JPH1167031A - タッチレススイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空中に表示させるキーの明るさを犠牲にする
ことなく、発光素子の発光強度及び受光素子の感度を弱
く設定しておいても、確実に空中のキーに接近してくる
物体を検出することができるタッチレススイッチを提供
する。 【解決手段】 空中に形成される実像２ａを照射し得る
位置に発光素子４が設けてあり、結像手段３と元絵２と
の間にハーフミラーが設けてあるタッチレススイッチに
おいて、前記発光素子４には、赤外線を照射する赤外線
発光素子を用い、前記ハーフミラーには、赤外線カット
フィルタ６を用い、前記赤外線発光素子からの光、すな
わち赤外線を受光する受光素子５は、結像手段３の端面
を垂直に通過して赤外線カットフィルタ６へ向かう光線
が赤外線カットフィルタ６で反射して進む方向の所定の
位置に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特願平７−３１３
４４０号の発明の改良に係わり、特に文字や絵を描いた
プレートと結像手段との間にハーフミラーを設けた構成
のタッチレススイッチの改良発明に係わるもので、赤外
線を反射する性質を持つ透明板を備えたタッチレススイ
ッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、全く新しいタイプの非接触
スイッチとして、平成６年１２月５日にタッチレスパネ
ルスイッチなる発明を出願し（特願平６−３３３７２７
号）、平成７年１０月２４日には、同様の非接触スイッ
チであるタッチレススイッチなる発明を出願している
（前記特願平７−３１３４４０号）。前記タッチレスス
イッチにおいて、文字や絵を描いたプレートと結像手段
である屈折率分布型レンズ素子との間にハーフミラーを
設けた構成のタッチレススイッチのアイデアが提案され
ている。

【０００３】本発明で問題とするタッチレススイッチ
は、この文字や絵を描いたプレートと結像手段（例えば
屈折率分布型レンズ素子）との間にハーフミラーを設け
た構成のタッチレススイッチに関連するものであり、以
後、タッチレススイッチと言えば、特にこのタイプのタ
ッチレススイッチのみを意味するものとする。

【０００４】タッチレススイッチは、伝送元である物体
（以後、元絵とも称する）を結像手段（例えば屈折率分
布型レンズ素子）により空中に投射（写像）し、前記物
体の実像をスイッチのキーとして空中に表示させ、スイ
ッチ操作のターゲットとして利用しようとするものであ
る。このタッチレススイッチにおいて、空中に表示され
たキーに接近してくる被検出物（オペレータの指など）
は、次のように検出していた。

【０００５】前記空中のキー、すなわち元絵の実像を照
射し得る所定の位置に発光素子を設ける（１個でも複数
個でもよい）。発光素子を発した光は、前記キーに接近
してきた指で反射し、結像手段を介して元絵への方に伝
送される。元絵と結像手段との間には、ハーフミラーが
設けてあるので、発光素子を発し、指で反射して結像手
段を通ってきた光は、一部はハーフミラーで反射する。
ハーフミラーで反射してきた発光素子からの光を受光し
得る位置に、受光素子が設けられているので、空中のキ
ーに触れようとしてくる物体（指）を検出することがで
きる。

【０００６】受光素子を設ける位置は、発光素子を発
し、指で反射してから結像手段へ入射するまでの光線の
軌跡の距離と結像手段を出射してからハーフミラーで反
射して受光素子に入射するまでの光線の軌跡の距離とが
概ね等しくなる位置が最も望ましい。

【０００７】従来のタッチレススイッチは、発光素子の
発光強度を大きくし、受光素子の感度を高くして使用し
なけらばならない傾向があった。そのように発光素子と
受光素子とを設定しておかないと、空中のキーに接近し
てきた指を検出できないことが多かったからである。

【０００８】それは、次のような理由による。タッチレ
ススイッチで使用するハーフミラーは、空中のキーを明
るくするために、元絵からの光をなるべく透過させるこ
とが望ましい。逆に、発光素子からの光は、なるべく反
射させることが望ましい。元絵からの光をハーフミラー
にて多くの割合で反射させると、空中のキーが暗くなる
ので、好ましくない。

