キーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器

本発明は、キーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器に関する。

ノートPC等の電子機器に用いられるキーボード装置は、通常、ベースプレートと、ベースプレートの上面又は下面に設けられたメンブレンシートと、ベースプレートの上面側にパンタグラフにより上下動可能に配設されたキートップとを備える。このようなキーボード装置では、キートップが押下された場合にメンブレンシートの接点が接離することで押下されたキーに該当する信号が出力され、キートップの押下が解除されると内部に設けたラバードーム(弾性部材)の弾性力によってキートップが元の位置に復帰する。

上記キーボード装置は、パンタグラフとラバードームによる構成により、ユーザがキートップを押したときに好適な反発力(付勢力)があり、高いユーザビリティを実現している。しかしながら、ラバードーム等を使用しているため薄型化が困難である。他方、現在の薄型のキーボード装置では、内部にアクチュエータを入れて、キーが押されたときに、ハプティック・フィードバック(振動)を与えるものがある。しかしながら、振動はキーのクリックとは感触が異なり、好適な反発力がなくユーザビリティがよくないという問題がある。

米国出願公開2013/0335354

米国出願公開2011/0038625

Towards multi-finger haptic devices: A computer keyboard with adjustable force feedback(http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=6073855&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F6059525%2F6073288%2F06073855.pdf%3Farnumber%3D6073855)

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能なキーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ベースと、前記ベースの上面側に上下動可能に配設されたキートップと、前記ベースと前記キートップ間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、前記ベースと前記キートップ間に配置され、前記キートップの位置を検出するための位置センサと、前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出されたキートップの位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記フィルムアクチュエータは、圧電フィルムと非圧電フィルムを積層した構造を有することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記位置センサは、前記フィルムアクチュエータと同じ材料で構成されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記位置センサは、距離センサ又は静電センサであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段は、前記キートップの位置と前記フィルムアクチュエータの反発力との関係を規定するフォースカーブを備えており、当該フォースカーブを参照して、前記位置センサで検出された位置に対応した前記フォーカスアクチュエータの反発力を算出し、算出した反発力を発生させるための電圧を前記フィルムアクチュエータに印加することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記フォーカスカーブは任意に設定可能であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段は、前記キーボード装置がアクティブとなる場合に、前記フィルムアクチュエータに初期印加電圧を印加し、前記キーボード装置が非アクティブとなる場合に、前記フィルムアクチュエータに印加電圧をOFFすることにより、前記アクティブの場合には前記非アクティブの場合よりも、前記キートップの前記ベースに対する高さを高くすることが望ましい。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ベースと、前記ベースの上面側に上下動可能に配設された操作部材と、前記ベースと前記操作部材間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、前記ベースと前記操作部材間に配置され、前記操作部材の位置を検出するための位置センサと、前記フィルムアクチュエータに電圧を加えて、前記位置センサで検出された操作部材の位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能なキーボード装置を提供することが可能になるという効果を奏する。

