JP3525367B2 - タッチレススイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で物体の検出を
行うスイッチに関し、詳しくは、キーの選択を指で行う
とともに非接触でキーの選択を行う住宅設備機器の操作
スイッチとして好適なタッチレススイッチに関する。

【０００Ｚ】

【従来の技術】住宅設備機器の操作スイッチは、濡れた
手で操作することがあるため、また、衛生面から言って
も、非接触式のスイッチが望ましい。特に不特定多数の
人が操作する公衆の設備においてはそうである。従来、
公衆便所等において、非接触で人間または人間の手を検
出するスイッチは、検出素子として、焦電センサ、超音
波センサまたは光電スイッチなどを応用したものが知ら
れている。

【０００３】これらの従来の非接触スイッチの検出素子
のうちで、焦電センサは、応答時間が長い、熱源により
誤動作するなどの欠点があり、超音波センサは、駆動回
路が複雑になる、消費電力が多いなどの欠点があり、圧
倒的に光電スイッチが公衆便所等における人体検出に多
く使われてきている。

【０００４】光電スイッチには、反射式と透過式とがあ
るが、公衆便所等で人間または人間の手を検出する用途
には、一般に反射式が使われている。反射式の光電スイ
ッチ（以後、反射式の光電スイッチのことを光電スイッ
チという）は、発光素子からの光が物体、今の場合は人
体（衣服等を含む）に反射して、該反射光を受光素子で
受光することにより、物体の有無を検出するスイッチで
ある。

【０００５】光電スイッチの光軸方向の検出範囲は、感
度を調整して予め所定の範囲に設定される訳であるが、
物体の反射率などに左右されるため、該物体が検出範囲
外にあっても誤検出をしてしまうことがあった。例え
ば、鏡のような反射率の高い物体であれば、光電スイッ
チの検出範囲外に鏡があっても、物体が検出範囲内に存
在すると判断されてしまうことがあった。

【０００６】また、光電スイッチは、複数の光電スイッ
チを隣接させて使用するような場合、例えば、洗面化粧
台またはシャワートイレの操作スイッチを非接触で実現
しようとした場合、隣接する光電スイッチ間の相互干渉
の問題があり、このような用途には適していなかった。

【０００７】また光電スイッチは、キーに触れずにスイ
ッチ入力をおこなうため、操作しようとしているスイッ
チの機能を直感的に理解することができないという問題
点もあった。

【０００８】この光電スイッチ以外の非接触のスイッチ
としては、タッチレスパネルスイッチ（以後、タッチレ
スパネルと言う）なるものが有る。タッチレスパネル
は、本発明の発明者らの一人が先に提案した非接触の入
出力ユニットであり、ディスプレイの画面を屈折率分布
型レンズ素子で空中へ像面として表示させ、物体検出手
段により、該像面へ侵入してくる物体（指など）を検出
するものである（特願平６−３３３７２７号参照）。

【０００９】タッチレスパネルは、スイッチの絵（キ
ー）を空中に浮かせて表示し、それらのキーを指で直接
選択できるので、上記した光電スイッチの問題点のう
ち、スイッチの機能を直感的に理解することができない
という欠点は解消することができる。

【００１０】しかし、タッチレスパネルは、空中に表示
されたある一つのキーを選択したとき、該キーの周囲の
キーを選択したと判断されることがあった。つまりキー
間の相互干渉が生じる恐れがあった。このキー間の相互
干渉の問題は、例えば物体検出手段を構成する検出素子
を時分割で走査して駆動することにより解決できるが、
コスト高になるという問題点があった。また、タッチレ
スパネルは、空中に表示された像面に対して垂直方向に
物体検出範囲を特定の範囲内で限定させることは、工夫
が必要であり、例えば物体検出手段を構成する検出素子
（センサ）の数を多くする必要があるなど、コスト面で
問題があった。

