触覚センサ、タッチパネルディスプレイ及びポインティングデバイス
【課題】指が接触板から受ける接線方向の力をセンシングできる触覚センサ並びにその触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ及びポインティングデバイスを提供する。
【解決手段】触覚センサにおいて、指１１が接触する接触板１３と、接触板１３の指が接触する側とは反対側の面に設けられた複数の電極からなる電極アレイ１４と、指１１と電極アレイ１４との間の静電容量の空間分布をセンシングする静電容量分布検知手段１５と、を備えた触覚センサにおいて、静電容量分布検知手段１５のセンシング結果に基づいて前記静電容量の空間分布の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段１６と、分布特徴量抽出手段１６の抽出結果と、指１１が接触板１３から受ける接線方向の力の大きさと前記特徴量とを対応付ける予め設定されたデータ１８と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段１７と、を備える。
【解決手段】触覚センサにおいて、指１１が接触する接触板１３と、接触板１３の指が接触する側とは反対側の面に設けられた複数の電極からなる電極アレイ１４と、指１１と電極アレイ１４との間の静電容量の空間分布をセンシングする静電容量分布検知手段１５と、を備えた触覚センサにおいて、静電容量分布検知手段１５のセンシング結果に基づいて前記静電容量の空間分布の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段１６と、分布特徴量抽出手段１６の抽出結果と、指１１が接触板１３から受ける接線方向の力の大きさと前記特徴量とを対応付ける予め設定されたデータ１８と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段１７と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチパネルディスプレイやポインティングデバイスなどに用いられる触覚センサ、並びに、その触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ及びポインティングデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
指でタッチパネルに直接ふれてＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）操作を行うタッチパネルディスプレイを備えたインタフェースデバイスが広く普及してきている。指でタッチパネルに触れて操作を行う場合には、指が柔軟なため指とタッチパネルとの接触範囲は広がった領域となり点とは見なせなくなる。そのため、指とタッチパネルとの接触領域の重心の位置などを算出し、その位置を指とタッチパネルとの接触点とみなして指先位置としている。タッチパネルの指が触れる面とは反対側の面には複数の電極がパネル面に沿って設けられており、指は誘電体であるので指をタッチパネルに近づけるとタッチパネルの電極と指との間に静電容量が形成される。この静電容量は指に近い位置にある電極ほど増加するので、静電容量の変化を検知し検知結果を用いて指とタッチパネルとの接触領域の重心の位置を算出する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
タッチパネルディスプレイは、タッチパネルをタッチしている指の指先位置とディスプレイ上のカーソル位置とが一致することで直感的な操作をおこなえるデバイスである。しかしながら、指とタッチパネルとの接触領域の重心の位置情報だけでは、目標位置へ指先を移動させた際に目標位置付近における指先位置とカーソル位置との位置関係の微調整を行うのが難しい。そのため、指先位置とカーソル位置とが一致せずに適切なポインティングがなされない虞がある。
【０００４】
本願発明者らが行った鋭意研究から、指でタッチパネルをタッチした際に指がタッチパネルから受ける接線方向の力の大きさの情報を用いることで、目標位置付近における指先位置とカーソル位置との位置関係の微調整が行えることがわかった。指がタッチパネルから受ける接線方向の力の大きさをセンシングする手段としては、触覚センサを用いることが考えられる。
【０００５】
特許文献１には、複数の感圧素子群と、感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体と、第１の板状弾性体の上に設けられた複数の柱状体と、複数の柱状体の上に設けられた第２の板状弾性体と、第２の板状弾性体の上に設けられた複数の突起部とを具備した触覚センサが開示されている。特許文献１に記載の触覚センサにおいては、第２の板状弾性体の複数の突起部に外力が加わった場合、第２の板状弾性体が弾性変形し柱状体を介して感圧素子群のうちの一部の感圧素子において第１の板状弾性体が弾性変形するとともに、当該感圧素子の近くの別の感圧素子では第１の板状弾性体が弾性変形しないか若しくは変形量が小さくなる。そのため、その変形量を検出することにより、接線方向の力の大きさをセンシングすることが可能となるとされている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の触覚センサでは、外力が加えられる複数の突起部が設けられた第２の板状弾性体を弾性変形させなければならない。そのため、特許文献１に記載の触覚センサでは、剛性を有する板状部材からなるタッチパネル上で前記接線方向の力の大きさをセンシングすることができないといった問題が生じる。
【０００７】
また、本願発明者らは、パッド上を指でなぞることでディスプレイ上に表示されたカーソルの位置を指示するポインティングデバイスにおいても、指とパッドとの接触領域の重心の位置情報だけではなく、指がパッドから受ける接線方向の力の大きさの情報も用いることが好ましいことを見出した。しかしながら、ポインティングデバイスの指でなぞるパッド部分は剛性を有する板状部材からなるので、ポインティングデバイスにおいても上述したのと同様の問題が生じる。
【０００８】
本発明は以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、剛性を有する板状部材から柔軟性を有する誘電体が受ける接線方向の力の大きさをセンシングできる触覚センサ、並びに、その触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ及びポインティングデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、触覚センサにおいて、剛性を有する板状部材と、前記板状部材の一方の側面に沿って設けられた複数の電極と、前記板状部材の前記複数の電極が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体を接触させた際、該板状部材を介して該誘電体と該複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を検知する静電容量分布検知手段と、前記静電容量分布検知手段の検知結果に基づいて前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段と、該誘電体が該板状部材から受ける接線方向の力の大きさと前記所定の特徴量とを対応付ける予め設定されたデータと、前記分布特徴量抽出手段の抽出結果と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段と、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の触覚センサにおいて、上記所定の特徴量は、前記複数の電極の内の静電容量の値が最も大きい値を示す電極の位置と、前記静電容量の空間分布の重心位置との位置ずれ量であることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の触覚センサにおいて、上記複数の電極が２次元のマトリクス状に配置されていることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、誘電体のタッチによる座標の入力を受けつける座標入力面と、該座標入力面が入力した座標にしたがって制御される画像を表示するディスプレイ画面とを備えるタッチパネルディスプレイにおいて、請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、表示手段上に表示されたポインタの位置を指示するポインティングデバイスにおいて、請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
剛性を有する板状部材の前記複数の電極が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体を接触させた際、前記誘電体と前記板状部材との接触状態によって前記板状部材を介して複数の電極と前記誘電体との間に形成される静電容量の分布状態が変化する。本願発明者らは鋭意研究を重ねた結果、前記静電容量の分布状態から抽出される所定の特徴量と、前記誘電体が前記板状部材から受ける接線方向の力の大きさとの間に相関関係があることを見出した。
【００１１】