図1は、本実施の形態に係るキーボード装置を適用した電子機器であるノートPC10の概略の外観図である。

図2は、キーボード装置のキーの反発力を説明するための原理図である。

図3−1は、フィルムアクチュエータの原理を説明するための説明図である。

図3−2は、キーのトップ位置とボトム位置を説明するための説明図である。

図4は、フィルムアクチュエータ制御回路の構成例を示す図である。

図5は、フォースカーブテーブルとキートップの位置の関係を説明するための説明図である。

図6は、キーボードコントローラによるフィルムアクチュエータの反発力の制御に関する処理の概略を説明するためのフローチャートである。

図7−1は、キーボード装置に設けられたキーを上方から見た分解斜視図である。

図7−2は、キートップがトップ位置にある場合のキーの斜視図、そのA−A断面及びB−B断面を示す図である。

図7−3は、キートップがボトム位置にある場合のキーの斜視図、そのA−A断面及びB−B断面を示す図である。

以下に、この発明にかかるキーボード装置、押しボタン装置、及び電子機器を図面に基づいて詳細に説明する。本発明の構成要素は、本明細書の図面に一般に示してあるが、様々な構成で広く多様に配置し設計してもよいことは容易に理解できる。したがって、本発明の装置、システム及び方法の実施形態についての以下のより詳細な説明は、特許請求の範囲に示す本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の選択した実施形態の一例を示すものであって、本明細書の特許請求の範囲に示す本発明と矛盾無く装置、システム及び方法についての選択した実施形態を単に示すものである。当業者は、特定の細目の1つ以上が無くても、又は他の方法、部品、材料でも本発明を実現できることが理解できる。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの又は実質的に同一のものが含まれる。下記の実施の形態と変形例はそれぞれ単独で実施してもよく、また、その一部又は全部を組み合わせて実施してもよい。

図1は、本実施の形態に係るキーボード装置を適用した電子機器であるノートPC10の概略の外観図である。ノートPC10は、同図に示すように、いずれも略直方体である本体側筐体14及びディスプレイ側筐体12を備える。本体側筐体14及びディスプレイ側筐体12は、それぞれの端部で左右の一対のヒンジ20によって連結されており、ヒンジ20は、これらの筐体を開閉自在に支持している。

ディスプレイ側筐体12は、ディスプレイ18を備える。ディスプレイ18は、例えば、タッチパネル式の液晶表示装置によって構成される。本体側筐体14は、内部には、キーボード装置16の動作を制御するキーボードコントローラ(図4参照)、装置全体を制御するメインコントローラ、ディスプレイ18を制御するディスプレイコントローラ等の各種電子部品を搭載した基板(不図示)が収納されると共に、キーボード装置16が上面で露出している。

キーボード装置16は、複数のキー(キースイッチ)22と、各キー22の操作面を構成するキートップ24の周囲の隙間を埋めるフレーム(アイソレーションフレーム)26とを備えたアイソレーション型のキーボード装置である。すなわち、キーボード装置16では、各キートップ24は、隣接する他のキートップ24との間がフレーム26によって区画され、それぞれが独立した配置となっている。

フレーム26は、樹脂等で形成された1枚の板状部材に各キー22のキートップ24を挿通させる複数の孔部が形成された枠体である。

キーボード装置16は、キーボードコントローラに接続されており、操作者が、キートップ24を押下すると、メンブレンシート(不図示)の接点が接離することで(キースイッチがONの状態)押下されたキー22に対応する信号がキーボードコントローラに出力される。

本実施の形態では、キーボード装置16を薄型化しつつキートップ24を押下した場合にユーザにとって好適な反発力を生成するために、キーボード装置16にフィルムアクチュエータを使用している。

図2は、キーボード装置16のキー22の反発力を説明するための原理図である。キー22は、図2に示すように、キートップ24と、フィルムアクチュエータ31と、キートップ24の位置を検出する位置センサ32と、クッションプレート33と、ベースプレート34とを備えている。同図では、説明を簡単にするためにスイッチ機構(メンブレンシート等)の図示は省略している。

キートップ24は、その表面がキー22を押下する際に操作者が押圧する操作面となっている。フィルムアクチュエータ31は、キートップ21が押下された際に、キートップ24を元の場所に復帰させる方向に反発力(付勢力)を与えるものである。フィルムアクチュエータ31の両端側はベースプレート34に固定されている。

図3−1は、フィルムアクチュエータ31の原理を説明するための説明図である。図3−2は、キートップ26のトップ位置とボトム位置を説明するための説明図である。図3−1において、フィルムアクチュエータ31は、例えば、圧電ポリマー31aとPETフィルム等の非圧電フィルム31bとを2枚張り合わせた構造であり(例えば、EMP(Electrical-Mechanical Polymers)アクチュエータ)、電圧の印加によって圧電ポリマー31aが伸びることで、PETフィルム31bが曲がることを利用している。同図のaは圧電ポリマー31aに電圧が印加されていない状態、bは圧電ポリマー31aに電圧が印加されている状態を示している。

