JP4703555B2 - 内蔵された信号検出要素を有するキーボードの連続操作可能なキー及び信号を処理する方法 - Google Patents

Description

本発明は、押圧可能にかつ傾斜可能に可動式に配置されたキーを有し、キー操作を記録する信号検出要素を備えているキーボード並びにキーの操作によって放出されたこれらの電気パルスがこれらのキーを操作する力及び位置を算出することによってこの操作の位置を示す信号に変換される方法に関する。

従来の技術によれば、カーソルを制御するキーボード及び入力装置が、一般に分離された装置として構成される。その結果、これらの装置の組合せは、２倍の評価電子機器及びソフトウェアを要求する。

例えばノートブックコンピュータの場合、マウスポインタを制御するため、多くの場合に小さいジョイスティックが、ブランクキーの近くに取り付けられる。このジョイスティックは、例えばひずみゲージ（英語でｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ）に基づいて実現され得る。さらにノートブックコンピュータの場合、容量性に基づいた平面状のセンサが時として利用される。双方の場合、複雑な信号を評価する技術的な経費がかなりかかる。

オーガナイザー機能を有するモバイルフォン、いわゆるスマートフォンの場合、打つことのできるキーボードを接触感知式のディスプレイ（タッチスクリーン）上に表示する技術的手段が公知である。この装置がデータ入力に利用される場合、キーがタッチスクリーン上に表示され、次いで各キー操作がこのタッチスクリーンの固有の位置を活性化できる。このことは、キーの評価に対して１つの独立した電子機器を省く。確かに、キーボード又はタッチスクリーンだけが、このキー入力機構で利用され得る。
さらに、例えば米国特許第５，９７３，６２１号明細書（Ｄａｖｉｄ Ｌｅｖｙ １９９９）や米国特許第５，５２８，２３５号明細書（Ｅｄｗａｒｄ Ｌｉｎ １９９１） のようなキーボードを改良するためのたくさんの提案がある。電気スイッチに基づいたこれらの改良は、機械的に経費がかかり、障害に敏感ですぐ作動しなくなり、それ故に今日までその価値を認められていない。

キーを、分圧器を使用するアナログ値によって符号化する技術が公知である（図１９）。固有な電圧がそれぞれ、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びＲ４に発生する。キーＳ１，Ｓ２，Ｓ３又はＳ４の操作が、この電圧をアナログ／デジタル変換器（ＡＤ）に伝える。キーが操作されていない、すなわち接続部が接続されていない場合、正の電圧が、プルアップ抵抗ＲｐによってＡＤに対して発生する。

したがって全てのキーボードが、２本又は３本の配線だけで問い合わせされ得る。配線の経費は僅かであるものの、これに対してより大きい経費が、アナログ／デジタル変換器による復号に対してかかる。それ故にこの技術の用途は、僅かな配線数が重要な利点をもたらす場合に限定される。

別の公知の技術は、薄型ポテンショメータの技術である（図１７、断面図）。これらの薄型ポテンショメータは、最も簡単な形態ではフレキシブルな薄膜５１のストリップ、第２薄膜７１及び第３のスペーサ６１から成る。薄膜５１は、その一部が、例えば黒鉛５３のような高い電気抵抗（１０ｃｍ当たり１００オーム〜約５００キロオーム）の物質で被覆されている。第２薄膜７１は、その一部が（１０ｃｍ当たり約１０オーム未満の）例えば銀のような良好に電流を流す物質７２で被覆されている。スペーサ６１は、両被覆部分を約０．０２ｍｍ〜１．０ｍｍの間隔をあけて固定して保持する。スペーサ６１は、開口部２１１を有する。この開口部２１１は、機械的な圧力で電気伝導性の被覆部分５３と被覆部分７２との接触を可能にする。被覆部分は、薄膜５１及び薄膜７１の縁部で電極２０２及び電極２０３に接合されている（図２０，上から見て）。別の電極２２２が、薄膜７１の被覆部分に存在する（図２２，上から見て）。これらの電極は、評価電子機器との接続を可能にする。操作（図１８）の場合、フレキシブルな薄膜５１が、接触位置で僅かにゆがむ。その結果、スペーサ６１が橋渡しし、電気接触が被覆部分５３と被覆部分７２との間に発生する。したがって、抵抗被覆部分の電極２０２／２０３と薄膜７１の電極２２２との間の電気抵抗が、接点とこの接点の両端部との間の距離に比例する。

