JP4872113B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置指示器の指示位置を検出する位置検出装置に関するものである。

この種の位置検出装置としては、特許文献１や特許文献２などに開示された技術が実用化されている。これらの技術によれば、位置指示器に共振回路を設けてタブレットと位置指示器との間で電磁波を送受信することにより指示位置を検出するとともに、位置指示器をコードレスかつ電池レスとすることにより、極めて操作性の良い位置検出装置を実現している。

一方、近年、液晶表示装置の実用化が進み、前述した位置検出装置を液晶表示装置と組み合わせて、描画したい場所を直接ペンで入力できるような形態の位置検出装置に関する要求が高まっている。しかしながらこのような形態で用いる場合に、タブレットのセンサーコイルは不透明であるため、液晶パネルの前面に配置することができないという問題があった。

そこで液晶表示装置とタブレットを一体とした従来の装置では、前述したセンサーコイルを液晶の背面に置いていた。このため、一度完成された液晶パネルを分解してからセンサーコイルを組み込む必要があり、作業工数が増えることや、液晶パネルの変更を容易にできないという問題がある。

これに対して、タブレットのセンサーコイルを透明化して液晶パネルの前面に配置してほしいという要求が高まってきた。透明導電材としてはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜が広く知られている。しかしながら、ＩＴＯ膜は抵抗値が高いため、これによって電力を送信することは困難である。

このような問題を解決する方法として、タブレットの位置検出エリアの外周に送信用コイルを設けるという提案がある。例えば特許文献３においては、タブレットの位置検出エリアの外周に送信用コイルを設けた例が開示されている。
特開昭６３−７０３２６号公報 特開平７−１７５５７２号公報 特開平５−８８８１１号公報

特許文献３に記載された技術によれば、ペンに電池等を設ける必要も無く、外周コイルによって強い電力を供給することができる。また、位置検出のためのコイルは受信専用であるため透明化することが可能である。

ところがこの方式では、位置検出エリアが大きくなると中央部付近で検出される信号が弱くなるため、位置検出エリアの中央部でも十分強い信号を得るには外周コイルから供給する電力を非常に高くしなければならず、特にノートＰＣ（Personal Computer）などのモバイル用途においてバッテリーの使用時間を短くしてしまうという問題が生じていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、ペンに電池等を設ける必要が無く、タブレットのセンサーコイルを液晶パネルの前面に配置することができ、また、ノートＰＣなどのモバイル用途においてもバッテリーの使用時間にあまり影響を与えない位置検出装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の位置検出装置は、位置指示器とともに使用され、前記位置指示器が指示する位置を検出するための位置検出エリアを有し、この位置検出エリアを取り囲むように配置され、位置指示器に信号を送信する励磁コイルと、この励磁コイルから送信された信号に応じて位置指示器から放出された信号を検出することで、位置検出エリアにて位置指示器によって指示された位置を検出する指示位置検出手段とを備える。また、指示位置検出手段によって検出された位置指示器によって指示された位置に応じて励磁コイルから送信される信号のレベルを制御する送信出力制御手段を備えている。

本発明の好ましい形態の位置検出装置では、送信出力制御手段が、指示位置検出手段によって検出された位置指示器からの信号のレベルが所定の範囲内となるように、励磁コイルから送出される信号のレベルを制御するようにしている。さらに、位置指示器によって指示された位置と位置検出エリアを取り囲むように配置された励磁コイルとの距離に応じて、励磁コイルから送出される信号のレベルを段階的に制御するようにしている。

更に、本発明の好ましい形態の位置検出装置では、位置指示器はコイルとコンデンサからなる共振回路を有しており、指示位置検出手段は共振回路からの信号を検出することで、位置指示器によって指示された位置を検出するようにしている。また、位置指示器は高周波電界を放射するための一対の電極を有しており、指示位置検出手段は一対の電極から放射された信号を検出することで、位置指示器によって指示された位置を検出するようにしている。

