(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が封入されたチャンバと、このチャンバに前記流体を出し入れする流体通路となる絞り管路と、人が手指で操作することで前記チャンバの容積を直接的または間接的に変化させて前記絞り管路を通して前記チャンバに前記流体を出し入れする操作機構と、前記チャンバ内の圧力に応じた電気信号を発生する操作情報生成手段と、この操作情報生成手段の出力信号をホスト装置に伝達するための送信回路と、前記絞り管路における前記流体の流通のしやすさを電気的に可変制御する流通抵抗可変手段と、前記ホスト装置から与えられる操作感覚制御信号を受けて前記流通抵抗可変手段を駆動する受信回路とを備えたことを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項２】
請求項１において、前記操作機構は、２次元に動く操作レバーと、この操作レバーの２次元の動きを２つの軸方向の変位に分解する連動機構とを含んでおり、この２軸の変位のそれぞれに対応して、前記絞り管路のついた前記チャンバと、前記操作情報生成手段と、前記送信回路と、前記流通抵抗可変手段と、前記受信回路とが２系統組み込まれていることを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記絞り管路の一部に圧電アクチュエータが組み込まれており、前記流通抵抗可変手段はこの圧電アクチュエータの変位により前記絞り管路の流路面積を変化させることを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項４】
請求項１または２において、前記流体は電気粘性流体であり、前記流通抵抗可変手段は、前記絞り管路中の前記電気粘性流体に電圧を印加してその部分での当該流体の粘性を変化させることを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項５】
請求項１または２において、前記チャンバはシリンダとピストンから構成され、前記操作機構には人が操作するレバーがあり、その操作レバーの動きに連動して前記ピストンが変位することを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項６】
請求項１または２において、前記チャンバを構成している外殻の一部が膜状の弾性体からなり、その弾性体外殻が直接的に人により操作されて弾性変形し、前記チャンバの容積が変化することを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項７】
請求項１または２において、前記チャンバを構成している外殻の一部が膜状の弾性体からなり、その弾性体外殻が前記操作機構のレバーを介して弾性変形し、前記チャンバの容積が変化することを特徴とするマンマシン・インタフェースの入力装置。
【請求項８】
請求項１または２において、前記操作機構に人の操作力が加わっていない状態では前記操作機構を原点位置に戻すとともに前記チャンバ内の流体容量を初期値に戻すための原点復帰手段を備えたことを特徴とするマンマシンインタフェースの入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は情報処理装置などをホスト装置として、それを操作する人とのマンマシン・インタフェースに関するものである。より具体的にはマンマシン・インタフェースの入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報処理装置におけるマンマシン・インタフェースの入力装置としてはマウスやジョイスティックなどのポインティング・デバイスがある。ポインティング・デバイスはディスプレイに表示されたカーソルやゲームの主人公などを自在に移動させたり、表示画面中の絵要素に対して何らかの指示を与えることができる。そのために、ポインティング・デバイスはボールやレバー、あるいは入力ボタンなどの操作機構を人が操作するのに伴って発生する物理的変化を検出し、操作情報生成手段がその移動や指示の操作状態を電気信号に変換している。そして、この電気信号は送信回路を介してホスト装置が認識できる情報として転送される。ホスト装置は受け取った操作情報に応じて情報処理を行い、その結果をディスプレイに出力する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ポインティング・デバイスは、ディスプレイ上の表示画面と直接的に情報をやりとりする感覚でホスト装置に情報を入力することができる。