【０００９】タッチレススイッチの元絵を発光させる照
明手段としては、発光ダイオードが、コスト、寿命、扱
い易さ、入手性、サイズ及び発光効率すなわち発熱量の
少なさなどの諸点から最も優れていると言ってよい。し
かしながら、発光ダイオードは、蛍光灯などど比べる
と、はるかに輝度が小さい、つまり暗い。よって、タッ
チレススイッチにおいて、特に発光ダイオードを照明手
段として用いる場合、ハーフミラーは、なるべく光を透
過させるものが望ましい。例えば、透明なアクリル板な
どは、空中に明るいキーを表示させるという点では理想
的である。しかし、ハーフミラーに光の透過率が高いも
のを使うほど、すなわち、空中のキーを明るく表示させ
るほど、その空中のキーに接近してきた指を検出すると
いうことが困難となるという問題点があった。

【００１０】タッチレススイッチにおいて、空中に明る
いキーを表示させようとした場合、発光素子からの光が
ハーフミラーまで到達したとしても、ほとんど反射せず
透過してしまう。よって、空中の指で反射し、結像手段
を介してハーフミラーでわずかの割合で反射する発光素
子からの光を受光素子で検出するには、発光素子の発光
強度を大きしておく必要があった。また、受光素子の感
度も高くしておく必要があった。

【００１１】しかし、受光素子の感度を高くしておくと
いうことは、ノイズに対する感度も高くすることであ
り、誤動作の原因となり好ましくないという問題点があ
った。また、発光素子の発光強度を強くすると、消費電
流が増えるという問題点とともに、発光素子の寿命が短
くなるという問題点もあった。また、発光強度の大きい
発光素子は、サイズも大きいので、スイッチ装置のパッ
ケージング上の問題とともに、発光素子の選択の余地が
狭まるという問題点があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のタッ
チレススイッチの問題点に鑑み為されたもので、その目
的とするところは、空中に表示させるキーの明るさを犠
牲にすることなく、発光素子の発光強度及び受光素子の
受光感度を弱く設定しておいても、確実に空中のキーに
接近してくる物体を検出することができるタッチレスス
イッチを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
を解決したもので、次のようなものである。空中に形成
される実像を照射し得る位置に発光素子が設けてあり、
結像手段と元絵との間にハーフミラーが設けてあるタッ
チレススイッチにおいて、前記発光素子には、赤外線を
照射する赤外線発光素子を用い、前記ハーフミラーに
は、赤外線カットフィルタを用いる。赤外線カットフィ
ルタというのは、可視光線を多くの割合で透過させ、赤
外線を多くの割合で反射させる光学フィルタである。

【００１４】前記赤外線発光素子からの光、すなわち赤
外線を受光する受光素子は、前記結像手段の端面を垂直
に通過して前記赤外線カットフィルタへ向かう光線が前
記赤外線カットフィルタで反射して進む方向の所定の位
置に受光素子を設ける。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明で使用する発光素子は、赤
外領域の波長の光を発することができる発光素子であ
る。例えば、赤外発光ダイオードなどが使用できる。以
後、発光素子と言えば、少なくとも赤外領域に発光波長
を持つ素子のこと意味するものとする。

【００１６】発光素子は、少なくとも１個以上、元絵の
実像、すなわち空中のキーを照射できるように設けられ
ている。発光素子は、空中のキーの少なくともその一部
でも照射できれば良いのであって、空中のキー以外の位
置を照射してはいけないということではない。要する
に、空中に表示されるキー（一部でも全部でも）を照射
することは、必要であるが、それ以外の空中の位置のど
こを照射するかしないかは、当業者の設計上の選択事項
である。

【００１７】結像手段と元絵とは、結像手段の下端面と
元絵（の面）とが平行またはほぼ並行になるように所定
の距離を隔てて設置されている。前記所定の距離は、結
像手段の光学特性で定まる。つまり、元絵を空中に実像
として射像し得る位置に、元絵と結像手段を配置する。

