JP2022520951A - スタイラスペン - Google Patents
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Abstract
【要約】一実施形態によるスタイラスペンは、ボディ部、ボディ部内で外部に露出している伝導性チップ、伝導性チップに連結されており、伝導性チップから伝達される電気信号を共振させる共振回路部を含む。共振回路部のインダクタはフェライトコアおよびフェライトコアの少なくとも一部上に多層に巻線されているコイルを含む。フェライトコアはニッケルを含み、コイルは隣接する巻線層がジグザグに傾斜して巻線されてリッツ線で形成されることができる。【選択図】図１７
Description
本開示はスタイラスペンに関する。
携帯電話、スマートフォン（ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ）、タブレット（ｔａｂｌｅｔ）ＰＣ、ラップトップコンピュータ（ｌａｐｔｏｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、デジタル放送用端末、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、ナビゲーションのような多様な端末にはタッチセンサが備えられる。
このような端末内でタッチセンサはイメージを表示する表示パネル上に位置するか、端末ボディの一領域に位置することができる。ユーザがタッチセンサをタッチして端末と相互作用することによって、端末は直観的なユーザインターフェースをユーザに提供することができる。
ユーザは精巧なタッチ入力のために、スタイラスペンを使用することができる。スタイラスペンは内部にバッテリおよび電子部品が備えられているかどうかによってアクティブ（ａｃｔｉｖｅ）スタイラスペンとパッシブ（ｐａｓｓｉｖｅ）スタイラスペンに区分される。
アクティブスタイラスペンはパッシブスタイラスペンに比べて基本性能が優れ、付加的な機能（筆圧、ホバリング、ボタン）を提供できる長所があるが、ペン自体が高価で電源を必要としてバッテリを充電する方式であるため、一部高級ユーザ以外には実際のユーザは多くないという短所がある。
パッシブスタイラスペンはアクティブスタイラスペンに比べて価額が安くバッテリが必要でない長所があるが、アクティブスタイラスペンに比べて精巧なタッチ認識が難しい短所がある。しかし、最近では精巧なタッチ認識が可能なパッシブスタイラスペンを実現するために、インダクティブ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）共振方式であるＥＭＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）方式とキャパシティブ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）共振方式の技術が提案されている。
ＥＭＲ方式はスタイラスペンの核心機能である書き／描きの品質は優れるが、キャパシタンスタッチパネル以外に別途のＥＭＲセンサパネルとＥＭＲ駆動ＩＣが追加されなければならないので、厚さが厚く費用がより多くかかる短所がある。
キャパシティブ共振方式は一般的なキャパシタンスタッチセンサとタッチコントローラＩＣを使用して追加的な費用がかからず、かつＩＣの性能を上げてペンタッチまで支援する方式である。
キャパシティブ共振方式において、タッチセンサがスタイラスペンによるタッチをより正確に識別するためには共振信号の振幅が大きくなければならず、そのためタッチセンサからスタイラスペンに伝達される駆動信号の周波数がスタイラスペンに内蔵された共振回路の共振周波数とほぼ同一であるようにする。しかし、従来のキャパシティブ共振方式によれば、共振周波数と駆動信号の周波数が一致しても、駆動信号を出力するタッチセンサと駆動信号を受信するペンチップの間に形成される非常に小さいキャパシタンスにより信号伝達の減衰が非常に大きいため信号伝達が難しい問題がある。その結果、数多くのタッチコントローラＩＣベンダーの長期間に渡る試みにもかわらず、十分な出力信号が出ておらずまだ量産に成功した業者がない実情である。
したがって、最大の出力信号を作ることができるキャパシティブ共振スタイラスペンを製造するためには内部の共振回路およびペンの構造をどのように設計するのかが大変重要な要素となる。
本実施形態は、十分な出力信号を作ることができるキャパシティブ共振スタイラスペンを提供する。
前記目的または、他の目的を達成するために、一実施形態によるスタイラスペンは、ボディ部、前記ボディ部内で外部に露出している伝導性チップ、前記ボディ部内に位置するフェライトコアおよび前記伝導性チップに連結されており、前記フェライトコアの少なくとも一部上に多層に巻線されているコイルを含むインダクタ部、そして前記ボディ部内に位置し、前記インダクタ部に電気的に接続されて共振回路を形成するキャパシタ部を含む。
ここで、前記フェライトコアの誘電率が１０００以下であり、前記コイルは隣接する巻線層が交互に巻線され、前記コイルは二つ以上の絶縁電線を囲む形態のワイヤーであり得る。
