JP2014102761A

JP2014102761A - 光学式位置検知装置

Info

Publication number: JP2014102761A
Application number: JP2012255637A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kobayashi; 信之小林; Hisaya Sone; 尚也曽根; Hiroki Yokoyama; 浩樹横山
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】少なくとも２つの発光体が、長方形板状に形成された導光板の長方形の頂点部に１つずつ配置されると共に、複数の受光素子が、導光板において、発光体が配置された頂点部に対して対角にある頂点部をなす２つの側面に沿って並設されている場合に、複数の受光素子が配置された導光板の側面がなす頂点部に対して対角にある頂点部に配置された発光体からの光を、各受光素子が受光できる光学式位置検知装置を提供する。
【解決手段】位置検知装置１は、長方形板状に形成された導光板２と、導光板２の長方形の頂点部２ａul，２ａurに１つずつ配置された２つの発光体３ｌ，３ｒと、導光板２の受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒに沿って並設された複数の受光素子４とを備える。導光板２は、受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒが、導光板２の内部で導光された光が全て全反射されないように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光体と導光板と受光素子とを備える光学式位置検知装置に関する。

従来、長方形板状に形成された導光板と、導光板の長方形の上辺及び左辺に沿って並設された複数の発光体と、導光板の長方形の下辺及び右辺に沿って並設され、導光板によって導光された向かい合う発光体からの光を受光する複数の受光素子とを備える光学式位置検知装置が知られている（特許文献１）。この光学式位置検知装置では、導光板の板面の所定の位置がタッチ操作されることにより、複数の受光素子のうち一部の受光素子の受光する光が減少する。このため、光学式位置検知装置は、該受光する光が減少した受光素子が配置された位置によって、タッチ操作された位置を検知している。

特開昭６１−４３３２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような光学式位置検知装置では、複数の受光素子と同数の発光体を備えているので、部品点数が多くなってしまう。そこで、部品点数を少なくするために、例えば、２つの発光体を、導光板の長方形の４つの頂点部のうち任意の隣り合う２つの頂点部に１つずつ配置することが考えられる。

しかしながら、発光体からの光は、導光板の側面を通過するときの入射角が、導光板と空気との間の相対屈折率に応じて決定される臨界角以上となる場合には、全反射されてしまう。このため、複数の受光素子のうち一部の受光素子は、それが配置されている導光板の側面がなす頂点部に対角にある頂点部に配置された発光体との相対的な配置関係によっては、導光板の側面によって全反射されてしまい、この発光体からの光を受光できない。このような場合には、タッチ操作された位置によってはその位置を検知することができない。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、少なくとも２つの発光体が、長方形板状に形成された導光板の長方形の頂点部に１つずつ配置されると共に、複数の受光素子が、導光板において、発光体が配置された頂点部に対して対角にある頂点部をなす２つの側面に沿って並設されている場合に、複数の受光素子が配置された導光板の側面がなす頂点部に対して対角にある頂点部に配置された発光体からの光を、各受光素子が受光できる光学式位置検知装置を提供することを目的とする。

本発明の光学式位置検知装置は、長方形板状に形成された導光板と、前記導光板の長方形の頂点部に１つずつ配置された少なくとも２つの発光体と、前記導光板の、前記発光体が配置された頂点部に対して対角にある頂点部をなす２つの側面に沿って並設され、前記導光板に導光された前記発光体からの光を受光する複数の受光素子と、前記導光板の板面の所定の位置がタッチ操作されることにより前記複数の受光素子のうち受光する光が減少した受光素子と前記発光体との相対的な配置関係に基づいて、前記所定の位置を検知するように構成された検知部とを備え、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面は、前記導光板の内部で導光された光が全て全反射されないように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の受光素子が並設された導光板の側面では、導光板の内部で導光された光が全て全反射されないので、導光された光の少なくとも一部が受光素子に入射する。これにより、複数の受光素子が配置された導光板の側面がなす頂点部に対して対角にある頂点部に配置された発光体からの光を、各受光素子が受光できる。

