JP2010257270A - 位置検知入力装置用入力媒体および位置検知入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力媒体の傾きが変わっても該磁石の磁界の方向が変わらない特徴を有する位置検知入力装置用入力媒体を提供する。
【解決手段】位置検知入力装置用入力媒体１０は、磁石１２を載置する空間１４が形成され、該空間１４内で該磁石１２が自在に動くことができるように構成されており、全体としては例えば磁石１２を内蔵したタッチペンのような構造からなる。本発明では、磁石１２を固定せず自在に動くことができるよう磁石１２より大きい空間１４を内部に形成し、この空間１４内に磁石１２を載置することでこの課題を解決している。
【選択図】図１

Description

この発明は、携帯電話やＰＤＡなどの小型の入力デバイスにおける位置検知入力装置の入力媒体に関し、とくに磁気センサを使用して磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する位置検知入力装置の入力媒体に関するものである。

従来、三次元空間での入力媒体の位置を磁気センサにて検知する三次元位置検知入力装置として特許文献１の発明があった。

この発明の位置検知入力装置は、磁石の回りに磁界が形成され、この磁界を検知手段で検知し、この検知信号から磁界の強さ、方向などによって磁石の位置を入力媒体の位置として三次元的な位置を求めるものである。

特開平８−２７２５２８号公報

しかし、上記三次元位置検知入力装置は、磁界の強さの値と磁気センサから磁石までの距離との関係はしめされているものの、磁界の向きの影響については記載がない。しかし、ペンなどの入力媒体の傾きは入力者の癖によって多少変わるため、その傾きの違いによって同じ位置であるにも関わらず、磁界の強さの値が異なって測定され、入力媒体の位置が入力者によって変わるという問題が生じていた。

そこで、本発明者らは、入力媒体の傾きが変わっても該磁石の磁界の方向が変わらない特徴を有する位置検知入力装置用入力媒体を発明し、この問題を解決した。

すなわち、本発明は、磁石を載置する空間が形成され、該空間内で該磁石が自在に動くことができる入力媒体であって、該入力媒体を傾けるとそれに応じて該磁石が動き、該入力媒体の傾きが変わっても該磁石の磁界の方向が変わらない特徴を有する位置検知入力装置用入力媒体である。

また、本発明は、前記磁石が下部に重心が偏った球状、楕円球状、半球状、半楕円球状のいずれかの形状からなることを特徴とする位置検知入力装置用入力媒体であってもよい。また、本発明は、前記磁石が前記空間内の定点を支点として載置され、該磁石の重心が該支点よりも下部にあることを特徴とする位置検知入力装置用入力媒体であってもよい。

また、本発明は、少なくとも前記記載の位置検知入力装置用入力媒体と、該位置検知入力装置用入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを検知する磁気センサとからなる位置検知入力装置である。

本発明の位置検知入力装置用入力媒体は、磁石を載置する空間が形成され、該空間内で該磁石が自在に動くことができる入力媒体であって、該入力媒体を傾けるとそれに応じて該磁石が動き、該入力媒体の傾きが変わっても該磁石の磁界の方向が変わらない特徴を有する。したがって、入力者の癖によって入力媒体の傾きが変わり、その傾きの違いによって磁界の強さの値が異なって測定されることを防ぐ効果がある。

また、本発明の位置検知入力装置用入力媒体は、前記磁石が下部に重心が偏った球状、楕円球状、半球状、半楕円球状のいずれかの形状からなることを特徴とする。あるいは、前記磁石が前記空間内の定点を支点として載置され、該磁石の重心が該定点よりも下部にあることを特徴とする。したがって、入力媒体を傾けても、それに応じて磁石が動いて磁石の磁界の方向が変わらないようにできる効果がある。

また、本発明の位置検知入力装置は、少なくとも前記記載の位置検知入力装置用入力媒体と、該位置検知入力装置用入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを検知する磁気センサとからなる。したがって、入力媒体の位置を磁石と磁気センサの距離および方向のみで決定できる効果がある。

