(57)【要約】【課題】小さなストロークで大きな容量変化が得られ、かつ横方向の軸ぶれの少ない可変容量素子を提供する。【解決手段】印加される荷重により静電容量が変化する可変容量素子であって、対向する２つの主面を有する誘電体層と、弾性変形可能な金属板からなり、前記誘電体の一方の主面に対向する第１面を有する第１電極と、前記誘電体層の他方の主面に対向して設けられた第２電極と、弾性体を有し、前記弾性体による弾性力から前記荷重を減じた押圧力で前記第１電極を押圧する押圧力可変部と、を備え、前記第１電極の第１面が、前記押圧力の変化に対応して凹面又は凸面から平坦面まで変形する。【選択図】図１
2016063082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される荷重により静電容量が変化する可変容量素子であって、
対向する２つの主面を有する誘電体層と、
弾性変形可能な金属板からなり、前記誘電体の一方の主面に対向する第１面を有する第１電極と、
前記誘電体層の他方の主面に対向して設けられた第２電極と、
弾性体を有し、前記弾性体による弾性力から前記荷重を減じた押圧力で前記第１電極を押圧する押圧力可変部と、
を備え、
前記第１電極の第１面が、前記押圧力の変化に対応して凹面又は凸面から平坦面まで変形する可変容量素子。
【請求項２】
前記第１面は凹形状である請求項１記載の可変容量素子。
【請求項３】
前記第１面は凸形状である請求項２記載の可変容量素子。
【請求項４】
前記第１面は、錐形状である請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項５】
前記第１電極は、切り欠き部を有する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項６】
前記第１電極は、交差する２つのスリットを含む開口部を有する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項７】
前記第１面に、前記金属板を構成する金属材料より柔らかい軟質金属からなる膜が形成されている１〜６のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項８】
前記第１電極の外周部の厚さを、前記第１電極の中央部より薄くした請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項９】
前記第１面が粗面である請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項１０】
前記誘電体層を含む誘電体を有し、前記第２電極が前記誘電体の内部に形成された請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項１１】
前記誘電体層の一方の主面と前記第１電極の第１面との間に液状誘電体を含む請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の可変容量素子を備えた圧力検知素子。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の可変容量素子を備えた筆圧センサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の筆圧センサを備えた位置指示器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変容量素子、圧力検知素子、筆圧センサ及び位置指示器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ等の入力デバイスとして、例えば、特許文献１に示されているように、文字及び図等の入力を行う入力装置が用いられるようになってきている。この特許文献１の入力装置は、図１４（ａ）に示すように、位置検出装置１０１と、この位置検出装置１０１に情報を入力する位置指示器１０２とから構成されている。この位置検出装置１０１は、ケーブル１０８を介してパーソナルコンピュータやＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の外部装置に接続される。位置検出装置１０１は、位置指示器１０２で示された位置を検出する検出部１０４と、筐体１０５とから構成されている。
【０００３】
また、位置指示器１０２は、電磁誘導方式により位置検出装置１０１によってその位置が検出されるものであり、位置検出装置１０１から送信される特定周波数の電磁波に対して共振する共振回路を有している。特許文献１の位置指示器１０２は、図１４（ｂ）に示すように、ペン形状のケース１１１の中に、芯体１１２と、位置指示コイル１１３と、可変容量コンデンサ１１５と、フェライトコア１１６と、プリント基板１１７とを備えている。
【０００４】
フェライトコア１１６は、例えば円筒形をなしており、その筒孔１１６ａに芯体１１２が挿通されている。そして、フェライトコア１１６の軸方向の一端側から芯体１１２の指示部１１２ａが突出し、フェライトコア１１６の外周には、共振回路を構成する位置指示コイル１１３が巻回して装着されている。位置指示コイル１１３の両端には、共振回路を構成する電子部品が接続されている。
【０００５】
また、軸部１１２ｂの指示部１１２ａとは反対側の他端には、筆圧検出部である可変容量コンデンサ１１５が取り付けられている。可変容量コンデンサ１１５は、加えられた圧力に対応して容量値を変化し、この容量値の変化に基づいて芯体１１２に加わる筆圧を検出する。特許文献１において、可変容量コンデンサ１１５は、図１４（ｃ）に示すように、ホルダ１２１と、誘電体１２２と、この誘電体１２２を付勢する端子部材１２３と、保持部材１２４と、導電部材１２６と、弾性部材１２７とを備える。特許文献１において、この導電部材１２６は、砲弾型形状を有し、導電性を有すると共に弾性変形可能な部材により構成されている。このような導電性を有し弾性変形可能な部材として、シリコン導電ゴムや加圧導電ゴムなどが例示されている。
