JP2006243851A - ペン入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種機能発現に必要な電力を、ペン入力装置の自然な使用動作過程中や使用動作前の保持中で得られて、使用者にとって使い易い入力ペン装置を提供することである。
【解決手段】ペン入力装置は、少なくとも入力動作用ペン部と、入力動作用ペン部の使用に伴って機能する機能手段１１、１６に電力を供給するための電力供給手段１２、１４、１５、１９を備える。電力供給手段は、使用者がペン入力装置１７を把持して入力動作用ペン部を制御する動作の少なくとも一部の中で起こる現象を利用して起電力を発生する起電力発生機構１２、１３、１４を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タブレット、タッチパネル、表示デバイスなどへの間接（例えば、タブレット上の電子ペンの位置を本体側で検知または受信し、これに基づいて本体側からの制御で表示部に何らかの表示などを行う方式）ないし直接（例えば、液晶や電気泳動表示デバイスに電子ペンを接触させたときに、電子ペンからの電圧印加・電磁力印加などの方法で液晶層での配向、電気泳動表示層の反射光強度・色などを変化させて前記液晶や前記電気泳動表示デバイスに表示を行う方式）の情報入力手段として使用することができるペン入力装置に関する。特に、本発明は、電子ペンなどのペン入力装置の使用の際の使用感覚を、通常用途で使用するペンなどと同一にし、かつペン入力装置が機能を発現するために必要な電力を、ペン使用者の自然な筆記動作そのものの中で起こる現象によって獲得することを可能とするペン入力装置などに関する。

従来、表示デバイスへのペン入力方法ないし装置の方式は、多くのものが知られている。これらのペン入力装置は、所謂「電子ペン」などと呼称され、表示デバイスの表示面や、表示デバイスなどとは別途の入力専用装置（タブレット、タッチパネル、パッドなどと呼称される）に筆記動作を行なうものである。そして、当該ペン入力装置の表示デバイス表示面、パッドなどの上の座標位置を検知し、この位置データを蓄積後もしくは筆記動作に並行してコンピュータ本体などへ送信し、これの制御下で液晶方式や電気泳動方式に例示されるような表示部への何らかの表示などを行う機能を有したり、当該表示面に直接的に表示を行う機能を有したりする。

これらの機能発現のためには駆動電力が必要であり、小型電池をペン入力装置に搭載する方法がごく一般的に知られている他に、ペン入力装置をタッチパネルに接触させて当該ペン入力装置の表示面上の
座標位置を検出する時の振動によって、内蔵された振動発電機に起電させる方式が提案されている（特許文献１参照）。

特開平９−２２３２８号公報

しかしながら、前者の一般的な従来例では、ペン入力装置の駆動電源であるところの小型電池の寿命が常に課題となっている。また、後者の従来例では、ペン入力装置内部に振動発電機が具備されているが、起電時にタッチパネルなどの物体へのペン入力装置の接触行動が必須となる。そのため、通常の筆記動作中にその様な特別な動作を導入するのを使用者に義務づけることになり、それは煩雑である。また、ペン入力装置自体の重量も大きくなると予想され、通常の筆記動作に対して何らかの負荷を使用者に与える可能性があると懸念される。

上記課題に鑑み、本発明のペン入力装置は、少なくとも入力動作用ペン部と、入力動作用ペン部の使用に伴って機能する機能手段（後述の実施形態における受信部、位置データ通信部など）に電力を供給するための電力供給手段（後述の実施形態における圧電素子、磁性球状体とコイル、充電池など）を備え、電力供給手段が、使用者がペン入力装置を把持して入力動作用ペン部を制御する動作の少なくとも一部の中で起こる現象を利用して電気エネルギー（起電力）を発生する起電力発生機構（後述の実施形態における圧電素子、磁性球状体とコイル、所謂ゼーベック効果を利用した素子など）を備えることを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明のペン入力装置セットは、少なくとも入力動作用ペン部と、入力動作用ペン部の使用に伴って機能する機能手段に供給するための電力を充電するための充電手段を備えるペン入力装置、及び、ペン入力装置を脱着可能に保持するためのペンホルダーから成り、ペンホルダーが、ペン入力装置を保持している状態の中で起こる現象を利用して電気エネルギー（起電力）を発生する起電力発生機構（後述の実施形態における圧電素子など）を備え、保持中のペン入力装置の充電手段に電力を充電することを特徴とする。

