JP5944255B2 - 発光部を有する操作部材、およびそれを備えた座標入力システム - Google Patents

Description

本発明は、発光部を有する操作部材、およびそれを備えた座標入力システムに関する。

タッチペン、スタイラスペン等の棒状の操作部材（以下、「ペン」と記載する）又は指等による座標入力を受け付ける導光部材を備えた光学式の座標入力装置又は位置検出装置、並びに座標入力装置又は位置検出装置と表示パネルとを組み合わせたタブレット、タッチパネル等の座標入力システムが知られている。

上記座標入力システムでは、上記ペン又は指を座標入力装置の座標入力領域に接近又は接触させることにより、座標入力装置又は位置検出装置が該ペン又は指における接近又は接触した位置の座標を求める。求められた座標は、例えば座標入力装置とは別体の液晶ディスプレイ、又は該座標入力装置に一体的に積層されている液晶パネル等の表示画面に点画像又は直線画像等のオブジェクトを表示するため等に用いられる。

例えば、特許文献１に開示されているタッチパネル１００は、図９の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、導光板１０１と、導光板１０１に光を入射する光源１０２と、導光板１０１の側面の一部に配置された受光素子１０４・１０５と、導光板１０１の側面と受光素子１０４・１０５との間に被検出体１１０により散乱した光源１０２からの光を受光素子１０４・１０５に結像する結像手段１０７とを備えている。また、受光素子１０４・１０５が配置された導光板１０１の側面には光吸収手段１０８が配置され、受光素子１０４・１０５は、図９の（ｂ）に示すように、光源１０２の照射範囲外に配置されている。

また、特許文献２に開示されている情報入力装置２００は、スタイラスペンを用いた座標入力システムを備えている。具体的には、情報入力装置２００は、図１０に示されるように、バックライト２１０と、液晶パネル２２０と、スタイラスペン２３０とを有する。バックライト２１０は、ＩＲ光（赤外光）を出射する光源２１１と、光源２１１から出射した光を面状の光に変換する導光板２１２とを備えている。液晶パネル２２０は、ＴＦＴアレイ基板２０１と、カラーフィルタ基板２２２と、両基板によって狭持された液晶層２２３とを備えている。また、ＴＦＴアレイ基板２０１における液晶層２２３側の面には、受光素子２２４が配置されている。また、スタイラスペン２３０は、外観上、ペン先部２３３と胴体２３５とからかなる。ペン先部２３３は、その内部に、胴体２３５の端面からペンの中心軸に沿って棒状に延びる反射部２３４を有する。

情報入力装置２００においては、可視光に混じって赤外光がバックライト２１０から液晶パネル２２０へ照射され、液晶パネル２２０の表示面２２０Ａから出射するようになっている。表示面２２０Ａからの出射光のうち、赤外光は、スタイラスペン２３０の反射部２３４にて反射する。そして、この反射光が、再び液晶パネル２２０に入射し、受光素子２２４にて検出されることによって、スタイラスペン２３０のタッチ位置を検出することが可能になる。

特許文献３に開示されているタッチパッド３００は、発光部を有する発光ペン３０１を用いた座標入力システムを備えている。具体的には、図１１に示されるように、タッチパッド３００は、比較的硬い材料で構成されたスクリーンカバー３０２（所謂導光板）と比較的軟らかい材料で構成されたスクリーンカバー３０３（弾性部材ともいえる）とを備えている。そして、発光ペン３０１は、スクリーンカバー３０３に接触する。タッチパッド３００において、発光ペン３０１によるスクリーンカバー３０２・３０３の入光位置（発光ペン３０１でタッチした位置）は、三角測量法によって検出されるようになっている。

特開２００９−２５８９６７号公報（２００９年１１月 ５日公開） 特開２０１０−２６６９３号公報（２０１０年 ２月 ４日公開） 特表２００５−５２０２３９号公報（２００５年 ７月 ７日公表）

特許文献３の技術において、弾性部材としてのスクリーンカバー３０３は、光透過材料で構成されている。発光ペン３０１が接触することによって、スクリーンカバー３０３には、小さな凹み３０４が形成される。そして、この凹み３０４が広角レンズのように作用することによって、発光ペン３０１から出射した光がスクリーンカバー３０２に入射する。それゆえ、スクリーンカバー３０３に対し、凹み３０４が形成されるように発光ペン３０１を押圧しなければ、タッチ位置で発光ペン３０１からの光を十分に散乱することができない。このため、タッチ時の発光ペン３０１の傾斜等によって、スクリーンカバー３０２に入光する光量が大きく変化してしまう。その結果、特許文献３の技術では、信号品質が悪化するという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、発光部を有し、座標入力装置への入力手段として用いられる操作部材であって、発光による信号の品質が良好な操作部材、及びそれを備えた座標入力システムを提供することにある。

