JP2005321996A - 情報入力装置及び情報入力方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高精細又は広い表示画面に対応して微細な位置入力が可能な情報入力装置を提供する。
【解決手段】 片手の指先で摺動可能な板状入力部材11と、少なくとも板状入力部材11の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報形成部と、板状入力部材11の摺動面が相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段(粗面11a,凸部12a)とを備え、発生した前記振動を前記指先に伝搬させることで、前記板状入力部材の相対移動量を操作者に認識させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、情報入力装置及び情報入力方法に関するものである。
AV機器、家電機器、産業機器、コンピュータなど、機能が多様化するにつれ、入力しなければならない情報量が増え、それに伴い情報入力装置も複雑化し人間に使い難いものになっている。
また、多くの機器類は高精細な表示装置を有する場合が多くなっており、これに対してはGUI(Graphical User Interface)を活用した情報入力装置が採用されているが、表示装置の解像度に見合う操作分解能を備えた適切な情報入力装置(ポインティングデバイス等)が実用化されておらず、更に使い難いものになっているのが現状である。
例えば、PC等のポインティングデバイスの代表であるマウスは、操作するためのテーブルなど一定の広さの平面が必要であり、手に持った状態で自由に操作することができない。また、マウスは手首と肘を使った操作になるため微細な位置入力操作は難しく、操作分解能の高い情報入力装置とは言い難い。また携帯型PCではタッチパネル型の情報入力装置が採用されているが、指という大きなものの位置検出を行うものであるため、操作分解能は非常に悪く、更には指先の摩擦感が不快でもある。
一方、人間のもつ最も高い操作分解能は指先の操作によってもたらされると言われているが、指先で操作できる情報入力装置として、下記特許文献1には、装置本体A(基台)に対して、指で入力部B(操作部)を平面上でスライドさせ、入力部Bの下部に設けられたセンサによって入力部の変位を検知する情報入力装置が記載されている(図1参照)。
特開平10−207616号公報
しかしながら、前述した従来技術のように、単にスライド構造と変位センサで構成されたものや、固定された装置本体に対して一本の指で操作を行うものでは、センサの分解能や感度をいくら高くしても、指先の操作分解能がそれに追いつかず(部品を指で動かす際の相対位置分解能は1〜1.5mm程度しか無いと言われている)、微細な入力を行うことができない。したがって、例えば、前述した従来技術をGUIのポインティングデバイスに採用することを考えたとしても、高精細又は広い表示画面に対応した高い操作分解能を得ることができない。
これに対して、人間は親指と人差し指の間に一本の髪の毛(直径約10μm、周囲約30μm)を挟み、親指と人差し指の皮膚感覚を駆使し、意図的に1/10回転という微小な回転をさせることが容易にできる。これによると数μmの相対位置変化を行っていることになる。すなわち、人間の持つ指先同士の相対位置変化に対する感受性は極めて高いものである。
また、人間の指は、振動や熱など様々な外部刺激を感度良く受容でき、特に振動に関してはわずかな振動刺激(高周波、低周波を問わず)であっても敏感に感知できる能力を有している。例えば、指の皮膚下にある感覚受容器では、サブミクロンレベルの振動刺激に対し、数百Hz程度まで応答できる感度を有するといわれている。
すなわち、人間の指先は、本来極めて高い操作分解能を発揮できる能力を有しているにも拘わらず、従来の情報入力装置ではその能力を充分に発揮することができない構造になっている。従来技術の情報入力装置で、微細な入力を行おうとすると、操作者に大きなストレスを与えて、精神的且つ肉体的に大きな疲労感を与えてしまうという問題が生じる。
