(57)【要約】      （修正有）【課題】タッチパネル表面への入力操作において、実際に絵筆や毛筆等を用いて絵や文字等を描く際と同等の操作感を実現するとともに、筆使いや筆運びに応じた筆の特徴を再現することができる入力装置、および、入力操作解析方法、入力操作解析プログラムを提供する。【解決手段】電子絵筆２００は、その穂先２３０が実際の絵筆と同様に、複数の筆毛が束ね合わされ、穂先２３０の内部に複数の柔軟な圧電センサー２０１が所定の位置関係および相対角度を有して配置された構成を有している。入力操作時の穂先２３０の撓りに応じて圧電センサー２０１が変形することにより圧電効果を利用して当該撓り状態に応じた検出電圧が出力される。また、電圧を圧電センサーに印加することにより逆圧電効果を利用して穂先２３０にその撓りを元の状態に復元しようとするような曲げ応力が付与される。【選択図】図３
2014016871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、
前記穂先の一端側を固定する柄軸と、
前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、
前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、
前記穂先の撓りを元の状態に復元しようとするような応力を前記アクチュエータに付与する応力付与制御部と、
を備えることを特徴とする入力装置。
【請求項２】
前記応力付与制御部は、前記検出電圧に基づいて、前記応力を付与することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
【請求項３】
前記穂先の前記他端側が接触される入力面を有し、前記穂先の接触位置を検出するタッチセンサーと、
前記穂先の接触位置と前記穂先の撓り状態とに基づいて、前記穂先の運筆状態を判別する運筆状態判別部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
【請求項４】
前記センサーと前記アクチュエータは、同一の圧電センサーにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の入力装置。
【請求項５】
前記圧電センサーは、圧電フィルムの両面に薄膜電極が形成された複数の圧電体が、絶縁性の弾性基材を介して積層形成された構成を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の入力装置。
【請求項６】
前記圧電センサーは、前記複数の圧電体のうち、特定の前記圧電体が前記センサーとして機能し、他の前記圧電体が前記アクチュエータとして機能することを特徴とする請求項５に記載の入力装置。
【請求項７】
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、前記穂先の一端側を固定する柄軸と、前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに前記応力を付与する応力付与制御部と、備える入力装置の、前記穂先に物体が接触したときに前記穂先に生じた撓りに応じて前記センサーから出力される検出電圧を検出し、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出し、
前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに応力を付与する、
ことを特徴とする入力操作解析方法。
【請求項８】
コンピュータに、
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、前記穂先の一端側を固定する柄軸と、前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに前記応力を付与する応力付与制御部と、備える入力装置の、前記穂先に物体が接触したときに前記穂先に生じた撓りに応じて前記センサーから出力される検出電圧を検出させて、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出させて、
前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに応力を付与させる、
ことを特徴とする入力操作解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチパネルを備えた入力装置、および、入力操作解析方法、入力操作解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン（高機能携帯電話機）やタブレット型の情報端末のような、いわゆるタッチパネル方式の入力装置を備えた電子機器が急速に普及している。このような入力装置を備えた電子機器は従来から知られており、例えば金融機関の現金自動預け払い機（ＡＴＭ）や、自動券売機、カーナビゲーションシステム、携帯ゲーム機、パーソナルコンピュータの周辺機器として使用されるペンタブレット等、広範な製品分野において使用されている。
【０００３】
タッチパネル方式の入力装置は、概略、液晶や有機ＥＬ等の表示装置と、その前面（視野側）に配置された、または、表示装置と一体的に形成されたタッチセンサーと、を有し、ユーザが表示装置に表示された文字情報や画像を認識して、任意の表示領域にスタイラスペンや指を接触させることにより、所望の入力操作を行うことができる。
【０００４】
ここで、タッチパネルへの入力方法は大別して指先等を使用する方式と、入力ペンを使用する方式が知られている。前者においては、タッチパネルの背面に表示された画像等を認識し、所望の機能を実現するためのアイコン画像等を直感的に選択して入力する場合に適している。一方、後者においては、文字入力や描画入力等、細かな入力作業を行う場合に適している。さらに、入力ペンを用いてタッチパネルに入力を行う場合、入力の強さ（いわゆる筆圧）を検出することができる入力装置も知られている。
【０００５】
なお、入力ペンを用いてタッチパネルに入力操作を行う技術については、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。これらの特許文献には、硬質のペン先を備えたスタイラスペン（入力ペン）において、ペン本体の内部に筆圧を検出するための圧電素子を備えた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２４４７号公報
【特許文献２】特開平７−３２５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような入力ペンを使用した入力方式において、硬質のペン先を備えた入力ペンでの操作感は、実際に紙やキャンバス等に絵筆や毛筆等を使って絵や図形、文字等を描く際の操作感とは異なっている。このような操作感の差異は、主に、入力ペンのタッチパネル表面における反力や摩擦力の相違に起因するものである。そのため、タッチパネルを備えた電子機器に対して、上述したような入力ペンを用いて絵や図形、文字等を手書きで入力する際に、ユーザは違和感を覚えることが多いという問題を有している。
【０００８】
なお、近年、絵筆の穂先の形状に成形したシリコンゴム上に静電気植毛技術を用いて加工したペン先を備えた入力ペン（筆型デバイス）により、穂先の撓りを検出する方式が提案されているが、その操作感は実際の絵筆と同等のレベルを実現するには至っていない。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、タッチパネル表面への入力操作において、実際に絵筆や毛筆等を用いて絵や文字等を描く際と同等の操作感を実現するとともに、筆使いや筆運びに応じた筆の特徴を再現することができる入力装置、および、入力操作解析方法、入力操作解析プログラム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】
【００１０】
本発明に係る入力装置は、
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、
前記穂先の一端側を固定する柄軸と、
前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、
前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、
前記穂先の撓りを元の状態に復元しようとするような応力を前記アクチュエータに付与する応力付与制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る入力操作解析方法は、
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、前記穂先の一端側を固定する柄軸と、前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに前記応力を付与する応力付与制御部と、備える入力装置の、前記穂先に物体が接触したときに前記穂先に生じた撓りに応じて前記センサーから出力される検出電圧を検出し、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出し、
前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに応力を付与する、
ことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る入力操作解析プログラムは、
コンピュータに、
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、前記穂先の一端側を固定する柄軸と、前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに前記応力を付与する応力付与制御部と、備える入力装置の、前記穂先に物体が接触したときに前記穂先に生じた撓りに応じて前記センサーから出力される検出電圧を検出させて、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出させて、
前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに応力を付与させる、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、タッチパネル表面への入力操作において、実際に絵筆や毛筆等を用いて絵や文字等を描く際と同等の操作感を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明が適用される描画システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】一実施形態に係る描画システムに適用されるタブレット端末の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】一実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆の一構成例を示す要部構成図である。
【図４】一実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆を示す要部分解図である。
【図５】一実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】一実施形態に係る電子絵筆に適用されるブリッジ回路の構成例を示す回路図である。
【図７】一実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆を用いた入力操作の一例を示す概念図である。
