JPWO2019012790A1 - 電子ペン及び位置検出システム - Google Patents

Abstract

電子ペン及び位置検出システムに関し、簡単な構成で、種々の調整を行う必要もなく、紙に鉛筆で文字等を書くのと同等の書き味を実現する。先端部（１１ａ）に掛けられる筆圧に応じて、芯体（１１）が筆圧検出部１２を押圧する。筆圧検出部は、筆圧検出素子（１２ａ）と２以上の部分からなる弾性部材（１２ｂ、１２ｃ）とを備え、筆圧が掛けられた初期段階では弾性部材（１２ｂ）が作用し、所定値以上の筆圧が加えられた場合には、弾性部材（１２ｂ、１２ｃ）が並列に作用し、筆圧検出素子（１２ａ）に掛かる筆圧を段階的に調整できる。これにより、筆圧検出素子（１２ａ）の筆圧検出特性を目的とする特性にすることができる。【選択図】図４

Description

この発明は、指示位置を検出する位置検出装置に対して位置を指示する電子ペンと、当該電子ペンと位置検出装置とからなる位置検出システムとに関する。

近年の電子化により、パーソナルコンピュータなどのデジタル機器への入力デバイスとして電子ペンと位置検出装置とからなる位置検出システムが用いられている。電子ペンにおいては、正確に位置（座標）を指示することができると共に、ペン先にかかる筆圧を適切に検出できるようにすることが重要視されている。例えば、紙に対して鉛筆で文字や絵を書くのと同じ感覚で、電子ペンによって位置検出装置を通じてデジタル機器に対して文字等を入力するためには、電子ペンのペン先に加わる微妙な力（筆圧）の変化を検出できなければならないからである。

従来から、インダクタンスの変化に応じて筆圧を検出する方式がある。この方式は、フェライトに巻回されたコイルに対して、筆圧に応じてフェライトチップが近づいたり離れたりするようにし、これにより変化する当該コイルのインダクタンスに応じて筆圧を検出する。また、可変容量コンデンサを用いて筆圧を検出する方式がある。この方式は、共振回路に並列に接続される誘電体を電極で挟んで構成する可変容量コンデンサについて、筆圧に応じて一方の電極が誘電体に近づいたり離れたりすることにより変化する静電容量に応じて筆圧を検出する。

前者のインダクタンスを用いる方式の場合、電子ペンを傾けたり、電子ペンのペン先を上に向けたりするとインダクタンスが変化し、筆圧の誤検出が発生する場合がある。そこで、後に記す特許文献１には、コイルが巻回されフェライトコアと他のフェライトとの間にバネなどを設けて、筆圧を検出しない不感帯を設け、真に筆圧が掛けられた場合にのみこれを検出できるようにする発明が開示されている。このため、インダクタンスを用いる方式の場合には、僅かな筆圧を正確に検出できない場合があり、紙に鉛筆で書く場合のような繊細な書き味を実現することは難しい。

後者の可変容量コンデンサを用いる方式の場合、ペン先にかかる僅かな筆圧も検出できるため、紙に鉛筆で書く場合に近い書き味を実現することができ、電子ペンにおいて広く用いられている。一方で可変容量コンデンサの構成がやや複雑になる。また、可変容量コンデンサを構成する誘電体の厚さ、誘電体を挟む電極の大きさ、誘電体に対して近づけたり離れたりする電極としての導電ゴムの硬度や形状など、種々の点で細かな調整が可能であり、所望の特性を得ることができる。しかし、この調整に手間がかかる場合がある。

また、別の筆圧検出方式として、後に記す特許文献２には、印加される圧力に応じた電圧を発生させる圧電素子（ピエゾ素子）を用いて筆圧を検出する構成を備えた電子ペンに関する発明が開示されている。圧電素子は構成が簡単で、圧力がかけられたときの変形（偏倚）は微小であるものの、圧力の検出範囲が非常に広く、しかも印加された圧力の変化を電圧として取り出せるため、取り扱いがしやすいという有利な点がある。

特開２０１３−１９１１６８号公報 特開平７−３２５６５８号公報

上述したように、筆圧検出に圧電素子を用いることには有利な点もあるが不利な点もある。不利な点の１つは、印加圧力と出力電圧との関係が急峻な線形変化であることが挙げられる。すなわち、圧電素子の場合、一定以上の圧力がかけられると、その後においては少しの圧力が加わっただけで急激に出力電圧が増える。このため、紙に鉛筆で線などを書く場合のような筆圧の変化を形成することが難しい。

つまり、紙に鉛筆で線などを書く場合を考えると、鉛筆が紙に触れると黒鉛が紙に残る。そして、書いている最中は鉛筆を紙にある程度強く押し付けても見た目の変化は少ない。従って、鉛筆で紙に文字や絵を書くのと同じ書き味を実現するためには、書き始めは十分感度がよく、書いている最中は加える筆圧に応じて検出感度をなだらかにする（急峻でなくする）必要がある。しかし、圧電素子ではこのような特性の筆圧の変化に応じた出力を形成することは難しい。

また、別の不利な点として、圧電素子の場合、構成が非常に単純である反面、微調整とカスタマイズが上述した可変容量コンデンサのように詳細にはできない。という点が挙げられる。つまり、筆圧検出に関し所望の特性が得られるように圧電素子に対して微調整をすることができないため、圧電素子の電子ペンへの適用は難しい。また、圧電素子の場合、ある程度の圧力、例えば数グラム程度の圧力をかけないと出力電圧が得られない。この点も、鉛筆が紙に少し触れただけでも、黒鉛が紙に残るといった書き味を実現することができない１つの原因になっている。

以上のことに鑑み、この発明は、電子ペン及び電子ペンと位置検出装置とからなる位置検出システムに関し、簡単な構成で、種々の調整を行う必要もなく、紙に鉛筆で文字等を書くのと同等の書き味を実現することを目的とする。

上記課題を解決するため、
ペン形状の筐体の端部から先端部が突出するようにされると共に、前記先端部に印加される筆圧に応じて軸心方向に移動可能に配置された芯体と、
前記筐体内に配置され、前記芯体によって押圧される筆圧検出部と
を備え、
前記筆圧検出部は、
印加された圧力に応じた電気信号を出力する筆圧検出素子と、２以上の部分からなる弾性部材とを備え、所定値以上の筆圧が加えられた場合に、前記弾性部材の２つ以上の前記部分が並列に作用する
ことを特徴とする電子ペンを提供する。

この電子ペンによれば、ペン形状の筐体には芯体と筆圧検出部とが配置される。芯体は筐体の端部からその先端部が突出するようにされており、芯体の先端部に掛けられる筆圧に応じて、軸心方向に移動可能にされている。このため、先端部に掛けられる筆圧に応じて、芯体が筆圧検出部を押圧する構成になっている。筆圧検出部は、筆圧検出素子と２以上の部分からなる弾性部材とを備えており、所定値以上の筆圧が加えられた場合に、当該弾性部材の２つ以上の部分が並列に作用するようにされている。

このため、筆圧が掛けられた初期段階では当該弾性部材の１つの部分が作用し、所定値以上の筆圧が加えられた場合には、当該弾性部材の２つ以上の部分が並列に作用するというように、筆圧検出素子に掛かる筆圧を段階的に調整される。これにより、筆圧検出素子からの筆圧に応じた出力特性（筆圧検出特性）を目的とする特性にすることができる。したがって、簡単な構成で、種々の調整を行う必要もなく、鉛筆で紙に書くのと同等の書き味を実現することも可能となる。

実施の形態の電子ペンの外観と、電子ペンが用いられて情報の入力が行われるタブレット型情報端末の外観とを示す図である。 筆圧検出部の構成例を説明するための図である。 筆圧検出部を構成する各構成部材の偏倚特性と筆圧検出部全体の偏倚特性につて説明するための図である。 実施の形態の電子ペンの主要部の構成例を説明するための図である。 筆圧検出素子の出力特性（図５（Ａ））と、筆圧検出部全体の出力特性（図５（Ｂ））を示す図である。 実施の形態の電子ペンの概略構成を説明するためのブロック図である。 実施の形態の位置検出装置の概略構成を説明するためのブロック図である。 筆圧検出部の他の構成例を説明するための図である。

