JP3573400B2 - 光学式入力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パーソナルコンピュータのためのポインティングデバイスなどに組み込まれて、表示装置の画面上のポインタ等を移動させるために使用される、２次元或いは３次元入力装置に関する。より詳細には、本発明は、Ｘ−Ｙ平面での移動量或いはＸ軸（Ｙ軸）周りの回転量に加えて、Ｚ軸周りでの回転であるθ回転の量を光学式に（具体的には反射型で）検出することができる、光学式入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータなどにおけるＣＲＴやＬＣＤなどの表示装置の画面上でポインタ等を移動させるための入力装置であるポインティングデバイスには、ジョイスティック装置、マウス、トラックボールなど、多くの種類がある。このうちで、ジョイスティック装置における座標移動の検出原理を、図１を参照して以下に簡単に説明する。図１は、ジョイスティック装置８の構成を模式的に示す斜視図である。
【０００３】
ジョイスティック装置８において、スティック１をＸ軸方向へ動かすと、スティック１の動きがガイド２及びシャフト３を介してロータリーエンコーダ４に伝わって回転方向及び回転量が検出され、検出結果を示す信号がロータリーエンコーダ４から出力される。同様に、スティック１をＹ軸方向へ動かすと、スティック１の動きがガイド５及びシャフト６を介してロータリーエンコーダ７に伝わって回転方向及び回転量が検出され、検出結果を示す信号がロータリーエンコーダ７から出力される。
【０００４】
スティック１のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動に伴うロータリーエンコーダ４及び７における回転方向や回転量の検出は、例えば光学式方法によって行うことができる。その場合の検出原理を、図２を参照して説明する。図２は、図１に示すジョイスティック装置８に含まれるロータリーエンコーダ４及び７の構成を、模式的に示す斜視図である。なお、図２のロータリーエンコーダ４は、その正面側の構成が視認できるように、図１においてとは反対側の位置に描かれている。
【０００５】
スティック１が動くと、その動きが、シャフト３及び６から部材１４を介してロータリーエンコーダ４及び７のシャフト１１に伝達され、回転板１２が回転する。この回転板１２には複数のスリット１３が形成されており、さらに、スリット１３を挟んで２組の発光素子９及び受光素子１０が配置されている。回転板１２が先に述べたように回転すると、発光素子９から発せられた光がスリット１３によってパルス状の光となり、受光素子１０でパルス信号として検出される。受光素子１０は、検出したパルス状の光信号を電気信号に変換して、出力する。このようにして、ジョイスティック装置８に含まれるスティック１のＸ軸及びＹ軸方向の動きに対応する電気信号が生成されて、この電気信号に応じて、画面上のポインタが移動する。
【０００６】
ロータリーエンコーダ４及び７における回転方向や回転量の検出は、上記のような光学式検出方法に代えて、抵抗帯（ボリューム）を使用しても検出可能である。
【０００７】
しかし、図１に示すようなロータリーエンコーダ４及び７のみを用いるジョイスティック装置８の構成では、スティック１のθ方向の回転（すなわち、Ｚ軸周りでの回転；以下では、「θ回転」とも称する）を検出することは、原理上からできない。
【０００８】
そこで次に、光学式、具体的には透過型のθ回転の検出原理を、図３を参照して説明する。
【０００９】
θ回転を検出するためには、図１に示したようなジョイスティック装置８のスティック１の先端に、さらに図３のような１対の発光素子１５を取り付ける。また、ジョイスティック装置８の底面には、固定スリット１６を挟んで発光素子１５に対向するように、受光素子１８（実際には４分割フォトダイオード）が設けられる。１対の発光素子１５のそれぞれからの光は、固定スリット１６の中央に設けられた開口部１７を通して受光素子１７の表面を照射し、１対のスポット光１９を形成する。
【００１０】
このような構成において、スティック１がθ方向（すなわちＺ軸の周囲方向）に回転すると、先端に取り付けられた発光素子１５も同様に回転するので、受光素子１７の表面のスポット光１９も回転する。このスポット光１９の回転は、受光素子１７を構成する４分割フォトダイオードのそれぞれの受光量の変化として検出され、さらに対応する電気信号に変換される。このようにして得られるスティック１のθ回転を示す電気信号に応じて、画面上のポインタが移動する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１及び図２を参照して説明した上記のようなジョイスティック装置８では、ロータリーエンコーダ１４の構造のために、密閉構造にすることが困難である。そのため、ジョイスティック装置８の内部へ埃が侵入してスリット１３が目詰まりし、結果として誤動作が発生することがある。また、回転量の検出精度は、回転板１２に設けられるスリット１３の数に依存するが、設けられ得るスリット１３の数には上限があり、高分解能での検出ができないという難点がある。
【００１２】
また、ジョイスティック装置８の構成で、スリット１３が設けられた回転板１２を使用する光学式検出方法に代えて抵抗帯（ボリューム）を使用する検出方式においても、密閉構造の実現が困難である。そのために、ジョイスティック装置８の内部への埃の侵入に伴う抵抗帯（ボリューム）における接触不良等に起因して誤動作が生じやすく、信頼性に問題がある。
【００１３】
