JP4203885B2

JP4203885B2 - Data input device and user interface method

Info

Publication number: JP4203885B2
Application number: JP2003033020A
Authority: JP
Inventors: 逸夫熊澤
Original assignee: 逸夫熊澤
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004220535A

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a data input device and a user interface system capable of integrating a shortcut function easily, precisely and quickly selecting menu items and inputting letters and an instruction with a pointing function having a freedom degree of specifying arbitrary coordinates, and linking the both functions without any interruption. SOLUTION: A two-dimensional movement range of a fingertip is divided into two partial regions, a tactile sense or an inner force sense stimulus is introduced in one partial region for clearly distinguishing a track guiding the movement of the fingertip and the finger tip position, so as to realize the function (shortcut function) easily, precisely and quickly specifying the two positions by the guide and the stimulus and linking the information inputting the combination of the specified two positions. In the other partial region, the fingertip is prevented from being restricted by the track or from receiving the tactile sense or the inner force sense stimulus so as to realize the function (pointing function) specifying the arbitrary coordinates. COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報機器へ文字データや指令データを能率良く入力するデータ入力装置とユーザインターフェイス方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
グラフィカルインターフェイスでは視覚を頼りにマウスカーソルの位置を確認しながら作業を進めることになるが，視覚の負担を軽減するため，触覚刺激を援用する方式が工夫されている。例えば，ピンディスプレイのピンを突出させたり（特開平１１−１６１１５２，特開平１０−５５２５２，特開平６−１０２９９７），マウスに組み込んだバイブレータや駆動部を動作させたり（特開平６−１０２９９７，特開２００１−３５６８６２），ポインティング用のスティックを振動させて（特開２０００−２９６２３），画面上でカーソルが目標領域に到達したことを操作者に通知する方式が考案されている。また指先をサックに挿入して動かすと位置に応じてピンを出して指を刺激して仮想物体の触感を与える装置が開発されている（特開２０００−２５９３３３，特開２０００−４７７９２）。これらの方式は多様な情報を高速に入力する目的に触覚刺激を使用するものでなかった。また特開平１０−１４３３０１では，突起の上下運動によりキー上の指先に刺激を加え，この刺激を通じてキーの移動位置を通知する方式を示しているが，キーを降下する運動のみによって情報を入力しているため，文字等多様な情報の入力には複数の指を使用せざるを得なかった。一本指で多様な情報を入力するには，指先の下降位置と上昇位置を組み合わせて入力する情報を指定する方式（特開平１１−２２４１６１，実開平５−５５２２２）が有効であるが，一本指の狭い運動範囲内で接近した下降位置と上昇位置を正確に把握することは困難であり，誤入力を生じやすかった。さらにカーソルキーの形状や大きさを方向毎に変えて触覚により区別できるようにする方式（特開平３−９０９２２）や，指先接触部にボール状突起を複数個配列して，指先がボール状突起配列の上を円滑に移動しながらボール状突起配列の凹凸の触覚情報を手掛かりに情報入力する方式（特開２００１−１６６８７１，特開平１１−３５３０９１）も考案されている。しかしながらこれらの方式では凹凸が静的で固定しているため，指先を動かしても明瞭な凹凸形状の差異が得られなかった。指先の運動中に指先が接する面の凹凸形状を変形して凹凸形状に明確な差異を生じて、操作者がこの差異に基づいて指先位置を明確に把握できるようにすると共に、指先の下降位置と上昇位置を組み合わせて多様な情報を指定する方式（特開２００２−２７８６９４）も考案されているが、指先が自由に２次元運動できる自由度の高さがかえって操作を難しくし、また指の震えの影響を受けて誤入力を生じやすかった。特にメニューの項目を選定するときには任意の座標点を指定する自由度は作業能率低下の原因となり、むしろキーボードのショートカットキーを利用する方が能率的に項目を選択できた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
指先の２次元移動範囲内で、２つの地点（第１位置と第２位置）を指先の所定の運動によって指定し、第１位置と第２位置の組み合わせを文字や指令に関連付けてデータを入力するデータ入力装置において、指先の運動を２次元移動範囲内に設定された１次元の軌道上に制約する手段を導入し、この軌道に沿って移動するように指先の運動をガイドすると共に、軌道上の指先の位置に応じて指先の触れる面の凹凸形状を変える触覚刺激提示手段か、または指先の位置に応じて指先が触れる面から指先に加わる力を変化させる力覚刺激提示手段を導入し、操作者がガイドに沿って指先を移動しながら、移動中に指先に加えられる触覚または力覚刺激によって第１位置と第２位置を把握して、文字や指令を容易かつ確実に入力できるデータ入力装置と、指先の運動や提示される触覚または力覚刺激と直感的に連携の取れるユーザインターフェイス方式を与えることを課題とする。また指先の運動とそれによって入力する文字や指令との対応関係を直感的で記憶しやすくなるように設定することを課題とする。指先の２次元移動範囲を上述した１次元の軌道を含む領域と含まない領域に分け、前者の領域で軌道によって指先の運動をガイドしながら能率的に文字や指令を入力し、指先が２次元的に自由に移動できる後者の領域で任意の座標点を指定するようにし、これらの領域を切り替えることによって、ショートカット機能とポインティング機能を同じ一本の指先で実行できるようにすることを課題とする。
【０００４】
【発明を解決するための手段】
データ入力装置に指先が接して指先の移動と共に移動する部位（指先接触部）を設ける。指先接触部がその上に接触する指先の運動に追随して移動するように可動機構を構成する。指先接触部の移動範囲には限界があり、移動可能な範囲の最も外側の縁を外縁と呼ぶ。指先接触部の上に乗せた指先から力を加えて指先接触部を外縁に押し付けると、通常の場合摩擦が増して指先接触部は外縁に沿って動きにくくなるが、本発明の実施例の一つでは、指先接触部が外縁に押し付けられていても外縁に沿って円滑に移動できるように指先接触部の可動機構を構成する。本発明の別の実施例では、指先接触部がその移動可能範囲内に設けられた線状領域に引き込まれるように、指先接触部に力が働く仕組を導入して、指先接触部の運動を線状領域内に制約する。指先接触部は２次元の運動範囲内を自由に移動するが、一度この線状領域に入り込むとある一定量以上の力を加えない限り線状領域から抜け出すことができず、線状領域に閉じ込められて移動する。線状領域内では一定量以下の小さな力で移動できるようにする。外縁に沿って移動する場合も、線状領域に閉じ込められて移動する場合も、指先接触部は１次元の軌道に沿って移動することになる。指先接触部は２次元の運動範囲を自由に動けるが、必要に応じて１次元の軌道に入って、ちょうど定規を使ってペンを移動して線を描く場合のように、軌道をガイドとして正確かつ迅速に目標地点に移動する。
【０００５】
指先接触部の移動範囲にこのような軌道を導入すると軌道を指先の運動をガイドする目的に利用できる。すなわち、指先接触部が到達すべき目標地点を軌道上に配置しておくと、指先接触部を軌道に沿って移動して行くことで確実に目標地点に到達できる。これはちょうど定規の縁にペンを押し付けながらペンを動かして直線を描くのと同様で、指先接触部の運動は軌道に沿った１次元的な運動に制約されることになる。このようなガイドがあると指先を思い切って速く動かしても正確さを保つことができ、目標地点に確実に到達できる。結果として操作が容易になり能率が向上する。例えば指先が震えやすい人は、線状領域に指先が拘束されたり、指先接触部を外縁に押し付けたりすることで震えを抑制できる。これはフリーハンドで線を描くと手の震えで線が乱れてしまうが、定規に沿ってペン先を動かせば真直ぐに線を描けるのと同様である。
【０００６】
さらに指先接触部を軌道に沿って移動する最中に指先の触覚または力覚に作用する刺激を変化させて、操作者がこの刺激の変化を手掛かりとして指先接触部が目標地点に到達したかどうか判断できるようにする。こうすると指先位置を視覚的に確認する必要がなくなり、操作を迅速に行えるようになる。
【０００７】
また指先接触部が軌道に入り込むときに、入り込む地点を始点として行われる指運動で入力できる指令や文字をメニューにして表示するユーザインターフェイスを導入する。ここでメニュー内の項目（アイコン）は指運動の方向や到達点の位置と幾何学的に対応が取れるように配置するか、またはアイコンの図柄に指先の運動の形態や指先運動中に受ける力覚または触覚刺激を示唆する装飾を施すと良い。さらに指先接触部の移動開始位置と移動方向が文字を記入するときのペン先の移動開始位置と移動方向に関連付くように、各指運動によって入力する文字を定めると、指運動と入力する文字の対応関係を記憶しやすくなる。指先接触部の移動範囲を２つの部分領域に分け、一方の部分領域に軌道を含めて指先の運動を制約しながら能率良く文字や指令を入力したりメニュー項目を指定したりする目的に使用し、自由に指先を運動できる他方の部分領域において座標点を指定するポインティング操作を行うようにすると一本の指先を両領域間で行き来して文字や指令の入力とポインティング操作をシームレスに継続しながら作業できる。なお任意の座標点を指定する自由度があるとメニュー項目を選択する作業の能率が低下するが、前者の領域では軌道を用いて自由度を制限し、触覚・力覚手掛かりも合わせて利用することでメニュー項目へ即座にアクセス（ショートカット）しそれを指定できる。そこで前者の領域をショートカットエリアと呼び、後者の領域をポインティングエリアと呼ぶことにする。
【０００８】
【実施例】
最初に、指先接触部の移動範囲の外縁を軌道として用いて、指先の運動をガイドする方式の実施例を説明する。データ入力装置の指先を乗せる部位（指先接触部）の移動範囲内で２つの地点（第１位置と第２位置）を所定の指先の運動により指定し、第１位置と第２位置の組み合わせを文字や指令に関連付けてデータを入力するデータ入力装置において、指先接触部の移動範囲を制限し、この制限された範囲の外縁に押し付けるように指先接触部に力を加えていても、指先接触部が外縁に沿って円滑に移動できるように可動機構を構成する。このように可動機構を構成すると外縁が指先の運動をガイドする働きをする。すなわち定規にペン先を押し付けて線を描くように、外縁に指先接触部を押し付けながら指先接触部を移動することで、指先の震えを押さえ、また指先を正しい方向に誘導できる。さらに触覚または力覚刺激提示手段を用いて、外縁に沿って指先を移動する最中に所定の位置で触覚または力覚刺激を指先に加えるようにすると、操作者は触覚または力覚刺激を通じて指先位置を確認し、第１位置と第２位置を迅速かつ正確に把握して、指令や文字を能率良く入力することができる。また指先の運動と入力するデータが直感的に関連付くように工夫して操作を容易にする。そのための方法の一つとして、第１位置から第２位置へ至る指先の運動と文字を記入する際の代表的なペン先の運動とが類似するように、指先の運動とそれによって入力する文字との対応関係を設定する。またグラフィカルインターフェイス方式において、指先が第１位置に到達したときに、その第１位置を起点として入力できる指令や文字のアイコン（メニューの項目）を、第２位置の配置と幾何学的に対応するように配置して表示し、また第２位置で受ける触覚または力覚刺激を示唆する装飾をアイコンに付加して表示する。次にこの全体像の中で使われる各機構を個別に説明する。
【０００９】
以上に述べた全体像の中で、まず指先接触部可動機構の実施例を示す。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に指先接触部１、触覚刺激用突起７、指先接触部可動機構のレール２、車輪３、４、車輪の台座５、６を上から見た図を示す。レールは正方形状のループをなしている。図中には指先接触部１の楕円形状の輪郭を破線で示し、指先接触部１に隠れて本来は見えなくなる部位も表示している。車輪３がレール上を回転することにより、指先接触部１は図面上で左右方向に円滑に移動する。またレール自体は車輪４が回転することによって図面上で上下方向に移動する。この２つの運動の組み合わせによって、指先接触部は２次元的に上下左右に移動する。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）では、それぞれ指先接触部が移動範囲内の中心部、上部、斜め左上部に移動している。図１（ｂ）を横から見た断面を図１（ｄ）に示す。楕円状の指先接触部１の断面９を見ると、指先がフィットするように湾曲し、その中心部に指先を刺激する触覚刺激用突起８（同じ突起を上から見たものが７である）を設けている。触覚刺激用突起８は指先接触部の位置が変わるときに上下に動いて指先を刺激する。図が複雑となるためここでは触覚刺激用突起を上下に動かす仕組を省き、後に別個に説明する。
【００１０】
図１（ｅ）には、ボールベアリング１３により円滑に回転するリング１２と、このリングに接触してその移動範囲を制限する外側のリング１４が付け加えられている。回転リング１２と外側リング１４を上から見た様子を図１（ｆ）に示す。図１（ｆ）では回転リングは外側リングの上部内面に接触し、指先接触部１はこれより上に移動できないように制限されている。回転リングは外側リングの内面に押し付けられていても回転して内面に沿って円滑に移動する。したがって、この回転リングの軸に固定している指先接触部１は移動範囲の外縁に押し付けられている状態でも外縁に沿って円滑に移動することができる。こうして外側リング１４の内面が指先の運動をガイドする働きをして指先運動ガイド手段を実現できる。以後、外側リング１４の内面のように指先接触部の移動範囲を制限する枠を移動範囲制限枠と呼ぶ。
【００１１】
図１（ｈ）ではレール２を下側の車輪１６と上側の車輪１５で挟んでいる。これを横から見たものが図１（ｇ）であり、１０はレールの断面である。図１（ｄ）のように一方の側にだけ車輪を設けても車輪はレールから外れてしまうが、図１（ｈ）のようにレールを上下の車輪で挟めば、レールと車輪は離れずに一体になったまま互いに移動できる。
【００１２】
図２（ａ）（ｂ）に指先接触部可動機構の別の実施例を示す。ここでは、レールと車輪の代わりに、軸１８を中心に回転するアーム１７を用いて指先接触部１が２次元的に運動できるように構成している。ここでも図１（ｅ）（ｆ）のように回転リングと外側リングを導入して指先接触部１の移動範囲を制限すると、指先接触部１はその移動範囲の外縁に沿って円滑に移動可能となり、外縁を指先の運動をガイドする目的に使用できる。また触覚刺激用突起７を指先位置に応じて上下に動かせば、使用者はこの刺激を手掛かりに指先位置を把握できる。アーム１７とその回転軸１８を指とその関節を模擬するように構成すると、指先接触部は指先と同様の運動をするので指先との一体感が増し、操作性が向上する。なお指先接触部可動機構は図１、図２に示す機構に限られるわけではない。例えばカーテンレールに使用されている滑り易いプラスティックの素材同士を滑らせれば、車輪やレールを使わなくとも、指先接触部を円滑に動かすことができる。
【００１３】
指先接触部可動機構では、指先接触部をその移動可能範囲の外縁に押し付けながら外縁に沿って円滑に移動できるようにする仕組が必要である。そのための工夫を図３に示す。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）には、図１（ｅ）（ｆ）と同様に円形のリング１４を移動範囲制限枠として用いて、指先接触部の移動範囲を制限している例を示す。ボールベアリング１３と回転リング１２を導入し、回転リングが移動範囲制限枠に押し付けられるように力が加わっても、回転リングが回転することで移動範囲制限枠に沿って円滑に移動する。この仕組によって、回転リングの軸に固定した指先接触部１は外縁に押し付けられている状態でも外縁に沿って円滑に移動できる。回転リングの内部に設けられた触覚刺激用突起を上から見た様子が７であり、横から見た様子が８である。９は指先接触部１の断面である。
【００１４】
図３（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）では移動範囲制限枠の形状を変えて、窪み２２、２３、２４等を設けている。図３（ｅ）（ｆ）（ｇ）に示すように回転リング１２がこれらの窪みに入り込む位置で指先接触部は安定に静止する。また指先接触部を外縁に押し付けながら外縁に沿って移動するときに、操作者は回転リングが窪みに落ち込む感触を通じて指位置を確認することができる。さらに移動範囲制限枠は正方形に近い形状をしているので４つの角を持ち、指先接触部を外縁に沿って動かすときに思い切り速く動かしても、回転リングが角の位置に来るとそれ以上同じ方向には動けないので回転リングは角の位置にぶつかり確実に静止する。指を思い切って動かせるので角の位置にはすばやく到達でき、そこに関連付けられている文字や指令を確実にまた能率良く入力できる。以上に指先運動ガイド手段の実施例を述べてきたが、図１の実施例においては、指先接触部を外縁に押し付けるときにレール２から車輪３、４が外れないようにし、またレール２と車輪３、４の間の摩擦力が大きくならないように工夫できれば、図１（ｄ）の回転リング１２、ボールベアリング１３、及び外側リング１４を省いても、正方形を成す指先移動可能範囲の外縁の各辺に沿って指先を円滑に移動でき、本発明の要件を満たすことができる。その場合には、レールと車輪を用いる指先接触部の可動機構が指先運動ガイド手段の役割を兼ねることになる。
【００１５】
次に指先接触部の位置が変わるときに触覚刺激用突起８を上下に動かして指先を刺激する触覚刺激提示手段の仕組を示す。指先接触部可動機構は既に示しているので、以下の説明と図からは指先接触部可動機構を省くが、最終的には両者を組み合わせて装置を構成する。
【００１６】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に指先接触部１、触覚刺激用突起７、下の台に形成された隆起部の斜面２６、その頂上部２５と谷部２７を上方から見た様子を示す。図４（ｄ）（ｅ）（ｆ）は図４（ａ）（ｂ）（ｃ）をそれぞれＡ−Ａ’の断面で側方から見たものである。２８は触覚刺激用突起８を下げるように力を加えるスプリングである。図４（ａ）（ｄ）では触覚刺激用突起は下がっており指先を刺激しない。図４（ｂ）（ｅ）では指先接触部を左側に移動したときに下の台の隆起部に触覚刺激用突起８の底部１１が当たり、触覚刺激用突起８が持ち上げられて指先を刺激する。図４（ｃ）（ｆ）では指先接触部を斜め左上に移動したときに下の台の谷部に触覚刺激用突起８の底部１１が入るため、触覚刺激用突起８は下降する。こうして指先位置に応じて指先に加える刺激の形態を変える触覚刺激提示手段を構成できる。
【００１７】
図５には触覚刺激提示手段の別の実施例を示す。図５（ａ）（ｃ）（ｅ）に指先接触部１、触覚刺激用突起７、回転リング１２、ボールベアリング１３、車輪３０、突起押し上げ板３１、車輪のアーム３２を上から見た図を示す。またこれらを側方から見た断面をそれぞれ図５（ｂ）（ｄ）（ｆ）に示す。図５（ａ）（ｂ）では指先接触部は移動可能範囲の左上に来ており、図３（ｇ）のように移動範囲制限枠を設ければ回転リングは移動範囲制限枠の左上の窪みに入り込んでいる。また触覚刺激用突起８は下がっていて指先を刺激しない。図５（ｃ）（ｄ）では指先接触部は下方に少し移動し、回転リング１２がちょうど車輪３０に接触してこれを左方向に少し押したところである。指先接触部をさらに下方に動かすと車輪３０は左側に押し倒され、アーム３２が回転軸３３を中心にして左側に回転するため、突起押し上げ板３１が持ち上がり、触覚刺激用突起８を上に押し出して指先を刺激する。車輪３０が回転することによって、回転リング１２は車輪３０に接触したまま上方に円滑に移動する。
【００１８】
図６に触覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。ここでは指先接触部１の下部に今まで用いてきた回転リングと異なる構造を設けている。触覚刺激用突起７を囲むように４つの円筒（回転するローラでも良い）を図６（ａ）の３５のように配置する。Ａ−Ａ’の断面を見ると、触覚刺激用突起８は通常バネ２８によって押し下げられており指先接触部９の下側にある。図６（ｂ）に示すように指先接触部の移動範囲の周辺部４箇所に車輪３６を設ける。図６（ｃ）のように指先接触部が左に移動すると２つのローラ３５の間に車輪が収まり、そのまま車輪は左に押される。車輪がローラに挟まるので指先接触部は車輪に対する相対位置を一定に保ったまま車輪を押すことができるが、ローラに挟まずに平らな面で車輪を押すと車輪は容易に回転し、指先接触部は車輪に対する相対位置を一定に保つことが難しくなる。図６（ｄ）（ｅ）はそれぞれ図６（ｂ）（ｃ）を側方から見た断面で、指先接触部が左に移動して車輪３６を左に押すと折れていたアーム３７が伸びて、３８が持ち上がり、触覚刺激用突起８を押し上げる。図６（ｆ）（ｇ）もそれぞれ図６（ｂ）（ｃ）を側方から見た断面であるが、図６（ｄ）（ｅ）とは別の方式を用いており、車輪３６が左に押されたときにローラ３９がアーム３７を持ち上げて３８の部分で触覚刺激用突起８を押し上げる。
【００１９】
図７に触覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。図７（ａ）（ｃ）（ｅ）の断面を図７（ｂ）（ｄ）（ｆ）に示す。図６の方式と似ているが、指先接触部が車輪３６を押すときに、車輪そのものが傾斜して、回転軸４０の右側アーム４２を持ち上げて触覚刺激用突起８を押し上げる。
【００２０】
図８に触覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。図８（ａ）（ｃ）の断面を図８（ｂ）（ｄ）に示す。４３は車輪３６にぶつかると図８（ｄ）に示すように回転し、触覚刺激用突起８を押し上げる。
【００２１】
図９に触覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。図９（ａ）の状態で指先接触部を左に動かすと図９（ｂ）に示すように、最初のうちは４７が４６に入り込むだけであって、４６は動かない。指先接触部をさらに左に動かし、４７がそれ以上４６の中に入り込む余裕がなくなると図９（ｃ）に示すように４６が左に動き、アーム３８がローラ３９に持ち上げられてその先端部で触覚刺激用突起８を押し上げる。
【００２２】
図１０に触覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。図１０（ａ）に示すように、台座に固定した回転軸６２を中心に回転する４つのアーム６３があり、指先接触部に固定した軸６１は、アーム６３に掘られた溝６４の中に下端を入れて溝６４の中を滑って移動する。図１０（ｂ）に示すように指先接触部１を右に動かすと、アームの先端６６が触覚刺激用突起８の底部６５の下に入り込み、触覚刺激用突起８を押し上げる。図１０（ｃ）に示すように、指先接触部を斜め右上に移動すると、アームの先端６６は６５から離れて、触覚刺激用突起８は降下する。
【００２３】
図１１に触覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。図１１（ａ）で６７、６８はボールジョイントであり、図１１（ｂ）に示すように、棒７１と棒７３は任意方向に回転できる。図１１（ｂ）に示すように指先接触部を左に動かすと、棒７１の下端はボールジョイント６８に開いた穴を通過してボールの反対側に飛び出して、アーム７０を軸６９の周りに左方向に回転させて、触覚刺激用突起８を押し上げる。図１１（ｃ）に示すように構成して、指先接触部を左に移動したときにアームを曲げて７４を下げて、下部アーム７５を軸７６を中心に左方向に回転し、触覚刺激用突起８を押し上げることもできる。
【００２４】
図１２に力覚刺激提示手段の実施例を示す。図１２（ａ）に指先接触部の移動範囲を点線で示し、移動範囲内の各位置で指先接触部に加わる力の方向と大きさを矢印で示す。矢印の方向が力の方向を、矢印の太さが力の強さを示す。このように指先接触部の位置に応じて加わる力が異なるので、使用者は力の方向と強さを手掛かりとして指先接触部の位置を把握できる。図１２（ｂ）（ｃ）に図１２（ａ）の力覚刺激を発生する機構を示す。図１２（ｂ）を側方から見た断面が図１２（ｃ）である。指先接触部１の断面を９に示すが、この実施例では、触覚刺激用突起はなく、力覚のみを提示する。ただしこれまでに説明してきた触覚刺激提示手段を力覚刺激提示手段に組み合わせて使用しても良い。指先接触部の下に車輪１２が設置されている。車輪１２は板８１に接触したまま回転して円滑に移動できるので、指先接触部は車輪１２を通じて板８１から力を受けながら円滑に移動できる。板８１はバネ８４が伸びようとする力を受けて車輪１２を右方向に押す。４箇所に設けられた板８１は車輪に対していずれも同様の方法で力を及ぼす。移動範囲の角の部分では２つの８１から働く力の合力が斜め方向の力となって指先接触部に作用する。また８３、８６、８８等の板バネを導入することによって、指先接触部に作用する力の強さを場所に応じて変えることができる。すなわち車輪１２で８１を押して外側に向けて動かすときに、初めのうちは板バネを８６のように変形するために強い力を要するが、さらに押して行くと今度は板バネが復帰してくるので押すのに要する力は弱くなる。図１２（ａ）で力の強さを示す矢印の太さが移動範囲の中心部近くで太く、周辺部で細くなるのはこのためである。
【００２５】
図１３に力覚刺激提示手段の別の実施例を示す。図１３（ａ）に指先接触部の移動範囲を点線で示し、移動範囲内の各位置で指先接触部に加わる力の方向と大きさを示す。ここではリング状の移動範囲制限枠を用いているため、移動範囲は円形となる。図１２の場合と同様にバネ８４と板バネ８３を組み合わせて、移動範囲の中心部近くで大きな力を、周辺部で小さな力を生じるように構成している。また８１の中央部に窪みを設け、車輪１２が窪みに収まることで、車輪が８１上を転がることなく固着したまま８１を押して行けるように工夫している。指先接触部が斜め左上に移動したときには図１３（ｅ）に示すように車輪は８１からはずれて力を受けないので、図１３（ａ）の斜め左上位置には矢印が記載されていない。こうして図１３（ａ）の矢印の分布に示されるように指先接触部の移動範囲内で位置に応じて力覚に提示される力が異なるので、操作者はこの力の相違に基づき指先位置を把握できる。
【００２６】
図１４に力覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示す。図１４（ａ）に指先接触部の移動範囲を点線で示し、移動範囲内の各位置で指先接触部に加わる力の方向と大きさを示す。ここでは図１３の８１に代わって、４つの車輪９２を用いて指先接触部に力を加えている。また図１３では指先接触部の下に回転リング１２を設置したが、ここでは図１４（ｅ）（ｆ）に示すように車輪の代わりに４つの円筒３５（または回転するローラでも良い）を設置して、図１４（ｂ）に示すように２つの円筒３５の間の窪みに車輪を挟んで車輪を押すようにしている。車輪を押すときに要する力は、バネ８４と板バネ８３を組み合わせることで、位置に応じて変えることができる。この例では図１４（ａ）に示す力が移動範囲内の各位置に生じる。
【００２７】
図１５に力覚刺激提示手段のさらに別の実施例を示すが、これは図１４の方式で車輪の配置を４５度回転しただけなので、生成される力も図１５（ａ）に示すように図１４（ａ）の力の分布を４５度回転したものになる。なお以上に述べた触覚または力覚刺激提示手段は、電気的な駆動機構を用いずに、操作者自身の力を利用して触角刺激または力覚刺激を生成しているので、余計な電力を消費せずに済む。触覚刺激用突起に磁石を設置し、突起を押し出したい位置に突起の磁石と反発する磁石を、また突起を下降させたい位置に突起の磁石と引き合う磁石を配置して、触覚刺激用突起を上下に動かすようにしても電力を消費せずに済む。力覚刺激についても、位置に応じて異なる極性の磁石を配置して、指先接触部に設置した磁石と反発力または引力を生じるようにすると、電力を消費せずに位置に応じて異なる力覚刺激を生成できる。これらの例では一見磁力が駆動源になっているように思えるが、実際には指先の力を磁石によって変換して利用しているのであり、指先の力が駆動源になっている。
【００２８】
図１６に指先接触部を移動する最中に行われる指先の下降運動と上昇運動を検出する上下運動検出手段の実施例を示す。図１６（ａ）では、指先で指先接触部を押し下げるとバネ５６が縮んで指先上下運動検出用スイッチ５５がＯＮとなり、指先の下降運動を検出できる。図１６（ｂ）では、指先接触部の表面に形成された指先上下運動検出用スイッチ５５の上で指先を下げるとスイッチ５５がＯＮとなり、指先の下降運動を検出できる。どちらの実施例でも指先を上げると指先上下運動検出用スイッチ５５はＯＦＦとなり、指先の上昇運動を検出できる。
【００２９】
指先接触部がその移動可能範囲の外縁に到達したことと、外縁から離脱したことを検出するためには、例えば図３において回転リング１２と移動範囲制限枠１４または２０を導電性素材で構成し、両者の接触によって導通する電流を検出すればよい。電流が導通するようになった時点が外縁に到達した時点であり、電流が遮断された時点が外縁から離脱した時点である。こうして軌道出入り検出手段を実現できる。
【００３０】
以上の方法で検出した指先下降時点または外縁到達時点の指先接触部の位置を第１位置とし、指先上昇時点または外縁離脱時点の指先接触部の位置を第２位置とすると、これらの位置は指先接触部可動機構に指先接触部の位置を検出するセンサを設置することによって計測できる。例えば、図１の指先接触部可動機構では下台に対するレールの移動量、及びレールに対する指先接触部の移動量を、光学式リニアエンコーダやロータリエンコーダで計測すると良い。また図２の指先接触部可動機構では、各回転軸におけるアームの回転量を光学式ロータリエンコーダで計測すると良い。こうして得られる計測結果から、指先接触部の第１位置及び第２位置の位置を算出し、両位置の組み合わせを指令や文字に関連付けることができる。あるいは区別すべき位置の数が限られている場合には、各位置にスイッチを配置して、指先接触部が来た位置のスイッチがＯＮとなるようにして指先接触部の位置を検出しても良い。これらの方法により指先位置検出手段を実現できる。
【００３１】
