JP3235303B2 - アナログ補間方式座標検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ及びＹ座標軸に沿っ
て配設された多数の電極線を有するタブレット上に当接
されたケーブル付きの検出ペンの、タブレット上への当
接位置情報を出力する静電容量結合方式座標検出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の上記分野の座標検出装置におい
て、当接位置の電極線間補間をするに当り、各電極線か
らの各信号レベルのＡ／Ｄ変換値から数値演算により求
める方法と、アナログ方式の、高信号レベル付近の各電
極線からの階段状検出波形を同調回路によりなめらかに
結び一定レベル値を横切るまでの時間を基準時間点から
計測し、電極線間補間を含めて座標値を検出する方法と
が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の数値演
算によるものはマイクロプロセッサを必要とし、またア
ナログ式の同調回路によるものは検出信号レベルにより
検出座標が変動していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来の
問題点に鑑みなされたもので、Ｘ及びＹ座標軸に沿って
それぞれ平行な電極線がＸ方向にｍ本（ｍは任意の正の
整数）Ｙ方向にｎ本（ｎは任意の正の整数）毎に電気的
に一端で接続された電極線束をそれぞれ一定間隔で複数
束備えるタブレットと、前記Ｘ側電極線束に一定時間毎
に順次電気パルスを制御部の制御の下で与えるＸ電極線
ドライバと、前記Ｙ側電極線束に一定時間毎に順次電気
パルスを前記制御部の制御の下で与えるＹ電極線ドライ
バと、前記電極線束との静電容量結合により電気信号を
受信するスタイラス導体を先端部に有する検出ペンと、
前記スタイラス導体からの電気信号を増幅する増幅器
と、該増幅器の出力信号を入力しアナログ信号処理する
補間及び座標タイミング生成回路と、該補間及び座標タ
イミング生成回路の出力を印加する前記制御部とから成
り、前記タブレット上における前記スタイラス導体の座
標（位置）を検出する座標検出装置であって、前記補間
及び座標タイミング生成回路は、少なくとも、エミッタ
に直流電流源及び充放電コンデンサ（Ｃ ₁ ）を接続さ
れ，ベースに入力信号（Ｓ ₁ ）を印加され，コレクタに
正電源から電流供給する素子及び充放電コンデンサ（Ｃ
₂ ）を接続されたトランジスタ回路と、前記コレクタを
介し信号入力するＡＣカップリング兼充放電コンデンサ
（Ｃ ₄ ）回路と、該ＡＣカップリング兼充放電コンデン
サ（Ｃ ₄ ）回路の他端に接続される、整流素子及び抵抗
の直列回路（電圧コンプライアンスを持つリミッタ回
路）と、該リミッタ回路に接続された電流シンク素子回
路と、前記リミッタ回路の電圧及び一定電圧を入力する
電圧コンパレータ回路、により構成されており、前記電
圧コンパレータ回路の信号出力（Ｓ ₂ ）をこの補間及び
座標タイミング生成回路の出力とし、前記信号（Ｓ ₁ ）
のエンベロープ突起部ピーク点の時間方向移動にリニア
に従った、電極線束間補間を兼ねたアナログタイミング
信号出力（Ｓ ₂ ）を生成することを特徴とし、また、前
記制御部において、あらかじめ設定してある時間基準点
から信号（Ｓ ₂ ）のタイミング点までの時間を計測し、
この時間データをディジタル出力する、またはこの時間
データを座標データに比例変換してディジタル出力する
アナログ補間方式座標検出装置を提案するものである。

【０００５】

【作用】一定時間毎に順次駆動される（パルススキャン
される）各電極線束から伝わるパルス列信号を定電流ド
レイン型容量充放電準瞬時検波することにより信号レベ
ルにほとんど影響されることなく（従って信号レベルの
連続的ゆらぎにも略無関係）エンベロープの突起部のみ
検波し、さらに瞬時自己バイアスクランプ回路を介す事
によりエンベロープの突起レベルの大小にも影響されな
いアナログ方式補間及び座標タイミングを作成し、この
タイミングに基づき時間計測し座標値に比例換算する。

