JP7413480B1 - フィルム型力覚センサーを用いた入力装置及びその荷重検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 更新されたベースライン値を適切なタイミングで取得することができ、それによって正確な荷重検出を行なうことのできる、フィルム型力覚センサーを用いた入力装置及びその荷重検出方法を提供する。【解決手段】 本発明の入力装置は、フィルム型力覚センサーと制御回路とを備えている。制御回路は、測定データ取得部、移動平均データ算出部、荷重データ算出部、荷重データ補正部、標準偏差値算出部、判定部及びベースライン更新部、記憶部を備えている。判定部は、標準偏差値が閾値以下の場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定する。ベースライン更新部は、荷重データの荷重なし判定時の値にベースライン値を置き換えることにより、ベースライン値を更新する。【選択図】 図４

Description

本発明は、正確な荷重検出を行なうことのできる、フィルム型力覚センサーを用いた入力装置及びその荷重検出方法に関する。

近年、ジョイスティック、十字キー、マウスやタッチパネルでは実現できない新しいアイデアをユーザーインタフェース（ＵＩ）の開発現場に提供するものとして、フィルム型３軸力覚センサーが知られている。
フィルム型３軸力覚センサーは、３軸（ＸＹＺ軸）方向の力を接触点で測定することで、押す力（圧力）や滑りかけの状態、滑っている状態などを検知することができ、ねじる、回す、ずらすなど、従来のコントローラーでは制御できなかった動作を指１点で入力することが可能である。ｏｎ／ｏｆｆ判定にとどまらない力量（ボリューム）測定が可能なので、スピードや移動量などのコントロールにも対応できる。ジョイスティックや十字キーに比べて、ほんのわずかの指の動きで方向と移動量を同時に入力することができる。また、薄くて軽いフィルム型のセンサーなので、曲面にも実装できる。なお、３軸方向の力をすべて測定しなくてもよく、例えば、ＸＹ軸方向の力だけを測定するセンサーもあり得る。

上記したようなフィルム型力覚センサーとしては、空気層又は弾性層を間に挟んで上部電極と下部電極とを対向する形で配置し、力（以下、荷重に統一）を加えたときに電極間の距離が変動することによって発生する静電容量値の変化を利用して、加えられた荷重の値を算出する静電容量方式のものが挙げられる（特許文献１，２参照）。

ところで、この静電容量方式のフィルム型力覚センサー２を用いた荷重検出を行なう際には、測定した静電容量変化量に基づく荷重算定値（図６に示す例では、Ｚ軸方向について算定された値Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）からベースライン値（図６に示す例ではＦ_ｚ ^ＢＬとして太い破線で描かれた部分）を引き算して補正する必要がある（図５参照）。ここで、ベースライン値とは、フィルム型力覚センサーに荷重を加えていない状態で算出される荷重データである。
しかしながら、静電容量方式のフィルム型力覚センサー２を用いた荷重検出は、復元性の影響を受けるという問題を有する。すなわち、荷重を加えてフィルム型力覚センサー２を変形した後（図７参照）に荷重を開放したときに、フィルム型力覚センサーが変形したまで直ぐには荷重を加える前の形状に戻らず、無荷重状態でも静電容量変化量が当初より増加してしまう。その結果、静電容量変化量から算出される荷重算定値も、無荷重状態でベースライン値まで戻りきらないのである（図６中右側の黒い矢印部分）。
したがって、復元性の影響を受けて無荷重状態の静電容量変化量がその時々で遷移するため、その遷移に合わせてベースライン値も更新を行なう必要がある。

国際公開第２０２０／０５９７６６号 特開２０１７－１５６１２６号公報

しかし、この更新すべきベースライン値の取得は、フィルム型力覚センサーに荷重を加えていないときに算出される荷重算定値（図８に示す例では、Ｚ軸方向について算定された値Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）のデータに基づいて行われるが、荷重算定値が再び急激に減少した部分（図８に示す破線で囲まれた部分）の荷重データがこのフィルム型力覚センサーに荷重が加わっているのか、それとも復元性の影響を受けているのかを荷重データから正解に判断することは困難であった。つまり、ベースライン値の更新が容易でない。

