JP2005266840A - 情報入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術は、平面空間を使って位置情報を入力していたため、机上などに作業するための空間を確保しなければならないという問題があった。また、３次元空間位置情報を簡便に実現する方法がまだ確立していないという問題もあった。
【解決手段】電磁波発信回路１３と超音波発信回路１５とトリガー発信回路１７とから構成される送信手段１０の３次元空間位置情報を、伝播速度の異なる２つの送信手段を使って得る送受信距離情報と、複数の受信手段から得られる位置情報および距離情報と、から特定する。操作者は送信手段１０を移動することで、パーソナルコンピュータなどの表示装置３０に表示されるカーソル４０も連動して移動する。また、送信手段１０に複数のトリガー発生手段であるスイッチを設けることによりクリックやドラッグといった実行作業を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パーソナルコンピュータやテレビゲームなど電子機器への情報入力装置に関するものである。

従来、座標情報を入力するための手段として、パーソナルコンピュータやテレビゲームなどに無線を利用してワイヤレスで情報を入力するものがある。特に、マウスやポインタの移動方向と移動速さに対応したパルス信号を送信して位置情報などを入力するものがある。
情報入力装置とパーソナルコンピュータなどの電子機器とを繋ぐワイヤ（電線）は、限られたスペースを占有してしまうため、このようなワイヤレスによる情報入力装置は非常に有効である。

情報入力装置とパーソナルコンピュータなどの電子機器とを接続する際の問題を解決する技術は多く提案されるところである（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に示した従来技術は、操作者の指先に伝播速度の異なる複数の発信素子を備え、机上に触れるタイミングをトリガー信号として、机上に仮想のキーボードを配置し、対応するキー位置の机上に触れるとキー入力を認識するという、ワイヤレスによる仮想キーボード入力装置である。

図を用いて詳しく説明する。図６は特許文献１に示した従来技術である。操作者が着用する各手袋には、電磁波発信素子１０２と各指に対応して超音波発信素子１０１とが備えられている。また、本体は、第１の超音波受信素子１０３、第２の超音波受信素子１０４、電磁波受信素子１０５、制御部１０６、情報処理装置１０７を有している。
制御部１０６内には、操作者が予めモデルキー入力により入力した仮想キーボードの情報が格納されている。この状態で、手袋を用いて入力操作を行うと、対応する指の超音波発信素子１０１と電磁波発信素子１０２とから同時にそれぞれ超音波と電磁波とを発信する。発信された超音波を第１の超音波受信素子１０３と第２の超音波受信素子１０４とで受信し、電磁波を電磁波受信素子１０５で受信し、それぞれのデータを制御部１０６に入力する。制御部１０６は、これらのデータより対応する指先の位置を検出し、仮想キーボードのキー配列と対比させキーを特定し、情報処理装置１０７に入力する。

指先位置検出の原理を説明する。入力操作を行った指に対応する超音波発信素子１０１と第１の超音波受信素子１０３と第２の超音波受信素子１０４との距離を距離Ｌ、距離Ｒとする。距離Ｌと距離Ｒとは、入力操作時に超音波と同時に電磁波発信素子１０２より電磁波が発信されるが、電磁波受信素子１０５におけるこの電磁波の受信と、第１の超音波受信素子１０３と第２の超音波受信素子１０４とのそれぞれにおける受信との、時間差と音速より求められる。
求めた距離Ｌ、距離Ｒの値と第１の超音波受信素子１０３と第２の超音波受信素子１０４との間の距離Ｌ０よりピタゴラスの定理を用いて超音波発信素子１０１の位置を検出する。

図７に超音波発信素子位置検出の原理を示す。超音波発信素子１０１と第１の超音波受信素子１０３との距離Ｌと、超音波発信素子１０１と第２の超音波受信素子１０４との間の距離Ｒと、超音波発信素子１０１の地点から距離Ｌ０に垂直方向に交わる点をポイントＡとし、超音波発信素子１０１とポイントＡの距離をＹ、第１の超音波受信素子１０３とポイントＡとの距離をＸＬ、第２の超音波発信素子１０４とポイントＡとの距離をＸＲと
すると、次の連立方程式が成り立つ。

