JP2013130530A - 滑り及び滑り方向検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型・軽量・薄型・省配線な構成で滑り及び滑り方向を検出する。
【解決手段】本発明は、電極３３Ａ及び３３Ｂを所定間隔離間して配される電極部３３が格子状に配され、電極部３３の上面に法線方向力Ｆ_ｎに応じて抵抗値が変化する感圧導電シート３４が配されるセンサ部３２に対する接触部材４０による滑らす動作によって発生する高周波波形成分が所定の閾値を越えたとき、該センサ部３２に対する接触部材４０の滑り変位発生直前に生ずる初期滑りを検出すると共に、感圧導電シート３４の抵抗値の変化に基づいてセンサ部３２に対する荷重分布の中心位置を算出し、初期滑りが検出された際の荷重分布の中心位置の方向から滑り方向を同時に検出する。
【選択図】図４

Description

本発明は滑り及び滑り方向検出装置に関し、例えばセンサに適用して好適なものである。

従来、パーソナルコンピュータ等において入力装置としてタッチパッドが利用される。タッチパッドは、例えば平面状のセンサと指との間における静電容量の分布状態から指の位置を検出し、カーソルの移動、ページをめくる動作等を行わせる。

タッチパッドはある程度の面積があり、センサ表面のどの位置に存在するかを微弱な静電容量の変化として検出するため、パッドもしくは指に付着した水分や汚れの影響を受けやすく、誤動作してしまう可能性がある。

また、タッチパッドは静電容量型である場合、文字入力中などに手のひらが軽く触れただけでも反応してしまい、意図しない場所へカーソルが移動したり、クリックされてしまう可能性がある。

一方、点型入力デバイスとしてポインティング・スタックがある。ポインティング・スタックはキーボード内部に埋め込まれたスタックを押す力の方向で画面上のカーソルを制御するもので、タイピング時のホームポジションのまま操作できるといったキーボード以外の操作スペースが不要などの利点がある。しかしながらポインティング・スタックは、タッチパッドでは可能な指を滑らす動作による操作には対応することができない。

一方、感圧導電センサを用いて滑り検出表面に接触する物体から付与される圧縮方向の圧力の分布を検出することにより、滑り検出表面に接触する物体の動きを検出するようにしたセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１２８９４０公報

ところで、滑り及び滑り方向を検出する装置は、例えばポインティングデバイスのようにカーソルの移動、ページをめくる動作などに用いられる場合や、ロボットハンドのように物体との接触面積が小さい場合などに用いられる場合もあり、より小型・軽量・薄型・省配線な構成で滑り及び滑り方向を検出することが望まれる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、小型・軽量・薄型・省配線な構成で滑り及び滑り方向を検出し得る滑り及び滑り方向検出装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、第１及び第２の電極が所定間隔離間して配される電極部が第１の方向及び該第１の方向とは異なる第２の方向の少なくとも一方に沿って複数配され、押し付けられる方向の力に応じて抵抗値が変化する感圧導電シートが複数の電極部を覆い、電極部における第１及び第２の電極が感圧導電シートを介して接続されるセンサ部と、第１の方向に隣接して配される電極部間における第１の電極同士を接続し、第２の方向に隣接して配される電極部間における第２の電極同士を接続する複数の抵抗と、抵抗を介してセンサ部から出力される感圧導電シートに対する接触部材の滑り変位発生直前に生ずるとされる高周波波形成分が所定の閾値を越えたとき、センサ部に対する接触部材の滑り変位発生直前に生ずる初期滑りを検出する滑り検出部と、信号に基づいてセンサ部に対する力の荷重分布の中心位置を算出し、滑り検出部で初期滑りが検出された際の荷重分布の中心位置の方向を滑り方向として検出する滑り方向検出部とを有する。

これにより、センサ部に対する接触部材による滑らす動作によって発生する高周波波形成分に基づいて初期滑りを検出することができるとともに、感圧導電シートの抵抗値の変化に基づいてセンサ部に対する力の荷重分布の中心位置から滑り方向を検出することができる。

以上のように本発明によれば、センサ部に対する接触部材による滑らす動作によって発生する高周波波形成分に基づいて初期滑りを検出することができるとともに、感圧導電シートの抵抗値の変化に基づいてセンサ部に対する力の荷重分布の中心位置から滑り方向を検出することができ、かくして小型・軽量・薄型・省配線な構成で滑り及び滑り方向を検出することができる。

二次元分布荷重中心位置検出センサの構成を示す略線図である。 二次元分布荷重中心位置検出センサの回路構成を示す略線図である。 滑り及び滑り方向検出装置の構成を示す略線図である。 センサ回路の構成を示す略線図である。 電極部の構成を示す略線図である。 接触部材が滑る際の感圧導電シートの様子を示す略線図である。 センサ回路の等価回路を示す略線図である。 離散ウェーブレット変換動作を示す略線図である。 ｘ軸方向に接触部材を滑らせた際の実験結果を示す略線図である。 他の実施の形態におけるセンサ回路の等価回路を示す略線図である。

