JP2006509268A - コンピュータ入力用の無線無電源手書き装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
この発明は、コンピュータの周辺機器に関し、コンピュータに入力するための無線で無電源の手書き板である。この手書き板は、手書きの軌跡をデジタルX・Y座標値に変換させてから、コンピュータに入力し、対応するドライバプログラムとアプリケーションソフトウエアでもって、手書き板上の軌跡をコンピュータのスクリーンに直接表示する。
【解決手段】
この無線無電源手書き板の特徴は、送信と受信にX・Y方向のコイルを利用していることである。具体的には、MCU2チップが方形波を発生させて送信回路に入力し、送信された電磁波はペン回路に送られて共振を起こし、共振電波は受信回路に出力される。受信回路の出力端子に接続される増幅回路で信号の増幅を行ってから、それぞれ位相回路と振幅回路に入力され、位相と振幅の制御を行う。次いで、信号は、積分とA/D変換を行ってから主CPUに入力されて、最終的に無線ペンの手書き機能を実現する。

Description

この発明は、コンピュータ周辺装置、特にコンピュータ入力用の無線無電源の手書き装置に関する。
現在手書き板のハードウェアメーカは、日本のWACOM、台湾のAIPTEK、WINTIMEと中国の漢王公司などである。長年の開発によって無線感圧式の手書き板の技術は成熟し、種類も多い。例えば、有線手書き板、無線手書き板、有線感圧手書き板、無線感圧手書き板などが、市場でよく販売されている。これらの手書き板は、動作原理から、電磁式、タッチパネル式、超音波測位式、光電式などに分けられる。現在、世界的な無線無電源の手書き板メーカのメインは、日本のWACOM株式会社であり、WACOM株式会社の手書き板の特許保護には、二つのポイントがあり、第一は、送信と受信コイルが同一コイルであること、第二は、まずペンの共振周波数と同じ周波数の電磁波を一定時間送信し、ペンの中のインダクタンスとコンデンサーを共振させてから送信を停止して、受信状態に切り替え、それにより、ペンの中のインダクタンスとコンデンサは外部からの駆動力がなくなって共振が減衰することである。以上の過程は、図3に示すように、増幅及びフィルタ回路を通して信号を取り出し、最後にX・Yの座標位置を得る動作方式を採用している。
この発明も、無線、無電源、感圧式の手書き板である。無線は、手書きペンとタブレットとの間に接続コードがないことを指す。無電源は、手書きペンに電池がないことを指す。感圧式は、手書きタブレットが手書きペンの圧力の大きさを感知できることを指す。
この発明の手書き板がX・Y座標と筆圧を検出する技術的要点を、図1に示す。副CPU(MCU2)が発生した方形波が送信回路に与えられて、送信された電磁波がペン回路に送られて共振を起こさせて、その出力が受信回路に供給される。受信された信号は、受信回路の出力端子に接続せれた増幅器で信号増幅を行ってから、位相検出回路と振幅検出回路にそれぞれ与えられ、位相と振幅の検出を行い、さらに積分とA/D変換を経て主CPUに与えられて、無線無電源の手書き機能を実現する。その動作過程は、次のように行われる。副CPU(MCU2)が発生した方形波が送信回路に与えられ、Y方向のコイルを通して連続的に電磁波を送信する。その波形を図2に示す。フーリエ変換に基づき方形波には奇数倍の高調波が含まれていることが分かる。手書きペンの中の抵抗とコンデンサで構成される共振周波数は、ちょうどその奇数倍に相当する。これによって、手書きペン中の共振コイルがタブレットからの方形波の中の高調波に誘導されて共振を発生する。共振信号は、受信コイルに受信された後、増幅回路での増幅を経て乗算回路によって振幅値と位相値に分解される。具体的な方法は、受信された信号を同じ周波数且つ同じ位相の方形波と乗算させて振幅値の二乗を得て、受信された信号を同じ周波数且つ位相差90°の方形波と乗算させて位相値の二乗を得て、最後に振幅と位相をA/D変換を経て、CPUに与える。その中の振幅は、X・Y座標に対応し、位相は、手書きペンの圧力に比例する。ペンに圧力をかけると、ペンの中のインダクタンス量が変化することによって、ペンの共振波の位相に偏移が発生し、この位相の変化を検出すれば、その時のペンの圧力を検出することができる。
この発明の送信と受信は、それぞれX・Y方向のコイルで実現する。これは、WACOM会社のペンタブレットと異なる。次に、この発明の送信と受信は、連続的に行われ、WACOMのように送信と受信が交互に行われるのとは異なる。
