JP6262576B2

JP6262576B2 - 静電入力装置

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Publication number: JP6262576B2
Application number: JP2014052472A
Authority: JP
Inventors: 俊季中村; 渡邊　実; 実渡邊; 高井　大輔; 大輔高井
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP2015176358A

Description

本発明は、ユーザの手や指が電極に近づくことによって変化する静電容量の変化を用いた静電入力装置に関する。

従来の静電入力装置として、電極に近づくことによって変化する静電容量を、電極に対応するチャンネルごとに測定し、この静電容量の出力データの分布によってユーザの手の動きを検知するものがあった。すなわち、チャンネルに対する出力データの重心位置や、出力データを２次関数に近似させることによって得られるピーク位置を所定時間ごとに算出し、これらの位置の変化量や変化に要した時間からユーザの動作（ジェスチャー）を判定していた。

しかし、このような静電入力装置では、人体のインピーダンス、使用環境、検出電極の感度ばらつき等の影響によって、初期のベースラインを一定にすることが困難であった。このため、測定値自体を用いる場合のみならず、ベースラインに基づいたオフセット処理を行う場合もその処理が煩雑となることから、ユーザの動作を正確に検出することが難しい。

これに対して、特許文献１に記載の静電入力装置は、ユーザが電極にタッチしたときの出力電流データから得た導関数を用いて、電流値の変化速度を算出し、時間に対する変化速度の波形に基づいてユーザが電極にタッチしたタイミングを判別していた。

特開平９−２１８７４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の静電入力装置は、ユーザが電極にタッチしたときの出力電流データに基づいて判別を行うものであって、タッチしようとしているユーザの手が電極に触れていないホバー状態では、ユーザの手の直下以外の位置のチャンネルに対応する電極からも出力電流が検出されやすい。このため、出力電流データから算出する静電容量の分布は、ピーク位置を判別しづらい横に広がったブロード状態になりやすくなり、これにより、ユーザの手の位置を精度よく判別することが困難であった。さらに、フリック動作や電極からの手までの距離などによっても静電容量の分布が変動するため、手の位置の変化を正確に認識することが難しい。

そこで本発明は、人体のインピーダンス、使用環境、電極の感度ばらつき等があってもユーザの動作を正確に検出することができ、さらに、ホバー状態でユーザが動作をしても手の位置や動作を精度良く判別することができる静電入力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の静電入力装置は、ユーザの動作を検出する静電入力装置であって、複数の電極からなる電極マトリクスにより感知される、ユーザの動作に基づく複数の応答信号を、検出電極の位置に対応するチャンネルごとに連続的に出力する感知部と、応答信号に基づいて算出される静電容量データをチャンネル毎に連続的に出力する静電容量算出部と、静電容量算出部から出力された静電容量データを時間微分し、チャンネル毎の時間微分データを作成する微分処理部と、時間微分データの総和を算出する判別データ生成部と、判別データ生成部が算出した時間微分データの総和にもとづいて、ユーザによるホバー動作の有無を判別する判別部とを有し、判別データ生成部は、時間微分データが負であるチャンネルに対応する複数の検出電極の位置で定まる第１領域の重心位置と、時間微分データが正であるチャンネルに対応する複数の検出電極の位置で定まる第２領域の重心位置との少なくとも一方を算出し、判別部は、判別データ生成部が算出した重心位置に基づいてユーザによるホバー動作の方向を判別することを特徴としている。

この構成によれば、静電容量データを時間微分した静電容量の変化率を用いることにより、測定環境や検出電極の測定精度のばらつき等による初期のベースラインのばらつきをキャンセルできる。また、時間微分データの総和を用いることで、ノイズの影響を抑えながら、ホバー動作の有無の検出を精度よく安定して行える。ここで、ホバー動作とは、検出電極に手が触れていないホバー状態で、ユーザが検出電極上で手や指を動かす動作のことをいい、手や指が電極に触れた状態での動作を含みうる。

また、正または負のいずれかの重心位置データを用いることによって、ホバー動作の方向を検出することができる。さらに、ユーザの手に対するセンサーの反応方向、すなわち検出電極から出力される信号が正か負か、に合わせて正または負のいずれかの重心位置データを用いることで、手の初期の動きを捉えることができ、短時間で判別できる。

本発明の静電入力装置において、判別部は、時間微分データの総和の時間変化において閾値を越えた時に、ホバー動作が行われたと判別することが好ましい。

これにより、時間微分データの総和の正負が反転したゼロクロスの時点でホバー動作の有無を判別することで、ノイズの影響を抑えた精度の高い判別ができる。

本発明の静電入力装置において、判別部は、時間微分データの総和の時間変化において、時間微分データの総和の正負が反転した時の第１領域の重心位置と、時間微分データの総和が最小となる時の第１領域の重心位置との差に基づいて、ホバー動作が上下左右のいずれの方向であるかを判別することが好ましい。

