JP2005202940A - 超音波型電子ペンおよびそれを備えたペン入力システム - Google Patents

Abstract

【課題】 筆圧の検知感度を損なうことなく、効率的に超音波を出射することが可能な超音波型電子ペンを提供する。
【解決手段】 超音波を発振する超音波素子１４と、ペン先に加えられた筆圧を検知する筆圧検知手段１７・１８・１９と、超音波素子１４および筆圧検知手段１７・１８・１９を制御する制御部とを少なくとも備える超音波型電子ペンにおいて、ペン入力を行うペン芯１１の先端側から、超音波素子１４、筆圧検知手段１７・１８・１９、制御部の順に配置する。これにより、超音波素子１４の超音波出射方向には、超音波の出射を遮断するものがないため、効率的な超音波の出射が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波出射型の電子ペン（超音波型電子ペン）およびそれを備えたペン入力システムに関するものである。より詳細には、超音波を効率的に出射可能な構成を備えた超音波型電子ペンに関するものであり、位置検出方式の中でも特に電子ディスプレイに直接書き込む方式を利用し、電子ディスプレイの表示を損なうことなく、かつ、小型軽量低消費電力かつ低コストで作成可能な超音波方式の入力、並びに、位置検出方式及び筆圧検出機構の両方の機能を併せ持った、超音波型電子ペンを備えたペン入力システムに関するものである。

近年、ノート型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）の軽量化、モバイル用途への開発が進み、１ｋｇの重量を切るノート型ＰＣも製品化されている。また、より軽いＰＣ、もしくはそれに近いシステムに、電子ペンを使った入力を行うことも求められるようになってきている。これら電子ペンを使った入力システムを、ペン入力システムとよぶ。ペン入力システムは、本来の名前のとおり、ノートとしての使用感、すなわち、実際に紙に書くのとより近い入力感が求められるようになってきている。

このような要求に伴い、入力用のペンの開発も進められている。例えば、入力用のペンでは、紙などに描いた画像データ、または、文字などのテキストデータなどが入力され、それらの入力データから、電子データが得られるようになっている。この電子データを得るために、電子ペンによる入力操作とその電子ペンを用いたシステムの開発が盛んに行われている。例えば、最近では、コクヨ製のmimio（登録商標）、ペガサス製のpc notetaker（登録商標）などの超音波方式の電子ペン（超音波型電子ペン）が製品として市場に投入されるようになった。また、電子ペン専用の紙やボードを使わなくても、机上で書いた文字や画像の筆跡を正確にコンピュータに入力できる超音波型電子ペンも開発されている。

超音波型電子ペンを用いて紙に書くのと同様の入力を行うためには、筆圧に応じた入力感が求められる。つまり、ペン入力システムは、筆圧を検知することで、入力された線の太さや濃さを調節できることが求められる。このために、超音波型電子ペンの筆圧の変化を検知するセンサーおよびそのシステム（筆圧検知機構）が、超音波型電子ペン内部に備えられる。

このように、超音波型電子ペンでは、超音波を発振する超音波素子と、筆圧検知機構とが必須の構成となる。
特開平３−２８６３２６号公報（１９９１年１２月１７日公開）

ここで、超音波型電子ペンにおいて、超音波を出射する方式は、ペン筐体の側面から超音波が出射される方式（側面型超音波出射方式）と、ペン筐体の先端から超音波が出射される方式（先端型超音波出射方式）とがある。側面型超音波出射方式では、図９に示す超音波型電子ペン２０のように、ペン筐体２３の側面に形成された超音波出射口２２から、超音波素子２４によって発振される超音波が出射されるものである。一方、先端型超音波出射方式は、図１０に示す超音波型電子ペン３０のように、ペン筐体３３の先端の超音波出射口３２から、超音波素子３４によって発振される超音波が出射されるものである。

超音波型電子ペンに限らず、各種のペンは、ペンを傾斜させて使用する場合がほとんどである。超音波型電子ペンを傾斜して使用すると、ペンの先端つまりペン芯２１・３１と、超音波出射口２２・３２との位置関係に、ズレが生じる。その結果、超音波型電子ペンの先端の位置を正確に検出できなくなる。そこで、超音波型電子ペンでは、ペンの傾きによるペン先の位置ズレの量を考慮し、このズレの量を最小限とするために、側面型超音波出射方式の超音波型電子ペン２０よりも、先端型超音波出射方式の超音波型電子ペン３０が選択される場合が多い。

一方、超音波型電子ペンに必要となる筆圧検知機構として、例えば、特許文献１には、磁気抵抗素子と永久磁石とを組み合わせた筆圧検知機構が開示されている。具体的には、この筆圧検知機構は、ペン先に加えられた筆圧に応じて、永久磁石と磁気抵抗素子とを接近または離反させるものである。これにより、永久磁石と磁気抵抗素子との距離は、筆圧に応じて変化するため、永久磁石の周辺で発生している磁界を検出することによって、筆圧を検知することができる。

しかしながら、特許文献１では、筆圧検知機構は記載されているものの、超音波方式による入力ペンおよびその構成については、何ら開示されていない。また、超音波型電子ペンの位置（詳細には、電子ペンの先）を特定する位置特定機構は、超音波型電子ペンを用いたペン入力システムにおいて必須である。しかしながら、特許文献１では、この位置特定機構についても、何ら開示されていない。

