JPH08272509A - 携帯型コンピュータ用高電圧スタイラス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電気デジタルパッド用の高電圧、正弦波信
号を作るためのスタイラスを提供する。 【構成】 電圧Ｖを与えるバッテリーにより電源が供給
されるスタイラスにおいて、 ａ）一次巻線を有する変圧器と、 ｂ）ピーク対ピークの振幅がＶを越え時間的に変化する
信号を前記一次巻線に加えるための手段と、により構成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はデジタルパッドと共に使
用するスタイラスに関する。この種のパッドは携帯型コ
ンピュ−タのデジタルのディスプレイの上で透過的な上
重ねの形をとる。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】図１
はデジタルパッドおよびそれに関連したスタイラス６を
高度に簡略した図である。スタイラス６はアクティブの
時図２に示すように信号９を発生する。この信号はＩ１
からＩ４の電流を誘導するが、これらの信号は電流対電
圧増幅器で検出される。

【０００３】電流対電圧増幅器はそれぞれ電流の大きさ
を表す電圧を発生する。従来の技術で周知の処理回路は
電圧信号を受け、さらにこの電圧信号に基づくスタイラ
ス信号６の位置を計算する。

【０００４】Ｉ１からＩ４の電流が誘導されるのはスタ
イラス６がコンデンサの１つのプレ−トの様に動作する
からである。（インジウムスズ酸化物のような材料であ
る抵抗表面を生じている）デジタルパッドは他のプレ−
トの様に動作する。図３に示すように、負電荷がスタイ
ラス６の先端２に加えられると、正電荷はパッド６の表
面に誘導する。Ｉ１からＩ４の電流によりこの正電荷が
加えられる。反対に、図４に示すように、スタイラス６
の先端２の正電荷はパッド上に正電荷を誘導する。Ｉ１
からＩ４の電流により負電荷が加えられる。

【０００５】電流の相対的な大きさはスタイラスの位置
による。スタイラスが図５に示す位置にあれば、電流Ｉ
１は最大であり、電流Ｉ４は次に大きく、電流Ｉ２とＩ
３はほぼ同じである。

【０００６】スタイラスが図６に示す位置にあれば、電
流Ｉ４が最大であり、電流Ｉ１が次に大きい、等々であ
る。電流の大きさの違いは図２の電流対電圧増幅器によ
り生ずる電圧の違いである。

【０００７】雑音 電流対電圧増幅器はスタイラスにより生ずる信号の他
に、他の非希望の信号を発生する。たとえば、陰極線管
の近くでは、蛍光および電気モ−タはデジタルパッドの
上で電荷を誘導する。さらに、“静電気”は使用者が触
れた時、特に周囲の空気が乾燥している時パッドに加え
られる。

【０００８】“雑音”と呼ばれる非希望信号があるの
で、スタイラス信号は雑音信号から取り出すようにでき
るだけ大きな信号を発生するスタイラスを使用すること
が望ましい。すなわち、信号対雑音比は最大にする必要
がある。大きさと電力消費に制限がなければ、大きな信
号対雑音比を得ることは問題がない。しかし、スタイラ
スは携帯用に設計されている。バッテリ−で動作させる
ため電力消費を少なくしバッテリ−寿命を長くする必要
がある。

【０００９】スタイラスから大きな信号対雑音比を得る
ことは小さな問題でない。

【００１０】本発明の目的は、デジタルパッド用の改善
されたスタイラスを提示することである。

【００１１】本発明の他の目的は、大きな位置信号を発
生する携帯型デジタルパッド用の改善されたスタイラス
を提示することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、デジタルパッ
ド用であり、電圧Ｖを与えるバッテリーにより電源が供
給されるスタイラスから成り、従来のスタイラスを改善
する。

【００１３】

【実施例】本発明は大きなスタイラス信号を発生するた
め簡単ではあるが最適でない方法を最初に図示すること
により説明できる。この方法には図７に示すように電圧
変圧器１４を使用している。（ここで述べる電圧は若干
任意であり、説明を容易にするため選ばれている。本発
明に使用される実際の電圧および電流はタイトルが“一
般的な考察”の章で述べる。） 正弦波１２は利得がＫの増幅器Ａで増幅される。増幅器
の出力信号は図示の通り５．０ボルトピ−ク対ピ−クを
取っている。この出力信号は巻数比が２の変圧器１４の
一次側１３に加えられている。変圧器の二次側に発生す
る電圧は図示の通り１０ボルトピ−ク対ピ−クである。

