JP5807072B2 - 電子ペン - Google Patents

Description

本発明は、電子ペンに関する。

近年、プレゼンテーションの場で電子黒板等に表示した原画像に、プレゼンターが図や文字などの情報を追加可能なインタラクティブ機能を有する表示装置が使用されるようになった。この電子黒板（インタラクティブホワイトボード）とプロジェクタとを併せて設置する場合、プロジェクタが予め作成したフォーマット画像をスクリーン上に投写し、その後ユーザがフォーマット画像に加筆する。

この電子黒板において、スクリーン上に投写されたフォーマット画像と電子ペンによる加筆画像を合成するためには、電子ペンに発光部又は超音波発生部を設け、プロジェクタ本体又はスクリーンに、光又は超音波又は両者の検出部を設けて電子ペンの位置情報を検出する必要がある。

ここで、電子ペンの位置検知方法としては、例えば、１つの赤外線受光部として超広角レンズと半導体撮像素子を組み合わせ、スクリーン上の画像を画像データとして取り込み、その後の演算処理により、予め作成したフォーマット画像とを比較することで電子ペンの位置を検出する技術がある（特許文献１参照）。

特開２０１１−０５９７６８号公報

特許文献１によれば、電子ペンにより筆記された軌跡がすぐにスクリーンに反映されないため、ユーザにとって書き心地が悪い、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、電子ペンにより筆記された軌跡がすぐにスクリーンに反映できる電子ペンを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

筆記位置に関する情報を出力する電子ペンは、特定波長領域の光線を発光する発光素子と、電子ペンの被筆記面に光線を出射するペン先端部と、ペン先端部と被筆記面が接触したか否かを示す情報を出力するセンサと、センサが出力した情報に基づいて、ペン先端部と被筆記面が接触したか否かを検知する制御部と、弾性体による弾性力により、センサに加える圧力を一定に保持する保持機構と、を備え、制御部は、センサが保持機構により保持される圧力から解放された時に、ペン先端部が被筆記面に接触したと判断する。

本発明によれば、電子ペンにより筆記された軌跡がすぐにスクリーンに反映できる電子ペンを提供することができる。

システム構成図。 電子ペンの外観図。 電子ペン全体の分解斜視図。 電子ペン内部の分解斜視図。 電子ペンの断面図。 電子ペン内部の詳細な分解斜視図。 電子ペンの内部構成図。 感圧センサの配置例を示す図。 電子ペンの制御回路を示す図。 発光素子の発光分布を示す特性図。 感圧センサの特性図。 ミラー折り返し型の投写型画像表示装置を示す図。 ミラー折り返し型の投写型画像表示装置を示す図。 前面投写型画像表示装置を示す図。 前面投写型画像表示装置を示す図。

以下、実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、システム構成図である。当該システムは、投写型画像表示装置（プロジェクタ）１３１、投写型画像表示装置１３１に設けられ特定波長領域の光線を受光する受光部（超広角レンズと半導体撮像素子の組み合わせ）１３４、被筆記面（ホワイトボードや電子黒板等のスクリーン）１２９、及び、電子ペン１からなる。ここでは、電子ペン１により、線１３０が描画されている様子を示す。

本実施例では、特定波長領域の光線とは、赤外線であるとして説明する。電子ペン１は、ユーザの筆記時にペン先から赤外線を出射する。ユーザが電子ペン１で擬似的に筆記した軌跡を、電子ペン１から出射されている赤外線を受光することにより受光部１３４が認識する。受光部１３４は、電子ペン１から出射されている赤外線及び当該赤外線が出射されている位置を、電子ペン１の位置情報（画像データ）として取り込み、作画装置に送信する。

作画装置は、当該画像データを受光部１３４から受信すると、予め作成されているフォーマット画像と比較して演算処理を行う。即ち、電子ペン１による赤外線の出射位置（筆記位置）の軌跡から、認識した軌跡に関する画像データを生成し、当該軌跡に関する画像を元画像に重畳する。そして、重畳された画像データを投写型画像表示装置１３１に送信する。投写型画像表示装置１３１は、ここで受信した画像をスクリーン１２９上に投写する。これにより、スクリーン１２９上に、電子ペンで筆記した軌跡が表示されることになる。

