JP6215672B2

JP6215672B2 - 静電方式スタイラスペン

Info

Publication number: JP6215672B2
Application number: JP2013244822A
Authority: JP
Inventors: 勇次桂平
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: KR102270404B1; EP2879023A1; US9304615B2; EP2879023B1; JP2015103143A; TW201531889A; US20150145836A1; TWI637292B; KR20150061576A; CN104679292A; CN104679292B

Description

本発明は、静電方式によりタブレット（位置検出装置）上の指示位置を検出する位置指示器（静電方式スタイラスペン）の改良に関するものである。

この出願に先立ち、本出願人は、特許文献１（特開２００７−１６４３５６号公報）において、位置指示部にコイルを設けてタブレットとの電磁誘導により座標位置を求める位置指示器について提案している。また、本出願人は、上記特許文献１（以下、先願という）において、位置指示部に電極（特許文献１では導体芯）を設けてタブレットとの静電結合により指示位置を求める位置指示器についても開示している。

そして、先願の位置指示器においては、位置指示器内部で検出される筆圧をデジタル情報に変換するとともに、送信信号をＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調することによってデジタル情報の筆圧情報を送信するようにしている。このため、先願によれば、ノイズなどの外界の影響を受けることなく筆圧を安定に検出して送信することができる位置指示器を提供することができる。

先願ではさらに、電気二重層キャパシタを電源として用いるとともに、その電源を効率良く用いることにより一回の充電で長時間使用することができる位置指示器について提案している。

また、静電方式を用いた他の位置指示器が、特許文献２（特開平０７−２９５７２２号公報）や、特許文献３（特開平０６−２５０７７２号公報）などに開示されている。

上述したこれらの静電方式を用いた位置指示器は、それを検出するタブレットに設けるセンサーをタッチパネルと兼用することができるという特徴がある。

特開２００７−１６４３５６号号公報特開平０７−２９５７２２号公報特開平０６−２５０７７２号公報

静電方式による位置検出は、上述したようにセンサーをタッチパネルと兼用できるが、電磁誘導方式と比べてノイズの影響を受けやすいという問題がある。このノイズの問題を軽減するためには、静電方式の位置指示器が出力する送信電圧を高くすることが有効な手段となる。

また、筆圧などの情報により送信信号を変調するためには、前述したような高電圧の信号を制御しなければならず、そのためには、位置指示器は、高電圧の電源を設けなければならない。

この種の位置指示器では操作性を良くするために、電源として搭載する電池またはキャパシタの容量や電圧は限られたものとなっている。しかし、前述したように送信電圧を高くするためには、ＤＣＤＣコンバータなどを設けて電源電圧を昇圧しなければならず、位置指示器は、消費電力が増え、１回の充電により動作可能な時間が短くなるという問題がある。

本発明は、前述した問題に対して解決案を提示するもので、軽量かつ小型の電池またはキャパシタを電源として備える静電方式スタイラスペンにおいて、前記電源の電圧よりも大きい振幅の信号を送信することができるとともに前記送信信号を筆圧などの情報に応じて変調することができるようにして、指示位置および筆圧などの情報をタブレットで正確かつ安定に求めることができる静電方式スタイラスペンを提供することを目的とする。

本発明は、さらに、軽量かつ小型の電池またはキャパシタを電源として備える静電方式スタイラスペンにおいて、低消費電力とすることで、充電や電池交換を頻繁に行う必要の無い静電方式スタイラスペンを提供することを目的とする。

本発明では、前記目的を達成するため、タブレットとの容量結合によって指示位置を入力する静電方式スタイラスペンに関して以下のような構成を有する。

位置指示部に設けた電極と、前記電極から送信する信号の周波数と同一周波数の信号を生成させる信号発生回路と、前記信号発生回路により生成した信号を昇圧するための磁性体に一次巻線と二次巻線とを巻いてなるトランスと、前記トランスの二次巻線の一端と前記電極との接続をオン状態またはオフ状態に制御するためのアナログスイッチと、前記トランスの二次巻線に誘導される起電力より前記アナログスイッチに供給する電源を抽出する電源抽出回路と、前記トランスの二次巻線の他端に接続して該他端を交流的に固定電位とするために挿入するキャパシタと、を備える。

また、前記アナログスイッチを２進コードで表される情報に応じて制御することにより前記情報をＡＳＫ変調にて送信する。

また、前記２進コードで表される情報には筆圧情報が含まれる。

また、前記信号発生回路は前記トランスの一次巻線をその構成要素とするＬＣ発振回路により構成される。

本発明によれば、信号発生回路より生成される交流信号の振幅をトランスによって昇圧するとともに、昇圧された信号をアナログスイッチを経由して位置指示部に設けた電極に供給し、トランスの二次巻線の他端にキャパシタを接続することにより交流的に固定電位とし、さらに該二次巻線の一端から電源を抽出してアナログスイッチの電源として供給するようにしたので、二次巻線側の信号の振幅を低下させることなく電極での接続をオン状態またはオフ状態に制御することができるので、指示位置をタブレットで安定に求めることができる。

