JP2014153905A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主に車両での入力操作に用いられる入力装置に関し、操作者の接触位置の検出精度が高いものを提供することを目的とする。
【解決手段】赤外線発光素子４２及びカメラ４１に接続されカメラ４１で取得した赤外線画像の位置毎の輝度を非接触時の背景光輝度ＢＧより算出した閾値ＴＨ１、ＴＨ２と比較し操作板５４への接触位置を検出する制御回路３２を備える。これによれば、閾値ＴＨ１、ＴＨ２を非接触時の背景光輝度ＢＧより算出するため、操作者の接触位置の検出精度が高いものが得られる。
【選択図】図４

Description

本発明は、主に車両での入力操作に用いられる入力装置に関するものである。

車両では乗員の操作簡便性と車室内の先進的なデザイン性を両立した様々な入力装置が提案されてきており、リアプロジェクション方式の入力装置も実現形態の一つとして有望視されている。

このような従来の入力装置について図８、図９を用いて説明する。

図８は車室内に配置した従来の入力装置２０の斜視図で、図９は、入力装置２０の内部構造を示す斜視図である。

ここで、入力装置２０は半透明操作板１と、半透明操作板１を後方から撮影するカメラ２と、半透明操作板１に後方から映写するプロジェクタ３と、カメラ２の取得画像から操作位置を検出する操作位置検出回路４を備える。

ここで、半透明操作板１はアクリル樹脂等を材料とする曲板形状で、インストルメントパネルのパネル本体部に一体形成されている。

また、カメラ２は画像を可視光で撮影可能で、半透明操作板１の後方に、車体に取り付けられた状態で配置される。

また、プロジェクタ３は、半透明操作板１に後方から選択ボタン５を映写する。プロジェクタ３は、カメラ２と並んで車体に取り付けられた状態で配置される。

操作位置検出回路４は、カメラ２及びプロジェクタ３と接続され、インストルメントパネルの内部に配置される。操作位置検出回路４は、プロジェクタ３を駆動して半透明操作板１に選択ボタン５を表示させる。そして、操作者が半透明操作板１に表示された選択ボタン５を選択操作すると、カメラ２で撮影された画像から操作者の操作位置を検出する。そして、入力装置２０に接続されたカーナビゲーションシステム等の電子機器に操作信号を出力し、電子機器に選択操作された選択ボタン５に対応した所定の制御を行わせる。

このような従来の入力装置２０は、半透明操作板１を透過する外光を積極的に利用し、カメラ２で撮影された画像から操作者の操作位置を検出するものとなっていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００７−２２３４１６号公報

しかしながら、上記従来の入力装置では、半透明操作板は外光を積極的に利用する構造であるため、車室内が暗い場合は照明をあてる必要があり、また照明をあてた場合でも、操作板内の場所による照射強度のばらつきが過大で、操作者の指の位置検出精度が劣化する懸念があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、操作者の接触位置の検出精度が高い入力装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、特に、接触操作可能なドーム状の操作板と、赤外線発光素子及びカメラに接続されカメラで取得した赤外線画像の位置毎の輝度と非接触時の背景光輝度より算出した閾値を用いて操作板への接触位置を検出する制御回路を備える。

本発明によれば、接触操作可能なドーム状の操作板と、赤外線発光素子及びカメラに接続されカメラで取得した赤外線画像の位置毎の輝度と非接触時の背景光輝度より算出した閾値を用いて操作板への接触位置を検出する制御回路を備える。これによれば、ドーム状の操作板で赤外線の輝度のばらつきを抑制することに加え、さらに閾値を非接触時の背景光輝度より算出するため、操作者の接触位置の検出精度が高いものが得られる。

本発明の実施の形態による入力装置の分解斜視図 同入力装置の内部構造を示す斜視図 同入力装置に用いる操作板の断面図 同入力装置で撮像した赤外線画像の赤外線の輝度を説明する図 同入力装置の配置を示す斜視図 同入力装置に接続されるディスプレイの表示を示す図 同入力装置の閾値の別の設定の一例を説明する図 従来の入力装置の配置を示す斜視図 従来の入力装置の内部構造を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態による入力装置１００の分解斜視図、図２は同斜視図である。

