JP3662247B2 - 表面位置選定システムおよびその方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザによって選択された表面上の位置選定を決定し、その位置選定に関連して決定された情報をユーザに提供する、システムおよび方法に関する。特に、本発明は、複雑な形状を有する２次元および３次元の物体の表面上の位置を検出することが可能な、位置検出装置に関する。本発明はさらに、物体が位置検出システムの残りの部分と相対的に方向転換（turn）し、回転し、あるいは操作され得る、位置検出装置に関する。
ある表面上に置かれたスタイラスの位置、または指の位置さえも決定するために、様々な技術が存在する。１つの技術は、平坦なタブレットの表面の下方またはディスプレイ装置の表面の上方に置かれた、水平方向および垂直方向のワイヤの格子である。この格子は、スタイラスによって検出された位置指示信号を発信する。この種の技術を使用する２つの装置が、Greeniasらの米国特許第5,149,919号および第4,686,332号に記述されている。これらの装置を使用する応用には、コンピュータ入力図画（drawing）（または座標読み取り(digitizing)）タブレット、およびタッチスクリーンディスプレイ装置がある。
別の技術では、表面弾性波がガラスプレートの端部で測定され、指またはスタイラスによって選択されたプレート上の位置を計算するために使用される。この応用には、導電性オーバレイ技術を駆使した、利用頻度の高いタッチスクリーンキオスクディスプレイが含まれる。
さらに他の技術には、光学検出器としてライトペンの使用が含まれる。さらに、アレイ状のライトエミッタを備えたフラットディスプレイ周囲のフレーム、およびそのフレームの端部の周囲の検出器が、指またはスタイラスがディスプレイ表面の付近にあるときに検出するために使用され得る。これらの技術は、ディスプレイまたは平坦な表面に限定される。
Greaniasの特許に開示されている装置のような位置検出器は、格子内に配列された多数の導体を使用する。このような位置検出器は、２次元または３次元いずれかの複雑な形状の表面にはそれほど適していない。最低でも、複雑な形状の輪郭に適合させるために導体を位置決めおよび形成する際に、困難が生じる。
類似した別の装置は、スタイラスまたは指の容量結合を使用する、フラットディスプレイ装置の表面の上方または下方に置かれた水平方向および垂直方向のワイヤの格子である。この装置では、容量結合が、結合位置を計算するために使用され得る位置指示信号を、１本のワイヤから別のワイヤへ伝達する。コンピュータ入力タブレット、およびフィンガーポインティングマウス置換タブレットが、この技術を使用する。
別の技術では、矩形の均質な透明導体がディスプレイ装置の表面の上方に置かれ、この透明導体の端部上の棒状コンタクトが導体に荷電する。透明導体へのスタイラスまたは指の容量結合は、棒状コンタクトに取り付けたセンサがそれぞれのコンタクトを介して引かれる電流の量を測定する一方で、導体の放電を発生させる。矩形の対辺上の一対のコンタクトから引かれた電流の比率を分析することによって、ユーザによって選択されたパネル上のＸ−Ｙ位置が提供される。この種の装置は、Meadowsらの米国特許第4,853,498号に記述されている。この装置の応用には、タッチスクリーンディスプレイがある。
類似した技術は、端部に沿って一連の個別の抵抗器を備えた非常に均一な抵抗性材料の矩形状の小片を使用し、平坦な表面に取り付けられる。差動電圧（voltage differential）が矩形の対辺上の抵抗器の列に印加され、そして時分割式に、それ以外の２つの対辺の抵抗器の列に差動電圧が印加される。位置指示信号は、スタイラス、または押し下げられて抵抗性材料の表面に接触することが可能な導電性オーバレイのいずれかによって受信される。この装置の一種は、Hurstの米国特許第3,798,370号に記述されている。
米国特許第4,853,498号（Meadowsら）および第3,798,370号（Hurst）に記述されている装置は、それぞれの端部に沿って棒状コンタクトまたは列状の抵抗器を備えた均質矩形抵抗性オーバレイを駆動する。これらのアプローチは、機能するためには、矩形の規則的な形状に依存する。コンタクトの形状および配置が、表面の抵抗性材料の矩形の小区分内の表面の一部を検出するための手段を提供する。棒状コンタクトおよび抵抗器の列状コンタクトを用いて、他の単純な形状も実施可能であり得るが、複雑な形状では、それらのコンタクトは区別不可能な領域を形成し得る。（例えば、円または楕円のような窪んだ端部を有する形状は、MeadowまたはHurstいずれのアプローチによっても適応されることができない。）
実質的に物体の端部全体に沿った棒状コンタクトまたは列状抵抗器の使用は、表面全体にわたる位置を検出する必要のある物体におけるそれらの実用性を限定する。それぞれの棒状電極の真下、およびそれぞれの棒状または点状電極と物体の端部との間の位置選定は、これらの装置では検出することができない。
米国特許第4,853,499号（Meadowsら）および第3,798,370号（Hurst）に記述されている装置は、コンタクト抵抗の影響を考慮に入れていない。コンタクトと均質抵抗性材料との間の抵抗は、均質材料の抵抗に関して重大であり得る。さらに、コンタクト抵抗は、機械的または環境的な圧迫により、電極ごとに変動または変化し得る。MeadowsおよびHurstの装置は、材料の使用およびコンタクトアプローチを制約する公知の抵抗または定抵抗の接触に依存している。環境的な要因によるコンタクト抵抗のいかなる変動または変化も、検出エラーとみなされず且つ検出エラーにはならない。
さらに、Meadowsは、容量結合したスタイラスにより表面に負荷を与え、駆動回路から引かれた電流を測定することによって位置を決定する。Meadowsの装置は、これを達成するために４つの受信回路を必要とする。
Meadowsの装置は、表面に結合する不要な幻影（phantom）スタイラスの影響を受けやすい。リングまたは指などの幻影スタイラスが、実際のスタイラスの代わりにまたはそれに加えて、活性表面に結合し得る。これらの幻影スタイラスは、スタイラスが起こす変化が駆動回路における変化を起こすので、検出エラーを起こす。
格子を含む物体を回転させる必要がある応用、または電子装置(electronics)と物体とが互いに物理的に間隔を空けている応用では、回転または他の動きを可能にし得る接続メカニズムを介して、多数の導体をシステムまたはシステムの要素の間に結合しなければならない。従来のシステム用のそのようなケーブルは、かなり大きくて扱いにくい。さらに、多数のコンタクトを備えたコネクタは高価であり、そのコネクタを必要とする任意のシステムの包括的な信頼性を低下させる。スリップリングまたはコミュテータなどの回転を可能にするコンタクトは、接続の数が少数を突破するにつれて、法外に複雑且つ高価になる。
さらに、格子アレイを駆動するために必要な複数の回路は、製造するには複雑で費用がかかる。弾性波検出器は、凹凸のある位置の検出メカニズムを提供するが、実施するには費用がかかる。光波検出メカニズムは、平坦な表面に限定され、且つ光路を遮断する埃および虫の影響を受けやすい。しかし、本発明はこれらの問題を解決すると考えられる。
