JP3444180B2 - 座標検出装置及びその計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量結合型座標検
出装置に関し、特に２次元に均一な面抵抗を有する抵抗
体の周辺に低抵抗の電極を密着配設したタブレットを使
用するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来知られている本技術分野の座標検出
装置の例として、特開昭４７−３６９２３号公報及び特
開平５−３２４１６４号公報等が知られている。これら
はタブレットからペンへ電気信号を伝えるものである。
また、ペンの代わりに操作者の指で座標指示する例とし
て、特公平１−１９１７６号公報に開示されたものがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のタブレット
からペンへ電気信号を伝えるものは、特開平８−６３２
７４号公報で説明されている様にタブレットを電気駆動
するための電流が多く、消費電力が多かった。また指で
座標指示するものは、他方の手（通常は左手）をタブレ
ット上へ置いて紙等を押さえながらの右手での座標指示
は、原理上不可能だった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は如上の課題に鑑
みなされたもので、ＡＣ電気信号を発信するコード付信
号ペンで座標指示する静電容量結合型の座標検出装置で
あって、ＡＣ信号発生器と、該ＡＣ信号発生器の電気出
力を先端のスタイラス導体から発信する前記コード付信
号ペンと、該信号ペンからのＡＣ電気信号を受信する、
２次元に均一な面抵抗を有する抵抗体及び該抵抗体の周
辺に低抵抗の電極を密着配設したタブレットと、該タブ
レットの４隅から出力するＡＣ信号を入力する４個の電
流／電圧コンバータと、アナログマルチプレクサと、前
記ＡＣ信号の周波数成分のみ通すバンドパスフィルタ
と、ＡＣ振幅をＤＣ電圧にするＡＣ／ＤＣコンバータ
と、Ａ／Ｄコンバータと、マイクロコンピュータとから
成り、前記信号ペンのシールド導体筒が本装置の回路グ
ランドに電気的に接続され、且つ操作者人体にもシール
ド効果を持たせるための１．５ｍｍ以下の肉厚の絶縁カ
バーで被われている座標検出装置を提案するものであ
る。

【０００５】

【作用】タブレットの周囲の低抵抗電極を電気信号で駆
動するのは多くの電流消費を伴うが、逆にペンを電気信
号で駆動するのは高インピーダンスのため高電圧駆動で
も電流消費は少ない。またタブレットへの混入ノイズに
関しては、本装置の回路グランドに接続された信号ペン
のシールド導体筒を操作者が手で持つ（握る）時、信号
ペンのシールド導体筒を被う絶縁カバーが薄い程、手と
シールド導体筒間の静電容量が多くなり、操作者のシー
ルド効果が多くなり、周囲からの誘導ノイズを操作者が
受けにくくなり、タブレットへのノイズ混入が少なくな
り、従って本装置内の信号のＳ／Ｎ比が向上する。更
に、Ａ／Ｄ値をｎ回（ｎは正の整数）加算しただけで、
デジタル的にＳ／Ｎ比が√ｎ倍に向上する。この時に階
段状三角波を被計測アナログ電圧に重畳してやると、リ
ニアリティはほぼ変化しないがＡ／Ｄの分解能までも等
価的に向上する。

【０００６】

【発明の実施の形態】ペンからＡＣ電気信号を発信しタ
ブレットで受信する座標検出装置であり、受信エリアが
広いため周囲のノイズが混入し易いが、後述の各改善に
より信号のＳ／Ｎ比を向上させ、省電力化してもデメリ
ットのない座標検出装置としたものである。

【０００７】

【実施例】以下本発明の詳細を添付図を参照して説明す
る。図１は本装置の構成概要図である。座標検出を行う
場合、座標指示用信号ペン４の先端がタブレット（座標
盤）９の面上にある時、タブレット９の面上における信
号ペン４の先端の座標を検出する。

