JP4583378B2 - 自由にプログラミング設定可能なシンボルを備えた操作エレメント - Google Patents

Description

様々な種類の機能を作動させるためには、スイッチなどの操作エレメント、或いは非常に多くの異なる機能の場合には、スイッチ盤全体やキーボードを使用することが一般的となっている。このことは、切り換えるべき機能が少ししか存在しない場合、又は単一の操作によって直ぐに機能を切り換えることが求められている、或いは切り換えなければならない場合に、特に目的に適ったことである。そのようなケースは、例えば、緊急停止の場合、又は自動車のハザードランプへの切り換えの場合である。それとは逆に、多くの機能を切り換える場合、キーボードは、益々分かり難く、高価となっている。一般的に、そのようなスイッチエレメントの場合、キーのキャップ自体は、組み込まれた機能に対応するシンボル又は刻印によって特徴付けらる。

キーキャップの一般的な刻印方法は、特許文献１に記載されている。

操作する機能に応じてキーの数が線形的に増大するのを防止するために、キーの多重割付けを可能とする一連の試みが有る。そのようなものとしては、キーの数を低減して、例えば、スクリーンを介して、メニューにより制御するシステムが開発されている。この場合、例えば、スクリーンの周りにキーが配置されている。機能のシンボルは、スクリーン上に表示されており、シンボルに一番近い対応するキーによってアクティブにされる。

別の解決の試みでは、機能エレメントとシンボルを分離するのを避けるために、タッチスクリーンを使用している（特許文献２）。しかし、この場合、特に不利な環境条件下では、タッチ面の破損と磨耗による問題が生じる。更に、スクリーンの使用によって、操作又はキーボードユニットの構造が著しく制限される。このことは、特に自動車での用途において重要な判断基準であり、そこでは、車両の室内の構造が、出来る限り少ない制限の下で実現されることが求められている。

数字又は特殊ではないシンボルだけを特徴とする自由にプログラミング設定可能な操作エレメントも知られている。しかし、この操作エレメントは、その機能をその外見から推定することができないという欠点を有する。従って、この方法では、若干の少数の操作エレメントしか組み込むことができず、これらの操作エレメントは、通常ユーザーによって一度特殊な特定の機能に割り当てられて、そして固定的にプログラミングされたままである。

操作エレメント上に自由にプログラミング設定可能なシンボルを描画するための別の解決法は、キーにＬＣＤを直接取り付けること、例えば、透明なウィンドウを被せることである。これによって、その一方の側にプログラミング設定可能なシンボルが可能となるとともに、他方の側には、ディスプレイによって、キーのデザインが付与されることとなる。この場合、ディスプレイをキーキャップ内に固定的に設定して、キーを操作した場合に一緒に動かす解決の試み、並びにディスプレイを固定して置き、その際、多くの場合イメージガイドを使用することによって、ディスプレイとキーキャップの間の光学的な距離を短縮する試みが有る（特許文献３と４）。この場合、このイメージガイドは、例えば、貼り付けるか、或いは溶着させて、幾何学的なエレメントの形状（例えば、直方体）に裁断した、グラスファイバーを並べた束から構成される。これらのグラスファイバーは、その一端が一つの面上に載せられており、その面の画像を、グラスファイバーの束の反対側によって与えられるイメージ面に生成している。そのようなイメージガイドを用いても、操作の際にキーキャップを動かすことを可能とするために、動くキーキャップとイメージガイドの間に空気の隙間を残さなければならないので、画像情報をキーキャップ内に直接取り込むことはできない。このキーは、キーキャップが必然的に平坦であることとディスプレイ上を直接見ることとなるために、非常に粗く見えることとなり、特別なデザインには適合することができないことが欠点である。その表面が動作面よりも僅かに大きいだけの小さいキーは、グラスファイバー上には接続端子とガイド導体用の面が必要なために、グラスファイバー面が、通常ディスプレイの動作面よりも明らかに大きくなるので、実現不可能である。従って、このようなキーは、特に産業用に用いられるが、まさにデザインが際立った役割を果たす自動車の室内には使用されない。

更に、特許文献５により、表示すべき情報にもとづき制御装置によって制御される、制御可能なディフュージョンディスクを備えた表示装置が周知である。
ドイツ特許公開明細書第４０１８４１１−Ａ１号 ドイツ特許公開明細書第１９８０９９３４−Ａ１号 特開平６−４４８５７号公報 ドイツ特許明細書第１０００８６７０−Ｃ２号 ドイツ特許公開明細書第１９８４９９７３−Ａ１号