本発明のデータ入力装置では、以上に述べてきた指先接触部可動機構、指先運動ガイド手段、触覚または力覚刺激提示手段、指先の上下動検出手段または軌道出入り検出手段、そして指先位置検出手段を組み合わせて、指先の運動から第１位置と第２位置を検出し、両地点の組み合わせに対応する指令や文字を入力する。この対応付けを行う対応付け手段では、第１位置と第２位置の組み合わせを文字や指令に関連付けるテーブルを予め用意しておく必要がある。
【００３２】
第１位置と第２位置の組み合わせを指令や文字に対応付けるテーブルは、直感的に分かり易いものが望ましい。英字（アルファベット）について、第１位置から第２位置へ至る指先の動きと、各文字を描くときのペン先の代表的な動きとが一致するように指先の運動と入力する英字を対応付けた例を図１７に示す。図１７では指先接触部の移動可能範囲を正方形の領域とし、この領域を３行３列の区域に分けている。これらの区域のうち、指先接触部をその区域に移動したときに触覚刺激用突起が出て指先を刺激する区域に白丸９４をつけている。９３の矢印の始点は第１位置を、また矢印の終点は第２位置を示す。各矢印で示される指運動によって入力するアルファベットを矢印の脇に記す。例えば９３の矢印は斜め左上の区域を第１位置として、中央上の区域を第２位置とする指先の運動によって「Ｔ」が入力することを意味している。９３の矢印で示される指運動は「Ｔ」をペンで描く際のペン先の水平方向の運動（これを「Ｔ］を描くときのペン先の代表的な動きと考える）に対応する運動になっている。また指先への触覚刺激は第１位置では加わらず、第２位置で加わるので、この触覚刺激の相違を手掛かりに指先位置を把握して指運動を正確・迅速に実行できる。図１８には数字について同様に、第１位置から第２位置へ至る指先の動きと、各数字を書くときのペン先の代表的な動きとが一致するように指先の運動と入力する数字を対応付けた例を示す。
【００３３】
図１９には３種の移動範囲制限枠の形状について外縁の各位置で加わる触覚または力覚刺激を黒塗りまたは白抜きの矢印で表している。黒塗りと白抜きの矢印は異なる種類の刺激を表す。例えば、黒抜きの矢印の地点では突起が出て指先を刺激するが白抜きの矢印の地点では突起が引っ込んで指先に刺激が加わらなくなる。あるいは黒抜きの矢印の地点では指先接触部を外縁に近づけたときに中央部に向けて押し返す力が加わるが白抜きの矢印の地点ではこの力が加わらなくなる。破線の矢印は指先接触部の移動の軌跡を示す。指先接触部の移動可能範囲を図１９（ａ）（ｄ）は正方形とした例、図１９（ｂ）（ｅ）は正方形の角を丸めて指先接触部が角で円滑に曲がれるようにした例、図１９（ｃ）（ｆ）は円形とした例である。図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）では、最初に移動可能範囲の中央部にいた指先接触部が９５の方向に移動し、外縁に到達して黒塗りの触覚または力覚刺激９７を受けた後、右に曲がり、外縁に沿って移動し、白抜きの触覚または力覚刺激を受け、さらに外縁に沿って移動し、黒塗りの触覚または力覚刺激を受けた後、９６の矢印に沿って中央部に戻る。図１９（ｄ）（ｅ）（ｆ）は指先の運動の軌跡を変えた例で、運動中に指先が受ける触覚または力覚刺激の時系列は異なるパターンになる。操作者はこれらの運動の最中に加わる触覚または力覚刺激を手掛かりとして、指先が外縁の目的位置に到達し、外縁上を正しく移動して、正しい位置から復帰してくることを確認できる。指先を下降、上昇して第１位置と第２位置を指定する場合でも、触覚または力覚刺激を手掛かりとすることで、正しい地点で指先を下降、上昇させることができる。
【００３４】
図２０には指先接触部の移動可能範囲が円形である場合について、外縁上に沿って第１位置から第２位置に移動する指先の運動の例を示す。ただし（ａ−３）（ｂ−３）は外縁から内部に移動する運動である。外縁の上部中央地点を第１位置として開始する運動の中で触覚または力覚刺激により区別し易い運動は、（ａ−１）（ａ−２）（ａ−３）（ａ−４）（ａ−５）の５通りある。これらの運動中には触覚または力覚刺激が最大２回までしか変化しないので区別は容易であるが、変化する回数がこれより増えると区別が難しくなる。例えば（ａ−１）の運動は黒塗り矢印の刺激から開始して途中１度白抜き矢印の刺激に変わり再び黒塗り矢印の刺激を受ける。人はこの程度単純な刺激変化パターンであれば容易に区別できる。外縁の斜め左上地点を第１位置とする場合も、（ｂ−１）（ｂ−２）（ｂ−３）（ｂ−４）（ｂ−５）の５通りの運動を容易に区別できる。同様に各地点を第１位置として５通りの運動を容易に区別できる。そこでこれらの区別し易い運動を優先して指令や文字に対応付けると良い。
【００３５】
図２１に外縁上の各地点を第１位置として実行する図２０の５種類の指先の運動の中から、英字を書くときのペン先の運動に関連付くものを選んで、英字（アルファベット）に対応付けた例を示す。例えば「Ａ」を書くときにはペン先が左斜め下から右斜め上に移動するので、それに対応して外縁の「左斜め下」を第１位置、「中心」を第２位置として指先が移動するときに「Ａ」が入力するようにする。「Ｂ」についてはペンで記入するときの最後のペン先の動き（右下で曲線を描く時の指先の動き）に対応するように、外縁の右下で指先が曲がる運動によって「Ｂ」が入力するようにする。他の文字についても同様にペン先の代表的な動きと指先の動きに対応が取れるように指先の運動と入力する英字を関連付けるようにする。図２１は指の運動とそれによって入力するデータを関連付けるテーブルとなる。
【００３６】
図２２（ａ）では、図２１の場合と同様に数字についてペン先の代表的な動きと指先の動きに対応が取れるように定めたテーブルを示す。繰り返して入力することの多い「上下左右へのカーソル移動の指令」や「空白」や「改行」、「タブ」あるいは「バックスペース」については同一地点における指先の上下運動で入力できることが望ましい。指先の下降運動と上昇運動でそれぞれ第１位置と第２位置を指定する場合には、同一地点で指先を上下運動すると第１位置と第２位置が一致することになり、テーブルでは第１位置と第２位置が一致する組み合わせに対して、これらの繰り返し入力の多い指令や文字を関連付けることになる。図２２（ｂ）には、繰り返し入力の多い文字や指令を外縁上の８個の地点に記しているが、これは各地点で指先を上下運動した時にその地点に記されている文字または指令が入力することを意味する。
【００３７】
図２３に本発明のユーザインターフェイスで画面にメニューを表示した例を示す。図２３（ａ）では指先接触部１を移動可能範囲の外縁の上部中央に移動している。この位置は３行３列の区画の中で上部中央の区画に相当し、区画に記された白丸が示すように、この位置で触覚刺激用突起７が出て指先を刺激する。またこの位置を始点として指先を移動するときに触覚刺激を通じて容易に区別できる地点は図２０に示した５地点となる。図２３（ａ）の３行３列の区画の中でこの５地点に該当する区画は矢印の先が示す５区画である。矢印の始点が第１位置、矢印の終点が第２位置となる。図２３（ａ）の画面１０３の中に、メニューの項目をこの第２位置と幾何学的に対応が取れるように配置する。図２３（ａ）の例では、指先が現時点で位置している地点も含めたＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの６地点と画面中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの６つのメニュー項目が幾何学的に対応する。破線の枠で囲まれたメニュー項目１００は現在指先が位置している地点で選択できるメニュー項目であることを意味する。細線の枠で囲まれたメニュー項目１０１は突起が指を刺激しない地点で選択できるメニュー項目であることを意味する。太線の枠で囲まれたメニュー項目１０２は突起が指を刺激する地点で選択できるメニュー項目であることを意味する。このようにメニュー項目あるいはアイコンに触覚または力覚刺激を示唆する装飾を施すと分かりやすくなる。指先接触部を外縁の左斜め上部に移動した時と、外縁の左中央部に移動した時についても、それぞれ図２３（ｂ）、（ｃ）に、指先接触部の位置、５個の第２位置を示す矢印、そして第２位置と幾何学的に対応の取れるメニュー項目の配置を示す。
【００３８】
指先を動かしてメニュー項目を選択する際に、多数並んでいるメニュー項目の中の特定の一つを選ぼうとすると、指先を目的のメニュー項目に対応する地点へ移動し、そこで静止させなければならない。指先を正しい地点で静止するためにカーソルの動きに注意を注ぎ、指先の速度を落として慎重にカーソルを動かさなければならない。本発明の実施例では、カーソルを隣のメニュー項目に移動するときに、指先を刺激する突起が上下に動いたり、反発力が加わったりするので、隣のメニュー項目に移動したことをこれらの刺激を通じて確実にまた容易に把握できる。したがって現カーソル位置に隣接したメニュー項目を選択する操作は迅速に行える。また指先移動可能範囲が正方形に近い形状をしている場合には指先移動可能範囲が角を持ち、角では急な方向変換が必要になるので、指先を速く動かしても角にぶつかって静止し、角の位置に対応するメニュー項目を確実にまた迅速に選択できる。図１７、図１８、図２１、図２２、図２３に示した実施例では、いずれも隣や角に該当する地点に対して優先的に指令や文字、メニュー項目を割り当て、指先を速く動かしながら確実にデータを入力できるように工夫している。
【００３９】
以下の実施例では、指先接触部の２次元移動範囲の中に線状領域を設定し、指先接触部がこの線状領域から出るのに一定量以上の力を要するが線状領域内部では一定量以下の弱い力で移動するように装置を構成することで、指先接触部を線状領域に閉じ込め、この線状領域を軌道として指先の運動をガイドする方式について説明する。
【００４０】
図２４（ａ）（ｂ）には指先接触部と触覚刺激提示手段の構成例を示す。それぞれ上から見た図とＡ−Ａ′断面図を示す。上から見ると楕円形状をしている指先接触部はスプーンの先のように窪んだ曲面になっており、その曲面に指先の腹が密着する。（ａ）はボールの形状をした触覚刺激用突起２０２が下がっている状態、（ｂ）は触覚刺激用突起２０２が上がっている状態を示す。触覚刺激用突起は上がると指先接触部に接している指先の腹を刺激する。２０３は触覚刺激用突起の支柱であり、それが２０４を回転軸として角度を変えることによって、触覚刺激用突起が指先接触部に対して上下に動き、指先接触部の凹凸形状を変える。２１６は指先接触部で指先が下方に力を加えたときにＯＮするスイッチであり、指先の上下運動を検出する。これが上下動検出手段になる。
【００４１】
（ｃ）以降の図には（ａ）に示す指先接触部がそれに接触する指先の移動に追随して２次元的に移動する仕組み（指先接触部可動機構）と、移動に伴い触覚刺激用突起が上下に動く仕組み（触覚刺激提示手段）、指先接触部の移動を１次元の軌道に制約する仕組み（指先運動ガイド手段）、力覚刺激を生成する仕組み（力覚刺激提示手段）等を示す。各図には上から見た図とＢ−Ｂ′断面及びＣ−Ｃ′断面の図を示す。なお（ｅ）（ｆ）の図では、（ｃ）（ｄ）とは異なる方向から見た断面図を表示する都合上、（ｃ）（ｄ）の装置の方向を９０度回転して表示している。
【００４２】
（ｃ）でレール２０７は（ｅ）のＣ−Ｃ’断面図中に示すように台座２０５に固定したレール保持部２１４の穴を通過しており、穴の中を滑って台座に対して相対的に移動する。なおレール２０７とレール保持部２１４の穴の内面は互いに滑りやすくなるように加工されており、指先から加えられる圧力によって、レールがいずれの方向から内面に押し付けられても、摩擦力は小さく、レール保持部に対して円滑に移動する。例えば、レールが穴内面に側方から押し付けられる場合にも円滑に移動する。指先から力を加えて、指先接触部を移動可能範囲の外縁に押し付けるときには、レールは穴の内面に側方から押し付けられるように力が加わるが、そのような場合にも、外縁に沿って円滑に移動できることになるので、外縁を１次元の軌道として指先の運動をガイドする目的に使用できるようになる。また図１のレールと車輪を用いる方式では、側方から加わる力によって車輪がレールから外れる心配があるが、レール保持部２１４の穴をレールが通過するようにすれば、側方から力が加わっても、レールが保持部から外れることはない。
【００４３】
このようにレール２０７がレール保持部２１４に対して移動することによって、指先接触部２０１は（ｃ）の位置から（ｄ）の位置に移動する。この時スイッチＳＷ２がＯＮしてこの移動を検出する。逆方向に移動するとＳＷ１がＯＮするので、ＳＷ１とＳＷ２のＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって、この方向の移動に関して３つの位置を区別することができる。（ｃ）ではバネ２１０に押されて車輪２０９が窪み２１３にはまっているが、（ｄ）の位置に指先接触部が移動するためにはバネの力に逆らって車輪が持ち上げられて窪みから抜け出す必要がある。そのため（ｃ）の位置から（ｄ）の位置に移動するためには一定量以上の力を必要とし、一定量以上の力を加えない限り、指先接触部はこの移動方向に関して（ｃ）の位置に拘束される。この拘束から抜け出すには一定量以上の力が必要であり、それが反力として力覚を刺激する。したがって、これは指先を軌道に拘束する指先運動ガイド手段となるのと同時に力覚刺激提示手段になる。なお（ｃ）の位置から（ｄ）の位置に移動するときに触覚刺激用突起２０２は下がったままで指先を刺激しない。このように指先接触部が（ｃ）の位置から（ｄ）の位置に移動するときには、触覚刺激は変化せずに、力覚刺激のみが変わって位置の変化を通知することになる。
【００４４】
次に、指先接触部が（ｅ）に示す位置から（ｆ）に示す位置に移動するときには、レール２０７に対して指先接触部に固定したレール保持部２０８が滑って移動する。この場合も前述したように、レール保持部２０８の穴の内面にレール２０７がいずれの方向から押し付けられても、レール保持部２０８の穴内面はレール２０７に対して小さな摩擦係数で滑って、レール保持部がレールに対して円滑に移動するように構成し、指先から側方に圧力が加えられ、指先接触部がその移動範囲の外縁に押し付けられても、外縁に沿って円滑に移動できるようにする。こうすると外縁も指先を誘導する１次元の軌道として利用できる。
【００４５】
指先接触部が（ｅ）に示す位置から（ｆ）に示す位置に移動する時には、車輪２０９が窪み２１３に入ったままであるので何ら反力を受けることなく移動できる。一方、触覚刺激用突起２０２は（ｅ）では下がっているが、（ｆ）の位置に移動すると台座の隆起部２１５に押し上げられて、指先を刺激する。これが触覚刺激提示手段になる。このように指先接触部が（ｅ）の位置から（ｆ）の位置に移動するときには、力覚刺激は変化せずに、触覚刺激が変わって指先の位置の変化を通知することになる。この移動方向についての指先接触部の位置は、スイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４のＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって、３つの位置を区別することができる。前述したようにこれと直交する方向については、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２のＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって３つの位置を区別できるので、両者の組み合わせで９通りの位置を区別できる。これが指先位置検出手段になる。
【００４６】
指先接触部は２次元の移動範囲内を自由に移動できるが、車輪２０９が窪み２１３に落ちると、その後は一定量以上の力を加えない限り車輪は窪みから抜け出すことができず、車輪が窪みに落ちた状態を保ったまま、一方向にのみ移動する。こうして指先接触部の移動は１次元の軌道上に制約され、指先運動ガイド手段が実現される。
【００４７】
装置の方向を図２４（ｅ）（ｆ）に示される方向にして操作する場合について、図２５に指先接触部がその２次元移動範囲２９０内のどの地点でどの方向に力を受けるかということを矢印２９３で示す。車輪２０９を窪み２１３に落とすバネの力は指先接触部に（ａ）の図中の矢印の方向に力を及ぼし、指先接触部の位置を向かい合う矢印２９３で挟まれた線状領域内に制約する。この線状領域を抜け出すには前述した一定量以上の力が必要となるが、線状領域内ではなんら反力を受けずに移動できる。そこでこの線状領域を指先の運動をガイドする１次元の軌道として用いて指先の運動を誘導することができる。これが指先運動ガイド手段となる。なお（ａ）で矢印２９３の力に逆らって軌道の上側領域、下側領域に抜けるともはや指先接触部に力は働かなくなる。これはこれらの領域では図２４に示すように車輪２０９がレール２０６の平らな部分に接するためである。この平らなレールを若干傾斜させることにより、弱い力が働き、指を離したときに指先接触部が線状領域に復帰するようにしても良い。しかしながら、復帰する力が強いとそれを押し留める指が疲れてしまうので、あくまでもこれらの領域で働く復帰力は弱くすべきである。
【００４８】
図２５（ａ）中の２９１で示す領域では、触覚刺激用突起が上昇して指先を刺激する。また２９２の領域では触覚刺激用突起が下がって指先を刺激しなくなる。この刺激の変化によって左右方向に関して３つの区域を区別できる。また前後（紙面上では上下）方向に関しては、軌道を抜け出す際に必要となる反力を手掛かりとして、軌道上、軌道の上側領域、下側領域の３つの区域を区別できる。左右方向の区域は触覚刺激を手掛かりとして区別し、前後方向の区域は力覚刺激を手掛かりとして区別する。移動方向によって刺激の種類が異なるので指先の位置を容易に把握できる。こうして各方向について３つの区域を区別できるので、その組み合わせによって図２５（ｂ）に示す９個の区域（ＵＬ：左上区域、ＵＭ：中央上区域、ＵＲ：右上区域、ＭＬ：中央左区域、ＭＭ：中央区域、ＭＲ：中央右区域、ＬＬ：左下区域、ＬＭ：中央下区域、ＬＲ：右下区域）を区別できる。
【００４９】
指先は、これらの９個の区域のいずれかにおいて下降して図２４のスイッチ２１６をＯＮとし、ＯＮする時点の指先位置として第１位置を指定後、軌道（例えば、ＭＬ、ＭＭ、ＭＲの３区域）に沿って移動し、いずれかの区域で上昇してスイッチ２１６をＯＦＦとして、ＯＦＦする時点の指先位置として第２位置を指定する。そして第１位置と第２位置の組み合わせに基づいて入力する情報を決定する。第１位置と第２位置の組み合わせを入力する情報に関連づける対応付け手段は、例えば、第１位置と第２位置の組み合わせを入力する情報に対応づける参照表（図４９）を用いて、入力する情報を決定する。ここで参照表は使用者が独自に定義できるようにしておくと応用範囲が広がる。なおスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、上述したように指先の前後方向の移動について位置を検出するが、指先接触部が軌道上、軌道の上側、軌道の下側のいずれの位置にあるかを検出するので、軌道出入り検出手段としても利用できる。そして軌道出入り検出手段を上記の上下動検出手段の代わりに用いて、上述したのと同様な方法で入力する情報を決定できる。その場合、スイッチＳＷ１がＯＮからＯＦＦに変われば、指先接触部は軌道の上側から軌道に突入したことが分かる。またスイッチＳＷ２がＯＮからＯＦＦに変われば、指先接触部は軌道の下側から軌道に突入したことが分かる。軌道から脱出する場合も同様にＳＷ１とＳＷ２のどちらがＯＮしたかということから脱出の方向が分かる。そこで突入、脱出の方向を区別して、入力する情報を関連付けることができる。こうして軌道出入り手段を使用する場合に、突入、脱出の方向を区別することは、上下動検出手段を使用する場合に、第１位置、第２位置が軌道の上側領域と下側領域のどちらにあるかを区別することと等価である。
【００５０】
なおショートカットエリア内では前述した線状領域が１次元の軌道となって指先をガイドする。この軌道上にはＭＬ，ＭＭ，ＭＲの３つの区画がある。更に図２４の機構では指先接触部はその移動範囲２９０の外縁に沿って円滑に移動できるので、この外縁も１次元の軌道となり指先をガイドする。この軌道上には移動範囲の上辺に沿ってＵＬ，ＵＭ，ＵＲ、また下辺に沿ってＬＬ，ＬＭ，ＬＲがあり、これらの辺上では指先を辺に押し付けるようにしても指先は一定量以下の力で移動できるので、これらの辺を１次元の軌道として併せて利用できる。
【００５１】
図２６に図２４の実施例を若干変更し、触覚刺激提示手段を取り除き、代わりに指先接触部の左右方向の移動に関しても、力覚刺激を手掛かりとして指先位置を判断できるようにした構成を示す。（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）のそれぞれに装置を上から見た図とＣ−Ｃ’における断面図を示す。指先接触部を左右方向に移動する場合には、バネ２４０によってレールに押し付けられている車輪２３９が、レールの突出部２３７と２３８を乗り越える際に反力を受けるのでこの反力を手掛かりとして指先の左右方向の位置の変化を把握することができる。例えば、指先接触部が（ａ）の図に示す位置から（ｂ）の図に示す位置へ移動するときには車輪２３９が屈曲部２３７を乗り越えるのに力を要し、この力を手掛かりとして指先が中央の区域から左の区域に移動したことが分かる。指先の前後（紙面上では上下）方向の移動に関しては、図２４の場合と同様に車輪２０９が窪み２１３を抜け出るのに力を要するので、この力（力覚刺激）を手掛かりとして指先が前後方向に移動したことを把握できる。したがって、この構成例では、左右前後のいずれの方向に関しても力覚刺激提示手段によって指先の位置の手掛かりを得ることになる。ただし、両方向の位置の区別に共に力覚刺激を用いると、位置の判断に混乱を生じやすい。なお車輪２０９が窪み２１３を抜け出すのに要する力は、車輪２３９が屈曲部２３７を乗り越えるのに要する力よりも大きいので、指先接触部は、前後方向の位置を車輪２０９が窪み２１３に落ち込む位置に制約したまま、左右方向に弱い力で位置を変えて１次元的に移動する。こうして指先の位置は線状領域に制約されて、線状領域を軌道として指先を誘導する指先運動ガイド手段を実現できる。
【００５２】
図２７（ａ）に、図２６の構成例について、２９０の正方形枠で示される指先の移動範囲内の各位置で指先に加わる力の大きさと方向を矢印２９３及び２９７で示す。矢印の方向で力の方向を、矢印の大きさで力の大きさを示す。窪み２１３を抜け出すのに要する力２９３は屈曲部２３７、２３８を乗り越えるのに要する力２９７よりも強く、２９３の向かい合う矢印で挟まれた線状領域に指先接触部を拘束する。この線状領域を１次元の軌道として用いて指先の運動をガイドすることができる。２９３の反力による力覚刺激によって、指先の前後方向の移動については、指先が軌道上、軌道の上側領域、下側領域の３つの区域のどれに含まれるか区別できる。また２９７の反力によって、指先の左右方向の移動について、レールの突出部２３７，２３８を境界として、左区域、中央区域、右区域の３つの区域のどれに含まれるか区別できる。両者の組み合わせによって（ｂ）図に示す９個の区画を区別できる。
【００５３】
図２６の構成に図２４で用いた触覚刺激提示手段を台座の隆起部の配置を変更して併せて導入すると、２９０の指先移動範囲内で（ｃ）図に示すような触覚刺激を提示することもできる。ここで２９１は触覚刺激要突起が上がって指先を刺激する範囲、２９２は触覚刺激要突起が下がって指先を刺激しなくなる範囲を示す。２９３、２９７の矢印で示される力覚刺激は（ａ）図と同じである。このように力覚刺激と触覚刺激を組み合わせて提示すれば、（ｄ）図に示すように前後方向に５個の区域を区別できるようになり、５０音のひらがなを入力する場合には、５個の区域を５種の母音に対応させることができるので都合良い。なお（ａ）図において前述した線状領域が１次元の軌道となって指先をガイドする。この軌道上にはＭＬ，ＭＭ，ＭＲの３つの区画がある。更に図２６の機構では指先接触部はその移動範囲２９０の外縁に沿って円滑に移動できるので、この外縁も１次元の軌道となり指先をガイドする。外縁の上辺を軌道として用いると軌道をガイドとして指先を移動することでＵＬ，ＵＭ，ＵＲの区画に正確に指先を誘導できる。また外縁の下辺を軌道として用いると軌道をガイドとして指先を移動することでＬＬ，ＬＭ，ＬＲの区画に正確に指先を誘導できる。
【００５４】
図２８には、指先接触部を指先の移動に追随して動かすための別の機構を示す。まず（ａ）に指先接触部２０１、ボール状の触覚刺激用突起２０２とその支柱２０３、支柱の回転軸２０４を上から見た図と断面図を示す。回転軸２０４の回りに支柱２０３が揺れて触覚刺激用突起２０２を上下に動かし、指先接触部に接する指先を刺激する。これが触覚刺激提示手段になる。指先接触部は（ｂ）（ｃ）（ｄ）の図に示すように紙面上で左右の方向に移動する。（ｂ）では車輪２１８がバネ２１７に押されて窪み２１９に落ち込んでおり、指先接触部はこの位置に安定して落ち着いている。（ｃ）では指先接触部は左に移動し、車輪はバネの力に逆らって押し出されて窪みから外れる。このように移動する時に、指先接触部には（ｂ）の位置に復帰しようとする力が働き、指先は反力を感じる。（ｄ）に示す位置に移動する場合にも、車輪が窪みから抜け出す際に、移動に逆らう反力を受け、指先接触部は（ｂ）に示される位置に復帰しようとする。これが力覚刺激提示手段となり、操作者はこれらの反力を手掛りとして指先位置を把握できる。また（ｃ）（ｄ）のいずれの位置に移動する場合にも、指先接触部に一定量以上の力を加える必要があり、この力を加えない限り、指先接触部は（ａ）の位置に留まることになるので、紙面上の左右方向の移動について指先接触部の位置を１点に拘束することになり、次図で説明するように指先の運動を１次元の軌道上に制約する指先運動ガイド手段を実現できる。
【００５５】
図２９には、図２８の機構に触覚刺激提示手段を追加している。（ａ）には指先接触部位を上から見た図とＢ−Ｂ’の断面図を示す。回転軸２２２を中心としてシーソのアームのように振れる突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）２２１の外側の板が衝突壁２２０にぶつかると、（ａ）の右図のように突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）２２１の内側の板が上昇して触覚刺激用突起２０２を押し上げて、指先接触部上の指先を刺激する。これが触覚刺激提示手段になる。（ｂ）（ｃ）（ｄ）には回転軸２２３を軸として指先接触部を矢印２２４の方向（２２３を中心とする円周方向）に振る様子を示す。この可動機構では指先接触部が関節を軸として動く指先の運動に近い動きをするように、回転軸２２３を軸とする回転運動によって指先接触部を動かしている。また指先は関節の屈曲運動及び筋の伸縮によって前後に動くのでその運動を模擬するように、指先接触部は屈曲または伸縮機構により前後に動かすようにすると良い。ここに示す例では伸縮機構によって前後方向の運動（紙面上では左右方向の運動）を実現している。
【００５６】
指先接触部を（ｂ）に示す位置から（ｃ）に示す位置に移動するときには、車輪２１８は窪み２１９に落ち込んだままであり、指先接触部は矢印２２５の方向（回転軸２２３を中心とした半径方向）には移動せず、矢印２２４の方向（円周方向）にのみ移動している。この移動は一定量以下の弱い力で遂行できる。一方、図２８で説明したように、指先接触部が（ｂ）（ｃ）に示す位置から矢印２２５の方向（半径方向）に移動するためには車輪が窪みを抜け出すことを要し、一定量以上の力を要するので、この一定量以上の力を加えない限り、指先接触部は矢印２２５の方向への移動に関して（ｂ）（ｃ）に示す位置に拘束されながら、矢印２２４の方向に一次元的に移動し、一次元の軌道上に制約された運動をすることになる。これが指先運動ガイド手段となる。
【００５７】
また矢印２２５の方向へ移動するためには車輪が窪みを抜け出すために一定量以上の力（指先が受ける反力に逆らって指先を動かす力）を必要とすることから、この反力を力覚刺激として指先位置を把握するための手掛かりにすることができる。これが力覚刺激提示手段となる。なお指先接触部が矢印２２４の方向に移動するときには、（ａ）に示す機構によって触覚刺激用突起２０２が上下に動いて指先の触覚を刺激するので、触覚刺激を通じて指先位置を把握できる。例えば、（ｃ）では指先接触部が紙面上で上方に動き、上側の突起押し上げ板２２１が衝突壁２２０にぶつかって触覚刺激用突起２０２を押し上げる。これが触覚刺激提示手段となる。
【００５８】
指先接触部が（ｂ）に示す位置から（ｄ）に示す位置に移動するときには、矢印２２４と矢印２２５の両方向に同時に移動している。（ｄ）に示す位置では突起押し上げ板２２１が衝突壁２２０にぶつかって触覚刺激用突起２０２を押し上げているが、この状態で矢印２２５の方向（半径方向）に指先接触部を動かしても、突起押し上げ板２２１が衝突壁２２０にぶつかっている状況に変わりはない。すなわち、触覚刺激は指先接触部を矢印２２５の方向に移動したときには変化せず、矢印２２４の方向（円周方向）に移動したときにだけ変化する。一方、力覚刺激は矢印２２５の方向に移動したときにだけ変化し、矢印２２４の方向に移動したときには変化しない。このように移動方向に応じて力覚刺激と触覚刺激を使い分けているので、操作者は指先位置を容易にまた確実に把握できる。例えば矢印２２４の方向に関する位置を一定に保ったまま、矢印２２５の方向に限定して指先を移動したいときには触覚刺激を変えないように指先を動かすことで正確な運動を行うことができる。
【００５９】
図３０に、図２９の機構で生じる触覚刺激と力覚刺激が、指先運動範囲２９０内のどの位置でどのように生じるかを示す。（ａ）に示す可動機構で矢印に示すように指先接触部を動かすときに、指先は（ｂ）の２９０に示す形状の範囲を移動する。この範囲の中で指先接触部に働く力の方向と位置は矢印２９３、３０８に示される様になる。指先接触部が２９３の向かい合う矢印に挟まれた位置に来たときに車輪２１８は窪み２１９に落ち込む。この窪みから抜け出すのに一定量以上の力が必要であり、指先接触部に矢印２９３に示す方向の反力が加わることになる。また区域２９１においては触覚刺激用突起２０２が上昇して指先を刺激し、区域２９２においては触覚刺激用突起２０２が下降して指先を刺激しない。指先接触部は２９３の向かい合う矢印に挟まれた線状領域に拘束され、この線状領域に沿って１次元的に移動する。したがってこの線状領域を１次元の軌道として指先をガイドする指先運動ガイド手段を実現できる。なお（ｂ）では軌道の上側領域と下側領域で、指先接触部を線状領域に復帰させるように、矢印３０８に示される弱い力が働いている。それは図２８（ｃ）（ｄ）において車輪２１８が接する斜面３０９，３１０の傾斜方向に力が発生するためである。しかし３０９，３１０の斜面の傾斜は窪み２１９近辺の斜面の傾斜よりも緩く、復帰力は弱いので、指先は筋肉に負担をかけずにこれらの領域に留まることができる。
【００６０】
図３１には、図２８、図２９、図３０で説明してきた機構に、指先接触部を円周方向２２４に振るための回転軸２２３、指先接触部を上下方向２３２に振るための回転軸２２６を追加し、これらの回転軸を保持する機構の詳細を示す。また指先接触部の位置を検出するためのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４と指先接触部の上下運動を検出するためのスイッチ２３１の配置を示す。指先接触部を半径方向２２５に移動するときにスイッチＳＷ１，ＳＷ２は突起２２７、２２８に押されてＯＮし、この２つのスイッチのＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって、半径方向について３つの位置を区別できる。指先接触部を円周方向２２４に移動するときには、スイッチＳＷ３，ＳＷ４のＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって、円周方向について３つの位置を区別できる。両者の組み合わせによって９個の位置を区別でき、これが指先位置検出手段となる。スイッチ２３１のＯＮ−ＯＦＦによって指先の上下運動が分かるのでこれが上下運動検出手段になる。
【００６１】
