エネルギー節約

著者らは特許

G06F1/32 - 電力節約のための手段
G06F3/0354 - デバイスまたはその操作部位と,平面または表面との間の,二次元相対運動を検出するもの,例.二次元マウス,トラックボール,ペンまたはパック

の所有者の特許 JP2016528614:

シュタビロ インターナツィオナール ゲーエムベーハーSTABILO International GmbH

 

本発明は、ペンポジション検出部を備えた電子ペン(200)に関する。この場合、少なくとも1つの電圧源(206)と、少なくとも1つのディジタルコントロールユニット(217,106)と、筆記芯(209)と、少なくとも1つのデータ伝送モジュール(219,109)と、電子ペン(200)のポジションおよび/または運動を検出するための少なくとも2つのポジション検出センサ(201,202,101,102)とを備え、電子ペン(200)は、電気エネルギー消費を管理するために、特に電気エネルギー消費を最小限に抑えるために、ディジタルコントロールユニット(217,106)と接続されたエネルギー管理ユニット(218,110)を含む、および/または、電気エネルギーを自己発生可能な手段(103,104,105,204,205,212,213,214,215)を含むことを特徴としている。

 

 

本発明は、請求項1の上位概念に記載された形式の電子ペン、請求項14の上位概念に記載された装置、および請求項16の上位概念に記載された方法に関する。
日常生活、レジャーならびに仕事において、電子情報およびコミュニケーションシステムの利用、特にパーソナルコンピュータ(PC)、タブレットおよびスマートフォンの利用が、常に増え続けていることから、ヒューマンマシンインタフェースを向上させる開発に費やす価値がある。
キーボード、マウス、またはタッチ感応型表面といったヒューマンマシンインタフェースのほかに、電子ペンも特に注目されている。電子ペンの利点は特に、ペンを使って何らかの表面に筆記する機能性と単純さを、電子データ処理のいっそう多くの様々な可能性と組み合わせることができる、というものである。その際に望ましいのは、電子ペンが外観と取り扱いとについて、慣用のペンとできるかぎり類似している、ということである。
たとえば国際公開第02/07424号には、手書き認識のための電子情報システムについて記載されている。このシステムは、ペンと、圧力感応型または誘導感応型の表面を備えたタブレットとを備えており、このシステムによれば、ペンまたはペン先の移動が、タブレットの圧力感応型または誘導感応型の表面によって取得されるか、または加速度センサまたは光学センサによって取得される。
この場合、センサデータをワイヤレスでPCに転送可能であり、PCは受信したペン運動データに基づき、手書き認識を実行することができる。
しかしながら、手書き認識のための公知の電子情報システムの欠点は特に、電子ペンが動作中にかなり多くのエネルギー量を必要とすることであり、これは特に、電子ペンが筆圧に関する圧力センサデータのようなデータをシステムに送信するときに必要とされ、このことは電子ペンの動作可能時間に大きな影響を及ぼす。
国際公開第02/07424号
したがって本発明の課題は、電子ペンを特にそのエネルギー効率に関して改善することにある。
本発明によればこの課題は、請求項1記載の電子ペン、請求項14記載の装置、および請求項16記載の方法によって解決される。
従属請求項には、有利な実施形態およびその他の発展形態が記載されている。
本発明によれば、ペンポジション検出部を備えた電子ペンは、少なくとも1つの電圧源と、少なくとも1つのディジタルコントロールユニットと、筆記芯と、少なくとも1つのデータ伝送モジュールと、電子ペンのポジションおよび/または運動を検出するための少なくとも2つのポジション検出センサたとえば加速度センサと、を含んでいる。
ペンポジションおよびペン運動の検出に適した「ポジション検出センサ」という用語はたとえば、加速度センサおよび/または回転速度センサといった一次元センサまたは二次元センサまたは三次元センサを含むものであり、たとえばこの場合、電子ペンの運動を、たとえば加速度信号などのようなセンサ信号の一重積分により検出可能であり、さらに電子ペンのロケーションまたはポジションを、たとえば加速度信号などのようなセンサ信号の二重積分によって検出可能である。たとえば、すべてのポジション検出センサが加速度センサであるようにしてもよい。
上述のポジション検出センサは特に、たとえば空間における電子ペンの相対運動および相対ポジションを導出可能なデータを供給することができる。
さらに考えられるのは、ドリフト補償のために付加的な磁場センサを利用することであり、このセンサによって、電子ペンの定常動作中、定常的な参照信号が供給され、この信号を利用して、積分されたセンサ信号のドリフトを補償することができる。
これに加え電子ペンは、電気エネルギー消費を管理するために、特に電気エネルギー消費を最小限に抑えるために、ディジタルコントロールユニットと接続されたエネルギー管理ユニットを含むことができ、および/または、電気エネルギーを自己発生可能な手段を含むことができる。
これにより得られる利点とは、エネルギー管理ユニットおよび/または電気エネルギー自己発生手段を備えていない電子ペンよりも、電子ペンの動作可能時間または稼動寿命を著しく延ばすことができる、ということである。
したがって有利には本発明による電子ペンによれば、準備なしでほとんどいつでも、特にユーザにとって快適な長期にわたる利用時間またはアクティブ動作時間を伴って、手で筆記基材に付与可能および/またはジェスチャ運動によって制御可能なあらゆるものの入力手段として用いる可能性が得られるようになる。電子ペンの運動データを、筆記認識またはジェスチャ認識といった電子処理のために、および/または、たとえばオフィスコンピュータ、ラップトップ、タブレットコンピュータ、またはモバイルフォンなどのような外部の電子データ処理ユニットに表示するために、ディジタル形式で供給することができる。
当然ながら、本発明による電子ペンをたとえば慣用のように、一例として軽やかな滑りのイージーグライド筆記ペーストにより機能する筆記芯を利用した筆記または線描のために、使用可能である。
この電子ペンは、エネルギー消費がそれぞれ異なる少なくとも以下の3つの動作モードまたはオペレーティングモードを含むことができ、すなわちアクティブモード、スタンバイモードおよびオフモードを含むことができ、この場合、エネルギー管理ユニットはこれらの動作モードを管理することができ、特に動作モード移行を制御することができる。
さらにアクティブモードは特に、測定モードとチェックモードとを有することができる。特にたとえば測定モードにおいて、ポジション検出センサのデータが記録され、たとえばチェックモードにおいて、電圧供給がチェックされ、および/または、データ伝送状態がチェックされ、および/または、上述のポジション検出センサから導出されたデータがチェックまたは照合される。
なお、オフモードがエネルギーを消費する場合も考えられる。その理由は、このモードにおいても、オフモードからスタンバイモードまたはアクティブモードへ、ユーザが望む移行を実行できるよう、電子コンポーネント特にポジション検出センサたとえば加速度センサおよび/またはデータ伝送モジュールの状態および/またはデータを分析または照合する目的で、電子ペンへの電気エネルギー供給が必要とされる場合もあるからである。
この場合、ディジタルコントロールユニットおよび/またはエネルギー管理ユニットのクロックレート、または既述の電子コンポーネントの状態問い合わせのサンプリングレートを、スタンバイモードまたはアクティブモード中に使用されるクロックレートまたはサンプリングレートよりも低くすることができる。
たとえば電子ペンのアクティブモード中、センサ素子特にポジション検出センサからのデータのサンプリングレートは、十分な精度で筆記運動を検出するためには、少なくとも40Hzは必要とされる可能性があるのに対し、スタンバイモード中および/またはオフモード中はサンプリングレートを低減することができ、たとえばスタンバイモード中は40Hzよりも低いところに設定することができ、好ましくは5〜20Hzに設定することができ、オフモード中は1Hz以下まで下げることができる。
データ伝送モジュールがデータたとえばペンポジションデータ、電圧源のエネルギー状態、筆記芯の充填レベル、筆圧力などを、たとえば外部のデータ処理ユニットまたはデータ分析ユニットなどのような受信システムへ送信する際に用いる通信レートまたはデータ伝送レートと、このサンプリングレートとを、区別することができる。この場合、上述の伝送すべきデータを、個別におよび/またはグループごとに送信してもよいし、および/または、1つまたは複数のサンプリング周期のデータを組み合わせて、1つまたは複数のパケットを生成してから、それらのパケットを受信システムに送信してもよい。アクティブモード中は、たとえば毎秒0.2〜5またはそれよりも多くの通信という通信レートまたはデータ伝送レートを、スタンバイモード中は、毎秒0.2の通信よりも少なくなるまで低減することができる。
