JP5358834B2 - 位置指示器及び入力装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁誘導作用を利用した位置指示器及び位置指示器を備えて構成される入力装置に関し、特に、軸方向に対する回転角を検出できる位置指示器及び位置指示器を備えて構成される入力装置に関する。
近年、パーソナルコンピュータ等の入力デバイスとして電磁誘導作用を利用した入力装置が用いられている。この入力装置は、例えば、ペン型に形成された位置指示器と、この位置指示器を用いて、ポインティング操作や文字及び図等の入力を行う入力面を有する位置検出装置から構成されている。
このような入力装置には、ポインティング操作や文字等の入力だけでなく、持ち方や手のひねり具合などに基づいて、位置指示器の回転や傾きをデータとして入力できるものがある。
この種の入力装置としては、例えば、特許文献1に記載されているようなものがある。特許文献1に記載された位置指示器は、それぞれ円柱状に形成された2本の磁性体コアを有している。これら2つの磁性体コアは、両者の中間点がペン先に一致するように配置されている。
2本の磁性体コアのうちの一方の磁性体コアには、制御コイルが巻かれている。さらに、2本の磁性体コアには、両者を束ねるように送信コイルが巻かれている。この送信コイルは、コンデンサと共に共振回路を構成している。そして、制御コイルを開閉制御することにより、送信コイルを通過する磁束の分布を変化させ、回転角、傾斜角を検出するようになっている。
また、この種の入力装置の他の例としては、特許文献2に記載されているようなものがある。特許文献2に記載された位置指示器は、それぞれ直方体状に形成された2個の磁性体コアを有している。これら2個の磁性体コアは、ペン先を挟むように配置されており、両者を組み合わせたときの長手方向の中心線上にペン先が一致している。
各磁性体コアには、それぞれ制御コイルが横に巻かれている。さらに、2個の磁性体コアには、1本の送信コイルがこの2個の磁性体コアを束ねるように横に巻かれている。送信コイルの中心線と、ペン先の位置と、位置指示器の中心線と、束ねた2個の磁性体コアの長手方向の中心線とは、一致している。そして、タブレットは、制御コイルから発生する傾斜検出用信号を検出する検出回路と、その検出回路の検出内容に基づいて位置指示器の傾斜角度を判別する制御回路と、を備えている。
特開平8−30374号公報 特開平8−202489号公報
しかしながら、特許文献1に記載された位置指示器では、その軸心に直交する方向に2本の磁性体コアを並べて配置するため、位置指示器の外径が大型化するという問題があった。
さらに、2本の磁性体コアを並べて配置するため、棒状のペン先(芯体)を2本の磁性体コア間に通すことができなかった。したがって、筆圧を検出可能な構成にする場合には、ペン先を特殊な形状(例えば、折り曲げた形状)にしたり、筆圧を検出するためのスイッチとペン先との間にアダプタを設けたりしなければならなかった。
また、特許文献2に記載された位置指示器では、筆圧を検出可能な構成にすると、2個の磁性体コア間の間隙をペン先(芯体)の直径よりも長くする必要があった。そのため、磁性体コア間に所定の長さの間隙が生じ、磁性体コアの性能を低下させるという問題があった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、位置指示器の軸方向に対する回転を検出することができ、且つ、ペン先(芯体)を特殊な形状にすることなく筆圧を検出可能にすることを目的とする。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の位置指示器は、コア部材と、第1のコイルと、第2のコイルと、略棒状の芯体と、筆圧検出素子と、少なくとも一のコンデンサと、スイッチとを備える。コア部材は、第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの少なくとも一方の断面が略円弧状に形成され、それら第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの短手方向で対向されて組み合わされることにより筒孔が形成される筒状に形成される。第1のコイルは、コア部材に巻回され、第2のコイルは、第2の磁性体コアに巻回される。芯体は、コア部材の筒孔に挿入される。筆圧検出素子は、芯体の一端に加えられた圧力を検出する。コンデンサは、共振回路を構成するためのものであり、第1のコイルに接続されている。スイッチは、第2のコイルの導通制御を行う。
また、本発明の入力装置は、位置指示器と、位置検出装置とを備える。位置指示器は、コア部材と、第1のコイルと、第2のコイルと、略棒状の芯体と、筆圧検出素子と、少なくとも一のコンデンサと、スイッチとを備える。コア部材は、第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの少なくとも一方の断面が略円弧状に形成され、それら第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの短手方向で対向されて組み合わされることにより筒孔が形成される筒状に形成される。第1のコイルは、コア部材に巻回され、第2のコイルは、第2の磁性体コアに巻回される。芯体は、コア部材の筒孔に挿入される。筆圧検出素子は、芯体の一端に加えられた圧力を検出する。コンデンサは、共振回路を構成するためのものであり、第1のコイルに接続されている。スイッチは、第2のコイルの導通制御を行う。
位置検出装置は、位置指示器により位置を指示するための入力面と、座標入力回路と、回転角算出回路とを有している。座標入力回路は、位置指示器のコア部材から放射される磁界の分布により入力面上の座標を求める。回転角算出回路は、スイッチが導通したとき、及び導通しないときの2つの座標から位置指示器の入力面に対し垂直方向を軸とする回転角を算出する。
本発明によれば、位置指示器の軸方向に対する回転を検出することができ、且つ、芯体を棒状にしても筆圧を検出することができる。