【図８】一実施形態に適用される電子絵筆を特定方向に移動させた場合の穂先の撓り状態を解析するための説明図である。
【図９】一実施形態に適用される圧電センサーの一構成例を示す概略図である。
【図１０】圧電センサーの検出原理（撓り量と先端荷重との関係）を説明するための図である。
【図１１】一実施形態に係る入力操作解析方法により推定される電子絵筆の運筆状態を説明するための図である。
【図１２】一実施形態に係る描画システムにおける描画制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】本発明が適用される描画システムを構成する電子絵筆に適用される圧電センサーの他の構成例を示す概略構成図である。
【図１４】本発明が適用される描画システムに適用される電子絵筆の他の構成例を示す要部構成図である。
【図１５】他の構成例に係る電子絵筆を示す要部分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る入力装置、および、入力操作解析方法、入力操作解析プログラムについて、実施形態を示して詳しく説明する。
【００１６】
＜描画システム＞
まず、本発明に係る入力装置を備えた描画システムについて説明する。ここでは、描画システムに適用されるタッチパネル型の入力装置を備えた電子機器として、タブレット型の情報端末（タブレット端末）を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、タッチパネル型の表示装置を備えたノート型やデスクトップ型のパーソナルコンピュータに適用するものであってもよいし、ペンタブレット等の入力装置が接続されたパーソナルコンピュータに適用するものであってもよい。また、以下に示す実施形態においては、電子絵筆を用いて絵を描く（絵画を制作する）場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、毛筆を用いて文字等を描いたり記入したりする場合であっても良好に適用することができる。
【００１７】
図１は、本発明が適用される描画システムの一実施形態を示す概略構成図である。図２は、本実施形態に係る描画システムに適用されるタブレット端末の一構成例を示す機能ブロック図である。
【００１８】
本発明が適用される描画システムは、例えば図１に示すように、大別して、タッチパネル型の表示部１０１を備えたタブレット端末１００と、一般的な絵画の制作に用いられる絵筆と同等の外観を有する電子絵筆２００と、を有している。
【００１９】
（タブレット端末）
タブレット端末１００は、図２に示すように、概略、表示部１０１と、タッチパネル１０２と、地磁気センサー１０３と、記憶部１０４と、通信機能部１０５と、ＣＰＵ１０６と、電源供給部１０７と、電源スイッチ１０８と、を有している。
【００２０】
表示部１０１は、例えば液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等の表示装置であって、図１に示すように、矩形状を有する表示領域に、少なくともタッチパネル１０２への電子絵筆２００による入力操作に応じた描線や彩色等が表示される。また、表示部１０１には、タッチパネル１０２への電子絵筆２００による入力操作に関連する種々の設定メニューや情報が画像や文字の形態で表示される。
【００２１】
タッチパネル１０２は、上記表示部１０１の表示領域の前面（視野側）に配置され、または、当該表示部１０１と一体的に設けられ、電子絵筆２００によるタッチパネル１０２への入力操作に伴う接触位置（すなわち入力位置）の座標情報が検出される。この入力位置の座標情報は、時間に関連付けられて収集され、後述するように、入力位置の変化に要した時間に基づいて、電子絵筆２００の移動速度や加速度が算出される。この移動速度や加速度は、電子絵筆２００の筆使いや筆運びに関連した情報として取得される。また、タッチパネル１０２は、例えば表示部１０１に表示された種々の設定メニューや情報をユーザーが認識することにより、任意の設定情報が入力される。ここで、タッチパネル１０２は、少なくとも電子絵筆２００の入力位置を検出できるものであればよく、抵抗膜方式や静電容量方式、光学方式等、種々の方式を適用することができる。
【００２２】
地磁気センサー１０３は、地球の磁場の向きを計測することにより、タブレット端末１００の回転方向や傾斜方向に関する情報（端末姿勢情報）を取得する。この端末姿勢情報は、後述する電子絵筆２００から送信される電子絵筆２００の回転方向や傾斜方向に関する情報（絵筆姿勢情報）とともに、タブレット端末１００に対する電子絵筆２００の相対的な回転角度や傾斜角度を算出する際に用いられる。
【００２３】
記憶部１０４は、タッチパネル１０２により検出された入力位置の座標情報やタッチパネル１０２を介して入力された各種の設定情報、地磁気センサー１０３により取得された端末姿勢情報、後述する電子絵筆２００から送信される各種データ、表示部１０１に表示する画像情報等を一時保存するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有する。また、記憶部１０４は、表示部１０１やタッチパネル１０２、地磁気センサー１０３、記憶部１０４、通信機能部１０５における各種機能を実行するための制御プログラムや、後述する本実施形態に係る描画制御動作を実行するための制御プログラムを格納する読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含むものであってもよい。ＣＰＵ１０６は、これらの制御プログラムに従って処理を実行することにより、タブレット端末１００に対する電子絵筆２００の相対的な位置関係や傾斜状態等を常時把握するとともに、入力操作時における電子絵筆２００の運筆状態（運筆方向やフットプリントの形状、筆圧分布）を随時判別して、当該運筆状態に応じた描線や彩色を表示部１０１に表示させる制御を行う。加えて、ＣＰＵ１０６は、上記の運筆状態を判別して、電子絵筆２００の運筆時の操作感を、予め入力された設定情報（操作感設定情報）に基づく所望の状態に近似させるために、穂先に所定の曲げ応力を生じさせる制御を行う。なお、これらの制御プログラムは、ＣＰＵ１０６に予め組み込まれているものであってもよい。また、記憶部１０４は、例えば一部の構成が、メモリカード等のリムーバブル記憶媒体としての形態を有し、タブレット端末１００に対して着脱可能に構成されているものであってもよい。
【００２４】
通信機能部１０５は、少なくとも後述する電子絵筆２００から送信される、電子絵筆２００の運筆状態に関連するデータ（圧電センサーの検出電圧）や、電子絵筆２００の絵筆姿勢情報（地磁気センサーの検出信号）を受信する。また、通信機能部１０５は、予め設定された電子絵筆２００の運筆時の操作感に関する設定情報に基づいて、上記のＣＰＵ１０６により生成された、運筆時に穂先に所定の曲げ応力を生じさせるための操作感制御情報を送信する。さらに、通信機能部１０５は、電子絵筆２００に対して、上記の各種データの送受信に必要な通信制御に関連する情報を送受信する。ここで、通信機能部１０５を介して、電子絵筆２００との間で運筆状態に関連するデータや絵筆姿勢情報、操作感制御情報等を送受信する手法としては、例えば各種の無線通信方式や、通信ケーブルを介した有線による通信方式等を適用することができる。無線通信方式により上記データを送受信する場合には、例えば近距離無線規格であるブルートゥース（Bluetooth（登録商標））の仕様を良好に適用することができる。
【００２５】
電源供給部１０７は、一般的なタブレット端末に適用されるリチウムイオン電池等の二次電池や、市販の乾電池等の一次電池、あるいは、商用電源等からなる動作電源を備え、電源スイッチ１０８をオンまたはオフ操作することにより、表示部１０１やタッチパネル１０２、地磁気センサー１０３、記憶部１０４、通信機能部１０５、ＣＰＵ１０６等の各構成に対して、電源電圧が供給、または、その供給が遮断される。
【００２６】
（電子絵筆）
図３は、本実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆の一構成例を示す要部構成図である。図３（ａ）は、本実施形態に係る電子絵筆の筆先部分を示す概略斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したIIIＢ−IIIＢ線（本明細書では、図中に示したローマ数字の「３」に対応する符号として便宜的に「III」を用いる）に沿った穂先の断面を示す図である。図４は、本実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆を示す要部分解図である。図４（ａ）は、本実施形態に係る電子絵筆に適用される穂先の構造を説明するための分解斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したIVＢ−IVＢ線（本明細書では、図中に示したローマ数字の「４」に対応する符号として便宜的に「IV」を用いる）から見た矢視図である。
【００２７】
本実施形態に係る電子絵筆２００は、例えば図３（ａ）に示すように、概略、軸に沿って延在した形状を有する棒状の柄軸２１０と、柄軸２１０の一端側の端部である固定用基部２１０ａに取り付けられた穂先２３０と、を有している。ここで、本実施形態においては、電子絵筆２００は、一般の絵画の制作に用いられる平筆と同等の外観および構成を有している。
【００２８】
穂先２３０は、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、柄軸２１０の延在方向と同方向（図面上下方向）に複数の筆毛が配向されて束ねられている。穂先２３０の一端側は、固定用基部２１０ａに挿入されて柄軸２１０に固定された固定端を構成し、他端側は、タッチパネル１０２に接触することにより所望の撓りを生じるように自由端（または可動端）を構成している。ここで、穂先２３０を構成する各筆毛は、一般的な絵筆等に使用される動物の体毛や樹脂繊維等を適用することができ、筆毛を束ねた穂先２３０の状態で、適度な可撓性を有するように、筆毛の材質や寸法（細さや長さ等）、本数、束ね方等が設定されている。
【００２９】
本実施形態に係る平筆型の電子絵筆２００においては、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、穂先２３０の断面が略長方形または略矩形を有している。また、穂先２３０中には、図３（ｂ）および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、６個の圧電センサー２０１−１〜２０１−６（全ての圧電センサー２０１−１〜２０１−６を指す場合には「圧電センサー２０１」と表記する）が柄軸２１０または筆毛と同方向に配向され、かつ、各圧電センサー２０１−１〜２０１−６が所定の位置関係および相対角度を有した状態で束ねられている。
【００３０】
