JP2015179577A - キーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能なキーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器を提供すること。【解決手段】キーボード装置は、ベースと、前記ベースの上面側に上下動可能に配設されたキートップと、前記ベースと前記キートップ間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、前記ベースと前記キートップ間に配置され、前記キートップの位置を検出するための位置センサと、前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出されたキートップの位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、キーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器に関する。

ノートＰＣ等の電子機器に用いられるキーボード装置は、通常、ベースプレートと、ベースプレートの上面又は下面に設けられたメンブレンシートと、ベースプレートの上面側にパンタグラフにより上下動可能に配設されたキートップとを備える。このようなキーボード装置では、キートップが押下された場合にメンブレンシートの接点が接離することで押下されたキーに該当する信号が出力され、キートップの押下が解除されると内部に設けたラバードーム（弾性部材）の弾性力によってキートップが元の位置に復帰する。

上記キーボード装置は、パンタグラフとラバードームによる構成により、ユーザがキートップを押したときに好適な反発力（付勢力）があり、高いユーザビリティを実現している。しかしながら、ラバードーム等を使用しているため薄型化が困難である。他方、現在の薄型のキーボード装置では、内部にアクチュエータを入れて、キーが押されたときに、ハプティック・フィードバック（振動）を与えるものがある。しかしながら、振動はキーのクリックとは感触が異なり、好適な反発力がなくユーザビリティがよくないという問題がある。

米国出願公開２０１３／０３３５３５４ 米国出願公開２０１１／００３８６２５

Towards multi-finger haptic devices: A computer keyboard with adjustable force feedback（http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=6073855&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F6059525%2F6073288%2F06073855.pdf%3Farnumber%3D6073855）

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能なキーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ベースと、前記ベースの上面側に上下動可能に配設されたキートップと、前記ベースと前記キートップ間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、前記ベースと前記キートップ間に配置され、前記キートップの位置を検出するための位置センサと、前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出されたキートップの位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記フィルムアクチュエータは、圧電フィルムと非圧電フィルムを積層した構造を有することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記位置センサは、前記フィルムアクチュエータと同じ材料で構成されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記位置センサは、距離センサ又は静電センサであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段は、前記キートップの位置と前記フィルムアクチュエータの反発力との関係を規定するフォースカーブを備えており、当該フォースカーブを参照して、前記位置センサで検出された位置に対応した前記フォーカスアクチュエータの反発力を算出し、算出した反発力を発生させるための電圧を前記フィルムアクチュエータに印加することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記フォーカスカーブは任意に設定可能であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段は、前記キーボード装置がアクティブとなる場合に、前記フィルムアクチュエータに初期印加電圧を印加し、前記キーボード装置が非アクティブとなる場合に、前記フィルムアクチュエータに印加電圧をＯＦＦすることにより、前記アクティブの場合には前記非アクティブの場合よりも、前記キートップの前記ベースに対する高さを高くすることが望ましい。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ベースと、前記ベースの上面側に上下動可能に配設された操作部材と、前記ベースと前記操作部材間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、前記ベースと前記操作部材間に配置され、前記操作部材の位置を検出するための位置センサと、前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出された操作部材の位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能なキーボード装置を提供することが可能になるという効果を奏する。

図１は、本実施の形態に係るキーボード装置を適用した電子機器であるノートＰＣ１０の概略の外観図である。 図２は、キーボード装置のキーの反発力を説明するための原理図である。 図３−１は、フィルムアクチュエータの原理を説明するための説明図である。 図３−２は、キーのトップ位置とボトム位置を説明するための説明図である。 図４は、フィルムアクチュエータ制御回路の構成例を示す図である。 図５は、フォースカーブテーブルとキートップの位置の関係を説明するための説明図である。 図６は、キーボードコントローラによるフィルムアクチュエータの反発力の制御に関する処理の概略を説明するためのフローチャートである。 図７−１は、キーボード装置に設けられたキーを上方から見た分解斜視図である。 図７−２は、キートップがトップ位置にある場合のキーの斜視図、そのＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示す図である。 図７−３は、キートップがボトム位置にある場合のキーの斜視図、そのＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示す図である。

