JPH0571705U - 位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 解像度が高くまたその電子回路が極く簡単で
寸法が限られた位置センサを得る。 【構成】 位置センサは（２つの座標ｘ，ｙの夫々に対
して）0.1 mmまたはそれ以下の間隔を有して平行に延在
する光導体（1x, 2x；1y, 2y) の２つの層（ 31,33）よ
り成り、この２つの層の距離は略々５μm である。光導
体が埋込まれた支持体（3x, 3y) に力を加えることによ
って、光導体は幾何学的に変形され、この変形は、２つ
の局所的に変形された光導体間の光結合の変化を生じ、
かくして一方の光導体から他方の光導体への検出可能な
光の転送を生じる。一方の層を光源につなぎ、他方の層
を検出器につなぐことにより、力感応位置センサが電子
光学的手段によって構成される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、光学手段を用い、位置センサを押す指示部材の先端の位置に応じた 電気信号を発生する位置センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

この種の位置センサはエス・タムラ（S. Tamura)外による「アプライド オプ ティクス」（「Applied Optics」) の1980年１月１日発行No.11 vol.９に記成さ れている。このセンサは、発光ダイオードと検出ダイオードの列で取囲まれた１ つの平坦な方形の板で形成されている。この平坦な板上の指示部材の先端例えば 尖筆が、ダイオードの列によって所定の順序で照射される対向位置のダイオード によって検出される光を“しゃ断”する。各ホトダイオードは所謂コヒーレント な検出回路に接続されねばならず、したがって、適当な解像度を有する手ごろな 大きさの位置センサは高価な装置となる。更に位置センサの解像度と絶対寸法は 、ホトダイオードの低い方向性感度と必要な最小Ｓ／Ｎ比によって制限される。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の目的は、選択すべき比較的大きな表面積に対して高い解像度を有し、 またその電子回路が極く簡単で小形な位置センサを得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

この目的に対し、本考案の位置センサは次の点を特徴とする、光学的手段を用 い、位置センサを押す指示部材の先端の位置に応じた電気信号を発生する位置セ ンサにおいて、位置センサは、光導体の屈折率よりも小さな屈折率の光伝導支持 材内に埋込まれた少なくとも２つの層の光導体を有し、両層の光導体は互いに平 行に延在し、各層内の光導体の間隔は、２層内で対向して位置する２つの光導体 間の距離よりも少なくとも５倍大きく、第１の層の光導体は光源に接続され、一 方第２の層の光導体は光検出装置に接続される。

【０００５】 この力感応位置センサにおいては、筆記具の先端の位置は、２つの光導体間に 光の転送が行われることによって検出される。前記のような構成にしたことによ り、非常に細い光導体（２〜３μm 台の直径）を用いることによって極めて高い 解像度が得られ、筆記具の先端の位置をこのような光導体間の光の転送の検出に よって求めることができる。

【０００６】

【実施例】

以下本考案を図面の実施例を参照して詳細に説明する。 図１は、直交座標系Ｘ−Ｙ−ＺのＹ方向に延在するガラスまたはプラスチック の光導体１および２を示す。この光導体１と２は透明材料の支持体３に埋込まれ 、Ｚ方向に見て略々５〜10μm の間隔で上下に重なっている。光導体１と２自体 は３〜５μm の直径をもつ。これ等すべての寸法は例示であって、使用する光の 波長によって決まるのは云う迄もない。光導体１と２の屈折率はこれ等の光導体 １と２を取囲んでいる支持体３の材料の屈折率よりも僅かに大きい（≦１％）。 光５はダイオード４によって光導体１に照射される。通常の状態では光５は光導 体１内を通ってその端部１′から出る。力Ｆが支持体３に加えられて実際に局所 的な幾何学的変形が生じると、光導体１と２の間の光学的結合が変化し、導体１ の外側に伝搬する光の部分も変化する、即ちその部分は導体２内を伝搬する。光 導体２の端部２′より出る光５′はホトダイオード６によって検出される。光導 体１と２の間の光学的結合の程度は、光導体の形、寸法、例えば間隔、屈折率、 使用光の波長λ等に複雑に依存する。“波伝搬の擾乱”現象のモデルおよびその 前記のパラメータへの依存性は「フィリップス ジャーナル オブ リサーチ」 （「Philips Journal of Research 」) のvol. 33, No.5/6 1978年254 〜263 頁 にD. Tjaden 氏によって既に記載されている。