しかし、画面の表示状態の変化やカーソルの移動速度を速くするなどの操作状況の変化に対してポインティング・デバイスの操作感は常に一定である。そのため、操作とそれに対する画面の表示状態などホスト装置の出力とに一体感が無い。この一体感の欠如は、操作に対する現実感を欠乏させる。その結果、人と機械を疎遠なものとしてしまう。そのため、初心者など装置の操作が未熟な者にとっては操作法などを覚えるのに大変な労力を要するばかりか、操作法の修得すら放棄しかねない。また、熟練者であっても操作に対する感覚が慢性化し、作業に対して空虚感を抱くようになる。コンピュータなどの各種情報処理装置が生活の一部として使用されるマルチメディア時代を迎えるにあたって、マンマシン・インタフェースに要求されることは機械との一体感であることは言うまでもない。そこで、本発明は情報処理装置などのホスト装置でのマンマシン・インタフェースにおいて、出力画面などのホスト装置の情報出力と操作する人との一体感を達成し、現実感あふれる操作感覚を与えることが可能な入力装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるマンマシン・インタフェースの入力装置は、流体が封入されたチャンバとこのチャンバに前記流体を出し入れする流体通路となる絞り管路と、人が手指で操作することで前記チャンバの容積を直接的または間接的に変化させて前記絞り管路を通して前記チャンバに前記流体を出し入れする操作機構と、この操作機構を人が操作するのに伴って発生する物理的変化を検出して電気信号に変換する操作情報生成手段と、この操作情報生成手段の出力信号をホスト装置に伝達するための送信回路と、前記絞り管路における前記流体の流通のしやすさを電気的に可変制御する流通抵抗可変手段と、前記ホスト装置から与えられる操作感覚制御信号を受けて前記流通抵抗可変手段を駆動する受信回路とを備えている。
【０００５】
より好ましくは、前記操作機構に２次元に動く操作レバーと、この操作レバーの２次元の動きを２つの軸方向の変位に分解する連動機構とを含ませるとともに、この２軸の変位のそれぞれに対応して、前記絞り管路のついた前記チャンバと、前記操作情報生成手段と、前記送信回路と、前記流通抵抗可変手段と、前記受信回路とを２系統組み込むことである。
【０００６】
前記流通抵抗可変手段は、前記絞り管路の一部に組み込まれた圧電アクチュエータの変位により前記絞り管路の流路面積を変化させている。
または、前記流体に電気粘性流体を使用し、前記絞り管路中の前記電気粘性流体に適宜な電圧を印加して流体の粘性を変化させることによって流通抵抗を可変制御する仕組みとしてもよい。
【０００７】
前記チャンバは、シリンダとピストンから構成され、前記操作機構には人が操作するレバーがあり、その操作レバーの動きに連動して前記ピストンが変位し、容積が変化するようになっている。
あるいは、前記チャンバを構成している外殻の一部を膜状の弾性体とし、その弾性体外殻を人の操作により直接的に、または前記操作機構のレバー操作を介して間接的に弾性変形させることによって、前記チャンバの容積を変化させるようにしてもよい。
【０００８】
前記操作情報生成手段は、前記操作機構の機械的可動部分の位置または変位を検出することによって操作情報を生成している。
または、前記チャンバ内の圧力を検出することによって前記操作情報を生成するようにしてもよい。
【０００９】
さらに、前記操作機構は、人の操作力が加わっていない状態では前記操作機構を原点位置に戻すとともに前記チャンバ内の流体容量を初期値に戻すための原点復帰手段を備えさせることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
＝＝＝基本原理＝＝＝
図１は、本発明による入力装置１の基本原理を説明するための概念図である。空気や油などの流体２０がチャンバ１０に封入されている。チャンバ１０は物理的な外力によりその容積を変化させることができる。チャンバ１０には絞り管路３０が接続されている。絞り管路３０はチャンバ１０の表面積に比べて十分に小さな流路面積をもつ流体通路である。流体２０は絞り管路３０を通してチャンバ１０に出し入れされる。操作機構５０は人が手指で操作することで発生した物理的変化を外力としてチャンバ１０の容積を直接的あるいは間接的に変化させる機構である。そして、その容積変化にともなって流体２０が絞り管路３０を通じてチャンバ１０に出し入れされる。また、操作機構５０は操作情報生成手段６０に結合されている。この操作情報生成手段６０は、操作機構５０の操作状態に応じた物理的変化を検出して電気信号に変換する。この電気信号は入力装置１とホスト装置１００のインタフェース部である送信回路７０を介してホスト装置１００に伝達される。