本発明を適用した入力装置の実施の形態を示す斜視図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置の回路構成を模式的に示すブロック図である。 図1に示す位置指示器をA−A′線で断面して示す説明図である。 本発明を適用した位置指示器に係るコア部材の断面図である。 本発明を適用した位置指示器に係るコア部材の分解斜視図である。 本発明を適用した位置指示器の回路構成を模式的に示すブロック図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置の処理部による処理の流れを示すフローチャートである。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置のX軸全体スキャン動作における各部の波形の一例を示す図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置のY軸全体スキャン動作における各部の波形の一例を示す図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置のX軸部分スキャン動作及びY軸部分スキャン動作における各部の波形の一例を示す図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置の回転座標用の部分スキャン動作における各部の波形の一例を示す図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置により行われる座標補間の原理を示す説明図である。 本発明を適用した入力装置に係る位置検出装置の処理部により算出される回転角の説明図である。 図14(a)は本発明を適用した位置指示器に係るコア部材の第1の変形例を示す斜視図、図14(b)は本発明を適用した位置指示器に係るコア部材の第1の変形例を示す斜視図である。
以下、本発明の位置指示器及び入力装置を実施するための第1の実施の形態について、図1〜図14を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
また、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態の構成
2.第1の実施の形態の動作
3.変形例
〈1.第1の実施の形態の構成〉
[入力装置]
まず、本発明が適用される入力装置の概略構成について図1を参照して説明する。
本発明の実施の形態(以下、「本例」という。)である入力装置10は、位置検出装置1と、この位置検出装置1に情報を入力する位置指示器2とから構成されている。位置指示器2は、電磁誘導方式により位置検出装置1に対して位置を指示する。
[位置検出装置]
次に、位置検出装置の構成について説明する。
この位置検出装置1は、位置指示器2で指示した位置を検出する検出部4と、この検出部4を収納する筐体5とから構成されている。筐体5は、中空の薄い略直方体に形成されており、検出部4の入力面4aを露出させるための開口部6を有する上部筐体7と、この上部筐体7に重ね合わされる図示しない下部筐体を有している。
この位置検出装置1は、パーソナルコンピュータやPDA(Personal Digital Assistant)等の図示しない外部装置にケーブル8を介して電気的に接続されている。なお、特に図示して説明していないが、本発明に係る位置検出装置は、パーソナルコンピュータ等の外部装置と一体に構成してもよい。
位置検出装置1は、位置指示器2により検出部4の入力面4aに対してポインティング操作された位置を検出し、このポインティング操作された位置を位置情報として外部装置に送信する。その結果、送信された位置指示器2の位置情報に基づいて、外部装置にインストールされた各種ソフトウェアで絵を描いたり、文字を入力したりすることができる。
[位置検出装置の回路構成例]
次に、位置検出装置1の回路構成について、図2を参照して説明する。
位置検出装置1の検出部4(図1参照)には、X軸方向ループコイル群11aと、Y軸方向ループコイル群11bとを積層させて設けることにより、位置検出コイル11が形成されている。各ループコイル群11a,11bは、例えば、それぞれ40本の矩形のループコイルからなっている。各ループコイル群11a,11bを構成する各ループコイルは、等間隔に並んで順次重なり合うように配置されている。
また、位置検出装置1には、X軸方向ループコイル群11a及びY軸方向ループコイル群11bが接続される選択回路12が設けられている。この選択回路12は、2つのループコイル群11a,11bのうちの一のループコイルを順次選択する。
さらに、位置検出装置1には、発振器13と、電流ドライバ14と、切り替え接続回路15と、受信アンプ16と、検波器17と、低域フィルタ18と、S/H回路19と、A/D変換回路20と、同期検波器21と、低域フィルタ22と、S/H回路23と、A/D変換回路24と、処理部25とが設けられている。
発振器13は、周波数f0の交流信号を発生し、電流ドライバ14と同期検波器21に供給する発信器である。電流ドライバ14は、発振器13から供給された交流信号を電流に変換して切り替え接続回路15へ送出する。切り替え接続回路15は、選択回路12によって選択されたループコイルが、後述する処理部25からの制御により、接続される接続先(送信側端子T、受信側端子R)を切り替える。この接続先のうち、送信側端子Tには電流ドライバ14が、受信側端子Rには受信アンプ16がそれぞれ接続されている。
選択回路12に選択されたループコイルに発生する誘導電圧は、選択回路12及び切り替え接続回路15を介して受信アンプ16に送られる。受信アンプ16は、ループコイルから供給された誘導電圧を増幅し、検波器17及び同期検波器21へ送出する。
検波器17は、ループコイルに発生した誘導電圧、すなわち受信信号を検波し、低域フィルタ18へ送出する。低域フィルタ18は、前述した周波数f0より充分低い遮断周波数を有しており、検波器17の出力信号を直流信号に変換してS/H(Sample Hold)回路19へ送出する。S/H回路19は、低域フィルタ18の出力信号の所定のタイミング、具体的には受信期間中の所定のタイミングにおける電圧値を保持し、A/D(Analog to Digital)変換回路20へ送出する。A/D変換回路20は、S/H回路19の出力をアナログ・ディジタル変換し、処理部25に出力する。
一方、同期検波器21は、受信アンプ16の出力信号を発振器13からの交流信号で同期検波し、それらの間の位相差に応じたレベルの信号を低域フィルタ22に送出する。この低域フィルタ22は、周波数f0より充分低い遮断周波数を有しており、同期検波器21の出力信号を直流信号に変換してS/H(Sample Hold)回路23に送出する。このS/H回路23は、低域フィルタ22の出力信号の所定のタイミングにおける電圧値を保持し、A/D(Analog to Digital)変換回路24へ送出する。A/D変換回路24は、S/H回路23の出力をアナログ・ディジタル変換し、処理部25に出力する。