図１において、入力装置１００は、下ケース２１と、制御部２２と、撮像部２３と、押圧スイッチ２４と、可動ユニット２５と、シャフト２６と、二つのシャフト押さえ２７と、上ケースユニット２８とを備える。

下ケース２１は、上側開口の方形箱状で絶縁樹脂等を材料とする。下ケース２１の中央には略Ｈ形状で上面が平面の突部２１Ａを備え、突部２１Ａの左方には所定の間隔を空けた二つのシャフト受け部２１Ｂを備える。

制御部２２は、制御基板３１Ａ〜３１Ｃと、制御回路３２を備える。

ここで、制御基板３１Ａ〜３１Ｃは下ケース２１内に収納される。制御基板３１Ａは突部２１Ａの左側に配置され、制御基板３１Ｂ、３１Ｃは突部２１Ａの右側に並んで配置される。

また、制御回路３２は、マイコンやＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体素子から構成され制御基板３１Ａの上面に配置される。制御回路３２は、操作者の操作を検出し、操作に対応した操作信号を入力装置１００の外部に出力する。

撮像部２３は、赤外線の照射機能と撮像機能を備え、突部２１Ａの上面に配置される。

押圧スイッチ２４は、突部２１Ａの右側で下ケース２１の内底面に固定される。

ここで、撮像部２３に関し説明する。

撮像部２３は、カメラ４１と、赤外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の複数の赤外線発光素子４２と、赤外線発光素子基板４３を備える。

カメラ４１は魚眼レンズを備えたカメラモジュールである。魚眼レンズとは中心射影方式でない射影方式のレンズである。魚眼レンズの画角は１６０度以上３１０度以下が適している。なお、魚眼レンズ以外の広角レンズを使用することも可能で、その場合においても画角は１６０度以上３１０度以下が適している。ここで、カメラ４１は配線４１Ａを備え、配線４１Ａの一端は制御基板３１Ａに接続される。

赤外線発光素子基板４３は中央に孔４３Ａが設けられた配線基板である。孔４３Ａの周囲に等間隔で八つの赤外線発光素子４２が配置される。

ここで、赤外線発光素子基板４３は、突部２１Ａの上面に配置される。また、孔４３Ａからカメラ４１の魚眼レンズを露出させるように、カメラ４１が赤外線発光素子基板４３と突部２１Ａの上面の間に配置される。

また、可動ユニット２５はシャフト２６を軸として回転動作するよう配置される。ここで、可動ユニット２５の回転動作は、押圧スイッチ２４を押圧するための上下方向の動作として現れる。可動ユニット２５が押圧されることにより、押圧スイッチ２４が可動ユニット２５で押圧されＯＮする。なお、可動ユニット２５にかかる押圧力を除くと、押圧スイッチ２４は元の状態に復帰しＯＦＦになる。

ここで、シャフト受け部２１Ｂの上面の溝にシャフト２６の両端が配置され、それぞれのシャフト受け部２１Ｂの上面にシャフト押さえ２７が固定される。つまりシャフト２６が外れないように、シャフト押さえ２７で押さえている。

次に、可動ユニット２５について説明する。

可動ユニット２５は、モータ５１と、モータホルダ５２と、シャフトホルダ５３と、操作板５４を備える。

操作板５４は、中空のドーム状の形状を有する操作部５４Ａと、操作部５４Ａの底面から外方につば状に突出した底部５４Ｂを備える。

ここで、ドーム状の操作板５４の天頂部分の直下に、カメラ４１の魚眼レンズが配置される。さらに、カメラ４１の周辺の八つの赤外線発光素子４２は、カメラ４１を中心に、全てが操作板５４の内側に配置される。

