JP2006163652A - 電子ペン入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルスプリングのバネ圧の調整が容易に行える電子ペン入力装置を提供する。
【解決手段】電子ペン入力装置は、ペン状芯２０を挿入して、ペン状芯２０が外フレーム１０から突出するようにペン状芯２０を付勢するコイルスプリング３０と、ペン状芯２０の軸上に沿って所定の範囲を移動可能な状態に保持され、ペン状芯２０に挿入されたコイルスプリング３０の一方の端面を、バネ圧に抗して押圧状態に保持可能な押さえ側押圧面４１を形成したバネ押さえ４０と、外フレーム１０内部の摺動空間１１で摺動可能に挿入されており、ペン状芯２０を内部に挿入するための挿入穴を形成し、かつペン状芯２０を挿入穴に挿入した状態で、コイルスプリング３０のバネ圧に抗するようにペン状芯２０の先端を押圧すると外フレーム１０内部の摺動空間１１で摺動するように構成されてなる摺動フレーム５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ペンによるデータ処理システム用の入力装置に関する。

電子ペン入力による入力装置は、従来のキーボードやマウス等による入力よりも、より簡単にデータ入力が可能である。特に携帯用のコンピュータにおいては、携帯性、操作性の良いものが追求されており、電子ペンによる情報入力が最も有力な入力方式の一として利用されている。座標位置の検出方式として、従来考案されている電気的結合方式には、大きく分けて電磁誘導方式と静電結合による方式がある。電磁誘導方式による座標入力装置は、例えば特許文献１に基本原理の一が開示されるように、Ｘ軸及びＹ軸両方向が互いに直交するようにデジタイザ側に配置された、ループコイルと電子ペンとの間で電磁波信号の送受信を行い、電子ペンで指示された座標位置を特定する。

従来の電子ペン入力における筆圧検出方法は、デジタイザ側に電波発生手段を設け、デジタイザ面に配設されたループコイルを介して電波を発生させて、その電波に同調し得る同調回路を有した電子ペン側で、反射電波をデジタイザに対して送信し、この反射電波をデジタイザのループコイルで受信し、これを所定の周期で交互に繰り返して、デジタイザ側で送信した電波と、電子ペンから反射されて受信した電波の位相角をデジタイザ内に配された位相検波回路で検出し、電子ペンの筆圧の変化を位相角の変化として、筆圧を検出している。

しかしながら、これらの方法では、電子ペンの筆圧検出を電波の位相角で比較検出するため、電子ペン側の同調回路における同調周波数は、電子ペン内に配されたコイルのインダクタンス又はコンデンサのキャパシタンスを厳密に調整しないと、位相による検波が正しく行われないという欠点があった。さらに、電子ペンからの反射電波をデジタイザで受信する際の処理として、信号の増幅、位相検波、量子化等のアナログ信号処理を施す必要があり、回路の複雑さは避けられない。

このような筆圧検出方式の問題点を改善すべく、本出願人は先に、特許文献２に係る電子ペン入力装置を開発した。この電子ペン入力装置８００は、図８の内部機能ブロック図及び図９のブロック図に示すように、電子ペン入力装置８００内にコイル８７とコンデンサ８２で構成されるＬＣ共振回路８３を備える。このＬＣ共振回路８３はデジタイザ８６側より発される電磁波信号に共振し、ＬＣ結合によってデジタイザ８６から電磁エネルギーを電力として受信し、電子ペン入力装置８００を駆動する。電子ペン入力装置８００とデジタイザ８６間での電磁授受方式は、特許文献１と同様の方式が利用できる。さらに、電子ペン入力装置８００内に、発振回路７６Ｂとして、ペン状芯２０Ｂの移動に連動して可動する導電体６０Ｂと、シリコーンゴム等の弾性材９０Ｂを挟んで近接する発振コイル８１を各々配置する。電子ペン入力装置８００に加重される筆圧量に応じて、導電体６０Ｂが発振コイル８１に接近すると、発振回路７６Ｂに発振周波数の変化が生じ、これを処理回路８４内で、周波数カウンタ７７Ｂで計数し、その情報を変調回路８５で変調処理をして、ＬＣ共振回路８３を介して、筆圧情報をデジタイザ８６へ搬送する。
特公平２−５３８０５号公報 特開平１０−２２８３４５号公報 特許３３５２６１９号公報

しかしながら、上記の電子ペン入力装置は、ペン状芯の筆圧に応じて摺動する摺動フレームとペン状芯の接続部分を一体構造としていたため、メンテナンス作業が面倒で、ペン状芯の交換時には内部機構を全て取り換える必要があり、コストと手間がかかるという問題があった。特にペン状芯は先端が摩耗し易い消耗品であるため、容易に交換できる構成とすることが望ましい。

電子ペン入力装置の摺動フレームとペン状芯の接続部分を一体構造とする構成を図１０に示す。この図に示すペン状芯１２０は、コイルスプリング１３０に挿入した状態で後端から摺動フレーム１５０に挿入して固定される。摺動フレーム１５０は外フレーム１１０に摺動自在に挿入される。またペン状芯１２０の先端側にはバネ押さえ１４０が固定され、バネ押さえ１４０の後端と、外フレーム１１０の端面であるフレーム側押圧面１５３との間でコイルスプリング１３０を狭持し、ペン状芯１２０を弾性的に伸縮自在としている。そしてコイルスプリング１３０の押圧力に抗してペン状芯１２０の先端を押圧することで、ペン状芯１２０の移動を検出して筆圧を算出している。この構成で筆圧を精度良く検出するためには、コイルスプリング１３０のバネ圧を精密に調整する必要がある。コイルスプリングは一般に焼結して作成されるため、バネの長さを均一に揃えることは極めて困難である。言い換えると、コイルスプリングは固体毎にばらつきがあり、同じ長さに押圧してもバネ圧が等しくならない。このため、従来は電子ペンの組み立て工程において、個々のコイルスプリングを押圧して最適なバネ圧の位置に保持した状態で、バネ押さえもしくは摺動フレームを紫外線硬化型樹脂等の接着剤で固定して位置決めしている。