本発明の操作部材は、上記の課題を解決するために、光源を備え、光源からの光を入力装置に備えられた導光板に結合する操作部材であって、上記光源の光出射位置には、上記導光板との接触によって変形する弾性部材が設けられ、上記弾性部材には、光を散乱させる光散乱領域が形成されていることを特徴としている。

操作部材の光源から発する光線を入力装置に備えられた導光板に光結合させ、導光板内部に伝搬するためには、導光板に対し全反射条件の入射角度で光線を入射させる必要がある。通常の光源の構成は、ある特定の指向性を有する光を放射する構成になっているので、出射光を効率的に全反射条件の入射角度で導光板に入射させることが困難である。そこで、上記の構成によれば、上記光源の光出射位置には、上記導光板との接触によって変形する弾性部材が設けられ、上記弾性部材には、光を散乱させる光散乱領域が形成されている。

これによって、光源からの出射光は、弾性部材に形成された光散乱領域にて散乱し、広指向性の光となって導光板に入射する。このため、導光板に対し全反射条件の入射角度で入射する光線の量が増加し、入力装置の導光板との光結合効率が高くなる。

また、上記弾性部材は、操作部材が導光板に接触（タッチ）したとき変形し、その接触面の面積が増加する。そして、弾性部材の光散乱領域によって散乱した光は、上記接触面を介して導光板内部に入射しやすくなる。このため、入力装置の導光板との光結合効率がさらに高くなる。

以上のことから、上記の構成によれば、発光による信号の品質が良好な操作部材を実現することができる。

また、本発明の操作部材では、上記光源は、発光素子と該発光素子を封止する封止樹脂部とからなり、上記光源の側面には、上記発光素子からの光を上記光出射位置へ導く反射部が設けられていることが好ましい。

上記の構成によれば、上記光源の側面には、上記発光素子からの光を上記光出射位置へ導く反射部が設けられているので、発光素子から放射する光のうち、放射角度が広く光源の側面に到達する光成分は、上記反射部によって、光源の光出射方向（散乱部側の方向）へ導かれることとなる。それゆえ、上記の構成によれば、光線のロスをなくし散乱部側へ導かれる光線の量を増加させることができるので、光利用効率をさらに向上させることができる。

また、本発明の操作部材は、先端部分の導光板に対する傾斜角度を一定に保持する傾斜角度保持部材を備えたことが好ましい。

上記の構成によれば、先端部分の導光板に対する傾斜角度を一定に保持する傾斜角度保持部材を備えているので、操作部材は、先端部分が様々な傾斜角度で導光板にタッチすることなく、一定の傾斜角度でタッチすることになる。このため、傾斜抑制部材によって保持される傾斜角度で傾斜している光源の出射光に対し、導光板と光結合するように散乱部の形成領域を設定することができる。それゆえ、様々な傾斜角度で操作部材を導光板にタッチする場合と比較して、散乱部の形成領域を狭く限定することができる。

また、本発明の操作部材では、上記弾性部材は、光散乱体を含有することが好ましい。

これによって、光源からの出射光は、弾性部材内部でも散乱するので、導光板に対し全反射条件の入射角度で入射する光線の量がさらに増加し、入力装置の導光板との光結合効率がさらに高くなる。

また、本発明の操作部材では、上記光源は、先端部分に配置されており、上記発光素子は、ＬＥＤであることが好ましい。

上記の構成によれば、上記光源は、先端部分に配置されており、上記発光素子は、ＬＥＤであるので、光源から放射される光を伝搬させるため、別途導光部材を設ける必要がなくなり、部品点数を低減することができる。

また、本発明の操作部材では、上記弾性部材における上記導光板との接触面には、摺動部材が設けられていることが好ましい。

上記の構成によれば、上記弾性部材における上記導光板との接触面には、摺動部材が設けられているので、導光板と操作部材との摺動性を改善し滑らかな書き味（タッチ感）を実現できるとともに、弾性部材に形成された光散乱領域によって導光板との光結合効率を向上させることができる。

本発明の座標入力システムは、上記の課題を解決するために、導光板と、上述の操作部材と、上記導光板内を伝搬する伝搬光を受光する少なくとも２つの受光部と、上記導光板の表面に上記操作部材を接触したときの該接触に基づく伝搬光を検知した上記受光部の出力に基づいて、上記操作部材における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段と、を備えたことを特徴としている。

これによって、信号品質が良好な座標入力システムを実現することができる。

本発明の操作部材は、以上のように、光源を備え、光源からの光を入力装置に備えられた導光板に結合する操作部材であって、上記光源の光出射位置には、上記導光板との接触によって変形する弾性部材が設けられ、上記弾性部材には、光を散乱させる光散乱領域が形成されている構成である。

また、本発明の座標入力システムは、以上のように、導光板と、上記操作部材と、上記導光板内を伝搬する伝搬光を受光する少なくとも２つの受光部と、上記導光板の表面に上記操作部材を接触したときの該接触に基づく伝搬光を検知した上記受光部の出力に基づいて、上記操作部材における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段と、を備えた構成である。