図３２に図２４（ｅ）（ｆ）に示した構成のレールを前後方向（紙面上の上下方向）に伸ばすことで指先接触部の移動範囲を前後方向に拡張した機構を示す。レールを前後方向に伸ばした分、指先接触部に固定されているレール保持部２０８も前後方向の長さが長くなっている。このように拡張した移動範囲の上部の部分領域では、図２４に説明した方法と全く同様の方法で、指先接触部の運動を１次元の軌道上に制約する。すなわち、指先を前後方向に移動する時には、車輪２０９がレール２０６の窪み２１３に落ち込む位置に指先を拘束する。（ａ）（ｂ）に示すように指先は、前後方向の移動に関しては窪みの位置に拘束されたままで左右方向には自由に動くので、左右の一方向のみに移動可能な１次元の軌道に拘束されて移動することになる。軌道から抜け出す時には一定量以上の力を加える必要があるが、その際に反力として指先に加わる力覚刺激を通じて、指先の位置を、前後方向に関して、軌道上の区域、軌道の上側区域及び下側区域の３つの区域に区別することができる。また、指先の左右方向の位置については、触覚刺激用突起２０２が、指先が中央にいる時は下がっているが、左右に移動すると台座の隆起部２１５によって押し上げられて指先を刺激するので、この突起の刺激の差異に基づき左区域、中央区域、右区域の３つの区域に区別できる。こうして上部の部分領域は、左右前後それぞれ３つの区域に区分されるので、その組み合わせによって９個の区画に区別され、その中で指定される第１位置と第２位置の組み合わせに基づき、能率良く文字や指令を入力できる。このように上部の部分領域ではカーソルを使わずに文字や指令を直接的に指定できるので、この領域をショートカットエリアと呼ぶ。
【００６２】
一方、指先接触部がその移動範囲の下部の部分領域に移動すると、（ｃ）（ｄ）に示すように、車輪２０９はレール２０６の平らな部分に接するため、指先を前後方向に動かしても力覚刺激を受けない。また指先を左右方向に動かす時も下部の部分領域には台座の隆起部がないため、触覚刺激用突起２０２は下がったままで触覚刺激を受けることがない。したがって、下部の部分領域では指先は触覚刺激、力覚刺激のいずれも受けずに自由に移動できるため、指先の位置を高解像度に検出し、座標指定（ポインティング）を行う目的に使用することができる。そこで下部の部分領域をポインティングエリアと呼ぶ。なお（ｄ）図の右に台座の隆起部２１５の３面図を示す。隆起部２１５は触覚刺激用突起２０２の下部がどちらの方向から衝突しても緩やかな傾斜で押し上げられるように、いずれの方向からも緩やかな曲面で隆起していることが分かる。車輪２０９が接するレール２０６には上部と下部の部分領域を分けるための突起部２４１があり、車輪２０９がこの突起部を乗り越える際に大きな力が必要であり、この力に応じて指先は反力を受ける。操作者はこの反力を手掛かりとして、上部の部分領域と下部の部分領域の境界を把握できる。また両部分領域間を横切るにはこの反力に逆らう力が必要となる。
【００６３】
レール２０６に固定されたクシ状スリット３０２は、発光・受光素子３００の発光素子と受光素子の間に入り、発光部から発した光は、クシの歯の部分で遮断され、歯と歯の間のスリットを通過する。したがってクシ状スリットが発光・受光素子に対して相対的に移動するとクシの歯の通過回数だけ遮断が起きて、遮断回数を受光素子で計測することによって移動量を検出できる。クシ状スリット３０２は力覚刺激生成用レール２０６に固定しているので指先接触部の前後方向の移動に追随して動き、発光・受光素子３００は台座に固定しているので、光の遮断回数を通じて指先接触部の前後方向の移動量を計測できる。同様に指先の左右方向の移動量を求めるためには、指先接触部に固定したクシ状スリット３０３が、指先接触部移動用レール２０７に固定した発光・受光素子３０１に対して相対的に移動する時にクシの歯が光を遮断する回数を検出すれば良い。以上の方法で指先位置検出手段を構成できる。この指先位置検出手段は、（ａ）（ｂ）に示すように指先接触部がショートカットエリアにある場合においても、指先接触部の位置を検出し、文字や指令、メニュー項目を指定する目的に使用できる。ただし、発光・受光素子は常に電力を消費するので、指先接触部がショートカットエリアにいる間は電力の供給を止めて、図２４に示したスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を用いる指先位置検出手段を利用した方が節電上好ましい。指先接触部がポインティングエリアに入ったときにだけ発光・受光素子に電力を供給するようにすると良い。
【００６４】
図３３には、図３２の機構で生成される触覚刺激と力覚刺激が指先の運動範囲内のどの位置でどのように加わるかを示す。図３２の機構では指先運動範囲は２９０に示される長方形の領域となる。矢印２９９は車輪２０９が突起部２４１を乗り越える際に指先が受ける反力を示す。この反力に逆らって指先を動かすことによって、上部の部分領域と下部の部分領域の境界を越えることができる。下部の部分領域２９４では図３２で説明したように触覚刺激も力覚刺激も加わらない。一方上部の部分領域では車輪２０９がバネでレール２０６に押し付けられるため窪み２１３に落ち込もうとする力２９３が生じ、向かい合う矢印２９３に挟まれた線状領域に指先は拘束され、この線状領域を軌道として指先を左右に動かすことができる。この線状領域から抜け出すには矢印２９３に示される力に逆らって一定量以上の力を加える必要がある。このとき矢印２９３の力を指先の運動に対する反力として感じるので、この力覚刺激を手掛かりとして、前後方向に関して、軌道上、軌道の上側、軌道の下側、の３つの区域を区別できる。また図３２に示す機構によって、台座の隆起部２１５がある上部の部分領域では、２９１に示す範囲で触覚刺激用突起２０２が上昇して指先を刺激し、２９２に示す範囲では突起が下降して指先を刺激しなくなる。この触覚刺激を手掛かりとして、左右方向に関して、左側、中央、右側の３つの区域を区別できる。前後方向と左右方向それぞれ３つの区域を区別できるので、両者の組み合わせによって、（ｂ）図の２９５の領域（ショートカットエリア）でＵＬ等の９個の区画を区別できる。
【００６５】
２９５の領域は前述した上部の部分領域に相当し、この中で第１位置と第２位置を指定して両者の組み合わせにより迅速に文字や指令を入力したり、メニュー項目を選択したりできる。２９５の領域は内部に指先の運動を拘束する１次元の軌道を含み、また位置は９個の区画のいずれに含まれるかということしか区別できないが、カーソルを使わずにメニュー項目に直接アクセスし能率的に項目を指定できるので、２９５の領域をショートカットエリアと呼ぶ。一方、下部の部分領域に相当する（ｂ）図の２９６の範囲では、指先は制約を受けずに自由に運動できるが、この自由度のためにかえってメニュー項目を指定する作業の能率は低くなる。しかしながらこの範囲では任意の座標位置を指定できるので、２９６の範囲をポインティングエリアと呼ぶ。ショートカットエリアにおける９個の区域の区別と、ポインティングエリアにおける座標値の検出は、発光・受光素子とクシ状スリットを用いる前述した機構によって実行できる。
【００６６】
なおショートカットエリア内では前述した線状領域が１次元の軌道となって指先をガイドする。この軌道上にはＭＬ，ＭＭ，ＭＲの３つの区画がある。更に図３２の機構では指先接触部はその移動範囲２９０の外縁に沿って円滑に移動できるので、この外縁も１次元の軌道となり指先をガイドする。この軌道上にはＵＬ，ＵＭ，ＵＲがあるので、ＭＬ−ＭＭ−ＭＲの軌道とＵＬ−ＵＭ−ＵＲの軌道を積極的に活用して、能率的にデータを入力できるユーザインターフェイスを構成することができる。例えば、ＭＬ−ＭＭ−ＭＲの軌道によって誘導できる指先の運動でアルファベットを入力し、ＵＬ−ＵＭ−ＵＲの軌道によって誘導できる指先の運動で数字を入力できるユーザインターフェイスを後に図３９と図４０で説明する。
【００６７】
図３４に、触覚刺激用突起２０２を上下に動かして指先接触部２０１の上に接する指先を刺激する触覚刺激提示機構の別の構成例を示す。（ａ）（ｂ）（ｃ）の各図には、指先接触部がそれぞれ中央、左、右に位置する場合の上面図とＢ−Ｂ’断面図を示す。（ａ）では触覚刺激用突起は下がっているが、（ｂ）では指先接触部が左に動く時に指先接触部の突起部２２０が突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）２２１を倒し、２２１が倒れるとシーソの原理で回転軸２２２を支点として反対側のアーム（突起押し上げ板）２３３が上がり、触覚刺激用突起２０２を持ち上げる。（ｃ）では指先接触部が右に動く時に（ｂ）と同様の理由で触覚刺激用突起が上昇する。図２９に示した方式ではシーソ状アーム２２１の回転軸は指先接触部側に付いていたが、図３４の方式では台座側についている点が異なる。
【００６８】
図３５には、図２８に示した関節の運動機構を模擬した構成例に図３４の触覚刺激提示機構を組み込んだ構成例を示す。図２８の場合と同様に、車輪２１８がバネ２１７に押されて窪み２１９に押し付けられている。そのため指先接触部は、矢印２２５に示される半径方向の移動に関しては、車輪が窪みに落ちる位置に拘束され、１次元の軌道上を矢印２２４に示される方向（円周方向）に運動する。（ｂ）図で指先接触部は、矢印２２５の方向の位置については、車輪が窪みに落ちた位置を保ったまま、矢印２２４の方向に移動している。この時、図３４に示した機構によって、突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）２２１が回転軸２２２を支点として倒れて反対側の突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）２３３が上がり、触覚刺激用突起２０２を持ち上げている。（ｃ）図では、（ａ）図の状態から指先接触部が矢印２２５の方向に移動している。この時、触覚刺激用突起は下がったままであるが、車輪２１８が斜面２３４に乗り上げるのに力を必要とし、操作者はこの力を反力として感じて指先の位置を把握できる。（ｄ）図では指先接触部が（ｃ）図と反対方向に移動している。やはり触覚刺激用突起は下がったままで、車輪２１８が斜面２３５に乗り上げる時に指先に働く反力を手掛かりとして指先の位置を把握できる。これが力覚刺激提示手段になる。このように矢印２２５の方向（半径方向）については力覚刺激により、また矢印２２４の方向（円周方向）については触覚刺激により、指先位置を把握できる。方向により別種の刺激が使われるので、指先位置を混乱なく容易に把握できる。
【００６９】
図３５（ｄ）において指先接触部を紙面上で右の方向に移動して行くと、車輪２１８が２３５の斜面を乗り越えて、さらにそのまま移動して行くと車輪２１８が２３６に示される範囲に入って図３６（ａ）に示す位置にくる。この位置では２３６に示す範囲で車輪は平らな面に接し、指先接触部何ら反力を受けずに半径方向２２５に移動できる。また車輪が２３６の範囲に来る位置にまで指先接触部が後方（紙面上の右）に移動している状態では、（ｂ）に示すように指先接触部が円周方向２２４に動いても、図３４の突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）２３３が触覚刺激用突起の下に来ないため、触覚刺激用突起は下がったままで指先を刺激しない。さらに指先接触部が円周方向２２４と半径方向２２５に同時に動いて（ｃ）（ｄ）に示すように移動する場合でも、車輪２１８が２３６の範囲内にある限りは、力覚刺激も触覚刺激も生じない。このように指先が拘束も刺激を受けずに自由な位置に動けるので車輪２１８が２３６の範囲にいる状態で座標指定（ポインティング）を行うようにする。
【００７０】
ここでロータリエンコーダ３０４を用いて回転軸２２３を中心とした回転量を計測し、またクシ状スリット３０６が発光・受光素子３０５の光を遮断する回数を計測することで、指先接触部の円周方向２２４の位置と半径方向２２５の位置を算出できる。これを指先位置検出手段として用いて、検出した指先接触部の位置に基づいて座標指定を行う。この指先位置検出手段は、図３５に示すように車輪２１８が２３６の範囲にない場合においても、指先接触部の位置を検出し、文字や指令、メニュー項目を指定する目的に使用できる。ただし、発光・受光素子は常に電力を消費するので、指先接触部がショートカットエリアにいる間は電力の供給を止めて、図３１に示したスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を用いる指先位置検出手段を利用した方が節電上好ましい。指先接触部がポインティングエリアに入ったときにだけ発光・受光素子に電力を供給するようにすると良い。
【００７１】
図３７に図３５、図３６に示した構成例について、指先接触部の移動範囲２９０の内部で指先接触部に働く力の位置と方向を矢印で示す。（ｂ）図で指先接触部が２９４の範囲にいる時は（ａ）の図では車輪が２３６の範囲に入っており、指先には触覚刺激も力覚刺激も加わらない。したがって２９４の範囲が座標指定に使われ、ポインティングエリアになる。指先接触部が２９４の範囲を出て、２９１または２９２の範囲に移動するには車輪２１８が突起部を乗り越えなければならないので、２９９の矢印に示される反力を受ける。逆に２９１、２９２の範囲から２９４の範囲に移る時も図３５（ｄ）の２３５の斜面を乗り越えなければならないので、矢印２９９に示される反力を受ける。この反力を通じて操作者はポインティングエリアとショートカットエリアの境界を横切ったことを把握できる。
【００７２】
図３７（ｂ）の２９１の範囲では触覚刺激用突起が上がって指先を刺激する。例えば図３５（ｂ）に示す指先接触部の位置が２９１の範囲に含まれる。２９２の範囲では触覚刺激用突起は下がって指先を刺激しない。例えば図３５（ｃ）（ｄ）に示す指先接触部の位置が２９２の範囲に含まれる。この触覚刺激の差異によってショートカットエリア内で左区域、中央区域、右区域の３つの区域を区別できる。また指先接触部が２９３の矢印で挟まれた位置に来る時に図３５に示したように車輪２１８が窪み２１９に落ち込む。車輪が窪みから抜け出すのに必要な力が２９３の矢印で示される。指先接触部は２９３の矢印で挟まれた線状領域に拘束されて、この線状領域を軌道として１次元的に移動する。線状領域から抜け出すには２９３の力に逆らう一定量以上の力が必要である。これが指先運動ガイド手段となる。
【００７３】
上述したように指先の円周方向の移動に関しては触覚刺激を手掛かりとして左区域、中央区域、右区域の３つの区域を区別できたが、指先の半径方向の移動に関しては、２９３の反力（力覚刺激）を手掛かりとして、軌道上、軌道の上側、軌道の下側の３つの区域を区別できる。こうして円周方向、半径方向それぞれ３つの区域を区別できるので、両方向の組み合わせによって９個の区域を区別して、第１位置と第２位置を指定できる。円周方向の３つの区域を触覚刺激で、また半径方向の３つの区域を力覚刺激で区別し、方向によって刺激の種類を使い分けているので位置の識別が容易になる。（ｃ）図に示すように矢印２９３で挟まれた線状領域（軌道）を含む部分領域をショートカットエリアとして、その中を上述した刺激を手掛かりとして区別できるＵＬ等の９個の区画に分け、これらの区画の中から第１位置と第２位置を指定し、その組み合わせによって迅速に文字や指令を入力し、また直接的にメニュー項目を指定する。一方ポインティングエリアとなる２９４の範囲は指先の運動を制約する軌道を含まず、指先は２次元の範囲を自由に運動できる。なおショートカットエリア内では前述した線状領域が１次元の軌道となって指先をガイドする。この軌道上にはＭＬ，ＭＭ，ＭＲの３つの区画がある。更に図３５、３６の機構では指先接触部はその移動範囲２９０の外縁に沿って円滑に移動できるので、この外縁も１次元の軌道となって指先をガイドする。この軌道上にはＵＬ，ＵＭ，ＵＲ等がある。
【００７４】
図３８では、（ａ）にポインティングエリアを操作する時の画面表示例を示す。（ａ）図の左側の大きな長方形の枠は画面を意味し、その中にカーソルの矢印２５０が表示されている。カーソルの矢印２５０の先はポインティングされている座標を指している。画面を表す長方形の枠の右側には指先の運動範囲が縦長の小さな長方形で示されており、その中にショートカットエリアとポインティングエリアの区画が切ってある。ショートカットエリアはＵＬ等の９個の区画からなっている。ポインティングエリアの中に×印が付いているが、これは指先を降下した地点を表す。ポインティングエリアでは指先を降下して、降下したまま移動するときに指先の移動方向と移動量に応じてカーソル２５０が移動する。指先を上昇したまま移動する場合にはカーソルの位置は変わらない。
【００７５】
（ｂ）では指先運動範囲内のショートカットエリアに指先を移動し、×印の位置すなわちＭＬの区画で指先を降下している。指先をショートカットエリアに移動すると（ｂ）に示されるように画面の上部に９個の項目（Ｉｔｅｍ１〜Ｉｔｅｍ９）からなるメニューが表示される。この９個の項目は３項目づつグループ分けされ、２５１、２５２、２５３に示すように、各グループは太い黒枠で囲まれて示される。２５１はＭＬ、２５２はＭＭ、２５３はＭＲの位置に指先が上昇したまま来た時に選択されるグループである。（ｂ）では指先がＭＬの区画に来ているので、２５１のグループが選択され、グループを囲む太線が点線になってこのグループが選択されていることを示している。ＭＬの区画で指先を降下すると２５１のグループの選択が確定し、そのまま指先を降ろしたままＭＲの区画まで指先を移動してＭＲで指先を上昇すると、選択されたグループの中で、ＭＲに幾何学的に対応した位置にあるＩｔｅｍ３が選択される。なお（ｃ）の指先運動範囲の中でＭＲの区画に○印が付いているが、これはこの区画で指先が上昇したことを意味している。
【００７６】
選択されたＩｔｅｍ３がさらにサブメニューを持っていたので、（ｃ）の画面には、ＳｕｂＩｔｅｍ１〜ＳｕｂＩｔｅｍ９の９個のサブメニュー項目からなるサブメニューが最初のメニュー（メインメニュー）の下に横に項目を並べて表示されている。サブメニューの中の特定項目を選ぶには、最初のメニューで行った指先の操作を繰り返せば良い。すなわち指先を降下する位置で３つの項目からなるグループを選び、選んだグループの中の目的の項目を指先を上昇する位置によって指定すれば良い。ここでサブメニューの項目の一つを選択すると上位のメニューに復帰できるようにしておくと良い。
【００７７】
ここで重要なことは、指先をポインティングエリアで動かすとポインティングを行え、ショートカットエリアで動かせばメニュー選択を能率良く行え、一本の指先の操作範囲を変えるだけで両作業を円滑に接続して途切れる事なく実行できることである。しかもこの操作範囲の変更を手元を見なくとも触覚・力覚を手掛かりにして行うことができる。従来の入力装置では、ポインティングの作業から、ショートカットキーの作業に移行する際に、装置の持ち替えに手間取り、あるいは手元を見ることが必要になり、その都度作業が中断した。なお、図３３（ｂ）または図３７（ｃ）に示す実施例では、ショートカットエリアに設定される１次元の軌道上に、ＭＬ、ＭＭ、ＭＲの区域がある。上に述べたメニュー選定方法ではＭＬ、ＭＭ、ＭＲの区域だけを用いるので、指先を１次元の軌道上で運動するだけでメニューとサブメニューの項目を選択できる。
【００７８】
多様な情報を入力する場合には、ＭＬ、ＭＭ、ＭＲ以外の区域も利用する必要がある。図３２の構成例では、指先移動範囲の外縁も１次元の軌道として利用して指先の運動を誘導できるので、これを併せて利用することにする。図３３（ｂ）に示す正方形状の指先移動領域の外縁の上辺に沿って指を動かすことでＵＬ、ＵＭ、ＵＲの区域を指定できる。また指先の位置を線状領域に制約する仕組みを合わせて用いると線状領域に沿って指先を移動することでＭＬ、ＭＭ、ＭＲの区域も指定できる。そこでこれらの区域を使用して、数字、英字を入力するように構成したグラフィカルインターフェイス（メニュー）を図３９、図４０に示す。
【００７９】
図３９には、アルファベットの入力を行う際のメニュー表示と操作領域における指先の運動の例を示す。まず（ａ）では右側の指先の操作範囲の図に示すように、指先はポインティングエリアの×印の地点で降下している。このとき画面には２５０で示される矢印のアイコンでカーソルが表示されている。このカーソルは指を降下したまま移動する時に指の運動に追随して移動する。（ｂ）では、指先をショートカットエリアに移動した時に画面上に現れる文字入力のためのメニューが表示されている。ここで指先を上げた状態でＭＬ、ＭＭ、ＭＲに移動する時に選択される文字のグループが、メニュー上に楕円で囲まれて示されている。それぞれ３行３列の９個の文字が一つのグループになる。例えば、指先を上げた状態でＭＭの位置に移動すると、メニューの中でＭＭに対応する文字のグループが白枠２５４で囲まれて、他と区別して表示される。ここで指先を降下すると白枠２５４で囲まれている文字グループの選択が確定する。続いて指を下げたまま移動すると、確定したグループの中で指先の位置に幾何学的に対応する位置にある文字が選択される。例えば（ｃ）では指先が降下したままＵＲの位置に移動した時にその位置に対応する「Ｙ」の文字が選択され、白枠で囲まれて他と区別して表示されている。このまま指先を上昇すると選択されている「Ｙ」が確定して入力する。結局、この例では指先をＭＭの地点で降下し、降下したままＵＲの地点に移動して、指先を上昇すると「Ｙ」が入力する。
【００８０】
この指先の運動の過程で、操作領域に設定されている１次元の軌道を経由すると、指先を迅速かつ正確に目的地点へ誘導できる。例えば、図３３（ｂ）や図３７（ｃ）のように、ＭＬ、ＭＭ、ＭＲに沿って１次元の軌道が導入されている時に、第１位置ＭＭから第２位置ＵＲへ指先を移動する場合には、まず軌道に沿ってＭＭからＭＲに移動して、その後軌道に直交する方向に、ＭＲからＵＲに移動すれば良い。このように軌道を経由すると経路が長くなり、移動中に方向転換も必要になるので一見入力能率が低下するように思えるが、実際には軌道を経由して指先をガイドした方が操作が簡単になり、指先の位置も明瞭正確に把握できるので、入力能率が向上する。アルファベットを入力する間は常にＭＬ−ＭＭ−ＭＲの軌道上で指先を動かして第１位置を指定すればよい。
【００８１】
なお図３９（ｂ）のメニューでは、繰り返して入力されることの多い「空白」、「改行」、「０」、「バックスペース」等は第１位置と第２位置が等しくなる指の運動、すなわち同一地点での指の上下運動によって入力できるように配置している。
【００８２】
図４０では、図３９と同様のメニューを表示しているが、メニューの数字領域を使って数字入力を行う方法を示している。（ａ）では指先がポインティングエリアにあるため、ショートカットメニューは現れておらず、画面内にカーソル２５０のみが表示され、ポインティングエリア内の指先の移動（指先の下降した状態での移動）に追随してカーソルが移動して画面内の座標値を指定する。
【００８３】
指先がポインティングエリアを抜けてショートカットエリアに入ると（ｂ）に示すようなメニューが現れる。数字はメニューの上２行を使って入力する。この２行が３列毎に分割されて６文字からなるグループが３つある。そして指先が降下しないで上がったままＵＬ、ＵＭ、ＵＲの各区画に移動する時に各区画に対応する位置にあるグループが選択される。（ｂ）の図中にＵＬ、ＵＭ、ＵＲの各区画に対応するグループが楕円で囲まれて示されている。（ｂ）では指先がショートカットエリア内のＵＬの区画に移動しているので、その位置に対応する文字のグループが選択されて、２５６の白枠で囲まれて示される。続いて指先をＵＬの区画で降下すると、白枠２５６で囲まれたグループの選択が確定し、その後、指先を降下したまま移動すると、白枠に囲まれたグループ内で指先の位置に幾何学的に対応する位置にある文字が選択される。例えば（ｃ）に示すように指先を降下したままＭＬの区画に移動すると数字「１」が選択されて２５７の白枠で囲まれて示される。この選択された数字は指が上昇する時点で確定して入力する。
【００８４】
なお図３３で説明したように、図３２の構成例を用いると、図３９で文字入力に用いたＭＬ、ＭＭ、ＭＲに沿う軌道の他に、指先接触部の移動範囲の外縁上辺をガイドとするＵＬ、ＵＭ、ＵＲに沿う軌道も使用して指先を誘導できる。数字は後者の軌道を使用して指先を誘導することによって能率良く入力できる。例えば後者の軌道上で第１位置と第２位置を指定するだけで、メニュー最上行の数字を入力できる。メニューの上から２行目の数字を入力するには、後者の軌道上で第１位置を指定した後、軌道と直交する下方向に指先を動かして第２地点を指定すれば良い。また数字を入力する間は常にＵＬ−ＵＭ−ＵＲの軌道上で指先を動かして第１位置を指定すればよい。
【００８５】
図３９でアルファベットを入力する時は、ＭＬ、ＭＭ、ＭＲに沿う軌道を使っており、この軌道を使う時には、軌道上、軌道の上側、軌道の下側の３つの区域を区別できたので、これらの区域に対応させてメニューの３行に渡る項目を選択できた。一方、上述した数字入力では、ＵＬ、ＵＭ、ＵＲに沿う軌道を使用しており、この軌道は指先移動範囲の外縁の上辺に設定されているため、軌道の上側に移動できず、軌道上、軌道の下側の２つの区域しか指定できない。そのため、これら２つの区域に対応するメニューの上２行の項目しか選択できなかった。
【００８６】
図４１には、（ａ）〜（ｄ）の各図の左にひらがなを入力する場合のメニューを、また右に指先移動範囲内の指先の位置を示す。まず指先は前述した軌道上にあるＭＬ、ＭＭ、ＭＲに沿って上がった状態で移動し、（ａ）のメニューに示す楕円で囲まれた３つのグループの一つを選択する。例えば、ショートカットエリア内のＭＲの区画に指先を上げた状態で移動するとＭＲの位置に対応するグループが選択されて２５８の白枠に囲まれて示される。続いてＭＲの位置で指先を降下するとここで選択されたグループが確定し、以後指先を下げたまま移動するとこの確定したグループの中で指先位置に応じた文字が選択される。
【００８７】
例えば、ＭＲで指先を降下した後で指先を降下したままＭＬにまで移動すると２５８の白枠で囲まれたグループの中でＭＬに対応した位置にある文字「む」が選択され、２５９の白枠に囲まれて示される。ここで指先を上昇すれば入力する文字は「む」に確定する。ところがここで指先を上昇せずに、軌道と直交する上方に指先を移動してＵＬの区画に行くと、ＵＬの位置に対応する「み」の文字が選択され２６０の白枠に囲まれて示される。その位置で指先を上昇すると入力する文字が「み」に確定する。しかしここでＵＬの位置で指先を上昇せずに、降下したままＵＬ−ＭＬ間で指先を往復運動すると「ま」の文字が選択され２６１に示す白枠で囲まれて示される。そこで指先を上昇すると入力する文字が「ま」に確定する。往復運動を検出するには、指先が上昇するまでにＳＷ１またはＳＷ２が何度ＯＮするかということを検出すれば良い。
【００８８】
以上には画面内にメニューを表示してメニューを見ながら文字を入力する方法を示して来たが、本発明ではメニューのような視覚的な手掛かりがなくても、上記の操作中に指先の運動を把握するのに十分な触覚手掛かりと力学的手掛かりが提示され、さらに軌道によって指先の運動がガイドされるので、操作に慣れるとメニューを見ずに文字を入力できるようになる。
【００８９】
図４２には、ポインティング機能とショートカット機能を切り替える方法を示す。図３２や図３６に示した構成例では、指先の運動範囲をポインティングを行う範囲とショートカットを行う範囲に分けて、指先が運動する場所を変えることによって、ポインティング機能とショートカット機能を切り替えていた。図４２に示す方式では、指先の運動範囲を変えずに、機能切り替えレバーを用いてモードを変えて両機能を切り替える。まずショートカットモードでは、（ａ）（ｂ）に示すように台座の隆起部２１５を機能切り替えレバーによって上昇させて、触覚刺激用突起２０２が指先接触部を移動した時に隆起部２１５にぶつかり押し上げられて、指先を刺激して触覚刺激の提示を行うようにする。また車輪２０９がレール２１３に接触し、車輪がレールの突起を越えたり窪みに落ち込んだりする時に反力を生じて、力覚刺激を提示するようにする。
【００９０】
一方、ポインティングモードでは、（ｃ）（ｄ）に示すように台座の隆起部を下げて、指先接触部が移動しても、触覚刺激用突起２０２が隆起部２１５にぶつかることのないようにし、触覚刺激を提示しないようにする。また車輪２０９がレール２１３から離れ、力覚刺激も提示しないようにする。こうした車輪や隆起部の移動は、電動モータ等で行うことができるが、機能切り替えレバーを使って指の力で行えるようにしても良い。以上のように装置を構成すれば、ポインティングモードでは触覚刺激も力覚刺激も受けずに指先は自由に移動して座標指定（ポインティング）を行うことができる。またショートカットモードでは、指先の移動時に触覚刺激と力覚刺激が加わり、これらの刺激を手掛かりとして指先の位置を把握しながら、能率良く文字や指令を入力し、メニュー項目を指定できる。こうして前記触覚または力覚刺激提示手段と前記指先運動ガイド手段を解除するモード切替手段を導入してメニュー項目の選択や指令・文字を入力するモードと座標指定を行うモードを切り替えることができる。
【００９１】
図４３に、回転体の周回運動する部位（この構成例では半円状回転体の円周部分が周回運動する部位に該当する）を指先接触部として使用して、回転体の回転によって指先接触部を回転方向に円滑に移動する可動機構を示す。回転体として円形状の車輪を利用しても良いが、ここでは装置が上下方向に占める高さを減らすために、車輪を半分に切ってできる半円形状の回転体２７０を使用している。また回転体自体が凸部の感触を指先に与え、回転体間の隙間が凹部の感触を指先に与えるようにするために、半円形状の回転体２７０を回転方向に２つ縦列して並べ、これらの回転体が連動して回転するように連動用棒２７３を用いて２つの回転体を連結している。このように縦列した２つの半円形回転体の上に（ｉ）図に示すように指先を置いて、図中に矢印で示すように指先を前後左右に動かして操作する。
【００９２】
（ａ）（ｂ）に装置の正面図、（ｃ）（ｄ）にＢ−Ｂ’断面図、（ｅ）（ｆ）にＡ−Ａ’断面図を示す。２つの半円状回転体２７０は回転軸２７１の回りに回転する。回転軸２７１は回転軸保持部２７２によって保持されて台座２８７に固定される。半円状回転体上の指先は半円状回転体の回転によって左右方向に移動する。また半円状回転体２７０が回転軸保持部２７２を介して固定されている台座２８７は（ｇ）（ｈ）の図に示すように前後方向に移動する。両方向の移動を組み合わせて指先は２次元範囲を前後左右に移動する。
【００９３】
（ａ）で車輪２７４はバネ２７５に押されて台座２８７の窪み部２７６に落ち込んでいるが、台座２８７が前後方向に移動するときには窪みを抜け出さなければならない。抜け出すのには一定量以上の力を要するので、この一定量以上の力を前後方向に加えない限り、指先は、前後方向に関しては車輪が窪みに落ち込む位置に拘束されて移動できず、左右方向のみに半円状回転体２７０の回転を通じて移動する。ここで半円状回転体２７０が一定量以下の力で回転するならば、左右方向には一定量以下の弱い力で移動できる。こうして指先は前後方向に位置を固定し、左右方向のみに移動するように制約されて、１次元の軌道に沿って移動する。
【００９４】
指先を２つの半円状回転体２７０間の凹部に置いて、半円状回転体２７０に接触したまま左方向に移動すると、始めに（ａ）（ｃ）（ｅ）の図に示される中立の角度にいた回転体が左方向に回転し、（ｂ）（ｄ）（ｆ）の図に示される角度になる。このとき（ｆ）に示すようにスイッチＳＷ３がＯＮして、指先が左に来たことを検出する。指先が右に移動すると回転体が右方向に回転してＳＷ４がＯＮする。ＳＷ３とＳＷ４のＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって、指先が左区域、中央区域、右区域の３つの区域のいずれにいるか区別できる。また（ｇ）（ｈ）に示すように指先を前後に移動するとＳＷ１とＳＷ２がＯＮ−ＯＦＦし、この２つのスイッチのＯＮ−ＯＦＦの組み合わせによって、指先が前区域（軌道の前側の区域）、中央区域（軌道上の区域）、後区域（軌道の後ろ側の区域）の３つ区域のいずれにいるか区別できる。したがってＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を使って図２５（ｂ）に示すＵＬ等の９個の区域を区別でき、これらのスイッチが指先位置検出手段になる。ＳＷ５は指先の上下運動に伴って上下に動く台座２８７の上下運動を検出するためのスイッチであって、台座が下がるとＯＮし、上がるとＯＦＦする。このスイッチが上下動検出手段となる。
【００９５】
（ｇ）（ｈ）では車輪２７４が窪み２７６を抜け出していることが分かる。車輪はバネによって窪みに押し付けられているので抜け出す際に指先に反力を与え、これが力覚刺激提示手段になる。指先は左右方向に移動する時に、中央位置で２つの回転体間の隙間を凹部として感じ、左右に移動したときに回転体を凸部として感じる。こうして２つの回転体を並べることで凹凸感を作り出せるので、これが触覚刺激提示手段となる。なおこのような凹凸感は図４６（ｆ）に示すように３つの回転体を縦列しても作り出すことができる。（ｊ）には、本装置２７８をマウスに実装した例を示す。装置を親指で操作できるようにマウスを右手で握ったときに親指が来る位置に装置を配置している。