〔１．二次元分布荷重位置検出の原理〕
まず始めに、本実施の形態に用いられる二次元分布荷重位置検出の原理について説明する。図１に二次元分布荷重中心位置検出センサ１を示し、図２に二次元分布荷重中心位置検出センサの等価回路を示す。

二次元分布荷重中心位置検出センサ１は、複数の検出エレメント２（ｉ，ｊ）（ｉ＝１，２，３，・・・，ｍ；ｊ＝１，２，３，・・・，ｎ）がｘ軸及びｙ軸に沿って格子状に配される。

検出エレメント２（ｉ，ｊ）は、抵抗３（ｉ，ｊ）、抵抗４（ｉ，ｊ）及び荷重が加わることにより抵抗値が変化する感圧導電シート５（ｉ，ｊ）を含む構成とされる。なお、抵抗３（ｉ，ｊ）及び抵抗４（ｉ，ｊ）の抵抗値ｒは互いに等しいものとする。

検出エレメント２（ｉ，ｊ）は、互いに隣接する検出エレメント２（ｉ，ｊ−１）、２（ｉ，ｊ＋１）、２（ｉ−１，ｊ）及び２（ｉ＋１，ｊ）と導線を介して接続される。具体的に検出エレメント２（ｉ，ｊ）では、抵抗３（ｉ，ｊ）の両端がそれぞれ抵抗３（ｉ，ｊ−１）及び抵抗３（ｉ，ｊ＋１）に接続され、抵抗４（ｉ，ｊ）の両端がそれぞれ抵抗４（ｉ−１，ｊ）及び抵抗４（ｉ＋１，ｊ）に接続される。

また検出エレメント２（ｉ，ｊ）では、抵抗３（ｉ，ｊ）及び抵抗３（ｉ，ｊ＋１）の間と抵抗４（ｉ，ｊ）及び抵抗４（ｉ＋１，ｊ）との間とが感圧導電シート５（ｉ，ｊ）を介して接続される。

二次元分布荷重中心位置検出センサ１は、抵抗３（ｉ，ｎ）における抵抗３（ｉ，ｎ−１）が接続された端とは反対側の端に抵抗３（ｉ，ｎ＋１）が接続され、抵抗４（ｍ，ｊ）における抵抗４（ｍ−１，ｊ）が接続された端とは反対側の端に抵抗４（ｍ＋１，ｊ）が接続される。

二次元分布荷重中心位置検出センサ１は、抵抗３（ｉ，１）における抵抗３（ｉ，２）が接続された端とは反対側の端がすべて電極Ｓ１に接続され、抵抗３（ｉ，ｎ＋１）における抵抗３（ｉ，ｎ）が接続された端とは反対側の端がすべて電極Ｓ３に接続される。

電極Ｓ１及びＳ３は直列に配される抵抗６及び７を介して接続され、抵抗６及び抵抗７の間に電極Ｓ５が設けられる。電極Ｓ５には電圧＋Ｖ_０が印可される。

なお、抵抗３（ｉ，ｊ）及び抵抗３（ｉ，ｎ＋１）、抵抗６及び７を含む回路をＡレイヤー１１とも呼び、図２においては実線で示される。

一方、二次元分布荷重中心位置検出センサ１は、抵抗４（１，ｊ）における抵抗４（２，ｊ）が接続された端とは反対側の端がすべて電極Ｓ２に接続され、抵抗４（ｍ＋１，ｊ）における抵抗４（ｍ，ｊ）が接続された端とは反対側の端がすべて電極Ｓ４に接続される。

電極Ｓ２及びＳ４は直列に配される抵抗８及び９を介して接続され、抵抗８及び抵抗９の間に電極Ｓ６が設けられる。電極Ｓ６には電圧−Ｖ_０が印可される。

なお、抵抗４（ｉ，ｊ）及び抵抗４（ｍ＋１，ｊ）、抵抗８及び９を含む回路をＢレイヤー１２とも呼び、図２においては破線で示される。また抵抗６〜９の抵抗値Ｒ_０は互いに等しいものとする。

検出エレメント２（ｉ，ｊ）においてＡレイヤー１１からＢレイヤー１２に通り流れる電流をＩ（ｉ，ｊ）、感圧導電シート５におけるＡレイヤー１１側及びＢレイヤー１２側の電圧をそれぞれＶ_ａ（ｉ，ｊ）及びＶ_ｂ（ｉ，ｊ）、感圧導電シート５（ｉ，ｊ）の抵抗値をｒ_ｐ（ｉ，ｊ）とすると、Kirchhoffの電流則により、検出エレメント２（ｉ，ｊ）の電流Ｉ（ｉ，ｊ）に対して以下の式（１）が成り立つ。