処理部25は、位置検出装置1の各部を制御する。すなわち、処理部25は、選択回路12におけるループコイルの選択、切り替え接続回路15の切り替え、S/H回路19、23のタイミングを制御する。処理部25は、A/D変換回路20、24からの入力信号に基づき、X軸方向ループコイル群11a及びY軸方向ループコイル群11bから一定の送信継続時間をもって電波を送信させる。
X軸方向ループコイル群11a及びY軸方向ループコイル群11bの各ループコイルには、位置指示器2から送信される電波によって誘導電圧が発生する。処理部25は、この各ループコイルに発生した誘導電圧の電圧値のレベルに基づいて位置指示器2のX軸方向及びY軸方向の指示位置の座標値と、入力面4aに直交する方向を軸とした位置指示器2の回転等を算出する。
[位置指示器]
次に、位置指示器2の概略構成について図3を参照して説明する。
位置指示器2は、位置検出装置1から送信される特定周波数の電磁波に対して共振する共振回路(図6参照)を有している。そして、位置指示器2は、この共振回路に発生した誘導電圧によって周波数f0の電磁波を位置検出装置1に発信し、位置検出装置1に対して位置を指示する。
位置指示器2は、外装部の一具体例を示すケース31と、芯体32と、コア部材34と、第1のコイル35と、第2のコイル36(図4を参照)と、筆圧検出回路の一具体例を示す可変容量コンデンサ37と、プリント基板38等から構成されている。なお、コア部材34と、第1のコイル35と、第2のコイル36は、本発明の回路部品を構成している。
ケース31は、位置指示器2の外装部として設けられており、例えば一方が閉じられた有底の円筒状に形成されている。このケース31は、軸方向に重ね合わせて組立結合される第1のケース41と第2のケース42とから構成されている。第1のケース41は、軸方向の一端側が略円錐状に形成されており、その先端に開口部41aを有している。また、第1のケース41の軸方向の他端は、開口している。この第1のケース41の内部には、芯体32、コア部材34及び可変容量コンデンサ37等が配置されている。
第2のケース42は、軸方向の一端が開口し、かつ他端が閉じられた円筒形に形成されている。第2のケース42の一端は、第1のケース41の他端に接着剤や固定ねじ等の固着手段によって固定されている。この第2のケース42の内部には、電子部品が実装されたプリント基板38が接着剤や固定ねじ等の固着手段によって固定されている。
芯体32は、棒状の部材からなり、軸方向の一端に形成された指示部32aと、指示部32aに連続する軸部32bとを有している。指示部32aは、略円錐状に形成されており、ペン先として機能する。この指示部32aは、第1のケース41の開口部41aを貫通してケース41の外側に突出する。
軸部32bは、コア部材34の後述する筒孔34a(図4参照)を貫通している。この軸部32bの指示部32aと反対側の端部には、可変容量コンデンサ37の後述する導電部材(図示せず)が設けられている。使用者が位置指示器2を使用して芯体32に筆圧が加えられると、その筆圧は、芯体32を介してこの導電部材に加えられる。
可変容量コンデンサ37は、外部から加えられた圧力に対応して容量値を変化させるコンデンサであり、容量値の変化によって芯体32に加わる筆圧を検出する。
なお、芯体32に筆圧が加えられていない場合は、導電部材の弾性力と、導電部材及び芯体32の重さによって移動し、導電部材が誘電体の他方の端面及び導電部から離れようになっている。
[コア部材]
次に、コア部材34と、第1のコイル35及び第2のコイル36について図4及び図5を参照して説明する。
この図4及び図5に示すように、コア部材34は、第1の磁性体コア44と、第2の磁性体コア45から構成されている。このコア部材34は、2つの磁性体コア44,45をケース31の軸方向と直交する方向に対向させて組み合わせることにより筒孔34aを有する円筒状に形成されている。2つの磁性体コア44,45は、ともに略同一の形状に形成されており、中心角が略180度の円弧状の部材として形成されている。なお、2つの磁性体コア44,45の材質としては、例えばフェライト材を用いるものが好ましい。
第1の磁性体コア44は、対向する2つの端面44a,44bと、円弧状に凸となる凸面44cと、円弧状に凹む凹部を形成する凹面44dと、2つの端面44a,44bにそれぞれ直交する2つの平面44e,44fとを有している。また、第2の磁性体コア45は、第1の磁性体コア44と同様に、2つの端面45a,45bと、円弧状に凸となる凸面45cと、円弧状に凹む凹部を形成する凹面45dと、2つの平面45e,45fを有している。
2つの磁性体コア44,45によりコア部材34を形成した状態において、第1の磁性体コア44の2つの平面44e,44fは、第2の磁性体コア45の2つの平面45e,45fにそれぞれ対向される。また、第1の磁性体コア44の凸面44cと第2の磁性体コア45の凸面45cは、コア部材34の外周面を形成する。そして、第1の磁性体コア44の凹面44dと第2の磁性体コア45の凹面45dは、コア部材34の筒孔34aを形成する。
第1のコイル35は、コア部材34の外周面に巻かれている。一方、第2のコイル36は、第2の磁性体コア45の外周面に巻かれている。この第2のコイル36は、第2の磁性体コア45の凹面45dに沿って湾曲するように巻かれる。そのため、芯体32の直径をコア部材34の筒孔34aの直径と略等しく設定しても、芯体32が第2のコイル36に干渉しない
第1のコイル35の端部と第2のコイル36の端部は、コア部材34の長手方向の一方の端部側に位置し、後述するコンデンサ52とスイッチ55(図6参照)にそれぞれ接続されている。
コア部材34を組み立てるには、まず、第2の磁性体コア45の外周面に第2のコイル36を巻く。そして、第1の磁性体コア44の平面44e,44fと第2の磁性体コア45の平面45e,45fをそれぞれ対向させる。このとき、平面44eと平面45eとの間にスペーサ47Aを介在させ、平面44fと平面45fとの間にスペーサ47Bを介在させる。
