JP2013161307A - 位置指示器 - Google Patents

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Abstract

【課題】構成が簡単であり、しかも筐体の一方の端部に印加された力に対応する集中的な圧力を確実且つ効率良く感知することができるようにした位置指示器を提供する。
【解決手段】筐体101の一方の端部へ印加された力に対応して静電容量が変化するコンデンサを備える位置指示器100である。コンデンサは、第1の電極1と、第1の電極1と所定の距離を介して対向して配置された第2の電極2とを備え、筐体の一方の端部へ印加された力が第1の電極1に伝達されて前記距離が変化することで、第1の電極1と第2の電極2との間に形成される静電容量Cvが変化する半導体素子10で構成されている。半導体素子10の第1の電極1には、所定の弾性を有する圧力伝達部材22が配設されており、筐体101の一方の端部へ印加された力を、押圧部材112によって圧力伝達部材22を介して半導体素子10の第1の電極1に伝達するようにする。
【選択図】図1

Description

この発明は、位置検出装置と共に使用される、例えばペン形状の位置指示器に関し、特に、位置指示器の先端部に印加された圧力を検出する筆圧検出機能を備えるものに関する。
パーソナルコンピュータ等の入力デバイスとして、ポインティング操作や文字及び図等の入力を行う入力面を有し、この入力面における操作入力位置を電磁誘導方式で検出する位置検出装置を用いる位置入力装置が知られている。通常、この種の位置入力装置は、位置検出装置の前記入力面に対する操作入力手段として、ペンのような形状を有し、筆圧検出部を備える位置指示器が用いられる。
この位置指示器の筆圧検出部には、例えば特許文献1(特開平4−96212号公報)に記載されているような可変容量コンデンサが用いられている。この特許文献1に記載された可変容量コンデンサは、細長の筒状の筐体内に収納される機構的な構造部品として、誘電体の一の面に取り付けられた第1の電極と、誘電体の前記一の面と対向する他の面側に配置された可撓性を有する第2の電極を有している。そして、この可変容量コンデンサは、第2の電極と誘電体の他の面との間をその一部を除いてわずかな間隔だけ離隔するスペーサ手段と、第2の電極と誘電体との間に相対的な圧力または変位を加える部品を備えている。この相対的な圧力または変位を加える部品は、ペン形状の位置指示器の芯体に結合されており、位置指示器に、その筐体の一方の端部から筆圧が加えられると、芯体に加わる軸方向の力により、可撓性の第2の電極が変位する。これにより、誘電体を介して対向する第1の電極と第2の電極との距離が変化し、静電容量が変化する構成となっている。
したがって、この特許文献1の位置指示器の可変容量コンデンサは、誘電体、第1の電極、第2の電極、スペーサ、弾性体、誘電体を保持する保持体、第1及び第2の電極とプリント配線基板との接続のための端子部材などのように、部品点数が多く、また、それぞれが別々の機構部品である。このために、位置指示器の構成が複雑となると共に、位置指示器の組立に手間がかかり、高コストになるという問題がある。
一方、例えば、特許文献2(特開平11−284204号公報)、特許文献3(特開2001−83030号公報)、特許文献4(特開2004−309282号公報)、特許文献5(米国公開公報US2002/0194919)に開示されているように、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術などで代表される半導体微細加工技術により製作される静電容量方式の圧力センサが提案されている。
この特許文献2〜特許文献5に開示されている圧力センサは、第1の電極と、この第1の電極と所定の距離を介して対向して配置された第2の電極とを備える半導体構造を有するものであって、第1の電極に印加される圧力に応じて、第1の電極と第2の電極との間の距離が変化することで第1の電極と第2の電極との間に形成されている静電容量が変化するので、前記圧力を、前記静電容量の変化として検出することができる。
特開平4−96212号公報 特開平11−284204号公報 特開2001−83030号公報 特開2004−309282号公報 米国公開公報US2002/0194919
上記の特許文献1のような、外部からの押圧力により静電容量を可変にするために複数個の機構的な構造部品からなる可変容量コンデンサを、特許文献2〜特許文献5に記載のMEMS技術により構成される圧力センサに置き換えることができれば、部品点数を低減させることができると共に、組み立てのための機構的な部品がなくなるので、構成が簡単になり、信頼性の向上およびコスト低減に寄与する。
ところで、上述した特許文献1に記載の位置指示器の筆圧検出用などのような、外部からの押圧力を感知する圧力センサとしては、音圧などの圧力レベルとは比べものにならない大きな圧力に対応させるために、その圧力に耐える耐圧性を有する構造を備える必要がある。しかも、位置指示器の場合、筐体の一方の端部からの軸芯方向の圧力のような、特定方向からの集中的な圧力(筆圧)を、確実に、且つ、効率よく感知することができる構造を備えることが望ましい。
ところが、特許文献2及び特許文献3の圧力センサは、水や空気などの流体の圧力を感知するものであり、上述した位置指示器の筆圧検出用としては適用することができない。
また、特許文献4及び特許文献5の圧力センサは、例えばセラミック層や例えばシリコンなどからなる半導体基板が圧力を受けて撓むことで、第1の電極と第2の電極との距離が変化し、静電容量が変化する。しかしながら、これら特許文献4及び特許文献5には、圧力が、それらセラミック層や半導体基板に直接的に印加された際の振る舞いについて記載されているだけで、位置指示器の筆圧検出のために適用する場合に必要である、筐体の一方の端部に印加された力に対応する特定方向からの集中的な圧力を確実且つ効率良く感知するための構造については、開示されていない。
この発明は、以上の点にかんがみ、構成が簡単であり、しかも筐体の一方の端部に印加された力に対応する集中的な圧力を確実且つ効率良く感知することができるようにした位置指示器を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、この発明は、
筐体の一方の端部へ印加された力に対応して静電容量が変化するコンデンサを備えた位置指示器であって、
前記コンデンサは、第1の電極と、前記第1の電極と所定の距離を介して対向して配置された第2の電極とを備え、前記第1の電極と前記第2の電極との間に静電容量が形成され、前記筐体の一方の端部へ印加された力が前記第1の電極に伝達されて前記距離が変化することで前記静電容量が変化する半導体素子で構成されているとともに、
所定の弾性を有し、前記半導体素子の前記第1の電極に力を伝達する圧力伝達部材と、
前記筐体の一方の端部へ印加された力を前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達する押圧部材を備えることで、前記筐体の一方の端部へ印加される力は前記押圧部材によって前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達され、前記半導体素子の前記第1の電極に印加される力は前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して伝達されるようにした
ことを特徴とする位置指示器を提供する。
上記の構成を備えたこの発明の位置指示器においては、筐体の一方の端部へ印加された力は、所定の弾性を有する圧力伝達部材を介して、コンデンサを構成する半導体素子の第1の電極を押圧する圧力として伝達される。そして、半導体素子の第1の電極に印加された圧力に応じて、第1の電極と第2の電極との距離が変化することで、コンデンサの静電容量が変化する。
したがって、所定の弾性を有する圧力伝達部材の存在により、筐体の一方の端部へ印加された力に対応する圧力が半導体素子の第1の電極に直接的に加わることがなくなる。このため、この発明による位置指示器によれば、コンデンサを構成する半導体素子は、筐体の一方の端部へ印加された力に対して耐圧性を備える。
そして、コンデンサを構成する半導体素子の第1の電極は、所定の弾性を有する圧力伝達部材を介して圧力を受けるので、筐体の一方の端部へ印加された力に対応する圧力を、所定の弾性を有する圧力伝達部材により、第1の電極に対して適切に伝達するように構成することができ、コンデンサを構成する半導体素子は、前記圧力を確実且つ効率良く感知することができる。
更には、所定の弾性を有する圧力伝達部材が存在するために、予期せずに印加された衝撃性の圧力に対しても耐衝撃性を備える。
この発明によれば、筐体内に半導体素子からなるコンデンサを備えると共に、その半導体素子に対して、所定の弾性を有する圧力伝達部材を介して、筐体の一方の端部へ印加される力に応じた圧力が印加されるので、前記筐体の一方の端部へ印加される力に対して耐圧性を備えると共に、前記力を確実且つ効率良く感知することができ、しかも予期しない衝撃性の圧力に対する耐衝撃性を備えた位置指示器を提供することができる。
この発明による第1の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態と、この位置指示器と共に使用する位置検出装置を備える電子機器の例を示す図である。 図1の実施形態の位置指示器の要部を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態が備える半導体素子からなるコンデンサの一例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態と共に使用する位置検出装置の構成例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態が備える半導体素子からなるコンデンサの特性例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態が備える半導体素子からなるコンデンサの他の例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態が備える半導体素子からなるコンデンサの他の例の特性例を説明するための図である。 この発明による第2の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による第3の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態と共に使用する位置検出装置の他の例の構成例を説明するための図である。 この発明による第4の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による第5の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による第5の実施形態の位置指示器に用いられる半導体素子を含むデバイスの構成例を説明するための図である。 この発明による第6の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による第6の実施形態の位置指示器に用いられる半導体素子を含むデバイスの構成例を説明するための図である。 この発明による第7の実施形態の位置指示器の構成例を説明するための図である。 この発明による位置指示器の実施形態と、この位置指示器と共に使用する位置検出装置を備える電子機器の例を示す図である。
[第1の実施形態]
図1は、この発明による位置指示器の実施形態を説明するための図である。また、図2は、この実施形態の位置指示器100を用いる電子機器200の一例を示すもので、この例では、電子機器200は、例えばLCD(Liquid Crystal Display)などの表示装置の表示画面200Dを備える高機能携帯電話端末であり、表示画面200Dの下部に、電磁誘導方式の位置検出装置202を備えている。
そして、この例の電子機器200の筐体には、ペン形状の位置指示器100を収納する収納凹穴201を備えている。使用者は、必要に応じて、収納凹穴201に収納されている位置指示器100を、電子機器200から取り出して、表示画面200Dで位置指示操作を行う。
電子機器200においては、表示画面200D上で、ペン形状の位置指示器100により位置指示操作がされると、表示画面200Dの下部に設けられた位置検出装置202が、位置指示器100で操作された位置及び筆圧を検出し、電子機器200の位置検出装置202が備えるマイクロコンピュータが、表示画面200Dでの操作位置及び筆圧に応じた表示処理を施す。
図1(A)は、この実施形態の位置指示器100の全体の概要を示すもので、その軸方向の半分は断面で示している。また、図1(B)は、図1(A)のA−A線断面図(拡大図)である。更に、図1(C)は、図1(B)のB−B線断面図、図1(D)は、図1(B)のC−C線断面図である。
図1(A)に示すように、位置指示器100は、軸芯方向に細長であって、一方が閉じられた有底の円筒状の筐体を構成するケース101を備える。このケース101は、例えば樹脂などからなる第1のケース102と第2のケース103とから構成され、これら第1のケース102と第2のケース103とが、同心円状に組み合わされる構成とされている。この場合、図1(A)に示すように、第2のケース103が、第1のケース102の内側になるようにして両者が組立結合される。ただし、図1(B)に示すように、第2のケース103の軸方向の長さは、ケース101の軸方向(長手方向)の全体の長さよりも短くされており、ケース101のペン先側は、第1のケース102でその内壁面が構成されている。
第1のケース102の軸方向の一端側がペン形状の位置指示器のペン先側とされており、この第1のケース102のペン先側には、図2(B)に示すように、ペン先スリーブ104が螺合するねじ部102aが形成されている。ペン先スリーブ104は、第1のケース102のねじ部102aと螺合するねじ部104aを備えると共に、後述する突出部材(ペン先部)を外部に突出させるための貫通孔104bを備える。
そして、位置指示器100のケース101内には、図1(B)に示すような位置指示器本体110が設けられる。図3は、この位置指示器本体110の構成を説明するための図であり、図3(A)は、図1(A)のうち、ケース101を除いて位置指示器本体110のみを示す断面図である。また、図3(B)は、位置指示器本体110の中央部の拡大斜視図である。
この例の位置指示器本体110は、インダクタンス素子の一例としての位置指示コイル111と、磁性材料の一例としてのフェライトコア112と、圧力センシング半導体デバイス113と、端子板114,115と、半固定の調整用コンデンサ116と、調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dとからなる。そして、後述するように、位置指示コイル111と、圧力センシング半導体デバイス113で構成される可変容量コンデンサと、半固定の調整用コンデンサ116および調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dとにより並列共振回路が構成される。
位置指示器本体110は、この第1の実施形態においては、図3(A)に示すように、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20からは端子板114,115が導出されているとともに、棒状部材を構成する、磁性材料から成るフェライトコア112が保持されて一体化構造とされたユニットの構成とされている。
図1(B)及び図3(A)に示すように、位置指示コイル111は、フェライトコア112に巻回されている。フェライトコア112は、この例では、中実の円柱状形状を有すると共に、その中心線方向の両端は、直径が小さい径小部112a,112bとされ、また、中央部は、直径が大きい径大部112cとされる。位置指示コイル111は、フェライトコア112の径大部112cに巻回されている。この例では、フェライトコア112の径小部112a及び112bの直径は、1mmとされ、径大部112cの直径は、3mmとされている。
