JP2015043159A - タッチパネル装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの意図するように毛筆の書き出し部分を描画することができるタッチパネル装置及び表示装置を提供する。【解決手段】タッチパネル装置は、表示面、タッチペン５０のペン先５１が表示面に接触した場合のペン先の向きを表示面上に射影した方向と表示面上の基準方向との間の角度を算出する角度算出部６３、角度算出部６３で算出した角度に応じて描画する毛筆状の画像の方向を決定する描画方向決定部６４を備え、タッチペンのペン先が表示面に接触したときの位置を検出し、検出した位置に毛筆状の画像を描画する。【選択図】図５

Description

本発明は、タッチペンにより表示面に画像を描画することができるタッチパネル装置及び該タッチパネル装置を備える表示装置に関する。

タッチパネルで形成された表示部を有し、表示部にタッチペンを用いて文字を書くことにより、毛筆文字を描くことができるタッチパネル装置がある。例えば、タッチペンの移動速度の変化のみを用いて毛筆文字を描画するように構成し、装置内に予め用意された毛筆のハネ、かすれ、にじみ、止め筆の形状の複数個のうちの一つを移動速度に応じて選択し、かすれのない点画像とかすれのある点画像を調整して重ね合わせ、逐次タッチパネル上に描画するものがある（特許文献１参照）。

特開２００８−１４０３５２号公報

しかし、特許文献１のようなタッチパネル装置にあっては、ハネ、かすれ、にじみ、止め筆の形状を描画することは可能であるものの、タッチペンの移動速度の変化のみを考慮しているため、例えば、毛筆の書き出し部分、より具体的には、毛筆をいずれの方向に向かって書き出すかは判別することができない。このため、ユーザが、タッチペンを持って文字を書く場合に、どの向きにタッチペンを向けて書き始めても、描画される毛筆の画像は全く同じ形状のものとなり、毛筆の書き出し部分をユーザの意図するように描画することができない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ユーザの意図するように毛筆の書き出し部分を描画することができるタッチパネル装置及び該タッチパネル装置を備える表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係るタッチパネル装置は、表示面を備え、タッチペンのペン先が該表示面に接触したときの位置を検出し、検出した位置に毛筆状の画像を描画するタッチパネル装置であって、前記ペン先が表示面に接触した場合の該ペン先の向きを前記表示面上に射影した方向と前記表示面上の基準方向との間の角度を算出する算出部と、該算出部で算出した角度に応じて描画する毛筆状の画像の方向を決定する決定部とを備えることを特徴とする。

本発明に係るタッチパネル装置は、前記タッチペンは、前記ペン先を取り付ける取付部を有するペン本体部を備え、前記ペン先を、前記取付部を中心に三次元変位が可能にしてあり、前記ペン本体部は、前記表示面上の基準方向を検出する基準センサと、前記ペン先の三次元変位を検出する変位センサとを有し、前記算出部は、前記基準センサで検出した基準方向及び変位センサで検出した変位に基づいて前記角度を算出するようにしてあることを特徴とする。

本発明に係るタッチパネル装置は、前記基準方向は、重力方向であることを特徴とする。

本発明に係るタッチパネル装置は、前記基準方向は、地磁気方向であることを特徴とする。

本発明に係る表示装置は、前述の発明のいずれか１つに係るタッチパネル装置と、前記決定部で決定した方向に向かって太幅となる毛筆状の画像を前記表示面に描画する描画部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ユーザの意図するように毛筆の書き出し部分を描画することができる。

本実施の形態の表示装置の構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態のタッチパネル装置の構成の一例を示すブロック図である。 本実施の形態のタッチパネル装置の発光部及び受光部の構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態のタッチペンによるホバリングの様子の一例を示す模式図である。 本実施の形態のタッチペンの構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態のタッチペンの第１実施例を示す模式図である。 第１実施例のタッチペンによる角度算出の一例を示す説明図である。 基準方向を考慮した場合の第１実施例のタッチペンによる角度算出の一例を示す説明図である。 第１実施例のタッチペンによる重力方向を基準とした毛筆状の画像の描画の一例を示す説明図である。 第１実施例のタッチペンによる重力方向を基準とした毛筆状の画像の描画の他の例を示す説明図である。 基準方向を考慮した場合の第１実施例のタッチペンによる角度算出の他の例を示す説明図である。 第１実施例のタッチペンによる北方向を基準とした毛筆状の画像の描画の一例を示す説明図である。 本実施の形態のタッチペンの第２実施例を示す模式図である。 第２実施例のタッチペンの圧力センサの一例を示す模式図である。 第２実施例のタッチペンによる角度算出の一例を示す説明図である。 本実施の形態のタッチペンの第３実施例を示す模式図である。 本実施の形態のタッチペンの第４実施例を示す模式図である。 第４実施例のタッチペンによる角度算出の一例を示す説明図である。 本実施の形態のタッチペンの第５実施例を示す模式図である。 本実施の形態のタッチペンの第６実施例を示す模式図である。 第６実施例のタッチペンによる角度算出の一例を示す説明図である。 第６実施例のひずみゲージのひずみを検出する方法の一例を示す説明図である。 本実施の形態のタッチペンの第７実施例を示す模式図である。 第７実施例のタッチペンによる角度算出の一例を示す説明図である。

以下、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の表示装置の構成の一例を示す模式図である。表示装置は、タッチパネル装置１００、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と記す）２００などを備える。タッチパネル装置１００とＰＣ２００との間は、通信線１、２を接続してある。

タッチパネル装置１００は、表示面１０を備える。ユーザが、タッチペン５０又は指などで表示面１０をタッチ（接触）すると、タッチパネル装置１００は、タッチされた表示面１０上の位置情報を、通信線１（例えば、ＵＳＢケーブルなど）を介してＰＣ２００へ送出する。ＰＣ２００は、描画部としての機能を有し、通信線２（例えば、ＨＤＭＩ［High-Definition Multimedia Interface］ケーブル）（ＨＤＭＩは登録商標）を介してタッチパネル装置１００へ映像信号を送出する。

