(57)【要約】【課題】指の接近や呼気を湿度変化で検知することにより、非接触で操作入力可能な非接触操作入力デバイスを提供する。【解決手段】湿度変化にリアルタイムに反応する湿度センサ（２ａ〜２ｉ）を一次元又は二次元に配列したアレイ状センサユニット１と、各々の湿度センサの抵抗の変化を検出する信号処理部を備える。湿度センサは、湿度変化にリアルタイムに反応してシート抵抗が変化する薄膜と、薄膜に電圧を印加する一対の電極と、薄膜と電極を積層し実装する絶縁性基材３とから構成される。一次元又は二次元に配列したアレイ状の湿度センサにより、操作のために動かした指の接近や呼気の吹きかけに伴う湿度変化をリアルタイムに検知して、指先の位置、呼気を吹きかけた位置、指の動きを検出できる。指先の位置、呼気を吹きかけた位置、指の動きを操作入力に対応させることにより、非接触の操作入力を実現する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度変化にリアルタイムに反応する湿度センサを一次元又は二次元に配列したアレイ状センサと、各々の前記湿度センサの抵抗の変化を検出する信号処理部、を備え、
前記湿度センサは、
湿度変化にリアルタイムに反応してシート抵抗が変化する薄膜と、
前記薄膜に電圧を印加する一対の電極と、
前記薄膜と前記電極を積層し実装する絶縁性基材、
から構成されることを特徴とする非接触操作入力デバイス。
【請求項２】
前記アレイ状センサにおいて、
前記湿度センサの薄膜が透明薄膜、前記電極が透明電極、前記絶縁性基材が透明基材である、
又は、
前記アレイ状センサにおいて、
少なくとも前記電極が透明電極、前記絶縁性基材が透明基材であり、６０％以上の可視光線透過率を有するように、前記湿度センサが間隔を設けて分散配置されている、
ことを特徴とする請求項１の非接触操作入力デバイス。
【請求項３】
前記絶縁性基材が、一部又は全ての湿度センサに共用化されたことを特徴とする請求項１又は２の非接触操作入力デバイス。
【請求項４】
表示パネルを更に備え、
前記アレイ状センサを前記パネルの表面の一部もしくは全面に積層、又は、前記パネルに隣接させたことを特徴とする請求項１〜３の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項５】
前記絶縁性基材がフレキシブル基材であり、前記アレイ状センサがフレキシブル性を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項６】
前記アレイ状センサ又は前記湿度センサの表面上に保護層が積層され、
前記保護層は開口部が設けられた、又は、前記保護層は細孔を有する多孔質膜である、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項７】
前記アレイ状センサが二次元マトリクスに配列される場合には、各行単位および各列単位の前記湿度センサが並列接続され、
前記信号処理部は、
各行単位および各列単位の前記シート抵抗の変化を検出した信号を、選択制御入力に従い、複数の信号のうちから１つを選択し、前記シート抵抗が変化した行と列の交点から、前記アレイ状センサ上の操作位置を特定することを特徴とする請求項１〜６の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項８】
前記湿度センサの前記薄膜は、粒子表面が絶縁膜で被覆されたナノ粒子、又は、粒子表面が絶縁性を有するナノ粒子を緻密に配列させた薄膜であることを特徴とする請求項１〜７の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項９】
前記ナノ粒子はシリコンナノ粒子、前記絶縁膜がシリコン酸化膜であり、
前記シリコンナノ粒子にホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）の少なくとも何れかがドーピングされたことを特徴とする請求項８の非接触操作入力デバイス。
【請求項１０】
前記ナノ粒子はシリカナノ粒子であることを特徴とする請求項８の非接触操作入力デバイス。
【請求項１１】
呼気の吹き付け、手指の接近、又は、湿り気の有る物の接近を、操作入力として用いることを特徴とする請求項１〜１０の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項１２】
ポインティングデバイスとして用いられたことを特徴とする請求項１〜１１の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項１３】
前記アレイ状センサが二次元に配列され、
掌形認識デバイスとして用いられたことを特徴とする請求項１〜１０の何れかの非接触操作入力デバイス。
【請求項１４】
請求項１〜１１の何れかの非接触操作入力デバイスを含むシステムであって、
操作者の呼気を吹付可能な範囲に配置した前記非接触操作入力デバイスと、
前記非接触操作入力デバイスの前記湿度センサに、重ねて又は関連付けして表示される操作内容表示手段と、
前記操作者の呼気による前記操作内容を認識する判断手段と、
前記判断手段で認識された前記操作内容を無線又は有線でデータ通信を行う通信手段と、
前記操作内容を前記データ通信により受信し表示する端末機器、
を備えることを特徴とする操作者コミュニケーションシステム。
【請求項１５】
前記端末機器は、前記データ通信を介して前記通信手段に対して前記操作内容に対する応答又は変更指令を送った場合には、前記操作内容表示手段が、前記操作内容の表示を変更可能であることを特徴とする請求項１４の操作者コミュニケーションシステム。
【請求項１６】
請求項１〜１１の何れかの非接触操作入力デバイスを含むシステムであって、
操作者の呼気を吹付可能な範囲に配置した前記非接触操作入力デバイスと、
前記非接触操作入力デバイスの前記湿度センサに、重ねて又は関連付けして表示される操作内容表示手段と、
前記操作者の呼気による前記操作内容を認識する判断手段と、
前記判断手段で認識された前記操作内容を無線又は有線でデータ通信を行う通信手段と、
前記操作内容を前記データ通信により受信し、予め設定された前記操作内容に対応した制御信号を出力することにより機器を制御するコントローラ、
を備え、
前記操作者は、前記非接触操作入力デバイスの特定の位置に呼気を吹きかけることにより、機器を制御し得ることを特徴とする制御操作システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指の接触もしくは接近、又は呼気を湿度変化で検知することにより、非接触で操作入力が行えるデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コンピュータを操作する場合には、キーボードやマウスが多く利用されている。特に、マウスは片手で操作できるため、キーボード入力が得意でない者にとっても操作しやすいデバイスであるといえる。
また、近年、スマートフォンやタブレット端末の普及により、タッチパネル式のディスプレイが増加している。タッチパネル式のディスプレイは、マウスなどのデバイスを必要とせず、ユーザの指だけで、直感的に操作できるため、非常に利便性が高い操作方法であるといえる。
しかしながら、タッチパネルは、手や指が自由に動く健常者にとっては利便性が高いといえるが、手や指が自由に動かない者にとっては、利便性が高いとはいえない。
【０００３】
そこで、ユーザの呼気を利用したポインティングデバイスが知られている（特許文献１を参照）。これは、デバイス基体に配列されたマイクロフォンアレイに、ユーザが呼気を吹きかけながら口先や顔を移動させることで、マウスカーソルの移動操作を可能としたものである。
しかしながら、上記特許文献１に開示されたポインティングデバイスは、ユーザの呼気による空気の振動を検知して、マウスカーソルの移動操作を行うものであり、呼気に含まれる湿度を検知するものではなく、また、指の接近によってマウスカーソルの移動操作を行うことはできなかった。
【０００４】