また、前記フェライトコアはニッケルを含み、前記コイルはリッツ線で形成され得る。
また、ユーザと電気的な接続が可能な接地部をさらに含み得、前記フェライトコアの少なくとも一部を囲むボビンをさらに含み、前記コイルは前記ボビンの少なくとも一部上に巻線され得る。
前記インダクタ部の少なくとも一部を囲む伝導性の遮断部材をさらに含み得る。前記遮断部材は渦電流の発生を遮断する一つのスリットを含み得、前記一つのスリットによって前記遮断部材の両端が渦電流が形成される方向である第１方向に沿って離隔していてもよい。
他の実施形態によるスタイラスペンはボディ部、前記ボディ部内で外部に露出している伝導性チップ、前記ボディ部内に位置し、前記伝導性チップに連結されており、前記伝導性チップから伝達される電気信号を共振させる共振回路部、そしてユーザと電気的な接続が可能な接地部を含み得る。
ここで、前記共振回路部は、前記ボディ部内に位置するフェライトコアおよび前記伝導性チップに電気的に接続されており、前記フェライトコアの少なくとも一部上に多層に巻線されているコイルを含むインダクタ部、そして前記ボディ部内に位置し、前記接地部と前記伝導性チップに電気的に接続されるキャパシタ部を含み得る。この時、前記フェライトコアの誘電率が１０００以下であり、前記コイルは隣接する巻線層がジグザグに傾斜して巻線され、前記コイルは二つ以上の絶縁電線を囲む形態のワイヤーであり得る。
また、前記フェライトコアはニッケルを含み、前記コイルはリッツ線で形成され得る。
この時、前記共振回路部は直列に連結される二つ以上のインダクタ部と一つのキャパシタ部で形成され得る。また、前記共振回路部は二つ以上のＬＣ共振回路が直列に連結され得る。
前記共振回路部の少なくとも一部を囲む、伝導性の遮断部材をさらに含み得る。前記遮断部材は渦電流の発生を遮断する一つのスリットを含み得、前記一つのスリットによって前記遮断部材の両端が渦電流が形成される方向である第１方向に沿って離隔し得る。
本開示によるスタイラスペンの効果について説明すると、次のとおりである。
本開示の実施形態の少なくとも一つによれば、最適なキャパシティブ共振スタイラスの共振回路の構造を提示することによって、薄い直径でも十分な出力信号を生成できる長所がある。
本開示の実施形態の少なくとも一つによれば、外部要因に対して強いスタイラスペンを提供できる長所がある。
本開示の適用可能性の追加的な範囲は以下の詳細な説明から明白になる。しかし、本開示の範囲内での多様な変更および修正は当業者に明確に理解され得るので、詳細な説明および本開示の好ましい実施形態のような特定の実施形態は単に例示として理解されなければならない。
以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは他の部分のすぐ上にあるか、その間に他の部分が介在し得る。対照的に、ある部分が他の部分の「すぐ上に」あると言及する場合、その間に他の部分が介在しない。
図１はキャパシティブ共振スタイラスペンとタッチセンサを示す概念図である。図１に示すように、スタイラスペン１０とタッチセンサ２０が互いに近接する。
スタイラスペン１０は伝導性チップ（ｔｉｐ，１１）、共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）回路部１２、接地部１８、およびボディ部１９を含み得る。
伝導性チップ１１は共振回路部１２に連結されている。伝導性チップ１１の全体または一部は伝導性物質（例えば、金属、黒鉛、伝導性ゴム、伝導性ファブリック、伝導性シリコンなど）で形成されることができる。また、伝導性チップ１１は非伝導性ハウジングの内部に存在し、かつ伝導性チップ１１の一部がハウジングの外部に露出した形態を有することもでき、これに制限されない。
共振回路部１２はタッチセンサ２０から入力される駆動信号に共振する。例えば、共振回路部１２はＬＣ共振回路として、伝導性チップ１１を介してタッチセンサ２０から受信される駆動信号に共振することができる。ここで駆動信号はタッチ電極（チャネル）に伝達されるＴｘ信号であり得る。例えば、駆動信号は、スタイラスペン１０で静電容量結合または電自己共振による共振信号を発生させるように、スタイラスペン１０の共振周波数に対応する周波数を有する信号（例えば、サイン波、矩形波など）を含み得る。
共振回路部１２は駆動信号が入力される区間と、その後の一部区間にも、共振による共振信号を伝導性チップ１１に出力する。共振回路部１２はボディ部１９内に位置し、接地部１８に連結されている。接地部１８はボディ部１９の外面に接触するユーザの身体などによって接地され得る。
ボディ部１９はスタイラスペン１０の素子を収容する。図１で、ボディ部１９は錐台部分と柱の部分が一体に結合された形状を示したが、二つの部分が分離することもできる。円柱、多角柱、少なくとも一部分が曲面である柱形状、エンタシス（ｅｎｔａｓｉｓ）形状、角錐台（ｆｒｕｓｔｕｍ ｏｆ ｐｙｒａｍｉｄ）形状、円錐台（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｃｏｎｅ）形状などを有することもでき、その形状に制限されない。ボディ部１９は内部が空いているので、その内部に伝導性チップ１１、共振回路部１２、および接地部１８を収容することができる。
