位置检测装置及其位置指示器 【技术领域】
本发明涉及一种用于向计算机中输入图形或者文字的位置检测装置及其位置指示器。
背景技术
现有的这种位置检测装置，在特开昭64-53223号公报(在先申请1)中公开过。
在上述位置检测装置中，位置指示器中设有由线圈和电容器形成的谐振回路，通过在图形输入板和位置指示器之间交换电波，求出该位置指示器生成的指示位置的坐标值。据此，依次选择在图形输入板内的位置检测方向并列设置的多个环路线圈并发射电波的同时，接收设在位置指示器内的谐振回路再次发射的电波，根据该接收信号的强度分布求取指示位置的坐标值。
在该种位置检测装置中，除指示位置的坐标值以外，作为表示指定实际应输入的指示位置的状态的信息，希望将比如线的粗细、色调、明亮度等连续变化地信息与坐标值一同输入。
在上述在先的申请1中，作为构成谐振回路的线圈，使用感应系数随笔压变化而连续变化的线圈，共振频率随笔压变化而连续变化时，通过相位角的连续变化检测出该共振频率的连续变化，从而能够求出笔压。
然而，与检测出的笔压的范围相对应的相位角的范围，随位置指示器相对于图形输入板的距离和倾斜角度等主要因素变化的同时，也随线圈的感应系数自身的经时变化而变化，不能正确检测出笔压的问题就出现了。
申请人在特开平7-225644号公报(在先申请2)中，提出了通过除笔压外以连续量的形式分别设定红、绿、蓝3种颜色的方式、能够输入色调、颜色浓度等的笔。即，为了分别设定笔压和3个颜色的量，而设有4个可变容量电容器，分别在不同的4个时隙(timing)内，将这4个可变容量电容器依次与谐振回路连接，从而就能够独立求取这4个连续量。
在该装置中，由于预先求得任一个可变容量电容器都没有连接时的信号相位，因上述在先申请1那样的线圈的感应系数随时间变化而造成的影响完全消失。但是，与求取的连续量的范围相对应的相位角的范围，跟在先申请1一样，由于随笔相对于图形输入板的距离和倾斜角度等主要因素的变化而变化，因此不能正确求取连续量。
此外，申请人在特开平5-313439号公报(在先申请3)中，提出了一种位置指示器，它通过在位置指示器内部将连续量换算成2进制码并返回到图形输入板从而检测连续量。
利用本装置，虽然能够正确求取不受位置指示器相对图形输入板的高度和倾斜度影响的连续量，但是具有位置指示器的结构复杂这样的问题。此外，为了用2进制码将一个连续量返回，就必须重复该彼特数的收发信号，这样就有采样速度低的问题。
【发明内容】
针对上述这样的问题点，本发明的目的在于提供一种位置检测装置及它的位置指示器，它能够使位置指示器的结构简单、低成本地正确检测与操作相应的连续量。
另外，本发明的另一个目的在于提供一种位置检测装置及其位置指示器，能够利用快速采样速度正确检测出与操作相应的连续量。
为了实现上述目的，本发明提供一种位置检测装置，由具备至少包含线圈和电容器的谐振回路的位置指示器、通过向该位置指示器收发电磁波，求出由该位置指示器产生的指示位置的坐标值的图形输入板构成，产生包含来自于该图形输入板的给定的定时(timing)信息的电磁波，从在接收该电磁波的位置指示器的谐振回路内产生的感应电压中抽取出上述给定的定时信息，在基于该给定的定时信息的特定时隙内，控制随操作变化而变化的位置指示器的谐振回路的共振特性，在该特定的时隙内检测出自位置指示器的谐振回路产生的电磁波的位相或者强度，该检测装置具有下面说明的结构。
即，在该位置指示器中设有：
第1共振特性控制器件，控制基于给定的定时信息的第1个特定时隙中的谐振回路的共振特性，使其成为随连续操作量而在该共振特性的给定可变范围内的数值；
第2共振特性控制器件，控制基于给定的定时信息的第2个特定时隙中的谐振回路的共振特性，使其成为该共振特性的给定可变范围内的最大值；
第3共振特性控制器件，控制基于给定的定时信息的第3个特定时隙中的谐振回路的共振特性，使其成为该共振特性的给定可变范围内的最小值。
