(57)【要約】【課題】接触したか否かを判定することができると共に、その筆圧も検出することができる。【解決手段】所定方向に移動可能な永久磁石５と、永久磁石５の移動距離を検出する磁気センサ７と、永久磁石５と磁気センサ７との間に配置され、永久磁石５を永久磁石５に作用する圧力に応じて圧力に抗する復元力を付加するコイルばね４とを備えている。磁気センサ７と永久磁石５との間の距離が、圧力に応じた位置に１対１に対応して決定され、磁気センサ７は、磁気センサ７と永久磁石５との間の距離を検出する。このため、簡単な構成により、圧力を検出することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力発生により所定方向に移動可能な磁石と、
該圧力の発生による該磁石の移動距離を検出する磁気センサと、
該磁石と該磁気センサとの間に配置され、該磁石を該磁石に作用する該圧力に応じて該圧力に抗する復元力を付加する弾性部材と、
を備えたことを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
前記磁石は、圧力が作用する方向に沿って移動可能である、請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記磁気センサは、磁気抵抗素子により構成される、請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項４】
前記磁気センサは、ホール素子により構成される、請求項１記載の圧力検出装置。
【請求項５】
前記弾性体は、ばねである、請求項１〜４のいずれかに記載の圧力検出装置。
【請求項６】
前記磁気センサは、磁石に作用する圧力に応じたアナログ情報を出力し、該アナログ情報は、デジタル変換されて量子化される、請求項１〜５のいずれかに記載の圧力検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の圧力検出装置を備えた電子入力装置であって、
該圧力検出装置を収納する中空の収納部と、
該圧力検出装置の磁石に一端が接続されて、他端が該収納部から露出している検出部と、
前記弾性部材と前記磁気センサとの間に、固定されたストッパ部と、
を備えたことを特徴とする電子入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触圧力を検出する圧力検出装置及びその圧力検出装置を用いた電子ペン等の電子入力装置に関し、特に、タッチパネルが表示面に設けられた表示装置において、タッチパネルの所定部分に接触された場合の接触圧力を検出するために好適な電子入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、表示面上にタッチパネルを設けたディスプレイが増加する傾向にある。タッチパネルを機能させる方式としては、種々の方式が知られているが、大別して、次の２つの方式（１）及び（２）に分けられる。
【０００３】
（１）電子ペン等の電子入力装置側に位置情報を発生させ、タッチパネル側にて、電子入力装置が発生した位置情報を検知する。
【０００４】
（２）タッチパネル側で位置情報を発生させ、電子ペン等の電子入力装置側にて、タッチパネル側が発生した位置情報を検知する。
【０００５】
タッチパネルにより位置情報を検出する場合、電子ペン等の電子入力装置の先端部分が、タッチパネル表面に接触したか否かに関する判定が妥当でないと、電子ペン等の電子入力装置の先端部分がタッチパネルに接触していないのに位置情報が表示されてしまう等の誤作動が発生し、入力装置としての正確性、快適性が大きく損なわれるため、タッチパネル表面に電子ペン等の電子入力装置の先端部分が接触したか否かを正確に判定することは重要である。
【０００６】
ＰＤＡ等の携帯情報端末に、一般的に備えられたタッチパネルの方式の一つとして、抵抗膜方式がある。
【０００７】