タッチセンサ２０はチャネル電極２１とチャネル電極上部のウィンドウ２２を含み得る。チャネル電極２１と伝導性チップ１１、そしてウィンドウ２２はキャパシタンスＣｘを形成することができる。
図２はスタイラスペンとタッチセンサを具体的に示す概念図である。
先に、図２に示すように、スタイラスペン１０は伝導性チップ１１、キャパシタ部１３、インダクタ部１４、接地部１８、およびボディ部１９を含む。キャパシタ部１３およびインダクタ部１４は図１の共振回路部１２を形成する。
伝導性チップ１１は伝導性連結部材を介してキャパシタ部１３および／またはインダクタ部１４に連結され得、伝導性連結部材はワイヤー（ｗｉｒｅ）、ピン（ｐｉｎ）、ロッド（ｒｏｄ）、バー（ｂａｒ）などであり得るが、これに制限されない。また、伝導性連結部材はインダクタ部１４のコイルを含み得る。
キャパシタ部１３は並列に連結された複数のキャパシタを含み得る。それぞれのキャパシタは互いに相違するキャパシタンスを有することができ、製造工程内でトリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）し得る。
インダクタ部１４は伝導性チップ１１に隣接して位置し得る。インダクタ部１４はフェライトコアと、フェライトコアに巻かれたコイルを含む。
キャパシタ部１３とインダクタ部１４は並列に連結され、キャパシタ部１３とインダクタ部１４のＬＣ共振により駆動信号に応答して共振信号が発生する。図３はスタイラスペンのインダクタ部を具体的に示す概念図である。
図３を参照すると、インダクタ部１４はフェライトコア１５と、フェライトコア１５に巻かれたコイル１６を含む。
この時、インダクタ部１４のインダクタンス（ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）は次の数式１によって決定される。
数式１からわかるように、インダクタンスはフェライトコア１５の透磁率（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）、コイル１６の断面積、および巻線数の自乗に比例し、コイル１６の巻線の長さに反比例する。
キャパシティブ共振スタイラスペンに収容される共振回路部１２においてインダクタ部１４の設計は大変重要である。特に、インダクタ部の設計においては図４に示すように、インダクタンスＬとＱ値が大変重要なパラメータである。ここで、Ｑ値は共振回路素子としてのコイル特性を示す量として、Ｑ＝２πｆＬ／Ｒで与えられる。ここでＬ、Ｒはそれぞれコイルのインダクタンスとレジスタンス、ｆは周波数である。Ｑの値が大きいコイルを使用するほど鋭い共振特性を得ることができる。
キャパシティブ共振スタイラスペンの設計において、Ｌは使用しようとする周波数に対して十分に大きい自己共振（ｓｅｌｆ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）周波数を有するべきであり、Ｑ値は使用しようとする周波数で最大値を有することが好ましい。これを満たすためにはフェライトコアの材質、コイルのワイヤーの種類、巻線方法（ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）を最適化しなければならない。また、薄いペンの直径を維持し、かつ高い出力信号を得ることができる方法が必要である。
以下の実施形態では多数のフェライトコアの材質、コイルのワイヤーの種類、巻線方法（ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）のうち最も最適化されたキャパシティブ共振スタイラスペンの設計方案について説明する。
（１）フェライトコアの材質
本実施形態で使用したフェライトコアの材質としてはマンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）を使用した。
（２）ワイヤーの種類
本実施形態で使用したコイルのワイヤーの種類としてはエナメル線とリッツ線を使用した。
図５に示すように、エナメル線１００は銅線１０１の表面に絶縁性エナメル１０２を被覆して高温で加熱して作った電線として、電気機器、通信機器および電気計器などの巻線、配線に使われる。本実施形態では全体の厚さＴが０．２ｍｍ、電線直径（Φ）が０．１８ｍｍ、被覆厚さｔが０．０１ｍｍのエナメル線を使用した。
図６に示すように、リッツ線（ＬＩＴＺ）線２００は直径が０．１ｍｍ程度の細い絶縁電線（１００，例えば、エナメル線）を複数本より合わせて一つの線にし、その上にナイロンなどで絶縁被覆２０１をした特殊な絶縁電線である。リッツ線２００は表面積を大きくすることによって表皮効果を低減させることができ、高周波回路のコイルなどに使用する。
本実施形態では全体の厚さＴが０．２ｍｍ、電線直径Φが０．０６ｍｍ、被覆厚さｔが０．００７ｍｍのリッツ線を使用した。
（３）巻線方式
本発明の実施形態ではスタイラスペンという限定された空間で十分なインダクタンス値（すなわち、十分な巻線数）を得るために、多層のワインディング構造を有する巻線方式を用いた。具体的には、図７の（Ａ）および（Ｂ）に示すように二つタイプの複数層の巻線方式を用いた。