本発明によるペン入力装置ないしペン入力装置セットにより、ペン入力装置の機能を果たすために必要な電池の寿命を延長することが可能になり、更には同等の機能を発揮しながらも電池が不要になる実施態様も可能となる。本発明によるペン入力装置は、入力ペンの位置情報検出方式などに依らず、汎用性を持って使用可能である。すなわち、本発明における起電力発生機構は、電力を必要とする素子を内蔵する入力ペン装置であれば、如何なる種類ないしタイプの入力ペン装置にも適用できる。こうして、本発明のペン入力装置ないしペン入力装置セットでは、各種機能発現に必要な電力を、ペン入力装置の自然な使用動作過程中や使用動作前の保持中で得られて、煩雑な構成や使用動作の過程を経ること無しに獲得できるので、使用者にとって使い易くなっている。

以下、図を用いて本発明の実施の形態について説明する。以下に例示するところの本発明の実施形態に使用する方式、各部の材質、寸法、形状等は、特にその範囲を記載例に限定するものではない。

本発明におけるペン入力装置の全体形状は、典型的には先端部が細くなった棒状のペン型である。図１は本発明のペン入力装置１７の一実施態様を示す図である。本実施形態では、入力ペン先端部には、直径１ｍｍ以下程度の磁性球状体１２が自由回転支持構造１３により自由回転可能な状態で設置されている。この自由回転支持構造１３には、ボールペンのボール支持構造と同じものが適用できる。球状体１２の周囲には適当なターン数の銅などのコイル１４が設置されており、タブレットなどの表面上での筆記動作に伴う磁性金属球状体１２の回転でコイル１４に誘導起電力が生じる。この起電力は、ペン入力装置１７に内蔵される受信部１１や位置データ通信部１６でそのまま利用されたり、もしくは充電池１５へ充電されることが可能である。本実施形態では、コイル１４は、電気配線１９によって受信部１１や充電池１５や位置データ通信部１６に接続されている。

本実施態様で使用される磁性球状体１２は、特にその材質は限定されないが、例えば、希土類、フェライト、アルミニウム・ニッケル・コバルト混合体等からなる磁性球状体を使用することが可能である。

本実施形態においては、ペン入力は、例えば、次の様に行なわれる。別体から発射される赤外線もしくは超音波を受信部１１で受信し、位置データ通信部１６から、逆にペン入力装置１７の位置情報が三角測量の原理で検出されてその検出データが前記別体へ送信される。そして、その送信情報に基づいて、表示デバイス表示面への適当な表示などが行われる。

図２は本発明における他の実施態様を示す図である。本実施形態では、入力ペン先端部に、先端体２１として、およそ０．５ｍｍ以下程度の曲率半径を有する固定端、または同程度の半径を有する回転球（図示例では、固定端が用いられている）が具備されている。これの使用動作において、パネルなどへのタッチ動作、筆記動作等を行うと先端体２１に圧力がかかる。この圧力は、先端体２１に接続している圧電薄膜２３に伝達されて（本実施形態では、バネやスポンジなどの緩衝部材２２を介して伝達される）これを変形させ、この変形で圧電薄膜２３に生じる起電力を、ペン入力装置の各種機能手段に利用することが可能となる。図２において、２４は小型増幅器、２５は充電池、２６は位置データ通信部、２７は受信部、２９は電気配線である。

本実施態様にて用いられる固定端２１の形状、材質等は特に限定されないが、好ましくはその先端は曲面であり、更に好ましくはその曲率半径は０．５ｍｍ−２ｍｍである。好適な材質としては、入手容易性・加工容易性・機械強度・耐磨耗性などの観点から各種金属のほか、ポリアセタール系のホモポリマーもしくはコポリマー樹脂、または少なくともその一部にフッ素を含有する樹脂を用いることが可能である。本実施例におけるペン入力も、図１の実施形態と同様の方式で行なわれる。

