JP4150832B2

JP4150832B2 - ワイヤレス入力装置及び、通信装置

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Publication number: JP4150832B2
Application number: JP2005195951A
Authority: JP
Inventors: 清久滝口
Original assignee: 清久滝口
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2025-07-05
Also published as: JP2007018041A

Description

この発明は、電池のいらないワイヤレスマウス及び入力装置に関する。

ワイヤレスマウスはケーブルがなくて便利であるが、コード式マウスに無い３つの部品が新たに必要となってしまう。それは、駆動用の電池・電源回路、端末へ無線通信を行うための信号変調部、そして電波や赤外線の送信部である。

コード式マウスには無かったこれらの部品によって、構成が複雑になり大型化する問題があった。そこでマウス自体に、その機械運動や光で発電をさせて電池をなくす方法も考えられた。

また、充電池（蓄電手段）やコンデンサーを加える、光などを積極的に照射して電力を外部供給する、あるいは"はずみ車"などをマウスに内蔵させて機械的な発電機能を高めたりして、発電の不足や不安定さを補おうと試みられてきた。

特許文献１では、マウスの機械運動によって発電して変調部分や送信部分に電力を供給する方式。電源回路、変調部や送信部が必要である。また発電能力が弱くて不安定で、蓄電手段を内蔵する必要があり構成が複雑。「最初のワンクリック（最初にマウスをワンクリックしてもクリックだけでは発電量があまりにも僅かなため、ワイヤレスマウスは動作しない）」の問題は不可避である。

特許文献２は、特許文献１と類似構成である。基本的に蓄電手段を内蔵しているが部品は更に増えてしまう。

特許文献３は、マウスに太陽電池を内蔵して専用のマウスパッドが発光して電力供給するワイヤレス無電源マウス。課題は特許文献１と同じだが更に発光する専用のマウスパッドが必要となり構成が増えてしまい、また操作自体も専用のパッドに限定されるため自由度が制約される。

特許文献４は、特許文献１の発電機構を、マウス内蔵のボールの回転時以外に"はずみ車"などの機構を加えることで機械的な発電能力を改善。特許文献１の発電能力不足を改善しようとするものであるが、機械的な構成が複雑となる上に"はずみ車"を駆動する為に操作者への負荷が増大する。これも「最初のワンクリック」の問題は不可避である。

特許文献５は、マウスに関する発明やワイヤレス方式ではないが、キーボードのキーに圧電素子を設け、キー入力の際に発電して、これを蓄電池に充電する。ワイヤレス方式ではない。電圧制御回路(電源回路)や蓄電池が必要で、これだけで電源を賄おうとしても電力不足で他同様「最初のワンクリック」では稼動しない。

特許文献６は、圧電素子による発電そのものは物理現象として当初より知られており、これをLEDの点灯に用いること自体は容易に考えつくものでしかないが、この技術では振動による圧電素子の交流信号を直流変換して、予め定めた設定値と比較して点灯させる。他の技術と異なり圧電素子の発電を単に電力としてだけではなく、比較回路によりセンシングとアラーム(点灯)に同時に利用して低消費電力化している点が特長。しかし、直流変換のための電源回路や比較回路等は依然として必要であり、電力の変換ロスは無論として回路構成も簡単ではない。また、基本的にマウスやキーボードなどに利用できる技術ではない。

特開平06-059810 "無線マウス装置" 特開平06-332615 "コードレスマウス" 特開平08-147101 "マウス装置" 特開平11-045152 "発電式無電源マウス" 特開平 2001-154783 "キーボード発電装置及び情報処理装置" 特許第3166066 "自発電源による振動検出装置"

マウス自体に、その機械運動や光で発電をさせて電池をなくす方法の場合、発電された電力は不安定なうえに機械運動からの発電では交流となる。そのため直接電力が利用される訳ではなく、安定化や整流回路等も必要になる。そこで変換された電力が無線変調部や送信部を駆動する言わば間接電力であるため電力ロスが生じる。さらに、実際の利用場面では常時マウスを動かしている訳ではなく、マウス操作の僅かな電力では、明らかに不足しているうえに不安定であり、各回路を駆動して電波や赤外線を送信するのは困難である。

光などを積極的に照射して電力を外部供給したり、あるいは"はずみ車"などをマウスに内蔵させて機械的な発電機能を高めたりした場合、これらは構成の複雑さや、操作の自由度をより悪化させることになった。また、例えば手回し充電式のラジオなどでも同様であるが、長時間使用せず充電池やコンデンサーが空の状態では、最初にマウスをワンクリックしてもクリックだけでは発電量があまりにも僅かなため、ワイヤレスマウスは動作しない。何の意味も無く何十回もマウスをクリックしたりマウスを移動させたりして充電してようやく使用できるようになる。この「最初のワンクリック」操作を検出できずPCへ通知できない問題は、発電した微小な電力を間接利用する従来方式では避けられない基本問題である。

ワイヤレスマウス使用者の近傍で他の人が同じワイヤレスマウスを使用している場合混信することがある。ところが、その一方で、操作者のごく近くにあるのにもかかわらず、ワイヤレスマウスの位置によって電波や赤外線の指向性や伝搬の問題があり正常に入力ができないことがあり、ワイヤレス方法そのものにも基本的な課題があった。

