JP4350661B2

JP4350661B2 - ペン入力装置

Info

Publication number: JP4350661B2
Application number: JP2005037779A
Authority: JP
Inventors: 健次倉本
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP2006227714A

Description

この発明は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示装置の表示画面上にタッチパネルが配置されてなる構成の画面入力装置において、その入力面に対する入力操作に使用するペン入力装置に関する。

この種のペン入力装置の従来例として、振動発生手段を内蔵したペン入力装置が特許文献１に記載されている。このペン入力装置はペン先がタッチパネルに触れることにより、振動発生手段によってペン入力装置が所定の振動をするもので、これにより操作者はキータッチを体感でき、操作の正常性を確認することができるものとなっている。また、例えば入力位置が適当でない時、通常と異なる大きな振動を発生することで、操作者に警告を与えることができるものとなっている。
一方、特許文献２には画面入力装置において、タッチパネルを表示画面に沿った面内の二方向（横方向及び縦方向）に変位（振動）させることができるようにした構成が記載されており、操作者がタッチパネルに触れている時にタッチパネルを種々のパターンで振動させることによって種々の情報を操作者の触覚を通じて伝達することができるものとなっている。さらに、タッチパネルを振動させることにより、タッチパネルに触れている操作者の指先を移動させ、所定の（適切な）入力位置まで誘導することができるものとなっている。
特開２００２−２５９０４４号公報特開２００３− ５８３２１号公報

ところで、このような画面入力装置において、入力ミスの低減は入力効率を向上させる上で重要であり、入力ミスを防止できるような構成が望まれる。その点、上記特許文献２に記載されている画面入力装置では例えば次に操作すべき入力位置まで指先を誘導することができるため、入力ミスを低減できるものとなっており、また指先が所定の入力位置まで誘導されることから操作者は操作しやすく、その点でわかりやすく、使い勝手のよいユーザインタフェースとなっている。
しかしながら、この特許文献２に記載されている構成ではタッチパネル全体を駆動して振動させるものであるため、駆動機構の大型化は避けられず、その分、画面入力装置も大型となって小型化が阻害されるといった問題があり、また電力消費量も大きいといった問題がある。

一方、特許文献１に記載されているペン入力装置では例えば入力位置が適切でない場合に振動により警告する機能をもつものの、適切な位置にまで誘導するといった機能はない。加えて、そのような振動による情報（警告）を全ての操作者が正しく認識できるとは限らない。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、例えば次に操作すべき入力位置等、所定の位置へのペン先の誘導を可能としたペン入力装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、画面入力装置の入力面に対する入力操作に用いるペン入力装置は、ペン先に設けられ、そのペン先を上記入力面に当接させた時に入力面との間の摩擦係数がペン先を移動させる方向によって異なるように植設されたブラシを有するブラシ部と、そのブラシ部を操作して上記入力面に接触するブラシの向きを変えるブラシ操作手段と、ブラシ部をペン軸方向もしくはペン軸に垂直な面内の不特定方向に振動させる振動発生手段とを具備し、上記入力面にペン先が当接されたペン入力装置には上記ペン軸方向もしくはペン軸に垂直な面内の不特定方向の振動により、上記入力面とブラシとの間に向きによって差のある摩擦力が発生し、上記入力面と接触しているブラシの向きに従い、その摩擦力の小さい方向にペン先を誘導する力が作用する構造とされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、ブラシ部は上記入力面と対向される植設面にブラシが同一方向に傾斜して植設されているものとされ、ブラシ操作手段はブラシ部をペン軸回りに回転駆動するものとされる。

請求項３の発明では請求項１の発明において、ブラシ部は上記入力面と対向される植設面がペン軸回りの方位に応じて複数の領域に分割されて、その領域毎に互いに異なる方向に傾斜してブラシが植設されているものとされ、ブラシ操作手段はブラシ部をペン軸に対して傾斜駆動して上記複数の領域のうちの一つの領域のブラシを選択的に上記入力面に接触させるものとされる。
請求項４の発明では請求項１の発明において、ブラシ部はブラシの植設面がペン軸回りに回転対称な凸状をなす曲面とされると共に、ペン軸回りの方位に応じて複数の領域に分割され、ブラシ操作手段はブラシ部をペン軸回りに回転駆動して、上記複数の領域のうちの一つの領域のブラシを選択的に上記入力面に接触させるものとされ、上記入力面に接触するブラシの方向は上記領域毎に互いに異なる方向とされる。