本発明において、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面には、前記複数の受光素子の各々に対応して、前記導光板の板面の法線方向に見て円弧形状の切欠きが設けられていることが好ましい。これにより、導光板によって導光される発光体からの光の、円弧形状の切欠きに対する入射角は、円弧形状の切欠きが存在しない場合の側面に比べて著しく小さくなる。これにより、該入射角が臨界角以上となる可能性が著しく低下するので、複数の受光素子が配置された導光板の側面がなす頂点部に対して対角にある頂点部に配置された発光体からの光を、各受光素子が確実に受光できる。

また、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面は、プリズム状に形成されていることが好ましい。これにより、導光板によって導光される発光体からの光が、全て全反射されないので、導光された光の少なくとも一部が受光素子に入射する。これにより、複数の受光素子が配置された導光板の側面がなす頂点部に対して対角にある頂点部に配置された発光体からの光を、各受光素子が受光できる。

本発明において、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面は、光散乱面として形成されていることが好ましい。これにより、導光板によって導光される発光体からの光は、光散乱面で全反射されずに散乱出射されるので、複数の受光素子が配置された導光板の側面がなす頂点部に対して対角にある頂点部に配置された発光体からの光を、各受光素子が受光できる。

本発明において、前記導光板の板面のうちタッチ操作される面とは反対側の面に、所定の情報を表示するように構成された表示部を備え、該表示部は、前記導光板で保護されていることが好ましい。これにより、導光板とは別に、表示部を保護する部材を設ける必要がなく、光学式位置検知装置をより薄型にできる。

本発明の実施形態の光学式位置検知装置の構成を示す図。図１の光学式位置検知装置を正面から背面に向かって見たときの図。（ａ）は図２のＡ部分の拡大図、（ｂ）は図２のＢ部分の拡大図。（ａ）は本発明の別の形態の光学式位置検知装置において、導光板の受光側面がプリズム状に形成されている構成を示す図、（ｂ）は導光板の受光側面が光散乱面に加工されている構成を示す図。

図１及び図２を参照して、本発明の実施形態の光学式位置検知装置（以下、「位置検知装置」という）について説明する。位置検知装置１は、導光板２と、２つの発光体３と、複数の受光素子４と、検知部５と、表示部６とを備える。

導光板２は、その材料として透光性のアクリル樹脂が用いられ、長方形板状に形成されている。導光板２の板面２ｓは、その表面が位置検知装置の利用者の指先等によってタッチ操作される。

以下、導光板２の２つの板面２ｓのうち、タッチ操作される面を正面２ｓｆといい、それとは反対側の面を背面２ｓｂという。また、導光板２の長方形の４つの頂点部のうち、図２の左上の頂点部を左上頂点部２ａulといい、右上の頂点部を右上頂点部２ａurといい、左下の頂点部を左下頂点部２ａdlといい、右下の頂点部を右下頂点部２ａdrという。また、これらの頂点部を特に区別する必要がないときには、単に「頂点部２ａ」という。また、導光板２の４つの側面のうち、図２の上の側面を上側面２ｅｕといい、下の側面を下側面２ｅｄといい、左の側面を左側面２ｅｌといい、右の側面を右側面２ｅｒという。また、これらの側面を特に区別する必要がないときには、単に「側面２ｅ」という。

２つの発光体３の各々には、発光ダイオードが光源として用いられている。なお、本実施形態では、発光体３として発光ダイオードが用いられているが、発光体は、光を発光できるものであれば、どのような構成であってもよい。

２つの発光体３は、導光板２の長方形の隣り合う頂点部２ａに１つずつ配置されている。詳細には、２つの発光体３のうち、図２の左側の発光体（以下、「左側発光体」という）３ｌは左上頂点部２ａulに配置されており、図２の右側の発光体（以下、「右側発光体」という）３ｒは右上頂点部２ａurに配置されている。これにより、各発光体３からの光は、導光板２によって、該発光体３が配置されている頂点部（２ａul又は２ａur）に対角にある頂点部（２ａdr又は２ａdl）をなす側面（「２ｅｄ，２ｅｒ」又は「２ｅｄ，２ｅｌ」）の全域に導光される。

