JP4757488B2 - デジタル技術を用いて入力要素の機械的な操作を検出する装置と、デジタル入力信号を処理し、消費装置の制御用の命令に変換する方法 - Google Patents

Description

本発明は、入力要素の機械的な操作によって生じる入力パルスを検出するための装置に関する。この入力パルスは電子機器の操作時に役立つ入力要素を操作する際に、操作人によって生じる。本発明は操作の位置に関連し検出可能である入力パルスの値を処理するための方法に関する。

電子機器における切換え要素の位置を、機械的な運動方法へのその操作時に測定するために、次の技術が知られている。
・ コンピュータゲームのいわゆるアナログジョイスティックは２個のポテンショメータ を備えている。このポテンショメータは制御棒の傾斜に機械的に接続され、その電気的 な抵抗が傾斜のｘ軸とｙ軸に対応している。
・ 穴あきディスクは光電スイッチ（光結合センサ）に関連してデジタル信号を供給する 。この信号は切換え要素の位置を確認する。操作ストロークが充分である場合には、高 い分解能が達成可能である。
・ ストレインゲージのような力センサ、力に依存する抵抗（力感知レジスタ、ＦＳＲ） またはホールセンサは、アナログ信号を供給する。このアナログ信号の値は、センサに 加えられる力に一致する。これは小さな操作ストロークの場合に既に可能である。
・ しばしば２倍または４倍のカーソルキーブロックとして形成されるタンブラキーは、 ２つまたは４つの方向の各方向で１つの段階を測定し、ときどき中央位置の操作を測定 する。非常に機械的コストがかかるため、特別な多重スイッチが若干の段階を測定する 。

ポテンショメータを備えた解決策は機械的に複雑であり、それによって重く、振動によって故障しやすい。従って、ポテンショメータは移動式機器のためにはあまり適していない。光結合センサを備えた穴あきディスクは小型で、軽量でそしてデジタル信号を供給する。しかし、この穴あきディスクも、機械的な振動によって故障しやすく、汚れやすい。

これに対して、力センサは非常に小型にかつ機械的に頑丈に形成することができる。力センサは勿論、供給されるアナログ信号を換算するためのコストのかかる電子制御装置を必要とする。この高いコストは電子機器での大量使用を阻止している。

タンブラキーは広く普及している。なぜなら、タンブラキーが小型で、軽量で、頑丈でそして低価格であるからである。しかし、タンブラキーが２〜５つの切換え位置だけしか生じないので、タンブラキーはグラフィックソフトウェア表面の操作の増大する要求に耐えられない。

特許文献１では、パーソナルコンピュータのディスプレイ上でカーソルを制御するための可変操作可能な入力装置が知られている。この装置は一平面内で任意に動くことができる入力要素を使用する。この入力要素によって、機械的な圧力を受けて入力要素が傾斜している場合にも、入力要素に加えられる押圧力の変化する位置が、面状のセンサに伝達されて記録可能である。可変の複数の抵抗値を測定することにより、傾斜角度と、入力要素に加えられる力を測定することができる。その際、アナログ測定値が供給される。このアナログ測定値は温度によって生じる誤差を有する。測定値を更に処理するためには、測定値のデジタル化が必要であり、それによって電子制御装置が高価になる。

入力要素によって加えられる動きを伝達するために、命令を機械的な消費装置に伝送するためのアナログ式の伝送システムが知られている。これは製造が非常に複雑で、従って高価である。この機械的な消費装置は電気的な伝送システムによっても制御可能である。そのために勿論、入力要素の機械的な操作を検出するための低コストで製作可能な装置が欠けている。この装置は、入力要素を機械的に操作する際に入力要素の位置をすべての運動相で正確にシミュレーションすることができる。
米国特許第５，８１５，１３９号明細書

本発明の目的は、操作位置を決定する切換え要素の入力要素の機械的な操作によって生じる入力パルスを検出するための、小型で、頑丈な構造で、機器コストが少なく、速く操作可能で、発生した入力パルスを電子機器のために精密に処理することができる装置を提供することにある。

本発明の根底をなす課題は、一平面内で弾性的に懸吊され、この平面から垂直方向および垂線に対して所定の角度をなして傾斜方向に操作可能である入力要素を機械的に操作することによっておよび操作位置を検出する切換え要素に伝送することによって生じる入力パルスを検出および処理するための装置と、操作位置を検出する装置と、コンパクトな電子機器でソフトウェア表面を操作するためのおよび移動式電子機器のためにカーソルを制御するために、入力要素の操作時に生じる入力パルスを処理するための方法を開発することである。

この課題は、独立請求項に記載した特徴によって解決される。

本発明では、操作要素、例えばキーまたはジョイスティックがばね力に抗して傾斜させられる。この場合、操作要素の下面の導電性の面は、変化する位置で接点マトリックスに接触し、それによって電気的な接点を閉じる。作動した接点は操作要素の傾斜に関連する。この場合、付勢された接点は測定値を供給し、この測定値は電子機器によって評価され、本発明による方法に従って傾斜と作動方向と押圧力が求められる。

