【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばロボット玩具、ＰＤＡ、携帯電話機、ビデオカメラなどの電子機器に係わり、特に手や指など人体の一部が接近し、または接触したこと検出するタッチセンサを備えた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のタッチセンサを有する電子機器の従来技術としては、例えば特許文献１に記載された発明が存在する。
【０００３】
前記特許文献１には、頭部の上面に押し下げ可能なカバー部材が設けられており、このカバー部材の下部にタッチセンサ（タクトスイッチ）を配置したロボット玩具が開示されている。
【０００４】
特許文献１に記載されたロボット玩具では、前記カバー部材を押圧すると、前記タクトスイッチがＯＮに設定させられる。 このとき、前記タクトスイッチが感知する頭部の押圧操作の有無及び押圧操作の仕方などにより、気分値カウンターのカウントアップ、カウントダウンが行われ、前記気分値カウンターのカウント値に基づいて感情レベルが設定される。 そして、その感情レベルによって音声出力手段、感情表現手段、作動手段を制御し、玩具の感情、気分を声、目、動作などで表現することが可能となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−６６１５５号公報【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１に記載されたロボット玩具では、タッチセンサとして機械式のタクトスイッチを採用した関係上、前記タクトスイッチの操作性の向上と、その隠蔽のために頭部にカバー部材が設けられており、このためロボット玩具を構成する部品点数が増えるとともにコストの高騰を招くという問題がある。
【０００７】
また、このようなカバー部材は、モデルとなっている本来の動物には存在しないものであるため、ロボット玩具のデザイン性に欠けることになる。 しかもロボット玩具の感情表現をさらに豊かにしようとすると、タッチセンサの数を増加する必要が生じるが、むやみに前記のようなタクトスイッチをロボット玩具本体に設けると、ロボット玩具のデザイン性を損ねてしまうといった問題もある。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、ロボット玩具などの電子機器の外部から直接見えることがなく、しかも電子機器の外観を形成する筐体に人体が接近または接触したときに、その状態を検知できるタッチセンサを有する電子機器を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、筐体に人体が接近または接触したことを検知できるタッチセンサが設けられた電子機器において、前記タッチセンサは、前記筐体の外表面から筐体内方へ距離を隔てて設けられた所定面積の電極と、前記筐体の外表面に人体が接近または接触したときの容量変化を前記電極から検出する検出手段とが設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の電子機器では、電子機器の外形を形成する筐体の内部にタッチセンサの本体を取り付けることができるため、外部から見たときにタッチセンサの存在を隠すことができる。 また電子機器の筐体の表面に余計な突起物や変色部分等が形成されることがないため、筐体表面のデザインの自由度を高めることができるとともに、操作性を高めることができる。 よって、例えば動物を模したロボット玩具などでは、その動物を忠実に再現できるようになり、リアリティの高い動物型のロボット玩具を提供できるようになる。 ただし、前記突起物や変色部分等が、電子機器の筐体の表面に形成されることを妨げるものではなく、前記突起物や変色部分等を設けるか否かはそれぞれの電子機器のデザインに応じて対応可能である。
【００１１】
上記において、前記検出手段は、クロック信号を発生するクロック信号生成手段と、前記筐体の外表面に人体が接近または接触したときに前記電極で検知される容量に応じて前記クロック信号に立ち上がりの遅延を与える遅延手段と、前記遅延手段を経由しない前記クロック信号を基準として、遅延が与えられた遅延量に応じた信号を生成する手段と、前記変化量に応じた信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、を有するものとして構成できる。
【００１２】
上記手段では、少ない部品点数でタッチセンサを簡単に構成することができる。 よって、電子機器のコストダウンを推進することが可能となる。
【００１３】
前記検出手段により、前記電極と前記人体との対向面積の変化を検出できるものである。
