JP2006053707A

JP2006053707A - 三次元座標入力装置

Info

Publication number: JP2006053707A
Application number: JP2004234107A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yoshida; 信吉田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】ＸＹ平面入力に加え、Ｚ軸方向の入力をも簡単且つ正確に行えるようにした三次元座標入力装置を提供する。
【解決手段】複数のスパイラル抵抗体２０がＸＹ平面上にマトリックス状に配置されている。押圧力Ｆを与えると、スパイラル抵抗体２０が変形し、弾性部２２の下面と接続部１１ａとの接触面積が変化するため、スパイラル抵抗体２０の抵抗値を前記押圧力Ｆの大きさに応じて減少させることができる。よって、前記抵抗値に対する検出電圧Ｖoutの変位の有無から、押圧力Ｆに対応するＸＹ平面上の座標位置を検出することができ、またＺ軸方向の座標位置は前記検出電圧Ｖout２が示す押圧力Ｆに相当する押し込み量（または振幅量）（Ｈ−ｈ）として検出することができる。よって、三次元座標の入力を簡単且つ正確に入力することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ペンや指などを用いて座標入力を行う座標入力装置に係わり、特に三次元（Ｚ軸）方向の座標の入力が可能な三次元座標入力装置に関する。

本発明に関連する先行技術文献としては、例えば特許文献１などが存在している。前記特許文献１に示す圧力感応型入力装置では、ユーザーが操作入力部１０１ａに設けられた入力ボタンを押圧し、Ｘ軸座標とＹ軸座標のポインティングと同時にその時点での入力ボタンをさらに押圧することによる圧力の強弱でＺ軸方向に入力を行うというものである。なお、前記操作入力部１０１ａとしては、例えばマウスやタブレットなどを用いることができると記載されている。

また特許文献２にはタブレットなど従来の平面座標入力装置を用いて三次元方向の入力を行う方法および装置に関する発明が記載されている。特許文献２では平面的なＸ軸座標信号およびＹ座標信号の入力は、従来と同じくスタイラスペン１１２を用いてタブレットなどの平面入力装置上に任意の位置を示すことにより行われる。またＺ軸方向の入力は、前記平面入力装置自体を平面に対してほぼ垂直となる方向に平行移動させ、このときの移動量を移動量検出機構１４０等にて検出してＺ座標信号を生成し、このようにして検出したＸ，Ｙ，Ｚの各座標信号から三次元座標の入力を可能にするというものである。
特開平８−１７１４５３号公報特開平８−１２９４４７号公報

しかし、特許文献１にはＸＹ平面座標の検出はタブレットを用いて検出することができる旨が記載されているが、Ｚ軸方向の圧力を検出する具体的な手段について一切開示されておらず、どのようにしてＺ軸方向の座標を検出するかについては不明である。

また特許文献２の三次元座標入力装置では、Ｚ軸方向の入力を行うたびに座標入力装置を傾斜姿勢に移動させる必要があるため、入力作業が面倒である。しかも、移動の際にスタイラスペンが示す位置がずれやすく、ユーザーにとってはイメージ通りに入力することが難しいという問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、ＸＹ平面入力に加え、Ｚ軸方向の入力をも簡単且つ正確に行えるようにした三次元座標入力装置を提供することを目的としている。

本発明は、基板と、前記基板上に配列された複数の抵抗体と、前記複数の抵抗体に対向配置されたフェイスシートと、前記抵抗体の抵抗値を検出電圧として出力する検出手段とを有し、前記フェイスシートに対する押圧操作をＸＹＺ座標上の座標入力とする三次元座標入力装置において、
前記検出手段が、前記フェイスシートに与えられた押圧力に対する前記検出電圧の変位の有無により前記押圧力が与えられたＸＹ平面上の座標入力を行い、且つ前記検出電圧の変位量によりＺ軸方向の入力を行うことを特徴とするものである。

本発明では、ＸＹ平面上の座標入力と、Ｚ軸方向の座標入力とを一つの装置で行うことができる。よって、三次元座標入力装置の構成をコンパクト化することができる。また従来のように、装置を入力時に移動させる必要がないため、簡単且つ正確な座標入力が可能となる。

上記において、前記抵抗体が、渦巻きの外周側を基端部とし、かつ内周中心側を接点部とするスパイラル状であるものが好ましい。

この場合、前記抵抗体は、前記基端部が前記基板に設けられた接続部に固定され、前記接点部が前記フェイスシートの対向面に設けられた導電膜に接続され、または接触可能な状態に対向して配置されているものとして構成することができ。このとき抵抗体は、その抵抗値が前記押圧力の増減に応じて変位させられるものが好ましい。

