JP2019128745A - ユーザインタフェース装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 キーの押下速度を確実に検出することのできる操作性に優れたユーザインタフェース装置を安価に提供すること。【解決手段】 キーに対応する接点の接触の有無を検知するための回路パターンを有する基盤部と、基盤部上に設けられる弾性軟質絶縁部材の押しボタンと、押しボタンを押下するためのキー本体を有するカバーとを備え、前記押しボタンは、逆盃状の外枠部、該外枠部の内側底部の略中央に設けられ、外枠部の高さよりも短い柱状の第１の接点部と、第１の接点部を囲み第１の接点部よりも短い筒状の第２の接点部とを備え、第１の接点部および第２の接点部は夫々その開放端に導電部材を備えており、カバーのキー本体が押下されることにより、該キー本体下部の押しボタンが押下され、第１の接点部と第２の接点部の各導電部材が順に基盤部の前記回路パターンに接触する。【選択図】 図１

Description

本発明は、主にコンピュータ入力用のユーザインタフェース装置に係り、特にキーの押下速度（キータッチ）を検出することのできるユーザインタフェース装置に関する。

従来からコンピュータ装置へデータを入力するためのユーザインタフェース装置が提案されている。これらは多くの場合アプリケーションプログラム（以下、単に「アプリケーション」という。）に応じて専用のユーザインタフェースが設けられる。たとえば特許文献１では、ユーザインタフェースとして、電子ピアノなどのアプリケーションに好適な鍵盤スイッチを用いて音を発生させる電子鍵盤楽器が提案されている。この電子鍵盤楽器は、鍵盤を押下したときに高さの異なる２つのスイッチＳ１，Ｓ２が下側の基盤に接触する時間差から打鍵速度（ベロシティ）を検知して、当該打鍵速度に応じた音量を演算するというものである。

特許第３３７３６４７号公報

ところで、一回のキー操作において、異なるタイミングで複数のスイッチを動作させるような場合、如何に正確かつ確実に両方のスイッチを動作させるかという問題がある。
特許文献１に記載の鍵盤スイッチは、上下方向のみに動く可塑性素材で形成される鍵盤の下で動作するのであれば特に大きな問題とはならないと考えられるが、鍵盤の動きが少しでも横方向にずれたり斜めに傾いたりすると、その下の鍵盤スイッチＳ１，Ｓ２を斜め上方から押下することになり、長さの短いスイッチ素子Ｓ２が正常に基盤に接触しない虞がある。また、ユーザにとってはスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の両方をオンするには、どこまで鍵盤スイッチを押し込めばよいのかわかりづらいという問題もある。

本発明は上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、キーのオン・オフ情報のみならず、キーの押下速度を確実に検出することができ、ユーザ操作性に優れたユーザインタフェース装置を安価に提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のユーザインタフェース装置は、
キーに対応する接点の接触の有無を検知するための回路パターンを有する基盤部と、
前記基盤部上の前記キー位置に設けられる押しボタンと、
前記押しボタン上に設けられ、前記押しボタンを押下するためのキー本体を有するカバーと、を備えたユーザインタフェース装置であって、
前記押しボタンは、
逆盃状の外枠部と、該外枠部の内側底部の略中央に設けられ、外枠部内側の高さよりも短い柱状の第１の接点部と、前記第１の接点部を囲み、前記第１の接点部よりも短い筒状の第２の接点部と、を備え、
前記外枠部、前記第１の接点部、前記第２の接点部は、指で押したときに変形し易い程度の弾性、軟質性又は柔軟性を有する弾性軟質絶縁部材で形成され、
前記第１の接点部および前記第２の接点部は夫々その開放端に導電部材を備えており、
前記カバーのキー本体が押下されることにより、該キー本体下部の前記押しボタンが押下され、前記第１の接点部の導電部材、前記第２の接点部の導電部材が順に前記基盤部の前記回路パターンに接触することを特徴とする。

本発明では、第１の接点部よりも高さの短い第２の接点部を筒状に形成し、第１の接点部をその中に配置したので、斜め上方向からの押下動作に対しても、第２の接点部を確実に基盤に接触させることができる。

