特許 7595074 位置指示器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-27

(45)【発行日】2024-12-05

(54)【発明の名称】位置指示器

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/03 20060101AFI20241128BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20241128BHJP

【ＦＩ】

G06F3/03 400A

G01L5/00 E

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2022527602

(86)(22)【出願日】2021-04-26

(86)【国際出願番号】 JP2021016612

(87)【国際公開番号】W WO2021241102

(87)【国際公開日】2021-12-02

【審査請求日】2024-04-22

(31)【優先権主張番号】P 2020093803

(32)【優先日】2020-05-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000139403

【氏名又は名称】株式会社ワコム

(74)【代理人】

【識別番号】100091546

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 正美

(74)【代理人】

【識別番号】100206379

【弁理士】

【氏名又は名称】丸山 正

(72)【発明者】

【氏名】邱 ▲寛▼和

(72)【発明者】

【氏名】蕭 鈞▲悦▼

【審査官】井上 香緒梨

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０７１５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３３２２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０９－３０５６９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｆ ３／０３

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

先端部が筐体の開口部から突出し、前記先端部に印加された圧力に応じた変位が可能に配設されている芯体と、
前記芯体の前記変位に応じた変位を呈する端面と、
前記端面の前記圧力に応じた変位を検出する変位検出部と、
を備える電子ペンであって、
前記端面は、前記芯体の前記先端部とは反対側が嵌合されて、前記芯体の変位に応じて変位する芯体嵌合部材の端面であり、
前記変位検出部は、発光部と受光部とを備え、前記発光部からの発光光が前記端面に対して投光され、前記発光光が前記端面で反射されて戻ってくる受光光を前記受光部で受光するように構成され、前記発光光と前記受光光との位相差に基づいて前記端面の前記変位を検出し、
前記変位検出部で検出された前記変位に基づいて、前記芯体に印加される圧力を検出する
ことを特徴とする位置指示器。

【請求項2】

前記端面は、鏡面仕上げ加工が施されている
ことを特徴とする請求項１に記載の位置指示器。

【請求項3】

前記圧力の前記芯体の端への印加が消滅したときに、変位した前記芯体及び前記端面を、前記圧力が印加される前記変位の前の状態に復帰させるための弾性部材を備え、
前記変位検出部で検出された前記変位と前記弾性部材の弾性係数とに基づいて印加された前記圧力を算出する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置指示器。

【請求項4】

前記弾性部材は、前記筐体内において移動不可の状態の部材と、前記芯体嵌合部材との間に設けられる
ことを特徴とする請求項３に記載の位置指示器。

【請求項5】

前記芯体は、前記筐体の開口部の大きさよりも小さい芯体本体部と、前記芯体本体部の軸心方向の一方の端部側に、前記筐体の開口部の大きさよりも大きい前記先端部とからなり、前記先端部と前記芯体本体部との間には、リング状端面を備え、
前記弾性部材は、前記リング状端面と前記筐体の開口部の端面との間に設けられる
ことを特徴とする請求項３に記載の位置指示器。

【請求項6】

先端部が筐体の開口部から突出し、前記先端部に印加された圧力に応じた変位が可能に配設されている芯体と、
前記芯体の前記変位に応じた変位を呈する端面と、
前記端面の前記圧力に応じた変位を検出する変位検出部と、
を備える電子ペンであって、
前記変位検出部は、発光部と受光部とを備え、前記発光部からの発光光が前記端面に対して投光され、前記発光光が前記端面で反射されて戻ってくる受光光を前記受光部で受光するように構成され、前記発光光と前記受光光との位相差に基づいて前記端面の前記変位を検出し、
前記変位検出部で検出された前記変位に基づいて、前記芯体に印加される圧力を検出し、
前記筐体は、軸心方向の前記芯体が配される側に光透過部を備え、
前記発光部の発光光は、前記光透過部を通じて位置指示入力面に対して投光されるように構成され、
前記位置指示入力面からの反射光を前記受光部で受光して、当該受光光と前記発光光との間の位相差に基づいて、前記筐体の前記位置指示入力面に対する傾きを検出する
ことを特徴とする位置指示器。

【請求項7】

前記光透過部は、前記位置指示入力面からの前記反射光を収束して、前記受光部に導くようにするレンズで構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の位置指示器。

【請求項8】

前記端面は、前記芯体の先端部とは反対側の端面である
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の位置指示器。

【請求項9】

前記端面は、前記芯体の前記先端部とは反対側が嵌合されて、前記芯体の変位に応じて変位する芯体嵌合部材の端面である
ことを特徴とする請求項６～請求項８のいずれかに記載の位置指示器。

【請求項10】

前記端面は、鏡面仕上げ加工が施されている
ことを特徴とする請求項９に記載の位置指示器。

【請求項11】

前記変位検出部は、ＴＯＦ（Time Of Flight）センサが用いられて構成されている
ことを特徴とする請求項１～請求項１０のいずれかに記載の位置指示器。

【請求項12】

前記発光部からの発光光はパルス変調されている
ことを特徴とする請求項１～請求項１１のいずれかに記載の位置指示器。

【請求項13】

前記芯体は、前記先端部に印加された圧力に応じて、前記芯体の軸心方向に変位するように構成されており、
前記変位検出部は、前記端面に対して対向して配置されている
ことを特徴とする請求項１～請求項１２のいずれかに記載の位置指示器。

【請求項14】

前記端面は、前記芯体の軸心方向に直交する方向の端面であり、前記変位検出部は、前記芯体の軸心方向において前記端面に対して対向して配置されている
ことを特徴とする請求項１３に記載の位置指示器。