そして、フェライトコア112の一方の径小部112aは、図1(B)に示すように、ペン先スリーブ104の貫通孔104aを通じて、外部に突出する突出部材を構成する。この例では、このフェライトコア112の径小部112aの先端には、嗜好調整部材105が、ペン先スリーブ104とは極めて小さな隙間が設けられて、この先端を覆うように着脱自在に取り付けられている。嗜好調整部材105は、位置指示操作者の嗜好に応じて、径小部112aの先端に、必要に応じて、取り付けられる部材である。この嗜好調整部材105を、例えば、位置指示器100のペン先を種々の太さ、形状、弾性率、素材に取り替え可能とすることで、位置指示操作の相手方、例えば表示画面200Dとの間での書き味を好みに応じて調整することができる。
一方、フェライトコア112の他方の径小部112bは、圧力センシング半導体デバイス113に筆圧に応じた圧力を伝達する押圧部材となるように、圧力センシング半導体デバイス113内に挿入される。そして、この例では、図1(B)及び図3(A)に示すように、フェライトコア112の径大部112cの一部も、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20内に保持されるように構成されている。
[圧力センシング半導体デバイス113の構成例]
次に、この例の圧力センシング半導体デバイス113の構成について説明する。
この例の圧力センシング半導体デバイス103は、例えば、MEMS技術により製作されている半導体素子として構成される圧力感知チップ10を、例えば立方体あるいは直方体の箱型のパッケージ20内に封止したものである(図3参照)。
圧力感知チップ10は、印加される圧力を、静電容量の変化として検出するものであり、この例では、図4に示すような構成を備える。図4(B)は、この例の圧力感知チップ10を、圧力P(図4(A)参照)を受ける面1a側から見た図であり、また、図4(A)は、図4(B)のD−D線断面図である。
この図4に示すように、この例の圧力感知チップ10は、縦×横×高さ=L×L×Hの直方体形状とされている。この例では、L=1.5mm、H=0.5mmとされている。
この例の圧力感知チップ10は、第1の電極1と、第2の電極2と、第1の電極1及び第2の電極2の間の絶縁層(誘電体層)3とからなる。第1の電極1および第2の電極2は、この例では、単結晶シリコン(Si)からなる導体で構成される。絶縁層3は、この例では酸化膜(SiO)からなる絶縁膜で構成される。なお、絶縁層3は、酸化膜で構成する必要はなく、他の絶縁物で構成しても良い。
そして、この絶縁層3の第1の電極1と対向する面側には、この例では、この面の中央位置を中心とする円形の凹部4が形成されている。この凹部4により、絶縁層3と、第1の電極1との間に空間5が形成される。この例では、凹部4の底面は平坦な面とされ、その直径Dは、例えばD=1mmとされている。また、凹部4の深さは、この例では、数十ミクロン〜数百ミクロン程度とされている。
この例の圧力感知チップ10は、次のようにして半導体プロセスにより作成される。先ず、第2の電極2を構成する単結晶シリコン上に、酸化膜からなる絶縁層3を形成する。次に、この酸化膜の絶縁層3に対して空間5が形成されるように、直径Dの円形の部分以外の部分を覆うマスクを配設してエッチングを施すことにより、凹部4を形成する。そして、絶縁層3の上に、第1の電極1を構成する単結晶シリコンを被着する。これにより、第1の電極1の下方に、空間5を備える圧力感知チップ10が形成される。
この空間5の存在により、第1の電極1は、第2の電極2と対向する面とは反対側の面1a側から押圧されると、空間5の方向に撓むように変位可能となる。第1の電極1の例としての単結晶シリコンの厚さtは、印加される圧力Pによって撓むことが可能な厚さとされ、第2の電極2よりも薄くされている。この第1の電極1の厚さtは、後述するように、印加される圧力Pに対する第1の電極1の撓み変位特性が、所望のものとなるように選定される。
以上のような構成の圧力感知チップ10は、第1の電極1と第2の電極2との間に静電容量Cvが形成されるコンデンサである。そして、図4(A)に示すように、第1の電極1の、第2の電極2と対向する面とは反対側の面1a側から第1の電極1に対して圧力Pが印加されると、第1の電極1は、図4(A)において、点線で示すように撓み、第1の電極1と、第2の電極2との間の距離が短くなり、静電容量Cvの値が大きくなるように変化する。第1の電極1の撓み量は、印加される圧力Pの大きさに応じて変化する。したがって、静電容量Cvは、図4(C)の等価回路に示すように、圧力感知チップ10に印加される圧力Pの大きさに応じて変化する。
なお、第1の電極1として例示した単結晶シリコンでは圧力により数ミクロンの撓みを生じる。圧力感知チップ10からなるコンデンサの静電容量Cvは、その撓みを引き起こす押圧力Pにより0〜250pF(ピコファラッド)の変化を呈する。
この実施形態の圧力センシング半導体デバイス113においては、以上のような構成を備える圧力感知チップ10は、圧力を受ける第1の電極1の面1aが、図1(B)及び図3(A)、(B)において、パッケージ20の上面20aに対向する状態でパッケージ20内に収納されている。
パッケージ20は、この例では、セラミック材料や樹脂材料等の電気絶縁性材料からなるパッケージ部材21と、このパッケージ部材21内において、圧力感知チップ10が圧力を受ける面1a側に設けられる弾性部材22とからなる。弾性部材22は、所定の弾性を有する圧力伝達部材の一例である。
そして、この例では、パッケージ部材21内の、圧力感知チップ10が圧力を受ける第1の電極1の面1a側の上部には、第1の電極1の面積に対応した凹部21aが設けられており、この凹部21a内には弾性部材22が充填されて配置されている。弾性部材22は、この例では、所定の弾性を有するシリコン樹脂で構成され、特にシリコンゴムで構成されている。
そして、パッケージ20には、上面20aから弾性部材22の一部にまで連通する連通穴23が形成されている。すなわち、パッケージ部材21には、連通穴23の一部を構成する貫通孔21bが形成されていると共に、弾性部材22には、連通穴23の端部を構成する凹穴22aが設けられている(図3(A)参照)。また、パッケージ部材21の連通穴23の開口部側(上面20a側)にはテーパー部21cが形成されて、連通穴23の開口部は、ラッパ状形状とされている。
図1(B)及び図3(A)、(B)に示すように、連通穴23には、圧力センシング半導体デバイス113に対して、フェライトコア112の径小部112bが挿入される。この場合、圧力センシング半導体デバイス113の圧力感知チップ10には、ペン先部となる突出部材を構成するフェライトコア112の径小部112aに印加される筆圧に応じた圧力Pが、フェライトコア112の軸芯方向(中心線方向)に伝達される。なお、この例では、パッケージ部材21の貫通孔21bの内径は、フェライトコア112の径小部112bが貫通孔21bに当接する部分の直径より若干大きくされていると共に、弾性部材22の凹穴22aの内径は、フェライトコア112の径小部112bが凹穴22aに当接する部分の直径よりも若干小さくされている。これにより、テーパー部21cと貫通孔21bによってフェライトコア112の径小部112bの圧力センシング半導体デバイス113の内部へのガイドを容易にするとともに、圧力センシング半導体デバイス113に径小部112bが挿入されたフェライトコア112が容易に脱落しないように保持する構成を備えている。
すなわち、連通穴23の開口部はラッパ状形状を有しているので、フェライトコア112の径小部112bはその開口部のテーパー部21cにガイドされて、連通穴23内に容易に導かれて挿入される。そして、フェライトコア112の径小部112bは、連通穴23の端部の弾性部材22の凹穴22a内まで押し込まれる。こうして、フェライトコア112の径小部112bは、圧力センシング半導体デバイス113の連通穴23に挿入されることで、圧力感知チップ10が圧力を受ける面側に対して、軸芯方向の圧力Pを印加する状態に位置決めされる。
この場合、フェライトコア112の径小部112bが凹穴22aに当接する部分の直径よりも凹穴22aの内径が若干小さいので、フェライトコア112の径小部112bは、弾性部材22の凹穴22aにおいて、弾性部材22により弾性的に保持される状態となる。つまり、フェライトコア112の径小部112bは、圧力センシング半導体デバイス113の連通穴23に挿着されると、圧力センシング半導体デバイス113に保持される。
また、この例では、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20は、その20a側に、フェライトコア112の径大部112cの一部を嵌合して保持するための凹部20cを備えている。そして、パッケージ20は、フェライトコア112の径小部112bがパッケージ20の連通穴23内に挿通され、かつ、フェライトコア112の径大部112cの一部を凹部20cに嵌合する状態として、フェライトコア112を保持する。
この場合に、印加される圧力によりフェライトコア112の径小部112bが圧力感知チップ10の第1の電極を空間5の方向に撓ませることが制限されないように、フェライトコア112の径大部112cと径小部112bとの段部と、圧力センシング半導体デバイス100のパッケージ20の凹部20cの底部との間には、クッション部材23sが設けられている。なお、パッケージ20を構成するパッケージ部材21を弾性部材22と同じ素材、例えばシリコン樹脂で構成することもできる。
そして、図1(A)及び(B)に示すように、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20の上面20aと対向する底面20bからは、圧力感知チップ10の第1の電極1と接続される第1の端子板114が導出されると共に、圧力感知チップ10の第2の電極2と接続される第2の端子板115が導出される。第1の端子板114は、例えば金線31により第1の電極1と電気的に接続される。また、第2の端子板115は、第2の電極2と、金線32により電気的に接続される。
この例では、第1及び第2の端子板114及び115は、板状の導体で構成され、図示のように幅広とされている。そして、この例では、第1及び第2の端子板114及び115は、図1(B)及び図3(A),(B)に示すように、パッケージ20の底面20bから、底面20bに対して垂直な方向に導出されていると共に、その板面が面一となるように、所定の間隔を空けて配設されている。
そして、第1の端子板114と第2の端子板115の板面上には、両端子板114,115とを橋渡しするようにして、半固定の調整用コンデンサ116および調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dの一端、他端が、半田付け等により電気的に接続されている。
この場合、半固定の調整用コンデンサ116および調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dは、位置検出コイル111と共に、共振回路を構成するものである。そして、半固定の調整用コンデンサ116は、外部から治具を用いて静電容量を調整することにより、前記共振回路の共振周波数を調整することが可能である。また、調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dは、その数を調整することにより、同様に共振回路の共振周波数を調整するためのものである。なお、調整用コンデンサの数の調整は、第1及び第2の端子板114,115に予め所定数のコンデンサを接続しておき、第1及び第2の端子板114、115を、必要な調整用のコンデンサの数のところで切断することで行うことができる。あるいは、第1及び第2の端子板114,115の間に所望の調整用コンデンサを追加して接続することで行うこともできる。
また、この例では、図3(A),(B)に示すように、パッケージ20の上面20aには、第1及び第2の端子板114,115のそれぞれと電気的に接続(点線で図示)された端子118,119が設けられている。そして、これら端子118と端子119とは、フェライトコア112の径大部112cに巻回されている位置指示コイル111の一端及び他端がそれぞれ接続されるようにされている。これにより、ユニット化された位置指示器本体110は、後述する図5に示すように、位置検出コイル111と、圧力センシング半導体デバイス113の圧力感知チップ10の静電容量Cvと、半固定の調整用コンデンサ116および調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dからなる静電容量Cfとからなる並列共振回路を構成する。
そして、図1(D)に示すように、ケース101の第2のケース103の内壁面には、位置指示器本体110の第1の端子板114及び第2の端子板115の幅方向の端部を保持する溝103a,103bが形成されている。位置指示器本体110は、第1の端子板114及び第2の端子板115の幅方向の端部を、第2のケース103の内壁面の溝103a,103bに挿入するようにして、ケース101内に収納される。第2のケース103の内壁面の溝103a,103bは、第2のケース103の先端部103cから、丁度、第1及び第2の端子板114,115の長さ分だけ形成されている。したがって、位置指示器本体110は、第2のケース103の内壁面の溝103a,103bにより、その軸方向の位置が係止されることになる。
更に、第2のケース103の先端部103cは、第1のケース102の内壁面とは段部を形成している。そして、この段差部を形成する第2のケース103の先端部103cは、位置指示器本体110のパッケージ20の底面20bと突き当たり、位置指示器本体110の、ケース101内における軸方向の位置が、これによっても規制される。すなわち、位置指示器本体110は、第2のケース103の内壁の溝103a,103bと、先端部103cにより、ケース101の軸方向のペン先側からの圧力に抗して係止され、圧力センシング半導体デバイス113は、軸方向の筆圧を受けることができる。
また、図1(C)に示すように、第1のケース102の、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20の側面に対向する内壁面部分102bは、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20の外形形状に応じた、断面が四角形形状とされている。したがって、ケース101内に収納されたときには、位置指示器本体110は、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20が、第1のケース102の断面が四角形形状の内壁面部分により保持されることになる。
更に、また、ペン先スリーブ104は、ケース101内に収納された位置指示器本体110のフェライトコア112の径大部112cと径小部112aとの段部112dと係合する壁部104cを備えている。そして、この壁部104cは、ペン先スリーブ104を、第1のケース102に螺合させたときに、フェライトコア112の段部112dと係合し、これにより、ケース101内に収納された位置指示器本体110は、軸方向の位置が規制される。
この状態で、位置指示器100のペン先側に軸芯方向に押圧力が加わると、すなわち、筆圧が加わると、その筆圧に応じた圧力によりフェライトコア112が、圧力センシング半導体デバイス113の弾性部材22を介して、圧力感知チップ10を押圧する。前述したように、圧力感知チップ10の静電容量Cvは、圧力感知チップ10に伝達された筆圧に応じて変化する。
この場合に、図1(B)及び図3(A)に示すように、圧力感知チップ10は、圧力を受ける面1a側において弾性部材22を介して第1の電極1に圧力が印加されることで、フェライトコア112の径小部112bによる筆圧に応じた静電容量Cvを呈する。
