JP7163352B2

JP7163352B2 - 入力デバイス

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Publication number: JP7163352B2
Application number: JP2020185648A
Authority: JP
Inventors: 勝久只野; 望内田; 功奥山
Original assignee: Sony Interactive Entertainment Inc
Current assignee: Sony Interactive Entertainment Inc
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-10-31
Anticipated expiration: 2040-11-06
Also published as: JP2022075087A; US20220146737A1

Description

本開示は発光素子を有している入力デバイスに関する。

入力デバイスの外面に発光部を設け、カメラによって発光部を検知することによって、入力デバイスの位置や姿勢をトラッキングする技術がある。下記特許文献１には、球状の発光部が設けられた、ゲーム操作用の入力デバイスが開示されている。特許文献１の入力デバイスは、テレビに取り付けられているカメラによって撮影され、その映像から入力デバイスの位置や姿勢が算出される。

特開２０１１－１６４９３２号公報

特許文献１のようなシステムにおいては、入力デバイスの姿勢に依ることなくカメラによって発光部からの光を検知できることが重要である。また、特許文献１とは異なり、入力デバイスを撮影するカメラをヘッドマウントディスプレイに搭載し、そのカメラによって得られた映像から入力デバイスの位置や姿勢を算出するシステムが検討されている。このシステムでは、入力デバイスの位置や姿勢に応じた動画像（例えば、ゲーム画像）が、ヘッドマウントディスプレイを通してユーザに提供される。このようなシステムにおいても、入力デバイスの姿勢に依ることなくカメラによって発光部からの光を検知できることが重要である。

本開示で提案する入力デバイスは、外装部材と、前記外装部材に収容されている光源と、外部に向けて光を出す外面を有している発光部が設けられている、前記外装部材の一部である被トラッキング部と、前記光源の光を受ける入射面を有し、前記光源の光を前記発光部に導く導光管とを有している。前記導光管の前記入射面から前記発光部の前記外面に至る光路における光の媒質間の境界面に、前記発光部の前記外面から出る光の角度範囲を広げる湾曲面が形成されている。この入力デバイスによれば、前記発光部の前記外面から出る光の角度範囲が広がるので、カメラを通して発光部の光を検出することが容易となり、入力デバイスの位置及び姿勢の算出精度を向上できる。

本開示で提案する入力デバイスが利用されるシステムを説明するための図である。入力デバイスの正面図である。図２Ａで示す入力デバイスの側面図である。外装部材に沿って光源が配置される構造における光線の例を示す図である。外装部材と光源との間に導光管が配置される構造における課題を説明するための図である。本開示で提案する導光管の断面を示す斜視図である。導光管の端面に、光の角度範囲を広げる構造が形成されている。図４で示す導光管の側面図であり、導光管を通る光線が示されている。導光管の変形例を示す斜視図である。本開示で提案する外装部材の別の例を示す図である。発光部の内面に、光の角度範囲を広げる構造が形成されている。図７Ａで示す領域Ｂの拡大図である。相互に離れた２つの発光部を光らせるための導光管の例を示す図である。図８Ａで示す導光管の拡大図である。二股構造を有する導光管の課題を説明するための図である。

以下において、本開示で提案する入力デバイスの例について説明する。図２Ａ及び図２Ｂを参照する説明では、Ｚ１及びＺ２で示す方向をそれぞれ上方及び下方と称し、Ｘ１及びＸ２で示す方向をそれぞれ右方及び左方と称し、Ｙ１及びＹ２で示す方向をそれぞれ前方及び後方と称する。これらの方向は、図１に示すようにユーザが入力デバイス１００を握ってこれを使用しているときのユーザから見た方向に対応している。また、図２Ａ及び図２Ｂにおいて黒丸は後述する発光部Ｈを表している。

図１で示すように、入力デバイス１００は、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）２とともに使用される。ユーザはＨＭＤ２を頭部に装着し、右手及び／又は左手に入力デバイス１００を保持する。ＨＭＤ２は前方に向いているカメラを有している。入力デバイス１００には、後述する複数の発光部Ｈが設けられている。発光部Ｈの位置はカメラを通して検知される。発光部の位置に基づいて、入力デバイス１００の位置と姿勢（すなわち、ユーザの手の位置や向き）が算出される。入力デバイス１００は、ユーザが指で操作する複数の操作部材（例えば、操作ボタンや、操作スティック、タッチセンサなど）を有している。ＨＭＤ２の表示部には、入力デバイス１００の位置や、その姿勢、操作部材に対してなされた操作に基づいて生成された動画像（例えば、ゲーム画像）が表示される。