また、呼吸気圧を信号へと変換する信号変換器が知られている（特許文献２を参照）。これは、風圧感応素子を設けて、呼吸による風圧を検出させると共に、当該感応素子の検出により、信号出力素子が操作信号を発するようにしたものであり、これによれば、息を吹きかけるだけで機械の操作が可能である。
しかしながら、上記特許文献２に開示された信号変換器は、呼気による風圧を検出するものであり、特許文献１に開示されたポインティングデバイスと同様、呼気に含まれる湿度を検知するものではなく、また、指の接近によってマウスカーソルの移動操作を行うことはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８０３０１号公報
【特許文献２】特開平５−１６８６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる状況に鑑みて、本発明は、指の接近や呼気を湿度変化で検知することにより、非接触で操作入力可能な非接触操作入力デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成すべく、本発明の非接触操作入力デバイスは、湿度変化にリアルタイムに反応する湿度センサを一次元又は二次元に配列したアレイ状センサと、各々の湿度センサの抵抗の変化を検出する信号処理部を備える。湿度センサは、湿度変化にリアルタイムに反応してシート抵抗が変化する薄膜と、薄膜に電圧を印加する一対の電極と、薄膜と電極を積層し実装する絶縁性基材から構成される。
一次元又は二次元に配列したアレイ状の湿度センサにより、操作のために動かした指の接近に伴う湿度変化や、呼気の吹きかけに伴う湿度変化を、リアルタイムに検知して、指先の位置や指の動き、呼気を吹きかけた位置を検出できる。指先の位置や指の動き、呼気を操作入力に対応させることにより、非接触の操作入力を実現できる。従来のポインティングデバイスのように、１本の指先で操作できるだけでなく、本発明の非接触操作入力デバイスでは、同時に複数の指先の位置も検出できる。また、本発明の非接触操作入力デバイスは、指以外に、拳や掌であっても検出可能であり、拳や掌で操作入力することもできる。操作入力は、口や鼻からの呼気で行うことができ、指先と呼気の併用も可能である。なお、非接触ではなく、指先を接触させて操作することも可能である。
【０００８】
一次元に配列したアレイ状センサとは、湿度センサが縦や横に一列に並んだものである。一方、二次元に配列したアレイ状センサとは、湿度センサが縦横マトリックスに並んだものや、パネル上に任意に配置されたものである。
湿度変化にリアルタイムに反応してシート抵抗が変化する薄膜は、指先など皮膚表面から発現する微少の水分蒸散によって、一様の厚さを持つ薄膜の電気抵抗がリアルタイムに反応して変化することが必要である。ここで、リアルタイムに反応とは、水分蒸散量の変化に対して薄膜のシート抵抗が瞬時に追従して変化し、それに伴う薄膜の電気信号の応答性が１Ｈｚ以上の周波数応答性があるものと定義する。
【０００９】
薄膜は、粒子表面が絶縁膜で被覆されたナノ粒子又は粒子表面が絶縁性を有するナノ粒子を緻密に配列させた薄膜を用いることができる。粒子表面が絶縁膜で被覆されたナノ粒子又は粒子表面が絶縁性を有するナノ粒子を緻密に配列させた薄膜は、抵抗変化型湿度センサの感湿膜として機能する。ナノ粒子表面は、ゼオライト等の多孔質であっても、多孔質でなくとも構わない。粒子表面が絶縁膜で被覆されたナノ粒子は、ナノサイズの径を有する金属微粒子、半導体微粒子、セラミックス系微粒子などが用いられ、必ずしも導電性微粒子であることは要件とされない。また、ナノ粒子の径は、同一の大きさに揃えてもよいが、必ずしも同一の大きさである必要はない。ナノ粒子を緻密に配列させた薄膜は、ナノ粒子を同一の径に揃え自己組織的に配列させ、球を最密充填させた規則的な構造であってもよいが、そこまでの緻密性は無くとも構わない。薄膜の電気伝導特性を測定するための電極間に粒子同士が接しているパス（経路）が存在する程度の緻密性があればよい。また、薄膜の膜厚は単層膜から１００ｎｍ以下が好ましい。なお、ナノ粒子にはナノ結晶が含まれる。
【００１０】
上記の薄膜を絶縁性基材に積層し、薄膜の電気伝導特性であるシート抵抗を測定する。薄膜に電圧を印加する電極としては、例えば、櫛歯形状の電極（以下、櫛形電極）を用いることができる。例えば、櫛形電極を絶縁性基材に積層された薄膜上に取付け、又は、絶縁性基材と薄膜の間に挟み込んで、薄膜の抵抗の変化、すなわち、薄膜の電気伝導性の変化を計測する。
【００１１】
絶縁性基材は、絶縁基板または絶縁体で表面が被覆された基板を含むが、布や紙などの基材、発泡ポリマー、エラストマー、綿状凝集体又はゲル状凝集体から選択される素材をシート状に加工したものなど柔軟性のある材質を好適に用いることができる。この他、絶縁性基材は、熱可塑性樹脂、熱や紫外線や電子線や放射線などで硬化する硬化性樹脂、ガラス、セラミックス、又は、無機材などの材質を用いることが可能である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ；ＰＩ）フィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、トリアセチルセルロース（Ｔｒｉａｃｅｔｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ＴＡＣ）フィルム、ポリビニルアルコール（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ；ＰＶＡ）フィルム、ポリスチレン（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ；ＰＳ）などであり、これらの樹脂の共重合体樹脂、これらの樹脂の混合樹脂でも構わない。また、硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などである。絶縁性基材の表面にはプラズマ処理を施し、絶縁性基材の表面を活性化させて、絶縁性基材の表面に形成する導電性薄膜との間の密着力を向上させてもよい。
【００１２】
本発明における湿度センサでは、ナノ粒子表面の絶縁膜上における水分子層の形成が、感湿膜として重要な役割を果たしている。指先の接近に伴う水分蒸散による水分子が薄膜に触れることで薄膜表面に吸着水分子層が形成され、その水分子層により薄膜のシート抵抗が減少する。そして、シート抵抗の減少を信号処理部で検知する。ナノ粒子の薄膜を用いることにより、比表面積を増やし、水分子をより多く吸着させることができ、水分蒸散に伴う薄膜の電気伝導度が大きく変化することになる。
【００１３】
ナノ粒子として、例えば、シリコンナノ粒子やシリカナノ粒子を用いることができる。シリコン（Ｓｉ）や酸化したシリコンであるシリカ（ＳｉＯ２）は生体に無害かつ豊富な物質であることから、安全かつ大量生産可能な材料として使用できる。絶縁膜として、例えば、シリコン酸化膜を用いることができ、こちらも非常に安定な材料であるため、種々の物質による感湿膜の劣化も小さいことが期待できる。さらに、シリコンナノ粒子に対して、ホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）の少なくとも何れかがドーピングされてもよい。特に、シリコンナノ粒子にホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）がシリコンの固溶限界濃度より高濃度にドーピングされたものを緻密に配列させた薄膜を用いた湿度センサでは、水分蒸散に対して１０Ｈｚ以上の周波数応答特性を有することができる。
【００１４】
また、本発明の非接触操作入力デバイスにおいて、アレイ状センサを構成する湿度センサは、少なくとも電極が透明電極であり、絶縁性基材が透明基材であることが好ましい。更に、薄膜が透明薄膜であれば好ましい。
具体的には、アレイ状センサにおいて、湿度センサの薄膜が透明薄膜、電極が透明電極、絶縁性基材が透明基材である、又は、アレイ状センサにおいて、少なくとも電極が透明電極、絶縁性基材が透明基材であり、６０％以上の可視光線透過率を有するように、湿度センサが間隔を設けて分散配置されている。