本発明は、エレクトログラフィックセンサ装置上のユーザが選択した位置を決定する様々な器具および方法を含む。最も概括的に言えば、本発明のエレクトログラフィックセンサ装置は、ある電気抵抗率を有する導電材料の層であって、この層と電気的に相互接続するＫ個の間隔を空けたコンタクト点を備えた層と、このＫ間隔を空けたコンタクトに接続し、且つＮが３〜Ｋの整数値を有するＫ個のコンタクト点のうちのＮ個に信号を選択的に与えるために配置されたプロセッサと、プローブアセンブリとを有する。プローブアセンブリは、層の上方に置かれ、プロセッサと結合したスタイラスまたは可撓性の導電層を有する。スタイラスは、層上のユーザが選択した位置の付近に位置するように、ユーザによって配置される。あるいは、ユーザは、可撓性の導電層を指で指し示す。次に、スタイラスまたは可撓性の導電層は、コンタクト点がプロセッサによって選択的に与えられた、ユーザが選択した位置に関する信号を有するときに、層から信号を受信する。この信号は、スタイラスまたは可撓性の導電層から受信した、それぞれがプロセッサの制御下での（Ｎ〜Ｊ）の異なる対のＫ個のコンタクト点の類似した励起に関する信号から、プロセッサが決定できる信号である。ここで、Ｊは２〜（Ｎ−１）の整数である。
さらに、エレクトログラフィックセンサが、それぞれが互いに絶縁されている１つより多くの導電層、最も概括的な意味ではＭ個の導電層を有する場合には、本発明はまた、これらの層のうちのどれがユーザが選択した位置を含んでいるのかを識別することが可能である。ここで、それぞれの層はＫ個の間隔を空けたコンタクト点を有し、このコンタクト点は、それぞれの層上のＫコンタクト点のＮ個がユーザが選択した位置の位置選定をするために使用される、導電材料の対応する層に電気的に相互接続する。ここでＮは３〜Ｋの整数値を有する。プロセッサは、同様に、各々のＭ個の層の各々のＮ個のコンタクト点に信号を選択的に与えるために配置され、エレクトログラフィックセンサの選択した層上のユーザが選択した位置からの信号を検出し且つプロセッサに伝達する手段と協同して、Ｍ層およびＭ層のうちの対応する層上のユーザが選択した位置の位置座標のうちのどれかを決定する。
選択した層の識別は、第１の選択信号をそれぞれのＭ個の層上のすべてのＫ個のコンタクト点に順番に連続して与え、Ｍ個の層のそれぞれに関して個別にユーザが選択した位置において、第１回の測定を行って第１の測定信号を測定することによって達成される。この第１の測定信号は、その層のすべてのコンタクト点がその層のコンタクト点に与えられる第１の選択信号を有するとき、検出および伝達手段によって受信された信号であるＭ層のそれぞれの第１の測定信号に対応する。
次に、第２の測定信号を、開回路Ｍ層のそれぞれにおけるＫ個のコンタクト点のそれぞれを有するＭ個の層のそれぞれについて、ユーザが選択した層におけるユーザが選択した位置において測定し、Ｍ個の層のそれぞれについて、第１の測定信号から第２の測定信号を減算することによってＭ個の差分値を形成する。
次に、これらのＭ個の差分値をそれぞれ、予め選択された閾値と比較し、これらのＭ相違値のどの値が、選択された閾値よりも大きく、その選択された閾値を最大値だけ越えるかを決定する。次に、これらの条件を満足する差分値に関連する層を、ユーザが選択した位置を含む層であると識別する。一旦このような決定がなされると、その層上のユーザが選択した位置の座標が、上記のように、決定され得る。
本発明はさらに、導電層上のコンタクト点のそれぞれにおけるコンタクト抵抗を補償し、開いたまたは閉じた２次元または３次元形状に形成する技術を含む。
さらに、本発明は、上面に図形表示を有する導電上皮を層の外面上に配置することを含み、本発明は、ユーザが選択した位置の位置座標を導電層の座標から図形表示の座標に変換する能力を有する。このような図形表示は、地図または地球儀、架空の地図または星もしくは他の惑星の１つの表示であり得る。これをさらに１ステップ行うと、これらの図形座標はまた、選択された図形座標に対してメモリ内に予め記憶された情報を電子的にユーザに送達するためにも用いられ得る。
実際の応用では、本発明は、非導電層を上部に有するまたは有さない導電層および層上の位置を選択するためにユーザによって用いられるスタイラスから、導電下部層、非導電圧縮性層、および可撓性の導電上部層を有する多層構造であって、ユーザが上部層を下部層に向かって押圧し、上部層と下部層が共に近接する点が、ユーザが選択した位置として決定される多層構造まで、多くの形態を取り得る。さらに、作動および測定信号が、選択された周波数のＡＣまたはＤＣのいずれかである種々の設計が提案される。
従って、本発明の範囲を十分に説明するために、種々の実施態様の詳細な説明が、以下の好ましい実施態様の説明において提供される。しかし、以下の説明は、排他的なものではなく、提示される多くの主題における変更も本発明の一部であると見なされる。
本発明は、ユーザによって選択される任意の形状の２次元または３次元表面上の位置（location）を決定し、データ記憶位置またはその位置に関連する、その位置内に記憶された情報へのアクセスを提供するシステムおよび方法に関する。
即ち、本発明は、所定の座標系における座標の形態で位置情報を決定する。次に、その位置情報は、関連のマイクロプロセッササブシステムのメモリ内の位置へのアドレスとして作用する。その位置、またはアドレス自体は、表面上の対応する位置に属する、予め記憶されたデータを取り出し、表面上の対応する位置に属するデータを記憶し、本発明を適用するシステムの挙動を変更するか、または従来のディスプレイもしくはプリンター装置上でユーザに提示されるために使用され得る。
長方形などの簡単な形状の表面において、表面のエッジ上に設けられる少なくとも３つの小さな電気的コンタクトが必要である。より複雑な形状の表面では、電気コンタクトの最小数は、システムが、表面の多数の位置間でユーザが示しているのがどれであるかを決定することを可能にするために増加し得る。表面の各構造において、コンタクトは、表面上のすべての位置が個々に識別され得るように配置される必要がある。
小さなコンタクトおよび駆動機／受信機技術を用いると、本発明は、コンタクトのそれぞれのコンタクト抵抗における差を補償し得る。補償され得る差は、同一表面上のコンタクト間の差、同一の電子装置を用いる１つの表面上のコンタクト対他の表面上のコンタクトとの間の差、ならびに機械的および環境ストレスによる経時的な個別のコンタクトのコンタクト抵抗の変化を含む。
本発明は、以下に記載するように、受信機を用いて特定の位置指示信号を測定することによって、ユーザが選択した表面上の位置を決定する。２次元または３次元物体については、本発明は、単一の受信回路のみ必要とする。
本発明の種々の実施態様において、スタイラスは、送信機に負荷をかけない、または負荷をかけても無視できる程度であり、Meadowsの装置における駆動回路の変化ではなく、スタイラスが接触する表面上の点における信号レベルが測定される。さらに、従来技術の動作に大きく影響する、指またはリングなどの潜在的な幻影(phantom)スタイラスは、本発明の送信機に無視できる程度の負荷効果を有するだけである。従って、本発明は、幻影スタイラスに対して免疫をもつ。
本発明において、活性表面は、導電ポリマー複合体（導電プラスチック）または非導電材料上の導電コーティングで形成され得る。これは、従来技術に対して実質的にコスト面で有利である。なぜなら、オーバーレイまたは埋め込みワイヤが必要ではなく、表面自体が、必要な構造的支持体を提供するからである。本発明を適用する装置は、典型的には、他の構造を必要としない成形または真空形成された導電ポリマー複合体の表面を含み、炭素ポリマー材料、または塗布される導電コーティングのみのコストがさらにかかるだけである。さらに、射出成形による感応表面の形成によって、タッチ感応複合形状が容易に形成できる。位置選定システムおよび構造的支持体における要素として炭素ポリマー複合材料を用いると、凸凹のついた信頼のおけるシステムが提供される。炭素ポリマー複合材料は、本来凸凹しており、本発明のシステムは、層間の結合が悪化し、層が分離し得る多層システムではなく、このような材料の単一な層を用いる。
