(57)【要約】      （修正有）【課題】ペンの組立て易さや部品削減によってコスト低減を行う。【解決手段】片側を入力面とするガラス板と、前記入力面の反対側に透明電極を設け、ＡＣ信号を発生する制御基板が、前記透明電極に電気的に接続され、前記制御基板から前記透明電極にＡＣ信号を送信し、前記ガラス板と、シールド構造を持つ入力ペン間の容量結合を入力ペンで検出し、入力ペンが指示した位置を座標データに変換する座標入力装置。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片側を入力面とするガラス盤と、前記入力面の反対側に透明電極を設け、ＡＣ信号を発生する制御基板が、前記透明電極に電気的に接続され、前記制御基板から前記透明電極にＡＣ信号を送信し、前記ガラス盤と、シールド構造を持つ入力ペン間の容量結合を入力ペンで検出し、入力ペンが指示した位置を座標データに変換する座標入力装置であって、前記入力ペンのペン先が、ガラス盤の入力面で押しきられた際に、前記入力面と容量結合する入力ペンのペン先が、入力ペンの外筒内にもぐりこみ、ペン先の露出表面積が少なくなるために、入力ペンのペン先が押し込まれる前と比べて容量結合量が減少することを利用し、入力ペンのペン先が押しきられた状態の容量結合量及び、容量結合量の一定時間での変動幅を予め計測しておき、それを安全率を含めて基準値として定義し、入力ペンが検知した容量結合量が、前記予め定義した、入力ペンのペン先が押しきられた場合の容量結合量を中心として安全率を考慮した入力ペンのペン先スイッチがＯＮと判断する範囲内にあり、かつ、一定時間内での容量結合量レベルの変動が入力ペンのペン先スイッチがＯＮと判断する基準値以内であることを、前記制御基板に設けたＣＰＵが見極め、基準値内であれば、入力ペンのペン先スイッチがＯＮと判断し、基準値外であればペン先スイッチがＯＦＦと判断することを特徴とする座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量結合方式座標入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量方式座標入力装置に使用する入力ペンは、入力ペンの先端をガラス盤面に近づけることで、座標位置検出用としてガラス盤面と入力ペン間の容量結合を電気信号として検出できる。その電気信号を受け取った座標入力装置の制御部（以下、単に制御部と呼称）は、演算により入力ペンの座標位置をシリアル送信等の手段によって外部にデータ送信できる。また、この座標位置検出用の電気信号の他に、入力ペンの先端にスイッチを設けて、スイッチ入力としての信号を制御部が受け取り、座標位置と共に制御部が外部にデータ送信するのが一般的である。
【０００３】
前記スイッチ入力を、入力ペンから制御部に伝達する方法としては、座標位置検出用の電気信号用信号伝達ケーブルの他に、スイッチ信号用のケーブル用いて外部に状態を知らせる方法が知られている。
これらのスイッチにはフォトインタラプタやタクトスイッチなどのスイッチが押されたという動力を電気信号に変えるスイッチ素子が備わっている。
【特許文献１】特願平6-３１７５２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記したスイッチ素子やそのスイッチ素子に動力を伝える機構は、入力ペン外観のデザイン性やスイッチ素子等の部品の保護のために、入力ペン内部に配置する必要がある。入力ペン内部に部品を多く配さなければならないので、入力ペン内部は複雑になり、これに伴って入力ペンの外装が大型化し、デザインの自由度が損なわれたり、入力ペンの組立てが難しくなったり、組立て工数の増大や部品点数の多さからコストパフォーマンスが悪化するといった問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、片側を入力面とするガラス板と、前記入力面の反対側に透明電極を設け、ＡＣ信号を発生する制御基板が、前記透明電極に電気的に接続され、前記制御基板から前記透明電極にＡＣ信号を送信し、前記ガラス板と、シールド構造を持つ入力ペン間の容量結合を入力ペンで検出し、入力ペンが指示した位置を座標データに変換する座標入力装置であって、前記入力ペンのペン先が、ガラス板の入力面で押し切られた際に、前記入力面と容量結合する入力ペンのペン先が、入力ペンの外筒内にもぐりこむため、ペン先の露出表面積が少なくなるために、容量結合量が減少することを利用し、前記入力ペンのペン先が押し切られて容量結合量が少なくなった状態の容量結合量レベルの範囲及び、容量結合量レベルの一定時間での変動幅の予め計測しておき、それを基準値として定義し、入力ペンが検知した容量結合量レベルが、前記予め定義した容量結合量レベルの範囲内にあり、かつ、一定時間内での容量結合量レベルの変動が基準値以内であることを、前記制御基板に設けたＣＰＵが見極め、基準値内であれば、入力ペンのペン先スイッチがＯＮと判断し、基準値外であればペン先スイッチがＯＦＦと判断することを特徴とする座標入力装置を提案するものである。
