JP2006058931A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音波や光を利用して離間した指示器の位置情報を検出する検出機構を有する入力装置は、指示器に電池などの電源が必要であり小型化できないという課題があった。
【解決手段】検出機構１４は、第１の超音波６を発して指示器１に電力を供給する電力供給手段２と、第２の超音波８を受けて指示器１の位置情報を検出する位置検出手段５と、を有し、指示器１は、第1の超音波６を電力に変換する電力受取手段３と、第２の超音波８を発して検出機構１４に位置情報を有する信号を放出する信号放出手段４と、を有する。これにより、指示器１は電力を受けながら動作することができるため、電池が不要となり小型化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力装置に関するものであり、特に、音波や光を利用して離間した指示器の位置情報を検出する検出機構を有する入力装置に関するものである。

従来よりコンピュータや情報端末など、表示画面に対し指示器を用いて入力を行う装置は広く知られている。この中でも、抵抗膜方式の入力装置が広く使われている。

抵抗膜方式の入力装置は、2枚の透明抵抗膜からなるタッチパネルを表示装置上に配置するという構造上、光の透過率が減少してしまうことから、表示品質を低下させてしまうという問題があった。

この問題を解決するため、指示器から放出される超音波を用いて入力を行う入力装置が知られており、多くの提案をみるところである（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術の入力装置を図面を用いて説明する。図６は、特許文献１に示した従来技術の入力装置を示す構成図である。
図６において、１００は入力ペン、１０１は発光素子、１０２は電池、１０３は振動子駆動回路、１０４は振動子、１０５は超音波センサ、１０６はセンサ信号処理回路である。入力ペン１００は、指示器の役割を果たすものである。

特許文献１に示した従来技術の入力装置は、入力ペン１００から放出された超音波の伝搬時間により指示器の位置を特定するものである。

以下に検出の手順を説明する。まず、入力ペン１００は、振動子駆動回路１０３により振動子１０４を駆動し超音波を放出する。また、同時に発光素子１０１から赤外線を放出する。この赤外線は光速、すなわち、実質的には伝搬時間０で図示しない赤外線受信素子に受信される。一方、超音波は音速、すなわち常温で３４０ｍ／ｓで伝搬し、超音波センサ１０５に受信される。つまり、赤外線を受信した時間と超音波を受信した時間との差が超音波の伝搬時間である。この超音波の伝搬時間に音速を掛ければ入力ペン１００と超音センサ１０５との間の距離が算出できるので、超音波センサ１０５を２つ設けることで入力ペン１００のニ次元的な位置を特定することができる。

特開２００３−０２９９１７号公報（第３−７頁、第２図）

しかしながら、特許文献１に示した従来技術の入力装置は、入力ペン１００の電源として電池１０２を使用しているため、小型化できないという欠点があった。

また、電池１０２の交換あるいは充電という煩わしい作業が必要であり操作性が悪いという欠点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、小型化が可能で操作性の優れた入力装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の入力装置は下記に示す構造を採用する。

音波や光を利用して離間した指示器の位置情報を検出する検出機構を有する入力装置において、
検出機構は、第１の超音波を発して指示器に電力を供給する電力供給手段と、第２の超音波を受けて指示器の位置情報を検出する位置検出手段と、を有し、
指示器は、第１の超音波を電力に変換する電力受取手段と、第２の超音波を発して検出機構に位置情報を有する信号を放出する信号放出手段と、を有することを特徴とする。

電力供給手段は、特定の周波数を発生する第１の発振回路と、第１の発振回路により第１の超音波を発生する電力供給用圧電素子と、を有することを特徴とする。

電力受取手段は、第１の超音波を受信するための電力受取用圧電素子と、電力受取用圧電素子から出力される信号を整流する整流回路と、整流回路により整流された信号を蓄電する容量素子と、を有することを特徴とする。

信号放出手段は、特定の周波数を発生する第２の発振回路と、第２の発振回路により第２の超音波を発生する信号放出用圧電素子と、赤外線を放出するための赤外線送信素子と、第２の超音波と赤外線の放出のタイミングを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

位置検出手段は、赤外線送信素子から放出された赤外線を受信する赤外線受信素子と、第２の超音波を受信するための複数設けられた信号受取用圧電素子と、赤外線受信素子で受信した信号と信号受取用圧電素子で受信した信号との時間差から指示器の入力位置を算出する位置算出手段と、を有することを特徴とする。

第１の超音波と第２の超音波とは、周波数が異なることを特徴とする。

本発明の入力装置によれば、指示器に電力受取手段を設けることによって、指示器に電池などの電源が不要となり、格段に小型化することができる。

また、電池の交換あるいは充電という煩わしい作業が必要なくなり、操作性を向上させることができる。

以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は、本発明の入力装置を示す構成図である。図２は、本発明の入力装置の使用形態の一例を示す模式図である。図３は、本発明の入力装置の検出機構の構成図である。図４は、本発明の入力装置の指示器の構成図である。図５は、本発明の入力装置の受信信号の波形を模式的に示した波形図である。