【請求項15】

軸心方向の一方側を位置指示端とするように構成されている筐体と、
前記筐体内に設けられる変位検出部と、
を備え、
前記筐体の前記位置指示端側には光透過部が設けられ、
前記変位検出部は、発光部と受光部とを備え、前記発光部からの発光光は、前記光透過部を通じて位置指示入力面に対して投光されるように構成され、
前記位置指示入力面からの反射光を前記受光部で受光して、当該受光光と前記発光光との間の位相差に基づいて、前記筐体の前記位置指示入力面に対する傾きを検出する
ことを特徴とする位置指示器。

【請求項16】

前記光透過部は、前記位置指示入力面からの前記反射光を収束して、前記受光部に導くようにするレンズで構成されている
ことを特徴とする請求項１５に記載の位置指示器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、位置検出センサを備える位置検出装置と共に使用され、圧力検出機能を有する位置指示器に関する。

【背景技術】

【0002】

位置検出センサを備える位置検出装置と、位置検出センサで位置検出が可能な面領域を位置指示入力面として指示入力を行う位置指示器とからなる座標入力装置は、位置検出センサと位置指示器との間での結合方式の違いにより、例えば電磁結合方式や静電結合方式など、種々の方式のものがある。

【0003】

この種の座標入力装置に用いられるペン型の位置指示器は、一般に、芯体の先端部（ペン先）に印加された圧力（筆圧）を検出して、位置検出装置に伝達する機能を備えるように構成されている。この場合に、位置指示器では、芯体に印加される圧力を検出するために、芯体の先端部を位置指示器の筐体の開口から突出させると共に、芯体を、筐体に対して、その軸心方向に移動可能となるようにしている。そして、芯体の先端部とは反対側には圧力検出部を設けて、この圧力検出部において、先端部に印加される圧力に応じた芯体の軸心方向の変位を、静電容量の変化、インダクタンス値の変化、抵抗変化などの電気的な変化として検出するように構成されている。

【0004】

静電容量の変化として検出する圧力検出部は、誘電体と導電性弾性部材との接触面積が印加される圧力に応じて変化することにより静電容量が変化する構成（例えば特許文献１（特開２０１６－１２６５０３号公報）参照）や、誘電体である空気層を介して互いに対向する２個の電極間の距離が印加される圧力に応じて変化する半導体デバイスからなるもの（例えば特許文献２（特開２０１３－１６１３０７号公報）参照）などが知れられている。

【0005】

また、印加される圧力に応じて芯体が軸心方向に変位するのをインダクタンス値の変化として検出する圧力検出部も知られている（例えば特許文献３（例えば特開２０１７－２１６００２号公報）参照）。さらに、芯体が印加される圧力に応じて軸心方向に変位するのを抵抗値の変化として検出する圧力検出部は、ひずみゲージを用いるものが知られている（例えば特許文献４（特開２０１９－０１６０３８号公報）参照）。

【0006】

位置指示器では、芯体の先端部が位置検出センサの入力面に接触させられ、位置指示器の芯体の先端部が入力面に対して押し付けられることにより、芯体の先端部に圧力が印加される。圧力検出部は、この芯体の先端部に印加される圧力を検出する。そして、座標入力装置では、位置検出装置が、位置指示器の圧力検出部で検出された圧力に応じた情報を受信して、位置指示器の芯体の先端部に印加されている筆圧値の情報として出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－１２６５０３号公報

【文献】特開２０１３－１６１３０７号公報

【文献】特開２０１７－２１６００２号公報

【文献】特開２０１９－０１６０３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述した特許文献１～４のいずれの圧力検出部も、位置指示器の芯体の先端部が入力面に対して押し付けられることにより芯体が軸心方向に変位することで発生する反力（圧力）を、静電容量の変化、インダクタンス値の変化、抵抗の変化に変換することで、直接的に検出する構造となっている。

【0009】

このため、芯体の先端部に印加された圧力を直接的に圧力検出部に印加させるようにする構造にする必要があり、複雑な構造となっている。また、圧力検出部に、芯体の先端部に印加された圧力が直接的に印加されるため、長年の使用により、圧力検出部を構成する部品に継続的に圧力がかかるために欠陥が生じたりする問題があると共に、圧力検出部を衝撃荷重から保護する構造を設ける必要があり、より構造が複雑となっていた。

【0010】

また、上述した特許文献１～４の圧力検出部では、位置指示器の芯体の先端部が入力面に対して接触してから僅かな圧力が芯体の先端部に印加された状態では、その印加された圧力に応じた静電容量や、インダクタンスや、抵抗値の変化は安定せず、即時応答が困難であり、正しく圧力を検出することが困難であるという問題もあった。

【0011】

このため、圧力検出部で、位置指示器の芯体の先端部に印加される圧力を検出するためには、ある大きさ以上の芯体の軸心方向の移動（ストローク）が必要であると共に、圧力の検出開始点（芯体の先端が入力面に対して接触してから、先端に印加された圧力が検出可能となって出力可能となる位置）を定めるのが困難であった。

【0012】

そこで、圧力検出部では、印加された圧力の検出が可能となるときの荷重が０グラムではなく、所定の大きさのオフセット荷重を設定して、このオフセット荷重以下の荷重では、位置指示器の圧力検出部の出力圧力値をゼロとして出力し、位置検出装置に送信するようにしているが、このオフセット荷重の設定が非常に厄介であった。