それゆえ、発光部を有し、座標入力装置への入力手段として用いられる操作部材であって、発光による信号の品質が良好な操作部材、及びそれを備えた座標入力システムを実現することができる。

本発明の一実施形態の座標入力システムの構成を示す斜視図である。 図１に示す切断線Ａ−Ａ’の矢視断面図である。 （ａ）は、図１に示すペンの一構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、先端部の構成を示す拡大断面図である。 ペンの特徴部分の一つである光源の構成を模式的に示した断面図である。 （ａ）は、変形例１としてのペンの概略構成を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、変形例２としてのペンの概略構成を模式的に示した断面図である。 変形例３としてのペンにおける先端部の構成を示した断面図である。 （ａ）は上記座標入力システムにおける撮像ユニットでの撮像状況を示す斜視図であり、（ｂ）は上記撮像ユニットの撮像素子での像を示す平面図である。 本発明の他の実施形態の座標入力システムの構成を示す斜視図である。 （ａ）は特許文献１の座標入力装置としての位置検出装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の位置検出装置の要部の構成を示す平面図である。 特許文献２の情報入力装置の構成を示す断面図、及びスタイラスペンの構成を示す斜視図である。 特許文献３に開示されているタッチパッドの全体構成を示す断面図、及びペンのタッチ位置近傍の構成を示す拡大断面図である。

本発明の操作部材および座標入力システムの一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。以下では、本発明の座標入力システムの一実施形態を中心に説明し、そのなかで本発明の操作部材の一実施形態を説明する。

図１は、本実施形態の座標入力システムの構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａ’の矢視断面図である。

（座標入力システムの構成）
本実施形態の座標入力システム５０は、図１に示されるように、ペン入力装置４０（座標入力装置）と、ペン３（操作部材）とを具備している。そして、ペン入力装置４０の表面であるタッチ面にペン３がタッチ（接触）すると、二次元のタッチ位置座標を求めることができるようになっている。

（ペン入力装置４０）
ペン入力装置４０は、図１に示すように、液晶表示パネル２（画像表示パネル）と、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配置された四角形の導光板１（導光部材）と、導光板１の或る一辺の両端にそれぞれ配設された撮像ユニット１０、２０（検知手段）とを有している。

液晶表示パネル２は、一対の基板間に液晶層を挟持しており、各基板には、電圧印加によって当該液晶層の液晶分子の配向を変えるための各種電極が少なくとも設けられている。そして、電圧印加によって液晶分子の配向を変化させることによって、各画素の液晶層を透過する光の透過量を調整して所望の表示を行う。液晶表示パネル２の構成は、従来周知の液晶表示パネルを用いることができる。

導光板１は、透光性材料からなる一枚の平板である。図１に示すように、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配設されている。導光板１の大きさは、液晶表示パネルと略同じに構成することができる。本実施形態では、図１に示すように、撮像ユニット１０、２０を配設する一辺側が液晶表示パネル２よりも大きく構成されている。これにより、撮像ユニット１０、２０の少なくとも一部分を、導光板１の背面側に配設することができる。これにより、ペン入力装置４０のタッチ面に沿って拡がる方向のサイズの大型化を抑制し、コンパクトサイズの実現に寄与している。

導光板１の液晶表示パネル２とは反対側の表面が、ペン３によってタッチされるタッチ面である。

また、導光板１における撮像ユニット１０、２０を配設する端部（角）はそれぞれ、凹型の円錐面状の切り欠き１ａ（光路変換部）が設けられている。この切り欠き１ａの円錐面と導光板１背面とがなす角度（図２に示すγ）は、４５度以下であり、３０度や４５度が選ばれる。円錐面状の切り欠き１ａにはミラーコーティング６（光路変換部）を施してある。これにより、図２に示すように導光板１の内部を伝搬して切り欠き１ａに至った光の光路を、切り欠き１ａによって導光板１の下方、すなわち、導光板１の背面に向けて変化させる。なお、ミラーコーティング６が無くても、切り欠き１ａの円錐面によって、光路を導光板１の下方に変化させることが可能である。すなわち、導光板１は、完全な四角形である必要はなく、上述のように角が切り欠かれている、あるいは、角がＲ加工されているなどの実質的な四角形であってよい。

導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられる。導光板１の材料としては、例えばアクリルが用いられ、ポリカーボネートやガラスでも構わない。また導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられるが、これより厚くてもかまわない。また、導光板１のサイズ（タッチ面のサイズ）は、約１ｍ角とすることができるが、これに制限されるものではない。