しかしながらこの方法では、極めて高精度の位置決め及び固定作業が要求されるため、ロボット等を使用して１μｍレベルでの制御を行ってバネ圧を最適位置に保持し、紫外線硬化型樹脂で接着するまで保持する必要があり、製造工程が極めて複雑化し時間もかかるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものである。本発明の主な目的は、コイルスプリングのバネ圧の調整が容易に行える電子ペン入力装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電子ペン入力装置は、少なくとも一端を開口端とし、内部に摺動空間を形成した外フレームと、外フレームの内部で摺動自在に保持されており、延長方向に沿って略円柱状に延長されたペン状芯と、静電結合によってペン状芯が外フレーム内部で摺動する変位量を検出する変位センサであって、ペン状芯又は外フレームのいずれかに固定され、ペン状芯が外フレーム内部の摺動空間を相対的に移動することによって生じる静電結合の変化を検出し、これに基づいてペン状芯の変位量を検出可能なセンサと、ペン状芯を挿入するコイルスプリングであって、ペン状芯が外フレームから突出するようにペン状芯を付勢するコイルスプリングと、ペン状芯の軸上に沿って所定の範囲を移動可能な状態に保持され、ペン状芯に挿入されたコイルスプリングの一方の端面を、バネ圧に抗して押圧状態に保持可能な押さえ側押圧面を形成したバネ押さえと、外フレーム内部の摺動空間で摺動可能に挿入されており、ペン状芯を内部に挿入するための挿入穴を形成し、かつペン状芯を挿入穴に挿入した状態で、コイルスプリングのバネ圧に抗するようにペン状芯の先端を押圧すると外フレーム内部の摺動空間で摺動するように構成されてなる摺動フレームとを備える。この構成によって、バネ押さえをペン状芯に沿って移動させてコイルスプリングの押圧力を調整することができ、コイルスプリングの押圧力を一定に保持して精度良く筆圧検出を行える電子ペン入力装置が実現される。

また、本発明の第２の側面に係る電子ペン入力装置は、外フレームが、ペン状芯を挿入する開口部の周囲に、ペン状芯を挿入したコイルスプリングを保持するフレーム側押圧面を形成しており、コイルスプリングが、外フレームのフレーム側押圧面と、バネ押さえの押さえ側押圧面との間で保持されている。この構成によって、コイルスプリングをフレーム側押圧面と押さえ側押圧面との間で狭持しつつ、ばね押さえの位置を調整してコイルスプリングの押圧力を調整して精度良く維持できる。

さらに、本発明の第３の側面に係る電子ペン入力装置は、摺動ケースが、ペン状芯の軸上に沿って、少なくともバネ押さえの移動範囲にペン側ネジ山を形成しており、バネ押さえが、摺動ケースを挿入する挿入穴を形成しており、挿入穴の内面に、ペン側ネジ山と螺合する押さえ側ネジ山を形成している。この構成により、バネ押さえを回転させることでバネ押さえをペン状芯に沿って移動でき、バネ押さえの位置を容易に微調整してバネ圧を調整することが可能となる。

さらに、本発明の第４の側面に係る電子ペン入力装置は、摺動フレームの挿入穴に沿って摺動するペン状芯が、外フレームに対して回転することを阻止するために、外フレーム内面の摺動空間との接触部分に回転を阻止するガイドを設けている。この構成によって、ペン状芯が外フレームの摺動空間内で回転することが阻止されるため、回転によってバネ圧の調整が崩れることが阻止され、高精度に位置決めされた状態を維持して安定して精度良く電子ペン入力装置を使用できる。

さらにまた、本発明の第５の側面に係る電子ペン入力装置は、ガイドが、摺動フレームの外形の少なくとも一部を角柱状に形成し、かつ外フレーム内部の摺動空間の摺動フレームと摺動する摺動面を、該角柱状に対応する角形に形成している。この構成によって、ペン状芯が外フレームの摺動空間内で回転することが阻止されるため、回転によってバネ圧の調整が崩れることが阻止され、高精度に位置決めされた状態を維持して安定して精度良く電子ペン入力装置を使用できる。

さらにまた、本発明の第６の側面に係る電子ペン入力装置は、ガイドが、摺動フレームの外形の少なくとも一部に突起を形成し、かつ外フレーム内部の摺動空間の摺動フレームと摺動する摺動面に、該突起を案内する溝を形成している。この構成によって、ペン状芯が外フレームの摺動空間内で回転することが阻止されるため、回転によってバネ圧の調整が崩れることが阻止され、高精度に位置決めされた状態を維持して安定して精度良く電子ペン入力装置を使用できる。

さらにまた、本発明の第７の側面に係る電子ペン入力装置は、変位センサが、ペン状芯と共に移動するよう固定された導電体と静電結合され、共振回路を構成するインダクタを備える。この構成によって、安定した精度の高い筆圧検出を行うことができる。

さらにまた、本発明の第８の側面に係る電子ペン入力装置は、変位センサが、インダクタを備えるセンサ回路と、センサ回路の発振周波数をカウントするカウンタ回路を備える静電結合分布インダクタンス型変位センサであり、さらにこれらの回路に供給される電力を安定化させる安定化回路を備える。この構成によって、安定した精度の高い筆圧検出を行うことができる。

さらにまた、本発明の第９の側面に係る電子ペン入力装置は、センサ回路とカウンタ回路とが一体化されている。この構成によって、熱平衡状態への移行が速やかに行われ、立ち上がりの安定した電子ペン入力装置が実現できる。