【００９６】
図４４では、図４３に示した構成例に、より明瞭な触覚刺激を提示する機構を追加している。図４３の構成例では、回転体自体を凸部、回転体間の隙間を凹部として指先に凹凸感を与える触覚刺激提示手段を用いていたが、それだけで触覚刺激が不明瞭である場合には、さらに明確な触覚刺激を提示する機構が必要である。図４４に示す構成例では、２つの半円状回転体２７０の回転を連動するための連動用棒２７３の一端に触覚刺激用突起２７９を設け、（ｂ）（ｃ）に示すように半円状回転体の周上に置いた指先を動かして半円状回転体を回転するときに、連動用棒２７３と共に触覚刺激用突起２７９が上昇して指先を刺激するようにして触覚刺激提示手段を構成している。
【００９７】
図４５には、各種触覚刺激提示手段の構成例を示す。（ａ）の方式では半円状回転体２７０が２７１を回転軸として左方向に回転すると、（ｂ）に示すように突起部２８０がシーソ状機構のアーム２８２を押し下げ、回転軸２８１を支点するシーソの原理により、他方のアームが持ち上がり、触覚刺激用突起２７９が回転体２７０上の指先の触覚を刺激する。（ｃ）の方式では半円状回転体２７０が２７１を回転軸として左方向に回転すると、（ｄ）に示すように突起部２８０が回転軸２８１を中心として回転するアーム２８２を押し上げ、アーム先端の触覚刺激用突起２７９が上昇して回転体２７０上の指先の触覚を刺激する。（ｅ）の方式では半円状回転体２７０が２７１を回転軸として左方向に回転すると、（ｆ）に示すように突起部２８０が上下にスライド移動する触覚刺激用突起２７９を押し上げて、回転体２７０上の指先の触覚を刺激する。
【００９８】
図４６には歯車を使って２つの半円状回転体を連動させ、また半円状回転体の回転運動を歯車を使って触覚刺激用突起が指先を刺激する運動に変換する方式を示す。まず（ａ）では、半円状回転体２７０の円周上に接する指先が左に移動すると、半円状回転体２７０は回転軸２７１を中心として左方向に回転する。この時半円状回転体と共に回転する歯車２８５は間に挟む歯車２８８によって連動して回転し、２つの半円状回転体も連動して回転することになる。また歯車２８５の回転は歯車２８６を介して触覚刺激用突起２８３の上下運動に変換される。半円状回転体が左方向に回転する時には（ｂ）に示すように歯車を通じて回転運動が伝達及び変換され、左側の触覚刺激用突起が上昇し、右側の触覚刺激用突起が下降する。こうして触覚刺激用突起２８３が上下運動して指先の触覚を刺激する。
【００９９】
（ｃ）の機構では２つの半円状回転体２７０は歯車２８５と２８９を通じて連動して回転する。また接触する指先の運動によって半円状回転体が回転すると、歯車２８９と共にアーム２８２が回転し、アーム２８２の先端の触覚刺激用突起２８３が、（ｄ）に示すように立ち上がって回転体２７０の上に乗っている指先の触覚を刺激する。なお触覚刺激用突起２８３は回転軸２３０の回りに回転する車輪やローラでできている。触覚刺激用突起２８３が（ｄ）に示すようにアーム２８２と共に立ち上がって指先を刺激する時に、回転体２７０の上に乗った指先の皮膚表面を擦って移動することになるが、触覚刺激用突起２８３は指先表面を擦る時に回転軸２３０の回りに回転しながら皮膚表面を移動するので皮膚表面の摩擦抵抗を受けずに円滑に移動できる。また操作者にとっても皮膚が擦れないので快適に操作できる。これが触覚刺激提示手段となる。
【０１００】
半円状回転体の円周上の表面（周回運動部位）を指先接触部として利用する時には（ｅ）（ｆ）に示すように２つまたは３つ縦列して並べて使用する場合と（ｇ）のように単独で用いる場合がある。（ｅ）（ｆ）では半円状回転体を凸部、半円状回転体間の隙間を凹部として、操作する指先に凹凸感を生じて、触覚刺激を提示できる。一方、（ｇ）はこのままでは触覚刺激を提示できないので、（ｈ）（ｉ）（ｊ）のような仕組みを工夫して触覚刺激を生成する必要がある。（ｈ）では図４３に示した構成例と同様の方法で指先の前後方向の運動を可能にしているが、左右方向の移動には単独の半円状回転体２７０で対応している。２７０近辺の構造を側方から見た図を（ｉ）（ｊ）に示す。半円状回転体の上に乗せた指先を左に移動すると、半円状回転体は回転し、その角度を（ｉ）に示す角度から（ｊ）に示す角度へ変える。この時に半円状回転体の回転は半円状回転体内面に設けられた歯２８４、歯車２８５、歯車２８６を通じて触覚刺激用突起２８３の上下運動に変換され、半円状回転体２７０上に乗った指先を刺激する。これが触覚刺激提示手段となる。なお指先の左右方向の位置は半円状回転体に押されてＯＮ−ＯＦＦするスイッチＳＷ３、ＳＷ４によって、また前後方向の位置はスイッチＳＷ１、ＳＷ２によって検出され、これが指先位置検出手段になる。
【０１０１】
図４７には、図４６の（ｃ）（ｄ）に示した触覚刺激提示手段を用いて装置全体を構成した例を示す。またこの装置を操作して文字を入力する例を示す。この装置では半円状回転体２７０の周上の表面（周上の表面がこの回転体の周回運動部位になる）を指先接触部として用いる。（ａ）で半円状回転体２７０の回転により半円状回転体の上に乗った指先は左右方向に移動する。また（ｋ）に示すように指先を乗せた半円状回転体は回転軸２２６を中心として前後方向に傾き、半円状回転体上に乗った指先の前後方向の移動を可能としている。こうして指先は前後左右に２次元の範囲を移動する。
【０１０２】
このように指先接触部可動機構を構成すると、指先接触部を前方または後方に移動してその２次元移動範囲の外縁の上辺または下辺に押し付けるように力を加えていても、回転体は一定量以下の力で回転できるので、指先接触部を外縁の上辺または下辺に沿って円滑に移動できる。したがって、指先移動範囲の外縁の上辺または下辺を指先の運動をガイドするための１次元の軌道として利用できる。また前後方向に移動する時に板バネ３０７またはスイッチＳＷ１、ＳＷ２を通じて移動に対して反力を生じ、一定量以上の力を加えなければ半円状回転体が前後に傾かないようにする。そうすると前後方向の位置に関して指先を中央位置に拘束しながら、指先を左右に移動することができ、この移動の経路も指先の運動をガイドする軌道として利用できる。そこでこれらの３本の軌道（図２５（ｂ）で上辺に沿ったＵＬ−ＵＭ−ＵＲの軌道及び下辺に沿ったＬＬ−ＬＭ−ＬＲの軌道、そして板バネ３０７の拘束でできるＭＬ−ＭＭ−ＭＲの軌道）を備えた指先運動ガイド手段を構成できる。
【０１０３】
（ａ）図において指先を上下運動すると装置全体がバネ２２９及びスイッチ２３１の上で上下運動し、スイッチ２３１をＯＮ−ＯＦＦするので、この上下運動を検出できる。これが上下運動検出手段となる。指先を左右に移動する時には（ｄ）（ｇ）に示すようにスイッチＳＷ３、ＳＷ４が半円状回転体に押されてＯＮ−ＯＦＦし、指先が左区域、中央区域、右区域のいずれにあるか検出する。また指先を前後方向に動かす時には、（ｋ）図に示すようにスイッチＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ−ＯＦＦして、前区域、中央区域、後区域のいずれにあるか検出する。これが指先位置検出手段になる。
【０１０４】
また（ｋ）に示すように装置が傾いて板バネ３０７またはスイッチＳＷ１、ＳＷ２を押す時に指先は反発力を感じ、この反発力を手掛かりとして、指先が中央区域を抜けて前区域または後区域に移動したことを把握できる。このように反発力を加える機構が力覚刺激提示手段になる。さらに指先を（ａ）図中の矢印の方向に動かして（ａ）の位置から（ｄ）の位置に移動すると、半円状回転体２７０が（ｄ）図に示されるように回転し、歯車でこの回転が伝達されてアーム２８２が半円状回転体と逆方向に回転し、触覚刺激用突起２８３が（ｄ）図に示されるように立ち上がり、指先の腹を擦って移動する。このとき車輪状の触覚刺激用突起２８３は２３０を回転軸として回転し、指先の腹に接触しながら回転して、皮膚表面との摩擦力を軽減して円滑に移動する。この時に指先に加わる触覚刺激を通じて、操作者は指先が中央区域から左区域、または右区域に移動したことを把握できる。これが触覚刺激提示手段になる。図４７の構成例では、指先の前後方向の位置を把握するために力覚刺激を使い、左右方向の位置を把握するために触覚刺激提示手段を利用している。このように方向に応じて刺激の種類を変えることで、指先の位置を容易に把握できるようになる。
【０１０５】
次に図４７に示される指先の運動を例として文字を入力する方法を説明する。指先が上がっている間は指先位置に対応する文字のグループが選択される。例えば、指先が（ａ）（ｂ）に示される位置にある時には、（ｃ）のメニューの中で太線の枠で囲まれた９文字のグループが選択される。これは指先が上がった状態で中央区域にあるので、中央区域と幾何学的に対応するメニュー中央の文字のグループが選択されたものである。続いて（ａ）図中の矢印で示される方向に指先を上げたまま移動すると、指先は（ｄ）（ｅ）に示す位置に来て、選択される文字のグループも指先の位置（右区域）に対応する（ｆ）の太枠に囲まれたグループになる。続いて（ｄ）図中の矢印に示されるように指先を下降した後で水平方向に移動する。その結果、指先は（ｇ）（ｈ）に示される位置に来る。指先を下降した時点で（ｆ）で太線で囲まれたグループは確定し、下降しながら指先を移動すると確定したグループの中で指先の位置に対応した文字が選択される。
【０１０６】
指先は（ｄ）（ｅ）に示す位置で下降した後、（ｇ）（ｈ）に示す位置まで下降したまま移動して来たので（ｇ）（ｈ）の図中でバネ２２９が縮みスイッチ２３１がＯＮしていることに注意して欲しい。（ｄ）（ｅ）の位置で指先が下降した時に（ｆ）の太枠に囲まれた文字のグループが確定しているから、指先を下げたまま移動する間は、この確定したグループの中から指先位置に対応した文字が選択される。ここに示す例では指先を下げたまま（ｇ）（ｈ）に示される位置に来たので、選択される文字は、（ｆ）の太枠の中で指先位置に幾何学的に対応した「Ｊ」の文字になる。ここで指先を下げたまま更に（ｈ）の図中の矢印で示される方向（前方）に指先を移動すると、指先は（ｊ）（ｋ）に示される位置に来て、（ｆ）の太枠の中で指先位置に幾何学的に対応した「Ｕ」の文字が選択される。この位置で指先を上昇すれば、入力する文字は「Ｕ」に確定する。指先を上昇するまでは、指先を下げたまま動かすことで選択する文字を（ｆ）の太枠のグループ内で変更できる。
【０１０７】
図４７の構成では、モード切替手段を用いてショートカット機能とポインティング機能を切り替える。まずショートカット機能のモードでは上記の方法で触覚刺激と力覚刺激を生成し、また指先運動ガイド手段を用いて指先の運動を拘束しながら、上述した方法でメニュー項目を指定して文字や指令の入力を行う。モード切替手段では、板バネ３０７やスイッチＳＷ１，ＳＷ２の反発力が働かなくなるようにして、指先の前後方向の移動の際に働く力覚刺激を解除し、指先の位置をＭＬ−ＭＭ−ＭＲの軌道に拘束しないようにする。また可能であれば歯車２８９を下方に移動することで歯車２８５と噛み合わないようにしてアーム２８２が半円状回転体２７０と連動して回転しないようにする。ただし触覚刺激については解除困難な場合は解除しなくとも構わない。モード切替手段では、こうして指先が拘束や反発力を受けずに自由に２次元範囲を移動できるようにして、座標指定に適したポインティング機能のモードへ切り替える。なおポインティング機能のモードでは、指先の座標の計測のために、半円状回転体２７０の回転軸２７１を中心とする回転量と回転軸２２６を中心とする回転量をロータリエンコーダ等を使って計測し、これらの回転量から指先位置を求める指先位置検出手段を備える必要がある。
【０１０８】
図４８に本発明で使用するアイコンの図柄のデザインについて説明する。本発明では、２次元範囲内を運動できる指先を１次元の軌道上に拘束する手段を導入し、指先の運動を軌道によってガイド（誘導）することによって入力操作を容易化、正確化、高速化しようとするものである。今までに述べて来た実施例では１次元の軌道として、指先の運動範囲の外縁、または、３行３列の区域の中央行（ＭＬ、ＭＭ、ＭＲ）に沿って設定された線状領域を使用した。そして第１地点からこれらの軌道を経由して第２地点へ至る指先の運動を利用してデータを入力した。画面内に表示するアイコンの図柄として、この指先の運動を示唆する図柄を用いると、選択したい目標項目につけられたアイコンを見て、アイコンに示唆される指先の運動を実行することで、即座に目標項目を選択することができて都合が良い。
【０１０９】
図４８（ａ）に指先移動範囲の外縁を軌道として用いる場合について指先の運動を示唆する図柄の例を示す。２９８の点線は外縁に沿った指先の運動の軌道を意味し、この軌道に沿って移動する指先の運動を太い矢印で示す。矢印の開始区域が第１位置、矢印の矢が指す区域が第２位置を意味する。また（ｂ）には中央行を軌道として用いる場合について同様の指先の運動を示唆する図柄の例を示す。やはり２９８の点線で軌道を示す。また指先の運動を太い矢印で示す。（ｂ）の最初の２つのアイコンが示唆する運動では、軌道上の区画を第１位置として指先を軌道に沿って移動し、その後軌道に直交する方向に指先を移動して第２地点を指定している。３つ目のアイコンでは第１位置と第２位置が共に軌道上にある場合の指先の運動を示唆する図柄を用いている。
【０１１０】
（ｂ）のアイコンを使った画面の構成例を（ｃ）に示す。現状のグラフィカルインターフェイスでは画面内でカーソルを目標のアイコンの位置に移動してクリックすることでアイコンを選択している。しかしながら、指先の運動を示唆するアイコンを用いれば、カーソルを使わずに、選択したいアイコンの図柄に示唆される運動を実行することで直接的にそのアイコンを選択できる。例えば（ｃ）の例では、「Ｉｔｅｍ７」の項目は、指先をＭＭの区画で下げて、下げたまま中央行の軌道に沿ってＭＬの区画まで移動し、そこで指先を上げることで選択できる。
【０１１１】
現在のＢＳデジタル放送では画面内の項目を色分けし、リモコン上の対応する色のボタンを押すことで、目標の項目を選択する方式が使われているが、色を使うとリモコン上に視線を向けてボタンの色を確認しながら操作しなければならない。また区別できる色の種類も限られている。一方、ここで提案する方式では、リモコン上に視線を移さなくとも触覚や力覚を手掛かりに行える指先の運動で項目を選択できる。また運動の種類は豊富（例えば８１通り）であるから多様な項目を区別して入力できる。
【０１１２】
（ｄ）には（ｃ）と異なる図柄のアイコンを用いる画面構成例を示す。各項目に付けられたアイコンの図柄は３行３列の区画の中に太枠で囲まれた区画と塗りつぶされた区画を描いたものである。この場合には、塗りつぶされた区画を第１位置とし、太枠の区画を第２位置として図柄の示唆する指先の運動を実行することで該当する図柄のアイコンのついた項目を選択できる。
【０１１３】
図４９に指先の運動によって指定される第１位置と第２位置の組み合わせを入力する指令や文字あるいはメニュー項目に関連づける対応付け手段の実施例をフローチャートにして示す。この実施例では、指先位置検出手段によって常に指先位置が検出されており、上下動検出手段または軌道出入り検出手段によって与えられるタイミング（時点）における指先位置が第１位置または第２位置になる。例えば、上下動検出手段を用いる場合には、指先を下降した時点の指先位置が第１位置であり、指先を上昇した時点の指先位置が第２位置である。また、軌道出入り検出手段を用いる場合には、指先が軌道に突入した時点の指先位置が第１位置であり、指先が軌道から脱出した時点の指先位置が第２位置である。
【０１１４】
ここに示す対応付け手段の実施例では、こうして検出された第１位置と第２位置から参照表を用いて入力する指令や文字、メニュー項目を決定している。図２５（ｂ）に示す９個の区画で位置を区別する場合には、図４９に示すように９行９列の項目からなる表を用い、第１位置で表の行、第２位置で表の列を指定して、行と列の交差する位置にある項目に記載された指令や文字、メニュー項目を入力する。この例では、第１位置がＭＲ、第２位置がＬＬである時に指令ｎが選択されて入力している。
【０１１５】
以上の手順の中で用いる参照表は、使用者が内容を独自の目的に合わせて書き換えられるようにしておくと良い。そして用途に応じて頻繁に利用する指令や文章を参照表に記入すると、それが図３８や図３９に示した画面のメニューに反映されるようにしておく。また指先の運動の中で特に容易にあるいは迅速に実行できる運動に使用頻度の高い指令を割り当てると良い。本発明のデータ入力装置をこのように使用者によって定義可能な参照表を備えたソフトウェアと組み合わせて提供すると、８１通りもの多数の指令を登録しながら、視線を画面に向けたまま目的の指令を容易に能率良く選択する手段を与えるので多岐の用途への応用を見込むことができる。
【発明の効果】
本発明では、データ入力装置に指先の運動をガイドする仕組を導入し、ガイドに沿って指先を動かすことで指令や文字を容易かつ確実、迅速に入力できるようにした。ここで指先の移動中に指先に加える触覚または力覚刺激を変化させ、触覚または力覚刺激を手掛かりとして指先の位置を把握できるようにした。またメニュー内の項目（アイコン）を指先の移動方向や移動量と幾何学的に対応が取れるように配置し、文字を入力する際には、指先の移動開始位置と移動方向が文字を記入するときのペン先の移動開始位置と移動方向に関連付くようにして、指運動とその指運動によって入力するメニュー項目や文字との対応関係を直感的に分かりやすくした。さらに任意の座標点を指定するポインティング機能と限られた数のメニュー項目を迅速に選択するショートカット機能をシームレスに切り替えて作業できるようにした。
【図面の簡単な説明】
【図１】指先接触部、触覚刺激用突起、指先接触部可動機構、移動範囲制限枠の構成例を示す。
【図２】指の関節の構造を模擬して構成した指先接触部可動機構を示す。
【図３】指先接触部の移動範囲制限枠の構成例を示す。
【図４】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図５】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図６】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図７】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図８】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図９】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１０】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１１】触覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１２】力覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１３】力覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１４】力覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１５】力覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図１６】指先の下降運動と上昇運動を検出する機構の構成例を示す。
【図１７】英字（アルファベット）を入力するための指先運動例を示す。
【図１８】数字を入力するための指先運動例を示す。
【図１９】指先接触部の移動可能範囲の外縁の形状３種と、外縁上で指先に触覚または力覚刺激の加わる位置、及び指先の移動軌跡の例を示す。
【図２０】外縁に沿った指先運動の例を示す。
【図２１】英字（アルファベット）を入力するための指先運動例を示す。
【図２２】数字、及び繰り返し入力されることの多いスペース、改行、上下左右のカーソル移動を入力するための指先運動例を示す。
【図２３】メニュー項目を指先移動位置と幾何学的に関連付くように配置し、現指先地点に対応するメニュー項目を破線の枠で、また触覚刺激の違いをメニュー項目の枠の太さで表示する例を示す。
【図２４】指先接触部、指先接触部可動機構、触覚刺激提示手段、指先運動ガイド手段、力覚刺激提示手段、指先位置検出手段、上下動検出手段の構成例を示す。
【図２５】（ａ）に図２４の構成例の指先移動範囲内で触覚刺激用突起が上昇するエリアと下降するエリア、及び力覚刺激が加わる位置と力の方向を示す。（ｂ）に指先移動範囲内で触覚刺激と力覚刺激によって区別される９個の区域（ＵＬ：左上区域、ＵＭ：中央上区域、ＵＲ：右上区域、ＭＬ：中央左区域、ＭＭ：中央区域、ＭＲ：中央右区域、ＬＬ：左下区域、ＬＭ中央下区域、ＬＲ：右下区域）を示す。
【図２６】力覚刺激だけを用いて９個の区域を区別する方式の構成例を示す。
【図２７】（ａ）に図２６の構成例の指先移動範囲内で力覚刺激が加わる位置と力の方向、強さを矢印で示す。（ｂ）に図２６の構成例の指先移動範囲内で力覚刺激によって区別される９個の区域を示す。（ｃ）に触覚刺激の差異により前後方向に５つの区域を区別できるよにした構成例を示す。（ｄ）には（ｃ）の触覚・力覚刺激により区別できる区域を示す。
【図２８】（ａ）にボール形状をした触覚刺激用突起を上下に動かして指先を刺激する機構の上面図とＡ−Ａ’断面図を示す。（ｂ）に関節を回転軸として動く指先の運動形態を模擬して回転軸を用いて指先接触部を動かす可動機構と、力覚刺激提示手段の構成例を示す。
【図２９】図２８の構成例で指先接触部を前後左右に移動するときに触覚刺激と力覚刺激を生成する仕組を示す。
【図３０】図２９の構成例の指先移動範囲内で触覚刺激用突起が上昇するエリアと下降するエリア、及び力覚刺激が加わる位置と力の方向を示す。
【図３１】図２９の構成例で指先の移動を検出するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４と指先の上下動を検出するスイッチの設置例を示す。
【図３２】図２４の構成例にポインティング作業用の指先運動領域を追加した構成例を示す。
【図３３】（ａ）に図３２の構成例の指先移動範囲内で触覚刺激用突起が上昇するエリアと下降するエリア、及び力覚刺激が加わる位置と力の方向、そしてこれらの刺激が加わらないポインティング作業用のエリアを示す。（ｂ）に（ａ）の触覚刺激と力覚刺激で区別される９個の区域（ショートカットエリア）とポインティング作業用の区域（ポインティングエリア）を示す。
【図３４】触覚刺激提示手段の別の構成例を示す。
【図３５】図２８の構成例に図３４の触覚刺激提示手段とポインティング作業用の指先運動領域を追加した構成例を示す。ショートカットエリア内で指先を動かすときに触覚刺激と力覚刺激を生成する仕組を示す。
【図３６】図３５の構成例のポインティングエリアで指先を移動する様子を示す。
【図３７】図３５の構成例の指先移動範囲内で触覚刺激用突起が上昇するエリアと下降するエリア、及び力覚刺激が加わる位置と力の方向、そしてこれらの刺激が加わらないポインティング作業用のエリアを示す。
【図３８】（ａ）にポインティングエリアに指先を移動したときの表示画面、（ｂ）にショートカットエリアに指を移動して左側の３つの項目のグループを選択したときの表示画面、（ｃ）に項目３を選択したときに項目３のサブメニューが現れた表示画面を示す。各画面の右側には各選択作業中の指先の位置と指先の上下運動を示す。
【図３９】（ａ）にポインティングエリアに指先を移動したときの表示画面、（ｂ）にショートカットエリアに指を移動して白枠に囲まれる９文字のグループを選択したときの表示画面、（ｃ）にＹを選択したときの表示画面を示す。各画面の右側には各選択作業中の指先の位置と指先の上下運動を示す。
【図４０】数字１を選択するときの表示画面及び選択のための指先の位置と指先の上下運動を示す。
【図４１】ひらがなを選択するときのメニュー表示例と指先運動例を示す。
【図４２】ショートカット作業中には触覚・力覚刺激を加え、ポインティング作業中には触覚・力覚刺激を解除する仕組を示す。
【図４３】２つの半円状回転体を縦列するように並べて、両半円状回転体の回転によって指先を円滑に移動しながら、一方の半円状回転体の上に指先が移動した時に感じる凸の感触と、２つの半円状回転体の間に指先が移動した時に感じる凹の感触を通じて、半円状回転体の回転方向に関する位置を把握できるようにし、また、半円状回転体の回転方向と直交する指先の運動に関しては、力覚刺激を用いて位置を把握できるようにしたユーザインターフェイスの仕組を示す。
【図４４】半円状回転体２つを連動用棒を使って回転時に連動させて、半円状回転体回転時の連動棒の上下運動を使って指先に触覚刺激を与える仕組を示す。
【図４５】半円状回転体の回転によって指先に触覚刺激を提示する機構の構成例を示す。
【図４６】指先を移動する際の半円状回転体の回転運動を歯車を使って伝達し、指先を刺激する触覚刺激用突起の運動に変化する仕組を示す。
【図４７】図４６（ｃ）（ｄ）に示す方式について、指先の移動と共に触覚刺激用突起が指先を刺激する様子と、メニューの中の項目が選定されてゆく様子を示す。
【図４８】指先の運動を示唆する図柄を用いるアイコンの例と画面内にアイコンを配置した例を示す。
【図４９】第１位置と第２位置の組み合わせを入力する指令や文字に関連付ける対応付け手段の構成例を示す。
【符号の説明】
１指先接触部（上から見たところ）
２レール
３車輪
４車輪
５車輪の台座
６車輪の台座
７触覚刺激用突起（上から見たところ）
８触覚刺激用突起（側方から見たところ）
９指先接触部（側方から見たところ）
１０レールの断面
１１触覚刺激用突起の底部
１２回転リング
１３ボールベアリング
１４外側リング（移動範囲制限枠）
１５車輪（上部）
１６車輪（下部）
１７アーム
１８回転軸
２０移動範囲制限枠
２２窪み
２３窪み
２４窪み（角）
２５隆起部頂上部
２６隆起部斜面
２７谷部
２８バネ
３０車輪
３１突起押し上げ板
３２アーム
３３回転軸
３５円筒（ローラ）
３６車輪
３７アーム
３８アーム突起
３９ローラ
４０回転軸
４１触覚刺激用突起の囲い
４２アーム
４３Ｌ字形アーム
４４回転軸
４５台座
４６アーム収納部
４７アーム
４８触覚刺激用突起の底部（上から見たところ）
４９回転軸
５０回転軸の台
５１回転軸
５２触覚刺激用突起の底部（側方から見たところ）
５５指先上下運動検出用スイッチ
５６バネ
６１指先接触部に固定した軸
６２台座に固定した回転軸
６３アーム
６４アームに掘られた溝
６５触覚刺激用突起の底部（側方から見たところ）
６６アーム先端
６７ボールジョイント
６８ボールジョイント
６９回転軸
７０アーム
７１棒
７２ボールジョイント
７３棒
７４アーム突起
７５アーム
７６回転軸
８０指先接触部の移動範囲
８１板
８２板バネを押し上げる突起部
８３板バネ
８４バネ（縮んでいる状態）
８５板バネを押し上げる突起部
８６板バネ（押し上げられているところ）
８７板バネを押し上げる突起部
８８板バネ
８９バネ（伸びている状態）
９０弱い力を示す矢印
９１強い力を示す矢印
９２車輪
９３指先の第１位置から第２位置までの移動を示す矢印
９４触覚刺激用突起から刺激を受ける地点を示す白丸。
９５指先が移動範囲中央部から外縁に移動することを示す矢印
９６指先が移動範囲の外縁から中央部に移動することを示す矢印
９７触覚または力覚刺激
９８触覚または力覚刺激
１００破線の枠で囲まれたメニュー項目
１０１細線の枠で囲まれたメニュー項目
１０２太線の枠で囲まれたメニュー項目
１０３表示用画面
２０１指先接触部
２０２触覚刺激用突起
２０３触覚刺激用突起の支柱
２０４回転軸
２０５台座
２０６力覚刺激生成用レール
２０７指先接触部移動用レール
２０８指先接触部に固定したレール保持部
２０９力覚刺激生成用車輪
２１０バネ
２１１車輪支柱
２１２車輪支柱の回転軸
２１３力覚刺激生成用レールの屈曲部（大）
２１４台座に固定したレール保持部
２１５台座の隆起部
２１６指先接触部上で指を下方に押す力を検出するスイッチ
２１７バネ
２１８力覚刺激生成用車輪
２１９力覚刺激生成用窪み
２２０突起押し上げ板との衝突壁
２２１突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）
２２２突起押し上げ板の回転軸
２２３指先接触部を左右に振るための回転軸
２２４指先接触部の左右の移動方向
２２５指先接触部の前後の移動方向
２２６指先接触部を上下に振るための回転軸
２２７スイッチ（ＳＷ４）押し用突起
２２８スイッチ（ＳＷ２）押し用突起
２２９バネ
２３０回転軸
２３１指先の上下運動検出用スイッチ
２３２指先接触部の上下の移動方向
２３３突起押し上げ板（シーソ状機構のアーム）
２３４力覚刺激生成用斜面
２３５力覚刺激生成用斜面
２３６力覚刺激を生じない範囲
２３７力覚刺激生成用レールの屈曲部（小）
２３８力覚刺激生成用レールの屈曲部（小）
２３９力覚刺激生成用車輪
２４０バネ
２４１ショートカットエリアとポインティングエリアの境界を通知する力覚刺激を生成するために力覚刺激生成用レールに設けられた突起部
２５０ポインティング位置を示すカーソル
２５１指先を上げた状態でＭＬの位置に移動したときに選択される３項目のグループ
２５２指先を上げた状態でＭＭの位置に移動したときに選択される３項目のグループ
２５３指先を上げた状態でＭＲの位置に移動したときに選択される３項目のグループ
２５４指先を上げた状態でＭＭの位置に移動したときに選択される９項目のグループ
２５５ＭＭの位置で指先を下げてＵＲの位置に移動したときに選択される項目２５６指先を上げた状態でＵＬの位置に移動したときに選択される６項目のグループ
２５７ＵＬの位置で指先を下げてＭＬの位置に移動したときに選択される項目２５８指先を上げた状態でＭＲの位置に移動したときに選択される１５項目のグループ
２５９ＭＲの位置で指先を下げてＭＬの位置に移動したときに選択される項目
２６０ＭＲの位置で指先を下げてＭＬの位置に移動した後でＵＬの位置に移動したときに選択される項目
２６１ＭＲの位置で指先を下げてＭＬの位置に移動した後でＵＬの位置に移動し、更にＭＬとＵＬ間を一往復したときに選択される項目
２７０半円状回転体
２７１半円状回転体の回転軸
２７２回転軸の保持部
２７３半円状回転体連動用棒
２７４力覚刺激生成用車輪
２７５力覚刺激生成用バネ
２７６窪み部
２７７半円状回転体連動用棒と半円状回転体をつなぐ回転軸
２７８マウスに実装したデータ入力装置
２７９触覚刺激用突起
２８０アーム２８２を押し下げるための突起
２８１アーム２８２の回転軸
２８２アーム
２８３触覚刺激用突起
２８４半円状回転体内面の歯
２８５触覚刺激駆動用歯車
２８６触覚刺激駆動用歯車
２８７台座
２８８半円状回転体連動用歯車
２８９半円状回転体連動・触覚刺激兼用歯車
２９０指先運動範囲
２９１突起が上昇するエリア
２９２突起が下降するエリア
２９３指先接触部に働く力覚刺激の力の方向と大きさ
２９４触覚・力覚刺激が加わらないエリア
２９５ショートカットエリア
２９６ポインティングエリア
２９７指先接触部に働く力覚刺激の力の方向と大きさ
２９８指先の運動を拘束する１次元の軌道
２９９ショートカットエリアとポインティングエリアを分ける力覚刺激
３００指先接触部の前後方向の位置を計測する発光・受光素子
３０１指先接触部の左右方向の位置を計測する発光・受光素子
３０２指先接触部の前後方向の位置を計測する発光・受光素子の光を遮断・透過するくし状スリット
３０３指先接触部の左右方向の位置を計測する発光・受光素子の光を遮断・透過するくし状スリット
３０４回転軸廻りの回転量を計測するロータリエンコーダ
３０５指先接触部の半径方向の位置を計測する発光・受光素子
３０６指先接触部の半径方向の位置を計測する発光・受光素子の光を遮断・透過するくし状スリット
３０７板バネ
３０８弱い復帰力
３０９緩い傾斜の斜面
３１０緩い傾斜の斜面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a data input device and a user interface method for efficiently inputting character data and command data to information equipment.
