JP2006202291A - 光学スライドパッド - Google Patents

Abstract

【課題】携帯機器用に狭いところで使用可能な入力装置を提供すること。
【解決手段】フレーム内に配置された可動パッドと、可動パッドに対向配置された光センサの第１の線形アレイと、可動パッドに対向配置された光センサの第２の線形アレイとを含む入力装置。第１の線形アレイと第２の線形アレイは異なる軸に沿って配置され、可動パッドの表面からの光に応答して信号を生成する。この入力装置は、それらの信号を受信するためにアレイに接続されたプロセッサを更に有する。プロセッサは、それらの信号から可動パッドの移動を判定する。プロセッサは、可動パッドの移動を表示画面上のカーソルの移動に変換する。
【選択図】図１

Description

様々な入力装置が、コンピュータ及び様々な電子機器の画面上のカーソルのようなアイコンの操作に使用されている。例えば、デスクトップコンピュータの入力装置としては、コンピュータマウスやトラックボールが有名である。

携帯情報端末（ＰＤＡ）や携帯電話の場合、タッチパッド、ジョイスティック・コントローラ、及びプッシュボタンなどが有名である。しかしながら、これらのデバイスには欠点がある。例えば、タッチパッドは、比較的広い入力エリアが必要である。携帯電話のような小型の装置は、表面積が貴重である。ジョイスティック・コントローラは、ユーザに対するフィードバックが不十分である。なぜなら、ジョイスティック・コントローラは通常、まったく動かないからである。代わりに、ジョイスティック・コントローラは、圧力センサを使用してユーザ入力を検出している。プッシュボタンは、あらゆる方向へ移動させることができず、特定の幾つかの方向への移動しか行うことができない。

本発明の一実施形態において、入力装置は、フレーム内を移動可能な可動パッドと、可動パッドに対向配置された光センサの第１の線形アレイと、可動パッドに対向配置された光センサの第２の線形アレイとを含む。第１の線形アレイと第２の線形アレイは異なる軸に沿って配置され、可動パッドの表面からの光に応答して信号を生成する。入力装置は、それらの信号を受信するようにアレイに接続されたプロセッサを更に含む。プロセッサは、可動パッドの移動を画面上のカーソルの移動に変換する。

種々の図面に使用される同じ参照符号は、類似の構成要素又は同一の構成要素であることを意味する。

２００３年８月２９日に出願された「Ｆｉｎｇｅｒ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｃａｐｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ」と題する、本願と同じ譲受人による米国特許出願第１０／６５１，５８９号（整理番号１００２１０４０−１）は、新しいタイプの入力装置を開示している。この入力装置は、光ナビゲーションエンジンの上に移動可能に吊されたキャプティブ・ディスクを備えている。光ナビゲーションエンジンは、ディスク表面の連続画像間を比較することにより、キャプティブ・ディスクの移動を検出する。本発明は、この米国特許出願１０／６５１，５８９号に最初に開示された入力装置に対する改良である。

図１は、本発明の一実施形態による光学スライドパッド１００の平面図である。デバイス１００は、携帯電話、ＰＤＡ、又はデジタルカメラのような携帯機器のインタフェースとして使用される場合がある。ユーザはデバイス１００を操作することにより、携帯機器の表示画面上のカーソルを動かすことができる。

光学スライドパッド１００は、フレーム１０２と、フレーム１０２の開口部１０６内に配置されたスライドパッド１０４（可動パッドとも呼ばれる）とを有する。一実施形態において、スライドパッド１０４と開口部１０６はいずれも円形である。スライドパッド１０４はスプリング１０８によってフレーム１０２に取り付けられる。一実施形態において、渦巻き状のスプリング１０８は、スライドパッド１０４及びフレーム１０２に接するような形でそれらに取り付けられる。スプリング１０８は、スライドパッド１０４を開口部１０６内の中心休止位置に戻す働きをする。使用時には、ユーザが指をスライドパッド１０４に載せてカーソルを移動させる。

