転動型入力装置と触感連動型プログラム
【課題】 タッチパネルを装備した既存の機器に着脱可能に装着するか、指に装着して使用することで、タッチパネルの操作に反発力の触感を付加することのできる転動型入力装置と、その反発力と連動するようにプログラムを動作させることで、プログラムの実行状況を反発力を通じて触覚的に把握したり、指が感じる力とゲームシーン内の力が連動して臨場感を高めたりすることのできる触感連動型プログラムを与えること。
【解決手段】 指とタッチパネルの間に転動する転動体を介在させ、転動体が潰れるように変形したり、転動したりする際に反発力を指に与えるようにし、タッチパネルの接触位置検出手段を利用して、これらの反発力を推定し、推定された反発力と連動してプログラムが動作するようにした。
【解決手段】 指とタッチパネルの間に転動する転動体を介在させ、転動体が潰れるように変形したり、転動したりする際に反発力を指に与えるようにし、タッチパネルの接触位置検出手段を利用して、これらの反発力を推定し、推定された反発力と連動してプログラムが動作するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触感に基づき操作するユーザインターフェイスやゲームに用いる入力装置とプログラムに関する。
【０００２】
近年、タッチパッド、タッチパネル、タッチディスプレイといった指やスタイラスでタッチして操作する接触位置検出装置（以下タッチパネルと総称する）が普及している。こうした装置では指や器具でタッチパネル表面を接触することによって接触地点の座標を入力する。本発明では、指とタッチパネルの間に転動体と呼ぶ機構を介在させて、単に座標を入力することに留まらず、ダイヤルやホイール、あるいはボタンや十字キー、キーボード等の入力デバイスの触感を与えながら、これらのデバイスの機能を兼ねて、さらにゲームの遊戯内容に即した反力（反発力）や凹凸感を指に返しながら、ゲームの進行をコントロールする多様な情報入力を行うための装置とプログラムを与える。タッチパネルの表面は平坦、リジッドであるため、タッチしても位置や反応を知るための特段の触感がないが、前記転動体を介在することによって、反発力や凹凸感といった触覚刺激を操作中の指に加え、これらの触覚刺激に連動させてプログラムを動作させることにより、操作位置や応答を触覚を通じて確認しながら、直感的に分かりやすく、プログラムやゲームを操作できるようにする。
【背景技術】
【０００３】
従来、タッチパネル表面には指やスタイラスと呼ばれるペン状の器具で接触して座標情報を入力していた。しかしながら、いずれの場合にも、触覚的手掛かりが不足していたため、接触位置を視覚的に確認する必要があり、また接触した結果、正しく入力が行われているか確認する場合にも、視覚や聴覚を通じて確認する必要があった。
【０００４】
この問題に対処するため、本発明では、視覚や聴覚だけではなく、触覚を通じて、接触位置等の入力内容や入力に対する反応を確認できるようにして、ユーザインターフェイスやゲームの操作性や臨場感を向上することを目的とし、指とタッチパネルの間に介在する入力デバイスとその入力デバイスを効果的に利用した触感連動型プログラムを与える。従来から各種の触覚フィードバックデバイスが開発されているが、タッチパネルと指の間に介在するデバイスを通じて上記問題を解決しようとする試みは従来なく、この点に本発明の新規性がある。
【０００５】
本発明に関連する特許文献を以下に示す。
【特許文献１】特開平９−１２８１４９号公報
【特許文献２】特開２００１−３０６２３８号公報
【０００６】
特許文献１と２では、タッチパネル上でローラ状の転動体を転がす操作によってデータや指令を入力する方法が示されている。しかしながら、いずれの手法も転動体を情報入力の手段としてのみ用いており、触覚的手掛かりを付加する手段としては利用しておらず、そのための工夫も与えられていなかった。
【０００７】
それに対して本発明では転動体を指に凹凸感のみならず、反発力を加える手段として用いており、こうした触覚的手掛かりに同期してプログラムが動作するようにすることによって、プログラムの動作を触覚を通じて確認できるようにして、ユーザインターフェイスの操作性やゲームの臨場感を向上している。また本発明では、それ自体が単独に機能していて、指やスタイラスによっても操作できるタッチパネルに、転動型入力装置を必要に応じて別途装着したり、指側に装着したりして使用する。そのためにタッチパネルまたは指に転動型入力装置を着脱可能とするための構造を設けているが、従来技術には、転動型入力デバイスをタッチパネルや指に着脱可能に装着する構造は見受けられない。このように既存のタッチパネルのセンサ機能（接触位置検出機構）を活用して転動を検出するようにすることで、転動型入力装置側のセンサ機能を省き、デバイスコストを大幅に削減することが可能になった。また本発明の一つの実施形態においては転動型入力装置を指に装着するための構造を設けているが、従来には転動型入力装置を指に装着してタッチパネルを操作するという発想自体が存在していなかった。従来のジョイスティック等には、見方によっては、位置検出機能を備えたセンサ上で、転動体とも解釈できる構造が動いてデータを入力しているものがあるかも知れないが、本発明と異なり、装置自体がセンサ機能を内蔵するため構造が複雑となりコストも高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上の状況に鑑みて考案されたものであり、触覚手掛かりが欠如していたタッチパネルの操作に対して、指とタッチパネルの間に特殊な器具を介在させることによって、操作中の指に反発力や凹凸感の触感を与え、これらの触感と同期するようにプログラムを制御することによって、ユーザインターフェイスの操作性やゲームの臨場感を向上させ、さらにタッチパネルのセンサ機能を活用することで低コストに実現することのできる転動型入力装置と触感連動型プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために考案された、本発明の請求項１に記載の転動型入力装置は、それ自体が単独で機能するタッチパネルやタッチスクリーン、タッチディスプレイといった接触位置検出手段を備えたパネルに、転動体部分がパネル上に来るように着脱可能に装着され、該パネルに直接的または間接的に接触しながら転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えたことを特徴とする。ここで間接的に接触するとは、転動体とパネルの間に容易に変形する膜や布などを介在して接触することを意味する。
【００１０】
また請求項２に記載の転動型入力装置は、指に装着されて、その指によって接触位置検出手段を備えたパネルに押し付けられて、該パネルに直接的または間接的に接触しながら指の動きと共に転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また請求項３に記載の触感連動型プログラムは、請求項１または２に記載した転動型入力装置と共に使われるプログラムであって、プログラム中に設定される量やベクトル（例えばカーソル動作速度や方向やスクロール量やスクロール方向、その他所定のパラメータの値を定める量やベクトル）や、ゲーム内の仮想的に設定されたオブジェクトに加える仮想的な力の大きさや方向等を定める変数やベクトルの値を、前記反発力の大きさまたは方向に関連付けて（例えば、両者の大小関係や方向に対応が取れる様に、あるいは大きさや角度が概比例するように）定めることを特徴とする。
【００１２】
また請求項４に記載の触感連動型プログラムは、請求項３に記載の触感連動型プログラムにおいて、前記反発力の大きさまたは方向を、前記接触位置検出手段が検出する接触位置に基づいて算出することを特徴とする。
【００１３】
また請求項５に記載の転動型入力装置では、請求項１または２に記載の転動型入力装置において、その転動体が指から加わる力に応じて変形する機構または素材で構成され、この変形の程度に応じて、元の形状に復帰するように反発力を生成する手段または弾力性を備え、かつこの変形の程度をパネルが備えている接触位置検出手段を通じて入力することを特徴とする。例えば、抵抗膜方式や静電容量方式のタッチパネルの中には、複数の点で同時にパネルに接触すると、それらの接触点に接触面積を加味した重心位置を接触位置として検出するものがある。こうしたパネルでは、パネル上の一点に一定の面積で基準用接触子が接触しながら、別の一点において転動体がパネルと直接的または間接的に接触し、その接触面積の大きさが転動体の変形の程度に応じて変わると、変形の程度によって接触している二点の重心位置が変わるので、パネルが検出する重心位置を通じて変形の程度を検出することが可能になる。
【００１４】
さらに請求項６に記載の触感連動型プログラムは、請求項５に記載した転動型入力装置と共に用いられるプログラムであって、プログラム中の所定の変数値を前記変形の程度に関連付けて定める（例えば概比例するように定める）ことを特徴とする。
【００１５】
最後に請求項７に記載の転動型入力装置では、請求項１に記載の転動型入力装置において、転動体の上部表面の指と接する部分に、転動体の転動方向と直交する方向に回転または揺動する手段（以下、単に回転体という。）を設けたことを特徴とする。転動体下部の表面を転動する方向（前後方向）にだけでなく、それと直交する方向（左右方向）にも湾曲した曲面とすると、前記回転体に指を当てて、回転体を回転させながら指を左右に動かすと、転動体上の指で加圧する位置が左右方向に変化するので、転動体下部の左右方向に湾曲した曲面がパネルと接触する位置が左右方向に変わり、この左右方向の接触位置の変化でもって、転動体上の指の左右方向の運動を検出することができる。こうして指の多様な運動を区別して多様な情報を入力できるようになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、既存のタッチパネルのセンサ能力を活用することで、センサ機能を省いてコストを大幅に削減できる、着脱式または指装着式の転動型入力装置を与え、その転動量や変形量を反発力を通じて操作者にフィードバックする機構を付加し、その反発力と連動して動作するプログラムを用いることによって、操作者が操作内容や操作量を反発力の大きさや方向を通じて触覚的に把握できるようにし、ゲームプログラム等のオブジェクトに加える力の大きさや方向と反発力の大きさや方向を関連付けることで、ゲームプレイ時の臨場感を向上した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の転動型入力装置は、それと別個に用意されている接触位置検出手段を備えたパネルと組み合わせて使用する。以下、接触位置検出手段を備えたパネルをタッチパネルと呼ぶことにする。本発明の請求項１に係る転動型入力装置８０は、着脱可能に装着する機構を通じて、タッチパネル２を備えた別個の装置に必要に応じて取り付けて使用する。例えば図８に示す構成例では、転動型入力装置８０は、転動体１、この転動体をタッチパネル２から所定の間隔をあけて設置するためのアーム５、アーム５と転動体１とを繋ぐバネ４、およびアーム５の一端に設けられタッチパネル２へ固定するための基部６で構成されている。この転動型入力装置８０のアーム５の基部６を、タッチパネル２を備えた別個の装置１００に設けられたスロット７に挿入することによって、転動型入力装置８０を装着し、基部６をスロットから抜き出すことによって、転動型入力装置８０を取り外すことができる。なおアーム５はＵ字型に曲がって、タッチパネル２の面上にせり出しており、アーム５の先端からバネ４を通じて転動体１の両端を両側に引っ張り、転動体１をタッチパネル面から所定の高さで宙吊りにし、バネ４の張力によりタッチパネル面と転動体下部面の間には所定の間隙が保たれている。
