(57)【要約】【課題】手の動きを正確に検出し、手の動きに正確に対応した出力信号を生成しうる非接触センサを提供する。【解決手段】空隙を置いて対向する生体（手２）との間でコンデンサCを形成する導電性の検出電極３と、基準周波数f１の信号を発振する基準周波数信号発振部５と、前記コンデンサCを回路要素とし、当該コンデンサCの静電容量に応じた可変周波数ｆ２の信号を発振する可変周波数信号発振部４と、前記基準周波数ｆ１と可変周波数ｆ２とのビート周波数ｆｂを抽出するビート周波数抽出部６と、前記抽出されたビート周波数ｆｂに対応するディジタル制御信号Sｃを生成するディジタルディジタル制御部８と、を備えた非接触センサ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空隙を置いて対向する生体との間でコンデンサを形成する導電性の検出電極と、
基準周波数の信号を発振する基準周波数信号発振部と、
前記コンデンサを回路要素とし、当該コンデンサの静電容量に応じた可変周波数の信号を発振する可変周波数信号発振部と、
前記基準周波数と可変周波数とのビート周波数を抽出するビート周波数抽出部と、
前記抽出されたビート周波数の信号に対応するディジタル制御信号を生成するディジタル制御部と、
を備えた非接触センサ。
【請求項２】
前記基準周波数信号発振部は、水晶発振器を含む請求項１に記載の非接触センサ。
【請求項３】
前記基準周波数及び可変周波数は、２〜１６〔ＭＨｚ〕の周波数帯域内で選定されている請求項１又は２のいずれか一項に記載の非接触センサ。
【請求項４】
前記ディジタル制御部は、前記ビート周波数を当該ビート周波数に対応する電圧値に変換する電圧変換回路を含み、当該変換された電圧値に対応するディジタル制御信号を出力する請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触センサ。
【請求項５】
前記検出電極は球面状部を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の非接触センサ。
【請求項６】
前記導線性検出電極は金属板である請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触センサ。
【請求項７】
前記導線性検出電極は金網状である請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子楽器等の各種電子機器に用いるのに好適な非接触センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、演奏者（操作者）の手と検出電極（アンテナ）との間の静電容量の変化を検出する非接触型のセンサを応用した電子楽器が公知である（特許文献１参照）。
この電子楽器はテルミンと呼ばれ、演奏者の手と検出電極との間に形成されるコンデンサの静電容量の変化を利用して音程を変化させるものである。より詳しくは、棒状の検出電極を一方の電極とし、この検出電極と演奏者の手との間に形成されるコンデンサを発振回路の回路要素に組み込み、演奏者が手を検出電極に近づけたり遠ざけたりすることで生じる静電容量の変化を音程の変化として出力する構成である。
一方、マイクロプロセッサによりディジタル音源を駆動する信号を生成し、検出電極に接続された発振回路の周波数調整を不要とするテルミンが知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許１６６１０５８号公報
【特許文献２】特開２００４−８６１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のテルミンは、音程が不安定となりやすく、演奏者自身の耳だけを頼りに音程を決める必要があるため演奏が難しく、習熟に時間がかかる難点がある。音程が不安定となる原因としては、演奏者の手と検出電極との間のわずかな静電容量の変化を利用して音程が決まる構成であるため、演奏者自身の体格、装身具等の違い等の演奏環境の影響を受け易いことが挙げられる。
【０００５】
また、特許文献１のテルミンは、手と検出電極間の静電容量の変化に基づく周波数と基準周波数とのビート周波数をそのまま可聴周波数帯域の音に変換して出力する構成である。そのため、生成される音は手の動きに連動して連続的に変化する音となり、演奏者は音程の変化を明確にとらえにくい。このことが従来のテルミンの演奏技量の習得を阻害する一因となっている。
【０００６】
一方、特許文献２に開示されたテルミンは、演奏者が検出電極に接触することを契機として起動後の周波数調整を不要とする点で画期的ではあるが、アンテナの性状に起因する音程の不安定さは依然として残る。
【０００７】