ここで▽^２は式（２）に示すラプラシアン演算子とする。

二次元分布荷重中心位置検出センサ１では、検出エレメント２（ｉ，ｊ）に荷重分布が負荷された場合、その荷重に応じて感圧導電シート５（ｉ，ｊ）の抵抗値が変化し、感圧導電シート５（ｉ，ｊ）を流れる電流Ｉ（ｉ，ｊ）が変化することになる。

すなわち二次元分布荷重中心位置検出センサ１では、検出エレメント２（ｉ，ｊ）に負荷される荷重分布に応じた電流分布が流れることになる。そこで電流分布の中心位置を求めるため、電流分布Ｉ（ｉ，ｊ）のｘ方向の１次モーメントＩ_ｘを求めると、格子状に検出エレメント２（ｉ，ｊ）が配置されている場合、その１次モーメントＩ_ｘは次のように表わされる。

式（３）に式（１）を代入すると式（４）及び式（５）として表される。

ここで、二次元分布荷重中心位置検出センサ１の中心位置（複数の検出エレメント２（ｉ，ｊ）の中心位置）を原点とし、ｊ方向にx軸、−ｉ方向にｙ軸を導入すると、ｘ（ｉ，ｊ）は式（６）のように表される。

また、ｘ（ｉ，ｊ）及びｙ（ｉ，ｊ）は、検出エレメント２（ｉ，ｊ）を等間隔に配置すると等差数列となり、ｘ（ｉ，ｊ）はｉ方向に、ｙ（ｉ，ｊ）はｊ方向に一定であることから、ａ及びｂを定数として式（７）のように表される。

以上を踏まえると式（８）が成り立つ。

ここで、電極Ｓ１すなわちｊ＝０及び電極Ｓ３すなわちｊ＝ｎ＋１ではそれぞれ電極に接続していることから、電極Ｓ１及びＳ３の電圧をＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ３とすると、式（９）及び式（１０）が成り立つ。

また、電極Ｓ１及びＳ３から検出エレメント２（ｉ，ｊ）に流れる電流値の総和と、抵抗６及び抵抗７を通して電極Ｓ１及びＳ３に流れる電流値が等しいことから、式（１１）及び式（１２）が成り立つ。

ｘ軸方向の電流分布の１次モーメントは、Ａレイヤー１１の境界条件である式（６）、式（８）、式（９）、式（１０）、式（１１）及び式（１２）を式（５）に代入することで式（１３）及び式（１４）のように表される。

同様に、電極Ｓ２及びＳ４の電圧をＶ_Ｓ２及びＶ_Ｓ４とすると、ｙ軸方向の電流分布の１次モーメントは式（１５）のように表される。

全電流値Ｉ_ｔは，電極Ｓ１及びＳ３に抵抗６及び７を通り流入する電流の和から式（１７）のように求められ、Ｂレイヤー１２についても同様に式（１８）のように求められる。

以上のことから、電流分布の中心位置、すなわち荷重分布の中心位置の座標（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）は、式（１９）及び式（２０）のように求められる。

次に、検出エレメント２（ｉ，ｊ）に負荷される総荷重を求める。検出エレメント２（ｉ，ｊ）の感圧導電シート５（ｉ，ｊ）に負荷される荷重をｆ（ｉ，ｊ）とし、感圧導電シート５（ｉ，ｊ）の抵抗値ｒ_ｐ（ｉ，ｊ）と荷重ｆ（ｉ，ｊ）とが反比例すると仮定すると式（２１）が成り立つ。

そしてその検出エレメント２（ｉ，ｊ）に流れる電流Ｉ（ｉ，ｊ）は次式により表される。

式（１６）に式（２３）を代入すると式（２４）が成り立つ。

よって荷重の総和である総荷重Ｆ_ｔは式（２５）及び式（２６）のように表せる。

ここで，検出エレメント２（ｉ，ｊ）上のチップ抵抗値がそれほど大きくなく、電圧Ｖ_ａ（ｉ，ｊ）及び電圧Ｖ_ｂ（ｉ，ｊ）をそれぞれ一定と仮定すると、電圧Ｖ_ａ（ｉ，ｊ）及び電圧Ｖ_ｂ（ｉ，ｊ）は式（２７）及び式（２８）のように表される。

式（２６）に式（１８）、式（２７）及び式（２８）を代入すると、総荷重Ｆ_ｔは式（２９）のように表される。

このようにして二次元分布荷重中心位置検出センサ１では、式（１９）及び式（２０）により荷重分布の中心位置の座標（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）が求められ、式（２９）により総荷重Ｆ_ｔが求められる。

〔２．滑り及び滑り方向検出装置の構成〕
次に本実施の一形態による滑り及び滑り方向検出装置２０について説明する。図３に示すように滑り及び滑り方向検出装置２０は、センサ回路２１、アナログ演算回路２２、滑り検出及び滑り方向検出部２３及び演算結果出力部２４を含む構成とされる。

