JPH07295722A - 筆記具兼用信号ペン回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電容量結合方式スイッチ信号検出装置のケ
ーブル無しの信号ペン回路であり、高出力電圧且つ低消
費電力化、周波数シフトしても出力の一定レベル化、電
気的動作の高信頼化、低コスト化、信号ペン重量の軽量
化、を図る。 【構成】 出力タンク回路と、この途中タップを駆動す
るＣ級動作のトランジスタと、このトランジスタのベー
スからコレクタへ向けて接続したショットキーバリアダ
イオードと、ドライブ抵抗を介して無調整型発振接続さ
れたセラミック振動子と、発振周波数シフト用コンデン
サと、電源部とで主に構成される。 【効果】 １．５５Ｖの一個の電池からの８５μＡの消
費電力で動作でき、その他上記目的を簡単な回路構成で
完全に満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量結合方式の板面
状タブレットに当接するケーブル無しのスイッチ信号検
出ペンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の、試験の採点やアンケート等に用
いる筆記機能を有して、筆記の際の押圧の有無を検出す
る信号ペンに関して、構造が簡単なことからメカニカル
スイッチの接点、又はフォトインタラプタの出力をケ−
ブルで制御装置に結合する方法や、感圧式タブレットを
通常の筆記具で作動させる方法が採られている。又、ペ
ン内部に微弱電流の送信機を設けスイッチ信号により変
調をかけ、その電流を本体側で 受信する方法等も採ら
れている。また、微弱電流を用いる方式では複数の人間
が同時に操作する場合、チャンネル数の確保や混信等の
不具合が生じていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のケ−ブル付の筆
記具兼用信号ペンの場合、筆記量が多いとケ−ブルが邪
魔になって操作性が悪くなり、又感圧式の場合筆記すべ
き紙を多数枚重ねて入力することが不可能であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来の
問題点に鑑みなされたもので、静電容量結合方式信号検
出装置の、板面状電極を有するタブレットに当接するケ
ーブル無しのスイッチ信号ペン回路であり、前記タブレ
ットの板面状電極と静電容量結合する信号ペン先端部の
２つの導体に接続されたコイルとコンデンサからなる共
振周波数を調整できる出力タンク回路と、コレクタ電流
が前記コイルの途中タップを駆動するＣ級動作のトラン
ジスタと、該トランジスタのベースからコレクタへ向け
て接続したショットキーバリアダイオードと、前記トラ
ンジスタのコレクタ‐ベース間にコレクタ側のドライブ
抵抗を介して無調整型発振接続されたセラミック振動子
と、該セラミック振動子に並列に接離可能な発振周波数
シフト用コンデンサとからなる信号ペン回路を提案する
ものである。

【０００５】

【作用】出力タンク回路（コイル及びコンデンサによる
並列共振回路）に蓄えられた電気振動の一部をセラミッ
ク振動子に与え、このセラミック振動子の固有振動周波
数の反転位相振動電圧を、本回路の唯一の能動素子であ
るトランジスタのベースへ帰還しトランジスタをＣ級動
作させる。トランジスタのコレクタは出力タンク回路の
コイルの途中タップを駆動するがＣ級動作であることか
ら大変効率よい出力タンク回路の駆動ができる。出力タ
ンク回路の両端間は途中タップより高い電圧となりここ
で昇圧される。またトランジスタのベースからコレクタ
に向けてショットキーバリアダイオードを実装している
ので、ベース駆動ＤＣレベルの自動調整が働き、トラン
ジスタのｈFEのバラツキがあっても、またはセラミック
振動子を微少周波数シフトしても、更には出力タンク回
路の共振周波数が多少ズレても、出力電圧はほぼ一定に
保持される。更に、出力タンク回路のリアクタンス成分
の一部をセラミック振動子のリアクタンス成分と合成さ
せているので、セラミック振動子の周波数誤差が、出力
タンク回路の共振周波数を微調することにより、補正さ
れる。

【０００６】

【実施例】以下本発明の詳細を添付図を参照して説明す
る。図１は本信号ペンを使用する静電容量結合方式スイ
ッチ信号検出装置の全体構成図である。信号ペン５内部
にアクティブ回路の擬似平衡型ＡＣ信号発生器１が配置
され、連続したＡＣ信号を発生し、信号ペン先端部のス
タイラス導体３及びリング状導体４へ平衡印加する。電
源部としての電池２はペン内部の回路へ動作電力を供給
する。

