JP2009015760A

JP2009015760A - 操作入力装置

Info

Publication number: JP2009015760A
Application number: JP2007179513A
Authority: JP
Inventors: Tomomasa Shimizu; 智巨清水
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】外光に起因する外乱による誤動作を防止することが可能な操作入力装置を提供する。
【解決手段】所定の位置に操作スイッチ１０を配置されたスクリーン部４がセンタークラスタ３に設けられ、スクリーン部４の操作スイッチ１０が表面から操作されたことを、赤外光源５２を光源としてスクリーン部４の裏面をカメラ５１で撮影する。同時に、スクリーン部４の表面に指が接触したか否かを静電タッチセンサ２６０により検出し、静電タッチセンサ２６０がＯＮ信号を出力したことをもってカメラ５１で撮影した画像に対する位置検出の処理を実行させる。これにより、外光に起因する外乱による誤動作を防止することが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、操作入力装置に関し、特に、スクリーン部上の指の位置を光学的に検出してスイッチ操作を認識する操作入力装置に関する。

従来の操作入力装置として、例えば、操作者が手操作を行なう指示板と、前記指示板上の操作者の手を撮影するビデオカメラと、ビデオカメラの撮影画像に基づいて操作者の手の指示板上の座標を検出する検出部とを備えたものがある（特許文献１）。
特開平２−１３２５１０号公報

しかし、特許文献１の操作入力装置によると、操作者が指示板上に置かれた手を光学的に検出して指令信号を形成するため、屋外、車内等で使用した場合、太陽光、ネオン光等の外光が指示板で反射することによる外乱によって誤動作を生じ易い。

従って、本発明の目的は、外光に起因する外乱による誤動作を抑制することが可能な操作入力装置を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、所定の位置に操作スイッチが配置されたスクリーン部と、前記スクリーン部の表面に対する接触または押圧操作の有無を検出して検出信号を出力するセンサと、前記操作スイッチが前記スクリーン部の表面から操作されたことを前記スクリーン部の裏面から光学的に検出して検出信号を出力する検出部と、を有することを特徴とする操作入力装置を提供する。

［２］前記センサは、静電タッチセンサであることを特徴とする上記［１］に記載の操作入力装置であってもよい。

［３］前記センサは、荷重センサであることを特徴とする上記［１］に記載の操作入力装置であってもよい。

本発明によると、外光に起因する外乱による誤動作を抑制することが可能な操作入力装置を提供することができる。

［本発明の第１の実施の形態］
図１は、車両１の前部座席の前方に車幅方向に配置されたインストルメントパネル２、インストルメントパネル２の中央部付近に配置されるセンタークラスタ３、スクリーン部４等の全体配置状態を示す図である。

インストルメントパネル２は、樹脂等を成形して構成され、計器類（メータ類）のモニタや助手席のエアバッグなどが設けられており、中央部付近には操作者が車両１の各種車載機器を操作するためのセンタークラスタ３が配置されている。

図２は、インストルメントパネル２のセンタークラスタ３に配置されるスクリーン部４の背後に設置されているプロジェクタ５０、カメラ５１、赤外光源５２等の配置関係を示す図である。

操作入力装置５は、操作スイッチ１０が表面に印字されたスクリ−ン部４、プロジェクタ５０、スクリーン部４の裏面を撮像するカメラ５１を有して構成されている。

スクリーン部４は、車両１の前部座席の正面に設けられ計器類や操作系類が設けられたインストルメントパネル２の中央付近に配置されたセンタークラスタ３に装着されており、その透明電極（図示略）には静電タッチセンサ２６０が接続されている。更に、スクリーン部４の所定の位置には、操作スイッチ１０が配置されている。

プロジェクタ５０は、操作スイッチ１０に関する画像のＲＧＢを各色のフィルタを通して合成した画像を投影する装置であり、例えば液晶プロジェクタが使用される。プロジェクタ５０は、インストルメントパネル２の内部に通常は搭乗者から見えない位置に配置され、例えば、カーナビゲーション装置、空調装置、あるいは音響装置等の車載機器を動作させる際に操作する各種操作スイッチ１０に関する画像をスクリーン部４の背面側から半透明のスクリーン部４の裏面に投影する。

カメラ５１は、インストルメントパネル２の内部に、通常は搭乗者から見えない位置に配置され、画像を可視光または赤外光で撮影可能なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等が使用され、スクリーン部４の背面側の全域を撮影可能である。カメラ５１により赤外光で撮影する場合には、赤外光源５２をスクリーン部４に投影し、その反射光を撮影することが好ましい。