単一の物体（例えば、長方形、円、または楕円）の全表面を駆動するために、少なくとも３つのコンタクトが必要である。複雑な物体にはさらにコンタクトが用いられ得、簡単な形状には、回路の感度を増加させるのではなく解像度を増加させる必要がある。コンタクトの数、即ち、ワイヤカウントが少ないと、低コストになり、製造が容易になり、遠隔または移動可能な表面の応用（例えば、回転地球儀）が可能になる。
表面に導電ポリマー材料を用いる利点は、コンタクトが表面の後ろまたは内部に設けられ、それによって、100%活性な前面または外面が成し遂げられることである。
さらに、本発明は、既知でない可変コンタクト抵抗を補償し得る特有の表面駆動技術を含む。種々のコンタクト型および機械接続機構は、実質的にコンタクト間で変化し、移動、温度およびエージングなどの機械的および環境ストレスによって経時的に変化するコンタクト抵抗を形成する。他の技術は、既知または一定のコンタクト抵抗のコンタクトに依存し、コンタクト抵抗における補償されない変化は、位置検出エラーとなる。
本発明は、コンタクト抵抗における差および変化を補償する種々の機構を用いることを可能にする。これらの機構のそれぞれが用いられ得、それぞれがそれ自体の利点を提供する。１つの可能な機構は、各コンタクトとして２つの電極を用いることを含み、これらの電極は互いに接近し、電気的に相互接続されているが、接触していない。この構造におけるこれらの電極の１番目の電極は、信号駆動ソースに取り付けられ、これらの電極の２番目は、高インピーダンスフィードバックパスを提供する。この構造において、信号駆動ソースは、第２の電極における信号レベルが所望の値で、コンタクト抵抗とは独立して、表面上の既知の点における既知の信号レベルを提供するように調整される。ここで、駆動方法はまた、抵抗材料の経時的な温度による変化、およびコンタクト抵抗における変化の自動調整を提供する。
第２の可能なメカニズムは、コンタクト毎に唯１つの電極を持ち、表面の抵抗性材料に対する各コンタクトの抵抗値を測定する。３つのコンタクトポイントＡ、Ｂ、およびＣを有するこのようなシステムでは、信号レベル測定は、ポイントＡとポイントＢとの間に既知のレベルの信号を印加する一方で、インピーダンスの高いパスを介してポイントＣで行われる。次に同様の測定が、ポイントＣとポイントＡとの間に信号を印加しながらポイントＢで行われ、ポイントＢとポイントＣとの間に信号を印加しながらポイントＡで行われる。従って、表面上のコンタクトの位置および表面材料の抵抗率が分かると、ポイントＡ、Ｂ、およびＣと表面材料との間のコンタクト抵抗は、図６を参照して後述するように計算され得る。
さらに、本発明は、精度を向上させるために迅速な測定および進行中(on-the-fly)の較正を提供するマルチステート駆動シーケンスの使用を組み込んでいる。
ユーザによって選択される物体の表面上の１つのポイントでいくつかの信号測定を行うためにスタイラスが用いられる。先ず、表面のための基線ＤＣオフセットおよび環境ノイズレベルを決定するために、コンタクトに信号を印加せずに測定が行われる。本明細書ではこの測定をDC-OFFSETと呼ぶ。第２の測定は、全面的な信号値を決定するために、コンタクトのすべてに信号を印加して行われる。本明細書ではこの測定をFULL-SCALEと呼ぶ。次に、一対のコンタクトに信号を印加して、これら２つのポイント間の表面にわたって信号レベル勾配を作成するために、別の測定が行われる。本明細書ではこれをＸ軸および測定値Ｘと呼ぶ。次に信号を別のコンタクト対に印加して、別の方向の信号レベル勾配を作成する。本明細書ではこれをＹ軸および測定値Ｙと呼ぶ。次にシステムによって以下の計算が行われ、表面上の上述のように定義されたＸおよびＹ軸に沿って選択された位置が決定される。
Px=（X‐DC-OFFSET）／（FULL-SCALE‐DC-OFFSET） （1）
Py=（Y‐DC-OFFSET）／（FULL-SCALE‐DC-OFFSET） （2）
次に表面上の実際の位置は、表面材料のための信号レベル勾配の、数学的なまたは経験的に決定されたモデルを用いることによって、ＰxおよびＰyから決定され得る。
本発明では、必要とされる基本的な項目（すなわち、アルゴリズムおよび伝導性材料）はかなり長い間知られているものである。アルゴリズムの基礎は数世紀前に遡る。本明細書で表面材料として示唆されるものに類似した類似の電気的特性を有する材料もまた数十年にわたって知られている。
本発明のアルゴリズムの基礎は、三角測量を用いて物体の表面上のポイントの位置を決定することである。三角測量とは以下のように定義される。
「未知のポイントを、航海術におけるように、該未知のポイントと２つの既知のポイントとを頂点とする三角形を形成することによって位置選定すること。」
（The American Heritage Dictionary of the English Language，Third Edition）
三角測量は、三角法の基本的な教義であり、ある物体の表面上のポイントの位置を突き止めるときこれを使用することは数世紀にわたって用いられている。これは、天測航行、測量、全地球位置決定システム（ＧＰＳ）、地震学などの応用で用いられる。
本発明では、三角測量におけるように、位置は、問題のポイントでの２つの既知のポイントとの関係を測定することによって決定される。この関係は、最初の２つの固定ポイントに既知のレベルの信号を印加しながら、スタイラスが受信する信号レベルにより決定される。その信号レベルを有すると考えられる表面上のすべてのポイントが、可能な位置よりなるラインを形成する。別の関係は、別の２つの固定ポイント（異なるコンタクト対、しかし、一方のコンタクトは最初のコンタクト対に含まれるコンタクトの一方であり得る）およびスタイラスからの別の受信信号レベルを用いて決定される。従って、これら２つの測定からのこれら可能な位置よりなる２つのラインの交点が、スタイラスが表面に接触した場所であることが分かる。二次元の表面、またはコンタクトが縁部または赤道部に配備された半球体などのいくつかの表面にとっては、これは固有であり得る。
理論上は、三次元空間内の位置は、４つの非共面の既知のポイントからの距離によって固有に識別され得る。このとき、三次元空間内の可能な位置が規制されないならば必要な既知のポイントの数は少なくしても良い。本発明の目的のためには、関心対象の位置は表面の既知の形状の表面上にあるように規制される。長方形または円形などの形状では、表面上の位置はその表面上の３つの既知のポイントからの距離によって定義され得る。ただし、これらの既知のポイントのすべてが表面形状の縁上にあるか、または同一線上にない場合に限る。球体または楕円体の連続表面形状では、その形状の表面上の位置は、３つの既知のポイントからの距離によって定義され得る。ただし、これらの３つの既知のポイントによって定義される平面がその形状の中心点を含まない場合に限る。円柱形状では、表面上の位置は３つの既知のポイントからの距離によって定義され得る。ただし、これらの３つの既知のポイントによって定義される平面がその円柱体の中心線を交差しない場合に限る。
コンタクトと表面上のポイントとの間で決定される関係にとって、ポイントはコンタクト対の視界内に存在しなければならない。すなわち、図８に示すように、任意のポイントＸがコンタクト対ＡおよびＢの視界内に存在するためには、それぞれＡとＢとの間およびＡとＸとの間に引かれたベクトル間の開先角度Ａi、およびそれぞれＢとＡとの間およびＢとＸとの間に引かれたベクトルによって形成される開先角度Ｂiは共に９０°より小さくなければならない。さらに、表面は、ポイントＡとＸとの間およびＸとＢとの間に導電性材料を含まなければならない。図９は、開先角度Ａiは９０°より小さいが開先角度Ｂiが９０°より大きいため、ポイントＸがポイントＡおよびＢの視野内にない状態を示す。
