JP3860848B2 - 携帯型コンピュータ用高電圧スタイラス - Google Patents

Description

【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Ｉ１は最大であり、電流Ｉ４は次に大きく、電流Ｉ２とＩ３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】
上記目的を達成するために、本発明は、デジタルパッド用の高電圧スタイラスであって、（ａ）一対の一次巻線を有した変圧器と、（ｂ）位相差を有する２つの異なる正弦波信号を前記変圧器の一次巻線に供給する手段と、を備えたことを特徴とする高電圧スタイラスを提供するものである。また、本発明は、（ａ）正弦波信号を発生させる手段と、（ｂ）前記正弦波信号を増幅する第１の増幅手段と、（ｃ）前記正弦波信号を反転化させるインバータ手段と、（ｄ）前記正弦波信号の反転化信号を増幅する第２の増幅手段と、（ｅ）一組の一次側導線と一組の二次側導線を有し、前記一次側導線の一方に前記第１の増幅手段の出力が接続され他方に前記第２の増幅手段の出力を接続された変圧器と、（ｆ）前記二次側導線の出力に接続された先端部と、を備えたことを特徴とする高電圧スタイラス装置を提供するものである。
【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Ａ１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Ｈ１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×２５０ｋＨｚ、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１０ｍＡ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Ａ１、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

Claims (7)

1. デジタルパッド用の高電圧スタイラスであって、
   （ａ）一対の一次巻線を有した変圧器と、
   （ｂ）位相差を有する２つの異なる正弦波信号を前記変圧器の一次巻線に供給する手段と、
   を備えたことを特徴とする高電圧スタイラス。
2. 前記２つの正弦波信号の位相差は、１８０度であることを特徴とする請求項１に記載の高電圧スタイラス。
3. バッテリを搭載し、前記バッテリから流出する電流が４ミリアンペア未満であり、前記二次側導線の出力電圧の振幅値が３０ボルトを超えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高電圧スタイラス。
4. 前記バッテリの定格電圧が３．６Ｖであって、その消費電力が１５ミリワット以下であることを特徴とする請求項３に記載の高電圧スタイラス。
5. デジタルパッド用の高電圧スタイラス装置であって、
   （ａ）正弦波信号を発生させる手段と、
   （ｂ）前記正弦波信号を増幅する第１の増幅手段と、
   （ｃ）前記正弦波信号を反転化させるインバータ手段と、
   （ｄ）前記正弦波信号の反転化信号を増幅する第２の増幅手段と、
   （ｅ）一組の一次側導線と一組の二次側導線を有し、前記一次側導線の一方に前記第１の増幅手段の出力が接続され他方に前記第２の増幅手段の出力を接続された変圧器と、
   （ｆ）前記二次側導線の出力に接続された先端部と、
   を備えたことを特徴とする高電圧スタイラス装置。
6. バッテリを搭載し、前記バッテリから流出する電流が４ミリアンペア未満であり、前記二次側導線の出力電圧の振幅値が３０ボルトを超えることを特徴とする請求項５に記載の高電圧スタイラス装置。
7. 前記バッテリの定格電圧が３．６Ｖであって、その消費電力が１５ミリワット以下であることを特徴とする請求項６に記載の高電圧スタイラス装置。

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