上記構成では、複数のスパイラル状の抵抗体（スパイラル抵抗体）を配置するだけで、三次元方向の入力が可能な装置を比較的容易に構成することができる。このため、例えばコンピュータやゲーム機などに三次元タブレットとして搭載することが可能となる。

また前記抵抗体が、マトリックス状に配置されているものが好ましい。
上記手段では、ＸＹＺ軸方向の入力を正確に行うことができるようになる。

例えば、前記検出手段は、個々の抵抗体から延びる複数の検出ラインから一の検出ラインを選択する切換え手段と、前記検出ラインから出力される検出電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、切換え手段の切り換えのタイミングおよびＡ／Ｄ変換手段の変換のタイミングの制御を行う制御部とを有するものとして構成できる。

本発明では、簡単な構成で三次元座標を入力することが可能なの三次元座標入力装置を提供することができる。

しかも、ＸＹ平面上の座標入力とＺ軸方向の座標入力とを一つの装置で行うことができるため、三次元座標入力装置の構成をコンパクト化することができる。また従来のように、装置を入力時に移動させる必要がないため、簡単且つ正確な座標入力が可能となる。

図１は本発明の実施の形態として三次元座標入力装置の構成を示す斜視図、図２は本発明の三次元座標入力装置を構成するスパイラル抵抗体を拡大して示す断面図であり、Ａは押圧力を加える変形前の状態、Ｂは押圧力を加えた変形後の状態である。図３はスパイラル抵抗体の平面図である。なお、図３ではハッチングで示す部分がスパイラル抵抗体を構成する部分である。

図１の実施の形態に示す三次元座標入力装置１０は、基板１１、前記基板１１に配列された複数のスパイラル抵抗体２０およびフェイスシート３０を有している。

前記基板１１は絶縁性を有しており、その表面にはマトリックス状（格子状または碁盤の目状ともいう）に配置された複数の接続部１１ａが形成されている。また図２に示すように、個々の接続部１１ａには所定の抵抗値からなる外付け抵抗ｒの一端がそれぞれ接続されている。個々の外付け抵抗ｒの他方の端部は入力ラインＬinに接続されており、前記入力ラインＬinを介して電源装置Ｅの出力端子（＋端子）に接続されている。すなわち、前記入力ラインＬinを介して電源電圧Ｖccを各接続部１１ａに印加することができるようになっている（図２、図４参照）。

また前記接続部１１ａからは検出ラインＬoutがそれぞれ接続されており（図２，図４参照）、各検出ラインＬoutはコネクタを介して三次元座標入力装置１０の外部に引き出されている。なお、前記外付け抵抗ｒ、入力ラインおよび検出ラインＬoutは、基板１１の下面に設けられており、図示しないスルーホールを介して前記基板１１の表面側に設けられた接続部１１ａに接続されている。

前記スパイラル抵抗体２０は弾性を有する抵抗材料で形成されている。図３に示すように、スパイラル抵抗体２０はその外周側に、例えばリング状の枠体２１を有しており、前記枠体２１の下面が前記基板１１の接続部１１ａに対し導電性接着剤などの手段を用いて固定されている。なお、前記枠体２１の大きさは、前記接続部１１ａの範囲内に収まるように、前記接続部１１ａと同じ大きさか、それよりも僅かに小さな面積で形成されている。

図２および図３に示すように、前記枠体２１にはその内側の一部を基端部２２ａとし、自由端側の先端が前記枠体２１の中心方向に向かって渦巻き状または螺旋状（スパイラル状）に延びる弾性部２２が一体形成されている。図３に示すように、前記弾性部２２の自由端側の先端には、広い面積からなる接点部２３が設けられている。そして、図２Ａ，Ｂに示すように、前記スパイラル抵抗体２０は先端側の接点部２３が前記枠体２１から凸状に突出する形状で形成されており、図示Ｚ軸方向に弾性変形することができるようになっている。

前記弾性部２２は、前記基端部２２ａから接点部２３に至るまでの間において同じ断面積、すなわち一定の板厚寸法および一定の幅寸法で形成されている。したがって、この実施の形態における弾性部２２の抵抗値は、基端部２２ａから接点部２３までの長さにほぼ比例し一次直線的に変化する。

