(57)【要約】【課題】動体の細かい動きを非接触で検出する装置を実現すること。【解決手段】放射器７はマイクロ波を放射する送信アンテナ１３を有し、位相差検出器２はマイクロ波を受信する受信アンテナ２０Ａ、Ｂを有している。送信アンテナ１３と受信アンテナ２０Ａ、Ｂ間に位置した手の指先の動きによるマルチパスの変化で、受信アンテナ２０Ａ、Ｂで受信する信号に位相差が生じる。位相差検出器２はその位相差を検出することで、手の指先の動きを検出する。実施例１の動作検出装置が高分解能である理由は、細かい動きによる微小なマルチパスの変化であっても、マイクロ波を用いているため位相差は大きな値であり、【選択図】図１
2014048049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動体の動作を非接触で検出する動作検出装置において、
マイクロ波を放射する送信アンテナと、
互いに離間し、かつ、送信アンテナから離間して配置された、前記送信アンテナからのマイクロ波を受信する２つの受信アンテナと、
２つの前記受信アンテナによってマイクロ波をそれぞれ受信し、その受信した２つの信号の位相差を検出する検出器と、
を有し、
前記検出器によって検出した前記位相差から、前記送信アンテナと前記受信アンテナ間の動作検出領域での前記動体の動作を検出する、
ことを特徴とする動作検出装置。
【請求項２】
動体の動作を非接触で検出する動作検出装置において、
マイクロ波を放射する互いに離間して配置された２つの送信アンテナと、
前記送信アンテナから離間して配置された、前記送信アンテナからのマイクロ波を受信する受信アンテナと、
を有し、
前記受信アンテナによって、一方の前記送信アンテナからのマイクロ波と他方の前記送信アンテナからのマイクロ波との位相差を反映した信号を受信し、その前記位相差から、前記送信アンテナと前記受信アンテナ間の動作検出領域での前記動体の動作を検出する、
ことを特徴とする動作検出装置。
【請求項３】
前記検出器は、
受信した２つ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第１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に記載の動作検出装置。
【請求項４】
前記検出器は、
前記受信アンテナの一方からの信号が入力される第１移相器と、
前記受信アンテナの他方からの信号が入力され、移相量が前記第１移相器と等しい第２移相器と、
前記受信アンテナの一方で受信する信号と、前記受信アンテナの他方で受信し、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、
前記受信アンテナの一方で受信し、前記第１移相器によって移相された信号と、前記受信アンテナの他方で受信する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第１減算器と、
前記第１減算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力する第１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に記載の動作検出装置。
【請求項５】
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４に記載の動作検出装置。
【請求項６】
前記受信アンテナからの信号を２乗して出力する非線形素子と、
前記非線形素子の出力のうち、高周波成分をカットして出力する第１ローパスフィルタと、
をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の動作検出装置。
【請求項７】
前記マイクロ波は３００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の動作検出装置。
【請求項８】
前記動体は手であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の動作検出装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の動作検出装置と、前記動作検出領域での前記動体の位置を非接触で測定する位置測定装置と、を有した位置動作検出装置であって、
前記位置測定装置は、
動体表面に電磁場を伝搬させる励振器と、
前記動体から離間し、かつ互いに離間して前記動作検出領域を含むよう配置された第１電極と第２電極とを有して、前記第１電極および前記第２電極に至る電磁場の位相差から、前記動体の位置を測定する電磁場変動検出器と、
を有する、
ことを特徴とする位置動作検出装置。
【請求項１０】
前記電磁場変動検出器は、
前記第１電極からの信号が入力される第３移相器と、
前記第２電極からの信号が入力され、移相量が前記第３移相器と等しい第４移相器と、
前記第１電極で受信する信号と、前記第２電極で受信し、前記第４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３乗算器と、
前記第１電極で受信し、前記第３移相器によって移相された信号と、前記第２電極で受信した信号とを乗算して出力する第４乗算器と、
前記第３乗算器の出力と、前記第４乗算器の出力との差分をとる第２減算器と、
前記第１減算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力する第２ローパスフィルタと、
を有する、
ことを特徴とする請求項９に記載の位置動作検出装置。
【請求項１１】
前記第３移相器および前記第４移相器の移相量は、９０°であることを特徴とする請求項１０に記載の位置動作検出装置。
【請求項１２】