【００１８】
ここでタッチパネル２は、電極間の接触関係を通じて加圧位置を検出するようにマトリックス状に配列した電極や、接触位置に応じて抵抗値を変える抵抗膜、静電容量の変化を通じて指の接近位置を検出する電極配列等によって構成され、その表面上で転がる転動体１が直接的または間接的にパネルに接触する位置を検出する。静電容量型タッチパネルを利用する場合には、それに接触する転動体や膜が適当な誘電率や導電率を備えていることが望ましい。以下に示す構成例の中では、図１０のみが転動体が間接的にパネルに接触する構成例を示しており、それ以外はすべて直接的に接触する例になっている。直接的に接触する場合には、転動体下部８の表面はタッチパネル２の表面に直接接触するが、間接的に接触する場合には、転動体はゴムや布のように柔軟性を備えた素材でできた膜や帯を間に介してタッチパネルに接触する。図１０の構成例では、シリコンゴム膜５０がタッチパネル２の表面から所定の間隙を隔てて張られており、指で押された転動体３１は転動するにつれて異なる位置でシリコンゴム膜を押して、押されて変形したシリコンゴム膜がタッチパネルに接触して、接触位置（５１、５２）の情報が入力する。
【００１９】
図１、５、６、９の構成例では、転動体（ビア樽型転動体１、及び球状転動体３１、車輪付転動体７５）をバネ４やゴム２０等の弾性のある紐でパネル上に吊るすことで、パネル２から所定間隔をもって支持し、指で転動体の所定位置を加圧してパネルに押し付けることで転動体の下部面をパネルに接触させる（図２（ａ）（ｄ））。そしてパネルに押し付けたまま指を動かすことで転動体を転がすように回転させて接触位置が移動するようにする（図２（ｂ）（ｅ））。さらに必要に応じて転動体上で加圧する位置を変えたときに転動体が傾斜する構造とし、この傾斜によって転がり方向と直交する方向にも接触位置が変わるようにする（図４（ｂ）（ｄ））。あるいは転動体下部を半球状とし、転動体上部に接する指で前後左右に動かして転動体を揺すると下部半球面がパネル上で転がり、両者の間の接触位置が前後左右に動くようにする（図９〜１２）。
【００２０】
以上のように転動体が転がるにつれて弾性を持つ紐が引っ張られて伸びるが、この紐が元の長さに戻ろうとする力で転動体を復帰するように反発力が働くようにする。これが反発力生成手段となる。そしてこの反発力と連動・同期するようにプログラムを制御することによって、操作者は、反発力を通じてプログラムの動作状況を把握することができる。また反発力の大きさや方向を通じて、自分が加えている操作が正しいか確認して、加える力の大きさや方向を調整することができる。ここで上記の紐は図５の２０のように２本を並べて張るようにして転動体を吊るすと、転動体１から指を離して中立状態に復帰した時に、常に転動体の同じ面がパネル側を向くように転動体の姿勢を維持することができる。図１のように一本のバネを用いて反発力を生成しようとすると、バネを使用しているうちにその構成材が疲労等により変形し、当初の中立点に復帰できなくなる場合がある。一方、図５に示すように転動体の両端のそれぞれを２本のシリコンゴムの紐で引っ張る方式では、転動体を確実に中立点に復帰することが可能であり、反発力も確実に生成できるので、反発力生成手段としてより有効に機能する。
【００２１】
具体的に図１の構成例では、パネル２の面上に突き出ている支持用アーム５にビス９でつながったバネ４で転動体下部８の両端をそれぞれ左右に引っ張ることで転動体をパネル２上に吊り上げている。ここで転動体下部８の表面とタッチパネル２の表面の間には微小な空隙が空いている。また転動体には隆起３を設けて触覚的に指で触れている位置を確認できるようにしている。図２に転動体を指で転がす様子を示すが、まず（ａ）のように転動体の中央部を指で押すと、横側面図（ｄ）に示すように転動体下部はタッチパネル２に１１の位置で接触する。（ｄ）（ｅ）（ｆ）から分かるように転動体下部のパネル接触部の断面形状は円弧になっているため、転動体をタッチパネル２の表面に押し付けたまま指を前後方向に動かすと、転動体は所定の角度の範囲内で前後に転がり、タッチパネルとの接触位置は（ｅ）の１１及び（ｆ）の１２の位置に移動する。（ｂ）に示すように転動体をタッチパネルに押し付けたまま転動体を黒矢印の方向に転がすと、バネ４が伸びて、それを戻すように白矢印の方向に反発力Ｆ１が発生する。このときの移動量Ｄの長さに依存して反発力Ｆ１の大きさが定まるので、長さＤをタッチパネル２の位置検出手段８２を通じて計測することで、反発力Ｆ１の大きさを求めることができる。同様に転動体を逆方向に転がした時の様子を（ｃ）（ｆ）に示すが、この場合には反発力Ｆ１の方向は逆になり、その大きさはやはり移動量Ｄの長さに依存して定まる。
【００２２】
図３には、図１の転動型入力装置８０において、転動体の上部１を下部８に対して図の左方向にスライド移動させて、転動体下部８とタッチパネルの接触点をスライド移動前の（ｂ）の１１からスライド移動後の（ｃ）の１３に移動する様子を示している。転動体の形状において重要な点は、転動体下部の表面形状がラグビーボールの曲面の形状をしており、転動する方向だけでなく、それと直交する方向にも表面が湾曲しており、タッチパネルとの接触点が１つに制限されることである。そしてこのように転動方向と直交する方向にも転動体下部表面が湾曲しているために、（ｃ）のように指を転動体上部１に乗せたまま１４の矢印の方向に動かすと転動体上部１は下部８に対してスライド移動し、指から転動体に加わる圧力の重心点も１４の方向に移動して、転動体下部８とパネルの接触点は１１から１３へ移動する。このスライド移動は操作者が指で黒矢印１４の方向へ力を加えることによって起こり、指を離せば転動体上部１は転動体内部に仕込まれたバネの働きで元の位置に復帰する。またこのバネが指に図の白矢印の方向へ反発力Ｆ３を加える反発力生成手段として機能する。
【００２３】
図４では、指が最初に転動体に触れる際に、（ａ）に示すように転動体上部の隆起部分３の位置に触れ、（ｂ）に示すように転動体を押し下げてその下部をタッチパネルに接触させた後で（ｃ）のように指を１７の矢印の方に動かしている。ここで隆起部分３は操作者に指の位置に関する触覚的な手掛かりを与えるために設けられている。この場合にも、転動体下部８の表面がラグビーボール状に湾曲していることが重要であり、そのために転動体下部８は指から転動体に加わる力の重心点１５においてタッチパネルに接触することになる。また（ｃ）のようにさらに指を１７の方向に動かすと転動体上部１は下部８に対してスライド移動して、重心点と共に接触点も１６へ移動する。そして指には反発力Ｆ３が加わることになる。
【００２４】
図５の構成例では、図１と同様の転動体をバネ４の代わりにシリコンゴム２０でタッチパネル２の上に引っ張って吊るしている。ここで２２はシリコンゴムの紐を抑えて止めるための板であり、２３はその板を留めるビス、そして２１はフレームである。図５のように転動体の両端のそれぞれに２本のシリコンゴムを付けて引っ張ると中立時に転動体の姿勢を一定に保ちやすい。
【００２５】
本発明の請求項７に係る転動型入力装置８０は、転動体の上部表面の指と接する部分に、前記転動体の転動方向と直交する方向に回転する回転体を設けている。こうすると指は転動体上面に接触したまま、転動体を前後に転動させることで前後に動くことができるし、また同時に回転体を左右に回転させることで左右に動かすこともできる。指が転動体上を左右に移動して指から転動体に加える加圧点の位置が左右に移動すれば、転動体下面が左右に湾曲した曲面である場合に、転動体とタッチパネルの接触点の位置も左右に移動する。従って、指で転動体をタッチパネルに押し付けたまま、回転体の回転によって指を左右に動かすと、タッチパネルへの接触点は転動体とパネルが接触したままの状態で左右に移動し、そのことでもって、指を回転体上で左右に動かす運動を他の運動と区別して検出して、その操作に応じた指令やデータを入力することができる。例えば、図６の構成例では、図１や図５で用いていた転動体上部１を下部８に対してスライド移動させる機構の代わりに、車輪７１を導入し、転動体上部に設けた回転軸７２の周りに車輪７１が回転するようにして、車輪上に乗せた指が転動体をタッチパネル２に押し付けるように下方向に力を加えながら、車輪の回転方向（転動体の転動方向と直交する方向）に動くことができるようにしたものである。こうして指を転動体上に乗せたまま、車輪の回転方向に動かすと、転動体に指から加わる力の重心位置も指と共に移動して、転動体下部８とタッチパネル２との接触点は転動方向と直交する方向に動く。こうしてタッチパネルとの接触点を転動方向（転動体の転動方向）とそれと直交する方向（車輪７１の回転方向）のいずれにも自在に動かすことができるようになる。
【００２６】
ここで車輪を転動体に設置する方法には、図７の（ａ）（ｂ）に示す方法と、（ｃ）（ｄ）に示す方法がある。（ａ）（ｂ）に示す方法では車輪の回転軸７２の軸受７０は２つの車輪７１ａと７１ｂに挟まれている。そのため指で車輪を回す時に指は軸受にぶつかりにくい。一方、（ｃ）（ｄ）に示す方法では、車輪７１の回転軸７２の軸受７０は車輪の外側にあるため、車輪上で指を動かす際に指が軸受にぶつかり易くなる。
【００２７】
以上の構成例では転動体としてラグビーボール形状のものを用いていたが、図９に示す構成例では転動体３１は球形状をしている。球形状であれば、転動体上部が下部に対してスライド移動する機構を導入しなくとも、また転動体上部に車輪を設けなくとも、球自体が前後左右に転動することで、タッチパネル上の接触点を２次元的に動かすことができる。図９の構成例ではボール３１のみならずアーム３３もアームと転動体をつなぐ紐３２もいずれも柔軟に変形するシリコンゴムによって一体成型されている。そのためボール３１を転動させるときにはアーム３３と紐３２が変形してボールの姿勢が変わり、変形したシリコンゴム素材が元の形状に戻ろうとする際に転動に対する反発力が発生し、それが反発力生成手段として機能することになる。
【００２８】
