JP5196427B2

JP5196427B2 - 操作入力装置及び操作入力方法

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Publication number: JP5196427B2
Application number: JP2008139716A
Authority: JP
Inventors: 潤一牛場; 幸大郎能村
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: JP2009288958A

Description

本発明は、例えばパーソナルコンピュータ等の各種操作対象機器に対する３次元の入力操作を行うポインティングデバイスとして用いて好適な操作入力装置、及びこの操作入力装置を用いた操作入力方法に関する。

従来から、パーソナルコンピュータやテレビゲーム装置等、各種機器の入力操作を行うポインティングデバイスとして、２次元マウスが多用されている。また、ノートブック型のパーソナルコンピュータに搭載されているマウスパッドや携帯型音楽再生装置に搭載されているタッチパッド等、静電容量センサを用いて利用者の指先の動きを二次元平面上で捉える操作入力装置も市場に導入されている。

これに対して、近年では、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）におけるモデルや３次元ゲームにおけるキャラクタ等、擬似的な３次元表示をともなうアプリケーションが急速に普及しつつあり、二次元平面上の入力操作に限られる操作入力装置では、３次元の入力操作を行うのに無理が生じているのが現状である。そこで、かかる３次元の入力操作の要求に対応するために、3DCONNEXION社が開発したSpaceNavigator（登録商標）のような２次元マウスを拡張した接触式の３次元マウスをはじめとし、３次元の入力操作を可能とする各種操作入力装置に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１乃至特許文献５等参照。）。

具体的には、特許文献１には、利用者の爪における所定の特徴又は爪の表面につけた物体を指標とし、その位置又は所定の特徴変化を検出することによって情報を伝達するグローブ状の情報入力装置が開示されている。

また、特許文献２には、利用者に装着された発光手段から発光された光を受光した位置に基づいて当該発光手段の３次元位置を計測し、その３次元位置に基づいて、表示画面の前面に想定した複数の空間の境界を発光手段が通過する状態を判断し、判断した状態に応じて利用者の五感に訴えるフィードバック変化を生じさせ、２次元マウスとしての機能を実行する３次元指示入力装置が開示されている。

さらに、特許文献３には、利用者に装着された発光手段から発光された光を受光した位置に基づいて当該発光手段の動きにともなう速さに関する物理量を検出し、検出した物理量に基づいて、発光手段の動きが予め定められた動きに対応するものと判断した場合に、その動きに対応付けられた処理を実行する指示入力装置が開示されている。

さらにまた、特許文献４には、ゲル状の樹脂体の内部で空間的に移動する利用者の指先やペン先の位置を検出し、この検出結果に基づいて、表示画面に表示された３次元画像に対してカーソルを３次元的に移動させる３次元ポインティング装置が開示されている。

また、特許文献５には、指先のない手袋を装着した利用者の手の甲の動きや姿勢を検出するとともに、利用者の指に取り付けられた部材によって指の姿勢を検出し、検出した手の甲の相対位置及び姿勢と、手の甲に対する指先の相対位置とを決定することによって手のジェスチャを解析し、そのジェスチャに対応するコマンドを出力する操作入力装置が開示されている。

特開平１１−５３１５３号公報特開２００４−３０３０００号公報特開２００４−３４１８９２号公報特開２００７−２２６８４０号公報特開２００８−６５８６０号公報

しかしながら、上述した特許文献１乃至特許文献３及び特許文献５に記載された技術のように、利用者に専用の部材を装着させる必要があるタイプの従来の操作入力装置においては、部材を装着させることに起因して利用者の操作性を阻害するという問題があり、また、特殊な装置形態であることから装置の大型化や高騰化を招来するという問題があった。