【０００７】信号ペン５の先端部のスタイラス導体３及
びリング状導体４は板面状電極６の近くにある時、板面
電極６と小容量の静電容量結合することになる。従っ
て、信号ペン５の先端部のスタイラス導体３とリング状
導体４間の平衡電気信号は板面電極６との結合容量の大
きさに従って板面電極６へ伝達される。この板面電極６
へ伝達されたＡＣ信号は、ＡＣカップリングコンデンサ
７を介してバッファアンプ８へ印加される。バッファア
ンプ８の出力はバンドパスフィルタ９に印加され、バン
ドパスフィルタ９は必要周波数帯域のみ通過させる。こ
のバンドパスフィルタ９を通過した電圧信号は増幅器１
０により計測に充分な電圧レベルに増幅され、制御部１
１で周波数計測される。

【０００８】信号ペン回路を次に説明する。図２は酸化
銀ボタン電池１個を電源とする信号ペン５の全回路であ
る。約１．５５Ｖの電池２６が本回路の動作電力を供給
する。抵抗２８はサージ電流防止用（例えば１００Ω）
であり、コンデンサ２９は瞬時電源電圧安定化用（例え
ば１μＦ）である。

【０００９】本回路の唯一の能動素子はトランジスタ１
４であり、このトランジスタ１４のコレクタは出力タン
ク回路１６のコイル１７の途中タップを駆動する。出力
タンク回路１６は蓄えた電気振動をその並列共振回路の
出力として、図３に示すように信号ペン５の先端部のス
タイラス導体３及びリング状導体４を疑似平衡電圧駆動
する。出力波形は正弦波である。電源である電池２７の
正側端子から流れる電流は、電源スイッチ２８を通り、
主には出力共振コイル１７を通りトランジスタ１４のコ
レクタ及びエミッタを通りエミッタ抵抗１５及びサージ
電流防止抵抗２９を通り電池２７の負側端子に帰る。

【００１０】出力タンク回路１６の電気振動の一部が抵
抗２１を介してセラミック振動子１２を電気−機械振動
させる。共振分割コンデンサ２２及び２３はセラミック
振動子１２と並列に実装されるため、電気−機械振動周
波数を微少シフトするが、コンデンサ２２及び２３の中
間点が図示のように電源ラインに接続されているので、
セラミック振動子１２の両端を、電源レベルに対して互
いに逆位相にする役目を持つ。スイッチ２６はスタイラ
ス押圧スイッチであり、操作者が信号ペン５のスタイラ
ス３を板面状電極に押圧するとＯＮする。スイッチ２６
がＯＮするとコンデンサ２４により発振周波数を数ｋＨ
Z低下させる。尚、抵抗２５は周波数シフトコンデンサ
２４のＤＣレベル固定用の高抵抗（例えば１０ＭΩ）で
あり、スイッチ２６がＯＮした瞬間の回路のＤＣバイア
ス値の急変を防止している。

【００１１】抵抗２１を介してドライブされてセラミッ
ク振動子１２が電気−機械振動するがその反対端子は前
述のように逆位相のＡＣ電圧が誘起し、抵抗１９を介し
てトランジスタ１４のベースをＡＣ駆動する。尚抵抗２
０はトランジスタ１４の動作ＤＣバイアスを印加するた
めの比較的高抵抗値（２００ｋΩ乃至３ＭΩ）である。
抵抗１９は必ずしも必要ではないがトランジスタ１４を
安定動作させる役目と、セラミック振動子１２に電圧コ
ンプライアンスを与える役目とを持つ。例えば１ｋΩの
抵抗である。トランジスタ１４のベースからコレクタへ
向けてショットキーバリアダイオード１３を接続してあ
るが、その働きの詳細説明は後述する。抵抗１５がトラ
ンジスタ１４のエミッタと負電源ライン間に入れてある
が、トランジスタ１４を安定動作させる役目と、トラン
ジスタ１４を理想電流源に近い動作にする役目を持ち、
１０乃至１００Ωの抵抗値である。