なお、ドーム状とは半球状に限るものではなく、底面が楕円でも良く、断面が楕円の一部の形状であっても良い。

操作板５４をドーム状にすることにより、操作板５４内の場所による照射強度のばらつきが抑制可能であるため、操作者の指の接触位置の検出精度を高くできる。なお、操作板５４の内表面を半球状とすることにより、ドーム状のうちでも最も操作板５４内の場所による照射強度のばらつきを抑制可能な状態にすることが可能となる。

モータホルダ５２は孔５２Ａを備え、孔５２Ａ内にモータ５１を収納する。ここで、モータホルダ５２は底部５４Ｂの下面に固定され、操作板５４の上下方向の動作に従って、モータホルダ５２の底面が押圧スイッチ２４を押圧する。

また、シャフトホルダ５３は、シャフト溝５３Ａを上面に備え、底部５４Ｂに固定される。ここで、シャフト溝５３Ａと底部５４Ｂの間にシャフト２６の中央部が挿入される。この構成により、シャフト２６を軸として可動ユニット２５が上下方向に回転動作するように構成される。

次に、上ケースユニット２８について説明する。

上ケースユニット２８は、上ケース６１と手置き台６２を備える。

ここで、上ケース６１は絶縁樹脂等を材料とし、中央に孔６１Ａが形成され、孔６１Ａの左側に手置き台配置部６１Ｂを備える。

そして、手置き台６２は絶縁樹脂等を材料とし、手置き台配置部６１Ｂに配置される。

このように構成された入力装置１００の使用時には、制御回路３２が八つの赤外線発光素子４２を点灯する。また、制御回路３２はカメラ４１を駆動しており、カメラ４１により操作板５４の内表面を撮像している。そして、操作者の指が操作板５４に接触すると、指により赤外線が反射するため、カメラ４１の撮像では接触部分の赤外線の輝度が高くなり白く撮像される。制御回路３２はカメラ４１で撮像された画像から、操作者の指の接触位置及び操作者が指を接触している本数を判定し、操作信号として出力する。

次に、操作板５４の構造及び機能について、図３の断面図を用いて説明する。

操作板５４の操作部５４Ａは、樹脂層７１と可視光減衰層７２と赤外線拡散層７３の三層を備える。

樹脂層７１は例えばポリカーボネートやアクリル樹脂等の可視光及び赤外線を透過する樹脂材料で構成されている。

また、可視光減衰層７２は樹脂層７１の内表面側に塗装等により設けられる。

さらに、赤外線拡散層７３は、可視光減衰層７２の内表面側に塗装等により設けられる。赤外線拡散層７３は、赤外線を拡散する層であり、例えば透明な樹脂内に有色の塗料等の有機粒子を分散させて形成される。さらに、赤外線発光素子４２により照射される赤外線Ｌ５も、赤外線拡散層７３により拡散するため、操作者が操作板５４の赤外線Ｌ５の到達位置周辺を指で接すると、赤外線拡散層７３内で拡散されている赤外線が指で反射し、反射された赤外線Ｌ６として操作板５４の内部に戻ってくる。カメラ４１で操作板５４の内表面を撮像すると、指で接触していない場所に対して、接触位置のコントラストが良い赤外線画像が得られる。

操作板５４の形状をドーム状にすることで、照射ばらつきを抑制しているが、さらに操作者の指の接触位置の検出精度を向上させるため、制御回路３２は以下に説明する検出処理を行っている。

ここで、赤外線発光素子４２により照射される赤外線Ｌ５は、操作板５４内で幾度か乱反射を繰り返しながら、天頂部分付近へ集光するため、天頂部分付近の赤外線の輝度が外縁部分よりも若干高くなる。

図４を用いて、赤外線画像から赤外線の輝度を用いて接触位置を判定する手順を説明する。横軸は操作板５４の中心を通る断面に対応した位置で、縦軸は赤外線の輝度を示している。なお、赤外線の輝度の判定点は撮像した赤外線画像の全面に広がっているが、ここでは簡便に説明するため、操作板５４の中心を通る断面に存在するＡ点、Ｂ点に関して説明する。

