JP5159696B2 - 位置検知入力装置および位置検知算出方法 - Google Patents

Description

この発明は、携帯電話やＰＤＡなどの小型の入力デバイスにおける位置検知入力装置および位置検知算出方法に関し、とくに磁石を内蔵した入力媒体と磁気センサを使用して磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する位置検知入力装置および位置検知算出方法に関するものである。

従来、三次元空間での入力媒体の位置を磁気センサにて検知する三次元位置検知入力装置として特許文献１の発明があった。

この発明の位置検知入力装置は、磁石の回りに磁界が形成され、この磁界を検知手段で検知し、この検知信号から磁界の強さ、方向などによって磁石の位置を入力媒体の位置として三次元的な位置を求めるものである。

特開平８−２７２５２８号公報

しかし、上記磁界の強さの値と磁気センサから磁石までの距離との関係は単なる反比例の関係にはならず、磁気センサから磁石までの距離の二乗から三乗に反比例する関係にある。そのため、磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する方法の場合、磁気センサから磁石までの距離が近すぎると磁気センサの磁界の強さの測定許容範囲をオーバーする問題があり、その一方で磁気センサから磁石までの距離が遠すぎると磁界の強さの感度が悪くなる問題があった。また、そのときの磁界の強さが数ガウスであると、地磁気の影響も受けてノイズが発生しやすくなる問題があった。

上記の問題を解決するために、この発明は、磁石を内蔵した入力媒体と、入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを検知する複数設置された磁気センサと、磁界の強さから入力媒体の位置を算出する計算部とを備えた位置検知入力装置であって、計算部は、最も入力媒体の磁石から近い場所にある磁気センサを除いた残りの磁気センサの磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する算出手段を含むものである。

又、この発明は、磁気センサが磁界の強さを検知できる検知下限の距離よりも短い距離となるように設置されてもよい。又、この発明は、位置検知入力装置の入力範囲が長方形の形状であって、磁気センサが各辺の中央の外枠に設置されていてもよい。又、この発明は、磁気センサは、検知範囲が２ガウス〜５０ガウスであってもよい。又、この発明は、位置検知入力装置の磁気センサモジュールが、上面中央部に窓部を有する透明基材からなり、透明基材の上面外枠部又は下面外枠部に加飾層が形成され、加飾層によって磁気センサが隠蔽される構造になっていてもよい。

又、この発明は、入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する位置検知算出方法であって、磁気センサが複数個設置され、その最も入力媒体の磁石から近い場所にある磁気センサを除いた残りの磁気センサで磁界の強さを検知し、その磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する位置検知算出方法である。

この発明の位置検知入力装置は、磁石を内蔵した入力媒体と、その入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを検知する磁気センサと、磁界の強さから入力媒体の位置を算出する計算部とを備えた位置検知入力装置であって、磁気センサが複数個設置され、計算部に、最も入力媒体の磁石から近い場所にある磁気センサを除いた残りの磁気センサで磁界の強さを検知し、その磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する算出手段が含まれている。又、この発明の位置検知入力装置は、磁気センサ間の距離が、磁気センサが磁界の強さを検知できる検知下限の距離よりも短い距離で設置されている。したがって、ある一つの磁気センサから磁石までの距離が近すぎて該磁気センサの磁界の強さの測定許容範囲をオーバーしたとしても、他の残りの磁気センサの磁界の強さとその方向から入力媒体の位置を算出できる効果がある。

又、この発明の位置検知入力装置は、位置検知入力装置の入力範囲が長方形の形状であって、磁気センサが各辺の中央の外枠に設置されている。磁気センサをこのような位置に設置すれば、磁石から検知する磁気センサまでのＸＹ方向の距離は、最も近い場合でも短辺の１／２の距離になり、最も遠い場合でも〔（長辺の１／２）^２＋（短辺の１／２）^２〕の平方根の距離になる。したがって、磁気センサで検知する磁界の強さの範囲を狭くすることが可能となり、その結果、測定許容範囲の狭い磁気センサでも充分に検知できる効果があり、またどの入力位置でも感度良く検知できる効果がある。

又、この発明の位置検知入力装置は、磁気センサが、２〜５０ガウスの検知範囲を含む磁気センサである。したがって、この発明の磁気センサの検知範囲には地磁気の磁気の強さの範囲が含まれていないため、地磁気の影響を受けることなく入力媒体の位置を検知できる効果がある。

又、この発明の位置検知入力装置は、磁気センサモジュールが上面中央部に窓部を有する透明基材からなり、透明基材の上面外枠部又は下面外枠部に加飾層が形成され、加飾層によって磁気センサが隠蔽される構造になっている。したがって、磁気センサを多数設置したとしても、すべて加飾層で覆われるので、外観には影響なく意匠性にすぐれた位置検知入力装置を作製できる効果がある。