この発明の主要機能は、手書きの軌跡を数値量、すなわち、X・Y座標に転換させてからコンピュータに入力し、対応のドライバとアプリケーションソフトに合わせて、利用者がタブレットに手書きした軌跡をコンピュータのディスプレーに直接表示できる。手書き板の主要な応用分野は、手書き識別システムや絵描きなどである。
以下に、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら、さらに説明する。
この発明は、手書きペンと手書きタブレットで構成される。ペンとタブレットの間には接続コードがない。手書きペンの中には電池がない。手書きペンは、加えられる圧力の大きさを感知することができる。タブレットの中のハードウェアは、送信受信回路、増幅回路、位相・振幅値検出回路、積分回路で構成されている。前記回路間の接続要領は、次のとおりである。位相・振幅値検出回路のTX+端子が送信受信回路の送信端子に接続され、送信受信回路の受信端子が増幅回路のRX+端子に接続され、増幅回路の出力端子(OUT)が位相・振幅値検出回路の入力端子(IN)に接続され、位相・振幅値検出回路の出力端子(OUT)が積分回路の入力端子(IN)に接続され、積分回路のA/D端子からA/D変換を経て処理主CPUに接続されている。
手書きペン回路は、主にコンデンサとインダクタンスで構成される並列共振回路である。その回路接続を図4に示す。インダクタンスL1は、可変コンデンサC1、コンデンサC2、C3、C4、C5、C6、C7に並列接続され、並列回路の両端は、それぞれスイッチK1と直列抵抗R1に接続されて回路が構成されている。スイッチK1は、ペン側のスイッチで、マウスの右クリックキーに相当する。
この発明の送信電磁波の波形を図2に示す。その周期は、ペンの内部の抵抗とコンデンサの共振周期の奇数倍である。
この発明の送信受信回路は、図5に示すようになっている。そのY方向は、連続送信回路として、順次に対応する受信回路X1、X2……X18……X24を選択固定しつつ、順序に送信回路Y1、Y2……Y18……Y24をストローブして開通させることによって、受信された信号の大きさによって手書きペンのYコイルの中にある位置すなわち手書きペンがどのYコイルの範囲にあるかを判断することができる。これと同様に、順次に対応の送信回路Y1、Y2……Y18……Y24を選択固定しつつ、順序に受信回路X1、X2……X18……X24をストローブして開通させることによって、手書きペンのXコイルの中にある位置を判断することができる。具体な接続は、次のようである。送信回路をY方向として、受信回路をX方向とする。L10、L11、L12、L13、L14、L15ともICチップであり、その中のL13、L14、L15は送信機能の実現に用いられ、L10、L11、L12は受信機能の実現に用いられ、副CPU(MCU2)が発生した方形波は送信端子を通して(図5に示すように)L13、L14、L15チップのピン3(Xポート)にそれぞれ与えられ、チップL13のX0−X7端子はそれぞれY方向のコイルに接続され、その出力端子は接地線に接続され、INHはチップセレクト端子であり、A、B、C端子ともストローブ端子としてメインCPUに接続され、VEE端子は電源のマイナス端子に接続され、チップL14のX0−X7端子はそれぞれY方向のコイルに接続され、その出力端子は接地線に接続され、INHはチップセレクト端子であり、A、B、C端子ともストローブ端子として主CPUに接続され、VEE端子は電源のマイナス端子に接続され、チップL15のX0−X7端子はそれぞれY方向のコイルに接続され、その出力端子は接地線に接続され、INHはチップセレクト端子であり、A、B、C端子ともストローブ端子としてメインCPUに接続され、VEE端子は電源のマイナス端子に接続され、チップL10、L11、L12のX端子は相互に接続されて受信信号を出力する。チップL10のX0−X7端子はそれぞれX方向のコイルに接続され、出力端子は接地線に接続され、INHはチップセレクト端子であり、A、B、C端子ともストローブ端子としてメインCPUに接続され、VEE端子は電源のマイナス端子に接続され、チップL11のX0−X7端子はそれぞれX方向のコイルに接続され、出力端子は接地線に接続され、INH端子はチップセレクト端子であり、A、B、C端子ともストローブ端子としてメインCPUに接続され、VEE端子は電源のマイナス端子に接続され、L12チップのX0−X7端子はそれぞれX方向のコイルに接続され、出力端子は接地線に接続され、INH端子はチップセレクト端子であり、A、B、C端子ともストローブ端子として主CPUに接続され、VEE端子は電源のマイナス端子に接続される。
