JP2007004614A - 座標入力ペンおよびそれを備えた座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 座標入力ペンの駆動回路を複雑にすることなく、筆圧が変化した場合でも入力位置を正確に検出することができる座標入力ペンを提供する。
【解決手段】 本発明の座標入力ペンは、ペン筐体１０の内部を摺動することができる、超音波を発振する超音波発振部４０と発振した超音波を外部に出射する超音波出射口２０ｄとを含むペン先端部２０を備えることにより、超音波発振部４０と超音波出射口２０ｄとの間の距離が一定となる超音波伝播路２０ｂを構成している。これにより、超音波素子４０ａから発振される超音波の出力レベルを一定に保つことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、座標入力ペンおよびそれを備えた座標入力装置に関するものであり、特に、超音波発振手段により超音波を発振させ、その超音波によって、座標入力ペンの入力指示位置の座標を検出する座標入力装置に関するものである。

表示装置の画面上の位置を指定するため、また、表示装置上に文字または図形の軌跡を表示させるための座標入力装置としては、例えば、マウス型デバイス、ペン型デバイス、トラックボール等の様々なポインティングデバイスが従来から知られている。

また、最近では、このようなポインティングデバイスのうち、超音波利用方式のペン型デバイス（座標入力ペン）が提案され、注目されている。この超音波利用方式の座標入力ペンは、座標入力ペンから超音波を発振して、超音波が発振されてから紙等のパッド部材（入力面）に固定された受信器が超音波を受信するまでの伝播時間から座標入力ペンの位置を算出することによって、座標入力ペンの入力位置および手書きの筆跡をコンピュータに入力するものである。この技術によって、手書き入力が簡単に行えるようになる。また、この超音波方式を利用することにより、専用のボードや紙を使用しなくても正確なペン入力位置および軌跡を入力することができる。

ところで、上記超音波利用方式の座標入力ペンを利用した座標入力装置において、座標入力ペンの入力位置を正確に検出するためには、座標入力ペンを用いて入力面に入力指示を行うときに座標入力ペンにかけられる圧力（筆圧）の変化に関わらず、座標入力ペンから出射される超音波の出力を常に一定に保つ必要がある。この座標入力ペンから出射される超音波の出力を一定に保つ方法の一例が特許文献１に開示されている。

上記特許文献１に開示の技術では、入力ペンに設けられた感圧センサが、入力ペンの筐体の中心軸に沿ってかけられた圧力（筆圧）を検出し、検出した圧力に基づいて演算制御回路が、駆動電圧制御回路を介して超音波を発振する振動子を駆動させる駆動電圧を制御している。

具体的には、上記特許文献１に開示の超音波方式の座標入力ペンは、上記振動子を駆動させる駆動電圧が一定の場合、入力ペンに加わる筆圧が大きければ、超音波の出力レベルが大きくなる。そこで、上記演算制御回路は、上記筆圧の上昇に応じて、上記駆動電圧が減少するように制御している。

例えば、上記筆圧が小さい場合には、上記演算制御回路は、上記駆動電圧が大きくなるように制御している。そして、前記大きな駆動電圧によって振動子を駆動することによって、所望の超音波出力レベルを得ることができる。また、上記筆圧が大きい場合には、上記演算制御回路は、上記駆動電圧が小さくなるように制御している。そして、前記小さな駆動電圧によって振動子を駆動することによって、所望の超音波出力レベルを得ることができる。

すなわち、上記特許文献１では、上記筆圧の変化に応じて、振動子を駆動させる駆動電圧を変化させることにより、振動子から発振する超音波の出力レベルを一定にしている。
特開平７−１７５５８０（平成７年７月１４公開）

ところが、上記従来の構成では、振動子から発振する超音波の出力レベルを一定にするために、座標入力ペンにかかる筆圧の変化に応じて、振動子駆動回路を駆動させるための駆動電圧を制御する必要があり、駆動回路が複雑になるという問題点がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、座標入力ペンの駆動回路を複雑にすることなく、筆圧が変化した場合でも入力位置を正確に検出することができる座標入力ペンおよびそれを備えた座標入力装置を提供することである。

本発明にかかる座標入力ペンは、上記の課題を解決するために、座標を特定するための超音波を発振する超音波発振手段を内部に備えた座標入力ペンにおいて、上記超音波発振手段と、発振した超音波を外部に出射する超音波出射口との間の距離が一定となるように超音波伝播路が形成されていることを特徴としている。

上記座標入力ペンとは、当該座標入力ペンの現在位置を示すために、超音波を発振するものである。

上記の構成によれば、超音波発振手段と上記超音波出射口との間の距離が一定になるように超音波の伝播路が形成されている。これにより、超音波発振手段から発振される超音波は、超音波出射口まで伝播される際に、その出力レベルが変化することがない。つまり、例えば、ユーザが上記座標入力ペンを用いて任意の座標を指定する場合に、当該座標入力ペンを押圧した、つまり、座標入力ペンに筆圧をかけたとしても、従来のように超音波発振手段から超音波出射口までの距離が変化しないので、上記超音波出射口からは常に一定の出力レベルの超音波を発振させることができる。従って、座標入力ペンから発振させる超音波の出力レベルを常に一定に保つことができる。

なお、上記「内部」および「外部」とは、座標入力ペンの筐体における「内部」および「外部」を示している。

本発明にかかる座標入力ペンにおいて、上記超音波伝播路は、上記超音波出射口と、伝播路形成部とを備え、上記伝播路形成部が上記超音波発振手段に取り付けられている構成であってもよい。

