(57)【要約】【課題】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。【解決手段】  電子装置に対して操作指令を非接触で入力する入力装置である。操作者の人体の特定部の表面を第１周波数の余弦波で励振させる励振器１と、第１周波数に対して所定のビート周波数だけ異なる第２周波数の余弦波の基準信号を発振する発振器５０と、特定部から出力される電磁場を検出する少なくとも２つの検出電極２０Ａ、２０Ｓと、検出電極が検出する電磁場から得られる検出信号のうちの任意の２つの信号ＲA 、ＲB と基準信号とから、それぞれの検出信号と基準信号とによる各ビート信号の和又は差で表される合成ビート信号を生成するビート信号生成器を有する。ビート信号生成器の出力する合成ビート信号に基づいて電子装置に対する操作指令を付与する【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子装置に対して操作指令を非接触で入力する入力装置において、
操作者の人体の特定部の表面を第１周波数の余弦波で励振させる励振器と、
前記第１周波数に対して所定のビート周波数だけ異なる第２周波数の余弦波の基準信号を発振する発振器と、
前記特定部から出力される電磁場を検出する少なくとも２つの検出電極と、
前記検出電極が検出する前記電磁場から得られる検出信号のうちの任意の２つの検出信号と前記基準信号とから、それぞれの前記検出信号と前記基準信号とによる各ビート信号の和又は差で表される合成ビート信号を生成するビート信号生成器と、
を有し、
前記ビート信号生成器の出力する合成ビート信号に基づいて前記電子装置に対する前記操作指令を付与する
ことを特徴とする入力装置。
【請求項２】
前記ビート信号生成器は、前記２つの検出信号のそれぞれの信号に前記基準信号を加算又は減算して得られる２つの信号の積、又は、前記２つの検出信号のそれぞれの信号と前記基準信号との積から得られる２つの信号の和又は差、又は、前記２つの検出信号の和又は差から得られる信号と前記基準信号との積、から、前記合成ビート信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
【請求項３】
前記検出電極は、少なくとも３つ存在し、そのうちの任意の２つの検出電極を１組として、少なくとも２組の検出電極について、各組毎に、前記ビート信号生成器を有し、
各組の前記ビート信号生成器の出力するそれぞれの前記合成ビート信号に基づいて前記操作指令を付与する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の入力装置。
【請求項４】
前記検出電極は、１軸方向に等間隔で３つ存在し、中央に位置する検出電極を、２組の検出電極において、共通の電極とすることを特徴とする請求項３に記載の入力装置。
【請求項５】
前記合成ビート信号の振幅を検出する振幅検出器を有し、
前記振幅検出器の出力する振幅信号に基づいて前記操作指令を付与する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の入力装置。
【請求項６】
任意の２組の検出電極について、一方の組のビート信号生成器の出力する第１合成ビート信号と、他方の組のビート信号生成器の出力する第２合成ビート信号の位相をπ／２変化させた信号との積から第１合成ビート信号と第２合成ビート信号との位相差を求める位相差検出器を有し、
前記位相差検出器の出力する位相差信号に基づいて、前記特定部の前記検出電極に対する位置として前記操作指令を付与する
ことを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の入力装置。
【請求項７】
交差する２軸方向の各軸方向に、前記検出電極が配列されており、各軸についてビート信号生成器を有し、
各軸毎の操作指令を付与することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の入力装置。
【請求項８】
前記各軸方向に配列される前記検出電極の一つは共通であることを特徴とする請求項７に記載の入力装置。
【請求項９】
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１乃至請求項８の何れか１項に記載の入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の電子装置に対して、人の手や足の指先、手や足、鼻、顎などの人体の特定部の移動により、入力指令を与える入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【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。
【０００４】
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とることによって速度を検出するものである。
【０００５】
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。
【０００６】
さらに、特許文献４には、電極と手との距離に応じて電極の有する容量が変化することを利用して、発振器の発振周波数を変化させ、この発振器の出力信号と所定の周波数の基準信号とのビート信号を生成し、ビート信号の周波数を電圧に変換して、手と電極との距離に応じて、音量を変化させる電子楽器様の非接触センサが開示されている。