また従来、圧電素子は単なる発電手段でしかなく、それを共振周波数や発電の時間変化が異なる複数の素子を組み合わせ、発電される電気パターンを符号化して直接利用するという基本的なアイデア自体が存在していなかった。

この発明は、こうした従来の基本的な技術課題を解決したものであり、電池や外部からの電力供給手段や、発電電力をワイヤレス信号に変換する複雑な回路なしに簡単な構造で直接駆動することができるようにしたワイヤレス入力装置及び、通信装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するための本発明の要旨とするところは、以下の各項の発明に存する。

［１］操作者の機械的操作を電気信号に変換する変換素子により直接に変換し、微弱電界を形成することで装置の近傍にあるパソコンや他の装置に操作情報を伝えるワイヤレス入力装置であって、
２枚の圧電素子を張り合わせたバイモルフ型の圧電素子と、操作者の機械的操作を該圧電素子を叩く動作に変換する機械的機構と、該圧電素子に接続した送信用電極、とＧＮＤ電極とを有し、
叩かれることにより発生する該圧電素子の形状や大きさによって決まる固有共振周波数を圧電効果により電気波形に変換させ、ＧＮＤ電極を電位の基準として該送信用電極の近傍と操作者の身体周囲に該周波数の微弱電界を発生させるワイヤレス入力装置。

［２］項１に記載のワイヤレス入力装置において、該入力要素毎に異なる固有振動周波数を有するバイモルフ型の圧電素子は、互いの固有振動周波数の高調波と低調波が一致しない周波数としたワイヤレス入力装置。

［３］項２に記載のワイヤレス入力装置において、キーボタンに設けた長さの異なる２つのピンにより圧電素子を叩いたときの電気信号の波形でキーボタン押し下げ動作と離す動作を区別し、識別できるワイヤレス入力装置。

［４］項１〜３に記載のワイヤレス入力装置において、内部に回転ローラーなどの移動検出手段を内蔵するマウスなどの入力装置に於いて、機械運動の回転伝達部にピンを設け、移動に伴う回転運動により当該ピンが圧電素子に衝突して振動させることで電界の振動を生じさせ、機械運動の移動量を通知できるワイヤレス入力装置。

［５］項４に記載のワイヤレス入力装置において、回転伝達部に長短等の異なる形状のピンを配列することで、回転方向により当該ピンが圧電素子からなる振動板を叩き、回転の方向によって異なる電界パターンを発生させて回転方向を識別できるワイヤレス入力装置。

［６］項５に記載のワイヤレス入力装置において、マウス内部に圧電素子の出力を伝達する電極を配置したワイヤレス入力装置。

［７］項６に記載のワイヤレス入力装置において、マウス近傍の電界を振動させるために振動の基準としてマウス底部に電極を配置するワイヤレス入力装置。

［８］項７に記載のワイヤレス入力装置において、マウス近傍の電界を振動させるために振動の基準としてマウス底部に電極を配置するワイヤレス入力装置。

［９］項８に記載のワイヤレス入力装置において、操作者が入力装置を手で握ることを利用して、操作者の人体を擬似アンテナとして利用し、特に操作者の近傍にあるパソコンや他の装置に対して微弱電界変化を伝えるワイヤレス入力装置。

［１０］項１〜９に記載のワイヤレス入力装置において、該圧電素子に接続される送信用電極、とＧＮＤ電極の代わりに、赤外線ＬＥＤを接続し、圧電素子による発電電力のみで赤外線ＬＥＤを駆動したワイヤレス入力装置。

発電には圧電素子を用いる。圧電素子はコイルなどが必要ないため発電部を小型にでき、またその発電能力は微弱で瞬間的であるが、電圧（電位変化）が大きくとれるため振動する静電界である準静電界（※2）の電界強度を大きくできることを利用する。

下記の「発明の具体的構成と説明」に示されるようにマウスの各操作に応じて圧電素子が予め定めた固有共振周波数とタイミングによる固有パターンで発電するようにする(符号化された発電パターン)。しかし、そのままでは発生した準静電界は電極も小さく微弱でＰＣに到達しない。通常はアンテナや導線を起電部に接続する必要があるが、本発明では人体が静電界や低い周波数に対しては導体となる（※3）ことに着目して、マウスを操作する手とマウスとが電荷結合するように電極を形成して操作者自身の人体を擬似アンテナとして周囲にマウス操作に応じた準静電界を形成する。

こうした発電と人体結合により、電池、変調部、送信部なしに発電部のみの極めて簡単な構成で、マウスなど操作者が機械的な操作をする様々な機器で電池なしのワイヤレス化を実現することができる。