そして、この場合に、圧力感知チップ10が圧力を受ける面側がフェライトコア112の径小部112bによって直接に押圧されるのではなく、弾性部材22が、フェライトコア112の径小部112bと圧力感知チップ10との間に介在するので、圧力感知チップ10が圧力を受ける面側における耐圧性、耐ショック性が向上し、この面側が過大な圧力、予期しない瞬間圧力などにより損壊されてしまうことを防止することができる。すなわち、圧力センシング半導体デバイス113は、筆圧による圧力を所定の弾性を有する圧力伝達部材としての弾性部材22を介して、圧力感知チップ10が受けるようにしているので、圧力感知チップ10、より具体的には圧力を受ける第1の電極1への印加圧力に対する耐圧性、耐ショック性を備えている。
また、フェライトコア112の径小部112bは、圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20に設けられた連通穴23に差し込まれ、ガイドされることにより位置決めされるので、印加される筆圧は、弾性部材22を介して確実に圧力感知チップ10に伝達される。
そして、印加される筆圧は、弾性部材22により圧力感知チップ10の第1の電極1の面1aへの圧力として伝達される。したがって、印加される筆圧が、圧力感知チップ10が圧力を受ける面1aに確実に印加されることになり、圧力センシング半導体デバイス113は、筆圧Pに対応した静電容量の変化を呈し、筆圧を良好に検出することができるようになる。
[電子機器200における位置検出および筆圧検出のための回路構成]
次に、上述の実施形態の位置指示器100を用いて指示位置の検出および筆圧の検出を行う電子機器200の位置検出装置202における回路構成例について、図5を参照して説明する。図5は、位置指示器100及び電子機器200が備える位置検出装置202の回路構成例を示すブロック図である。
位置指示器100は、回路構成としては、前述したように、インダクタンス素子としての位置指示コイル111と、半導体素子として圧力感知チップ10により構成されるコンデンサの可変容量Cvと、半固定の調整用コンデンサ116および調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dからなる固定容量Cfとが並列に接続された共振回路を備える。
一方、電子機器200の位置検出装置202には、X軸方向ループコイル群211と、Y軸方向ループコイル群212とが積層されて位置検出コイル210が形成されている。各ループコイル群211,212は、例えば、それぞれn,m本の矩形のループコイルからなっている。各ループコイル群211,212を構成する各ループコイルは、等間隔に並んで順次重なり合うように配置されている。
また、位置検出装置202には、X軸方向ループコイル群211及びY軸方向ループコイル群212が接続される選択回路213が設けられている。この選択回路213は、2つのループコイル群211,212のうちの一のループコイルを順次選択する。
さらに、位置検出装置202には、発振器221と、電流ドライバ222と、切り替え接続回路223と、受信アンプ224と、検波器225と、低域フィルタ226と、サンプルホールド回路227と、A/D変換回路228と、同期検波器229と、低域フィルタ230と、サンプルホールド回路231と、A/D変換回路232と、処理制御部233とが設けられている。処理制御部233は、マイクロコンピュータにより構成されている。
発振器221は、周波数f0の交流信号を発生する。そして、発振器221は、発生した交流信号を、電流ドライバ222と同期検波器229に供給する。電流ドライバ222は、発振器221から供給された交流信号を電流に変換して切り替え接続回路223へ送出する。切り替え接続回路223は、処理制御部233からの制御により、選択回路213によって選択されたループコイルが接続される接続先(送信側端子T、受信側端子R)を切り替える。この接続先のうち、送信側端子Tには電流ドライバ222が、受信側端子Rには受信アンプ224が、それぞれ接続されている。
選択回路213により選択されたループコイルに発生する誘導電圧は、選択回路213及び切り替え接続回路223を介して受信アンプ224に送られる。受信アンプ224は、ループコイルから供給された誘導電圧を増幅し、検波器225及び同期検波器229へ送出する。
検波器225は、ループコイルに発生した誘導電圧、すなわち受信信号を検波し、低域フィルタ226へ送出する。低域フィルタ226は、前述した周波数f0より充分低い遮断周波数を有しており、検波器225の出力信号を直流信号に変換してサンプルホールド回路227へ送出する。サンプルホールド回路227は、低域フィルタ226の出力信号の所定のタイミング、具体的には受信期間中の所定のタイミングにおける電圧値を保持し、A/D(Analog to Digital)変換回路228へ送出する。A/D変換回路228は、サンプルホールド回路227のアナログ出力をディジタル信号に変換し、処理制御部233に出力する。
一方、同期検波器229は、受信アンプ224の出力信号を発振器221からの交流信号で同期検波し、それらの間の位相差に応じたレベルの信号を低域フィルタ230に送出する。この低域フィルタ230は、周波数f0より充分低い遮断周波数を有しており、同期検波器229の出力信号を直流信号に変換してサンプルホールド回路231に送出する。このサンプルホールド回路231は、低域フィルタ230の出力信号の所定のタイミングにおける電圧値を保持し、A/D(Analog to Digital)変換回路232へ送出する。A/D変換回路232は、サンプルホールド回路231のアナログ出力をディジタル信号に変換し、処理制御部233に出力する。
処理制御部233は、位置検出装置202の各部を制御する。すなわち、処理制御部233は、選択回路213におけるループコイルの選択、切り替え接続回路223の切り替え、サンプルホールド回路227、231のタイミングを制御する。処理制御部233は、A/D変換回路228、232からの入力信号に基づき、X軸方向ループコイル群211及びY軸方向ループコイル群212から一定の送信継続時間をもって電波を送信させる。
X軸方向ループコイル群211及びY軸方向ループコイル群212の各ループコイルには、位置指示器100から送信される電波によって誘導電圧が発生する。処理制御部233は、この各ループコイルに発生した誘導電圧の電圧値のレベルに基づいて位置指示器100のX軸方向及びY軸方向の指示位置の座標値を算出する。また、処理制御部233は、送信した電波と受信した電波との位相差に応じた信号のレベルに基づいて筆圧を検出する。
このようにして、位置検出装置202では、接近した位置指示器100の位置を処理制御部233で検出することができる。しかも、受信した信号の位相を検出することにより、位置指示器100の筆圧値の情報を得ることができる。
[第1の実施形態の変形例]
<筆圧−静電容量変化特性調整>
<第1の例>
上述した第1の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113の圧力感知チップ10においては、圧力(筆圧)が印加される第1の電極1を構成する単結晶シリコンの厚さtを変えると、筆圧に応じて第1の電極1の撓み量が変わる。したがって、第1の電極1の厚さtを選定することにより、筆圧に対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性を変えることができる。
図6は、圧力感知チップ10へ印加される筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性の例を示す特性図である。この図6に示すように、第1の電極1の厚さがt=t1の場合、印加される筆圧に対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性は、曲線40で示すようなものとなる。
そして、第1の電極1の厚さtを、t1よりも厚いt2(t2>t1)とした場合には、印加される筆圧に対して、第1の電極1が、より撓みにくくなるので、印加される筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性は、曲線40とは同様の変化をするものではあるが、曲線40よりも変化が緩やかな曲線41となる。
また、第1の電極1の厚さtを、t1よりも薄いt3(t3<t1)とした場合には、印加される筆圧に対して、第1の電極1が、より撓み易くなるので、印加される筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性は、曲線40とは同様の変化をするものではあるが、曲線40よりも変化が急峻な曲線42となる。
以上のようにして、圧力感知チップ10の第1の電極1の厚さtを変えることにより、印加される筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性を、所望のものに選定することができる。
なお、以上の例は、第1の電極1の厚さtを変えるようにしたが、第1の電極1の材質を、より撓み易い材質、より撓みにくい材質、というように異ならせることにより、厚さtが同一であっても、印加される筆圧に対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性を変えることができる。この場合に、第1の電極1の材質を異ならせると共に、厚さtを変えることで、より細かく容量変化特性を変えるようにすることもできる。
なお、弾性部材22の弾性率を選定することによって、あるいは弾性部材22と第1の電極1との係合関係(例えば、当接形状)にバリエーションを持たせることによって、圧力感知チップ10への筆圧の印加特性(伝達特性)を変化させることもできるために、このような方法で、圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性を変えることもできる。
<第2の例>
以上の例では、圧力感知チップ10へ印加される筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性は互いに類似した傾向を備えるものであった。第2の例は、圧力感知チップ10へ印加される筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性の変化率、いわゆる勾配変化の傾向が互いに異なる特性を有する例である。
この第2の例においては、圧力感知チップ10の絶縁層3の凹部4の、第1の電極1に対向して空間5を形成する面を一様な平面とするのではなく、厚みが非均一な形状とすることにより、圧力感知チップ10の筆圧に対する静電容量Cvの容量変化特性を所望のものとなるようにする。図7(A),(B)は、この第2の例の圧力感知チップ10A,10Bを説明するための図であり、それぞれ前述した圧力感知チップ10の図4(A)に示した断面図に対応する断面図である。この図7(A),(B)において、前述の圧力感知チップ10と同一部分には、同一参照番号を付して、その説明は省略する。
図7(A)の例の圧力感知チップ10Aにおいては、絶縁層3に形成される凹部4Aは、この凹部4Aの第1の電極1との対向面が徐々に深くなるように厚みが変化する形状とされる場合の一例であり、この例では、凹部4Aの第1の電極1との対向面が徐々に深くなるようにする2段の段差部61,62を形成する。この段差部61,62は、前述したようにして凹部4Aを形成した後、凹部4Aの第1の電極1と対向する底面の所定の大きさの円形領域以外を覆うマスクを配設し、更にエッチング処理を施すことを繰り返すことにより形成する。このエッチング処理により、マスクされていない円形領域は、その周囲よりも深さが更に深い凹部となり、段差部61,62が形成される。
第1の電極1との対向面が平面である凹部4を備える前述した圧力感知チップ10の場合の印加圧力に対する静電容量Cvの特性曲線は、図8において、曲線43のようなものであるとすると、この図7(A)の例の圧力感知チップ10Aは、図8において、曲線44に示すようなものとなり、印加圧力に対して静電容量Cvが略直線的に比例して変化する特性を有する。
なお、この図8の曲線44のような特性を得るために、凹部4Aの第1の電極1との対向面が徐々に深くなる形状とする方法としては、上述の例のような段差部61,62を設けるようにする方法に限られるわけではなく、例えば凹部4Aの中心に向かって徐々に深くなる曲面形状の凹部とするようしても良い。
次に、図7(B)の例の圧力感知チップ10Bにおいては、絶縁層3に形成される凹部4Bは、図7(A)の例とは異なり、凹部4Bの第1の電極1との対向面が、その周部からその中央部に向かうに従って、徐々に第1の電極1側に近づくように厚みが変化する形状とされる場合の一例である。この例では、凹部4Bの第1の電極1との対向面に、第1の電極1側に膨出する膨出部63,64を形成する。
この例の場合には、先ず、絶縁層3を構成する酸化膜において、膨出部63の部分を除いた部分にマスクを配設してエッチング処理を施し、膨出部63の部分を凸部とする。次に、膨出部63の部分をマスクすると共に、膨出部63の周囲の膨出部64の部分を露呈させる状態でマスクを施し、エッチング処理を施して、膨出部63の部分の周囲に、膨出部63よりも深さの深い領域を形成するようにして膨出部64を形成する。次に、膨出部63,64の部分をマスクすると共に、突部63,64の周囲の凹部4Bの部分を露呈させる状態でマスクを施し、エッチング処理を施して、膨出部63,64の部分の周囲に、膨出部64よりも深さの深い領域を形成するようにする。このような処理を必要に応じ繰り返し行うことで、図7(B)に示すような周部よりも中央部が膨出した形状の空間5を形成することができる。
この図7(B)の例の場合、圧力感知チップ10Bへの印加される圧力に対する静電容量Cvの特性曲線は、図8において、曲線45に示すようなものとなり、印加される筆圧が小さいときには容量は大きく変化し、印加される筆圧が大きくなると、容量の変化が小さくなる特性となる。
なお、この図8の曲線45のような特性を得るために、凹部4Bの第1の電極1との対向面との間の距離が、凹部4Bの中心に向かって第1の電極1側に近づくにつれて、短くなるような形状とする方法としては、上述の例のような膨出部63,64を形成する方法に限られるわけではなく、凹部4Bの第1の電極1と対向する面を、例えば凹部4Bの中心に向かって徐々に曲面状に膨出するドーム形状とするようしても良い。
以上のようにして、絶縁層3と第1の電極1との間で形成される空間5を形成するための凹部4A,4Bの、第1の電極1との対向面の形状を変化させることにより第1の電極1との間の距離を非均一とすることで、圧力感知チップ10A,10Bへの印加される圧力に対する静電容量Cvの特性を、所望の特性にすることができる。
なお、上述の圧力感知チップ10の場合と同様に、圧力感知チップ10A,10Bへ印加される筆圧に対する静電容量Cvの特性は、第1の電極1の厚さt、弾性部材22の弾性率や弾性特性、あるいは弾性部材22と第1の電極1との係合関係(例えば、当接形状)にバリエーションを持たせることによっても所望の特性にすることができる。
すなわち、弾性部材22に係合する、フェライトコア112の径小部112bの先端の形状を、例えば、球面形状などの曲面形状、鋭利に尖らせた形状などの非平面状、あるいは平面形状とする、などのように変化させることにより圧力感知チップ10,10A,10Bへの印加圧力に対する第1の電極1の空間5の方向への撓み方を異ならせる。このように、弾性部材22に係合する、フェライトコア112の径小部112bの先端の形状を、上記のように種々の形状に変えることによっても、印加圧力に対する圧力感知チップ10の可変容量Cvの容量変化特性を変えることができる。
[第2の実施形態]
図9は、第2の実施形態の位置指示器100Aを説明するための図である。この第2の実施形態の位置指示器100Aは、第1の実施形態の場合と同様の携帯電話端末などの電子機器が備える位置検出装置の位置指示器の場合であり、上述の第1の実施形態の位置指示器100と同一部分には、同一の参照符号を付してその説明は省略する。