また前記スパイラル抵抗体２０は、基端部２２ａを支点として接点部２３を含む弾性部２２が片持ち支持されている。そして、図２Ｂに示すように、前記接点部２３に押圧力Ｆを作用させると、前記スパイラル抵抗体２０は、前記弾性部２２が収縮する方向（図示Ｚ２方向）に弾性変形させられる。このとき、前記接点部２３側は螺旋の中心側に位置してほぼ剛体と化しているため、前記弾性部２２は基端部２２ａ側から先に弾性変形させられる。すなわち、押圧力Ｆを与えると、前記弾性部２２は、先に基端部２２ａ側がＺ２方向に移動するように変形し、その下面が基板１１の接続部１１ａに接触させられる。そして、与える前記押圧力Ｆを徐々に強めて行くと、前記接続部１１ａと接触する弾性部２２の下面の範囲が、前記基端部２２ａから接点部２３に向かって徐々に拡大させられる。

同時に、弾性部２２を片持ち支持する支点Ｐの位置も、基端部２２ａ側の支点Ｐ１から接点部２３側の支点Ｐ２のように徐々に自由端側の接点部２３方向に移動させられる。このとき、前記弾性部２２が抵抗体として機能する範囲は前記支点Ｐと接点部２３との間であり、前記基端部２２ａと前記支点Ｐとの間では前記弾性部２２が接続部１１ａに接触し、抵抗体としては機能しなくなる。したがって、押圧力Ｆを強めて行くと、抵抗体として機能する部分の弾性部２２の長さが徐々に短くなるため、スパイラル抵抗体２０の抵抗値を徐々に減少させることができる。

なお、押圧力Ｆを作用させない場合、すなわちスパイラル抵抗体２０の高さ寸法が初期値Ｈの場合には、接続部１１ａと弾性部２２とが接触する長さが最短となるため、スパイラル抵抗体２０の抵抗値は最大である。そして、図２Ｂに示すように押圧力Ｆを徐々に加えて行き、スパイラル抵抗体２０の高さ寸法が初期値Ｈよりも低いｈ方向に変位すると、前記接続部１１ａと接触する弾性部２２の範囲（接触長さ）Ｌ１が増大するため、前記抵抗値を徐々に減少させることができるようになっている。なお、スパイラル抵抗体２０の体積抵抗率をρ[Ωｍ]、弾性部２２の全長をＬ[ｍ]、基端部２２ａから支点Ｐまでの接触長さをＬ１[ｍ]、弾性部２２の断面積をＳ[ｍ^２]とすると、前記基端部２２ａから支点Ｐまでの抵抗値Ｒ_Ｌは、以下の数1で表わされる。

前記スパイラル抵抗体２０は、前記基板１１の表面にマトリックス状に密集配置されている。そして、このようにマトリックス状に密集配置された複数のスパイラル抵抗体２０によりＸＹ平面座標およびＺ軸方向の座標が形成されている。

前記密集配置された複数のスパイラル抵抗体２０の上部にはフェイスシート３０が設けられている。前記フェイスシート３０は弾性変形可能な樹脂シートなどで形成されている。前記フェイスシート３０下面、すなわち前記複数のスパイラル抵抗体２０と対向する面には、例えば弾性を有する樹脂等に導電粒子を混ぜることに形成された弾性変形可能な導電膜３１が設けられている。そして、前記導電膜３１には前記スパイラル抵抗体２０の前記接点部２３が接続されている。そして、前記導電膜３１は、電源装置Ｅの−側の出力端子（−端子）に接続されている。

すなわち、図２Ａに示すように、電源装置Ｅの＋端子から入力ラインを介して外付け抵抗ｒおよび基板１１の接続部１１ａを介してスパイラル抵抗体２０の枠体２１に接続され、さらにスパイラル抵抗体２０の接点部２３からフェイスシート３０の導電膜３１を介して電源装置Ｅ（電圧Ｖcc）の−端子に接続されている。よって、前記スパイラル抵抗体２０の抵抗値を数１で表わされるＲ_Ｌとすると、前記外付け抵抗ｒとスパイラル抵抗体２０との抵抗分割比による出力、すなわち検出ラインＬoutの検出電圧（アナログ量）Voutは以下の数２で表わすことができる。

なお、前記押圧力ＦがＦ＝０の場合、すなわちスパイラル抵抗体２０の高さ寸法がＨ（初期値）にある場合には、上記のようにスパイラル抵抗体２０の抵抗値Ｒ_Ｌが最大となるため、検出ラインＬoutの検出電圧Voutも最大を示す。そして、図２Ｂに示すように前記押圧力Ｆが加わり、前記スパイラル抵抗体２０の高さ寸法が低下させられ、前記スパイラル抵抗体２０の抵抗値Ｒ_Ｌが減少するにしたがって、前記検出ラインＬoutの検出電圧Voutを減少させる方向に変位させることができる。