図７の（Ａ）の巻線方式は最も簡単な巻線方式として下層の巻線が終わるとすぐ上の層を巻線する、順次層巻線方式（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｌａｙｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）である。この時、図７の（Ａ）方式は、以前の層の巻線が終わる地点ですぐ上の層の巻線が始まる方式として、以下ではこれをＵタイプの巻線方式という。
図７の（Ｂ）の巻線方式は、隣接する巻線層が交互に巻線される方式（ａｌｔｅｒｎａｔｅ ｌａｙｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）であって、隣接する層の巻線がジグザグ形状に傾斜して巻かれる方式である。以下ではこれをジグザグタイプの巻線方式という。このようなジグザグタイプの巻線方式は隣接する層の巻線の間の電圧差を最小化することができ、巻線セルフキャパシタンス（ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｅｌｆ－ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を減らすことができる長所がある。この時、寄生キャパシタンスの一種である巻線セルフキャパシタンスは巻線内に貯蔵される電場エネルギ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｅｎｅｒｇｙ）を示すパラメータである。
比較実験１（材質別特性値の比較）
コイルのワイヤーの種類をエナメル線、Ｕタイプの巻線方式で巻線した状態で、フェライトコアの材質をマンガン、ニッケル、マグネシウムに変更してＱ値を測定した。
測定結果、各コアの材質別Ｑ値の特性差は殆どなく、測定されたＱ値も製品に実現するには非常に不足した水準であった。
比較実験２（巻線種類別特性値の比較）
フェライトコアの材質をマンガン（Ｍｎ）、Ｕタイプの巻線方式で巻線した状態で、コイルのワイヤーの種類をそれぞれエナメル線とリッツ線にして製作したインダクタ１とインダクタ２に対してＱ値を測定した。
図８はＫＥＹＳＩＧＨＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社のＥ４９８０Ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ ｍｅｔｅｒにより周波数を変更して測定したインダクタ１およびインダクタ２のＱ値を示す図である。
図８でａはインダクタ１（マンガンコア／エナメル線／Ｕタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形であり、ｂはインダクタ２（マンガンコア／リッツ線／Ｕタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形である。
リッツ線で製作したインダクタ２では４００ｋＨｚ付近の周波数（周波数ｆ１）でＱ値がほぼ最大値を示し、エナメル線で製作したインダクタ１では１５０ｋＨｚ付近の周波数（周波数ｆ２）でＱ値がほぼ最大値を示す。
図８のａとｂを比較した結果、インダクタ２の最大Ｑ値がインダクタ１の最大Ｑ値よりほぼ１．５倍程度高いことがわかる。したがって、スタイラスペンの共振回路を形成するインダクタのコイルとしてはリッツ線がエナメル線より優れることがわかる。
しかし、比較実験２で測定されたインダクタ２の最大Ｑ値も商用化に必要な目標値（Ｑtarget）の１／２程度に過ぎない水準であった。
比較実験３（巻線方式別特性値の比較）
フェライトコアの材質をマンガン（Ｍｎ）にした状態で、ワイヤーの種類をエナメル線とリッツ線で巻線方式をＵタイプとジグザグタイプに変更して製作したインダクタ３～インダクタ５に対してＱ値を測定した。
図９はＫＥＹＳＩＧＨＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社のＥ４９８０Ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ ｍｅｔｅｒにより周波数を変更して測定したインダクタ３～インダクタ５のＱ値を示す図である。
図９でａはインダクタ３（マンガンコア／エナメル線／Ｕタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形であり、ｂはインダクタ４（マンガンコア／エナメル線／ジグザグタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形であり、ｃはインダクタ５（マンガンコア／リッツ線／ジグザグタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形である。
図９のｃ波形からわかるように、リッツ線／ジグザグ巻線方式で製作したインダクタ５では３００ｋＨｚ付近の周波数（周波数ｆ３）でＱ値がほぼ最大値を示す。エナメル線／ジグザグ巻線方式で製作したインダクタ４とエナメル線／Ｕタイプ巻線方式で製作したインダクタ３では１５０ｋＨｚ付近の周波数（周波数ｆ２）でＱ値がほぼ最大値を示す。
