JP5853755B2 - 入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種の電子装置に対して、人の指先、手などの移動により、入力指令を与える入力装置に関する。

電子装置に対して、入力指令を与える装置として、下記特許文献１−３に開示の技術が知られている。特許文献１には、ラップトップコンピュータにおけるタッチパッド入力装置が開示されている。このタッチパッド入力装置は、平行に配列したｘ電極と、これに直交するｙ電極と、櫛歯状の検出電極とを有し、操作者の指先の移動により変化する、ｘ電極又はｙ電極と検出電極間の静電容量を検出することで、指先の位置を検出するようにした装置である。また、このようなタッチパッド入力装置は、手袋をした状態では、静電容量の変化がなく、入力指令を与えることができない。そこで、特許文献２には、手袋の指先に導電体を設けた技術が開示されている。このように、上記技術は、接触を必要とするものであり、非接触では位置を測定することができない。

非接触で人体の特定位置を検出する装置としては、テルミンと呼ばれる楽器がよく知られている。テルミンは２本のアンテナを有し、アンテナはそれぞれ発振回路に接続されている。アンテナと人体との相対距離の違いによる静電容量の変化によって発振周波数を変化させ、２つの発振回路の周波数のうなりを音に変換する楽器である。このテルミンの原理を利用した位置測定装置として、特許文献３がある。特許文献３では、第１方向に沿って平行に配置された複数の第１アンテナと、第１方向に直交する第２方向に沿って平行に配置された複数の第２アンテナと、によって構成されたアンテナパネルを有したセンサ装置が示されている。センサ装置には、第１、２アンテナにそれぞれスイッチで切り換えられて接続する１つの発振回路が設けられており、人の手がアンテナパネルに近づいた場合に、第１アンテナと発振回路とを接続して発振周波数の変化から第１方向の座標を決定し、第２アンテナと発振回路との接続に切り換えて発振周波数の変化から第２方向の座標を決定することで、アンテナパネル上部に位置する人の手の位置を非接触で検出することができる。

また、ハエの視覚系の信号処理回路を、視覚センサ（速度検出器）として用いた例が知られている（たとえば非特許文献１）。これは、Δｘ離れた左右２つの光センサを用い、２つの光センサによる光の強度をそれぞれ電気信号に変換して、一方の電気信号をΔｔ遅延させ、２つの電気信号の相関を取ることによって速度を検出するものである。

さらに、上記非接触での人***置測定技術とは別の技術として、人体表面に電磁場を伝搬させる技術が知られている（たとえば非特許文献２）。また、特許文献３には、ｘ−ｙのマトリックス電極で、操作者の指先の接近と位置の検出を、電極の静電容量の変化を、周波数変化にして検出する技術が開示されている。

特開２０１１−１００３７９ 特開２００８−８１８９６ 特開２０１０−１３９２８０

R. Harrison,"A Biologically Inspired Analog IC for Visual Collosion Detection",IEEE Transactions on Circuits and Systems-1:Regular papers,Vol.52,NO.11,pp.2308-2318,2005 根日屋英之，"人体通信の最新技術"，電波技術協会報ＦＯＲＮ−２０１０．１ Ｎｏ．２７２，ｐｐ．２４−２７

しかし、上記の技術は、操作者の指先の移動に伴う電極間の静電容量の変化を検出することで、位置の入力を行うものである。したがって、短冊状の平行に配列された複数のｘ電極と、このｘ電極に直交する方向に、短冊状の平行に配列された複数のｙ電極とを設ける必要があり、装置が複雑になるという問題がある。

また、ハエの視覚系回路のように、光センサによって人体の位置を検出する装置を構成することが考えられる。しかし、光によるセンシングでは奥行き方向の検知精度の悪化や、ダイナミックレンジの問題、暗い場所では検知することが困難、レンズの汚れに弱い、など多数の問題があると考えられる。

本発明は、電磁波として伝搬しない近接場を用いた、全く新たな原理に基づく、非接触型の入力装置を実現することである。

第１の発明は、電子装置に対して操作指令を入力する入力装置において、周囲に電磁波として伝搬しない電磁場を発生させる出力電極と、出力電極を励振して電磁場を周囲に発生させる励振器と、出力電極の周囲に配置された複数の検出電極と、複数の検出電極が検出する電磁場から得られる信号の位相差を求める位相差演算器と、位相差演算器の出力を電子装置に対する操作入力とすることを特徴とする入力装置である。