上記の構成によれば、超音波伝播路は、超音波出射口と伝播路形成部とを備えており、伝播路形成部が超音波発振手段に取り付けられているために、超音波発振手段から発振される超音波は、当該超音波発振手段から伝播路形成部を伝播して超音波出射口から出射される。つまり、上記超音波発振手段に伝播路形成部を取り付けることで、超音波発振手段から超音波出射口までの距離を一定にすることができる。これにより、例えば、座標入力ペンに筆圧をかけることによって座標入力ペンにおける超音波発振手段の相対位置が変化したとしても、超音波発振手段から超音波出射口までの距離が変化しないので、上記超音波出射口からは常に一定の出力レベルの超音波を出射させることができる。従って、座標入力ペンから発振させる超音波の出力レベルを常に一定に保つことができる。

本発明にかかる座標入力ペンにおいて、上記座標入力ペンの筐体と、上記超音波伝播路および超音波発振手段を含むペン先端部が、座標入力ペンに加わる筆圧に応じて、筐体中で進退するように、筆圧に抗した付勢力を当該ペン先端部に与える付勢手段とを備えた構成であってもよい。

上記の構成によれば、座標入力ペンは、超音波伝播路および超音波発振手段を含むペン先端部が、座標入力ペンに加わる筆圧に応じて、座標入力ペンの筐体中で進退するように、筆圧に抗した付勢力を当該ペン先端部に与える付勢手段を備えている。これにより、上記ペン先端部は、例えば、座標入力ペンに筆圧が加えられていない場合には、上記付勢手段によって、ペン先側に押圧された状態で静止しており、また、座標入力ペンに筆圧が加えられた場合には、加えられる筆圧に応じて、筆圧に抗した不勢力を受けながら、座標入力ペンの筐体中を移動することになる。すなわち、上記ペン先端部は、座標入力ペンに加えられる筆圧に応じて、座標入力ペンの筐体中で進退することができる構成である。このように、ペン先端部は、筐体内を移動することができるので、座標入力ペンに加わる筆圧の大きさに関わらず、ペン先端部に含まれる超音波発振手段と超音波出射口との間の距離は一定となる。したがって、上記超音波出射口からは常に一定の出力レベルの超音波を出射させることができる。

本発明にかかる座標入力ペンにおいて、上記伝播路形成部は、超音波発振手段から超音波出射口に向かって細くなり、かつ、中空構造である構成であってもよい。

上記の構成によれば、超音波を伝播させる伝播路形成部は、中空構造であるため、超音波発振手段から発振される超音波は、超音波出射口に達するまで遮断されることはない。したがって、超音波を効率よく出射させることができる。

本発明にかかる座標入力ペンにおいて、座標を入力する際に外部と接触するペン先部を備え、上記ペン先部と上記超音波出射口との距離が一定である構成であってもよい。

上記の構成によれば、ペン先部と超音波出射口との距離が一定であるため、ユーザが座標入力ペンを用いて任意の座標を指定する場合、超音波出射口から超音波を受信する受信手段までの距離は、座標入力ペンにかかる筆圧の変化に応じて変わることはない。したがって、受信手段では、座標入力ペンにかかる筆圧の大きさに関わらず、座標入力ペンから発振される、出力レベルが一定の超音波を受信することができる。

なお、上記ペン先部は、当該ペン先部と上記超音波出射口との距離を一定に保つために、超音波発振手段に固定されていてもよく、また、上記超音波伝播路に固定されていてもよい。

本発明にかかる座標入力ペンにおいて、上記超音波出射口は、ペン筐体から外部に突出するように設けられている構成であってもよい。

上記の構成によれば、ユーザが座標入力ペンを用いて任意の座標を指定する場合に、座標入力ペンにかかる筆圧の大きさに関わらず、超音波出射口は、座標入力ペンから外部に突出するように設けられているため、超音波が出射される出射口の断面形状は、一定となる。したがって、超音波出射口から出射される超音波は、ペン筐体によって遮られることがなく、平面上、すなわち、３６０度の範囲にわたって、外部に出射される。したがって、座標入力ペンにかかる筆圧の大きさに関わらず、座標入力ペンから外部に発振される超音波の出力レベルを一定に保つことができる。

本発明にかかる座標入力ペンにおいて、上記超音波発振手段は、座標を特定する際のユーザの操作に応じて、筐体内を移動するものであり、上記超音波出射口は、超音波発振手段の筐体内の位置にかかわらず、筐体外に突出している構成であってもよい。

上記の構成によれば、上記超音波出射口は、超音波発振手段の筐体内の位置にかかわらず、筐体外に突出しているために、超音波出射口から出射された超音波が筐体に邪魔されることなく出射される。これにより、ユーザが座標を特定する際に座標入力ペンのペン先を筐体内部に押し込むことにより発生する筆圧の大きさに関わらず、座標入力ペンから外部に発振される超音波の出力レベルを一定に保つことができる。

本発明にかかる座標入力装置は、上記の課題を解決するために、上記座標入力ペンと、上記座標入力ペンから出射された超音波を受信する受信手段と、上記受信手段によって受信された超音波に基づいて、上記座標入力ペンの座標を算出する算出手段とを備えたことを特徴としている。

上記の構成によれば、上記座標入力ペンを用いて座標入力を行う際に発生する、座標入力ペンにかかる筆圧の大きさに関わらず、座標入力ペンから発振される超音波の出力レベルを一定に保つことができる。つまり、上記受信手段は、出力レベルが一定に保たれた超音波を受信することができ、また、算出手段は、受信手段が受信した出力レベルが一定の超音波に基づいて座標入力ペンの座標を算出することができる。したがって、ユーザが座標入力ペンを用いて指定した位置を正確に検出（算出）することができる。これにより、座標検出精度の高い座標入力装置を提供することができる。

本発明にかかる座標入力ペンは、座標を特定するための超音波を発振する超音波発振手段を内部に備えた座標入力ペンにおいて、上記超音波発振手段と、発振した超音波を外部に出射する超音波出射口との間の距離が一定となるように超音波伝播路が形成されている構成である。それゆえ、座標入力ペンから発振させる超音波の出力レベルを常に一定に保つことができるという効果を奏する。