この（１）から（３）式に、求めた距離Ｌ、距離Ｒの値を代入することで、超音波発信素子１０１の２次元座標を求めることが可能になる。

また、特許文献１に示した従来技術とは異なるが、同様に赤外線と超音波との異なる発信手段を備える技術もある（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に示した従来技術は、時間基準を合わせた赤外線発信信号と、超音波発信信号を発するポインティングデバイスと、空間を隔ててそれらを受信する受信手段とを備え、赤外線発信信号を受信した時間を基準にして超音波を受信した時間の差と音速をかけ合わせることによってポインティングデバイスが指しているディスプレイ上の位置情報を入力するものである。

特開平０６−２１４７１２号公報（第３−６頁、第１図） 特開平０９−２１２２９９号公報（第４−５頁、第１図）

しかしながら特許文献１に示した従来技術は、仮想キーボードの構築が必須であり、机上で操作する場合は容易に実現できるものの、３次元空間での情報入力は非常に困難である。また、現在の情報入力装置として、位置情報入力手段は必須であり、ワイヤレス情報入力システムとしては完成しているとは言い難い。

また、特許文献２に示した従来技術は、ワイヤレス環境における３次元空間のポインティングデバイスとして、パーソナルコンピュータやテレビゲームなど電子機器への座標位置情報入力装置としては成り立っているものの、決定・実行作業（クリック）を実現する手段が乏しいため、広く一般的に使用されているパーソナルコンピュータを操作するためのマウスや、テレビゲームを操作するためのコントローラに代替するのは困難であり、自然な使用感を求められる一般の電子機器への応用は非常に難しい。

本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、従来のパーソナルコンピュータやテレビゲームなど電子機器への情報入力装置に対して全く異なるワイヤレス位置情報入力装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の情報入力装置は次のような構成を採用する。

同期した基準信号を持ち伝播速度の異なる第１の発信手段と第２の発信手段と、トリガー信号を発するトリガー信号発信手段と、を有する送信手段と、送信手段から発信する発
信信号を受信する受信手段と、を備え、
発信信号のうち、第１の発信手段からの発信信号と第２の発信手段からの発信信号との到達時間の差から送信手段と受信手段との送受信距離情報を計算する計算手段を備える情報入力装置において、
受信手段は、複数の受信手段を有し、受信手段の位置および受信手段同士の距離情報と、送受信距離情報と、により送信手段の３次元位置情報を算出し、
３次元位置情報を電子機器のポインタと連動し、トリガー信号を電子機器の決定動作と連動することによって、３次元空間の位置および移動情報入力をワイヤレスで行うことを特徴とする。

送信手段は、発信信号の送信出力を一定にし、受信手段は、復調信号振幅レベル検出手段を設け、
受信手段にて受信する信号の振幅レベルを規定することにより、３次元空間の位置および移動情報を入力できる空間を制限することを特徴とする。

送信手段は、間欠的に発信信号を発することを特徴とする。

トリガー信号発信手段を構成するトリガー発生手段を複数設けることにより、複数のスイッチ入力ができることを特徴とする。

本発明の情報入力装置の原理は、送信手段と受信手段との間の距離の情報から送信手段の３次元空間座標情報を検出し、送信手段の座標情報をパーソナルコンピュータなど電子機器の入力として連動させるものである。
その構成は複数の受信手段を所定の場所に配置し、あらかじめ各受信手段の位置情報および各受信手段間の距離情報を測定しておく。そして、計算手段により送信手段と各受信手段との距離を計算し、送受信距離情報を得る。この受信手段の位置情報および距離情報と、計算した送受信距離情報と、から送信手段の３次元空間座標情報を検出するのである。

本発明の情報入力装置は、３次元空間の位置および移動情報入力をワイヤレスで実現することが可能になるため、机上の限られたスペースの影響を受けることがなく、ワイヤレスなので通常邪魔になる電線（ワイヤ）が存在せず、操作者にわずらわしさを感じさせることがない。