センサ回路２１は、図４に示すように、基板３１の表面にセンサ部３２が設けられる。センサ部３２は、基板３１の表面に配される導電性の電極部３３と、該電極部３３の上面に配される感圧導電シート３４により構成される。

電極部３３は、図５に示すように、４つの電極部３３（１，１）〜３３（２，２）により構成され、全体として例えば横幅及び縦幅が５ｍｍの略正方形状に形成される。電極部３３は、４つの電極部３３（１，１）〜３３（２，２）が隣接してｘ軸及びｙ軸に沿って格子状に配される。なお、４つの電極部３３（１，１）〜３３（２，２）の中心位置をｘ軸及びｙ軸の原点とする。

電極部３３（１，１）〜３３（２，２）は、略Ｌ字型の櫛状に形成された電極が所定間隔離間して互い違いに配される電極３３Ａ（１，１）〜３３Ａ（２，２）及び電極３３Ｂ（１，１）〜３３Ｂ（２，２）からなる。

感圧導電シート３４は、電極部３３の上面に原点を中心として例えば直径が３ｍｍで厚さが１ｍｍの円形状に形成される。なお感圧導電シート３４は、電極部３３（１，１）〜３３（２，２）のそれぞれの上面に配されている領域を感圧導電シート３４（１，１）〜３４（２，２）とも呼ぶ。

センサ回路２１では、互い違いに配される電極３３Ａと電極３３Ｂとが感圧導電シート３４を介して電気的に接続される。

具体的には、感圧導電シート３４は、図６（Ａ）に示すように、非導電性エラストマや合成ゴムである可撓性層本体３４Ａ中に、導電性粒子３４Ｂを分散させてなる変形導電性材料によって構成される。

感圧導電シート３４は、図６（Ｂ）に示すように、例えば使用者の指などの接触部材４０により面方向に対して垂直な方向の力（以下、これを法線方向力とも呼ぶ）Ｆ_ｎが加えられると、接触部材４０と電極部３３との間において圧縮する。

このとき感圧導電シート３４は、可撓性層本体３４Ａ内に分散されている導電性粒子３４Ｂが垂直な方向に接触して内部に多くの導電通路３４Ｃが形成され、内部抵抗を減少させる。

この状態において感圧導電シート３４は、接触部材４０により法線方向力Ｆ_ｎとは垂直な接線方向の力（以下、これを接線方向力とも呼ぶ）Ｆ_ｖが加えられて滑り始めると、図６（Ｃ）に示すように、可撓性層本体３４Ａ内において互いに離間する導電性粒子３４Ｂが増えて内部抵抗が高くなる。

このように感圧導電シート３４は、接触部材４０により法線方向力Ｆ_ｎ、接線方向力Ｆ_ｖが加えられることにより抵抗値ｒ_ｐが変化する。

ところで、電極３３Ａ（１，１）及び３３Ｂ（１，１）は、基板３１の表面に設けられる端子３５Ａ及び３５Ｂとそれぞれ接続される。電極３３Ａ（１，２）及び３３Ａ（１，２）は、基板３１の表面に設けられる端子３５Ｃ及び３５Ｄとそれぞれ接続される。電極３３Ａ（２，１）及び３３Ａ（２，１）は、基板３１の表面に設けられる端子３５Ｅ及び３５Ｆとそれぞれ接続される。電極３３Ａ（２，２）及び３３Ａ（２，２）は、基板３１の表面に設けられる端子３５Ｇ及び３５Ｈとそれぞれ接続される。

センサ回路２１は、基板３１の表面に、アナログ演算回路２２の端子２２Ａ〜２２Ｄ（図３）とそれぞれ接続するための端子３６Ａ〜３６Ｄが設けられる。

端子３６Ａは、抵抗３７（１，１）及び３７（２，１）を介して端子３５Ａ及び３５Ｅと接続される。端子３５Ａ及び３５Ｅは、抵抗３７（１，２）及び３７（２，２）を介して端子３５Ｃ及び３５Ｇと接続される。端子３５Ｃ及び３５Ｇは、抵抗３７（１，３）及び３７（２，３）を介して端子３６Ｂと接続される。

すなわちセンサ回路２１では、抵抗３７（１，１）〜３７（１，３）が端子３５Ａ及び３５Ｃを介して直列に接続され、抵抗３７（２，１）〜３７（２，３）が端子３５Ｅ及び３５Ｇを介して直列に接続され、抵抗３７（１，１）〜３７（１，３）の列及び抵抗３７（２，１）〜３７（２，３）の列が端子３６Ａ及び３６Ｂに並列に接続される。

一方、端子３６Ｃは、抵抗３８（１，１）及び３８（１，２）を介して端子３５Ｂ及び３５Ｄと接続される。端子３５Ｂ及び３５Ｄは、抵抗３８（２，１）及び３８（２，２）を介して端子３５Ｆ及び３５Ｈと接続される。端子３５Ｆ及び３５Ｈは、抵抗３８（３，１）及び３８（３，２）を介して端子３６Ｄと接続される。

