(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、この発光素子から照射された光を反射する回転可能または回動可能な反射部材と、前記反射部材を回転または回動させる駆動源と、被入力面との接触によりオンして前記発光素子及び前記駆動源に通電するスイッチ手段とを備え、
前記駆動源によって前記反射部材を回転または回動させ、前記発光素子から照射された光の反射光を前記被入力面に対しほぼ平行な平面内で回転または回動させると共に、
前記発光素子の周囲のほぼ筒状のケースの一部に光を透過可能な透過部を形成し、この透過部の近傍に手指による遮光を防止するためのストッパー部材を配置したことを特徴とする座標入力用ペン。
【請求項２】
請求項１記載の座標入力用ペンにおいて、
前記ケース内部に駆動源としてのモータが収納され、前記ケースの端部に設けられたスイッチ手段のオン時に前記モータを回転させてその回転軸に連結された反射用部材を回転させることを特徴とする座標入力用ペン。
【請求項３】
請求項２記載の座標入力用ペンにおいて、
前記スイッチ手段を、前記ケースの端部から出没可能なチップとこのチップに連結されたタクトスイッチとにより構成し、前記チップがケース端部から突出した状態で前記タクトスイッチをオフさせ、かつ、前記チップが被入力面に押圧されてケース内部方向へ没入した状態で前記タクトスイッチをオンさせることを特徴とする座標入力用ペン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面上の座標を入力するための座標入力用ペンに関し、詳しくは、スクリーンの表面に入力された文字、図形等の画像を構成する座標データを光学的、電気的に検出してその画像をスクリーンの背面から投影する画像表示装置等に使用可能な座標入力用ペンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、背面投影型画像表示装置等に使用される座標入力手段としては、感圧方式の入力装置が良く知られている。この方式では、例えばスクリーンの表面に透明電極を有するタッチパネルやシートを貼り付け、入力用ペン等による加圧点を検出してスクリーン上の座標を検出し、これをコントローラ等に入力している。しかしながら、背面投影型画像表示装置の場合、投影画像の鮮明度や精細度はスクリーンの材質に大きく左右されるものであり、現在の技術では、投影画像に影響を及ぼさないような透明電極をスクリーン上に作成することが困難である。また、使用者が無意識のうちにスクリーンに手を触れた場合にも座標を検出してしまうおそれがあり、文字、図形等を書き込む際の座標入力動作との判別が付かないという問題がある。
【０００３】
また、上記の感圧方式以外にも、超音波を使用して入力座標を検出する方式が知られている。この方式は、スクリーンの表面に沿って超音波を伝播させ、入力用ペンによって超音波が遮断された位置の座標を検出するものである。
この方式では、超音波の特性上、解像度を余り上げることができないと共に、感圧方式と同様に使用者の手指などによって超音波が遮られれば、その位置を入力位置として誤検出するおそれがある。
【０００４】
更に、他の方式として、入力座標を光学的に検出する方式が知られている。
例えば、スクリーンの表面側に発光素子、受光素子の組合せによる光路を形成しておき、入力ペン等によって前記光路が遮断された位置を光学的に検出する光学マトリクス方式や、スクリーンの表面側に発光素子、ポリゴンミラー及び受光素子を配置しておき、発光素子からの照射光をポリゴンミラーを介してスクリーン上で走査すると共に、入力ペンに具備された反射板による反射光を受光素子にて受光させ、その受光タイミングとポリゴンミラーの回転角とから入力座標を検出するレーザスキャン方式等がある。
【０００５】
