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
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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KzFz 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。
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。
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。
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。
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Fzが加えられたときの静電容量変化量Fz 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。
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(KzFz ave)の時系列とベースライン値(Fz 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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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Fz)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Fy、裏側上部電極232の線状パターンが並ぶX軸方向の分力Fx)の強度も測定できる。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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