また、本発明にかかる座標入力装置は、上記座標入力ペンと、上記座標入力ペンから出射された超音波を受信する受信手段と、上記受信手段によって受信された超音波に基づいて、上記座標入力ペンの座標を算出する算出手段とを備えた構成である。それゆえ、ユーザが座標入力ペンを用いて指定した位置を正確に検出（算出）することができる。これにより、座標検出精度の高い座標入力装置を提供することができる。

本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すると以下の通りである。

図２は、本発明の一実施形態における座標入力装置の概略の構成を示した斜視図である。上記座標入力装置１００は、ペン型デバイス（座標入力ペン）１１０、入力面１２０（外部）、受信ユニット（受信手段）１５０を備えている。なお、受信ユニット１５０はコンピュータ本体２００に接続され、コンピュータ本体２００はモニタ３００と接続されている。

上記座標入力ペン１１０は、入力位置や座標を指定する超音波利用方式のポインティングデバイスである。この超音波利用方式の座標入力ペン１１０は、利用者が、座標入力ペン１１０のペン先部２０ａを入力面１２０に接触させると、超音波および赤外線を発振するものである。なお、座標入力ペン１１０の詳細な構成については後述する。

上記受信ユニット１５０は、座標入力ペン１１０から発振される超音波および赤外線を受信し、これら超音波および赤外線に基づいて、入力面１２０上に指示した座標入力ペン１１０の位置（座標値）を算出し、この算出したデータをコンピュータ本体２００へ入力するものである。

なお、入力面１２０は、座標入力ペン１１０のペン先部２０ａを接触させるパッド部材であり、表面が平滑であれば材質は限定されない。例えば、紙、板、金属、化成品等のあらゆる材質で構成することが可能である。また、前記パッド部材を用いなくても、机上で座標入力ペン１１０を使用することも可能である。

モニタ３００は、コンピュータ本体２００によって処理されたデータに基づいて画像を表示する装置であり、ここでは液晶ディスプレイが用いられる。但し、モニタ３００は液晶ディスプレイに限られるものではなく、例えば、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（cathode ray tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイであってもよい。

コンピュータ本体２００は、受信ユニット１５０から取得した座標値に基づいて、モニタ３００に表示するカーソル等の描写処理を行う。つまり、利用者が座標入力ペン１１０を用いて入力面１２０上に軌跡を描くと、コンピュータ本体２００は、モニタ３００に表示するカーソルをこの軌跡に従って移動させるための描画処理を行う。また、コンピュータ本体２００は、モニタ３００の画面上に、この軌跡に従った図形を描写する処理を行う。

そして、座標入力装置１００を用いることによって、座標入力ペン１１０のペン先部２０ａが接触する入力面１２０における入力位置を示す情報がコンピュータ本体２００へ入力され、座標入力ペン１１０の入力位置がモニタ３００に表示される。

なお、上記受信ユニット１５０に備えられる超音波を受信する超音波受信器Ｒ１・Ｒ２は、例えば、受信ユニット１５０の両端部付近にそれぞれ配置される。また、２つの超音波受信器Ｒ１・Ｒ２の中間部付近に、赤外線を受信する赤外線受信器ＰＤが配置される。また、超音波発振器Ｔから発振される超音波の速度、および、超音波受信器Ｒ１・Ｒ２間の距離Ｐは予め設定されている。

ここで、座標入力装置における座標入力ペン１１０の位置を検出する方法の一例を図２および図３を用いて以下に説明する。

上述した構成において、ユーザが、座標入力ペン１１０のペン先部２０ａを入力面１２０に接触させると、座標入力ペン１１０から赤外線と超音波とが同時に発振される。受信ユニット１５０は、上記発振された赤外線と超音波とを受信する。このとき、光速の赤外線は、音速の超音波よりも、速度が速いため受信ユニット１５０に先に到達する。したがって、赤外線が受信ユニット１５０に到達するまでの時間と超音波が受信ユニット１５０に到達するまでの時間とに差が生じる。この時間差によって、座標入力ペン１１０と受信ユニット１５０との距離を求めることができる。

ここで、座標入力ペン１１０から出射された超音波を用いて、当該座標入力ペン１１０の座標値を求める方法について説明する。上記受信ユニット１５０の赤外線受信器ＰＤが赤外線を受信してから、受信ユニット１５０の超音波受信器Ｒ１が超音波を受信するまでの伝播時間をｔ１とし、上記赤外線受信器ＰＤが赤外線を受信してから、受信ユニット１５０の超音波受信器Ｒ２が超音波を受信するまでの伝播時間をｔ２とする。上記各伝播時間ｔ１・ｔ２は、受信ユニット１５０によって測定される。そして、この各伝播時間ｔ１・ｔ２に上記超音波の速度を乗じることにより、超音波発振器Ｔと超音波受信器Ｒ１との間の距離Ｌ１、および超音波発振器Ｔと超音波受信器Ｒ２との間の距離Ｌ２を求めることができる。

ここで、超音波受信器Ｒ１の位置を原点とした座標において、超音波受信器Ｒ１・Ｒ２と超音波発振器Ｔとの位置関係を図３に示す。同図に示すように、Ｒ１・Ｒ２・Ｔを頂点とした三角形を想定し、超音波発振器Ｔの座標値を（ｘ，ｙ）とすると、三角測量法に基づいて、
ｘ^２＋ｙ^２＝Ｌ１^２……（１）
（ｘ−Ｐ）^２＋ｙ^２＝Ｌ２^２……（２）
の関係が成り立つ。さらに、（１）式および（２）式を変形すると、
ｘ＝（Ｐ^２＋Ｌ１^２−Ｌ２^２）／２Ｐ……（３）
ｙ＝（Ｌ１^２−ｘ^２）^１／２……（４）
を得ることができる。よって、受信ユニット１５０において演算される各伝播時間ｔ１・ｔ２から求められる距離Ｌ１、Ｌ２、および、予め設定されているＰ（Ｒ１とＲ２との間の距離）を（３）式・（４）式に代入することにより、超音波発振器Ｔの座標値（ｘ，ｙ）を算出することができる。