この発明の増幅回路は、図6に示すようになっている。その中に主CPUによって制御される自動ゲイン回路が含まれる。主な機能は、ペンとタブレットの距離の遠近による信号の歪みを解消することである。受信信号は、RX+端子から入力され、抵抗R1及びR2にそれぞれ並列接続され、R2の他端子はチップIC12Aのピン2及び抵抗R3に並列接続され、R3の他端子はIC12Aチップのピン1に接続され、R1の他端子は抵抗R4、コンデンサC6及び基準電圧にそれぞれ並列接続され、R4の他端子はチップIC12Aのピン3に接続され、チップIC12Aのピン4は接地線に接続され、チップIC12Aのピン8は電源VDD及びコンデンサC7にそれぞれ接続され、C7の他端子は接地線に接続され、チップIC12Aのピン1はチップIC14のピン12及び抵抗R6に並列接続され、R6の他端子はチップIC14のピン13及び抵抗R7に並列接続され、R7の他端子はチップIC14のピン14及び抵抗R8に並列接続され、R8の他端子はチップIC14のピン15及び抵抗R9に並列接続され、R9の他端子はチップIC14のピン1及び抵抗R10に並列接続され、R10の他端子はチップIC14のピン2及び抵抗R11に並列接続され、R11の他端子はチップIC14のピン4及び抵抗R12に並列接続され、R12の他端子はチップIC14のピン5及び抵抗R13に並列接続され、R13の他端子は基準電圧に接続され、チップIC14のピン3はコンデンサC1に接続され、C1の他端子は抵抗R16及びチップIC12Bのピン5にそれぞれ並列接続され、R16の他端子は基準電圧に接続され、チップIC12Bのピン6は抵抗R23及びR26にそれぞれ接続され、R26の他端子はチップIC12Bのピン7に接続され、R23の他端子は基準電圧に接続され、チップIC14のピン11はGA信号に接続され、チップIC14のピン10はGB信号に接続されている。チップIC14のピン9はGC信号に接続され、チップIC14のピン16がそれぞれ電源VDD及びコンデンサC14に並列接続され、コンデンサC14の他端子は接地線に接続され、チップIC14のピン6、7、8はともに接地線に接続されている。チップIC12Bのピン7から増幅された信号を出力する。
この発明の位相・振幅検出回路は、図7に示すようになっている。その主な役割は、受信された方形波の立上り縁及び立下り縁で発生するパルスピークを解消することである。具体的な回路は、次のように構成される。増幅された信号はIN端子から入力され、入力端子はチップIC9Aのピン3及び抵抗R17にそれぞれ並列接続され、R17の他端子はチップIC9Bのピン6及び抵抗R18に並列接続され、R18の他端子はチップIC9Bのピン7及びチップIC8Bのピン4に並列接続され、チップIC9Bのピン5は抵抗R19に接続され、R19の他端子は基準電圧に接続され、チップIC9Aのピン1はチップIC9Aのピン2及びチップIC8Cのピン8にそれぞれ並列接続され、チップIC9Aのピン8はVDD電源に接続され、IC9Aのピン4は接地線に接続され、チップIC8Bのピン5はチップMCU2のピン2に接続され、IC8Cのピン6はチップMCU2のピン3に接続され、チップIC8Cのピン9に接続されているIC8Bのピン3は、出力端子として、検出された位相と振幅の信号を出力する。MCU2のピン11はコンデンサC4及び抵抗R28にそれぞれ並列接続され、C4とR28の他端子は、並列接続されて、さらにトランジスタQ1のベースに接続され、Q1のエミッタはコンデンサC3に直列接続され、C3の他端子は抵抗R29及びTX−端子に並列接続され、R29の他端子は電源VEEに接続され、トランジスタQ1のコレクタはTX+端子及びコンデンサC2にそれぞれ並列接続され、C2の他端子はTX−に接続され、チップMCU2のピン5はOSCクロックに接続され、MCU2のピン1は抵抗R25とコンデンサC5にそれぞれ並列接続され、R25の他端子は電源VCCに接続され、C5の他端子は接地線に接続され、MCU2のピン4,6,7,8,9,12,13,14ピンはともに非接続であり、MCU2のピン15はDONEに接続され、MCU2のピン16はCMD0に接続され、チップMCU2のピン17はCMD1に接続され、チップMCU2のピン18はCMD2に接続され、チップMCU2のピン19はCMD3に接続され、MCU2のピン20は電源VCC及びコンデンサC19にそれぞれ並列接続され、C19の他端子はMCU2のピン10及び接地線にそれぞれ並列接続されている。