スペーサ47A,47Bは、第2のコイル36に流れる電流が第1の磁性体コア44に影響を及ぼすことを防止或いは軽減するために用いられる。そのため、スペーサ47A,47Bの材質は、非磁性材料であり、且つ絶縁体であればよい。これらスペーサ47A,47Bの材質には、例えば、ポリエチレンテレフタラート(PET)などの合成樹脂を適用することができる。また、スペーサ47A,47Bの厚みは、100〜500μm程度が好ましい。
次に、第1の磁性体コア44の凸面44cと第2の磁性体コア45の凸面45cに連続するように第1のコイル35を巻く。つまり、コア部材34の外周面に第1のコイル35を巻く。これにより、筒孔34aを有するコア部材34が組み立てられる。
[位置指示器の回路構成例]
次に、位置指示器2の回路構成について、図6を参照して説明する。
位置指示器2には、共振回路51が設けられている。この共振回路51は、第1のコイル35と、第1のコイル35に並列に接続されたコンデンサ52と、このコンデンサ52に並列に接続された可変容量コンデンサ37とから構成されている。この共振回路51には、スイッチ54を介してコンデンサ53が接続されている。
また、位置指示器2の第2のコイル36には、スイッチ55が接続されている。ここで、コンデンサ53は、スイッチ55が閉じた際の第1のコイル35のインダクタンスの低下を補うためのもので、その容量は、スイッチ55の制御にかかわらず共振回路51の共振周波数が一定(送信信号の周波数)となるように定められている。
共振回路51には、電源回路61、検波回路62、検波回路63がそれぞれ接続されている。検波回路62には、積分回路64が接続され、検波回路63は、積分回路65が接続されている。また、積分回路64には、コンパレータ66が接続され、積分回路65には、コンパレータ67が接続されている。
コンパレータ66は、その出力がラッチ回路68のデータ端子に接続され、コンパレータ67は、その出力がラッチ回路68のトリガ端子に接続されている。そして、ラッチ回路68には、上述したスイッチ54,55が接続されている。
電源回路61は、共振回路51で発生した誘導電圧から電源を抽出する。この電源回路61に蓄えられた電源は、位置指示器2の各回路に供給される。
検波回路62、積分回路64及びコンパレータ66は、ラッチ回路68のデータ端子に出力を供給する第1の経路57を形成している。検波回路62は、位置検出装置1による送信電磁波の送信及び送信停止の周期に対応したクロックを生成する。なお、積分回路64は、積分回路65よりも時定数が大きく設定されている。
コンパレータ66は、積分回路64の出力信号を所定の閾値電圧(例えば、電源電圧の50%)と比較し、デジタル信号に変換して出力する。なお、本例では、位置検出装置1による送信電磁波の送信時間が第1の所定時間(例えば、500μs)を超えると、コンパレータ66の出力が立ち上がるように積分回路64の時定数が決定されている。
一方、検波回路63、積分回路65及びコンパレータ67は、ラッチ回路68のトリガ端子に出力を供給する第2の経路58を形成している。検波回路63は、検波回路62と同様に、位置検出装置1による送信電磁波の送信及び送信停止の周期に対応したクロックを生成する。
コンパレータ67は、積分回路65の出力信号を所定の閾値電圧(例えば、電源電圧の50%)と比較し、デジタル信号に変換して出力する。なお、本例では、位置検出装置1による送信電磁波の送信時間が第1の所定時間よりも短い第2の所定時間(例えば、150μs)を超えると、コンパレータ67の出力が立ち上がるように積分回路65の時定数が決定されている。
〈2.第1の実施の形態の動作〉
[位置検出装置の動作]
次に、処理部25における処理の流れに沿った位置検出装置1の動作について、図7及び図8を参照して説明する。
図7は、位置検出装置1の処理部25における処理の流れを示す図、図8は、X軸方向ループコイル群11aの各ループコイルを順次走査したときの各部の波形を示す図である。
まず、処理部25は、位置検出装置1の検出部4の近くに位置指示器2が存在するか否かを検出するためにX軸方向ループコイル群11aの各ループコイルを順次走査・選択(以下、この順次走査・選択を全体スキャンと称する)する(ステップS1)。
ここで、この全体スキャン(X軸全体スキャン)について、図8を参照して具体的に説明する。なお、この全体スキャンを行うとき、位置指示器2のスイッチ54,55は、開かれている。
まず、処理部25は、選択回路12にX軸方向ループコイル群11aのうちの1番目のループコイル(例えば、ループコイルX)を選択する情報を送出すると共に、切り替え接続回路15に送信側端子Tを選択する信号を送出する。これにより、発振器13からループコイルXに周波数f0の正弦波信号が供給され、ループコイルXから周波数f0の送信電磁波(a)を発生させる。
処理部25が切り替え接続回路15に送信側端子Tを選択するような信号を一定時間送出すると、位置指示器2の共振回路51には、時間の経過と共に徐々に振幅が増加するような信号が発生する。次に、処理部25は、切り替え接続回路15に受信側端子Rを選択する信号を送出する。これにより、ループコイルXからの送信は停止するが、共振回路51の信号はすぐには消滅せずに時間をかけてゆっくり減衰してゆく。この間、ループコイルXには、共振回路51の信号レベルに応じた信号が誘導される。ループコイルXに発生した信号は、切り替え接続回路15を介して受信アンプ16に供給される。
処理部25が切り替え接続回路15に受信側端子Rを選択するような信号を一定時間送出すると、処理部25は、選択回路12にX軸方向ループコイル群11aのうちの2番目のループコイル(例えば、ループコイルX)を選択する。さらに、処理部25は、切り替え接続回路15を送信側端子Tに接続するような情報をそれぞれ送出する。次いで、処理部25は、切り替え接続回路15に受信側端子Rを選択する信号を送出することにより、ループコイルXに誘導される信号を前述と同様に受信する。
以下、処理部25は、同様にX軸方向ループコイル群11aのうちの3番目から40番目までのループコイル、例えばループコイルX〜X40が順次走査・選択を実行する。その結果、ループコイルX〜X40において、電波の送受信が行われる。このとき、位置検出装置1の入力面4aに位置指示器2が接近或いは接触していると、位置指示器2に近いループコイルXから発生した送信電磁波(a)が、第1のコイル35を有する共振回路51を励振する。その結果、共振回路51には、周波数f0の誘導電圧(b)が発生する。