【０００８】ＡＣ信号発生器１１が本実施例の場合、４
６０ｋＨｚ、１０ＶrmsのＡＣ信号（正弦波）を発生す
る。その出力はシールドコード１０を介して信号ペン４
の先端スタイラス導体２１に印加される（図２参照）。
図２は信号ペン４の先部縦断面図である。ここでＡＣ信
号発生器１１の出力部はＬＣ共振回路としており（図示
せず）、シールドコード１０の容量をその共振コンデン
サの一部としている為、シールドコード１０は信号ロス
の要因にはほとんどならない。また、シールドコード１
０の外側シールド導体は本装置の回路グランド及び信号
ペン４のシールド導体筒２４に電気的に接続されてお
り、従ってＡＣ信号発生器１１の信号はスタイラス導体
２１のそのまた先端部だけから発信される。

【０００９】ＡＣ信号発生器１１は信号ペン４の内部に
組込むことも出来て、設計はその方が容易である。その
場合はＡＣ信号として、任意のデューティ比の連続パル
スを使用することも可能である。スタイラス導体２１
は、シールド導体筒２４の外に突出している部分が絶縁
被覆２２で被われている。その理由は、操作者３等の人
体が直接にスタイラス導体２１及びその電気振動（１０
Ｖrms）に触れない様にしていることと、タブレット９
の面上をなめらかに移動できる様な材料を選定してい
る。参照符号２３はスタイラス導体２１からの引出し線
である。

【００１０】次にタブレット９の構造について説明す
る。通常は透明なガラス、樹脂、または不透明な絶縁基
板（図示せず）の面上に、２次元に（どの方向にも）均
一に分布した抵抗体１（膜状）を塗布、蒸着等により形
成する。抵抗体１の材料は透明を必要とする場合はＩＴ
Ｏ（インジウム・ティン・オキサイド）膜、ＮＥＳＡ
（酸化錫）膜等であり、不透明なものはカーボン膜等で
ある。その外周部に、抵抗体１の面抵抗よりもかなり小
さな面抵抗のストライプ状電極２を密着配設する。この
ストライプ状電極２の形状は各種のもの（しかし電気信
号をタブレットから発信する例）が提案されているが、
本実施例では単純な直線状としている。このストライプ
状電極２の４隅は引出し線が接続されて、４個の低入力
インピーダンス電流／電圧コンバータ１２のそれぞれの
入力端子に接続されている。尚抵抗体１及びストライプ
状電極２の上面も実際は絶縁シート、ガラス板等で被わ
れており、操作者３その他が導電部分に直接触れない様
にしてある。

【００１１】図１に示す様に、スタイラス導体２１が抵
抗体１の面上で互いに近くにある時、これら両者間に静
電容量（結合容量）７が０．５ｐＦ乃至数ｐＦ程度存在
する。１ｐＦの場合に、４６０ｋＨｚに対するインピー
ダンスは約３５０ｋΩであり、従ってＡＣ信号発生器１
１の負荷は非常に軽く、信号ペン４をＡＣ駆動する為の
ＡＣ信号発生器１１の電力消費は、ＤＣ５Ｖ電源時に４
ｍＡという省電力である。この場合信号ペン４からタブ
レット９へ結合容量７（１ｐＦの時）を介して流れる信
号電流は約３０μＡrmsである。

【００１２】抵抗体１は均一な抵抗値の分布をしている
為、スタイラス導体２１に近い辺のストライプ状電極２
に、より多くの信号電流が流れる。従って低入力インピ
ーダンスの電流／電圧コンバータ１２の各入力電流値か
ら、信号ペン４の先端のスタイラス導体２１のタブレッ
ト９上の座標を検出することができる。

【００１３】各電流／電圧コンバータの出力は図１に示
す様にアナログマルチプレクサ１３に印加され、時分割
で各信号レベルが計測される。バンドパスフィルタ１４
は信号周波数のみ通過し他のノイズと不要な高調波成分
等を阻止する。従ってここでも信号のＳ／Ｎ比は向上す
る。ＡＣ信号のままでは計測しにくいのでＡＣ／ＤＣコ
ンバータ１５がＤＣ電圧に変換する。これは一種のＡＭ
検波器である。このＤＣ化された信号レベルをＡ／Ｄコ
ンバータ１６が数値化し、マイクロコンピュータ１７が
座標値を算出し、補正を加えて検出座標値として出力す
る。

