Direction detection switch

本発明は携帯電話機等の携帯端末機、その他の電子端末機の方向検知スイッチに関する。

従来、携帯電話機、ＰＤＡ等の電子端末機において画面上のカーソルやページのスクロール等を行わせる操作を行う多方向キーとして、最も一般的なものは、キーの上下左右、すなわち、同心円状にそれぞれ９０度ずらした位置の４方向に接点を配置した構造を有する。 この種の多方向キーにおいては、キーの任意の方向への押し下げ操作によって、その方向に配置された接点がオンになり、その操作方向が電気的に検知される。

また、上記したような４方向だけでなくその中間方向を加えた８方向への操作を検知できるようにした多方向キーもある。 (特許文献１参照)。

特許文献１に記載された多方向キーは、電子機器の多方向キーの誤操作軽減構造であって、前記多方向キーに同心円上に一定角間隔で配置される複数の押下部と、前記押下部の下側の前記電子機器上で前記押下部間に配置される複数の接点と、隣接する２つの前記接点の導通により２つの前記接点間に位置する前記押下部の押下検出を認識する押下認識部とを備えることを特徴とする電子機器の多方向キーの誤操作軽減構造に関するものであり、前記多方向キーは８方向キーである

特開２００３−１７３２３３号公報

この従来技術は１つの押下部に対し、３つの接点を配置し、対応した３つの接点からの導通検出に基づき、押下部の押下検出を認識するようにしたので、誤操作を軽減することが可能となる。

しかし、従来技術である４方向若しくは８方向の多方向キーにあっては、４方向若しくは８方向の特定の方向へのキー操作を検知するのみであって、３６０度のあらゆる方向のキー操作を検知することができず、しかも、キー操作の強度若しくは速度を併せて検知することはできない。

本発明は上記の点等を考慮して、原理的には３６０度のあらゆる方向のキー操作を検知することができるようにすると共に３６０度のあらゆる方向のキー操作において明確なクリック感が得られるようにし、併せて、キー操作の強度若しくは速度を併せて検知することができるようにした新たな方向検知スイッチを提供することを目的とする。

本発明に係る方向検知スイッチは、中央部に配した確定キーと該確定キーを囲むようにして配したリングキーと、リングキーの操作に伴って移動可能に配置された可動電極と、該可動電極に対向するように配置された固定電極と、上記確定キーに対応して配されたクリック動作体とを有する方向検知スイッチであって、
上記確定キーのキートップ及びリングキーのリングキートップはシリコーンゴム等のゴム材又は熱可塑性エラストマー等の弾性材料から成るシート状ゴム弾性部材上に配設固定され、
上記シート状ゴム弾性部材は、リングキートップが固定された面とは反対側の面にリングキートップの固定された位置に対応させて傾斜部を設け、
上記可動電極は、シート状ゴム弾性部材の傾斜部に断面ハの字状に傾斜させてリング状に設け、
上記クリック動作体は、確定キーの操作に伴って押圧されて接点を開閉すると共にクリック感を発生させる構造に形成し、
３６０度の任意の方向へのリングキーの押圧操作時には、可動電極と固定電極との間に発生する静電容量の変化量を検知しこれを電気信号に変換して出力すると共に、前記クリック動作体を押圧してクリック感が常時得られる構造に形成したものである。

本発明に係る方向検知スイッチは、 上記可動電極を設けたシート状ゴム弾性部材の傾斜部とリングキーのキートップの裏面との間に形成した空隙部によって、リングキーの押圧時に該押圧部位の可動電極の傾斜角度が徐々に小さくなるように変形するように形成したものである。

本発明に係る方向検知スイッチは、シート状ゴム弾性部材の確定キー及びリングキーそれぞれのキートップ及びリングキートップの外周部に位置する箇所に、それぞれ略蛇腹状に屈曲した屈曲部を設け、確定キー及びリングキー押し下げ動作時のシート状ゴム弾性部材の変形がスムーズに行われるように形成したものである。

また、本発明に係る方向検知スイッチは、前記クリック動作体は、確定キー操作時及びリングキー操作時には共に確定キーの突起部によって押圧されるように形成したものである。