また、図９のａ、ｂ、ｃを比較した結果、インダクタ５の最大Ｑ値がインダクタ４の最大Ｑ値よりほぼ１．５倍程度高く、インダクタ３の最大Ｑ値より二倍以上高いことがわかる。したがって、スタイラスペンの共振回路を形成するインダクタの巻線方式はジグザグタイプの巻線方式がＵタイプの巻線方式より優れることがわかる。
しかし、比較実験２で測定されたインダクタ５（マンガンコア／リッツ線／ジグザグタイプの巻線方式）の商用化に必要な目標値（Ｑtarget）の３／４程度に過ぎない水準であった。
比較実験４（コア材質別特性値の比較）
本実施形態ではフェライトコアの材質としてマンガンとニッケルを使用し、普通ニッケルの透磁率は２００－３００であり、マンガンの透磁率は３０００－５０００であると知られている。
本実施形態で使用したマンガンがニッケルより概ね１５倍程度透磁率が高いので、コイルの断面積および長さが同一であると仮定する場合、同じインダクタンス値を得るためにマンガンの巻線数がニッケルの巻線数より概ね４倍だけ減らせる長所がある。したがって、巻線数の観点のみから見れば、ニッケルよりはマンガンを使用することが効果的であることがわかる。
一方、インダクタ部１４ではコアに巻線されたコイルを含む複雑な構造を有するので、寄生キャパシタンスが追加的に形成される。このような寄生キャパシタンスによってＱ値が減少するので、共振信号の振幅を減少させる問題がある。
インダクタ部１４で形成された寄生キャパシタンスは巻線されたコイルの間と、コアとコイルの間で発生し得るが、前述したようにジグザグタイプの巻線方式を採択することによって巻線されたコイルの間の寄生キャパシタンスを減らすことができる。
一方、本実施形態ではコアとコイルの間の寄生キャパシタンスを減らすために、マンガンより低い誘電率を有するコア材質をテストし、テストの結果、ニッケルコアがフェライトコアの材質としては最適であることを確認することができた。
フェライトコア素子として主に使用されるマンガンとニッケルで重要な物理的特性は透磁率（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）であり、これは数式１のように非常にインダクタンス値に重要な影響を及ぼす。しかし、フェライト素子としてのマンガンとニッケルにおいて、誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）はほとんど関心を有さない物理的特性であり、実際にニッケルの場合は製造会社が提供するデータシートにも関連情報がないほどである。
本実施形態ではマンガンとニッケルの誘電率を確認するために、ＫＥＹＳＩＧＨＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社のＥ４９８０Ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ ｍｅｔｅｒを用いて、マンガンとニッケルの誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）を測定し、その測定結果は次の表１のとおりである。
測定１と測定２は同じＫＥＹＳＩＧＨＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社のＥ４９８０Ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ ｍｅｔｅｒを用いて測定したものとして、測定１は測定ソフトウェアで自動的に計算された誘電率を示す。測定１によれば、マンガンの誘電率は２４００であるが、ニッケルの誘電率は測定されていないことがわかる。測定２はフェライトコアの間のキャパシタンス、面積、距離を測定して誘電率を計算した方式として、測定２によれば、マンガンの誘電率は８３００であり、ニッケルの誘電率は２であった。
測定１と測定２の間には誘電率の結果に大きい差があり、特に測定２の場合はキャパシタンス、面積、距離などによって相当な誤差があることが確認された。しかし、測定１および測定２の結果、マンガンに対してニッケルが少なくとも誘電率が１／１０００以上小さいことが分かる。
比較実験４ではフェライトコアの材質をニッケルにし、ワイヤーの種類をリッツ線にした状態で、巻線方式をＵタイプとジグザグタイプに変更して製作したインダクタ６およびインダクタ７に対してＱ値を測定した。
図１０はＫＥＹＳＩＧＨＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社のＥ４９８０Ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ ｍｅｔｅｒにより周波数を変更して測定したインダクタ６およびインダクタ７のＱ値を示す図である。
図１０におけるａはインダクタ６（ニッケルコア／リッツ線／Ｕタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形であり、ｂはインダクタ７（ニッケルコア／リッツ線／ジグザグタイプ巻線方式）の周波数に対するＱ値の変化を示す波形である。
