JP6282223B2

JP6282223B2 - 入力機器

Info

Publication number: JP6282223B2
Application number: JP2014266835A
Authority: JP
Inventors: 俊季中村; 尚佐々木; 譲川名; 佐藤　邦生; 邦生佐藤; 高井　大輔; 大輔高井
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2014-12-27
Filing date: 2014-12-27
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-12-27
Also published as: JP2016126522A

Description

本発明は、パソコンやタブレット端末などのためのキーボードに用いる入力機器に関する。

特許文献１は、キーボード入力部と、指の接触位置を検出するタッチパッドと、操作突起の押圧に応じて変化する歪みセンサからの出力に基づいて移動方向と移動距離を示す信号を生成するスティックポインタとを備えた入力処理装置を開示している。

近年、ノートブックＰＣの薄型化の要望にともなって、これに用いるキーボードも薄型化が求められている。また、タブレット端末の薄型化や小型化等に合わせて、これに用いるキーボードの薄型化や小型化が求められている。このような要望に応えてキーボードの薄型化や小型を図るため、特許文献１に記載の入力処理装置のようにスティックポインタその他のポインティングデバイスを搭載したキーボードにおいては、ポインティングデバイスについても薄型化や小型化が求められている。

特許５３５８３９２号公報

しかしながら、薄型化のために従来のスティックポインタの操作突起を突出量の少ない平坦な形状に変更した場合、操作突起に歪みが生じにくくなるため操作性が低下し、これにより操作者による押圧力及びその方向を正確に検出することが難しくなるという問題がある。

これに対して、歪みセンサに代えて静電容量センサを用いた場合には、歪みセンサによる圧力分布に代わって、静電容量分布を得ることはできる。しかし、薄型化と小型化のために、ポインティングデバイスの専有面積を広げずに平坦な形状とした場合、操作者による押圧の位置や方向を判別することが難しいことから、操作者が意図する移動方向の検出は困難である。

そこで本発明は、薄型化と小型化を実現することができ、かつ、操作者による押圧力及び押圧方向を正確に検出することができる入力機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の入力機器は、基板上に入力凸面を備え、入力凸面に対する操作者の指の動作に応じた入力を受け付ける入力部と、入力部からの出力信号に基づき、指の動作を判断する判断部と、を有する入力機器であって、静電容量を検出するための検出電極が基板上に設けられ、検出電極を覆うように入力凸面が配置され、入力凸面は、基板から上方へ曲面状に突出するように設けられ、頂部から周縁部に至る斜面を有し、検出電極は、斜面を構成する複数の分割領域に対応する複数の電極に分割され、入力凸面の頂部は、操作者から見て手前側に設けられており、入力部は、指の動作に応じて変化する静電容量を検出することを特徴としている。

曲面状に突出する入力凸面に対する指の動作を静電容量によって検出するため、薄型化と小型化を実現しつつ、正確な検出を行うことが可能となる。

また、静電容量の検出を平面状の検出電極で行い、指の動作を曲面状の入力凸面に対して行うことにより、小さな専有面積の中で正確な検出が行うことができる。

さらに、指の移動方向が判別しやすくなるため、正確な検出を行うことが可能となる。

しかも、頂部を手前側に設けた曲面形状にすることによって、奥行き方向における静電容量の検出データを均等にすることができ、これによりさらに正確に指の動作を検出することができるようになる。