【０００６】

【実施例】以下本発明の詳細を添付図面を参照して説明
する。図１は理解を容易にするための、補間及び座標タ
イミング生成回路２５の部分を詳しく書いた装置全体構
成図である。タブレット１にＸ軸方向に等間隔に線状電
極線４，４…が配設されｍ本（ｍは任意の正の整数）毎
に電気的に一端で接続されて束ねられ、またＹ軸方向に
等間隔に線状電極線４，４…が配設されｎ本（ｎは任意
の正の整数）毎に電気的に一端で接続されて束ねられて
いる。

【０００７】Ｘ座標値検出用各電極線束は、Ｘ電極線ド
ライバ及びＸデコーダ７により順次パルス電圧がＸ座標
方向に向かって、制御部９の制御の下に等時間間隔で与
えられ（パルス電圧によりスキャンされ）、またＹ座標
値検出用各電極線束はＹ電極線ドライバ及びＹデコーダ
８により順次パルス電圧がＹ座標方向に向かって、制御
部９の制御の下に等時間間隔で与えられる。Ｘ用及びＹ
用パルス電圧スキャンは交互に時分割により行われる。
電極線を束にするメリットは、Ｘ電極線ドライバ及びＸ
デコーダ７とＹ電極線ドライバ及びＹデコーダ８の規模
を大きくしない，電極線束の中心からスタイラス導体３
が多少離れても結合容量を多くする，上面電極線が下面
電極線とスタイラス導体３間のシールドとなる効果を少
なくする，透明電極の場合の平均光透過率を大きくす
る，等である。

【０００８】検出ペン２の先端部から突出したスタイラ
ス導体３がタブレット１の盤面近くにある時、検出ペン
２の近傍の各電極線４，４，４，…と小容量ではあるが
容量結合し、各電極線束がパルス電圧スキャンされてい
ることから、結合容量の大きさに従ってレベル（振幅）
変調されたパルス列信号がスタイラス導体３へ伝わる。
検出ペン２の先端部スタイラス導体３へ伝わったこの信
号は検出ペン２内の第１の増幅器５へ印加され増幅され
接続ケーブル６へ伝えられる。接続ケーブル６へ伝えら
れた信号は第２の増幅器１０へ印加され、さらに増幅さ
れて補間及び座標タイミング生成回路２５の入力部ＮＰ
Ｎトランジスタ１１のベース（Ａ点）へ印加される。

【０００９】補間及び座標タイミング生成回路２５内の
各部波形を図２に示す。Ａ波形はＡ点での信号波形であ
り、Ｘ側スキャン時のものである。Ｙ側スキャン時もほ
ぼ同様である。このＡ波形の説明をすると、パルス列の
上側及び下側エンベロープを破線で示してあり、各パル
ス区間の平均値レベルを横実線で示してある。各電極線
４，４，４，…を駆動するパルスのデューティー比によ
りこの平均値レベルは変化する。エンベロープの突起部
のレベル尖頭部（ピーク点）を与えたスキャン電極線束
の位置に検出ペン２の先端部スタイラス導体３がある。

【００１０】スタイラス導体３の位置より遠い電極線束
からのパルス信号もかなり伝わっているのは、Ｘ用とＹ
用各電極線４，４，４，…間の浮遊容量により多量のリ
ーク信号電圧がＹ電極線４，４，…に伝わりＹ電極線
４，４，…から不要信号としてスタイラス導体３にも伝
わるためである。また位置によりリーク信号レベルが異
なるのは、電極線４，４，４，…の抵抗値が零でない
（特に薄膜透明電極線の場合に多い）ことによりＹ電極
線４，４，…の駆動点から遠い位置の方がＹ電極線への
パルスリーク電圧レベルが高く、それがスタイラス導体
３へも伝わるためである。Ａ波形はタブレットの左端が
Ｙ電極線４，４，…の駆動点となっている場合のもので
ある。時分割によるＹ側スキャン時もほぼ同様のリーク
信号による不要検出レベルが見られるが、Ｘ又はＹ電極
線４，４，…のどちらが上面に配置してあるかによりリ
ークレベルに差がある。さらに電極線数が多い程リーク
レベルも高くなる。いずれにしてもこれらリーク信号レ
ベルを無視して、Ａ波形のエンベロープ突起部を安定に
検出する必要がある。