【0013】

この発明は、以上の問題点を解決することができるようにした位置指示器及び座標入力装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記の課題を解決するために、
先端部が筐体の開口部から突出し、前記先端部に印加された圧力に応じた変位が可能に配設されている芯体と、
前記芯体の前記変位に応じた変位を呈する端面と、
前記端面の前記圧力に応じた変位を検出する変位検出部と、
を備える電子ペンであって、
前記端面は、前記芯体の前記先端部とは反対側が嵌合されて、前記芯体の変位に応じて変位する芯体嵌合部材の端面であり、
前記変位検出部は、発光部と受光部とを備え、前記発光部からの発光光が前記端面に対して投光され、前記発光光が前記端面で反射されて戻ってくる受光光を前記受光部で受光するように構成され、前記発光光と前記受光光との位相差に基づいて前記端面の前記変位を検出し、
前記変位検出部で検出された前記変位に基づいて、前記芯体に印加される圧力を検出する
ことを特徴とする位置指示器を提供する。

【0015】

上述の構成の位置指示器においては、変位検出部では、発光部から出射された発光光が、先端部に印加された芯体の変位に応じて変位する端面に出射され、当該発光光が端面で反射されて戻ってくる受光光が、受光部で受光される。そして、変位検出部は、発光光と受光光との位相差に基づいて端面の変位を検出する。位置指示器では、この変位検出部で検出された変位に基づいて、芯体の先端部に印加される圧力を検出する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】この発明による位置指示器の第１の実施形態の電子ペンの構成例を説明するための図である。

【図2】この発明による位置指示器の第１の実施形態の電子ペンに搭載される変位検出部の構成例を示す図である。

【図3】図２の変位検出部の構成例を説明するための波形図である。

【図4】この発明による位置指示器の第２の実施形態の電子ペンの構成例を説明するための図である。

【図5】この発明による位置指示器の第２の実施形態の電子ペンに搭載される変位検出部の機能を説明するための図である。

【図6】この発明による位置指示器の第２の実施形態の電子ペンに搭載される変位検出部の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、この発明による位置指示器の実施形態を、図を参照しながら説明する。

【0018】

［第１の実施形態］
第１の実施形態の位置指示器は、ペン型の筐体を有するアクティブ静電容量方式の電子ペンの場合の例である。図１（Ａ）は、第１の実施形態の位置指示器としての電子ペン１のペン先側の構成を説明するための拡大断面図である。

【0019】

この例の電子ペン１おいては、導電性部材、例えばＳＵＳ（Steel Use Stainless）で構成される円筒状の筐体２のペン先側の端部に、フロントキャップ３が取り付けられている。

【0020】

フロントキャップ３は、絶縁性部材例えば樹脂で構成されており、内部に中空部を有するように構成されている。この例では、フロントキャップ３は、筐体２の内壁面の径よりもわずかに小さい径の筒状部３ａと、この筒状部３ａの軸心方向の一方のペン先側となる端部側に、ペン先に近づくほど径が小さくなるように形成されたテーパー部３ｂとが一体に形成されたものとなっている。

【0021】

フロントキャップ３は、筒状部３ａが筐体２内に挿入されて嵌合され、必要に応じて接着されることで筐体２のペン先側に取り付けられる。

【0022】

フロントキャップ３のテーパー部３ｂの先細の先端には、開口３ｃが設けられており、この開口３ｃに、例えば弾性ゴムからなる弾性部材４が装着されている。この弾性部材４は、フロントキャップ３のテーパー部３ｂの開口３ｃと同一の径の開口４ａを有する。

【0023】

そして、この例においては、芯体５は、導電性部材、例えば導電性金属からなる導体芯部５１と、この導体芯部５１の、先端側とは反対側の後端部５１ａを除く部分の全体を覆うカバー部５２とからなる。カバー部５２は、硬質の樹脂、例えばＰＯＭ（Polyoxymethylene）で構成されている。

【0024】

この例の芯体５は、形状的には、弾性部材４の開口４ａ及びフロントキャップ３の開口３ｃを通じて筐体２の中空部内に差し込まれる芯体本体部５ａと、弾性部材４の開口４ａから外部に突出する先端部５ｂとを備える。

【0025】

芯体本体部５ａは、導体芯部５１の後端部５１ａを除いて、カバー部５２の樹脂で覆われている。この芯体本体部５ａのカバー部５２の樹脂で覆われている部分の外径は、弾性部材４の開口４ａ及びフロントキャップ３の開口３ｃの径よりも小さくされている。

【0026】

先端部５ｂは、導体芯部５１の先端側が外部に露出しないようにカバー部５２の樹脂で覆われて構成されている。そして、この先端部５ｂは、芯体本体部５ａとの連結部の径は、弾性部材４の開口４ａ及びフロントキャップ３の開口３ｃの径よりも大きくされていると共に、ペン先になるほど径が小さくなる円錐形状とされている。先端部５ｂの、芯体本体部５ａとの連結部には、リング状端面５ｃを備える段部が形成されている。

【0027】

そして、この例では、図１（Ａ）に示すように、先端部５ｂの、芯体本体部５ａとの連結部の径は、弾性部材４の先端側の径と同一とされている。これにより、図１に示すように、芯体５の先端部５ｂの外周側面と弾性部材４の外周側面とは、面一となって段差が生じないようにされている。

【0028】

芯体５は、以上のような構成を備えるので、芯体本体部５を、弾性部材４の開口４ａ及びフロントキャップ３の開口３ｃを通じて、筐体２の中空部内に差し込むことが可能である。そして、芯体５の芯体本体部５ａを筐体２内に差し込んだときには、先端部５ｂの、芯体本体部５ａとの連結部のリング状端面５ｃが、弾性部材４のリング状端面４ｂに衝合する状態となる。

【0029】

そして、この例では、フロントキャップ３の中空部内には、芯体５の軸心方向の変位を光学的に検出する変位検出部６と、芯体５の軸心方向の変位に応じて変位する端面７Ｓを有する芯体嵌合部材７が設けられる。