[0002]
[Prior art]
In the graphical interface, work is carried out while checking the position of the mouse cursor by relying on vision, but a method that uses tactile stimulation has been devised to reduce the visual burden. For example, a pin of a pin display is protruded (Japanese Patent Laid-Open No. 11-161152, Japanese Patent Laid-Open No. 10-55252, Japanese Patent Laid-Open No. 6-102997), or a vibrator or driving unit incorporated in a mouse is operated (Japanese Patent Laid-Open No. 6-102997, (2001-356862), and a method of notifying the operator that the cursor has reached the target area on the screen by vibrating a pointing stick (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-29623) has been devised. In addition, an apparatus has been developed that provides a tactile sensation of a virtual object by ejecting a pin according to the position and stimulating the finger when the fingertip is inserted and moved (JP 2000-259333, JP 2000-47792). These methods did not use tactile stimulation for the purpose of inputting various information at high speed. Japanese Patent Laid-Open No. 10-143301 shows a method in which a fingertip on a key is stimulated by a vertical movement of a protrusion and a key moving position is notified through this stimulation. However, information is input only by a movement of moving down the key. For this reason, it has been necessary to use multiple fingers to input various information such as characters. In order to input a variety of information with a single finger, a method of specifying information to be input by combining the descending position and the ascending position of the fingertip (Japanese Patent Laid-Open No. 11-224161, Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-55222) is effective. It was difficult to accurately grasp the descending position and the ascending position that were close within the narrow movement range of this finger, and erroneous input was likely to occur. Furthermore, a method for changing the shape and size of the cursor key for each direction so that it can be distinguished by tactile sense (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 3-90922), or a plurality of ball-shaped projections arranged at the fingertip contact portion, There have also been devised methods (Tokukai 2001-166871, JP 11-353091) for inputting information on the tactile information of the projections and depressions of the ball-shaped projections while moving smoothly over the arrangement. However, in these methods, the unevenness was static and fixed, so a clear difference in uneven shape could not be obtained even when the fingertip was moved. During the movement of the fingertip, the uneven shape of the surface with which the fingertip comes into contact is deformed to produce a clear difference in the uneven shape, so that the operator can clearly grasp the fingertip position based on this difference, and the fingertip's lowered position Although a method (JP-A-2002-278694) for designating various information by combining the position and the ascending position has been devised, the high degree of freedom that the fingertip can freely move in two dimensions makes it difficult to operate, It was easy to make an incorrect input due to the tremor. In particular, when selecting menu items, the degree of freedom to specify an arbitrary coordinate point caused a reduction in work efficiency. Rather, it was possible to select items more efficiently by using keyboard shortcut keys.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Two points (first position and second position) are designated by a predetermined movement of the fingertip within the two-dimensional movement range of the fingertip, and data is input by associating a combination of the first position and the second position with a character or command. In this data input device, a means for restricting the movement of the fingertip on a one-dimensional trajectory set within the two-dimensional movement range is introduced, and the movement of the fingertip is guided to move along the trajectory. Introduce tactile stimulus presentation means to change the uneven shape of the surface touched by the fingertip according to the position of the upper fingertip, or force sense presentation means to change the force applied to the fingertip from the surface touched by the fingertip according to the position of the fingertip Data that allows the operator to easily and reliably input characters and commands by moving the fingertip along the guide while grasping the first position and the second position by tactile or force stimulation applied to the fingertip during movement Input device And, it is an object of the present invention to provide a user interface system can take intuitive to work with tactile or haptic stimulus is fingertip of movement and presentation. It is another object of the present invention to set the correspondence between the fingertip movement and the input characters and commands so as to be intuitive and easy to memorize. The two-dimensional movement range of the fingertip is divided into a region including the one-dimensional trajectory described above and a region not including the one-dimensional trajectory, and characters and commands are efficiently input while guiding the fingertip movement by the trajectory in the former region. It is an object to be able to execute a shortcut function and a pointing function with the same single fingertip by specifying an arbitrary coordinate point in the latter area that can be freely moved and switching between these areas. .
[0004]
[Means for Solving the Invention]
A portion (a fingertip contact portion) that moves with the fingertip touching the data input device is provided. The movable mechanism is configured such that the fingertip contact portion moves following the movement of the fingertip contacting the fingertip contact portion. The moving range of the fingertip contact portion has a limit, and the outermost edge of the movable range is called an outer edge. When a force is applied from the fingertip placed on the fingertip contact portion to press the fingertip contact portion against the outer edge, the friction increases in a normal case and the fingertip contact portion becomes difficult to move along the outer edge. In other words, even if the fingertip contact portion is pressed against the outer edge, the movable mechanism of the fingertip contact portion is configured so that it can move smoothly along the outer edge. In another embodiment of the present invention, a mechanism that works on the fingertip contact portion is introduced so that the fingertip contact portion is drawn into a linear region provided within the movable range, and movement of the fingertip contact portion is performed. Constrain within a linear region. The fingertip contact part moves freely within the two-dimensional movement range, but once it enters this linear area, it cannot escape from the linear area unless a certain amount of force is applied, and is confined to the linear area. Moved. It is possible to move within a linear region with a small force of a certain amount or less. The fingertip contact portion moves along a one-dimensional trajectory both when moving along the outer edge and when moving while confined in the linear region. The fingertip contact part can move freely in the two-dimensional movement range, but if necessary, enter the one-dimensional trajectory and use the ruler to move the pen and draw a line. And quickly move to the target point.
[0005]
If such a trajectory is introduced into the movement range of the fingertip contact portion, the trajectory can be used for the purpose of guiding the fingertip movement. That is, if the target point that should be reached by the fingertip contact portion is arranged on the track, the target point can be reliably reached by moving the fingertip contact portion along the track. This is just like drawing a straight line by moving the pen while pressing the pen against the edge of the ruler, and the movement of the fingertip contact portion is restricted to a one-dimensional movement along the trajectory. With such a guide, the accuracy can be maintained even if the fingertip is drastically moved, and the target point can be reliably reached. As a result, the operation becomes easier and the efficiency is improved. For example, a person whose fingertips tend to vibrate can suppress tremors by restraining the fingertips in the linear region or pressing the fingertip contact portion against the outer edge. This is similar to drawing a straight line if you move the pen tip along a ruler, although drawing a freehand line will disturb the line due to hand tremors.
[0006]
Furthermore, while moving the fingertip contact portion along the trajectory, the stimulus that acts on the tactile or force sense of the fingertip is changed, and whether the fingertip contact portion has reached the target point by using the change of the stimulus as a clue. Be able to judge. This eliminates the need for visually confirming the fingertip position and enables quick operation.
[0007]
In addition, when the fingertip contact part enters the track, a user interface is introduced that displays commands and characters that can be input by finger movement performed from the point of entry as a menu. Here, the items (icons) in the menu are arranged so as to geometrically correspond to the direction of the finger movement and the position of the arrival point, or the shape of the fingertip movement and the force applied during the fingertip movement on the icon pattern A decoration suggesting sensation or tactile stimulation is recommended. In addition, if the character to be input by each finger movement is determined so that the movement start position and movement direction of the fingertip contact part are related to the movement start position and movement direction of the pen tip when writing the character, It becomes easy to memorize the correspondence. The range of movement of the fingertip contact area is divided into two partial areas, which is used for the purpose of efficiently inputting characters and commands and specifying menu items while restricting the movement of the fingertip by including the trajectory in one partial area. In addition, if you perform a pointing operation to specify coordinate points in the other partial area where you can move your fingertips freely, you can move one fingertip back and forth between both areas while seamlessly continuing to input characters and commands and pointing operations I can work. In addition, if there is a degree of freedom to specify an arbitrary coordinate point, the efficiency of selecting a menu item is reduced, but in the former area, the degree of freedom is limited using a trajectory, and tactile and force cues are also used. You can immediately access (shortcut) the menu item and specify it. Therefore, the former area is called a shortcut area and the latter area is called a pointing area.
[0008]
【Example】
First, an embodiment of a method for guiding the movement of the fingertip using the outer edge of the movement range of the fingertip contact portion as a trajectory will be described. Two points (first position and second position) are designated by a predetermined fingertip movement within the movement range of the part (fingertip contact portion) where the fingertip of the data input device is placed, and a combination of the first position and the second position is specified. In a data input device that inputs data in association with characters and commands, even if the fingertip contact portion is limited in the movement range of the fingertip contact portion and a force is applied to the fingertip contact portion so as to press against the outer edge of the restricted range, The movable mechanism is configured so that can move smoothly along the outer edge. When the movable mechanism is configured in this way, the outer edge serves to guide the movement of the fingertip. That is, by moving the fingertip contact portion while pressing the fingertip contact portion against the outer edge so as to draw a line by pressing the pentip against the ruler, it is possible to suppress trembling of the fingertip and guide the fingertip in the correct direction. Furthermore, if the tactile or force stimulus presentation means is used to apply a tactile or force stimulus to the fingertip at a predetermined position while moving the fingertip along the outer edge, the operator can touch the fingertip through the tactile or force stimulus. It is possible to confirm the position, quickly and accurately grasp the first position and the second position, and efficiently input commands and characters. In addition, the operation of the fingertip and the input data are intuitively associated with each other to facilitate the operation. As one of the methods for that purpose, the movement of the fingertip from the first position to the second position and the movement of the fingertip and the characters to be input by the movement are similar so that the movement of the typical pentip when writing the character is similar. Set the correspondence with. In the graphical interface method, when the fingertip reaches the first position, a command or a character icon (menu item) that can be input from the first position as a starting point geometrically corresponds to the arrangement of the second position. In addition, a decoration suggesting a tactile or haptic stimulus received at the second position is added to the icon for display. Next, each mechanism used in this whole picture is explained individually.
[0009]
In the overall image described above, first, an embodiment of the fingertip contact part moving mechanism is shown. FIGS. 1A, 1B, and 1C are views of the fingertip contact portion 1, the tactile stimulus projection 7, the rail 2 of the fingertip contact portion movable mechanism, the wheels 3, 4, and the wheel bases 5, 6 as viewed from above. Show. The rail has a square loop. In the figure, the elliptical outline of the fingertip contact portion 1 is indicated by a broken line, and the portion that is hidden behind the fingertip contact portion 1 and is not originally visible is also displayed. As the wheel 3 rotates on the rail, the fingertip contact portion 1 moves smoothly in the left-right direction on the drawing. The rail itself moves up and down in the drawing as the wheel 4 rotates. By combining these two movements, the fingertip contact portion moves two-dimensionally up and down and left and right. In FIGS. 1A, 1B, and 1C, the fingertip contact portions have moved to the center portion, the upper portion, and the diagonally upper left portion within the moving range, respectively. A cross section of FIG. 1B viewed from the side is shown in FIG. When the cross-section 9 of the elliptical fingertip contact portion 1 is viewed, the tactile stimulation protrusion 8 is curved so that the fingertip fits and stimulates the fingertip at the center (7 is the same protrusion viewed from above). Is provided. The tactile stimulation projection 8 moves up and down to stimulate the fingertip when the position of the fingertip contact portion changes. Since the figure becomes complicated, the mechanism for moving the tactile stimulation protrusion up and down is omitted, and will be described separately later.
[0010]
In FIG. 1 (e), a ring 12 that rotates smoothly by a ball bearing 13 and an outer ring 14 that comes into contact with the ring and limits its movement range are added. FIG. 1F shows a state in which the rotating ring 12 and the outer ring 14 are viewed from above. In FIG. 1 (f), the rotating ring contacts the upper inner surface of the outer ring, and the fingertip contact portion 1 is restricted so that it cannot move above this. Even if the rotating ring is pressed against the inner surface of the outer ring, the rotating ring rotates and moves smoothly along the inner surface. Therefore, the fingertip contact portion 1 fixed to the shaft of the rotating ring can smoothly move along the outer edge even when pressed against the outer edge of the moving range. In this way, the inner surface of the outer ring 14 serves to guide the fingertip movement, thereby realizing the fingertip movement guide means. Hereinafter, a frame that restricts the movement range of the fingertip contact portion like the inner surface of the outer ring 14 is referred to as a movement range restriction frame.
[0011]
In FIG. 1 (h), the rail 2 is sandwiched between the lower wheel 16 and the upper wheel 15. This is seen from the side in FIG. 1 (g), and 10 is a cross section of the rail. Even if a wheel is provided only on one side as shown in FIG. 1 (d), the wheel is detached from the rail. However, if the rail is sandwiched between upper and lower wheels as shown in FIG. 1 (h), the rail and the wheel are not separated. Can move to each other while being integrated.
[0012]
2A and 2B show another embodiment of the fingertip contact portion moving mechanism. Here, instead of rails and wheels, the fingertip contact portion 1 is configured to move two-dimensionally using an arm 17 that rotates about a shaft 18. Here again, as shown in FIGS. 1E and 1F, when the rotation range and the outer ring are introduced to limit the movement range of the fingertip contact portion 1, the fingertip contact portion 1 can move smoothly along the outer edge of the movement range. Thus, the outer edge can be used for the purpose of guiding the movement of the fingertip. Also, if the tactile stimulus projection 7 is moved up and down in accordance with the fingertip position, the user can grasp the fingertip position using this stimulus as a clue. If the arm 17 and the rotating shaft 18 are configured to simulate a finger and its joint, the fingertip contact portion moves in the same manner as the fingertip, so that a sense of unity with the fingertip is increased and operability is improved. Note that the fingertip contact portion movable mechanism is not limited to the mechanism shown in FIGS. For example, if the slippery plastic materials used for curtain rails are slid, the fingertip contact portion can be smoothly moved without using wheels or rails.
[0013]
In the fingertip contact portion movable mechanism, a mechanism is required that allows the fingertip contact portion to move smoothly along the outer edge while pressing the fingertip contact portion against the outer edge of the movable range. The device for that is shown in FIG. In FIGS. 3A, 3B, and 3C, the movement range of the fingertip contact portion is limited using the circular ring 14 as the movement range limiting frame as in FIGS. Indicates. Even if a force is applied so that the ball bearing 13 and the rotation ring 12 are introduced and the rotation ring is pressed against the movement range restriction frame, the rotation ring rotates to smoothly move along the movement range restriction frame. With this structure, the fingertip contact portion 1 fixed to the shaft of the rotating ring can move smoothly along the outer edge even when pressed against the outer edge. 7 shows a tactile stimulus projection provided inside the rotating ring as viewed from above, and 8 shows it as viewed from the side. Reference numeral 9 denotes a cross section of the fingertip contact portion 1.
[0014]
In FIGS. 3D, 3E, 3F, and 3G, the shape of the movement range restriction frame is changed to provide depressions 22, 23, 24, and the like. As shown in FIGS. 3E, 3 F, and 3 G, the fingertip contact portion stably stops at a position where the rotating ring 12 enters these recesses. Further, when the operator moves along the outer edge while pressing the fingertip contact portion against the outer edge, the operator can confirm the finger position through a feeling that the rotating ring falls into the depression. Furthermore, the movement range limit frame has a shape close to a square, so it has four corners, and even if the fingertip contact part moves fast along the outer edge, it will be the same when the rotating ring comes to the corner position. Since it cannot move in the direction, the rotating ring hits the corner and securely stops. Because you can move your finger around, you can quickly reach the corner position and reliably and efficiently input the characters and commands associated with it. Although the embodiment of the fingertip movement guide means has been described above, in the embodiment of FIG. 1, the wheels 3 and 4 are prevented from being detached from the rail 2 when the fingertip contact portion is pressed against the outer edge. If the frictional force between 3 and 4 can be devised so as not to become large, each of the outer edges of the fingertip movable range that forms a square even if the rotating ring 12, the ball bearing 13 and the outer ring 14 in FIG. The fingertip can be smoothly moved along the side, and the requirements of the present invention can be satisfied. In that case, the movable mechanism of the fingertip contact portion using the rails and wheels also serves as the fingertip movement guide means.
[0015]
Next, a mechanism of tactile stimulus presenting means for stimulating the fingertip by moving the tactile stimulus projection 8 up and down when the position of the fingertip contact portion changes will be described. Since the fingertip contact part movable mechanism has already been shown, the fingertip contact part movable mechanism is omitted from the following description and drawings, but finally the apparatus is configured by combining both.
[0016]
FIGS. 4A, 4B, and 4C show the fingertip contact portion 1, the tactile stimulus projection 7, the slope 26 of the raised portion formed on the lower base, the top 25 and the valley 27 as seen from above. Indicates. FIGS. 4D, 4E, and 4F are views of FIGS. 4A, 4B, and 4C as viewed from the side along the cross section AA ′. A spring 28 applies a force to lower the tactile stimulation projection 8. In FIGS. 4 (a) and 4 (d), the tactile stimulation protrusion is lowered and does not stimulate the fingertip. 4B and 4E, when the fingertip contact portion is moved to the left side, the bottom 11 of the tactile stimulation projection 8 hits the raised portion of the lower base, and the tactile stimulation projection 8 is lifted to stimulate the fingertip. . 4 (c) and 4 (f), when the fingertip contact portion is moved obliquely to the upper left, the bottom portion 11 of the tactile stimulation projection 8 enters the valley of the lower base, and therefore the tactile stimulation projection 8 is lowered. In this way, a tactile stimulus presentation unit that changes the form of the stimulus applied to the fingertip according to the fingertip position can be configured.
[0017]
FIG. 5 shows another embodiment of the tactile stimulus presentation means. FIGS. 5A, 5C, and 5E are views of the fingertip contact portion 1, the tactile stimulus projection 7, the rotating ring 12, the ball bearing 13, the wheel 30, the projection push-up plate 31, and the wheel arm 32 as viewed from above. Show. Moreover, the cross section which looked at these from the side is shown to FIG.5 (b) (d) (f), respectively. 5 (a) and 5 (b), the fingertip contact portion is at the upper left of the movable range, and if the movement range restriction frame is provided as shown in FIG. 3 (g), the rotating ring is a depression at the upper left of the movement range restriction frame. I'm stuck in. Further, the tactile stimulation projection 8 is lowered and does not stimulate the fingertip. 5 (c) and 5 (d), the fingertip contact portion has moved a little downward, and the rotating ring 12 has just touched the wheel 30 and pushed it slightly to the left. When the fingertip contact portion is moved further downward, the wheel 30 is pushed down to the left, and the arm 32 rotates to the left about the rotation shaft 33, so that the protrusion push-up plate 31 is lifted and pushes the tactile stimulation protrusion 8 upward. Stimulates fingertips. As the wheel 30 rotates, the rotating ring 12 smoothly moves upward while being in contact with the wheel 30.
[0018]
FIG. 6 shows still another embodiment of the tactile stimulus presenting means. Here, a structure different from that of the rotating ring used so far is provided below the fingertip contact portion 1. Four cylinders (which may be rotating rollers) are arranged as indicated by 35 in FIG. 6A so as to surround the tactile stimulus projection 7. Looking at the cross section taken along the line AA ′, the tactile stimulation projection 8 is normally pushed down by the spring 28 and is below the fingertip contact portion 9. As shown in FIG. 6B, wheels 36 are provided at four locations around the movement range of the fingertip contact portion. When the fingertip contact portion moves to the left as shown in FIG. 6 (c), the wheel fits between the two rollers 35, and the wheel is pushed to the left as it is. Since the wheel is pinched by the roller, the fingertip contact part can push the wheel while keeping the relative position with respect to the wheel constant, but if the wheel is pushed on a flat surface without being pinched by the roller, the wheel rotates easily and the fingertip contacts It becomes difficult for the part to keep the relative position to the wheel constant. 6 (d) and 6 (e) are cross-sectional views of FIGS. 6 (b) and 6 (c), respectively. When the fingertip contact portion moves to the left and pushes the wheel 36 to the left, the broken arm 37 extends. 38 lifts up and pushes up the tactile stimulation projection 8. FIGS. 6 (f) and 6 (g) are cross-sectional views of FIGS. 6 (b) and 6 (c), respectively. However, a different system from FIGS. 6 (d) and 6 (e) is used. When pressed to the left, the roller 39 lifts the arm 37 and pushes up the tactile stimulation projection 8 at the portion 38.
[0019]
FIG. 7 shows still another embodiment of the tactile stimulus presentation means. Sections of FIGS. 7 (a), (c) and (e) are shown in FIGS. 7 (b), (d) and (f). Although it is similar to the method of FIG. 6, when the fingertip contact portion pushes the wheel 36, the wheel itself is inclined to lift the right arm 42 of the rotating shaft 40 and push up the tactile stimulation protrusion 8.
[0020]
FIG. 8 shows still another embodiment of the tactile stimulus presentation means. Sections of FIGS. 8A and 8C are shown in FIGS. When 43 hits the wheel 36, it rotates as shown in FIG. 8D, and pushes up the tactile stimulus projection 8.
[0021]
FIG. 9 shows still another embodiment of the tactile stimulus presentation means. When the fingertip contact portion is moved to the left in the state of FIG. 9A, as shown in FIG. 9B, 47 only enters 46 at the beginning, and 46 does not move. When the fingertip contact portion is moved further to the left, and 47 has no room to enter 46 any more, 46 moves to the left as shown in FIG. The tactile stimulation protrusion 8 is pushed up.
[0022]
FIG. 10 shows still another embodiment of the tactile stimulus presentation means. As shown in FIG. 10A, there are four arms 63 that rotate around a rotation shaft 62 fixed to the pedestal, and the shaft 61 fixed to the fingertip contact portion is in a groove 64 dug in the arm 63. The lower end is inserted and slides in the groove 64 to move. When the fingertip contact portion 1 is moved to the right as shown in FIG. 10B, the tip 66 of the arm enters under the bottom portion 65 of the tactile stimulation projection 8 and pushes up the tactile stimulation projection 8. As shown in FIG. 10 (c), when the fingertip contact portion is moved diagonally to the upper right, the tip 66 of the arm moves away from 65, and the tactile stimulation projection 8 descends.
[0023]
FIG. 11 shows still another embodiment of the tactile stimulus presentation means. In FIG. 11A, reference numerals 67 and 68 denote ball joints. As shown in FIG. 11B, the rod 71 and the rod 73 can rotate in any direction. When the fingertip contact portion is moved to the left as shown in FIG. 11 (b), the lower end of the rod 71 passes through the hole opened in the ball joint 68 and jumps out to the opposite side of the ball, so that the arm 70 is moved around the axis 69. The tactile stimulation projection 8 is pushed up by rotating leftward. As shown in FIG. 11 (c), when the fingertip contact portion is moved to the left, the arm is bent and 74 is lowered, and the lower arm 75 is rotated leftward about the shaft 76 for tactile stimulation. The protrusion 8 can also be pushed up.
[0024]
FIG. 12 shows an embodiment of the haptic stimulus presenting means. In FIG. 12A, the movement range of the fingertip contact portion is indicated by a dotted line, and the direction and magnitude of the force applied to the fingertip contact portion at each position within the movement range are indicated by arrows. The direction of the arrow indicates the direction of the force, and the thickness of the arrow indicates the strength of the force. Thus, since the force applied according to the position of a fingertip contact part changes, the user can grasp | ascertain the position of a fingertip contact part by using the direction and strength of force. FIGS. 12B and 12C show a mechanism for generating the haptic stimulus shown in FIG. A cross section of FIG. 12B viewed from the side is FIG. Although the cross-section of the fingertip contact portion 1 is shown in FIG. 9, in this embodiment, there is no projection for tactile stimulation, and only a force sense is presented. However, the tactile stimulus presenting means described so far may be used in combination with the force sense stimulus presenting means. A wheel 12 is installed under the fingertip contact portion. Since the wheel 12 can rotate and move smoothly while in contact with the plate 81, the fingertip contact portion can move smoothly while receiving a force from the plate 81 through the wheel 12. The plate 81 receives the force that the spring 84 tries to extend and pushes the wheel 12 to the right. The plates 81 provided at the four locations exert forces on the wheels in the same manner. In the corner portion of the moving range, the resultant force of the two 81 acts as an oblique force on the fingertip contact portion. Further, by introducing leaf springs such as 83, 86, and 88, the strength of the force acting on the fingertip contact portion can be changed depending on the location. That is, when pushing 81 with the wheel 12 and moving it outward, initially, a strong force is required to deform the leaf spring like 86, but if you push it further, the leaf spring will return this time. The force required to push becomes weaker. This is why the thickness of the arrow indicating the strength of force in FIG. 12A is thicker near the center of the movement range and thinner at the periphery.
[0025]
FIG. 13 shows another embodiment of the haptic stimulus presenting means. FIG. 13A shows the movement range of the fingertip contact portion with dotted lines, and shows the direction and magnitude of the force applied to the fingertip contact portion at each position within the movement range. Here, since the ring-shaped movement range restriction frame is used, the movement range is circular. As in the case of FIG. 12, the spring 84 and the leaf spring 83 are combined so that a large force is generated near the center of the moving range and a small force is generated at the peripheral portion. In addition, a depression is provided in the center of 81 so that the wheel 12 can be accommodated in the depression so that the wheel can be pushed and pushed without rolling over 81. When the fingertip contact portion moves obliquely to the upper left, as shown in FIG. 13 (e), the wheel is detached from 81 and does not receive any force. Therefore, no arrow is described at the obliquely upper left position in FIG. 13 (a). Thus, as shown by the distribution of arrows in FIG. 13 (a), the force presented to the force sense varies depending on the position within the movement range of the fingertip contact portion, so that the operator determines the fingertip position based on the difference in force. I can grasp.
[0026]
FIG. 14 shows still another embodiment of the haptic stimulus presenting means. FIG. 14A shows the moving range of the fingertip contact portion by dotted lines, and shows the direction and magnitude of the force applied to the fingertip contact portion at each position within the moving range. Here, instead of 81 in FIG. 13, force is applied to the fingertip contact portion using four wheels 92. In FIG. 13, the rotating ring 12 is installed under the fingertip contact portion, but here, as shown in FIGS. 14E and 14F, four cylinders 35 (or rotating rollers may be used) instead of the wheels. Then, as shown in FIG. 14B, the wheel is pushed between the two cylinders 35 with the wheel interposed therebetween. The force required to push the wheel can be changed according to the position by combining the spring 84 and the leaf spring 83. In this example, the force shown in FIG. 14A is generated at each position within the movement range.
[0027]
FIG. 15 shows still another embodiment of the haptic stimulus presenting means. This is because the arrangement of the wheels is only rotated by 45 degrees in the method of FIG. 14, and the generated force is also shown in FIG. 15 (a). The force distribution of 14 (a) is rotated 45 degrees. The tactile or haptic stimulus presenting means described above generates a tactile or tactile stimulus using the operator's own power without using an electric drive mechanism, and therefore, extra power is consumed. No consumption. Place a magnet on the tactile stimulation protrusion, place a magnet that repels the protrusion at the position where you want to push the protrusion, and place a magnet that attracts the protrusion magnet at the position where you want to lower the protrusion. Even if it is moved to, it does not have to consume power. As for force sense stimuli, if magnets with different polarities are arranged according to the position to generate repulsive force or attractive force with the magnet installed at the fingertip contact part, the force sense varies depending on the position without consuming power. Can generate stimuli. In these examples, it seems that the magnetic force is a driving source at first glance, but actually, the force of the fingertip is converted and used by a magnet, and the force of the fingertip is the driving source.
[0028]
FIG. 16 shows an embodiment of the vertical movement detecting means for detecting the downward movement and the upward movement of the fingertip performed during the movement of the fingertip contact portion. In FIG. 16A, when the fingertip contact portion is pushed down with the fingertip, the spring 56 is contracted and the fingertip up / down motion detection switch 55 is turned on, and the downward movement of the fingertip can be detected. In FIG. 16B, when the fingertip is lowered on the fingertip vertical motion detection switch 55 formed on the surface of the fingertip contact portion, the switch 55 is turned on, and the downward movement of the fingertip can be detected. In either embodiment, when the fingertip is raised, the fingertip up / down motion detection switch 55 is turned off, and the upward motion of the fingertip can be detected.
[0029]
In order to detect that the fingertip contact portion has reached the outer edge of the movable range and the separation from the outer edge, for example, in FIG. 3, the rotating ring 12 and the movement range limiting frame 14 or 20 are made of a conductive material. What is necessary is just to detect the electric current which conducts by contact of both. The time when the current becomes conductive is the time when the outer edge is reached, and the time when the current is interrupted is the time when the current leaves the outer edge. Thus, the orbit entry / exit detection means can be realized.
[0030]
Assuming that the position of the fingertip contact portion when the fingertip descends or reaches the outer edge detected by the above method is the first position, and the position of the fingertip contact portion when the fingertip is elevated or the outer edge is detached is the second position, these positions are the fingertips. It can be measured by installing a sensor for detecting the position of the fingertip contact portion in the contact portion movable mechanism. For example, in the fingertip contact part movable mechanism in FIG. 1, the movement amount of the rail with respect to the lower base and the movement amount of the fingertip contact part with respect to the rail may be measured with an optical linear encoder or a rotary encoder. Further, in the fingertip contact portion movable mechanism of FIG. 2, it is preferable to measure the amount of rotation of the arm on each rotation axis with an optical rotary encoder. From the measurement result thus obtained, the positions of the first position and the second position of the fingertip contact portion can be calculated, and the combination of both positions can be associated with a command or character. Alternatively, if the number of positions to be distinguished is limited, a switch is arranged at each position, and the position of the fingertip contact portion is detected by turning on the switch at the position where the fingertip contact portion has come. Also good. The fingertip position detecting means can be realized by these methods.
[0031]
In the data input device of the present invention, the above-described fingertip contact part moving mechanism, fingertip movement guide means, tactile or force stimulus presentation means, fingertip vertical movement detection means or trajectory entry / exit detection means, and fingertip position detection means are provided. In combination, the first position and the second position are detected from the movement of the fingertip, and commands and characters corresponding to the combination of both points are input. In the associating means for associating, it is necessary to prepare in advance a table for associating a combination of the first position and the second position with a character or a command.
[0032]
It is desirable that the table for associating the combination of the first position and the second position with a command or character is intuitively easy to understand. For the alphabet (alphabet), the movement of the fingertip from the first position to the second position and the alphabetical character to be input are associated with each other so that the typical movement of the pen tip when drawing each character matches. An example is shown in FIG. In FIG. 17, the movable range of the fingertip contact portion is a square area, and this area is divided into 3 rows and 3 columns. Among these areas, a white circle 94 is attached to an area where the tactile stimulus projection comes out to stimulate the fingertip when the fingertip contact portion is moved to that area. The start point of the arrow 93 indicates the first position, and the end point of the arrow indicates the second position. The alphabet to be input by finger movement indicated by each arrow is written beside the arrow. For example, the arrow 93 indicates that “T” is input by the movement of the fingertip with the upper left area as the first position and the upper middle area as the second position. The finger movement indicated by the arrow 93 is a movement corresponding to the horizontal movement of the pen tip when drawing “T” with the pen (this is considered as a typical movement of the pen tip when drawing “T”). Further, since the tactile stimulus to the fingertip is not applied at the first position but at the second position, the finger movement can be grasped by using the difference in the tactile stimulus as a clue, and the finger movement can be executed accurately and quickly. Similarly, for numbers, the movement of the fingertip from the first position to the second position corresponds to the movement of the fingertip and the input number so that the typical movement of the pen tip when writing each number matches. An example is shown.