実用においては、実際の測定装置の解像度には限度があるため、もっと多くのコンタクトポイントが使用され得る。コンタクト数を増やす別の要因はコストである。受信器および送信器回路の解像度と、各測定のために信号がそれぞれの間の表面に印加されることになるコンタクトの数との間でトレードオフがなされる。間隔をより密にしてより多くのコンタクトが使用されると、送信／受信回路の解像度は低下し得る。
距離または位置の測定に材料の抵抗率を使用することは、多年にわたって知られている。初期の例としては、回転または摺動電位差計を用いて、ノブまたはスライドの位置を決定することがある。
本発明によって用いられ得る伝導性ポリマーは、少なくとも、伝導性ポリマー錯体(Conductive Polymer Composites)の初期の製造業者であるＣＭＩが3M Companyによって買収された１９７４年以来知られていた。
最小限に見積もっても、本発明によって利用される材料およびアルゴリズムは２０年間、恐らくはもっと長い期間にわたって容易に利用可能であった。しかし、いずれの文献も、これらの要素を組み合わせて本発明のような装置を製造することを教示も示唆もしていない。実際において、既知の参考文献のすべてがこの技法を教示していない。
図１には、本発明のユーザ選択位置選定システムの基本的な構成要素が示されている。これらは、選択された抵抗率を有する二次元または三次元の伝導性表面１０（例えば、炭素添加プラスチック、または非伝導性表面に伝導性コーティングを塗布）、およびこれに接着した３つの伝導性コンタクト１２、１４、および１６を含む。コンタクト１２、１４、および１６はそれぞれ導体２４、２６、および２８を介してプロセッサ３０に接続される。プロセッサ３０にはまた、ユーザが、ユーザが関心を抱く表面１０上の位置を示すために用いるスタイラス２０と共に導体１８が接続され、スタイラスはその他端に先端部２２を有する。
次に、図２に示すように、ユーザが表面１０上のポイントをスタイラス２０により選択するとき、上記に一般的に述べたような一連の測定が行われる。
先ず、コンタクト１２、１４、および１６に信号を印加せずに、プロセッサ３０はシステムのDC-OFFSET値をスタイラス２０により測定する。
次に、等しい振幅の信号を３つのコンタクト１２、１４、および１６のすべてに印加し、プロセッサ３０はFULL-SCALE信号値をスタイラス２０により測定する。
第３の測定は、全面的測定で用いられる振幅の信号を、３つのコンタクトのうちの１つ、例えばコンタクトｌ２に、第２のコンタクト、例えばコンタクト１４は接地させた状態で印加することによって行われ、この信号測定は、これら２つのコンタクト間の等電位線（すなわち、図２のラインＸ）に沿ったいずれかの位置に位置し得るスタイラス２０によって行われる。
第４の測定は、異なるコンタクト対、例えば１２および１６に信号印加および接地を行うことによって行われ、この信号測定は、これら２つのコンタクト間の等電位線（すなわち、図２のラインＹ）沿ったいずれかの位置に位置し得るスタイラス２０によって行われる。スタイラス２０の位置はラインＸおよびＹの交点である。
次にＰXおよびＰYの値が上記の等式１および２に示すように計算される。
実際の操作では、これらのステップのそれぞれは、ユーザに特定の測定の開始または信号の切り替えを要求することなくプロセッサ３０によって自動的に行われ得る。
次にＰXおよびＰYの値が、プロセッサ３０内のメモリへのアドレスとして使用され得る。このメモリから、スタイラスにより示される位置に関する情報が得られ得る。この同じ技法はまた、データが後の検索のために先ず格納されるメモリ内のアドレス、または何らかの目的で始動される遠隔ディスプレイ上のアドレスを決定するためにも用いられ得る。
表面上の各固有の位置は、ＰXおよびＰYの値の固有の組み合わせによって規定される。上記の一連の測定から、表面上のスタイラスの位置は、等電位座標と呼ばれるＰxおよびＰYによって表され得る。さらなる計算もまた、所望であれば、該位置を等電位座標から別の座標システムへと変換するために行われ得る。この変換は、所望の座標システムへの等電位座標の公知のマッピングを必要とする。マッピングは、均質な導電性材料または抵抗率分布が公知である材料から形成された物体に対して数学的に決定され得る。抵抗率分布が公知ではない物体に関しては、所望の座標への等電位座標のマッピングが経験的に決定され得る。どちらの場合も、マッピングは、マイクロプロセッサメモリ内に格納され得、変換計算が、マイクロプロセッサによって行われる。
図３には、表面全体（例えば、図示されるように半球体）にわたって連続的な定義式を有する表面上でＰXおよびＰYの値を決定するための同じアプローチが示される。
本発明の表面１０は、複雑な形状を有する表面を含む二次元または三次元表面へと容易に成形され得るまたは塗布され得る、炭素添加ポリマーまたは導電性コーティング（例えば、3M Velostat 1840または1801）などの材料を使用する。最小数の駆動回路および表面と検出電予装置との間の接続により、電子装置と、表面を電子装置に接続するという機械的局面との両方において複雑さがさらに低減される。
より詳細には、本発明の幾つかの実施形態が、以下の段落に説明され、図４以降に図示される。
図４に示される実施形態は、シート１００（例えば、3M Velostat 1801等の炭素添加ポリマーの１２インチ×１２インチ×０．１２５インチのシート）のような導電性材料の長方形片を含む。導電性材料はまた、Spraylat Corp.のモデル５９９Ｙ１２４９等の導電性コーティングを有する非導電性材料から形成されていてもよい。
シート１００の端付近に固定され、シート１００と電気的接触をとっているのは、コンタクト１０２、１０４、および１０６である。シート１００上のコンタクト１０２、１０４、および１０６と、信号生成器１２２のコンタクト１２６、１２８、および１３０とをそれぞれ接続しているのは、導電性リード１０８、１１０、および１１２である。
信号生成器１２２は、スイッチ１３２の３つの別個の端子（コンタクト１０２、１０４、および１０６の各々に対応する端子）に接続された増幅器１３４の非反転出力端子およびスイッチ１３６の３つの端子（コンタクト１０２、１０４、および１０６の各々に対応する端子）に接続された増幅器１３４の反転出力端子を有する増幅器１３４をフィードする６０ＫＨｚの交流信号生成器１２４を備える。次に、コンタクト１２６、１２８、および１３０の各々は、スイッチ１３２および１３６それぞれの異なる端子に接続される。図４においては、スイッチ１３２および１３６の各々が、開放位置で示される（すなわち、コンタクト１２６、１２８、および１３０のいずれにも信号が与えられない）。
次に、スイッチ１３２および１３６の各々の位置が、ケーブル１３８および１４０をそれぞれを介してマイクロプロセッサ１４２から制御され、それによって、マイクロプロセッサ１４２が、コンタクト１０２、１０４、および１０６のどれが関連の制御リードを介してスイッチ１３２を通して６０ＫＨｚの信号を受け取り、コンタクト１０２、１０４、および１０６のどれが関連の制御リードを介してスイッチ１３６を通して反転された６０ＫＨｚの信号を受け取るかを選択することが可能となる。