また、上述した特許文献４に記載された技術のように、非接触で入力操作を行うタイプの従来の操作入力装置も存在するが、かかる操作入力装置においては、利用者の指先やペン先をゲル状の樹脂体の内部に挿入する必要があることから、利用に対する煩雑な感が否めず、例えば医療現場において手術や検査等を行う際の操作インターフェースとして利用する場合や、指先が不自由な利用者が操作インターフェースとして利用する場合等、状況によっては利用しにくいものであった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、低コストで製造可能な簡便な構成でありながら、良好な操作性のもとに非接触で３次元の入力操作を行うことができる操作入力装置及び操作入力方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明に係る操作入力装置は、絶縁材からなる平板ベース材と、この平板ベース板に配された導電体とからなる平板部材が、３つ互いに絶縁された状態で接合されて３次元空間が画定されるとともに、非接触式静電容量センサとして機能し、各前記平板部材に非接触の状態でＸ，Ｙ，Ｚのいずれの挿入方向からも前記３次元空間内に利用者の指が挿入可能とされ、前記利用者の指の位置に応じた静電容量を前記平板部材のそれぞれに生じさせるように構成された操作端と、前記操作端に生じた静電容量値に基づいて、前記３次元空間内における前記利用者の指の位置を算出し、算出した位置の変化に対応付けられた操作コマンドを生成して、所定のインターフェースとして操作対象機器に対してデータ送信する処理手段、を備えたことを特徴とする。
本発明は、前記操作端の各前記平板部材が互いに直角であることを特徴とする。
本発明は、例えば、前記平板ベース材が透明なアクリルであり、かつ、前記導電体が格子状の導電性ワイヤである。
本発明は、前記処理手段にはプログラマブル・システム・オン・チップにて構成されたシグマデルタ変調器と、ＵＳＢインターフェースが備わっていることが好ましい。
本発明は、例えば、前記操作端を複数備え、前記操作端には、同一の利用者の複数の指、又は異なる利用者の指が、各前記３次元空間内にそれぞれ挿入され、前記処理手段が、各前記操作端のそれぞれに生じた静電容量に基づいて、各前記操作端に係るそれぞれの指の位置を算出する構成とすることができる。

また、上述した目的を達成する本発明に係る操作入力方法は、平板部材が、３つ互いに絶縁された状態で接合されて３次元空間が画定されるとともに、非接触式静電容量センサとして機能し、各前記平板部材に非接触の状態でＸ，Ｙ，Ｚのいずれの挿入方向からも前記３次元空間内に利用者の指が挿入可能とされ、前記利用者の指の位置に応じた静電容量を前記平板部材のそれぞれに生じさせるように構成された操作端と、前記操作端に生じた静電容量値に基づいて、前記３次元空間内における前記利用者の指の位置を算出し、算出した位置の変化に対応付けられた操作コマンドを生成して、所定のインターフェースとして操作対象機器に対してデータ送信する処理手段が備わっている構成の操作入力装置を用いて、入力操作を行う操作入力方法であって、利用者が、前記３次元空間内に指を挿入すると、前記操作入力装置が、前記利用者の指の位置に応じた静電容量を非接触で検出し、前記静電容量値に基づいて、前記３次元空間内における前記利用者の指の位置を算出し、算出された前記位置の変化に対応付けられた操作コマンドを生成し、生成された前記操作コマンドを、前記操作対象機器に対してデータ送信することを特徴とする。
本発明は、前記操作端の各前記平板部材が互いに直角となっていることを特徴とする。
本発明は、例えば、前記平板ベース材には透明な材質が用いられており、かつ、前記導電体が格子状の導電性ワイヤとなっている。
本発明は、前記操作入力装置の処理手段には、プログラマブル・システム・オン・チップにて構成されたシグマデルタ変調器と、ＵＳＢインターフェースが備わっており、前記平板ベース材のそれぞれに前記利用者の指先が近付くのにともなって静電容量値が増加すると、前記シグマデルタ変調器がビットストリームを生成し、所定の閾値を超えた時点をオン状態と判定し、予め前記操作入力装置の操作端の前記３次元空間における３次元方向のそれぞれの位置に対応させて定義されたスキャンコードを、前記オン状態と判定する毎に、前記処理手段が前記操作対象機器に対してデータ送信することが好ましい。

このような本発明にかかる操作入力装置及び操作入力方法は、少なくとも３つの平板部材によって所定の３次元空間が画定されるように構成された操作端に生じる静電容量を利用することにより、３次元空間内における利用者の身体部位の動きを３次元的に捉えることができ、その動きに応じた操作コマンドを操作対象機器に対して送信する。

本発明においては、３次元空間内における利用者の身体部位の動きに応じた操作コマンドを操作対象機器に対して送信することから、低コストで製造可能な簡便な構成でありながら、利用者の動きに対する応答性が高く、極めて良好な操作性のもとに、非接触で操作対象機器に対する３次元の入力操作を行うことができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