本発明は、このような問題に対処するために提案されたものであって、人間の指における高い振動応答能力に着目して、高い操作分解能を有する情報入力装置或いは情報入力方法を提供すること、例えば、GUIの入力装置として用いる場合に、高精細画面、又は広い表示画面、もしくは高精細で広い表示画面に対応して微細な位置入力が可能な情報入力装置又は情報入力方法を提供すること等が本発明の目的である。
このような目的を達成するために、本発明による情報入力装置及び情報入力方法は、以下の各独立請求項に係る構成を少なくとも具備するものである。
[請求項1]片手の指先で摺動可能な板状入力部材と、少なくとも該板状入力部材の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報形成部と、前記板状入力部材の摺動面が相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段とを備え、発生した前記振動を前記指先に伝搬させることで、前記板状入力部材の相対移動量を操作者に認識させることを特徴とする情報入力装置。
[請求項2]片手の指先又は指の一部で挟持して相対的に摺動可能な二枚の板状入力部材と、少なくとも該板状入力部材の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報形成部と、前記板状入力部材の対向した摺動面が相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段とを備え、発生した前記振動を前記指先に伝搬させることで、前記板状入力部材間の相対移動量を操作者に認識させることを特徴とする情報入力装置。
[請求項11]片手の指先で板状入力部材を摺動させることで、該板状入力部材の摺動面の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報入力方法であって、前記摺動面が相対的に移動することによって振動を発生させ、この振動が前記指先に伝搬して、操作者に前記板状入力部材の相対移動量を認識させることを特徴とする情報入力方法。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図2は本発明の一実施形態に係る情報入力装置の要部を示す説明図である。この情報入力装置は、片手の指先Yで摺動可能な板状入力部材11と、少なくとも板状入力部材11の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する図示省略の情報形成部と、板状入力部材11の摺動面11aが相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段とを備え、発生した振動を指先Yに伝搬させることで、板状入力部材11の相対移動量を操作者に認識させるものである。
ここで板状入力部材11は、被摺動対象12に対して相対的に摺動可能な部材であり、この被摺動対象12としては、装置本体であってもよいし、或いは図3の実施形態で示すようなもう一枚の板状入力部材であってもよい。
このような情報入力装置によると、片手の指先で板状入力部材を摺動させることで、板状入力部材11の摺動面11aの相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成するに際して、摺動面11aの相対的な移動に伴って振動が発生され、この振動が指先Yに伝搬して、操作者に板状入力部材11の相対移動量を認識させる。
そして、前記振動発生手段としては、板状入力部材11の摺動面11a又は被摺動対象12の摺動面12aの少なくとも一方に微細な凹凸が形成される粗面11aを有する(図示の例では、摺動面11aのみに粗面11aを形成した例を示している。)。ここでは、被摺動対象12の摺動面12aに凸部12aを設けて、この凸部12aが粗面11a上を移動することで振動が発生して指Yに伝搬されるようになっているが、これに限らず、板状入力部材11側の摺動面11aに凸部を設けて、被摺動対象12a側の摺動面12aに粗面を設けてもよいし、或いは、摺動面11a,12aの両方に粗面を形成するなどして、板状入力部材11の摺動時に振動が発生する構造であればよい。