たとえば標準規格Bluetooth 4.0の低エネルギーモード(BLE)といった適切なプロトコルを利用した場合には、通信またはデータ伝送を完全に停止することも可能である。
オフモード中、たとえばデータ伝送モジュールを完全にスイッチオフしてもよいし、または極めて低速な通信レートにしてもよく、たとえば毎秒/毎時/毎日1回よりも少ない通信レート、あるいはそれよりもさらに少ない/低速な通信レートにしてもよい。
スタンバイモード中および/またはオフモード中にさらに可能であるのは、電子ペンにおいてデータを供給する電子コンポーネントの一部またはすべての電子コンポーネントのセンサシステムを、部分的にスイッチオフすることであり、あるいは一部だけについて問い合わせることである。つまりたとえば、スタンバイモード中、複数のポジション検出センサおよび/または他の複数のセンサのうち、1つまたは2つのセンサだけについて問い合わせが行われる。
したがって、電子ペンにおいてデータを供給するすべてのコンポーネントのサンプリングレートを、および/または、電子ペンのデータ伝送モジュールの通信レートおよび/またはデータ伝送レートを、電子ペンの動作モードに応じて制御することができるように、ディジタルコントロールユニットおよび/またはエネルギー管理ユニットを構成することができる。
もちろん、ユーザの能動的な操作またはアクティビティに基づき、たとえば筆記芯を押し出したり引っ込めたりすることによって、またはオン/オフスイッチを作動することによって、電子ペンをスイッチオンまたはスイッチオフすることも考えられる。能動的なオン/オフスイッチ操作によって得られる利点は特に、オフモード中の電子ペンのエネルギー消費を最小限に抑えられることであり、特定の状況では完全にスイッチオフ可能なことである。
ただし、電子ペンを使用しないとき、ユーザが能動的なユーザ操作またはアクティビティで電子ペンを必ずスイッチオフするとは考えられないので、本発明によるエネルギー管理によれば、エネルギー管理ユニットを用い電子コンポーネントのデータに基づいて、電子ペンの目下の利用状態を同定するのが有利となる可能性があり、これにより目下の利用状態の情報をベースに動作モードの移行を行うことができ、たとえば電子ペンのポジションおよび/または運動において所定の非活性状態が識別されたならば、電子ペンをオフモードおよび/またはスタンバイモードに移行させることができる。
その際に好ましくかつ有利になる可能性があるのは、1つまたは複数の動作モードから、必要とされるエネルギーが多くなるモードへの移行を、1つまたは複数の動作モードから、必要とされるエネルギーが少なくなるモードへの移行よりも、短い待ち時間で実行することである。換言すれば、アクティブモードへの移行を、スタンバイモードまたはオフモードへの移行よりも高速に識別して実行することができる。その理由はたとえば、電子ペンのポジションおよび/または運動および/または周囲光の非活性状態は、所定の状況下では、ユーザが電子ペンを使用しているときの短期間の中断を表すにすぎない場合もあるからである。
本発明による電子ペンのバッテリ充電あたりの稼動寿命または利用時間を、少なくとも2ヶ月、3ヶ月、5ヶ月または6ヶ月とすることができ、この場合、本発明による電子ペンのエネルギー消費を、アクティブモードではたとえば3mWhよりも少なくすることができ、スタンバイモードでは0.2mWhよりも少なく、オフモードでは0.023mWhよりも少なくすることができる。
電子ペンにおける各コンポーネントの動作電圧を、たとえば1〜10Vとすることができ、好ましくは2〜4Vとすることができる。既述の稼動寿命時間を、電圧源としてバッテリを用いて達成することができる。たとえば、210mAhである1つの3Vリチウムボタン電池によって、または1.4Vで650mAhである2つの空気亜鉛ボタン電池(タイプ975)によって、達成することができる。これらの電圧源を、後述の電気エネルギー発生手段によって支援することができる。なお、ここで前提とすることができるのは、電子ペンは、1年(8760時間)のうち20〜700時間はアクティブモード、16〜560時間はスタンバイモード、そして8060〜8740時間はオフモードである、ということである。
さらにこの電子ペンは、少なくとも1つのDC/DCコンバータを備えることができる。
これによって得られる利点とは、電気エネルギー発生手段(下記参照)により供給される電気エネルギーまたは電圧を、必要に応じて望ましい電圧レベルに変換することができることであり、それというのも、いくつかの状況下では上述の手段は本来の特性として、電子ペンの動作または電子ペンの各電気コンポーネントの動作に望ましい電圧に対応する電圧で、電気エネルギーを常に供給するとは限らないからである。
少なくとも1つの電圧源のほか、この電子ペンは、自己発生電気エネルギーのための付加的なエネルギー蓄積器を備えることができる。たとえばこのエネルギー蓄積器を、再充電可能なバッテリとすることができる。
当然ながら同様に考えられるのは、少なくとも1つの電圧源を、電子ペンの自己発生電気エネルギーによって再充電できるようにし、たとえばそれ自体を再充電可能なバッテリとすることである。
さらにこの電子ペンは、1つまたは複数のフォトセルを含むことができ、このフォトセルは、電子ペン周囲の光強度を測定し、十分な光強度があるときに電気エネルギーを発生し、その電気エネルギーを電子ペンに供給できるように構成されている(たとえば周辺または周囲の光強度が50luxよりも強いとき)。したがってフォトセルを、一例として電気エネルギー発生手段として実装することができる。
好ましくは、少なくとも1つのフォトセルを、電子ペン周囲の光強度を測定するように構成することができ、エネルギー管理ユニットを、以下のように構成することができる。すなわち、少なくとも1つまたは複数のフォトセルによって測定された光強度が、予め定められた光強度下回り最小期間(たとえば5秒または10秒よりも長い期間)にわたり、予め定められた光強度閾値(たとえば1luxよりも弱い強度)を下回ると、および/または、少なくとも1つまたは複数のフォトセルによって測定された光強度が、予め定められた光強度上回り最小期間(たとえば1秒または5秒よりも長い期間)にわたり、予め定められた光強度閾値(たとえば1luxよりも強い強度)を上回ると、エネルギー管理ユニットが電子ペンの少なくとも1つの動作モード移行を実行できるように、構成することができる。たとえばフォトセルにより測定された光強度が、予め定められた光強度下回り最小期間にわたり、予め定められた光強度閾値を下回った場合には、アクティブモードからオフモードへの移行を、スタンバイモードへの一時的な移行を伴って、または伴わずに、実行することができ、および/または、予め定められた光強度上回り最小期間にわたり、光強度が予め定められた光強度閾値を上回った場合には、オフモードからアクティブモードまたはスタンバイモードへの移行を、実行することができる。
このことにより特に、電子ペン周囲で発生している光条件または光強度から、電子ペンが使用されていないことが表されたならば、電子ペンのエネルギー消費を低減できる、という利点が得られる。
この状況が発生する可能性があるのはたとえば、電子ペンがバッグ、ホルダまたは衣類の中にある場合であり、あるいは1つまたは複数のフォトセルが封止キャップによって覆われたとき、または電子ペンまたはフォトセルが書類によって覆われたとき、または電子ペンが置かれている室内が、たとえば人工的な室内光がスイッチオフされた後という理由で、または十分な自然光が不足していることに起因して、単に暗すぎる場合である。さらにオフモードを、電気負荷がスイッチオンされないように構成することができる。
もちろんこれとは逆に、少なくとも1つのフォトセルがたとえば、周囲光条件の相応の変化を検出したときに、ペンのエネルギー管理ユニットが、オフモードからスタンバイモードおよび/またはアクティブモードへの移行を実行することもでき、つまりたとえば、予め定められた閾値下回り最小期間(たとえば1秒または5秒よりも長い期間)にわたり、光強度が予め定められた光強度閾値を上回った場合、たとえば封止キャップを外した後、ホルダを開いた後など、電子ペンを利用できるようになったことを表す場合に、この移行を実行することができる。
さらに電子ペンのエネルギー管理ユニットを、以下のように構成することができる。すなわち、予め定められた閾値下回り最小期間(たとえば5秒、10秒または20秒よりも長い期間)にわたり、ポジション検出センサまたは他のセンサの値が、予め定められた測定アクティビティ閾値を下回ったならば、および/または、予め定められた閾値上回り最小期間(たとえば0.1秒または1秒よりも長い期間)にわたり、ポジション検出センサまたは他のセンサの値が、予め定められた測定アクティビティ閾値を上回ったならば、エネルギー管理ユニットは、電子ペンの少なくとも1つの動作モード移行を実行できるようにするのである。
たとえば予め定められた測定アクティビティ閾値を、筆記芯の目下の押圧力の予め定められた値とすることができ、つまり予め定められた筆圧力値とすることができる。