【発明の効果】
【０００６】
以上説明したように、本発明によれば入力ペンのペン先が押し切られた事を検出するためのセンサであるスイッチ素子が必要ない。従って、ペンの内部の部品が少なくなるためにコストダウンも可能であるばかりか、デザインの自由度もあがる。また、ペン内部のスイッチ素子を無くすこと及び、スイッチ機構が簡略化できるために、ペンの組立て易さや部品削減によってコスト低減が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、静電容量結合方式を利用した座標入力装置で、コンデンサの性質である交流信号は通すが、直流信号は通さない性質を利用して、ガラス盤面を介して入力ペンで検出した容量結合量を受信信号として座標データに変換する方式を採用している。
静電容量方式の座標入力装置に使用する入力ペンは、ペン先で受けた電気信号を入力座標位置として検出するため、外部から（近くにある機械や操作者が受ける、または自身が持っている）電磁ノイズを検出し、電気信号に歪みを与えることがある。入力ペンにノイズが発生するとガラス盤面上の位置情報を狂わせ、制御部が算出した入力ペンの座標と、実際の入力ペンの座標位置がずれてしまう原因になる。このため、入力ペンは電磁ノイズをシールド（遮へい）するために外筒は金属の筒を使用し、検出信号に影響のないようにする構造が一般的に採用されている。
【０００８】
図１は、本発明の原理構成図である。前述の通り、シールド機能も併せ持つ。参照符号２は座標位置検出用の電気信号を受信する金属部分である。金属部分２で受信した座標検出用の電気信号は、金属構成部品３や、金属バネ４を介してコントロール基板等（図示せず）に信号を伝達する。参照符号５は非金属の部品である。これは、入力ペンを使用した場合に、入力ペンを接触させるガラス等の対象物を傷つけないことや、滑り易さを追加する目的がある。入力ペンのペン先が、ガラス盤面上で押し切られた時には、図１の信号受信用金属部分２、金属構成部品３及び非金属の部品５がバネ４によって摺動する。また、座標決定のための信号を受信する金属部品２とそれを覆う非金属部品５は、ペン先が押し切られた時に、ガラス盤面と信号受信用金属部分２との最短距離について、入力ペンが傾けられても、なるべく座標検出用の電気信号のレベルが同一になるように、図１のように先端が球状態で形作ることが本発明では望ましい。
【０００９】
図２は、説明のために図１より座標検出用の電気信号を直接受ける金属部分を中心とした部分を抜き出した図である。図２のＡは、ペン先が全く押されていない状態、Ｂはペン先が押し切られている状態である。図より、信号受信用金属部分２はペン先が押し切られた場合にシールドである外筒１から露出する表面積が少なくなることがわかる。
【００１０】
表面積が少なくなると、信号受信用金属部分２に入ってくる電気力線数が少なくなる。従って、この構造では入力ペンのペン先が押し切られるとＡＣ信号を印加されたガラス盤面と、信号受信用金属部分２すなわち入力ペンとの間で容量結合量が少なくなるために、座標検出用電気信号の受信信号レベルは下がる。入力ペンのペン先が押し切られた時の座標検出用電気信号の受信信号レベルは時間が経っても制御部を攻勢する各素子の特性が変わらなければほぼ一定を持続する。そこで、使用時には受信した座標検出用電気信号のレベルが、予め計測しておいたレベルを基準としてその範囲内に収まった場合は、入力ペンのペン先が押し切られたと判断できる。
【００１１】
しかしながら、容量結合量はガラス盤面と、入力ペンのペン先との距離に反比例して少なくなっていくので、入力ペンのペン先をガラス盤面から離した方向でも同量の座標検出用の電気信号の受信信号レベルが検出できるポイントがある。入力ペンのペン先が押し切られたかの判定に座標検出用の電気信号の受信信号レベルのみ使用して判定した場合は、入力ペンをガラス盤面から離したところで入力ペンのペン先が押しきられたと誤判定してしまう。また、予め計測した入力ペンのペン先が押し切られた状態での座標検出用電気信号の受信信号レベルの基準値には安定して判定を行うために安全率を持つ必要がある。このために、入力ペンのペン先が完全に押し切られていない状態でも、ペン先の押し込み量によっては入力ペンのペン先が押しきられたと誤判定してしまう。