【0030】

変位検出部６は、この例では、図２に示すように、発光部、例えばレーザー光を出射する発光ダイオード６１と、受光部、この例では３Ｄ（３ Dimension）センサ６２と、ＴＯＦコントローラ６３とを備えるＴＯＦ（Time Of Flight）センサを備えると共に、例えばマイクロプロセッサで構成される筆圧検出回路６７を備える。

【0031】

ＴＯＦコントローラ６３は、発光ドライバ６４を制御して、発光部の例を構成する発光ダイオード６１からパルス変調されたレーザー光の発光光Ｔｐ（図３（Ａ）の波形図参照）を出射するように制御する。発光ダイオード６１から出射されたレーザー光の発光光Ｔｐは、レンズ６５を通じて、この例では、端面７Ｓに投光され、端面７Ｓで反射される。この端面７Ｓで反射されたレーザー光は、レンズ６６を通じて受光部の例を構成する３Ｄセンサで受光光Ｒｐとして受光され、その受光結果がＴＯＦコントローラ６３に供給される。

【0032】

このとき、受光光Ｒｐは、発光ダイオード６１からの発光光の出射時点から、変位検出部６と端面７Ｓとの距離に応じた時間だけ遅延した時点で、３Ｄセンサ６２で受光される。このため、受光光Ｒｐは、図３（Ｂ）に示すように、図３（Ａ）に示した出射光のレーザー光の発光光Ｔｐに対して、変位検出部６と端面７Ｓとの距離に応じた遅延時間分だけの位相差ＰＨｄを有するものとなる。

【0033】

ＴＯＦコントローラ６３は、発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差ＰＨｄを検出し、その検出した位相差ＰＨｄの情報を後述する筆圧検出回路６７に供給する。筆圧検出回路６７は、ＴＯＦコントローラ６３からの位相差ＰＨｄの情報に基づいて、芯体５の先端部５ｂに印加された筆圧を検出する。筆圧検出回路６７は、検出した筆圧の情報を、後述するようにプリント基板１０上に配設されている信号処理回路９に供給する。この筆圧検出回路６７における筆圧検出の処理については、後で詳述する。

【0034】

なお、図１では、図示は省略するが、この実施形態の電子ペン１は、変位検出部６と信号処理回路９とを駆動するための電源電圧を供給するバッテリーを備えている。

【0035】

変位検出部６は、この例では、ホルダー部８により、電子ペン１の軸心中心位置の近傍に、レーザー光の発光部及び受光部が、電子ペン１の軸心方向に対して直交する方向となる状態で保持されて、フロントキャップ３の中空部内に配設される。

【0036】

この場合に、フロントキャップ３の先端側とは反対側の開口端側の円周方向の複数の位置には、図１（Ｂ）に示すように、開口端から鉤型に形成されている切り欠き溝３ｄが設けられている。一方、ホルダー部８には、この複数個の切り欠き溝３ｄのそれぞれに嵌合する複数個の突部８ａが形成されている。そして、ホルダー部８は、突部８ａが、切り欠き溝３ｄに嵌合された状態で軸心方向にフロントキャップ３に押し込まれた後、円周方向に回動されることで、図３（Ｂ）に示すように、突部８ａが鉤型の切り欠き溝３ｄと係合するようにされる。これにより、ホルダー部８は、フロントキャップ３に対して軸心方向に移動しないように結合される。なお、ホルダー部８と、フロントキャップ３とは、図１（Ｂ）のように結合すると共に、接着するようにしてもよい。

【0037】

ホルダー部８の、フロントキャップ３との結合側とは反対側には、基板載置台部８ｂが形成されており、この基板載置台部８ｂには、プリント基板１０が載置される。このプリント基板１０上には、前述した信号処理回路９が配設されている。この例では、信号処理回路９は、ＩＣ（Integrated Circuit）で構成されている。

【0038】

信号処理回路９は、芯体５の導体芯部５１に供給する信号を生成する。この実施形態では、この信号には、位置検出用信号と、この位置検出用信号の付加情報として、変位検出部６の筆圧検出回路６７で検出された筆圧情報が含まれる。

【0039】

また、ホルダー部８は、フロントキャップ３の中空部内において、芯体嵌合部材７を保持すると共に、芯体５の導体芯部５１をシールドするためのシールド部品（後述する導体ばね１２）を保持するように構成されている。なお、芯体嵌合部材７や、シールド部品などは、前述したようにして、ホルダー部８をフロントキャップ３と結合する前に、予め、ホルダー部８に保持されるように構成されている。

【0040】

すなわち、ホルダー部８は、フロントキャップ３の中空部側に、円柱状空間部を形成する筒状部８ｃを備える。この筒状部８ｃ内には、筒状の保持部材１１が挿入されて結合される。保持部材１１は、端面７Ｓを軸心方向に移動可能とする状態で、芯体嵌合部材７を保持する。この筒状の保持部材１１の中空部１１ａは、変位検出部６からの発光光Ｔｐを端面７Ｓに投光し、また、端面７Ｓからの反射光を受光するための空間を構成する。

【0041】

芯体嵌合部材７は、芯体嵌合部材本体部７１と、この芯体嵌合部材本体部７１の芯体５側に結合されて設けられる導電性部材７２と、芯体嵌合部材本体部７１の変位検出部６側に結合されて設けられる端面形成用部７３とからなる。

【0042】

芯体嵌合部材本体部７１は、軸心方向の芯体５側に、芯体５の導体芯部５１の後端部５１ａが嵌合される嵌合凹部７１ａを備えると共に、軸心方向の変位検出部６側に、端面形成用部７３に嵌合される嵌合突部７１ｂと、軸心方向に直交する方向に張り出すフランジ部７１ｃとを備えている。

