JPH1139088A

JPH1139088A - 光学式入力装置

Info

Publication number: JPH1139088A
Application number: JP19166297A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Fujita; 朗宏藤田; Mitsuo Kobachi; 光夫小鉢
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-02-12
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: JP3573400B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｘ−Ｙ平面内での移動量に加えて、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。【解決手段】発光素子と発光素子とを含む光反射型検
出器を備えた光学式入力装置において、該光反射型検出
器を、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
する非点対称な像を該受光素子の上に形成するように、
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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ＬＣ
Ｄ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１
０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非点対称な像を該受光
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座標面内において非点対称な光束断面を有している。

【００２０】前記受光素子の上に形成される前記非点対
称な像は、前記反射面の形状を非点対称にすることによ
って形成され得る。

【００２１】或いは、前記受光素子の上に形成される前
記非点対称な像は、複数の対称な形状の面を組み合わせ
て、前記反射面の全体形状を非点対称にすることによっ
て形成され得る。

【００２２】または、前記受光素子の上に形成される前
記非点対称な像は、前記発光素子から前記反射面を経て
前記受光素子に至る光路の上に、非点対称な形状を有す
るスリットを設けることによって形成されてもよい。

【００２３】本発明の他の局面によって提供される光学
式入力装置は、複数の発光素子と少なくとも一つの受光
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、該複数の発光素子が、時分割的発光タイミン
グで順に発光して、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を照射し、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動する像を
該受光素子の上に形成し、該受光素子の出力が、該時分
割的発光タイミングに同期して検出されるように、構成
されていて、そのことにより上記目的が達成される。

【００２４】より詳細には、前記受光素子の上に形成さ
れる前記変動する像は、該受光素子の受光量が前記反射
面の変位に応じて変動するように形成される。

【００２５】前記反射面は、非点対称な形状を有し得
る。

【００２６】或いは、前記反射面は、対称な形状を有す
る複数の面の組み合わせによって形成される非点対称な
全体形状を有し得る。

【００２７】また、前記発光素子から前記反射面を経て
前記受光素子に至る光路上に、非点対称な形状を有する
スリットが設けられていてもよい。

【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、本発明の光学式入力装置は、４つ
の受光素子を備え得る。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(PD
2)、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、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(PD
3)）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(P
D1)＋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
上に非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非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
で非点対称な光束断面を有するような構成にすること
で、受光面の上に非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、反射面の形状を非点対称な
ものにすることによって、非点対称な形状の反射光の像
を形成してもよい。或いは、反射光の光路上に非点対称
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、非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〜１
１２Ｄ（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〜１１
２Ｄ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１１
２Ａ〜１１２Ｄは、受光素子搭載用リードフレーム１１
５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１１
６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１１
４が突出し、他の側面からは、受光素子１１２Ａ〜１１
２Ｄに関連するリードフレーム１１５及び１１７Ａ〜１
１７Ｄが突出している。各リードフレーム１１３〜１１
５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１０
０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１
２９とを接続する弾性部１２８を備えている。操作部１
２７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１
３０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１
２９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１
３４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１３
０、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１６
２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１
３７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１３
９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１
７０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１３
２を、真円や正方形ではない非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、非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
の非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の非点対称な形状は、例えば、単一の
反射面の形状を非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
状を非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の非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）で非点対称に
なるようにすることによって、非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
の形状を非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及び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〜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、反射面からの非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１
３（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〜Ｐ
Ｄ４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Ａ
ｙ’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１
９５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、非点対称な形状
を有する反射面１３２からの反射光（非点対称な光束断
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、非点対称な形状を
有する反射面１３２からの反射光（非点対称な光束断面
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、非
点対称な形状を有する反射面１３２からの反射光（非点
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。

【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）を非点対称なものにすること
によって、受光面の上に非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〜１１
０Ｄを配置し、その中央部に一つの受光素子１１２を載
置して、非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１１
０Ａ〜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１１
０Ａ〜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１１
２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１１
２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
における非点対称な反射面の形状（それによって得られ
る反射光の像の非点対称な形状）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
射光の非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〜１１７
Ｄ）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１６１ａ２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

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と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非点対称な像を該
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。
【請求項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
面内において非点対称な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。
【請求項３】前記受光素子の上に形成される前記非点
対称な像は、前記反射面の形状を非点対称にすることに
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。
【請求項４】前記受光素子の上に形成される前記非点
対称な像は、複数の対称な形状の面を組み合わせて、前
記反射面の全体形状を非点対称にす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。
【請求項５】前記受光素子の上に形成される前記非点
対称な像は、前記発光素子から前記反射面を経て前記受
光素子に至る光路の上に、非点対称な形状を有するスリ
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。
【請求項６】複数の発光素子と少なくとも一つの受光
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、該複数の発光素子が、時分割的発光タイミングで順
に発光して、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を照射し、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動する像を該受光
素子の上に形成し、該受光素子の出力が、該時分割的発
光タイミングに同期して検出されるように、構成されて
いる、光学式入力装置。
【請求項７】前記受光素子の上に形成される前記変動
する像は、該受光素子の受光量が前記反射面の変位に応
じて変動するように形成される、請求項６に記載の光学
式入力装置。
【請求項８】前記反射面は非点対称な形状を有する、
請求項６または７に記載の光学式入力装置。
【請求項９】前記反射面は、対称な形状を有する複数
の面の組み合わせによって形成される非点対称な全体形
状を有している、請求項６または７に記載の光学式入力
装置。
【請求項１０】前記発光素子から前記反射面を経て前
記受光素子に至る光路上に、非点対称な形状を有するス
リットが設けられている、請求項６または７に記載の光
学式入力装置。
【請求項１１】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１０のいずれかに記載の光学式入力装置。
【請求項１２】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
１０のいずれかに記載の光学式入力装置。
【請求項１３】４つの受光素子を備えており、該４つ
の受光素子の受光量に応じた出力をそれぞれＩsc(PD
1)、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、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(PD
2)＋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(PD
3)）−（Ｉsc(PD1)＋Ｉsc(PD4)））を演算することで求
められる、請求項１１または１２に記載の光学式入力装
置。
【請求項１４】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１３に記載の光学式入力装置。
【請求項１５】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１４のいずれかに記載の光学式入
力装置。
【請求項１６】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１５のいずれ
かに記載の光学式入力装置。