【００１１】図１の電流源１２はＮＰＮトランジスタ１
１のエミッタ及びコンデンサ（Ｃ１）１３から常時一定
の直流電流を流し出している（定電流ドレインしてい
る）。今コンデンサ（Ｃ１）１３が無い場合を考える
と、ＮＰＮトランジスタ１１のエミッタ（Ｂ点）には入
力波形と同形でベースとエミッタの電位差だけレベルシ
フトした波形が現れる。それを図２のＢ波形の破線で示
すが、本回路で意味のある高電位部分のみ示した。また
Ａ波形のエンベロープ突起部のみ時間方向に拡大してい
る。

【００１２】コンデンサ（Ｃ１）１３が有る本回路の場
合はＢ点波形は図２のＢ波形の実線で示すように、コン
デンサ（Ｃ１）１３の電圧に対してＮＰＮトランジスタ
１１のベース電圧が順方向にバイアスされている時間は
そのエミッタ電流によりコンデンサ（Ｃ１）１３を充電
し且つ定電流源１２にも電流を供給しＢ点の電圧を上昇
させる。また逆にコンデンサ（Ｃ１）１３の電圧に対し
てＮＰＮトランジスタ１１のベース電圧が逆バイアス
（不導通）になる時間は電流源１２によりコンデンサ
（Ｃ１）１３は放電しＢ点電圧は直線的に下降する。

【００１３】ＮＰＮトランジスタ１１のベース（Ａ点）
には一定時間毎にパルス性の電圧が与えられるが、直前
のパルスレベルよりも今回のパルスレベルの方が大きい
場合はＮＰＮトランジスタ１１のエミッタからコンデン
サ（Ｃ１）１３方向へより多くの充電電流が流れる。こ
のＮＰＮトランジスタ１１のエミッタに流れる間欠電流
はそのほとんど全部がＮＰＮトランジスタ１１のコレク
タから流入する。

【００１４】尚、Ａ点の波形はスタイラス導体３へ伝わ
るパルス波形よりも、主に第１の増幅器５及び第２の増
幅器１０の高周波での増幅度低下特性により、立上り／
立下り部がゆるやかな曲線を描き、ＮＰＮトランジスタ
１１の導通時においてもそのリニアな動作範囲で使用で
きる（瞬間的に過大電流が流れるほどではない）。

【００１５】ＮＰＮトランジスタ１１のコレクタに流れ
る電流波形を図２のＣ波形に示す。（コレクタに流れ込
む方向を正として、下方が電流値大の方向である）。こ
の電流波形は一定周期でサンプリングされたＡＭ（振幅
変調）波の整流されたパルス列と見なすことができる。
電流供給素子としての抵抗（Ｒ１）１４とコンデンサ
（Ｃ２）１５の並列回路からＮＰＮトランジスタ１１の
コレクタへ図２のＣ波形の電流を供給すると図１のＤ点
（ＮＰＮトランジスタ１１のコレクタ）は図２のＤ波形
に示す電圧波形となる。これを抵抗（Ｒ２）１６及びコ
ンデンサ（Ｃ３）１７のローパスフィルタによりほぼ平
滑化するとＥ波形となる。これは図２のＡ波形の特別な
検波波形である。電流源１２の電流値とコンデンサ（Ｃ
１）１３の値とコンデンサ（Ｃ２）１５の値とのバラン
スをうまく取ると、抵抗（Ｒ２）１ ６及びコンデンサ
（Ｃ３）１７のローパスフィルタを省略できるが、トー
タル性能は多少落ちるものになる。