【００１４】
さらには、前記検出手段により、前記電極と前記人体とが対向した時間を検出できるものである。
【００１５】
また、前記電極が複数設けられて、それぞれの電極毎に個別に設けられた前記遅延手段と、共通のクロック信号を基準として、それぞれの遅延手段を経た信号の遅延量に応じた信号を各電極毎に個別に生成する前記手段が設けられているものである。
【００１６】
上記手段では、筐体の内面が複雑な形状の場合でも対向電極を小分けして取り付けることができるとともに、小分けしない場合同様に手や指の移動を検出することが可能となる。
【００１７】
なお、前記電極は、その各部分が筐体の外表面と等距離となるように、前記外表面の形状に倣うように配置されているものとして構成することもできる。
【００１８】
また、本発明の電子機器は、前記筐体が玩具の外形を形成し、前記電極が設けられている部分での前記筐体の外表面が、人体の接触部とされているものにおいて特に有用である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のタッチセンサを有する電子機器の第１の実施の形態として人形型のロボット玩具の頭部を示しており、Ａはロボット玩具の斜視図，Ｂはロボット玩具の断面図である。 図２は前記タッチセンサの具体的な構成を示す回路構成図、図３は図２の回路図の各部における信号を示しており、ＡはＡＮＤ回路の一方の入力部に入力されるクロック信号、ＢはＡＮＤ回路の他方の入力部に入力される信号遅延手段からの出力信号、ＣはＡＮＤ回路の出力信号、Ｄは平滑手段の出力信号を示している。 また実線は静電容量Ｃが大きい場合、点線は静電容量Ｃが小さい場合を示している。
【００２０】
図１Ａ，Ｂに示すように、本発明の電子機器の一例であるロボット玩具２は、前頭部にタッチセンサ１を備えている。 前記タッチセンサ１は所定面積の対向電極３を有しており、この対向電極３がロボット玩具２の外形を形成している筐体２Ａの内面に固定されている。 前記対向電極３は、例えばシート状の薄い銅板などの導電性の金属板で形成されており、図１では前頭部の筐体２Ａの内面に沿うやや広い面積で設けられている。 前記対向電極３は極めて薄いフィルム状に形成したものが好ましく、この場合には筐体２Ａの様々な曲線形状に対応させつつ前記筐体２Ａの内部に対向電極３を確実に固定することが可能である。
【００２１】
また前記筐体２Ａは、金属以外で誘電率εが高い材料で形成されたものが好ましく、例えばプラスチックなどの合成樹脂である。
【００２２】
なお、前記電子機器の種類は、例えば人間型または人以外の動物型のロボット玩具、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ；情報携帯端末）、携帯電話機、ビデオカメラなどである。 また前記第１の実施の形態において、タッチセンサ１を取り付ける場所は、これらロボット玩具の前頭部、後頭部、顔、背部、腹部、腕部、脚部などどのような場所であってもよい。 また一箇所にのみ設けられていてもよく、複数の箇所に設けられているものであってもよい。
【００２３】
また、前記対向電極３は、筐体２Ａの外面に現れておらず、外部から目視することができない。 ただし、前記対向電極３は、筐体２Ａの外表面から内側に間隔を開けて配置されていればよく、例えば対向電極が外表面に現れないように筐体２Ａの内部に埋め込まれていてもよい。 いずれにせよ、前記対向電極３は、その面積内の各部分が筐体２Ａの外表面と等距離となるように、外表面の曲面形状に倣うようにして配置されていることが好ましい。
【００２４】
前記対向電極３は図２に示す回路の一部を構成しており、前記対向電極３と対向する筐体２Ａの表面に人の手や指など人体４の一部が接近したり、または接触すると、前記人体４と前記対向電極３との間に静電容量Ｃが形成される。 すなわち、本発明では前記手や指などの人体４の一部が、前記対向電極３との間で静電容量Ｃを形成する電極として機能する。
【００２５】
前記静電容量Ｃは、対向電極３と人体４の間の対向面積Ｓや対向距離ｄによって変化させられるため、この実施の形態では前記対向電極３と人体４とが可変容量部５を形成している。
【００２６】
図２に示すように、前記ロボット玩具２の内部にはクロック信号生成手段６、信号遅延手段７および遅延信号検出手段８とで構成され、且つ容量変化を検出する検出手段が設けられている。
【００２７】
前記クロック信号生成手段６は、所定の周波数からなる規則的なパルス信号を連続的に出力するものである。 前記信号遅延手段７は、前記可変容量部５と前記クロック信号生成手段６との間に接続された抵抗Ｒとで構成されている。 また遅延信号検出手段８は、ＡＮＤ回路８Ａとその後段に設けられた抵抗とコンデンサからなる平滑手段８Ｂで形成されている。 前記ＡＮＤ回路８Ａの入力部８ａ，８ｂには、前記クロック信号生成手段６の出力であるクロック信号ＣＫ（信号遅延手段７を経由しないクロック信号）と、前記信号遅延手段７を経由した出力とが入力されており、このＡＮＤ回路８Ａの出力が前記平滑手段８Ｂに入力されている。
