力感知ポインティングデバイス

加わる力に比例してアナログ信号を発生する温度安定性があり、大量生産が可能なポインティングデバイス（１０）はアーム（２２）及び力伝達部材を有するアクチュエータ（２０）と、コネクタ（４４）と、センサ（５０）とを備える。コネクタは力伝達部材のセンサとの接触状態を維持するとともに、外気温度の変化があってもセンサが検出してしまう応力を誘発することなく、外気温度の変化に応じて力伝達部材の寸法変化を許容する。好適な実施例においては、コネクタはエラストマー接着剤により構成し、センサは力感知レジスタによって構成する。力伝達部材は、シェルを構成するリテーナ（１２）又は力伝達部材を保持するポッティングコンパウンドのいずれかによって組立体から抜け出るのを阻止するが、力伝達部材の温度膨張又は収縮を許容するものとする。力伝達部材は、丸みのある又は傾斜した底面（２８）にし、加わった力の下でアクチュエータが揺動するようにする。力伝達部材の底面の力を伝達する領域はアクチュエータが揺動するにつれて変化し、力の変化に応答して位置が変化する単独の連続領域で力がセンサに伝達される。

【発明の詳細な説明】
力感知ポインティングデバイス技術分野本発明は、電子装置のための力感知アナログユーザーインターフェース方法及び装置に関するものであり、特に、力感知ポインティングデバイスに関するものである。
発明の背景ユーザーインターフェースは情報を電子装置に入力するのに使用される。例えば、ポインティングデバイス例えば、ジョイスティック、マウス、及びトラックボールを使用してカーソルをスクリーン上に位置決めするのが代表的である。マウス及びトラックボールは電気−機械的又は光学系を使用してボールの回転運動をカーソルの直線的移動に変換するのが一般的である。ジョイスティックは、ジョイスティックが特別な方向に移動するときを検出するディジタル接点スイッチのアレイを有するのが一般的である。
より洗練さりたアナログポインティングデバイスによっては、カーソル移動の速度及び方向を、ポインティングデバイスに加わる力の大きさ及び方向を感知することによって制御する。例えば、「Ｐｏｒｔａ−Ｐｏｉｎｔ」及び「Ｄｕｒａ−Ｐｏｉｎｔ」の登録商標名の下でカリフォルニア州カマリロのインターリンクエレクトロニクス(Interlink Electronics)社から市販されているポインティングデバイスを使用することによって、コンピュータオペレータは４個の力感知レジスタのアレイをカバーするエラストマーパッドを押す。このとき、カーソルはオペレータのタッチの方向及び圧力に対応する方向及び速度で移動する。
アーマチュア圧力感知パッドを有するポインティングデバイスはエルゴノミクス的には好ましいが、ジョイスティックは既に広く消費者に認知され受け入れられている。民生用電子機器において低コストで正確な力感知ジョイスティックを得ることが望ましい。力感知ジョイスティックは装置の加わった力の下で曲がる部分に取り付けた歪みゲージセンサを使用するのが代表的である。例えば、ルトレッジ及びセルカー氏等の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９０／０６８３１号（「Analog Input Device Located in the Primary Typing Area of a Keyboard」）には、組み合わせアルファベットキー／ジョイスティックに力が加わるとき曲がるカンチレバーアームに設けた歪みゲージセンサが記載されている。このような歪みゲージセンサは比較的高価であり、従って、このようなセンサを組み込んだポインティングデバイスを使用するコンピュータのコストは上昇する。
現在使用されている力感知ジョイスティックの他の欠点は、温度の影響を受ける点である。外気温が変化すると、ジョイスティック組立体の機械的部分は膨張したり、収縮したりする。この寸法的変化はジョイスティック組立体に対して力センサが検出してしまう応力を引き起こす。例えばブランデンブルグ氏等の米国特許第５，２３１，３８６号（「Keyswich-Integrated Pointing Assembly」）