本発明に係る方向検知スイッチは、確定キーを押圧操作した時だけではなく、リングキーの３６０度任意の位置を押圧操作した時も、該押圧操作した箇所の真反対の位置(１８０度の位置)である環状キートップのフランジを支点とし、該確定キーの突起部がクリック動作体に作動して確実なクリック感が常に得られる。
特に、本発明はリングキートップの固定された位置に対応させてシート状ゴム弾性部材に傾斜部を設けて、この傾斜部にリング状の可動電極を断面ハの字状の斜めに配置したので、リングキーの操作時に確定キーの突起部を介してクリック動作体を作動させてクリック感を与えることができ、リングキートップの押し下げストロークを大きく取った場合においても、静電容量値の変化量が確実に検知でき、リングキーが操作されていない初期状態においても各電極間の距離は近づけられていることから静電容量が確実に検知できる。 すなわち、リングキーの操作は、上記クリック動作体にクリック感を発生させるための必要ストロークを確保しながら、かつ各電極間の距離はリングキーが操作されていない時においても近づけておくという相反する必要条件を満足させることが可能になった。

また、本発明に係る方向検知スイッチは、原理的には３６０度のあらゆる方向のキー操作を検知することができると共に３６０度のあらゆる方向のキー操作において明確なクリック感が常に得られる。 併せて、リング状の可動電極を断面ハの字状に傾斜して設けると共に該可動電極を固着している箇所のシート状ゴム弾性部材とリングキーのキートップの裏面との間に形成した空隙部によって、リングキーの押圧時に該押圧部位の可動電極の傾斜角度が徐々に小さくなるように変形するように形成することによって、クリック感を得るためにクリック動作体を操作させるためには一定以上のストロークが必要なことと、静電容量の検知を確実にするために可動電極と固定電極との間隔を広くすることができないという相反する条件を共に満足させることができる。

さらに、本発明に係る方向検知スイッチは、確定キーを操作することによってオン／オフ信号を発生させることができると共に、リングキーによって操作方向、操作速度などの検知に合わせて確定キー操作時と同様のオン／オフ信号も得ることができる。

以下、本発明方向検知スイッチの一実施例を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る方向検知スイッチを組み込んだ携帯電話機等の携帯端末機の平面図、図２は携帯端末機に組み込む前の方向検知スイッチの多方向キー、テンキー、各種機能キーなどを一体成形したキーシート１の概略を示す斜視図である。 ２は方向検知スイッチの多方向キー、３、３、…はテンキー及び機能キー、４は画面、５は携帯端末機をそれぞれ示す。 画面４は携帯端末機５の制御部（図示せず）で制御されており、テンキー及び機能キー３、３、…、多方向キー２からの入力により画面表示が切り替わる機能を有している例えば、多方向キー２を画面４内のカーソルキーの移動に使用した場合には、図１に示すように、その移動方向が斜め方向であっても、カーソル４ａが破線で示す位置から実線で示す位置にスムーズに移動する。 キーシート１は、シリコーンゴム等のゴム材又は熱可塑性エラストマー等の弾性材料から１枚のシート状に一体成形されて成るキーパッド６上に多方向キー２、テンキー及び機能キー３、３、…のキートップが多数配設されて成る。 なお、キーパッド６は、ゴム状弾性を有する柔軟な材料だけではなく、キーパッドに剛性を付加しキーシート全体に形状安定性を付加するために、金属やポリカーボネートなどの各種合成樹脂から成る所謂補強板と一体に成形されることもある。 また、キートップは、金属や各種合成樹脂によって別体に成型されたものの他、シリコーンゴムなどの上記ゴム状弾性を有する柔軟な材料によってキーパッド６と一体に成形されることもある。