本発明の位置検出装置によれば、位置指示器の指示位置に応じて外周コイルからの送信出力を制御するため、外周コイルから出力する信号を常に最小とすることができ、消費電力を少なく抑えることが可能となる。これにより、特にノートＰＣなどのモバイル用途においてもバッテリーの使用時間を長く維持することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。図１は、本発明による位置検出装置の第１の実施形態例におけるタブレットの構成を示すものである。

図１において、タブレットにはループコイル群１１が設けられる。このループコイル群１１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ、ループコイルＸ１〜Ｘ４０及びループコイルＹ１〜Ｙ３０として配置されている。ループコイル群１１によって構成される位置検出エリアは図示しない液晶表示装置と一体となっており、この位置検出エリアはちょうど液晶表示装置の表示エリアと一致するようにループコイル群１１の寸法や配列ピッチが決定されている。

これらのループコイルＸ１〜Ｘ４０及びＹ１〜Ｙ３０は、各ループコイルを選択する選択回路１２に接続される。選択回路１２により選択された出力端は増幅回路１３に接続され、増幅回路１３はｆ_０を中心周波数とするバンドパスフィルター１４に接続され、バンドパスフィルター１４は検波回路１５に接続される。また、検波回路１５はサンプルホールド回路１６に接続され、サンプルホールド回路１６によって保持された電圧はＡＤ（Analog to Digital）変換回路１７に接続され、ＡＤ変換回路１７の出力はＣＰＵ（Central Processing Unit）１８に接続される。

この位置検出エリアの外周を取り囲むように励磁コイル１９が巻き回される。図示の励磁コイル１９は２ターンとなっているが、実際には８ターンから十数ターン巻き回されている。励磁コイル１９はドライブ回路２０に接続され、ドライブ回路２０は周波数ｆ_０で発振する発振回路２１に接続される。

ＣＰＵ１８は、予め設定されたプログラムに従った制御信号を、選択回路１２、サンプルホールド回路１６、ＡＤ変換回路１７及びドライブ回路２０に送出している。なお、ドライブ回路２０は、ＣＰＵ１８から供給される制御信号により励磁コイル１９からの信号送信をオンまたはオフに制御するとともに、複数ビットのパワー制御信号によって励磁コイル１９に流す励磁電流を複数段階に制御する。

図２は、タブレットの構造を立体的に示した図である。図２において、符号２２は液晶表示装置、符号２３はセンサーガラスである。

センサーガラス２３は、厚さ０．４ｍｍ程度のガラスを２枚張り合わせたものとなっており、各ガラスにはＩＴＯ膜によってループコイル群１１のパターンが形成されている。すなわち、一方のガラスにはループコイルＸ１〜Ｘ４０が、他方のガラスにはループコイルＹ１〜Ｙ３０のパターンがそれぞれエッチングにより形成されている。そして、これらのガラスのＩＴＯ膜の面を互いに向き合わせて、間に透明な絶縁シートを挟むようにして作られている。

さらに、ポリイミド材をベースにしたフレキシブル基板２４が、センサーガラス２３のループコイルＸ１〜Ｘ４０の各ラインのパターンに接続され、ループを形成するための折り返し部分を形成している。フレキシブル基板２５も同様に、センサーガラス２３のループコイルＸ１〜Ｘ４０の各ラインのパターンに接続され、このフレキシブル基板２５によって取り出された端子は選択回路１２へ接続される。

同様にして、フレキシブル基板２６および２７は、センサーガラス２３のループコイルＹ１〜Ｙ３０の各ラインのパターンに接続されてループを形成するための折り返し部分を形成している。また、フレキシブル基板２７によって取り出された端子は選択回路１２へ接続される。

図３は、ドライブ回路２０の具体的な回路構成を示した図である。図３に示すように、コンデンサ３０は励磁コイル１９と合わせて周波数ｆ_０の共振回路を形成している。また、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）構造による３ステートバッファ３１が設けられ、発振回路２１から供給される周波数ｆ_０の信号を通過させる。そして、この３ステートバッファ３１の制御端子はＣＰＵ１８に接続され、励磁コイル１９への電流をオンまたはオフに制御することができるようになっている。