ここで、「発光体が頂点部に配置されている」とは、発光体が頂点部に接触している必要はなく、図２等に示されているように発光体が導光板２の頂点部２ａ付近に配置されていること、導光板２内の頂点部２ａ付近に埋め込まれていること、及び所望の配光特性（タッチ操作を検知する対象の領域全体に対して光が照射されるような配光特性）を得るための、導光板２に設けられた切欠き等に対して配置されることを含むものとする。

複数の受光素子４の各々は、受光することにより電流を出力するフォトダイオードである。なお、本実施形態は、受光素子４としてフォトダイオードが用いられているが、受光素子は、受光した光の量を検知できるものであれば、どのような構成であってもよい。

複数の受光素子４は、導光板２の、発光体３が配置された頂点部（２ａul又は２ａur）に対して対角にある頂点部（２ａdr又は２ａdl）をなす２つの側面（「２ｅｄ，２ｅｒ」又は「２ｅｄ，２ｅｌ」）に沿って並設される。詳細には、発光体３が配置された頂点部は左上頂点部２ａul及び右上頂点部２ａurであるので、左上頂点部２ａulに対角にある右下頂点部２ａdrをなす２つの側面は、下側面２ｅｄ及び右側面２ｅｒであり、右上頂点部２ａurに対角にある左下頂点部２ａdlをなす２つの側面は、下側面２ｅｄ及び左側面２ｅｌである。従って、複数の受光素子４は、３つの側面２ｅｄ，２ｅｒ，２ｅｌに沿って並設されている。

複数の受光素子４が並設された導光板２の側面（以下、「受光側面」という）２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒは、導光板２によって導光された発光体３からの光が全て全反射されないように構成されている。詳細には、受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒには、複数の受光素子４の各々に対応して切欠き２ｅｃが設けられている。切欠き２ｅｃは、導光板２の板面２ｓの法線方向に沿って見たときに円弧形状となっている。換言すれば、切欠き２ｅｃは、半円柱形状に形成されている。

図３（ａ）は、図２のＡ部分（下側面２ｅｄの中央部）の拡大図を示し、図３（ｂ）は、図２のＢ部分（下側面２ｅｄの左側）の拡大図を示す。図３において、導光板２によって導光された左側発光体３ｌからの光をＲln(n=1〜6)で示し、導光板２によって導光された右側発光体３ｒからの光をＲrn(n=1〜6)で示している。

また、θln(n=1〜6)は、導光板２によって導光された左側発光体３ｌからの光が、側面２ｅの切欠き２ｅｃに入射するときの入射角を示し、θrn(n=1〜6)は、導光板２によって導光された右側発光体３ｒからの光が、側面２ｅの切欠き２ｅｃに入射するときの入射角を示す。

また、φln(n=1〜6)は、導光板２によって導光された左側発光体３ｌからの光が、切欠き２ｅｃが設けられていない場合を仮定したときの側面２ｅに入射するときの入射角を示す。φrn(n=1〜6)は、導光板２によって導光された右側発光体３ｒからの光が、切欠き２ｅｃが設けられていない場合を仮定したときの側面２ｅに入射するときの入射角を示す。

切欠き２ｅｃの形状が、導光板２の板面２ｓの法線方向に向かって見たときに円弧形状であるので、切欠き２ｅｃ部への入射角θln，θrnが、仮に導光板２の側面２ｅに切欠き２ｅｃが設けられていない場合の該側面２ｅへの入射角φln，φrnよりも小さくなる。このとき、導光板２の側面２ｅに切欠き２ｅｃが設けられていない場合に、入射角φrnが大きくなる光（入射角が臨界角を超える光）Ｒr4，Ｒr5，Ｒr6（図３（ｂ）参照）の入射角θrnは、本実施形態のように導光板２の側面２ｅに切欠き２ｅｃが設けられていることで、臨界角より小さくなる。

従って、導光板２によって導光された発光体３からの光の全てが、受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒによって全反射されない。これにより、複数の受光素子４の各々が、自身が配置されている導光板２の側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒがなす頂点部２ａdl，２ａdrに対角にある頂点部２ａur，２ａulに配置された発光体３からの光を受光できる。

なお、切欠き２ｅｃの形状は、導光板２の板面２ｓの法線方向に沿って見たときに円弧形状（すなわち、半円柱形状）であるが、厳密な円弧形状である必要はなく、導光板２によって導光された発光体３からの光が全て全反射されることを防止できる程度の歪みがあってもよい。