以上までの構成例では転動体は、その両端をバネやシリコンゴムで両側に引くことによって、タッチパネル上で吊上げるようにして支持していた。一方、図１０には、それと異なる転動体の支持方法を示す。図１０には、ボール状の転動体３１を縦に割った断面図を示している。このボール状転動体３１にはその底部から円柱状の穴が開けられており、その中にバネ４４が収納されている。バネの上端は円柱状の穴の上部に取り付け金具４５で取り付けられている。またバネの下端は、シリコンゴム膜５０に取り付け部材４１を介して接続されている。シリコンゴム膜５０はタッチパネル２のパネル表面から一定の間隙をおいて張られており、指でボール状転動体３１の上部を下方向に押すと（ｂ）のようにシリコンゴム膜が変形し、ボール状転動体下部は、間にシリコンゴム膜や取り付け部材４１を挟んで、タッチパネル２に５１の位置で接触する。また（ｃ）に示すように指でボール状転動体３１をタッチパネル２に押しつけながら、指を図に向かって左方向に動かすと、バネ４４が伸びた上で、ボール状転動体３１は左側に転動し、押されて変形したシリコンゴム膜を介して、５２の位置でタッチパネル表面に接触する。この際にバネ４４は元の長さに戻ろうとして、反発力Ｆ１が図中の矢印の向きに指に加わり、これがこの方式の反発力生成手段として機能する。この反発力の大きさは、タッチパネル上の接触位置５２に基づき算出することができる。なお図１７に示すようにバネ４４の代わりに伸縮性のあるシリコンゴム７７を用い、これをやはりシリコンゴムでできた膜５０と一体形成し、７７の細くなった先端部７８を（ｃ）に示すようにシリコンゴムでできたボール状転動体３１の穴に通した後で、これを引っ張ることで、（ｄ）に示すように７７の膨らんだ部分７６をボール状転動体３１内部の空洞部７５に引きずり込んで７７と３１を接合し、その後で（ｄ）の破線７９で７８を切断することによって、低コストかつ簡易に（ａ）に示す構造を生産することができる。
【００２９】
本発明の請求項２に係る転動型入力装置８０は、転動体を指に装着する点に特色がある。請求項１に係る転動型入力装置８０では転動体をタッチパネル側に装着し、それを指で操作したが、請求項２に係る転動型入力装置８０では転動体を指側に装着し、タッチパネルに触れる際に指とタッチパネルの間に転動体を挟むようにして、転動体を介してタッチパネルに接触する。転動体は指に装着されていても、指の表面上で転動できる自由度を持つように、例えば、バネやゴム紐の弾力性によって指に引き付けるように固定される。そのような転動型入力装置８０の構成例を図１１に示す。ここでボール状転動体３１は図１０と同じ構造を持ち、図１０と同じ原理で取り付け部材４１を介して、指側に巻きつけたバンド４２ａに取り付ける。４３はバンドのバックル、バンド４２ｂは４２ａのバックル通過後の延長部分であり、図には含まれていないが、さらに、その延長上の端部はタッチパネル２の筺体につながり、転動型入力装置８０の紛失を防ぐとともに、タッチパネル筺体の落下を防ぐストラップとしても機能する。（ｂ）には（ａ）を親指先端側から見た側面図を示す。
【００３０】
図１２には、図１１のボール状転動体の断面と転動の原理を示す。（ａ）は親指の先端側から見た側面図で、ボール状転動体３１については縦に割った時の断面を示している。４２ｃは親指の周りをぐるりと巻いたバンドであり、このバンドに、取り付け部材４１を介してバネ４４の一端が取り付けられている。このバネはボール状転動体３１に開けられた円柱状の穴を通り、その他端が取り付け金具４５によって穴の底に接合されている。（ｂ）には親指の横方向から見た側面図を示す。４６は転動する前に転動体３１がパネル２と接触している点である。（ｃ）には指を横に動かしてボール状転動体を転動させたときの様子を、また（ｄ）には指を後方に動かしてボール状転動体を転動させたときの様子を示す。いずれの場合にも指の動きと共にボール状転動体が転動し、接触点が４７に移動している。またこのときにバネ４４が伸びて、それが縮んで元に戻ろうと指をＦ１方向に押す反発力を発生する。これが反発力生成手段として機能することになる。
【００３１】
請求項５に係る転動型入力装置８０では、転動体を叩いたり潰したりした時に転動体が変形し、その変形量に応じて反発力を生じる。例えば転動体のタッチパネルと接触する側の面をシリコンゴム等の柔軟性と弾力性を備えた材料で曲面状に形成すると、転動体に圧力をかけてタッチパネルに押し付けるときに上記曲面は潰れて、広い面積でタッチパネルに接触する。またそれが復帰しようとするときに指に反発力を返すようになる。またタッチパネルとの接触面積を通じて転動体の変形量や転動体に加わる圧力、及び指に返る反発力を算出できる。もちろん別に圧電素子などの圧力センサを用意して、タッチパネルに加わる圧力を検出して、そこから指に返る反発力を算出してもよい。転動体とタッチパネルの接触面積はタッチパネル側のセンサが検出する抵抗値や静電容量値、あるいは導通する電極の数等を通じて検出することができる。このような原理に基づく転動型入力装置８０を図１３に示す。ここで円形の断面５５は上述したラグビーボール状転動体の断面とみなしても良いし、ボール状転動体の断面とみなしても良い。いずれの場合にも転動体が中空のゴムなどで変形しやすい素材で形成されていると、（ａ）のように軽い力でパネル２に押し付けられている場合の転動体とパネルの接触点５６における接触面積は小さくなり、（ｂ）のように強い力で押しつけられて転動体が変形して潰れている場合の転動体とパネルの接触点５７における接触面積は大きくなる。また（ｂ）では押し潰された転動体５５が元の形状に復帰しようとして、反発力Ｆ２を発生する。この反発力の大きさは５７の接触面積を何らかの方法で計測することで算出できる。
【００３２】
例えば、抵抗膜方式のタッチパネルでは、同時に２点でタッチパネルに接触する場合に、それらの接触点位置に接触面積を重み付けて平均化した位置（重心位置）を接触位置として検出する。そこで５８に示すように、パネル上の一点に常に一定の面積で基準用接触子が接触しているようにしておくと、（ａ）のように５６の接触面積が５８の接触面積とほぼ同じであるときには、タッチパネルが検出する接触位置は、これらの２点の接触位置にほぼ同じ接触面積を重み付けて平均化して求まる重心位置、すなわち５６と５８のほぼ中間になる図中のＰの位置となる。また（ｂ）のように５７の接触面積が５８の接触面積よりも大きくなる場合には、タッチパネルが検出する接触位置は、これらの２点の接触位置のうち５７の方が大きな接触面積を重み付けられて重心位置が求められるため、５７側に寄った図中のＱの位置になる。このように接触面積の大きさが転動体の変形の程度に応じて変わると、変形の程度によって接触している二点の重心位置が変わるので、タッチパネルが検出する重心位置を通じて変形の程度を検出することが可能になる。
【００３３】
以上に述べてきた転動型入力装置８０ではいずれも、転動体をタッチパネルに押しつけながら指を動かすと、転動体を支持するバネやゴム紐が伸びて、転動体は指表面とタッチパネル表面に挟まれたまま、これらの両表面との接触点を変えながら転動する。この際にタッチパネル上の接触点を検出すれば、転動体の転動量を算出することができる。また転動する時にバネやゴム紐が伸びるため、これらが元の長さに戻ろうとして反発力が生じる。この反発力は、転動体がタッチパネルに接触してから、接触したまま転動して接触点が移動する際の接触位置の移動量（変化量）を通じて算出することができるので、反発力に同期するようにプログラムを制御することができる。請求項１に係る転動型入力装置８０では、接触位置の移動量で間接的に反発力を算出する代わりに、転動体を引っ張る紐の張力を力センサや歪センサ等で直接検出して反発力を算出することもできるが、請求項２に係る転動型入力装置８０は指側に装着するため、電力を供給したり、信号を通信したりすることが困難であり、上述したようにパネル側で検出できる接触点の移動量を通じて反発力を算出することが望ましい。
【００３４】
本発明の請求項３に係る触感連動型プログラムでは、上述したように算出される反発力とプログラム中の所定の変数値を連携させる（関連付けて定める）ことによって、反発力を通じて操作内容を把握できるようにしたり、ゲームの臨場感を向上したりする。すなわち操作者は転動体を転がす際に指の感じる反発力の大きさによって、プログラム中の所定の変数に設定している値がどの程度の大きさか分かるし、また反発力の方向を通じて、プログラム中の所定のベクトルの方向をどのように定めているのか把握することもできる。もちろんベクトルの代わりに角度を定める変数の値を反発力の方向に合わせて定めても良い。またゲームでは、例えばシューティングゲームでボールや玉をシュートする力の強さを反発力に関連付け、あるいはシュートする方向を反発力の方向に合わせて定めることで、指の感じる力とゲーム中のオブジェクトに作用する力が一致して臨場感を高めることができる。特にパチンコ等、現実にも弾性のある紐を引いたり、離した時の反発力やはじけたりする感覚が操作上重要となるゲームでは、本発明の転動型入力装置８０が生成する反発力が現実の反発力と類似したものとなるため臨場感は高くなる。
【００３５】
例えば、図１４にはバット６０でボール６１を打つゲームのシーンを示すが、バットを構えて引く際の角度やスイング量６２あるいはバットがボールを打つ強さ等を、転動型入力装置８０の転動量や転動型入力装置８０が指に返す反発力と大小関係の対応が取れるように定めると、ゲームのプレイヤーは指に加わる反発力を通じてバットを引く角度やボールを打つ力の強さを把握できる。すなわちゲームの中の力を現実の力で把握できるのでゲームの臨場感が高まる。また画面中のバットの角度を注視しなくとも、力の加減で触覚的にバットの角度やボールを打つ強さを把握できる。６３はボールの軌跡を示すが、ボールがバットに当たって跳ね返る時の速度やバットを振る力が、転動体を引いて放す時の速度や力に対応して定まるようにすると良い。またボールとバットが衝突するかどうかを、転動体を放す時刻と放す直前に指に加わっている反発力等に基づき決定すると良いが、これらの時刻と反発力はいずれもタッチパネルの接触状況・接触位置検出機能によって検出できる。
【００３６】
請求項６に係る触感連動型プログラムでは、図１３に示すように転動体に圧力を加えて変形させたときの変形量や反発力に連動させて（関連付けて）プログラム中の変数値を定める。例えば、ボクシングゲームやモグラたたきゲーム等でオブジェクトを叩いたり潰したりする要素がゲームのプレイ内容に含まれる場合には、請求項５に係る転動型入力装置８０を用いて、転動体を叩いて潰した時の変形量や反発力を検出し、その変形量や反発力の大きさに関連付けて、相手やモグラに与えるダメージ等の変数値を定めると、ゲームの内容と転動体に加える操作とが直観的に連携が取れるようになり、ゲームの臨場感が増すようになる。
【００３７】
図１８は、上述の転動型入力装置８０を用いてデータ入力を行うコンピュータ装置８９の機能ブロック図である。コンピュータ装置８９は、データを入力する入力部８５、入力したデータを用いて演算処理を実行する演算処理部８７、演算結果を出力する表示部８６、および、データを保存する記憶部８８で構成されている。また、入力部８５は、パネル８１と接触位置検出手段８２とで構成されるタッチパネル２と、このタッチパネル２を介してデータを入力する転動型入力装置８０とから構成されている。なお、コンピュータ装置８９は、汎用のパーソナルコンピュータでも良いし、専用のゲーム機などであっても良い。
【００３８】