分圧器としての薄型ポテンショメータが切り替えられる場合（図２３）、アナログ・デジタル変換器ＡＤの電圧が、タップ点の位置に比例する。

この代わりに、動作点及び支持区間を測定することができる。そのため、電圧が電極２２２に印加され、両電極２０２，２０３に対するオーミック抵抗が測定される。これらの両測定値は、両端部に対する距離に相当する。その一方で電極２０２と電極２０３との間の全距離から両測定値の合計を引くと、起動区間の長さが得られる。一区間又は一点の代わりの二点に対するこの起動は、すなわち両点間の短絡を生成する。この短絡は、電極２０２と電極２０３との間の抵抗をこれらの点の距離に比例して減少させる。このことも、薄型ポテンショメータの従来の技術に属する。

薄型ポテンショメータは、簡単に連続調整を可能にする一方で、これらの薄型ポテンショメータは、その扁平な構造形状に起因して明確な応答を呈さない。それ故にこれらの薄型ポテンショメータは、従来のキーボードと同様に心地よいデータ入力を提供せず、今日までほとんど普及していない。

本発明の課題は、容積、重量、部品経費、電力消費及び操作経費を削減することによって操作要素のキーを有するコンパクトなモバイル電子機器の製造経費を下げることにある。この場合、キーボードは、厳しい輸送条件及び製造許容差に適合しなければならない。
米国特許第５，９７３，６２１号明細書 米国特許第５，５２８，２３５号明細書

本発明の課題は、内蔵された信号検出要素を有するコンパクトなモバイル電子機器の使用に適したキーボード、キー操作用の応答電子機器及び個々のキーの連続操作時のその時のキーの位置を測定する方法を改良することにある。このキーボードは、制約のない心地よさを伴うデータ入力及び同時に複数のキーによる連続した制御可能性を可能にする。

この課題は、モバイル電子機器用の内蔵された信号検出要素を有し、データ入力しかつカーソルを制御し機能を選択するための、弾性部分１３２を有する可動に配置されたキー８２を備えたキーボードにおいて、当該キーの操作時に、１つ又は複数の当該キーにわたって延在している連続する高い電気抵抗の導体トラック５３が、当該操作位置で全てのキーにわたって延在している僅かな電気抵抗のもう１つの導体トラック７２に接触し、１つのアナログ・デジタル変換器ＡＤ０が、前記僅かな電気抵抗の導体トラック７２と前記高い電気抵抗の導体トラック５３の１つの端部との間の電気抵抗値又は電圧降下を測定するように、前記キー８２の下側が、前記高い電気抵抗の導体トラック５３に機械的に接合されていて、当該測定値が、制御する電子機器によって測定され、これによって１つの特定のキーとこのキー上の操作位置とに割り当てられることによって解決される。

本発明を実施の形態に基づいて詳しく説明する。

解決手段は、押されたキーがその都度薄型ポテンショメータの電極の特有の電気抵抗に割り当てられ得るように、信号検出要素、例えば薄型ポテンショメータを一群の可動キーの下に取り付ける点にある。キーの傾き位置又はキー上の可変な接触位置が、異なる接点を招き、その結果電気抵抗が変化する。これに対してキーが押されない時は、向き合っている電極が、電気的に接触しない。

さらにオプション的には、薄型ポテンショメータの全抵抗値の減少が測定されることによって、各キーの押圧力が算定され得る。キーに対する増大する押圧力が、キーの柔らかい下側の変形、拡大する当接面及びこれに対応する全抵抗値の減少を伴うので、押圧力をこの抵抗値の差から推測することができる。

こうして、十分な測定精度を前提条件に、複数のキー及びこれらのキーの押される位置が、ただ１つの薄型ポテンショメータによって突き止められ得る。これに対しては、僅かな数の配線（押圧力の測定がないときで、少なくとも２本の配線、少なくとも３本の配線）だけで済む。

図１は、本発明のキーボードの回路図である。Ｐ１−Ｓ１，Ｐ２−Ｓ２等がそれぞれ、１つの単位を構成する：１つのキーの押圧が、例えば接触子Ｓ１をつなぐ。ポテンショメータＰ１の抵抗が、この操作位置から生じる。Ｒｐは、プルアップ抵抗である。このプルアップ抵抗は、接触していない待機状態ではアナログ・デジタル変換器ＡＤを特定の値にプルアップする。Ｐ１〜Ｐ４によって構成されたこの薄型ポテンショメータは、１つの分圧器に相当する。その結果、キーのうちの１つのキー及び位置に相当する固有の電圧が、ＡＤ変換器に印加される。この例は、４つのキーに対して仕様決定されているものの、任意のその他のキー数に対しても同様に成立する。

