JP2013182535A - 入力装置およびそれを具備する入力システム - Google Patents

Abstract

【課題】フルフラットおよび小型化を実現した（座標）入力装置および入力システムを提供する。
【解決手段】本発明の一形態の入力システム５０に設けられたペン入力装置４０には、発光するペン３の光が内部を伝搬する導光板１が設けられ、導光板１のタッチ面側に設けられた凹部１ｈは、嵌合部材５によって埋め合わされ、伝搬光は凹部１ｈを構成する傾斜面にて反射して、導光板１の下方にある撮像ユニット１０、２０にその光が入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力位置の座標検出をおこなう入力装置、および、当該入力装置を具備する入力システムに関する。

タッチペン、スタイラスペン等の棒状の操作部材（以下、ペンと記載する）と、当該ペンによる座標入力を受け付けるタブレット、タッチパネル等の座標入力装置（位置検出装置ともいう）とを組み合わせた入力システムが知られている。ペンを、座標入力装置の座標入力領域に接触させ、座標入力装置は、ペンが接触（以下、タッチと記載する）した位置の座標を求める。求められた座標は、例えば座標入力装置とは別体の液晶ディスプレイ、または座標入力装置に一体的に積層されている液晶パネル等の表示画面に点画像、直線画像等のオブジェクトを表示するため等に用いられる。

特許文献１に記載のタッチパネルは、図９（ａ）に示すように、導光板１１０１、導光板１１０１に光を入射する光源１１０２、導光板１１０１の側面の一部に配置された受光素子１１０４、１１０５、および、導光板１１０１の側面と受光素子との間に被検出体１２０１により散乱した光源１１０２からの光を受光素子１１０４、１１０５に結像する結像手段１１０７を具備している。そして、受光素子１１０４、１１０５が配置された導光板１１０１の側面の一部には光吸収手段１１０８を配置し、受光素子１１０４、１１０５は、図９（ｂ）に示すように、光源１１０２の照射範囲外に配置されている。受光素子１１０４、１１０５が配設されている導光板１１０１の角は、図９（ｂ）に示すように、平面的に、すなわち、導光板１１０１の表面と直角をなす面を有した切り欠き１２２２が設けられている。当該切り欠き１２２２の当該面から出射した光を受光素子１１０４、１１０５が受光する構成である。

特開２００９−２５８９６７号公報（２００９年１１月５日公開）

しかしながら、上述の特許文献１のタッチパネルでは、受光素子１１０４、１１０５が、導光板１１０１の切り欠き１２２２から出射する光を漏れなく受光するために、受光素子１１０４、１１０５、および、これに結像する結像手段１１０７が、導光板１１０１の表面よりも上方に突出した大きさである必要がある。そのため、特許文献１のタッチパネルをテーブル型端末に適用した場合などには、テーブル面を構成することができる導光板１１０１の表面に対して、受光素子１１０４、１１０５および結像手段１１０７が盛り上がった形となって完全にフラットにすることができない。

加えて、受光素子１１０４、１１０５および結像手段１１０７が、導光板１１０１の表面の面積を拡げる方向に沿って配置されているため、タッチパネルが、導光板１１０１の表面の面積を拡げる方向に大型化している。

本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、フルフラットおよび小型化を実現した（座標）入力装置、および、当該入力装置を具備する入力システムを提供することにある。

そこで、本発明に係る入力装置は、上記の課題を解決するために、
上面に被検出体を接触させることができ、且つ、光を内部において伝搬させる導光板であって、当該導光板に設けられた穴と当該穴に嵌め合わされる嵌合部材とによって構成された当該伝搬する光の光路を変換する光路変換部が設けられており、当該光路変換部によって当該伝搬する光が当該導光板の下面よりも下方に取り出される構成となっている導光板と、
上記光路変換部によって導光板の下面よりも下方に取り出された光を当該下方にて受光する受光手段であって、当該受光手段の少なくとも一部分が上記導光板の上記下面と対向する位置に配設された当該受光手段と、
上記上面への上記被検出体の接触による伝搬光の変化を受光手段の受光結果に基づいて検出し、上記上面への上記被検出体の接触位置の位置座標を検出する検出手段と、を備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、光路変換部は、導光板に設けられた穴と当該穴に嵌め合わされた嵌合部材とによって構成されている。穴が上記嵌合部材によって埋め合わされているので、導光板の上面をフラットにすることができる。

また、上記の構成によれば、導光板内に光路変換部を設け、光路変換部によって伝搬光は導光板の下面よりも下方に取り出されるため、受光手段の少なくとも一部分を導光板の下面と対向する位置に配設することができ、導光板の上面の面積を拡げる方向に装置が大型化することを抑制し、小型化に寄与することができる。