次に、上記のコンピュータ装置８９の演算処理部８７で動作するプログラムの実施例について説明する。図１５と図１６には、本発明のプログラムの実施例のフローチャートを示す。これらは本発明の転動型入力装置８０と組み合わせて使用するプログラムの一実施例である。まず図１５にはメインプログラムのフローチャートを示すが、Ｓｔｅｐ １で転動体から指に加わる反発力に関連させて定める各種変数の値を初期化している。Ｓｔｅｐ ２では転動型入力装置８０から与える各種計測値Ｊ（例えば、直接計測した反発力、反発力に関わる転動体のタッチパネルとの接触位置を示す座標値やその変化量、転動体のタッチパネルとの接触面積等）へ周期的にアクセスし、Ｓｔｅｐ ３ではアクセスして得た値に基づいて、Ｓｔｅｐ １で初期値を定めた変数の値を周期的に更新する。またはＳｔｅｐ ３´では転動体とタッチパネルとの接触点の位置Ｐや接触面積Ｓから反発力の大きさや方向を算出し、その結果に基づきこれらの変数を更新する。次にＳｔｅｐ ４でプログラムＧ（図１６に示すような具体的なアプリケーションのプログラム）を実行するが、場合によってはＳｔｅｐ ３とＳｔｅｐ ３´を省き、Ｊの値に依存して直接プログラムＧを実行しても良い。プログラムＧを所定のステップ実行した後、Ｓｔｅｐ ５で終了条件が満たされるまでは、周期的にＳｔｅｐ ２に戻り、繰り返しＪの値をスキャンして、上記の手続きを繰り返す。
【００３９】
図１６には図１５のＳｔｅｐ ４に記載されていたプログラムＧの内容を示す。プログラムＧはアプリケーションの内容に依存して変わるが、転動体が指に与える反発力、あるいはそれに依存した何らかの検出量に連動するようにプログラムを動作させる点はアプリケーションに依存せずに共通で、本発明の本質的要素となるので欠けることはない。図１６に示すプログラムＧは、特に図１４に示したバットでボールを打つゲームに関するプログラムになっているが、ここではゲーム中のバットを引いて構える角度や、バットのスイングの加速度や速さ、ボールを打つ強さ、ボールの加速度や速さ、ボールの運動条件、ボールとバットの衝突条件等を転動体から指が受ける反発力と連動するように定めている。プログラムＧでは、まず図１５のメインプログラムから呼び出された後で、Ｓｔｅｐ Ｇ１で転動体のタッチパネルとの接触状況を確認する。転動体がタッチパネルと接触している場合には、転動体が指に加える反発力Ｆ１（これは転動体がタッチパネルに最初に接触してから接触したまま移動する量に基づき算出される）に基づきバットの構え時に引く角度を定める。続いてＳｔｅｐ Ｇ８で運動方程式などに基づきボールの位置を求め、Ｓｔｅｐ Ｇ２で決定したバットの角度も用いて、両者の衝突条件も調べた上で、ボールとバットを表示部８６の画面に表示する。
【００４０】
一方、Ｓｔｅｐ Ｇ１で転動体がタッチパネルに接触していないことが確認された場合には、Ｓｔｅｐ Ｇ３で、次の３つの手続きを各々の実行条件が満たされるか注意した上で実行する。（１）前時点にタッチパネルに転動体が接していた場合には、バットを振る運動をＦ１の大きさに応じた速度または加速度で開始し、バットスイング開始済フラグを１に設定する。（２）バットスイング開始済フラグが１になっている場合には、バットの運動を継続する。（３）前時点にタッチパネルに転動体が接しておらず運動開始フラグが０になっている場合には、ここでは何もせずに次のステップへ進む。このステップ後でＳｔｅｐ Ｇ４に進み、そこでバットスイング終了条件が成立するか確認し、例えばスイング開始後所定時間経ってバットを振り切ったことが確認された場合などには、Ｓｔｅｐ Ｇ５でバットスイング開始済フラグを０に設定する。またバットスイング終了条件が成立しない場合には、Ｓｔｅｐ Ｇ６でボール衝突条件が成立するか確認する。ボールとバットの運動状況を調べて、両者の衝突条件が成立する場合には、Ｓｔｅｐ Ｇ７で反発力Ｆ１とバットとボールの運動状況に基づき、ボールの運動条件を衝突後の運動条件に変更し、Ｓｔｅｐ Ｇ７で運動方程式等によりバットの姿勢やボールの位置などを求めて画面に表示する。またＳｔｅｐ Ｇ６で衝突条件が成立しなかった場合には、以前のボール運動条件のままＳｔｅｐ Ｇ８に入り、やはりボールとバットを画面に表示する。Ｓｔｅｐ Ｇ８終了後はメインプログラムに戻って、手続きを継続する。
【００４１】
なお以上に述べた転動型入力装置と触感連動型プログラムでは、転動体が指に加える反発量と併せて、振動生成器が生成する振動を用いることによって、一層触覚を有効活用してユーザインターフェイスやゲームの操作性や臨場感を向上することができる。例えば、この振動生成器は、転動体の転動角度が所定量に到達した時、または転動体のパネル上での接触位置が所定位置に到達したとき、あるいは反発力が所定量で発生するとき、ボールがバットにぶつかるなどプログラム中で所定の条件が満たされた場合、または外部機器からの所定の指令が与えられたときに振動して、手指に操作の達成やゲーム中の特定イベントの発生を通知するメッセージを振動によって通知するように構成しても良い。特にユーザインターフェイスにおいては、所定の操作が行われて入力が確かに受け入れられたことを操作者の触覚を通じて通知する目的に振動を使用すると良い。例えば転動体が所定の角度転がるたびに発生することもあるし、ディスプレイの表示内容に同期して、カーソルが目標地点に到達したとき等に振動するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の転動型入力装置の一実施例について、（ａ）は上面図、（ｂ）は前方側面図、（ｃ）は横側面図を示す。
【図２】図１の転動型入力装置の実施例で指を前後に動かして転動体を転がす様子と、その際に生じる反発力を示す図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は指で操作中の転動型入力装置の上面図で、（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ（ａ）（ｂ）（ｃ）に対応する横側面図である。
【図３】図１の転動型入力装置の実施例で指を左右に動かして転動体上部をスライド移動する様子と、その際に生じる反発力を示す図である。（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）前方側面図で、（ｄ）（ｅ）は（ｂ）（ｃ）に対応する横側面図である。
【図４】図１の転動型入力装置の実施例で、指で転動体の左側隆起部に触れてタッチパネルに転動体が接触するように押し付けた後、指を左右に動かして転動体上部をスライド移動する様子と、その際に生じる反発力を示す図である。（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）前方側面図で、（ｄ）（ｅ）は（ｂ）（ｃ）に対応する横側面図である。
【図５】図１の転動型入力装置の反発力生成手段を改良するため、バネの代わりに２本のシリコンゴム紐で転動体を吊るすようにした反発力生成手段を示す斜視図である。
【図６】図１の転動部の上部スライド機構の代わりに車輪を導入して、転動体をタッチパネルに接触するように押しつけながら指を左右に円滑に動かすことを可能とした転動体を示す斜視図である。
【図７】図６の転動体に車輪を設置する異なる方式を比較して示す図である。（ａ）は車軸受けを指に当たりにくくした構成、（ｂ）は車軸受けが指に当たりやすい構成の前方側面図であり、（ｂ）（ｃ）はそれぞれ（ａ）（ｂ）に対応する横側面図である。
【図８】本発明の転動体入力装置をパネルに着脱可能に取り付ける機構を示す側面図と上面図である。
【図９】球状転動体とそれを支持するアームと紐をすべてシリコンゴムで一体形成した転動型入力装置の実施例を示す斜視図である。
【図１０】タッチパネル上に張った弾性膜に球状転動体を一本のバネで引き付けるように留めることによって、球状転動体を前後左右のいずれの方向にも対称に同じ力で転動できるようにし、また反発力も等方的に生成されるようにした転動型入力装置を示す側面断面図である。（ａ）は中立状態、（ｂ）は転動体を下方に指で押した様子、（ｃ）は転動体を転動させた様子を示す。
【図１１】本発明の転動型入力装置のうちで指に装着するタイプを示す図である。親指にバンドで装着した様子で（ａ）は横側面図、（ｂ）は指の前方から見た側面図である。
【図１２】図１１に示した指装着型転動体を転動させる様子を示す図である。（ａ）はタッチパネルに接触して転動する前の様子、（ｂ）は転動後の様子を指の前方から見た側面図で示す。（ｂ）は（ａ）に対応する横側面図であり、（ｄ）は別の方向に転動させる様子を横側面図で示す。
【図１３】転動体を指で圧迫して変形させた際の変形量を転動体のタッチパネルとの接触面積の変化を通じて検出する手段を示す図である。（ａ）は変形前の様子、（ｂ）は変形後の様子をいずれも側面図で示す。
【図１４】バットでボールを打つゲームで画面に表示された１シーンを示す図である。
【図１５】触感連動型プログラムのメインプログラムの一例をフローチャートで示す図である。
【図１６】触感連動型プログラムのメインプログラムから呼ばれるアプリケーションプログラムの一例をフローチャートで示す図である。
【図１７】図１０に示す転動型入力装置を、バネの代わりに膜と一体になったシリコンゴムを用いて低コストに生産する方法を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態による転動型入力装置を利用するコンピュータ装置の機能ブロック図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触感に基づき操作するユーザインターフェイスやゲームに用いる入力装置とプログラムに関する。
【０００２】
近年、タッチパッド、タッチパネル、タッチディスプレイといった指やスタイラスでタッチして操作する接触位置検出装置（以下タッチパネルと総称する）が普及している。こうした装置では指や器具でタッチパネル表面を接触することによって接触地点の座標を入力する。本発明では、指とタッチパネルの間に転動体と呼ぶ機構を介在させて、単に座標を入力することに留まらず、ダイヤルやホイール、あるいはボタンや十字キー、キーボード等の入力デバイスの触感を与えながら、これらのデバイスの機能を兼ねて、さらにゲームの遊戯内容に即した反力（反発力）や凹凸感を指に返しながら、ゲームの進行をコントロールする多様な情報入力を行うための装置とプログラムを与える。タッチパネルの表面は平坦、リジッドであるため、タッチしても位置や反応を知るための特段の触感がないが、前記転動体を介在することによって、反発力や凹凸感といった触覚刺激を操作中の指に加え、これらの触覚刺激に連動させてプログラムを動作させることにより、操作位置や応答を触覚を通じて確認しながら、直感的に分かりやすく、プログラムやゲームを操作できるようにする。
【背景技術】
【０００３】
従来、タッチパネル表面には指やスタイラスと呼ばれるペン状の器具で接触して座標情報を入力していた。しかしながら、いずれの場合にも、触覚的手掛かりが不足していたため、接触位置を視覚的に確認する必要があり、また接触した結果、正しく入力が行われているか確認する場合にも、視覚や聴覚を通じて確認する必要があった。
【０００４】