【００２８】
そして、前記検出手段の最終段、すなわち遅延信号検出手段８の平滑手段８Ｂの後段には、例えば８ビットのＡ／Ｄ変換手段９が接続されている。 前記Ａ／Ｄ変換手段９は、所定のサンプリング周期で前記平滑手段８Ｂの出力電圧Ｖｏを検出してディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７として出力し、これをロボット玩具２の内部に設けられた制御部１０に送る。
【００２９】
前記制御部１０は、ＣＰＵを主体として構成されており、タッチセンサ１以外にも、例えば視覚センサ（ＣＣＤカメラ等）、聴覚センサ（マイク）、臭覚センサなど（図示せず）から各種の情報を得ると、それに応じた所定のリアクション動作を行うようにプログラミングされている。 前記リアクション動作としては、例えばロボット玩具２内に設けられる図示しないモータやソレノイド等を駆動させることにより、ロボット玩具２の目を瞬かせる、泣き声や笑い声を発する、あるいは手足を動かすなどである。
【００３０】
前記タッチセンサ１では、ロボット玩具２の前頭部に人間の手や指などの人体４を接近させる、または触れるなどの動作を行うと、前記可変容量部５の静電容量Ｃが変化させられる。
【００３１】
ここで、可変容量部５の静電容量Ｃは、数１の一般式で示すことができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ただし、εは筐体の誘電率、Ｓは対向電極と人体間の対向面積、ｄは電極間の対向距離である。 なお、ここでは前記誘電率εは一定である。
【００３４】
前記クロック信号生成手段６から図３Ａに示すような振幅電圧Ｖｃｃの所定の周波数からなるクロック信号ＣＫが、前記ＡＮＤ回路８Ａおよび信号遅延手段７に出力されている状態において、例えば手の平全体を前記ロボット玩具２の前頭部に当てがうなど、人体４と対向電極３との対向面積Ｓを広くした状態で接近または接触させた場合は、前記対向距離ｄが小さく且つ対向面積Ｓが大きくなるため、前記数１より可変容量部５の静電容量Ｃが大きくなる。 よって、信号遅延手段７の抵抗Ｒと静電容量Ｃの積で規定される時定数ＣＲが大きくなるため、前記信号遅延手段７の出力は図３Ｂに実線で示すような三角波状の信号Ｓａとなる。 よって、前記ＡＮＤ回路８Ａの出力（論理積）は、図３Ｃに実線に示すようなパルス幅ｔａのパルス波形となる。 なお、ここではＡＮＤ回路８ＡにおけるＨレベルとＬレベルのしきい値ＳＬをＶｃｃ／２としている。
【００３５】
一方、ロボット玩具２の前頭部に対する対向面積Ｓが小さくなるように、例えば指の先などを接近させ、または接触させた場合には、前記対向距離ｄおよび対向面積Ｓの双方が小さくなるため、前記数１より可変容量部５の静電容量Ｃは対向面積Ｓが前記広くした状態に比べて小さくなる。 よって、前記時定数ＣＲも小さく、前記信号遅延手段７の出力は図３Ｂに点線で示すような波形Ｓｂとなる。 よって、前記ＡＮＤ回路８Ａの出力（論理積）は、図３Ｃの点線に示すように、パルス幅ｔｂのパルス波形となる。
【００３６】
ここで、前記静電容量Ｃが小さい場合のパルス幅ｔａと静電容量Ｃが大きい場合のｔｂとは、ｔａ＜ｔｂの関係にある。 よって、平滑手段８Ｂの出力電圧Ｖｏは、対向面積Ｓを小さくして接触させた場合（静電容量Ｃが小さい場合）の出力電圧Ｖｂの方が、対向面積Ｓを大きくして接触させた場合（静電容量Ｃが大きい場合）の出力電圧Ｖａよりも大きな値（Ｖａ＜Ｖｂ）として出力される。
【００３７】
前記平滑手段８Ｂの出力電圧ＶａやＶｂは、前記Ａ／Ｄ変換手段９によってディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７に変換されて前記制御部１０に送られる。 前記制御部１０では、前記ディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７を監視することにより、ロボット玩具２に与えられた操作の状態、すなわち手の平全体で触れたのか、あるいは指先などで触れたのかを判断することが可能となる。 またディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７の時間的な変化から、人体の一部が接近または接触していた時間を検出することもできる。
【００３８】