なお、本願明細書において用いている文言「穴」には、窪みも貫通孔も含まれる。

また、本発明に係る入力装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記穴には反射機能が付与されており、
上記穴の壁面は、導光板の下面に対して傾斜していることが好ましい。

上記の構成によれば、導光板内を伝搬している光が上記穴の上記壁面に至ると、その光路を変えることができる。

また、本発明に係る入力装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記嵌合部材は、光反射特性を有することが好ましい。

上記の構成によれば、上記嵌合部材が反射特性を有するので、上記穴自体には反射機能がなかったり、十分な反射機能が無かったりしても、導光板内を伝搬している光が上記穴に至れば、その光路を変えることができる。

また、本発明に係る入力装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記嵌合部材は、複数の部材から構成されており、複数の部材のうちの少なくとも２つの部材が、上記穴の内部において隣接して隣接面を形成しており、
上記伝搬する光は、上記隣接面によって反射されて、導光板の下面よりも下方に取り出されることが好ましい。

上記の構成によれば、導光板内を伝搬している光が上記隣接面に至ると当該隣接面によって反射されて、導光板の下面よりも下方に取り出することができる。

また本発明に係る入力システムは、上記の課題を解決するために、
上記構成を具備した入力装置と、
上記導光板の上記上面に接触して、当該接触した位置から光を出射する操作部材と、を具備していることを特徴としている。

上記の構成によれば、信頼性の高い位置座標検出を行う入力システムを提供することができる。

また本発明に係る入力システムの一形態は、上記の構成に加えて、
複数の画素を有する画像表示パネルをさらに具備し、
上記検出手段によって検出された上記位置座標に基づいて、上記画像表示パネルの上記画素を駆動することが好ましい。

上記の構成によれば、画像表示パネルにおける上記位置座標に対応した画素を駆動して視認することができるように構成することができる。

本発明によれば、フルフラットおよび小型化を実現した（座標）入力装置、および、当該入力装置を具備する入力システムを実現することができる。

本発明の一実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。 図１に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。 本発明の一実施形態の入力システムの導光板を示す図である。 本発明の一実施形態の入力システムのペンの構成を示す図である。 本発明の一実施形態の入力システムのペン入力装置に具備された撮像素子において取得される取得画像の図である。 本発明の一実施形態の入力システムの導光板の変形例を示す図である。 本発明の別の一実施形態の入力システムの一部の構成を示す図である。 本発明のさらに別の一実施形態の入力システムの一部の構成を示す図である。 従来構成の図である。

〔実施形態１〕
本発明に係る入力システムの一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。以下では、本発明に係る入力システムの一実施形態を中心に説明し、そのなかで本発明に係る入力装置の一実施形態であるペン入力装置を説明する。

図１は、本実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。

（入力システムの構成）
本実施形態の入力システム５０は、図１に示すように、ペン入力装置４０（入力装置）と、ペン３（操作部材、被検出体）とを具備しており、ペン入力装置４０の表面であるタッチ面（上面）にペン３がタッチ（接触）すると、タッチ面でのタッチ位置座標（光入射位置、接触位置の位置座標）を求めることができる。

●ペン入力装置４０
ペン入力装置４０は、図１に示すように、液晶表示パネル２（画像表示パネル）と、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配置された四角形の導光板１と、導光板１の或る一辺の両端近傍にそれぞれ配設された撮像ユニット１０、２０（受光手段）とを有している。

液晶表示パネル２は、一対の基板間に液晶層を挟持しており、各基板には、電圧印加によって当該液晶層の液晶分子の配向を変えるための各種電極が少なくとも設けられている。そして、電圧印加によって液晶分子の配向を変化させることによって、各画素の液晶層を透過する光の透過量を調整して所望の表示をおこなう。液晶表示パネル２の構成は、従来周知の液晶表示パネルを用いることができる。

導光板１は、透光性材料からなる矩形の一枚の平板であり、図１に示すように液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配設されている。導光板１は、図１に示すように、撮像ユニット１０、２０を配設する一辺側が液晶表示パネル２よりも大きく構成されており、撮像ユニット１０、２０のそれぞれの少なくとも一部分を背面（下面）側に配設している。これにより、ペン入力装置４０のタッチ面に沿って拡がる方向のサイズの大型化を抑制し、コンパクトサイズの実現に寄与している。