【００１４】本発明は図７と同じ巻数比を有するが、図
８に示す方法の変圧器を使用している。２つの増幅器Ａ
１とＡ２は変圧器１８の一次側巻線１５の加えられてい
る。一番目の増幅器Ａ１は正弦波発生器２１から正弦波
１９を直接受ける。この二番目の増幅器Ａ２は正弦波発
生器により加えられるが、インバ−タＩにより反転（す
なわち、等量であるが位相が１８０°シフト）された正
弦波を受ける。

【００１５】各増幅器の出力は正弦波であり、図示のよ
うに５．０ボルトピ−ク対ピ−クである。変圧器の二次
側に現われる電圧は図示のように約２０ボルトピ−ク対
ピ−クである。この電圧は図７のシステムにより生ずる
電圧の２倍である。２倍の出力電圧を得ることは図９に
より説明できる。

【００１６】正弦波サイクルの半分について検討する。
Ｈ１と表し図８の増幅器Ａ１により発生するこの半サイ
クルは一次側の導線Ｌ１に加えられている。反転され、
Ｈ２と表され、さらに図８の増幅器Ａ２により発生する
他の半サイクルは導線Ｌ２に加えられている。

【００１７】導線Ｌ１とＬ２に加えられる合成信号はＨ
１とＨ２の間の差Ｄ１である。差の信号Ｄ１において、
点線の矢印はＨ２から取り出され、正味の電圧に対する
Ｈ２の寄与分を表している；実線の矢印はＨ１から取出
し、正味の電圧に対するＨ１の寄与分を表している。

【００１８】ゼロから正のピ−クに対するＤ１の電圧の
振れは、点Ｐ１からＰ２の振れで示すように５ボルトで
ある。５ボルトのこの振れは図７の場合の点Ｐ３から点
Ｐ４の振れで示される当該振れの２倍である。

【００１９】２つの加算的な半サイクルの合成電圧は図
１０に示しており、さらに図９の単一の半サイクルと同
じ方法で正確に分析される。図１０の変圧器の一次側に
加えられる電圧はゼロから正の５．０ボルトに（すなわ
ちＰ１からＰ２に）、およびゼロから負の５．０ボルト
に（すなわちＰ５からＰ６に）振れる。

【００２０】反対に、図７の当該振れはゼロから正の
２．５ボルト（すなわちＰ３からＰ４）と、ゼロから
２．５ボルト（すなわちＰ７からＰ８）、すなわち図９
の振れの半分である。

【００２１】図８の変圧器の出力は図１１に示すように
スタイラスの先端２に加えられる。スタイラスの先端２
は約２５ピコファラッドの容量負荷を表している。しか
し、この２５ピコファラッドの大部分の容量はペン内の
寄生容量である。先端２／パッド３の組合せにより表さ
れる実際の容量は１ピコファラッドの範囲である。

【００２２】図１に示すように、実際の変圧器１８は巻
数比が１０である。増幅器Ａ１とＡ２の正弦波出力は、
ゼロから装置構成により約３．０から５．０ボルトの範
囲である電源供給電圧まで振れる。電源供給電圧が３．
０ボルトであるとすると、一次側に加えられるゼロ対正
のピ−クの振れは３．０ボルトである（すなわち、Ｈ５
とＨ６の半サイクルの差）。変圧器の出力はゼロ対ピ−
クが３０ボルト、すなわちピ−ク対ピ−クは６０ボルト
である。

【００２３】この高電圧（図１２の場合、６０ボルト）
は図７の装置を使用し変圧器の巻数比を２倍にすること
により得られると考えることができる。しかし、この２
倍にすることは実現不可能である。

【００２４】前述の寄生容量は実際には容量性の負荷を
用いる場合変圧器に必要となる。容量性負荷があるた
め、巻数比を２倍にすることにより変圧器の一次側に生
ずる電流は過度に高くなる；すなわち２倍の代わりに４
倍になる。４倍になることが生ずるのは、容量性負荷が
変圧器の一次側に生ずる等価インピ−ダンスＺｅｑが次
式に等しいからである １／［ｊ×２×ＰＩ×ｆ×Ｃ×（Ｔの２乗）］ ここにｊは虚数で、ｆはヘルツの周波数で、Ｃは寄生容
量の値で、Ｔは巻数比である。図１３はその状態を示し
ている。

【００２５】一方が２倍の巻数比に対応し、他方が本発
明の巻数比に対応する２つの例により電流が４倍である
ことを図示する。

【００２６】例１：巻数の多い場合 簡単な例として、パラメ−タは次の通りとする： Ｃ＝２５ｐＦ； 周波数＝２５０ｋＨｚ、これによりωは２×ＰＩ×２５
０ｋＨｚ、すなわち１５７００００ラジアン／秒に等し
い； Ｔ＝１０ 一次巻線に現われる容量負荷の等価インピ−ダンス（変
圧器のインピ−ダンスを無視）Ｚｅｑは次の通りであ
る。