図４は、図２に示すようなスパイラル抵抗体を用いた三次元座標入力装置の回路構成の概略を示す等価回路図、図５は三次元座標入力装置の動作を説明するための図２同様の断面図であり、Ａは押圧力を加える変形前の状態、Ｂは押圧力を加えた変形後の状態を示している。

図４では、個々のスパイラル抵抗体２０の抵抗値をＲ_Ｌ１，Ｒ_Ｌ２，・・・・，Ｒ_Ｌｎで示している。前記各検出ラインＬoutの端部は、例えばマルチプレクサなどの切換え手段４１に入力されており、この切換え手段４１を介してＡ／Ｄ変換手段４２に接続されている。そして、前記Ａ／Ｄ変換手段４２の出力はＣＰＵを主体とする制御部４３に入力されている。

前記制御部４３は前記切換え手段４１を一定の切り換えのタイミング（サンプリング周期）で所定の順番にしたがって切り換えさせる指令を与える。前記切換え手段４１は前記複数の検出ラインＬoutを前記の順番にしたがって一つづつ選択するため、各スパイラル抵抗体２０の検出電圧Ｖoutが順次Ａ／Ｄ変換手段４２に入力される。そして、制御部４３は前記所定の変換のタイミング（サンプリング周期）にしたがって前記Ａ／Ｄ変換手段４２を駆動する。これにより、各スパイラル抵抗体２０の検出電圧（アナログ量）Ｖoutがデジタル出力に変換され、変換後のデジタル出力が順次前記制御部４３に与えられる。

ここで、図５Ａに示すように、三次元座標入力装置１０のフェイスシート３０に与えられる押圧力ＦがＦ＝０の場合には、各スパイラル抵抗体２０の抵抗値Ｒ_Ｌ１，Ｒ_Ｌ２，・・・・，Ｒ_Ｌｎはほぼ一定であるため、各検出電圧Vout１，Vout２，Vout３，・・・・，Voutｎはほぼ一定の範囲内に収まる。よって、制御部４３は三次元座標入力装置１０には押圧力Ｆが与えられていないと判断することができる。

次に、図５Ｂに示すように、前記フェイスシート３０の一部に押圧力Ｆが与えられ、例えばスパイラル抵抗体２０ｂのみが局部的にＺ２方向に弾性変形させられた場合を考える。この場合には前記スパイラル抵抗体２０ｂの抵抗値Ｒ_Ｌのみが減少させられ、その検出電圧Ｖout２のみが減少する方向に変位するため、制御部４３は前記スパイラル抵抗体２０ｂに押圧力Ｆが与えられたことを検知することができる。

すなわち、制御部４３は各スパイラル抵抗体２０の各検出電圧Vout１，Vout２，Vout３，・・・・，Voutｎを検出したときに、各検出電圧に変位が生じている場合には、該当する検出電圧Voutから押圧力Ｆが与えられたスパイラル抵抗体２０を特定することができる。換言すると、各検出電圧Voutの変位の有無から押圧力Ｆが与えられたＸＹ平面上の座標位置を検知することができる。

同時に、前記検出電圧Vout２の変位の大きさ（変位量）から、前記押圧力Ｆの大きさを特定することができる。換言すると、Ｚ軸方向の座標位置は前記検出電圧Ｖout２が示す押圧力Ｆに相当する押し込み量（または振幅量）（Ｈ−ｈ）として検出することができる。

このように本願発明では、ＸＹＺ軸方向の座標位置を容易且つ正確に検出することができる。よって、ユーザーはペンや指等を用いて前記フェイスシート３０上の任意の位置に押圧力Ｆを与えるという簡単な操作を行うだけで、ＸＹＺ軸方向の座標入力を行うことが可能となる。

なお、押圧力Ｆがある一定の範囲内に位置する複数のスパイラル抵抗体２０に対し同時に与えられた場合には、その領域全体に対してＸＹＺ軸方向の座標入力が行われたとすることもできるし、あるいはその中の中心部、すなわち前記領域の中心に位置するスパイラル抵抗体２０、あるいは押圧力Ｆが最大のスパイラル抵抗体２０に対してＸＹＺ軸方向の座標入力が行われたとすることもできる。