そして、上記超音波発振器Ｔは、座標入力ペン１１０に備えられているため、この座標値（ｘ，ｙ）は、座標入力ペン１１０の座標値とも言える。これにより、入力面１２０における座標入力ペン１１０の入力位置を検出することができる。

ここで、本実施の形態における座標入力ペン１１０の詳細な構成を図４に基づいて説明する。

座標入力ペン１１０は、ペン筐体１０の内部に、ペン先端部２０、筆圧検知機構部５０、駆動回路部６０、電源部７０を備えている。

ペン筐体１０は、座標入力ペン１１０の外観を構成するものであって、ペン先筐体１０ａ、ペン筐体１０ｂ、ペン筐体１０ｃ、ペン筐体１０ｄ、ペン筐体１０ｅの順に連結され、前記各筐体間が固定された構造である。

ペン先筐体１０ａは、略円錐型筐体であり、中空で貫通している構造である。ペン筐体１０ｂ、ペン筐体１０ｃ、ペン筐体１０ｄは、全て、円筒型筐体であり、中空で貫通している構造である。ペン筐体１０ｅは、円筒型筐体で、中空ではあるが、片側が塞がった構造である。

なお、ペン先筐体１０ａは、機構的に、３つの筐体によって構成されており、各筐体間が固定されている。上記３種類の筐体は、それぞれ、ポリカーボネート樹脂、赤外線透過樹脂、ポリカーボネート樹脂で構成されている。また、ペン筐体１０ｂ、ペン筐体１０ｃ、ペン筐体１０ｄ、ペン筐体１０ｅは、ともにポリカーボネート樹脂で構成されている。なお、上記ペン筐体１０の材質は、座標入力ペン１１０の使用時に変形しない程度の強度を有するものであればよく、これらに限定されるものではない。

ペン先端部２０は、超音波発振素子を有しており、外部に超音波を出射するものである。上記ペン先端部２０は、ペン筐体１０の内部に備えられており、座標入力ペン１１０の入力時に入力面１２０に接触するペン先部２０ａを有するペン芯２０ｃと、発振された超音波の伝播路を形成している超音波伝播路形成部２０ｂと、赤外線を発振する赤外線発光部３０と、超音波を発振する超音波発振部（超音波発振素子）４０とから構成されている。また、上記ペン芯２０ｃと超音波伝播路形成部２０ｂと赤外線発光部３０と超音波発振部４０とは、それぞれが固定された構造である。なお、上記ペン先端部２０の詳細については後述する。

筆圧検知機構部５０は、ユーザが上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合に、座標入力ペン１１０にかかる筆圧を検知するものである。

駆動回路部６０は、赤外線を発振する赤外線発光部３０（詳細には赤外線ＬＥＤチップ３０ａ）と超音波を発振する超音波発振部４０（詳細には超音波素子４０ａ）とを駆動させるための回路である。なお、上記筆圧検知機構部５０と駆動回路部６０との詳細については後述する。

電源部７０は、座標入力ペン１１０の駆動回路部６０を駆動させるための電力を供給するものである。ここでは、ボタン電池７０ａを３個使用し、駆動回路部６０へ電力を供給している。

そして、ペン筐体１０の内部には、上述したペン先端部２０、筆圧検知機構部５０、駆動回路部６０、電源部７０が、座標入力ペン１１０のペン先側から順に配置されている。また、ペン先端部２０は、ペン筐体１０とは分離されており、ペン筐体１０の内部において、ペン筐体１０の長手方向に摺動可能な状態で収容されている。筆圧検知機構部５０では、後述する固定部品５０ｃと固定部品５０ｆとがペン筐体１０の内壁に固定されているが、それ以外の部品はペン筐体１０の内部において摺動可能な状態で収容されている。

さらに、ペン先端部２０と固定部品５０ｃ・５０ｆ以外の筆圧検知機構部５０の各部間は固定されている。また、ペン筐体１０の内部では、駆動回路部６０、電源部７０が電気的に接続された状態で固定され、収容されている。

ここで、ペン筐体１０の内部に備えられるペン先端部２０の構成について図１を用いて詳細に説明する。

ペン先端部２０は、ユーザが上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する部分であり、また、座標を指定する際に筆圧がかかる部分である。上記ペン先端部２０は、上述のように、ペン芯２０ｃと超音波伝播路形成部２０ｂと赤外線発光部３０と超音波発振部４０とから構成されている。

上記ペン芯２０ｃは、座標入力ペン１１０の座標を指定する際に入力面１２０に接触するペン先部２０ａを有している。上記ペン芯２０ｃは、円柱型の構造であり、入力面１２０に接触する先端部であるペン先部２０ａは、座標入力ペン１１０の座標を指定するために先が細くなっている。なお、上記ペン芯２０ｃおよびペン先部２０ａの構造は、入力面１２０に接触させて座標入力ペン１１０の座標を指定できるものであれば良く、これらに限定されるものではない。

上記ペン芯２０ｃは、ペン筐体１０の長手方向の中心軸と当該ペン芯２０ｃの長手方向の中心軸とが一致するように、ペン筐体１０の内部に備えられている。なお、上記ペン芯２０ｃは、超音波発振部４０に固定されていてもよく、また、上記超音波伝播路形成部２０ｂに固定されていてもよい。

また、上記ペン芯２０ｃおよびペン先部２０ａの材質は、例えば、ジュラコンであるが、ペン先部２０ａに筆圧がかけられた場合に変形しないものであればよく、これらに限定されるものではない。