【００１４】実際の操作時に於いて、操作者３は図１に
示す様に左手６をタブレット９上に置いて紙その他を押
さえて操作する場合が多い。この場合手６とタブレット
９の抵抗体１の間に浮遊容量８が生じ、操作者３の人体
が受ける周囲からの誘導ノイズ成分が、この浮遊容量８
を介して抵抗体１に伝わり信号のＳ／Ｎ比を悪化させ、
検出座標の精度を悪化させ、また検出ジッタを多くす
る。信号周波数に近い周波数のノイズ成分はバンドパス
フィルタ１４でも取り切れない。

【００１５】ここで、信号ペン４のシールド導体筒２４
が、装置の回路グランドに接続されていることに着目し
た。シールド導体筒２４を被っている絶縁カバー２５を
外して、操作者が直接シールド導体筒２４に触れる様に
してみた所、大幅なノイズの減少を確認した。また絶縁
カバー２５の肉厚を薄くしてノイズ減少の度合い（Ｓ／
Ｎ比の向上）を実測したグラフを図３に示す。ここでの
基準Ｓ／Ｎ値は絶縁カバー２５の肉厚を５ｍｍとした時
のものである。０ｍｍの肉厚の点は絶縁カバー２５がな
い時のものである。信号ペン４の手の握り方によって当
然差は生じるが、普通に持った時のＳ／Ｎ比向上を図３
に示した。これから判るように、明らかに絶縁カバー２
５の肉厚が１．５ｍｍ以下の時にＳ／Ｎ比の向上が認め
られる。

【００１６】これは、操作者３の右手５と、信号ペン４
のシールド導体筒２４との間の静電容量の増加によるイ
ンピーダンスの低下により、操作者３の人体のシールド
効果の増大によるノイズ減少である。また、この事実は
人体への誘導ノイズソースのインピーダンスもかなり大
きな値であることをも意味するものである。本実施例で
はこの結果を踏まえて絶縁カバー２５の肉厚を０．５ｍ
ｍとし、約１５ｄＢのＳ／Ｎ比の向上を得ている。本装
置及びホスト装置を電池電源で動作させる場合は、絶縁
カバー２５はなくても良く、その場合は約２７ｄＢのＳ
／Ｎ比向上がある。絶縁カバー２５の肉厚を０．５ｍｍ
としたことで、操作者３の左手６をタブレット９上に置
いた時でも普通の事務所の環境で実用可能の座標検出精
度を得た。

【００１７】更にシビアなノイズ環境での座標入力精度
の確保の為、以下に述べる改善も行った。一般的に言っ
てｎ回（ｎは正の整数）のサンプルを取りそれを平均化
するとＳ／Ｎ比は√ｎ倍に改善される。本装置の場合タ
ブレット９の４隅から流れる電流の比から座標を算出す
る為、平均化する必要はなく、それぞれのｎ回のＡ／Ｄ
値の和の値からマイクロコンピュータ１７がデジタル値
で座標計算すると、その結果はノイズの影響が１／√ｎ
に減少したものになる。この効果と同時にＡ／Ｄコンバ
ータ１６の分解能の向上も得ている。

【００１８】図４は高分解能化したＡ／Ｄコンバータの
回路構成図である。容易な理解の為抵抗等の数値も入れ
た。ＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力インピーダンスは
大変小さいので零と見なしてよい。また、ここの１０ビ
ットＡＤＣ４３（アナログ／デジタル変換器）の入力イ
ンピーダンスは大変大きいので、その入力電流は無視し
てよい。

【００１９】抵抗４５〜４８とマイクロコンピュータ１
７の４ビットデジタル出力とで電流出力型の４ビットＤ
／Ａを構成している。この目的のためにはマイクロコン
ピュータ１７はＣＭＯＳ型がよい。従って抵抗４４の右
端へ１６段階の電流（正及び負を含む）を印加する。故
に抵抗４４は１６段階（約２０ｍＶ振幅）の電位差を生
じ、これがＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧に重畳
する。この電圧変化（１０ビットＡＤＣ４３の入力）の
様子を図５に示す。始めの１６段階は上昇のスロープで
あり、後の１６段階は下降のスロープとし、上昇時と下
降時の微妙な特性差を吸収させている。