この問題に対処するため、本発明では、視覚や聴覚だけではなく、触覚を通じて、接触位置等の入力内容や入力に対する反応を確認できるようにして、ユーザインターフェイスやゲームの操作性や臨場感を向上することを目的とし、指とタッチパネルの間に介在する入力デバイスとその入力デバイスを効果的に利用した触感連動型プログラムを与える。従来から各種の触覚フィードバックデバイスが開発されているが、タッチパネルと指の間に介在するデバイスを通じて上記問題を解決しようとする試みは従来なく、この点に本発明の新規性がある。
【０００５】
本発明に関連する特許文献を以下に示す。
【特許文献１】特開平９−１２８１４９号公報
【特許文献２】特開２００１−３０６２３８号公報
【０００６】
特許文献１と２では、タッチパネル上でローラ状の転動体を転がす操作によってデータや指令を入力する方法が示されている。しかしながら、いずれの手法も転動体を情報入力の手段としてのみ用いており、触覚的手掛かりを付加する手段としては利用しておらず、そのための工夫も与えられていなかった。
【０００７】
それに対して本発明では転動体を指に凹凸感のみならず、反発力を加える手段として用いており、こうした触覚的手掛かりに同期してプログラムが動作するようにすることによって、プログラムの動作を触覚を通じて確認できるようにして、ユーザインターフェイスの操作性やゲームの臨場感を向上している。また本発明では、それ自体が単独に機能していて、指やスタイラスによっても操作できるタッチパネルに、転動型入力装置を必要に応じて別途装着したり、指側に装着したりして使用する。そのためにタッチパネルまたは指に転動型入力装置を着脱可能とするための構造を設けているが、従来技術には、転動型入力デバイスをタッチパネルや指に着脱可能に装着する構造は見受けられない。このように既存のタッチパネルのセンサ機能（接触位置検出機構）を活用して転動を検出するようにすることで、転動型入力装置側のセンサ機能を省き、デバイスコストを大幅に削減することが可能になった。また本発明の一つの実施形態においては転動型入力装置を指に装着するための構造を設けているが、従来には転動型入力装置を指に装着してタッチパネルを操作するという発想自体が存在していなかった。従来のジョイスティック等には、見方によっては、位置検出機能を備えたセンサ上で、転動体とも解釈できる構造が動いてデータを入力しているものがあるかも知れないが、本発明と異なり、装置自体がセンサ機能を内蔵するため構造が複雑となりコストも高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上の状況に鑑みて考案されたものであり、触覚手掛かりが欠如していたタッチパネルの操作に対して、指とタッチパネルの間に特殊な器具を介在させることによって、操作中の指に反発力や凹凸感の触感を与え、これらの触感と同期するようにプログラムを制御することによって、ユーザインターフェイスの操作性やゲームの臨場感を向上させ、さらにタッチパネルのセンサ機能を活用することで低コストに実現することのできる転動型入力装置と触感連動型プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために考案された、本発明の請求項１に記載の転動型入力装置は、それ自体が単独で機能するタッチパネルやタッチスクリーン、タッチディスプレイといった接触位置検出手段を備えたパネルに、転動体部分がパネル上に来るように着脱可能に装着され、該パネルに直接的または間接的に接触しながら転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えたことを特徴とする。ここで間接的に接触するとは、転動体とパネルの間に容易に変形する膜や布などを介在して接触することを意味する。
【００１０】
また請求項２に記載の転動型入力装置は、指に装着されて、その指によって接触位置検出手段を備えたパネルに押し付けられて、該パネルに直接的または間接的に接触しながら指の動きと共に転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また請求項３に記載の触感連動型プログラムは、請求項１または２に記載した転動型入力装置と共に使われるプログラムであって、プログラム中に設定される量やベクトル（例えばカーソル動作速度や方向やスクロール量やスクロール方向、その他所定のパラメータの値を定める量やベクトル）や、ゲーム内の仮想的に設定されたオブジェクトに加える仮想的な力の大きさや方向等を定める変数やベクトルの値を、前記反発力の大きさまたは方向に関連付けて（例えば、両者の大小関係や方向に対応が取れる様に、あるいは大きさや角度が概比例するように）定めることを特徴とする。
【００１２】
また請求項４に記載の触感連動型プログラムは、請求項３に記載の触感連動型プログラムにおいて、前記反発力の大きさまたは方向を、前記接触位置検出手段が検出する接触位置に基づいて算出することを特徴とする。
【００１３】
また請求項５に記載の転動型入力装置では、請求項１または２に記載の転動型入力装置において、その転動体が指から加わる力に応じて変形する機構または素材で構成され、この変形の程度に応じて、元の形状に復帰するように反発力を生成する手段または弾力性を備え、かつこの変形の程度をパネルが備えている接触位置検出手段を通じて入力することを特徴とする。例えば、抵抗膜方式や静電容量方式のタッチパネルの中には、複数の点で同時にパネルに接触すると、それらの接触点に接触面積を加味した重心位置を接触位置として検出するものがある。こうしたパネルでは、パネル上の一点に一定の面積で基準用接触子が接触しながら、別の一点において転動体がパネルと直接的または間接的に接触し、その接触面積の大きさが転動体の変形の程度に応じて変わると、変形の程度によって接触している二点の重心位置が変わるので、パネルが検出する重心位置を通じて変形の程度を検出することが可能になる。
【００１４】
さらに請求項６に記載の触感連動型プログラムは、請求項５に記載した転動型入力装置と共に用いられるプログラムであって、プログラム中の所定の変数値を前記変形の程度に関連付けて定める（例えば概比例するように定める）ことを特徴とする。
【００１５】
最後に請求項７に記載の転動型入力装置では、請求項１に記載の転動型入力装置において、転動体の上部表面の指と接する部分に、転動体の転動方向と直交する方向に回転または揺動する手段（以下、単に回転体という。）を設けたことを特徴とする。転動体下部の表面を転動する方向（前後方向）にだけでなく、それと直交する方向（左右方向）にも湾曲した曲面とすると、前記回転体に指を当てて、回転体を回転させながら指を左右に動かすと、転動体上の指で加圧する位置が左右方向に変化するので、転動体下部の左右方向に湾曲した曲面がパネルと接触する位置が左右方向に変わり、この左右方向の接触位置の変化でもって、転動体上の指の左右方向の運動を検出することができる。こうして指の多様な運動を区別して多様な情報を入力できるようになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、既存のタッチパネルのセンサ能力を活用することで、センサ機能を省いてコストを大幅に削減できる、着脱式または指装着式の転動型入力装置を与え、その転動量や変形量を反発力を通じて操作者にフィードバックする機構を付加し、その反発力と連動して動作するプログラムを用いることによって、操作者が操作内容や操作量を反発力の大きさや方向を通じて触覚的に把握できるようにし、ゲームプログラム等のオブジェクトに加える力の大きさや方向と反発力の大きさや方向を関連付けることで、ゲームプレイ時の臨場感を向上した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の転動型入力装置は、それと別個に用意されている接触位置検出手段を備えたパネルと組み合わせて使用する。以下、接触位置検出手段を備えたパネルをタッチパネルと呼ぶことにする。本発明の請求項１に係る転動型入力装置８０は、着脱可能に装着する機構を通じて、タッチパネル２を備えた別個の装置に必要に応じて取り付けて使用する。例えば図８に示す構成例では、転動型入力装置８０は、転動体１、この転動体をタッチパネル２から所定の間隔をあけて設置するためのアーム５、アーム５と転動体１とを繋ぐバネ４、およびアーム５の一端に設けられタッチパネル２へ固定するための基部６で構成されている。この転動型入力装置８０のアーム５の基部６を、タッチパネル２を備えた別個の装置１００に設けられたスロット７に挿入することによって、転動型入力装置８０を装着し、基部６をスロットから抜き出すことによって、転動型入力装置８０を取り外すことができる。なおアーム５はＵ字型に曲がって、タッチパネル２の面上にせり出しており、アーム５の先端からバネ４を通じて転動体１の両端を両側に引っ張り、転動体１をタッチパネル面から所定の高さで宙吊りにし、バネ４の張力によりタッチパネル面と転動体下部面の間には所定の間隙が保たれている。
【００１８】
ここでタッチパネル２は、電極間の接触関係を通じて加圧位置を検出するようにマトリックス状に配列した電極や、接触位置に応じて抵抗値を変える抵抗膜、静電容量の変化を通じて指の接近位置を検出する電極配列等によって構成され、その表面上で転がる転動体１が直接的または間接的にパネルに接触する位置を検出する。静電容量型タッチパネルを利用する場合には、それに接触する転動体や膜が適当な誘電率や導電率を備えていることが望ましい。以下に示す構成例の中では、図１０のみが転動体が間接的にパネルに接触する構成例を示しており、それ以外はすべて直接的に接触する例になっている。直接的に接触する場合には、転動体下部８の表面はタッチパネル２の表面に直接接触するが、間接的に接触する場合には、転動体はゴムや布のように柔軟性を備えた素材でできた膜や帯を間に介してタッチパネルに接触する。図１０の構成例では、シリコンゴム膜５０がタッチパネル２の表面から所定の間隙を隔てて張られており、指で押された転動体３１は転動するにつれて異なる位置でシリコンゴム膜を押して、押されて変形したシリコンゴム膜がタッチパネルに接触して、接触位置（５１、５２）の情報が入力する。
【００１９】
図１、５、６、９の構成例では、転動体（ビア樽型転動体１、及び球状転動体３１、車輪付転動体７５）をバネ４やゴム２０等の弾性のある紐でパネル上に吊るすことで、パネル２から所定間隔をもって支持し、指で転動体の所定位置を加圧してパネルに押し付けることで転動体の下部面をパネルに接触させる（図２（ａ）（ｄ））。そしてパネルに押し付けたまま指を動かすことで転動体を転がすように回転させて接触位置が移動するようにする（図２（ｂ）（ｅ））。さらに必要に応じて転動体上で加圧する位置を変えたときに転動体が傾斜する構造とし、この傾斜によって転がり方向と直交する方向にも接触位置が変わるようにする（図４（ｂ）（ｄ））。あるいは転動体下部を半球状とし、転動体上部に接する指で前後左右に動かして転動体を揺すると下部半球面がパネル上で転がり、両者の間の接触位置が前後左右に動くようにする（図９〜１２）。
【００２０】