これによると、片手の指先で板状入力部材11を摺動させる操作によって、振動発生手段で発生される振動が指に伝わることになるが、指先の触覚受容体は微細な振動でも感知することができる(感覚受容器は、Merkel細胞;SAI,Ruffini端末;SAII,Misner小体;RA,Pacini小体;PCの4種類存在し、その中で高速な圧力変化に反応するPCと呼ばれる受容体は特に弱い振動でも感知し、感受域は10Hz〜300Hz以上に及ぶことが知られている。また、これ以外の受容器もそれぞれ特有の圧力感受性を有する。)。したがって、例えば、数10Hzの振動が数10μmの変化に対応するような振動発生の構造を摺動面11aに形成すると、人間側の振動感受性が位置変位認識に置き換えられて、数10μmの微細な位置入力を行うことが可能になる。また、板状入力部材11に、必要以上の高周波振動成分を減衰させる振動減衰材を含ませることで、ノイズとなる振動を除去して微細入力に適した振動のみを指先に伝えることが可能になる。
図3は、本発明の実施形態に係る情報入力装置の構造例を示したものである(同図(a)が平面図、同図(b)が断面図)。これによると、片手の指先又は指の一部Y1,Y2で挟持して相対的に摺動可能な二枚の板状入力部材11,12と、少なくとも板状入力部材11,12の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報形成部(図示省略)と、板状入力部材11,12の対向した摺動面11a,12aが相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段とを備え、発生した振動を指先に伝搬させることで、板状入力部材11,12間の相対移動量を操作者に認識させるものである。
ここでは、図2に示した実施形態と同様に、摺動面11aに粗面11aが形成されており、摺動面12aに設けた凸部12aとこの粗面11aとによって振動発生手段が形成されている。また、必要に応じて、板状入力部材11,12には、指先又は指の一部が当接する当接面11b,12bが形成されると共に、板状入力部材11,12が分離しないように保持する機構(図示省略)が備えられる。
このような実施形態によると、前述した実施形態の作用に加えて、指先又は指の一部で二枚の板状部材11,12を挟持するので、片手での可搬性が得られ操作の自由度が高くなり、操作者は様々な姿勢で入力操作を行うことが可能になる。また、指先又は指の一部で二枚の板状部材11,12を挟持しこれらを摺動させる入力操作が基本になるので、指先を擦り合わせるという、分解能が高い動作を利用した入力操作を行うことができる。更には、操作者の意識が集中しやすい指先の動作であるから、操作者の意志が反映され易く、微細な位置入力に適し、また誤入力を防ぐことが可能になる。よって、この実施形態によると、操作自由度及び操作分解能が高く、正確な情報入力を行うことができる。
図4は、本発明の実施形態に係る情報入力装置における振動発生手段の他の構成例を示したものである。この振動発生手段は、前述した情報入力装置における摺動面11a,12a間に1個又は複数個(好ましくは3個以上)の微小曲率面を有する球体13(或いは円柱体)を介在させ、この微小曲率面が粗面11a上を移動することで振動を発生させるものである。同図(a)に示したものは、摺動面12a上に球体13を配置した例、同図(b)に示したものは、摺動面12a上に窪み(球体の場合には円錐状、円柱体の場合にはV溝状)12aを設けて、この窪み12a内に球体13(或いは円柱体)を回転可能に保持したものである。
このような実施形態によると、前述した実施形態の作用に加えて、球体13又は円柱体の転がり作用によって円滑に板状入力部材11,12を摺動させることが可能になると共に、球体13又は円柱体の微小曲率面が粗面11aの凹凸上を移動することで、適当な周波数の振動を発生させることができる。ここで、球体13又は円柱体の直径は粗面11aの粗さより大きく設定され、好ましくは粗面11aの粗さの10倍程度に設定される。摺動面12aに球体13を回転可能に保持するものでは、指が当接している所望の箇所に球体13を保持して、振動を確実に指先に伝えることができる。
図5は、前述した粗面11aの形状例を示したものである。粗面11aの凹凸形状は、図4に示した三角断面(円錐)状のもの、図5(a)に示したような曲線(サインカーブ)状のもの、図5(b)に示したような台形断面状のもの等を採用することができる。また、このような規則的な形状ではなく、不規則な粗さを有するものであってもよい。ここで、前述した規則的な形状のものでは、凹凸のピッチpが設定されるべき粗さの程度を示す指標になり、また、不規則な粗さを有するものでは、粗さ形状パラメータ(JIS B0601における凹凸平均間隔Sm等)が粗さの程度を示す指標になる。粗面11aの粗さは、情報入力装置の操作分解能を設定するために重要な値であり、これを0.01〜10μmに設定することで、指先で感知可能な振動周波数で高分解能の情報入力装置を得ることができる。