しかるに、前記光学マトリクス方式では、２次元の座標軸に沿って発光素子及び受光素子を対にして多数配置しなくてはならず、素子数の多さや配線の複雑さがコスト高の要因となる。また、感圧方式や超音波方式と同様に使用者の手指などによって光路が遮られれば、その位置を入力位置として誤検出するおそれもある。
また、レーザスキャン方式では、発光素子と受光素子との信号的同期を必要とするので両者を近接して配置しなくてはならず、配置上の制約がある。加えて、発光素子からの照射光をポリゴンミラーにより反射させて受光素子に導入することにより光路が長くなり、受光信号強度が微弱になって検出精度が悪いとともにポリゴンミラーの回転角を検出して演算するため分解能も劣る。
【０００６】
更に、特開平５−２５７６００号公報や同７−２００１４４号公報のように、入力ペンをライトペン（発光式ペン）により構成し、その照射光をスクリーン側の受光素子で検出することにより入力座標を検出する方式も知られている。
これらの方式は、ライトペンの発光素子から周囲全域に（例えば周囲３６０度）常時照射される照射光を受光する方式であり、スクリーンを大画面化した場合には広範囲を常に照射できる出力の光源が必要になってコスト高の原因となる。
【０００７】
そこで本発明は、上記各方式における種々の問題点を解消するため、光学式の座標入力装置、座標検出装置に適用可能であって、構成が簡単であるとともに低コストで提供可能であり、しかも誤検出の恐れのない座標入力用ペンを提供しようとするものである。また、この座標入力用ペンを使用することで、座標入力装置全体の高精度化、高分解能化、回路構成の簡略化を可能にするものである。
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、発光素子と、この発光素子から照射された光を反射する回転可能または回動可能な反射部材と、前記反射部材を回転または回動させる駆動源と、被入力面との接触によりオンして前記発光素子及び前記駆動源に通電するスイッチ手段とを備え、
前記駆動源によって前記反射部材を回転または回動させ、前記発光素子から照射された光の反射光を前記被入力面に対しほぼ平行な平面内で回転または回動させると共に、
前記発光素子の周囲のほぼ筒状のケースの一部に光を透過可能な透過部を形成し、この透過部の近傍に手指による遮光を防止するためのストッパー部材を配置したものである。
【０００９】
より具体的には、請求項２に記載するように、請求項１記載の座標入力用ペンにおいて、ほぼ筒状のケース内部に駆動源としてのモータが収納され、前記ケースの端部に設けられたスイッチ手段のオン時にモータを回転させてその回転軸に連結されたミラー状の反射用部材を回転させるものである。
【００１０】
ここで、請求項３に記載するように、前記スイッチ手段を、ケースの端部から出没可能なチップとこのチップに連結されたタクトスイッチとにより構成し、前記チップがケース端部から突出した状態でタクトスイッチをオフさせ、かつ、前記チップが被入力面に押圧されてケース内部方向へ没入した状態でタクトスイッチをオンさせる構成とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１はこの実施形態に係る座標入力用ペンの縦断面図である。図において、１１は有底円筒状のケースであり、その内部上端部には、モータホルダ１２を介してモータ１３が取り付けられている。モータ１３の上端部には基板１４が配置され、この基板１４にはケース１１の天板１６から軸方向に沿って出没可能な筆記用チップ１５が取り付けられている。なお、基板１４には出没する筆記用チップ１５に連結、従動してオン・オフすることにより後述のレーザダイオード２１を発光させ、かつ、モータ１３を回転させるタクトスイッチ２７が実装されている。
ここで、筆記用チップ１５及びタクトスイッチ２７は、本発明におけるスイッチ手段を構成している。
【００１２】