上記構成によれば、非接触操作入力デバイスを透明とすることができ、様々の用途に適用できる。例えば、液晶パネルなどの表示パネルの上に、本発明の非接触操作入力デバイスを重ねて、マウスやタッチパネルの代替として、ポインティングデバイスとして用いることができる。
本明細書において、透明とは、６０％以上の可視光線透過率を有することを意味する。可視光線透過率は、波長５００ｎｍの透過率を意味し、市販の分光光度計を用いて測定することができる。
透明電極は、透明導電膜で形成することができる。透明導電膜を構成する材料は、例えば、錫をドープしたインジウム酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛をドープしたインジウム酸化物（ＩＺＯ）、タングステンをドープしたインジウム酸化物（ＩＷＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、亜鉛とアルミニウムとの酸化物（ＡＺＯ）などが用いられる。
また、透明基材を構成する材料は、任意の適切な材料を用いることができるが、特に、ガラス、透明樹脂から成るフィルムやプラスチック基材などの高分子基材が用いられる。
【００１５】
本発明の非接触操作入力デバイスは、表示パネルを更に備え、アレイ状センサがパネルの表面の一部もしくは全面に積層、又は、パネルに隣接されたことでもよい。上述の如く、表示パネルの全面に積層してもよいが、一部に積層してもよい。或は、表示パネルに隣接して配置してもよい。
【００１６】
本発明の非接触操作入力デバイスは、絶縁性基材がフレキシブル基材であり、アレイ状センサがフレキシブル性を有することが好ましい。アレイ状センサがフレキシブル性を有することにより、曲面形状のパネルに重ねることが可能である。また、水が流れる配管の外周に巻き付けることにより、配管の劣化診断に用いることが可能である。
【００１７】
本発明の非接触操作入力デバイスは、アレイ状センサ又は湿度センサの表面上に保護層が積層され、保護層は開口部が設けられた、又は、保護層は細孔を有する多孔質膜であることでもよい。例えば、ナノ粒子を緻密に配列させた薄膜の場合、硬度が小さく、損傷し易いことから、保護層を積層することにより、薄膜の損傷を防止する。例えば、保護層は、水分を通すポリマーやメッシュで構成し、水分蒸散に伴う水分子が薄膜全体に当ることができるように、スペーサを介して薄膜に積層されるようにする。
【００１８】
本発明の非接触操作入力デバイスは、アレイ状センサが二次元マトリクスに配列される場合には、各行単位および各列単位の湿度センサが並列接続され、信号処理部は、各行単位および各列単位のシート抵抗の変化を検出した信号を、選択制御入力に従い、複数の信号のうちから１つを選択し、シート抵抗が変化した行と列の交点から、アレイ状センサ上の操作位置を特定することができる。
【００１９】
本発明の非接触操作入力デバイスでは、呼気の吹き付け、手指の接近、又は、湿り気の有る物の接近を、入力として用いることができる。例えば、湿り気のある物を棒の先端に取り付けることにより、それを操作入力用の指示棒として使用できる。
また、本発明の非接触操作入力デバイスは、アレイ状センサが二次元に配列され、掌形認識デバイスとして用いることも可能である。
【００２０】
本発明の操作者コミュニケーションシステムは、上述の本発明の非接触操作入力デバイスを含むシステムであって、ａ１）〜ａ５）の構成を備える。以下の構成のシステムによれば、操作者は、非接触操作入力デバイスの特定の位置に呼気を吹きかけることにより、機器を制御できる。
ａ１）操作者の呼気を吹付可能な範囲に配置した非接触操作入力デバイス、
ａ２）非接触操作入力デバイスの湿度センサに、重ねて又は関連付けして表示される操作内容表示手段、
ａ３）操作者の呼気による操作内容を認識する判断手段、
ａ４）判断手段で認識された操作内容を無線又は有線でデータ通信を行う通信手段、
ａ５）操作内容をデータ通信により受信し表示する端末機器。
上記ａ５）の端末機器は、例えば、携帯電話やタブレットなどの携帯通信端末であり、メッセージや画面を表示できるものである。また、表示に合せて、端末機器を振動させたり、アラーム音を出力させたりしてもよい。
【００２１】
本発明の操作者コミュニケーションシステムにおいて、端末機器は、データ通信を介して通信手段に対して操作内容に対する応答又は変更指令を送った場合には、操作内容表示手段が、操作内容の表示を変更可能であることが好ましい。操作者が操作した内容について、応答して操作内容の表示を変更することにより、操作者に対して操作内容が無事に伝わったことを知らせて、操作者を安心させることができる。ここで、操作内容の表示を変更するとは、例えば、表示を点滅表示から点灯表示に変更する、文字色や背景色を変更する、「了解しました。」と表示を追加するなどである。
【００２２】
本発明の制御操作システムは、上述の本発明の非接触操作入力デバイスを含むシステムであって、ｂ１）〜ｂ５）の構成を備える。以下の構成のシステムによれば、操作者は、非接触操作入力デバイスの特定の位置に呼気を吹きかけることにより、機器を制御できる。
ｂ１）操作者の呼気を吹付可能な範囲に配置した非接触操作入力デバイス、
ｂ２）非接触操作入力デバイスの湿度センサに、重ねて又は関連付けして表示される操作内容表示手段、
ｂ３）操作者の呼気による操作内容を認識する判断手段、
ｂ４）判断手段で認識された操作内容を無線又は有線でデータ通信を行う通信手段、
ｂ５）操作内容をデータ通信により受信し、予め設定された操作内容に対応した制御信号を出力することにより機器を制御するコントローラ。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の非接触操作入力デバイスによれば、指の接近を湿度変化で検知でき、非接触で直感的な操作入力が可能であるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】湿度センサの構造模式図
【図２】実施例１の非接触操作入力デバイスの構成図
【図３】二次元アレイ状センサの保護膜の説明図
【図４】信号処理回路の説明図
【図５】二次元アレイ状センサの電気配線の説明図
【図６】二次元アレイ状センサの他の信号処理回路の説明図
【図７】二次元アレイ状センサの説明図
【図８】指先の移動動作検出の説明図（１）
【図９】指先の移動動作検出の説明図（２）
【図１０】指先の移動動作検出の説明図（３）
【図１１】指先の移動動作検出の説明図（４）
【図１２】実施例２の非接触操作入力デバイスの構成図
【図１３】実施例２の非接触操作入力デバイスの具体例の説明図
【図１４】実施例２の非接触操作入力デバイスの応用システムの説明図
【図１５】実施例３の非接触操作入力デバイスの説明図
【図１６】実施例４の掌形認識デバイスの説明図
【図１７】シリカナノ粒子薄膜を用いたアレイ状センサ（実施例５Ａ）の応答特性グラフ（１）
【図１８】シリカナノ粒子薄膜を用いたアレイ状センサ（実施例５Ａ）の応答特性グラフ（２）
【図１９】シリカナノ粒子薄膜を用いた湿度センサの応答特性グラフ
【図２０】シリコンナノ結晶薄膜を用いた湿度センサの応答特性グラフ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【実施例１】
【００２６】
本発明の非接触操作入力デバイスに関して、先ず湿度センサについて、図１に示す構造模式図を参照して説明する。図中の下の楕円内に示すものは、図中の上に描いた湿度センサの平面視の領域Ｓに関して、左から見た湿度センサの断面模式図である。図１に示すように、湿度センサは、粒子表面が絶縁性を有するナノ粒子９が緻密に配列された薄膜６、櫛形電極（７ａ，７ｂ）および絶縁性基材３から構成される。薄膜６は、ナノ粒子９が緻密に一層以上積層されている。２つの櫛形電極（７ａ，７ｂ）が絶縁性基材３の上に設けられ、その櫛形電極の間に薄膜６が設けられている。薄膜６は、湿度変化によりシート抵抗が変化し、電気伝導特性が変化する。２つの櫛形電極（７ａ，７ｂ）は、その一方の電極７ｂが電源１０と接続され、櫛形電極（７ａ，７ｂ）間の薄膜６に対して電圧を印加する。