操作スイッチ１０は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてイメージされる第１，第２のボタン１１，１２、ボリュームとしてイメージされるエンコーダ１３等が印刷により設けられているが、これに限らず、スライドスイッチ、レバー等にイメージされる他の操作スイッチあるいは操作手段であってもよい。また、３つに限定されるものではない。

図３は、スクリーン部４の構成を示す図である。

スクリーン部４は、アクリル等の樹脂を用いて作られているスクリーン４１、及びスクリーン４１に所定の間隙をもたせて裏面に配置されたスクリーン４１と同サイズの透明電極４２を備えている。スクリーン４１及び透明電極４２は、全体が１つの静電式センサを成し、スクリーン４１の表面のどの部位を押してもスイッチオンになるように構成されている。

透明電極４２は、光を反射せずに透過し且つ導電性を備えたもの、例えば、ワイドギャップ半導体による透明導電膜を用いることができる。この透明導電膜は、例えば、酸化インジウムに５〜１０ｗｔ％の酸化錫を添加したＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜から構成されている。この上記透明導電膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、ゾル・ゲル法、クラスタービーム蒸着法等により製造することができる。

図４は、操作入力装置５に接続された電気系のブロック図である。

電気系は、全体の制御を行なうＣＰＵ２００と、バス２７０に接続されると共に各種のプログラムが格納されているＲＯＭ２１０と、バス２７０に接続されると共に操作位置検出または操作処理時の作業領域となるＲＡＭ２２０と、上記したプロジェクタ５０、カメラ５１、赤外光源５２及びバス２７０が接続されたインターフェース２３０と、バス２７０に接続されてカーナビゲーション装置、空調装置、オーディオ装置等の車載機器２５０を制御する車載機器制御部２４０と、インターフェース２３０に接続された静電タッチセンサ２６０とを有して構成されている。

ＲＯＭ２１０はバス２７０に接続され、カメラ５１の撮影画像に基づいて第１，第２のボタン１１，１２及びエンコーダ１３に対する指の位置を検出するための位置検出プログラム２１１と、操作スイッチ１０の動作状態を判定する判定プログラム２１２と、スクリーン部４上の第１，第２のボタン１１，１２及びエンコーダ１３の位置に関するデータからなる操作要素データ２１３と、上記各プログラムを実行するメインプログラム２１４とを有している。

位置検出プログラム２１１は、カメラ５１の撮影画像に基づいて、操作スイッチ１０を指示した位置に基づいて操作位置を検出するプログラムである。この位置検出プログラム２１１は、必要に応じて操作要素データ２１３を参照できるように構成されている。

ＲＯＭ２１０に記憶された判定プログラム２１２は、カメラ５１の撮影画像に基づいて、操作される操作スイッチ１０の所定の位置における輝度変化により操作状態を検出するプログラムである。上記操作状態は、所定の閾値と比較することにより、第１，第２のボタン１１，１２では指の接触による輝度変化でＯＮまたはＯＦＦ動作を判定し、また、エンコーダ１３では、指の接触位置に応じて指定のレベルまたは動作状態が判定される。

図５は、静電タッチセンサ２６０の構成を示す図である。静電タッチセンサ２６０は、正弦波の信号Ｖｏを発振する発振器２６１、発振器２６１の出力端子に接続された抵抗２６２、抵抗２６２に直列接続されたダイオード２６３、ダイオード２６３に接続されて入力信号中の高域成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６４、及びＬＰＦ２６４の出力信号を増幅するアンプ２６５を有して構成されている。

抵抗２６２とダイオード２６３の接続点２６６には、スクリーン部４の透明電極４２が接続されている。従って、透明電極４２には、接続点２６６の出力電圧であるＶｃが印加されている。

［本発明の第１の実施の形態の動作］
図６は、第１の実施の形態に係る操作入力装置の動作を示すフローチャートである。

図７は、操作者がスクリーン部４の第１のボタン１１のマーク上に指先を接触させて操作スイッチ１０を操作している状態を、カメラ５１が設置されている方向から見た図である。