この実施の形態は、各種操作対象機器の３次元の入力操作を行う操作入力装置である。特に、この操作入力装置は、静電容量センサを利用した低コストで製造可能な簡便な構成でありながら、利用者の動きに対する応答性が高く、極めて良好な操作性のもとに非接触で３次元の入力操作を行うことができるものである。

なお、ここでは、説明の便宜上、図１に示すように、操作対象機器としてのパーソナルコンピュータ１００に対してＵＳＢ（Universal Serial Bus）接続して入力操作を行うポインティングデバイスとして構成した場合について説明する。

操作入力装置は、図２に示すように、互いに直交するように且つ絶縁された状態で接合された３つの平板部材１１，１２，１３によって所定の３次元空間が画定されるように構成された操作端１０と、この操作端１０に生じた静電容量に基づいて３次元空間内における利用者の指Ｆの位置を算出して処理を行う処理部２０とを備える。

操作端１０における平板部材１１，１２，１３は、それぞれ、例えば３０ｍｍ×３０ｍｍ程度の大きさからなり、当該平板部材１１，１２，１３に非接触の状態で、画定された３次元空間内に利用者の指Ｆが挿入されるのにともない、その指Ｆの位置に応じた静電容量を平板部材１１，１２，１３のそれぞれに生じさせるように構成される。具体的には、平板部材１１，１２，１３は、アクリル等の所定の絶縁材からなる平板ベース材１１ａ，１２ａ，１３ａの表面に、所定の導電性ワイヤ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを貼着して構成される。

ここで、絶縁材に挟まれた導電体の間には静電容量が生じることは周知である。静電容量Ｃ［Ｆ］は、絶縁材の誘電率ε［Ｆ／ｍ］、導電体間距離ｄ［ｍ］、導電体の面積Ｓ［ｍ^２］をパラメータとして次式（１）のように表される。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ・・・（１）

したがって、平板部材１１においては、絶縁材としての平板ベース材１１ａの誘電率εと、導電体としての導電性ワイヤ１１ｂの形状に応じた導電体間距離ｄ及び面積Ｓに基づいて、所定の静電容量Ｃ_Ｐが生じることになる。一方、利用者の指Ｆも導電体となることから、平板部材１１，１２，１３によって画定される３次元空間に指Ｆが挿入されることにより、導電性ワイヤ１１ｂと指Ｆとの間には、導電性ワイヤ１１ｂに対する指Ｆの位置に応じた静電容量Ｃ_ＦＸが生じることになる。したがって、平板部材１１に生じる全体の静電容量Ｃ_Ｘは、次式（２）のように表されることになる。
Ｃ_Ｘ＝Ｃ_Ｐ＋Ｃ_ＦＸ・・・（２）

また、平板部材１２，１３についても同様に、それぞれ、平板ベース材１２ａ，１３ａの誘電率εと、導電体としての導電性ワイヤ１２ｂ，１３ｂの形状に応じた導電体間距離ｄ及び面積Ｓに基づいて生じる静電容量Ｃ_Ｐと、導電性ワイヤ１２ｂ，１３ｂに対する指Ｆの位置に応じた静電容量Ｃ_ＦＹ，Ｃ_ＦＺとが生じ、全体として、次式（３）及び次式（４）のように表される静電容量Ｃ_Ｙ，Ｃ_Ｚが生じることになる。
Ｃ_Ｙ＝Ｃ_Ｐ＋Ｃ_ＦＹ・・・（３）
Ｃ_Ｚ＝Ｃ_Ｐ＋Ｃ_ＦＺ・・・（４）

このような操作端１０は、平板部材１１，１２，１３によって画定される３次元空間内に利用者の指Ｆが挿入されるのに応じて静電容量Ｃ_Ｘ，Ｃ_Ｙ，Ｃ_Ｚを生じさせ、その静電容量Ｃ_Ｘ，Ｃ_Ｙ，Ｃ_Ｚに応じた電気信号を処理部２０に供給する。

