(57)【要約】筆芯に振動子を備えた筆記具において、筆芯に対する振動子の装着状態の個体差（ばらつき）を抑制する。筆記具１０は、外筒１６に支持される筆芯１２と、筆芯１２の外周表面上に筆芯１２の中心軸Ｃを挟んで対向するように設けられた振動子２０の対と、を備える。このような構成によれば、振動子２０の筆芯１２との接合面が外方に露出するため、これらを接着して固定する場合にはより均一な接着剤層を形成することができ、振動子２０の装着状態の個体差を抑制することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筆記具本体に支持される筆芯と、
前記筆芯の外周表面上に筆芯の中心軸を挟んで対向するように設けられた振動子の対と、を備えた筆記判別システム用筆記具。
【請求項２】
筆芯の外周表面上に筆芯の中心軸を挟んで対向するように対をなす平面が形成され、
前記振動子が平板状に形成され、前記平面上に固定されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の筆記判別システム用筆記具。
【請求項３】
前記振動子の対は、板状の基板を備え、該基板の表裏両面に形成された電極対により分極処理され、
前記振動子の対は、各分極方向が筆芯の中心軸に対して対称となるよう設けられることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の筆記判別システム用筆記具。
【請求項４】
前記振動子は、板状の基板を備え、該基板の表裏両面に形成された電極対により分極処理され、また該基板の裏面と前記筆芯外周表面とが当接するよう筆芯に固定され、
前記基板の側面および／または表面に、前記裏面の電極と導通する導体膜が形成されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の筆記判別システム用筆記具。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、署名認証などに適用可能な筆記判別システム用筆記具に関し、特に、その筆芯に振動子を備え、運筆時における筆芯の振動が筆記者固有の特徴を有することを利用して筆記判別を行うための筆記具、に関する。
背景技術
出願人は、振動子によって筆芯を加振した状態で筆記具を運筆したときに筆芯の振動が筆記者毎に異なることに着目し、この性質を利用した筆記判別システムについて研究開発を行っている。この筆記判別システムについて、出願人は、これまでに、日本国特許出願、特願２０００−４２９３６および特願２０００−５９５２６を行った。ここで、図面を参照して、この筆記判別システム用の筆記具の構成および動作について説明する。
図９は、筆記具７０をボールペンとして構成した例を示す。棒状の筆芯７２には、円筒状の圧電振動子７４が、圧電振動子７４の貫通穴に筆芯７２が挿入される形で装着されている。圧電振動子７４は、貫通穴の内面に一様に薄く塗布した接着剤によって筆芯７２に固定される。また筆芯７２は、環状の支持固定具７６を介して外筒７８に固定されている。このような構成により、圧電振動子７４は、外部より印加される電圧により筆芯７２を長手方向に加振する。圧電振動子７４は、図示しない自励発振回路によって加振されており、この自励発振回路の信号により圧電振動子７４の振動を検出することができる。
そしてこれまでの研究により、このような筆記具７０を用いて筆芯７２が加振された状態で筆記を行う場合、筆記中の筆芯７２の振動変化のパターンが筆記者に応じて異なることが判明している。これは、筆記中における筆芯７２と筆記媒体（図示せず）との接触状態（例えば押圧力、接触角度等）およびその変化（例えば運筆速度等）が筆記者固有の特徴を有するためと考えられる。したがって、加振中の筆芯７２の振動を検出してこれを予め登録しておいた固有の振動パターンと比較することで筆記判別を行うことができる。
上記筆記具では、貫通穴内面に塗布した接着剤によって圧電振動子を筆芯に固定していた。しかしながら、このような構成では、接着剤の層に含まれる気泡などにより、均一な接着剤の層を得るのが難しく、筆記具毎に圧電振動子の装着状態（すなわち筆芯の長手方向あるいは径方向の装着位置、または筆芯に対する相対的な装着姿勢）の個体差が生じ、ひいてはこれが筆記具毎の振動特性（すなわち共振周波数、振動モード等）のばらつきの要因となっていた。
発明の開示