図6は、前述した粗面11aの実施形態を示すものである。この実施形態では、粗面11aは、摺動面11a上の位置に応じた粗さからなる粗さパターンを有している。これによると、板状入力部材11,12の摺動位置によって振動の周波数が変わることになるので、この振動周波数の違いを指先で感知することによって、板状入力部材11,12の摺動位置を操作者が認識することができる。また、粗さパターンを適宜に設定することで、指の位置や指の操作方向による感度補正を行うこともできる。
図6(a)には、一つのX軸方向だけに粗さの密度を変えたパターン、図6(b)には、直交するXY軸方向両方に粗さの密度を変えたパターンを示している。その他に、摺動面の中心から周辺に向けて放射状に粗さの密度が変化するように形成したもの等であってもよい。また、摺動面11aを複数の領域に分けて、各領域で異なる密度の粗さが設定されるようにしてもよい。直線的に粗さ密度を変化させることによって、指の操作方向による感度補正が可能であり、中心から放射状に粗さ密度を変えることによって、指の位置による感度補正を行うことが可能になる。
以下に、前述した板状入力部材11,12の相対位置又は相対移動等に応じて入力情報を形成する情報形成部の例を示す。
本発明の実施形態に係る情報入力装置は、GUIの入力装置として高いポインティング(位置情報の入力)性能を得るためには、表示装置の高解像度(水平方向で約千〜2千ドット)に応じた位置情報入力が可能であることが求められる。また、本発明の実施形態に係る情報入力装置は、指の相対位置変位を利用するものであるから、その変位の範囲は大きくない(10mm以下)。よって、板状入力部材11,12の相対位置変位の分解能は10μm以下になる。
このような微細な二枚の板状入力部材11,12の相対位置変位を検出するセンサの一例として、図7に示すモアレ縞を用いた相対位置変位センサを挙げることができる。モアレ縞は元来絹織物など細かな網目の重なりによって生じる波紋状の模様をいうが、この現象を利用すると微細な位置変位がそれよりもはるかに大きな波紋状のスケールの変化として現れるので、微小な位置変位の検出が必要な本発明の実施形態に有効である。
このモアレ縞による相対位置変位検出センサの構成は、光を透過する部分と光を遮断する部分が交互に縦縞状になった二枚のフィルム様のシートが、位置変位の検出対象である上下の板状入力部材11,12の摺動面11a,12aにそれぞれ配置され、それらを挟んで発光素子(LED)、受光素子(PD)がそれぞれ上下の板状入力部材11,12の中に配置されている(図7(d)参照。図では光の透過部分を白、遮断する部分を黒で表している。)。各シートにおいて、縞の透過部分と遮断部分の幅は同一であり、上側シートの縞(上縞)の幅をd,下側のシートの幅(下幅)の幅をdとする。
この相対位置変位検出センサの動作を説明すると、二枚の重なった縦縞のシート(その縞の幅は上下のシートでわずかに違う)を上から見た状態が図7(a)〜(c)である(理解しやすくするため下のシートの縦幅を小さく描いている。但し、モアレの現象を視覚的に示す図のため、図7(d)との位置関係は一致していない。)。図7(a)の状態から上のシートが左方向に縞幅分だけ変位していくと(相対的には下のシートが右方向に移動するのと同じ)、重なりによるモアレ縞は(b),(c)のように変化し、例えばこのとき一番左側の受光素子(PD)に注目すると、光の透過状態(a)から半透過状態(b)を経て、遮断状態(c)になる。すなわち受光素子PDの出力電流は最大のON状態から徐々に減少し電流が流れないOFF状態に変化する。さらにシートが左に縞幅分だけ動くと、今度は出力電流がOFF状態からからON状態に変化する。
したがってこの電流の変化(ON→OFF、OFF→ON)の数nをカウントすると、変位距離が、(シートの縞幅)×(電流の変化の数n)によって算出できる。縞幅が例えば10μmであればこの10μmの単位(精度)で位置変位量が検出できることになる。