【0043】

導電性部材７２は、例えば導電性ゴムなどの弾性を有する部材で構成され、芯体嵌合部材本体部７１の芯体５側に結合されたときに、芯体嵌合部材本体部７１の嵌合凹部７１ａと連通する貫通孔７２ａを備える。この導電性部材７２の貫通孔７２ａの径は、芯体５の導体芯部５１の後端部５１ａの径と等しくされており、芯体５の導体芯部５１の後端部５１ａは、導電性部材７２の貫通孔７２ａに圧入された後、芯体嵌合部材本体部７１の嵌合凹部７１ａ内に嵌合される。なお、芯体５は、芯体嵌合部材７から引き抜くことが可能であり、交換が可能である。

【0044】

この場合に、芯体５の導体芯部５１と導電性部材７２とは、導電性部材７２の弾性力により強く接触して、両者は電気的に良好に接続されることになる。この例では、導電性部材７２には、導電材料例えば導電性金属で構成されているコイルばね１２の一端１２ａ側が結合されている。そして、コイルばね１２は、図１（Ａ）に示すように、保持部材１１の外周部に巻回されるような状態で配設されると共に、その他端１２ｂ側は、ホルダー部８を貫通して、プリント基板１０側に導出され、プリント基板１０上において、信号処理回路９と電気的に接続されるように構成されている。図１（Ａ）の例では、コイルばね１２の他端１２ｂは、プリント基板１０の裏側からスルーホールを介して、表面側の信号処理回路９に電気的に接続されるように構成されている。

【0045】

信号処理回路９で生成された位置検出用信号及び筆圧情報を含む信号が、コイルばね１２を通じて芯体５の導体芯部５１に供給され、この導体芯部５１から位置検出センサに対して静電結合により送信される。

【0046】

そして、この実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、ホルダー部８の筒状部８ｃとフロントキャップ３の筒状部３ａとに挟持されるようにして、シールド部材保持部１３がフロントキャップ３の中空部内に設けられる。このシールド部材保持部１３は、フロントキャップ３の中空部において、筒状部３ａからテーパー部３ｂ側にまで亘るように構成されている。そして、このシールド部材保持部１３の外周に、この例では、導電性の金属からなるコイルが巻回されることで構成されるシールド部材１４が配設されている。このシールド部材１４は、芯体５の導体芯部５１へのノイズの取り込み等を防止するためのものであり、例えばプリント基板１０の接地導体に接続されている。

【0047】

端面形成用部７３は、嵌合凹孔７３ａを備え、その嵌合凹孔７３ａに、芯体嵌合部材本体部７１の嵌合突部７１ｂが嵌合されることで、芯体嵌合部材本体部７１に結合される。この端面形成用部７３は、変位検出部６と、保持部材１１の中空部１１ａの空間を介して対向する面を備え、当該面が端面７Ｓを構成するもので、当該端面７Ｓは光を良好に反射するようにするために鏡面仕上げ加工が施されている。端面形成用部７３は、鏡面仕上げ加工を施すことができる材料、例えばＳＵＳ（Steel Use Stainless）などの金属で構成されている。

【0048】

端面形成用部７３は、保持部材１１の中空部１１ａ内において、軸心方向に移動可能に配設されている。したがって、芯体嵌合部材７は、この端面形成用部７３が保持部材１１に対して軸芯方向に移動することで、移動可能となっている。ただし、保持部材１１の中空部１１ａの芯体５側には、図１（Ａ）に示すように、段部１１ｂが形成されていて、この段部１１ｂが端面形成用部７３の芯体５側の端部と衝合することで、芯体嵌合部材７が芯体５側に抜け落ちないように構成されている。

【0049】

そして、この実施形態では、芯体嵌合部材本体部７１のフランジ部７１ｃと、保持部材１１の芯体５側の端部との間に、弾性部材１５が配設されている。この例では、この弾性部材１５は、圧縮に対して高い復元性を有すると共に、耐衝撃吸収性能が高い、高機能ウレタン発泡部材、例えばマイクロポリマーシートＰｏｒｏｎ（登録商標）で構成されている。

【0050】

弾性部材１５は、この実施形態では、上述した芯体５の先端部５ｂとフロントキャップ３との間の弾性部材４と共に、芯体５及び芯体嵌合部材７が、芯体５の先端部５ｂに印加された圧力（筆圧）により軸心方向に移動した後、圧力の印加がなくなったときに元の位置に復帰させるための復帰用の弾性部材となる。この実施形態では、芯体５の先端部５ｂに圧力が印加されると、芯体５及び芯体嵌合部材７は、弾性部材４及び弾性部材１５の弾性力に抗して、軸心方向に、印加された圧力に応じた大きさの変位をし、この変位に対応して、端面７Ｓが軸心方向に変位する。

【0051】

変位検出部６の筆圧検出回路６７の処理について説明する。筆圧検出回路６７は、端面７Ｓの位置が、芯体５の先端部５ｂに圧力が印加されていないときの位置における発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差の情報をＴＯＦコントローラ６３から受け、筆圧ゼロのときの発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差の情報として記憶しておくようにする。この筆圧ゼロのときの発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差の情報の記憶情報は、定期的に更新するようにしてもよいし、例えば電子ペン１のサイドスイッチなどを用いた使用者の指示により更新することができるように構成してもよい。

【0052】

前述したように、芯体５の先端部５ｂに圧力が印加されると、その印加された圧力の大きさに応じた軸心方向の変位を端面７Ｓが呈する。ＴＯＦコントローラ６３は、この端面７Ｓの変位に応じて、筆圧ゼロのときの発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差とは異なる発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差を検出し、その検出した発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差の情報を筆圧検出回路６７に供給する。