この抵抗膜方式では、第一の透明導電膜と、第二の透明導電膜とを、スペーサを隔てて配置した構造が、表示面となるガラス上に設けられる。このような第一及び第二の透明導電膜を設けたガラス上が、電子ペン等の電子入力装置で押された場合に、第一の透明導電膜と第二の透明導電膜とが、押された箇所で導通し、この導通状態を、表示面となるガラス平面上におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って配置された検出回路にて、電圧変動が検知され、電子ペン等によって押された箇所のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置が判定される。この方式では、上下の第一及び第二の透明導電膜が導通した瞬間に、電子ペン等の電子入力装置の先端部分が、表示パネルの表面に接触したか否かが判定される。
【０００８】
また、タッチパネルの他の方式として、容量結合を用いたペン入力方式が挙げられる。このペン入力方式は、液晶表示装置において商品化されている。このペン入力方式では、電子ペン等の電子入力装置の先端部分が、表示パネルの表面に接触したか否かは、フォトカプラを用いて判定される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、抵抗膜方式では、電子ペン等の電子入力装置が接触したか否かを判定することはできるが、その電子ペン等による筆圧まで検知することはできない。また、電子ペン等の接触・非接触を判定するための感度等（ペンタッチのフィーリング）を変更するためには、タブレットとなる第一及び第二の透明導電膜の全体を変更する必要があり、使用者の筆圧、使用者それぞれの好み等に応じて自由に感度を変更することはできない。
【００１０】
また、上記のペン入力方式でも、抵抗膜方式と同様に、電子ペン等の電子入力装置が接触したか否かを判定することはできるが、その電子ペン等による筆圧まで検知することはできない。加えて、この方式に用いられるフォトカプラは、大型であり、ＰＤＡ等での使用に適するように、内径４〜６ｍｍ程度のサイズに細型化及び小型化することは非常に困難である。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、接触したか否かを判定することができると共に、その筆圧も検出することができる圧力センサを備えた圧力検出装置及びその圧力検出装置を用いた電子入力装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の圧力検出装置は、圧力発生により所定方向に移動可能な磁石と、該圧力の発生による該磁石の移動距離を検出する磁気センサと、該磁石と該磁気センサとの間に配置され、該磁石を該磁石に作用する該圧力に応じて該圧力に抗する弾性力を付加する弾性体と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
上記本発明の圧力検出装置において、前記磁石は、圧力が作用する方向に沿って移動可能であることが好ましい。
【００１４】
上記本発明の圧力検出装置において、前記磁気センサは、磁気抵抗素子により構成されることが好ましい。
【００１５】
上記本発明の圧力検出装置において、前記磁気センサは、ホール素子により構成されることが好ましい。
【００１６】
上記本発明の圧力検出装置において、前記弾性体は、ばねであることが好ましい。
【００１７】
上記本発明の圧力検出装置において、前記磁気センサは、磁石に作用する圧力に応じたアナログ情報を出力し、該アナログ情報は、デジタル変換されて量子化されることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の電子入力装置は、上記本発明の圧力検出装置を備えた電子入力装置であって、該圧力検出装置を収納する中空の収納部と、該圧力検出装置の磁石に一端が接続されて、他端が該収納部から露出している検出部と、前記弾性体と前記磁気センサとの間に、固定されたストッパ部と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明は、上記構成を有することにより、磁石が圧力により移動可能であり、磁気センサと磁石との間に配置された弾性部材の復元力によって、磁気センサと磁石との間の距離が、磁石が受けた圧力に応じた位置に１対１に対応して決定される、磁気センサが磁気センサと磁石との間の距離を検出する。したがって、本発明の圧力検出装置は、簡単な構成により、圧力を検出することができる。検出される圧力は、圧力検出装置の磁気センサを調整することが可能であり、この圧力検出装置を電子ペン等の電子入力装置に用いた場合に、圧力の感度を、使用者の筆圧、使用者それぞれの好み等に応じて自由に変更することが容易である。