特にキー本体を含むカバーを厚紙やダンボールで形成した場合、押下時に撓みが生じる場合があるが、このような場合でも、確実に第１および第２の接点部を基盤部の回路パターンに接触させて、そのタイミング差を検知することができる。

また、ユーザにとっては、筒状の第２の接点が基盤に接触したときに、それまでと異なる安定的な抗力ないし反発力を感じることができ、いわゆる押し込み感を向上させることができる。

さらに本発明に係わるユーザインタフェース装置の基盤部は、前記第１の接点部および前記第２の接点部の接触タイミングを夫々検知し、該接触タイミングからキーの押下速度を演算し、キー識別情報、キーのオン・オフおよびキーの押下速度を含む入力データをＭＩＤＩ規格で出力するコントローラを備える。

なお、押しボタンの第２の接点部の導電部材を複数のパートに分割し、各パートをそれぞれ、基盤の回路パターンに接触させるようにしてもよい。たとえば、複数のパートの一つを押下速度の演算のために用い、他のパートをＬＥＤ表示に用いるようにすることもできる。このようにすれば、コントローラを介さずにＬＥＤを点灯させることができるので、コントローラの処理負荷を低減させることができる。

なお、第２の接点の導電部材を２つのパートに分割する場合は、好ましくは前記キー本体の支軸に対して垂直に存する絶縁領域により２つの導電部材に分かれるように形成するのがよい。このように第２の接点の導電部材を分割することにより、両方の導電部材を安定的に基盤に接触させることができる。

本発明においては、キーのオン・オフ情報のみならず、キーの押下速度を確実に検出することができ、またいわゆる押し込み感を向上させて操作性に優れたユーザインタフェース装置を安価に提供することが可能になる。

本発明の実施の形態によるユーザインタフェース装置の側面図である。 図１の押しボタン２の断面図である。 他の実施例１によるユーザインタフェース装置１の回路ブロック図である。 他の実施例１によるコントローラ４１の処理手順を示すフローチャートである。 他の実施例２によるユーザインタフェース装置１の回路ブロック図である。 図１の基盤部３上の回路パターンである。 ユーザインタフェース装置の一例である鍵盤の構成および組み立て方の説明写真である。図７（ａ）は黒鍵７２の写真、図７（ｂ）は白鍵７１の写真、図７（ｃ）は基盤部３に、鍵盤７を装着している作業状態を示す写真である。 図１の押しボタンの形状を示す写真であり、図８（ａ）は押しボタン２を斜め下方向から見た写真、図８（ｂ）は押しボタン２を斜め上方向から見た写真である。 本発明の実施の形態によるユーザインタフェース装置１の回路ブロック図である。

以下に本発明に係る音楽生成装置の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態によるユーザインタフェース装置１の側面図である。この図において、ユーザインタフェース装置１は、キーに対応する接点の接触の有無を検知するための配線である回路パターンを有する基盤部３、キー位置に対応して基盤部３上に設けられる押しボタン２、および押しボタン２上に設けられ、押しボタンを押下するためのキー本体７１，７２を有するカバー７を備えている。基盤部３とカバー７は、支柱８ａ，８ｂによって支えられている。基盤部３は、回路パターンのほか、押しボタン２の接点の接触情報を処理するための電子回路群４、並びにコンピュータ、タブレット端末、携帯端末などの外部装置と通信を行うためのインタフェース手段６を備えている。

キー本体７１，７２は任意の数だけ設けることができ、夫々のキー本体の下に配置される押しボタン２の外形は、盃を逆さにした形状をなし、シリコンゴムなどの弾性軟質性を有する絶縁部材で形成されている。

次に、この押しボタン２の構成を詳述する。
図２は押しボタン２の断面図、図８（ａ）は押しボタン２を斜め下方向から見た写真、図８（ｂ）は、押しボタン２を斜め上方向から見た写真である。

