JP4815354B2 - 移動可能な物体を再びセンタリングするためのばねシステム - Google Patents

Description

本発明は、外部の力が物体に作用しない場合に、二次元の動作領域内で移動可能な物体を再センタリングするための機構に関する。

物体に適用される外部の力に応じて、所定の範囲内で二次元の面上を移動する装置を検討する。以下の議論において、その物体をパックと称し、その物体が移動可能な範囲をパック動作領域と称する。例えば「マウス」に類似するコンピュータのポインティングデバイスが、同時継続特許出願に記載されている。その装置には、ユーザが指を介してパックに適用する力に応じて、パック動作領域内の面上を移動するパックが含まれる。その面には、パック動作領域内のパックの位置を検出し、装置に結合されているデータ処理システムにその位置を伝える位置センサが含まれる。ユーザがパックを解放すると、パックはパック動作領域内の所定の位置に戻る。パックを戻すための復元力は、パック動作領域の端部の支持にパックを接続するばねによって生じる。

同様の機構が、加速度計を構成するのに利用可能である。この場合には、パックを担持する装置が加速すると、パックが移動する。加速度は、時間の関数としてパックの位置を測定することによって定量化される。加速が止まると、パックはばねによってその始動位置に戻される。

マウスの場合には、パックの位置を元に戻すために利用されるばねは、ユーザが力を作用させてパックを移動させる際、ユーザの手に疲労感を生じさせるのに十分なほど大きな力を必要とすることなく、パックを再センタリングできなければならない。加えてパックを移動するのにユーザが適用する力は、パック動作領域上で変化してはならず、力が変化することによって、ユーザによるパックの正確な位置決めが妨害される。さらにラップトップコンピュータ及びハンドヘルドコンピュータでの使用を意図する実施形態は、ポインティングデバイスの横方向の寸法及び厚みの双方を重要視する。したがってポインティングデバイスの厚み及び横方向の寸法を増大させるばねの設計は好ましくない。加速度計又は類似物の場合、パックの移動方向によらず、復元力は一様でなければならない。

本発明は、パック動作領域内で移動する移動可能なパックを含む。パック動作領域は境界によって画定されている。弓形ばねがパックを境界に接続する。各弓形ばねは、パックに接続されている第一端部と、境界に接続されている第二端部を有し、パックに適用される外部の力がない場合に、パック動作領域の所定の範囲にパックを維持する力をパックに適用する。各弓形ばねは、一実施形態において、平坦な渦巻き状の部材を含む。一実施形態において、また弓形ばねの一つは、パックがパック動作領域の所定の範囲に戻る場合、パックの位置での何らかの振動を減衰させる力を適用する。他の実施形態では、またパックは、弓形ばねの一つによってパック動作領域の外部の点に電気的に接続されている電極を含む。他の実施形態では、境界は材料の層の開口部によって画定される。他の実施形態では、パック及びばねは、材料の層の部分から構成されている。

本発明がその利点をもたらす仕方は、上記の形式のパックを利用してポインティングデバイスを実施するポインティングデバイス10を図解する図１Ａ-１Ｂを参照することによってより理解することができる。図１Ａは、ポインティングデバイス10の平面図、図１Ｂは、図１Ａに示す線1B-1Bを介するポインティングデバイス10の断面図である。ポインティングデバイス10は、パック11に適用される横方向の力に応じて、パック動作領域19内で基板15の面12上を移動するパック11を含む。概して力は、ユーザの指、親指もしくは複数の指によりパック11に適用される。加えて、ポインティングデバイス10は、面12上のパックの位置を判定するための検出機構を含む。ユーザがパック11を解放すると、パック動作領域の周囲14にパック11を接続し、参照番号13で示す蛇行するばねが、パック動作領域の所定の位置にパックを戻す。

パック動作領域内のパックの位置は、種々の方法によって判定することができる。パックの位置を判定する方法が本議論に関係しないので、種々の位置検出機構について本明細書では詳細に議論しない。本議論の目的のために、多くのそのような方法には、パックの一つ又はそれ以上の電極と、面12の一つ又はそれ以上の電極との間の容量を測定することが含まれることに十分注意されたい。例示的なパックの電極を図１Ｂに参照番号21で示す。

参照番号13で示す蛇行するばねは必要とされる復元力をもたらすが、蛇行するばねには幾つかの問題がある。図１Ａ-１Ｂに示す蛇行するばねは、パック動作領域の全ての部分にパックが達することを妨げる。これは、パックの移動がパック動作領域の周囲のばね取り付け位置に向かう場合に特に当てはまる。したがってパック動作領域の特定の範囲にデバイスをもたらすために、その押圧された状態のばねに要求される面上の使用できない空間に適応するように、幾分大きな横方向の範囲が必要とされる。加えて、パックを移動するのに要求される力は、パック動作領域の異なる範囲及び異なる移動方向に対して異なる。一般的な螺旋コイルばねにも同様の問題がある。加えて、ばねは想到の厚みを有し、ポインティングデバイスの厚みを増すこととなる。装置の厚みは、空間が重要とされる多くの用途において問題となる。伸縮する膜又はゴムの放射状の断片のような他の解決法は、力応答が非線形であるという欠点を有し、したがって周囲付近でユーザは必要以上の力を加えなければならない。