【００２０】
さらに、この圧力検出装置において、磁気センサから出力されるアナログ情報をデジタル変換して量子化すれば、圧力と電子ペン等の電子入力装置が描く線の太さを相関付けることにより、毛筆書きに類似する書体等の表現を実現することが可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧力検出装置及びその圧力検出装置を用いた電子入力装置の詳細について、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の電子入力装置の具体的な適用例の一つである電子ペン１を示す断面図である。
【００２３】
この電子ペン１は、中空の電子ペン本体部２を有している。電子ペン本体部２は、断面が一定の円形になっている円筒部２ａと、この円筒部２ａの一方の先端側にて、徐々に断面積が小さくなった正円錐状の円錐部２ｂとを有している。この電子ペン本体部２の円筒部２ａと円錐部２ｂとは同心状になっている。電子ペン１の円錐部２ｂの先端部分には、開口部２ｃが形成されている。
【００２４】
この電子ペン本体部２は、例えば、ステンレスによって構成される。この電子ペン本体部２は、使用者の好み、使用目的に応じて、種々の寸法を有し得る。例として、この電子本体部２は、円筒部２ａの断面となる円の直径が４．７ｍｍ、軸心に沿った長さが７００ｍｍになるように形成されている。
【００２５】
中空になった電子ペン本体部２の内部には、円錐部２ｂの先端から所定距離離れた位置に、ペン先ストッパー３が設けられ、その位置で固定されている。このペン先ストッパー３は、テフロン（登録商標）等の磁気に対して透過な材料により形成される。ペン先ストッパー３は、円筒部２ａ内に固定され得る大きさに形成され、本実施の形態では、直径が４．０ｍｍ、厚さが４．５ｍｍの円板状になっている。
【００２６】
この電子ペン本体部２の内部において、ペン先ストッパー３から円錐部２ｂ側には、弾性体であるコイルばね４が設けられている。このコイルばね４の一端は、ペン先ストッパー３に、機械的に接触して固定されている。コイルばね４としては、電子ペン本体部２に収納され得る大きさのものが使用される。本実施の形態では、直径２．１６ｍｍ、軸心方向に沿う長さが４．３ｍｍのものを用いている。また、その材質は、ステンレスである。
【００２７】
コイルばね４の他端側には、永久磁石５が、コイルばね４に機械的に取り付けられている。本実施の形態では、この永久磁石５として、ネオジウムを材質として、直径が１．０ｍｍ、厚さが５．０ｍｍの円板状に形成されており、コイルばね４にて円錐部２ｂ側に付勢されている。
【００２８】
永久磁石５の円錐部２ｂ側には、ペン先ガイド６がその一端が永久磁石５に機械的に取り付けられている。このペン先ガイド６は、円錐部２ｂの先端部分に形成された開口部２ｃを一部が貫通する小径の細長い円柱形状に形成されており、その他端部分が、電子ペン本体部２の円錐部２ｂから所定の寸法だけ突出するように配置されている。本実施の形態では、ペン先ガイド６として、ステンレスをその材質とし、直径を１．０ｍｍ、長さを１０ｍｍであるものを用いた。
【００２９】
電子ペン本体部２内のペン先ストッパー３から円錐部２ｂ側に設けられたペン先ガイド６及び永久磁石５は、通常、コイルばね４によって付勢されて、ペン先ガイド６の先端部分が、電子ペン本体部２の円錐部２ｂの先端部部分に形成された開口部２ｃから所定長さ突出した状態になっている。そして、この円錐部２ｂの先端部分から突出したペン先ガイド６の先端部が、ペン先ストッパ３に向かう押圧力を受けると、その押圧力に応じて、軸心方向に沿って、ペン先ストッパー３に向かってコイルばね４の付勢力に抗して電子ペン本体部２内に摺動する。
【００３０】
なお、本実施の形態では、ペン先ガイド６とペン先ストッパ３の間に配置される弾性体としてコイルばね４を用いたが、ペン先ガイド６からの押圧力に抗して復元力を有するものであればこのようなコイルばね４に限定されず、例えば、皿ばね、板ばね等を用いてもよい。
【００３１】
