(57)【要約】【課題】ケース外部にタッチスイッチ素材、または、光、または、超音波等のセンサを取り付けずに、ガラス上でタッチスイッチを実現する。【解決手段】密閉型ケースに設けられたタッチスイッチにおいて、前記密閉型ケースの表面に配置された円板状のガラスと、前記ガラス円板の周辺に所定の距離を隔てて配置された少なくとも２個の超音波受発信センサと、前記超音波受発信センサを交互に発信させる発信手段と、前記ガラスの端面で反射した超音波を受信してガラス端面までの距離を演算する距離演算手段を備え、前記超音波受発信センサの一端は前記ガラス面に密着すると共にガラス面に対して所定の角度を有して配置され、前記ガラス表面の任意の箇所に前記超音波の反射物を接触させたときに、前記任意の箇所の位置を演算するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉型ケースに設けられたタッチスイッチにおいて、前記密閉型ケースの表面に配置された円板状のガラスと、前記ガラス円板の周辺に所定の距離を隔てて配置された少なくとも２個の超音波受発信センサと、前記超音波受発信センサを交互に発信させる発信手段と、前記ガラスの端面で反射した超音波を受信してガラス端面までの距離を演算する距離演算手段を備え、前記超音波受発信センサの一端は前記ガラス面に密着すると共にガラス面に対して所定の角度を有して配置され、前記ガラス表面の任意の箇所に前記超音波の反射物を接触させたときに、前記任意の箇所の位置を演算するように構成したこと特徴とするタッチスイッチ。
【請求項２】
前記超音波受発信センサの他端は弾性体で形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のタッチスイッチ。
【請求項３】
前記密閉型ケース内に温度計を配置したことを特徴とする請求項１に記載のタッチスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド計器で使用されているような密閉型ケースにおけるガラス面でも使用できるタッチスイッチに関し、超音波を用いてタッチ位置を同定するタッチスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
フィールド計器のケースは防塵、防爆、防水、防湿等の理由から密閉型容器を採用している。表示設定器としては、このような場合、赤外線反射ＳＷ、磁気検知方式等を利用して非接触スイッチを構成している。
【０００３】
図８はフィールド機器の表示モードと設定モードの切替え、及び内部データの変更に用いられる赤外線タッチスイッチの従来例を示す要部構成図である。
図８において、１はフィールド機器(図示省略)内に配置された赤外線発光部であり、矩形波発生部２を含む駆動回路によって発光素子３に矩形波状の駆動電流ＩＦを流して赤外線を発光させる。
【０００４】
４は発光素子３で発光した光が反射物９で反射した光を受光する受光素子である。１０はフィールド機器の前面であって、発光素子３および受光素子４と反射物９の間に配置された透明部材（ガラス）である。
【０００５】
５は一端が受光素子４のエミッタ端子に接続された可変抵抗であり、他端は接地されている。６は比較器で、非反転入力端子側が受光素子４のエミッタ端子に接続され、反転入力端子側には所定の電圧に設定された判定電圧７が印加されている。この比較器６の出力端は判定回路８に接続されている。
【０００６】
上述の構成において、反射物９が無い場合、受光素子４は赤外線を受光できないので光電流ＩＬは流れない。図では省略するが発光素子３と受光素子４の間には遮蔽物があり、発光素子３から出射した光を受光素子４が直接受光することがないように構成されている。
【０００７】
反射物９が有る場合、反射物９で赤外線が反射して受光素子４に光電流ＩＬが流れる。
この光電流ＩＬは可変抵抗５によって電圧ＶＬに変換され、比較器６に入力される。
比較器６はＶＬが判定電圧７よりも大きいかあるいは小さいかという信号を判定回路８へ出力する。この信号によって、判定回路８は反射物９の有無（スイッチのＯＮ、ＯＦＦ）を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２１６０７５号公報
【特許文献２】特開２００５−０９２５２７号公報
【特許文献３】特開平１１−３２７７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、赤外線ＳＷでは、構造的に置ける場所も限られているし、ＳＷの数も制限がある。
そこで、タッチスイッチ（例えば、感応型抵抗式タッチスイッチ）を採用したいが、ガラス面の外に貼り付ける必要がある上に、電極部分も外部に露出する構造となる。その場合、耐薬品性にも難がある上に、防塵、防爆、防水、防湿等にも問題が生じるという課題があった。
従って本発明は、ケース外部にタッチスイッチ素材、または、光、または、超音波等のセンサを取り付けずに、ガラス上でタッチスイッチを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