以下に、この発明にかかるキーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器を図面に基づいて詳細に説明する。本発明の構成要素は、本明細書の図面に一般に示してあるが、様々な構成で広く多様に配置し設計してもよいことは容易に理解できる。したがって、本発明の装置、システム及び方法の実施形態についての以下のより詳細な説明は、特許請求の範囲に示す本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の選択した実施形態の一例を示すものであって、本明細書の特許請求の範囲に示す本発明と矛盾無く装置、システム及び方法についての選択した実施形態を単に示すものである。当業者は、特定の細目の１つ以上が無くても、又は他の方法、部品、材料でも本発明を実現できることが理解できる。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの又は実質的に同一のものが含まれる。下記の実施の形態と変形例はそれぞれ単独で実施してもよく、また、その一部又は全部を組み合わせて実施してもよい。

図１は、本実施の形態に係るキーボード装置を適用した電子機器であるノートＰＣ１０の概略の外観図である。ノートＰＣ１０は、同図に示すように、いずれも略直方体である本体側筐体１４及びディスプレイ側筐体１２を備える。本体側筐体１４及びディスプレイ側筐体１２は、それぞれの端部で左右の一対のヒンジ２０によって連結されており、ヒンジ２０は、これらの筐体を開閉自在に支持している。

ディスプレイ側筐体１２は、ディスプレイ１８を備える。ディスプレイ１８は、例えば、タッチパネル式の液晶表示装置によって構成される。本体側筐体１４は、内部には、キーボード装置１６の動作を制御するキーボードコントローラ（図４参照）、装置全体を制御するメインコントローラ、ディスプレイ１８を制御するディスプレイコントローラ等の各種電子部品を搭載した基板（不図示）が収納されると共に、キーボード装置１６が上面で露出している。

キーボード装置１６は、複数のキー（キースイッチ）２２と、各キー２２の操作面を構成するキートップ２４の周囲の隙間を埋めるフレーム（アイソレーションフレーム）２６とを備えたアイソレーション型のキーボード装置である。すなわち、キーボード装置１６では、各キートップ２４は、隣接する他のキートップ２４との間がフレーム２６によって区画され、それぞれが独立した配置となっている。

フレーム２６は、樹脂等で形成された１枚の板状部材に各キー２２のキートップ２４を挿通させる複数の孔部が形成された枠体である。

キーボード装置１６は、キーボードコントローラに接続されており、操作者が、キートップ２４を押下すると、メンブレンシート（不図示）の接点が接離することで（キースイッチがＯＮの状態）押下されたキー２２に対応する信号がキーボードコントローラに出力される。

本実施の形態では、キーボード装置１６を薄型化しつつキートップ２４を押下した場合にユーザにとって好適な反発力を生成するために、キーボード装置１６にフィルムアクチュエータを使用している。

図２は、キーボード装置１６のキー２２の反発力を説明するための原理図である。キー２２は、図２に示すように、キートップ２４と、フィルムアクチュエータ３１と、キートップ２４の位置を検出する位置センサ３２と、クッションプレート３３と、ベースプレート３４とを備えている。同図では、説明を簡単にするためにスイッチ機構（メンブレンシート等）の図示は省略している。

キートップ２４は、その表面がキー２２を押下する際に操作者が押圧する操作面となっている。フィルムアクチュエータ３１は、キートップ２１が押下された際に、キートップ２４を元の場所に復帰させる方向に反発力（付勢力）を与えるものである。フィルムアクチュエータ３１の両端側はベースプレート３４に固定されている。

図３−１は、フィルムアクチュエータ３１の原理を説明するための説明図である。図３−２は、キートップ２６のトップ位置とボトム位置を説明するための説明図である。図３−１において、フィルムアクチュエータ３１は、例えば、圧電ポリマー３１ａとＰＥＴフィルム等の非圧電フィルム３１ｂとを２枚張り合わせた構造であり（例えば、ＥＭＰ（Electrical-Mechanical Polymers)アクチュエータ）、電圧の印加によって圧電ポリマー３１ａが伸びることで、ＰＥＴフィルム３１ｂが曲がることを利用している。同図のａは圧電ポリマー３１ａに電圧が印加されていない状態、ｂは圧電ポリマー３１ａに電圧が印加されている状態を示している。

図３−２において、フィルムアクチュエータ３１は、（ａ）に示すように、電圧が印加されていない状態ではフィルムアクチュエータ３１は伸張しないため、キートップ２４を押し上げず、キートップ２４がボトム位置となる。フィルムアクチュエータ３１は、（ｂ）に示すように、初期電圧が印加されると、伸張することにより曲がり、キートップ２４を上方に押し上げ、キートップ２４がトップ位置となる。このトップ位置を基準位置（スタート位置）と称する。キートップ２４の位置はＸ_１方向をプラス方向と規定する（図５参照）。