入力デバイス１００の位置と姿勢の算出は、ＨＭＤ２に搭載されている情報処理装置によって実行されてもよいし、外部の情報処理装置（例えば、ＨＭＤ２とは別のゲーム装置や、パーソナルコンピュータ）によって実行されてもよい。入力デバイス１００は、モーションセンサー（例えば、加速度センサや、ジャイロセンサー）を有してもよい。情報処理装置は、発光部Ｈの位置だけでなく、モーションセンサーの出力に基づいて、入力デバイス１００の位置や姿勢を算出してもよい。また、動画像の生成も、ＨＭＤ２に搭載されている情報処理装置によって実行されてもよいし、外部の情報処理装置によって実行されてもよい。入力デバイス１００の位置等の算出と動画像の生成が、外部の情報処理装置によって実行される場合、カメラで取得した画像情報は、外部の情報処理装置に無線又は有線で送信される。生成された動画像情報は外部の情報処理装置から無線又は有線でＨＭＤ２に送信される。

なお、入力デバイス１００は、マイクロフォンや、スピーカーなどを有してもよい。さらに、入力デバイス１００は、その外面に、位置や姿勢のトラッキングに利用しない発光部、例えば、入力デバイス１００の動作状態を示す発光部、複数の入力デバイス１００を識別するための発光部を有してもよい。

図２Ａ及び図２Ｂで示すように、入力デバイス１００の本体１０は、グリップ１１Ｂと、複数の操作部材が配置されている操作部１１Ａとを有している。本体１０はその上部に操作部１１Ａを有し、グリップ１１Ｂは操作部１１Ａから斜め下方に伸びている。操作部１１Ａには、操作部材の例として、操作ボタン１３・１４と操作スティック１５が配置される。操作スティック１５は径方向に倒したり、径方向にスライド可能な操作部材である。操作部１１Ａに設けられる操作部材は、タッチセンサや、トリガーボタン、タッチセンサ付きボタンであってもよい。

図２Ａ及び図２Ｂで示すように、入力デバイス１００は、複数の発光部Ｈが設けられている被トラッキング部を有している。入力デバイス１００は、例えば、後被トラッキング部３１Ａと前被トラッキング部３１Ｂとを有する。後被トラッキング部３１Ａと前被トラッキング部３１Ｂのそれぞれに複数の発光部Ｈが設けられている。入力デバイス１００の外面は外装部材によって構成される。外装部材は、被トラッキング部３１Ａ・３１Ｂ、グリップ１１Ｂ、及び操作部１１Ａを構成する部分を有している。

外装部材の内部に光源（具体的には、ＬＥＤ）が配置されている。光源は外装部材の内面から離れて配置されている。光源Ｓの光は導光管２０（図５参照）を通して外装部材に設けられている発光部Ｈまで導かれる。なお、「発光部Ｈ」とは、外装部材において光が通る部分である。外装部材が不透明な材料で形成され、光を通す材料が、導光管２０の端面（光の出射面）に対応する外装部材上の位置に形成されている構造においては、その光を通す材料が形成された部分が発光部Ｈである。これに対して、外装部材の全体が光を通す材料で形成されている構造においては、導光管２０の端面（光の出射面）から出る光が通る部分が発光部Ｈである。

図３Ａ及び図３Ｂを参照しながら、導光管が利用される構造の課題を説明する。図３Ａにおいては、外装部材９０の内面に沿って光源Ｓが配置されている。図３Ｂにおいては、外装部材９０の内面と光源Ｓとの間に導光管９１が配置されている。