【００１２】
そこで、座標検出用の電気信号の受信信号レベルの時間的推移に着目する。人手にて入力ペンを操作した時に、ガラス盤面に入力ペンのペン先を押しきられた場合には、座標検出用の電気信号の受信信号レベルは時間的推移で安定する。これには理由が二つある。ガラス盤面に入力ペンを押し付けているので、ガラス盤面と信号受信用金属部分２の部品の相対距離や信号受信用金属部分２のシールド構造の外筒１からの露出量が安定している理由と、ガラス盤面から信号受信用金属部分２の距離が短いために外部からのノイズを受けにくいからである。
【００１３】
次に、入力ペンをデジタイザ盤面から離した場合やペン先が押されているが押し切られていない状態では、ガラス盤面と入力ペンのペン先との容量結合量は安定しにくいために座標検出用の電気信号の受信信号レベルも安定しない。その理由は前述の全く反対であるからである。
【実施例】
【００１４】
この座標入力装置の構造と動作原理を説明する。図３において、まず制御基板１０１よりＡＣ波を発生させガラス１０６に設けられている透明電極１０２を駆動する。入力ペン１０３のペン先１０４を、ガラス盤面１０５に接触させるとガラス１０６が誘電体として働く。透明電極１０２と上記入力ペン１０３のペン先１０４の間で容量結合が発生し、入力ペン１０３で座標検出用の電気信号として検出し、その信号を増幅回路１０７で増幅する。制御基板１０１は、ＣＰＵが受信信号レベルから演算処理を施し２次元の座標データを確立する。
【００１５】
次にペン先１０４がガラス盤面１０５から浮上した状態を示す図４の状態についても、上記した実施例と同様に透明電極１０２とペン先１０４の間で容量結合が発生し、入力ペン１０３で信号が検出できる。しかしこの状態の時は、ガラス盤面１０５とペン先１０４の接触状態よりも座標検出用の電気信号の受信信号レベルが小さくなる。
【００１６】
図５に示した座標入力装置入力面１０９の盤面構造は、ガラス板の裏面に透明な導電性の透明電極を蒸着する。その４つ角に制御基板１０１に設けられているＣＰＵからの信号を入力するための電極端子があり、左から時計回りにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと決める。そして電極の各々がＣＰＵ１０１のポートＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに接続されている。
【００１７】
図６に示した座標入力装置入力面１０９の座標検出方法は、制御基板１０１に設けられたＣＰＵのポートＡの端子を電極Ａに接続し、電極ＣをＧＮＤに接続する。上記ＣＰＵからポートＡに４６０ＫＨｚ程度のＡＣ波で駆動する。そうすると端子Ａから端子Ｃに向かい電流が流れ、透明電極の抵抗は均一に蒸着されているため端子Ｃから端子Ａに向かい比例して信号レベルが大きくなる。
【００１８】
入力ペン１０３で、座標入力装置入力面１０９(以下、単に入力面１０９と呼称)の盤面１０５を当接すると、静電容量結合方式により信号を検出し、制御基板１０１に設けられているＣＰＵに内蔵されたＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）によりＡ−Ｃ間の座標検出用の電気信号の受信信号の大きさを測定する。この測定値はＡとＣの分圧抵抗に等しいため、入力ペン１０３により入力面１０９の盤面１０５を当接した場所が、Ａ点とＣ点の比として求められる。同様にしてＢ点とＤ点から（Ｂ−Ｄ間の座標検出用電気信号）／Ｃ点とＡ点から（Ｃ−Ａ間の座標検出用電気信号）／Ｄ点とＢ点から（Ｄ−Ｂ間の座標検出用電気信号）の各信号から比が求められ、入力ペン１０３により、入力面１０９の盤面１０５を当接した正確なＸＹ軸の２次元データ座標が確立できる。
【００１９】