には、組み合わせアルファベットキー／ジョイスティックを４個のパッド上に載置し、各パッドがセンサを動作させるようにした組み合わせアルファベットキー／ジョイスティックを記載している。このキー／ジョイスティックは堅固な緊締手段によってセンサとの接触状態を保持している。しかし、センサ内の応力は外気温の変化に応答して変化する。温度の影響を補正する補償手段はジョイスティックの構造を複雑にしかつコストを上昇させる。温度に対する不安定性の問題は広範囲の場所及び環境で使用される携帯用装置では深刻である。同様に、国際特許出願第PCT/US90/06831号に記載の歪みゲージ装置は、温度変化の影響を大きく受ける問題がある。
発明の開示従って、本発明の目的は、低コストの力感知ユーザーインターフェース装置を得るにある。
本発明の他の目的は、広範囲の環境で使用する装置を得るにある。
更に、本発明の他の目的は、携帯用電子装置のユーザーインターフェースとして使用する装置を得るにある。
更に、本発明の他の目的は、コンピュータディスプレイ上のカーソルを制御する低コストの力感知ポインティングデバイスを得るにある。
本発明は、ポインティングデバイスを使用することによって電子装置に情報を入力する方法及び装置並びにポインティングデバイスを製造する方法である。本発明によるポインティングデバイスは加わった力に応答するアナログ電気信号を発生する。電気信号の大きさはディスプレイ上のカーソルの移動の方向及び速度に対応するのが一般的である。本発明は、一方の端部に力伝達部材を取り付けたアームを設けたアクチュエータを有する。力伝達部材は力センサに近接する位置でコネクタによって保持する。コネクタは力伝達部材を所定位置に維持するが、外気温の変化があってもセンサ出力に大きな影響を及ぼす力を発生することなく力伝達部材の寸法変化を許容する。
好適な実施例においては、コネクタはエラストマー接着剤とし、このエラストマー接着剤によって力伝達部材をセンサに保持する。コネクタのエラストマー特性により、アクチュエータのアームの僅かな変位量を許容しつつ、アクチュエータのセンサに対する接触を維持する。リテーナにより、アームの最大変位距離を制限し、従って、アクチュエータのコネクタからの分離を防止するが、外気温度の変動に応じたアクチュエータの寸法変化は比較的自由である。
オペレータがアームに力を加えるとき、力伝達部材はこれに応答して圧力を力センサに加える。好適な力伝達部材は丸みのある又は傾斜した底面を有し、アクチュエータが加わった力の下で僅かに揺動する。力伝達部材の底面の力を伝達する部分はアクチュエータが揺動するとき変化し、加わった力が変化するとき位置が変化する単一の連続領域を介して力がセンサに伝達される。センサは加わった力を電気信号の変化に変換する。電気信号は電子装置のカーソル移動又は他の変化に変換するのが一般的である。
本発明ポインティングデバイスはアクチュエータの最大変位距離が極めて僅かなものであり、従って、エルゴノミクス的に好ましいアイソメトリックポインティングデバイスに近づけることができる。本発明によれば、低コスト、小さい寸法、及び温度安定性を示すため、キーボードに使用するのに特に好適であり、キーボードにおいて、アルファベットキー間に配置しても、またアルファベットキーから離して配置しても、またアルファベットキーと組み合わせてもよい。
本発明の他の目的及び利点は以下の添付図面を参照した好適な実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。
図面の簡単な説明図１は、本発明によるポインティングデバイスの好適な実施例の斜視図、図２は、図１のポインティングデバイスの分解斜視図、図３は、図１のポインティングデバイスの平面図、図４は、図３の４−４線上の断面を示し、力伝達部材の底部の曲率と、エラストマー接着剤、半導体層、及び導電層の厚さを誇張して詳細に示す断面図、図５は、本発明によるアクチュエータの他の実施例の断面図、図６は、説明を簡単にするため或る詳細部分は省略して或る動作条件を仮想線で例示するアクチュエータの説明図、図７は、ポインティングデバイス内にアクチュエータを保持する異なる補助ホイールを使用した本発明による他の好適な実施例のポインティングデバイスの斜視図、図８は、図７のポインティングデバイスの平面図、図９は、図８の９−９線上の断面であり、力伝達部材の底部の曲率と、エラストマー接着剤、半導体層、及び導電層の厚さを誇張して詳細に示す断面図、図１０は、或るアルファベットキー間に位置決めした本発明によるポインティングデバイスを有するキーボードの部分平面図、図１１は、本発明によるポインティングデバイスをアルファベットキーから離れた位置決めしたキーボードの部分平面図である。