処理部２０は、プログラマブル・システム・オン・チップ等、所定の集積回路を用いて構成され、操作端１０に生じた静電容量Ｃ_Ｘ，Ｃ_Ｙ，Ｃ_Ｚに基づいて３次元空間内における利用者の指Ｆの位置を算出し、その位置の変化（指Ｆの動き）に対応付けられた処理を実行する。具体的には、処理部２０は、図３に示すように、静電容量を検出する静電容量検出部２１と、この静電容量検出部２１によって検出された静電容量に基づいて３次元空間内における利用者の指Ｆの位置を算出する位置算出部２２と、スキャンコード（操作コマンド）を記述したルックアップテーブルを格納するメモリ２３と、位置算出部２２によって算出された指Ｆの位置の変化に応じたスキャンコードを生成するスキャンコード生成部２４と、このスキャンコード生成部２４によって生成されたスキャンコードを送信するスキャンコード送信部２５とを有する。

静電容量検出部２１は、操作端１０から供給された電気信号に基づいて、当該操作端１０の平板部材１１，１２，１３のそれぞれに生じた静電容量を検出する。静電容量検出部２１は、検出した静電容量を示す情報を位置算出部２２に供給する。

位置算出部２２は、静電容量検出部２１によって検出された静電容量に基づいて、操作端１０の３次元空間内における利用者の指Ｆの位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。具体的には、位置算出部２２は、操作端１０における導電性ワイヤ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの面積Ｓと、平板ベース材１１ａ，１２ａ，１３ａの誘電率εとが不変であることから、静電容量検出部２１によって検出された静電容量Ｃ_Ｘ，Ｃ_Ｙ，Ｃ_Ｚを把握することにより、平板ベース材１１ａ，１２ａ，１３ａのそれぞれと指Ｆとの距離ｄを推定し、３次元空間内における指Ｆの位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。位置算出部２２は、算出した位置を示す情報をスキャンコード生成部２４に供給する。

メモリ２３は、操作端１０の３次元空間内における利用者の指Ｆの位置の変化に応じて定められたスキャンコードを記述したルックアップテーブルを格納する。例えば、ルックアップテーブルには、図１に示したＸＹＺ直交座標系における＋Ｘ方向に指Ｆが移動した場合に対応させて、パーソナルコンピュータ１００の表示画面に表示された右方向カーソルキーと同じスキャンコードが記述され、−Ｘ方向に指Ｆが移動した場合に対応させて、左方向カーソルキーと同じスキャンコードが記述され、＋Ｙ方向に指Ｆが移動した場合に対応させて、上方向カーソルキーと同じスキャンコードが記述され、−Ｙ方向に指Ｆが移動した場合に対応させて、下方向カーソルキーと同じスキャンコードが記述され、＋Ｚ方向に指Ｆが移動した場合に対応させて、ページアップキーと同じスキャンコードが記述され、−Ｚ方向に指Ｆが移動した場合に対応させて、ページダウンキーと同じスキャンコードが記述される。なお、ここに記載したスキャンコードは一例であり、ルックアップテーブルには、操作端１０の３次元空間内における利用者の指Ｆの位置の変化に応じて定められた任意のスキャンコードが記述される。このメモリ２３に格納されたルックアップテーブルは、スキャンコード生成部２４によって読み出される。

スキャンコード生成部２４は、メモリ２３に格納されているルックアップテーブルを参照し、位置算出部２２によって算出された指Ｆの位置の変化に応じたスキャンコードを生成する。スキャンコード生成部２４は、生成したスキャンコードをスキャンコード送信部２５に供給する。

スキャンコード送信部２５は、ＵＳＢインターフェースとして構成され、ＵＳＢプロトコルにしたがって、スキャンコード生成部２４によって生成されたスキャンコードを、当該操作入力装置の操作対象機器であるパーソナルコンピュータ１００に対して送信する。なお、操作入力装置は、スキャンコード送信部２５を汎用のＵＳＢインターフェースとして構成することにより、パーソナルコンピュータ１００に対して接続されるのに応じて、自動的にデバイスドライバがインストールされ、利用可能な状態となり得る。

このような処理部２０は、操作端１０に生じた静電容量に基づいて３次元空間内における利用者の指Ｆの位置を算出し、その位置の変化に対応付けられたパーソナルコンピュータ１００に対する入力操作を行うためのスキャンコードを生成して送信する。