ところで、筆圧検知機構によって筆圧を高感度に検知するためには、ペン芯を筆圧検知機構の近傍に配置することが好ましい。ところが、そのように配置すると、超音波素子は、筆圧検知機構の後ろ側（すなわち、ペン芯から離れる側）に配置されることになる。すなわち、ペン芯と超音波素子との間に筆圧検知機構が配置されることになる。したがって、このような超音波型電子ペンは、ペン芯の先端から順に、筆圧検知機構、超音波素子、制御回路の順で配置されることになる。

ところが、この順で配置された場合、超音波素子とペン芯との間に筆圧検知機構が形成されるため、筆圧検知機構が、超音波素子からの超音波の出射の障害物となり、効率的な超音波の出射が不可能であるという問題がある。

このように、超音波型電子ペンでは、特に、先端型超音波出射方式の超音波出射機構と、筆圧を検知する筆圧検知機構とを適切に配置し、いかに効率よく超音波を出射するかが重要な課題である。それに加えて、モバイル用途に適応するためには、電子ペンのサイズに合わせて、超音波出射機構と筆圧検知機構とを効率的に配置することも重要な課題である。

また、超音波型電子ペンを備えたペン入力システムでは、超音波型電子ペンの軌跡を連続的に追跡することによって、超音波型電子ペンの位置を特定するための位置特定機構が必要となる。この位置特定機構によって、超音波型電子ペンにより入力された文字や画像情報を正確に認識することが可能となる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、筆圧の検知感度を損なうことなく、効率的に超音波を出射することが可能な超音波型電子ペンおよびそれを用いたペン入力システムを提供することにある。

本発明にかかる超音波型電子ペンは、上記の目的を達成するために、超音波を発振する超音波素子と、ペン入力の筆圧を検知する筆圧検知手段と、上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段とを少なくとも備えており、ペン入力を行う先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されていることを特徴としている。

従来の超音波型電子ペンは、筆圧を検知することに重点が置かれていたため、ペン入力を行う先端側から、筆圧検知手段、超音波素子、制御手段の順に配置されていた。このため、超音波素子から出射される超音波の一部が、筆圧検知手段によって遮断され、効率的な超音波の出射が困難であった。

上記の構成によれば、超音波素子が最も電子ペンの先端に近く配置されるため、超音波素子から出射される超音波は、筆圧検知手段によって遮断されない。それゆえ、効率的に超音波を出射できるという効果を奏する。

また、本発明にかかる超音波型電子ペンは、上記目的を達成するために、ペン筐体を備え、上記ペン筐体内部に、（ａ）超音波を発振し、ペン入力の筆圧に応じて上記ペン筐体内部を移動する超音波素子、（ｂ）磁石と、磁界の変化に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗素子とを少なくとも備え、上記磁石または磁気抵抗素子は上記超音波素子に固定されている筆圧検知手段、および、（ｃ）上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段を備えるとともに、上記ペン筐体の先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、超音波素子が、筆圧検知手段よりもペン筐体の先端に近く配置される。従って、超音波素子から出射される超音波は、筆圧検知手段によって遮断されない。それゆえ、効率的に超音波を出射できるという効果を奏する。

本発明にかかるペン入力システムは、上記目的を達成するために、（ａ）超音波を発振する超音波素子と、ペン入力の筆圧を検知する筆圧検知手段と、上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段とを少なくとも備えており、ペン入力を行う先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されていることを特徴とする超音波型電子ペン、並びに、（ｂ）上記超音波型電子ペンから出射された超音波を受信する受信手段を備えることを特徴としている。

これにより、超音波型電子ペンから効率的に超音波を出射できるとともに、超音波型電子ペンの位置を正確に特定できる。それゆえ、超音波型電子ペンの入力情報を、正確に反映した電子データとして処理できるペン入力システムを提供できるという効果を奏する。

本発明にかかる超音波型電子ペンは、以上のように、ペン入力を行う先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されていることを特徴とする。

従来の超音波型電子ペンは、筆圧を検知することに重点が置かれていたため、ペン入力を行う先端側から、筆圧検知手段、超音波素子、制御手段の順に配置されていた。このため、超音波素子から出射される超音波の一部が、筆圧検知手段によって遮断され、効率的な超音波の出射が困難であった。

上記の構成によれば、超音波素子が最も電子ペンの先端に近く配置されるため、超音波素子から出射される超音波は、筆圧検知手段によって遮断されない。それゆえ、効率的に超音波を出射できるという効果を奏する。

上記超音波素子によって発振された超音波は、上記先端部から出射されるようになっていることが好ましい。超音波型電子ペンを傾斜させて使用する場合、ペンの先端の位置と、超音波の出射位置との間にズレが生じる。上記の構成によれば、ペンの先端付近から超音波を出射させるので、超音波をペンの側面から出射させる場合よりも、ペンの先端の位置と、超音波の出射位置との間のズレが小さくすることができる。それゆえ、超音波を検出することにより、正確に電子ペンの位置を検出することができるという効果を奏する。