請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、上記入力操作により入力されるペン先の座標位置の情報からペン先の上記入力面上における移動を検出する移動検出手段と、ペン先に作用するペン軸に垂直な面内方向の外力を検出する応力センサと、それら移動検出手段及び応力センサの検出に基づいて、上記振動により作用するペン先を誘導する力の大きさの変化を判断し、その変化に応じて振動発生手段の駆動を制御する制御手段とを備える。

この発明によれば、ペン入力装置はペン先にブラシ部を有し、そのブラシ部の振動によって入力面と接触しているブラシの向きに従う誘導力が誘起されるものとなっており、よって次に操作すべき入力位置等、所定の位置へペン先を誘導することが可能となり、その点で入力ミスを防止でき、入力効率の向上を図ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるペン入力装置の一実施例を示したものであり、この例ではペン入力装置１０はペン先にブラシ部１１を具備するものとなっている。ブラシ部１１は小径の円板状をなす植設板１２にブラシ１３が植設されてなるもので、ブラシ１３はこの例では同一方向に揃って植設され、かつ植設板１２の植設面（先端面）に対して傾斜して、つまりペン軸１４に対して傾斜して植設されている。
ペン本体１５内にはこの例では振動発生手段として多層構造とされ、円柱形状をなす圧電素子１６が内蔵され、さらにブラシ操作手段としてモータ１７が内蔵されている。モータ１７は圧電素子１６のペン先側の端面に配置固定されており、モータ１７の回転軸と直結された（回転軸そのものでもよい）軸１８の先端にブラシ部１１の植設板１２が連結固定されている。

圧電素子１６はペン軸方向に振動するものとされ、またモータ１７はペン軸回りに回転するものとされ、よってペン先に設けられたブラシ部１１は圧電素子１６を駆動することによりペン軸方向に振動し、モータ１７を駆動することによりペン軸回りに回転するものとなっている。図１中、１９は電力供給線を示す。
上記のような構成を有するペン入力装置１０ではブラシ１３がペン軸１４に対して傾斜して植設されているため、画面入力装置の入力面（タッチパネル面）に植設板１２の植設面を対向させてブラシ１３を入力面に当接させると、ブラシ１３と入力面との間の摩擦係数は向き（ペン先を移動させる方向）によって異なるものとなる。従って、ブラシ１３をペン軸方向に振動させると、向きによる摩擦係数の差により、ブラシ１３が入力面に押し付けられる時と入力面から引き離される時とで入力面に対し互いに逆向きに作用する摩擦力が大きく異なることになり、これによりペン先はブラシ１３の向きに従い、摩擦の小さい方向に向かう力を受けることになる。

図２Ａ，Ｂはこの様子を示したものであり、図中、２１はタッチパネルの入力面を示し、矢印Ｆはペン先が受ける力の方向（ペン先が誘導される方向）を示す。図２Ａではブラシ１３の傾斜は紙面上、先端が右向きとなっており、この場合ペン先は左方向に誘導される。一方、ブラシ部１１を１８０°回転させて図２Ｂに示したようにブラシ１３の傾斜を紙面上、先端が左向きとすると、ペン先は右方向に誘導される。
このように、この例ではブラシ１３を振動させることにより、ブラシ１３の向きに従ってペン先が誘導されるものとなっており、ブラシ部１１をペン軸回りに回転させて入力面に対するブラシ１３の向きを変えることにより、任意の方向にペン先を誘導することができるものとなっている。

図３は上記のようなペン入力装置１０を使用して画面入力装置に対する入力操作が行われる場合において、入力すべき所定の位置へペン入力装置１０のペン先が誘導される様子を示したものであり、図中、２２は表示画面に表示された次に選択すべきボタン表示を示し、２３は選択肢ではないボタン表示を示す。また、２４は画面入力装置の表示駆動回路及びペン位置検出回路を示し、２５はペン駆動回路を示す。
図３に実線で示したようにペン入力装置１０のペン先が選択すべき位置ではない位置に位置されると、ペン駆動回路２５は画面入力装置の表示駆動回路・ペン位置検出回路２４からの表示情報及びペン先座標位置情報をもとにペン入力装置１０を駆動し、つまりモータ１７を回転駆動してブラシ１３を所定の方向に向け、かつ圧電素子１６を振動させ、これにより破線で示したようにペン入力装置１０のペン先を次に操作すべき所定の位置に誘導する。従って、操作者は入力ミスすることなく、入力操作を容易に行えるものとなる。