【００２０】この階段状三角波の振幅は本装置では１０
ビットＡＤＣ４３の約４ＬＳＢ分に設定している。２Ｌ
ＳＢ分に設定しても可能であるがリニアリティはあまり
期待できないものとなる。その理由は一般にＡ／Ｄコン
バータは最下位ビットはさほど信用できないためである
（図５では各１ＬＳＢ分を理想的な等間隔で示した）。
図５に示す階段状三角波電圧の各段に於いてＡ／Ｄ変換
を行い計３２回Ａ／Ｄ変換し、そのデジタル出力を加算
し、その１５ビットデータを１サンプルのデータとして
いる。しかし信頼できるのは、この構成に於いて、上位
約１３ビットである。座標計算は１５ビットデータのま
まで行い、最終的な座標値で０．１ｍｍ以下を丸めて出
力している。

【００２１】以上の説明の通り、使用しているのは１０
ビットＡＤＣ４３であるが約１３ビットの分解能を得て
いる。Ａ３サイズのタブレット９の場合でも、０．１ｍ
ｍの分解能は１２．１ビットに相当するのでこれでちょ
うどよい。コンデンサ４２はマイクロコンピュータ１７
のデジタル出力が変化したときの電圧ショックを吸収す
るためと、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力に含まれる
ノイズの除去効果を少し持たせている。

【００２２】参照符号４１の枠で示した簡単なもので
（マイクロコンピュータ１７も利用して）高分解能Ａ／
Ｄコンバータとしている。と同時に前記のＳ／Ｎ比向上
効果も１５ｄＢを得た。この方式で総合的に１８０ポイ
ント座標検出／秒のスピードを得ている。

【００２３】ここで１つ注意すべきことがある。分解能
は向上しているが、リニアリティは１０ビットＡＤＣ４
３のままである。従ってＡ３サイズ相当のタブレット９
の場合、任意の位置で分解能０．１ｍｍを得ているが、
位置により絶対確度は０．４ｍｍ程度ズレる可能性があ
るが、ペンで座標指示する座標検出装置に於いて、これ
は許容される範囲である。従って、上記の高分解能化の
方法は一般的に何にでも応用できるわけではなく、しか
し本装置のようなタブレットの計測用引出し線数の少な
い座標検出装置に於いては非常に有効な方法であること
が判った。つまりこの高分解能化の方法は、本装置と電
気信号の伝達の向きが逆（タブレットから信号を送出す
る）の場合でも非常に有効に利用できる。

【００２４】次に検出座標の直線性とＡＣ信号での駆動
電流について説明する。本実施例の抵抗体１の面抵抗は
１ｋΩ／□でストライプ状電極２の各辺の両端間の抵抗
値を３５０Ωとした。この時の実測によるＸ方向検出等
座標線を図６に、Ｙ方向検出等座標線を図７に示す。こ
れが検出座標の直線性である。マイクロコンピュータ１
７はこれを補正して直線化して座標出力している。

【００２５】もしこの同じタブレット９を従来のように
信号送出側にして使用すると、約１５０Ωを駆動するこ
とになり５Ｖで２５ｍＡの駆動用電力消費となった。ス
トライプ状電極２の抵抗値をもっと大きくすれば２５ｍ
Ａよりも少なく出来るが、図６、７に示すように座標歪
が更に大きくなり許容できなくなる。従って従来通りに
ペンで信号を受ける場合は５Ｖで２５ｍＡより少ない信
号駆動消費電力とすることは無理である。

【００２６】

【発明の効果】信号駆動の為の消費電流を従来は２５ｍ
Ａ必要だったものを操作性その他を犠牲にすることなく
４ｍＡに省電力化できた。またＡ／Ｄ変換部分は低コス
ト化と同時にＳ／Ｎ比の向上があり座標検出の精度も向
上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本装置の構成概要図