上記筆圧検知手段は、上記筆圧検知手段は、磁石と、磁界の変化に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗素子とを備えており、上記磁石と磁気抵抗素子との距離が、筆圧に応じて変化するように設けられていることを特徴としている。これにより、筆圧に応じて、磁石と磁気抵抗素子との距離が変化するので、筆圧に応じて、磁石から磁気抵抗素子に印加される磁界の強さも変化する。それゆえ、磁気抵抗素子に印加される磁界を検出することにより、筆圧を検出することができるという効果を奏する。

本発明にかかる超音波型電子ペンは、筆圧に応じて伸縮することにより、上記磁石と磁気抵抗素子との距離を変化させる伸縮手段をさらに備えていることを特徴としている。これにより、筆圧に応じて、伸縮手段が伸縮するので、実際のペン入力と同様の入力が可能となるという効果を奏する。

本発明にかかる超音波型電子ペンは、上記磁石と磁気抵抗素子との接触を防止する接触防止手段をさらに備えていることを特徴としている。これにより、接触防止手段が、磁石と磁気抵抗素子との接触を防止するため、接触による磁石および磁気抵抗素子の破損を防止できるという効果を奏する。

上記超音波素子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子から形成されるものであることを特徴としている。これにより、超音波素子から効率的に超音波を出射できるという効果を奏する。

本発明にかかるペン入力システムは、以上のように、上記いずれかの超音波型電子ペンを用いてペン入力を行うことを特徴としている。これにより、超音波型電子ペンから効率的に超音波を出射できるとともに、超音波型電子ペンの位置を正確に特定できる。それゆえ、超音波型電子ペンの入力情報を、正確に反映した電子データとして処理できるペン入力システムを提供できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の一形態について、図１〜図８、および図１１に基づいて説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。

図１および図２は、本実施形態にかかる超音波型電子ペン１ａの主要部を示す図である。同図に示すように、超音波型電子ペン１ａは、ペン芯１１側から順に、超音波素子１４、支持部材１５・１６、磁石１７、磁気抵抗素子（Magnetoresistive素子、以下「ＭＲ素子」とする）１８、および支持棒１９が、ペン筐体１３に内蔵された構成となっている。以下の説明では、超音波型電子ペン１ａにおけるペン筐体１３のペン入力側（ペン芯が設けられた側）を先端、その反対側を後端とする。

超音波型電子ペン１ａの各構成の位置関係は以下の通りである。超音波素子１４のペン筐体１３先端側の中央部には、ペン入力を行うためのペン芯１１が設けられている。超音波素子１４のペン筐体１３後端側中央部には、超音波素子１４を支持するための支持棒１９が設けられている。つまり、ペン芯１１と支持棒１９とは、ペン筐体１３の長手方向の中心軸と一致するように、ほぼ一直線上に形成されている。

超音波素子１４は、超音波を発振するものであり、図１および図２では、略円柱もしくは略円盤形状である。超音波素子１４は、その一方の底面から超音波を発振するようになっており、超音波を発振する側の面（超音波出射面）には、ペン芯１１が固定されている。図１および図２では、超音波素子１４は、円盤状または円柱状となっている。

超音波素子１４は、超音波を発振するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、単結晶、セラミックス、薄膜、高分子、およびそれらの複合体などの圧電性材料からなる圧電素子が挙げられる。この中でも、圧電性セラミックス、とりわけ、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子（いわゆるＰＺＴ系圧電素子、以下ＰＺＴ素子とする）であることが好ましい。ＰＺＴ素子は、入力電圧に対する音出力（音圧）が大きいため、入力電圧を低く抑えることができる。従って、ペン内部に入れる電源回路を小規模にすることが出来、ペンの小型化に役立つ。また、ＰＺＴ素子は、セラミック系の素子であるため、フィルム系の素子に比べて機械的および環境的信頼性も高くなる。

なお、超音波素子１４は、チタン酸グルコン酸鉛などの圧電素子の他にも、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）も適用可能である。ただし、ＰＶＤＦは、ＰＺＴより出力がかなり低いため、ＰＺＴを用いた場合よりも、電源回路出力回路がかなり大型になってしまう。

支持棒１９の一端は、超音波素子１４に設置され、他端は、筆圧を検知するための磁石１７に設置されている。すなわち、支持棒１９は、超音波素子１１の超音波出射面の反対側の面に固定されており、支持棒１９に対して略垂直（ペン筐体１３の長手方向に対して略垂直）に設けられた２つの支持部材１５・１６によって支持されている。支持部材１５・１６は、ペン筐体１３内に設けられた固定部（図示せず）に固定されるようになっている。なお、支持部材１５・１６は、中央部に穴が設けられたドーナツ形状となっている。支持棒１９は、この中央部の穴を貫通するように、かつ、可動であるように設置されている。したがって、支持棒１９は、ペン芯１１に加えられる筆圧に応じて、ペン筐体１３の長手方向に移動することができる。