したがって、本発明は、上記の課題を解決し、更新されたベースライン値を適切なタイミングで取得することができ、それによって正確な荷重検出を行なうことのできる、フィルム型力覚センサーを用いた入力装置及びその荷重検出方法を提供することを目的とする。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る入力装置は、フィルム型力覚センサーと制御回路とを備えている。フィルム型力覚センサーは、筐体の表面に配置され、指で加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するものである。制御回路は、フィルム型力覚センサーと電気的に接続され、筐体の内部に収納されている。
このような入力装置の制御回路は、測定データ取得部、移動平均データ算出部、荷重データ算出部、荷重データ補正部、標準偏差値算出部、判定部及びベースライン更新部、記憶部を備えている。
測定データ取得部は、フィルム型力覚センサーにて検出された静電容量変化量の時系列からなる測定データを取得するものである。移動平均データ算出部は、測定データの微小変動を任意の項数で平滑化して移動平均データを算出するものである。荷重データ算出部は、移動平均データの各値にフィルム型力覚センサーの感度を示す任意の係数を掛け合わせて荷重データを算出するものである。荷重データ補正部は、荷重データの各値からベースライン値を引き算して荷重データを補正するものである。標準偏差値算出部は、荷重データの各時刻について、当該時刻から任意の範囲の時間における標準偏差値を算出するものである。判定部は、標準偏差値が任意の閾値よりも大きい場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重ありと判定し、標準偏差値が閾値以下の場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定するものである。ベースライン更新部は、荷重なしと判定された場合、荷重データの荷重なし判定時の値にベースライン値を置き換えることにより、ベースライン値を更新するものである。記憶部は、取得、算出、更新、補正した各値を記憶するものである。

上記の入力装置において、ベースライン更新部が、荷重なしと判定されてから再び荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度、ベースライン値を更新するものであってもよい。

上記の入力装置において、ベースライン更新部が、測定データの取得開始後から一定時間置きに、荷重データの荷重なし判定時の最新値に、ベースライン値を更新するものであってもよい。

上記の入力装置において、フィルム型力覚センサーが、ＸＹＺの３軸に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型３軸力覚センサーであってもよい。

本発明の一見地に係る入力装置の荷重検出方法は、フィルム型力覚センサーと制御回路とを備えた入力装置の荷重検出方法である。フィルム型力覚センサーは、筐体の表面に配置され、指で加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するものである。制御回路は、フィルム型力覚センサーと電気的に接続され、筐体内部に収納されている。
このような入力装置の荷重検出方法は、測定データ取得ステップ、移動平均データ算出ステップ、荷重データ算出ステップ、荷重データ補正ステップ、標準偏差値算出ステップ、判定ステップ及びベースライン更新ステップ、記憶ステップを含んでいる。
測定データ取得ステップでは、フィルム型力覚センサーにて検出された静電容量変化量の時系列からなる測定データを取得する。移動平均データ算出ステップでは、測定データの微小変動を任意の項数で平滑化して移動平均データを算出する。荷重データ算出ステップでは、移動平均データの各値にフィルム型力覚センサーの感度を示す任意の係数を掛け合わせて荷重データを算出する。荷重データ補正ステップでは、荷重データの各値からベースライン値を引き算して荷重データを補正する。標準偏差値算出ステップでは、荷重データの各時刻について、当該時刻から任意の範囲の時間における標準偏差値を算出する。判定ステップでは、標準偏差値が任意の閾値よりも大きい場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重ありと判定し、標準偏差値が閾値以下の場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定するも。ベースライン更新ステップでは、荷重なしと判定された場合、荷重データの荷重なし判定時の値にベースライン値を置き換えることにより、ベースライン値を更新する。記憶ステップは、各値を取得、算出、更新、補正したときに各値を記憶する。

上記の入力装置の荷重検出方法において、ベースライン更新ステップで、荷重なしと判定されてから再び荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度、ベースライン値を更新してもよい。

上記の入力装置の荷重検出方法において、ベースライン更新ステップで、測定データの取得開始後から一定時間置きに、荷重データの荷重なし判定時の最新値に、ベースライン値を更新してもよい。

上記の入力装置の荷重検出方法において、フィルム型力覚センサーが、ＸＹＺの３軸に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型３軸力覚センサーであってもよい。

本発明のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置及びその荷重検出方法によれば、更新されたベースライン値を適切なタイミングで取得することができ、それによって正確な荷重検出を行なうことができる。

本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の一例であるコントローラーの模式図である。 本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の構成図である。 本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出方法における、ベースライン値の更新をする場合のＺ軸の荷重算出値（Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）の時系列とベースライン値（Ｆ_ｚ ^ＢＬ）との関係を示すイメージ図である（Ｘ軸、Ｙ軸についても同様）。 本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出過程の一例を示すフローチャートである。 補正済み荷重Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚの算出式である。 ベースライン値の更新をしない場合のＺ軸の荷重算出値（Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）の時系列とベースライン（Ｆ_ｚ ^ＢＬ）との関係を示すイメージ図である（Ｘ軸、Ｙ軸についても同様）。 静電容量方式のフィルム型力覚センサーの原理を示す模式図である。 ベースライン値の更新のタイミングの問題を説明するイメージ図である（Ｘ軸、Ｙ軸についても同様）。 本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の別の構成図である。 本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出過程の別の例を示すフローチャートである。 静電容量方式のフィルム型３軸力覚センサーの構成例を示す模式図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を、図面に基づき説明する。
（１） 入力装置の全体構造
まず、本発明の一実施形態に係る入力装置１の全体構造について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の一例であるコントローラーの模式図である。図２は、本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の構成図である。