【００１１】さらに、タッチレスパネルを光電スイッチ
の欠点を解消する手段として考えた場合、コスト高の原
因となる問題点が上記した二つの要因の他に、タッチレ
スパネルを構成するには、ディスプレイが必須であると
いう問題もあって、よりいっそう価格が高くなるという
欠点があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、スイッチの機能を直観的
に理解でき、物体の検出範囲を所定範囲に限定すること
ができ、スイッチ間の相互干渉を起こさない非接触でキ
ーを選択でき、かつ、キーを指で選択できるスイッチを
提供しようとするものである。また、従来のタッチレス
パネルよりも簡易で低コストのタッチレススイッチを提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるタッチレ
ススイッチは、上記した目的を達成したもので、次のよ
うなものである。文字や絵を描いたプレート、該プレー
トを照明するための少なくとも一つ以上の発光手段及び
物体面を像面へと写像する屈折率分布型レンズ素子を備
えたタッチレススイッチにおいて、前記屈折率分布型レ
ンズ素子は、該プレートの文字や絵が物体面に位置し、
該プレートの文字や絵が空中の像面へと伝送される所定
の位置に、該プレートに平行に設けている。

【００１４】また、少なくとも一つ以上の発光素子を前
記空中の像面の所定領域を照射することができる位置に
設けるとともに、該像面の所定領域へ物体が侵入し、前
記発光素子からの光が該物体で反射したとき、該屈折率
分布型レンズ素子が該反射光を像として伝送し得る範囲
に、少なくとも一つ以上の受光素子を設けている。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１のタッチレス
スイッチにおいて、前記発光素子及び前記受光素子は、
どちらか一方もしくは両方とも光ファイバ式の発光素子
または光ファイバ式の受光素子であることを特徴として
いる。つまり、請求項２の構成は、請求項１において、
発光素子及び受光素子とも光ファイバ式とする、発光素
子のみ光ファイバ式とする、または受光素子のみ光ファ
イバ式とするものである。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２のタッチレススイッチにおいて、前記発光素子は、前
記屈折率分布型レンズ素子の周囲に設置することを特徴
としている。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１または請求項
２のタッチレススイッチにおいて、前記発光素子は、前
記受光素子に隣接して設置することを特徴としている。
従って、請求項４においては、発光素子及び受光素子
は、前記プレート内または該プレートの垂直方向の所定
範囲内に設置されることになる。

【００１８】請求項５の発明は、請求項１、請求項２、
請求項３または請求項４のタッチレススイッチにおい
て、前記プレートと前記屈折率分布型レンズ素子との間
の所定の位置にハーフミラーを設けたことを特徴として
いる。

【００１９】

【作用】プレートを照明するために設けられている発光
手段が点灯すると、プレートが照明される。つまり、プ
レートから光が発しているとみなすことができる。屈折
率分布型レンズ素子は、グレーデッドインデクス型の光
ファイバの素線（ロッドレンズ）をその両端面がそれぞ
れ同一平面を為すように多数敷き詰めたプレート状の光
学素子である。この屈折率分布型レンズ素子は、所定の
位置にある物体を所定の位置へ正立等倍の実像として伝
送する作用を有する。

【００２０】逆に言えば、屈折率分布型レンズ素子は、
所定の範囲にある物体しか像として所定範囲へ伝送しな
い。本発明の発明者らは、屈折率分布型レンズ素子のこ
の作用を発光素子と受光素子を使用して実験的に確認し
たのもので、本発明は、物体検出にこの屈折率分布型レ
ンズ素子の特性を利用したものである。

【００２１】屈折率分布型レンズ素子をプレートから所
定間隔離れた位置、すなわち、プレートを物体面とした
とき、該物体面を像として伝送し得る位置に、該プレー
トに平行に設置すると、発光手段に照明されたプレート
が物体面になり、物体面から発した光は、屈折率分布型
レンズ素子のプレートに面した方の端面から入射し、も
う一方の端面から出射して所定位置に結像する。すなわ
ち、プレートに描かれた文字や絵が空中の像面に実像と
して浮かんで見える（写像される）。

【００２２】発光素子は、空中の像面の所定領域を照射
することができる位置、例えば屈折率分布型レンズ素子
の周囲に設置してあり、該発光素子が点灯すると、その
光（赤外線等の可視光線以外の光も含む）は、該発光素
子の指向性に従い、前記像面へ向かって照射される。本
発明においては、空中に写像されたプレートの文字や絵
（像面）の所定の領域が該発光素子によって照射される
ように、該発光素子を設置している。

【００２３】請求項４に記載したように、該発光素子
は、受光素子とともに同じ部位に設けてもよい。この場
合は、該発光素子は、プレート内かまたは該プレート付
近に設置することになる。この場合でも、該発光素子か
らの光は、屈折率分布型レンズ素子を介して前記空中に
写像されたプレートの文字や絵（像面）の所定の領域を
照射することができる。