図８は、静電タッチセンサ２６０の動作を示す波形図である。

図９は、スクリーン部４の背景画像、指の撮影画像、および写真を処理した画像を示す図である。

車両１のエンジンスイッチ（図示略）がＡＣＣ位置やＩＧＮ位置にあるとき（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、図４に示した電気系が動作し、赤外光源５２が赤外光をスクリーン部４の裏面に投光し、カメラ５１がスクリーン部４の裏面全域を視野とし、また、必要に応じてプロジェクタ５０が画像をスクリーン部４の裏面に投影している。

また、スクリーン部４は、透明電極４２に静電タッチセンサ２６０の発振器２６１の出力電圧Ｖｏに抵抗２６２を通して得られた出力電圧Ｖｃが印加されている。

まず、操作入力装置５に通電が行われているとき、予めカメラ５１により、赤外光源５２を点灯した状態のもとで図９（ａ）に示すスクリーン部４の背景の画像が撮影され、この画像は図６に示したインターフェース２３０を介して取り込まれ、ＲＡＭ２２０に保存される。背景画像の撮影は、操作入力装置５を車両に設置した後、１回行うのみでよいが、操作者の判断により随時実行することができる。

ＣＰＵ２００は、エンジンスイッチがＡＣＣやＩＧＮの位置にあることを検出すると、ＲＯＭ２１０の位置検出プログラム２１１を立ち上げる（Ｓ１０２）。

次に、ＣＰＵ２００は、静電タッチセンサ２６０がＯＮかＯＦＦかを判定する（Ｓ１０３）。操作者が、例えば、図７に示すように、スクリーン部４の表面に印刷されている第１のボタン１１のマーク部分に指６を接触させると、図５に示すように、静電タッチセンサ２６０は、透明電極４２とグランドとの間の静電容量Ｃｄが増加する。なお、この静電容量Ｃｄの増加は、図３に示すスクリーン４１のどの部位に指６を触れても発生する。

静電容量Ｃｄは、次式で表される。
コンデンサ容量：Ｃｄ＝（εＳ）／ｄ（Ｆ）・・・（１）
（但し、ε：誘電率（Ｆ／ｍ）＝ε。（真空の誘電率、８．８５×１０^−１２（Ｆ／ｍ）×ε_ｒ（比誘電率）、Ｓ：電極面積（接触部分のみ）（ｍ^２）、ｄ：電極との距離（＝樹脂肉厚）（ｍ）（ε_ｒは、樹脂の場合、“３”））

また、抵抗値に相当する容量リアクタンスＸｃは、次式で表される。
Ｘｃ＝１／（２πｆＣｄ）（Ω）・・・（２）

ここで、検出電圧Ｖｃは、上記（２）式を用いて次式で表される。
Ｖｃ＝Ｖ_０Ｘｃ／（Ｒ^２＋Ｘｃ^２）^１／２
＝（Ｖ_０／２πｆＣｄ）／｛Ｒ^２＋（１／２πｆＣｄ）^２｝^１／２
＝Ｖ_０／｛（２πｆＣｄＲ）^２＋１｝^１／２（Ｖ）・・・（３）
（但し、Ｖ。：発振振幅（Ｖ）、ｆ：発振周波数（Ｈｚ）、Ｒ：抵抗２６２の抵抗値（Ω））

上記（３）式から明らかなように、静電容量Ｃｄが増加すると、検出電圧Ｖｃが減少することがわかる。また、上記（２）式から明らかなように、静電容量Ｃｄが増加すると容量リアクタンスＸｃが減少することがわかる。

従って、スクリーン４１に指６を触れることにより静電容量Ｃｄが増加し、接続点２６６とグランドとの間のインピーダンスが低下し、図８に示すように、タッチ区間では接続点２６６の電圧Ｖｃが低下する。これにより、ダイオード２６３で整流された直流電圧も低下し、これに伴ってＬＰＦ２６４の出力電圧も低下するため、アンプ２６５の出力電圧Ｖoutは、指６がスクリーン４１に触れている間、出力電圧Ｖout１からＶout２に変化する。この結果、操作者がスクリーン４１を操作したか否かを出力電圧Ｖoutの変化から把握することができる。

同時に、第１のボタン１１のマーク部分を指で接触したとき、この接触部分に対応する透明電極４２の裏面からは、他の部分に比べて赤外光源５２からの赤外光が強く反射し、この状況がカメラ５１により２５６ビットのグレースケールで撮影される（Ｓ１０４）。

例えば、図７に示すように、操作者が、第１のボタン１１に指６を接触させると、指６がスクリーン部４に接触している部分に影が生じ、これが図９（ｂ）に示すように撮影される。この撮影画像は、図４に示したインターフェース２３０を介して取り込まれ、ＲＡＭ２２０に保存される。