密閉型ケースに設けられたタッチスイッチにおいて、前記密閉型ケースの表面に配置された円板状のガラスと、前記ガラス円板の周辺に所定の距離を隔てて配置された少なくとも２個の超音波受発信センサと、前記超音波受発信センサを交互に発信させる発信手段と、前記ガラスの端面で反射した超音波を受信してガラス端面までの距離を演算する距離演算手段を備え、前記超音波受発信センサの一端は前記ガラス面に密着すると共にガラス面に対して所定の角度を有して配置され、前記ガラス表面の任意の箇所に前記超音波の反射物を接触させたときに、前記任意の箇所の位置を演算するように構成したこと特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のタッチスイッチにおいて、
前記超音波受発信センサの他端は弾性体で形成されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載のタッチスイッチにおいて、
前記密閉型ケース内に温度計を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１によれば、密閉型ケースに設けられたタッチスイッチにおいて、前記密閉型ケースの表面に配置された円板状のガラスと、前記ガラス円板の周辺に所定の距離を隔てて配置された少なくとも２個の超音波受発信センサと、前記超音波受発信センサを交互に発信させる発信手段と、前記ガラスの端面で反射した超音波を受信してガラス端面までの距離を演算する距離演算手段を備え、前記超音波受発信センサの一端は前記ガラス面に密着すると共にガラス面に対して所定の角度を有して配置され、前記ガラス表面の任意の箇所に前記超音波の反射物を接触させたときに、前記任意の箇所の位置を演算するように構成したので、ケース外部にタッチパネル素材、または、光、または、超音波等のセンサを取り付けずに、ガラス面上でタッチスイッチを実現することができ、超音波を減衰することなく伝達することができる。
【００１４】
請求項２によれば、超音波受発信センサの他端を弾性体で形成しているので、余分な振動を除去することができる。
【００１５】
請求項３によれば、密閉型ケース内に温度計を配置したので、温度変動に基づくタッチ位置のずれを補正して正確な演算を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す平面図（a）および（a）図のＡ−Ａ断面図である。
【図２】超音波受発信センサの詳細を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図３】本発明のタッチスイッチの回路ブロック図である。
【図４】具体的な駆動波形を示す図である。
【図５】超音波がガラス円板内を伝達している状態を示す図である。
【図６】空間的な方位測定を行う場合の模式図である。
【図７】超音波受発信センサを対向して４個取り付けた例を示す平面図である。
【図８】赤外線タッチスイッチの従来例を示す要部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の実施形態の一例を示すタッチスイッチの平面図（ａ）および図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
これらの図において、１は円板状のガラスであり、周縁部をカバー４の内周に形成された凹部にＯリング（図示省略）などにより気密に固定されている。５はカバー４に気密に固定されたケースである。
【００１８】
６は矩形（または円）状の回路ユニットであり、その上面に所定の空間を有して表示器８が取付けられている。２および３は超音波受発信センサであり、この図の例では、円若しくは矩形状に形成された回路ユニット６の縁部に所定の距離を隔てて配置され、固定ユニット７によって一端が固定されている。この超音波受発信センサ２，３の他端は、ガラス１に密着して取付けられている。９は固定ユニット７に設けられた温度センサである。
【００１９】
図２は、例えば円柱状に形成された超音波受発信センサ２，３の詳細を示す平面図（ａ）および正面図（ｂ）である。これらの図において、１０は超音波発振子で、圧電振動子（水晶、ＰＺＴ、圧電セラミックスなど）で構成されている。
１１は樹脂などで形成されたくさびであり、タッチパネルを組み立てた状態でガラス１との接触に無理な圧力が加わらない程度の長さに形成されている。
【００２０】
これらの超音波発信素子２，３は所定の角度（θ）を有して固定ユニット７に固定されるとともに、両端面が平行に形成されており、一端はガラス１の表面に対して表面が密着するように形成されていて超音波を減衰することなく伝達することができる。１２は水平部を有するダンプであり、超音波発信素子の他端が水平部に密着して固定されている。このダンプ１２は弾性体で形成されており振動子（超音波発振子１０）からの余分な振動を除去する（振動を回路板６に伝達しない）機能を有している。
【００２１】
図３は、回路ブロック図である。図３において２,３は超音波送受信センサ（センサ１，２）である。２５,２６はスイッチ、２１はプロセッサ、２２はクロック発生回路、２３はタイミング発生回路、２４は送信ドライブ回路、２７はアンプ、２８はアンチエイリアシングフィルタ、２９はＡ／Ｄ変換器である。
【００２２】
