JPS60243729A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野〕 本発明は情報板と該情報板上を移動自在に構成された操
作部からなる座標入力装置に関し、特に発光部と情報板
と受光部から成る反射光学系を有し、操作部自体が自己
の移動量及び移動方向を検出可能な座標入力装置に関す
るものである。

［従来技術］ 操作部自体が自己の移動量や移動方向を検出して外部情
報処理装置に座標情報の入力をする装置が普及している
。この種の座標入力装置は従来のカーソル移動用キー等
と比べて入力の操作性が格段に良く、またライトペンの
ように画面に直接手を延ばして操作する必要がないこと
等数々の利点があるからである。

従来、この種の座標入力装置ではポールのころがりから
移動を検出するもの、或いは抵抗による電圧降下の値か
ら座標値を得るもの、或いは電磁誘導方式によるもの等
様々なものが提案されている。しかしながら、機械式部
分を含むものは耐久性や精度の面において不満があり、
電圧降下式や電磁誘導方式のものは電磁気的な外乱によ
る影響を受け易いという欠点があった。

［目的］ 本発明は上述した従来技術の欠点に鑑みて成されたもの
であって、その目的とする所は、情報板の模様を操作部
が光学的に読み取ることにより座標の読取精度と信頼性
が高く且つ電磁気的な外乱による影響を受けない座標入
力装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、単一の光源を用いることにより光
源のバラツキによる調整が無用であり且つ光源の経時的
変動による影響を受けない座標入力装置を提供すること
にある。

本発明の他の目的は、複数の受光手段とその複数の受光
手段からの出力信号より、移動方向及び、移動量を出力
する座標入力装置を提供することである。

又、本発明の他の目的は、複数の円錐面と平面とからな
る座標情報板を提供することである。

［実施隼］ 以下、添付図面に従って本発明に係る一実施例の座標入
力装置を詳細に説明する。

第１図は本発明に係る一実施例の座標入力装置の外観を
示す斜視図である。図において、ｌは黒い面２に表面の
一様に磨かれた円錐３がマトリックス状に設けら゛れて
いる情報板、４は手動により情報板１上を自在に移動し
、該情報板上の模様な光学的に検出することによりその
移動量と移動方向の情報をめて出力する操作部である。

第２図は情報板ｌの一部表面を拡大して示す部分拡大図
である０図において、光がよく反射するよう表面の一様
に磨かれた円錐３の各頂点は等間隔Ｃになっている。従
って、この上を習動する操作部４の光学系が１つの円錐
から他の円錐に移動したことを検出すれば情報板ｌのＸ
軸又はＹ軸について操作部４が１単位移動したことが分
る。１単位（ｅ）の大きさは操作部４の操作に適した移
動範囲と関連して妥当な大きさのものに決められる。１
単位が大きければ大きな移動量でも少ない座標情報しか
得られないから操作性が低下する。

また１単位をあまり小さくするとかえって検出が敏感に
なり、操作部４の僅かな振動でも座標情報を発生してし
まうから操作性を不安定にさせる。

従って、普通に使用される最も典型的なものは操作部４
の１単位の移動が画面上の１ドツトの移動に対応するも
のであり、且つその画面全体の移動を適当な大きさの情
報板上で操作可能とすることである。尚、面２は必ずし
も黒くする必要はない。その理由は後述する光学系の説
明によって明らかとなる。

第３図は操作部４の原理的な構成を示す断面図である。

図において、操作部４は使用の際に手の平で握り込むよ
うな頭部４．を有する。また操作部４の下側には適当な
広さを有するすべり面４２が設けられており、該操作部
４はすべり面４２を介して情報板ｌの面上を移動自在で
ある。

操作部４の内側に設けられた５は情報板ｌ上にほぼ垂直
な並行゛光線束ｌＯを照射する発光部であり、例えば光
源としてＬＥＤ、タングテンランプ、レーザ等の発光素
子を用いることができる。

或いは別設した発光素子の光を光フアイバスコープなど
を用いて導き光フアイバスコープの端面を図の発光部５
の位置に配するようにしてもよい。

また６〜９は情報板ｌ上で反射した光線束を検出する受
光部である。受光部には、例えばフォトダイオード、フ
ォトトランジスタ、Ｃｄｓ等が用いられる。受光部６〜
９は情報板１の円錐面で反射した光を検出するためのも
のであり、夫々がｌ／４の円弧の形状を成し、円周上に
所定の巾を持った受光面を有している。