【００１６】つまりこの検波方式の特長は、定電流源１
２がＮＰＮトランジスタ１１のコレクタ電流を平均値と
して規制していることにより入力信号レベルがゆるやか
に変動してもＥ点のＥ波形のベース（基準）レベルはほ
とんど変動しないということである。つまり、スタイラ
ス導体３がタブレット１の表面から多少浮上しても、ま
たは増幅器５，１０のゲインが装置毎にばらついてもＤ
波形は殆どそれらの影響を受けない。図２のＡ波形の突
起部のような急瞬なレベル変動のみが図１のＥ点の電圧
変動のほとんどを占める。従って図１の補間及び座標タ
イミング生成回路２５の内のここまで述べた前半回路は
定電流ドレイン型容量充放電準瞬時検波方式と述べるも
のである。尚、コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）１３，
１５，１７の容量比は Ｃ１：Ｃ２：Ｃ３≒１０：６：３ とすると効率よくＥ波形を生成する。

【００１７】またこの検波方式は離散的サンプリング量
から元の波形を再現するプロセス回路と見なすことがで
きるので（換言すれば、ディジタルデータからアナログ
の時間変化量への変換に相当し、更に換言すれば、Ｄ波
形がローパスフィルタリングされることにより、細かな
凹凸が無くなりうねり波となり、このうねりが時間方向
へペン２の位置移動により連続的に移動するので）、ス
タイラス導体３が各電極線束間を連続的に移動した場合
でも図１のＥ点波形はその形を保持して時間方向へ各パ
ルス間隔（Ｔ _ITP ）の間を連続的に移動する。つまりＥ
波形のうねりは、Ｔ _ITP 毎に飛び飛びに移動するわけで
はない。従って時間基準点から、図２のＥ波形のピーク
点又はスロープの特定点を検出するまでの時間から、ア
ナログ的に、検出ペン２の先端部スタイラス導体３の電
極線束間位置を補間しながら、スタイラス導体３の当接
Ｘ座標を求めることができる。

【００１８】次に補間及び座標タイミング生成回路２５
の後半の回路の動作を説明する。コンデンサ（Ｃ４）１
８，整流素子としての第１のショットキーバリアダイオ
ード（Ｄ１）１９，電圧コンプライアンス素子としての
抵抗（Ｒ３）２０，電流シンク素子としての抵抗（Ｒ
４）２２による回路は急速充電緩慢放電回路である。図
１のＥ点の電圧が下降する場合は、第１のショットキー
バリアダイオード（Ｄ１）１９が導通し、また抵抗（Ｒ
３）２０が低抵抗値であることからコンデンサ（Ｃ４）
１８は急速に充電され図１のＥ点の電圧下降量よりもＧ
点（コンデンサ（Ｃ４）１８、抵抗（Ｒ３，Ｒ４）２
０、２２の接続点）の電圧下降量の方が少ない。抵抗
（Ｒ３）２０を流れるコンデンサ（Ｃ４）１８の充電電
流の大きさによりＧ点の電圧下降量も変動する。逆に図
１のＥ点の電圧が上昇する場合は第１のショットキーバ
リアダイオード（Ｄ１）１９は不導通となり、抵抗（Ｒ
４）２２が高抵抗値であることからコンデンサ（Ｃ４）
１８は緩慢に放電し図１のＥ点の電圧上昇量にほぼ等し
くＧ点の電圧も上昇する。その後Ｅ点が電圧上昇を停止
するとＧ点電圧は抵抗（Ｒ４）２２を流れる微小電流に
よりゆっくり下降し、第１のショットキーバリアダイオ
ード（Ｄ１）１９が導通する時点で電圧下降を停止す
る。図１のＧ点の波形を図２のＧ波形で示す。

【００１９】第２のショットキーバリアダイオード（Ｄ
２）２１は第１のショットキーバリアダイオード（Ｄ
１）１９の温度特性補償用であり、抵抗（Ｒ５）２３は
抵抗（Ｒ４）２２と同様の高抵抗値である。図１のＦ点
電圧を図２のＦ破線で示す。Ｆ点の電圧は一定でありＧ
点電圧がＦ点電圧を横切る時点で電圧コンパレータ２４
の出力（図２のＨ波形）が変化する。