此外，在图形输入板中设置有：
检测值获取器件，它将在上述第1、第2、第3特定的时隙中自位置指示器的谐振回路产生的电磁波的相位或者强度分别作为第1、第2、第3检测值加以获得；
处理器件，它将上述第2和第3检测值中的一个作为上限，将另一个作为下限，通过使上述第1检测值对应于从上述上限到下限的范围内而求取连续操作量。
【附图说明】
图1是表示本发明的位置指示器的第1实施方式的结构图。
图2是表示本发明的图形输入板的第1实施方式的结构图。
图3是表示本发明第1实施方式的动作的波形图。
图4是第1实施方式中位置检测动作的处理流程图。
图5是表示本发明的位置指示器的第2实施方式的结构图。
图6是表示本发明的位置检测装置的第2实施方式的结构图
图7是表示本发明第2实施方式的动作的波形图。
图8是表示本发明的位置指示器的第3实施方式的结构图。
图9是表示本发明的位置指示器的第3实施方式的外观图。
图10是表示本发明第3实施方式的动作的波形图。
符号说明：11a线圈，11b电容器，11谐振回路，12电源回路，13检波回路，14、19、61～63比较仪，15移位寄存器，16积分回路，17、23～25、84换流器，18、20～22微分回路，26、27、88～92电阻，28、84～87可变电阻元件，29～31二极管，41环路线圈群，42选择回路，43振荡回路，44电流放大器，45收发转换回路，46放大回路，47检波回路，48、72低通滤波器，49、73积分放大器，50、74AD转换回路，51CPU，64、65电容器，66可变容量电容器，67～69模拟开关，71同步检波回路，80与门电路，81单稳态多谐振荡器回路，82计数回路，83模拟多路转换器，84′笔压检测部，85′～87′标度盘。
【具体实施方式】
[第一实施方式]
(第一实施方式的结构)
图1表示利用本发明的位置指示器的第一实施方式的结构。
图中，11a是线圈，11b是电容器，他们形成在固定频率fo共振的谐振回路11。此外，12是用于从谐振回路11中产生的高频电压中抽取出电源的电源回路。
13是用于检测出与来自谐振回路11产生的信号(b)的信号收发相对应的时隙的检波回路，该检波回路13的输出端与比较仪14相连接，将与图形输入板的电波的信号收发相对应的时钟脉冲信号(c)抽取出来。该时钟脉冲信号(c)连接着移位寄存器15的时钟脉冲输入端子。
时钟脉冲信号(c)与积分回路16相连接，得到仅在以后所述的连续发送期间产生电压的信号(d)。该信号(d)提供给移位寄存器15的复位端子。而且，该信号(d)通过换流器17、微分回路18和比较仪19，生成只在从连续发送结束开始到下一个发送期间结束为止的时间跨度内输出高电平的信号(e)。该信号(e)连接着移位寄存器15的数据输入端子。
此外，来自于移位寄存器15的3个输出(Q0～Q2)分别与同一时间常数的微分回路20、21、22相连接。微分回路20、21、22分别与换流器23、24、25相连。
由压敏导电性橡胶等构成的可变电阻元件28与换流器25连接，可变电阻元件28通过二极管31与谐振回路11相连接。
可变电阻元件28是电阻值随压力变化而变化的元件，在本实施方式中将其在笔的等压检测中的利用进行说明。在此，要检测的笔压在0g到500g的范围内。在该范围的负荷内，可变电阻元件28的电阻值在Rmax～Rmin的范围内变化。
跟可变电阻元件28获得的电阻最大值Rmax具有相同值的电阻27与换流器24连接，该电阻27通过二极管30与谐振回路11相连接。另外，跟可变电阻元件28获得的电阻最小值Rmin具有相同值的电阻26与换流器23连接，该电阻26通过二极管29与谐振回路11相连接。
图2表示除去本发明的位置检测装置内部的位置指示器之后的部分，即，图形输入板的第1实施方式的结构。
图中，41作为环路线圈群在X轴方向和Y轴方向分别配置有X1～X40和Y1～Y40。这些环路线圈与选择各个环路线圈的选择回路42连接。