なお、図１では、２つの櫛形電極（７ａ，７ｂ）の電極と電極の間に薄膜６が設けられた模式図であるが、櫛形電極が絶縁性基材３に先ず設けられ、その櫛形電極の上に薄膜が積層され、電極の間に薄膜が設けられてもよい。又は、薄膜が絶縁性基材３に先ず積層され、その薄膜の上に櫛形電極が設けられてもよい。すなわち、櫛形電極の上下に、薄膜が形成されることでもよい。
【００２７】
次に、アレイ状センサについて、図２を参照して説明する。図２は、実施例１の非接触操作入力デバイスの構成図であり、（１）は平面図、（２）は側面図、（３）は正面図を示している。図２（１）に示すように、アレイ状センサユニット１は、センシング面を９分割（３×３に分割）し、各々のセンシング面に湿度センサが１つ配置された２次元アレイ状センサとなっている。この分割された各升目の全てを湿度センサ（２ａ〜２ｉ）として使用する構成となっている。２次元アレイ状センサは、図２に示す例と異なり、升目の一部のみを湿度センサとして使用する構成であってもよい。
各升目には、櫛形電極が１対となって電極として設けられている。櫛形電極の電極と電極の間に、粒子表面が絶縁膜で被覆されたナノ粒子又は粒子表面が絶縁性を有するナノ粒子９を緻密に配列させた薄膜が形成されている。
櫛形電極に供給する電源としては、直流電源に限られず、交流電源を使用することも可能である。櫛形電極に電源を供給する方法としては、例えば、櫛形電極から下層の絶縁性基材に向かって引出線を出し、個別に電源を供給する方法を用いることができる。
【００２８】
アレイ状センサの保護膜について、図３を参照して説明する。アレイ状センサの各々の湿度センサ（２ａ〜２ｉ）は、上部が開放された状態では、湿度変化のセンシング感度が下がる傾向にある。そこで、各々の湿度センサ（２ａ〜２ｉ）のセンシング感度を高めるため、擬似的に密閉状態をつくることのできる構造にする。例えば、保護膜を設けた上で開口部を設ける方法や、細孔を持つ多孔質膜で保護する方法を用いることができる。細孔は、水分子のみを透過するようなサイズであればよい。ここでは、図３に示すように、保護膜５に開口孔を設ける。具体的には、アレイ状センサの最上部に保護膜５を被せ、湿度センサ（２ｇ，２ｈ，２ｉ）の直上の保護膜にのみ開口孔を開ける。例えば、指４ａで開口孔を塞ぐことで、疑似的に密閉状態をつくり出す。ここでは、保護膜５の厚みは約５ｍｍ、開口部を１ｍｍ四方とし、指４ａを載せても湿度センサ２に直接に指が触れないようにする。
【００２９】
次に、アレイ状センサの電気信号回路について、図４を参照して説明する。ここでは、アレイ状センサ（３×３のアレイ構造）において、それぞれの湿度センサ（２ａ〜２ｉ）のシート抵抗の変化によるコンダクタンスを測定する。ここで、湿度センサ（２ａ〜２ｉ）に流れる電流値をそれぞれＩｎ（ｎ＝１〜９）とし、湿度センサの薄膜のシート抵抗をそれぞれＲｎ（ｎ＝１〜９）とし、増幅回路８ｂにより増幅した電圧値をそれぞれＶｎ（ｎ＝１〜９）とし、電源電圧をＶとする。回路ブロック８ａは、湿度センサの等価回路を示している。等価回路は、湿度センサの薄膜のシート抵抗Ｒｎと湿度センサに流れる電流値Ｉｎを電圧に変換する抵抗値Ｒｘとで表示している。
【００３０】
センサ計測装置１５には、マルチプレクサ１６、Ａ／Ｄ変換器１７が備えられている。センサ計測装置１５では、全ての湿度センサ（２ａ〜２ｉ）からの出力電圧を増幅したＶｎ（ｎ＝１〜９）を、マルチプレクサ１６の入力信号として取り込み、どの湿度センサの出力電圧を検出するかを選択する。マルチプレクサ１６を切り替えながら、全ての湿度センサのＶｎを取り込み、その値に基づいて、各々の湿度センサ（２ａ〜２ｉ）で検出された湿度変化を検知する。その場合には、マルチプレクサ１６で選択した湿度センサ（２ａ〜２ｉ）と選択時間を、センサ計測装置１５の中のメモリ（図示せず）に記憶しておく。これにより、どの時点でのどの湿度センサの湿度変化であるのか、経時的データとして処理することが可能である。
例えば、電源Ｖとして９Ｖを使用する場合、図４の回路では、湿度センサ（２ａ〜２ｉ）のシート抵抗Ｒｎ（湿度変化に伴い抵抗値が変化）と抵抗Ｒｘの両端に９Ｖが印加され、それぞれＲｎとＲｘにはその分圧がかかることになる。
【００３１】
また、電極への電源ライン又は接地（グランド）ラインに関して、信号線を共通化することが可能である。接地（グランド）については、湿度センサ周囲のノイズの除去等で、湿度センサ周囲を全てグランド部分で覆うベタアースにして、湿度センサに入るノイズや漏れ電流等を防止することができる。
増幅回路８ｂによって、湿度センサの出力信号を、例えば１０００倍に増幅することができる。なお、抵抗値ＲＸの電圧値が十分大きい場合には、特に、増幅しないで、マルチプレクサ１６を通じて、Ａ／Ｄ変換器１７に入力しても構わない。センサ計測装置１５の中で、どれ位のセンシング感度を求めるのかにより、抵抗値（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）を調整する。図４では、例えば、電源Ｖは９Ｖ、ＲＸは２．２ＭΩで、ＲＹは２．２ｋΩ、ＲＺは２．２ＭΩを使用できるが、これらに限定されるものではない。湿度センサの抵抗値等に応じて、適宜最適なＶｎになるように、抵抗値を変更することができる。
【００３２】
ここで、基本的には、同一仕様（形状やサイズが同一）の湿度センサを、分割した場所に形成するが、これには限定されず、湿度センサの形状、サイズなどの仕様を個々に変えてもよい。また、分割した場所の一部の場所に湿度センサを形成してもよい。
【００３３】
また、アレイ状センサユニットの消費電力を少なくする構成について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、二次元アレイ状センサの電気配線の説明図であり、（１）は平面図、（２）は側面図、（３）は正面図を示している。また、図６は、二次元アレイ状センサの他の信号処理回路の説明図を示している。
図５（１）〜（３）に示すように、電源を供給する電源ライン（Ｐ１，Ｐ２，・・・，ＰＭ）については、絶縁性基材３の中に内蔵して、各湿度センサの一方の櫛形電極に電源ラインを接続する。また、他方の櫛形電極と接続する接地ライン（Ｇ１，Ｇ２，・・・，ＧＮ）については、電源ラインを避けて、絶縁性基材３の中に内蔵する。なお、電源ライン（Ｐ１，Ｐ２，・・・，ＰＭ）と接地ライン（Ｇ１，Ｇ２，・・・，ＧＮ）について、湿度センサが配置されている面と同じ面内に形成してもよい。
【００３４】
図６に示すように、電源Ｖと接地（グランド）側は、それぞれマルチプレクサ（１６ａ，１６ｂ）を通じて、電源ライン（Ｐ１，Ｐ２，・・・，ＰＭ）、接地ライン（Ｇ１，Ｇ２，・・・，ＧＮ）に接続されている。ＡＭＮの湿度センサに電源を供給する場合には、電源Ｖ側のマルチプレクサ１６ａは、ＰＭを選択し、接地（グランド）側のマルチプレクサ１６ｂは、ＧＮを選択することにより、特定された湿度センサに電源電圧Ｖが供給される。ＧＮは、抵抗ＲＸに繋がっており、その抵抗ＲＸの両端に発生する電圧は、増幅回路（オペアンプ）で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器１７の入力となる。図４に示す回路では、センサ計測装置１５でマルチプレクサ１６を使用していたが、図６に示す回路では、出力電圧ＶＭＮは、マルチプレクサ（１６ａ，１６ｂ）を切り替えることで、湿度センサ１つのみに関して湿度変化を検出することになるため、センサ計測装置１５ｂではマルチプレクサは不要である。湿度変化に伴う湿度センサのコンダクタンスの変化を、複数同時に計測する場合には、センサ計測装置内にマルチプレクサが必要である。
【００３５】
タイムシェアリングで、計測したい湿度センサを選択するために、マルチプレクサ（１６ａ，１６ｂ）で湿度センサを指定する。指定された湿度センサの出力値の計測を、計測可能な時間で実施する。そして、全ての湿度センサの出力値を計測したら、最初に戻って計測を始める。湿度センサの応答スピードが従来の湿度センサに比較して高速であるため、十分な応答性を持って全ての湿度センサの出力値をタイムシェアリングして計測できる。なお、計測方法は、これに限定されるものではなく、１つ置きに計測してもよいし、計測しない湿度センサを設けてもよい。