作画装置は、投写型画像表示装置１３１に内臓されていてもよいし、当該装置１３１に接続されたＰＣ（Personal Computer）であってもよい。

次に、電子ペン１の構成について説明する。図２は電子ペンの外観図（（Ａ）は全体の外観図、（Ｂ）はペン先からみた図）、図３は電子ペン全体の分解斜視図、図４は電子ペン内部の分解斜視図である。

電子ペン１は、筆記する際に用いられる所謂ペンを模した形状であり、その外観は、ペン先端部５（ペン先保持部５１、ペン先５２）、ペン先端部５の保持部（キャップ）４、上部筺体３１、下部筺体３２、切り込み部３１ａ、外部スイッチ３３、表示用ＬＥＤ３４、フック２１、及びペン尻２からなる。

ペン先端部５は、ペン先５２をペン先保持部５１に挿入することで形成され、キャップ４で保持固定される。キャップ４は、ペン先端部５が被筆記面１２９に平行する方向に受ける筆圧を緩衝する。上部筐体３１及び下部筺体３２は、電子ペン１の外装の一部を構成する部材であり、電子ペン１の中心を通る仮想軸Ａｘに沿って２分割された略円筒形状であり、接合した際の一方の端部は開口した容器形状を成す。又、筺体内部の部品を固定収納できるように、内壁面に幾つかの固定用リブ３２１を設けている。

切り込み部３１ａは、筆記する際の親指と人差し指によるグリップ感を改善するため、及び、机上に置いた場合に不可抗力等で発生する転がり防止のため、握り部分に設けられている。

上述した部材を収納した下部筐体３２に上部筐体３１を重ね、一方の端部に設けた雄ネジとキャップ４の内面に設けた雌ネジ溝により機械的に結合する。もう一方の端部はフック２１を設けたペン尻２を圧入することで機械的に結合する。

発光素子７としては、例えば、図１０に示す指向特性（光の発散特性）を有する発光ダイオードがある。発光ダイオードを用いると、寿命が長く、コストを低く抑えられるという効果がある。

その他の光源としては、発散角が小さくエネルギーの光変換効率に優れた赤外レーザダイオードがある。この場合、レーザ光は発散角が小さく直線性に優れているため、ペン先保持部５２には光拡散効果の高い部材を使用すると良いが、受光部１３４に向かう赤外光が増えるように指向特性を持たせても良い。

尚、電子ペン１は、発光素子７への供給電源として電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Electric Double Layer Capacitor）や乾電池などを内臓するため、略円筒形状を成している。図５には、ＥＤＬＣ１００として、外部電源からの充電制御ための制御回路１０１１、及び２個の電源１１０及び１１１が使用されている例を示す。

電子ペン１は、ペン先端部５の中心を通る仮想軸Ａｘに沿って配置された複数の中空部材から成る。電子ペン１の内部では、被筆記面１２９からペン先端部５、発光素子７、検出部７５の順に配置されている。

図５は電子ペンの断面図である。ここでは、発光素子７、検出部７５、基材７６等を仮想軸Ａｘ方向に分解して示している。発光素子７は、ペン先端部５に配設され、回路基板８の片面に設けた発光素子駆動回路（コネクタ１０２で発光素子７のコネクタ１０３と接続（図７（Ａ）））により発光制御される。これにより、ペン先端部５が赤外光を出射する。

発光素子７は、第一の中空部材７１に、ペン先端部５側から挿入され、円筒形の支持部材７１３のペン先端部５側端面で固定される。支持部材７１３の外周部にはバネ性を持った凸部７１１を備え、第二の中空部材７４（７４１、７４２、７４３の３つの部分から成立）の円筒内面に沿ってスライドすると、当該凸部７１１は、同じく円筒内面に設けた穴部７４２１に嵌合する。この時、バネ材７２の一方の端は第二の中空部材７４の円筒面に設けた壁面により固定される。