実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

入力要素を操作することによって生じる入力パルスを検出および処理し、デジタル入力信号を、消費装置としての電子式最終機器を制御する命令に変換するための、本発明に従って形成された装置は、キーとして形成され指の運動によって操作可能な少なくとも１つの入力要素１１を備えている。この入力要素は操作表面１０とは反対側のその下面１９に、１つの材料からなる球冠１２を備えている。この球冠は接点マトリックス１５寄りの凸形に形成された面に、導電性の接点コーティング１８を備え、球欠の形をしている。この場合、入力要素１１は少なくとも１個のばね１３の力に抗して、図示していないケーシング内に移動可能に配置され、入力要素１１の下方に基板１４が設けられている。この基板は接点マトリックス１５を備えている。この接点マトリックスはインターフェースを介して、入力パルスを瞬時値分析のために走査ユニット１６に接続され、この走査ユニットは更にパターン認識ユニット１７に接続されている。

操作表面１０上での指の運動によって操作可能な入力要素１１は、押しボタンのようにキー中央２２における垂直運動方向でも、左側エッジ２１または右側エッジ２３における垂直運動方向でも操作可能である。これによって、球冠１２の接点コーティング１８は入力要素１１の位置に応じて、接点マトリックス１５上に線状に、すなわち、列をなして交互に配置された、接点１４２，１４３，１４４，１４５，１５１の構造体の異なる接点を閉じる。入力要素１１は操作時に、前述のように、垂直方向に操作可能であるだけでなく、垂直方向へのキー中央２２での操作方向の場合にも、キー中央２２での操作方向へのキー押圧力を維持しつつ、右方向と左方向に転動運動２４をさせることができる。これによって、球冠の転動の程度に応じて、接点マトリックス１５上で異なる接点が付勢される。更に、接点の付勢のために加えられる押圧力の大きさが重要である。変形可能な材料からなる球冠１２の或る性状の場合には、入力要素１１の指操作の際の押圧力が異なるときに、接点マトリックス１５の異なる数の接点が同時に付勢される、すなわち球冠１２の接点コーティング１８によって閉じられる。しかし、入力要素はジョイスティック運動２５によって操作可能である。入力要素１１の上記の操作方法による接点閉鎖方法は図５〜１２に示してある。この場合、入力要素１１に対してより強く加えられる操作押圧力は、太い矢印によって象徴的に示してある。

接点マトリックス１５は図１４，１５に示すように、列をなして配置した多数の電気的な単一接点１４２，１４３，１４４，１４５，１５１からなっている。この接点は印刷回路基板として形成された基板１４に取付けられている。接点コーティング１８を備えた球冠１２が接点操作を行う働きをする。この球冠は代替的に、変形可能な材料からなっている。それによって、押圧力に依存して、複数の接点を同時に閉じることができる。変形可能な材料、すなわち弾性的な材料からなる球冠１２は、本発明の他の特徴に従って、導電性接点コーティング１８を備える代わりに、導電性材料からなっていてもよい。入力要素１１の操作表面１０は面の可能なあらゆる幾何学的形状をとり得る。実際には、操作表面１０の長方形と円形の２つの形が形成された。操作表面１０の選択された形に相応して、球冠１２の底面が形成されている。接点マトリックス１５における列をなした直線状の接点配置形状のほかに、本発明の他の特徴に従い、接点マトリックス１５の形状は操作表面１０に適合している。これによって、入力要素１１はジョイスティックのようにまたは制御棒のように、入力要素１１によって加えられる運動を伝達するための類似の装置で使用可能である。

接点マトリックス１５の切換え接点は、従来のキーボードによって知られているように、走査ユニット１６によって走査される。本発明に従って形成されたセンサの場合、切換え接点の数は勿論非常に多い。入力要素１１の傾斜に応じて、接点マトリックス１５の異なる接点が閉じる。というのは、入力要素１１の球冠１２の凸形に形成された下面１９が、接点マトリックス１５上を転動するからである。

センサの多数の切換え接点は、従来の電子機器では評価できない多義的な切換え状態を生じる。本発明による方法によって実現される新規のパターン認識は、切換え状態を解釈し、入力要素１１の方向と傾斜位置をこの切換え状態に割り当て、そして加えられた力をこの切換え状態に任意に割り当てる。

最も簡単な場合、センサは２つだけのスイッチからなっている。このスイッチには４個の切換え状態を割り当てることができる（外側、左側、中央、道側）。この場合、両接点を同時に閉じることにより、中央状態が達成される。多数のスイッチが設けられているときには、非常に大きな分解能が達成可能であり、冗長的な接点によって高い信頼性が達成される。

センサの実施に応じて、入力要素１１の運動または傾斜が１つの軸線またはに２つの軸線上で決定可能である。そのために、一次元的なまたは二次元的な接点配列が必要である。更に、軟らかい球冠１２の変形と、それによって閉じた接点の数から、加えられた力を推定することができる。下面１９に凸形の球冠１２を備えた入力要素１１は、入力要素１１の側部に設けたばね力１３によって、基板１４に対して中央位置に保持される。入力要素１１が１本または複数本の指によって基板１４の方向に押されると、球冠１２は接点マトリックス１５の所定の位置で電気的な接続を行う。その際、入力要素１１は下方に向けて傾斜の方に移動可能である。

