JP5270482B2 - 位置検出装置及びセンサユニット - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置及びセンサユニットに適用して好適な技術に関する。
より詳細には、電磁誘導式デジタイザの、位置検出性能を向上させる技術に関する。

コンピュータに位置情報を与える入力装置には、様々なものがある。その中で、デジタイザと呼ばれる、位置検出装置がある。
位置検出装置は、二次元位置情報を検出する検出平面上に、ペンの形の位置指示器を、あたかもペンで描画するように操作する入力装置である。位置検出装置は、描画を迅速且つ正確に行う必要のあるアプリケーションプログラムを使用するユーザに適した入力装置として、設計、芸術等の様々な分野で広く普及している。この位置検出装置は、位置を指示するためのペン形状の位置指示器と、この位置指示器により指示された位置を検出して、コンピュータが扱える二次元位置情報に変換して出力するセンス部とから構成される。

このセンス部は、位置指示器の位置を検出する位置検出平面を備える。位置検出平面には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各々に細長いループコイルがＸ軸方向及びＹ軸方向に並べられたプリント基板が埋め込まれている。
各々のループコイルに、一本ずつ特定の周波数の電流を流し、ループコイルから磁界を発生させる。すると、位置指示器が磁界を発生しているループコイルに近接している時に、位置指示器に含まれている共振回路が共振する。次に、位置指示器の共振回路から発される誘導磁界をループコイルで受信する。この動作をループコイルの一本一本ごとに行うことにより、位置指示器の位置を検出する。

なお、本出願人の発明に係る従来技術を、特許文献１に示す。

特開２００７−１６６１４７号公報

位置検出装置は、位置検出平面の直下に前述のループコイルが形成されたプリント基板（センサ基板）を内蔵する。このセンサ基板の磁気特性を安定させるために、珪素鋼板などの強磁性体の金属板を、センサ基板の直下に敷いている。しかし、珪素鋼板は重いので、近年利用され始めた携帯型ＰＣや携帯電話などに用いるには好ましくない。このため、珪素鋼板に比べると重量が軽く、磁気特性が良好な、アモルファス磁性金属の薄膜で形成された磁路シートというものが用いられるようになってきている。
しかし、アモルファス磁性金属の薄膜は、位置検出装置の広い位置検出平面を覆うほど広いものが入手し難く、均一な品質を得ることが難しい。そこで、短冊状に切ったアモルファス磁性金属のリボンを多数貼り合せて、位置検出平面を覆うように一枚のシートに形成する場合がある。
ところが、このように磁路シートを形成すると、特に磁性金属のリボンのつなぎ合わせの部分で、磁路シートの中を通る磁力線の分布が不均一になってしまう。このため、磁性金属のリボンのつなぎ合わせの部分では、位置検出装置の位置検出精度が落ち、本来あるべき位置とは異なる位置に位置指示器があるかのような位置検出データを出力してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、安価に構成できると共に位置検出精度を向上した位置検出装置及び、これに使用するセンサユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の位置検出装置は、少なくとも１つのコイルを有する位置指示器と、複数のループコイルを有するセンサを含み、位置指示器のコイルとループコイルとの間で電磁誘導によりループコイルに生じた信号を検出することで位置指示器の位置を求める位置検出装置において、センサには、ループコイルが、所定方向に並設されており、センサに対し、位置指示器と反対の側にノイズを低減させるためのシールド材が配設され、センサとシールド材の間に、シールド材より透磁率の高い磁路用素材からなる磁路シートが配設され、磁路シートは、略矩形からなる複数の磁路用素材が互いに接触部を備えた構成を有し、接触部は、センサの所定方向に対し所定の角度、傾斜して配設されたことを特徴とする。

電磁誘導型位置検出装置の、センサ基板の直下に配される磁路シートを、磁性リボンを斜めに重ね合わせて構成した。このように磁路シートを構成することにより、磁性リボンの繋ぎ目近傍における、ループコイルの感度の変動を抑制することができる。したがって、位置指示器検出感度が高く、位置検出精度が高く、且つノイズに強い、高性能な位置検出装置を実現できる。