図３Ａで示すように、外装部材９０の内面に沿って光源Ｓが配置される構造においては、光源Ｓの配光特性に応じた比較的広い角度範囲θａで、外装部材９０の外面から光がでる。ところが、外装部材９０と光源Ｓが実装されている回路基板との位置関係や、外装部材９０の構造によっては、図３Ａで示すように外装部材９０の内面に沿って光源Ｓを配置することが困難な場合がある。この場合、図３Ｂで示すように、光源Ｓと外装部材９０（発光部Ｈ）の内面との間に導光管９１を配置することが有効である。ところが、導光管９１を使用する場合、光源Ｓから出る光のうちの一部だけが導光管９１に入射し、外装部材９０の外面から出るため、光の角度範囲θｂが相対的に小さくなる。このことは、入力デバイス１００の位置及び姿勢によっては、カメラを通して光源Ｓの光を捉えることを困難にする。

そこで、本開示の入力デバイス１００においては、光源Ｓから発光部Ｈの外面（光が外部に向けて出る面）までの光路において、光の媒質間の境界面に、発光部Ｈの外面から出る光の角度範囲を広げる湾曲面が形成される。この構造によると、導光管を使用する被トラッキング部３１Ａ・３１Ｂにおいて、発光部Ｈの外面から出る光の角度範囲を広げることができるので、カメラを通して発光部Ｈの光を検出することが容易となり、入力デバイス１００の位置及び姿勢の算出精度を向上できる。

入力デバイス１００において、媒質間の境界面とは、例えば、導光管の入射面、導光管の出射面、発光部Ｈの内面ｈ１（図３Ｂ参照）、及び発光部Ｈの外面ｈ２（図３Ｂ参照）である。導光管の入射面は光源Ｓから光を受ける端面であり、導光管の出射面は入射面から入った光を出す端面である。発光部Ｈの内面ｈ１は、導光管の出射面から光を受ける面（外装部材の内面）であり、発光部Ｈの外面ｈ２は、内面ｈ１に入った光を外部に向けて出す面（外装部材の外面）である。

図４及び図５は、そのような湾曲面が形成された導光管の例を示す図である。これらの図に示す例では導光管２０は円柱状であり、入射面２１と出射面２２とを有している。導光管２０の長さ（入射面２１から出射面２２までの距離）は、例えば、入射面２１の直径の２倍よりも大きい。導光管２０の長さは、例えば、入射面２１の直径の３倍より大きくてもよい。

図４で示すように、導光管２０では、出射面２２に凹面２２ａが形成されている。この凹面２２ａは、出射面２２の平面視において、出射面の中心Ｃ１を取り囲む環状である。この凹面２２ａによると、図５で示すように、光の屈折によって半径方向に広がる光Ｌ１を増すことができる。凹面２２ａとは、凹面２２ａを規定する曲率半径の中心が出射面２２の上方（導光管２０の外側）にある湾曲面を意味する。

また、図４で示すように、凹面２２ａの外側に、これを取り囲む環状の凸面２２ｃが形成されてもよい。以下では、この凸面２２ｃを「外側凸面」と称する。外側凸面２２ｃも、光の屈折によって半径方向に広がる光Ｌ１（図５参照）を増すことができる。凸面２２ｃとは、凸面２２ｃを規定する曲率半径の中心が出射面２２の下方（導光管２０の内部）にある湾曲面を意味する。

また、出射面２２の内側に凸面が形成されてよい。図４で示すように、導光管２０の例では、凹面２２ａの内側に凸面２２ｂが形成されている。凸面２２ｂの曲率半径の中心も、凸面２２ｃと同様に、出射面２２の下方（導光管２０の内部）に規定される。

凸面２２ｂは、例えば出射面２２の中心Ｃ１に形成される。以下では、この凸面２２ｂを「中心凸面」と称する。このような中心凸面２２ｂを出射面に形成することによって、発光部Ｈから出る光を均等に広げることができる。つまり、凹面２２ａを形成すると、半径方向に広がる光Ｌ１を増すことができるものの、中心（光軸Ａｘ）に沿った方向の光（図５において光Ｌ２）が減少し過ぎる可能性がある。そこで、導光管２０の例では、出射面２２に中心凸面２２ｂが形成される。中心凸面２２ｂでの光の屈折によって、中心に沿った方向での光の減少を抑えることができる。

出射面２２の平面視における中心凸面２２ｂの大きさ（直径）は、中心（光軸Ａｘ）に沿った方向で求められる光の量によって決められてよい。同様に、中心凸面２２ｂの高さ（凹面２２ａの底からの高さ）も、中心に沿った方向で求められる光の量によって決められてよい。