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１１に記載の位置動作検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動体の動きを非接触で検出する動作検出装置に関し、特に動作の分解能が高く、たとえば手の指先の動きを検出することができる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体の特定部位の位置、たとえば手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。
【０００３】
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。テルミンは発振回路に接続されたアンテナを有し、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、その発振周波数と基準周波数との周波数のうなりを音に変換する楽器である。
【０００４】
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、２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。特許文献２には、アンテナを球面状とした、テルミンと同様の動作原理の非接触センサが示されている。アンテナを球面状とすることで、手の位置の違いによる静電容量の変動を抑制することができ、発振周波数が安定するため、手とアンテナとの距離を精度よく検出することができる。
【０００５】
また、人間同士においては、手のジェスチャによるコミュニケーションが行われているが、そのような手のジェスチャを電子機器などの操作に応用する試みがなされている。手のジェスチャの違い、言い換えれば人の手の形状の違い（たとえばグーとパーの違い）を検出する方法として、非特許文献１の技術がある。非特許文献１には、手の形状をカメラで撮影して画像から手の形状を抽出し、あらかじめ登録しておいた教師データと照合することで手の動きを検出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１３９２８０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１８１５６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】深谷健一，”手ジェスチャによる移動ロボットの操作”，北海学園大学工学部研究報告，２０１０- ０２- ２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
手のジェスチャによる電子機器等の操作を行おうとする場合、手の位置検出と指先の動きの検出が必要となる。しかし、非特許文献１に記載された手のジェスチャ検出方法では、カメラなどの画像センサが必要であり、周囲の明るさや背景画像によっては手のジェスチャを検出することができないという問題がある。また、プラスチックや布などでセンサを覆って人の目に触れないようにし、美的外観を損なわないようにすることができない。
【０００９】
また、特許文献１、２による手の位置検出では、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、指の動きのような細かい動きを検出することはできない。
【００１０】
そこで本発明は、動体の動作を非接触で検出することができ、かつその動作検出の分解能が高い動作検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、動体の動作を非接触で検出する動作検出装置において、マイクロ波を放射する送信アンテナと、互いに離間し、かつ、送信アンテナから離間して配置された、送信アンテナからのマイクロ波を受信する２つの受信アンテナと、２つの受信アンテナによってマイクロ波をそれぞれ受信し、その受信した２つの信号の位相差を検出する検出器と、を有し、検出器によって検出した位相差から、送信アンテナと受信アンテナ間の動作検出領域での動体の動作を検出する、ことを特徴とする動作検出装置である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、動体の動作を非接触で検出する動作検出装置において、マイクロ波を放射する互いに離間して配置された２つの送信アンテナと、送信アンテナから離間して配置された、送信アンテナからのマイクロ波を受信する受信アンテナと、を有し、受信アンテナによって、一方の送信アンテナからのマイクロ波と他方の送信アンテナからのマイクロ波との位相差を反映した信号を受信し、その位相差から、送信アンテナと受信アンテナ間の動作検出領域での動体の動作を検出する、ことを特徴とする動作検出装置である。
【００１３】
請求項１、２に係る発明において、マイクロ波は、周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波である。高周波数を発振する発振器の入手容易性などの点から、望ましい周波数は２．０〜６．０ＧＨｚである。
【００１４】
受信アンテナによって受信した信号は、位相差の検出が容易となるようにダウンコンバートしてもよいし、ＰＬＬ回路を用いて位相を拡大してもよい。
【００１５】
請求項１に係る発明における検出器は、たとえば下記の請求項３、４に係る発明のように構成することができる。第４の発明のように構成すれば、オフセットが安定し、位置の測定精度を向上させることができる。また、第３の発明のように構成すれば、位置測定精度は落ちるが、構成が簡単となるため装置の低コスト化を図ることができる。
また、請求項２に係る発明においては、たとえば下記の請求項６に係る発明のように構成して位相差を抽出することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、検出器は、受信した２つ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第１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に記載の動作検出装置である。