さらに、ジョイスティック装置８では、スティック１の２次元方向の移動（すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿った移動）を検出するためには、検出対象であるそれぞれの方向についてロータリーエンコーダ或いは抵抗帯を設ける必要がある。このため、装置の構造が複雑化するとともに、小型化及び省スペース化の妨げとなっている。
【００１４】
加えて、先述のように、図１の構成のみではθ回転の検出が原理的に不可能であって、多目的入力機能の実現という要求に対応することができない。
【００１５】
一方、図３を参照して原理を説明した光を用いた透過型のθ回転検出方法では、１組のセンサ（発光素子１５及び受光素子１７）を用いることで２次元方向のスティックの移動を検出することができる。また、θ回転の検出も可能である。
【００１６】
しかし、図３に示す原理では、電子部品である発光素子１５を、ステック１などの可動部の先端に取り付ける必要がある。その結果、構造が複雑化するとともに小型化が困難となり、さらには耐久性及び信頼性の十分な向上の実現も困難になる。
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するために行われたものであり、その目的は、広い角度範囲に渡るθ回転の検出を反射型の光学式方法によって高分解能で実現できる、小型で耐久性に優れて且つ高信頼性の光学式入力装置を提供すること、を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式入力装置は、発光素子と複数の受光素子とを含む光反射型検出器を備えており、該光反射型検出器は、該発光素子からの光が、外部からの操作入力に伴って変位する入力部材に設けられた反射面に照射され、該反射面からの反射光が、該反射面の変位量に連動して変位する像であって、該反射面の回転移動により、該複数の受光素子のそれぞれの受光量がアンバランスになるような点対称の形状を有する像を該複数の受光素子の上に形成するように、構成されていて、そのことにより上記目的が達成される。
【００１９】
例えば、前記反射面からの反射光は、該反射面に平行な平面をＸ−Ｙ座標面としたときに、該Ｘ−Ｙ座標面内において前記像の形状に対応する形状の光束断面を有している。
【００２０】
前記反射面の形状は前記像の形状に対応してもよい。
【００２１】
或いは、前記反射面は、対称な形状を有する複数の面を組み合わせることによって形成され得る。
【００２２】
または、前記像は、前記発光素子から前記反射面を経て前記複数の受光素子に至る光路の上に、スリットを設けることによって形成されてもよい。
【００２８】
上記のような構成を有する本発明の光学式入力装置において、ある実施形態では、前記反射面に平行な平面をＸ−Ｙ座標面としたときに、該Ｘ−Ｙ座標面内の該反射面の横スライド動作量と、該Ｘ−Ｙ座標面に垂直なＺ軸周りの該反射面の回転量と、の両方を少なくとも検出する。
【００２９】
他の実施形態では、前記反射面に平行な平面をＸ−Ｙ座標面としたときに、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの該反射面の回転量と、該Ｘ−Ｙ座標面に垂直なＺ軸周りの該反射面の回転量と、の両方を少なくとも検出する。
【００３０】
例えば、前記複数の受光素子は、４つの受光素子であり得る。その場合には、該４つの受光素子の受光量に応じた出力をそれぞれＩsc(PD1)、Ｉsc(PD2)、Ｉsc(PD3)、及びＩsc(PD4)としたときに、前記反射面の前記Ｚ軸周りの回転量は、該４つの受光素子のうちの２つの受光素子であって、ある対角に配置された２つの受光素子の出力の和である（Ｉsc(PD2)＋Ｉsc(PD3)）から他の対角に配置された残りの２つの受光素子の出力の和である（Ｉsc(PD1)＋Ｉsc(PD4)）を引いた減算出力Ａ（θ）（＝（Ｉsc(PD2)＋Ｉsc(PD3)）−（Ｉsc(PD1)＋Ｉsc(PD4)））を演算することで求められ得る。
【００３１】
より好ましくは、前記減算出力Ａ（θ）を、前記４つの受光素子の出力の和である加算出力Ｂ（＝Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ２）＋Ｉｓｃ（ＰＤ３）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４））で除算する補正処理が行われる。
【００３２】
さらに、本発明の光学式入力装置において、ある実施形態では、前記入力部材は突起を介して保持部材に接していて、それにより該入力部材と該保持部材との間の接触面積が低減されて、該入力部材がスムーズに動作する。
【００３３】
また、本発明の光学式入力装置は、前記入力部材の過度の移動を制限するストッパ機構を備え得る。
【００３４】
以上のように、本発明によれば、発光素子から発せられた後に入力部材（操作部）の反射面で反射されて受光素子の受光面に入射する反射光の像（スポット光）が、発光素子と入力部材（操作部）の反射面との間の位置関係の変化（変位）及び角度関係の変化（変角）に連動して受光素子の受光面の上を移動する構成を有している光学式（反射型）検出器において、受光面の上に真円や正方形ではない点対称な反射光の像が形成される構成としている。これによって、従来のＸ軸方向及びＹ軸方向の２次元的な移動量の検出（すなわち、Ｘ−Ｙ平面内での移動量の検出、或いはＸ軸／Ｙ軸周りでの回転量の検出）に加えて、さらに、広い角度範囲に渡るθ回転量（すなわち、Ｚ軸周りでの回転量）の高分解能な検出を可能とする構成が、実現されている。
【００３５】
より具体的には、本発明の光学式入力装置では光学式検出原理を採用しているので、非接触で且つ密閉された環境下での高分解能な検出動作が可能になる。さらには、反射型の構成となっていることから、可動部分に電子部品が配置されずに、耐久性及び信頼性に優れた構成になっている。加えて、Ｘ−Ｙ平面内での２次元的な移動量の検出とＺ軸周りでのθ回転の検出とが同一のセンサ構成によって実現されるので、多目的入力の検出に単一のセンサ構成で対応することが可能になり、装置サイズの小型化の実現に貢献する。