【００２４】なお、該発光素子によって、空中に伝送さ
れたプレートの像面のどの領域を照射するか、または該
プレートの像面の全域を照射するか、は当業者の設計上
の選択事項である。

【００２５】スイッチの操作者の指が空中に浮かんでい
る文字や絵（像面）にある程度接近すると、該発光素子
から発せられた光が該指に当たって反射する。しかし、
像面の前後の所定範囲に指が侵入しないうちは、該反射
光は屈折率分布型レンズ素子により所定位置へ像として
伝送されないので、受光素子は、該反射光を検出しな
い。

【００２６】図４〜図６は、屈折率分布型レンズ素子の
作用を説明する側面図である。図４において、屈折率分
布型レンズ素子５は、所定位置にある物体面１を、物体
面１から屈折率分布型レンス素子５の端面までの距離
（Ｌａ）と等しい距離（Ｌｂ）だけ屈折率分布型レンズ
素子５のもう一方の端面から離れた位置へ伝送する。

【００２７】また、屈折率分布型レンズ素子５は、物体
面１の垂直方向の所定範囲内に存在する物体を像面１０
の垂直方向の所定範囲内へ伝送することができる。図４
〜図６では、物体を像として伝送しうる範囲と伝送され
てきた光線が像として結像しうる範囲とを波線で示して
いる。

【００２８】例えば、図４において、イ点にある物体
は、ロ点に写像される。ハ点にある物体は、ニ点に写像
され、ホ点にある物体は、ヘ点に写像される。もし、像
面１０上のト点に物体があれば、ト点の物体は、物体面
１上のチ点へ像として写像される。このように、対称の
中心線９を対称の中心として、物体と像は、１対１で対
応する。

【００２９】図５において、発光素子６を屈折率分布型
レンズ素子５の周囲に設置し、ト点を含む像面１０の所
定領域を照射し、指（図示せず）がト点付近に達する
と、ト点で反射した光は、チ点へ伝送される。ト点で
は、発光素子６からの光は、あちこちの方向へ反射する
が、該あちこちへ反射した光のうち、像として結像する
のは、チ点の位置においてだけである。

【００３０】図６において、リ点及びヌ点に指があると
きは、発光素子６からの光はリ点及びヌ点で反射する
が、リ点及びヌ点は、屈折率分布型レンズ素子５が物体
を像として伝送し得る範囲をはずれているので、リ点及
びヌ点での反射光は、チ点へは達しないことを示してい
る。

【００３１】ル点に指があるときは、ル点は、屈折率分
布型レンズ素子５が物体を像として伝送し得る範囲内で
あるので、発光素子６からの光は、ヲ点へ伝送される。

【００３２】図４〜図６を参照した以上の説明で明らか
なように、チ点に受光素子（図４〜図６では示していな
い）を設置することにすれば、ト点及びト点の周囲の極
限られた範囲に指が達したときのみ、チ点に設置される
受光素子は、像面１０の所定位置へ侵入してきた指を検
出することができる。

【００３３】また、チ点に受光素子に隣接して発光素子
を設けた場合でも、発光素子からの光は、ト点に伝送さ
れ、その光が指に反射してチ点に像として戻ってくるの
で、チ点に設置される受光素子は、像面１０の所定位置
へ侵入してきた指を検出することができることは明かで
ある。

【００３４】

【実施例】図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明に係わるタッチレススイッチの一実施例
を示す縦断面図である。

【００３５】プレート３に近接させて、ＬＥＤ等の発光
手段２を設けている。プレート３は、発光手段２で照明
されることにより物体面１となり得る光を透過する材料
であれば何でもよい。また、発光手段２は、図２に示す
ごとく、プレート３の下側でなく、上側に設けてもよ
い。この場合は、プレート３からの反射光を表示に利用
するので、プレート３は、必ずしも光を透過する材料で
なくてもよい。

【００３６】発光手段２は、光を発する部材であれば、
該発光手段の光量、輝度、色調、消費電力、発熱量など
を勘案して、当業者の所望により選定する。なお、光フ
ァイバのライトガイドを発光手段２として用いてもよ
い。また、発光手段２としてプレート３自体が発光する
ような材料をプレートに用いてもよい。

【００３７】プレート３には、当業者の所望する文字や
絵４を描いておく。この文字や絵４は、プレート３の上
面または下面のどちら側に設けてもよい。あるいは、１
枚のプレートに文字や絵を描いておき、もう１枚のプレ
ートを文字や絵を描いたほうのプレート上に載せて、文
字や絵をプレート中に設けるようにしてもよい。

