JP2018025848A

JP2018025848A - 操作入力装置

Info

Publication number: JP2018025848A
Application number: JP2016155408A
Authority: JP
Inventors: 栄広 ▲高▼橋; Shigehiro Takahashi; 良子中野; Ryoko Nakano
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2018-02-15
Also published as: CN109564483A; WO2018029982A1; DE112017003952T5; US20190196626A1

Abstract

【課題】操作入力部に対する接触位置、接触圧（押圧力）、手が接触した面積、手指の離れた（近接した）距離等の種々の操作入力情報をマトリクス状に検出できる操作入力装置を提供する。
【解決手段】検出部１０をマトリクス状に配置してマトリクス状の検出領域を有する静電容量センサ１２０と、静電容量センサ１２０に重ねて配置される圧力センサ１３０と、静電容量センサ１２０及び圧力センサ１３０がベース部２００に重ねて配置されてなる操作検出部である操作入力センサ１１０と、静電容量センサ１２０及び圧力センサ１３０から静電容量情報Ｓｉｊ（ｉ＝１、・・・、Ｍ、ｊ＝１、・・・、Ｎ）及び圧力情報Ｓ_Ｐを検出し、操作入力センサ１１０への操作状態をマトリクス状に検出する制御部１５０と、を有して操作入力装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作入力装置に関する。

従来の技術として、静電容量センサと運転手の指先との距離を、より正確に推測する操作入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この操作入力装置は、車両の前後方向に並んで配置された複数の第１導体を備えた静電容量センサと、複数の第１導体のうち、車両の後方側に配置された第１導体に蓄えられた電荷の量に基づいて静電容量センサと運転手の指との間の離間距離を推測し、複数の第１導体それぞれに蓄えられた電荷の量の差に基づいて運転手の指の静電容量センサ上の前後位置を推測する制御部を備えて構成されている。

この操作入力装置は、静電容量センサと運転手の指先との距離を推測するものであり、指の左右位置を第２導体のどの領域に電荷が偏って蓄えられているかに基づいて推測し、指と静電容量センサとの間の離間距離を該静電容量センサの手前側の縁領域に蓄えられた電荷の量に基づいて推測するため、より正確に指の動きを検出し、指の上下位置または左右位置を推測することが可能になるとされている。

特開２０１６−９３０１号公報

しかし、この操作入力装置は、操作者の指先の上下位置または左右位置を推測することはできるが、手の左右の判別や、操作面に接触させた手の平の状態までは検出できない。すなわち、従来の操作入力装置は、操作入力部に対する操作者の手指のマトリクス状の検出が出来ず、このため、操作入力部に対する接触位置、接触圧（押圧力）、手が接触した面積、手指の離れた（近接した）距離等の種々の操作入力情報が検出できないという問題があった。

従って、本発明の目的は、操作入力部に対する接触位置、接触圧（押圧力）、手が接触した面積、手指の離れた（近接した）距離等の種々の操作入力情報をマトリクス状に検出できる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、検出部をマトリクス状に配置してマトリクス状の検出領域を有する静電容量センサと、前記静電容量センサに重ねて配置される圧力センサと、前記静電容量センサ及び前記圧力センサがベース部に重ねて配置されてなる操作検出部と、前記静電容量センサ及び前記圧力センサから静電容量情報及び圧力情報を検出し、操作検出部への操作状態をマトリクス状に検出する制御部と、を有することを特徴とする操作入力装置を提供する。

［２］前記静電容量センサは、検出部を列状に配置してなる短冊状静電容量センサを複数並べてマトリクス状に形成されたもの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］また、前記ベース部は、グリップ形状、平面状、２次曲面状、又は、３次曲面状であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の操作入力装置であってもよい。