本発明に係る位置検知入力装置用入力媒体の一実施例を示す模式断面図である。 位置検知入力装置用入力媒体の拡大図を示す模式図であり、（ａ）は位置検知入力装置用入力媒体が垂直に立った状態の場合を示し、（ｂ）は位置検知入力装置用入力媒体が斜めに傾いた状態の場合の模式図である。 位置検知入力装置用入力媒体の拡大図を示す模式図であり、（ａ）は位置検知入力装置用入力媒体が垂直に立った状態の場合を示し、（ｂ）は位置検知入力装置用入力媒体が斜めに傾いた状態の場合の模式図である。 位置検知入力装置用入力媒体の磁石の形状の例を示す模式図である。 位置検知入力装置用入力媒体の磁石の形状の例を示す模式図である。 本発明の位置検知入力装置用入力媒体を用いた位置検知入力装置を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。

位置検知入力装置用入力媒体１０は、磁石１２を載置する空間１４が形成され、該空間１４内で該磁石１２が自在に動くことができるように構成されており、全体としては例えば磁石１２を内蔵したタッチペンのような構造からなる（図１参照）。ただし、位置検知入力装置用入力媒体１０はこの形態に限定されるわけではなく、適度の磁界を発生できるものであればいずれの形態であっても構わない。

位置検知入力装置用入力媒体１０に磁石１２が固定されていると、位置検知入力装置用入力媒体１０を傾けるとそれに応じて磁石１２が傾くため、磁石１２から発生する磁界の向きが変わり、それに応じて磁界の方向や強さも変わるため磁石１２の位置を磁気センサ１６で正確に検知することができなくなる。本発明では、磁石１２を固定せず自在に動くことができるよう磁石１２より大きい空間１４を内部に形成し、この空間１４内に磁石１２を載置することでこの課題を解決している（図２参照）。

磁石１２としては、ネオジム磁石、ネオジウム磁石、サマコバ磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石などが挙げられる。磁石１２の製造方法としては、磁場成形・焼結法やメルトスピニング法などが挙げられる。その中でもＮｄ−Ｂ−Ｆｅ系のネオジム焼結磁石は高いエネルギー積をもつので適している。

そして、磁石１２は、下部に重心１８が偏った球状、楕円球状、半球状、半楕円球状のいずれかの形状からなるか（図４参照）、あるいは磁石１２が空間１４内の定点３０を支点として載置され、磁石１２の重心１８が定点３０よりも下部にあることを特徴とする形態にするのが好ましい。なお、磁石１２を定点３０を支点として載置する方法は、下方向から針のように突き出して支える方法（図３参照）のほか、上方向または横方向から吊るして支える方法（図５参照）が挙げられる。

このような重心１８が下部にある形状または形態にすると、位置検知入力装置用入力媒体１０を傾けても、磁石１２の自重による重力と位置検知入力装置用入力媒体１０からの抗力（あるいは定点３０からの向心力）との合力が位置検知入力装置用入力媒体１０を傾ける前の状態に戻る方向に働いて、磁石１２は傾ける前の状態に動いて、その結果、磁石１２は傾ける前の状態になり磁界の方向と同じになるため、検知入力装置用入力媒体１０の傾きが変わっても磁石１２の磁界の方向が変わらないようにできる（図２、図３参照）。

その結果、上記の位置検知入力装置用入力媒体１０と、磁石１２から発生する磁界の強さを検知する磁気センサ１６とを使用すると、位置検知入力装置用入力媒体１０の位置を磁石１２と磁気センサ１６の距離および方向のみで決定できる位置検知入力装置２０を得ることができる。

得られる位置検知入力装置２０は、磁気センサ１６が中央部が窓状になった位置情報表示部３の外枠部に位置され、位置検知入力装置用入力媒体１０が近づくと、内蔵された磁石１２から発生する磁界の強さおよび方向を磁気センサ１６で検知し、その信号は瞬時に計算部２５に送られ、計算部２５は、その信号である磁界の強さとその方向から磁界が発せられた位置を瞬時に計算し、位置検知入力装置用入力媒体１０の位置を三次元的に決定できるしくみになっている（図６参照）。