本発明は、グラフィックのユーザインターフェースと関連して多彩に使用可能である。状況に応じて、いろいろな用途がディスプレイ上で提供される。それによって、パラメータ調節、メニューナビゲーション、キー入力およびマウス制御を同じハードウェアによって実現可能である。

すなわち、従来のキーと異なり、静止状態と操作が区別されるだけでなく、入力要素１１の傾斜から入力要素１１上の指の位置を推定できるように、操作の詳細が接点マトリックス１５の接触によって正確に検出される。

図２から、キーのような平らな入力要素１１の傾斜がどのような代表的な操作を生じるかが判る。最も簡単な場合、入力要素１１は左側のエッジ２１、キー中央２２または右側のエッジ２３で操作され、しかも通常は入力要素１１を短く押して操作する。この操作の動作によって、本発明による装置は通常のごとく操作されたキーの信号だけでなく更に、キーのどの個所が操作されたかを示す信号が得られる。これにより、本発明は例えば、キーを１回押す際に複数の代替的なキー配列を区別することができる。

図３は、キーがキー中央２２で押され、所定位置に保持されるケースを示している。押された状態でも、入力要素１１を指によって操作し、このキーの角度を方向２４に変更することができるので、本発明による装置はこの操作によって、通常のごとく、持続的に操作されるキーのための信号だけでなく更に、入力要素１１のその都度の傾斜に関する現在の情報を得る。これにより、本発明は例えばカーソルを動かし、制御することができる。

図４は、持続的に載置される入力要素を、例えばジョイスティックのように動かすことができる用途を示している。要素は、手を離すと、元の中央位置に弾性的に戻る。

図５，７，９，１２には、本発明による入力要素の異なる状態が断面図で示してある。図６，８，１０，１１，１３には、関連する接点マトリックスがその都度の操作によって生じるパターンとして表示されている。その際、開放した接点は白の長方形で、閉じた接点は黒の長方形で示してある。

図５は、普通は中央で操作される入力要素１１を示している。入力要素の下面の接点手段が中央で接点マトリックス１５の導体に接触する。これは図６において黒色の四角形によって示してある。

図７には、同じ入力要素１１が幾分強く押されている。そのとき、入力要素の軟らかい下面、すなわち球冠１２（導電性ゴムからなる錠剤の形をしたもの）が変形する。それによって、接点マトリックス１５の複数の点が同時に電気的に接触し、４つの四角形に相応する信号を発する。図５，７の違いは、本発明による構造が、球冠１２の接点手段の変形を介して間接的ではあるが、入力要素１１に加えられる力を測定可能であることを意味している。

図９では、入力要素１１がその左側エッジ２１を操作されている。それによって、図１０に示す接点マトリックス１５の接触が生じ、相応する信号を発生する。勿論、接点マトリックス１５内に多数の接点があるため、例外的な場合個々の接点が図１１に示すように作動しないことが起こり得る。この場合にも、入力要素の機械的な操作によって引き起こされる入力パルスを検出および処理するための本発明に従って形成された使用される方法は、適切な結果をもたらす。すなわち、パターン認識ユニット１７の電子制御装置は、位置の数学的な平均値のように、作動した接点の中心を検出する。

図１２では、入力要素１１が右端のエッジで作動させられている。これに応じて、接点６３が閉じ、信号が図１３の接点マトリックスの右側エッジで発生する。

本発明による方法によって、図５〜１３の例に示すように、個々の軸線に沿った入力要素の傾斜が測定可能であるかあるいは任意の方向の入力要素１１の傾斜が検出可能である。これは入力要素１１の凸形の下面（ほぼ長いまたは円形）と接点マトリックス１５（帯状または正方形）にのみ依存する。

個々の軸線での測定のためには、図１４または１５のような接点マトリックス１５で充分である。入力要素１１の下面は、２０〜５００グラムのオーダーの機械的な押圧力が接点に作用するときに、この接点に載るようにしなければならない。入力要素１１がどのよに傾斜しているかに応じて、接点マトリックス１５の異なる接点が閉じる。図１４，１５には、入力要素１１によって動かされる球冠１２の考えられる載置面が、ラスター化された長方形１４１として示してある。

図１４には、接点を備えた６本のストリップ導体がそれぞれ上側からと下側から案内されている。このストリップ導体は球冠１２によって互いに接続可能である。従って、この接点マトリックス１５はほぼ６つの操作角度を区別することができる（厳密に言えばそれ以上を区別することができる。なぜなら、複数の接点の接続によって同時に、中間段を識別することができるからである）。図１５の接点マトリックス１５は少ないストリップ導体で、約８つの操作角度の区別を可能にする。なぜなら、図１５において、複数のストリップ導体がまとめられているからである。

最も簡単な場合、１個の接点マトリックスは、入力パルスを検出および処理するための本発明に従って形成された方法にとって３個のストリップ導体で充分である。すなわち、左側と右側と電気的な反対の極である。それによって、３つの操作角度だけが生じる（左側の接点だけまたは両接点または右側の接点だけ）。

図１６は円板の形をした入力要素１１を示している。この入力要素は中央１６１の基本位置から出発して、エッジ１６２を押すことにより任意の方向に操作可能である。図１６はこのような入力要素１１の表面を示している。一方、図１７は中央に大きな円形の凸形球冠１２を備えた下面を示している。