【００２７】Ｚｅｑ＝１／［２×ＰＩ×２５０ｋＨｚ×
２５ｐＦ×（１０の２乗）］＝２５０オ−ム 一次側に加わる電圧Ｖがピ−ク対ピ−クで２．５ボルト
ならば、生ずる電流は２．５／２５０、すなわち１０ｍ
Ａである。この値は巻数比が２倍の時生ずる電流を示し
ている。

【００２８】例２：本発明のように巻数比が小さい場合 巻数比が半分の５にされると、計算は例１と全く同じで
あり、“Ｔの項目”が１０の２乗、すなわち１００の代
わり５の２乗、すなわち２５になると期待される。すな
わち、 Ｚｅｑ＝１／［２×ＰＩ×２５０ｋＨｚ×２５ｐＦ×
（５の２乗）］＝１０００オ−ム 一次側に加えられる２．５ボルトピ−ク対ピ−ク信号の
Ｖに対し、生ずる電流はＶ／Ｚｅｑ、すなわち２．５／
１０００となり２．５ｍＡである。電流は巻数比が２倍
の場合１／４であるが、これは巻数を２倍にすることに
より等価インピ−ダンスが下がり２倍でない場合の値の
１／４になる（すなわち、１０００オ−ムから２５０オ
−ムになる）。

【００２９】それ故、容量性負荷を駆動する時、変圧器
の巻数比を２倍にし高い出力電圧を得ることにより変圧
器の一次側に生ずる電流は係数４で増加する。

【００３０】電流内のこの４倍の増加は好ましくない。
本発明は巻数比を２倍にする必要を避けることによりこ
の増加を避けている。

【００３１】変圧器の巻数比を２倍にすることを避ける
ことにはさらに次の理由がある。巻数比を２倍にするこ
とは、（ａ）一次巻数を減らすこと、または（ｂ）二次
巻数を増加させることが必要である（または両方の組合
せ）。

【００３２】一次巻数を減らすことは、以下の理由から
実現不可能である。変圧器の一次巻線は直列抵抗のない
インダクタとみなされる。出願の良好な実施例で、この
インダクタの値は０．００１ヘンリ−である。出願の良
好な周波数である１２５ｋＨｚで、インダクタのインピ
−ダンスはｊ×（インダクタンスの値）×（ラジアンの
周波数）、すなわちｊ×（０．００１）×（１２３Ｅ３
×２×ＰＩ）であり、ｊ７８５．５オ−ムに等しい。

【００３３】このインピ−ダンスの大きさは７８５．５
オ−ムである（虚数）。

【００３４】一次巻数が半分にされると、インダクタン
スは（ほぼ）係数４で割られ、ｊ７８５．５／４、すな
わちｊ１９６オ−ムとなる（理由はインダクタンスがほ
ぼ巻数の２乗に比例する）。新しい大きさは１９６オ−
ムである（虚数）。

【００３５】この新しい大きさは古い大きさの２５パ−
セントである；大きさは７５パ−セント減少する。

【００３６】インピ−ダンスの減少により一次巻線によ
り生ずる電流が増加する。この電流の増加により一次巻
線を駆動する増幅器が消費する電力が増加する。電流が
増加しないこと、または電力消費が増加しないことが好
ましい。

【００３７】二次巻線の巻数を２倍にすることは他の方
法として実現可能であるが、行なわれない。二次巻線を
２倍にすることは所要の線材の量が増大し、これはスタ
イラスの大きさを小さくする目標に反する。

【００３８】さらに、巻数を２倍にすることにより二次
巻線の容量が増加するが、これは絶縁物により分離され
た隣接のワイヤがコンデンサのように動作するからであ
る。この容量の増加は図１３に示す容量性負荷を増加す
るように働く。この容量を増加させることは好ましくな
いが、これは増加により変圧器の一次巻線が前述の例の
ようにより多くの電流が生ずるからである。

【００３９】図１１の点線内に含まれた装置は単一の集
積回路（ＩＣ）の形を取っている。（実際のＩＣには
（ａ）電源供給をモニタすること、（ｂ）ＩＣの電力を
管理すること、および（ｃ）テレメトリによりコンピュ
−タまたはデジタルパッドにスタイラスバッテリの状態
およびスタイラススイッチの状態を伝えること、のよう
な追加された機能を行なう付加回路が含まれている）。
ＩＣの重要な動作特性は次の通りである。