図３ (ａ)、(ｂ)、(ｃ)及び図４は本発明に係る多方向キーを備えた方向検知スイッチの一実施例を示す動作状態の拡大断面図である。

多方向キー２は中央部に配した確定キー２ａとその確定キー２ａを囲むようにして配したリングキー２ｂとよりなる。 確定キー２ａは中央部に硬質樹脂等の硬質材により形成したキートップ７を有し、そのキートップ７の裏面に下方に突出する突起部（押し子）８を備える。 キートップ７の突起部８を除く裏面にはシリコーンゴム等のゴム材又は熱可塑性エラストマー等の弾性材料から成る薄膜又は適宜の膜厚に形成したシート状ゴム弾性部材９が接着されている。 キートップ７の下部周縁からは、水平方向に張り出したフランジ１０がキートップ７と一体的に同じ材料で形成されている。 このフランジ１０の裏面にもシート状ゴム弾性部材９が接着されている。

図５はリング状の可動電極を示す拡大平面図、 図６は上記可動電極の形状と対応しリング形状を４つの領域に分割した形状の固定電極を示す拡大平面図、 図７は本発明に係る方向検知スイッチの概略説明図をそれぞれ示す。

１１はリングキー２ｂの構成要素であるリングキートップで、例えば、硬質樹脂等の硬質材から円環状に形成され、確定キー２ａを囲繞する周囲に配置される。 リングキートップ１１の外側下部周縁から水平方向に張り出したフランジ１２がリングキートップ１１と一体的に形成されている。 リングキートップ１１の任意の箇所を押した時に、その押した箇所と真反対(１８０度)の位置のリングキートップ１１のフランジ１２端部が携帯端末機５のケース体の開口縁部１３などの係止部材に係止されて傾動支点となる構造である。

リングキートップ１１の裏面には、その内側が段部１１ｂを介して平坦な凹部１１ａが形成されており、確定キー２ａのキートップ７のフランジ１０の一部が凹部１１ａに入り込むようにして当接状態となっている。 フランジ１０の端面と凹部１１ａの段部１１ｂとの間には第１の隙間１１ｃが形成され、該第１の隙間１１ｃに略Ｕ字状に折り曲げて略蛇腹状に形成されたシート状ゴム弾性部材９の一部分（屈曲部１８）が収納されるようになる。 該屈曲部１８は、確定キー２ａの押し下げに伴って屈曲された部分が適宜展開してシート状ゴム弾性体９の変形がスムーズに行なわれるようにするものである。 シート状ゴム弾性部材９はフランジ１２の裏面に接着剤等により接着されており、さらに第１の隙間１１ｃでＵ字状に曲げられて収納され、リングキートップ１１の平坦な裏面の一部に当接し、その後はプリント回路基板(以後、ＰＣＢという)１５に向けて徐々に近づくように傾斜部９ａを形成することによって、該傾斜部９ａとリングキートップ１１の裏面との間に空隙部１６が形成されるようにし、その傾斜部９ａに連接してフランジ１２の端面延長上に設けられた第２の隙間１７にＵ字状に折り曲げられて蛇腹状に形成された屈曲部１９が収納される。 この屈曲部１９は、任意の方向へのリングキー２ｂの押し下げに伴って屈曲された部分が適宜展開しシート状ゴム弾性体９の変形がスムーズに行われるようにするものである。

１４はリングキートップ１２の裏面下方に位置するシート状ゴム弾性部材９の傾斜部９ａの裏面に設けたリング状の可動電極で、例えば、導電性ゴム材等をシート状ゴム弾性部材に印刷することや蒸着、スパッタリング等の適宜な金属薄膜の成膜方法を用いることにより形成される。 なお、上記第１の隙間１１ｃ及び第２の隙間１７に収納され略Ｕ字状（蛇腹状）に折り曲げられたシート状ゴム弾性部材９の屈曲部１８、１９は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図５に示すように、確定キー２ａの外周部及びリングキー２ｂの外周部に沿ってそれぞれ同心円状に形成されている。

２０はＰＣＢ１５上の突起部８に対向する位置に配置されたメタルドーム等のクリック動作可能なクリック動作体であり、押圧されることによって図示しない固定接点を導通させる。 このクリック動作体２０は、後述するように、確定キー２ｂの押し下げ時だけでなく、リングキー２ｂの押し下げ時にも変形してクリック感を発生させる。 ２１、２１、…は可動電極１４に対向する位置のＰＣＢ１５上に配設した４つの固定電極であり、ＰＣＢ１５の他の部分に形成された図示しない配線パターンと同様に、例えば、銅などによって形成され、本例ではリング形状を周方向における９０度毎に等間隔で４分割した場合を示したが、４分割に限らず８分割等の各種用途に応じた分割であっても良い。