【００３８】発光手段２に照らされたプレート３の文字
や絵４は、物体面１となり、屈折率分布型レンズ素子５
は、物体面１（文字や絵４）を空中の像面１０へ伝送す
る。空中には、プレート３の文字や絵４が正立等倍の実
像として浮かんで見えるようになる。

【００３９】屈折率分布型レンズ素子５は、プレート３
に対して所定の位置に、プレート３（物体面１）と平行
に設置する。屈折率分布型レンズ素子５のプレート３に
向き合っているほうの端面から物体面１までの距離（前
述したようにこれを作動距離と言う）は、使用する屈折
率分布型レンズ素子５の光学特性により決定される。つ
まり、物体を像として伝送可能な所定の位置である、物
体から屈折率分布型レンズ素子の端面まで作動距離だけ
離れた位置に屈折率分布型レンズ素子３は、設置され
る。

【００４０】発光素子６は、当業者が設定する像面１０
の所定領域を照射できるように例えば屈折率分布型レン
ズ素子５の周囲に、少なくとも１個以上設ける。発光素
子６の光軸及び指向性は、発光素子６が発する光が像面
１０の所定領域を照射できるように調整しておく。この
所定領域と言うのは、指が像面１０へ侵入してきたと
き、該指の検出を行う領域のことであり、通常は、表示
するキー（文字や絵）の中央を発光素子６からの光で照
射するようにしておく。

【００４１】発光素子６からの光が像面１０の所定領域
を照射している状態で、指８が該所定領域へ侵入してき
て、像面１０もしくは像面１０付近に達すると、発光素
子６からの光が指８で反射する。指８で反射した光は、
四方八方へ広がり減衰する。指８で反射した光のうちの
一部の光は、屈折率分布型レンズ素子５を介して所定位
置へ像として伝送される。受光素子７は、像面１０もし
くは像面１０付近に達した指８で反射した光を物点とし
たとき、該物点が写像される位置に設けてあるので、指
８の検出を行うことができる。

【００４２】図２は、本発明に係わるタッチレススイッ
チの一実施例を示す斜視図である。プレート３には、当
業者が所望する文字や絵４を描くわけであるが、図２に
おいては照明という文字が描いてある。発光手段２が点
灯すると、屈折率分布型レンズ素子５は、物体である照
明という文字を空中の所定の位置の像面１０へ正立等倍
の像として伝送する。

【００４３】従って、本発明に係わるタッチレススイッ
チを操作しようとする者は、空中に浮かんだ照明という
文字を視て、該文字が描かれたキーに触れることで、ス
イッチの開閉を行うことができる。

【００４４】なお、発光素子６及び受光素子７には、光
ファイバ式の発光素子及び光ファイバ式の受光素子を用
いてもよい。図２においては、発光素６子及び受光素子
７の両方とも、光ファイバ式の発光素子６及び光ファイ
バ式の受光素子７を用いたことを図示しているが、発光
素子６または受光素子７のどちらかを光ファイバ式の素
子にしてもよいことはもちろんである。

【００４５】また、本発明に係わるタッチレススイッチ
は 発光素子６を受光素子７に接するかもしくは近接さ
せて設置しても実施できる。図３は、本発明に係わるタ
ッチレススイッチの一実施例を示す縦断面図であり、発
光素子６を受光素子７と対にして、発光素子６から発せ
られる光が屈折率分布型レンズ素子５を介して、像面１
０で指８に当たって反射し、該反射光が像として伝送さ
れる位置付近に、設けたことを示したものである。

【００４６】請求項５に記載したように、プレート３と
屈折率分布型レンズ素子５との間にハーフミラー１１を
設けても、本発明は、実施できる。図７及び図８は、ハ
ーフミラーを設けた場合の本発明に係わるタッチレスス
イッチの一実施例を示す縦断面図である。

【００４７】図７においては、発光素子６を屈折率分布
型レンズ素子５の周囲に設け、受光素子７を、発光素子
からの光の指８における反射光が屈折率分布型レンズ素
子５を介して、ハーフミラー１１で反射し、像として決
像する位置付近に受光素子７を設けている。