光ナビゲーションエンジン１１０（図１に点線で描かれている）は、スライドパッド１０４の下に配置される。光ナビゲーションエンジン１１０は、第１の軸に沿って配置された光センサ１１４（分かり易くするために１つだけ符号を付してある）の線形アレイ１１２と、第１の軸に対して垂直な第２の軸に沿って配置された光センサ１１４（分かり易くするために１つだけ符号を付してある）の線形アレイ１１６と、スライドパッド１０４の底面２０６（図２）を照らすための光源１１８とを有する。一実施形態において、光ナビゲーションエンジン１１０は、光学スライドパッドデバイス１００の精度を向上させるために、１以上の他の軸に沿って配置された１以上の更なる線形アレイ（例えば、線形アレイ１１２及び１１６に対して４５度の向きに配置された第３の線形アレイ１２０）を有する。このように、本発明は、米国特許出願第１０／６５１，５８９号に開示されている完全な二次元光センサアレイに代えて、線形光センサアレイを使用する。

光センサ１１４には、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサやＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサを使用することができる。光源１１８には、コヒーレント光源（例えば、レーザダイオードや、ＶＣＳＥＬ（面発光半導体レーザー））、部分的コヒーレント光源、非コヒーレント光源（例えば、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンス光源、蛍光光源）などが使用される。光センサ１１４は、スライドパッド１０４の底面から反射された光に応答して電気信号を生成する。

図２は、一実施形態における光学スライドパッド１００の断面図である。光センサ１１４（１個しか見えていない）及び光源１１８は、基板２０２上に配置される。光源１１８の上にはレンズ２０４が配置され、スライドパッド１０４の底面２０６全体にわたる所望の輝度パターンが生成される。他の実施形態では、レンズ２０４を必要とせず、光源１１８が、底面２０６全体にわたって所望の輝度パターンで光を自然に照射する場合もある。光センサ１１４の上には複数のマイクロレンズ２０８が配置され、底面２０６の画像が光センサ１１４上に形成される。他の実施形態では、複数のマイクロレンズ２０８を一枚のレンズに置き換える場合がある。更に他の実施形態では、マイクロレンズ２０８を必要とせず、底面２０６からの反射光を光センサ１１４により直接収集する場合がある。レンズ２０２及び２０８をウェハレベルで複製、リフロー、トランスファ成形、又はエッチングすることにより、非常に低い製造コストで小型デバイスを製造することができる。

底面２０６は反復パターンを有し、センサアレイ１１２及び１１６に接続されたプロセッサ６０２（図６）は、その反復パターンを解釈することにより、スライドパッド１０４の移動を判定することができる。図３〜図５は、底面２０６に付ける又は印刷することが可能な種々の反復パターンを示している。

図３は、本発明の一実施形態による、底面２０６の反復パターン３０２を示している。パターン３０２は、暗い背景の上に配置された明るい水平線及び垂直線から構成されている。

図４は、本発明の一実施形態による、底面２０６の反復パターン４０２を示している。パターン４０２は、暗い水平線及び垂直線から構成される。

図５は、本発明の一実施形態による、底面２０６の他の反復パターン５０２を示している。パターン５０２は、ライン間隔が均一でない点を除き、図４のパターン４０２と同様である。ライン間隔は、ラインがパターン５０２の縁に近づくにつれて拡大されている。この拡大する間隔を利用すれば、スライドパッド１０４が開口部１０６の縁の近くにきたことを検出することができる。つまり、パターン５０２は、底面２０６の様々な部分において異なる周期性を有する。

図６は、本発明の一実施形態による光エンジン１１０を示すブロック図である。プロセッサ６０２は、光センサのアレイ１１２及び１１６に接続される。光センサのアレイ１１２は、Ｘ１及びＸ２でそれぞれ示されているような少なくとも２つの要素を含む。これら２つのセンサは、互いに９０度、位相が異なる電気信号を生成する位置に配置される。同様に、光センサのアレイ１１６も、Ｙ１及びＹ２でそれぞれ示されているような少なくとも２つの要素を含み、互いに９０度、位相が異なる電気信号を生成する位置に配置される。

光ナビゲーションエンジン１１０上の二次元平面においてスライドパッド１０４が移動するのに従って、センサアレイ１１２及び１１６は、スライドパッド表面２０６上の反復パターンを観測し、対応する電気信号を生成する。例えば、図７は、センサアレイ１１２によって生成された信号を示している。プロセッサ６０２は、これらの電気信号を使用して、センサアレイ１１２及び１１６の軸に沿ったスライドパッド１０４の移動を判定する。例えば、プロセッサ６０２は、信号７０２において観測される明るいフリンジ及び暗いフリンジの数をカウントすることができる。相対移動の計算に必要となる信号処理は、従来の相対値エンコーダにおける信号処理に似ている。センサ軸に沿った移動の変位と方向のを両方とも計算するために、各センサアレイは、少なくとも２つの光センサ１１４を有する必要がある。一実施形態において、２つのセンサ１１４は、互いに９０度、位相が異なる信号を受信するように間隔を空けて配置されるため、各光センサ１１４における受信信号間の位相関係から、移動方向を判定することができる。