【００３６】
受光面の上における真円や正方形ではない点対称な反射光の像の形成は、様々な構成によって実現することができる。例えば、受光素子の受光面に入射する光がＸ−Ｙ平面内で真円や正方形ではない点対称な光束断面を有するような構成にすることで、受光面の上に真円や正方形ではない点対称な反射光の像を形成することができる。より具体的には、反射面の形状を真円や正方形ではない点対称なものにすることによって、真円や正方形ではない点対称な形状の反射光の像を形成してもよい。或いは、反射光の光路上に真円や正方形ではない点対称な形状の開口部を有するスリットを配置することによって、真円や正方形ではない点対称な形状の反射光の像を形成することもできる。さらに、複数の発光素子を時分割的な発光タイミングで順に発光させて、操作部に設けられた反射面を照射し、発光タイミングに同期して反射面からの反射光の光量を検出するような構成においても、本発明の効果を得ることが可能である。
【００３７】
これらの本発明の様々な実施形態は、添付の図面を参照しながら以下で詳細に説明する。
【００３８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の光学式入力装置に含まれ得る光反射型検出器１００の構成を、簡潔且つ模式的に示す断面図である。また、図５及び図６は、光反射型検出器１００の構成を示す斜視図及び平面図である。
【００３９】
光反射型検出器１００は、発光素子１１０から発せられた光Ｌを反射面（図４〜図６には不図示）により反射させて、その反射光を受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄ（参照番号１１２として総称することもある）で受光する。具体的には、光反射型検出器１００では、１個の発光素子１１０及び４個の受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄが、反射面に対向し、且つ発光素子１１０と反射面との間の距離が各受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄと反射面との間の距離よりも遠くなるように、配置されている。
【００４０】
発光素子１１０は、例えばＬＥＤであって、発光素子搭載用リードフレーム１１３の先端にダイボンドされ、さらに結線用リードフレーム１１４（図４には不図示）にワイヤボンドされて結線されている。受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄは、例えばフォトトランジスタ或いはフォトダイオードである。４個の受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄは、受光素子搭載用リードフレーム１１５の先端に形成された正方形の載置部１１６の対角線上の四隅に配置され、それぞれ個別の結線用リードフレーム１１７Ａ〜１１７Ｄ（図４には不図示；なお、参照番号１１７として総称することもある）にワイヤボンドされて結線されている。そして、受光素子搭載用リードフレーム１１５の下方には、発光素子１１０が載置部１１６の中心の真下になるように、発光素子搭載用リードフレーム１１３が所定の間隔をあけて配置される。また、載置部１１６の中心には、発光素子１１０よりも大きな面積を持つ四角形の孔１１８（図４には不図示）が形成されている。なお、孔１１８の形状は四角形に限定されるものではなく、多角形或いは円形でもよい。
【００４１】
以上のように、光反射型検出器１００では、発光素子１１０が、受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄに比べて反射面から遠い位置に配置された、２層構造を有している。
【００４２】
このように配置された発光素子１１０及び受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄは、エポキシ樹脂等の透光性樹脂からなるトランスファ成形された外囲器１１９によって覆われている。外囲器１１９の一側面からは、発光素子１１０に関連するリードフレーム１１３及び１１４が突出し、他の側面からは、受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄに関連するリードフレーム１１５及び１１７Ａ〜１１７Ｄが突出している。各リードフレーム１１３〜１１５及び１１７Ａ〜１１７Ｄは、突出している箇所が同じ水平レベルに位置するように、外囲器１１９の内部及び外部で折り曲げられている。そして、発光素子１１０が結線されたリードフレーム１１４を駆動回路に接続し、受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄが結線されたリードフレーム１１７Ａ〜１１７Ｄを、信号処理回路を経てＡ／Ｄ変換回路に接続する。これによって、光反射型検出器１００が完成する。
【００４３】
上記のような構成を有する光反射型検出器１００は、外部から加えられる加重に応じて変位するように傾動自在に支持された入力部材（例えば、ジョイスティック）に対向して配置される。具体的には、例えば、反射面として機能する面を有する適当な入力部材を、反射面が発光素子及び受光素子に対して適切な位置関係に置かれるように、光反射型検出器１００に被せる。これによって、入力部材に外部から加重（入力操作）が加えられることによって生じる反射面の変位が、光学的に（具体的には反射型原理によって）検出される。
【００４４】