又、第一の中空部材７１の他方の端面部は、電子ペン１の中心を通る仮想軸Ａｘに略平行となるように分割され、その外周部には返り部７１２を設けている。

発光素子７、第一の中空部材７１及びバネ材７２を、電子ペン１の中心を通る仮想軸Ａｘに沿って延出する円筒状の第二の中空部材７４に挿入し、固定部材７３により第二の中空部材７４の内部に固定する。固定部材７３の底面には貫通穴７３４を設け、第一の中空部材７１の端面外周部に設けた返り部７１２は、貫通穴７３４に嵌合することにより固定部７３と結合固定される。

発光素子７は、リード線７０１が第二の中空部材７４に挿通された状態で第二の中空部材７４のペン先側の端部に取り付けられている。又、リード線７０１は第二の中空部材７４の他方の端部から引き出され、発光素子駆動基板１０２（図７（Ａ））にコネクタ１０２及び１０３によって電気的に接続される。

第二の中空部材７４の外周部は、中央部７４２に比べ発光素子７を固定するペン先側部７４３が細く、このペン先側部７４３にペン先５２の保持部分５１を挿入保持し、仮想軸Ａｘ方向の位置は中央部７４２とペン先側部７４３の外径差で生じる段差部分の端面で決定される。

更に、第二の中空部材７４の他方の端部は外周方向に張り出した略円板状の張り出し部７４１が形成されている。この張り出し部７４１の一部には軸Ａｘに向かって窪んだ切り欠き部７４１１が形成され、この切り欠き部７４１１と固定部材７３の円筒面に設けた平坦部に信号ケーブル７５１を通し、回路基板８に設けた感圧センサ駆動基板１０１の感圧センサ端子１０４と接続される。 次に、ペン先５２が被筆記面１２９に接触した際の接触状態及び筆圧を検出するための検出部７５について説明する。

図６において、検出部７５は、基材７６、感圧センサ固定部材７５２、信号ケーブル７５１、第一の中空部材７１、第二の中空部材７４、及び、張り出し部７４１とから構成される。基材７６は、その円周上に、３つのピン７６１を備える。感圧センサ固定部材７５２は、その円周上に、３つの感圧センサ７５３、及び、３つの貫通穴７５６を備える。この３つの貫通穴は、上記３つのピンに対応し、それぞれのピンが、対応するそれぞれの貫通穴に嵌合する。これにより、感圧センサ固定部材７５２の位置が決まり、感圧センサ７５３に略一定圧力を加えることができる。

感圧センサ７５３は、第一の中空部材７１の外周部に配設されたバネ材７２のバネ力によって第二の中空部材７４の張り出し部７４１のペン先側面と基材７６の間に略一定圧力で保持される。

図７は電子ペンの内部構成図であり、（Ａ）は電子ペン１がＯＦＦ状態（ペン先端部５が被筆記面１２９に接触していない状態）、（Ｂ）は電子ペン１がＯＮ状態（ペン先端部５が被筆記面１２９に接触している状態）を示す。（Ａ）の場合、感圧センサ７５３に一定圧力が加わっており、（Ｂ）の場合、感圧センサ７５３にバネ材７２による圧力が加わっていない。

図９は、感圧センサからの出力を検出する検知回路１２２を含む回路図である。検知回路１２２は、回路基板８の発光素子駆動回路１０２上に実装されている。ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２１は、検出値と予め設定していた値とを比較処理（複数の感圧センサ端子１２３の電圧変化を比較）することで電子ペン１がＯＮ状態、又は、ＯＦＦ状態であることを電気的に検知する。より具体的には、ＣＰＵ１２１は、感圧センサ７５３にバネ材７２による圧力が加わっている場合は電子ペン１がＯＦＦ状態であると判断し、感圧センサ７５３にバネ材７２による圧力が加わっていない場合は電子ペン１がＯＮ状態であると判断する。即ち、感圧センサ７５３に一定圧力を常に加えておき当該圧力がなくなった時に電子ペン１のＯＮ状態を検知するようにしたため、感圧センサに圧力を加えることによって電子ペンのＯＮ状態を検知する方法に比べて、より早く電子ペンの軌跡を被筆記面上に反映できる。