マウスのボタンのクリックや内蔵ローラーのＸ，Ｙ方向それぞれの回転運動の検出素子にそれぞれの検出部固有の振動周波数とタイミングの組み合わせで特定のパターンを生ずるように構成した圧電発生機構を用いる。マウス移動量や方向、クリックなどの操作に応じて圧電素子が叩かれ、各々の素子の固有振動パターンに応じてキロヘルツレベルの周波数の微弱な電気パターンを発生させる。圧電素子の発生する電力は我々が歩く際に発生する静電気と同様に電圧は高くても微弱で瞬間的なため、ＬＥＤ瞬間的に光らせる程度の電力しかない(※1)。このため、そのままでは電波信号として送信できない。しかし、例えば歩行の際に人体の電位が変化することで電波は出なくても、人体の近傍では電位変化によって振動する静電界である準静電界が離れた位置から検出できる（※2）。人体は静電気や今回使用するような比較的低い周波数では導体として作用するため、操作者の体を擬似的なアンテナとして操作者の周囲に準静電界を形成することができる。

この発明では、発電手段がそのまま変調部と送信部をかね、更に操作者自身がアンテナとなるため構成が非常に簡単になり、変換せずに直接に発電電力を利用する為に電力を効率的に利用できる。このため電波にもならない非常に弱い電力で安定して電池なしにワイヤレス化が実現し「最初のワンクリック」でも全く問題なく使用可能である。

※1 パンフレット・製品技術資料［１］〜［３］
［１］日新電機電子デバイス事業推進部，発電バイモルフモジュール（パンフレット）,2003
［２］日新電機電子デバイス事業推進部，バイモルフ型発電機の電気出力の簡易理論モデル，2003
［３］日新電機電子デバイス事業推進部，バイモルフ素子の発電応用について（発電バイモルフ），2003
※2 滝口清昭，遠山茂樹，歩行による人体の電界発生とその伝搬, Journal of ISLIS, Vol.21. No.2, 2003
※3 宅間董，電界パノラマ電界をよく理解するために, 電気学会，Pp.26-27, pp.108-109, 2003

ワイヤレスマウスの場合の効果
［１］発電部のみで実現でき、発電電力がダイレクトに送信され、間に発電電力の整流・変圧回路や電池(蓄電部)、無線変調手段が不要と成り構成が非常に簡単な上にロスが無く効率的(「最初のワンクリック」でも、いつでも確実に動作する)
［２］物理的に最も低い電力でワイヤレス送信でき、通常のマウスボタンのクリックや操作と同じ機械的な負荷だけでワイヤレス送信に十分な電力が得られて安定送信ができる
［３］無線の変調部や送信部、アンテナが簡略化され小型軽量化
［４］操作者に発電の為のマウスの本来の操作である移動、クリック以外の機械的負荷をかけない
［５］物理的に遠隔伝搬しない準静電界を使用するため混信が少ない
［６］人体をアンテナとするので電波や赤外線のような不感エリアが無い
［７］準静電界はプラスチックやビニールなどの絶縁性の高い誘電体を導体のように伝わるため、金属の電極を露出して直接に人体に接触させる必要がない。マウスの樹脂製のケースを通して人体に伝えることができ、触れる部分が金属電極に限定されないので自由度が高い。

・施錠システムの場合の効果
［１］機械的な従来のピッキングが困難。

［２］鍵が紛失してもドアの錠前の交換は必要なく、新たな鍵の登録により即時対応でき安全。

［３］ドア側錠ユニットは圧電素子によって発電する電力を利用して送信しているため、電源が不要。

［４］ドア側錠ユニットと壁側錠ユニットの間は準静電界通信を行うのでワイヤレス。このため、ドア側には前記［３］と併せて電源、信号などの配線が不要となり、取り付けが簡単な上にドアの開閉による配線劣化などがないため信頼性が向上する。

［５］鍵を挿入して回している操作者の人体を接地（GND）として利用し、金属製ドアノブを送信用電極（図１７の54）にできるので微弱な準静電界で信頼性の高いワイヤレス接続ができる。

以下、図面に基づき本発明の好適な各種の実施の形態を説明する。

実施の形態１

（１）マウスの機構
この発明によるマウスは図１のように、マウスの移動量を検出する機構と、操作者によるボタン操作を検出する機構と、準静電界を発生する電極から構成される。

マウス内部に球（図１の７）が内蔵されていて、マウスの底の穴からその球の一部が露出されており、マウスを机の上で移動させるときにその球が机の上を転がるように配置されている。この球の回転をＸ座標成分とＹ座標成分を分離して検出することによって、マウスの移動量を検出できる。球の回転は、球に接したローラー（図１の８Ｘと８Ｙ）で検出する。ローラーの回転は回転伝達軸（図１の９Ｘと９Ｙ）によって歯車（図１の１０Ｘと１０Ｙ）に伝わる。歯車が回転したとき、歯車の外周に接するように配置した振動板（図１の１１Ｘと１１Ｙ）に歯車の歯があたり、その振動板は振動する。

本マウスは、操作者がＰＣ（パーソナルコンピューター）などへ指示を行うためのボタン（図１の１８）がある。このボタン操作を検出するために振動板（図１の１５）を使用する。