【０００７】 Ｘ方向より見て、光導体対が（Ｚ方向に重なりＹ方向に延在する）Ｚ方向の間 隔（ΔＺ≒５〜10μm ) に比して大きな間隔ΔＸ（≒100 μm ) で支持体３内に 隣接して配設されると、光が関連の光導体に照射された時、力Ｆが支持体３に加 えられた区域において、導出された光導体２上に光信号を（Ｘ方向からみて）発 生するＸ位置センサが得られる。支持体３は先ず第一に光導体１と２を互に正確 な距離に保って光がその間に転送されることができるようにする役をし、また光 導体を機械的に保護する役もする。

【０００８】 図2aは位置センサの構造を線図的に示す。第１の層Ｉには、Ｙ方向に延在する 導体列がＸ方向に列べられる。層IIには、前記の第１の層の光導体と平行に延在 する光導体列がある。層Ｉの各光導体は、図１によりわかるように、層IIの導体 と（Ｚ方向よりみて）正確に重なっている。図2aの層III とIVは方向（Ｘ方向） を除いては前記の層ＩとIIに同じである。層III とIVの光導体は層I とIIの光導 体に対して直角方向に向いている。必要ならば、層III とIVの光導体の間隔を層 I とIIの光導体の間隔と違えてもよい。層IIの光導体2xの端は束ねられ、ホトダ イオード6xに供給される。同様に層IVの光導体2yの端部も束ねられ、ホトダイオ ード6yに供給される。けれども層ＩとIII の光導体1xと1yの端部は、正しい順序 で隣接して配される。４つの層のスタックのＰ点に力が加えられ、光導体1xと1y が交互に照射されると、点Ｐが丁度下またはこの点に十分に接近した光導体1xと 1yまたはその一方が照射されれば、ホトダイオード6xと6yまたはその一方は光導 体2xと2yより出る光信号を検出する。このような位置センサは高い解像度（≧10 ライン／mm) を有し、書込みまたはドローイングタブレットとして極めて適して いることがわかるであろう。というのは、光導体はこのような間隔をとることが でき、普通の筆記具（例えばボールペン）の先端は同程度の大きさの直径の面上 に力を及ぼすからである。

【０００９】 図2bは図2aに示した位置センサまたは書込みタブレットの積層状構造の断面（ 寸法比は無視してある）を線図的に示したものである。

【００１０】 層ＩとII, III とIVが夫々位置する支持体3xと3yの厚さは≒100 μm である。 各支持体3xと3yは３層を有する、即ち夫々厚さが≒50μm の第１の層31と第３の 層33と、厚さが≒５μm で前記の第１と第３の層で挟まれた第２の層32である。 層31内の光導体1xと層33内の光導体2xとは、これ等の層の第２の層32に隣接する 側に配設される。同様に、光導体1yと2yは支持体3yの挟まれた層32の両側に配さ れる。代りに光導体を第２の層32内に形成することも可能である。この場合には 光導通路を公知の技法〔例えばクラレンドン プレス、オックスフォード（Clar encdon Press, Oxford) 発行、H.G. Unger著「プレイナ オプティカル ウェー ブ ガイヅ アンド ファイバーズ」（「Planar Optical Wawe Guides and Fib ers 1977年」３章参照〕で両側に形成した第２の層（例えば厚さ15μm ) が用い られる。位置センサまたは書込みタブレットは僅か10分の２〜３ミリメートルの 厚さを有しまた透明なので、このセンサまたは書込みタブレットは、弾性材料で つくられた場合には、例えばコンピュータ端末機の表示スクリーンに対して直接 に配することができるので、コンピュータとの直接な会話が可能である。

【００１１】 既に述べたように、加えた力Ｆの位置Ｐは光導体1xと1yとを１つずつ照射し光 導体2xおよび2yの各グループの１つで捕捉された光を検出することによって求め ることができる。光導体1xと1yが周期的に照射されれば、光導体2xと2yの出口で 光が検出された期間の時点によって位置Ｐが決まる。

