JPH09212294A - ジョイスティック装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作レバーの操作量と操作方向とを非接触で
検出できるようにする。 【解決手段】 外ケース２の上部を貫通するように設け
られた操作レバー３は、支持部２ａで回動操作可能とさ
れ、傾斜角度と傾斜方向で操作量と操作方向とを設定す
る。この操作レバー３の下端部には透光板４が固定され
る。透光板４は、所定厚さ寸法で屈折率がｎの平板状を
なす透明な板である。この透光板４を挟んで光線Ｐを投
光するＬＥＤ５とこの光線Ｐを受光するＰＳＤ６がそれ
ぞれ配置されている。操作レバー３の回動操作に伴って
透光板４が傾斜すると、光線Ｐが透光板４によって屈折
される方向が変化し、これをＰＳＤ６により検出すれば
対応する操作方向と操作量とを非接触で検出することが
でき、耐久性の向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、操作棒の操作量と
操作方向とを検出するジョイスティック装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】ジョイスティック装置
は、操作レバー（操作棒）の二次元的な動きを検出する
ように構成されたもので、その操作レバーの操作方向と
操作量を電気的に検出して操作の制御信号などに利用す
る入力装置の一つである。この場合、操作レバーの操作
量および二次元的な操作方向を検出するために、従来で
は、二次元的に配置された抵抗体により操作レバーの移
動に伴って摺動しながら移動するブラシ部材などを設け
て構成した所謂抵抗ポテンショメータ方式のものがあ
る。

【０００３】これにより、例えば、表示画面を見ながら
画面上のカーソル等を所望の方向に移動させるべく、操
作レバーを傾けるように操作すると、その操作レバーの
傾斜された方向と傾き角度とにより、操作方向と操作量
とが設定されることになり、これを電気的信号として検
出して対応する操作方向および操作量を検出して対応す
る制御を行うことができるようにしたものである。この
ようなジョイスティック装置は、使用者が表示画面を見
ながら視覚的に捉えた操作方向や操作量を操作レバーに
より操作して制御することができるので、迅速且つ簡単
に入力処理を行うことができるものである。

【０００４】ところが、このような抵抗ポテンショメー
タ式のジョイスティック装置では、操作方向および操作
量を操作レバーの操作に応じて移動するブラシ部材の位
置を抵抗体に接触した状態でその接触した位置の電位を
検出することにより得る構成であるため、長期間の使用
に対して抵抗体やブラシが摩耗して特性変動が生じたり
あるいは摩耗粉による雑音の発生で検出電位が変動する
など、耐久性に問題があった。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、簡単且つ安価な構成としながら操作棒
の頻繁な操作に対しても耐久性に優れる特性を得ること
ができるようにしたジョイスティック装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のジョイスティッ
ク装置は、支点を回動中心として傾倒操作可能に設けら
れ二次元方向に対応した操作量および操作方向の設定が
可能な操作棒と、所定厚さ寸法の平板状の透光性部材に
より形成され前記操作棒に固定された屈折部材と、この
屈折部材の面に向けて所定角度から投光する投光素子
と、この投光素子と前記屈折部材を挟んで対向する位置
に配置され、前記投光素子から前記屈折板を介して入射
する光を受けてその受光位置に応じた受光信号を出力す
る位置検出素子と、この位置検出素子からの受光信号に
基づいて前記操作棒の操作量と操作方向に対応した信号
を検出する検出手段とを設けて構成したところに特徴を
有する。

【０００７】上記構成によれば、投光素子から出力され
る光線は屈折部材を介して位置検出素子に入射されるよ
うになる。このとき、屈折部材は、操作棒に一体に固定
されているから、操作棒の操作に伴って回動支点を中心
として回動するように移動するようになる。すると、投
光素子から出力されて屈折部材に入射する光線は、屈折
部材の入射面で屈折するときに、そのときの操作棒の操
作量と操作方向に対応した方向に屈折されるようにな
る。この光線が屈折部材から出る時に再び屈折してもと
の投光素子の光線の方向と同じ方向に屈折された状態と
なって位置検出素子の受光面に受光されるようになる。

【０００８】位置検出素子の受光面においては、操作棒
が操作されていない状態における基準位置での受光点に
対して、操作棒が操作された状態で受ける光線の受光位
置がその操作方向および操作量に応じて異なるので、そ
の二次元的な位置を検出することにより、その検出位置
と基準位置との間の距離と方向が操作量と操作方向に対
応した信号として検出することができるようになる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
いて、図１ないし図５を参照しながら説明する。全体構
成の概略を示す図１および図２において、基板１の上部
には矩形容器状をなす外ケース２が装着されている。こ
の外ケース２の上面部には操作棒としての操作レバー３
が設けられている。この操作レバー３は、上端部に球状
をなすグリップ３ａが固定されると共に、中央部付近に
支点となる球状の支持部３ｂが形成されている。