図１０のｂ波形からわかるように、ニッケルコア／リッツ線／ジグザグ巻線方式で製作したインダクタ７では４００ｋＨｚ付近の周波数（周波数ｆ５）でＱ値がほぼ最大値を示す。ニッケルコア／リッツ線／Ｕタイプ巻線方式で製作したインダクタ６では２００ｋＨｚ付近の周波数（周波数ｆ６）でＱ値がほぼ最大値を示す。図１１のａとｂを比較した結果、インダクタ７の最大Ｑ値がインダクタ６の最大Ｑ値よりほぼ２倍程度高いことがわかる。
一方、比較実験４で測定されたインダクタ７（ニッケルコア／リッツ線／ジグザグタイプ巻線方式）の最大Ｑ値は商用化に必要な目標値（Ｑtarget）にほぼ到達したことが分かった。
以上で説明した比較実験１～４では、フェライトコアの材質、コイルのワイヤーの種類、巻線方法（ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）の組み合わせを変更してインダクタを製作してＱ値をテストし、テストの結果、ニッケルコア、リッツ線、ジグザグタイプの巻線方式でキャパシティブ共振スタイラスペンのインダクタ部を設計した場合、最も高いＱ値を得ることが分かった。そして、このような組み合わせによって製作したインダクタの最大Ｑ値は商用化のための目標値（Ｑtarget）に到達したことが分かった。
一方、本実施形態ではフェライトコアとしてニッケルコアを使用してコアのワイヤーの種類としてリッツ線を使用して実験を行ったが、ニッケルコア以外にフェライトコアとして誘電率が１０００以下である物質を使用し、リッツ線以外にも一つのコイルが二つ以上の絶縁電線（ｓｔｒａｎｄ）を囲む形態のワイヤーを使用する場合はこれと類似の結果が得られる。
本実施形態ではコアとコイルの間の寄生キャパシタンスをさらに減らすために、マンガンより低い誘電率を有するニッケルを使用すること以外に、以下で説明するように、コアとコイルの間にボビンを設けることによってコアとコイルの間の距離を増加する方式を用いることができる。
図１１を参照すると、インダクタ部１４はフェライトコア１５、フェライトコア１５の少なくとも一部を囲むボビン（ｂｏｂｂｉｎ，１４１）、ボビン１４１の少なくとも一部に巻かれたコイル１６を含む。ボビン１４１はコイル１６の巻線による力によってボビン１４１がフェライトコア１５に密着して固定される。このようなボビン１４１はボディ部１９と同一または相違する材料を含み得、例えば、プラスチックまたは表面が絶縁処理された金属を含み得る。具体的には、ボビン１４１はポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、液晶ポリエステル（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびフェノール樹脂などを使用することができる。
このように、ボビン１４１がフェライトコア１５を囲み、ボビン１４１をコイル１６で巻線する場合、フェライトコア１５とコイル１６の間の距離が増加することによって、図１１での寄生キャパシタンスＣｐ２の値を図３での寄生キャパシタンスＣｐ１の値よりさらに小さく設定することができる。
図１２を参照すると、インダクタ部１４がフェライトコア１５と、コイル１６のみを含む場合、共振信号の最大振幅は約２Ｖ（＋１Ｖ～－１Ｖ）であると測定された。図１３を参照すると、インダクタ部１４がフェライトコア１５、ボビン１４１、およびコイル１６を含む場合、共振信号の最大振幅は約４Ｖ（＋２Ｖ～－２Ｖ）であると測定された。すなわち、フェライトコア１５の少なくとも一部をボビン１４１で囲み、ボビン１４１の上にコイル１６を巻線すると、共振信号の振幅がより大きいことを確認することができる。
一方、本実施形態により最適なインダクタ部を設計するために、フェライトコアとしてニッケルを使用する場合には、前述したように、ニッケルがマンガンより１／１５倍程度に透磁率が低いので、同じインダクタンス値を得るためにニッケルの巻線数がマンガンの巻線数より概ね４倍だけ増えなければならない。そのため、同じインダクタンスを得るためにはマンガンより直径が大きくならなければならない短所がある。
本実施形態ではスタイラスペンの直径を薄くしながらも高い出力信号を得るようにするために、複数のインダクタを使用する方法を提案する。
図１４は薄い直径の２個のインダクタを直列に連結し、二つのインダクタの両端の間にキャパシタを並列に連結する方式の等価回路を示す。以下ではこのような方式の共振回路を「ＬＬＣ共振回路」と称する。図１４では２個のインダクタを直列に連結したことを図示すが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、３個以上のインダクタを直列に連結することができる。ＬＬＣ共振回路によれば、一つのインダクタとキャパシタを有する共振回路（以下、「ＬＣ共振回路」という）に比べて、インダクタンスＬが２倍に大きくなるのでキャパシタンスを１／２に減らして設計しなければならない。すなわち、ＬＬＣ共振回路はＬＣ共振回路に比べて直径を薄くすることはできるがキャパシタンスに対する影響により敏感である短所がある。