【００１２】 図３は前述した様式の位置検出機構の１つの実施例を示す。光導体1xは１列に 並べられ、回転プリズムＳを経て光導体の端に反射される光ビームλで照射され る。光ビームλの位置（実際には照射された光導体の位置）を知るために、前記 のプリズムＳはパルス発生装置PGと機械的に連結されている。パルス発生装置PG は円板TSを有し、この円板は、プリズムＳと同期的に回転し、ホトダイオードお よび発光ダイオードFDと共働してパルスを発生し、発生されたパルスはカウンタ Ｃ_x に加えられる。カウンタＣ_x の位置は、プリズムＳの位置の尺度にしたがっ てその時点に照射された光導体1xの位置の尺度である。位置センサまたは書込み タブレット10の点Ｐに力が加えられると、検出トランジスタＤは、光導体1xが点 Ｐの下を延長していれば、束ねられた導出光導体2xを経て光のパルスを受ける。 次いでトランジスタはバッファＢ_x に制御パルスを加え、この結果カウンタＣ_x の位置はバッファＢ_x に送られる。このバッファＢ_x は、光導体1xの１つから１ つの光導体2xへの光の転送が行われたカウンタ位置を有するので、位置（Ｘ方向 の）を示す。云う迄もなく、ｙ位置の決定には同様な光−機械的な解読装置が用 いられる。回転プリズムＳとパルス発生装置PGの代りに、光導体1xの列を照射す るために例えばミラーをその上に取付けた圧電結晶を用いてもよい。この場合圧 電結晶の制御電圧が光ビームλの位置の尺度したがって照射された光導体1xの位 置の尺度である。云う迄もなく全照射および検出機構は完全に逆にされ、この場 合束ねられた光導体2xが照射され、光導体2xが加圧点Ｐの位置を検出するために 逐次サンプルされる。この目的に対してはトランジスタＤを光源Ｌの位置に配し 、光源ＬをトランジスタＤの位置に配すればよく、トランジスタＤの出力はバッ ファＢ_x の制御入力に接続されたままであることは云う迄もない。

【００１３】 図４は本考案の位置センサ20の位置解読装置の別の実施例を示す。第１の層の 光導体1xは束ねられ、発光ダイオードLDで照射される。位置センサ20の導出光導 体2xは、速度ｖで移動する感光テープ30の移動方向Ｖに対して直角に延在する１ つの列内に配され、その端部はテープの表面に垂直に向けられている。発光ダイ オードLDにより出される光パルス（放射周波数ｆ）は、移動方向Ｖよりみるとｖ ／ｆの間隔でテープ30上に露光（色のついた）点を生じる。テープ30上の露光点 の位置（方向Ｖの直角方向からみた）は、位置センサ20上の加圧点Ｐによって決 まる。わかり易くするために、位置センサ20上には曲線21が示されており、この 曲線上には、筆記具によって位置センサ20に曲線を描いた時にテープ30上に露光 点Ｐ′を生じる点Ｐが示されている。筆記具の先端を動かさないでいると光点は 続いて同じ位置（方向Ｖの直角方向からみて）に書かれることに留意すべきであ る。例を挙げれば、図４では筆記具は曲線21の始めと終りで不動に保たれ、した がってテープ30上には点Ｐ″と

【外１】 が生じる。云う迄もなく図４ではｘ座標しか決まらない。各ｘ座標に関係したｙ 座標は同様にして求めることができる。光導体2yの端部の列を光導体2xの列の延 長上に配し、テープ30上のＶ方向に直角方向に延在する１つの線上にｘ座標と関 連のｙ座標とを求めることができるようにするのが有利である。このように形成 されたテープ30は普通の穿孔テープと同じようにしてコンピュータ装置のデータ 入力に用いることができる。