【００３６】
１つの湿度センサの計測時間については、対象の湿度変化がｆ［Ｈｚ］とすれば、少なくとも倍の速さ２ｆ［Ｈｚ］になるように、すなわち、１／（２ｆ）［ｓ］の時間間隔でサンプリングすることが必要である。アレイ状センサにＮ個の湿度センサがあるならば、その１／Ｎ、すなわち、１／（２ｆ×Ｎ）［ｓ］で、各湿度センサの出力を取り込む必要がある。
例えば、１Ｈｚの湿度変化を９個の湿度センサを備えるアレイ状センサで測定するならば、１素子当たり１／（２×９）＝０．０５５（秒）で各湿度センサの出力を取り込む必要がある。既存の信号処理回路においてサンプリング時間を十分短く設計することにより、１Ｈｚの湿度変化を十分観測できる。
【００３７】
上述の如く、マルチプレクサで湿度センサを選択し、タイムシェアリングで計測するのではなく、マルチプレクサを用いず、タイムシェアリングすることなく、全ての湿度センサに対して電圧を印加して、計測するやり方について説明する。
図７（１）に示すようなＭ×Ｎの二次元アレイ状センサを想定する。このアレイ状センサは、Ｍ×Ｎ個の分割領域があり、全ての分割領域、又は一部の分割領域に、１つの湿度センサ、或は、行用と列用の２つの湿度センサが設けられる。
まず、図７（１）に示すように、行用と列用の２つの湿度センサをそれぞれの分割領域に設けた場合について説明する。Ｍ×Ｎの場合は、Ｍ行、Ｎ列が存在する。全ての行に電源電圧Ｖを印加すると、全ての行用センサに電圧が印加される。また、全ての列に電源電圧Ｖを印加すると、全ての列用センサに電圧が印加される。全ての行用センサを並列に接続すると、図７（２）左のような等価回路となる。同様に、全ての列用センサを並列に接続すると、図７（２）右のような等価回路となる。
【００３８】
このＭ×Ｎの二次元アレイ状センサに対して、指先などでポインティング操作を行うこととする。例えば、（ｉ，ｊ）の位置の分割領域に対して、指先でポインティング操作を行うと、（ｉ，ｊ）の位置に設けられた行用センサと列用センサが反応し、各センサの薄膜のシート抵抗Ｒｉｊが変化する。図７（２）のような回路において、Ｒｉｊが変化すると、行用と列用の双方のＲｘの電圧が変化することになる。行と列でどの部分の抵抗値が下がったかを、行と列の両方で計測することにより、その交点がポインティング操作した位置であるとわかる。これにより、感圧センサと同じような使い方ができる。
分割領域に１つの湿度センサを設ける場合は、タイムシェアリングのやり方で、１つの湿度センサを行用センサと列用センサに使い分けし、上述のやり方と同様に、行と列でどの部分の抵抗値が下がったかを、行と列の両方で計測することにより、その交点がポインティング操作した位置を求めることができる。
【００３９】
本発明の非接触操作入力デバイスのアレイ状センサに関して、アレイ状センサの上で指を動かした場合、その指の移動方向を、どのように検出するかについて説明する。以下の説明は、センシング面を９分割（３×３に分割）し、各々のセンシング面に湿度センサが１つ配置された二次元アレイ状センサ上における指先の動作を想定し、アレイ状センサの上での指先の上下方向の移動や左右方向の移動について説明する。なお、以下の説明は指先の動作であるが、呼気の動作、すなわち、呼気の吹き付け場所の移動等であっても構わない。
【００４０】
３×３の二次元アレイ状センサにおいて、指が接近した湿度センサの薄膜のシート抵抗が変化する。すなわち、指が接近した湿度センサのコンダクタンスが変化し、それに伴い、湿度センサの出力電圧が変化する。ここで、湿度センサ２ａの出力電圧値をＶ１、湿度センサ２ｂの出力電圧値をＶ２、湿度センサ２ｃの出力電圧値をＶ３、湿度センサ２ｄの出力電圧値をＶ４、湿度センサ２ｅの出力電圧値をＶ５、湿度センサ２ｆの出力電圧値をＶ６、湿度センサ２ｇの出力電圧値をＶ７、湿度センサ２ｈの出力電圧値をＶ８、湿度センサ２ｉの出力電圧値をＶ９とする。
【００４１】
３×３の二次元アレイ状センサにおける指先の移動動作の検出について説明する。指先のように、水分蒸散が生じる部分が限定される場合（水分蒸散が１つの部分から発生する場合や湿度センサの大きさに比べて、水分蒸散の生じる部分が小さい場合）には、各湿度センサの出力電圧値の大きさの時間変化を分析することにより、水分蒸散を生じる部分の移動方向を、計算によって検出することができる。なお、各湿度センサの出力電圧値の測定の替わりに、出力電流値の測定を行っても検出可能である。
【００４２】
以下の説明では、図８に示すように、湿度センサ（２ｇ，２ｈ，２ｉ）に沿って、指先が一定の距離を保ち、左から右に水平に移動（矢印Ａ１の方向に移動）する場合を想定する。この場合、各湿度センサの出力電圧値は、図９に示すようになり、移動方向や移動スピードが計算できる。
図９（１）〜（３）の各グラフで、湿度センサ（２ｇ，２ｈ，２ｉ）の出力電圧値（Ｖ７〜Ｖ９）が所定の閾値Ｖｄを超えたときの時間帯（Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９）の時系列情報から（Ｔ７＜Ｔ８＜Ｔ９）、湿度センサ２ｇから湿度センサ２ｈ、そして、湿度センサ２ｉの方向へと、指４ａが移動していることがわかる。また、湿度センサ２ｇと湿度センサ２ｉのセンサ間距離がＬ１であるならば、速度ｖ＝Ｌ１／（Ｔ９のピーク時間ｔ９−Ｔ７のピーク時間ｔ７）で、指４ａが移動したことがわかる。上記説明から、本発明の非接触操作入力デバイスでは、ポインティング操作だけでなく、移動動作も、非接触で検出できることがわかる。
【００４３】
また、３×３の二次元アレイ状センサにおける指の移動動作において、それぞれの湿度センサの出力電圧値を検出することにより、面内の上下、左右、斜めの移動方向に加えて、三次元的に近づきや遠ざかりといった指の移動動作を推察できる。
図１０に示すように、湿度センサ（２ａ，２ｄ，２ｇ）に沿って、指先が次第にアレイ状センサから離れて遠ざかるように、上から下に斜め方向に移動（矢印Ａ２の方向に移動）する場合を想定する。この場合、指先は矢印Ａ２の方向に移動すると、湿度センサ２ａとの間の距離はＬ２ａであるが、湿度センサ２ｄとの間の距離はＬ２ｄであり、そして湿度センサ２ｇとの間の距離はＬ２ｇになる。そのため、各湿度センサの出力電圧値は、図１１に示すようになり、三次元的な移動方向や移動速度が計算できる。
【００４４】
図１１（１）〜（３）の各グラフにおいて、湿度センサ（２ａ，２ｄ，２ｇ）の出力電圧の最大値（ＶＭ１，ＶＭ４，ＶＭ７）は、湿度センサ２ａの出力電圧の最大値ＶＭ１が最も大きく、次に、湿度センサ２ｄの出力電圧の最大値ＶＭ４が大きく、湿度センサ２ｇの出力電圧の最大値ＶＭ７が３つの中で最小である。これは、湿度センサ２ａと指先との間の距離Ｌ２ａが最も小さく、湿度センサ２ｇと指先との間の距離Ｌ２ｇが最も大きいからである。そして、出力電圧の最大値（ＶＭ１，ＶＭ４，ＶＭ７）を観測する時間（ｔＭ１，ｔＭ４，ｔＭ７）の時系列情報から（ＴＭ１＜ＴＭ４＜ＴＭ７）、湿度センサ２ａから湿度センサ２ｄ、そして、湿度センサ２ｇの方向へと、指４ａが移動していることがわかり、出力電圧の最大値の変化から斜めに遠ざかりながら移動していることがわかる。移動速度は、前述した例と同様にして計算できる。
【００４５】
３×３の二次元アレイ状センサにおける上下方向の位置の検知については、例えば、下記式１に示すＡの大きさで判別することも可能である。Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３は、３×３の二次元アレイ状センサの上の１行に並んだ湿度センサ（２ａ，２ｂ，２ｃ）の出力電圧値の合計であり、Ｖ７＋Ｖ８＋Ｖ９は、３×３の二次元アレイ状センサの下の１行に並んだ湿度センサ（２ｇ，２ｈ，２ｉ）の出力電圧値の合計である。ここで、所定の閾値Ａｔｈを設定し、Ａ＞Ａｔｈの場合には上方向の位置であると判別し、Ａ＜−Ａｔｈの場合は下方向の位置であると判別する。また、−Ａｔｈ＜Ａ＜Ａｔｈの場合には上方向とも下方向とも判別しないこととする。例えば、コンピュータのマウスの代替として、非接触操作入力デバイスを用いる場合に、マウスカーソルを上下方向の移動させる際に、上記の上下方向の位置の検知のやり方を用いることにより、上側又は下側を、指先で差し続けたり、呼気を吹き続けたりすることにより、上下方向の移動を指示することができる。
