JP6295651B2

JP6295651B2 - 有線接続された座標指示ペンを使用した静電容量結合型座標検出装置

Info

Publication number: JP6295651B2
Application number: JP2013267934A
Authority: JP
Inventors: 弘志小林
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: JP2015125500A

Description

本発明は、タブレットに１００ＫＨｚ以上のＡＣ信号を印加し、有線のケーブルで接続された座標指示ペンで信号を検出する方式を使用した静電容量結合型座標検出裝置に関する。

長方形の面抵抗体を使用した全面アナログ方式の二次元座標検出装置において、特に面抵抗体にＡＣ信号発生器によりＡＣ電位勾配を与え、座標指示ペンで信号を検出する対角方式の静電容量結合型の座標検出裝置については、特開２００１−４３００２号が知られている。その概要について、図１を用いて説明する。図１に開示されているものは、対角方式の静電容量結合型座標検出装置の一例を示す構成概要図である。

タブレット部１は長方形の板で形成され、透明または不透明な絶縁基板、または、ガラス基板４の上面に均一な面抵抗体２が成膜されている。面抵抗体２は不透明なカーボン膜または透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜、ＮＥＳＡ（酸化錫）膜等であり、面抵抗値は単位面積当たり１５０〜１ｋΩである。面抵抗体２を取り囲む抵抗性周囲電極３を配設し、その４頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）にそれぞれ引き出し線８が接続されている。抵抗性周囲電極３は、カーボンまたは銀カーボン等による均一な線状抵抗電極であり、抵抗性周囲電極３の抵抗値は面抵抗体２の抵抗値に比べて低い方がよく、面抵抗体２の面抵抗値を単位面積当たり１５０〜１ＫΩ程度とした場合は、抵抗性周囲電極３の隣り合う頂点間の抵抗値を面抵抗値より１／５以上小さく、３０〜２００Ω程度にするのが好ましい。

有効座標検出エリアは抵抗性周囲電極３の内側全域である。座標指示ペン６の先端は面抵抗体２に直接接触する必要がないので、面抵抗体２の表面は保護ガラス（図示せず）等の絶縁層で覆われている。

次に面抵抗体２にＡＣ電位勾配を与える方法について説明する。スイッチ９ａ〜スイッチ９ｄのＯＮ／ＯＦＦ状態の組み合わせにより、ＡＣ信号発生器１０より抵抗性周囲電極の各頂点である９ａ〜９ｄ点に印加される。９ａ−９ｃ間に印加（駆動）する時は９ｂ及び９ｄ点をＯＦＦとし、９ｂ−９ｄ間に印加する時は９ａ及び９ｃ点をＯＦＦとする。

面抵抗体２において、座標指示ペン６の先端にある検出軸に近い位置のＡＣ信号レベルは、静電容量結合５を介して座標指示ペン６に伝わり、更にペンケーブル７を介して制御基板１４に伝わる。制御基板１４内には、バンドパスフィルターを含むアナログ信号処理部１１、Ａ／Ｄコンバータ１２、プロセッサ（ＣＰＵ）１３等があり、Ａ／Ｄコンバータ１２でデジタル化し、プロセッサ（ＣＰＵ）１３が座標を計算し出力する。

座標算出方法については、特開２００１−４３００２号に開示されている通りであり、各計測レベルの比に基づいているために、静電容量が大きく変わっても、ＡＣ信号発生器１０の出力レベルが個々にばらついていても、また、アナログ信号処理部１１のゲインがばらついていても、座標指示ペン６先端でのタブレット部上の座標が高精度に検出される。

座標指示ペン６で検出した信号を増幅するにあたり、静電容量結合方式座標入力装置において、静電容量結合５の大きさは数ｐＦ（ピコ・ファラッド）以下という小容量なため、ＡＣ結合によるペンでの受信信号はどうしても程度の差はあれ微分された波形に近く、信号源波形とは異なった波形であり、その信号より算出する座標の精度に少なからぬ影響を与えていた。前述した課題の解決策として座標指示ペン６内のアナログ信号処理回路であって、フィードバック・コンデンサを接続した任意の増幅度のリニア・インバータにより、前記静電容量結合部を流れる微分信号電流を、前記静電容量結合と前記フィードバック・コンデンサの両方の容量を作用させて積分し、前記電極を駆動する電圧信号波形と相似であり信号極性が反転した電圧信号波形を出力する方法が開示されている。（特許第３２７１２３０号）

静電容量結合型座標入力装置に設けられている座標指示ペン６は、シールド効果を良くする為に、座標指示ペン６内にあるペン回路グランドに座標指示ペンのシールドケース導体を直接、接続した構造を採用していた。
上記シールドケース導体が０．０５μＦ（マイクロファラッド）以下のコンデンサ５０ＫΩ以上の抵抗を介して回路グランドに接続される方法も開示されている。（特許第３８６４５１２号）

座標指示ペン６内で受信されたアナログ信号は有線ケーブル７の信号ラインを介して、制御回路１４に接続されアナログ信号をデジタル処理して数値化し座標検出をする。前述した有線ケーブル７には信号ラインの他にペン内部回路のための電源供給ラインとグランドラインが接続されている。また、必要ならば座標指示ペン６がタブレット１に当接されたことを知らせるスイッチラインも含まれる。