一方、図１５は２個のＬＣ共振回路を直列に連結した方式（以下では「ＬＣＬＣ共振回路」という）として、２個の共振信号を合わせて出力する方式の等価回路を示す図である。図１５では２個のＬＣ共振回路を直列に連結したことを図示するが、本実施形態はこれに限定されるものではなく３個以上のＬＣ共振回路を直列に連結することができる。
ＬＣＬＣ共振回路によれば、２個の共振回路の共振周波数が同一でなければならないので、製造工程上でそれぞれの共振回路の共振周波数が同一であるようにチューニングしなければならない短所がある。
以上で説明したように、フェライトコアとしてニッケルを使用することにより発生する巻線数の増加にもかかわらず、図１４および図１５のように二つ以上のインダクタを使用すると、インダクタ部の直径の増加を抑制して薄い直径のスタイラスペンを製作することができる。
一方、図１４のように、ＬＬＣ方式の共振回路を使用する場合、１／２に減ったキャパシタンスに対する影響を最小化するために次に説明する構造のスタイラスペンを採択することができる。
図２で、スタイラスペン１０はユーザの指などによって把持され、この際、指とスタイラスペン１０の内部導電体（コイルまたはキャパシタ）によって寄生キャパシタンスＣｆが形成される。
図１６はユーザの手による寄生キャパシタンスＣｆの影響を示す等価回路である。図１６を参照すると、寄生キャパシタンス（Ｃｆ，４０）により、スタイラスペン１０の共振周波数が変わる。すると、駆動信号３０の周波数とスタイラスペン１０の共振周波数が一致しなくなり、スタイラスペン１０から出力される信号の大きさが減少する問題がある。この時、寄生キャパシタンス（Ｃｆ，４０）の影響はＬＣ共振回路やＬＣＬＣ共振回路に比べて、図１４に示すＬＬＣ回路がさらに大きい。これは同じ共振周波数に設計する場合、ＬＬＣ共振回路キャパシタンスがＬＣ共振回路やＬＣＬＣ共振回路のキャパシタンスより１／２だけ小さいからである。
以下ではユーザの把持による共振周波数の変化を防止するスタイラスペンについて図１７を参照して説明する。
図１７はＬＬＣ構造のスタイラスペンを示す概念図である。
図１７に示すように、スタイラスペン１０は伝導性チップ１１、キャパシタ部１３、二つのインダクタ部１４，１４’、遮断部材１７、接地部１８、およびボディ部１９を含む。
インダクタ部１４，１４’はそれぞれ二つのフェライトコア１５，１５’と、フェライトコア１５，１５’に巻かれたコイル１６，１６’を含む。この時、二つのインダクタ部１４，１４’は直列に連結される。
遮断部材１７はキャパシタ部１３とインダクタ部１４，１４’を囲む伝導性部材として、ユーザの手による寄生キャパシタンスの形成を防止することができる。
この時、遮断部材１７はスタイラスペンで発生する渦電流（ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ）の影響を最小化するために、遮断部材１７の両端は渦電流の方向ＥＤに沿って離隔するように設計することができる。
これと関連して図１８の（ａ）～（ｄ）を参照して遮断部材１７を詳細に説明する。
図１７に示すように、伝導性チップ１１から伝達された駆動信号によって、時計まわりの電流がコイル１６，１６’に流れ、コイル１６，１６’に流れる電流によって磁場が形成される。この時、コイルの電流によって生成された磁場の変化によってコイルの電流方向と逆方向である反時計回りに渦電流が形成され、遮断部材１７には反時計回りの渦電流が流れる。
図１８の（ａ）を参照すると、遮断部材１７は渦電流の発生を遮断する一つのスリットＧＰを含む。スリットＧＰは渦電流（図１８での反時計回り）に垂直である方向ＰＤに沿って延びている。遮断部材１７の両端１７ａ，１７ｂは一つのスリットＧＰにより離隔している。実施形態で、スリットＧＰは渦電流の方向ＥＤに沿って０．０３ｍｍ以上の幅を有することができる。
スリットＧＰが渦電流に垂直である方向ＰＤに沿って延びていることで説明したが、スリットＧＰは方向ＰＤに所定角度（０度超過９０度未満）に傾いた方向に沿って延びていてもよい。遮断部材１７の両端１７ａ，１７ｂは渦電流の方向ＥＤに沿って離隔している。したがって、遮断部材１７に沿って渦電流が流れることができなくなるので、渦電流の発生が遮断される。
図１８の（ｂ）を参照すると、遮断部材１７は複数の第１遮断部１７１を含む。複数の第１遮断部１７１は渦電流に垂直である方向ＰＤに沿って延びており、渦電流の方向ＥＤに沿って互いに離隔している。同様に、遮断部材１７が、渦電流の方向ＥＤに沿って互いに離隔した複数の第１遮断部１７１を含むので、遮断部材１７に沿って渦電流が流れることができなくなり、渦電流の発生が遮断される。複数の第１遮断部１７１が渦電流に垂直である方向ＰＤに沿って延びていることで説明したが、複数の第１遮断部１７１は方向ＰＤに所定角度（０度超過９０度未満）に傾いた方向に沿って延びていてもよい。
図１８の（ｃ）を参照すると、遮断部材１７は複数の第２遮断部１７２を含む。複数の第２遮断部１７２は渦電流に垂直である方向ＰＤに沿って離隔しており、複数の第２遮断部１７２それぞれの両端は渦電流の方向ＥＤに沿って互いに離隔している。同様に、遮断部材１７に含まれた複数の第２遮断部１７２それぞれの両端が、渦電流の方向ＥＤに沿って離隔しているので、遮断部材１７に沿って渦電流が流れることができなくなり、渦電流の発生が遮断される。