図３は本発明における更なる他の実施態様を示す図である。本実施形態では、入力ペン装置の筐体において使用者が当該装置に手で接触すると思われる部位３１に、異なる半導体や導体を接合した素子３２を多数配置し、当該素子３２の一接合部が、直接もしくは熱伝導率の高い金属膜を通じてペン入力装置を使用する使用者の手で接触される様になっている。使用者が手で接触するのとは反対の接合部は、ペン入力装置内部の空洞３３に開放されると共に熱伝導線３８を介して放熱部３４に接続されることで、両接合部間に温度差が生じる様になっている。こうして、所謂ゼーべック効果により素子３２に起電力が生じ、その起電力をペン入力装置の各種機能手段に利用することが可能となる。図３において、３５は小型増幅器、３６は充電池、３７は位置データ通信部、３８は受信部である。

本実施態様にて用いられる前記半導体や導体は、ゼーべック効果により起電力を生じるものであれば特にその材質・成分は限定されないが、例えば鉛、スズ、アンチモン、テルル、ビスマス、セレン、ランタン等の重金属元素の２元系もしくは２元系以上の多元系材料を用いることができる。本実施例におけるペン入力も、図１の実施形態と同様の方式で行なわれる。

更に、本発明における更なる他の実施態様においては、ペン入力装置そのもので一単体として作製されるほか、当該ペン入力装置が、ペンキャップの如き形状を有し任意の棒状体先端を脱着可能に保持するペンホルダーとセットを成す構成とされている。図４にこの構成を示す。

本実施形態では、ペンホルダー４１にペン入力装置４２が挿入されることに伴って、ペンホルダー４１内部に設置された圧電素子４３に、緩衝部材４４を経て圧力が加わる。その結果、圧電素子４３が変形して起電力が発生する。この際、例えば、ペン入力装置４２はペンホルダー４１に挿入されて、当該ペンホルダー４１に設けられた伸縮方向の異なる１組の板バネなどの相互反撥力により当該板バネ同志が任意の回数で伸縮を繰り返すことで当該板バネに付属する圧電素子４３が変形を受ける度に起電力が発生する。当該起電力はペン入力装置４２がペンホルダー４１に保持される際に、これがペン入力装置４２の充電池４８に充電されることになる。

上記起電力は、ホルダー４１側の電極４６とペン入力装置４２側の電極４７間の接触部を通して、ペン入力装置４１内部に設置されている充電池４８に送られる。その結果、充電池４８がより長時間の使用に耐えうることとなる。出力電圧が低い場合には、小型増幅器４５を経由して充電されてもよい。この充電池４８の電力はペン入力装置４２の各種機能手段に利用できる。なお、ペン入力装置４２を使用するときは、これを前記バネ力に抗してペンホルダー４１から引き抜けばよい。

更に、本発明における他の実施態様においては、前述の実施態様で用いた機構を複数、同じペン入力装置内に組み込んで、より一層高い起電力やより寿命の長い電源を得ることも可能となる。

上記実施形態によるペン入力装置は、例えば、これを用いて表示デバイスの表示面や入力専用装置（タブレット、パッドなど）に筆記動作を行い、入力ペン装置の表示デバイス表示面、パッドなどの上の座標位置を検知し、当該位置データを蓄積後もしくは筆記動作に並行してコンピュータ本体などへ送信し、筆記情報として表示データと同時に表示させる。

その際、入力ペン装置の表示デバイス表示面、パッドなどの上の座標位置を検知する方法は特に限定されない。例えば、前述した超音波・赤外線などを用いた三角測量の原理を応用した方法、特開平９−２４４７８６号公報などに記載された方法（例えば、入力ペンからの信号を受信する信号受信アンテナをＸ軸方向及びＹ軸方向に複数個タブレット側に配置し、入力ペンが表示デバイスまたはタブレット内から発信される電磁波エネルギーを受信してこのエネルギーを電磁波発生装置で異なる周波数の電磁波に変換して逆送信し、この電磁波を上記タブレット内のアンテナで受信し、この電磁波の変化により、入力ペンの位置情報を検出する方法）、入力ペン装置に内蔵された加速度センサで位置検出して検出結果を発信する方法等を用いることが可能である。