【０００７】
また、特許文献５には、人体を、放射電界を生じさせない３ＭＨｚ以下の周波数の準静電解による伝送路として用いた人体通信システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１００３７９
【特許文献２】特開２００８−８１８９６
【特許文献３】特開２０１０−１３９２８０
【特許文献４】特開２０１１−１１８１５６
【特許文献５】特許第４５８６６１８号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、電子装置に対して操作指令を非接触で入力する入力装置において、操作者の人体の特定部の表面を第１周波数の余弦波で励振させる励振器と、第１周波数に対して所定のビート周波数だけ異なる第２周波数の余弦波の基準信号を発振する発振器と、特定部から出力される電磁場を検出する少なくとも２つの検出電極と、検出電極が検出する電磁場から得られる検出信号のうちの任意の２つの検出信号と基準信号とから、それぞれの検出信号と基準信号とによる各ビート信号の和又は差で表される合成ビート信号を生成するビート信号生成器と、を有し、ビート信号生成器の出力する合成ビート信号に基づいて電子装置に対する操作指令を付与することを特徴とする入力装置である。
【００１４】
人体の特定部とは、手や足の指先、手や足、鼻、顎など、複数の検出電極のそれぞれに接近させて、操作指令を与えることができる部分でありさえすれば、任意である。特定部からは、入力指令を与える周囲に電磁波を放射することなく、エバネセット波のような伝搬モードを有さない近接場が形成される。特定部の大きさが、電磁場の波長の１／１００程度以下に十分小さいと、特定部の周囲には、放射モードはなく、エバネセット波による近接場が形成される。特定部を励振する信号の第１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、特定部が３ｃｍ以下であれば、この条件を満たすことができる。特定部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、３ｍ以下の大きさからは放射モードではなく近接場が形成できるので、人体の特定部からは近接場が形成される。また、特定部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。
【００１５】
所定のビート周波数としては、ビート信号を分離抽出できる周波数帯であれば任意である。一般的には、第１周波数より小さい周波数である。ビート周波数は、３Ｈｚ程度以上、望ましくは、１ｋＨｚ以下、さらに、望ましくは、１００Ｈｚ程度以下である。
検出電極の数は、少なくとも２つ以上であれば任意である。
ビート信号生成器は、２つの検出信号のそれぞれの信号に基準信号を加算又は減算して得られる２つの信号の積、又は、２つの検出信号のそれぞれの信号と基準信号との積から得られる２つの信号の和又は差、又は、２つの検出信号の和又は差から得られる信号と基準信号との積、から、合成ビート信号を生成する装置とすることができる。２つの検出信号をＲA 、ＲB 、第２周波数の基準信号をＬとすれば、（ＲA ±Ｌ）（ＲB ±Ｌ）、又は、ＲA Ｌ±ＲB Ｌ、又は、（ＲA ±ＲB ）Ｌから、合成ビート信号を得ることができる。それぞれは、ＲA Ｌから得られるビート信号と、ＲB Ｌから得られるビート信号の各成分を有しており、それらのビート信号の和又は差で表される合成ビート信号を生成することができる。ビート信号生成器は、これらの信号を生成し、これらの信号からビート周波数の信号成分を抽出する回路である。合成ビート信号には、特定部と各検出電極との接近の程度、各検出電極間における特定部の位置の情報が含まれている。したがって、この合成ビート信号を電子装置に対する操作指令の入力とすることができる。なお、余弦波と正弦波は位相がπ／２だけ異なるだけであるので、ここでの余弦波は、正弦波を含む概念である。検出信号、基準信号は正弦波であっても良く、一方が余弦波で他方が正弦波であっても良い。何れにしても、各ビート信号の和又は差による合成ビート信号は、振幅及び位相を２つの検出信号の位相差を関数とする余弦波又は正弦波となる。また、上記の２つの信号の和又は差は、一般的には、２つの信号の線形結合を意味する。
【００１６】
検出電極は、少なくとも３つ存在することが望ましい。そのうちの任意の２つの検出電極を１組として、少なくとも２組の検出電極について、各組毎に、ビート信号生成器を有し、各組のビート信号生成器の出力するそれぞれの合成ビート信号に基づいて操作指令を付与することができる。また、検出電極は、１軸方向に等間隔で３つ存在し、中央に位置する検出電極を、２組の検出電極において、共通の電極としても良い。
【００１７】
検出電極の出力する検出信号を、ＲA 、ＲB 、ＲS とすれは、（ＲA 、ＲB ）、（ＲB 、ＲS ）、（ＲS 、ＲA ）の３組の検出信号の組が存在する。そのうちの２組の信号、たとえば、（ＲA 、ＲS ）、（ＲB 、ＲS ）を考える。（ＲA 、ＲS ）の組については、その組のビート信号生成器により、例えば、（ＲA ＋Ｌ）（ＲS ＋Ｌ）、又は、ＲA Ｌ＋ＲS Ｌ、又は（ＲA ＋ＲS ）Ｌの信号が生成され、その信号から合成ビート信号が抽出される。また、（ＲB 、ＲS ）の組については、その組のビート信号生成器により、例えば、（ＲB ＋Ｌ）（ＲS ＋Ｌ）、又は、ＲB Ｌ＋ＲS Ｌ、又は、（ＲB ＋ＲS ）Ｌの信号が生成され、その信号から合成ビート信号が抽出される。なお、上記の和「＋」は、差「−」でも良い。