以上のように転動体が転がるにつれて弾性を持つ紐が引っ張られて伸びるが、この紐が元の長さに戻ろうとする力で転動体を復帰するように反発力が働くようにする。これが反発力生成手段となる。そしてこの反発力と連動・同期するようにプログラムを制御することによって、操作者は、反発力を通じてプログラムの動作状況を把握することができる。また反発力の大きさや方向を通じて、自分が加えている操作が正しいか確認して、加える力の大きさや方向を調整することができる。ここで上記の紐は図５の２０のように２本を並べて張るようにして転動体を吊るすと、転動体１から指を離して中立状態に復帰した時に、常に転動体の同じ面がパネル側を向くように転動体の姿勢を維持することができる。図１のように一本のバネを用いて反発力を生成しようとすると、バネを使用しているうちにその構成材が疲労等により変形し、当初の中立点に復帰できなくなる場合がある。一方、図５に示すように転動体の両端のそれぞれを２本のシリコンゴムの紐で引っ張る方式では、転動体を確実に中立点に復帰することが可能であり、反発力も確実に生成できるので、反発力生成手段としてより有効に機能する。
【００２１】
具体的に図１の構成例では、パネル２の面上に突き出ている支持用アーム５にビス９でつながったバネ４で転動体下部８の両端をそれぞれ左右に引っ張ることで転動体をパネル２上に吊り上げている。ここで転動体下部８の表面とタッチパネル２の表面の間には微小な空隙が空いている。また転動体には隆起３を設けて触覚的に指で触れている位置を確認できるようにしている。図２に転動体を指で転がす様子を示すが、まず（ａ）のように転動体の中央部を指で押すと、横側面図（ｄ）に示すように転動体下部はタッチパネル２に１１の位置で接触する。（ｄ）（ｅ）（ｆ）から分かるように転動体下部のパネル接触部の断面形状は円弧になっているため、転動体をタッチパネル２の表面に押し付けたまま指を前後方向に動かすと、転動体は所定の角度の範囲内で前後に転がり、タッチパネルとの接触位置は（ｅ）の１１及び（ｆ）の１２の位置に移動する。（ｂ）に示すように転動体をタッチパネルに押し付けたまま転動体を黒矢印の方向に転がすと、バネ４が伸びて、それを戻すように白矢印の方向に反発力Ｆ１が発生する。このときの移動量Ｄの長さに依存して反発力Ｆ１の大きさが定まるので、長さＤをタッチパネル２の位置検出手段８２を通じて計測することで、反発力Ｆ１の大きさを求めることができる。同様に転動体を逆方向に転がした時の様子を（ｃ）（ｆ）に示すが、この場合には反発力Ｆ１の方向は逆になり、その大きさはやはり移動量Ｄの長さに依存して定まる。
【００２２】
図３には、図１の転動型入力装置８０において、転動体の上部１を下部８に対して図の左方向にスライド移動させて、転動体下部８とタッチパネルの接触点をスライド移動前の（ｂ）の１１からスライド移動後の（ｃ）の１３に移動する様子を示している。転動体の形状において重要な点は、転動体下部の表面形状がラグビーボールの曲面の形状をしており、転動する方向だけでなく、それと直交する方向にも表面が湾曲しており、タッチパネルとの接触点が１つに制限されることである。そしてこのように転動方向と直交する方向にも転動体下部表面が湾曲しているために、（ｃ）のように指を転動体上部１に乗せたまま１４の矢印の方向に動かすと転動体上部１は下部８に対してスライド移動し、指から転動体に加わる圧力の重心点も１４の方向に移動して、転動体下部８とパネルの接触点は１１から１３へ移動する。このスライド移動は操作者が指で黒矢印１４の方向へ力を加えることによって起こり、指を離せば転動体上部１は転動体内部に仕込まれたバネの働きで元の位置に復帰する。またこのバネが指に図の白矢印の方向へ反発力Ｆ３を加える反発力生成手段として機能する。
【００２３】
図４では、指が最初に転動体に触れる際に、（ａ）に示すように転動体上部の隆起部分３の位置に触れ、（ｂ）に示すように転動体を押し下げてその下部をタッチパネルに接触させた後で（ｃ）のように指を１７の矢印の方に動かしている。ここで隆起部分３は操作者に指の位置に関する触覚的な手掛かりを与えるために設けられている。この場合にも、転動体下部８の表面がラグビーボール状に湾曲していることが重要であり、そのために転動体下部８は指から転動体に加わる力の重心点１５においてタッチパネルに接触することになる。また（ｃ）のようにさらに指を１７の方向に動かすと転動体上部１は下部８に対してスライド移動して、重心点と共に接触点も１６へ移動する。そして指には反発力Ｆ３が加わることになる。
【００２４】
図５の構成例では、図１と同様の転動体をバネ４の代わりにシリコンゴム２０でタッチパネル２の上に引っ張って吊るしている。ここで２２はシリコンゴムの紐を抑えて止めるための板であり、２３はその板を留めるビス、そして２１はフレームである。図５のように転動体の両端のそれぞれに２本のシリコンゴムを付けて引っ張ると中立時に転動体の姿勢を一定に保ちやすい。
【００２５】
本発明の請求項７に係る転動型入力装置８０は、転動体の上部表面の指と接する部分に、前記転動体の転動方向と直交する方向に回転する回転体を設けている。こうすると指は転動体上面に接触したまま、転動体を前後に転動させることで前後に動くことができるし、また同時に回転体を左右に回転させることで左右に動かすこともできる。指が転動体上を左右に移動して指から転動体に加える加圧点の位置が左右に移動すれば、転動体下面が左右に湾曲した曲面である場合に、転動体とタッチパネルの接触点の位置も左右に移動する。従って、指で転動体をタッチパネルに押し付けたまま、回転体の回転によって指を左右に動かすと、タッチパネルへの接触点は転動体とパネルが接触したままの状態で左右に移動し、そのことでもって、指を回転体上で左右に動かす運動を他の運動と区別して検出して、その操作に応じた指令やデータを入力することができる。例えば、図６の構成例では、図１や図５で用いていた転動体上部１を下部８に対してスライド移動させる機構の代わりに、車輪７１を導入し、転動体上部に設けた回転軸７２の周りに車輪７１が回転するようにして、車輪上に乗せた指が転動体をタッチパネル２に押し付けるように下方向に力を加えながら、車輪の回転方向（転動体の転動方向と直交する方向）に動くことができるようにしたものである。こうして指を転動体上に乗せたまま、車輪の回転方向に動かすと、転動体に指から加わる力の重心位置も指と共に移動して、転動体下部８とタッチパネル２との接触点は転動方向と直交する方向に動く。こうしてタッチパネルとの接触点を転動方向（転動体の転動方向）とそれと直交する方向（車輪７１の回転方向）のいずれにも自在に動かすことができるようになる。
【００２６】
ここで車輪を転動体に設置する方法には、図７の（ａ）（ｂ）に示す方法と、（ｃ）（ｄ）に示す方法がある。（ａ）（ｂ）に示す方法では車輪の回転軸７２の軸受７０は２つの車輪７１ａと７１ｂに挟まれている。そのため指で車輪を回す時に指は軸受にぶつかりにくい。一方、（ｃ）（ｄ）に示す方法では、車輪７１の回転軸７２の軸受７０は車輪の外側にあるため、車輪上で指を動かす際に指が軸受にぶつかり易くなる。
【００２７】
以上の構成例では転動体としてラグビーボール形状のものを用いていたが、図９に示す構成例では転動体３１は球形状をしている。球形状であれば、転動体上部が下部に対してスライド移動する機構を導入しなくとも、また転動体上部に車輪を設けなくとも、球自体が前後左右に転動することで、タッチパネル上の接触点を２次元的に動かすことができる。図９の構成例ではボール３１のみならずアーム３３もアームと転動体をつなぐ紐３２もいずれも柔軟に変形するシリコンゴムによって一体成型されている。そのためボール３１を転動させるときにはアーム３３と紐３２が変形してボールの姿勢が変わり、変形したシリコンゴム素材が元の形状に戻ろうとする際に転動に対する反発力が発生し、それが反発力生成手段として機能することになる。
【００２８】
以上までの構成例では転動体は、その両端をバネやシリコンゴムで両側に引くことによって、タッチパネル上で吊上げるようにして支持していた。一方、図１０には、それと異なる転動体の支持方法を示す。図１０には、ボール状の転動体３１を縦に割った断面図を示している。このボール状転動体３１にはその底部から円柱状の穴が開けられており、その中にバネ４４が収納されている。バネの上端は円柱状の穴の上部に取り付け金具４５で取り付けられている。またバネの下端は、シリコンゴム膜５０に取り付け部材４１を介して接続されている。シリコンゴム膜５０はタッチパネル２のパネル表面から一定の間隙をおいて張られており、指でボール状転動体３１の上部を下方向に押すと（ｂ）のようにシリコンゴム膜が変形し、ボール状転動体下部は、間にシリコンゴム膜や取り付け部材４１を挟んで、タッチパネル２に５１の位置で接触する。また（ｃ）に示すように指でボール状転動体３１をタッチパネル２に押しつけながら、指を図に向かって左方向に動かすと、バネ４４が伸びた上で、ボール状転動体３１は左側に転動し、押されて変形したシリコンゴム膜を介して、５２の位置でタッチパネル表面に接触する。この際にバネ４４は元の長さに戻ろうとして、反発力Ｆ１が図中の矢印の向きに指に加わり、これがこの方式の反発力生成手段として機能する。この反発力の大きさは、タッチパネル上の接触位置５２に基づき算出することができる。なお図１７に示すようにバネ４４の代わりに伸縮性のあるシリコンゴム７７を用い、これをやはりシリコンゴムでできた膜５０と一体形成し、７７の細くなった先端部７８を（ｃ）に示すようにシリコンゴムでできたボール状転動体３１の穴に通した後で、これを引っ張ることで、（ｄ）に示すように７７の膨らんだ部分７６をボール状転動体３１内部の空洞部７５に引きずり込んで７７と３１を接合し、その後で（ｄ）の破線７９で７８を切断することによって、低コストかつ簡易に（ａ）に示す構造を生産することができる。
【００２９】
本発明の請求項２に係る転動型入力装置８０は、転動体を指に装着する点に特色がある。請求項１に係る転動型入力装置８０では転動体をタッチパネル側に装着し、それを指で操作したが、請求項２に係る転動型入力装置８０では転動体を指側に装着し、タッチパネルに触れる際に指とタッチパネルの間に転動体を挟むようにして、転動体を介してタッチパネルに接触する。転動体は指に装着されていても、指の表面上で転動できる自由度を持つように、例えば、バネやゴム紐の弾力性によって指に引き付けるように固定される。そのような転動型入力装置８０の構成例を図１１に示す。ここでボール状転動体３１は図１０と同じ構造を持ち、図１０と同じ原理で取り付け部材４１を介して、指側に巻きつけたバンド４２ａに取り付ける。４３はバンドのバックル、バンド４２ｂは４２ａのバックル通過後の延長部分であり、図には含まれていないが、さらに、その延長上の端部はタッチパネル２の筺体につながり、転動型入力装置８０の紛失を防ぐとともに、タッチパネル筺体の落下を防ぐストラップとしても機能する。（ｂ）には（ａ）を親指先端側から見た側面図を示す。
【００３０】