本発明によれば、操作入力部に対する接触位置、接触圧（押圧力）、手が接触した面積、手指の離れた（近接した）距離等の種々の操作入力情報をマトリクス状に検出できる操作入力装置を提供することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る操作入力装置の断面図であり、図１（ｂ）は、操作する側から見た上平面図である。図２は、静電容量センサを有する静電容量内蔵グリップを備えた車両のステアリング図である。図３（ａ）は、操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面を示す図であり、図３（ｃ）は、操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態で親指以外の指を伸ばした状態を示す図であり、図３（ｄ）は、操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態で図３（ｃ）で示した指を伸ばした状態と把持した状態を繰り返している状態を示す図である。図４（ａ）は、図３（ａ）で示す操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態における静電容量センサの静電容量信号値をマトリクス状に示す分布図であり、図４（ｂ）は、図３（ｃ）で示す操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態における静電容量センサの静電容量信号値をマトリクス状に示す分布図である。図５（ａ）は、ベース部が平面状の場合における静電容量センサ（短冊状静電容量センサ）の配置状態を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、ベース部が２次曲面状の場合における静電容量センサ（短冊状静電容量センサ）の配置状態を示す斜視図であり、図５（ｃ）は、ベース部が３次曲面状の場合における静電容量センサ（短冊状静電容量センサ）の配置状態を示す斜視図である。

（本発明の実施の形態）
図１（ａ）は、本実施の形態に係る操作入力装置の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）において操作する側から見て平面に展開して示した上平面図である。また、図２は、静電容量センサを有する静電容量内蔵グリップを備えた車両のステアリング図である。

本発明の実施の形態に係る操作入力装置１は、検出部１０をマトリクス状に配置してマトリクス状の検出領域を有する静電容量センサ１２０と、静電容量センサ１２０に重ねて配置される圧力センサ１３０と、静電容量センサ１２０及び圧力センサ１３０がベース部２００に重ねて配置されてなる操作検出部である操作入力センサ１１０と、静電容量センサ１２０及び圧力センサ１３０から静電容量情報Ｓｉｊ（ｉ＝１、・・・、Ｍ、ｊ＝１、・・・、Ｎ）及び圧力情報Ｓ_Ｐを検出し、操作入力センサ１１０への操作状態をマトリクス状に検出する制御部１５０と、を有して構成されている。

本実施の形態に係る操作入力装置１は、任意の形状を有するベース部２００上に配置されたマトリクス状の検出部を備えた静電容量センサ１２０と、この静電容量センサ１２０に重ねて配置された圧力センサ１３０により、接触または近接する手指の状態（接触位置、接触させた手の平の状態や力加減、手の左右の判別、指のホバー状態等）を検出するものである。

図１（ａ）に示すように、表面が任意の面形状をしたベース部２００の上に、静電容量センサ１２０、圧力センサ１３０が重ねて配置されて操作入力センサ１１０を構成している。ベース部２００の面形状は、図２に示すようなグリップ形状の他に、平面上、２次元状、３次元状等に適用可能である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）において操作する側から見て平面に展開して示した上平面図である。静電容量センサ１２０は、検出部１０をマトリクス状に配置してマトリクス状の検出領域を有する構成とされている。図１（ｂ）に示すように、静電タッチ電極である検出部１０を列状に配置してなる短冊状静電容量センサ２０を複数並べてマトリクス状に配置することにより、マトリクス状の静電容量センサ１２０を構成している。

短冊状静電容量センサ２０を複数並べる方法としては、各短冊状静電容量センサ２０を等間隔に隙間なく並べる、所定の隙間で並べる、各短冊状静電容量センサ２０を不等間隔に並べる、等が可能である。特に、ベース部２００の面形状が３次元状等の場合は、各短冊状静電容量センサ２０を配置する場所の面形状に合わせて、等間隔、不等間隔、隙間ありなし、等を組み合わせてマトリクス状に配置することができる。

各短冊状静電容量センサ２０からは、静電容量情報Ｓ_ｉｊ（ｉ＝１、・・・、Ｍ、ｊ＝１、・・・、Ｎ）が制御部に出力される。

圧力センサ１３０からは、圧力情報Ｓ_Ｐが制御部に出力される。なお、この圧力センサ１３０は、接触位置によらずにベース部２００への接触の有無、接触の強さ（圧力）を検出する。