【００１８】
また、合成ビート信号の振幅を検出する振幅検出器を有し、振幅検出器の出力する振幅信号に基づいて操作指令を付与するようにしても良い。合成ビート信号の振幅は、検出電極から出力される検出信号の位相差の余弦関数又は正弦関数となるので、合成ビート信号の振幅から特定部の検出電極間における位置を得ることができる。交流の合成ビート信号から指先などの特定部の位置を検出しているので、直流ドリフトによる影響がなく、正確な操作指令の検出が可能となる。
【００１９】
また、任意の２組の検出電極について、一方の組のビート信号生成器の出力する第１合成ビート信号と、他方の組のビート信号生成器の出力する第２合成ビート信号の位相をπ／２変化させた信号との積から第１合成ビート信号と第２合成ビート信号との位相差を求める位相差検出器を有し、位相差検出器の出力する位相差信号に基づいて、特定部の検出電極に対する位置として操作指令とするようにしても良い。この場合には、位相差信号は、特定部の移動に応じて変動するが、ビート周波数を含まない直流成分である。したがって、位相差信号のレベルから特定部の検出電極間における位置を求めることができる。
【００２０】
また、複数の検出電極は、１軸方向の直線上に配設しても良いが、交差する２軸方向の直線上に配設して、各軸についてビート信号生成器を有し、各軸毎の操作指令を付与することができる。すなわち、各検出電極を直交する２軸方向に配設すれば、特定部のｘ、ｙ直交座標を得ることができる。また、この場合に、各軸方向に配列される検出電極の一つは共通としても良い。また、ｘ軸方向の直線上に３つの検出電極を所定間隔の等間隔で配置し、中央の検出電極を共通として、直交するｙ軸方向の直線上に、中央の検出電極に対する間隔をｘ軸上の所定間隔として、両側に２つの検出電極を配置しても良い。すなわち、十字形状に検出電極を配置しても良い。
また、励振器の発振周波数は１〜１００ＭＨｚとすることで、特定部からは電磁波の放射を抑制して、特定部の周囲に伝搬しない近接場を形成することができる。特定部の移動により変化するこの近接場の変動を検出電極により検出することで、特定部の検出電極に対する相対位置を検知することができる。その相対位置を電子装置に対する操作指令とすることができる。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の入力装置は、人体の特定部を第１周波数で励振して、特定部の周囲に、電磁波として伝搬しない近接場を発生させ、特定部の周囲に存在する複数の検出電極により検出された検出信号のうち、任意に選択された２つの検出信号と第２周波数の基準信号とから、それぞれの検出信号と基準信号とによる各ビート信号の和又は差（一般的には線形結合）で表される合成ビート信号を生成して、この合成ビート信号に基づいて、電子装置に対する操作指令を付与するものである。操作者の指先が、複数の検出電極に対する位置を変化させると、合成ビート信号の振幅と位相が変化する。この振幅と位相は、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。
【００２３】
また、複数の検出電極は、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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る実施例１、２の入力装置の構成を示した図。
【図２】実施例１、２の入力装置の検出電極の構成を示した図。
【図３】実施例１、２の電磁場検出器の構成を示した回路図。
【図４】実施例１、２に係る入力装置における合成ビート信号の振幅と指の位置との関係を示した特性図。
【図５】実施例３に係る入力装置と表示装置とを示した構成図。
【図６】実施例１に係る入力装置により得られる合成ビート信号の波形図。
【図７】実施例４の入力装置の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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】
【００２６】
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。図１において、入力装置１００は、励振器１と、励振器１から離間して配置された電磁場検出器２Ａ、２Ｂとによって構成されている。励振器１は作業者の人体を励振する機器である。
【００２７】
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を介して発振器１０と接続する電極１２とによって構成されている。発振器１０の発振周波数は、電磁場が人体表面を伝搬することができる周波数であり、１〜１００ＭＨｚである。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、電極１２は、増幅器１３からの電気信号によって電磁場を励振し、人体表面に電磁場を伝搬させるものである。人体の表面に励振された電磁場は、作業者の指先などから、周囲の環境に近接場を形成することになる。励振器１による人体の励振は、人体に直接電極を貼り付けて励振するものの他、作業者の着座している椅子を励振し、椅子を介して人体を励振するものであっても良い。また、作業者が車両の運転者である場合には、ハンドルを励振器１で励振して、ハンドルからハンドルを握る片腕を介して運転者を励振し、指令を付与する他方の手の指先からその周囲に近接場を形成するようにしても良い。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。