この発明の課題は、変更可能なシンボルを有し、そのため常に機能性に対応したシンボル又は文字（ピクトグラム）を表示する操作エレメントを提示することである。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。

この発明は、表示するシンボルのイメージを、例えば、ＬＣＤなどのディスプレイによって生成するとともに、操作エレメントの内側、例えば、ボタンの上部又はキーキャップ内に直接投影するとの技術思想にもとづくものである。キーの大きさと形状がディスプレイによって影響を受けないようにするために、有利には、操作エレメントの筐体の内部にディスプレイを取り付ける。シンボルのイメージは、例えば、キーキャップ内のイメージ面上に投影され、それによって観察者が認識できるようにする。投影面としての働きを果たすのは、例えば、キーキャップの内側又は外側上に取り付けることができるキーキャップ内の散乱層、キーキャップの材料自身、或いはキーキャップ内に中間イメージを生成することを可能とするその他の任意の方法である。

キーのシンボルを安定して読み取ることができるようにするためには、出来る限り大きな角度方向に拡散させることが必要である。このことは、ディスプレイを後方から照明するために使用する光源自身の拡散によって（場合によっては光学部品を用いて）、さもなければキー内の光を散乱させる層（散乱層）によって実現することができる。光を散乱させる層を使用する場合、この層は、中間イメージ面に対する投影層と同じものとするか、さもなければ追加の層又は表面散乱によって実現することができる。

この構造によって、自由にプログラミング設定可能な性能によって変更可能なシンボルを有する操作エレメントが実現され、そのためには、ディスプレイは、個別に駆動される。この操作エレメントの割り当ては、それ自身により分かるので、追加の表示エレメントを不要とすることができる。同時に、操作エレメントは、メニュー面毎に異なる機能性を有するので、操作エレメントの数を大幅に低減することができる。

更に、この提案したシステムによって、特に自動車での使用に関して、デザイナーの意図に対応して操作エレメントを表示することが可能となる。この場合、車両室内のデザインに対応して、例えば、キーの表面を粗くするとともに、曲げることができる。更に、キーキャップの必要な大きさは、基本的にイメージを生成するエレメントの大きさではなく、表示可能なシンボルの最大の大きさによって規定される。キー又は投影層用に黒っぽい光を通す材料を選定することによって、入射光内で暗く見えるイメージを実現することができる。このことにより、例えば、自由にプログラミング設定可能なキーとエナメル及びレーザー技術によるキーとの光学的な差異を小さくすることが可能となる。

キー／ボタン内の中間イメージ面上にシンボルを描画することによって、ディスプレイのイメージを生成する面と観察者の見る面とが、空間的に分離されることとなる。ディスプレイの解像度を損なうことなく、この間隔を橋渡しするための解決の試みが、複数存在する。

図面を用いて、幾つかの実施例にもとづき、この発明をより詳しく説明する。

図１〜３のすべてにおいて、操作エレメント、ここではキーキャップ１１を備えたキーを符号１０で表しており、このキーキャップには、シンボル１２が後方から投影されており、そのため観察者には前方から見えるようになっている。

図１による第一の実施形態では、操作エレメント１０は、ここでは大まかに示された操作エレメント１０の筐体１０．１内に組み込まれたディスプレイ１に対する後方からの照明として、ここではほぼ点光源２．１である光源２を有し、この光源は、例えば、ＬＥＤチップによって作ることができる。光源２．１の前に有る光学系３を用いて、光源２．１が放射した光ａから平行な光束ａ’を生成している。このことは、例えば、その焦点３．１．１に光源２．１を配置したレンズ３．１を用いて、或いは放出された光を平行に束ねるように形成された、ここでは図示していない反射鏡を用いて実現することができる。更に、平行な放射光線を実現するために、レンズ３．１、反射鏡及びブラインドから成る部材を組み合わせることができる。

これに代わって、例えば、反射鏡又はＬＥＤにレンズを組み込んだ光源の形で、光学部品３を光源２．１に完全に又は部分的に統合する可能性も有る。

光源２．１は、付属する光学部品３と共に、例えば、透過型ＬＣＤ１．１であるディスプレイ１の後に配置される。ここでは、ディスプレイ１．１は、キーキャップ１１内の投影する（所望の）シンボル１２の領域だけに光ａ''を通過させて、それに対してその他の領域では光を吸収する透過フィルターとして機能する。ディスプレイ１の前に任意の間隔を空けて散乱層４を取り付けることによって、平行な後方からの照明を通して、リアルな中間イメージを生成することができる。

