JP7358018B2 - 近接検知装置 - Google Patents

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Description

本発明は、物体の近接の有無を検知する近接検知装置に関し、特に、タッチパネル式ディスプレイ等の電子機器に取り付けられた近接検知装置に関する。
近年、タッチパネル式ディスプレイを用いた入力やジェスチャー入力等の実用化に伴い車載ディスプレイへの近接検知装置の搭載が増加している。近接検知装置は、例えば、赤外光を発光する赤外LEDとフォトダイオード等の受光素子とを用い、赤外光で物体を照射し、その反射光を受光することで物体の近接を検知する。例えば、特許文献1の電子機器は、ディスプレイの下部に4つの赤外LEDと1つの受光素子を配置したり、あるいはディスプレイの上部に2つの赤外LEDと1つの受光素子を配置し、下部に2つの赤外LEDと1つの受光素子を配置した近接センサを開示している。また、特許文献2、3の表示装置は、ディスプレイの下部に近接センサを設け、近接センサによりユーザーの手の接近が検知されたとき、ディスプレイの画面の発光輝度または表示画面の内容を変更することで視認性の向上を図っている。
特開2013-218549号公報 特開2010-191288号公報 特開2009-216888号公報
図1に、従来の近接検知装置の一例を示す。同図に示すように、タッチパネル式ディスプレイ1の下部には、赤外線を発光する4つのLED1、LED2、LED3、LED4と受光素子PDとを収容する収容部材2が設けられる。LED1~LED4は、水平方向にほぼ等間隔で配置され、その中央付近に受光素子PDが配置される。
図1(B)に示すように、ディスプレイ1にユーザーの操作対象4が接近すると、LED2からの照射光3により操作対象4で反射された反射光が受光素子PDで受光され、操作対象4の接近が検知される。図2(A)に示すように、LED1~4および受光素子PDをディスプレイ1の下部の収容部材2に配置し、ディスプレイ1の前面に検知領域5を形成するため、LED1~LED4の照射方向つまり光軸Oを、ディスプレイ1の表面から徐々に離れる斜め方向にしなければならない。
このような近接検知機能を備えたディスプレイ1は、一般には車内のセンタコンソールに搭載されるが、ディスプレイの運転席に近い領域では、運転者のステアリングやレバーへの操作を誤って検知しないように、検知距離を短くする調整が必要となることがある。図2(B)は、誤検知防止の目的で検知距離を短くするために、LEDの赤外光の出力を弱めた例を示している。赤外光は斜め方向に照射されているため、奥行方向の照射距離を短くすると同時に、高さ方向の照射距離も短くなり、結果としてディスプレイ上部まで光が届かなくなることで検知することができない検知不可領域(ブラインドスポット)6が発生する。なお、検知距離を短くする(つまり検知能力を弱める)には、LEDの赤外光の出力を弱める他に、受光素子PDの検知のスレッショルドを上げる方法もあるが、原理的には同じこととなる。
図3(A)は、LED1~LED4の検知距離を短くした場合に、ディスプレイ1の表示画面の上部において検知することができないブラインドスポット(検知不可領域6)が生じることを模式的に示した図である。また、図3(B)では、運転席側のLED1、LED2のみの検知距離を短くして(図は左ハンドル車の例)、助手席側に向かって徐々に検知距離を延ばすような設定を行った場合に、運転席側のディスプレイ1の上部において検知不可領域6が生じることを模式的に示した図である。
このような検知不可領域6が生じてしまうと、例えば、その領域6に表示されたアイコンを操作するためにユーザーが手を接近させてもこれが検知されず、ユーザー操作を入力することができないという不都合が生じる。
本発明は、上記従来の課題を解決し、検知不可領域を解消することが可能な近接検知装置を提供することを目的とする。
本発明に係る近接検知装置は、発光素子と当該発光素子からの照射光が物体で反射された反射光を受光する受光素子とを用いて物体の近接を検知するものであって、発光素子から照射される照射光の一部を、発光素子からの照射光が十分に届かない領域に向けて反射させるように、発光素子の近傍に取り付けられた第1の反射部材と、発光素子からの反射光を広範囲で受光できるように、受光素子の近傍に取り付けられた第2の反射部材とを含む。