本発明により、安価に構成できると共に位置検出精度を向上した位置検出装置を提供できる。

本発明の実施形態の例である、位置検出装置の外観斜視図である。 センス部の内部構成を概略的に示す分解斜視図である。 位置指示器の回路図である。 センス部のブロック図である。 センサ基板を示す概略図である。 センサ基板の配線の形状を説明する概略図である。 磁路シートの構造を示す概略図である。 センサと磁路シートの関係を示す概略図である。 位置指示器とループコイル巻線の関係と、位置指示器の位置を検出する原理を説明する図である。 金属リボンの磁気特性を示す概略図である。 二枚の金属リボンを突き合わせた状態と、重ね合わせた状態における、それぞれの磁気特性を示す概略図である。 位置指示器の磁束密度を示すグラフと、位置指示器とループコイル巻線の中心線と金属リボンの配置関係を示す概略図である。 位置指示器より送られる信号をループコイルで検出した時の信号レベルを示すグラフである。 位置指示器より送られる信号をループコイルで検出した時の信号レベルを示すグラフである。 位置指示器より送られる信号をループコイルで検出した時の信号レベルを示すグラフである。 ノート型パソコンの概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、図１〜図１５を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態の例である、位置検出装置の外観斜視図である。
デジタイザとも呼ばれる位置検出装置１０１は、位置指示器１０２と、位置指示器１０２の位置を検出するセンス部１０３よりなる。センス部１０３は、位置検出平面１０４上の位置指示器１０２の存在と、その位置の情報を外部の機器に出力する。

図２はセンス部１０３の内部構成を概略的に示す分解斜視図である。
上ケース２０２は、位置検出装置１０１の筐体の上面部分を構成する。この上ケース２０２は、プラスチック或はガラス等の絶縁体の板である位置検出平面１０４を含む。
上ケース２０２の位置検出平面１０４の直下には、センサ２０３が配置される。
センサ２０３の直下には、アモルファス磁性金属リボンで形成された磁路シート２０４が配置される。
磁路シート２０４の直下には、アルミ箔で形成されたシールドシート２０５が配置される。
センサ２０３、磁路シート２０４、シールドシート２０５、そして信号処理部２０６は、上ケース２０２と下ケース２０７によって構成される筐体に収納される。これらは絶縁体である上ケース２０２を除いて全て接地される。
信号処理部２０６は、ＵＳＢインターフェースケーブル２０８を通じて、パソコン等の外部に接続される機器に、位置指示器１０２の存在と、その位置の情報を出力する。

センサ２０３は、両面のプリント基板であり、縦方向と横方向に四角形状のコイルの配線パターンが設けられている。センサ２０３に配線されるコイルの形状の詳細については、図４以降で後述する。

図３は、位置指示器１０２の回路図である。なお、電源等の記載は省略している。
コイルＬ３０２、コンデンサＣ３０３及び半固定コンデンサＣ３０４はそれぞれ並列接続されており、周知の共振回路を構成する。コイルＬ３０２は後述するセンス部１０３のセンサ２０３に設けられているループコイルから電磁波を受信する。コイルＬ３０２は電磁波を受信すると誘導起電力を発生する。誘導起電力はコイルＬ３０２とコンデンサＣ３０３によって蓄積される。この誘導起電力は共振回路の共振周波数の交流磁界を発生し、センス部１０３のセンサ２０３に設けられているループコイルに電磁波を与える。

コンデンサＣ３０５と押しボタンスイッチ３０６は直列接続され、切替スイッチ３０７を介してコンデンサＣ３０３及び半固定コンデンサＣ３０４に並列接続される。切替スイッチ３０７のもう一方の端子には可変コンデンサＣ３０８が接続されており、この可変コンデンサＣ３０８も切替スイッチ３０７を介してコンデンサＣ３０３及び半固定コンデンサＣ３０４に並列接続される。

切替スイッチ３０７がコンデンサＣ３０５を選択して接続している状態で、押しボタンスイッチ３０６をオン・オフ制御すると、共振回路を構成するコンデンサの合成容量が変化する。したがって、押しボタンスイッチ３０６の状態に応じて、共振回路の共振周波数が変化する。
同様に、切替スイッチ３０７が可変コンデンサＣ３０８を選択して接続している状態では、可変コンデンサＣ３０８の静電容量の変化に応じて、共振回路を構成するコンデンサの合成容量が変化する。したがって、可変コンデンサＣ３０８の静電容量の変化に応じて、共振回路の共振周波数が変化する。

図４は、センス部１０３のブロック図である。
発振器４０２は前述の位置指示器１０２の共振回路の共振周波数にほぼ等しい周波数の正弦波交流信号を発生し、発生した正弦波交流信号を電流ドライバ４０３及び同期検波器４０４に供給する。
電流ドライバ４０３は、発振器４０２から入力される正弦波交流信号を電流増幅して、送受信切替スイッチ４０５へ送出する。

送受信切替スイッチ４０５は、電流ドライバ４０３の出力端子と、受信アンプ４０６の入力端子のいずれかを、選択スイッチ４０７に排他的に接続する。
選択スイッチ４０７は、複数のループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄの内の一つを選択して送受信切替スイッチ４０５に接続する。
送受信切替スイッチ４０５が選択スイッチ４０７と電流ドライバ４０３を接続している時は、電流ドライバ４０３から供給される正弦波交流電流が、ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄのうち選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルに供給される。
送受信切替スイッチ４０５が選択スイッチ４０７と受信アンプ４０６を接続している時は、ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄのうち選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルから出力される信号が、受信アンプ４０６に入力される。
なお、送受信切替スイッチ４０５及び選択スイッチ４０７は、後述する制御部４０９から与えられる制御信号によって制御される。