[構造説明：図１〜図５]
まず、本発明の入力装置の構成を図１から図５を用いて説明する。
図１において、１は指示器、２は電力供給手段、３は電力受取手段、４は信号放出手段、５は位置検出手段、６は第１の超音波、７は赤外線、８は第２の超音波、１４は検出機構である。

図２において、４０は本発明の入力装置を搭載した電子機器である。電子機器４０は、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）などの情報端末を想定している。５０は左手、６０は右手である。

図３は、検出機構の構成図であり、９は第１の発振回路、１０は電力供給用圧電素子、１１は赤外線受信素子、１２は信号受取用圧電素子、１３は位置算出手段、２４は赤外線受信信号、２５と２６とは超音波受信信号、２７は第１の特定周波数の電気信号である。
第１の発振回路９は、第１の特定周波数の電気信号２７を生成するもので、水晶発振器や、水晶振動子を利用した一般的な発振回路を利用することができる。
電力供給用圧電素子１０は、電気信号を機械的振動に変換することによって空中に超音波を放出するのもで、ピエゾ素子などの圧電素子を利用することができる。
赤外線受信素子１１は、受信した赤外線を電気信号に変換するもので、フォトトランジスタやフォトダイオードなどの光電素子を利用することができる。
信号受取用圧電素子１２は、受信した超音波による機械的振動を電気信号に変換するもので、ピエゾ素子などの圧電素子を利用することができる。図３では、信号受取用圧電素子１２を２つ設ける例を示している。これは、二次元的な指示器１の位置を特定するために必要である。

図４は指示器の構成図であり、１６は電力受取用圧電素子、１７は整流回路、１８は容量素子、１９は第２の発振回路、２０は赤外線送信素子、２１は信号放出用圧電素子、２２は制御回路、２３は指示器電源ライン、２８は圧電素子出力信号、２９は第２の特定周波数の電気信号、３０はパルス信号である。
電力受取用圧電素子１６は、受信した第１の超音波６による機械的振動を圧電素子出力信号２８に変換するもので、ピエゾ素子などの圧電素子を利用することができる。
整流回路１７は、交流信号を整流するのもので、ダイオードを利用することができる。
第２の発振回路１９は、第２の特定周波数の電気信号２９を生成するもので、水晶発振器や、水晶振動子を利用した一般的な発振回路を利用することができる。
信号放出用圧電素子２１は、入力する電気信号を機械的振動に変換することによって空中に第２の超音波８を放出するのもで、ピエゾ素子などの圧電素子を利用することができる。
赤外線送信素子２０は、電流を流すことにより赤外線７を発光するもので、赤外線発光ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）である。
制御回路２２は、タイミングを制御するためのカウンタであり、パルス信号３０を出力する。

図５において、ｔ１とｔ２とは伝搬遅延である。
なお、図１から図５において同一の構成には同一の番号を付与している。

[原理説明：図１]
まずはじめに、本発明の入力装置の検出の基本原理を図１を用いて説明する。
図１に示すように、検出機構１４の電力供給手段２は、第１の超音波６を空中へ放出する。指示器１に設ける電力受取手段３は、第１の超音波６を受け電力に変換する。この電力は電源として信号放出手段４に供給される。信号放出手段４は、赤外線７と第２の超音波８とを同時に空中に放出する。検出機構１４の位置検出手段５は、受信した赤外線７と第２の超音波８とから指示器１の位置を検出する。

第１の超音波６と第２の超音波８とは、異なる周波数を使用する。これは指示器１が電力を受け続けながら動作するためである。

[動作説明：図３、図４、図５]
次に、本発明の入力装置の検出の詳細な動作を図３、図４、図５を用いて説明する。

図３に示すように、第１の発振回路９が生成した第１の特定周波数の電気信号２７は、
電力供給用圧電素子１０に入力され、電力供給用圧電素子１０は、その電気信号２７に基づいた第１の超音波６を空中に放出する。

図４に示すように、電力受取用圧電素子１６は、第１の超音波６を受け圧電素子出力信号２８を生成する。圧電素子出力信号２８は、整流回路１７で整流された後、容量素子１８で平滑化され電荷として蓄積される。このようにして容量素子１８に蓄積された電荷は指示器１の電力として用い、指示器電源ライン２３を利用して指示器１内の各要素に供給する。

図４に示すように、信号放出手段４は、指示器電源ライン２３より電力が供給されると動作を開始する。まず、第２の発振回路１９が第２の特定周波数の電気信号２９を生成する。制御回路２２は、一定間隔のパルス信号３０を信号放出用圧電素子２１と赤外線送信素子２０とに送る。パルス信号３０のタイミングに基づき、信号放出用圧電素子２１は第２の超音波８を放出し、赤外線送信素子２０は赤外線７を放出する。