好適な実施例の詳細な説明図１〜図６は、本発明による好適な実施例のポインティングデバイス１０を示す。図１〜図４に示すように、ポインティングデバイス１０は、アクチュエータ２０を部分的に包囲する保持シェル１２を有する。アクチュエータ２０は、一方の端部に先端部２４を設け、他方の端部に力伝達部材２６を設けたアーム２２を有する。アーム２２は、断面直径３２を有する円筒形形状とする。力伝達部材２６は、底面の曲率半径３４と高さ３６に特徴があるアーチ型底面２８を有する球形セグメントの形状とする。アーム２２は保持シェル１２の孔４０を貫通し、部分的にキャップ４２でカバーし、このキャップ４２はユーザーの指に摩擦を生ずる接触表面にする。力伝達部材２６はエラストマー接着剤４４によって力センサ５０に取り付ける。好適な力センサ５０は、４個の力感知レジスタ５１のアレイを有し、このアレイはセンササブストレート５２、半導体層５４、及び指組パターンの導体５６とにより構成する。（図４には、曲率半径３４を誇張して示し、従って、ポインティングデバイス１０の他の構成部材は縮尺通りには描いていない。）センササブストレート５２は２個の取付フランジ６０を有し、各取付フランジ６０には、ポインティングデバイス１０をキーボードのような装置に取り付けるための第１取付孔６２と、シェル１２から突出する取付フィンガ６６を収容してサブストレート５２を固定する第２取付孔６４を設ける。センササブストレート５２には、更に、ポインティングデバイス１０をホストデバイスに電気的に接続するための５個の接点７２を有する接続フランジ７０を設ける。５個の接点７２は、４個の力感知レジスタ５１の各１個のための接点と、１個の共通接点であり、これら接点７２を使用して各力感知レジスタ５１の指組みパターンの導体５６間に電圧を加える。
ユーザーは、ポインティングデバイス１０を手で指向性のある力７４（図６参照）を先端部２４にキャップ４２（図６には示さない）を介して加える。力７４によりアクチュエータ２０を底面２８上で揺動させようとするトルクを生ずる。
休止状態にあるアクチュエータ２０の位置で決まる基準軸線７９に対してアーム２２が僅か角度にわたり移動するとき、先端部２４は最大変位距離８０よりも小さい又は等しい距離にわたり変位し、力伝達部材２６は圧力をエラストマー接着剤４４を介してセンサ５０に加える。エルゴノミクス的理由により、最大変位距離８０はゼロに近似するかゼロに等しくするのが好ましい。
ポインティングデバイス１０は感度パラメータによって特徴付けられ、この感度パラメータは加える力７４の方向及び大きさの変化に応答する装置１０の電気的出力の変化として定義される。ポインティングデバイス１０の感度は、センサ５０の感度及びアクチュエータ２０の形状に依存する。底面が平坦な即ち、無限大の曲率半径３４を有する力伝達部材２６を設けたアクチュエータ２０は、ゼロに近似する最大変位距離８０を有するが、感度が低くなる。比較的小さい半径３４を有するアクチュエータ２０は感度が良好であるが、最大変位距離８０が大きくなりすぎる。
力伝達部材２６の形状は、アーム２２の変位距離を最小にしかつポインティングデバイス１０の感度を最大化するよう最適化することができる。好適な実施例の力伝達部材２６は、アーム２２の断面直径３２の２０倍〜３０倍間の値に等しい曲率半径３４を有する湾曲底面２８にする。たとえば、或る一つの実施例としては、アーム２２の断面直径３２を０．１２５インチ（３．２ｍｍ）とし、底面の曲率半径３４を約８．０インチ（２０．３ｃｍ）とする。好適な力伝達部材２６の幅は約０．３７０インチ（９．４０ｍｍ）、厚さ０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）とし、アーム２２の長さは約０．３７５インチ（９．５ｍｍ）とする。