このような操作端１０と処理部２０とから構成される操作入力装置は、処理部２０をパーソナルコンピュータ１００に対して接続することにより、３次元の入力操作を行うことができる。ここで、操作入力装置においては、操作端１０に生じる静電容量の感度を高めることにより、非接触で３次元の入力操作を行うことが可能となる。感度を高める方法としては、通常、処理部２０におけるダイナミックレンジを広く設定することが挙げられるが、本願発明者は、これとは別に、導電性ワイヤ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの形状によっても感度を調整することができることを確認している。具体的には、操作入力装置においては、導電性ワイヤ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの形状を、図２に示したようなループ状とするよりも、図１に示したような格子状とすることにより、大幅に感度を高めることができる。したがって、操作入力装置においては、要求される感度仕様に応じて、処理部２０におけるダイナミックレンジと、導電性ワイヤ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの形状とを調整すればよい。

なお、処理部２０としては、例えばサイプレス社製のプログラマブル・システム・オン・チップであるCY8C24794-24LFXIを用いて構成した場合には、そのCapSenseアルゴリズムを用いることにより、低コスト且つ優れた耐久性及び応答性のもとに、操作端１０に生じた静電容量を検出することができる。CapSenseアルゴリズムには、逐次比較（CapSense SuccessiveApproximation；ＣＳＡ）方式、シグマデルタ（CapSense Sigma Delta；ＣＳＤ）方式、リラクゼーションオシレータ（CapSense Relaxation Oscillator；ＣＳＲ）方式等がある。例えば、プログラマブル・システム・オン・チップの表記に合わせたときのＣＳＤ方式を用いて処理部２０を構成すると、以下のようになる。

ＣＳＤ方式は、スイッチド・キャパシタ（Switched Capacitor）、クロック（Clocks）、シグマデルタ変調器（Sigma-delta modulator）、変調器ビットストリームフィルタ（Modulator bitstream filter）、リファレンス・ソース（Referencesource）、及びファームウェアを用いて実装することができる。このうち、シグマデルタ変調器は、比較器及びラッチ等からなるプログラマブル・システム・オン・チップに内蔵されたモジュールと、抵抗器及びコンデンサからなる外付け部品とを用いて実装することができる。

ここで、デューティーサイクルが高い場合には、変調器ビットストリームフィルタのカウンタのイネーブル回数が増加する。すなわち、変調器ビットストリームフィルタのカウンタによってサンプルされた値が、生の「カウント値」となる。この「カウント値」は、操作端１０の静電容量に線形的に比例する。操作入力装置においては、このような性質を利用して、操作端１０の３次元空間内の指Ｆの位置に応じたスキャンコードを送信するか否かを切り替える。

すなわち、操作入力装置においては、平板ベース材１１ａ，１２ａ，１３ａのそれぞれに指Ｆが近付くのにともなって静電容量が増加すると、処理部２０におけるバス上の電圧が所定のリファレンス電圧を超えるまでの時間が短くなる。操作入力装置においては、処理部２０を構成するシグマデルタ変調器において、バス上の電圧が所定のリファレンス電圧を超えた時点で、比較器のスイッチがオン状態となり、ハイレベル（例えば５Ｖ）のビットが生成され、バス上の電圧が所定のリファレンス電圧よりも下がった時点で、比較器のスイッチがオフ状態となり、ローレベル（例えば０Ｖ）のビットが生成される。このようなハイレベルとローレベルの状態が繰り返されるパルス波（矩形波）がビットストリームである。したがって、操作入力装置においては、バス上の電圧が所定のリファレンス電圧を超えるまでの時間が短くなるのに応じて、高いデューティーサイクルのビットストリームがシグマデルタ変調器によって生成されることになる。これにともない、操作入力装置においては、デューティーサイクルが高いことから、処理部２０を構成する変調器ビットストリームフィルタのカウンタのイネーブル回数が増加し、生のカウンタ値が増加する。

換言すれば、操作入力装置においては、平板ベース材１１ａ，１２ａ，１３ａのそれぞれに指Ｆが近付くのにともなって静電容量が増加すると、シグマデルタ変調器によって高いデューティーサイクルのビットストリームを生成し、結果として、変調器ビットストリームフィルタにおける単位時間あたりの生のカウンタ値が増加する。そこで、操作入力装置においては、生のカウンタ値が所定の閾値を超えたときに、その時点をオン状態と判定することにする。そして、操作入力装置においては、上述したように、予め操作端１０の３次元空間における３次元方向（ＸＹＺ軸方向）のそれぞれの位置に対応させて任意のスキャンコードを定義しておくことにより、オン状態と判定するたびに、処理部２０からパーソナルコンピュータ１００に対してスキャンコードを送信することができる。