【００１８】赤外線カットフィルタというのは、要する
に赤外線反射板のことであり、所定波長以上の光線を反
射させる部材である。本発明で使用する赤外線カットフ
ィルタの波長特性としては、可視領域の光線は、なるべ
く透過させ、赤外領域または所定幅の赤外領域の光線
は、なるべく反射させる特性であることが望ましい。ま
た、前記所定幅の赤外領域は、発光素子の発光波長領域
と一致することが望ましい。

【００１９】赤外線カットフィルタのサイズは、元絵を
空中へ写像するのに十分なサイズであり、元絵を含む面
と赤外線カットフィルタを含む面との為す角が所定角と
なるように設置する。

【００２０】受光素子の設置位置は、次のように考え
る。空中に表示されたキーの中心もしくはほぼ中心を通
る垂線を想定する。この垂線は、元絵の中心を通る垂線
でもある。この垂線上を光線が結像手段から赤外線カッ
トフィルタの方へ進行すると考える。該光線の一部は、
赤外線カットフィルタで屈折され、透過して行くが、一
部は、前記元絵を含む面と赤外線カットフィルタを含む
面との為す所定角に従って反射する。この赤外線カット
フィルタでの反射光が進行する方向の所定の位置に受光
素子を設ける。

【００２１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す模式図であ
る。元絵２は、光線を透過し得る材料に、文字、記号、
絵、図またはアイコンなどを描いたプレート（パネル）
である。元絵を発光させるための照明手段１には、発光
ダイオードや冷陰極管などを使用する。なお、元絵２自
体に発光体、つまり発光ダイオードやＬＣＤ等の電子デ
ィスプレイデバイスを使用してもよい。また、元絵２と
照明手段１との間に拡散板を介在させてもよい。元絵２
と照明手段１の間に拡散板を設けると、元絵２の明るさ
ムラを低減する効果がある。

【００２２】結像手段３は、所定位置にある物体を所定
位置に実像として写像する光学素子である。例えば、所
定長の屈折率分布型ロッドレンズをマトリクス状に多数
配列したブロック状の素子、いわゆる屈折率分布型レン
ズ素子を結像手段として用いることができる。また、結
像手段３には、微少凸レンズをマトリクス状に多数配列
させたプレート（平板集合マイクロレンズプレート）を
１枚目の各微少凸レンズと２枚目の対応する各微少凸レ
ンズの光軸を合わせて所定間隔で２枚設けたものを使用
してもよい。

【００２３】発光素子４には、例えば、赤外発光ダイオ
ードを使用する。発光素子４は、実像２ａを照射し得る
位置に設置する。発光素子４の品種、赤外領域の発光波
長や指向性などの光学的特性、設置する数、照射方向
（光軸の方向）及び駆動方式などは、当業者の設計上の
選択事項である。但し、発光素子４は、物体である元絵
２を空中に投射した像である実像２ａの一部または全部
の領域を照射できなくてはならない。

【００２４】発光素子４が発する光（赤外線）は、スイ
ッチのキー、すなわちスイッチ操作のためのターゲット
として空中に形成されている実像２ａに接近してくる物
体（実質的にはオペレータの指）で反射し、結像手段３
を介して赤外線カットフィルタ６に達し、ごく一部は赤
外線カットフィルタ６を通過するが、大部分は赤外線カ
ットフィルタ６で反射し受光素子５に達する。

【００２５】図１で示しているように、実像２ａに指が
到達する少し前に指を検出できるように、発光素子４及
び受光素子５を設ける位置、光軸及び感度を調節してお
くほうが、実用上好ましい受光素子５には、赤外領域に
感度を持つフォトダイオード、フォトトランジスタまた
はフォトＩＣなどが使用できる。制御回路７は、発光素
子４、受光素子５及び照明手段１を制御し、スイッチ装
置の外部に信号を出力する。

【００２６】赤外線カットフィルタ６は、元絵２からの
光、すなわち可視光を透過させるとともに、発光素子４
からの光、すなわち赤外線を反射させる材質のプレート
である。例えば、耐熱ガラスに赤外線反射材料（膜）を
真空蒸着させたものなどの使用が推奨できる。

