(57)【要約】【課題】入力領域に対して光を走査することによって指示器の位置を検出する光走査型の入力装置は、小型化ができないという課題があった。【解決手段】光を発射する発光素子３と、発光素子を駆動する発光駆動回路４と、光を平行にするコリメートレンズ５と、光の進行方向とこの方向と垂直な方向とに焦点の位置を変化させる第１の液晶レンズ６および第２の液晶レンズ７と、第１の液晶レンズ６と第２の液晶レンズ７とを制御する液晶レンズ制御部８と、指示器１に反射して戻ってきた光を受光する受光素子１１と、受光素子１１に向けてに光を反射するハーフミラー９と、受光素子１１の光の入射側に設けられた光絞り部１０と、受光素子１１の信号を増幅する増幅器１２と、液晶レンズ制御部８の制御状態と増幅器１２の信号とから指示器１の位置を検出する位置検出部１３と、を有する。これにより、可動部を持たず、自由に焦点の位置を制御できるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力領域に対して光を走査することによって指示器の位置を検出する光走査型の入力装置において、
光を発射する発光素子と、前記発光素子を駆動する発光駆動回路と、前記発光素子からの光を平行にするコリメートレンズと、光の進行方向に焦点の位置を変化させる第１の液晶レンズと、光の進行方向と垂直な方向に焦点の位置を変化させる第２の液晶レンズと、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズとを制御する液晶レンズ制御部と、前記指示器に反射して戻ってきた光を受光する受光素子と、前記受光素子に向けて光を反射するハーフミラーと、前記受光素子の光の入射側に設ける光絞り部と、前記受光素子の信号を増幅する増幅器と、前記液晶レンズ制御部の制御状態と前記増幅器の信号とから前記指示器の位置を検出する位置検出部と、を有することを特徴とする入力装置。
【請求項２】
前記第1の液晶レンズは、複数の同心円状の透明電極を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
【請求項３】
前記第２の液晶レンズは、複数の平行に配置した直線状の透明電極を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力装置に関するものであり、特に、入力領域に対して光を走査することによって指示器の位置を検出する光走査型の入力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりコンピュータや情報端末など、表示画面に対し指示器を用いて入力を行う装置は広く知られている。この中でも、抵抗膜方式の入力装置が広く使われている。
【０００３】
抵抗膜方式の入力装置は、2枚の透明抵抗膜からなるタッチパネルを表示装置上に配置するという構造上、光の透過率が減少してしまうことから、表示品質を低下させてしまうという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するため、入力領域に対して光を走査することによって入力を検出する入力装置が知られており、多くの提案をみるところである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１に示した従来技術の入力装置を図面を用いて説明する。
図７は、特許文献１に示した従来技術の入力装置を示す構成図である。図８は、特許文献１に示した従来技術の入力装置の光送受ユニットを示す構成図である。
【０００６】
図７において、８０は表示画面、５０は光送受ユニット、５１は光を入射方向に反射する再帰性反射シート、５２は受光信号検出回路、５３は発光素子駆動回路、５４はＭＰＵ、５５はポリゴン制御回路、５６は表示装置、５７は指やペンなどの指示物である
図８において、５８は赤外線レーザを出射するレーザダイオードからなる発光素子、５９は光を平行光にするコリメートレンズ、６０はポリゴンミラー、６２はハーフミラー、６３は受光素子、６４は可視光カットフィルタである。
【０００７】
特許文献１に示した従来技術の入力装置は、走査される光が指示物５７によって遮られることを検出することにより指示物５７の位置を特定するものである。
【０００８】