なお、上述した例は、全てのループコイルを走査・選択する場合を例示した。しかしながら、このステップS1の処理は、処理部25がX軸方向ループコイル群11aの全てのループコイルを選択させることなく、選択するループコイルを1つ置き、2つ置き、というように適当に間引かせてもよい。また、一のループコイルに対する電磁波の送受信を複数回行うようにしてもよい。さらに、各ループコイルに対する送信時間、並びに各ループコイルに対する受信時間は等しいことが好ましいが、送信時間と受信時間は必ずしも同一でなくてもよい。
前述した受信期間中にX軸方向ループコイル群11aのループコイルに発生した誘導電圧、すなわち受信信号(m)は、検波器17で検波されて直流信号に変換され、低域フィルタ18で平滑化される。そして、S/H回路19によって所定のタイミングでホールドされてホールド出力(n)となり、A/D変換回路20によってデジタル値に変換され、このデジタル値が処理部25へ送出される。
ここで、S/H回路19の出力レベルは位置指示器2とループコイルとの間の距離に依存した値となる。そのため、処理部25は、A/D変換回路20が出力するデジタル値の最大値が予め設定した一定値以上であるか否かを判別し(ステップS2)、位置指示器2が位置検出装置1の有効読取り高さ内にあるか否かを判定する。
ステップS2の処理において、S/H回路19の出力レベルの最大値が予め設定した一定値以上ではない、つまり、位置指示器2が有効読取り高さ内にないと判定した場合(ステップS2の“No”)、処理部25は、処理をステップS1に戻す。
一方、位置指示器2が有効読取り高さ内にあると判定した場合(ステップS2の“Yes”)、処理部25は、各ループコイルX〜X40のうち最大値が得られたループコイル(以下、ピークコイルと称す。)を抽出し、その番号(本例では「X」)を記憶する(ステップS3)。
次に、処理部25は、Y軸方向ループコイル群11bの各ループコイルを順次走査・選(Y軸全体スキャン)し(ステップS4)、Y軸方向ループコイル群11bの各ループコイルにおける電磁波の送受信を行う。
図9は、Y軸全体スキャン動作における各部の波形の一例を示すものである。図9において、(a)、(b)、(m)、(n)に示す各信号は、図5の(a)、(b)、(m)、(n)に示す信号と同様の信号である。
次に、処理部25は、各ループコイルY〜Y40のうち最大値が得られたループコイル(以下、ピークコイルと称す。)を抽出し、その番号(本例では「Y」)を記憶する(ステップS5)。
次に、処理部25は、充電処理を行う(ステップS6)。この処理では、処理部25が選択回路12にループコイルXを選択させ、切り替え接続回路15に送信側端子Tを選択する信号を送出する。
図10は、図7における充電処理(ステップS6)からY軸部分スキャン(ステップS8)までの動作における各部の波形の一例を示すものである。
ステップS6の処理において、処理部25は、ループコイルXから位置指示器2に送信電磁波(a)を所定時間(本例では、T=300μs)送信する。これにより、位置指示器2の共振回路51に誘導電圧(b)が発生し、この誘導電圧(b)によって電源回路61が充電される。この誘導電圧(b)は、検波回路62,63にそれぞれ入力される。その結果、検波回路62からは検波出力(f)が出力され、検波回路63からは検波出力(c)が出力される。
検波出力(c)が出力されると、第2の経路58(図6参照)からは、積分出力(d)、及びコンパレータ出力(e)が出力される。しかし、送信電磁波(a)の送信時間が300μsであるため、第1の経路57(図6参照)からは、コンパレータ出力(h)は出力されない。このため、ラッチ回路68のラッチ出力(j)が出力されることは無く、スイッチ54,55は、開かれた状態を維持する。
送信時間が300μsの送信電磁波(a)の送信を終えてから所定の受信時間(本例では、R=100μs)経過後に、処理部25は、X軸部分スキャンを行う(ステップS7)。つまり、処理部25は、X軸方向ループコイル群11aのうちのピークコイルを中心として、そのピークコイルに隣接する所定の数のループコイル、例えば5つのループコイルについて電磁波の送受信を行う。
この電磁波の送受信において、位置検出装置1から位置指示器2へ電磁波を送信するとき、すなわち切り替え接続回路15で送信側端子Tを選択するときには、処理部25が常にピークコイル(本例では「ループコイルX」)を選択する。一方、位置指示器2が位置検出装置1からの電磁波を受信するとき、すなわち切り替え接続回路15で受信側端子Rを選択するときには、処理部25は、ループコイル(本例では5つ)を番号の小さい方から大きい方(又は大きい方から小さい方)へ順次走査・選択(部分スキャン)する。
このとき、送信電磁波(a)により位置指示器2の共振回路51が励振され、共振回路51に誘導電圧(b)が発生する。この誘導電圧(b)は、検波回路62,63にそれぞれ入力される。その結果、検波回路62から検波出力(f)が出力され、検波回路63から検波出力(c)が出力される。
検波出力(c)は、積分回路65で積分され、積分出力(d)として出力される。この積分出力(d)は、コンパレータ67で閾値電圧と比較される。また、検波出力(f)は、積分回路64で積分され、積分出力(g)として出力される。この積分出力(g)は、コンパレータ66で閾値電圧と比較される。
X軸部分スキャンでは、送信電磁波(a)の送信時間が100μsである。そのため、第1の経路57および第2の経路58(図6参照)からは、コンパレータ出力(h)及びコンパレータ出力(e)は出力されない。その結果、ラッチ回路68のラッチ出力(j)が出力されることは無く、スイッチ54,55は、開かれた状態を維持する。
スイッチ54,55が開かれた状態では、共振回路51に発生した誘導電圧(b)により交流磁界が発生し、2つの磁性体コア44,45には、均等に磁束が通る。したがって、このときに位置検出装置1で検出される位置指示器2の位置は、コア部材34の中心位置(軸心)になる。
以下、コア部材34の中心位置(軸心)の座標を中心座標X,Yと言う。
本例では、位置指示器2がループコイルX,Yを指示している。したがって、X軸部分スキャンでは、ループコイルXで電磁波を受信するときに最大受信電圧Vpを得る。そして、その前後のループコイルX、Xで電磁波を受信するときに受信電圧Va、Vbをそれぞれ得る。
X軸部分スキャンが終了すると、処理部25は、Y軸部分スキャンを行う(ステップS8)。つまり、処理部25は、Y軸方向ループコイル群11bのうちのピークコイルを中心とする所定の数、例えば5つのループコイルについて電磁波の送受信を行う。