撮像ユニット１０、２０は、導光板１の円錐面状の切り欠き１ａの直下に配置されている。つまり、撮像ユニット１０、２０は、導光板１の端部における互いに離れた二箇所に配設されている。また、撮像ユニット１０、２０は、導光板１のタッチ面よりも上方には突出していない。撮像ユニット１０は、レンズ１１と、可視光カットフィルタ１２と、撮像素子１３とを有している。また撮像ユニット２０も同様に、レンズ２１と、可視光カットフィルタ２２、撮像素子２３とを有している。撮像ユニット１０、２０は、導光板１に接続されていて、導光板１を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。

なお、本実施形態では、切り欠き１ａが円錐面状に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、多角面状に構成されていてもよい。

（ペン３）
ペン３は、所謂、タッチペン、スタイラスペンと呼ばれる操作部材である。ペン３の詳細な構成について、以下に詳述する。図３の（ａ）は、ペン３の一構成例を示す断面図であり、図３の（ｂ）は、ペン３の先端部の構成を示す拡大断面図である。

図３の（ａ）に示されるように、ペン３は、光源３１と、駆動装置３２と、電源装置３３と、弾性部材（散乱部）３４’と、筐体３５とを備えている。筐体３５には、光源３１の一部、駆動装置３２、及び電源装置３３が格納されている。

光源３１は、発光素子が樹脂封止された樹脂封止パッケージになっており、可視領域から赤外領域の波長の光を放射する。また、光源３１は、ペン３の先端部分に配置されている。これによって、光源３１から放射される光を伝搬させるため、別途導光部材を設ける必要がなくなり、部品点数を低減することができる。光源３１の具体的な構成については、後述する。

駆動装置３２及び電源装置３３は、光源３１に備えられた発光素子の発光を制御する制御部をして機能している。駆動装置３２は、発光素子の発光を駆動する駆動回路を備えている。また、電源装置３３は、駆動装置３２に電力を供給する装置である。この電源装置３３は、例えば電池を内蔵する構成とすることができる。あるいは、充電式に構成することができる。駆動装置３２及び電源装置３３を備えた制御部は、例えばペン３の先端部が導光板１に接触したときにのみ光源３１が発光する仕組みが盛り込まれている。この仕組みは、感圧スイッチ等を用いることによって構成することができ、発光時間を制御することが可能になる。このため、消費電力を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

本実施形態のペン３の特徴的構成の１つは、光源３１の構成である。図４は、ペン３の特徴部分である光源３１の構成を模式的に示した断面図である。

図４に示されるように、光源３１は、発光素子３１ａと、発光素子３１ａを封止する封止樹脂部３１ｂとから構成された、封止樹脂パッケージの形態になっている。また、封止樹脂部３１ｂにおける導光板１側の部分は半球状の曲面を有している。また、発光素子３１ａとしては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＬＤ(Laser Diode)等が挙げられる。特に、発光素子３１ａは、ＬＥＤであることが好ましい。

ところで、ペン３の光源３１から発する光線を導光板１に光結合させ、導光板１内部に伝搬するためには、導光板１に対し全反射条件の入射角度で光線を入射させる必要がある。通常の光源３１の構成は、ある特定の指向性を有する光を放射する構成になっているので、出射光を効率的に全反射条件の入射角度で導光板１に入射させることが困難である。そこで、ペン３においては、光源３１の光出射位置に、光源３１から放射される光を散乱する散乱部３４が設けられている。

この構成によれば、光源３１からの出射光は、散乱部３４にて散乱し、広指向性の光となって導光板１に入射する。このため、導光板１に対し全反射条件の入射角度で入射する光線の量が増加する。その結果、発光する光の利用効率が高く、かつペン入力装置４０の導光板１との光結合効率が高いペン３を実現することができる。さらには、ペン３の位置検出が容易になり、ペン３のタッチ位置の検出精度が向上する。よって、図４の構成によれば、発光による信号の品質が良好なペン３を実現することができる。

散乱部３４は、可視領域から赤外領域の波長の光を透過する透過材料から構成されていればよく、例えば当該材料に光散乱体を含有させることによって光源３１からの光を散乱させることが可能である。あるいは、透過材料に、粗面を形成する処理、または光散乱体含有材料をコーティングする処理を施すことによって、光源３１からの光を散乱させることが可能である。

特に、散乱部３４は、図３の（ａ）及び（ｂ）に示されるような弾性部材３４’で構成されていることが好ましい。弾性部材３４’は、ペン３が導光板１にタッチしたとき変形する。それゆえ、ペン３は、導光板１に接触したとき、その接触面の面積が増加する。そして、散乱部３４としての弾性部材３４’によって散乱した光は、上記接触面を介して導光板１内部に入射しやすくなる。その結果、ペン入力装置４０の導光板１との光結合効率がさらに高くなる。

なお、弾性部材３４’を構成する材料は、可視領域から赤外領域の波長の光を透過する材料であればよく、例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）等のゴム材料が挙げられる。また、弾性部材３４’の材料中に光散乱体を含有させることによって、光源３１からの光を散乱させることが可能である。あるいは、光源３１からの光を散乱させるために、弾性部材３４’における光入射面３４’ａ（第１の面）及び光出射面３４’ｂ（第２の面）の少なくとも一方の面に、光散乱領域Ａが形成されていてもよい。