モータ１３の回転軸には、反射部材としての反射用チップ１７が一体的に取り付けられている。この反射用チップ１７は、図２に示すようにモータ１３の回転軸を回転中心軸Ｃとして回転し、後述のレーザダイオード２１からの照射光を、鏡面仕上げされた凸面状の反射面１７ａにより反射し、例えば回転中心軸Ｃの周囲３６０度の空間に反射させるものである。
反射用チップ１７の周囲のケース１１には透明材料によって透過部１８が形成されており、反射用チップ１７による反射光はこの透過部１８を通って周囲に放射されるようになっている。図示されていないが、透過部１８に縦方向（ペンの軸方向）に沿ったスリットを設け、レーザダイオード２１からの照射光の水平成分を遮断して分解能を上げるようにしても良い。
【００１３】
透過部１８の近傍には、ケース１１の外周に沿ってフランジ状のストッパー板１９が周設されている。このストッパー板１９は、使用者がこの座標入力用ペンを持ってスクリーン上に入力操作する際に、その手指が透過部１８を覆って遮光してしまうことがないように、手指の位置を規制するためのものである。
前記反射用チップ１７の下方には、発光素子としてのレーザダイオード（半導体レーザ）２１が発光素子ホルダ２０によって保持されている。なお、発光素子としては、レーザダイオードの他、気体レーザ、固体レーザ等の他種のレーザを用いても良く、十分な光出力が得られるのであれば発光ダイオードを用いても良い。
【００１４】
また、２２は基板であり、前記レーザダイオード２１の駆動回路やモータ１３の給電回路等を構成する部品が実装されている。
なお、２３，２４は電池、２５，２６は電極である。
【００１５】
図３は、本実施形態における筆記用チップ１５の作用の説明図である。
この実施形態では、座標入力用ペンをスクリーン表面５０Ｓに対しほぼ直交するように押し当てて、筆記用チップ１５を図の想像線で示す位置にまで没入させた時点でタクトスイッチ２７がオンし、レーザダイオード２１が発光すると共にモータ１３が回転する。これに対し、座標入力用ペンをスクリーン表面５０Ｓに対し傾けて使用した場合（例えば図３における角度θが１５度以上）には、筆記用チップ１５が図の実線で示すように突出した状態となっており、オフ状態のままとなる。
【００１６】
このように、本実施形態では座標入力用ペンをスクリーン表面５０Ｓに対しておおむね直交させなければ正常な入力動作が行えないようになっており、これによって使用者による入力動作の意識付けを行うことができる。
また、ペンを傾けて使用した時に際にレーザダイオード２１を発光させ、モータ１３を回転させてしまうと、筆記用チップ１５による実際の入力座標と反射用チップ１５による見かけ上の入力座標との間にずれが生じ、座標位置を誤検出する不都合があるが、これを防止することも意図している。
同時に、例えばスクリーン表面に既に表示されている文字等を座標入力用ペンにより指示しながら説明する場合には、ペンがスクリーン表面５０Ｓに対して斜めに向くことがあるが、図３の構造により、そのような場合には座標入力動作を行わせない作用も果たしている。
また、ペンを傾けて使用する場合には反射用チップ１７による反射光が誤って使用者自身及び周囲の視聴者の目に入る恐れもあるため、これを防止する効果もある。
【００１７】
図４は、反射用チップ１７の作用の説明図である。図４（ａ）に示すように、反射面１７ａを凸面（アール面）としたことにより、レーザダイオード２１からの照射光は反射面１７ａで反射した後に、回転中心軸Ｃに平行な軸Ｃ’に沿った幅を持つ光束となって反射する。
後述するごとく、反射面１７ａからの反射光はスクリーン表面の二辺に配置された受光素子により受光されるが、反射光がある程度の幅を持つことにより、例えば座標入力用ペンがわずかに傾いてスクリーン表面に押し当てられた場合でも、受光素子が一定の範囲内にある限り、反射光を確実に検出することができる。
【００１８】
すなわち、図４（ｂ）に示すように、座標入力用ペンをスクリーン表面５０Ｓに直交させたときの回転中心軸をＣ1、その時の反射光の光束をＡ1とし、座標入力用ペンをスクリーン表面５０Ｓに対し直交させずに若干傾けた時の回転中心軸をＣ2、その時の反射光の光束をＡ2とする。