図７を用いて指示物５７の検出の手順を説明する。ＭＰＵ５４は、発光素子駆動回路５３を駆動することにより、光送受ユニット５０から光を表示画面８０上に走査する。光の経路上に指示物５７が無い場合は、光は再帰性反射シート５１に達する。再帰性反射シート５１は、光を入射方向に反射するため、光は光送受ユニット５０に戻ってくる。光の経路上に指示物５７が有る場合は、光は指示物５７に遮られて光送受ユニット５０に戻ってこない。
このように、光送受ユニット５０に光が戻ってくるかどうかを受光信号検出回路５２で検出し、その時の光の走査方向に指示物５７が有るかどうか判断する。図７に示すごとく光送受ユニット５０を表示画面８０の端に２つ設けることにより指示物５７の位置を特定することができる。
【０００９】
図８を用いて光送受ユニット５０の動作を説明する。発光素子５８から発射した光は、コリメートレンズ５９で平行光に変換される。ハーフミラー６２では、光はそのまま通過し、ポリゴンミラー６０で反射し、再帰性反射シート５１に向かう。指示物５７が無い場合は、再帰性反射シート５１から光は戻って、ポリゴンミラー６０で再び反射した後、ハーフミラー６２で反射し、可視光カットフィルタ６４を通過して受光素子６３に達する。ポリゴン制御回路５５は、図示しないモータ等によってポリゴンミラー６０を回転させる
ことにより光の走査方向を変化させている。このようにして、光送受ユニット５０は表示画面８０上の光の走査を実現している。
【００１０】
また、入力装置ではないが、光を用いて薄膜などの被測定物の厚さを測定する変位測定装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１１】
特許文献２に示した従来技術の変位測定装置は、光を照射し、被測定物からの反射光を検出することで被測定物の厚さを測定する。これは、照射した光が被測定物上で焦点を結んだ場合は、検出される反射光が最大になり、照射した光が被測定物上で焦点を結ばなかった場合は、検出される反射光がきわめて少なくなるという原理を利用したものである。
特許文献２に示した従来技術の変位測定装置は、液晶レンズを用いて焦点の位置を被測定物の厚さ方向に変化させながら、反射光の検出を行うため被測定物の厚さを測定することができる。
【００１２】
液晶レンズとは、透明電極が形成された透明基板を対向し、その間に液晶を充填した構造を有するもので、透明電極間の印加電圧に依存して光の屈折率が変化する現象を利用し、レンズとしての働きをさせたものである。
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−１９９７１４号公報（第４−９頁、第１−２図）
【特許文献２】特開２００３−９７９１１号公報（第２−５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に示した従来技術の入力装置は、光送受ユニット５０を複数設ける必要があり小型化できないという欠点があった。また、可動部であるポリゴンミラー６０を持つため、機械的に壊れやすいという欠点があった。また、ポリゴンミラー６０を回転させるため消費電力が大きいという欠点があった。
【００１５】
また、特許文献２に示した従来技術の変位測定装置は、そもそも被測定物の厚みを測定するものであり、入力装置のように２次元的位置を検出するものではない。
【００１６】
本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、小型化が可能で、壊れ難く、消費電力の少ない入力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の入力装置は下記に示す構造を採用する。
【００１８】
入力領域に対して光を走査することによって指示器の位置を検出する光走査型の入力装置において、
光を発射する発光素子と、発光素子を駆動する発光駆動回路と、光を平行にするコリメートレンズと、光の進行方向に焦点の位置を変化させる第１の液晶レンズと、  光の進行方向と垂直な方向に焦点の位置を変化させる第２の液晶レンズと、第１の液晶レンズと第２の液晶レンズとを制御する液晶レンズ制御部と、指示器に反射して戻ってきた光を受光する受光素子と、受光素子に向けてに光を反射するハーフミラーと、受光素子の光の入射側に設けられた光絞り部と、受光素子の信号を増幅する増幅器と、液晶レンズ制御部の制御状態と増幅器の信号とから指示器の位置を検出する位置検出部と、を有することを特徴とする。
【００１９】
第1の液晶レンズは、複数の同心円状の透明電極を有することを特徴とする。