ＣＰＵ２００は、図９（ａ）に示す背景画像のデータおよび図９（ｂ）に示す撮影画像のデータをＲＡＭ２２０から読み出し、「背景画像」−「撮影画像」の処理を行い、図９（ｃ）の差分画像を得る。

次に、ＣＰＵ２００は、上記差分画像に対し、例えば、Ｓｏｂｅｌ（ゾーベル）フィルタ、Ｐｒｅｗｉｔ（プレヴィット）フィルタ等で一次微分（差分）処理を施し、図９（ｄ）に示すように、エッジが検出された勾配画像を得る。

次に、ＣＰＵ２００は、予め設定した閾値を境界にして勾配画像を２値化し、図９（ｅ）に示す画像（勾配２値画像）を生成する。

次に、ＣＰＵ２００は、勾配２値画像の内側領域（＝撮影画像の明るい側）を塗り潰す処理を実行し、接触している指６が操作スイッチ１０に接触している領域を確定する。この処理（領域確定処理）により、図９（ｆ）に示す画像が得られる。

次に、ＣＰＵ２００は、上記領域確定処理による結果および操作要素データ２１３に基づいて、指６が指示した操作スイッチ１０の位置を特定する（Ｓ１０５）。ここでは、操作スイッチ１０として第１のボタン１１が特定される。

ＣＰＵ２００は、静電タッチセンサ２６０の出力電圧Ｖｃが変化したこと（センサＯＮになったこと）を条件に、操作スイッチ１０を特定した結果を車載機器制御部２４０へ出力する。車載機器制御部２４０は、操作スイッチ１０の操作対象に対応した車載機器２５０を制御する（Ｓ１０６）。

車載機器２５０の制御は、例えば、第１のボタン１１のＯＮ動作に対し、車載機器制御部２４０によってカーナビゲーション装置（図示略）の電源がＯＮにされ、エンコーダ１３で指定したレベルに対応して表示倍率が変化する。

次に、ＣＰＵ２００は、エンジンスイッチがＡＣＣまたはＩＧＮの位置にあるか否かを再度判定し（Ｓ１０７）、エンジンスイッチがＡＣＣまたはＩＧＮの位置にあれば（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１０３へ移行し、以降の処理を繰り返し実行する。また、ＣＰＵ２００は、エンジンスイッチがＡＣＣ及びＩＧＮの位置以外にあれば（Ｓ１０７：Ｎｏ）、全ての処理を終了する（Ｓ１０８）。

［第１の実施の形態の効果］
以上説明した本発明の第１の実施の形態に係る操作入力装置によれば、次に示す効果が得られる。

（１）操作者が、スクリーン部４の各種の操作スイッチ１０のマークに指を接触させた際の反射光をカメラ５１で撮影し、同時に、静電タッチセンサ２６０の動作状態を参照して操作スイッチ１０のどれが操作されたかを特定するため、外光に起因する外乱による誤動作を抑制することができる。

（２）外乱光により操作スイッチ１０の所定位置の輝度値が上昇した場合でも、スクリーン部４における静電容量Ｃｄは変化しないため、操作入力装置５の誤検出を抑制することができる。

（３）操作スイッチ１０は、実際にスイッチ等を設ける必要がなく、従って、操作スイッチ１０への配線が不要になるため、異なる車種に異なる操作スイッチ１０を有するスクリーン部４を簡単に装着でき、設計上の自由度の増大、インストルメントパネル２の共通化により、コスト低減等を図ることができる。

［本発明の第２の実施の形態］
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る操作入力装置を示す図である。

本実施の形態は、上記第１の実施の形態において、スクリーン部４を半透明な１枚の絶縁板等とし、その裏面の各コーナ部に荷重センサ１４Ａ〜１４Ｄを静電タッチセンサ２６０に代えて接続した構成としている。以下に、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。

スクリーン部４は、例えば、半透明のアクリル板からなり、表面には、第１の実施の形態と同様に、印刷等による第１，第２のボタン１１，１２及びエンコーダ１３が設けられている。

荷重センサ１４Ａ〜１４Ｄは、同一仕様であり、例えば、機械式圧力センサ、ブルドン管を用いたセンサ、ベローズを用いたセンサ、半導体素子を用いたセンサ、圧電素子等を用いたセンサであり、圧力を電気信号にして出力する。