入力装置１は、筐体１０、フィルム型力覚センサー２、制御回路３、通信部４及び電池５を備えている（図１及び図２参照）。
フィルム型力覚センサー２は、筐体１０の表面に配置され、指１１で加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するものである
制御回路３は、フィルム型力覚センサー２と電気的に接続され、筐体１０の内部に収納されている。制御回路３は、フィルム型力覚センサー２を制御すると共に， フィルム型力覚センサー２からの検出信号について各種データの取得、算出、更新、補正を行なう。
通信部４は、筐体１０の内部に収容され、制御回路３に電気的に接続されて図示しない外部電子デバイスと通信するように構成されている。
電池５は、筐体１０の内部に収容され、制御回路３に電力を供給している。
以下、上記した各構成の機能は、さらに詳細に説明する。

（２）筐体
筐体１０の材料としては、例えば、ポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＮ樹脂などの汎用樹脂を挙げることができる。また、ポリフェニレンオキシド・ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリカーボネート変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂などの汎用エンジニアリング樹脂やポリスルホン樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリフェニレンオキシド系樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、液晶ポリエステル樹脂、ポリアリル系耐熱樹脂などのスーパーエンジニアリング樹脂を使用することもできる。

（３）フィルム型力覚センサー
フィルム型力覚センサー２としては、一般に静電容量式、圧電式やひずみゲージ式などが知られている。図７に示す本実施形態では、ユーザーの指１１によってＸ軸方向及びＺ軸方向からなる斜め下方向に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するセンサーである。
このフィルム型力覚センサー２は、上部支持体２２上にＹ軸方向に伸びた線状パターンでＸ軸方向に並んで形成された複数の電極２３ａ，２３ｂ，・・・からなる上部電極２３を有する上部電極部材２４と、上部電極部材２４と対向する形で配置され、下部支持体２５上にＹ軸方向に伸びた線状パターンでＸ軸方向に並んで形成された複数の電極２６ａ，２６ｂ，・・・からなる下部電極２６を有する下部電極部材２７と、上部電極部材２４と下部電極部材２７との間に挟まれる空気層又は弾性層２１とを備えている。また、図７に示す例では、上部電極部材２４の上部電極２３を形成した面と下部電極部材２７の下部電極２６が形成した面が対向しており、上部電極部材２４の上部支持体２２が上部電極２３を保護する保護層の役割も兼ねている。

このような構成のフィルム型力覚センサー２は、荷重（Ｘ軸方向及びＺ軸方向の分力はそれぞれＦ_ｘ，Ｆ_ｚ）を加えたときに電極間の距離が変動することによって発生する静電容量値の変化を利用して、加えられた荷重Ｆ_ｘ，Ｆ_ｚの値を算出する。
つまり、上部電極２３がフィルム型力覚センサー２の表面に対して指１１によって斜め下方向に荷重が加わると、弾性層２１が変形し、その荷重の強度に応じて上部電極部材２４の上部電極２３のうちの一つの電極２３ａが水平方向（Ｘ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）に移動し、その斜め下にある下部電極２６のうちの一つ電極２６ａだけでなく、隣接する電極２６ｂとの間の距離も変化する。したがって、上部電極２３ａと下部電極２６ａとの間の静電容量値の変化と上部電極２３ａと下部電極２６ｂとの間の静電容量値の変化を測定すれば、垂直方向（Ｚ軸方向）の荷重（圧力）だけでなく、水平方向（Ｘ軸方向）の荷重（せん断力とも呼ぶ）の強度も測定できる。

上部支持体２２及び下部支持体２５を構成する材料としては、アクリル、ウレタン、フッ素、ポリエステル。ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアミド、オレフィン等の熱可塑性又は熱硬化性樹脂シートのほか、シアノアクリレート等の紫外線硬化型樹脂シート等が挙げられるが、とくに限定されない。このような上部支持体２２及び下部支持体２５からなるフィルム型力覚センサー２は、筐体１０の形状に沿って配置できるので、例えば柱面などにも実装が可能である。

上部電極２３及び下部電極２６は、導電性を有する材料により構成できる。導電性を有する材料としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、ロジウム等の金属膜のほか、これらの金属粒子や金属ナノファイバー、カーボンナノチューブなどの導電材料を樹脂バインダーに分散させた導電ペースト膜等が挙げられるが、特に限定されない。形成方法は、金属膜の場合は、メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等で導電膜を全面形成した後にエッチングによりパターニングする方法が挙げられ、導電ペースト膜の場合は、スクリーン、グラビア、オフセット等の印刷法で直接パターン形成する方法が挙げられる。