図１８の（ｄ）を参照すると、遮断部材１７は複数の第３遮断部１７３を含む。複数の第３遮断部１７３は渦電流に垂直である方向ＰＤおよび渦電流の方向ＥＤに沿って互いに離隔している。同様に、遮断部材１７に含まれた複数の第３遮断部１７３が渦電流の方向ＥＤに沿って互いに離隔しているので、遮断部材１７に沿って渦電流が流れることができなくなり、渦電流の発生が遮断される。
以上、本実施形態について説明したが、前記詳細な説明はすべての面で制限的に解釈されるべきではなく例示的であることを考慮しなければならない。本発明の範囲は添付する請求項の合理的な解釈によって決定されるべきであり、本発明の等価的範囲内でのすべての変更は本発明の範囲に含まれる。
１０ スタイラスペン
１１ 伝導性チップ
１２ 共振回路部
１３ キャパシタ部
１４ インダクタ部
１５ フェライトコア
１６ コイル
１７ 遮断部材
１８ 接地部
１９ ボディ部
２０ タッチセンサ
３０ 駆動信号
４０ 寄生キャパシタンス
１００ エナメル線
１０１ 銅線
１０２ エナメル
１４１ ボビン
２００ リッツ線
２０１ 絶縁被覆
１１ 伝導性チップ
１２ 共振回路部
１３ キャパシタ部
１４ インダクタ部
１５ フェライトコア
１６ コイル
１７ 遮断部材
１８ 接地部
１９ ボディ部
２０ タッチセンサ
３０ 駆動信号
４０ 寄生キャパシタンス
１００ エナメル線
１０１ 銅線
１０２ エナメル
１４１ ボビン
２００ リッツ線
２０１ 絶縁被覆
Claims (17)
- ボディ部、
前記ボディ部内で外部に露出している伝導性チップ、
前記ボディ部内に位置するフェライトコアおよび前記伝導性チップに連結されており、前記フェライトコアの少なくとも一部上に多層に巻線されているコイルを含むインダクタ部、そして
前記ボディ部内に位置し、前記インダクタ部に電気的に接続されて共振回路を形成するキャパシタ部を含み、
前記フェライトコアの誘電率が１０００以下であり、
前記コイルは、隣接する巻線層が交互に位置するように巻線されており、
前記コイルは二つ以上の絶縁電線を囲むワイヤーである、スタイラスペン。 - ユーザと電気的な接続が可能な接地部をさらに含む、請求項１に記載のスタイラスペン。
- 前記コイルは、前記隣接する巻線層がジグザグに位置するように傾斜して巻線されている、請求項１に記載のスタイラスペン。
- 前記フェライトコアはニッケルを含む、請求項１に記載のスタイラスペン。
- 前記コイルはリッツ線である、請求項１に記載のスタイラスペン。
- 前記フェライトコアの少なくとも一部を囲むボビンをさらに含み、
前記コイルは前記ボビンの少なくとも一部上に巻線されている、請求項１に記載のスタイラスペン。 - 前記インダクタ部は二つ以上のインダクタ部が直列に連結されている、請求項１に記載のスタイラスペン。
- 前記インダクタ部の少なくとも一部上に位置する伝導性の遮断部材をさらに含む、請求項７に記載のスタイラスペン。
- 前記遮断部材は渦電流の発生を遮断する一つのスリットを含み、
前記一つのスリットによって前記遮断部材の両端が第１方向に沿って離隔しており、
前記第１方向は渦電流が形成される方向である、請求項８に記載のスタイラスペン。 - ボディ部、
前記ボディ部内で外部に露出している伝導性チップ、
前記ボディ部内に位置し、前記伝導性チップに連結されており、前記伝導性チップから伝達される電気信号を共振させる共振回路部；そして
ユーザと電気的な接続が可能な接地部を含み、
前記共振回路部は、
前記ボディ部内に位置するフェライトコアおよび前記伝導性チップに電気的に接続されており、前記フェライトコアの少なくとも一部上に多層に巻線されているコイルを含むインダクタ部、そして
前記ボディ部内に位置し、前記接地部と前記伝導性チップに電気的に接続されるキャパシタ部を含み、
前記フェライトコアの誘電率が１０００以下であり、
前記コイルは隣接する巻線層がジグザグに位置するように傾斜して巻線され、
前記コイルは二つ以上の絶縁電線を囲むワイヤーである、スタイラスペン。 - 前記フェライトコアはニッケルを含む、請求項１０に記載のスタイラスペン。
- 前記コイルはリッツ線（ｌｉｔｚ ｗｉｒｅ）である、請求項１０に記載のスタイラスペン。
- 前記フェライトコアの少なくとも一部を囲むボビンをさらに含み、
前記コイルは前記ボビンの少なくとも一部上に巻線されている、請求項１０に記載のスタイラスペン。 - 前記共振回路部は直列に連結される二つ以上のインダクタ部と一つのキャパシタ部を含む、請求項１０に記載のスタイラスペン。
- 前記共振回路部は二つ以上のＬＣ共振回路が直列に連結されている、請求項１０に記載のスタイラスペン。
- 前記共振回路部の少なくとも一部を囲む、伝導性の遮断部材をさらに含む、請求項１４に記載のスタイラスペン。
- 前記遮断部材は渦電流の発生を遮断する一つのスリットを含み、
前記一つのスリットによって前記遮断部材の両端が第１方向に沿って離隔しており、
前記第１方向は渦電流が形成される方向である、請求項１６に記載のスタイラスペン。
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