略長方形状のループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄは、センス部１０３の位置検出平面１０４の直下に配されるセンサ２０３上に、それぞれほぼ平行に並べられている。このループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄの一方の端子は選択スイッチ４０７に接続され、もう一方の端子は接地されている。
選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルが送受信切替スイッチ４０５を通じて電流ドライバ４０３の出力端子に接続されている時は、電流ドライバ４０３から供給される正弦波交流電流によって、選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルから交流磁界が発生する。
位置指示器１０２が交流磁界を発しているループコイルの近くにあるときは、位置指示器１０２内部のコイルＬ３０２に誘導起電力が発生し、共振回路には誘導起電力が蓄積される。

次に、送受信切替スイッチ４０５が制御信号によって制御されると、選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルは電流ドライバ４０３の出力端子に接続される。すると、電流ドライバ４０３から選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルに対する正弦波交流電流の供給が止まるので、ループコイルから発生していた交流磁界はなくなる。一方、位置指示器１０２内の共振回路には誘導起電力が蓄積されているので、コイルＬ３０２から共振回路の共振周波数の交流誘導磁界が発生する。ループコイルは、この誘導磁界を受信すると、ループコイルから微弱な交流電流が発生する。受信アンプ４０６は、この電流を電圧増幅して、検波回路４１０及び同期検波器４０４の入力端子に供給する。

なお、これより説明の便宜上、送受信切替スイッチ４０５が選択スイッチ４０７と電流ドライバ４０３を接続している時を送信状態と定義し、送受信切替スイッチ４０５が選択スイッチ４０７と受信アンプ４０６を接続している時を受信状態と定義する。そして、送信状態のセンス部１０３の動作を送信動作、受信状態のセンス部１０３の動作を受信動作と定義する。
送信動作とは、交流磁界をループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄから発して、ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄの近くにある位置指示器１０２に誘導起電力を発生させる動作である。
受信動作とは、位置指示器１０２から発生する交流誘導磁界を、位置指示器１０２の近くにあるループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄで受信する動作である。

位置指示器１０２が交流磁界を発しているループコイルの近くにないときは、位置指示器１０２内部のコイルＬ３０２に誘導起電力は発生せず、共振回路に誘導起電力は蓄積されない。したがって、送受信切替スイッチ４０５が受信側、つまり受信アンプ４０６側に切り替わっても、選択スイッチ４０７によって選択された一のループコイルは位置指示器１０２から発生するであろう交流誘導磁界を受信できず、ループコイルから交流電流は発生しない。

ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄを位置検出平面１０４の縦方向と横方向に多数並列に並べて、選択スイッチ４０７で一つずつ切り替えて、前述した送信動作と受信動作を繰り返す。すると、位置指示器１０２の近くにあるループコイルから、信号を取り出すことができる。この、信号が得られたループコイルの位置と、信号レベルとを基に、位置検出平面１０４上の位置指示器１０２の位置を算出する。
ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄを選択スイッチ４０７で一つずつ切り替える制御動作と、送受信切替スイッチ４０５を切り替える制御動作と、受信した信号に基づいて位置指示器１０２の位置を算出する動作は、周知のマイコンよりなる制御部４０９が実行する。

受信アンプ４０６の出力端子から制御部４０９との間にある回路ブロックは、ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄから得られた受信信号を整えるために設けられている。
検波回路４１０は、交流である受信信号を全波整流する。
積分回路４１１は、全波整流された受信信号を積分する。積分回路４１１は、微弱な信号を時間軸上で積分することで、Ｓ／Ｎ比を維持しながら高い信号レベルを得るために設けられている。
サンプルホールド回路４１２は、ある時点の積分回路４１１の出力電圧を保持する。
Ａ／Ｄ変換器４１３は、サンプルホールド回路４１２の出力電圧をデジタルデータに変換する。
以上の回路を経て、位置指示器１０２から発生した交流誘導磁界に基づく信号のレベルに相当するデータが得られる。