これらの振動板は、図３のようなバイモルフとよばれる圧電素子で実現する。バイモルフとは2枚の圧電素子を張り合わせたものである(※１)。根元の部分で支持する（図３の２１）。通常は図３の(b)の状態である。衝撃を与え機械的に振動している状態では、上方向にしなっている図３の(a)状態と下方向にしなっている図３の(c)の状態を繰り返すように振動する。図３の(a)の状態は、張り合わせた2枚の圧電素子のうち上側が縮み、下側が伸びる。(c)の状態は、張り合わせた2枚の圧電素子の上側が伸び、下側が縮む。この機械的な変形が電気に変換され圧電素子に取り付けてあるリード線から電力を取り出せる。(a)のように上方向にしなっていく過程ではリード線23にマイナス、リード線24にプラスの電位が生じる。(c)のように下方向にしなっていく過程では、リード線23にプラス、リード線24にマイナスの電位が生じる。また、バイモルフの資料（※１）ように、圧電素子に数センチメートルの高さからわずか数グラムの物を落下させた衝撃でも電位的には準静電界を十分に発生することができる。

以上はバイモルフの例を説明したが、本発明のマウスに用いる振動板はバイモルフ以外でも構わない。要は、圧電素子を利用して、機械的な振動を電気的な振動に直接変換できれば良いのである。

圧電素子の振動板を叩いたときの電気波形を図４に示す。叩いた瞬間は高い電圧が発生する。衝撃が大きいほど発生する電圧が高くなる。またこの電気波形の振動周波数は、振動板の形状や大きさに依存する固有共振周波数である。図４の(a)と(b)は、固有共振周波数が異なる振動板による電気波形の例を示した。この発明のマウスは、移動量検出用Ｘ座標、Ｙ座標それぞれ1個ずつの振動板、複数個のボタンそれぞれに対して1個ずつの振動板を使いる。それぞれの振動板は固有共振周波数が異なるように形状や大きさを異なるようにしている。また振動波に必ず発生する高調波とも別な振動板の固有共振周波数が重ならないようにする。これにより、マウス移動による発電パターンを直接に符合化することになる。ここで発生した電気波形を周波数解析することで、どの振動板による振動なのかを識別できる。複数の振動板が同時に振動した場合では、重なった複数の周波数の振動を、ＰＣ本体側の受信ユニット内部か本体側のソフトウエアでフーリエ級数変換によりそれぞれ個別に分離でき、マウスの個別の操作を判別できる。

各振動板にて生じた電力をリード線（図１の２０、２１）で送信用電極とＧＮＤ電極に伝え、各振動板の振動に応じて空間の電界を振動させる。

（２）マウスの移動量と移動方向の検出
［１］マウスの移動量の検出
Ｘ座標方向の移動量検出機構とＹ座標方向の移動量検出機構は同様であるため、ここでは代表してＸ座標方向の移動量検出機構の説明をする。すでに説明したように、マウスの移動に従って歯車（図５の１０Ｘ）が回転する。歯車の外周の歯に接するように圧電素子で構成された振動板（図５の１１Ｘ）を配置する。歯車の回転によって歯が移動することにより、圧電素子による振動板は変形させられ歯が振動板から離れたときに固有共振周波数で振動する。

［２］移動方向の検出
マウスではＸＹそれぞれの検出素子で移動量だけでなく、相対的な移動方向の検出を行う必要がある。これは発電のタイミングの組み合わせにより実現する。まず、歯車の外周の歯の形状は図６のようにする。歯車（１０Ｘ）が時計周りに回転したときは、最初に大きな歯が振動板にあたり次に小さな歯が振動板にあたる。つまり、図７の(a)のように最初に大きな振幅のピーク（図７の(a)のP1）があり、次に小さい振幅のピーク（図７の(a)のP2）があるような電気波形を生じる。歯車（１０Ｘ）が反時計回りに回転したときは、最初に小さな歯が振動板にあたり次に大きな歯が振動板にあたる。つまり、図７の(b)のように最初に小さな振幅のピーク（図７の(b)のP1）があり、次に大きい振幅のピーク（図７の(b)のP2）があるような電気波形を生じる。この電気波形の違いによって、歯車の回転方向すなわちマウスが移動した方向を検出できる。電気波形に含まれるパルスの個数をカウントすることでマウスの移動量のＸ成分を検出できる。歯の形状はピンのようなものでも構わない。

［３］ＸＹの識別
Ｘ座標の移動量と方向検出機構によるものとＹ座標方向による発電パターンとを区別させる為、ＸＹの固有共振周波数は異なるようにする。マウスがＹ座標を移動したときの電気波形は、移動する方向によって図７の(c)または(d)である。振動する周波数が異なっているため、図７の(a)と(c)、(b)と(d)を区別できる。

ＸとＹの移動量検出機構の違いを電気波形の周波数で区別し、移動の方向を図７の(a)と(b)のような電気波形の時間パターンで区別し、移動量をパルスの個数で扱う。以上がマウスの移動量情報を電気信号に符号化する方法である。

（３）ボタン操作検出
マウスボタンは、キーボードにおけるキーのように単にボタンを押したときだけでなく、ドラッグアンドドロップ操作など押していたボタンを離した時にもそれを検出する必要がある。また、マウスには複数個のボタンがあり、それぞれを識別する必要がある。まず、基本的な構造であるがマウスのボタン（図８の１８）はドーム状のバネの機能を有する部品（図８の１７）で支える。ドームの内側の天井には、爪（図８の１４）を取り付けてある。またドームの内部には、圧電素子による振動板（図８の１５）を振動しやすいように根元で支持（図８の２０）する。