なお、上述したペン入力装置１０ではブラシ部１１をペン軸方向に振動させるものとなっているが、振動方向はこれに限らず、例えばペン軸１４に垂直な面内の不特定方向にランダム振動させるようにしてもよく、この場合においてもブラシ１３の向きに応じた摩擦力の差が発生してペン先がブラシ１３の向きに従って誘導されるものとなる。このようなペン軸１４に垂直な面内の不特定方向のランダム振動は例えばモータの回転軸に重りを非対称に（偏心させて）取り付けることにより、その重りの回転によって得ることができる。

次に、植設板１２に植設されるブラシ１３について説明する。
ブラシ部１１がペン軸方向に振動される形態では、その振動によってブラシ１３が入力面に押し付けられたり、引き離されるに伴って、ブラシ１３が所要の変形をし、入力面に対するブラシ１３の滑り運動が誘起されて、その滑りの往復での摩擦係数の相異により誘導力を得るものであり、よってブラシ１３はそのような変形ができる程度の弾性を必要とする。このようなブラシ１３は例えば適度の弾性を有する硬質プラスチック等で作製することができる。

一方、ブラシ部１１をペン軸に垂直な面内方向に振動させる形態では、ブラシ１３が変形しなくても振動によりブラシ１３は入力面に対して滑り運動をするので滑り方向による摩擦係数の十分な相異さえ担保されればブラシ１３には特に弾性は必要とせず、またブラシ１３は必ずしも柱状の毛で構成される必要もない。例えば根元が太く、先端が細いテーパ状の所定の向きに傾斜した硬い突起の集合によってブラシ１３を構成することも可能となる。
以上、説明した実施例ではブラシ１３が同一方向に揃って植設されているブラシ部１１をペン軸回りに回転させることにより入力面と接触するブラシ１３の向きを変え、これによりペン先が誘導される方向を変えるものとなっているが、これに替え、図４に示したような構成を採用することもできる。

この例では図４Ａ，Ｂに示したように植設板１２の植設面がペン軸回りの方位に応じて８つの領域に分割され、その領域毎にその方位（放射方向）に向き、かつ植設面に対して傾斜してブラシ１３が植設されているものとされ、互いに１８０°をなす位置に位置するブラシ１３はそれぞれ図４Ａに示したように互いに外側に向って植設されているものとされる。
上記のような構造とされたブラシ部３１は領域により８つの方位に向いたブラシ１３を有するものとなっているため、植設板１２を入力面２１に対して所定の方向に傾ければ、その傾斜方向に応じて入力面２１と接触するブラシ１３の向きが変わるものとなる。

ブラシ部３１をペン軸１４に対して傾斜操作する手段は軸１８の先端に取り付けられてブラシ部３１の植設板１２と対向する固定板３２と、ペン軸位置において植設板１２と固定板３２との間に介在された支点３３と、植設板１２の外周側において植設板１２と固定板３２との間に例えばペン軸回りに１２０°ピッチで配置された３つの圧電素子３４とによって構成することができる。
３つの圧電素子３４は電圧を印加することによりペン軸方向に伸縮するものとされ、よってこれら圧電素子３４を駆動制御することにより、例えば図４Ｃに例示したようにブラシ部３１は入力面２１に対して傾斜し、特定の領域の、つまり所定の方向に向いたブラシ１３が選択的に入力面２１と接触するものとなる。そして、この状態でブラシ部３１を圧電素子１６によりペン軸方向に振動させれば、ペン先は矢印Ｆで示した方向に誘導されるものとなる。

このように図４に示した構成ではブラシ部３１は全方位に向いたブラシ１３を具備するため、ブラシ部３１を傾斜操作することにより、所定の方向の誘導力が得られるものとなる。
なお、上述したブラシ部１１及び３１ではいずれもブラシ１３が入力面と当接するものとなっているが、例えば入力面に対し、所要の強い押圧力を必要とする場合には、図５に示したように植設板１２の植設面中央にチップ状の押圧部３５を設け、ブラシ１３と共に押圧部３５が入力面に当接するようにするのが好ましい。