１２５は電子ペン１の電源を示し、発明者らの試作品では軽量化のためＥＤＬＣを使用し電源回路１２０により外部電源から充電と電源変動などを軽減できる構成とした。

図１１（Ａ）は発明者らが感圧センサとして実験で使用した抵抗型感圧センサの特性を示す図であり、グラフの横軸（負荷）に対する抵抗値の変化を示している。負荷の変化に対して抵抗値の変化量が大きい５００ｇｆ以下のバネ力が加わるようにバネ材のバネ力を選択すると、電子ペン１のＯＮ状態とＯＦＦ状態を明確に検知できることを見出した。同様に、周囲温度を、０度、２５度、５０度と変化させた場合には、抵抗型感圧センサの（負荷）に対する抵抗値変化に温度特性を持つので特性が比較的に安定している５００ｇｆ以下領域のバネ力が加わるようにバネ材のバネ力を選択すると更に良い。

図１１（Ｂ）は上記抵抗型感圧センサの繰り返し加圧（ここでは、１０回の加圧）により特性がどこまで復帰するかを検討した結果を示す図であり、１０回加圧後では同じ負荷を加えても抵抗値が小さくなった。このため、電子ペン１を全く使用しない場合（保管する場合）には電子ペン１がＯＦＦ状態、即ち感圧センサに負荷を加えないように電子ペン１のペン先を押し続けながら保管する保管手段を備えると良い。これにより、バネ材のバネ力が低下することも軽減される。

一方、電子ペン１がＯＮ状態、即ち、ペン先５が被筆記面１２９に接触している場合、感圧センサ７５３は検出部７５の基材７６と第一の中空部材７１の外周部に配設されたバネ材７２のバネ力によって第二の中空部材７４の張り出し部７４１のペン先側面の間で付加されていた圧力から開放されて無負荷状態となる。この結果、抵抗型感圧センサからの出力（抵抗値）はほぼ無限大となり、これを、上記同様、検知回路１２２が検出し、ＣＰＵ１２１が電子ペン１がＯＮ状態であることを検知する。

更に、筆圧を検知して電子ペン１の筆跡情報の太さ（描画された線の太さ）を変更するには、負荷の変化に対して抵抗値の変化量が大きい５００ｇｆ以下の領域を使用することで筆圧変化を大きな抵抗値変化として検出できる。これを、上記同様、検知回路１２２が検出し、検出値と予め設定していた複数の筆圧に対する値とをＣＰＵ１２１が比較処理することで電子ペン１に加えられた筆圧を電気的に検知する。

尚、上記実施例では、感圧センサを３個使用する場合（図８（Ａ））について説明したが、より高精度に筆圧を検知したり、電子ペン１の筆跡に基づく今後のペンの移動方向を推定するため、感圧センサの使用数を増やしてもよい。例えば、４個の感圧センサを、それぞれ円周方向に等分割して９０度毎に配置したり（図８（Ｂ））、更に検知精度及び分解能を向上させるため、６個の感圧センサを、それぞれ円周方向に等分割して６０度毎に配置してもよい（図８（Ｃ））。

上記実施例では、基材７６及び筐体の受け面３１１、３２１は仮想軸Ａｘに直交した平面としたが、基材７６及び筐体の受け面３１１、３２１の形状をペン先と反対側に凸面又は凹面とし、張り出し部７４１のペン先側面も合わせて凸面又は凹面としてもよい。これにより、バネ材７２のバネ力によって張り出し部７４１のペン先側面と基材７６の間に略一定圧力で保持され、電子ペン１のペン先が斜め方向から被筆記面１２９に接触しても接触角に関わらず一定圧力を感圧センサに加えることができる。

図１２は、画像をスクリーンへ導くミラー１３３を備えたミラー折り返し型の投写型画像表示装置１３１（以下、本体ともいう）を示す図である。ここでは、本体１３１に受光部１３４を、固定用バンド１３５により外付けされている状態（本体外部に取り付け固定されている状態）を示している。

受光部１３４の半導体撮像素子内蔵部分は、本体１３１に対して取り付け角度を可変できる構造としている。尚、誤動作を軽減するため、リモコンからの光線を受光する受光部１３２、及び、電子ペン１からの光線を受光する受光部１３４を、異なる平面上に配置するのが好ましい。