さらに、本発明の一実施形態による懸架システムを利用するポインティングデバイス70の平面図である図２を参照する。ポインティングデバイス70は、上記の理想的な特性をほとんどもたらす渦巻き状ばね設計を利用する。パック75は、参照番号71-74で示す４つの渦巻き状のばねに取り付けられている。各渦巻き状の部材は、一方の端部がパック75に取り付けられ、もう一方の端部が、プレート76の開口部によって画定されるパック動作領域の境界78上の一点におけるポインティングデバイスの固定個所に取り付けられている。

最適なばねは、おおよそ270度から360度にわたって回転する渦巻き状のばねである。すなわち参照番号79で示す12時の位置のパックの上部に接続されているばねが、参照番号77で示すパック動作領域の境界の９時から12時の間で終端する。これが好ましいばね構成であるが、他のばね構成を利用することもできる。より短いばねを使用する場合には、パックがパック動作領域の限界にまで移動する場合、パックは回転しやすくなる。そのような回転は、幾つかの設計において、位置検出機構に干渉する。360度よりも長いばねは、利用可能な空間をより消費し、より弱い復元力を結果生じる。

図２に示すパックの設計は、パック動作領域の境界に隣接してデッドスペースを有し、そのデッドスペースはばねの幅の３倍である。幅がおおよそ0.25mmである金属製のばねが適切に実施される。したがってパック動作領域の境界に隣接して幅が１mmよりも狭い範囲が、ポインティングデバイスに基づくそのような渦巻き状のばねにおいて無駄にされる。幅が0.75mm、厚みが1.5mmのプラスチック製のばねは、直径60 mmの動作領域内の直径30 mmであるパックに対して適合する。

図２に示す実施形態は、各ばねに対して平坦な渦巻き状の部材を利用する。すなわち、パックが、パック動作領域においてセンタリングされる場合に、ばねによって達成される曲線は、極座標系（R、θ）においてR=k-k'θによって与えられる。ここで、k及びk'は定数である。この曲線はばねの長さを最大とするよい近似であるが、２つの端部におけるこの関係とは異なる関係の曲線が有利である。そのようなばねでは、渦巻きの２つの端部は、ばねがパック及びパック動作領域の境界に取り付けられる点に対してほぼ接する端部を形成するように修正されている。このような修正によって、パックは、パック動作領域の限界により容易に達する。加えて、各平坦な渦巻き状の部材によって達成される正確な曲線は完全な渦巻き形状から幾分異なるものとすることができ、他のばね設計を越える相当な利益を依然としてもたらすことが明らかである。したがって用語「平坦な渦巻き状の部材」は、長さＬ及び中心線を有する任意の直線構造を含むように画定され、任意の所定のθの値に対して、Rが、Ｌの少なくとも50％に対してR₀=k-K'θの25％の範囲であるように、極座標系（R、θ）において曲線を達成する。加えて、弓形ばねの他の形態を、上記した渦巻き状の部材の全ての利点をもたらすことがないばねでさえも利用することが可能である。

本発明の上記した実施形態は、その静止位置にパックを復元するための４つのばねを利用する。しかしながら他の数のばねを利用することも可能である。原則として、一つのばねを利用することができるが、しかしながら、そのばねは２つの方向で復元力をもたらすことを必要とされ、したがってもはや等方的ではなく、上記したばねよりも剛直となる。加えて、より多くのばねを利用し、パックに付加的な電気的な接続をもたらすことができる。

上記した実施形態におけるばねは、動作領域の中心にある静止位置にパックを理想的に戻す。このような実施形態は、静止位置からの、適合される移動量を最大化する。しかしながら、解放されるたび毎に、パックが、同じ始動位置に正確に戻される必要がないことは先の議論から明らかである。同様に、パック動作領域の中心と厳密に位置合わせされている静止位置に、パックを戻す必要はない。パック動作領域の中心に十分に近い位置にパックが戻されることにより、パックをその位置から所望とされる何れかの方向の新しい位置に動かすことができる限りにおいて、本発明は、上記の蛇行するばね設計を越える改善をもたらす。