【００１０】そして、この支持部３ｂは外ケース２の上
面部に形成された保持部２ａに受けられるようにしては
め込まれた状態で支持されており、操作レバー３の操作
に応じて支持部３ｂと保持部２ａとが摺動するようにな
っている。これにより、操作レバー３は、グリップ３ａ
を手で操作することにより、回動操作してその傾きの度
合いと傾ける方向とにより操作量と二次元的な操作方向
とを設定することができるようになっている。

【００１１】操作レバー３の下端部には屈折部材として
の透光板４が固定されている。この透光板４は、所定厚
さ寸法の平行平板状に形成された屈折率がｎ（例えば、
屈折率ｎ＝１．５）の透明な板であり、その端部におい
て操作レバー３に固定されている。

【００１２】外ケース２内の上面部には、透光板４の上
方に対応する位置に投光素子としてのＬＥＤ（発光ダイ
オード）５が配設されており、下方の投光板４に向けて
光線Ｐを出力するようになっている。また、ＬＥＤ５と
対向するようにして基板１には位置検出素子としてのＰ
ＳＤ（半導体位置検出素子）６が配設されている。この
ＰＳＤ６は、表面分割形に形成されたもので、その受光
面で受けた光の二次元的な位置に応じた検出信号を出力
するようになっており、演算回路に受光したときの検出
信号を演算することによりその受光位置を検出すること
ができる。

【００１３】図３は検出手段の電気的構成を示すもの
で、ＰＳＤ６の二次元的な位置を示す受光信号を電流信
号として出力する端子としてＸ方向およびＹ方向のそれ
ぞれに対応して出力端子Ｘ１，Ｘ２および出力端子Ｙ
１，Ｙ２が導出されている。そして、各出力端子Ｘ１，
Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２は電圧変換回路７，８，９，１０に接
続されており、電流信号が電圧信号に変換された状態で
出力されるようになっている。

【００１４】電圧変換回路７，８の各出力端子は、加算
回路１１および減算回路１２の各入力端子に接続されて
いる。また、電圧変換回路９，１０の各出力端子は、加
算回路１３および減算回路１４の各入力端子に接続され
ている。加算回路１１および１３の各出力端子は加算回
路１５の入力端子に接続され、その加算回路１５の出力
端子は電流調整回路１６を介してＬＥＤ５の通電経路に
接続されている。

【００１５】電流調整回路１６は、加算回路１５から入
力される電圧信号の値が所定値に一致するように出力電
流つまりＬＥＤ５への通電電流を調整するもので、これ
によってＰＳＤ６の受光量を常に一定となるように制御
するようになっている。そして、減算回路１２の出力端
子はｘ方向への偏差を示す信号を出力する端子ｘに接続
され、減算回路１４の出力端子はｙ方向への偏差を示す
信号を出力する端子ｙに接続されている。

【００１６】次に、本実施例の作用について図４および
図５も参照して説明する。まず、操作レバー３の操作方
向と操作量との検出原理について概略的に説明する。す
なわち、ＬＥＤ５から出力される回転軸３の軸方向に平
行な光線Ｐが透光板４に入射すると、図４に示すよう
に、屈折によりその進行方向が透光板４の内部側に曲げ
られ、この後透光板４から出るときに再び屈折をおこし
て曲げられ、結局、回転軸３の軸方向と平行な光線Ｐと
なって進行するようになる。しかし、このときに透光板
４を通過したために、その光線Ｐの位置は偏差距離δだ
けずれた位置となる。

【００１７】したがって、透光板４の上面側で入射した
光線Ｐは各位置でその傾きに対応した方向に屈折して下
面側に透過するので、もとの光線Ｐとは同じ方向である
が光路は偏差距離δだけずれることになる。このこと
は、操作レバー３の操作に伴って回動される透光板４の
傾斜方向および傾斜角度に対応して変化し、ＰＳＤ６に
受光する位置でみると、図５に示すように、透光板４の
傾斜に伴ってその光線Ｐの位置は、受光面の原点Ｏを中
心として偏差距離δだけずれた位置となる。