本発明の入力機器において、判断部は、指が斜面の分割領域のいずれに接触又は接近したかを判断することが好ましい。

これにより、指の移動方向が判別しやすくなるため、正確な検出を行うことが可能となる。

本発明の入力機器において、検出電極は、指の腹に対応する面積を有することが好ましい。
これにより、小さな面積で指先の動きを正確に検出することが可能となる。

本発明によると、薄型化と小型化を実現するとともに、操作者による押圧力及び押圧方向を正確に検出することができる入力機器を提供することができる。

（Ａ）は実施形態における基板の構成を示す側面図、（Ｂ）は実施形態において検出電極が形成された基板の構成を示す側面図、（Ｃ）は実施形態における入力機器の構成を示す側面図である。（Ａ）は実施形態における基板の構成を示す平面図、（Ｂ）は実施形態において検出電極が形成された基板の構成を示す平面図、（Ｃ）は実施形態における入力機器の構成を示す平面図である。実施形態にかかる入力機器の構成を示すブロック図である。（Ａ）は実施形態の入力機器の入力凸面の奥側斜面に操作者の指が接触した状態を示す側面図、（Ｂ）は実施形態の入力機器の入力凸面の手前側斜面に操作者の指が接触した状態を示す側面図である。（Ａ）は変形例における入力機器の構成を示す側面図、（Ｂ）は図５（Ａ）の平面図である。頂部の位置をＹ２方向にオフセットした量と検出感度の関係を示すグラフである。（Ａ）は図６のオフセット量Ａに対応する入力機器の側面図、（Ｂ）は図６のオフセット量Ｂに対応する入力機器の側面図、（Ｃ）は図６のオフセット量Ｃに対応する入力機器の側面図である。

以下、本発明の実施形態に係る入力機器について図面を参照しつつ詳しく説明する。

各図には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｚ方向は、入力機器としてのポインティングデバイス１０の高さ方向に沿っており、Ｘ−Ｙ面はＺ方向に直交する面である。以下の説明において、Ｚ１−Ｚ２方向から見た状態を平面視といい、Ｚ１方向を上方向、Ｚ２方向を下方向ということがある。

図１（Ａ）は本実施形態における基板２０の構成を示す側面図、図１（Ｂ）は検出電極３０が形成された基板２０の構成を示す側面図、図１（Ｃ）はポインティングデバイス１０の構成を示す側面図である。図２（Ａ）は基板２０の構成を示す平面図、図２（Ｂ）は検出電極３０が形成された基板２０の構成を示す平面図、図２（Ｃ）はポインティングデバイス１０の構成を示す平面図である。図３は、ポインティングデバイス１０の構成を示すブロック図である。図４（Ａ）はは入力凸面４０の奥側斜面４３に操作者の指Ｆが接触した状態を示す側面図、図４（Ｂ）は入力凸面４０の手前側斜面４４に操作者の指Ｆが接触した状態を示す側面図である。

ポインティングデバイス１０は、パソコンやタブレット端末などのためのキーボードに用いる入力機器であって、図１と図２に示すように、基板２０上に検出電極３０を形成し、さらに、検出電極３０を覆うように入力凸面４０を配置した構成を備える。

基板２０は、非導電性材料、例えばガラス又はプラスチックで平面視円形状に形成される（図２）。

検出電極３０は、導電性材料で形成され、例えば銅箔のエッチング、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）のスパッタリングによって所定のパターンに形成される。図２（Ｂ）に示すように、検出電極３０は、円形の基板２０の中心２０ｃに関して等角度ごとに、第１検出電極３１、第２検出電極３２、第３検出電極３３、及び第４検出電極３４を有する。これらの４つの検出電極３１〜３４は互いに絶縁されている。検出電極３０は、基板２０の中心２０ｃを円の中心とする所定の直径の円形部分２１には形成されておらず、４つの検出電極３１〜３４の平面形状は輪帯状となっている。

検出電極３０は、ＸＹ平面において、操作者の指の腹の範囲に対応する面積となるように形成されている。ここで、指とは、入力凸面４０を操作することが想定される、大人の人差し指、中指、又は親指である。指の腹とは、図４に示す、指の先端Ｔから遠位指節間関節Ｄまでの範囲の内側部分Ｂである。検出電極３０の大きさは、指の腹と同等又はそれ以下であることが好ましく、例えば、平面視で直径８．５〜１０ｍｍであるとよい。これにより、操作者の指を大きく動かさずにポインティングデバイス１０を操作できるため、周りに配置したキーに対する誤操作を防ぎつつ、小さな面積で構成することができる。