本発明においては、前記板状部材を介して前記誘電体と前記複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知手段が検知する。そして、その検知結果から分布特徴量抽出手段が前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する。その抽出した所定の特徴量と、前記誘電体が前記板状部材から受ける接線方向の力の大きさと前記所定の特徴量とを対応付ける予め設定されたデータと、に基づいて、接線力算出手段が前記接線方向の力の大きさを算出する。よって、前記誘電体が前記板状部材から受ける接線方向の力をセンシングすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上、本発明によれば、剛性を有する板状部材から柔軟性を有する誘電体が受ける接線方向の力の大きさをセンシングできるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】触覚センサの概略構成図。
【図２】（ａ）指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態を示す模式図。（ｂ）指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態における静電容量分布図。
【図３】（ａ）接触板に対し指を左に動かした状態を示す模式図。（ｂ）接触板に対し指を左に動かした状態における静電容量分布図。
【図４】（ａ）接触板に対し指を右に動かした状態を示す模式図。（ｂ）接触板に対し指を右に動かした状態における静電容量分布図。
【図５】（ａ）指を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態における、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、静電容量の分布形状との関係を示したグラフ。（ｂ）接触板に対し指を左に動かした状態における、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、静電容量の分布形状との関係を示したグラフ。（ｃ）接触板に対し指を右に動かした状態における、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、静電容量の分布形状との関係を示したグラフ。
【図６】分布の対称性からのズレ量（｜Ｘｐ−Ｘｃ｜）と接線力の大きさとの関係を示したグラフ。
【図７】接線力のキャリブレーションを行う際の説明図。
【図８】静電容量の分布特徴量Ｐと接線力Ｆｔとの関係を示すグラフ。
【図９】静電容量の分布特徴量Ｐと接線力Ｆｔとの関係を示すグラフ。
【図１０】静電容量の分布特徴量Ｐと接線力Ｆｔとの関係を示すグラフ。
【図１１】（ａ）指を接触板に対しまっすぐ下に押し付けた状態を示す模式図。（ｂ）指を接触板に対しまっすぐ下に押し付けた状態における静電容量分布図。
【図１２】（ａ）図１１（ａ）よりもさらに接触板に対して下方向に向かって指を押し付けた状態を示す模式図。（ｂ）図１２（ａ）の状態における静電容量分布図。
【図１３】静電容量の総和と法線力の大きさとの関係を示したグラフ。
【図１４】分布の特徴量と接線力・法線力の大きさとの関係を示したグラフ。
【図１５】法線力のキャリブレーションを行う際の説明図。
【図１６】２次元の静電容量の分布を示したグラフ。
【図１７】本実施例で行われる処理の流れの一例を示したフローチャート。
【図１８】ポインティングデバイスを備えたモバイル機器の模式図。
【図１９】ポインティングデバイスに搭載される触覚センサの概略構成図。
【図２０】タッチパネルディスプレイに搭載される触覚センサの概略構成図。
【図２１】ユーザーが接線力Ｆｔのキャリブレーションを行う場合の説明図。
【図２２】ユーザーが法線力Ｆｎのキャリブレーションを行う場合の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の触覚センサの一実施形態について説明する。
図１は、触覚センサ１０の全体構成について説明する図である。
触覚センサ１０は、指１１と接触板（フロントガラス、ガラスに限らず指に比べ十分硬いオーバーレイ）１３が接しており、接触板１３をはさんで指１１（断面を示してある）と対向して複数個並べられている電極アレイ１４を備える。接触板１３を挟んで電極アレイ１４と誘電体である指１１とでコンデンサが構成され、電極アレイ１４と指１１との間に静電容量の形成される。一般に面積Ｓ、距離ｄの平行平板導体の間に誘電率εの誘電体が均一に存在している場合の静電容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄとなるので、電極アレイ１４の各電極と指１１との間に形成される静電容量は、指１１から対向する電極アレイ１４の各電極までの距離や面積によって変化する。すなわち、電極アレイ１４の各電極と指１１との間隔が狭まるほど、言い換えれば、指１１が接触板１３に近づくほど増加する。また、指１１と接触板１３との接触面積が増加するほど前記静電容量は増加する。
【００１５】
各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知装置１５にて検知し、その静電容量の空間分布の特徴量を分布特徴量抽出装置１６で抽出し、その分布の特徴量および、あらかじめ取得しておいたキャリブレーションデータ１８から、接線力算出装置１７にて接線力を算出する。
【００１６】
次に、静電容量分布検知装置１５によって検知された、各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布について説明する。なお、ここでは、説明を簡単にするために１次元の分布で説明する。図２（ａ）は、指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態を示しており、その際の各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布を図２（ｂ）のグラフに示してある。また、図２（ｂ）中のＸｉは電極アレイのｉ番目の電極位置であり、そこで検知される指１１と電極間の静電容量をＺｉとする。
【００１７】
図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付け、指１１を接触板１３に対して図中左右方向にずらさない場合においては、指１１と電極アレイ１４の各電極との距離が図２（ａ）中でほぼ左右対称となるので、静電容量分布検知装置１５によって検知される各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布は、図２（ｂ）に示すように左右対称に近い形となり、静電容量の値がピークとなる電極位置を示すピークＸｐと静電容量の空間分布の重心位置を示す重心Ｘｃとはほぼ一致している。
【００１８】
通常の静電容量方式のタッチパネルにおいては、指１１の位置の算出に数１に示すように指１１の重心が用いられている。
【００１９】
【数１】
【００２０】
なお、指１１と電極アレイ１４間の静電容量を検知する方式としては、弛緩発振方式、チャージトランスファ方式、ＣＳＡ方式（ＣａｐＳｅｎｓｅ Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）、直列容量分圧比較方式、シャント方式などが提案されており（参考文献：トランジスタ技術２００８年２月号ｐｐ１６７〜１７２）、これらを用いても良い。
【００２１】
次に、図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ下に押し付け、そのまま指１１を図２（ａ）中左右方向（図２（ｂ）のＸ軸に沿う方向）に指１１をスライドさせた場合を考える。
【００２２】
図３（ａ）では、図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ下に押し付け、そのまま指１１を図３（ａ）中左方向に動かして、指１１が接触板１３から図３（ａ）中右方向の接線力Ｆｔを受けている状態を示してある。
【００２３】
この場合、接触板１３と指１１との接触状態が図３（ａ）中で左右対称ではなくなる。そのため、指１１と電極アレイ１４の各電極との距離も図３（ａ）中で左右非対称となり、図３（ｂ）に示すように、静電容量分布検知装置１５によって検知される各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布のグラフも図３（ｂ）中右側に偏った形となる。図３（ｂ）では、静電容量の値がピークとなる電極位置を示すピークＸｐが静電容量の空間分布の重心位置を示す重心ＸｃよりもＸ軸方向で右側に位置する（Ｘｃ＜Ｘｐ）。
【００２４】
図４（ａ）では、図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ下に押し付け、そのまま指１１を図４（ａ）中右方向に動かして、指１１が接触板１３から図４（ａ）中左方向の接線力Ｆｔを受けている状態を示してある。
【００２５】
この場合も、接触板１３と指１１との接触状態が図４（ａ）中で左右対称ではなくなる。そのため、指１１と電極アレイ１４の各電極との距離も図４（ａ）中で左右非対称となり図４（ｂ）に示すように、静電容量分布検知装置１５によって検知される各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布のグラフも図４（ｂ）中左側に偏った形となる。図４（ｂ）では、静電容量の値がピークとなる電極位置を示すピークＸｐが静電容量の空間分布の重心位置を示す重心ＸｃよりもＸ軸方向で左側に位置する（Ｘｃ＞Ｘｐ）。