【００１７】
各受信アンテナと乗算器は直接接続されている必要はなく、増幅器やバンドパスフィルタなどが挿入されて間接的に接続された構成であってもよい。
【００１８】
請求項４に係る発明は、検出器は、受信アンテナの一方からの信号が入力される第１移相器と、受信アンテナの他方からの信号が入力され、移相量が第１移相器と等しい第２移相器と、受信アンテナの一方で受信する信号と、受信アンテナの他方で受信し、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、受信アンテナの一方で受信し、第１移相器によって移相された信号と、受信アンテナの他方で受信し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第１減算器と、第１減算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力する第１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に記載の動作検出装置である。
【００１９】
受信アンテナの一方と第１移相器あるいは第１乗算器、受信アンテナの他方と第２移相器あるいは第２乗算器、第１移相器と第２乗算器、第２移相器と第１乗算器、第１、２乗算器と減算器、の各区間は直接接続されている必要はなく、増幅器やバンドパスフィルタなどが挿入されて間接的に接続された構成であってもよい。
【００２０】
請求項５に係る発明は、第１移相器および第２移相器の移相量は、９０°であることを特徴とする請求項４に記載の動作検出装置である。
【００２１】
請求項６に係る発明は、受信アンテナからの信号を２乗して出力する非線形素子と、非線形素子の出力のうち、高周波成分をカットして出力する第１ローパスフィルタと、をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の動作検出装置である。
【００２２】
受信アンテナと非線形素子は直接接続されている必要はなく、増幅器、バンドパスフィルタなどが挿入されて間接的に接続された構成であってもよい。
【００２３】
本発明の動作検出装置に、動作検出領域での動体の位置を非接触で測定する位置測定装置をさらに加えて、動体の位置と動作の両方を非接触で検出する位置動作検出装置を構成してもよい。位置測定装置は、動体表面に電磁場を伝搬させる励振器と、動体から離間し、かつ互いに離間して動作検出領域を含むよう配置された第１電極と第２電極とを有して、第１電極および第２電極に至る電磁場の位相差から、動体の位置を測定する電磁場変動検出器と、を有することを特徴とする。
【００２４】
このような位置測定装置を設けることにより、動体の位置を検出することができるとともに、励振器によって励振された動体のみの位置を検出することができ、他の動体を検出しないようにすることができる。つまり、特定の動体と他の動体とを区別して位置の検出を行うことができる。
【００２５】
励振器は、動体表面に電磁波を伝搬することができる位置に取り付けられていればよく、動体に直接取り付けられていてもよいし、動体と接触する他の物体に取り付けられていてもよい。励振器の発振周波数は、たとえば人体表面を電磁場が伝搬することができる周波数帯であれば１〜１００ＭＨｚである。
【００２６】
電磁場変動検出器は、たとえば以下のように構成することができる。
電磁場変動検出器は、第１電極に接続する第３移相器と、第２電極に接続し、移相量が第３移相器と等しい第４移相器と、第１電極で受信する信号と、第２電極で受信し、第４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３乗算器と、第１電極で受信し、第３移相器によって移相された信号と、第２電極で受信した信号とを乗算して出力する第４乗算器と、第３乗算器の出力と、第４乗算器の出力との差分をとる第２減算器と、第１減算器の出力のうち、高周波成分をカットして出力する第２ローパスフィルタとを有する。
このように構成すれば、オフセットが安定し、位置の測定精度を向上させることができる。
【００２７】
また、上記の電磁場変動検出器の構成において、第３移相器および第４移相器の移相量は、９０°とするのがよい。電磁場変動検出器の出力が最大となり、オフセットが安定するため、位置検出精度が向上するためである。
【００２８】
本発明において、動作を検出する動体は、たとえば人の手などの人体の部位であり、人以外の動物などの動作を検出することにも用いることが可能であるし、無機物の動作、たとえば自動車やロボット等の動作の検出にも用いることがで可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、動体の動作によるマルチパスの変化を、信号の位相差として検出することができるので、非接触で動体の動作を検出することができる。特にマイクロ波の放射を用いているため、高い分解能で動作を検出することができる。たとえば、手の指の動きなどの細かい動きを非接触で検出することができる。また、請求項９に係る発明によると、特定の動体と他の動体とを区別して、その特定の動体の位置を検出することができる。たとえば、手の動き（手の位置）と指の動きの双方を非接触で検出することができるため、手のジェスチャを検出してそのジェスチャに応じた機器の操作を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１の動作検出装置１の構成を示した図。
【図２】他の位相差検出器の構成を示した図。
【図３】実施例２の位置動作検出装置の構成を示した図。
【図４】位置測定装置３の構成を示した図。
