JP6189760B2

JP6189760B2 - 入力装置

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Publication number: JP6189760B2
Application number: JP2014015456A
Authority: JP
Inventors: 真鍋　宏幸; 宏幸真鍋
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP2015141669A

Description

本発明は、ジェスチャを認識する入力装置に関する。

近年、タッチパネルやタッチパッドを備えたＰＣ（パーソナルコンピュータ）やスマートフォンが普及してきている。タッチパネルやタッチパッドは、指のポインティングにより入力が可能な入力機能を備えている。そして、近年のタッチパネルやタッチパッドは複数の指を認識するマルチタッチ機能を備えていることが多く、マルチタッチ機能を利用した複数指のジェスチャによる入力も広く行われている。例えば、指を素早く滑らせるスワイプや、２本の指を接近させるピンチインなどの複数のジェスチャを認識する機能がよく用いられている。

また、指によるジェスチャ入力の機能を、腕時計型デバイスや眼鏡型デバイス等の小型デバイスに持たせることも検討されている。例えば、眼鏡のツルの部分をスワイプするジェスチャを認識する機能は、目視で確認せずに入力ができるという点で便利である。このような小型のデバイスに搭載するタッチセンサには、必然的に小型化が要求される。しかし、従来のタッチパネルやタッチパッドは、タッチセンサが２次元的に多数配置された構成が一般的であり、小型化には限界がある。

一方で、小型化の要求に応えるためには、タッチセンサの数が削減された入力装置の構成が有利である。例えば、特許文献１，２に記載された入力装置は、単一組等の最小限のタッチセンサの電極により、ユーザの指のタッチを検出することができる。

特開平５−１６０７０２号公報特開２０１１−２４２９６６号公報

しかしながら、上記の従来の入力装置においては、ユーザの指のタッチを検出することはできるが、電極数が削減されているため複数種類のユーザの指によるジェスチャを認識することは困難である。一方、タッチセンサが２次元的に多数配置された構成を採用することにより複数種類のユーザのジェスチャを認識することはできるが、その場合は入力装置の小型化に支障をきたす。

そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、複数種類のジェスチャ入力を可能とし、かつ装置の小型化をも実現する入力装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る入力装置は、ユーザのジェスチャを認識する入力装置であって、ユーザの指の接触を検出するタッチセンサと、タッチセンサの生成した信号を基にジェスチャを認識するジェスチャ認識手段と、ジェスチャ認識手段が認識したジェスチャに対応する操作信号を他のデバイスに通知する通知手段とを備え、タッチセンサは、接触の検出用のセンシング電極部を１つのみ有し、センシング電極部における接触に応じた静電容量の変化を検出することにより信号を生成し、ジェスチャ認識手段は、信号を基に、指のタッチ、指のスワイプ、及びスワイプの指の本数を認識する。

上記一形態によれば、ユーザが指のタッチの動作、又は１本或いは複数の指のスワイプの動作をすると、タッチセンサが、１つのセンシング電極におけるその動作に対応した静電容量の変化を信号として検出する。ジェスチャ認識手段は、発生した信号により、信号に対応するタッチ動作及びスワイプ動作のジェスチャを認識する。通知手段は、ジェスチャ認識手段が認識したジェスチャに対応する操作信号を他のデバイスへ通知する。このような構成により、ユーザによる複数種類のジェスチャ入力を可能にするとともに、１つのセンシング電極の構成を採用することにより装置の小型化も容易に実現することができる。

上記一形態においては、センシング電極部は、一方向に伸びる長尺状の形状を有することが好ましい。この場合、ユーザの複数の指によるスワイプ動作を対象にした場合でも、指の本数を精度よく検出することができる。

また、タッチセンサは、一方向に交差する方向に伸びる長尺状の接地電極部をさらに有することも好ましい。上記構成によれば、ユーザの指のタッチ動作のみならず、ユーザの指のスワイプ動作を検出する際に、信号に重畳するノイズを低減することにより、ジェスチャの認識の精度を向上させることができる。

さらに、センシング電極は、一方向に沿って非対称な形状を有するも好ましい。かかる構成により、ユーザの指のスワイプ動作の方向により、タッチセンサが検出する信号の変化に差を生じさせることができる。その結果、スワイプの方向を効果的に判別することができる。

またさらに、センシング電極は、幅の異なる分岐部が複数一体化された形状を有することが好ましい。かかる構成によれば、ユーザの指のスワイプ動作の方向により、タッチセンサが検出する信号の変化に差を生じさせることができる。その結果、スワイプの方向を効果的に判別することができる。

さらにまた、センシング電極は、幅が一方向に沿って変化した形状を有することも好ましい。この場合、ユーザの指のスワイプ動作の方向により、タッチセンサが検出する信号の変化に差を生じさせることができる。その結果、スワイプの方向を効果的に判別することができる。

