JP2011518389A - タッチ装置とレーザー光源構造 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチ装置のサイズと解像度が高まり、タッチ装置の正確性と反応速度が大幅に高められること。
【解決手段】隣接する第一側辺と第二側辺からなる検知領域と、それぞれ前記検知領域の前記第一側辺と前記第二側辺に設置される二つの反射鏡配列と、それぞれ前記検知領域の前記第一側辺と前記第二側辺に設置され、それぞれ対応する前記反射鏡配列とあらかじめ決められた距離をもって設置される二つのレーザー光源ユニットと、それぞれ前記第一側辺と前記第二側辺の反対側に設置され、複数個の検知ユニットを有する二つの受信部材を含み、前記レーザー光源ユニットはさらにレーザーダイオードと回折光学部材を有し、前記レーザーダイオードはレーザー光を発生させ、このレーザー光は前記回折光学部材を通過することにより、複数の均一なレーザービームとなり、前記これらのレーザービームは前記反射鏡配列を通過することによって、平行配列で前記検知領域の上空に分布させられ、それぞれの前記検知ユニットはそれぞれ単一の前記レーザービームを受信し、それぞれデジタル信号を出力させる。
【選択図】図１

Description

本発明はタッチ装置及びその光源構造に関し、より詳しくは、レーザー光源を有するタッチ装置及びその光源構造に関する。

従来から、抵抗方式や静電容量方式など異なる方式のタッチパネルが幅広く知られている。上述した方式によるタッチパネルの操作方法は入力媒質（例えば、人体やタッチペン）がタッチパネルに接触したときに発生される抵抗値や静電容量値の変化を検知することにより、接触の位置が特定されて、入力の目的が達成される。

しかしながら、前述した従来の技術では、上述類型のタッチパネルは多層の薄膜によって構成されるため、薄膜の透明度の良し悪しが直接組み合わされる表示ディスプレイの視覚効果に影響し、この影響される視覚効果はさらに色彩ひずみさ、光の反射性と鮮明度等の要因を含むため、四種類の特性があり、これらの特性はどれも良くなく、上述のタッチディスプレイの視覚効果はどれも良くなかった。
これ以外に、上述のタッチパネルに入力が行われるとき、指先やタッチペンなどは必ずパネルに接触しなければならず、しかも適切な圧力で押す必要があり、これにより入力効果が確保される。そのため、パネルの表面に傷がつきやすいという問題があった。また、タッチパネルの解像度は本体内部の回路配置によって制限を受ける。このため、高解像度が求められる大型のタッチパネルには適用できないといった問題もあった。

このため、目下タッチパネルは光学式タッチパネルが発展しており、光学方式を接触位置検知の媒質とするとき、この長所は１００％ディスプレイ器の光学特性に影響を与えず、その解像度は光検知器の密度、ファームウェアとソフトウェアの解像度によって決定され、その利便性と採算性はより優れている。

一般的にレーザーを接触位置検知の媒質とするとき、二種類の方法がある。一種類目はレーザー配列であり、つまり、レーザーユニットをレーザー検知器に相対させる方法であり、解像度がより高く、レーザーの数はより多いため、相対的に製造コスト、消費電流、発熱量なども増加し、完全に商品として実現化させるには不利である。ＬＥＤ配列式のタッチ技術はこの欠点を改善できるが、ＬＥＤは発散性の光源であるため、レーザーは直進性の光源であり、このため、ＬＥＤを位置検知の媒質とするとき、アナログ式の効果が達成されるだけであり、デジタル式という目標を達成することはできない。これ以外に、単一レーザーとスキャン構造を用いる方法がある。この種類の設計は発振器あるいは回転モーターを用いて、検知面のスキャンがなされる。この方法の長所はコストが比較的低いことが挙げられるが、高周波発振器とモーターが原因となって、この二種類の部材はともに電磁波を発生させ、商品の通信品質に干渉してしまう。
これ以外に、レーザーと光分離レンズ配列を用いて、スキャンを行う方法もあるが、この方法は光分離レンズの量により、各レーザーのエネルギーは段階的に減衰されるため、検知が困難か、事実上検知はできず、簡単にいえば、実用価値は高くない。