周囲に電磁波として伝搬しない電磁場とは、エバネセット波のような伝搬モードを有さない近接場のことである。出力電極の大きさを、電磁場の波長の１／１００程度以下に小さくすれば、出力電極からの放射モードはなく、エバネセット波による近接場が出力電極の周囲に形成される。励振周波数としては、１〜１００ＭＨｚを用いることができる。したがって、１００ＭＨｚでの励振であれば、出力電極は３ｃｍ以下とすれば良い。出力電極と検出電極との距離は、３０ｃｍ以下、３ｃｍ以上が望ましい。望ましくは、１０ｃｍ以下、３ｃｍ以上を用いることができる。１ＭＨｚでの励振であれば、出力電極は３ｍ以下とすれば良い。また、出力電極と検出電極との関係も、波長程度以下に拡大することができる。

複数の検出電極の個数は任意である。また、複数の検出電極は、１組の検出電極については、出力電極を中心として、点対称に設けられるのが望ましい。また、全検出電極に対しては、出力電極を中心として、回転対称に設けられるのが望ましい。また、検出電極は、偶数であって、２個の検出電極を１組として、複数組、設けられるのが望ましい。しかし、一つの検出電極を共通とすると、検出電極の数は、３以上の奇数であっても良い。

位相差演算器は、複数の検出電極において、１組にした２つの検出電極の出力するそれぞれの信号を乗算して出力する乗算器と、乗算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力するローパスフィルタとで構成されるのが望ましい。

また、位相差演算器は、複数の検出電極のうちの２つの検出電極を第１検出電極と第２検出電極とするとき、第１検出電極に接続する第１移相器と、第２検出電極に接続し、移相量が第１移相器と等しい第２移相器と、第１検出電極で検出された信号と、第２検出電極で検出され、第２移相器によって移相された信号とを乗算して出力する第１乗算器と、第１検出電極で検出され、第１移相器によって移相された信号と、第２検出電極で検出された信号とを乗算して出力する第２乗算器と、第１乗算器の出力と、第２乗算器の出力との差分をとる減算器と、減算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力するローパスフィルタとを有する装置として構成することができる。この時、第１移相器および第２移相器の移相量は９０°とすることが望ましい。この構成によると、出力が２倍となり感度を向上させることができる。

また、複数の検出電極は４個あり、第１検出電極と第２検出電極とを１組として、２組存在し、各組の第１検出電極と第２検出電極とを結ぶ線分の中点に出力電極が位置し、各組の線分は直交している構成とすることができる。この場合には、平面上における（ｘ，ｙ）直交座標を、操作者の指先の位置により入力することができる。

励振器の発振周波数は１〜１００ＭＨｚとすることが望ましい。この場合に、電磁波として伝搬しない近接場を出力電極の周囲に形成することができる。
また、出力電極に対してデータ信号を出力するデータ信号送信装置を設けることができる。この場合には、出力電極を他の装置に対する出力端とすることができる。例えば、ケーブルの入力端を本入力装置の出力電極に接近させて、他の装置に対してデータを伝送させることができる。
また、逆に、出力電極からデータ信号を入力するデータ信号受信装置を設けることができる。例えば、ケーブルの出力端を本入力装置の出力電極に接近させて、他の装置からケーブルを介して伝送されたデータを本入力装置に受信させることができる。
また、請求項７に記載の入力装置を第１入力装置とし、請求項８に記載の入力装置を第２入力装置とし、第１入力装置の出力電極と、第２入力装置の出力電極とは人体により接続されて、第１入力装置の出力電極から出力されるデータ信号を第２入力装置の出力電極から入力することを特徴とする伝送装置としても良い。すなわち、２つの本入力装置を有した装置であって、各出力電極に対して、操作者の左手指先と、右手指先を、それぞれ、接近又は接触させることで、各出力装置間でデータの送受信を行うことが可能である。

本入力装置は、カーオーディオ、カーナビ（カーナビゲーションシステム）、身体障害者用装置、またはゲーム機、その他一般の電子装置に対する各種の指令を、非接触で入力するための装置とすることができる。

本発明の入力装置は、出力電極により、電磁波として伝搬しない近接場を励振して、出力電極の周囲に存在する複数の検出電極により検出された信号の位相差を、指令入力として検出するものである。操作者の指先が、出力電極により形成される近接場を乱すと、上記の位相差が変化する。この位相差は、操作者の指先の位置と、複数の検出電極との間の相対的関係により決定される。この結果、本入力装置によると、操作者の指先や手のひらの位置や移動により、非接触で、各種の指令を電子装置に付与することができる。