本発明に係る位置検知入力装置の一実施例を示す模式図である。 本発明に係る位置検知入力装置のうち、入力範囲が長方形で磁気センサの位置を透明基材の側面の各辺中央外枠付近の四箇所にそれぞれ一個づつ設置した場合の実施例を示す模式図であり、（ａ）は入力範囲の中央に入力媒体が位置した場合を示し、（ｂ）は磁気センサの極近傍に入力媒体が位置した場合の模式図である。 本発明に係る位置検知入力装置のうち、（ａ）は入力範囲が長方形で磁気センサの位置を透明基材の側面の各辺中央外枠付近の四箇所と四隅にそれぞれ一個づつ設置した場合、（ｂ）は入力範囲が正方形の場合、の実施例を示す模式図である。 本発明に係る位置検知入力装置のうち、（ｃ）は入力範囲が円形の場合、（ｄ）は入力範囲が楕円形の場合、（ｅ）は入力範囲が菱形の場合、の実施例を示す模式図である。 本発明に係る位置検知入力装置のうち、それを構成する磁気センサモジュールが上面中央部に窓部を有する透明基材と該透明基材の上面外枠部に加飾層が形成され、該加飾層によって磁気センサが隠蔽される構造になっている一実施例を示す模式斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。

本発明の位置検知入力装置２０は、磁石１２を内蔵した入力媒体１０と、上記磁気センサモジュール５と磁界の強さから前記入力媒体１０の位置を算出する計算部１８とからなり、磁気センサモジュール５は、少なくとも上面中央部に長方形の形状での入力範囲３で入力媒体１０の入力パネルとしての役割をする透明基材７と、透明基材７の側面の各辺中央付近に位置し入力媒体１０に組み込まれた磁石１２の磁界の強さを検知する複数の磁気センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとが形成される（図１参照）。そして、各磁気センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ間の距離は各磁気センサが磁界の強さを検知できる検知下限の距離よりも短い距離で設置されている。

そして、磁気センサモジュール５の透明基材７の上面中央部の磁気センサ１６ａ近傍に入力媒体１０が近づくと、入力媒体１０内蔵された磁石１２から発生する磁界を磁気センサモジュール５に設置された磁気センサ１６のうち、最も入力媒体１０の磁石１２から近い位置にある磁気センサ１６ａを除いた残りの磁気センサのうち最も近い１６ｂで磁界の強さおよび方向を検知し、その信号は瞬時に計算部１８に送られ、計算部１８は、その信号である磁界の強さとその方向から磁界が発せられた位置を瞬時に計算し、入力媒体１０の位置を決定できるしくみになっている（図１参照）。

すなわち、磁気センサ１６ｂと磁石１２との距離ｒ１は、磁気センサ１６ｂで検知した磁界の強さの値の平方根から三乗根に反比例するので、この磁界の強さの値からｒ１が算出でき、入力媒体１０の位置を決定できるしくみになっている（図１参照）。

したがって、入力媒体１０の磁石１２から最も近い位置にある磁気センサ１６ａで検知される磁界の強さが、磁気センサ１６ａの測定許容範囲をオーバーする測定不能の値になっても磁気センサ１６ｂで検知した磁界の強さの値から確実に入力媒体１０の位置を決定できるため、あえて測定許容範囲の上限値が高い磁気センサを選定せずとも位置検知が可能となる。なお、入力媒体１０の磁石１２から最も近い位置にある磁気センサ１６と二番目に近い位置にある磁気センサ１６とがほぼ等距離にあり、いずれも検知可能な範囲にある場合は、どちらの磁気センサ１６の値も有効として算出する。また二番目以降の磁気センサ１６の値についても検知可能な範囲であれば、二番目に近い位置にある磁気センサ１６の値とともに算出しても構わない。

そして上記のように、磁気センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの位置を透明基材７の側面の各辺中央外枠付近に設置した場合には、二番目に近い磁石１２から磁気センサ１６までの最も短い場合のＸＹ方向の距離ｒ２は、入力範囲３の中央に入力媒体１０が位置した場合であって短辺の１／２の距離になり（図２（ａ）参照）、最も長い場合のＸＹ方向の距離ｒ３は、磁気センサ１６の極近傍に入力媒体１０が位置した場合であって〔（長辺の１／２）^２＋（短辺の１／２）^２〕の平方根の距離となり（図２（ｂ）参照）、ｒ２とｒ３との差が最小となる。