同図（ａ）は、閾値ＴＨ１として背景光輝度ＢＧに対し一定量の補正輝度Ｈ１を加算し用いた場合で、同図（ｂ）は、閾値ＴＨ２として背景光輝度ＢＧに対し位置により可変する補正輝度Ｈ２を加算し用いた場合を示している。

同図（ａ）において、背景光輝度ＢＧは操作者が操作板５４に接触しない場合に測定される赤外線の輝度である。外縁部分となるＢ点に対し、天頂部分であるＡ点では赤外線の輝度が高くなることが判る。

また、閾値ＴＨ１は背景光輝度ＢＧに対し補正輝度Ｈ１を加算したものである。補正輝度Ｈ１は一定量としている。

同図（ａ）において、接触輝度ＴＡ、ＴＢは、それぞれＡ点、Ｂ点に指を接触させた際の赤外線の輝度である。ここで、接触輝度ＴＡ、ＴＢは閾値ＴＨ１を超えているので、制御回路３２はＡ点、Ｂ点で接触しているものと判定する。

また、同図（ｂ）のように、背景光輝度ＢＧに対し位置により可変する補正輝度Ｈ２を加算したものを閾値ＴＨ２として用いても良い。

ここで、接触輝度ＴＡと閾値ＴＨ２の差分をＡ点における感度ＤＡと、接触輝度ＴＢと閾値ＴＨ２の差分をＢ点における感度ＤＢとすると、感度ＤＡと感度ＤＢの差分を平滑化するほど、操作板５４の接触について誤判定する可能性が低減する。

つまり、同図（ａ）における感度ＤＡと感度ＤＢの差分よりも、同図（ｂ）における感度ＤＡと感度ＤＢの差分のほうが小さく、一定値の補正輝度Ｈ１を用いるよりも、天頂部分（Ａ点）で外縁部分（Ｂ点）より大きくする補正輝度Ｈ２を用いるほうが好ましい。

また、Ａ点、Ｂ点への押圧力を大きくすると、それに対応して接触輝度ＴＡ、ＴＢが大きくなるため、感度ＤＡ、ＤＢは大きくなる。制御回路３２は、感度ＤＡ、ＤＢを算出することにより、それぞれの点での押圧力の増減の変化方向を検出することができる。

入力装置１００は、例えば図５に示す配置で、車両の車室内で運転席と助手席の間に配置される。そして、入力装置１００はケーブル或いはハーネス等を介して、カーナビゲーションシステム（図示せず）及びオーディオシステム（図示せず）及びディスプレイ１０１に接続される。そして、入力装置１００から入力された操作信号に応じ、カーナビゲーションシステム及びオーディオシステム等が所定の制御を行う。

例えば、カーナビゲーションシステムによりディスプレイ１０１に地図が表示されている状態で、操作者が手置き台６２に手の平を置いて、複数の指先を操作板５４に接触させると、図６のような操作画面がディスプレイ１０１に表示される。なお、操作板５４に指先が接触している状態では、モータ５１が駆動し指先で振動或いは擬似的な触覚を感じることが可能となっている。

同図において、ディスプレイ１０１には、地図表示１２１と、自車表示１２２と、アイコン１２３Ａ〜１２３Ｄと、ポインタ１２４が表示される。なお、アイコン１２３Ａは空調機能に、アイコン１２３Ｂは他の車両との通信機能に、アイコン１２３Ｃはオーディオ機能に、アイコン１２３Ｄは電話機能に対応している。

この状態で、操作者が、複数の指先を操作板５４に接しながら指の間隔を広げる操作（ピンチアウト操作）を行うと、ディスプレイ１０１の地図の表示が自車表示１２２を中央にした詳細表示に変化する。また、複数の指先を操作板５４に接しながら指の間隔を狭める操作（ピンチイン操作）を行うと、ディスプレイ１０１の地図の表示が自車表示１２２を中央にした広域表示に変化する。