６０ＫＨｚの交流信号がコンタクト１０２、１０４、および１０６の１つまたはそれ以上に接続されると、その信号がシート１００の導電性材料を介して放散され、スタイラス１１６が、表面１００の近くに持ってこられた場合にアンテナとして作用する。スタイラス１１６によって検出された信号は、次に、シールドされたケーブル１１８を介して信号測定ステージ１２０に導かれる。本実施形態においては、スタイラス１１６は、完全に受動的であり、単純に、シールドされたケーブル１１８の端部を、スタイラス１１６の遠位端において、ケーブル１１８の中心導体が放散された信号を受け取るために露出されることが可能となるようにシールディングが取り外されたケーブル１１８の最後の１／８インチで封入するプラスチックシェルで構成されて製造され得る。従って、スタイラスの先端が、導電性材料の表面１００近くにある場合には、放散された信号が、スタイラスアンテナによって受け取られ、信号測定ステージ１２０に対する入力信号として提供される。
信号測定ステージ１２０は、ケーブル１１８に接続された復調器１４４を備えており、スタイラス１１６が受け取る信号が復調され、復調された信号が、次に、信号レベルとしてアナログーデジタル変換器（ＡＤＣ）１４６に与えられる。ＡＤＣ１４６は、次に、その信号レベルをデジタル化し、それをマイクロプロセッサ１４２に与える。
本実施形態における交流信号の使用により、スタイラス１１６が、シート１００の導電性材料と直接的に接触することなく、シート１００の導電性材料から放散された信号を受け取ることが可能となる。これによって、シート１００の導電性材料が、スタイラス１１６が回避不能にシート１００の表面に突き当たることを防止するため、または接触表面上にアプリケーションに特異的なグラフィックを配置するために非導電性材料の層で覆われることが可能となり、スタイラス１１６が、選択されたポイントでシート１００から信号測定ステージ１２０によって測定される信号を受け取るためにアンテナとして作用することが依然可能である。
マイクロプロセッサ１４２は、６０ＫＨｚの信号または反転された６０ＫＨｚの信号を受け取るために接続されたコンタクト１０２、１０４、および１０６の異なるセットを用いて一連の測定を行うことを指示するように符号化される。
一旦ユーザが、関心対象のシート１００上のある位置を選択すると、本発明のシステムは、すばやく連続的に（例えば、時分割多重化によって）一連の測定を行い、それによって、スタイラス１１６が指した場所を決定し、ユーザに、求めている情報を提供する。
上に概要を述べたように、第１の測定は、本明細書中では、SignalOFFSETと呼ばれ、スイッチ１３２および１３６を全開放位置に設定することに関与する。マイクロプロセッサ１４２は、次に、信号測定ステージ１２０から信号レベルを読み出し、その値をSignalOFFSETに割り当て、その値をＲＡＭ１４５に保存する。
上に概要を述べたように、第２の測定は、本明細書中では、SignalFULLと呼ばれ、スイッチ１３２におけるコンタクトの３つのセット全てを閉鎖することによって、６０ＫＨｚの交流信号を全てのコンタクト１０２、１０４、および１０６に同時に接続させることに関与する。マイクロプロセッサ１４２は、次に、信号測定ステージ１２０から信号レベルを読み出し、その値をSignalFULLに割り当て、その値をＲＡＭ１４５に保存する。
次に、マイクロプロセッサ１４２は、次の測定で使用するために、１組のコンタクト（例えば、１０２および１０４）を選択する。コンタクト１０２は、本考察に関してはポイントＡであり、スイッチ１３２を介して６０ＫＨｚの交流信号を受け取るように接続される。これらの２つのコンタクトのうちの他方、すなわちコンタクト１０４（本考察に関してはポイントＢ）は、スイッチ１３６を介して６０ＫＨｚの反転交流信号を受け取るように接続される。第３のコンタクト１０６は、単純にスイッチ１３２および１３６の両方において開放スイッチセクションに接続される。マイクロプロセッサ１４２は、次に、ＲＡＭ１４４において信号測定ステージ１２０からの信号レベルを格納し、その値をSignalRAW-ABに割り当てる。
通電した（energized）コンタクト１０２と１０４との間で、信号レベル等電位マップ１１４Ａが、シート１００の導電性材料における分布抵抗の影響によって描かれ得る。等電位信号レベルラインの形状および値を含む、１１４Ａ、１１４Ｂ、および１１４Ｃ等の信号等電位マップは、ＲＯＭ１４７に格納される。「Electromagnetics」（John D．KrausおよびKeith R．Carver、McGraw-Hill973、pp.266-278）に記載されるように、これらの信号等電位マップは、シート１００とコンタクトの各組との間の境界条件を満たすラプラス方程式（▽2Ｖ＝０）に対する固有の解を求めることによって生成される。それらに限定されることはないが、直接的数学解法、グラフ式逐一点コンピュータモデリング（graphical point-by-point computer modelling）、および経験的判定を含む、物体に対するラプラス方程式の解を求めるための多くの方法が存在する。均質な導電性材料および単純な形状に関しては、直接的数学解が容易に得られ得る。均質性、形状またはコンタクト配置が他の方法を受けつけない材料の場合には、経験的判定が使用され得る。
経験的判定方法では、座標システムが選択され、装置上にオーバーレイされる。１０２および１０４等のコンタクトの特定の組に関するマップを決定するためには、コンタクトが、上記のSignalRAW ABの測定と同じ様式で通電される。選択された座標システム上の各交点において、SignalRAW ABの値が測定される。選択された交点の粒状度が十分に細かければ、等電位マップは、同じ測定値を含有するポイントを見つけることによって直接的に抽出され得る。そうでなければ、等電位ラインが、測定されたポイント間を補間することによって計算され得る。
第３の測定に関しては、マイクロプロセッサ１４２は、１０２および１０６等の別のコンタクトの組を選択する。コンタクト１０２（上記のように再びポイントＡと呼ばれる）は、スイッチ１３２を介して６０ＫＨｚの交流信号を受け取るように接続され、そのように接続されたただ１つのコンタクトである。他方のコンタクト１０６（本考察ではポイントＣと呼ばれる）は、スイッチ１３６を介して６０ＫＨｚの反転信号に接続される。マイクロプロセッサ１４２は、次に、信号測定ステージ１２０からの信号レベルを記録し、その値を、SignalRAW ACに割り当てる。
２つの信号SignalRAW-ABおよびSignalRAW-ACは、コンタクト間の材料抵抗によってだけではなく、シート１００の導電性材料の表面からのスタイラス１１６の高度、スタイラス１１６の姿勢または角度、および環境の変化、エイジング、または他の要素による回路機構の変化を含む多数の他の要素によっても影響を受ける。信号、すなわちSignalFULLは、高度、姿勢、および回路機構の変化によって同様に影響を受けるが、不変の信号等電位マップを有し、その結果、SignalFULLの値が、SignalRAW-ABおよびSignalRAW-ACの値を正規化するために使用され得、それによって、以下の式を使用して、高度、姿勢、および回路機構の変化の影響が取り除かれる。
SignalN0RM＝SignalRAW／SignalFULL (3)
SignalRAWおよびSignalFULLはともに、最終値においてＤＣオフセットを生成する回路でのある特定の変化による影響を受ける。必要であれば、それらの影響を取り除くように、方程式３を以下の方程式４に示されるように変更してもよい。
SignalNORM＝(SignalRAW−SignalOFFSET)／(SignalFULL−SignalOFFSET) (4)
方程式３および４のいずれかの式をSignalRAW-ABおよびSignalRAW-ACの各々に適用すると、正規化された信号であるSignalNORM-ABおよびSignalNORM-ACを得ることができる。
例えば、所定の信号マップ１１４Ａおよび値SignalNORM-ABを用いると、スタイラス１１６の位置が、コンタクト１０２とコンタクト１０４との間の、１１５などの１つの信号レベル線に解析（resolve）され得る。