図７に示す入力ペン１０３のペン先をガラス盤面１０５に接触させた状態で、入力ペン１０３のペン先を全く押していない場合(図７Ａ)と押し切った場合(図７Ｂ)で２次元データ座標を求める際に使用した、Ａ−Ｃ間の座標検出用電気信号をはじめ、４つの座標検出用電気信号の信号レベルの合計（以後、単に座標検出用電気信号の信号レベルの合計と呼称）の推移を確認した。結果は、図９に示した。図９の詳細説明は後述するが、図９Ａは図７Ａの状態。図９Ｂは図７Ｂの状態を表している。結果は、座標検出用電気信号の信号レベルの合計が入力ペン１０３のペン先が押し切られると、全くペン先を押していない状態と比べて座標検出用電気信号の信号レベルの合計が少なくなっているのがわかる。また、入力ペンのペン先を押し切った状態で傾けた状態(図７Ｃ)も確かめておく。これは、入力ペンの構造によっては入力ペンを傾けると受信信号レベルが変化する場合があるからである。図８のように入力ペンを傾けても座標検出用の電気信号の信号受信部からガラス盤面までの距離l及びl’が同一であれば座標検出用の電気信号の受信信号レベルの変化は少なくなる。
【００２０】
図７のＢ及びＣの入力ペン１０３のペン先が押し切られた状態の座標検出用の電気信号の受信信号レベルの合計と図７のＡのペン先が押されていない状態での座標検出用の電気信号の受信信号レベルを測定する。図７Ｂ及び図７Ｃの座標検出用の電気信号の受信信号レベルの合計値を内包し、図７Ａの状態の座標検出用の電気信号の受信信号レベルの合計値が含まれないように座標検出用の電気信号の受信信号レベルの最大値と最小値を決定し、ペン先が押し切られた状態での座標検出用電気信号の受信信号レベルの合計の基準値として定義する。
【００２１】
また、ペン先が押されている状態で座標検出用の電気信号の受信信号レベルの変動もあわせて計測する。
図９は、固定治具で入力ペン１０３のペン先をガラス盤面１０５に接触させたがペン先を全く押し込んでいない時（図９Ａ）、固定治具を外して、人が実際に入力ペン１０３を操作した時のガラス盤面１０５に入力ペン１０３のペン先を最も押し込まれるまで押し切った時（図９Ｂ）、そして同様に人手にて入力ペン１０３のペン先をガラス盤面１０５から離した状態で、入力ペン１０３のペン先を押し切った時と同じ受信信号レベルを実現しようとした時（図９Ｃ）である。この図からも明らかなように人手での操作時は受信信号の時系列的な変動によって入力ペン１０３の状態が明確に分けられる。
この実験から、入力ペン１０３のペン先がガラス盤面１０５の盤面上で押し切られた状態での受信信号レベルの合計の変動幅を計算し、２０％程度の安全率をかけた上で受信信号レベルの合計の変動幅の基準値を定義した。
【００２２】
これらは、製造時に工場内で行う。上述した座標検出用の電気信号の受信信号レベルの合計の基準値と変動幅の基準値は、座標入力装置の制御部にあるＣＰＵ内部や外部に併設するフラッシュメモリ等の不揮発性メモリに書き込む。実際に製品が使用されるときは、それらの基準値をＣＰＵはメモリより読み出す。
【００２３】
入力ペン１０３から受信した座標検出用の電気信号の受信信号レベルの合計が、最大値と最小値の基準値内であり、その受信信号の合計の変動幅が基準値以内という状態が例えば１０ｍｓの間持続すれば、入力ペン１０３のペン先は押し切られたとみなす。
つまり入力ペン１０３のペン先が押し切られてからＣＰＵが、ペン先が押し切られたと認識するまでに、この場合は１０ｍｓという時間の待ち時間が発生する。しかしながら、通常のタクトスイッチのようなものでもチャタリング対策のために、待ち時間を入れることは一般的である。従って、試作品では違和感は無かった。
以上のようにこの原理を使用すると、入力ペンのＸＹ軸２次元座標データとペン先スイッチの状態により、ペン先スイッチの検出用センサが無いペンのある座標入力装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の原理構成図
【図２】入力ペンのペン先が出ている時と押されている時の模式図
【図３】実施例の座標入力装置模式図
【図４】実施例の座標入力装置模式図
【図５】実施例の座標入力装置のガラス盤模式図
【図６】実施例の座標入力装置模式図
【図７】実施例の入力ペンの状態を計測する姿勢
【図８】実施例のペン先拡大図
【図９】実施例の入力ペンの状態と受信信号レベルの入力状況
【符号の簡単な説明】
【００２５】
１  入力ペン外筒
２  信号受信用金属部品
３  金属構成部品
４  金属バネ
５  非金属構成部品
１０１  座標入力装置制御基板
１０２  透明電極
１０３  入力ペン
１０４  入力ペンのペン先
１０５  ガラス盤面
１０６  ガラス
１０７  増幅回路
１０９  座標入力装置入力面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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