球冠１２のこの形は例えば、図１８に示すような、接点を備えた格子状に配置されたストリップ導体に当たることができる。多数の接点個所の場合、ストリップ導体を電気的に分離された２つの平面内に配置することができる。図１８の右側はストリップ導体の拡大図である。この場合、垂直に延びるストリップ導体は水平なストリップ導体の下方において電気的に分離されて延びている。図１９，２０はこのようなストリップ導体レイアウトの他の例を示している。この場合、図２０はストリップ導体の個々の平面を示している。

図１に示した電子的な走査ユニット１６は、どの接続部が閉じているかを検出し、それから、すべての接点を含むビットパターンを発生する。ストリップ導体の走査は普通のコンピュータキーボードの走査のように行われる。順番に従って、いろいろな接点組み合わせ部に信号が供給され、他方では接続部がそれぞれの行／欄にあるかどうかを、レベルから推測することができる。

図２１，２２は、走査によって発生するこのようなビットパターンの例を示している。図２１において、中央を強く押した結果がほぼ左上に見える。黒い接点の中の個々の白い接点は、個々の接点の故障を示している。多数の接点が設けられ、制御要素が迅速に運動する場合、完全な接触が不可能であり、また必要でない。図１に示したパターン認識ユニット１７は、検出されたストリップ導体位置の間の中央値を自動的に求める。図２２には、少数の接点から、制御要素の押圧が図２１の場合よりも少ないことが明示されている。

本発明に従って形成された、入力パルスを検出および処理するための方法は、図２３〜２７に示すように、入力要素の異なる形に適合可能である。入力要素１１は、下方へおよび幾分側方に押すことができ、離すときに常に同じ静止位置に戻るように、弾性的に支承されている。

入力ユニット１１はポケットコンピュータ、携帯電話等で知られているキーに似ている外形を有することが可能である（図２３，２４）。しかし、接触手段としての働きをする球冠１２（図において黒い面として示してある）は、押圧角度に応じてストリップ導体の個々のまたは複数の接点を閉じる特別な湾曲部を有する。最も簡単な場合（図２３）、３つのストリップ導体によって形成される２つだけの接点を閉じることができる。それによって、静止状態のほかに、３つの押圧角度を区別することができる。球冠１２は、特別な押圧角度によって３つの位置を可能にするために、中央が平らで、エッジが傾斜している。

本発明のこの簡単な形状は、公知のタンブラキーと次の点で異なっている。すなわち、本発明に従って形成された入力要素１１の場合、両接点の一方、他方または両方を閉じることができる（２つの信号、３つの状態）のに対し、公知のタンブラキーの場合にはその都度接点が１個だけ閉鎖される（２つの信号、２つの状態）点が異なっている。

本発明の場合更に、押圧点が感じられないかまたは１つだけしか感じられない。きわめて少数のストリップ導体の場合にキーの個々の押圧点が図１のばね１３によって感知できないときにも、入力要素１１を押圧状態で図３に従って動かすと、球冠１２の若干のエッジ２３４；２３５を感知することができる。

それに対して、公知のタンブラキーの場合には、各々の位置のために、１つの対応する押圧点を設けなければならない。なぜなら、そうしないと、一義的な操作が不可能であるからである。それによって、公知のタンブラキーの機械的な構造が複雑である。というのは、組み合わせられたキーの間の移行部分が不確実な接触を意味するからである。これに対して、本発明の場合、移行部分と多重の接触は問題がなく、それとは逆に、入力要素１１の角度を測定するために利用される。

多数の接点を備えた入力要素１１の場合（図２４）、球冠１２が球欠の形に丸められている。その際、仮想の球の直径は人の手の大きさにほぼ一致している。なぜなら、入力要素１１が手によって傾斜させられるからである。

図２３，２４に示すキーの形をした入力要素１１のグループは、普通の電子機器のキーボードのように、１枚の共通のシリコンマットから製作可能である。このシリコンマットは入力要素１１の表面と、エッジの弾性部と、唯一の可撓性部分の固定部とを一体化している。

これは低コストの製作と、従来のキーとの組み合わせを可能にする。図２３，２４において接触手段は例えば炭素球冠としてあるいは導電性合成樹脂によって形成可能である。この材料はキーボードの場合に公知であり、普及している。

その代わりに、入力要素とストリップ導体の間に、ポリエステル製のドームフィルムを取付けることができる。このドームフィルムは弾性体の機能を発揮し、かつ炭素、金属等からなる下面の導電性コーティングと共に、接触手段の機能を発揮する（図２５）。その代わりに、キードームとして形成されたこのような入力要素は全体を金属で作ることができ、押圧角度に対応して接触を保証するために、金属ドームが充分に軟らかいときには、本発明による構造体のために使用可能である。