図１（ｂ）に示すように、静電容量センサ１２０は、短冊状静電容量センサ２０がＭ個並べられて、静電タッチ電極である検出部１０がマトリクス状に形成される。すなわち、検出部１０は、Ｘ方向に、Ｘ_１〜Ｘ_Ｍ、Ｙ方向に、Ｙ_１〜Ｙ_Ｍの検出部１０が形成される。

図２に示すように、本実施の形態に係る操作入力装置１は、操作入力センサ１１０を静電容量内蔵グリップ１４０に装着して構成されている。この静電容量内蔵グリップ１４０は、車両のステアリング１００の例えば、上側部分に設けられる。

（短冊状静電容量センサ２０、静電容量センサ１２０）
短冊状静電容量センサ２０は、図１（ｂ）に示すように、静電タッチ電極である検出部１０が列状に配置されて短冊形状とされた静電容量センサである。この検出部１０は、所定の周期で電流が供給され、接触又は近接する手指との間の静電容量を検出する自己容量型静電センサを構成する。

各検出部１０は、それぞれの検出容量値（寄生容量値）を制御部１５０に出力するように電気的に接続されている。なお、各検出部１０の検出容量値（寄生容量値）は、制御部１５０において順次切り替えながら検出処理を実行することができる。

静電容量センサ１２０は、図１（ｂ）に示すように、左上部を原点として、右方向にＸ軸、下方向にＹ軸とされた操作入力座標（Ｘ、Ｙ）が設定されている。制御部１５０は、静電容量センサ１２０への接続を周期的に切り替え、各検出部１０の静電容量を読み出す。制御部１５０は、一例として、読み出した静電容量に対してアナログ・デジタル変換処理などを行った静電容量カウント値としての静電容量情報Ｓ_ｉｊ（ｉ＝１、・・・、Ｍ、ｊ＝１、・・・、Ｎ）を生成する。

この静電容量情報Ｓ_ｉｊ（ｉ＝１、・・・、Ｍ、ｊ＝１、・・・、Ｎ）は、設定された解像度に応じて生成される。本実施の形態では後述する図４に示すように、座標Ｘ_１〜座標Ｘ_２３、座標Ｙ_１〜座標Ｙ_８、静電容量カウント値の組み合わせで静電容量情報Ｓ_ｉｊが得られるように処理を行う。

（圧力センサ１３０）
圧力センサ１３０は、シート状に形成され、タッチの有無、また、タッチの強さ（圧力）を検出するものである。このシート状の圧力センサ１３０は、例えば、樹脂シートの間にセンサセルとしての電極シートを配置し、負荷による電気抵抗値を検出する。制御部１５０は、この検出された電気抵抗値に対してアナログ・デジタル変換処理などを行ない、圧力カウント値としての圧力情報Ｓ_Ｐを生成する。

（制御部１５０の構成）
制御部１５０は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、半導体メモリであるＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部１５０が動作するためのプログラム等が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられ、静電容量情報Ｓ_ｉｊ、圧力情報Ｓ_Ｐ等が生成される。

（実施例）
実施例として、図２で示した静電容量内蔵グリップに、２３×８のマトリクス状の検出部１０を備えた操作入力センサ１１０（静電容量センサ１２０）が装着された例を示す。すなわち、図１（ｂ）において、Ｍ＝２３、Ｎ＝８とした操作入力センサ１１０（静電容量センサ１２０）を考える。

図３（ａ）は、操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面を示す図であり、図３（ｃ）は、操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態で親指以外の指を伸ばした状態を示す図であり、図３（ｄ）は、操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態で図３（ｃ）で示した指を伸ばした状態と把持した状態を繰り返している状態を示す図である。また、図４（ａ）は、図３（ａ）で示す操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態における静電容量センサの静電容量信号値をマトリクス状に示す分布図であり、図４（ｂ）は、図３（ｃ）で示す操作者が静電容量内蔵グリップを把持した状態における静電容量センサの静電容量信号値をマトリクス状に示す分布図である。