【００４６】
（数１）
Ａ＝（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）−（Ｖ７＋Ｖ８＋Ｖ９）  ・・・（式１）
【００４７】
３×３の二次元アレイ状センサにおける左右方向の位置の検知については、例えば、下記式２に示すＢの大きさで判別することも可能である。Ｖ１＋Ｖ４＋Ｖ７は、３×３の二次元アレイ状センサの左の１列に並んだ湿度センサ（２ａ，２ｄ，２ｇ）の出力電圧値の合計であり、Ｖ３＋Ｖ６＋Ｖ９は、３×３の二次元アレイ状センサの右の１列に並んだ湿度センサ（２ｃ，２ｆ，２ｉ）の出力電圧値の合計である。ここで、所定の閾値Ｂｔｈを設定し、Ｂ＞Ｂｔｈの場合には左方向の位置であると判別し、Ｂ＜−Ｂｔｈの場合には右方向の位置であると判別する。また、−Ｂｔｈ＜Ｂ＜Ｂｔｈの場合には左方向とも右方向とも判別しないこととする。例えば、コンピュータのマウスの代替として、非接触操作入力デバイスを用いる場合に、マウスカーソルを左右方向の移動させる際に、上記の左右方向の位置の検知のやり方を用いることにより、左側又は右側を、指先で差し続けたり、呼気を吹き続けたりすることにより、左右方向の移動を指示することができる。
【００４８】
（数２）
Ｂ＝（Ｖ１＋Ｖ４＋Ｖ７）−（Ｖ３＋Ｖ６＋Ｖ９）  ・・・（式２）
【００４９】
３×３の二次元アレイ状センサにおける拡大操作については、下記式３に示すＣの大きさで判別できる。すなわち、二次元アレイ状センサの中央の湿度センサ２ｅの出力電圧値Ｖ５で判別する。二次元アレイ状センサの湿度センサの個数が増えれば、中央付近に設けた複数の湿度センサの出力電圧値の合計で判別してもよい。ここで、ある閾値をＣｔｈとすれば、Ｃ＞Ｃｔｈの場合には拡大操作と判別し、Ｃ＜Ｃｔｈの場合には元に戻す操作であると判別する。この拡大操作については、指先などの接近度合いをコントロールして操作することが好ましく、接近度合いのコントロールが困難な呼気による操作は不適である。
【００５０】
（数３）
Ｃ＝Ｖ５  ・・・（式３）
【００５１】
３×３の二次元アレイ状センサにおけるクリック操作については、上記式３に示すＣの時間変分Ｄ（下記式４）の大きさで判別できる。ここで、ある閾値をＤｔｈとすれば、Ｄ＞Ｄｔｈの場合にはクリック操作と判別する。このクリック操作についても、拡大操作と同様に、指先などの接近度合いをコントロールして操作することが好ましく、接近度合いのコントロールが困難な呼気による操作は不適である。
【００５２】
（数４）
Ｄ＝ｄＣ／ｄｔ  ・・・（式４）
【実施例２】
【００５３】
実施例１の非接触操作入力デバイスにおいて、二次元アレイ状センサを構成する櫛形電極（７ａ，７ｂ）として透明導電膜を用い、絶縁性基材３として透明性を有する基材を用い、このアレイ状センサを液晶画面などの表示パネルの表面の一部又は全面に積層させることにより、非接触で、直感的に操作入力可能な非接触操作入力デバイスを構築できる。
【００５４】
具体的に、アレイ状センサでは、櫛形電極（７ａ，７ｂ）として、透明導電膜のＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用い、配線は透明配線を印刷して湿度センサを作製し、アレイ状センサユニット自体が透けて見えるように、間隔を設けて湿度センサを分散させて配置する。透明性を有する絶縁性基材として、透明ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いる。
一対の電極を構成する透明導電膜の間には、湿度センサの薄膜を積層する必要があるが、間隔を設けて湿度センサを分散配置させることにより、その薄膜積層領域が１つの升目の面積に比べて領域が小さくなり、ユーザ側から表示パネルの文字が鮮明に見えるようにできる。なお、湿度センサの薄膜が透明性を有している場合には、間隔を設けて湿度センサを分散配置させる必要性はない。
【００５５】
本実施例の非接触操作入力デバイスは、図１２（１）に示すように、アレイ状センサユニット１と表示パネル１９と制御パネル１８が積層された構造になっている。図１２（２）に示すように、アレイ状センサユニット１は、複数の湿度センサが二次元配置され、各湿度センサの出力値を増幅する信号処理部を有している。制御パネル１８は、個々の湿度センサの出力信号を選択するマルチプレクサ１６と信号をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１７を備える。
また、制御パネル１８は、画面制御手段２３を有し、表示パネル１９に対して表示データを出力すると共に、判定手段２２からの信号に応じて表示データを切替える。判定手段２２は、Ａ／Ｄ変換器１７を介して、アレイ状センサユニット１から指先や呼気で操作入力されたパネル上の位置データを受け取り、表示パネル１９の当該位置に表示されている内容を、画面制御手段２３から受け取り、操作入力内容を判定する。
更に、制御パネル１８は、通信Ｉ／Ｆ２４を備え、モバイル端末などの外部機器２５との間でデータ通信を行うことができる。外部機器２５との通信により、遠隔のモバイル端末に操作入力された情報を送ることができ、或は、モバイル端末からの応答データを受信して、その内容を表示パネル１９に表示させることもできる。
【００５６】
例えば、図１３（１）に示すように、表示パネル１９に、トイレ（１９ａ）、散歩（１９ｂ）、風呂（１９ｃ）、リセット（１９ｄ）、次画面（１９ｅ）の５つの操作ボタンが表示される場合、表示パネル１９の表面に積層される透明なアレイ状センサユニット１では、図１３（２）に示すように、これらの５つの操作ボタンを操作できるように、５つの湿度センサ（Ａ１１，Ａ１３，Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３）が設けられる。５つの湿度センサ（Ａ１１，Ａ１３，Ａ２１，Ａ２２，Ａ２３）が設けられる位置は、５つの操作ボタンの表示領域の中央部に位置する分割領域内である。このように、湿度センサと表示パネル画面の配置をほぼ同じ位置にすることにより、表示パネルの画面の文字を見ながら、ユーザが指先や呼気を使って操作入力できる。
【００５７】
なお、５つの操作ボタンが表示される場合に、５つの湿度センサを設けるのではなく、個々の操作ボタンの領域内に、２つずつの湿度センサを設け、合計１０個の湿度センサを設けてもよい。この場合、２つの湿度センサの内、少なくともどちらかで湿度変化を検知した場合に、当該操作ボタンが操作入力されたと判定する。また、湿度センサの数を増やして、分割部の全てに対応させて湿度センサを配置してもよい。その場合には、表示パネルの画面配置に合わせて、検出に使用する湿度センサを選定し、選定した各湿度センサの応答に基づいて、指先の接近や呼気による応答を検出すればよい。
【００５８】
例えば、図１４（１）に示すように、ベッドに横たわる人（被介護者）が、手指の不自由な人であった場合に、非接触操作入力デバイス１０のアレイ状センサユニット上の適正な位置に呼気を吹きかけ、被介護者が要望する介護支援内容を、介護者の所有する携帯電話端末３０にデータ伝送し、介護者に伝えることが可能である。非接触操作入力デバイス１０と携帯電話端末３０とは、双方向の無線通信３１を行う。例えば、図１４（２）に示すように、携帯電話端末３０の表示画面上に「トイレ」といった被介護者の要望する支援内容を表示するだけでなく、要望に対応できることを被介護者に知らせるために、介護者が携帯電話端末３０の画面に表示された「ＯＫ」ボタンを操作して、非接触操作入力デバイス１０の表示画面上に、「しばらくお待ちください。間もなく行きます。」とメッセージを表示することもできる。
【００５９】
本実施例における表示パネルの「トイレ」、「散歩」、「風呂」といった表示内容は、被介護者の要望する支援内容に合わせて、表示画面を任意に変更することも可能である。本実施例では、「トイレ」、「散歩」、「風呂」の３つの要望に対応できるように画面を構成しているが、アレイ状センサユニットの湿度センサの配置等を変更すれば、要望数を更に増加させることも可能である。また、「次画面」の操作ボタンの辺りに呼気をあて、画面が切り換わるようにもできる。「リセット」の操作ボタンは、操作入力が間違った場合に、操作入力の取消を行うためのものである。