図２は本実施の形態のタッチパネル装置１００の構成の一例を示すブロック図である。タッチパネル装置１００は、受光部２１、アドレスデコーダ２２、２５、Ａ／Ｄコンバータ２３、制御部２４、発光部２６、インタフェース部２７、受信部２８などを備える。また、制御部２４は、駆動制御部２４１、座標算出部２４２、遮光物管理部２４３などを備える。

受光部２１は、複数の受光素子であり、赤外光を受光するフォトダイオードを有する。また、発光部２６は、複数の発光素子であり、赤外光を発する発光ダイオードを有する。

アドレスデコーダ２５は、制御部２４の制御の下、順番に発光させる発光ダイオードを決定する。また、アドレスデコーダ２２は、制御部２４の制御の下、順番に受光するフォトダイオードを決定する。

Ａ／Ｄコンバータ２３は、受光部で受光したアナログ信号をデジタル信号に変換して制御部２４へ出力する。

駆動制御部２４１は、アドレスデコーダ２２、２５を制御することにより、発光させる発光ダイオード及び受光するフォトダイオードの順序を制御する。

座標算出部２４２は、Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されたデジタル信号に基づいてタッチペン５０又は指などが表示面１０のどこにタッチ（接触）されたかを示す位置情報（表示面上の座標）を算出する。制御部２４は、インタフェース部２７を介して算出した位置情報をＰＣ２００へ送出する。

遮光物管理部２４３は、多点入力に対応する場合、遮光物（タッチペン５０など）の位置を管理する。

受信部２８は、タッチペン５０が送信する情報（例えば、ペン先が表示面１０にタッチしたことを示すペンダウン信号、ペン先の描画方向の情報など）を受信する。

なお、制御部２４は、ＣＰＵ、メモリ等で構成することもでき、制御部２４の動作を制御する制御プログラムを記憶することにより、制御部２４の動作を決定することができる。

図３は本実施の形態のタッチパネル装置１００の発光部２６及び受光部２１の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、発光部２６を構成する複数の発光ダイオード２６１は、矩形状の表示面１０のＸ軸方向に沿った一辺及びＹ軸方向に沿った一辺の縁に沿って配置されている。各発光ダイオード２６１は、赤外光を発光することができる。図３では、各発光ダイオード２６１が発する赤外光を破線で示している。また、各発光ダイオード２６１は、発光する赤外光の光路が表示面１０に沿ってお互いに平行となるように配置されている。発光部２６は、不図示のマルチプレクサを有し、各発光ダイオード２６１はマルチプレクサに接続してある。

受光部２１を構成する複数のフォトダイオード２１１は、各発光ダイオード２６１が配置された表示面１０の一辺に対向する辺に配置されている。すなわち、各フォトダイオード２１１は、矩形状の表示面１０のＸ軸方向に沿った一辺及びＹ軸方向に沿った一辺の縁に沿って、発光ダイオード２６１に対向するように配置されている。各発光ダイオード２６１の任意の１つは、各フォトダイオード２１１の任意の１つに対応している。すなわち、１つの発光ダイオード２６１が発した赤外光は、当該発光ダイオード２６１に対応付けて配置された１つのフォトダイオード２１１で受光され、他のフォトダイオード２１１では受光されないようにしてある。受光部２１は、不図示のマルチプレクサを有し、各フォトダイオード２１１はマルチプレクサに接続してある。

前述の駆動制御部２４１は、複数の発光ダイオード２６１を順次スキャンするための信号をアドレスデコーダ２５へ出力し、複数のフォトダイオード２１１を順次スキャンするための信号をアドレスデコーダ２２へ出力する。

アドレスデコーダ２５は、駆動制御部２４１が出力した信号に応じて、発光部２６内のいずれかの発光ダイオード２６１を選択する信号を発光部２６へ出力する。選択された発光ダイオード２６１は、所定の時間、赤外光を発光する。

アドレスデコーダ２２は、駆動制御部２４１が出力した信号に応じて、受光部２１内のいずれかのフォトダイオード２１１を選択する信号を受光部２１へ出力する。選択されたフォトダイオード２１１は、所定の時間、対応付けられた発光ダイオード２６１が発光する赤外光を受光する。

選択されたフォトダイオード２１１は、受光した赤外光の強度を、例えば、電圧値で示す強度信号をＡ／Ｄコンバータ２３へ出力する。

Ａ／Ｄコンバータ２３は、取得した強度信号を、例えば、８ビットのデジタル信号に変換し、変換後の強度信号を制御部２４へ出力する。

制御部２４は、受光部２１のすべてのフォトダイオード２１１から強度信号を取得する。例えば、制御部２４は、発光部２６の発光ダイオード２６１をＸ軸及びＹ軸の走査方向に沿って端から順番に発光させて、当該発光ダイオード２６１に対応付けられたフォトダイオード２１１で順番に受光することにより、すべてのフォトダイオード２１１から強度信号を取得する。

制御部２４は、すべてのフォトダイオード２１１から取得した強度信号に基づいて各フォトダイオード２１１で受光した受光量を算出する。制御部２４は、フォトダイオード２１１について算出した受光量が所定の閾値以上である場合、当該フォトダイオード２１１が受光する赤外光の光路は遮断されていない、すなわちタッチペン５０等で赤外光が遮断されていないと判定する。また、制御部は、フォトダイオード２１１について算出した受光量が所定の閾値未満である場合、当該フォトダイオード２１１が受光する赤外光の光路は遮断されている、すなわちタッチペン５０等で赤外光が遮断されていると判定する。

このようにして、制御部２４は、受光する赤外光の光路が遮断されているフォトダイオード２１１を特定する。座標算出部２４２は、特定したフォトダイオードの位置に基づいて、表示面１０上の遮光された位置、すなわちタッチペン５０又は指がタッチ（接触）された位置情報（座標）を算出する。