また、出力電極と検出電極とを同一面上に設ければ良いので、従来装置のようにｘ電極、ｙ電極との多層構造を必要とすることがないため、構造が簡単であり、場所をとらず、設置の自由度が高い入力装置となる。

本発明の具体的な一実施例に係る実施例１の入力装置の構成を示した図。 実施例１の入力装置の出力電極及び検出電極の構成を示した図。 実施例１の電磁場検出器の構成を示した回路図。 実施例１の変形例に係る電磁場検出器の構成を示した回路図。 実施例１に入力装置と表示装置とを示した構成図。 実施例１に入力装置により得られる出力信号の波形図。 実施例１に入力装置の増幅器の増幅率を大きくした場合に得られる出力信号の波形図。 実施例２に係る伝送装置の構成図。 実施例３に係る入力装置を用いた装置の構成図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る入力装置１００の全体を示した構成図である。直径４ｃｍの円板状の出力電極１２は、円の中心に設けられている。出力電極１２の直径は０．５ｃｍ以上、５ｃｍ以下とすることができる。円周上に、１組の検出電極である第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂと、他の１組の検出電極である第１検出電極２０Ｃ、第２検出電極２０Ｄとが設けられている。第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとを結ぶ線分の中点に出力電極１２が位置し、第１検出電極２０Ｃと第２検出電極２０Ｄとを結ぶ線分の中点に出力電極１２が位置している。また、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとを結ぶ線分と、第１検出電極２０Ｃと第２検出電極２０Ｄとを結ぶ線分とは直交している。すなわち、各検出電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、出力電極１２を中心として、９０°の回転対称の位置に設けられている。また、各検出電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの外縁は、直径１０ｃｍの円周に接している。この円周の直径は出力電極１２を中心として近接場が形成される範囲であれば任意である。１０ｃｍ〜６０ｃｍ程度を用いることができる。

出力電極１２及び各検出電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、図２に示すように構成されている。図２は図１におけるｘ軸での断面図である。樹脂基板４４の上面には、出力電極１２、第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂに対応して、相互に絶縁分離された銅薄膜４５、４６Ａ、４６Ｂが形成されている。銅薄膜４５、４６Ａ、４６Ｂは、それぞれ、中心ピン４７、４８Ａ、４８Ｂに接続されており、樹脂基板４４の裏面の全面には同軸ケーブルの外被導体に接続さたアース銅薄膜４３が設けられている。また、外導体がアース銅薄膜４３に接合し、中心ピン４７、４８Ａ、４８Ｂを内在したコネクタ４１、４２Ａ、４２Ｂが設けられている。コネクタ４１に接続された図示しない同軸ケーブルを介して励振器１（図３）から入力された信号により出力電極１２の銅薄膜４５が励振される。また、第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂの銅薄膜４６Ａ、４６Ｂで検出される電磁場による信号は、コネクタ４２Ａ、４２Ｂに接続された図示しない同軸ケーブルを介して、電磁場検出器２Ａ（図１、３）に伝送される。

第１検出電極２０Ｃと第２検出電極２０Ｄも、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂと同様に形成されており、それらの検出電極は、電磁場検出器２Ｂ（図１）に接続されている。

位相差演算器を構成する電磁場検出器２Ａの構成を図３に示す。出力電極１２には励振器１が接続されている。励振器１は、発振器１０と、バンドパスフィルタ１１および増幅器１３を有し、増幅器１３の出力が出力電極１２に入力している。発振器１０の発振周波数は、１〜１００ＭＨｚである。本実施例では、周波数は１０．７ＭＨｚとした。出力電極１２の直径は、励振する電磁場の波長の１／１００以下が望ましい。周波数１０．７ＭＨｚの波長は２８ｍであるが、この波長に対して、１／１００、すなわち、直径２８ｃｍ以下となると、電磁波の放射が起こらない。この結果、出力電極１２の周囲には、伝搬しないエバネセット波による近接場が形成される。

バンドパスフィルタ１１は、発振器１０の発振する電気信号の周波数帯のみを透過するものであり、増幅器１３はバンドパスフィルタ１１を透過した電気信号を増幅するものである。また、出力電極１２は、増幅器１３からの電気信号によって、出力電極１２の周囲に電磁場を励振させるものである。バンドパスフィルタ１１や増幅器１３は必ずしも必要なものではないが、ノイズ等を除去して位置測定精度を高めるためにはこれらを設けることが望ましい。