【００２０】図１のＧ点電圧の上昇中にＦ点電圧レベル
を横切る時点（図２のＴ点）が、本実施例での補間及び
座標タイミング生成回路２５における、補間量を含めた
Ａ波形のエンベロープ突起部ピーク点の検出時点であ
る。Ｇ点電圧波形は第１のショットキーバリアダイオー
ド（Ｄ１）１９によりボトムクランプされているが、こ
この動作をさらに詳細に説明する。定常状態におけるＧ
点電圧は、抵抗（Ｒ３）２０による電圧降下分だけＦ点
電圧よりも少し低い電圧値であり図２のＧ波形の左端部
に示すレベルを保持する。この定常レベルは上記クラン
プ効果により図１Ｅ点のレベルのゆっくりした変動にほ
とんど影響されることはないが、段落００１６中で説明
した作用との相乗効果により、本補間及び座標タイミン
グ生成回路２５の入力点（Ａ点）でのゆっくりした信号
レベル（エンベロープ）の変動を事実上全く無視する回
路動作となる。

【００２１】さらに本クランプ回路はもう１つの有効な
作用がある。もし抵抗（Ｒ３）２０が大変小さな値であ
る場合は、図２Ａ波形の突起部が大きなレベルになる
程、図２のＧ波形の立上りスロープは急峻になり結果的
に検出点（Ｔ点）が図中左に移動し、誤差要因となる。
実際の動作に関して言うと、Ｘ軸側及びＹ軸側で突起部
のレベルは一様ではなく、さらに検出ペン２の先端部ス
タイラス導体３がタブレット１の盤面から多少浮いた状
態（紙等によりスペースが作られたとき）、またはタブ
レット１上の検出ペン２の電極線４，４，４，…との相
対位置、さらに検出ペン２が傾いたときの電極線４，
４，４，…とペン先端部のスタイラス導体３間の結合容
量の変動、等等により検出位置誤差の要因となる。

【００２２】しかし抵抗（Ｒ３）２０が適切な値である
場合は、図２Ａ波形の突起部が大きなレベルになった
時、Ｅ波形のディップ及びピーク点の電圧もより低くな
り、第１のショットキーバリアダイオード（Ｄ１）１９
によるクランプ効果はあるが、抵抗（Ｒ３）２０を流れ
るコンデンサ（Ｃ４）１８の充電電流もより多くなり、
従って図２のＧ波形のＶ _D 点もより電圧が低くなり、し
かしＧ波形の立ち上がりスロープのレベルも大きくなる
ので、結果的にＴ点（検出点）の変動がほとんどなくな
る。逆に言うとＴ点が信号のエンベロープ突起部の大小
にかかわらず移動しない様に抵抗（Ｒ３）２０の値を選
定する。コンデンサ（Ｃ４）１８の値はコンデンサ（Ｃ
３）１７の容量値の１／３程度が効率よい動作となる。

【００２３】図２のＧ波形のＶ _D 点のレベルは入力信号
のエンベロープ突起部のその瞬間の大小に依存するた
め、コンデンサ（Ｃ４）１８、第１のショットキーバリ
アダイオード（Ｄ１）１９、及び抵抗（Ｒ３、Ｒ４）２
０、２２より成る回路は瞬時自己バイアスクランプ方式
による波形プロセス回路と述べるものである。

【００２４】タブレット１上で検出ペン２の先端部スタ
イラス導体３を移動した場合、図２の各波形に示すよう
に、また段落００１７で説明したように、検出時点（Ｔ
点）は座標検出エリアの全域にわたり連続的に且つリニ
アに移動し、この時間移動量はスタイラス導体３の位置
移動量に比例する。時間基準点（図２のＲ時点）からＴ
時点までの時間（Ｔ _P ）が検出座標に一意的に且つリニ
アに対応している。Ａ波形のエンベロープ突起部ピーク
点からＴ時間点までは図示するように時間差があるの
で、その分を加味して時間基準点（図２のＲ時点）を制
御部９内でプリセット値として決める。