【図５】実施例２の位置動作検出装置を用いて人の手の動作を検出した結果を示したグラフ。
【図６】実施例３の動作検出装置の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【実施例１】
【００３２】
図１は、実施例１の動作検出装置１の構成を示した図である。実施例１の動作検出装置１は、放射器７と、位相差検出器２と、で構成されている。
【００３３】
［放射器７の構成］
放射器７は、図１に示すように、発振器１０と、バンドパスフィルタ１１、増幅器１２を介して発振器１０に接続する送信アンテナ１３と、によって構成されている。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させるものであり、増幅器１２はその透過帯域の電気信号を増幅するものである。これらバンドパスフィルタ１１、増幅器１２は必ずしも必要なものではないが、ノイズ等を除去して出力を高め、実施例１の動作検出装置１の動作感度を向上させるためにはこれらを設けることが望ましい。増幅器１２によって増幅された電気信号は、送信アンテナ１３より電磁波として空間に放射される。
【００３４】
放射器７は、人の指先の動きを検出したい場所近傍に設置されている。発振器１０は、マイクロ波を発振するものであればよく、たとえば３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの発振周波数である。マイクロ波であれば、高い分解能で動作検出を行うことができる。つまり、手の指先の動きなどの小さな部位の動作を検出可能である。高周波数を発振可能な発振器１０の入手容易性などの点から、２．０〜６．０ＧＨｚが望ましい。
【００３５】
［位相差検出器２の構成］
位相差検出器２は、図１に示すように、放射器７の送信アンテナ１３から所定の距離離れた場所に位置し、かつ、互いに離間して設けられた２つの受信アンテナ２０Ａ、Ｂを有している。また、送信アンテナ１３、受信アンテナ２０Ａ、Ｂが結ぶ領域が、手の指の動きを検出したい領域（動作検出領域）と重なるように、送信アンテナ１３、受信アンテナ２０Ａ、Ｂは配置されている。そのような配置であれば、送信アンテナ１３と受信アンテナ２０Ａ、Ｂ間の距離、および受信アンテナ２０Ａ、Ｂ間の距離は任意である。この２つのアンテナ２０Ａ、Ｂによって、アンテナ１３からの電気信号を受信する。アンテナ２０Ａ、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂ、増幅器２２Ａ、Ｂを介して乗算器２３Ａ、Ｂの入力側に接続されている。バンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂ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、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂからの電気信号を増幅するものである。
【００３６】
また、乗算器２３Ａ、Ｂのもう一方の入力側にはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ）回路２４が共通して接続されている。ＰＬＬ回路２４は、周波数が発振器１０の発振周波数に近い信号を生成するものである。この乗算器２３Ａ、Ｂにおいて、アンテナ２０Ａ、Ｂからの電気信号にＰＬＬ回路２４からの信号を乗ずることで、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相を比較しやすい中間周波数の電気信号へとダウンコンバートしている。
【００３７】
なお、乗算器２３Ａ、ＢとＰＬＬ回路２４とを用いたダウンコンバートは、必ずしも必要ではない。放射器７の発振器１０の発振周波数が低いものを用いる場合には、乗算器２３Ａ、Ｂ、ＰＬＬ回路２４を省略した構成としてもよい。
【００３８】
乗算器２３Ａ、Ｂの出力側は、それぞれバンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂ、増幅器２７Ａ、Ｂを介して、乗算器２８の２つの入力側に接続されている。バンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂは中間周波数帯の信号のみを透過させるものである。増幅器２７Ａ、ＢはＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂからの電気信号を増幅させるものである。また、乗算器２８は、増幅器２７Ａ、Ｂからの電気信号を乗じて出力する。そして、増幅器２６によって増幅された後、乗算器２８による乗算によって生じる和信号と差信号のうち、ローパスフィルタ２９によって差信号が取り出され、位相差検出器２の出力として取り出される。この位相差検出器２から出力される電気信号は、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差に対応したＤＣ値である。
【００３９】
［位相差検出器の変形例］
位相差検出器２は、受信アンテナ２０Ａ、Ｂで受信した電気信号の位相差を検出することができる構成であれば他の構成を用いることもできる。たとえば、図２に示す構成を採用することも可能である。図２に示す変形例の位相差検出器は、実施例１の位相差検出器２における、バンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂから増幅器２６までの区間の構成を次のように置き替えたものである。バンドパスフィルタ２５Ａの出力は２分配され、一方は増幅器１２７を介して乗算器１２９Ａに接続され、他方は移相器１２８Ｂ、増幅器１２７を介して乗算器１２９Ｂに接続されている。また、バンドパスフィルタ２５Ｂの出力も２分配され、一方は増幅器１２７を介して乗算器１２９Ｂに接続され、他方は移相器１２８Ｂと移相量の等しい移相器１２８Ａ、および増幅器１２７を介して乗算器１２９Ａに接続されている。乗算器１２９Ａ、Ｂの出力側は減算器１２０に接続されていて、減算器の出力側は増幅器２６に接続されている。