図４は本実施の形態のタッチペン５０によるホバリングの様子の一例を示す模式図である。図４の例は、タッチペン５０が表示面１０にタッチされる前のホバリングの状態を示す。ホバリングとは、タッチペン５０のペン先が表示面１０から僅かに離隔した状態をいう。図４に示すように、発光ダイオード２６１が発した赤外光は、対応するフォトダイオード２１１で受光されるまでの間、符号Ｓで示す領域Ｓに拡がった状態となる。このような状態でタッチペン５０のペン先が領域Ｓを遮った場合には、ペン先が表示面１０にタッチされていないにも関わらず、赤外光の遮光によりタッチしたものと誤って判定されることになる。そこで、タッチペン５０のペン先が表示面１０に接触したことを示すペンダウンを検出するまでタッチしたと判定しないようにすることにより、タッチペン５０のペンダウン（接触）及びペンアップ（非接触）を正確に判定することができる。

図５は本実施の形態のタッチペン５０の構成の一例を示す模式図である。図５に示すように、タッチペン５０は、先端部が細くなったペン先５１、ユーザが把持することができ、例えば、円筒状に形成されたペン本体部５３、ペン先５１をペン本体部５３に取り付ける取付部５２などで構成されている。また、ペン本体部５３は、変位検出部６１、基準方向検出部６２、角度算出部６３、描画方向決定部６４、通信部６５などを有する。

取付部５２は、例えば、球状をなしたボールジョイント５２であり、ペン先５１を取付部５２を中心に三次元変位が可能にしてある。

変位検出部６１は、ペン先５１の三次元変位を検出する変位センサとしての機能を有する。変位検出部６１は、例えば、ペン本体部５３の軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交するようにＸ軸、Ｙ軸を設けた場合、ペン本体部５３に対して、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向に変位するペン先５１の変位を検出することができる。変位センサは、例えば、圧力センサを用いることができ、ユーザがタッチペン５０のペン本体部５３を把持し、ペン先５１を表示面１０に接触させた場合、ペン本体部５３の傾きあるいは向きがどのような方向であっても、ペン先５１の変位を検出することができる。

また、変位検出部６１は、ペン先５１が表示面１０にタッチしたことを示すペンダウンを検出する。ペンダウンを検出することにより、図４に例示したような、表示面１０にタッチペン５０のペン先５１が接触する前にタッチを誤検出するホバリングの影響をなくすことができる。

ユーザがタッチペン５０を表示面１０に近づけると、制御部２４は、遮光物が存在することを検知する。タッチペン５０のペン先５１が表示面１０に接触し、ペンダウンが検出されると、ペン先５１（遮光物）が表示面１０のいずれの座標に存在するかを示す位置情報がＰＣ２００へ送出されるとともに、ペンダウンの検出に対応して画像（例えば、毛筆状の点画像及び線画像）を描画する指示がＰＣ２００へ送出される。そして、ＰＣ２００は、ペンダウンがあった座標に毛筆状の画像を描画するための映像信号をタッチパネル装置１００へ送出する。

基準方向検出部６２は、表示面１０上の基準方向を検出する基準センサとしての機能を有する。基準方向検出部６２は、例えば、加速度センサ、あるいは地磁気センサなどを用いることができる。

角度算出部６３は、算出部としての機能を有し、ペン先５１が表示面１０に接触した場合のペン先５１の向きを表示面１０上に射影（又は投影）した方向と表示面１０上の基準方向との間の角度を算出する。ユーザがタッチペン５０を表示面１０に対して任意の向きに傾けた状態で表示面１０にペン先５１を接触させた場合、タッチペン５０全体を表示面１０に射影又は投影したときのタッチペン５０の向き、すなわちペン先５１の向きは、表示面１０上の一の方向となる。角度算出部６３は、当該一の方向と表示面１０上の基準方向との間の角度を算出する。これにより、ペン先５１が基準方向に対していずれの向きとなっているかを角度により特定することができる。

より具体的には、角度算出部６３は、変位検出部６１で検出した変位及び基準方向検出部６２で検出した基準方向に基づいて前述の角度を算出する。これにより、ユーザがタッチペン５０のペン本体部５３を把持し、ペン先５１を表示面１０に接触させた場合、ペン本体部５３の傾きあるいは向きがどのような方向であっても、ペン先５１の変位及び基準方向に基づいてペン先５１の向きについての表示面１０上の方向と基準方向との間の角度を求めることができる。

描画方向決定部６４は、決定部としての機能を有し、角度算出部６３で算出した角度に応じて描画する毛筆状の画像の方向を決定する。ユーザが、毛筆状の画像を書き始める場合、一般的には、筆が描画面に接触したときの画像の幅が小さく（例えば、小さな点画像の如く）、筆を次第に移動させるのに応じて画像の幅が徐々に大きく（例えば、大きな点画像の如く）なる。そこで、角度算出部６３で算出した角度に応じて毛筆状の画像（筆で描いた画像）の方向を決定することにより、ユーザの筆の移動方向（タッチペンのペン先の移動方向）を特定することができる。これにより、ユーザが、タッチペン５０を持って文字を書く場合に、どの向きにタッチペン５０を向けて書き始めるかに応じて、描画する毛筆状の画像の方向が異なるので、ユーザの意図するように毛筆の書き出し部分を描画することができる。

通信部６５は、描画方向決定部６４で決定した描画方向の情報、及びペンダウンの検出を示すペンダウン信号を受信部２８へ送信する。通信部６５は、例えば、超音波スピーカ、無線モジュールなどを用いることができる。

次に、タッチペン５０の構造について具体例を説明する。図６は本実施の形態のタッチペン５０の第１実施例を示す模式図である。図６に示すように、タッチペン５０は、円錐状のペン先５１、円筒状のペン本体部５３を備え、ペン先５１の先端が自由に傾くように（三次元変位が可能なように）、ペン先５１は、ボールジョイント５２によりペン本体部５３に取り付けられて（連結されて）いる。