この使用法では、多くの場合、精確に平行な光束ａ’を実現することができない。従って、操作エレメント１０内のディスプレイ１と中間イメージ面間の間隔が大きくなる程、シンボル１２の解像度は低下する。従って、キーの内側１１．１とディスプレイ１間の許容される最大間隔は、ディスプレイ１の解像度と、表示するシンボル１２の所要の解像度と、光束ａ''の残留発散比とによって与えられる。

図１による簡単なレンズ３．１の場合、光の発散比は、光源２．１の大きさとレンズ３．１の焦点距離とから簡単な幾何学的な考察によって得られる。この発散比とそのためディスプレイ１とキーキャップ１１間の光線の拡がりを低減することは、（ここでは図示されていない）出来る限り高い屈折率を持つ透明なライトストーンを用いることによって実現することができる。

ここで規定した構造では、光ａ''全体が、キーの内側１１．１に平行に入射するので、キーキャップ１１内において、非常に良好に散乱する光４が規定されて、放射光のキーキャップ１１上への均一な光の分配が実現される。しかし、他方では、例えば、光を偏向させるための特殊なフィルムを使用することによって、自動車のドライバーの視角範囲などの小さい立体角範囲内に光全体を偏向させることも可能である。

図２による別の有利な実施形態では、キーキャップ１１内のレンズ光学系３．２を用いて、ディスプレイ１のリアルなイメージを投影している。そのために、少なくとも一つのレンズ３．２が、ディスプレイ１とキーキャップ１１の間に有る。キーキャップ１１内でのリアルな中間イメージ面とディスプレイ１の間隔は、少なくともこのレンズ３．２の焦点距離の数倍である。この実施形態では、ディスプレイ１、レンズ３．２及びキーキャップ１１は、ちょうどディスプレイ１のイメージ面をキーキャップ１１内の散乱層４上に結像することが可能なように配置されている。

任意選択として、この結像を改善するか、或いはキーキャップ１１上でのより高い光強度を達成するために、例えば、一つ以上のレンズ３．２を用いた光学的な構造を選定することもできる。こうすることによって、イメージを生成する面内での光の拡がりは、もはやキーキャップ１１上で実現可能な解像度には何らの影響も与えない。このことによって、シンボル１２を生成するために、大きな面の光源２．２を使用するか、さもなければ自己発光型ディスプレイ１．２を使用することが可能となる。

しかしながら、光の少ない拡がりを実現するために、透過型ディスプレイ１．１に対して、図１と同様の構造を使用することもできる。こうすることによって、ディスプレイ１．１を通って来たすべての光ａ’を結像レンズ３．２上に当てて、キーキャップ１１の中間イメージ面（散乱層４）上に集束させることができる。

図２による光学的な構造によって、キーキャップ１１内での結像の拡大又は縮小も実現することができる。このことによって、例えば、非常に小さい高解像度のディスプレイを用いて動作させるか、さもなければより解像度の小さい、より大きなディスプレイを使用して、縮小した結像とすることによって、キーキャップ１１上での所望の解像度を実現することが可能となる。

キーキャップ１１とディスプレイ１間の間隔が大きいことにより、この構造では、キーキャップ１１とディスプレイ１間に光源２を配置して、反射型ディスプレイを使用することも可能となる（図示していない）。このことは、反射型ディスプレイの特別な特性、例えば、非常に高いコントラストなどを利用することを可能とするものである。反射型ディスプレイとしては、マイクロミラーから成るモジュールを使用することもでき、その場合画素の活性状態と不活性状態間の切り換えは、対応するミラーを傾けることによって実現される。

図３による第三の有利な実施構成では、ディスプレイ１のイメージを、光ファイバーのイメージガイド６を用いて、ディスプレイ１のイメージ生成面とキーキャップ１１内の中間イメージ面４との間を伝送している。この場合、光ファイバーのイメージガイド６は、両端間での１対１対応のイメージ伝送を保証する、ガラス又はプラスチックから成る光ファイバーを並べた束で構成されている。この場合、光ファイバーのイメージガイド６は、個々のファイバーを固定して結合したイメージバー６．１の形状か、さもなければ両端だけを固定した柔軟なファイバーの束の形状でも使用することができる。