４つの検出電極３１〜３４においては、接地部（ＧＮＤ）との間の静電容量の変化を検出する。より具体的には、検出電極３１〜３４のいずれにも指が接近していないときは、各検出電極と接地部の間の寄生容量に応じて、各検出電極に電流が流れる。ここで、いずれかの検出電極に指が接近すると、指が接近した検出電極と指との間が容量結合されるため、その分だけ静電容量（自己容量）が増大し、これにより電圧印加時に検出電極に流れる電流も増大する。このため、指が接近した検出電極からの出力信号と、それ以外の検出電極からの出力信号とに基づいて、指の位置を特定することができ、４つの検出電極３１〜３４を用いて連続的に測定することによって操作者の指の動きを検出することができる。

一方、検出電極３０と基板２０との間に駆動電極を形成した構成も可能である。この場合、駆動電極に電圧を印加すると、４つの検出電極３１〜３４のそれぞれと駆動電極との間に電位差が発生し、各検出電極と駆動電極の間の静電容量（相互容量）に応じて、各検出電極に電流が流れる。ここで、いずれかの検出電極に指が接近すると、指と、検出電極の間も容量結合されるため、その分だけ検出電極と駆動電極の間の静電容量が減少し、これにより電圧印加時に検出電極に流れる電流も減少する。このため、指が接近した検出電極からの出力信号と、それ以外の検出電極からの出力信号とに基づいて、指の位置を特定することができ、指の位置を連続的に測定することによって操作者の指の動きを検出することができる。

入力凸面４０は、非導電性材料、例えば合成樹脂の成形により、検出電極３０を覆うように、基板２０から上方へ、すなわちＺ１方向へ曲面状に突出するように形成される。図１（Ｃ）に示すように、入力凸面４０は、ＸＹ平面において基板２０の中心２０ｃに対応する位置が頂部４１となり、頂部４１から周縁部４２に至る斜面からなる半球状の形状を備える。上述のように基板２０において中心２０ｃを中心とする円形部分２１には検出電極が形成されていないため、頂部４１に対応する位置には検出電極が形成されていないこととなる。また、図２（Ｃ）に示すように、入力凸面４０の斜面は、４つの検出電極３１〜３４にそれぞれ対応するように、頂部４１について等角度に分割された４つの分割領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ（分割領域）を有する。本実施形態では、入力凸面４０の平面形状を、基板２０と同一直径の円形状としているが、検出電極３０を覆う形状であれば、入力凸面４０の平面形状は基板２０の直径より小さくてもよいし、楕円形状であってもよい。

操作者の指が、入力凸面４０の斜面のいずれかの分割領域に接触又は接近すると、接触した領域の下方に位置する検出電極に指が接近することになるため、その検出電極について静電容量が増大する。また、入力凸面４０上において複数の分割領域間で指を動かすと、移動に応じて、分割領域に対応する複数の検出電極において静電容量が増減する。

図３に示すように、４つの検出電極３１〜３４は静電容量算出部５１に接続されている。静電容量算出部５１は、４つの検出電極３１〜３４から出力された検出信号に基づいて、それぞれの検出電極について静電容量を算出する演算回路であり、算出結果を判断部５２へ出力する。ここで、検出電極３０、入力凸面４０、及び静電容量算出部５１は、入力凸面４０に対する指の動作に応じた入力を受け付ける入力部として機能する。

判断部５２は、静電容量算出部５１による算出結果に基づいて、指の位置及び動作を判断する。判断部５２は、静電容量が増大した検出電極に対応する位置に指があると判断し、複数の検出電極において静電容量が増減した場合には、静電容量が減少した検出電極に対応する位置から静電容量が増大した検出電極に対応する位置へ指が移動したものと判断する。このとき、判断部５２は、指の移動方向に対応する方向に、パソコン等の画面上のカーソル（ポインタ）を移動させるポインティング動作の指示信号をパソコン等へ出力する。

また、判断部５２は、指の位置が、所定時間以上（例えば０．５秒以上）にわたって一定の位置にとどまっているときは、操作者が入力凸面４０の斜面の分割領域の１つを押圧し続けていると判断し、頂部４１から上記領域へ向かう方向にパソコン等の画面上のカーソルを移動させる指示信号を出力する。