導光板１の液晶表示パネル２とは反対側の表面が、後述する光を発するペン３によってタッチされるタッチ面として構成されている。

また、導光板１における撮像ユニット１０、２０を配設する一辺の両端近傍には、それぞれ、タッチ面に、背面に向けて窪んだ凹部１ｈ（穴）と、凹部１ｈを埋め合わせる嵌合部材５とから構成された光路変換部が設けられている。なお、本実施形態では、背面に向けて窪んだ凹部１ｈの態様を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、凹部１ｈの代わりに、タッチ面から背面に向かって突き抜けた貫通孔の態様であってもよい。

ここで図２を用いて、凹部１ｈおよび嵌合部材５の詳細と、撮像ユニット１０について説明する。図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。なお、撮像ユニット１０側に設けられた凹部１ｈおよび嵌合部材５と、撮像ユニット２０側に設けられた凹部１ｈおよび嵌合部材５とは同じ構成であるので、図２では、説明の便宜上、撮像ユニット１０側に設けられた凹部１ｈおよび嵌合部材５と、その下方に配設された１つの撮像ユニット１０について説明し、撮像ユニット２０側については説明を省略する。

凹部１ｈは、図２に示すように、タッチ面側から背面側に向かって径が連続的に小さくなった漏斗形状である。換言すれば、凹部１ｈの壁面は、タッチ面および背面と垂直な方向に対して傾斜しており、凹部１ｈは円錐体の側面を構成しているといえる。凹部１ｈの壁面は鏡面加工が施されている。

撮像ユニット１０は、導光板１の背面に対向する位置の、凹部１ｈおよびその周囲の直下に配されている。上述のように凹部１ｈは円錐体であり、その中心軸が、撮像ユニット１０に入射する光の光軸中心と一致している。このように、本実施形態では導光板１に設けられた凹部１ｈの下方に撮像ユニット１０が設けられており、導光板１のタッチ面の全面のうちの一部の領域が座標検出可能領域（検出可能領域）となっている。ここで図３は、座標検出可能領域と凹部１ｈとの位置関係を示した図である。図３において上記座標検出可能領域８０は、導光板１のタッチ面の端部から当該タッチ面の中心に向けて狭まった領域である。座標検出可能領域８０では、上述したように光が伝播し全反射する。凹部１ｈは、この座標検出可能領域８０から外れた領域のうちの導光板１の角領域に設けられている。凹部１ｈの直下に配設された撮像ユニットは、図中の斜線部で示す領域６０よりも内側の領域から導光板１の内部を伝搬した伝搬光を受光でき、その受光可能領域に座標検出可能領域８０が含まれている。なお、導光板１の材料は、アクリル、ポリカーボネート、または、ガラスから選択することができる。

図２に示すように、ペン３から導光板１に入射して結合した光は、全反射しながら導光板１の内部を伝搬する（図中の矢印で示す方向に伝搬）。そして、凹部１ｈの上記壁面まで達すると、当該壁面によって光の光路が変化し、導光板１の背面に向かい、さらに背面から出射して撮像ユニット１０に入射する。

ここで凹部１ｈの壁面は、導光板１の背面に対して、４５度以下、例えば３０度や４５度で傾斜している（図２中の角度γ）。導光板１の内部を伝搬している光が、鏡面加工が施された凹部１ｈの壁面に至ると、その全反射条件を破綻する。そして、凹部１ｈの壁面において伝搬光は反射して光路を変え、導光板１の背面に向かい、背面から更に下方に出射する。例えば、凹部１ｈの壁面は、導光板１の内部を伝搬して当該壁面に至った光を、９０度変化させて導光板１の背面に向かわせる。

嵌合部材５は、凹部１ｈを埋め合わせる部材であり、埋め合わせることによって、図２に示すように、嵌合部材５と導光板１のタッチ面とが面一になっている。嵌合部材５は、凹部１ｈのタッチ面側開口部近傍のみにあり、凹部１ｈの開口部を封じるように配されており、凹部１ｈの中央部および深部（背面側）には挿入されていない。

嵌合部材５に用いる材料としては特に制限はなく、例えば導光板と同じ材料から構成することも可能である。

嵌合部材５は、高粘度の接着剤を用いて凹部１ｈに嵌めて接着することが望ましい。高粘度の接着剤を用いることにより、接着剤が凹部１ｈの中央部および深部に流出して、凹部１ｈの壁面に付着して光の取り出しを妨げる事態を回避することができる。

なお、本実施形態の変形例として、凹部１ｈの壁面にミラーコーティングが施してあってもよい（光取り出し部）。ミラーコーティングを施して光反射加工することによって、より効果的に光路を変換することができ、光量のロスも抑えることが可能である。