[0033]
In FIG. 19, tactile sensations or force sensations applied at each position of the outer edge with respect to the shapes of the three types of movement range restriction frames are represented by black or white arrows. Black and white arrows represent different types of stimuli. For example, at the point of the black arrow, a protrusion comes out and stimulates the fingertip, but at the point of the white arrow, the protrusion retracts and no stimulation is applied to the fingertip. Alternatively, at the point of the black arrow, when the fingertip contact portion is brought close to the outer edge, a force to push back toward the center is added, but at the point of the white arrow, this force is not applied. Dashed arrows indicate the movement trajectory of the fingertip contact portion. FIGS. 19 (a) and 19 (d) show examples of the movable range of the fingertip contact portion, and FIGS. 19 (b) and 19 (e) show examples in which the corner of the square is rounded so that the fingertip contact portion can be smoothly bent at the corner. 19 (c) and 19 (f) are examples of circular shapes. 19 (a), 19 (b), and 19 (c), the fingertip contact portion that was first located at the center of the movable range moves in the direction 95, reaches the outer edge, and receives a black tactile or force sense stimulus 97. Turn right, move along the outer edge, receive a white tactile or force stimulus, move further along the outer edge, receive a black tactile or force stimulus, And return to the center. FIGS. 19D, 19E, and 19F are examples in which the movement trajectory of the fingertip is changed, and the time series of tactile or haptic stimulation received by the fingertip during movement have different patterns. The operator can confirm that the fingertip reaches the target position on the outer edge, moves correctly on the outer edge, and returns from the correct position using the tactile or force sense applied during these movements as a clue. Even when the fingertip is lowered and raised to designate the first position and the second position, the fingertip can be lowered and raised at the correct point by using the tactile sense or force sense as a clue.
[0034]
FIG. 20 shows an example of the movement of the fingertip that moves from the first position to the second position along the outer edge when the movable range of the fingertip contact portion is circular. However, (a-3) and (b-3) are movements moving from the outer edge to the inside. Among the movements starting from the upper central point of the outer edge as the first position, the movements that can be easily distinguished by the tactile sense or the force sense stimulus are (a-1) (a-2) (a-3) (a-4) (a There are 5 types of -5). During these exercises, the tactile or haptic stimulus changes only at most twice, so that the distinction is easy. However, if the number of changes increases, the distinction becomes difficult. For example, the motion of (a-1) starts from the stimulation of the black arrow and changes to the white arrow once in the middle and receives the stimulation of the black arrow again. A person can be easily distinguished by this simple stimulus change pattern. Even when the diagonally upper left point of the outer edge is the first position, the five types of motions (b-1), (b-2), (b-3), (b-4), and (b-5) can be easily distinguished. Similarly, five movements can be easily distinguished with each point as the first position. Therefore, it is preferable to prioritize these easily distinguishable movements and associate them with commands and characters.
[0035]
21 is selected from the five types of fingertip movements shown in FIG. 20 that are executed with each point on the outer edge as the first position. An associated example is shown. For example, when writing “A”, the pen tip moves diagonally from the lower left to the upper right. Accordingly, the fingertip moves correspondingly with the “left diagonally lower” of the outer edge as the first position and the “center” as the second position. Sometimes "A" is entered. As for “B”, the movement of the fingertip bending at the lower right of the outer edge corresponds to “B” corresponding to the final movement of the pen tip when writing with the pen (the movement of the fingertip when drawing a curve at the lower right). Try to enter. Similarly, with respect to other characters, the movement of the fingertip is associated with the input alphabet so that the typical movement of the pentip can be matched with the movement of the fingertip. FIG. 21 is a table for associating finger movements with data input thereby.
[0036]
FIG. 22A shows a table that is determined so that correspondence can be made between the typical movement of the pen tip and the movement of the fingertip in the same manner as in FIG. It is desirable to input “up / down / left / right cursor movement commands”, “blank”, “line feed”, “tab” or “backspace”, which are frequently input repeatedly, by moving the fingertip up and down at the same point. When the first position and the second position are designated by the downward movement and the upward movement of the fingertip, respectively, if the fingertip is moved up and down at the same point, the first position and the second position coincide with each other. These commands and characters with many repetitive inputs are associated with the combination in which the second position coincides with the second position. In FIG. 22 (b), characters and commands that are frequently input are shown at eight points on the outer edge. This is the character or command written at each point when the fingertip is moved up and down. Means to enter.
[0037]
FIG. 23 shows an example in which a menu is displayed on the screen using the user interface of the present invention. In FIG. 23A, the fingertip contact portion 1 is moved to the upper center of the outer edge of the movable range. This position corresponds to the upper middle section in the section of 3 rows and 3 columns, and as shown by the white circle marked on the section, the tactile stimulus projection 7 comes out and stimulates the fingertip. Further, the points that can be easily distinguished through tactile stimulation when moving the fingertip from this position are the five points shown in FIG. Of the three rows and three columns in FIG. 23 (a), the five corresponding to the five points are the five blocks indicated by the tip of the arrow. The start point of the arrow is the first position, and the end point of the arrow is the second position. In the screen 103 of FIG. 23A, menu items are arranged so as to geometrically correspond to the second position. In the example of FIG. 23A, six points A, B, C, D, E, and F including the point where the fingertip is currently located and A, B, C, D, E, and F on the screen are included. The six menu items correspond geometrically. A menu item 100 surrounded by a broken-line frame means that the menu item 100 can be selected at the point where the fingertip is currently located. A menu item 101 surrounded by a thin frame means that the menu item can be selected at a point where the protrusion does not stimulate the finger. A menu item 102 surrounded by a bold frame means that the menu item can be selected at a point where the protrusion stimulates the finger. In this way, if the menu item or icon is decorated so as to suggest tactile or haptic stimuli, it is easy to understand. FIGS. 23B and 23C show the positions of the fingertip contact portion and the five second positions when the fingertip contact portion is moved obliquely to the upper left of the outer edge and when moved to the left center portion of the outer edge. An arrow indicating a position and an arrangement of menu items that can geometrically correspond to the second position are shown.
[0038]
When you select a menu item by moving your fingertip, if you try to select a specific one of many menu items, you must move your fingertip to the point corresponding to the desired menu item Don't be. In order to stop the fingertip at the correct point, you must pay attention to the movement of the cursor, move the cursor carefully with slowing down the fingertip speed. In the embodiment of the present invention, when the cursor is moved to the adjacent menu item, the protrusion that stimulates the fingertip moves up and down or a repulsive force is applied. Can be grasped reliably and easily through. Therefore, the operation of selecting the menu item adjacent to the current cursor position can be performed quickly. Also, if the fingertip movable range has a shape close to a square, the fingertip movable range has a corner, and sudden change of direction is necessary at the corner, so even if you move your fingertip quickly, it will hit the corner and stop. The menu item corresponding to the corner position can be selected reliably and quickly. In the embodiments shown in FIG. 17, FIG. 18, FIG. 21, FIG. 22 and FIG. 23, commands, characters, and menu items are preferentially assigned to points corresponding to the neighbors and corners, and the fingertips are moved quickly. It is devised so that data can be input reliably.
[0039]
In the following embodiments, a linear region is set in the two-dimensional movement range of the fingertip contact portion, and a certain amount of force is required for the fingertip contact portion to exit the linear region, but constant within the linear region. A method of guiding the movement of the fingertip using the linear region as a track by confining the fingertip contact portion in a linear region by configuring the apparatus to move with a weak force less than the amount will be described.
[0040]
FIGS. 24A and 24B show configuration examples of the fingertip contact portion and the tactile stimulus presentation means. The figure seen from the top and AA 'sectional drawing are shown, respectively. When viewed from above, the fingertip contact portion having an elliptical shape has a curved surface that is recessed like the tip of a spoon, and the belly of the fingertip is in close contact with the curved surface. (A) shows a state where the ball-shaped tactile stimulation projection 202 is lowered, and (b) shows a state where the tactile stimulation projection 202 is raised. When the protrusion for tactile stimulation rises, it stimulates the belly of the fingertip in contact with the fingertip contact portion. Reference numeral 203 denotes a support for the tactile stimulation protrusion. When the tactile stimulation protrusion changes its angle around 204 as a rotation axis, the tactile stimulation protrusion moves up and down with respect to the fingertip contact portion, thereby changing the uneven shape of the fingertip contact portion. Reference numeral 216 denotes a switch that is turned on when the fingertip applies a downward force at the fingertip contact portion, and detects the vertical movement of the fingertip. This is the vertical motion detection means.
[0041]
(C) In the subsequent figures, a mechanism (fingertip contact portion movable mechanism) in which the fingertip contact portion shown in (a) moves two-dimensionally following the movement of the fingertip in contact therewith, and a tactile stimulus projection along with the movement Shows a mechanism that moves up and down (tactile stimulus presenting means), a mechanism that restricts the movement of the fingertip contact part to a one-dimensional trajectory (fingertip movement guide means), a mechanism that generates force sense (force sense stimulus presenting means), etc. . In each figure, the figure seen from the top and the figure of a BB 'cross section and a CC' cross section are shown. In the diagrams of (e) and (f), the direction of the device of (c) and (d) is rotated by 90 degrees for the convenience of displaying a cross-sectional view viewed from a different direction from (c) and (d). ing.
[0042]
In (c), the rail 207 passes through the hole of the rail holding part 214 fixed to the pedestal 205 as shown in the CC ′ cross-sectional view of (e), and slides in the hole and is relative to the pedestal. Move on. The inner surfaces of the holes of the rail 207 and the rail holding portion 214 are processed so as to be slidable with each other, and the frictional force is small regardless of which direction the rail is pressed against the inner surface by the pressure applied from the fingertip. Moves smoothly relative to the holding part. For example, the rail moves smoothly even when the rail is pressed against the inner surface of the hole from the side. When a force is applied from the fingertip and the fingertip contact part is pressed against the outer edge of the movable range, a force is applied so that the rail is pressed against the inner surface of the hole from the side. In such a case, the rail is smoothly moved along the outer edge. Therefore, the outer edge can be used as a one-dimensional trajectory for guiding the fingertip movement. Further, in the system using the rail and the wheel in FIG. 1, there is a concern that the wheel may come off the rail due to the force applied from the side, but if the rail passes through the hole of the rail holding portion 214, the force is applied from the side. However, the rail does not come off from the holding portion.
[0043]
As the rail 207 moves relative to the rail holding part 214 in this way, the fingertip contact part 201 moves from the position (c) to the position (d). At this time, the switch SW2 is turned on to detect this movement. Since SW1 is turned on when moving in the reverse direction, the three positions can be distinguished with respect to the movement in this direction by the combination of ON and OFF of SW1 and SW2. In (c), the wheel 209 is pushed into the depression 213 by being pushed by the spring 210, but in order for the fingertip contact portion to move to the position of (d), the wheel is lifted against the spring force and comes out of the depression. There is a need. Therefore, in order to move from the position (c) to the position (d), a certain amount of force is required. Unless a certain amount of force is applied, the fingertip contact portion is positioned at the position (c) in this moving direction. Restrained by To get out of this restraint, a certain amount of force is required, which stimulates the sense of force as a reaction force. Therefore, this becomes a fingertip movement guide means for restraining the fingertip in the trajectory and at the same time, a force sense presentation means. Note that when moving from the position (c) to the position (d), the tactile stimulus projection 202 remains down and does not stimulate the fingertip. As described above, when the fingertip contact portion moves from the position (c) to the position (d), the tactile stimulus is not changed, and only the force stimulus is changed to notify the position change.
[0044]
Next, when the fingertip contact portion moves from the position shown in (e) to the position shown in (f), the rail holding portion 208 fixed to the fingertip contact portion slides and moves relative to the rail 207. Also in this case, as described above, even if the rail 207 is pressed against the inner surface of the hole of the rail holding portion 208 from any direction, the inner surface of the hole of the rail holding portion 208 slides with respect to the rail 207 with a small coefficient of friction. The holding part is configured to move smoothly with respect to the rail so that it can move smoothly along the outer edge even if pressure is applied from the fingertip to the side and the fingertip contact part is pressed against the outer edge of the moving range. To. In this way, the outer edge can also be used as a one-dimensional trajectory for guiding the fingertip.
[0045]
When the fingertip contact portion moves from the position shown in (e) to the position shown in (f), the wheel 209 remains in the recess 213 and can move without any reaction force. On the other hand, although the tactile stimulation projection 202 is lowered in (e), when it moves to the position (f), it is pushed up by the raised portion 215 of the pedestal to stimulate the fingertip. This becomes tactile stimulus presentation means. Thus, when the fingertip contact portion moves from the position (e) to the position (f), the haptic stimulus is not changed, and the tactile stimulus is changed to notify the change of the fingertip position. Regarding the position of the fingertip contact portion in this movement direction, three positions can be distinguished by a combination of ON / OFF of the switch SW3 and the switch SW4. As described above, in the direction orthogonal to this, three positions can be distinguished by the combination of ON / OFF of the switch SW1 and the switch SW2, and therefore, nine positions can be distinguished by the combination of both. This is the fingertip position detection means.
[0046]
The fingertip contact portion can move freely within the two-dimensional movement range, but if the wheel 209 falls into the depression 213, the wheel cannot be removed from the depression unless a certain amount of force is applied thereafter, and the wheel is depressed. Move in only one direction while keeping the fall. Thus, the movement of the fingertip contact portion is restricted on a one-dimensional trajectory, and a fingertip movement guide means is realized.
[0047]
When the device is operated in the direction shown in FIGS. 24 (e) and 24 (f), FIG. 25 shows at which point in the two-dimensional movement range 290 the fingertip contact portion receives force in which direction. Is indicated by an arrow 293. The force of the spring that drops the wheel 209 into the recess 213 exerts a force on the fingertip contact portion in the direction of the arrow in FIG. . In order to get out of the linear region, the above-mentioned force of a certain amount or more is required, but the linear region can move without receiving any reaction force. Therefore, the movement of the fingertip can be induced using this linear region as a one-dimensional trajectory that guides the movement of the fingertip. This is the fingertip movement guide means. In (a), the force no longer acts on the fingertip contact portion when it moves out of the upper and lower regions of the track against the force of the arrow 293. This is because in these regions, the wheel 209 contacts the flat portion of the rail 206 as shown in FIG. By slightly tilting the flat rail, a weak force may be applied, and the fingertip contact portion may return to the linear region when the finger is released. However, if the return force is strong, the finger that holds it down becomes tired, so the return force that works in these areas should be weak.
[0048]
In the area indicated by reference numeral 291 in FIG. 25A, the tactile stimulation protrusion rises to stimulate the fingertip. Further, in the region 292, the tactile stimulus projection is lowered and the fingertip is not stimulated. By changing the stimulus, the three areas can be distinguished in the left-right direction. In addition, in the front-rear direction (up and down on the paper surface), the three areas of the track, the upper region of the track, and the lower region can be distinguished from each other by using the reaction force required for exiting the track. The left and right areas are distinguished from tactile stimuli as a clue, and the front and rear areas are distinguished from tactile stimuli as a clue. Since the type of stimulus differs depending on the moving direction, the position of the fingertip can be easily grasped. In this way, three areas can be distinguished for each direction, and the nine areas (UL: upper left area, UM: upper center area, UR: upper right area, ML: central left area, MM) shown in FIG. : Central area, MR: central right area, LL: lower left area, LM: lower central area, LR: lower right area).
[0049]
The fingertip descends in any of these nine areas, turns on the switch 216 in FIG. 24, designates the first position as the fingertip position at the time of turning on, and then trajectories (for example, ML, MM, MR 3 The second position is designated as the fingertip position when the switch 216 is turned off and the switch 216 is turned off. Information to be input is determined based on the combination of the first position and the second position. The association means for associating the combination of the first position and the second position with the information to be input is input using, for example, a reference table (FIG. 49) that associates the combination of the first position and the second position with the information to be input. Determine information. Here, if the user can define the reference table independently, the range of application is expanded. The switches SW1 and SW2 detect the position of the fingertip in the longitudinal direction as described above, but detect whether the fingertip contact portion is on the track, on the track, or on the track. Also, it can be used as a track entry / exit detection means. Then, by using the trajectory entry / exit detection means instead of the vertical movement detection means, information to be input can be determined in the same manner as described above. In that case, if switch SW1 changes from ON to OFF, it will be understood that the fingertip contact portion has entered the track from the upper side of the track. If the switch SW2 is changed from ON to OFF, it can be seen that the fingertip contact portion has entered the track from the lower side of the track. Similarly, when escaping from the orbit, the direction of escaping can be determined from which of SW1 and SW2 is turned on. Therefore, it is possible to associate input information by distinguishing the direction of entry and exit. In this way, when using the trajectory entry / exit means, the direction of entry and exit is distinguished from that when using the vertical motion detection means, the first position and the second position are in either the upper region or the lower region of the trajectory. It is equivalent to distinguishing between them.
[0050]
In the shortcut area, the above-described linear region becomes a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. There are three sections ML, MM, and MR on this orbit. Further, in the mechanism of FIG. 24, the fingertip contact portion can smoothly move along the outer edge of the movement range 290, so this outer edge also becomes a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. On this trajectory, there are UL, UM, UR along the upper side of the movement range, and LL, LM, LR along the lower side, and even if the fingertip is pressed against the side on these sides, the fingertip is below a certain amount. Therefore, these sides can be used together as a one-dimensional trajectory.
[0051]
FIG. 26 shows a configuration in which the embodiment of FIG. 24 is slightly modified to remove the tactile stimulus presenting means, and instead, the fingertip position can be determined using the force sense stimulus as a clue to the movement of the fingertip contact portion in the horizontal direction. . (A), (b), (c), and (d) show a view of the apparatus from above and a cross-sectional view taken along CC ′. When the fingertip contact portion is moved in the left-right direction, the wheel 239 pressed against the rail by the spring 240 receives a reaction force when getting over the rail projections 237 and 238, so this reaction force is used as a clue. It is possible to grasp the change in the position in the left-right direction. For example, when the fingertip contact portion moves from the position shown in the figure (a) to the position shown in the figure (b), a force is required for the wheel 239 to get over the bent part 237, and the fingertip is centered using this force as a clue. It can be seen that the area has moved to the left area. Regarding the movement of the fingertip in the front-rear direction (up and down on the paper surface), as in the case of FIG. 24, since the wheel 209 requires a force to exit the recess 213, the fingertip moves in the front-rear direction using this force (force stimulus) as a clue. You can see that you have moved to. Therefore, in this configuration example, a clue to the position of the fingertip is obtained by the haptic stimulus presenting means in any of the left and right and front and rear directions. However, if a haptic stimulus is used to distinguish the positions in both directions, the position determination is likely to be confused. Since the force required for the wheel 209 to exit the recess 213 is larger than the force required for the wheel 239 to get over the bent portion 237, the fingertip contact portion is positioned at the position where the wheel 209 falls into the recess 213. While restrained, the position is changed by a weak force in the left-right direction and moved one-dimensionally. Thus, the position of the fingertip is constrained to the linear region, and a fingertip movement guide means for guiding the fingertip using the linear region as a trajectory can be realized.
[0052]
FIG. 27A shows the magnitude and direction of the force applied to the fingertip at each position within the movement range of the fingertip indicated by the 290 square frame in the configuration example of FIG. 26 by arrows 293 and 297. The direction of the force is indicated by the direction of the arrow, and the magnitude of the force is indicated by the size of the arrow. The force 293 required to get out of the depression 213 is stronger than the force 297 required to get over the bent portions 237 and 238, and the fingertip contact portion is restrained by the linear region sandwiched between the arrows 293 facing each other. This linear region can be used as a one-dimensional trajectory to guide the movement of the fingertip. With the haptic stimulation by the reaction force of 293, it is possible to distinguish whether the fingertip is included in the three areas of the trajectory, the upper region of the trajectory, or the lower region with respect to the movement in the front-rear direction. Also, by the reaction force of 297, the movement of the fingertip in the left-right direction can be distinguished from the three areas of the left area, the central area, and the right area with the rail protrusions 237 and 238 as boundaries. The combination of both can distinguish the nine sections shown in FIG.
[0053]
When the tactile stimulus presenting means used in FIG. 24 is introduced in the configuration of FIG. 26 by changing the arrangement of the raised portions of the pedestal, the tactile stimulus as shown in FIG. You can also. Here, 291 indicates a range in which the tactile stimulus required protrusion is raised and stimulates the fingertip, and 292 indicates a range in which the tactile stimulus required protrusion is lowered and does not stimulate the fingertip. The haptic stimuli indicated by arrows 293 and 297 are the same as those in FIG. If the force stimulus and the tactile stimulus are presented in combination as described above, it becomes possible to distinguish the five areas in the front-rear direction as shown in (d), and when inputting 50 hiragana, This is convenient because each area can correspond to five vowels. In addition, the linear area | region mentioned in (a) figure becomes a one-dimensional track | orbit, and guides a fingertip. There are three sections ML, MM, and MR on this orbit. Further, in the mechanism of FIG. 26, the fingertip contact portion can smoothly move along the outer edge of the moving range 290, so this outer edge also becomes a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. When the upper side of the outer edge is used as a trajectory, the fingertip can be accurately guided to the UL, UM, and UR sections by moving the fingertip using the trajectory as a guide. When the lower edge of the outer edge is used as a track, the fingertip can be accurately guided to the LL, LM, and LR sections by moving the fingertip using the track as a guide.
[0054]
FIG. 28 shows another mechanism for moving the fingertip contact portion following the movement of the fingertip. First, (a) shows a top view of a fingertip contact portion 201, a ball-like tactile stimulation projection 202 and its support 203, and a support shaft 204, and a cross-sectional view. The column 203 swings around the rotation axis 204 to move the tactile stimulation projection 202 up and down to stimulate the fingertip in contact with the fingertip contact portion. This becomes tactile stimulus presentation means. The fingertip contact portion moves in the left-right direction on the paper surface as shown in the diagrams (b), (c), and (d). In (b), the wheel 218 is pushed by the spring 217 and falls into the recess 219, and the fingertip contact portion is stably settled at this position. In (c), the fingertip contact portion moves to the left, and the wheel is pushed out against the spring force and comes out of the recess. When moving in this way, a force to return to the position (b) acts on the fingertip contact portion, and the fingertip feels a reaction force. Even when the wheel moves to the position shown in (d), when the wheel comes out of the recess, it receives a reaction force against the movement, and the fingertip contact portion tries to return to the position shown in (b). This is a force sense presentation means, and the operator can grasp the fingertip position using these reaction forces as clues. In addition, when moving to any of the positions (c) and (d), it is necessary to apply a certain amount of force to the fingertip contact portion. Unless this force is applied, the fingertip contact portion is at the position (a). The position of the fingertip contact portion is constrained to one point with respect to the horizontal movement on the paper surface, and the fingertip motion restricts the fingertip movement on a one-dimensional trajectory as described in the next figure. Guide means can be realized.
[0055]
In FIG. 29, tactile stimulus presenting means is added to the mechanism of FIG. In (a), the figure which looked at the finger-tip contact part from the top, and sectional drawing of BB 'are shown. When the outer plate of the protrusion push-up plate (seesaw-like mechanism arm) 221 that swings like a seesaw arm about the rotation shaft 222 hits the collision wall 220, the protrusion push-up plate (seesaw) shown in the right figure of FIG. The arm plate 221) moves up and pushes up the tactile stimulation projection 202 to stimulate the fingertip on the fingertip contact portion. This becomes tactile stimulus presentation means. (B), (c) and (d) show how the fingertip contact portion is swung in the direction of the arrow 224 (circumferential direction centering on 223) with the rotation shaft 223 as an axis. In this movable mechanism, the fingertip contact portion is moved by a rotational motion about the rotation shaft 223 so that the fingertip contact portion moves close to the motion of the fingertip moving about the joint. Further, since the fingertip moves back and forth due to the bending motion of the joint and the expansion and contraction of the muscle, the fingertip contact portion may be moved back and forth by a bending or expansion / contraction mechanism so as to simulate the motion. In the example shown here, movement in the front-rear direction (movement in the left-right direction on the paper surface) is realized by an expansion / contraction mechanism.
[0056]
When the fingertip contact portion is moved from the position shown in (b) to the position shown in (c), the wheel 218 remains in the recess 219, and the fingertip contact portion is in the direction of the arrow 225 (the radius around the rotation axis 223). Direction), but only in the direction of arrow 224 (circumferential direction). This movement can be accomplished with a weak force below a certain amount. On the other hand, as described with reference to FIG. 28, in order for the fingertip contact portion to move in the direction of arrow 225 (radial direction) from the position shown in FIGS. Since the above force is required, the fingertip contact portion is primarily restrained in the direction of the arrow 224 while being restrained at the position shown in (b) and (c) with respect to the movement in the direction of the arrow 225 unless the force of a certain amount or more is applied. It moves originally and moves constrained on a one-dimensional trajectory. This is the fingertip movement guide means.
[0057]
Also, in order to move in the direction of the arrow 225, a certain amount of force (a force that moves the fingertip against the reaction force received by the fingertip) is required in order for the wheel to get out of the depression. It can be a clue for grasping the fingertip position as a stimulus. This is the force stimulus presentation means. Note that when the fingertip contact portion moves in the direction of the arrow 224, the tactile stimulus projection 202 moves up and down by the mechanism shown in (a) to stimulate the tactile sense of the fingertip, so that the fingertip position can be grasped through the tactile stimulus. For example, in (c), the fingertip contact portion moves upward on the paper surface, and the upper protrusion push-up plate 221 hits the collision wall 220 to push up the tactile stimulation protrusion 202. This is tactile stimulus presentation means.
[0058]
When the fingertip contact portion moves from the position shown in (b) to the position shown in (d), it moves in both directions of arrows 224 and 225 at the same time. In the position shown in (d), the protrusion push-up plate 221 hits the collision wall 220 and pushes up the tactile stimulation protrusion 202. However, even if the fingertip contact portion is moved in the direction of arrow 225 (radial direction) in this state, the protrusion The situation where the push-up plate 221 hits the collision wall 220 remains the same. That is, the tactile stimulus does not change when the fingertip contact portion is moved in the direction of the arrow 225, and only changes when the fingertip contact portion is moved in the direction of the arrow 224 (circumferential direction). On the other hand, the haptic stimulus changes only when it moves in the direction of the arrow 225 and does not change when it moves in the direction of the arrow 224. As described above, since the force sense stimulus and the tactile stimulus are properly used according to the moving direction, the operator can easily and surely grasp the fingertip position. For example, when it is desired to move the fingertip only in the direction of the arrow 225 while keeping the position in the direction of the arrow 224 constant, an accurate motion can be performed by moving the fingertip without changing the tactile stimulus.
[0059]
FIG. 30 shows how and at which position in the fingertip movement range 290 the tactile and force stimuli generated by the mechanism of FIG. When the fingertip contact portion is moved as indicated by an arrow by the movable mechanism shown in (a), the fingertip moves within the range of the shape indicated by 290 in (b). Within this range, the direction and position of the force acting on the fingertip contact portion are as indicated by arrows 293 and 308. The wheel 218 falls into the recess 219 when the fingertip contact portion comes to a position sandwiched between 293 facing arrows. A certain amount or more of force is required to escape from the depression, and a reaction force in the direction indicated by the arrow 293 is applied to the fingertip contact portion. In the area 291, the tactile stimulation protrusion 202 rises and stimulates the fingertip, and in the area 292, the tactile stimulation protrusion 202 descends and does not stimulate the fingertip. The fingertip contact portion is restrained by a linear region sandwiched between 293 facing arrows, and moves one-dimensionally along the linear region. Therefore, it is possible to realize fingertip movement guide means for guiding the fingertip using the linear region as a one-dimensional trajectory. In (b), a weak force indicated by an arrow 308 is acting so as to return the fingertip contact portion to the linear region in the upper and lower regions of the track. This is because a force is generated in the inclination direction of the inclined surfaces 309 and 310 with which the wheel 218 contacts in FIGS. 28 (c) and 28 (d). However, the slopes of the slopes 309 and 310 are looser than the slope of the slope near the depression 219 and the restoring force is weak, so that the fingertip can stay in these regions without placing a strain on the muscles.
[0060]
31 includes a rotation shaft 223 for swinging the fingertip contact portion in the circumferential direction 224 and a rotation shaft 226 for swinging the fingertip contact portion in the vertical direction 232 in the mechanism described in FIGS. 28, 29, and 30. The details of the mechanism that holds these rotating shafts are shown. In addition, an arrangement of switches SW1, SW2, SW3, SW4 for detecting the position of the fingertip contact portion and a switch 231 for detecting the vertical movement of the fingertip contact portion is shown. When the fingertip contact portion is moved in the radial direction 225, the switches SW1 and SW2 are turned on by being pushed by the protrusions 227 and 228, and three positions in the radial direction can be distinguished by a combination of ON and OFF of these two switches. When the fingertip contact portion is moved in the circumferential direction 224, three positions in the circumferential direction can be distinguished by a combination of ON / OFF of the switches SW3 and SW4. Nine positions can be distinguished by the combination of the two, and this is the fingertip position detection means. Since the up / down movement of the fingertip is known by turning the switch 231 on and off, this becomes the up / down movement detecting means.
[0061]
FIG. 32 shows a mechanism in which the movement range of the fingertip contact portion is extended in the front-rear direction by extending the rail having the configuration shown in FIGS. 24E and 24F in the front-rear direction (vertical direction on the paper surface). As the rail is extended in the front-rear direction, the length of the rail holding part 208 fixed to the fingertip contact part is also longer. In the partial region above the extended movement range in this way, the movement of the fingertip contact portion is constrained on a one-dimensional trajectory by the same method as that described in FIG. That is, when the fingertip is moved in the front-rear direction, the fingertip is restrained at a position where the wheel 209 falls into the recess 213 of the rail 206. (A) As shown in (b), the fingertip moves freely in the left-right direction while being restrained by the position of the depression with respect to the movement in the front-rear direction. It will be restrained and move. It is necessary to apply a certain amount of force when getting out of the orbit, but the position of the fingertip in the front-rear direction, the area on the orbit, the upper area of the orbit, and the lower through the force stimulus applied to the fingertip as a reaction force at that time A distinction can be made between three zones of side zones. The tactile stimulation protrusion 202 is lowered when the fingertip is in the center with respect to the position of the fingertip in the left-right direction, but when it moves to the left and right, it is pushed up by the raised portion 215 of the pedestal to stimulate the fingertip. Based on the difference in the stimulation of the protrusions, it can be distinguished into three areas: a left area, a central area, and a right area. In this way, the upper partial area is divided into three sections, right and left, front and rear, so that it is classified into nine sections by the combination, and based on the combination of the first position and the second position specified therein, it is efficient. You can enter characters and commands. In this way, in the upper partial area, characters and commands can be directly specified without using the cursor, and this area is called a shortcut area.
[0062]
On the other hand, when the fingertip contact portion moves to a lower partial area of the moving range, as shown in (c) and (d), the wheel 209 is in contact with the flat portion of the rail 206. Does not receive force sense stimulation. Also, when the fingertip is moved in the left-right direction, the pedestal stimulating projection 202 remains down and does not receive a tactile stimulus because there is no raised portion of the pedestal in the lower partial region. Therefore, since the fingertip can move freely without receiving any tactile or force stimulus in the lower partial area, it can be used for the purpose of detecting the position of the fingertip with high resolution and specifying coordinates (pointing). it can. Therefore, the lower partial area is called a pointing area. Note that a three-sided view of the raised portion 215 of the pedestal is shown on the right side of FIG. It can be seen that the raised portion 215 is raised with a gentle curved surface from any direction so that the lower part of the tactile stimulation projection 202 is pushed up with a gentle inclination regardless of which direction the bumps 215 collide. The rail 206 with which the wheel 209 is in contact has a projection 241 for separating the upper and lower partial areas, and a large force is required when the wheel 209 gets over the projection, and the fingertip reacts in response to this force. Receive. Using this reaction force as a clue, the operator can grasp the boundary between the upper partial region and the lower partial region. Also, a force against this reaction force is required to cross between the two partial areas.