【００２８】
電磁場検出器２Ａ、２Ｂについて、説明する。図１において、直径１ｃｍの円板状の基準検出電極２０Ｓは、円の中心に設けられている。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（ｘ軸）の中点（座標系の原点）に基準検出電極２０Ｓ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（ｙ軸）の中点に基準検出電極２０Ｓ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、基準検出電極２０Ｓ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。この円周の直径は人体の特定部である指先を中心として形成される近接場の検出が可能な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。
【００２９】
基準検出電極２０Ｓ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、基準検出電極２０Ｓ、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。基準検出電極２０Ｓの銅薄膜４５及び第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検出信号は、コネクタ４１及びコネクタ４２Ａ、４２Ｂに接続された図示しない同軸ケーブルを介して、ビート信号生成器を有する電磁場検出器２Ａ（図１、図３）に伝送される。
【００３０】
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、ビート信号生成器を有する電磁場検出器２Ｂ（図１）に接続されている。
【００３１】
第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂ、基準検出電極２０Ｓは、操作者の指先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。図３に示すように、第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂ、基準検出電極２０Ｓの出力する検出信号ＲA 、ＲB 、ＲS は、それぞれ、加算器２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｓに入力しており、それらの加算器において、発振器５０の出力する基準信号Ｌと、それぞれ加算される。したがって、加算器２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｓの出力信号は、それぞれ（ＲA ＋Ｌ）、（ＲB ＋Ｌ）、（ＲS ＋Ｌ）となる。加算器に代えて減算器であっても良い。なお、発振器５０は、水晶発振器５１、バンドパスフィルタ５２、増幅器５３、減衰器５４との直列接続回路で構成されている。発振器５０からは第２周波数の余弦波が出力される。第２周波数は、第１周波数に対してビート周波数（１３Ｈｚ）だけ高い周波数とした。ビート周波数は第１周波数よりも小さく、ビート信号を直流、第１周波数、２倍の第１周波数の信号と分離して抽出できる周波数であれば任意である。
【００３２】
電磁場検出器２Ａは、第１検出電極２０Ａの検出する検出信号ＲA を入力するバンドパスフィルタ２３Ａ、２５Ａ、増幅器２４Ａ、２６Ａ、第２検出電極２０Ｂの検出する検出信号ＲB を入力するバンドパスフィルタ２３Ｂ、２５Ｂ、増幅器２４Ｂ、２６Ｂ、基準検出電極２０Ｓの検出する検出信号ＲS を入力するバンドパスフィルタ２３Ｓ、２５Ｓ、増幅器２４Ｓ、２６Ｓを有している。バンドパスフィルタ２３Ａ、２５Ａ、２３Ｂ、２５Ｂ、２３Ｓ、２５Ｓ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２４Ａ、２６Ａ、２４Ｂ、２６Ｂ、２４Ｓ、２６Ｓは、それぞれバンドパスフィルタ２３Ａ、２５Ａ、２３Ｂ、２５Ｂ、２３Ｓ、２５Ｓからの電気信号を増幅するものである。
【００３３】