図のように操作部４がある１つの円錐すの真上にあると
きは、発光部５から発射された円柱状の並行光線束ｌＯ
は円錐すの頂点で反射され、輪状になった反射光が受光
部６〜９に均等に入射する。しかし操作部４の位置が例
えば左右（Ｘ軸）方向に僅かでもずれれば受光部６，９
の組と受光部７，８の組とでは受光状態が正反対に移行
することが理解される。このことは第４図の斜視図を参
照するとよく解る。　゛ 第４図は操作部４内の光学系の原理的構成を示す斜視図
である。今、仮に情報板ｌの図の方向にＸ軸とＹ軸を想
定した場合はこれと重なるように受光部のＸ′軸とＹ′
軸が対応している。しかしながら、操作部４の実際上の
使用に際しては情報板１上のＸ軸とＹ軸に対して操作部
４のＸ′軸とＹ′軸が重ならないような状態が十分に起
り得る。例えばこのような状態は操作部４の持ち方や操
作部４を移動中の手の先の回動運動によって引き起こさ
れる。しかしこの場合でも情報板ｌ上の検出対象物は円
錐であるから軸方向の重なりが多少ずれても何ら問題と
はならない。

第５図は円錐３の斜面で反射された光と受光部受光面と
の関係を説明する図である。発光光線束ｌＯが円錐３の
斜面の何処にあたるかで受光部まゝ　での光路長が変り
、受光部受光面への入射位置も変ってくる。今、発光部
５と円錐３底面との間の垂直距離をｈ、円錐３底面の半
径をＲ１斜面の傾きをθ、発光光線１０の光軸と円錐３
底面が交わる点から円錐３の縁までの距離をａとすると
、反射光線１１が受光面に入射する位置（受光半径）ｒ
は次式によって表わされる。

ｒ＝（ｈ−ａｔａｎθ）　ｔａｎ　２θ＝　ｈ　ｔａｎ
　２θ−２ａ／　（ｃｏｔ　２　θ−１）・・・（１） （１）式において、右辺第１項は発光光線ｌＯが円錐３
の縁（半径Ｒ）にあたった場合の受光半径ｒ１に相当し
これが受光半径ｒの最大値であって受光面の外径をを与
える。また右辺第２項は受光半径ｒの最大値からの変動
項である。即ち、距離ａがＯ−Ｈに変化するときの受光
半径ｒの変動幅Δｒを与える。変動幅Δｒの最大値Δｒ
１はａ；Ｒのときに生じ次式によって表わせる。

Δｒ　ｒ　＝　２　Ｒ／　（ｃｏｔ　２　θ−１）　・
　（２）また受光半径ｒの最少値ｒ２は次式によって表
わせる。

ｒ２＝ｒ、−Δｒ１　・・・　（３） こうして受光部の設計にあたっては（１）式のｒｌ及び
（３）式のｒ２を満足する範囲内で受光面の内径ｒ２及
び外径ｒ１を設定している。従って発光光線１０が円錐
面のどの位置に当るときでもその反射光線１１が何れか
の受光部受光面によって受光されることになる。そして
このような内部の光学系は操作部４により囲まれている
から外部からの光は実質的に遮断され、外乱とはなり得
ない。また光学系は電磁界による影響も受けない。

上述した操作部４が情報板ｌ上を移動されるときは夫々
の受光部から特徴的な検出信号が発生される。第６図は
このような検出信号を処理して操作部４の移動量と移動
方向とをめる構成を示すブロック図である。また第７図
は情報板１上で操作部４を現位置からＸ軸の正方向に４
単位及びＹ軸の負方向に２単位移動させた場合の各部の
信号波形を示す図であり、第８図は操作部４を第７図と
逆の方向に移動させた場合の各部の信号波形を示す図で
ある。以下これらの図を参照して本実施例装置の動作を
説明する。