【００２６】
以上のことから、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、各電極間と指１１との間に形成される静電容量の分布を示すグラフの形状との関係をまとめると、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示したようになる。なお、図５（ａ）は指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付け、指１１を接触板１３に対して左右方向にずらさない場合（図２を参照）、図５（ｂ）は指１１を接触板１３に対してまっすぐしたに押し付け、そのまま指１１を左方向にスライドさせた場合（図３を参照）、図５（ｃ）は指１１を接触板１３に対してまっすぐ押し付け、そのまま指を右方向に指１１をスライドさせた場合（図４を参照）である。
【００２７】
ここで、分布形状の対称性からのズレ量の一例として、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜を考えると、図６に示すように、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜と指１１が接触板１３から受ける接線力の大きさＦｔとの間に、何らかの相関があると考えられる。
【００２８】
事前のキャリブレーションにおいて、図６に示すような｜Ｘｐ−Ｘｃ｜と指１１が接触板１３から受ける接線力の大きさＦｔとの関係（図１で示したキャリブレーションデータ１８）を取得・保持しておけば、静電容量分布検知装置１５によって検知された各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布から、指１１が接触板１３から受ける接線力の大きさＦｔを得ることができる。
【００２９】
＜接線力のキャリブレーション＞
図７に示すように、触覚センサ１０を搭載したモバイル機器６０の側端に力センサ５０を取り付け、指１１で壁７０にモバイル機器６０をゆっくり押し付ける動作をする。この際、モバイル機器６０が床８０から受ける摩擦が十分小さくなるようにモバイル機器６０にローラ６１を取り付けておけば、力センサ５０の出力Ｆｔ´と指１１の受ける接線力Ｆｔは等しくなる。これにより、静電容量の分布特徴量をＰとすると、既知の接線力Ｆｔと、その際の静電容量の分布特徴量Ｐの曲線が一つ得られることになる。なお、静電容量の分布特徴量Ｐとしては、例えば、上述した分布形状の対称性からのズレ量｜Ｘｐ−Ｘｃ｜などである。
【００３０】
ここで、使用する指を人差し指に限定すると、人によって指先の特性の違いが生じる。そのため、複数人に対して上述したような測定を実施し、例えば、図８に示すように曲線のパターンが分類されるとする。
【００３１】
以上のようなデータを予め作成しておく。ユーザーが使用開始する際のキャリブレーションにおいては、後述する方法で（Ｐ，Ｆｔ）の組を測定し、上記曲線を推定する。（Ｐ，Ｆｔ）が図９中の丸印が位置する座標位置とするなら、このユーザーの指の特性は曲線Ｉを採用することで、任意の静電容量の分布特徴量Ｐから接線力Ｆｔが得られる。
【００３２】
また、例えば（Ｐ，Ｆｔ）が図１０中の丸印が位置する座標位置であるならば、曲線Ｉと曲線ＩＩの内挿で得られるカーブ（図中点線で示したカーブ）を用いることもできる。
【００３３】
次に、指１１が接触板１３から法線方向に受ける法線力の大きさＦｎについて考える。
図１１（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ押し付け、さらに図１２（ａ）に示すように接触板１３に対して下方向に向かって指１１を押し付けると、指１１と接触板１３との接触面積が大きくなるため、静電容量分布検知装置１５によって検知（センシング）される各静電容量Ｚｉが、図１２（ｂ）に示すように、全体的に図１１（ｂ）よりも大きくなる。
【００３４】
このことから、数２を用いて算出できる各電極間と指１１との間に形成される静電容量の総和Ｚ０と、指１１が接触板１３から法線方向にうける法線力の大きさＦｎと、の間には図１３に示すように何らかの関係があると考えられる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
よって、事前のキャリブレーションにおいて、各電極間と指１１との間に形成される静電容量の総和Ｚ０と、指１１が接触板１３から法線方向にうける法線力の大きさＦｎとの関係を取得・保持しておけば、静電容量分布検知装置１５によって検知された各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布から法線力の大きさＦｎを得ることができる。
【００３７】
さらに、電極間と指１１との間に形成される静電容量の総和Ｚ０と、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜との間にも何らか関連があることを考慮にいれれば、図１４に示すような分布形状の特徴量から接線力の大きさＦｔ・法線力の大きさＦｎを求めることができる。
【００３８】
＜法線力のキャリブレーション＞
図１５に示すように、触覚センサ１０を搭載したモバイル機器６０の背面と床８０との間に力センサ５０を配置し、指１１で床８０にモバイル機器６０をゆっくり押し付ける動作をする。力の作用反作用によって力センサ５０の出力Ｆｎ´と指１１の受ける法線力Ｆｎとは等しくなる。これにより、静電容量の分布特徴量をＰとすると、既知の法線力Ｆｎと、その際の静電容量の分布特徴量Ｐの曲線が一つ得られることになる。なお、静電容量の分布特徴量Ｐとしては、例えば、上述した静電容量の総和Ｚ０などである。
【００３９】
ここまで、各電極間と指１１との間に形成される静電容量の分布が１次元の例を挙げて説明したが、図１６に示すように、マトリクス状の電極群による２次元の各電極間と指１１との間に形成される静電容量の分布であってもよい。この場合には、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜の代わりに、下記数３とすれば、これまでと同様の議論が成り立つ。
【００４０】
【数３】
【００４１】
図１７は、本実施形態で行われる処理の流れの一例を示したフローチャートである。
事前に作成してあるキャリブレーションデータを読み込み、メモリ上に保持する（Ｓ１）。次に、各電極アレイ１４から検知された、指１１と各電極との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知装置１５で検知する（Ｓ２）。静電容量分布検知装置１５によって検知された静電容量の分布状態の特徴量を算出し（Ｓ３）、その算出した前記特徴量と前記キャリブレーションデータとから、指１１が接触板１３から受ける接線方向の力である接線力の大きさＦｔと、指１１が接触板１３から受ける法線方向の力である法線力の大きさＦｎとを接線力算出装置１７などにより算出する（Ｓ４）。
【００４２】
次に、図１８に示すような、ＰＤＡ１００、モバイルパソコン１０１、携帯電話１０２などのモバイル機器に用いられるポインティングデバイス２０に、本発明の触覚センサを搭載した場合について説明する。
【００４３】
図１に示したのと同等の構成の触覚センサにおいて、図１９に示した、静電容量分布検知装置、分布特徴量抽出装置、接線力算出装置及びキャリブレーションデータが記憶された記憶装置などからなるセンサ信号処理部２２では、図１７に示したフローチャートの処理が行われる。ポインティングデバイス２０の接触板２３を指先だけが乗せられる程度の大きさとし、接触板２３に設ける電極を２次元のマトリクス状のもの（電極マトリクス２４）とする。このようなモジュールからなる触覚センサを備えたポインティングデバイス２０をモバイル機器に搭載し、それらの画面上でのカーソル移動に用いる。カーソル位置は、指先を接触板２３の中央位置からずらした際に発生する接触板２３から指２１が受ける接線方向の力である接線力Ｆｔを積分（加算）していくことで得られる。
【００４４】
ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ（Ｄａｔａ） Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、モバイルパソコン、携帯電話などのモバイル機器におけるポインティングデバイスとしては、タッチパッド（メーカーにより呼称は異なる）のように、画面に対応したある程度の領域で指先位置をセンシングし、画面上のマウスカーソルを移動させているので、パッドのサイズをある程度大きくする必要があり、小型化には向いていない。
【００４５】
小型の機器においてはポインティングデバイスとしてポインティングスティック（メーカーにより呼称は異なる）を用いるのが一般的であるが、ポインティングスティックは変形・可動する機構を持つ圧力センサなどを用いて接線力をセンシングしカーソル移動をおこなっており、タッチパッドのように指をすべらせたり大きく動かす必要はなく小型が可能となっている。しかしながら、ポインティングスティックは可動部がある構造のため、劣化、キャリブレーション、汚れなどの問題がある。
【００４６】
これに対し、本発明の触覚センサを搭載したポインティングデバイス２０は、接触板２３と電極群である電極マトリクス２４という可動部の無いシンプルな構成であるため、ポインティングスティックのように小型化が可能で、且つ、タッチパッドのように薄型化、高い耐久性、清潔性が実現できるという効果が得られる。
【００４７】