弾性層２１としては、例えば、シリコーン、フッ素、ウレタン、エポキシ、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ブタジエンゴムなどの弾力性を有する合成樹脂シートや伸縮性のある不織布シートなどが挙げられる。とくにシリコーンゲル、シリコーンエラストマーなどのシリコーン樹脂系の弾性体シートは、低温から高温までの幅広い温度域で耐久性に優れ、かつ弾力性にも優れていうので、より好ましい。なお、弾性層２１は押し出し成形などの一般的なシート成形法によりシート化されたものに限定されず、印刷やコーターなどによって形成されたコーティング層であってもよい。
また、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの樹脂を弾性層２１の材料として選択する場合は、これらの合成樹脂単体では弾力性が低いので、合成樹脂中にガスを細かく分散させ、発泡体の状態にしておくことが好ましい。

（４）制御回路
制御部３は、図示しないが、例えば、基板と、基板に搭載されたＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、その他電子部品とを有する。また、制御部３は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）及びメモリからなるハードウェアとソフトウェアに基づいて、他の装置を制御するための装置である。
本発明の特徴である正確な荷重検出を達成するために、制御回路３は、少なくとも測定データ取得部３１、移動平均データ算出部３２、荷重データ算出部３３、荷重データ補正部３４、標準偏差値算出部３５、判定部３６、ベースライン更新部３７、記憶部３８を備えている（図２参照）。

測定データ取得部３１は、フィルム型力覚センサー２にて検出された静電容量変化量の時系列からなる測定データを取得する。この取得には、フィルム型力覚センサー２の駆動制御が含まれる。取得された静電容量変化量（例えば、Ｚ方向への荷重Ｆ_ｚが加えられたときの静電容量変化量Ｆ_ｚ ^ｍｅａｓとして測定される）の測定データは、記憶部３８に送信されて保存され、また移動平均データ算出部３２にも送信される。取得される測定データの数は、例えば、１０ミリ秒あたり１個である。

移動平均データ算出部３２は、測定データの微小変動を任意の項数で平滑化して移動平均データを算出するものである（例えば、測定データの静電容量変化量Ｆ_ｚ ^ｍｅａｓは、平滑化された移動平均値Ｆ_ｚ ^ａｖｅとして算出される）。平滑化により、測定データからゆっくりした傾向変動を取り出すことができ、ノイズの影響を抑えることが可能である。算出された移動平均データは、記憶部３８に送信されて保存され、また荷重データ算出部３３にも送信される。測定データの平均化の対象となる項数は、例えば、１０個である。

荷重データ算出部３３は、移動平均データの各値にフィルム型力覚センサー２の感度を示す任意の係数（例えば、平滑化された移動平均値Ｆ_ｚ ^ａｖｅに対しては係数Ｋ_ｚ）を掛け合わせて荷重データ（例えば、荷重値Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅとして算出される）を算出するものである（図５参照）。算出された荷重データは、記憶部３８に送信されて保存され、また標準偏差値算出部３５にも送信される。センサーの感度を示す係数は、例えば、１０００～６０００である。

荷重データ補正部３４は、荷重データの各値（例えば荷重値Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）からベースライン値（例えば、ベースライン値Ｆ_ｚ ^ＢＬ）を引き算して荷重データを補正するものである。ベースライン値とは、フィルム型力覚センサーに荷重を加えていない状態で算出される荷重データであるため、その分を荷重データから取り除く必要がある。補正された荷重データは、記憶部３８に送信されて保存される。

但し、前述の通り、静電容量方式のフィルム型力覚センサー２を用いた荷重検出は、復元性の影響を受けるという問題を有する。すなわち、荷重を加えてフィルム型力覚センサー２を変形した後（図７参照）に荷重を開放したときに、フィルム型力覚センサー２が変形したままで直ぐには荷重を加える前の形状に戻らず、無荷重状態でも静電容量値が当初より増加してしまう。その結果、静電容量値から算出される荷重算定値も、無荷重状態でベースライン値まで戻りきらないのである（図６参照）。したがって、復元性の影響を受けて無荷重状態の静電容量値がその時々で遷移するため、その遷移に合わせてベースライン値も更新を行なう必要がある。
さらに、この更新すべきベースライン値の取得は、フィルム型力覚センサー２に荷重を加えていないときに算出される荷重算定値（図６に示す例では、Ｚ軸方向について算定された値Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）のデータに基づいて行われるが、このフィルム型力覚センサー２に荷重が加わっているのか、それとも復元性の影響を受けているのかを荷重データから正解に判断することは従来、困難であった（図８参照）。つまり、ベースライン値の更新が容易でない。
そこで、本発明においては、制御部３に、標準偏差値算出部３５、判定部３６を備えさせることによって、更新されたベースライン値を適切なタイミングで取得することができるようにしている。