電子ペン本体部２の内部には、ペン先ストッパー３に対して永久磁石５等が設けられた側と反対側に、磁気センサ７が設けられている。本実施の形態では、磁気センサ７として、２端子素子のＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子を用いた。
【００３２】
このＭＲ素子は、シリコンウエハー上に、一対の電極パターンと、この一対の電極間に配置され、且つ、この一対の電極パターンに電気的に接続されたファーマアロイであるＮｉＦｅとが層状に形成されて、この層状構造物を島状にパターニングして構成されるものである。このＭＲ素子の一対の電極パターンには、直流電圧が印加される。
【００３３】
なお、磁気センサとしては、上記のＭＲ素子に限られず、他のものを用いてもよい。例えば、ホール効果を利用したホール素子を用いてもよい。
【００３４】
ここで、ホール効果とは、金属または半導体の板体に電流が流れる場合に、その電流が流れる方向に対して垂直な方向に磁場を形成すると、電流が流れる方向及び磁場の方向の双方に対して垂直な方向にホール電圧を呼ばれる電位差が現れる現象である。
【００３５】
直交座標（ｘ、ｙ、ｚ）において、電流がｘ軸方向に沿ってＩｘ、磁束密度がｚ軸方向に沿ってＢｚであるとすると、ホール効果によって現れるｙ軸方向に沿ったホール電圧Ｖｙは、導体の厚さをｄとすると、下記の（１）式のように表される。
【００３６】
Ｖｙ＝Ｒ×Ｉｘ×Ｂｚ／ｄ　　　　　（１）
（１）式における比例定数Ｒは、ホール定数またはホール係数と呼ばれ、物質の種類、温度等によって決まる定数である。このホール効果は、電流担体の運動が磁場によるローレンツ力を受けることに起因して発生する。
【００３７】
次に、上記構成の磁気センサを用いた圧力検出装置の動作について、詳細に説明する。
【００３８】
まず、図１に示す電子ペン１のペン先ガイド６がタッチパネル上に接触して、コイルばね４の付勢力に抗して電子ペン本体部２内に押され、電子ペン本体部２内に移動すると、このペン先ガイド６の移動に伴って、図２に示すように、コイルばね４がペン先ストッパ３の側に圧縮されると共に、永久磁石５がペン先ストッパ３側に移動する。これにより、永久磁石５と、この永久磁石５に対してペン先ストッパ３を挟んで反対側に設けられている磁気センサ７との距離が短くなる。
【００３９】
この永久磁石５の移動による永久磁石５の磁気センサ７に対する接近によって、磁気センサ７が検知する磁束密度が大きくなり、磁気センサ７からの出力信号が変化する。
【００４０】
図３は、磁気センサ７としてＭＲ素子１０を用いた場合について、磁気抵抗素子の基本構成を概略的に示している。
【００４１】
２端子素子であるＭＲ素子１０は、図３に示すように、永久磁石５が接近すると、直列に接続された各抵抗１１及び１２の一方または双方において、抵抗比が変化する。この抵抗１１及び１２の抵抗比が変化することによって、この抵抗比の分圧を出力する端子１３の出力電圧が変化し、これにより、ＭＲ素子１０に対する永久磁石５の距離が検出される。
【００４２】
図４は、ペン先ガイド６の変位量とペン先ガイド６への荷重との関係を説明するグラフである。
【００４３】
図４に示すグラフにより、ペン先ガイド６の変位量とペン先ガイド６が受ける荷重とが、フックの法則により説明される通り、コイルばね４のバネ定数を比例定数とする比例関係にあることが示されている。
【００４４】
図５は、永久磁石５と、磁気センサ７であるＭＲ素子１０との距離を横軸として、抵抗素子によって取り出される電圧変動量を３０倍に増幅した値を縦軸にして、その関係を示したグラフである。
【００４５】
図５に示すグラフにより、永久磁石５とＭＲ素子１０との距離の変動に応じて、ほぼ直線的に、電圧変位量が変化することが示されている。
【００４６】
上記の図４に示すように、ペン先ガイド６の変位量とペン先ガイド６が受ける荷重とが比例関係にあることから、ペン先ガイド６が受ける荷重と、ＭＲ素子１０によって取り出される電圧変動量（３０倍増幅）との関係は、図６に示すグラフのようになる。図６に示すグラフにより、ペン先ガイド６が受ける荷重に応じて、ほぼ直線的に、電圧変位量が変化することが示されている。この図６に示される直線の傾きは、コイルバネ４のばね定数を適宜変更することによって変更することが可能である。
【００４７】
