(57)【要約】【課題】簡易な構成で高精度に物体検知を行う物体検知センサおよびこの物体検知センサを備えた表示装置を実現する事を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するため本発明は、物体検知センサ２が、送波信号を出力する駆動回路７と、送波信号を受けて前記空間内に超音波を送信する送波器８と、互いに離間配置され、それぞれ超音波の反射波を受信する第一受波器９、第二受波器１０と、を備え、第一受波器９、第二受波器１０で得られたそれぞれの受波信号の位相差に応じた信号が検出されるものとした。これにより本発明は、物体３を比較的簡易な超音波の送受信によって検出できる。また複数の受波信号の位相差を用いることで、物体３の形状、大きさ等の条件によらず、高精度に物体３の方向を検出できる。そしてその結果、簡易な構成で高精度に物体検知を行う物体検知センサ２および表示装置１を実現できる。【選択図】図２
2014077749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示装置に配置され、空間内の物体を検知する物体検知センサであって、
前記物体検知センサは、
送波信号を出力する駆動回路と、
前記送波信号を受けて前記空間内に超音波を送信する送波器と、
互いに離間配置され、それぞれ前記超音波の反射波を受信する第一受波器、第二受波器と、を備え、
前記第一受波器、前記第二受波器で得られたそれぞれの受波信号の位相差に応じた信号が検出される、物体検知センサ。
【請求項２】
前記第一受波器、前記第二受波器と離間配置され、かつ前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線上とは異なる直線上に配置され、かつ前記反射波を受信する第三受波器を更に備え、
前記第一受波器、前記第二受波器、前記第三受波器で得られたそれぞれの受波信号の位相差に応じた信号が検出される、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項３】
前記第一受波器または前記第二受波器の少なくとも一方が前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記距離の演算結果が所定値以内の場合、物体検出結果は放棄される、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項４】
前記第一受波器または前記第二受波器の少なくとも一方が前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記距離の演算結果が所定値の距離以上の場合、物体検出結果は放棄される、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項５】
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する角度が演算され、
前記角度の演算結果が所定の範囲を超えた場合、物体検出結果は放棄される、請求項１または２に記載の物体検知センサ。
【請求項６】
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第三受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する角度が演算され、
前記角度の演算結果が所定の範囲を超えた場合、物体検出結果は放棄される、請求項２に記載の物体検知センサ。
【請求項７】
前記第一受波器または前記第二受波器の少なくとも一方が前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する角度が演算され、
前記距離の演算結果と、前記角度の演算結果の余弦との積が所定値以内の場合、物体検出結果は放棄される、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項８】
前記第一受波器または前記第二受波器の少なくとも一方が前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する角度が演算され、
前記距離の演算結果と、前記角度の演算結果の余弦との積が所定値以上の場合、物体検出結果は放棄される、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項９】
前記第一受波器または前記第二受波器の少なくとも一方が前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する角度が演算され、
前記距離の演算結果と、前記角度の演算結果の正接との積が所定範囲を超えた場合、物体検出結果は放棄される、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項１０】