例えば、図３の構成では、光散乱領域Ａは、弾性部材３４’の光入射面３４’ａに形成されている。光散乱領域Ａは、粗面（例えばシボ加工されたシボ面）で構成されており、光源３１からの光が散乱するようになっている。

このように、散乱部３４として、可視領域から赤外領域の波長の光を透過する材料からなる弾性部材３４’を採用することによって、光源３１からの光の利用効率を高くすることができる。さらには、散乱部３４の厚さを厚くすることができ、ペン３のペン先部分が摩耗によって破損することがない。また、光入射面３４’ａ及び光出射面３４’ｂの少なくとも一方の面に光散乱領域Ａを形成することによって、導光板１との光結合効率が高いペン３を実現することができる。

（変形例１、２）
本実施形態のペン３の構成において、図４に示す構成の変形例について説明する。図５の（ａ）は、変形例１としてのペン３の概略構成を模式的に示した断面図であり、図５の（ｂ）は、変形例２としてのペン３の概略構成を模式的に示した断面図である。

図５の（ａ）に示されるように、変形例１のペン３においては、光源３１の側面に、発光素子３１ａからの光を光出射位置へ導く反射部３６が設けられている。これによって、発光素子３１ａから放射する光のうち、放射角度が広く光源３１の側面に到達する光成分は、反射部３６によって、光源３１の光出射方向（散乱部３４側の方向）へ導かれることとなる。それゆえ、変形例１のペン３によれば、光線のロスをなくし散乱部３４側へ導かれる光線の量を増加させることができるので、光利用効率をさらに向上させることができる。

また、図５の（ｂ）に示されるように、変形例２のペン３においては、先端部分（光源３１）の導光板１に対する傾斜角度を一定に保持する傾斜角度保持部材３７が設けられている。この傾斜角度保持部材３７は、導光板１に接触する接触面を有し、この接触面が導光板１に接触したときに、光源３１の光軸が導光板１に対し傾斜するように保持されるように構成されている。それゆえ、傾斜角度保持部材３７は、導光板１に対する光源３１の光軸の傾斜角度を一定に保持する傾斜角度保持部材ともいえる。

これによって、ペン３は、先端部分が様々な傾斜角度で導光板１にタッチすることなく、一定の傾斜角度でタッチすることになる。このため、傾斜角度保持部材３７によって保持される傾斜角度で傾斜している光源３１の出射光に対し、導光板１と光結合するように散乱部３４の形成領域を設定することができる。それゆえ、様々な傾斜角度でペン３を導光板１にタッチする場合と比較して、散乱部３４の形成領域を狭く限定することができる。例えば、図５の（ｂ）に示される構成において、光源３１の光出射面全体に散乱部３４を形成した場合、ペン３から導光板１への光結合に寄与しない光は、散乱部３４で散乱されるので、安全性を確保することができる。その一方で、散乱部３４によって、光結合に寄与しない光がペン３の外部へ散乱するため、光利用効率が低下する。それゆえ、図５の（ｂ）に示される構成において、散乱部３４は、光源３１の光出射面全体ではなく、導光板１との光結合に必要な一部の領域に設けられていればよい。

（変形例３）
本実施形態のペン３の構成において、図４に示す構成の他の変形例について説明する。図６は、変形例３としてのペン３における先端部の構成を示した断面図である。

図６に示されるように、変形例３のペン３においては、弾性部材３４’における導光板１との接触面（すなわち光出射面３４’ｂ）に、摺動部材３８が設けられている。これによって、導光板１とペン３との摺動性を改善し滑らかな書き味（タッチ感）を実現できるとともに、弾性部材３４’に形成された光散乱領域Ａによって導光板１との光結合効率を向上させることができる。

なお、摺動部材３８は、導光板１とペン３との摺動性を改善することができる部材であればよく、例えば、超高分子量ポリエチレンフィルムが挙げられる。超高分子量ポリエチレンフィルムは、熱溶着によって、弾性部材３４’の光出射面３４’ｂに固着することができる。

なお、摺動部材３８に替えて、弾性部材３４’の光出射面３４’ｂに、微細な凹凸形状を有する光散乱領域Ａが設けられていてもよい。光散乱領域Ａは、光を散乱し導光板１との光結合効率を向上させる機能を有する。そして、この機能とともに、弾性部材３４’をペン入力装置４０の導光板１にタッチさせて用いる場合、光散乱領域Ａの微細な凹凸形状によって、導光板１との接触面積が減少し、摺動させたときの摩擦力が低減する。それゆえ、導光板１とペン３との摺動性を改善し滑らかな書き味（タッチ感）を実現できる。