ペン本体部５３のペン先５１に対向する端面には、中央部に基準方向検出部６２としての加速度センサ６２１（例えば、３軸加速度センサ）を固定してあり、加速度センサ６２１の周囲には、変位検出部６１としての圧力センサ６１１を固定してある。なお、図６の例では、圧力センサ６１１を、加速度センサ６２１の周囲に等間隔で４個設ける構成であるが、圧力センサ６１１の数は４個に限定されるものではない。

図６に示すように、ユーザがタッチペン５０のペン先５１を表示面１０に接触させることにより、ペン先５１は、例えば、図６中の矢印で示す方向に傾く。ペン先５１が、いずれの方向に傾くかに応じて、４個の圧力センサ６１１に加わる圧力が変化し、各圧力センサ６１１は、加わった圧力に応じた電圧を出力する。

図７は第１実施例のタッチペン５０による角度算出の一例を示す説明図である。図７に示すように、４個の圧力センサ６１１が、直交するＸ軸上及びＹ軸状に位置するようにＸＹ座標を設けるとする。ＸＹ座標で画定される面は、表示面１０と平行な面となる。図７の例では、圧力センサ６１１ａは座標（ｘ１、０）に位置し、圧力センサ６１１ｂは座標（−ｘ１、０）に位置し、圧力センサ６１１ｃは座標（０、ｙ１）に位置し、圧力センサ６１１ｄは座標（０、−ｙ１）に位置している。また、各圧力センサ６１１ａ〜６１１ｄが出力する電圧をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄとする。

圧力センサ６１１は、例えば、ＰＴＦ（Polymer Thick Film：高分子厚膜フィルム）を用いたものであり、加えられた圧力に応じて抵抗値が減少する性質を利用して、圧力に応じた電圧を得ることができる。

この場合、ペン先５１のＸＹ座標上の変位ｘｐは、式（Ｖａ×ｘ１−Ｖｂ×ｘ１）／（Ｖａ＋Ｖｂ）で求めることができ、ペン先５１のＸＹ座標上の変位ｙｐは、式（Ｖｃ×ｙ１−Ｖｄ×ｙ１）／（Ｖｃ＋Ｖｄ）で求めることができる。また、Ｘ軸方向と変位の方向との間の角度θは、式ａｒｃｔａｎ（ｙｐ／ｘｐ）で求めることができる。

図８は基準方向を考慮した場合の第１実施例のタッチペン５０による角度算出の一例を示す説明図である。図８の例では、例えば、タッチパネル装置１００の表示面１０が、直立型である場合、すなわち表示面１０を鉛直面に沿って縦置きするような場合、表示面１０上の基準方向として重力方向を用いることができる。図８の例では、ペン先５１の傾きを圧力センサ６１１で検出するとともに、タッチペン５０自身（ペン本体部５３）の姿勢を加速度センサ６２１で検出する。これにより、ペン先５１の方向が表示面１０上でいずれの向きになっているかを特定することができる。

加速度センサ６２１のＺ軸方向をペン本体部５３の軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸方向がペン本体部５３のペン先５１に対向する端面上になるように、予め加速度センサ６２１を配置しておく。また、加速度センサ６２１のＸ軸及びＹ軸上に、圧力センサ６１１が位置するように配置しておく。このように配置することにより、加速度センサ６２１で検出される重力方向と圧力センサ６１１の位置関係が画定される。

圧力センサ６１１により検出した、ペン先５１の変位を（ｘｐ、ｙｐ）とすると、Ｘ軸方向に対して変位の方向がなす角度θは、図７の例のとおり、式ａｒｃｔａｎ（ｙｐ／ｘｐ）で求めることができる。

ペン本体部５３が、表示面１０に対して略垂直になっている場合（直立型のタッチパネル装置１００である場合において、ユーザがタッチペン５０を把持して表示面１０にタッチするときには、ペン本体部５３は、表示面１０に対して略垂直になっていると考えられる）、加速度センサ６２１のＺ軸方向の成分は略０と仮定することができる。加速度センサ６２１の出力に基づいて、重力方向のｇベクトルのＸ軸及びＹ軸方向の成分ｇｘ、ｇｙを求める。この場合、Ｘ軸方向と重力方向（ｇベクトルの方向）との間の角度αは、式ａｒｃｔａｎ（ｇｙ／ｇｘ）で求めることができる。したがって、ペン先５１の基準方向（重力方向）に対する角度は、式（θ＋α）で求めることができる。

図９は第１実施例のタッチペン５０による重力方向を基準とした毛筆状の画像の描画の一例を示す説明図である。図９の例は、表示面１０が縦置きに配置された、いわゆる直立型ディスプレイの場合を示す。図９の左側の図は、表示面１０に対してタッチされたタッチペン５０の様子の一例を示し、図９の右側の図は、表示面１０に描画される毛筆状の画像の一例を示す。

図９に示すように、ペン先５１の方向と基準方向である重力方向との間の角度が、例えば、６０度であるとする。この場合、描画される毛筆状の画像は、重力方向に対して６０度の角度をなすペン先５１の方向に向かって細幅となり、ペン先５１の移動方向、すなわちペン先５１の方向に対して１８０度の方向に向かって太幅となる。

図１０は第１実施例のタッチペン５０による重力方向を基準とした毛筆状の画像の描画の他の例を示す説明図である。図１０の例も、表示面１０が縦置きに配置された、いわゆる直立型ディスプレイの場合を示す。図１０の左側の図は、表示面１０に対してタッチされたタッチペン５０の様子の一例を示し、図１０の右側の図は、表示面１０に描画される毛筆状の画像の一例を示す。

