JP2020008400A - 操作判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作感のばらつきを抑制することができる操作判定装置を提供する。【解決手段】操作判定装置１は、プッシュ操作に伴って操作面１２０に付加された荷重Ｆを検出する荷重センサの出力値Ｖの時間積分の項を含む判定指標Ｉが予め定められた判定しきい値Ｔｈ以上となった場合、プッシュ操作がなされたと判定する制御部７を備えて概略構成されている。制御部７は、時間積分の項と出力値Ｖの項を加算して判定指標Ｉを算出する。この操作判定装置１は、操作感のばらつきを抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、操作判定装置に関する。

従来の技術として、基板と、基板上に設けられた銅層と、銅層上に配置された圧電素子と、圧電素子上に配置された導電性箔と、導電性箔が接着され、操作がなされる表面部と、を備えた検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この検出装置は、圧電素子と導電性箔との接触を確保するため、印刷によって導電性箔にドットが形成されている。検出装置は、このドットによってプリテンションが圧力素子に印加されている。

特表２０１３−５３０３９８号公報

圧電素子は、変形によって生じた電圧が自然放電によって時間と共に低下する。従来の検出装置は、例えば、表面部を押し下げる速度が速いと自然放電の影響が少ないが、遅いと影響が大きくなり、電圧が上がり難くなる。そのため、従来の検出装置は、同じ荷重を付加しても押し下げる速度によって操作が検出されたり、検出されなかったりする可能性があり、操作感がばらつく問題がある。

従って本発明の目的は、操作感のばらつきを抑制することができる操作判定装置を提供することにある。

本発明の一態様は、プッシュ操作に伴って操作面に付加された荷重を検出する荷重センサの出力値の時間積分の項を含む判定指標が予め定められた判定しきい値以上となった場合、プッシュ操作がなされたと判定する判定部を備えた操作判定装置を提供する。

本発明によれば、操作感のばらつきを抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る操作判定装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、操作判定装置の図１（ａ）に示すI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、操作判定装置のブロック図の一例である。 図２（ａ）は、実施の形態に係る操作判定装置において押下速度が小さい場合の圧電素子に付加された荷重、荷重に応じた出力値、判定指標、及び判定指標の各成分の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は、押下速度が大きい場合の圧電素子に付加された荷重、荷重に応じた出力値、判定指標、及び判定指標の各成分の一例を示すグラフである。 図３は、実施の形態に係る操作判定装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る操作判定装置は、プッシュ操作に伴って操作面に付加された荷重を検出する荷重センサの出力値の時間積分の項を含む判定指標が予め定められた判定しきい値以上となった場合、プッシュ操作がなされたと判定する判定部を備えて概略構成されている。

この操作判定装置は、出力値の時間積分がプッシュ操作に伴って付加された荷重と共に線型的に増加するので、この構成を採用しない場合と比べて、操作面の押下速度の大小に関わらずプッシュ操作を判定することができ、操作感のばらつきを抑制することができる。

[実施の形態]
（操作判定装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る操作判定装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、操作判定装置の図１（ａ）に示すI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、操作判定装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る操作判定装置において押下速度が小さい場合の圧電素子に付加された荷重、荷重に応じた出力値、判定指標、及び判定指標の各成分の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は、押下速度が大きい場合の圧電素子に付加された荷重、荷重に応じた出力値、判定指標、及び判定指標の各成分の一例を示すグラフである。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、横軸が時間ｔであり、左側の縦軸の上部が荷重Ｆであり、左側の縦軸の下部が電圧Ｖであり、右側の縦軸が判定指標である。判定指標Ｉは、単位が電圧Ｖである。また判定指標Ｉは、図２（ａ）及び図２（ｂ）の紙面上方向にオフセットして図示されている。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｃ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

操作判定装置１は、例えば、図１（ａ）に示すように、操作面１２０に設定された操作領域１３になされたプッシュ操作を検出するスイッチ装置として構成されている。そして操作判定装置１は、例えば、操作対象の電子機器と電気的に接続されている。この電子機器は、プッシュ操作がなされた操作領域１３に設定された機能を実行する。この電子機器は、一例として、車両に搭載された空調装置、ナビゲーション装置などである。

この操作判定装置１は、例えば、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、プッシュ操作に伴って操作面１２０に付加された荷重Ｆを検出する荷重センサの出力値Ｖの時間積分の項を含む判定指標Ｉが予め定められた判定しきい値Ｔｈ以上となった場合、プッシュ操作がなされたと判定する判定部としての制御部７を備えて概略構成されている。

本実施の形態の荷重センサは、圧電素子５である。この圧電素子５は、例えば、出力値Ｖとして電圧を出力する。なお荷重センサから出力される出力値は、荷重に比例する値であれば電圧に限定されない。

また操作判定装置１は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、プッシュ操作に伴う荷重Ｆを検出する圧電素子５と、圧電素子５が配置されるベース１０と、プッシュ操作がなされる操作面１２０を有するパネル１２と、パネル１２と圧電素子の間に設けられ、操作面１２０に付加された荷重Ｆを圧電素子５に伝達する押子１４と、を備えて概略構成されている。

