JP2013161307A5 - - Google Patents

Description

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。

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、ペン形状の位置指示器のペン先、すなわち、筐体を構成する第１のケース１０２の軸方向の一端部には筆圧が印加される構成を備える。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、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１０４ｂ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により、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。

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１１３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）。

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、その上面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１１３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（Ｂ）及び図３（Ａ）、（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、位置指示コイル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、位置指示コイル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。

［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、筆圧に応じた第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。

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の部分を凹部とする。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、膨出部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。

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、位置指示コイル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、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に垂直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。

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、円錐形状、円錐台形状、角錐台形状、ドーム形状など、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、凹穴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における凹穴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、凹穴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。

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の凹穴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。

この例の場合には、プリント配線基板３００には、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１００Ｂ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。

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２４８へ送出する。Ａ／Ｄ変換回路２４８は、サンプルホールド回路２４７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。

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に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。

位置検出装置２０３の処理制御部２４０は、受信信号の有無を８回確認することにより、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。

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の段部との衝合により、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。

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、フェライトコア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、フェライトコアの中空部に、棒状の芯体を挿入する構成に等しい。

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１０１Ｄ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１０１Ｄの軸方向のペン先側の位置が規制される。

図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この第５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。

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と同一の平面を有する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。

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と同一平面を有する状態で、圧力伝達部材２２Ｄの上部を封止する。

こうして、プリント配線基板３００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。

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２５Ｅａ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２５Ｅａを挿入する透孔３１４，３１５が形成されている。

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１０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。

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コア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コア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コアの端部によって、あるいは、中実のフェライトコア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。

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、クッション部材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、クッション部材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。

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とクッション部材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、クッション部材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。

この第７の実施形態では、第６の実施形態とは異なり、フェライトコアを用いることなく、例えば樹脂からなる芯体１５０に、位置指示コイル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指示コイル１１１が巻回される棒状部材としての柱状体１５２とからなる。

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、中実の磁性体（フェライトコア）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、フェライトコアの軸方向の両端は、樹脂で構成するようにしても勿論良い。

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…位置指示コイル、１１２…フェライトコア、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 (2)

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. 前記押圧部材は、前記棒状部材に設けられた前記貫通孔を通過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。

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