JP2013105300A - 操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触による確実な入力が可能な操作装置を実現すること。
【解決手段】電磁場を検出するセンサ２５と、電磁場に感応するセンサから出力される検出信号に対してＰＬＬ同期した信号を発振させる第１ＰＬＬ回路２８Ａと、センサから出力される検出信号に対してＰＬＬ同期した信号を発生させる第２ＰＬＬ回路２８Ｂと、第１ＰＬＬ回路の出力信号と第２ＰＬＬ回路の出力信号とをミキシングする第１ミキサ３０と、第１ミキサの出力信号から所定周波数以上を遮断する第１ローパスフィルタ３１と、を有し、出力装置は、第１ＰＬＬ回路及び第２ＰＬＬ回路の同期確立直前における位相雑音に起因する周波数変動に応じて、同期確立直前の状態であることを操作者に伝達する装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、操作者がある装置に対して、電源のオンオフなどの２値や、ボリュームなどの連続値の指令などを非接触で実行することができる操作装置に関する。

人体の特定部位の位置、たとえば、指先の位置を測定する装置として、従来マウスやタッチパネルディスプレイなどの機器があるが、これらはいずれも人体との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１がある。特許文献１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、人の指先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指先の位置を非接触で検出することができる。要するに、アンテナ素子の静電容量を発振回路の発振周波数を決定する容量とすることで、指先がアンテナ素子に接近すると静電容量が大きくなり、発振周波数が変化する。この発振周波数の変化の大きさにより、指とアンテナとの距離が分かる。また、各アンテナ素子を順次、２方向（ｘ軸、ｙ軸）に操作することで周波数が大きく変化している位置によりｘ，ｙ座標を決定することができる。

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、上記非接触での人体位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）。

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

特許文献１の位置測定装置は、アンテナパネルに指先を遠方から接近させると共に、そのパネルの面上のｘ，ｙ座標を指先で非接触で指示するものである。しかし、この場合には、アンテナパネルによりがｘ，ｙ座標の読取が可能となる指先のアンテナパネルへの接近の程度を、操作者は知ることができない。このため、操作者は、指先を、アンテナパネルへどの程度接近させれば、指先によるｘ，ｙ座標の位置の指定が可能かを知ることができない。そのため、誤操作が多いという問題がある。

また、特定の人だけの手の位置を測定したい場合であっても、その特定の人と他の人との区別ができず、選択的に人の手の位置を測定するということができない。

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。また、人体の電磁場の表面伝搬を利用して、非接触で操作指令を与える装置は知られていない。

本発明は、非接触で操作指令を与える操作装置において、指令を与え得る状態を操作者に容易に伝達できるようにすることにより、操作指令を確実に実行できるようにすることである。

第１の発明は、操作者により装置に対して非接触で操作指令を与える操作装置において、電磁場を検出するセンサと、電磁場に感応するセンサから出力される検出信号に対してＰＬＬ同期した信号を発振させる第１ＰＬＬ回路と、第１ＰＬＬ回路の出力信号から直流成分を復調する復調装置と、復調装置の出力信号を入力して、第１ＰＬＬ回路の同期確立直前における位相雑音に起因する周波数変動に応じて、同期確立直前の状態であることを操作者に伝達する出力装置と、を有することを特徴とする操作装置である。

上記発明において、電磁場は単一周波数の正弦波、余弦波であっても、これらの波を振幅、位相、周波数などの変調をした信号であっても良い。また、方形波であっても良い。センサは、アンテナや電極である。電磁波を検出するにはアンテナが、近接場を検出するには電極を用いることが望ましい。センサは後述するように、単一であっても、複数であっても良い。第１ＰＬＬ回路は、センサにより検出された電磁場による信号に位相及び周波数同期した、同一周波数又は異なる周波数（通常は、検出された信号の周波数よりも高い、逓倍周波数である。）を発振させる回路である。この場合に、電磁場が変調信号であれば、一旦、ベースバンドに復調した信号に対して、周波数、位相が同期した同一周波数又は周波数逓倍の信号を発振するようにしても良い。復調装置は、第１ＰＬＬ回路の出力信号を直流成分に復調する装置であれば、構成は任意である。たとえば、第１ＰＬＬ回路の出力信号をコスタスループにより直交復調して同期検波することで、第１ＰＬＬ回路の出力信号から直流成分を得ることができる。この場合には、操作指令はオンオフの２値となる。さらに、コスタスループによる復調によれば、フィードバックループの制御量が第１ＰＬＬ回路の出力信号の位相に等しくなる。復調装置は、このように、第１ＰＬＬ回路の出力信号の位相を検出する位相復調装置であっても良い。この場合には、第１ＰＬＬ回路の出力信号の位相が、操作の指令量となり、指令量をアナログ量とすることができる。