図２、図８に示すように、押しボタン２は、逆盃形状の外枠部２１と、該外枠部２１の内側底部２５の略中央に設けられ、外枠部２１の高さよりも短い柱状の第１の接点部２２と、この第１の接点部２２を囲み、第１の接点部２２よりも短い筒状の第２の接点部２３と、を備えている。

第１の接点部２２はその開放端に導電部材２２ａが設けられている。また、第２の接点部２３はその開放端に一定の隙間を介して導電部材２３ａ，２３ｂが設けられている。これらの導電部材は、導電印刷することにより容易に形成することができる。また、外枠部２１の下側には突起２４が設けられており、基盤部３に設けられた孔（図示せず）と嵌合する。

以下の説明において、カバー７としてダンボール製の鍵盤を例に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

鍵盤（カバー）７は、図７（ａ）に示す黒鍵７２と、図７（ｂ）に示す白鍵７１を有している。白鍵７１は、Ａの位置で先端を下方向へ折り曲げ、完全に折り曲げた後に孔７１ａに押しボタン２の頭部２１ａを嵌合させる。このようにすれば、基盤部３と、押しボタン２と、鍵盤７のズレを防止し、安定して継続操作できる。

図７（ｃ）は、基盤部３に、鍵盤７を装着している作業状態を示す写真である。基盤部３上の鍵盤７の白鍵７１、黒鍵７２に対応する位置に押しボタン２をセットし、その上から鍵盤７を被せ、上述したように白鍵７１の孔７１ａに押しボタン２の頭部２１ａを差し込んで、全体を安定させる。なお、鍵盤７は、ユーザの左右方向を支軸として動作する。これに対して、押しボタン２の第２の接点部２３の導電部材２３ａ，２３ｂ間の隙間（スリット）はユーザから見て前後方向に延び、その結果導電部材２３ａ，２３ｂ、およびこれら部材が接触する先の回路パターン部分３３ａ，３３ｂ（後述）はそれぞれユーザから見て左右方向、すなわち鍵盤７の支軸と平行に配置されている。

図６に、基盤部３の回路パターンを示す。符合３１は、押しボタン２が配置される領域である。ちなみに、回路パターン部分３２ａは、押しボタン２の第１の接点２２ａが接触する箇所である。同様に、回路パターン部分３３ａ，３３ｂは、それぞれ押しボタン２の第２の接点２３ａ，２３ｂが接触する箇所である。

回路パターン部分３２ａ，３３ａ，３３ｂは、それぞれ２方向からの回路パターンが櫛状に一定の隙間をもって互いにその歯間に入り込んだ形をしており、押しボタン２の接点２２ａ，２３ａ、２３ｂの導電部分が、それぞれ対応する回路パターン部分全体に接触することにより、前記２方向からの回路パターンが電気的に接続されるようになっている。

図９は、上記の構成を有するユーザインタフェース装置１の回路ブロック図である。符合９は、一つの押しボタン２に関係する回路（以下、「キー・ユニット」という。）を表している。各キー・ユニット９からの信号（ＩＮ）は、コントローラ４１に入力され演算処理される。また、コントローラ４１は、その他のスイッチ、すなわちコントロールチェンジ用スイッチ４２，機能変更用スイッチ４３などの各スイッチの状態を読み込み、所定の処理を実行する。例えば、ユーザインタフェース装置１を音楽用インタフェースとして機能させるような場合は、コントロールチェンジ用スイッチ４２の状態により、オクターブ上下させるなどの変更をするようにしてもよい。また、機能変更用スイッチ４３により、模擬する楽器を変更するようにしてもよい。

ユーザインタフェース装置１の電源は、たとえばＵＳＢ６１を介して、外部装置から給電することができる。キー操作の入力データは、ＵＳＢ６１あるいはブルートゥース（登録商標）などの無線通信Ｉ／Ｆ６２を介して外部装置へ送られる。