また、本発明によれば、ＡＳＫ変調により筆圧などの情報をデジタルで送信するのでノイズの影響を受け難く、筆圧などの情報をタブレットで正確に求めることができる。

また、本発明によれば、電源電圧を昇圧したりすることなく大振幅の信号を制御することができるので消費電力を少なくすることができ、軽量かつ小型の電池またはキャパシタによる電源であっても長時間の動作をさせることができる。

さらに、本発明によれば、信号発生回路としてトランスの一次巻線をその構成要素とするＬＣ発振回路により構成したので、消費電力の少ない信号生成を行うことができ、軽量かつ小型の電池またはキャパシタによる電源であっても長時間の動作をさせることができる。

本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態の内部構造例を示す図である。本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態の回路構成例を示す図である。本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態の要部の説明のために用いる図である。本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態の動作を説明するために用いる図である。

以下、本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態を、図を参照しながら説明する。図１は本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態の内部構造例を示した図である。図２は本発明による静電方式スタイラスペンの実施形態の回路構成図の一例である。図１と図２について、同一構成要素は同一符号で示す。

１０は図２の回路を構成する回路素子やＩＣなどが配置されるプリント基板、１１はペン芯、１２は筆圧に応じて容量が変化する可変容量キャパシタ、１３はペン芯１１の内部に設けられた電極、１４はプリント基板１０に配置されている回路と電極１３との接続線である。

可変容量キャパシタ１２は、例えば、特開２０１１−１８６８０３号公報に開示されている、芯体（ペン芯）に印加される筆圧に応じて静電容量が変化する可変容量コンデンサが用いられものであり、この明細書では、この可変容量キャパシタの構成については、その説明は省略する。

ペン芯１１は、可変容量キャパシタ１２に筆圧を伝達する状態で物理的に結合されるとともに、その結合部で電極１３は接続線１４と電気的に接続されている。即ち、ペン芯１１に加えられた圧力は可変容量キャパシタ１３に伝達されるとともに、送信信号は接続線１４を経由して電極１３より送信される。

１５は電池、１６は発振回路、１７はアナログスイッチ、１８はダイオード、１９はキャパシタ、２０はトランスである。アナログスイッチ１７は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体デバイスで構成されている。トランス２０には一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とが設けられ、一次巻線Ｌ１は共振回路を構成するとともに発振回路１６に含まれている。

２３は中空円筒形状のシールド電極で、ペン芯１１の、電極１３の先端部を除いた外周を囲むように配置され、シールド電極２３は図２の回路中の固定電位、たとえば電池１５のマイナス端に接続されている。

電池１５の電圧を例えば１．５Ｖすると、発振回路１６により生成される信号は一次巻線Ｌ１の両端電圧として、高くても電池電圧の２倍、即ち３Ｖ程度の振幅しか得ることができない。一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との巻数比をたとえば３倍とすることにより、二次巻線Ｌ２の両端には一次巻線Ｌ１の電圧の３倍として９Ｖの振幅の信号が生成される。

二次巻線Ｌ２の一端は、アナログスイッチ１７を介して電極１３に接続されているとともに、ダイオード１８のアノード側に接続されており、二次巻線Ｌ２の一端に発生する電圧より電源を抽出してキャパシタ２１に蓄える。キャパシタ２１はアナログスイッチ１７のプラス側の電源端子ＶＣＣに接続されており、これにより、アナログスイッチ１７に電源が供給される。

上述しただけの構成では、ダイオード１８は二次巻線Ｌ２に発生する交流電圧の正の半サイクルしか整流することができないため、４．５Ｖの電源しか抽出することができない。そのため、この実施形態では、二次巻線Ｌ２の他端とアナログスイッチ１７のマイナス側電源端子ＶＳＳとの間にキャパシタ１９を挿入するとともに、アナログスイッチ１７のマイナス側電源端子ＶＳＳを基準電位端ＧＮＤ（電池１５のマイナス端）に接続する。このことにより、定常状態では二次巻線Ｌ２の振幅９Ｖに対してキャパシタ１９は約４．５Ｖに充電される。このため、二次巻線Ｌ２の一端に発生する電圧はピークで９Ｖに達するため、キャパシタ２１には約９Ｖの電源が抽出される。

図３は、この実施形態の発振回路１６が起動してからキャパシタ１９の電圧が定常状態となるまでの、図２におけるａ点、ｂ点、ｃ点の電圧変化の様子を示した図である。

２２は所定のプログラムによって動作するマイクロプロセッサである。マイクロプロセッサ２２は、後述するように、端子Ｐ２を所定のプログラムに基づきハイレベル出力または入力状態とすることにより可変容量キャパシタ１２を充放電して、ペン芯１１に加えられる筆圧値をデジタル値として求める。