具体的には、操作入力装置における処理部２０は、図４に示すような一連の手順にしたがって、パーソナルコンピュータ１００に対してスキャンコードを送信する。

まず、処理部２０は、パーソナルコンピュータ１００に対して接続されると、図４に示すように、ステップＳ１において、操作端１０に生じる静電容量の検出待ちの状態に移行し、静電容量検出部２１によって静電容量を検出すると、ステップＳ２において、位置算出部２２によって操作端１０の３次元空間内における利用者の指Ｆの位置（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。

続いて、処理部２０は、ステップＳ３において、シグマデルタ変調器が生成するカウンタ値が所定の閾値を超えたか否か、すなわち、オン状態となったか否かを判定する。

ここで、処理部２０は、カウンタ値が閾値を超えずにオン状態となっていない場合には、スキャンコード送信部２５を介して、オフとなるようなスキャンコード（０ｘ００）をＵＳＢプロトコルにしたがってパーソナルコンピュータ１００に対して送信し、ステップＳ１における静電容量の検出待ちの状態に移行する。

一方、処理部２０は、カウンタ値が閾値を超えてオン状態となった場合には、ステップＳ４において、メモリ２３に格納されているルックアップテーブルをスキャンコード生成部２４によって参照し、位置算出部２２によって算出された指Ｆの位置の変化に応じたスキャンコードを生成する。

そして、処理部２０は、ステップＳ５において、スキャンコード送信部２５を介して、ＵＳＢプロトコルにしたがってスキャンコードをパーソナルコンピュータ１００に対して送信し、ステップＳ１における次回の指Ｆの動きに応じた静電容量の検出待ちの状態に移行する。

操作入力装置においては、このような一連の手順にしたがって、指Ｆの位置の変化に応じたスキャンコードを処理部２０からパーソナルコンピュータ１００に対して送信することができる。

以上説明したように、操作入力装置は、互いに直交するように接合された３つの平板部材１１，１２，１３によって所定の３次元空間が画定されるように構成された操作端１０に生じる静電容量を利用することにより、指Ｆの動きを３次元的に捉えることができ、その動きに応じたスキャンコードをパーソナルコンピュータ１００に対して送信することができる。したがって、操作入力装置は、低コストで製造可能な簡便な構成でありながら、利用者の動きに対する応答性が高く、３次元的に表されたオブジェクトを３次元空間内で直感的に操作可能であるという極めて良好な操作性のもとに、非接触でパーソナルコンピュータ１００に対する３次元の入力操作を行うことができる。特に、この操作入力装置は、非接触式であることから、接触式の操作インターフェースに比べて一般的に小型化を図ることができる。また、この操作入力装置は、従来のジョイスティック型の操作インターフェースのように、支軸を有する可動部材を一切必要としないことから、３次元の入力操作を行うための操作制約をなくすことができ、操作インターフェースとしての可動範囲も任意に設定することができる。

このような操作入力装置は、例えば、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）におけるモデルや３次元ゲームにおけるキャラクタ等、擬似的な３次元表示をともなうアプリケーションにおける各種オブジェクトの３次元的な移動や回転を含む３次元操作インターフェースとして極めて好適である。また、この操作入力装置は、例えば医療現場において手術や検査等を行う際に３次元画像を操作するための操作インターフェースや、３次元的な動きをさせる必要がある手術用具をはじめとする医療機器の操作インターフェースとしても極めて好適であり、また、操作性の良好さの観点から、指先が不自由な利用者が各種操作対象機器を操作するための操作インターフェースとしても好適である。さらに、操作入力装置は、パーソナルコンピュータのみならず、工業用機械等、任意の機器の操作インターフェースとしても適用可能である。

このように、操作入力装置は、低コストで製造可能であることから、ローエンドな普及タイプの操作インターフェースとして、極めて高い市場価値が見込めるものである。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、ＵＳＢインターフェースを利用して操作入力装置を操作対象機器に対して接続するものとして説明したが、本発明は、任意のインターフェースを利用することができ、有線通信のみならず無線通信によって操作入力装置を操作対象機器に対して接続する場合にも適用することができる。