また、センシング電極は、一方向の幅と一方向に垂直な方向の幅とが異なるように形成されていることも好ましい。こうすれば、ユーザの指のスワイプ動作の方向が一方向である場合と一方向に垂直な方向である場合とで、タッチセンサが検出する信号の変化に差を生じさせることができる。その結果、スワイプの方向を２つの方向で効果的に判別することができる。

さらに、タッチセンサは、矩形波で駆動されており、センシング電極における静電容量を充電時間によって検出することが好ましい。このようにすれば、ユーザのジェスチャを充電時間によって精度よく検出することができる。

またさらに、タッチセンサは、矩形波で駆動されており、センシング電極における静電容量を充電時間及び放電時間の２つによって検出することも好ましい。このようにすれば、ユーザのジェスチャを充電時間及び放電時間によって精度よく検出することができるとともに、信号におけるノイズの重畳による検出精度の低下を防止できる。

本発明によれば、複数種類のジェスチャ入力を可能とし、かつ装置の小型化をも実現することができる。

本発明の実施形態に係る入力装置１００の概略構成を示す図である。図１の検出回路部１４の構成を示す回路図である。図１の検出回路部１４の別の構成を示す回路図である。図３の検出回路部１４で処理される信号の波形を示すタイミングチャートである。ユーザの様々なジェスチャに対応した図３の検出回路部１４の出力信号の例を示す図である。図１のＩＣチップ２０のハードウェア構成を示す図である。図１のＩＣチップ２０の機能構成を示すブロック図である。本発明の変形例に係る入力装置１００Ａの概略構成を示す図である。本発明の別の変形例に係る入力装置１００Ｂの概略構成を示す図である。本発明の変形例に係るセンシング電極部１１Ｃの構成を示す図である。本発明の別の変形例に係るセンシング電極部１１Ｄの構成を示す図である。本発明の別の変形例に係るセンシング電極部１１Ｅの構成を示す図である。本発明の別の変形例に係るセンシング電極部１１Ｆの構成を示す図である。本発明の変形例に係る検出回路部１４の構成を示す回路図である。図１４の検出回路部１４で処理される信号の波形を示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る入力装置１００の概略構成を示す図である。同図に示す入力装置１００はユーザによる指Ｆの動きを基にユーザの行ったジェスチャを判断することにより、他のデバイスへの操作入力を可能とする装置である。同図に示すように、入力装置１００は、タッチセンサ１３と、ＩＣチップ２０とがケース１の表面上或いは内部に配置されて構成されている。

タッチセンサ１３及びＩＣチップ２０が配置されたケース１は、例えば長方形等の長尺状の平板形状をなしており、樹脂材料等の電気絶縁性を有する材料で構成されている。

以下の説明では、ケース１の表面１ａの長手方向に沿った方向をＸ軸方向とし、ケース１の表面１ａの短手方向に沿った方向、すなわちＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

タッチセンサ１３は、１つのセンシング電極部１１と１つのアース電極部（接地電極部）１２と検出回路部１４とを、相互に電気的に接続された状態で備え、ユーザの指Ｆの接触を静電容量方式で検出する回路ユニットである。詳細には、センシング電極部１１は、Ｙ軸方向に伸びる長尺状の導電性を有する電極部材であり、ケース１の表面１ａ上に露出するように設けられている。このセンシング電極部１１は、Ｘ軸方向の幅が、スワイプ動作を行う際のユーザの２つの指Ｆとの間隔に比較して十分小さい値に設定されている。また、アース電極部１２は、Ｘ軸方向に沿ってセンシング電極部１１と電気的に分離されて伸びる長尺状の導電性を有する電極部材であり、ケース１の表面１ａ上において、Ｘ軸方向のスワイプ動作の際にユーザの指Ｆが接触する範囲にわたって露出して設けられている。すなわち、アース電極部１２は、ケース１の長手方向に沿って表面１ａ上の両端近傍の間を伸びており、その長さはセンシング電極部１１の長さよりも長い。このようなアース電極部１２の構造により、ユーザが指Ｆによるタッチ動作及びスワイプ動作を含むジェスチャを行っている間に、その指Ｆをアース電極部１２に極力接触させることができる。なお、センシング電極部１１は、絶縁材料で被覆されていてもよい。

上記のセンシング電極部１１及びアース電極部１２を含むタッチセンサ１３では、ユーザの指によるタッチ動作及びスワイプ動作が検出可能とされる。ここでいうタッチ動作とは、指Ｆを表面１ａ上で滑らせることなく直接センシング電極部１１に触れる動作であり、スワイプ動作とは、指Ｆを表面１ａのＸ軸方向の端部側からセンシング電極部１１を通過させて表面１ａ上を滑らせる動作である。

検出回路部１４は、センシング電極部１１及びアース電極部１２に対して配線部を介して電気的に接続されており、指Ｆのセンシング電極部１１に対する接触度合いに応じたセンシング電極部１１とアース電極部１２との間に生じる静電容量の変化を検出し、その検出結果を検出信号として出力する。この検出回路部１４は、ケース１の内部に埋め込まれている。