なお、操作者が、指の位置を変化させなくても押圧力を変化させることで、上述のピンチアウト操作、ピンチイン操作と同様の地図の表示の変化をさせることも可能である。

また、操作者が一本の指を使って操作板５４の上面を接触しながらスライド操作すると、メニュー画面に表示されたポインタ１２４が所望の方向に移動する。

ここで、例えばアイコン１２３Ｃ上にポインタ１２４を移動させ、操作板５４を押圧操作すると、押圧スイッチ２４がＯＮになり、選択したアイコン１２３Ｃで確定される。そして、ディスプレイ１０１の表示はオーディオシステムのメニュー画面に切り替わる。

なお、閾値ＴＨ１、ＴＨ２は、制御回路３２内部のＲＡＭ（Ｒｅａｄ Ａｖａｉｌａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶回路内に保存するのが好ましい。これにより入力装置１００の電源がオンされた場合に、前回の動作時に入力装置１００の電源がオフされた場合の閾値ＴＨ１、ＴＨ２の値を呼び出して使用することができるため、高速に入力装置１００を起動することができるためである。

また、閾値ＴＨ１、ＴＨ２は、記憶回路内にマップ化して測定点毎に保存するのが望ましい。閾値ＴＨ１、ＴＨ２を求めるために制御回路３２が背景光輝度ＢＧに補正輝度Ｈ１、Ｈ２を加算する処理を行うより、高速に入力装置１００を起動することができるためである。

さらに、閾値ＴＨ１、ＴＨ２は所定時間間隔でキャリブレーションを行い更新するのが好ましい。操作板５４の傷、打痕、汚れ等により輝度のばらつきが生じる場合でも、経時変化の影響を抑制しうるからである。

なお、カメラ４１と操作板５４の内表面の間（例えばカメラ４１の上面）に、赤外線フィルタを配置しても良い。例えば赤外線発光素子４２が波長９４０ｎｍの赤外線を発する場合は、赤外線フィルタを通過する赤外線の波長は９３５〜９４５ｎｍとすれば良い。赤外線フィルタを配置することにより、入力装置１００に入射される外光の影響を抑制できるため、環境変化に対する耐性を高めることができる。

また、図７に示すように、補正輝度Ｈ１を閾値ＴＨ３として使用したり（同図（ａ））、補正輝度Ｈ２を閾値ＴＨ４として使用することもできる（同図（ａ））。この場合、接触輝度ＴＡ、ＴＢから背景光輝度ＢＧを減算して、閾値ＴＨ３或いは閾値ＴＨ４と比較する。これによれば、背景光輝度ＢＧに対する変動がより明確になり、接触位置の誤判定を抑制しうる。

なお、上述の説明では操作者が指で接触するものとして説明したが、手の平など、指以外の場所で接触しても入力装置１００は接触位置を検出しうる。

このように本実施の形態によれば、接触操作可能なドーム状の操作板５４と、操作板５４の天頂部分の直下に配置され操作板５４の内表面を撮像し赤外線画像を取得するカメラ４１と、カメラ４１の周囲に配置され操作板５４の内表面側から赤外線を照射する複数の赤外線発光素子４２と、赤外線発光素子４２及びカメラ４１に接続されカメラ４１で取得した赤外線画像の位置毎の輝度と非接触時の背景光輝度ＢＧより算出した閾値ＴＨ１、ＴＨ２を用いて操作板５４への接触位置を検出する制御回路３２を備える。これによれば、ドーム状の操作板５４で赤外線の輝度のばらつきを抑制することに加え、さらに閾値ＴＨ１、ＴＨ２を非接触時の背景光輝度ＢＧより算出するため、操作者の接触位置の検出精度が高いものが得られる。

また、閾値ＴＨ１、ＴＨ２は背景光輝度ＢＧと補正輝度Ｈ１、Ｈ２の和として制御回路３２が算出しているため、高速に閾値ＴＨ１、ＴＨ２の算出が可能となる。

また、閾値ＴＨ３、ＴＨ４は補正輝度Ｈ１、Ｈ２の値を用い、赤外線画像の位置毎の輝度から背景光輝度ＢＧを減算したものを閾値ＴＨ３、ＴＨ４と比較することにより操作板５４への接触位置を検出する。これにより、背景光輝度ＢＧに対する変動がより明確になり、接触位置の誤判定を抑制しうる。