次に、ＰＤＡ、モバイルパソコン、携帯電話などのモバイル機器などに用いられるタッチパネルディスプレイに、本発明の触覚センサを搭載した場合について説明する。
【００４８】
図２０に示すようにタッチパネルディスプレイ３０は、表示パネル３５、表示制御部３７といった表示モジュールを備え、接触板として透明であるカバーガラス３３を用い、カバーガラス３３に設ける電極としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極などの透明電極３４を用いる。
【００４９】
静電容量分布検知装置、分布特徴量抽出装置、接線力算出装置及びキャリブレーションデータが記憶された記憶装置などからなるセンサ信号処理部３６では、図１７に示したフローチャートの処理が行われ、従来同等の指先位置は静電容量分布の重心位置Ｘｃから得られ、力情報（カバーガラス３３から指３１が受ける接線方向の力である接線力Ｆｔ、カバーガラス３３から指３１が受ける法線方向の力である法線力Ｆｎ）は上述の通り静電容量の分布の特徴量（ずれ量及び総和）から算出される。
【００５０】
また、例えば、大きなカーソル移動は従来通り重心位置Ｘｃでおこない、目標位置付近の小さな微調整は接線力Ｆｔの加算による移動をおこなってもよい。
【００５１】
タッチパネルディスプレイは、タッチしている指先位置と表示画面上のカーソル位置が一致しており、直感的な操作を売りにしているデバイスであるが、目標位置・軌跡への指先移動において位置情報だけでは指先位置とカーソル位置との微妙な調整をすることが難しいという問題点がある。
【００５２】
本発明の触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ３０においては、透明化した上記ポインティングデバイスと同等の機能をタッチする画面領域全体に付加することが可能となる。
【００５３】
小さい接線力Ｆｔに対してはカーソルがゆっくり動き、大きな接線力Ｆｔではカーソルが大きく動くという動作を行うとする。
２次元の例で示すと、数４のようになる。
【数４】
【００５４】
時刻ｔでのカーソル位置はこれを積分して、数５のようになる。
【数５】
【００５５】
さらに、離散化すると、数６のようになる。
【数６】
【００５６】
定数αはユーザーの好みによって可変にしておくこともできる。
【００５７】
以上のような動作にしておくことで、カーソルが所望の目標位置に接近して行くにしたがって、ユーザーが接線力Ｆｔを調整（徐々に小さく）することで、目標位置に精度良く停止させることができる。
【００５８】
これにより、大きなカーソル移動は従来通り重心位置でおこない、目標位置付近の小さな微調整は接線力Ｆｔによる移動をさせることで、より細やかな操作を実現することが可能となる。
【００５９】
ここで、本発明の触覚センサ１０が設けられた、ポインティングデバイスやタッチパネルディスプレイを備えたモバイル機器９０を、ユーザーが用いる場合に行う簡易的なキャリブレーション方法の一例について説明する。
まず、ユーザーが接線力Ｆｔのキャリブレーションを行う場合には、図２１に示すように、触覚センサ１０を搭載したモバイル機器９０を壁７０に押し付け、指１１で落ちないように支える。壁７０から受ける摩擦が無視できるほど十分小さくなるようなしくみ、例えば、モバイル機器９０の背面にローラ９１を設置しておけば、接線力Ｆｔはモバイル機器全体の重さＭｇ（質量Ｍ、重力加速度ｇ）と等しくなる。これにより、静電容量の分布特徴量Ｐと既知のＭｇ（＝Ｆｔ´＝Ｆｔ）の組み（Ｐ，Ｆｔ）が一つ得られることになる。その後の処理は上述した「＜接線力のキャリブレーション＞」と同じ処理を行う。
【００６０】
次に、ユーザーが法線力Ｆｎのキャリブレーションを行う場合には、図２２に示すように前述のモバイル機器９０を触覚センサ１０の１１と接する側の面が床８０に面するように、言い換えれば、重力方向下方に向くようにして、モバイル機器９０が水平になるように指１１の腹に乗せる。力の作用反作用によりモバイル機器９０の重さＭｇがそのまま法線力Ｆｎとなるので、これにより静電容量の分布特徴量Ｐと既知のＭｇ（＝Ｆｎ´＝Ｆｎ）の組（Ｐ，Ｆｎ）が一つ得られることになる。その後の処理は上述した「＜法線力のキャリブレーション＞」と同じ処理を行う。
【００６１】
以上、本実施形態によれば、触覚センサ１０において、剛性を有する板状部材である接触板１３と、接触板１３の一方の側面に沿って設けられた複数の電極である電極アレイ１４と、接触板１３の電極アレイ１４が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体である指１１を接触させた際、接触板１３を介して指１１と前記複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を検知する静電容量分布検知手段である静電容量分布検知装置１５と、静電容量分布検知装置１５の検知結果に基づいて前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段である分布特徴量抽出装置１６と、前記分布特徴量抽出装置１６の抽出結果と、指１１が接触板１３から受ける接線方向の力の大きさと前記特徴量とを対応付ける予め設定されたデータであるキャリブレーションデータ１８と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段である接線力算出装置１７と、を備える。これにより、接触板１３を介して指１１と前記複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知装置１５が検知する。そして、その検知結果から分布特徴量抽出装置１６が前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する。その抽出した所定の特徴量とキャリブレーションデータ１８とに基づいて、接線力算出装置１７が前記接線方向の力の大きさを算出する。よって、触覚センサ１０により指１１が接触板１３から受ける接線方向の力をセンシングすることができる。
また、本実施形態によれば、上記所定の特徴量としては、前記複数の電極の内の静電容量の値が最も大きい値を示す電極の位置と、前記静電容量の空間分布の重心位置との位置ずれ量を用いればよい。
また、本実施形態によれば、電極アレイ１４が２次元のマトリクス状に配置されている場合でも指１１が接触板１３から受ける接線方向の力の大きさをセンシングすることができる。
また、本実施形態によれば、タッチパネルディスプレイに本発明の触覚センサを用いることで、上述したように、大きなカーソル移動は従来通り重心位置でおこない、目標位置付近の小さな微調整は接線力Ｆｔによる移動をさせることで、より細やかな操作を実現することが可能となる。
また、本実施形態によれば、ポインティングデバイスに本発明の触覚センサを用いることで、接触板と電極群という可動部の無いシンプルな構造であるため、ポインティングスティックのように小型化が可能で、且つ、タッチパッドのように薄型化、高い耐久力、清潔性が実現できる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、触覚センサ１０の接触板１３に指１１を接触させる場合について説明したが、接触板１３に接触させた際に変形可能な柔軟性を有する誘電体（誘電率が大きなものが好ましい）であれば接触板１３に接触させるものとしては指１１に限るものではなく、上述したのと同様の種々の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 触覚センサ
１１ 指
１３ 接触板
１４ 電極アレイ
１５ 静電容量分布検知装置
１６ 分布特徴量抽出装置
１７ 接線力算出装置
１８ キャリブレーションデータ
２０ ポインティングデバイス
２１ 指
２２ センサ信号処理部
２３ 接触板
２４ 電極マトリクス
３０ タッチパネルディスプレイ
３１ 指
３３ カバーガラス
３４ 透明電極
３５ 表示パネル
３６ センサ信号処理部
３７ 表示制御部
５０ 力センサ
６０ モバイル機器
６１ ローラ
７０ 壁
８０ 床
９０ モバイル機器
９１ ローラ
１０１ モバイルパソコン
１０２ 携帯電話
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６４】
【特許文献１】特開２００６−２５０７０５号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチパネルディスプレイやポインティングデバイスなどに用いられる触覚センサ、並びに、その触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ及びポインティングデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
指でタッチパネルに直接ふれてＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）操作を行うタッチパネルディスプレイを備えたインタフェースデバイスが広く普及してきている。指でタッチパネルに触れて操作を行う場合には、指が柔軟なため指とタッチパネルとの接触範囲は広がった領域となり点とは見なせなくなる。そのため、指とタッチパネルとの接触領域の重心の位置などを算出し、その位置を指とタッチパネルとの接触点とみなして指先位置としている。タッチパネルの指が触れる面とは反対側の面には複数の電極がパネル面に沿って設けられており、指は誘電体であるので指をタッチパネルに近づけるとタッチパネルの電極と指との間に静電容量が形成される。この静電容量は指に近い位置にある電極ほど増加するので、静電容量の変化を検知し検知結果を用いて指とタッチパネルとの接触領域の重心の位置を算出する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