図１０に示すように、ペン先５１の方向と基準方向である重力方向との間の角度が、例えば、１３０度であるとする。この場合、描画される毛筆状の画像は、重力方向に対して１３０度の角度をなすペン先５１の方向に向かって細幅となる。また、ペン先５１の移動方向、すなわちペン先５１の方向に対して１８０度の方向に向かって太幅となる。

図１１は基準方向を考慮した場合の第１実施例のタッチペン５０による角度算出の他の例を示す説明図である。図１１の例では、例えば、タッチパネル装置１００の表示面１０が、テーブル型である場合、すなわち表示面１０を水平方向に沿って横置きするような場合、表示面１０上の基準方向として地磁気方向を用いることができる。基準方向として地磁気方向は、例えば、北方向とすることができるが、北方向に限定されるものではない。例えば、東、西、南方向などであってもよい。

ペン先５１の傾きを圧力センサ６１１で検出するとともに、タッチペン５０自身（ペン本体部５３）の姿勢を地磁気センサ６２２で検出する。なお、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度の算出は、図８の例と同様であるので、説明は省略する。なお、テーブル型の場合には、タッチパネル装置１００の本体側（表示部側）にも地磁気センサを設け、基準方向を検出する必要がある。これにより、ペン先５１の方向が表示面１０上でいずれの向きになっているかを特定することができる。

図１２は第１実施例のタッチペン５０による北方向を基準とした毛筆状の画像の描画の一例を示す説明図である。図１２の例は、表示面１０が横置きに配置された、いわゆるテーブル型ディスプレイの場合を示す。図１２の左側の図は、表示面１０に対してタッチされたタッチペン５０の様子の一例を示し、図１２の右側の図は、表示面１０に描画される毛筆状の画像の一例を示す。タッチパネル装置１００の適宜の箇所に基準方向である北方向を検出するための地磁気センサ６２３を設けてある。地磁気センサ６２３は、地磁気センサ６２２と同等のものでよい。

図１２に示すように、ペン先５１の方向と基準方向である北方向との間の角度が、例えば、７５度であるとする。この場合、描画される毛筆状の画像は、北方向に対して７５度の角度をなすペン先５１の方向に向かって細幅となり、ペン先５１の移動方向、すなわちペン先５１の方向に対して１８０度の方向に向かって太幅となる。

図９、図１０及び図１２に示すように、タッチペン５０のペン先５１を表示面１０にタッチしたときのペン先５１の方向により、毛筆状の画像の描画の方向を変化させることにより、筆で書いたときのように、毛の向きを再現して一層リアルな毛筆状の画像を再現することができ、筆で書いた場合と同様の効果を得ることができる。

また、描画部としてのＰＣ２００は、描画方向決定部６４で決定した方向に向かって太幅となる毛筆状の画像を表示面１０に描画する。すなわち、毛筆の書き出し当初は、細幅に描き、ペン先が移動するのに応じて徐々に太幅に描く。これにより、ユーザがどの向きにペン先を移動させても、ペン先の移動方向に応じて幅が変化する毛筆状の画像を描画することができる。

図１３は本実施の形態のタッチペン５０の第２実施例を示す模式図である。図１３に示すように、ペン先５１は、円錐状をなし、ペン先５１の材質は、例えば、磁石などの磁性体である。ペン先５１のペン本体部５３に対向する端面には、円錐柱状の空間からなる受部５１１を形成してある。

ペン本体部５３のペン先５１に対向する端面には、鉄などの強磁性体からなる円環状の板部５３１を埋め込んでいる。また、ペン本体部５３のペン先５１に対向する端面の中央部（板部５３１の中央部）には、円錐柱状の円錐部５３２を設けている。円錐部５３２の周面には、帯状の圧力センサ６１２を周設してある。ペン先５１の受部５１１には、ペン本体部５３の円錐部５３２が、圧力センサ６１２の検出圧力が０となるような緩い状態で収容されている。なお、圧力センサ６１２の表面と受部５１１との間には、例えば、１０μｍ〜１００μｍの範囲程度の隙間を設けている。

図１４は第２実施例のタッチペン５０の圧力センサ６１２の一例を示す模式図である。図１４に示すように、圧力センサ６１２は、帯状の導電性フィルム６１２１と抵抗フィルム６１２２の導電性を有する面とを対向して配置し、導電性フィルム６１２１及び抵抗フィルム６１２２の両端を非導電性接着剤６１２３で接着した構造をなす。導電性フィルム６１２１と抵抗フィルム６１２２との離隔寸法は、例えば、１μｍ〜１ｍｍの範囲程度である。

導電性フィルム６１２１は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に薄い金属（例えば、アルミニウムなど）で電極を形成してある。抵抗フィルム６１２２は、ＰＥＴフィルムに炭素被膜を形成してあり、抵抗フィルム６１２２全体が導電性を有するシートである。非導電性接着剤６１２３としては、例えば、ゴム系、ビニール系などの柔軟性を有する接着剤を用いることができる。

ペン先５１が表示面１０に接触することによりペン先５１が傾き、圧力センサ６１２の任意の場所が受部５１１にタッチしたとする。図１４に示すように、導電性フィルム６１２１に圧力が加わると導電性フィルム６１２１が撓み、抵抗性フィルム６１２２に接触する。この場合、導電性フィルム６１２１が抵抗性フィルム６１２２のどの部分に接触したかによって、抵抗性フィルム６１２２は、抵抗値Ｒ１の部分と抵抗値Ｒ２の部分とに分けられる。したがって、タッチした場所の判定は、電圧Ｖｃｃを抵抗値Ｒ１、Ｒ２で分圧した電圧Ｖにより判定することができる。電圧Ｖは、式Ｒ２×Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）で求めることができる。

また、導電性フィルム６１２１の抵抗値Ｒｐは、導電性フィルム６１２１に加わる圧力に比例して減少する。したがって、タッチした圧力の判定は、タッチした場所の電圧Ｖにより導電性フィルム６１２１の抵抗値Ｒｐに流れる電流Ｉにより判定することができる。電流Ｉは、式Ｒ２×Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒｐで求めることができる。