【００１１】
一方、ホスト装置１００が適宜出力する操作感覚制御信号は、受信回路８０を介して流通抵抗可変手段４０に入力される。流通抵抗可変手段４０は操作感覚制御信号を駆動信号として、絞り管路３０内において流体２０の流通のしやすさを変化させる。その結果、チャンバ１０の容積を変化させるための操作機構５０の抵抗感が変化する。この抵抗感は操作機構を操作する人の操作感に反映される。
【００１２】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の第１の実施例による入力装置１とそれに接続されるホスト装置１００の関係を図２に示している。入力装置１はジョイスティックの形態を有したポインティング・デバイスである。ホスト装置１００はコンピュータであり、入力装置の操作に対する出力はコンピュータに接続されたディスプレイ１０１の表示画面のカーソルの動きに反映される。入力装置１は筐体上部に人が手指により操作するレバー５１が突き出ている。レバー５１はその基部を支点として自在に回動することができる。そして、レバー５１を倒した方向がディスプレイ１０１の表示画面での２次元上の方向に対応している。また、レバー５１を鉛直状態より倒したときの角度や角速度が画面上で動くカーソルの位置や速度に対応することにした。
【００１３】
前記入力装置１の構成を図３（Ａ）（Ｂ）に示している。（Ａ）は入力装置を上方から見たときの構成の概略図である。紙面法線方向手前にレバー５１が立っている。レバー５１の２次元平面上での動きはｘ、ｙの２つの軸方向に分解することにより検出される。そのために、ｘ、ｙ軸方向に沿ってチャンバ１０ａ、１０ｂが設置されている。同一軸方向のチャンバは絞り管路３０ａ、３０ｂにより接続されている。そして、チャンバ１０ａ、１０ｂはそれぞれｘ方向およびｙ方向の信号処理系に接続される。この信号処理系は前述した操作情報生成手段や送受信回路である。これにより、ｘ軸およびｙ軸方向のレバーの動きに対応した２系統のシステムを構成している。
【００１４】
ｘとｙの２軸のうちの１系統のシステムを側面から見たときの概略構成が図３（Ｂ）である。チャンバ１０は絞り管路３０により接続されている。チャンバ１０内には流体２０として適度な粘性を有する液体が封入されている。チャンバ１０はシリンダ部を構成し、内部で上下するピストン１１により流体２０が封入された部分の容積を変化させる。レバー５１を動かすとレバー５１に連結されたアーム５３が支点５２を中心にして従動する。アーム５３の端部は作用点５４となる。この作用点５４はピストン１１の頭部に接触していてレバー５１の動きに応じてピストン１１の頭部を押し下げる。
【００１５】
絞り管路３０の流路面積がチャンバの表面積に比べて極端に小さいので、流体２０が絞り管路３０へ押し出されるとき流体に流路抵抗が加わり、チャンバ１０内の圧力が上昇する。この圧力はチャンバ１０の内壁に設置されている圧電素子６１で検出され、圧力に応じた電圧を発生させる。従って、どのチャンバの圧電素子が電圧を発生させたかでレバー５１を倒した方向が検知され、その電圧値でレバー５１をどのくらい傾けたかがわかるのである。また、電圧値を適宜な時間ごとにサンプリングして電圧値の時間変化を検出することで、レバー５１を傾ける速度も検出している。圧電素子が発生する電圧波形は適宜に前処理されて、前述の送信回路を介して操作情報としてホスト装置に送られる。ホスト装置は受け取った操作情報に応じた操作感覚制御信号を発生させる。なお、操作情報および操作感覚制御信号はアナログ信号とディジタル信号のいずれの信号形式でもよいが、ディジタル信号を採用する場合には、前記信号処理系統Ａ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器を適宜に組み込むとになる。
【００１６】
一方、絞り管路３０は途中に流通抵抗可変手段４０が組み込まれている。この流通抵抗可変手段４０は管状の圧電アクチュエータで構成されていているオリフィスである。圧電アクチュエータは受信回路を介して受け取った操作感覚制御信号に応じて管路の軸に対し放射状に変位する。これによりオリフィスの流路面積が可変制御される。なお、圧電アクチュエータを管状にしないでオリフィスの一部に組み込み、この部分だけを変位させて流路面積を可変制御してもよい。この実施例では、レバー５１を大きく傾けるほど、あるいは素早く動かすほど圧電アクチュエータの変位が大きくなるように制御されている。
