JP5011541B2 - 位置指示器 - Google Patents

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Description

本発明は、タブレット上における指示位置を検出する位置指示器に関するものである。
この種の装置としては特許文献1で示された方法がある。これによれば、連続量で表される操作に対応した情報を、時定数回路を用いて時間の長さに変換し、この変換された時間中、タブレットから送信される交流信号の波の数を計測することによって、この連続量を符号化してタブレットへ返信している。この技術によれば、タブレットと位置指示器間の距離や位置関係が検出される連続量に影響することが無く、低消費電力で連続量を正確に検出することができる。
しかしながら、検出する連続量の精度や分解能を上げようとすると、タブレットから送信する信号の周波数を上げるか、もしくは、検出時間を長くしなければならない。周波数を上げると装置全体が高価になり、消費電流も増えるという問題がある。また、検出時間を長くすると単位時間あたりの検出回数(サンプリング速度)が低下するという問題がある。
これらの問題点を改良したものとして、特許文献2のような方法がある。この特許文献2では、連続量によって特性が変化する素子を用いた時定数回路において、時定数を2段階に切り替えて計測することによって、短時間で高分解能の検出を行うことを実現している。
特開平7−175572号公報 特開2005−165768号公報
特許文献2に記載された発明では、時定数を切り替えるタイミングを予め知るため、実際の検出に先立ち、短い方の時定数でおよその計測を行った後、再び充電または放電を開始するようにしている。このとき、最初に計測した時間よりも少しだけ短い時刻が経過した時点で、時定数を長い方に切り替えて詳細な計測を行うという手順を取っている。この方法によれば、連続量を高い分解能でリアルタイムに検出することができる。
しかしながら、特許文献2に記載された発明では、2回の充電または放電を行っているので時間的に無駄があり、さらに高い分解能での検出を行おうとするとサンプリング速度の低下を招くという問題がある。
この発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであって、本発明は、連続量に対応した操作情報を高分解能、高速、かつリアルタイムに検出してタブレットに返信することのできる位置指示器を提供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、本発明の位置指示器は、第1の時定数と、第1の時定数より大きな時定数が設定された第2の時定数を有するとともに、第1の時定数と第2の時定数のそれぞれの時定数のためにペン先に加えられた圧力に対応して特性が連続的に変化する素子が設けられた時定数回路と、第1の時定数及び第2の時定数を設定する時定数設定手段と、時定数回路に所定の電圧が供給されて第1の時定数によって変化する電圧に応じた計測を行うとともに、時定数設定手段によって第1の時定数から設定変更された第2の時定数によって変化する電圧に応じた計測を行う計測手段と、を備える。
また、この計測手段による第1の時定数に応じた計測結果と第2の時定数に応じた計測結果に応じた符号を生成する符号化手段と、第1の時定数によって変化する電圧と第1の基準電圧との比較結果に応じて時定数設定手段を制御することで第1の時定数から第2の時定数に設定変更し、第2の時定数によって変化する電圧と第1の基準電圧とは電圧値の異なる第2の基準電圧との比較結果に応じて計測手段を制御することで、計測手段から符号を生成するための計測結果を得る制御手段、を備えている。そして、ペン先に加えられた圧力に応じて生成された符号をタブレット側に送信するようにしている。
また、本発明の好ましい形態における計測手段は、第1の時定数及び第2の時定数によるそれぞれの電圧の変化を時間計測によって行うものであり、この計測手段によって行われる時間計測は、計測時間に応じた信号の数をカウントすることによって行う。
また、本発明の好ましい形態では、時定数回路に所定の電圧が供給されて第1の時定数によって変化する電圧は電圧が低下するように変化するとともに、第1の基準電圧の電圧値に対して第2の基準電圧の電圧値が低く設定されている。