図１５は第２実施例のタッチペン５０による角度算出の一例を示す説明図である。図１５に示すように、ペン先５１を傾けた状態でペン先５１を表示面１０にタッチすると、ペン先５１の受部５１１の一か所が、ペン本体部５３の円錐部５３２の周面と接触する。圧力センサ６１２は面接触となるが、圧力センサ６１２は抵抗値が最も小さい点を荷重点として検出するので、接触点は最大荷重が加わった点となる。

この場合、図１５に示すように、帯状の圧力センサ６１２を仮に展開して考えると、圧力検出箇所は、幅方向に沿った直線状になり、符号Ａで示す点からの距離で接触箇所を検出することができる。例えば、符号Ａで示す箇所に加速度センサを取り付け、あるいは地磁気センサを取り付け、符号Ａからの距離とペン先５１の傾きとを対応付けることによりペン先５１の傾きを求めることができ、第１実施例の場合と同様にして、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができる。

上述のように、圧力センサ６１２による接触を検出するので、例えば、光又は磁力を検出する場合に比べて角度の検出精度を高めることができる。また、帯状の圧力センサ６１２を円錐部５３２の周面上に３６０度に亘って周設してあるので、ペン先５１の傾きを３６０度高精度に検出することができる。また、圧力センサ６１２を１個だけ用いることにより、複数のセンサを用いる場合に比べて、センサ間の検出誤差が生じることがない。また、符号Ａで示す点からの距離を検出するだけで、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができるので、複雑な演算が不要となり、簡易な構成とすることができる。

図１６は本実施の形態のタッチペン５０の第３実施例を示す模式図である。図１６に示すように、タッチペン５０は、円錐状のペン先５１、円筒状のペン本体部５３を備え、ペン先５１の先端が自由に傾くように（三次元変位が可能なように）、ペン先５１は、ボールジョイント５２によりペン本体部５３に取り付けられて（連結されて）いる。

ペン本体部５３のペン先５１に対向する端面には、中央部に基準方向検出部６２としての加速度センサ６２１（不図示）を固定してあり、加速度センサ６２１の周囲には、変位検出部６１としての光源６１３及び光センサ６１４の組を設けている。なお、図１６の例では、光源６１３及び光センサ６１４の組を、加速度センサ６２１の周囲に等間隔で４個設ける構成であるが、光源６１３及び光センサ６１４の組の数は４個に限定されるものではない。

それぞれの組を構成する光源６１３と光センサ６１４は、光源６１３が発した光が、ペン先５１のペン本体部５３に対向する端面で反射され、光センサ６１４で反射光を検出する。光センサ６１４で検出する光量に応じて、ペン先５１の傾きを求めることができる。例えば、ペン先５１のペン本体部５３に対向する端面が光センサ６１４に近づくほど、反射光は強くなり、光センサ６１４が出力する電圧は大きくなる。ペン先５１が傾くことにより、各光センサ６１４で受光する反射光が変化するので、複数の組の光源６１３及び光センサ６１４を配置することでペン先５１のどの方向の傾きでも求めることができる。なお、第１実施例の場合と同様にして、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができる。

図１７は本実施の形態のタッチペン５０の第４実施例を示す模式図である。図１７に示すように、タッチペン５０は、円錐状のペン先５１、円筒状のペン本体部５３を備え、ペン先５１の先端が自由に傾くように（三次元変位が可能なように）、ペン先５１は、球状のボールジョイント５２によりペン本体部５３に取り付けられて（連結されて）いる。

ボールジョイント５２には、マーカを設けてあり、マーカ撮影用の照明部６１６、マーカを撮影するカメラ６１５を配置してある。

図１８は第４実施例のタッチペン５０による角度算出の一例を示す説明図である。ペン先５１を傾けた状態でペン先５１を表示面１０にタッチすると、ペン先５１が傾いた方向と反対方向にマーカが移動するので、カメラ６１５で撮像して得られた画像上のマーカの位置（移動方向）を検出することにより、ペン先５１の傾き方向を検出することができる。なお、第１実施例の場合と同様にして、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができる。

ペン先５１の傾きを動画像として捉えることができるので、反射光を検出する方法、あるいは他のセンサ方式で検出することが難しい微小な角度、あるいはペン先５１の傾きが連続して変化するような場合でも、正確にペン先５１の動きに追従して傾きを検出し続けることが可能となる。

図１９は本実施の形態のタッチペン５０の第５実施例を示す模式図である。図１９に示すように、タッチペン５０は、磁石などの磁性体で構成された円錐状のペン先５１、円筒状のペン本体部５３を備え、ペン先５１の先端が自由に傾くように（三次元変位が可能なように）、ペン先５１は、ボールジョイント５２によりペン本体部５３に取り付けられて（連結されて）いる。なお、ペン先５１全体を磁石としてもよいが、ペン先５１のペン本体部５３に対向する端面のみを磁石としてもよく、あるいは当該端面に磁石を固定するようにしてもよい。

ペン本体部５３のペン先５１に対向する端面には、中央部に基準方向検出部６２としての加速度センサ６２１（不図示）を固定してあり、加速度センサ６２１の周囲には、変位検出部６１としてのホール素子６１７を固定してある。なお、図１９の例では、ホール素子６１７を、加速度センサ６２１の周囲に等間隔で４個設ける構成であるが、ホール素子６１７の数は４個に限定されるものではない。

各ホール素子６１７は、ペン先５１からの磁束による磁束密度に比例する電圧を出力することができる。ペン先５１が傾くことにより、ペン先５１がいずれかのホール素子６１７に近づくと、当該ホール素子６１７が出力する電圧が増加する。各ホール素子６１７が出力する電圧を検出することにより、第１実施例の場合と同様に、ペン先５１の変位（どの方向に傾いているか）を検出して、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができる。