【００１７】
さらに、この実施例では、レバー５１から手をはなしたとき、レバー５１を元の鉛直状態に戻すとともに、チャンバ１０の容積を初期状態に戻す原点復帰手段も有している。この原点復帰手段は、レバー５１を四方より引っぱるように設置されたバネ９０復元力を利用することにより達成される。なお、バネをピストンの頭部とチャンバの上部との間に設置してもよい。この場合は、バネが初期状態になるまでピストンを押し上げたり引き下げたりすることによって、チャンバの容積を復元させる。
【００１８】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
第１の実施例の変形例として図４に第２の実施例を示す。図４は前記流通抵抗可変手段の構成を説明するための概略図である。絞り管路３０のオリフィスには流体２０を挟み込むように対向配置された２つの電極４１が組み込まれている。そして、チャンバに封入される流体２０は電気粘性流体（以下、ＥＲＦ）である。また、この流通抵抗可変手段を駆動するために専用の電源４２が用意されている。ＥＲＦの電圧−粘性特性の概略を図５に示す。対向する電極４１、４１間にＥＲＦ２０が介在するとき、電圧値が高くなるとそれにつれてＥＲＦ２０の粘性が増大する。すなわち、絞り管路３０内の電極４１、４１間に操作感覚制御信号である電圧信号を印加するとＥＲＦの粘性が変化する。この特性を利用することによって流通抵抗を自在に可変制御することができる。ＥＲＦによる流通抵抗可変手段を駆動するための高電圧に対応したＥＲＦ駆動用電源４１が用いられる。
【００１９】
さらに、ＥＲＦは電極４１、４１間を流動するとその流速に応じた電流が流れるという特性も有している。この特性を用いて絞り管路３０内を流れるＥＲＦの速さを検出し、レバーの操作状態を検知することもできる。図６のグラフには、ＥＲＦの流速と電極４１、４１間に流れる電流値の関係を示した。
【００２０】
＝＝＝第１および第２の実施例におけるその他の実施例＝＝＝
前記２つの実施例において、レバーの操作状態を圧電素子を用いずにレバー操作に応じて従動するアームやピストンのストローク変化（位置、変位）を監視することによって検出してもよい。チャンバの上部を膜状の弾性体にして、アームがこの膜を撓ませることによりチャンバの容積を変化させるようにしてもよい。さらに、原点復帰手段をバネの復元力により自動的に行うようにしないで、図７に示すように、２つのチャンバ１０、１０間を絞り管路３０とは別の太いバイパス管路９１で接続してもよい。そして、バイパス管路９１の途中に設置したバルブ９２を手動または電動で開閉できるようにする。原点に復帰させたいときにそのバルブを全開にすると流体が素早く平衡状態に戻る。これに応じてチャンバの容積が復原し、レバーを原点位置に復帰させる。
【００２１】
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
本発明による入力装置の第３の実施例を示す。図８は第３の実施例における入力装置１の外観図である。この実施例において、入力装置１はマウスの形状を採用している。このマウス１は、底が平らなケースの上部にボタン５５ａ、５５ｂがあり、前端部には接続ケーブルが引き出されている。ケース底部にはボールが組み込まれている。これら通常のマウスの形態に加え、このマウス１の背部には表面が膜状の弾性体でできた弾性体パッド５６がある。この弾性体パッド５６はマウス１を握った手の平が常に接触する部分に設置されている。この弾性体パッド５６は前述したチャンバの外殻となっている。
【００２２】
図９は弾性体バッド５６の機能説明用の概念的な構成図である。チャンバ１０の外殻の上部が弾性体パッド５６になっている。この弾性体パッド５６を手の平などでへこますと、チャンバ１０内の流体２０が絞り管路３０を通してサブチャンバ１２に流入する。サブチャンバ１２内には圧搾空気９３が充填されていて、弾性体パッド５６をへこます手を離すとこの圧搾空気９３の圧力で流体２０をチャンバ１０に押し戻す。それにより、弾性体パッド５６の原型が復元される。チャンバ１０内には第１および第２の実施例と同様に圧電素子６１が組み込まれ、絞り管路３０には圧電アクチュエータを用いた可変オリフィスからなる流通抵抗可変手段４０が組み込まれている。そして、弾性体パッド５６のへこまし具合に応じて操作感覚制御信号がホスト装置からフィードバックされてくる。この実施例において弾性体パッド５６は例えば、ホスト装置において出力される音声のボリュームやディスプレイに表示される色の濃さなどアナログ的なパラメータを設定したり、あるいは、通常のマウス機能でカーソルを２次元（ｘ、ｙ軸）方向に移動させ、この弾性体パッド５６の機能で画面の奥行き（ｚ軸）方向に動かすようにして３次元上での位置の移動に使用したりすることを想定している。