【０００６】
以上のように構成された可変容量コンデンサ１１５において、芯体１１２の指示部１１２ａに圧力（筆圧）がかかると、芯体１１２により保持部材１２４が押圧される。これにより、導電部材１２６は、誘電体１２２に押圧されて変形（扁平化）する。その結果、導電部材１２６と誘電体１２２の接触面積が変化して、誘電体１２２の容量値が変化する。この容量値の変化は、端子部材１２３と弾性部材１２７とによって検出され、容量値の変化に基づいて指示部１１２ａにかかる圧力が検出される。
【０００７】
また、特許文献２には、砲弾型形状の導電部材に代えて、７５μｍのポリイミドフィルム上に１０００オングストロームの厚さにニクロム形成した円盤状の電極を用いて構成した可変容量コンデンサ及びこれを使用した位置指示器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１２９９２０号公報
【特許文献２】特開平０４−９６２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の位置指示器の圧力検知素子又は筆圧センサとして用いられている可変容量素子は、弾性率の大きい、導電ゴム又は樹脂をベースとした電極を用いて構成されていることから、必要な容量変化を得るために大きなストロークが必要になり、また、軸方向に直交する横方向の軸ぶれも大きいという問題があった。
その結果、従来の位置指示器は、例えば、筆圧に応じて線幅を変化させて描画するような繊細な描画を必要とする用途に用いるためには、ペン先のがたつきが大きかったり、筆圧に対する軸方向のストロークが大きすぎるという問題があり、繊細な描画ができないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、小さなストロークで大きな容量変化が得られ、かつ横方向の軸ぶれの少ない可変容量素子とそれを用いた圧力検知素子、筆圧センサを提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、繊細な描画が可能な位置指示器を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の目的を達成するために、本発明に係る可変容量素子は、印加される荷重により静電容量が変化する可変容量素子であって、対向する２つの主面を有する誘電体層と、弾性変形可能な金属板からなり、前記誘電体の一方の主面に対向する第１面を有する第１電極と、前記誘電体層の他方の主面に対向して設けられた第２電極と、弾性体を有し、前記弾性体による弾性力から前記荷重を減じた押圧力で前記第１電極を押圧する押圧力可変部と、を備え、前記第１電極の第１面が、前記押圧力の変化に対応して凹面又は凸面から平坦面まで変形する。
【００１２】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面は凹形状である。
【００１３】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面は凸形状である。
【００１４】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面は錐形状である。
【００１５】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１電極は、切り欠き部を有する。
【００１６】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１電極は、交差する２つのスリットを含む。
【００１７】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面に、前記金属板を構成する金属材料より柔らかい軟質金属からなる膜が形成されている。
【００１８】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１電極の外周部の厚さを、前記第１電極の中央部より薄くしている。
【００１９】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面が粗面である。
【００２０】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記誘電体層を含む誘電体を有し、前記第２電極が前記誘電体の内部に形成されている。
【００２１】
本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記誘電体層の一方の主面と前記第１電極の第１面との間に液状誘電体を含む。
【００２２】
本発明に係る圧力検知素子は、本発明に係る可変容量素子を備えている。
【００２３】
本発明に係る筆圧センサは、本発明に係る可変容量素子を備えている。
【００２４】
本発明に係る位置指示器は、本発明に係る筆圧センサを備えている。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように構成された本発明に係る可変容量素子、圧力検知素子及び筆圧センサによれば、小さなストロークで大きな容量変化が得られ、かつ横方向の軸ぶれの少ない可変容量素子とそれを用いた圧力検知素子、筆圧センサを提供することができる。
また、以上のように構成された本発明に係る位置指示器によれば、繊細な描画が可能な位置指示器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施形態１の可変容量素子を備えた筆圧センサの構成を示す断面図である。