また、本発明の他の好ましい形態では、時定数回路に所定の電圧が供給されて第1の時定数によって変化する電圧は電圧が上昇するように変化するとともに、第1の基準電圧の電圧値に対して前記第2の基準電圧の電圧値が高く設定されている。
また、本発明の他の好ましい形態では、第1の時定数は、ペン先に加えられた圧力に対応して特性が連続的に変化する可変容量コンデンサ素子と第1の抵抗とによって設定され、第2の時定数は、可変容量コンデンサ素子と第1の抵抗よりも抵抗値が高い第2の抵抗とによって設定される。そして、時定数設定手段によって第1の抵抗から第2の抵抗に切り替えることで、第1の時定数から第2の時定数に設定変更されることを特徴としている。
本発明によれば、連続量で表される操作に対応して特性が連続的に変化する素子を含む時定数回路の変化範囲を切り替えると同時に、放電または充電時の検出電圧も切り替えるようにしたため、第1回目の計測値(T1)を予測するための動作を行う必要が無く、連続量を高分解能で、かつ短時間でリアルタイムに計測することが可能となる。
本発明では前記目的を達成するため、特許文献2に記載された装置を改良し、時定数回路が出力する電圧が所定電圧値以上かどうかを検出する検出電圧を2通りの値に切り替えて設定するようにしている。
以下、本発明の基本的原理を図1,図2に基づいて説明する。
図1は、本発明における連続量検出のための基本的構成を示す図である。図1に示すように、コンパレータの非反転入力端子には、可変容量コンデンサと抵抗とからなる時定数回路が接続されており、抵抗値をR1とR2とに切り替えることによって時定数の変化範囲を2通りに設定できるようになっている。
この部分は特許文献2と同様な構成であるが、本発明では、さらにコンパレータの反転入力端子に加える基準電圧を、時定数の切り替えと同期して切り替える構成となっている。コンパレータの出力端は時間計測回路に接続されている。時間計測回路からは切り替え信号(c)が出力され、時定数を切り替えるスイッチと基準電圧を切り替えるスイッチとに供給されている。
図2は、図1に示した回路の基本的動作を説明するための波形図である。まず、初期状態では切替信号(c)は"0" となっており、時定数回路の抵抗はR1、コンパレータの基準電圧はV1となっている。この状態でスタートパルスが加えられると時定数回路はVCCまで充電される。スタートパルス終了直後より可変容量コンデンサに充電された電荷は抵抗R1を経由して放電される。
このスタートパルスが終了すると、時間計測回路は第1回目の時間計測を開始する。そして、可変容量コンデンサの電圧(a)がコンパレータの基準電圧として設定されているV1まで達すると、コンパレータの出力信号(b)が立ち上がる。時間計測回路は、コンパレータの出力信号(b)の立ち上がりによって、第1回目の時間計測を終了して、計測された時間を "T1" として保存する。
第1回目の時間計測を終了すると、時間計測回路は、直ちに、切り替え信号(c)をHiレベル "1" にして、同時に、第2回目の時間計測を開始する。切り替え信号(c)が "1" となるとコンパレータの基準電圧はV1よりも少しだけ低いV2に設定されるのでコンパレータの出力信号(b)はLoレベル "0" となる。このとき、時定数回路の抵抗はR1よりも大きいR2となるため、可変容量コンデンサの放電速度は緩やかになる。
可変容量コンデンサの電圧(a)がコンパレータの基準電圧V2まで達すると、コンパレータの出力信号(b)は再度立ち上がる。時間計測回路は、コンパレータの出力信号(b)の立ち上がりによって、第2回目の時間計測を終了して、計測された時間を "T2" として保存する。
本発明の回路が求めたいものは、可変容量コンデンサに充電された電圧が全ての期間に渡って抵抗R2によって放電され、基準電圧V2に達するまでの時間であるから、この時間をTとすると、Tは次式によって計算される。
T=T2+(T1×R2/R1)
ここで、R1とR2との比率をある程度大きく設定しておけば、連続量を放電時間として求める際の分解能を高くすることができる。また、T1に相当する時間を予測するための充放電を行う必要も無い。