【００１２】ここで本回路の発振動作を詳細に説明す
る。電源スイッチ２８がＯＮすると、コンデンサ３０が
抵抗２９を通して充電され、速やかに定常電圧である約
１．５５Ｖに達する。始めは出力タンク回路１６もセラ
ミック振動子１２も電気振動していないが、電源電圧の
微変動またはトランジスタ１４が発する微少ノイズによ
り出力タンク回路１６が起振され微振動する。その微振
動の一部が抵抗２１を介してセラミック振動子１２にも
伝わり電気−機械的微振動を始める。トランジスタ１４
のベースには逆位相の電圧微振動として帰還しトランジ
スタ１４で位相反転増幅されそのコレクタが出力タンク
回路１６を同位相で駆動する。増幅度のあるこの正帰還
ループにより電気振動はだんだん大きくなる。この初期
の段階でのトランジスタ１４の動作はＡ級増幅動作であ
り、出力タンク回路１６の共振周波数がセラミック振動
子の周波数の近傍周波数であれば、本回路は必ず発振起
動する。

【００１３】本回路の発振周波数は、トランジスタ１４
のベースへ帰還するＡＣ電圧を決定しているセラミック
振動子の周波数により主に決定され、出力タンク回路１
６の発振周波数への影響については後述する。上述の振
動電圧が大きくなってくるとトランジスタ１４の導通開
始ベース電圧レベルよりも、負側ピークにおいて、ベー
ス電圧が低くなる。この段階からトランジスタには間欠
電流のみ流れ、トランジスタ１４のコレクタは出力タン
ク回路１６を一種のスイッチング駆動する。スイッチン
グ駆動ではあっても、出力タンク回路１６は正弦波振動
を維持する。

【００１４】振動電圧がさらに大きくなると、図３を参
照して、トランジスタ１４のベースとコレクタが逆位相
であることから、ベースの正ピーク電圧がコレクタの負
ピーク電圧よりも大きくなる。ショットキーバリアダイ
オード１３の役目は、第一に一般的に良く知られている
通りトランジスタ１４自体を飽和導通領域にまで強導通
させないことであり、第二に出力タンク回路１６の振動
レベルを一定値に制御することである。その動作を詳述
する。図３のコレクタ電圧波形３２がベース電圧波形３
５よりもピーク時点で下回り、ショットキーバリアダイ
オード１３の電流波形３８に示すような電流が間欠的に
流れるようになる。ＤＣバイアス印加抵抗２０を流れる
電流はトランジスタ１４のベースへ流れる間欠電流とシ
ョットキーバリアダイオード１３に流れる間欠電流と
の、両方へ流れるため、抵抗２０の平均電圧降下は多く
なり、トランジスタ１４のベースＤＣバイアス電圧は深
くなり、コレクタの出力タンク回路１６を駆動する電流
も低下し、出力振動電圧もそれ以上大きくならない。こ
のような実働作上でのフィードバックが掛かるため、ス
イッチ２６がＯＮし発振周波数がシフトしても、または
出力共振コイルを微調整（その目的は後述する）して
も、またはトランジスタ１４のｈFEにバラツキがあって
も、出力電圧を略一定に保持する。

【００１５】このような定常状態において、トランジス
タ１４のベース電圧は波形３５に示すように、前記作用
により深いＤＣバイアス電圧となり、振動電圧のピーク
値付近のみトランジスタ１４を導通状態にし、波形３７
に示すようなコレクタ電流波形となる（コレクタに流入
する向きを負方向で図示した）。これはトランジスタが
Ｃ級動作していることであり、電源消費電流に対して非
常に効率よい回路動作である。逆に言うと、このような
動作状態となる様にＤＣバイアス印加抵抗２０の抵抗値
を選定している。

【００１６】出力タンク回路１６は波形３１及び３２に
示すように正側電源電圧レベルを中心に、半周期の間は
正側電源電圧を大きく越して振動するので振動電圧レベ
ルを大きく取ることができる。更に出力電圧はトランジ
スタ１４のコレクタ電圧が昇圧されて、大きな出力ＡＣ
電圧レベルとなる。出力インピーダンスは大きいが、信
号ペン先端部のスタイラス導体３と板面電極６の間の結
合容量が通常使用状態で１pＦ以下なので負荷への信号
流出は実用上無視できるレベルである。また信号ペン先
端部のスタイラス導体３とリング状導体４間の浮遊容量
は出力共振コンデンサ１７に含まれるものと考えられる
ため、出力タンク回路１６の負担にはほとんどならな
い。従って図２のように出力タンク回路１６の両端の高
電圧レベルを直接出力しても問題ない。