ボタンをクリックすると、ドーム状の部品は変形し、ドーム状の部品に接続していたボタン（図８の１８）と爪（図８の１４）は下に下がる。図８の(a)は変形前の形状、図８の(b)は変形したときの形状を示す。操作者はそのドームの変形をクリック感として感じることができる。マウスボタンを押したときは、爪が下へ移動する途中で振動板を弾く。そのとき圧電素子で構成された振動板は、固有共振周波数で振動して電気波形を発生させる。

爪の形状は図９の２６のように、大小2個のピンがついている。ボタンを押下したときは、最初の大きいピンが振動板にあたり、その後小さいピンが振動板にあたる。このとき生じた電気波形は、図７の(a)のようなパターンになる。また操作者がクリックしたマウスボタンから指を離したときは、最初に小さいピンが振動板にあたり、その後大きいピンが振動板にあたる。このとき生じた電気波形は、図７の(b)のようなパターンになり、ボタンを押したか離したかを容易に判別することができる。

また、図９の爪に設けられたピンの数や圧電素子の共振周波数を変えることで、違う波形を発生させることができる。こうした符号化された発電パターンによって多数のボタンの識別が可能である。

（４）マウスの電極構成
図１０はマウスを横から見た断面図である。図１の構造にある送信用電極（図１０の１２）をマウスの上部に配置し、ＧＮＤ電極（図１０の１３）をマウスの底付近に配置する。マウスの外側の素材は誘電率の低い合成樹脂で形成されている。従って、手でマウスを握ったとき手の位置に近くなるように、送信用電極をこのマウスの樹脂素材のすぐ内側に配置して操作者のマウスを把持する手とできるだけ近接するようにする。マウス使用中は、操作者はマウスを把持しているため、送信用電極は操作者の身体と結合し、操作者の身体全体が電極やアンテナとして作用する。このマウスの送信用電極の電気的振動に応じて操作者の身体の周囲にもマウスの操作に応じた固有パターンで符号化された振動する静電界(準静電界)が生じる。

（５）受信部の構成
受信部の構造を図２に示す。受信部は、ＰＣ（図２の４）と接続して使用する。人体の近傍における符号化された準静電界を、人体の近くに配置した受信部（図２の２）の受信用電極（図２の３０）で検出する。微弱な電位の振動をプリアンプ（図２の３１）で増幅し、デコーダーでマウスの状態を取り出する。具体的には、フーリエ級数変換で周波数ごとに波形を取り出す。取り出した波形の周波数から、移動量またはボタン操作情報を認識し、波形の形状から、移動方向やボタンを押下したか、離したかを識別する。この情報をＵＳＢケーブルなどを経由してＰＣへ通知する。

デコーダー部のファームウエアの概略処理フローを図１２に示す。

信号受信処理は、ＡＤＣ（A/Dコンバーター）によってデジタル化された波形データをサンプリングしメモリに蓄積する。

フーリエ級数変換処理は、一定量蓄積された波形データをフーリエ級数変換し、周波数別に成分を分解する。デジタル処理で実現するには高速なＦＦＴ（Fast Fourier Transfer）が適している。ＦＦＴは信号の２の累乗のサンプル数によるウィンドウ単位で処理を行う。従って、フーリエ級数変換を行う一定量という単位は、２の累乗個のサンプル数になる。

ウィンドウの大きさで時間分解能が決まってしまう。

時間分解能をウィンドウの大きさより小さくするために、ウィンドウの一部を重ねてＦＦＴ処理するオーバーラップ処理が望ましい。具体的には、前回ＦＦＴ処理したウィインドウの一部に、新たにサンプリングしたデータを追加した新しいウィンドウに対してＦＦＴを行う。この処理を繰り返し、周波数成分別に信号を分解できる。

以後周波数成分毎に、対応している入力要素ごとに入力を検出する。

Ｘ方向移動に使われている周波数成分の有無をチェックし、Ｘ方向移動に関する周波数成分があったならば、波形パターン処理を行い、移動方向と移動量を検出する。

移動方向は既に説明したとおり図７の(a), (b)の波形の違いにより識別する。移動量はパルスの個数に比例する。

Ｙ方向移動検出に関してもＸ方向移動検出と同様に処理を行う。

マウスボタン毎に特定の周波数を割り当てており、当該周波数成分が含まれているならば、当該ボタンを操作したと判定できる。

波形パターン処理にて、図９の振動板をはじくピン形状による違いを波形から検出する。

フィルターを通し、高周波を除去し包絡線にすると処理しやすい。波形の振幅の大きさの組み合わせからなる波形を識別し、ボタンを押した操作か離した操作かを判定する。

ボタンは複数個あるため、第1ボタンから第nボタンまで波形パターン処理とボタンを押した操作か離した操作かを判定する処理を繰り返す。

端末へ通知処理で、検出したＸ方向移動量、Ｙ方向移動量、ボタンを押した操作か離した操作かの情報をコード化して受信部から端末に通知する。受信部から端末に通知する手段は従来のコード式マウスと同様の技術で実現できる。インターフェースを統一すれば従来のマウスのデバイスドライバを流用できる。

