JP5853755B2 - Input device - Google Patents
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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。 The present invention relates to an input device that gives input commands to various electronic devices by moving a fingertip, a hand, or the like of a person.
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。
As a device for giving an input command to an electronic device, a technique disclosed in Patent Literatures 1-3 below is known.
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。
As a device for detecting a specific position of a human body in a non-contact manner, a musical instrument called a theremin is well known. Theremin has two antennas, and each antenna is connected to an oscillation circuit. It is a musical instrument that changes the oscillation frequency by changing the capacitance due to the difference in relative distance between the antenna and the human body, and converts the beat of the frequency of the two oscillation circuits into sound. As a position measuring device using the principle of theremin, there is
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。 In addition, an example in which a signal processing circuit of a fly's visual system is used as a visual sensor (speed detector) is known (for example, Non-Patent Document 1). This is done by using two left and right optical sensors separated by Δx, converting the light intensity from the two optical sensors into electrical signals, delaying one electrical signal by Δt, and correlating the two electrical signals. The speed is detected.
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)。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。
Further, as a technique different from the non-contact human body position measurement technique, a technique for propagating an electromagnetic field to the human body surface is known (for example, Non-Patent Document 2).
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。 However, the technique described above performs position input by detecting a change in capacitance between the electrodes accompanying the movement of the fingertip of the operator. Therefore, it is necessary to provide a plurality of strip-shaped parallel x electrodes and a plurality of strip-shaped parallel y electrodes in a direction orthogonal to the x electrodes, which complicates the apparatus. There's a problem.
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。 It is also conceivable to construct a device that detects the position of the human body with a light sensor, such as a visual circuit of a fly. However, it is considered that there are a number of problems in sensing with light, such as deterioration in detection accuracy in the depth direction, dynamic range problems, difficulty in detection in dark places, and weakness in lens dirt.
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。 The present invention is to realize a non-contact type input device based on a completely new principle using a near field that does not propagate as an electromagnetic wave.
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。 A first invention is an input device for inputting an operation command to an electronic device, an output electrode that generates an electromagnetic field that does not propagate as an electromagnetic wave around the output device, an exciter that generates an electromagnetic field around the output electrode by exciting the output electrode, A plurality of detection electrodes arranged around the output electrode, a phase difference calculator for obtaining a phase difference of a signal obtained from an electromagnetic field detected by the plurality of detection electrodes, and an output of the phase difference calculator as an operation input to the electronic device; This is an input device.
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。 An electromagnetic field that does not propagate as an electromagnetic wave to the surroundings is a near field that does not have a propagation mode such as an evanescent wave. If the size of the output electrode is reduced to about 1/100 or less of the wavelength of the electromagnetic field, there is no radiation mode from the output electrode, and a near field by an evanescent set wave is formed around the output electrode. As the excitation frequency, 1 to 100 MHz can be used. Therefore, for excitation at 100 MHz, the output electrode may be 3 cm or less. The distance between the output electrode and the detection electrode is preferably 30 cm or less and 3 cm or more. Desirably, 10 cm or less and 3 cm or more can be used. For excitation at 1 MHz, the output electrode may be 3 m or less. In addition, the relationship between the output electrode and the detection electrode can be expanded to about the wavelength or less.
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。 The number of the plurality of detection electrodes is arbitrary. In addition, it is desirable that the plurality of detection electrodes be provided point-symmetrically with the output electrode as the center for one set of detection electrodes. Further, it is desirable that all the detection electrodes are provided rotationally symmetrically with the output electrode as the center. In addition, the detection electrodes are even numbers, and it is desirable that a plurality of sets of two detection electrodes are provided. However, if one detection electrode is shared, the number of detection electrodes may be an odd number of 3 or more.
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。 The phase difference calculator is a multiplier that multiplies and outputs the signals output from the two detection electrodes in one set, and a high-frequency component is cut out from the output of the multiplier. It is desirable to be configured with a low-pass filter.
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。 The phase difference calculator has a first phase shifter connected to the first detection electrode and a second detection electrode when two detection electrodes of the plurality of detection electrodes are a first detection electrode and a second detection electrode. A second phase shifter connected to the electrode and having a phase shift amount equal to that of the first phase shifter, a signal detected by the first detection electrode, and a phase detected by the second detection electrode; A first multiplier that multiplies and outputs the resultant signal, a signal detected by the first detection electrode and phase-shifted by the first phase shifter, and a signal detected by the second detection electrode. A second multiplier that outputs the difference, a subtractor that takes a difference between the output of the first multiplier and the output of the second multiplier, and a low-pass filter that cuts and outputs a high-frequency component out of the outputs of the subtractor; It can comprise as an apparatus which has. At this time, the amount of phase shift of the first phase shifter and the second phase shifter is preferably 90 °. According to this configuration, the output is doubled and the sensitivity can be improved.
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。 In addition, there are four detection electrodes, and there are two pairs, one set of the first detection electrode and the second detection electrode, and in the line segment connecting the first detection electrode and the second detection electrode of each set. An output electrode is located at a point, and each set of line segments may be orthogonal. In this case, (x, y) orthogonal coordinates on the plane can be input by the position of the fingertip of the operator.
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。
The oscillation frequency of the exciter is desirably 1 to 100 MHz. In this case, a near field that does not propagate as an electromagnetic wave can be formed around the output electrode.
In addition, a data signal transmission device that outputs a data signal to the output electrode can be provided. In this case, the output electrode can be an output terminal for another device. For example, the input end of the cable can be brought close to the output electrode of the input device to transmit data to other devices.