【図２】図１の筆圧センサにおいて、可変容量素子の部分を拡大して示す断面図である。
【図３】（ａ）は、実施形態１の可変容量素子における素子部の平面図であり、（ｂ）は、素子部の構成要素を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明に係る実施形態２の可変容量素子における素子部を分解して示す断面図である。
【図４Ｂ】実施形態２の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が大きいときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図４Ｃ】実施形態２の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図４Ｄ】実施形態２の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力がさらに減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図４Ｅ】実施形態２の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力がほとんど無いときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図５Ａ】本発明に係る実施形態３の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が大きいときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】実施形態３の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】実施形態３の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力がさらに減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図６Ａ】実施形態３の変形例１に係る可変容量素子において、第１電極の第１表面が実質的に平坦になったときの状態を示す断面図である。
【図６Ｂ】実施形態３の変形例１に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図７Ａ】実施形態３の変形例２に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が大きいときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図７Ｂ】実施形態３の変形例２に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図７Ｃ】実施形態３の変形例２に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力がさらに減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図８Ａ】実施形態３の変形例３に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が大きいときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図８Ｂ】実施形態３の変形例３に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図９Ａ】（ａ）は、実施形態１の第１電極の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図９Ｂ】（ａ）は、第１変形例の第１電極の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図９Ｃ】（ａ）は、第２変形例の第１電極の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図９Ｄ】第３変形例の第１電極の平面図である。
【図９Ｅ】第４変形例の第１電極の平面図である。
【図９Ｆ】第５変形例の第１電極の平面図である。
【図１０Ａ】本発明に係る実施形態４の可変容量素子の第１電極の断面図である。
【図１０Ｂ】実施形態４の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が大きいときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図１０Ｃ】実施形態４の可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図１１Ａ】実施形態４の変形例に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が大きいときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図１１Ｂ】実施形態４の変形例に係る可変容量素子において、第１電極に対する押圧力が減少したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。
【図１２】実施形態１〜４における外部接続端子の異なる形態を示す断面図である。
【図１３】実施形態１〜４の可変容量素子における荷重に対する静電容量値を模式的に示すグラフである。