振動板の振動は正確な正弦波でない場合は高調波が生ずる。本マウスは周波数で操作を識別するために高調波の検出による誤判断を避けるべきである。そのために、各入力で割り当てた固有共振周波数を互いに高調波・低調波の関係にならないように振動板の形状を決定する。

受信部を設置する位置は例えば図１３の２のようにＰＣの近くに置く。この発明のマウスはマウスと人体の両方から生ずる準静電界を利用して通信を行うため、受信部は人体の近傍であればどこに設置してもかまわない。また受信電極は金属で完全に囲まれてしまうなどの静電遮蔽がされていなければ、誘電率の低い樹脂製のケースの中にあってもよく電極を露出させる必要ないので、ＰＣ本体やディスプレイの枠の部分などに受信部を内蔵することも可能である。

（６）本発明のマウス以外の応用例
本発明の特徴は、発電の符号化と人体アンテナという２つであるが、これを応用するとマウス以外にも下記のようなものが考えられる。

実施の形態２

［１］ワイヤレスキーボード
本発明の基本原理はマウスだけでなく、ワイヤレスキーボードなど操作者が機械操作する入力手段全般に応用できる。その基本構造はマウスのボタンの例と同様となる。

実施の形態３

［２］赤外線方式のマウス
送信電極(図１０の１２)の代わりに図１１の２５ように赤外線ＬＥＤを接続して圧電発電の電力で赤外線ＬＥＤを直接駆動し、準静電界ではなく赤外線を用いる方法も考えられる。その場合のワイヤレスマウスの構成は図１４となる。またＰＣ側の受信部の構成は図１５に示されるように受信電極に替えて図１５の３７の受光素子となる。従来の赤外線方式のマウスと異なり、電池不要で、かつ本発明の特徴である発電(符号化された発電パターン)が直接に赤外線ＬＥＤを駆動するため、構成が簡単であるだけでなく発電電力をロス無く直接に利用できるため最初のワンクリックでも確実に動作する。

なお図１４では赤外線ＬＥＤは１つであるが、赤外線ＬＥＤには極性があるため、この場合には送信波形は図４の準静電界の例と異なり、片側極性のみとなるため図１６のような片側極性の半波形となる。半波でも対称であるため受信部で符号を復号することができる。また必要に応じて、各圧電素子の極性に応じて極性の異なる２つの赤外線ＬＥＤを使用してどちらの極性でも波形が出るようにする方法も考えられる。

実施の形態４

［３］ドア施錠システムへの応用
発電を符号化しワイヤレスで送信する本発明の別な応用例として、ドアなどの鍵が考えられる。本発明の鍵は、形状はシリンダ錠用の鍵の形状に似ている。先行技術を検索しても圧電素子を衝撃などのセンサーとしては利用する事例はあるが、鍵の操作によって圧電素子で符号化して発電してワイヤレス送信する技術は見当たらなかった。

錠内部のメカニズムは操作者が鍵を回す操作により、錠内部に設けられた圧電素子からなる振動板を弾いて各振動板に固有共振周波数で電気信号を発生させ、これを受信して電気的に開錠判定を行う仕組み基本的には本発明のワイヤレスマウスと同様の仕組みである。ドア側には電子的な信号パターン発生機構のみである。このためシリンダ錠とは異なり、機械的なシリンダパターンを直接細い針金で探るピッキングなどができないという特徴があり、また鍵を紛失しても従来のようにドアの錠全体を交換する必要は無く新しい鍵に登録しなおせばよいので、紛失時にも即時対応ができて安全である。さらに、従来の電子施錠システムでは可動するドアにも電源を供給する為の配線が必要で、断線などの問題があった。しかし本発明では鍵の操作で発電して直接ワイヤレス送信するため、稼働するドア側には配線が必要なくなり簡単になると共に信頼性も向上する。

具体的な構造として、錠は図１７の構成で使用する。ドア（図１７の40）の鍵穴（図１７の45）に鍵を挿入し回転させる。鍵の情報はドア側錠ユニット（図１７の43）から壁側錠ユニット（図１７の42）へ伝えられる。正否の判定を壁側錠ユニットのマイコンで判定し、合致するならソレノイドに連動した施錠用棒（図１７の46）を動作させ開錠する。

鍵（図１８の48）には、固有のぎざぎざパターン（図１８の49-1,49-2,49-3）を削りこまれている。

ドア側錠ユニット（図１８）に、それぞれ異なる適切な長さや形状の複数の振動板（図１８の50-1, 50-2, 50-3）がある。第番目の振動板の固有共振周波数をと表する。振動板の先端の鍵にあたる部分は位置をそろえて配置する。振動板は圧電素子で構成されていて、正圧電効果で振動板の機械的振動を電気信号に変換される。この電気信号は、鍵固有のパターンを反映した、複数の振動板の各周波数成分の合成で振動する。電気信号は配線（図１８の52）で送信用電極（図１８の54）に伝えられ、ドア側錠ユニットの近傍に準静電界を形成する。