具体的には、穂先２３０は、例えば図３（ｂ）および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、断面形状が長方形状になるように筆毛が角柱状に束ねられ、その長辺と短辺（または、隣接する２辺）が略直角をなす中心毛束２３１と、断面形状が長方形状になるように筆毛が角柱状に束ねられ、中心毛束２３１の各辺に沿って配置される外周毛束２３２ａ〜２３２ｄと、を有している。そして、これらの中心毛束２３１と各外周毛束２３２ａ〜２３２ｄとの境界には、圧電センサー２０１−１〜２０１−６が挟持されるように配置されている。すなわち、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、長方形状の断面を有する中心毛束２３１において、対向する一対の長辺（図面下辺および上辺）の各々に沿って、各２箇所に圧電センサー２０１−１、２０１−２および２０１−４、２０１−５が配置され、また、対向する一対の短辺（図面右辺および左辺）の各々に沿って、各１箇所に圧電センサー２０１−３および２０１−６が配置されている。ここで、各圧電センサー２０１−１〜２０１−６は、後述するように、短冊状の平面を有するフィルム部材からなり、それぞれの平面が上記の境界面に沿って延在するように配置されている。これにより、圧電センサー２０１−１、２０１−２および２０１−４、２０１−５と、圧電センサー２０１−３および２０１−６とは、それぞれの平面が相対的に直交する方向を向くように配置される。そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、各長辺側に配置された各２個の圧電センサー２０１−１、２０１−２および２０１−４、２０１−５は、それぞれ外周毛束２３２ａおよび２３２ｃにより被覆された状態で中心毛束２３１に束ねられ、また、各短辺側に配置された各１個の圧電センサー２０１−３および２０１−６は、それぞれ外周毛束２３２ｂおよび２３２ｄにより被覆された状態で中心毛束２３１に束ねられている。これにより、図３（ｂ）および図４（ａ）に示すように、断面が長方形または矩形を有する穂先２３０が形成される。
【００３１】
なお、本実施形態においては、穂先２３０中に６個の圧電センサー２０１−１〜２０１−６が配置され、かつ、圧電センサー２０１−１、２０１−２および２０１−４、２０１−５と、圧電センサー２０１−３および２０１−６とが、相対的に直交する方向を向くように配置された構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上述した描画システムに適用される電子絵筆は、少なくとも穂先２３０中に複数の圧電センサーが配置され、それらの圧電センサーのうちの、任意の一対の圧電センサーの平面が相対的に異なる２方向を向くように配置されているものであれば、圧電センサーの個数や配置を任意に設定することができる。ここで、本発明に適用される描画制御方法においては、後述するように、複数の圧電センサーの平面を相対的に異なる２方向に向けて配置することにより、穂先２３０の撓り状態に応じて入力操作時の電子絵筆２００の運筆状態をベクトル合成処理により判別する手法を用いている。したがって、ＣＰＵ１０６におけるベクトル合成処理の処理負担を軽減するためには、複数の圧電センサーの平面が相対的に直交する方向を向くように配置された構成を適用することがより好ましい。しかしながら、後述する手法によれば、複数の圧電センサーの複数の平面が互いに交差する向きに配置されていれば、電子絵筆２００の運筆状態を検出することができる。
【００３２】
次いで、上述したような電子絵筆２００の機能構成について説明する。
図５は、本実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆の一構成例を示す機能ブロック図である。
【００３３】
電子絵筆２００は、図５に示すように、概略、圧電センサー２０１と、差動増幅部２０２と、フィルタ／ＡＤＣ２０３と、地磁気センサー２０４と、記憶部２０５と、通信機能部２０６と、ＣＰＵ２０７と、電源供給部２０８と、電源スイッチ２０９と、ブリッジ回路２４１と、駆動電源部２４２と、駆動制御スイッチ２４３と、を有している。
【００３４】
圧電センサー２０１（２０１−１〜２０１−６）は、上述したように、穂先２３０中に複数個配置され、電子絵筆２００の穂先２３０をタブレット端末１００に接触させる入力操作において、当該穂先２３０の撓りに応じて同様に撓ることにより、圧電効果により発生する電圧が取り出されて、後述するブリッジ回路２４１に出力される。また、圧電センサー２０１は、後述するブリッジ回路２４１を介して印加される電圧に基づいて、逆圧電効果により穂先２３０に所望の曲げ応力が付与される。圧電センサー２０１（２０１−１〜２０１−６）は、適度な可撓性を有するように、材料や厚さ等が設定されていて、例えば、薄い平板状に形成されている。
【００３５】
差動増幅部２０２は、後述するブリッジ回路２４１から出力される２つの電圧の差分を増幅することにより、穂先２３０の撓りに応じた、所定の電圧レベルを有するセンサー電圧（検出電圧）を生成して出力する。また、フィルタ／ＡＤＣ２０３は、ハイパスフィルタおよびローパスフィルタからなるフィルタ回路と、アナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）とを有している。フィルタ回路は、上記差動増幅部２０２から出力される圧電センサー２０１の検出電圧からノイズ成分を除去し、ＡＤＣは、ノイズ除去された検出電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された検出電圧は、ＣＰＵ２０７に取り込まれる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、フィルタ／ＡＤＣ２０３に設けられたハードウェアとしてのフィルタ回路やＡＤＣを用いて、ノイズ成分の除去処理およびアナログ−デジタル変換処理を行う場合について説明したが、この構成に限定されるものではない。すなわち、ＣＰＵ２０７に内蔵されたソフトウェアとしてのデジタルフィルタ機能やＡＤＣ機能を使用して、ノイズ除去処理やアナログ−デジタル変換処理を行うものであってもよい。これによれば、電子絵筆２００に内蔵されるハードウェア構成を削減することができ、電子絵筆２００の小型化やコストの削減を図ることができる。
【００３７】
地磁気センサー２０４は、上述したタブレット端末１００と同様に、地球の磁場の向きを計測することにより、電子絵筆２００の回転方向や傾斜方向に関する情報（絵筆姿勢情報）を取得する。この絵筆姿勢情報は、後述する通信機能部２０６を介して、上述したタブレット端末１００に送信されて、端末姿勢情報とともに、タブレット端末１００に対する電子絵筆２００の相対的な回転角度や傾斜角度を算出する際に用いられる。
【００３８】
記憶部２０５は、圧電センサー２０１により取得された検出電圧や、地磁気センサー２０４により取得された絵筆姿勢情報、電子絵筆２００の穂先２３０の形状（平筆型）に関する筆種別情報、運筆時の操作感を任意の状態に近似させるための操作感制御情報等を一時保存するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有する。また、記憶部２０５は、圧電センサー２０１や差動増幅部２０２、フィルタ／ＡＤＣ２０３、地磁気センサー２０４、記憶部２０５、通信機能部２０６、ブリッジ回路２４１、駆動電源部２４２、駆動制御スイッチ２４３における各種機能を実行するための制御プログラムや、後述する本実施形態に係る描画制御動作を実行するための制御プログラムを格納する読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含むものであってもよい。ＣＰＵ２０７は、これらの制御プログラムに従って処理を実行することにより、電子絵筆２００の絵筆姿勢情報を常時把握するとともに、タブレット端末１００への入力操作時における電子絵筆２００の運筆状態に関する情報を収集して、タブレット端末１００に所定のタイミング（随時、あるいは、任意のタイミング）で送信する制御を行う。加えて、ＣＰＵ２０７は、タブレット端末１００から送信された操作感制御情報に基づいて、タブレット端末１００への入力操作時に、駆動電源部２４２および駆動制御スイッチ２４３を制御して圧電センサー２０１に所定の曲げ応力を発生させて、穂先２３０の撓り状態を制御する。なお、これらの制御プログラムは、ＣＰＵ２０７に予め組み込まれているものであってもよい。
【００３９】
通信機能部２０６は、少なくとも上述した電子絵筆２００の穂先２３０に混在するように配置された圧電センサー２０１により得られた検出電圧や、地磁気センサー２０４により得られた検出信号を、上述したタブレット端末１００に送信する。圧電センサー２０１により得られた検出電圧は、上述したタブレット端末１００において、電子絵筆２００の運筆状態を判別するための各種データ（穂先２３０の撓り量やその撓り方向、その先端荷重）を算出するために使用される。また、地磁気センサー２０４により得られた検出信号は、タブレット端末１００に対する電子絵筆２００の絵筆姿勢情報（相対的な位置関係や傾斜状態等）を把握するために使用される。また、通信機能部１０５は、上述したタブレット端末１００から送信される、運筆時の穂先の撓り状態を制御する操作感制御情報を受信する。また、通信機能部２０６は、タブレット端末１００に対して、上記の各種データの送信に必要な通信制御に関連する情報を送受信する。
【００４０】
電源供給部２０８は、電子絵筆２００を用いた入力操作において支障とならないように、軽量大容量のリチウムイオン電池等の二次電池や、市販のボタン電池等の一次電池等からなる動作電源を備えている。そして、電源スイッチ２０９をオンまたはオフ操作することにより、圧電センサー２０１や差動増幅部２０２、フィルタ／ＡＤＣ２０３、地磁気センサー２０４、記憶部２０５、通信機能部２０６、ＣＰＵ２０７等の各構成に対して、電源供給部２０８から電源電圧が供給、または、その供給が遮断される。なお、タブレット端末１００との間で各種データ等を送受信する手法として、電子絵筆２００とタブレット端末１００が通信ケーブル（例えばＵＳＢケーブル等）を介して接続されている場合には、動作電源として、タブレット端末１００の電源供給部１０７から電力が供給されるものであってもよい。また、この場合には、動作電源として、商用電源を適用することもできる。
【００４１】
次に、本実施形態に係る電子絵筆に適用されるブリッジ回路について具体的に説明する。
図６は、本実施形態に係る電子絵筆に適用されるブリッジ回路の構成例を示す回路図である。図６（ａ）は、圧電センサーを含むブリッジ回路の第１の構成例を示す等価回路であり、図６（ｂ）は、同ブリッジ回路の第２の構成例を示す等価回路である。ここで、図６（ａ）、（ｂ）において、同等の構成については同一の符号を付して示す。
【００４２】
本実施形態に適用されるブリッジ回路の第１の構成例は、いわゆるＣＣブリッジ回路を有し、例えば図６（ａ）に示すように、可変コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とからなる直列回路と、コンデンサＣｐとコンデンサＣ２とからなる直列回路とが、駆動電圧Ｖｃが印加される接点Ｐａと接地電位に接続された接点Ｐｂとの間に並列に接続されている。ここで、可変コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とは接点Ｐｃを介して接続され、コンデンサＣｐとコンデンサＣ２とは接点Ｐｄを介して接続されている。また、図中、Ｖｐは圧電センサーの歪みによって発生する電圧であり、コンデンサＣｐは圧電センサーのキャパシタンスである。すなわち、圧電センサーの発生電圧ＶｐおよびコンデンサＣｐは圧電センサーの等価回路を構成する。また、駆動電圧Ｖｃは、駆動電源部２４２から駆動制御スイッチ２４３を介して所定のタイミングで供給される。
【００４３】
このような回路構成を有するブリッジ回路において、接点ＰｄおよびＰｃの電圧Ｖ１、Ｖ２は、コンデンサＣｐ、Ｃ１、Ｃ２、発生電圧Ｖｐ、駆動電圧Ｖｃを用いて、それぞれ次式（１１）、（１２）で表すことができる。
【００４４】
【数１】
2014016871.tif 000003
【００４５】
ここで、センサー電圧Ｖｓを、Ｖｓ：＝Ｖ１−Ｖ２と定義し、可変コンデンサＣ１の容量が圧電センサーのコンデンサＣｐの容量と等しくなるように回路のバランスを設定する（Ｃ１＝Ｃｐ）と、センサー電圧Ｖｓは、次式（１３）のように表すことができる。ここで、Ｋ２は、次式（１４）のように表される。なお、上記のように定義されたセンサー電圧Ｖｓは、上述した差動増幅部２０２において上記の電圧Ｖ１、Ｖ２の差分を演算し、所定の電圧レベルに増幅することにより得られる。
【００４６】
【数２】
2014016871.tif 000004