【図１４】（ａ）は、特許文献１に示された入力装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、その入力装置の位置指示器の断面図であり、（ｃ）は、その位置指示器において、筆圧センサとして使用された可変容量コンデンサの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の可変容量素子について説明する。
実施形態１．
図１は、実施形態１の可変容量素子を備えた筆圧センサの断面図である。また、図２は、図１の筆圧センサにおける可変容量素子を拡大して示している。
実施形態１の可変容量素子は、図１及び図２に示すように、
下側固定ブロック４１と、上側固定ブロック４３と、下側固定ブロック４１と上側固定ブロック４３の間に固定された容量可変部５０とを備える。
下側固定ブロック４１は、図２に示すように、第１凹部４１ｂと、それぞれ第１凹部４１ｂの周りの側壁４１ｓから上方に延びかつ先端部に内側に突出した係止爪４１ａ１を備えた複数のスナップイン爪４１ａを有する。
上側固定ブロック４３は、第１凹部４１ｂに対向する第２凹部４３ｂと第２凹部４３ｂの周りの側壁４３ｓとを有し、外周面にはスナップイン爪４１ａの係止爪４１ａ１とかみ合う係止面４３ｓ１が設けられている。
【００２８】
以上のように構成された上側固定ブロック４３は、第２凹部４３ｂが第１凹部４１ｂに対向するように配置され、下側固定ブロック４１の係止爪４１ａ１と上側固定ブロック４３の係止面４３ｓ１とがかみ合うことで下側固定ブロック４１と所定の位置関係を保った状態で保持される。
【００２９】
上側固定ブロック４３の側壁４３ｓの外周は、係止面４３ｓ１及び係止面４３ｓ１を形成するために設けられた突出部分を除いて、下側固定ブロック４１に形成された第１凹部４１ｂの内周より若干小さく形成されており、その側壁４３ｓの先端部分が第１凹部４１ｂ内に挿入される。
【００３０】
ここで、上側固定ブロック４３を下側固定ブロック４１に組み込んだとき、上側固定ブロック４３は、軸方向（上下方向）と直交する方向の移動は上側固定ブロック４３のスナップイン爪４１ａにより制限されるが、軸方向には所定の距離だけ移動できるように以下のように構成される。
まず、上側固定ブロック４３の側壁４３ｓの先端部分の外周を第１凹部４１ｂの内周面に密着しないようにして上側固定ブロック４３の軸方向の移動を可能にする。
さらに、
（ａ）スナップイン爪４１ａの係止爪４１ａ１と上側固定ブロック４３の係止面４３ｓ１とが接触しているときには、上側固定ブロック４３の側壁４３ｓの先端面４３ｓ２が下側固定ブロック４１の第１凹部４１ｂの底面から移動可能な距離ｄだけ離れるように、
（ｂ）上側固定ブロック４３の側壁４３ｓの先端面４３ｓ２が下側固定ブロック４１の第１凹部４１ｂの底面に接触している状態では、スナップイン爪４１ａの係止爪４１ａ１と上側固定ブロック４３の係止面４３ｓ１とが移動可能な距離ｄだけ離れるように、
上側固定ブロック４３における側壁４３ｓの先端面４３ｓ２と係止面４３ｓ１との距離、及び下側固定ブロック４１における第１凹部４１ｂとスナップイン爪４１ａの係止爪４１ａ１との位置関係を設定している。
【００３１】
以上のようにして、下側固定ブロック４１に形成された第１凹部４１ｂと、該第１凹部４１ｂに対向する上側固定ブロック４３の第２凹部４３ｂとにより、容量可変部５０を収納するための空間が構成される。容量可変部５０は、以下詳述するようにそれぞれ構成された、押圧力可変部４５と素子部１０とを有する。
【００３２】
押圧力可変部４５は、下側固定ブロック４１の第１凹部４１ｂの底面に設けられた例えばバネからなる弾性体４５ａと、弾性体４５ａの上に設けられた電極支持体４５ｂとを含む。電極支持体４５ｂは、例えば、円形の本体部４５ｂ１と、本体部４５ｂ１の上面に形成された複数の接点４５ｂ２と、本体部４５ｂ１の外周から突出するように設けられた複数の荷重受け部４５ｂ３とを有する。
電極押圧板１３は、例えば、剛性の高い金属からなり、電極支持体４５ｂの上に設けられて、押圧力可変部４５から伝達された押圧力で、バネ電極（第１電極）１１を誘電体層３１に押しつけて第１電極１１を変形させる。
【００３３】
素子部１０は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、電極押圧板１３、第１電極（バネ電極）１１及び誘電体３０を含む。
【００３４】
第１電極１１は、図３（ｂ）に示すように、弾性変形可能な金属板からなり、電極押圧板１３の上に誘電体層３１の一方の主面に対向するように設けられる。
より具体的には、第１電極１１は、例えば、円形の金属板からなる板バネ電極であり、どこからも力が加わっていない無負荷状態では、誘電体層３１に対向する第１面１１ａが湾曲した凹形状となっている。以上のように構成された第１電極１１は、第１面１１ａの反対側の面の頂部から押圧することで、少なくとも凹形状の第１面１１ａが平坦になるまで弾性変形する。すなわち、第１電極１１は、荷重がかかっていない初期状態の形状から第１面１１ａ全体が誘電体層３１の表面に接触した時の形状に変化するまで、弾性変形可能な状態が維持されるように、第１電極を構成する金属材料の特性を考慮して初期状態の形状が設定される。また、例えば、筆圧センサとして用いる可変容量素子は、第１電極を構成する金属材料の弾性率等の弾性特性、降伏特性等を考慮して、弾性変形可能な状態が維持されかつ要求される荷重の範囲及びストロークで無負荷状態の形状から第１面１１ａ全体が誘電体層３１の表面に接触するまで変形するように、第１電極１１の形状は設定される。このような、第１電極１１を構成するために、使用される金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、銅系合金であるリン青銅、黄銅、洋白、ベリリウム銅、チタン銅合金などが挙げられ、その中で、特に、電気伝導性、耐食性、加工性に優れる銅系合金であり、バネ用途に特化したバネ用リン青銅・バネ用洋白などを用いることが好ましい。また、第１電極１１は、例えば、板厚が０．０５ｍｍから０．１０ｍｍ程度の薄板を、外径２．００ｍｍ、凹部の深さ（凸部全高）０．０５ｍｍになるように加工することにより構成される。
