JP4517392B2 - アナログポインティングデバイス - Google Patents

Description

本発明は、アナログポインティングデバイスに関し、特に、複合動作をするアナログポインティングデバイスに関する。

コンピュータのＵＩ（ユーザーインタフェース）として、独立的に可動である多数のキーを含むキーボードが用いられている。携帯電話器のような携帯端末機器では、キー数の低減が求められる。より一層に小型化が要求される昨今の携帯端末機器では、操作キーの単一化が進められている。そのような単一キーは、弾性シートに支持されて操作面に対して垂直に可動的である。弾性シートは、防水、防塵の機能を有している。単一キーの操作により駆動されるスイッチとして、特許文献１に示されるように、ドームスイッチが用いられる。ドームスイッチは、動作状態と非動作状態の力学的区別が明確であり、クリック感に優れている。操作キーの一層の単一化のためには、操作面直交方向運動（出没運動）に面内２次元運動（スライド運動）が追加される。操作面直交方向運動は２値信号を生成し、面内２次元運動は４方向（正負２方向）連続量信号を生成する。４方向連続量信号は、表示面内４方向カーソル移動のような２次元座標を決定する。２値信号は、機能動作のオンオフのような選択を決定する。

このようなアナログポインティングディバイス（入力装置）では、垂直運動と面内運動との操作上の区別が重要であり、操作間違いを回避するための操作の確実性が強く求められる。その確実性を得るためには、摩擦抵抗が小さく操作に無理がない操作の円滑性が重要である。そのような円滑性は、スイッチング機構がますます小型化される筐体の中に安定的に収納される条件を満たしていなければならない。

４方向連続信号を得るための技術として、特許文献２にみられる静電容量変化型と、特許文献３に見られる磁束変化型とが知られている。垂直運動の確実性は、ドームスイッチの使用により、磁束変化型と静電容量変化型とで大差はない。その面内運動の変位量が少ない静電容量変化型の面内運動の確実性は、面内運動の変位量が多い磁束変化型の面内運動の確実性に要求される厳しい精度は要求されない。静電容量変化型の相対的可動部位に求められる運動は、主として相対的可動電極の面直交方向隙間の変化であり、面内方向の摺動運動（スライド運動）の変化ではない。

磁束変化型の操作キーは、垂直運動の正確さとともに面内運動の正確さが求められる。歳差運動を含む単一キーの３次元的運動を発生させる指操作は、回転的傾斜運動を発生させる。回転的傾斜運動が生じれば、単一キーを囲む筐体、単一キーを支持する弾性シート、その他の構造部位の互いの接触により、摩擦抵抗の増大、ひっかかりのような予測不可能な現象が生じる。このような現象は、垂直動作と面内動作との間の混乱を招き、カーソル移動の意図の指操作が電話帳検索のような機能動作を不本意に招く恐れがある。特許文献３は、このような恐れを解消するために、突起を設けることにより単一キーの傾斜運動を防止する技術を提供している。このような突起は、傾斜運動を強制的に防止するが、垂直運動を拘束している。

垂直運動と面内運動の両運動の確実性を保証する技術の提供が求められる。

特開２００３−１１４７５７号 特開２００３−１５０３１１号 特開２００４−６２４４７号

本発明の課題は、垂直運動と面内運動の両運動の確実性を保証するアナログポインティングデバイスを提供することにある。
本発明の他の課題は、更に、その両運動が円滑であるアナログポインティングデバイスを提供することにある。

本発明によるアナログポインティングデバイスは、本体部位（８）の基準面（Ｓ）に対して３次元的に変位する複合運動キー（４）を含んでいる。変位体（３３）は、複合運動キー（４）に対して固着され基準面に対して３次元的に変位する。固定体（３４）は、基準面に対して固着されている。変位体（３３）は、変位位置と復原位置の間で変位し弾性復元力により変位位置から復原位置に復原する。複合運動キー（４）は、基準面（Ｓ）に対して直交方向（Ｚ）に変位することにより第１電気信号を生成するために用いられ、且つ、複合運動キー（４）は基準面（Ｓ）に対して平行に変位することにより第２電気信号を生成するために用いられる。変位体（３３）の変位は、３つの下記変位：
（１）前記基準面に概ね直交する直交方向の第１変位
（２）基準面に概ね平行である平行方向の第２変位
（３）前記直交方向の変位と前記直交方向の変位に時間的に続く前記平行方向の変位との複合の第３変位
を含んでいる。第１変位は固定体（３４）に阻止されず、第２変位は固定体（３４）に阻止されず、且つ、第３変位は固定体に阻止される。このように規定される３つの変位の禁止と許容は、携帯電話機のような小型狭面積操作機器の操作の確実性を実現する。