【００４７】
また、本実施形態に適用されるブリッジ回路の第２の構成例は、いわゆるＲＣブリッジ回路を有し、例えば図６（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とからなる直列回路と、コンデンサＣｐとコンデンサＣ２とからなる直列回路とが、駆動電圧Ｖｃが印加される接点Ｐａと接地電位に接続された接点Ｐｂとの間に並列に接続されている。ここで、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とは接点Ｐｃを介して接続され、コンデンサＣｐとコンデンサＣ２とは接点Ｐｄを介して接続されている。すなわち、本構成例に係るブリッジ回路は、上述した第１の構成例に係るブリッジ回路（図６（ａ））において、可変コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とからなる直列回路を、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とからなる直列回路に置き換えた回路構成を有している。
【００４８】
このような回路構成を有するブリッジ回路において、接点ＰｄおよびＰｃの電圧Ｖ１、Ｖ２は、コンデンサＣｐ、Ｃ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、発生電圧Ｖｐ、駆動電圧Ｖｃを用いて、それぞれ次式（２１）、（２２）で表すことができる。
【００４９】
【数３】
2014016871.tif 000005
【００５０】
ここで、上述した第１の構成例と同様に、センサー電圧Ｖｓを、Ｖｓ：＝Ｖ１−Ｖ２と定義し、コンデンサＣｐとコンデンサＣ２の比が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の比と等しくなるように素子定数を設定する（Ｃ２／Ｃｐ＝Ｒ２／Ｒ１）と、センサー電圧Ｖｓは、次式（２３）のように表すことができる。ここで、Ｋ２は、次式（２４）のように表される。
【００５１】
【数４】
2014016871.tif 000006
【００５２】
上述した第１および第２の構成例に係るブリッジ回路２４１においては、上記の（１３）、（１４）式、または、（２３）、（２４）式から明らかなように、センサー電圧Ｖｓは駆動電圧Ｖｃの影響が取り除かれ、圧電センサー２０１の歪みに比例する信号（発生電圧Ｖｐ）に、定数（ゲインＫ２）が乗算された分圧の形で取り出すことができる。すなわち、本構成例に係るブリッジ回路２４１によれば、圧電センサーの圧電効果を利用して、圧電センサー２０１の撓りに応じて発生する電圧Ｖｐ（すなわち、発生電圧Ｖｐに依存するセンサー電圧Ｖｓ）を検出することにより、圧電センサー２０１の撓り状態を取得することができるセンシング機能が実現される。また、本構成例に係るブリッジ回路２４１によれば、圧電センサーの逆圧電効果を利用して、駆動電圧Ｖｃに基づく印加電圧Ｖａ（＝Ｖｃ−Ｖ１）を圧電センサー２０１に印加することにより、この印加電圧Ｖａに応じた曲げ応力を圧電センサー２０１に付与することができるアクチュエータ機能が実現される。そして、これらのセンシング機能とアクチュエータ機能は、上述したブリッジ回路２４１に接続された同一の圧電センサー２０１において、同時並行的に実現される。すなわち、圧電センサー２０１−１〜２０１−６の各々を、検出器として機能させるとともに、アクチュエータとしても機能させることができる（セルフセンシング・アクチュエータ機能）。
【００５３】
図５に示した駆動電源部２４２は、上述した電源供給部２０８と同等の、または、当該電源供給部２０８と同一の電源を備えている。ここで、駆動電源部２４２から供給される駆動電圧Ｖｃは、ＣＰＵ２０７から出力される電圧値制御信号に基づいて、その電圧値が任意に設定される。そして、ＣＰＵ２０７から出力されるタイミング制御信号に基づいて、駆動制御スイッチ２４３を任意のタイミングでオンまたはオフ動作させることにより、上述したブリッジ回路２４１に対して、電圧値が設定された駆動電圧Ｖｃが供給、または、その供給が遮断される。
【００５４】
次に、上述した構成を有する描画システムにおける入力操作解析方法および描画制御方法について説明する。
＜入力操作解析方法＞
まず、本実施形態に係る電子絵筆を適用した入力操作解析方法について説明する。
【００５５】
図７は、本実施形態に係る描画システムに適用される電子絵筆を用いた入力操作の一例を示す概念図である。図７（ａ）は、電子絵筆の穂先の先端部分を平面視した場合の概略図であり、図７（ｂ）は、入力操作時の穂先の撓り状態を示す概略斜視図である。ここで、図７（ｂ）においては、図示を簡明にするために、穂先を構成する筆毛を省略し、圧電センサーの撓り状態のみを示した。図８は、本実施形態に適用される電子絵筆を特定方向に移動させた場合の穂先の撓り状態を解析するための説明図である。ここで、図８においては、図示を簡明にするために、穂先を構成する外周毛束を省略し、圧電センサーの撓り状態も示した。
【００５６】
上述したように、本実施形態に適用される電子絵筆２００は、穂先２３０の中に、複数個の柔軟な構造の圧電センサー２０１−１〜２０１−６が配置されている。そして、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、電子絵筆２００の穂先２３０をタブレット端末１００のタッチパネル１０２の表面（入力面）に接触させて移動させる入力操作時に、電子絵筆２００の筆使いや筆運びに応じた穂先２３０の撓り状態に追従して、各圧電センサー２０１−１〜２０１−６も変形するように構成されている。
【００５７】
なお、以下の説明においては、図７（ａ）に示すように、タッチパネル１０２を視野側から平面視してｘ−ｙ座標を規定した場合に、電子絵筆２００の穂先２３０の先端部分を、例えば図中矢印の運筆方向に移動させた場合について説明する。具体的には、タッチパネル１０２の長辺をｘ軸、短辺をｙ軸とする。ここでは、説明を簡明にするために、便宜的に、電子絵筆２００の穂先２３０の断面形状である長方形状の長辺をｙ軸方向に平行に設定し、短辺をｘ軸方向に平行に設定し、かつ、電子絵筆２００の柄軸２１０をタッチパネル１０２の表面に対して垂直になるように保持した状態で、穂先２３０をタッチパネル１０２にやや押し付け気味にして、図７（ａ）、（ｂ）中の矢印方向に平行移動させた場合を例にして説明する。なお、実際の入力操作においては、タッチパネル１０２に対する電子絵筆２００の傾斜角度や穂先２３０の回転角度、穂先２３０の押し付け具合等、複数のパラメータを考慮して入力操作の解析が行われる。
【００５８】
上述した電子絵筆２００の穂先２３０をタッチパネル１０２に接触させた初期状態においては、穂先２３０の先端部分（すなわち、タッチパネル１０２との接触領域）の形状は、図７（ａ）に示すように、穂先２３０の断面形状と略同一の長方形状（または矩形形状）を有している。この初期状態から、電子絵筆２００を図７（ａ）、（ｂ）中の矢印方向に移動させた（運筆した）場合の、穂先２３０の先端部分の変位について解析する。ここで、本実施形態においては、穂先２３０の先端部分の形状が長方形状（矩形形状）を有しているので、その四隅の頂点について変位方向と変位量が判明すれば、穂先２３０の先端部分全体の変位を推定することができる。
【００５９】
すなわち、本実施形態においては、電子絵筆２００の穂先２３０の内部に、短冊状の平面が相対的に直交するように短冊状の平面が配置された各圧電センサー２０１−１〜２０１−６の出力電圧を個別に検出することにより、ｘ方向およびｙ方向の穂先２３０の撓り方向と撓り量が独立して検出される。そして、これらの変位成分をベクトル合成することにより、穂先２３０の先端部分の形状を規定する四隅の頂点の変位方向と変位量を推定して、穂先２３０の先端部分全体の変位状態、すなわち電子絵筆２００の運筆状態を判別する。
【００６０】
具体的には、例えば図７（ａ）に示した運筆方向に電子絵筆２００を移動させた場合、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、圧電センサー２０１−１、２０１−２、２０１−４、２０１−５は、それぞれ−ｘ方向に所定の撓りを生じ、また、圧電センサー２０１−３、２０１−６は、それぞれ＋ｙ方向に所定の撓りを生じる。これらの圧電センサー２０１−１〜２０１−６の撓りは、穂先２３０全体の撓り状態に対応している。
【００６１】
これにより、図８（ａ）に示すように、穂先２３０の先端部分の長方形状（矩形形状）について、図中左上の頂点ＵＬの変位方向と変位量は、当該頂点ＵＬを構成する図面上側の短辺に対して平行になるように平面が配置された圧電センサー２０１−６と、当該頂点ＵＬを構成する図面左側の長辺に対して平行になるように平面が配置された圧電センサー２０１−１とにおいて独立して検出された穂先２３０の撓り方向と撓り量からなる変位成分（ベクトルＶ６、Ｖ１）を、ベクトル合成することによりベクトルＶ１６として表すことができる。すなわち、穂先２３０の先端部分の頂点ＵＬの筆毛はベクトルＶ１６のように撓っているものと推定することができる。
【００６２】
他の頂点についても同様に、図８（ｂ）に示すように、図中左下の頂点ＬＬの変位方向と変位量は、当該頂点ＬＬを構成する短辺に対して平行になるように配置された圧電センサー２０１−３と、同長辺に対して平行になるように配置された圧電センサー２０１−２とにおいて独立して検出された穂先２３０の撓り方向と撓り量からなる変位成分（ベクトルＶ３、Ｖ２）を、ベクトル合成することによりベクトルＶ２３として表すことができる。また、図８（ｃ）に示すように、図中右上の頂点ＵＲの変位方向と変位量は、当該頂点ＵＲを構成する短辺に対して平行になるように配置された圧電センサー２０１−６と、同長辺に対して平行になるように配置された圧電センサー２０１−５とにおいて独立して検出された穂先２３０の撓り方向と撓り量からなる変位成分（ベクトルＶ６、Ｖ５）を、ベクトル合成することによりベクトルＶ５６として表すことができる。また、図８（ｄ）に示すように、図中右下の頂点ＬＲの変位方向と変位量は、当該頂点ＬＲを構成する短辺に対して平行になるように配置された圧電センサー２０１−３と、同長辺に対して平行になるように配置された圧電センサー２０１−４とにおいて独立して検出された穂先２３０の撓り方向と撓り量からなる変位成分（ベクトルＶ３、Ｖ４）を、ベクトル合成することによりベクトルＶ３４として表すことができる。すなわち、穂先２３０の先端部分の各頂点ＬＬ、ＵＲ、ＬＲの筆毛は、各々ベクトルＶ２３、Ｖ５６、Ｖ３４のように撓っているものと推定することができる。
【００６３】
よって、これらのベクトルＶ１６、Ｖ２３、Ｖ３４、Ｖ５６を用いることにより、穂先２３０の先端部分の長方形状の四隅の変位が推定される。また、この長方形状の四隅や圧電センサー２０１−１〜２０１−６の配置位置以外の位置（例えば長方形状の内部）における穂先２３０の撓り方向と撓り量は、上述した圧電センサー２０１−１〜２０１−６の配置位置における撓り方向と撓り量を、当該圧電センサー２０１−１〜２０１−６間で線形補間を行うことにより推定することができる。
【００６４】
次に、本実施形態に係る電子絵筆に適用される圧電センサーについて説明する。
図９は、本実施形態に適用される圧電センサーの一構成例を示す概略図である。図９（ａ）は、圧電センサーの概略構造を示す断面図であり、図９（ｂ）は、その斜視図であり、図９（ｃ）は、圧電センサーの撓り方向と発生電荷の極性との関係を示す概略図である。なお、図９（ｃ）においては、図示の都合上、ハッチングの一部を省略して示す。図１０は、圧電センサーの検出原理（撓り量と先端荷重との関係）を説明するための図である。
【００６５】