この構成によれば、重心位置の時間変化より、ホバー動作の方向を判別することで、ノイズの影響を抑えた精度の高い判別ができる。

本発明の静電入力装置において、判別部は、時間微分データの総和の時間変化において、時間微分データの総和の正負が反転した時の第２領域の重心位置と、時間微分データの総和が最大となる時の第２領域の重心位置との差に基づいて、ホバー動作が上下左右のいずれの方向であるかを判別することが好ましい。

この構成によれば、重心位置を算出する基準の時間を固定値ではなく、ゼロクロスの時間を基準とすることによって、ノイズやホバー動作の速度にあまり影響されずにホバー動作の方向を検出できる。

本発明によると、人体のインピーダンス、使用環境、電極の感度ばらつき等があってもユーザの手の動作を正確に検出することができ、さらに、ホバー状態でユーザが動作をしても手の位置や動作を精度良く判別することができる。

実施形態に係る静電入力装置の構成を示すブロック図である。実施形態に係る静電入力装置の電極配置例を示す平面図である。実施形態に係る静電入力装置のデータ処理の流れを示すフローチャートである。（Ａ）はモジュールに対してユーザが動作を行っていない状態を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の状態における静電容量算出部４０からの出力値の例を示すグラフである。（Ａ）はモジュールの左側にユーザの手がある状態を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の状態における静電容量算出部４０からの出力値の例を示すグラフである。（Ａ）はモジュールの略中央にユーザの手がある状態を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の状態における静電容量算出部４０からの出力値の例を示すグラフである。（Ａ）はモジュールの右側にユーザの手がある状態を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の状態における静電容量算出部４０からの出力値の例を示すグラフである。（Ａ）は図４（Ｂ）に示す出力値と図５（Ｂ）に示す出力値との間の変化の時間微分値を示すグラフ、図８（Ｂ）は図５（Ｂ）に示す出力値と図６（Ｂ）に示す出力値との間の変化の時間微分値を示すグラフ、図８（Ｃ）は図６（Ｂ）に示す出力値と図７（Ｂ）に示す出力値との間の変化の時間微分値を示すグラフ、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）に示す出力値と図４（Ｂ）に示す出力値との間の変化の時間微分値を示すグラフである。右ホバー動作の場合の出力値についての正の時間微分データに基づく重心位置、負の時間微分データに基づく重心位置、及び、時間微分データの総和を時間に対してプロットしたグラフである。左ホバー動作の場合の出力値についての正の時間微分データに基づく重心位置、負の時間微分データに基づく重心位置、及び、時間微分データの総和を時間に対してプロットしたグラフである。モジュールに垂直な方向に上下動作した場合の出力値についての正の時間微分データに基づく重心位置、負の時間微分データに基づく重心位置、及び、時間微分データの総和を時間に対してプロットしたグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る静電入力装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る静電入力装置１０の構成について説明する。図１は、静電入力装置１０の構成を示すブロック図である。図２は、静電入力装置１０の電極配置例を示す平面図である。

図１に示すように、静電入力装置１０は、感知部としてのマルチプレクサ３０と、静電容量算出部４０と、微分処理部５１と、判別データ生成部５２と、ホバー動作有無判別部５３と、ホバー動作方法判別部５４と、を有する。微分処理部５１、判別データ生成部５２、ホバー動作有無判別部５３、及び、ホバー動作方向判別部５４は演算部５０に含まれるものであり、例えば、全体が１つの演算回路で構成される。微分処理部５１、判別データ生成部５２、ホバー動作有無判別部５３、及びホバー動作方向判別部５４で生成されたデータは演算部５０が備える記憶部（不図示）に保存される。また、ホバー動作有無判別部５３とホバー動作方向判別部５４は判別部を構成する。

静電入力装置１０は、図２（Ａ）に示すパネル状のモジュール２０を備える。モジュール２０は、例えば携帯用情報端末やパーソナルコンピュータのキーボードなどに配置される。

モジュール２０は、長板状の基板２３上に、複数の検出電極２１及び複数の駆動電極２２を形成した構成を備える。複数の検出電極２１は、それぞれ、基板２３の短辺方向Ｗに平行に延びるように、かつ、互いに平行に形成されている。複数の駆動電極２２は、それぞれ、基板２３の長辺方向Ｌに平行に延びるように、かつ、互いに平行に形成されている。これにより、基板２３上に、互いに絶縁された状態で交差する、複数の検出電極２１と複数の駆動電極２２とからなる電極マトリクスが形成される。駆動電極２２には、駆動回路（不図示）から所定パターンの駆動電圧が印加され、すべての検出電極２１からマルチプレクサ３０に対して信号が出力される。