これ以外に米国特許ＵＳ７２４２３８８、ＵＳ７３０５３６８、ＵＳ７４１７６８１及びＵＳ６６１４４２２などの特許は特定の映像を結像平面に投射することによって、位置検知の参考画像をつくりだし、再度映像対比を行うことにより、接触位置が定義される。映像対比はアナログ信号によって行われるため、信号処理器によって複雑なアナログ演算を行うことが必要であり、これを行うことによって初めて接触位置が判断でき、このため、高解像度あるいは高反応速度率を必要とするタッチ装置には適さない。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、大型の表示ディスプレイに応用できるだけでなく、大型のタッチパネルの解像度不足の問題を解決し、タッチ装置は直接デジタル信号を出力し、信号処理器を使い複雑なアナログ演算を行う必要がなく、即座に接触位置を判断できるタッチ装置を提供することを主目的とする。

本発明によれば、
タッチ装置であって、
隣接する第一側辺と第二側辺からなる検知領域と、
それぞれ検知領域の第一側辺と第二側辺に設置される二つの反射鏡配列（Reflective Lens Array）と、
それぞれ検知領域の第一側辺と第二側辺に設置され、それぞれ対応する反射鏡配列とあらかじめ決められた距離をもって設置される二つのレーザー光源ユニットと、
それぞれ第一側辺と第二側辺の反対側に設置され、複数個の検知ユニットを有する二つの受信部材を含み、
ここでは、それぞれのレーザー光源ユニットはさらにレーザーダイオード（Laser Diode）と回折光学部材（Diffractive Optical Element）を有し、レーザーダイオードはレーザー光を発生させ、このレーザー光は回折光学部材を通過することにより、複数の均一なレーザービームとなり、これらのレーザービームは反射鏡配列を通過することによって、平行配列で検知領域の上空に分布させられ、それぞれの検知ユニットはそれぞれ単一のレーザービームを受信し、それぞれデジタル信号を出力させることを特徴とするタッチ装置が提供される。

本発明によれば、タッチ装置のサイズと解像度が高まり、タッチ装置はデジタル信号を出力し、信号処理器は複雑な演算を行う必要がなく、即座に接触位置が判断され、これにより、効果的に信号処理器の演算エネルギーと時間を減少させ、タッチ装置の正確性と反応速度が大幅に高められる。

図１は本発明の好ましい実施形態に係るタッチ装置の上面図と側面概略図を示す。 図２は本発明の好ましい実施形態に係るタッチ装置の上面図と側面概略図を示す。 図３は図１の反射鏡配列の概略図である。 図４は図１のレーザー光源ユニットの概略図である。 図５は異なる回折光学部材によって形成されるレーザースポットを示す概略図である。 図６は異なる回折光学部材によって形成されるレーザースポットを示す概略図である。 図７は異なる回折光学部材によって形成されるレーザースポットを示す概略図である。 図８はマイクロチップの概略図とマイクロチップの作用を示す概略図である。 図９はマイクロチップの概略図とマイクロチップの作用を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
本発明の実施形態に係るタッチ装置２００は図１と図２に示されているように、表示ディスプレイ２６０の表面あるいは、専属の透明ガラス２５０によって、表示ディスプレイ２６０の表面に架設される。図１に示されているタッチ装置２００は検知領域２１０、第一反射鏡配列（Reflective Lens Array）２４１、第二反射鏡配列２４２、第一レーザー光源ユニット２２１、第二レーザー光源ユニット２２２、第一受信部材２３１及び第二受信部材２３２を含む。

検知領域２１０は隣接する第一側辺２１１と第二側辺２１２と、それぞれ検知領域２１０の第一側辺２１１と第二側辺２１２に設置される反射鏡配列２４１、２４２と、それぞれ検知領域２１０の第一側辺２１１と第二側辺２１２（例えば両側辺の中央）に設置され、それぞれ反射鏡配列２４１と２４２からあらかじめ決められた距離を置いて設置される、第一レーザー光源ユニット２２１と第二レーザー光源ユニット２２２と、それぞれ第一側辺２１１と第二側辺２１２の反対側に設置される第一受信部材２３１と第二受信部材２３２を含む。ここでは、第一レーザー光源ユニット２２１と第二レーザー光源ユニット２２２はそれぞれ、複数の均一なレーザービーム２１、２２を発生させ、レーザービーム２１、２２は検知領域２１０の上空に交錯配列（例えば、碁盤の目状の配列）を形成し、第一受信部材２３１と第二受信部材２３２によってそれぞれのレーザービーム２１、２２は受信される。