【００１４】 図5aは本考案の位置センサまたは書込みタブレット100 の好ましい実施例を示 す。やはり１次元の決定しか示してないが、２次元の決定は図示の素子を２つに することによって行うことができる、即ち素子の付加されたグループは図5aのよ うに光導体Ａ１−Ａ３とＡ′１−Ａ′３，Ｂ１−Ｂ３とＢ′１−Ｂ′３およびＣ １−Ｃ３とＣ′１−Ｃ′３に接続される。書込みタブレット100 と関連素子とは 可動部分（図３および図４におけるように）を含まず、コンピュータに入力する のに適したディジタル電気出力信号を出力Ｔ_1-4 に生ずる。導入および導出され る光導体Ａ′１−Ａ′３，Ｂ′１−Ｂ′３，Ｃ′１−Ｃ′３とＡ１−Ａ３，Ｂ１ −Ｂ３，Ｃ１−Ｃ３は、発光ダイオードLD1 −LD3 の数および検出器D1−D3の数 が制限されたままであるに拘らず水平および垂直方向に未だ高い解像力がＡ−４ 判（≒29.7×21cm) 上に得られるように特別な方法でグループに細分される。図 で照射される９個の光導体Ａ′１−Ａ′３，Ｂ′１−Ｂ′３，およびＣ′１−Ｃ ′３は、３個の隣接した導体の３つのグループに分けられる。光導体のグループ Ａ′１−Ａ′３，Ｂ′１−Ｂ′３およびＣ′１−Ｃ′３，復号回路DEC に接続さ れた光源LD1 −LD3 によってパルス状に交互に周期的に照射される。復号回路DE C の入力は、周期的に制御パルスClk を受ける２進カウンタＣの出力に接続され ている。関連したカウンタ位置から、回路DEC はどの光源LD1, LD2またはLD3 （ 実際にはどの光導体グループＡ′１−Ａ′３，Ｂ′１−Ｂ′３またはＣ′１−Ｃ ′３）が照射されるべきかを決定する。

【００１５】 照射される光導体Ａ′１−Ａ′３，Ｂ′１−Ｂ′３およびＣ′１−Ｃ′３には 、導出された光導体A1−A3, B1−B3およびC1−C3が結び付けられ、これ等の光導 体は所属の被照射光導体からだけ光を受けることは云う迄もない（図１参照）。 導出された光導体A1−A3, B1−B3, C1−C3も３つずつの３グループに分けられる 、即ち１の添え字をもつ光導体（Ａ，Ｂ，Ｃ）は第１のグループに属し、一方添 え字２および３をもつ光導体（夫々A2, B2, C2およびA3, B3, C3) は夫々第２お よび第３のグループを形成する。これ等の各グループは検出トランジスタD1, D2 およびD3に接続される。光源LD1 による光パルスの照射後検出トランジスタD1が 光パルスを検出した場合は、Ａ′グループの光導体から添え字１のグループへの 光の転送が行われている。光源LD2 が光パルスを照射した後光パルスが検出トラ ンジスタD2で検出された場合には、光の転送がグループＢ′の光導体から添え字 ２のグループへの光導体に行われている。光源LD1 −LD3 の付勢データ（カウン タＣの位置）と検出された光パルスのデータ（検出器D1−D3) との組合せにより 、光の転送の正確な位置（図５に示した装置では少なくともＸ方向における）が 求められる。

【００１６】 位置を２進数（コンピュータ入力）の形で得るのが有利である。したがって、 検出トランジスタD1−D3の出力は、端子T3, T4に２進数を発生する符号化回路DB C に接続され、この２進数は、光パルスを検出したトランジスタの添え字に相当 する。図5aの接続DCは実際は図5bに一部を詳細に示したダイオードDCで形成され ている。検出トランジスタD3が導通すると、出力端子T3とT4は「高」である。カ ウンタの出力および符号化回路DBC の出力は、書込みタブレット100 上の光の転 送を正確に形を変えて表わしたものである。

【００１７】 夫々３つの光導体を有する３つのグループを有する前記の実施例は１つの例を 示したにすぎない。実際には、各層内には32の光導体の32グループがＸ−方向お よびＹ−方向に使用される（Ａ−４判に対してはこれは0.3 ×0.3 mm以上の解像 度になる）。Ｎ² ×Ｎ² の検出位置に対し、２Ｎの光源と２Ｎの光検出器した必 要としない。Ｎを32とすれば（前記の例）、カウンタＣは５ビット（T1−T5) の 範囲迄計数できねばならず、復号回路DEC は２つの1/16（“one-out-of-sixteen ”) Ｘ復号回路をもたねばならない。符号化回路DBC は、数32₁₀を２進数に変え るのに必要なので５つの導出線（T5−T10)を有する。この場合位置Ｘは10ビット 数として与えられる。Ｙ−座標に対する位置も同様である。ｘ−方向とｙ方向の 光源の付勢を同時に行うようにしてもよく、したがって１点（ｘ，ｙ）のＸ位置 の数の一部（カウンタで形成された）はその点（ｘ，ｙ）におけるｙ位置の数の 相当部分と同じであるということに留意すべきである。したがって、点（ｘ，ｙ ）の座標は15ビットのワード（前記の例の場合）で正確に決めることができる。 更に、クロックパルスClk の周波数は、最大の解像度を維持しながらの最大書込 みまたは線引き速度を決めるものであることも留意すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本考案の位置センサの原理図、