また、後述するように、復調装置で復調に用いる復調搬送波には、センサにより検出された電磁場による信号に同期した、同一周波数又は異なる周波数（通常は、検出された信号の周波数よりも高い、逓倍周波数である。）を発振させる第２ＰＬＬ回路からの発振信号を用いても良い。この場合に、第１ＰＬＬ回路と第２ＰＬＬ回路との発振周波数を等しくすると、１段の復調で直流成分が得られる。また、第１ＰＬＬ回路の発振周波数と、基準発振器又は第２ＰＬＬ回路の発振周波数とが異なる場合には、それらの発振周波数の差を周波数とする中間周波に復調した後に、その中間周波を復調搬送波とするコスタスループなどの直交復調器、又は、その中間周波に同期させた第３ＰＬＬ回路の発振信号を復調搬送波として復調することで直流成分や位相成分を得るようにしても良い。

第１ＰＬＬ回路は、センサの出力する検出信号に同期し、検出信号の周波数に等しいか逓倍（Ｎ倍、１を含む）の周波数の発振信号を出力する。この時、第１ＰＬＬ回路は、センサにより検出される電磁場の大きさに依存して検出信号のレベルが高くなると、電圧可変発振器の発振周波数の１／Ｎが、検出信号と同期するよう電圧可変発振器の位相及び発振周波数がフィードバック制御される。完全なフィードバック制御による引込みが完了する前には、第１ＰＬＬ回路の発振周波数は不安定な状態であり、位相雑音が多い状態となる。この同期確立直前の状態は、直流成分だけでなく、比較的低周波のうなり成分が復調装置から出力される。出力装置は、この低周波のうなり成分が検出された場合に、人の知覚、視覚、触覚に訴える現象を出力する装置である。人の知覚に訴える現象とは、たとえば、視覚、聴覚、触覚、平衡感覚、などに訴える現象であり、視覚に訴える現象としては表示装置などによる表示、聴覚に訴える現象としては音、触覚に訴える現象としては圧力、風、振動、温度、または電気刺激などである。操作者は、この同期確立直前の状態が検出された場合には、次に続く、同期確立状態、すなわち、復調装置の出力に位相雑音に起因する周波数変動がない安定した直流成分が得られる状態に至ることを知ることができる。したがって、この同期確立状態においては、復調装置の出力する直流成分や位相成分は、操作者の指先などの移動に伴って時間的に変化する。この直流成分や位相成分を装置に対する指令とすることができる。

また、第２の発明は 復調装置は、センサから出力される検出信号に対してＰＬＬ同期した信号を発生させる第２ＰＬＬ回路と、第１ＰＬＬ回路の出力信号と第２ＰＬＬ回路の出力信号とをミキシングする第１ミキサと、第１ミキサの出力信号から所定周波数以上を遮断する第１ローパスフィルタと、を有し、出力装置は、第１ＰＬＬ回路及び第２ＰＬＬ回路の同期確立直前における位相雑音に起因する周波数変動に応じて、同期確立直前の状態であることを操作者に伝達する装置であることを特徴とする。この発明においては、第１の発明において、第１ＰＬＬ回路の発振信号から直流成分や位相成分を復調するための復調搬送波として、センサから出力された検出信号に同期した信号を発振する第２ＰＬＬ回路の発振信号を用いたものである。すなわち、第１ＰＬＬ回路の発振信号と第２ＰＬＬ回路の発振信号の周波数は完全に等しくなるため、これらの信号をミキシングするミキサの出力信号は直流成分（両ＰＬＬ回路の発振信号の位相差の余弦）となる。また、第１ローパスフィルタの出力信号には、第１ＰＬＬ回路と第２ＰＬＬ回路とが、それぞれ、同期確立直前の状態では、ＰＬＬ回路の位相雑音に起因する周波数変動が生じる。この周波数変動を同期確立直前として、操作者に伝達するようにしている。

第３発明は、センサは、第１センサと、該第１センサと異なる位置に置かれた第２センサとから成り、第１ＰＬＬ回路は第１センサから出力される検出信号を入力し、第２ＰＬＬ回路は第２センサから出力される検出信号を入力することを特徴とする。この発明では、第１センサの出力する検出信号と第２センサの出力する検出信号とでは、瞬時の周波数は同期しており、各センサで電磁場を受信する遅延時間差による位相のみが異なる。したがって、復調装置の出力信号は、両検出信号の位相差の余弦をレベルとする直流成分となる。また、第２ＰＬＬ回路の出力する発振信号をπ／２だけ遅延させて、第１ＰＬＬ回路の出力する発振信号とミキシングすることにより、位相差の正弦をレベルとする直流成分となる。同様に、相互に、相手方の発振信号をπ／２だけ遅延させて、自己の発振信号とミキシングすれば、両検出信号の位相差の余弦と正弦とを得ることができる。このようにして得られた位相差は、第１センサと第２センサとの間の中点を原点とする操作者の指先の位置を示している。一般的には、この位相差は、第１センサと指先との距離、第２センサと指先との距離の差を示している。復調装置の出力信号から、操作者の指先の座標位置を指令値として装置に指令することができる。