そして、例えば前記制御部１０は、対向面積Ｓが小さく、触れていた時間も短時間であると判断した場合には、ロボット玩具２の前頭部が叩かれたものとし、例えばロボット玩具２に泣き声を発するなどのリアクション動作を行わせる。
【００３９】
このように制御部１０が前頭部に対して行われた操作時間の検出が可能であるということは、前記タッチセンサがＯＮ／ＯＦＦのスイッチ機能を有していることを意味している。 よって、例えば、制御部１０は、出力電圧Ｖｏが所定の時間以上のある一定のレベルを示した場合は、ユーザーがロボット玩具２で遊ぼうとしているものと判断し、内部に組み込まれているプログラミングが実行されるようにすることなどが可能である。
【００４０】
さらに人体４を前頭部に沿って左右または上下方向に移動させると、前記対向面積Ｓが変化するため、可変容量部５の静電容量Ｃが増加または減少させられる。 このとき、前記信号遅延手段７の出力が、図３Ｂの実線の三角波状の信号Ｓａから点線の波形Ｓｂの方向に、または点線の波形Ｓｂから実線の三角波状の信号Ｓａの方向に変化させられるため、図３Ｃに示すパルス波形のパルス幅も増加または減少させられる。 よって、平滑手段８Ｂの出力電圧Ｖｏも増加する方向または減少する方向に変位させられるため、制御部１０はＡ／Ｄ変換手段９のディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７の時間的な変動を検出することにより、人体４が移動したことを検出することが可能となる。 この場合、制御部１０は頭が撫でる操作が行われたものと判断し、例えばロボット玩具２に笑い声を発するなどのリアクション動作を行わせることができる。
【００４１】
上記第１の実施の形態では、電子機器であるロボット玩具２の前頭部のほぼ全域に広い面積で対向電極３を配置しているが、常にこのような広い面積で対向電極を配置できるとは限らない。 すなわち、電子機器の形状によっては、対向電極を取り付ける筐体２Ａの内面が複雑な形状であったり、電子機器の表面に他の部材を設ける必要性などのスペース的な事情により、前記対向電極３を広い面積の状態でそのまま取り付けることが困難な場合が想定される。 この場合、対向面積Ｓが小さくなるため、前記時定数ＣＲが小さくなり、所望の波形を得ることができず、よってタッチセンサ１の検出精度が低下しやすくなる。 そこで、以下にはこのような場合にも対応可能なタッチセンサを第２の実施の形態として説明する。
【００４２】
図４はタッチセンサの第２の実施の形態としてロボット玩具の頭部を示す平面図、図５は複数のタッチセンサが設けられた場合の回路構成図である。
【００４３】
図４に示すように、ロボット玩具２の頭部の内面には、複数の対向電極１３（個々の対向電極を１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆで示す）が一定のピッチで同一円周上に並べられている。 前記複数の対向電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの面積の総和は、第１の実施の形態の対向電極３の面積と同じか、それ以上に設定されている。 このように、対向電極１３を小分けすると、個々の対向電極の面積を小さくすることができるため、筐体２Ａの内部が多少複雑な形状であったり、電子機器の表面のスペース的な事情に応じて、各対向電極１３ａないし１３ｆを取り付けることができる。
【００４４】
前記対向電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆは図５に示す回路の一部を構成している。 図５に示す回路は、上記図２に示した回路を複数並べた構成である。 すなわち、各対向電極１３ａないし１３ｆごとに遅延信号検出手段８（ＡＮＤ回路８Ａと平滑手段８Ｂ）とＡ／Ｄ変換手段９（個々のＡ／Ｄ変換手段を９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆで示す）が設けられている。 ただし、クロック信号生成手段６は１ヶである。
【００４５】
第２の実施の形態のロボット玩具に示されるタッチセンサでは、前記いずれかの対向電極１３ａないし１３ｆに人体４を接近または接触させると、それに対応するＡ／Ｄ変換手段９ａないし９ｆから上記のようなディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７がそれぞれ出力される。
【００４６】