以下、図を参照しながら、この発明による電子ペンと位置形成システムの実施の形態について説明する。電子ペンと位置検出装置とからなる位置検出システムには、例えば、アクティブ静電結合方式（ＡＥＳ（Active Electrostatic）方式）のものや電磁誘導方式（ＥＭＲ（Electro Magnetic Resonance technology）方式）のものなどがある。この発明はアクティブ静電結合方式（ＡＥＳ（Active Electrostatic）方式）のものに適用した場合を例にして説明する。

［電子ペン１の外観の一例］
図１は、この実施の形態の電子ペン１の外観と、電子ペン１が用いられて情報の入力が行われるタブレット型情報端末２の外観とを示す図である。電子ペン１の外観は、ペン型の筐体１５から芯体１１の先端部１１ａが突出した構成を有する。筐体１５内には、詳しくは後述するが、芯体１１と筆圧検出部１２が配置されている。

芯体１１は、筐体１５から突出した先端部１１ａに加えられる筆圧に応じて、軸心方向に移動可能になっている。すなわち、芯体１１は筆圧に応じて筐体１５内に押し込まれたり、押し出されたりする構成を備えている。そして、芯体１１が筆圧検出部１２を押圧し、筆圧検出部１２において、筆圧を検出する構成になっており、電子ペン１は、タブレット型情報端末２の表示画面２Ｄ上の位置を指示すると共に、検出した筆圧をも通知する信号を送出する構成を備える。

一方、タブレット型情報端末２は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示デバイスの比較的に大きな表示画面２Ｄが露呈する構成を有する。表示画面２Ｄの裏部には、表示画面２Ｄ上のどの位置を電子ペン１により指し示した場合にもその指示位置が検出できるように、表示画面２Ｄの全面に対応するセンサ部を有する位置検出装置２００が搭載されている。

なお、位置検出装置２００のセンサ部は、表示画面２Ｄの裏部（背面）に設けられる場合もあれば、表部（表面）に設けられる場合もある。この例では、センサ部は、透明な構成とされ表示画面２Ｄの上側（表部）に設けられているものとする。また、タブレット型情報端末２の筐体内部には、表示デバイス（ＬＣＤ等）や位置検出装置２００が接続され、種々の情報処理を行う情報処理装置部（図示せず。）が搭載されている。

このように、タブレット型情報端末２は、電子ペン１と位置検出装置２００とからなる位置検出システムがメインの入力デバイスとなっている情報処理装置である。なお、表示画面２Ｄ上には例えば保護ガラスなどが設けられており、当該保護ガラスを介して表示画面２Ｄ上を操作面として電子ペン１により指示入力を行うことができるようになっている。

そして、タブレット型情報端末２において、表示画面２Ｄ上で、電子ペン１により位置指示操作がされたとする。この場合、表示画面２Ｄの表部に設けられた位置検出装置２００のセンサ部からの検出出力に基づいて、位置検出装置２００が備える処理部が、表示画面２Ｄでの指示位置を特定する。当該処理部で特定された指示位置を示す情報は、タブレット型情報端末２に搭載されている情報処理装置部に供給され、これに応じた処理を行うことができる。

［筆圧検出部１２の構成例］
そして、この実施の形態の電子ペン１においては、筆圧検出部１２の構成に特徴がある。上述もしたように、筆圧検出部１２は、先端部１１ａに印加される筆圧に応じて軸心方向に移動する芯体１１によって押圧された場合に、当該筆圧を適切に検出することができるものである。この実施の形態の筆圧検出部１２は、筆圧検出素子と、当該筆圧検出素子に対して印加される筆圧を段階的に調整するようにするための弾性部材を備えて構成される。以下に説明する実施の形態においては、より具体的に、筆圧検出素子に対して印加される筆圧を２段階で調整するために、筆圧検出素子に対して２つの弾性部材を並列に配置して筆圧検出部１２を構成する場合について説明する。

図２は筆圧検出部１２の構成例を説明するための図である。図２においては、筆圧検出部１２について代表的な３つの構成例１２（１）、１２（２）、１２（３）を示している。いずれの構成例の場合にも、芯体１１により押圧される押圧部材１２ｘと、筆圧を後端側に逃がさないようにするためのストッパ１２ｙとの間に、筆圧検出素子１２ａと、２つの弾性部材とを並列に設けて構成したものである。

筆圧検出素子１２ａには、圧電素子、ゲージ式圧力センサ素子、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた可変容量コンデンサチップ（素子）など、種々のものがある。圧電素子は、最も簡単な構成のものは例えば水晶やセラミックなどの圧電体を２枚の電極で挟んだものとして実現でき、圧電体に加えられた圧力に応じた電圧を発生させることができるものである。

ゲージ式圧力センサ素子には、歪ゲージ式、金属ゲージ式、半導体ゲージ式などがあるが、いずれもダイヤフラムの表面に例えば４個のゲージ抵抗を配置し、圧力によってゲージ抵抗の抵抗値が変化することを利用して圧力を測定するものである。ＭＥＭＳ技術を用いた可変容量コンデンサ素子は、筆圧に応じて静電容量が変化する可変容量コンデンサを、ミクロンレベルの構造を持つ半導体デバイスからなるＭＥＭＳチップとして構成したものである。

また、上述した各素子に用いられている技術を複合的に用いて筆圧（圧力）を検出することができる素子を構成することもできる。このように、筆圧検出素子には種々のものがあるが、この明細書において筆圧検出素子１２ａは、筆圧に応じた電気信号を出力することができる最小単位の部材を意味している。そして、以下の説明において、筆圧検出素子１２ａは、圧電素子である場合を例にして説明する。

そして、図２（Ａ）に示す筆圧検出部１２（１）は、２つの弾性部材として２つのコイルバネ１２ｂ１、１２ｃ１を用いる場合の例である。図２（Ａ）に示すように、第１のコイルバネ１２ｂ１は、第２のコイルバネ１２ｃ１に対して直径が小さいものである。また、第１のコイルバネ１２ｂ１は、第２のコイルバネ１２ｃ１に対して力が掛かっていない状態での全長が長いものである。そして、第２のコイルバネ１２ｃ１の内側に第１のコイルバネ１２ｂ１を配置することにより、第１のコイルバネ１２ｂ１と第２のコイルバネ１２ｃ１とを並列に配置する構成としている。

図２（Ａ）に示す筆圧検出部１２（１）の場合には、芯体１１に筆圧が印加されると、まず、第１のコイルバネ１２ｂ１を介して筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が印加される。この後、芯体１１への筆圧が徐々に大きくなっていき、第１のコイルバネ１２ｂ１の全長が第２のコイルバネ１２ｃ１の全長より短くなるまで縮み、更に筆圧が徐々に大きくなっていったとする。この場合には、芯体１１により押圧される押圧部材１２ｘによって第２のコイルバネ１２ｃ１も押圧される。

すなわち、芯体１１に加わる筆圧が所定値に至るまでは、第１のコイルバネ１２ｂ１が筆圧検出素子１２ａに作用して、筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が加わる。この後、筆圧が増加し所定値以上になると、第１のコイルバネ１２ｂ１が筆圧検出素子１２ａに作用すると共に、第２のコイルバネ１２ｃ１が押圧部材１２ｘに作用する。この場合、第２のコイルバネ１２ｃ１により、筆圧検出素子１２ａに加わる筆圧が減じるようにされる。このように、第１のコイルバネ１２ｂ１に加えて、第２のコイルバネ１２ｃ１も並列に作用することになり、第１のコイルバネ１２ｂ１と第２のコイルバネ１２ｃ１との両方を介して筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が印加されることになる。

図２（Ｂ）に示す筆圧検出部１２（２）は、２つの弾性部材として、例えばそれぞれ柱状に形成された第１の弾性部材１２ｂ２と第２の弾性部材１２ｃ２を用いる場合の例である。図２（Ｂ）に示すように、第１の弾性部材１２ｂ２は、第２の弾性部材１２ｃ２に対して力が掛かっていない状態での全長が長いものである。その他の例えば両端面の形状、大きさは、第１の弾性部材１２ｂ２と第２の弾性部材１２ｃ２とは同じものである。そして、図２（Ｂ）に示したように、第１の弾性部材１２ｂ２と第２の弾性部材１２ｃ２とを並べて配置することにより、第１の弾性部材１２ｂ２と第２の弾性部材１２ｃ２とを並列に配置する構成としている。