この発明の積分回路は、図8に示すようになっている。位相差90°のI位相とJ位相の二回路に分けられる。I位相は、座標に対応する。J位相は、ペン圧力値に対応する。位相と振幅値の検出処理後の信号は、IN端子から抵抗R21に接続され、R21の他端子は、チップIC10Aのピン2、チップIC8Dのピン11及びコンデンサC21にそれぞれ並列接続され、C21の他端子は、チップIC8Dのピン10及びチップIC10Aのピン1にそれぞれ接続され、チップIC8Dのピン12は主CPUに接続され、IC10Aのピン3は基準電圧に接続され、IC10Aのピン4は接地線に接続され、IC10Aのピン8は電源VDDに接続され、IC10Aのピン1は抵抗R20に接続され、R20の他端子は、出力端子として、A/D変換回路に接続されている。
この発明の装置は、無線、無電源、感圧式の手書き板である。手書きペンの中にインダクタンスとコンデンサで構成される並列共振回路がある。タブレットの中は、主に送信受信回路、増幅回路、位相・振幅値検出回路及び積分回路を含んでいる。利用者は、操作の時、手書きペンを握って適当な圧力で、タブレット上に自由に絵描きまたは文字書きなどを行い(ペン本体の軸にあるボタンスイッチは、マウスの右クリックボタンに相当)、手書きペンとタブレット内部のハードウェア及び相応なアプリケーションソフトによって、手書きペンでタブレット上に書かれた利用者の手書き軌跡をコンピュータのディスプレイに反映させ、無線式の手書き入力の目的を実現できる。例えば、手書きペンを使ってタブレット上に「中」の文字を書くと、コンピュータのディスプレイに直ちに「中」の文字が表示される。これは、大いに漢字の入力に便利さをもたらす。
コンピュータ入力用の無線無電源手書き板のシステムブロック図である。 この発明の送信電磁波の波形図である。 従来例ペンタブレットの共振電磁波の減衰振動波形図である。 この発明のペンタブレットの並列共振回路の回路図である。 この発明の送信受信回路の回路図である。 この発明の増幅回路の回路図である。 この発明の位相・振幅値検出回路の回路図である。 この発明の積分回路の回路図である。

Claims (6)

  1. 手書きタブレットと手書きペンで構成されるコンピュータ入力用の無線無電源手書き装置であって、
    手書きタブレットは、手書きペンの圧力の大きさを感知できるものであり、
    前記手書きタブレットのハードウェアは、送信受信回路、増幅回路、位相・振幅値検出回路、積分回路を含んで構成されており、
    前記回路間の接続は、位相・振幅値検出回路のTX+端子が送信受信回路の送信端子に接続され、送信受信回路の受信端子が増幅回路のRX+端子に接続され、増幅回路の出力端子(OUT)が位相・振幅値検出回路の入力端子(IN)に接続され、位相・振幅値検出回路の出力端子(OUT)が積分回路の入力端子(IN)に接続され、積分回路のA/D端子がA/D変換を介してメインCPUに接続されており、
    手書き板の送信と受信の過程は、Y方向の送信回路とX方向の受信回路によって連続的に行われる
    ことを特徴とする手書き装置。
  2. 請求項1に記載の手書き装置において、
    前記送信受信回路は、Y方向のコイル、X方向のコイル及びチップを含んで構成され、その接続方式は、受信回路のRX+側がそれぞれチップL10、L11、L12のXポートのピン3に接続され、チップL10、L11、L12のピン13、14、15、12、1、5、2、4に対応するX0〜X7端子がそれぞれX方向のコイルに接続され、コイルの出力端子が接地線に接続され、ピン6に対応するINH端子がチップセレクト端子であり、ピン11、10、9に対応するA、B、C端子がともにストローブ端子としてメインCPUに接続され、ピン7に対応するVEE端子が電源のマイナス端子に接続されており、
    サブCPUから発生した方形波信号は、送信回路のTX+側を通してそれぞれL13、L14、L15チップのXポートのピン3に接続され、チップL13、L14、L15のピン13、14、15、12、1、5、2、4に対応するX0〜X7端子は、それぞれY方向のコイルに接続され、コイルの出力端子は、接地線に接続され、ピン6に対応するINH端子は、チップセレクト端子であり、ピン11、10、9に対応するA、B、C端子は、ともにストローブ端子としてメインCPUに接続され、ピン7に対応するVEE端子は、電源のマイナス端子に接続されている
    ことを特徴とする手書き装置。
  3. 請求項1に記載の手書き装置において、