【００２７】赤外線カットフィルタ６の設置に際して
は、元絵−結像手段下端面間距離Ｌｏの長さを勘案し
て、水平からの角度αを設計する。元絵が含まれている
面と赤外線カットフィルタが含まれている面は、両面が
平行でない限り、必ず交わるが、この二つの面が為す角
のうち、鋭角のほうの角をαとする。一般的には、赤外
線カットフィルタ６は、この角αが４５度または４５度
以下になるように設計・設置する。当然、元絵−結像手
段下端面間距離Ｌｏが短くなればなるほど、角αは、４
５度からより狭く（小さく）しなければならない。

【００２８】受光素子５は、この角αに対応して、設置
される絶対位置は変わるが、結像手段３の端面を垂直に
通過する光線が赤外線カットフィルタ６で反射して進行
する光線の軌跡上に設置されるということに変わりはな
い。

【００２９】受光素子５を設置する位置は、従来のタッ
チレススイッチと同様、発光素子４を発した光におい
て、被検出物である指で反射してから結像手段３の上端
面に達するまでの光線の軌跡の距離（Ａ）と結像手段３
から出射し、赤外線カットフィルタ６で反射して受光素
子５に達するまでの光線の軌跡の距離（Ｂ＋Ｃ）とが等
しくなる位置が推奨される。すなわち、図１において、
Ａ＝Ｂ＋Ｃとなる位置である。

【００３０】しかしながら、受光素子５は、該ベストの
位置から多少前後しても、発光素子４からの光を受光で
きるので、大体の位置に設ければよい。逆に言えば、受
光素子５は、発光素子４からの光を検出できるように、
その光軸と感度を調節するわけである。本発明では、発
光素子４から発した光のうち、赤外線カットフィルタ６
まで届いた赤外線は、ほとんど反射して受光素子５の方
へ進むので、空中の実像２ａを検出しようとするに当た
って、発光素子４の発光強度を弱くし、受光素子５の受
光感度を低く設定することが可能となる。

【００３１】なお、本発明で使用する赤外線カットフィ
ルタには、透明なガラス板や透明な樹脂板に赤外線を反
射する塗料を塗布した部材を使用することも可能であ
る。この塗料は、なるべく透明度の高いものが好まし
い。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、次に記載される効果を奏する。従来のタッ
チレススイッチのハーフミラーを赤外線カットフィルタ
にすることにより、空中に表示する実像（キー）の明る
さを従来のタッチレススイッチと比べてほとんど遜色な
くすることができ、かつ発光素子の発光強度を弱くして
使用することができる。すなわち、従来よりも発光素子
をより少ない電流で駆動させて、キーに近づく物体の検
出をすることができる。よって、発光素子の寿命を長く
することができ、小さい発光素子を使うことも可能とな
るので、スイッチ装置のパッケージング上も有利であ
る。同様に、受光素子の感度が従来よりも低くても、キ
ーに近づいてくる物体の検出をすることが可能となり、
誤動作も起こりにくくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す模式図

【符号の説明】

１ 照明手段 ２ 元絵 ２ａ 実像 ３ 結像手段 ４ 発光素子 ５ 受光素子 ６ 赤外線カットフィルタ ７ 制御回路 Ｌｏ 元絵−結像手段の下端面間距離 Ｌｉ 結像手段の上端面−実像間距離 α 元絵を含む面と赤外線カットフィルタを含む面の為
す二つの角のうち、鋭角のほうの角 Ａ 指で反射してから結像手段の上端面まで、発光素子
からの光が進行する距離 Ｂ 結像手段の下端面から赤外線カットフィルタまで、
発光素子からの光が進行する距離 Ｃ 赤外線カットフィルタで反射してから受光素子ま
で、発光素子からの光が進行する距離

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空中に形成される実像を照射し得る位置
   に発光素子が設けてあり、結像手段と元絵との間にハー
   フミラーが設けてあるタッチレススイッチにおいて、 前記発光素子は、赤外線を照射する赤外線発光素子であ
   り、 前記ハーフミラーは、赤外線カットフィルタであり、 前記結像手段の端面を垂直に通過して前記赤外線カット
   フィルタへ向かう光線が前記赤外線カットフィルタで反
   射して進む方向の所定の位置に受光素子を設けたことを
   特徴とするタッチレススイッチ。