【００２０】
第２の液晶レンズは、複数の平行に配置した直線状の透明電極を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の入力装置によれば、第１の液晶レンズと第２の液晶レンズとを設けたことによって、ポリゴンミラーのような可動部が必要なくなり、壊れ難く、消費電力を少なくすることができるとともに、第１の液晶レンズと第２の液晶レンズとにより、焦点を自由に制御可能とすることができる。これにより、焦点からの反射光を利用した高精度の入力装置を実現できる。
【００２２】
焦点を自由に制御可能となったことによって、本発明の入力装置は、入力領域の縁に１箇所取り付けるのみで動作させることができる。このため格段に小型化できる。
また、焦点を自由に制御できるので、入力領域の大きさが異なるさまざまな入力装置においても対応可能であり、ハードウエアの変更なしに、そのまま応用することができる。このため入力装置としてのコストを格段に小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は、本発明の入力装置の第１の構成図であり、指示器に焦点が合った状態を示す図である。図２は、本発明の入力装置の第２の構成図であり、指示器に焦点が合っていない状態を示す図である。図３は、本発明の入力装置の使用形態例を示す図であって、図３（ａ）は正面図であり、図３（ｂ）は側面図である。図４は、本発明の入力装置の液晶レンズの断面図である。図５は、本発明の入力装置の液晶レンズの透明電極パターン図であって、図５（ａ）は同心円状の透明電極パターン図であり、図５（ｂ）は直線状の透明電極パターン図である。図６は、本発明の入力装置の光絞り部を示す図であって、図６（ａ）は光が中心に集まっている図であり、図６（ｂ）は光が広がっている図である。
【００２４】
[構造説明：図１〜図６]
まず、本発明の入力装置の構成を図１から図６とを用いて説明する。
図１において、１は指やペン等の指示器、２は光送受ユニット、３はレーザダイオードや赤外線発光ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）からなる発光素子、４は発光駆動回路、５は光を平行光にするコリメートレンズ、６は第1の液晶レンズ、７は第２の液晶レンズ、８は液晶レンズ制御部、９はハーフミラー、１０は光絞り部、１１はフォトダイオードやフォトトランジスタからなる受光素子、１２は増幅器、１３は位置検出部、２０は微小な穴であるピンホールである。
【００２５】
図３において、１４は電子機器、１５は入力領域、１６は焦点走査軌跡である。
【００２６】
図４において、１７は透明基板、１８は透明電極、１９は液晶である。また、図４における矢印は光の入射と出射との方向を示している。
【００２７】
図６において、２１は光照射領域である。なお、図１から図６において同一の構成には同一の番号を付与している。
【００２８】
[原理説明：図１、図２、図６]
まずはじめに、本発明の入力装置の検出の基本原理を図１と図２と図６とを用いて説明する。
図１に示すように、発光駆動回路４により発光素子３から発射された光は、ハーフミラー９をそのまま通過し、コリメートレンズ５で平行光に変換された後、第２の液晶レンズ７と第１の液晶レンズ６とで屈折し焦点を結ぶ。
指示器１が焦点に位置した場合、指示器１上の１点で反射した光はハーフミラー９まで戻り、そこで反射し光絞り部１０上で再び１点に集まり、すべての光がピンホール２０を通過し受光素子１１に到達する。図６（ａ）は、この時の光絞り部１０上の様子を示している。
図２に示すように、指示器１が焦点に位置していない場合、指示器１上の広範な領域に広がって反射した光はハーフミラー９で反射し光絞り部１０上で再び広範な領域を占める。つまり、ピンホール２０を通過し受光素子１１に到達する光はごく微量となる。図６（ｂ）は、この時の光絞り部１０上の様子を示している。
液晶レンズ制御部８は第１の液晶レンズ６と第２の液晶レンズ７とを駆動し焦点の位置を２次元的に走査し、位置検出部１３は増幅器１２によって増幅された受光信号がピークを迎えた時を捉え、その時点の焦点の位置が指示器１の位置であると検出することができる。
【００２９】
[液晶レンズの原理説明：図４、図５]
次に、本発明の入力装置の液晶レンズについて図４と図５とを用いて説明する。