すなわちセンサ回路２１では、抵抗３８（１，１）〜３８（３，１）が端子３５Ｂ及び３５Ｆを介して直列に接続され、抵抗３８（１，２）〜３８（３，２）が端子３５Ｄ及び３５Ｈを介して直列に接続され、抵抗３８（１，１）〜３８（３，１）の列及び抵抗３８（１，２）〜３８（３，２）の列が端子３６Ｃ及び３６Ｄに並列に接続される。なお、抵抗３７（１，１）〜３７（２，３）及び抵抗３８（１，１）〜３８（３，２）の抵抗値ｒは全て同じである。

従ってセンサ回路２１は、図７に示す等価回路を形成し、上述した二次元分布荷重中心位置検出センサ１においてｍ＝２及びｎ＝２とした場合における抵抗６〜９を除いて同一の回路構成となる。

アナログ演算回路２２は、センサ回路２１の端子３６Ａ〜３６Ｄとそれぞれ電気的に接続される端子２２Ａ〜２２Ｄを有し、内部に設けられる二次元分布荷重中心位置検出センサ１における抵抗６〜９に相当する抵抗を介してセンサ回路２１の端子３６Ａ及び３６Ｂに電圧＋Ｖ_０を印可し、端子３６Ｃ及び３６Ｄに電圧−Ｖ_０を印可する。

よってセンサ回路２１とアナログ演算回路２２とを組み合わせることにより二次元分布荷重中心位置検出センサ１においてｍ＝２及びｎ＝２とした場合と同一の等価回路が形成される。

アナログ演算回路２２は、端子３６Ａ〜３６Ｄの電圧値Ｖ_Ｓ１〜Ｖ_Ｓ４が端子２２Ａ〜２２Ｄを介して入力される。アナログ演算回路２２には、内部に式（１９）、式（２０）及び式（２７）に相当する電気回路が形成されており、入力される端子３６Ａ〜３６Ｄの電圧値Ｖ_Ｓ１〜Ｖ_Ｓ４に基づいて、式（１９）、式（２０）及び式（２７）で示した荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧が得られる。

そしてアナログ演算回路２２は、得られた荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号が端子２２Ｅ〜２２Ｇに入力される。

滑り及び滑り方向検出部２３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＡ／Ｄ変換器等を含むマイクロコンピュータ等により構成される。

滑り及び滑り方向検出部２３は、アナログ演算回路２２の端子２２Ｅ〜２２Ｇと電気的に接続された端子２３Ａ〜２３Ｃを有しており、該端子２３Ａ〜２３Ｃを介して荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号がアナログ演算回路２２から入力される。

滑り及び滑り方向検出部２３は、入力される総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号に基づいて接触部材４０の接触の有無を判定し、その結果を結果出力部２４に送出する。なお滑り及び滑り方向検出部２３は、例えば総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号が接触したとされる閾値未満０の時は接触がないと判断し、総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号が閾値以上の時は接触があると判断する。

ところで、本願発明者の実験によれば、接触部材４０から感圧導電シート３４に対して常に法線方向力Ｆ_ｎを与えている状態において、接線方向力Ｆ_ｖを徐々に加えていくと、感圧導電シート３４に対して接触部材４０が滑り変位が発生する前に、感圧導電シート３４の抵抗値の変化に基づく電圧信号に特異な高周波波形成分を発生することが確認された（例えば、国際公開ＷＯ２０１０／１３４５８４Ａ１）。

このとき電圧信号は、図８（Ａ）に示すように、滑り開始時点に近づくに従って大きくなり、かつ高周波波形成分が大きくなり、滑り開始時点（ｔ＝ｔ１）でピークとなり、その後、ピークの値から低下していくと共に、高周波波形成分も小さくなる。

なお、滑り開始の前後で発生する高周波波形成分は、詳しくは後述する図９に示すように、荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号の全てに発生することが確認されている。

この実験結果に基づいて、滑り及び滑り方向検出部２３は、入力される荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号のいずれかに高周波波形成分が重畳し、かつその上下動の変化幅が所定の閾値を超えたとき、接触部材４０に滑り変位が発生する直前の状態（初期滑りの状態）にあることを判別する。因みに初期滑りとは、接触した物体間が接線方向力によって接触領域面内において周囲から徐々に接触のはがれが発生し、該はがれの領域と固着している領域とが混在している、滑り始める直前の状態をいう。

具体的には滑り及び滑り方向検出部２３は、荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号のいずれかを離散ウェーブレット変換処理することにより、滑り変位が発生する直前の状態を検出する。