図3−2において、フィルムアクチュエータ31は、(a)に示すように、電圧が印加されていない状態ではフィルムアクチュエータ31は伸張しないため、キートップ24を押し上げず、キートップ24がボトム位置となる。フィルムアクチュエータ31は、(b)に示すように、初期電圧が印加されると、伸張することにより曲がり、キートップ24を上方に押し上げ、キートップ24がトップ位置となる。このトップ位置を基準位置(スタート位置)と称する。キートップ24の位置はX₁方向をプラス方向と規定する(図5参照)。

位置センサ32は、キートップ24の位置を検出するためのものであり、例えば、フィルムアクチュエータ31と同じ材料を使用することができる。フィルムアクチュエータを曲げると圧電ポリマー31aの分極が揃って分極電位が発生するため、その電位を測定することで、キートップ24の位置を検出することが可能である。位置センサ32として、フィルムアクチュエータを使用する場合(以下、「フィルムセンサ32」と称する)は、フィルムセンサ32の両端側はベースプレート34に固定し、キートップ24の位置(高さ)がフィルムセンサ32の曲げに1対1に対応するように構成する。なお、位置センサ32として、フィルムセンサを使用する例を説明したが、静電センサや距離センサを使用することにしてもよい。

図4は、フィルムアクチュエータ31の反発力の制御に関するフィルムアクチュエータ制御回路の構成例を示す図である。フィルムアクチュエータ制御回路は、図4に示すように、キーボードコントローラ40と、ドライバ41と、アンプ42を備えている。キーボードコントローラ40は、フィルムセンサ32の検出電圧に基づいて、キートップ24の位置を検出し、キートップ24の位置に対応した反発力を発生するための電圧をフィルムアクチュエータ31に印加する。

キーボードコントローラ40は、キートップ位置算出用テーブル40aと、フォースカーブテーブル40bと、フィルムアクチュエータ特性テーブル40cと、を備えている。キートップ位置算出用テーブル40aは、フィルムセンサ32の検出電圧とキートップ42の位置(高さ)との関係を規定したテーブルである。フォースカーブテーブル40bは、キートップ24の位置と、フィルムアクチュエータ31で発生させる反発力との関係を規定したテーブルである。フィルムアクチュエータ特性テーブル40cは、フィルムアクチュエータ31で発生させる反発力と、フィルムアクチュエータ31に印加する駆動電圧との関係を規定したテーブルである。これらのテーブルは、実験やシミュレーション等によって算出したものである。

ドライバ41は、キーボードコントローラ40から出力される電圧を増幅して、フィルムアクチュエータ31に印加する。アンプ42は、フィルムセンサ32の検出電圧を増幅してキーボードコントローラ40に出力する。

図5は、フォースカーブテーブル40bとキートップ24の位置の関係の一例を説明するための説明図である。図5に示すフォースカーブの例は、ラバードームと同じようなフォーカスカーブとしたものであり、フォーカスカーブの形状は任意に設定(プログラム)可能である。フォースカーブテーブル40bは、キートップ24を押す方向(往路)とキートップ24を戻す方向(復路)でフォースカーブを変更してもよく、キートップ24を戻す方向では、キートップ24を押す方向よりも反発力を小さくしてもよい。

図5において、スタート位置は、フィルムアクチュエータ31に初期電圧が印加されて、キートップ24が押し上げられてトップ位置(基準位置)にある状態(a)である。キートップ24を押していくと、フィルムアクチュエータ31の反発力が徐々に上昇し(b)、例えば、キースイッチがONの状態となる位置で、反発力をピークとし(c)、その後、反発力を低下させた後(d)、再び、反発力を増加させていき(e)、エンド位置まで上昇させる。