基板２３は、ガラス、プラスチック等からなる板部材である。検出電極２１と駆動電極２２は、導電性材料で形成し、例えば、銅箔のエッチング、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）のスパッタリング、ＰＶＤ（物理気相成長）、ＣＶＤ（化学気相成長）によって所定のパターンで形成する。

駆動電極２２に電圧を印加すると、検出電極２１と駆動電極２２の間に電位差が発生し、検出電極２１と駆動電極２２の間の静電容量（相互容量）に応じて、検出電極２１に電流が流れる。ここで、いずれかの検出電極２１に指が接近すると、指と、検出電極２１の間も容量結合されるため、その分だけ検出電極２１と駆動電極２２の間の静電容量が減少し、これにより電圧印加時に検出電極２１に流れる電流も減少する。このため、指が接近又は接触した検出電極２１からの出力信号と、それ以外の検出電極２１からの出力信号とに基づいて、指の位置を特定することができ、指の位置を連続的に測定することによってユーザの手の動きを検出することができる。

ここで、検出電極２１と接地部（ＧＮＤ）との間の静電容量の変化に基づいて、指の位置を特定することもできる。より具体的には次のとおりである。いずれの検出電極２１にも指が接近していないときは検出電極２１と接地部の間の寄生容量に応じて、検出電極２１に電流が流れる。ここで、いずれかの検出電極２１に指が接近すると、指が接近した検出電極２１と指との間が容量結合されるため、その分だけ静電容量（自己容量）が増大し、これにより電圧印加時に検出電極２１に流れる電流も増大する。このため、指が接近又は接触した検出電極２１からの出力信号と、それ以外の検出電極２１からの出力信号とに基づいて、指の位置を特定することができ、指の位置を連続的に測定することによってユーザの手の動きを検出することができる。

ここで、図２（Ａ）に示すモジュール２０は一例であって、検出電極２１と駆動電極２２の数や間隔は、具体的な実施形状に応じて適宜変更可能である。また、本実施形態では、すべての駆動電極２２に対して同一の駆動信号を同時に印加するが、これに代えて、それぞれの駆動電極２２に印加するタイミングをずらし、これにより短辺方向Ｗにおける位置を区別しても良い。

また、図２（Ａ）に示すモジュール２０に代えて、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すようなパターンのモジュール１２０、２２０を用いることもできる。

図２（Ｂ）に示すモジュール１２０においては、長板状の基板１２３上に駆動電極１２２が形成され、駆動電極１２２上に、基板１２３の長辺に沿って並ぶように複数の検出電極１２１が絶縁層を介して形成されている。検出電極１２１、駆動電極１２２、及び基板１２３は、図２（Ａ）に示す検出電極２１、駆動電極２２、及び基板２３と同様の材料でそれぞれ形成する。モジュール１２０では、上述の相互容量の変化に基づいて接近又は接触した指の位置を特定し、手の動きを検出する。

図２（Ｃ）に示すモジュール２２０においては、長板状の基板２２３上に、基板２２３の長辺に沿って並ぶように複数の検出電極２２１が形成されている。モジュール２２０では、上述の自己容量の変化に基づいて接近又は接触した指の位置を特定し、手の動きを検出する。

マルチプレクサ３０は、すべての検出電極２１からの出力信号に基づいて、検出電極２１の位置に対応するチャンネルごとの複数の応答信号を連続的に出力する。この応答信号は、複数の検出電極２１と複数の駆動電極２２とからなる電極マトリクスにより感知される、ユーザの動作に基づく信号である。

静電容量算出部４０は、マルチプレクサ３０から出力された応答信号に基づいて静電容量データを算出する演算回路であり、算出結果をチャンネル毎に連続的に出力する。マルチプレクサ３０から出力される応答信号は、検出電極２１に流れる電流に基づいた波形になる。すなわち、駆動電極２２に電圧パルスが印加されたときに、その立ち上がりと立ち下がりのタイミングにおいて、検出電極２１と駆動電極２２の間の静電容量に応じた大きさの電流が瞬間的に検出電極２１に流れる。応答信号は、この電流に基づいた波形を有し、静電容量算出部４０では、応答信号の電流波形から、静電容量に基づく値が算出される。ここで、応答信号の電流波形としては、例えば、電流波形の面積、電流波形の高さを用いる。また、静電容量算出部４０で算出される、静電容量に基づく値は、静電容量の絶対値であってもよいが、相対値であることが好ましい。