第一受信部材２３１と第二受信部材２３２はそれぞれ複数の第一検知ユニット２３１１と第二検知ユニット２３２２を有し、位置とエネルギーの変化を検知する。上述のタッチパネル２００に入力されるとき、入力媒質（例えば、品体やタッチペン）２０はレーザービーム２１、２２の一部分を遮断し、これにより、第一受信部材２３１及び第二受信部材２３２は位置及びエネルギーの変化を検知し、信号処理器（図示せず）へ出力し、演算を行わせ、これにより検知領域２１０内の接触位置が判断され、入力の機能が達成される。これ以外に、本実施形態によれば、第一受信部材２３１と第二受信部材２３２はリニアイメージセンサ（Linear Image Sensor）であるが、これに限られず、第一受信部材２３１と第二受信部材２３２は相同の機能を達成できる他の装置でもよい。

レーザービーム２１、２２はコヒーレント光（Coherent Light）であるため、光線は発散せず、単一なレーザービーム２１、２２は単一な検知ユニットへと照射され、オン・オフ信号を発生させ、第一受信部材２３１と第二受信部材２３２によって検知される信号はデジタル信号であり、従来の技術のアナログ信号と比べて、信号解読の速度と正確性は大幅に優れ、これにより、前述の信号処理器は従来の複雑なアナログ演算を行う必要がなく、直接検知領域２１０内の接触位置を判断することができ、これにより、効果的に信号処理器の演算エネルギーと時間を減少させ、タッチ装置の正確度と反応速度が大幅に高められる。

図３は図１の反射鏡配列（Reflective Lens Array）の概略図である。第一反射鏡配列２４１を例にあげると、反射鏡配列２４１は複数の反射鏡２２７を含み、これら反射鏡によってそれぞれのレーザービーム２１の方向は調整されるため、レーザービーム２１と第一側辺２１１は垂直になり、かつ、レーザービーム２１は平行配列で検知領域２１０の上空に配列され、レーザーは互いに前進エネルギーに影響を与えず、同様に、相同の機能を持つ第二反射鏡配列２４２が加えられ、レーザービーム２１、２２は検知領域２１０の上空で交錯配列を形成する。

図４は図１のレーザー光源ユニットの概略図である。本実施形態では第一レーザーユニット２２１と第二レーザー光源ユニット２２２はそれぞれレーザーダイオード（Laser Diode）２２５と回折光学部材（Diffractive Optical Element）２２６を含み、回折光学部材２２６はレーザーダイオード２２５の前端に設置され、回折光学部材２２６はレーザーダイオード２２５から発生された単一のレーザー光を複数の均一なレーザービーム２１、２２に分離させ、これらレーザービーム２１、２２は大きさとエネルギーが均等なレーザースポット（Laser Spot）１３を有する。

レーザーダイオード２２５はコヒーレント（Coherent）がかなり高い光源なので、発生されるレーザービーム２１、２２は発散せず、伝達される距離の遠さに基づいて減衰してしまうことはなく、このため、発光ダイオードで存在した数々の問題は発生しない。これ以外に、レーザーダイオード２２５の体積は小さく、電力消費量は小さく、寿命は長く、十分にタッチ装置２００に適応される。

本実施形態に係る回折光学部材２２６はマイクロチップレンズ（Chip Lens）であり、マイクロチップレンズはシステム解像度要求に基づき、レーザーダイオード２２５から発生される単一のレーザー光を数個あるいは、数十個の相同な大きさで、相同なエネルギーのレーザービーム２１、２２に分離させるが、これに限定されず、回折光学部材２２６は相同の機能を達成する他の装置でもよい。回折光学部材２６はレーザーダイオード２２５から発生される単一のレーザー光を複数のレーザービーム２１、２２に分離させるため、レーザーダイオード２２５の数量を解像度が高くなるにつれて増加させる必要がなく、コストを節約できるだけでなく、電力の無駄な消耗や放熱の問題も発生しない。