このような設計によれば、最大変位距離８０が極めて小さい感度のよいポインティングデバイス１０を得ることができ、エルゴノミクス的に好ましいアイソメトリックなポインティングデバイスに近づけることができる。
図５は、傾斜面８６を有する平坦底面８５にした力伝達部材８４を設けたアクチュエータ８２を示す。好適な傾斜角度８８は１°〜２°の間の値とし、傾斜面８６は、底面の中心と力伝達部材８４の端縁との間の距離の約１／４の位置を起点とする。底面８５には更に、多重斜面又は平坦領域、傾斜領域及び丸み付き領域の組み合わせにすることができる。
力７４（図６参照）をアーム２２に加えるとき力伝達部材２６の底面２８はエラストマー接着剤４４及び力センサ５０上で僅か揺動し、底面２８の一部を変化させ、力をセンサ５０に伝達し、センサ５０に加わる力の位置及び大きさを変化させる。個々の力感知レジスタ５１によりセンサ５０に加わる力の大きさ及び位置を検出する。或る実施例では、センサ５０に、４個の力感知レジスタ５１よりなる円形アレイを設け、各力感知レジスタ５１のそれぞれは９０°の円形セグメントとして構成する。互いに対向する力感知レジスタ５１の対の出力を、例えば、微分増幅器を使用して比較し、力７４の二次元成分を決定する。当業者にとっては明らかな適当な回路により、力感知レジスタ５１からの電気信号を使用して力７４の下向き成分を決定し、従って三次元の力の測定を行うことができる。
センサ５０の他の構成を適当な既知の可能に使用して力７４の一次元的、又は二次元的、又は三次元的成分を決定することができる。例えば、１２０°の円形セグメントとして構成した３個の力感知レジスタ５１の円形アレイを使用して、二次元又は三次元の力を測定することができる。２個又は１個の力感知レジスタ５１を有する構成を使用し、一次元又は二次元の力を測定することができる。
力７４は、単独の連続的領域９０に伝達され、この領域９０の位置及び寸法は加わる力が変化するにつれて変化する。このような力伝達機構により、従来技術の力伝達機構よりも感度及び制御性を向上させる。丸みのある又は傾斜した底面２８の第１部分はセンサ５０内に押し込まれまたセンサ５０を圧縮し、この第１部分に対向する第２部分はセンサ５０から持ち上がり、従って、エラストマー接着剤４４にテンションを生ずる。加わる力が変化するにつれて位置が変化する回動ポイント７８により第１部分と第２部分とを分離する。アクチュエータ２０の揺動は、張力が力伝達部材２６をエラストマー接着剤４４から釈放しない程度の僅かなものにする。
保持シェル１２はアーム２２の最大変位距離８０を規定する。即ち、孔４０はアーム２２の所定の変位距離量のみ可能にする程度の大きさであるためである。
エラストマー接着剤４４から浮いてしまうようなアクチュエータ２０の過度の変位は阻止される。例えば、アーム２２の断面直径が０．１２５インチ（３．１８ｍｍ）孔４０の直径９２（図４参照）が約０．１４２インチ（３．６１ｍｍ）の実施例の場合、アーム２２と保持シェル１２との間の環状ギャップ９４の幅が、０．００８インチ（０．２０３ｍｍ）〜０．００９インチ（０．２２９ｍｍ）となる。
エラストマー層４４と内部頂面９６との間の空間は内部高さ１００を規定する。内部高さ１００は力伝達部材２６の高さ３６よりも僅かに大きく、従って、アクチュエータ２０が加わる力７４に応答して揺動するギャップ１０２を小さくする。ギャップ１０２は、大きな力をセンサ５０に発生させるような外部制限力なしに、温度変化に応じてアクチュエータ２０を膨張したり、収縮したりする。好適な実施例において、ギャップ１０２は約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）
の幅とする。ギャップ１０２は、アクチュエータ２０の角度運動を制限することによって、アクチュエータ２０がエラストマー接着剤４４から離れることがないよう十分小さくする。