第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂは、出力電極１２の周囲に形成された周波数１０．７ＭＨｚ、波長２８ｍの近接場を電気信号として受信する電極である。電磁場検出器２Ａは、第１検出電極２０Ａの検出する電気信号を入力するバンドパスフィルタ２１Ａ、増幅器２２Ａ、第２検出電極２０Ｂの検出する電気信号を入力するバンドパスフィルタ２１Ｂ、増幅器２２Ｂを有している。バンドパスフィルタ２１Ａ、２１Ｂは、発振器１０の発振周波数帯のみを透過するものであり、増幅器２２Ａ、２２Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、２１Ｂからの電気信号を増幅するものである。

また、電磁場検出器２Ａは、乗算器２３Ａ、２３Ｂをそれぞれ有している。乗算器２３Ａには、増幅器２４１を介して増幅器２２Ａの出力が接続され、移相器２５Ａ、増幅器２４２を介して増幅器２２Ｂの出力が接続されている。一方、乗算器２３Ｂには、移相器２５Ｂ、増幅器２４３を介して増幅器２２Ａの出力が接続され、増幅器２４４を介して増幅器２２Ｂの出力が接続されている。移相器２５Ａは第２検出電極２０Ｂからの電気信号を、移相器２５Ｂは第１検出電極２０Ａからの電気信号を、それぞれ、移相して出力するものであり、その移相量は等しく設定されている。乗算器２３Ａは、第１検出電極２０Ａからの電気信号と、移相器２５Ａによって移相された第２検出電極２０Ｂからの電気信号とを乗算して出力するものである。また、乗算器２３Ｂは、第２検出電極２０Ｂからの電気信号と、移相器２５Ｂによって移相された第１検出電極２０Ａからの電気信号とを乗算して出力するものである。

乗算器２３Ａ、２３Ｂの出力は減算器２６に接続しており、減算器２６は、それぞれの入力された電気信号の差分をとって出力する。減算器２６の出力側は、増幅器２７、ローパスフィルタ２８を介して、ローパスフィルタ２８の出力をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器２９に接続されている。そして、Ａ／Ｄ変換器２９は、操作指令を与えるための電子装置（図示しない）に接続されている。増幅器２７は、減算器２６の出力する電気信号を増幅するものであり、ローパスフィルタ２８は、高周波成分（直流成分に近い電気信号以外）をカットして出力するものである。

他の１組の検出電極である第１検出電極２０Ｃ、第２検出電極２０Ｄが接続される電磁場検出器２Ｂは、図３に示す電磁場検出器２Ａと同一構成をしている。
次に、本入力装置１００の動作について説明する。

まず、発振器１０によって１〜１００ＭＨｚ帯の周波数の電気信号を発振させ、バンドパスフィルタ１１を通してノイズ成分等を除去して増幅器１３によって電気信号を増幅したのち、出力電極１２より、周囲の空間にエバネセット波である近接場を励振させる。

操作者の指先が、４つの検出電極２０Ａ〜２０Ｄが形成する内部空間上を、移動すると、出力電極１２の周囲に形成された近接場が、指先の位置に応じて、変調を受ける。第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂで検出される電気信号は、操作者の指先の位置と第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂとの相対的な距離に応じて位相が異なる。以下、説明の簡略化のため、第１検出電極２０Ａで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）、第２検出電極２０Ｂで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）として考察する。ただし、θＡ、θＢは進み位相を正、遅れ位相を負としている。ωは２πｆであり、ｆは発振器１０の発振周波数である。なお、位置測定精度を高めるために、なるべく第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂ間を結ぶ直線に近い位置に指先を近づけることが望ましく、およそｃ／（２πｆ（εｒ）^1/2 ）（ここでｆは発振器１０の発振周波数、εｒは人体の比誘電率）以下まで指先を第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂを結ぶ直線に近づけるのがよい。たとえば１０．７ＭＨｚでは５０ｃｍ以下まで近づける。

第１検出電極２０Ａで受信した電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）は、バンドパスフィルタ２１Ａによって発振器１０の周波数帯域のみが透過され、増幅器２２Ａによって信号が増幅される。

また、第２検出電極２０Ｂで受信した電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）は、バンドパスフィルタ２１Ｂによって発振器１０の周波数帯域のみが透過され、増幅器２２Ｂによって信号が増幅される。