【００４８】図８においては、発光素子６と受光素子７
を隣接させて設けている。発光素子６からの光がハーフ
ミラー１１で反射し、屈折率分布型レンズ素子５を介し
て、指８で反射し、再び屈折率分布型レンズ素子５を介
してハーフミラー１１で反射して、発光素子６へ戻って
くる。受光素子７は、発光素子６に隣接して設けてある
ので、受光素子７は、指８の検出を行うことができる。
図８では、発光素子６及び受光素子７は、それぞれ光フ
ァイバ式のものを用いていることを示しているが、光フ
ァイバ式のものでなくてもよいことはもちろんである。

【００４９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。ス
イッチのキー（文字や絵４）を空中に浮かせて表示する
ので、スイッチの機能を直観的に理解できる。屈折率分
布型レンズ素子５は、作動距離の位置の平面の前後の範
囲にある物体しか像として伝送しないので、物体の検出
範囲を作動距位置の平面の前後の所定範囲に限定するこ
とができる。

【００５０】また、キーを選択する指に発光素子６から
の光が反射したとしても、屈折率分布型レンズ素子５
は、所定位置及びその周囲の限られた範囲の物点しか像
点へと伝送しない。そして、その像点または該像点付近
に受光素子７が設けられているので、スイッチ間の相互
干渉を起こさない非接触でキーを選択でき、かつ、キー
を指で選択できるスイッチを提供することができる。

【００５１】また、ディスプレイが必要なく、物体検出
手段も一つのキーに対して、少なくとも一つの発光素子
６及び一つの受光素子７で済むので、従来のタッチレス
パネルよりも簡易で低コストのタッチレススイッチを提
供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるタッチレススイッチの一実施例
を示す縦断面図

【図２】本発明に係わるタッチレススイッチの一実施例
を示す斜視図

【図３】本発明に係わるタッチレススイッチの一実施例
を示す縦断面図

【図４】屈折率分布型レンズ素子の作用を説明する側面
図

【図５】屈折率分布型レンズ素子の作用を説明する側面
図

【図６】屈折率分布型レンズ素子の作用を説明する側面
図

【図７】ハーフミラーを設けた場合の本発明に係わるタ
ッチレススイッチの一実施例を示す縦断面図

【図８】ハーフミラーを設けた場合の本発明に係わるタ
ッチレススイッチの一実施例を示す縦断面図

【符号の説明】

１ 物体面 ２ 発光手段 ３ プレート ４ 文字や絵 ５ 屈折率分布型レンズ素子 ６ 発光素子 ７ 受光素子 ８ 指 ９ 対称の中心線 １０ 像面 １１ ハーフミラー イ、ハ、ホ 物点 ロ、ニ、ヘ 像点 ト 物点 チ ト点に対する像点 リ、ヌ、ル 物点 ヲ ル点に対する像点 Ｌａ 物体側作動距離 Ｌｂ 像側作動距離

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−175146（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−45625（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−89125（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−66825（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−348404（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−348817（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−46724（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−35950（ＪＰ，Ｕ) 特公 平４−15884（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01H 35/00 G06F 3/033

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 文字や絵を描いたプレート、該プレー
   トを照明するための少なくとも一つ以上の発光手段及び
   物体面を像面へと写像する屈折率分布型レンズ素子を備
   え、 前記屈折率分布型レンズ素子は、該プレートの文字や絵
   が物体面に位置し、該プレートの文字や絵が空中の像面
   へと伝送される所定の位置に、該プレートに平行に設
   け、 少なくとも一つ以上の発光素子を前記空中の像面の所定
   領域を照射することができる位置に設けるとともに、 該像面の所定領域へ物体が侵入し、前記発光素子からの
   光が該物体で反射したとき、該屈折率分布型レンズ素子
   が該反射光を像として伝送し得る範囲に、少なくとも一
   つ以上の受光素子を設けたタッチレススイッチ。
2. 【請求項２】前記発光素子及び前記受光素子は、どちら
   か一方もしくは両方とも光ファイバ式の発光素子または
   光ファイバ式の受光素子であることを特徴とする請求項
   １のタッチレススイッチ。
3. 【請求項３】 前記発光素子は、前記屈折率分布型レン
   ズ素子の周囲に設置することを特徴とする請求項１また
   は請求項２のタッチレススイッチ。
4. 【請求項４】 前記発光素子は、前記受光素子に隣接し
   て設置することを特徴とする請求項１または請求項２の
   タッチレススイッチ。
5. 【請求項５】前記プレートと前記屈折率分布型レンズ素
   子との間の所定の位置にハーフミラーを設けたことを特
   徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４
   のタッチレススイッチ。