位置センサ３２は、キートップ２４の位置を検出するためのものであり、例えば、フィルムアクチュエータ３１と同じ材料を使用することができる。フィルムアクチュエータを曲げると圧電ポリマー３１ａの分極が揃って分極電位が発生するため、その電位を測定することで、キートップ２４の位置を検出することが可能である。位置センサ３２として、フィルムアクチュエータを使用する場合（以下、「フィルムセンサ３２」と称する）は、フィルムセンサ３２の両端側はベースプレート３４に固定し、キートップ２４の位置（高さ）がフィルムセンサ３２の曲げに1対1に対応するように構成する。なお、位置センサ３２として、フィルムセンサを使用する例を説明したが、静電センサや距離センサを使用することにしてもよい。

図４は、フィルムアクチュエータ３１の反発力の制御に関するフィルムアクチュエータ制御回路の構成例を示す図である。フィルムアクチュエータ制御回路は、図４に示すように、キーボードコントローラ４０と、ドライバ４１と、アンプ４２を備えている。キーボードコントローラ４０は、フィルムセンサ３２の検出電圧に基づいて、キートップ２４の位置を検出し、キートップ２４の位置に対応した反発力を発生するための電圧をフィルムアクチュエータ３１に印加する。

キーボードコントローラ４０は、キートップ位置算出用テーブル４０ａと、フォースカーブテーブル４０ｂと、フィルムアクチュエータ特性テーブル４０ｃと、を備えている。キートップ位置算出用テーブル４０ａは、フィルムセンサ３２の検出電圧とキートップ４２の位置（高さ）との関係を規定したテーブルである。フォースカーブテーブル４０ｂは、キートップ２４の位置と、フィルムアクチュエータ３１で発生させる反発力との関係を規定したテーブルである。フィルムアクチュエータ特性テーブル４０ｃは、フィルムアクチュエータ３１で発生させる反発力と、フィルムアクチュエータ３１に印加する駆動電圧との関係を規定したテーブルである。これらのテーブルは、実験やシミュレーション等によって算出したものである。

ドライバ４１は、キーボードコントローラ４０から出力される電圧を増幅して、フィルムアクチュエータ３１に印加する。アンプ４２は、フィルムセンサ３２の検出電圧を増幅してキーボードコントローラ４０に出力する。

図５は、フォースカーブテーブル４０ｂとキートップ２４の位置の関係の一例を説明するための説明図である。図５に示すフォースカーブの例は、ラバードームと同じようなフォーカスカーブとしたものであり、フォーカスカーブの形状は任意に設定（プログラム）可能である。フォースカーブテーブル４０ｂは、キートップ２４を押す方向（往路）とキートップ２４を戻す方向（復路）でフォースカーブを変更してもよく、キートップ２４を戻す方向では、キートップ２４を押す方向よりも反発力を小さくしてもよい。

図５において、スタート位置は、フィルムアクチュエータ３１に初期電圧が印加されて、キートップ２４が押し上げられてトップ位置（基準位置）にある状態（ａ）である。キートップ２４を押していくと、フィルムアクチュエータ３１の反発力が徐々に上昇し（ｂ）、例えば、キースイッチがＯＮの状態となる位置で、反発力をピークとし（ｃ）、その後、反発力を低下させた後（ｄ）、再び、反発力を増加させていき（ｅ）、エンド位置まで上昇させる。

なお、複数のフォースカーブ（例えば、反発力の小さいフォースカーブ、反発力の大きいフォースカーブ等）を用意して、ユーザの好みに応じて選択可能な構成としてもよい。

図６は、キーボードコントローラ４０によるフィルムアクチュエータ３１の反発力の制御に関する処理の概略を説明するためのフローチャートである。キーボードコントローラ４０は、図６のフローチャートに示す処理を所定周期で繰り返し実行する。図６において、キーボードコントローラ４０は、アンプ４２を介してフィルムセンサ３２の検出電圧を取得する（ステップＳ１）。上述したように、フィルムセンサ３２の検出電圧はキートップ２４の位置と対応しているので、フィルムセンサ２４の電圧を検出することで、キートップ２４の位置を検出可能である。キーボードコントローラ４０は、キートップ位置算出用テーブル４０ａを参照して、取得した検出電圧に対応するキートップ２４の位置を算出する（ステップＳ２）。