[0063]
The comb-shaped slit 302 fixed to the rail 206 enters between the light-emitting element and the light-receiving element of the light-emitting / light-receiving element 300, and the light emitted from the light-emitting portion is blocked by the comb teeth, and between the teeth. Pass through the slit. Therefore, when the comb-shaped slit moves relative to the light emitting / receiving element, the number of times that the comb teeth pass is blocked, and the amount of movement can be detected by measuring the number of blocking times with the light receiving element. Since the comb-shaped slit 302 is fixed to the haptic stimulus generation rail 206, it moves following the movement of the fingertip contact portion in the front-rear direction, and the light emitting / receiving element 300 is fixed to the pedestal. The amount of movement of the fingertip contact portion in the front-rear direction can be measured. Similarly, in order to obtain the movement amount of the fingertip in the left-right direction, the comb-like slit 303 fixed to the fingertip contact portion moves relative to the light emitting / receiving element 301 fixed to the fingertip contact portion moving rail 207. It is only necessary to detect the number of times that the comb teeth block light. The fingertip position detection means can be configured by the above method. This fingertip position detection means is used for the purpose of detecting the position of the fingertip contact portion and designating characters, commands, and menu items even when the fingertip contact portion is in the shortcut area as shown in (a) and (b). it can. However, since the light emitting / receiving elements always consume power, the power supply is stopped while the fingertip contact portion is in the shortcut area, and the fingertip position detecting means using the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 24 is used. Is preferable in terms of power saving. It is preferable to supply power to the light emitting / receiving element only when the fingertip contact portion enters the pointing area.
[0064]
FIG. 33 shows how and at which position in the movement range of the fingertip the tactile stimulus and the force stimulus generated by the mechanism of FIG. 32 are applied. In the mechanism of FIG. 32, the fingertip movement range is a rectangular area indicated by 290. An arrow 299 indicates a reaction force received by the fingertip when the wheel 209 gets over the protrusion 241. By moving the fingertip against this reaction force, the boundary between the upper partial region and the lower partial region can be crossed. In the lower partial area 294, neither tactile stimulation nor force stimulation is applied as described in FIG. On the other hand, in the upper partial area, the wheel 209 is pressed against the rail 206 by a spring, so that a force 293 that tends to fall into the depression 213 is generated, and the fingertip is restrained by the linear area sandwiched between the arrows 293 facing each other. You can move your fingertip to the left and right using the trajectory. In order to escape from the linear region, it is necessary to apply a certain amount of force against the force indicated by the arrow 293. At this time, since the force of the arrow 293 is felt as a reaction force against the fingertip movement, the three areas of the trajectory, the upper side of the trajectory, and the lower side of the trajectory can be distinguished from each other with respect to the front-rear direction. 32, in the upper partial region where the ridge portion 215 of the pedestal is located, the tactile stimulation protrusion 202 rises in the range indicated by 291 to stimulate the fingertip, and the protrusion decreases in the range indicated by 292. Does not irritate fingertips. Using this tactile stimulus as a clue, it is possible to distinguish the three areas of the left side, the center, and the right side in the left-right direction. Since three sections can be distinguished from each other in the front-rear direction and the left-right direction, nine sections such as UL can be distinguished in the area 295 (shortcut area) in FIG.
[0065]
The area 295 corresponds to the upper partial area described above, in which the first position and the second position can be designated and characters and commands can be input quickly or menu items can be selected by combining them. The area of 295 contains a one-dimensional trajectory that constrains the movement of the fingertip inside, and can only distinguish whether the position is in any of the nine sections, but it is efficient to access the menu items directly without using the cursor. Since an item can be designated automatically, the area 295 is called a shortcut area. On the other hand, in the range of 296 in FIG. 9 corresponding to the lower partial area, the fingertip can freely move without being restricted. However, the efficiency of the work for specifying the menu item is lowered due to this degree of freedom. . However, since an arbitrary coordinate position can be designated in this range, the 296 range is called a pointing area. The nine areas in the shortcut area can be distinguished and the coordinate values in the pointing area can be detected by the above-described mechanism using light emitting / receiving elements and comb-shaped slits.
[0066]
In the shortcut area, the above-described linear region becomes a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. There are three sections ML, MM, and MR on this orbit. Further, in the mechanism of FIG. 32, the fingertip contact portion can smoothly move along the outer edge of the moving range 290, so that the outer edge also becomes a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. Since there are UL, UM, and UR on this trajectory, a user interface capable of efficiently inputting data by actively utilizing the trajectory of ML-MM-MR and the trajectory of UL-UM-UR Can do. For example, FIG. 39 and FIG. 40 illustrate a user interface that can input alphabets by fingertip movements that can be guided by the ML-MM-MR trajectory and can input numbers by fingertip movements that can be guided by the UL-UM-UR trajectory. To do.
[0067]
FIG. 34 shows another configuration example of a tactile stimulus presentation mechanism that moves the tactile stimulus protrusions 202 up and down to stimulate the fingertips in contact with the fingertip contact portion 201. In each figure of (a), (b), and (c), a top view and a BB ′ cross-sectional view when the fingertip contact portions are located at the center, left, and right, respectively, are shown. In (a), the tactile stimulation protrusion is lowered. In (b), when the fingertip contact portion moves to the left, the protrusion 220 of the fingertip contact portion pushes down the protrusion push-up plate (arm of the seesaw mechanism) 221 and 221 When tilted, the arm (projection push-up plate) 233 on the opposite side rises with the rotation shaft 222 as a fulcrum according to the seesaw principle, and raises the projection 202 for tactile stimulation. In (c), when the fingertip contact portion moves to the right, the tactile stimulation protrusion rises for the same reason as in (b). In the system shown in FIG. 29, the rotation axis of the seesaw-shaped arm 221 is attached to the fingertip contact portion side, but the system shown in FIG. 34 is different in that it is attached to the pedestal side.
[0068]
FIG. 35 shows a configuration example in which the tactile stimulus presentation mechanism of FIG. 34 is incorporated in the configuration example simulating the joint movement mechanism shown in FIG. As in the case of FIG. 28, the wheel 218 is pressed by the spring 217 and pressed against the recess 219. Therefore, the fingertip contact portion moves in the direction (circumferential direction) indicated by the arrow 224 on the one-dimensional trajectory with respect to the movement in the radial direction indicated by the arrow 225 while being restrained at the position where the wheel falls in the depression. (B) In the figure, the fingertip contact portion moves in the direction of the arrow 224 while maintaining the position where the wheel has fallen into the depression with respect to the position in the direction of the arrow 225. At this time, by the mechanism shown in FIG. 34, the protrusion push-up plate (seesaw-like mechanism arm) 221 is tilted with the rotation shaft 222 as a fulcrum, and the opposite-side protrusion push-up plate (seesaw-like mechanism arm) 233 is raised. The projection 202 is lifted. In FIG. 8C, the fingertip contact portion has moved in the direction of the arrow 225 from the state of FIG. At this time, although the tactile stimulation protrusion remains lowered, a force is required for the wheel 218 to ride on the slope 234, and the operator can grasp the position of the fingertip by feeling this force as a reaction force. (D) In the figure, the fingertip contact portion is moving in the opposite direction to that in (c). The position of the fingertip can be grasped with the reaction force acting on the fingertip as a clue when the wheel 218 rides on the slope 235 while the tactile stimulation protrusion is still lowered. This becomes a force sense presentation means. As described above, the fingertip position can be grasped by a force sense stimulus in the direction of the arrow 225 (radial direction) and by a tactile stimulus in the direction of the arrow 224 (circumferential direction). Since different types of stimuli are used depending on the direction, the fingertip position can be easily grasped without confusion.
[0069]
In FIG. 35 (d), when the fingertip contact portion is moved in the right direction on the paper surface, the wheel 218 gets over the slope of 235 and further moves as it is, so that the wheel 218 enters the range indicated by 236. To the position shown in FIG. In this position, the wheel is in contact with a flat surface within a range indicated by 236 and can move in the radial direction 225 without receiving any reaction force at the fingertip contact portion. Further, in a state where the fingertip contact portion is moved backward (right on the paper surface) to the position where the wheel is within the range of 236, even if the fingertip contact portion moves in the circumferential direction 224 as shown in (b), Since the protrusion push-up plate (arm of the seesaw-like mechanism) 233 in FIG. 34 does not come under the tactile stimulation protrusion, the tactile stimulation protrusion remains down and does not stimulate the fingertip. Further, even when the fingertip contact portion moves simultaneously in the circumferential direction 224 and the radial direction 225 and moves as shown in (c) and (d), as long as the wheel 218 is within the range of 236, the haptic stimulus is also the tactile stimulus. Does not occur. In this way, the fingertip can move to a free position without being restrained or stimulated, so that coordinate designation (pointing) is performed with the wheel 218 in the range of 236.
[0070]
Here, the amount of rotation about the rotation shaft 223 is measured using the rotary encoder 304, and the number of times that the comb-shaped slit 306 blocks the light of the light emitting / receiving element 305 is measured. The position in the direction 224 and the position in the radial direction 225 can be calculated. Using this as a fingertip position detection means, coordinates are designated based on the detected position of the fingertip contact portion. This fingertip position detection means can be used for the purpose of detecting the position of the fingertip contact portion and designating characters, commands, and menu items even when the wheel 218 is not within the range of 236 as shown in FIG. However, since the light emitting / receiving elements always consume power, the power supply is stopped while the fingertip contact portion is in the shortcut area, and the fingertip position detecting means using the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 31 is used. Is preferable in terms of power saving. It is preferable to supply power to the light emitting / receiving element only when the fingertip contact portion enters the pointing area.
[0071]
FIG. 37 shows the position and direction of the force acting on the fingertip contact portion within the movement range 290 of the fingertip contact portion for the configuration example shown in FIGS. (B) When the fingertip contact portion is in the range of 294 in the figure, the wheel is in the range of 236 in the figure of (a), and neither the tactile stimulus nor the force stimulus is applied to the fingertip. Therefore, the range of 294 is used for specifying coordinates and becomes a pointing area. Since the wheel 218 has to get over the protrusion in order for the fingertip contact portion to leave the range of 294 and move to the range of 291 or 292, the reaction force indicated by the arrow 299 is applied. On the contrary, when moving from the range of 291 and 292 to the range of 294, it is necessary to get over the slope of 235 in FIG. Through this reaction force, the operator can grasp that the boundary between the pointing area and the shortcut area has been crossed.
[0072]
In the range of 291 in FIG. 37 (b), the tactile stimulus projection is raised to stimulate the fingertip. For example, the position of the fingertip contact portion shown in FIG. In the range of 292, the tactile stimulation protrusion is lowered and does not stimulate the fingertip. For example, the position of the fingertip contact portion shown in FIGS. 35 (c) and 35 (d) is included in the range 292. Due to the difference in tactile stimulation, the three areas of the left area, the central area, and the right area can be distinguished in the shortcut area. Further, when the fingertip contact portion comes to a position sandwiched by arrows 293, the wheel 218 falls into the recess 219 as shown in FIG. The force required for the wheel to escape from the recess is indicated by the arrow 293. The fingertip contact portion is constrained by a linear region sandwiched by arrows 293, and moves one-dimensionally using this linear region as a trajectory. In order to escape from the linear region, a certain amount of force against the force of 293 is required. This is the fingertip movement guide means.
[0073]
As described above, with regard to the movement of the fingertip in the circumferential direction, the three areas of the left area, the central area, and the right area can be distinguished using tactile stimulation as a clue. However, regarding the movement of the fingertip in the radial direction, 293 reaction forces ( Using the haptic stimulus as a clue, it is possible to distinguish three areas on the trajectory, above the trajectory, and below the trajectory. In this way, three areas can be distinguished from each other in the circumferential direction and the radial direction, so that the nine positions can be distinguished by a combination of both directions, and the first position and the second position can be designated. The three circumferential areas are distinguished by tactile stimuli, and the three radial areas are distinguished by force sense stimuli, and the types of stimuli are selectively used depending on the direction, so that the position can be easily identified. (C) As shown in the figure, a partial region including a linear region (trajectory) sandwiched by arrows 293 is used as a shortcut area, and the inside thereof is divided into nine sections such as UL that can be distinguished as a clue described above, The first position and the second position are designated from these sections, and characters and commands are quickly input by the combination thereof, and the menu items are directly designated. On the other hand, the range 294 serving as a pointing area does not include a trajectory that restricts the movement of the fingertip, and the fingertip can freely move in a two-dimensional range. In the shortcut area, the above-described linear region becomes a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. There are three sections ML, MM, and MR on this orbit. 35 and 36, the fingertip contact portion can smoothly move along the outer edge of the movement range 290, so that the outer edge also serves as a one-dimensional trajectory to guide the fingertip. There are UL, UM, UR, etc. on this orbit.
[0074]
FIG. 38A shows a screen display example when operating the pointing area. (A) A large rectangular frame on the left side of the figure means a screen, and a cursor arrow 250 is displayed therein. The tip of the cursor arrow 250 indicates the pointed coordinate. On the right side of the rectangular frame representing the screen, the range of motion of the fingertip is shown as a small vertically long rectangle, and the section of the shortcut area and pointing area is cut in it. The shortcut area is composed of 9 sections such as UL. There is a cross in the pointing area, which represents the point where the fingertip is lowered. In the pointing area, the cursor 250 moves according to the moving direction and moving amount of the fingertip when the fingertip is lowered and moved while being lowered. When moving with the fingertip raised, the cursor position does not change.
[0075]
In (b), the fingertip is moved to the shortcut area within the fingertip movement range, and the fingertip is lowered at the position of the x mark, that is, the ML section. When the fingertip is moved to the shortcut area, a menu consisting of nine items (Item 1 to Item 9) is displayed at the top of the screen as shown in (b). The nine items are grouped by three items, and each group is shown surrounded by a thick black frame as indicated by 251, 252, 253. Reference numeral 251 denotes ML, reference numeral 252 denotes MM, and reference numeral 253 denotes a group that is selected when the fingertip is raised at the MR position. In (b), since the fingertip is in the ML section, the group 251 is selected, and the thick line surrounding the group is a dotted line, indicating that this group is selected. When the fingertip is lowered in the ML section, the selection of the group 251 is confirmed, and when the fingertip is moved down to the MR section with the fingertip lowered, the fingertip is moved up and the fingertip is moved up in the MR. Item 3, which is in a position corresponding to the physics, is selected. In addition, in the fingertip movement range of (c), the MR section is marked with a circle, which means that the fingertip has risen in this section.
[0076]
Since the selected Item 3 has a further submenu, a submenu consisting of nine submenu items of SubItem 1 to SubItem 9 is displayed under the first menu (main menu) on the screen of (c). Items are displayed side by side. To select a specific item in the submenu, the fingertip operation performed in the first menu may be repeated. That is, a group consisting of three items may be selected at a position where the fingertip is lowered, and a target item in the selected group may be designated by the position where the fingertip is raised. If one of the sub-menu items is selected here, it is preferable to return to the upper menu.
[0077]
The important thing here is that you can point by moving your fingertip in the pointing area, you can efficiently select the menu by moving it in the shortcut area, and both tasks can be smoothly connected by simply changing the operating range of one fingertip. It can be done without any problems. In addition, the operation range can be changed using the sense of touch / force as a clue without looking at the hand. In the conventional input device, when shifting from the pointing operation to the shortcut key operation, it is necessary to take time or look at the hand for changing the device, and the operation is interrupted each time. In the embodiment shown in FIG. 33B or FIG. 37C, there are ML, MM, and MR areas on the one-dimensional trajectory set in the shortcut area. Since the menu selection method described above uses only the ML, MM, and MR areas, menu and submenu items can be selected simply by moving the fingertip on a one-dimensional trajectory.
[0078]
When inputting various information, it is necessary to use areas other than ML, MM, and MR. In the configuration example of FIG. 32, since the outer edge of the fingertip movement range can also be used as a one-dimensional trajectory, the fingertip motion can be induced, and this is also used. By moving the finger along the upper edge of the outer edge of the square fingertip moving area shown in FIG. 33B, the UL, UM, and UR areas can be designated. In addition, when a mechanism for restricting the position of the fingertip to the linear region is used together, ML, MM, and MR areas can be designated by moving the fingertip along the linear region. Therefore, FIGS. 39 and 40 show a graphical interface (menu) configured to input numerals and alphabetic characters using these areas.
[0079]
FIG. 39 shows an example of menu display and alphabetical fingertip movement in the operation area when inputting alphabets. First, in (a), as shown in the figure of the operation range of the right fingertip, the fingertip descends at a point marked with x in the pointing area. At this time, the cursor is displayed on the screen with an arrow icon indicated by 250. This cursor moves following the movement of the finger when moving with the finger lowered. In (b), a menu for inputting characters that appears on the screen when the fingertip is moved to the shortcut area is displayed. Here, a group of characters selected when moving to ML, MM, MR with the fingertip raised is shown on the menu surrounded by an ellipse. Nine characters of 3 rows and 3 columns each form a group. For example, when the fingertip is raised and moved to the MM position, a group of characters corresponding to MM in the menu is surrounded by a white frame 254 and displayed separately from the others. When the fingertip is lowered, the selection of the character group surrounded by the white frame 254 is confirmed. Subsequently, when the finger is moved while being lowered, a character at a position geometrically corresponding to the position of the fingertip is selected in the determined group. For example, in (c), when the fingertip moves down and moves to the UR position, the letter “Y” corresponding to that position is selected and displayed in a white frame to distinguish it from the others. If the fingertip is raised as it is, the selected “Y” is fixed and inputted. Eventually, in this example, the fingertip is lowered at the point MM, moved to the UR point while being lowered, and “Y” is input when the fingertip is raised.
[0080]
In the course of the movement of the fingertip, the fingertip can be quickly and accurately guided to the destination point through the one-dimensional trajectory set in the operation area. For example, as shown in FIG. 33B and FIG. 37C, when a one-dimensional trajectory is introduced along ML, MM, and MR, the fingertip is moved from the first position MM to the second position UR. In this case, it is sufficient to first move from MM to MR along the trajectory, and then move from MR to UR in a direction orthogonal to the trajectory. In this way, the route becomes longer when passing through the trajectory, and it seems necessary to change direction while moving, so it seems that the input efficiency decreases at first glance, but actually it is easier to guide the fingertip via the trajectory Thus, the fingertip position can be clearly and accurately grasped, so that the input efficiency is improved. While the alphabet is input, the first position may be designated by moving the fingertip on the ML-MM-MR trajectory.
[0081]
In the menu of FIG. 39B, “blank”, “new line”, “0”, “back space” and the like that are frequently input repeatedly are finger movements in which the first position is equal to the second position, That is, it arrange | positions so that it can input by the vertical motion of the finger | toe in the same point.
[0082]
In FIG. 40, the same menu as in FIG. 39 is displayed, but a method of inputting numbers using the number area of the menu is shown. In (a), since the fingertip is in the pointing area, the shortcut menu does not appear, only the cursor 250 is displayed on the screen, and the movement of the fingertip in the pointing area (movement with the fingertip lowered) is followed. The cursor moves to specify the coordinate value in the screen.
[0083]
When the fingertip leaves the pointing area and enters the shortcut area, a menu as shown in (b) appears. Enter numbers using the top two lines of the menu. The two rows are divided into three columns and there are three groups of six characters. Then, when moving to each of the UL, UM, and UR sections while the fingertip is raised without being lowered, a group at a position corresponding to each section is selected. In the figure of (b), the groups corresponding to the sections of UL, UM, and UR are surrounded by ellipses. In (b), since the fingertip has moved to the UL section in the shortcut area, a group of characters corresponding to that position is selected and surrounded by 256 white frames. Subsequently, when the fingertip is lowered in the UL section, the selection of the group surrounded by the white frame 256 is confirmed. After that, when the fingertip is moved while being lowered, the geometric shape is placed at the position of the fingertip within the group surrounded by the white frame. The character at the corresponding position is selected. For example, as shown in (c), when the fingertip is moved down and moved to the ML section, the number “1” is selected and indicated by a white frame 257. The selected number is fixed and input when the finger is raised.
[0084]
As described with reference to FIG. 33, using the configuration example of FIG. 32, in addition to the trajectory along the ML, MM, and MR used for character input in FIG. You can also use your trajectory along the UL, UM, and UR to guide your fingertip. Numbers can be entered efficiently by guiding the fingertip using the latter trajectory. For example, the numbers on the top line of the menu can be input simply by designating the first position and the second position on the latter trajectory. In order to input the number on the second line from the top of the menu, after specifying the first position on the latter trajectory, the second point may be specified by moving the fingertip in the downward direction perpendicular to the trajectory. In addition, while inputting a number, the first position may be designated by moving the fingertip on the UL-UM-UR trajectory.
[0085]
When entering the alphabet in FIG. 39, the trajectory along ML, MM, MR is used, and when using this trajectory, the three areas on the trajectory, above the trajectory, and below the trajectory could be distinguished. Corresponding to these areas, items across three lines of the menu could be selected. On the other hand, in the numerical input described above, a trajectory along UL, UM, and UR is used, and since this trajectory is set on the upper side of the outer edge of the fingertip movement range, it cannot move to the upper side of the trajectory. Only the two areas below the trajectory can be specified. Therefore, only the top two items in the menu corresponding to these two areas could be selected.
[0086]
FIG. 41 shows a menu when hiragana is input on the left of each of FIGS. 41A to 41D, and shows the position of the fingertip within the fingertip movement range on the right. First, the fingertip moves while moving along ML, MM, MR on the above-mentioned trajectory, and selects one of the three groups surrounded by the ellipse shown in the menu of (a). For example, when moving with the fingertip raised to the MR section in the shortcut area, a group corresponding to the MR position is selected and shown surrounded by a white frame 258. Subsequently, when the fingertip is lowered at the MR position, the group selected here is confirmed. When the fingertip is moved downward thereafter, a character corresponding to the fingertip position is selected from the confirmed group.
[0087]
For example, if the fingertip is moved down to MR and then moved to ML with the fingertip lowered, the character “MU” at the position corresponding to ML is selected in the group surrounded by the white frame of 258, and the white of 259 is selected. It is shown surrounded by a frame. If the fingertip is raised here, the input character is fixed to “Mu”. However, when the fingertip is moved upward and orthogonal to the trajectory and moved to the UL section, the character “mi” corresponding to the UL position is selected and surrounded by a white frame 260. Indicated. When the fingertip is lifted at that position, the input character is fixed to “mi”. However, if the fingertip is reciprocated between UL and ML without being raised at the UL position, the character “ma” is selected and surrounded by a white frame indicated by 261. Therefore, when the fingertip is raised, the input character is fixed to “MA”. In order to detect the reciprocating motion, it is only necessary to detect how many times SW1 or SW2 is turned on before the fingertip moves up.
[0088]
In the above, a method for displaying a menu on the screen and inputting characters while viewing the menu has been shown. However, in the present invention, even if there is no visual clue as in the menu, the fingertip can be operated during the above operation. Sufficient tactile cues and mechanical cues for grasping the movement are presented, and the movement of the fingertip is guided by the trajectory, so that it becomes possible to input characters without looking at the menu when getting used to the operation.
[0089]
FIG. 42 shows a method for switching between the pointing function and the shortcut function. In the configuration examples shown in FIGS. 32 and 36, the pointing function and the shortcut function are switched by dividing the movement range of the fingertip into a range where the pointing is performed and a range where the shortcut is performed, and changing the place where the fingertip moves. In the method shown in FIG. 42, both functions are switched by changing the mode using the function switching lever without changing the movement range of the fingertip. First, in the shortcut mode, as shown in (a) and (b), the raised portion 215 of the pedestal is raised by the function switching lever, and when the tactile stimulation projection 202 is moved on the fingertip contact portion, the raised portion 215 is pushed up. The fingertips are stimulated to present tactile stimuli. Further, when the wheel 209 contacts the rail 213 and the wheel crosses the protrusion of the rail or falls into the depression, a reaction force is generated to present a force sense stimulus.
[0090]
On the other hand, in the pointing mode, as shown in (c) and (d), the ridge portion of the pedestal is lowered so that the tactile stimulation projection 202 does not hit the ridge portion 215 even if the fingertip contact portion moves. Avoid presenting tactile stimuli. Further, the wheel 209 is separated from the rail 213 so that a force sense stimulus is not presented. Such movement of the wheel and the raised portion can be performed by an electric motor or the like, but may be performed by the finger force using a function switching lever. If the apparatus is configured as described above, in the pointing mode, the fingertip can freely move and perform coordinate designation (pointing) without receiving tactile stimulation or force stimulation. In the shortcut mode, tactile and force stimuli are added when the fingertip is moved, and the menu items can be specified by efficiently inputting characters and commands while grasping the position of the fingertip using these stimuli as a clue. In this way, mode switching means for releasing the tactile or force stimulus presentation means and the fingertip movement guide means can be introduced to switch the menu item selection mode, the command / character input mode, and the coordinate designation mode.
[0091]
In FIG. 43, the part of the rotating body that rotates orbits (in this configuration example, the circumferential part of the semicircular rotating body corresponds to the part of the orbiting movement) is used as a fingertip contact portion, and the fingertip contacts by rotating the rotating body. The movable mechanism which moves a part smoothly in a rotation direction is shown. Although a circular wheel may be used as the rotating body, here, in order to reduce the height occupied by the apparatus in the vertical direction, a semicircular rotating body 270 formed by cutting the wheel in half is used. In addition, two semicircular rotators 270 are arranged in a row in the rotation direction so that the rotator itself gives the fingertips the feel of the convex portions and the gap between the rotators gives the touch of the concave portions to the fingertips. The two rotating bodies are connected using the interlocking rod 273 so that these rotating bodies rotate in conjunction with each other. (I) Place the fingertip on the two semicircular rotating bodies arranged in a row as shown in the figure, and operate by moving the fingertip back and forth and right and left as indicated by arrows in the figure.
[0092]
(A) and (b) are front views of the apparatus, (c) and (d) are BB ′ sectional views, and (e) and (f) are AA ′ sectional views. The two semicircular rotators 270 rotate around the rotation shaft 271. The rotating shaft 271 is held by the rotating shaft holding portion 272 and fixed to the pedestal 287. The fingertip on the semicircular rotator moves in the left-right direction by the rotation of the semicircular rotator. Further, the base 287 to which the semicircular rotating body 270 is fixed via the rotating shaft holding portion 272 moves in the front-rear direction as shown in the drawings (g) and (h). By combining the movements in both directions, the fingertip moves back and forth and right and left in the two-dimensional range.
[0093]
In (a), the wheel 274 is pushed by the spring 275 and falls into the recess 276 of the pedestal 287. However, when the pedestal 287 moves in the front-rear direction, it must escape from the recess. Since a certain amount of force is required to escape, the fingertip cannot move in the left-right direction unless the force greater than a certain amount is applied in the front-rear direction. Only through the rotation of the semicircular rotator 270. Here, if the semicircular rotating body 270 rotates with a force of a certain amount or less, it can move in the left-right direction with a weak force of a certain amount or less. Thus, the fingertip is fixed to a position in the front-rear direction and is restricted to move only in the left-right direction, and moves along a one-dimensional trajectory.
[0094]
When the fingertip is placed in the recess between the two semicircular rotators 270 and moved to the left while being in contact with the semicircular rotator 270, the neutrality shown in the diagrams (a), (c), and (e) is first obtained. The rotating body at the angle of (2) rotates to the left, and the angles shown in the diagrams (b), (d), and (f) are obtained. At this time, as shown in (f), the switch SW3 is turned on to detect that the fingertip has come to the left. When the fingertip moves to the right, the rotating body rotates to the right and SW4 is turned on. Depending on the combination of ON and OFF of SW3 and SW4, it can be distinguished whether the fingertip is in one of the three areas of the left area, the central area, and the right area. Further, as shown in (g) and (h), when the fingertip is moved back and forth, SW1 and SW2 are turned on and off, and the fingertip is moved to the front area (the area on the front side of the trajectory) by the combination of ON and OFF of these two switches. It is possible to distinguish between the three areas of the central area (the area on the orbit) and the rear area (the area behind the orbit). Therefore, nine sections such as UL shown in FIG. 25B can be distinguished using SW1, SW2, SW3, and SW4, and these switches serve as fingertip position detection means. SW5 is a switch for detecting the vertical movement of the pedestal 287 that moves up and down with the vertical movement of the fingertip. The switch SW5 is turned on when the pedestal is lowered and turned off when the pedestal is raised. This switch becomes the vertical movement detection means.
[0095]
In (g) and (h), it can be seen that the wheel 274 has slipped out of the recess 276. Since the wheel is pressed against the depression by the spring, a reaction force is applied to the fingertip when the wheel comes out, and this becomes a force sense presentation means. When the fingertip moves in the left-right direction, the gap between the two rotating bodies is felt as a concave portion at the center position, and when the fingertip moves in the left-right direction, the rotating body is felt as a convex portion. By arranging two rotating bodies in this way, it is possible to create a feeling of unevenness, and this becomes a tactile stimulus presentation means. Such a feeling of unevenness can be produced even when three rotating bodies are arranged in a row as shown in FIG. (J) shows an example in which the present device 278 is mounted on a mouse. The device is arranged at the position where the thumb comes when the mouse is held with the right hand so that the device can be operated with the thumb.
[0096]
44, a mechanism for presenting a clearer tactile stimulus is added to the configuration example shown in FIG. In the configuration example of FIG. 43, the tactile stimulus presenting means for giving a sense of unevenness to the fingertip using the rotating body as a convex portion and the gap between the rotating bodies as a concave portion is used. In addition, there is a need for a mechanism that presents a clearer tactile stimulus. In the configuration example shown in FIG. 44, a tactile stimulus projection 279 is provided at one end of an interlocking rod 273 for interlocking the rotation of two semicircular rotators 270, and as shown in FIGS. When the fingertip placed on the circumference of the rotator is moved to rotate the semicircular rotator, the tactile stimulation projection 279 rises together with the interlocking rod 273 to stimulate the fingertip, thereby providing a tactile stimulus presentation means. It is composed.
[0097]
FIG. 45 shows a configuration example of various tactile stimulus presentation means. In the method (a), when the semicircular rotator 270 rotates to the left about 271 as a rotation axis, the projection 280 pushes down the arm 282 of the seesaw-like mechanism and supports the rotation shaft 281 as shown in (b). Due to the seesaw principle, the other arm is lifted, and the tactile stimulation projection 279 stimulates the tactile sense of the fingertip on the rotating body 270. In the method (c), when the semicircular rotator 270 rotates to the left about 271 as a rotation axis, the projection 280 pushes up the arm 282 that rotates about the rotation axis 281 as shown in FIG. The tactile sensation 279 for the tactile sense rises to stimulate the tactile sensation of the fingertip on the rotating body 270. In the method (e), when the semicircular rotator 270 rotates leftward about 271 as a rotation axis, the protrusion 280 slides up and down to rotate the haptic stimulation protrusion 279 as shown in FIG. Stimulates the tactile sensation of the fingertip on the body 270.
[0098]
FIG. 46 shows a system in which two semicircular rotators are linked using a gear, and the rotational motion of the semicircular rotator is converted into a motion in which the tactile stimulation projections stimulate the fingertip using the gear. First, in (a), when the fingertip in contact with the circumference of the semicircular rotator 270 moves to the left, the semicircular rotator 270 rotates leftward about the rotation shaft 271. At this time, the gear 285 rotating together with the semicircular rotator is rotated in conjunction with the gear 288 sandwiched therebetween, and the two semicircular rotators are also rotated in conjunction with each other. The rotation of the gear 285 is converted into the vertical motion of the tactile stimulation projection 283 via the gear 286. When the semicircular rotating body rotates leftward, as shown in (b), the rotational motion is transmitted and converted through the gear, and the left tactile stimulation projection rises and the right tactile stimulation projection descends. In this way, the tactile stimulus projection 283 moves up and down to stimulate the tactile sense of the fingertip.
[0099]
In the mechanism (c), the two semicircular rotators 270 rotate in conjunction with each other through gears 285 and 289. When the semicircular rotating body rotates due to the movement of the fingertip that comes into contact, the arm 282 rotates together with the gear 289, and the tactile stimulation projection 283 at the tip of the arm 282 rises as shown in FIG. Stimulates the tactile sensation of the fingertips on the top. The tactile stimulus projection 283 is made of a wheel or a roller that rotates around the rotation shaft 230. When the tactile stimulation protrusion 283 rises with the arm 282 to stimulate the fingertip as shown in (d), it moves while rubbing the skin surface of the fingertip on the rotating body 270. Since 283 moves around the skin surface while rotating around the rotation shaft 230 when rubbing the fingertip surface, it can move smoothly without receiving frictional resistance of the skin surface. Moreover, since the skin is not rubbed for the operator, it can be operated comfortably. This is tactile stimulus presentation means.