図9(A)は、図1(A)のA−A線断面図に対応する部分における、第2の実施形態の位置指示器100Aの断面図を示すものである。また、図9(B)は、この第2の実施形態の位置指示器100Aにおける圧力センシング半導体デバイス113Aの構成例の斜視図である。図9(C)は、図9(B)のE−E線断面図である。
この第2の実施形態の位置指示器100Aは、ケース101およびペン先スリーブ104は、第1の実施形態と同様に構成される。この第2の実施形態は、筐体を構成するケース101内に収納される位置指示器本体の構成が、上述の第1の実施形態とは異なる。
すなわち、この第2の実施形態の位置指示器本体110Aは、圧力センシング半導体デバイス113Aと、位置検出コイル111が巻回された、磁性材料にて構成された棒状部材としてのフェライトコア112Aと、突出部材としてのペン先106と、端子板114,115と、半固定の調整用コンデンサ116と、調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dと、結合部材118とからなる。そして、この第2の実施形態では、圧力センシング半導体デバイス113Aのパッケージ20Aは、その底面20Ab側においてフェライトコア112Aを保持すると共に、例えば樹脂からなるペン先106を、後述する凹穴23Aに嵌合するように構成される。
そして、フェライトコア112Aは、この第2の実施形態では、径が一定の円柱状形状を有しており、位置指示コイル111が巻回される。そして、フェライトコア112Aの中心線方向(軸方向)の一側が圧力センシング半導体デバイス113Aのパッケージ20Aの底面20Ab側に設けられた凹部21Adに嵌合される。また、フェライトコア112Aの中心線方向の他側が、例えば樹脂からなる結合部材118に嵌合して結合されている。そして、この結合部材118は、端子板114及び115を、前述の圧力センシング半導体デバイス113のパッケージ20と同様にして、保持する構成となっている。結合部材118は、第1のケース102の内径とほぼ同じ外径を有する円柱状の部材とされ、第1のケース102により保持される。
そして、端子板114と端子板115との間には、第1の実施形態と同様に、半固定の調整用コンデンサ116と、調整用コンデンサ117a,117b、117c,117dとが設置される。なお、端子板114と端子板115とは、第1の実施形態と同様に、第2のケース103の内壁面に設けられた溝103a及び103bにより保持されて、ケース101内に収納される。
この第2の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113Aは、第1の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113と同様の構成とすることもできるが、この例では、図9(B)及び(C)に示すような構成とされる。
すなわち、この第2の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113Aのパッケージ20Aは、弾性を有する樹脂部材、例えばシリコンゴムから成るパッケージ部材21Aで構成されており、独立して配設された弾性部材22は有していない。
そして、このパッケージ部材21Aには、前述した圧力センシング半導体デバイス113の連通穴23に対応する、断面が所定形状、例えば円形の凹穴23Aが形成されている。そして、図9(C)に示すように、この凹穴23Aの内壁面には、丸棒状のペン先106を保持するためのOリング状の突部27a及び27bが設けられている。すなわち、凹穴23Aの内径は、丸棒状のペン先106が当接する部分の直径と等しいあるいは若干大きくされ、また、Oリング状の突部27a及び27bの内径は、ペン先106が当接する部分の直径よりも小さく選定されている。
したがって、ペン先106が、パッケージ部材21Aの開口部側(上面20Aa側)に設けられたテーパー部21Acによってガイドされて凹穴23A内に挿入されたときには、ペン先106は、突部27a,27bにより保持される。しかし、ペン先106は、凹穴23A内に固定される訳ではなく、所定の力で凹穴23Aから引き抜くことが可能である。したがって、ペン先106は、容易に交換可能である。なお、第2の実施形態では、突状部材であるペン先106は、圧力伝達部材としてのパッケージ部材21Aに圧力を伝達する押圧部材でもある。
そして、圧力感知チップ10の第1の電極1は、金線33により導体で構成される第1のリード端子24Aに接続され、また、第2の電極2は、導体で構成される第2のリード端子25Aに接続される。この第2の実施形態では、これら第1及び第2のリード端子24A及び25Aは、図9(B),(C)に示すように、パッケージ20Aの上面20Aaあるいは底面20Abに平行で、且つ、底面20Abと面一となるように導出されている。圧力センシング半導体デバイス113Aのその他の構成は、圧力センシング半導体デバイス113と同様である。
なお、図示は省略するが、この第2の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113Aの第1のリード端子24A及び第2のリード端子25Aは、それぞれ端子板114及び115に金線などにより電気的に接続される。また、フェライトコア112Aに巻回されている位置指示コイル111の一端及び他端も、それぞれ端子板114及び115に電気的に接続される。
この第2の実施形態においては、圧力センシング半導体デバイス113Aがペン先106に近い位置に配置されるので、筆圧を感度良く検出することができる。また、この第2の実施形態の位置指示器100Aで用いた圧力センシング半導体デバイス113Aは、パッケージ20Aが、圧力伝達部材としての機能を果たすパッケージ部材21Aで構成されているために、圧力センシング半導体デバイスとしての構成を非常にシンプルにすることができる。
[第3の実施形態]
上述した第1の実施形態の位置指示器100においては、位置指示器本体110は、位置指示コイルとコンデンサとの共振回路のみからなる回路構成であり、ユニット化することが可能であった。しかしながら、位置指示器としては、この位置指示器と電磁結合する位置検出装置の構成によっては、IC(Integrated Circuit;集積回路)を含む信号処理回路を備える必要がある場合もある。そのような場合には、位置指示器は、一般的には、信号処理回路を配設するためのプリント配線基板を備える。
第3の実施形態の位置指示器は、ケース内にプリント配線基板を備える。そして、筆圧を検出する圧力センシング半導体デバイスは、このプリント配線基板に対して固定して配設するようにする。
図10は、この第3の実施形態の位置指示器100Bを説明するための図である。この第3の実施形態の位置指示器100Bは、第1の実施形態の場合と同様の携帯電話端末などの電子機器が備える位置検出装置の位置指示器の場合であり、上述の第1の実施形態の位置指示器100と同一部分には、同一の参照符号を付してその説明は省略する。
図10(A)は、図1(A)のA−A線断面図に対応する部分における、第3の実施形態の位置指示器100Bの断面図を示すものである。また、図10(B)は、この第3の実施形態の位置指示器100Bにおける圧力センシング半導体デバイス113Bとプリント配線基板300との取り付け部の構成例を示す図である。更に、図10(C)は、図10(B)におけるF−F線断面図である。
この第3の実施形態の位置指示器100Bのケース101Bは、第1の実施形態の位置指示器100のケース101と同様に、第1のケース102Bと第2のケース103Bとからなり、両者が同心円状に組み合わされることにより、有底の筒状形状とされる。
そして、この第3の実施形態では、第2のケース103Bには軸方向に溝103Ba,103Bbが形成されており、この溝内に、プリント配線基板300の幅方向の端部がそれぞれ嵌合されて、プリント配線基板300がケース101B内に収納されて配設されるようにされている。なお、第2のケース103Bの軸方向の溝103Ba,103Bbのペン先側とは反対側の端部(図示は省略)において、プリント配線基板300は突き当たり、ペン先方向からの力を受け止めるように係止される。
この第3の実施形態の位置指示器本体110Bは、上述した第1の実施形態のような1ユニットの構成ではない。この第3の実施形態の位置指示器本体110Bは、プリント配線基板300と、圧力センシング半導体デバイス113Bと、押圧部材120と、位置指示コイル111と、フェライトコア112Bと、ペン先保持部130と、突状部材を構成するペン先131とからなる。
そして、図10(B)に示すように、圧力センシング半導体デバイス113Bは、プリント配線基板300のペン先側の端面300aに取り付けられる。図10(C)は、この第3の実施形態の位置指示器本体110Bに用いられる圧力センシング半導体デバイス113Bの構成例を示す拡大断面図である。
この例の圧力センシング半導体デバイス113Bは、第1の実施形態で用いた圧力センシング半導体デバイス113と同様の構成を備え、圧力伝達部材として例えばシリコンゴムからなる弾性部材22を用いる構成を備える。この図10(C)において、前述した圧力センシング半導体デバイス113と同一部分には同一参照符号を付して、その説明は省略する。
ただし、この例の圧力センシング半導体デバイス113Bは、第1の実施形態で用いた圧力センシング半導体デバイス113とは、端子部の導出方法が異なると共に、パッケージ20Bを構成するパッケージ部材が、図10(C)に示すように、圧力感知チップ10の第1の電極1の面1aに垂直な方向において、第1のパッケージ部材21UPと第2のパッケージ部材21DWとに2分割されている点が異なる。
そして、この例では、第1のパッケージ部材21UPは、弾性部材22を有すると共に、連通穴23を形成した部材として構成される。また、連通穴23の開口部側にはテーパー部21cが形成されている。
一方、第2のパッケージ部材21DWは、圧力感知チップ10を、その第1の電極1の面1a側を露呈した状態で封止すると共に、リード端子24B,25Bを導出するように構成される。
そして、上記のように構成された第1のパッケージ部材21UPと、第2のパッケージ部材21DWとを、圧力感知チップ10の第1の電極1の面1a上に、弾性部材22が衝合するようにして、例えば接着材、圧接などにより一体的に結合して、1つのパッケージ20Bを構成するようにする。
この例の圧力センシング半導体デバイス113Bは、パッケージ20Bの大きさが、図1の例の場合と比較して、若干小さいものとされている。そして、図10(B)及び(C)に示すように、この例の圧力センシング半導体デバイス113Bにおいては、圧力感知チップ10の第1の電極1に接続されているリード端子24Bと、第2の電極2に接続されているリード端子25Bとが、パッケージ20Bの一側面20Bd側において、パッケージ部材21DWから側面20Bdに垂直な方向に導出される。そして、この導出されたリード端子24B及びリード端子25Bは、更に、パッケージ20Bの底面20Bbに対して垂直な方向となるように、図示のように直角に折り曲げられた形状を備えている。
また、パッケージ20Bの前記一側面20Bdと対向する側面20Beにおいて、第2のパッケージ部材21DWからは、圧力感知チップ10とは電気的には非接続の状態にあるダミー端子26が導出される。このダミー端子26も、図示のように直角に折り曲げられた形状を備えている。また、このダミー端子26は幅広とされている。
この場合、パッケージ20Bの側面20Bd側から導出されたリード端子24B,25Bが直角に折り曲げられた部分と、側面20Be側から導出されたダミー端子26が直角に折り曲げられた部分とは、互いに対向する状態となり、それらの間の距離は、図10(B),(C)に示すように、プリント配線基板300の厚さdにほぼ等しく選定されている。
さらに、圧力センシング半導体デバイス113Bのパッケージ20Bの底面20Bbの例えば中央部には、位置決め用の突部28が形成されている。一方、図10(B)に示すように、プリント配線基板300の端面300aには、突部28が嵌合する凹穴301が設けられている。突部28は、例えば円柱状形状、四角柱形状、円錐状形状、円錐台形状、角錐台形状、ドーム状形状など、位置決めするためのどのような形状であってもよい。そして、凹部301は、突部28の形状に対応する形状とされるものであることは言うまでもない。
プリント配線基板300の端面300aにおける凹部301の形成位置は、圧力センシング半導体デバイス113Bのリード端子24B,25B及びダミー端子26でプリント配線基板300を挟み、凹部301に圧力センシング半導体デバイス113Bの突部28が嵌合されたときに、圧力センシング半導体デバイス113Bのリード端子24B及び25Bが、プリント配線基板300の一面300bに設けられている印刷配線パターン302及び303のそれぞれに電気的に接続される位置とされる。
圧力センシング半導体デバイス113Bのその他の構成は、圧力センシング半導体デバイス113と同様である。
この例の圧力センシング半導体デバイス113Bは、図10(B)に示すように、プリント配線基板300の端面300aに対して、パッケージ20Bの底面20Bbが当接した状態で、リード端子24B,25Bとダミー端子26とで、プリント配線基板300の厚さ方向を挟持するように配設される。この場合に、図10(B)に示すように、圧力センシング半導体デバイス113Bのパッケージ20Bの突部28が、この凹穴301に挿入されて嵌合されることにより、圧力センシング半導体デバイス113Bがプリント配線基板300の端面300aに位置決めされる。
そして、プリント配線基板300の一面300bに設けられている印刷配線パターン302及び303と、第1のリード端子24B及び第2のリード端子25Bをそれぞれ半田付けして固定する。また、図示は省略するが、同様にして、プリント配線基板300の一面300bとは反対側の面においては、ダミー端子26をダミー配線パターンと半田付けをして圧力センシング半導体デバイス113Bをプリント配線基板300にしっかりと固定する。こうして、圧力センシング半導体デバイス113Bは、ペン先131からケース101Bの軸方向の押圧力を受けて、圧力感知チップ10の静電容量Cvを変化させることが可能なように、プリント配線基板300に対して固定されて取り付けられる。
次に、この第3の実施形態においては、フェライトコア112Bは、磁性材料から成る棒状部材であって、この例では円柱状形状を有する。フェライトコア112Bに位置指示コイル111が巻回されてインダクタンス素子を構成する。位置指示コイル111の一端及び他端は、図示は省略するが、プリント配線基板300の印刷パターンに対して接続される。そして、フェライトコア112Bの軸方向のペン先側の端面の中央部には、凹部112Baが形成され、また、軸方向のペン先側とは反対側の端面の中央部には、凹部112Bbが形成されている。
また、ペン先保持部130は、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する樹脂などにより構成された円柱状形状の弾性部材で構成される。そして、このペン先保持部130の軸方向のペン先側の端面の中央部には、突状部材としての、例えば樹脂などからなる棒状のペン先131を嵌合する凹部130aが設けられると共に、軸方向のペン先側とは反対側の端面の中央部には、フェライトコア112Bの凹部112Baに嵌合してフェライトコア112Bと結合するための突部130bが設けられている。
この場合、ペン先保持部130は、その突部130bとフェライトコア112Bの凹部112Baとで嵌合した状態でフェライトコア112Bに対して接着材などにより固定する。しかし、ペン先131は、ペン先保持部130の凹部130aに圧入嵌合されるだけであって、ペン先131は、ペン先保持部130から引き抜いて、交換することが可能とされている。なお、ペン先131には、嗜好調整部材105が前述の実施形態と同様に着脱自在に被せられる。