標準偏差値算出部３５は、荷重データの各時刻について、当該時刻から任意の範囲の時間における標準偏差値を算出するものである。算出された標準偏差値は、記憶部３８に送信されて保存され、また判定部３６にも送信される。標準偏差値の算出対象となる時間の範囲は、例えば、１０００ｍｓｅｃである。
標準偏差値は、データのばらつきの大きさを表す指標である。データが平均値の近くに集中していれば標準偏差は小さくなり、逆に平均から広がっていれば標準偏差は大きくなる。フィルム型力覚センサー２の表面に対してユーザーの指１１によって荷重が加わっている場合、人間の体表面は呼吸や血流等によって目に見えない微かな動きをしているため、荷重のかかり方のばらつきが大きくなる。つまり、ユーザーの指１１がフィルム型力覚センサー２の表面に触れているか否かの差異は、荷重データのばらつき度合いに現れる。
なお、標準偏差値を算出する際に対象とするデータは、上記した荷重データの各時刻について、当該時刻を開始時刻、中間時刻又は終了時刻のいずれかでも設定できる。

判定部３６は、標準偏差値が任意の閾値よりも大きい場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重ありと判定し、標準偏差値が閾値以下の場合にフィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定するものである。閾値は、例えば、０．１Ｎ相当である。

ベースライン更新部３７は、荷重なしと判定された場合、荷重データの荷重なし判定時の値にベースライン値を置き換えることにより、ベースライン値を更新するものである。更新されたベースライン値は、記憶部３８に送信されて保存される。なお、本明細書においては、「更新」を新たなベースライン値の指定と定義し、更新された値の「記憶」とは分けている。
また、本実施形態においては、ベースライン更新部３７は、荷重なしと判定されてから再び荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度、ベースライン値を１回更新する。ここで、ベースライン値の更新は、更新後の数値が更新前の数値と同じになる場合も含む。

（５）通信部
通信部４は、ＷＩ－ＦＩ（登録商標）、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）、ＮＦＣ、などの無線ＬＡＮを介して外部電子デバイスと通信する。通信部４は、一方向又は双方向で通信することができる。なお、本実施形態の入力装置１であるコントローラーは、同時又は個々のいずれかで、複数の外部電子デバイスを制御することもできる。
通信する外部電子デバイスとしては、例えば、ｘＲで使用するヘッドマウントディスプレイやスマートグラスのほか、スマートテレビ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、自動車のオーディオシステム、家庭用、仕事用、若しくは環境用自動制御装置、又は任意の他のそのようなデバイス若しくはシステムとすることができるが、これらに限定されない。

（６）電池
電池５としては、リチウム電池などの再充電式電池を用いることができる。再充電式電池の場合、ユーザーはＵＳＢを通じて、あるいは入力装置１を充電パッドの上に置くだけで、充電することができる。また、電池９として非充電式電池を用い、筐体１０の内部より取り出し交換するようにしてもよい。

（７）荷重検出方法
上記構成からなるフィルム型力覚センサーを用いた入力装置１について、図４を用いて、制御部３による荷重検出方法を説明する。図４は、本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出過程の一例を示すフローチャートである。図４に示すフローチャート中のステップＳ１～Ｓ７について、以下に説明する。
最初、図４のステップＳ１では、制御部３の測定データ取得部３１が、フィルム型力覚センサー２にて検出された静電容量変化量の時系列からなる測定データを取得する。取得された静電容量変化量（例えば、Ｚ軸方向への荷重Ｆ_ｚが加えられたときの静電容量変化量Ｆ_ｚ ^ｍｅａｓとして測定される）の測定データは記憶部３８に送信されて保存され（フローチャートにステップとして図示しない）、プロセスはステップＳ２に移行する。

ステップＳ２では、制御部３の移動平均データ算出部３２が、記憶部３８から呼び出した測定データの微小変動を任意の項数で平滑化して移動平均データを算出する。算出された移動平均データは記憶部３８に送信されて保存され（フローチャートにステップとして図示しない）、プロセスはステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、制御部３の荷重データ算出部３３が、記憶部３８から呼び出した移動平均データの各値にフィルム型力覚センサーの感度を示す任意の係数を掛け合わせて荷重データを算出する。算出された荷重データは記憶部３８に送信されて保存され（フローチャートにステップとして図示しない）プロセスはステップＳ４に移行する。