本発明の課題は、手の動きを正確に検出し、手の動きに正確に対応した出力信号を生成しうる非接触センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明によれば、空隙を置いて対向する生体との間でコンデンサを形成する導電性の検出電極と、基準周波数の信号を発振する基準周波数信号発振部と、前記コンデンサを回路要素とし当該コンデンサの静電容量に応じた可変周波数の信号を発振する可変周波数信号発振部と、前記基準周波数と前記可変周波数とのビート周波数を抽出するビート周波数抽出部と、前記抽出されたビート周波数に対応するディジタル制御信号を生成するディジタル制御部と、を備えた非接触センサが提供される。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記基準周波数信号発振部が水晶発振器を含む非接触センサが提供される。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２のいずれか一項に記載の発明において、前記基準周波数及び前記可変周波数が２〜１６〔ＭＨｚ〕の周波数帯域内で選定された非接触センサが提供される。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記ディジタル制御部が前記ビート周波数の信号に基づいて当該ビート周波数に対応する電圧に変換する電圧変換回路を含み、当該変換された電圧に対応するディジタル制御信号を出力する非接触センサが提供される。
【００１２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記検出電極が球面状部を有する非接触センサが提供される。
【００１３】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、
前記導電性の検出電極が金属板である非接触センサが提供される。
【００１４】
請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、
前記導電性の検出電極が金網状である非接触センサが提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、手の動きを正確に検出し、手の動きに正確に対応した出力信号を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る非接触センサの構成を示すブロック図。
【図２】本発明に係る非接触センサの検出電極の一例を示す部分断面図。
【図３】本発明に係る非接触センサの検出電極の他の例を示す部分断面図。
【図４】本発明に係る非接触センサの一の応用例を示すブロック図。
【図５】本発明に係る非接触センサの他の応用例を示すブロック図。
【図６】本発明に係る非接触センサの他の応用例を示すブロック図。
【図７】本発明に係る非接触センサの他の応用例を示すブロック図。
【図８】本発明に係る非接触センサの他の応用例を示す部分破断図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
［構成及び動作］
図１に非接触センサのブロック図を示す。
図１において、非接触センサ１は手２との間でコンデンサＣを形成する検出電極（アンテナ）３と、手２と検出電極３との間のコンデンサＣの静電容量の変化に対応した周波数ｆ２の検出信号を出力する可変周波数発振部４と、基準周波数ｆ１の基準信号を出力する基準周波数発振部５と、基準周波数ｆ１と検出周波数ｆ２とのビート周波数ｆｂを抽出するビート周波数抽出部６と、抽出されたビート周波数ｆｂの信号をビート周波数ｆｂに対応する電圧に変換する電圧変換部７と、変換された電圧に対応するディジタル制御信号Ｓｃを生成し出力するディジタル制御部８と、を含む。
【００１８】
手２は、生体としての人間の手の例を示したが、検出電極３と対極を成してコンデンサＣを形成する電極たりうる人体の他の部位、例えば、顔、足、体表面等を排除するものではない。また、生体として人間以外の動物を対象とすることもできる。
検出電極３は、具体的には金属製であり、図２に示すように、球面状部を有する形状、例えば中空半球体形状に形成されている。なお、検出電極３の材料としては金属以外の導電性物質であってもよい。例えば、ポリシリコン等の導電性ポリマーの薄膜で検出電極の形成が可能である。
【００１９】
ここで、検出電極３が球面状であることの技術的意義は以下の通りである。すなわち、本願発明者等は、従来のテルミンのもつ音程の不安定さがアンテナが棒状であることに起因することを見出した。検出電極が棒状であると、演奏者が手を動かす際に手がアンテナの軸部分に接近離間したり、先端面の小面積部分に接近離間する等、手の位置が必ずしも一定の位置になるとは限らず、手に対向する検出電極の部位がその都度異なるようなことが起こる。その結果、仮に手と検出電極との相対距離が同じであってもアンテナに対する手の位置が異なると検出電極の軸部分と先端部分との対向面積が異なることになる。このことはコンデンサの電極の面積が手の動きと共に変化することを意味し、したがってコンデンサの静電容量が変動して発振周波数のふらつきが生じ、演奏者の意図する音程とは異なる音程になってしまうことになるのである。