増幅器２２Ａからの出力は、２つに分岐されて一方は増幅器２４１によってさらに信号が増幅されたのち乗算器２３Ａへ、他方は移相器２５Ｂによって位相がφ遅延されてｃｏｓ（ωｔ＋θＡ−φ）の電気信号となり、その電気信号が増幅器２４３によって増幅されたのち乗算器２３Ｂへ入力される。

また、増幅器２２Ｂからの出力は、２つに分岐されて一方は増幅器２４４によってさらに信号が増幅されたのち、乗算器２３Ｂへ、他方は移相器２５Ａによって位相がφ遅延されてｃｏｓ（ωｔ＋θＢ−φ）の電気信号となり、その電気信号が増幅器２４２によって増幅されたのち乗算器２３Ａへ入力される。

つまり、乗算器２３Ａには、ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）の電気信号と、ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ−φ）の電気信号が入力され、乗算器２３Ｂには、ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ−φ）の電気信号と、ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）の電気信号が入力される。したがって、乗算器２３Ａの出力は、ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）・ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ−φ）であり、後段のローパスフィルタ２８でカットされる高周波成分を除けば、（１／２）・ｃｏｓ（ψ＋φ）である。ここで、θＡ−θＢ、すなわち位相差をψと置いた。同様に乗算器２３Ｂの出力は、（１／２）・ｃｏｓ（ψ−φ）となる。

乗算器２３Ａ、２３Ｂから出力される電気信号（１／２）・ｃｏｓ（ψ＋φ）および（１／２）・ｃｏｓ（ψ−φ）は、減算器２６に入力される。減算器２６からの出力は、（１／２）・ｃｏｓ（ψ−φ）−（１／２）・ｃｏｓ（ψ＋φ）＝ｓｉｎψ・ｓｉｎφとなる。その後、増幅器２７で信号が増幅されたのち、ローパスフィルタ２８によってすでに計算上省略した高周波数成分がカットされて、レベルｓｉｎψ・ｓｉｎφがＡ／Ｄ変換器２９に入力されて、ディジタル値に変換されて、位相差ψに比例した値が出力される。

Ａ／Ｄ変換器２９からは、電気信号ｓｉｎψ・ｓｉｎφの電圧値（ディデタル値）が出力される。この電圧値は、第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂで受信する電気信号の位相差ψ（＝θＡ−θＢ）に対応した値であり、さらにその位相差ψは、第１検出電極２０Ａと第２検出電極Ｂと、操作者の指先の位置とに関係した値である。したがって、電気信号ｓｉｎψ・ｓｉｎφの電圧値から、第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂの近傍にある指先の位置を測定することができる。なお、この結果が示すように、φが９０°のときにｓｉｎφ＝１より、出力が最大となるため、移相器２５Ａ、Ｂの移相量φは９０°に設定することが望ましい。位置測定の感度を向上させることができるためである。

出力電極１２による近接場が指先により反射して第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂに至ることを考える。出力電極１２からの近接場が、直接、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２に至る場合には、同相成分は、減算器２６の出力では零となる。したがって、減算器２６の出力は、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとにより検出された信号のうち同相でない信号成分による位相差が出力されることになる。同相でない信号成分は、出力電極１２から形成された近接場が、上記のように指先で反射され、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂで検出された成分となる。また、同相成分でない信号成分を考える場合には、指先による近接場の反射成分を考えれば良く、反射成分は、指先が新たな波源となるものと見做すことができる。

よって、指先と第１検出電極２０Ａとの距離と、指先と第２検出電極２０Ｂとの距離とが等しい場合には、指先での反射による第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂの出力するそれぞれの電気信号の位相は等しい。このため位相差ψは零となり、ローパスフィルタ２８の出力信号は、直流の零となる。また、指先が第１検出電極２０Ａの直上に位置する場合には、位相差ψは、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとの距離Ｌに比例した値となる。すなわち、ψ＝２πＬｆ／ｃとなる。ただし、ｆは、発振器１０の発振周波数、ｃは光速度である。また、指先が第２検出電極２０Ｂの直上に位置する場合には、ψ＝−２πＬｆ／ｃとなる。すなわち、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂの中点から第１検出電極２０Ａ又は第２検出電極２０Ｂまでの区間における指先の位置を検出することができる。