図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の光学式入力装置を構成するための光反射型検出器１００と入力部材１５０との組み合わせ状態を模式的に示す図である。具体的には、図７（ａ）は、組合せ部分の断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の要部の拡大図である。また、図８は、図７（ａ）の線８−８における断面図である。
【００４５】
図７及び図８に示す構成では、先に説明した発光素子１１０及び受光素子１１２を外囲器１１９の中に有する光反射型検出器１００が、基板１３５に設けられた開口部に、一方の側から配置されている。光反射型検出器１００のリードフレーム１１３及び１１５は、基板１３５の表面に設けられた回路（不図示）に、電気的に接続されている。
【００４６】
基板１３５の開口部のもう一方の側からは、入力部材１５０が配置されている。入力部材１５０は、反射面１３２を有する操作部１２７、基板１３５に固定される固定部１２９、及び操作部１２７と固定部１２９とを接続する弾性部１２８を備えている。操作部１２７は、外部から与えられた入力に応じて、図７（ａ）に矢印でそれぞれ示すような横スライド動作及び／或いはθ回転スライド動作を示す。
【００４７】
操作部１２７は、底面に設けられた突起１３０によって基板１３５と接している。これによって、操作部１２７と基板１３５の表面との間の接触面積が低減されて、横スライド動作及びθ回転スライド動作がスムーズに行われるようになっている。さらに、固定部１２９には、ストッパ１３１に囲まれた溝１３４が設けられており、操作部１２７の突起１３０は、これらの溝１３４に対応するようにそれぞれ設けられている。これにより、突起１３０は溝１３４の中をスライド動作し、突起１３０が溝１３４の周囲のストッパ１３１にあたると、それ以上は動けない構成になっている。突起１３０、ストッパ１３１、及び溝１３４によって形成されるこのようなストッパ構成によって、操作部１２７に対する過剰な入力操作に起因する入力部材１５０の破壊を、防ぐことができる。
【００４８】
上記のような光学式入力装置の構成は、操作部１２７に加えられるＸ−Ｙ平面内での２次元的な横スライド動作の検出に効果的である。一方、Ｘ軸周り及び／或いはＹ軸周りでの回転動作（変角の発生）を検出するためには、図９及び図１０に示す構成が効果的である。
【００４９】
図９は、本発明の光学式入力装置を構成するための他の光反射型検出器１６０の構成を示す断面図であり、図１０は、光学式入力装置を構成するために光反射型検出器１６０と入力部材１７０とが組み合わされている状態を模式的に示す断面図である。
【００５０】
図９に示す光反射型検出器１６０の基本的な構成は、先に説明した光反射型検出器１００と同じである。同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、それらの詳細な説明は、ここでは省略する。光反射型検出器１６０では、外囲器１１９の周囲に、例えばＡＢＳからなる２次モールド１６１ａが成形される。さらにその後、２次モールド１６１ａの外側に、上部にレンズ１６２が一体成形されているレンズホルダ１６１ｂが取り付けられる。一体成形されているレンズホルダ１６１ｂ及びレンズ１６２は、例えばポリカーボネートで形成される。
【００５１】
光反射型検出器１６０を用いて構成される光学式入力装置では、図１０に示すように、光反射型検出器１６０は保持部材１３７に設けられた凹部に収められており、ここにはさらに、反射面１３２を有する入力部材１７０が嵌合されている。入力部材１７０はスティック１３６を有しており、スティック１３６に外部から与えられた入力に応じて、図１０に矢印でそれぞれ示されるようなＸ軸（或いはＹ軸）周りの回転スライド動作及びθ回転スライド動作を示す。
【００５２】
入力部材１７０（スティック１３６）の先端にはストッパ部１４０が設けられており、保持部材１３７の凹部の側壁に設けられた半球状の突起１３８とストッパ部１４０とが少ない接触面積で接触しながら、スティック１３６がスライド動作を行う。これによって、スティック１３６のＸ軸（或いはＹ軸）周りの回転スライド動作びθ回転スライド動作が、スムーズに行われるようになっている。さらに、ストッパ部１４０は、保持部材１３７の凹部の底面部分（図１０では参照番号１３９によって表示）にあたると、それ以上は動けない構成になっている。このようなストッパ構成によって、スティック１３６に対する過剰な入力操作による入力部材１７０の破壊を、防ぐことができる。
【００５３】
本実施形態の光学式入力装置の特徴は、入力部材１５０或いは１７０に設けられている反射面１３２を、真円や正方形ではない真円や正方形ではない点対称な形状を有するように形成することによって、受光素子１１２の受光面を照射する反射光の像の形状を、真円や正方形ではない点対称にしていることである。例えば、図８に示される例では、楕円形の反射面１３２を設けている。
【００５４】
図１１（ａ）〜（ｐ）には、反射光の像Ｓの真円や正方形ではない点対称な形状の様々な具体例を示している。このような反射光の像Ｓの真円や正方形ではない点対称な形状は、例えば、単一の反射面の形状を真円や正方形ではない点対称にすることによって形成することができる。或いは、それぞれが対称な形状を有する複数の反射面を適切に組み合わせることによって、全体形状を真円や正方形ではない点対称なものにすることも可能である。或いは、適切な形状のスリットを光路上に設けることによって、反射光の像Ｓの真円や正方形ではない点対称な形状を実現することも可能である。
【００５５】