【００４０】
この変形例の位相差検出器では、実施例１の位相差検出器２と同様に、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差を反映したＤＣ値が出力として得られる。その出力は、実施例１の位相差検出器２に比べて大きな値であるため、より高感度な動作検出が可能である。特に、変形例の位相差検出器において移相器１２８Ａ、Ｂの位相量として９０°を選べば、出力は実施例１の位相差検出器２に比べて２倍大きな値となり、さらに高感度な動作検出が可能となる。また、出力が正弦波となり、位相差が０のときに出力が０となるため、位相差の変動の検出がより容易になるとともに、動作検出精度も向上する。
【００４１】
［実施例１の動作検出装置１の動作］
次に、実施例１の動作検出装置１の動作について説明する。ここでは、送信アンテナ１３と受信アンテナ２０Ａ、Ｂ間に手のひらを位置させ、手の指の動きを検出する場合を想定する。このとき、手の指の動きに応じて送信アンテナ１３から受信アンテナ２０Ａ、Ｂに至るマルチパスが変化するため、受信アンテナ２０Ａが受信する信号と、受信アンテナ２０Ｂが受信する信号とでは、位相に違いが生じる。このように、手の指の動きと信号の位相差に対応があるため、位相差検出器２によって位相差を検出することで手の指の動きを非接触で検出することができる。実施例１の動作検出装置１が高分解能である理由は、細かい動きによる微小なマルチパスの変化であっても、マイクロ波を用いているため位相差は大きな値であり、位相差を検出することができるためである。また、実施例１の動作検出装置１は、マイクロ波を用いて非接触で動作を検出するため、布やプラスチックなどの素材で動作検出装置１を隠すことができ、周囲のデザイン性を損なわずに動作の検出を行うことができる。
【００４２】
なお、実施例１の動作検出装置１は、上記のようにマルチパスの変化を位相差として検出する動作原理であるが、そのマルチパスは透過型のものと反射型のもののどちらであってもかまわない。透過型は、送信アンテナ１３と受信アンテナ２０Ａ、Ｂの間に動体が位置するようにする場合であり、送信アンテナ１３から動体を迂回、透過して受信アンテナ２０Ａ、Ｂに至るようなマルチパスを形成する場合である。反射型は、レーダと同様の原理であり、動体を含み、送信アンテナ１３と動体とを結ぶ直線に垂直な平面に対して、２つの受信アンテナ２０Ａ、Ｂが送信アンテナ１３と同じ面側に配置されている場合であり、送信アンテナ１３から動体によって反射されて受信アンテナ２０Ａ、Ｂに至るようなパスを形成する場合である。
【００４３】
以上のように、実施例１の動作検出装置１では、送信アンテナ１３からマイクロ波を放射して２つの受信アンテナ２０Ａ、Ｂで受信し、送信アンテナ１３と受信アンテナ２０Ａ、Ｂ間での人の指先の動きの変化による受信信号の位相差の変化を検出することにより、人の指先の動きを非接触で検出することができる。この実施例１の動作検出装置１は、手によるジェスチャなどの細かい動作を検出して電子機器等の操作を行うことができる。
【実施例２】
【００４４】
図３は、実施例２の位置動作検出装置の構成を示した図である。実施例２の位置動作検出装置は、実施例１の動作検出装置１に、位置測定装置３を追加したものである。
【００４５】
位置測定装置３は、図４に示すように、動体に取り付けられる励振器４と、励振器４から離間して配置された２つの電磁場変動検出器５とによって構成されている。ただし、図４では２つの電磁場変動検出器５のうち、一方のみを図示している。
【００４６】
［励振器４の構成］
励振器４は、発振器４０と、バンドパスフィルタ４１および増幅器４３を介して発振器４０と接続する電極４２と、によって構成されている。発振器４０の発振周波数は、電磁場が動体表面を伝搬することができる周波数であり、人体であれば１〜１００ＭＨｚである。バンドパスフィルタ４１は、発振器４０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４３はバンドパスフィルタ４１を透過した電気信号を増幅するものである。また、電極４２は、増幅器４３からの電気信号によって電磁場を励振し、動体表面に電磁場を伝搬させるものである。バンドパスフィルタ４１や増幅器４３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。
【００４７】
電極４２は、たとえば円板状、方形状などの形状とすることができる。電極４２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、電極４２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電極４２の周囲に形成される。たとえば１００ＭＨｚであれば、電極４２は３ｃｍ以下（電極４２の最も長い部分、円板状であれば直径、方形状であれば対角線）とすればよい。
【００４８】
この励振器４は、動作の検出対象である人体に取り付けられていて、この実施例において動体は手である。励振器４はこの実施例２のように動体に直接取り付けてもよいが、動体以外の場所に取り付け、電磁場を励振して動体に伝搬させるようにしてもよい。
【００４９】
［電磁場変動検出器５の構成］
電磁場変動検出器５は、互いに離間して設けられた２つの電極５０Ａ、Ｂ（本発明の第１電極、第２電極に相当）を有している。電極５０Ａ、Ｂは、励振器４によって人体表面を伝搬する電磁場を電気信号として受信するものである。電極５０Ａにはバンドパスフィルタ５１Ａ、増幅器５２Ａが、電極５０Ｂにはバンドパスフィルタ５１Ｂ、増幅器５２Ｂが、それぞれ接続されている。バンドパスフィルタ５１Ａ、Ｂは、発振器４０の発振周波数帯のみを透過するものであり、増幅器５２Ａ、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ５１Ａ、Ｂからの電気信号を増幅するものである。