今、θＡ、θＢは、遅れ位相、すなわち、負値とする。第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂ間の中点に指先が位置すると、指先と、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとのそれぞれの距離は等しいので、θＡ＝θＢとなり、位相差ψは零、ローパスフィルタ２８の出力信号は零となる。指先が中点から第１検出電極２０Ａに向けて位置ｘに移動すると、指先と第１検出電極２０Ａとの距離（ｒ−ｘ）は減少し、指先と第２検出電極２０Ｂとの距離（ｒ＋ｘ）は増加する。ただし、ｒは、ｒ＝Ｌ／２であり、出力電極１２の中心と第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂまでの距離である。したがって、位相差ψ（＝θＡ−θＢ）は増加し、ローパスフィルタ２８の出力信号は、零から正の領域で増加する。また、逆に、指先が中点から第２検出電極２０Ｂに向けて位置ｘ（＜０）に移動すると、指先と第１検出電極２０Ａとの距離（ｒ−ｘ）は増加し、指先と第２検出電極２０Ｂとの距離（ｒ＋ｘ）は減少する。したがって、位相差ψ（＝θＡ−θＢ）は減少し、ローパスフィルタ２８の出力信号は零から負の領域で絶対値が増加する。結局、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとの間において、指先の位置を検出することができる。

このようにして、ローパスフィルタ２８の出力信号をＡ／Ｄ変換器２９によりディジタル値に変換すれば、指先の位置を制御する対象である電子装置に対する連続した指令値として出力することができる。図６は、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとの間をｘ軸に沿って、指先を往復移動させた時のローパスフィルタ２８の出力信号を示している。なお、指先は、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとを結ぶ線分上を移動するのではなく、その上部空間をｘ軸方向に沿って移動させている。したがって、指先と第１検出電極２０Ａ又は第２検出電極２０Ｂとの距離は、空間距離となる。このため、図６の最大と最小付近において、極小、極大が表れるのは、第１検出電極２０Ａを越えたｘ軸の正方向への移動と、第２検出電極２０Ｂを越えたｘ軸の負方向への移動によるものである。

また、他の組である第１検出電極２０Ｃと、第２検出電極２０Ｄとの組により検出される信号についても同様なことが言える。結局、図１において、４つの検出電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄで構成される平面上の指先の位置（ｘ，ｙ）座標を検出することができる。

例えば、図５に示すように、Ａ／Ｄ変換器２９の出力値である入力装置１００により入力された（ｘ，ｙ）座標を、液晶画面１１０上に表示することができる。これにより、操作者は、指先による位置指令（ｘ，ｙ）を確認することができる。

また、Ａ／Ｄ変換器２９の出力を所定の閾値により２値化することで、２値指令を与えることができる。例えば、Ａ／Ｄ変換器２９の出力が−Ａ以上、Ａ以下の範囲に存在するとして、Ａ×（７／１０）を第１閾値、−Ａ×（７／１０）を第２閾値とする。Ａ／Ｄ変換器２９の出力がこの第１閾値以上の場合には、本入力装置１００により指令が付与される電子装置に対する電源オンの指令、第２閾値以下の場合には、この電子装置に対する電源オフの指令とすることができる。また、入力指令の確実性を実現する場合には、Ａ／Ｄ変換器２９の出力が、所定時間内（例えば、１秒）において第１閾値以上となる回数が所定回数以上（例えば、３回）の場合に、電源オンの指令、第２閾値以下となる回数が所定回数以上（例えば、３回）となる場合に、電源オフの指令とするようにしても良い。また、（ｘ，ｙ）座標の位置指令の入力と、電源オンオフなどの２値指令の入力とのモード切り換えを指令するために、Ａ／Ｄ変換器２９の出力が、所定時間内に、第１閾値以上と第２閾値以下とを交互に繰り返す回数が所定回数（例えば、２回）以上の場合に、モードを交互に切り換えるようにしても良い。すなわち、モード変更の指令は、指先を、第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとの間に、１秒間に２往復以上させた場合とすることができる。

また、図示しない外部スイッチがオンとされた場合には、２値指令、オフの場合には、（ｘ，ｙ）座標の指令とするようなモード変更を行うようにしても良い。
また、２値指令の入力においては、増幅器２７の増幅率を大きくして出力を飽和させるようにしても良い。増幅器２７の出力を飽和させた時のローパスフィルタ２８の出力を図７に示す。これにより、２値指令の感度を向上させることができる。モード切り換えを２値指令により行う場合には、通常は、増幅器２７の出力を飽和させた状態にして、２値指令の入力感度を大きくしておいて、２値指令により（ｘ，ｙ）座標入力モードに変更された時に、増幅器２７の増幅率を飽和しない増幅率に変更するようにしてもよい。