【００１８】さて、このような偏差距離δは、透光板４
の傾き角度θ，厚さ寸法ｈおよび屈折率ｎの値から次式
（１）のように計算することができる。すなわち、屈折
の法則にしたがって光線Ｐの透光板４内部での進行方向
を求め、透光板４内から出る位置を計算することにより
偏差距離δを求めることができる。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、操作レバー３の傾き角度θの範囲
が小さい場合を想定すると、次の近似を行うことができ
る。すなわち、角度θをラジアン単位に変換したときに
その値が「１」よりも十分に小さい値であるときには、
sinθの値はθの値とほぼ等しいと仮定することがで
き、 cosθの値は略「１」と仮定することができる。こ
れによって、式（１）のように示された偏差距離δの値
は、次式（２）のように簡略化した式で示すことがで
き、この結果、偏差距離δの値は角度θに比例する値で
あることがわかる。

【００２１】

【数２】

【００２２】これにより、上述の角度θの範囲が小さい
条件においては、偏差距離δが検出できれば、これに比
例した値として操作レバー３の操作角度θが検出でき
る。さて、この偏差距離δの値は、ＰＳＤ６から得られ
る信号がｘ方向およびｙ方向に対する偏差データである
から、これらｘ，ｙの値から次式（３）のように計算す
ることができる。また、操作方向を示す角度αの値につ
いては、同様にしてｘ，ｙの値から演算により次式
（４）のように求めることができる。

【００２３】

【数３】

【００２４】この場合において、式（４）中の角度αの
値は、ｘおよびｙの値の取る範囲に対応して、次のよう
な対応関係となる。

【００２５】

【数４】

【００２６】次に、ＰＳＤ６による入射光の受光位置を
示す上述のｘ，ｙの信号を得るための算出について説明
する。すなわち、ＰＳＤ６においては、図 に示してい
るように、ＰＩＮ構造を有するフォトダイオードであ
り、このフォトダイオードの受光面において入射された
光により光電流が生成されると、受光面内を流れて電極
Ｘ１，Ｘ２およびＹ１，Ｙ２から外部に出力されるよう
になる。このとき、表面分割形であるＰＳＤ６において
は、次式（５）および（６）によりｘ方向の信号とｙ方
向の信号を得ることができるようになっている。

【００２７】

【数５】

【００２８】なお、上式（５）および（６）において、
式中の分数で示す部分の分母に相当する値（Ｘ１＋Ｘ
２）および（Ｙ１＋Ｙ２）で示す受光量の値は、受光レ
ベルが常に一定の値となるように電流調整回路１６によ
りＬＥＤ５への電流を調整するようになっているので、
定数として扱っても差し支えないことになるから、検出
回路においては、減算回路１２および１４の各出力がそ
のままｘおよびｙの検出信号として出力されるようにな
っている。

【００２９】このような構成とすることにより、得られ
たｘ方向の信号およびｙ方向の信号に基づいて上述した
式（１）〜（４）で示す関係を利用して操作レバー３の
操作量と操作方向に相当する検出信号として偏差距離δ
および操作角度αの値を得ることができるようになる。

【００３０】このような本実施例によれば、操作レバー
３の操作に対して、この操作レバー３に固定された透光
板４を透過するＬＥＤ５の光をＰＳＤ６により受光して
その受光位置によって操作レバー３の操作量と操作方向
とを検出するので、操作レバー３の動作に対して非接触
で操作量および操作方向を検出することができるように
なり、長期間の使用に対する耐久性の向上を図ることが
できるようになる。

【００３１】図６および図７は本発明の第２の実施例を
示すもので、以下、第１の実施例と異なる部分について
説明する。すなわち、ＰＳＤ１７は、改良表面分割形の
ものであり、図６に示すように、４つの出力端子Ａ〜Ｄ
は受光面の四隅に設けられており、このような構成上の
相違から検出手段としての電気的構成についても図７に
示すように変更される部分がある。

【００３２】図７において、ＰＳＤ１７の四隅に設けら
れた出力端子Ａ〜Ｄは、それぞれ電圧変換回路１８〜２
１に接続され、ＰＳＤ１７から電流信号として出力され
る信号を電圧信号に変換するようになっている。４個の
加算回路２２〜２５において、加算回路２２の加算入力
は電圧変換回路２０および２１とされ、加算回路２３の
加算入力は電圧変換回路１８および１９とされ、加算回
路２４の加算入力は電圧変換回路１８および２１とさ
れ、加算回路２５の加算入力は電圧変換回路１９および
２０とされている。

【００３３】加算回路２２および２３の加算出力は減算
回路２６の減算入力とされ、加算回路２４および２５の
加算出力は減算回路２７の減算入力とされると共に加算
回路２８の加算入力とされる。加算回路２８の加算出力
は電流調整回路１６を介してＬＥＤ５に接続されてい
る。減算回路２６および２７の減算出力はｘ方向検出信
号およびｙ方向検出信号として外部に出力可能な構成と
される。