操作者の指の動作に対応したカーソル移動量の算出は、より具体的には次のように行う。第１検出電極３１の検出信号に基づいて静電容量算出部５１で算出された静電容量をａ、同様に第２検出電極３２の検出信号に基づいて算出された静電容量をｂ、第３検出電極３３の検出信号に基づいて算出された静電容量をｃ、第４検出電極３４の検出信号に基づいて算出された静電容量をｄとしたとき、奥行き方向（Ｙ１−Ｙ２方向）の移動量は次式（１）によって算出し、左右方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の移動量は次式（２）によって算出する。

（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）（１）
（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）（２）

ここで、上式（１）、（２）による移動量の算出は、分母の（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）が閾値より大きいときに行うことが好ましい。これにより、正確な移動量を算出することができ、この移動量に基づいた正確なポインティング動作を行わせることが可能となる。上記閾値は、ポインティングデバイス１０の形状、材質、ユーザーが所望する感度等に応じて設定する。

パソコン等においては、判断部５２において上式（１）又は（２）を用いて算出された、奥行き方向と左右方向の移動量に基づいて、画面上のカーソルの移動量（Δｘ、Δｙ）を算出し、この算出結果に応じてカーソルを移動させる。

図５（Ａ）は変形例におけるポインティングデバイス１１０の構成を示す側面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の平面図である。図１と図２に示すポインティングデバイス１０においては、ＸＹ平面において基板２０の中心２０ｃに対応する位置に入力凸面４０の頂部４１を配置していたが、これに代えて、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、操作者から見て手前側、すなわち基板２０の中心２０ｃよりもＹ２側の所定範囲に頂部を配置するとさらに好ましい。図５（Ａ）、（Ｂ）に示すポインティングデバイス１１０においては、図１と図２に示すポインティングデバイス１０と同様に基板２０上に検出電極３０を形成した後に、検出電極３０を覆い、かつ、操作者から見て手前側に頂部１４１を配置した入力凸部１４０が形成されている。この入力凸面１４０は、図１と図２に示す入力凸面４０と同様に、非導電性材料の成形により、基板２０から上方へ突出するように形成される。図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、入力凸面１４０は、ＸＹ平面において基板２０の中心２０ｃよりもＹ２側であって、検出電極３０が設けられている位置２０ｄに対応する位置が頂部１４１となり、頂部１４１から周縁部１４２に至る斜面からなる曲面状の形状を備える。

図６は、入力凸面の頂部の位置をＹ２方向にオフセットした量と検出電極における検出の感度の関係を示すグラフである。図７（Ａ）は図６のオフセット量Ａに対応するポインティングデバイス１０の側面図、（Ｂ）は図６のオフセット量Ｂに対応するポインティングデバイス１１０の側面図、（Ｃ）は図６のオフセット量Ｃに対応するポインティングデバイス２１０の側面図である。図６の横軸はオフセット量であって、「Ａ」は図１、図２、及び図７（Ａ）に示すポインティングデバイス１０を用いた場合を示し、「Ｂ」は図５及び図７（Ｂ）に示すポインティングデバイス１１０を用いた場合を示し、「Ｃ」は図７（Ｃ）に示すポインティングデバイス２１０を用いた場合を示している。図７（Ｃ）に示す入力凸面２４０においては、図７（Ｂ）に示す入力凸面１４０よりも、さらに操作者の手前側にずらした位置に配置した頂部２４１を有する。この頂部２４１は、図７（Ｃ）に示すように、検出電極３０が設けられていない位置２０ｅに対応する位置に配置されている。図６においては、入力凸面の奥側（Ｙ１側）の斜面に指が接触した場合を破線と白抜きの丸印で示し、手前側（Ｙ２側）の斜面に指が接触した場合を実線と黒の丸印で示している。

図６に示すように、図７（Ａ）に示すポインティングデバイス１０を用いた場合（図６のオフセット量Ａ）では、手前側の斜面よりも奥側の斜面に指が接触した場合の方が感度が低くなり、図７（Ｃ）に示すポインティングデバイス２１０を用いた場合（図６のオフセット量Ｃ）では、手前側の斜面よりも奥側の斜面に指が接触した場合の方が感度が高くなっている。これらに対して、図７（Ｂ）に示す入力凸面１４０を用いた場合（図６のオフセット量Ｂ）では、手前側の斜面と奥側の斜面における検出感度がほぼ同一になっている。この結果より、入力凸面の頂部の位置によっては、操作者が同じ操作量で指を入力凸面に接触させても、指や手の構造や入力凸面に対する手の位置等により、入力凸面の手前側斜面に指を接触させた場合と、奥側斜面に指を接触させた場合とで検出される静電容量が同等にならないことが分かる。さらに、図６のオフセット量Ｂのように、頂部の位置を調整することによって、静電容量をバランスよく検知することが可能となる。