43是在与前面所述的位置指示器的共振频率fo相同的频率产生共振的振荡回路，该振荡回路43通过电流放大器44连接于收发转换回路45的发送侧(T)。该收发转换回路45连接着选择回路42，从选择的环路线圈向着位置指示器发射频率为fo的电波。
收发转换回路45的接收侧(R)连接着放大回路46，该放大回路46与检波回路47相连接。此外，检波回路47又连接着低通滤波器48，低通滤波器48与积分放大器49相连，将接收信号储存保持一定时间。通过积分放大器49保持的电压输出到AD转换回路50，AD转换回路50的输出与CPU51连接。
CPU51将控制信号分别送到选择回路42、收发转换回路45、积分放大器49和AD转换回路50。
(第一实施方式的动作)
下面，基于上述图1和图2说明本实施方式的动作。
在本实施方式中，首先与现有装置的情况一样，进行全面扫描动作，用于大略检测出位置指示器位于由环路线圈群41形成的位置检测面上的什么位置。
该全面扫描动作边在全部X轴方向和Y轴方向的各自40个环路线圈之间顺序切换，边收发电波，检测出是否接收给定值以上的信号水平，然后抽取出信号水平最大的环路线圈(峰值线圈)。
下面，根据上述全面扫描动作说明位置指示器的大概位置明确后的动作。在本实施方式中对位置指示器放置于环路线圈X7和Y5的交点附近时的动作进行说明。
图3表示明确位置指示器的大概位置后的动作中各个部件的动作波形的概略。在图3中，记号a～j所示部分表示图1和图2中用相同记号所表示部分的波形。
首先，CPU51从选择回路42选择环路线圈X7(峰值线圈)的同时，向收发转换回路45施加发送侧(T)那样的控制信号。这样，从环路线圈X7放射频率fo的电波。使该电波的放射持续比较长的时间(连续发送期间)比如1mS。紧接着，CPU51向收发转换回路45施加接收侧(R)那样的控制信号。
由于即使结束了电波的发送，信号也会在谐振回路11内残留一定的时间，因此该信号通过图形输入板作为信号(i)被检测出来。该接收期间持续于到谐振回路11的信号充分衰减为止的期间内(比如100μS)。
如果继上述连续发送之后的接收期间结束，为了检测出施加于可变电阻元件28上的笔压，分别重复3次比较短的发送期间(比如50μS)和接收期间(100μS)。
在该第1回的收发信号时间内，如图3所示，移位寄存器15的端子Q0上升到高电平，自该上升边缘开始根据微分回路20的时间常数确定的时间内，信号f成为低电平，这一期间内谐振回路11的两端的信号b通过二极管29和电阻26进行衰减。
同样，在第2回的收发信号期间，谐振回路11两端的信号b也通过二极管30和电阻27进行衰减。
同样，在第3回的收发信号期间，谐振回路11两端的信号b也通过二极管31和可变电阻元件28进行衰减。
在此，由于第1～3回中图形输入板接收的信号的强度分别对应电阻26、27和可变电阻元件28的阻值，因此这些积分输出j的水平分别是Va、Vb、Vp，如图3所示，Va比Vb低，Vp处于Va与Vb之间。即，由于施加的笔压的负荷为0时，Vp＝Vb，最大负荷(500g)时，Vp＝Va，如果按比例计算出Vp处于Va和Vb之间哪一水平，就能正确地求出处于要检测的负荷范围内的笔压值。该动作是本发明的特征。
如果上述笔压检测期间结束，CPU51进行用于检测Y轴坐标值的动作和用于检测X轴坐标值的部分扫描动作。该动作以与现有装置的情况相同的方式进行。
图4表示了上述第1实施方式中位置检测动作的处理流程。此外，在图4中，i表示笔压检测期间中电波收发信号的回数，其中V1＝Va，V2＝Vb，V3＝Vp。
(第1实施方式的扩展)
在本实施方式中，也可用借助压敏导电橡胶的可变电阻元件之外的方法进行连续量的检测。
对于施加在可变电阻元件上的负荷为0时电阻值大概在无穷大的情况，省略位置指示器中的微分回路21、换流器24、电阻27和二极管30以及笔压检测期间的第2回的收发信号，也可将紧随连续发送之后的接收水平作为Vb使用。