なお、荷重センサ１４Ａ〜１４Ｄは、スクリーン部４の表面から見えない様にセンタークラスタ３に取り付けられている。

第２の実施の形態に係る操作入力装置５の動作は、図６に示す上記ステップＳ１０３において、静電タッチセンサ２６０が荷重センサ１４Ａ〜１４Ｄに置き換わるのみで、他の処理は図６に示した通りである。

荷重センサ１４Ａ〜１４Ｄは、いずれかがＯＮになればＯＮ信号がインターフェース２３０へ出力される。つまり、荷重センサ１４Ａ〜１４Ｄからの４つの出力信号は、ＯＲによりインターフェース２３０に取り込まれる。

以上説明した本発明の第２の実施の形態に係る操作入力装置によれば、上記第１の実施の形態に比べ、スクリーン部４の構造を簡略化できるという効果を得ることができる。その他、第１の実施の形態に示した効果を得ることができる。

なお、上記した第１及び第２の実施の形態は、エンジンスイッチがＡＣＣやＩＧＮの位置にあることを検出したときに位置検出プログラム２１１を立ち上げるものとしたが、静電タッチセンサ２６０または荷重センサ１４Ａ〜１４ＤのＯＮを検知後に位置検出プログラム２１１を立ち上げる構成にしてもよい。

また、上記した第１及び第２の実施の形態は、車両に搭載されるものとして説明したが、これに限らず、例えば家庭用にも適用可能であり、例えば、エアコン、テレビ等に組み込んで使用することが可能である。

また、操作スイッチ１０の構成は、図２、図３及び図１０に示した第１，第２のボタン１１，１２及びエンコーダ１３に限定されるものではなく、任意のデザインにすることができる。また、第１，第２のボタン１１，１２及びエンコーダ１３は、立体的であってもよいし、実際の押しボタンや回転エンコーダを模したダミーの押しボタン及び回転エンコーダであってもよい。

また、上記実施の形態においては、赤外光源５２をスクリーン部４の裏側に設けるものとしたが、スクリーン部４の表側（室内側）に設けることもできる。また、プロジェクタ５０を有しない構成も可能である。

図１は、車両１の前部座席の前方に車幅方向に配置されたインストルメントパネル２及びインストルメントパネル２の中央部付近に配置されるセンタークラスタ３、スクリーン部４等の全体配置状態を示す図である。図２は、インストルメントパネル２のセンタークラスタ３に配置されるスクリーン部４の背後に設置されているプロジェクタ５０、カメラ５１等の配置関係を示す図である。図３は、スクリーン部４の構成を示す図である。図４は、操作入力装置５に接続された電気系のブロック図である。図５は、静電タッチセンサ２６０の構成を示す図である。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る操作入力装置の動作を示すフローチャートである。図７は、操作者がスクリーン部４の第１のボタン１１のマーク上に指先を接触させて操作スイッチ１０を操作している状態を、カメラ５１が設置されている方向から見た図である。図８は、静電タッチセンサ２６０の動作を示す波形図である。図９は、スクリーン部４の背景画像、指の撮影画像、および写真を処理した画像を示す図である。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る操作入力装置を示す図である。

符号の説明

１車両
２インストルメントパネル
３センタークラスタ
４スクリーン部
５操作入力装置
６指
１０操作スイッチ
１１第１のボタン
１２第２のボタン
１３エンコーダ
１４Ａ〜１４Ｄ荷重センサ
４１スクリーン
４２透明電極
５０プロジェクタ
５１カメラ
５２赤外光源
２００ＣＰＵ
２１１位置検出プログラム
２１２判定プログラム
２１３操作要素データ
２１４メインプログラム
２２０ＲＡＭ
２３０インターフェース
２４０車載機器制御部
２５０車載機器
２６０静電タッチセンサ
２６１発振器
２６２抵抗
２６３ダイオード
２６４ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２６５アンプ
２６６接続点
２７０バス

Claims

所定の位置に操作スイッチが配置されたスクリーン部と、
前記スクリーン部の表面に対する接触または押圧操作の有無を検出して検出信号を出力するセンサと、
前記操作スイッチが前記スクリーン部の表面から操作されたことを前記スクリーン部の裏面から光学的に検出して検出信号を出力する検出部と、
を有することを特徴とする操作入力装置。
前記センサは、静電タッチセンサであることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
前記センサは、荷重センサであることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。