また、補正輝度Ｈ１、Ｈ２は操作板５４の外縁部分から天頂部分に近づくにつれて大きくなるよう設定されているため、赤外線発光素子４２の赤外線の輝度の若干のばらつきを反映し、より操作者の接触位置の検出精度を高くすることができる。

また、閾値ＴＨ１〜ＴＨ４を所定時間毎に更新し、制御回路３２の内部に保存しているため、操作板５４の傷、打痕、汚れ等により輝度のばらつきが生じる場合でも補正が可能となり、経時変化の影響を抑制しうる。

さらに、起動後の最初の接触位置の検出において、閾値として前回動作時に制御回路３２の内部に保存された閾値ＴＨ１〜ＴＨ４を用いるため、起動処理が早い入力装置１００を提供しうる。

そして、カメラ４１と操作板５４の内表面の間に赤外線フィルタを配置しているため、入力装置１００に入射される外光の影響を抑制できるため、環境変化に対する耐性を高めることができる。

本発明による入力装置は、操作者の接触位置の検出精度が高いものが得られ、主に車載用として有用である。

２１ 下ケース
２１Ａ 突部
２１Ｂ シャフト受け部
２２ 制御部
２３ 撮像部
２４ 押圧スイッチ
２５ 可動ユニット
２６ シャフト
２７ シャフト押さえ
２８ 上ケースユニット
３１Ａ〜３１Ｃ 制御基板
３２ 制御回路
４１ カメラ
４１Ａ 配線
４２ 赤外線発光素子
４３ 赤外線発光素子基板
４３Ａ 孔
５１ モータ
５２ モータホルダ
５２Ａ 孔
５３ シャフトホルダ
５３Ａ シャフト溝
５４ 操作板
５４Ａ 操作部
５４Ｂ 底部
６１ 上ケース
６１Ａ 孔
６１Ｂ 手置き台配置部
６２ 手置き台
７１ 樹脂層
７２ 可視光減衰層
７３ 赤外線拡散層
１００ 入力装置
１０１ ディスプレイ
１２１ 地図表示
１２２ 自車表示
１２３Ａ〜１２３Ｄ アイコン
１２４ ポインタ

Claims (7)

1. 接触操作可能なドーム状の操作板と、前記操作板の天頂部分の直下に配置され前記操作板の内表面を撮像し赤外線画像を取得するカメラと、前記カメラの周囲に配置され前記操作板の内表面側から赤外線を照射する複数の赤外線発光素子と、前記赤外線発光素子及び前記カメラに接続され前記カメラで取得した赤外線画像の位置毎の輝度と内部に保存された閾値を用いて前記操作板への接触位置を検出する制御回路を備えた入力装置。
2. 前記閾値は背景光輝度と補正輝度の和として前記制御回路が算出し、前記赤外線画像の位置毎の輝度と前記閾値とを比較することにより前記操作板への接触位置を検出する請求項１記載の入力装置。
3. 前記閾値は補正輝度の値を用い、前記赤外線画像の位置毎の輝度から背景光輝度を減算したものを前記閾値と比較することにより前記操作板への接触位置を検出する請求項１記載の入力装置。
4. 前記補正輝度は前記操作板の外縁部分から天頂部分に近づくにつれて大きくなるよう設定された請求項２記載の入力装置。
5. 前記閾値は所定時間毎に更新し、前記制御回路の内部に保存する請求項１記載の入力装置。
6. 起動後の最初の接触位置の検出において、前記閾値として前回動作時に前記制御回路の内部に保存された閾値を用いる請求項１記載の入力装置。
7. 前記カメラと前記操作板の内表面の間に赤外線フィルタを配置した請求項１記載の入力装置。

Images