上述の予め定められた閾値下回り最小期間にわたり、一例として軸線方向の押圧力が存在しない場合などに、たとえば筆記芯の予め定められた軸線方向の押圧力値を目下の押圧力値が下回ったならば、エネルギー管理ユニットは、電子ペンの少なくとも1つの動作モード移行を実行することができる。
同様に、上述の予め定められた閾値上回り最小期間にわたり、一例として軸線方向の正の押圧力または正の筆圧の発生に起因して、たとえば筆記芯の予め定められた軸線方向の押圧力値を目下の押圧力値が上回ったならば、エネルギー管理ユニットは、電子ペンの少なくとも1つの動作モード移行を実行することができる。
オプションとしてのこの特徴によっても、有利には電子ペンのエネルギー消費を低減することができる。たとえば、電子ペンが傍らに置かれていたならば、つまり電子ペンが長時間にわたりユーザの手から離れて置かれていたならば、このことは、上述の閾値下回り最小期間にわたり、ポジション検出センサの値が予め定められた測定アクティビティ閾値を下回ったことによって、認識することができ、電子ペンのエネルギー管理ユニットは、スタンバイモードおよび/またはオフモードへの動作モード移行を実行することができる。
他方、当然ながらこれとは逆に、電子ペンの管理ユニットは、以下の場合のときに、オフモードからスタンバイモードおよび/またはアクティブモードへの移行を実行することができる。すなわち一例として、たとえばユーザが電子ペンを手に取り、電子ペンを利用しようとしているか、または利用できるようにしていることを、予め定められた閾値上回り最小期間にわたり、ポジション検出センサおよび/または他のセンサの値を、予め定められた測定アクティビティ閾値を上回ったことに基づき、導き出すことができる場合である。
電子ペンはさらに、筆記芯と結合可能な力センサを備えることができる。
このようにすることによって特に、軸線方向の押圧力または筆圧力を測定することができ、エネルギー管理ユニットを以下のように構成することができる。すなわち、力センサにより測定された力に基づき、一例として、予め定められた閾値下回り最小期間たとえば5秒、10秒または20秒よりも長い期間にわたり、測定された押圧力が予め定められた押圧力閾値を下回った場合(たとえば0.05Nよりも小さい場合)、および/または、予め定められた閾値上回り最小期間(たとえば0.1秒または1秒よりも長い期間)にわたり、予め定められた押圧力閾値を上回った場合(たとえば0.05Nよりも大きい場合)、エネルギー管理ユニットは、電子ペンの少なくとも1つの動作モード移行を実行するように構成するのである。
上述の実施例ですでに述べたように、このようにすることによって有利には、電子ペンのエネルギー消費を低減することができ、いっそう良好に管理することができる。一例として、筆記芯がたとえば紙などの筆記基材との接触に起因して、または筆記中に発生する筆圧力に起因して、たとえば、予め定められた閾値上回り最小期間にわたり、測定された押圧力が予め定められた押圧力閾値を上回ったならば、エネルギー管理ユニットは、電子ペンのアクティブモードを起動することができ、またはアクティブモードへ移行させることができる。
これとは逆にたとえば、十分に大きい筆圧力が存在しない場合、または、予め定められた閾値下回り最小期間にわたり、力センサにより測定された押圧力が予め定められた押圧力閾値を下回ったならば、エネルギー管理ユニットは、動作モードをアクティブモードからスタンバイモードまたはオフモードに移行させることができる。
フォトセルを利用して電気エネルギーを発生させ、その電気エネルギーを電子ペンへ供給できるようにした既述の構成のほかに、さらに考えられるのは、電子ペンの周囲環境および/または使用動作から電気エネルギーを発生させる別の手段を、電子ペンにさらに装備できるようにすることである。このコンセプトのことを、いわゆるエネルギーハーベスティングないしは環境発電と呼ぶこともできる。この場合、エネルギー発生に関して、主として、機械的または動力学的な手法と、光電的または熱電的な手法とは、明確に異なるものであるといえる。やはりここで述べておきたいのは、電気エネルギー発生のための機械的または動力学的なエネルギーは、主としてアクティブモード中に利用可能とすることができるのに対し、光電的および/または熱電的な手法は、スタンバイモード中および/またはアクティブモード中であっても、エネルギー発生のために利用可能とすることができる、ということである。
たとえば電子ペンに、1つまたは複数の太陽電池を設けることができ、これによって周囲光から電気エネルギーを発生可能であり、そのエネルギーを電子ペンに供給可能である。
標準的な光起電力セルのほか、いわゆる光起電力集光器も利用することができ、これはまずは光電素子によって周囲光を捕捉し、光起電力エネルギー発生の効率を高める目的で、捕捉した光を光起電力セルに集光させる。
光電方式を利用することによって、0.13mWhまでの電気エネルギー利得を得ることができ、それを電子ペンが利用できるようにすることができる。
熱電発電素子は、ゼーベック効果に従い温度勾配の存在に基づき、電気エネルギーを発生させることができる。
たとえば熱電発電素子は、電子ペンのユーザの手の温度と周囲温度との温度差を利用することができる。この場合たとえば、筆記中に電子ペンのユーザが電子ペンを保持する場所である、電子ペンの1つの個所または1つの部位に、熱電発電素子の1つの部分を設け、その部分がユーザの手から熱エネルギーを受け取るようにし、電子ペン表面の別の露出個所から熱エネルギーを再び周囲に放出させるようにする。このようなケースではたとえば、周囲温度はユーザの手の温度よりも低い。
ただし逆のケースであっても、電気エネルギーを発生させることができる。つまり、周囲温度がユーザの手の温度よりも高いケースである。この場合、電子ペンの周囲環境と接触している熱電発電素子部分が、周囲から熱エネルギーを受け取ることができ、ユーザの手と接触している熱電発電素子部分を介して、ユーザの手に熱エネルギーを放出させることができる。
熱電発電素子について考えられるさらに別の形態として、電子ペンハウジング内部で、絶縁された蓄熱器を利用することを挙げることができる。電子ペンの表面は絶縁された蓄熱器よりも、周囲温度および/またはユーザの手の温度の温度変化に迅速に追従可能であることから、電子ペン表面と上述の蓄熱器との間で方向の変化を伴いながら熱流を発生させることができ、その熱流から電気エネルギーを発生させることができる。
本発明による電子ペンは、熱電方式により有利には0.05mWhまたはそれよりも多くの電気エネルギーを発生させることができる。
さらに電子ペンは、圧電発電素子を備えることもでき、これによって電気エネルギーを発生可能であり、そのエネルギーを電子ペンが利用できるようにすることができる。
筆記中、たとえば筆記芯によって、0.3N〜3Nまでの押圧力が筆記機材に加わる可能性があり、この場合、一例として、200μm〜1000μmの筆記芯の変位が発生する可能性があり、つまりそのつど60μJ〜3000μJのエネルギーが、機械的に発生する可能性がある。たとえば毎秒3〜5の筆記芯ストロークまたは筆記芯変位であれば、これは0.2mW〜15mWの機械動力に相応する可能性がある。
効率と変換損失を考慮すると、筆記芯と結合された電子ペンの圧電発電素子は、機械動力の少なくとも20%〜50%を電気エネルギーに変換することができる。
ここで考えられるのは、圧電発電素子をたとえば、筆記芯と結合された力センサに統合することである。
さらに電子ペン使用中に並進運動および/または回転運動によって引き起こされた動力学的エネルギーを、ばねおよび/または歯車部材および/またはラチェット構造を備えたテンショニング部材に蓄積することができ、そのエネルギーを圧電発電素子を介して電気エネルギーに変換することができる。
したがって本発明による電子ペンの場合、機械的または動力学的なエネルギーから圧電方式を利用して、1mWhまたはそれよりも大きい値の電気エネルギーを発生させることができる。
既述のように、ディジタルコントロールユニットおよび/またはエネルギー管理ユニットを、以下のように構成することができる。すなわち、電子ペンにおいてデータを供給するコンポーネントのサンプリングレートを、たとえばポジション検出センサおよび/またはフォトセルおよび/または力センサおよび/または磁場センサのサンプリングレートを、および/またはデータ伝送モジュールの通信レートを、電子ペンの動作モードに応じて制御可能であるように、構成されている。その際、サンプリングレートの具体例として値の範囲を、40Hz以上の値(アクティブモード)、40Hzよりも低い値、好ましくは5Hz〜50Hz(スタンバイモード)、ならびに1Hz以下の値(オフモード)、となるようにすることができる。
また、データ伝送モジュールの通信レートまたはデータ伝送レートの具体例として、値の範囲を、毎秒0.2〜5またはそれよりも多くの通信(アクティブモード)、毎秒0.2よりも少ない通信(スタンバイモード)、ならびに毎秒/毎分/毎日1つの通信よりも長い間隔(オフモード)とすることができ、あるいはデータ伝送モジュールがスイッチオフされているときには、0つまり通信がまったく伝送されないようにすることができる。