第４発明は、第１センサから出力される検出信号を分岐した信号を入力する第３ＰＬＬ回路を有し、復調装置は、第１ローパスフィルタの出力信号と第３ＰＬＬ回路の出力信号とを混合する第２ミキサと、第２ミキサの出力信号から所定周波数以上を遮断する第２ローパスフィルタとを有し、第２ローパスフィルタの出力信号を復調装置の出力信号とすることを特徴とする。

第５発明は、出力装置は、復調装置の出力信号から得られる第１ＰＬＬ回路の同期確立状態の信号に応じて、操作者の操作状態を指令として出力する装置であることを特徴とする。この状態での復調装置の出力信号を装置に対する指令値とすることができるのは上述した通りである。
また、第６発明は、出力装置は、復調装置の出力信号から得られる第１ＰＬＬ回路及び第２ＰＬＬ回路の同期確立状態の信号に応じて、操作者の操作状態を指令として出力する装置であることを特徴とする。
また、第７発明は、復調装置は、第１ＰＬＬ回路の出力信号の位相を検出する位相検出装置であることを特徴とする。

また、第８の発明は、操作者に対して、直接又は間接的に、電磁場を励振する励振器を有することを特徴とする。この場合には、励振器を操作者が携帯することで、電磁波が体、腕を伝搬し、たとえば、手足の指先からセンサに対して、電磁場を形成することができる。また、操作者が着座している椅子を励振すれば、操作者は間接的に励振されるので、上記のことが達成される。この場合には、本装置は、電磁場で励振されている操作者のみの操作に応答することになり、他人の操作を禁止することができる。
また、第９の発明は、出力装置からの出力信号に応じて、同期確立直前の状態の場合に、第１ＰＬＬ回路に入力する信号を増幅する第１増幅器を有することを特徴とする。この場合には、第１ＰＬＬ回路の同期確立を確実にすることができる。
また、第１０の発明は、出力装置からの出力信号に応じて同期確立直前の状態の場合には、第１ＰＬＬ回路に入力する信号を増幅する第１増幅器と第２ＰＬＬ回路に入力する信号を増幅する第２増幅器とを有することを特徴とする。この場合には、第１ＰＬＬ回路、第２ＰＬＬ回路の同期確立を確実にすることができる。
また、第１０発明は、センサは、一つ設けられていることを特徴とする。すなわち、センサは共通する一つのセンサであても良い。この場合には、２値指令、すなわち、例えば、装置の電源のオンオフの指令に用いることができる。

本発明によると、たとえば、操作者の指先がセンサに接近する過程において、指先がセンサから遠方に位置している間は、第１ＰＬＬ回路の発振周波数は、その回路の発振器の周波数である。指先がセンサに接近して行くと、次第に、第１ＰＬＬ回路は電圧制御発振器によりセンサによる検出信号に同期した信号が発振するようになる。しかし、同期確立直前状態では、第１ＰＬＬ回路の発振周波数は安定せずに振動したものとなり、位相雑音が多く含まれた状態となる。この状態を、指先のセンサへの一定の接近状態として操作者に伝達することができる。操作者はその状態を知った後は、さらに、指先をセンサに近づけることで、第１ＰＬＬ回路は、センサの出力する検出信号に完全に同期した同期確立状態となる。この状態を、装置への指令とすることができる。また、第２ＰＬＬ回路が存在する場合も同様に、第１ＰＬＬ回路及び第２ＰＬＬ回路の同期確立直前状態を復調装置の出力信号から検出することができる。これにより、操作者は、たとえば、指先のにより、装置に対する指令値を与えることができるセンサに対する距離範囲を認識することができる。この結果、誤操作が確実に防止される。

さらに、センサが複数存在する場合には、第１センサと第２センサからのたとえば、指先までの距離の差を検出することができる。特に、指先の位置により、第１センサと第２センサを結ぶ直線上の座標を検出することかできる。この座標を、装置に対する連続した指令値とすることができる。