更に、ノート型パーソナルコンピュータのように、机以外の場所での使用を想定した場合、３次元空間を制限なく入力スペースとして利用することが可能になる本発明の有用性は高い。また、３次元位置情報入力を求められる３次元ＣＡＤやテレビゲームへの応用をしたとしても、位置および移動情報入力のワイヤレス入力の効果は非常に大きい。

以下、図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の情報入力装置の実施形態における実際の構成を示すものであり、図２は本発明の情報入力装置の実施形態における発信手段の概観を示すものであり、図３は本発明の情報入力装置の実施形態における発信手段をブロック図で示すものであり、図４は本発明の受信機回路のブロック図である。図５は本発明の情報入力装置の実施形態におけるモバイルコンピューティング環境下で制御空間を示す図である。

［本発明の構成説明：図１］
まず、本発明の構成を図に基づいて説明する。なお、本発明の実施の形態では、伝播速
度の異なる発信手段として電磁波と超音波とを使用し、パーソナルコンピュータの情報入力装置を想定して説明する。

図１は、本発明の情報入力装置を利用してパーソナルコンピュータに情報を入力する構成を示した概略図である。１０は送信手段、２０と２１と２２は受信手段、３０はパーソナルコンピュータの表示装置、４０はカーソル、５０が操作者の手である。

送信手段１０は、第１の発信手段と第２の発信手段とトリガー信号発信手段とを有している。本発明の実施の形態では、第１の発信手段として電磁波発信回路を、第２の発信手段として超音波発信回路を、トリガー信号発信手段を構成するトリガー発生手段を複数設ける場合を想定して説明する。
第１の発信手段およびトリガー信号発信手段は、ＬＥＤなどで作る光を発信することも考えられるが、本発明の実施の形態では電磁波を発信する場合を想定して説明する。

受信手段２０と２１と２２とは、送信手段１０から発せられる発信信号を受信するためのものである。これら３つの受信手段のうち、少なくとも１つに第１の発信手段から発せられる発信信号とトリガー信号発信手段から発せられる発信信号とを受信する受信回路が構成される。
受信手段２０と２１と２２とを所定の場所に配置し、あらかじめ各受信手段の位置情報および各受信手段間の距離からなる距離情報を測定しておく。
計算手段である後述する距離算出ユニット（図１には図示しない）によって、送信手段１０と各受信手段２０と２１と２２との距離を計算し、送受信距離情報を得る。すなわち、距離算出ユニットは、第１の発信手段（電磁波）と第２の発信手段（超音波）との伝播速度の差から送信手段と受信手段との距離情報である送受信距離情報を作成する。
このとき得られた送受信距離情報と、予め測定してある位置情報および距離情報と、から送信手段１０の３次元空間座標情報を検出するのである。
カーソル４０は、表示装置３０に表示されているカーソルである。操作者の手５０は、送信手段１０を指先に装着した状態を示しており、操作者の指先の動きに合わせてカーソル４０が移動する。

［本発明の送信機の概略説明：図２］
図２は本発明における送信手段１０を操作者が指に装着した状態を説明する概略図である。スイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとはスイッチ、１２は送信回路ユニット、５１は人差し指、５２は親指である。スイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとでトリガー発生手段１１を構成する。
送信手段１０は、操作者の人差し指５１に装着され、人差し指５１の指先の動きに合わせてカーソル４０は移動する。
送信手段１０は、トリガー発生手段１１と送信回路ユニット１２とで構成される。送信回路ユニット１２は、第１の発信手段である電磁波発信回路と第２の発信手段である超音波発信回路とトリガー信号発信手段とを有している。
トリガー発生手段１１となるスイッチは複数設けることが可能であり、図２に示す例では、スイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとの３個を設けている。
このとき操作者は親指５２でトリガー発生手段１１を任意に操作することができ、パーソナルコンピュータでは操作者の操作に応じて情報入力と認識する。