さらにこの場合、エネルギー管理ユニットおよび/またはディジタルコントロールユニットによって、電子ペンのセンサごとに個々に、または電子ペンのデータ供給コンポーネントごとに、サンプリングレートを調整および制御することができる。さらにセンサの一部分だけに対し、問い合わせを行ってもよい。
これらのエネルギー管理オプションによって、特にエネルギー管理ユニットが設けられていない電子ペンと対比すると、電子ペンのエネルギー消費をはっきりと低減することができる。
電子ペンのデータ伝送モジュールの効率およびエネルギー効率を有利に向上させるために、電子ペンの回路支持体の電気導体路を、データ伝送モジュールのアンテナとしてこれを利用できるように、構成することができる。
エネルギー効率を向上させるさらに別の手法を、ポジション検出センサとして加速度センサだけを利用することにより実現することができる。それというのも加速度センサは一般に、たとえば回転速度センサなどよりも僅かなエネルギーしか消費しないからである。
したがって、ペンポジションを電子的に検出するための装置が、これまで述べてきた特徴を任意に組み合わせた電子ペンと、この電子ペンのデータ伝送モジュールから送信されたデータを受信する少なくとも1つのデータ受信モジュールと、受信したデータを分析および処理する外部のデータ処理ユニットと、データディスプレイユニットと、データ記憶ユニットとを含むことができる。
有利にはデータ処理ユニットは、エネルギー管理設定ユニットを含むことができ、このユニットを利用して、電子ペンのエネルギー管理ユニトを設定することができる。
たとえばここで考えられるのは、ユーザがそれぞれ異なるユーザプロフィルまたはエネルギー管理プロフィルをセットすることであり、たとえばその際に、センサシステムのサンプリングレート、ディジタルコントロールユニットのクロックレート、センサ信号閾値等を、種々の動作モードについて規定することができる。
これらに加え、データ伝送モジュールを介して送信された電子ペンのペンポジションデータ、および/または、ペン状態データに関して、計算を集中的に処理するステップおよび/または記憶を集中的に処理するステップを、外部のデータ処理ユニットまたはデータ分析ユニットに担わせてもよい。このことによっても、電子ペンのエネルギー消費を節約できるし、またはエネルギー消費節約に寄与することができる。
これらに加え、ペンポジションを電子的に検出するための本発明による装置は、筆記基材を有することができ、この場合、筆記基材を、タッチ感応型センサ表面または慣用の筆記基材特にたとえば紙、とすることができる。
筆記用紙などのような慣用の筆記基材を使用した場合には、筆記基材としてタッチ感応型センサ表面を使用した場合よりも、有利にはデータ伝送レートを小さくすることができ、または低減することができる。
たとえばディスプレイのタッチ感応型センサ表面の代わりに、慣用の筆記基材上で電子ペンを使用する場合、ペンから受信システムへ送信されるデータのデータ伝送レートを、ディスプレイ上でじかに筆記される場合よりも、著しく小さくすることができる。
筆記されたものはディスプレイ上に表示されることから、入力に対するフィードバックをユーザがほぼリアルタイムで見られるように、このディスプレイには50msよりも僅かな遅延で、データが表示されるようにしなければならない。このためには、少なくとも20Hzのデータ伝送レートが必要とされることになる。
他方、たとえば慣用の筆記芯を利用して、電子ペンで慣用の筆記基材上に筆記する場合、筆記中のユーザの注意と集中は筆記基材に向かっているため、ほぼリアルタイムでディスプレイに表示させる必要がない。
したがって、慣用の筆記基材を使用したこのようなケースでは、本発明による電子ペンを、1Hz以下のデータ伝送レートまたはデータ伝送周波数で動作させることができ、その結果、エネルギーを著しく節約できるようになる。
このため電子ペンは、筆記基材の存在を検出できる手段または筆記基材の種類を識別できる手段を有することができる。筆記基材の識別をたとえば、既述の力センサを用いて達成することができ、その場合たとえば、予め定められた閾値上回り最小期間(たとえば0.1秒または1秒よりも長い期間)にわたり、押圧力が予め定められた押圧力閾値を上回ったならば(たとえば0.05Nよりも大きければ)、筆記基材が筆記用紙であると識別することができる。
たとえばタッチ感応型センサ表面、筆記用紙等といった様々な種類の筆記基材の検出および識別に基づいて、なお、その際にはたとえば押圧力が押圧力閾値を下回っていれば、または押圧力がなければ、固体ではない筆記基材たとえば空気であると認識することも可能であるが、筆記モードまたはアクティブモードにおいて、データ伝送モジュールを様々なデータレートで駆動することができる。
本発明によるペンポジションの電子的な検出方法によれば、本発明による電子ペンのエネルギー消費を、エネルギー管理ユニットによって管理することができ、この場合、電子ペンは、その動作に必要なエネルギーの少なくとも一部を自身で発生させることができ、その際、電子ペンは、自身のデータ伝送モジュールを介して、データ特にペンポジションデータを、外部のデータ処理ユニットまたはデータ分析ユニットへ送信することができる。
本発明による電子ペンの実施例の基本構成要素を示す図 本発明による電子ペンの実施例を示す図 本発明による電子ペンの別の実施例を示す図 本発明による電子ペンの実施例の状態図を示す図
図1には、本発明による電子ペンの基本構成要素の一部分が、概略的に例示されている。これらの基本構成要素には、上述の特徴すべてを任意の組み合わせで含めることができる。
たとえばこの場合、電子ペンは、電子ペンのポジションおよび/または運動を特定できるようにする目的で、少なくとも2つのポジション検出センサ101,102を含むことができる。
これに加え電子ペンは、電子ペンの筆記芯と結合可能な力センサ103を備えることができ、この力センサ103は、たとえば筆記芯を筆記基材上に配置したとき、および/または筆記基材上で動かしたときに発生する可能性のある、筆記芯に及ぼされる押圧力と同等のまたはそれに比例する力を、測定することができる。
この場合、ポジション検出センサ101,102および力センサ103は、ディジタルコントロールユニット106とエネルギー管理ユニット110の双方と、接続ライン121,113,123を介して接続可能である。
上述のように、圧電発電素子を力センサ103に組み込むことも可能であって、これによれば、筆記芯の運動に基づく機械的または動力学的ないわゆるエネルギーハーベスティングないしは環境発電によって、電気エネルギーが得られるようになる。
さらに力センサ103のほかにも、機械的または動力学的なエネルギーハーベスティング手段112として、別の手段104も利用することができ、この手段はたとえば、並進運動エネルギーおよび/または回転運動エネルギーを蓄積することができる。このようなエネルギーは、電子ペンの使用中、たとえばばねおよび/または歯車部材および/またはラチェット構造から成るテンショニング部材において発生する可能性があり、圧電発電素子を介して電気エネルギーに変換することができる。
さらに既述のように、電気エネルギー発生手段105も利用することができ、この手段を熱電方式または光電方式に基づくものとすることができる。
電子ペンの動作のために、収集されたエネルギーすなわちハーベスティングエネルギーをいっそう良好に利用できるようにする目的で、力センサおよび/または手段104,105から発生した電気エネルギーを、DC/DCコンバータ107,108を介して望ましい適切な電圧に変換することができる。
発生された電気エネルギーを、電気接続ライン117,116を介してエネルギー管理ユニット110へ搬送することができる。この場合、エネルギー管理ユニット110を、電気エネルギーのためのエネルギー蓄積器111と、接続ライン120を介して接続することができ、必要に応じて電気エネルギーを電気コンポーネントへ、特にデータ伝送モジュール109および/またはポジション検出センサ101,102および/または力センサ103および/またはディジタルコントロールユニット106へ、電気接続ライン115,113,114を介して供給することができる。
エネルギー管理ユニット110は、ディジタルコントロールユニット106と接続ライン121を介して接続可能であり、他のすべての電子コンポーネントが接続線118,119,121,122,123を介してディジタルコントロールユニット106と接続可能であることから、エネルギー管理ユニット110は、それら他のすべての電子コンポーネントと間接的に通信を行うことができる。
DC/DCコンバータ107,108は、電気エネルギー搬送のために、電気接続ライン108〜124,125を介してエネルギー管理ユニット110と接続可能である。
図2には、本発明に従って実現可能な電子ペン200の1つの実施例が示されている。