さらにまた、本発明の第１０の側面に係る電子ペン入力装置は、ペン状芯が挿抜可能に構成されている。この構成によって、ペン芯の交換が可能となり、消耗品の交換作業が容易な使い勝手の良い電子ペン入力装置が実現される。

さらにまた、本発明の第１１の側面に係る電子ペン入力装置は、ペン状芯が筆記機能を備えている。この構成によって、電子ペン入力装置で実際に筆記して筆圧検出等を実現でき、違和感のない使いやすい電子ペン入力装置とできる。

本発明の電子ペン入力装置によれば、コイルスプリングのバネ圧を容易に調整することが可能であるため、コイルスプリングの個体差によらず最適なバネ圧に調整することができ、極めて筆圧の検出精度の高い電子ペン入力装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電子ペン入力装置を例示するものであって、本発明は電子ペン入力装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

まず静電結合に基づく変位検出について説明する。静電結合分布インダクタンス型変位検出では、距離を測定するインダクタと導電体を静電的に結合する。静電結合を最大にするために、距離を測定するためのインダクタを２次元状の構造にする。２次元状に分布する平面状インダクタに導電体を接近させると、静電結合が最大になるので、距離を測定する平面状インダクタの感度が増加し、消費電力が最小になる。２次元状に分布する平面状インダクタと導電体が静電的に結合すると、２次元状に分布する平面状インダクタの導体部と導電体は等価的にキャパシタとなる。すなわち、２次元状に分布する平面状インダクタの導体部は分布キャパシタの一方の電極となり、他方の電極は導電体になる。一般的に、回路に流れる電流の周波数が高くなると、キャパシタに流れる電流は増加するが、平面状インダクタに流れる電流は減少する。２次元状に分布する平面状インダクタと導電体の距離が短くなると、分布キャパシタの容量は増加するので、２次元状に分布する平面状インダクタのインダクタンスが等価的に減少する。すなわち、インダクタンスが減少するので、発振回路に流れる電流の周波数は増加する。故に、周波数の変化を検出すれば、２次元状に分布する平面状インダクタと導電体の距離の変化を測定することが可能になる。これによって変位量の検出が可能となる。

図１に、本発明の一実施の形態に係る電子ペン入力装置の全体を示す。この図に示す電子ペン入力装置１００は、ペン状芯ユニット１と、ＵＳＢコントローラ回路９６とを備え、これらをケース２に収納している。ペン状芯ユニット１は、外フレーム１０と、外フレーム１０内を軸方向に挿入して固定したペン状芯２０、ペン状芯２０を弾性的に押圧するコイルスプリング３０、コイルスプリング３０の一端を保持するバネ押さえ４０、ペン状芯２０を摺動させる摺動フレーム５０、摺動フレーム５０の後端に固定された金属板である導電体６０、導電体６０と対向して離間するよう配置され、２次元状に分布する平面状インダクタで導電体６０の移動距離（変位）を検出する変位センサ７０を含む。ペン状芯２０の位置すなわち変位量は、変位センサ７０で検出される。変位センサ７０は、２次元状に分布する平面状インダクタを配設している。一方摺動フレーム５０の後端には、導電体６０を固定している。また、バネ押さえ４０と外フレーム１０の間には、ペン状芯２０に挿通されたコイルスプリング３０が配置されている。コイルスプリング３０は、バネ押さえ４０を弾性的に押圧することでペン状芯２０を突出させるように付勢する。ペン状芯２０の先端に圧力が加えられ、コイルスプリング３０の圧力に抗して摺動フレーム５０が摺動すると、摺動フレーム５０の後端に固定された導電体６０も移動する。導電体６０が移動すると、２次元状に分布する平面状インダクタと導電体６０の間の距離が変化する。これに従って、変位センサ７０の内部に設置されている発振回路の発振周波数ｆが変化する。変位センサ７０に内蔵され、あるいは外部に設けられる周波数カウンタで、発振回路の周波数を測定することにより、導電体６０の変位が検知でき、すなわちペン状芯２０の移動量が検知できる。コイルスプリング３０のばね係数が判明していれば、変位量から圧力が求められ、これによって電子ペン入力装置１００は、ペン状芯２０に作用する圧力で筆圧を検出できる。

さらにこの電子ペン入力装置を、例えばデジタイザやタブレットと一緒に使用して、座標検出機能を持たせることもでき、これによって筆圧と筆跡の両方を検出することも可能となる。この場合は、電子ペン入力装置の構成として例えば図８に示すような構成が採用できる。

図１の電子ペン入力装置１００に内蔵される変位センサ７０の回路図を図２に示す。この変位センサ７０は、発振回路が発振コイルＬ１とキャパシタＣ１が直列に接続されたＬＣ発振回路で構成され、ＣＭＯＳインバータ（発振用）７２及び（バッファ用）７３が接続されている。発振回路を高周波で発振させ、発振コイルＬ１から発される磁界によって、導電体６０の表面に電磁誘導による誘導電流が発生し、電磁エネルギーとして消費する。電子ペンに加重される筆圧量に応じて導電体６０が発振コイルＬ１に接近すると、発振回路に発振周波数の変化が生じる。なお図２の例では、ＣＭＯＳインバータ（発振用）７２の入力側に回路自体の抵抗成分Ｒ１が存在しているが、別途抵抗を付加することもできる。また、入力側に接続するキャパシタＣ１は、固定式とする他、他のキャパシタと交換可能とすることもできる。特に、キャパシタＣ１を可変コンデンサとすることで、ＬＣ発振回路の発振周波数を調整可能とし、装置毎の素子の特性ばらつき等に起因する発振周波数の不一致を解消することもできる。さらにＣＭＯＳインバータ（発振用）７２の出力側をフィードバックすることで、フィードバック制御による出力安定化を図ることもできる。