図２中には、同じキーボードが別の測定配置によってどのように評価され得るかを示す。１つのキーに対して作用する押圧力を、１つの追加のＡＤ変換器によって算定することができる。より強い押圧力が、柔らかいキーの下側を変形させ、その結果薄型ポテンショメータ上により広い当接面、すなわちより広い短絡区間を形成する。したがって、押されたキーＳ１〜Ｓ４とＡＤ１又はＡＤ２との間の電気抵抗が、ＡＤ変換器ＡＤ１及びＡＤ２によって測定され、Ｐ１〜Ｐ４の全抵抗値に対する比に変換される。抵抗値のこの減少は、短絡区間、すなわち柔らかいキーの下側の当接面つまり操作力に精確に一致する。

図１及び図２は、個々の座標軸上の任意のキーの連続した操作が評価される配置を示す。これは、１つのキーの押し位置又は傾いた操作の横方向の移動に一致する。

図３は、追加のＡＤ変換器を使用する場合に、２つの座標方向の評価が選択されたキーに対してどのように可能であるかを示す。ここでは、Ｐ１ａ，Ｐ１ｂが２つのポテンショメータを構成する。これらのポテンショメータは、単一のキーによって制御される（図１２、要素１２１）。１つの接触部分の重心；すなわち、３つの測定点に対してそれぞれ算定された距離を有する円面上の点を算定するためには、１つの円の縁の３つの測定点で十分である。

信頼性及び精度を上げるため、キーボードの１つ又は複数の位置に対して基準点を設けることが可能である。図４中には、ＣＡＬ１及びＣＡＬ２は、１つのＡＤ変換器で測定するための校正値として使用される；ＣＡＬ１の値は、Ｐ１とＰ２との間に直接存在する。その一方でＣＡＬ２の値は、Ｐ２とＰ３との間に直接存在する。この校正は、キーが操作されない時に実施できる。これらの基準点は、全抵抗値が温度等によって変動する場合でもキーの作動に対する相対比を精確に示す。

薄型ポテンショメータが、本発明のキーボードの信号検出要素として使用され得る。図５〜７中には、３枚の薄膜：上部薄膜（図５）、中央薄膜（図６）及び下部薄膜（図７）から構成された薄型ポテンショメータが例として示されている。これらの３つの薄膜は、上下に平らに重なっていてかつ互いに固定接合、例えば接着されている。中央の薄膜は、印刷された絶縁膜（誘電体）に入れ換えてもよい。この絶縁膜は、上部薄膜又は下部薄膜上に貼付され得る。

上部薄膜（図５，５１）は、両導電性の物質５２から成る導体トラック及び抵抗５３から成る導体トラックが印刷されている。測定電子機器に電気接続するため、接続プラグ５４が、１つの端部に存在する。

中央薄膜（図６，６１）は、打抜部（開口部）６２を有する。これらの打抜部は、上部薄膜と下部薄膜との間の機械的でかつ電気的な接触を可能にする。下部薄膜（図７，７１）は、僅かな電気抵抗値７２を有する導体トラックが印刷されている。

図８中には、キー配置が例として示されている。このキー配置は、図５〜７からの薄型ポテンショメータと共に機能する。これらのキーは、機械的に隆起されていてかつクリック音と共に可動するように構成されている。

図９〜１２は、２次元方向に可動なキーが１つの追加の配線及び１つの追加のＡＤ変換器を必要とする相違点を有する図６〜９に対応する図である。このキー１２１は、水平方向にも垂直方向にも傾斜され得る。この傾きは測定され得る。

図１３は、押されていない状態のキーの断面図である。活性体１３３が、信号検出要素（薄型ポテンショメータ）１３４に機械的に接触していない。

図１４は、図１３と同じキーを示すものの押された状態を示す。活性体１３３は、キー１４１の中央にあって適切に電気接触する。図１５中に見て取れるように圧力が上昇すると、活性体（１５１）の当接面が拡大する。全システムの電気抵抗が、この小さい短絡によって低下する。