【００３５】
誘電体３０は、基体部３３と基体部３３上に形成された誘電体層３１とを含み、基体部３３と誘電体層３１の間に誘電体層３１の他方の主面に接するように埋設された第２電極２１が設けられている。
第２電極２１が埋設された誘電体３０は、第１電極（バネ電極）１１に第２電極２１が対向するように第１電極（バネ電極）１１上に設けられている。
誘電体３０は、例えば、基体部３３と誘電体層３１とが同じ誘電体材料で構成され、基体部３３を構成する誘電体材料と誘電体層３１を構成する誘電体材料とが第２電極となる電極ペースト層を挟んで、一体的に積層されて同時に焼成されて一体化されてなる。以上の構成では、第２電極２１は基体部３３と誘電体層３１の間に埋設された内部電極からなる。基体部３３と誘電体層３１とは異なる材料により構成されていてもよい。基体部３３及び誘電体層３１を構成する誘電体材料としては、例えば、ＣａＺｒＯ３（ジルコン酸カルシウム）などを誘電体とする低誘電率系と、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などを誘電体とする高誘電率系が挙げられ、発振回路などで安定した特性を得るために、好ましくは、環境温度による静電容量の変化率が小さい低誘電率系の誘電体材料を用いて、少なくとも誘電体層３１を構成する。
【００３６】
また、本実施形態１の可変容量素子において、図２に示すように、下側固定ブロック４１の第１凹部４１ｂの底面には収納部電極４１ｃが設けられており、その収納部電極４１ｃと収納部電極４１ｃに接続された第１端子６１とによって第１外部接続構造が構成されている。第１外部接続構造は、それぞれ金属からなる電極押圧板１３、電極支持体４５ｂ、弾性体４５ａを介して第１電極１１に接続される。
【００３７】
また、第２電極２１は、例えば、図３（ｂ）に示すように、誘電体３０の側面に形成された接続電極３４を介して、誘電体３０の上面（第１電極１１と対向する面とは反対側の面）に形成された端子電極３６に接続され、その端子電極３６を介して第２外部接続構造に接続される。この第２外部接続構造は、上側固定ブロック４３の中央部に設けられた貫通孔４３ｈに、誘電体３０の移動に追従して端子電極との接続が維持できるようにバネ性を有する接点構造部と該接点構造部に接続された第２端子６３とによって構成される。
【００３８】
以上のように構成された実施形態１の可変容量素子において、押圧力可変部４５の荷重受け部４５ｂ３に荷重が加えられると、第１電極１１を変形させる押圧力が変化し、その押圧力の変化に対応して静電容量が変化する。
【００３９】
図１の筆圧センサでは、押えブロック５１により押圧力可変部４５の荷重受け部４５ｂ３に荷重が加えられる。
押えブロック５１は、例えば、筆圧センサに用いられる場合に、ペン先７２が連結されたペン軸７１が挿入されるペン軸挿入孔を上面に有し、下面には電極支持体４５ｂの本体部４５ｂ１の外周から突出するように設けられた複数の荷重受け部４５ｂ３をそれぞれ押圧するために設けられたバネ押え部５１ａを有する。押えブロック５１において、バネ押え部５１ａの長さは、図１等に示すように、スナップイン爪４１ａの係止爪４１ａ１と上側固定ブロック４３の係止面４３ｓ１とが接触しているときには、押えブロック５１の下面と上側固定ブロック４３の上面とが距離ｄだけ離れて対向するように設定される。すなわち、図１の筆圧センサは、筆圧により軸方向にペン先が移動するストロークは距離ｄに設定されている。
【００４０】
以下、容量値の変化の過程を詳細に説明する。
ペン先７２に荷重がかかってない状態では、押圧力可変部４５の弾性体４５ａにより、第１電極１１が電極押圧板１３を介して誘電体層３１の方向に押さえつけられており、凹形状の第１面１１ａが平坦になるまで変形して、第１面１１ａと誘電体層３１とが密着している。この状態で、図１３に模式的に示すように、容量可変部における第１電極１１と第２電極２１との間に形成される静電容量は最も高くなっている。
【００４１】
この状態からペン先７２及びペン軸７１を介して押えブロック５１に荷重がかかると、弾性体４５ａの弾性力と釣り合うところまで、電極支持体４５ｂの荷重受け部を介して電極支持体４５ｂを下方に移動させる。これに伴い第１電極１１がバネ弾性により湾曲していた状態に戻ろうとして、移動距離に対応して湾曲し、誘電体３０との第１電極の接触面との接触面積が減少する。その結果、第１電極１１と第２電極２１との間に形成される容量値が減少する。
また、押えブロック５１にかかる荷重が減少すると、第１電極１１を誘電体層３１側に押圧する力が強くなり、第１電極１１と誘電体層３１の接触面積が大きくなり、第１電極１１と第２電極間の静電容量は増加する。
【００４２】
以上のように構成された実施形態１の可変容量素子は、弾性変形が可能な金属板からなる第１電極１１の微小な変形を利用して静電容量を変化させているので、小さなストロークで大きな容量変化が得られる。具体的には、例えば、板厚が０．０５ｍｍの薄板を、凹部の深さが０．０５ｍｍになるように加工した第１電極を用い、電極支持体４５ｂの移動可能な距離ｄを０．１ｍｍ程度に設定して可変容量素子を構成した場合、０．１ｍｍ程度のストロークで必要な容量変化が得られる。したがって、実施形態１の可変容量素子を用いて筆圧センサを作製すると、０．１ｍｍ程度のストロークで筆圧を検出でき、従来の０．２ｍｍ〜０．６ｍｍのストロークで筆圧を検出している従来の筆圧センサに比べて小さいストロークで筆圧を検出することが可能になる。