さらに、これらの回路は可変出力電源回路３２から供給される電源によって動作しており、この可変出力電源回路３２は、ＣＰＵ１８からの２ビットの制御信号によってその出力が５Ｖ〜２０Ｖの範囲を予め設定された４段階の電圧（Ｖ_０〜Ｖ_３）として出力できるようになっている。

図４は、本発明の第１の実施形態例における位置指示器の構成を示している。図４に示すように、本例の位置指示器には、中空のフェライトコアに巻かれたコイル４１ａと、圧力によって容量が変化する可変容量コンデンサ４２が設けられ、ペン先４３がコイル４１ａの中空を通って可変容量コンデンサ４２に接続されている。さらに、プリント基板４４にはＣＭＯＳ構造による集積回路及びその周辺部品が実装されている。

図５は、図４に示した位置指示器の電気回路の概要を示したものである。この図５において、コイル４１ａとコンデンサ４１ｂは、タブレットの励磁コイル１９から送出されるｆ_０の周波数で共振する共振回路４１を構成している。また、周知のＣＭＯＳ技術による集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）４５が設けられ、この集積回路４５はダイオード４６およびコンデンサ４７によって生成される電源によって動作している。

このダイオード４６は共振回路４１に接続されており、共振回路４１に発生する交流電圧が整流されて直流の電源となる。また、共振回路４１に発生した信号はコンデンサ４８を介して集積回路４５に接続され、この集積回路４５で、タブレットでの送受信に対応したクロックおよび後述する筆圧検出のためのクロックが抽出される。

さらに可変容量コンデンサ４２は、図４に示したように筆圧によって容量が変化する。この可変容量コンデンサ４２は図示しない抵抗と接続されて時定数回路を構成しており、筆圧に応じて変化する容量に応じて時定数が変化するようになっている。そして、この時定数に対応した時間だけ共振回路４１に発生する信号の波の数が、集積回路４５で計測されるようになっている。この計測された数値は、所定のビット数、たとえば８ビットの筆圧値に変換される。

このように求められた筆圧データは、前述したタブレットでの送受信に対応したクロックに同期して１ビットずつ出力され、共振回路４１に接続されたスイッチ４９を制御する。従って、このスイッチ４９がオフの際にはタブレットでは信号が検出されるが、スイッチ４９がオンの際には信号が検出されなくなる。

そのため、タブレットでは励磁コイル１９から一定時間信号を送信した後に位置指示器から返ってくる信号の有無を検出することで筆圧を求めることができる。なお、図５に示した位置指示器の動作については、上述した特許文献２において詳細に開示されているので、ここでは説明を省略する。

このように構成された位置指示器が、図１に示したタブレット上の位置検出エリア内に置かれていると、ＣＰＵ１８は送受信動作をＸ軸ループコイル群の中から位置指示器が置かれている近傍の複数本について行い、検出されたこれらの信号レベル分布より位置指示器の指示位置のＸ座標値を求める。

続いて、ＣＰＵ１８は送受信動作をＹ軸ループコイル群の中から位置指示器が置かれている近傍の複数本について行い、検出されたこれらの信号レベル分布より位置指示器の指示位置のＹ座標値を求める。これらの座標検出は従来装置と同様である。

そして、ＣＰＵ１８は位置指示器に対する８ビットの筆圧を検出するため励磁コイル１９から所定時間（例えば１ｍＳ）以上継続した送信を行った後に、座標検出の際と同様なタイミングで送受信を８回継続して行う。このとき選択回路１２では位置指示器から最も近いループコイル（Ｘ軸でもＹ軸でも良い）を選択して信号を受信する。この筆圧検出動作についても、上述した特許文献２において詳細に開示されている。