本実施形態に適用される圧電センサー２０１（２０１−１〜２０１−６）は、例えば図９（ａ）、（ｂ）に示すように、所定の方向（図面左右方向）に延在する短冊状の圧電フィルム２１の両面（図面上面および下面）に薄膜電極２２ａおよび２２ｂが形成された圧電体２０と、当該圧電体２０が一面側（図面上面側）に形成された絶縁性の弾性基材２３と、を有している。圧電フィルム２１は、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子樹脂材料を適用することができる。ポリフッ化ビニリデンは、延伸加工することにより圧電性が発現するので、高分子圧電フィルムとして適用することができる。このような圧電フィルム２１は厚み方向に分極する特性を有しているので、圧電フィルム２１の両面に金属膜からなる薄膜電極２２ａおよび２２ｂを蒸着形成することにより圧電体２０を形成し、さらに、この圧電体２０を弾性基材２３に接合することにより積層構造を有する圧電センサー２０１が形成される。この弾性基材２３は、設計上のその必要がなければ、用いなくてもよい。そして、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電センサー２０１の延在方向（短冊の長手方向）の一端側（図面左方側）を、上述した固定用基部２１０ａを介して柄軸２１０に固定することにより、本実施形態と等価の構造を有する、柔軟な片持ち梁構造の圧電センサー２０１が形成される。このような圧電センサー２０１において、薄膜電極２２ｂ側を接地し、薄膜電極２２ａ側を電圧検出器（上述したブリッジ回路２４１、差動増幅部２０２およびフィルタ／ＡＤＣ２０３に相当する）に接続することにより、圧電センサー２０１の撓り量に応じて圧電フィルム２１において発生した電荷を電圧成分（上述した発生電圧Ｖｐに対応する）として検出することができる。また、このような構造を有する圧電センサー２０１においては、図９（ｃ）に示すように、圧電センサー２０１の延在方向の他端側（図面右方側）が図面上方に変位するか、図面下方に変位するかによって、薄膜電極２２ａおよび２２ｂに発生する電荷の極性が異なるという特性を有しているので、薄膜電極２２ａに接続された電圧検出器により検出された、電荷または出力電圧（上述した発生電圧Ｖｐ）の極性に基づいて、圧電センサー２０１の撓り方向を判別することもできる。
【００６６】
具体的には、圧電センサーの撓り量の検出原理は、一般に次のように説明される。
まず、圧電センサー２０１を含むブリッジ回路２４１において、圧電センサー２０１の撓りに応じて発生した電荷に基づく電圧値Ｖを測定する。これにより、上記電圧値Ｖとブリッジ回路２４１に搭載されたコンデンサ容量Ｃに基づいて、圧電センサー２０１で発生した電荷量Ｑは、次式（３１）のように表すことができる。
Ｑ＝Ｃ・Ｖ      ・・・（３１）
【００６７】
一方、この発生電荷量Ｑは、圧電体内部の応力σに比例するので、次式（３２）のように表すことができる。ここで、ｄ３１は圧電定数であり、Ｓは圧電体の面積である。
Ｑ＝ｄ３１・σ・Ｓ      ・・・（３２）
【００６８】
また、本実施形態に適用される圧電センサー２０１は、上述したように、圧電フィルム
２１と弾性基材２３を積層して接着した「組合せ梁構造」と見なすことができるので、圧
電体内部に発生する応力σは、片持ち梁構造の圧電センサー２０１の先端に加重される力
に比例する。ここで、組合せ梁の理論により、圧電体内部に発生する応力σは、次式（３
３）のように表される。
【００６９】
【数５】
2014016871.tif 000007
【００７０】
ここで、Ｅは圧電センサー２０１全体のヤング率（縦弾性係数）であり、ｙは圧電セン
サー２０１全体の中立軸（圧電センサー２０１が変形した場合であっても、固定端である
基部側からの長さが変化しない軸線）からの距離である。また、Ｅjは圧電センサー２０１各層のヤング率（縦弾性係数）であり、Ｉjは圧電センサー２０１各層の断面２次モーメントである。また、Ｍは図１０（ａ）に示すように、長さＬの片持ち梁構造の圧電センサー２０１の先端に力Ｆが加重された場合の曲げモーメントであって、次式（３４）のように表される。
Ｍ＝Ｆ・Ｌ      ・・・（３４）
【００７１】
上記の（３２）、（３３）、（３４）式により、圧電センサー２０１の先端に加重された力（先端荷重）Ｆは、次式（３５）のように表される。
【００７２】
【数６】
2014016871.tif 000008
【００７３】
一方、組合せ梁の理論により、図１０（ｂ）に示すように、圧電センサー２０１の先端に力Ｆが加重された場合に生じる撓り量δは、次式（３６）のように表される。
【００７４】
【数７】
2014016871.tif 000009
【００７５】
このような検出原理を用いて、穂先２３０の撓りに伴って、圧電センサー２０１の薄膜電極２２ａおよび２２ｂ間に生じる電圧を検出することにより、圧電センサー２０１の他端側（図９、図１０の右方側）の変位に基づく撓り量およびその撓り方向、並びに、先端荷重を算出（推定）することができる。
【００７６】
次いで、上記の原理により得られた圧電センサー２０１の撓り量δおよびその撓り方向、並びに、先端荷重Ｆに基づいて、電子絵筆２００を任意の方向に移動（運筆）させた場合のフットプリント（ここでは、穂先２３０の先端部分をタッチパネルに接触させた際に、穂先２３０の先端部分の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲにより形成される矩形状の領域に対応する）の形状と、当該フットプリントの領域内における筆圧分布を推定する手法について説明する。
【００７７】
図１１は、本実施形態に係る入力操作解析方法により推定される電子絵筆の運筆状態を説明するための図である。図１１（ａ）〜（ｃ）の各上図は、電子絵筆の運筆状態とフットプリントの形状を示す概略斜視図であり、同各下図は、上図に示したフットプリントを平面視した場合の概略図である。また、図１１（ｄ）は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示した運筆状態におけるフットプリントの形状と筆圧分布の関係を示す概略図である。なお、ここでは、図７および図８において説明を簡明にするために電子絵筆２００を平行移動させた場合の運筆状態とは異なり、電子絵筆２００を任意の傾斜角度で、かつ、穂先２３０を任意の回転角度で押し付けながら移動させた場合を例にして説明する。この例においては、電子絵筆を用いた実際の入力操作時における運筆状態に近似するものとなる。
【００７８】
具体的には、図１１（ａ）に示すように、タッチパネル１０２の表面に電子絵筆２００の穂先２３０の先端部分を接触させ、次いで、例えば図１１（ｂ）に示すように、電子絵筆２００を任意の回転角度および傾斜角度で、例えば図１１（ｃ）に示すように、任意の運筆方向に移動させた場合、上述した圧電センサー２０１により検出された撓り量δと撓り方向に基づいて、フットプリントの形状が推定される。すなわち、図１１（ａ）に示した状態では、フットプリント１０の形状は、電子絵筆２００の穂先２３０がタブレット端末１００に接触していない状態の、穂先２３０の先端部分の形状と略同一の長方形状を有している。そして、図１１（ｂ）に示した状態では、フットプリント１１の形状を規定する四隅の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲのうち、頂点ＵＬを除く３つの頂点ＬＬ、ＵＲ、ＬＲが、図中矢印で示すように、それぞれ所定の位置に変位して、不等辺の矩形形状に変形する。そして、図１１（ｃ）に示した状態では、フットプリント１１の形状を規定する四隅の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲのすべてがそれぞれ所定の位置に変位して、図１１（ｂ）に示した矩形形状を有するフットプリント１１が、図中矢印で示すように、任意の方向（運筆方向）に平行移動される。ここで、フットプリント１１の形状を規定する四隅の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲは、図８に示したように、電子絵筆２００の穂先２３０の先端部分の形状を規定する四隅の頂点に対応する。したがって、当該穂先２３０中に配置された各圧電センサー２０１の撓り量δとその方向からなるベクトルを合成することにより、フットプリント１０、１１の形状を規定する四隅の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲの位置が推定されるので、これらの頂点間を結線することにより得られる矩形形状がフットプリント１０、１１の形状として規定される。
【００７９】
また、電子絵筆２００の穂先２３０がタブレット端末１００に接触した際の圧力（接触圧）は、穂先２３０中に配置された各圧電センサー２０１により検出された先端荷重Ｆに基づいて算出される。すなわち、上述したようにして形状が設定されたフットプリント１１において、当該形状を規定する四隅の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲにおける接触圧は、各圧電センサー２０１により検出された先端荷重Ｆを、図８に示した場合と同様にベクトル合成して、合成ベクトルの大きさに基づいて算出（推定）される。そして、各頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲにおける接触圧の値に基づいて、上記の矩形形状を有するフットプリント１１の領域内において、２次元的に線形補間を行うことにより、図１１（ｄ）に示すように、当該領域内における接触圧の分布（すなわち、筆圧分布）が得られる。なお、図１１（ｄ）は、図１１（ｂ）に示したように、電子絵筆２００を任意の方向に、任意の角度で傾斜させた場合のフットプリント１１の形状（上図）と、その場合の筆圧分布（下図）を示すものである。ここでは、便宜的に、電子絵筆２００の傾斜により接触圧が高くなった頂点ＬＲ付近を濃色で示し、一方、電子絵筆２００の傾斜によっても接触圧がほとんど変わらない、あるいは、接触圧が低くなった頂点ＵＬ付近を淡色で示した。すなわち、フットプリント１１の領域内において、接触圧が高い頂点ＬＲ付近から接触圧が低い頂点ＵＬ付近に向かって接触圧の値が順次低くなるように傾斜分布している。
【００８０】
このように、本実施形態に係る描画システムにおいては、電子絵筆２００の穂先２３０の内部に配置された圧電センサー２０１の圧電効果を用いて、穂先２３０の撓りに応じて圧電センサー２０１に発生する電圧を、ブリッジ回路２４１を介してセンサー電圧Ｖｓとして検出し、圧電センサー２０１の撓り状態（撓り量や撓り方向）を解析することにより、電子絵筆２００の運筆状態を判別することができる（センシング機能）。ここで、上記の一連の入力操作解析方法は、圧電センサーの圧電効果を利用するものであるが、この解析手法を圧電センサーの逆圧電効果に適用することにより、圧電センサー２０１を所望の撓り量および撓り方向に駆動させることができる。すなわち、図５に示した駆動電源部２４２から任意の電圧値に設定された駆動電圧Ｖｃを、所定のタイミングでオン、オフ制御される駆動制御スイッチ２４３を介してブリッジ回路２４１に供給し、当該駆動電圧Ｖｃに基づく所定の印加電圧を圧電センサー２０１の対向する薄膜電極２２ａ、２２ｂ間に印加することにより、圧電センサー２０１を所望の撓り量および撓り方向に駆動させる曲げ応力を発生させる制御を行うことができる（アクチュエータ機能）。このようなアクチュエータ機能によれば、後述するように、電子絵筆２００の運筆時における穂先２３０の撓り状態に応じて、当該撓り状態を元の状態に復元しようとするような所定の曲げ応力を発生させることにより、入力操作時の穂先２３０の変形に反発力が付与されるので、実際の絵筆におけるザラツキ感や粘り感等の操作感を再現することができる。
【００８１】
なお、本実施形態においては、図４、図７に示したように、穂先２３０中に６個の圧電センサー２０１を配置した場合について説明したが、この圧電センサーの数を増やすことにより、フットプリントの形状や筆圧分布をより正確に把握することができ、後述する描画制御方法において、電子絵筆の筆使いや筆運びに応じた筆の特徴を描線や彩色等の表示により反映させることができる。