また、横方向にも変形する導電性弾性ゴムや導電性樹脂を用いて構成して従来の可変容量素子とは異なり、第１電極１１には、横方向の変形がほとんどないので、横方向に軸ぶれの少ない可変容量素子を構成することができる。
【００４３】
実施形態２．
本発明に係る実施形態２の可変容量素子は、図４Ａに模式的に示すように、実施形態１の第１電極１１に代えて、中央部が厚く外周部の肉厚が薄くなった第１電極１２を用いて構成している。
実施形態２の可変容量素子は、以上の点を除いて、実施形態１と同様に構成される。
【００４４】
以上のように構成された実施形態２の可変容量素子は、外周部の肉厚が薄くなっているので、比較的小さなバネ弾性を有する弾性体４５ａを用いて、比較的小さな押圧力により第１電極１２を誘電体層３１に密着させることができる。その結果、低荷重領域において小さい荷重の変化により第１電極１１ａと誘電体層３１との接触面積を変化させることが可能になり、微妙な圧力変化を検出することが可能になる。
【００４５】
具体的には、比較的低い荷重により、図４Ｂに示す初期状態から図４Ｃに示すように、主として、肉厚が厚い中央部が変形して接触面積が減少し、さらに荷重が大きくなると、図４Ｄに示すように、肉厚の薄い外周部が変形するようになり、さらに接触面積が減少する。
【００４６】
以上のように構成された実施形態２の可変容量素子は、中央部が厚く外周部の肉厚が薄くなった第１電極１２を用いて構成しているので、比較的小さな押圧力により第１電極１２を誘電体層３１に密着させることが可能になり、低荷重領域において、わずかな荷重変化を検出することができる。
【００４７】
以上のように構成された実施形態２の可変容量素子は、実施形態１の可変容量素子と同様、弾性変形が可能な金属板からなる第１電極１２を用いて構成しているので、小さなストロークで大きな容量変化が得られ、横方向に軸ぶれの少ない可変容量素子を構成することができる。
【００４８】
実施形態３．
実施形態３の可変容量素子は、図１に示す実施形態１の可変容量素子と同様の構成を有しているが、第１電極１１の第１面１１ａの全面を誘電体層３１に密着させた後、さらに誘電体層３１の表面の面粗さ及び第１電極の第１面１１ａの面粗さを利用して静電容量を変化させている点が実施形態１とは異なっている。
【００４９】
実施形態３の可変容量素子において、第１電極１１の第１面１１ａの全面を誘電体層３１に密着させた初期状態では、図５Ａに示すような状態で第１電極１２の第１表面１２ａと誘電体層３１とが密着する。この初期状態では、第１面１１ａと誘電体層３１との接触点が最も多く接触面積が大きい。また、第１面１１ａと誘電体層３１とが離れている部分も存在するが、その部分でも第１面１１ａと誘電体層３１との間隙３７は極めて狭く、その間隙３７も容量形成に寄与する。すなわち、図５Ａに示す状態では、第１電極と第２電極とその両者に挟まれた誘電体層３１とによってそれぞれ構成された複数の容量素子（以下、分布容量素子Ａという。）と、第１電極と第２電極とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３７によってそれぞれ構成された複数の容量素子（以下、分布容量素子Ｂという。）とが並列に接続された状態になっている。実施形態３の可変容量素子は、この初期状態において、第１電極と第２電極間には、複数の分布容量素子Ａの容量値と複数の分布容量素子Ｂの容量値とを合計した静電容量が形成され、その初期状態において最も静電容量が大きくなる。
【００５０】
この状態で、ペン先７２及びペン軸７１を介して押えブロック５１に荷重がかかると、弾性体４５ａの弾性力と釣り合うところまで、電極支持体４５ｂの荷重受け部を介して電極支持体４５ｂを下方に移動させる。これに伴い第１電極１１がバネ弾性により湾曲していたもとの状態に戻ろうとして、図５Ｂに示すように、第１面１１ａと誘電体層３１との接触面積が減少して、第１面１１ａと誘電体層３１とが離れている部分の比率が高くなる。この段階でも第１面１１ａと誘電体層３１とが離れている部分の第１面１１ａと誘電体層３１との間隙３７は狭く、その間隙３７も容量形成に寄与する。すなわち、ペン先７２及びペン軸７１を介して押えブロック５１にかかる荷重が小さい場合には、複数の分布容量素子Ａと複数の分布容量素子Ｂとが並列に接続された状態になっているが、分布容量素子Ａに対して分布容量素子Ｂの割合が大きくなり、第１電極と第２電極間の静電容量は減少する。このように、押えブロック５１にかかる荷重が比較的小さい場合には、押えブロック５１にかかる荷重に対応して分布容量素子Ａと分布容量素子Ｂとの比率が変化して、第１電極と第２電極間の静電容量は変化する。
【００５１】
押えブロック５１にかかる荷重がさらに大きくすると、図５Ｃに示すように、第１面１１ａと誘電体層３１とが離れている部分における第１面１１ａと誘電体層３１との間隙３７は大きくなり、間隙３７を含む分布容量素子Ｂはもはや容量形成に寄与しなくなり、この段階からは実施形態１の可変容量素子と同様、押えブロック５１にかかる荷重に対応する第１面１１ａと誘電体層３１の接触面積の増減により静電容量が変化する。
【００５２】
以上のように構成された実施形態３の可変容量素子は、第１電極１１の湾曲による変形に加えて、誘電体層３１の表面の面粗さ及び第１電極１１の第１面１１ａの面粗さを利用して静電容量を変化させているので、検出できる荷重領域の範囲を広くすることができる。
【００５３】
以上の実施形態３の可変容量素子では、さらに、第１面１１ａの面粗さに加えてさらに第１面１１ａのうねり成分を利用して接触面積の増加幅をさらに大きくすることができる。