非接触操作入力デバイス１０は、呼気による反応の検知だけでなく、被介護者の指先の接近又は接触による反応の検知も可能である。なお、非接触操作入力デバイス１０は、ベッドの横に取付ける以外に、例えば、車椅子への取付け、天井から吊り下げて取付け等、用途に応じて様々な取付けの仕方を任意に選択できる。
【実施例３】
【００６０】
非接触操作入力デバイスにおいて、アレイ状センサユニットを表示パネルの一部に積層させる場合の具体例を２つ挙げる。この場合、アレイ状センサの薄膜、電極、絶縁性基材が透明であることは必要ではないが、透明であってもよい。
図１５（１）に示す例は、３つの湿度センサ（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が一列に並んだ一次元アレイ状センサユニット４１を、表示パネル４６の一部に積層させた非接触操作入力デバイスである。表示パネル４６は、液晶パネルなど画面表示できるものではなく、「○○○」、「ＸＸＸ」、「△△△」の文字表記と仕切り線（１３ａ，１３ｂ）があり、更にＬＥＤ（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が設けられている。仕切り線（１３ａ，１３ｂ）は、アレイ状センサユニット４１にも描かれている。各々の湿度センサ（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）の上方に、「○○○」、「ＸＸＸ」、「△△△」の表記があり、更にその上方にＬＥＤ（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が位置する。「○○○」、「ＸＸＸ」、「△△△」といった表記は、例えば、異常、開始、停止など任意に設定することができる。この例は３つのスイッチがある操作入力デバイスに該当する。
ユーザは、これらの表記に対応した操作を行いたい場合は、「○○○」、「ＸＸＸ」、「△△△」といった表記の下方に位置する湿度センサに指先を接近させるか、呼気を吹きかければよい。湿度センサが反応すれば、その応答として、表記の上方に位置するＬＥＤが点灯する。例えば、「○○○」が“異常”といった表記であり、ユーザが“異常”を操作入力したい場合、湿度センサ１１ａに対して呼気を吹きかける。すると、湿度センサ１１ａが反応してＬＥＤ１２ａが点灯する。
【００６１】
また、図１５（２）に示す例は、４つの湿度センサ（１１ａ〜１１ｄ）が上下左右に配置された二次元アレイ状センサユニット４２を表示パネル４７の一部に積層させた非接触操作入力デバイスである。表示パネル４７には、各々の湿度センサ（１１ａ〜１１ｄ）の近傍に、「上」、「下」、「左」、「右」といった文字表記と仕切り線（１３ａ，１３ｂ）があり、更にＬＥＤ（１２ａ〜１２ｄ）が設けられている。仕切り線（１３ａ，１３ｂ）は、アレイ状センサユニット４２にも描かれている。「上」、「下」、「左」、「右」といった文字表記は、他の文字に任意に設定できる。この例は４つのスイッチがある操作入力デバイスに該当する。
ユーザは、「上」、「下」、「左」、「右」といった文字表記に対応した操作を行いたい場合は、表記の近傍の湿度センサに指先を接近させるか、呼気を吹きかければよい。湿度センサが反応すれば、その応答として、ＬＥＤ（１２ａ〜１２ｄ）が点灯する。例えば、ユーザが“上”を操作入力したい場合、湿度センサ１１ａに対して呼気を吹きかける。すると、湿度センサ１１ａが反応してＬＥＤ１２ａが点灯する。
【００６２】
図１５に示す例は、非接触操作入力デバイス自体をコンパクトに設計したものである。そのため、例えば、ヘッドフォンマイクに取り付け、ウェアラブルコンピュータの操作入力デバイスとして活用できる可能性がある。
【００６３】
本発明の非接触操作入力デバイスは、例えば、作業現場のラインで活用できる。作業現場のフリーフローラインでは、作業が終了した場合に、作業者が操作盤上のスイッチを押して、或は、フットスイッチを押すことにより、作業の終了を入力し、次のパレットが流れるというような仕組みがある。フリーフローラインでは、パレット上で作業を行うが、その他に、作業者は、問題が発生した場合やトイレに行く際など、ボタン等を押して、監督者に異常状態や補助の依頼状態を知らせる必要がある。また、異常状態を知らせる場合、異常内容が監督者にわかれば、異常への対応が早くなる。
【００６４】
このようなフリーフローラインにおいて、本発明の非接触操作入力デバイスを用いると、作業終了と同時に呼気を使って、次のパレットが流すことができ、殆どロスなく、次の作業に取り掛かることができる。例えば、１つの作業が１０秒で終わり、操作盤上のスイッチを押す作業に１秒かかっていた場合には、本発明の非接触操作入力デバイスを使うことで、スイッチを押す作業を無くすことが可能である。また、本発明の非接触操作入力デバイスでは、湿度センサを複数設けることから、作業者が所定の呼気場所に呼気を吹きかければ、異常の種類やトイレの為の作業者支援等の要望を外部に知らせることができる。
例えば、下記表１に示すパネルがあり、各作業者の非接触操作入力デバイスからの出力データを表示させることにより、監督者が作業者の異常状態や補助の依頼状態を確認できる。下記表１に示すパネルでは、作業者Ｂが異常であることが確認できる。
【００６５】
【表１】
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【００６６】
上記の他、機械操作や動作を起こさせる場合には、操作者の一方又は両方の手を使って、動作の操作をさせる場合がある。操作中に、よく使う操作盤上の機能を、本発明の非接触操作入力デバイス上に配置する。操作中に、非接触操作入力デバイスに対して、手を使わずに、操作を止めることなく、操作入力を行える。
非接触操作入力デバイスに、「非常停止」、「一時停止」、「解除」の３つのボタンを配置した場合、機械操作を実施中に、非常停止や一時停止やその解除の操作を、呼気の吹きかけにより操作入力できる。このように、非接触操作入力デバイスを用いることにより、操作をスムーズに行うことができる。
【００６７】
また、例えば、ゲームセンターでのジョイスティックの近傍に設けられるボタンの操作入力を、本発明の非接触操作入力デバイスで代用することも可能である。ジョイスティックは、近傍に別の操作ボタンがあり、それを押すことにより、複雑な操作ができるようになっている。更に複雑な操作を、指を使うことなく、操作者が装着した非接触操作入力デバイスを用いることにより、指示や動作を時間遅れなく行うことができる。特に、手の指でジョイスティックを使って、操作を行っていると、腱鞘炎になる場合も多いが、本発明の非接触操作入力デバイスを用いて呼気により操作することで、そのようなリスクを低減できる。非接触操作入力デバイスに役割を決めてゲーム操作を呼気の吹きかけにより実施することにより、手指が不自由なユーザであってもゲーム操作を行うことができる。
【実施例４】
【００６８】
非接触操作入力デバイスにおいて、アレイ状センサが二次元に配列されたものが、掌形認識デバイスとして用いられる例について説明する。
図１６に示すように、アレイ状センサユニット５０に掌４ｂを接近させた場合や接触させた場合には、掌４ｂに接近又は接触した湿度センサ２ａの出力値は、他の湿度センサ２ｂよりも大きくなり、出力値をＯＮデータとして扱うことができる。すなわち、アレイ状センサユニット５０に掌４ｂを接近させた場合や接触させた場合には、ＯＮ／ＯＦＦデータとして情報を取得できる。湿度センサの配置密度を高めることにより、接触部分や接近部分の形状を精度よく認識でき、掌形認識デバイスとして利用できる。
取得したＯＮ／ＯＦＦデータを用いて、認識した形状を表示パネルにグラフィカル表示することも可能である。図１６で示す湿度センサの微細化が進むと、掌形認識の精度が更に向上する。
【実施例５】
【００６９】