撮像ユニット１０、２０は、図１に示すように、光入射側から、レンズ１１、２１と、可視光カットフィルタ１２、２２と、撮像素子１３、２３とをこの順で有している。撮像ユニット１０については、図２に示すように、凹部１ｈの壁面にて反射して背面から出射した光は、まずレンズ１１によって集光され、続いて可視光カットフィルタ１２によって可視光が遮断されて、撮像素子１３に受光される。撮像素子１３では、受光した光が光電変換されて画像が形成される。この点については、後述する。

撮像ユニット１０、２０は、固定用部材を用いて導光板１に固定されている。

●ペン３
一方、ペン入力装置４０に対応するペン３は、いわゆるタッチペン、スタイラスペンと呼ばれる操作部材である。本実施形態のペン３の詳細について、図４を用いて説明する。

図４は、ペン３の構成を示す断面図である。ペン３は、外形となる筐体３５の内部に、赤外光を出射する発光素子３１および当該赤外光をペン３の先端へと導く導光部材３２を有する発光部３０と、電源装置３３と、制御装置３４とが、格納されている。そして、本実施形態のペン３の特徴的構成として、ペン３の先端に発光部３０が配置された構成となっているとともに、その光出射側に、光を拡散させる光拡散部材３６を取り付けている点がある。

この光拡散部材３６は、光拡散材料を含有する樹脂から構成されている。上記光拡散材料としては、ガラスビーズを用いることができる。また上記樹脂としては、フッ素樹脂（具体例としてはポリテトラフルオロエチレン）、シリコンラバーを用いることができ、弾性を有して構成されていることが好ましい。弾性材を用いることによって、ペン入力装置４０の導光板１にペン３の先端、すなわち光拡散部材３６を接触させて用いる場合に、導光板１表面を傷付けることなく、且つ、接触によって僅かに接触部分が変形して導光板１表面との接触面積を大きくすることができるので、導光板１表面にカップリングする光量を多くすることができる。

光拡散部材３６の光出射面は、図４に示すように、曲面を有している。すなわち、光拡散部材３６は概ね半球体である。なお、この曲面は、均一な曲率によって構成されている必要はなく、ペン３の最も先端部となる領域とそれを囲む領域とで曲率を異ならせても良い。なお、この曲面には、表面に微細な凹凸形状が設けられていても良い。

また、光拡散部材３６の光出射面には、耐磨耗加工が施されていることが好ましい。光拡散部材３６がポリテトラフルオロエチレンによって構成されている場合には不要であるが、光拡散部材３６自体が耐磨耗に優れていない他の材料から構成されている場合には、その光出射面に耐磨耗加工を施すことは有効である。耐磨耗加工とは、特に制限はないが、例えばポリテトラフルオロエチレンを光拡散部材３６の光出射面にコーティングする加工が挙げられる。

さらに、この光拡散部材３６は、ペン３に対して着脱可能に構成されている。光拡散部材３６が何らかの理由で損傷した場合（経時劣化を含む）であっても、光拡散部材３６を交換するだけでペン３の使用を継続することができる。ペン３ごと交換する構成に比べて、低コストで使用を継続することができる。着脱可能であるために、光拡散部材３６が取り付けられる側の部材（本実施形態では、導光部材３２）には、光拡散部材３６と接触する部分に、溝構造、咬合する構造、または、嵌め合う構造が設けられており（不図示）、光拡散部材３６には、その構造に合う構造が設けられている（不図示）。なお、本実施形態では、導光部材３２に光拡散部材３６を取り付ける態様であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、筐体３５に光拡散部材３６を取り付ける態様であってもよく、他の態様であってもよい。

上記発光素子３１は、赤外光を発するＬＥＤ（light emitting diode）あるいはＬＤ（laser diode）を用いることができる。なお、ＬＥＤもしくはＬＤは、１つのペン３に対して１つだけ設けられている構成に限らず、複数個を搭載してもよい。

上記電源装置３３から電源を受けて発光した発光素子３１からの赤外光は、上記導光部材３２を経てこの光拡散部材３６に入射し、当該光拡散部材３６の上記光拡散材料および上記微細凹凸によって乱反射する。そして、光拡散部材３６の光出射面から拡散光となって出射される。

電源装置３３は、例えば電池を内蔵する構成とすることができるほか、充電式に構成されていてもよい。

上記制御装置３４は、発光素子３１の発光を制御する。例えば、発光素子３１が導光板１に接触したときにのみに発光する仕組み等が盛り込まれる。この仕組みは感圧スイッチ等を用いることにより構成され、発光時間を制御できるため、消費電力を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