具体的には、図６Ａ及び図６Ｂに示す変形例１では、図６Ｂに示すように、第１電極１１の第１面１１ａは、うねりに規定される表面凹凸を有している。このような第１電極１１を用いて、押えブロック５１にかかる荷重が小さい場合、言い換えると第１電極１１を誘電体層３１に押圧する押圧力が大きい場合には、弾性体４５ａのバネ弾性により、うねりがなくなる程度に第１電極１１を押圧する（図６Ａ）。この段階から、押えブロック５１にかかる荷重が増加すると、第１電極１１の第１面１１ａが初期状態のうねりを持った状態（図６Ｂ）まで変形して、静電容量が減少する。この状態では、うねりに起因した凸部の先端が誘電体層３１の表面に接触するが、うねりに起因した凹部には誘電体層３１との間に凹部の深さに相当する間隔の隙間ができている。この段階を経て、押えブロック５１にかかる荷重が増加すると、実施形態１の可変容量素子と同様、押えブロック５１にかかる荷重に対応する第１面１１ａと誘電体層３１の接触面積の増減により静電容量が変化する。
【００５４】
以上の実施形態３では、間隙３７をエアギャップにより構成した。しかしながら、本発明では、変形例２及び変形例３としてそれぞれ図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、シリコンオイル等の液状誘電体を充填した間隙３５を用いてもよい。このようにすると、第１電極１１と第２電極１２とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３５によってそれぞれ構成される分布容量素子Ｂの荷重に対する容量変化量を大きくでき、より効果的に表面粗さ成分又はうねり成分を利用して可変容量素子全体として荷重に対する容量変化量を大きくできる。
【００５５】
第１電極の変形例．
実施形態１の可変容量素子は、図９Ａに示す第１電極１１を用いて構成した。
また、実施形態２の可変容量素子では、中心に近い中央部に比較して外周部における板厚が薄くなった第１電極１２を用いて構成した。
しかしながら、本発明では、以下に示すように切り欠き又は開口部を形成して弾性変形を容易にした第１電極を用いると、低荷重領域において小さな荷重変化により第１電極の変化を大きくでき、より検出される静電容量の変化量を大きくできる。
【００５６】
第１変形例．
図９Ｂに示す第１電極１４ｂは、中央部から外周に至る切り欠き１９ｂを有している。この第１電極１４ｂにおいて、切り欠き１９ｂはほぼ均一の幅に形成されたスリットと、切り欠き１９ｂの中央部においてスリットの幅より大きい径で円形に拡がった円形端部とからなる。
【００５７】
第２変形例．
図９Ｃに示す第１電極１４ｃは、中央部から外周に至る切り欠き１９ｃを有している。この第１電極１４ｃにおいて、切り欠き１９ｃは中央部から外周に向かって徐々に幅が大きくなるように形成されたスリットと、切り欠き１９ｂの中央部において円形に拡がった円形端部とからなる。
【００５８】
以上のように構成された第１変形例の第１電極１４ｂ及び第２変形例の第１電極１４ｃはそれぞれ、中央部から外周に至る切り欠き１９ｂ、１９ｃを有しているので、小さい荷重により変形させることが可能になる。
【００５９】
第３変形例．
図９Ｄに示す第１電極１４ｄは、中央部から外周に至る４つの切り欠き１９ｄを有している。この第１電極１４ｄにおいて、４つの切り欠き１９ｄはそれぞれ、中央部の尖った先端から外周に向かって徐々に幅が広くなるようにかつ湾曲して形成されている。また、４つの切り欠き１９ｄは、等間隔に設けられている。
【００６０】
以上のように構成された第３変形例の第１電極１４ｄは、中央部から外周に至る４つ切り欠き１９ｄを有しているので、第１変形例の第１電極１４ｂ及び第２変形例の第１電極１４ｃに比較してより小さい荷重により変形させることが可能になる。
【００６１】
第４変形例．
図９Ｅに示す第１電極１４ｅは、２つのスリットが直交した十字型の開口部１９ｅを有している。開口部１９ｅは、外周側の先端がそれぞれ半円形となり、中央部が広くなっている以外はほぼ同一幅に形成されている。尚、開口部を構成するスリットの両端は第１電極の外周までは達していないことはいうまでもない。
【００６２】
第５変形例．
図９Ｆに示す第１電極１４ｆは、開口部１９ｅは、外周側の半円形の先端部と中央部を除いた部分の幅が、外周に向かって徐々に広くなっている以外は、が広くなっている以外は第５変形例の第１電極１４ｅと同様に形成されている。
【００６３】
以上のように構成された第４変形例の第１電極１４ｅと第５変形例の第１電極１４ｆは、外周部に比較して中央部の変形が容易になり、小さな押圧力で第１電極と誘電体層３１とを密着させることができ、小さな荷重の変化により容量を変化させることができる。
【００６４】
以上のように構成された第４変形例の第１電極１４ｅと第５変形例の第１電極１４ｆは、２つのスリットを直交するように設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも２つのスリットが交差するように設けられていればよい。
また、開口部を構成するスリットは、２つに限定されるものではなく、２以上のスリットを含む開口部であってもよい。
【００６５】
実施の形態４．
本発明に係る実施形態４の可変容量素子は、
図１０Ａに示すように、
（ａ）実施形態１の第１電極１１の第１面１１ａに、金属板を構成する金属材料より柔らかい軟質金属からなる表面処理層１６を形成して、
（ｂ）実施形態３と同様、第１電極の第１面１１ａの面粗さ及び誘電体層３１（誘電体層３１）の面粗さをさらに利用して静電容量を変化させている。
実施形態４の可変容量素子は、以上の（ａ）及び（ｂ）の２つの点を除いて、実施形態１と同様に構成される。
ここで、例えば、金属板を、ばね用リン青銅で構成した場合、ニッケル電解めっきを用いて表面処理層１６を形成する。
【００６６】
以上のように構成された実施形態４の可変容量素子においては、誘電体層３１の表面の凹凸に追従して変形しやすい軟質金属からなる表面処理層１６を形成しているので、図１０Ｂ〜図１０Ｃに示すように、弾性体４５ａの比較的小さいバネ弾性により第１電極１１と誘電体層３１とを密着させることができる。