本実施例ではリングキーの操作にクリック感を与えるクリック動作体２０を作動させるために、リングキートップ１１の押し下げストロークを大きく取った場合においても、静電容量値の変化量を確実に検知するために、リングキートップ１１の裏面側に配置される可動電極１４と、これと対向してＰＣＢ１５上に配置された固定電極２１との間隔を狭くできる構造を採用したものである。

また、隣り合う固定電極２１、２１間の間隔は本例では比較的狭く形成した場合について説明したがその間隔は用途等に応じて適宜間隔を広げたりしても良い。 固定電極２１のそれぞれの表面はテフロン（登録商標）、樹脂フィルム等の絶縁材で被覆されている。 ２２は固定電極２１、２１、…の外側に近接して設けた２本の線状リング電極である。 リングキートップ１１のどこか一箇所を押すと可動電極１４の傾斜角度が次第に小さくなるように変形しながら２本の線状リング電極２２に近づき、なおもリングキートップ１１を押すという操作を行うと、図３（ｂ）に示すように、その操作の初期段階で可動電極１４が２本の線状リング電極２２に接触し、これらを導通させてオンの信号発生させ、離反すると当該導通状態が解除される。 なお、これらの導通によるオン信号は、リングキー２ｂの操作中は継続して発生する。

最後に、図３ (ａ)、(ｂ)、(ｃ)、図４及び図７に示す図面に基づいて本発明に係る方向検知スイッチ（多方向キー）２の動作について説明する。

リングキー２ｂの例えば右横の一箇所を押した場合について説明する。 多方向キー２に対して何も操作が行われていない初期状態は図３（ａ）である。

リングキー２ａが押し下げられると、図３ (ｂ)に示すように、初期状態においては、可動電極１４が固定電極２１に近づき、その一端側が２本の線状リング電極２２と接触する。 これによって２本の線状リング電極２２が導通されてオン信号が得られる。 このオン信号は、例えば、Ｃ／Ｖ変換ＩＣやシステム全体の励起信号として使用することも可能である（ 図７参照）。 この時、リングキー２ｂに加えられた力はリングキートップ１１の裏面からキートップ７のフランジ１０に伝わり、確定キー２ａもリングキー２ｂと同時に斜めに押し下げられるが、この状態では確定キー２ｂの突起部８によってクリック動作体２０が押圧されて変形することはない。

なおもリングキートップ１２を押し下げると、図３ (ｃ)に示すように、可動電極１４の一端側が２本の線状リング電極２２と接触したままこの部分を作用点として空隙部１６が押し潰されて潰れていく。 これによって、接触シート状ゴム弾性体９の傾斜部９ａの傾斜角度（リングキー２ｂの裏面に対する角度）が小さくなって可動電極１４の傾斜角度も小さくなり、可動電極１４と固定電極２１との間隔がさらに狭くなって、可動電極１４と固定電極２１間に発生する静電容量の変化量がΔＣとして捉えられ、この静電容量の変化量ΔＣがＣ／Ｖ変換ＩＣで電圧の変化量ΔＶとして変換される（ 図７参照）。 また、上記した動作と同時に、確定キー２ｂの突起部８によってクリック動作体２０が押し潰されてその反力がリングキートップ１２に伝わってクリック感が得られる。 上記動作は、リングキー２ｂのキートップ１２の周方向におけるどの部分を押圧しても全く同じであり、同時にクリック感も得られる。 なお、確定キー２ｂの突起部８によってクリック動作体２０が押圧され潰れることによって、ＰＣＢ１５上の図示しない電極間が導通されオン信号が発生するが、この信号は適宜に使用すればよい。