一方、フェライトコア112Bの軸方向のペン先側とは反対側には、例えば樹脂からなる円柱状形状の結合部材140が設けられる。この結合部材140のフェライトコア112B側の端面の中心部には、フェライトコア112Bの凹部112Bbと嵌合する突部140aが形成されている。そして、フェライトコア112Bの凹部112Bbと結合部材140の突部140aとが嵌合された状態で、結合部材140がフェライトコア112Bと例えば接着材により接着されて固定される。
また、結合部材140のフェライトコア112Bとは反対側の端面の中央部には、押圧部材120に嵌合される突部140bが設けられている。この例では、ペン先131、フェライトコア112Bおよび結合部材140が、印加される筆圧に応じた圧力を押圧部材120に伝達する棒状部材を構成する。
押圧部材120は、例えば樹脂からなる円柱状の形状を備え、結合部材140の突部140bが嵌合する嵌合凹穴120cを備えている。結合部材140の突部140bが押圧部材120の嵌合凹穴120cに嵌合されて、結合部材140と押圧部材120とが一体的に結合されている。
そして、押圧部材120の側周部には、第1のケース102Bの内壁面に固着されている保持部121の側面に形成されたケース101Bの軸方向に所定の長さを有する切り欠き部121a,121b内に挿入される突部120a,120bが形成されている。押圧部材120は、第1のケース102Bに固定されている筒状の保持部121内に、突部120a,120bと切り欠き部121a,121bとがそれぞれ嵌合することで、ケース101Bの軸方向に移動可能に収納されている。従って、押圧部材120は、突部120a,120bが、切り欠き部121a,121b内に挿入された状態で、保持部121の切り欠き部121a,121bの長さの範囲内で、ケース101Bの軸方向に移動可能となる。
そして、押圧部材120には、更に、圧力センシング半導体デバイス113Bの連通穴23に挿入されて、圧力感知チップ10の第1の電極1を、空間5の方向に押圧する突起120dが設けられている。
なお、連通穴23を構成する貫通孔21bの内径は、この連通穴23に挿入される押圧部材120の突起120dの直径よりも若干大きくされており、テーパー部21cとともに押圧部材120の挿入をガイドするように構成されている。また、連通穴23を構成する弾性部材22の凹孔22aの内径は、突起120dの直径よりも若干小さくされて、押圧部材120の保持部を形成している。
位置指示器100Bは、以上のように構成されているので、使用者が、この位置指示器100Bを手に持って、例えば電子機器の表示画面上に接触させて押圧すると、ペン先131がケース101Bの軸方向の力を受け、これにより、押圧部材120の突起120dが圧力センシング半導体デバイス113Bの圧力感知チップ10の第1の電極1を、空間5の方向に押圧する。したがって、圧力センシング半導体デバイス113Bの圧力感知チップ10の第1の電極1には、ペン先131に加わる筆圧に応じた押圧力が印加され、圧力感知チップ10の静電容量Cvは、筆圧に応じて変化する。
この例の場合には、プリント配線基板300には、前述した調整用のコンデンサ304のほかに、信号処理回路を構成するIC(Integrated Circuit;集積回路)305が設けられており、以下に説明するように、このIC305において、圧力センシング半導体デバイス113Bの圧力感知チップ10で検出された筆圧に応じた静電容量Cvについての処理が行なわれる。
なお、図10(B),(C)の例においては、圧力センシング半導体デバイス113Bにおいては、第1のパッケージ部材21UP側に圧力伝達部材としての弾性部材22を設けるようにしたが、弾性部材22は、第2のパッケージ部材21DW側に設けておくようにしても良い。この場合には、弾性部材22として、例えば、シリコン樹脂から成る、弾性を有するフィルム状部材を圧力感知チップ10の第1の電極1の前面に配置し、弾性部材22を、押圧部材120の突起120dで押圧することもできる。また、この例では、位置指示器110B内にプリント配線基板300を配置し、プリント配線基板300上に調整用のコンデンサ304のほかに、信号処理回路を構成するIC(Integrated Circuit;集積回路)305などが配置されているが、省スペース、あるいは小型化された位置指示器が求められる場合には、これらの電子部品と圧力センシング半導体デバイス113Bが集積されて一つのパッケージに収納される。
[第3の実施形態における位置検出および筆圧検出のための回路構成]
図11は、この第3の実施形態の位置指示器100Bの等価回路と、位置指示器100Bと電磁誘導結合により位置検出及び筆圧検出を行う位置検出装置203の回路構成例を示す図である。
この図11の例の位置検出装置203においては、図5に示した位置検出装置202と同様に、X軸方向ループコイル群211と、Y軸方向ループコイル群212とが積層された位置検出コイル210が形成されていると共に、2つのループコイル群211,212のうちの一のループコイルを順次選択する選択回路213も、同様に設けられている。しかし、この図11にて例示する位置指示器100Bと位置検出装置203から成るシステムにおいては、位置指示器100BにIC回路で構成される信号制御回路を備えており、このIC回路を駆動するための駆動電圧を位置検出装置203に備えられた励磁コイル214から送信された励磁信号から取得する点で、位置指示器100と位置検出装置202から成る既述したシステムとは異なっている。また、図11では、一例として、位置検出装置203のループコイル群211,212は位置指示器100Bからの電磁結合信号の受信にのみ用いられるものとして説明するが、位置指示器100Bとの間で電磁結合することで、励磁コイル214に代えて位置指示器100Bに備えられた信号制御回路を駆動することを排除するものでもない。また位置指示器100Bに備えられた信号制御回路に対して所定の制御データなどの信号を送信することを排除するものでもない。
この図11の例の位置検出装置203においては、位置検出コイル210を取り囲むようにして、励磁コイル214が配設されている。図11においては、励磁コイル214は、2ターンとなっているが、実際的には、より多くのターン数、例えば8〜10ターンとされている。図11に示すように、励磁コイル214は、ドライブ回路242に接続され、ドライブ回路242は、周波数foで発振する発振回路241に接続されている。
ドライブ回路242は、マイクロコンピュータで構成される処理制御部240により制御される。処理制御部240は、ドライブ回路242を制御して、発振回路241からの周波数foの発振信号の、励磁コイル214への供給を制御して、励磁コイル214からの位置指示器100Bへの信号送信を制御する。
選択回路213は、処理制御部240により、前述した位置検出装置202と同様に選択制御されて一つのループコイルを選択する。この選択回路213により選択されたループコイルに発生する誘導電圧は、受信アンプ243にて増幅され、バンドパスフィルタ245に供給され、周波数foの成分のみが抽出される。バンドパスフィルタ245は、その抽出した成分を検波回路246に供給する。
検波回路246は、周波数foの成分を検出し、その検出した周波数foの成分に応じた直流信号をサンプルホールド回路247に供給する。サンプルホールド回路247は、検波回路246の出力信号の所定のタイミング、具体的には受信期間中の所定のタイミングにおける電圧値を保持し、A/D変換回路428へ送出する。A/D変換回路428は、サンプルホールド回路427のアナログ出力をディジタル信号に変換し、処理制御部240に出力する。処理制御部240は、前記所定のタイミングの信号をサンプルホールド回路247に供給する。
そして、処理制御部240は、A/D変換回路248からのディジタル信号が所定のスレッショールド値を超えた値であるか否かを判定して、選択回路213で選択されているループコイルが位置指示器100Bで位置指示された位置のループコイルであるか否かを判定する。
処理制御部240は、また、後述するように、位置指示器100Bによる指示位置の検出とは別に、位置指示器100Bからの信号の断続を、数ビット例えば8ビットのディジタル信号として検出して、筆圧を検出するようにする。
位置指示器100Bの回路構成は、図11において点線で囲んで示すようなものとなっている。すなわち、インダクタンス素子としての位置指示コイル111と、プリント配線基板300に配設されているコンデンサ306とにより共振回路321が構成されている。そして、この共振回路321に並列に、スイッチ307が接続されている。このスイッチ307は、IC305によりオン・オフ制御されるように構成されている。なお、位置指示コイル111は、磁性材料から成る棒状部材に巻回されている。
そして、IC305は、位置指示コイル111とコンデンサ306にて構成される共振回路321にて位置検出装置203から電磁誘導により受信した交流信号を、ダイオード308及びコンデンサ309からなる整流回路(電源供給回路)322にて整流して得られる電源Vccにより動作するように構成されている。IC305は、共振回路321とはコンデンサ310を介して接続されており、共振回路321の動作状況をモニターしている。共振回路321の動作状況をモニターすることで、位置検出装置203の励磁コイル214との電磁結合状況、あるいは、この例では説明を省略するが、2つのループコイル群211,212を使用して位置検出装置203から送信された制御データなどの信号をIC305で検出し、所望の動作制御を行うことができるようになっている。
更に、IC305には、圧力感知チップ10により構成されるコンデンサ(静電容量Cv)が接続されており、筆圧に応じた可変容量Cvを検出することができる。IC305は、可変容量Cvの値から位置指示器100Bにおける筆圧を検出する。そして、検出した筆圧を、例えば8ビットのディジタル信号に変換し、その筆圧に対応するディジタル信号により、スイッチ307を制御する。以上の回路構成においては、圧力感知チップ10により構成されるコンデンサは共振回路321を構成する必要はない。また、位置指示コイル111と、圧力感知チップ10により構成される可変容量Cvの他は、全て、プリント配線基板300上に配設されている。
以上のように構成された位置指示器100B及び位置検出装置203の位置検出動作及び筆圧検出動作について説明する。
処理制御部240は、先ず、ドライブ回路242を駆動して励磁コイル214から所定時間信号を位置指示器100Bに送信すると共に、選択回路213をX軸方向ループコイル群211のうちの一つのループコイルを順次に選択して、位置指示器100Bにより指示された位置のX座標値を求める。
次に、処理制御部240は、ドライブ回路242を駆動して励磁コイル214から所定時間、信号を位置指示器100Bに送信すると共に、選択回路213をY軸方向ループコイル群212のうちの一つのループコイルを順次に選択して、位置指示器100Bにより指示された位置のY座標値を求める。
以上のようにして、位置指示器100Bの指示位置を検出したら、処理制御部240は、位置指示器100Bからの8ビットの筆圧情報を検出するため、励磁コイル214から所定時間以上継続した送信を行った後、座標検出の際と同様なタイミングで送受信を8回継続して行う。このとき、選択回路213では、検出した座標値に従い、位置指示器100Bから最も近いループコイル(X軸方向ループコイル,Y軸方向ループコイルのどちらでもよい)を選択して信号を受信する。
一方、位置指示器100BのIC305は、圧力感知チップ10の静電容量Cvに対応して得られた筆圧を8ビットのディジタル信号に変換し、その8ビットのディジタル信号により、位置検出装置203からの信号の送受信に同期してスイッチ307をオン・オフ制御する。スイッチ307がオフであるときには、共振回路321は、位置検出装置203から送信された信号を位置検出装置203に返送することができるので、位置検出装置203のループコイルはこの信号を受信する。これに対して、スイッチ307がオンであるときには共振回路321は動作が禁止された状態にあり、このために、共振回路321から位置検出装置203に信号は返送されず、位置検出装置203のループコイルは信号を受信しない。
位置検出装置203の処理制御部240は、受信信号の有無を8回行うことにより、筆圧に応じた8ビットのディジタル信号を受信し、位置指示器100Bからの筆圧情報を検出することができる。
[第4の実施形態]
図12は、第4の実施形態の位置指示器100Cの構成例を説明するための図である。この第4の実施形態の位置指示器100Cは、第1の実施形態の変形例であり、図12において、上述の第1の実施形態の位置指示器100と同一部分には、同一の参照符号を付してその説明は省略する。
図12(A)は、この実施形態の位置指示器100Cの全体の概要を示すもので、その軸方向の半分は断面で示している。また、図12(B)は、図12(A)のG−G線断面図(拡大図)である。更に、図12(C)は、図12(B)のH−H線断面図である。
この第4の実施形態の位置指示器100Cにおいては、ケース101C内に収納される位置指示器本体110Cのうち、主としてフェライトコア112Cの形状が異なるものとされている。すなわち、この第4の実施形態の位置指示器100Cの位置指示器本体110Cのフェライトコア112Cは、図12(B)に示すように、中実の円柱状のものではなく、中心部が貫通孔の中空部112Caとされた筒状の形状を備えた、磁性材料から成る棒状部材である。インダクタンス素子としての位置指示コイル111は、このフェライトコア112Cの外周部に巻回される。
したがって、フェライトコア112Cは、圧力センシング半導体デバイス113Cよりも大きな径となってしまうので、第1の実施形態とは異なり、圧力センシング半導体デバイス113Cとフェライトコア112Cとは必ずしも結合されない。
そして、フェライトコア112Cは、第1のケース102Cの一部により、その径方向が保持されると共に、ペン先スリーブ104の壁部104cにより、ケース101Cの軸方向のペン先側の位置が規制され、また、第2のケース103Cの端部と係合してケース101Cの軸方向のペン先側とは反対側の位置が規制される。
この実施形態では、圧力センシング半導体デバイス113Cは、フェライトコア112Cを保持する構成を備えないほかは、ほぼ第1の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113と同様の構成を備えるものとされている。すなわち、この第4の実施形態の場合の圧力センシング半導体デバイス113Cは、端子板114及び115を、そのパッケージ20の底面20b側において保持する構成を備える。そして、端子板114及び115の軸方向の端部と溝103Caおよび103Cbとの衝合、及び、圧力センシング半導体デバイス113Cの底面20bと第2のケース103Cの端面との衝合により、圧力センシング半導体デバイス113Cは、ペン先側からの圧力を受けることできるように、ケース101Cの軸方向の位置が係止される。
そして、この第4の実施形態では、フェライトコア112Cの中空部112Caを貫通する、例えば樹脂からなる芯体107を備え、この芯体107の一端側が、ペン先スリーブ104の開口部104bから外部に突出して突出部材を構成するようにされると共に、他端側が、圧力センシング半導体デバイス113Cの連通穴23に挿通されて、押圧部材を構成する。したがって、この例では、芯体107の一端側が突出部材を構成し、他端側が押圧部材を構成している。また、この芯体107は、印加される筆圧に応じた圧力を圧力伝達部材としての弾性部材22に伝達する棒状部材を構成する。
なお、この例では、連通穴23を構成するパッケージ部材21の貫通孔21bの内径は、芯体107の他端部が貫通孔21bに当接する部分の直径より若干大きくされていると共に、凹穴22aの内径は、芯体107の他端部が凹穴22aに当接する部分の直径よりも若干小さくされていることで、テーパー部21cと貫通孔21bによって芯体107の他端部の圧力センシング半導体デバイス113の内部へのガイドを容易にするとともに、凹穴22aは、圧力センシング半導体デバイス113に挿入された芯体107が容易に脱落しないように、芯体107を保持する保持部を構成する。なお、芯体107は、所定の力で引き抜くことにより、圧力センシング半導体デバイス113Cによる保持から離脱することができるので、芯体107は容易に交換可能である。