静電容量算出部４０で算出されたデータは、例えば、演算部５０が備える記憶部（不図示）に保存する。ここで、静電容量算出部４０は、演算部５０と共通の演算回路で構成することが好ましい。

微分処理部５１は、静電容量算出部４０から出力された静電容量データを時間微分し、チャンネル毎の時間微分データを作成する。

判別データ生成部５２は、微分処理部５１から出力された、時間微分データの総和（Σ（ｄａｔａ＿Ｉ））を一定時間ごとに算出する。なお、時間微分データの総和の算出は、全チャンネルについて行っても良いし、判別に影響のない範囲で一部のチャンネルのみを用いて行っても良い。

また、判別データ生成部５２は、時間微分データが負であるチャンネルに対応する複数の検出電極２１の位置で定まる第１領域の重心位置（Ｍｍ）と、時間微分データが正であるチャンネルに対応する複数の検出電極２１の位置で定まる第２領域の重心位置（Ｍｐ）との少なくとも一方を算出する。ここで、検出電極の位置及び重心位置は、例えば、モジュール２０の長辺方向Ｌに沿った座標軸上の位置である。

ホバー動作有無判別部５３は、判別データ生成部５２が算出した時間微分データの総和に基づいて、ユーザによるホバー動作の有無を判別する。より具体的には、ホバー動作有無判別部５３は、判別データ生成部５２が出力した時間微分データの総和の時間変化において閾値を越えた時に、ホバー動作が行われたと判別する。ここで、閾値をゼロとすると、閾値を越えることによって正負が反転する。また、ゼロ以外の数値の閾値を設定して、その閾値を時間微分データの総和が通過したときにホバー動作が行われたと判別してもよい。

ホバー動作方向判別部５４は、判別データ生成部５２が算出した重心位置に基づいてユーザによるホバー動作の方向を判別する。すなわち、ホバー動作方向判別部５４は、判別データ生成部５２が出力した時間微分データの総和の時間変化において、時間微分データの総和の正負が反転した時の第１領域の重心位置と、時間微分データの総和が最小となる時の第１領域の重心位置との差に基づいて、ホバー動作が上下左右のいずれの方向であるかを判別する。この判別は、時間微分データの総和の正負が反転した時の第２領域の重心位置と、時間微分データの総和が最大となる時の第２領域の重心位置との差に基づいて行うこともできる。

次に、図３〜１２を参照して、静電入力装置１０を用いた検出の流れについて説明する。ここでは、相互容量を検出する例について説明する。また、モジュール２０に手が接近するというときには、モジュール２０に手が接触する場合も含むものとする。

図３は、静電入力装置１０のデータ処理の流れを示すフローチャートである。図３は、ユーザの手Ｈが近づくとマイナスの出力がなされる場合のフローチャートである。出力図４（Ａ）、図５（Ａ）、図６（Ａ）、及び、図７（Ａ）は、モジュール２０とユーザの手Ｈの位置関係を示している。図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）、及び図８の横軸は、モジュール２０の長辺方向Ｌに沿って並んだ複数の検出電極２１の位置に対応するチャンネルを示している。図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、及び図７（Ｂ）においては、モジュール２０の右端側のチャンネル１８〜２０のデータの表示を省略している。図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、及び図７（Ｂ）の縦軸は静電容量算出部４０が算出した、静電容量に基づく値であって、静電容量の相対値（単位なし）を示している。

図８の縦軸は図７に示すデータの時間微分値（単位なし）である。図１０〜１２の横軸は経過時間（単位なし）であり、縦軸は、静電容量の時間微分値の絶対値から算出したモジュール２０の長辺方向Ｌにおける重心位置、及び、全チャンネルの静電容量の総和である。

検出を開始すると、複数の駆動電極２２に所定パターンの電圧が連続的に印加され、複数の検出電極２１からは静電容量に対応した電圧信号が連続的に出力される。マルチプレクサ３０は、検出電極２１から出力された信号に基づいて、検出電極２１の位置に対応するチャンネルごとの複数の応答信号を連続的に出力する（図３のステップＳ１）。

次に、静電容量算出部４０は、マルチプレクサ３０から出力された応答信号（ステップＳ１）に基づいて静電容量データを算出し、算出結果をチャンネル毎に連続的に出力する（ステップＳ２）。ここで、連続的に出力とは、時間の経過とともに出力することを意味する。静電容量算出部４０からの出力信号は、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、又は図７（Ｂ）に示すとおりである。