いずれの方法においても、反射光の光束断面がＸ−Ｙ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）で真円や正方形ではない点対称になるようにすることによって、真円や正方形ではない点対称な反射光の像Ｓを得ることができる。
【００５６】
なお、反射面は、例えば、入力部材の底面の少なくとも一部に、アルミ膜、クロム膜、或いはガラスなどを蒸着して多層膜コーティング処理をするか、または、そのような材料からなるシートを貼り付けることによって、形成することができる。或いは、鏡面反射面を形成できる限りは、他の材料或いは方法を用いてもよい。
【００５７】
本発明によれば、上記のように反射光の像の形状を真円や正方形ではない点対称にすることによって、入力部材へのＺ軸周りの回転入力操作にともなう反射面の回転移動により、各受光素子における受光量が意図的にアンバランスなものになる。この結果、後述する検出原理に従った演算処理を行うことによって、入力部材のＸ−Ｙ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）での移動量、或いはＸ軸周り／Ｙ軸周りでの回転量の検出に加えて、Ｚ軸周りの回転であるθ回転量の検出が可能になる。
【００５８】
次に、本発明の光学式入力装置におけるＸ−Ｙ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）での２次元的な移動量（或いはＸ軸周り／Ｙ軸周りでの回転量）、及びθ回転量の検出原理を、以下に説明する。
【００５９】
図１２は、検出のための回路接続を模式的に示す図である。
【００６０】
図１２に示すように、先に参照番号１１２で示した発光素子ＧＬ（例えば発光ダイオード）が接続されているリードフレーム▲１▼及び▲２▼の間に定電流源を接続し、先に参照番号１１２Ａ〜１１２Ｄで示した受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４（例えばフォトダイオード）が接続されているリードフレーム▲３▼〜▲７▼を、電流計を介して接地する。発光素子ＧＬから発生された光は、反射面によって反射された後に各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４を照射し、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の受光量に応じた大きさの出力電流Ｉｓｃ（ＰＤ１）〜Ｉｓｃ（ＰＤ４）が発生する。反射面の変位に応じて各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４に発生する出力電流値Ｉｓｃ（ＰＤ１）〜Ｉｓｃ（ＰＤ４）が変化するので、それらの値を接続された電流計で測定して、以下に述べる演算処理を行う。
【００６１】
図１３（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光学式入力装置におけるＸ−Ｙ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）での２次元的な移動量（或いはＸ軸周り／Ｙ軸周りでの回転量）、及びθ回転量の検出原理を、説明する図である。
【００６２】
初期状態では、図１３（ａ）に示すように、反射面からの真円や正方形ではない点対称な反射光の像Ｓは、４つの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４に均等に入射するように位置している。これに対して、反射面がＸ軸周りに回転するか或いはＹ軸方向に並行移動すると、反射光の像Ｓが受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４に対して移動して、図１３（ｂ）に実線で示すような位置に変位する（図１３（ｂ）の点線は、図１３（ａ）に示した初期位置を示す）。同様に、反射面がＹ軸周りに回転するか或いはＸ軸方向に並行移動すると、反射光の像Ｓが受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４に対して移動して、図１３（ｃ）に実線で示すような位置に変位する（図１３（ｃ）の点線は、図１３（ａ）に示した初期位置を示す）。さらに、反射面がθ回転をする場合も同様であり、反射光の像Ｓは、θ回転に伴って図１３（ｄ）或いは図１３（ｅ）に実線で示すような位置に変位する（図１３（ｄ）及び（ｅ）の点線は、図１３（ａ）に示した初期位置を示す）。
【００６３】
このような反射面の変位に伴う反射光の像Ｓの受光面上での変位に応じて、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の受光量が変化する。その結果、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４で発生する電流値Ｉｓｃ（ＰＤ１）〜Ｉｓｃ（ＰＤ４）が変化する。この出力電流値Ｉｓｃ（ＰＤ１）〜Ｉｓｃ（ＰＤ４）の変化を利用して以下に説明する演算処理を行うことによって、反射面の変位量を求める。
【００６４】
すなわち、まず以下の（１）式及び（２）式によって、像ＳのＹ軸方向への移動量に対応する受光素子の減算出力Ａ（Ｘ）及び像ＳのＸ軸方向への移動量に対応する受光素子の減算出力Ａ（Ｙ）を求める：
Ａ（Ｘ）＝（Ｉｓｃ（ＰＤ２）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４））−（Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ３）） （１）
Ａ（Ｙ）＝（Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ２））−（Ｉｓｃ（ＰＤ３）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４）） （２）