所定の信号マップ１１４Ｂおよび値SignalNORM-ABを用いると、信号マップ１
１４Ｂにおいて、コンタクト１０２とコンタクト１０６との間で、別の信号レベル線が決定され得る。その後、スタイラス１１６の位置は、１１４ＡにおいてSignalN0RM-ABによって選択された信号レベル線が、１１４ＢにおいてSignalNORM-ACによって選択された信号レベル線に交差する点Ｐに解析される。
解析点Ｐの使用は、SignalFULLの値を所定の閾値レベルと比較して受信信号が有効であるかどうかを判断することにより、マイクロプロセッサ１４２によって認定される。この閾値は通常、応用あるいはユーザの分解能（resolution）に対する要求を満たすように、経験的に決定される。シート１００の導電材料の表面からのスタイラス１１６の高度が下げられると、受信信号の強度が大きくなり、位置の分解能はより正確になる。描画（drawing）タブレットなどの幾つかの応用は、ユーザの操作予想に合わせるために、特定の高度閾値を必要とし得る。これらの応用では、ユーザは、システムが、スタイラスの先端が表面に接触するまで、スタイラス位置を認知するとは予想していない。その他の応用は、より高いまたはより低い分解能を必要とし得る。応用は、その要求に最良に合う高度閾値を選択し得る。特定の応用についてSignalFULL閾値が満たされると、解析点Ｐは有効であると考えられる。
上で述べた測定は連続的に行われ、各測定は、典型的には、４ミリ秒以内で行うことができるため、シーケンス全体は、１２ミリ秒〜１６ミリ秒で終了する。
測定間でのスタイラス位置の変化を最小にするように測定シーケンスは迅速に終了しなければならないため、このことは重要である。信号測定装置の能力が適宜選択されるのであれば、実質的により速いサンプル時間が用いられ得る。
一連のスタイラスの場所を迅速に連続して測定することを必要とする応用を支持するためには、スタイラスの移動よりも実質的に速いサンプル時間を選ばなければならない。スタイラス位置の連続的な検出を必要とするであろう応用は、点の連続が線を形成する電気描画パッドであろう。このタイプの応用は、２００マイクロ秒のオーダーのサンプル時間を必要とし得る。
上述の実施形態では、信号生成器１２２は、６０ＫＨｚのＡＣ信号を生成するが、その代わりに、ＤＣ電圧レベルを用いてもよい。６０ＫＨｚの信号の代わりにＤＣ信号レベルを用いると、スタイラス１１６とシート１００の導電材料とを接触させずにスタイラスの位置を検出する能力が不要となる。スタイラスと材料とが直接接触するため、スタイラスの高度および姿勢の影響は、SignalRAWの測定に寄与しない。なぜなら、スタイラスの高度および姿勢は、SignalRAWの測定において、支配的な変動ソースであるからである。スタイラスの高度および姿勢が測定に不要になると、SignalRAWをSignalFULLに関して正規化する必要性が低減されるか、あるいはなくなる。
また、最小数の測定で得られた、スタイラス１１６が指している点をさらに正確にする／確認するために、より多くの測定（コンタクト１０４〜１０６、即ち、Ｂ〜Ｃ）を行ってもよい。マイクロプロセッサ１４２はまた、スタイラス１１６の移動によって生じる変化を減らし、分解能を向上するために、測定値をフィルタリングするようにプログラムされ得る。
受信復調器の同期検出技術は、ノイズ免疫を実質的に向上させる。受信信号には、ＦＥＴスイッチ（例えば、ＤＧ４４１）を用いて、送信信号が乗算される。その後、結果として得られた乗算信号は積分され、ＤＣ成分が決定される。変換のためにＡＤＣに与えられるのは、この積分信号である。乗算および積分の正味の効果は、送信信号と同じ周波数および位相の受信信号だけが見られることである。そのような信号は、送信器と同期していると考えられるため、同期復調と言う名前である。効果的なノイズ免疫が達成されるのは、通常、ノイズソースが送信器に同期されておらず、そのため、乗算および積分後には見られないからである。受信スタイラスによって検出された送信信号のうちの所望の部分だけが測定される。
導電表面の縁部付近の精度を高めるために、特別な技術を用いることができる。ある特定の形状の表面上には、等電位の線が縁部付近でほぼ平行になり得る。これにより、位置精度が低減しやすい。SignalFULLは縁部に幾らか近い場所で立ち下がる可能性が高いため、縁部までの距離は、SignalFULLのみから推定できる。縁部から、縁部付近の２本の等電位線の交差部によって決定された点までの距離の推定値を適用することは、位置精度を向上する助けとなり得る。
隔離された北半球および南半球からなる地球の赤道のように、２つの電気的に絶縁された表面が同じ縁部に沿って終わる場合、同様の技術を用いて、縁部付近の位置精度を向上することができる。そのような場合、縁部からの距離は、両表面からのSignalFULLを比較することによって推定することができ、SignalFULL-AのSignalFULL-Bに対する比を用いて、高度および姿勢の影響を推定する助けとすることができる。
一旦、ユーザが示した位置が決定されると、システムは、その位置に関連する情報がシステム全体に予め格納されているかまたは格納されるアプリケーションにおいて用いられ得る。そのアプリケーションをイネーブルにするために、データバスを介してマイクロプロセッサ１４２とのインターフェースをとるＲＡＭ１４５、ＲＯＭ１４７、オーディオ／ビデオカード１５０、およびＣＤＲＯＭドライブ１５６が示されている。例えば、表面１００がマップのオーバーレイを有する場合、ＲＯＭ１４７あるいはＣＤＲＯＭドライブ１５６のＣＤに予め格納される情報であって、オーディオ／ビデオカード１５０およびスピーカ１５４またはモニタ１５２を介して音声または視覚的な形態でユーザに送達することができる情報が存在し得る。
コンタクト１０２、１０４および１０６と、シート１００の導電材料との間の接続のコンタクト抵抗は、信号マップ（１１４Ａ、１１４Ｂおよび１１４Ｃ）の絶対信号レベルを規定する際に重大な役割を果たし得る。そのコンタクト抵抗は、信号レベルの絶対値に影響を及ぼすが、信号線の形状または分布にはわずかな影響しか与えない。１つのコンタクトと、シート１００の導電材料との間のコンタクト抵抗は、異なるコンタクト間の導電材料の抵抗と同様の値またはそれよりも高い値である場合もある。１つのコンタクトと、導電材料との間の抵抗もまた、化学的または機械的な要因のため、経時的に変化する。コンタクト−導電材料の抵抗はまた、製造された製品において装置（unit）ごとに異なり得る。
図４の実施形態において取り組まれているコンタクト−導電材料の抵抗差を計算により自動的に補償するために、本発明の別の実施形態が図５に示される。図４と図５との比較から分かるように、２つの回路実施形態のエレメントの多く、特に、シート１００、信号測定段１２０、マイクロプロセッサ１４２およびそれに関連する構成要素、信号生成器１２４、増幅器１３４、ならびにスイッチ１３２および１３６は同一であり、同じ方法で互いに接続されている。以下に説明する図５の付加的なエレメントは、上述の抵抗差の自動補償を与えるために加えられる。
これら２つの図の間の第１の差は、シート１００に取り付けられたコンタクトの構造にある。図５では、簡単に言うと、図４に示されるような１つのコンタクトが、接続された１対のコンタクトに置き換えられている。各接続された対の第１のコンタクトは、信号生成器の接続が行われるポイントとして用いられるが、接続された対の第２のコンタクトは、信号レベルの測定が行われ、測定ポイントでの信号レベルが既知のレベルとなるように、その接続された対の第１のコンタクトで注入されている信号レベルの調整が行われるポイントとして用いられる。