前記第一受波器、前記第二受波器、前記第三受波器の少なくとも何れか一つが前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する第一角度が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第三受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する第二角度が演算され、
前記距離の演算結果と、前記第一角度、前記第二角度を用いて前記第一受波器と前記第三受波器とを結ぶ直線に垂直な直線方向における前記物体と前記表示装置との距離に相当する距離値が演算され、
前記距離値が所定値以内の場合、物体検出結果は放棄される、請求項２に記載の物体検知センサ。
【請求項１１】
前記第一受波器、前記第二受波器、前記第三受波器の少なくとも何れか一つが前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第二受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する第一角度が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第三受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する第二角度が演算され、
前記距離の演算結果と、前記第一角度、第二角度を用いて前記第一受波器と前記第三受波器とを結ぶ直線に垂直な直線方向における前記物体と前記表示装置との距離に相当する距離値が演算され、
前記距離値が所定値以上の場合、物体検出結果は放棄される、請求項２に記載の物体検知センサ。
【請求項１２】
前記第一受波器、前記第二受波器、前記第三受波器の少なくとも何れか一つが前記反射波を受信するまでの時間を用いて、前記物体と前記物体検知センサとの距離が演算され、
前記位相差を用いて、前記第一受波器と前記第三受波器とを結ぶ直線に垂直な面と、前記物体検知センサと物体とを結ぶ線との成す角に相当する角度が演算され、
前記距離の演算結果と、前記角度の演算結果の正接との積が所定範囲を超えた場合、物体検出結果は放棄される、請求項２に記載の物体検知センサ。
【請求項１３】
前記表示装置は、上下方向と横方向で規定される表示部を有し、
前記物体検知センサは、前記表示部の中心よりも横方向における一方に偏って配置された、
請求項５または９に記載の物体検知センサ。
【請求項１４】
前記表示装置は、上下方向と横方向で規定される表示部を有し、
前記物体検知センサは、前記表示部の中心よりも上下方向における一方に偏って配置された、
請求項５または１２に記載の物体検知センサ。
【請求項１５】
前記送波器は、超音波の送波方向を調整する指向性調整機構を備えた、請求項１３または１４に記載の物体検知センサ。
【請求項１６】
前記送波器は、前記第一受波器または前記第二受波器と共用である、請求項１に記載の物体検知センサ。
【請求項１７】
前記送波器は、前記第一受波器、第二受波器、第三受波器の何れか一つと共用である、請求項２に記載の物体検知センサ。
【請求項１８】
空間内の物体を検知する物体検知センサが配置された表示装置であって、
前記物体検知センサは、
送波信号を出力する駆動回路と、
前記送波信号を受けて前記空間内に超音波を送信する送波器と、
互いに離間配置され、それぞれ前記超音波の反射波を受信する第一受波器、第二受波器と、を備え、
前記第一受波器、前記第二受波器で得られたそれぞれの受波信号の位相差に応じた信号が検出される、表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体検知センサおよび表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テレビ画面やパーソナルコンピュータのモニター画面などに表示されたメニューを遠隔操作する需要が増している。このような遠隔操作には、物体検知センサが用いられる。
【０００３】
従来の物体検知センサには、例えばコントローラを用いずに操作ができる体感型のゲームシステムに搭載される物体検知センサがある。
【０００４】
この物体検知センサは、カメラに物体としての被写体を映し、被写体から物体検知センサまでの距離を計測し、被写体の様々な動きを検出して、ゲーム内のキャラクタの動きに反映させる。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１２−５１６５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の物体検知センサは、テレビ画面等の遠隔操作用に応用できる。
【０００８】
しかしこの物体検知センサでは、複雑な画像処理により物体を高精度に検出できる一方で、回路設計が複雑で、かつ高価なカメラも必要であり、コストが高くなることがあった。