ステップＳ４では、制御部３の標準偏差値算出部３５が、記憶部３８から呼び出した荷重データの各時刻について、当該時刻から任意の範囲の時間における標準偏差値を算出する。算出された標準偏差値は記憶部３８に送信されて保存され（フローチャートにステップとして図示しない）、プロセスはステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、制御部３の判定部３６が、記憶部３８から呼び出した標準偏差値が任意の閾値よりも大きい場合（ステップＳ５の「ばらつきが範囲内か？」の条件に対しＮｏ）にフィルム型力覚センサーに対して荷重ありと判定し、標準偏差値が閾値以下の場合（ステップＳ５の「ばらつきが範囲内か？」の条件に対しＹｅｓ）にフィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定する。荷重ありと判定されれば、ベースライン値を未更新のままプロセスはステップＳ７に移行する。一方、荷重なしと判定されればプロセスはステップＳ６に移行する。

ステップＳ６では、ベースライン更新部３７が、荷重データの荷重なし判定時の値にベースライン値を置き換えることにより、ベースライン値を更新する。更新されたベースライン値は記憶部３８に送信されて保存され（フローチャートにステップとして図示しない）プロセスはステップＳ７に移行する。
図３は、本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出方法における、ベースライン値の更新をする場合のＺ軸の荷重算出値（Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）の時系列とベースライン値（Ｆ_ｚ ^ＢＬ）との関係を示すイメージ図である（Ｘ軸、Ｙ軸についても同様）。
また、本実施形態においては、ステップＳ６は、荷重なしと判定されてから再び荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度、ベースライン値を１回更新する。

ステップＳ７では、荷重データ補正部３４が、記憶部３８から呼び出した荷重データの各値（例えば荷重値Ｋ_ｚＦ_ｚ ^ａｖｅ）からベースライン値（例えば、ベースライン値Ｆ_ｚ ^ＢＬ）を引き算して荷重データを補正する。このとき、ステップＳ５からステップＳ６を経ずにステップＳ７に至った場合は、記憶部３８から呼び出すベースライン値は更新していない値である。また、このとき、ステップＳ５からステップＳ６を経てステップＳ７に至った場合は、記憶部３８から呼び出すベースライン値は更新された値である。補正された荷重データは、記憶部３８に送信されて保存される（フローチャートにステップとして図示しない）。

上述のように、本発明のフィルム型力覚センサー２を用いた入力装置１の荷重検出方法は、荷重データのばらつき度合い（標準偏差値）を算出して閾値と比較することにより、ユーザーの指１１がフィルム型力覚センサー２の表面に触れているか否か判定し、更新されたベースライン値を適切なタイミングで取得することができるようにしている（図３参照）。それによって正確な荷重検出を行なうことができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態を、図面に基づき説明する。
図９は、本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の別の構成図である。図１０は、本発明に係るフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出過程の別の例を示すフローチャートである。
第１実施形態では、制御部３のベースライン更新部３７は、荷重なしと判定されてから再び荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度ベースライン値を１回更新していたが、本発明の入力装置及びその荷重検出方法はこれに限定されない。例えば、ベースライン更新部３７が、測定データの取得開始後から一定時間置きに、荷重データの荷重なし判定時の最新値に、ベースライン値を更新するようにしてもよい（図１０参照）。

具体的には、制御回路３がベースライン更新部３７の一部として又はベースライン更新部３７とは別に（図９参照）、測定データの取得開始後の経過時間を計時するタイマー部３９を備え、このタイマー部３９によって計時した測定データの取得後経過時間が所定の時間に達した場合に、ベースライン更新部３７がベースライン値を更新するようにする。
このように構成することで、都度更新するときに比べデータの受信・処理効率を上げる事ができるというメリットがある。

この場合、入力装置の荷重検出過程を示すフローチャートは、第１実施形態（図４参照）とは異なり、図１０に示すように、ステップＳ５とステップＳ６の間にステップＳ８が存在する。
ステップＳ８では、制御部３のタイマー部３９で計測されていた測定データの取得開始後の経過時間が一定時間置きの更新時間を経過していない場合（ステップＳ８の「更新時間を経過したか？」の条件に対しＮｏ）にはベースライン値を未更新のままプロセスはステップＳ７に移行する。測定データの取得開始後の経過時間が一定時間置きの更新時間を経過している場合（ステップＳ８の「更新時間を経過したか？」の条件に対しＹｅｓ）にはプロセスはステップＳ６に移行する。

その他の構成については、第１実施形態と同様であるから説明を省略する。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態を、図面に基づき説明する。
図１１は、静電容量方式のフィルム型３軸力覚センサーの構成例を示す模式図である。
第１実施形態では、フィルム型力覚センサー２は、ユーザーの指１１によってＸ軸方向及びＺ軸方向からなる斜め下方向に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出する、いわゆる２軸力覚センサーであったが、本発明の入力装置はこれに限定されない。例えば、フィルム型力覚センサー２は、ＸＹＺの３軸に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型３軸力覚センサーであってもよい。