（把持位置の検出）
図３（ａ）の把持状態から、図４（ａ）の静電容量情報Ｓ_ｉｊから静電容量信号値の分布図が得られた場合に、手指３００による把持位置として、重心Ｇを算出することができる。重心Ｇの位置のＸ座標は、図４（ａ）の中の数値の平均値である。平均値は、各検出部のＸ座標の値の合計を、数値が存在する検出部の数で割ることにより計算できる。同様にして、重心Ｇの位置のＹ座標は、図４（ａ）の中の数値の平均値である。平均値は、各検出部のＹ座標の値の合計を、数値が存在する検出部の数で割ることにより計算できる。図４（ａ）に示すように、左上に原点をとり、右方向をＸ、下方向をＹとして、上記説明した重心計算により、重心Ｇ（Ｘ、Ｙ）が算出できる。なお、ある閾値を超えたタッチ領域を接触領域として２値化して、この２値分布図に基づいて重心Ｇの位置を算出することもできる。

（右手、左手の判別）
図３（ａ）の把持状態から、図４（ａ）の静電容量情報Ｓ_ｉｊから静電容量信号値の分布図が得られた場合に、手指３００が右手か左手かの判別ができる。例えば、図４（ａ）において、静電容量信号値が２０以上の領域と２０未満の領域とで２値化処理する。この２値化した分布図に基づいて、公知技術であるパターンマッチング手法により、図４（ａ）のＡ領域で示す親指の位置を検出し、これにより把持した手指３００が右手か左手かの判別ができる。上記の判断をより正確にするために、種々のパターンマッチング用のテンプレートをメモリ内に記憶させておく。テンプレートは、右手用、左手用、人差指を伸ばして把持、４本指を伸ばして把持等を種々用意しておく。また、操作者ごとに手の幅等をキャリブレーションしておくことで、手の位置関係と指の動きを正確に検出することが可能になる。

（接触させた手の平の状態や力加減の検出）
図３（ａ）の把持状態から、図４（ａ）の静電容量情報Ｓ_ｉｊから静電容量信号値の分布図が得られた場合に、接触させた手の平の状態や力加減の検出ができる。圧力センサ１３０の圧力情報Ｓ_Ｐから接触していると判断される場合は、図４（ａ）の分布図は力加減の検出となる。また、閾値を設定することにより、手の平の範囲や手が接触した面積を検出し、その範囲における力加減の検出も可能である。

また、図３（ｃ）と図３（ｄ）の状態を繰り返している場合は、図４（ａ）と図４（ｂ）の静電容量信号値の分布図が繰り返して検出される。図４（ｂ）の静電容量信号値の分布図は、図４（ｂ）のＢ領域で示す値が図４（ａ）と比べて減少している。このような現象を検出するために、図４（ａ）と図４（ｂ）の静電容量信号値の分布図に基づいて、差分値の分布図を求め、これによりどの指が離れたかどうか等の判断が可能となる。図４（ｂ）の例では、親指以外の４本が、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように繰り返して指を伸ばす動作が行われていると判断できる。

（指のホバー状態の検出）
上記の説明は、圧力センサ１３０の圧力情報Ｓ_Ｐから手指３００が接触していると判断される場合であるが、圧力センサ１３０の圧力情報Ｓ_Ｐから手指３００が非接触である場合は、指がホバー状態で静電容量センサ１２０に近接していると判断できる。指のホバー状態においても、上記説明した、重心位置の検出、右手、左手の判別等が同様に可能である。

（種々のベース部形状への適用例）
図５（ａ）は、ベース部が平面状の場合における静電容量センサ（短冊状静電容量センサ）の配置状態を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、ベース部が２次曲面状の場合における静電容量センサ（短冊状静電容量センサ）の配置状態を示す斜視図であり、図５（ｃ）は、ベース部が３次曲面状の場合における静電容量センサ（短冊状静電容量センサ）の配置状態を示す斜視図である。