【００５０】
また、電磁場変動検出器５は、乗算器５３Ａ、Ｂをそれぞれ有している。乗算器５３Ａには、増幅器５４を介して増幅器５２Ａと接続し、移相器５５Ａ、増幅器５４を介して増幅器５２Ｂと接続している。一方、乗算器５３Ｂには、移相器５５Ｂ、増幅器５４を介して増幅器５２Ａと接続し、増幅器５４を介して増幅器５２Ｂと接続している。移相器５５Ａは電極５０Ｂからの、移相器５５Ｂは電極５０Ｂからの電気信号を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５３Ａは、電極５０Ａからの電気信号と、移相器５５Ａによって移相された電極５０Ｂ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５３Ｂは、電極５０Ｂからの電気信号と、移相器５５Ｂによって移相された電極５０Ａからの電気信号とを乗算して出力するものである。
【００５１】
乗算器５３Ａ、Ｂの出力側は減算器５６が接続していて、それぞれの出力する電気信号の差分をとって出力する。減算器５６の出力側は、増幅器５７、ローパスフィルタ５８が順に接続している。増幅器５７は、減算器５６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５８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。
【００５２】
以下、一方の電磁場変動検出器５の電極５０Ａ、Ｂに対応する、他方の電磁場変動検出器５の電極を５０Ｃ、Ｄとする。電極５０Ａ〜Ｄは矩形の枠状のプラスチックフレーム６上に配置されており、電極５０Ａ、Ｂ間を結ぶ直線（ｘ軸方向に平行な直線）と、電磁場変動検出器５の電極５０Ｃ、Ｄ間を結ぶ直線（ｙ軸方向に平行な直線）が、直交するように配置されている。また、放射器７の送信アンテナ１３は、電極５０Ｄ近傍に配置され、位相差検出器２の受信アンテナ２０Ａ、Ｂは、電極５０Ｃ近傍に配置されている。プラスチックフレーム６で囲われた領域が動作検出領域となっている。なお、電極５０Ａ、Ｂを結ぶ直線と電極５０Ｃ、Ｄを結ぶ直線が直交するように配置したが、必ずしもその必要はなく、２つの直線が角度を成すように配置すればよい。ただし、位置測定の精度向上のためには直交させることが望ましい。また、送信アンテナ１３、受信アンテナ２０Ａ、Ｂと、電極Ａ〜Ｄとの位置関係は、必ずしも上記のようにする必要はなく、放射器７および位相差検出器２による動作検出領域と、位置測定装置３による動体検出領域が重なるように、送信アンテナ１３、受信アンテナ２０Ａ、Ｂと、電極５０Ａ〜Ｄとを配置すればよい。
【００５３】
［位置測定装置３の動作］
位置測定装置３では、プラスチックフレーム６に励振器４によって励振された動体を近づけた場合に、２つの電磁場変動検出器５の出力するそれぞれの電圧値から、ｘ軸方向における動体の位置と、ｙ軸方向における動体の位置（手先の位置）を測定することができる。つまり、動体の二次元的な位置を非接触で測定することができる。以下、位置測定装置３のｘ軸方向における動体位置測定の動作について説明する。
【００５４】
まず、動体に取り付けられた励振器４によって、動体表面に電磁場を伝搬させる。つまり、発振器４０によって電気信号を発振させ、バンドパスフィルタ４１を通してノイズ成分等を除去して増幅器４３によって電気信号を増幅したのち、電極４２より電磁場を励振させて動体表面に電磁場を伝搬させる。動体が人体であれば、１〜１００ＭＨｚ帯の周波数を発振器４０によって発振させる。周波数が１〜１００ＭＨｚの範囲であれば、励振された電磁場を人体表面に伝搬させることができる。なお、人体は比誘電率が高いため、波長が大きく短縮されて伝搬しているものと推察される。たとえば１０．７ＭＨｚでは人体の比誘電率はおよそ１６０程度となり、非常に高い値となっている。
【００５５】
電磁場変動検出器５の２つの電極５０Ａ、Ｂは、動体に近い位置に、動体には接触させずに配置されており、２つの電極５０Ａ、Ｂによって、動体表面を伝搬する電磁場を電気信号として受信する。この電極５０Ａ、Ｂで受信する電気信号は、動体位置と電極５０Ａ、Ｂとの相対的な距離に応じて位相が異なる。
【００５６】
電磁場変動検出器５の電極５０Ａで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）、電極５０Ｂで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）、ここでωは２πｆであり、ｆは発振器４０の発振周波数、とすると、乗算器５３Ａには電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）と移相器５５Ａによって位相がφ遅らされた電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ−φ）が入力される。また、乗算器５３Ｂには電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）と移相器５５Ｂによって移相がφ遅らされた電気信ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ−φ）が入力される。したがって、乗算器５３Ａ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５３Ｂの出力は、（１／２）・ｃｏｓ（ψ−φ）となる。
【００５７】