図２３，２４の場合と同じ材料に基づくジョイスティックが図２６に示してある。このような構造は低価格で製作可能であり、キーボードと良好に組み合わせ可能である。

図２７に示すように、入力要素取り外し可能にタッチスクリーンに取付け可能である。タッチスクリーンは機械的な点状の押圧をディスプレイに示す特性を有する。本発明による入力要素は点状の押圧を正確に発生する。この場合、接触位置は押圧角度に依存する。灰色で示した基板１４はタッチスクリーンを被覆し、機械的な圧力に対してタッチスクリーンを保護する。入力要素の下方の所定の切欠きのところで、入力要素はタッチスクリーンに到達し、変化する座標の角度に応じてタッチスクリーンを作動させることができる。

この組み合わせは永久的な取付けのためのものではない。なぜなら、ディスプレイを備えたタッチスクリーンは、球冠として形成された、ストリップ導体を有する接触手段よりも非常にコストがかかるからである。しかし、このタッチスクリーンは付加的な入力方式として、例えばパームピンコンピュータに差し込み可能である、傾斜によって可変に割り当てられるキーボードとしてまたはスマートフォンに任意に固定される、ゲームのためのジョイスティックとして使用可能である。

パームコンピュータとスマートフォンはケーシング２８１（図２８）を備えている。このケーシング内には接触感応式の大きなディスプレイ２７１が操作面（図２８）として一体化されている。このようなタッチスクリーンは、ディスプレイ２７１上でピンまたは指によってグラフィックソフトウェアを直接操作するために適している。同時に、このようなタッチスクリーンはゲームのためにはあまり適しておらず（ゲームにはジョイスティックが有効である）、同様にデータ入力には適していない（データ入力にはキーが有効である）。

本発明は、タッチスクリーンを備えたこのような機器に、最小のスペースで、付加的な入力要素１１を任意に備え付けることができる。そのために、本発明に従って形成され入力要素１１（図２９）を備えたユニット（図２９）の基板１４は、タッチスクリーン、すなわちディスプレイ２７１（図２９）の一部（最大５０％）を覆うように、上側からまたは側方からケーシング２８１（図２９）に嵌められて折られるかまたは挟持される。ディスプレイ２７１の残りの面は更に、ソフトウェア表示のために供される。

タッチスクリーン面２７１は基板１４の下方で、個々の入力要素１１を操作するとき（図３０）にこの入力要素によって機械的に接触させられる。基板１４は例えばケーシング２８１の側方で挟持可能である（図３０）。

接触手段、すなわち球冠１２による入力要素１１の操作によってストリップ導体で閉鎖される電気的な接点は、走査ユニット１６としての電子的な構成要素によって、順々に走査される。この走査は、電子機器のすべてのキーボードで実際に使用される周知の方法であるので、ここでは詳細に説明する必要がない。例えば８×８のストリップ導体の接点マトリックスを有する公知の機器の場合、６４以下のキーを備えたキーボードの状態を問い合わせることができるが、本発明の場合、個々の入力要素１１のストリップ導体のために、１個の接点マトリックスが使用される。接点はキーボードの場合一般的であるように、約５〜５０回／秒の変化するパルスによって状態を問い合わせられる。

走査の結果として、ビットパターンが生じる。このビットパターンは走査ユニット１６から、評価のためのソトウェア、すなわちパターン認識ユニット１７を有するマイクロプロセッサ制御装置に伝送される（図１）。その際、各々の走査サイクルの後で、各ストリップ導体について、それぞれの接点が閉じている（すなわち接触手段によって接触させられる）かまたは開放しているかを示すイエス／ノー情報が伝送される。ソフトウェアは、このビットパターンから、位置（押圧角度に一致する）と場合によっては操作の押圧力を計算する。

ストリップ導体の数は使用に応じて変化させることができる。ストリップ導体の数が多ければ、角度測定の精度が高くなるがしかし、電子装置のためのコストが高くつく。実際には、１つの軸線上で測定する場合（図１４，１５に対応）、３〜２０個のストリップ導体が有効であり、すべての方向で測定する場合（図１６〜２２）６個乃至数百個の接点が有効である。

ステップが図３１に詳細に記載されている。スタートの後で、ステップ３１２において、すべての入力要素の操作が検査される。選択的に、個々の入力要素を使用するかあるいは複数の入力要素を組み合わせ、電子装置によって評価することができる。ステップ３１２は、次の演算が作動した要素に関し、操作が検出されるまで繰り返されること（３１３）を保証する。

続いて、操作された要素のストリップ導体が検査される（３１４）。接触のビットパターンから、操作角度、すなわちそれぞれの要素３１５の傾斜が推定される。これは、位置の平均値を求めることによって行われる。例えば入力要素１１において１本の軸線に沿って１０個のストリップ導体が設けられ、そのうちストリップ導体２，３，５が接点を有すると、ステップ３１５は次の計算を行う。（２＋３＋５）／３＝３．３３（切り捨て値）。一般的に、ストリップ導体はそれぞれ等しい間隔をおいて取付けられ、球冠１２は角度変化に反応して接点位置を比例的に移動させる。この場合、接点位置の平均値は傾斜角度と直接関連している。特別な用途のために、ストリップ導体を等しくない間隔で取付けることができ、また球冠１２として形成された接触手段をきわめて偏平にまたは急勾配に形成することができる。この場合、ステップ３１５の制御は、機械的な特性を反映する表または特別な計算式に基づいて、押圧角度を決定しなければならない。