さらに、静電容量算出部４０から出力された静電容量データは微分処理部５１で時間微分され、微分処理部５１はチャンネルごとに時間微分データを出力する（ステップＳ３）。

以下、ユーザの手が接近したときに負の信号が出力されるように静電容量算出部４０で演算する場合について説明する。

図４（Ａ）に示すようにモジュール２０にユーザの手が接近していない場合、図４（Ｂ）に示すように、各チャンネルからの出力信号は、ほぼ同じ値であり、かつ、ほぼゼロである。図５（Ａ）に示すようにユーザの手Ｈがモジュール２０の左側の複数の検出電極２１に接近している場合、図５（Ｂ）に示すように、手Ｈに対応する左側の範囲の複数のチャンネルの出力値が負の値を示し、この範囲から離れるほどに静電容量算出部４０からの出力値が増加する。さらに、モジュール２０の右端側の複数の検出電極２１に対応する出力信号はほぼ同じ値になっている。図６（Ａ）に示すようにユーザの手Ｈがモジュール２０の略中央の複数の検出電極２１に接近している場合、図６（Ｂ）に示すように、手Ｈに対応する範囲の複数のチャンネルの出力値が負の値を示し、この範囲から離れるほどに静電容量算出部４０からの出力値が増加する。さらに、モジュール２０の右端側及び左端側の複数の検出電極２１からの出力信号は互いに近い値となっている。図７（Ａ）に示すようにユーザの手Ｈがモジュール２０の右側の複数の検出電極２１に接近している場合、図７（Ｂ）に示すように、手Ｈに対応する右側の範囲の複数のチャンネルの出力値が負の値を示し、この範囲から離れるほどに静電容量算出部４０からの出力値が増加している。さらに、モジュール２０の左端側の複数の検出電極２１に対応する出力信号は互いに近い値となっている。

このように、モジュール２０にユーザが手Ｈを近づけると、手Ｈに対応する範囲の複数のチャンネルの出力値は負の値を示し、この範囲から離れるほどに検出電極２１に対応する出力値が増加し、手Ｈに対応する範囲から十分離れた位置のチャンネルの出力値はほぼ同じ値となる。このため、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、又は図７（Ｂ）に示すような、各チャンネルの信号の分布の形状から、下側に凸となった範囲に対応する位置のチャンネルに対応する検出電極２１にユーザの手Ｈが接近又は接触していることを認識できる。

ユーザが、右ホバー動作、すなわち、モジュール２０に対して、手Ｈを接近させていない状態（図４）から、手Ｈを左側に接近（図５）させた後に、略中央（図６）、右側（図７）の順に移動させ、その後モジュール２０から手Ｈを遠ざける（図４）動作を行った場合に、各状態で得られる静電容量算出部４０から出力される静電容量の相対値（図４（Ｂ）→図５（Ｂ）→図６（Ｂ）→図７（Ｂ）→図４（Ｂ））を、状態の変化ごとに時間微分すると、図８に示す値が得られる。

図８（Ａ）は、モジュール２０に手Ｈを近づけていない状態からモジュール２０の左側に手Ｈを近づけたときの数値を示しており、手Ｈを近づけた範囲のチャンネルの数値が負になっている。図８（Ｂ）は、手Ｈをモジュール２０の左側から略中央に移動したときの数値を示しており、手Ｈを移動した後の略中央の範囲のチャンネルの数値が負になっている。さらに、移動前に手Ｈのあった、左側のチャンネルでは図８（Ａ）に対して数値がゼロをクロスして正の値となっている。図８（Ｃ）は、手Ｈをモジュール２０の略中央から右側へ移動したときの数値を示しており、手Ｈを移動した後の右側の範囲のチャンネルの数値が負になっている。さらに、移動前に手Ｈのあった、略中央のチャンネルでは図８（Ｂ）に対して数値がゼロをクロスして正の値となっている。また、左側のチャンネルは正の値を維持している。図８（Ｄ）は、モジュール２０の右側にあった手Ｈをモジュール２０から離したときの数値を示しており、移動前に手Ｈのあった、右側のチャンネルでは図８（Ｃ）に対して数値がゼロをクロスして正の値となっている。また、右側以外のチャンネルは正の値を維持しつつゼロ側へ値を減少している。したがって、右側のチャンネルとそれ以外のチャンネルでは、右側のチャンネルの数値の方が大きくなっている。

このように、モジュール２０上で手Ｈを移動させると、移動によって手Ｈのなくなったチャンネルの応答信号の時間微分値は正の値をとり、一方、移動して手Ｈが置かれたチャンネルの応答信号の時間微分値が負の値をとる。また、移動から時間の経過したチャンネルの時間微分値は徐々にゼロに近づく。このような数値の変化や時間微分値の分布によってユーザが手Ｈをどのように移動させたのかを判別することができる。