【図２】 信号ペンの先部縦断面図

【図３】 信号ペンの絶縁カバーの肉厚を変えた時のＳ
／Ｎ比向上のグラフ

【図４】 高分解能Ａ／Ｄコンバータの構成図

【図５】 １０ビットＡＤＣへの入力波形

【図６】 Ｘ方向検出等座標線

【図７】 Ｙ方向検出等座標線

【符号の説明】

１ ２次元に均一な抵抗体 ２ 低抵抗のストライプ状電極 ３ 操作者 ４ 信号ペン ５ 操作者の右手 ６ 操作者の左手 ７ 信号ペン４の先端スタイラス導体と抵抗体１間の
結合容量 ８ 左手６と抵抗体１間の浮遊容量 ９ タブレット １０ シールドコード １１ ＡＣ信号発生器 １２ 低入力インピーダンスの電流／電圧コンバータ １３ アナログマルチプレクサ １４ バンドパスフィルタ １５ ＡＣ／ＤＣコンバータ １６ Ａ／Ｄコンバータ １７ マイクロコンピュータ ２１ スタイラス導体 ２２ 絶縁被覆 ２３ 引出し線 ２４ シールド導体筒 ２５ 絶縁カバー ４１ 高分解能Ａ／Ｄコンバータ ４２ コンデンサ ４３ １０ビットＡＤＣ（アナログ／デジタル変換
器） ４４ 抵抗 ４５ 抵抗 ４６ 抵抗 ４７ 抵抗 ４８ 抵抗

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＡＣ電気信号を発信するコード付信号ペン
   で座標指示する静電容量結合型の座標検出装置であっ
   て、ＡＣ信号発生器と、該ＡＣ信号発生器の電気出力を
   先端のスタイラス導体から発信する前記コード付信号ペ
   ンと、該信号ペンからのＡＣ電気信号を受信する、２次
   元に均一な面抵抗を有する抵抗体及び該抵抗体の周辺に
   低抵抗の電極を密着配設したタブレットと、該タブレッ
   トの４隅から出力するＡＣ信号を入力する４個の電流／
   電圧コンバータと、アナログマルチプレクサと、前記Ａ
   Ｃ信号の周波数成分のみ通すバンドパスフィルタと、Ａ
   Ｃ振幅をＤＣ電圧にするＡＣ／ＤＣコンバータと、Ａ／
   Ｄコンバータと、マイクロコンピュータとから成り、前
   記信号ペンのシールド導体筒が本装置の回路グランドに
   電気的に接続され、且つ操作者人体にもシールド効果を
   持たせるための１．５ｍｍ以下の肉厚の絶縁カバーで被
   われていることを特徴とする座標検出装置。
2. 【請求項２】ＡＣ電気信号を発信するコード付信号ペン
   で座標指示する静電容量結合型の座標検出装置であっ
   て、ＡＣ信号発生器と、該ＡＣ信号発生器の電気出力を
   先端のスタイラス導体から発信する前記コード付信号ペ
   ンと、該信号ペンからのＡＣ電気信号を受信する、該２
   次元に均一な面抵抗を有する抵抗体及び該抵抗体の周辺
   に低抵抗の電極を密着配設したタブレットと、該タブレ
   ットの４隅から出力するＡＣ信号を入力する４個の電流
   ／電圧コンバータと、アナログマルチプレクサと、前記
   ＡＣ信号の周波数成分のみ通すバンドパスフィルタと、
   ＡＣ振幅をＤＣ電圧にするＡＣ／ＤＣコンバータと、Ａ
   ／Ｄコンバータと、マイクロコンピュータとから成り、
   前記信号ペンのシールド導体筒が本装置の回路グランド
   に電気的に接続され、且つ操作者人体にもシールド効果
   を持たせるために絶縁カバーで被われていないことを特
   徴とする座標検出装置。
3. 【請求項３】ＡＣ電気信号を発信または受信する、２次
   元に均一な面抵抗を有する抵抗体の周辺に低抵抗の電極
   を密着配設したタブレットを使用する、静電容量結合型
   座標検出装置に於ける電圧計測方法であって、被計測電
   圧に、アナログ／デジタル変換器の２ＬＳＢ以上の振幅
   の階段状三角波を重畳させる段階と、前記階段状三角波
   の各段に於ける前記アナログ／デジタル変換器の出力を
   加算する段階とを有することを特徴とする電圧計測方
   法。