ベース１０は、例えば、樹脂材料を用いて形成されている。またパネル１２は、例えば、樹脂材料を用いて形成されている。このベース１０とパネル１２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、一体となり、ベース１０とパネル１２の間に圧電素子５が配置されている。

押子１４は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、樹脂材料を用いて円柱形状に形成されている。この押子１４は、圧電素子５の中心に接触してパネル１２に付加された荷重Ｆを伝達するように構成されている。

本実施の形態の操作判定装置１は、一例として、１つの圧電素子５を備えているがこれに限定されず、複数であっても良い。また変形例として操作判定装置１は、例えば、タッチ操作を検出するタッチセンサを備え、タッチセンサによってタッチ位置を検出すると共に圧電素子５によって操作面１２０に対する接触を検出するように構成されても良い。さらに他の変形例として操作判定装置１は、操作を受け付けたことを示す振動によるフィードバックを呈示するように構成されても良い。この場合、圧電素子５によって荷重の検出と振動の付加とを行う。

（圧電素子５の構成）
圧電素子５は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、円板形状を有する金属シム５０と、金属シム５０よりも半径が小さい円板形状を有する圧電体５１と、を備えたユニモルフ型の圧電素子である。この圧電素子５には、圧電体５１と電気的に接続する上部配線と、金属シム５０と電気的に接続される下部配線と、が接続されている。

この圧電素子５は、例えば、ベース１０の底面１００に配置されている。このベース１０の底面１００には、円形の凹部１０２が形成されている。圧電素子５は、この凹部１０２の上に配置されている。この凹部１０２によって圧電素子５は、凹部１０２のない底面１００に配置される場合と比べて、変形し易くなる。

金属シム５０は、例えば、導電性を有するリン青銅やステンレスなどによって形成されている。

圧電体５１の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。圧電体５１は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層ユニモルフ型の圧電素子である。

圧電素子５は、操作面１２０に荷重Ｆが付加されると、パネル１２及び押子１４を介して圧電体５１に荷重Ｆが付加されて変形する。圧電体５１は、この荷重Ｆによる変形に応じた電圧を、上部配線及び下部配線を介して出力値Ｖとして制御部７に出力する。この出力値Ｖは、例えば、上述のように、荷重Ｆを検出していない場合、基準値（例えば、０Ｖ）となる。

（制御部７の構成）
制御部７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（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）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７が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、判定しきい値Ｔｈを記憶すると共に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る。また制御部７は、その内部に電圧を測定する手段を有している。なお変形例として電圧を測定する手段は、制御部７と別に構成されても良い。

制御部７は、圧電素子５の出力値Ｖの時間積分の項を含む判定指標Ｉが判定しきい値Ｔｈ以上となった場合、操作面１２０にプッシュ操作がなされたと判定する。そして制御部７は、プッシュ操作が判定されたことを示す操作情報Ｓを接続された電子機器に出力する。

図２（ａ）は、押下速度ｖが小さい場合の荷重Ｆ_ａ及び出力値Ｖ_ａを示している。この押下速度ｖは、一例として、１ｍｍ／ｓである。また図２（ｂ）は、押下速度ｖが大きい場合の荷重Ｆ_ｂ及び出力値Ｖ_ｂを示している。この押下速度ｖは、一例として、５ｍｍ／ｓである。なお図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すＴｈは、判定しきい値である。太い実線は、荷重Ｆ_ａ及び荷重Ｆ_ｂを示している。細い実線は、出力値Ｖ_ａ及び出力値Ｖ_ｂを示している。点線は、判定指標Ｉ_１及び判定指標Ｉ_２を示している。

なお説明のため、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す荷重Ｆ_ａ及び荷重Ｆ_ｂの最大値は、ほぼ同じとしている。

この図２（ｂ）では、例えば、押下速度大の場合、荷重Ｆ_ｂが急峻に上昇し、それに応じて出力値Ｖ_ｂが急峻に上昇する。そして荷重Ｆ_ｂは、操作指９による操作面１２０の押し下げが止まったことで一定値に近づくと、それに応じて出力値Ｖ_ｂがほぼ基準値となっている。なお出力値Ｖ_ａや出力値Ｖ_ｂが基準値の辺りを振動しているのは、操作指９による荷重Ｆの付加が一定ではないためである。

また図２（ａ）では、例えば、押下速度小の場合、ゆっくりと操作面１２０を押し下げるので、荷重Ｆ_ａがなだらかに上昇してほぼ一定値となる。また出力値Ｖ_ａは、なだらかに上昇する荷重Ｆ_ａに応じてほぼ一定の電圧となり、荷重Ｆ_ａがほぼ一定値となると、ほぼ基準値となる。

押下速度大の場合、例えば、図２（ｂ）に示すように、圧電素子５から出力された出力値Ｖ_ｂは、立ち上がって直ぐに判定しきい値Ｔｈ以上となるので、制御部７によってプッシュ操作がなされたと判定される。