図２（Ｂ）に示す筆圧検出部１２（２）の場合には、芯体１１に筆圧が印加されると、まず、第１の弾性部材１２ｂ２を介して筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が印加される。この後、芯体１１への筆圧が徐々に大きくなっていき、第１の弾性部材１２ｂ２の全長が第２の弾性部材１２ｃ２の全長より短くなるまで縮み、更に筆圧が徐々に大きくなっていったとする。この場合には、芯体１１により押圧される押圧部材１２ｘによって第２の弾性部材１２ｃ２も押圧される。

すなわち、芯体１１に加わる筆圧が所定値に至るまでは、第１の弾性部材１２ｂ２が筆圧検出素子１２ａに作用して、筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が加わる。この後、筆圧が増加し所定値以上になると、第１の弾性部材１２ｂ２が筆圧検出素子１２ａに作用すると共に、第２の弾性部材１２ｃ２が押圧部材１２ｘに作用する。この場合、第２の弾性部材１２ｃ２により、筆圧検出素子１２ａに加わる筆圧が減じるようにされる。このように、第１の弾性部材１２ｂ２に加えて、第２の弾性部材１２ｃ２も作用することになり、第１の弾性部材１２ｂ２と第２の弾性部材１２ｃ２との両方を介して筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が印加されることになる。

図２（Ｃ）に示す筆圧検出部１２（３）は、２つの弾性部材として、柱状に形成された第１の弾性部材１２ｂ３と筒状に形成された第２の弾性部材１２ｃ３を用いる場合の例である。図２（Ｃ）に示すように、第１の弾性部材１２ｂ３は、第２の弾性部材１２ｃ３に対して力が掛かっていない状態での全長が長いものである。第２の弾性部材１２ｃ３は、軸心方向に２つに切断し、その前側部分を取り除いて示したように、中心部分が中空となっており、その中空部分に第１の弾性部材１２ｂ３が挿入されて配置される。これにより、第１の弾性部材１２ｂ３と第２の弾性部材１２ｃ３とを並列に配置する構成としている。

図２（Ｃ）に示す筆圧検出部１２（３）の場合には、芯体１１に筆圧が印加されると、まず、第１の弾性部材１２ｂ３を介して筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が印加される。この後、芯体１１への筆圧が徐々に大きくなっていき、第１の弾性部材１２ｂ３の全長が第２の弾性部材１２ｃ３の全長より短くなるまで縮み、更に筆圧が徐々に大きくなっていったとする。この場合には、芯体１１により押圧される押圧部材１２ｘによって第２の弾性部材１２ｃ３も押圧される。

すなわち、芯体１１に加わる筆圧が所定値に至るまでは、第１の弾性部材１２ｂ３が筆圧検出素子１２ａに作用して、筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が加わる。この後、筆圧が増加し所定値以上になると、第１の弾性部材１２ｂ３が筆圧検出素子１２ａに作用すると共に、第２の弾性部材１２ｃ３が押圧部材１２ｘに作用する。この場合、第２の弾性部材１２ｃ３により、筆圧検出素子１２ａに加わる筆圧が減じるようにされる。このように、第１の弾性部材１２ｂ３に加えて、第２の弾性部材１２ｃ３も作用することになり、第１の弾性部材１２ｂ３と第２の弾性部材１２ｃ３との両方を介して筆圧検出素子１２ａに対して筆圧が印加されることになる。

なお、図２に示した構成例において、第１の弾性部材１２ｂ２、１２ｂ３と第２の弾性部材１２ｃ２は、円柱であってもよいし、多角柱であってもよい。また、第２の弾性部材１２ｃ３は、円筒であってもよいし、角筒であってもよい。また、第１、第２のコイルバネ１２ｂ１、１２ｃ１、第１の弾性部材１２ｂ２、１２ｂ３、第２の弾性部材１２ｃ２、１２ｃ３のそれぞれの長さや底面の広さなどは適宜の調整が可能である。また、図２（Ｂ）示した筆圧検出部１２（２）の場合には、第１の弾性部材１２ｂ２と第２の弾性部材１２ｃ２とを接触させずに離して並列配置してもよい。

また、図２に示した例の他にも、例えば、図２（Ａ）に示した筆圧検出部１２（１）において、第１のコイルバネ１２ｂ１に替えて、シリコンゴムなどの個体の弾性部材を用いるようにすることもできる。また、図２（Ｂ）に示した筆圧検出部１２（２）において、第１の弾性部材１２ｂ２の周囲に複数の第２の弾性部材１２ｃ２を配置するようにしてもよい。要は、筆圧検出部１２は、例えば、２つ以上の弾性部材を用いて、あるいは、２つ以上の部分からなる１つの弾性部材を含むようにして、筆圧検出素子１２ａに掛かる筆圧を段階的に掛けるようにする種々の構成とすることができる。

［筆圧検出部１２の偏倚特性］
次に、図２を用いて説明したように、２つの弾性部材を用いて構成される筆圧検出部１２の偏倚特性について説明する。ここでは、説明を簡単にするため、図２（Ａ）に示した構成の筆圧検出部１２（１）の場合を例にして説明する。なお、図２（Ａ）に示した構成例の場合において、第１のコイルバネ１２ｂ１の弾性係数（弾性率）が、第２のコイルバネ１２ｃ１よりも小さい場合を例にして考える。つまり、第１のコイルバネ１２ｂ１は比較的に小さな力で変形する柔らかなものであり、第２のコイルバネ１２ｃ１はより大きな力を掛けないと変形しない固いものであるとする。

図３は、図２（Ａ）に示した筆圧検出部１２（１）を構成する各構成部材の偏倚特性と筆圧検出部１２（１）全体の偏倚特性につて説明するための図であり、横軸が掛けられる荷重（Ｎ）であり、縦軸が偏倚量（ｍｍ）である。図３（Ａ）において、特性Ｄｂは第１のコイルバネ１２ｂ１の偏倚特性の例を、特性Ｄｃは第２のコイルバネ１２ｃ１の偏倚特性の例を、また、特性Ｄａは筆圧検出素子１２ａの偏倚特性の例をそれぞれ示している。

なお、この明細書において「偏倚」との文言は、形状が偏ること、すなわち変形することを意味する。より具体的には、弾性部材がコイルバネなどの場合における「偏倚」は、力が掛けられた場合には縮み、掛けられた力が解除された場合に元に戻る（縮んだバネが伸びる）ことを意味している。また、弾性部材がゴムなどである場合における「偏倚」は、力が掛けられた場合には厚みが薄くなり（潰れ）、掛けられた力が解除された場合に厚みが元に戻る（薄くなった厚みが元に戻る）ことを意味している。また、弾性部材が弾性を有する皿状や板状のものである場合には、力が掛けられた場合には凹み（あるいは反り）、掛けられた力が解除された場合に元に戻る（凹んだり反ったりしたものが元に戻る）ことを意味している。

そして、上述もしたように、第１のコイルバネ１２ｂ１の弾性係数ｋ１は、第２のコイルバネ１２ｃ１の弾性係数ｋ２よりも小さい。すなわち、「ｋ１＜ｋ２」という関係にある。まず、筆圧検出素子１２ａ、第１のコイルバネ１２ｂ１、第２のコイルバネ１２ｃ１のそれぞれに荷重（圧力）か掛けられた場合について考える。まず、第１のコイルバネ１２ｂ１に荷重（圧力）が掛けられると、図３（Ａ）の特性Ｄｂに示すように比較的に小さな荷重が掛けられている段階から大きく偏倚し、所定以上の荷重が掛けられると偏倚量は低下し、なだらかに偏倚するようになる。

逆に、第２のコイルバネ１２ｃ１の弾性係数ｋ２は、第１のコイルバネ１２ｂ１の弾性係数ｋ１よりも大きい。このため、第２のコイルバネ１２ｃ１に荷重が掛けられると、図３（Ａ）の特性Ｄｃに示すように、同じ荷重が掛けられても第１のコイルバネ１２ｂ１の場合に比べれば偏倚量は小さくなる。そして、第２のコイルバネ１２ｃ１の場合にも、所定以上の荷重が掛けられると偏倚量は低下し、なだらかに偏倚するようになる。