超音波型電子ペン１ａでは、筆圧を検知するために、支持棒１９の後端には磁石１７が設けられ、磁石１７と任意の距離をおいて、支持棒１９から独立してＭＲ素子１８が配置されている。つまり、支持棒１９の後端の延長線上（磁石１７の近傍）には、磁石１７と任意の距離をおいてＭＲ素子１８が配置されている。上述のように、支持棒１９は、ペン芯１１に加えられる筆圧に応じて、ペン筐体１３の長手方向に移動することができる。つまり、磁石１７とＭＲ素子１８とは、筆圧に応じて、接近または離反する。言い換えると、磁石１７とＭＲ素子１８との距離は、筆圧によって変化する。したがって、その距離による磁石１７の磁力強度の変化を検知したＭＲ素子１８の特性を読み出すことによって、筆圧情報を取得することができる。このように、超音波型電子ペン１ａでは、筆圧検知機構は、磁石１７と磁気抵抗素子１８と可動性の支持棒１９とを備えている。

なお、磁石１７と磁気抵抗素子１８との距離は筆圧に応じて、接近または離反するように設けられていればよい。言い換えると、筆圧に応じて磁石１７とＭＲ素子１８との相対的な距離が変化するものであればよい。したがって、図１などでは、支持棒１９の後端に磁石１７を設け、筆圧に応じて支持棒１９がＭＲ素子１８に接近または離反することによって筆圧を検知しているが、磁石１７とＭＲ素子１８との配置状態は、筆圧に応じてその距離が相対的に変化するように構成すればよい。

このように、本実施形態の超音波型電子ペン１ａでは、筆圧検知機構（筆圧検知手段）は、少なくとも、磁石１７およびＭＲ素子１８を備え、筆圧に応じて、磁石１７とＭＲ素子１８との距離が変化する構成になっている。ここでは、ＭＲ素子１８を固定して、筆圧に応じて、磁石１７がＭＲ素子１８に接近または離反するようになっている。しかし、これに限定されるものではなく、磁石１７とＭＲ素子１８との距離が、筆圧に応じて相対的に変化するように構成されていればよい。

なお、図１および図２には示していないが、ＭＲ素子１８の位置よりも、さらにペン筐体１３後端側には、制御信号によって、超音波素子１４および筆圧検知機構の制御を行う制御回路基板（制御手段）が設けられている。制御回路基板については、図５に基づいた説明で後述する。なお、制御回路基板は、超音波の出射、筆圧検知機構の動作を損なうことなく配置されていれば良い。

以上のように、超音波型電子ペン１ａでは、超音波素子１４の先端側にペン芯１１が設けられ、超音波素子１４の後端側に磁石１７が設けられている。すなわち、ペン芯１１側、すなわち、超音波型電子ペン１ａの先端側から、超音波素子１４、筆圧検知機構、制御回路基板の順で配置されている。

この構成では、超音波素子１４と超音波出射口１２との間には、何も形成されていないため、超音波素子１４からの超音波は遮断されない。それゆえ、超音波素子１４からの超音波を、効率よく超音波出射口１２から出射することが可能となる。

従来の超音波型電子ペンは、筆圧を検知することに重点がおかれていたため、ペン芯の近傍に筆圧検知機構が設けられていた。すなわち、ペン芯と超音波素子との間に、筆圧検知手段が設けられていた。このため、超音波素子から出射された超音波の一部が、筆圧検知手段によって遮断されていたので、効率的な超音波の出射が困難であった。

これに対し、本実施形態の超音波型電子ペン１ａでは、超音波素子１４と超音波出射口１２との間には、超音波素子１４からの超音波の出射を遮断するものが形成されていない。したがって、超音波型電子ペン１ａは超音波素子１４によって発振された超音波を効率的よく出射することができる。

次に、上記各構成の特徴部分についてより詳細に説明する。まず、ペン芯１１と超音波素子１４から発振される超音波出射口１２について説明する。

図３は、ペン芯１１および超音波素子１４を示す図である。同図に示すように、超音波素子１４の超音波出射側の底面には、開口部４１が設けられている。超音波素子１４から発振される超音波は、この開口部４１から発振され、最終的に、ペン筐体１３の先端の超音波出射口１２から出射される。

開口部４１には、ペン固定部材４３が開口部４１に対して、十字型に形成されており、ペン芯１１は、ペン固定部４３の交点（中心）に固定されている。

本実施形態では、ペン固定部材４３として、ポリカーボネートを使用し、幅・厚みともに、１ｍｍとしている。また、ペン芯１１も同様にポリカーボネートを使用し、超音波素子１４は圧電素子をポリカーボネートでパッケージングしたものを使用した。

なお、図３において、ペン固定部材４３は、開口部４１に対して十文字になるように角棒を組み合わせている。しかし、ペン固定部材４３の形状や数はこれに限定されるものではなく、ペン芯１１を超音波素子１４に固定できるものであればよい。例えば、ペン固定部材４３は、１本の角棒で形成してもよいし、３本以上の複数個の角棒で形成してもよい。ただし、超音波素子１４から効率的に超音波を出射するために、開口部４１の面積を大きくすることが好ましい。

また、ペン芯１１、超音波素子１４のパッケージング、およびペン固定部材４３の材料として、強度と重量とを考慮して、ポリカーボネートを用いている。上記の部材は、筆圧に応じてペン筐体１３の内部で可動するため、その材料としては、ペン筐体１３内部での移動に対して強度を有し、完成した超音波型電子ペン１ａとして重過ぎない材料であれば、ポリカーボネート以外にも、種々の材料を用いることが可能である。