本体部位（８）と変位体（３３）の間にシート（１２）を装着することは公知のシートキーの有効性を継承する。この場合に、変位体（３３）はシートから基準面（Ｓ）に対して突起し、固定体（３４）は基準面（Ｓ）からシートに対して突起する。このような突起は、突起量を適正化することにより、既述の３つの変位を簡素に実現する。変位前の変位体（３３）と基準面（Ｓ）の間の距離はＤ１で表され、固定体（３４）のシート（１２）に向かう高さ幅はＤ２で示される。条件：Ｄ２＜Ｄ１が重要である。

変位体（３３）は第１円錐面を有する第１環状体として形成され、且つ、固定体（３４）は第２円錐面を有する第２環状体として形成される。環状に形成することは、スイッチング動作の方向性の自由度を拡張することができ、無方向的に既述の３様の変位を簡素に実現する。第１環状体は第２環状体の内周側に円錐面接合して入り込むことができる。このような設計は、製作時の不良発生率を激減させることができ、且つ、動作が円滑に確実である。

第２変位の変位体（３３）が固定体（３４）と摺動する際の対向摺動面のうちのいずれかは、摺動摩擦が小さい材料により形成されることが好ましい。変位体と固定体のいずれか又は両方がナイロン、ポリカーボネートのような硬くて磨耗性が低く、且つ、滑りがよい材料で製作されることが好ましい。この場合に、変位体（３３）は、シート（１２）に一体成形されることが好ましい。

本発明によるアナログポインティングデバイスは、垂直運動と面内運動の両運動の確実性が改善されている。

本発明によるアナログポインティングデバイスの実施の最良の形態は、図に対応して、詳細に記述される。携帯端末は、図１に示されるように、折り畳み式の携帯電話機として記述される。携帯電話機の非可動側本体１には、回転自在に且つ開閉自在に、可動側本体２が結合している。開状態の非可動側本体１にはそれの表面側に、キー群３と、複合動作単一キー４を含む入力操作装置５とが配置されている。複合動作単一キー４は、樹脂が成形されて製作されている。複合動作単一キー４は、中心軸心線Ｌに対して歳差運動することができる。開状態の可動側本体２にはそれの表面側に、表示画面６が配置されている。入力操作装置５の特定部位の面内運動とその運動量、移動距離、又は、移動持続時間とに対応して、表示画面６のカーソルが位置Ｉから位置ＩＩに移動する。位置ＩＩが電話帳検索部位７に一致していれば、複合動作単一キー４を垂直方向（Ｚ方向）に運動させることにより、電話帳検索機能の選択が決定され、表示画面は電話帳検索画面に遷移する。

図２は、携帯電話機の詳細を示している。非可動側本体１の中には、プリント基板（ＰＷＢ）８が固定的に配置されている。プリント基板８の基板面に、メタルドームシート９が接合している。メタルドームシート９には、メタルドーム１１が貼り合わせのような結合手段により結合している。メタルドーム１１は、鉄、ステンレス鋼のような薄膜状の金属で製作され、中央部の陥没と復原の繰り返し動作の点で顕著に優れ、且つ、優れたクリック感をユーザーに与えることができ、ドームスイッチと称されている。

ラバーシート１２は、メタルドームシート９とメタルドーム１１の外側に配置されている。メタルドームシート９とメタルドーム１１は、ラバーシート１２とプリント基板８との間に配置されている。ラバーシート１２の周縁は、非可動側本体１に密着的に接合されている。ラバーシート１２は、非可動側本体１の中にあるメタルドーム１１とプリント基板８に対して防水機能と防塵機能を有している。非可動側本体１の外側カバー１３には、収納開口１４が開けられている。十字キーリング１５は、収納開口１４に嵌め込まれて外側カバー１３に結合している。十字キーリング１５には、キー運動許容開口１６が形成されている。キー運動許容開口１６に運動可能に嵌め込まれる複合動作単一キー４は、ラバーシート１２に接合してラバーシート１２の外側面に固着されている。ラバーシート１２にはそれの内側面に、押し子１８が形成されている。押し子１８は、ラバーシート１２の裏面に対して内側に突出的に延びている。押し子１８は、ラバーシート１２に一体に成形されて製作され得る。押し子１８は、ラバーシート１２の材質と異なる材質で一体成形されることが可能である。この場合に、押し子１８はラバーシート１２より硬いことが好ましい。鍔部位１９が複合動作単一キー４に形成されている。鍔部位１９の裏面側がラバーシート１２の外側面に融着的に接合されている。鍔部位１９は、十字キーリング１５の内側環状部分２１より内側に位置づけられている。鍔部位１９の直径（中心線対称の鍔の中心線に交わり中心線に直交する線上の対向間距離）は、十字キーリング１５の内径に一致するキー運動許容開口１６の直径より適正に大きく、鍔部位１９はキー運動許容開口１６を外側に抜け出ることが禁止されている。