図３１のステップ３１６では、押圧力の決定が用途にとって重要である場合には、この押圧力の決定が行われる。そのために、閉じた接点（ストリップ導体）の数が簡単に数えられる。強く押圧すると、接触手段（球冠１２）の大きな変形を生じ、それによって数えられる接点の数が大きくなる。

この力測定は不正確であり、ほとんどの場合約３〜８段階だけしか確実に区別することができない。正確な特性は接触手段（球冠）の硬さと形状に依存する。力の測定を一層正確に行う必要があるときには、これは一層多いストリップ導体と、接触手段（球冠）の一層軟らかい材料と、接触手段（球冠）の特別な機械的特性を考慮した一層正確な計算式によって達成可能である。

ステップ３１７では、計算の結果がオペレーティングシステム（ＯＳ）に伝送される。このオペレーティングシステムでは、結果がカーソルの操作のためあるいはゲーム制御のためあるいはデータ入力のために使用可能である。入力要素を持続的に操作すると、ステップ３１３〜３１７が繰り返される。すなわち、場合によって生じる変化した押圧位置または押圧力が永久的に評価される。

本発明に従って構成された方法では、ポテンショメータとしてあるいは入力要素の傾斜を測定するためのコーティングディスクとして使用可能である非常にコンパクトなセンサが提供される。従って、公知の力センサやタンブラキーと同様に、移動体電子機器に容易に組み込むことができる。本発明と比較した、公知の技術の異なる特性は、図３２の表から明らかである。

力センサは測定の基礎として、ＦＳＲ（力感知レジスタ、圧力依存型抵抗）、ひずみ計（ストレインゲージ）またはホールセンサを使用する。これに対して、公知のキーは電流回路を簡単に閉じる。本発明は多数の電気的なスイッチを、機械的にユニットを形成する入力要素に統合する。

力センサは例えば、一種の小さなジョイスティック（トラックポイント）をキーの間に収納することにより、ノートブックコンピュータのマウスポインタを操作するために使用される。トラックポイントの下方のセンサは、操作人によって側方からトラックポイントに加えられる力を測定する。その際、操作のキー機能に類似して先行する機械的な押圧点は設けられない。勿論、大きな押圧力の際操作の後で簡単なマウスボタン機能を発揮するトラックポイント仕様もある。普通のキーは垂直方向の作動、すなわち下方への押圧にのみ応答する。それに対して、本発明は入力要素の傾斜に対して可変段階で応答し、その際多数のキーの機能を１つの入力要素にまとめる。このキー機能は本発明の場合使用に応じて省略することができる。それによって、本発明は専らカーソル制御のために使用可能である。普通のキーの場合のような機械的な押圧点は、本発明の場合可能であるが、省略することもできる。

力センサによって、カーソルを可変の速度で動かすことができる。これは本発明によって可能であるが、普通のキーはこれを行うことができない。力センサはこれを多数の押圧段階の区別に基づいて達成する。この場合、センサのハードウェアから分解能が生じる。普通の力センサ、特にストレインゲージは、百段階以上の分解能を提供する。それによって、ストレインゲージはノートブックディスクプレイでのマウスポインタの操作のために適している。小型の電子機器の場合、この精度は不利に作用する。というのは、この精度が必要ではなく、コストを不必要に高めるからである。

キーは可変の分解能を提供せず、それによって無段の制御には適していない。これに対して、本発明は、要求に応じて多い数または少ない数のストリップ導体を使用可能にするために段階分け可能である。その際、入力要素自体は変更しないでそのままにすることができる。

力センサの場合、アナログ入力信号とアナログデジタル変換するために必要な電子評価装置の結果との間には一義的な関係が生じる。スイッチの場合、電流回路を閉鎖するかまたは開放するという２つの選択だけしかできない。これに対して、本発明の場合、ストリップ導体のデンジタル信号を評価するがしかし、平行して操作される或る数のスイッチから、位置と場合によっては押圧力を計算するためには、パターン認識方法が必要である。

２つの軸線に沿った入力要素の動きを評価すると、複数の力センサのアナログ信号から、補間によって動きの方向を計算することができる。例えば北方向のセンサが西方向のセンサと同じ強さで操作されると、北西方向の制御要素の動きを推測することができる。これは公知の技術である。アナログ式力センサの精度は百個以上の円セグメントの区別を可能にする。

従来のスイッチは、スイッチの数と同じ数の操作方向、すなわち一般的には２つまたは４つの操作方向を区別することができる。これに対して、本発明は、ストリップ導体の数に応じて、はるかに多いがしかし力センサよりも少ない円セグメントを区別する。コンパクトな電子機器のためには全く充分である。

力センサとそれに関連するアナログ式電子評価装置は多少温度に左右され、構成要素の劣化、製造誤差または校正不良によって、誤差が生じる。スイッチと本発明は完全デジタル技術によってこれらの問題を全く生じない。

本発明による解決策は従来のポテンショメータやコーディングスイッチよりも非常に低価格であり、頑丈であり、そしてコンパクトである。本発明は従来のキー機能をはるかに越える機能を有し、それによって多数の機能を有する高性能のソフトウェア表面の操作するために合目的である。測定の分解能は高価値の力センサよりも低いが、完全デジタル評価と摩耗のない運転によって、力センサに匹敵する精度が保証される。