【００４０】１つの実施態様において、ＩＣは各電圧が
１．２５ボルトで全体の電圧が３．７５ボルトである商
業ベ−スで入手可能なバッテリ−から電力を受けてい
る。ＩＣはバッテリ−から４ミリアンペア以下の約３ミ
リアンペアの電流を発生している（この電流は図１１に
示す装置、および付加回路の両方に加えられている）。
このように電力消費は０．００４アンペア×３．７５ボ
ルト以下、すなわち１５ミリワット以下である。

【００４１】このＩＣには増幅器Ａ１とＡ２が含まれて
おり、これらはピ−ク対ピ−クがゼロから供給電圧（こ
の例の場合３．７５ボルト）まで振れる正弦波信号を発
生している。しかし、一次側に加えられる合成電圧は個
々の正弦波の２倍である：２×３．７５すなわち７．５
ボルトである。再度述べると、一次側に加えられる電圧
の振れは供給電圧の２倍である。

【００４２】周知のように、商業メ−カ−は図１１に示
す装置を作り記載のように動作するＩＣを製造できる。

【００４３】図１２には（ａ）巻数比が１０である、
（ｂ）一次側電圧がピ−ク対ピ−クで１２ボルトであ
る、さらに（ｃ）出力電圧がピ−ク対ピ−クで１２０ボ
ルトであることを示している。

【００４４】他の実施態様では次の調整を組み合わせる
ことにより、種々の出力電圧を作るようにされている： （１）バッテリ−のタイプまたは数を変えることによ
り、電源供給電圧を変えること。これにより増幅器Ａ
１、Ａ２のレ−ル対レ−ルの振れが変わり、したがって
変圧器の一次側に加わるピ−ク対ピ−ク電圧を変えるこ
と、（２）変圧器の巻数比を変えるこ、（３）増幅器の
利得を変えること、２０、３０、４０、５０、６０およ
び７０ボルトのような、またはそれ以上の変圧器の二次
側での出力電圧が得られる。高い出力電圧によりシステ
ム全体の信号対雑音特性が改善される。

【００４５】電力供給は合計が３．１ボルトから４．２
ボルトの電圧を取る３つの商業的に可能なバッテリ−の
形を取る。電圧のこの範囲の平均は３．６ボルトで“公
称３．６ボルト”と呼ばれる。

【００４６】ここで記載した静電気ペンと共に動作する
デジタルパッドは商業的に利用可能である。この種のパ
ッドのメ−カ−はオハイオ州コロンバスのスクリプテル
（Ｓｃｒｉｐｔｅｌ）社である。

【００４７】図８の正弦波２１とその逆の波２３は位相
が１８０度ずれている。位相角が１８０度の時一次側に
加えられた電圧は最大であるが、位相差が１８０度であ
ることは厳密に必要でない。

【００４８】正弦波２１とその逆の波２３は振幅が等し
い必要はない。

【００４９】

【発明の効果】本発明の重要な特徴は電源供給電圧に等
しいゼロ対ピ−クの振れを有する正弦波を発生すること
である。すなわち、図８の増幅器Ａ１の利得は図９の点
Ｐ１からＰ２の正の振れが電源供給電圧に等しいように
選択される。同様に、半サイクルＨ２により示される負
の振れは、電源供給電圧に等しい（しかし、極性は反対
である）。

【００５０】これら２つの半サイクルを組み合わせるこ
とにより、全体の一次電圧の振れが生じ、これはピ−ク
対ピ−クを測定すると供給電圧の２倍である。

【００５１】ピ−ク対ピ−クの振れが供給電圧の１１０
パ−セントであるような一次側に加えられた小さな電圧
の振れを使用することが可能である。

【００５２】用語“振幅”はゼロ対ピ−ク電圧、すなわ
ち図９のＰ１からＰ２を示している。ピ−ク対ピ−ク電
圧は、勿論振幅に２倍である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の技術のデジタルパッドの簡単な表現で
ある。