次に各キー・ユニットの回路構成について説明する。
押しボタン２の第１の接点部２２の導電部が接触する先の回路パターン（以下、単に「接点」という。）２２ａの一端は、抵抗Ｒ２を介して電源Ｐに接続されている。接点２２ａの他端はコントローラ４１の入力端に接続されると共に、抵抗Ｒ１の一端に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は０Ｖに接続（接地）されている。

第２の接点部２３の接点２３ａの一端は抵抗Ｒ１と接点２２ａの接続点に接続され、接点２３ａの他端は電源Ｐに接続されている。また、接点２３ｂの一端は、電源Ｐ、抵抗Ｒ３を介してＬＥＤと接続し、接点２３ｂの他端は接地されている。

ここで、コントローラ４１は、電源電圧（たとえば５Ｖ）、接地電圧（たとえば０Ｖ）の他、中間電圧（たとえば２Ｖ）付近の３段階の電圧レベルを判別可能になっており、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の比は、接点２２がオンしたときに、コントローラ４１が中間電圧を検出できるように予め定める。

図９に示す回路は、キーが解放状態のとき、すなわち押しボタン２が押されていないときは、コントローラ４１の入力端は抵抗Ｒ１を介して０Ｖに接続されているため、その入力値は接地電圧［０Ｖ］になる。そして、押しボタン２が押され、接点２２ａがオンすると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の分圧電圧がコントローラ４１に入力されるため、入力値は中間電圧［２Ｖ］になる。コントローラ４１は、入力値が中間電圧になったことを検知すると内部タイマを起動する。

そして、押しボタン２がさらに押し込まれ、接点２３ａがオンすると、コントローラ４１の入力端は電源電圧［５Ｖ］なる。このとき、略同時に接点２３ｂもオンするため、ＬＥＤが点灯する。コントローラ４１は、この時点で内部タイマの値からベロシティを演算し、ノートオンおよびベロシティをＵＳＢ６１あるいは無線通信Ｉ／Ｆ６２経由で外部装置へ送信する。すなわち中間電圧から電源電圧になる時間が早いほど大きなベロシティ数値で出力することになる。
キー解放時は、接地電圧［０Ｖ］になった時に音を止める「ノートオフ」を出力する。

（応用例）
上記の動作は一例であり、本実施の形態によるユーザインタフェース装置１は、アプリケーションによって多様な使い方が可能である。たとえば、一般的なピアノやオルガンと同じように、メロディや和音を演奏する機能のほか、打楽器的に音程とは無関係にノートオンデータを外部装置のアプリケーションに対して送ることも可能である。この場合は音の長さのパラメータは必要ないので、たとえば２０ミリ秒後にコントローラ４１が自動的にノートオフを出力するようにする。

また、基盤部３の上部にあるコントロールチェンジ用スイッチ４２としてタクトスイッチを用い、音に変調をかけるモジュレーションやベンドといったパラメータを出力するようにしてもよい。基盤部３の右手にある機能変更用スイッチ（ファンクションスイッチ）４３を押すことにより、押しボタン２が特別な機能モードとなり、ミディチャンネルの変更やコントロールチェンジの番号の変更などができるようにしてもよい。

（効果）
以上、本実施の形態によれば、キー押下操作時にオンタイミングの異なる２接点において、後からオンする第２の接点部を筒状に形成したので、ユーザにとっては、第２の接点が基盤に接触したときに、それまでの押下状態での感覚と異なる安定的な抗力ないし反発力を感じることができ、いわゆる押し込み感を向上させることができる。なお押しボタンを形成する弾性軟質絶縁部材の硬度を変えたり、第２の接点部の円筒の厚さを変えるなどの調整をすることにより、最適な押し込み感を実現することができる。

またキー本体を含むカバーを厚紙やダンボールで形成した場合、押下時に撓みが生じる場合があるが、このような場合でも、確実に第１および第２の接点部を基盤部の回路パターンに接触させて、そのタイミング差を検知することができる。

（他の実施例１）
次に、図９の回路の他の実施例を説明する。本実施例は、コントローラ４１の入力は、［１］（Ｈレベル），［０］（Ｌレベル）の２値を前提としたものである。