したがって、実施形態４の可変容量素子は、比較的低荷重（ペン先７２及びペン軸７１を介して押えブロック５１にかかる荷重が比較的小さい）で、第１電極の第１面１１ａの面粗さ及び誘電体層３１（誘電体層３１）の面粗さによる、分布容量素子Ａに対する分布容量素子Ｂの割合を制御することができる。
したがって、実施形態４の可変容量素子は、比較的低い荷重域で比較的小さな荷重の変化に対応して静電容量を変化させることができ、例えば、より繊細な筆圧センサを実現できる。
【００６７】
以上の実施形態４では、間隙３７をエアギャップにより構成した。しかしながら、本発明では、図１１Ａ〜図１１Ｂに示すように、シリコンオイル等の液状誘電体を充填した間隙３５を用いてもよい。このようにすると、第１電極１１と第２電極１２とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３５によってそれぞれ構成される分布容量素子Ｂの荷重に対する容量変化量を大きくでき、可変容量素子全体として荷重に対する容量変化量を大きくできる。
【００６８】
第１変形例．
以上の実施形態１〜４では、第１電極１１の第１面１１ａを力がかかっていない無負荷状態で凹形状にしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、誘電体層３１に対向する第１面を自然の状態で凸形状にしてもよい。
第１面を凸形状にした場合、第１面全体が誘電体層に接している初期状態から、第１電極１１を誘電体層３１側に押圧する荷重が減少すると、第１面の外周部分から誘電体層と離間するようになり、第１電極と誘電体層３１との接触面積は減少する。
このように、第１面が凸形状であっても荷重の変化に応じて第１面と誘電体層との接触面積は変化し、荷重の変化に応じて第１電極と第２電極の間に構成される静電容量が変化する。
【００６９】
以上の実施形態１〜４及び第１変形例では、第１電極の第１面を曲面にしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、錐形状であってもよい。
以上のように構成された実施形態１〜４及び第１変形例では、図１２に示すように、第２外部接続構造を、接点構造部と第２端子６０ａとにより一体で構成してもよい。
【００７０】
応用例
本発明に係る可変容量素子は、種々の用途に使用できる。
例えば、本発明に係る可変容量素子を用いて、圧力検知素子を構成することができる。
また、本発明に係る可変容量素子を用いて、筆圧センサを構成することができる。さらに、本発明に係る筆圧センサを用いて、位置指示器を構成することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  可変容量素子
１１，１２，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ  第１電極
１１ａ，１２ａ  第１面
１３  電極押圧板
１５  固定部材
１６  表面処理層
１７  カバー
１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ  切り欠き
２１  第２電極
３０  誘電体
３１  誘電体層
３３  基体部
３５,３７  間隙
４１  下側固定ブロック
４１ｂ  第１凹部
４１ａ  スナップイン爪
４１ｃ  収納部電極
４３  上側固定ブロック
４３ｂ  第２凹部
４５  押圧力可変部
４５ａ  弾性体
４５ｂ  電極支持体
５１  押えブロック
５１ａ  バネ押え部
６１  第１端子
６３  第２端子
７１  ペン軸
７２  ペン先
【図１】
2016063082.tif 000003
【図２】
2016063082.tif 000004
【図３】
2016063082.tif 000005
【図４Ａ】
2016063082.tif 000006
【図４Ｂ】
2016063082.tif 000007
【図４Ｃ】
2016063082.tif 000008
【図４Ｄ】
2016063082.tif 000009
【図４Ｅ】
2016063082.tif 000010
【図５Ａ】
2016063082.tif 000011
【図５Ｂ】
2016063082.tif 000012
【図５Ｃ】
2016063082.tif 000013
【図６Ａ】
2016063082.tif 000014
【図６Ｂ】
2016063082.tif 000015
【図７Ａ】
2016063082.tif 000016
【図７Ｂ】
2016063082.tif 000017
【図７Ｃ】
2016063082.tif 000018
【図８Ａ】
2016063082.tif 000019
【図８Ｂ】
2016063082.tif 000020
【図９Ａ】
2016063082.tif 000021
【図９Ｂ】
2016063082.tif 000022
【図９Ｃ】
2016063082.tif 000023
【図９Ｄ】
2016063082.tif 000024
【図９Ｅ】
2016063082.tif 000025
【図９Ｆ】
2016063082.tif 000026
【図１０Ａ】
2016063082.tif 000027
【図１０Ｂ】
2016063082.tif 000028
【図１０Ｃ】
2016063082.tif 000029
【図１１Ａ】
2016063082.tif 000030
【図１１Ｂ】
2016063082.tif 000031
【図１２】
2016063082.tif 000032
【図１３】
2016063082.tif 000033
【図１４】
2016063082.tif 000034