上述の構成において、プロセッサ２１とＡ／Ｄ変換器２９はクロック発生器回路２２によって同期が取られており、プロセッサ２１によりスイッチ２５とスイッチ２６が切り替えられる。また、プロセッサ２１よりトリガー信号がタイミング発生回路２３に与えられる。
【００２３】
タイミング発生回路２３からは、送信ドライブ回路２４に駆動波形が送信されて、スイッチ２５および２６を介してセンサ１,２が駆動される。このセンサ１と２は駆動と同時に受信センサとしても機能し、アンプ２７、アンチエイリアシングフィルタ２８を介してＡ／Ｄ変換器２９により受信波形をデジタル変換してプロセッサ２１に読み込む。
【００２４】
次に動作について説明する。
図４（ａ，ｂ）は具体的な駆動波形を示す図である。
駆動周波数は、超音波の周波数帯域で例えば１ＭＨｚ等を使用する。図４（ａ）に示すように駆動はセンサ１とセンサ２を交互に行う。
【００２５】
センサ１または２より発振された超音波信号は、一方の面がガラス１の面と接触しているため、ガラス１の面を通してガラス内に入射される。センサ１または２は鉛直方向に対してθの角度をつけて配置されている（図２参照）。超音波信号がガラス１の面に対して、所定の角度をつけて入射すると、図５（ａ）に示すように、超音波はガラス１の両面で同じ角度で順次反射して伝達していく。
【００２６】
最初の入射角は実際にはスネルの法則に従い屈折角が変化するが、図５では省略している。ここでは、ガラス１の面と空気の界面では、ほとんどの超音波がそのまま反射するものとする。ガラスの端面（図５の１６で示している場所）に超音波が到達すると、そこで反射して戻ってくる。（図５（ｂ）参照）
【００２７】
この戻ってくる信号を図示したのが、図５(ｂ)反射バック波（指接触なし）の状態である。実際には、端面は図１のガラスの場合、円形をしており、このような反射バック波が多重に戻ってくる。
【００２８】
図５（ｃ)は指があるときの超音波の伝達の様子を示すものである。タッチスイッチを指で触った場合、指は固体または液体で構成されているので、指のなかの骨や皮膚表面で超音波が反射する。指の形状は円形構造に近いため、指がないときに比べ、指が触れた場所は、超音波の反射条件が変化する。つまり、図５(ｃ)に示すように反射バック波（点線イで示す）が発生する（実際にはもう少し複雑な波形になる）。
【００２９】
超音波の伝達速度は、物質と温度により決まるので、反射波の到達時間を測定すると位置の同定ができる。音速は温度を温度計９（図１参照）で測定することにより補正が可能である。
【００３０】
上述のように、実際の超音波反射波形は、ガラスの端面すべてから反射波が戻ってくるので、もっと複雑な波形になっている。例えば、指を接触した場合に識別をするための一つの方法としては、次のような方法がある。
【００３１】
先ず、指の接触がない状態で、常時、超音波反射信号をプロセッサ２１に読み込む。この読み込んだ信号をプロセッサ２１にて保存しておく。なお、外乱に対処するために毎回の波形データを積算平均処理しておいてもよい。
【００３２】
プロセッサ２１は指が接触していないときの保存していた波形データとそれ以降に毎回取り込んだ波形データに対して相関比較を行う。相関値が高い場合は指の接触がないと判断する。相関値が低い場合は指が接触した可能性が高いと判断する。
【００３３】
再度、次のタイミングで相関値を計算し、前回、指が接触した可能性が高いと判断した波形データとの相関値が高ければ、その位置に指が接触したと同定できる。
以上の説明では、空間的な方位測定ができないが、超音波受発信センサ２に加え、超音波受発信センサ３を配置することにより、位置を同定することができる。
【００３４】
図６は空間的な方位測定を行う場合の模式図である。即ち、超音波受発信センサ２より距離Ｌ１（円３1の半径）、超音波受発信センサ３より距離Ｌ２（円３２の半径）を同定して、その位置より三角測量の原理で位置を抽出して空間的な位置をプロセッサ２１により演算する。
図７は超音波受発信センサを回路ユニット６上に対向して４個（２，３，４１，４２）取り付けた例を示すもので，より精密な接触位置の判定が可能になる。
【００３５】
上述の構成によれば、２つの超音波送受信センサを用いて、指の接触により反射波が変化することを用いてガラス面の位置を算出することができる。
また、このセンサはケース内部に配置されており、外部の影響（雰囲気等）を受けない。
【００３６】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えばガラス円板への接触物は先端が丸まったペン状のものでもよく、要はタッチしたときに超音波の反射波形が異なるものであればよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【符号の説明】
【００３７】
１        ガラス
２，３    超音波受送信センサ
４        カバー
６        回路ユニット
７        固定ユニット
８        表示器
９        温度センサ
１０      超音波受発信素子
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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