【００２０】
以上のことは、アンテナを平面板とした場合も同様であり、平面部分  に対する距離は一様になるものの、側面（外周端面）との間では検出感度が極端に落ちることが起こる。
そこで、本実施形態に係る非接触センサ１のように、検出電極３を球面とすることで、手２の検出電極３における周方向位置に拘わらず、手２と検出電極３との間隔をほぼ等距離に保つことができ、コンデンサＣの静電容量の変動を抑制することができる。
【００２１】
なお、図２に示す検出電極３は中空半球体形状であるが、中空に限らず中実であっても良く、また半球状に限らず球であって良い。なお、球面状とは湾曲形状も含む意である。
【００２２】
検出電極３の大きさは、検出対象自体の大きさと演奏者の手が動き回る範囲を考慮した大きさとするのが効果的である。
検出電極３は金属板で形成する他、図３に示す検出電極９のように、金網（メッシュ）状の板又はパンチメタル等の材料を用いても良い。このように金網状又はパンチメタルからなる検出電極９とすることにより、検出電極９の内側に配置した発光ダイオード１０の発する光を検出電極９の外部に放出させることが可能となる。これは、後述（図７）するように、非接触センサ１を調光装置に用い、手の動きに応じた色や光量の各種イルミネーションを発光させるような場合に応用可能である。
【００２３】
可変周波数発振部４は、いわゆるＬＣ共振回路からなり、その回路要素としてコンデンサＣを組み込んだ回路構成となっている。コンデンサＣの静電容量は手２が検出電極３に接近したり離間したりする際に変化する。可変周波数発振部４は、その静電容量の変化に対応する共振周波数ｆ２の検出信号を出力する。
【００２４】
基準周波数発振部５は、水晶発振器を用い、発振周波数の安定化が図られている。なお、基準周波数発振部５として水晶発振器ではなく、一般的なＬＣ共振回路を採用しても良い。その場合、可変周波数発振部４と基準周波数発振部５の回路部品を同一仕様とし、基板上の回路パターンも同一パターンとすることが好ましい。そうすることにより、可変周波数発振部４と基準周波数発振部５の周波数変動特性が同様になるので、差周波数であるビート周波数を一定に保つことができるからである。
【００２５】
ビート周波数抽出部６は、混合回路及び検波回路を含む。混合回路により、基準周波数発振部から出力される基準周波数ｆ１と可変周波数発振部４から出力される検出信号の周波数ｆ２との差の周波数すなわちビート周波数ｆｂ（ｆ１−ｆ２）成分が抽出される。次いで、検波回路により、ビート周波数ｆｂが２乗検波され、ビート周波数ｆｂのエンベロープ成分が出力される。
【００２６】
本実施の形態では、ｆ１、ｆ２として２〜１６〔ＭＨｚ〕の周波数帯、例えば４〔ＭＨｚ〕の周波数帯域を使用している。そのため、手２を検出電極３に接近させたときのコンデンサCの静電容量の変化が小さくても発振周波数ｆ１、ｆ２の変化が大きくなり、感度が上がり、したがって検出距離（２と３巻の距離）のスケールを大きく取ることができる。因みに、従来のテルミンでは数１００［ｋＨｚ］〜１〔ＭＨｚ〕が使用されている。
【００２７】
電圧変換部７は、ビート周波数抽出部６から出力されるビート周波数ｆｂの信号をその周波数の高さに応じた電圧値（０〜５［ｖ］）の電圧信号Ｖに変換する。この変換された電圧信号Ｖはディジタル制御部８に入力される。
【００２８】
ディジタル制御部８はマイクロコンピュータで構成され、ビート周波数ｆｂの変化に対応する電圧の差に応じたディジタル制御信号Ｓｃを出力する。このようにマイクロコンピュータを用いてディジタル制御信号Ｓｃを出力するように構成したので、ビート周波数ｆｂを従来のテルミンのように可聴周波数（１０〜２０［ｋＨｚ］）に設定する必要がなく、周波数選択の自由度が向上する。
【００２９】
［応用例］
次に、非接触センサ１の応用例を説明する。
図４は、非接触センサ１をテルミンのような電子楽器に用いた例である。同図において、ディジタル制御部８から前段の回路構成は図１と同様であるので図示を省略してある。
この電子楽器において、演奏に際して手２を検出電極３の周辺で接近離間させることにより、その手２の動きに対応するビート周波数ｆbの電圧信号Ｖがディジタル制御部８に入力される。ディジタル制御部８はこの電圧信号Ｖの電圧値に応じた音程（ドレミファ・・・）のディジタル制御信号Ｓｃを出力する。このディジタル制御信号ＳｃはD／A変換器１１によりアナログ信号（可聴周波数帯域）に変換される。変換されたアナログ信号は、アンプ１２により電力増幅され、スピーカ１３から可聴周波数の音として放射される。