ここで述べておくと、既述の利点を達成するために、上述の特徴すべてを任意のコンビネーションで組み合わせてもよい。ただしわかりやすくするため、図2には上述の特徴の一部または組み合わせの一例が示されているにすぎない。
電子ペン200は、ハウジング210を有することができる。好ましくはこのハウジング210は、慣用的なペンの幾何学的形状を有することができ、つまりたとえば主として円筒状の形状を有することができる。さらに考えられるのは、立方体状または多面体状のハウジング形状であり、あるいは凸状または凹状の多角形の横断面を有する柱状体である。
電子ペン200を、たとえば長さ90mm〜200mm、平均直径5mm〜20mmにすることができる。
電子ペン200が筆記芯209を含むようにすることができ、これは回路支持体スリーブ208の第2部分223によって保持および包囲可能である。筆記芯209を、力センサ203に結合することができる。力センサ203は、特にすでに述べたように、たとえば筆圧力を測定することができ、かつ、筆記芯209の運動から電気エネルギーを発生させて、電子ペン200の動作のためにその電気エネルギーを供給する目的で、圧電発電素子部材204を含むことができる。
回路支持体スリーブ208の第1部分207にはたとえば、電気エネルギー発生手段を含めることができ、たとえば圧電発電素子205を含めることができ、この素子は、たとえばばねおよび/または歯車部材から成る、および/またはラチェット構造を介した(図示されていない)テンショニング部材において、電子ペンの並進運動および/または回転運動の動力学的エネルギーを、機械的に蓄積することができ、蓄積された機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
さらに回路支持体スリーブ208の第1部分207は、電圧源206たとえばバッテリを収容することができ、これは必要に応じて再充電することもできる。
電子ペン200のすべての電子コンポーネントのデータを(図示されていない)外部のデータ処理ユニットへワイヤレスで送信可能なデータ伝送モジュール219を、回路支持体スリーブ208のこの部分207に配置することができる。
上述のように、たとえばディジタルコントロールユニット217と共働して、電気エネルギー消費特に電気エネルギー発生手段を制御および管理可能なエネルギー管理ユニット218を、さらに同様にディジタルコントロールユニット217も、電子ペン200のこのエリアに配置することができ、その際、ディジタルコントロールユニット217を、エネルギー管理ユニット218および電子ペン200の他のすべての電子コンポーネントと接続することができる。
第1のポジション検出センサ201も、回路支持体スリーブ208の第1部分207に配置することができる。第2のポジション検出センサ202をたとえば、回路支持体スリーブ208の第2部分223において、筆記芯先端211にさらに近づけて配置することができる。ポジション検出センサ201,202の配置は一例にすぎず、それらを回路支持体スリーブ208および/またはハウジング210の他の部分に配置してもよい。
回路支持体スリーブの部分207を、電子ペン200のハウジング部分220によって包囲することができる。
筆記芯先端211とは反対側に位置するハウジング210の終端部に、電気エネルギー発生手段たとえば太陽電池214を含めてもよく、これを純然たる光起電力セルとして設計してもよいし、または光起電力集光器として設計してもよい(上述の記載参照)。
実現可能な別の電気エネルギー発生手段を、既述のように熱電方式に基づくものとすることができる。この目的で熱電発電素子の第1部分212を、たとえば電子ペンのユーザがペンを保持しペンで筆記するために、手の指で利用するハウジング部分221に組み込むことができる。
熱電発電素子の第2部分213を、周囲との接触が可能な場所特に周囲空気との接触が可能な場所であるハウジング部分220に配置することができる。
熱電発電素子の2つの部分212と213との間に温度勾配が発生すると、上述のようにゼーベック効果によって電気エネルギーを発生させることができ、それを電子ペンに供給することができる。
ハウジング部分222内部に、たとえばフォトセル215を配置することができ、これはたとえば、ハウジング部分222の開口部216を通過して入射する周囲光の強度を測定することができ、測定したデータをエネルギー管理ユニット218および/またはディジタルコントロールユニット217に転送することができる。上述のようにたとえば、エネルギー管理ユニット218は測定された周囲光強度に基づき、動作モードの移行を生じさせることができ、たとえば周囲光強度が、所定の閾値下回り最小期間にわたり予め定められた光強度閾値を下回ったならば、電子ペンをアクティブモードからスタンバイモードへ、またはオフモードへ、移行させることができる。
電子ペン200は、封止キャップ(図示せず)を有することもでき、これによってたとえば開口部216を覆うことができ、つまりユーザは、たとえば封止キャップを付けたり外したりすることで、フォトセルへの周囲光の入射を阻止したり許可したりすることができ、したがって電子ペン200の動作モード移行を間接的に生じさせることができる。たとえば、キャップを付ければ、動作モードはオフモードに移行し、キャップを外せば、動作モードはスタンバイモードまたはアクティブモードに移行する。
フォトセル215の配置は一例にすぎない。これを異なるハウジング部分に配置してもよく、たとえばハウジング210の外面に配置してもよいし、ハウジング210内部に配置してもよく、つまりたとえばハウジング210の外面に配置した場合には、入射周囲光を受け入れるハウジング開口部は不要となる。
ハウジングの様々な場所に複数のフォトセルを配置して利用することも、同様に考えられる。たとえば、特にハウジング部分222のエリアに複数のフォトセルを配置することができる。このエリアにおいては、フォトセルが筆記の際にたとえばユーザの指などによって不必要に覆われてしまう可能性が低い。
さらにフォトセル215(または複数のフォトセル)自体を、付加的な電気エネネルギー発生手段として実装可能であり、これによって周囲光から光電効果により電気エネルギーを発生させ、その電気エネルギーを電子ペンに供給することができる。
フォトセルの代わりにコンタクトスイッチ(図示せず)を、ハウジング部分221または222の封止キャップ台座エリアに取り付けてもよく、たとえばこれによって封止キャップが付けられたことを検出し、たとえばオフモードへの移行をトリガする。
これまで述べてきた電子コンポーネントを、図1で示した構成のように、電気導体路(図示せず)を介して接続することができ、これらの電気導体路を利用して、電気エネルギーおよび/またはデータおよび/または制御命令を伝送することができる。この場合、電子ペン200の回路支持体スリーブ208および/またはハウジング210に、これらの電気導体路を組み込むことができる。
さらに、発生した電気エネルギーを必要に応じて、DC/DCコンバータ(図示せず)によって望ましい動作電圧に変換することができる。DC/DCコンバータをたとえば、既述の電気エネルギー発生/ハーベスティング手段に組み込んでもよい。
図2に示した電気エネルギー発生手段の個数、種類、設計および配置は、一例にすぎない。
図3には、本発明に従って実現可能な電子ペン300の1つの実施例が示されている。
ここで再度述べておくと、すでに説明した利点を達成するために、上述のすべての特徴を任意のコンビネーションで組み合わせることができる。つまりたとえば電子ペン300が、電子ペン200の特徴の一部またはすべてを含むことができる。
ただしわかりやすくするため、図3には、上述の特徴の一部または組み合わせの一例が示されているにすぎない。
電子ペン300は、ハウジング311またはスリーブを有することができる。好ましくはこのハウジング311は、慣用的なペンの幾何学的形状を有することができ、つまりたとえば主として円筒状の形状を有することができる。さらに考えられるのは、立方体状または多面体状のハウジング形状であり、あるいは凸状または凹状の多角形の横断面を有する柱状体である。
たとえば電子ペン300の長さを90mm〜200mm、平均直径または平均外径を3mm〜20mmにすることができる。
電子ペン300のハウジング311を、たとえば3つのハウジング部分すなわち第1部分303、第2部分302、第3部分301に分割することができ、これらの部分を螺合または差込接続によって互いに接続することができる。
ハウジング部分303は、たとえばハウジング端部310を有することができ、これをハウジング部分302に螺合させることができ、さらにこのハウジング部分303は、バッテリ収容室カバーを備えた端部キャップ304を有することができる。
ハウジング部分303は特に、1つまたは複数の電圧源305たとえばタイプ675(1.4V,650mAh)のような空気亜鉛ボタン型電池を収容することができる。