以上のように、ペン３には、赤外光を出射する光源が設けられており、ペン先から赤外光が拡散放射される構成となっている。ペン３のペン先が導光板１に接触すると、ペン先から放射された赤外光の一部が、導光板１に結合して、導光板１内を伝搬する。ペン３は、ペン先から赤外光を拡散放射するため、導光板１に結合した光は、導光板１内を拡散放射する。これにより、位置座標を精度よく求めることができる。

そして、撮像ユニット１０、２０は、図１に示すように導光板１の内部を伝搬する赤外光（以下、伝搬光４ａ、４ｂと記載する）を、それぞれ捕らえて、撮像素子１３から得られる各画像から、当該接触の二次元の位置座標を求める。撮像素子１３の受光面は、導光板１の表面と平行であるように配設されている。以下に、ペン入力の検出原理について詳述する。

（ペン入力の検出原理）
ペン３のペン先がペン入力装置のタッチ面（透明導光板表面）に接触したとき、ライトペンから放射される赤外光の一部が屈折率Ｎの導光板１内に入射する。この入射光のうち、図２に示す導光板１内の伝搬角θ_Ｐが、式；
ｓｉｎ（９０°−θ_Ｐ）＞１／Ｎ
に示す条件を満たす光束は、図２に示すように、導光板１内に閉じ込められ、導光板１の表面、および裏面での反射を繰り返し、導光板１内を進行する。

ペン３から発せられた赤外光はペン先を中心にして放射状に拡散され、導光板１内を伝搬し、その光束のうちの一部の光束４ａ、４ｂ（図１）は凹部１ｈの壁面に導かれ、当該端面の反射光が撮像ユニット１０、２０で受光される。具体的には、当該端面の反射光は、レンズ１１にて集光され、続いて、可視光カットフィルタ１２を通って、最後に撮像素子１３に受光される。可視光カットフィルタ１２はペン３から放射される赤外光を透過し、それ以外の波長帯の光を遮断する役割を果たす。可視光カットフィルタ１２により、太陽光や、液晶表示パネルバックライト光等の迷光が遮断され、ＳＮ比を高くすることができる。

ここで図５は、検出原理を説明する図であり、図５（ａ）は説明の便宜上、導光板１が、片方の凹部１ｈの中心軸の位置で切断した断面図となっている。

図５（ａ）に示すように、ペン３から発せられ導光板１内を伝搬し、凹部１ｈの壁面で光路を変え、導光板１から出射してレンズ１１に入射し、可視光カットフィルタ１２を経て、撮像素子１３に線状の像１５を形成する。線状の像１５の位置はペン３の位置によって変化し、撮像ユニットの取得画像を分析することにより、光束４ａ、４ｂと導光板１の２つの凹部１ｈの中心軸間を結ぶ直線（以下、辺Ａと記載）とがなす角度α、β（図１）がそれぞれ求められ、角度α、βと上記辺Ａ（図１）の長さとから三角測量の原理を用いて発光源となるペン先が接した点の位置座標が求められる。図５（ａ）において、ペンが３ａの位置にあるとき、線状の像１５が形成される。このペンが３ｂの位置に移動したとき、線状の像１７が形成される。

図５（ｂ）に撮像素子１３の取得画像を示す。赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が導光板１に接触していないとき、撮像素子１３の取得画像には何も現れない。一方、発光部から赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が導光板１に接触して赤外光が導光板１に結合すると、図５に示すように、その光束のうちの一部の光束４ａ（図１）が撮像素子１３に導かれ、撮像素子１３の撮像面に線状の像が形成され、取得画像上に線状の像１５が現れる。

図５に示す線状の像１５の位置は、ペン３のペン先の接触点の位置に依存して変化し、ペン先の接触点の位置を変えると、線状像は破線で示した線状像１７のように変化する。その線状像の軌跡は一点鎖線で示した扇形状１６になる。その扇形の中心１８と線状像を結ぶ線分の回転角度α_１’（円弧の中心を回転中心とする）は、ペン３と撮像素子１３を結ぶ線分と導光板１の上記辺Ａとがなす角度α_１と同じ角度になる。撮像素子の取得画像からα_１’が求められ、α_１’からα_１が求められる。同様にペンが３ｂの位置に移動すると、線状像１７が形成され、その線状像１７の傾きα_２‘を求めることにより、α_２が求められる。