実施例１の操作装置の構成を示した図。 実施例１のセンサである電極の構成を示した図。 実施例１の励振器２０の構成を示した図。 実施例１の第１ＰＬＬ回路の同期確立過程におけるスペクトルを示した配置図。 実施例１の第１ＰＬＬ回路の同期確立直前の状態における発振信号のスペクトルを示した図。 実施例１の第１ＰＬＬ回路の同期確立状態における発振信号のスペクトルを示した図。 実施例１の第１ローパスフィルタの出力信号を示した図。 実施例２の操作装置の構成を示した図。 実施例３の操作装置の構成を示した図。 実施例３の操作装置においてＰＬＬ回路が同期確立した状態での第１ローパスフィルタの出力信号を示した図。 実施例４の装置装置の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図面を用いて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、励振器２０により発生される電磁場を検出する実施例１の操作装置１の構成について示した図である。励振器２０は、発振器２１と、バンドパスフィルタ２２を介して発振器２１に接続する励振素子２４とによって構成されている。バンドパスフィルタ２２は、発振器２１の発振する電気信号の周波数帯のみを透過させるものである。バンドパスフィルタ２２は必ずしも必要なものではないが、ノイズ等を除去して実施例１の操作装置１の感度等を向上させるためにはこれらを設けることが望ましい。バンドパスフィルタ２２からの電気信号は、励振素子２４に入力する。励振素子２４は、操作者に対して直接、又は間接的に励振する素子である。たとえば、励振素子２４は、操作者を直接励振するには、操作者の皮膚に取り付けられた電極や、操作者の皮膚に対して電磁波を放射する放射アンテナで構成することができる。また、励振素子２４は、操作者を間接的に励振する場合には、操作者が着座している椅子を励振するために、椅子の支柱又は脚に取り付けた電極、又は、方端がアースされ、支柱や脚に巻かれたλ／４長さのコイルなどで構成することができる。図３は、椅子の支柱４０にλ／４長さのコイル４１を捲いて励振素子２４を構成したものである。コイル４１の一端４１ａが増幅器２３の出力端に接続され、コイル４１の他端４１ｂがアースされている。この構成により、コイル４１に定在波を励振することで、椅子は電磁場で励振され、その電磁場は操作者の人体を伝搬して、操作指令のための指先まで伝搬することになる。

発振器２１の発振周波数は、操作者を励振して、人体表面に電磁場を効率良く伝搬させることができる周波数であることが望ましい。ここでいう電磁場の伝搬は、電磁波として空間に放射されずに操作者の表面近傍にのみ伝搬している場合（準静電界が支配的なモード）である。操作者の体表面に準静電界が支配的なモードで電磁場を伝搬させるためには、発振器２１の発振周波数は１〜１００ＭＨｚとすることが望ましい。本実施例では、発振周波数は１０．７ＭＨｚとした。

操作装置１は、コイル４１とは離れた位置に設けられ、電磁場のセンサである電極２５を有する。電極２５は、図２に示すように構成されている。樹脂基板４５の上面に銅箔４６が形成されている。その銅箔４６は中心線４８に接続されており、樹脂基板４５の裏面は同軸ケーブルの外被導体に接続さたアース銅箔４７が設けられている。銅箔４６で受信される電磁場による信号は、同軸コネクタ４９を介して、図示しない同軸ケーブルにより伝送される。

電極２５の出力は２分配されて、それぞれの分配端子が、それぞれ、バンドパスフィルタ２６Ａ、２６Ｂに接続されている。バンドパスフィルタ２６Ａ、２６Ｂは、発振器２１の発振周波数帯のみを透過するものであり、第１増幅器２７Ａ、第２増幅器２７Ｂの出力は、それぞれ、第１ＰＬＬ回路（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂに接続されている。また、第１ＰＬＬ回路２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂの出力は、それぞれ増幅器２９Ａ、２９Ｂに接続されている。また、増幅器２９Ａ、２９Ｂのそれぞれの出力信号がミキサ３０に入力している。

第１ＰＬＬ回路２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂは、良く知られたように、電圧制御発振器の出力信号の周波数を１／Ｎに分周し、その分周した信号と、入力信号（電極２５により検出された検出信号）との位相差が零となるように電圧制御発振器の周波数制御電圧を変化させて、電圧制御発振器の発振信号の周波数を検出信号の周波数のＮ倍に制御か、且つ位相を同期させるフィードバック回路である。本実施例では、検出信号に同期確立した状態での第１ＰＬＬ回路２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂの出力する発振信号は、９００ＭＨｚとした。

ミキサ３０は、増幅器２９Ａ、２９Ｂの出力信号の積を実行する回路である。ミキサ３０の出力は第１ローパスフィルタ３１に接続されている。第１ローパスフィルタ３１は、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号との積の下側帯波、すなわち、差の周波数成分を出力する。したがって、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号の周波数が完全に一致していれば、第１ローパスフィルタ３１の出力信号は、両発振信号の位相差の余弦に等しい直流成分となる。