上記実施の形態では、弾性変形自在に片持ち支持された抵抗体として、スパイラル抵抗体を用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、押圧力Ｆの増減とともに接続部１１ａとの間の接触面積が増減させられることにより抵抗値Ｒ_Ｌに変位が生じるものであればよく、例えば板バネ状の抵抗体であってもよい。あるいは押圧力Ｆの増減とともに抵抗体どうしの間の接触面積が増減させられることにより抵抗値Ｒ_Ｌに変位が生じるもの、例えばコイルスプリング状の抵抗体などであってもよい。

また上記実施の形態では、抵抗値の変化が弾性部２２の長さＬに比例して一次直線的に変化するものとして説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば基端部２２ａから接点部２３方向に向かって断面積Ｓが徐々に細くなる形状のものでは、弾性部２２の長さＬが増加すると前記抵抗値Ｒ_Ｌが関数ｌｏｇで変位するようになるが、前記弾性部２２の長さＬに対し抵抗値Ｒ_Ｌが一対一で対応するのであればこのようなものであってもよい。ただし、この場合には、制御部４３は弾性部２２の長さＬと抵抗値Ｒ_Ｌとを対応させるためのテーブルなどが必要である。

また上記実施の形態では、スパイラル抵抗体２０の自由端側の接点部２３が、フェイスシート３０の導電膜３１に電気的に接続されているものとして説明したが、本発明はこれに限られるものではなく前記接点部２３と導電膜３１とが対向していれば互いに離れているものであってもよい。すなわち、フェイスシート３０に押圧力Ｆが与えられ、前記フェイスシート３０がＺ２方向に弾性変形させられたときに、前記導電膜３１が前記接点部２３に接触することにより、両者が電気的に接続される構成であってもよい。

本発明の実施の形態として三次元座標入力装置の構成を示す斜視図、本発明の三次元座標入力装置を構成するスパイラル抵抗体を拡大して示す断面図であり、Ａは押圧力を加える変形前の状態、Ｂは押圧力を加えた変形後の状態、スパイラル抵抗体の平面図、スパイラル抵抗体を用いた三次元座標入力装置の回路構成の概略を示す等価回路図、三次元座標入力装置の、三次元座標入力装置の動作を説明するための図２同様の断面図であり、Ａは押圧力を加える変形前の状態、Ｂは押圧力を加えた変形後の状態、

符号の説明

１０三次元座標入力装置
１１基板
１１ａ接続部
２０スパイラル抵抗体（抵抗体）
２１枠体
２２弾性部
２２ａ基端部
２３接点部
３０フェイスシート
３１導電膜
Ｅ電源装置
Ｆ押圧力
ｒ外付け抵抗
Ｒ_Ｌ抵抗体の抵抗値
Ｌin 入力ライン
Ｌout 検出ライン
Ｖout 検出電圧
Ｖcc 電源電圧

Claims

基板と、前記基板上に配列された複数の抵抗体と、前記複数の抵抗体に対向配置されたフェイスシートと、前記抵抗体の抵抗値を検出電圧として出力する検出手段とを有し、前記フェイスシートに対する押圧操作をＸＹＺ座標上の座標入力とする三次元座標入力装置において、
前記検出手段が、前記フェイスシートに与えられた押圧力に対する前記検出電圧の変位の有無により前記押圧力が与えられたＸＹ平面上の座標入力を行い、且つ前記検出電圧の変位量によりＺ軸方向の入力を行うことを特徴とする三次元座標入力装置。
前記抵抗体が、渦巻きの外周側を基端部とし、かつ内周中心側を接点部とするスパイラル状である請求項１記載の三次元座標入力装置。
前記抵抗体は、前記基端部が前記基板に設けられた接続部に固定され、前記接点部が前記フェイスシートの対向面に設けられた導電膜に接続され、または接触可能な状態に対向して配置されている請求項１または２記載の三次元座標入力装置。
抵抗体は、その抵抗値が前記押圧力の増減に応じて変位させられる請求項１ないし３のいずれか記載の三次元座標入力装置。
前記抵抗体が、マトリックス状に配置されている請求項１または４のいずれか記載の三次元座標入力装置。
前記検出手段は、個々の抵抗体から延びる複数の検出ラインから一の検出ラインを選択する切換え手段と、前記検出ラインから出力される検出電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、切換え手段の切換えのタイミングおよびＡ／Ｄ変換手段の変換のタイミングの制御を行う制御部とを有する請求項１ないし５のいずれか記載の三次元座標入力装置。