すなわち、磁気センサ１６と位置検知入力装置用入力媒体１０の距離がある一定の距離内に達すると、内蔵された磁石１２の磁界の強さとその方向を検知し、そしてその距離は磁界の強さの値の平方根から三乗根に反比例するので、この磁界の強さの値から磁気センサ１６と磁石１２との距離が算出でき、それと検知した磁界の方向から入力媒体１０の位置を三次元的に決定できるしくみになっている。

磁気センサ１６としては、小型で省スペースのＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）やホール素子、磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子などが挙げられる。その中でも、とくに磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子は、検出感度が高くかつ検出範囲が広いため最も好ましい。磁気インピーダンス効果とは、磁性体にＭＨｚ帯域の高周波電流を流すと、磁性体の両端間のインピーダンスが外部磁界により変化して両端間の電圧の振幅が変化する現象であり、数ガウス程度の微小な外部磁界でも数十％も変化する特性がある。

なお、上記磁気センサ１６は、０．２〜５０ガウスの検知範囲を含む磁気センサを選定するのが好ましい。この検知範囲を全て含む磁気センサであれば、検知範囲の下限が０．２ガウスより低くなくても(つまり検知範囲がこれより広くなくても)、高い磁力を発生する磁石１２を選定すれば、どの入力位置においても位置検知が充分可能であるからである。逆に、検知下限が低い(つまり高感度の磁気センサであっても)、上記の検知範囲を全く含まない（つまり上限が０．２ガウス未満の）磁気センサの場合には、磁気シールドをしないと地磁気の磁界の強さ（約０．５ガウス）によりノイズが発生し、位置検知ができなくなってしまう場合があるからである。

また磁気センサ１６の設定位置は、磁気センサモジュール５の外枠部の向かい合う辺に計二個、または各辺中央付近に計四個を、それぞれ均等の距離間隔で設けるとよい。

なお、上記の図６の例は、位置情報表示画面３が長方形の形状の場合を示したが、位置情報表示画面３が正方形、楕円形、菱形などであってもよく、とくに限定されない。これらの場合も長方形の場合と同様に、磁気センサ１６を周囲に均等の距離間隔で配置するのが最も好ましい態様である。また上記の位置情報表示画面３の上面外枠部または下面外枠部には、磁気センサ１６を隠蔽するための加飾層を形成してもよい

（１）ネオジム系焼結磁石の作製
Ｎｄ（ネオジム）２８％、Ｂ（ホウ素）２％、Ｆｅ（電解鉄）６９％、Ｄｙ（ディスプロシウム）２％の重量比で配合した粉末を１３００℃で高温溶解し、急速に冷却し、ジェットミル中で窒素ガスにて平均粒径５μｍの粒子に粉砕し、磁場プレス機に入れ磁場強度２０ｋＯｅ、成形密度５ｇ／ｃｃにて窒素雰囲気中で成形した。次いで、真空雰囲気の熱処理炉に入れ１１００℃で焼結し、７００℃で時効処理した後、切削および研削により下部に重心が偏った直径が２ｍｍの半球状に加工した。ついでその表面にニッケルおよび銅をメッキした後、パルス着磁器にて最大磁場強度５０ｋＯｅの着磁処理を行い、ネオジム系焼結磁石を得た。得られたネオジム系焼結磁石は断面部分がＮ極で、球面の頂点部分がＳ極になっていた。

（２）位置検知入力装置用入力媒体の作製
長さが１０ｃｍで直径が５ｍｍのペンシル状の成形品の先端付近内部に直径が２．５ｍｍの球状の空間を作製し、その中に上記直径が２ｍｍの半球状のネオジム系焼結磁石を載置して、位置検知入力装置用入力媒体を得た。得られた位置検知入力装置用入力媒体を垂直にした場合も斜め４５度に傾けた場合も、上記ネオジム系焼結磁石はその自重でもって上記球状の空間の最下部にＳ極がくるよう自在に移動するものであった。その結果、垂直にした場合も斜め４５度に傾けた場合も、磁界の向きは全く変わらないものとなっていた。