同期検波器４０４は周知のアナログ乗算器であり、発振器４０２の交流信号と受信信号とを乗算した信号を出力する。同期検波器４０４の後続の積分回路４１１、サンプルホールド回路４１２及びＡ／Ｄ変換器４１３は前述の検波器の後続に配されている回路ブロックと同じである。
同期検波器４０４は、交流信号と受信信号の位相が全く同じ場合は、全波整流回路と実質的に等しい動作となる。しかし、交流信号と受信信号の位相が異なると、その信号レベルが低下する。位相の変化は、位置指示器１０２の共振回路の共振周波数の変化によってもたらされる。つまり、筆圧による可変コンデンサＣ３０８の容量の変化や、押しボタンスイッチ３０６によってコンデンサＣ３０５が共振回路に組み込まれることによる、共振回路を構成するコンデンサの合成容量の変化に応じて、同期検波器４０４から得られる信号のレベルが変化する。
検波回路４１０から得られる信号のレベルと、同期検波器４０４から得られる信号のレベルに、所定の演算処理を施すことで、位置指示器１０２から発生した交流誘導磁界に基づく信号の、位相に相当するデータが得られる。そして、位相の変化から、ペン形状の位置指示器１０２の状態変化を知ることができる。

センス部１０３が、ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ及び４０８ｄの一を選択して受信状態にある時間の中で、位置指示器１０２のコンパレータ３１０から出力される制御信号が切り替わるように、積分回路４１１の抵抗Ｒ３１２及びコンデンサＣ３１３の値を調整すると、センス部１０３は、受信状態の時間内で、切替スイッチ３０７がコンデンサを選択しているときと、可変コンデンサＣ３０８を選択しているときとの、二つの状態を検出することができる。つまり、押しボタンスイッチ３０６が押されているか否かと、筆圧を検出することができる。

改めて、センス部１０３及び位置指示器１０２の動作の概略を説明する。
ループコイルが設けられているセンサ２０３の近傍、つまり位置検出平面１０４に、位置指示器１０２を近づける。位置指示器１０２には、コイルＬ３０２とコンデンサＣ３０３等が並列接続され、およそ５６２．５ｋＨｚ近傍で共振するように設計されている共振回路が内蔵されている。
ループコイルから発される交流磁界を共振回路が受信すると、共振回路には誘導起電力が発生する。その直後、送受信切替スイッチ４０５を切り替えて、ループコイルを後続のセンサ受信機能部分に接続して、共振回路に発生した誘導起電力を受信し、その信号レベルをデータに変換する。
Ｘ軸方向に並べたループコイルと、Ｙ軸方向に並べたループコイルとの夫々に、上記手順を繰り返す。すると、検出した誘導起電力の最大値を示すコイルが、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに判明する。こうして、センス部１０３は位置検出平面１０４上の位置指示器１０２の存在と位置を検出できる。

図３及び図４に記したセンス部１０３及び位置指示器１０２の内部機能とその動作は、従来技術そのものである。しかし、本実施形態で開示する発明の構成要素に密接に関わるものである。

［センサ２０３の構造］
以下、図５及び図６を参照して、センサ２０３の構造を説明する。
図５は、センサ２０３の一部を示す概略図である。
センサ２０３図５では、ループコイルの配線パターンを示すために、縦方向に大幅に切り詰めた図である。
センサ２０３は両面配線のプリント基板であり、縦配線５０２が表面に、横配線５０３が裏面に形成されている。
縦配線５０２の両端はスルーホール５０４で裏面の配線と接続されている。

図６は、センサ２０３の配線の形状を説明する概略図である。図５に示したループコイルを、より単調な形状にて描写したものである。
ループコイル６０２は、センサ２０３の表側に設けられているコイル巻線６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄ及び６０３ｅと、センサ２０３の裏側に設けられている巻線間リード線６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ及び６０４ｄとで構成される。
コイル巻線６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄ及び６０３ｅと、センサ２０３の裏側に設けられている巻線間リード線６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ及び６０４ｄとは、スルーホール６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、６０５ｅ、６０５ｆ、６０５ｇ及び６０５ｈで接続される。
位置指示器１０２が位置検出平面１０４内の有効位置検出領域６０６の範囲内に存在する時、ループコイル６０２は位置指示器１０２と共振現象を引き起こすことができる。

センサ２０３は、図６で示した構造のループコイル巻線が、二本ずつ互い違いになるように配線されている。隣接するコイル巻線のうち、同一の巻線方向のコイル巻線は、同一のループコイルに属する。簡単に言えば、センサ２０３には、二重巻きのループコイルが多数配線されている。

［磁路シート２０４］
図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、磁路シート２０４の構造を示す概略図である。
図７（ａ）は、磁路シート２０４を上面から見た図である。
磁路シート２０４は、図２で示したように、センサ２０３と同一の形状で形成されている。この磁路シート２０４は、短冊状に形成された金属リボン７０２が、所定の角度で傾けられて、多数重ね合わせられている。