次に、図２に示す変位センサ７０を使用して、図１の電子ペン入力装置１００に内蔵されるペン状芯２０の位置を検出する検出システムを構成するブロック図を図３に示す。このブロック図は、発振回路７６、周波数カウンタ７７、バッファ回路７８及び制御回路７９を備える。これらは専用ＩＣにより構成できる。電子ペン入力装置１００のペン状芯２０に圧力が加えられてこれが移動すると、変位センサ７０に内蔵される発振回路７６の周波数ｆが変化する。周波数カウンタ７７を用いて、周波数ｆを測定し、測定データをバッファ回路７８に格納する。周波数カウンタ７７とバッファ回路７８は制御回路７９によって制御される。バッファ回路７８に格納されているデータを読み出すことにより、ペン状芯２０に加えられた筆圧を測定することが可能になる。また必要に応じて駆動電力を安定化させる安定化回路８０を付加することもできる。また図３の回路例では、図９のように周波数カウンタの出力を変調する変調回路を設けず、周波数カウンタの結果を直接出力することで回路の簡素化と処理の軽減を図っている。ただ、図９と同様に変調回路等を設けて変調して伝送することも可能である。
（ペン状芯ユニット１）

上記のペン状芯２０とバネ押さえ４０、コイルスプリング３０、摺動フレーム５０はペン状芯ユニット１を構成している。図４に、ペン状芯ユニット１の分解断面図及び断面図を示す。この図に示すペン状芯ユニット１は、ペン状芯２０と、バネ押さえ４０と、コイルスプリング３０と、摺動フレーム５０とを備える。
（コイルスプリング３０）

コイルスプリング３０は、金属製のスプリングであり、好ましくは焼結により形成される。これによって精度の高いバネが得られる。ただ、コイルスプリングに替わってシリコーンゴム等の弾性体を利用することもできるが、ゴムはヒステリシスが生じるため誤差が生じやすく、正確な位置検出の精度が低下するという問題があるので、好ましくはコイルスプリングを使用する。
（ペン状芯２０）

ペン状芯２０は、円筒状に延長され、先端を先細りするように突出させ、この先端を押圧させて筆圧を検出する。ペン状芯２０の後端には、変位を検出するための導電体６０を固定している。導電体６０には金属製のものが利用できる。またペン状芯２０は、実際に筆記できる機能を備えることもでき、これによってよりイメージを掴みやすくできる。筆記機能は、従来のボールペンのようなインク、鉛筆等のペン芯を利用できる。また、ペン状芯としてスタイラスを使用し、タブレットやデジタイザ等との組み合わせによって座標検出を行うように構成しても良い。

ペン状芯２０は、容易に交換できる構成とすることが望ましい。図４に示すペン状芯２０は、摺動フレーム５０に圧入して挿入され、保持される。摺動フレーム５０の挿入口は、テーパ状に形成したり、挿入口の一部にペン状芯を狭着する突起を形成する等の方法が採用できる。また摺動フレーム５０を弾性を備えるプラスチック等で構成することで、圧入や狭着構造が実現できる。これにより、容易にペン状芯を挿抜して交換できる。特にペン状芯に筆記機能を持たせる場合は、インクが切れた場合に新たなペン状芯に交換できるので、使い勝手がよい。
（摺動フレーム５０）

摺動フレーム５０は、中空の円筒状に形成され、中空部分にはペン状芯２０が挿入されて固定される。さらに摺動フレーム５０は、電子ペン入力装置の外フレーム１０に摺動自在に挿入される。摺動フレーム５０の外形は、図４の分解断面図に示すように、後端で外径を一回り大きく形成したフランジ５１としている。これによって、フランジ５１に、導電体６０として金属板を固定し易くできる。また摺動フレーム５０の中間部分にも、円筒部分を一回り大きく形成した中間フランジ５２を形成している。中間フランジ５２はコイルスプリング３０の内径よりも大きく形成し、摺動フレーム５０を外フレーム１０から分解した状態でコイルスプリング３０の抜けを防止できる。また外フレーム１０の内面には、これら中間フランジ５２及びフランジ５１に対応する部位の内径を大きく形成し、かつ摺動フレーム５０の移動可能な距離に相当する厚さに形成している。これによって、フランジ部分を有する摺動フレーム５０であっても外フレーム１０内を摺動可能であると共に、これらフランジ部分の存在によって摺動フレーム５０が安定して外フレーム１０内部で摺動できる。さらに外フレーム１０は、摺動フレーム５０の後端に固定される導電体６０と対向する位置に変位センサ７０を固定する固定空間１３も形成している。図４の例では、摺動フレーム５０の後端に導電体６０を、外フレーム１０の固定空間１３に導電体６０と対向するように変位センサ７０を、それぞれ固定して相対的な距離を測定している。ただ、導電体と変位センサは、ペン状芯の移動に応じて相対的に移動するよう固定されればペン状芯の変位を測定可能であるため、例えば導電体を外フレームに、変位センサを摺動フレームに固定する等、他の構成を採用することもできる。
（外フレーム１０）

外フレーム１０は、内部に摺動フレーム５０や変位センサ７０を挿入する挿入空間を形成している。外フレーム１０は、例えば挿入空間を中間に形成するように２分割して形成され、これらの間に摺動フレーム５０や変位センサ７０を狭持した状態でケース２の開口端から収納されて電子ペン入力装置１００を構成する。これによって接着や特別な係止構造を設けることなく組み立てることが可能となり、また分解も容易でメンテナンス製に優れた構造とできる。