図３は、本実施例の回路ブロック図である。図９との違いは、第２の接点部２３の接点２３ａの一端は抵抗Ｒ１と接点２２ａの接続点に接続され、接点２３ａの他端が接地されていることである。その他の接続関係は図９と同様であるため説明を省略する。
なお、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の比は、接点２２がオンしたときに、コントローラ４１が［１］を検出できるように設定される。

図３に示す回路は、キーが解放状態のとき、すなわち押しボタン２が押されていないときは、コントローラ４１の入力端は抵抗Ｒ１を介して０Ｖに接続されているため、その入力値は［０］になる。そして、押しボタン２が押され、接点２２ａがオンすると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の分圧電圧がコントローラ４１に入力されるため、入力値は［１］になる。押しボタン２がさらに押し込まれ、接点２３ａがオンすると、コントローラ４１の入力端は０Ｖに直接接地されることになるため、入力値は［０］になる。このとき、略同時に接点２３ｂもオンするため、ＬＥＤが点灯する。

その後、キー解放時は、押しボタン２の弾性復元力により、まず押しボタン２の接点２３ａがオフとなり、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の分圧電圧がコントローラ４１に入力されるため、入力値は［１］に変化する。また、接点２３ｂもオフとなりＬＥＤは消灯する。さらに、解放され接点２２ａもオフになると、コントローラ４１の入力値は［０］になる。

次に、図４を用いて、押しボタン２を押下時のコントローラ４１の処理手順についてその一例を説明する。以下の手順は、すべてのキーについて実行される（Ｓ１０１ａ，Ｓ１０１ｂ）。

コントローラ４１は、入力値＝［１］を検出すると（Ｓ１０２で「ＹＥＳ」）、キーごとに設けられたタイマをリスタートして（Ｓ１０３）、当該キーの入力値が［０］になったか否かを判定する（Ｓ１０４）。その結果、入力値が［０］になった場合は、前記タイマの値を読み込み（Ｓ１０７）、この値をもとにベロシティを演算し、当該キーナンバーのノートオンやベロシティをＭＩＤＩ規格で送信するなどキーオン時の所定の処理を実行する（Ｓ１０９）。

その後、当該キーの入力値が［１］に変化した場合は（Ｓ１１０で「ＹＥＳ」）、さらに当該キーの入力値が［０］に変化したか否かを判定し（Ｓ１１３）、［０］に変化した場合は、当該キーがオフしたと判定し、所定の処理を実行する（Ｓ１１６）。たとえば、ＭＩＤＩ規格で、当該キーナンバーのノートオフを送信するなどである。

上記の処理において、ステップＳ１０４、ステップＳ１１０、ステップＳ１１３の判定処理は、一連のキー操作の過程で当然に入力値の変化が期待されるものであるため、一定時間変化が無い場合は、所定のエラー処理を実行する。なお、タイムアウト時間をキーごとにパラメータとしてコントローラ４１の記憶部に保存しておきは、各ステップやアプリケーションによって設定するのが好ましい。

（他の実施例２：比較例）
図５に回路ブロックの比較例を示す。この例は、押しボタン２の接点２２ａと接点２３ａのオン・オフ状態を独立して検知するものである。図５の構成によっても、押しボタン２の押下速度を検知することができるが、コントローラ４１へはキー・ユニットごとに２つの信号（ＩＮ１，ＩＮ２）を入力する必要がある。図３，図９の構成は、この入力信号数を削減する効果がある。

本発明のユーザインタフェース装置は、上述した実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しないで種々変形して実現することができる。たとえば、カバー７は、鍵盤に限らず、テレビのリモコンや照明の制御などに適したキー形状およびキー配列にすることができる。この場合も基盤部は、ブルートゥース（登録商標）・キーボードなど汎用のキーボード用い、その上に上述した押しボタンを搭載して実現することができる。なお、押しボタン２の第２の接点部は２つに分割しなくても本発明の目的を達成できることは明白である。また第１の接点部は第２の接点部の筒状内にあればよく、その形状には限定されない。たとえば柱状でなく筒状であってもよい。