デジタルインターフェースと、キーボード内の一部として自動的に製作可能な構造形態によって、本発明は力センサよりも望ましい大きさで製作可能である。公知のキーボードよりも価格が幾分高いだけである。

段階を付けることができる精度と、多数の構造形態によって、本発明は異なる要求に適合可能である。本発明は特にカーソル制御のための機能と、キーボードのようにデータ入力する機能を提供する。

移動体電子機器のための操作要素の傾斜を測定するために、カーソル制御のためのセンサと、最新の電子機器の高性能のソフトウェアの操作のためのセンサが必要である。小さなディスプレイを有する移動式の機器の場合のカーソルの位置決め要求は、大きなディスプレイの場合よりも小さい。

このようなセンサは小型で、軽量で、頑丈でそして自動装置によって低価格で製造可能でなければならない。センサができるだけ少ない部品からなり、キーボードに一体化可能であると有利である。本発明による解決策はこれらの前提条件を満足する。

本発明による装置の原理的な構造を示す図である。 本発明に従って形成された装置の入力要素を、異なる位置で垂直方向に操作するときの操作方法を示す図である。 本発明に従って形成された装置の入力要素を、垂直方向にそしてその後で斜めに操作するときの操作方法を示す図である。 本発明に従って形成された装置の入力要素を、斜めの方向に操作するときの操作方法を示す図である。 キーとして形成された本発明による入力要素の中央を小さな押圧力で垂直方向に操作した後の状態を示す図である。 図５の接点閉鎖を示す図である。 キーとして形成された本発明による入力要素の中央を大きな押圧力で垂直方向に操作した後の状態を示す図である。 図７の接点閉鎖を示す図である。 キーとして形成された本発明による入力要素の一方の側を中央から斜め方向に操作した後の状態を示す図である。 図９の接点閉鎖を示す図である。 押圧力を変えたときの、図９の接点閉鎖を示す図である。 キーとして形成された本発明による入力要素の外側を片側から斜め方向に操作した後の状態を示す図である。 図１２の接点閉鎖を示す図である。 軸線上の傾斜状態を決定できるようにするための、ストリップ導体の形状の一例（一次元センサ）を示す図である。 軸線上の傾斜状態を決定できるようにするための、ストリップ導体の形状の他の例（一次元センサ）を示す図である。 円板状の入力要素を備えた二次元センサを上から見た図である。 円板状の入力要素を備えた二次元センサを下から見た図である。 ストリップ導体の二次元的な配置構造を示す図である。 ストリップ導体の他の二次元的な配置構造を示す図である。 ストリップ導体の他の二次元的な配置構造を示す図である。 二次元センサの接点閉鎖の一例を示す図である。 二次元センサの接点閉鎖の他の例を示す図である。 本発明に従って形成された入力要素の構造を示す図である。 本発明に従って形成された入力要素の構造を示す図である。 本発明に従って形成された入力要素の構造を示す図である。 本発明に従って形成された入力要素の構造を示す図である。 本発明に従って形成された入力要素の構造を示す図である。 接触感応式のディスプレイを備えた携帯式コンピュータを示す図である。 本発明に従って形成された装置のアタッチメントを備えた、接触感応式のディスプレイを備えた携帯式コンピュータを示す図である。 図２９のアタッチメントの断面図である。 センサ信号を評価するための本発明に従って形成された方法のフローチャートである。 いろいろなセンサ技術の対比表である。

符号の説明

１０ 操作表面
１１ 入力要素
１２ 球冠
１３ 弾性部
１４ 基板
１５ 接点マトリックス
１６ 走査ユニット
１７ パターン認識ユニット
１８ 接点コーティング
１９ 下面
２１ 左側エッジ
２２ 中央
２３ 右側エッジ
２４ 押圧と保持の操作機能を有するキー
２５ ジョイスティック運動
６２ 閉じた接点
６３ 閉じた接点
１１１ 開放した接点
１４１ ラスター化された長方形
１４２ 接点
１４３ 接点
１４４ 接点
１４５ 接点
１５１ 接点
１６１ 中央
１６２ エッジ
１８１ ストリップ導体
１８２ ストリップ導体
２１１ 平均値
２１２ 平均値
２３１ ケーシング
２３２ 接点
２３４ 角部
２３５ 角部
２３６ ケーシング
２５１ 弾性フィルム
２５２ 凸形湾曲部
２５３ 導電層
２５４ ケーシング
２６１ ケーシング
２７１ ディスプレイ
２７３ 切欠き
２８１ ケーシング
３１１ 方法ステップ
３１２ 方法ステップ
３１３ 方法ステップ
３１４ 方法ステップ
３１５ 方法ステップ

Claims (19)