図１６中では、キーが横方向に傾いて押されている。このことは、このキーボードの場合でも確実な接触をもたらす。接触位置を対応する測定によって算定することができる。

連続操作可能なキー用の用途として以下が挙げられる：図８の種類の電話の数字キーボードの場合、「Ａ」を入力するためには、例えば文字が、キー、すなわちキー「２」の左側を直接軽く叩くことによって、これらの文字が入力され得る。さらに、カーソルの制御クロス（図１２）が連続して制御され得る。

本発明のキーボードの利点は、キーの問い合わせと連続した制御機能とが単一の技術に組み合わせられている点にある。各キーの移動が、操作の力及び位置を測定することによって出力信号の固有の電気抵抗を発生させる。この出力信号は、操作の位置を示す。第２出力信号が評価される時に、操作で生じる力がさらに算定される。したがって提唱されている解決手段に対して必要な技術経費は、連続する複数の制御ユニットを有する従来のキーボードの場合よりも明らかに小さい。

電圧を測定する本発明の１つのＡＤ変換器を有するキーボードの回路図である。 抵抗を測定する本発明の２つのＡＤ変換器を有するキーボードの回路図である。 抵抗を測定する本発明の３つのＡＤ変換器を有するキーボードの回路図である。 電圧を測定する本発明のキーボード及び２つの校正電極の回路図である。 印刷された導体トラックを有する信号検出要素の上部薄膜を示す。 打ち抜かれた開口部を有する信号検出要素の中央薄膜を示す。 印刷された導体トラックを有する信号検出要素の下部薄膜を示す。 文字が印刷されたキーカバーの例を示す。 印刷された導体トラックを有する信号検出要素の上部薄膜を示す。 打ち抜かれた開口部を有する信号検出要素の中央薄膜を示す。 印刷された導体トラックを有する信号検出要素の下部薄膜を示す。 文字が印刷されたキーカバーの例を示す。 活性体を有するキーを示す（側面図）。 軽く押圧された状態のキーを示す（側面図）。 強く押圧された状態のキーを示す（側面図）。 斜めに押圧された状態のキーを示す（側面図）。 薄型ポテンショメータの構造を示す（側面図）。 操作した状態の薄型ポテンショメータを示す（側面図）。 抵抗カスケードによる符号化部を有するキーボードを示す。 薄型ポテンショメータの上部薄膜を示す。 薄型ポテンショメータの中央薄膜を示す。 薄型ポテンショメータの下部薄膜を示す。

ＡＤ０ アナログ・デジタル変換器
Ｓ１を有するＰ１ 信号検出要素
Ｓ２を有するＰ２ 信号検出要素
Ｓ３を有するＰ３ 信号検出要素
Ｓ４を有するＰ４ 信号検出要素
Ｒｐ プルアップ抵抗
５１ 上部薄膜
５２ 僅かな電気抵抗を有する導体トラック（例えば、銀）
５３ 大きい抵抗を有する導体トラック、例えば、黒鉛
５４ 全部で３つの端子を有する接続プラグ
６１ スペーサ
６２ スペーサの開口部
７１ 下部薄膜
７２ 僅かな電気抵抗を有する導体トラック面、例えば、銀
７３ 接続プラグ
８１ ケースカバー
８２ 移動入力キー
９１ 全部で４つの端子を有する接続プラグ
１０１ 任意の方向に操作可能なキー用の円い開口部
１２１ 任意の方向に操作され得るキー
１３１ キー上面
１３２ キーサスペンション
１３３ 活性体
１３４ 信号検出要素
１３５ 支持板
１４１ キー中央の小さい支持面
１５１ キー中央の大きい支持面
１６１ キー側方の小さい支持面
２０２ 電極
２０３ 電極
２１１ 開口部
２２２ 電極

Claims (12)