減算出力Ａ（Ｘ）及びＡ（Ｙ）と反射面の変位量との関係は、例えば図１４に示すグラフのようになる。
【００６５】
一方、θ回転に関しては、以下の（３）式によって、像Ｓのθ回転量に対応する受光素子の減算出力Ａ（θ）を求める：
Ａ（θ）＝（Ｉｓｃ（ＰＤ２）＋Ｉｓｃ（ＰＤ３））−（Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４）） （３）
図１５（ａ）には、減算出力Ａ（θ）と反射面の回転角度との間の関係に関する実測データの一例を示す。
【００６６】
光反射型検出器に含まれる発光素子は、一般に化合物半導体を用いて形成されており、経年変化及び温度変化に伴う特性変化を示す。また、例えば多層膜のコーティング処理によって形成される反射面の反射特性も、経年変化を示す。そこで、次に、これらの影響を低減する目的で、以下の除算処理を行う。
【００６７】
すなわち、まず、各受光素ＰＤ１〜ＰＤ４の出力電流値Ｉｓｃ（ＰＤ１）〜Ｉｓｃ（ＰＤ４）を用いて、以下の（４）式で示される加算出力Ｂを求める：
Ｂ＝Ｉｓｃ（ＰＤ１）＋Ｉｓｃ（ＰＤ２）＋Ｉｓｃ（ＰＤ３）＋Ｉｓｃ（ＰＤ４） （４）
図１５（ｂ）には、θ回転を例にとって、加算出力Ｂと反射面の回転角度との間の関係に関する実測データの一例を示す。
【００６８】
その後に、以上のようにして求められた減算出力Ａ（Ｘ）、Ａ（Ｙ）、及びＡ（θ）と加算出力Ｂとを用いて、減算出力増加量Ａｘ’（＝Ａ（Ｘ）／Ｂ）、Ａｙ’（＝Ａ（Ｙ）／Ｂ）、及びＡθ’（＝Ａ（θ）／Ｂ）を求める。図１５（ｃ）には、θ回転を例にとって、減算出力増加量Ａθ’と反射面の回転角度との間の関係を示す実測データの一例を示す。
【００６９】
さらにその後に、光反射型検出器のアセンブリ工程での位置的なばらつきに起因するオフセットを補正する。この場合の補正処理としては、例えば、初期のばらつきをマイコンに記憶しておき、上記の演算処理によって得られた減算出力増加量Ａｘ’、Ａｙ’、及びＡθ’の各信号から記憶されている値を減算処理して補正を行うなどの処理を行う。
【００７０】
上記のような各演算処理及び補正処理の結果、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに対する反射面の変位スライド量、及びθ回転スライド量が、それぞれ求められる。また、補正後の減算出力増加量Ａｘ’及びＡｙ’のベクトルを計算すれば、図１６に示す角度ψとして、反射面移動量の方向が求められる。
【００７１】
以上の演算処理によって、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の出力電流値Ｉｓｃ（ＰＤ１）〜Ｉｓｃ（ＰＤ４）から、反射面の変位の大きさ及び方向を２次元的に求めることができる。
【００７２】
以上の説明では、光反射型検出器１００及び１６０は、１個の発光素子１１０の周囲に４つの受光素子１１２Ａ〜１１２Ｄが配置されている構成となっている。しかし、受光素子の設置個数は４個に限られるものではなく、２個以上を適切に配置して対応する演算処理を行えば、上記と同様の効果を得ることができる。また、以上の説明では、発光素子１１０が、反射面に対して、受光素子１１２よりも遠くに位置する構成になっている。或いは、受光素子１１２が、反射面に対して、発光素子１１０よりも遠くに位置する構成とすることも可能である。その他の様々な光反射型検出器の構成の改変については、本願出願人によって別途出願されている特願平８−７５００８号を参照されたい。
【００７３】
さらに、以上の説明では、発光素子と受光素子とが２段構造に配置されている光反射型検出器を例にとって、本発明の原理を説明している。しかし、本発明の適用はそのような２段構造を有する光反射型検出器に限られるわけではない。例えば、図１７（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、同一のリードフレーム１９５の中央部に一つの発光素子１１０を載置し、その周囲に複数の受光素子１１２を配置して、真円や正方形ではない点対称な形状を有する反射面１３２からの反射光（真円や正方形ではない点対称な光束断面を有している）を受光する構成に対しても、本発明は適用可能である。或いは、図１８（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、同一のリードフレーム１９５に複数（例えば４つ）の発光素子１１０を配置し、その中央部に一つの受光素子１１２を載置して、真円や正方形ではない点対称な形状を有する反射面１３２からの反射光（真円や正方形ではない点対称な光束断面を有している）を受光する構成に対しても、本発明は適用可能である。
【００７４】
さらには、図１９（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、同一のリードフレーム１９５の上に発光素子１１０及び受光素子１１２を並べて配置して、真円や正方形ではない点対称な形状を有する反射面１３２からの反射光（真円や正方形ではない点対称な光束断面を有ている）を受光する構成に対しても、本発明は適用可能である。
【００７５】
（第２の実施形態）
先に説明した第１の実施形態では、反射面からの反射光の形状（具体的にはＸ−Ｙ平面内での光束断面）を真円や正方形ではない点対称なものにすることによって、受光面の上に真円や正方形ではない点対称な反射光の像を形成させる構成を例にとって、本発明を説明している。それに対して本実施形態では、複数の発光素子を時分割的な発光タイミングで順に発光させて反射面を照射し、反射面からの反射光によって受光素子の上に反射面の移動にともなって変動する像を形成させ、さらに、発光素子の発光タイミングと受光素子の出力センシングのタイミングとの間の同期をとりながら受光量を検出することによって、θ回転量を検出する。