1. 入力要素の機械的な操作を検出するための装置であって、この入力要素が一平面内で弾性的に懸吊されて配置され、この平面から垂直方向および垂線に対して所定の角度をなして傾斜方向に操作可能である、上記装置において、
   入力要素（１１）に加えられる垂直方向と傾斜方向の両方向の動きをビットパターン形式の電気的なデジタル信号に変換するスイッチ要素（１８；１５）と、
   このスイッチ要素（１８；１５）から提供される電気信号を後続の消費装置のためのコマンドに変換し、ビットパターン形式の信号のパターン認識に基づいて作動する電子制御装置（１６；１７）と、
   が設けられ、
   スイッチ要素（１８；１５）が、任意の選択に基づく入力要素（１１）の位置に依存して閉鎖可能である、接点マトリックス（１５）の多数の対の接点（１４２；１４３；１４４；１４５；１５１）を備えており、
   入力要素（１１）の傾斜方向と押圧力を同時に求めることができる、
   ことを特徴とする装置。
2. スイッチ要素（１８；１５）が入力要素（１１）の下方に配置された基板（１４）からなり、この基板が接点（１４２；１４３；１４４；１４５；１５１）を有する接点マトリックス（１５）を備え、入力要素（１１）がその下面（１９）に球冠（１２）を備え、この球冠が下面（１９）とは反対の凸形表面に、導電性の接触コーティング（１８）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 球冠（１２）が変形可能な材料、主としてエラストマーからなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 球冠（１２）が中央に、入力要素（１１）の下面（１９）に対して平行に延びる表面を有し、エッジに傾斜部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
5. 接点マトリックス（１５）が１本の軸線に沿って多数の接点（１４２；１４３；１４４；１４５；１５１）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の装置。
6. 接点マトリックス（１５）が二次元の接点配置を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の装置。
7. 球冠（１２）が断面図で、入力要素（１１）の下面（１９）に一致する、せいぜい１０個の辺（２３４；２３５）を備えた多角形の底面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
8. 球冠（１２）が円形の底面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
9. 接点マトリックス（１５）の接点（１４２；１４３；１４４；１４５；１５１）が対をなして交互の順番で配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
10. 接点マトリックス（１５）の接点（１４２；１４３；１４４；１４５；１５１）が互いに同軸に交互の順番で配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
11. 接点マトリックス（１５）の接点（１４２；１４３；１４４；１４５；１５１）が交叉する順番で配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
12. 入力要素（１１）の下方において球冠（１２）と接点マトリックス（１５）の間に、フィルム（２５１）が設けられ、このフィルム（２５１）がその凸形湾曲部（２５２）によって入力要素（１１）の方向に弾性的であり、フィルムが接点マトリックス（１５）の範囲においてその下面に、導電性の層（２５３）を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
13. 入力要素（１１）がジョイスティックとして形成され、かつケーシングカバー（２６１）の下方に弾性的に支承され、球冠（１２）が凸形に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
14. 入力要素（１１）が基板（１４）に対して弾性的にケーシング（２３１）内で支承され、ケーシングが基板（１４）に固定連結され、基板（１４）が切欠き（２７３）を有し、この切欠きを通って球冠（１２）がタッチスクリーン（２７１）を操作することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
15. 入力要素（１１）と弾性特性を有するケーシング（２３１）がユニットを形成していることを特徴とする請求項１〜８および１４のいずれか一つに記載の装置。
16. 基板（１４）がソフトウェア制御の電磁石を備え、この電磁石が入力要素（１１）の操作状態を確実に確認することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
17. 入力要素（１１）の下方に、すなわち基板（１４）上に、集積された回路が設けられ、この回路がその表面に、接点の機能を有する多数の電極を備え、集積回路が２個の電流供給端子と、システム構成のための入力データラインと、空間的な軸線の値ｘ，ｙ，ｚのための３つのデータ出力部を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか一つに記載の装置のための方法において、
    走査ユニット（１６）が１秒あたり約５０回の速い順序で電気的な接続部上で順々に接点マトリックス（１５）の列と隙間を検査し、
    接点マトリックス（１５）の接点の任意の組み合わせを閉鎖することができ、
    走査ユニットがこの検査からビットパターンを発生し、他の処理のためにパターン認識ユニット（１７）に更に供給する、
    ことと、
    パターン認識ユニット（１７）が走査ユニット（１６）から供給されるビットパターンを解釈し、この場合ビットパターンのビットが接点マトリックス（１５）の閉じた接点（６２）を示し、前記解釈により、閉じた接点（６２）の空間的な位置（６３）から、算術平均値が求められ、この結果から１つの軸線に沿った入力要素（１１）の傾斜方向が求められるか、或いは閉じた接点（６２）の空間的な位置から、２つの算術的な平均値（２１１；２１２）が求められ、この結果から、入力合計が求められ、この結果から、２つの軸線に沿った入力要素（１１）の傾斜方向が求められることと、
    パターン認識ユニット（１７）が走査ユニット（１６）から供給されるビットパターンを解釈し、この場合ビットパターンのビットが接点マトリックス（１５）の閉じた接点を示し、前記解釈により、閉じた接点（６２）の数から、合計が求められ、この結果から、入力要素（１１）の操作時の球冠（１２）の偏平が検出され、これから、入力要素（１１）の押圧力が求められることと、
    を特徴とする方法。
19. 円形の入力要素（１１）の球冠（１２）が接点マトリックス（１５）上の多数の接点を閉鎖し、この接点が二次元の接点マトリックス内に配置され、制御装置が閉じた接点の位置から、操作角度と操作方向を決定することを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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