ここで、離散ウェーブレット変換処理される電圧信号のデータ列をS_0,n=x_n（ｎ＝０，１，…、Ｎ−１）とすると、ウェーブレット係数Tは、次式で与えられる。

なお、Ｔ及びＳの一番目の添字であるｍ＋１及びｍはスケール添字又は分解レベルと呼ばれるものである。またN_k−1−kは使用するウェーブレットによって与えられるスケーリング係数の数列である。

ここで、原信号であるS_0,n（長さＮ＝２M）に対する高周波波形成分は、

によって計算される。式（３１）において分解レベル１すなわちｄ_１の時、原信号の最も高周波な信号成分を表す。

なお、ψ_ｍ，ｎはスケーリング関数であり、次式により表される。

従って滑り及び滑り方向検出部２３は、式（３０）〜式（３２）を用いて荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号のいずれかを離散ウェーブレット変換処理することにより高周波波形成分を算出する。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の電圧信号を離散ウェーブレット変換処理した結果得られたウェーブレット係数をプロットしたものである。

図８によれば、接触部材４０の滑り変位が発生する時点ｔ＝ｔ１の直前にウェーブレット係数Ｄ_１（ｘ）が最大値になっており、従ってこのとき電圧信号には大きな値の高周波波形成分が多く含まれていることが分かる。

滑り及び滑り方向検出部２３は、算出した高周波波形成分の最大値及び最小値の差（すなわちピーク対ピークの値）Ｄ_ｐｐを計算し、該ピーク対ピークの値Ｄ_ｐｐと、接触部材４０が初期滑りしたとされる閾値ａとを比較する。

滑り及び滑り方向検出部２３は、ピーク対ピークの値Ｄ_ｐｐが閾値ａ以上の場合に初期滑りが発生したと判断し、ピーク対ピークの値Ｄ_ｐｐが閾値ａ未満の場合には初期滑りが発生していないと判断し、その結果を結果出力部２４に送出する。

また、滑り及び滑り方向検出部２３は、端子２３Ａ及び２３Ｂを介して入力される荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃに相当する電圧信号を用いて、次式により力の方向のｘｙ座標におけるｘ軸方向に対する角度θを−１８０度〜１８０度の範囲で算出する。

ここで、接触部材４０が感圧導電シート３４に対して滑る際、図９にも示すように、感圧導電シート３４に対して接触部材４０が滑りだす前に、該接触部材４０が滑る方向に力が加えられていることが分かる。

そこで滑り及び滑り方向検出部２３は、式（３３）を用いて力の方向を所定間隔で算出し、初期滑りを検出したタイミングで算出される力の方向を滑り方向として検出する。

滑り及び滑り方向検出部２３は、検出された接触の有無、初期滑りの発生、滑りの方向の情報を結果出力部２４に送出する。結果出力部２４は、供給された情報に基づいて接触の有無、初期滑りの発生、滑りの方向を例えば表示部に表示する。

図９に本願発明者による接触部材４０をｘ軸方向に滑らせた際の実験結果を示す。図９（Ａ）は総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧を示し、図９（Ｂ）は総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧の離散ウェーブレット変換値を示す。図９（Ｃ）は荷重分布の中心位置ｘ_ｃに相当する電圧を示し、図９（Ｄ）は荷重分布の中心位置ｘ_ｃに相当する電圧の離散ウェーブレット変換値を示す。図９（Ｅ）は荷重分布の中心位置ｙ_ｃに相当する電圧を示し、図９（Ｅ）は荷重分布の中心位置ｙ_ｃに相当する電圧の離散ウェーブレット変換値を示す。図９（Ｇ）は接線方向力Ｆ_ｖを示す。

そして図９では、ｔ＝ｔ１で滑りが発生している。従って、図９からも明らかなように、接触部材４０が滑り出す前に荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号のいずれも高周波波形成分が発生することが分かる。また、接触部材４０が滑りだす前に、該接触部材４０が滑る方向であるｘ軸方向に力が加えられていることが分かる。

さらに、初期滑りが発生した際の荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃを用いて算出される力の方向（この場合、ｘ軸に対して−２．９°）が滑り方向として検出されたので、滑り方向が精度よく検出されているのが分かる。

〔３．効果等〕
以上の構成において滑り及び滑り方向検出装置２０は、電極３３A及び３３Bが所定間隔離間して配される電極部３３がｘ軸及びｙ軸に沿って等間隔に格子状に配され、電極部３３の上面に法線方向力Ｆ_ｎに応じて抵抗値が変化する感圧導電シート３４が配されるセンサ部３２を有する。

滑り及び滑り方向検出装置２０は、センサ部３２に対する接触部材４０による滑らす動作によって発生する、抵抗３７及び３８を介してセンサ部３２から出力される荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号のいずれかの高周波波形成分を検出し、該高周波波形成分の振幅が初期滑りが発生したとされる閾値以上である場合に初期滑りを検出する。

また滑り及び滑り方向検出装置２０は、抵抗３７及び３８を介してセンサ部３２から出力される電圧信号に基づいてセンサ部３２に対する荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃを算出し、初期滑りが検出された際の荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃの方向を滑り方向として検出する。