乗算器５３Ａ、Ｂ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５６に入力される。減算器５６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５７で信号が増幅されたのち、ローパスフィルタ５８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、ｓｉｎψ・ｓｉｎφが出力される。
【００５８】
このｓｉｎψ・ｓｉｎφの電圧値は、電極５０Ａ、Ｂ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、電極５０Ａ、Ｂの近傍にある動体のｘ軸方向の位置に対応した値である。したがって、電気信号ｓｉｎψ・ｓｉｎφの電圧値から、電極５０Ａ、Ｂの近傍にある動体のｘ軸方向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５５Ａ、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。
【００５９】
同様にして、動体のｙ軸方向の位置をもう一方の電磁場変動検出器５にて測定することができる。そのため、位置測定装置３によると動体の二次元的な位置を非接触で測定することができる。
【００６０】
なお、上記のように電磁場変動検出器５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、電磁場変動検出器５から移相器５５Ａ、Ｂ、乗算器５３Ｂ、減算器５６を削除した構成とすることもできる。
【００６１】
［実施例２の位置動作検出装置の動作］
実施例２の位置動作検出装置は、上述のように位置測定装置３によって動体（手）の二次元的な位置を検出することができる。しかし、この位置測定装置３のみでは、動体の細かい動きは検出することができない。そこで、放射器７と位相差検出器２によって、実施例１と同様にして動体の細かい動きを検出している。つまり、実施例２の位置動作検出装置によれば、２次元的な大きな動体の動きと細かい動きとをそれぞれ区別して検出することができる。また、位置測定装置３によって励振されている特定の動体の動作のみを選択的に検出することができ、励振されていない他の動体の動作を検出しないようにすることができる。これにより、放射器７と位相差検出器２によって検出される動体の細かい動きが、位置測定装置３の励振器４によって励振されている特定の動体の動作であることが特定できる。
【００６２】
この実施例２の位置動作検出装置は、たとえば、２次元的な大きな動体の動きとして手全体の動き、細かい動きとして指先の動きを対応させれば、特定の人の手のジェスチャを検出することができ、電子機器等を手のジェスチャによって操作可能となる。一例として、車のステアリングを動作検出領域とし、励振器４を運転席に設けてドライバーを励振させるように実施例２の位置動作検出装置を設けることで、ステアリングを握っているドライバーの手のジェスチャをそのステアリング近傍で検出してパワーウィンドなどを操作することができ、ステアリングを握っていない助手席の人の手のジェスチャでは操作できないようにすることができる。
【００６３】
なお、実施例２の位置動作検出装置の位相差検出器２における、ダウンコンバート後の周波数は、位置測定装置３の励振器４により励振させる周波数と等しくするのがよい。これにより、位相差の比較が容易となる。
【００６４】
［実験例］
図５は、実施例２の位置動作検出装置を用いて人の手の動作を検出した結果を示すグラフである。手に位置測定装置３の励振器４を取り付けて、位置測定装置３を動作させた。手の動作は、Ａ−Ｂ間で手を振る、停止、手をグーとパーにする動作を繰り返す、停止、Ａ−Ｂ間で手を振る、というのを繰り返した。位置測定装置３の励振器４による励振周波数は１０．７ＭＨｚとし、放射器７の放射するマイクロ波の周波数は５．８ＧＨｚとし、位相差検出器２において５．８ＧＨｚを１０．７ＭＨｚにダウンコンバートして励振器４による励振周波数と等しくした。また、図５において横軸は経過時間、縦軸は位相差検出器２および電磁場変動検出器５（２つの電磁場変動検出器５のうちｘ軸方向の位置測定をする方）の出力を示している。図５中、Ｐの符号が電磁場変動検出器５の出力であり、Ｑの符号が位相差検出器２の出力である。
【００６５】
電磁場変動検出器５の出力Ｐは、手を振る動作を行った区間については、出力値が周期的に大きく増減していることがわかる。つまり、手を振る動作を検出できていることがわかる。一方で停止やグーとパーを繰り返す動作を行った区間については、出力値はほぼ一定であり、グーとパーを繰り返す動作を検出できていないことがわかる。これは、電磁場変動検出器５は動作の分解能が低いために、手の指の動きという細かい動きを検出することができないことを示している。
【００６６】
また、位相差検出器２の出力Ｑは、手を振る動作を行った区間については、電磁場変動検出器５の場合と同様に、出力値が周期的に大きく増減していることがわかる。つまり、手を振る動作を検出することができている。一方、グーとパーを繰り返す動作を行った区間については、変動幅が手を振る動作を行った区間よりも小さいものの、出力値が周期的に増減していることがわかる。つまり、グーとパーを繰り返すという指先の動きを検出することができている。また、動作を停止している区間については、出力値はほぼ一定であり、手を振る動作やグーとパーを繰り返す動作との区別ができていることがわかる。これは、放射器７と位相差検出器２を用いた動作検出は高い分解能を有していることを示している。
【００６７】
上記実験により、実施例２の位置動作検出装置を用いれば、手を振るという大きな動作と、グーとパーを繰り返すという細かい動作の双方を区別して検出することができ、さらに励振器４によって励振された特定の人の手の動作のみを検出することが可能であることが示された。
【実施例３】
【００６８】
図６は、実施例３の動作検出装置の構成を示した図である。実施例３の動作検出装置は、放射器１００と、位相差抽出器２００と、で構成されている。