好適なアクチュエータ２０はグラスファイバを充填したポリカーボネートから製造する。エラストマー接着剤４４は適当な接合強度を有し、力伝達部材２６を僅か揺動させることができしかもアーム２２が移動するときに接合部に破断を生じない十分な弾性を有するものとする。好適なエラストマー接着剤４４は、ミネソタ州ミネアポリスの３Ｍ社から市販されているＶＨＢ接着剤により、厚さが約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）の層として構成する。センサ５０は、例えば、エベントッフ氏の米国特許第４，４８９，３０２号（「エレクトロニックプレッシャセンシティブフォーストランスデューサ(Electronic Pressure Sensitive Force Transducer)」に記載のような、カルフォルニア州カマリロのインターリンクエレクトロニクス社から市販されている４個のゾーンを有する力感知レジスタにより構成するとよい。好適な実施例においては、４個の力感知ゾーンは、図２に示すように連続的にするか又は実質的にオーバーラップさせるかする。他の力センサ例えば、歪みゲージ又は圧電変換器を使用することもできる。
図７、図８、及び図９には本発明による他の実施例のポインティングデバイス１０８を示し、このポインティングデバイス１０８は、保持シェル１２を使用する代わりに、保持リング１１０とポッティングコンパウンド１１２を使用する。
保持リング１１０はポッティングコンパウンド１１２を収容するのに使用する。
このポッティングコンパウンド１１２は、アクチュエータ２０の温度変化に応じた膨張又は収縮を大幅に制限することがなく、従って、異質な力がセンサ５０によって記録されないようにするに十分柔らかいものとする。ポッティングコンパウンド１１２は、更に、アクチュエータ２０の僅かな角度運動を阻止しない十分な柔らかさにする。
ポッティングコンパウンド１１２は、しかし、アーム２２の最大角度変位を制限し、従って、アクチュエータ２０がエラストマー接着剤４４から分離するのを阻止するようにする。ポッティングコンパウンド１１２は、更に、エラストマー接着剤４４と力伝達部材２６との間の接合力が一時的に無効になり、アクチュエータ２０がポインティングデバイス１０から抜け出るのを防止する。好適な実施例のポッティングコンパウンドとしては、例えば、イリノイ州インディアナポリスのＥＭＳ社から市販されているエレクトロニクスグレードのシリコンコンパウンドがある。
ポインティングデバイス１０，１０８はコンピュータキーボードの内蔵ポインティングデバイスとして使用するのに好適である。環境上の安定性から、ポインティングデバイス１０，１０８は特に変化する環境で動作する携帯用コンピュータに使用するのに好適である。センサ５０のための力感知レジスタを使用することによって、特に大量生産に適合することができる安価でありかつ安定した力感知ポインティングデバイスとなる。
図１０は、キーボード１１６のアルファベットキー１１４間に位置決めしたポインティングデバイス１０を例示する。図１１は、アルファベットキー１１４から離してキーボード１２０のスペースバー１１８の反対側に配置したポインティングデバイス１０を示す。ポインティングデバイス１０はアーム２２を変更し、またキャップ４２の代わりにキーキャップを使用することによってアルファベットキー１１４のうちの１個に組み込むこともできる。この場合、センサ５０の出力は、他のキー例えば、ＡＬＴキーと同時に押し下げられたか否かに基づいて、アナログ力又はデジタルキーが入力されるとき中断するようにする。代案としては、キーにキーストロークを記録する別個の機構を組み込み、所定の条件例えば、キーが押し下げ条件に維持されているときにのみアナログ力センサとして作用するようにすることができる。
上述したところは、本発明の好適な実施例を説明したに過ぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができること勿論である。例えば、本発明はカーソル制御装置として述べたが、装置の出力はカーソル位置以外のパラメータを変化させるのに使用することができる。例えば、本発明装置は、多数の選択肢をスクロールしたりオーディオ装置のピッチを変化させたりするのに使用することができる。アクチュエータの形状は上述のものとは別のものに変化させることができる。従って、本発明の範囲は以下の請求の範囲によってのみ決定されるべきである。