本発明にかかる筆記判別システム用筆記具では、筆記具本体に支持される筆芯と、前記筆芯の外周表面上に筆芯の中心軸を挟んで対向するように設けられた振動子の対と、を備える。このような構成によれば、振動子の筆芯との接合面が外方に露出するため、例えばこれらを接着して固定する場合にはより均一な接着剤層を形成することができる等、従来に比して筆芯に対する振動子の装着状態のばらつきを抑制することができる。さらに本発明では、振動子の対を筆芯の中心軸を挟んで対向するように設けることで、筆芯の非対称な変形に伴う屈曲振動あるいは異常発振などが抑制される。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の第一の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる筆記具１０の概略構成図、図２は、筆記具１０に用いられる圧電振動子２０の斜視図、図３は、圧電振動子２０の等価回路図、図４は、筆芯の加振および振動検出を行う自励発振回路３０の回路図である。
本実施形態では筆記具１０はボールペンとして構成される。図１に示すように、棒状の筆芯１２（すなわちインク軸）は、環状の支持固定具１４を介して円筒状の外筒１６に固定されている。この筆芯１２には、その外周面上の筆芯１２の中心軸Ｃを挟んで対向する位置に一つまたは複数（本実施形態では一つ）の対をなす平面部１２ｐが形成され、この平面部１２ｐに、それぞれ平板状の圧電振動子２０（２０ａ，２０ｂ）が、例えば接着剤によって貼付固定されている。この圧電振動子２０が自励発振回路３０（図４；後述）に組み込まれ、筆芯１２を加振する。
圧電振動子２０は、その中心が、筆芯１２の非接触側の端部１２ａから長手方向に筆芯１２の長さの１／４離間した位置となるように設けられ、また支持固定具１４は、筆芯１２の接触側の端部１２ｂから長手方向に筆芯１２の長さの１／４離間した位置に設けられている。圧電振動子２０が振動すると、筆芯１２は、筆芯１２の長さを一波長とする定常波の振動モードで最も強く振動する。これらの設置位置（すなわち筆芯１２の長手方向両端（１２ａ，１２ｂ）から長手方向にそれぞれ筆芯１２の長さの１／４内側に離間した位置）は、この定常波の節である。すなわち、筆芯１２は筆記具本体としての外筒１６に節の位置で支持されるため、外筒１６の応力変化あるいは変形等により筆芯１２の振動が変化するのを抑制することができる。ちなみに、上記定常波では、筆芯１２の長手方向両端（１２ａ，１２ｂ）および長手方向中央位置が振動の腹となる。
図２に示すように、圧電振動子２０は、短冊状の薄板（直方体）として構成されるセラミック基板２２と、該セラミック基板２２の表面および裏面の全面にそれぞれ形成された一対の電極（正極２４ａ，負極２４ｂ）とを備える。表面側の電極（正極）２４ａには、リード線２６が接続されている。本実施形態では圧電振動子２０を平板状とすることで、より容易にかつより高精度にこれを製作することができる。圧電振動子２０の一対の電極（２４ａ，２４ｂ）には所定の条件下で直流電圧が印加され、これにより圧電振動子２０が分極処理される。すなわち圧電振動子２０は、表面および裏面に垂直な方向に分極され、その分極方向は、表面側から裏面側または裏面側から表面側である。なお図３に示すように、上記分極処理の施された圧電振動子２０は、正極２４ａと負極２４ｂとの間に、インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃ、および抵抗成分Ｒを直列に備え、さらにこれらと並列に制動容量成分Ｃｄを備えた回路と、等価である。
対をなす圧電振動子２０は、筆芯１２の外周壁に中心軸Ｃに対して互いに対称な形状に変形しながら振動するように設けられるのが望ましい。こうすることで筆芯１２自体も中心軸Ｃに対して対称な形状に変形しながら振動する。圧電振動子を筆芯の外周壁に一箇所のみ設けた場合、筆芯は圧電振動子を設けた位置を中心として伸縮（振動）するため、屈曲振動あるいは異常発振が生じやすくなる。これに対し、筆芯１２の外周壁に中心軸Ｃに対して互いに対称な形状に変形しながら振動するように設けることで、圧電振動子２０および筆芯１２の屈曲振動や異常発振等の発生を抑制し、圧電振動子２０の駆動エネルギのロスを低減することができる。