上記超音波伝播路形成部２０ｂは、発振された超音波を伝播させるための伝播路を形成する部材である。上記超音波伝播路形成部２０ｂは、略円錐型筐体であり、その内部は、中空かつ貫通した構造となっている。また、超音波伝播路形成部２０ｂは、その頂部（細くなった部分）が座標入力ペン１１０のペン先側に配置されるようにペン筐体１０の内部に備えられている。

上記超音波伝播路形成部２０ｂには、超音波を外部に出射させるための開口部（以下、「超音波出射口２０ｄ」という）が設けられている。この超音波出射口２０ｄは、ペン芯２０ｃの太さよりも大きく、かつ、超音波が十分に出射できる程度の大きさを有する構造である。

上記のように、超音波伝播路形成部２０ｂは、超音波素子４０ａから超音波出射口２０ｄに向かって、細くなっている中空構造であるため、超音波素子４０ａから発振される超音波は、超音波出射口２０ｄに達するまで遮断されることはない。したがって、超音波出射口２０ｄから３６０度の範囲にわたって超音波を効率よく出射させることができる。

そして、超音波伝播路形成部２０ｂは、超音波素子４０ａに取り付けられており、超音波素子４０ａから発振された超音波は、超音波伝播路形成部２０ｂ内を超音波出射口２０ｄの方向へ伝播される。

なお、上記超音波伝播路形成部２０ｂの材質は、例えば、ポリカーボネート樹脂であるが、これらに限定されるものではない。

上記赤外線発光部３０は、座標入力ペン１１０によって入力面１２０に指示された位置を検出するために必要となる赤外線を発振するものである。この赤外線発光部３０は、円筒型の筐体であり、その表面に赤外線を発振する赤外線ＬＥＤチップ３０ａが、例えば、３個配設され固定された構成である。また、赤外線発光部は、ペン筐体１０の内部でペン筐体１０の長手方向に摺動できるように備えられている。

上記赤外線発光部３０は、円筒型筐体であり、後述する超音波発振部４０と超音波伝播路形成部２０ｂとの間で、中空かつ貫通した構造になっている。この赤外線発光部３０は、後述する赤外線ＬＥＤ駆動部６０ｈに駆動されることによって、赤外線の同期信号を発振する。赤外線発光部から発振された赤外線は、ペン筐体１０を透過し、座標入力ペン１１０の側面から３６０度の範囲にわたって発振する。なお、上記同期信号（図示せず）とは、上述した超音波が発振されるタイミングで立ち上がるパルスを示す信号である。

上記のように赤外線発光部３０の内部は、中空構造であるため、超音波発振部４０から発振された超音波は、赤外線発光部により遮られることなく、赤外線発光部の内部を通過し、超音波伝播路形成部２０ｂへ伝播されることになる。したがって、超音波発振部４０から発振される超音波の出力レベルは、超音波伝播路形成部２０ｂに到達するまで一定に保つことができる。

次に、超音波発振部４０は、上記赤外線発光部３０と同様、座標入力ペン１１０によって入力面１２０に指定された位置を検出するために必要となる超音波を発振するものである。この超音波発振部４０は、円筒型の筐体で、中空かつ貫通された構造である。上記超音波発振部４０は、ペン筐体１０の内部でペン筐体１０の長手方向に摺動できるように備えられている。また、超音波発振部４０の内部には、超音波を発振する超音波素子４０ａが備えられている。

上記超音波素子４０ａは、略円柱状または略円盤状であり、ペン筐体１０の長手方向の中心軸と略円柱もしくは略円盤の円の中心軸とが一致するように、超音波発振部４０内に固定されている。この超音波発振部４０は、後述する超音波発振素子駆動部６０ｉに駆動されることによって、一定の出力レベル（音速Ｖ（２０℃で約３６４ｍ／ｓ））の超音波を超音波出射口２０ｄ方向へ発振する。

また、超音波発振部４０は、円筒型の構造であるため、超音波素子４０ａと赤外線発光部３０との間は、中空の構造となっている
以上のように、ペン先端部２０は、ペン芯２０ｃと超音波伝播路形成部２０ｂと赤外線発光部３０と超音波発振部４０とが一体化されて構成されており、座標入力ペン１１０のペン先側から、ペン芯２０ｃ、超音波伝播路形成部２０ｂ、赤外線発光部３０、超音波発振部４０の順に配置されている。なお、赤外線発光部３０の配置位置は、これに限定されず、例えば、超音波発振部４０より後方（電源部７０側）に設けても良い。

また、これら上記部材間は、それぞれが固定されており、ペン筐体１０の内部で一体構造を形成している。なお、上記の説明では、上記超音波伝播路形成部２０ｂが、上記赤外線発光部３０と超音波発振部４０とが一体となったものに取り付けられている構成、つまり、超音波伝播路形成部２０ｂと赤外線発光部３０と超音波発振部４０とが一体化している構成について説明している。しかし、この構成に限定されるものではなく、例えば、超音波伝播路形成部２０ｂが超音波発振部４０に取り付けられており、赤外線発光部３０が超音波伝播路形成部２０ｂの内部に取り付けられている構成であってもよい。つまり、本実施の形態にかかるペン先端部２０は、超音波伝播路形成部２０ｂが超音波発振部４０に取り付けられていればよい。

また、ペン筐体１０の内部には、後述する付勢手段（コイルばね）５０ｂが備えられている。このコイルばね５０ｂは、上記超音波伝播路および超音波発振部４０を含むペン先端部２０が、座標入力ペン１１０に加わる筆圧に応じて、ペン筐体１０中で進退するように、筆圧に抗した付勢力を当該ペン先端部２０に与えるものである。これにより、上記ペン先端部２０は、例えば、座標入力ペン１１０に筆圧が加えられていない場合には、ペン筐体１０の内部において、上記コイルばね５０ｂによって、ペン先側に押圧された状態で静止しており、また、座標入力ペン１１０に筆圧が加えられた場合には、その筆圧に抗した不勢力を受けながら、座標入力ペン１１０の筐体中を移動することになる。すなわち、上記ペン先端部２０は、座標入力ペン１１０に加わる筆圧に応じて、座標入力ペン１１０の筐体中で進退することができる。