本ユーザインタフェース装置は、制作過程も楽しいダンボール製の音楽キーボード・キットとして実現することができる。その風合いや紙を折り曲げる様は、伝統的な日本の「折り紙」に似ている。構造を楽しみながら、押しボタンを取り付け、鍵盤を組み立てると瞬く間に完成する。

このユーザインタフェース装置は簡単にコンピュータやスマートフォンと接続出来るので、シンセサイザーなどのアプリケーションを使って音を鳴らしたり、デジタルオーディオワークステーション（ＤＡＷ）上で音楽作品を作り出すことが可能となる。さらに内蔵サウンドジェネレータやスピーカ等の音響生成回路４４を搭載することにより、ＵＳＢ６１で電源を供給するだけで音楽を楽しむことも可能になる。

また、特定のキー（例えばファンクションキー）を押すことによりコントローラ４１の機能を変えたり、ＵＳＢ６１経由で外部のコンピュータ装置からソフトウェアをコントローラ４１へ送り、コントローラ４１の機能を変えることができる。

これにより、ユーザインタフェース装置１を音楽のキーボードとして使用したり、照明の制御やテレビのリモートコントロール装置として用いるなど、広く家電のコントローラとして利用することができる。

１ ユーザインタフェース装置
２ 押しボタン
３ 基盤部
４ 電子回路群
６ インタフェース手段
７ カバー（鍵盤）
８ａ，８ｂ 支柱
９ キー・ユニット
２１ 外枠部
２１ａ 頭部
２２，２３ 接点部
２２ａ，２３ａ，２３ｂ 導電部材（接点）
２４ 突起
２５ 内側底部
３２ａ，３３ａ，３３ｂ 回路パターン部分
４１ コントローラ
４２ コントロールチェンジ用スイッチ
４３ 機能変更用スイッチ
４４ 音響生成回路
６１ ＵＳＢ
６２ 無線通信Ｉ／Ｆ
７１ 白鍵（キー本体）
７２ 黒鍵（キー本体）
７１ａ 孔

Claims (5)

1. キーに対応する接点の接触の有無を検知するための回路パターンを有する基盤部と、
   前記基盤部上の前記キー位置に設けられる押しボタンと、
   前記押しボタン上に設けられ、前記押しボタンを押下するためのキー本体を有するカバーと、
   を備えたユーザインタフェース装置であって、
   前記押しボタンは、
   逆盃伏の外枠部と、該外枠部の内側底部の略中央に設けられ、外枠部内側の高さよりも短い柱状の第１の接点部と、前記第１の接点部を囲み、前記第１の接点部よりも短い筒状の第２の接点部と、を備え、
   前記外枠部、前記第１の接点部、および前記第２の接点部は、軟質性又は柔軟性を有する弾性軟質絶縁部材で形成され、
   前記第１の接点部および前記第２の接点部は夫々その開放端に導電部材を備えており、
   前記カバーのキー本体が押下されることにより、該キー本体下部の前記押しボタンが押下され、前記第１の接点部の導電部材と前記第２の接点部の導電部材とが順に前記基盤部の前記回路パターンに接触することを特徴とするユーザインタフェース装置。
2. 前記基盤部は、前記第１の接点部および前記第２の接点部の接触タイミングを夫々検知し、該接触タイミングからキーの押下速度を求め、キー識別情報、キーのオン・オフおよびキーの押下速度を含む入力データをＭＩＤＩ規格で出力するコントローラを備えたことを特徴とする請求項１に記載のユーザインタフェース装置。
3. 前記押しボタンの前記第２の接点の前記導電部材は、前記キー本体の支軸に対して垂直に存する絶縁領域により２つの導電部材に分かれ、前記基盤部の前記回路パターンは、前記第２の接点の前記２つの導電部材の夫々の接触状態を検知可能に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のユーザインタフェース装置。
4. 前記カバーは、厚紙あるいはダンボールによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のユーザインタフェース装置。
5. 前記カバーは、電子ピアノの鍵盤であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のユーザインタフェース装置。