【特許請求の範囲】
１．第１端部及び第２端部を有するアームと、前記アームの第２端部に取り付けた力伝達部材と、前記アームの前記第１端部に加わる力を検出し、アームを介して力伝達部材に伝達する力センサと、前記力センサと力伝達部材との間に位置決めし、前記力伝達部材を前記力センサに取り付けるエラストマー接着剤とを備えたことを特徴とするポインティングデバイス。
２．前記力伝達部材を前記ポインティングデバイス内に取り付けるリテーナを設けた請求項１記載のポインティングデバイス。
３．リテーナが前記アームの第１端部の変位距離を制限して、前記アームの第１端部は変位距離に特徴があるものとした請求項２記載のポインティングデバイス。
４．前記リテーナをシェルとした請求項２記載のポインティングデバイス。
５．前記リテーナをポッティングコンパウンドとした請求項２記載のポインティングデバイス。
６．前記センサを力感知レジスタとしたとした請求項１記載のポインティングデバイス。
７．前記センサを圧電センサとした請求項１記載のポインティングデバイス。
８．前記力伝達部材の底面を湾曲底面とした請求項１記載のポインティングデバイス。
９．前記力伝達部材の底面を傾斜底面とした請求項１記載のポインティングデバイス。
10．前記力伝達部材は、アーム部材の断面直径の２０倍〜３０倍の半径を有するものとして構成した請求項２記載のポインティングデバイス。
11．第１端部及び第２端部を有するアームと、前記アームの第２端部に取り付けた力伝達部材とを有するアクチュエータと、前記アームの第１端部に加わる力を検出して前記アームを介して前記力伝達部材に伝達する力センサと、前記力伝達部材の前記力センサに対する接触を維持し、かつ前記力センサに大きな力が加わらないように前記アクチュエータの膨張及び収縮を可能にするコネクタとを備えたことを特徴とするポインティングデバイス。
12．前記コネクタを、前記力センサと前記力伝達部材との間に位置決めしたエラストマー接着剤により構成した請求項１１記載のポインティングデバイス。
13．前記力伝達部材が前記エラストマー接着剤から分離するのを阻止するリテーナを更に設けた請求項１１記載のポインティングデバイス。
14．前記アームの第１端部の変位距離が前記リテーナによって制限されるように構成した請求項１３記載のポインティングデバイス。
15．ユーザーによって加わる力を受けるアームと、前記アームからの力を伝達するよう連結した力伝達部材と、前記力伝達部材からの力を受けてこの力を対応する電気信号に変換するセンサとを備え、前記力伝達部材により、力の変化に応答して位置が変化する単一の連続領域で力を前記センサに伝達する構成としたジョイスティック。
16．前記センサは力感知レジスタとした請求項１５記載のデョイスティック。
17．前記力感知レジスタは、４個の力感知レジスタのアレイの一部を構成するものとした請求項１６記載のジョイスティック。
18．前記力伝達部材の底面は湾曲した底面とした請求項１６記載のジョイスティック。
19．前記力伝達部材の底面を傾斜した底面とした請求項１６記載のジョイスティック。
20．アルファベットキーのセットと、請求項１記載のポインティングデバイスを備えたことを特徴とするキーボード。
21．前記ポインティングデバイスを、前記アルファベットキーを分離する空間に位置決めした請求項２０記載のキーボード。
22．前記ポインティングデバイスを前記アルファベットキーから離して位置決めした請求項２０記載のキーボード。
23．スクリーン上のカーソルの動きを制御する方法において、力をアームに加え、前記アームからの力を前記アームに取り付けた力伝達部材に伝達し、前記力伝達部材を介してこの力伝達部材を保持するエラストマー接着剤に伝達し、次にセンサに伝達し、前記力を感知し、前記力に対応する電気信号を発生することよりなることを特徴とするカーソル制御方法。
24．カーソル制御装置を製造する方法において、センサを設け、前記センサに隣接するようエラストマー接着剤を位置決めし、力伝達部材及びアームを有するアクチュエータを前記エラストマー接着剤に付着させ、前記アームの変位を制限するリテーナを位置決めすることよりなることを特徴とするカーソル制御装置製造方法。

【図１】