例えば、図４のコンタクト１０２は、図５では接続された対２０２ａおよび２０２ｂに置き換えられている。この実施形態では、コンタクト２０２ａは、シート１００上で図４のコンタクト１０２と同じポイントに配置される直径０．０６２５インチのコンタクトであり得、シート１００の導電材料への信号注入ポイントとして用いられる。同様に、コンタクト２０２ｂは、コンタクト２０２ａから０．２５インチの離れた場所に配置される直径０．０６２５インチのコンタクトであり得、シート１００上の関連するポイントにおいて信号レベルが測定されるポイントとして用いられ得る。
図４の実施形態との第２の差は、２入力端子増幅器２２０、２２４および２２８（例えば、ＭＣ４５５８）の各々の出力端子の、コンタクト２０２ａ、２０４ａおよび２０６ａへのそれぞれの接続である。増幅器２２０、２２４および２２８の各々は、スイッチ１３２および１３６の出力端子のうちの異なる出力端子に接続される正の入力端子を有する。増幅器２２０、２２４および２２８の各々は、シート１００に取り付けられた各接続された対の「ｂ」コンタクト（即ち、コンタクト２０２ｂ、２０４ｂおよび２０６ｂ）のうちの異なるコンタクトに接続される負の入力端子を有する。
入力信号がコンタクトの抵抗を通過するとき、信号レベルは減少する。コンタクトの抵抗が変化すると、信号レベルはコンタクト抵抗の変化に反比例して変化する。従って、入力信号レベルのそのような変化を別の方法で逆補償すれば、コンタクト抵抗の変化に起因する信号レベルの変化は相殺される。閉ループフィードバック理論の当業者であれば、シート１００の「ｂ」コンタクトが「ａ」コンタクト駆動増幅器２０２Ａ、２０４ａおよび２０６ａにフィードバックを与えることにより、これらの増幅器がコンタクト抵抗に起因する信号レベルの減少を感知して損失を補償するために必要な信号増幅(boost)を提供することを理解するであろう。
コンタクト抵抗を補償するための別のメカニズムは、コンタクト抵抗の現在値を決定し、信号マップにおける絶対値をコンタクト抵抗値の変化に基づいて調整することである。図６に示す実施態様はその機能を行う。
図４および６の実施態様をもう一度比較し、その類似点は、コンタクト１０２、１０４および１０６を有するシート１００、スタイラス１１６およびシールドケーブル１１８、信号測定ステージ１２０、マイクロプロセッサ１４２および関連構成要素、ならびに信号生成器１２２を含む。ここでの新しい構成要素は、配線３０２を介したマイクロプロセッサ１４２の制御下において、どの信号を信号測定ステージ１２０の復調器１４４の入力端子に入力するかの選択性を提供するための、４点スイッチ３０１である。４つの可能な信号入力源は、スタイラス１１６および、シート１００上のコンタクト１０２、１０４および１０６のうち任意の１つである。
２つのポイント間の信号マップにおける任意の位置について、電流が流れている任意のコンタクトの抵抗の変化は、観察される信号値を変化させる。例えば、図４のコンタクト１０２および１０４の間の１１４Ａなどの所定あるいは計算された信号マップにおいて、コンタクト１０２におけるコンタクト抵抗の変化は、信号マップの絶対値を変化させるが、信号マップの分布すなわち形状は変化させない。１０４におけるコンタクト抵抗が変化し、新しいコンタクト抵抗が測定されるならば、マイクロプロセッサは所定あるいは計算された信号マップを調整して変化したコンタクト抵抗を補償できることになる。
図６における３つのコンタクト１０２、１０４および１０６におけるコンタクト抵抗の変化を測定および計算するために、３つの追加的な測定を行う。これらの測定は、SignalFULL、SignalOFFSET、SignalRAW-AB、およびSignalRAW-ACの測定のシーケンスに追加されてもよい。ここで説明のためにコンタクト１０２、１０４および１０６をＡ、Ｂ、およびＣと呼ぶ。第１の追加的測定のために、マイクロプロセッサは、スイッチ１３２を介して６０KHzＡＣ信号に接続されるコンタクト１０２を選択し、スイッチ１３６を介して反転６０KHzＡＣ信号に接続されるコンタクト１０４を選択する。信号測定装置は、固定点であるコンタクト１０６に、スイッチ３０１を介して選択される。次にマイクロプロセッサは、信号測定ステージからの信号レベルを、ＲＡＭ内にSignalCとして格納する。
第２の追加的測定は、コンタクト１０２を６０KHzＡＣ信号に接続しコンタクト１０６を反転６０KHzＡＣ信号に接続して行われる。固定点であるコンタクト１０４は、信号測定装置に接続される。次にマイクロプロセッサは、信号測定ステージからの信号レベルを、ＲＡＭ内にSignalBとして格納する。第３の追加的測定は、コンタクト１０４を６０KHzＡＣ信号に接続しコンタクト１０６を増幅器１３４の反転６０KHzＡＣ信号端子に接続して行われる。固定点であるコンタクト１０２は、信号測定装置に接続される。次にマイクロプロセッサは、信号測定ステージからの信号レベルを、ＲＡＭ内にSignalAとして格納する。
このように、測定された信号レベルは、等式５ａ〜５ｃによって定義される：
SignalC＝SignalIN［(Ｘ・ＲAB＋ＲA)／(ＲA＋ＲAB＋ＲB)］ (5a)
SignalB＝SignalIN［(Ｙ・ＲAC＋ＲA)／(ＲA＋ＲAC＋ＲC)］ (5b)
SignalA＝SignalIN［(Ｚ・ＲBC＋ＲB)／(ＲB＋ＲBC＋ＲC)］ (5c)
SignalINは２つのコンタクト間に投入される信号レベルであり；
ＲAB、ＲAC、およびＲBCは、それぞれコンタクトＡとＢ、ＡとＣ、ならびにＢとＣの間の材料の体抵抗であり；
Ｘ、Ｙ、およびＺは、測定点で見た２つの駆動コンタクト間の体抵抗の分布を規定し；
ＲA、ＲB、およびＲCはそれぞれ、コンタクトＡ、Ｂ、およびＣにおけるコンタクト抵抗である。
SignalIN、Ｘ、Ｙ、Ｚ、ＲAB、ＲAC、およびＲBCの値は、特定の装置について測定および／または計算され得、マイクロプロセッサメモリ内に格納され得る定数値である。従って、一連の３つの連立方程式において３つの変数ＲA、ＲB、およびＲCが残る。次にマイクロプロセッサは、これらの連立方程式をＲA、ＲB、およびＲCの値について解いた後、ＲA、ＲB、およびＲCの新しい値に基づいて信号値テーブルを調整し得る。
一対のコンタクトを駆動しスタイラスに接続されたレシーバで感知を行うための別のメカニズムは、スタイラスおよびコンタクトの一方を駆動メカニズムとして用い、他方のコンタクトによって感知を行うことである。別のコンタクトを駆動コンタクトとして選択しさらに別のコンタクトを感知コンタクトとして選択して、一連の測定を行い得る。
また別の駆動および測定方法が、周波数分割多重化を用いることにより提供される。上述の方法は、異なる時刻において行われる一連の測定ステップを包含していた。周波数分割多重化方法においては、一対のコンタクト点を異なる周波数信号で同時に駆動する。従って、スタイラスが受け取る信号は、これら異なる周波数信号を複合したものであり、対応する信号を各々同時に測定する複数の独立した（すなわち周波数で分けた）信号測定装置に分配される。この実施態様における複数の測定装置は、狭い周波数帯域内の信号を測定するように設計される。この測定法により、信号駆動および測定検出システムがより複雑にはなるが、より少ない時間で位置を測定する可能性が提供される。
本発明を特定の装置に用いる実現例においては、いくつかの設計上の勘案事項が存在し得る。分解能を高めるためには、高分解能信号生成および測定スキームを用い得る。または、コンタクト点の数を増やし、コンタクト点の部分集合を用いることによって表面上の異なる領域におけるスタイラスの接触を解く、向上されたアルゴリズムを用いてもよい。さらなる別法としては、表面においてより均一な抵抗が得られるような、導電性材料および製造方法を選択してもよい。このことにより分解能が高まり、測定された信号マップよりもむしろ計算された信号マップが可能になる。用いられる材料が均一でない場合において高分解能を達成する別の方法は、マイクロプロセッサメモリに格納されたより包括的な信号マップを測定することである。