【0053】

筆圧検出回路６７は、記憶している筆圧ゼロのときの発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差と、芯体５の先端部５ｂに圧力が印加されて端面７Ｓが軸心方向に変位した後の位置における発光光Ｔｐと受光光Ｒｐとの位相差との差ΔＰＨｄから、印加された圧力に応じた端面７Ｓの変位Δｄを検出する。

【0054】

すなわち、筆圧検出回路６７においては、光についての前記位相差の差ΔＰＨｄに対応する時間Δｔを算出し、光の速度をＣｖとしたとき、
Δｄ＝Δｔ×Ｃｖ／２・・・・（式１）
として、印加された圧力に応じた端面７Ｓの変位Δｄを検出する。

【0055】

そして、この実施形態では、前述したように、芯体５の先端部５ｂに圧力が印加されたときに、芯体５及び芯体嵌合部材７は、弾性部材４及び弾性部材１５の弾性力に抗して、軸心方向に変位するので、筆圧検出回路６７は、これら弾性部材４及び弾性部材１５の弾性係数を考慮して筆圧を検出するようにする。ここで、弾性部材４の弾性係数ｋ１は既知であり、また、弾性部材１５の弾性係数ｋ２も既知であるので、筆圧検出回路６７は、芯体５の先端部５ｂに印加された圧力、すなわち、筆圧Ｆを、
Ｆ＝Δｄ×（ｋ１×ｋ２／（ｋ１＋ｋ２））・・・・（式２）
として算出する。

【0056】

そして、以上のようにして算出された筆圧Ｆの情報が、筆圧検出回路６７から信号処理回路９に供給される。信号処理回路９は、この筆圧Ｆの情報を、例えばデジタル信号に変換して、芯体５の導体芯部５１に供給し、位置検出センサを通じて位置検出装置で検出される。

【0057】

以上説明したように、この実施形態の電子ペン１においては、芯体５の先端部５ｂに印加される圧力（筆圧）の大きさに応じて芯体５と共に軸心方向に変位する端面７Ｓの軸心方向の変位を、光学的に検出する変位検出部６を備え、この変位検出部６で検出した変位に基づいて、筆圧検出回路６７で筆圧を検出するように構成されている。

【0058】

したがって、この実施形態の電子ペン１によれば、筆圧検出のための構成を簡略化することができると共に、印加された圧力に応じた芯体及び芯体嵌合部材の軸心方向の変位を圧力として筆圧検出部に直接的に伝達するものではないので、圧力を直接的に受けることによる従来のような圧力検出部の欠陥が発生したりする問題は生じない。

【0059】

また、この実施形態の電子ペン１においては、従来のような印加された圧力に応じた変位を静電容量や、インダクタンスや、抵抗値の変化として検出し、それらの検出結果により筆圧を検出するのではなく、印加された圧力に応じた変位を光学的に検出し、その検出した変位から筆圧を検出するので、応答性良く検出することが可能である。また、圧力（筆圧）の検出開始点を定めるのも容易である。

【0060】

また、上述の実施形態の電子ペン１では、変位検出部６を、普及しているＴＯＦセンサを用いて構成することができるので、より構成を簡単にすることができるというメリットがある。

【0061】

［第２の実施形態］
上述の第１の実施形態では、ＴＯＦセンサを用いて筆圧のみを検出するようにしたが、第２の実施形態では、ＴＯＦセンサを用いることで、電子ペン１の筐体の傾きを検出することができるように構成する。図４に、この第２の実施形態の電子ペン１Ａのペン先側の拡大断面図を示す。

【0062】

図４の例の、この第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいて、上述した第１の実施形態の電子ペン１と同様の部分には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、第１の実施形態の電子ペン１における部品とは若干構成が異なっているが、対応する部品には、図３の例の第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいては、同一の参照符号にサフィックスＡを付加して示すようにする。

【0063】

図４に示すように、芯体５及び芯体嵌合部材７は、この第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいても、第１の実施形態の電子ペン１と同様の構成を備える。変位検出部６Ａは、後述する図６に示すように、発光光と受光光の位相差として、傾き検出用の位相差を検出する機能を有するＴＯＦコントローラ６３Ａを備えると共に、傾き検出回路６８が追加される点のみが異なるが、その他の構成は、第１の実施形態の電子ペン１の変位検出部６と同様である。

【0064】

この第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいては、変位検出部６Ａを保持するホルダー部８Ａは、例えばＳＵＳで構成される円筒状の筐体２Ａのペン先側の端部に、軸心方向に移動不能の状態で固定されるように取り付けられている。図４の例では、筐体２Ａの突部２Ａａが、ホルダー部８Ａの凹部８Ａｄに嵌合することで、ホルダー部８Ａが筐体２Ａに対して固定されている。そして、このホルダー部８Ａは、第１の実施形態の電子ペン１のホルダー部８と同様に基板載置台部８Ａｂを備え、当該基板載置台部８Ａｂ上に、信号処理回路９Ａを構成するＩＣが配設されているプリント基板１０が載置される。

【0065】

信号処理回路９Ａは、芯体５の導体芯部５１に供給する信号に、変位検出部６Ａの傾き検出回路６８で検出された傾きの情報が含まれる点が異なるだけで、第１の実施形態の電子ペン１における信号処理回路９と同様の構成を有する。

【0066】

そして、この第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいては、変位検出部６Ａを保持するホルダー部８Ａが固定された筐体２Ａの、軸心方向の芯体５が配設されるペン先側の端部に、光透過部１６を介してフロントキャップ３Ａが取り付けられる。