そして、リングキートップへの押し下げを解除すると、押し下げによって展開させられていたシート状ゴム弾性部材９の屈曲部１９及び伸張されていた部分が元の形状に戻ろうとする復元力によって確定キー２ａ及びリングキー２ｂが図３（ａ）に示す水平な状態に戻ると共に、シート状ゴム弾性部材９の傾斜部９ａの傾斜角度が緩くなって押し潰されていた空隙部１６もシート状ゴム弾性部材９の傾斜部９ａの復元力によって元の形状に戻る。

このように、可動電極１４を、リングキートップ１１の底面との間で内部に空隙部１６を有するシート状ゴム弾性部材９の傾斜部９ａに配置したのは、本体、確定キー２ａのために用いられているクリック動作体２０をリングキー押し下げ時のクリック感の発生のために用いるようにしたという構造に起因している。 すなわち、例えば、クリック動作体２０にクリック感を発生させるための必要ストロークを０．２mmとすると、クリック動作体２０の位置よりも傾動支点からの距離が２倍程度となる可動電極１４の部分では、０．４ｍｍのストロークとなってしまう。 静電容量は各電極間の距離に反比例して小さくなるので、静電容量の変化からリングキー２ａの操作量を検知するというセンサの特性から、静電容量の絶対値が大きい状態での変化量を検知する方が精度を出しやすいからである。 従って、各電極間の距離は何も操作されていない初期状態においてもできるだけ近づけておきたい。 シート状ゴム弾性部材９に傾斜部９ａを設けて、ここに可動電極１４を斜めに配置するという本発明の構成を採用することによって、クリック動作体２０にクリック感を発生させるための必要ストロークを確保しながら、各電極間の距離を近づけておくという相反する必要条件を満足させることが可能になった。

一般的に、対向する電極の間隔を変化させて静電容量の変化ΔＣを検知する場合、検知される静電容量値は、各電極間の距離が広い場合は小さく、各電極間の間隔が小さい場合は大きくなる。 なお、図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態への移行時でも、可動電極１４と固定電極２１間の静電容量を検知することは可能であるが、本実施の一例においては、可動電極１４の一端側が２本の線状リング電極２２と接触してオン信号が検知された時以降の静電容量の変化量ΔＣのみを処理するようにした。

また、多方向キー２の確定キー２ａを操作（押圧）した場合には、リングキー２ｂのリングキートップ１１は変位せず、図４に示すように、確定キー２ａのキートップ７のみが真下に移動してその突起部８によってＰＣＢ１５上のクリック動作体２０が押圧され潰れて、ＰＣＢ１５上の図示しない電極間が導通されオン信号が発生する。

本発明は、 携帯電話機等の携帯端末機、その他の電子端末機に用いる方向検知するものであって、確定キーの操作に伴ってクリック感が発生するだけではなく、任意の方向へのリングキーの操作時にも静電容量の変化を検知することによって操作方向、操作速度などが検知できると共にクリック感も得られるようにした新規な構造の方向検知スイッチに関するものである。

携帯電話機等の携帯端末機の平面図

携帯端末機に組み込む前の本発明に係る方向検知スイッチの概略を示す斜視図である。

(ａ)(ｂ)(ｃ)は本発明に係る方向検知スイッチの一実施例の動作状態を示す拡大断面図である。

本発明に

係る方向検知スイッチの一実施例において、確定キーを操作した時の状態を示す拡大断面図である。

可動電極を示す拡大平面図である。

固定電極を示す拡大平面図である。

本発明に係る方向検知スイッチの概略説明図を示す。

符号の説明

１ キーシート２ 方向検知スイッチ（多方向キー）
２ａ 確定キー２ｂ リングキー３ テンキー及び機能キー

４ 画面４ａ カーソル５ 携帯端末機６ キーパッド７ （確定キーの）キートップ８ 突起部９ シート状ゴム弾性部材９ａ 傾斜部１０ （確定キーの）フランジ１１ リングキートップ１１ａ 凹部１１ｂ 段部１１ｃ 第１の隙間１２ （リングキーの）フランジ１３ （携帯端末機ケース体の）開口縁部１４ 可動電極１５ ＰＣＢ
１６ 空隙部１７ 第２の隙間１８ 屈曲部（内側）
１９ 屈曲部（外側）
２０ クリック動作体２１ 固定電極２２ ２本の線状リング電極