上記実施例においては、（ｘ，ｙ）の平面座標を入力する例を示したが、検出電極を２個にして、ｘ軸又はｙ軸の一次元座標を入力する装置としても良い。

また、電磁場検出器２Ａでは、受信した２つの電気信号をそれぞれ２つに分割し、それぞれの一方をディレイしたのち乗算して差分を取っている。これは、単に受信した電気信号を乗算して高周波成分をカットするだけではオフセットが安定せず、位置の測定精度が悪化してしまうためである。ただし、高い位置精度が求められていない場合には、図４のように、電磁場変動検出器２Ａから移相器２５Ａ、２５Ｂ、乗算器２３Ｂ、減算器２６を削除した構成とすることもできる。この場合には、ローパスフィルタ２８の出力信号は（１／２）・ｃｏｓ（θＡ−θＢ）＝（１／２）・ｃｏｓ（ψ）となる。すなわち、原点で最大となる。

次に、実施例２に係る伝送装置２００について説明する。図８に示すように、本伝送装置２００は実施例１の入力装置１００ａ、１００ｂの２台を有する装置である。本装置の入力装置１００ａでは、励振器１ａに、並列にＡＳＫ変調器５１ａ、ＡＳＫ復調器５２ａが切換スイッチ５３ａを介して、出力電極１２ａに接続されている。ＡＳＫ変調器５１ａ、ＡＳＫ復調器５２ａは、本入力装置１００ａにより制御される電子装置６０ａに接続されている。同様に、本装置の入力装置１００ｂでは、励振器１ｂに、並列にＡＳＫ変調器５１ｂ、ＡＳＫ復調器５２ｂが切換スイッチ５３ｂを介して、出力電極１２ｂに接続されている。ＡＳＫ変調器５１ｂ、ＡＳＫ復調器５２ｂは、本入力装置１０１により制御される電子装置６０ｂに接続されている。ＡＳＫ変調器５１ａ、５１ｂ、ＡＳＫ復調器５２ａ、５２ｂ、切換スイッチ５３ａ、５３ｂは、データ信号送信装置、データ信号受信装置を構成する。

本伝送装置２００は、図８に示すように、操作者の左手指先を入力装置１００ａの出力電極１２ａに接触又は近接させ、操作者の右手指先を入力装置１００ｂの出力電極１２ｂに接触又は近接させる。ＡＳＫ変調器５１ａ、５１ｂは、１０．７ＭＨｚの搬送波をデータ信号によりＡＳＫ変調し、出力電極１２ａ、１２ｂに出力する変調器である。ＡＳＫ復調器５２ａ、５２ｂは、出力電極１２ａ、１２ｂから入力された信号を、１０．７ＭＨｚの搬送波により復調して、データ信号を得る復調器である。１０．７ＭＨｚの電磁場に対して人体の皮膚表面にはエバネセット波の近接場が励振される。したがって、入力装置１００ａの出力電極１２ａから、人体を介して、入力装置１００ｂの出力電極１２ｂに、ＡＳＫ変調信号を伝送させることができる。また、逆に、入力装置１００ｂの出力電極１２ｂから、人体を介して、入力装置１００ａの出力電極１２ａに、ＡＳＫ変調信号を伝送させることができる。このようにして、本入力装置１００ａ、１００ｂを用いることにより、電子装置６０ａ、６０ｂ間で、同軸ケーブルを用いることなく、データの伝送を実現することができる。

図９は、入力装置１００ａのみを用いる場合である。操作者の左手指先が入力装置１００ａの出力電極１２ａに接触又は近接され、操作者の体の任意の部分が、他のデータ送受信装置７０の入出力電極に接触又は近接される。この構成においても、電子装置６０ａと、データ送受信装置７０間でＡＳＫ変調によるデータの送受信を行うことができる。

実施例１において、励振器１の出力を停止、すなわち、出力電極１２から近接場が出力されない状態にして、次のようにしても良い。励振器１の発振器１０を腕に取り付け、励振器１の出力電極１２を手の甲に貼り付けても良い。この場合には、操作者の指先から指先の周囲に近接場が形成されることになる。この場合も、複数の検出電極による検出信号の位相差から指先の位置を検出することができる。また、操作者が着座している椅子の金属部分に、出力電極１２を設けても良い。この場合に、操作者の皮膚表面には椅子を介してエバネセット波が励振され、操作者の指先から周囲に近接場が形成される。これによっても、操作者の指先の位置を検出することができる。これにより、操作者が座席に座った状態では位置を指定することができるが、座席を立った状態では位置を指定することができないようにすることができ、誤動作の防止等に利用することができる。