一実施形態において、パックができる限りわずかしか振動しないでその静止位置に戻ることを確実とするために、パックは振動を減衰する何らかの形態を含む。振動を減衰する一つの方法は、ユーザにより解放され、その静止位置に戻る際、パックが支持構造の表面に対して押圧された状態を維持することを確実とすることである。この場合には、パックと支持構造との間の摩擦が、減衰力をもたらす。これは、パックに下向きの力を適用するようなばねを取り付けることによって達成される。例えばパックのばねの端部に対する取り付け位置を、ばねのもう一方の端部に対する取り付け位置よりも支持構造からの距離を大きくして配置することができる。代替的には、各ばねが上記の復元力に加えて下向きの力を及ぼすように、ばねを変形することができる。

また本発明は容易かつ経済的に製造される。パック及びばねは、シートを打ち抜き又はエッチングすることによりばねに対して使用される形式の材料からなるシートより形成され、パック動作領域の境界をもたらす縁に取り付けられているばね及びパックが作り出される。例えば、従来のホトリソグラフィ技術を、プラスチックのシートをエッチングして、シートの端部に取り付けられているプラスチック製のばね及びプラスチック製のパックを形成するのに利用することができる。製造工程の種々の段階にある本発明の一実施形態によるパック、ばね、パック動作領域の境界の構造を図解する図３-５をさらに参照する。工程は、図３に示すように、パック81、ばね82、境界83となるプラスチックのシートの範囲を、ホトレジストのパターンにより保護することにより開始される。さらにプラスチックは、図４に示すように、ばねの間の保護されていないプラスチックの部分をエッチングにより取り除かれ、ホトレジストが取り除かれて、単一のプラスチック構造86が残される。

さらに図５を参照する。パックが、上記のような位置測定手法の部分としてパックの面の一つ又はそれ以上の電極を利用する場合、従来のメッキ技術又は、スパッタリングのような真空堆積技術を利用して、電極を堆積させパターン形成することができる。例示的な電極を図５の参照番号91、92により示す。電極に対する電気的な接続が必要であるならば、パック動作領域の周囲に電極を接続する導電体で、一つ又はそれ以上のばねをメッキすることもできる。例えば、電極91はメッキされたばね93によりリード線94に接続される。同様に、電極92は、メッキされたばね95によりリード線96に接続される。

またパック、ばね、周囲は、当業界で公知の技術を利用して、単一の工程で、プラスチックから鋳造により形成することができる。また上記のメッキ又は真空堆積技術に加えて、鋳造の工程の間、埋め込むことができる。

本発明の上記した実施形態は、円形のパック動作領域を利用するが、パック動作領域を他の形状とすることができる。例えばパック動作領域を楕円形又は矩形とすることができる。このような場合、最適なばね形状は上記したものとは異なるが、しかし依然として概して弓形ばねである。

本発明の上記した実施形態は、移動可能な物体としてパックを利用する。しかしながら本発明を同様に他の物体に適用することもできる。したがって本明細書で使用する用語「パック」は、動作領域の固定された位置に戻される任意の物体を含む。

本発明の種々の変更が、先の詳細な説明及び添付の図面から、当業者には明らかとなる。したがって本発明は、添付の特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。

ポインティングデバイス10の平面図である。 図１Ａの線1B-1Bを介するポインティングデバイス10の断面図である。 本発明の一実施形態による懸架システムを利用するポインティングデバイス70の平面図である。 製造工程の種々の段階において、本発明の一実施形態によるパック、ばね、パック動作領域の境界を示す。 製造工程の種々の段階において、本発明の一実施形態によるパック、ばね、パック動作領域の境界を示す。 製造工程の種々の段階において、本発明の一実施形態によるパック、ばね、パック動作領域の境界を示す。

Claims (6)

1. 移動可能なパック（75）と、
   パック動作領域を画定する境界（78）と、前記パック（75）が当該境界（78）に対して移動し、
   前記パック（75）に接続されている第一端部と前記境界（78）に接続されている第二端部を有する少なくとも一つの弓形ばね（71-74）とからなり、
   前記弓形ばね（71-74）が、前記パック（75）に外力が適用されていない場合、前記パック動作領域の所定の範囲に前記パック（75）を維持する力を当該パック（75）に適用し、
   前記弓形ばね（71-74）が平坦な渦巻き状部材からなり、
   また前記弓形ばね（71-74）が、前記パック（75）が前記パック動作領域の所定の位置に戻る際に、前記パック（75）が支持構造の表面に対して押圧された状態を維持する装置（70）。
2. さらに、前記パック（75）が電極（91、92）からなり、前記弓形ばね（94、96）の一つが当該電極（91、92）を前記パック動作領域の外の点に電気的に接続する請求項１に記載の装置（70）。
3. 前記境界（78）が材料の層（76）の開口部からなる請求項１に記載の装置（70）。
4. 前記材料がプラスチックからなる請求項３に記載の装置（70）。
5. 前記材料が金属からなる請求項３に記載の装置（70）。
6. 前記パック（75）及び前記ばねが材料の前記層（76）の部分からなる請求項３に記載の装置（70）。

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