図５から図７はそれぞれ異なる回折光学部材によって形成されるレーザースポット（Laser Spot）１３を示す概略図である。図５に示されているように、単一回折レンズ（Diffraction Lens）１２４はレーザーダイオード２２５の前端に設置され、レーザーダイオード２２５から発生される単一のレーザー光は数個のレーザースポット１３Ａを有するレーザービームに分離させられ、レーザースポット１３Ａの大きさとエネルギーは不均一である。中央のレーザースポットは比較的大きく、比較的大きいエネルギーを有し、縁端のレーザースポットは比較的小さく、比較的小さいエネルギーを有し、縁端のレーザービームエネルギーはより早く減衰するため、相同の大きさで相同のエネルギーのレーザースポット１３を得ることはできず、同時に投射角度はより制限を受けることになる。

図６に示されているように、複数の回折レンズから構成されるレンズモジュール１２５はレーザーダイオード２２５の前端に設置され、レーザーダイオード２２５から発生される単一のレーザー光は数個のレーザースポット１３Ｂを有するレーザービームに分離される。レンズは重複されているため、レーザービームは何度も光の均一化及び収差補正を経てはいるが、レーザースポット１３Ｂの大きさとエネルギーはやはり不均一であり、相同な大きさかつ相同なエネルギーのレーザースポット１３Ｂを得ることはできず、このため、演算はやはり従来のアナログ信号によるものである。これ以外に、レンズモジュール１２５は組み立てるときに複雑な対位工程が必要であり、レンズモジュール１２５の体積と重量はともに比較的大きく、コストも高まり、消費性商品のタッチ装置２００としては適さない。

図７に示されているのは本発明が採用する回折光学部材であり、マイクロチップレンズの回折光学部材２２６をレーザーダイオード２２５の前端に設置させ、レーザーダイオード２２５から発生される単一のレーザー光は数個のレーザースポット１３Ｃを有するレーザービームに分離され、レーザースポット１３Ｃは相同な大きさとエネルギーを有する。本実施形態ではマイクロチップレンズの回折光学部材２２６により、光源は直接数個のレーザースポット１３Ｃに分離され、例えば、光源は直接ｎ個のレーザースポットに分離され、それぞれのレーザースポットのエネルギーは元のエネルギーの１／ｎである。それぞれのレーザースポットのエネルギーは接近しているため、前述の第一受信部材２３１と第二受信部材２３２は簡単かつ直接レーザースポット１３を検知でき、誤判断が発生しない。

これ以外に、本実施形態に係るマイクロチップレンズの回折光学部材２２６はレーザーダイオード２２５の前端に設置され、レンズモジュールを縮小した単一レンズと同じであるが、コストは減少し、空間を節約できるなどの長所があり、同時に製造時の複雑な対位工程を簡素化でき、実用性も大いに向上させられる。

図８と図９はそれぞれマイクロチップレンズの概略図及びマイクロチップレンズの作用を示す概略図である。
マイクロチップレンズ（Chip Lens）は半導体やマイクロマシンに関する技術によって製造されるレンズであり、ドライ方式あるいはウエット方式の形成法を用いて、ガラス上に無数の凹凸レンズを形成させ、エネルギー分布が不均一な光線をエネルギー分布が均等な光線へと変化させ、これにより、全体の光学効果が達成される。ここでは、ドライ方式の形成法は鋳型、レーザーエッチング（Laser Etching）などの技術を含み、ウエット方式の形成法は化学エッチング（Chemical Etching）などの技術を含む。

本実施形態ではマイクロチップレンズ（Chip Lens）はレーザーを相同なエネルギーを有し、相同な大きさのレーザースポット１３を有するレーザービーム２１、２２に分離させ、同時にすべてのレーザービーム２１、２２の発散角は０として制限され、このため、第一受信部材２３１と第二受信部材２３２が受信する信号はどの位置の信号でもすべて相同な電位の信号であり、例えば、第一受信部材２３１の第一検知ユニット２３１１は隣接するレーザービーム２１の影響を受けず、変化しない。レーザービーム２１が遮断されないとき、検知ユニットの信号は１と定義され、レーザービーム２１が遮断される時、第一受信部材２３１の検知ユニット２３１１はいかなるエネルギーも受けず、検知ユニットの信号は０と定義される。このため、第一受信部材２３１の検知ユニット２３１１が受信する信号は１か０の二種類だけであり、他の状況になることはありえない。同様の原理に基づき、第二受信部材２３２の検知ユニット２３２２も隣接するレーザービーム２２の影響を受けず、変化しない。このため、大幅にタッチ装置の解像度が向上し、例えば客観的に同様の条件下で、もし前述の単一な回折レンズが５インチの範囲内で１１本の光線を発生させられるならば、前述のマイクロチップレンズは１２１本以上の光線を発生させることが可能であり、このため、大幅にタッチ装置の解像度が向上される。