1. モバイル電子機器用の内蔵された信号検出要素を有し、データ入力しかつカーソルを制御し機能を選択するための、弾性部分（１３２）を有する可動に配置されたキー（８２）を備えたキーボードにおいて、
   当該キーの操作時に、１つ又は複数の当該キーにわたって延在している連続する高い電気抵抗の導体トラック（５３）が、当該操作位置で全てのキーにわたって延在している僅かな電気抵抗のもう１つの導体トラック（７２）に接触し、１つのアナログ・デジタル変換器（ＡＤ０）が、前記僅かな電気抵抗の導体トラック（７２）と前記高い電気抵抗の導体トラック（５３）の１つの端部との間の電気抵抗値又は電圧降下を測定するように、前記キー（８２）の下側が、前記高い電気抵抗の導体トラック（５３）に機械的に接合されていて、
   当該測定値が、制御する電子機器によって測定され、これによって１つの特定のキーとこのキー上の操作位置とに割り当てられることを特徴とするキーボード。
2. 前記導体トラック（７２）と前記導体トラック（５３）の両端部との間の電気抵抗又は電圧降下を測定する２つのデジタル・アナログ変換器（ＡＤ１，ＡＤ２）が設けられていて、これらの測定値は、１つの特定のキー、一直線上の点としての前記操作位置及び当接面（１４１，１５１，１６１）に割り当てられることを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
3. 前記導体トラック（５３）は、１つ又は複数の校正電極（ＣＡＬ１）に接続されていて、前記校正電極（ＣＡＬ１）は、この導体トラック（５３）の複数の位置に対する電気抵抗の精確な測定を可能にし、これらの測定は、この導体トラック（５３）の両端部の測定値を解析するための相対的な基準点として使用され、その結果、全導体トラックの電気抵抗の生産技術又は温度条件上の変動時でも、精確な測定が可能であることを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
4. キーボードの構成要素としての薄型ポテンショメータの前記導体トラック（５３）が、互いに並列にある複数の列に分割されていて、これらの列の一方の端部がそれぞれ、僅かな電気抵抗の１つの導体トラックを介してその次の列の向き合っている端部に接続されていて、その結果、各キーの薄型ポテンショメータ上の前記キー（８２）の取付位置の生産時の僅かな変動が、測定値の同じ偏差になることを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
5. キーボードとしての構成要素としての前記薄型ポテンショメータは、上部薄膜（５１）、スペーサ（６１）及び下部薄膜（７１）から構成され、これらの薄膜は、互いに固定接合されていて、前記上部薄膜（５１）は、高い電気抵抗の導体トラック（５３）及びオプション的に僅かな電気抵抗値の導体トラックが印刷されていて、前記下部薄膜（７１）は、僅かな電気抵抗値の導体トラック（７２）が印刷されていて、これらの導体トラック（５３）及び導体トラック（７２）は、待機位置では互いに２ｍｍ未満の僅かな距離を保持し、キー（８２）の操作時に接触することを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
6. 前記導体トラック（７２）と前記導体トラック（５３）の３つの端部（図９）との間の電気抵抗又は電圧降下を測定する３つのアナログ・デジタル変換器（ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３）が設けられていて、これらの測定値は、１つの特定のキー、１つの円面上の点としての前記操作位置及び当接面（１４１，１５１，１６１）に割り当てられることを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
7. 前記キー（８２）はそれぞれ、電話の数字キーボードの場合のように数字又は記号及び複数のアルファベット文字でキーごとに付記されていて、数字又は文字が、操作方式に応じて入力され得、異なる文字が、キーの右側若しくは左側の縁部又はキーの中央に対するキーの操作に応じて選択され得ることを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
8. キーボードの縁部の各位置の近くで操作可能なキー（１２１）が設けられていて、操作の方向及び偏向の強さが、円面上の点として互いの出力信号（ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３）の比によって算出可能であり、カーソルの移動の方向及び速度が、このキー（１２１）の方向と偏向によって制御可能であることを特徴とする請求項１又は６に記載のキーボード。
9. 前記キー（８２）は、キー上面（１３１）、変形可能で凸形のキー下面（１３３）及びフレキシブルなサスペンション（１３２）を有し、その結果、上からの機械的な圧力が、支持板（１３５）上に存在する信号検出要素（１３４）を押す位置に応じた位置で押された圧力に応じた支持面（１４１，１５１，１６１）によって起動させることを特徴とする請求項１に記載のキーボード。
10. 請求項１に記載のキーボードの信号を評価する方法において、
    キーが軽く接触した時に、複数の入力の形態が、ディスプレイ上に表示され、これらの入力の形態のうちの１つが、１つのカーソルによって強調されていて、このカーソルの位置が、このキー上の指の位置に対応することを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載のキーボードの信号を評価する方法において、
    前記表示される入力の形態は、前記キーの解放時に選択されることを特徴とする方法。
12. 請求項１０に記載のキーボードの信号を評価する方法において、
    前記表示される入力の形態は、１つのキーに対する上昇した押圧力によって選択されることを特徴とする方法。

Images