【図２】 従来の技術のデジタルパッドの簡単な表現で
ある。

【図３】 静電気スタイラス６がデジタルパッド上でど
のように電荷を誘導するか図示している。

【図４】 静電気スタイラス６がデジタルパッド上でど
のように電荷を誘導するか図示している。

【図５】 スタイラス６の位置によりＩ１からＩ４の電
流がどのように変わるか図示している。

【図６】 スタイラス６の位置によりＩ１からＩ４の電
流がどのように変わるか図示している。

【図７】 高電圧信号を発生する１つの方法を図示して
いる。

【図８】 本発明の１つの形態を図示している。

【図９】 図８の装置が変圧器の一次巻線１５でどのよ
うに高電圧を発生しているかを図示している。

【図１０】 図９と同様であるが、変圧器の一次に加え
られた３つの半サイクルを示している。

【図１１】 本発明の１つの形態の概要を図示してい
る。

【図１２】 本発明の１つの形態に対するパラメ−タの
値を図示している。

【図１３】 寄生容量によりどのように変圧器の一次が
ロ−ドされるか図示している。

【符号の説明】

１２ 正弦波 １３ 一次側 １４ 変圧器 １５ 一次巻線 １８ 変圧器 １９ 正弦波 Ａ１ 増幅器 Ａ２ 増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール エム．スタンチャク アメリカ合衆国 コロラド州 80907 コ ロラド スプリングス、イー．デル ノー ト 15

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】デジタルパッドと共に使用され、さらにバ
   ッテリ−により電源が供給されるスタイラスにおいて、 ａ）バッテリ−から生ずる電流は４ミリアンペア未満で
   あるが、スタイタスの先端で振幅が３０ボルトを越える
   正弦波電圧を発生する手段、を備えた改善された携帯型
   コンピュ−タ用高電圧スタイラス。
2. 【請求項２】デジタルパッド用であり、 ａ）バッテリ−と、 ｂ）ピ−ク対ピ−クが３０ボルトを越えるスタイラスの
   先端に正弦波電圧を与えるための回路手段と、を備えた
   携帯型コンピュ−タ用高電圧スタイラス。
3. 【請求項３】バッテリ−が３ミリアンペア以下の電圧を
   供給する請求項２に記載の携帯型コンピュ−タ用高電圧
   スタイラス。
4. 【請求項４】デジタルパッド用であり、電圧Ｖを与える
   バッテリ−により電源が供給されるスタイラスにおい
   て、 ａ）一次巻線を有する変圧器と、 ｂ）ピ−ク対ピ−クの振幅がＶを越え時間的に変化する
   信号を前記一次巻線に加えるための手段と、を備えた改
   善された携帯型コンピュ−タ用高電圧スタイラス。
5. 【請求項５】デジタルパッド用のバッテリ−駆動スタイ
   ラスで、 ａ）一次巻線を有した変圧器と、 ｂ）位相差がある２つの正弦波を一次巻線の導線に加え
   る手段と、を備えた改善された携帯型コンピュ−タ用高
   電圧スタイラス。
6. 【請求項６】正弦波が１８０度位相が異なる請求項５に
   記載の携帯型コンピュ−タ用高電圧スタイラス。
7. 【請求項７】デジタルパッドと共に動作するスタイラス
   で、 ａ）公称３．６ボルトを与える１以上のバッテリ−と、 ｂ）ピ−ク対ピ−クが５０ボルトを越え時間的に変化す
   る出力電圧を与える手段と、を備えた改善された携帯型
   コンピュ−タ用高電圧スタイラス。
8. 【請求項８】前記手段が約１５ｍＷ以下の電力を消費す
   る請求項７に記載の携帯型コンピュ−タ用高電圧スタイ
   ラス。
9. 【請求項９】デジタルパッドと共に動作するスタイラス
   であって、 ａ）電圧Ｖを与える電力供給と、 ｂ）１．５Ｖを越えるピ−ク対ピ−ク電圧を有する信号
   を発生する手段と、を備えた改善された携帯型コンピュ
   −タ用高電圧スタイラス。
10. 【請求項１０】デジタルパッドと共に動作し、 ａ）正弦波信号Ｓを発生する正弦波発生器； ｂ）ピ−ク対ピ−クが約３ボルトの振幅を有する信号Ｓ
    １を発生するため、正弦波信号を増幅する手段； ｃ）ピ−ク対ピ−ク電圧が約３ボルトの振幅を有する信
    号Ｓ２を発生するため、正弦波信号を反転し、反転され
    た正弦波信号を増幅するための手段； ｄ）一組の一次側導線と一組の二次側導線を有し、一次
    側と二次側の間に約１０の巻数比を有する変圧器； ｅ）前記二次側導線においてピ−ク対ピ−ク電圧が約６
    ０ボルトの信号を誘導するため、前記一組の一次側導線
    においてＳ１とＳ２の間の差を加える手段； ｆ）前記二次側の導線の少なくとも１つに接続された導
    電性の物体；を備えた携帯型コンピュ−タ用高電圧スタ
    イラス。