本発明のタッチ装置によって、タッチ装置のサイズと解像度は向上し、タッチ装置はデジタル信号を発生させ、信号処理器は複雑な演算を行う必要がなく、即座に接触位置が判断でき、このため、効果的に信号処理器の演算エネルギーと時間を減少でき、タッチ装置の正確性と反応速度はともに大幅に向上される。

上述の実施例は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。

１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ レーザースポット
２０ 入力媒質
２１ レーザービーム
２２ レーザービーム
１２４ 単一回折レンズ
１２５ レンズモジュール
２００ タッチ装置
２１０ 検知領域
２１１ 第一側辺
２１２ 第二側辺
２２１ 第一レーザー光源ユニット
２２２ 第二レーザー光源ユニット
２２５ レーザーダイオード
２２６ 回折光学部材
２２７ 反射ミラー
２３１ 第一受信部材
２３２ 第二受信部材
２５０ 透明ガラス
２６０ 表示ディスプレイ
２４１ 第一反射鏡配列
２４２ 第二反射鏡配列
２３１１ 第一検知ユニット
２３２２ 第二検知ユニット

Claims (9)

1. タッチ装置であって、
   隣接する第一側辺と第二側辺からなる検知領域と、
   それぞれ前記検知領域の前記第一側辺と前記第二側辺に設置される二つの反射鏡配列（Reflective Lens Array）と、
   それぞれ前記検知領域の前記第一側辺と前記第二側辺に設置され、それぞれ対応する前記反射鏡配列とあらかじめ決められた距離をもって設置される二つのレーザー光源ユニットと、
   それぞれ前記第一側辺と前記第二側辺の反対側に設置され、複数個の検知ユニットを有する二つの受信部材を含み、
   それぞれの前記レーザー光源ユニットはさらにレーザーダイオード（Laser Diode）と回折光学部材（Diffractive Optical Element）を有し、
   前記レーザーダイオードはレーザー光を発生させ、この前記レーザー光は前記回折光学部材を通過することにより、複数の均一なレーザービームとなり、前記これらのレーザービームは前記反射鏡配列を通過することによって、平行配列で前記検知領域の上空に分布させられ、それぞれの前記検知ユニットはそれぞれ単一の前記レーザービームを受信し、それぞれデジタル信号を出力させることを特徴とするタッチ装置。
2. 前記回折光学部材はマイクロチップレンズ（Chip Lens）であることを特徴とする、請求項１に記載のタッチ装置。
3. 前記受信部材はリニアイメージセンサ（Linear Image Sensor）であることを特徴とする、請求項１に記載のタッチ装置。
4. 前記これらのレーザービームは前記第一側辺と前記第二側辺を通過し、全体は碁盤の目状の配列が示されることを特徴とする、請求項１に記載のタッチ装置。
5. 前記レーザーダイオードは前記第一側辺か前記第二側辺の中央に設置されることを特徴とする、請求項１に記載のタッチ装置。
6. レーザー光源ユニットであって、
   レーザーダイオード（Laser Diode）と、
   前記レーザーダイオードの前端に設置される回折光学部材を含み、
   前記回折光学部材は前記レーザーダイオードから発生されたレーザー光を前記回折光学部材に通過させることによって、複数の均一なレーザービームにさせることを特徴とするレーザー光源ユニット。
7. 前記回折光学部材はマイクロチップレンズ（Chip Lens）であることを特徴とする、請求項６に記載のレーザー光源ユニット。
8. レーザー光源構造であって、
   レーザーダイオード（Laser Diode）と、
   前記レーザーダイオードの前端に設置される回折光学部材と、
   前記これらのレーザー光を通過させることによって、平行分布の前記これらレーザービームを形成させる反射鏡配列（Reflective Lens Array）を含み、
   前記レーザーダイオードがレーザー光を発生させると前記レーザー光は前記回折光学部材を通過することによって、複数の均一なレーザービームが形成されることを特徴とする、レーザー光源構造。
9. 前記回折光学部材はマイクロチップレンズ（Chip Lens）であることを特徴とする、請求項８に記載のレーザー光源構造。