電子ペン300のすべての電子コンポーネントのデータを(図示されていない)外部のデータ処理ユニットへワイヤレスで送信可能なデータ伝送モジュール306も、ハウジング311のこの部分303または310に配置することができる。
たとえばマイクロコントローラを含むコントロールユニット307も、ハウジング部分303または310に収容することができ、このコントロールユニット307は、たとえばディジタルコントロールユニット323および/またはエネルギー管理ユニット322を有する。
たとえばコントロールユニット307に組み込まれたエネルギー管理ユニット322は、上述のように、やはりコントロールユニット307に組み込み可能なディジタルコントロールユニット323と共働して、電子ペンの電気エネルギー消費を制御および管理することができ、特に電気エネルギー発生手段を制御および管理することができる。
コントロールユニット307、ディジタルコントロールユニット323およびエネルギー管理ユニット322を、たとえば電気エネルギーの搬送のために、および/または、データおよび/または制御命令の通信のために、電子ペン300の他のすべての電子コンポーネントと接続することができる。
電気エネルギーの搬送のための、および/または、データおよび/または制御命令の通信のための上述の接続を、たとえばハウジング311に組み込み可能な電気導体路(図示せず)を利用して、実現することができる。
たとえばプリント配線板に対し垂直に差込接続可能な1つまたは複数のポジション検出センサ308も、ハウジング部分303に配置することができる。
ポジション検出センサ308をたとえば、コネクタストリップ309に差込接続することができる。
さらに別の1つまたは複数のポジション検出センサ313を、筆記芯先端318に近づけて配置することができ、たとえばハウジング311の第2部分302に配置することができる。
上述のポジション検出センサ313,308を、加速度センサおよび/または回転速度センサおよび/または他のセンサあるいは磁場センサとすることができる。
なお、ポジション検出センサ313,308の配置は一例にすぎず、それらをハウジング311の他の部分のところに、またはハウジング311の他の部分の中に、配置してもよい。
電子ペン300には筆記芯312を含めることができ、この筆記芯312はたとえば、一例として洋白から成る筆記芯先端318を有することができ、この筆記芯先端318はたとえば、一例として炭化タングステンから成る筆記ボール317を備え、その直径はたとえば0.2mm〜2mmであり、好ましくは1.0mm±0.2mmである。
筆記芯312を、たとえばピン319を利用して力センサ321と結合することができ、このピン319は摩擦係合によって、筆記芯312を収容し、または筆記芯312と接続される。
ピン319の終端部分を、柔らかい導電性材料でコーティング可能なプレート325とすることができる。このプレート325をたとえば、筆圧力に応じた抵抗を発生させることができるように、薄膜抵抗324のメアンダ状経路に対して押圧することができる。
力センサ321は、筆圧力の測定機能のほか、筆記芯312の運動から電気エネルギーを発生させ、発生された電気エネルギーを電子ペン300の動作に利用する目的で、(図示されていない)圧電発電素子部材を有することもできる。
力センサ321を収容するために、電子ペン300の組み立て中に挿入可能なハット型キャップ320を用いることができる。
電子ペン200について例示したように、電子ペン300も付加的な電気エネルギー発生手段たとえば圧電発電素子(図示せず)を有することができ、たとえばばねおよび/または歯車部材を有する、および/またはラチェット構造による(図示されていない)テンショニング部材において機械的に蓄積される、使用中の電子ペンの並進運動および/または回転運動の動力学的エネルギーを、この手段によって電気エネルギーに変換することができる。
さらに別の電気エネルギー発生手段が、たとえば太陽電池(図示せず)を有するようにしてもよく、これを純然たる光起電力セルとして設計してもよいし、または光起電力集光器として設計してもよい。
実現可能なその他の電気エネルギー発生手段を、上述のように熱電方式に基づくものとすることができる。この目的で熱電発電素子の第1部分を、たとえば電子ペンのユーザがペンを保持しペンで筆記するために、手の指で利用可能なハウジング部分302に組み込むことができ、一例として(たとえば組み立て中に押しばめられた)ソフトグリップゾーン314に組み込むことができる。
熱電発電素子の第2部分をたとえば、周囲との接触が可能な場所特に周囲空気との接触が可能な場所であるハウジング部分310または303に配置することができる。
すでに述べたように、熱電発電素子の2つの部分の間に温度勾配が発生すると、ゼーベック効果によって電気エネルギーを発生させることができ、それを電子ペン300に供給することができる。
電子ペン300は、たとえば少なくとも1つのフォトセル(図示せず)を有することもでき、これはたとえば入射周囲光の強度を測定可能であり、測定したデータをエネルギー管理ユニット322および/またはディジタルコントロールユニット323に転送することができる。上述のようにたとえば、測定された周囲光強度に基づきエネルギー管理ユニット322は、動作モードの移行を生じさせることができ、たとえば周囲光強度が所定の閾値下回り最小期間にわたり予め定められた光強度閾値を下回ったならば、電子ペン300をアクティブモードからスタンバイモードへ、またはオフモードへ、移行させることができる。
さらに以下のことも考えられる。すなわち、たとえば筆記芯312を外側に出すことのできる場所であるハウジング端部316に、コンタクトスイッチ315を設け、このコンタクトスイッチ315はたとえば、封止キャップ(図示せず)の挿入/ねじ留めおよび/または取り外しの挙動を検出することができ、それらの挙動の検出についてエネルギー管理ユニット322および/またはディジタルコントロールユニット323に通知して、動作モードの移行を生じさせることができる。たとえばこの場合、封止キャップによって電子ペン300が封止されたことに応じて、電子ペンをアクティブモードからスタンバイモードに移行させることができ、あるいはこれとは逆に、封止キャップが取り外されている間は、電子ペン300をオフモードからアクティブモードまたはスタンバイモードに移行させることができる。
図4には、上述の電子ペンの特徴の一部またはすべてを含むことができる本発明による電子ペンにおいて考えられる動作モード状態図400の一例が示されている。
したがって特に電子ペン(図示せず)は、エネルギー管理ユニット(図示せず)を有することができ、これは既述のすべての特徴を含むことができ、図4に示されている(アクティブモード405、スタンバイモード404,オフモード401といった)すべての動作モードを管理することができ、あらゆる動作モードの移行を管理および/または導入および/または制御することができる。
アクティブモード405はさらに、測定モード406とチェックモード407を有することができる。測定モード406において、特にたとえばポジション検出センサにおけるデータが検出され、チェックモード407において、たとえばエネルギー供給がチェックされ、および/または、データ伝送状態がテストされ、および/または上述のポジション検出センサから得られたデータが検査される。
オフモード401からスタンバイモード404への電子ペンの動作モード移行410を、たとえば封止キャップの取り外しによって、および/または、コンタクトスイッチの作動によって、および/またはフォトセルの起動によって、導入することができる。その際最初に、電子ペンの初期化403を実行可能であり、この初期化には電子ペンのすべての電子コンポーネントを含めてもよいし、または一部の電子コンポーネントだけを含めてもよく、初期化後、たとえば電子ペンのブートプロセス421を続けることができる。
さらに考えられるのは、電子ペンの初期化403を外部からのトリガ411によって行えるようにすることである。このトリガをたとえば、外部のコンピュータユニットまたはデータ処理ユニット(図示せず)から送信され、データ伝送モジュール402たとえばBluetooth Low Energy (BLE)ユニットによって受信されたデータまたは命令によって、行うことができる。ただし特にこのデータ伝送モジュール402は、スタンバイモード404およびアクティブモード405から、測定データと状態データを受信することができ、それらを外部のデータ処理ユニット(図示せず)に送信することができる。
(スタンバイモードまたはアクティブモードから)オフモード401へ戻す動作モード移行412を特に、封止キャップの載置および/またはコンタクトスイッチの作動および/またはフォトセルの遮蔽によって、トリガすることができ、および/または、電子ペンの動きが止まったことに基づいて、たとえば電子ペンが60秒または120秒よりも長い期間、水平方向ポジションで動かされないままであったとき、トリガすることができる。