判別データ生成部５２は、微分処理部５１から出力された時間微分データに基づいて、（１）微分処理部５１から出力された全チャンネルの時間微分データの総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）、（２）正の時間微分データに基づく重心位置Ｍｐ、及び、（３）負の時間微分データに基づく重心位置Ｍｍを単位時間ごとに算出する（ステップＳ４）。さらに、判別データ生成部５２は、（４）総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が最小となったときの重心位置Ｍｍの値Ｍｍ（＠Σｍｉｎ）、（５）総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）の正負が反転（ゼロクロス）したときの重心位置Ｍｍの値Ｍｍ（＠Σｚｘ）及び重心位置Ｍｐの値Ｍｐ（＠Σｚｘ）、並びに、（６）総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が最大となったときの重心位置Ｍｐの値Ｍｐ（＠Σｍａｘ）を算出する。

総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、微分処理部５１から出力された、各チャンネルの時間微分データｄａｔａ＿Ｉの総和である。重心位置Ｍｐは、微分処理部５１から出力された時間微分データのうちの正の時間微分データのみについて、次式（ｉ）によって算出する。

Ｍｐ＝Σ（ｄａｔａ＿Ｉ・ｘ）／Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）（ｉ）
ここで、ｘは、チャンネルの位置を示す番号（１〜２０）であり、モジュール２０において、各検出電極２１について長辺方向Ｌに沿って左から順に付けた番号に対応する。

また、重心位置Ｍｍは、微分処理部５１から出力された時間微分データのうちの負の時間微分データのみについて、上式（ｉ）によって算出する。この重心位置Ｍｍは、時間微分データが負であるチャンネルに対応する複数の検出電極２１に対応する第１領域について、算出した位置である。

Ｍｍ（＠Σｚｘ）及びＭｐ（＠Σｚｘ）は、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）の正負が反転する直前又は直後の重心位置であってもよい。

ユーザが右ホバー動作を行った場合の総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）、及び、重心位置Ｍｍ、Ｍｐを経過時間に対してプロットすると図１０のようになる。

図９に示す右ホバー動作の場合、まず、検出開始から時間１８までは、モジュール２０上に手が近づいていない状態から、ユーザがモジュール２０の略中央に手を接近させ終わるまでの期間であって、負の時間微分データのみが出力される（図８（Ａ）参照）。このため、重心位置Ｍｐはゼロである。一方で重心位置Ｍｍはモジュール２０の略中心の位置１０付近の値になっている。

次に、時間１９から時間２８までは、ユーザが手を右側へ移動させている期間であって、手が離れたモジュール２０の左側のチャンネルでは正の時間微分データが出力され、かつ、手が移動してきた右側のチャンネルでは負の時間微分データが出力される（図８（Ｂ）参照）。このため、この期間では、重心位置Ｍｍはモジュール２０の左側の位置を示し、重心位置Ｍｐは右側の位置を示している。時間２８では、重心位置Ｍｍが位置２０付近に至っており、手がモジュール２０の右端まで達したことを示している。また、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、手の移動が始まる前にモジュール２０に手が最も接近した時間１６で最小値となり、時間２３付近で正負が反転し、その後も増加している。

時間２９以降は、ユーザがモジュール２０から手を離していく期間であって、手の横への移動がなくなっているため重心位置Ｍｍはほぼゼロとなっている（図８（Ｃ）参照）。また、重心位置Ｍｐは、モジュール２０から離れるときに手の中心が位置していた位置１２付近の値となっている。総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、手が離れるにつれて時間微分データが小さくなるため、時間３４付近を最大値として徐々に小さくなっている。

以上のように、右ホバー動作を行った場合は、所定値以上の経過時間に渡って総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が増加して、その過程で負から正へ反転（ゼロクロス）しており、かつ、この過程において重心位置Ｍｍが増加（右側へ移動）し、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）の正負が反転したときの重心位置Ｍｍの値Ｍｍ（＠Σｚｘ）から総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が最小となったときの重心位置Ｍｍの値Ｍｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第１設定値よりも大きくなっている。

ユーザが左ホバー動作を行った場合の総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）、及び、重心位置Ｍｍ、Ｍｐを経過時間に対してプロットすると図１０のようになる。この場合、検出開始から時間１８までは、モジュール２０上に手が近づいていない状態から、ユーザがモジュール２０の右側に手を接近させ終わるまでの期間であって、負の時間微分データのみが出力される。このため、重心位置Ｍｐはゼロである一方で重心位置Ｍｍはモジュール２０の右側〜中央の位置の値になっている。