ホール素子６１７を用いる場合には、外乱交などの影響を除去するための対策が不要である。また、ホール素子６１７を駆動するだけなので、反射光を検出する場合に比べて消費電力を抑制することができる。

図２０は本実施の形態のタッチペン５０の第６実施例を示す模式図である。図２０に示すように、タッチペン５０は、円錐状のペン先５１、円筒状のペン本体部５３を備える。ペン本体部５３の内側には、十字状の平板５３４を固定してあり、平板５３４の中央部には、柱状の支持部５３３を立設してあり、支持部５３３の先端をペン先５１に固定してある。これにより、ペン先５１の先端が自由に傾くように（三次元変位が可能なように）構成してある。

十字状の平板５３４には、支持部５３３を囲むように変位検出部６１としての４個のひずみゲージ６１８を設けている。なお、平板５３４の形状は十字状に限定されるものではなく、ひずみゲージの個数に応じて変更することができる。

図２１は第６実施例のタッチペン５０による角度算出の一例を示す説明図である。図２１に示すように、ペン先５１を傾けた状態でペン先５１を表示面１０にタッチすると、ペン先５１に固定された支持部５３３を介して平板５３４が撓む。平板５３４の撓みを各ひずみゲージ６１８で検出する。より具体的には、ひずみゲージ６１８は抵抗体であり、例えば、図２１に示すように、ひずみゲージ６１８ａは矢印が示すように伸長し、ひずみゲージ６１８ｂは矢印が示すように収縮すると、それぞれのひずみゲージの抵抗値が変化することになる。

図２２は第６実施例のひずみゲージ６１８のひずみを検出する方法の一例を示す説明図である。図２２に示すように、ひずみゲージ毎に、ひずみゲージ（抵抗値Ｒａ）及び他の抵抗（Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３）によりブリッジを構成し、増幅器を介して差動電圧Ｖａを検出する。各ひずみゲージで得られた差動電圧Ｖａを検出することにより、第１実施例の場合と同様に、ペン先５１の変位（どの方向に傾いているか）を検出して、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができる。

平板５３４の撓みをひずみゲージ６１８で検出するので、光又は磁力を検出する場合に比べて感度、精度を高めることができる。また、ペン先５１が固定されている平板５３４の撓みを直接検出するので、微弱な力が加わっただけでもひずみを検出することができ検出感度を高くすることができる。

図２３は本実施の形態のタッチペン５０の第７実施例を示す模式図である。図２３に示すように、タッチペン５０は、円錐状のペン先５１、円筒状のペン本体部５３を備える。ペン本体部５３の内側には、適長（例えば、１０ｃｍ程度）離隔して２つのボールジョイント５４を配置してある。２つのボールジョイント５４間には、ラバーなどの柔軟な材料（例えば、シリコーンゴム又はウレタンゴムなど）で構成された柱状の保持部５５を介装してある。保持部５５の側面（周面）には、曲げセンサ６１９を設けている。曲げセンサ６１９は、保持部５５の周囲に３か所以上設ける。曲げセンサ６１９は、曲げにより抵抗値が変化するひずみゲージを用いることができる。

ペン本体部５３のペン先５１側のボールジョイント５４は、ペン先５１の先端が自由に傾くように（三次元変位が可能なように）ペン先５１とペン本体部５３とを連結する。

図２４は第７実施例のタッチペン５０による角度算出の一例を示す説明図である。図２４に示すように、ペン先５１を傾けた状態でペン先５１を表示面１０にタッチすると、保持部５５が撓む。保持部５５の撓みを曲げセンサ６１９で検出する。より具体的には、曲げセンサ６１９は抵抗体であり、例えば、図２４に示すように、曲げセンサ６１９ａは収縮し、曲げセンサ６１９ｂは伸長すると、それぞれの曲げセンサの抵抗値が変化することになる。各曲げセンサ６１９の抵抗値を検出することにより（例えば、電圧に変換して検出する）、第１実施例の場合と同様に、ペン先５１の変位（どの方向に傾いているか）を検出して、基準方向に対するペン先５１の方向がなす角度を求めることができる。

柔軟な材料で構成された保持部５５に曲げセンサ６１９を設けることにより、毛筆で文字等を書いたときのような毛筆の抵抗力を再現することができ、毛筆で書いた文字等を一層リアルに再現することができる。

本実施の形態のタッチパネル装置（１００）は、表示面（１０）を備え、タッチペン（５０）のペン先（５１）が該表示面に接触したときの位置を検出し、検出した位置に毛筆状の画像を描画するタッチパネル装置であって、前記ペン先が表示面に接触した場合の該ペン先の向きを前記表示面上に射影した方向と前記表示面上の基準方向との間の角度を算出する算出部（６３）と、該算出部で算出した角度に応じて描画する毛筆状の画像の方向を決定する決定部（６４）とを備えることを特徴とする。

本実施の形態にあっては、算出部（６３）は、ペン先（５１）が表示面（１０）に接触した場合の当該ペン先の向きを表示面上に射影した方向と表示面上の基準方向との間の角度を算出する。ユーザがタッチペン（５０）を表示面に対して任意の向きに傾けた状態で表示面にペン先を接触させた場合、タッチペン全体を表示面に射影又は投影したときのタッチペンの向き、すなわちペン先の向きは、表示面上の一の方向となる。算出部は、当該一の方向と表示面上の基準方向との間の角度を算出する。これにより、ペン先が基準方向に対していずれの向きとなっているかを角度により特定することができる。

決定部（６４）は、算出部で算出した角度に応じて描画する毛筆状の画像の方向を決定する。ユーザが毛筆状の画像を書き始める場合、一般的には、筆が描画面に接触したときの画像の幅が小さく（例えば、小さな点画像の如く）、筆を次第に移動させるのに応じて画像の幅が徐々に大きく（例えば、大きな点画像の如く）なる。そこで、算出部で算出した角度に応じて毛筆状の画像（筆で描いた画像）の方向を決定することにより、ユーザの筆の移動方向（タッチペンのペン先の移動方向）を特定することができる。これにより、ユーザが、タッチペンを持って文字を書く場合に、どの向きにタッチペンを向けて書き始めるかに応じて、描画する毛筆状の画像の方向が異なるので、ユーザの意図するように毛筆の書き出し部分を描画することができる。