フィルム型３軸力覚センサーとしては、例えば、下部電極部材２７の下部電極２６が島状パターンからなり、上部電極部材２４の上部電極２３が上部支持体２２の両面に別々に形成された表側上部電極２３１と裏側上部電極２３２の二層からなり（図１１（ａ）参照）、かつ表側上部電極２３１と裏側上部電極２３２とが平面視において交差する複数本の線状パターンからなり（図１１（ｂ）参照）、下部電極２６が島状パターンの一部が表側上部電極２３１のパターンの一部及び裏側上部電極２３２のパターンの一部と」平面視においてそれぞれ重なるパターンとすることができる。この場合、図１１（ａ）に示すように、上部電極部材２４の表側上部電極２３１を保護するために、上部電極部材２４の弾性層２１とは反対側の面に保護層２８を設けるのが好ましい。
表側上部電極２３１と裏側上部電極２３２との交差する角度は、図１１（ｂ）に示す例では、表側上部電極２３１の線状パターンがＸ軸方向に伸びてＹ軸方向に並び、裏側上部電極２３２の線状パターンがＹ軸方向に伸びたＸ軸方向に並ぶように９０°（すなわち直交）となっているが、これに限定されない。交差する角度が直交する場合、下部電極２６のパターンは長方形状の碁盤目になり、交差する角度が直交しない場合、下部電極２６のパターンは平行四辺形状の碁盤目になる。

このような構成のフィルム型力覚センサー２は、荷重（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向の分力はそれぞれＦ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ）を加えたときに電極間の距離が変動することによって発生する静電容量値の変化を利用して、加えられた荷重Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚの値を算出する。
つまり、上部電極２３がフィルム型力覚センサー２の表面に対して指１１によって斜め下方向に荷重が加わると、弾性層２１が変形し、その荷重の強度に応じて上部電極部材２４の表側上部電極２３１及び裏側上部電極２３２が水平方向（ＸＹ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）に移動し、島状パターンの下部電極２６と表側上部電極２３１との間、島状パターンの下部電極２６と裏側上部電極２３２との間の距離及び重なり面積が変化し、その結果として電極間の静電容量値がそれぞれ変化する。したがって、それぞれの静電容量値の変化を測定すれば、垂直方向の荷重（Ｚ軸方向の分力Ｆ_ｚ）だけでなく、水平方向の荷重（表側上部電極２３１の線状パターンが並ぶＹ軸方向の分力Ｆ_ｙ、裏側上部電極２３２の線状パターンが並ぶＸ軸方向の分力Ｆ_ｘ）の強度も測定できる。

表側上部電極２３１及び裏側上部電極２３２の材料は、第１実施形態の上部電極２３及び下部電極２６を構成する材料と同様のものを用いることができる。
また、保護層２８の材料は、第１実施形態の上部支持体２２及び下部支持体２５を構成する材料と同様のものを用いることができる。また、保護層２８として意匠シートやレザー、ゴム、布などを貼り合わせることで、デザイン性を付与することもできる。

その他の構成については、第１実施形態と同様であるから説明を省略する。
なお、本発明で使用するフィルム型力覚センサー２は、第１実施形態及び本実施形態で記載したものに限定されず、公知の静電容量方式のフィルム型力覚センサー２を採用することができる。例えば、前述の特許文献１及び特許文献２中に記載の各実施形態や変形例を適用できる。

［変化例］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。

（ａ）上記各実施形態では、入力装置１が、最終的に算出及び補正された荷重（例えばＦ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ）の値をそのまま外部電子デバイスに送信している例について説明しているが、本発明の入力装置１はこれに限定されない。例えば、制御部３が、荷重の値からイベントを検出するイベント検出部を備え、検出されたイベント情報を外部電子デバイスに送信してもよい。

（ｂ）上記各実施形態では、入力装置１が外部電子デバイスを通信で操作するコントローラーである例について説明しているが、本発明の入力装置１はこのようなコントローラーに限定されない。例えば、入力装置１が、前述のｘＲで使用するヘッドマウントディスプレイやスマートグラスのほか、スマートテレビ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、自動車のオーディオシステム、家庭用、仕事用、若しくは環境用自動制御装置、又は任意の他のそのようなデバイスと一体であってもよい。この場合、通信部４は不要である。また、電池５を省略してもよい。さらにＬＣＤ等の表示装置やマイク、スピーカー等を備えていてもよい。
また、入力装置１は、外部電子デバイスをＵＳＢケーブル等の有線で操作するコントローラーであってもよい。