【０００９】
そこで本発明は、簡易な方法で高精度に物体検知を行う物体検知センサおよびこの物体検知センサを備えた表示装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、表示装置に配置され、空間内の物体を検知する物体検知センサであって、物体検知センサは、送波信号を出力する駆動回路と、送波信号を受けて空間内に超音波を送信する送波器と、互いに離間配置され、それぞれ超音波の反射波を受信する第一受波器、第二受波器と、を備え、第一受波器、第二受波器で得られたそれぞれの受波信号の位相差に応じた信号が検出されるものとした。
【００１１】
また本発明は、上記本発明の物体検知センサを備えた表示装置とした。
【発明の効果】
【００１２】
これにより本発明は、簡易な構成で高精度に物体検知を行う物体検知センサおよび表示装置を実現できる。
【００１３】
その理由は、物体を比較的簡易な超音波の送受信によって検出するからである。また複数の受波信号の位相差を用いることで、物体の形状、大きさ等の条件によらず、高精度に物体の方向を検出できるからである。
【００１４】
そしてその結果、簡易な方法で高精度に物体検知を行う物体検知センサおよび表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における表示装置及び物体検知センサの正面図
【図２】同実施の形態１における物体検知センサの回路ブロック図
【図３】同実施の形態１における位相検波波形のリサージュ図
【図４】同実施の形態１における方位角θ1の検出原理を説明する為の物体検知センサを模式的に示す上面図
【図５】同実施の形態１における送波信号および受波信号の波形図
【図６】同実施の形態１における表示装置、物体検知センサ、及び物体の位置関係を模式的に示す上面図
【図７】本発明の実施の形態２における物体検知センサの回路ブロック図
【図８】同実施の形態２における表示装置、物体検知センサ、及び物体の位置関係を模式的に示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態では、表示装置１としてテレビを例に挙げ、テレビ用の物体検知センサ２を例に説明する。
【００１７】
本実施の形態では、物体検知センサ２が検知する物体３とは、例えばユーザーの手指である。
【００１８】
表示装置１は表示部４を有し、表示部４は表示面５と、表示面５の外周に設けられた枠体６とを備えている。表示面５にはテレビのチャンネルや、録画映像へのアクセス、ネットワークとの接続など、種々のメニューが映し出される。物体検知センサ２はユーザーの手指の動きを検出し、ユーザーが選択したメニューを実行できる。
【００１９】
物体検知センサ２は、表示装置１であるテレビ本体に配置される。配置する位置は問わないが、本実施の形態では表示部４の枠体６に配置した。物体検知センサ２は、枠体６に外付けしてもよく、内蔵してもよい。ユーザーは表示面５を見ながら動作するため、枠体６に配置すると必然的に物体検知センサ２がユーザーと対向し易く、物体３である手指の動きを検出し易くなる。
【００２０】
なお、本実施の形態では、表示部４は図１に示すように、上下方向および横方向で規定される。本実施の形態における物体検知センサ２は物体３の横方向における方位角を高精度に検知する。
【００２１】
また本実施の形態では、物体検知センサ２は表示部４の中心Ｃよりも横方向における一方（本実施の形態では、図１の左側）に偏って配置されている。さらに表示部４の中心Ｃよりも上下方向における一方（本実施の形態では、図１の上側）に偏って配置されている。表示部４の中心Ｃを避けて配置することで、表示面５の映像の邪魔にならない。また表示装置１に内蔵された他のモジュールや配線等にスペースを空けることができる。
【００２２】
図２に示すように、物体検知センサ２は、少なくとも送波信号を出力する駆動回路７と、送波信号を受けて空間内の物体３に超音波を送信する送波器８と、互いに離間配置され、それぞれ超音波の反射波を受信する第一受波器９、第二受波器１０と、を備えている。
【００２３】
本実施の形態では、第一受波器９、第二受波器１０とは、表示面５に対して垂直な同一面上に配置されている。さらに本実施の形態では、第一受波器９、第二受波器１０とは、図１の表示面５に対して平行な直線上に配置されている。
【００２４】
本実施の形態では、第一受波器９、第二受波器１０で得られたそれぞれの受波信号の位相差に応じた信号が検出され、位相差を用いて物体３の方向が判定される。また第一受波器９、第二受波器１０における受波信号の伝播時間を用いて物体３と物体検知センサ２との距離が判定される。第一受波器９または第二受波器１０は、送波器８と共用であってもよい。
【００２５】
以下、図２を用いて本実施の形態の物体検知センサ２の具体的な動作を説明する。
【００２６】