上述のように、一体構造をなすペン先端部２０は、ペン筐体１０とは固定されてなく、ペン筐体１０の内部でペン筐体１０の長手方向に摺動可能な状態で収容されている。

上記の構成とすることで、超音波発振部４０の超音波素子４０ａから発振された超音波は、超音波発振部４０の円筒型筐体の内部空間、赤外線発光部３０の円筒型筐体の内部空間、超音波伝播路形成部２０ｂの略円錐型筐体の内部空間の順に伝播され、超音波出射口２０ｄに達する。そして、上記超音波は、上記超音波出射口２０ｄから、３６０度の範囲にわたって外部に出射される。つまり、上記の構成とすることで、上記超音波が伝播するための空間、つまり、超音波素子４０ａから超音波出射口２０ｄに至るまでの超音波伝播路の形状を一定にすることができる。すなわち、超音波素子４０ａと超音波出射口２０ｄとの間の距離は、一定となる。

そして、上述のように超音波素子４０ａから出射される超音波の出力レベルは、一定であるため、超音波素子４０ａと超音波出射口２０ｄとの間の距離が一定であれば、超音波出射口２０ｄから出射される超音波の出力レベルは一定となる。

したがって、ユーザが上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合に、座標入力ペン１１０に筆圧をかけたとしても、超音波素子４０ａから超音波出射口２０ｄまでの距離が変化しないので、上記超音波出射口２０ｄから常に一定の出力レベルの超音波を発振させることができる。したがって、座標入力ペン１１０から発振される超音波の出力レベルを常に一定に保つことができる。

また、ペン芯２０ｃと超音波伝播路形成部２０ｂとが固定された構成であるため、ユーザが座標入力ペン１１０に筆圧をかけた場合、ペン芯２０ｃと超音波伝播路形成部２０ｂとは一体として、ペン筐体１０の内部を移動する。従って、座標入力ペン１１０にかかる筆圧の変化に関わらず、超音波出射口２０ｄからペン先部２０ａまでの距離は一定となる。

そして、ペン先部２０ａと超音波出射口２０ｄとの間の距離が一定となるので、ユーザが座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合、超音波出射口２０ｄから受信ユニット１５０までの距離は、座標入力ペン１１０にかかる筆圧の変化に応じて変わることはない。したがって、受信ユニット１５０は、座標入力ペン１１０にかかる筆圧の大きさに関わらず、座標入力ペン１１０から発振される、出力レベルが一定の超音波を受信することができる。このように、座標入力ペン１１０にかかる筆圧の大きさに関わらず、常に一定の出力レベルの超音波を受信することができるため、座標入力装置１００は、座標入力ペン１１０が指定する座標位置を正確に検出することができる。

次に、座標入力ペン１１０の全体の構成を示している図４と、ユーザが上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合に、座標入力ペン１１０に筆圧をかけた場合の状態を示している図５とを用いて、上記ペン先端部２０の構成について、さらに説明する。

まず、座標入力ペン１１０に筆圧がかけられていない場合は、図４に示すように、超音波出射口２０ｄは、ペン先筐体１０ａのペン先部２０ａ側の先端部よりも、ペン先部２０ａ側に突出した構成となっている。ここで、ペン先筐体１０ａと超音波伝播路形成部２０ｂの形状は、ともに先が細くなった円錐型の筐体である。そのため、上記突出した超音波出射口２０ｄからペン先筐体１０ａの先端部までの距離が最大となる場合、つまり、座標入力ペン１１０に筆圧が加えられていない場合には、超音波伝播路形成部２０ｂは、ペン先筐体１０ａの内側部に接触した状態となる。したがって、超音波伝播路形成部２０ｂは、上記位置よりペン先部２０ａ側には移動しない構成である。

そして、座標入力ペン１１０に筆圧をかけた場合、ペン先端部２０は、図５に示すように、ペン筐体１０の内部をペン筐体１０の長手方向（内部方向）に移動する。このとき、超音波伝播路形成部２０ｂは、接触していたペン先筐体１０ａの内壁から離れ、両部材の間には、隙間が生じる。そして、上記座標入力ペン１１０に加える筆圧を大きくした場合、所定距離分だけペン先端部２０がペン筐体１０の内部を移動する。なお、上記所定距離分とは、ペン先端部２０がペン筐体１０の内部で移動することができる距離のことである。この所定距離分だけペン先端部２０がペン筐体１０の内部を移動した場合の座標入力ペン１１０の状態を図５に示す。なお、ペン先端部２０がペン筐体１０の内部を移動するというように上述したが、ペン先部２０ａに筆圧をかけた場合、見かけ上は、ペン先部２０ａが入力面１２０に接触して、ペン筐体１０が押し下げられることになる。

そして、図５に示すように、座標入力ペン１１０に筆圧をかけて、ペン筐体１０が所定距離分だけ押し下げられた場合でも、超音波出射口２０ｄは、ペン筐体１０により隠されることなく、換言すると、ペン先部２０ａ側に突出した構成となっている。

以上のように、本実施の形態にかかる座標入力ペン１１０は、ユーザが当該座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合に、上記座標入力ペン１１０にかかる筆圧の大きさに関わらず、超音波出射口２０ｄは、常にペン先筐体１０ａのペン先部２０ａ側の先端部よりも、ペン先部２０ａ側に突出した構成となっている。すなわち、超音波出射口２０ｄは、常に座標入力ペン１１０から外部に突出した構成である。そのため、超音波が出射される出射口の断面形状を一定にすることができるとともに、超音波出射口２０ｄから出射された超音波がペン筐体１０によって邪魔されることがない。