ある実施態様では、前記発光素子は、LEDであり、前記第1の反射部材は、前記発光素子の光軸から一定の角度以内の照射光であって第1の反射部材に向けられた一部の照射光が反射されるように取り付けられる。ある実施態様では、前記第2の反射部材は、前記受光素子の光軸から一定の角度以内の反射光であって第2の反射部材に向けられた一部の反射光が受光されるように取り付けられる。ある実施態様では、前記発光素子および前記受光素子は、電子機器の周辺に一体に取り付けられる。ある実施態様では、前記電子機器は、車載ディスプレイ装置である。ある実施態様では、前記発光素子は、電子機器の近傍に複数取り付けられ、複数の発光素子の各光軸は、前記電子機器に対し斜め方向であり、電子機器の運転席側の発光素子による検知距離は、助手席側の発光素子による検知距離よりも短く、少なくとも運転席側の発光素子の近傍に第1の反射部材が取り付けられる。ある実施態様では、前記発光素子および前記受光素子は、電子機器の下部に取り付けられ、前記発光素子は、前記電子機器の上方に向けて照射し、前記第1の反射部材は、前記発光素子の照射光の一部を上方に向けて反射する。ある実施態様では、前記発光素子が電子機器の下部に左右方向に複数配置された場合、前記発光素子の少なくとも1つの下部に制限された幅の第1の反射部材がそれぞれ取り付けられる。ある実施態様では、前記発光素子および前記受光素子は、電子機器の左右にそれぞれ取り付けられ、左右のうち少なくとも一方の発光素子と受光素子のそれぞれの近傍に前記第1および第2の反射部材が取り付けられる。ある実施態様では、近接検知装置はさらに、発光素子および受光素子を収容するための収容部材を含み、当該収容部材には、前記発光素子と前記第1の反射部材とを収容するための第1の空間と、前記受光素子と前記第2の反射部材とを収容するための第2の空間とが形成され、第1の空間の第1の面に前記発光素子が取り付けられ、当該第1の面と一定の角度を成す第2の面に前記第1の反射部材が取り付けられ、第2の空間の第3の面に前記受光素子が取り付けられ、当該第3の面と一定の角度を成す第4の面に前記第2の反射部材が取り付けられる。ある実施態様では、前記第2の面と前記第4の面とが略等しい高さにあり、前記発光素子の光軸と前記受光素子の光軸の高さの略等しいとき、第1の反射部材は、第2の反射部材よりも高い位置に取り付けられる。
本発明によれば、発光素子からの照射光が十分に届かない領域に向けて照射光の一部を反射する第1の反射部材を設けたことにより低コストで検知不可領域を解消することができる。さらに発光素子からの反射光を広範囲で受光できるように第2の反射部材を設けたことにより低コストで検知不可領域を解消することができる。
従来の近接検知装置の一例を示し、図1(A)は、ディスプレイの正面図、図1(B)は、操作対象の検知例を示す図である。 図2(A)は、従来の近接検知装置の検知領域を説明する図であり、図2(B)は、検知距離を短くした場合の検知不可領域の発生を説明する図である。 図3(A)は、全体の検知距離を短くした場合の検知不可領域の発生を模式的に示す図、図3(B)は、運転席側の検知距離を短くした場合の検知不可領域の発生を模式的に示す図である。 本発明の実施例に係る近接検知装置の発光部の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施例によるLEDのミラーの役割を説明する図であり、図5(A)は、ミラーが搭載されていない場合、図5(B)は、ミラーが搭載している場合、図5(C)は、ミラーの搭載位置を持ち上げた場合の照射例を示している。 図6(A)は、LEDの配光特性を例示し、図6(B)は、正面から見たLEDとミラーとの位置関係を説明する図である。 本発明の実施例に係る近接検知装置の受光部の構成を示す概略断面図である。 図8(A)は、受光素子の受光特性を例示し、図8(B)は、正面から見た受光素子とミラーとの位置関係を説明する図である。 図9(A)は、LEDの直下とLED間の位置で検知感度が異なることを説明する図であり、図9(B)は、LED間の位置で検知感度を補償する方法を説明する図である。 本発明の実施例に係る近接検知装置の効果を説明する図である。 本発明の他の実施例に係る近接検知装置を示す説明する図である。