図５は、非接触センサ１を音量調節器に用いた例である。この例は、同図に示すように、図４に示す電子楽器の音量調節器として作用させる構成である。ディジタル制御部８から前段の回路構成は図１と同様であるので図示を省略してあるが、電子楽器を構成する回路と並列に音量調節用に検出電極３から電圧変換部７に至る回路と同様な構成及び動作を行う非接触センサ１が別途設けられているものとする。ここで、音程制御用の電圧信号をＶ１とし、音量調節用の電圧信号をＶ２と表記する。
【００３０】
この音量調節器において、操作者が手２を検出電極３の周辺で接近離間させることにより、その手２の動きに対応するビート周波数ｆbの電圧信号Ｖ２がディジタル制御部８に入力される。ディジタル制御部８はこの電圧信号Ｖ２の電圧値に応じた値のディジタル制御信号ＳＶＲを電子ボリュームＶＲに出力する。電子ボリュームＶＲは入力されたディジタル制御信号ＳＶＲが示す値に応じてD／A変換器１１からアンプ１２に送るべきアナログ信号の信号レベルを調節し、スピーカ１３から放射される音の大きさを制御する。
【００３１】
図６は、非接触センサ１をモータ制御器に用いた例である。同図において、ディジタル制御部８から前段の回路構成は図１と同様であるので図示を省略してある。この例は、ディジタル制御部８からのディジタル制御信号Ｓｃに基づいてモータ駆動部１４の制御入力を変化させてモータ１５の回転速度制御又は回転のオン／オフ制御を行うものである。例えば、手２と検出電極３との距離を変化させてモータ１５の回転速度を変化させたり、或いは回転させたり停止させたりの動作を非接触で操作することができる。
【００３２】
図７は、非接触センサ１を調光器に用いた例である。同図において、ディジタル制御部８から前段の回路構成は図１と同様であるので図示を省略してある。この例は、ディジタル制御部８からのディジタル制御信号Ｓｃに基づき調光部１６の制御入力を変化させて発光体（ランプ、LED等）１７に対する電流量の調整（明るさ調整）又は点灯のオン／オフ制御を行うものである。例えば、手２と検出電極３との距離を変化させてモータ１５の回転速度を変化させたり、或いは回転／停止させたりの動作を非接触で操作することができる。また、発光体１７を複数色分設け、手２と検出電極３との距離に応じた色の発光体１７を点灯させることが可能である。
【００３３】
図８は、非接触センサ１を玩具に適用した例である。この玩具は、図１に示す非接触センサ１と、図４に示す電子楽器（テルミン）と、図５に示す音量調節器と、図６に示すモータ制御器と、図７に示す調光器と、を筐体１８内にマウントしたものである。そして、図示しないが、モータ制御器によって制御されるモータを筐体１８の下部に設けた自走用車輪を駆動させ、また、筐体１８自身を独楽のように回転させる機構を設けて回転させるようにした。
【００３４】
このような構成により、筐体１８の上部に内蔵された検出電極３に対して手２を接近させたり離間させたりすることで、手２と検出電極３との距離に応じた音量で異なる音を発し、筐体１８を回転或いは停止させたり、異なる速度で自走させたり、さらに異なる色で光ったりする興味深い玩具を提供することができる。この場合、先に述べた金網状の検出電極９を用いることで発光体１７の光が検出電極９を透過して玩具の上部から放射されるので、操作者は自己の操作量を視覚的に確認することができるといった効果が期待できる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態および応用例について説明したが、本発明は、かかる実施形態および応用例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることはいうまでもない。
例えば、応用例として、本発明に係る非接触センサをコイルへの通電制御器として用い、コイルへの通電を制御し、磁石が設けられた玩具を動作させてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１・・・非接触センサ
２・・・手
３・・・検出電極（アンテナ）
４・・・可変周波数発振部
５・・・基準周波数発振部
６・・・ビート周波数抽出部
７・・・電圧変換部
８・・・ディジタル制御部
９・・・検出電極（アンテナ）
１１・・・D／A変換器
１２・・・アンプ
１３・・・スピーカ
１４・・・モータ駆動部
１５・・・モータ
１６・・・調光部
１７・・・発光体
Ｃ・・・コンデンサ
ｆ１・・・検出信号の周波数
ｆ２・・・基準周波数
ｆｂ・・・ビート周波数
Ｓｃ・・・ディジタル制御信号
SVR・・・ディジタル制御信号
VR・・・電子ボリューム
【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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