このような振動を得るため、本実施形態では、図１に示すように、平行に形成され対を成す平面部１２ｐのそれぞれに、各圧電振動子（２０ａ，２０ｂ）の負極（分極処理時に負電圧を印加した電極）２４ｂが接合される。これにより、対をなす圧電振動子２０の分極方向は、いずれも筆芯１２の径方向の内側から外側に指向し、それらは互いに筆芯１２の中心軸Ｃを挟んで対称となる。また、これら対をなす圧電振動子２０は電気的に並列に設けられる。具体的には、図４に示すように、平面部１２ｐ側の電極（すなわち負極）２４ｂ同士が接続され、反対側の正極２４ａ同士が接続される。ここで圧電振動子２０は印加電圧に応じて分極方向に伸縮する。このように設けられかつ並列接続された圧電振動子２０の対は、筆芯１２の中心軸Ｃについて対称な形状に変形しながら振動する。なお、圧電振動子２０は、ポアソン比に応じて長手方向にも伸縮するが、圧電振動子２０は筆芯１２の長手方向に長いので、筆芯１２には主として長手方向の縦振動が生じる。
本実施形態では、インク軸としての筆芯１２の外壁１２ｗ（少なくとも平面部１２ｐ）表面の少なくとも一部は導体（例えばアルミ合金等）として構成されており、対をなす圧電振動子２０の筆芯１２側の電極（ここでは負極）２４ｂと導通している。このような構成により、筆芯１２に接触して露出しない筆芯１２側の電極２４ｂに対し、筆芯１２の導体部を介してより容易に電圧を印加することができる。
また図４に示すように、本実施形態にかかる自励発振回路３０は、増幅回路３２、対をなす圧電振動子２０（２０ａ，２０ｂ）、およびフィルタ回路３４をこの順に直列に接続して構成される。このうちフィルタ回路３４は、圧電振動子２０の不要振動（スプリアス）の影響を抑制する作用を有する。またその中心周波数は、圧電振動子２０の中心周波数にほぼ等しい。圧電振動子２０の正極２４ａはフィルタ回路３４の入力端子に、また圧電振動子２０の負極２４ｂは増幅回路３２の出力端子に、それぞれ接続される。また、フィルタ回路３４の出力端子は上記した筆芯１２の導体部（外壁１２ｗ）に接続されており、この導体部は、増幅回路３２の出力端子と圧電振動子２０の負極２４ｂとの間に介在することになる。このような構成において、筆記中に筆芯１２の振動数の経時変化を、この自励発信回路３０の信号の周波数の経時変化として検出し、検出データを予め登録しておいた筆記者毎および筆記（例えば署名）毎の振動数の経時変化の登録データと比較することにより、筆記判別を行うことができる。
次に本発明の第二の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態にかかる筆記具は、圧電振動子２０に替えて圧電振動子４０を備える点以外、上記第一の実施形態と同じ構成を備える。このため、ここでは本実施形態にかかる圧電振動子４０について説明し、他の構成についての詳細な説明は省略する。図５は、圧電振動子４０の斜視図である。
図５に示すように、圧電振動子４０は、短冊状の薄板（直方体）として構成されるセラミック基板４２と、該セラミック基板４２の表面および裏面にそれぞれ形成された一対の電極４４（正極４４ａ，負極４４ｂ）とを備える。本実施形態では、このセラミック基板４２の側面および表面に、前記裏面の電極４４ｂと導通する導体膜４４ｃが形成される。この圧電振動子４０は、裏面と筆芯１２の外周表面とが接触するように筆芯１２に密着固定されるため、本実施形態では、導体膜４４ｃを介して、筆芯１２に接触して露出しない筆芯１２側の電極（ここでは負極４４ｂ）に、より容易に電圧を印加することができる。このため、筆芯１２に導体部を設ける必要は無い。表面側では、金属導体の薄膜が表面に形成されていない分離帯４４ｄにより、正極４４ａと導体膜４４ｃとが絶縁されている。このとき正極４４ａの面積を導体膜４４ｃの面積より大きくするのが望ましい。この正極４４ａの面積が大きいほど、圧電振動子４０はより広い領域で変形するため、屈曲振動および異常発振が抑制される。正極４４ａにはリード線４６ａが、また導体膜４４ｃにはリード線４６ｂが、それぞれ接続される。また裏面側では全面に負極４４ｂが形成されている。この圧電振動子４０についても上記実施形態と同様に分極処理が施される。
次に本発明の第三の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、圧電振動子５０は三端子型であり、それに伴い自励発振回路６０も上記第一および第二の実施形態にかかる自励発振回路３０とは異なる構成となっているが、それ以外の構成については、上記第一および第二の実施形態と同様である。このため、ここでは本実施形態にかかる圧電振動子５０および自励発振回路６０について説明し、他の構成についての詳細な説明は省略する。図６は、圧電振動子５０の斜視図、図７は、圧電振動子５０の等価回路図、また図８は、自励発振回路６０の回路図である。