スタンバイモード404にある場合に、ポジション検出センサ(図示せず)および/または他のセンサ(図示せず)の値が、予め定められた閾値上回り最小期間にわたり予め定められた測定アクティビティ閾値を上回ったならば、電子ペンをアクティブモード405に移行させることができる。たとえばスタンバイモード404から測定モード406への電子ペンの移行416を、電子ペンの加速度センサの値が測定アクティビティ閾値を上回ったことによって、導入することができる。
アクティブモード405または測定モード406においてはたとえば、電子ペンのセンサ素子特にポジション検出センサに対し、少なくとも40Hzのサンプリングレートで問い合わせを実行することができる一方、スタンバイモード404においては、このサンプリングレートを40Hzよりも低くすることができ、好ましくは5Hz〜20Hzにすることができ、さらにオフモード401では1Hz以下にすることができる。
アクティブモード405または測定モード406において、使用中の電子ペンが筆記用紙などのような固い筆記基材上で筆記408を行っているのか、あるいは空中でジェスチャ運動409をしているのかを区別するためにも、電子ペンのセンサ素子の測定値が測定アクティビティ閾値を上回ったことまたは下回ったことを、利用することができる。
たとえば、電子ペンの筆記芯と筆記用紙などのような筆記基材との接触に起因して、電子ペンの力センサによって特定の筆圧力が測定されたケース418によって、または予め定められた閾値上回り最小期間にわたり、予め定められた筆圧力つまり筆圧力閾値の上回りが発生したケース418によって、キャラクタ認識または手書き認識のために電子ペンの記録または検出を開始することができる。
何も発生しないケース419、つまり予め定められた閾値下回り最小期間にわたり予め定められた筆圧力閾値を下回ったならば、たとえばジェスチャの動きを識別することができ、たとえば改行または改頁のためのジェスチャなどのようなジェスチャの認識409を開始することができる。
固い筆記基材上でのキャラクタまたは手書きの認識モード408の作動中に短期間、固い筆記基材から電子ペンの筆記芯を離したことによって、たとえば句読点を付けたときなどに、ジェスチャ認識モード409へのモード移行が不用意に実施されてしまうのを回避する目的で、たとえば以下のように規定することができる。すなわち、一時的に何も発生しないケース420では、つまり予め定められた筆圧力閾値を一時的に、たとえば1秒よりも短い期間、下回った場合には、電子ペンは固い筆記基材上でのキャラクタまたは手書きの認識モード408のままとどまる、とすることができる。
測定モード406と並行して、電子ペンのチェックモード407によりポジション検出センサのデータを、たとえば参照座標系などに照らして照合することができ、また、データ伝送モジュール402と外部のデータ処理ユニット(図示せず)とのデータコネクションの安定性を監視および/または制御することができ、さらには電子ペンの電圧供給が十分であるか否かをチェックすることができる。その際にチェックモード407は、データ伝送モジュール402と通信414を行うことができる。
データ伝送モジュール402と外部のデータ処理ユニットとのコネクションが5秒または8秒よりも長い期間、遮断されたならば、たとえばアクティブモード405からスタンバイモード404への移行415を実施することができる。当然ながら、アクティブモード405からスタンバイモード404へのこのような移行415を、ポジション検出センサにより測定された電子ペンの動き停止によってトリガすることができ、たとえばポジション検出センサまたは他のセンサの値が、閾値下回り最小期間(たとえば5秒または10秒または20秒よりも長い期間)、予め定められた測定アクティビティ閾値を下回ったときに、トリガすることができる。
4つの図面を以下に添付する。その際、参照符号を以下のとおりに割り当てた。
100 本発明による電子ペンの実施例の基本構成要素
101 ポジション検出センサ
102 ポジション検出センサ
103 力センサ
104 たとえば機械的または動力学的エネルギーに基づくエネルギー発生手段
105 たとえば熱電方式および/または光電方式にエネルギー発生手段
106 ディジタルコントロールユニット
107 DC/DCコンバータ
108 DC/DCコンバータ
109 データ伝送モジュール
110 エネルギー管理ユニット
111 エネルギー蓄積器
112 機械的または動力学的エネルギーに基づくエネルギー発生手段全体
113 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
114 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
115 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
116 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
117 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
118 データおよび/または制御命令の通信用の接続ライン/導体路
119 データおよび/または制御命令の通信用の接続ライン/導体路
120 電気エネルギーおよび/または制御命令の搬送用の接続ライン/導体路
121 データおよび/または制御命令の通信用の接続ライン/導体路
122 データおよび/または制御命令の通信用の接続ライン/導体路
123 データおよび/または制御命令の通信用の接続ライン/導体路
124 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
125 電気エネルギー搬送用の接続ライン/導体路
200 1つの実施例による電子ペン
201 ポジション検出センサ
202 ポジション検出センサ
203 筆記芯と結合可能な力センサ
204 オプションとしての力センサの圧電発電素子
205 付加的な圧電発電素子
206 電圧源たとえばバッテリ
207 回路支持体スリーブの第1部分
208 回路支持体スリーブ
209 筆記芯
210 電子ペンのハウジング
211 筆記芯先端
212 熱電発電素子の第1部分
213 熱電発電素子の第2部分
214 太陽電池
215 フォトセル
216 開口部
217 ディジタルコントロールユニット
218 エネルギー管理ユニット
219 データ伝送モジュール
220 電子ペンのハウジング部分
221 電子ペンのハウジング部分、たとえばユーザの指に好ましいグリップゾーン
222 電子ペンのハウジング部分、たとえば筆記芯を外部に出すことのできるハウジング部分
223 回路支持体スリーブの第2部分
300 1つの実施例による電子ペン
301 電子ペンのハウジング/ケーシングの第3部分
302 電子ペンのハウジング/ケーシングの第2部分
303 電子ペンのハウジング/ケーシングの第1部分
304 バッテリ収容室カバーを備えた端部キャップ
305 電圧源たとえばバッテリ、一例として空気亜鉛ボタン型電池
306 データ伝送モジュールたとえばBLEモジュール
307 ディジタルコントロールユニットおよび/またはエネルギー管理ユニットを含むコントロールユニット、たとえばマイクロコントローラユニットを含むコントロールユニット
308 プリント配線板に垂直に差込接続可能またはコネクタストリップに差込接続可能な1つまたは複数のポジション検出センサ
309 1つまたは複数のポジション検出センサを受け入れるためのコネクタストリップ
310 ねじ型すなわち電子ペンにねじ留め可能な電子ペンの第1のハウジング端部
311 電子ペンのハウジング/ケーシング
312 筆記芯
313 1つまたは複数のポジション検出センサ
314 ソフトグリップゾーン/押しばめ可能なソフトグリップゾーン
315 コンタクトスイッチ
316 たとえばネジ型であり一例として筆記芯を外部に出すことのできる円錐形状の第2のハウジング端部
317 筆記ボール
318 筆記芯先端
319 摩擦係合による筆記芯の収容または接続のためのピン
320 たとえば電子ペン組み立て中に挿入され、筆圧力または軸線方向圧力を測定する力センサを収容するためのハット型キャップ
321 力センサ
322 エネルギー管理ユニット
323 ディジタルコントロールユニット
324 薄膜抵抗
325 ピンプレート
400 1つの実施例による動作モード状態図
401 オフモード
402 データ伝送モジュールたとえばBLEモジュール
403 初期化
404 スタンバイモード
405 アクティブモード
406 測定モード
407 チェックモード
408 固い筆記基材上でのキャラクタ認識
409 ジェスチャ認識
410 初期化スタート/トリガ
411 外部からの初期化スタート/トリガ
412 動作モード移行
413 スタンバイモードとデータ伝送モードとの通信
414 アクティブモードまたはチェックモードとデータ伝送モジュールとの通信
415 動作モード移行
416 動作モード移行
417 測定モードとチェックモードとの通信
418 筆圧力発生
419 筆圧力なし
420 一時的な筆圧力なし
421 ブートプロセス