なお、本発明での時定数回路の構成としては、図1の他に図3A、Bのような構成も考えられる。すなわち、図3Aの構成では、一端がVCCに固定された可変容量コンデンサがスタートパルスによって充電され、以後、抵抗R1とR2を通じて放電される。図3Bの構成では、一端が0V(GND)に固定された可変容量コンデンサがスタートパルスによって放電され、以後、抵抗R1とR2を通じて充電される。これらの図3Aと図3Bは、どちらもスタートパルスが終了すると、コンパレータの非反転入力端子の電圧はしだいに上がってゆくため、基準電圧V1とV2は、V1<V2の設定となる。
図4は、本発明による位置指示器の実施形態例の構成を示した図である。図示の構成は、タブレット上で操作するペン形状の位置指示器であり、筆圧を検出して12ビットの2進符号としてタブレットに返す例を示している。
図4において、コイル10aと、コンデンサ10bは共振回路10を構成している。また、電源抽出回路11は共振回路10に発生する信号より電源を抽出し、後述する各回路へ電源を供給する。さらに検波回路12はタブレットからの送信および送信停止の周期に対応したクロックを生成する。
この検波回路12からのクロックを積分回路13に供給し、その積分値をコンパレータ14に供給して、所定のしきい値電圧によって波形整形してデジタル信号に変換する。なお、本実施形態例では、タブレットからの送信がおよそ300μS以上継続すると、Hiレベルを出力するように積分回路13の時定数及びコンパレータ14のしきい値が設定されている。また、パルス発生回路15では、検波回路12の出力信号の立ち上がりタイミングから所定時間幅、ここではおよそ70μSのパルスを生成する。
コンパレータ16には、筆圧に応じて容量が変化する可変容量コンデンサ17が接続されている。この可変容量コンデンサ17と並列に抵抗R1またはR2が接続されて時定数回路が構成される。この時定数回路の時定数は、スイッチ18によって抵抗R1とR2を切り替えることにより、切り替えられる。
ここで、時定数回路を構成する抵抗R1とR2の関係は、R2がちょうどR1の8倍であるものとする。さらにスイッチ19は、可変容量コンデンサ17を電源電圧VCCまで充電する。基準電圧発生回路20は、電源電圧VCCに対して2種類の所定の割合の電圧V1およびV2を出力する。
また、スイッチ21は、基準電圧発生回路20からのV1及びV2の基準電圧のうちの一方を選択してコンパレータ16に供給する。ここでは、V1が電源電圧の50%、V2が電源電圧の45%として設定されているものとして、以下、説明する。制御回路22は、コンパレータ14及びコンパレータ16からの信号より各種タイミングの信号を生成する。
そして、それぞれ8ビットのカウンタ23及び24が設けられ、クロック端子より入力されるクロックをカウントして出力する。また、共振回路10に発生した交流信号は、コンデンサ25及びスイッチ26、スイッチ27を介してカウンタ23、カウンタ24の各クロック端子に供給される。さらに加算回路28では、カウンタ23から供給される8ビットの入力データ(A0〜A7)と、カウンタ24から供給される5ビットの入力データ(B0〜B4)とを加算して、9ビットのデータ(D0〜D8)として出力する。
また、パラレルシリアル変換回路29は、12ビットのシフトレジスタを含み、LOAD端子に入力される信号(d)の立下りエッジでD0〜D11に入力される12ビットのデータを保存し、それに続くCLK端子からのクロックに同期して1ビットずつ順次OUT端子より出力する。そして、パラレルシリアル変換回路29からの出力信号によって、スイッチ30で共振回路10を制御する。
図5は、図4に示した位置指示器の構造を示したものである。なお図5において、図4と同一部分には同一記号を附して繰り返しの説明を省略する。
図5において、円筒形状のフェライト材に巻かれたコイル10aと、筆圧によって容量が変化する可変容量コンデンサ17が設けられ、ペン先31に加えられる圧力は、コイル10aの中空部を経由して可変容量コンデンサ17に伝達されるようになっている。さらに回路基板32には、図4の各回路部品が実装される。