図２には、検出回路部１４の回路構成の一例を示している。同図に示すように、検出回路部１４は、絶縁材料１５で覆われたセンシング電極部１１及びアース電極部１２と電気的に接続されており、抵抗素子３１、可変抵抗素子３２、コンパレータ３３、及び抵抗素子３４とキャパシタ３５とで構成されるローパスフィルタ３６を含んで構成されており、センシング電極部１１とアース電極部１２との間に生じる静電容量の変化を検出することにより、指Ｆのセンシング電極部１１に対する接触状態を検出する。一般には、タッチセンサとしては、静電容量の変化を、充電時間の変化として検出する方式や、周波数の変化として検出する方式が存在するが、本実施形態のタッチセンサ１３は、前者の方式を採用している。

詳細には、抵抗素子３１の一端には、入力端子３７を介して、例えば10KHzの周波数の矩形波電圧信号ＰＡが印加されており、抵抗素子３１の他端はセンシング電極部１１及びコンパレータ３３の非反転入力が接続されている。可変抵抗素子３２の一端にはバイアス電圧ＶＣＣが印加され、他端はアース電極部１２に接続され、可変抵抗素子３２にはコンパレータ３３の反転入力が接続されている。そして、コンパレータ３３の出力とアース電極部１２との間には、抵抗素子３４とキャパシタ３５とからなるローパスフィルタ３６が接続され、その抵抗素子３４とキャパシタ３５との間に出力端子３８が接続されている。

上記構成の検出回路部１４においては、抵抗素子３１を介してセンシング電極部１１が矩形波によって駆動される。この際、センシング電極部１１とアース電極部１２との間の静電容量の存在により、センシング電極部１１の電位ＶＳは矩形波電圧信号ＰＡの電位とは一致しない。コンパレータ３３においては、非反転入力にセンシング電極部１１の電位ＶＳが入力され、反転入力には可変抵抗素子３２によって調整された閾値電位ＴＨ１が入力される。これにより、センシング電極部１１の電位ＶＳと閾値電位ＴＨ１との比較結果である電位ＶＣがローパスフィルタ３６を介して平滑化され、平滑化された電位ＶＣが出力端子３８から検出信号Ｖｏｕｔとして出力される。

ここで、指Ｆがセンシング電極部１１に触れていないときには、センシング電極部１１とアース電極部１２との間の静電容量は小さいため充電時間が短くなり、センシング電極部１１の電位ＶＳが閾値電位ＴＨ１に到達する時間が短くなる。そのため、コンパレータ３３の電位ＶＣがハイである時間が長くなり、その結果として出力端子３８から出力される検出信号Ｖｏｕｔの電位が高くなる。その一方で、指Ｆがセンシング電極部１１に触れているときには、センシング電極部１１とアース電極部１２との間の静電容量は大きいため充電時間が長くなり、センシング電極部１１の電位ＶＳが閾値電位ＴＨ１に到達する時間が長くなる。そのため、コンパレータ３３の電位ＶＣがハイである時間が短くなり、その結果として検出信号Ｖｏｕｔの電位が低くなる。指Ｆの接触状態に応じた静電容量の変化量が大きい場合には、このような簡易な構成の検出回路部１４により、ユーザの指Ｆの接触状態を検出可能である。

また、検出回路部１４は、指Ｆの接触状態に応じた静電容量の変化量が小さい場合には、図３に示すような構成を採ることもできる。図３には、検出回路部１４の回路構成の別の例を示している。同図に示す構成では、図２に示した構成に比較してＡＮＤゲート３９が付加されている。このＡＮＤゲート３９の第１の入力には入力端子４０を介して矩形波電圧信号ＰＡと同一の周波数の矩形波電圧信号ＰＢが印加され、ＡＮＤゲート３９の第２の入力にはコンパレータ３３の出力である電位ＶＣが入力され、ＡＮＤゲート３９の出力Ｖａｎｄとアース電極部１２との間にローパスフィルタ３６が接続されている。

このような構成の検出回路部１４によれば、後段にアンプを接続した場合であってもアンプの駆動電圧を低く抑えることができる。つまり、静電容量の変化量が小さい場合には、検出精度を高めるために後段にアンプを接続する場合がある。その場合、指Ｆが接触している場合でも検出信号Ｖｏｕｔの出力レベルが高くなってしまうため、アンプの駆動電圧を高くする必要が出てくる。図３に示したような構成によれば、コンパレータ３３の電位ＶＣにおけるハイレベルの期間を短縮することができ、検出信号Ｖｏｕｔの直流レベルを抑えることができる。その結果、図２の構成の場合と比較して、指Ｆの接触状態に応じた検出信号Ｖｏｕｔの出力レベルの差には違いはない一方、検出信号Ｖｏｕｔの直流レベルを低く抑えることができるため、後段のアンプを高電圧で駆動する必要が無くなる。