図１２には、図１１のボール状転動体の断面と転動の原理を示す。（ａ）は親指の先端側から見た側面図で、ボール状転動体３１については縦に割った時の断面を示している。４２ｃは親指の周りをぐるりと巻いたバンドであり、このバンドに、取り付け部材４１を介してバネ４４の一端が取り付けられている。このバネはボール状転動体３１に開けられた円柱状の穴を通り、その他端が取り付け金具４５によって穴の底に接合されている。（ｂ）には親指の横方向から見た側面図を示す。４６は転動する前に転動体３１がパネル２と接触している点である。（ｃ）には指を横に動かしてボール状転動体を転動させたときの様子を、また（ｄ）には指を後方に動かしてボール状転動体を転動させたときの様子を示す。いずれの場合にも指の動きと共にボール状転動体が転動し、接触点が４７に移動している。またこのときにバネ４４が伸びて、それが縮んで元に戻ろうと指をＦ１方向に押す反発力を発生する。これが反発力生成手段として機能することになる。
【００３１】
請求項５に係る転動型入力装置８０では、転動体を叩いたり潰したりした時に転動体が変形し、その変形量に応じて反発力を生じる。例えば転動体のタッチパネルと接触する側の面をシリコンゴム等の柔軟性と弾力性を備えた材料で曲面状に形成すると、転動体に圧力をかけてタッチパネルに押し付けるときに上記曲面は潰れて、広い面積でタッチパネルに接触する。またそれが復帰しようとするときに指に反発力を返すようになる。またタッチパネルとの接触面積を通じて転動体の変形量や転動体に加わる圧力、及び指に返る反発力を算出できる。もちろん別に圧電素子などの圧力センサを用意して、タッチパネルに加わる圧力を検出して、そこから指に返る反発力を算出してもよい。転動体とタッチパネルの接触面積はタッチパネル側のセンサが検出する抵抗値や静電容量値、あるいは導通する電極の数等を通じて検出することができる。このような原理に基づく転動型入力装置８０を図１３に示す。ここで円形の断面５５は上述したラグビーボール状転動体の断面とみなしても良いし、ボール状転動体の断面とみなしても良い。いずれの場合にも転動体が中空のゴムなどで変形しやすい素材で形成されていると、（ａ）のように軽い力でパネル２に押し付けられている場合の転動体とパネルの接触点５６における接触面積は小さくなり、（ｂ）のように強い力で押しつけられて転動体が変形して潰れている場合の転動体とパネルの接触点５７における接触面積は大きくなる。また（ｂ）では押し潰された転動体５５が元の形状に復帰しようとして、反発力Ｆ２を発生する。この反発力の大きさは５７の接触面積を何らかの方法で計測することで算出できる。
【００３２】
例えば、抵抗膜方式のタッチパネルでは、同時に２点でタッチパネルに接触する場合に、それらの接触点位置に接触面積を重み付けて平均化した位置（重心位置）を接触位置として検出する。そこで５８に示すように、パネル上の一点に常に一定の面積で基準用接触子が接触しているようにしておくと、（ａ）のように５６の接触面積が５８の接触面積とほぼ同じであるときには、タッチパネルが検出する接触位置は、これらの２点の接触位置にほぼ同じ接触面積を重み付けて平均化して求まる重心位置、すなわち５６と５８のほぼ中間になる図中のＰの位置となる。また（ｂ）のように５７の接触面積が５８の接触面積よりも大きくなる場合には、タッチパネルが検出する接触位置は、これらの２点の接触位置のうち５７の方が大きな接触面積を重み付けられて重心位置が求められるため、５７側に寄った図中のＱの位置になる。このように接触面積の大きさが転動体の変形の程度に応じて変わると、変形の程度によって接触している二点の重心位置が変わるので、タッチパネルが検出する重心位置を通じて変形の程度を検出することが可能になる。
【００３３】
以上に述べてきた転動型入力装置８０ではいずれも、転動体をタッチパネルに押しつけながら指を動かすと、転動体を支持するバネやゴム紐が伸びて、転動体は指表面とタッチパネル表面に挟まれたまま、これらの両表面との接触点を変えながら転動する。この際にタッチパネル上の接触点を検出すれば、転動体の転動量を算出することができる。また転動する時にバネやゴム紐が伸びるため、これらが元の長さに戻ろうとして反発力が生じる。この反発力は、転動体がタッチパネルに接触してから、接触したまま転動して接触点が移動する際の接触位置の移動量（変化量）を通じて算出することができるので、反発力に同期するようにプログラムを制御することができる。請求項１に係る転動型入力装置８０では、接触位置の移動量で間接的に反発力を算出する代わりに、転動体を引っ張る紐の張力を力センサや歪センサ等で直接検出して反発力を算出することもできるが、請求項２に係る転動型入力装置８０は指側に装着するため、電力を供給したり、信号を通信したりすることが困難であり、上述したようにパネル側で検出できる接触点の移動量を通じて反発力を算出することが望ましい。
【００３４】
本発明の請求項３に係る触感連動型プログラムでは、上述したように算出される反発力とプログラム中の所定の変数値を連携させる（関連付けて定める）ことによって、反発力を通じて操作内容を把握できるようにしたり、ゲームの臨場感を向上したりする。すなわち操作者は転動体を転がす際に指の感じる反発力の大きさによって、プログラム中の所定の変数に設定している値がどの程度の大きさか分かるし、また反発力の方向を通じて、プログラム中の所定のベクトルの方向をどのように定めているのか把握することもできる。もちろんベクトルの代わりに角度を定める変数の値を反発力の方向に合わせて定めても良い。またゲームでは、例えばシューティングゲームでボールや玉をシュートする力の強さを反発力に関連付け、あるいはシュートする方向を反発力の方向に合わせて定めることで、指の感じる力とゲーム中のオブジェクトに作用する力が一致して臨場感を高めることができる。特にパチンコ等、現実にも弾性のある紐を引いたり、離した時の反発力やはじけたりする感覚が操作上重要となるゲームでは、本発明の転動型入力装置８０が生成する反発力が現実の反発力と類似したものとなるため臨場感は高くなる。
【００３５】
例えば、図１４にはバット６０でボール６１を打つゲームのシーンを示すが、バットを構えて引く際の角度やスイング量６２あるいはバットがボールを打つ強さ等を、転動型入力装置８０の転動量や転動型入力装置８０が指に返す反発力と大小関係の対応が取れるように定めると、ゲームのプレイヤーは指に加わる反発力を通じてバットを引く角度やボールを打つ力の強さを把握できる。すなわちゲームの中の力を現実の力で把握できるのでゲームの臨場感が高まる。また画面中のバットの角度を注視しなくとも、力の加減で触覚的にバットの角度やボールを打つ強さを把握できる。６３はボールの軌跡を示すが、ボールがバットに当たって跳ね返る時の速度やバットを振る力が、転動体を引いて放す時の速度や力に対応して定まるようにすると良い。またボールとバットが衝突するかどうかを、転動体を放す時刻と放す直前に指に加わっている反発力等に基づき決定すると良いが、これらの時刻と反発力はいずれもタッチパネルの接触状況・接触位置検出機能によって検出できる。
【００３６】
請求項６に係る触感連動型プログラムでは、図１３に示すように転動体に圧力を加えて変形させたときの変形量や反発力に連動させて（関連付けて）プログラム中の変数値を定める。例えば、ボクシングゲームやモグラたたきゲーム等でオブジェクトを叩いたり潰したりする要素がゲームのプレイ内容に含まれる場合には、請求項５に係る転動型入力装置８０を用いて、転動体を叩いて潰した時の変形量や反発力を検出し、その変形量や反発力の大きさに関連付けて、相手やモグラに与えるダメージ等の変数値を定めると、ゲームの内容と転動体に加える操作とが直観的に連携が取れるようになり、ゲームの臨場感が増すようになる。
【００３７】
図１８は、上述の転動型入力装置８０を用いてデータ入力を行うコンピュータ装置８９の機能ブロック図である。コンピュータ装置８９は、データを入力する入力部８５、入力したデータを用いて演算処理を実行する演算処理部８７、演算結果を出力する表示部８６、および、データを保存する記憶部８８で構成されている。また、入力部８５は、パネル８１と接触位置検出手段８２とで構成されるタッチパネル２と、このタッチパネル２を介してデータを入力する転動型入力装置８０とから構成されている。なお、コンピュータ装置８９は、汎用のパーソナルコンピュータでも良いし、専用のゲーム機などであっても良い。
【００３８】
次に、上記のコンピュータ装置８９の演算処理部８７で動作するプログラムの実施例について説明する。図１５と図１６には、本発明のプログラムの実施例のフローチャートを示す。これらは本発明の転動型入力装置８０と組み合わせて使用するプログラムの一実施例である。まず図１５にはメインプログラムのフローチャートを示すが、Ｓｔｅｐ １で転動体から指に加わる反発力に関連させて定める各種変数の値を初期化している。Ｓｔｅｐ ２では転動型入力装置８０から与える各種計測値Ｊ（例えば、直接計測した反発力、反発力に関わる転動体のタッチパネルとの接触位置を示す座標値やその変化量、転動体のタッチパネルとの接触面積等）へ周期的にアクセスし、Ｓｔｅｐ ３ではアクセスして得た値に基づいて、Ｓｔｅｐ １で初期値を定めた変数の値を周期的に更新する。またはＳｔｅｐ ３´では転動体とタッチパネルとの接触点の位置Ｐや接触面積Ｓから反発力の大きさや方向を算出し、その結果に基づきこれらの変数を更新する。次にＳｔｅｐ ４でプログラムＧ（図１６に示すような具体的なアプリケーションのプログラム）を実行するが、場合によってはＳｔｅｐ ３とＳｔｅｐ ３´を省き、Ｊの値に依存して直接プログラムＧを実行しても良い。プログラムＧを所定のステップ実行した後、Ｓｔｅｐ ５で終了条件が満たされるまでは、周期的にＳｔｅｐ ２に戻り、繰り返しＪの値をスキャンして、上記の手続きを繰り返す。
【００３９】
図１６には図１５のＳｔｅｐ ４に記載されていたプログラムＧの内容を示す。プログラムＧはアプリケーションの内容に依存して変わるが、転動体が指に与える反発力、あるいはそれに依存した何らかの検出量に連動するようにプログラムを動作させる点はアプリケーションに依存せずに共通で、本発明の本質的要素となるので欠けることはない。図１６に示すプログラムＧは、特に図１４に示したバットでボールを打つゲームに関するプログラムになっているが、ここではゲーム中のバットを引いて構える角度や、バットのスイングの加速度や速さ、ボールを打つ強さ、ボールの加速度や速さ、ボールの運動条件、ボールとバットの衝突条件等を転動体から指が受ける反発力と連動するように定めている。プログラムＧでは、まず図１５のメインプログラムから呼び出された後で、Ｓｔｅｐ Ｇ１で転動体のタッチパネルとの接触状況を確認する。転動体がタッチパネルと接触している場合には、転動体が指に加える反発力Ｆ１（これは転動体がタッチパネルに最初に接触してから接触したまま移動する量に基づき算出される）に基づきバットの構え時に引く角度を定める。続いてＳｔｅｐ Ｇ８で運動方程式などに基づきボールの位置を求め、Ｓｔｅｐ Ｇ２で決定したバットの角度も用いて、両者の衝突条件も調べた上で、ボールとバットを表示部８６の画面に表示する。
【００４０】