したがって、上記の位置に磁気センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを設置するのが、磁気センサで検知する磁界の強さの範囲を最も狭くすることとなり、最も好ましい態様といえる。また、この場合には入力範囲３の中で最も使用頻度の高い中央部の感度が最も高くなる点も大きな長所である。そして、各磁気センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ間の距離はｒ３すなわち〔（長辺の１／２）^２＋（短辺の１／２）^２〕の平方根の距離に該当するから、各磁気センサが磁界の強さを検知できる検知下限の距離をこの距離になるよう設定すれば、入力範囲３の大きさを最大にできる。

なお、磁気センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄに加えて、さらに四隅の位置にも磁気センサ１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈを設置するのであれば、さらに磁気センサで検知する磁界の強さの範囲を狭くすることができるため、より入力範囲３の大きい位置検知入力装置２０を製造することが可能となる（図３（ａ）参照）。

なお、上記の図１、図２の例は、入力媒体１０の入力範囲３が長方形の形状の場合を示したが、入力媒体１０の入力範囲３が正方形（図３（ｂ）参照）、円形（図３（ｃ）参照）、楕円形（図４（ｄ）参照）、菱形（図４（ｅ）参照）などであってもよく、とくに限定されない。これらの場合も長方形の場合と同様に、磁気センサ１６を周囲に均等の間隔で配置するのが最も好ましい態様である。

磁気センサ１６としては、透明基材７の側面に設置できるよう小型で省スペースのＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）やホール素子、磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子などが挙げられる。その中でも、とくに磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子は、検出感度が高くかつ検出範囲が広いため最も好ましい。磁気インピーダンス効果とは、磁性体にＭＨｚ帯域の高周波電流を流すと、磁性体の両端間のインピーダンスが外部磁界により変化して両端間の電圧の振幅が変化する現象であり、数ガウス程度の微小な外部磁界でも数十％も変化する特性がある。

ただし上記磁気センサ１６は、少なくとも２〜５０ガウスの検知範囲を含む磁気センサを選定するのが好ましい。この検知範囲を全て含む磁気センサであれば、検知範囲の下限が２ガウスより低くなくても(つまり検知範囲がこれより広くなくても)、高い磁力を発生する磁石１２を選定すれば、どの入力位置においても位置検知が充分可能であるからである。逆に、検知下限が低い(つまり高感度の磁気センサであっても)、上記の検知範囲を全く含まない（つまり上限が２ガウス未満の）磁気センサの場合には、磁気シールドをしないと地磁気の磁界の強さ（約０．５ガウス）によりノイズが発生し、位置検知ができなくなってしまう場合があるからである。

入力媒体１０としては磁石１２を内蔵したタッチペンなどが挙げられるが、磁石１２を指輪のように嵌めた人の指など、適度の磁界を発生できるものであればいずれの媒体であっても構わない。ただ、磁界を発生させる磁石１２はできる限り入力媒体１０の先端部に取り付けるのが好ましい。磁石１２が入力媒体１０の先端部から離れた場所に取り付けられると、入力媒体を立てて行った場合と寝かせて行った場合とで位置が異なって検知されてしまう場合があるからである。磁石１２としては、エネルギー積の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石が挙げられる。なお、以上の説明では平面上における磁石１２の二次元的な位置の検出を求めることしか述べていないが、立体的に磁気センサ１６を配置することにより入力媒体１０の位置を三次元的に求めることも可能である。

また位置検知入力装置２０は、磁気センサモジュール５が、上面中央部に窓部を有する透明基材７からなり、該透明基材７の上面外枠部又は下面外枠部に加飾層１１０が形成され、該加飾層１１０によって磁気センサ１６が隠蔽される構造になるようにしてもよい（図５参照）。このような構造にすれば、磁気センサ１６を多数設置したとしても、加飾層１１０で磁気センサ１６を全て覆うことができるので、外観には影響なく意匠性にすぐれた位置検知入力装置２０とすることができるからである。

加飾層１１０は、磁気センサを隠し外観意匠としての役割を果たす絵柄層の他に、磁石以外からくる磁界の強さ(例えば、地磁気など)から磁気センサを保護するための磁気シールド層を設けてもよい。絵柄層は、ポリビニル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリエステルウレタン系樹脂、セルロースエステル系樹脂、アルキッド樹脂などの樹脂をバインダーとし、適切な色の顔料又は染料を着色剤として含有する着色インキを用いるとよい。また、着色剤としてアルミニウム、チタン、ブロンズ等の金属粒子やマイカに酸化チタンをコーティングしたパール顔料等を用いることもできる。絵柄層の形成方法としては、グラビア、スクリーン、オフセットなどの汎用印刷法や各種コート法、塗装などの方法がある。