Conversely, a data signal receiving device for inputting a data signal from the output electrode can be provided. For example, the output end of the cable can be brought close to the output electrode of the input device, and data transmitted from another device via the cable can be received by the input device.
The input device according to claim 7 is a first input device, the input device according to claim 8 is a second input device, and the output electrode of the first input device and the output electrode of the second input device are: A transmission device connected by a human body and outputting a data signal output from the output electrode of the first input device from the output electrode of the second input device may be used. In other words, the apparatus has two main input devices, and each of the output devices transmits and receives data by bringing the left and right fingertips of the operator closer to or in contact with each output electrode. Can be done.
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。 The input device can be a device for inputting various commands to a car audio, a car navigation system (car navigation system), a device for a handicapped person, a game machine, and other general electronic devices in a non-contact manner.
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。 The input device of the present invention excites a near field that does not propagate as an electromagnetic wave by an output electrode, and detects a phase difference of signals detected by a plurality of detection electrodes existing around the output electrode as a command input. is there. When the operator's fingertip disturbs the near field formed by the output electrode, the phase difference changes. This phase difference is determined by the relative relationship between the position of the fingertip of the operator and the plurality of detection electrodes. As a result, according to the present input device, various commands can be given to the electronic device in a non-contact manner by the position and movement of the operator's fingertip and palm.
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。 In addition, since the output electrode and the detection electrode need only be provided on the same plane, a multi-layer structure of x electrodes and y electrodes is not required unlike the conventional apparatus, so that the structure is simple and the location is reduced. Instead, the input device has a high degree of freedom in installation.
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。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
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。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the
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。
The
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。
The
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。
The configuration of the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The outputs of the
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。
The
Next, the operation of the
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。
First, an
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。
When the fingertip of the operator moves on the internal space formed by the four
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。
The electric signal cos (ωt + θA) received by the
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。
Further, the electric signal cos (ωt + θB) received by the
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。
The output from the
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。
Further, the output from the
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。
That is, the electrical signal of cos (ωt + θA) and the electrical signal of cos (ωt + θB−φ) are input to the
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。
The electrical signals (1/2) · cos (ψ + φ) and (1/2) · cos (ψ−φ) output from the
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。
From the A /
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。
Consider that the near field by the
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。
Therefore, when the distance between the fingertip and the
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。
Now, θA and θB are lagging phases, that is, negative values. When the fingertip is positioned at the midpoint between the
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。
In this way, if the output signal of the low-
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。
The same can be said for signals detected by a pair of the
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。
For example, as shown in FIG. 5, the (x, y) coordinates input by the
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。
Also, a binary command can be given by binarizing the output of the A /
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。
Further, a mode change may be made such that a binary command is given when an external switch (not shown) is turned on, and a command of (x, y) coordinates is given when it is off.
In addition, when inputting a binary command, the amplification factor of the
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。 In the above-described embodiment, an example in which (x, y) plane coordinates are input has been described. However, an apparatus that inputs two detection electrodes and inputs one-dimensional coordinates of the x-axis or y-axis may be used.
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。
Further, in the
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。
Next, the
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。
As shown in FIG. 8, the
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。
FIG. 9 shows a case where only the
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。
In the first embodiment, the output of the
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。
The number of detection electrodes may be arbitrary as long as it is plural, and it is not always necessary to arrange the detection electrodes on the circumference centering on the
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。 A wireless connection such as Bluetooth may be used between the input device and the electronic device to which the command is given, or a wired connection may be used. The electronic device is, for example, a car audio, a car navigation (car navigation system), a device for a physically handicapped person, a game machine, a portable device (a mobile phone, a smartphone, a laptop computer, etc.), a TV, or the like. For example, the input device can be used to turn on / off the power of these electronic devices, to switch between AM, FM, and TV for car audio, and to change channels. More specifically, the car audio can be controlled in a non-contact manner such as AM when the hand is swung left and right three times, and FM when the hand is swung left and right four times.
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。 The input device of the present invention can be used for non-contact operations such as audio devices and car navigation devices. Further, the present invention can be applied to a device for operating a device for a physically handicapped person, a game machine, a portable device or the like in a non-contact manner.
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
1:
Claims (9)
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。 In an input device for inputting an operation command to an electronic device,
An output electrode that generates an electromagnetic field that does not propagate as electromagnetic waves in the surroundings;
An exciter for exciting the output electrode to generate the electromagnetic field in the surroundings;
A plurality of detection electrodes arranged around the output electrode;
A phase difference calculator for obtaining a phase difference of signals obtained from the electromagnetic field detected by the plurality of detection electrodes;
An input device characterized in that an output of the phase difference calculator is used as an operation input to the electronic device.
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。 The phase difference calculator is
A multiplier for multiplying and outputting each signal output from the plurality of detection electrodes;
Among the outputs of the multiplier, a low-pass filter that cuts and outputs a high-frequency component;
The input device according to claim 1, further comprising:
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。 The phase difference calculator is
A first phase shifter connected to the first detection electrode when two detection electrodes of the plurality of detection electrodes are a first detection electrode and a second detection electrode;
A second phase shifter connected to the second detection electrode and having a phase shift amount equal to the first phase shifter;
A first multiplier for multiplying and outputting a signal detected by the first detection electrode and a signal detected by the second detection electrode and phase-shifted by the second phase shifter;
A second multiplier that multiplies and outputs a signal detected by the first detection electrode and phase-shifted by the first phase shifter and a signal detected by the second detection electrode;
A subtractor that takes a difference between the output of the first multiplier and the output of the second multiplier;
Of the output of the subtractor, a low-pass filter that cuts out and outputs a high-frequency component,
The input device according to claim 1, further comprising:
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