パーソナルコンピュータの入力装置としては、マウスが広く一般に用いられている。本発明の実施の形態では、スイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとは、それぞれマウスの左ボタンと中ボタンと右ボタンとに対応させることができる。
このような構成とすることによって、トリガー信号を電子機器の決定動作（この場合は、マウスによるクリック動作）と連動させることができる。
操作者は親指５２で各スイッチを操作する（押す）ことによって、通常のマウスと同様に操作することが可能になる。本発明の実施の形態では親指側にトリガー発生手段１１を設けているが、中指側に設けることも、もちろん可能であり、各スイッチのマウスボタンへの対応も、もちろん任意に変更することが可能である。
また、スイッチを増減することも可能であり、例えば特定の３次元ＣＡＤに対応する専用マウスに相当するものとして、より操作者に作業しやすい環境を提供することを実現することができる。
さらにまた、図２に示した例ではスイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとは、それぞれ押しボタンスイッチを例にして説明しているが、もちろんこれに限定されるものではない。知られている接点を開閉する手段であればよく、操作者がトリガーとなる信号を送信できるようなトリガー発生手段１１であればよいのである。

［本発明の送信回路ブロックの説明：図３］
図３は本発明における送信回路ユニット１２のブロック図である。トリガー発生手段１１であるスイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとはスイッチ記号で示しており、スイッチ操作を行うものとしては、図２に示すものと同一である。１３は第１の発信手段である電磁波発信回路、１４は同期信号発生回路、１５は第２の発信手段である超音波発信回路、１６ａと１６ｂとは送信用アンテナ、１６ｃはトリガー信号用アンテナ、１７はトリガー信号発信手段であるトリガー発信回路、１８は電池である。

第１の発信手段である電磁波発信回路１３と第２の発信手段である超音波発信回路１５とのそれぞれの回路は、同期信号発生回路１４より送られるデータを基に同期した信号をそれぞれの送信用アンテナ１６ａおよび１６ｂより送信する。
第１の発信手段である電磁波発信回路１３と第２の発信手段である超音波発信回路１５とから同時期に送信された送信信号は、図１に示す受信手段２０と２１と２２とにて受信する。しかし、電磁波と超音波とでは伝播速度が異なるため、受信の際に時間差が生じる。この時間差を利用して位置情報を検出するのである。

第１の発信手段である電磁波発信回路１３から発する電磁波は光速なので瞬時に受信手段２０と２１と２２とに到達する。受信手段２０と２１と２２との設置間隔はそれほど広くないため、第１の発信手段である電磁波発信回路１３から発する電磁波に時間差を生じることはない。したがって、受信手段２０と２１と２２とにそれぞれ第１の発信手段である電磁波発信回路１３からの信号を受信する受信回路を設ける必要はなく、受信手段２０と２１と２２との少なくとも１つに電磁波受信回路を設ければよい。

指先に格納するため、電池１８には小型が要求される。小型の電池１８を実現するために送信回路ユニット１２での低消費電力化が必須になる。一方、人間の動きは遅いので、第１の発信手段である電磁波発信回路１３と第２の発信手段である超音波発信回路１５とから発せられる送信信号は、常時送信される必要はない。そのため、これらの送信手段からの送信は間欠的に行い、送信手段１０の位置情報サンプリング回数を減少させることによって、送信回路ユニット１２の低消費電力化を実現することができる。

トリガー発生手段１１であるスイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとの開閉に合わせて、トリガー信号発信手段であるトリガー発信回路１７よりトリガー信号がアンテナ１６ｃから送信する。
図３では、トリガー信号発信手段であるトリガー発信回路１７を電磁波発信回路として記載しているので、各スイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとの開閉を送信コード化することによってこれら３つのスイッチのアンテナをアンテナ１６ｃとして共通にしている。
図３に示す回路ブロックは一例であって、もちろん変更が可能である。例えば、トリガー信号発信手段であるトリガー発信回路１７の送信周波数を変え、送信タイミングを時分
割にして第１の発信手段である電磁波発信回路１３との送信時間をずらすことでアンテナ１６ａとアンテナ１６ｃとを共通にすることもできる。