さらに、ＣＰＵ１８は前述した座標検出及び筆圧検出動作を位置指示器の移動に追従して繰り返し行うが、位置指示器が位置検出領域の中央付近にある場合には、共振回路４１が受ける信号強度は最も弱くなる。そのため、タブレットのドライブ回路２０は、ＣＰＵ１８からの制御信号によって最も強いパワーで出力した際に位置指示器のダイオード４６及びコンデンサ４７によって得られる電源電圧が集積回路４５を動作させるのに十分な電圧となるように、ドライブ回路２０の最大出力パワーが設定される。

図６は、位置指示器の指示位置とドライブ回路２０から出力するパワーの関係を示した図である。この図６に示すように、ＣＰＵ１８は前回の座標検出結果に応じてドライブ回路２０へパワー制御信号を送出することにより、励磁コイル１９によって消費される電力が必要以上に過大とならないように制御している。

以上述べたように、本発明の第１の実施形態例による位置検出装置では、位置指示器の指示位置に応じて外周コイルからの送信出力を制御するようにしたため、外周コイルから出力する信号を常に必要最小限とすることができ、消費電力を少なく抑えることが可能となる。また、ノートＰＣなどのモバイル用途においてもバッテリーの使用時間を長く維持することができる。

なお、上述した第１の実施形態例では、位置指示器と、タブレットの外周コイルからの距離に応じて送信パワーを４段階に切り替えるようにしたが、もっと多くの段階に切り替えても良いし連続的に変えるようにしても良い。また、タブレットで検出される信号強度が常に一定の範囲となるように送信パワーをコントロールするようにしても良い。

さらに図７は、本発明の第２の実施形態例の位置検出装置の構成を示したものである。この第２の実施形態例では、位置指示器から高周波電界による信号を送信する例が示されている。

図７において、符号６１は後述する位置指示器から放射される高周波電界を検出するために縦横に一定間隔で配置されたセンスライン群である。これらのセンスライン群は選択回路６２に接続され、これらのセンスラインの中から１本が選択される。選択されたセンスラインは増幅回路６３に接続され、増幅回路６３の出力は検波回路６４に接続され、検波回路６４の出力はＡＤ変換回路６５に接続される。ＡＤ変換回路６５の出力はＣＰＵ６６に接続され、ＣＰＵ６６からは切り替え信号が選択回路６２に供給される。

また、発振器６７と、センスライン群６１を囲むように設けられた励磁コイル６８が設けられる。そして、励磁コイル６８に高周波電流を流すためのドライブ回路６９が設けられる。さらに、ＣＰＵ６６からは制御信号がドライブ回路６９に接続され、励磁コイル６８から出力する信号の強度が可変できるようになっている。なお、ドライブ回路６９の構成は、第１の実施形態例のものと同様な構成で良い。

次に、位置指示器側の構成について説明する。符号７０は発振器で、２つの電極７１及び７２に接続されている。符号７３はコイル、符号７４は電源抽出回路であり、これらは励磁コイル６８から送出される信号によって電源を抽出する。そして発振器７０は電源抽出回路７４によって抽出された電源により動作している。

このように構成した本発明の第２の実施形態例の動作を説明する。いま、位置指示器がタブレットの位置検出領域内にあるものとする。ドライブ回路６９により励磁コイル６８から高周波磁界が送出され、位置指示器のコイル７３には高周波信号が誘導される。これによって電源抽出回路７４には電源が抽出される。

この電源により発振器７０が動作して２つの電極７１及び７２から高周波電界が放射される。タブレットでは選択回路６２によってセンスラインを順次切り替えて信号レベルを検出する。このとき各センスラインから検出される信号レベルの分布より位置指示器の座標位置が求まる。

この第２の実施形態例においても、第１の実施形態例と同様に、位置指示器が位置検出領域の中央付近にある場合には、コイル７３が受ける信号強度は最も弱くなるので、タブレットのドライブ回路６９は、ＣＰＵ６６からの制御信号によって最も強いパワーで出力した際に位置指示器の電源抽出回路７４で抽出される電源電圧が十分となるように、ドライブ回路６９の最大出力パワーが設定される。