１ 入力装置（コントローラー）
２ フィルム型力覚センサー
２１ 弾性層
２２ 上部支持体
２３，２３ａ 上部電極
２３１ 表側上部電極
２３２ 裏側上部電極
２４ 上部電極部材
２５ 下部支持体
２６，２６ａ，２６ｂ，下部電極
２７ 下部電極部材
２８ 保護層
３ 制御部
３１ 測定データ取得部
３２ 移動平均データ算出部
３３ 荷重データ算出部
３４ 荷重データ補正部
３５ 標準偏差値算出部
３６ 判定部
３７ ベースライン更新部
３８ 記憶部
３９ タイマー部
４ 通信部
５ 電池
１０ 筐体
１１ 指

Claims (8)

1. 筐体の表面に配置され、指で加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型力覚センサーと、
   前記フィルム型力覚センサーと電気的に接続され、前記筐体の内部に収納された制御回路とを備え、
   前記制御回路が、
   前記フィルム型力覚センサーにて検出された静電容量変化量の時系列からなる測定データを取得する測定データ取得部と、
   前記測定データの微小変動を任意の項数で平滑化して移動平均データを算出する移動平均データ算出部と、
   前記移動平均データの各値に前記フィルム型力覚センサーの感度を示す任意の係数を掛け合わせて荷重データを算出する荷重データ算出部と、
   前記荷重データの各値からベースライン値を引き算して前記荷重データを補正する荷重データ補正部と、
   前記荷重データの各時刻について、当該時刻から任意の範囲の時間における標準偏差値を算出する標準偏差値算出部と
   前記標準偏差値が任意の閾値よりも大きい場合に前記フィルム型力覚センサーに対して荷重ありと判定し、前記標準偏差値が前記閾値以下の場合に前記フィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定する判定部と、
   前記荷重なしと判定された場合、前記荷重データの前記荷重なし判定時の値に前記ベースライン値を置き換えることにより、前記ベースライン値を更新するベースライン更新部と、
   取得、算出、更新、補正した前記各値を記憶する記憶部と
   を備える、フィルム型力覚センサーを用いた入力装置。
2. 前記ベースライン更新部が、前記荷重なしと判定されてから再び前記荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度、前記ベースライン値を更新する、請求項１記載のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置。
3. 前記ベースライン更新部が、前記測定データの取得開始後から一定時間置きに、前記荷重データの前記荷重なし判定時の最新値に、前記ベースライン値を更新する、請求項１記載のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置。
4. 前記フィルム型力覚センサーが、ＸＹＺの３軸に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型３軸力覚センサーである、請求項１記載のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置。
5. 筐体の表面に配置され、指で加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型力覚センサーと、前記フィルム型力覚センサーと電気的に接続され、前記筐体の内部に収納された制御回路とを備えた入力装置の荷重検出方法であって、
   前記フィルム型力覚センサーにて検出された静電容量変化量の時系列からなる測定データを取得する測定データ取得ステップと、
   前記測定データの微小変動を任意の項数で平滑化して移動平均データを算出する移動平均データ算出ステップと、
   前記移動平均データの各値に前記フィルム型力覚センサーの感度を示す任意の係数を掛け合わせて荷重データを算出する荷重データ算出ステップと、
   前記荷重データの各値からベースライン値を引き算して前記荷重データを補正する荷重データ補正ステップと、
   前記荷重データの各時刻について、当該時刻から任意の範囲の時間における標準偏差値を算出する標準偏差値算出ステップと
   前記標準偏差値が任意の閾値よりも大きい場合に前記フィルム型力覚センサーに対して荷重ありと判定し、前記標準偏差値が前記閾値以下の場合に前記フィルム型力覚センサーに対して荷重なしと判定する判定ステップと、
   前記荷重なしと判定された場合、前記荷重データの前記荷重なし判定時の値に前記ベースライン値を置き換えることにより、前記ベースライン値を更新するベースライン更新ステップと、
   前記各値を取得、算出、更新、補正したときに前記各値を記憶する記憶ステップと
   を含む、フィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出方法。
6. 前記ベースライン更新ステップが、前記荷重なしと判定されてから再び前記荷重ありと判定されるまでの間の無荷重状態の都度、前記ベースライン値を更新する、請求項５記載のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出方法。
7. 前記ベースライン更新ステップが、前記測定データの取得開始後から一定時間置きに、前記荷重データの前記荷重なし判定時の最新値に、前記ベースライン値を更新する、請求項５記載のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出方法。
8. 前記フィルム型力覚センサーが、ＸＹＺの３軸に加えられた荷重に応じてそれぞれ変化する静電容量値を検出するフィルム型３軸力覚センサーである、請求項５記載のフィルム型力覚センサーを用いた入力装置の荷重検出方法。

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