また、筆圧検出素子１２ａは、圧電素子であり、筆圧が掛けられると歪を生じさせるが、その偏倚量は、図３（Ａ）の特性Ｄａに示すようにごく僅かなものである。筆圧検出素子１２ａ、第１の弾性部材１２ｂ、第２の弾性部材１２ｃのそれぞれは、図３（Ａ）に示した偏倚特性を有するものである。そして、筆圧検出素子１２ａの偏倚量はごく僅かなものであるので、並列に配置する第１のコイルバネ１２ｂ１と第２のコイルバネ１２ｃ１とにより形成する筆圧検出部１２（１）全体の偏倚特性が、図３（Ｂ）の特性Ｄに示すような所望の特性となるようにされる。

すなわち、図２（Ａ）を用いて説明したように、第１のコイルバネ１２ｂ１の全長は第２のコイルバネ１２ｃ１の全長より長く、第１のコイルバネ１２ｂ１は第２のコイルバネ１２ｃ１の内側に配置している。このため、図３（Ｂ）の筆圧検出部１２（１）全体の偏倚特性Ｄは、筆圧検出部１２（１）に掛けられる荷重（筆圧）が比較的小さな段階では、弾性係数の小さな第１のコイルバネ１２ｂ１の偏倚特性が支配的となって偏倚する。

この後、筆圧検出部１２（１）に掛けられる荷重（筆圧）がある程度大きくななると、上述もしたように、第１のコイルバネ１２ｂ１と第２のコイルバネ１２ｃ１とが並列に作用することになる。この場合、図３（Ｂ）に示すように、筆圧検出部１２（１）全体の偏倚量は、第１のコイルバネ１２ｂ１の偏倚特性に第２の弾性部材１２ｃの偏倚特性が加わって、カーブを描くようになだらかに変化するようになる。

この図３（Ｂ）に示す筆圧検出部１２（１）の偏倚特性Ｄは、筆圧に応じた筆圧検出部１２全体の偏倚（変形）の状態を示している。すなわち、筆圧検出部１２に対して徐々に荷重（筆圧）を加えていった場合に、筆圧検出部１２（１）は全体として図３（Ｂ）の特性Ｄに示したように偏倚する。なお、荷重（Ｎ）＝弾性係数ｋ×偏倚量（変位量）Ｌ（すなわち、荷重＝ｋＬ）であるから、偏倚（変形）は、筆圧検出素子１２ａに加わる荷重に比例している。したがって、図３（Ｂ）に示した偏倚特性は、筆圧検出部１２（１）に加わる荷重特性と考えることができる。したがって、筆圧検出部１２（１）に掛かる荷重（筆圧）に応じた圧力が、筆圧検出素子１２ａに印加されることになる。

このため、図３（Ｂ）に示した偏倚特性を持つ筆圧検出部１２（１）の筆圧検出素子１２ａは、自己に印加される図３（Ｂ）の非線形の特性Ｄに対応する圧力（筆圧）に応じた電圧を出力する。すなわち、図３（Ｂ）に示した非線形の偏倚特性Ｄが示すように、書き始めは十分に感度がよく、書いている最中は加える筆圧に応じて検出感度をなだらかにする。といった、この実施の形態の電子ペン１が目指すところの紙に鉛筆で文字などを書く場合の書き味を実現する出力特性（筆圧検出特性）を備えることができる。

このことは、図２（Ｂ）に示した筆圧検出部１２（２）、図２（Ｃ）に示した筆圧検出部１２（３）についても同様に言えることである。圧電素子である筆圧検出素子１２ａの出力特性（筆圧検出特性）は、一般には上述もしたように急峻な線形変化となるものであり、このままでは、紙に対して鉛筆で文字等を書く場合と同様の書き味を電子ペンにより実現することはできない。そこで、図２を用いて説明したように、筆圧検出素子１２ａに対して、２つの弾性部材を並列に配置する構成を備えた筆圧検出部１２（１）、１２（２）、１２（３）を構成する。これにより、目的とする出力特性となるように筆圧検出素子１２ａに対して筆圧を掛けることができるようにされる。

［電子ペン１の具体的な構成例］
次に、図２を用いて説明したように、２つの弾性部材を備え、筆圧検出素子１２ａに対して図３（Ｂ）に示した偏倚特性に対応して筆圧を印加できるようにした電子ペンのより具体的な構成について説明する。また、圧電素子である筆圧検出素子１２ａは、一般にある程度の圧力（例えば３ｇ程度の圧力）が加えられないと印加された圧力に応じた電圧を出力しない特性を有する。つまり、筆圧検出素子１２ａは、例えば３ｇ程度のオン荷重が必要なものである。このため、この実施の形態の電子ペン１は、筆圧検出素子１２ａのオン荷重も考慮した構成を有しているものである。

図４は、この実施の形態の電子ペン１の具体的な構成例を説明するための図である。そして、図４（Ａ）は、電子ペン１の筐体１５を軸心方向に２つに切断し、前側部分を取り除いてその内部を観視可能にした電子ペン１のペン先側の様子を示す図である。なお、図４（Ａ）において、筆圧検出部１２は斜線を付して示したように、その中央部分で軸心方向に切断した断面図として示している。また、図４（Ｂ）は、筆圧検出素子１２ａに掛かる圧力について説明するための図である。

図４（Ａ）に示すように、円筒形でペン先が先細となっている筐体１５の内部には、先細となった端部側に、先端部１１ａの一部を突出させるようにして、芯体１１が配置される。芯体１１は、先端部１１ａ、軸心部１１ｂ、軸受部１１ｃからなっている。芯体１１の後端側には、芯体１１に接するように、ケース１２Ｃｓとベース１２Ｂｓとによって圧電素子である筆圧検出素子１２ａを挟んで構成した筆圧検出モジュールが配置される。

ケース１２Ｃｓは、芯体１１側に底面を有し、その反対側は開口となっている筒状のものである。ベース１２Ｂｓは、ケース１２Ｃｓ内に収納可能な大きさの柱状のものである。ケース１２Ｃｓとベース１２Ｂｓとは、硬度の高い非導電性の材料が用いられて形成されている。

なお、この実施の形態の電子ペン１において、芯体１１の軸受部１１ｃは、ケース１２Ｃｓの外側底面に接している。この実施の形態において、芯体１１の軸受部１１ｃは、ケース１２Ｃｓの外側底面に溶着、融着、接着などの種々の方法により固定されているものとする。そして、芯体１１の先端部１１ａ及び軸心部１１ｂからなる部分が、ケース１２Ｃｓに固定されている軸受部１１ｃに対して、筐体１５の先端側から着脱可能にされている。すなわち、芯体１１の先端部１１ａ及び軸心部１１ｂからなる部分は交換可能なものである。

そして、筆圧検出モジュールのベース１２Ｂｓの後端側には、ベース１２Ｂｓに接するようにして第１の弾性部材１２ｂが配置される。この例の第１の弾性部材１２ｂは、シリコンゴム製のものであり、図４（Ａ）に示すように半球状に形成されたものである。このように、第１の弾性部材１２ｂが半球状に形成されていることにより、第１の弾性部材１２ｂは、芯体１１の先端部１１ａに印加される筆圧によって、当初は大きく偏倚するが、所定以上の筆圧が掛けられた場合には偏倚量は小さくなるようにされている。

第１の弾性部材１２ｂの後端側には、第１の弾性部材１２ｂの球面の一部に接するように、第２の弾性部材１２ｃが配置される。第２の弾性部材１２ｃは、弾性を有する樹脂などにより、側壁を有する皿状に形成されたものある。そして、この実施の形態の電子ペン１においても、芯体１１の先端部１１ａに掛かる筆圧が小さい時には、第１の弾性部材１２ｂが支配的に作用し、第１の弾性部材１２ｂが筆圧検出素子１２ａに対して筆圧を印加する。

そして、芯体１１の先端部１１ａに所定値以上の筆圧が掛かるようになったとする。この場合には、第１の弾性部材１２ｂが第２の弾性部材１２ｃの底面をさらに押圧するようになると共に、ケース１２Ｃｓの側壁の端面Ｃｆと第２の弾性部材の側壁の端面Ｄｆとが接触し、ケース１２Ｃｓの側壁の端面Ｄｆが第２の弾性部材の側壁の端面Ｃｆを押圧するようになる。