【００２５】図１の制御部９は上記Ｔ _P をＸ方向及びＹ
方向についてそれぞれ収集し、タブレット１上の検出ペ
ン２の先端部スタイラス導体３の座標データに比例変換
し、または計測時間量をそのまま出力する。ここに述べ
た座標検出装置は単独機能の電極線を使用したタブレッ
トで説明したが、液晶表示盤用の格子状配線パターンを
座標検出用電極線として兼用しても同様の結果を得るこ
とができる。また電極線束をドライブする電気信号をパ
ルスで説明したが正弦波または矩形波のバースト波を使
用しても同様の結果を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明により検出ペンに伝わる信号のレ
ベルの大小にかかわらず、また信号のエンベロープの突
起部の大小にかかわらず、さらに特別にＡＧＣにより信
号レベルを強制的に規制する必要もなく、アナログ量に
よる補間及びこの補間を含めた時間計測により精度よい
座標検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 補間及び座標タイミング生成回路２５の部分
を詳しく書いた装置全体構成図

【図２】 補間及び座標タイミング生成回路２５の各部
波形図

【符号の説明】

１ タブレット ２ 検出ペン ３ ペン先端部のスタイラス導体 ４ 電極線 ５ 第１の増幅器 ６ 接続ケーブル ７ Ｘ電極線ドライバ及びＸデコーダ ８ Ｙ電極線ドライバ及びＹデコーダ ９ 制御部 １０ 第２の増幅器 １１ ＮＰＮトランジスタ １２ 直流定電流源 １３ コンデンサ １４ 抵抗 １５ コンデンサ １６ 抵抗 １７ コンデンサ １８ コンデンサ １９ 第１のショットキーバリアダイオード ２０ 抵抗 ２１ 第２のショットキーバリアダイオード ２２ 抵抗 ２３ 抵抗 ２４ 電圧コンパレータ ２５ 補間及び座標タイミング生成回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ及びＹ座標軸に沿ってそれぞれ平行な
   電極線がＸ方向にｍ本（ｍは任意の正の整数）Ｙ方向に
   ｎ本（ｎは任意の正の整数）毎に電気的に一端で接続さ
   れた電極線束をそれぞれ一定間隔で複数束備えるタブレ
   ットと、前記Ｘ側電極線束に一定時間毎に順次電気パル
   スを制御部の制御の下で与えるＸ電極線ドライバと、前
   記Ｙ側電極線束に一定時間毎に順次電気パルスを前記制
   御部の制御の下で与えるＹ電極線ドライバと、前記電極
   線束との静電容量結合により電気信号を受信するスタイ
   ラス導体を先端部に有する検出ペンと、前記スタイラス
   導体からの電気信号を増幅する増幅器と、該増幅器の出
   力信号を入力しアナログ信号処理する補間及び座標タイ
   ミング生成回路と、該補間及び座標タイミング生成回路
   の出力を印加する前記制御部とから成り、前記タブレッ
   ト上における前記スタイラス導体の座標（位置）を検出
   する座標検出装置であって、前記補間及び座標タイミン
   グ生成回路は、少なくとも、エミッタに直流電流源及び
   充放電コンデンサ（Ｃ ₁ ）を接続され，ベースに入力信
   号（Ｓ ₁ ）を印加され、コレクタに正電源から電流供給
   する素子及び充放電コンデンサ（Ｃ ₂ ）を接続されたト
   ランジスタ回路と、前記コレクタを介し信号入力するＡ
   Ｃカップリング兼充放電コンデンサ（Ｃ ₄ ）回路と、該
   ＡＣカップリング兼充放電コンデンサ（Ｃ ₄ ）回路の他
   端に接続される、整流素子及び抵抗の直列回路（電圧コ
   ンプライアンスを持つリミッタ回路）と、該リミッタ回
   路に接続された電流シンク素子回路と、前記リミッタ回
   路の電圧及び一定電圧を入力する電圧コンパレータ回
   路、により構成されており、前記電圧コンパレータ回路
   の信号出力（Ｓ ₂ ）をこの補間及び座標タイミング生成
   回路の出力とし、前記信号（Ｓ ₁ ）のエンベロープ突起
   部ピーク点の時間方向移動にリニアに従った、電極線束
   間補間を兼ねたアナログタイミング信号出力（Ｓ ₂ ）を
   生成することを特徴とし、また、前記制御部において、
   あらかじめ設定してある時間基準点から信号（Ｓ ₂ ）の
   タイミング点までの時間を計測し、この時間データをデ
   ィジタル出力する、またはこの時間データを座標データ
   に比例変換してディジタル出力するアナログ補間方式座
   標検出装置。