（３）位置検知入力装置の作製と評価
磁気センサの磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する算出手段が含まれている計算部を作製し、この計算部と上記磁気センサとを接続し、磁気センサで検知された信号を瞬時に計算部に送り、計算部での算出手段で磁界の強さとその方向から磁界が発せられた位置を瞬時に計算できるように設定して、位置検知入力装置を作製した。得られた位置検知入力装置の位置情報表示画面に上記作製した位置検知入力装置用入力媒体を近づけて位置検知の性能をテストした。テスト方法は、位置情報表示画面の計九箇所を選び、各３回ずつ位置検知入力装置用入力媒体を垂直に立てた状態および３０度、４５度に傾けた状態で近づけたり離したりして、位置検知入力装置用入力媒体の傾き角度の違いにより、磁石の位置座標がどの程度異なるか測定した。その結果、いずれの傾き角度においても差はなく、磁石の位置座標は磁石と磁気センサの距離および方向のみで決定できることが確認できた。

ネオジム系焼結磁石の形状が、直径が２ｍｍの球状、短辺直径が２ｍｍで長辺直径２．５ｍの楕円球状およびそれを半分に割った楕円球状で、下部に重心が偏った形状になるよう、それぞれ切削および研削加工した以外はそれぞれ実施例１と同様にして位置検知入力装置用入力媒体を作製し、次いで上記位置検知入力装置でもって同様に評価した。その結果、いずれの態様も、位置検知入力装置用入力媒体の傾き角度において位置座標の測定値に差はなく、磁石の位置座標は磁石と磁気センサの距離および方向のみで決定できることが確認できた。

ネオジム系焼結磁石の形状が、お碗を逆さまにしたような直径２ｍｍの中空半球形状になるよう切削および研削加工し、次いで位置検知入力装置用入力媒体の直径２．５ｍｍ球状の空間に針のような支点を形成し、その支点に上記磁石の中空の頂点部分を載置し、この支点を中心にして自在に磁石が動くようにし、かつ磁石の重心がその支点よりも下部にあるようにした以外は、実施例１と同様にして位置検知入力装置用入力媒体を作製し、次いで上記位置検知入力装置でもって同様に評価した。その結果、位置検知入力装置用入力媒体の傾き角度においても差はなく、磁石の位置座標は磁石と磁気センサの距離および方向のみで決定できることが確認できた。

本願発明は、携帯電話やＰＤＡ、小型ＰＣ、などの入力デバイスに適用できる位置検知入力装置の入力媒体の発明である。

３ 位置情報表示画面
５ 磁気センサモジュール
１０ 位置検知入力装置用入力媒体
１２ 磁石
１４ 磁石を載置する空間
１６ 磁気センサ
１８ 磁石の重心
２０ 位置検知入力装置
２５ 計算部
３０ 磁石を支える定点

Claims (4)

1. 磁石を載置する空間が形成され、その空間内で前記磁石が自在に動くことができる入力媒体であって、前記入力媒体を傾けるとそれに応じて前記磁石が動き、前記入力媒体の傾きが変わっても前記磁石の磁界の方向が変わらない位置検知入力装置用入力媒体。
2. 前記磁石が下部に重心が偏った球状、楕円球状、半球状、半楕円球状のいずれかの形状からなる請求項１記載の位置検知入力装置用入力媒体。
3. 前記磁石が前記空間内の定点を支点として載置され、前記磁石の重心が前記定点よりも下部にある請求項１又は請求項２記載の位置検知入力装置用入力媒体。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置検知入力装置用入力媒体と、前記位置検知入力装置用入力媒体の磁石から発生する磁界の強さを検知する磁気センサとを備えた、位置検知入力装置。

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