既に明らかなように、本実施形態においては、前述した凸面状の反射面１７ａにより、光束Ａ1，Ａ2が重なり合う範囲Ａ3が生じるので、この範囲に受光素子が存在する限り、ペンを若干傾けて使用した場合にも座標入力並びに座標検出が可能になるものである。
【００１９】
次に、この実施形態の使用状態を図５を参照しつつ説明する。図５は、本実施形態の座標入力用ペンＰを用いて背面投影型画像表示装置のスクリーン５０に座標を入力する際の概略的な説明図である。
スクリーン５０の表面の上端部には水平受光部６０Ｘが配置され、左側端部には垂直受光部６０Ｙが配置される。これらの受光部６０Ｘ，６０Ｙは、座標入力用ペンＰの反射用チップ１７からの反射光を受光するフォトダイオード等の多数の受光素子６３を、ハウジング６１のスリット６２内に配置した構造となっている。
ここで、受光素子が配置されるスリットは何れも同一形状で等間隔に配置されているが、それぞれのスリットを、スクリーン５０の内部方向に向けて幅広に形成する（具体的には、図５における個々のスリット６２の幅を、座標入力用ペンＰ側に近いほど広くする）ことにより、光を入射しやすくして受光素子の検出感度を上げることができる。
【００２０】
いま、座標入力用ペンＰがスクリーン５０の表面において図５の位置にある時、反射用チップ１７からの反射光は、ペンＰを中心として、スクリーン５０の表面に平行な平面内を３６０度、回転しながら照射する。ここで、各受光部６０Ｘ，６０Ｙでは、反射光が正面から入射してきたスリット６３を中心としてその周囲を含む複数のスリット６２内の受光素子６３しか受光しないため、水平受光部６０Ｘについては受光範囲がＤＸ、垂直受光部６０Ｙについては受光範囲がＤＹとなる。従って、各受光部６０Ｘ，６０ＹにおけるＢの部分は非受光範囲となる。
【００２１】
ここで、各受光部６０Ｘ，６０Ｙにおける各受光素子６３のアドレス（例えば各受光部の中で何番目の受光素子であるかを示す数値）は既知であるから、受光範囲ＤＸ，ＤＹに入って受光信号が得られた複数の受光素子の中の中間値のアドレスを検出すれば、座標入力用ペンＰの現在の座標を検出することが可能である。スクリーン５０上における座標入力用ペンＰのＸ座標、Ｙ座標の値を具体的に距離として求めるには、上記アドレスに受光素子相互間の間隔（ピッチ）を乗じれば良い。
なお、上記構成において、座標入力用ペンＰ、受光素子６３、及び受光信号を処理してペンＰの座標を検出するコントローラ等を含めた全体が座標検出装置を構成している。
【００２２】
図６は各受光部６０Ｘ，６０Ｙの構成を示すもので、本実施形態では、１２８個の受光素子６３により１個の受光素子アレイを構成し、水平受光部６０Ｘは４個の受光素子アレイ６１Ｘ，６２Ｘ，６３Ｘ，６４Ｘ（各アレイごとの受光素子のアドレスを、例えばＸ０〜Ｘ１２７，Ｘ１２８〜Ｘ２５５，Ｘ２５６〜Ｘ３８３，Ｘ３８４〜Ｘ５１１とする）により、垂直受光部６０Ｙは３個の受光素子アレイ６１Ｙ，６２Ｙ，６３Ｙ（同じく各アレイごとの受光素子のアドレスを、Ｙ０〜Ｙ１２７，Ｙ１２８〜Ｙ２５５，Ｙ２５６〜Ｙ３８３とする）により構成されている。
【００２３】
次いで、図７は実施形態の座標入力用ペンを使用する座標検出装置全体のブロック図である。ここでは、１個の受光素子アレイ（すなわち受光素子の数が１２８個）に対する制御ブロック図として示してあるが、実際には、単一のコントローラが７個の受光素子アレイを制御することになる。
【００２４】
コントローラ７０は、７ビットの受光素子駆動信号Ａ〜Ｇを受光素子アレイ及びマルチプレクサ８０に送り、アレイ内の１２８個の受光素子のアドレスを指定する。
受光素子アレイ及びマルチプレクサ８０では、前記駆動信号Ａ〜Ｇにより１２８個の受光素子に順にバイアスをかけており、これらすべての受光素子の出力信号は順次、増幅回路９０に送られている。
【００２５】