なお、超音波出射口１２は、超音波型ペン１ａを握るユーザの手によって、超音波が遮断されないように、ペン筐体１３の先端付近、つまりペン芯１１近傍に設けることが好ましい。すなわち、超音波型電子ペン１ａは、上述の先端超音波出射方式であることが好ましい。これにより、超音波素子１２から発振された超音波を、一層効率的に、超音波出射口１２から出射することが可能となる。また、超音波型電子ペン１ａを傾斜させて使用しても、ペン先の位置と、超音波出射口１２とが近いため、位置ズレの心配がなく、正確にペン芯１１の位置を検出することが可能となる。

なお、本明細書において、ズレ（位置ズレ）とは、超音波受信装置とペン芯との距離に対する、超音波受信装置と超音波出射口との距離の違いであると言える。言い換えると、実際のペン芯の位置と、超音波受信装置で受信される超音波によって検出される超音波型電子ペンの位置との差異である。なお、この超音波受信装置については後述する。

次に、超音波型電子ペン１ａの筆圧検知機構について説明する。本実施形態では、ペン芯１１にかかる筆圧を、磁石１７とＭＲ素子１８との距離によって検知する。より具体的には、超音波型電子ペン１ａでは、ペン芯１１に加えられた筆圧に応じて、ペン芯１１と超音波素子１４と支持棒１９とが、ペン筐体１３の長手方向（上下方向）に移動可能となっている。このため、筆圧が大きいと、ペン芯１１がペン筐体１３の内部に押入され、これに伴って、支持棒１９がＭＲ素子１８に接近する方向に移動する。すなわち、磁石１７はＭＲ素子１８に接近した状態となる。一方、筆圧が小さいと、ペン芯１１がペン筐体１３内部に押入される長さも小さくなるため、支持棒１９は、筆圧が大きいときほどにはＭＲ素子１８に接近せず、磁石１７とＭＲ素子１８とが離反した状態となる。

磁石１７がＭＲ素子１８に接近、または離反すれば、磁石１７からＭＲ素子１８に印加される磁界の強さも変化する。ＭＲ素子１８は、外部から印加される磁界の強さに比例して、電気抵抗が変化するので、これを利用して、磁石１７とＭＲ素子１８との距離を、筆圧として検出することが可能となる。

このように、超音波型電子ペン１ａでは、筆圧検知機構は、磁石１７とＭＲ素子１８と支持棒１９とから構成されている。これにより、磁石１７とＭＲ素子１８との距離が筆圧に応じて変化するので、磁石１７がＭＲ素子１８に与える磁力もその距離に応じて（つまり筆圧に応じて）変化する。その結果、磁石１７と磁気抵抗素子１８との距離の変化に伴っておこるＭＲ素子１８の磁気抵抗の変化を、筆圧情報として検出することが可能となる。

筆圧検知機構の構成は、本実施形態の超音波型電子ペン１ａの場合、直径２ｍｍ、長さ３０ｍｍの支持棒１９を設置した。また、支持棒１９の支持部材１５・１６は、中央部に支持部１９がスムーズに移動できる穴があいているドーナツ形状の円盤になっており、ペン筐体１３に固定して設置されている。また、磁石１７は直径２ｍｍ、長さ５ｍｍの永久磁石を使用し、ＭＲ素子１８として、松下電器製ＥＺＭＰＬ２０Ｈを使用した。

なお、図２に示した筆圧検知機構の構成は、図４に示すように、さらに、バネ６７（伸縮手段）と、ストッパー６８（接触防止手段）とを備えることが好ましい。これにより、実際のペンで筆記するのと同じように、超音波型電子ペンによって入力することができる。具体的には、バネ６７は、筆圧に応じて伸縮可能であり、筆圧が大きい場合には収縮して磁石１７とＭＲ素子１８とが接近した状態となり、筆圧が小さい場合には伸張して磁石１７とＭＲ素子とが離反した状態とすることができる。このように、バネ６７を用いれば、筆圧を正確に反映して、より通常のペン入力に近い入力が可能となる。なお、バネ６７を変更すれば、ペン入力の際の感触を変更することができる。

ストッパー６８は、支持部材１５と支持部材１６との間に、支持棒１９に固定して設けられている。これにより、大きな筆圧が加えられ支持棒１９がＭＲ素子１８の方向に移動したときに、ストッパー６８は、支持部材１６よりも超音波型電子ペン１ａの後端側に移動することができない。つまり、支持棒１９の移動がストッパー６８および支持部材１６によって制限される。このようにして、たとえ、大きな筆圧が加えられても、磁石１７とＭＲ素子１８との接触を確実に防止することが可能となる。

次に、前述した本発明にかかる超音波型電子ペンと従来の超音波型電子ペンとを比較して機能の違いについて説明する。具体的には、まず、ペンの先端から、超音波素子１４、筆圧検知機構、制御回路基板７２の順で構成された本発明にかかる超音波型電子ペン１ｂ（先端型超音波出射方式）と、ペンの先端から、筆圧検知機構、超音波素子、制御回路基板の順で構成された従来の超音波型電子ペン（先端型超音波出射方式）との超音波出射強度を比較した。