なお、複数のフォースカーブ(例えば、反発力の小さいフォースカーブ、反発力の大きいフォースカーブ等)を用意して、ユーザの好みに応じて選択可能な構成としてもよい。

図6は、キーボードコントローラ40によるフィルムアクチュエータ31の反発力の制御に関する処理の概略を説明するためのフローチャートである。キーボードコントローラ40は、図6のフローチャートに示す処理を所定周期で繰り返し実行する。図6において、キーボードコントローラ40は、アンプ42を介してフィルムセンサ32の検出電圧を取得する(ステップS1)。上述したように、フィルムセンサ32の検出電圧はキートップ24の位置と対応しているので、フィルムセンサ24の電圧を検出することで、キートップ24の位置を検出可能である。キーボードコントローラ40は、キートップ位置算出用テーブル40aを参照して、取得した検出電圧に対応するキートップ24の位置を算出する(ステップS2)。

キーボードコントローラ40は、フォースカーブテーブル40bを参照して、算出したキートップ24の位置に対応するフィルムアクチュエータ31の反発力を算出する(ステップS3)。続いて、キーボードコントローラ40は、フィルムアクチュエータ特性テーブル40cを参照して、算出したフィルムアクチュエータ31の反発力に対応するフィルムアクチュエータ31に印加する電圧を算出する(ステップS4)。この後、キーボードコントローラ40は、ドライバ41を介して算出した電圧をフィルムアクチュエータに印加する(ステップS5)。これにより、フィルムアクチュエータ31には、キートップ24の位置に応じた反発力が生じる。

なお、ここでは、キートップ24の位置、フィルムアクチュエータ31の反発力、及びフィルムアクチュエータ31に印加する電圧を、テーブルを使用して算出しているが演算式を使用して算出してもよい。また、キートップ24の位置に対応するフィルムアクチュエータ31の反発力を発生させるための電圧を、フォースカーブテーブル40bとフィルムアクチュエータ特性テーブル40cの2つの2次元テーブルを使用して算出しているが、キートップ24の位置と、フィルムアクチュエータ31の反発力と、フィルムアクチュエータ31に印加する電圧との関係を規定する3次元のテーブルを使用して算出することにしてもよい。

次に、本実施形態に係るキーボード装置16の概略の構成例について説明する。図7−1は、キーボード装置16に設けられたキー22を上方から見た分解斜視図である。図7−2は、キートップ26がトップ位置にある場合のキー22の斜視図、そのA−A断面及びB−B断面を示す図である。図7−3は、キートップ26がボトム位置にある場合のキー22の斜視図、そのA−A断面及びB−B断面を示す図である。図7−1〜図7−3において、説明の簡素化のため、キー22のスイッチに関する構成の図示は省略している。

図7−1〜図7−3において、キートップ21は、略矩形板状に形成され、その表面はユーザが押圧する操作面となっている。フレーム26は、樹脂等で形成されており、キートップ24を挿通させる孔部が形成された枠体である。

ガイド機構(パンタグラフ)51は、押下操作に伴うキートップ24の上下移動をガイドするものである。換言すると、ガイド機構51は、キートップ24の押下移動及び復帰移動をガイドするものである。ガイド機構51は、第一リンク部材と第二リンク部材とを有している。第一リンク部材と第二リンク部材は、互いに交差するように配設されている。第一リンク部材と第二リンク部材は、交差している部分の中心部において、軸51aを介して互いに連結され、この軸51aを中心に回動するようになっている。第一リンク部材は、一端部がベースプレート34の係止部34aに軸支され、他端部がキートップ24の裏面に当接されている。第二リンク部材は、一端部がベースプレート34の係止部34bに軸支され、他端部がキートップ24の裏面に当接されている。