図４は、図３の検出回路部１４で処理される信号の波形の一例を示すタイミングチャートであり、（ａ）は矩形波電圧信号ＰＡの波形、（ｂ）はセンシング電極部１１の電位ＶＳの波形、（ｃ）は電位ＶＣの波形、（ｄ）は矩形波電圧信号ＰＢの波形、（ｅ）はＡＮＤゲート３９の出力信号Ｖａｎｄの波形、（ｆ）は検出信号Ｖｏｕｔの波形をそれぞれ示す。このように、センシング電極部１１の電位ＶＳと閾値電位ＴＨ１とが比較されて生成された電位ＶＣのハイレベルの期間（オン期間）は、静電容量の充電時間に対応している。従って、この電位ＶＣが平滑化された検出信号Ｖｏｕｔの出力レベルは、この充電時間に対応して変化する。また、矩形波電圧信号ＰＡに比較してオン期間が短縮化された矩形波電圧信号ＰＢと電位ＶＣとがＡＮＤゲート３９によって処理された後に、ＡＮＤゲート３９の出力信号Ｖａｎｄが平滑化されることにより、検出信号Ｖｏｕｔの直流レベルを低くすることができる。また、検出信号Ｖｏｕｔの直流レベルの低下の程度は、矩形波電圧信号ＰＢの波形（例えば、オン期間の長さ）の調整によって変更することができる。

さらに、図５には、ユーザの様々なジェスチャに対応した図３の検出回路部１４の出力信号の例を示している。この結果から、ユーザの指Ｆによりセンシング電極部１１に触れるタッチ動作が行われた場合は、検出信号Ｖｏｕｔが低下した状態が長時間継続することがわかる。また、ユーザの指ＦによりＸ軸方向（図１）に沿ったスワイプ動作が行われた場合には、検出信号Ｖｏｕｔが低下している時間は短く、出力信号Ｖｏｕｔにスワイプ動作の指Ｆの本数に応じた谷が現れる。この検出信号Ｖｏｕｔを基に、出力低下によってジェスチャが開始されたことが認識可能であり、出力低下の期間が長ければタッチ動作と判別可能であり、出力低下の期間が短ければスワイプ動作と判別可能である。さらに、検出信号Ｖｏｕｔを基に、谷の数をカウントすることにより、スワイプ動作の指Ｆの本数も認識可能である。後述するＩＣチップ２０のジェスチャ認識部２２は、上記の判定ロジックを用いてユーザの指Ｆによるジェスチャを認識する。

ＩＣチップ２０は、ケース１の内部に収容され、ケース１の内部で検出回路部１４に電気的に接続されている。このＩＣチップ２０は、検出回路部１４からの検出信号Ｖｏｕｔを信号処理する。図６に示すように、ＩＣチップ２０は、物理的には、１又は複数のＣＰＵ２０１、主記憶装置であるＲＡＭ２０２及びＲＯＭ２０３、有線或いは無線により外部と信号を送受信するデータ送受信デバイスである通信モジュール２０４、半導体メモリ等の補助記憶装置２０５などを含むコンピュータシステムとして構成されている。ＩＣチップ２０の各機能は、図６に示されるＣＰＵ２０１、ＲＡＭ２０２等のハードウェア上に１又は複数の所定のコンピュータソフトウェアを読み込ませることにより、ＣＰＵ２０１の制御のもとで通信モジュール２０４を動作させるとともに、ＲＡＭ２０２や補助記憶装置２０５におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

次に、ＩＣチップ２０の機能構成について詳述する。図７は、ＩＣチップ２０の機能構成を示すブロック図である。図７に示すように、ＩＣチップ２０は、信号受信部２１と、ジェスチャ認識部（ジェスチャ認識手段）２２と、通知部（通知手段）２３とを含んで構成されている。

信号受信部２１は、タッチセンサ１３が生成した検出信号Ｖｏｕｔを受信する手段である。さらに、信号受信部２１は、受信した検出信号Ｖｏｕｔをジェスチャ認識部２２に通知する。

ジェスチャ認識部２２は、信号受信部２１が受信した検出信号Ｖｏｕｔに対応するジェスチャを認識する。ジェスチャ認識部２２は、タッチセンサ１３が出力した検出信号Ｖｏｕｔを信号受信部２１から受信して解析する。具体的には、検出信号Ｖｏｕｔが複数のジェスチャに対応した波形であるかどうかを判定することによって、特定のジェスチャとして認識できるかどうかを判断する。例えば、ジェスチャ認識部２２は、上述した判定ロジックを用いて、ユーザの指のジェスチャとして、タッチ動作及びスワイプ動作を認識し、スワイプ動作の場合はさらにスワイプ動作の指Ｆの本数も判定する。さらに、ジェスチャ認識部２２は判断したユーザのジェスチャに対応する操作信号を通知部２３に通知する。通知部２３は、入力装置１００の外部の他のデバイス２００に、有線通信或いは無線通信を利用して、操作信号を通知する。