次に、時間１９から時間２７までは、ユーザが手を左側へ移動させている期間であって、手が離れたモジュール２０の右側のチャンネルでは正の時間微分データが出力され、かつ、手が移動してきた左側のチャンネルでは負の時間微分データが出力される。このため、この期間では、重心位置Ｍｍは左側の位置を示し、重心位置Ｍｐは右側の位置を示している。時間２７では、重心位置Ｍｍが位置０付近に至っており、手がモジュール２０の左端まで達したことを示している。また、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、手の移動が始まる前にモジュール２０に手が最も接近した時間１０で最小値となり、時間２３付近で正負が反転し、その後も増加している。

時間２８以降は、ユーザがモジュール２０から手を離していく期間であって、手の横への移動がなくなっているため重心位置Ｍｍはほぼゼロとなっている。また、重心位置Ｍｐは、モジュール２０から離れるときに手の中心が位置していた位置１０付近の値となっている。総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、手が離れるにつれて時間微分データが小さくなるため、時間３７付近を最大値として徐々に小さくなっている。

以上のように、左ホバー動作を行った場合は、所定値以上の経過時間に渡って総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が増加して、その過程で負から正へ反転（ゼロクロス）しており、かつ、この過程において重心位置Ｍｍが減少（左側へ移動）し、Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第２設定値よりも大きくなっている。ここで、第２設定値は負の値であり、上記第１設定値と絶対値が同じである。

ユーザが上下にホバー動作を行った場合の総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）、及び、重心位置Ｍｍ、Ｍｐを経過時間に対してプロットすると図１１のようになる。

この場合、検出開始から時間２７までは、モジュール２０上に手が近づいていない状態から、ユーザがモジュール２０の中央右側に手を接近させ終わるまでの期間であって、負の時間微分データのみが出力される。このため、重心位置Ｍｐはゼロである一方で重心位置Ｍｍはモジュール２０の中央右側の位置の値になっている。

時間２８以降は、ユーザがモジュール２０から手を離していく期間である。手がモジュール２０から一定距離以上離れると重心位置Ｍｍはほぼゼロとなる。また、重心位置Ｍｐは、モジュール２０から離れるときに手の中心が位置していた位置１２付近の値となっている。総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、手の移動が始まる前にモジュール２０に手が最も接近した時間２０で最小値となり、時間２８付近で正負が反転し、その後も増加している。総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）は、手が離れるにつれて時間微分データが小さくなるため、時間３８付近を最大値として徐々に小さくなっている。

以上のように、上下ホバー動作を行った場合は、所定値以上の経過時間に渡って総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が増加して、その過程で負から正へ反転（ゼロクロス）しており、かつ、Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値の絶対値が第１設定値よりも小さくなっている。

次に、判別データ生成部５２が算出したデータ（ステップＳ４）を用いてホバー動作有無判別部５３及びホバー動作方向判別部５４がホバー動作の有無及びホバー動作方向を判別する（ステップＳ５〜Ｓ１１）。

まず、ホバー動作有無判別部５３は、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）の正負が反転したか否かを判定する（ステップＳ５）。正負の反転がなかった場合（ステップＳ５でＮＯ）、ホバー動作有無判別部５３は、ホバー動作はなかったと判別してリジェクトする（ステップＳ１１）。

総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）の正負が反転していた場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、ホバー動作有無判別部５３は、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が最小値となった時間から、正負が反転した時間までの経過時間が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。この経過時間が所定値未満であった場合（ステップＳ６でＮＯ）、ホバー動作有無判別部５３は、ホバー動作はなかったと判別してリジェクトする（ステップＳ１１）。

一方、経過時間が所定値以上であった場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、ホバー動作方向判別部５４は、総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）の正負が反転したときの重心位置Ｍｍの値Ｍｍ（＠Σｚｘ）から総和Σ（ｄａｔａ＿Ｉ）が最小となったときの重心位置Ｍｍの値Ｍｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第１設定値より大きいか否かを判定する（ステップＳ７）。Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第１設定値より大きい場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、ホバー動作方向判別部５４は、右ホバー動作が行われたと判別する（ステップＳ８）。

これに対して、Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第１設定値未満であった場合（ステップＳ７でＮＯ）、ホバー動作方向判別部５４は、Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第２設定値より小さいか否かを判定する（ステップＳ９）。Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第２設定値より小さい場合（ステップＳ９でＹＥＳ）、ホバー動作方向判別部５４は、左ホバー動作が行われたと判別する（ステップＳ１０）。一方、Ｍｍ（＠Σｚｘ）からＭｍ（＠Σｍｉｎ）を引いた値が第２設定値以上であった場合（ステップＳ９でＮＯ）、ホバー動作方向判別部５４は、左ホバー動作はなかったと判別してリジェクトする（ステップＳ１１）。
以上の実施形態によれば、次の効果を奏する。