なお摺動フレーム５０の外径は、コイルスプリング３０の内径よりも小さく設計され、これによってコイルスプリング３０に摺動フレーム５０を挿入できる。一方で摺動フレーム５０を挿入する外フレーム１０の外径はコイルスプリング３０よりも大きくし、摺動空間１１を開口する端面をコイルスプリング３０を押圧するフレーム側押圧面５３として形成している。これによって外フレーム１０の端面では、摺動フレーム５０を挿入する一方でフレーム側押圧面５３によりコイルスプリング３０を当接し、コイルスプリング３０の一方の端面を保持できる。

好ましくは、コイルスプリング３０の内径と摺動フレーム５０の外径はほぼ等しく設計して、これらの間の隙間を小さくしてがたつきを防止する。さらに摺動フレーム５０の先端近傍には、バネ押さえ４０を装着するためのネジ溝５４が形成されている。ネジ溝５４は、バネ押さえ４０を回転させて移動できるように、バネ押さえ４０の移動範囲に沿って形成される。

バネ押さえ４０は、中心を開口したナット状に形成される。開口部の内面には、ネジ溝が形成されている。開口部の内径及びネジ溝のピッチは、摺動フレーム５０のネジ溝５４にバネ押さえ４０を螺合できるように設計される。これによって、バネ押さえ４０を回転させて摺動フレーム５０に沿って移動させることができる。更にバネ押さえ４０の外径は、コイルスプリング３０の外径よりも大きくする。これによって、コイルスプリング３０の他方の端面を押圧、保持する押さえ側押圧面４１として機能する。

この構成のペン状芯ユニット１は、摺動フレーム５０にペン状芯２０を挿入して固定した状態で、コイルスプリング３０に摺動フレーム５０を挿入する。コイルスプリング３０は、摺動フレーム５０の中間に形成された中間フランジ５２に当接して保持される。また摺動フレーム５０の先端にバネ押さえ４０をネジ止めする。この結果、バネ押さえ４０と中間フランジ５２でコイルスプリング３０は保持される。この状態で、２分割された外フレーム１０に摺動フレーム５０と変位センサ７０とをセットし、外フレーム１０でこれらを狭持するように２分割された外フレーム１０が当接される。この際、コイルスプリング３０と中間フランジ５２の間に外フレーム１０の端面を挿入して、フレーム側押圧面５３でコイルスプリング３０を当接させる。これによって、コイルスプリング３０の一端面はフランジ５１のフレーム側押圧面５３で押圧され、コイルスプリング３０の他端面はバネ押さえ４０の押さえ側押圧面４１で押圧されるので、摺動フレーム５０のフランジ５１とバネ押さえ４０によってコイルスプリング３０が狭持される。この状態でペン状芯２０の先端を押圧すると、ペン状芯２０に固定されたバネ押さえ４０がコイルスプリング３０を押圧し、コイルスプリング３０がフレーム側押圧面５３との間で圧縮されるので、バネ圧が抗力として働きながら、ペン状芯２０に固定された摺動フレーム５０が外フレーム１０に沿って摺動する。この際、摺動フレーム５０の後端に設けられた変位センサ７０が、摺動フレーム５０の移動を筆圧に換算して検出する。

ここにおいて、バネ押さえ４０はネジ溝によって移動可能であるため、図４に矢印で示すようにバネ押さえ４０の位置を摺動フレーム５０上で微調整することが可能である。したがって、コイルスプリング３０をバネ押さえ４０とフレーム側押圧面５３との間で狭持した状態で、この間の距離を変化させてコイルスプリング３０のバネ圧を調整することが可能となる。上述の通り、コイルスプリングは個体差があるため、個々のバネ圧の調整が困難という問題があった。これに対して、バネを狭持する空間の距離を変更可能とすることによって、バネ押さえ４０の位置を微調整して各電子ペン入力装置毎に最適なバネ圧に調整することが可能となり、均一で高品質、高精度な筆圧検出を可能とした。

また、ペン状芯２０に関連する部材をユニット状としてメンテナンス作業を容易に行えるようにしている。従来の電子ペン入力装置では、内部フレームとペン状芯の接続部分を一体構造にしていたため、ペン状芯の交換時には内部機構部分を全て取り換える必要があり、コストがかかる上作業も繁雑であった。これに対して、本実施の形態ではフレームのデリケートな部分であるコイルスプリング３０とその押さえの部分であるバネ押さえ４０をペン状芯２０から分離した構造とすることで、ペン状芯２０の交換が容易となっている。この構成によりペン状芯２０を挿抜できるため、摩耗したペン状芯やインクが切れたペン状芯をスペアと交換したり、異なるタイプやインク色のペン状芯の差し替えも可能となる。このように、メンテナンスの際に手動でバネ押さえを調整する作業が容易であることと相俟って、電子ペン入力装置の使い勝手を大きく改善できる。
（回転防止機構）

さらに電子ペン入力装置は、ペン状芯が回転することを阻止する回転防止機構を備えている。電子ペン入力装置のケース２内部に固定されたペン状芯ユニット１内部で、外フレーム１０に挿入された摺動フレーム５０は、摺動フレーム５０が摺動する際の接触部分で摩擦が生じる。摩擦が大きいと、ペン状芯の押圧が阻害されて正確な筆圧検出ができなくなる。このため、摺動時の滑りをよくするために摩擦の少ない材料で構成され、あるいは摩擦の少ない材質で表面をコーティングしている。これによって円筒形の内部で可能な限り摩擦抵抗を少なくして精度良く動作することができる。