磁気シールド層としては、金属薄膜などからなる層が挙げられ、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、鍍金法などで形成するとよい。金属薄膜の材質としては、アルミニウム、ニッケル、金、白金、クロム、鉄、銅、スズ、インジウム、銀、チタニウム、鉛、亜鉛などの金属、これらの合金又は化合物を使用できる。とくにニッケルを主成分とする高透磁率合金は磁気シールド特性が高く非常に有用である。磁気シールド層の表面はシールド性が有効に確保できるよう膜厚２０ｎｍ〜２０μｍの膜にすることが好ましい。磁気シールド層の膜厚が２０ｎｍ未満になるとポンホールや透けが多くなりがちになりシールド性が低下し、また磁気シールド層の膜厚が２０μｍを超えれば、それ以上厚くしても効果が上がらず生産性が低下するだけだからである。

透明基材７の材質は、ポリスチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＮ樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂のほか、各種エンジニアリング樹脂を使用することができる。さらに、ガラス繊維や無機フィラーなどの補強材を添加した複合樹脂であってもよい。また、多少着色されていてもよい。

磁気センサモジュール５の製造方法としては、例えば成形同時転写法が挙げられる。すなわち、まず基体シート上に加飾層を形成した転写シートを作成し、該転写シートを可動型と固定型とからなる射出成形金型内に転写層を内側にして、つまり、基体シートが固定型に接するようにセットして型締めする。型締め後は、該転写シートの加飾層の形成面から溶融した透明射出成形樹脂を射出成形金型内に充填し、冷却後、前記射出成形金型を開いて樹脂成形品を取り出し、基体シートを剥離すれば基体シートと加飾層との境界面で剥離が起こり、透明基材の上面に加飾層が形成され、磁気センサモジュール用加飾成形品が得られる。次いで、磁気センサモジュール用加飾成形品の所定の位置に磁気センサを設置すれば磁気センサモジュールが得られる。

なお、磁気センサモジュール５の製造方法は、上記の成形同時転写法に限定されるわけではない。例えば、転写シートを加飾層側が接するよう透明基材の上面にセットし、シリコンラバーからなる熱ロールを備えた転写機を用いて基体シートの背面から温度８０〜２６０℃程度、圧力５０〜２００ｋｇ／ｍ^２程度の条件で押圧する方法により、加飾層を透明基材の表面に形成してもよい。あるいは、基体シートを剥離せずオーバーレイフィルムとして透明基材の上面に残すようにしてもよい。あるいは、転写シート等を一切作製せず、汎用の印刷方法やインクジェットなどの方法によって透明基材の表面に直接、加飾層を形成してもよい。

（１）磁気センサモジュールの作製
基体シートとして厚さ３８μｍのポリエステル樹脂フィルムを用い、基体シート上に加飾層としてビニル系樹脂からなる絵柄層をグラビア印刷法にて形成し、その上に真空蒸着法により膜厚８０ｎｍのアルミニウムからなる磁気シールド層を形成して転写シートを得た。次いで、この転写シートを用い、射出成形金型内に加飾層を内側になるようにセットして型締めし、加飾層形成面から溶融したアクリル系樹脂からなる透明射出成形樹脂を射出成形金型内に充填し、冷却後、前記射出成形金型を開いて樹脂成形品を取り出し、基体シートを剥離したところ、磁気センサモジュール用加飾成形品が得られた。

得られた磁気センサモジュール用加飾成形品は入力範囲が、長辺方向１０ｃｍで短辺方向７ｃｍの長方形の透明窓で、その透明窓の外枠を加飾層が０．５ｃｍの巾で囲む挟額縁のパターンの磁気センサモジュール用加飾成形品であった。そして、前記加飾層が形成された外枠の各辺の中央部の下面の位置、計四箇所にそれぞれ一個づつ加飾層にて覆い隠されるような構造になるようにして磁気センサを設置し、磁気センサモジュールを作製した。

（２）位置検知入力装置の作製と評価方法
最も入力媒体の磁石から近い場所にある磁気センサを除いた残りの磁気センサの磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する算出手段が含まれている計算部を作製し、この計算部と上記磁気センサとを接続し、磁気センサで検知された信号を瞬時に計算部に送り、計算部での算出手段で磁界の強さとその方向から磁界が発せられた位置を瞬時に計算できるように設定して、位置検知入力装置を作製した。得られた位置検知入力装置の入力範囲に先端に磁石のついたタッチペンをタッチし、タッチペンのタッチした位置が検知可能か否かテストした。テスト箇所は入力範囲の中央部および四隅、および各磁気センサ近傍の四辺中央部の計九箇所を選び各３回ずつタッチし測定した。