この位置変位量と共に、さらに左右の移動方向を検出するため、図7(d)に示すように三組の発光素子(LED)と受光素子(PD)を設ける。中央のPDの状態(ON状態/OFF状態)とその変化する前の左右のPDのON/OFF状態と比較し、同じ状態を持っていたPDがどちら側のPDであるかによって左右の移動方向を検出する。ちなみにモアレ縞の間隔Lは、上下の縞の幅をそれぞれd,dとすると、その縞幅の差に反比例しており、L=d/│d−d│で表され、上述の三個の受光素子と発光素子は、この半分の間隔L/2を隔てて配置される。
以上は一つの方向(X軸とする)に関する検出について述べたが、同様にこれと直角方向(Y軸とする)の移動も上述した三組の発光、受光素子をY軸方向に配置することによって可能である。
以上、モアレ縞を利用した相対位置変位を検出するセンサを説明したが、相対位置変位を検出できるものであればこれに限られない。例えば抵抗薄膜センサやマグネスケールなども高い分解能があり、しかも薄いシート状で実現できるのでこの相対位置変位検出センサに適用することができる。
このような本発明の実施形態に係る情報入力装置によってGUIのポインティングを行う場合には、板状入力部材11,12の摺動による短い(狭い)移動で広いポインティング操作範囲をカバーでき、しかも1画素毎の最小ポインティングを確実に入力することが可能になる。従来のマウスによる入力と比較すると、例えば、SXGA(Super eXtended Graphics Array:1280×1024)程度の解像度を有する画面に対してマウスで位置入力を行うには、人間の位置調整精度が1mm弱で限界になるので、1280画素分を画素毎に位置入力するためにはどうしても12cm程度の移動が必要になるが、本発明の実施形態に係る情報入力装置では、この入力を指先の動作範囲(10mm以下)で実現できる。
すなわち、指先をゆっくり動かして、1秒間に10μm変位させたときに10Hzの振動を発生させるように、摺動面11aに1μm周期(粗さ)程度の凹凸を形成することで、このような10Hzで1秒間の振動刺激は人間の指先にとって充分に分解認識できる刺激であるから、これを画面の1画素に対応させれば、まずポインティング分解能の要求が満たされることになる。そして、この分解能で約1000画素の画面範囲をカバーするのでどれくらいの移動が必要かを計算すると、10μm×1000で10mmの相対位置変位で良いことが判る。これによって、1画素毎の選択が可能で、且つ高解像度の画面を指先の小さな動きでカバー操作が可能になる。更に細かい分解能を得たい場合には、凹凸の周期(粗さの程度)を細かくして、1画素当たりに対応させる凹凸の数を多くし振動周波数を高くすればよい。また、分解能をそのままにして凹凸周期を細かくすれば同じ相対位置変位で広い画面をカバーする操作が可能になる。
以上説明した本発明の実施形態に係る情報入力装置の効果を列挙すると、以下のとおりになる。
(1)振動発生手段で発生した振動がざらざら感として指先に感知されることにより、高分解能の相対位置変位を感覚的に人間に与え、これによりXY方向の移動情報入力に際して、高分解能の指先制御性を与えることが可能になる。
(2)このように指先の相対位置制御性が向上し、高分解能になることで、GUIの画面位置入力を行う際には、可動範囲が小さくても広範囲な位置入力が可能となり、小型でも高性能の情報入力装置を実現することができる。
(3)例えば、数100万画素を越える高精細画面の全域カーソル移動やポインティングを、僅か10mm程度の移動操作で行うことができる。これによって、入力操作時のつかみ直しや持ち直しをする必要がない。
(4)指先で板状入力部材11,12を挟持して操作するものであるから、可搬性があり、操作自由度の高い入力操作が可能になる。また、指先又は指の一部で二枚の板状部材11,12を挟持しこれらを摺動させる入力操作が基本になるので、指先を擦り合わせるという、分解能が高い動作を利用した入力操作を行うことができる。更には、操作者の意識が集中しやすい指先の動作であるから、操作者の意志が反映され易く、微細な位置入力に適し、また誤入力を防ぐことが可能になる。
(5)人間が本来持っている高い分解能を活かした入力操作がなされるので、操作が容易になり、心地よい使用感が生まれる。
(6)人間の指先の感受性は左右均等であると考えられるので、左右どちらの手で操作しても充分良好な操作性が得られ、また、利き手を使わなくても充分な機能が得られる。