金属リボン７０２は、例えば鉄−シリコン−ボロン合金等の合金で、且つアモルファス金属（非晶質金属）である。アモルファス磁性金属は、軽量で優れた軟磁性を示すことから、電源用トランス等のコイルの鉄心或はコアの代用、及び／又はヨークに用いられている。
磁路シート２０４は、上述の、アモルファス磁性金属の特性を利用して、センサ２０３が形成する磁気回路を補強するために用いられる。つまり、位置指示器１０２の共振回路から発される磁束を、効果的にループコイルに導くための、ヨーク（継鉄）の役割を担う。

図７（ｂ）は、磁路シート２０４を図７（ａ）のＡ−Ａ’線を基準に、横から見た断面図である。実際の磁路シート２０４を構成する金属リボン７０２は極めて薄く形成されているが、図７（ｂ）では説明のために金属リボン７０２を厚く描写している。
金属リボン７０２同士は、互いに一部が重なり合うように形成されている。つまり、金属リボン７０２同士は、磁路シート２０４を上面から見たときに、隙間が生じないように重ね合わされている。

図７（ａ）では、一例として金属リボン７０２が磁路シート２０４の長手方向から４５°傾斜した状態で配されている。この角度と、重ね合わせに関しては、理由がある。磁路シート２０４を形成する金属リボン７０２の角度と、幅と、重ね合わせの理由は、後述する。

図７（ｃ）は、磁路シート２０４の別の一例を示す図である。金属リボン７０２を構成するアモルファス磁性金属薄膜が、幅の広いシートとして入手できる場合は、図７（ｃ）に示すように、シートの幅を最大限有効に利用できるように、少ない枚数を貼り合せて構成することができる。詳細は後述するが、金属リボン７０２の貼り合せの箇所で磁気特性に乱れが生じるので、貼り合せる箇所は少ない方が望ましい。

図８は、センサ２０３と磁路シート２０４の関係を示す概略図である。センサ２０３のループコイル巻線８０２と、磁路シート２０４を重ねた状態を示す。
センサ２０３のループコイル巻線８０２の配線方向に対し、金属リボン７０２同士が張り合わされている境界線は傾斜している。

図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、位置指示器１０２とループコイル巻線８０２の関係と、位置指示器１０２の位置を検出する原理を説明する図である。
図９（ａ）は、ループコイル巻線８０２と位置指示器１０２の位置関係を模式的に示す図である。なお、図９（ａ）では、説明を簡単にするためにループコイル巻線８０２を一重巻線のコイルにしている。
位置指示器１０２は、ループコイル巻線８０２の中心線９０２上に位置しているときに、出力される電流が最大になる。つまり、ループコイル巻線８０２の感度は、中心線９０２が最大値を示す。

図９（ｂ）は、中心線９０２と位置指示器１０２の位置関係を模式的に示す図である。
今、図９（ｂ）の点Ｐに、位置指示器１０２が存在すると仮定する。
センス部１０３は、ループコイル群で検出した信号レベルの最も強いコイルの近傍に、位置指示器１０２があることが判る。しかし、センス部１０３の分解能等の関係で、センサ２０３に形成されているループコイル巻線８０２を、緻密に形成することは困難である。
そこで、図４の制御部４０９では、補間演算処理を行っている。

図９（ｃ）は、この補完演算処理の概要を示す図である。
位置指示器１０２から発される磁束密度は、その距離に対して概ねガウス曲線に従う分布を示す。そこで、制御部４０９は、最も信号強度が強かったループコイル巻線８０２を中心に、その両脇のループコイル巻線８０２の信号強度を参照する。そして、これをガウス曲線に当てはめて、真の位置指示器１０２の位置を算出する。つまり、各ループコイルの出力レベルをガウス曲線に当てはめて、ガウス曲線の頂点である点Ｐを算出するのである。

図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、各ループコイル巻線８０２から得られる信号強度が、均一な特性であることを前提として説明した。勿論、センス部１０３として、各ループコイル巻線８０２の感度が均一でなければならないことは、図９（ｃ）を見れば明らかである。
もし、特定のループコイル巻線８０２だけ感度が高かったり、或は低かったりすると、補完演算の際に、真の位置指示器１０２の位置が誤った位置を算出してしまうこととなる。

この、ループコイル巻線８０２の感度には、磁気回路の構成要素である磁路シート２０４の特性が大きく関与する。つまり、磁路シート２０４の磁気特性は、本来的には均一でなければならない。しかし、アモルファス磁性金属シートを広い面積で形成することは、不可能ではないものの、高価である。また、センス部１０３が大型化すると、単一のアモルファス磁性金属シートでは位置検出平面１０４を覆う大きさが確保できない可能性がある。
したがって、現実的な設計として、アモルファス磁性金属シートを短冊状に形成した金属リボン７０２を多数重ね合わせて、位置検出平面１０４を覆うに必要な面積を確保した磁路シート２０４を形成することとなる。