（１）静電容量データを時間微分した静電容量の変化率を用いることにより、測定環境や検出電極の測定精度のばらつき等による初期のベースラインのばらつきをキャンセルできる。また、時間微分データの総和を用いることで、ノイズの影響を抑えながら、ホバー動作の有無の検出を精度よく安定して行える。

（２）正または負のいずれかの重心位置データを用いることによって、ホバー動作の方向を検出することができる。さらに、ユーザの手に対するセンサーの反応方向、すなわち検出電極から出力される信号が正か負か、に合わせて正または負のいずれかの重心位置データを用いることで、手の初期の動きを捉えることができ、短時間で判別できる。

（３）時間微分データの総和のゼロクロスの時点でホバー動作の有無を判別することで、ノイズの影響を抑えた精度の高い判別ができる。

（４）重心位置の時間変化より、ホバー動作の方向を判別することで、ノイズの影響を抑えた精度の高い判別ができる。

（５）重心位置を算出する基準の時間を固定値ではなく、ゼロクロスの時間を基準とすることによって、ノイズやホバー動作の速度にあまり影響されずにホバー動作の方向を検出できる。

ここで、変形例について説明する。
以上の実施形態においては、時間微分データが負であるチャンネルに対応する複数の検出電極２１の位置で定まる第１領域の重心位置Ｍｍを用いてホバー動作について判別する例を示したが、時間微分データが正であるチャンネルに対応する複数の検出電極２１の位置で定まる第２領域の重心位置Ｍｐを用いて、同様の考え方に基づいてホバー動作についての判別を行っても良い。さらに、重心位置Ｍｍと重心位置Ｍｐの両方を用いて判別を行っても良い。

また、上述の実施形態では、相互容量を検出し、このデータに基づいてホバー動作の判別を行っていたが、これに代えて、自己容量を検出して、このデータに基づいて判別を行ってもよい。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る静電入力装置は、ユーザが電極に手を接触させずにホバー動作をする場合にも精度良くホバー動作の有無や方向の検出を行うことができる点で有用である。

１０静電入力装置
２０、１２０、２２０モジュール
２１、１２１、２２１検出電極
２２、１２２駆動電極
２３、１２３、２２３基板
３０マルチプレクサ
４０静電容量算出部
５０演算部
５１微分処理部
５２判別データ生成部
５３ホバー動作有無判別部
５４ホバー動作方向判別部

Claims

ユーザの動作を検出する静電入力装置であって、
複数の検出電極からなる電極マトリクスにより感知される、前記ユーザの動作に基づく複数の応答信号を、前記検出電極の位置に対応するチャンネルごとに連続的に出力する感知部と、
前記応答信号に基づいて算出される静電容量データをチャンネル毎に連続的に出力する静電容量算出部と、
前記静電容量算出部から出力された前記静電容量データを時間微分し、チャンネル毎の時間微分データを作成する微分処理部と、
前記時間微分データの総和を算出する判別データ生成部と、
前記判別データ生成部が算出した前記時間微分データの総和にもとづいて、前記ユーザによるホバー動作の有無を判別する判別部と、を有し、
前記判別データ生成部は、前記時間微分データが負であるチャンネルに対応する複数の検出電極の位置で定まる第１領域の重心位置と、前記時間微分データが正であるチャンネルに対応する複数の検出電極の位置で定まる第２領域の重心位置との少なくとも一方を算出し、
前記判別部は、前記判別データ生成部が算出した前記重心位置に基づいて前記ユーザによる前記ホバー動作の方向を判別することを特徴とする静電入力装置。
前記判別部は、前記時間微分データの総和の時間変化において閾値を越えた時に、前記ホバー動作が行われたと判別することを特徴とする請求項１記載の静電入力装置。
前記判別部は、前記時間微分データの総和の時間変化において、前記時間微分データの総和の正負が反転した時の前記第１領域の重心位置と、前記時間微分データの総和が最小となる時の前記第１領域の重心位置との差に基づいて、前記ホバー動作が上下左右のいずれの方向であるかを判別することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電入力装置。
前記判別部は、前記時間微分データの総和の時間変化において、前記時間微分データの総和の正負が反転した時の前記第２領域の重心位置と、前記時間微分データの総和が最大となる時の前記第２領域の重心位置との差に基づいて、前記ホバー動作が上下左右のいずれの方向であるかを判別することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の静電入力装置。