マイコン１１は駆動回路７に接続され、駆動回路７を制御する。駆動回路７は送波器８に接続され、マイコン１１の制御によって、ある時間にある時間幅で所定の超音波パルスを送波するように、送波器８に送波信号を送信する。
【００２７】
送波器８から送信された超音波は、物体３に当たり、物体３から反射した超音波は第一受波器９、第二受波器１０で受信される。
【００２８】
第一受波器９で受信した超音波は、電圧、電流などの第一受波信号Ｓ1に変換され、同様に第二受波器１０で受信した超音波は、第二受波信号Ｓ2に変換される。
【００２９】
第一受波信号Ｓ1は、第一増幅回路１２で増幅され、一対の位相検波回路１３Ａ、位相検波回路１３Ｂにそれぞれ入力される。位相検波回路１３Ａでは、送波信号と同期された参照信号と第一受波信号Ｓ1とが乗算され、位相検波信号Ｓaが出力される。位相検波回路１３Ｂでは送波信号と９０°位相が異なる参照信号と第一受波信号Ｓ1とが乗算され、位相検波信号Ｓbが出力される。
【００３０】
第二受波信号Ｓ2も同様に、第二増幅回路１４で増幅され、一対の位相検波回路１３Ｃ、位相検波回路１３Ｄにそれぞれ入力されて、直交検波される。位相検波回路１３Ｃ、位相検波回路１３Ｄからは、それぞれ位相検波信号Ｓc、位相検波信号Ｓdが出力される。なお、各参照信号はマイコン１１で生成し、入力できる。
【００３１】
位相検波信号Ｓa、Ｓbは、それぞれ増幅回路１５Ａ、１５Ｂで増幅され、位相検波信号Ｓaがｘ1、位相検波信号Ｓbがｙ1に生成され、一対の第一位相検波信号（ｘ1，ｙ1）としてマイコン１１に入力される。位相検波信号Ｓc、Ｓdも、それぞれ増幅回路１５Ｃ、１５Ｄで増幅され、位相検波信号Ｓcがｘ2、位相検波信号Ｓdがｙ2に生成され、一対の第二位相検波信号（ｘ2，ｙ2）としてマイコン１１に入力される。
【００３２】
図３は、第一位相検波信号（ｘ1，ｙ1）、第二位相検波信号（ｘ2，ｙ2）の位相検波波形の一例を、ｘを横軸、ｙを縦軸としたＸＹ二元直交座標で表したリサージュ図である。このリサージュ図では、第一位相検波信号、第二位相検波信号が、原点を視点とし、（ｘ1，ｙ1）、（ｘ2，ｙ2）を終点とするベクトルとして表される。
【００３３】
これらのベクトルの方向はそれぞれ第一受波信号Ｓ1、第二受波信号Ｓ2の位相を示しており、このベクトルの成す角を求めることにより、第一受波信号Ｓ1、第二受波信号Ｓ2の位相差φ1が判る。
【００３４】
位相差φ1はサンプリングのタイミングによらず求めることができ、その位相差φ1から正確な物体３の方向を特定できる。
【００３５】
第一位相検波信号（ｘ1，ｙ1）、第二位相検波信号（ｘ2，ｙ2）の位相差φ1は、次の式１で求められる。
φ1＝ａｒｃｔａｎ（ｘ1ｙ2−ｘ2ｙ1）／（ｘ1ｘ2＋ｙ1ｙ2）・・・（式１）
以上の式１で求めた位相差φ1を用いて、物体３が存在する方向を検知できる。
【００３６】
ここで図４に位相差φ1と物体３が存在する方向（方位角）との関係を示す。
【００３７】
方位角とは、第一受波器９と第二受波器１０とを結ぶ直線に垂直な面と、物体検知センサ２と物体３とを結ぶ線との成す角θ1に相当する角度とする。
【００３８】
ここで本実施の形態では、第一受波器９、第二受波器１０とを結ぶ直線は、表示面５に平行である。したがって本実施の形態では、第一受波器９と第二受波器１０とを結ぶ直線に垂直な面とは、表示面５に対する法線ｎに平行な面を指す。
【００３９】
物体検知センサ２に任意の基準点を取り、この基準点と物体３とを結ぶ直線と、基準点を通り法線ｎに平行な面との成す角度が角度θ1となる。本実施の形態では、角度θ1の原点は、基準点を通り法線ｎに平行な面とした。
【００４０】
図４では例えば第一受波器９上に基準点を取った形態を示している。厳密には基準点を変えると物体３と物体検知センサ２とを結ぶ直線の傾きが変化するが、第一受波器９、第二受波器１０との間隔は、物体３と物体検知センサ２との距離に比べて十分に小さいため、基準点が角度θ1に与える影響は無視できると考える。図４において、第一受波器９と第二受波器１０との間の距離をＬ1とした時、第一受波器９と物体３との距離と第二受波器１０と物体３との距離の差ｄ1は、次の式２で求められる。
ｄ1＝Ｌ1ｓｉｎθ1・・・（式２）
ここで位相差φ1は、送波器８から送波された超音波の波長をλとした時、次の式３で求められる。
φ1＝２πｄ1／λ・・・（式３）
上記式３に式２を代入することにより、角度θ1は、次の式４となる。
θ1＝ａｒｃｓｉｎ（λφ1／２πＬ1）・・・（式４）
上記式４に上記式１で求めたφ1を代入すれば、角度θ1を求めることができ、物体３の方向を検出できる。
【００４１】
なお、第一位相検波信号と第二位相検波信号から角度θ1を求める演算は、物体検知センサ２のマイコン１１で行ってもよく、物体検知センサ２に外付けされた信号処理回路（図示せず）で行ってもよい。
【００４２】
さらに所定時間毎に算出した角度θ1を記憶部（図示せず）に記憶させることで、物体３の動く方向を判別できる。
【００４３】