タッチパネルディスプレイは、タッチパネルをタッチしている指の指先位置とディスプレイ上のカーソル位置とが一致することで直感的な操作をおこなえるデバイスである。しかしながら、指とタッチパネルとの接触領域の重心の位置情報だけでは、目標位置へ指先を移動させた際に目標位置付近における指先位置とカーソル位置との位置関係の微調整を行うのが難しい。そのため、指先位置とカーソル位置とが一致せずに適切なポインティングがなされない虞がある。
【０００４】
本願発明者らが行った鋭意研究から、指でタッチパネルをタッチした際に指がタッチパネルから受ける接線方向の力の大きさの情報を用いることで、目標位置付近における指先位置とカーソル位置との位置関係の微調整が行えることがわかった。指がタッチパネルから受ける接線方向の力の大きさをセンシングする手段としては、触覚センサを用いることが考えられる。
【０００５】
特許文献１には、複数の感圧素子群と、感圧素子群の上に設けられた第１の板状弾性体と、第１の板状弾性体の上に設けられた複数の柱状体と、複数の柱状体の上に設けられた第２の板状弾性体と、第２の板状弾性体の上に設けられた複数の突起部とを具備した触覚センサが開示されている。特許文献１に記載の触覚センサにおいては、第２の板状弾性体の複数の突起部に外力が加わった場合、第２の板状弾性体が弾性変形し柱状体を介して感圧素子群のうちの一部の感圧素子において第１の板状弾性体が弾性変形するとともに、当該感圧素子の近くの別の感圧素子では第１の板状弾性体が弾性変形しないか若しくは変形量が小さくなる。そのため、その変形量を検出することにより、接線方向の力の大きさをセンシングすることが可能となるとされている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の触覚センサでは、外力が加えられる複数の突起部が設けられた第２の板状弾性体を弾性変形させなければならない。そのため、特許文献１に記載の触覚センサでは、剛性を有する板状部材からなるタッチパネル上で前記接線方向の力の大きさをセンシングすることができないといった問題が生じる。
【０００７】
また、本願発明者らは、パッド上を指でなぞることでディスプレイ上に表示されたカーソルの位置を指示するポインティングデバイスにおいても、指とパッドとの接触領域の重心の位置情報だけではなく、指がパッドから受ける接線方向の力の大きさの情報も用いることが好ましいことを見出した。しかしながら、ポインティングデバイスの指でなぞるパッド部分は剛性を有する板状部材からなるので、ポインティングデバイスにおいても上述したのと同様の問題が生じる。
【０００８】
本発明は以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、剛性を有する板状部材から柔軟性を有する誘電体が受ける接線方向の力の大きさをセンシングできる触覚センサ、並びに、その触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ及びポインティングデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、触覚センサにおいて、剛性を有する板状部材と、前記板状部材の一方の側面に沿って設けられた複数の電極と、前記板状部材の前記複数の電極が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体を接触させた際、該板状部材を介して該誘電体と該複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を検知する静電容量分布検知手段と、前記静電容量分布検知手段の検知結果に基づいて前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段と、該誘電体が該板状部材から受ける接線方向の力の大きさと前記所定の特徴量とを対応付ける予め設定されたデータと、前記分布特徴量抽出手段の抽出結果と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段と、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の触覚センサにおいて、上記所定の特徴量は、前記複数の電極の内の静電容量の値が最も大きい値を示す電極の位置と、前記静電容量の空間分布の重心位置との位置ずれ量であることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の触覚センサにおいて、上記複数の電極が２次元のマトリクス状に配置されていることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、誘電体のタッチによる座標の入力を受けつける座標入力面と、該座標入力面が入力した座標にしたがって制御される画像を表示するディスプレイ画面とを備えるタッチパネルディスプレイにおいて、請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、表示手段上に表示されたポインタの位置を指示するポインティングデバイスにおいて、請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
剛性を有する板状部材の前記複数の電極が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体を接触させた際、前記誘電体と前記板状部材との接触状態によって前記板状部材を介して複数の電極と前記誘電体との間に形成される静電容量の分布状態が変化する。本願発明者らは鋭意研究を重ねた結果、前記静電容量の分布状態から抽出される所定の特徴量と、前記誘電体が前記板状部材から受ける接線方向の力の大きさとの間に相関関係があることを見出した。
【００１１】
本発明においては、前記板状部材を介して前記誘電体と前記複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知手段が検知する。そして、その検知結果から分布特徴量抽出手段が前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する。その抽出した所定の特徴量と、前記誘電体が前記板状部材から受ける接線方向の力の大きさと前記所定の特徴量とを対応付ける予め設定されたデータと、に基づいて、接線力算出手段が前記接線方向の力の大きさを算出する。よって、前記誘電体が前記板状部材から受ける接線方向の力をセンシングすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上、本発明によれば、剛性を有する板状部材から柔軟性を有する誘電体が受ける接線方向の力の大きさをセンシングできるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】触覚センサの概略構成図。
【図２】（ａ）指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態を示す模式図。（ｂ）指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態における静電容量分布図。
【図３】（ａ）接触板に対し指を左に動かした状態を示す模式図。（ｂ）接触板に対し指を左に動かした状態における静電容量分布図。
【図４】（ａ）接触板に対し指を右に動かした状態を示す模式図。（ｂ）接触板に対し指を右に動かした状態における静電容量分布図。
【図５】（ａ）指を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態における、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、静電容量の分布形状との関係を示したグラフ。（ｂ）接触板に対し指を左に動かした状態における、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、静電容量の分布形状との関係を示したグラフ。（ｃ）接触板に対し指を右に動かした状態における、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、静電容量の分布形状との関係を示したグラフ。
【図６】分布の対称性からのズレ量（｜Ｘｐ−Ｘｃ｜）と接線力の大きさとの関係を示したグラフ。
【図７】接線力のキャリブレーションを行う際の説明図。
【図８】静電容量の分布特徴量Ｐと接線力Ｆｔとの関係を示すグラフ。
【図９】静電容量の分布特徴量Ｐと接線力Ｆｔとの関係を示すグラフ。
【図１０】静電容量の分布特徴量Ｐと接線力Ｆｔとの関係を示すグラフ。
【図１１】（ａ）指を接触板に対しまっすぐ下に押し付けた状態を示す模式図。（ｂ）指を接触板に対しまっすぐ下に押し付けた状態における静電容量分布図。
【図１２】（ａ）図１１（ａ）よりもさらに接触板に対して下方向に向かって指を押し付けた状態を示す模式図。（ｂ）図１２（ａ）の状態における静電容量分布図。
【図１３】静電容量の総和と法線力の大きさとの関係を示したグラフ。
【図１４】分布の特徴量と接線力・法線力の大きさとの関係を示したグラフ。
【図１５】法線力のキャリブレーションを行う際の説明図。