この電磁波の送受信において、電磁波を送信するとき、すなわち切り替え接続回路15で送信側端子Tを選択するときには、処理部25が常にピークコイル(本例では「ループコイルY」)を選択する。一方、電磁波を受信するとき、すなわち切り替え接続回路15で受信側端子Rを選択するときには、処理部25は、ループコイル(本例では5つ)を番号の小さい方から大きい方(又は大きい方から小さい方)へ順次走査・選択(部分スキャン)する。
本例では、位置指示器2がループコイルX,Yを指示している。したがって、Y軸部分スキャンでは、ループコイルYで電磁波を受信するときに最大受信電圧V´pを得る。そして、その前後のループコイルY、Yで電磁波を受信するときに受信電圧V´a、V´bをそれぞれ得る。
Y軸部分スキャン動作が終了すると、処理部25は、ステップS7,S8の処理で検出された最大受信電圧Vp,V´pが予め設定した一定値以上か否かを判別する(ステップS9)。つまり、処理部25は、位置指示器2が位置検出装置1の有効読取り高さ内にあるか否かを判定する。
ステップS9の処理において、最大受信電圧Vp,V´pが予め設定した一定値以上ではない、つまり、位置指示器2が有効読取り高さ内にないと判定した場合(ステップS9の“No”)、処理部25は、処理をステップS1に戻す。
一方、位置指示器2が有効読取り高さ内にあると判定した場合(ステップS9の“Yes”)、処理部25は、回転座標用の部分スキャンを行う(ステップS10)。
図11は、回転座標用の部分スキャン動作における各部の波形の一例を示すものである。図11において、(a)〜(h)、(j)、(m)、(n)に示す各信号は、図10の(a)〜(h)、(j)、(m)、(n)に示す信号と同様の信号である。
回転座標用の部分スキャンでは、処理部25は選択回路12にループコイルXを選択させる情報を送出すると共に、切り替え接続回路15に送信側端子Tを選択する信号を送出する。そして、処理部25は、ループコイルXから位置指示器2に送信電磁波(a)を所定時間(本例では、T=700μs)送信する。この送信電磁波(a)により、位置指示器2の共振回路51が励磁されて誘導電圧(b)が発生する。この誘導電圧(b)によって電源回路61が充電される。また、この誘導電圧(b)は、検波回路62,63にそれぞれ入力される。その結果、検波回路62からは検波出力(f)が出力され、検波回路63からは検波出力(c)が出力される。
ここで、第2の経路58(図6参照)では、送信電磁波(a)の送信時間が100μsを越えると、コンパレータ67からラッチ回路68にコンパレータ出力(e)が出力される。回転座標用の部分スキャンでは、送信電磁波(a)の送信時間が700μsであるため、送信電磁波(a)の送信期間中(例えば、200μs経過後)にコンパレータ出力(e)が出力される。
つまり、検波出力(c)が積分回路65に供給されると、積分回路65からは所定の時定数で立ち上がる積分出力(d)が出力される。そして、この積分出力(d)は、コンパレータ67で閾値電圧と比較され、この閾値電圧を積分出力(d)の値が越えたときにコンパレータ67からコンパレータ出力(e)が出力される。
一方、第1の経路57(図6参照)では、送信電磁波(a)の送信時間が300μsを越えると、コンパレータ66からラッチ回路68にコンパレータ出力(h)が出力される。回転座標用の部分スキャンでは、送信電磁波(a)の送信時間が700μsであるため、送信電磁波(a)の送信期間中(例えば、400μs経過後)にコンパレータ出力(h)が出力される。
ラッチ回路68は、コンパレータ出力(e)の立ち下がりに応答して動作し、このときのコンパレータ出力(h)をラッチ出力(j)として出力する。このラッチ出力(j)が出力されると、スイッチ54,55が閉路される。
送信時間が700μsの送信電磁波(a)の送信を終えてから所定の受信時間(本例では、R=100μs)経過後に、処理部25は、ステップS7のX軸部分スキャンと同様のX軸部分スキャンを行う。つまり、処理部25は、X軸方向ループコイル群11aのうちのピークコイルを中心として、そのピークコイルに隣接する所定の数のループコイル、例えば5つのループコイルについて電磁波の送受信を行う。
スイッチ55が閉じた状態では、第2のコイル36には第2の磁性体コア45を通過する磁束の変化を打ち消すような起電力が発生する。この逆向きの起電力により、位置検出装置1からの電磁波による磁界は、この第2のコイル36の内側、すなわち第2の磁性体コア45側を通りづらくなる。したがって、コア部材34を通る磁束は、第1の磁性体コア44側に偏るので、このときに位置検出装置1で検出される位置指示器2の位置は、コア部材34の中心位置(軸心)に対して第1の磁性体コア44側に変位する。
なお、以下の説明においては、このコア部材34の中心位置に対して第1の磁性体コア44側に変位した位置に対応する座標を回転座標X,Yという。
本例の回転座標用のX軸部分スキャンでは、ループコイルXで電磁波を受信するときに最大受信電圧Vp1を得る。そして、その前後のループコイルX、Xで電磁波を受信するときに受信電圧Va、Vbをそれぞれ得る。
回転座標用のX軸部分スキャンが終了すると、処理部25は、ステップS8のY軸部分スキャンと同様の回転座標用のY軸部分スキャンを行う。つまり、処理部25は、Y軸方向ループコイル群11bのうちのピークコイルを中心とする所定の数、例えば5つのループコイルについて電磁波の送受信を行う。
本例の回転座標用のY軸部分スキャンでは、ループコイルYで電磁波を受信するときに最大受信電圧V´pを得る。そして、その前後のループコイルY、Yで電磁波を受信するときに受信電圧V´a、V´bをそれぞれ得る。
回転座標用の部分スキャンが終了すると、処理部25は、ステップS7,S8の処理で最大受信電圧Vp,V´pを検出したX軸方向のピークコイル及びY軸方向のピークコイルを抽出し、それぞれの番号を記憶する(ステップS11)。記憶されたループコイルの番号は、入力面4a上を移動する位置指示器2の軌跡を求めるために使用される。
次に、処理部25は、位置指示器2によって指示された位置の座標値および回転角度の演算を行う(ステップS12)。次に、処理部25は、送信電磁波(a)と、共振回路51から受信した電磁波の位相差に応じた信号のレベルから筆圧を検出する(ステップS13)。以下、位置指示器2が有効読取り高さ内にあり続ける限り、処理部25は、ステップS6〜S13の処理を繰り返し、有効読取り高さ内にないと判定した場合にステップS1の処理に復帰する。