【００８２】
＜描画制御方法＞
次に、本実施形態に係る描画システムにおいて、上述した入力操作解析方法を用いた描画制御方法について説明する。
図１２は、本実施形態に係る描画システムにおける描画制御方法の一例を示すフローチャートである。
【００８３】
本実施形態に係る入力操作解析方法を用いた描画制御動作は、図１２に示すように、概略、入力操作ステップ（Ｓ１１）と、接触位置情報取得ステップ（Ｓ１２）と、姿勢情報取得ステップ（Ｓ１３）と、運筆情報取得ステップ（Ｓ１４）と、運筆状態判別ステップ（Ｓ１５）と、操作感付与ステップ（Ｓ１６）と、画像処理ステップ（Ｓ１７）と、表示情報制御ステップ（Ｓ１８）と、を有している。
【００８４】
入力操作ステップ（Ｓ１１）においては、まず、タブレット端末１００の電源スイッチ１０８をオン操作して電源供給部１０７から各部に電源電圧を供給して、タブレット端末１００における描画制御動作が可能な状態に設定する。また、電子絵筆２００の電源スイッチ２０９をオン操作して電源供給部２０８から各部に電源電圧を供給して、電子絵筆２００における描画制御動作が可能な状態に設定する。次いで、ユーザが使用する電子絵筆２００の穂先形状を含む筆種別情報、および、電子絵筆２００を用いた入力操作時の操作感に関する設定情報（操作感設定情報）がタブレット端末１００に登録される。この筆種別情報および操作感設定情報の登録は、例えばユーザによりタブレット端末１００の設定画面から直接入力設定される。なお、筆種別情報は、タブレット端末１００および電子絵筆２００における電源オン操作後に、電子絵筆２００のＣＰＵ２０７が通信機能部２０６、１０５を介して当該情報を自動的に送信して、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６に通知して設定されるものであってもよい。ここで、筆種別情報は、少なくとも、上述した平筆型や丸筆型（詳しくは後述する）等の電子絵筆２００の穂先２３０の種類や形状（長さや筆毛の太さ等）、穂先２３０中に配置される圧電センサー２０１の個数や配置等に関する情報を含んでいる。また、操作感設定情報は、電子絵筆２００を用いた入力操作時に、ユーザーが希望する操作感、すなわち、実際の絵筆を用いて例えばキャンバス地に描画した際のザラツキ感や、油絵の具を使用した場合の粘り感等の種類やその強弱に関する情報を含んでいる。次いで、タブレット端末１００のタッチパネル１０２に、ユーザが当該電子絵筆２００を用いて、任意の位置に任意の強さで穂先２３０を接触させる入力操作を行う。
【００８５】
接触位置情報取得ステップ（Ｓ１２）においては、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が、タッチパネル１０２に接触している電子絵筆２００の穂先２３０の位置を検出して、記憶部１０４の所定の記憶領域に接触位置情報として格納する。ここで、接触位置情報は、電子絵筆２００の穂先２３０の接触領域の形状を規定する複数の基準点（すなわち、上述した矩形状の接触領域の場合には四隅の頂点ＵＬ、ＬＬ、ＵＲ、ＬＲに相当する）を含むように検出される。これらの基準点は、同時に検出されるものであってもよいし、順次検出されるものであってもよい。なお、上記の接触位置情報は、タブレット端末１００に適用されるタッチパネル１０２の位置検出方式（抵抗膜方式や静電容量方式等）に応じた手法で検出される。
【００８６】
姿勢情報取得ステップ（Ｓ１３）においては、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が、地磁気センサー１０３によりタブレット端末１００の回転方向や傾斜方向を検出して、記憶部１０４の所定の記憶領域に端末姿勢情報として格納する。また、電子絵筆２００のＣＰＵ２０７が、地磁気センサー２０４により電子絵筆２００の回転方向や傾斜方向を検出して、記憶部２０５の所定の記憶領域に絵筆姿勢情報として格納する。ここで、絵筆姿勢情報は、所定のタイミング（随時、あるいは、任意のタイミング）で通信機能部２０６を介してタブレット端末１００に伝送されて、タブレット端末１００において検出された接触位置情報および端末姿勢情報に関連付けて、記憶部１０４の所定の記憶領域に格納される。そして、ＣＰＵ１０６により当該端末姿勢情報および絵筆姿勢情報に基づいて、当該接触位置におけるタブレット端末１００に対する電子絵筆２００の相対的な回転角度や傾斜角度が把握される。
【００８７】
運筆情報取得ステップ（Ｓ１４）においては、電子絵筆２００のＣＰＵ２０７が、穂先２３０中に配置された複数の圧電センサー２０１の圧電効果を利用して、タブレット端末１００のタッチパネル１０２に穂先２３０を接触させた際の、当該穂先２３０または圧電センサー２０１−１〜２０１−６の撓り状態（すなわち、撓り量および撓り方向）を検出して、記憶部２０５の所定の記憶領域に運筆情報として格納する。すなわち、電子絵筆２００のＣＰＵ２０７が、撓り状態検出部として機能する。ここで、運筆情報は、所定のタイミング（随時、あるいは、任意のタイミング）で通信機能部２０６を介してタブレット端末１００に伝送されて、タブレット端末１００において検出された接触位置情報および端末姿勢情報に関連付けて、記憶部１０４の所定の記憶領域に格納される。そして、後述する運筆状態判別ステップにおいて、ＣＰＵ１０６により当該運筆情報および接触位置情報、端末姿勢情報、絵筆姿勢情報に基づいて、電子絵筆２００の運筆状態が把握される。
【００８８】
なお、入力操作に伴って取得される、接触位置情報および姿勢情報、運筆情報は、上述したステップＳ１２〜Ｓ１４の順序に限定されるものではなく、これらのステップが任意の順番で実行されるものであってもよいし、これらのステップのうちの複数のステップが同時並行的に実行されるものであってもよい。なお、運筆状態を算出（推定）する際に、端末姿勢情報および絵筆姿勢情報を用いない場合には、姿勢情報取得ステップ（Ｓ１３）を省略してよい。
【００８９】
運筆状態判別ステップ（Ｓ１５）においては、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が、上述した入力操作解析方法を用いて、電子絵筆２００において検出された運筆情報および絵筆姿勢情報、並びに、タブレット端末１００において検出された接触位置情報および端末姿勢情報に基づいて、タブレット端末１００に対する電子絵筆２００による入力操作時における筆使いや筆運びに応じた筆の特徴に関する情報、すなわち、運筆状態（運筆方向やフットプリントの形状、筆圧分布）を判別する。なお、前述したように、運筆状態を算出（推定）する際に、端末姿勢情報および絵筆姿勢情報を用いなくてもよい。また、端末姿勢情報および絵筆姿勢情報を用いることによって、より多様なパラメータに基づいて運筆状態を算出（推定）することができる。
【００９０】
操作感付与ステップ（Ｓ１６）においては、まず、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が、上記の運筆状態および操作感設定情報に基づいて、運筆時にユーザーが所望する操作感を実現するための操作感制御情報を生成して、記憶部１０４の所定の記憶領域に格納する。この操作感制御情報は、所定のタイミング（随時、あるいは、任意のタイミング）で通信機能部１０５を介して電子絵筆２００に伝送されて、記憶部２０５の所定の記憶領域に格納される。そして、電子絵筆２００のＣＰＵ２０７が、操作感制御情報に含まれる電圧値制御信号に基づいて駆動電源部２４２における駆動電圧Ｖｃの電圧値を設定する。この駆動電圧Ｖｃは、ＣＰＵ２０７が、操作感制御情報に含まれるタイミング制御信号に基づいて駆動制御スイッチ２４３をオン、オフ制御することにより、所定のタイミングでブリッジ回路２４１に供給される。そして、ブリッジ回路２４１によりこの駆動電圧Ｖｃに基づく所定の電圧Ｖａが圧電センサー２０１の薄膜電極２２ａ、２２ｂに印加されることにより、穂先２３０の内部に配置された複数の圧電センサー２０１の逆圧電効果を利用して、穂先２３０に所定の曲げ応力が付与される。
【００９１】
具体的には、例えば、実際の絵筆を用いてキャンバス材に描画する際の操作感を実現する場合には、まず、上記の運筆状態に含まれる運筆速度や運筆方向に応じて、駆動制御スイッチ２４３のオン、オフ動作を小刻みに切り換え制御して、駆動電源部２４２からブリッジ回路２４１に所定の電圧値に設定された駆動電圧Ｖｃを断続的に供給する。これにより、圧電センサー２０１に当該駆動電圧Ｖｃに応じた所定の電圧Ｖａが断続的に印加されて、穂先２３０に所定の撓り量および撓り方向からなる曲げ応力（屈曲振動）が断続的に付与される。このように、穂先２３０に摩擦抵抗感を模擬するような動きが与えられるので、ユーザーは実際の絵筆を用いてキャンバス材に描画する際のザラツキ感に類似または近似する感触を体感することができる。すなわち、キャンバス材のザラツキ感が仮想現実化（再現）される。
【００９２】
また、例えば、実際の絵筆を用いて油絵の具で描画する際の操作感を実現する場合には、まず、上記の運筆状態に含まれる穂先２３０の撓り状態に応じて、当該撓り状態を元の状態に復元しようとするような曲げ応力が付与されるように駆動電源部２４２により駆動電圧Ｖｃの電圧値を設定し、駆動制御スイッチ２４３を介してブリッジ回路２４１に供給する。これにより、圧電センサー２０１に当該駆動電圧Ｖｃに応じた所定の電圧Ｖａが印加されて、穂先２３０に生じている撓り状態を元の状態に復元しようとするように所定の撓り量および撓り方向からなる曲げ応力が付与される。このように、穂先２３０の撓り変形に対して反発力が与えられるので、ユーザーは実際の絵筆を用いて油絵の具で描画する際の粘り感に類似または近似する感触を体感することができる。すなわち、油絵の具の粘り感が仮想現実化（再現）される。
【００９３】
画像処理ステップ（Ｓ１７）においては、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が、上記の運筆状態に基づいて、表示部１０１に電子絵筆２００の入力操作に応じた描線や彩色等を画像として表示する際の、当該描線の位置や方向、太さ、彩色の種類や濃さ、擦れ具合等の各種のパラメータを設定する画像処理を行う。
【００９４】
表示情報制御ステップ（Ｓ１８）においては、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が、上記の画像処理により設定されたパラメータに基づく描線や彩色等を表示部１０１に表示させる制御を行う。これにより、図１に示すように、タブレット端末１００のタッチパネル１０２の表面に、ユーザが電子絵筆２００を用いて任意の位置に任意の強さで穂先２３０を接触させると、表示部１０１の対応する位置に当該電子絵筆２００の筆使いや筆運びに応じた筆の特徴を有する描線や彩色等が画像として表示される。
【００９５】
このように、本実施形態に係る描画システムにおいては、電子絵筆の穂先が、絵画の制作のために用いられる実際の絵筆と同様に、複数の筆毛が束ね合わされた構成を有している。これにより、描画対象であるタブレット端末等のタッチパネルに電子絵筆の穂先を接触させて入力操作を行った場合であっても、実際の絵筆の穂先と同等の挙動（撓り）が再現されるので、実際の絵筆と同等の操作性や操作感で直感的に入力操作を行うことができる電子描画システムを実現することができる。
【００９６】
また、本実施形態に係る描画システムにおいては、電子絵筆の穂先の内部に複数の柔軟な圧電センサーが配置され、これらの圧電センサーの圧電効果を利用して、穂先の撓り状態（撓り量や撓り方向）が正確に検出される。これにより、穂先の撓り状態に応じてフットプリントの形状や、その際の筆圧分布を正確に把握することができるので、入力操作時における電子絵筆の筆使いや筆運びに応じた筆の特徴（線の太さや擦れ具合、筆圧分布等）を描線や彩色等の表示に反映させることができる電子描画システムを実現することができる。