［重ね合わせの理由］
図１０（ａ）及び（ｂ）は、金属リボン７０２の磁気特性を示す概略図である。
図１０（ａ）に示すように、磁路シート２０４に用いる金属リボン７０２を、Ｂ−Ｂ’線で切断した状態で、横から磁気特性を見ると、図１０（ｂ）のようになる。注目すべき点は、金属リボン７０２の両端では、磁束が両端まで導かれることで、磁束の出口として集中するため、磁束密度が上昇することである。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、二枚の金属リボン７０２を突き合わせた状態と、重ね合わせた状態における、それぞれの磁気特性を示す概略図である。
図１１（ａ）は、二枚の金属リボン７０２を突き合わせた状態を示す金属リボン７０２の断面と、その磁気特性を示すグラフである。
図１０（ｂ）で示したように、金属リボン７０２の端部では磁束密度が上昇する。したがって、二枚の金属リボン７０２を突き合せると、その磁束密度が更に増加する。磁束密度の上昇は、磁気特性の不均一の要因である。つまり、金属リボン７０２を付き合わせると、付き合せた部分では磁束が多く漏れ出すので、磁路シート２０４として適切ではない。

図１１（ｂ）は、二枚の金属リボン７０２を重ね合わせた状態を示す金属リボン７０２の断面と、その磁気特性を示すグラフである。
二枚の金属リボン７０２を重ね合せると、端部の磁束密度の上昇を抑えることができる。これは、金属リボン７０２を突き合わせた際に生じる僅かな間隙から磁束が吹き出すが、重ね合わせの場合は吹き出し口が一点集中ではなく分散されるからと考えられる。つまり、金属リボン７０２を重ね合わせると、単一に形成された金属シートには及ばないものの、磁路シート２０４としての特性としてより良いことが判る。

［斜めの理由］
図１２（ａ）及び（ｂ）は、位置指示器１０２の入射磁束密度を示すグラフと、位置指示器１０２とループコイル巻線８０２の中心線９０２と金属リボン７０２の配置関係を示す概略図である。
図１２（ａ）は、位置検出平面１０４上に置かれた位置指示器１０２の入射磁束密度分布を示すグラフである。ガウス曲線に類似する。この、ガウス曲線で示される入射磁束密度分布の頂点の値の半分の値の範囲を、半値幅とする。この半値幅Ａ１２０２を、有効位置検出範囲と定義する。
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）で示した半値幅の円と、ループコイル巻線８０２、金属リボン７０２の重ね合わせの境界線との関係を示す図である。

金属リボン７０２のつなぎ目をループコイル巻線８０２に対して角度を持たせて斜めに配置することで、磁気特性の乱れを軽減する原理を説明する。なお、説明を簡略化するため、以下の説明では、ループコイル巻線８０２は、重なっていない状態を仮定し、位置指示器１０２からループコイル巻線８０２へ信号が送信される時、すなわちセンス部１０３が受信状態であると仮定する。

ある平面上の点から発生する電界や磁界の強度が、ガウス分布に従うことは周知である。ガウス分布の磁界を検出するに当たっては、周囲のノイズと区別できるだけの磁界の強度が求められる。電磁式の位置検出装置の場合、位置指示器から発される微弱な磁界を捉える際の指標として、概ね、磁界分布の半値幅の範囲で位置指示器を検出することが求められる。

位置指示器からの信号の到達範囲（影響の及ぶ範囲）を磁束密度分布の半値幅を直径とする円の範囲とし、その直径をφとする。ループコイル巻線８０２の幅をｄとすると、ループコイルが磁界を検出できる範囲は、隣り合うループコイル巻線８０２同士で囲まれた、幅ｄの領域Ａ１２０３と考えられる。この領域Ａ１２０３に磁束密度分布を乱すつなぎ目がどの位の長さで含まれるかによって、検出される信号への影響が変化すると考えられる。
すなわち、領域Ａ１２０３に含まれるつなぎ目の長さが長ければ長いほど、検出信号への影響が大きくなると考えられる。

逆に、つなぎ目が一本のループコイルの中心線と平行に近いと、当該ループコイルだけ感度が上がってしまう。そこで、金属リボン７０２の境界線が、位置指示器１０２の有効位置検出範囲である半値幅の円内で、隣り合う二本のループコイルの中心線に跨るように、傾けて配置する。すると、二本のループコイル巻線の感度の変化がそれぞれに影響することとなる。したがって、一本のループコイルにのみ感度の変化が生じるよりも、誤検出の可能性を減らすことができる。