次に、本発明の実施例の形態について説明する。1つの態様では、本発明の近接検知装置は、発光素子と、当該発光素子からの光によって照射された物体からの反射光を受光する受光素子とを含み、物体の近接の有無を光学的に検知する。発光素子は、例えば、指向性のある発光ダイオードやレーザーダイオードなどであり、受光素子は、フォトダイオードやフォトトランジスタなどである。1つまたは複数の発光素子と1つまたは複数の受光素子が電子機器等の周辺に一体に取り付けられ、電子機器へのユーザーの操作対象の近接が検知される。電子機器は、ユーザーの操作対象の近接が検知されたとき、これに応じた動作を行う。近接検知装置が取り付けられる電子機器は特に限定されないが、例えば、ユーザーの操作対象の近接をユーザー入力とするようなディスプレイ等の電子装置である。
次に、本発明の実施例に係る近接検知装置ついて説明する。本実施例の近接検知装置は、タッチパネル式ディスプレイの下部に赤外光を発光するLEDと赤外光を受光する受光素子とを配置して構成される。タッチパネル式ディスプレイは、ユーザーの操作対象(例えば、指など)の近接を検知し、この検知に応じた表示制御(例えば、メニュー画面の表示や次の画面の表示など)を行う。
車内のセンターコンソールにタッチパネル式ディスプレイが搭載されたとき、運転者による運転操作の誤検知防止の目的のために、運転席側の検知距離を短くすることが要求されることがある。検知距離を短くすると、図2(B)や図3に示したように、ディスプレイ上部に検知不可領域(ブラインドスポット)が発生してしまう。本実施例では、このような検知不可領域の発生を抑制するため、LEDの前面下側にミラーを配置し、LEDから照射される光の一部をディスプレイ上部の検知不可領域となり得る領域に反射させ、同時に受光素子の前面下側にもミラーを配置し、ユーザーの操作対象からの反射光を広範囲でより有効に受光できるようにする。
図4は、本実施例のLEDを含む発光部の概略断面図を示す。図4(A)に示すように、ディスプレイ1の下部に一体に取り付けられる収容部材2には、LED等を収容するための凹部20が形成される。凹部20は、例えば矩形状であり、底面22と、底面22に隣接する側面24と、側面24に隣接する上面26とを有する。側面24には、図示しない回路基板等を介してLEDが取り付けられる。LEDは、凹部20の開放された面から赤外光Lを照射する。なお、ここでは説明を分かり易くするため、LEDの光軸Oを水平に示しているが、実際には、図2(A)に示すように、光軸Oがディスプレイの平坦な面(表示画面)に対して斜め方向に設定され、ディスプレイの表示画面の前方に検知領域が形成されることに留意すべきである。また、凹部20の開放された面は、赤外光を透過するカバーによって覆われる。
凹部20の底面22には、LEDの照射光Lの一部を反射するためのミラー100が取り付けられる。ミラー100は、例えば、平板ミラーである。ミラー100は、LEDの前面下側に位置し、LEDから下方に向けて照射された光の一部を上方に向けて反射することで反射光L1を生成する。反射光L1は、検知距離を短くしたことでLEDの照射光が十分に届かないディスプレイ上部を照射し、検知不可領域の発生を抑制する。ミラー100は、反射光L1が検知不可領域となり得るような領域を十分に照射するように、その大きさや位置が適切に調整される。
図4(B)は、ミラー100の搭載位置を光軸Oに向けて一段高くした例を示している。底面22には、一定の高さを有するオフセット部材102が取り付けられ、その上にミラー100が取り付けられる。但し、オフセット部材102は必須ではなく、ミラー100がオフセット部材102の厚さを含む厚さとしてもよい。ミラー100を光軸Oに近づけることで、ミラー100は、光軸Oの近傍の強い光を反射させ、ブラインドスポットへの照射光L2を強めることができる。