すなわち、芯体１１に加わる筆圧が所定値に至るまでは、第１の弾性部材１２ｂが筆圧検出素子１２ａに作用して、筆圧検出素子１２ａに対して筆圧を加える。この後、筆圧が増加し所定値以上になると、第１の弾性部材１２ｂが筆圧検出素子１２ａに作用すると共に、第２の弾性部材１２ｃがケース１２Ｃｓに作用する。この場合、第２の弾性部材１２ｃにより、筆圧検出素子１２ａに加わる筆圧が減じるようにされる。

このように、所定値以上の筆圧が芯体１１の先端部１１ａに掛けられると、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとが共に作用するようになる。この場合、図４（Ｂ）を見ると分かるように、ケース１２Ｃｓと筆圧検出素子１２ａとベース１２Ｂｓとを通じて第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとが押圧される構成を有する。さらに、ケース１２Ｃｓの側壁の端面Ｃｆと第２の弾性部材１２ｃの側壁の端面Ｄｆとが接触し、ケース１２Ｃｓの側壁によって第２の弾性部材１２ｃの側壁が押圧される状態となる。

このような状態は、ケース１２Ｃｓと筆圧検出素子１２ａとベースＢｓとからなる筆圧検出パッケージが、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとを別々に、かつ、同時に押圧する構成となる。すなわち、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとが並列に作用している状態となる。換言すれば、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃの底面とは直列に位置している。しかし、ケース１２Ｃｓの側壁によって第２の弾性部材１２ｃの側壁を押圧する構成も有する。これにより、常に第１の弾性部材１２ｂを介して第２の弾性部材１２ｃを押圧するのではなく、第１の弾性部材１２ｂを押圧するのと同時に、筆圧検出パーケージの別の箇所が第２の弾性部材１２ｃの側壁を押圧する構成をも形成し、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとを並列に作用させることができるようにしている。

そして、ケース１２Ｃｓの側壁の端面Ｄｆによって第２の弾性部材１２ｃの側壁の端面Ｃｆが押圧されると、第２の弾性部材１２ｃの側壁が潰れ、第１の弾性部材１２ｂによって第２の弾性部材１２ｃの底面がさらに押圧される。このため、図４（Ａ）において、第２の弾性部材１２ｃの後端側に点線で示したように、第２の弾性部材１２ｃは、電子ペン１の後端側（ペン先とは反対側）に凹むように偏倚する構成を有している。このようにして、この実施の形態の電子ペン１では、筆圧に応じて、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとが並列に作用する構成を有している。

なお、の実施の形態において、筒状のケース１２Ｃｓと皿状の第２の弾性部材１２ｃとは、その外形及び外形の大きさが同じものであり、側壁もある程度の厚みがあるように構成されている。また、第２の弾性部材１２ｃは、平板上（板状）のものであってもよい。

また、第２の弾性部材１２ｃは、筐体１５の内部に設けられた第１のストッパ（係止部材）ＳＰ１によって係止される。これにより、第２の弾性部材１２ｃが後端側に凹む構成を備えていても、芯体１１及び筆圧検出部１２が、第１のストッパＳＰ１よりも後端に移動することがないようにしている。また、芯体１１の先端部１１ａに掛けられた筆圧が解除されれば、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとは元の状態に復帰し、芯体１１をペン先側に押し返すようになっている。

さらに、図４（Ａ）に示すように、筐体１５のペン先側の内部には、第２のストッパ（係止部）ＳＰ２が設けられている。また、芯体１１の軸受部１１ｃのペン先側の端部は外側に張り出した芯体側ストッパ（係止部）１１ＳＰが設けられている。そして、図４（Ａ）に示すように、筐体１５に設けられた第２のストッパと軸受部１１ｃに設けられた芯体側ストッパ１１ＳＰとの間に、オン荷重を付与するためのコイルバネ１３が配置される。このコイルバネ１３によって、芯体１１は、常時、筆圧検出部１２側に付勢される。

これにより、筆圧検出素子１２ａには、コイルバネ１３と芯体１１とによって、常時、所定の圧力が筆圧検出素子１２ａに掛けられることになる。そして、この実施の形態において、圧電素子である筆圧検出素子１２ａのオン荷重が例えば３ｇであったとする。すなわち、３ｇ以上の圧力を掛けないと筆圧検出素子１２ａは印加された圧力に応じた電圧を出力しないものであるとする。この場合には、コイルバネ１３を芯体１１に対して３ｇの圧力で筆圧検出部１２側に付勢するものとすればよい。

これにより、コイルバネ１３の機能によって、筆圧検出素子１２ａには常時３ｇの圧力が掛けられことにより、芯体１１の先端部１１ａに僅かな筆圧が加わっただけでも、筆圧検出素子１２ａは、この僅かに加わった筆圧に応じた電圧を発生させて出力する。これにより、鉛筆が僅かに紙に触れた場合に薄く黒鉛を残すような態様で位置検出装置２００を通じてタブレット型情報端末２に筆記情報（描画情報）の入力ができる。つまり、コイルバネ１３は、オン荷重付与用のバネであり、換言すればオフセット用弾性部材である。

そして、芯体１１の先端部１１ａに印加された筆圧に応じて筆圧検出素子１２ａが発生させた電圧は、図４（Ａ）に示すように例えばベースＢｓから第１の導電線Ｌ１を通じて筐体１５に搭載されている回路基板１４の筆圧値算出回路１４ａに供給される。筆圧値算出回路１４ａは、筆圧検出素子１２ａからの電圧値に基づいて、筆圧値を算出し、これを発振回路１４ｂに供給する。発振回路１４ｂは、筆圧値に応じると共に、位置を指示するための信号（位置指示信号）を生成して、これを第２の導電線Ｌ２を通じて芯体１１に供給する。芯体１１は導電材料により構成されており、芯体１１の先端部１１ａから当該位置指示信号が位置検出装置２００に向けて送出される。

このような構成を有するこの実施の形態の電子ペン１において、筆圧検出素子１２ａに作用する圧力について図４（Ｂ）を参照しながらまとめる。まず、芯体１１の先端部１１ａに全く筆圧ＷＰが加えられていない状態（非使用時）であっても、コイルバネ１３の機能により、筆圧検出素子１２ａには、図４（Ｂ）において矢印ｆ１が示すように、常時、オン荷重ｆ１が掛けられている。これにより、芯体１１の先端部１１ａに僅かな筆圧が加わっただけでも、筆圧検出素子１２ａは、そのわずかな筆圧に応じた電圧を発生させて出力できるようになっている。

そして、図４（Ｂ）に示すように、この実施の形態の電子ペン１の芯体１１の先端部１１ａを押していない状態から、押し下げた状態までの芯体１１の移動量であるストロークが例えば０．３ｍｍであるとする。この場合に、芯体１１の先端部１１ａに筆圧が印加されると、図４（Ｂ）に示すように、最初の区間ａ（最初の０．１５ｍｍの区間）においては、第１の弾性部材１２ｂが支配的に作用する。これにより、筆圧検出素子１２ａに対して十分に筆圧が伝わるようにされるが、いきなり大きな筆圧が筆圧検出素子１２ａに伝わらないように筆圧をやや規制する。

この後、芯体１１の先端部１１ａにさらに筆圧が加えられると、図４（Ｂ）に示すように、次の区間ｂ（次の０．１５ｍｍの区間）においては、第１の弾性部材１２ｂと共に第２の弾性部材１２ｃが並列的に作用する。これにより、筆圧検出素子１２ａに伝わる筆圧を緩やかに規制する。これにより、筆圧検出部１２においての筆圧の検出特性を、鉛筆で紙に文字や絵を書く場合に鉛筆に掛けられる筆圧と同様の特性とすることができる。

図５は、筆圧検出素子１２ａの出力特性（筆圧検出特性）（図５（Ａ））と、筆圧検出素子１２ａと第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとにより構成される図４（Ａ）に示した筆圧検出部１２の出力特性（筆圧検出特性）（図５（Ｂ））を示す図である。図５（Ａ）に示すように、圧電素子である筆圧検出素子１２ａは、所定の圧力（例えば３ｇ）以上の圧力を印加しないと、圧力に応じた電圧を出力しないものである。そして、所定の圧力以上の圧力が掛けられると、その出力電圧は急峻な線形変化となる。すなわち、筆圧検出素子１２ａは、ごく僅かな圧力でも大きな電圧が発生し出力する特性を有する。