なお、超音波型電子ペン１ｂは、図５に示すように、図４の構成をペン筐体１３に備え、さらに、超音波素子１４と筆圧検知機構を制御する制御回路基板７２と、その駆動電源である電池７３とを、ペン筐体１３内に収納した超音波型電子ペン１ｂを使用した。なお、ＭＲ素子１８は制御回路基板７２上に実装し、また、超音波素子１４と制御回路基板７２はＦＰＣ（Flexible Print Circuit）により接続した。また、制御回路基板７２の背面（ペン筐体１３の後端）に電池７３を配置し、ペン筐体１３に収納した。

また、超音波型電子ペンの超音波出射強度の検出は、図８に示す測定系によって行った。具体的には、図８に示すように、ＰＣの表示部１０２上で超音波型電子ペン１ｂが出射した超音波を、任意の距離に設置した超音波受信装置１０３によって受信する。超音波受信装置は、超音波受信素子と、音圧−電圧変換素子とを備えている。超音波受信素子によって受信された超音波の音圧は、超音波受信装置１０３中の音圧−電圧変換素子によって、電圧に変換される。オシロスコープ１０５は、プローブ１０４を介してこの電圧を読み取る。超音波型電子ペンと超音波受信装置１０３との距離が大きくなるほど、超音波受信装置１０３で受信される超音波の強度は小さくなる。つまり、オシロスコープ１０５によって読み取られる電圧の大きさは小さくなる。

言い換えると、以上のように、図８に示した測定系によって、超音波型電子ペンと超音波受信装置との距離、すなわち超音波型電子ペンのディスプレイ１０２上での位置情報が得られる。

図６は、図８の測定系を用いて超音波出射強度の測定評価を比較した結果を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は超音波型電子ペンと超音波受信装置１０３との距離を、縦軸はオシロスコープ１０５によって読み取られた電圧を示す。上述したように、この電圧は、超音波受信装置１０３で受信された超音波型電子ペンからの超音波出射の強度を表す。

図６に示すように、従来の超音波型電子ペンの超音波出射強度よりも、本実施形態の超音波型電子ペン１ｂの超音波出射強度の方が、大きくなっている。従来の超音波型電子ペンでは、超音波型電子ペン内の、超音波素子よりも先端側に筆圧検知機構が設けられているため、筆圧検知機構が、超音波出射の障害物となる。このため、発振された超音波が効率よく出射されない。これに対し、本実施形態の超音波型電子ペン１ｂでは、超音波型電子ペン内の、超音波素子１４より後端側に筆圧検知機構が設けられている。そのため、筆圧検知機構が超音波出射の障害物とならない。それゆえ、超音波型電子ペン１ｂは、効率よく超音波を出射することができる。

例えば、超音波受信装置１０３が、図６に示したグラフにおける電圧２０ｍＶに相当する強度未満の超音波を受信できない低感度の超音波受信装置である場合の位置情報の検出について、以下に説明する。

従来の超音波型電子ペンを用いた場合、このような低感度の超音波受信装置では、超音波受信装置が検出できる距離は、３０ｍｍが限界である（図６点線で示した部分）。

しかし、本実施形態の超音波型電子ペン１ｂを用いた場合は、超音波型電子ペン１ｂが超音波受信装置から２００ｍｍ離れても、超音波受信装置は、超音波型電子ペン１ｂの位置を感度良く検出することができる。

次に、超音波型電子ペン１ｂ（先端型超音波出射方式）と従来の超音波型電子ペン（側面型超音波出射方式）との、位置ズレ量を比較した。具体的には、超音波型電子ペンを傾斜させた場合の、ペンの先端の位置と、超音波受信装置によって得られた超音波型電子ペンの位置情報とのズレを比較した。図７は、超音波型電子ペンの傾斜角度に対する、位置ズレ量を示したグラフである。図７に示すように、超音波型電子ペン１ｂは、先端型超音波出射方式としているため、ペンの傾きに対する位置ズレ量は、従来の側面型超音波出射方式の超音波型電子ペンよりも小さい。

本実施形態の超音波型電子ペン１ｂには、直径９ｍｍ、全長１２０ｍｍ、重量１０ｇのペン筐体１３を使用した。このペン筐体１３を用いた超音波型電子ペン１ｂの形状および重さは、実際に使用するペンとして適していた。なお、ペン筐体１３は、形成される材料にもよるが、その重量が５ｇ程度でも、ペン筐体として充分な強度をもつものとすることができる。

次に、本発明の超音波型電子ペンを用いたペン入力システムについて説明する。

本実施形態のペン入力システムは、タブレットＰＣ（受信手段）と、超音波型電子ペンを備えている。また、タブレットＰＣは、超音波受信素子１０８を備えた超音波受信装置を備えている。図１１は、本発明の超音波型電子ペンを用いたペン入力システムの主要部の構成を示す図であり、タブレットＰＣの表示部１０７およびその周辺を示す図である。