この第4の実施形態の位置指示器100Cでは、フェライトコア112Cが中心孔(貫通孔)を有する中空円筒状とされた、磁性材料から成る棒状部材を構成しており、比較的太い形状となるので、その分、図12(A)に示すように、全体として第1の実施形態の位置指示器100に比較して、太いペンの形状となる。しかし、ケース101Cは太さが第1の実施形態のケース101と異なるのみで、第1のケース102Cと第2のケース103Cとが同心円状に組み合わされるものである。そして、図12(C)に示すように、第2のケース103Cの内壁に形成された溝103Ca及び103Cbにより、端子板114及び115が嵌合保持される構成は、第1の実施形態と同様である。
[第5の実施形態]
図13は、第5の実施形態の位置指示器100Dの構成例を説明するための図である。この第5の実施形態の位置指示器100Dは、第3の実施形態の変形例であり、図13において、上述の第3の実施形態の位置指示器100と同一部分には、同一の参照符号を付してその説明は省略する。
この第5の実施形態は、第4の実施形態と第1の実施形態との関係と同様に、第3の実施形態において、フェライトの形状を中実のものから、貫通孔を有する中空の円筒状とすると共に、フェライトの中空部に、棒状の芯体を挿入する構成に等しい。
すなわち、図13(A)は、第5の実施形態の位置指示器100Dの一部断面図であり、これは、図12(A)のG−G線断面図(拡大図)に対応する図である。更に、図13(B)は、図13(A)のI−I線断面図である。
この第5の実施形態の位置指示器100Dにおいては、ケース101D内に収納される位置指示器本体110Dのうち、フェライトコア112Dが、図13(A)に示すように、中心部が貫通孔の中空部112Daとされた筒状の形状を有する、磁性材料から成る中心孔(貫通孔)を備えた棒状部材を構成する。
そして、フェライトコア112Dは、第1のケース102Dの一部により、その径方向に保持されると共に、ケース101Cの軸方向のペン先側とは反対側の位置が規制される。また、ペン先スリーブ104の壁部104cにより、ケース101Cの軸方向のペン先側の位置が規制される。
そして、この第5の実施形態では、フェライトコア112Dの中空部112Daを貫通する芯体107Dを備え、芯体107Dの一端側が、ペン先スリーブ104の開口部104bから外部に突出して、突出部材を構成する。他端側は押圧部材120Dに圧入嵌合される。
押圧部材120Dは、円柱状の形状を備え、軸方向にフェライトコア112Dの側には芯体107Dの他端側が圧入嵌合される嵌合凹穴112Dcを備えている。そして、押圧部材120Dの側周部には、第1のケース102Dの内壁面に固着されている保持部121Dの側面に形成されたケース101Dの軸方向に所定の長さを有する切り欠き部121Da,121Db内に挿入される突部120Da,120Dbが形成されている。
そして、図13(B)に示すように、ケース101Dの第2のケース103Dの内壁面には、プリント配線基板300を位置指示器本体110Dに固定するための溝103Da,103Dbが形成されている。また、プリント配線基板300の端面300aには、この端面300aを部分的に切り欠くことで、圧力センシング半導体デバイス113Dのパッケージの一部を収納し、位置決めするための凹部311が形成されている。
押圧部材120Dは、第1のケース102Dに固定されている筒状の保持部121D内に、突部120Da,120Dbと切り欠き部121Da,121Dbとがそれぞれ嵌合することで、ケース101Dの軸方向に移動可能に収納されている。従って、押圧部材120Dは、突部120Da,120Dbが、切り欠き部121Da,121Db内に挿入された状態で、保持部121Dの切り欠き部121Da,121Dbの長さの範囲内で、ケース101Dの軸方向に移動可能となる。
そして、押圧部材120Dには、更に、圧力センシング半導体デバイス113Dの圧力感知チップ10の第1の電極1を、空間5の方向に押圧するための突起120Ddが設けられている。
圧力センシング半導体デバイス113Dは、第3の実施形態と同様の構成の圧力センシング半導体デバイス113Bの構成とすることもできるが、この第5の実施形態では、図14に示すような構成を備えるものとされている。
図14(A)は、この第5の実施形態で用いられている圧力センシング半導体デバイス113Dの斜視図であり、また、図14(B)は、図14(A)のJ−J線断面図である。更に、図14(C)は、圧力センシング半導体デバイス113Dをプリント配線基板300に取り付けた状態を示す図の一例である。この図14においては、前述した圧力センシング半導体デバイス113と同一部分には同一参照符号を付して、その説明は省略する。
図14(A)及び(B)に示すように、この第3の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113Dにおいては、パッケージ20Dは、パッケージ部材21Dと、圧力伝達部材(22D、29Da、29Db)とで構成される。パッケージ部材21Dは、主要部21Daと蓋部21Dbとからなる。そして、パッケージ部材21Dの主要部21Daには、図14(B)に示すように、凹部23Dが形成されており、圧力感知チップ10は凹部23Dによって第1の電極1の上方が開口状態とされて収納される。また、圧力感知チップ10の上方に設けられた凹部23Dには、圧力伝達部材22Dを構成する押圧突部22Daが第1の電極1に対向するようにして収納される。
そして、圧力感知チップ10の第1の電極1の上面には、この例では、所定の弾性を有するクッション部材29Daが被着形成されている。このクッション部材29Daは、圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daが第1の電極1に直接に接触して第1の電極1を損傷させないように保護すると共に、圧力伝達部材22Dを通じて、押圧部材120Dの突部120Ddにより印加される圧力を弾性的に伝達する役割を果たす。このクッション部材29Daは、例えばシリコンゴムなどから成る、フィルム状の弾性部材であるが、その弾性率あるいは弾性特性は、印加圧力に対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの所望の容量変化特性あるいは押圧部材120Dの突部120Ddにより印加される予期しない圧力に対する耐衝撃性特性に応じて選定される。
圧力伝達部材22Dは、圧力感知チップ10の第1の電極1に対してクッション部材29Daを介して当接する押圧突部22Daと、鍔部22Dbと、パッケージ20Dの外部に露呈して、押圧部材120Dの突部120Ddによる押圧力を受ける、パッケージ20Dの上面20Daから突出した押圧印加部22Dcとを備える。そして、この例では、圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daは、球状形状に構成されている。また、鍔部22Dbの、押圧突部22Da側の面には、所定の弾性を有するクッション部材29Dbが被着形成されている。また、押圧印加部22Dcには、この例では半球状凹部22Ddが形成されている。
この例では、圧力伝達部材22Dは、クッション部材29Da,29Dbの存在により、芯体107D及び押圧部材120Dを通じて印加される圧力を弾性的に圧力感知チップ10の第1の電極1に伝達する。したがって、クッション部材29Da,29Dbとは異なり、圧力伝達部材22Dは、弾性を有しない樹脂で構成することができる。また、弾性を有する材料、例えばシリコンゴムなどで圧力伝達部材22Dを構成し、予期しない瞬間圧力に対してはクッション部材29Da,29Dbに防御可能な弾性特性を持たせるようにしても良い。
なお、圧力伝達部材22Dがシリコンゴムなどの弾性体で構成される場合には、クッション部材29Daやクッション部材29Dbは省略することができる。
パッケージ部材21Dの主要部21Daの凹部23Dは、図14(B)に示すように、圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daを移動自由に収納する凹穴23Daを備えていると共に、圧力伝達部材22Dの鍔部22Dbがクッション部材29Dbを介して係合する段部23Dbを備えている。
そして、この圧力センシング半導体デバイス113Dにおいては、圧力感知チップ10が収納されたパッケージ部材21Dの主要部21Da内の凹部23Dの凹穴23Da内に、圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daを挿入すると共に、圧力伝達部材22Dの鍔部22Dbを、クッション部材29Dbを介してパッケージ部材21Dの主要部21Daに設けられた段部23Dbと係合させるようにして、圧力伝達部材22Dをパッケージ部材21Dの主要部21Daに装着される。
そして、この装着状態を保持して、パッケージ部材21Dの蓋部21Dbにより、圧力伝達部材21Dの押圧印加部22Dcをパッケージ20Dの上面20Daから突出して露呈するような状態で、圧力伝達部材22Dの上部を封止する。
なお、この例においては、第1の電極1に接続されている第1のリード端子24D及び第2の電極2に接続されている第2のリード端子25Dは、パッケージ20Dの底面20Dbから、この底面20Dbに垂直な方向に導出されている。この場合に、第1のリード端子24D及び第2のリード端子25Dは、プリント配線基板300の厚さdに対応する間隔を空けて、互いに平行に対向するように導出されている。
そして、図14(C)に示すように、圧力センシング半導体デバイス113Dを、プリント配線基板300の端面300aに対して、パッケージ20Dの底面20Dbが当接した状態で、第1及び第2のリード端子24D及び25Dによりプリント配線基板300の厚さ方向を挟持するように配設する。
そして、この場合に、プリント配線基板300の端面300aには、この端面300aを部分的に切り欠くことで、圧力センシング半導体デバイス113Dのパッケージ20Dの一部を収納するための凹部311が形成されている。この例の圧力センシング半導体デバイス113Dは、このプリント配線基板300の端面300aに形成された凹部311にそのパッケージ20Dの底面20Db側が収納されることで、プリント配線基板300の端面300aに対して位置決めされる。
そして、プリント配線基板300の一面300bに設けられている印刷配線パターン312と、第1のリード端子24Dが半田313にて電気的に接続され、固定される。また、図示は省略するが、同様にして、プリント配線基板300の一面300bとは反対側の面に設けられている印刷配線パターンと、第2のリード端子25Dとが半田付けされて固定される。なお、プリント配線基板300の一面300b側に、信号処理回路(ICなど)が設けられる場合には、第2のリード端子25Dが半田付けされる印刷配線パターンは、プリント配線基板300の一面300bとは反対側の面に設けられているので、プリント配線基板300に設けられたスルーホールを介して、一面300b側の印刷配線パターンに接続されて、信号処理回路に接続される。
以上のように、この例においては、圧力センシング半導体デバイス113Dは、プリント配線基板300の端面300aに設けられた凹部311に嵌合されることで、図10(B)の例と全く同様にして、プリント配線基板300に対して圧力センシング半導体デバイス113Dが容易に位置決めされ、半田付け等の作業を容易、且つ、確実に行うことができる。
こうして、プリント配線基板300Dに対して固定された圧力センシング半導体デバイス113Dにおいて、押圧部材120Dの突部120Ddの先端が、圧力伝達部材22Dの押圧印加部22Dcの上面を押圧する。なお、この例の圧力センシング半導体デバイス113Dにおいては、押圧部材120Dの突部120Ddの先端は球面形状とされ、押圧印加部22Dcに形成されている凹部22Ddもまた突部120Ddの先端形状と係合する形状を備えることで、押圧部材120Dによる圧力が、圧力センシング半導体デバイス113Dに確実に印加される。
押圧部材120Dによる押圧力が圧力伝達部材22Dの押圧印加部22Dcに印加されると、クッション部材29Da及び29Dbの弾性により、圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daが、圧力感知チップ10の第1の電極1を空間5側に押圧する。これにより、圧力感知チップ10の第1の電極1は、空間5側に撓ませられ、静電容量Cvが変化する。
なお、この第5の実施形態に用いられる圧力センシング半導体デバイス113Dにおいては、圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daの形状が球状であるために、芯体107D及び押圧部材120Dを通じて印加される押圧力の方向が、圧力感知チップ10の第1の電極1の面に対して垂直な方向とは異なっていたとしても、クッション部材29Daと球状の押圧突部22Daとの接触点位置が維持されるために、第1の電極1に対して安定した当接状態を維持することができる。
以上説明した図14に示した第5の実施形態においては、圧力感知チップ10の第1の電極1を押圧する圧力伝達部材の先端部の形状を球面形状としたが、圧力伝達部材の先端部の形状は球面形状に限らず、例えば突起状形状としても良い。このように、圧力伝達部材の先端部を、球面形状及び突起状形状を含む種々の突状形状とすることで、例えば圧力伝達部材22Dの押圧突部22Daの先端形状と、クッション部材29Da,29Dbの材料とのいずれか一方あるいは両方を選定することにより、印加される筆圧に対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性を所望のものとすることができる。この場合に、圧力感知チップ10の第1の電極1を押圧する圧力伝達部材の先端部は、前述した球状や先端が尖った形状などのように、非平面形状を有するようにしたが、この非平面形状としては、第1の電極1側を、点として押圧する例えば角錐や円錐形状であってもよいし、所定の曲率を備える曲面形状であってもよい。また、圧力感知チップ10の第1の電極1を押圧する圧力伝達部材の先端部は、点として押圧するのではなく、所定の面積をもって、更には、印加圧力に対応してこの面積が非直線的に変化するように、第1の電極1を押圧するような形状であっても良い。
[第6の実施形態]
図15は、第6の実施形態の位置指示器100Eの構成例を説明するための図である。この第6の実施形態の位置指示器100Eは、第5の実施形態の変形例であり、第5の実施形態では、圧力センシング半導体デバイス113Dは、プリント配線基板300の端面300aに取り付ける例であるのに対して、この第6の実施形態では、圧力センシング半導体デバイス113Eを、プリント配線基板300の一面(基板面)300b上に取り付ける。
図15(A)は、第5の実施形態の位置指示器100Dの一部断面図に対応する第6の実施形態の位置指示器100Eの一部断面図である。また、図15(B)は、この第6の実施形態の位置指示器100Eに用いられる圧力センシング半導体デバイス113Eの外観の斜視図、図15(C)は、図15(B)におけるK−K線断面図である。
この第6の実施形態の位置指示器100Eの位置指示器本体110Eは、第5の実施形態と同様に、磁性材料から成る棒状部材を構成する中空の筒状形状のフェライトコア112Eと、フェライトコア112Eに巻回された位置指示コイル111と、圧力センシング半導体デバイス113Eと、プリント配線基板300と、芯体107Eとからなる。ただし、この第6の実施形態では、第5の実施形態とは異なり、芯体の一端がペン先から突出した突出部材を構成するとともに、芯体の他端が圧力伝達部材を押圧する押圧部材を構成している。