第６図には受光半径ｒ２〜ｒｌの受光面を有する受光部
６〜９が示されている。図において、受光素子６と９の
各出力信号Ｖｕｆｌ　、Ｖｄ５Ｌはアナログ加算器１８
で加算（Ｖ文＝Ｖｕ文＋Ｖｄ文）されて差動増幅回路２
３の正の入力端子に入力される。また受光部７と８の各
出力信号Ｖｕｒ、Ｖｄｒはアナログ加算器１９で加算（
Ｖｒ＝Ｖｕｒ＋Ｖｄｒ）されて差動増幅器２３の負の入
力端子に入力される。差動増幅回路２３は両人力信号Ｖ
文、Ｖｒｃ７）差分出力信号Ｖｘ　（＝Ｖｉ−Ｖ　ｒ）
を出力する。従って第４図に示すように受光部６〜９に
均等に反射光が入射するときは差動増幅回路２３の出力
がＯボルトであり、また操作部４が少し左にずれると＋
Ｖｘの信号を出力し、少し右にずれると−Ｖｘの信号を
出力する。この関係に従って操作部４を情報板１上で左
右方向に移動させた場合の信号波形は第７図（ｂ）と第
８図（ｂ）の信号Ｖｘにより示されている。ここで時間
軸ｔは第７図（ｂ）と第８図（ｂ）とにおいてその向き
が逆になっていることに注意されたい。操作部４の移動
方向にあわせて時間軸ｔを設け、その方。向に信号Ｖｘ
を表わしたからである。後述する他の信号の場合につい
ても同様である。

受光部６と７の各出力信号Ｖｕ文、Ｖｕｒはアナログ加
算器２１で加算（Ｖ　ｕ　＝　Ｖ　ｕ文士Ｖｕｒ）され
て差動増幅回路２４の正の入力端子に入力される。また
、受光部９と８の各出力信号Ｖｄ文とＶｄｒはアナログ
加算器２２で加算（Ｖ　ｄ　＝Ｖｄ文＋Ｖｄｒ）されて
差動増幅回路２４の負の入力端子に入力される。差動増
幅回路２４は両人力信号Ｖｕ　、Ｖｄの差分出力信号Ｖ
ｙ（−Ｖｕ−Ｖｄ）を出力する。操作部４が第４図の位
置から少し上にずれると差動増幅回路２４は＋ｖｙの信
号を出力し、少し下にずれると−ｖｙの信号を出力する
。この関係に従って操作部４を上下方向に移動させた場
合の信号波形は第７図（ｂ）と第８図（ｂ）の信号ｖｙ
により示されている。

受光部６〜９の各出力信号はアナログ加算器２０で加算
（Ｖｕｕ＋Ｖｕ　ｒ＋Ｖｄｉ＋Ｖｄ　ｒ）されてそのま
ま信号Ｖｍとなる。アナログ加算器２０は発光部５の光
軸が円ｗｋ３の面上を移動中である間はぼ＋Ｖｍの信号
を出力する。

２５〜２７はヒステリシス特性を持たせた波形整形回路
である。各信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｍは夫々の波形整形回路
２５，２７．２６を通されて矩形波信号Ｖｘ’　、Ｖｙ
’　、Ｖｍ’に整形される。ヒステリシス特性を持った
スレッシュホルドレベルは例えば第７図（ｂ）のレベル
４５〜５０によって示されてい名。第８図（ｂ）につい
ても同様である。このスレッシュホルドレベルとの関係
において信号Ｖｘがレベル４５を正の方向に越えたとき
は波形整形回路２５の出力端子に＋１の信号を出力し、
信号Ｖｘがレベル４６を負の方向に越えたときはその出
力端子に−１の信号を出力する。

信号ｖｙと矩形信号Ｖｙ′との関係についても同様であ
る。また信号Ｖｍは発光部５の光軸が円錐３の面上にあ
るときだけ正であり、面２の上にあるときは０ポルトで
ある。原理的には反射光線１１が発光部５に達し受光部
６〜９には達しないからである。この意味で、面２は必
ずしも黒でなくてもよい。従って波形整形回路２６の出
力端子に現れる矩形信号Ｖｍ’は発光部５の光軸が円錐
３の面上にあるときだけ＋１の信号であり、而２の上に
あるときは０ポルトの信号である。