一方押下速度小の場合、例えば、図２（ａ）に示すように、圧電素子５から出力された出力値Ｖ_ａは、大きな荷重Ｆ_ａが付加されるものの出力値Ｖ_ａの最大値が小さく、判定しきい値Ｔｈを超えない。これは、圧電素子５の変形によって生じる電荷が自然放電によって、押下速度ｖが大きい場合より多く抜けていくため、出力値Ｖ_ａが上がり難いからである。

そこで制御部７は、出力値Ｖの立ち上がりでは線型的に増加し、出力値Ｖが安定すると付加された荷重Ｆの大きさに比例して略一定値となる判定指標Ｉに基づいてプッシュ操作を判定する。つまり制御部７は、荷重Ｆの時間積分を算出し、この時間積分を判定指標Ｉとしてプッシュ操作の判定に使用する。つまり判定指標Ｉは、以下の式（１）となる。
判定指標Ｉ＝ａ∫Ｖｄｔ・・・（１）
ただし定数ａは、正の数である。

この判定指標Ｉは、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に一点鎖線で示す判定指標成分Ｉ_ａ１及び判定指標成分Ｉ_ａ２である。この判定指標成分Ｉ_ａ１及び判定指標成分Ｉ_ａ２は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、荷重Ｆ_ａ及び荷重Ｆ_ｂの立ち上がりに対して少し鈍ったグラフとなる。なお定数ａが大きくなるにつれて、判定指標成分Ｉ_ａ１及び判定指標成分Ｉ_ａ２の鈍りが大きくなる。

そこで本実施の形態の制御部７は、時間積分の項と出力値Ｖの項を加算して判定指標Ｉを算出する。具体的には、以下に示す式（２）によって判定指標Ｉを算出する。
判定指標Ｉ＝ａ∫Ｖｄｔ＋ｂＶ・・・（２）
ただし定数ｂは、正の数である。

式（２）の右辺第２項は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に二点鎖線で示す判定指数成分Ｉ_ｂ１及び判定指数成分Ｉ_ｂ２である。この出力値Ｖに比例する右辺第２項を出力値の時間積分の項に加算することにより、鈍りが補正される。

その結果、図２（ａ）に示す判定指標Ｉ_１は、時間ｔ_１において判定しきい値Ｔｈ以上となり、プッシュ操作が判定される。

また図２（ｂ）に示す判定指標Ｉ_２は、時間ｔ_２において判定しきい値Ｔｈ以上となり、プッシュ操作が判定される。

判定指標Ｉ_１が判定しきい値Ｔｈ以上となる荷重Ｆ_１と、判定指標Ｉ_２が判定しきい値Ｔｈ以上となる荷重Ｆ_２とは、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、近い値となる。従って操作者は、押下速度ｖの大小に関わらず操作感のばらつきが抑制される。

ここで定数ａが大きくなると、鈍りが大きくなり、また定数ｂが大きくなると、形状が急峻となる。よって定数ａ及び定数ｂが適切な値に選ばれることにより、プッシュ操作が判定される時間の差、及び判定される際の荷重Ｆの差が抑制される。また定数ａ及び定数ｂは、式（２）の右辺第１項と右辺第２項の次元を合わせるために用いられる。

以下に本実施の形態の操作判定装置１の動作の一例について図３のフローチャートに従って説明する。

（動作）
操作判定装置１の制御部７は、圧電素子５から出力される出力値Ｖを取得すると、取得した出力値Ｖに基づいて判定指標Ｉを算出する（Ｓｔｅｐ１）。

制御部７は、算出した判定指標Ｉと判定しきい値Ｔｈとを比較する。制御部７は、ステップ２の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり判定指標Ｉが判定しきい値Ｔｈ以上となった場合（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、プッシュ操作がなされたと判定し、プッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓを出力する（Ｓｔｅｐ３）。

（実施の形態の効果）
本実施の形態の操作判定装置１は、操作感のばらつきを抑制することができる。具体的には、操作判定装置１は、判定指標Ｉが押下速度ｖに依存せず、また荷重Ｆの大きさに比例して増加した後、荷重Ｆに応じた一定値となるので、この構成を採用しない場合と比べて、操作面１２０の押下速度ｖの大小に関わらず近い荷重でプッシュ操作を判定することができ、操作感のばらつきを抑制することができる。

上述の実施の形態及び変形例に係る操作判定装置１は、例えば、用途に応じて、その一部が、コンピュータが実行するプログラム、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などによって実現されても良い。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、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。これら新規な実施の形態及び変形例は、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、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例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、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、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…操作判定装置、５…圧電素子、７…制御部、９…操作指、１０…ベース、１２…パネル、１３…操作領域、１４…押子、５０…金属シム、５１…圧電体、１００…底面、１０２…凹部、１２０…操作面、Ｔｈ…判定しきい値

Claims (2)

1. プッシュ操作に伴って操作面に付加された荷重を検出する荷重センサの出力値の時間積分の項を含む判定指標が予め定められた判定しきい値以上となった場合、プッシュ操作がなされたと判定する判定部を備えた操作判定装置。
2. 前記判定部は、前記時間積分の項と前記出力値の項を加算して前記判定指標を算出する、
   請求項１に記載の操作判定装置。

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