フィルムアクチュエータ31は、同一形状のフィルムセンサ32が積層されている。フィルムアクチュエータ31は、キートップ24の位置に応じた反発力を発生する弾性部材であり、ベースプレート32とキートップ24との間に配設され、キートップ24に作用する部分がガイド機構51の内周を挿通している。フィルムアクチュエータ31は、キートップ24の下面に接すると共に、キートップ24に作用する部分の両端部はベースプレート32の受け部34cに固定されている。

ベースプレート34は、ユーザのキータッチに耐え得る剛性を有する部材、例えば金属製で有り、略板状に形成されている。ベースプレート34上には、係止部34a、34b、及び受け部34cが形成されている。

キートップ24は、図7−3に示すように、フィルムアクチュエータ31に電圧が印加されていない状態では、フィルムアクチュエータ31が伸張していないので、ボトム位置となり、フレーム26に対して低い位置となる。また、キートップ24は、図7−2に示すように、フィルムアクチュエータ31に初期電圧が印加されている状態では、フィルムアクチュエータ31が伸張して、キートップ24を上方に押してトップ位置となり、フレーム26に対して高い位置となる。

なお、キーボードコントローラ40は、キーボード装置16がアクティブとなる場合(例えば、本体電源ON時、スリープ状態から復帰した場合等)に、フィルムアクチュエータ31に初期印加電圧を印加し、キーボード装置16が非アクティブとなる場合(本体電源OFF時、スリープ状態の場合、本体側筐体14に対してディスプレイ側筐体12が360度回転可能な構成においてタブレット構成(本体側筐体14のキーボード装置16が露出している構成)となった場合等)に、フィルムアクチュエータ31へ印加する電圧をOFFとすることにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ベースプレート34と、ベースプレート34の上面側に上下動可能に配設されたキートップ24と、ベースプレート34とキートップ24間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータ31と、ベースプレート34とキートップ24間に配置され、キートップ24の位置を検出するためのフィルムセンサ32と、フィルムアクチュエータ31に電圧を加えて、位置センサで検出されたキートップ31の位置に応じた反発力を発生させるキーボードコントローラ40と、を備えているので、安価かつ簡単な構成により、キーボード装置を薄型化しつつキートップを押下した場合にユーザにとって好適な反発力を得ることが可能となる。付言すると、ラバードームを使用した構成に比して、より薄型化が可能であり、また、ハプティック・フィードバックによる振動を使用した場合よりも、キートップを押した場合の好適な反発力を得ることができてユーザビリティを向上でき、さらに、電磁コイル機構により反発力を生成する構造よりも、安価かつ簡単な構成とすることができる。

なお、上記実施の形態では、フィルムアクチュエータ31による反発力を発生する機構をキーボード装置16に適用したが、本発明はこれに限られるものではなく、電子機器等に搭載される押しボタン装置にも適用可能である。この場合、押しボタン装置は、ベースと、ベースの上面側に上下動可能に配設された操作部材と、ベースと操作部材間に配置され、印加電圧に応じて曲がるフィルムアクチュエータと、ベースと操作部材間に配置され、操作部材の位置を検出するための位置センサと、フィルムアクチュエータに電圧を加えて、位置センサにより検出された操作部材の位置に応じた反発力を発生させる制御手段と、を備えた構成を基本構成とすることができる。

また、上記実施の形態では、キーボード装置をノートPCに適用した場合について説明したが、単体のキーボード装置にも適用可能であり、また、電子機器はノートPCに限られるものではなく、携帯電話、PDA等のキーボードを備えた他の電子機器にも適用可能である。

10 ノートPC 12 ディスプレイ側筐体 14 本体側筐体 16 キーボード装置 18 ディスプレイ 20 ヒンジ 22 キー 24 キートップ 26 フレーム 31 フィルムアクチュエータ 32 フィルムセンサ(位置センサ) 34 ベースプレート 40 キーボードコントローラ 40a キートップ位置算出用テーブル 40b フォースカーブテーブル 40c フィルムアクチュエータ特性テーブル 41 ドライバ 42 アンプ