例えば、図３によるイメージガイド６を使用する場合、キーストロークに対するキー１０の可動性を可能とするために、間隔を設けることができる。この間隔は、イメージガイド６を中間イメージ面又はキーの内側１１．１の散乱層４上に置いて、一緒に動かすことによって実現することができる。この場合、キーの動きを可能とするために、固定されたイメージ生成面と動くイメージガイド６間に間隔を設けなければならない。これに代わって、イメージガイド６をディスプレイ１上に直接固定して置くことができる。この場合、キーの内側１１．１とイメージガイドの表面との間で間隔が保たれる。イメージガイド６とキーの内側１１．１との間又はディスプレイ１とイメージガイド６の間の隙間によって、中間イメージ面での結像の解像度が、光の拡がりにより悪化する結果となる。この場合、図１による第一の有利な実施形態と同様に、出来る限り平行な光を後方から照射する透過型ディスプレイ１を使用するのが、特に有意義であることが分かっている。

しかし、この構造は、キーの内側１１．１、イメージガイド６及びディスプレイ１間に間隔を設けることなく実現することもできる。そのためには、ディスプレイ１をキーキャップ１１及びイメージガイド６と一緒に動かすことができるようにし、その場合、ディスプレイ１と光源２間の間隔を変化させるか、さもなければ光源を一緒に動かすとともに、キーの動きによって、光学的な構造が影響されないようにする。

しかし、キーストロークは、固定したディスプレイ１の場合でも、柔軟なファイバーの束を使用して（図示されていない）、キーの操作時に、ファイバーの束が、その動きによって、キーキャップ１１とディスプレイ１間の間隔の変動を平準化することができるように、この束を取り付けた場合、キーの内側１１．１、イメージの束６及びディスプレイ１間の間隔を設けることなく平準化することができる。

この光学的な構造を、キーの内側１１．１、イメージガイド６及びディスプレイ１間に間隔を設けることなく実現した場合、又もや拡散性又は大きな面の照明を用いた透過型ディスプレイ１．１か、さもなければ自己発光型ディスプレイ１．２を使用することができる。

この提案した構造は、回転式ボタンなどを備えた操作エレメントにも転用することができることは明らかであり、その場合には、キーストロークは、回転式又はプッシュ式スイッチ等である場合にだけ考慮される。

操作エレメントの第一の実施形態の断面図 操作エレメントの第二の実施形態の断面図 操作エレメントの第三の実施形態の断面図

Claims (5)

1. 自由にプログラミング設定可能なシンボル（１２）を備えた操作エレメント（１０）であって、この操作エレメントは、キーキャップ（１１）と、操作エレメント（１０）の筐体（１０．１）内でキーキャップ（１１）の後方に間隔を空けて配置されたディスプレイ（１，１．１，１．２）とから構成され、この場合、ディスプレイ（１，１．１，１．２）が、キーキャップ（１１）上にシンボル（１２）を投影することが可能であるように、光を誘導する部材と共同して動作する操作エレメントにおいて、
   ディスプレイ（１，１．１，１．２）が、光源（２，２．１，２．２）とキーキャップ（１１）の間に配置された透過型ディスプレイ（１．１）であるか、或いは自己発光型ディスプレイ（１．２）であり、光源（２，２．１，２．２）を用いて直接的に、又は光学系を介して、光を透過可能であるか、或いは自己発光可能であることと、
   キーキャップが、光を通す黒っぽい材料から作られていることと、
   キーキャップ（１１）内には、散乱層（４）が組み込まれており、この散乱層は、キーキャップ（１１）の内側又は外側上に取り付けられていることと、
   を特徴とする操作エレメント。
2. 光源（２，２．１，２．２）とディスプレイ（１，１．１）との間か、ディスプレイ（１，１．１，１．２）とキーキャップ（１１）との間か、或いはその両方の間に、少なくとも一つの光学部品（３，３．１，３．２）を組み込んでいることを特徴とする請求項１に記載の操作エレメント。
3. ディスプレイ（１，１．１，１．２）とキーキャップ（１１）との間に、光ファイバーのイメージガイド（６）を取り付けていることを特徴とする請求項１に記載の操作エレメント。
4. イメージガイド（６）が、イメージバー（６．１）の形状で、ガラス又はプラスチックから成る光ファイバーを並べた束で構成されることを特徴とする請求項３に記載の操作エレメント。
5. イメージガイド（６）が、柔軟なファイバーの束であることを特徴とする請求項４に記載の操作エレメント。

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