ラバーシート１２は、複数の機能部位を含んでいる。ラバーシート１２の第１機能部位は既述の単一の押し子１８であり、ラバーシート１２の第２機能部位は複数の変位吸収部位２２であり、ラバーシート１２の第３機能部位は十字スイッチ動作部位２３である。変位吸収部位２２は、折返し屈曲部位２４として形成されている。折返し屈曲部位２４は、円周方向に延びて環状に形状化されている。折返し屈曲部位２４は、十字キーリング１５の内側（裏面側）に形成される凹状環状溝２５に遊嵌的に嵌められている。十字スイッチ動作部位２３は、図３に示されるように、同一円周上に等角度間隔の４位置に配列されている。複数の十字スイッチ動作部位２３に位置的に対応して、図２に示されるように、他のドームスイッチ２６がメタルドームシート９に形成されている。

プリント基板８の内部、又は、非可動側本体１の内部に磁束検出器２７が配置されている。複合動作単一キー４の内部に磁石２８が埋め込まれている。プリント基板８の内部には、電極回路２９が配置されている。電極回路２９は、電気的接触面３１を有している。電気的接触面３１は、プリント基板８の表面に露出し、メタルドーム１１の頂点部位の裏面に面直角方向（Ｚ方向）に対向している。ここで、面直角方向は、押し子１８の垂直運動方向（Ｚ方向）に一致し、且つ、ラバーシート１２が２次元的に延びる２次元面に直交する方向に一致している。磁石２８の面内方向運動（面内方向変位−ＸＹ平面内変位）に起因して、磁束検出器２７と磁石２８との面内方向相対変位が生じる。その面内方向相対変位は、磁束検出器２７と磁石２８との間の磁束密度分布を変化させる。磁束検出器２７は、磁石２８の面内２次元位置に対応する磁束に対応する既述の４方向連続量信号を出力する。電極回路２９は、複合動作単一キー４に同体である押し子１８の１回の往復垂直運動に対応して、既述の２値信号を出力する。

本発明の本質的部分（特徴部分）は、図２に示されるように、両運動明確化機構３２として実現される。ラバーシート１２の内側に、キー側垂直方向変位制限体３３が形成されている。キー側垂直方向変位制限体３３は、ラバーシート１２に硬質樹脂で成形的に一体化され、又は、ラバーシート１２を貫通して複合動作単一キー４に同体に結合している。メタルドームシート９の外側に、ドーム側垂直方向変位制限体３４が形成されている。ドーム側垂直方向変位制限体３４は、メタルドームシート９に硬質樹脂で成形的に一体化され、又は、メタルドームシート９を貫通してプリント基板８に同体に結合している。キー側垂直方向変位制限体３３は、図４に示されるように環状突起として形成されることが好ましい。キー側垂直方向変位制限体３３が環状的に形成されることにより、垂直方向変位の制限に方向性が生じない。ドーム側垂直方向変位制限体３４は、図５に示されるように環状突起として形成されることが好ましい。ドーム側垂直方向変位制限体３４が環状的に形成されることにより、垂直方向変位の制限に方向性が生じない。

キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４の対として形成される両運動明確化機構３２が存在しない場合には、図６に示されるように、ユーザーが変位方向Ａに複合動作単一キー４を外側カバー１３又は十字キーリング１５に対して変位させる際に、複合動作単一キー４が基準面（例示：プリント基板８の上面）Ｓに対して傾斜し、鍔部位１９の外側面と内側環状部分２１の内側面との間に摺動摩擦が生じ（例示：点ａ，ｂの摩擦）、次に、押し子１８の内側面とメタルドーム１１の外側面との間に摺動摩擦が生じ、更に、領域ｃ，ｄに現れるように、変位吸収部位２２の直径線上の２箇所の弾性的複雑変形が斜面上で生じる。このような弾性的複雑変形は、指に対して違和感を与える。違和感を低減するための変位吸収部位２２の設計は著しく困難である。２箇所の摺動摩擦は、複合動作単一キー４を変位方向Ａに変位する複合動作単一キー４に無理な抵抗（位置により楔効果的抵抗）を与える。このような無理な抵抗に対して変位方向Ａに変位させる指操作力をユーザーが加えれば、その抵抗はますます強くなる。抵抗が強くなれば、カーソルを希望の位置まで円滑に迅速に移動させることが困難である。十字キーリング１５の傾斜運動による十字スイッチ動作部位２３とドームスイッチ２６の間のスイッチングは、公知の動作に同じである。