したがって、超音波出射口２０ｄから出射される超音波は、ペン筐体１０によって遮られることがなく、３６０度の範囲にわたって、外部に出射される。したがって、座標入力ペン１１０にかかる筆圧の大きさに関わらず、座標入力ペン１１０から外部に発振される超音波の出力レベルを一定に保つことができる。つまり、ユーザが座標入力ペン１１０を用いて座標入力を行うときの筆圧が変化しても、座標入力ペン１１０から出射される超音波出力レベルを一定に保つことができるようになる。

また、上述した構成によれば、上記筆圧の変化に関わらず、一定の超音波出力レベルを得ることができるので、従来のように、超音波発振素子４０ａを駆動する際の駆動電圧を、上記筆圧の変化に応じて変える必要はない。

ところで、座標入力ペン１１０の座標値は、上述した方法に従い、座標入力ペン１１０の超音波発振器Ｔから受信ユニット１５０の超音波受信器Ｒ１へ伝播される超音波の伝播時間ｔ１と、座標入力ペン１１０の超音波発振器Ｔから受信ユニット１５０の超音波受信器Ｒ２へ伝播される超音波の伝播時間ｔ２とを基に、座標入力装置１００により演算される。

そして、ユーザが、上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合に、座標入力ペン１１０から発振される超音波の出力レベルが一定であれば、超音波の伝播時間ｔ１及びｔ２は一定の値となる。本実施の形態では、上述したように超音波出力レベルを一定にすることができるので、座標入力ペン１１０の位置に対応した超音波伝播時間ｔ１及びｔ２は、座標入力ペン１１０にかかる筆圧の変化に関わらず、一定の値となる。したがって、座標入力装置１００における座標検出精度を高めることができる。

ここで、座標入力ペン１１０から赤外線と超音波とが発振される構成について、筆圧検知機構部５０と駆動回路部６０との構成に基づいて以下に説明する。

筆圧検知機構部５０は、上述のように、ユーザが上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合に、座標入力ペン１１０にかかる筆圧を検知するものである。この筆圧検知機構部５０は、筆圧伝達部品５０ａ、コイルばね５０ｂ、固定部品５０ｃ、筆圧伝達部品５０ｄ、棒磁石５０ｅ、固定部品５０ｆを備えている。そして、上記各部品がペン筐体１０の内部に、座標入力ペン１１０の先端側から順に配設されている。

上記コイルばね５０ｂは、ペン芯先２０ａに加えられる筆圧に応じて、伸縮可能な部品であり、ペン先端部２０に対して、ペン先方向に常に不勢力を与えるものである。

上記筆圧伝達部品５０ａと筆圧伝達部品５０ｄとの間は固定されており、また、筆圧伝達部品５０ｄと棒磁石５０ｅとの間が固定されている。上記筆圧伝達部品５０ａと筆圧伝達部品５０ｄとの間には、中空のコイルばね５０ｂとドーナツ型の固定部品５０ｃとが配設され、棒磁石５０ｅには、ドーナツ型の固定部品５０ｆが配設されている。固定部品５０ｃ・５０ｆは、ともにペン筐体１０の内壁に固定されている。

上記のように、固定部品５０ｃ・５０ｆ以外の筆圧検知機構部５０を構成する各部品はそれぞれが固定されており、ペン筐体１０の内部でペン筐体１０の長手方向に一体として摺動できる構成である。また、上記筆圧伝達部品５０ａは、ペン先端部２０と固定された構成である。これにより、固定部品５０ｃ・５０ｆ以外の筆圧検知機構部５０は、ペン筐体１０の内部において、ペン先端部２０と一体となってペン筐体１０の長手方向に摺動する構成である。

次に、駆動回路部６０について、図６を用いて説明する。

駆動回路部６０は、筆圧検知機構部５０の棒磁石５０ｅと、駆動回路部６０の磁界強度変化検出部（磁気抵抗素子）６０ｇとの間の距離の変化に応じて、磁気抵抗素子６０ｇから取り出される電圧変位量を増幅・量子化し、所定の閾値以上になれば、赤外線ＬＥＤチップ３０ａおよび超音波素子４０ａを駆動する回路である。

上記駆動回路部６０は、制御部６０ｂ、水晶振動子６０ｄ、電圧変化増幅部６０ｆ、Ａ／Ｄ変換部６０ｅ、赤外線ＬＥＤ駆動部６０ｈ、超音波発振素子駆動部６０ｉ、ＤＣ−ＤＣ変換部（レギュレータ）６０ｃを備えている。

制御部６０ｂは、Ａ／Ｄ変換部６０ｅから入力される値が所定の閾値以上になった時に、一定周期でトリガ信号を赤外線ＬＥＤ駆動部６０ｈおよび超音波発振素子駆動部６０ｉへ送信するデバイスである。

また、赤外線ＬＥＤ駆動部６０ｈは、制御部６０ｂからトリガ信号が入力されるタイミングで、赤外線ＬＥＤチップ３０ａを駆動させる駆動装置である。

また、超音波発振素子駆動部６０ｉは、制御部６０ｂからトリガ信号が入力されるタイミングで、超音波素子４０ａを駆動させる駆動装置である。なお、超音波素子４０ａを駆動させるときの駆動電圧は、常に一定となるように設定している。

ここで、ユーザが上記座標入力ペン１１０を用いて任意の座標を指定する場合、すなわち、座標入力ペン１１０に筆圧がかけられた場合、図５に示すように、ペン先端部２０のペン先部２０ａが押し込まれ、ペン先端部２０と固定部品５０ｃ・５０ｆ以外の筆圧検知機構部５０とが一体となって、ペン筐体１０の内部で、ペン筐体１０の押圧方向に移動する。このように、ペン先部２０ａにかかる圧力が、ペン先端部２０を経由して、筆圧検知機構部５０にまで伝えられる。