以上の考察にしたがって、最低限傾けなければならない角度θを計算すると、金属リボン７０２に必要な傾斜角θは、以下の式で表すことができる。

θ＝ｓｉｎ^−１（ｄ／φ）

一例として、φが３０ｍｍ、ｄが６．４ｍｍである場合、θ≒１２．３２°となる。

逆に、金属リボン７０２の傾斜角θを定めると、領域Ａ１２０３を横断するつなぎ目の長さを求めることができる。つなぎ目の長さをφ’とすると、以下の式で表すことができる。

φ’＝ｄ／ｓｉｎθ

一例として、φが３０ｍｍ、ｄが６．４ｍｍである場合、傾斜角θが１５°の時のつなぎ目の長さφ’は２４．７２ｍｍ、傾斜角θが４５°の時のつなぎ目の長さφ’は９．０５ｍｍ、傾斜角θが９０°の時のつなぎ目の長さφ’は６．４ｍｍとなる。
しかしながら、４５°以上は別方向のセンサコイルへの影響が生じる。
以上のことから、４５°が影響を最も少なくする角度と考えられる。

上述の説明では、ループコイルが一重巻きの場合を想定して説明したが、図６及び図８で示した、ループコイルが二重巻きの場合や、更に巻線数が多い場合も、基本的な考え方は同じである。同一のループコイルに属する複数のループコイル巻線８０２のうち、巻線方向が等しいループコイル巻線８０２の中心線を、仮想的な一本のループコイル巻線として考慮して、上述と同様の計算を実行すればよい。

図１３は、位置指示器１０２より送られる信号をループコイルで検出した時の信号レベルを示すグラフである。金属リボン７０２同士を重ね合わせずに突き合せ、そのつなぎ目をループコイルの長手方向に対して、０°の場合、１５°の場合及び４５°の場合の信号レベルを示している。
０°のグラフの、中心にあるピークの箇所が、金属リボン７０２同士のつなぎ目に相当する。つなぎ目に生じる僅かな隙間から、磁束が吹き出して、隙間の両脇に磁束密度の低い箇所が現れていることが判る。
０°のグラフと、１５°のグラフ、また４５°のグラフとを比較すると、信号レベルのピークとボトムとの差が大幅に小さくなっていることが明確に観察できる。
この図から、金属リボン７０２同士のつなぎ目をループコイル巻線８０２に対して傾斜させることで、つなぎ目による信号検出時におけるループコイルへの影響を小さくすることができることが判る。

図１４は、位置指示器１０２より送られる信号をループコイルで検出した時の信号レベルを示すグラフである。金属リボン７０２同士を重ね合わせずに突き合せた場合と、金属リボン７０２同士を３ｍｍ重ね合わせた場合の信号レベルを示している。なお、いずれの場合もつなぎ目をループコイル巻線８０２に対して傾斜させていない。
突き合せのグラフと、重ね合わせのグラフとを比較すると、信号レベルのピークとボトムとの差が大幅に小さくなっていることが明確に判る。
この図から、金属リボン７０２同士を重ね合わせることで、金属リボン７０２同士のつなぎ目による信号検出時におけるループコイルへの影響を小さくすることができることが判る。

図１５は、位置指示器１０２より送られる信号をループコイルで検出した時の信号レベルを示すグラフである。金属リボン７０２同士を３ｍｍ重ね合わせた上で、更にそのつなぎ目をループコイルの長手方向に対して、０°の場合、１５°の場合及び４５°の場合の信号レベルを示している。
０°のグラフと、１５°のグラフ、また４５°のグラフとを比較すると、信号レベルのピークとボトムとの差が大幅に小さくなっていることが明確に判る。
この図から、金属リボン７０２同士を重ね合わせた上で、更にそのつなぎ目をループコイル巻線８０２に対して傾斜させることで、つなぎ目による信号検出時におけるループコイルへの影響を極限まで小さくすることができることが判る。

本実施形態は、以下の応用例が考えられる。
（１）センス部１０３の上ケース２０２は、表面に保護ガラスが付いた液晶パネルを、上ケース２０２の代わりに設けるか、又は上ケース２０２と一体形成された構成にしてもよい。

（２）本実施形態にて説明した位置検出装置は、電子計算機の一部として組み込むこともできる。
図１６は、ノート型パソコンの概略図である。
周知の電子計算機であるノート型パソコン１６０２には、ＬＣＤユニット１６０３の背面にセンサユニット１６０４が配置される。センサユニット１６０４は、図２で示したセンサ２０３、磁路シート２０４、シールドシート２０５が重なり合って構成される。
センサ２０３には図２及び図４の信号処理部２０６が接続され、信号処理部２０６はノート型パソコン１６０２の内部に組み込まれる。
なお、図４の信号処理部２０６のうち、制御部４０９はノート型パソコン１６０２の演算機能に代替することができる。つまり、Ａ／Ｄ変換器４１３ａ及び４１３ｂをノート型パソコン１６０２内部のバスに接続して、マイコンである制御部４０９を省略することができる。