本実施の形態では、演算した角度θ1が所定の範囲を超えた場合、物体検出結果を放棄してもよい。物体検出結果を放棄するとは、角度θ1の演算結果を表示装置１の操作に用いないように制御することを指す。これにより例えば表示面５の真横や表示面５の裏側など、表示面５と対向し難い位置からの信号を誤差信号として処理できる。なお、角度θ1そのもので規定してもよく、角度θ1の補正値など、角度θ1に相当する角度で規定してもよい。
【００４４】
さらに所定の範囲の角度θ1とは、法線ｎを通り法線ｎに平行な平面に対し、面対称でなくてもよい。特に本実施の形態では、物体検知センサ２が表示面５の横方向における一端側に偏って配置されているため、他端側の角度θ1の範囲は一端側の角度θ1の範囲よりも大きくなるように検出範囲を設定してもよい。さらに表示装置１を部屋のコーナー部分に配置する場合などは、ユーザーが表示面５と対向する範囲を想定し、適宜所定の範囲を定めればよい。
【００４５】
また送波器８には、超音波の送波方向を調整する指向性調整機構を備えていてもよい。特に物体検知センサ２が表示面５の横方向における一端側に偏って配置される場合、指向性を調整することで、より物体３の動線に合わせた領域をセンシングできる。指向性調整機構とは、例えば送波器８、第一受波器９、第二受波器１０の少なくとも何れか一つに取り付けられるホーンでもよく、あるいは少なくとも送波器８、第一受波器９、第二受波器１０の少なくとも何れか一方の向きを変える可動機構でもよい。
【００４６】
また図４に示す物体３と物体検知センサ２との距離Ｐ1は、第一受波器９または第二受波器１０の少なくとも一方が反射波を受信するまでの時間を用いて演算できる。すなわち、第一受波器９、第二受波器１０の何れか一方が反射波を受信するまでの伝播時間を用いてもよく、第一受波器９、第二受波器１０の双方が反射波を受信するまでの伝播時間を用いてもよい。さらには、第一受波器９、第二受波器１０のそれぞれが反射波を受信するまでの伝播時間の平均値を用いてもよい。したがって、物体３と物体検知センサ２との距離Ｐ1とは、第一受波器９または第二受波器１０の少なくとも一方と物体３との距離や、これらの距離の平均値等、物体３と物体検知センサ２との距離に相当する距離を指す。
【００４７】
ここで図５に、送波信号と第一受波信号Ｓ1、第二受波信号Ｓ2の波形の一例を示す。各信号の波形は一例であり、これ以外の波形であってもよい。
【００４８】
本実施の形態では、図５に示すように、超音波が送波される開始時点ｔ0から第一受波器９、第二受波器１０で受波されるまでの伝播時間ｒ1、ｒ2に基づいて、マイコン１１で算出した。
【００４９】
送波開始時点ｔ0から受波信号のサンプリングのカウントを始め、伝播時間ｒ1、ｒ2を求める。そして距離Ｐ1を例えばベクトル（ｘ1，ｙ1）とベクトル(ｘ2,ｙ2)のベクトル長が何れも有る閾値を超えた時点の伝播時間と音速との積を二で割った値とすることができる。
【００５０】
この場合は、厳密には第一受波器９と物体３との距離、第二受波器１０と物体３との距離の何れもが距離Ｐ1となるわけではないが、第一受波器９と第二受波器１０との距離が物体３と物体検知センサ２との距離と比べて相対的に十分に小さい場合は無視できる。
【００５１】
本実施の形態では、物体３と物体検知センサ２との距離Ｐ1の演算結果が所定の距離以内の場合、物体検出結果を放棄してもよい。物体検出結果を放棄する、とは、物体３の方向を検出しない、あるいは物体３の方向や物体３と物体検知センサ２との距離を検出した信号を表示装置１の操作に使用しない等のことを指す。
【００５２】
ユーザーが過剰にテレビの画面に近接している時は、テレビ画面を見ながら操作をしている状況とは考えられにくいため、近すぎる信号を誤差信号とみなすことで、高精度な操作を実現できる。
【００５３】
一方で、物体３と物体検知センサ２との距離Ｐ1の演算結果が所定の距離以上の場合、物体検出結果を放棄してもよい。
【００５４】
ユーザーが過剰にテレビの画面と離間している時は、テレビ画面を見ながら操作をしている状況とは考え難いため、遠すぎる信号を誤差信号とみなすことで、高精度な操作を実現できる。
【００５５】
さらに本実施の形態では、距離Ｐ1の演算結果と、角度θ1の演算結果の余弦との積が所定値以内の場合、物体検出結果を放棄してもよい。すなわち図６に示すように、距離Ｐ1とｃｏｓθ1との積は法線ｎに平行な方向における、表示面５と物体３との距離Ｑ1に相当する。したがって、距離Ｑ1が所定値以内の場合は、表示面５と近過ぎる信号として、操作信号ではないものとみなし、物体検出結果を放棄してもよい。
【００５６】
距離Ｐ1で規定すると物体３のセンシング距離を扇状に規定することになるが、距離Ｑ1を用いて表示面５に対する法線ｎ方向で規定する方が、より物体３の検出エリアを物体３の動線に合わせて設定できる。
【００５７】