(7)指の位置による可動性や分解感度の差を粗面11aに形成される粗さのパターンによって補完できるので、指がどの位置にあっても必要な分解能で入力を行うことができる。
従来技術の説明図である。 本発明の実施形態に係る情報入力装置の要部を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る情報入力装置の構造例を示した説明図である(同図(a)が平面図、同図(b)が断面図)。 本発明の実施形態に係る情報入力装置における振動発生手段の例を示した説明図である。 振動発生手段における粗面の形状例を示した説明図である。 振動発生手段における粗面の実施形態を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る情報入力装置の情報形成部の一例を説明する説明図である。
符号の説明
11,12 板状入力部材
12 被摺動対象
11a,12a 摺動面
11a 粗面
12a 凸部
12a 窪み
11b,12b 当接面
13 球体

Claims (11)

  1. 片手の指先で摺動可能な板状入力部材と、少なくとも該板状入力部材の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報形成部と、前記板状入力部材の摺動面が相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段とを備え、発生した前記振動を前記指先に伝搬させることで、前記板状入力部材の相対移動量を操作者に認識させることを特徴とする情報入力装置。
  2. 片手の指先又は指の一部で挟持して相対的に摺動可能な二枚の板状入力部材と、少なくとも該板状入力部材の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報形成部と、前記板状入力部材の対向した摺動面が相対的に移動することで振動を発生させる振動発生手段とを備え、発生した前記振動を前記指先に伝搬させることで、前記板状入力部材間の相対移動量を操作者に認識させることを特徴とする情報入力装置。
  3. 前記振動発生手段は、前記摺動面の少なくとも一方に微細な凹凸が形成される粗面を有することを特徴とする請求項1又は2に記載された情報入力装置。
  4. 前記振動発生手段は、前記摺動面間に1個又は複数個の微小曲率面を有する球体又は円柱体を介在させ、該微小曲率面が前記粗面上を移動することで前記振動を発生させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載された情報入力装置。
  5. 前記球体又は円柱体は、前記摺動面の一方に回転可能に保持されていることを特徴とする請求項4に記載された情報入力装置。
  6. 前記粗面は、前記摺動面上の位置に応じた粗さからなる粗さパターンを有することを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載された情報入力装置。
  7. 前記粗さパターンは、前記摺動面の中心から周辺に向けて粗さが変化するパターンを有することを特徴とする請求項6に記載された情報入力装置。
  8. 前記粗さパターンは、前記摺動面の直交するX,Y方向の一方又は両方に沿って粗さが変化するパターンを有することを特徴とする請求項6に記載された情報入力装置。
  9. 前記粗面の粗さは0.01〜10μmであり、前記球体又は円柱体の径は少なくともその粗さより大きいことを特徴とする請求項3〜8のいずれかに記載された情報入力装置。
  10. 前記板状入力部材は、必要以上の高周波振動を減衰させる振動減衰材を含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載された情報入力装置。
  11. 片手の指先で板状入力部材を摺動させることで、該板状入力部材の摺動面の相対位置又は相対移動に応じて入力情報を形成する情報入力方法であって、
    前記摺動面が相対的に移動することによって振動を発生させ、この振動が前記指先に伝搬して、操作者に前記板状入力部材の相対移動量を認識させることを特徴とする情報入力方法。
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