しかし、この実施の形態の電子ペン１の場合には、オン荷重用のコイルバネ１３を備えると共に、筆圧検出素子１２ａと第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとから筆圧検出部１２が構成されている。このため、この実施の形態の電子ペン１に搭載され筆圧検出素子１２ａの筆圧検出特性は、図５（Ｂ）に示すように、書き始めは十分に感度がよく、書いている最中は加える筆圧に応じて検出感度をなだらかに変化するという、目的とする筆圧検出特性を実現できる。

換言すれば、図４（Ａ）に示した電子ペン１の筆圧検出部１２は、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとが筆圧検出素子１２ａに対して並列に作用する構成を有している。このため、筆圧検出部１２全体の変位特性は、図３（Ｂ）に示したものと同様のものとなる。そして、上述もしたように、偏倚量は、筆圧検出素子に加わる荷重に比例しているから、筆圧検出部１２の出力特性（筆圧検出特性）は、図５（Ｂ）に示したように、図３（Ｂ）の偏倚特性に対応したものとなる。

［静電結合方式の電子ペン１の構成例のまとめ］
図６は、この実施の形態の電子ペン１の概略構成を説明するためのブロック図である。図６において、図５に示した部分と同一部分には同じ参照符号を付して示している。図６に示すように、芯体１１は、筆圧に応じて筆圧検出部１２を押下可能な構成になっている。筆圧検出部１２は、上述したように、筆圧検出素子１２ａを備えた筆圧検出パッケージと、第１の弾性部材１２ｂと、第２の弾性部材１２ｃとを備えて構成された部分である。

印加された筆圧に応じて筆圧検出部１２において発生された電圧は、筆圧値算出回路１４ａに供給される。筆圧値算出回路１４ａは、筆圧検出部１２からの出力電圧に応じて筆圧値を算出し、これを発振回路１４ｂに供給する。発振回路１４ｂは、筆圧値に応じて周波数を変化させた位置指示信号を形成し、これを芯体１１に供給して、芯体１１から位置検出装置２００に向けて送出する構成になっている。

なお、図４には図示しなかったが、回路基板１４上、あるいはその近傍には、電源回路１４ｃが設けられており、筆圧値算出回路１４ａ、発振回路１４ｂなどの必要箇所に電源の供給ができるようになっている。なお、電源回路１４ｃは、例えば、電池を備え、この電池から各部に電源を供給する構成を有する。

また、電源回路１４ｃの別の構成として、充電用コイル、電気二重層キャパシタ、整流ダイオード、電圧変換回路を備える構成とすることもできる。この場合の電源回路は、外部からの磁界を充電用コイルが受けて電流を発生させ、電気二重層キャパシタに蓄電して、これから整流ダイオード及び電圧変換回路を通じて駆動電源を形成して、これを各部に供給するものとなる。

このように、この実施の形態の静電結合方式の電子ペン１は、発振回路１４ｂからの発振信号を、芯体１１を通じて送信することにより、位置検出装置２００に対して位置を指示することができると共に、筆圧を通知することもできるものである。

［静電結合方式の位置検出装置２００の構成例］
図７は、この実施の形態の電子ペン１からの信号を受け、センサ上の指示位置を検出すると共に、電子ペン１に掛けられている筆圧を検出する位置検出装置２００の構成例を説明するためのブロック図である。タブレット型情報端末２には、この図７に示す静電結合方式の位置検出装置２００が搭載されている。

この実施形態の静電結合方式の位置検出装置２００は、図７に示すように、センサ２１０と、このセンサ２１０に接続されるペン検出回路２２０とからなる。センサ２１０は、第１の導体群２１１、第２の導体群２１２を積層して形成されたものである。第１の導体群２１１は、例えば、横方向（Ｘ軸方向）に延在した複数の第１の導体２１１Ｙ_１〜２１１Ｙ_ｍを互いに所定間隔離して並列に、Ｙ軸方向に配置したものである。また、第２の導体群２１２は、第１の導体に対して交差する方向、この例では直交する縦方向（Ｙ軸方向）に延在した複数の第２の導体２１２Ｘ_１〜２１２Ｘ_ｎを互いに所定間隔離して並列に、Ｘ軸方向に配置したものである。このように、位置検出装置２００のセンサ２１０では、第１の導体群２１１と第２の導体群２１２を交差させて形成したセンサパターンを用いて、静電方式の電子ペン１が指示する位置を検出する構成を備えている。

ペン検出回路２２０は、センサ２１０との入出力インターフェースとされる選択回路２２１と、増幅回路２２２と、バンドパスフィルタ２２３と、検波回路２２４と、サンプルホールド回路２２５と、ＡＤ（Analog to Digital）変換回路２２６と、制御回路２２７とからなる。

選択回路２２１は、制御回路２２７からの制御信号に基づいて、第１の導体群２１１および第２の導体群２１２の中から１本の導体２１１Ｙまたは２１２Ｘを選択する。選択回路２２１により選択された導体は増幅回路２２２に接続され、静電結合方式の電子ペン１からの信号が、選択された導体により検出されて増幅回路２２２により増幅される。この増幅回路２２２の出力はバンドパスフィルタ２２３に供給されて、静電結合方式の電子ペン１から送信される信号の周波数の成分のみが抽出される。

バンドパスフィルタ２２３の出力信号は検波回路２２４によって検波される。この検波回路２２４の出力信号はサンプルホールド回路２２５に供給されて、制御回路２２７からのサンプリング信号により、所定のタイミングでサンプルホールドされた後、ＡＤ変換回路２２６によってデジタル値に変換される。ＡＤ変換回路２２６からのデジタルデータは制御回路２２７によって読み取られ、処理される。

制御回路２２７は、内部のＲＯＭに格納されたプログラムによって、サンプルホールド回路２２５、ＡＤ変換回路２２６、および選択回路２２１に、それぞれ制御信号を送出するように動作する。そして、制御回路２２７は、ＡＤ変換回路２２６からのデジタルデータから、静電結合方式の電子ペン１によって指示されたセンサ２１０上の位置座標を算出すると共に、電子ペン１の筆圧検出部１２で検出された筆圧を検出するようにする。このように、この実施の形態の電子ペン１と位置検出装置２００とによって、位置検出システムが構成される。この場合の位置検出システムは、図５（Ｂ）に示しや筆圧検出特性を有する電子ペン１からの信号に基づいて、指示位置と筆圧とを検出することができるものである。

［実施の形態の効果］
上述した実施の形態の電子ペン１は、圧電素子である筆圧検出素子１２ａを用いている。この筆圧検出素子１２ａは、図５（Ａ）を用いて説明したように、オン荷重が必要であると共に、筆圧検出特性（出力電圧の特性）が急峻な線形変化をするものである。しかし、コイルバネ１３の機能によりオン荷重を付与しておくことにより、電子ペン１自体のオン荷重を０ｇとすることができる。また、筆圧検出部１２は、筆圧検出素子１２ａに対して、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとが並列に作用する構成を有する。このため、筆圧検出部１２の筆圧検出特性を、図５（Ｂ）に示したように、書き始めは十分感度がよく、書いている最中は加える筆圧に応じて検出感度をなだらかに変化するという、目的とする特性とすることができる。

これにより、電子ペン１と位置検出装置２００とを用いることによって、鉛筆で紙に文字や絵を書く場合と同様の書き味を実現できる。すなわち、電子ペン１を用いることにより、この実施の形態のタブレット型情報端末２に対して、あたかも紙に文字や絵を書くのと同様の感覚で文字や絵を入力することができる。したがって、電子ペン１を用いてタブレット型情報端末２の表示画面２Ｄ上で文字や絵などを書くようにした場合には、紙に鉛筆で文字や絵を書く場合と同様の書き味を再現することができる。これにより、紙に鉛筆で文字や絵を書く場合と同様の表現を、電子ペン１とタブレット型情報端末２において行うことができる。