ここで、本実施形態例の動作を説明するに当たって、タブレットの構成について簡単に説明しておく。タブレットとしては、特許文献1または特許文献2で説明されているようなものと同様な構成で良い。図6はその一例である。図6において、位置検出部41には、X軸方向に40本のループコイルX1〜X40とY軸方向に40本のループコイルY1〜Y40とが図示の如く配置されている。
このループコイルは各々のループコイルを選択する選択回路42に接続されている。この選択回路42は送受切り替え回路43に接続され、この送受切り替え回路43の受信側にはアンプ44が接続されている。アンプ44は検波回路45に接続されている。この検波回路45はローパスフィルター46に接続され、このローパスフィルター46はサンプルホールド回路47に接続されている。そして、サンプルホールド回路47がAD変換回路48に接続され、このAD変換回路48はCPU(中央処理装置)49に接続されている。
このCPU49から制御信号が、前述した選択回路42、サンプルホールド回路47、AD変換回路48および送受切り替え回路43にそれぞれ接続されている。また、図中、符号50は共振回路10の共振周波数と同一周波数の交流信号を発生する発振器を示し、符号51はこの交流信号を電流に変換する電流ドライバを示している。
以上の点を踏まえて、図4〜6を用いて本実施形態例の動作を以下に説明する。本実施形態例では、特許文献1や特許文献2と同様に、タブレットからは所定時間の送信を行った後に位置指示器の共振回路10に残留する信号を受信することにより、指示位置の座標値を求めている。この座標検出の動作については従来装置と同様であるためここでは説明を省略する。
図7は、図4に示した本実施形態例の位置指示器が、図6のタブレット上で筆圧を検出して、12ビットのデジタル値としてタブレットに返信する期間の動作の様子を示す図である。図7において、波形a〜nは、図4及び図6に同一記号で示した部分の動作波形である。
タブレットのCPU49は、位置指示器側で筆圧検出動作を行わせるため、1〜2mS程度の期間の連続送信を行う。この連続送信を開始してからおよそ300μSが経過するとコンパレータ14の出力(d)が立ち上がる。この信号(d)の立ち上がりによって制御回路22は動作を開始する。まず、スイッチ19をオンする制御信号が制御回路22のSTART端から出力される。
この制御信号によって可変容量コンデンサ17は電源電圧VCCまで充電される。この制御信号が終了すると同時に、スイッチ26をオンする制御信号が制御回路22のE1端子から出力される。これによってカウンタ23はカウント動作を開始する。この時、制御回路22のFINE端子出力は "0" となっているので、可変容量コンデンサ17に充電された電圧は抵抗R1を通して放電される。
コンパレータ16の(−)側入力端子には基準電圧V1が加えられており、このV1は前述したとおり電源電圧(VCC)の50%に設定されているので、図7の信号(f)が示すように、可変容量コンデンサ17の両端電圧がこのV1に相当する電圧まで達すると、コンパレータ16の出力信号(g)が立ち上がる。
この信号(g)が立ち上がると、制御回路22はカウンタ23の動作を終了させるため、E1端子の信号(j)を "0" にする。カウンタ23からは信号(j)が "1" となっていた期間に相当する時間を "T1" として出力端子D0〜7に出力する。
制御回路22は、E1端子の信号(j)を "0" にすると、それと同時に、カウンタ24の動作を開始するためにE2端子の出力(k)を "1" とし、また、スイッチ18およびスイッチ21の切り替え信号(h)を "1" とする。これらの動作は出来る限り同時に行うことが好ましい。
切り替え信号(h)が "1" となることによって、可変容量コンデンサ17に接続される抵抗はR2に切り替わる。R2はR1の8倍の値であるため、可変容量コンデンサ17の電圧(f)が低下する速度は1/8に緩やかになる。また、コンパレータ16の(−)側入力端子の電圧は電源電圧(VCC)の45%に相当するV2に変更されるため、コンパレータ16の出力(g)は直ちに "0" に戻る。
可変容量コンデンサ17の両端電圧がV2に相当する電圧まで達すると、コンパレータ16の出力信号(g)が再び立ち上がる。この信号(g)の立ち上がりによって、制御回路22はカウンタ24の動作を終了させるため、E2端子の信号(k)を "0" にする。カウンタ24からは信号(k)が "1" となっていた期間に相当する時間を "T2" として出力端子D0〜7に出力する。