以上説明した入力装置１００によれば、ユーザが指Ｆのタッチの動作、又は１本或いは複数の指のスワイプの動作をすると、タッチセンサ１３が、１つのセンシング電極部１１とアース電極部１２との間におけるその動作に対応した静電容量の変化を検出信号Ｖｏｕｔとして検出する。そして、ジェスチャ認識部２２は、検出信号Ｖｏｕｔにより、検出信号Ｖｏｕｔに対応するタッチ動作及びスワイプ動作のジェスチャを認識する。通知部２３は、ジェスチャ認識部２２が認識したジェスチャに対応する操作信号を他のデバイスへ通知する。このような構成により、ユーザによる複数種類のジェスチャ入力を可能にするとともに、１つのセンシング電極部１１の構成を採用することにより装置の小型化も容易に実現することができる。

従来のタッチパネルやタッチパッドなどを用いれば複数種類のジェスチャの検出が可能となるが、多数のセンサを平面上に密に配置する構成が必要であり、大型化、製造コストの上昇、及び複雑な制御機能の搭載を招くこととなっていた。一方で、少数のタッチセンサを用いて多様なジェスチャ入力を実現することも想定されるが、この場合は定常的な状態を検出する必要があるため、短時間で行われる非定常的なジェスチャを正確に検出することは困難である。本実施形態の入力装置１００によれば、１つのタッチセンサで複雑な機能を必要とせずに、非定常的な状態を伴う様々なジェスチャ入力を実現することができる。従って、入力装置１００によれば、小型化及び製造コストの削減が容易である。

また、センシング電極部１１は、その幅がユーザの２つの指Ｆとの間隔に比較して十分小さい値に設定されているので、ユーザの複数の指Ｆによるスワイプ動作を対象にした場合でも、指の本数を精度よく検出することができる。さらに、タッチセンサ１３は、Ｘ軸方向に伸びるアース電極部１２をさらに有する。これにより、ユーザの指Ｆのタッチ動作のみならず、ユーザの指Ｆのスワイプ動作を検出する際に指Ｆが常にアース電極部１２に触れることになるので、検出信号Ｖｏｕｔに重畳するノイズを低減することにより、ジェスチャの認識の精度を向上させることができる。

また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、図８には、本発明の変形例に係る入力装置１００Ａの概略構成を示している。この入力装置１００Ａの入力装置１００との相違点は、アース電極部１２を備えていない点である。このような入力装置１００Ａによっても、複数種類のジェスチャ入力を可能とする装置において小型化及び製造コストの削減を実現可能である。

また、図９には、本発明の別の変形例に係る入力装置１００Ｂの概略構成を示している。この入力装置１００Ｂは、センシング電極部１１Ｂを含むタッチセンサ１３Ｂを、ケーブル等の長軸状の本体部１Ｂの外周に配置された状態で備える。具体的には、センシング電極部１１Ｂは本体部１Ｂの外周面にリング状に巻きつけられて配置されている。なお、同図においては、検出回路部１４及びＩＣチップ２０の図示は省略している。このような構成によれば、指Ｆを本体部１Ｂの一方の側面から触れるような動作のみならず、２本の指Ｆで本体部１Ｂの両側面からつまんだ状態で滑らせるような動作も認識可能となる。従って、本体部１Ｂに柔軟性があってたるみが生じた場合でも精度の良いジェスチャ入力が可能となる。このような変形例は、ヘッドホンのケーブル上でのジェスチャ入力に適用可能である。

さらに、本発明に対してはセンシング電極部１１の形状の様々な変形例を採用することができる。

例えば、図１０には、本発明の変形例に係るセンシング電極部１１Ｃの構成を示している。同図に示すセンシング電極部１１Ｃは、ケース１の表面１ａ上に沿ってＹ軸に対して非対称な形状を有している。すなわち、センシング電極部１１Ｃは、Ｙ軸方向に沿って形成された幅が異なる長尺状の２つの分岐部５１，５２を含み、２つの分岐部５１，５２が連結部５３により一体化された構造を有する。＋Ｘ方向寄りに配置された分岐部５２のＸ軸方向及びＹ軸方向の幅は、−Ｘ方向寄りに配置された分岐部５１のＸ軸方向及びＹ軸方向の幅より小さい。

このような構造により、スワイプ動作の方向によりタッチセンサ１３の検出信号Ｖｏｕｔの変化が異なるようになる。例えば、＋Ｘ方向にスワイプ動作をする場合には、指Ｆは最初に太い分岐部５１に触れることになるため、静電容量は急激に増加する結果、検出信号Ｖｏｕｔは急激に低下する。逆に、−Ｘ方向にスワイプをする場合には、指Ｆは最初に細い分岐部５２に触れることになるため、静電容量は比較的緩やかに増加する結果、検出信号Ｖｏｕｔは比較的緩やかに低下する。つまり、スワイプ動作の方向によって検出信号Ｖｏｕｔの低下の急峻さが変化する。このような性質を利用することにより、ジェスチャ認識部２２は、Ｖｏｕｔの低下の急峻さを観測することでスワイプ動作の方向を認識することが可能となる。