図６は、導光管の変形例を示す図である。以下では、図４及び図５で示す導光管２０との相違点を中心にして説明する。図６で示す導光管２２０について説明のない事項は、図４及び図５で示した例と同様であってよい。導光管１２０は、発光部Ｈに向いた出射面１２２に凹面１２２ａを有している。導光管２０の例とは異なり、凹面１２２ａの内側に凸面が形成されていない。出射面１２２は、凹面１２２ａを取り囲む外側凸面１２２ｃの内側において、全体的に湾曲していている。

さらに他の例として、導光管２０の入射面２１に凹面が形成されてもよい。この場合、導光管２０に入射した光源Ｓの光は、入射面２１での屈折により半径方向に広がり、導光管２０の内部を進む。

発光部Ｈに光の角度範囲を広げるための湾曲面が形成されてもよい。図７Ａ及び図７Ｂで示す例では、発光部Ｈの内面ｈ１に複数の凹面ｈ１１（図７Ｂ参照）が形成されている。発光部Ｈの内面ｈ１に複数の凹部が形成され、この凹部の内面が凹面ｈ１１である。複数の凹面ｈ１１は、発光部Ｈの内面ｈ１において一定間隔で並んでいる。複数の凹面ｈ１１は、発光部Ｈの内面ｈ１において、例えば直交する２方向において並んでいてよい。図７Ｂで示すように、光源Ｓの光Ｌは、凹面ｈ１１で屈折し、半径方向に広がる。複数の凹面ｈ１１は、発光部Ｈの内面ｈ１にだけ形成さえていてもよいし、導光管や光源Ｓを収容している外装部材３０（図７Ａ参照）の内面の全体に亘って形成されていてもよい。

このように、発光部Ｈの内面ｈ１に凹面ｈ１１を形成する構造によると、導光管を使用する被トラッキング部３１Ａ・３１Ｂにおいて、発光部Ｈの外面ｈ２から出る光の角度範囲を広げることができるので、カメラを通して発光部Ｈの光を検出することが容易となり、入力デバイス１００の位置及び姿勢の算出精度を向上できる。また、発光部Ｈの内面ｈ１（外装部材３０の内面）において、光が全反射してしまうことを防止できる。

図７Ａで示す構造において、導光管２２０の端面（出射面）には、上述した凹面２２ａや凸面２２ｂ・２２ｃは形成されなくてもよい。すなわち、導光管２２０の端面（出射面）は、光軸Ａｘに直交する平らな面であってよい。これとは異なり、導光管２２０の端面（出射面）にも、図４等で示した凹面２２ａや凸面２２ｂ・２２ｃが形成されてもよい。

[二股導光管]
図８Ａ及び図８Ｂは、光源Ｓの光を２方向に分けて、相互に離れた２つの発光部Ｈを光らせるための導光管３２０を示す図である。

図８Ａで示すように、導光管３２０は、左方に延びている第１延伸部３２１と、右方に延びている第２延伸部３２２とを有している。第１延伸部３２１は、例えばその左端に光を出す端面（出射面３２１ａ）を有し、第２延伸部３２２は、例えばその右端に光を出す端面（出射面３２２ａ）を有する。出射面３２１ａ・３２２ａの位置は、必ずしも延伸部３２１・３２２の端面でなくてもよい。

図８Ｂで示すように、第１延伸部３２１と第２延伸部３２２は、それぞれ第１基部３２１ｂと第２基部３２２ｂとを有している。また、導光管３２０は、光源Ｓの光を受ける入射面３２１ｃを有している。導光管３２０の例では、第１基部３２１ｂに入射面３２１ｃが形成されている。第１基部３２１ｂは、入射面３２１ｃに対して上方に位置している傾斜面３２１ｄを有している。