[第2实施方式]
(第2实施方式的结构)
图5表示本发明的位置指示器的第2实施方式的结构，图中和第1实施方式相同的结构部分用同一符号表示。图5的结构和第1实施方式(图1)不同的地方是各个微分回路20、21、22和谐振回路11之间的回路结构。
在图5中，微分回路20、21、22分别和比较仪61、62、63相连接，比较仪61、62、63分别连接在模拟开关67、68、69的控制端子。
66是容量随笔压变化而变化的可变容量电容器，该可变容量电容器66通过模拟开关69与谐振回路11并列连接。在此，使要检测的笔压在0g到500g的范围内，在该范围内的负荷下，可变容量电容器66的静电容量在Cmin～Cmax的范围内变化。
电容器64是与可变容量电容器66取得的容量最小值Cmin具有同一值的电容器，该电容器64通过模拟开关67与谐振回路11并列连接。电容器65是与可变容量电容器66取得的容量最大值Cmax具有同一值的电容器，该电容器65通过模拟开关68与谐振回路11并列连接。
图6表示使用本发明的图形输入板的第2实施方式的结构，与第1实施方式相同的部分用同一符号表示。图6的结构与第1实施方式(图2)不同的地方是，为了检测从位置指示器返回来的信号的位相并求取笔压，添加了一个接收系统。
在图6中，71是同步检波回路，与放大回路46相连接。振荡电路43与同步检波回路71连接，供给变成以位相检测为目的的基准的时钟脉冲。同步检波回路71与低通滤波器72相接，低通滤波器72与积分放大器73相连，将接收信号储存保持一定时间。通过积分放大器73保持的电压，输出到AD转换回路74，AD转换回路74的输出与CPU51连接。
(第2实施方式的动作)
下面，基于上述图5和图6说明本实施方式的动作。
本实施方式和第1实施方式相同，首先，进行全面扫描动作，用于大概检测出位置指示器放置在由环路线圈群41形成的位置检测面的什么位置。
其次，针对通过上述全面扫描动作得知位置指示器的大概位置后的动作进行说明。在本实施方式中对位置指示器放置于线圈X7和Y5的交点附近的动作进行说明。
图7是在得知位置指示器的大概位置后的动作中各个部件的动作波形的概略。在图7中，a～k的记号表示的信息代表着图5和图6中同一记号所示的部分的波形。
本实施方式如图7所示，继连续发送期间以后，重复进行笔压检测期间、Y坐标检测期间、X坐标检测期间，这一点与第1实施方式的情况相同。而且，信号a～j的样子与第1实施方式的情况大致相同。但是，在笔压检测期间，积分输出(j)的水平不变化，取决于来自同步检波回路71的信号的积分输出(k)的水平变化，这一点与第1实施方式的情况不同。
在图7中，连续发送及继其之后的接收期间结束后，为了检测出施加在可变容量电容器66上的笔压，分别重复3次比较短的发送期间(比如50μS)和接收期间(比如100μS)。
在第1回收发信号时，信号f变成高电平，导通模拟开关67。为此，由于电容器64与谐振回路11相连接，谐振回路11的共振频率变化甚微。同步检波回路71通过根据位相的变化检测出从该谐振回路返回来的信号的频率变化，自积分放大器73输出水平与该位相对应的信号k。
同样，第2回收发信号时，电容器65连接于谐振回路11，输出与电容器65的静电容量相对应的信号k。
同样，第3回收发信号时，电容器66连接于谐振回路11，输出与这一时刻的笔压相对应的信号k。
在此，由于在第1～3回中自积分放大器73输出的信号k的强度，分别对应于电容器64、65和可变容量电容器66的值，在此分别作为Va、Vb、Vp，如图6所示，Vp处于Va与Vb之间。即，施加的笔压的负荷为0时，Vp＝Va，最大负荷(500g)时，Vp＝Vb，因此如果按比例计算出Vp处于Va与Vb之间的哪一水平，就能正确地求出处于检测出的负荷范围内的笔压值。该动作是本发明的特征。
上述笔压检测期间结束后，与第1实施方式的情况相同，CPU51进行用于检测Y轴坐标值和X轴坐标值的动作。