撮像ユニット２０の撮像素子についても同様に取得画像の分析から発光点の位置が特定され、ペン３と当該撮像素子とを結ぶ線分と辺Ａとがなす角度βが求められる。

そして、辺Ａの長さをＬ、撮像素子１３からの画像を読み取り求めた輝点の変位角度をα、撮像ユニット２０の撮像素子からの取得画像を読み取り求めた輝点の変位角度をβとしたとき、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は下記の関係式（１）および（２）；
Ｙ＝ｔａｎα・Ｘ …（１）
Ｙ＝ｔａｎβ・（Ｌ−Ｘ） …（２）
を満足する。これを解くと、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は、
Ｘ＝ｔａｎβ・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …（３）
Ｙ＝（ｔａｎα・ｔａｎβ）・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …（４）
と表され、上述のように求めたα、βと、予め求めることができるＬにより、ペン先が接触した地点の座標Ｘ、Ｙが求められる。このうちＬは固定の値である。α、βを求めることにより、ペン入力座標Ｘ、Ｙ（位置座標）を求めることができる。

なお、Ｌとは、２つの凹部１ｈの中心軸同士の間の距離である。

以上の方法でペン３の位置座標を求めるために、ペン入力装置４０には、図示しない位置座標検出部（検出手段）を設けている。この位置座標検出部は入力システム５０に構成されていればよく、ペン入力装置４０の外部に設けてもよい。

また、以上の方法で求められたペン３の位置座標に基づいて、液晶表示パネル２の当該位置座標に対応する位置にある画素を駆動して、ユーザが、ペン３のタッチ位置を視認することができるようにすることが可能である。そのためには、液晶表示パネル２の駆動を制御する制御部（不図示）が、位置座標検出部で求めた位置座標の情報を取得して、当該情報に基づいて液晶表示パネル２を駆動すればよい。

以上のように本実施形態の入力システム５０は、導光板１における互いに離れた少なくとも二箇所において、伝搬した光を捕らえることによって、ペン３の位置座標を求めることができる。

また本実施形態のペン入力装置４０の構成によれば、導光板１のタッチ面よりも上方に突出しない位置に撮像ユニットが設けられているので、導光板１のタッチ面がペン入力装置４０の最上面となり、タッチ面よりも上方に撮像ユニットが出っ張らない。よって、本実施形態の入力システム５０のペン入力装置４０をテーブル型端末に適用した場合であっても、周囲が土手のように盛り上がることなく、テーブル面を完全にフラットにすることができる。

また本実施形態の入力システム５０は、遮光方式ではなく、導光板の内部を伝搬した光が撮像素子によって受光される構成となっているので、太陽光を含む迷光によって誤認識が生じる虞がなく正確な位置検出を実現することができ、故に、屋外や窓際に装置を置くことも可能である。

また、本実施形態の入力システム５０のペン入力装置４０は、ペン３先からの放射光を受光する撮像ユニット１０、２０が導光板１に接続されていて、導光板１を伝搬しない光は撮像素子に結合しない構造になっている。よって、導光板１のタッチ面の法線方向から照明光が当てられても、その光は導光板１に結合しないため、迷光が撮像素子に導かれることはない。このため、ペン入力装置４０は外光の影響を受けにくく、屋外や窓際に配置することが可能である。

また、本実施形態では、ペン３先から出射される光が、ペン３先に設けた光拡散部材３６によって拡散する構成となっている。これにより、ペン３の傾斜角度によることなく、十分な光量を導光板１にカップリングさせることができる。したがって、正確な位置検出を実現することができる。

なお、本実施形態では、撮像素子１３および撮像素子２３の計２つの撮像素子を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、導光板１の各凹部１ｈにて反射した光をミラーおよびシャッターを用いて１つの撮像素子に集めてもよい。

なおまた、本実施形態では、１つのペン３を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のペンを用いた場合であっても例えば各ペンの発光タイミングを異ならせるなどすれば、導光板１のタッチ面に同時に複数のペンが接触していてもそれぞれの位置座標を求めることができる。

（本実施形態の作用効果）
本実施形態のペン入力装置４０は、導光板１内に凹部１ｈを設け、凹部１ｈによって伝搬光は導光板１の下面よりも下方に取り出されるため、撮像ユニット１０、２０の少なくとも一部分を導光板１の下面と対向する位置に配設することができ、導光板１のタッチ面の面積を拡げる方向に装置が大型化することを抑制し、小型化に寄与することができる。

また、本実施形態のペン入力装置４０は、伝搬光の光路を変更させるために設けた導光板１の凹部１ｈが、嵌合部材５によって埋め合わされている。これにより、導光板１のタッチ面をフラットにすることができる。