以上の図４〜図６のグラフにより示されるように、ペン先ガイド６が受ける荷重と、磁気センサ７による出力変位電圧量は、１対１に対応した関係にあり、この関係を用いて磁気センサ７は、ペン先ガイド６が受ける荷重を測定する圧力検出装置を構成することができる。
【００４８】
上記構成の圧力検出装置は、小型化することが可能であり、ＰＤＡ等で用いられる内径４〜６ｍｍ程度の非常に細く形成された電子ペンのような電子入力装置にも内蔵することができる。
【００４９】
さらに、この圧力検出装置では、磁気センサ７から出力された信号をＡ／Ｄコンバータを通して量子化し、ペン先ガイド６の先端部分がＰＤＡ等の表示面に接触したか否かを決めるしきい値をソフト上に任意に変更可能とすることによって、使用者の好みに応じて、電子ペンのペン先の接触感度を調整することができる。
【００５０】
さらに、本発明の圧力検出装置を用いた電子入力装置を応用して、例えば、図７に示すように、４種類の荷重Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに応じて検出される磁気センサ７の電圧変位量に対応して、電子ペンからの筆圧と電子入力装置が描く線の太さを相関付けておけば、図８に示すように、毛筆書きに類似の書体を表現することも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の圧力検出装置は、圧力発生により所定方向に移動可能な磁石と、該圧力の発生による該磁石の移動距離を検出する磁気センサと、該磁石と該磁気センサとの間に配置され、該磁石を該磁石に作用する該圧力に応じて該圧力に抗する復元力を付加する弾性部材と、を備えたことを特徴としている。本発明の圧力検出装置は、このような構成を有することにより、磁石が圧力により移動可能であり、磁気センサと磁石との間に配置された弾性部材の復元力によって、磁気センサと磁石との間の距離が、磁石が受けた圧力に応じた位置に１対１に対応して決定され、磁気センサは、磁気センサと磁石との間の距離を検出する。したがって、本発明の圧力検出装置は、簡単な構成により、圧力を検出することができる。検出される圧力は、圧力検出装置の磁気センサを調整することが可能であり、この圧力検出装置を電子ペン等の電子入力装置に用いた場合に、圧力の感度を、使用者の筆圧、使用者それぞれの好み等に応じて自由に変更することが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子入力装置の具体的な適用例の一つである電子ペン１を示す断面図である。
【図２】本発明の圧力検出装置を適用した電子ペンにおいて、圧力発生により永久磁石と磁気センサとの距離が短くなった状態を示す断面図である。
【図３】磁気センサとしてＭＲ素子を用いた場合について、磁気抵抗素子の基本構成を示す概略図である。
【図４】ペン先ガイドの変位量とペン先ガイド６への荷重との関係を説明するグラフである。
【図５】永久磁石と、磁気センサであるＭＲ素子との距離を横軸として、抵抗素子によって取り出される電圧変動量を３０倍に増幅した値を縦軸にして、その関係を示したグラフである。
【図６】ペン先ガイドが受ける荷重と、ＭＲ素子によって取り出される電圧変動量（３０倍増幅）との関係を示すグラフである。
【図７】図６のグラフに、４種類の荷重Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに応じて検出される磁気センサ７の電圧変位量を示すグラフである。
【図８】本発明の電子入力装置を適用して、毛筆書きに類似の書体を表現することを示した図である。
【符号の説明】
１　電子ペン
２　電子ペン本体部
３　ペン先ストッパー
４　コイルばね
５　永久磁石
６　ペン先ガイド
７　磁気センサ
１０　ＭＲ素子
１１、１２　抵抗
１３　端子
【図１】
2004012331.tif 000003
【図２】
2004012331.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004012331.tif 000007
【図６】
2004012331.tif 000008
【図７】
2004012331.tif 000009
【図８】
2004012331.tif 000010