在上述第2实施方式中，位置检测动作的处理流程基本上与第1实施方式的情况相同。
(第2实施方式的扩展)
虽然在本实施方式中为了将电容器64、65和可变容量电容器66与谐振回路11连接而使用了模拟开关，但是也可以与第1实施方式相同借助二极管进行连接。
在本实施方式中，尽管可变容量电容器的静电容量越大积分放大器73的输出就会越小，但也可以构成同步检波回路71，使得该关系逆转。
[第3实施方式]
(第3实施方式的结构)
图8表示本发明的位置指示器的第3实施方式的结构，图中和第1实施方式相同的结构部分用同一符号表示。
图中，11a是线圈，11b是电容器，由此构成在固定频率fo发生共振的谐振回路11。12是用于从谐振回路11中产生的高频电压中抽取出电源的电源回路。
13是用于检测出与来自谐振回路11中产生的信号(b)的信号收发相对应的时钟脉冲的检波回路，该检波回路13的输出端与比较仪14相连接，将与图形输入板的电波的信号收发相对应的时钟脉冲信号(c)抽取出来。
该时钟脉冲信号(c)连接着积分回路16，仅在以后所述的连续发送期间获得产生电压的信号(d)。此外，时钟脉冲信号(c)和与门电路80的一个输入端口以及单稳态多谐振荡器回路81相连接。
与门电路80的输出端连接在计数回路82的时钟脉冲输入端子上，积分回路16的输出与计数回路82的复位端子相连接。此外，自计数回路82输出的低位3彼特的输出端子Q0～Q2连接于模拟多路转换器83的选择端子。计数回路82的输出端子Q3通过换流器84连接在与门电路80的另外一个输入端。
单稳态多谐振荡器回路81的输出端与模拟多路转换器83的控制端相连。模拟多路转换器83的共通端子与谐振回路11的GND侧相连接，选择3彼特的输入信号Q0～Q2的值所对应的电阻和可变电阻元件与谐振回路11连接。但是，该3彼特的输入信号Q0～Q2的值在(000)和(111)时与任何一个器件都不连接。
84～87是可变电阻元件，各自的阻值随操作而变化。而且，88～92是电阻。
图9表示利用本发明的位置指示器的第3实施方式的外观，其用于通过操作来输入笔压和3种模拟量。在图9中，84′是笔压检测部，通过在此施加负荷可变电阻元件84的阻值就要发生变化。另外，85′、86′、87′是标度盘，依靠这些操作分别改变可变电阻元件85、86、87的阻值。
在本实施方式中，利用3个标度盘，设定红、蓝、绿三种基色的分配，可以用作除笔压外还能够输入色调的电子笔。
利用本装置检测出施加于笔压检测部84′的负荷，比如在0～500g的范围。可变电阻元件84在负荷为0时，阻值变为无穷大，500g时阻值是RAmin。
可变电阻元件85～87，根据标度盘85′～87′的操作，阻值在0～RBmax的范围内变化。
此外，电阻88～91的值与可变电阻元件84的最小值RAmin具有同一值，电阻92是可变电阻元件84的最小值RAmin与可变电阻元件85～87的最大值RBmax相加之和(RAmin+RBmax)。
作为与本实施方式的位置指示器共同使用的图形输入板，可以是图2所示的结构。
(第3实施方式的动作)
下面，基于上述图8和以上述方式使用的图形输入板的图2，说明本实施方式的动作。
与第1、第2实施方式的情况相同，在本实施方式中，首先，进行全面扫描动作，用于大致检测出位置指示器放置于由环路线圈群41形成的位置检测面上什么位置。
然后，说明通过上述全面扫描动作获知位置指示器的大概位置后的进一步动作。在本实施方式中对位置指示器放置于线圈X7和Y5的交点附近的动作进行说明。
图10表示在得知位置指示器的大概位置后的动作中各个部件的动作波形的概略。在图10中，a～j的记号表示的信息代表着图8和图2中用同一记号所示的部分的波形。
首先，CPU51从选择回路42选择环路线圈X7的同时，向收发转换回路45施加发送侧(T)那样的控制信号。这样，从环路线圈X7放射频率fo的电波。使该电波的放射持续比较长的时间(连续发送期间)比如1mS。紧接着，CPU51向收发转换回路45施加接收侧(R)那样的控制信号。