壁側錠ユニット（図１９）には、ドア側錠ユニットが発生させた準静電界を受信用電極（図１９の56）で受信する。受信して得られた電気信号は電力が弱いため、プリアンプ（図１９の58）で増幅され、ADC（Analog Digital Converter; 図１９の59）でデジタル信号に変換され、その信号をマイコン（図１９の60）で処理する。マイコン内部のソフトウエアで照合を行い、「合致」ならば、リレー（図１９の61）とソレノイド（図１９の62）を制御し、施錠用棒（図１７の46）が穴（図１７の47）からはずれ開錠される。

鍵と振動板の関係を説明する。図１８の55の点線の箇所の断面図を図２０に示す。開錠操作開始時（図２０の(a)）は、鍵は振動板に触れていない。鍵を時計回りに回転したとき、途中で振動板にあたり（図１９の(b)）、さらに回転させると振動板を変形させる（図２０の(c)）。その後鍵は振動板から離れ、振動板は固有共振周波数で振動する。ここで鍵のぎざぎざパターン（図１８の49-1）が浅い場合は振動板の変形量は大きく得られる電気信号の振幅は大きくなる。逆にぎざぎざパターンが深い場合は振動板の変化量は小さく、得られる電気信号の振幅は小さくなる。従って、電気信号の振幅を検出することで、鍵のぎざぎざパターンの形状を検出できる。

マイコン（図１９の60）が照合処理を行うソフトウエア処理（図２０）を説明する。受信した電気信号をフーリエ級数変換し周波数別の成分に分解する。各振動板の振幅量をM段階に離散化する。振動板について、鍵のパターンが振動板に触れずに振動しなかったときを0、鍵のパターンが浅く振動がもっとも大きいときをM-1とし、変数にセットする。次の式で鍵のぎざぎざパターンをコード化する。

このコードで照合し、正常なコードと比較し合致したときに開錠する。n個の振動板を有する錠の場合、Mのn乗通りの組み合わせを扱うことができる。

本発明の鍵は、正常なコードをマイコン内部のROM（読み出し専用メモリ）に記録されており、ピッキングのような機械的な方法ではコードを知ることはできない。

［実施形態の効果］
［１］ワイヤレス方式のコードレスマウスでは、電池レスが究極の課題であったが、従来の間接電力送信方式では消費電力や発電エネルギーの利用効率に問題があった。これは操作者の操作に依存して変化する発電電力を無理やり安定化して電源電力に変換しようとした為である。このため電池のいらないワイヤレス方式のコードレスマウスは、現在でも実用化していない。この発明では、そうした不安定さが実はマウス操作そのものに起因するものであり、逆にそれを直接利用するようにしたもので下記の効果が考えられる。

［２］発電部のみで実現でき、発電電力がダイレクトに送信され、間に発電電力の整流・変圧回路や電池(蓄電部)、無線変調手段が不要と成り構成が非常に簡単な上にロスが無く効率的(「最初のワンクリック」でも、いつでも確実に動作する)

［３］物理的に最も低い電力でワイヤレス送信でき、通常のマウスボタンのクリックや操作と同じ機械的な負荷だけでワイヤレス送信に十分な電力が得られて安定送信ができる

［４］無線の変調部や送信部、アンテナが簡略化され小型軽量化

［５］操作者に発電の為のあらたな機械的負荷をかけない

［６］物理的に遠隔伝搬しない準静電界を使用するため混信が少ない

［７］人体をアンテナとするので電波や赤外線のような不感エリアが無い

［８］準静電界はプラスチックやビニールなどの絶縁性の高い誘電体を導体のように伝わるため、金属の電極を露出して直接に人体に接触させる必要がない。マウスの樹脂製のケースを通して人体に伝えることができ、触れる部分が金属電極に限定されないので自由度が高い。

・施錠システムの場合の効果
［１］錠システムに利用した場合、機械的な従来のピッキングが困難。

これにより、マウス、キーボードや鍵など操作者が機械操作を行う入力機器で従来実現が困難だった電池のいらないワイヤレス化を非常に簡単な構成で実現することができる。

実施の形態１のマウスの構成図である。実施の形態１の通信装置の構成図である。圧電素子のバイモルフ構造の説明図である。圧電素子が振動したときに生ずる電気波形の説明図である。実施の形態１のマウスの移動検出機構の斜視図である。実施の形態１のマウスの移動方向を識別するための歯車の形状を示す図である。実施の形態１のマウスの移動方向による電気波形の図である。実施の形態１のマウスのボタンの説明図である。実施の形態１のマウスボタンを押した操作と離した操作による電気波形の図である。実施の形態１のマウス内部の電極配置の図である。実施の形態３のマウスの図である。実施の形態１の通信装置デコーダー部のファームウエアの概略処理フローを示す図である。実施の形態１のマウスを使用している形態を示す図である。実施の形態３のマウスの構成図である。実施の形態３の通信装置の構成図である。実施の形態３の電気波形の図である。実施の形態４の斜視図である。実施の形態４の錠システムの実施形態の構成図である。実施の形態４の錠システムの錠側ユニットの構成図である。実施の形態４の錠システムのドア側ユニットの機構を示す図である。実施の形態４の錠システムの錠側ユニットのファームウエアの概略処理フローを示す図である。