第１ローパスフィルタ３１の出力はコンデンサ３２を介して増幅器３３に接続され、増幅器３３の出力はスピーカ３４に接続されている。コンデンサ３２は、第１ローパスフィルタ３１の出力信号から直流成分を遮断するためのものである。また、第１ローパスフィルタ３１の出力信号はコンパレータ３５に入力している。コンパレータ３５は第１ローパスフィルタ３１の出力信号を基準レベルと比較する回路であり、第１ローパスフィルタ３１の出力信号が基準レベルを越えている場合に、コンパレータ３５からＨレベルの信号が出力される。コンパレータ３５からＨレベルの信号が出力された場合には、操作者の指先が電極２５に所定距離まで接近したことを意味しており、たとえば、ある装置に対する電源オンやオフの指令とすることができる。

また、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号とが、それぞれ、検出信号に対して同期確立直前状態となる場合（図４の状態２、状態３）には、第１ローパスフィルタ３１の出力信号は、位相雑音による低周波の周波数変動のある信号となる。この周波数変動による信号を増幅器３３で増幅されてスピーカ３４に出力される。この結果、スピーカ３４から低音のうなり音を出力させることができる。操作者は、この音を聞くことで、指が電極２５に対して所定の距離まで接近して、電源のオンオフの指令ができる状態になったことを知ることができる。なお、スピーカ３４に代えて、ランプを用いて、指が所定の距離まで接近した時に、そのランプを点灯させるようにしても良い。

なお、指が電極２５から遠く離れている場合には、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号の周波数は、共に、検出信号に対して同期確立していないので（図４の状態１）、それぞれの独自の発振器による発振周波数となる。このため、ミキサ３１の出力する信号の周波数も、それらの発振周波数の差の周波数となり、第１ローパスフィルタ３１の遮断周波数（たとえば、５０Ｈｚ）よりも高い周波数となる。したがって、第１ローパスフィルタ３１の出力信号のレベルは零となり、スピーカ３４からは発音されない。

また、指先が電極２５に対して感知可能範囲内までに接近した場合には、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号は電極２５の出力する検出信号と完全に同期する（図４の状態４）。したがって、第１ローパスフィルタ３１の出力信号には周波数変動がなく、直流成分だけとなり、その直流成分は、コンデンサ３２により遮断されるで、スピーカ３４からは発音されない。結局、指先が電極２５に対して所定距離まで接近して、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号は電極２５の出力する検出信号に対して完全に同期する直前状態となった場合（図４の状態２、状態３にのみ）、スピーカ３４から低周波の音が発音される。

第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号のスペクトルを図５．Ａ、図５．Ｂに示す。図５．Ａは、操作者の指先を電極２５に対して５ｃｍの高さまで接近させた時の第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号のスペクトルを表している。図４の状態３に示す同期確立直前の状態である。発振信号は、中心周波数を中心としてブロードなスペクトルを有し、しかも、スペクトルが変動していることが分かる。すなわち、位相雑音が大きい。図５．Ｂは、操作者の指先を電極２５に対して４ｍｍまで接近させた時の第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振信号のスペクトルを表している。図４の状態４に示す同期確立状態を示している。同期確立した場合には、中心周波数を中心として狭いスペクトルとなり、レベル変動も小さい。すなわち、位相雑音が小さい。

図６は、操作者の指先を電極２５に接近させたり遠ざけたりして、電極２５に対する距離を周期的に変動させた場合の第１ローパスフィルタ３１の出力信号の時間波形である。第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振信号において位相雑音が大きい状態で、両発振信号をミキサ３０でミキシングした場合には、位相雑音成分がダウンコンバートされて低周波成分となる。図６のＡで示すように、第１ローパスフィルタ３１の出力信号は、低周波の振幅の小さいな波形となる。図６のＢで示す大きな変動波形は、指先と電極２５との距離を表している。すなわち、指先が電極２５に接近すると、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂは、それぞれ、同期確立状態となり、両ＰＬＬ回路の出力する発振信号は同位相となる。すなわち、位相差Δθ＝０となるので、第１ローパスフィルタ３１の出力信号のレベルＨｃｏｓ（Δθ）は最大値Ｈとなる。

また、同期確立が完全ではない状態では、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂとの発振信号には位相差Δθがあるので、第１ローパスフィルタ３１の出力信号のレベルＨｃｏｓ（Δθ）は、正領域から負領域まで、位相差Δθの大きさに応じて変動することになる。なお、指先の位置に応じて変動する成分に、低周波雑音が重畳しているが、この低周波雑音は、ＰＬＬ回路の同期確立が不安定（同期したり外れたりする状態）や、同期確立が不完全であるために生じたものである。