【図１６】２次元の静電容量の分布を示したグラフ。
【図１７】本実施例で行われる処理の流れの一例を示したフローチャート。
【図１８】ポインティングデバイスを備えたモバイル機器の模式図。
【図１９】ポインティングデバイスに搭載される触覚センサの概略構成図。
【図２０】タッチパネルディスプレイに搭載される触覚センサの概略構成図。
【図２１】ユーザーが接線力Ｆｔのキャリブレーションを行う場合の説明図。
【図２２】ユーザーが法線力Ｆｎのキャリブレーションを行う場合の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の触覚センサの一実施形態について説明する。
図１は、触覚センサ１０の全体構成について説明する図である。
触覚センサ１０は、指１１と接触板（フロントガラス、ガラスに限らず指に比べ十分硬いオーバーレイ）１３が接しており、接触板１３をはさんで指１１（断面を示してある）と対向して複数個並べられている電極アレイ１４を備える。接触板１３を挟んで電極アレイ１４と誘電体である指１１とでコンデンサが構成され、電極アレイ１４と指１１との間に静電容量の形成される。一般に面積Ｓ、距離ｄの平行平板導体の間に誘電率εの誘電体が均一に存在している場合の静電容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄとなるので、電極アレイ１４の各電極と指１１との間に形成される静電容量は、指１１から対向する電極アレイ１４の各電極までの距離や面積によって変化する。すなわち、電極アレイ１４の各電極と指１１との間隔が狭まるほど、言い換えれば、指１１が接触板１３に近づくほど増加する。また、指１１と接触板１３との接触面積が増加するほど前記静電容量は増加する。
【００１５】
各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知装置１５にて検知し、その静電容量の空間分布の特徴量を分布特徴量抽出装置１６で抽出し、その分布の特徴量および、あらかじめ取得しておいたキャリブレーションデータ１８から、接線力算出装置１７にて接線力を算出する。
【００１６】
次に、静電容量分布検知装置１５によって検知された、各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布について説明する。なお、ここでは、説明を簡単にするために１次元の分布で説明する。図２（ａ）は、指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付けた状態を示しており、その際の各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布を図２（ｂ）のグラフに示してある。また、図２（ｂ）中のＸｉは電極アレイのｉ番目の電極位置であり、そこで検知される指１１と電極間の静電容量をＺｉとする。
【００１７】
図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付け、指１１を接触板１３に対して図中左右方向にずらさない場合においては、指１１と電極アレイ１４の各電極との距離が図２（ａ）中でほぼ左右対称となるので、静電容量分布検知装置１５によって検知される各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布は、図２（ｂ）に示すように左右対称に近い形となり、静電容量の値がピークとなる電極位置を示すピークＸｐと静電容量の空間分布の重心位置を示す重心Ｘｃとはほぼ一致している。
【００１８】
通常の静電容量方式のタッチパネルにおいては、指１１の位置の算出に数１に示すように指１１の重心が用いられている。
【００１９】
【数１】
【００２０】
なお、指１１と電極アレイ１４間の静電容量を検知する方式としては、弛緩発振方式、チャージトランスファ方式、ＣＳＡ方式（ＣａｐＳｅｎｓｅ Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）、直列容量分圧比較方式、シャント方式などが提案されており（参考文献：トランジスタ技術２００８年２月号ｐｐ１６７〜１７２）、これらを用いても良い。
【００２１】
次に、図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ下に押し付け、そのまま指１１を図２（ａ）中左右方向（図２（ｂ）のＸ軸に沿う方向）に指１１をスライドさせた場合を考える。
【００２２】
図３（ａ）では、図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ下に押し付け、そのまま指１１を図３（ａ）中左方向に動かして、指１１が接触板１３から図３（ａ）中右方向の接線力Ｆｔを受けている状態を示してある。
【００２３】
この場合、接触板１３と指１１との接触状態が図３（ａ）中で左右対称ではなくなる。そのため、指１１と電極アレイ１４の各電極との距離も図３（ａ）中で左右非対称となり、図３（ｂ）に示すように、静電容量分布検知装置１５によって検知される各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布のグラフも図３（ｂ）中右側に偏った形となる。図３（ｂ）では、静電容量の値がピークとなる電極位置を示すピークＸｐが静電容量の空間分布の重心位置を示す重心ＸｃよりもＸ軸方向で右側に位置する（Ｘｃ＜Ｘｐ）。
【００２４】
図４（ａ）では、図２（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ下に押し付け、そのまま指１１を図４（ａ）中右方向に動かして、指１１が接触板１３から図４（ａ）中左方向の接線力Ｆｔを受けている状態を示してある。
【００２５】
この場合も、接触板１３と指１１との接触状態が図４（ａ）中で左右対称ではなくなる。そのため、指１１と電極アレイ１４の各電極との距離も図４（ａ）中で左右非対称となり図４（ｂ）に示すように、静電容量分布検知装置１５によって検知される各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布のグラフも図４（ｂ）中左側に偏った形となる。図４（ｂ）では、静電容量の値がピークとなる電極位置を示すピークＸｐが静電容量の空間分布の重心位置を示す重心ＸｃよりもＸ軸方向で左側に位置する（Ｘｃ＞Ｘｐ）。
【００２６】
以上のことから、重心ＸｃとピークＸｐとの大小関係、及び、各電極間と指１１との間に形成される静電容量の分布を示すグラフの形状との関係をまとめると、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示したようになる。なお、図５（ａ）は指１１を接触板１３に対しまっすぐ下に押し付け、指１１を接触板１３に対して左右方向にずらさない場合（図２を参照）、図５（ｂ）は指１１を接触板１３に対してまっすぐしたに押し付け、そのまま指１１を左方向にスライドさせた場合（図３を参照）、図５（ｃ）は指１１を接触板１３に対してまっすぐ押し付け、そのまま指を右方向に指１１をスライドさせた場合（図４を参照）である。
【００２７】
ここで、分布形状の対称性からのズレ量の一例として、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜を考えると、図６に示すように、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜と指１１が接触板１３から受ける接線力の大きさＦｔとの間に、何らかの相関があると考えられる。
【００２８】
事前のキャリブレーションにおいて、図６に示すような｜Ｘｐ−Ｘｃ｜と指１１が接触板１３から受ける接線力の大きさＦｔとの関係（図１で示したキャリブレーションデータ１８）を取得・保持しておけば、静電容量分布検知装置１５によって検知された各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布から、指１１が接触板１３から受ける接線力の大きさＦｔを得ることができる。
【００２９】
＜接線力のキャリブレーション＞
図７に示すように、触覚センサ１０を搭載したモバイル機器６０の側端に力センサ５０を取り付け、指１１で壁７０にモバイル機器６０をゆっくり押し付ける動作をする。この際、モバイル機器６０が床８０から受ける摩擦が十分小さくなるようにモバイル機器６０にローラ６１を取り付けておけば、力センサ５０の出力Ｆｔ´と指１１の受ける接線力Ｆｔは等しくなる。これにより、静電容量の分布特徴量をＰとすると、既知の接線力Ｆｔと、その際の静電容量の分布特徴量Ｐの曲線が一つ得られることになる。なお、静電容量の分布特徴量Ｐとしては、例えば、上述した分布形状の対称性からのズレ量｜Ｘｐ−Ｘｃ｜などである。
【００３０】
ここで、使用する指を人差し指に限定すると、人によって指先の特性の違いが生じる。そのため、複数人に対して上述したような測定を実施し、例えば、図８に示すように曲線のパターンが分類されるとする。
【００３１】
以上のようなデータを予め作成しておく。ユーザーが使用開始する際のキャリブレーションにおいては、後述する方法で（Ｐ，Ｆｔ）の組を測定し、上記曲線を推定する。（Ｐ，Ｆｔ）が図９中の丸印が位置する座標位置とするなら、このユーザーの指の特性は曲線Ｉを採用することで、任意の静電容量の分布特徴量Ｐから接線力Ｆｔが得られる。
【００３２】
また、例えば（Ｐ，Ｆｔ）が図１０中の丸印が位置する座標位置であるならば、曲線Ｉと曲線ＩＩの内挿で得られるカーブ（図中点線で示したカーブ）を用いることもできる。