よって、例えば各Ａ／Ｄ変換手段９ａないし９ｆからそれぞれ出力されるディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７を加算すると、人体４が対向電極１３ａないし１３ｆの総面積のうち、どの程度の面積と対向しているかを検出することが可能である。 また手や指などの人体４を頭部に対向させた状態で、左右方向または前後方向に移動させた場合には、人体４の移動に応じて個々の対向電極１３ａないし１３ｆの対向面積Ｓを時間的に変化させることができる。 よって、制御部１０が、各Ａ／Ｄ変換手段９ａないし９ｆのディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７の変化の状況を解析することにより、人体４がロボット玩具２の頭部に対して行った操作の状況を類推することが可能である。
【００４７】
例えばロボット玩具２の頭部に触れた手や指などの人体４を、対向電極１３が並べられた円周に沿って対向電極１３ａ→対向電極１３ｂ→対向電極１３ｃ→対向電極１３ｄ→対向電極１３ｅ→対向電極１３ｆ→対向電極１３ａ・・・のように反時計回り方向に、またはこれとは逆の時計回り方向に移動させると、各信号遅延手段７の可変容量部５の静電容量Ｃをその回転方向に応じて順番に変位させることができる。
【００４８】
よって、制御部１０は、各Ａ／Ｄ変換手段９ａないし９ｆの各ディジタル出力Ｄ０〜Ｄ７を順次検知することにより、各静電容量Ｃの変動を検出することができ、ロボット玩具２の頭部が操作されたとものと判断することが可能である。 しかも、各静電容量Ｃが変動する順番から、時計回り方向に操作されたか、または反時計回り方向に操作されたかを検知することもできる。
【００４９】
このように、小面積からなる対向電極を筐体の内面に配置する構成とすることによっても、上記第１の実施の形態と同様の機能を発揮することが可能である。
【００５０】
また上記においては、突起などの障害物がロボット玩具２の頭部に表出されない構成とすることが可能である。 よって、人体４を時計回り方向または反時計回り方向へ移動させた際に、その移動を前記障害物によつて邪魔されることがないため、操作性を向上させることができる。
【００５１】
なお、上記の第２の実施の形態では、複数の対向電極１３を同一円周上に配置したもので説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば直線上に所定の間隔を置いて配置したもの、あるいはＳ字カーブに沿って配置したものなど様々な配置形態が可能である。 したがって、タッチセンサの対向電極を、例えば上記ロボット玩具２の背部、腹部、腕部、あるいは脚部などに配置することができる。
【００５２】
またタッチセンサ１をロボット玩具以外のその他の電子機器、例えばＰＤＡ、携帯電話機、ビデオカメラなどの電子機器の内部に設けることも可能である。 この場合、前記ＰＤＡや携帯電話機などでは、前記タッチセンサに出力に応じて表示画面のスクロール操作やメニュー操作を可能とすることができ、またビデオカメラなどにおいてはカメラのズーム操作などを行わせることが可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明では、外部から電子機器を見たときに内部に設けられたタッチセンサの存在を隠すことができる。 よって電子機器の外形を形成する筐体の表面に対するデザイン性を向上させることができる。
【００５４】
またタッチセンサを少ない部品点数で簡単に構成することができるため、電子機器全体のコストを低減することができる。
【００５５】
さらに、対向電極を小分けして配置することが可能となるため、筐体内面の取付部の形状が複雑であたり、電子機器の表面のスペース的な事情に応じて取り付けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタッチセンサを有する電子機器の第１の実施の形態として人形型のロボット玩具の頭部を示しており、Ａはロボット玩具の斜視図，Ｂはロボット玩具の断面図、
【図２】タッチセンサの具体的な構成を示す回路構成図、
【図３】図２の回路図の各部における信号を示しており、ＡはＡＮＤ回路の一方の入力部に入力されるクロック信号、ＢはＡＮＤ回路の他方の入力部に入力される信号遅延手段からの出力信号、ＣはＡＮＤ回路の出力信号（論理積）、Ｄは平滑手段の出力信号、
【図４】タッチセンサの第２の実施の形態としてロボット玩具の頭部を示す平面図、
【図５】複数のタッチセンサが設けられた場合の回路構成図、
【符号の説明】
１ タッチセンサ２ ロボット玩具（電子機器）
２Ａ 筐体３ 対向電極４ 手や指などの人体（電極）
５ 可変容量部６ クロック信号生成手段７ 信号遅延手段８ 遅延信号検出手段８Ａ ＡＮＤ回路８Ｂ 平滑手段９ Ａ／Ｄ変換手段１０ 制御部１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ 対向電極
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