トランス２０の二次巻線Ｌ２の一端（ａ）に発生する交流信号は、アナログスイッチ１７によってＡＳＫ変調されて、その出力信号（ｄ）は接続線１４を経由して電極１３に供給される。

図４は本実施例の動作を示した図で、図２におけるｅ点、ｆ点、ｄ点の信号の変化の様子を示している。マイクロプロセッサ２２は、Ｐ１端子（ｅ点）が一定期間ハイレベルを維持するように制御する（図４のｅ点の信号参照）。これによって電極１３からは一定期間連続して信号を放射する（図４のｄ点の信号及び連続送信期間参照）。

この連続送信期間中に、マイクロプロセッサ２２は端子Ｐ２を制御して可変容量キャパシタ１２に加えられた筆圧を求める。即ち、マイクロプロセッサ２２は端子Ｐ２をハイレベル出力とすることにより可変容量キャパシタ１２を充電する。次いで、端子Ｐ２を入力状態に切替える。このとき、可変容量キャパシタ１２に蓄えられた電荷はこれと並列に接続した抵抗によって放電されるため、可変容量キャパシタ１２の電圧（図４のｆ点の信号参照）は徐々に低下する。端子Ｐ２を入力状態に切替えてからｆ点の電圧がしきい値以下に低下するまでの時間Tp（図４参照）を求める。この時間Tpが求める筆圧に相当するものであり、この実施形態ではマイクロプロセッサ２２は、この筆圧を１０ビットの値として求める。

この連続送信期間を終了すると、マイクロプロセッサ２２は、所定の周期Td（図４のｅ点の信号参照）で端子Ｐ１をハイまたはロウレベルに制御することによりＡＳＫ変調を行う。このとき初回は必ずハイレベルとする（図４のスタート信号参照）。これは、以降のデータ送出タイミングをタブレット側で正確に判定することができるようにするためである。

マイクロプロセッサ２２は、このスタート信号に続いて、前述した動作により求めた１０ビットの筆圧データを順次送信する。即ち、マイクロプロセッサ２２は、送信データが０のときは端子Ｐ１をロウレベルとして、送信データが１のときは端子Ｐ１をハイレベルとして制御する（図４の筆圧データ送信期間参照）。図４では、送信する筆圧が「１０１０１１１０１０」の場合について示している。

本実施形態では図４の動作が繰り返し行われる。

［実施形態の変形例］
上述の実施形態では、トランス２０の巻数比を３倍として２次側に９Ｖの振幅の信号が生成される例を示したが、トランス２０の巻数比を上げてさらに高電圧の振幅を生成するようにしても良いし、巻数比をもう少し下げても良い。

上述の実施形態では電源として１．５Ｖの電池を用いたが、他の電圧の電池としても良いし、充電可能な２次電池を用いても良い。また、電源として電気二重層キャパシタを用いても良い。

上述の実施形態では電池の電圧をそのまま回路の電源として用いているが、他の電圧に変換することにより電圧を安定化させて用いても良い。

上述の実施形態ではトランス２０の二次巻線の一端をダイオード１８のアノード側に接続することにより正方向の電源として抽出したが、ダイオードの向きを変えて負方向の電源として抽出してアナログスイッチ１７のマイナス側電源端子に供給するようにしても良い。

上述の実施形態ではＡＳＫ変調により送信する情報を筆圧のみとしたが、それ以外の情報、例えばスイッチ情報やペン固有のＩＤコードなどを送信しても良い。

１１：ペン芯
１２：可変容量キャパシタ
１３：電極
１４：接続線
１５：電池
１６：発振回路
１７：アナログスイッチ
１８：ダイオード
１９、２１：キャパシタ
２０：トランス
２２：マイクロプロセッサ
２３：シールド電極

Claims

タブレットとの容量結合によって指示位置を入力する静電方式スタイラスペンにおいて、
位置指示部に設けた電極と、
前記電極から送信する信号の周波数と同一周波数の信号を生成させる信号発生回路と、
前記信号発生回路により生成した信号を昇圧するための、磁性体に一次巻線と二次巻線とを巻いてなるトランスと、
前記トランスの二次巻線の一端と前記電極との接続をオン状態またはオフ状態に制御するためのアナログスイッチと、
前記トランスの二次巻線に誘導される起電力より前記アナログスイッチに供給する電源を抽出する電源抽出回路と、
前記トランスの二次巻線の他端に接続して該他端を交流的に固定電位とするために挿入するキャパシタと、
を設けたことを特徴とする静電方式スタイラスペン。
２進コードで表される情報に応じて前記アナログスイッチをオンまたはオフ状態に制御することにより前記情報をＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調にて送信する
ことを特徴とする請求項１に記載の静電方式スタイラスペン。
前記２進コードで表される情報が筆圧情報を含むことを特徴とする請求項２に記載の静電方式スタイラスペン。
前記信号発生回路が、前記トランスの一次巻線をその構成要素とするＬＣ発振回路により構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電方式スタイラスペン。