また、位置指示器の指示位置とドライブ回路６９が出力するパワーの関係も、第１の実施形態例と同様に図６のようになっている。すなわち、ＣＰＵ６６は前回の座標検出結果に応じてドライブ回路６９へパワー制御信号を送出することにより、励磁コイル６８から送出されるパワーが必要以上とならないように制御している。

以上述べたように、本発明の位置検出装置によれば、位置指示器からの送信を位置検出領域の外周に設けたコイルによって行うようにしたため、位置指示器からの信号を検出するセンサーをガラス面に形成したＩＴＯ膜などの透明電極によって形成することが可能となり、タブレットのセンサーコイルを液晶パネルの前面に配置することができる。

また、位置指示器では前述した外周コイルによる信号より電源を抽出しているためペンに電池等を設ける必要が無い。

さらに、位置指示器の指示位置に応じて外周コイルからの送信出力を制御するようにしたため、外周コイルから出力する信号を常に最小とすることができ、消費電力を少なく抑えることが可能となる。またモバイル用途においてもバッテリーの使用時間を長く維持することができる。

なお本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明による位置検出装置の第１の実施形態例におけるタブレットの構成を示す構成図である。 そのタブレットの具体的な構造の説明のための分解斜視図である。 そのドライブ回路の具体例を示す回路図である。 第１の実施形態例における位置指示器の構成を示す構成図である。 位置指示器の具体例を示す回路図である。 その説明のための指示位置と送信パワーの関係を示した図である。 本発明による位置検出装置の第２の実施形態例の構成を示す構成図である。

符号の説明

１１…ループコイル群、１２，６２…選択回路、１３，６３…増幅回路、１４…バンドパスフィルター、１５，６４…検波回路、１６…サンプルホールド回路、１７，６５…ＡＤ変換回路、１８，６６…ＣＰＵ、１９，６８…励磁コイル、２０，６９…ドライブ回路、２１…発振回路、２２…液晶表示装置、２３…センサーガラス、２４，２５，２６，２７…フレキシブル基板、３０，４１ｂ，４７，４８…コンデンサ、３１…３ステートバッファ、３２…可変出力電源回路、４１ａ，７３…コイル、４１…共振回路、４２…可変容量コンデンサ、４３…ペン先、４４…プリント基板、４５…集積回路、４６…ダイオード、４９…スイッチ、６１…センスライン群、６７，７０…発振器、７１，７２…電極、７４…電源抽出回路

Claims (6)

1. 位置指示器とともに使用され、前記位置指示器が指示する位置を検出するための位置検出エリアを有する位置検出装置であって、
   前記位置検出エリアを取り囲むように配置され、前記位置指示器に信号を送信する励磁コイルと、
   前記励磁コイルから送信された信号に応じて前記位置指示器から放出された信号を検出することで、前記位置検出エリアにて前記位置指示器によって指示された位置を検出する指示位置検出手段と、
   前記指示位置検出手段によって検出された前記位置指示器によって指示された位置に応じて前記励磁コイルから送信される信号のレベルを制御する送信出力制御手段を、
   備えたことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記送信出力制御手段は、前記指示位置検出手段によって検出された位置指示器からの信号のレベルが所定の範囲内となるように、前記励磁コイルから送出される信号のレベルを制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記位置指示器によって指示された位置と前記位置検出エリアを取り囲むように配置された前記励磁コイルとの距離に応じて、前記励磁コイルから送出される信号のレベルを段階的に制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
4. 前記位置指示器はコイルとコンデンサからなる共振回路を有しており、前記指示位置検出手段は前記共振回路からの信号を検出することで、前記位置指示器によって指示された位置を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
5. 前記位置指示器は高周波電界を放射するための一対の電極を有しており、前記指示位置検出手段は前記一対の電極から放射された信号を検出することで、前記位置指示器によって指示された位置を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
6. 前記位置検出エリアは透明に形成されていると共に表示装置の表示パネルの前面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。

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