また、図１１には、本発明の別の変形例に係るセンシング電極部１１Ｄの構成を示している。同図に示すセンシング電極部１１Ｄは、ケース１の表面１ａ上でＸ軸及びＹ軸のいずれの軸に対しても非対称な形状を有している。すなわち、センシング電極部１１Ｄは、＋Ｘ方向に沿って徐々に幅が減少するように変化するとともに、＋Ｙ軸方向に沿って幅が徐々に減少するように変化するような直角三角形の形状を有している。このセンシング電極部１１ＤのＸ軸方向の底辺の幅はＹ軸方向の底辺の幅より小さくされている。

このような構造により、スワイプ動作の４つの方向により、検出信号Ｖｏｕｔの変化が異なるようになる。例えば、ジェスチャ認識部２２は、Ｘ軸方向にスワイプ動作が行われた場合には、＋Ｘ方向にスワイプ動作が行われたか、−Ｘ方向にスワイプ動作が行われたかを、上述したように検出信号Ｖｏｕｔの低下の急峻さを判定することにより判別することができる。同様に、ジェスチャ認識部２２は、Ｙ軸方向にスワイプ動作が行われた場合には、＋Ｙ方向にスワイプ動作が行われたか、−Ｙ方向にスワイプ動作が行われたかを、判別することができる。さらに、ジェスチャ認識部２２は、スワイプ動作がＸ軸方向であるのかＹ軸方向であるのかも、センシング電極部１１ＤのＸ軸方向及びＹ軸方向の幅の差を利用することで判別することができる。つまり、スワイプ動作がＸ軸方向で行われた場合には、指Ｆがセンシング電極部１１Ｄに触れている時間が短くなるため、検出信号Ｖｏｕｔが低下している時間も短くなる。逆に、スワイプ動作がＹ軸方向で行われた場合には、指Ｆがセンシング電極部１１Ｄに触れている時間が長くなるため、検出信号Ｖｏｕｔが低下している時間も長くなる。ジェスチャ認識部２２は、スワイプ動作の指Ｆの移動速度がある程度一定であるとみなされる場合には、検出信号Ｖｏｕｔの出力低下の期間の長さを判定することにより、スワイプ動作がＸ軸方向で行われたか、Ｙ軸方向で行われたかを判別する。

また、図１２には、本発明の別の変形例に係るセンシング電極部１１Ｅの構成を示している。同図に示すセンシング電極部１１Ｅも、ケース１の表面１ａ上でＸ軸及びＹ軸のいずれの軸に対しても非対称な形状を有している。すなわち、センシング電極部１１Ｅは、＋Ｘ方向に沿って２段階でステップ状にＹ軸方向の幅が減少するように変化するとともに、＋Ｙ方向に沿って２段階でＸ軸方向の幅がステップ状に減少するように変化するようなＬ字型の形状を有している。詳細には、このセンシング電極部１１ＥのＸ方向の最大幅はＹ方向の最大幅より小さくされ、Ｘ軸方向においてはセンシング電極部１１Ｅの中央で幅がステップ状に変化し、Ｙ軸方向においてはセンシング電極部１１Ｅの中央より−Ｙ方向寄りの位置で幅がステップ状に変化している。

このような構造により、スワイプ動作の指Ｆの移動速度が一定であるとみなされない場合でも、スワイプ動作の４つの方向により、検出信号Ｖｏｕｔの変化が異なるようになる。例えば、スワイプ動作がＸ軸方向とＹ軸方向とで、スワイプ動作期間中における指Ｆに触れている電極の大きさが変化する時刻が異なってくる。例えば、Ｘ軸方向にスワイプ動作が行われた場合には、スワイプ動作の方向に沿ったセンシング電極部１１Ｅの中央で指Ｆに触れる電極のサイズが変化するため、検出信号Ｖｏｕｔにおける出力低下の期間の中央付近の時点で電極サイズの切り替わりに伴うレベル変化が観測される。一方、Ｙ軸方向にスワイプ動作が行われた場合には、スワイプ動作の方向に沿ったセンシング電極部１１Ｅの中央より端に寄った部分で指Ｆに触れる電極のサイズが変化するため、検出信号Ｖｏｕｔにおける出力低下の期間の中央よりも立下り或いは立ち上がりに寄った時点付近で電極サイズの切り替わりに伴うレベル変化が観測される。ジェスチャ認識部２２は、スワイプ動作がＸ軸方向であるのかＹ軸方向であるのかを、検出信号Ｖｏｕｔにおける出力低下の期間中のレベル変化が中央からずれているか否かを判断することで、判別することができる。さらに、ジェスチャ認識部２２は、スワイプ動作をＸ軸方向或いはＹ軸方向に判別した後に、センシング電極部１１Ｄの場合と同様にして、スワイプ動作が残った２方向のうちのいずれであるかを判別することができる。