一方、図６においてＣで示す０．５Ｖ付近の安定したレベルは、第１ローパスフィルタ３１の出力信号がない状態を示している。すなわち、指先が電極２５に対して遠い位置にあるために、電極２５の出力する検出信号のレベルが低い。このため、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂは、それぞれ、検出信号に対して同期していない状態、すなわち、位相と周波数に関するフィードバック制御が行われていない状態にある。この状態では、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂは、それぞれが有する基準発振器の発振周波数の発振信号を出力している状態にある。このため、ミキサ３０の出力信号は、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂのそれぞれの発振信号の周波数差Δωによるｃｏｓ（Δωｔ）となる。通常、Δωは、１００π（５０Ｈｚ）以上の領域で変動する。第１ローパスフィルタ３１の高域遮断周波数は５０Ｈｚに設定されているので、第１ローパスフィルタ３１の出力は零となる。これが、図６のＣで示す信号レベルがフラットとなる理由である。

第１ローパスフィルタ３１の出力信号をコンデンサ３２で直流成分を遮断して、増幅器３３で増幅した後にスピーカ３４で発音すると、図６のＡで示す低周波の振幅の細かな位相雑音による成分により、「ゴー」という地鳴りのような音が出力される。第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂとの発振信号が検出信号に完全に同期確立すると、この位相雑音成分は小さくなり、スピーカ３４からは音が出力されなくなる。操作者は、スピーカ３４からの発音の後に静寂状態に入ったことにより、指先が電極２５に接近して、意図した指令を本操作装置１に付与できる状態になったことを知ることができる。これにより、操作者は、誤操作することなく、操作装置１に指令を与えることができる。

図７は、実施例２に係る操作装置２の構成を示している。実施例１と同一機能を果たす部分には同一符号が付されている。本実施例では、実施例１の単一の電極２５に代えて、第１電極２５Ａ、第２電極２５Ｂの２つの電極を設けたものである。第１電極２５Ａの出力する第１検出信号を第１ＰＬＬ回路２８Ａに入力させて、第１検出信号に同期した逓倍周波数の第１発振信号を発生させている。また、第２電極２５Ｂの出力する第２検出信号を第２ＰＬＬ回路２８Ｂに入力させて、第２検出信号に同期した逓倍周波数の第２発振信号を発生させている。ミキサ３０には、第１発振信号と第２発振信号が入力しており、その出力のうち低周波成分は、Ｈｃｏｓ（Δθ）となる。すなわち、第１電極２５Ａと第２電極２５Ｂで検知される電磁場の周波数は発振器２１の発振周波数である。したがって、第１発振信号と第２発振信号の周波数は等しくなるので、ミキサ３０から出力される信号の低周波成分は、両信号の位相差Δθの余弦となる。

指先と第１電極２５Ａとの距離と、指先と第２電極２５Ｂとの距離とが等しい場合には、第１検出信号の位相と第２検出信号の位相とは等しい。このため位相差Δθは零となり、第１ローパスフィルタ３１の出力信号は、直流の最大値Ｈとなる。また、指先が第１電極２５Ａの直上に位置する場合には、位相差Δθは、第１電極２５Ａと第２電極２５Ｂとの距離Ｌに比例した値となる。すなわち、Δθ＝２πＬｆ／ｃとなる。ただし、ｆは、発振器２１の発振周波数、ｃは光速度である。また、指先が第２電極２５Ｂの直上に位置する場合には、Δθ＝−２πＬｆ／ｃとなる。すなわち、第１電極２５Ａと第２電極２５Ｂの中点から第１電極２５Ａ又は第２電極２５Ｂ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。

なお、ミキサ３０に入力する信号を、第２ＰＬＬ回路２８Ｂから入力する信号を第２発振信号のｃｏｓ（ωｔ−θ２）とし、第１ＰＬＬ回路２８Ａから入力する信号を、第１発振信号をπ／２だけ遅延させたｓｉｎ（ωｔ−θ１）とすれば、第１ローパスフィルタ３１の出力信号はＨｓｉｎ（θ２−θ１）となる。ただし、θ１、θ２は、遅れ位相を正としている。すなわち、この信号は、第１電極２８Ａと第２電極２８Ｂ間の中点（θ１＝θ２）に指先が位置する場合に零となり、指先が中点から第１電極２８Ａに向けて移動すると、θ１は減少し、θ２は増加するので、第１ローパスフィルタ３１の出力信号Ｈｓｉｎ（θ２−θ１）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電極２８Ｂに向けて移動すると、θ２は減少し、θ１は増加するので、第１ローパスフィルタ３１の出力信号Ｈｓｉｎ（θ２−θ１）は零から負の領域で絶対値が増加する。結局、第１電極２８Ａと第２電極２８Ｂ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、第１ローパスフィルタ３１の出力信号をＡ／Ｄ変換器３６によりディジタル値に変換すれば、指先の位置を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。