上記筆圧検知機構部５０では、筆圧に応じた距離分だけ、筆圧伝達部品５０ａと筆圧伝達部品５０ｄと棒磁石５０ｅとがペン筐体１０の押圧方向に移動する。ここで、筆圧伝達部品５０ａは、所定距離分（例えば、１ｍｍ）だけ押し込み可能となっている。この所定距離分とは、筆圧伝達部品５０ａが押し込まれていない場合の、筆圧伝達部品５０ｄと固定部品５０ｆとの間の距離である。したがって、前記筆圧伝達部品５０ｄと固定部品５０ｆとの間の距離が、ペン先端部２０がペン筐体１０の内部で移動することができる距離となる。

上記のように、棒磁石５０ｅが移動することにより、棒磁石５０ｅと駆動回路部６０内の磁気抵抗素子６０ｇとの間の距離が変化する。そして、この距離の変化に応じて、上述のように駆動回路部６０が駆動し、赤外線ＬＥＤ駆動部６０ｈと超音波発振素子駆動部６０ｉとが駆動する。

そして、赤外線ＬＥＤ駆動部６０ｈが駆動することによって、赤外線ＬＥＤチップ３０ａから赤外線の同期信号が発振される。この赤外線は、ペン筐体１０を透過し、座標入力ペン１１０の側面から３６０度の範囲にわたって発振される。

また、超音波発振素子駆動部６０ｉが駆動することによって、超音波素子４０ａから音速Ｖ（２０℃で約３６４ｍ／ｓ）の超音波が座標入力ペン１１０のペン先側へ発振される。

以上のように、座標入力ペン１１０は、そのペン先部２０ａが入力面１２０に接触し、所定の筆圧以上で押し込まれると、赤外線および超音波を発振することになる。

ここで、上述した超音波素子４０ａは、超音波を発振するものであれば特に限定されるもではない。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（ＰＺＴ素子））であることが好ましい。ＰＺＴ素子は、入力電圧に対する超音波出力が大きいため、入力電圧を低く抑えることができる。したがって、ペン内部に備える電源回路を小規模にすることができ、ペンを小型にすることができる。また、ＰＺＴ素子は、セラミック系の素子であるため、機械的・環境的信頼性も高くなる。

なお、超音波素子４０ａは、ＰＺＴ素子などの圧電素子の他にも、例えば、ＯＶＤＦ素子（ポリフッ化ビニリデン）も適用可能である。

また、上記の説明では、超音波を発振するペン先端部２０が、ペン筐体１０の内部に設けられている例について説明したが、特に限定されるものではなく、ペン先端部２０が外部に剥き出しになっている構成であってもよい。ただし、いずれの場合には、超音波出射口２０ｄは、ペン筐体１０の外部に突出している。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明にかかる座標入力ペンは、筆圧の変化に関わらず、座標入力ペンから一定の超音波出力を得ることが可能であり、座標検出精度を高めることができる。このため、この座標入力ペンを、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も適用できる。

本発明の実施形態を示すものであり、座標入力ペン内部の主要部を示す断面図である。 本発明の座標入力ペンを用いた座標入力装置の構成を示す斜視図である。 本発明の座標入力ペンの位置を座標面に示した図である。 本発明の座標入力ペンの全体構成を示す断面図である。 本発明の座標入力ペンに筆圧をかけた場合の全体構成を示す断面図である。 本発明の座標入力ペンの駆動回路部を示すブロック図である。

符号の説明

１０ ペン筐体
２０ ペン先端部
２０ａ ペン先部
２０ｂ 超音波伝播路形成部（伝播路形成部、超音波伝播路）
２０ｃ ペン芯
２０ｄ 超音波出射口
３０ 赤外線発光部
４０ 超音波発振部（超音波発振手段）
４０ａ 超音波素子
５０ 筆圧検知機構部
５０ｂ コイルばね（付勢手段）
６０ 駆動回路部
７０ 電源部
１００ 座標入力装置
１１０ 座標入力ペン
１２０ 入力面（外部）
１５０ 受信ユニット（受信手段）
２００ コンピュータ本体
３００ モニタ

Claims (8)

1. 座標を特定するための超音波を発振する超音波発振手段を内部に備えた座標入力ペンにおいて、
   上記超音波発振手段と、発振した超音波を外部に出射する超音波出射口との間の距離が一定となるように超音波伝播路が形成されていることを特徴とする座標入力ペン。
2. 上記超音波伝播路は、上記超音波出射口と、伝播路形成部とを備え、
   上記伝播路形成部が上記超音波発振手段に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の座標入力ペン。
3. 上記座標入力ペンの筐体と、
   上記超音波伝播路および超音波発振手段を含むペン先端部が、座標入力ペンに加わる筆圧に応じて、筐体中で進退するように、筆圧に抗した付勢力を当該ペン先端部に与える付勢手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の座標入力ペン。
4. 上記伝播路形成部は、超音波発振手段から超音波出射口に向かって細くなり、かつ、中空構造であることを特徴とする請求項２に記載の座標入力ペン。
5. 座標を入力する際に外部と接触するペン先部を備え、
   上記ペン先部と上記超音波出射口との距離が一定であることを特徴とする請求項１記載の座標入力ペン。
6. 上記超音波出射口は、ペン筐体から外部に突出するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の座標入力ペン。
7. 上記超音波発振手段は、筐体内を移動するものであり、
   上記超音波出射口は、超音波発振手段の筐体内における位置にかかわらず、上記筐体外に突出していることを特徴とする請求項１記載の座標入力ペン。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の座標入力ペンと、
   上記座標入力ペンから出射された超音波を受信する受信手段と、
   上記受信手段によって受信された超音波に基づいて、上記座標入力ペンの座標を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする座標入力装置。

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