【００７６】
具体的には、本実施形態の光学式入力装置では、その光反射型検出器が、先に図１８（ａ）及び（ｂ）に模式的に示したように、同一のリードフレーム１９５に複数（例えば４つ）の発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄを配置し、その中央部に一つの受光素子１１２を載置して、真円や正方形ではない点対称な形状を有する反射面１３２からの反射光を受光する構成を有している。一方、図２０（ａ）〜（ｆ）には、本実施形態の手法に従った発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄの発光タイミング（図２０（ａ）〜（ｄ））及び受光素子の出力センシングのタイミング（図２０（ｅ）及び（ｆ））を、模式的に示す。図示されているように、本実施形態では、複数の発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄを順に時分割的に離散パルス状に発光させた上で、その発光タイミングに同期して受光素子１１２の出力をセンシングする。外部からの操作入力によって発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄ、反射面１３２、及び受光素子１１２の位置関係に変化が生じると、各発光素子からの発光に起因する反射光の像の受光素子１１２に対する位置が変化して、受光量（すなわち、受光素子１１２の出力）が増減する（図２０（ｆ）参照）。本実施形態では、このような受光量の増減に基づく各受光素子からの出力電流量の変化を利用して、操作入力に対応する反射面の変位量、具体的にはＸ−Ｙ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）での２次元的な移動量（或いはＸ軸周り／Ｙ軸周りでの回転量）、及びθ回転量を検出する。なお、検出のための演算処理や補正処理は、先に説明した第１の実施形態の場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光学式入力装置によれば、従来のＸ軸方向及びＹ軸方向の２次元的な移動量の検出（すなわち、Ｘ−Ｙ平面内での移動量の検出、或いはＸ軸／Ｙ軸周りでの回転量の検出）に加えて、さらに、広い角度範囲に渡るθ回転量（すなわち、Ｚ軸周りでの回転量）の高分解能な検出を可能とする構成が実現される。
【００７８】
より具体的には、本発明の光学式入力装置では光学式検出原理を採用しているので、非接触で且つ密閉された環境下での高分解能な検出動作が可能になる。さらには、反射型の構成となっていることから、可動部分に電子部品が配置されずに、耐久性及び信頼性に優れた構成になっている。加えて、Ｘ−Ｙ平面内での２次元的な移動量の検出とＺ軸周りでのθ回転量の検出とが同一のセンサ構成によって実現されるので、多目的入力の検出に単一のセンサ構成で対応することが可能になり、装置サイズの小型化の実現に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のジョイスティック装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のジョイスティック装置に含まれるロータリーエンコーダの構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】従来の透過型方法によるθ回転の光学式検出原理を模式的に説明する図である。
【図４】本発明のある実施形態における光学式入力装置に含まれる光反射型検出器の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図４の光反射型検出器の構成を模式的に示す斜視図である。
【図６】図４の光反射型検出器の構成を模式的に示す平面図である。
【図７】図４の光反射型検出器を利用して本発明の光学式入力装置を構成するための光反射型検出器と入力部材との組み合わせ状態を模式的に示す図であり、（ａ）は、組合せ部分の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部の拡大図である。
【図８】図７（ａ）の線８−８における断面図である。
【図９】本発明のある実施形態における光学式入力装置に含まれる他の光反射型検出器の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９の光反射型検出器を利用して本発明の光学式入力装置を構成するための光反射型検出器と入力部材（スティック）との組み合わせ状態を模式的に示す断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｐ）は、本発明の光学式入力装置における真円や正方形ではない点対称な反射面の形状（それによって得られる反射光の像の真円や正方形ではない点対称な形状）の様々な例を示す図である。
【図１２】本発明の光学式入力装置における変位量（回転量）の検出のための回路接続を模式的に示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光学式入力装置におけるＸ−Ｙ平面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）での２次元的な変位（或いはＸ軸周り／Ｙ軸周りでの回転）、及びθ回転の検出原理を説明するための図であり、外部から与えられた操作入力による受光素子の受光面上での反射光の真円や正方形ではない点対称な像の移動の様子を模式的に示す図である。
【図１４】減算出力Ａ（Ｘ）及びＡ（Ｙ）と反射面の変位量との関係を説明するグラフである。