    前記手書きペンの前記手書きタブレットに対する圧力は、次の要領で感知される、すなわち、
    副CPU(MCU2)の発生した方形波が送信回路に与えられ、Y方向のコイルを通して連続的に送信される電磁波が手書きペンの中の並列共振回路に送られ、方形波の中に奇数倍の高調波が含まれ、手書きペンの中の抵抗とコンデンサで構成される共振周波数が方形波周波数の奇数倍に相当し、それによって、手書きペンの中の共振コイルがタブレットからの方形波の高調波に誘導されて共振が発生し、
    共振信号は、受信コイルに受信された後、増幅回路の増幅を経て乗算回路によって振幅値と位相値に分解され、具体方法として受信された信号を同周波数で同位相の方形波と乗算させて振幅値の二乗を得て、一方、受信された信号を同周波数で位相差90°の方形波と乗算させて位相値の二乗を得て、
    最後に、振幅と位相は、A/D変換を通してCPUに与えられ、その振幅値は、X−Y座標に対応し、位相は、手書きペンの圧力に比例し、それはペン先が圧下されたとき、ペンの中のイダクタンス量が変化されることによって、ペンの共振波の位相に偏移が発生し、それによりこの位相の変化を測定してそのときのペン圧力を測定できることにより、手書きペンのタブレットに対する筆圧を感知する
    ことを特徴とする手書き装置。
  4. 請求項1に記載の手書き装置において、
    前記増幅回路の接続は、IN端子がチップIC9Aのピン3及び抵抗R17にそれぞれ並列接続され、R17の他端子がチップIC9Bのピン6及び抵抗R18に並列接続され、R18の他端子がチップIC9Bのピン7及びチップIC8Bのピン4に並列接続され、チップIC9Bのピン5が抵抗R19に接続され、R19の他端子が基準電圧に接続され、チップIC9Aのピン1がチップIC9Aのピン2及びチップIC8Cのピン8にそれぞれ並列接続され、チップIC9Aのピン8がVDD電源に接続され、IC9Aのピン4が接地線に接続されており、
    チップIC8Bのピン5は、チップMCU2のピン2に接続され、IC8Cのピン6は、チップMCU2のピン3に接続され、チップIC8Cのピン9に接続されているIC8Bのピン3は、出力端子として、検出された位相信号と振幅信号を出力し、
    MCU2のピン11は、コンデンサC4及び抵抗R28にそれぞれ並列接続され、C4とR28の他端子は、並列接続されてさらにトランジスタQ1のベースに接続され、Q1のエミッタは、C3に直列接続され、C3の他端子は、抵抗R29及びTX−端子に並列接続され、R29の他端子は、電源VEEに接続され、トランジスタQ1のコレクタは、TX+端子及びコンデンサC2にそれぞれ並列接続され、C2の他端子は、TX−に接続され、
    MCU2のピン5は、OSCクロックに接続され、MCU2のピン1は、抵抗R25とコンデンサC5にそれぞれ並列接続され、R25の他端子は、電源VCCに接続され、C5の他端子は、接地線に接続され、MCU2のピン4,6,7,8,9,12,13,14ピンは、ともに非接続であり、MCU2のピン15は、DONEに接続され、チップMCU2のピン16は、CMD0に接続され、チップMCU2のピン17は、CMD1に接続され、チップMCU2のピン18は、CMD2に接続され、MCU2のピン19は、CMD3に接続され、MCU2のピン20は、電源VCC及びコンデンサC19にそれぞれ並列接続され、C19の他端子は、MCU2のピン10及び接地線にそれぞれ並列接続されている
    ことを特徴とする手書き装置。
  5. 請求項1に記載の手書き装置において、
    前記積分回路では、位相差90°のI位相とJ位相の二回路に分けられ、I位相は座標に対応し、J位相はペン圧力値に対応する
    ことを特徴とする手書き装置。
  6. 請求項1または請求項5に記載の手書き装置において、
    前記積分回路では、IN端子が抵抗R21に接続され、R21の他端子がチップIC10Aのピン2、チップIC8Dのピン11及びコンデンサC21にそれぞれ並列接続され、C21の他端子がチップIC8Dのピン10及びチップIC10Aのピン1にそれぞれ接続され、チップIC8Dのピン12がメインCPUに接続され、IC10Aのピン3が基準電圧に接続され、IC10Aのピン4が接地線に接続され、IC10Aのピン8が電源VDDに接続され、IC10Aのピン1が抵抗R20に接続され、R20の他端子が出力端子としてA/D変換回路に接続されている
    ことを特徴とする手書き装置。
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