図１３は、ミラー折り返し型の本体１３１の別の形態を示す図である。ここでは、受光部１３４を本体１３１に内蔵した状態を示している。受光部１３４を投写レンズ近傍（もしくは、ミラー１３３の開閉部分近傍）に配置している。尚、誤動作を軽減するため、受光部１３４の超広角レンズ光軸とリモコンの受光部１３２の光軸の垂線が所定の角度をなすように配置するのが好ましい。

図１４は、前面投写型画像表示装置１３１を示す図である。ミラー折り返し型でない点以外は、図１２と同じである。

図１５は、前面投写型画像表示装置１３１の別の形態を示す図である。ミラー折り返し型でない以外は、図１３と同じである。

以上、本実施例によれば、感圧センサに一定圧力を常に加えておき当該圧力がなくなった時に電子ペンのＯＮ状態を検知するようにしたため、感圧センサに圧力を加えることによって電子ペンのＯＮ状態を検知する方法に比べて、より早く電子ペンの軌跡を被筆記面上に反映できる。又、電子ペンで筆記した軌跡と被筆記面上での筆記位置に関する表示画像のずれ量が画面位置により異なるということがなくなる。又、ペン先が被筆記面に接触した時の筆圧に応じて筆記した軌跡の太さも表示画像としてすぐに反映できる。更に、ペン先と被筆記面に筆記した軌跡から電子ペンの移動方向もすぐに検知できる。

従って、ユーザが通常使用する筆記器具で紙面上に文字などを筆記する場合と同様の感覚で違和感無く筆記できる電子ペンを提供することができる。

１…電子ペン、２…端部、２１…フック、３１…上部筐体、３２…下部筐体、３１ａ…切り込み部、３３…外部スイッチ、３４…表示用ＬＥＤ、４…キャップ、５…ペン先端部、５１…ペン先保持部、５２…ペン先。

Claims (5)

1. 筆記位置に関する情報を出力する電子ペンにおいて、
   特定波長領域の光線を発光する発光素子と、
   前記電子ペンの被筆記面に、前記光線を出射するペン先端部と、
   前記ペン先端部と前記被筆記面が接触したか否かを示す情報を出力するセンサと、
   前記センサが出力した情報に基づいて、前記ペン先端部と前記被筆記面が接触したか否かを検知する制御部と、
   弾性体による弾性力により、前記センサに加える圧力を一定に保持する保持機構と、を備え、
   前記制御部は、前記センサが前記保持機構により保持される圧力から解放された時に、前記ペン先端部が前記被筆記面に接触したと判断するものであり、
   さらに、
   前記ペン先端部中心を通る仮想軸に沿って延出された複数の中空部材を備え、
   前記複数の中空部材のうち第一の中空部材は、一端に前記発光素子、他端に返りを、外壁面に突起部を備え、
   前記突起部と前記返りとの間に前記弾性体を備え、
   前記複数の中空部材のうち第二の中空部材は、前記第一の中空部材が前記仮想軸に対して傾倒しないように内壁面の一部で支持すると共に、前記第二の中空部材の一端には前記第一の中空部材の外形より大きく前記弾性体の外形より小さい内径の円筒軸を備える、
   電子ペン。
2. 前記被筆記面から、前記ペン先端部、前記発光素子、前記センサの順に配置される、請求項１記載の電子ペン。
3. 前記発光素子は、発光ダイオードである、請求項１または２に記載の電子ペン。
4. 前記センサは、圧電抵抗素子である、請求項１または２に記載の電子ペン。
5. 請求項１乃至４の何れか一に記載の電子ペンと、
   広角レンズ及び半導体撮像素子からなる受光部と、
   前記電子ペンの備える前記発光素子の発光点の軌跡を前記半導体撮像素子で画面情報として取り込み、予め作成したフォーマット画像と比較することで電子ペンの位置を検出すると共に、映出した元画像に前記発光点の軌跡を重畳表示する表示部を備える、投写型映像表示装置。

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