一方で、距離演算結果と、角度演算結果の余弦の積が所定値以上の場合、物体検出結果を放棄してもよい。すなわち距離Ｑ1が所定値以上の場合は、表示面５と遠すぎる信号として、誤差信号とみなし、物体検出結果を放棄してもよい。この場合も、物体３のセンシング距離を表示面５に対する法線ｎ方向で規定しているため、物体３の検出エリアを物体３の動線に合わせて設定できる。
【００５８】
さらに本実施の形態では、距離Ｐ1の演算結果と角度θ1の演算結果の正接との積が所定の範囲を超えた場合、物体検出結果を放棄してもよい。すなわち図６に示すように、距離Ｐ1とｓｉｎθ1との積は法線ｎに垂直な方向における、物体検知センサ２と物体３との横方向における距離Ｗに相当する。距離Ｗが所定の範囲を超えた場合は、表示面５と対向し難い角度からの信号として、誤差信号とみなすことで操作精度を高めることができる。
【００５９】
すなわち、上述したように、横方向の検出エリアを方位角で規定してもよいが、物体３であるユーザーは表示面に対してどのような角度で近づくか分からないため、物体３のセンシング距離を表示面５に対する法線ｎと垂直方向で規定する方が、物体３の検出エリアを物体３の動線に合わせて設定できる。
【００６０】
なお、物体検知センサ２を表示装置１の中心Ｃより横方向に偏って配置する場合や、表示装置１自体を空間内のコーナー部分に配置する場合を考慮し、距離Ｗは法線ｎを通り法線ｎに平行な面に対して非対称としてもよい。
【００６１】
本実施の形態では、第一受波器９と第二受波器１０とを、表示面５にほぼ平行な直線上に配置する事がより好ましい。第一受波器９と第二受波器１０との距離Ｌ1を用いて容易に距離差ｄ1を計算でき、位相差φ1の算出が容易になる。ただし、表示面５に平行な直線上に配置しない場合でも、第一受波器９、第二受波器１０が横方向にずれた位置に配置されていれば、第一受波器９、第二受波器１０の位置関係を計算し補正することで、物体３の横方向における方位角を検知できる。第一受波器９、第二受波器１０は上下方向にはずらさず、表示面５に対して平行な同一面上に配置する事がより好ましい。
【００６２】
また本実施の形態では、第一受波器９、第二受波器１０で物体３の横方向における方位角を検出したが、物体３の上下方向における仰角を検出してもよい。仰角を検出する場合は、第一受波器９、第二受波器１０を、表示面５の上下方向に平行な直線上に配置することが好ましい。上下方向に平行な直線上でない場合も、第一受波器９、第二受波器１０が、表示面５の上下方向にずらして配置されていれば、第一受波器９、第二受波器１０の位置関係を計算し演算することで仰角を検出できる。第一受波器９、第二受波器１０は横方向にはずらさず、表示面５に対して平行な同一面上に配置する事がより好ましい。
【００６３】
上記実施の形態では、検出エリアの規定の手法として、角度θ1の演算結果や距離Ｐ1の演算結果、ｃｏｓθ1と距離Ｐ1との積、ｓｉｎθ1と距離Ｐ1との積などを例に挙げたが、これら単独で検出エリアを規定してもよく、何れかを組み合わせて規定してもよい。これにより例えば検出エリアを矩形状に規定することもできる。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態では、簡易な構成で物体検知を行うことができる。その理由は、物体３を画像処理等と比べて簡易な超音波センサの送受信によって検出するからである。
【００６５】
また物体３の方向は、例えば複数の受波器における超音波の伝播時間の差を用いて求めることもできるが、物体３の形状、大きさ、反射率等によって伝播時間の測定に誤差が生じてしまうことがある。これに対し本実施の形態では、複数の受波信号の位相差を用いているため、物体３の条件によらず、高精度に物体３の方向を検出できる。
【００６６】
そしてその結果、簡易な方法で高精度に物体検知を行う物体検知センサ２を実現できる。
【００６７】
（実施の形態２）
本実施の形態２も実施の形態１と同様に、表示装置１としてテレビ、物体３としてユーザーの手指を例に挙げ、テレビ用の物体検知センサ２を例に説明する。
【００６８】
本実施の形態と実施の形態１との主な相違点は、物体検知センサ２が物体３の横方向における方位角を検出するとともに、物体３の上下方向における仰角も検出する点である。以下、実施の形態１と同様の構成および効果については、説明を簡略もしくは省略し、相違点について詳細に説明する。
【００６９】
本実施の形態では、図７に示すように、第一受波器９、第二受波器１０に加えて更に第三受波器１６を備えている。第三受波器１６は、第一受波器９、第二受波器１０と離間配置され、かつ第一受波器９、第二受波器１０と同様に反射波を受信する。
【００７０】
本実施の形態では、第一受波器９、第二受波器１０は互いに横方向にずらして配置され、第一受波器９と第三受波器１６は互いに上下方向にずらして配置されている。第一受波器９と第二受波器１０とを結ぶ直線と第一受波器９、第三受波器１６とを結ぶ直線とは異なる。例えば本実施の形態では、第一受波器９と第二受波器１０とを結ぶ直線と第一受波器９、第三受波器１６とを結ぶ直線とは直交する。そして第一受波器９と第二受波器１０とを表示面５の横方向に平行な線上に配置し、第一受波器９と第三受波器１６とを表示面５の上下方向に平行な線上に配置した。