検出電極の設置数は複数であれば任意であり、必ずしも、出力電極１２を中心とする円周上に配置する必要はない。出力電極１２に対して離間した位置に複数の検出電極を設ければ、操作者の指先と複数の検出電極との空間的な位置関係により、各検出電極により検出される各信号の位相差から、指先の位置を検出することができる。また、複数の検出電極は同一平面上に存在すれば、平面上の位置を入力することができるが、平面上に存在しなくとも良い。３個以上の検出電極が、同一平面上に存在しない場合には、本入力装置により、操作者の指先の空間座標を検出することができる。

本入力装置と、指令を付与する対象の電子装置との間は、ブルートゥースなどの無線によるものであってもよいし、有線によるものであってもよい。電子装置は、たとえばカーオーディオ、カーナビ（カーナビゲーションシステム）、身体障害者用装置、ゲーム機、携帯機器（携帯電話、スマートフォン、ノートパソコンなど）、ＴＶ、等である。たとえば、本入力装置により、これらの電子装置の電源のオンオフや、カーオーディオであればＡＭ、ＦＭ、ＴＶの切換や、チャンネルの変更などである。より具体的には、手先を左右に３回振ったときにはＡＭに、手先を左右に４回振ったときにはＦＭに、というようなカーオーディオの制御を非接触で行うことができる。

本発明の入力装置は、たとえばオーディオ装置、カーナビ装置などの非接触操作に用いることができる。また、身体障害者用装置やゲーム機、携帯機器等を非接触で操作する装置に応用することができる。

１：励振器
２Ａ、２Ｂ：電磁場検出器
６０ａ、６０ｂ：電子装置
１０：発振器
１２：出力電極
２０Ａ、２０Ｃ：第１検出電極
２０Ｂ、２０Ｄ：第２検出電極
２３Ａ、２３Ｂ：乗算器
２５Ａ、２５Ｂ：移相器
２６：減算器
２８：ローパスフィルタ

Claims (9)

1. 電子装置に対して操作指令を入力する入力装置において、
   周囲に電磁波として伝搬しない電磁場を発生させる出力電極と、
   前記出力電極を励振して前記電磁場を周囲に発生させる励振器と、
   前記出力電極の周囲に配置された複数の検出電極と、
   複数の前記検出電極が検出する前記電磁場から得られる信号の位相差を求める位相差演算器と、
   前記位相差演算器の出力を前記電子装置に対する操作入力とする
   ことを特徴とする入力装置。
2. 前記位相差演算器は、
   前記複数の前記検出電極の出力するそれぞれの信号を乗算して出力する乗算器と、
   前記乗算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力するローパスフィルタと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記位相差演算器は、
   複数の前記検出電極のうちの２つの検出電極を第１検出電極と第２検出電極とするとき、前記第１検出電極に接続する第１移相器と、
   前記第２検出電極に接続し、移相量が前記第１移相器と等しい第２移相器と、
   前記第１検出電極で検出された信号と、前記第２検出電極で検出され、前記第２移相器によって移相された信号とを乗算して出力する第１乗算器と、
   前記第１検出電極で検出され、前記第１移相器によって移相された信号と、前記第２検出電極で検出された信号とを乗算して出力する第２乗算器と、
   前記第１乗算器の出力と、前記第２乗算器の出力との差分をとる減算器と、
   前記減算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力するローパスフィルタと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
4. 前記第１移相器および前記第２移相器の移相量は、９０°であることを特徴とする請求項３に記載の入力装置。
5. 複数の前記検出電極は４個あり、前記第１検出電極と前記第２検出電極とを１組として、２組存在し、各組の前記第１検出電極と前記第２検出電極とを結ぶ線分の中点に前記出力電極が位置し、各組の前記線分は直交していることを特徴とする請求項３又は請求項４の何れか１項に記載の入力装置。
6. 前記励振器の発振周波数は１〜１００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の入力装置。
7. 前記出力電極に対してデータ信号を出力するデータ信号送信装置を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の入力装置。
8. 前記出力電極からデータ信号を入力するデータ信号受信装置を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の入力装置。
9. 請求項７に記載の入力装置を第１入力装置とし、請求項８に記載の入力装置を第２入力装置とし、前記第１入力装置の前記出力電極と、前記第２入力装置の前記出力電極とは人体により接続されて、前記第１入力装置の前記出力電極から出力されるデータ信号を前記第２入力装置の前記出力電極から入力することを特徴とする伝送装置。

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