また、電磁場検出器２Ａは、乗算器３０Ａ、３０Ｂをそれぞれ有している。乗算器３０Ａには、増幅器３０１を介して増幅器２６Ａの出力が接続され、増幅器３０２を介して増幅器２６Ｓの出力が接続されている。一方、乗算器３０Ｂには、増幅器３０３を介して増幅器２６Ｓの出力が接続され、増幅器３０４を介して増幅器２６Ｂの出力が接続されている。乗算器３０Ａは、第１検出電極２０Ａから出力される検出信号ＲA と発振器５０の出力する基準信号Ｌとを加算した信号（ＲA ＋Ｌ）と、基準検出電極２０Ｓから出力される検出信号ＲS と発振器５０の出力する基準信号Ｌとを加算した信号（ＲS ＋Ｌ）とを乗算して出力するものである。また、乗算器３０Ｂは、第２検出電極２０Ｂから出力される検出信号ＲB と発振器５０の出力する基準信号Ｌとを加算した信号（ＲB ＋Ｌ）と、基準検出電極２０Ｓから出力される検出信号ＲS と発振器５０の出力する基準信号Ｌとを加算した信号（ＲS ＋Ｌ）とを乗算して出力するものである。乗算器３０Ａ、３０Ｂの出力は、それぞれ、バンドパスフルタ３１Ａ、３１Ｂを介して、増幅器３２Ａ、３２Ｂに入力している。バンドパスフルタ３１Ａ、３１Ｂは、ビート周波数の帯域のみを通過するフィルタである。増幅器３２Ａ、３２Ｂの出力が合成ビート信号である。増幅器３２Ａ、３２Ｂは、それぞれ、振幅検出器６２Ａ、６２Ｂに入力している。振幅検出器６２Ａ、６２Ｂは、合成ビート信号の振幅を検出する装置であり、包絡線検波などの振幅復調器を用いることができる。なお、ビート信号生成器は、加算器２２Ａ〜２２Ｂから乗算器３０Ａ、３０Ｂ、バンドパスフルタ３１Ａ、３１Ｂを介して増幅器３２Ａ、３２Ｂに至るまでの装置で構成される。
【００３４】
次に、本装置の作用について説明する。
第１検出電極２０Ａによる検出信号ＲA 、第２検出電極２０Ｂによる検出信号ＲB 、基準検出電極２０Ｓによる検出信号Ｒs は、それぞれ、（１）〜（３）式で表される。
【数１】
2014038398.tif 000003
【数２】
2014038398.tif 000004
【数３】
2014038398.tif 000005
【００３５】
ただし、ωR は、励振器１の発振角周波数であり、ωR ／２πが第１周波数である。θA 、ＡA は、検出信号ＲA の受信点での位相と振幅である。θB 、ＡB は、検出信号ＲB の受信点での位相と振幅である。θS 、ＡS は、検出信号Ｒs の受信点での位相と振幅である。また、発振器５０の出力する基準信号Ｌは、（４）式で表される。
【数４】
2014038398.tif 000006
ただし、ωL は、基準信号Ｌの角周波数であり、ωL ／２πが第２周波数である。θL 、ＡL は、基準信号Ｌを各検出信号に加える合成点での基準信号の位相と振幅である。
【００３６】
加算器２２Ａの出力は、ＲA ＋Ｌ、加算器２２Ｂの出力は、ＲB ＋Ｌ、加算器２２Ｓの出力は、ＲS ＋Ｌとなる。したがって、乗算器３０Ａの出力信号は、（５）式で表される。乗算器３０Ｂの出力信号も同様な式で表される。
【数５】
2014038398.tif 000007
【００３７】
（５）式の右辺第１項のＲA ＲS からは、角周波数２ωR の第２高調波成分と、直流成分が、第４項のＬＬからは、角周波数２ωL の第２高調波成分と、直流成分が出力される。（５）式の右辺の第２項のＬＲA 、第３項のＬＲS から、第１周波数と第２周波数とのビート角周波数（ωR −ωL ）、（ωS −ωL ）の交流成分と、角周波数（ωR ＋ωL ）、（ωs ＋ωL ）の高周波成分が得られる。ＬＲA とＬＲS は、（６）式、（７）式で表現される。
【数６】
2014038398.tif 000008
【数７】
2014038398.tif 000009
【００３８】
したがって、バンドパスフィルタ３１Ａ、３１Ｂを、ビート周波数成分のみを通過するように設計すると、ＬＲA 、ＬＲS のうちのビート周波数成分ＭA 、ＭS は、それぞれ、（８）式、（９）式で表され、それらのビート周波数成分ＭA 、ＭS の和は、（１０）式で表される。
【数８】
2014038398.tif 000010
【数９】
2014038398.tif 000011
【数１０】
2014038398.tif 000012
【００３９】
（１０）式のＭASが、バンドパスフィルタ３１Ａを通過し、増幅器３２Ａから出力される合成ビート信号（第１合成ビート信号）となる。ただし、（１０）式において、回路の増幅器の増幅率は１としているが、（１０）式のＡL 、ＡA 、ＡS を増幅器の増幅率を反映した値と見做すこともできる。
【００４０】
次に、（１０）式を単一の余弦波で表すために、（１０）式の第１項の係数、第２項の係数を、それぞれ、ＥAS、ＦASとおくと、ＥAS、ＦASは、（１１）式で表される。
【数１１】
2014038398.tif 000013
【００４１】
（１０）式は、ＥAS、ＦAS、αASを用いて、（１２）式のように、単一の余弦波で表される。
【数１２】
2014038398.tif 000014
ただし、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASは、（１３）式で、位相αASは、（１４）式で表される。
【数１３】
2014038398.tif 000015
【数１４】
2014038398.tif 000016
【００４２】
同様に、乗算器３０Ｂから出力され、バンドパスフィルタ３２Ｂによりビート周波数成分のみが抽出されて、増幅器３２Ｂから出力される合成ビート信号（第２合成ビート信号）ＭBSは、（１５）式で表される。
【数１５】
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【００４３】
（１５）式の合成ビート信号ＭBSは、（１６）式で定義される定数ＥBS、ＦBSを用いて、単一の余弦波の（１７）式で表される。
【数１６】
2014038398.tif 000018
【数１７】
2014038398.tif 000019
【００４４】
ただし、（１７）式の合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSは、（１８）式で、位相αBSは、（１９）式で表される。