また、図１３には、本発明の別の変形例に係るセンシング電極部１１Ｆの構成を示している。同図に示すセンシング電極部１１Ｆは、ケース１の表面１ａ上でＹ軸に対して非対称な形状を有している。すなわち、センシング電極部１１Ｆは、Ｘ方向に沿ってＹ軸方向の幅が異なる２つの電極部材５４，５５が配置され、それらの２つの電極部材５４，５５は、ケース１の裏面或いは内部に配置された電極線材５６により電気的に一体化されている。詳細には、この電極部材５４は、円形状をなし、電極部材５５は、電極部材５４よりもＹ軸方向の幅が大きい矩形状を成している。

このような構造により、スワイプ動作の２つの方向により、検出信号Ｖｏｕｔの変化が異なるようになる。すなわち、スワイプ動作が＋Ｘ方向と−Ｘ方向とで、スワイプ動作期間中における信号の谷の波形の時間的関係が異なってくる。例えば、＋Ｘ方向にスワイプ動作が行われた場合には、スワイプ動作において最初に幅の小さな電極部材５４に指Ｆが触れ、その後に幅の大きな電極部材５５に指Ｆが触れる。そのため、検出信号Ｖｏｕｔにおいて最初に小さな谷が生じ、その後に大きな谷が生じる。一方、―Ｘ方向にスワイプ動作が行われた場合には、スワイプ動作において最初に幅の大きな電極部材５５に指Ｆが触れ、その後に幅の小さな電極部材５４に指Ｆが触れる。そのため、検出信号Ｖｏｕｔにおいて最初に大きな谷が生じ、その後に小さな谷が生じる。ジェスチャ認識部２２は、スワイプ動作が＋Ｘ方向であるのか−Ｙ方向であるのかを、検出信号Ｖｏｕｔにおける小さな谷と大きな谷との時間的な関係を判断することで、判別することができる。なお、センシング電極部１１Ｆは、電極部材５４のような比較的幅の小さい電極部材を複数設けて、それぞれをケース１の裏面或いは内部で電気的に一体化するように構成されてもよい。また、センシング電極部１１Ｆは、複数設けた電極部材の大きさを互いに異なるものとしてもよい。この場合、検出可能なスワイプの方向を増加させることができる。

また、検出回路部１４の構成も様々変更することができる。静電容量方式のタッチセンサでは、混入するノイズがセンサの検出性能に影響を与える。このノイズには、駆動パルス由来のノイズや商用電源由来のノイズなどが存在する。センシング電極部を駆動する矩形波電圧信号ＰＡ由来の高周波ノイズは、ジェスチャを認識するために必要な周波数レンジとは異なるため、大きな問題とはならない。一方、商用電源由来のノイズ（50Hzや60Hzの交流ノイズ）は、ジェスチャを認識するための周波数レンジと重なるため問題となる。図５に示した検出信号の波形では、出力が低下していない領域で商用電源由来のノイズ（50Hz）が観測されると同時に、センシング電極部を駆動する矩形波電圧信号ＰＡ由来の高周波のノイズも常時観測されている。図１４は、このような商用電源由来のノイズへの対策が施された本発明の変形例に係る検出回路部１４の構成を示す回路図である。

同図に示す検出回路部１４では、図３に示した構成に比較して、アース電極部１２が削減され、可変抵抗素子３２ａ、コンパレータ３３ａ、及びＡＮＤゲート３９ａからなる充電時間を検出する回路部に加えて、可変抵抗素子３２ｂ、コンパレータ３３ｂ、及びＡＮＤゲート３９ｂからなる放電時間を検出する回路部、及びＯＲゲート４１が設けられ、２つの回路部の出力がＯＲゲート４１で結合されてローパスフィルタ３６に出力される構成を有する。詳細には、可変抵抗素子３２ｂの一端にはバイアス電圧ＶＣＣが印加され、その他端は可変抵抗素子３２ａの他端と接続され、ＡＮＤゲート３９ａ及びＡＮＤゲート３９ｂの出力がＯＲゲート４１の２つの入力に接続されている。また、ＡＮＤゲート３９ｂの第１の入力には、入力端子４０ｂを介して矩形波電圧信号ＰＡと同一周波数の矩形波電圧信号ＰＣが印加され、ＡＮＤゲート３９ｂの第２の入力にはコンパレータ３３ｂの比較結果である電位ＶＣｂが入力される。

このような構成の検出回路部１４によれば、ＡＮＤゲート３９ａからはセンシング電極部１１での静電容量の充電時間に対応したオン期間を有する出力が得られ、ＡＮＤゲート３９ｂからはセンシング電極部１１での静電容量の放電時間に対応したオン期間を有する出力が得られる。さらに、ＯＲゲート４１からはそれらのオン期間を合せた出力が得られ、検出信号Ｖｏｕｔとして静電容量を充電時間及び放電時間の２つによって検出した信号が得られる。