また摩擦を抑えるために、摺動フレーム５０が摺動する際の接触面積を小さくすることもできる。上記の例では摺動フレーム５０の外周と外フレーム１０内部との間の接触面積を小さくするため、摺動フレーム５０の外周から突出するようにフランジを摺動フレーム５０に設けている。これによって摺動フレーム５０の外周は外フレーム１０の摺動面１２と接触せず、フランジ５１と外フレーム１０内面の摺動面１２とが接触するようになり、接触面積を小さくできる。またフランジ部分を上述した摩擦の少ない材質で構成し、あるいは接触面のみにコーティングを施すことで、安価に摩擦の低減を図ることができる。フランジは摺動フレーム５０に離間して複数設けることで、安定して摺動できる。図４の例では、摺動フレーム５０の後端にフランジ５１を設けると共に、中間部分にも中間フランジ５２を形成し、これら２つのフランジ５１、５２を外フレーム１０内面の摺動面１２に接触させて摺動させ、接触面積を低減しつつ安定して摺動できる。

一方で、摩擦抵抗が少ないと、摺動フレームが摺動空間１１内で回転し易くなり、バネ圧の調整が崩れて筆圧検出精度が低下するという問題がある。摺動フレームの外径が円柱状であると、円筒状の摺動空間１１内部で摺動フレームが回転してしまうことがある。回転によってバネ圧の調整が崩れると筆圧検出精度が低下するので好ましくない。例えば、ペン状芯を保持した摺動フレームが摺動空間の内部で微妙に偏心して保持されていることがある。筆圧検出を最適状態に調整した状態で固定されていても、何かの拍子でペン状芯を保持した摺動フレームが回転した結果、調整が崩れ、筆圧検出の精度が低下することが生じ得る。

このような自体を防止すべく、バネ圧を調整した状態でペン状芯が回転しないように、回転防止機構が設けられている。回転防止機構は、図５の断面図に示す外フレーム１０Ａの例では、摺動空間１１の内面で摺動フレーム５０Ａとの接触部分である摺動面１２に形成されたガイドである。図５（ａ）のガイドは、摺動フレーム５０Ａの外周に、外フレーム１０Ａに向かって突出する突起５５Ａを形成し、かつ外フレーム１０Ａの内面には、突起５５Ａと対応する位置に、突起５５Ａを挿入する溝５６Ａを形成している。この突起５５Ａを溝５６Ａに合致させることによって、外フレーム１０Ａの内面で摺動フレーム５０Ａが回転することが阻止される。溝５６Ａは、摺動方向に沿って延長して形成され、少なくとも突起５５Ａの移動範囲に連続して形成される。また突起は１カ所のみに形成する他、突起の移動方向に沿って２カ所等複数設けることもできる。

また図５（ｂ）に示す外フレーム１０Ｂの例では、図５（ａ）と逆に外フレーム１０Ｂの内面側に突起５５Ｂを、摺動フレーム５０Ｂの外周側に溝５６Ｂを形成しており、この構成によっても上記と同様の回転阻止機能を奏することができる。また突起や溝の形状は図５のような円弧状に限られず、断面を三角形状、矩形状等とすることもできる。さらに、これらの突起や溝は摺動する円筒断面の対角線上に複数箇所設けることもでき、例えば直径上の位置に２カ所設けたり、三等分した３カ所や十字状に４カ所設けることもできる。

さらに図５（ｃ）の例では、突起に代わって摺動フレーム５０Ｃの外周及び外フレーム１０Ｃの内周を円筒でなく、角柱状に形成している。この構成では、突起や溝を形成することなく回転を効果的に阻止できる利点が得られる。この例では６角形状としているが、３角形、四角形等の多角形とすることもできる。

このようなガイドは、摺動フレーム５０や外フレーム１０の摺動面１２の全面に設ける必要はなく、一部に形成するだけで機能を達成できる。上記の例では、摺動フレーム５０のフランジ５１の外周部分と、これを収納する空間にのみにガイドを設けている。これによって、突出したフランジ部分で回転が確実に阻止でき、構成を簡素化できる。ただ、摺動フレームの全面にフランジを設ける構成とすることも可能であることはいうまでもない。

なお本実施の形態では、ペン状芯が摺動フレームに固定されているため、ガイドを摺動フレームと外フレームとの回転を阻止するために形成している。ただ、摺動フレームを使用せず、外フレームに直接ペン状芯が挿入される形態では、ガイドは外フレームとペン状芯との摺動面１２に形成される。同様に、摺動フレームがさらに複数の筒状を備える場合には該界面にガイドを形成する等、回転する界面にガイドを形成することで回転を確実に阻止できる。
（変位センサ７０）

さらに摺動フレーム５０の後端面には、摺動フレーム５０の移動距離（変位）を検出するセンサ類が設けられる。この例では、摺動フレーム５０に固定されたペン状芯２０の後端に導電体６０を固定し、この導電体６０と変位センサ７０との間の距離を測定して筆圧を検出している。変位を測定する変位センサ７０の一例を、図６及び図７に示す。これらの図に示す変位センサ７０は、検出面に平面状インダクタ７１を配置しており、平面状インダクタ７１と導電体６０を対向させ、その静電結合によって変位を検出する。具体的には、平面状インダクタ７１としてコイルを含む高周波発振回路（図３の発振回路７６）と対向させた導電体６０との静電結合によって生じた分布キャパシタの影響と、分布インダクタンスが変化することを利用して、両者間の距離の変動に対応させてＬＣ共振回路の発振周波数を変化させ、この周波数信号をカウンタでカウントし、距離変位をデジタル信号に変換して出力する。この変位センサ７０は、磁性の有無に拘わらず導電体に対して利用でき、周囲の磁界の影響を受けないため安定した検出が可能である。また発振周波数が２００〜３００ＭＨｚと高いため、対向する導電体の厚みにも影響されず、高分解能で変位を検出できる。