本実施形態のペン入力システムにおいては、タブレットＰＣ本体の筐体（フレーム）１０６と表示部１０７との段差部分に、超音波受信素子１０８が設けられている。具体的には、フレーム１０６の一部に穴が設けられており、その穴から、超音波受信素子１０８の少なくとも一部が露出されるようにしておく。超音波受信素子１０８は、図示しない超音波電子ペンからの超音波を受信する。超音波受信素子１０８の設定場所は、入力者の手によって受信が妨げられることなく、超音波電子ペンからの超音波を受信できればよいが、例えば、超音波型電子ペンに対して入力者とは反対側（遠い側）の辺であって、その辺の両端の角（２箇所）に設置することが好ましい。

また、本発明かかる超音波型電子ペンは、超音波に加えて、入力開始信号として、赤外線も出射する。この場合、超音波型電子ペンは図示しない赤外線照射部を備え、上記超音波型電子ペンの先端部分から超音波と赤外線とを照射する。またこの場合、タブレットＰＣは、赤外線受信素子１０９を備えた赤外線受信装置を備える。また、赤外線受信素子１０９は、フレーム１０６上の、２つの超音波受信素子１０８の中間部付近に、超音波受信素子１０９と同様に配置されればよい。

この場合、超音波型電子ペンの位置情報は、以下のようにして得られる。つまり、超音波受信素子１０８における超音波の受信と赤外線受信素子１０９における赤外線（入力開始信号）の受信との時間の差、および、超音波の周波数から、超音波型電子ペンの位置情報を、タブレットＰＣ内の演算部にて算出する。超音波受信素子１０８は２つあるので、２つの位置情報が算出される。このようにして得た２つの位置情報から、超音波型電子ペンの位置を特定する。

以上のように、本発明にかかる超音波型電子ペンは、ペン入力システムに用いる。具体的には、このペン入力システムは、前述のように超音波型電子ペンの筆圧検知機構によって筆圧を検知するとともに、超音波型電子ペンから出射される超音波を受信することにより、超音波型電子ペンの位置を特定するものである。これにより、超音波型電子ペンによる文字や画像などの入力情報を、正確に反映した電子データとして処理することが可能である。なお、ペン入力システムでは、超音波型電子ペンにより、電子ディスプレイに直接書き込んで電子データとすることも可能であるし、紙や専用のボードなどに書き込んで電子データとすることも可能である。

以上のように、本発明の超音波型電子ペンは、超音波素子によって発振された超音波が、上記先端部から出射されるようになっていることが好ましい。

超音波型電子ペンを傾斜させて使用する場合、ペンの先端の位置と、超音波の出射位置との間にズレが生じる。上記の構成によれば、ペンの先端付近から超音波を出射させるので、超音波をペンの側面から出射させる場合よりも、ペンの先端の位置と、超音波の出射位置との間のズレが小さくすることができる。それゆえ、超音波を検出することにより、正確に電子ペンの位置を検出することができるという効果を奏する。

また、本発明の超音波型電子ペンの筆圧検知手段は、磁石と、磁界の変化に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗素子とを備えており、上記磁石と磁気抵抗素子との距離が、筆圧に応じて変化するように設けられていることが好ましい。

これにより、筆圧に応じて、磁石と磁気抵抗素子との距離が変化するので、筆圧に応じて、磁石から磁気抵抗素子に印加される磁界の強さも変化する。それゆえ、磁気抵抗素子に印加される磁界を検出することにより、筆圧を検出することができるという効果を奏する。

また、本発明の超音波型電子ペンは、筆圧に応じて伸縮することにより、上記磁石と磁気抵抗素子との距離を変化させる伸縮手段をさらに備えていることが好ましい。

これにより、筆圧に応じて、伸縮手段が伸縮するので、実際のペン入力と同様の入力が可能となるという効果を奏する。

本発明にかかる超音波型電子ペンは、上記磁石と磁気抵抗素子との接触を防止する接触防止手段をさらに備えていることが好ましい。

これにより、接触防止手段が、磁石と磁気抵抗素子との接触を防止するため、接触による磁石および磁気抵抗素子の破損を防止できるという効果を奏する。

上記超音波素子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子から形成されるものであることが好ましい。

これにより、超音波素子から効率的に超音波を出射できるという効果を奏する。

本発明にかかるペン入力システムは、以上のように、超音波を発振する超音波素子と、ペン入力の筆圧を検知する筆圧検知手段と、上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段とを少なくとも備えており、ペン入力を行う先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されている超音波型電子ペンを用いてペン入力を行うペン入力システムである。

これにより、超音波型電子ペンから効率的に超音波を出射できるとともに、超音波型電子ペンの位置を正確に特定できる。それゆえ、超音波型電子ペンの入力情報を、正確に反映した電子データとして処理できるペン入力システムを提供できるという効果を奏する。

発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。

以上のように、本発明にかかる超音波型電子ペンは、筆圧の検知感度を損なうことなく、超音波素子から効率よく超音波の出射が可能となるように構成されている。このため、この超音波型電子ペンを、電子ディスプレイに直接書き込む方式のペン入力システムや、携帯用情報端末などにおける、種々の入力用ペンとしての利用が可能である。