[座標値の演算]
ここで、ステップS12の処理において行われる座標値の演算について説明する。座標値を求めるには、まず、コア部材34の中心位置(軸心)の座標である中心座標X,Yを算出する。
は、次式によって算出される。
Figure 0005358834
但し、Pは最大受信電圧Vpが得られたループコイルの中心位置、DはX軸方向ループコイルの中心位置間の距離を表す。
また、Yは、次式によって算出される。
Figure 0005358834
但し、Pは最大受信電圧V´pが得られたループコイルの中心位置、DはY軸方向ループコイルの中心位置間の距離を表す。
次に、最大受信電圧が得られたループコイルの中心位置と、このループコイルで検出された最大受信電圧、このループコイルの前後のループコイルで検出された受信電圧に基づいて、受信電圧の分布を2次曲線に近似させ、中心座標X,Yを補間する。その結果、位置指示器2によって指示された位置の座標値が決定される。
図12は、上述の座標補間の原理の説明図である。
図12において、X軸は、各コイルが並ぶ方向の距離を示し、Y軸は、受信電圧の値を示す。各コイルから検出された受信電圧の分布は、図12に示すような2次曲線に近似でき、Va,Vb,Vpは、3つのコイルから検出される受信電圧を示している。また、dは、コイル間の距離に相当する。
図12に示す2次曲線は、a,b,cを定数として次式により表される。
Figure 0005358834
この式から最大受信電圧が検出されたループコイルの中心座標の補正値bが求まる。
Figure 0005358834
[回転角の演算]
次に、ステップS12の処理において行われる回転角の演算について、図13を参照して説明する。
位置指示器2の回転角を求めるには、まず、中心座標X,Yと、回転座標X,Yを得る。中心座標X,Yの演算ついては、上述したため、説明を省略する。回転座標X,Yは、コア部材34の中心位置に対して第1の磁性体コア44側に変位した位置に対応する座標である。
は、次式によって算出される。
Figure 0005358834
但し、Pは最大受信電圧Vpが得られたループコイルの中心位置、DはX軸方向ループコイルの中心位置間の距離を表す。
また、Yは、次式によって算出される。
Figure 0005358834
但し、Pは最大受信電圧V´pが得られたループコイルの中心位置、DはY軸方向ループコイルの中心位置間の距離を表す。
次に、中心座標X,Yを原点として、入力面4a上のX軸およびY軸に平行なX・Y座標系を設定する。そして、Y軸の正方向を基準(θ=0)として、θの範囲を−180°<θ≦+180°に設定する。これにより、回転座標X,Yの角度θが、位置指示器2の回転角θとして決定される。
=Yであり、X>Xのとき、位置指示器2の回転角θは、90°になる(θ=90°)。
一方、Y=Yであり、X<Xのとき、位置指示器2の回転角θは、−90°になる(θ=−90°)。
>Yのとき、位置指示器2の回転角θは次式により算出される。
Figure 0005358834
<Yであり、X≧Xのとき、位置指示器2の回転角θは次式により算出される。
Figure 0005358834
<Yであり、X<Xのとき、位置指示器2の回転角θは次式により算出される。
Figure 0005358834
[実施形態の効果]
本実施の形態の位置指示器2及び入力装置10によれば、位置指示器2が筒孔34aを有する筒状のコア部材34を有している。このコア部材34は、第1の磁性体コア44と第2の磁性体コア45をケース31の軸方向と直交する方向に対向させて組み合わせることにより形成されている。したがって、棒状の芯体32を筒孔34aに貫通させ、その芯体32の端部で可変容量コンデンサ37の導電部材を移動させることができる。その結果、可変容量コンデンサ37の容量値を変化させて、筆圧を検出することができる。
本実施の形態の位置指示器2及び入力装置10によれば、位置指示器2が筒孔34aを有する筒状のコア部材34を有している。そのため、円柱状の2本の磁性体コアを並べて配置するよりも、位置指示器2の外装部を形成するケース31の外径を小型化することができる。
本実施の形態の位置指示器2及び入力装置10によれば、コア部材34の外周面に第1のコイル35が巻かれており、第2の磁性体コア45に第2のコイル36が巻かれている。そして、位置指示器2のラッチ回路68は、位置検出装置1による送信電磁波の送信時間に基づいて、第2のコイル36の短絡又は開放として制御する。
第2のコイル36が開放の場合に、位置検出装置1で検出される座標値は、コア部材34の中心位置(軸心)の座標を表している。一方、第2のコイル36が短絡の場合には、第2のコイル36が巻かれた第2の磁性体コア45に磁束が通り難くなり、第1の磁性体コア44に磁束が片寄る。そのため、位置検出装置1で検出される座標値は、コア部材34の中心位置(軸心)よりも第1の磁性体コア44側に変位する。したがって、コア部材34の中心位置(軸心)の座標値と、第1の磁性体コア44側に変位した座標値から位置指示器2の軸心に対する回転角を検出することができる。
本実施の形態の位置指示器2及び入力装置10によれば、第2のコイル36が、第2の磁性体コア45の凹面45dに沿って湾曲するように巻かれる。そのため、芯体32の直径をコア部材34の筒孔34aの直径と略等しく設定しても、芯体32が第2のコイル36に干渉する心配がない。また、第2のコイル36が第2の磁性体コア45に密着するため、第2の磁性体コア45を通過する磁束の量を増加させることができ、性能を向上させることができる。
本実施の形態の位置指示器2及び入力装置10によれば、第1の磁性体コア44と第2の磁性体コア45とを、コア部材34の軸心に対して対称な形状にした。そのため、コア部材34を形成するための磁性体コアの種類を1種類にすることができ、生産効率を向上させることができる。
〈3.変形例〉
本発明は、前述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態においては、筆圧検出回路として可変容量コンデンサ37を適用した。しかしながら、本発明に係る筆圧検出回路としては、圧力センサを用いて構成することもできる。その場合、位置指示器には、圧力センサによって検出された筆圧を筆圧情報に変換する演算処理部(CPUなど)を設ける。
本実施の形態の位置指示器2では、コア部材34を円筒状に形成した。しかしながら、本発明に係るコア部材としては、芯体32が貫通する筒孔を有する筒状に形成されていればよく、例えば、三角形や四角形などの角筒状に形成してもよい。