ところで、ブラシ部１１及び３１はいずれも入力面と対向される植設板１２の平坦な植設面にブラシ１３が植設されているため、例えばペン入力装置が入力面に対して大きな角度で傾斜されてペン先が入力面に当接されると、ペン先のブラシ１３が入力面に有効に接触せず、所望の誘導力が適正に得られなくなるといった状況が生じ、よってペン入力装置を比較的限られた傾斜角度の範囲でしか使用できないといった問題がある。
図６に示したブラシ部４１はこの問題を解決するもので、この例ではブラシ１３が植設される植設体４２は略半球形状をなすものとされ、即ちブラシ１３の植設面４２ａがペン軸回りに回転対称な凸状をなす曲面とされている。植設面４２ａはペン軸回りの方位（経度）に応じて８つの領域に分割され、各領域に分けてブラシ１３がそれぞれ植設されている。

ブラシ１３は植設面４２ａを経線に沿って切って平面展開した時、同一方向に揃って植設されているものとされ、かつその平面展開した植設面４２ａに対して所定の角度、傾斜して植設されているものとされる。
このようにブラシ部４１を構成すれば、ペン入力装置が入力面に対し、任意の角度で傾斜されて当接されても、ブラシ１３は所定の大きさの傾斜で常に入力面に接触するものとなり、よってブラシ１３が有効に接触しないといった状況は発生しない。入力面に接触するブラシ１３の方向はブラシ部１１と同様、ブラシ部４１をペン軸回りに回転することにより変えることができる。

なお、この発明の作用であるブラシ部の振動によって誘起されるペン先の誘導力は、入力面にペン入力装置を当接する角度や、誘導しようとする方向と入力面に接触しているブラシの植設方向との関係あるいは例えばブラシ部をペン軸に垂直な面内方向に振動させる形態における振動振幅の方向による不均一さなどによって、必ずしも常に一定の大きさの力では作用しない。
そこで、これを補償するために実際にペン先に誘起されている誘導力を検出し、その大きさの変化をブラシ部の振動振幅にフィードバックするようにした構成について、図７を参照して説明する。

この例では図１に示したペン入力装置１０に対し、ペン本体１５内に応力センサ５１が設けられたものとされる。応力センサ５１はペン先に作用するペン軸１４に垂直な面内方向の外力を検出するもので、モータ１７により回転される軸１８の延長上に位置してモータ１７の固定部（ケース）に連結固定された軸５２の傾斜を検出することによりペン先に作用する外力を検出するものとなっており、即ち図８Ａ，Ｂに示したような軸５２の傾斜を検出することができるものとなっている。
このような応力センサ５１には例えば軸５２がダイアフラムによって支持され、軸５２の傾斜に伴うダイアフラムの変形（変位）を静電容量の変化によって検出する構造の静電容量型シリコンセンサを用いることができる。なお、応力センサ５１の固定側は軸５３を介して圧電素子１６の端面に連結固定されている。

移動検出回路５４は画面入力装置の表示駆動回路・ペン位置検出回路２４からのペン先座標位置情報からペン先の移動方向とその速度または加速度を検出し、演算するものである。駆動振幅制御回路５５は移動検出回路５４の出力と応力センサ５１の検出出力に基づいて、ペン先に作用する誘導力の大きさの変化を判断し、その変化に応じて圧電素子１６の駆動（振動振幅）を制御する。図７中、５６はモータ１７を駆動制御する回路を示す。
なお、駆動振幅制御回路５５は移動検出回路５４と応力センサ５１からの入力を受け、これらを比較して図８Ｂに示す状態を判定したら、操作者がペン入力装置を移動させているものとして、その時の入力を無視し、これに対し、図８Ａに示す状態を判定したら、その時の移動検出回路５４の出力情報をブラシ部１１振動誘起の誘導力の大きさを表すものとして採用する。

そして、採用した移動検出回路５４の出力に基づいて圧電素子１６の振動振幅を制御する。この際、例えば採用される移動検出回路５４の出力としてのブラシ部１１振動の誘導によるペン先移動の速度または加速度が常に所定の大きさの範囲に入るようにする制御とすることができる。また、他の方法として誘導する方向に依存する上記誘導によるペン先移動の速度または加速度の差異を判断して、その差異を定められた範囲に収めるように、モータ１７の駆動と同期して誘導する方向によって圧電素子１６の駆動振幅を変化・調整するように制御することもできる。

なお、上述した例では応力センサ５１に静電容量型シリコンセンサを用いるものとなっているが、これに替え、例えば歪みゲージを用いることもできる。この場合、軸５２は誘導力によって撓みうるものとし、ペン軸１４に垂直な直交２方向において軸５２の周面に各一対の歪みゲージを対向させて取り付け、軸５２に生じる曲げの方位と大きさを検出する。
以上説明したように、この発明ではペン先に設けたブラシ部を振動させることによってペン先に誘導力を誘起するものとなっているが、ブラシ部のペン軸方向もしくはペン軸に垂直な面内方向の振動は下記（１），（２）の理由により、数１０Ｈｚオーダの振動とするのが好ましい。