図８Ｂで示すように、傾斜面３２１ｄは、第１基部３２１ｂを上方に進む光が透過する透過領域Ｒ２と、第１基部３２１ｂを上方に進む光を第１延伸部３２１に向けて反射する反射領域Ｒ１とを有している。反射領域Ｒ１は透過領域Ｒ２に対して左方に位置している。すなわち、反射領域Ｒ１は透過領域Ｒ２に対して第１延伸部３２１寄りに位置し、反対に、透過領域Ｒ２は反射領域Ｒ１に対して第２延伸部３２２寄りに位置している。反射領域における傾斜面３２１ｄの角度θ１は、第１基部３２１ｂの内部を進む光源Ｓの光が反射領域Ｒ１において全反射が生じる角度に設定されていのが望ましい。透過領域Ｒ２における傾斜面３２１ｄの角度θ２は、第２基部３２２ｂの内部を進む光源Ｓの光が透過領域Ｒ２を透過する角度に設定されていのが望ましい。傾斜面３２１ｄは、反射領域Ｒ１と透過領域Ｒ２との境で屈曲していてもよい。すなわち、傾斜面３２１ｄの角度θ１・θ２は異なっていてもよい。

導光管３２０の例では、光源Ｓを通る光軸Ａｘの左側が反射領域Ｒ１であり、光軸Ａｘの右側が透過領域Ｒ２である。透過領域Ｒ２と反射領域Ｒ１との境界は必ずしも光源Ｓを通る光軸Ａｘでなくてもよい。第１延伸部３２１と第２延伸部３２２とに分配する光量の割合に応じて、境界の位置は光軸Ａｘに対して右方又は左方にずれていてもよい。

なお、傾斜面３２１ｄに反射膜は形成されていなくてよい。傾斜面３２１ｄは光源Ｓから斜め上方且つ左方に進む光が全反射を生じ且つ光源Ｓから斜め上方且つ右方に進む光が傾斜面３２１ｄを透過する角度に設定されてよい。

図８Ｂで示すように、第２延伸部３２２の第２基部３２２ｂは、入射面３２２ｃを有している。入射面３２２ｃは、傾斜面３２１ｄの透過領域Ｒ２の上方に位置している。入射面３２２ｃと傾斜面３２１ｄの透過領域Ｒ２との間にスリットＧ１が形成されている。導光管３２０において、第２延伸部３２２と第２基部３２２ｂは連結部３２３によって繋がっている。これとは異なり、第２延伸部３２２と、第１延伸部３２１の第１基部３２１ｂは必ずしも繋がっていなくてもよ。

傾斜面３２１ｄの透過領域Ｒ２を透過した光は、入射面３２２ｃから第２基部３２２ｂに入射する。第２基部３２２ｂは、入射面３２２ｃから入射した光を第２延伸部３２２に向けて反射する反射面３２２ｄを有している。反射面３２２ｄは、入射面３２２ｃに対して例えば上方に位置している。

導光管３２０のこのような構造によると、導光管３２０の内部を進む光の無駄な漏れを無くすことができる。図９は、導光管３２０に比較例として、光の無駄が生じる構造を有する導光管３９０を示す図である。図９で示すように、第１延伸部３９１の第１基部３９１ｂは光源Ｓの上方に位置している傾斜面３９１ｄを有し、第２延伸部３９２の第２基部３９２ｂは光源Ｓの上方に位置している傾斜面３９２ｄを有している。導光管３９０を樹脂で成形する工程において、２つの傾斜面３９１ｄ・３９２ｄの間に湾曲面Ｒ１１が生じる。湾曲面Ｒ１１にあたった光源Ｓの光はこれを通過し、２つの傾斜面３９１ｄ・３９２ｄの間から上方に漏れでる。ところが、図８Ａ及び図８Ｂで示す構造は、このような湾曲面Ｒ１１を有してない。そのため、上方に漏れ出る光を低減できる。

[まとめ]
以上説明したように、入力デバイス１００では、導光管２０・１２０の入射面から発光部Ｈの外面ｈ２に至る光路にある、光の媒質間の境界面に、発光部Ｈの外面ｈ２から出る光の角度範囲を広げる湾曲面が形成されている。具体的には、導光管２０・１２０（図４、図５、及び図６参照）においては、出射面２２・１２２に凹面２２ａ・１２２aが形成され、外装部材３０（図７Ａ及び図７Ｂ参照）では、発光部Ｈの内面ｈ１に、光の角度範囲を広げる湾曲面が形成されている。この入力デバイス１００によれば、発光部Ｈの外面ｈ２から出る光の角度範囲が広がるので、カメラを通して発光部の光を検出することが容易となり、入力デバイス１００の位置及び姿勢の算出精度を向上できる。