本実施の形態のタッチパネル装置は、前記タッチペンは、前記ペン先を取り付ける取付部（５２）を有するペン本体部（５３）を備え、前記ペン先を、前記取付部を中心に三次元変位が可能にしてあり、前記ペン本体部は、前記表示面上の基準方向を検出する基準センサ（６２）と、前記ペン先の三次元変位を検出する変位センサ（６１）とを有し、前記算出部（６３）は、前記基準センサで検出した基準方向及び変位センサで検出した変位に基づいて前記角度を算出するようにしてあることを特徴とする。

本実施の形態にあっては、タッチペン（５０）は、ペン先（５１）を取り付ける取付部を有するペン本体部（５３）を備え、ペン先を、取付部（５２）を中心に三次元変位が可能にしてある。そして、ペン本体部は、表示面上の基準方向を検出する基準センサと、ペン先の三次元変位を検出する変位センサとを有する。例えば、ペン本体部の軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交するようにＸ軸、Ｙ軸を設けた場合、ペン先は、ペン本体部に対して、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向に変位させることができる。変位センサは、例えば、圧力センサを用いることができ、ユーザがタッチペンのペン本体部を把持し、ペン先を表示面に接触させた場合、ペン本体部の傾きあるいは向きがどのような方向であっても、ペン先の変位を検出することができる。また、基準センサは、例えば、加速度センサ、あるいは地磁気センサなどを用いることができる。算出部は、基準センサ及び変位センサで検出した基準方向及び変位に基づいて角度を算出する。これにより、ユーザがタッチペンのペン本体部を把持し、ペン先を表示面に接触させた場合、ペン本体部の傾きあるいは向きがどのような方向であっても、ペン先の変位及び基準方向に基づいてペン先の向きの表示面上の方向と基準方向との間の角度を求めることができる。

本実施の形態のタッチパネル装置は、前記基準方向は、重力方向であることを特徴とする。

本実施の形態にあっては、例えば、タッチパネル装置の表示面が、直立型である場合、すなわち表示面を鉛直面に沿って縦置きするような場合、表示面上の基準方向として重力方向を用いることができる。これにより、ペン先の方向が表示面上でいずれの向きになっているかを特定することができる。

本実施の形態のタッチパネル装置は、前記基準方向は、地磁気方向であることを特徴とする。

本実施の形態にあっては、例えば、タッチパネル装置の表示面が、テーブル型である場合、すなわち表示面を水平方向に横置きするような場合、表示面上の基準方向として地磁気方向（例えば、北向きなど）を用いることができる。これにより、ペン先の方向が表示面上でいずれの向きになっているかを特定することができる。

本実施の形態の表示装置は、前述の発明のいずれか１つに係るタッチパネル装置（１００）と、前記決定部（６４）で決定した方向に向かって太幅となる毛筆状の画像を前記表示面（１０）に描画する描画部（２００）とを備えることを特徴とする。

本実施の形態にあっては、描画部（２００）は、決定部で決定した方向に向かって太幅となる毛筆状の画像を表示面に描画する。すなわち、毛筆の書き出し当初は、細幅に描き、ペン先が移動するのに応じて徐々に太幅に描く。これにより、ユーザがどの向きにペン先を移動させても、ペン先の移動方向に応じて幅が変化する毛筆状の画像を描画することができる。

１０ 表示面
２１ 受光部
２１１ フォトダイオード
２２、２５ アドレスデコーダ
２３ Ａ／Ｄコンバータ
２４ 制御部
２４１ 駆動制御部
２４２ 座標算出部
２４３ 遮光物管理部
２６ 発光部
２６１ 発光ダイオード
２７ インタフェース部
２８ 受信部
５０ タッチペン
５１ ペン先
５２、５４ ボールジョイント
５３ ペン本体部
６１ 変位検出部
６２ 基準方向検出部
６３ 角度算出部
６４ 描画方向決定部
６５ 通信部
６１１、６１２ 圧力センサ
６２１ 加速度センサ
５１１ 受部
５３１ 板部
５３２ 円錐部
６１３ 光源
６１４ 光センサ
６１５ カメラ
６１６ 照明部
６１７ ホール素子
５３３ 支持部
５３４ 平板
６１８ ひずみゲージ
５５ 保持部
６１９ 曲げセンサ

Claims (5)

1. 表示面を備え、タッチペンのペン先が該表示面に接触したときの位置を検出し、検出した位置に毛筆状の画像を描画するタッチパネル装置であって、
   前記ペン先が表示面に接触した場合の該ペン先の向きを前記表示面上に射影した方向と前記表示面上の基準方向との間の角度を算出する算出部と、
   該算出部で算出した角度に応じて描画する毛筆状の画像の方向を決定する決定部と
   を備えることを特徴とするタッチパネル装置。
2. 前記タッチペンは、
   前記ペン先を取り付ける取付部を有するペン本体部を備え、
   前記ペン先を、前記取付部を中心に三次元変位が可能にしてあり、
   前記ペン本体部は、
   前記表示面上の基準方向を検出する基準センサと、
   前記ペン先の三次元変位を検出する変位センサと
   を有し、
   前記算出部は、
   前記基準センサで検出した基準方向及び変位センサで検出した変位に基づいて前記角度を算出するようにしてあることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル装置。
3. 前記基準方向は、重力方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタッチパネル装置。
4. 前記基準方向は、地磁気方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタッチパネル装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のタッチパネル装置と、前記決定部で決定した方向に向かって太幅となる毛筆状の画像を前記表示面に描画する描画部とを備えることを特徴とする表示装置。

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