【００３３】
次に、指１１が接触板１３から法線方向に受ける法線力の大きさＦｎについて考える。
図１１（ａ）に示すように指１１を接触板１３に対してまっすぐ押し付け、さらに図１２（ａ）に示すように接触板１３に対して下方向に向かって指１１を押し付けると、指１１と接触板１３との接触面積が大きくなるため、静電容量分布検知装置１５によって検知（センシング）される各静電容量Ｚｉが、図１２（ｂ）に示すように、全体的に図１１（ｂ）よりも大きくなる。
【００３４】
このことから、数２を用いて算出できる各電極間と指１１との間に形成される静電容量の総和Ｚ０と、指１１が接触板１３から法線方向にうける法線力の大きさＦｎと、の間には図１３に示すように何らかの関係があると考えられる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
よって、事前のキャリブレーションにおいて、各電極間と指１１との間に形成される静電容量の総和Ｚ０と、指１１が接触板１３から法線方向にうける法線力の大きさＦｎとの関係を取得・保持しておけば、静電容量分布検知装置１５によって検知された各電極と指１１との間に形成される静電容量の分布から法線力の大きさＦｎを得ることができる。
【００３７】
さらに、電極間と指１１との間に形成される静電容量の総和Ｚ０と、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜との間にも何らか関連があることを考慮にいれれば、図１４に示すような分布形状の特徴量から接線力の大きさＦｔ・法線力の大きさＦｎを求めることができる。
【００３８】
＜法線力のキャリブレーション＞
図１５に示すように、触覚センサ１０を搭載したモバイル機器６０の背面と床８０との間に力センサ５０を配置し、指１１で床８０にモバイル機器６０をゆっくり押し付ける動作をする。力の作用反作用によって力センサ５０の出力Ｆｎ´と指１１の受ける法線力Ｆｎとは等しくなる。これにより、静電容量の分布特徴量をＰとすると、既知の法線力Ｆｎと、その際の静電容量の分布特徴量Ｐの曲線が一つ得られることになる。なお、静電容量の分布特徴量Ｐとしては、例えば、上述した静電容量の総和Ｚ０などである。
【００３９】
ここまで、各電極間と指１１との間に形成される静電容量の分布が１次元の例を挙げて説明したが、図１６に示すように、マトリクス状の電極群による２次元の各電極間と指１１との間に形成される静電容量の分布であってもよい。この場合には、｜Ｘｐ−Ｘｃ｜の代わりに、下記数３とすれば、これまでと同様の議論が成り立つ。
【００４０】
【数３】
【００４１】
図１７は、本実施形態で行われる処理の流れの一例を示したフローチャートである。
事前に作成してあるキャリブレーションデータを読み込み、メモリ上に保持する（Ｓ１）。次に、各電極アレイ１４から検知された、指１１と各電極との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知装置１５で検知する（Ｓ２）。静電容量分布検知装置１５によって検知された静電容量の分布状態の特徴量を算出し（Ｓ３）、その算出した前記特徴量と前記キャリブレーションデータとから、指１１が接触板１３から受ける接線方向の力である接線力の大きさＦｔと、指１１が接触板１３から受ける法線方向の力である法線力の大きさＦｎとを接線力算出装置１７などにより算出する（Ｓ４）。
【００４２】
次に、図１８に示すような、ＰＤＡ１００、モバイルパソコン１０１、携帯電話１０２などのモバイル機器に用いられるポインティングデバイス２０に、本発明の触覚センサを搭載した場合について説明する。
【００４３】
図１に示したのと同等の構成の触覚センサにおいて、図１９に示した、静電容量分布検知装置、分布特徴量抽出装置、接線力算出装置及びキャリブレーションデータが記憶された記憶装置などからなるセンサ信号処理部２２では、図１７に示したフローチャートの処理が行われる。ポインティングデバイス２０の接触板２３を指先だけが乗せられる程度の大きさとし、接触板２３に設ける電極を２次元のマトリクス状のもの（電極マトリクス２４）とする。このようなモジュールからなる触覚センサを備えたポインティングデバイス２０をモバイル機器に搭載し、それらの画面上でのカーソル移動に用いる。カーソル位置は、指先を接触板２３の中央位置からずらした際に発生する接触板２３から指２１が受ける接線方向の力である接線力Ｆｔを積分（加算）していくことで得られる。
【００４４】
ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ（Ｄａｔａ） Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、モバイルパソコン、携帯電話などのモバイル機器におけるポインティングデバイスとしては、タッチパッド（メーカーにより呼称は異なる）のように、画面に対応したある程度の領域で指先位置をセンシングし、画面上のマウスカーソルを移動させているので、パッドのサイズをある程度大きくする必要があり、小型化には向いていない。
【００４５】
小型の機器においてはポインティングデバイスとしてポインティングスティック（メーカーにより呼称は異なる）を用いるのが一般的であるが、ポインティングスティックは変形・可動する機構を持つ圧力センサなどを用いて接線力をセンシングしカーソル移動をおこなっており、タッチパッドのように指をすべらせたり大きく動かす必要はなく小型が可能となっている。しかしながら、ポインティングスティックは可動部がある構造のため、劣化、キャリブレーション、汚れなどの問題がある。
【００４６】
これに対し、本発明の触覚センサを搭載したポインティングデバイス２０は、接触板２３と電極群である電極マトリクス２４という可動部の無いシンプルな構成であるため、ポインティングスティックのように小型化が可能で、且つ、タッチパッドのように薄型化、高い耐久性、清潔性が実現できるという効果が得られる。
【００４７】
次に、ＰＤＡ、モバイルパソコン、携帯電話などのモバイル機器などに用いられるタッチパネルディスプレイに、本発明の触覚センサを搭載した場合について説明する。
【００４８】
図２０に示すようにタッチパネルディスプレイ３０は、表示パネル３５、表示制御部３７といった表示モジュールを備え、接触板として透明であるカバーガラス３３を用い、カバーガラス３３に設ける電極としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極などの透明電極３４を用いる。
【００４９】
静電容量分布検知装置、分布特徴量抽出装置、接線力算出装置及びキャリブレーションデータが記憶された記憶装置などからなるセンサ信号処理部３６では、図１７に示したフローチャートの処理が行われ、従来同等の指先位置は静電容量分布の重心位置Ｘｃから得られ、力情報（カバーガラス３３から指３１が受ける接線方向の力である接線力Ｆｔ、カバーガラス３３から指３１が受ける法線方向の力である法線力Ｆｎ）は上述の通り静電容量の分布の特徴量（ずれ量及び総和）から算出される。
【００５０】
また、例えば、大きなカーソル移動は従来通り重心位置Ｘｃでおこない、目標位置付近の小さな微調整は接線力Ｆｔの加算による移動をおこなってもよい。
【００５１】
タッチパネルディスプレイは、タッチしている指先位置と表示画面上のカーソル位置が一致しており、直感的な操作を売りにしているデバイスであるが、目標位置・軌跡への指先移動において位置情報だけでは指先位置とカーソル位置との微妙な調整をすることが難しいという問題点がある。
【００５２】
本発明の触覚センサを備えたタッチパネルディスプレイ３０においては、透明化した上記ポインティングデバイスと同等の機能をタッチする画面領域全体に付加することが可能となる。
【００５３】
小さい接線力Ｆｔに対してはカーソルがゆっくり動き、大きな接線力Ｆｔではカーソルが大きく動くという動作を行うとする。
２次元の例で示すと、数４のようになる。
【数４】
【００５４】
時刻ｔでのカーソル位置はこれを積分して、数５のようになる。
【数５】
【００５５】
さらに、離散化すると、数６のようになる。
【数６】
【００５６】
定数αはユーザーの好みによって可変にしておくこともできる。
【００５７】
以上のような動作にしておくことで、カーソルが所望の目標位置に接近して行くにしたがって、ユーザーが接線力Ｆｔを調整（徐々に小さく）することで、目標位置に精度良く停止させることができる。
【００５８】
これにより、大きなカーソル移動は従来通り重心位置でおこない、目標位置付近の小さな微調整は接線力Ｆｔによる移動をさせることで、より細やかな操作を実現することが可能となる。
【００５９】
ここで、本発明の触覚センサ１０が設けられた、ポインティングデバイスやタッチパネルディスプレイを備えたモバイル機器９０を、ユーザーが用いる場合に行う簡易的なキャリブレーション方法の一例について説明する。
まず、ユーザーが接線力Ｆｔのキャリブレーションを行う場合には、図２１に示すように、触覚センサ１０を搭載したモバイル機器９０を壁７０に押し付け、指１１で落ちないように支える。壁７０から受ける摩擦が無視できるほど十分小さくなるようなしくみ、例えば、モバイル機器９０の背面にローラ９１を設置しておけば、接線力Ｆｔはモバイル機器全体の重さＭｇ（質量Ｍ、重力加速度ｇ）と等しくなる。これにより、静電容量の分布特徴量Ｐと既知のＭｇ（＝Ｆｔ´＝Ｆｔ）の組み（Ｐ，Ｆｔ）が一つ得られることになる。その後の処理は上述した「＜接線力のキャリブレーション＞」と同じ処理を行う。
【００６０】