図１５は、図１４の検出回路部１４で処理される信号の波形の一例を示すタイミングチャートであり、（ａ）は矩形波電圧信号ＰＡの波形、（ｂ）はセンシング電極部１１の電位ＶＳの波形、（ｃ）はコンパレータ３３ａの出力である電位ＶＣａの波形、（ｄ）はコンパレータ３３ｂの出力である電位ＶＣｂの波形、（ｅ）は矩形波電圧信号ＰＢの波形、（ｆ）は矩形波電圧信号ＰＣの波形、（ｇ）はＡＮＤゲート３９ａの出力信号Ｖａｎｄａの波形、（ｈ）はＡＮＤゲート３９ｂの出力信号Ｖａｎｄｂの波形、（ｉ）は検出信号Ｖｏｕｔの波形をそれぞれ示す。このように、センシング電極部１１の電位ＶＳと閾値電位ＴＨ１とが比較されて生成された電位ＶＣａのオン期間は、静電容量の充電時間に対応し、センシング電極部１１の電位ＶＳと閾値電位ＴＨ２とが比較されて生成された電位ＶＣｂのオン期間は、静電容量の放電時間に対応している。従って、これら電位ＶＣａ，ＶＣｂが合わされて平滑化された検出信号Ｖｏｕｔの出力レベルは、この充電時間及び放電時間に対応して変化する。また、矩形波電圧信号ＰＢ，ＰＣと電位ＶＣａ，ＶＣｂとがそれぞれＡＮＤゲート３９ａ，３９ｂによって処理された後に平滑化されることにより、検出信号Ｖｏｕｔの直流レベルを低くすることができる。充電時間のみを利用した場合に混入する商用電源由来のノイズは、放電時間のみを利用した場合に混入する商用電源由来のノイズと逆相になっている。検出回路部１４では、両者を足し合わせることにより、商用電源由来のノイズをキャンセルすることができる。これにより、アース電極を設ける必要が無く、精度良いジェスチャ認識を実現することができるようになる。

上述した実施形態の検出回路部１４は、ケース１の内部に設けられているが、ケース１の外部に設けられていてもよく、ＩＣチップ２０と一体化されたものであってもよい。また、ＩＣチップ２０もケース１の外部に設けられていてもよい。

また、入力装置１００で認識するジェスチャは指Ｆによるものには限定されず、タッチペン等の他の種類の操作子によるものであってもよい。

本発明の実施形態の入力装置の応用の１つに、腕時計型デバイスや眼鏡型デバイスなどの小型のデバイスへの適用がある。このようなデバイスにおいて、例えば眼鏡のツルの部分に本実施形態の入力装置を埋め込めば、様々な種類のジェスチャ入力を実現することができる。

１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ…センシング電極部、１２…アース電極部、１３，１３Ｂ…タッチセンサ、１４…検出回路部、２０…ＩＣチップ、２２…ジェスチャ認識部（ジェスチャ認識手段）、２３…通知部（通知手段）、１００，１００Ａ，１００Ｂ…入力装置、Ｆ…指。

Claims

ユーザのジェスチャを認識する入力装置であって、
前記ユーザの指の接触を検出するタッチセンサと、
前記タッチセンサの生成した信号を基にジェスチャを認識するジェスチャ認識手段と、
前記ジェスチャ認識手段が認識したジェスチャに対応する操作信号を他のデバイスに通知する通知手段とを備え、
前記タッチセンサは、前記接触の検出用であって一方向に伸びる長尺状の形状を有するセンシング電極部を１つのみ有するとともに、前記一方向に交差する方向に伸びる長尺状の接地電極部を有し、前記センシング電極部の電位と閾値電位との比較信号である検出信号を検出することにより、前記センシング電極部における前記接触に応じた静電容量の変化を検出し、
前記ジェスチャ認識手段は、前記検出信号がそれぞれの動作に対応した時間波形であるかを判別することによって、前記ジェスチャの動作における前記指のタッチ、前記指のスワイプ、及び前記スワイプの指の本数を認識する、入力装置。
前記センシング電極部は、一方向に沿って非対称な形状を有する、請求項１に記載の入力装置。
前記センシング電極部は、幅の異なる分岐部が複数一体化された形状を有する、請求項２に記載の入力装置。
前記センシング電極部は、幅が一方向に沿って変化した形状を有する、請求項２に記載の入力装置。
前記センシング電極部は、一方向の幅と前記一方向に垂直な方向の幅とが異なるように形成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の入力装置。
前記タッチセンサは、矩形波で駆動されており、前記センシング電極部における静電容量を充電時間によって検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の入力装置。
前記タッチセンサは、矩形波で駆動されており、前記センシング電極部における静電容量を充電時間及び放電時間の２つによって検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の入力装置。