【0067】

この例では、光透過部１６は、筒状の光透過性の樹脂、あるいはガラス部材で構成され、その内壁面側が、図４に示すように凹面レンズとなるように構成されている。光透過部１６は、この例では、筐体２Ａ及びフロントキャップ３Ａに対して例えば接着材により接着されて接合される。なお、光透過部１６がガラスの場合に、例えばレーザーにより溶融させることで、筐体２Ａ及びフロントキャップ３Ａに対して接合するようにしてもよい。

【0068】

フロントキャップ３Ａは、絶縁性部材例えば樹脂で構成され、この第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいては、第１の実施形態の電子ペン１のフロントキャップ３のテーパー部３ｂに対応する部分のみを有するように構成されている。そして、この例では、フロントキャップ３Ａの外周面の少なくとも芯体５の導体芯部５１の周囲を囲むように位置には、導電性材料、この例では導電性金属からなるシールド部材１４Ａが設けられている。

【0069】

そして、この例では、フロントキャップ３Ａには、一体的に、芯体嵌合部材７の保持部３Ａｄが形成されており、この保持部３Ａｄにより、第１の実施形態の電子ペン１と同様に、端面７Ｓが変位検出部６Ａに対向する状態で、軸心方向に移動可能の状態で、芯体嵌合部材７が保持されている。

【0070】

そして、この第２の実施形態の電子ペン１Ａにおいては、光透過部１６で囲まれる、変位検出部６と端面７Ｓとの間の空間内には、変位検出部６Ａの発光部からのレーザー光を、端面７Ｓのみではなく、光透過部１６側に導くと共に、外部からの反射光を光透過部１６を通じて集光して、変位検出部６Ａの受光部で受光するようにするためのリング状のレンズ１７が配設されている。

【0071】

なお、レンズ１７に加えて、変位検出部６Ａと端面７Ｓとの間に、変位検出部６Ａの発光部からのレーザー光を端面７Ｓに投光し、その反射光を変位検出部６Ａの受光部で受光するようにするためのレンズを別途設けてもよい。もっとも、これらのレンズは、必須のものではなく、設けなくてもよい。

【0072】

第２の実施形態の電子ペン１Ａは、以上のように構成されているので、変位検出部６Ａでは、端面７Ｓの軸心方向の変位が検出されることで、第１の実施形態の電子ペン１と同様にして、芯体５の先端部５ｂに印加される圧力（筆圧）が検出される。

【0073】

また、この第２の実施形態の電子ペン１Ａでは、図５に示すように、変位検出部６Ａの発光部からのレーザー光の発光光Ｔｐが、光透過部１６を通じて位置検出センサのセンサ面（位置指示入力面）１００Ｓに投光され、当該センサ面１００Ｓで反射された光の受光光Ｒｐが、光透過部１６を通じて変位検出部６Ａの受光部で受光される。変位検出部６Ａでは、このときの発光光Ｔｐと、センサ面１００Ｓからの反射光の受光光Ｒｐとの位相差に基づいて、電子ペン１Ａの、位置検出センサのセンサ面１００Ｓに対する傾き角θを検出する。

【0074】

図６は、この第２の実施形態の電子ペン１Ａの変位検出部６Ａの構成例を示す図である。この図６に示すように、第２の実施形態の電子ペン１Ａの変位検出部６Ａにおいては、電子ペン１Ａの傾き角の検出のための機能を備えるＴＯＦコントローラ６３Ａを備えると共に、このＴＯＦコントローラ６３Ａに対して、筆圧検出回路６７と、傾き検出回路６８が接続されて設けられる。その他の構成は、第１の実施形態の電子ペン１の変位検出部６と同様である。

【0075】

この例の変位検出部６ＡのＴＯＦコントローラ６３Ａにおいては、端面７Ｓからの受光光Ｒｐと発光光Ｔｐとの位相差ＰＨｄ１のみではなく、位置検出センサのセンサ面１００Ｓからの反射光の受光光Ｒｐと発光光Ｔｐとの位相差ＰＨｄ２とを検出する。この場合に、端面７Ｓと変位検出部６Ａとの距離に比較して、位置検出センサのセンサ面１００Ｓと変位検出部６Ａとの間の距離は大きいので、位相差ＰＨｄ１と位相差ＰＨｄ２との大きさも大きく異なり、ＴＯＦコントローラ６３Ａでは、位相差ＰＨｄ１と位相差ＰＨｄ２とを分離して検出することができる。

【0076】

ＴＯＦコントローラ６３Ａは、位相差ＰＨｄ１については、第１の実施形態の電子ペン１の変位検出部６のＴＯＦコントローラ６３と同様にして、芯体５の先端部５ｂに圧力が印加されていないときの位相差値と、芯体５の先端部５ｂに圧力（筆圧）が印加されたときの位相差値との差ΔＰＨｄ１を検出して、その差ΔＰＨｄ１を筆圧検出回路６７に供給するようにする。筆圧検出回路６７では、前述したように、（式１）及び（式２）を用いて、芯体５の先端部５ｂに印加された圧力（筆圧）を検出する。

【0077】

そして、ＴＯＦコントローラ６３Ａは、位相差ＰＨｄ２については、位相差ＰＨｄ２の情報を、傾き検出回路６８に供給する。この例では、傾き検出回路６８は、位相差ＰＨｄ２の値と、電子ペン１Ａのセンサ面１００Ｓに対する傾き角θとの対応テーブルを備えており、この対応テーブルを、位相差ＰＨｄ２の値により参照することで、そのときの電子ペン１Ａの傾き角を検出するようにする。