即使结束了电波的发送，信号也会在谐振回路11内残留一定的时间，因此该信号通过图形输入板作为信号(i)被检测出来。该接收期间持续到谐振回路11的信号充分衰减为止的期间内(比如100μS)。此时检测出的信号水平V0变成电阻不与任一谐振回路连接状态的值。
如果继上述连续发送之后的接收期间结束，为了检测出施加于笔压检测部84′的负荷和标度盘85′～87′的设定值，分别重复6次比较短的发送期间(比如50μS)和接收期间(100μS)。
第1回收发信号时，如图10所示，由于模拟多路转换器83选择第1个端子，将电阻R91与谐振回路11连接，该期间内在图形输入板上检测出的信号水平V1是对应于阻值RAmin的数值。
第2回收发信号时，由于模拟多路转换器83选择第2个端子，将电阻92与谐振回路11连接，该期间内在图形输入板上检测出的信号水平V2是对应于阻值RBmax和RAmin之和的数值。
第3回的收发信号时，由于模拟多路转换器83选择第3个端子，将可变电阻元件84连接于谐振回路11，该期间内在图形输入板上检测出的信号水平V3是对应于可变电阻元件84设定阻值的数值。
该值表示施加于笔压检测部84′的负荷，该负荷在0～500g的范围内，在已经求得的V0到V1的范围内变化。此时的信号水平V3即使随位置指示器的高度和倾斜度等而变化，由于V0和V1也随其变化而变化，通过进行这些比例计算能够求得正确的负荷值。该动作是本发明的特征。
按照其计算方法，能够进行类似下式的计算：
负荷＝(V0-V3)×500(g)/(V0-V1)。
在第4回收发信号时，由于模拟多路转换器83选择第4个端子，将可变电阻元件85和88与谐振回路11连接，该期间内在图形输入板上检测出的信号水平V4是对应于可变电阻元件85设定阻值的数值。
该值表示标度盘85′的设定状态，根据该设定，V4在V1到V2的范围内变化。此时的信号水平V4即使随指示器的高度和倾斜度变化，由于与该变化对应的V1和V2也变化，通过进行这些比例计算，能够稳定求得标度盘的设定状态。
在此，标度盘85′设定为红色的量(R)，其值如果在0～100的范围内，按照该计算方法，能够进行类似下式的计算
R＝(V4-V1)×100/(V2-V1)同样，标度盘86′和87′的设定值也能够根据下式求得：
G＝(V5-V1)×100/(V2-V1)
B＝(V6-V1)×100/(V2-V1)。
上述笔压检测期间结束后，同第1、第2实施方式相同，CPU51进行用于检测Y轴坐标值和X轴坐标值的动作。
上述第3实施方式中位置检测动作的处理流程，除去即使在连续发送期间也进行信号检测、操作信息检测期间(第1实施方式中是笔压检测期间)电波的收发信号回数变为6次这两点外，基本上与第1实施方式相同。
(第3实施方式的扩展)
在本实施方式中，可变电阻元件85～87分别与阻值为RAmin的电阻串联相接，使标度盘的设定在最低情况下的基准值可与笔压检测时的基准值V1通用，但是该电阻值换为其他值时，也可以由其他时隙求取基准值。
如上所述，根据本发明，将电阻值、静电容量、以及感应系数的电气特性值随操作连续变化的可变元件连接于谐振回路，在特定的时隙使共振特性连续变化的同时，检测出相应于该变化的信号水平或者信号相位，此外，在其它时隙，将与上述可变元件经操作取得的最大值具有同一值的元件连接于谐振回路，检测出这时的信号水平或者信号相位，在其它时隙，将与上述可变元件经操作取得的最小值具有同一值的元件连接于谐振回路，形成检测出这时的信号水平或者信号相位的结构，所以，即使信号水平或者信号位相随着位置指示器的高度或者倾斜度发生变化，也能够正确地检测出相应于操作的连续量。
在本发明中，可分别利用1回收发信号进行1个连续量的检测和连续量的最大基准值以及最小基准值的检测，能够在快速采样速度下正确检测出相应于操作的连续量。