本実施の形態の位置指示器2では、コア部材34を形成する第1の磁性体コア44に凹面44dを設け、第2の磁性体コア45に凹面45dを設ける構成とした。しかしながら、本発明に係るコア部材としては、第1の磁性体コア又は第2の磁性体コアの何れか一方に凹面を設ける構成としてもよい。
図14(a)は、本発明に係るコア部材の第1の変形例を示す斜視図である。このコア部材34Aは、第1の磁性体コア44と、第2の磁性体コア71から構成されている。第2の磁性体コア71は、短手方向(長手方向に直交する方向)の断面が略半円形に形成されている。つまり、第2の磁性体コア71は、第1の磁性値コア44の凹面44d及び平面44e,44fに対向する平面71dを有している。
なお、第2の磁性体71のその他の面は、第2の磁性体45(図5参照)と同一に形成されている。そのため、第2の磁性体71のその他の面には、第2の磁性体45と同一の符号を付して説明を省略する。
コア部材34Aは、第1の磁性体コア44の凹面44eと第2の磁性体コア71の平面71dによって形成される略半円形の筒孔を有しており、この筒孔に芯体が挿入される。
図14(b)は、本発明に係るコア部材の第2の変形例を示す斜視図である。このコア部材34Bは、第1の磁性体コア72と、第2の磁性体コア45から構成されている。第1の磁性体コア72は、第2の磁性値コア45の凹面45d及び平面45e,45fに対向する平面72dを有している。
なお、第1の磁性体72のその他の面は、第1の磁性体44(図5参照)と同一に形成されている。そのため、第1の磁性体72のその他の面には、第2の磁性体45と同一の符号を付して説明を省略する。
コア部材34Bは、第1の磁性体コア72の平面72dと第2の磁性値コア45の凹面45dによって形成される略半円形の筒孔を有しており、この筒孔に芯体が挿入される。
1…位置検出装置、 2…位置指示器、 4…検出部、 4a…入力面、 5…筐体、 6…開口部、10…入力装置、 11…位置検出コイル、 11a…X軸方向ループコイル群、 11b…Y軸方向ループコイル群、 12…選択回路、 13…発振器、 14…電流ドライバ、 15…切り替え接続回路、 16…受信アンプ、 17…検波器、 18,22…低域フィルタ、 19,23…S/H回路、 20,24…A/D変換回路、21…同期検波器、 25…処理部、 31…ケース、 32…芯体、 32a…指示部、 32b…軸部、 34…コア部材、 34a…筒孔、 35…第1のコイル、 36…第2のコイル、 37…可変容量コンデンサ(筆圧検出回路)、 38…プリント基板、 44…第1の磁性体コア、 45…第2の磁性体コア、 47A,47B…スペーサ、 51…共振回路、52…コンデンサ、 54,55…スイッチ、 57…第1の経路、 58…第2の経路、 61…電源回路、 62,63…検波回路、 64,65…積分回路、 66,67…コンパレータ、 68…ラッチ回路

Claims (10)

  1. 第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの少なくとも一方の断面が略円弧状に形成され、該第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの短手方向で対向されて組み合わされることにより形成されるコア部材と、
    該コア部材に巻回される第1のコイルと、
    前記第2の磁性体コアに巻回される第2のコイルと、
    前記コア部材の筒孔に挿入される略棒状の芯体と、
    該芯体の一端に加えられた圧力を検出する筆圧検出素子と、
    共振回路を構成するための前記第1のコイルに接続された少なくとも一のコンデンサと、前記第2のコイルの導通制御を行うスイッチとを備え、
    前記コア部材には、前記第1及び第2の磁性体コアの間に前記筒孔が形成されるとともに、更に前記コア部材は筒状に形成されることを特徴とする位置指示器。
  2. 前記第1の磁性体コア又は第2の磁性体コアの少なくともいずれか一方に、前記第1の磁性体コア又は前記第2の磁性体コアの軸方向に延在して形成される凹部を設けて前記筒孔を形成した請求項1記載の位置指示器。
  3. 前記凹部を前記第1の磁性体コア及び前記第2の磁性体コアの双方に設け、前記第1の磁性体コアの凹部と前記第2の磁性体コアの凹部とを対向させて前記コア部材を形成した請求項2に記載の位置指示器。
  4. 前記第2のコイルは、前記第2の磁性体コアの凹部に沿って巻回される請求項に記載の位置指示器。
  5. 前記コア部材は、略円筒状に形成される請求項に記載の位置指示器。
  6. 前記第1のコイルの端部と前記第2のコイルの端部は、前記コア部材の長手方向の一方の端部側に位置するように前記第1のコイル及び前記第2のコイルを巻回した請求項に記載の位置指示器。
  7. 前記第1の磁性体コア及び前記第2の磁性体コアは、スペーサを介して前記第1の磁性体コア及び前記第2の磁性体コアの短手方向で対向されて組み合わされる、請求項1に記載の位置指示器。
  8. 前記スペーサは、非絶縁部材からなる請求項7に記載の位置指示器。
  9. 前記スペーサは、さらに絶縁性を有する請求項7に記載の位置指示器。
  10. 第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの少なくとも一方の断面が略円弧状に形成され、該第1の磁性体コア及び第2の磁性体コアの短手方向で対向されて組み合わされることにより筒孔が形成される筒状のコア部材と、該コア部材に巻回される第1のコイルと、前記第2の磁性体コアに巻回される第2のコイルと、前記コア部材の前記筒孔に挿入される略棒状の芯体と、該芯体の一端に加えられた圧力を検出する筆圧検出素子と、共振回路を構成するための前記第1のコイルに接続された少なくとも一のコンデンサと、前記第2のコイルを導通制御するスイッチと、を有する位置指示器と、
    該位置指示器により位置を指示するための入力面と、該位置指示器の前記コア部材から放射される磁界の分布により前記入力面上の座標を求める座標入力回路と、前記スイッチが導通したとき、及び導通しないときの2つの座標から前記位置指示器の前記入力面に対し垂直方向を軸とする回転角を算出する回転角算出回路と、を有する位置検出装置と、を備える入力装置。
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