次に、ユーザーが法線力Ｆｎのキャリブレーションを行う場合には、図２２に示すように前述のモバイル機器９０を触覚センサ１０の１１と接する側の面が床８０に面するように、言い換えれば、重力方向下方に向くようにして、モバイル機器９０が水平になるように指１１の腹に乗せる。力の作用反作用によりモバイル機器９０の重さＭｇがそのまま法線力Ｆｎとなるので、これにより静電容量の分布特徴量Ｐと既知のＭｇ（＝Ｆｎ´＝Ｆｎ）の組（Ｐ，Ｆｎ）が一つ得られることになる。その後の処理は上述した「＜法線力のキャリブレーション＞」と同じ処理を行う。
【００６１】
以上、本実施形態によれば、触覚センサ１０において、剛性を有する板状部材である接触板１３と、接触板１３の一方の側面に沿って設けられた複数の電極である電極アレイ１４と、接触板１３の電極アレイ１４が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体である指１１を接触させた際、接触板１３を介して指１１と前記複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を検知する静電容量分布検知手段である静電容量分布検知装置１５と、静電容量分布検知装置１５の検知結果に基づいて前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段である分布特徴量抽出装置１６と、前記分布特徴量抽出装置１６の抽出結果と、指１１が接触板１３から受ける接線方向の力の大きさと前記特徴量とを対応付ける予め設定されたデータであるキャリブレーションデータ１８と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段である接線力算出装置１７と、を備える。これにより、接触板１３を介して指１１と前記複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を静電容量分布検知装置１５が検知する。そして、その検知結果から分布特徴量抽出装置１６が前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する。その抽出した所定の特徴量とキャリブレーションデータ１８とに基づいて、接線力算出装置１７が前記接線方向の力の大きさを算出する。よって、触覚センサ１０により指１１が接触板１３から受ける接線方向の力をセンシングすることができる。
また、本実施形態によれば、上記所定の特徴量としては、前記複数の電極の内の静電容量の値が最も大きい値を示す電極の位置と、前記静電容量の空間分布の重心位置との位置ずれ量を用いればよい。
また、本実施形態によれば、電極アレイ１４が２次元のマトリクス状に配置されている場合でも指１１が接触板１３から受ける接線方向の力の大きさをセンシングすることができる。
また、本実施形態によれば、タッチパネルディスプレイに本発明の触覚センサを用いることで、上述したように、大きなカーソル移動は従来通り重心位置でおこない、目標位置付近の小さな微調整は接線力Ｆｔによる移動をさせることで、より細やかな操作を実現することが可能となる。
また、本実施形態によれば、ポインティングデバイスに本発明の触覚センサを用いることで、接触板と電極群という可動部の無いシンプルな構造であるため、ポインティングスティックのように小型化が可能で、且つ、タッチパッドのように薄型化、高い耐久力、清潔性が実現できる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、触覚センサ１０の接触板１３に指１１を接触させる場合について説明したが、接触板１３に接触させた際に変形可能な柔軟性を有する誘電体（誘電率が大きなものが好ましい）であれば接触板１３に接触させるものとしては指１１に限るものではなく、上述したのと同様の種々の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 触覚センサ
１１ 指
１３ 接触板
１４ 電極アレイ
１５ 静電容量分布検知装置
１６ 分布特徴量抽出装置
１７ 接線力算出装置
１８ キャリブレーションデータ
２０ ポインティングデバイス
２１ 指
２２ センサ信号処理部
２３ 接触板
２４ 電極マトリクス
３０ タッチパネルディスプレイ
３１ 指
３３ カバーガラス
３４ 透明電極
３５ 表示パネル
３６ センサ信号処理部
３７ 表示制御部
５０ 力センサ
６０ モバイル機器
６１ ローラ
７０ 壁
８０ 床
９０ モバイル機器
９１ ローラ
１０１ モバイルパソコン
１０２ 携帯電話
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６４】
【特許文献１】特開２００６−２５０７０５号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性を有する板状部材と、
前記板状部材の一方の側面に沿って設けられた複数の電極と、
前記板状部材の前記複数の電極が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体を接触させた際、該板状部材を介して該誘電体と該複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を検知する静電容量分布検知手段と、
前記静電容量分布検知手段の検知結果に基づいて前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段と、
該誘電体が該板状部材から受ける接線方向の力の大きさと前記所定の特徴量とを対応付ける予め設定されたデータと、前記分布特徴量抽出手段の抽出結果と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段と、
を備えることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
請求項１の触覚センサにおいて、
上記所定の特徴量は、前記複数の電極の内の静電容量の値が最も大きい値を示す電極の位置と、前記静電容量の空間分布の重心位置との位置ずれ量であることを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２の触覚センサにおいて、
上記複数の電極が２次元のマトリクス状に配置されていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項４】
誘電体のタッチによる座標の入力を受けつける座標入力面と、
該座標入力面が入力した座標にしたがって制御される画像を表示するディスプレイ画面とを備えるタッチパネルディスプレイにおいて、
請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするタッチパネルディスプレイ。
【請求項５】
表示手段上に表示されたポインタの位置を指示するポインティングデバイスにおいて、
請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするポインティングデバイス。
【請求項１】
剛性を有する板状部材と、
前記板状部材の一方の側面に沿って設けられた複数の電極と、
前記板状部材の前記複数の電極が設けられた側面とは反対側の側面に柔軟性を有する誘電体を接触させた際、該板状部材を介して該誘電体と該複数の電極との間に形成される静電容量の分布状態を検知する静電容量分布検知手段と、
前記静電容量分布検知手段の検知結果に基づいて前記静電容量の分布状態の所定の特徴量を抽出する分布特徴量抽出手段と、
該誘電体が該板状部材から受ける接線方向の力の大きさと前記所定の特徴量とを対応付ける予め設定されたデータと、前記分布特徴量抽出手段の抽出結果と、に基づいて前記接線方向の力の大きさを算出する接線力算出手段と、
を備えることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
請求項１の触覚センサにおいて、
上記所定の特徴量は、前記複数の電極の内の静電容量の値が最も大きい値を示す電極の位置と、前記静電容量の空間分布の重心位置との位置ずれ量であることを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２の触覚センサにおいて、
上記複数の電極が２次元のマトリクス状に配置されていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項４】
誘電体のタッチによる座標の入力を受けつける座標入力面と、
該座標入力面が入力した座標にしたがって制御される画像を表示するディスプレイ画面とを備えるタッチパネルディスプレイにおいて、
請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするタッチパネルディスプレイ。
【請求項５】
表示手段上に表示されたポインタの位置を指示するポインティングデバイスにおいて、
請求項１、２または３の触覚センサを備えることを特徴とするポインティングデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−３３４０４（Ｐ２０１１−３３４０４Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７８１８５（Ｐ２００９−１７８１８５）
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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