以下、実施例をもって本発明を説明する。

（実施例１）
本実施例は第一の実施形態に対応し、本実施例によるペン入力装置の模式図を図１に示す。同図において、１２は直径１ｍｍの球状フェライト磁石であり、この球状フェライト磁石が自由回転する様な自由回転支持構造１３が構成されている。１４は銅コイルであり、球状フェライト磁石１２を覆う様に担持される。このコイル１４は充電可能な電池１５に配線１９で接続されている。

球状フェライト磁石１２は、使用者の筆記動作に伴って筆記対象媒体上を自由回転する。それに伴い、磁石周囲に設置されているコイル１４での磁束に時間変化が生じ、最大約２Vの誘導起電力が発生する。この起電力を、いったん充電池１５に送ることで若しくはペン入力装置１７に組み込まれている位置データ通信部１６などの駆動に直接使用することで、当該充電池１５がより長時間の使用に耐えうることとなる。なお、以下の実施例でも同様であるが、充電池の電力がなくなったり不足するようになる時のために、補助用の電池を備えておいてもよい。

（実施例２）
本実施例は第二の実施形態に対応し、本実施例によるペン入力装置の模式図を図２に示す。この装置の入力ペン先端部においては、筆記動作時に先端部２１にかかる圧力が緩衝部材２２を経てペン入力装置内部に設置された圧電素子２３に伝達されるよう、当該圧電素子が担持されている。筆記動作に伴う圧力が圧電素子２３に印加されると起電力が発生する。当該圧電素子は一組の板バネ２２に接続されていて、いったん前記筆記動作が始まると前記板バネがペン先端部を通して繰り返し変形を受ける。実際、筆記動作に伴う圧力印加で０．１ｍｍの変位が圧電素子２３に生じる場合、負荷抵抗を適宜設定することで、５V程度以上の出力が得られる。また、出力電圧が低い場合には、小型増幅器２４を通して起電力をいったん充電池２５に送ることで若しくはペン入力装置に組み込まれている位置データ通信部２６の駆動に直接使用することで、充電池２５がより長時間の使用に耐えうることとなる。

（実施例３）
本実施例は第三の実施形態に対応し、本実施例によるペン入力装置の模式図を図３に示す。同図において、３１は本実施例のペン入力装置の筐体の一部分であり、当該筐体内壁には、異なる半導体ないし導体からなる素子（ゼーベック効果を利用する素子）３２の一接合部が接触していて、使用者が筆記動作のために筐体を保持すると使用者の体温が半導体素子３２のこの一接合部に伝達する様になっている。一方、半導体素子３２の他方の接合部はペン入力装置内部空洞３３から放熱部３４に接続され、熱が伝達・開放されて素子３２の両接合部間に温度差が生じる。その結果、０．３V程度の起電力を得ることが可能となる。また、出力電圧が低い場合には、小型増幅器３５を通して起電力をいったん充電池３６に送ることで若しくはペン入力装置に組み込まれている位置データ通信部３７などの駆動に直接使用されることで、充電池３６がより長時間の使用に耐えうることとなる。

（実施例４）
本実施例は第四の実施形態に対応し、本実施例によるペン入力装置セットの模式図を図４に示す。当該セットのペン入力装置４２のペンホルダー４１は所謂ペンキャップ型となっており、ペン入力装置４２をペンホルダー４１に挿入することで、ペン入力装置４２側へ電力が供給される。

本実施例のペンホルダー４１にペン入力装置４２のペン先端部が挿入されることに伴ってペンホルダー４１内部に設置された圧電素子４３に、緩衝部材４４を経て圧力が加わる。ペン入力装置４２はペンホルダー４１に挿入されて、当該ペンホルダー４１に設けられた伸縮方向の異なる１組の板バネなどの相互反撥力により当該板バネ同志が任意の回数で伸縮を繰り返すことで、当該板バネに付属する圧電素子４３が変形を受ける度に起電力が発生する。当該起電力をペン入力装置４２がペンホルダー４１に保持される際に、ペン入力装置４２の充電池４８が充電されることになる。ペン入力装置４２を使用するときは、これをバネ力に抗してペンホルダー４１から引き抜く。