以上の各信号を第７図（ｂ）と第８図（ｂ）について対
比すると以下のことが分る。先ず矩形信号Ｖｍ′の波形
については時間軸ｔにそって操作部４がどちら方向に移
動した場合でも差異を生じない。しかし矩形信号Ｖｘ′
については両者において差異を生じる。これは受光部６
〜９の各検出信号の所定の組み合せの加算値を一定の極
性をもって差動増幅回路の差分入力としたことと、その
差分出力信号をヒステリシス特性のある波形整形回路で
矩形化したことによる結果である。この差異に基すいて
方向検出回路３０は矩形信号Ｖｍ’の各立ち下がりで矩
形信号■ｘ′のレベルを調べ、そのレベルが−１であれ
ば正方向と、またそのレベルが＋１であれば負方向と判
断する。Ｘ軸の移動量検出回路２８は矩形信号ＶＸ’に
ついてその立ち上がり又は立ち下がりを検出して計数し
、１単位の整゛数倍の移動量をめる。或いは立ち上がり
と立ち下がりの両方を計数するようにすればその計数結
果が奇数となったときに１単位の１／２の大きさまでの
移動量を検出できることになる。Ｙ軸の方向検出回路３
１及び移動量検出回路２９についても同様である。こう
して情報化された移動量と移動方向のデータ５４〜５７
はシリアル変換器３２を介してホストコンピュータ３３
に送られる。このように情報化された移動量と移動方向
をめる構成を操作部４内に設けておくとホストコンピュ
ータ２５には最終的にめた移動量と移動方向のデジタル
信号のみ送信すれば良いから常に信頼性の高い座標情報
入力が行なえる。

尚、上述した本実施例では受光部６〜９にディスクリー
トな受光素子を用いたがこれに限るものではない。例え
ば各受光面の有すべき形状を満足するように光フアイバ
スコープの端面を配し、夫々の端面で受光した光を別の
場所に導いて光電変換素子（ＣＯＤラインセンサ）で読
み取ることも可能である。また発光部５にも光フ乙イパ
スコープを使用可能であることは前に述べた。こうすれ
ば受光素子のみならず発光素子の配置や選択の自由度が
高まり操作部先端の検出部をペン先のように細くするこ
ともできる。しかも素子取付の調整が容易になるばかり
でなく検出部からの信号を光で導びけば外乱に対しても
強くなり信頼性も向上する。

また、移動量の検出を前述の矩形信号Ｖｘ’及びｖｙ′
のエツジから行なう際に、それを立ち上がり又は立ち下
がりについて計数するか、或いは立ち上がりと立ち下が
りの両方について計数するかを選択するスイッチ手段を
設けることによって移動量検出の分解能をコントロール
するようにもできる。

［効果］ 以上述べた如く本発明によれば操作部は情報板上の円錐
模様を読み取りの対象とするから使用に際して操作部の
ＸＹ軸方向が情報板のＸＹ軸方向から多少ずれても読取
精度に影響を与えない。また操作部の検出方式は光学式
でありその光源は単一である。従って光源のバラツキに
よる回路の複雑な調整部も調整も必要としないし光源の
経時変動による影響も少ない。また機械式の部分を含ま
ないから摩耗が無く高い読取精度がいつまでも保たれる
。更にまた光学式の検出方法を採用しているから電磁気
的ノイズの外乱による影響を受けることも無い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の座標入力装置の外観を
示す斜視図、 第２図は第１図の情報板の一部表面を拡大して示す部分
拡大図、 第３図は操作部の原理的な構成を示す断面図、第４図は
操作部内の光学系の原理的構成を示す斜視図、 第５図は円錐の斜面で反射された光と受光部との関係を
説明する図 第６図は光学系の検出信号を処理して操作部の移動量と
移動方向とをめる構成を示すブロック図、 第７図（ａ）、（ｂ）は情報板上で操作部を移動させた
場合の各部の信号波形を示す図、第８図（ａ）、（ｂ）
は操作部を第７図と逆の方向“に移動させた場合の各部
の信号波形を示す図である。 ここで、１・・・情報板、２・・・面、３・・・円錐、
４・・・操作部、５・・・発光部、６〜９・・・受光部
である。 特許出願人　キャノン株式会社 第１図 乙 第２図 第３図 第７図（Ｇ） 第７図（ｂ） 第８図（０） 第８図（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）情報板と該情報板上に習接して移動自在に構成さ
   れた操作部を備える座標入力装置において、複数の円錐
   面がその反射率を一様にしてマトリックス状に設けられ
   た情報板と、該情報板に対して垂直に並行光線束を照射
   する発光部と該情報板からの反射光線束を検出する複数
   の受光部から成る光学系を前記円錐の形状に対応させて
   設けた操作部を備えることを特徴とする座標入力装置。
2. （２）受光部は、発光部からの円断面を有する並行光線
   束が円錐の頂点に当るときにその反射光線束の輪を受光
   できるような位置に内周を有し、且つ前記発光部からの
   並行光線束が前記円錐の中心から所定半径の側面に当る
   ときにその反射光線束を受光できるような位置に外周を
   有し、且つ前記内周と外周とではさまれる面をその円周
   に沿って４等分するような受光面を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の座標入力装置。