【００９７】
加えて、本実施形態に係る描画システムにおいては、電子絵筆の穂先の内部に配置された圧電センサーに対して、所定の電圧を印加することにより、圧電センサーの逆圧電効果を利用して、穂先に所望の曲げ応力が発生するように制御することができる。これにより、ユーザーが所望する入力操作時の操作感（ザラツキ感や粘り感等）を仮想現実化することができるので、実際の絵筆を用いた絵画制作と同等の操作性や操作感で入力操作を行うことができる電子描画システムを実現することができる。
【００９８】
ここで、本実施形態に示したように、タブレット端末等の電子機器のタッチパネルの表面を入力面として入力操作を行う場合の、電子絵筆の操作感について検証する。一般に、タッチパネルの表面はガラス板や樹脂板等により構成され、均一な硬質面を有している。このような入力面においては、背景技術に示したような、硬質なペン先を有する周知の入力ペンを用いて入力操作を行った場合、その操作感が均一でしかなく、実際の絵筆を用いてキャンバス材に描画した際のような表面のザラツキ感や、油絵具の粘り感等の操作感を再現（仮想現実化）することができなかった。
【００９９】
これに対して、本実施形態においては、電子絵筆の穂先が柔軟な筆毛を束ね合わせた実際の絵筆と同等の構成を有し、さらに、当該穂先の内部に配置された片持ち梁構造の圧電センサーに対して所定の電圧を印加することにより、圧電センサーの逆圧電効果を利用して、圧電センサーに所定の曲げ応力を発生させる制御が行われる。これにより、穂先に反発力や摩擦抵抗感等を模擬する力を発生させることができるので、電子絵筆の入力面がタッチパネルのように均一な硬質面であっても、実際の絵筆を用いた場合のキャンバス材表面のザラツキ感や油絵具の粘り感等の操作感を仮想現実化することができる。
【０１００】
また、本実施形態に係る描画システムにおいては、穂先の内部に配置される各圧電センサーが穂先の撓り状態を検出するセンシング機能と、所定の曲げ応力を発生させるアクチュエータ機能との双方を有している。すなわち、同一の圧電センサーにより異なる２つの機能が実現されるので、電子絵筆に実装する回路や部品の数の増加を抑制して、簡易な回路構成と制御プログラムを用いて、キャンバス材表面のザラツキ感や油絵具の粘り感等の操作感を仮想現実化しつつ、絵画作品を手軽に製作することができる。
【０１０１】
特に、本実施形態に係る描画システムにおいては、表示部の前面に配置されたタッチパネルや地磁気センサー、周辺機器との通信機能等を標準的に備えた、汎用のタブレット端末やスマートフォン等の電子機器をそのまま使用することができる。そして、当該電子機器に上述した一連の入力操作解析動作や描画制御動作を実行するための制御プログラムをインストールするとともに、上述した構成を有する電子絵筆を用意することにより、本発明が適用される描画システムを簡易かつ安価に実現することができる。
【０１０２】
（圧電センサーの他の構成例）
次に、本発明が適用される描画システムを構成する電子絵筆に適用される圧電センサーの他の構成例について説明する。
図１３は、本発明が適用される描画システムを構成する電子絵筆に適用される圧電センサーの他の構成例を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態に示した圧電センサーと同等の構成については同一の符号を付してその説明を簡略化する。
【０１０３】
上述した実施形態においては、図９に示したように、短冊状の圧電フィルム２１の両面に薄膜電極２２ａおよび２２ｂが形成された圧電体２０が、弾性基材２３の一面側に積層形成された圧電センサー２０１を、電子絵筆２００の穂先２３０中に配置した構成を示した。本発明に係る電子絵筆に適用される圧電センサーは、他の構成例として、弾性基材２３の両面側にそれぞれ圧電体が積層形成された、いわゆるバイモルフ型の構造を有する圧電センサーを適用するものであってもよい。
【０１０４】
本発明に適用可能な圧電センサーの他の構成例は、図１３に示すように、絶縁性の弾性基材２３の一面側（図面上面側）に圧電体２０ａが形成され、他面側（図面下面側）に圧電体２０ｂが形成されている。ここで、圧電体２０ａは、短冊状の圧電フィルム２１ａの両面（図面上面および下面）に薄膜電極２２ａおよび２２ｂが形成された構成を有し、圧電体２０ｂは、短冊状の圧電フィルム２１ｂの両面（図面下面および上面）に薄膜電極２２ｃおよび２２ｄが形成された構成を有している。そして、圧電体２０ａの薄膜電極２２ｂ側と圧電体２０ｂの薄膜電極２２ｄ側とが共通に接地され、圧電体２０ａの薄膜電極２２ａ側と圧電体２０ｂの薄膜電極２２ｃ側とが共通に上述したブリッジ回路２４１に接続されている。すなわち、本構成例に係る圧電センサー２０１においては、弾性基板２３の両面に圧電体２０ａ、２０ｂが圧電フィルム２１ａ、２１ｂの極性を合わせて接着された組合せ梁の構造を有している。
【０１０５】
このような構成を有する圧電センサー２０１によれば、ブリッジ回路２４１、および、上述した差動増幅部２０２、フィルタ／ＡＤＣ２０３からなる電圧検出器により圧電センサー２０１の撓り量に応じて、圧電フィルム２１ａ、２１ｂの各々において発生した電荷が合算された状態で検出されるので、上述した実施形態（図９参照）に示した圧電センサーに比較して、実質的に２倍の電荷量を検出することができる。また、ブリッジ回路２４１、および、上述した駆動電源部２４２、駆動制御スイッチ２４３により所定の電圧が圧電フィルム２１ａ、２１ｂに印加されて、各々に生じた曲げ応力が合算された状態で圧電センサー２０１に付与されるので、上述した実施形態（図９参照）に示した圧電センサーに比較して、実質的に２倍の曲げ応力を実現することができる。したがって、本構成例に係る圧電センサー２０１を上述した実施形態に示した電子絵筆２００の穂先２３０中に配置することにより、穂先２３０の撓り量に応じた電圧をより高感度に検出することができ、電子絵筆２００の筆使いや筆運びに応じた筆の特徴を、より忠実に表示に反映させることができる。また同時に、穂先２３０により大きな反発力を生じさせることができ、実際の絵筆を用いた場合のキャンバス材表面のザラツキ感や油絵具の粘り感等の操作感をより顕著に仮想現実化することができる。これは換言すると、より小型の圧電センサーを穂先の内部に配置した構成において、より低い駆動電圧を供給した場合であっても、上述したセンシング機能とアクチュエータ機能を良好に実現できることを意味し、電子絵筆の小型軽量化や省電力化の実現に寄与することができる。
【０１０６】
なお、本構成例に係る圧電センサー２０１においては、弾性基材２３の両面に圧電体２０ａ、２０ｂをそれぞれ接着した積層構造を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明に適用可能な圧電センサーは、例えば図９、図１３に示した弾性基材２３と圧電体２０（または２０ａ、２０ｂ）の層を、複数層交互に接着して積層した構造を有するものであってもよい。ここで、圧電体は、圧電センサー２０１全体の中立軸上に位置しないように積層されていることが好ましい。このような構成を有する圧電センサーにおいても、穂先の撓り量をより高感度に検出することができるとともに、穂先により大きな反発力を生じさせることができる。
【０１０７】
（電子絵筆の他の構成例）
次に、本発明が適用される描画システムに適用される電子絵筆の他の構成例について説明する。
図１４は、本発明が適用される描画システムに適用される電子絵筆の他の構成例を示す要部構成図である。図１４（ａ）は、本構成例に係る電子絵筆の筆先部分を示す概略斜視図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示したXIVＢ−XIVＢ線（本明細書では、図中に示したローマ数字の「１４」に対応する符号として便宜的に「XIV」を用いる）に沿った穂先の断面を示す図である。図１５は、本構成例に係る電子絵筆を示す要部分解図である。図１５（ａ）は、本構成例に係る電子絵筆に適用される穂先の構造を説明するための分解斜視図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示したXVＢ−XVＢ線（本明細書では、図中に示したローマ数字の「１５」に対応する符号として便宜的に「XV」を用いる）から見た矢視図である。ここで、上述した実施形態と同等の構成については、その説明を簡略化する。
【０１０８】
上述した実施形態においては、図３、図４に示したように、平筆型の穂先２３０を有する電子絵筆２００における運筆状態を把握して、タブレット端末１００の表示部１０１に表示される描線や彩色に反映させる場合について説明した。本発明に適用される電子絵筆は、他の構成例として、平筆以外の任意の形状の穂先を有するものであってもよい。本構成例においては、電子絵筆２００が丸筆型の穂先２３０を有する場合について説明する。
【０１０９】
本発明に適用可能な電子絵筆の他の構成例は、上述した実施形態と同様に、例えば図１４（ａ）に示すように、棒状の柄軸２１０と、柄軸２１０の一端側の端部に取り付けられた穂先２３０と、穂先２３０を柄軸２１０に固定するための固定用基部２１０ａと、を有している。ここで、本構成例においては、電子絵筆２００は、一般の絵画の制作に用いられる丸筆と同等の外観および構成を有している。
【０１１０】
穂先２３０は、図１４（ａ）および図１５（ａ）に示すように、複数の筆毛が束ねられた構成を有し、その一端側が固定用基部２１０ａに挿入されて柄軸２１０に固定されている。ここで、電子絵筆２００は、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、穂先２３０の断面が円形または楕円形を有している。また、穂先２３０中には、図１４（ｂ）および図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、４個の圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４（全ての圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４を指す場合には「圧電センサー２０１」と表記する）が筆毛と同方向に配向され、かつ、各圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４が所定の位置関係および相対角度を有した状態で束ねられている。
【０１１１】
具体的には、穂先２３０は、例えば図１４（ｂ）および図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、断面形状が扇形状を有するように筆毛が柱状に束ねられ、その延在方向に隣接する２平面が略直角をなす毛束２３２ｅ〜２３２ｈと、当該毛束２３２ｅ〜２３２ｈ相互の境界に挟持されるように配置された圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４と、を有している。すなわち、図１４（ｂ）および図１５（ｂ）に示すように、扇形状の断面を有する毛束２３２ｅと２３２ｆにおいて、境界面となる対向する２平面（図面上下方向の辺）の間には圧電センサー２０１−１１が配置されている。また同様に、毛束２３２ｆと２３２ｇの対向する２平面（図面左右方向の辺）の間には圧電センサー２０１−１２が配置され、同毛束２３２ｇと２３２ｈの対向する２平面（図面上下方向の辺）の間には圧電センサー２０１−１３が配置され、同毛束２３２ｈと２３２ｅの対向する２平面（図面左右方向の辺）の間には圧電センサー２０１−１４が配置されている。ここで、各圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４は、上述した実施形態と同様に、短冊状の平面を有するフィルム部材からなり、それぞれの平面が上記の境界面に沿って延在するように配置されている。これにより、圧電センサー２０１−１１および２０１−１３と、圧電センサー２０１−１２および２０１−１４とは、それぞれの平面が相対的に直交するように配置される。そして、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、各境界に配置された圧電センサー２０１−１１〜２０１−４は、隣接する毛束２３２ｅ〜２３２ｈにより被覆された状態で束ねられている。これにより、図１４（ｂ）および図１５（ａ）に示すように、断面が円形または楕円形を有する穂先２３０が形成される。