実際、０．１ｍｍの変位が前記圧電素子４３に生じる場合、負荷抵抗を適宜調整した値に設定することで、5V程度の出力が得られる。また、出力電圧が低い場合には、小型増幅器４５を経由してもよい。図示例では電気配線に繋がった増幅器４５が露出して描かれているが、勿論これはペンホルダー４１内部に設けられる。上記起電力は、ホルダー側の電極４６とペン入力装置側の電極４７間の接触部を通して、ペン入力装置４２内部に設置されている充電池４８に送られる。その結果、当該充電池４８がより長時間の使用に耐えうることとなる。

図１は本発明によるペン入力装置の一実施態様を模式的に表した図である。 図２は本発明によるペン入力装置の他の実施態様を模式的に表した図である。 図３は本発明によるペン入力装置の更なる他の実施態様を模式的に表した図である。 図４は本発明によるペン入力装置とペンホルダーのセットの実施態様を模式的に表した図である。

符号の説明

１１、２７、３８・・・受信部（機能手段）
１２・・・磁性球状体（電力供給手段、起電力発生機構）
１３・・・自由回転支持構造（起電力発生機構）
１４・・・コイル（電力供給手段、起電力発生機構）
１５、２５、３６、４８・・・充電池（電力供給手段）
１６、２６、３７・・・位置データ通信部（機能手段）
１７、４２・・・ペン入力装置
１９、２９・・・電気配線（電力供給手段）
２１・・・先端体（起電力発生機構）
２２、４４・・・緩衝部材（起電力発生機構）
２３、４３・・・圧電素子（電力供給手段、起電力発生機構）
３２・・・ゼーベック効果を利用する素子（電力供給手段、起電力発生機構）
３４・・・放熱部（起電力発生機構）
３８・・・熱伝導線（起電力発生機構）
４１・・・ペンホルダー

Claims (8)

1. 少なくとも入力動作用ペン部と、入力動作用ペン部の使用に伴って機能する機能手段に電力を供給するための電力供給手段を備え、電力供給手段が、使用者がペン入力装置を把持して入力動作用ペン部を制御する動作の少なくとも一部の中で起こる現象を利用して起電力を発生する起電力発生機構を備えることを特徴とするペン入力装置。
2. 前記機能手段は、入力動作用ペン部の動作に従って情報を発信する発信手段を含む請求項１に記載のペン入力装置。
3. 前記起電力発生機構は、前記入力動作用ペン部の筆記対象媒体上における筆記動作に伴って起電力を発生する請求項１または２に記載のペン入力装置。
4. 前記起電力発生機構が、前記入力動作用ペン部の先端に具備された筆記対象媒体上を自由回転可能な磁性球状体と、球状体周囲に設置されたコイルと、筆記対象媒体上において筆記動作とともに自由回転する様に球状体を支持する自由回転支持構造を含む請求項３に記載のペン入力装置。
5. 前記起電力発生機構が、前記入力動作用ペン部の先端に具備されたところの、機械的圧力の印加による変形で電気エネルギーを発生する手段を含む請求項３に記載のペン入力装置。
6. 前記起電力発生機構が、当該装置使用者の体温と当該装置内部との温度差を利用して電気エネルギーを発生する手段を含む請求項１または２に記載のペン入力装置。
7. 少なくとも入力動作用ペン部と、入力動作用ペン部の使用に伴って機能する機能手段に供給するための電力を充電するための充電手段を備えるペン入力装置、及び、ペン入力装置を脱着可能に保持するためのペンホルダーから成り、
   ペンホルダーが、ペン入力装置を保持している状態の中で起こる現象を利用して起電力を発生する起電力発生機構を備え、保持中のペン入力装置の充電手段に電力を充電することを特徴とするペン入力装置セット。
8. 前記起電力発生機構が、前記入力動作用ペン部の先端からの機械的圧力の印加による変形で電気エネルギーを発生する手段を含む請求項７に記載のペン入力装置セット。

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