【図２】図2aは本考案の位置センサの一実施例の略線
図、図2bは図2aの位置センサの一部の断面略線図、

【図３】図３は本考案の光−機械的位置センサの解読装
置の略線図、

【図４】図４は本考案の光−機械的位置センサの解読装
置の別の実施例の略線図、

【図５】図5aは本考案の光−電子的位置センサの解読装
置の実施例の略線図、図5bは図5aの符号化回路の一部の
拡大図である。

【符号の説明】

1, 2, 1x, 2x, 1y, 2y 光導体 3, 3x, 3y 支持体 ４ 発光ダイオード 6, 6x, 6y ホトダイオード I, II, III, IV 層 10 書込みおよびドローイングタブレット 20 位置センサ 30 感光テープ Ｂ_x バッファ回路 Ｃ_x カウンタ Ｄ 検出トランジスタ FD ホトダイオード LD 発光ダイオード Ｓ 回転プリズム TS 円板 PG パルス発生装置 λ 光ビーム

Claims (8)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的手段を用い、位置センサを押す指
   示部材の先端の位置に応じた電気信号を発生する位置セ
   ンサにおいて、位置センサは、光導体の屈折率よりも小
   さな屈折率の光伝導支持材内に埋込まれた少なくとも２
   つの層の光導体を有し、両層の光導体は互いに平行に延
   在し、各層内の光導体の間隔は、２層内で対向して位置
   する２つの光導体間の距離よりも少なくとも５倍大き
   く、第１の層の光導体は光源に接続され、一方第２の層
   の光導体は光検出装置に接続されたことを特徴とする位
   置センサ。
2. 【請求項２】 位置センサは更に、第１の層と第２の層
   と同じ様に光伝導支持材内に埋込まれた第３(III) と第
   ４(IV)の光導体の層を有し、第３の層内の光導体は、第
   ４の層内の光導体に対し、第１の層内の光導体が第２の
   層内の光導体に対して配置されたと同様にして配設さ
   れ、第３と第４の層の光導体は第１と第２の層内の光導
   体に対して直角方向に向けられ、これ等の層は互に平行
   である請求項１項記載の位置センサ。
3. 【請求項３】 光源に接続された光導体の端部は、感知
   手段によって光源で逐次照射される請求項１から３の何
   れか１項記載の位置センサ。
4. 【請求項４】 光検出装置に接続された光導体の端部は
   感知手段によって光検出装置に逐次接続される請求項１
   から３のいずれか１項記載の位置センサ。
5. 【請求項５】 １つの層内の光導体は、１つの光源で逐
   次照射されるグループに分けられた請求項１から３のい
   ずれか１項記載の位置センサ。
6. 【請求項６】 光検出装置は幾つかの検出素子を有し、
   １つの層内の光導体はこれに対応した数のグループに分
   けられ、光導体の各グループは関係の検出素子に接続さ
   れた請求項１から３の何れか１項記載の位置センサ。
7. 【請求項７】 光導体の第１の層は隣接光導体の幾つか
   の数の同じ大きさの隣接グループに分けられ、その数は
   各グループ内の光導体の数と等しいかまたはその整数倍
   であり、光導体の第２の層は同数のグループに分けら
   れ、第２の層の第１グループは、第１の層の各グループ
   の第１の光導体に対向して位置する光導体より成り、第
   ２の層のｎ番目のグループは、第１の層の各グループの
   ｎ番目の光導体に対向して位置する光導体より成り、こ
   の場合Ｎを第１の層の１つのグループの光導体の数とす
   ると１≦ｎ≦Ｎである請求項６または７項記載の位置セ
   ンサ。
8. 【請求項８】 光導体の各グループは、異なる層の光導
   体の対応したグループと共に同じ光源に接続された請求
   項６または７項記載の位置センサ。