【００３４】上記構成によれば、第１の実施例と同様に
して受光動作を行うと、このときＰＳＤ１７の四隅に設
けられた電極Ａ〜Ｄから出力される受光信号に基づいて
検出回路においては、次のようにしてｘ方向およびｙ方
向の検出信号を得ることができるようになる。なお、こ
こでは電極Ａ〜Ｄから出力される電流信号の大きさを電
圧変換回路１８〜２１にて電圧信号に変換したときの値
を、それらの符号と同じ符号Ａ〜Ｄとして示すことにす
る。

【００３５】まず、ｘ方向に対応して、加算回路２２に
おいて（Ｃ＋Ｄ）が演算され、加算回路２３において
（Ａ＋Ｂ）が演算される。これらは、ｘ方向に対する正
および負の信号に対応しており、これらの差を減算回路
２６にて演算すると、ｘ方向に対応する信号［（Ｃ＋
Ｄ）−（Ａ＋Ｂ）］として得ることができる。また、ｙ
方向に対応して、加算回路２４において（Ａ＋Ｄ）が演
算され、加算回路２５において（Ｂ＋Ｃ）が演算され
る。これらは、ｙ方向に対する正および負の信号に対応
しており、これらの差を減算回路２７にて演算すると、
ｙ方向に対応する信号［（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）］とし
て得ることができる。

【００３６】このようにして得られたｘ方向およびｙ方
向に対応する検出信号を全電流値に相当する（Ａ＋Ｂ＋
Ｃ＋Ｄ）で割算処理を行うことにより、ｘ方向およびｙ
方向の検出信号として得ることができるようになる。こ
のような演算処理は、検出回路において、次式（５），
（６）に示すような演算処理を行うことになる。すなわ
ち、ｘ方向の検出信号は受光面の一辺の長さをＬとした
ときに式（５）のようにして得ることができ、ｙ方向の
検出信号は同様に式（６）のようにして得ることができ
るのである。

【００３７】

【数６】

【００３８】なお、実際の検出回路においては、加算回
路２８において全出力の加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を演
算し、この値が一定となるように電流調整回路１６にて
ＬＥＤ５に対する通電電流を制御しているので、この全
電流を示す値については定数と見なすことができるよう
になり、実質的には割算処理をしなくともｘ方向および
ｙ方向の検出信号として得ることができるようになる。

【００３９】したがって、このような第２の実施例によ
っても第１の実施例と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００４０】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、次のように変形または拡張できる。ＰＳＤ
は両面分割形などの他のタイプのものを用いても良い◎ また、位置検出素子として、ＰＳＤ以外にＣＣＤを用い
ることもできる。屈折部材は光が透過可能であればガラ
スや樹脂などなんでも良い。投光素子はレーザを用いて
も良い。投光素子により発する光は、可視光でも赤外光
でも良い。

【００４１】

【発明の効果】本発明のジョイスティック装置によれ
ば、操作棒に屈折部材を固定し、この屈折部材に投光素
子から投光した光を透過させた後に位置検出素子により
その受光位置を検出して基準位置からの二次元的なずれ
の位置を検出して操作棒の操作方向と操作量とを検出す
るようにしたので、操作棒の操作量と操作方向に対応す
る検出信号を非接触状態で得ることができるようにな
り、これによって、長期間の使用に対する耐久性の向上
を図ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断側面図

【図２】異なる方向の縦断側面図

【図３】電気的構成図

【図４】透光板を透過する光線の軌跡を示す作用説明図

【図５】ＰＳＤの受光面と受光位置を示す作用説明図

【図６】本発明の第２の実施例を示す図５相当図

【図７】図３相当図

【符号の説明】

１は基板、２は外ケース、３は操作レバー（操作棒）、
３ａはグリップ、３ｂは支持部、４は透光板（屈折部
材）、５はＬＥＤ（投光素子）、６，１７はＰＳＤ（位
置検出素子）、７〜１０は電圧変換回路、１１，１３，
１５は加算回路、１２，１４は減算回路、１６は電流調
整回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支点を回動中心として傾倒操作可能に設
   けられ二次元方向に対応した操作量および操作方向の設
   定が可能な操作棒と、 所定厚さ寸法の平板状の透光性部材により形成され前記
   操作棒に固定された屈折部材と、 この屈折部材の面に向けて所定角度から投光する投光素
   子と、 この投光素子と前記屈折部材を挟んで対向する位置に配
   置され、前記投光素子から前記屈折板を介して入射する
   光を受けてその受光位置に応じた受光信号を出力する位
   置検出素子と、 この位置検出素子からの受光信号に基づいて前記操作棒
   の操作量と操作方向に対応した信号を検出する検出手段
   とを具備したことを特徴とするジョイスティック装置。