キーボードコントローラ４０は、フォースカーブテーブル４０ｂを参照して、算出したキートップ２４の位置に対応するフィルムアクチュエータ３１の反発力を算出する（ステップＳ３）。続いて、キーボードコントローラ４０は、フィルムアクチュエータ特性テーブル４０ｃを参照して、算出したフィルムアクチュエータ３１の反発力に対応するフィルムアクチュエータ３１に印加する電圧を算出する（ステップＳ４）。この後、キーボードコントローラ４０は、ドライバ４１を介して算出した電圧をフィルムアクチュエータに印加する（ステップＳ５）。これにより、フィルムアクチュエータ３１には、キートップ２４の位置に応じた反発力が生じる。

なお、ここでは、キートップ２４の位置、フィルムアクチュエータ３１の反発力、及びフィルムアクチュエータ３１に印加する電圧を、テーブルを使用して算出しているが演算式を使用して算出してもよい。また、キートップ２４の位置に対応するフィルムアクチュエータ３１の反発力を発生させるための電圧を、フォースカーブテーブル４０ｂとフィルムアクチュエータ特性テーブル４０ｃの２つの２次元テーブルを使用して算出しているが、キートップ２４の位置と、フィルムアクチュエータ３１の反発力と、フィルムアクチュエータ３１に印加する電圧との関係を規定する３次元のテーブルを使用して算出することにしてもよい。

次に、本実施形態に係るキーボード装置１６の概略の構成例について説明する。図７−１は、キーボード装置１６に設けられたキー２２を上方から見た分解斜視図である。図７−２は、キートップ２６がトップ位置にある場合のキー２２の斜視図、そのＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示す図である。図７−３は、キートップ２６がボトム位置にある場合のキー２２の斜視図、そのＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示す図である。図７−１〜図７−３において、説明の簡素化のため、キー２２のスイッチに関する構成の図示は省略している。

図７−１〜図７−３において、キートップ２１は、略矩形板状に形成され、その表面はユーザが押圧する操作面となっている。フレーム２６は、樹脂等で形成されており、キートップ２４を挿通させる孔部が形成された枠体である。

ガイド機構（パンタグラフ）５１は、押下操作に伴うキートップ２４の上下移動をガイドするものである。換言すると、ガイド機構５１は、キートップ２４の押下移動及び復帰移動をガイドするものである。ガイド機構５１は、第一リンク部材と第二リンク部材とを有している。第一リンク部材と第二リンク部材は、互いに交差するように配設されている。第一リンク部材と第二リンク部材は、交差している部分の中心部において、軸５１ａを介して互いに連結され、この軸５１aを中心に回動するようになっている。第一リンク部材は、一端部がベースプレート３４の係止部３４ａに軸支され、他端部がキートップ２４の裏面に当接されている。第二リンク部材は、一端部がベースプレート３４の係止部３４ｂに軸支され、他端部がキートップ２４の裏面に当接されている。

フィルムアクチュエータ３１は、同一形状のフィルムセンサ３２が積層されている。フィルムアクチュエータ３１は、キートップ２４の位置に応じた反発力を発生する弾性部材であり、ベースプレート３２とキートップ２４との間に配設され、キートップ２４に作用する部分がガイド機構５１の内周を挿通している。フィルムアクチュエータ３１は、キートップ２４の下面に接すると共に、キートップ２４に作用する部分の両端部はベースプレート３２の受け部３４ｃに固定されている。

ベースプレート３４は、ユーザのキータッチに耐え得る剛性を有する部材、例えば金属製で有り、略板状に形成されている。ベースプレート３４上には、係止部３４ａ、３４ｂ、及び受け部３４ｃが形成されている。

キートップ２４は、図７−３に示すように、フィルムアクチュエータ３１に電圧が印加されていない状態では、フィルムアクチュエータ３１が伸張していないので、ボトム位置となり、フレーム２６に対して低い位置となる。また、キートップ２４は、図７−２に示すように、フィルムアクチュエータ３１に初期電圧が印加されている状態では、フィルムアクチュエータ３１が伸張して、キートップ２４を上方に押してトップ位置となり、フレーム２６に対して高い位置となる。