座標指示ペン６からのノイズの侵入経路を図１、図２により説明する。ノイズ侵入経路は第１に検出軸２１が考えられる。しかしながら、通常の使い方として、操作者がタブレット１に座標指示ペン６を当接する場合、タブレット１からのＡＣ信号が大きく、逆にノイズはタブレット１によりブロックされる。さらに、制御基板１４にはバンドパスフィルター１１がありタブレット１からのＡＣ信号の周波数近傍以外はブロックされる。例えば、一般的なノイズ元であるＡＣ電源のノイズ周波数は５０または６０Ｈｚであり、タブレットのＡＣ信号と周波数が離れているので、バンドパスフィルター１１の機能により検出した信号ライン２７にノイズが混入しても、ブロックされ座標検出精度にあまり影響しない。

第２のノイズ侵入経路は、操作者が座標検出ペンのシールドケース２３を持ち、タブレット上に他方の手や体の一部を置いたときに、タブレットからのＡＣ信号は操作者の人体を介してシールドケース２３に伝わる場合である。前述した伝導ノイズはシールドケース２３により、ある程度はブロックできるが、侵入したノイズは制御基板１４内にあるバンドパスフィルター１１も同じ通過周波数のノイズなのでフィルター効果がなくなり、検出精度が悪くなっていた。

シールドケース２３からの侵入ノイズを詳細に説明すると、シールドケース２３はペン回路グランド２５に接続されており、ペングランドケーブル２６を介して制御回路１４に接続されているがペングランドケーブル２３には直流抵抗成分とインダクタンスωＬがあり、合成インピーダンスが存在する。つまり、制御基板１４から見たペングランドは正確には同電位ではない、さらにはペン電源ケーブル２４も同様に合成インピーダンスが存在する。つまり、ペン回路内の電流ループにはケーブルによる合成インピーダンスがあり、基準となるグランドがペン回路２２と制御基板１４でノイズによる電位差が生まれ、シールドケース２３からの侵入ノイズを避けることが困難となっていた。

有線ケーブルの直流抵抗成分を少なくするための対策としては、ペングランドケーブルとペン電源ケーブルの線材を太くすれば良いが、重くなり座標指示ペンの操作性が悪くなる。別の方法として、信号線を囲う構成のシールドケーブルが考えられるが、ペン電源ケーブルの合成インピーダンスを下げることができない。さらに、上述した方法ではいずれの場合もインダクタンスωＬ成分をなくすことはできないため、その効果は十分ではなかった。

特許第３２７１２３０号公報。特許第３８６４５１２号公報。

タブレットに通常は１００ＫＨｚ以上のＡＣ信号を印加し、ケーブルで接続された座標指示ペンで信号を検出する方式を使用した静電容量結合型座標検出裝置において、ケーブルの合成インピーダンスにより座標指示ペンのシールドケースからノイズが侵入して、座標検出精度に悪い影響を与えていた。

本発明は従来の問題に鑑みなされたもので、タブレットにＡＣ信号を印加し、少なくともペン電源ケーブルとペングランドケーブルとからなるペンケーブルで接続された座標指示ペンで信号を検出する静電容量結合型座標検出装置において、前記座標指示ペンの電源とペン回路グランド間に、前記ペンケーブルのインダクタンス成分ωＬに応じて０．０１μＦ〜１μＦのコンデンサを挿入し直列共振回路を形成したことを特徴とする有線接続された座標指示ペンを使用した静電容量結合型座標検出装置を提案するものである。

本発明によれば、座標指示ペンに接続されているペンケーブルのインダクタンス成分と直列共振する調整コンデンサを座標指示ペン側の電源とペン回路グランド間に挿入することで、ペンケーブルの合成インピーダンスを最小にし、座標ズレを少なくすることができる。

静電容量結合型の座標検出装置の一例を示す説明図。本発明による静電容量結合型の座標指示ペンの実施の形態を示す説明図。本発明によるノイズ元を含めた要部等価回路。

以下、本発明の詳細を添付図面に従って説明する。図２は座標指示ペンのペン電源とペングランド間に意図された値に調整されたコンデンサを搭載した本願発明の実施例である。また、図３は本発明の等価回路である。
以下、本発明の詳細を添付図面に従って説明する。図１は、対角方式の静電容量型の座標検出装置の構成概要図である。その動作においては前述のとおりなので、ここでの説明は省略する。図２は座標指示ペン６の内部の概略図である。
タブレット部１からのＡＣ信号を静電容量結合５を介して検出軸２１に伝わり、ペン内部にあるアナログ信号処理回路２２（以降ペン回路と呼ぶ）にて増幅・成型される。増幅・成型された信号は有線ケーブル２８にあるペン信号ライン２７を介して制御基板１４にあるバンドパスフィルターを含むアナログ信号処理部１１に接続される。
シールドケース導体２３は外来ノイズの侵入を防ぐために、通常はペン回路２２のペン回路グランド２５に接続されている。