【００６９】
［放射器１００の構成］
放射器１００は、図６のように、発振器１０、バンドパスフィルタ１１、増幅器１２までは、実施例１の放射器７と同様の構成である。違いは、増幅器１２からの出力が２分配されて送信アンテナ１３０Ａ、Ｂに入力されることである。送信アンテナ１３０Ａ、Ｂは送信アンテナ１３と同様のものである。
【００７０】
［位相差抽出器２００の構成］
位相差抽出器２００は、図６のように、１つの受信アンテナ２２０を有している。この送信アンテナ１３０Ａ、Ｂと受信アンテナ２２０の配置は、実施例１の送信アンテナ１３、受信アンテナ２０Ａ、Ｂとちょうど逆の配置となっている。この受信アンテナ２２０によって、送信アンテナ１３０Ａ、Ｂからの電気信号を受信する。受信アンテナ２２０は、バンドパスフィルタ２２１、増幅器２２２を介して乗算器２２３の入力側に接続されている。乗算器２２３のもう一方の入力側にはＰＬＬ回路２２４が接続されている。乗算器２２３の出力側は、バンドパスフィルタ２２５、増幅器２２７を介して、非線形素子２３０の入力側に接続されている。ここで、受信アンテナ２２０から増幅器２２７までの各構成要素およびＰＬＬ回路２２４は、実施例１の受信アンテナ２０Ａから増幅器２７ＡおよびＰＬＬ回路２４と同様のものである。
【００７１】
非線形素子２３０は、入力される信号の２乗成分を生成するために用いるものである。非線形素子２３０からの出力のうち、ローパスフィルタ２４０によって直流成分のみが取り出され、位相差抽出器２００の出力として取り出される。この位相差抽出器２００から出力される電気信号は、送信アンテナ１３０Ａから受信アンテナ２２０に至ったマイクロ波と、送信アンテナ１３０Ｂから受信アンテナ２２０に至ったマイクロ波との位相差に対応したＤＣ値である。
【００７２】
［実施例３の動作検出装置の動作］
次に、実施例３の動作検出装置の動作について説明する。ここでは、実施例１の場合と同様に、送信アンテナ１３０Ａ、Ｂと受信アンテナ２２０間に手のひらを位置させ、手の指の動きを検出する場合を想定する。このとき、手の指の動きに応じて、送信アンテナ１３０Ａから受信アンテナ２２０に至るマイクロ波と、送信アンテナ１３０Ｂから受信アンテナ２２０に至るマイクロ波とに位相差が生じる。この位相差を反映した信号を受信アンテナ２２０によって受信し、位相差抽出器２００によって位相差を反映したＤＣ値を抽出することができるため、非接触で手の指の動きを検出することができる。
【００７３】
位相差抽出器２００による位相差の抽出について、より詳しく説明する。送信アンテナ１３０Ａ、Ｂが出力する電気信号をｃｏｓ（ωｔ）、送信アンテナ１３０Ａから受信アンテナ２２０に至る経路において位相がθＡ変化し、送信アンテナ１３０Ｂから受信アンテナ２２０に至る経路において位相がθＢ変化するものとすると、受信アンテナ２２０において受信する電気信号は、ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）＋ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）である。この電気信号が非線形素子２３０に入力され、２乗成分が生成される。つまり、｛ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）＋ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）｝2 の成分が生成される。この２乗成分のうち直流成分は１＋ｃｏｓ（ψ）である。非線形素子２３０の出力のうち、この直流成分以外はローパスフィルタ２４０によってカットされる。結局のところ、位相差抽出器２００の出力は１＋ｃｏｓ（ψ）となり、このＤＣ値より位相差ψを抽出することができる。
【００７４】
以上のように、実施例３の動作検出装置では、人の指の動きの変化によって生じるマイクロ波の位相差を反映した信号を受信アンテナ２２０によって受信し、その位相差を抽出することで、人の指先の動きを非接触で検出することができる。この実施例３の動作検出装置に、位置測定装置３を組み合わせれば、実施例２の位置動作検出装置と同様の効果を得られる。
【００７５】
実施例１と実施例３とから、送信アンテナと受信アンテナの少なくとも一方が複数（ただし、双方が１つである場合を除く）であれば、同様にして人の指先の動きを非接触で検出できることが推察できる。また、受信アンテナ２２０によって受信した信号から位相差を抽出する構成は、実施例３に示した位相差検出器２００に限るものではない。
【００７６】
なお、実施例１、２では、本発明の動作検出装置を人の手の動作を検出するために用いているが、もちろん、人以外の励振可能な動体の動作を検出するためにも用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明によれば、指先の動きなどの細かい動きを検出することができるため、手のジェスチャによって機器を操作するなどに応用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１：動作検出装置
２：位相差検出器
３：位置測定装置
４：励振器
５：電磁場変動検出器
７：放射器
１０、４０：発振器
１１、２１Ａ、Ｂ、２５Ａ、Ｂ：バンドパスフィルタ
１２、２２Ａ、Ｂ、２７Ａ、Ｂ：増幅器
１３、１３０Ａ、Ｂ：送信アンテナ
２０Ａ、Ｂ、２２０：受信アンテナ
２３Ａ、Ｂ、２８、５３Ａ、Ｂ、１２９Ａ、Ｂ：乗算器
２４：ＰＬＬ回路
２９、５８、２４０：ローパスフィルタ
４２、５０Ａ、Ｂ：電極
５５Ａ、Ｂ、１２８Ａ、Ｂ：移相器
５６、１２０：減算器
２３０：非線形素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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