これにより滑り及び滑り方向検出装置２０は、複数の電極部３３及び感圧導電シート３４を有するセンサ部２１を用いた簡易で小型な構成で、４つの端子３６Ａ〜３６Ｄから出力される信号に基づいて滑り及び滑り方向を検出することができる。

また滑り及び滑り方向検出装置２０は、ｘ軸及びｙ軸に沿って等間隔に格子状に４つ配された電極部３３（１，１）〜（２，２）及びその電極部３３の上面に配される感圧導電シート３４によりセンサ部３２が構成されているので、簡易で小型・軽量・薄型・省配線の構成で面方向の滑り方向を検出することができる。

さらに滑り方向検出装置２０は、ｘ軸及びｙ軸に沿って等間隔に格子状に４つ配された電極部３３（１，１）〜（２，２）の中心位置を中心として円形状の感圧導電シート３４が配される。これにより滑り方向検出装置２０は、他の形状による集中応力が加わることによる測定誤差を防止することができるので精度よく滑り及び滑り方向を検出することができる。

〔４．使用例〕
上述した滑り及び滑り方向検出装置２０は、例えば次のような用途に適用することができる。

〔４−１．入力装置〕
滑り及び滑り方向検出装置２０は、結果出力部２４が接触の有無、初期滑り及び滑り方向の検出結果に基づき、カーソルの移動、ページをめくる動作等を行わせることができる。この滑り及び滑り方向検出装置２０は、ユーザに操作される部分、すなわち感圧導電シート３４の面積が従来のタッチパッドと比較して格段に小さい面積で該タッチパッドと同様の操作を行わせることができる。

また滑り及び滑り方向検出装置２０は、接触の有無及び初期滑りを検出しているので、例えば手のひらが感圧導電シート３４に軽く振れたとしてもカーソルが移動したり、クリックされてしまうことを防止することができ、またポインティング・スタックのようにホームポジションのまま操作させることができる。

さらに滑り及び滑り方向検出装置２０は、法線方向力Ｆ_ｎが加えられた状態で接線方向力Ｆ_ｖが加えられた場合に滑り及び滑り方向を検出するので、例えば文字入力中などに手のひらが軽く触れたとしても、誤動作してしまうことを低減することができる。

〔４−２．ロボットハンドによる把持動作〕
上述の滑り及び滑り方向検出装置２０は、小型・柔軟・薄型・軽量・省配線という特徴を有することから、ロボットハンドの指先という小さな面に配置することが可能である。必要であれば、掌などの広い範囲にセンサを配置することも可能である。上述の滑り検出装置を装着することにより、ロボットにハンドの指が物体に触れた、という感覚を与えることができる。また、初期滑りの検出が可能であるため、指先で物体が滑りそうになったことを検知し、把持力を調節することによって、物体の滑りを防止することが可能である。また、物体の重量や摩擦係数が変化した場合においても、この「滑り」という感覚を用いることによって、適切な把持力（強すぎず、弱すぎない力）で把持を実現することができる。さらに，その方向も同時に検出することにより，物体の操り動作を可能にする。

〔４−３．義手への応用（触覚フィードバック）〕
すでに述べたように、「滑り」という感覚は、「物体を持つ」という動作を行う際、あるいは道具を扱うなど、器用なハンドリング動作を実現するために無くてはならない感覚である。これまでに、接触力を検出可能なセンサを義手に取り付け、これをフィードバックするという試みがなされている。しかしながら、柔らかい紙コップを持つときなど、物体をつかめているかを視覚で確認する必要があり、ある程度慣れるまでに労力と時間を費やしてしまう。つまり、把持物体によって重量や摩擦係数などが異なるため、自分がどのくらいの力を発揮しているかがわかっても、物体を確実につかめているかを知ることができない。そこで、「物体の滑り」を上述の実施の形態による滑り検出装置によって検出し、フィードバックすれば、物体を滑り落さずに、握りつぶさずに力を加減して持つことができる。

〔５．他の実施の形態〕
上述した実施の形態においては、電極部３３がｘ軸及びｙ軸に沿って等間隔に２個ずつ格子状に配された場合について述べたが、本発明はこれにかぎらず、例えば電極部３３がｘ軸及びｙ軸に沿って等間隔に３個ずつ格子状に配されるようにしてもよい。

またｘ軸方向又はｙ軸方向のみ滑り方向を検出したい場合には、滑り方向を検出したい方向に沿って電極部３３を配するようにしてもよい。

上述の実施の形態においては、荷重分布の中心位置ｘ_ｃ、ｙ_ｃ及び総荷重Ｆ_ｔに相当する電圧信号のいずれかを離散ウェーブレット変換処理して高周波波形成分を算出するようにした場合について述べたが、本発明はこれにかぎらず、例えば連続ウェーブレット変換を用いるようにしても良い。また、ＦＩＲフィルタや、ＩＩＲフィルタなどのハイパスフィルタやバンドパスフィルタを用いてもよい。