以上のように、ペン３には、赤外光を出射する光源３１が設けられており、ペン先から赤外光が導光板１に結合して、導光板１内を伝搬する。導光板１内を伝搬する赤外光は、全反射しつつ、散乱放射する。そして、本実施形態では、この散乱放射した光に基づいて、ペン３の接触位置（タッチ位置）の二次元の位置座標を精度よく求めることができる。

具体的には、図１に示されるように、導光板１の或る一辺の両端にそれぞれ配設された撮像ユニット１０、２０が、導光板１の内部を伝搬する赤外光（以下、伝搬光４ａ、４ｂと記載する）をそれぞれ捕らえて、撮像素子１３から得られる各画像から、当該接触の二次元の位置座標を求める。撮像素子１３の受光面は、導光板１の表面と平行に配設されている。以下に、ペン入力の検出原理について詳述する。

（ペン入力の検出原理）
ペン３のペン先がペン入力装置のタッチ面（透明導光板表面）に接触したとき、ライトペンから放射される赤外光の一部が屈折率Ｎの導光板１内に入射する。この入射光のうち、導光板１内の伝搬角θ_Ｐが、式；
ｓｉｎ（９０°−θ_Ｐ）＞１／Ｎ
に示す条件を満たす光束は、図２に示すように、導光板１内に閉じ込められ、導光板１の表面、および裏面での反射を繰り返し、導光板１内を進行する。

ペン３から発せられた赤外光はペン先を中心にして放射状に散乱され、導光板１内を伝搬し、その光束のうちの一部の光束４ａ、４ｂは円錐面状の切り欠き１ａの端面にも導かれ、当該端面の反射光が撮像ユニット１０、２０で受光される。具体的には、当該端面の反射光は、レンズ１１、２１にて集光され、続いて、可視光カットフィルタ１２、２２を通って、最後に撮像素子１３、２３に受光される。可視光カットフィルタ１２、２２はペンから放射される赤外光を透過し、それ以外の波長帯の光を遮断する役割を果たす。可視光カットフィルタ１２、２２により、太陽光や、液晶表示パネルバックライト光等の迷光が遮断され、ＳＮ比を高くすることができる。

図７の（ａ）に示すように、ペン３から発せられ導光板１内を伝搬し、出射された光はレンズ１１を経て、撮像素子１３に線状の像１５を形成する。線状の像１５の位置はペン３の位置によって変化し、撮像ユニットの取得画像を分析することにより、光束４ａ、４ｂと透明導光板の一辺とがなす角度α、βがそれぞれ求められ、三角測量の原理を用いて発光源となるペン先が接した点の位置座標が求められる。図７の（ａ）において、ペンが３ａの位置にあるとき、線状の像１５が形成される。このペンが３ｂの位置に移動したとき、線状の像１７が形成される。

図７の（ｂ）に撮像素子１３の取得画像を示す。赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が導光板１に接触していないとき、撮像素子１３の取得画像には何も現れない。一方、発光部から赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が導光板１に接触して赤外光が導光板１に結合すると、図２に示すように、その光束のうちの一部の光束４ａが撮像素子１３に導かれ、撮像素子１３の撮像面に線状の像が形成され、取得画像上に線状の像１５が現れる。

図７に示す線状の像１５の位置は、ペン３のペン先の接触点の位置に依存して変化し、ペン先の接触点の位置を変えると、線状像は破線で示した線状像１７のように変化する。その線状像の軌跡は一点鎖線で示した扇形状１６になる。その扇形の中心と線状像を結ぶ線分の回転角度α_１’（円弧の中心を回転中心とする）は、ペン３と撮像素子１３を結ぶ線分と導光板１の上記或る一辺とがなす角度α_１と同じ角度になる。撮像素子の取得画像からα_１’が求められ、α_１’からα_１が求められる。同様にペンが３ｂの位置に移動すると、線状像１７が形成され、その線状像１７の傾きα_２’を求めることにより、α_２が求められる。

撮像素子２３についても同様に取得画像の分析から発光点の位置が特定され、ペン３と撮像素子２３とを結ぶ線分と導光板１の上記或る一辺とがなす角度βが求められる。

そして、撮像素子間の間隔をＬ、撮像素子１３からの画像を読み取り求めた輝点の変位角度をα、撮像素子２３からの取得画像を読み取り求めた輝点の変位角度をβとしたとき、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は下記の関係式（１）および（２）；
Ｙ＝ｔａｎα・Ｘ …（１）
Ｙ＝ｔａｎβ・（Ｌ−Ｘ） …（２）
を満足する。これを解くと、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は、
Ｘ＝ｔａｎβ・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …（３）
Ｙ＝（ｔａｎα・ｔａｎβ）・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …（４）
と表され、上述のように求めたα、βと、予め求めることができるＬにより、ペン先が接触した地点の座標Ｘ、Ｙが求められる。このうちＬは撮像素子１３と撮像素子２３の間の間隔であり固定の値である。α、βを求めることにより、ペン入力座標Ｘ、Ｙ（位置座標）を求めることができる。