以上のように構成されたことから、上記実施形態及び変形例によれば、次の効果を奏する。

（１）曲面状に突出する入力凸面４０に対する指の動作を静電容量によって検出するため、入力凸面４０の位置によって検出電極との距離が変化することから、操作者がパソコン等の画面上でカーソルを移動させたい方向に対応する斜面に指を触れることにより、その斜面に対応する位置の検出電極の静電容量が増大し、ほかの位置の検出電極の静電容量は減少する。このため、小型化と薄型化を実現するだけでなく、指の動作を正確に検出できることから、操作者の意思に即したカーソル移動を実現することができる。

これに対して、単に薄型化して平坦な形状としたポインティングデバイスや、指の腹の形状に合わせて凹面形状としたポインティングデバイスでは、その表面の全面に常に指が接触してしまうため、指を傾けたりしても検出される静電容量に変化が生じないことから、操作者が希望する方向を検出することができない。

（２）検出電極３０が基板２０上に設けられ、検出電極３０を覆うように曲面状の入力凸面４０が配置されているため、小さな専有面積の中で指の移動空間を確保できることから、正確な検出が行うことができる。

（３）検出電極３０が、入力凸面４０が有する４つの分割領域４０ａ〜４０ｄにそれぞれ対応する４つの検出電極３１〜３４に分割されているため、指の移動方向が判別しやすくなることから、正確な検出を行うことが可能となる。

（４）基板２０において、頂部４１に対応する円形部分２１に検出電極が設けられていないため、頂部４１を挟んだ検出電極間の離間距離が広がるため、入力凸面４０の斜面のどの領域からどの領域に指が移動したのかが判別しやすくなることから、判断部５２による判断の精度を高めることができる。

（５）検出電極３０が、操作者の指の腹に対応する面積を有することにより、小さな面積で指先の動きを正確に検出することが可能となる。

（６）入力凸面の頂部を、操作者から見て手前側であって、所定範囲内に設けることにより、奥行き方向における静電容量の検出データを均等にすることができ、これによりさらに正確に指の動作を検出することができるようになる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る入力機器は、薄型化と小型化を実現しつつ、操作者による押圧力及び押圧方向を正確に検出することができる点で有用である。

１０ポインティングデバイス（入力機器）
２０基板
２０ｃ中心
３０検出電極
３１第１検出電極
３２第２検出電極
３３第３検出電極
３４第４検出電極
４０入力凸面
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ分割領域
４１頂部
４２周縁部
４３奥側斜面
４４手前側斜面
５１静電容量算出部
５２判断部
１１０ポインティングデバイス（入力機器）
１４０入力凸面
１４１頂部
２１０ポインティングデバイス（入力機器）
２４０入力凸面
２４１頂部

Claims

基板上に入力凸面を備え、前記入力凸面に対する操作者の指の動作に応じた入力を受け付ける入力部と、
前記入力部からの出力信号に基づき、前記指の動作を判断する判断部と、
を有する入力機器であって、
静電容量を検出するための検出電極が前記基板上に設けられ、
前記検出電極を覆うように前記入力凸面が配置され、
前記入力凸面は、前記基板から上方へ曲面状に突出するように設けられ、頂部から周縁部に至る斜面を有し、
前記検出電極は、前記斜面を構成する複数の分割領域に対応する複数の電極に分割され、
前記入力凸面の前記頂部は、前記操作者から見て手前側に設けられており、
前記入力部は、前記指の動作に応じて変化する静電容量を検出する
ことを特徴とする入力機器。
前記判断部は、前記指が前記斜面の前記分割領域のいずれに接触又は接近したかを判断する
ことを特徴とする請求項１に記載の入力機器。
前記検出電極は、前記指の腹に対応する面積を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の入力機器。