図5(A)は、ミラーを搭載していないLEDの照射例であり、LEDからの直接光だけではディスプレイ1の上部への照射が不十分であることを示している。図5(B)は、図4(A)に示すようにミラー100を搭載したときのLEDの照射例であり、ミラー100の反射光L1によりディスプレイ1の上部が照射されていることを示している。図5(C)は、図4(B)に示すようにミラー100の位置を光軸方向に持ち上げたときの照射例であり、ミラー100の反射光L2によりディスプレイ1の上部を操作するユーザー操作対象4の先端部分にまで照射されていることを示している。このようにミラー100は、照射光が不十分な領域の検知感度を改善し、他方、ディスプレイ1の中央や下部の必要な検知範囲の検知感度の劣化を生じさせない。
図6(A)に、LEDの配光特性の例を示す。一般にLEDの配光特性は、光軸方向(0°)が最も強く、光軸から遠ざかると弱くなる。照射強度が光軸方向の半分となる角度を半値角という。本実施例では、半値角が10°~30°のLEDを用い、ミラー100によって半値角内の比較的強い照射光を反射させる。
図6(B)は、正面方向から見たLEDとミラー100との相対的な位置関係を例示している。Waはミラー100の幅、HaはLEDの光軸Oとミラー100の表面までの距離、L3は、LEDの半値角の照射光である。幅Waおよび距離Haを調整することで、ミラー100は、LEDの半値角内の強い照射光を反射させ、その反射光L3をブラインドスポットとなり得るような照射が不十分な領域に向けて照射させることで照射を高めることができる。ミラー100の距離Haは、図4(B)に示すようにオフセット部材102を用いることで調整が可能である。
図7は、本実施例の受光素子を含む受光部の概略断面図を示す。同図に示すように、収容部材2には、発光素子のときと同様の凹部20が形成され、側面24には、回路基板等を介して受光素子PDが取り付けられ、底面22にはミラー110が取り付けられる。受光素子PDは、凹部20の開放された面(または透過カバー)を介して、ユーザーの操作対象4で反射された反射光Rを受光する。また、ミラー110は、受光素子PDの前面下側に位置し、受光素子PDに広範囲の光が受光されるようにする。例えば、反射光R1は、ミラー110によって受光素子PDに反射される光であり、ミラー110がなければ受光素子PDに受光されない反射光を示している。なお、ここでも説明を分かり易くするため、受光素子PDの光軸Oを水平に示しているが、実際には、光軸Oは、LEDの光軸と同様にディスプレイの平坦な面(表示画面)に対して斜め方向に設定されることに留意すべきである。
図8(A)に、受光素子PDの受光特性の例を示す。一般に受光素子PDの受光特性の半値角は、LEDと比較して広いため、ミラー110の位置を高くする必要はなく、むしろ広範囲の反射光を受光できるよう、低い位置に広い反射面を持つミラーを配することが効果的となる。
図8(B)は、正面方向から見た受光素子PDとミラー110との相対的な位置関係を例示している。Wbはミラー110の幅、Hbは受光素子PDの光軸Oとミラー110の表面までの距離、R2は、受光素子PDの半値角の反射光である。幅Wbおよび距離Hbを調整することで、ミラー110は、受光素子PDの半値角内の強い反射光を受光させ、ブラインドスポットとなり得る領域からの反射光も効果的に受光することができる。仮に、LEDを収容する凹部の底面と受光素子PDを収容する凹部の底面とが同一の高さであるならば、ミラー110の距離Hbは、ミラー110の距離Haよりも大きい。但し、発光素子と受光素子の底面の高さを同一にする構成は一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。
また、LEDの配光特性により、LED直下での検知感度が高く、LEDとLEDとの隙間の位置では、照射強度が弱まることで検知感度が低くなる。この様子を図9(A)に示す。LED1、LED2、LED3の光軸近傍では、照射が強く、検知距離Daまで検知感度が良好(○)であるが、LEDの間の位置では、照射が弱く、検知距離Db(Db<Da)まで検知感度が良好であるが、それを超えると検知感度が低くなる(X)。例えば、ユーザーの操作対象4を矢印Sに沿ってスワイプさせたとき、検知が不安定になるおそれがある。