検知部５は、図示しないＣＰＵ，メモリ等により構成された電子回路ユニットであり、メモリに保持された位置検知装置１の制御用プログラムを、ＣＰＵで実行する。これにより、検知部５は、導光板２の正面２ｓｆの所定の位置Ｐがタッチ操作されたとき、複数の受光素子４のうち受光する光が減少した受光素子４と発光体３との相対的な配置関係に基づいて、所定の位置Ｐを検知する。その詳細は、後述する。

表示部６は、例えば、液晶モニタ等の、所定の情報を二次元画像として表示するための表示装置である。表示部６は、導光板２の背面２ｓｂ側に、その表示する面が導光板２の背面２ｓｂと平行になるように配置されている。このように、位置検知装置１は、表示部６に表示された所定の情報を、導光板２を介して利用者に視認させている。

また、このように、導光板２の背面２ｓｂ側に表示部６が配置されることで、導光板２が表示部６の表面を保護している。このため、導光板２とは別に、表示部６を保護する部材を設ける必要がなく、位置検知装置１をより薄型にできる。

以上のように、本実施形態では、発光体３の光が、導光板２を介して受光素子４に導光される。これにより、導光板２が設けられていない光学式の位置検知装置に比べて、発光体３からの光を効率良く受光素子４が受光できる。本発明者らは、実験によって受光素子４の受光量が同一になるような発光体３の光量を調査したところ、本実施形態の光学式位置検知装置１では、導光板２が設けられていない位置検知装置に比べて、約50分の1の光量でよいことが分かった。このように、導光板２を用いることで、発光体３の光量を減少した場合であっても、受光素子４の受光量に対する耐ノイズ性能等を同等に保持することができる。これにより、位置検知装置１の消費電力低減、小型化、及び発熱量低下ができる。

次に、検知部５による位置検知について図２を参照して説明する。

複数の受光素子４の各々は、導光板２によって導光された左側発光体３ｌからの光と、導光板２によって導光された右側発光体３ｒからの光とを受光している。そして、位置検知装置１の利用者によって導光板２の正面２ｓｆのうち所定の位置Ｐがタッチ操作されることで、複数の受光素子４のうち１又は複数の受光素子４Ｄの受光量が減少し、ひいては、受光素子４Ｄから出力される電流の値（以下、「出力電流値」という）が減少する（以下、このような受光素子を「受光量減少受光素子」という）。なお、図２においては、受光量減少受光素子４Ｄは２つであり、それらは黒く塗り潰されて示されている。

導光板２の正面２ｓｆは、所定の位置Ｐがタッチ操作されることで、導光板２の正面２ｓｆの所定の位置Ｐにおいて、導光板２が利用者の指の表面に付着している皮脂及び汗等と接触することになる。このような皮脂及び汗等の絶対屈折率は、空気の絶対屈折率よりも大きい。従って、皮脂及び汗等に接触している導光板２の所定の位置Ｐにおいては、空気に接触しているときに比べて臨界角が大きくなる。これにより、導光板２内に導光されている光が、所定の位置Ｐにおいて全反射されずに板面２ｓから出射され、利用者の指等により散乱し、受光素子４の受光量が減少する。

なお、導光板２を所定の力以上で押圧されることで、導光板２の正面２ｓｆが、所定の位置Ｐ付近で、該押圧方向に向かって変形するように構成してもよい。この場合には、導光板２内に導光されている光が、所定の位置Ｐ付近において導光板２が変形したことで、板面２ｓによって全反射されずに出射されるので、受光素子４の受光量が減少する。

以上のように、導光板２の正面２ｓｆの所定の位置Ｐがタッチ操作されることにより、該所定の位置Ｐに応じた受光素子４の受光量が減少する。

位置検知装置１は、導光板２がタッチ操作されていないときの複数の受光素子４の各々の出力電流値（以下、「基準出力電流値」という）をメモリ等の記憶装置に記憶している。そして、検知部５は、現時点における複数の受光素子４のうち、各受光素子４に対応した基準出力電流値に対して、出力電流値が所定の値以上減少している受光素子４を、受光量減少受光素子４Ｄとして検知する。このとき、所定の値は、測定誤差等の影響を受けないように予め実験等によって定められた値である。そして、検知部５は、各受光量減少受光素子４Ｄと各発光体３とを結ぶ複数の直線Ｌl1，Ｌl2，Ｌr1，Ｌr2における交点（図２の例では、直線Ｌl1と直線Ｌr2との交点）を、タッチ操作された所定の位置Ｐとして検知する。