【0078】

この場合に、対応テーブルの情報は、傾き角θが０度から９０度の範囲で、例えば１度ごとの傾き角における状態での位相差ＰＨｄ２の値を測定して、それぞれ対応付けて記憶することで形成することができる。なお、傾き角を、０度から９０度の範囲で、粗い角度例えば５度ごとの傾き角における状態での位相差ＰＨｄ２の値を測定して、それぞれ対応付けて記憶することで形成し、５度ごとの中間の傾きは、補間演算により算出するようにしてもよい。

【0079】

なお、傾き検出回路６８は、位相差ＰＨｄ２の値から、計算により、変位検出部６Ａとセンサ面１００Ｓとの距離を算出することができる。そして、芯体５の先端部５ｂと変位検出部６Ａとの距離は一定であり、電子ペン１Ａの軸心方向に対する、変位検出部６Ａからの発光光及び受光光の光透過部１６を通じた光の中心軸方向は定まっているので、傾き検出回路６８は、位相差ＰＨｄ２の値から算出した距離から、電子ペン１Ａの傾き角θを計算により求めることもできる。

【0080】

以上のようにして検出された電子ペン１Ａの傾き角θの情報は、傾き検出回路６８から信号処理回路９Ａに供給される。信号処理回路９Ａは、位置検出用信号の付加情報として、筆圧検出回路６７で検出された筆圧の情報と、傾き検出回路６８で検出された傾き角θの情報を芯体５の導体芯部５１に供給する。

【0081】

この第２の実施形態の電子ペン１Ａによれば、筆圧の情報に加えて、電子ペン１Ａの傾き角θの情報を、変位検出部６Ａから得ることができるという顕著な効果を奏する。

【0082】

［その他の実施形態又は変形例］
上述の第１及び第２の実施形態の電子ペン１及び１Ａでは、芯体５の先端部５ｂとフロントキャップ３，３Ａの先端側端部との間に弾性部材４を設けるようにしたが、この弾性部材４は省略して、フロントキャップ３，３Ａと芯体５の先端部５ｂの段部のリング状端面５ｃとの間に軸心方向の空間を設けるようにしてもよい。そして、このように、弾性部材４を省略する場合には、芯体５の先端部５ｂのリング状端面５ｃを備える段部を設ける必要がなくなるので、芯体５は、先端から後端まで一定の径の棒状のものであってもよいし、さらには、カバー部５２を省略して、導体芯部５１のみにより、芯体５を構成してもよい。

【0083】

また、弾性部材１５は、上述の実施形態では高機能ウレタン発泡部材で構成したが、コイルばねなどの他の構成であってもよい。そして、弾性部材１５の配設位置は、芯体嵌合部材７及び芯体５を圧力が印加される前の状態に復帰させることができればよいので、上述の実施形態の例のような、芯体嵌合部材７と保持部材１１との間の位置に限られるものではない。例えば、弾性部材１５は、変位検出部６，６Ａからの発光光及び受光光に対して邪魔をしない、あるいは影響を与えない位置であれば、端面７Ｓと、変位検出部６，６Ａを保持するホルダー部８，８Ａとの間に設けてもよい。

【0084】

また、上述の実施形態では、端面７Ｓは、芯体５が嵌合される芯体嵌合部材７の後端側の、端面形成用部７３の鏡面仕上げ加工を施した面とするように構成したが、芯体５の後端側に鏡面仕上げ加工を施した面を備える端面形成用部を嵌合させるように構成してもよい。さらには、芯体５自身の後端側の端面を鏡面仕上げ加工をして端面７Ｓとするようにしてもよい。

【0085】

なお、端面７Ｓは、上述の実施形態では、電子ペン１，１Ａの軸心方向に直交するように配設されているが、直交している必要はない。また、変位検出部６，６Ａも、端Ｂん面７Ｓに対して投光し、その反射光を受光することができれば、電子ペンの軸心中心位置に設けなくてもよい。

【0086】

上述の第２の実施形態の電子ペン１Ａでは、光透過部１６は、径が一定の筒状部の構成としたが、フロントキャップ３Ａのテーパー部分の一部に亘るように形成するようにしてもよい。また、光透過部１６は、フロントキャップ３Ａのテーパー部にのみ、設けるようにしてもよい。

【0087】

上述の第２の実施形態の電子ペン１Ａでは、光透過部１６は、凹面レンズの構成としたが、必ずしも、この例のようなレンズ構成を備える必要はない。

【0088】

なお、上述の第２の実施形態の電子ペン１Ａでは、変位検出部６Ａは、傾き検出回路６８と筆圧検出回路６７との両方を備える構成としたが、傾き検出回路６８のみであってもよい。その場合には、筆圧検出部としては、変位検出部による光学的な構成ではなく、冒頭で説明したような従来の筆圧検出部を用いることができる。

【0089】

上述の第１及び第２の実施形態の電子ペン１及び１Ａは、アクティブ静電容量方式の電子ペンの場合の例であったが、これに限らず、例えば電磁誘導方式の電子ペンでもよい。

【0090】

また、この発明による位置指示器は、ペン形状の電子ペンの構成に限られるものではなく、芯体を備え、筆圧検出部を備えるものであれば、どのような形状のものであってもよい。

【0091】

また、変位検出部６，６Ａは、ＴＯＦセンサを用いた構成に限られるものでもないことは勿論である。

【符号の説明】

【0092】

１，１Ａ…電子ペン、２，２Ａ…筐体、３，３Ａ…フロントキャップ、４…弾性部材、５…芯体、６，６Ａ…変位検出部、７…芯体嵌合部材、８，８Ａ…ホルダー部、９…信号処理回路、１０…プリント基板、１５…弾性部材、１６…光透過部、１７…レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】