本発明にかかる超音波型電子ペンの主要部を示す平面図である。 図１の超音波型電子ペンにおける、ペン筐体内部の構成を示す斜視図である。 図１の超音波型電子ペンにおける、超音波素子とペン芯との関係を示す斜視図である。 図１の超音波型電子ペンにおける、別のペン筐体内部の構成を示す斜視図である。 図４の構成を備えた、超音波型電子ペンの全体構造を示す平面図である。 本発明にかかる超音波型電子ペンと、従来の超音波型電子ペンとにおける、超音波の出射強度を比較したグラフである。 本発明にかかる超音波型電子ペンと、従来の超音波型電子ペンとにおける、位置ズレ量を比較したグラフである。 図６の超音波出射強度を測定する装置の構成図である。 従来の超音波型電子ペンの構成を示す平面図である。 別の従来の超音波型電子ペンの構成を示す平面図である。 本発明にかかる超音波型電子ペンを用いたペン入力システムの主要部の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ・１ｂ 超音波型電子ペン
１１ ペン芯
１２ 超音波出射口
１３ ペン筐体
１４ 超音波素子
１７ 磁石（筆圧検知手段）
１８ 磁気抵抗素子（筆圧検知手段）
６７ バネ（伸縮手段）
６８ ストッパー（接触防止手段）
７２ 制御回路基板（制御手段）

Claims (18)

1. 超音波を発振する超音波素子と、ペン入力の筆圧を検知する筆圧検知手段と、上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段とを少なくとも備えており、
   ペン入力を行う先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されていることを特徴とする超音波型電子ペン。
2. 上記超音波素子によって発振された超音波が、上記先端部から出射されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の超音波型電子ペン。
3. 上記筆圧検知手段は、磁石と、磁界の変化に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗素子とを備えており、
   上記磁石および磁気抵抗素子は、上記磁石と磁気抵抗素子との距離が筆圧に応じて変化するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波型電子ペン。
4. 筆圧に応じて伸縮することにより上記磁石と磁気抵抗素子との距離を変化させる伸縮手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の超音波型電子ペン。
5. 上記磁石と磁気抵抗素子との接触を防止する接触防止手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の超音波型電子ペン。
6. 上記超音波素子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波型電子ペン。
7. さらに、上記先端部から赤外線を出射する赤外線照射部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の超音波型電子ペン。
8. ペン筐体を備え、
   上記ペン筐体内部に、
   超音波を発振し、ペン入力の筆圧に応じて上記ペン筐体内部を移動する超音波素子、
   磁石と、磁界の変化に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗素子とを少なくとも備え、上記磁石または磁気抵抗素子が上記超音波素子に固定されている筆圧検知手段、および、
   上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段を備えるとともに、
   上記ペン筐体の先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されていることを特徴とする超音波型電子ペン。
9. さらに支持棒を備え、上記支持棒は、上記磁石または磁気抵抗素子を超音波素子に固定すると共に、支持部材によって保持された状態でペン筐体内部を移動可能になっていることを特徴とする請求項８に記載の超音波型電子ペン。
10. 筆圧に応じて伸縮することにより上記磁石と磁気抵抗素子との距離を変化させる伸縮手段をさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載の超音波型電子ペン。
11. 上記磁石と磁気抵抗素子との接触を防止する接触防止手段をさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載の超音波型電子ペン。
12. 上記超音波素子によって発振された超音波が、上記先端部から出射されるようになっていることを特徴とする請求項８に記載の超音波型電子ペン。
13. 上記超音波素子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子から形成されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波型電子ペン。
14. さらに、上記先端部から赤外線を出射する赤外線照射部を備えていることを特徴とする請求項８に記載の超音波型電子ペン。
15. 超音波を発振する超音波素子と、ペン入力の筆圧を検知する筆圧検知手段と、上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段とを少なくとも備えており、ペン入力を行う先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されている超音波型電子ペン、並びに、
    上記超音波型電子ペンから出射された超音波を受信する受信手段を備えていることを特徴とするペン入力システム。
16. 上記超音波型電子ペンはさらに、上記先端部から赤外線を出射する赤外線照射部を備え、上記受信手段はさらに、超音波型電子ペンから出射された赤外線を受信するようになっていることを特徴とする請求項１５に記載のペン入力システム。
17. ペン筐体を備え、
    上記ペン筐体内部に、
    超音波を発振し、ペン入力の筆圧に応じて上記ペン筐体内部を移動する超音波素子、
    磁石と、磁界の変化に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗素子とを少なくとも備え、上記磁石または磁気抵抗素子は上記超音波素子に固定されている筆圧検知手段、および、
    上記超音波素子および筆圧検知手段を制御する制御手段を備えるとともに、
    上記ペン筐体の先端側から後端側に向かって、上記超音波素子、筆圧検知手段、制御手段がこの順に配置されている超音波型電子ペン、並びに、
    上記超音波型電子ペンから出射された超音波を受信する受信手段を備えていることを特徴とするペン入力システム。
18. 上記超音波型電子ペンはさらに、上記先端部から赤外線を出射する赤外線照射部を備え、上記受信手段はさらに、超音波型電子ペンから出射された赤外線を受信するようになっていることを特徴とする請求項１７に記載のペン入力システム。

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