図４に示すように、液晶レンズは透明電極１８が形成された透明基板１７を対向し、その間に液晶１９を充填した構造をとる。透明電極１８間に電圧をかけると、液晶１９内の分子の向きが変わり、これにより、光の屈折率が変化する。屈折率は透明電極１８間の電圧に依存する。すなわち、高電圧をかけると屈折率が高く、低電圧をかけると屈折率が低くなる。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、透明電極１８を同心円状に形成し、外側の透明電極１８を高電圧で駆動で駆動し、内側の透明電極１８に向かうに従って低電圧で駆動すれることによって凸レンズとして動作させることができ、駆動電圧の変化率を変えることで焦点距離を変化させることができる。第１の液晶レンズ６は、図５（ａ）に示すような同心円状の透明電極１８を持った液晶レンズである。
図５（ｂ）に示すように、透明電極１８を直線状に形成し、一方の端の透明電極１８を高電圧で駆動で駆動し、他方の端の透明電極１８に向かうに従って低電圧で駆動すれることによって、光を左右に屈折させることができる。第２の液晶レンズ７は、図５（ｂ）に示すような直線状の透明電極１８を持った液晶レンズである。
【００３１】
[動作説明：図３]
次に、本発明の入力装置の使用形態例を図３を用いて説明する。
図３に示すように、電子機器１４の入力領域１５の端に設けられた光送受ユニット２は、第１の液晶レンズ６と第２の液晶レンズ７とによって、焦点を図３（ａ）に示す焦点走査軌跡１６のように２次元的に走査する。これによって指示器１の位置を検出する。
【００３２】
もし、三次元的な指示器１の位置を特定したければ、図５（ｂ）に示すような直線状の透明電極１８を持った液晶レンズを第２の液晶レンズ７と直交するように重ね配置することで容易に拡張できる。
【００３３】
本発明の入力装置は、光の進行方向に焦点の位置を変化させる第１の液晶レンズのみならず、光の進行方向と垂直な方向に焦点の位置を変化させる第２の液晶レンズを設けたことによって、焦点を２次元的に自由に制御可能となり、入力装置へ応用が可能となった。また、従来技術の入力装置のポリゴンミラーのような可動部が必要なくなり、壊れ難く、消費電力を少なくすることができる。また、焦点を２次元的に自由に制御可能となったことにより、本発明の入力装置は入力領域の縁に１箇所取り付けるのみで動作させることができる。このため格段に小型化できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の入力装置は、壊れ難さや低消費電力が求められるコンピュータや、情報端末等に適用することができる。特に持ち運び等の理由から小型化が求められる携帯情報端末に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の入力装置の第１の構成図である。
【図２】本発明の入力装置の第２の構成図である。
【図３】本発明の入力装置の使用形態例を示す図である。
【図４】本発明の入力装置の液晶レンズの断面図である。
【図５】本発明の入力装置の液晶レンズの透明電極パターン図である。
【図６】本発明の入力装置の光絞り部を示す図である。
【図７】従来技術の入力装置を示す構成図である。
【図８】従来技術の入力装置の光送受ユニットを示す構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  指示器
２  光送受ユニット
３  発光素子
４  発光駆動回路
５  コリメートレンズ
６  第1の液晶レンズ
７  第２の液晶レンズ
８  液晶レンズ制御部
９  ハーフミラー
１０  光絞り部
１１  受光素子
１２  増幅器
１３  位置検出部
１４  電子機器
１５  入力領域
１６  焦点走査軌跡
１７  透明基板
１８  透明電極
１９  液晶
２０  ピンホール
２１  光照射領域
５０  光送受ユニット
５１  再帰性反射シート
５２  受光信号検出回路
５３  発光素子駆動回路
５４  ＭＰＵ
５５  ポリゴン制御回路
５６  表示装置
５７  指示物
５８  発光素子
５９  コリメートレンズ
６０  ポリゴンミラー
６２  ハーフミラー
６３  受光素子
６４  可視光カットフィルタ
８０  表示画面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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