【数１８】
2014038398.tif 000020
【数１９】
2014038398.tif 000021
【００４５】
このようにして得られる２つの合成ビート信号ＭASとＭBSの振幅ＧASとＧBSは、それぞれ、cos(θA −θS ) 、cos(θB −θS ) の関数で変化し、各位相差（θA −θS ）、（θB −θS ）に応じて変化する。したがって、２つの合成ビート信号ＭASとＭBSを、振幅検出器６２Ａ、６２Ｂにより、振幅復調すれば、合成ビート信号ＭASとＭBSの振幅ＧASとＧBSが得られるので、その復調信号から、指先と各検出電極との位置関係を知ることができる。
【００４６】
なお、各検出信号の振幅ＡA 、ＡB 、ＡS が全て等しく、Ａである場合には、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASは（２０）式のように、単に、余弦波で表され、合成ビート信号ＭASの位相αASは、（２１）式で表される。したがって、結局、合成ビート信号ＭASは、（２２）式で表される。
【数２０】
2014038398.tif 000022
【数２１】
2014038398.tif 000023
【数２２】
2014038398.tif 000024
【００４７】
同様に、合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSは（２３）式のように、単に、余弦波で表され、合成ビート信号ＭBSの位相αBSは、（２４）式で表される。したがって、結局、合成ビート信号ＭBSは、（２５）式で表される。
【数２３】
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【数２４】
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【数２５】
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【００４８】
操作者の指先を、検出電極２０Ａ、２０Ｂ、中点の基準検出電極２０Ｓを結ぶｘ軸上を指を動かした場合に、合成ビート信号ＭASの（１３）式で表される振幅ＧASと合成ビート信号ＭBSの（１８）式で表される振幅ＧBSとが変化する様子を図４に示す。指先と各検出電極との間には、容量Ｃが形成される。各検出電極から右（回路側）を見た特性インピーダンスをＺとする。指先での電位をＶとすると、検出信号ＲA は、ＺＶ／｛１／（j ωR Ｃ）＋Ｚ｝で表される。したがって、検出信号ＲA の位相θA は、電位Ｖの位相に対して進み位相となる。電位Ｖの位相を零とすれば、０＜θA ＜π／２となる。したがって、位相差（θA −θS ）について、−π／２＜（θA −θS ）＜π／２の関係を満たす。この結果、ｘ軸上の指の位置と、合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBSとの関係は、図４の（ａ）に示す特性となる。この特性から明らかなように、２つの合成ビート信号ＭAS、ＭBSを用いれば、第１検出電極２０Ａから第２検出電極２０Ｂの間の全範囲における指先のｘ座標を検出することができる。例えば、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASが合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSよりも大きい場合には、指先は第１検出電極２０Ａと基準検出電極２０Ｓとの間に位置し、合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSが合成ビート信号ＭASの振幅ＧASよりも大きい場合には、指先は第２検出電極２０Ｂと基準検出電極２０Ｓとの間に位置すると判断できる。
また、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASの合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSに対する差ΔＭを演算すると、その特性は図４の（ｂ）となる。差ΔＭは、第２検出電極２０Ｂと基準検出電極２０との中点Ｐ2 と、第１検出電極２０Ａと基準検出電極２０との中点Ｐ1 との間において、位置ｘについて、一価関数となるので、このＰ1 −Ｐ2 区間においては、ΔＭから指先の位置ｘを求めることができる。また、基準検出電極２０ｓと中点Ｐ1 との間と、中点Ｐ1 と第１検出電極２０Ａとの間は、合成ビート信号ＭASの振幅ＧAS又はΔＭは、ｘに関して２価関数となるが、合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSは、基準検出電極２０ｓと中点Ｐ1 との間における値の方が、中点Ｐ1 と第１検出電極２０Ａとの間における値よりも大きい。したがって、合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSに対して閾値を設ければ、この２つの領域の位置を判別することができる。第２検出電極２０Ｂと基準検出電極２０Ｓとの間についても同様である。
【００４９】