このような変位センサ７０の一例を図６に示す。この図において、図６（ａ）は変位センサ７０Ａの平面図、図６（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ’線から見た側面図、図６（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ’面から見た正面図を、それぞれ示している。この図に示す変位センサ７０Ａは、カウンタ基板９１と、カウンタ基板９１の前面に装着されたセンサ基板９２とを備える。センサ基板９２は、図６（ｃ）に示すようにほぼ円形状に形成され、平面状インダクタ７１Ａとして渦巻き状のコイルを表面に形成してセンサ回路を構成している。またカウンタ基板９１は、ＬＣ共振回路の発振周波数をカウントするデジタルカウンタを含むカウンタ回路、カウントされたデータを外部に出力するためのデータ転送回路、安定化電源回路等を備える。

センサ基板９２とカウンタ基板９１とは、一対の金属製ワイヤ９３で固定される。この変位センサ７０Ａの変位計測有効範囲は、コイルの大きさに依存する。したがって、センサ回路の大きさ（図６においてはセンサ基板９２の直径）を大きくすることで、精度を向上させることができる。図６の例ではセンサ基板９２とカウンタ基板９１とを個別に構成しているので、センサ基板９２を交換可能とすることで変位計測精度を変更できる。

ただ、図６の変位センサ７０Ａでは電源投入時に数分〜１０数分程度経過しないと安定しないという問題があった。これは回路の発熱が熱伝導して定常状態となるまで遷移状態となることが原因と考えられる。特に、図６の変位センサ７０Ａではセンサ基板９２とカウンタ基板９１とを別部材としているため、ワイヤ９３を介して熱平衡状態となるまでに時間がかかると思われる。そこで、図７に示すようにセンサ基板とカウンタ基板とを一体化した変位センサ７０Ｂを構成することによって、速やかに熱平衡状態に移行して直ちに安定した動作を得ることを可能とした。

図７（ａ）は変位センサ７０Ｂの検出面９２Ｂ、図７（ｂ）は変位センサ７０ＢのＩＣ面９１Ｂをそれぞれ示す平面図である。この図に示す変位センサ７０Ｂは、図７（ａ）に示すように８角形状の基板の裏面に平面状インダクタ７１Ｂとしてコイルを配置してセンサ回路とし、一方で図７（ｂ）に示すように基板の表面にカウンタ回路等を配置している。図７（ａ）の例では、コイルは略正方形状に形成している。また図７（ｂ）に示すように、各種の回路を実現するＩＣを配置すると共に、電源供給端子やグランド端子、クロック端子等の各種信号端子９４を形成している。このように、一枚の基板にセンサ回路とカウンタ回路とを実装して一体化することによって小型化し、コントローラ基板を電子ペン入力装置に内蔵したまま小型軽量化を図ることもできる。

ＬＣ共振回路の駆動電力は、電子ペン入力装置の外部から供給される。供給された電力は、安定化電源回路にて電源変動を抑え、安定化された供給電源によってＬＣ共振回路を駆動し、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚオーダで発振させる。このとき、電子ペンへの電磁波エネルギー供給の際の電磁波信号の周波数帯域は数ＭＨｚオーダの正弦波信号であることが望ましい。また上記の例では電子ペン入力装置を有線接続して、電力供給及びデータの転送を有線で行っているが、電波や赤外線、光等を使用した無線接続とすることもできる。例えば駆動電力は、デジタイザ側から発される電磁エネルギーによって、電子ペン入力装置内のＬＣ共振回路のコイルで誘導起電力を発生させ、これを整流して取得することで、無線供給できる。あるいは、電池等の電源を電子ペン入力装置に内蔵することもできる。

またデータ転送回路の接続先として、ＵＳＢコントローラ回路９６を採用することにより、バッファ回路として機能させることができる。ＵＳＢコントローラ回路９６は、電子ペン入力装置をコンピュータ等の外部機器にＵＳＢ規格に従って接続するインターフェースを実現する。ＵＳＢコントローラ回路９６は、図１に示すように電子ペン入力装置の後端でＵＳＢケーブル９７と接続される。ＵＳＢコントローラ回路９６によりセンサ回路から直接出力される信号を、一旦カウンタ回路側で処理して、処理されたデータを出力することによりバッファ的な作用が実現され、外部から受ける影響を最小限に抑える効果が得られる。これによって発生した信号のノイズ等をバッファで抑制することができ、更なる安定化が得られる。

以上の静電結合分布インダクタンス型変位センサは、空間分解能が高くμｍ〜ｎｍオーダでも瞬時に測定できリアルタイム処理に適しており、またデジタル出力が得られるためＡ／Ｄ変換が不要である等の利点が得られる。なお上記の実施の形態では、変位センサとして静電結合分布インダクタンス型変位センサを使用した。このような変位センサは、本出願人が先に開発した特許文献３に記載される距離測定用ＩＣが利用でき、詳細説明を割愛する。ただ、他の方式を利用した変位センサとして、例えばレーザ光変位センサや静電容量型変位センサ、渦電流型変位センサ等を利用することも可能である。

本発明の電子ペン入力装置は、デジタイザやコンピュータ装置内に適用され、電子ペン等の位置指示器で指示された座標位置において、電子ペンに加重される筆圧を検出し、これによって得られる情報をコンピュータ表示装置に表示する入力装置として利用できる。

本発明の一実施の形態に係る電子ペン入力装置を示す断面図である。 変位センサの発振回路を示す回路図である。 変位センサの構成を示すブロック図である。 ペン状芯ユニットを示す分解断面図及び断面図である。 回転防止機構を設けた摺動フレームの例を示す断面図である。 変位センサの一例を示す平面図、側面図、正面図である。 変位センサの他の例を示す平面図及び底面図である。 本出願人が先に開発した電子ペン入力装置の構成を示す断面図である。 図８の電子ペン入力装置及びデジタイザの構成を示すブロック図である。 摺動フレームとペン状芯の接続部分を一体構造とした構成を示す分解図及び断図である。