直交検波を行うために、各軸に沿って少なくとも２つの光センサ１１４が設けられることに注意して欲しい。３以上の光センサを使用する場合、同じ軸上の隣接していない光センサからの信号をある程度の時間観測し、それを使用して、スライドパッド１０４の移動方向が判定される。例えば、第１の非隣接光センサ対及び第２の非隣接光センサ対をある程度の時間観測し、スライドパッド１０４の移動方向を示す信号７０２及び７０４（図７）を検出する場合がある。

プロセッサ６０２は、スライドパッド１０４の変位をカーソルの変位に変換する。一実施形態において、プロセッサ６０２はスライドパッド１０４の変位をカーソルの変位に直接マッピングする。パターン５０２を使用する一実施形態において、プロセッサ６０２は、センサアレイ１１２及び１１４により観測される周期信号が大きくなるのに応じて、カーソルの移動量を増やす。

上で述べた本発明の一実施形態では、コヒーレント光源（例えば面発光半導体レーザー）を使用して、スライドパッド１０４の底面２０６を照らす場合がある。この実施形態の場合、底面２０６が光学的平面（オプティカルフラット）ではないため、光学的に粗い表面をコヒーレント光で照らすと、斑点パターンが現れる。図８は、斑点パターン８０２の一例を示している。センサアレイ１１２及び１１４はそれらの斑点パターンをレンズの助けを借りて又は借りずに撮影する。撮影された斑点パターンは、明るいスポットと暗いスポットを含み、平均斑点サイズは、波長、発光スポットサイズ、及びスライドパッドとセンサとの間の距離の関数となる。これらの斑点パターンはほぼ繰り返しパターンであるため、フリンジをカウントするための上記と同じ処理アルゴリズムを使用して斑点パターンの動きをトラッキングすることにより、スライドパッドの移動を判定することができる。

図９は、本発明の一実施形態による光学スライドパッドデバイス９００を示す断面図である。デバイス９００は、光源１１８（図１及び図２）が他の光源で置換されている点を除き、デバイス１００（図１及び図２）と同様である。一実施形態において、光源９１８はスライドパッド９０４に一体化され、光センサ１１４によって検出される反復パターンを生成する。光源９１８は、移動検出のための所望の周期パターンが生成されるようなパターンに構成することができ、また、スライドパッド９０４の一部として形成されたパターニングされた表面を照らすバックライトとして光源９１８を使用してもよい。他の実施形態において、スライドパッド９０４には、所望の発光パターンを生成する自己発光材料（例えば、エレクトロルミネッセンスシート）が使用される。自己発光スライドパッド９０４は、反復パターンが生成されるようなパターンに構成することができ、また、スライドパッド９０４の上を覆うパターニングされたシートのバックライトとして自己発光材料を使用してもよい。

図１０は、本発明の一実施形態による光学スライドパッド１０００の断面図である。デバイス１０００は、周辺光（環境光）を使用してスライドパッド１０４を照らす点を除き、デバイス１００と同様である。周辺光は種々の方法でデバイス１０００の中へ導くことができる。一実施形態において、周辺光１０２０は、デバイス１０００のハウジングの上側開口部から入り、光学部品１０２２（例えばミラー）によってスライドパッド１０４の底面へ導かれる。他の実施形態において、周辺光１０２４は、ハウジングの下側開口部から入り、底面２０６へ導かれる。図面には描かれていないが、周辺光は、デバイス１０００の側面から入り、底面２０６へ導かれる場合もある。更に、光を導くこうした方法を組み合わせて使用してもよい。

図から分かるように、高さの低い非常に小型の入力装置が実現される。これは、マイクロ光学部品がウェハレベルで製造され、光センサ、光源、及びプロセッサが同じ基板上に集積されることによるものである。このデバイスは、移動計算を簡単な電子回路で実現することができ、計算量を最小限に抑えることができるため、非常に低コストで製造することができる。