ｙ系統についても、上記したｘ系統と、全く、同一に説明される。これにより、実施例１の装置を用いれば、指先の（ｘ，ｙ）座標を検出することができる。また、各検出信号の振幅ＡA 、ＡB 、ＡS は、指先と検出電極との距離の３乗に反比例する。したがって、（１３）、（１８）式から分かるように、図４に示す特性が、指先と各電極間との距離に応じて、全体的に、増加したり、減少したりする。この増減特性から指先と各検出電極間との距離（すなわち、ｚ座標）を検出することも可能である。なお、指先と各検出電極間の距離が遠く、それらが全て等しいような距離範囲では、各検出信号の振幅ＡA 、ＡB 、ＡS の値は、全て等しくＡとなる。この場合には、合成ビート信号ＭAS、ＭBSは、それぞれ、（２２）、（２５）式で表され、これらの式のＡが指先と検出電極との垂直方向の離間距離の３乗に反比例し、大きく変化する。この振幅の大きな変化から、指先のｚ座標や、検出電極への接近を検出することができる。例えば、合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBSがある閾値以上となった場合に、操作指令の入力準備の指令として、電子装置に対して電源を投入し、その後の指先の検出電極の面方向に移動に対して変化する合成ビート信号ＭAS、ＭBSからｘ軸、ｙ軸方向の操作入力して、各種の操作指令を付与することができる。また、合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBSがある閾値より小さくなった場合には、電子装置に対する給電を停止する操作指令とすることができる。
【００５０】
本実施例では、（ｘ、ｙ）座標を検出できるようにした装置であるが、検出電極を３つ直線上に配置して、ｘ軸方向のみの位置を検出するようにしても良い。この構成は、図１において、ｘ軸方向に関する第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂ、基準検出電極２０Ｓと、電磁場検出器２Ａだけで構成したものとなることは明らかである。
また、検出電極は第１検出電極２０Ａと基準検出電極２０Ｓとの２つであっても、第１検出電極２０Ａと基準検出電極２０Ｓとの間における指先のｘ座標を検出することも可能である。すなわち、上記の合成ビート信号ＭASの振幅ＧASから指先の位置ｘを測定しても良い。このことは、図４の特性から明らかである。したがって、検出電極は少なくとも２つあれば良い。
【実施例２】
【００５１】
次に、実施例２に係る入力装置について説明する。実施例２の入力装置は、実施例１では、２つの合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBSから、（ｘ、ｙ、ｚ）座標を検出できるようにしている。これを、合成ビート信号ＭAS、ＭBSの位相αAS、αBSから検出するようにすることもできる。図３に示すように増幅器３２Ｂの出力する合成ビート信号（第２合成ビート信号）ＭBSを移相器６１によりπ／２だけ遅延させる。遅延された合成ビート信号ＭBS’は、（２６）式で表される。
【数２６】
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次に、乗算器６０において、合成ビート信号（第１合成ビート信号）ＭASと遅延された合成ビート信号（第２合成ビート信号）ＭBS’との積を求め、ローパスフィルタ６３によりビート周波数より低い周波数の直流成分Ｍを抽出すると、直流成分Ｍは、（２７）式のようになる。
【数２７】
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各検出信号の振幅ＡA 、ＡB 、ＡS の値は、全て等しくＡとなる場合には、直流成分Ｍは（２８）式のようになる。
【数２８】
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【００５２】
また、増幅器３２Ａ、３２Ｂを飽和増幅器とすることで、合成ビート信号ＭASと遅延された合成ビート信号ＭBS’の振幅を、位相θA 、θS 、θB に係わらず、一定とすることができる。したがって、この場合には、直流成分Ｍは、（２９）式のようになる。
【数２９】
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−π／２＜（θA −θB ）＜π／２であるので、  sin[( θA −θB ）/2] は、基準検出電極２０Ｓを中心にして、第１検出電極２０Ａ側で正、第２検出電極２０Ｂ側で負の値となる。よって、（２７）、（２８）又は（２９）式で表される直流成分Ｍは、原点（基準検出電極２０Ｓの位置）について点対象な一価関数となる。よって、第１検出電極２０Ａから第２検出電極２０Ｂの全範囲において、より正確にｘ座標、ｙ座標を検出することができる。
なお、位相差検出器は、乗算器６０とローパスフィルタ６３とで構成されている。
【実施例３】
【００５３】
図５に示すように、上記実施例１、２の入力装置１００により得られた合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBSや位相αAS、αBSから測定された指先の（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。
【００５４】
また、指先を第１検出電極２０Ａと第２検出電極２０Ｂとの間で往復移動させた場合に、得られる合成ビート信号ＭAS、ＭBSの波形を測定した。その波形を図６に示す。ビート周波数は、１３．３Ｈｚである。指先の移動に伴い合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBSが変化している、すなわち、振幅変調されていることが分かる。