図７は、キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４の対の必要性を幾何学的に解析している。キー側垂直方向変位制限体３３が基準面Ｓ又は基準面Ｓに対して規定される基準面まで変位するために必要である空隙幅は、Ｄ１で示されている。キー側垂直方向変位制限体３３は、少なくとも幅Ｄ１の変位が可能である。その幅Ｄ１は、メタルドーム１１が動作するために押し子１８が垂直方向に変位してスイッチング動作することができる程度の幅又はそれより大きいことが必要である。キー側垂直方向変位制限体３３が変位方向Ａに変位した場合に、ドーム側垂直方向変位制限体３４の垂直方向高さＤ２は、幅Ｄ１より僅かに小さく概ね幅Ｄ１に等しいことが最大に効果的である。高さ幅Ｄ２が小さ過ぎる場合には、本発明の効果は薄い。高さ幅Ｄ２が幅Ｄ１より大きい場合には、複合動作単一キー４の面内変位が不可能である。従って、少なくとも、下記条件が必要的である。
Ｄ２＜Ｄ１，且つ、０＜Ｄ２
更には、キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４の間に相対的変位方向幅Ｄ３は、設計的に可能な限り、小さいことが好ましい。
０＜Ｄ３＜キー側垂直方向変位制限体３３の位置決め誤差範囲＋設計的余裕値
これらの条件に付加されて、前提条件として、キー側垂直方向変位制限体３３の高さ幅Ｄ４は、下記条件を満たさなければならない。
０＜Ｄ４
Ｄ４が零であれば、キー側垂直方向変位制限体３３を支持するラバーシート１２又は複合動作単一キー４は垂直方向に変位することが不可能であるからである。このように、キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４は、それぞれに、下向き突起と上向き突起として提供されなければならない。

図８は、本発明による両運動明確化機構３２の動作を示している。キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４の間の高さ幅関係と横幅関係は、既述の通りに規定されている。複合動作単一キー４が面直交方向Ｚと面内方向ＸＹに直線的に又は回転的に（傾斜的に）複合運動して３次元的に変位し又は運動することができる点は、公知の技術に同じである。本発明では、そのような運動が強く制限されている。下方に押される複合動作単一キー４と同体に下方に向かう押し子１８が基準面Ｓに対して面直交方向に真っ直ぐにメタルドーム１１に向かう場合には、公知技術と同様にトラブルは生じない。押し子１８が基準面Ｓに対して面直交方向に対して僅かに偏寄する方向に（僅かに斜めに）メタルドーム１１に向かう場合には、幅Ｄ３が微小であるので、キー側垂直方向変位制限体３３がドーム側垂直方向変位制限体３４の内周面側に落ち込む前に、図８に示されるように、キー側垂直方向変位制限体３３の外周縁の下面（内面）がドーム側垂直方向変位制限体３４の内周縁の上面に乗り上げ、その後にキー側垂直方向変位制限体３３が更に基準面Ｓに向かうことは阻止されている。複合動作単一キー４を方向Ａに運動させる場合には、キー側垂直方向変位制限体３３は即座にドーム側垂直方向変位制限体３４に乗り上げて、円滑に横方向に（面内方向に）スライド（摺動）を円滑に継続することができる。

図９は、上向き突起と下向き突起の突起形状の改良を示している。キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４は、ともに、切頭円錐体状リングとして形成されている。キー側垂直方向変位制限体３３の下面と基準面Ｓの間の高さ幅はＤ１で示され、ドーム側垂直方向変位制限体３４の上面と基準面Ｓの間の高さ幅はＤ２で示されている。その差（Ｄ１−Ｄ２）の値が限りなく又は適正に小さければ、複合動作単一キー４と同体的にキー側垂直方向変位制限体３３が僅かに降下した後には、キー側垂直方向変位制限体３３が任意の方向に傾斜しても、キー側垂直方向変位制限体３３は面内方向に変位することはできず、円錐面３５と円錐面３６の相対的な滑動的摺動により、自己制御的に真っ直ぐに又は制限された範囲内の横揺れを有して、規定降下位置まで降下する。従って、押し子１８はメタルドーム１１の頂点部位を正確に押して降下する。複合動作単一キー４が面内方向に押されてキー側垂直方向変位制限体３３がドーム側垂直方向変位制限体３４に垂直方向に重なり位置まで変位した後には、キー側垂直方向変位制限体３３に降下力が加わっても、押し子１８が降下することは禁止されている。

キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４の面内方向の摺動の滑りを良好にするためには、キー側垂直方向変位制限体３３とドーム側垂直方向変位制限体３４の両方又はそれらのいずれかが摩擦係数が小さい材料で製作されることが効果的である。そのような材料として、ポリカーボネート、ナイロン（登録商標）のような各種のエンジニアリングプラスティックスが好適に用いられ得る。

図１は、本発明によるアナログポインティングデバイスの実施の好ましい適用形態を示す平面図である。 図２は、本発明によるアナログポインティングデバイスの実施の好ましい形態を示す断面図である。 図３は、図１の部分の詳細を示す平面図である。 図４は、複合動作スイッチの部分を示す平面図である。 図５は、複合動作スイッチの他の部分を示す平面図である。 図６は、公知の動作を示す断面図である。 図７は、本発明によるアナログポインティングデバイスの動作の幾何学的構造を示す断面図である。 図８は、本発明によるアナログポインティングデバイスの動作を示す断面図である。 図９は、本発明によるアナログポインティングデバイスの実施の他の形態を示す断面図である。

符号の説明

４…複合運動キー
８…本体部位
１２…シート
３３…変位体
３４…固定体
Ｓ…基準面
Ｚ…直交方向

Claims (5)

1. 基準面を有する本体部位と、
   前記基準面に対して３次元的に変位する複合運動キーと、
   前記複合運動キーに対して固着され前記基準面に対して３次元的に変位する変位体と、
   前記基準面に対して固着される固定体とを具え、
   前記変位体は、変位位置と復原位置の間で変位し弾性復元力により前記変位位置から前記復原位置に復原し、
   前記複合運動キーは前記基準面に対して直交方向に変位することにより第１電気信号を生成するために用いられ、且つ、前記複合運動キーは前記基準面に対して平行に変位することにより第２電気信号を生成するために用いられ、
   前記変位体の変位は、３つの下記変位：
   （１）前記基準面に概ね直交する直交方向の第１変位
   （２）基準面に概ね平行である平行方向の第２変位
   （３）前記直交方向の変位と前記直交方向の変位に時間的に続く前記平行方向の変位との複合の第３変位
   を含み、
   前記第１変位は前記固定体に阻止されず、前記第２変位は前記固定体に阻止されず、且つ、前記第３変位は前記固定体に阻止される
   アナログポインティングデバイス。
2. 前記本体部位と前記変位体の間に介設されるシートを更に具え、
   前記変位体は前記シートから前記基準面に対して突起し、前記固定体は前記基準面から前記シートに対して突起し、
   変位前の前記変位体と前記基準面の間の距離はＤ１で表され、前記固定体の前記シートに向かう高さ幅はＤ２で示され、Ｄ２＜Ｄ１である
   請求項１のアナログポインティングデバイス。
3. 前記変位体は第１円錐面を有する第１環状体として形成され、且つ、前記固定体は第２円錐面を有する第２環状体として形成され、前記第１環状体は前記第２環状体の内周側に円錐面接合して入り込むことができる
   請求項２のアナログポインティングデバイス。
4. 前記第２変位の変位体が前記固定体と摺動する際の対向摺動面のうちのいずれかは、摺動摩擦が小さい材料により形成されている
   請求項１〜３から選択される１請求項のアナログポインティングデバイス。
5. 前記本体部位と前記変位体の間に介設されるシートを更に具え、
   前記変位体は前記シートから前記基準面に対して突起し、前記固定体は前記基準面から前記シートに対して突起し、
   変位前の前記変位体と前記基準面の間の距離はＤ１で表され、前記固定体の前記シートに向かう高さ幅はＤ２で示され、Ｄ２＜Ｄ１であり、
   前記変位体の材料と前記シートの材料は異なり、
   前記第２変位の変位体が前記固定体と摺動する際の前記第２変位体の摺動面は、前記シートの材料の摩擦より小さい摩擦の材料により形成されている
   請求項１のアナログポインティングデバイス。

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