開示した実施形態の特徴の他の様々な変更及び組み合わせも、本発明の範囲内である。特許請求の範囲には、多数の実施形態が含まれる。

本発明の一実施形態による光学スライドパッドの略平面図である。 本発明の一実施形態による図１の光学スライドパッドの略断面図である。 本発明の一実施形態によるスライドパッドの表面に設けられたパターンを示す図である。 本発明の一実施形態によるスライドパッドの表面に設けられたパターンを示す図である。 本発明の一実施形態による光学スライドパッドを示すブロック図である。 本発明の一実施形態による光エンジン１１０を示すブロック図である。 センサアレイによって生成される信号を示す図である。 斑点パターンの一例を示す図である。 本発明の一実施形態による光学スライドパッドデバイスの断面図である。 本発明の一実施形態による光学スライドパッドデバイスの断面図である。

Claims (18)

1. フレーム内に配置された可動パッドと、
   前記可動パッドに対向配置された光センサの第１の線形アレイと、
   前記可動パッドに対向配置された光センサの第２の線形アレイと、
   からなり、前記第１の線形アレイと前記第２の線形アレイは異なる軸に沿って配置され、前記第１の線形アレイ及び前記第２の線形アレイは前記可動パッドの表面からの光に応答して信号を生成する、入力装置。
2. 前記表面は、均一な間隔で配置された反復パターンを有する、請求項１に記載の入力装置。
3. 前記表面は、前記表面の様々な部分において異なる周期性の反復パターンを有する、請求項１に記載の入力装置。
4. 前記可動パッドは少なくとも１つのスプリングによって前記フレームに取り付けられる、請求項１に記載の入力装置。
5. 前記信号を受信するように前記第１の線形アレイ及び前記第２の線形アレイに接続されたプロセッサを更に含み、該プロセッサは、前記可動パッドの移動を前記信号に基づいて判定する、請求項１に記載の入力装置。
6. 前記プロセッサは、前記第１の線形アレイからの信号におけるフリンジの数をカウントすることにより、前記第１の線形アレイに沿った前記可動パッドの移動の第１の変位を判定し、
   前記プロセッサは、前記第２の線形アレイからの信号におけるフリンジの数をカウントすることにより、前記第２の線形アレイに沿った前記可動パッドの移動の第２の変位を判定するように構成される、請求項５に記載の入力装置。
7. 前記第１の線形アレイ及び前記第２の線形アレイのそれぞれは、少なくとも２つの光センサを含み、
   前記プロセッサは、前記第１の線形アレイ内の光センサの信号をある程度の時間観測することにより前記可動パッドの第１の変位の第１の方向を判定し、
   前記プロセッサは、前記第２の線形アレイ内の光センサの信号をある程度の時間観測することにより前記可動パッドの第２の変位の第２の方向を判定するように構成される、請求項５に記載のい入力装置。
8. 前記光センサの上に配置され、前記可動パッドの表面の画像を前記第１の線形アレイ及び前記第２の線形アレイ上に形成する光学レンズを更に含む、請求項１に記載の入力装置。
9. 前記可動パッドの表面に対向配置され、該表面を照らす光源を更に含む、請求項５に記載の入力装置。
10. 前記光源は、コヒーレント光源、部分的コヒーレント光源、及び、非コヒーレント光源からなるグループの中から選択される、請求項９に記載の入力装置。
11. 前記光源の上に配置され、前記表面上に輝度パターンを生成する光学レンズを更に含む、請求項９に記載の入力装置。
12. 前記光源はコヒーレント光源であり、前記表面は光学的平面ではない、請求項９に記載の入力装置。
13. 前記第１の線形アレイ及び前記第２の線形アレイにおける光センサは前記表面から斑点パターンを撮影し、前記プロセッサは、該斑点パターンに基づいて前記可動パッドの移動を判定する、請求項１２に記載の入力装置。
14. 前記可動パッドに対向配置された光センサの第３の線形アレイを更に含み、
    前記第３の線形アレイは、前記第１の線形アレイ及び前記第２の線形アレイとは異なる軸に沿って配置され、該第３の線形アレイは前記表面からの光に応答して信号を生成する、請求項１に記載の入力装置。
15. 前記可動パッドは自己発光する、請求項１に記載の入力装置。
16. 前記可動パッドは光源を備える、請求項１に記載の入力装置。
17. 周辺光を取り入れ、前記可動パッドの表面から反射させるための開口部が画定されたハウジングを更に含む、請求項１に記載の入力装置。
18. 前記可動パッドの表面に周辺光を導くための光学部品を更に含む、請求項１７に記載の入力装置。
    
    

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