なお、撮像素子間の間隔Ｌとは、レンズ１１の光軸中心とレンズ２１の光軸中心との間の距離である。

ペン３の位置座標を以上の方法で求めるために、座標入力システム５０には、図示しない位置座標検出部を設けている。位置座標検出部はペン入力装置４０に設けることができる。

また、以上の方法で求められたペン３の位置座標に基づいて、液晶表示パネル２の当該位置座標に対応する位置にある画素を駆動して、ユーザが、ペン３のタッチ位置を視認することができるようにすることが可能である。そのためには、液晶表示パネル２の駆動を制御する制御部（不図示）が、位置座標検出部で求めた位置座標の情報を取得して、当該情報に基づいて液晶表示パネル２を駆動すればよい。

以上のように本実施形態の座標入力システム５０は、導光板１の端部における互いに離れた少なくとも二箇所において、伝搬した光を捕らえることによって、ペン３の位置座標を求めることができる。

また本実施形態のペン入力装置４０の構成によれば、導光板１のタッチ面よりも上方に突出しない位置に撮像素子１３、２３が設けられているので、導光板１のタッチ面がペン入力装置４０の最上面となり、タッチ面よりも上方に撮像素子が出っ張らない。よって、本実施形態の座標入力システム５０のペン入力装置４０をテーブル型端末に適用した場合であっても、周囲が土手のように盛り上がることなく、テーブル面を完全にフラットにすることができる。

また本実施形態の座標入力システム５０は、導光板の内部を伝搬した光が撮像素子によって受光される構成となっているので、太陽光を含む迷光によって誤認識が生じる虞がなく正確な位置検出を実現することができ、故に、屋外や窓際に装置を置くことも可能である。

また、本実施形態の座標入力システム５０のペン入力装置４０は、ペン３先からの放射光を受光する撮像ユニット１０、２０が導光板１に接続されていて、導光板１を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。よって、導光板１のタッチ面の法線方向から照明光が当てられても、その光は導光板１に結合しないため、迷光が撮像素子１３、２３に導かれることはない。このため、ペン入力装置４０は外光の影響を受けにくく、屋外や窓際に配置することが可能である。

また、本実施形態では、ペン３先から出射される光が、ペン３先に設けた弾性部材３４’の光散乱領域Ａによって散乱する構成となっている。これにより、十分な光量を導光板１にカップリングさせることができる。したがって、正確な位置検出を実現することができる。

なお、本実施形態では、撮像素子１３および撮像素子２３の計２つの撮像素子を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、導光板１の端部における各箇所からミラーおよびシャッターを用いて１つの撮像素子に集めてもよい。

なおまた、本実施形態では、１つのペン３を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のペンを用いた場合であっても例えば各ペンの発光タイミングを異ならせるなどすれば、導光板１のタッチ面に同時に複数のペンが接触していてもそれぞれの位置座標を求めることができる。

なおまた、本実施形態では、導光板１の一辺の両端から光を取得する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当該一辺上の異なる２箇所から光を取得する構成としてもよい。

なおまた、本実施形態では、導光板１の一辺の両端から光を取得する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、導光板１の隣り合う二辺にそれぞれ光を取得する箇所を設けて、当該箇所の間の距離と、各当該箇所から得られる画像から、ペン３の位置座標を求めてもよい。

〔実施形態２〕
図８を用いて本発明の座標入力システムの他の実施形態について説明する。図８は、本実施形態の座標入力システムの構成を示す斜視図である。本実施形態と、上述の実施形態１との相違点は、導光板１の或る一辺の両端部の構成にある。

具体的には、実施形態１では、導光板１の切り欠き１ａの円錐面にミラーコーティング６が施されている。これに対して、本実施形態の座標入力システムでは、ペン入力装置４０’（座標入力装置）の導光板１の切り欠き１ａ’は導光板１の背面と垂直またはほぼ垂直の角度をなした円柱面を構成しており、この切り欠き１ａ’の円柱面にはミラーコーティングが施されておらず、その代わりに、切り欠き１ａ’に隣接して、ミラー素子１４、２４が配設されている点で異なる。

すなわち、導光板１の端面は、実施形態１と同様に円弧状の切り欠きを設けられるように加工されているが、実施形態１とは異なり垂直な面をもつ。

そして、撮像ユニット１０’は、ミラー素子１４、レンズ１１、可視光カットフィルタ１２、撮像素子１３を有している。また、撮像ユニット２０’は、ミラー素子２４、レンズ２１、可視光カットフィルタ２２、撮像素子２３を有している。