プリント配線基板300は、ケース101Eを構成する第2のケース103Eの内壁に形成されている溝103Ea及び103Ebによりケース101E内に保持される。そして、前述の実施形態と同様に、溝103Ea及び103Ebの、ケース101Eの軸方向のペン先とは反対側の端部により、プリント配線基板300は、筆圧に抗して係止されるように位置が規制されている。なお、この第6の実施形態の場合、溝103Ea及び103Ebは、このプリント配線基板300の一面300bに配設される圧力センシング半導体デバイス113Eに対して芯体107Eが嵌合可能となるように、プリント配線基板300をケース101Eの中心線位置よりもずれた位置で保持するように形成されている。
そして、プリント配線基板300の一面300b上には、圧力センシング半導体デバイス113Eが取り付けられている。この例の圧力センシング半導体デバイス113Eの構成例を、図15(B)及び図15(C)を参照して説明する。
図15(C)に示すように、この第6の実施形態における圧力センシング半導体デバイス113Eにおいては、圧力感知チップ10は、第1の電極1および第2の電極2がパッケージ20Eの底面20Ebに対して垂直な方向に、パッケージ20E内に封止されている。そして、圧力感知チップ10の第1の電極1と接続されるリード端子24Eは、底面20Ebと平行な方向に、且つ、底面20Ebと面一となるように、パッケージ20Eの側面20Ecから導出される。また、第2の電極2と接続されるリード端子25Eは、同様に、底面20Ebと平行な方向に、且つ、底面20Ebと面一となるように、パッケージ20Eの前記側面20Ecと対向する側面20Edから導出される。
そして、この例では、図15(C)に示すように、リード端子24E及び25Eは、パッケージ20Eの底面20Ebに垂直な方向に更に折り曲げられた折り曲げ部24Ea及び25Ebを備えている。一方、プリント配線基板300においては、この圧力センシング半導体デバイス113Eの取り付け位置に、リード端子24E及び25Eの折り曲げ部24Ea及び25Ebを挿入する透孔314,315が形成されている。
圧力センシング半導体デバイス113Eは、リード端子24E及び25Eの折り曲げ部24Ea及び25Ebを、プリント配線基板300の透孔314,315に挿入することで、プリント配線基板300の一面300b上で位置決めされて配設される。この状態、リード端子24E及び25Eが、プリント配線基板300の印刷パターン316及び317と半田付けされることにより、圧力センシング半導体デバイス113Eはプリント配線基板300に対して固定される。
圧力感知チップ10を内部に収納するパッケージ20Eのパッケージ部材21E内には、パッケージ20Eの底面20Ebに平行な方向に凹穴23Eが設けられている。この凹穴23Eは、パッケージ部材21E内の圧力感知チップ10の第1の電極1の上面1aにまで連通するものとされている。また、この凹穴23Eの開口側は、ラッパ状に広がるテーパー部21Ecとされて押圧部材としての芯体107Eの挿入が容易となるようにガイドする。
そして、圧力感知チップ10の第1の電極1の上面1a側には、圧力伝達部材を構成するフィルム状の弾性部材、例えばシリコンゴムからなるクッション部材22Eが設けられている。更に、凹穴23Eの内壁面には、Oリング状突部23Ea及び23Ebが形成されている。凹穴23Eの内径は、芯体107E(図15(C)では破線で示す)が当接する部分の直径とほぼ等しいあるいは若干大きくされている。そして、Oリング状突部23Ea及び23Ebの内径は、芯体107Eが当接する部分の直径よりも僅かに小さく選定されている。
したがって、この凹穴23E内に、芯体107Eを挿入して、その先端を、クッション部材22Eを介して圧力感知チップ10の第1の電極1の上面1aに当接させるようにすることができる。この場合に、芯体107Eは、ペン先となる一端側とは反対側の端部107Eaが、図15(A)に示すように、フェライトコア112Eの中空部112Eaを貫通して、圧力センシング半導体デバイス113Eの凹穴23E内に挿入される。
したがって、芯体107Eに筆圧が加わると、凹穴23E内に挿入された芯体107Eの端部107Eaによりパッケージ20Eの上面20Eaあるいは底面20Ebに対して平行な方向から圧力がクッション部材22Eに伝達されることで、圧力感知チップ10の第1の電極1が、空間5の方向に撓ませられ、圧力感知チップ10の静電容量Cvは、印加される筆圧に応じて変化する。すなわち、押圧体としての芯体107Eが圧力伝達部材としてのクッション部材22Eを押圧することで圧力感知チップ10の静電容量Cvが変化することになる。なお、貫通孔104bから外部に突出したペン先部は突出部材を構成する。
このとき、この第6の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113Eによれば、芯体107Eは、その端部107Eaが凹穴23E内に挿入されることにより、Oリング状突部23Ea及び23Ebにより形成された保持部によって保持される。そして、芯体107Eによる筆圧に応じた圧力は、クッション部材22Eを介して、確実に圧力感知チップ10の第1の電極1に対して伝達されることになる。
なお、以上の例の圧力センシング半導体デバイス113Eでは、圧力伝達部材として、クッション部材22Eを設ける構成としたが、図1の例の圧力センシング半導体デバイス113のように、圧力感知チップ1の第1の電極1の前面であって凹穴23Eに弾性部材を配設する構成とすることもできる。また、第2の実施形態の圧力センシング半導体デバイス113Aのように、パッケージ部材21Eを弾性を有する材料で構成することで、圧力伝達部材の機能をパッケージ部材が併せ持つように構成することもできる。
また、この図15の例においては、凹穴23E内に挿入される、芯体107Eの先端部の形状とクッション部材22Eの材料とのいずれか一方あるいは両方を選定することにより、芯体107Eによって印加される筆圧に対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性を所望のものとすることができる。
更には、上述の第6の実施形態の説明の例は、中空の筒状のフェライトを用いた例であるが、前述の第1〜第3の実施形態のような中実のフェライトで構成する場合であっても、同様に適用できる。すなわち、押圧部材としての中実のフェライトの端部によって、あるいは、中実のフェライトの端部に設けた別部材を押圧部材として、圧力を圧力伝達部材に伝達することで、プリント配線基板300の一面300b上に配設された圧力センシング半導体デバイスに対して筆圧を伝達するように構成するようにする。
[第6の実施形態で用いられる圧力センシング半導体デバイスの他の例]
図16は、第6の実施形態の位置指示器100Eに用いられる圧力センシング半導体デバイスの他の例の構成例を示すものである。図16(A)は、この例の圧力センシング半導体デバイス113Fの外観斜視図、図16(B)は、図16(A)におけるL−L線断面図である。
この例の圧力センシング半導体デバイス113Fにおいては、圧力感知チップ10は、第1の電極1の面1aが、パッケージ20Fの上面20Faあるいは底面20Fbに対して平行となる状態で、パッケージ20F内に封止されている。そして、圧力感知チップ10の第1の電極1と接続されるリード端子24Fは、底面20Fbおよび印加される筆圧の方向と平行な方向に、且つ、底面20Fbと面一となるように導出される。第2の電極2と接続されるリード端子25Fも、底面20Fbおよび印加される筆圧と平行な方向に、且つ、底面20Fbと面一となるように導出される。
図16(A)及び(B)に示すように、この例の圧力センシング半導体デバイス113Fにおいては、パッケージ20Fを構成するパッケージ部材21Fは、主要部21Faと蓋部21Fbとから構成されており、パッケージ部材21Fの内部には、圧力感知チップ10の第1の電極1の上部から鍵形に曲がる形状の凹部23Fが形成されている。
この凹部23F内には、流体(または流動体)50が充填され、この流体50が洩れないように、閉塞弁22Faにより凹部23Fが閉塞されている。ただし、この閉塞弁22Faは、後述するように、変位可能とされている。
そして、この例では、弁押圧部22Fbが、パッケージ部材21Fの主要部21Faに設けられた段部23Fbに係合した、フィルム状の弾性部材である、クッション材29Faを介して、閉塞弁22Faを、流体50を圧縮するような方向に押圧する。そして、弁押圧部22Fbには、図16(B)における矢印で示す横方向から筆圧Pを印加する芯体107Eの先端を受ける凹部22Fdを備える。
この例の圧力センシング半導体デバイス113Fにおいては、以上のような構造を備えているので、図16(B)における矢印で示す方向からの押圧力(筆圧)Pを、弁押圧部22Fbが受けると、クッション材29Faにより押圧力Pの印加方向に弁押圧部22Fbが変位し、それに応じて閉塞弁22Faが流体50を圧縮する方向に変位する。
すると、流体50に伝達された押圧力Pは、圧力感知チップ10の第1の電極1に伝達され、圧力感知チップ10の第1の電極1は、この押圧力Pに応じて撓み、これにより圧力感知チップ10の静電容量Cvが変化する。
以上のことから、この例の圧力センシング半導体デバイス113Fにおいては、流体50と、閉塞弁22Faと、弁押圧部22Fbとクッション材29Faとにより、圧力伝達部材が構成されるものである。
この場合に、この例では、凹部23Fの断面積は、閉塞弁22Fa側の断面積Saよりも、圧力感知チップ10の第1の電極1上における断面積Sbの方が小さく選定されている。このため、閉塞弁22Fa側に印加された圧力は、圧力感知チップ10の第1の電極1上に大きな力となって伝達されることで、効率良く、押圧力Pを圧力感知チップ10の第1の電極1上に伝達することができる。
この例の圧力センシング半導体デバイス113Fにおいては、クッション材29Faの材質および流体50の材料は、押圧力Pに対する圧力感知チップ10の静電容量Cvの容量変化特性を所望のものとするように選定されている。ここで、流体50としては、液体、気体のいずれであっても良く、要は、印加された圧力Pを伝達することができるものであればよい。
[第7の実施形態]
図17は、第7の実施形態の位置指示器100Gの構成例を説明するための図である。図17(A)は、第6の実施形態の位置指示器100Eの一部断面図に対応する第7の実施形態の位置指示器100Gの一部断面図である。また、図17(B)は、図17(A)におけるM−M線断面図である。図17(C)は、この第7の実施形態の一部の構成部を説明するための図である。さらに、図17(D)は、この第7の実施形態の動作の説明に用いる図である。
この第7の実施形態の位置指示器100Gにおいては、第6の実施形態の同様に、プリント配線基板300の一面300b上に圧力センシング半導体デバイス113Gが形成されている。この圧力センシング半導体デバイス113Gは、第6の実施形態の位置指示器100Eの圧力センシング半導体デバイス113Eと同様の構成とされており、前述した第6の実施形態と同様にしてプリント配線基板300の一面300b上に固定されて取り付けられている。
この第7の実施形態では、第6の実施形態とは異なり、フェライトを用いることなく、例えば樹脂からなる芯体150に、位置検出コイル111が巻回されて構成される。この場合、芯体150は、突出部材としてのペン先151と、このペン先151が嵌合されるとともにインダクタンス素子としての位置検出コイル111が巻回される棒状部材としての柱状体152とからなる。
そして、柱状体152の、ペン先151側の端面の中央部には、ペン先151が嵌合される凹部152aが形成される。また、軸方向において、柱状体152のペン先151側とは反対側には、圧力センシング半導体デバイス113Gの凹穴23Gに挿入される、
圧力伝達部材を押圧する押圧部材としての、突状部材152bが形成されている。そして、圧力感知チップ10の第1の電極1の上面1a側には、既述したように、圧力伝達部材を構成するフィルム状の弾性部材、例えばシリコンゴムからなるクッション部材22Gが設けられている。
したがって、この第7の実施形態では、突出部材としてのペン先151に筆圧が印加されると、その筆圧に応じた押圧力が、押圧部材としての柱状体152の突状部材152bにより、圧力伝達部材としてのクッション部材22Gを介して、圧力センシング半導体デバイス113Gの圧力感知チップ10の第1の電極1に伝達されることで、圧力感知チップ10の静電容量Cvが変化する。
更に、この第7の実施形態では、芯体150の軸芯方向と交差する方向の筆圧をも検知することができるように構成されている。すなわち、図17(B)に示すように、柱状体152のペン先151側の周面と対向するように、3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163が設けられている。
この3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163のそれぞれは、図示は省略するが、既述したように、例えば圧力感知チップ10の第1の電極1上に圧力伝達部材としてのクッション部材22Gが配設されているとともに、圧力感知チップ10が封止されるパッケージに形成された開口面161a、162a、163aにこのクッション部材が外部に露呈する状態で封止された薄型形状とされている。そして、この3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163は、図17(C)に示すように、T字型のフレキシブル基板164のT字の横ライン部164aに、所定の間隔を開けて取り付けられる。
プリント配線基板300は、ケース101Gを構成する第2のケース103Gの内壁に形成されている溝103Ga及び103Gbによりケース101G内に保持される。そして、前述の実施形態と同様に、溝103Ga及び103Gbの、ケース101Gの軸方向のペン先とは反対側の端部により、プリント配線基板300は、筆圧に抗して係止されるように位置が規制されている。なお。この横ライン部164aの長さは、位置指示器100Gのケース101Gの第1のケース102Gの内径に応じたものとされている。そして、この横ライン部164aを、圧力センシング半導体デバイス161,162,163のそれぞれが柱状部152の周面に対向する状態で、柱状部152を中心に巻回するように、第1のケース102Gのペン先151側に設ける。このとき、フレキシブル基板の横ライン部164aは、第1のケース102Gの内壁面に接着されて固定される。この結果、この例では、3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163は、図17(B)に示すように、120度角間隔で、柱状部152の周面に対向して配置される。
そして、柱状部152の周面の、圧力センシング半導体デバイス161,162,163の第1の電極1の面1aのそれぞれに対向する部分には、図17(A)及び(B)に示すように、押圧突部153a,153b,153cが形成されている。
フレキシブル基板164の横ライン部164aに取り付けられた3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163のそれぞれ第1の電極と第2の電極は、このフレキシブル基板164に形成されているリード配線パターンのそれぞれに接続される。そして、図示は省略するが、そのリード配線パターンは、フレキシブル基板164の縦ライン部164bにまで渡って形成される。
フレキシブル基板164の縦ライン部164bの長さは、第1のケース102Gの内壁に接着された横ライン部164aの3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163のそれぞれ第1の電極と第2の電極とプリント配線基板300の印刷パターンとを電気的に接続することが可能な長さ分とされる。そして、フレキシブル基板164の縦ライン部164bの端部は、プリント配線基板300の印刷パターンを介して、IC305に接続されるようにされている。