本実施形態においては、位置検出装置を開示した。
電磁誘導型位置検出装置の、コイル基板の直下に配される磁路シートを、アモルファス磁性金属のリボンを斜めに重ね合わせて構成した。このように磁路シートを構成することにより、金属リボンの繋ぎ目近傍における、コイルの感度の変動を抑制することができる。したがって、位置指示器の検出感度が高く、位置検出精度が高く、且つノイズに強い、高性能な位置検出装置を実現できる。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…位置検出装置、１０２…位置指示器、１０３…センス部、１０４…位置検出平面、２０２…上ケース、２０３…センサ基板、２０４…磁路シート、２０５…シールドシート、２０６…信号処理部、２０７…下ケース、２０８…ＵＳＢインターフェースケーブル、３０６…押しボタンスイッチ、３０７…切替スイッチ、３０９…ペン先、３１０…コンパレータ、３１４…積分器、Ｃ３０３、Ｃ３０５、Ｃ３１３…コンデンサ、Ｃ３０４…半固定コンデンサ、Ｃ３０８…可変コンデンサ、Ｄ３１１…ダイオード、Ｌ３０２…コイル、Ｒ３１２、Ｒ３１５…抵抗、４０２…発振器、４０３…電流ドライバ、４０４…同期検波器、４０５…送受信切替スイッチ、４０６…受信アンプ、４０７…選択スイッチ、ループコイル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ、４０８ｄ、４０９…制御部、４１０…検波回路、４１１…積分回路、４１２…サンプルホールド回路、４１３…Ａ／Ｄ変換器、５０２…縦配線、５０３…横配線、５０４…スルーホール、６０２…ループコイル、６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄ、６０３ｅ…コイル巻線、６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ…巻線間リード線、６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、６０５ｅ、６０５ｆ、６０５ｇ、６０５ｈ…スルーホール、６０６…有効位置検出領域、７０２…金属リボン、８０２…ループコイル巻線、９０２…中心線、１６０２…ノート型パソコン、１６０３…ＬＣＤユニット、１６０４…センサユニット

Claims (9)

1. 少なくとも１つのコイルを有する位置指示器と、
   複数のループコイルを有するセンサを含み、
   前記位置指示器のコイルと前記ループコイルとの間で電磁誘導により前記ループコイルに生じた信号を検出することで前記位置指示器の位置を求める位置検出装置において、
   前記センサには、
   前記ループコイルが、所定方向に並設されており、
   前記センサに対し、位置指示器と反対の側にノイズを低減させるためのシールド材が配設され、前記センサと前記シールド材の間に、前記シールド材より透磁率の高い磁路用素材からなる磁路シートが配設され、
   前記磁路シートは、
   略矩形からなる複数の前記磁路用素材が互いに接触部を備えた構成を有し、
   前記接触部は、前記センサの所定方向に対し所定の角度、傾斜して配設されたこと
   を特徴とする位置検出装置。
2. 前記磁路シートは、前記磁路用素材が相互に重ね合わされてなること
   を特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記磁路用素材は、複数の磁性リボンからなること
   を特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
4. 前記磁性リボンは、アモルファス磁性金属からなること
   を特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
5. 前記シールド材は、アルミ薄膜シートであること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置検出装置。
6. 上ケースと下ケースによって筐体が構成され、表面に保護ガラスが付いた液晶パネルを前記上ケースと一体とする
   ことを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。
7. 前記ループコイルに対する前記磁性リボンの傾斜角θは、前記位置指示器が前記センサ上に形成する磁束密度分布の半値幅の円の直径φと、前記ループコイルの幅ｄに基づき、θ＝ｓｉｎ^−１（ｄ／φ）以上である、請求項３または４に記載の位置検出装置。
8. 前記傾斜角θは１２°以上である、請求項７に記載の位置検出装置。
9. 少なくとも１つのコイルを有する位置指示器と、
   複数のループコイルを有し、
   前記位置指示器のコイルと前記ループコイルとの間で電磁誘導により前記ループコイルに生じた信号を検出することで前記位置指示器の位置を求めるセンサを備えたセンサユニットにおいて、
   前記センサには、前記ループコイルが所定方向に並設され、
   前記センサに対し、位置指示器と反対の側にノイズを低減させるためのシールド材が配設され、
   前記センサと前記シールド材の間に、前記シールド材より透磁率の高い磁路用素材からなる磁路シートが配設され、
   前記磁路シートは、
   略矩形からなる複数の前記磁路用素材が互いに接触部を備えた構成を有し、前記接触部は、前記センサの所定方向に対し所定の角度、傾斜して配設されたこと
   を特徴とするセンサユニット。

Images