このような配光特性の不均一性は、特にLEDからの距離が短い検知範囲の下部(ディスプレイの下部)で顕著である。そこで、本実施例では、検知距離Da、Dbの不均一性を補償するために、LEDに対して配置するミラー100の幅Waを狭くし、ミラー100の左右から下部への光が抜けるようにする。これにより、LED直下方向ではミラー100によって検知用の照射光が減少する一方で、ミラー100の左右から抜ける光により、図9(B)に示すように検知距離Da’(Da’は、Daよりも幾分短くなる:Da’<Da)と検知距離Dcとの差が小さくなり(検知距離が均等化され)、LEDの隙間の検知感度が補償される。
図10(A)、(B)は、本実施例の近接検知装置の効果を説明する図であり、図3(A)、(B)にそれぞれ対応する。図3(A)で説明したように、誤検知防止の目的でLED1~LED4の検知距離を短くするとディスプレイ1の上部に検知不可領域6が生じる。本実施例では、図10(A)に示すように、LED1~LED4に搭載されたミラー100により検知不可領域6となり得るディスプレイ1の上部を照射し、かつ受光素子PDに搭載されたミラー110により広範囲の操作対象からの反射光を受光するようにしたため、検知不可領域6を解消することができる。
また、図3(B)で説明したように、運転席側のLED1、LED2の検知距離を短くすることでディスプレイ1の運転席側の上部に検知不可領域6が生じる。本実施例では、図10(B)に示すように、少なくともLED1に搭載されたミラー100により検知不可領域6となり得るディスプレイ1の運転席側の上部を照射し、かつ受光素子PDに搭載されたミラー110により広範囲の操作対象からの反射光を受光するようにしたため、検知不可領域6を解消することができる。
通常、検知不可領域すなわちブラインドスポットを解消するには、それを検知するための光学系及び処理用ICが必要になるが、本実施例では、これと同程度の性能を安価なミラーを用いることで簡単にかつ低コストで実現することができる。
次に、本発明の他の実施例について説明する。前述の実施例では、発光部および受光部をディスプレイ1の下部に配置していたが、近接検知用の発光部および受光部の取り付け位置は、車体を含んだデザイン要件により制約され、必ずしもディスプレイ下部に配置できるとは限らない。本実施例では、図11(A)に示すように、ディスプレイ1の左右に収容部材2がそれぞれ取り付けられ、そこに発光部(LEDとミラー)および受光部(受光素子とミラー)が取り付けられる。
このような構成において、運転席側の検知距離を短くしようとする場合、図11(B)に示すように、運転席側(この例は左ハンドル車を想定)のLEDの検知距離を弱める(照射光を弱める)ことになるが、本例においてもLEDからの照射光は斜め方向に照射されるため、奥行方向の照射距離が短くなると同時に水平方向の照射距離も短くなる。その結果、ディスプレイ1の中央付近に検知不可領域(ブラインドスポット)6が発生する。
本実施例においても、LEDの前面下側には、図4(A)または(B)に示すようにミラー100を配置することで、検知不可領域となり得るディスプレイ1の中央付近をミラー100の反射光7で照射する。これにより、ディスプレイ1の中央付近の検知感度が改善され、検知不可領域を解消することができる。本実施例では、運転席側に配置されたLEDと受光素子のそれぞれにミラー100、110と適用すれば良く、助手席側のLEDおよび受光素子にはミラーを搭載する必要はない。
上記実施例では、ディスプレイの下部に4つのLEDと1つの受光素子を配置したが、本発明は、このような構成に限定されるものではない。すなわち、LEDの数や受光素子の数は任意であり、かつLEDや受光素子を配置する位置は任意である。また、上記実施例では、近接検知装置をディスプレイに取り付ける例を示したが、本発明の近接検知装置は、ディスプレイ以外の電子機器に取り付けるものであってもよい。さらに上記実施例では、収容部材の凹部内にLEDおよび受光素子を取り付ける例を示したが、これは一例であり、LEDおよび受光素子の取り付け方法は任意である。また、凹部の形状は、底面、側面および上面が直交する矩形状に限定されず、それらの面が任意の角度で交差する形状であってもよいし、さらには矩形状以外の形状であってもよい。さらに上記実施例では、ミラー100、110として平板ミラーを例示したが、LEDの照射光を集光または拡散させたても同等の効果を得ることができるのであれば、凹面ミラーまたは凸面ミラーであってもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。