【００７１】
第一受波器９と第二受波器１０で得られた受波信号の位相差φ1に応じた信号が検出され、物体３の方位角が検出される。また第一受波器９、第三受波器１６で得られた受波信号の位相差φ2に応じた信号が検出され、物体３の仰角が検出される。第一受波器９、第二受波器１０、第三受波器１６の何れか一つは、送波器８と共用であってもよい。
【００７２】
また送波器８には、超音波の送波方向を調整する指向性調整機構を備えていてもよい。特に物体検知センサ２が表示面５の上下方向における一方側に偏って配置される場合、指向性を調整することで、より物体３の動線に合わせた領域をセンシングできる。指向性調整機構とは、送波器８、第一、第二、第三受波器９、１０、１６の少なくとも何れか一つに取り付けられるホーンや、送波器８、第一、第二、第三受波器９、１０、１６の少なくとも何れか一つに設けられた可動機構が挙げられる。
【００７３】
以下、図７を用いて、特に第三受波器１６に関連する物体検知センサ２の動作を説明する。
【００７４】
送波器８から送信された超音波は、物体３に当たり、物体３から反射した超音波は第一受波器９、第二受波器１０、第三受波器１６で受信される。第三受波器１６で受信した超音波は、電圧、電流などの第三受波信号Ｓ3に変換される。第三受波信号Ｓ3は第三増幅回路１７で増幅され、一対の位相検波回路１３Ｅ、位相検波回路１３Ｆにそれぞれ入力されて直交検波される。位相検波回路１３Ｅ、位相検波回路１３Ｆからは、それぞれ位相検波信号Ｓe、位相検波信号Ｓfが出力される。位相検波信号Ｓe、Ｓfは、それぞれ増幅回路１５Ｅ、１５Ｆで増幅され、位相検波信号Ｓeがｘ3、位相検波信号Ｓfがｙ3に生成され、一対の第三位相検波信号（ｘ3，ｙ3）としてマイコン１１に入力される。
【００７５】
第三位相検波信号（ｘ3，ｙ3）をＸＹ二元直交座標で表すと、原点を視点とし、（ｘ3，ｙ3）を終点とするベクトルとして表される。このベクトルの方向は第三受波信号の位相を示しており、ベクトル（ｘ1，ｙ1）とベクトル（ｘ3，ｙ3）の成す角を求めることにより、第一受波信号Ｓ1、第三受波信号Ｓ3の位相差φ2が判る。
【００７６】
第一位相検波信号（ｘ1，ｙ1）、第三位相検波信号（ｘ3，ｙ3）の位相差φ2は、次の式５で求められる。
φ2＝ａｒｃｔａｎ（ｘ1ｙ3−ｘ3ｙ1）／（ｘ1ｘ3＋ｙ1ｙ3）・・・（式５）
上記式５で算出したφ2を用いて、図８に示す物体３が存在する方向（仰角）を検知する。
【００７７】
図８に示すように、仰角とは、第一受波器９と第三受波器１６を結ぶ直線に垂直な面と、物体検知センサ２と物体３とを結ぶ線との成す角θ2に相当する角度とする。
【００７８】
ここで本実施の形態では、第一受波器９と第三受波器１６とを結ぶ直線は、表示面５に平行である。したがって本実施の形態では、第一受波器９と第三受波器１６とを結ぶ直線に垂直な面とは、表示面５に垂直な面（図８の直線ｍを含む面）を指す。
【００７９】
本実施の形態では、物体検知センサ２に任意の基準点を取り、この基準点と物体３とを結ぶ直線と、基準点を通り直線ｍに平行な面との成す角度θ2が仰角となる。本実施の形態では、角度θ2の原点は、基準点を通り直線ｍに平行な面とした。
【００８０】
図８では例えば第一受波器９上に基準点を取った形態を示している。厳密には基準点を変えると物体３と物体検知センサ２とを結ぶ直線の傾きが変化するが、第一受波器９、第三受波器１６との間隔Ｌ2は、物体３と物体検知センサ２との距離Ｐ2に比べて十分に小さいため、基準点が角度θ2に与える影響は無視できると考える。図８において、第一受波器９と第三受波器１６との間の距離をＬ2とした時、第一受波器９と物体３との距離と第三受波器１６と物体３との距離の差ｄ2（図示せず）は、次の式６で求められる。
ｄ2＝Ｌ2ｓｉｎθ2・・・（式６）
ここで位相差φ2は、送波器８から送波された超音波の波長をλとした時、次の式７で求められる。
φ2＝２πｄ2／λ・・・（式７）
上記式７に式６を代入することにより、角度θ2は、次の式８となる。
θ2＝ａｒｃｓｉｎ（λφ2／２πＬ2）・・・（式８）
上記式８に上記式７で求めたφ2を代入すれば、角度θ2を求めることができ、物体３の方向（仰角）を検出できる。
【００８１】
本実施の形態では、角度θ2の演算結果が所定の範囲を超えた場合、物体検出結果を放棄してもよい。表示面５の真上や真下など、表示面５と対向し難い位置からの信号を誤差信号とみなして放棄することで、表示装置１の操作精度を向上できる。
【００８２】