図３に示すように、赤外線７は、位置検出手段５に到達し、赤外線受信素子１１により、赤外線受信信号２４が生成される。
一方、位置検出手段５に到達した第２の超音波８は、２つの信号受取用圧電素子１２により、超音波受信信号２５と超音波受信信号２６とが生成される。

図５に示すように、赤外線７は光速、すなわち実質的には伝搬時間０で到達するが、第２の超音波８は音速、すなわち常温で３４０ｍ／ｓで伝搬するため、超音波受信信号２５と超音波受信信号２６とはそれぞれの信号受取用圧電素子１２と指示器１との間の距離に依存した伝搬遅延ｔ１、ｔ２を含んだ信号となる。

図３に示す位置算出手段１３は、伝搬遅延ｔ１、ｔ２に音速を掛けることにより指示器１と信号受取用圧電素子１２との間のそれぞれの距離を算出する。これにより、二次元的な指示器１の位置を特定することができる。
もし、三次元的な指示器１の位置を特定したければ、信号受取用圧電素子１２を
３つに増やすことで容易に拡張できる。

本発明の入力装置は、指示器１に電力受取手段３を設けることによって、指示器１に電池などの電源が不要となり、格段に小型化することができる。
また、電池の交換あるいは充電という煩わしい作業が必要なくなり、操作性を向上させることができる。

特に、近年実用化されてきたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術、すなわち、機構部品を半導体製造技術を利用して小型化するという技術を用いることにより、圧電素子を含む指示器１の全体を５ｍｍ角以下に小型化することができる。
例えば、図２に示すように、左手５０で電子機器４０を持ち、右手６０の指先に指示器１を貼りつけて入力を行う使用形態も可能となる。このような使用形態は、使用者に指示器１の装着感を与えることがほとんどなく、入力そのものに疲労を伴うが無い。したがって、長時間におよぶ入力作業を必要とする入力装置に好適である。

本発明の入力装置は、表示品質や操作性が求められるコンピュータや、情報端末等に適用することができる。特に持ち運び等の理由から小型化が求められる携帯情報端末に好適である。

本発明の入力装置を示す構成図である。 本発明の入力装置の使用形態の一例を示す模式図である。 本発明の入力装置の検出機構の構成図である。 本発明の入力装置の指示器の構成図である。 本発明の入力装置の受信信号の波形を模式的に示した波形図である。 従来技術の入力装置を示す構成図である。

符号の説明

１ 指示器
２ 電力供給手段
３ 電力受取手段
４ 信号放出手段
５ 位置検出手段
６ 第１の超音波
７ 赤外線
８ 第２の超音波
９ 第１の発振回路
１０ 電力供給用圧電素子
１１ 赤外線受信素子
１２ 信号受取用圧電素子
１３ 位置算出手段
１４ 検出機構
１６ 電力受取用圧電素子
１７ 整流回路
１８ 容量素子
１９ 第２の発振回路
２０ 赤外線送信素子
２１ 信号放出用圧電素子
２２ 制御回路
２３ 指示器電源
２４ 赤外線受信信号
２５ 超音波受信信号
２６ 超音波受信信号
２７ 第１の特定周波数の電気信号
２８ 圧電素子出力信号
２９ 第２の特定周波数の電気信号
３０ パルス信号
４０ 電子機器

Claims (6)

1. 音波や光を利用して離間した指示器の位置情報を検出する検出機構を有する入力装置において、
   前記検出機構は、第１の超音波を発して前記指示器に電力を供給する電力供給手段と、第２の超音波を受けて前記指示器の位置情報を検出する位置検出手段と、を有し、
   前記指示器は、前記第1の超音波を電力に変換する電力受取手段と、前記第２の超音波を発して前記検出機構に位置情報を有する信号を放出する信号放出手段と、を有することを特徴とする入力装置。
2. 前記電力供給手段は、特定の周波数を発生する第１の発振回路と、前記第1の発振回路により前記第１の超音波を発生する電力供給用圧電素子と、を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記電力受取手段は、前記第１の超音波を受信するための電力受取用圧電素子と、前記電力受取用圧電素子から出力される信号を整流する整流回路と、前記整流回路により整流された信号を蓄電する容量素子と、を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
4. 前記信号放出手段は、特定の周波数を発生する第２の発振回路と、前記第２の発振回路により前記第２の超音波を発生する信号放出用圧電素子と、赤外線を放出するための赤外線送信素子と、前記第２の超音波と前記赤外線の放出のタイミングを制御する制御回路と、を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
5. 前記位置検出手段は、前記赤外線送信素子から放出された赤外線を受信する赤外線受信素子と、前記第２の超音波を受信するための複数設けられた信号受取用圧電素子と、前記赤外線受信素子で受信した信号と前記信号受取用圧電素子で受信した信号との時間差から前記指示器の入力位置を算出する位置算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
6. 前記第１の超音波と前記第２の超音波とは、周波数が異なることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。

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