一方、Ｓｔｅｐ Ｇ１で転動体がタッチパネルに接触していないことが確認された場合には、Ｓｔｅｐ Ｇ３で、次の３つの手続きを各々の実行条件が満たされるか注意した上で実行する。（１）前時点にタッチパネルに転動体が接していた場合には、バットを振る運動をＦ１の大きさに応じた速度または加速度で開始し、バットスイング開始済フラグを１に設定する。（２）バットスイング開始済フラグが１になっている場合には、バットの運動を継続する。（３）前時点にタッチパネルに転動体が接しておらず運動開始フラグが０になっている場合には、ここでは何もせずに次のステップへ進む。このステップ後でＳｔｅｐ Ｇ４に進み、そこでバットスイング終了条件が成立するか確認し、例えばスイング開始後所定時間経ってバットを振り切ったことが確認された場合などには、Ｓｔｅｐ Ｇ５でバットスイング開始済フラグを０に設定する。またバットスイング終了条件が成立しない場合には、Ｓｔｅｐ Ｇ６でボール衝突条件が成立するか確認する。ボールとバットの運動状況を調べて、両者の衝突条件が成立する場合には、Ｓｔｅｐ Ｇ７で反発力Ｆ１とバットとボールの運動状況に基づき、ボールの運動条件を衝突後の運動条件に変更し、Ｓｔｅｐ Ｇ７で運動方程式等によりバットの姿勢やボールの位置などを求めて画面に表示する。またＳｔｅｐ Ｇ６で衝突条件が成立しなかった場合には、以前のボール運動条件のままＳｔｅｐ Ｇ８に入り、やはりボールとバットを画面に表示する。Ｓｔｅｐ Ｇ８終了後はメインプログラムに戻って、手続きを継続する。
【００４１】
なお以上に述べた転動型入力装置と触感連動型プログラムでは、転動体が指に加える反発量と併せて、振動生成器が生成する振動を用いることによって、一層触覚を有効活用してユーザインターフェイスやゲームの操作性や臨場感を向上することができる。例えば、この振動生成器は、転動体の転動角度が所定量に到達した時、または転動体のパネル上での接触位置が所定位置に到達したとき、あるいは反発力が所定量で発生するとき、ボールがバットにぶつかるなどプログラム中で所定の条件が満たされた場合、または外部機器からの所定の指令が与えられたときに振動して、手指に操作の達成やゲーム中の特定イベントの発生を通知するメッセージを振動によって通知するように構成しても良い。特にユーザインターフェイスにおいては、所定の操作が行われて入力が確かに受け入れられたことを操作者の触覚を通じて通知する目的に振動を使用すると良い。例えば転動体が所定の角度転がるたびに発生することもあるし、ディスプレイの表示内容に同期して、カーソルが目標地点に到達したとき等に振動するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の転動型入力装置の一実施例について、（ａ）は上面図、（ｂ）は前方側面図、（ｃ）は横側面図を示す。
【図２】図１の転動型入力装置の実施例で指を前後に動かして転動体を転がす様子と、その際に生じる反発力を示す図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は指で操作中の転動型入力装置の上面図で、（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ（ａ）（ｂ）（ｃ）に対応する横側面図である。
【図３】図１の転動型入力装置の実施例で指を左右に動かして転動体上部をスライド移動する様子と、その際に生じる反発力を示す図である。（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）前方側面図で、（ｄ）（ｅ）は（ｂ）（ｃ）に対応する横側面図である。
【図４】図１の転動型入力装置の実施例で、指で転動体の左側隆起部に触れてタッチパネルに転動体が接触するように押し付けた後、指を左右に動かして転動体上部をスライド移動する様子と、その際に生じる反発力を示す図である。（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）前方側面図で、（ｄ）（ｅ）は（ｂ）（ｃ）に対応する横側面図である。
【図５】図１の転動型入力装置の反発力生成手段を改良するため、バネの代わりに２本のシリコンゴム紐で転動体を吊るすようにした反発力生成手段を示す斜視図である。
【図６】図１の転動部の上部スライド機構の代わりに車輪を導入して、転動体をタッチパネルに接触するように押しつけながら指を左右に円滑に動かすことを可能とした転動体を示す斜視図である。
【図７】図６の転動体に車輪を設置する異なる方式を比較して示す図である。（ａ）は車軸受けを指に当たりにくくした構成、（ｂ）は車軸受けが指に当たりやすい構成の前方側面図であり、（ｂ）（ｃ）はそれぞれ（ａ）（ｂ）に対応する横側面図である。
【図８】本発明の転動体入力装置をパネルに着脱可能に取り付ける機構を示す側面図と上面図である。
【図９】球状転動体とそれを支持するアームと紐をすべてシリコンゴムで一体形成した転動型入力装置の実施例を示す斜視図である。
【図１０】タッチパネル上に張った弾性膜に球状転動体を一本のバネで引き付けるように留めることによって、球状転動体を前後左右のいずれの方向にも対称に同じ力で転動できるようにし、また反発力も等方的に生成されるようにした転動型入力装置を示す側面断面図である。（ａ）は中立状態、（ｂ）は転動体を下方に指で押した様子、（ｃ）は転動体を転動させた様子を示す。
【図１１】本発明の転動型入力装置のうちで指に装着するタイプを示す図である。親指にバンドで装着した様子で（ａ）は横側面図、（ｂ）は指の前方から見た側面図である。
【図１２】図１１に示した指装着型転動体を転動させる様子を示す図である。（ａ）はタッチパネルに接触して転動する前の様子、（ｂ）は転動後の様子を指の前方から見た側面図で示す。（ｂ）は（ａ）に対応する横側面図であり、（ｄ）は別の方向に転動させる様子を横側面図で示す。
【図１３】転動体を指で圧迫して変形させた際の変形量を転動体のタッチパネルとの接触面積の変化を通じて検出する手段を示す図である。（ａ）は変形前の様子、（ｂ）は変形後の様子をいずれも側面図で示す。
【図１４】バットでボールを打つゲームで画面に表示された１シーンを示す図である。
【図１５】触感連動型プログラムのメインプログラムの一例をフローチャートで示す図である。
【図１６】触感連動型プログラムのメインプログラムから呼ばれるアプリケーションプログラムの一例をフローチャートで示す図である。
【図１７】図１０に示す転動型入力装置を、バネの代わりに膜と一体になったシリコンゴムを用いて低コストに生産する方法を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態による転動型入力装置を利用するコンピュータ装置の機能ブロック図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触位置検出手段を備えたパネルに着脱可能に装着され、該パネル上で転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えた転動型入力装置。
【請求項２】
指に装着され、接触位置検出手段を備えたパネル上で転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えた転動型入力装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した転動型入力装置と共に使われるプログラムであって、プログラム中の所定の変数値を前記反発力の大きさまたは方向に関連付けて定めることを特徴とする触感連動型プログラム。
【請求項４】
前記触感連動型プログラムは、前記反発力の大きさ及び方向を前記接触位置検出手段が検出する接触位置に基づいて算出することを特徴とする請求項３に記載の触感連動型プログラム。
【請求項５】
前記転動型入力装置において、前記転動体は、指から加わる力に応じて変形する機構または素材で構成され、前記変形の程度に応じて、元の形状に復帰するように反発力を生成する手段または弾力性を備え、かつ前記変形の程度を前記パネルの接触位置検出手段を通じて入力することを特徴とする請求項１または２に記載の転動型入力装置。
【請求項６】
請求項５に記載した転動型入力装置と共に用いられるプログラムであって、プログラム中の所定の変数値を前記変形の程度に関連付けて定めることを特徴とする触感連動型プログラム。
【請求項７】
前記転動体の上部表面の指と接する部分に、前記転動体の転動方向と直交する方向に回転または揺動する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の転動型入力装置。
【請求項１】
接触位置検出手段を備えたパネルに着脱可能に装着され、該パネル上で転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えた転動型入力装置。
【請求項２】
指に装着され、接触位置検出手段を備えたパネル上で転動する転動体と、前記転動体の転動運動を妨げるように転動方向と逆方向に働く力を生成する反発力生成手段とを備えた転動型入力装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した転動型入力装置と共に使われるプログラムであって、プログラム中の所定の変数値を前記反発力の大きさまたは方向に関連付けて定めることを特徴とする触感連動型プログラム。
【請求項４】
前記触感連動型プログラムは、前記反発力の大きさ及び方向を前記接触位置検出手段が検出する接触位置に基づいて算出することを特徴とする請求項３に記載の触感連動型プログラム。
【請求項５】
前記転動型入力装置において、前記転動体は、指から加わる力に応じて変形する機構または素材で構成され、前記変形の程度に応じて、元の形状に復帰するように反発力を生成する手段または弾力性を備え、かつ前記変形の程度を前記パネルの接触位置検出手段を通じて入力することを特徴とする請求項１または２に記載の転動型入力装置。
【請求項６】
請求項５に記載した転動型入力装置と共に用いられるプログラムであって、プログラム中の所定の変数値を前記変形の程度に関連付けて定めることを特徴とする触感連動型プログラム。
【請求項７】
前記転動体の上部表面の指と接する部分に、前記転動体の転動方向と直交する方向に回転または揺動する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の転動型入力装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−５９２５４（Ｐ２００９−５９２５４Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２７２１２（Ｐ２００７−２２７２１２）
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、独創的シーズ展開事業大学発ベンチャー創出推進「機器の簡単確実な操作を実現するハプティックユーザインターフェースの研究開発」にかかる委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、独創的シーズ展開事業大学発ベンチャー創出推進「機器の簡単確実な操作を実現するハプティックユーザインターフェースの研究開発」にかかる委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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