ペン回路２２のペン電源３０は制御基板１４からの供給を受けるためペン電源ケーブル２４を介して電源供給を受ける。また、ペン電源３０のリターンとしてペン回路グランド２５はペングランドゲーブル２６を介して制御基板１４に接続される。調整用コンデンサ２８はペン電源３０とペン回路グランド２５に挿入されている。

本発明ではペンケーブルのインダクタンス成分ωＬに着目し、直列共振回路を構成するために調整コンデンサ２８をペン電源３０とペン回路グランド２５間に挿入することでタブレット部１からのＡＣ信号の周波数に対して合成インピーダンスを最大限に下げるようにした。

図３は静電容量型座標検出装置（図１）においてタブレット部１が発生する周波数に近いノイズが座標指示ペン６にあるシールドケース２３に伝わる場合の本発明の等価回路である。

符号３３はノイズ信号源でありタブレット部１が発生する周波数に近い周波数でシールドケース２３に印可される。また、符号３１はペン回路負荷、３６は制御基板１４の座標指示ペン６へ供給する電源である。符号３５はペングランドケーブル２６の合成インピーダンスで、直流抵抗成分とインダクタンスωＬが含まれる。符号３４はペン電源ケーブル２４の合成インピーダンスも同じように直流抵抗成分とインダクタンスωＬが含まれる。符号３２は調整コンデンサでペン電源３０とペン回路グランド２５の間に挿入されている。

前記ノイズ信号源３３で発生したノイズ信号は、調整コンデンサ３２、ペン電源ケーブルの合成インピーダンス３４、制御基板１４へ電源を供給する電源３６、基準グランド３７の直列共振回路になり、座標指示ペン６のペン回路の電源インピーダンスが最小になる。等価回路から分かるように、特にペン電源ケーブルの合成インピーダンス３４を下げることに有効であるため、ペングランドケーブル２６をシールド線（図示せず）にしてペングランドケーブル２６の合成インピーダンス３５を下げることで、さらに効果がある。

効果を確かめるため、座標指示ペン６のケーブル７の長さと調整コンデンサ２８の値を変えて、ペンのシールドケース２３に強制的にタブレット１と同じ周波数を印可して検出座標のズレ量を測定した。その結果が表１である。ズレ量の値は特に単位を設定していないが数値がゼロになるほど、ズレ量は少ない。また、ケーブルはシールドケーブルを使用し、強制印可周波数は４５０ＫＨｚとした。

表１の実験結果から調整コンデンサの値でズレ量が変わることがわかる。また、この実験では調整コンデンサ０．０５μＦ（マイクロファラッド）ではケーブル長が変わってもズレ量は少なかった。また０．３μＦ（マイクロファラッド）ではケーブル長１６０ｃｍの時にはズレ量は少なく良好な結果だった。しかし、ケーブル長が長くなるとズレ量が大きくなるのは、ケーブルの合成インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊωＬと調整コンデンサの値Ｃが直列共振するためである。つまりωＬ＝１／ωＣとなることで、ケーブルのインピーダンスはＺ＝Ｒとなり直流抵抗成分のみとなるのである。その結果、ズレ量が最小になっているのである。また、ケーブル長さが変わるとインダクタンスが変わるため、ズレ量は大きくなった。これは共振周波数の選択度Ｑが高いとも言える。
ちなみに、１．５μＦ（マイクロファラッド）ではケーブル長さが変わっても全体にズレ量が大きくなっている。
これらのことから、調整用コンデンサは１μＦ（マイクロファラッド）以下が有効である。

１タブレット部
２面抵抗体
３低抵抗性周囲電極
４ガラス基板
５静電容量結合
６座標指示ペン
７ペンケーブル
８引き出し線ａ、ｂ、ｃ、ｄ
９スイッチａ、ｂ、ｃ、ｄ
１０ＡＣ信号発生器
１１バンドパスフィルターを含むアナログ信号処理部
１２Ａ／Ｄコンバータ
１３プロセッサ（ＣＰＵ）
１４制御基板
１５タブレットケーブル
１６ケーブルパッド
２１検出軸
２２アナログ処理回路（ペン回路）
２３シールドケース
２４ペン電源ケーブル
２５ペン回路グランド
２６ペングランドケーブル
２７ペン信号ケーブル
２８調整コンデンサ
２９有線ケーブル
３０ペン電源
３１ペン回路負荷
３２調整コンデンサ
３３ノイズ信号源
３４ペン電源ケーブルの合成インピーダンス
３５ペングランドケーブルの合成インピーダンス

Claims

タブレットにＡＣ信号を印加し、少なくともペン電源ケーブルとペングランドケーブルとからなるペンケーブルで接続された座標指示ペンで信号を検出する静電容量結合型座標検出装置において、前記座標指示ペンの電源とペン回路グランド間に、前記ペンケーブルのインダクタンス成分ωＬに応じて０．０１μＦ〜１μＦのコンデンサを挿入し直列共振回路を形成したことを特徴とする有線接続された座標指示ペンを使用した静電容量結合型座標検出装置。