[0100]
When using the surface on the circumference of the semicircular rotating body (circulation motion site) as a fingertip contact portion, (e) When using two or three in a row as shown in (f), and (g) In some cases, it is used alone. In (e) and (f), a semicircular rotating body is used as a convex portion, and a gap between the semicircular rotating bodies is used as a concave portion, and a tactile sensation can be presented by producing a feeling of unevenness on the fingertip. On the other hand, since (g) cannot present tactile stimulation as it is, it is necessary to devise a mechanism such as (h), (i), and (j) to generate tactile stimulation. In (h), the fingertip can be moved in the front-rear direction by the same method as in the configuration example shown in FIG. 43, but the movement in the left-right direction is handled by a single semicircular rotating body 270. The figure which looked at the structure of 270 vicinity from the side is shown to (i) (j). When the fingertip placed on the semicircular rotator is moved to the left, the semicircular rotator rotates and changes its angle from the angle shown in (i) to the angle shown in (j). At this time, the rotation of the semicircular rotator is converted into the vertical motion of the tactile stimulation projection 283 through the teeth 284, the gears 285, and the gears 286 provided on the inner surface of the semicircular rotator, and gets on the semicircular rotator 270. Stimulate your fingertips. This is tactile stimulus presentation means. The position of the fingertip in the left-right direction is detected by switches SW3 and SW4 that are turned on and off by the semicircular rotating body, and the position in the front-rear direction is detected by switches SW1 and SW2, which become fingertip position detection means.
[0101]
FIG. 47 shows an example in which the entire apparatus is configured using the tactile stimulus presenting means shown in (c) and (d) of FIG. In addition, an example in which characters are input by operating this apparatus will be described. In this apparatus, the surface on the periphery of the semicircular rotator 270 (the surface on the periphery becomes the circular motion part of the rotator) is used as the fingertip contact portion. In (a), the fingertip on the semicircular rotating body moves in the left-right direction by the rotation of the semicircular rotating body 270. Further, as shown in (k), the semicircular rotating body on which the fingertip is placed is inclined in the front-rear direction around the rotation shaft 226, and the fingertip riding on the semicircular rotating body can move in the front-rear direction. Thus, the fingertip moves in a two-dimensional range from front to back and from side to side.
[0102]
When the fingertip contact part movable mechanism is configured in this way, the rotating body is fixed by a certain amount even if a force is applied to move the fingertip contact part forward or backward and press against the upper side or lower side of the outer edge of the two-dimensional movement range. Since it can be rotated with the following force, the fingertip contact portion can be smoothly moved along the upper side or the lower side of the outer edge. Therefore, the upper side or the lower side of the outer edge of the fingertip movement range can be used as a one-dimensional trajectory for guiding the fingertip movement. Further, when moving in the front-rear direction, a reaction force is generated against the movement through the leaf spring 307 or the switches SW1, SW2, and the semicircular rotating body is prevented from tilting back and forth unless a certain amount of force is applied. Then, the fingertip can be moved to the left and right while restraining the fingertip at the center position with respect to the position in the front-rear direction, and this movement path can also be used as a trajectory for guiding the movement of the fingertip. Therefore, these three trajectories (in FIG. 25 (b), the UL-UM-UR trajectory along the upper side, the LL-LM-LR trajectory along the lower side, and the ML-MM- that can be formed by the restraint of the leaf spring 307). The fingertip movement guide means having the MR trajectory can be configured.
[0103]
(A) When the fingertip is moved up and down in the figure, the entire apparatus moves up and down on the spring 229 and the switch 231 and turns on and off the switch 231. Therefore, this up and down movement can be detected. This is the vertical motion detection means. When the fingertip is moved to the left or right, as shown in (d) and (g), the switches SW3 and SW4 are pushed by the semicircular rotating body to be turned on and off, and the fingertip is in any of the left area, the central area, and the right area To detect. When the fingertip is moved in the front-rear direction, as shown in (k), the switches SW1 and SW2 are turned on and off to detect whether they are in the front area, the central area, or the rear area. This is the fingertip position detection means.
[0104]
Also, as shown in (k), when the device is tilted and the leaf spring 307 or the switches SW1 and SW2 are pressed, the fingertip feels a repulsive force. Using this repulsive force as a clue, the fingertip passes through the central area and moves to the front area or the rear area. You can see that it has moved. The mechanism for applying the repulsive force in this way becomes a haptic stimulus presenting means. When the fingertip is further moved in the direction of the arrow in (a) to move from the position (a) to the position (d), the semicircular rotator 270 rotates as shown in FIG. Then, this rotation is transmitted, the arm 282 rotates in the opposite direction to the semicircular rotating body, and the tactile stimulation protrusion 283 rises as shown in FIG. At this time, the wheel-like tactile stimulation projection 283 rotates around the rotation axis 230, rotates while contacting the belly of the fingertip, and moves smoothly while reducing the frictional force with the skin surface. At this time, through the tactile stimulus applied to the fingertip, the operator can grasp that the fingertip has moved from the central area to the left area or the right area. This becomes tactile stimulus presentation means. In the configuration example of FIG. 47, a force sense stimulus is used to grasp the position of the fingertip in the front-rear direction, and a tactile stimulus presentation means is used to grasp the position in the left-right direction. Thus, the position of the fingertip can be easily grasped by changing the type of stimulation according to the direction.
[0105]
Next, a method for inputting characters will be described taking the fingertip movement shown in FIG. 47 as an example. While the fingertip is raised, a group of characters corresponding to the fingertip position is selected. For example, when the fingertip is located at the positions shown in (a) and (b), a group of 9 characters surrounded by a thick frame is selected in the menu of (c). Since this is in the center area with the fingertip raised, the group of characters in the center of the menu that corresponds geometrically to the center area is selected. Subsequently, (a) when the fingertip is moved in the direction indicated by the arrow in the figure, the fingertip comes to the position shown in (d) and (e), and the group of selected characters is also in the position of the fingertip (right area ) In a group surrounded by a thick frame in (f). Subsequently, (d) as indicated by the arrow in the figure, the fingertip is moved down and then moved in the horizontal direction. As a result, the fingertip comes to the position shown in (g) (h). When the fingertip is lowered, the group surrounded by the thick line in (f) is confirmed. When the fingertip is moved while descending, the character corresponding to the position of the fingertip is selected from the confirmed group.
[0106]
Since the fingertip has moved down to the positions shown in (g) and (h) after being lowered at the positions shown in (d) and (e), the spring 229 is retracted in the drawings of (g) and (h). Note that 231 is on. (D) When the fingertip is lowered at the position (e), the group of characters surrounded by the thick frame in (f) is fixed. Therefore, while moving with the fingertip lowered, The character corresponding to the fingertip position is selected. In the example shown here, the fingertip is lowered and the position shown in (g) and (h) is reached, so that the selected character is geometrically corresponding to the fingertip position within the thick frame in (f). "J". If the fingertip is further moved in the direction (forward) indicated by the arrow in (h) with the fingertip lowered, the fingertip comes to the position shown in (j) and (k), and the thickness of (f) is increased. In the frame, the letter “U” geometrically corresponding to the fingertip position is selected. If the fingertip is raised at this position, the input character is fixed to “U”. Until the fingertip is raised, the character to be selected can be changed within the thick framed group in (f) by moving the fingertip while it is lowered.
[0107]
In the configuration of FIG. 47, the shortcut function and the pointing function are switched using the mode switching means. First, in the shortcut function mode, tactile stimulation and force stimulation are generated by the above method, and the fingertip movement guide means is used to constrain the movement of the fingertip. Make input. In the mode switching means, the repulsive force of the leaf spring 307 and the switches SW1 and SW2 does not work, the haptic stimulus acting when the fingertip moves in the front-rear direction is released, and the fingertip position is changed to that of the ML-MM-MR. Try not to be constrained to the orbit. If possible, the gear 289 is moved downward so as not to mesh with the gear 285 so that the arm 282 does not rotate in conjunction with the semicircular rotating body 270. However, tactile stimulation may not be canceled if it is difficult to cancel. In the mode switching means, the fingertip can freely move in the two-dimensional range without being restrained or repelled, and the mode is switched to a pointing function mode suitable for coordinate designation. In the pointing function mode, in order to measure the fingertip coordinates, the amount of rotation about the rotation axis 271 and the amount of rotation about the rotation axis 226 of the semicircular rotator 270 are measured using a rotary encoder or the like. In addition, it is necessary to provide fingertip position detection means for obtaining the fingertip position from these rotation amounts.
[0108]
FIG. 48 illustrates an icon design used in the present invention. In the present invention, means for restraining a fingertip that can move within a two-dimensional range on a one-dimensional trajectory is introduced, and the input operation is facilitated, accurate, and speeded up by guiding the fingertip movement along the trajectory. It is something to try. In the embodiments described so far, as a one-dimensional trajectory, a linear region set along the outer edge of the movement range of the fingertip or the central row (ML, MM, MR) of the 3 × 3 area It was used. Data was input using the movement of the fingertip from the first point to the second point via these trajectories. If you use the design that suggests the fingertip movement as the icon to be displayed on the screen, you can see the icon attached to the target item you want to select and immediately execute the fingertip movement suggested by the icon. It is convenient to select a target item.
[0109]
FIG. 48A shows an example of a pattern that suggests fingertip movement when the outer edge of the fingertip movement range is used as a trajectory. The dotted line 298 means the trajectory of the fingertip movement along the outer edge, and the movement of the fingertip moving along this trajectory is indicated by a thick arrow. The start area of the arrow means the first position, and the area indicated by the arrow of the arrow means the second position. Also, (b) shows an example of a pattern that suggests similar fingertip movement when the center row is used as a trajectory. The trajectory is also indicated by the dotted line 298. The fingertip movement is indicated by a thick arrow. In the motion suggested by the first two icons in (b), move the fingertip along the trajectory with the section on the trajectory as the first position, and then move the fingertip in the direction orthogonal to the trajectory to specify the second point is doing. The third icon uses a pattern that suggests the movement of the fingertip when the first position and the second position are both on the trajectory.
[0110]
A configuration example of a screen using the icon of (b) is shown in (c). In the current graphical interface, the icon is selected by moving the cursor to the target icon position on the screen and clicking. However, if an icon suggesting a fingertip movement is used, the icon can be selected directly by executing the movement suggested by the icon pattern to be selected without using the cursor. For example, in the example of (c), the item “Item 7” can be selected by lowering the fingertip in the MM section, moving to the ML section along the trajectory of the center row while being lowered, and raising the fingertip there. .
[0111]
In current BS digital broadcasting, a method is used in which items on the screen are color-coded and the target item is selected by pressing the corresponding color button on the remote control. It must be operated while checking the button color. Also, the types of colors that can be distinguished are limited. On the other hand, in the method proposed here, an item can be selected by a fingertip movement that can be performed using a tactile sensation or a force sensation without moving the line of sight on the remote controller. In addition, since there are many types of exercise (for example, 81), various items can be distinguished and input.
[0112]
(D) shows a screen configuration example using icons having symbols different from those in (c). The design of the icon attached to each item is a three-row, three-column section depicting a section surrounded by a thick frame and a filled section. In this case, the item with the icon of the corresponding symbol can be selected by executing the motion of the fingertip suggested by the symbol with the filled segment as the first position and the bold frame segment as the second position.
[0113]
FIG. 49 is a flowchart showing an embodiment of association means for associating commands or characters or menu items for inputting a combination of the first position and the second position designated by the fingertip movement. In this embodiment, the fingertip position is always detected by the fingertip position detection means, and the fingertip position at the timing (time point) given by the vertical movement detection means or the trajectory entry / exit detection means becomes the first position or the second position. For example, when using the vertical movement detection means, the fingertip position when the fingertip is lowered is the first position, and the fingertip position when the fingertip is raised is the second position. Further, when the trajectory entry / exit detection means is used, the fingertip position when the fingertip enters the trajectory is the first position, and the fingertip position when the fingertip escapes from the trajectory is the second position.
[0114]
In the embodiment of the association means shown here, commands, characters, and menu items to be input are determined using the reference table from the first position and the second position thus detected. When discriminating positions in the nine sections shown in FIG. 25 (b), a table consisting of items of 9 rows and 9 columns as shown in FIG. 49 is used, with the table rows at the first position and the positions at the second position. Specify a column in the table, and input commands, characters, and menu items described in the item at the position where the row and column intersect. In this example, the command n is selected and inputted when the first position is MR and the second position is LL.
[0115]
The reference table used in the above procedure should be rewritten by the user according to the original purpose. If commands or sentences frequently used according to the application are entered in the reference table, they are reflected in the menu of the screen shown in FIG. 38 or FIG. Moreover, it is preferable to assign a frequently used command to an exercise that can be executed easily or quickly among the exercises of the fingertips. When the data input device of the present invention is provided in combination with software having a reference table that can be defined by the user as described above, a target command can be issued while keeping the line of sight on the screen while registering as many as 81 commands. Since it provides a means to select easily and efficiently, it can be expected to be applied to various purposes.
【The invention's effect】
In the present invention, a mechanism for guiding the movement of the fingertip is introduced into the data input device, and commands and characters can be input easily, reliably, and quickly by moving the fingertip along the guide. Here, the tactile or force stimulus applied to the fingertip during the movement of the fingertip is changed so that the position of the fingertip can be grasped using the tactile or force stimulus as a clue. In addition, the items (icons) in the menu are arranged so as to geometrically correspond to the movement direction and movement amount of the fingertip, and when entering characters, the movement start position and movement direction of the fingertips fill in the characters. The correspondence between the finger movement and the menu items and characters input by the finger movement is made intuitively easy to understand by associating the movement start position and movement direction of the pen tip. In addition, it is now possible to seamlessly switch between a pointing function for designating arbitrary coordinate points and a shortcut function for quickly selecting a limited number of menu items.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a configuration example of a fingertip contact portion, a tactile stimulus projection, a fingertip contact portion movable mechanism, and a movement range restriction frame.
FIG. 2 shows a fingertip contact part moving mechanism configured by simulating the structure of a finger joint.
FIG. 3 shows a configuration example of a movement range restriction frame of a fingertip contact portion.
FIG. 4 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 5 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 6 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 7 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 8 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 9 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 10 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 11 shows a configuration example of tactile stimulus presentation means.
FIG. 12 shows a configuration example of a haptic stimulus presenting means.
FIG. 13 shows a configuration example of a haptic stimulus presenting means.
FIG. 14 shows a configuration example of a haptic stimulus presenting means.
FIG. 15 shows a configuration example of a haptic stimulus presenting means.
FIG. 16 shows a configuration example of a mechanism for detecting a downward movement and an upward movement of a fingertip.
FIG. 17 shows an example of fingertip movement for inputting English letters (alphabets).
FIG. 18 shows an example of fingertip movement for inputting numbers.
FIG. 19 shows an example of three types of outer edge shapes in the movable range of the fingertip contact portion, a position where a tactile or force stimulus is applied to the fingertip on the outer edge, and a movement trajectory of the fingertip.
FIG. 20 shows an example of fingertip movement along the outer edge.
FIG. 21 shows an example of fingertip movement for inputting English letters (alphabet letters).
FIG. 22 shows an example of fingertip movement for inputting numbers, spaces that are frequently input repeatedly, line feeds, and up / down / left / right cursor movements.
FIG. 23 arranges menu items so that they are geometrically related to the fingertip movement position, the menu item corresponding to the current fingertip point is indicated by a broken line frame, and the difference in tactile stimulation is represented by the thickness of the menu item frame. An example of display is shown.
FIG. 24 shows a configuration example of a fingertip contact portion, a fingertip contact portion movable mechanism, a tactile stimulus presenting means, a fingertip movement guide means, a force sense stimulus presenting means, a fingertip position detecting means, and a vertical movement detecting means.
FIG. 25A shows an area where the tactile stimulus projection is raised and lowered, and a position where the force sense stimulus is applied and the direction of force within the fingertip movement range of the configuration example of FIG. (B) Nine areas (UL: upper left area, UM: upper central area, UR: upper right area, ML: central left area, MM: central area, which are distinguished by tactile and force stimulation within the fingertip movement range. , MR: center right area, LL: lower left area, LM center lower area, LR: lower right area).
FIG. 26 shows a configuration example of a method for distinguishing nine areas using only a haptic stimulus.
FIG. 27A shows the position where force sense stimulation is applied within the fingertip movement range of the configuration example of FIG. 26, and the direction and strength of the force with arrows. FIG. 9B shows nine areas that are distinguished by force sense stimulation within the fingertip movement range of the configuration example of FIG. (C) shows a configuration example in which five areas can be distinguished in the front-rear direction by the difference in tactile stimulation. (D) shows an area that can be distinguished by the tactile and haptic stimuli in (c).
28A is a top view of a mechanism for stimulating a fingertip by moving a ball-shaped projection for tactile stimulation up and down and FIG. 28A is a cross-sectional view taken along line AA ′. FIG. 5B shows a configuration example of a moving mechanism that moves the fingertip contact portion using the rotation axis by simulating the motion form of the fingertip that moves about the joint as the rotation axis, and force sense presentation means.
29 shows a mechanism for generating a tactile stimulus and a haptic stimulus when moving the fingertip contact portion back and forth and from side to side in the configuration example of FIG.
30 shows an area in which the tactile stimulus projection rises and falls, and a position to which a force sense stimulus is applied and the direction of force within the fingertip movement range of the configuration example of FIG. 29.
FIG. 31 shows an installation example of switches SW1 to SW4 for detecting fingertip movement and a switch for detecting the vertical movement of the fingertip in the configuration example of FIG. 29;
FIG. 32 shows a configuration example in which a fingertip movement area for pointing work is added to the configuration example of FIG.
FIG. 33 (a) shows an area in which the tactile stimulus projection rises and falls within the fingertip movement range of the configuration example of FIG. 32, a position and direction of force to which the force stimulus is applied, and these stimuli. Indicates an area for no pointing work. (B) shows nine areas (shortcut area) and a pointing work area (pointing area) that are distinguished by the tactile stimulus and the force sense stimulus of (a).
FIG. 34 shows another configuration example of tactile stimulus presentation means.
35 shows a configuration example in which the tactile stimulus presenting means and the fingertip movement area for pointing work in FIG. 34 are added to the configuration example in FIG. A mechanism for generating a tactile stimulus and a force stimulus when a fingertip is moved in the shortcut area is shown.
36 shows how a fingertip is moved in the pointing area of the configuration example of FIG. 35. FIG.
FIG. 37 shows an area in which the tactile stimulus projection rises and falls within the fingertip movement range of the configuration example of FIG. 35, a position and direction of force to which the force stimulus is applied, and a pointing work in which these stimuli are not applied. Indicates the area.
38A is a display screen when the fingertip is moved to the pointing area, FIG. 38B is a display screen when the finger is moved to the shortcut area and a group of three items on the left side is selected, and FIG. Shows a display screen in which the submenu of item 3 appears when item 3 is selected. The right side of each screen shows the position of the fingertip and the vertical movement of the fingertip during each selection operation.
39A is a display screen when the fingertip is moved to the pointing area, FIG. 39B is a display screen when the finger is moved to the shortcut area and a group of 9 characters surrounded by a white frame is selected. c) shows a display screen when Y is selected. The right side of each screen shows the position of the fingertip and the vertical movement of the fingertip during each selection operation.
FIG. 40 shows a display screen when the number 1 is selected, the position of the fingertip for selection, and the vertical movement of the fingertip.
FIG. 41 shows a menu display example and fingertip exercise example when selecting hiragana.
FIG. 42 shows a mechanism for applying a tactile / force sense stimulus during a shortcut operation and canceling the tactile / force sense stimulus during a pointing operation.
FIG. 43 shows two semicircular rotators arranged side by side, and when the fingertip moves on one semicircular rotator while smoothly moving the fingertip by the rotation of both semicircular rotators. It is possible to grasp the position in the rotational direction of the semicircular rotating body through the feeling of convex feeling and the concave feeling felt when the fingertip moves between the two semicircular rotating bodies. Regarding the movement of the fingertip orthogonal to the rotation direction, the mechanism of the user interface is shown so that the position can be grasped using force sense stimulation.
FIG. 44 shows a mechanism in which two semicircular rotators are interlocked when rotating using an interlocking rod, and a tactile stimulus is applied to the fingertip using the vertical movement of the interlocking rod when the semicircular rotating body rotates.
FIG. 45 shows a configuration example of a mechanism for presenting a tactile stimulus to a fingertip by rotation of a semicircular rotator.
FIG. 46 shows a mechanism for transmitting a rotational motion of a semicircular rotating body when moving a fingertip using a gear, and changing to a motion of a tactile stimulation protrusion for stimulating the fingertip.
FIGS. 47 (c) and 46 (d) show how the tactile stimulation protrusions stimulate the fingertip as the fingertip moves and how items in the menu are selected.
FIG. 48 shows an example of an icon using a pattern suggesting fingertip movement and an example of arranging icons on the screen.
FIG. 49 shows a configuration example of an association means for associating a command for inputting a combination of the first position and the second position and a character;
[Explanation of symbols]
1 Fingertip contact area (viewed from above)
2 rails
3 wheels
4 wheels
5 wheel base
6 Wheel pedestal
7 Projections for tactile stimulation (viewed from above)
8 Protrusion for tactile stimulation (viewed from the side)
9 Fingertip contact area (viewed from the side)
10 Rail cross section
11 Bottom of tactile stimulation protrusion
12 Rotating ring
13 Ball bearing
14 Outer ring (moving range limit frame)
15 wheels (top)
16 wheels (bottom)
17 Arm
18 Rotating shaft
20 Movement range limit frame
22 depression
23 depression
24 depression (corner)
25 Top of ridge
26 Slope of uplift
27 Tanibe
28 Spring
30 wheels
31 Projection push-up plate
32 arms
33 Rotating shaft
35 cylinder (roller)
36 wheels
37 arms
38 Arm protrusion
39 Laura
40 axis of rotation
41 Enclosure for tactile stimulation
42 arms
43 L-shaped arm
44 Rotating shaft
45 pedestal
46 Arm storage
47 arms
48 Bottom of tactile stimulus projection (viewed from above)
49 Rotating shaft
50 Rotating shaft base
51 Rotating shaft
52 Bottom of tactile stimulus projection (viewed from the side)
55 Fingertip vertical movement detection switch
56 Spring
61 Shaft fixed to fingertip contact area
62 Rotating shaft fixed to the base
63 arm
64 groove dug in arm
65 Bottom of tactile stimulation projection (viewed from the side)
66 Arm tip
67 Ball joint
68 Ball joint
69 Rotating shaft
70 arms
71 sticks
72 Ball joint
73 sticks
74 Arm protrusion
75 arms
76 Rotating shaft
80 Movement range of fingertip contact area
81 boards
82 Projection to push up leaf spring
83 leaf spring
84 Spring (Shrinked state)
85 Projection to push up leaf spring
86 Leaf spring (where it is pushed up)
87 Projection to push up leaf spring
88 leaf spring
89 Spring (stretched)
90 Arrow indicating weak force
91 Arrow indicating strong power
92 wheels
93 Arrow indicating movement of fingertip from first position to second position
94 A white circle indicating the point of stimulation from the tactile stimulus projection.
95 Arrow indicating that the fingertip moves from the center of the moving range to the outer edge
96 Arrow indicating that the fingertip moves from the outer edge of the moving range to the center
97 Tactile or haptic stimuli
98 Touch or force stimulus
100 Menu items surrounded by a dashed frame
101 Menu item surrounded by a thin line frame
102 Menu item surrounded by a bold frame
103 Display screen
201 Fingertip contact part
202 Projection for tactile stimulation
203 Tactile stimulus projection
204 Rotating shaft
205 pedestal
206 Rail for generating haptic stimulus
207 Rail for moving fingertip contact part
208 Rail holding part fixed to fingertip contact part
209 Wheel for haptic stimulus generation
210 Spring
211 Wheel support
212 Rotating shaft of wheel strut
213 Bent part of rail for generating haptic stimulus (large)
214 Rail holding part fixed to the base
215 Raised base
216 Switch that detects the force of pushing the finger downward on the fingertip contact part
217 Spring
218 Wheel for generating haptic stimulus
219 Indentation for generating haptic stimuli
220 Collision wall with protrusion push-up plate
221 Protrusion push-up plate (seesaw-like mechanism arm)
222 Rotation axis of protrusion push-up plate
223 Rotating shaft for swinging the fingertip contact part from side to side
224 Left and right direction of fingertip contact
225 Movement direction before and after fingertip contact part
226 Rotating shaft for shaking fingertip contact part up and down
227 Switch (SW4) push projection
228 Switch (SW2) push projection
229 Spring
230 Rotating shaft
231 Fingertip vertical motion detection switch
232 Up and down direction of fingertip contact
233 Projection push-up plate (arm of seesaw-like mechanism)
234 Slope for generating haptic stimuli
235 Slope for generating haptic stimuli
236 Range not causing haptic stimulation
237 Bent part of rail for generating haptic stimulus (small)
238 Bent part of rail for generating force sense stimulus (small)
239 Wheel for generating haptic stimulus
240 Spring
241 A protrusion provided on a haptic stimulus generation rail to generate a haptic stimulus that notifies a boundary between a shortcut area and a pointing area
250 Cursor indicating the pointing position
251 3-item group selected when moving to ML position with fingertip raised
252 Group of 3 items selected when moving to MM position with fingertip raised
253 3-item group selected when moving to MR position with fingertip raised
254 Group of 9 items selected when moving to MM position with fingertip raised
255 Item selected when the fingertip is lowered and moved to the UR position at the MM position 256 Group selected when moving to the UL position with the fingertip raised
257 Item selected when the fingertip is lowered to the ML position and moved to the ML position 258 Group of 15 items selected when the fingertip is moved to the MR position
259 Item selected when the fingertip is lowered at the MR position and moved to the ML position
260 Item selected when the fingertip is lowered at the MR position and moved to the ML position and then moved to the UL position.
261 Items selected when the fingertip is lowered at the MR position and moved to the ML position, then moved to the UL position, and then reciprocated once between ML and UL.
270 Semicircular rotating body
271 Rotation axis of semicircular rotating body
272 Rotating shaft holder
273 Semi-circular rotating body interlocking rod
274 Wheel for haptic stimulus generation
275 Spring for haptic stimulus generation
276 depression
277 Rotating shaft connecting semi-circular rotating body interlocking rod and semi-circular rotating body
278 Data input device mounted on mouse
279 Projection for tactile stimulation
280 Projection to push down arm 282
281 Axis of rotation of arm 282
282 Arm
283 Projection for tactile stimulation
284 Teeth on the inner surface of semicircular rotating body
285 Tactile stimulation drive gear
286 Tactile stimulation drive gear
287 pedestal
288 Semi-circular rotating gear interlocking gear
289 Semi-circular rotating body interlocking / tactile stimulation combined gear
290 fingertip movement range
291 Area where protrusion rises
292 Area where protrusion descends
293 Direction and magnitude of force stimulus acting on fingertip contact area
294 Area where no tactile or tactile stimulation is applied
295 Shortcut area
296 pointing area
297 Direction and magnitude of haptic stimulus acting on fingertip contact area
298 One-dimensional trajectory that restrains fingertip movement
299 Haptic stimulation that separates the shortcut area and the pointing area
300 Light-emitting and light-receiving elements that measure the position of the fingertip contact part in the front-rear direction
301 Light Emitting / Receiving Element that Measures Left and Right Position of Fingertip Contact Part
302 Comb-like slit that blocks and transmits light from a light emitting / receiving element that measures the position of the fingertip contact portion in the front-rear direction
303 Comb-shaped slit for blocking / transmitting the light of the light emitting / receiving element that measures the horizontal position of the fingertip contact portion
304 Rotary encoder that measures the amount of rotation around the rotating shaft
305 Light emitting / receiving element for measuring radial position of fingertip contact portion
306 Comb-like slit that blocks and transmits light from the light emitting / receiving element that measures the radial position of the fingertip contact portion
307 leaf spring
308 Weak restoring force
309 Loose slope
310 Slope with gentle slope

Claims

A fingertip contact portion that moves within a predetermined two-dimensional movement range following the movement of the fingertip that comes into contact;
Fingertip position detecting means for detecting the position of a fingertip that moves while contacting the fingertip contact portion;
A fingertip motion guide that sets a one-dimensional trajectory within the two-dimensional movement range, restricts the fingertip contact portion to move one-dimensionally along the trajectory, and guides the fingertip to travel on the trajectory. Means,
Tactile or tactile stimulus presentation that provides a clue about the position of the fingertip on the orbit by changing the uneven shape of the surface touched by the fingertip or the reaction force applied to the movement of the fingertip while the fingertip moves along the orbit Means,
A vertical movement detection means for detecting that a fingertip moving while contacting the fingertip contact part has moved in the vertical direction, or a trajectory entry / exit detection means for detecting that the fingertip contact part has entered or exited the trajectory;
When the fingertip position at the time of fingertip lowering or the time of entry of the trajectory detected by the vertical movement detection means or the trajectory entry / exit detection means is the first position, and the fingertip position at the fingertip ascent time or exit from the trajectory is the second position, Association means for associating the combination of the first position and the second position with the input information;
A data input device or a user interface system, wherein data is input using a fingertip movement from the first position to the second position via the trajectory.

A movable mechanism of the fingertip contact portion is configured so that the fingertip contact portion moves smoothly along the outer edge while being pressed against the outer edge of the movable range, and the fingertip is guided using the outer edge as the track. The data input device or user interface system according to claim 1.

A linear region is set within a two-dimensional movement range of the fingertip contact portion, and a force of a certain amount or more is required when the fingertip contact portion escapes from the linear region, and within the linear region, a certain amount or less The data according to claim 1, wherein a movable mechanism of the fingertip contact portion or a haptic stimulus presenting means is configured to move with the force of the finger, and the fingertip is guided using the linear region as the trajectory. Input device or user interface method.

The partial area including the trajectory within the movable area of the fingertip contact part is used for selecting a menu item or inputting a command / character, and the partial area not including the trajectory is used for coordinate designation. Alternatively, a mode switching unit that releases the tactile or force stimulus presentation unit and the fingertip movement guide unit is introduced to select a menu item selection mode, a command / character input mode, and a coordinate designation mode. The data input device or user interface system according to claim 1, wherein the data input device or the user interface method is used.

One of the change of the fingertip position along the trajectory and the change of the fingertip position in the direction orthogonal to the trajectory is notified by changing the uneven shape of the surface in contact with the fingertip, and the other is added to the movement of the fingertip. The data input device or user interface system according to claim 1, wherein notification is performed by changing a reaction force.

Using the orbital motion sites of a plurality of rotating bodies arranged in a rotation direction as the fingertip contact portion, the fingertips in contact with the orbiting motion sites move with a force of a certain amount or less in the rotation direction along with the rotation of the rotating body, The movable mechanism of the rotating body is configured so that a certain amount of force is required to move the rotating body in the direction orthogonal to the rotating direction, the rotating body portion is a convex portion, and the gap portion between the rotating bodies is a concave portion. 2. The data input device according to claim 1, wherein the tactile stimulus presenting means is configured by giving a sense of unevenness to the fingertip or converting the rotational motion of the rotating body into a motion of a protrusion that stimulates the fingertip. Or user interface method.

Of the combinations of the first position and the second position, a combination in which the first position matches the second position is associated with a character or command that is frequently input repeatedly, such as blank, line feed, cursor movement, scroll, etc. The data input device or user interface system according to claim 1.

Uses a fingertip motion from the first position to the second position or a symbol suggesting a tactile or force stimulus applied during the exercise as an icon in the screen, and executes the fingertip motion suggested by the symbol The data input device or user interface method according to claim 1, wherein a corresponding symbol icon in the screen is selected.