以上のように構成されているので、図17(D)に示すように、位置指示器100Gを傾けた状態でペン先151に筆圧を印加した場合に、ペン先151に対して軸方向と交差する方向の筆圧Psが印加されることとなる。この場合、芯体150の柱状部152は、圧力センシング半導体デバイス113Gとの嵌合部側を支点として、軸方向とは交差する方向の分力PsXを受け、この軸方向に交差する方向に僅かに変位する。3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163には、それぞれのパッケージに形成された開口面161a,162a,163aがそれぞれの突部153a,153b,153cによって押圧されることで、この変位に応じた圧力が印加される。したがって、3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163の圧力感知チップ10の静電容量Cvのそれぞれは、その受けた圧力に応じた値となる。
この実施形態では、これら3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163のそれぞれの圧力感知チップ10の静電容量Cvは、IC305で検出される。また、IC305は、既述したように、圧力センシング半導体デバイス113Gで検出された軸方向の筆圧に応じた静電容量Cvも検出する。
IC305は、検出した圧力センシング半導体デバイス113Gの静電容量および3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163の静電容量から、位置指示器100Gに対する筆圧およびサイドフォースの大きさを求めることができる。また、3個の圧力センシング半導体デバイス161,162,163のそれぞれの圧力感知チップ10の静電容量Cvは、それぞれが受けた圧力に応じた値となっているので、IC305は、3個の圧力感知チップ10の静電容量Cvの値から、軸方向に交差する方向の筆圧Psの印加方向を検出することができる。
この実施形態では、IC305は、前述の図11を用いて説明したようにして、検出した筆圧の大きさに加えて、検出した筆圧の印加方向を、ディジタル信号として、位置検出装置に送信するようにする。
以上のようにして、この第7の実施形態によれば、筆圧が軸方向に交差する方向から印加される場合に、その印加方向を含めてこの筆圧を検出することができる。
なお、以上の第7の実施形態では、芯体150は、樹脂で構成するようにしたが、上述した実施形態と同様に、忠実の磁性体(フェライト)を用いることができる。その場合に、図10に示した第3の実施形態と同様に、フェライトの軸方向の両端は、樹脂で構成するようにしても勿論良い。
また、フレキシブル基板164上に設ける圧力センシング半導体デバイスの数は、3個に限らず、1〜2個でも良いし、3個以上であっても良い。更に、上述の実施形態では、軸方向に交差する方向から印加される圧力を検出する圧力センシング半導体デバイス161,162,163の他に、ケースの軸方向の圧力を直接的に検出する圧力センシング半導体デバイス113Gなどを設けるようにしたが、このケースの軸方向の圧力を直接的に検出する圧力センシング半導体デバイスは設けなくても良い。その場合には、芯体のペン先とは反対側の端部は、何等かの手段により固定することはいうまでもない。
[その他の実施形態または変形例]
上述の各実施形態の位置指示器は、図2に示した携帯電話端末に搭載された位置検出装置用の位置指示器の場合として説明した。しかしながら、この発明による位置指示器は、種々の電子機器に搭載される位置検出装置用の位置指示器として用いられることは言うまでもない。
例えば、図18は、パーソナルコンピュータや携帯機器等の図示しない外部の電子機器に、無線により、または、ケーブルを介して接続することによって、これら電子機器の入力装置として用いられる、いわゆるタブレットと呼ばれる位置検出装置500と、その位置検出装置500で使用される位置指示器400とを示す図である。この位置検出装置500は、表示部を備えることで外部の電子機器とは接続することなく操作ができる装置として構成することもできる。この発明の位置指示器は、この位置検出装置500用の位置指示器400に適用することができる。
この例の位置検出装置500は、位置指示器400で指示した位置を、電磁誘導方式により検出する検出部501と、この検出部501を有する中空の薄い略直方体をなす筐体502とから構成されている。筐体502は、検出部501の検出面を露出させるための開口部503を有する上部筐体504と、この上部筐体504に重ね合わされる図示しない下部筐体を有している。そして、上部筐体504は、検出部501の入力面を露出させる四角形の開口部503を有しており、この開口部503に、検出部501が嵌め込まれる。
このような構成を有する位置検出装置500は、位置指示器400によるポインティング操作による文字及び図等の入力が行われ、また表示部を備える場合には、表示部に位置指示器400によるポインティング操作に対応した表示を行うことができる。さらに、位置検出装置500は、位置指示器400から電磁誘導により受け取った情報から検出した筆圧に応じて、文字の太さを変えるなどの、筆圧に応じた表示を行うことができる。
なお、上述の実施形態の圧力センシング半導体デバイスの圧力感知チップ10においては、空間5は、円形の凹部4により円形の空間として形成するようにしたが、空間の形状は、円形に限らないことはいうまでもない。
また、圧力感知チップ10は、上述の例では、可変容量コンデンサのみの構成としたが、この可変容量コンデンサに対して、直列または並列のコンデンサを半導体プロセスにより形成した構成のものであっても良い。さらに、圧力感知チップ10は、可変容量コンデンサ単体あるいは可変容量コンデンサと他のコンデンサとの直列又は並列回路に対して接続されるべき信号処理回路が半導体プロセスにより同一の半導体チップに形成された構成であっても良い。
また、上述の実施形態では、ペン先となる突出部材には、嗜好調整部材を被せるようにしたが、突出部材自身を嗜好調整部材とするようにしても良い。
更には、図5に示すように、可変静電容量素子としての圧力感知チップ10がインダクタンス素子とともに共振回路を構成する回路構成の他に、図11に示すように、圧力感知チップ10にて、静電容量の変化として感知された圧力に基づいて生成された制御信号によって、圧力感知チップ10とは別途設けられた、インダクタンス素子と静電容量素子からなる共振回路を制御する回路構成を示し、位置指示器(100、100A、100B、100C、100D、100E、100G)としての各種構成をそれぞれの回路構成と関連付けて説明した。しかしながら、このような回路構成の違いに依存することなく、各種構成の位置指示器の間で、必要に応じ、位置指示器を構成する部材毎に、あるいは機能的観点から、部材の組み合わせあるいは配置関係を互いに置換し得ることは言うまでもない。
10…圧力感知チップ、100,100A〜100G…位置指示器、101,100A〜100G…ケース、104…ペン先スリーブ、105…嗜好調整部材、111…位置検出コイル、112…フェライト、113,113A〜113G…圧力センシング半導体デバイス、114,115…端子板、300…プリント配線基板

Claims (27)

  1. 筐体の一方の端部へ印加された力に対応して静電容量が変化するコンデンサを備えた位置指示器であって、
    前記コンデンサは、第1の電極と、前記第1の電極と所定の距離を介して対向して配置された第2の電極とを備え、前記第1の電極と前記第2の電極との間に静電容量が形成され、前記筐体の一方の端部へ印加された力が前記第1の電極に伝達されて前記距離が変化することで前記静電容量が変化する半導体素子で構成されているとともに、
    所定の弾性を有し、前記半導体素子の前記第1の電極に力を伝達する圧力伝達部材と、
    前記筐体の一方の端部へ印加された力を前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達する押圧部材を備えることで、前記筐体の一方の端部へ印加される力は前記押圧部材によって前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達され、前記半導体素子の前記第1の電極に印加される力は前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して伝達されるようにした
    ことを特徴とする位置指示器。
  2. 前記半導体素子と前記圧力伝達部材とが1つのパッケージ内に収納されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  3. 前記半導体素子を収納するパッケージ部材と前記圧力伝達部材を収納するパッケージ部材とが一体化されて1つのパッケージを構成している
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  4. 前記半導体素子を収納するパッケージ部材と前記圧力伝達部材を収納するパッケージ部材は同一の素材である
    ことを特徴とする請求項3に記載の位置指示器。
  5. 前記圧力伝達部材は、シリコン樹脂で構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  6. 前記パッケージには、前記筐体の一方の端部へ印加された力を前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達する押圧部材を保持する保持部が設けられている
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の位置指示器。
  7. 前記パッケージには、前記筐体の一方の端部へ印加された力を前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達する押圧部材が挿入される凹部が設けられている
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の位置指示器。
  8. 前記押圧部材が前記凹部に対向する面は非平面形状を有している
    ことを特徴とする請求項7に記載の位置指示器。
  9. 前記押圧部材が前記凹部に対向する面は曲面形状を有している
    ことを特徴とする請求項8に記載の位置指示器。
  10. 前記半導体素子で構成されたコンデンサとともに共振回路を構成するインダクタンス素子を備え、前記筐体の一方の端部へ印加された力に対応して前記共振回路の共振特性が変化するように構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  11. インダクタンス素子を含む共振回路を備えるとともに、筐体の一方の端部へ印加された力に対応した前記半導体素子の静電容量変化に基づいた制御信号を生成して前記共振回路を制御する制御回路を備えた
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  12. 前記共振回路にはスイッチ回路が備えられており、前記スイッチ回路は筐体の一方の端部へ印加された力に対応した前記半導体素子の静電容量変化に基づいて生成された前記制御信号によって制御される
    ことを特徴とする請求項11に記載の位置指示器。
  13. 筐体の一方の端部へ印加された力に対応した前記半導体素子の静電容量変化に基づいた制御信号を生成する制御回路を備えるとともに、前記制御回路と前記半導体素子とは1つのパッケージに収納されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  14. 前記インダクタンス素子は棒状部材に巻回されたコイルによって構成されている
    ことを特徴とする請求項10または請求項11に記載の位置指示器。
  15. 前記筐体の長手方向に、前記筐体の一方の端部と前記インダクタンス素子の間に前記半導体素子が配設されており、前記筐体の一方の端部に印加された力が前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して前記半導体素子の前記第1の電極に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項10または請求項11に記載の位置指示器。
  16. 前記押圧部材は前記筐体の一方の端部から突出しており、前記筐体の一方の端部から突出した前記押圧部材に印加された力が前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して前記半導体素子の第1の電極に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項15に記載の位置指示器。
  17. 前記筐体の長手方向に、前記筐体の一方の端部と前記半導体素子の間に、棒状部材に巻回されたコイルによって構成されたインダクタンス素子が配設されており、前記筐体の一方の端部に印加された力が前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して前記半導体素子の前記第1の電極に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項10または請求項11に記載の位置指示器。
  18. 前記棒状部材には貫通孔が設けられており、前記筐体の一方の端部に印加された力が前記棒状部材に設けられた前記貫通孔を介して前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項17に記載の位置指示器。
  19. 前記押圧部材は、前記棒状部材に設けられた前記貫通孔を貫通して前記筐体の一方の端部から突出しており、前記筐体の一方の端部から突出した前記押圧部材に印加された力が前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項18に記載の位置指示器。
  20. 前記筐体の一方の端部に印加された力が前記棒状部材を介して前記押圧部材に伝達されることで、前記筐体の一方の端部に印加された力が前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して前記半導体素子の前記第1の電極に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項17に記載の位置指示器。
  21. 前記棒状部材と前記押圧部材は一体的に形成されている
    ことを特徴とする請求項20に記載の位置指示器。
  22. 前記筐体の一方の端部から突出した突出部材を有し、前記突出部材によって前記筐体の一方の端部に印加された力が前記棒状部材に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項21に記載の位置指示器。
  23. 前記突出部材と前記棒状部材は一体的に形成されている
    ことを特徴とする請求項22に記載の位置指示器。
  24. 前記棒状部材は磁性材料によって構成されている
    ことを特徴とする請求項17〜請求項23のいずれかに記載の位置指示器。
  25. 前記筐体にプリント配線基板が配設されるとともに、前記プリント配線基板の前記筐体の長手方向であって前記筐体の一方の端部の側に前記半導体素子が配設されて、前記筐体の一方の端部に印加された力が前記所定の弾性を有する前記圧力伝達部材を介して前記半導体素子の前記第1の電極に伝達されるようにした
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
  26. 前記半導体素子は、前記プリント配線基板の端面に配設されている
    ことを特徴とする請求項25に記載の位置指示器。
  27. 印加された力に対応して静電容量が変化する半導体素子を前記筐体の内壁面に複数配設するとともに、前記筐体の一方の端部へ印加された力によって生じる前記筐体の長手方向に交差する方向への分力が前記内壁面に配設された前記複数の半導体素子に印加されるようにした
    ことを特徴とする請求項1に記載の位置指示器。
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