いま、受光素子アレイ内の受光範囲（図５参照）に存在する複数の受光素子に対し、回転する反射用チップ１７からの反射光が入射すると、それらの受光素子から受光信号が出力され、増幅回路９０により増幅されてデータラッチ１００に送られる。データラッチ１００はコントローラ７０からの所定周波数のクロック信号ＣＬＫによって増幅回路９０の出力信号をラッチしており、ラッチされた信号をコントローラ７０が読み出すことで反射光を受光した複数の受光素子（従ってそれらの中間値の受光素子）のアドレスが判明し、言い替えれば座標入力用ペンＰのＸ座標、Ｙ座標を知ることができる。
なお、コントローラ７０からデータラッチ１００に入力されているクリア信号ＣＬＲは、コントローラ７０により１２８個の受光素子の駆動が一巡した時点でデータラッチ１００の保持データを初期状態に戻すための信号である。
【００２６】
上記実施形態では、反射用チップ１７を回転させて座標入力用ペンＰの周囲３６０度に光を反射させる構造としたが、要は、受光素子が配列されている部分（水平受光部や垂直受光部）をカバーする範囲に光を照射すればよいため、例えば図５の例では、少なくともほぼ１８０度の範囲で反射用チップ１７を回動させればよい。
【００２７】
更に、上記実施形態では、本発明の座標入力用ペンＰをもっぱら背面投影型画像表示装置に使用することを前提としているが、本発明の用途はこれに何ら限定されるものではなく、座標入力手段として各種の装置、機器に適用可能である。また、入力する平面座標はＸ−Ｙ座標ばかりでなく、何れか一方の座標であっても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明は、光学式の座標入力装置ないし座標検出装置において、ペンの内部に駆動源や反射部を備えることにより、いわば回転する光源を内蔵した構造となっている。
このため、光学マトリクス方式やレーザスキャン方式といった従来の光学式座標入力手段と比べ、発光素子数の減少が可能であるとともに、使用者の手指による誤入力、誤検出を防ぐことができる。また、原理上、光路長が特に長くなることもなく、検出精度や分解能を向上させることができる。
更に、ペンを中心としてその周囲を常時、固定的に照射する方式ではないため、座標入力に寄与しない無駄な光を少なくすることができ、発光素子の出力や消費電力の低減も可能になり、全体として低コストの座標入力用ペンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】反射用チップの斜視図である。
【図３】筆記用チップの作用の説明図である。
【図４】反射用チップの作用の説明図である。
【図５】本発明の実施形態の使用状態説明図である。
【図６】水平受光部及び垂直受光部の構成図である。
【図７】本発明の実施形態が適用される座標検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１  ケース
１２  モータホルダ
１３  モータ
１４  基板
１５  筆記用チップ
１６  天板
１７  反射用チップ
１７ａ  反射面
１８  透過部
１９  ストッパー板
２０  発光素子ホルダ
２１  レーザダイオード
２２  基板
２３，２４  電池
２５，２６  電極
２７  タクトスイッチ
５０  スクリーン
５０Ｓ  スクリーン表面
６０Ｘ  水平受光部
６０Ｙ  垂直受光部
６１  ハウジング
６２  スリット
６３  受光素子
７０  コントローラ
８０  受光素子アレイ及びマルチプレクサ
９０  増幅回路
１００  データラッチ
Ｂ  非受光範囲
Ｃ，Ｃ1，Ｃ2  回転中心軸
ＤＸ，ＤＹ  受光範囲
Ｐ  座標入力用ペン
【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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