（３）位置検知入力装置としての評価結果
上記テストの結果、入力範囲の中央部にタッチした場合は各短辺方向中央部の二個の磁気センサで各々１６．２ガウス、１６．１ガウスの磁気の強さを検知し、四隅にタッチした場合はそのタッチ位置に近い短辺方向中央部の磁気センサで１６．２ガウスの磁気の強さを検知し、磁気センサ近傍の四辺中央部にタッチした場合はそのタッチ位置に近い両短辺方向中央部の二個の磁気センサで、各々５．４ガウスおよび５．３ガウスの磁気の強さを検知した。この各磁気センサで検知した磁界の強さの値とその方向から、上記いずれの箇所においてもタッチペンのタッチした位置を感度よく確認できた。

（１）位置検知入力装置の作製と評価方法
転写シートを一切作製せず、汎用のインクジェット装置を用いて予め成形された透明基材の表面に直接、加飾層を形成した他は、実施例１と同様の方法によって、入力範囲が、長辺方向１５ｃｍで短辺方向１０ｃｍの長方形の透明窓で、その透明窓の外枠を加飾層が０．５ｃｍの巾で囲む挟額縁のパターンの磁気センサモジュール用加飾成形品を作製した。そして、そして、前記加飾層が形成された外枠の各辺の中央部の下面の位置四箇所および加飾層が形成された外枠の四隅、計八箇所にそれぞれ一個づつ加飾層にて覆い隠されるような構造になるようにして磁気センサを設置して、磁気センサモジュールを作製した。そして実施例１と同様にして位置検知入力装置を作製し、評価した。

（２）位置検知入力装置としての評価結果
上記テストの結果、入力範囲の中央部にタッチした場合は各長辺方向中央部の一個の磁気センサと短辺方向中央部の二個の磁気センサで各々３７．２ガウス、３７．１ガウスの磁気の強さを検知し、四隅にタッチした場合はそのタッチ位置に近い短辺方向中央部の磁気センサで３７．１ガウスの磁気の強さを検知し、磁気センサ近傍の四辺中央部にタッチした場合はそのタッチ位置に近い四隅の二個の磁気センサで、各々１６．４ガウス、１６．５ガウスの磁気の強さを検知した。この各磁気センサで検知した磁界の強さの値とその方向から、上記いずれの箇所においてもタッチペンのタッチした位置を感度よく確認できた。

本願発明は、液晶パネルなどの映像画面を設けるような携帯電話やＰＤＡ、小型ＰＣ、などの入力デバイスに適用できる位置検知入力装置の発明である。

３ 入力範囲
５ 磁気センサモジュール
７ 透明基材
１０ 入力媒体
１２ 入力媒体１０に組み込まれた磁石
１６ａ〜１６ｈ 磁気センサ
１８ 入力媒体１０の位置を算出する計算部
２０ 位置検知入力装置
１１０ 加飾層
ｒ１〜ｒ３ 各磁気センサから磁石までの距離
Ｈ１〜Ｈ４ 各磁気センサで検知した磁界の強さ

Claims (6)

1. 磁石を内蔵した入力媒体と、前記入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを検知する複数設置された磁気センサと、前記磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する計算部とを備えた位置検知入力装置であって、
   前記計算部は、最も入力媒体の磁石から近い場所にある前記磁気センサを除いた残りの前記磁気センサの磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する算出手段を含む、位置検知入力装置。
2. 前記磁気センサ間の距離が、前記磁気センサが磁界の強さを検知できる検知下限の距離よりも短い距離となるように設定された請求項１記載の位置検知入力装置。
3. 前記位置検知入力装置の入力範囲が長方形の形状であって、前記磁気センサが各辺の中央の外枠に設置されている請求項１又は請求項２記載の位置検知入力装置。
4. 前記磁気センサは、検知範囲が２ガウス〜５０ガウスである請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置検知入力装置。
5. 前記位置検知入力装置の磁気センサモジュールが、上面中央部に窓部を有する透明基材からなり、前記透明基材の上面外枠部又は下面外枠部に加飾層が形成され、前記加飾層によって前記磁気センサが隠蔽される構造になっている請求項１から請求項４のいずれかに記載の位置検知入力装置。
6. 入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、前記磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する位置検知算出方法であって、前記磁気センサが複数個設置され、その最も入力媒体の磁石から近い場所にある前記磁気センサを除いた残りの前記磁気センサで磁界の強さを検知し、その磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する位置検知算出方法。

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