ミラー素子１４、２４は、円筒面１４ｂ、２４ｂと円錐面１４ａ、２４ａとを含み、円錐面１４ａ、２４ａにはミラーコーティングが施されている。

導光板１内を伝搬し、導光板の四隅に導かれた光束は、導光板１の凹型円筒面を有した切り欠き１ａ’を透過して導光板１から出射し、ミラー素子１４、２４の円錐面１４ａ、２４ａに導かれ、円錐面１４ａ、２４ａで反射された光束は導光板１の背面の方向に導かれる。その後、レンズ１１、１２にて集光され、可視光カットフィルタ１２、２２を経て、撮像素子１３、２３で受光され、撮影像の線状像の傾斜角から、上述の実施形態１と同じ手法で光束の方位角α、βが求められる。

導光板１のサイズが約１ｍ角と大きい場合が想定される。この場合、実施形態１のように、導光板１の四隅の円錐面にミラーコーティングを行うのは、工程上困難であり、高コストとなる。一方、本実施形態のように、ミラー素子１４、２４を別途設けることによって、導光板１と比べれば遥かに小型なミラー素子１４、２４の円錐面にミラーコーティングを施せばよく、作業が容易であり、また多数の光学素子に一度にミラーコーティングできるため、ミラー素子のコストも安価にすることができる。また、円錐面をミラーにしたミラー素子を用いることにより、円錐面を屈折して導光板外部に出射される光も反射させて、撮像ユニット側に導くことにより光利用効率を高めることができる。

〔実施形態３〕
本発明の座標入力システムの他の実施形態について説明する。

上述の実施形態１は、導光板１内を伝搬した光を導光板１の或る一辺の両端部から導光板１の下方に導いて撮像している。これに対して、本実施形態では、実施形態１と同じペン３（図１）と導光板１を用いて、当該ペンから出射した赤外光を、当該透明導光板内を伝搬させるのではなく当該透明導光板の表面に沿って散乱させる態様とする。そして、本実施形態では、その透明導光板の下方ではなく、透明導光板の当該表面に近接した位置に実施形態１と同様の撮像ユニットが設けられており、当該位置にて、光を受光する構成となっている。

撮像ユニットは、透明導光板の或る一辺の両端部に設けられており、透明導光板の表面に沿って散乱した光が、これらの撮像ユニットに入射すると、実施形態１と同様に線状の像を形成し、実施形態１と同様に求めた角度と、撮像素子間の距離とに基づいて、ペン３の近接位置座標を求めることができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、発光ペンを用いて座標入力する、任意の座標入力システムに利用することができる。座標入力システムは、パソコン、テレビ、白板、タブレット端末等に適用が可能である。

１ 導光板（導光部材）
１ａ、１ａ’ 切り欠き（光路変換部）
２ 液晶表示パネル（表示装置）
３ ペン（操作部材）
４ａ、４ｂ 光束
６ ミラーコーティング
１０、２０、１０’、２０’ 撮像ユニット（検知手段）
１１、２１ レンズ
１２、２２ 可視光カットフィルタ
１３、２３ 撮像素子（受光部）
１４、２４ ミラー素子
１４ａ、２４ａ 円錐面
１４ｂ、２４ｂ 円筒面
１５ 線状の像
１６ 扇形状
１７ 線状の像
３１ 光源
３１ａ 発光素子
３１ｂ 封止樹脂部
３２ 駆動装置
３３ 電源装置
３４ 散乱部
３４’ 弾性部材
３４’ａ 光入射面（第１の面）
３４’ｂ 光出射面（第２の面）
３５ 筐体
３６ 反射部
３７ 傾斜角度保持部材
３８ 摺動部材
４０、４０’ ペン入力装置（座標入力装置）
５０ 座標入力システム
Ａ 光散乱領域

Claims (7)

1. 光源を備え、光源からの光を入力装置に備えられた導光板に結合する操作部材であって、
   上記光源の光出射位置には、上記導光板との接触によって変形する弾性部材が設けられ、
   上記弾性部材には、光を散乱させる光散乱領域が形成されていることを特徴とする操作部材。
2. 上記光源は、発光素子と該発光素子を封止する封止樹脂部とからなり、
   上記光源の側面には、上記発光素子からの光を上記光出射位置へ導く反射部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の操作部材。
3. 先端部分の導光板に対する傾斜角度を一定に保持する傾斜角度保持部材を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の操作部材。
4. 上記弾性部材は、光散乱体を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の操作部材。
5. 上記光源は、発光素子と該発光素子を封止する封止樹脂部とからなるとともに、操作部材の先端部分に配置されており、
   上記発光素子は、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の操作部材。
6. 上記弾性部材における上記導光板との接触面には、摺動部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の操作部材。
7. 導光板と、
   請求項１〜６の何れか１項に記載の操作部材と、
   上記導光板内を伝搬する伝搬光を受光する少なくとも２つの受光部と、
   上記導光板の表面に上記操作部材を接触したときの該接触に基づく伝搬光を検知した上記受光部の出力に基づいて、上記操作部材における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検知手段と、を備えた座標入力システム。

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