（変形例）
上述した実施形態では、導光板１の凹部１ｈの壁面が伝搬光を反射させる構成について説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図６に示すように、凹部１ｈの壁面が伝搬光を反射させない構成となっており、その一方で嵌合部材５が凹部１ｈ全体に挿入された構造となっていて、この嵌合部材５における凹部１ｈの壁面との当接面に光反射膜６がコーティングされている構造を用いてもよい。これにより、この光反射膜６によって伝搬光を反射させる構成としてもよい。

本変形例の場合は、粘性の低い光学用接着材を用いて、光反射膜６が形成された嵌合部材５を、凹部１ｈに密着固定することが望ましい。具体的には、自然脱泡するような、紫外線硬化接着材などを用いることができる。

〔実施形態２〕
図７を用いて本発明の入力システムの他の実施形態について説明する。図７は、本実施形態の入力システムに設けられたペン入力装置の導光板１´の断面図であり、実施形態１の図２に対応した図である。

本実施形態と、上述の実施形態１との相違点は、導光板に設けた凹部の位置と形状、および、嵌合部材の形状にある。

本実施形態のペン入力装置の導光板１´には、タッチ面とは反対側にある背面に、タッチ面に向けて窪んだ凹部１ｈ´（穴）と、凹部１ｈを埋め合わせる嵌合部材５´（部材）とが設けられている。凹部１ｈ´の形成位置は、実施形態１の凹部１ｈの背面側に相当する位置である。

凹部１ｈ´は、タッチ面に向けて延びる円柱形を有している。すなわち、円柱形の中心軸はおり、導光板１´の厚さ方向に平行である。凹部１ｈ´の壁面は鏡面加工が施されている。

嵌合部材５´は、凹部１ｈ´を嵌め合わされる部材であり、導光板１´の背面側から凹部１ｈ´に挿入することにより嵌め合わせる。本実施形態では、嵌合部材５´は、挿入する先端部に傾斜面、すなわち導光板１´の厚さ方向に対して傾斜している面を有している。具体的には、嵌合部材５´が凹部１ｈ´に嵌め合わされた状態において、嵌合部材５´の当該傾斜面と、導光板１´の背面部とのなす角度が４５度以下、例えば３０度や４５度で傾斜している（図７中の角度γ）。すなわち、嵌合部材５´は、挿入する先端部が凹形状となっている。

すなわち、嵌合部材５´が凹部１ｈ´に嵌め合わされた状態において、傾斜面と、凹部１ｈ´の底部との間には、空隙が設けられている。

本実施形態においては、導光板１´の伝搬光は、嵌合部材５´の上記傾斜面において反射して、導光板１´の背面および嵌合部材５´よりも下方に向かって出射する。すなわち、導光板１´の伝搬光は、凹部１ｈの壁面を通過して嵌合部材５´に入射し、上記傾斜面に至る。本実施形態では、図７に示すように嵌合部材５´の傾斜面に光反射膜６が形成されている。

嵌合部材５´は、切削または成形によって形成することができる。また、両面テープあるいは接着材を用いて嵌合部材５´を凹部１ｈ´に固定することができる。

また、図７に示すように、導光板１´の厚さ方向に関して、嵌合部材５´の長さ（高さ）は、凹部１ｈ´の長さ（深さ）よりも長く構成されている。すなわち、嵌合部材５´が凹部１ｈ´に嵌め合わされた状態において、嵌合部材５´は、導光板１´の背面よりも下方に突出している。

〔実施形態３〕
図８を用いて本発明の入力システムの他の実施形態について説明する。図８は、本実施形態の入力システムに設けられたペン入力装置４０の導光板１´´の断面図であり、実施形態１の図８に対応した図である。

本実施形態と、上述の実施形態１との相違点は、嵌合部材の構造、および、当該嵌合部材を嵌め合わせる導光板の穴の形状にある。

本実施形態のペン入力装置の導光板１´´には、タッチ面から背面に貫通した貫通孔１ｈ´´（穴）が設けられている。貫通孔１ｈ´´は、実施形態１の凹部１ｈと同じ位置に形成されている。

貫通孔１ｈ´´は、図８に示すように、導光板１´´の厚さ方向を中心軸としており、タッチ面から背面まで径が等しい円柱形状を有している。貫通孔１ｈ´´の壁面は、鏡面加工されている。