本発明の実施の形態では、トリガー信号発信手段として電磁波を利用する例を説明したために、アンテナ１６ｃを用いるように記載しているが、ＬＥＤなどの発光素子を利用することも可能である。
また、第１の発信手段である電磁波発信回路１３にＬＥＤなどの発光素子を利用することも可能であるため、送信回路ユニット１２を簡易的に実現するためにはそれぞれの回路を統一した方が有利である。ただし、この場合には受信手段２０と２１と２２とに受光素子を設ける必要がある。

［本発明の受信機回路ブロックの説明：図４］
図４は本発明における受信手段の回路のブロック図である。２３ａは電磁波受信用アンテナ、２４ａは増幅器、２５ａは電磁波復調ユニット、２３ｂは超音波受信用アンテナ、２４ｂは増幅器、２５ｂは超音波復調ユニット、２３ｃは電磁波受信用アンテナ、２４ｃは増幅器、２５ｃは電磁波復調ユニット、２６は距離算出ユニットである。

電磁波受信用アンテナ２３ａは、第１の発信手段である電磁波発信回路１３から送信する発信信号を受信するための電磁波受信用アンテナである。増幅器２４ａは、電磁波受信用アンテナ２３ａにて受信した発信信号を増幅するための増幅器である。電磁波復調ユニット２５ａは、増幅した信号を復調するための復調回路と図３に示す同期信号発生回路１４にて発生する信号とをデコードするための電磁波復調ユニットである。

超音波受信用アンテナ２３ｂは、第２の発信手段である超音波発信回路１５から送信する発信信号を受信するための超音波受信用アンテナである。増幅器２４ｂは、超音波受信用アンテナ２３ｂにて受信した発信信号を増幅するための増幅器である。超音波復調ユニット２５ｂは、増幅した信号を復調するための復調回路と図３に示す同期信号発生回路１４にて発生される信号とをデコードするための超音波復調ユニットである。

計算手段である距離算出ユニット２６は、電磁波復調ユニット２５ａから出力される信号と超音波復調ユニット２５ｂから出力される信号とは送信時に同期されているため、超音波復調ユニット２５ｂから出力される信号は必ず電磁波復調ユニット２５ａから出力される信号と比較して遅延時間を持つ。この遅延時間と音速の積から距離が計算され、送信手段１０と受信手段２０と２１と２２との距離情報である送受信距離情報を算出する。
距離算出ユニット２６にて算出された送受信距離情報とその他の受信手段にて同様に算出される送受信距離情報とは図示しない演算装置にて計算される。この送受信距離情報と、あらかじめ測定された任意の位置に配置された各受信手段２０と２１と２２との位置情報および受信手段同士の距離情報と、を基にして、送信手段１０の３次元空間位置を特定する。

電磁波受信用アンテナ２３ｃは、トリガー信号発信手段であるトリガー発信回路１７より送信されるトリガー信号を受信するためのアンテナである。増幅器２４ｃは、電磁波受信用アンテナ２３ｃにて受信した信号を増幅するための増幅器である。電磁波復調ユニット２５ｃは、増幅した信号を復調するための復調回路と各スイッチ１１ａと１１ｂと１１ｃとの開閉に合わせて構成されたエンコード信号をデコードするための電磁波復調ユニットである。電磁波復調ユニット２５ｃの出力に対応してパーソナルコンピュータではクリックやドラッグ操作を実現する。

図５は、本発明の情報入力装置を使用した空間の制御領域を示した概略図である。３１はノートブック型パーソナルコンピュータであり、４１は本発明の情報入力装置の使用可
能エリアを示している。図５では、ノートブック型パーソナルコンピュータ３１を開いた状態で横から見ている様子を模式的に示している。
図５に示すように、本発明の情報入力装置の使用可能エリア４１は、ノートブック型パーソナルコンピュータ３１と使用者との間の空間程度である。
もちろん、この空間の大きさは任意に変えることができるが、実際の使用時にはあまり大きくしない方が好ましい。その理由は、操作者の意思とは無関係にパーソナルコンピュータ上のカーソル操作やアイコン操作が有効になることを防止するためである。例えば、使用者が送信手段１０を指に装着したまま電話をかけたりメモ書きをしたりする際に、その都度、図１に示すカーソル４０が連動してしまうといったわずらわしさを無くすものである。