図５（ａ）に示すように、ベース部が平面状の場合に本実施の形態に係る操作入力装置１（操作入力センサ１１０）を適用すると、手の平の状態を検出できる。また、圧力センサ１３０の圧力情報Ｓ_Ｐから手指３００が非接触であると判断される場合は、手指３００の操作入力センサ１１０からの距離を検出できる。

図５（ｂ）に示すように、ベース部が２次曲面状の場合に本実施の形態に係る操作入力装置１（操作入力センサ１１０）を適用すると、例えば、親指と人差し指の位置関係で右手か左手かを検出できる。また、手指３００による、握る、ねじるなどの操作も検出可能である。

図５（ｃ）に示すように、ベース部が３次曲面状の場合に本実施の形態に係る操作入力装置１（操作入力センサ１１０）を適用すると、複雑な形状でも、短冊状静電容量センサ２０を複数配置することで上記説明した種々の検出が可能である。

（本発明の実施の形態の効果）
本実施の形態においては、以下のような効果を有する。
（１）本実施の形態に係る操作入力装置１は、検出部１０をマトリクス状に配置してマトリクス状の検出領域を有する静電容量センサ１２０と、静電容量センサ１２０に重ねて配置される圧力センサ１３０と、静電容量センサ１２０及び圧力センサ１３０がベース部２００に重ねて配置されてなる操作検出部である操作入力センサ１１０と、静電容量センサ１２０及び圧力センサ１３０から静電容量情報Ｓｉｊ（ｉ＝１、・・・、Ｍ、ｊ＝１、・・・、Ｎ）及び圧力情報Ｓ_Ｐを検出し、操作入力センサ１１０への操作状態をマトリクス状に検出する制御部１５０と、を有して構成されている。したがって、接触または近接する手指の状態（接触位置、接触させた手の平の状態や力加減、手の左右の判別、指のホバー状態等）を検出することが可能となる。
（２）短冊状静電容量センサ２０を複数並べる方法により静電容量センサ１２０を構成するので、配置するベース部の面形状は、図２に示すようなグリップ形状の他に、平面上、２次元状、３次元状等に適用可能である。特に、短冊状静電容量センサ２０により、種々の並べ方、配置方法が可能である。ベース部２００の面形状がグリップ形状の他に、平面上、２次元状、３次元状に対応して、各短冊状静電容量センサ２０を、等間隔、不等間隔、隙間ありなし、等を組み合わせてマトリクス状に配置することができる。
（３）これらの効果により、操作入力部に対する接触位置、接触圧（押圧力）、手が接触した面積、手指の離れた（近接した）距離等の種々の操作入力情報をマトリクス状に検出できる操作入力装置を提供することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…操作入力装置
１０…検出部
２０…短冊状静電容量センサ
１００…ステアリング
１１０…操作入力センサ
１２０…静電容量センサ
１３０…圧力センサ
１４０…静電容量内蔵グリップ
１５０…制御部
２００…ベース部
３００…手指
Ｇ…重心
Ｓ_ｉｊ…静電容量情報
Ｓ_Ｐ…圧力情報

Claims

検出部をマトリクス状に配置してマトリクス状の検出領域を有する静電容量センサと、
前記静電容量センサに重ねて配置される圧力センサと、
前記静電容量センサ及び前記圧力センサがベース部に重ねて配置されてなる操作検出部と、
前記静電容量センサ及び前記圧力センサから静電容量情報及び圧力情報を検出し、操作検出部への操作状態をマトリクス状に検出する制御部と、
を有することを特徴とする操作入力装置。
前記静電容量センサは、検出部を列状に配置してなる短冊状静電容量センサを前記ベース部に複数並べてマトリクス状に形成されたもの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。
前記ベース部は、グリップ形状、平面状、２次曲面状、又は、３次曲面状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の操作入力装置。