なお、本実施形態では、受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒには、複数の受光素子４の各々に対応して円弧形状の切欠き２ｅｃが設けられているが、これに限らず、他の態様によって、受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒが、導光板２によって導光された発光体３からの光が全て全反射されないように構成されてもよい。例えば、受光側面２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒが、プリズム状に形成されてもよいし（図４（ａ）参照）、又は光散乱面となるように形成されてもよい（図４（ｂ）参照）。

このときのプリズム状に形成された面は、導光板２によって導光される発光体３からの光を全て全反射しないので、導光された光の少なくとも一部が各受光素子４に入射する。また、光散乱面となるように形成された面は、導光板２によって導光される発光体３からの光を全て全反射せずに、散乱出射するので、導光された光の少なくとも一部の光が各受光素子４に入射する。このような場合であっても、複数の受光素子の各々が、配置されている導光板の側面がなす頂点部に対角にある頂点部に配置された発光体からの光を受光できる。

また、本実施形態では、２つの発光体３を１つずつ、左上頂点部２ａulと右上頂点部２ａurとに配置したが、これに限らず、その他の隣り合う頂点部２ａに配置してもよい。例えば、２つの発光体を１つずつ、左上頂点部２ａulと左下頂点部２ａdlとに配置してもよい。これらの場合であっても、複数の受光素子を、導光板２の、発光体が配置された頂点部（２ａul，２ａdl）に対して対角にある頂点部（２ａdr，２ａur）をなす２つの側面（「２ｅｄ，２ｅｒ」及び「２ｅｕ，２ｅｒ」）に沿って並設すればよい。

また、同時に複数の位置をタッチ操作された場合であっても、それらの位置を検知できるように構成するために、発光体の数を、２個ではなく、３個又は４個にしてもよい。この場合であっても、複数の受光素子を、導光板２において、発光体が配置された頂点部に対して対角にある頂点部をなす２つの側面（発光体が３つ以上の場合には、４つの側面２ｅｕ，２ｅｄ，２ｅｌ，２ｅｒ）に沿って並設すればよい。

１…位置検知装置（光学式位置検知装置）、２…導光板、２ａ…頂点部、２ｓ…板面、２ｅ…側面、２ｅｃ…切欠き、３…発光体、４…受光素子、５…検知部、６…表示部、Ｐ…所定の位置。

Claims

長方形板状に形成された導光板と、
前記導光板の長方形の頂点部に１つずつ配置された少なくとも２つの発光体と、
前記導光板の、前記発光体が配置された頂点部に対して対角にある頂点部をなす２つの側面に沿って並設され、前記導光板に導光された前記発光体からの光を受光する複数の受光素子と、
前記導光板の板面の所定の位置がタッチ操作されることにより前記複数の受光素子のうち受光する光が減少した受光素子と前記発光体との相対的な配置関係に基づいて、前記所定の位置を検知するように構成された検知部とを備え、
前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面は、前記導光板の内部で導光された光が全て全反射されないように構成されていることを特徴とする光学式位置検知装置。
請求項１に記載の光学式位置検知装置において、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面には、前記複数の受光素子の各々に対応して、前記導光板の板面の法線方向に見て円弧形状の切欠きが設けられていることを特徴とする光学式位置検知装置。
請求項１に記載の光学式位置検知装置において、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面は、プリズム状に形成されていることを特徴とする光学式位置検知装置。
請求項１に記載の光学式位置検知装置において、前記複数の受光素子が並設された前記導光板の側面は、光散乱面として形成されていることを特徴とする光学式位置検知装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式位置検知装置において、前記導光板の板面のうちタッチ操作される面とは反対側の面に、所定の情報を表示するように構成された表示部を備え、該表示部は、前記導光板で保護されていることを特徴とする光学式位置検知装置。