抜けた後に、電気駆動機械振動子に搭載されたミラー５３によって反射する。この機械振動子は、スプリング５４と、駆動電子装置５９によって駆動される電磁コイル５５とを有する。斯かる機械振動子、特に斯かる型式のてん輪は、安価な電池式機械目ざまし時計及び大部分の腕時計において見つけることができる。従って、ミラー５３の方向は、矢印で示されるように周期的に変化し、従って表示スクリーン全体の表面の真上で周期的に偏向するレーザービーム４又は８の反射角が変化する。レーザーダイオード５１によるレーザービームの放射は、検出器６０で測定され電子装置５６で制御される。必要であれば、電子装置５９及び５６は１つの装置に一体化することができる。
【００２６】
反射したレーザービームは、散乱して同じ光路を経てレーザーダイオード５１に戻る。このように、レーザーダイオード５１の光出力は変調（アンジュレーション）を受ける。アンジュレーションは光検出器６０（好ましくはフォトダイオード）で検出され、この光検出器はしばしば市販のレーザーダイオードパッケージ５８に既に組み込まれている。レーザーダイオード５１自体が駆動装置５６で電流変調されるので、レーザーダイオード５１の自己混合効果（selfmixing effect）は、レーザーダイオードと反射点との間の距離を測定するために使用することができる。従って、レーザーダイオード５１は、レーザーダイオード５１との間の距離及び必要であれば反射角を求めるため、並びに必要であれば、タッチ入力部材が表示スクリーンに接触している又は非常に近いかどうかを求めるため、信号処理手段５７に入力される距離センサ信号を発生する。
【００２７】
反射角は異なる方法で決定することができる。１つは、図２に示される時間に渡って測定された距離の情報からである。これは、電子回路又は論理回路５７において行うことができる。あるいは、回路５７は、全ての情報を、装置（即ち、タッチ入力センサが使用されるモバイル装置の部分又はコンピュータ）で動作するアルゴリズム又は駆動ソフトウェアに伝達するためにのみ使用することができる。別の可能性は、偏向装置（即ちミラー４）の周期的な動きを使うことである。この情報も、電子回路若しくは論理回路５７の内部、又は装置（即ち、タッチ入力センサが使用されるモバイル装置の部分又はコンピュータ）で処理することができる。角度の情報及び距離の情報を使うと、入力座標を決定することができる。この処理も、論理回路５７又は装置（即ち、タッチ入力センサが使用されるモバイル装置の部分又はコンピュータ）で行うことができる。
【００２８】
必要であれば、振動子ドライバ５９は、電子回路５７で制御され又は電子回路５７にタイミング情報を与えることができる。ビームの方向（角度）がスクリーンのフレームまでの測定距離から得られるので、５９と５７との間のリンクは必要でない。
【００２９】
ミラー５３の周期的な動きのために、又は、もっと一般には、レーザービーム４を偏向させるために、他の方法も使用することができる。例えば、とても安価なデフレクタとして、金属被着により反射をし共振駆動する圧電気ホイルを使うことが可能である。本発明は、携帯電話、高機能リモートコントロール、ノートブック又はタッチスクリーンユーザインタフェースのような任意の種類のアプリケーションの任意の種類のディスプレイ（ＬＣＤ及びＣＲＴを含む）にも適用することができる。
【００３０】
表示スクリーン２のフレーム３からのレーザービームの反射を向上させるために、反射手段３１、例えば小さいミラー又は反射プレートを、フレーム３の少なくとも角部に配することができる。これらの反射手段は、レーザー放射及び検出手段５から放射されるレーザービーム４が反射し、反射又は散乱したレーザービーム４がレーザー検出器に向かって戻るように配される。
【００３１】
本発明は、タッチセンシティビティ機能が備えられる任意の種類の装置にも適用することができる。好適なアプリケーションは、タッチスクリーン、電子キーボード又は任意の種類の入力装置である。タッチセンシティビティ機能を有する表面は、その中を、キーボード及び部分的にディスプレイ又はスクリーンとして、部分的に設計することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の原理を表す図面を示す。
【図２】本発明によるセンサ信号を示す。
【図３】本発明によるレーザービームを偏向する手段を示す。

Claims (14)

1. 表面、及び前記表面に接触した又は近傍のタッチ入力部材の存在を検出し距離センサ信号を生成するためのタッチセンシティブ手段を有する、タッチセンシティビティ機能を有する装置であって、
   前記タッチセンシティブ手段は、
   前記表面に平行且つ近傍の面に、前記表面の全体に渡って周期的に偏向するレーザ−ビームを放射するための手段、及び
   前記タッチ入力部材から反射又は散乱する光を受け取り前記距離センサ信号を生成する手段、
   を有する装置。
2. 前記距離センサ信号から前記表面に接触した又は近傍の前記タッチ入力部材の位置を求めるための信号処理手段が備えられる請求項１に記載の装置。
3. 前記距離センサ信号が、前記レーザービームを放射するための手段との間の距離、及び前記反射の方向に関する情報を含み、前記信号処理手段が、前記距離及び前記レーザービームの放射の角度から、前記タッチ入力部材の位置を計算する請求項２に記載の表示装置。
4. 前記タッチセンシティブ手段は、レーザーダイオード及びフォトダイオードを含む請求項１に記載の装置。
5. 前記レーザーダイオードは、前記レーザービームを放射及び検出するために共通に用いられ、前記レーザーダイオードから放出された光は、散乱して前記レーザーダイオードに戻り、従って前記レーザービームを変調する請求項４に記載の装置。
6. 前記レーザービームを放射するための手段及び前記光を受け取るための手段が、前記表面の前記フレーム内、特に前記フレームの１つの角部に配される請求項１に記載の装置。
7. 前記レーザービームを放射するための手段が、前記レーザービームを前記表面の真上の面に放射するために配される請求項１に記載の装置。
8. 前記光を受け取るための手段は、前記表面の前記フレームから又は前記タッチ入力部材から反射又は散乱する光を受け取り、前記距離センサ信号を生成する請求項１に記載の装置。
9. 前記表面の前記フレームが、前記レーザービームが前記光を受け取るための手段へ反射するように配された、前記レーザービームを反射するためのレーザー反射手段を有する請求項１に記載の装置。
10. 前記タッチセンシティブ手段は、前記レーザービームを偏向させるためのミラーの向きを周期的に変化させることによって前記表面の全体に渡って前記レーザービームを周期的に反射するための振動手段を有する請求項１に記載の装置。
11. 前記振動手段が、電子駆動機械振動子を有する請求項１０に記載の装置。
12. 請求項１に記載の装置を有するタッチセンシティビティ表示装置であって、前記表面がディスプレイ又はスクリーンであるタッチセンシティビティ表示装置。
13. 請求項１に記載の装置を有するキーボードであって、前記表面は数字及び／又はキャラクタがマークされているキーボード。
14. 表面、及び前記表面に接触した又は近傍のタッチ入力部材の存在を検出し距離センサ信号を生成するためのタッチセンシティブ手段を有する、タッチセンシティビティ機能を有する装置に対して、タッチ入力部材による表面の接触を検出する方法であって、
    レーザービームは前記表面に平行且つ近傍の面に放射され、前記レーザービームが前記表面の全体に渡って周期的に偏向し、及び前記表面のフレーム又は前記タッチ入力部材から反射又は散乱する光が受け取られ、前記距離センサ信号が生成される方法。