この場合においても、指先が第１電極２８Ａと第２電極２８Ｂに対してある程度近づいた状態の場合に、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂは、共に同期確立直前状態となるので、スピーカ３４から低音のうなり音が発音され、操作者は、指先が、位置指令が可能な領域に入ったことを知ることができる。さらに、指先を第１電極２８Ａと第２電極２８Ｂに接近させて、スピーカ３４からの発音が停止された状態になった時に、指の位置を固定することで、その位置を操作装置に対する指令値とすることができる。

図８に、実施例３の操作装置３の構成を示す。実施例２と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。本実施例では、第１ローパスフィルタ３１の出力する電力を検出する第１電力検出器３８Ａ、第２電力検出器３８Ｂを設け、それらの出力により第１増幅器２７Ａ、第２増幅器２７Ｂの利得を制御するものである。上記したように、指先が、第１電極２５Ａ、第２電極２５Ｂから遠い位置にある場合には、第１ローパスフィルタ３１の出力は零であるので、第１増幅器２７Ａ、第２増幅器２７Ｂの利得は、ある最低値に固定されている。指先が、第１電極２５Ａ、第２電極２５Ｂに対して接近して、両ＰＬＬ回路が同期直前状態となると、第１ローパスフィルタ３１からは低周波の位相雑音成分が出力されるので、この電力を検出して、第１増幅器２７Ａ、第２増幅器２７Ｂの利得を増加させる。それにより、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂに入力する検出信号のレベルが増加するので、両ＰＬＬ回路の同期確立が進行し、両ＰＬＬ回路は完全な同期状態となる。両ＰＬＬ回路２８Ａ、２８Ｂが完全な同期状態となると第１ローパスフィルタ３１から直流成分が出力されるので、第１増幅器２７Ａ、第２増幅器２７Ｂの利得は大きな値に制御されて、ＰＬＬの同期確立が継続される。

この状態で、指先を、第１電極２６Ａと第２電極２６Ｂ間で振動させた場合に、第１ローパスフィルタ３１の出力信号は図９のようになり、指先の位置の変動に応じたレベルの信号が得られていることが分かる。

次に、図１０に、実施例４に係る操作装置４の構成を示す。前述の全実施例では、第１ＰＬＬ回路２８Ａの線路と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの線路が接近していると、両者の発振周波数は等しいので、第１ＰＬＬ回路２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂが、それぞれ相手方の線路を伝搬する信号に同期することが起こる。この結果、相互に相手方の信号で同期が進行するために、発振信号の周波数と位相が不安定となるという問題がある。そこで、本実施例では、第１ＰＬＬ回路２８Ａと第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振周波数を異ならせている。第１ＰＬＬ回路２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂ、第１増幅器２９Ａ、第２増幅器２９Ｂ、ミキサ３０、第１ローパスフィルタ３１の接続関係については、実施例２と同一である。ただし、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振周波数は８５６ＭＨｚ、第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振周波数は７４９ＭＨｚとして、両者の発振周波数を異なる周波数とした。

実施例４では、第１電極２５Ａで受信された検出信号を増幅した後、分岐して、分岐された検出信号を増幅器を介して、第３ＰＬＬ回路２８Ｃに入力させている。この第３ＰＬＬ回路２８Ｃの発振信号の発振周波数は、第１ＰＬＬ回路２８Ａの発振周波数ｆ１と第２ＰＬＬ回路２８Ｂの発振周波数ｆ２との差Δｆ＝ｆ１−ｆ２である１０７ＭＨｚである。そして、第１ローパスフィルタ３１の出力と、第３ＰＬＬ回路２８Ｃの出力とを第２ミキサ５０に入力している。したがって、第２ミキサ５０の出力の低周波成分は直流となる。この直流成分を、第２ローパスフィルタ５１により取り出す。第２ローパスフィルタ５１の出力信号を増幅器５２で増幅した後に、実施例１と同様にコンデンサ３２を介して、スピーカ３４に出力する。

第１ＰＬＬ回路２８Ａ、第２ＰＬＬ回路２８Ａ、第３ＰＬＬ回路２８Ｃが、それぞれ入力信号である検出信号に全く同期していない場合には、上記したように、第２ローパスフィルタ５１の出力は零であり、スピーカ３４からは発音されない。次に、指先が第１電極２５Ａ、第２電極２５Ｂに接近すると、各ＰＬＬ回路は同期確立直前状態となる。全てのＰＬＬ回路が同期確立状態となると、検出信号の高周波成分はキャンセルされて、各位相雑音成分の５０Ｈｚ以下の帯域へ変換された位相雑音成分が第２ローパスフィルタ５１から出力されることになる。これにより、スピーカ３４からは、指先が電極２５により検知可能な範囲に入ったことを示す低音のうなり音が出力される。操作者はさらに指先を第１電極２５Ａと第２電極２５Ｂとの間に位置に接近させると、全ＰＬＬ回路は完全に同期確立状態となり、スピーカ３４からの発音は停止される。その後、指先を第１電極２５Ａと第２電極２５Ｂとの間で静止させれば、その時に、第２ローパスフィルタ５１から出力される信号をＡ／Ｄ変換器３６によりディジタル値に変換することで、連続量として指令値を操作装置４には与えることができる。