なお、キーボードコントローラ４０は、キーボード装置１６がアクティブとなる場合（例えば、本体電源ＯＮ時、スリープ状態から復帰した場合等）に、フィルムアクチュエータ３１に初期印加電圧を印加し、キーボード装置１６が非アクティブとなる場合（本体電源ＯＦＦ時、スリープ状態の場合、本体側筐体１４に対してディスプレイ側筐体１２が３６０度回転可能な構成においてタブレット構成（本体側筐体１４のキーボード装置１６が露出している構成）となった場合等）に、フィルムアクチュエータ３１へ印加する電圧をＯＦＦとすることにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ベースプレート３４と、ベースプレート３４の上面側に上下動可能に配設されたキートップ２４と、ベースプレート３４とキートップ２４間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータ３１と、ベースプレート３４とキートップ２４間に配置され、キートップ２４の位置を検出するためのフィルムセンサ３２と、フィルムアクチュエータ３１に電圧を加えて、位置センサで検出されたキートップ３１の位置に応じた反発力を発生させるキーボードコントローラ４０と、を備えているので、安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能となる。付言すると、ラバードームを使用した構成に比して、より薄型化が可能であり、また、ハプティック・フィードバックによる振動を使用した場合よりも、キートップを押した場合の好適な反発力を得ることができてユーザビリティを向上でき、さらに、電磁コイル機構により反発力を生成する構造よりも、安価かつ簡単な構成とすることができる。

なお、上記実施の形態では、フィルムアクチュエータ３１による反発力を発生する機構をキーボード装置１６に適用したが、本発明はこれに限られるものではなく、電子機器等に搭載される押しボタン装置にも適用可能である。この場合、押しボタン装置は、ベースと、ベースの上面側に上下動可能に配設された操作部材と、ベースと操作部材間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、ベースと操作部材間に配置され、操作部材の位置を検出するための位置センサと、フィルムアクチュエータに電圧を加えて、位置センサにより検出された操作部材の位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えた構成を基本構成とすることができる。

また、上記実施の形態では、キーボード装置をノートＰＣに適用した場合について説明したが、単体のキーボード装置にも適用可能であり、また、電子機器はノートＰＣに限られるものではなく、携帯電話、ＰＤＡ等のキーボードを備えた他の電子機器にも適用可能である。

１０ ノートＰＣ
１２ ディスプレイ側筐体
１４ 本体側筐体
１６ キーボード装置
１８ ディスプレイ
２０ ヒンジ
２２ キー
２４ キートップ
２６ フレーム
３１ フィルムアクチュエータ
３２ フィルムセンサ（位置センサ）
３４ ベースプレート
４０ キーボードコントローラ
４０ａ キートップ位置算出用テーブル
４０ｂ フォースカーブテーブル
４０ｃ フィルムアクチュエータ特性テーブル
４１ ドライバ
４２ アンプ

Claims (9)

1. ベースと、
   前記ベースの上面側に上下動可能に配設されたキートップと、
   前記ベースと前記キートップ間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、
   前記ベースと前記キートップ間に配置され、前記キートップの位置を検出するための位置センサと、
   前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出されたキートップの位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とするキーボード装置。
2. 前記フィルムアクチュエータは、圧電フィルムと非圧電フィルムを積層した構造を有することを特徴とする請求項１に記載のキーボード装置。
3. 前記位置センサは、前記フィルムアクチュエータと同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のキーボード装置。
4. 前記位置センサは、距離センサ又は静電センサであることを特徴とする請求項１又は２に記載のキーボード装置。
5. 前記制御手段は、前記キートップの位置と前記フィルムアクチュエータの反発力との関係を規定するフォースカーブを備えており、当該フォースカーブを参照して、前記位置センサで検出された位置に対応した前記フォーカスアクチュエータの反発力を算出し、算出した反発力を発生させるための電圧を前記フィルムアクチュエータに印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のキーボード装置。
6. 前記フォーカスカーブは任意に設定可能であることを特徴とする請求項５に記載のキーボード装置。
7. 前記制御手段は、前記キーボード装置がアクティブとなる場合に、前記フィルムアクチュエータに初期印加電圧を印加し、前記キーボード装置が非アクティブとなる場合に、前記フィルムアクチュエータに印加電圧をＯＦＦすることにより、前記アクティブの場合には前記非アクティブの場合よりも、前記キートップの前記ベースに対する高さを高くすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のキーボード装置。
8. ベースと、
   前記ベースの上面側に上下動可能に配設された操作部材と、
   前記ベースと前記操作部材間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、
   前記ベースと前記操作部材間に配置され、前記操作部材の位置を検出するための位置センサと、
   前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出された操作部材の位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする押しボタン装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のキーボード装置を搭載したことを特徴とする電子機器。

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