［変形例］
上述した実施の形態では、第１の弾性部材１２ｂはシリコンゴムにより半球状に形成されたものとして説明したが、これに限るものではない。エラストマーなどと呼ばれるゴム弾性を有する種々の工業用材料により第１の弾性部材１２ｂを形成してもよいし、弾性を有する合成樹脂や天然素材を用いるようにしてもよい。また、その形状も円錐形状や角錐形状などであってもよく、この場合には頂点に丸みを帯びさせるようにしてもよい。もちろん、所望の特性を得られれば、第１の弾性部材１２ｂの形状は角柱状、円柱状などの種々の形状とすることができる。また、第１の弾性部材１２ｂとしてコイルバネや板バネなどを用いるようにすることもできる。

また、上述した実施の形態では、第２の弾性部材１２ｃは樹脂により皿状に形成したものとして説明したが、これに限るものではない。第１の弾性部材１２ｂと同様に、エラストマーなどと呼ばれるゴム弾性を有する種々の工業用材料により第２の弾性部材１２ｃを形成してもよいし、弾性を有する天然素材を用いるようにしてもよい。また形状も側壁の高さを適宜の高さとするように調整可能である。また、第２の弾性部材１２ｃとしてコイルバネや板バネなどを用いるようにすることもできる。

このように、第１の弾性部材１２ｂ、第２の弾性部材１２ｃは、筆圧検出部の出力特性として、例えば、図５（Ｂ）に示したような所望の特性を得ることができれば、種々の材料により、種々の形状のものとして形成したものを用いることができる。したがって、第１の弾性部材１２ｂと第２の弾性部材１２ｃとを、同じ材料で、あるいは別々の材料で一体形成するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、オン荷重付加用に１つのコイルバネ１３を用いるようにしたが、これに限るものではない。複数のコイルバネを芯体１１の周囲に配列する構成としてもよいし、コイルバネに替えて板バネを用いる構成とするなど、オン荷重が付与できる種々の弾性部材を用いるようにすることができる。

また、上述した実施の形態では、芯体は、先端部１１ａと軸心部１１ｂとからなる部分と、軸受部１１ｃとからなる部分とから構成されるものとして説明したが、これに限るものではない。芯体１１は、先端部１１ａと軸心部１１ｂと軸受部１１ｃとが一体に形成されたものであってもよい。この場合には、例えば、先端部１１ａが摩耗した場合などにおいては、芯体１１の全体を交換可能な構成にすればよい。

また、芯体１１の形状も上述した実施の形態のものに限るものではなく、同等の機能を実現することができれば、芯体１１の形状についても種々の形状とすることができる。特に先端部１１ａや軸受部１１ｃの芯体側ストッパ１１ＳＰの形状は種々の形状とすることが可能である。

また、図５（Ｂ）に示した筆圧検出部１２の出力特性（筆圧検出特性）も一例であり、印加される圧力（荷重）に応じた変化の度合いをより急峻にしたり、逆になだらかにしたりするなどのことも可能である。この場合には、筆圧検出素子１２ａに直列に接続する弾性部材について、所望の特性を得られる弾性係数を有するものを用いるようにすればよい。弾性係数は、材質だけなく、形状によっても変えることができる。

また、筆圧検出部１２の出力特性（筆圧検出特性）を所定のものにするのではなく、下限特性（下限カーブ）と上限特性（上限カーブ）を設けておくようにしてもよい。そして、この下限特性と上限特性との間に、筆圧検出部１２の出力特性が入るように、第１の弾性部材１２ｂ、第２の弾性部材１２ｃ、コイルバネ１３の特性を決め、当該特性に合致するように第１の弾性部材１２ｂ、第２の弾性部材１２ｃ、コイルバネ１３を構成すればよい。

また、上述した実施の形態では、第１の弾性部材１２ｂ、１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３と、第２の弾性部材１２ｃ、１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ３との２つの弾性部材を用いるものとして説明したが、これに限るものではない。３つ以上の弾性部材を並列に用いるようにすることによって、筆圧検出特性を段階的に変化する特性となるようにすることもできる。

また、弾性部材は２つ以上のものではなく、２以上の部分からなる１つの弾性部材を用いるように構成することもできる。図８は、２つの部分からなる１つの弾性部材を用いて構成する筆圧検出部の構成例について説明するための図である。なお、図８において筆圧検出部を構成する部分は、斜線を付して示したように、軸心方向に切断した場合の断面図として示している。そして、図８（Ａ）は、芯体１１により押圧される押圧部材２１と、筆圧検出素子１２ａと、弾性部材２２とから筆圧検出部を構成した場合の例である。図８（Ａ）において、弾性部材２２は、例えば円柱上のものであり、中心軸を同一とし、後端側（芯体１１とは反対側）に位置する直径の長い円柱部分と、この直径の長い円柱部分から芯体１１側に突き出すようにもうかられた直径の短い円柱部分との２つの部分が一体に形成されたものである。

弾性部材２２がこのような２つの部分が一体に形成された構成を有することにより、図８（Ａ）に示す筆圧検出部の場合には、芯体１１の先端部に筆圧が印加されると、まず、弾性部材２２の直径の短い円柱部分が主に作用して筆圧を筆圧検出素子１２ａに伝達する。そして、一定以上の筆圧が掛けられると、押圧部材２１が直径の長い円柱部分をも押圧するようになる。これにより、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分と直径の長い円柱部分との２つの部分が並列的に筆圧検出素子１２ａに作用することになり、図８（Ａ）の筆圧検出特性を、図５（Ｂ）に示した筆圧検出特性とすることができる。

しかし、図８（Ａ）に示した構成の場合、弾性部材２２の弾性係数によっては、筆圧検出素子１２ａと直径の短い円柱部分とを、直径の長い円柱部分にめり込ませるように押圧することは難しい場合もある。そこで、図８（Ｂ）の弾性部材２３に示すように、側壁を有する弾性部材を用いるようにする。つまり、図８（Ｂ）に示すように、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分と直径の長い円柱部分とに加えて、後端側に位置する直径の長い円柱部分の外周に沿って芯体１１側に張り出した側壁を設ける。この場合、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分は、当該側壁よりも芯体１１側に延びたものとする。

図８（Ｂ）に示す弾性部材２３を用いることにより、芯体１１の先端部に筆圧が印加されると、まず、弾性部材２３の直径の短い円柱部分が主に作用して筆圧を筆圧検出素子１２ａに伝達する。そして、一定以上の筆圧が掛けられると、押圧部材２１が直径の長い円柱部分の外周に沿って設けられた側壁をも押圧するようになる。これにより、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分と、直径の長い円柱部分の外周に沿って設けられ芯体１１側に張り出した側壁とが並列的に筆圧検出素子１２ａに作用して、図５（Ｂ）に示した筆圧検出特性を実現できる。

また、図８（Ｃ）に示すように、図８（Ａ）に示した弾性部材２２の構成は変更することなく、押圧部材２４を、その外周に沿って側壁を設けた構成とする。図８（Ｃ）に示した筆圧検出部の場合には、芯体１１の先端部に筆圧が印加されると、まず、直径の短い円柱部分が主に作用して筆圧を筆圧検出素子１２ａに伝達する。そして、一定以上の筆圧が掛けられると、押圧部材２４の外周に沿って設けられた側壁が、弾性部材２２の直径の長い円柱部分をも押圧するようになる。これにより、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分と直径の長い円柱部分との２つの部分が並列的に筆圧検出素子１２ａに作用して、図５（Ｂ）に示した筆圧検出特性を実現できる。

また、図８（Ｄ）に示すように、押圧部材と弾性部材との両方を、側壁を有するものとしてもよい。つまり、図８（Ｄ）の弾性部材２５は、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分と直径の長い円柱部分とに加えて、直径の長い円柱部分の外周に沿って、芯体１１側に張り出した側壁を設けたものである。この場合、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分は、当該側壁よりも芯体１１側に延びたものとする。

また、図８（Ｄ）の押圧部材２４は、その外周に沿って側壁を設けた構成とする。図８（Ｄ）に示した筆圧検出部の場合には、芯体１１の先端部に筆圧が印加されると、まず、弾性部材２５の直径の短い円柱部分が主に作用して筆圧を筆圧検出素子１２ａに伝達する。そして、一定以上の筆圧が掛けられると、押圧部材２４の側壁が、弾性部材２５の側壁をも押圧するようになる。これにより、中心軸を同一とする直径の短い円柱部分と直径の長い円柱部分に外周に沿って設けられた側壁との２つの部分が並列的に筆圧検出素子１２ａに作用して、図５（Ｂ）に示した筆圧検出特性を実現できる。