また、上述した実施の形態では、絶縁材としての平板ベース材の表面に、所定の導電性ワイヤを貼着することにより、利用者の指の位置に応じた静電容量を生じさせる平板部材を構成するものとして説明したが、本発明は、各平板部材において静電容量を生じさせればよいことから、金属板を用いて平板部材を構成するようにしてもよい。すなわち、操作入力装置においては、金属板からなる各平板部材の接合部分に所定の絶縁材を設けることにより、操作端を構成するようにしてもよい。

さらに、本発明は、上述したように、平板部材を平板ベース材と導電性ワイヤとを用いて構成する場合には、これら平板ベース材及び導電性ワイヤの材料として、それぞれ、絶縁材及び導電体であれば任意のものを適用することができる。ただし、操作中の利用者の指の動きを実際に視認したい等の要求に応えるために、平板ベース材としては、アクリル等の光学的に透明な部材を用いるのが望ましい。

さらにまた、上述した実施の形態では、図２に示したように、Ｚ軸方向の静電容量を生じさせる平板部材を３次元空間の上面に配置するものとして説明したが、本発明は、かかる平板部材を３次元空間の下面に配置し、上面を開放することにより、利用者が指を動かすことができる範囲を制限しないようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、３つの平板部材を用いて３次元方向の静電容量を生じさせるものとして説明したが、本発明は、例えば図２に示したように、３次元空間の上面に配置したＺ軸方向の静電容量を生じさせる平板部材に対向する下面に、感度を低下させた平板部材を配置するようにしてもよい。すなわち、操作入力装置においては、非接触式の静電容量センサの他に、感度を低下させた接触式の静電容量センサを設け、この接触式の静電容量センサに利用者の指が接触するのに応じて、例えばクリック操作を行う等、他の操作を追加するようにしてもよい。これにより、操作入力装置においては、従来の２次元マウス等のポインティングデバイスと同様の操作感覚を維持したまま、３次元の入力操作を行う環境を提供することができる。

さらに、上述した実施の形態では、３つの平板部材を互いに直交するように接合してＸＹＺ直交座標系によって表される３次元空間を画定するものとして説明したが、本発明は、少なくとも３つの平板部材を組み合わせて３次元空間を画定するのであれば、３つの平板部材を互いに直交するように接合する形態以外の操作端を構成してもよく、平板部材の枚数や接合する角度等を任意に変更してもよい。

さらにまた、本発明は、長時間の使用にともなう利用者の負担を軽減するために、操作端の３次元空間内において指を支持する支持部材を設けるようにしてもよい。かかる支持部材としては、任意の形状のものを適用することができるが、例えば、利用者の手を挿入可能なグローブ状の支持部材とし、人差し指のような操作を行う所定の指が挿入される指袋の周囲に操作端を形成することにより、利用者の疲労を大幅に軽減することが期待できる。

また、上述した実施の形態では、利用者の指が挿入可能な程度の大きさの３次元空間を画定する操作端であるものとして説明したが、本発明は、例えば指差し操作に応じた３次元の入力操作を行うことが可能なように、利用者の腕の一部又は全部が挿入可能な程度の大きさの３次元空間を画定する操作端を形成するようにしてもよい。また、本発明は、利用者の全身が挿入可能な程度の大きさの３次元空間を画定する操作端を形成することにより、利用者の全身の動きに応じた３次元の入力操作を行うものとしてもよい。すなわち、本発明は、操作を行うために使用する利用者の身体部位に限定されるものではなく、その身体部位に応じた大きさの操作端に適用することができるものである。

さらに、上述した実施の形態では、１つの操作端を備えるものとして説明したが、本発明は、複数の操作端を備えるようにしてもよい。このとき、これら複数の操作端には、例えば全ての指等、同一の利用者の異なる身体部位が挿入されてもよく、また、異なる利用者の所定の身体部位が挿入されてもよい。これに応じて、処理部は、複数の操作端を識別し、これら操作端のそれぞれに生じた静電容量に基づいて、当該操作端のそれぞれの３次元空間内における身体部位の位置を処理部によって算出すればよい。このような複数の操作端を備える操作入力装置は、例えば、複数の利用者による対戦ゲームでの利用や、医療現場においてメスや鉗子等の複数の器具を略同時に操作する必要がある状況での利用に極めて好適である。

このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の形態として示す操作入力装置をパーソナルコンピュータに対して接続した様子を示す図である。本発明の実施の形態として示す操作入力装置の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態として示す操作入力装置における処理部の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態として示す操作入力装置における処理部がパーソナルコンピュータに対してスキャンコードを送信する際の一連の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０操作端
１１，１２，１３平板部材
１１ａ，１２ａ，１３ａ平板ベース材
１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ導電性ワイヤ
２０処理部
２１静電容量検出部
２２位置算出部
２３メモリ
２４スキャンコード生成部
２５スキャンコード送信部
１００パーソナルコンピュータ
Ｆ指

Claims

絶縁材からなる平板ベース材と、この平板ベース板に配された導電体とからなる平板部材が、３つ互いに絶縁された状態で接合されて３次元空間が画定されるとともに、非接触式静電容量センサとして機能し、各前記平板部材に非接触の状態でＸ，Ｙ，Ｚのいずれの挿入方向からも前記３次元空間内に利用者の指が挿入可能とされ、前記利用者の指の位置に応じた静電容量を前記平板部材のそれぞれに生じさせるように構成された操作端と、前記操作端に生じた静電容量値に基づいて、前記３次元空間内における前記利用者の指の位置を算出し、算出した位置の変化に対応付けられた操作コマンドを生成して、所定のインターフェースとして操作対象機器に対してデータ送信する処理手段、を備えたことを特徴とする操作入力装置。
前記操作端の各前記平板部材が互いに直角であることを特徴とする請求項１記載の操作入力装置。
前記平板ベース材が透明なアクリルであり、かつ、前記導電体が格子状の導電性ワイヤであることを特徴とする請求項１または２記載の操作入力装置。
前記処理手段にはプログラマブル・システム・オン・チップにて構成されたシグマデルタ変調器と、ＵＳＢインターフェースが備わっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の操作入力装置。
前記操作端を複数備え、前記操作端には、同一の利用者の複数の指、又は異なる利用者の指が、各前記３次元空間内にそれぞれ挿入され、前記処理手段が、各前記操作端のそれぞれに生じた静電容量に基づいて、各前記操作端に係るそれぞれの指の位置を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の操作入力装置。
平板部材が、３つ互いに絶縁された状態で接合されて３次元空間が画定されるとともに、非接触式静電容量センサとして機能し、各前記平板部材に非接触の状態でＸ，Ｙ，Ｚのいずれの挿入方向からも前記３次元空間内に利用者の指が挿入可能とされ、前記利用者の指の位置に応じた静電容量を前記平板部材のそれぞれに生じさせるように構成された操作端と、前記操作端に生じた静電容量値に基づいて、前記３次元空間内における前記利用者の指の位置を算出し、算出した位置の変化に対応付けられた操作コマンドを生成して、所定のインターフェースとして操作対象機器に対してデータ送信する処理手段が備わっている構成の操作入力装置を用いて、入力操作を行う操作入力方法であって、利用者が、前記３次元空間内に指を挿入すると、前記操作入力装置が、前記利用者の指の位置に応じた静電容量を非接触で検出し、前記静電容量値に基づいて、前記３次元空間内における前記利用者の指の位置を算出し、算出された前記位置の変化に対応付けられた操作コマンドを生成し、生成された前記操作コマンドを、前記操作対象機器に対してデータ送信することを特徴とする操作入力方法。
前記操作端の各前記平板部材が互いに直角となっていることを特徴とする請求項６記載の操作入力方法。
前記操作端の各前記平板部材は、前記平板ベース材には透明な材質が用いられており、かつ、前記導電体が格子状の導電性ワイヤとなっていることを特徴とする請求項６または７記載の操作入力方法。
前記操作入力装置の処理手段には、プログラマブル・システム・オン・チップにて構成されたシグマデルタ変調器と、ＵＳＢインターフェースが備わっており、前記平板ベース材のそれぞれに前記利用者の指先が近付くのにともなって静電容量値が増加すると、前記シグマデルタ変調器がビットストリームを生成し、所定の閾値を超えた時点をオン状態と判定し、予め前記操作入力装置の操作端の前記３次元空間における３次元方向のそれぞれの位置に対応させて定義されたスキャンコードを、前記オン状態と判定する毎に、前記処理手段が前記操作対象機器に対してデータ送信することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項記載の操作入力方法。