符号の説明

１マウス
２受信部
３マウス使用者
４ＰＣ（パーソナルコンピューター）
５通信装置とＰＣを接続する配線
６机
７球
８Ｘローラー（Ｘ座標用）
９Ｘ回転伝達軸（Ｘ座標用）
１０Ｘ歯車（Ｘ座標用）
１１Ｘ振動板（Ｘ座標用）
８Ｙローラー（Ｙ座標用）
９Ｙ回転伝達軸（Ｙ座標用）
１０Ｙ歯車（Ｙ座標用）
１１Ｙ振動板（Ｙ座標用）
１２送信用電極
１３ＧＮＤ用電極
１４爪
１５振動板
１６振動板支持部
１７バネ
１８ボタン
１９マウステーブル
２０Ａ圧電素子
２０Ｂ圧電素子
２１振動板（圧電素子）支持部
２３圧電素子から電力を取り出すリード線
２４圧電素子から電力を取り出すリード線
２５赤外線ＬＥＤ
２６ピン
３０受信用電極
３１プリアンプ
３２デコーダー
３３受信部−ＰＣ間接続ケーブル
３４接地（ＧＮＤ）
３５準静電界
３７受光素子（フォトダイオード）
３８電流制限用抵抗
４０ドア
４１ドア枠
４２壁側錠ユニット
４３ドア側錠ユニット
４４ドアノブ
４５鍵穴
４６施錠用棒
４７施錠用穴
４８鍵
４９−１、４９−２、４９−３鍵固有のパターン
５０−１、５０−２，５０−３振動板（圧電素子）
５１−１、５１−２、５１−３振動板（圧電素子）支持部
５２振動板による電気信号を電極へ伝えるための配線
５３接地（ＧＮＤ）
５４送信用電極
５５図１９で鍵と振動板の位置関係を説明するための断面
５６受信用電極
５７接地（ＧＮＤ）
５８プリアンプ
５９ＡＤＣ（ＡｎａｌｏｇＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）
６０マイコン
６１リレー
６２ソレノイド
６３受信用電極で受けた電気信号をプリアンプに伝えるための配線

Claims

操作者の機械的操作を電気信号に変換する変換素子により直接に変換し、微弱電界を形成することで装置の近傍にあるパソコンや他の装置に操作情報を伝えるワイヤレスマウスであって、入力装置と、前記入力装置毎に異なる固有共振周波数を有し、互いの固有共振周波数の高調波と低調波が一致しない、２枚の圧電素子を張り合わせたバイモルフ型の圧電素子と、操作者の機械的操作を前記のバイモルフ型の圧電素子を叩く動作に変換する機械的機構と、前記のバイモルフ型の圧電素子に接続した送信用電極とＧＮＤ電極とを有し、前記のバイモルフ型の圧電素子が叩かれることにより発生する、前記のバイモルフ型の圧電素子の形状や大きさによって決まる固有共振周波数の機械的振動を、前記のバイモルフ型の圧電素子の圧電効果により電気波形に変換させ、ＧＮＤ電極を電位の基準として前記送信用電極の近傍と操作者の身体周囲に前記固有共有周波数の微弱電界を発生させることを特徴とするワイヤレスマウス。
請求項１に記載のワイヤレスマウスにおいて、キーボタンに設けた長さの異なる２つのピンにより圧電素子を叩いたときの電気信号の波形でキーボタン押し下げ動作と離す動作を区別し、識別できるワイヤレスマウス。
請求項１〜２のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、内部に回転ローラーなどの移動手段を内蔵し、機械運動の回転伝達部にピンを設け、移動に伴う回転運動により当該ピンが圧電素子に衝突して振動させることで前記固有共振周波数の微弱電界を生じさせ、機械運動の移動量を通知することを特徴とするワイヤレスマウス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、回転伝達部に長短等の異なる形状のピンを配列することで、回転方向により当該ピンが圧電素子からなる振動板を叩き、回転の方向によって異なる電界パターンを発生させて回転方向を識別できるワイヤレスマウス。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、マウス内部に圧電素子の出力を伝達する電極を配置したワイヤレスマウス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、マウスの筐体を合成樹脂などの誘電体材料を使用し、マウス内部に配置した電極でマウス近傍の電界を変化させることができるワイヤレスマウス。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、マウス近傍の電界を振動させるために振動の基準としてマウス底部に電極を配置するワイヤレスマウス。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、操作者が入力装置を手で握ることを利用して、操作者の人体を擬似アンテナとして利用し、特に操作者の近傍にあるパソコンや他の装置に対して微弱電界変化を伝えるワイヤレスマウス。
請求項１〜８のいずれか１項に記載のワイヤレスマウスにおいて、該圧電素子に接続される送信用電極、とＧＮＤ電極の代わりに、赤外線ＬＥＤを接続し、圧電素子による発電電力のみで赤外線ＬＥＤを駆動したワイヤレスマウス。