また、図８Ａ及び図８Ｂで示す導光管３２０は、光源Ｓの光を受ける入射面３２１ａと、入射面３２１ｃで受けた光が上方に向けて進む第１基部３２１ｂと、上下方向に対して交差する方向（左方）に第１基部３２１ｂから延びている第１延伸部３２１と、第１基部３２１ｂに対して上方に位置している第２基部３２２ｂと、第２基部３２２ｂから右方に延びている第２延伸部３２２とを有している。第１基部３２１ｂは上下方向に対して傾斜している傾斜面３２１ｄを有している。傾斜面３２１ｄは、第１基部３２１ｂの内部を進む光が透過する透過領域Ｒ２と、透過領域Ｒ２に対して左方に位置し、第１基部３２１ｂの内部を進む光を第１延伸部３２１に向けて反射する反射領域Ｒ１とを有している。第２基部３２２ｂは、透過領域Ｒ２に対して上方に位置する入射面３２２ｃと、入射面３２２ｃから入射した光を第２延伸部３２２に向けて反射する反射面３２２ｄとを有している。この構造によると、第１延伸部３２１と第２延伸部３２２との間から上方に漏れ出る光を低減できる。

なお、図８Ａ及び図８Ｂで説明する構造において、第１延伸部３２１は基部３２１ｂから斜め上方且つ左方に延びてもよい。同様に、第２延伸部３２２も、基部３２２ｂから斜め上方に延びていてもよい。

また、図８Ａ及び図８Ｂで説明する構造において、入射面３２１ｃの位置は第１基部３２１ｂでなくてよい。入射面３２１ｃは第１基部３２１ｂから離れた位置に形成されていてもよい。

２ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１０本体、１１Ａ操作部、１１Ｂグリップ、１３・１４操作ボタン、１５操作スティック、２０・２２０・３２０導光管、２１入射面、２２出射面、２２ａ凹面、２２ｂ凸面（中心凸面）、２２ｃ凸面（外側凸面）、３０外装部材、３１Ａ・３１Ｂ被トラッキング部、１００入力デバイス、３２１第１延伸部、３２１ａ出射面、３２１ｃ入射面、３２１ｄ傾斜面、３２１ｂ第１基部、３２２第２延伸部、３２２ａ出射面、３２２ｂ第２基部、３２２ｃ入射面、３２２ｄ反射面、３２３連結部、Ａｘ光軸、Ｈ発光部、Ｒ１反射領域、Ｒ１１湾曲面、Ｒ２透過領域、Ｓ光源、ｈ１内面、ｈ１１凹面、ｈ２内面、ｈ２外面。

Claims

外装部材と、
前記外装部材に収容されている光源と、
外部に向けて光を出す外面を有している発光部が設けられている、前記外装部材の一部である被トラッキング部と、
前記光源の光を受ける入射面を有し、前記光源の光を前記発光部に導く導光管と
を有し、
前記導光管の前記入射面から前記発光部の前記外面に至る光路における光の媒質間の境界面に、前記発光部の前記外面から出る光の角度範囲を広げる湾曲面が形成されている
入力デバイス。
前記導光管は光を出す出射面を有し、
前記境界面は前記導光管の前記出射面である
請求項１に記載される入力デバイス。
前記出射面は前記湾曲面として凹面を有している
請求項２に記載される入力デバイス。
前記出射面は前記凹面の内側に凸面を有している
請求項３に記載される入力デバイス。
前記出射面は前記凹面の外側に前記凹面を取り囲む凸面を有している
請求項３に記載される入力デバイス。
前記発光部は、前記導光管から光を受ける内面を有し、
前記境界面は前記発光部の内面である
請求項１に記載される入力デバイス。
前記発光部の前記内面に、前記湾曲面である少なくとも１つの凹面が形成されている
請求項６に記載される入力デバイス。
前記発光部の前記内面に、複数の凹部が形成され、
前記複数の凹部のそれぞれの内面が、前記湾曲面である前記少なくとも１つの凹面である
請求項７に記載される入力デバイス。