【００２３】
なお、第３の実施例においても第２の実施例と同様に流体にＥＲＦを使用した構成でもよい。また、弾性体パッドによる入力機構をマウスのボタンに採用してもよい。
【００２４】
なお、本発明による入力装置により操作されるホスト装置はコンピュータなどの情報処理装置に限らず、ＴＶゲーム機などに応用して、ディスプレイに表示されたゲーム・キャラクタを操作してもよい。さらに、ロボットや各種制御機器あるいは輸送用機械など人により操作される機械であれば何れのものでもよい。また、入力装置の形態はそれぞれのホスト装置に応じて適宜選択される。そして、各種ホスト装置の動作を出力として、その出力を入力装置に操作感覚としてフィードバックするようにしてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によればマンマシン・インタフェースの入力装置の操作状況に応じて操作する人の手指に与える操作感を変化させることができる。これにより、入力装置で操作されるホスト装置との一体感が得られる。
【００２６】
さらに、第２の発明によれば、２次元方向の操作に対応することができる。
【００２７】
第３の発明によれば、機械的な可動弁機構を必要としないで流通抵抗を自在に制御することができる。このため、制御が容易となる。また、コストダウンを達成することもできる。
【００２８】
第４の発明によれば、流体通路内に対向した１対の電極を設置するだけの簡単な構造で流通抵抗を制御できる。
【００２９】
第５の発明によれば、チャンバに単純な構造のを付加するだけで、チャンバ容積をレバー操作に連動して自由に変化させることができる。
【００３０】
第６の発明によれば、操作する人の手の感触を直接チャンバの容積変化に反映させることができる。しかも、機械的な可動機構を用いないので信頼性が高い入力装置を廉価に提供することができる。
【００３１】
第７の発明によれば、レバー操作による入力装置においても機械的な可動機構を必要としないチャンバを達成できる。また、装置の小型化にも寄与する。
【００３２】
第８の発明によれば、入力操作の状態を複雑な情報処理をすることなく検出することができる。
【００３３】
さらに、第９の発明によれば、操作状態を電気信号として直接検出することができる。このため、構成が簡単になる。
【００３４】
第１０の発明によれば、チャンバの容積を初期状態に復帰させることができるため、操作する人が容易に原点位置を確認できる。連続した操作もやりやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による入力装置における基本原理を示した構成図である。
【図２】本発明による入力装置において、第１の実施例を含む情報処理システムの概略を示した構成図である。
【図３】上記第１の実施例における入力装置の機能を説明するための概略構成図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は側面図である。
【図４】本発明による入力装置において、第２の実施例の流通抵抗可変手段の概略構成図である。
【図５】上記第２の実施例における電気粘性流体の電圧と粘性の関係の概略を示した特性図である。
【図６】上記第２の実施例における電気粘性流体の電流と流速の関係の概略を示した特性図である。
【図７】上記第１および第２の実施例において、原点復帰手段のその他の実施例の概略構成図である。
【図８】本発明による入力装置において、第３の実施例の外観図である。
【図９】上記第３の実施例における弾性体パッドの機能を説明するための構成図である。
【符号の説明】
１  入力装置
１０、１０ａ、１０ｂ  チャンバ
２０  流体
３０  絞り管路
４０  流通抵抗可変手段
５１  レバー
９０  バネ
１００  ホスト装置
【図１】
0003995752.tif 000002
【図２】
0003995752.tif 000003
【図３】
0003995752.tif 000004
【図４】
0003995752.tif 000005
【図５】
0003995752.tif 000006
【図６】
0003995752.tif 000007
【図７】
0003995752.tif 000008
【図８】
0003995752.tif 000009
【図９】
0003995752.tif 000010