なお、角度θ2そのもので検出エリアを規定してもよく、角度θ2の補正値など、角度θ2の増減に対応して増減する角度で規定してもよい。さらに所定の範囲の角度θ2とは、角度原点に対して対称でなくてもよい。特に本実施の形態では、物体検知センサ２が表示面５の上端側に偏って配置されているため、直線ｍに対して時計周りの角度θ2の範囲は反時計回りの角度θ2の範囲よりも大きくなるように検出範囲を設定してもよい。
【００８３】
また第一受波器９、第二受波器１０、第三受波器１６の少なくとも何れか一つが反射波を受信するまでの時間を用いて、物体３と物体検知センサ２との距離Ｐ2を演算し、この距離Ｐ2の演算結果が所定値以下あるいは所定値以上の場合、物体検出結果を放棄してもよい。
【００８４】
近すぎる信号や遠すぎる信号を、誤差信号とみなして放棄することで、表示装置１の操作精度を向上できる。
【００８５】
また本実施の形態では、距離Ｐ2の演算結果と、角度θ1、角度θ2を三平方の定理から導かれる下記の式９を用いることで、第一受波器９と第三受波器１６とを結ぶ直線に垂直な直線ｍ方向における物体３と表示面５との距離Ｑ2を演算できる。この距離Ｑ2に相当する距離値が所定値以内の場合、あるいは所定値以上の場合、物体検出結果を放棄してもよい。距離Ｑ2に相当する距離値とは、例えばＱ2の二乗の値でもよく、距離Ｑ2の増減に対応する値であればよい。
θ22  ＝  Ｐ22（ｃｏｓ2θ2＋ｃｏｓ2θ1−１）  ・・・（式９）
検出エリアを距離Ｐ2で規定すると、物体３のセンシング距離を扇状に規定することになるが、距離Ｑ2を用いて表示面５に対する法線方向で規定する方が、より物体３の検出エリアを物体３の動線に合わせて設定できる。
【００８６】
さらに本実施の形態では、距離Ｐ2の演算結果と、角度θ2の演算結果の正接との積は図８に示す高さＨを示す。距離Ｐ2の演算結果と、角度θ2の演算結果の正接との積が所定の範囲を超えた場合、物体検出結果を放棄してもよい。
【００８７】
物体３であるユーザーは表示面に対してどのような角度で近づくか分からないため、高さ方向の検出エリアを角度θ2で規定するよりも、表示面５に対する法線ｎに垂直な方向で規定する方が、より物体３の検出エリアを物体３の動線に合わせて設定できる。
【００８８】
なお、物体検知センサ２を表示装置１の中心Ｃより上下方向に偏って配置する場合や、表示装置１を壁掛けにしたり床置きにしたりする場合を考慮し、高さＨは第一受波器９、第三受波器１６を結ぶ直線に対して垂直方向に非対称としてもよい。
【００８９】
本実施の形態では、第一受波器９と第三受波器１６とを、表示面５の上下方向に平行な直線上に配置する事がより好ましい。第一受波器９と第三受波器１６との距離Ｌ2を用いて容易に距離差ｄ2を計算でき、位相差φ2の算出が容易になる。ただし、上下方向に平行な直線上に配置しない場合でも、上下方向にずれた位置に配置していれば、第一受波器９、第三受波器１６の位置関係を計算し補正でき、物体３の上下方向における仰角を検知できる。
【００９０】
また本実施の形態では、三つの受波器を用いたが、四つ以上の受波器を用いてもよい。但し、受波器を三つとすることで、最小限の部材で物体３の方向を方位角、仰角を用いて三次元に把握することができる。
【００９１】
上記実施の形態では、検出エリアの規定の手法として、角度θ2の演算結果や距離Ｐ2の演算結果、距離Ｑ2に相当する距離値などを例に挙げたが、これら単独で検出エリアを規定してもよく、何れかを組み合わせて規定してもよい。また実施の形態１で説明した角度θ1の演算結果やｃｏｓθ1と距離Ｐ1との積、ｓｉｎθ1と距離Ｐ1との積で算出した検出エリアと組み合わせて規定してもよい。これにより例えば検出エリアを直方体形状に規定することもできる。
【００９２】
なお、本実施の形態では、表示装置１としてテレビを例に挙げたが、その他表示部を備えたパーソナルコンピュータやＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、モバイルツール、プロジェクタースクリーンでもよい。また物体として人間の手指を例に挙げたが、リモートコントローラーや指示棒のような物でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、表示装置１を、リモートコントローラー等を用いることなく、簡易な構成で高精度に操作することができるため、例えばスマートテレビの遠隔操作に有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１  表示装置
２  物体検知センサ
３  物体
４  表示部
５  表示面
６  枠体
７  駆動回路
８  送波器
９  第一受波器
１０  第二受波器
１１  マイコン
１２  第一増幅回路
１３Ａ〜１３Ｆ  位相検波回路
１４  第二増幅回路
１５Ａ〜１５Ｆ  増幅回路
１６  第三受波器
１７  第三増幅回路
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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