本実施形態例において計測したいのは、可変容量コンデンサ17に充電された電圧が全ての期間に渡って抵抗R2によって放電され、基準電圧V2に達するまでの時間であるから、この時間をTとすると、Tは次式によって計算される。
T=T2+8×T1
加算回路28はこの式に相当する計算を行うための回路であり、計算された結果はパラレルシリアル変換回路29の入力D0〜11に加えられ、これらの値はLOAD端子に入力される信号(d)の立下りエッジによって内部のシフトレジスタに保存される。
前述した筆圧検出動作はタブレットからの連続送信期間に行われるが、この連続送信期間が終了すると、CPU49は受信動作を行う。CPU49は、この時検出される信号レベルの2分の1の値を、後述するデータ検出の際の基準レベルとして保存しておく。
続いてCPU49は、50μSの送信と100μSの受信を交互に12回行う。この12回の送受信によって、CPU49はパラレルシリアル変換回路29のOUT端子からスイッチ30を制御する信号(m)を出力する。
この時、パラレルシリアル変換回路29はCLK端子に入力される信号の立ち上がりエッジに同期して、D0〜11端子より入力されて保存した値を順番に出力するが、最下位ビットから送出しても良いし、最上位ビットから送出するようにしても良い。
本実施形態例では、D0〜11端子から入力された値が "0" の場合にはOUT端子からは "0" を出力し、入力された値が "1" の場合にはOUT端子からは "1" を出力するようにしている。OUT端子から "1" を出力すると、スイッチ30がオンするので共振回路10の信号(b)は急速に消滅する。
それによって検波回路12の出力は直ちに "0" となるが、パラレルシリアル変換回路29のCLK端子にはパルス発生回路15によって常に70μS程度の一定の幅のパルスが加えられる。また、パラレルシリアル変換回路29のOUT端子が "1" を出力する際のパルス幅は、ちょうどCLK端子に入力されるパルス幅と同一となるようにパラレルシリアル変換回路29は構成されている。
本実施形態例によって計測される最終値が、たとえば2000であったとして、タブレットから送信される信号の周期が2μSであったとする。もし、特許文献1のような構成の装置で検出しようとすると、約4mSの時間を要することになる。本実施形態例で、例えばT1=230、T2=160として計測されたとすると、所要時間は合計で、780μSで済む。
また、これを特許文献2のような装置で行う場合、T1に相当する部分を2回計測する必要があるため、少なくとも1.24mSを要することになる。
本実施形態例では、制御回路、カウンタ、加算回路、パラレルシリアル変換回路、などの各機能を専用回路によって行っているが、これらの機能をまとめて、マイクロプロセッサによって行うようにしても良い。
本実施形態例では可変容量コンデンサの放電時間を計測しているが、充電時間を計測するようにしても良い。また、可変容量コンデンサ17の最低容量によって発生する値を予め求めておいて、その値を減算する回路を設けて、出力値がゼロから変化するようにしても良い。また、出力値が所定の値を超えないようにする回路を設けても良い。
本実施形態例では、2個のカウンタを用いて測定しているが、初回の測定結果をバッファに保存するようにして、1個のカウンタを共通に用いるようにしても良い。
本実施形態例では、説明をわかりやすくするため、扱う情報は筆圧のみとしたが、スイッチや固有ID情報などを併せて返信するようにしても良い。また、2種類の時定数の比率を8倍としたが、これに限定されるものではないし、2つの検出電圧であるV1とV2の値も本実施形態例に限定されるものでは無い。
本実施形態例では、共振回路の短絡によってテータを返信しているが、共振周波数を僅かに変えることによってデータを返信しても良いし、共振回路の他の特性を制御することによってデータを返信しても良い。
この他、本発明は、上述の説明した実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能とされるものである。