（１）ペン入力装置には、（ａ）ペン先を入力面に当接して位置情報を得るタイプの他、（ｂ）ペン入力装置が振動ペンとされて入力面を構成する振動伝達板の振動センサで入力位置情報を得るタイプのものが存在する。この発明によるペン入力装置はこれらいずれのタイプのペン入力装置にも適用できるが、特に（ｂ）のタイプでは位置情報を得るための振動に一般に数１０ｋＨｚオーダの振動を用いるので、これと相互に影響しない周波数とする。
（２）図７に示したペン入力装置では応力センサを具備するものとなっているが、この応力センサの時定数を、ブラシ部の振動周波数より十分大きく、振動を検出しないで外力だけを抽出できるように選定できるようにするためにブラシ部の振動は数１０Ｈｚオーダとする。なお、応力センサの応答速度は数Ｈｚ程度とすることができる。

この発明によるペン入力装置の一実施例を示す一部切り欠いた斜視図。図１に示したペン入力装置の動作を説明するための図。図１に示したペン入力装置が画面入力装置の入力面上で誘導される様子を示す図。ブラシ部及びブラシ操作手段の他の構成例及び動作を説明するための図。ブラシ部に入力面と当接する押圧部を設けた構成を説明するための図。ブラシ部のブラシが植設される植設面を凸曲面とした構成を説明するための図。図１に示したペン入力装置に対し、応力センサを付加し、ペン先に誘起される誘導力を制御できるようにした構成を説明するための図。図７に示したペン入力装置の動作を説明するための図。

Claims

画面入力装置の入力面に対する入力操作に用いるペン入力装置であって、
ペン先に設けられ、そのペン先を上記入力面に当接させた時に入力面との間の摩擦係数がペン先を移動させる方向によって異なるように植設されたブラシを有するブラシ部と、
そのブラシ部を操作して上記入力面に接触するブラシの向きを変えるブラシ操作手段と、
上記ブラシ部をペン軸方向もしくはペン軸に垂直な面内の不特定方向に振動させる振動発生手段とを具備し、
上記入力面にペン先が当接されたペン入力装置には、上記ペン軸方向もしくはペン軸に垂直な面内の不特定方向の振動により、上記入力面と上記ブラシとの間に向きによって差のある摩擦力が発生し、上記入力面と接触している上記ブラシの向きに従い、その摩擦力の小さい方向にペン先を誘導する力が作用する構造とされていることを特徴とするペン入力装置。
請求項１記載のペン入力装置において、
上記ブラシ部は上記入力面と対向される植設面にブラシが同一方向に傾斜して植設されているものとされ、
上記ブラシ操作手段は上記ブラシ部をペン軸回りに回転駆動するものとされていることを特徴とするペン入力装置。
請求項１記載のペン入力装置において、
上記ブラシ部は上記入力面と対向される植設面がペン軸回りの方位に応じて複数の領域に分割されて、その領域毎に互いに異なる方向に傾斜してブラシが植設されているものとされ、
上記ブラシ操作手段は上記ブラシ部をペン軸に対して傾斜駆動して、上記複数の領域のうちの一つの領域のブラシを選択的に上記入力面に接触させるものとされていることを特徴とするペン入力装置。
請求項１記載のペン入力装置において、
上記ブラシ部は上記ブラシの植設面がペン軸回りに回転対称な凸状をなす曲面とされると共に、ペン軸回りの方位に応じて複数の領域に分割され、
上記ブラシ操作手段は上記ブラシ部をペン軸回りに回転駆動して、上記複数の領域のうちの一つの領域のブラシを選択的に上記入力面に接触させるものとされ、
上記入力面に接触する上記ブラシの方向は上記領域毎に互いに異なる方向とされていることを特徴とするペン入力装置。
請求項１乃至４記載のいずれかのペン入力装置において、
上記入力操作により入力されるペン先の座標位置の情報からペン先の上記入力面上における移動を検出する移動検出手段と、
上記ペン先に作用するペン軸に垂直な面内方向の外力を検出する応力センサと、
それら移動検出手段及び応力センサの検出に基づいて、上記振動により作用する上記ペン先を誘導する力の大きさの変化を判断し、その変化に応じて上記振動発生手段の駆動を制御する制御手段とを備えることを特徴とするペン入力装置。