符号の説明

１００、８００…電子ペン入力装置
１…ペン状芯ユニット
２…ケース
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１１０…外フレーム
１１…摺動空間
１２…摺動面
１３…固定空間
２０、２０Ｂ、１２０…ペン状芯
３０、１３０…コイルスプリング
４０、１４０…バネ押さえ
４１…押さえ側押圧面
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、１５０…摺動フレーム
５１…フランジ
５２…中間フランジ
５３、１５３…フレーム側押圧面
５４…ネジ溝
５５Ａ、５５Ｂ…突起
５６Ａ、５６Ｂ…溝
６０、６０Ｂ…導電体
７０、７０Ａ、７０Ｂ…変位センサ
７１、７１Ａ、７１Ｂ…平面状インダクタ
７２…ＣＭＯＳインバータ（発振用）
７３…ＣＭＯＳインバータ（バッファ用）
７６、７６Ｂ…発振回路
７７、７７Ｂ…周波数カウンタ
７８…バッファ回路
７９…制御回路
８０…安定化回路
８１…発振コイル
８２…コンデンサ
８３…ＬＣ共振回路
８４…処理回路
８５…変調回路
８６…デジタイザ
８７…コイル
９０Ｂ…弾性材
９１…カウンタ基板
９１Ｂ…ＩＣ面
９２…センサ基板
９２Ｂ…検出面
９３…ワイヤ
９４…信号端子
９６…ＵＳＢコントローラ回路
９７…ＵＳＢケーブル

Claims (11)

1. 少なくとも一端を開口端とし、内部に摺動空間を形成した外フレームと、
   前記外フレームの内部で摺動自在に保持されており、延長方向に沿って略円柱状に延長されたペン状芯と、
   静電結合によって前記ペン状芯が外フレーム内部で摺動する変位量を検出する変位センサであって、前記ペン状芯又は外フレームのいずれかに固定され、前記ペン状芯が外フレーム内部の摺動空間を相対的に移動することによって生じる静電結合の変化を検出し、これに基づいてペン状芯の変位量を検出可能なセンサと、
   前記ペン状芯を挿入するコイルスプリングであって、前記ペン状芯が外フレームから突出するように前記ペン状芯を付勢するコイルスプリングと、
   前記ペン状芯の軸上に沿って所定の範囲を移動可能な状態に保持され、前記ペン状芯に挿入された前記コイルスプリングの一方の端面を、バネ圧に抗して押圧状態に保持可能な押さえ側押圧面を形成したバネ押さえと、
   前記外フレーム内部の摺動空間で摺動可能に挿入されており、前記ペン状芯を内部に挿入するための挿入穴を形成し、かつ前記ペン状芯を挿入穴に挿入した状態で、コイルスプリングのバネ圧に抗するようにペン状芯の先端を押圧すると前記外フレーム内部の摺動空間で摺動するように構成されてなる摺動フレームと、
   を備えることを特徴とする電子ペン入力装置。
2. 請求項１に記載の電子ペン入力装置であって、
   前記外フレームが、前記ペン状芯を挿入する開口部の周囲に、前記ペン状芯を挿入したコイルスプリングを保持するフレーム側押圧面を形成しており、
   前記コイルスプリングが、外フレームのフレーム側押圧面と、バネ押さえの押さえ側押圧面との間で保持されてなることを特徴とする電子ペン入力装置。
3. 請求項１又は２に記載の電子ペン入力装置であって、
   前記摺動ケースが、前記ペン状芯の軸上に沿って、少なくとも前記バネ押さえの移動範囲にペン側ネジ山を形成しており、
   前記バネ押さえが、前記摺動ケースを挿入する挿入穴を形成しており、前記挿入穴の内面に、前記ペン側ネジ山と螺合する押さえ側ネジ山を形成してなることを特徴とする電子ペン入力装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電子ペン入力装置であって、
   前記摺動フレームの挿入穴に沿って摺動するペン状芯が、前記外フレームに対して回転することを阻止するために、前記外フレーム内面の摺動空間との接触部分に回転を阻止するガイドを設けたことを特徴とする電子ペン入力装置。
5. 請求項４に記載の電子ペン入力装置であって、
   前記ガイドが、摺動フレームの外形の少なくとも一部を角柱状に形成し、かつ前記外フレーム内部の摺動空間の摺動フレームと摺動する摺動面を、該角柱状に対応する角形に形成してなることを特徴とする電子ペン入力装置。
6. 請求項４に記載の電子ペン入力装置であって、
   前記ガイドが、摺動フレームの外形の少なくとも一部に突起を形成し、かつ前記外フレーム内部の摺動空間の摺動フレームと摺動する摺動面に、該突起を案内する溝を形成してなることを特徴とする電子ペン入力装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の電子ペン入力装置であって、さらに、
   前記変位センサが、前記ペン状芯と共に移動するよう固定された導電体と静電結合され、共振回路を構成するインダクタを備えることを特徴とする電子ペン入力装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の電子ペン入力装置であって、さらに、
   前記変位センサが、インダクタを備えるセンサ回路と、センサ回路の発振周波数をカウントするカウンタ回路を備える静電結合分布インダクタンス型変位センサであり、さらにこれらの回路に供給される電力を安定化させる安定化回路を備えることを特徴とする電子ペン入力装置。
9. 請求項８に記載の電子ペン入力装置であって、
   前記センサ回路とカウンタ回路とが一体化されてなることを特徴とする電子ペン入力装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の電子ペン入力装置であって、
    前記ペン状芯が挿抜可能に構成されてなることを特徴とする電子ペン入力装置。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の電子ペン入力装置であって、
    前記ペン状芯が筆記機能を備えてなることを特徴とする電子ペン入力装置。

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