本発明における連続量検出のための基本的構成図である。 本発明における連続量検出のための基本的動作を示す図である。 時定数回路の他の構成例を示す図である。 本発明による位置指示器の実施形態例の構成図である。 位置指示器の構造図である。 タブレットの構成例を示す図である。 実施形態例の動作波形図である。
符号の説明
10a…コイル、10b,25…コンデンサ、10…共振回路、11…電源抽出回路、12…検波回路、13…積分回路、14,16…コンパレータ、15…パルス発生回路、17…可変容量コンデンサ、18,19,21,26,27,30…スイッチ、20…基準電圧発生回路、22…制御回路、23、24…カウンタ、28…加算回路、29…パラレルシリアル変換回路、31…ペン先、32…回路基板、41…位置検出部、42…選択回路、43…送受切り替え回路、44…アンプ、45…検波回路、46…ローパスフィルター、47…サンプルホールド回路、48…AD変換回路、49…CPU、50…発振器、51…電流ドライバ

Claims (6)

  1. 第1の時定数と、前記第1の時定数より大きな時定数が設定された第2の時定数を有するとともに、前記第1の時定数と前記第2の時定数のそれぞれの時定数のためにペン先に加えられた圧力に対応して特性が連続的に変化する素子が設けられた時定数回路と、
    前記第1の時定数及び前記第2の時定数を設定する時定数設定手段と、
    前記時定数回路に所定の電圧が供給されて前記第1の時定数によって変化する電圧に応じた計測を行うとともに、前記時定数設定手段によって前記第1の時定数から設定変更された前記第2の時定数によって変化する電圧に応じた計測を行う計測手段と、
    前記計測手段による前記第1の時定数に応じた計測結果と前記第2の時定数に応じた計測結果に応じた符号を生成する符号化手段と、
    前記第1の時定数によって変化する電圧と第1の基準電圧との比較結果に応じて前記時定数設定手段を制御することで前記第1の時定数から前記第2の時定数に設定変更し、前記第2の時定数によって変化する電圧と前記第1の基準電圧とは電圧値の異なる第2の基準電圧との比較結果に応じて前記計測手段を制御することで前記計測手段から前記符号を生成するための計測結果を得る制御手段、を備え、
    前記ペン先に加えられた圧力に応じて生成された符号をタブレット側に送信するように成した位置指示器。
  2. 前記計測手段は、前記第1の時定数及び前記第2の時定数によるそれぞれの電圧の変化を時間計測によって行うようにしたことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  3. 前記計測手段によって行われる時間計測は、計測時間に応じた信号の数をカウントすることによって行うようにしたことを特徴とする請求項2に記載の位置指示器。
  4. 前記時定数回路に所定の電圧が供給されて前記第1の時定数によって変化する電圧は電圧が低下するように変化するとともに、前記第1の基準電圧の電圧値に対して前記第2の基準電圧の電圧値が低く設定されていることを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  5. 前記時定数回路に所定の電圧が供給されて前記第1の時定数によって変化する電圧は電圧が上昇するように変化するとともに、前記第1の基準電圧の電圧値に対して前記第2の基準電圧の電圧値が高く設定されていることを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  6. 前記第1の時定数は、ペン先に加えられた圧力に対応して特性が連続的に変化する可変容量コンデンサ素子と第1の抵抗とによって設定され、前記第2の時定数は、前記可変容量コンデンサ素子と前記第1の抵抗よりも抵抗値が高い第2の抵抗とによって設定され、前記時定数設定手段によって前記第1の抵抗から前記第2の抵抗に切り替えることで、前記第1の時定数から前記第2の時定数に設定変更されることを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
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