  1. ペンポジション検出部を備えた電子ペン(200)であって、
    少なくとも1つの電圧源(206)と、少なくとも1つのディジタルコントロールユニット(217,106)と、筆記芯(209)と、少なくとも1つのデータ伝送モジュール(219,109)と、当該電子ペン(200)のポジションおよび/または運動を検出するための少なくとも2つのポジション検出センサ(201,202,101,102)とを含む、
    電子ペン(200)において、
    当該電子ペン(200)は、電気エネルギー消費を管理するために、特に電気エネルギー消費を最小限に抑えるために、前記ディジタルコントロールユニット(217,106)と接続されたエネルギー管理ユニット(218,110)を含み、および/または、電気エネルギーを自己発生可能な手段(103,104,105,204,205,212,213,214,215)を含む、
    ことを特徴とする、電子ペン(200)。

  2. 当該電子ペン(200)は、エネルギー消費がそれぞれ異なる少なくとも以下の3つの異なる動作モード、すなわちアクティブモード(405)、スタンバイモード(404)、オフモード(401)を有するように構成されており、
    前記エネルギー管理ユニット(218,110)は、前記動作モードを管理可能であり、特に前記動作モードの移行を管理可能である、
    請求項1記載の電子ペン(200)。

  3. 当該電子ペン(200)は、少なくとも1つのDC/DCコンバータ(107,108)を含む、
    請求項1または2記載の電子ペン(200)。

  4. 当該電子ペン(200)は、自己発生電気エネルギーのための付加的なエネルギー蓄積器(111)を含み、および/または
    前記電圧源(206)は、当該電子ペン(200)が発生した前記自己発生電気エネルギーによって再充電可能に構成されている、
    請求項1から3のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  5. 当該電子ペン(200)は、少なくとも1つのフォトセル(215)を含み、
    前記フォトセル(215)は、当該電子ペン(200)周囲の光強度を測定可能に構成されており、
    さらに前記フォトセル(215)は、十分な光強度があれば電気エネルギーを発生し、該電気エネルギーを当該電子ペン(200)に供給するように構成されている、
    請求項1から4のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  6. 当該電子ペン(200)は、少なくとも1つのフォトセル(215)を含み、
    前記フォトセル(215)は、当該電子ペン(200)周囲の光強度を測定可能に構成されており、
    前記エネルギー管理ユニット(218,110)は、前記少なくとも1つのフォトセル(215)または複数のフォトセルにおいて光強度が、予め定められた閾値下回り最小期間にわたり予め定められた光強度閾値を下回った場合、および/または、閾値上回り最小期間にわたり予め定められた光強度閾値を上回った場合、前記エネルギー管理ユニット(218,110)は、当該電子ペン(200)の少なくとも1つの動作モード移行を実行するように構成されており、
    前記エネルギー管理ユニット(218,110)は特に、前記少なくとも1つのフォトセル(215)が、予め定められた閾値下回り最小期間にわたり予め定められた光強度閾値を下回ったことを測定した場合、スタンバイモードへの一時的な移行を伴って、または伴わずに、アクティブモードからオフモードへの移行を実行するように構成されており、および/または、
    前記エネルギー管理ユニット(218,110)は特に、閾値上回り最小期間にわたり予め定められた光強度閾値を上回った場合、オフモードからアクティブモードまたはスタンバイモードへの移行を実行するように構成されている、
    請求項1から5のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  7. 前記エネルギー管理ユニット(218,110)は、以下のように構成されている、すなわち、
    予め定められた閾値下回り最小期間にわたり、前記ポジション検出センサの値が予め定められた測定アクティビティ閾値を下回った場合、および/または、予め定められた閾値上回り最小期間にわたり、前記ポジション検出センサの値が予め定められた測定アクティビティ閾値を上回った場合、前記エネルギー管理ユニット(218,110)は、当該電子ペン(200)の少なくとも1つの動作モード移行を実行するように構成されている、
    請求項1から6のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  8. 当該電子ペン(200)は、前記筆記芯(209)と結合可能な力センサ(203,103)を含む、
    請求項1から7のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  9. 前記エネルギー管理ユニット(218,110)は以下のように構成されている、すなわち、
    前記力センサ(203,103)により測定された力に基づき特に、予め定められた閾値下回り最小期間にわたり、予め定められた押圧力閾値を下回った場合、および/または、予め定められた閾値上回り最小期間にわたり、予め定められた押圧力閾値を上回った場合、前記エネルギー管理ユニット(218,110)が当該電子ペン(200)の少なくとも1つの動作モード移行を実行するように構成されている、
    請求項8記載の電子ペン(200)。

  10. 当該電子ペン(200)は、電気エネルギーを発生可能であり該電気エネルギーを当該電子ペン(200)へ供給する、少なくとも1つの太陽電池(214)、および/または、少なくとも1つの熱電発電素子(212,213)、および/または、少なくとも1つの圧電発電素子(204,205)を含む、
    請求項1から9のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  11. 前記ディジタルコントロールユニット(217,106)および/または前記エネルギー管理ユニット(218,110)は、以下のように構成されている、すなわち、
    当該電子ペンにおいてデータを供給するコンポーネントのサンプリングレートを、たとえば前記ポジション検出センサ(201,202,101,102)および/または前記フォトセル(215)および/または前記力センサ(203,103)のサンプリングレートを、および/または前記データ伝送モジュール(219,109)のデータ伝送レートを、当該電子ペン(200)の動作モードに応じて制御可能であるように、構成されている、
    請求項1から10のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  12. 当該電子ペン(200)の回路支持体上に設けられた電気導体路が、前記データ伝送モジュール(219,109)のアンテナとして利用可能に構成されている、
    請求項1から11のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  13. すべての前記ポジション検出センサ(201,202,101,102)は、加速度センサおよび/または回転速度センサおよび/または磁場センサを含む、
    請求項1から12のいずれか1項記載の電子ペン(200)。

  14. ペンポジションを電子的に検出する装置であって、該装置は、
    請求項1から13のいずれか1項記載の電子ペン(200)と、
    前記電子ペン(200)のデータ伝送モジュール(219,109)により送信されたデータを受信する、少なくとも1つのデータ受信モジュールと、
    受信した前記データを分析および処理する外部のデータ処理ユニットと、
    ディスプレイユニットと、
    データ記憶ユニットと
    を含む、
    ペンポジションを電子的に検出する装置において、
    前記データ処理ユニットは、エネルギー管理設定ユニットを備えており、該エネルギー管理設定ユニットを利用して、前記電子ペンのエネルギー管理ユニット(218,110)を設定可能である
    ことを特徴とする、
    ペンポジションを電子的に検出する装置。

  15. 筆記基材を含み、該筆記基材は筆記用紙である、
    請求項14記載の装置。

  16. ペンポジションを電子的に検出する方法において、
    請求項1から13のいずれか1項記載の電子ペン(200)のエネルギー消費を、エネルギー管理ユニット(218,110)によって管理し、
    前記電子ペン(200)は、該電子ペン(200)の動作に必要なエネルギーの少なくとも一部を自己発生し、
    前記電子ペン(200)は、データ特にペンポジションデータを、データ伝送モジュール(219,109)を介して外部のデータ処理ユニットへ送信する、
    ペンポジションを電子的に検出する方法。

  17. 前記データ伝送モジュール(219,109)と前記データ受信モジュールとの間のデータ伝送レートを、筆記基材の種類に応じて変化させる、
    請求項16記載の方法。

 

 

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