【００５５】
また、合成ビート信号ＭAS、ＭBSの振幅ＧAS、ＧBS（振幅検出器６２Ａ、６２Ｂの出力）の差（ＧAS−ＧBS）、又は、位相差（θA −θB ）の直流成分Ｍ（ローパスフィルタ６３の出力）を得て、Ａ／Ｄ変換器により、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。
【００５６】
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３１Ａ、３１Ｂ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。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３１Ａ、３１Ｂ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３１Ａ、３１Ｂ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。
【実施例４】
【００５７】
上記実施例では、第１検出電極２０Ａ、第２検出電極２０Ｂ、基準検出電極２０Ｓの出力する検出信号ＲA 、ＲB 、ＲS に、基準信号Ｌを加算して（ＲA ＋Ｌ）、（ＲB ＋Ｌ）、（ＲS ＋Ｌ）を得て、そのうちの２つの信号の積（ＲA ＋Ｌ）（ＲS ＋Ｌ）と、（ＲB ＋Ｌ）（ＲS ＋Ｌ）を得ることで、ビート信号を生成するものであった。これを図７に示すように、図３の加算器２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｓに代えて、乗算器７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｓを設け、図３の乗算器３０Ａ、３０Ｂに代えて、加算器７１Ａ、７１Ｂを用いるようにしても良い。乗算器３０Ａ、３０Ｂの出力は、それぞれ、（６）式のＬＲA 、（７）式のＬＲS となり、加算器７１Ａ、７１Ｂの出力は、それぞれ、（１０）式の合成ビート信号ＭAS、（１５）式の合成ビート信号ＭBSとなることは明らかである。
【００５８】
上記の全実施例において、合成ビート信号ＭASを２つのビート信号の差（ＭA −ＭS ）とした場合には、合成ビート信号ＭASは、（１０）式において、係数ＡS を−ＡS に置換した式となる。したがって、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASは、（１３）式において、係数ＡS を−ＡS に置換した式となる。また、各検出信号の振幅ＡA 、ＡB 、ＡS が全て等しく、Ａである場合には、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASは、（２０）式に代えて、（３０）式となる。合成ビート信号ＭBSについても同様である。この場合には、−π／４≦（θA −θB ）／２≦π／４であるので、合成ビート信号ＭASの振幅ＧASは、検出電極２０Ａと基準検出電極２０Ｓとの間で、中点Ｐ1 で零となり、位置ｘに関して一価関数となる。同様に、合成ビート信号ＭBSの振幅ＧBSは、検出電極２０Ｂと基準検出電極２０Ｓとの間で、中点Ｐ2 で零となり、位置ｘに関して一価関数となる。特定部が、基準検出電極２０Ｓに対して、検出電極２０Ａ側に位置するか、検出電極２０Ｂ側に位置するかの判定は、振幅ＧASと振幅ＧBSの絶対値が小さい方で決定できる。
【数３０】
2014038398.tif 000032
【００５９】
上記全実施例において、検出信号ＲA 、ＲB 、ＲS 、基準信号Ｌを、正弦波としても、各ビート信号ＭA 、ＭS は、（８）、（９）式と同一であり、それらの合成ビート信号ＭASも（１０）式と同一となる。したがって、この場合は、上記の実施例で説明した事項がそのまま成立する。また、検出信号ＲA 、ＲB 、ＲS を余弦波、基準信号Ｌを正弦波とした場合、または、その逆の場合には、（８）、（９）の各ビート信号ＭA 、ＭS は、正弦関数となる。したがって、合成ビート信号ＭASは、（１０）式において、cos[( ωR - ωL )]t をsin[( ωR - ωL )]t に、sin[( ωR - ωL )]t をcos[( ωR - ωL )]t に置換した式となる。したがって、（１２）式の合成ビート信号ＭASは、正弦関数となり、振幅ＧASについては、（１３）式となる。合成ビート信号ＭBSと、その振幅ＧBSについても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
１：励振器
２Ａ、２Ｂ：電磁場検出器
１０：発振器
２０Ａ、２０Ｂ：第１検出電極
２０Ｃ、２０Ｄ：第２検出電極
２０Ｓ：基準検出電極
３０Ａ、３０Ｂ、６０：乗算器
６１：移相器
６２Ａ、６２Ｂ：振幅検出器
６３：ローパスフィルタ
【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７】
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【図６】
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