また、図８を用いて説明したように、２つの部分からなる１つの弾性部材を用いるものに限ることなく、段階的に作用する３以上の部分からなる１つの弾性部材を用いて、筆圧検出部を構成することもできる。例えば、長さα＜長さβ＜長さθとする場合に、中心軸を同一とする直径αの円柱部分と直径βの円柱部分と直径θの円柱部分とが順番に一体に形成された弾性部材を用いるようにすることもできる。また、弾性部材２３、２５に設ける側壁の厚みを段階的に変えるようにしてもよい。

また、２つの部分からなる１つの弾性部材と、更に別の弾性部材とを組み合わせて筆圧検出部を構成してもよい。このように、複数の弾性部材を用いたり、複数の部分からなる弾性部材を用いたり、また、弾性部材や押圧部材の形状、材質、弾性係数などを調整して、段階的に筆圧検出特性を調整するようにした筆圧検出部が、この発明の電子ペンの重要な特徴である。

１…電子ペン、１１…芯体、１１ａ…先端部、１１ｂ…軸心部、１１ｃ…軸受部、１１ＳＰ…芯体側ストッパ、１２…筆圧検出部、１２ａ…筆圧検出素子、１２ｂ…第１の弾性部材、１２ｃ…第２の弾性部材、１２Ｃｓ…ケース、１２Ｂｓ…ベース、１３…コイルバネ（オン荷重付与用）、１４…回路基板、１４ａ…筆圧値算出回路、１４ｂ…発振回路、１４ｃ…電源回路、１５…筐体、２…タブレット型情報端末、２００…位置検出装置、２１０…センサ、２１１…第１の導体群、２１１Ｙ_１〜２１１Ｙ_ｍ…第１の導体、２１２…第２の導体群、２１２Ｘ_１〜２１２Ｘ_ｎ…第２の導体、２２０…ペン検出回路、２２１…選択回路、２２２…増幅回路、２２３…バンドパスフィルタ、２２４…検波回路、２２５…サンプルホールド回路、２２６…ＡＤ（Analog to Digital）変換回路、２２７…制御回路

上記課題を解決するため、
内部に筐体側係止部が設けられたペン形状の筐体の端部から先端部が突出するようにされると共に、前記先端部に印加される筆圧に応じて軸心方向に移動可能に配置され、芯体側係止部を備えた芯体と、
前記筐体内に配置され、前記芯体によって押圧される筆圧検出部と、
前記筐体側係止部と前記芯体側係止部とによって挟みこまれることにより、前記芯体を前記筆圧検出部側に付勢するオフセット用弾性部材と
を備え、
前記筆圧検出部は、
印加された圧力に応じた電気信号を出力する筆圧検出素子と、２以上の部分からなる弾性部材とを備え、所定値以上の筆圧が加えられた場合に、前記弾性部材の２つ以上の前記部分が並列に作用する
ことを特徴とする電子ペンを提供する。

このため、筆圧が掛けられた初期段階では当該弾性部材の１つの部分が作用し、所定値以上の筆圧が加えられた場合には、当該弾性部材の２つ以上の部分が並列に作用するというように、筆圧検出素子に掛かる筆圧を段階的に調整される。これにより、筆圧検出素子からの筆圧に応じた出力特性（筆圧検出特性）を目的とする特性にすることができる。したがって、簡単な構成で、種々の調整を行う必要もなく、鉛筆で紙に書くのと同等の書き味を実現することも可能となる。また、オフセット用弾性部材によって、芯体は、常時、筆圧検出部側に付勢され、芯体の先端部に僅かな筆圧が加わっただけでも、筆圧検出部は、この僅かに加わった筆圧に応じた電圧を発生させて出力することができる。これにより、薄く黒鉛を残すような態様の筆記情報（描画情報）の入力が可能となる。

Claims (14)

1. ペン形状の筐体の端部から先端部が突出するようにされると共に、前記先端部に印加される筆圧に応じて軸心方向に移動可能に配置された芯体と、
   前記筐体内に配置され、前記芯体によって押圧される筆圧検出部と
   を備え、
   前記筆圧検出部は、
   印加された圧力に応じた電気信号を出力する筆圧検出素子と、２以上の部分からなる弾性部材とを備え、所定値以上の筆圧が加えられた場合に、前記弾性部材の２つ以上の前記部分が並列に作用する
   ことを特徴とする電子ペン。
2. 請求項１に記載の電子ペンであって、
   前記筆圧検出部は、前記芯体により押圧されると共に、前記筆圧検出素子を押圧する押圧部材を備え、
   前記芯体に印加された筆圧が前記所定値に至るまでは、前記２以上の部分からなる前記弾性部材の第１の部分が前記筆圧検出素子に作用し、
   前記芯体に印加された筆圧が前記所定値以上になった場合に、前記弾性部材の前記第１の部分が前記筆圧検出素子に作用すると共に、前記弾性部材の第２の部分が前記押圧部材に作用する
   ことを特徴とする電子ペン。
3. 請求項１に記載の電子ペンであって、
   前記２以上の部分からなる前記弾性部材は、２以上の弾性部材が用いられて構成される
   ことを特徴とする電子ペン。
4. 請求項１に記載の電子ペンであって、
   前記２以上の部分からなる前記弾性部材は、少なくとも２以上の部分が一体に構成された弾性部材を含む
   ことを特徴とする電子ペン。
5. 請求項１に記載の電子ペンであって、
   前記筆圧検出素子は、印加された圧力に応じた電圧を発生させる圧電素子である
   ことを特徴とする電子ペン。
6. 請求項２に記載の電子ペンであって、
   前記芯体に対して筆圧が印加されていない状態において、前記押圧部材は、前記弾性部材の第２の部分と所定の距離をもって離れて対峙する
   ことを特徴とする電子ペン。
7. 請求項２に記載の電子ペンであって、
   前記弾性部材の前記第１の部分は、半球体の形状を有する
   ことを特徴とする電子ペン。
8. 請求項２に記載の電子ペンであって、
   前記弾性部材の前記第２の部分は、板状あるいは皿状の形状を有する
   ことを特徴とする電子ペン。
9. 請求項２に記載の電子ペンであって、
   前記弾性部材の前記第１の部分はシリコンゴムで構成される
   ことを特徴とする電子ペン。
10. 請求項２に記載の電子ペンであって、
    前記弾性部材の前記第２の部分は樹脂で構成される
    ことを特徴とする電子ペン。
11. 請求項１に記載の電子ペンであって、
    前記筆圧検出素子からの検出出力の供給を受けて、筆圧値を算出する筆圧算出部を備える
    ことを特徴とする電子ペン。
12. 請求項１に記載の電子ペンであって、
    前記筐体内には、筐体側係止部が設けられ、
    前記芯体には、芯体側係止部が設けられ、
    前記筐体側係止部と前記芯体側係止部とによって挟みこまれることにより、前記芯体を前記筆圧検出部側に付勢するオフセット用弾性部材と
    を備えることを特徴とする電子ペン。
13. 請求項１２に記載の電子ペンであって、
    前記オフセット用弾性部材は、コイルバネである
    ことを特徴とする電子ペン。
14. 電子ペンと、前記電子ペンにより指示された入力画面上の指示位置を検出すると共に、前記電子ペンの先端部に印加された筆圧を検出する位置検出装置とからなる位置検出システムであって、
    前記電子ペンは、
    ペン形状の筐体の端部から先端部が突出するようにされると共に、前記先端部に印加される筆圧に応じて軸心方向に移動可能に配置された芯体と、
    前記筐体内に配置され、前記芯体によって押圧される筆圧検出部と
    を備え、
    前記筆圧検出部は、
    印加された圧力に応じた電気信号を出力する筆圧検出素子と、２以上の部分からなる弾性部材とを備え、所定値以上の筆圧が加えられた場合に、前記弾性部材の２つ以上の前記部分が並列に作用するものであり、
    前記位置検出装置は、
    前記電子ペンから送出される信号を受信して、前記電子ペンによる前記入力画面上の指示位置を検出すると共に、前記電子ペンの前記芯体の前記先端部に印加されている筆圧を検出する回路部を備える
    ことを特徴とする位置検出システム。

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