【図１５】（ａ）は、減算出力Ａ（θ）と反射面の回転角度との間の関係に関する実測データの一例であり、（ｂ）は、加算出力Ｂと反射面の回転角度との間の関係に関する実測データの一例であり、（ｃ）は、減算出力増加量Ａθ’と反射面の回転角度との間の関係に関する実測データの一例である。
【図１６】反射面移動量の方向検出時のベクトル計算を示す図である。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の光学式入力装置において使用され得る他の光反射型検出器の構成を模式的に示す図である。
【図１８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の光学式入力装置において使用され得るさらに他の光反射型検出器の構成を模式的に示す図である。
【図１９】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の光学式入力装置において使用され得るさらに他の光反射型検出器の構成を模式的に示す図である。
【図２０】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態の光学式入力装置における複数の発光素子の発光タイミング、及びそれに同期した受光素子の出力センシングのタイミングを、模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ スティック
２、５ ガイド
３、６ シャフト
４、７ ロータリーエンコーダ
８ ジョイスティック装置
９ 発光素子
１０ 受光素子
１２ 回転板
１３ スリット
１５ 発光素子
１６ 固定スリット
１８ 受光素子
１９ スポット光
１００ 光反射型検出器
１１０（１１０Ａ〜１１０Ｄ） 発光素子
１１２（１１２Ａ〜１１２Ｄ） 受光素子
１１３、１１４、１１５、１１７（１１７Ａ〜１１７Ｄ） リードフレーム
１１９ 外囲器
１２７ 操作部
１２８ 弾性部
１２９ 固定部
１３０ 突起
１３１ ストッパ
１３２ 反射面
１３４ 溝
１３５ 基板
１３６ スティック
１３７ 保持部材
１４０ ストッパ
１５０ 入力部材
１６０ 光反射型検出器
１６１ａ ２次モールド
１６１ｂ レンズホルダ
１６２ レンズ
１７０ 入力部材
ＧＬ 発光素子
ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４ 受光素子
Ｓ 反射光の像

Claims (11)

1. 発光素子と複数の受光素子とを含む光反射型検出器を備え、該光反射型検出器は、該発光素子からの光が、外部からの操作入力に伴って変位する入力部材に設けられた反射面に照射され、該反射面からの反射光が、該反射面の変位量に連動して変位する像であって、該反射面の回転移動により、該複数の受光素子のそれぞれの受光量がアンバランスになるような点対称の形状を有する像を該複数の受光素子の上に形成するように、構成されている、光学式入力装置。
2. 前記反射面からの反射光は、該反射面に平行な平面をＸ−Ｙ座標面としたときに、該Ｘ−Ｙ座標面内において前記像の形状に対応する形状の光束断面を有している、請求項１に記載の光学式入力装置。
3. 前記反射面の形状は前記像の形状に対応している、請求項１または２に記載の光学式入力装置。
4. 前記反射面は、対称な形状を有する複数の面を組み合わせることによって形成される、請求項１または２に記載の光学式入力装置。
5. 前記像は、前記発光素子から前記反射面を経て前記複数の受光素子に至る光路の上に、スリットを設けることによって形成される、請求項１または２に記載の光学式入力装置。
6. 前記反射面に平行な平面をＸ−Ｙ座標面としたときに、該Ｘ−Ｙ座標面内の該反射面の横スライド動作量と、該Ｘ−Ｙ座標面に垂直なＺ軸周りの該反射面の回転量と、の両方を少なくとも検出する、請求項１から５のいずれかに記載の光学式入力装置。
7. 前記反射面に平行な平面をＸ−Ｙ座標面としたときに、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの該反射面の回転量と、該Ｘ−Ｙ座標面に垂直なＺ軸周りの該反射面の回転量と、の両方を少なくとも検出する、請求項１から５のいずれかに記載の光学式入力装置。
8. 前記複数の受光素子は、４つの受光素子であり、該４つの受光素子の受光量に応じた出力をそれぞれＩsc(PD1)、Ｉsc(PD2)、Ｉsc(PD3)、及びＩsc(PD4)としたときに、前記反射面の前記Ｚ軸周りの回転量は、該４つの受光素子のうちの２つの受光素子であって、ある対角に配置された２つの受光素子の出力の和である（Ｉsc(PD2)＋Ｉsc(PD3)）から他の対角に配置された残りの２つの受光素子の出力の和である（Ｉsc(PD1)＋Ｉsc(PD4)）を引いた減算出力Ａ（θ）（＝（Ｉsc(PD2)＋Ｉsc(PD3)）−（Ｉsc(PD1)＋Ｉsc(PD4)））を演算することで求められる、請求項６または７に記載の光学式入力装置。
9. 前記減算出力Ａ（θ）を、前記４つの受光素子の出力の和である加算出力Ｂ（＝Ｉsc(PD1)＋Ｉsc(PD2)＋Ｉsc(PD3)＋Ｉsc(PD4)）で除算する補正処理が行われる、請求項８に記載の光学式入力装置。
10. 前記入力部材は突起を介して保持部材に接していて、それにより該入力部材と該保持部材との間の接触面積が低減されて、該入力部材がスムーズに動作する、請求項１から９のいずれかに記載の光学式入力装置。
11. 前記入力部材の過度の移動を制限するストッパ機構を備えている、請求項１から１０のいずれかに記載の光学式入力装置。

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