1:ディスプレイ
2:収容部材
3:LED照射光
4:操作対象
5:検知領域
6:検知不可領域
100:ミラー
102:高さ調整部材(オフセット部材)
110:ミラー

Claims (13)

  1. 発光素子と当該発光素子からの照射光が物体で反射された反射光を受光する受光素子とを用いて車載用ディスプレイ装置への物体の近接を検知する近接検知装置であって、
    発光素子から照射される照射光の一部を、発光素子からの照射光が十分に届かない領域に向けて反射させるように、発光素子の近傍に取り付けられた第1の反射部材を含み、
    前記発光素子は、前記車載用ディスプレイ装置の近傍に複数取り付けられ、複数の発光素子の各光軸は、前記車載用ディスプレイ装置の表示面に対し斜め方向であり、
    運転席側の発光素子による検知距離は、助手席側の発光素子による検知距離よりも短く、少なくとも運転席側の発光素子の近傍に第1の反射部材が取り付けられる、近接検知装置。
  2. 近接検知装置はさらに、発光素子からの反射光を広範囲で受光できるように、受光素子の近傍に取り付けられた第2の反射部材を含む、請求項1に記載の近接検知装置。
  3. 前記発光素子は、LEDであり、前記第1の反射部材は、前記発光素子の光軸から一定の角度以内の照射光であって第1の反射部材に向けられた一部の照射光が反射されるように取り付けられる、請求項1に記載の近接検知装置。
  4. 前記一定の角度は、半値角である、請求項に記載の近接検知装置。
  5. 前記第2の反射部材は、前記受光素子の光軸から一定の角度以内の反射光であって第2の反射部材に向けられた一部の反射光が受光されるように取り付けられる、請求項に記載の近接検知装置。
  6. 前記一定の角度は、半値角である、請求項に記載の近接検知装置。
  7. 前記発光素子および前記受光素子は、前記車載用ディスプレイ装置の周辺に一体に取り付けられる、請求項1ないし3いずれか1つに記載の近接検知装置。
  8. 前記第2の反射部材は、少なくとも運転席側の受光素子の近傍に取り付けられる、請求項2に記載の近接検知装置。
  9. 前記発光素子および前記受光素子は、前記車載用ディスプレイ装置の下部に取り付けられ、前記発光素子は、前記車載用ディスプレイ装置の上方に向けて照射し、前記第1の反射部材は、前記発光素子の照射光の一部を上方に向けて反射する、請求項に記載の近接検知装置。
  10. 前記発光素子が前記車載用ディスプレイ装置の下部に左右方向に複数配置された場合、前記発光素子の少なくとも1つの下部に制限された幅の第1の反射部材がそれぞれ取り付けられる、請求項9に記載の近接検知装置。
  11. 前記発光素子および前記受光素子は、前記車載用ディスプレイ装置の左右にそれぞれ取り付けられ、前記発光素子は、前記車載用ディスプレイ装置の下方に向けて照射し、前記第1の反射部材は、前記発光素子の照射光の一部を下方に向けて反射する、請求項8に記載の近接検知装置。
  12. 近接検知装置はさらに、発光素子および受光素子を収容するための収容部材を含み、当該収容部材には、前記発光素子と前記第1の反射部材とを収容するための第1の空間と、前記受光素子と前記第2の反射部材とを収容するための第2の空間とが形成され、
    第1の空間の第1の面に前記発光素子が取り付けられ、当該第1の面と一定の角度を成す第2の面に前記第1の反射部材が取り付けられ、
    第2の空間の第3の面に前記受光素子が取り付けられ、当該第3の面と一定の角度を成す第4の面に前記第2の反射部材が取り付けられる、請求項に記載の近接検知装置。
  13. 前記第2の面と前記第4の面とが略等しい高さにあり、前記発光素子の光軸と前記受光素子の光軸の高さの略等しいとき、第1の反射部材は、第2の反射部材よりも高い位置に取り付けられる、請求項12に記載の近接検知装置。
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