図６に示すように、圧電振動子５０は、短冊状の薄板（直方体）として構成されるセラミック基板５２を備える。セラミック基板５２の表面には二つの電極（第一電極［駆動電極］５４ａおよび第三電極［帰還電極］５４ｃ）が形成され、裏面には一つの電極（第二電極［接地電極］５４ｂ）が形成される。またセラミック基板５２の側面および表面には、裏面の電極（第二電極５４ｂ）と導通する導体膜５４ｄが形成される。表面側では、第一電極５４ａ、第三電極５４ｃおよび導体膜５４ｄがこの順に配置され、これらの間はそれぞれ、分離帯５４ｅ，５４ｆによって絶縁されている。このとき、第一電極５４ａの面積は、上記第二の実施形態の場合と同様の理由により、第三電極５４ｃおよび導体膜５４ｄの合計面積より大きくするのが望ましい。また、第一、第三および導体膜（５４ａ，５４ｃ，５４ｄ）にはそれぞれ、リード線（５６ａ，５６ｂ，５６ｃ）が接続される。また裏面側では全面に第二電極５４ｂが形成されている。このような構成の圧電振動子５０が、図１の圧電振動子２０に替えて、裏面と筆芯１２の外周表面とが接触するように筆芯１２に密着固定される。なお図７に示すように、上記分極処理を施された圧電振動子５０は、第一電極５４ａと第三電極５４ｃとの間に、インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃ、および抵抗成分Ｒを直列に備え、第一電極５４ａと第二電極５４ｂとの間に制動容量成分Ｃｄ１を備え、また第二電極５４ｂと第三電極５４ｃとの間に制動容量成分Ｃｄ２を備える回路と、等価である。
また図８に示すように、本実施形態にかかる自励発振回路６０は、増幅回路３２、対をなす圧電振動子５０、およびフィルタ回路３４をこの順に直列に接続して構成される。この場合、第一電極５４ａはフィルタ回路３４の入力端子に、また第三電極５４ｃは増幅回路３２の出力端子に、また第二電極５４ｂは接地側に、それぞれ接続される。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明にかかる筆記具は、筆芯に対する振動子の装着状態のばらつきを抑制することができるとともに、筆芯のアンバランスな変形に伴う屈曲振動あるいは異常発振などを抑制することができる。このため、署名認証を行うための筆記判別システムに用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の斜視図（一部断面図）、
図２は、本発明の第一の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子を示す斜視図、
図３は、本発明の第一の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子の等価回路図、
図４は、本発明の第一の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子を組み込んだ自励発振回路の回路図、
図５は、本発明の第二の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子を示す斜視図、
図６は、本発明の第三の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子を示す斜視図、
図７は、本発明の第三の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子の等価回路図、
図８は、本発明の第三の実施形態にかかる筆記判別システム用筆記具の圧電振動子を組み込んだ自励発振回路の回路図、
図９は、従来の筆記判別システム用筆記具の斜視図（一部断面図）である。
【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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【国際調査報告】
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