本発明の非接触操作入力デバイスにおけるアレイ状センサに用いる湿度センサの２種類の実施形態について説明する。アレイ状センサに用いる湿度センサは、湿度変化にリアルタイムに反応してシート抵抗が変化する薄膜と、薄膜に電圧を印加する一対の電極と、薄膜と電極を積層し実装する絶縁性基材とから構成される。
絶縁性基材として市販のポリイミドフィルム（２０ｍｍ角、厚さ１２５μｍ）を使用し、ポリイミドフィルムの上に、櫛形電極を形成する。櫛形電極は、チャネル長が１００μｍ（すなわち、電極間隔が１００μｍ）、電極重なり幅が４ｍｍ、電極幅が１００μｍで１０対の構造とし、メタルマスク蒸着によりアルミニウム（Ａｌ）電極を形成させる。そして、電極両端をマスクして、濃度０．５ｍｇ／ｍＬ、５００μＬのシリカナノ粒子コロイド（粒子径４〜６ｎｍ）溶液をドロップコートにより絶縁性基材および電極全体に塗布し、窒素ブローにより水分を除去した後、１００℃で１分間加熱乾燥して、シリカナノ粒子薄膜を形成し、湿度センサを作製した。このシリカナノ粒子薄膜の湿度センサを用いたアレイ状センサを実施例５Ａとする。
【００７０】
また、櫛形電極として、上記と同様に、チャネル長が１００μｍ、電極重なり幅が４ｍｍ、電極幅が１００μｍで１０対の構造とし、メタルマスク蒸着によりＴｉ／Ａｕ電極を形成させ、電極両端をマスクして、濃度０．５ｍｇ／ｍＬ、１０μＬのシリコンナノ結晶コロイド（粒子径７ｎｍ）溶液をスピンコートにより絶縁性基材および電極全体に塗布し、ホウ素（Ｂ）とリン（Ｐ）の両方がドーピングされたシリコンナノ結晶薄膜を形成し、湿度センサを作製した。このシリコンナノ結晶薄膜の湿度センサを用いたアレイ状センサを実施例５Ｂとする。
【００７１】
ここで、シリカナノ粒子コロイド溶液とシリコンナノ結晶コロイド溶液の調製処理について説明する。シリカナノ粒子コロイド溶液は、例えば、市販のスノーテックス（登録商標）ＳＴ−ＸＳ（日産化学工業株式会社製）を使用できる。シリカナノ粒子コロイド溶液を、濃度０．５ｍｇ／ｍＬとなるように、純水と混ぜて調製する。
【００７２】
一方、シリコンナノ結晶コロイド溶液の調製処理は、まず高周波スパッタリング法 （Radio Frequency Sputtering）を用いて、ボロンリンシリケートガラス（ＢＰＳＧ：Boron Phosphorus Silicate Glass）膜を作製し、作製したＢＰＳＧ膜に対して、窒素雰囲気で１１００もしくは１２００℃で３０分間、アニール処理を施して、ＢＰＳＧ膜中にシリコンナノ結晶を結晶成長させる。ＢＰＳＧ膜を作製した時点で、既にＢＰＳＧ膜中にホウ素とリンが入っているが、ＢＰＳＧ膜のアニール処理中に、シリコンナノ結晶がＢＰＳＧ膜中に形成される過程において、ホウ素とリンがシリコンナノ結晶に同時に取り込まれる。次に、ＢＰＳＧ層をフッ化水素酸（ＨＦ）で除去し、ホウ素とリンが同時にドーピングされたシリコンナノ結晶を取り出す。その後、メタノール（ＭｅＯＨ）に溶媒を置換して、シリコンナノ結晶が個々に分散したシリコンナノ結晶コロイド溶液を調製する。調製したシリコンナノ結晶コロイド溶液を絶縁性基材に塗布してシリコンナノ結晶薄膜を作製する。なお、本実施例では、シリコンナノ結晶に対して、ホウ素とリンを同時にドーピングしたが、ホウ素又はリンの何れかだけをドーピングしてもよい。
【００７３】
まず、シリカナノ粒子薄膜の湿度センサを３×２のマトリックスに配列させたアレイ状センサ（実施例５Ａ）を用いて、呼気の吹きかけによる操作入力の応答性について行った実験データについて説明する。
アレイ状センサに対して呼気のあたる位置は、プラスチック製のストローを用いて呼気を吹き付けることによって制御した。湿度センサに対して、呼気のあたる位置とセンサの応答性の関係について図１７に示す。湿度センサから２０ｍｍ程度、横にずらした場合では湿度センサの出力の応答性が悪くなることがわかる。この結果から、湿度センサから外側に大凡１０ｍｍ外れた領域であれば、当該領域にあたった呼気をセンシングできることがわかった。
また、実施例５Ａのアレイ状センサに対して、センサと口との距離を変えて、同じ位置に呼気を５回吹き付け、センサの反応を計測した。センサと口との距離と応答性の関係について図１８に示す。口から１０ｃｍの位置ではセンサは反応したが、口から１５ｃｍの位置ではセンサの反応が小さかった。この結果から、口から１０ｃｍ離した位置付近にアレイ状センサを設置する必要があることがわかった。
また、実施例５Ａのアレイ状センサに対して、呼気の強弱によるセンサの応答性の変化を確認したところ、口から１０ｃｍの位置と１５ｃｍの位置の双方とも、デバイスの応答性は同程度であり、呼気の強弱はセンサの出力に関係しないことがわかった。
【００７４】
また、シリカナノ粒子薄膜の湿度センサにおいて、シリカナノ粒子薄膜の膜厚を制御して、薄い膜を形成すれば、応答のリアルタイム性が非常に高いことがわかった。スピンコートの回転数と時間を制御して薄い膜を形成させ、形成した膜に対して、湿った窒素ガスを周期的に吹き付けて実験を行い、応答性を確認したところ、図１９（１）に示すデータが得られた。
実験は、ロックインアンプとファンクションジェネレータ（信号発生器）を組合せ、シリカナノ粒子薄膜の湿度センサに対して、１０Ｖp-p，３００Ｈｚの交流電圧を印加して、周期的にチョッピングした窒素と水蒸気の混合気体（Ｎ２／Ｈ２Ｏガス）を用いて、試料の電流値を１０６ゲインの電流入力でロックイン計測した。
図１９（２）に示す３Ｈｚのデータの結果から、応答時間を見積ると、反応時間が２３（ｍｓｅｃ）であり、復帰時間が３６（ｍｓｅｃ）であった。図１９に示すデータの結果から、シリカナノ粒子薄膜の湿度センサにおいて、膜厚を制御することにより、１０Ｈｚ程度のリアルタイムな応答性を備えることが示された。
【００７５】
次に、実施例５Ｂのアレイ状センサ（シリコンナノ結晶薄膜の湿度センサ）を用いて、指先の接近と呼気の吹きかけによる操作入力の応答性について行った実験データについて説明する。
ロックインアンプとファンクションジェネレータ（信号発生器）を組合せ、シリコンナノ結晶薄膜の湿度センサに対して、５Ｖp-p，１５０Ｈｚの交流電圧を印加して、周期的にチョッピングした窒素と水蒸気の混合気体（Ｎ２／Ｈ２Ｏガス）を用いて、試料の電流値を１０６ゲインの電流入力でロックイン計測した。図２０に示す測定結果は、３，９，１４（Ｈｚ）の３種類の周波数のパルス電圧信号による電流値の応答性を示している。図２０（１）〜（３）の周波数応答のグラフから、作製したシリコンナノ結晶薄膜の湿度センサでは、電流値の応答速さは、呼気の湿度１０％の変化に対して少なくとも１０Ｈｚ以上の周波数応答特性を有することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の非接触操作入力デバイスでは、呼気や、指先などのように水分蒸散が行われるもので、非接触に操作入力が可能であり、ポインティング操作や移動操作を１本又は複数本の指で行え、多機能化したタッチパネルとしての利用が期待できる。手指が不自由な場合においても、呼気を吹きかけることにより操作入力が可能であり、病院や介護施設におけるコミュニケーションシステムとして利用が期待できる。
【符号の説明】
【００７７】
１，４１，４２，５０  アレイ状センサユニット
２，２ａ〜２ｉ  湿度センサ
３  絶縁性基材
４ａ  指
４ｂ  掌
５  保護膜
６  薄膜
７ａ，７ｂ  櫛形電極
８ａ  回路ブロック
８ｂ  増幅回路
９  ナノ粒子
１０  非接触操作入力デバイス
１１ａ〜１１ｄ  湿度センサ
１２ａ〜１２ｄ  ＬＥＤ（発光ダイオード）
１３ａ，１３ｂ  仕切り線
１４  信号処理部
１５，１５ｂ  センサ計測装置
１６  マルチプレクサ
１７  Ａ／Ｄ変換器
１８  制御パネル
１９，４６，４７  表示パネル
１９ａ〜１９ｅ  操作ボタン
２０  電源
２２  判定手段
２３  画面制御手段
２４  通信Ｉ／Ｆ
２５  外部機器
３０  携帯電話端末
３１  無線通信
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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