送信手段１０は、発信信号の送信出力を一定にする。受信手段には、図示しない復調信号振幅レベル検出手段（例えば、コンパレータ回路など）を設け、受信手段にて受信する信号の振幅レベルを規定する。
送信手段１０から発せられる発信信号の送信出力を一定にした場合、受信手段２０と２１と２２とにて受信される信号の振幅レベルは、その距離に反比例する。つまり、送信手段と受信手段との距離が遠ければ、送信手段からの発信信号の振幅レベルは低くなる。
図４に示す電磁波復調ユニット２５ａあるいは超音波復調ユニット２５ｂの少なくとも１つに復調信号振幅レベル検出手段を設け、各復調信号の振幅レベルがあらかじめ規定された復調レベルに達していない場合には送信手段１０の操作を無効にするのである。
この機能を設けることにより、操作者の不用意な動作（例えば、髪をかきあげるなど）に応じて、パーソナルコンピュータの表示装置３０上のカーソル４０が動いてしまい、操作者が意図しない状態になってしまうことを防止することができる。

本発明の情報入力装置は、今まで有線によって構成されていたマウスなどの情報入力装置を無線（ワイヤレス）の構成にし、作業時に発生する机上などの開放された平面空間の制約を受けない、という利点がある。したがって、ノートブック型パーソナルコンピュータを電車内や屋外での自身のひざの上など、極めて限られた空間においてモバイルコンピューティングを実現するものである。また、テレビゲームなど電子機器への３次元空間情報をより簡便な入力を実現するものである。

本発明の情報入力装置を利用し情報を入力する構成を示した概略図である。 本発明の情報入力装置の送信手段を操作者が装着した概略図である。 本発明の情報入力装置の送信手段を示す回路ブロック図である。 本発明の情報入力装置の受信手段を示す回路ブロック図である。 本発明の情報入力装置の使用空間の制御領域を示した概略図である。 従来技術を示す図である。 超音波発信素子位置検出の原理を説明する図である。

符号の説明

１０ 送信手段
１１ トリガー発生手段
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ スイッチ
１２ 送信回路ユニット
１３ 電磁波発信回路
１４ 同期信号発生回路
１５ 超音波発信回路
１７ トリガー発信回路
２０、２１、２２ 受信手段
３０ 表示装置
４０ カーソル
５０ 操作者の手

Claims (4)

1. 同期した基準信号を持ち伝播速度の異なる第１の発信手段と第２の発信手段と、トリガー信号を発するトリガー信号発信手段と、を有する送信手段と、該送信手段から発信する発信信号を受信する受信手段と、を備え、
   前記発信信号のうち、前記第１の発信手段からの発信信号と前記第２の発信手段からの発信信号との到達時間の差から前記送信手段と前記受信手段との送受信距離情報を計算する計算手段を備える情報入力装置において、
   前記受信手段は、複数の受信手段を有し、前記受信手段の位置情報および前記受信手段同士の距離情報と、前記送受信距離情報と、により前記送信手段の３次元位置情報を算出し、
   前記３次元位置情報を電子機器のポインタと連動し、前記トリガー信号を電子機器の決定動作と連動することによって、３次元空間の位置および移動情報入力をワイヤレスで行うことを特徴とする情報入力装置。
2. 前記送信手段は、前記発信信号の送信出力を一定にし、前記受信手段は、復調信号振幅レベル検出手段を設け、
   前記受信手段にて受信する信号の振幅レベルを規定することにより、前記３次元空間の位置および移動情報を入力できる空間を制限することを特徴とする請求項１に記載の情報入力装置。
3. 前記送信手段は、間欠的に前記発信信号を発することを特徴とする請求項１および請求項２に記載の情報入力装置。
4. 前記トリガー信号発信手段を構成するトリガー発生手段を複数設けることにより、複数のスイッチ入力ができることを特徴とする請求項１に記載の情報入力装置。

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