上述した実施の形態においては、図４及び図７に示したように、ｘ軸に沿って配される電極３３（１，１）及び３３（１，２）の電極３３A（１，１）と３３Ａ（１，２）を抵抗３７（１，２）を介して接続し、電極３３（２，１）及び３３（２，２）の電極３３A（２，１）と３３Ａ（２，２）を抵抗３７（２，２）を介して接続し、ｙ軸方向も同様に接続するようにした。

本発明はこれにかぎらない。例えば図１０に示すように、ｘ軸に沿って配される電極３３（１，１）及び３３（１，２）の電極３３A（１，１）と３３Ａ（１，２）を抵抗３７（１，２）を介して接続し、電極３３（２，１）及び３３（２，２）の電極３３A（２，１）と３３Ａ（２，２）を抵抗３７（１，２）を介して接続する。ｙ軸方向についても同様に接続する。この回路は、センサ回路２０と比して抵抗の数が約半数であるが、センサ回路２０と同様に接触の有無、初期滑り及び滑り方向を検出することができる。

上述した実施の形態においては、電極３３Ａ（１，１）〜３３Ａ（２，２）及び電極３３Ｂ（１，１）〜３３Ｂ（２，２）が略Ｌ字型の櫛状に形成されて所定間隔離間して互い違いに配されようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、電極同士が所定間隔離間して配されるようにすれば、他の形状でもよい。

本発明は、初期滑り及び滑り方向を検出するために利用することができる。

１……二次元分布荷重位置検出装置、２……検出エレメント、３、４、６〜９……抵抗、５……感圧導電シート、２０……滑り及び滑り方向検出装置、２１……センサ回路、２２……アナログ演算回路、２３……滑り及び滑り方向検出部、２４……結果出力部、３１……基板、３２……センサ部、３３……電極部、３４……感圧導電シート、３５、３６……端子、３７、３８……抵抗、４０……接触部材。

Claims (5)

1. 第１及び第２の電極が所定間隔離間して配される電極部が第１の方向及び該第１の方向とは異なる第２の方向の少なくとも一方に沿って複数配され、押し付けられる方向の力に応じて抵抗値が変化する感圧導電シートが前記複数の電極部を覆い、前記電極部における第１及び第２の電極が前記感圧導電シートを介して接続されるセンサ部と、
   前記第１の方向に隣接して配される電極部間における第１の電極同士を接続し、前記第２の方向に隣接して配される電極部間における第２の電極同士を接続する複数の抵抗と、
   前記抵抗を介して前記センサ部から出力される前記感圧導電シートに対する接触部材の滑り変位発生直前に生ずるとされる高周波波形成分が所定の閾値を越えたとき、前記センサ部に対する前記接触部材の滑り変位発生直前に生ずる初期滑りを検出する滑り検出部と、
   前記信号に基づいて前記センサ部に対する力の荷重分布の中心位置を算出し、前記滑り検出部で初期滑りが検出された際の前記荷重分布の中心位置の方向を滑り方向として検出する滑り方向検出部と
   を有することを特徴とする滑り及び滑り方向検出装置。
2. 前記第２の方向は、前記第１の方向と直交し、
   前記センサ部は、前記第１及び第２の方向に沿って等間隔に平方数の前記センサ部が格子状に配される
   ことを特徴とする請求項１に記載の滑り及び滑り方向検出装置。
3. 前記感圧導電シートは、
   前記円形状に形成され、その中心が複数のセンサ部の中心に合わされて配される
   ことを特徴とする請求項２に記載の滑り及び滑り方向検出装置。
4. 前記抵抗は、
   前記第１の方向に隣接して配される電極部間における第１の電極同士を接続し、かつ前記第２の方向に隣接して配される電極部間における第１の電極同士を並列で接続し、
   前記第２の方向に隣接して配される電極部間における第２の電極同士を接続し、かつ前記第１の方向に隣接して配される電極部間における第２の電極同士を並列で接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の滑り及び滑り方向検出装置。
5. 前記感圧導電シートは、可撓性層本体中に導電性粒子を分散させてなり、前記可撓性層本体の表面において、押し付けられる方向の力が加えられた状態で、該押し付けられる方向の力に直交する方向の力が加えられたとき、前記分散された導電性粒子の接触状態により抵抗値が決まり、
   前記滑り検出部は、前記接触部材が前記センサ部に対して押圧された状態で滑り方向に押圧されたとき、前記接触部材が前記感圧導電シートに対して滑り変位を発生する直前に前記可撓性層本体内の前記導電性粒子の分散配列状態が変動することにより生じる前期感圧導電シートの抵抗値の変化に基づく信号から前記接触部材の初期滑りを検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の滑り及び滑り方向検出装置。

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