【０１１２】
このような構成を有する電子絵筆においても、上述した実施形態と同様の入力操作解析方法を適用することができる。ここで、穂先２３０の先端部分（すなわち、タッチパネル１０２との接触領域）の形状が円形または楕円形を有する場合、当該形状の外周上の任意の複数の点を基準点として、その変位方向と変位量が判明すれば、穂先２３０の先端部分全体の変位を推定することができる。すなわち、電子絵筆２００の穂先２３０中に、直交する２方向に平面が向くように配置された各圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４の出力電圧を検出することにより、穂先２３０の撓り方向と撓り量を独立して検出することができる。そして、これらの変位成分をベクトル合成することにより、穂先２３０の先端部分の形状の、外周上の任意の点の変位方向と変位量を推定して、穂先２３０の先端部分全体の変位状態、すなわち電子絵筆２００の運筆状態を判別することができる。また、上記の判別された運筆状態に含まれる穂先２３０の撓り状態や穂先の種類、形状等に応じて、各圧電センサー２０１−１１〜２０１−１４に所定の電圧を印加することにより、穂先２３０の撓り状態を元の状態に復元しようとするような曲げ応力が付与されて、所望の操作感を実現するための所定の反発力を穂先２３０に生じさせることができる。
【０１１３】
このように、本構成例に係る電子絵筆を適用した描画システムにおいても、上述した実施形態と同様に、実際の絵筆と同等の操作性や操作感で直感的に入力操作を行うことができる電子描画システムを実現することができる。また、入力操作時における電子絵筆の筆使いや筆運びに応じた筆の特徴（線の太さや擦れ具合、筆圧分布等）を有する描線や彩色等を表示に反映させることができる電子描画システムを実現することができる。
【０１１４】
さらに、上述した実施形態および本構成例に係る電子絵筆を適用した描画システムにおいては、入力装置に適用される電子絵筆として、穂先２３０の種類や形状等が異なる複数の筆を備え、実際の絵画の制作の際と同様に、描画する部位や風合い等に応じて任意の絵筆を持ち替えて使用することができる。これにより、タブレット端末等の表示部において、当該電子絵筆の穂先の形状や、筆使いや筆運びに応じた筆の特徴を有する描線や彩色等を表示に反映させることができるとともに、より現実に近似した操作性や操作感で直感的に絵画制作を行うことができる。
【０１１５】
なお、上述した実施形態においては、電子絵筆の穂先の内部に配置される各圧電センサーを、図６に示したようなブリッジ回路に接続することにより、圧電センサーの圧電効果および逆圧電効果を利用して、センシング機能とアクチュエータ機能を同一の圧電センサーで実現する構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明に適用される電子絵筆は、穂先の内部に、センシング機能を実現するためのセンサーと、アクチュエータ機能を実現するためのアクチュエータが配置されているものであればよく、これらが同一の構成を有しているものに限らず、別個の構成を有しているものであってもよい。また、上述したバイモルフ構造の圧電センサー（図１３）のように、複数の圧電体が積層されて一体的に構成された圧電センサーにおいて、例えば弾性基材２３の一面側に積層された圧電体２０ａを、センシング機能を実現するためのセンサーとして適用し、他面側に積層された圧電体２０ｂを、アクチュエータ機能を実現するためのアクチュエータとして適用するものであってもよい。なお、このように、センシング機能とアクチュエータ機能を実現するためのセンサーとアクチュエータが個別に設けられた構成においては、センシング機能に応じた電圧検出回路がセンサーに接続され、また、アクチュエータ機能に応じた駆動電圧印加回路がアクチュエータに接続される。
【０１１６】
また、上述した実施形態においては、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が操作感制御情報を生成する場合を例示して説明したが、穂先や紙質、絵の具の種類に応じた操作感制御情報を、電子絵筆２００の記憶部２０５に予め記憶させておいてもよい。この場合、紙質や絵の具に対応する複数種の操作感制御情報を記憶部２０５に記憶させておいて、電子絵筆２００に別途設けられたスイッチ等の入力手段からの入力内容に応じて、複数の操作感制御情報の中からいずれか一つの操作感制御情報を選択させるようにしてもよい。
【０１１７】
さらに、上述した実施形態においては、圧電センサーを６つまたは４つ含む場合を例示して説明したが、圧電センサーを３つ以上含むものであってよい。また、上述した実施形態においては、圧電センサーを穂先の内側に配置する場合を例示して説明したが、圧電センサーを穂先の外側に配置してもよい。圧電センサーを穂先の内側に配置した場合は、電子絵筆の外観を通常の絵筆とほぼ同様にすることができる。圧電センサーを穂先の外側に配置した場合は、例えば、穂先の外形に沿って複数の圧電センサーを配置することで、穂先の撓り状態をより正確に検出することができる。圧電センサーを穂先の内側と外側の両方に配置してもよい。
【０１１８】
さらに、上述した実施形態においては、複数の筆毛を束ねたものを穂先とする場合を例示して説明したが、全体が一体的に形成されたものを穂先として、この穂先の内部に複数の圧電センサーを埋め込んだり、またはこの穂先の外側に複数の圧電センサーを配置するようにしてもよい。また、さらに、上述した実施形態においては、電子絵筆２００のＣＰＵ２０７が撓り状態検出部として機能する場合を例示して説明したが、圧電センサー２０１の検出電圧を電子絵筆２００の記憶部２０５に順次一時的に記憶しながら、これらの検出電圧を、電子絵筆２００の通信機能部２０６およびタブレット端末１００の通信機能部１０５を介して、タブレット端末１００の記憶部１０４またはＣＰＵ１０６に随時送信し、検出電圧が記憶部１０４に送信された場合はタブレット端末１００のＣＰＵ１０６が記憶部１０４から読み出した圧電センサー２０１の検出電圧に基づいて、また、検出電圧がＣＰＵ１０６に直接送信された場合はその検出電圧に基づいて、ＣＰＵ１０６が、電子絵筆２００の穂先２３０または各圧電センサー２０１の撓り状態を検出するようにしてもよい。この場合、電子絵筆２００が電圧検出装置として機能し、タブレット端末１００のＣＰＵ１０６が撓り状態検出装置として機能し、これらの装置全体が入力装置として機能する。
【０１１９】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲を含むものである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
【０１２０】
（付記）
［１］
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、
前記穂先の一端側を固定する柄軸と、
前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、
前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、
前記穂先の撓りを元の状態に復元しようとするような応力を前記アクチュエータに付与する応力付与制御部と、
を備えることを特徴とする入力装置である。
【０１２１】
［２］
前記応力付与制御部は、前記検出電圧に基づいて、前記応力を付与することを特徴とする［１］に記載の入力装置である。
［３］
前記穂先の前記他端側が接触される入力面を有し、前記穂先の接触位置を検出するタッチセンサーと、
前記穂先の接触位置と前記穂先の撓り状態とに基づいて、前記穂先の運筆状態を判別する運筆状態判別部と、
をさらに備えることを特徴とする［１］または［２］に記載の入力装置である。
［４］
前記センサーと前記アクチュエータは、同一の圧電センサーにより構成されていることを特徴とする［１］乃至［３］のいずれかに記載の入力装置である。
［５］
前記圧電センサーは、圧電フィルムの両面に薄膜電極が形成された複数の圧電体が、絶縁性の弾性基材を介して積層形成された構成を有していることを特徴とする［１］乃至［４］のいずれかに記載の入力装置である。
［６］
前記圧電センサーは、前記複数の圧電体のうち、特定の前記圧電体が前記センサーとして機能し、他の前記圧電体が前記アクチュエータとして機能することを特徴とする［５］に記載の入力装置である。
【０１２２】
［７］
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、前記穂先の一端側を固定する柄軸と、前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに前記応力を付与する応力付与制御部と、備える入力装置の、前記穂先に物体が接触したときに前記穂先に生じた撓りに応じて前記センサーから出力される検出電圧を検出し、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出し、
前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに応力を付与する、
ことを特徴とする入力操作解析方法である。
【０１２３】
［８］
コンピュータに、
複数の筆毛を束ねてなる穂先と、前記穂先の一端側を固定する柄軸と、前記穂先の内部に配置され、前記穂先の撓りに応じて検出電圧を出力するセンサーと、前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出する撓り状態検出部と、前記穂先の内部に配置され、応力が付与されるアクチュエータと、前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに前記応力を付与する応力付与制御部と、備える入力装置の、前記穂先に物体が接触したときに前記穂先に生じた撓りに応じて前記センサーから出力される検出電圧を検出させて、
前記検出電圧に基づいて、前記穂先の撓り状態を検出させて、
前記穂先の撓りを打ち消す方向に、前記アクチュエータに応力を付与させる、
ことを特徴とする入力操作解析プログラムである。
【符号の説明】
【０１２４】
１０、１１    フットプリント
２０、２０ａ、２０ｂ    圧電体
２１、２１ａ、２１ｂ    圧電フィルム
２２ａ〜２２ｄ    薄膜電極
２３      弾性基材
１００    タブレット端末
１０１    表示部
１０２    タッチパネル（タッチセンサー）
１０３    地磁気センサー
１０５    通信機能部
１０６    ＣＰＵ（運筆状態判別部）
２００    電子絵筆
２０１    圧電センサー（センサー、アクチュエータ）
２０２    差動増幅部
２０４    地磁気センサー
２０６    通信機能部
２０７    ＣＰＵ（撓り状態検出部、応力付与制御部）
２１０    柄軸
２１０ａ  固定用基部
２３０    穂先
２４１    ブリッジ回路
２４２    駆動電源部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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