嵌合部材５´´は上記貫通孔１ｈ´´に嵌め合わす部材であるが、本実施形態では、この嵌合部材５´´が二つの部材（第１嵌合部材５ａ、第２嵌合部材５ｂ）によって構成されている。具体的には、第１嵌合部材５ａが導光板１´´タッチ面近傍にあり、第２嵌合部材５ｂが導光板１´´の背面近傍にあり、貫通孔１ｈ´´の壁面は第２嵌合部材５ｂと接している。また、第１嵌合部材５ａと第２嵌合部材５ｂとの隣接面において、第２嵌合部材５ｂは導光板１´´の厚さ方向に対して傾斜した傾斜面からなる凹形状を有しており、この傾斜面と、導光板１´の背面部とのなす角度が４５度以下、例えば３０度や４５度で傾斜している（図８中の角度γ）。一方、第１嵌合部材５ａは、この凹形状に合致する凸形状を、第１嵌合部材５ａと第２嵌合部材５ｂとの隣接面に有している。第２嵌合部材５ｂは導光板１´´の背面よりも下方に突出しているが、第１嵌合部材５ａは導光板１´´のタッチ面と面一になっている。すなわち、第１嵌合部材５ａは、タッチ面と面一になっている面を底面とした円錐体である。

本実施形態では、導光板１´´の内部を伝搬した伝搬光が、第２嵌合部材５ｂの上記傾斜面、すなわち、第１嵌合部材５ａと第２嵌合部材５ｂとの隣接面（境界）において反射して、その光路が変わって、撮像ユニットに入射する。そのためには、第１嵌合部材５ａを構成する材料の屈折率Ｎ_４と、第２嵌合部材５ｂを構成する材料の屈折率Ｎ_５とが、Ｎ_４＜Ｎ_５の関係を満たすように、そして、導光板１´´の屈折率Ｎ_１と、第２嵌合部材５ｂを構成する材料の屈折率Ｎ_５とが、Ｎ_５≒Ｎ_１の関係を満たすように構成されている。なお、導光板１´´の屈折率Ｎ_１と、第１嵌合部材５ａを構成する材料の屈折率Ｎ_４とについてはＮ_４＜Ｎ_１の関係を満たすように構成する。

嵌合部材５´´の設置方法としては、穴部に予め調整された量の接着材を滴下した後、勘合部材を押しこむ方法を用いることができるほか、穴部に勘合部材を嵌めた後、接着材を滴下する方法を用いることができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、発光ペンを用いてペンの座標位置を求めるあらゆる種類の入力システムに提供することができる。

１ 導光板
１ｈ、１ｈ´ 凹部
１ｈ´´ 貫通孔
２ 液晶表示パネル
３ ペン（操作部材、被検出体）
４ａ 光束
５、５´、５´´ 嵌合部材
５ａ 第１嵌合部材
５ｂ 第２嵌合部材
１０ 撮像ユニット
１１ レンズ
１２ 可視光カットフィルタ
１３ 撮像素子
１６ 扇形状
１７ 線状像
１８ 中心
２０ 撮像ユニット
２３ 撮像素子
３０ 発光部
３１ 発光素子
３２ 導光部材
３３ 電源装置
３４ 制御装置
３５ 筐体
３６ 光拡散部材
４０ ペン入力装置（入力装置）
５０ 入力システム
６０ 領域
８０ 座標検出可能領域

Claims (6)

1. 上面に被検出体を接触させることができ、且つ、光を内部において伝搬させる導光板であって、当該導光板に設けられた穴と当該穴に嵌め合わされる嵌合部材とによって構成された当該伝搬する光の光路を変換する光路変換部が設けられており、当該光路変換部によって当該伝搬する光が当該導光板の下面よりも下方に取り出される構成となっている導光板と、
   上記光路変換部によって導光板の下面よりも下方に取り出された光を当該下方にて受光する受光手段であって、当該受光手段の少なくとも一部分が上記導光板の上記下面と対向する位置に配設された当該受光手段と、
   上記上面への上記被検出体の接触による伝搬光の変化を受光手段の受光結果に基づいて検出し、上記上面への上記被検出体の接触位置の位置座標を検出する検出手段と、を備えていることを特徴とする入力装置。
2. 上記穴には反射機能が付与されており、
   上記穴の壁面は、導光板の下面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の入力装置。
3. 上記嵌合部材は、光反射特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
4. 上記嵌合部材は、複数の部材から構成されており、複数の部材のうちの少なくとも２つの部材が、上記穴の内部において隣接して隣接面を形成しており、
   上記伝搬する光は、上記隣接面によって反射されて、導光板の下面よりも下方に取り出されることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の入力装置。
5. 請求項１から４までの何れか１項に記載の入力装置と、
   上記導光板の上記上面に接触して、当該接触した位置から光を出射する操作部材と、を具備していることを特徴とする入力システム。
6. 複数の画素を有する画像表示パネルをさらに具備し、
   上記検出手段によって検出された上記位置座標に基づいて、上記画像表示パネルの上記画素を駆動する請求項５に記載の入力システム。

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