【００１７】発振周波数は、基本的にはセラミック振動
子１２の電気−機械振動周波数で決定されるが、本回路
の場合、出力タンク回路１６のリアクタンス成分を抵抗
２１（例えば２２ｋΩ）によりセラミック振動子１２と
緩く結合させているので、半固定のインダクタンスであ
る出力共振コイル１７を調整することにより、発振周波
数を微調整できる。従って、個々のセラミック振動子は
周波数誤差を持っているが、これで周波数誤差を実用上
なくす事ができる。４５５ｋＨZのセラミック振動子の
場合、４通りのペンステータスに対して最大約５ｋＨZ
の周波数シフトをさせているので、数百ＨZの周波数誤
差は問題となるので、この誤差調整機能は重要である。

【００１８】出力共振コイル１７はシールドケースに納
めてあり回路パターンとの不要な電磁結合を避けてい
る。尚図２において、出力タンク回路１６の共振周波数
をコイルのインダクタンスを可変して合わせているが、
共振コンデンサ１８の容量を可変してもよい。本回路の
場合、出力を４５５ｋＨZ５．５Ｖppとした場合、１．
５５Ｖの電源から単に約８５μＡ電流消費するのみであ
り非常に低消費電力である。ＳＲ４８型酸化銀ボタン電
池１個で通常使用で１年間の電池寿命を実現できた。

【００１９】本回路はピアースＣ−Ｂ発振回路とは異な
り、トランジスタのコレクタに接続する共振回路が、誘
導性であっても容量性であっても問題なく安定発振す
る。従ってセラミック振動子１２の周波数誤差が正側で
も負側でも、安心して出力タンク回路１６の共振周波数
を調整して（セラミック振動子１２の周波数での出力タ
ンク回路１６及び１７のリアクタンス成分を調整して）
発振周波数を補正できる。また参考までに記すが、本回
路の出力タンク回路１６の代わりに抵抗で置き換えた無
調整セラミック発振回路の場合、発振動作はするがその
出力波形は、約１Ｖppの２０％乃至３０％デューティ比
のパルス状であり立上り立下りの鈍った波形となり、正
弦波とは非常にかけ離れたものである。この波形の基本
波（正弦波）成分は１Ｖpp以下であり、またその消費電
流は約９０μＡで効率が悪く、更に出力電圧を高周波ト
ランスで５倍以上昇圧するとトランスの損失と各浮遊容
量の影響で消費電流がこの２倍以上となり、座標検出装
置の信号ペン用としては波形の悪さもあり使用に耐えな
い。またその場合の回路定数が適切でないと本来の周波
数ではないスプリアス周波数の発振を起こし易く不安定
なものとなる。

【００２０】次に無電池信号ペンの実施例を図４を参照
して説明する。信号発生回路部分は図２のものと全く同
じなので説明を省略する。電源供給方法が電池ではな
く、スイッチ信号検出装置本体からケーブル無しで信号
ペンに与える部分のみ図２と異なる。スイッチ信号検出
装置本体の板面電極６の周囲に励磁ループコイル４５を
配設する。信号ペンの発生するＡＣ信号とは周波数の異
なるＡＣパワー発振器４６により励磁ループコイル４５
にＡＣパワー電流を流す。励磁ループコイル４５と並列
に配置してあるコンデンサは励磁ループコイル４５と並
列共振し、パワーロスを低くする役目を持つ。

【００２１】信号ペン内にペン軸方向に沿ってＡＣパワ
ーレシーブコイル３９が配設してあり、棒状フェライト
コアに巻かれている。ＡＣパワーレシーブコイル３９の
両端にはコンデンサ４０が接続され、並列共振回路を構
成し、その共振周波数はＡＣパワー発振器４６の周波数
である。この信号ペンが、板面状電極６の上で使用状態
にあるとき、ＡＣパワーレシーブコイル３９と励磁ルー
プコイル４５とが図４の記号Ｍ４４で示す相互インダク
タンス結合し、ＡＣパワーレシーブコイル３９に共振電
流が誘起される。この共振電流の一部を、ＡＣパワーレ
シーブコイル３９の途中タップから２個の整流ダイオー
ド４１及び４２により取り出しＤＣ化し、電圧安定器４
３に印加する。電圧安定器４３２は例えば２．５ＶのＤ
Ｃ電圧を前述のＡＣ信号発生回路へ電源として供給す
る。前述のＡＣ信号発生回路が今までになく低消費電力
であるため、図４のケーブル無しの電源供給が低いコス
トで実現できた。