なお、出力装置は、上記の全実施例において、コンデンサ３２、増幅器３３、スピーカ３４、コンパレータ３５、Ａ／Ｄ変換器３６で構成されている。

本発明の操作装置は、非接触による入力可能な範囲が操作者に知らされるので、確実の操作入力を実現することができる。

２０：励振器
１、２、３、４：操作装置
２５Ａ：第１電極
２５Ｂ：第２電極
２８Ａ：第１ＰＬＬ回路
２８Ｂ：第２ＰＬＬ回路
２８Ｃ：第３ＰＬＬ回路
３０：ミキサ
５０：第２ミキサ
３１：第１ローパスフィルタ
５１：第２ローパスフィルタ

Claims (11)

1. 操作者により装置に対して非接触で操作指令を与える操作装置において、
   電磁場を検出するセンサと、
   前記電磁場に感応するセンサから出力される検出信号に対してＰＬＬ同期した信号を発振させる第１ＰＬＬ回路と、
   前記第１ＰＬＬ回路の出力信号から直流成分を復調する復調装置と、
   前記復調装置の出力信号を入力して、前記第１ＰＬＬ回路の同期確立直前における位相雑音に起因する周波数変動に応じて、同期確立直前の状態であることを前記操作者に伝達する出力装置と、
   を有することを特徴とする操作装置。
2. 前記復調装置は、
   前記センサから出力される検出信号に対してＰＬＬ同期した信号を発生させる第２ＰＬＬ回路と、
   前記第１ＰＬＬ回路の出力信号と前記第２ＰＬＬ回路の出力信号とをミキシングする第１ミキサと、
   前記第１ミキサの出力信号から所定周波数以上を遮断する第１ローパスフィルタと、 を有し、
   前記出力装置は、前記第１ＰＬＬ回路及び前記第２ＰＬＬ回路の同期確立直前における位相雑音に起因する周波数変動に応じて、同期確立直前の状態であることを前記操作者に伝達する装置である
   ことを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
3. 前記センサは、第１センサと、該第１センサと異なる位置に置かれた第２センサとから成り、前記第１ＰＬＬ回路は前記第１センサから出力される検出信号を入力し、前記第２ＰＬＬ回路は前記第２センサから出力される検出信号を入力することを特徴とする請求項２に記載の操作装置。
4. 前記第１センサから出力される検出信号を分岐した信号を入力する第３ＰＬＬ回路を有し、
   前記復調装置は、前記第１ローパスフィルタの出力信号と前記第３ＰＬＬ回路の出力信号とを混合する第２ミキサと、前記第２ミキサの出力信号から所定周波数以上を遮断する第２ローパスフィルタとを有し、
   前記第２ローパスフィルタの出力信号を前記復調装置の出力信号とすることを特徴とする請求項３に記載の操作装置。
5. 前記出力装置は、前記復調装置の出力信号から得られる前記第１ＰＬＬ回路の同期確立状態の信号に応じて、前記操作者の操作状態を指令として出力する装置であることを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
6. 前記出力装置は、前記復調装置の出力信号から得られる前記第１ＰＬＬ回路及び前記第２ＰＬＬ回路の同期確立状態の信号に応じて、前記操作者の操作状態を指令として出力する装置であることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の操作装置。
7. 前記復調装置は、前記第１ＰＬＬ回路の出力信号の位相を検出する位相検出装置であることを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
8. 前記操作者に対して、直接又は間接的に、電磁場を励振する励振器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項に記載の操作装置。
9. 前記出力装置からの出力信号に応じて、同期確立直前の状態の場合に、前記第１ＰＬＬ回路に入力する信号を増幅する第１増幅器を有することを特徴とする請求項１又は請求項７に記載の操作装置。
10. 前記出力装置からの出力信号に応じて同期確立直前の状態の場合には、前記第１ＰＬＬ回路に入力する信号を増幅する第１増幅器と前記第２ＰＬＬ回路に入力する信号を増幅する第２増幅器とを有することを特徴とする請求項２乃至請求項８の何れか１項に記載の操作装置。
11. 前記センサは、一つ設けられていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項７又は請求項９に記載の操作装置。

Images