【００２２】

【発明の効果】本発明による信号ペン回路は、低消費電
力且つ高出力電圧という相反する要求を高いレベルで満
たしており、１．５５Ｖ電源電圧で約８５μＡの消費電
流で実現できた。そのため使用者の電池交換の手間と費
用を節減できた。また今まで理論的には可能であっても
実用上は実現できなかった、ケーブル無しの電源供給も
実現可能とした。信号発生回路部分の能動素子はトラン
ジスタ１個であり、コストも低く製造できるものであ
る。また信号ペンの重量も軽減し、操作性も向上した。
またセラミック振動子の個々の周波数のバラツキを出力
タンク回路の共振周波数を調整することで補正できるの
で、信号ペンのスイッチステータスのデコードの信頼性
を狭帯域にもかかわらず向上させ、更に簡単な回路によ
り出力電圧レベルをほぼ一定に制御できたので、ステー
タススイッチにより周波数シフトをしても、上記の周波
数補正をしても、個々のトランジスタのｈFEのバラツキ
があっても、安定したペン信号の検出を可能とした。
又、板面状電極の上でのみ入力可能なことから、隣接し
て操作しても混信等の相互干渉を防ぐことができるよう
になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本信号ペンを使用するスイッチ信号検出装置
の構成図

【図２】 電池を電源とする信号ペン回路図

【図３】 電源レベルに対する電圧及び電流波形

【図４】 相互インダクタンス結合により電源供給され
る信号ペン回路図

【符号の説明】

１ ＡＣ信号発生器 ２ 電源部 ３ 信号ペン先端部のスタイラス導体 ４ 信号ペン先端部のリング状導体 ５ 信号ペン ６ 板面電極 ７ ＡＣカップリングコンデンサ ８ バファ−アンプ ９ フィルタ− １０ 増幅部 １１ 制御部 １２ セラミック振動子 １３ ショットキーバリアダイオード １４ トランジスタ １５ エミッタ抵抗 １６ タンク回路 １７ 出力共振コイル １８ 出力共振コンデン １９ ベース抵抗 ２０ ＤＣバイアス印加抵抗 ２１ セラミック振動子ドライブ抵抗 ２２ 共振分割コンデンサ ２３ 共振分割コンデンサ ２４ 周波数シフトコンデンサ ２５ コンデンサ４２のＤＣレベル固定抵抗 ２６ スタイラス押圧スイッチ ２７ 電池 ２８ 電源スイッチ ２９ サージ電流防止抵抗 ３０ 瞬時電源電圧安定化コンデンサ ３１ 出力電圧波形 ３２ トランジスタのコレクタ電圧波形 ３３ 正側電源電圧レベル ３４ トランジスタの導通開始ベース電圧レベル ３５ トランジスタのベース電圧波形 ３６ 負側電源電圧レベル ３７ トランジスタのコレクタ電流波形 ３８ ショットキーバリアダイオードの電流波形 ３９ ＡＣパワ−レシ−ブコイル ４０ コンデンサ ４１ 整流ダイオード ４２ 整流ダイオード ４３ 電圧安定器 ４４ 相互インダクタンス結合 ４５ 励磁ループコイル ４６ ＡＣパワー発振器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静電容量結合方式信号検出装置の、板面
   状電極を有するタブレットに当接するケーブル無しのス
   イッチ信号ペン回路であり、前記タブレットの板面状電
   極と静電容量結合する信号ペン先端部の２つの導体に接
   続されたコイルとコンデンサからなる共振周波数を調整
   できる出力タンク回路と、コレクタ電流が前記コイルの
   途中タップを駆動するＣ級動作のトランジスタと、該ト
   ランジスタのベースからコレクタへ向けて接続したショ
   ットキーバリアダイオードと、前記トランジスタのコレ
   クタ‐ベース間にコレクタ側のドライブ抵抗を介して無
   調整型発振接続されたセラミック振動子と、該セラミッ
   ク振動子に並列に接離可能な発振周波数シフト用コンデ
   ンサとからなることを特徴とする信号ペン回路。
2. 【請求項２】 電池により電源を供給する請求項１記載
   の信号ペン回路。
3. 【請求項３】 相互インダクタンス結合によりケーブル
   無しで誘導発生する電力を直流化し電圧安定化し電源供
   給する、請求項１記載の信号ペン回路。