図４、５、６、および７に示す実施態様は、導体１１８によって検出システムの残りの部分につながれたスタイラスを含む。この導体は、スタイラスを導体でもってシステムにつなぐことを必要としないような通信リンクで置き換えられててもよい。低出力ＲＦ送信器をスタイラスに埋め込むか取り付けし、これと協働するＲＦ受信器を信号測定ステージに取り付けてもよい。この場合ＲＦ送信器および受信器が、導体１１８が提供する通信リンクを実現していることになる。
本発明はまた、スロープが滑らかに変化したり（例えば球体またはサドル状形状など）、鋭いエッジを有する（例えば立方体または角錐など）ような、他の２次元または３次元形状を含むように拡張され得る。ただし、抵抗表面がこれらのスロープ変化や鋭いエッジ周囲において連続的であることが条件となる。
図７に示す別の実施態様において、球体上のスタイラス１１６の位置を検出し得る。この実施態様において、他の各実施態様において説明したのと同じタイプの導電性材料から成形された球体４００には、４つのコンタクト４０１、４０２、４０３、および４０４が取り付けられている。閉じた３次元形状（例えば球体）の表面上の各点を個別に区別できるためには、これらコンタクト点のうち任意の３つからなる各可能な組み合わせがによって規定される各平面が球体の中心を通過しないように、コンタクトを位置しなければならない。これらの仮想平面がどれほど球体中心の近くにこれるか（すなわちコンタクトの設置）は、信号測定装置の分解能および、スタイラスが指す点を決定する所定のあるいは計算された信号等電位マップの精度によって、決定される。
従って位置の計算は、一対のコンタクトについての説明と実質的に同様であるため、この説明および請求項は本変形例をも含むものである。
図４の実施例における矩形シート１００の２次元領域上のスタイラスの位置を解くためには、図２に関して上述したように、ＡＢ測定値およびＡＣ測定値の各々における等電位線が１点でのみしか交差できないので、３つの測定値SignalFULL、SignalRAW-AB、およびSignalRAW-ACが必要であった。しかし図７のような球体においては、位置を完全に解くためには４つの測定値が必要である。例えば、コンタクト４０１が点Ａ、コンタクト４０２が点Ｂ、コンタクト４０３が点Ｃ、コンタクト４０４が点Ｄならば、４つ全ての点を同時に駆動してのSignalFULLの測定が１つの測定であり、そして４つのコンタクトの６つの可能な対の組み合わせを３つ測定しなければならない。すなわち、可能な測定値SignalRAW-AB、SignalRAW-AC、SignalRAW-AD、SignalRAW-BC、SignalRAW-BD、またはSignaRAW-CD、のうちの３つである。上式(3)のように３つのSignalNORM値を計算し、これらの値を該当する信号マップ上にプロットすることにより、球体上の全ての点を一意に解くことができる。２つのSignalNORM値がプロットされるとき、等電位線は球体の互いに反対側に位置する２つの場所で交差する。３つ目のSignalNORM値は、２つの交差点のうちいずれがスタイラスが指している点であるかを決定するために用いられる。すなわち、４つ目の点で測定された信号を、（最初のどちらかの２つの点の位置を決定するために用いられた）他の２つの点の一方からの信号とともに用いれば、この組み合わせから球体上の２つの可能な点が得られる。しかし、これら２つの点の一方は以前に決定された２つの点の一方と一致し、この一致する点こそが、問題となる球体上の実際の点である。
ポインティングデバイスとしてスタイラスを用いることの代替えは、ポインティングデバイスとして指を用いることである。これを可能にするために、内層が上述の実施形態で述べた導電性材料に類似である状態で構築された多層材料が用いられ得る。このような表面を図１０に示す。図１０において、底層に導電層１００が設けられ、上層に可撓性導電性層５０１（例えば、金属箔または導電性ポリマーの薄層）が設けられ、層１００と層５０１との間に圧縮可能非導電性層５０２（例えば、シリコンゴムまたはプラスチックフォーム）が設けられている。外層５０１は、金属または何らかの導電性材料であり得る。
この構造において、外導電層５０１は、図４に示す、取り付けられたスタイラス１１６を、導電体１１８（例えば、図４を参照のこと）によって信号測定装置に接続された外層５０１に置換する。従って、ユーザが外層５０１に接触すると、中層の非導電層５０２が圧縮して導電性外層５０１が導電性内層５０２に接近する。その場合、外層５０１によって内層１００上の放射された信号から受け取られる信号レベルは、図４に示す表面１００に対するスタイラス１１６の高度が減少するにつれて、スタイラス１１６によって受け取られる信号レベルが上昇するのとほぼ同一の様式で上昇する。マルチ層表面を利用する実施形態において、ユーザの指の位置は、最高限度まで押圧された外層に対応する、信号有効決定工程でSignalFULL用に選択された閾値を有するスタイラスの位置と同様の様式で計算される。
図４を参照して簡単に上述したように、本発明の１つの適用は、地球、月、惑星のうちの１つ、または星のうちの１つというインタラクティブ球体であり得、またはインタラクティブゲーム用の人工の物体または惑星というインタラクティブ球体でさえもあり得る。このような球体の２つの可能性のある装着形態を図１１および図１２に示す。これらの図に示す実施形態の主要な相違点は、図１１において導電性表面は球であり、図１２において導電性表面は２つの半球からなっていることである。
図１１は、図７に関して上記に開示したシステムが地球となるように修正された状態を示す。従って、図１１の下部の電子部品は、図７と同一の参照符号で示され、且つ図７と同一の様式で動作する。図１１において、内部に４つのコンタクト点６０４、６０５、６０６および６０７を有する導電性球体６０３がある。コンタクト点の各々は、ケーブル６０８の４つの絶縁された導電体のうちの１つに、これらの導電体の一端において接続されている。ケーブル６０８は、球体６０３の底部の小さい孔を介して球体６０３から出ており、ケーブル６０８の他端はスイッチ４２２および４３２の対応する部分と相互接続している。
地球の地理的詳細を提供するために、ここでは地球の北半球と南半球とを表すように示される２つのビニール製上皮６０１および６０２が球体６０３上に設けられている。従って、ユーザがスタイラス１１６を用いて地球上の位置を指し示すと、ここで用いる電子部品は上述したものと同一であるため、電子部品が、図７に関して上述したように、その選択された位置の座標を決定する。従って、地球の表面上の固有の位置は、等電位座標により規定され、等電位座標はマイクロプロセッサ１４２によって（例えば、ルックアップテーブルにより）、地球上の選択された位置に対応する地球座標（例えば、経度および緯度）にマッピングされる。
世界について関心の的である特徴、例えば国の位置および名前、首都、並びに人口などを含むデータベースが、望まれるいずれかの座標系に関して、ＲＡＭ１４５内に予め保存され得る。従って、ユーザがスタイラス１１６で地球上の点を選択すると、マイクロプロセッサ１４２は、その位置の座標を決定し、例えば、オーディオ／ビデオカード１５０およびスピーカ１５４を介してユーザに提示されるデータベースからその位置に関する情報の引き出しを行う。
地球の別の装着形態を図１２に示す。図１２において、互いに電気的に絶縁された導電性半球７０１および７０２が地球に導電性表面を供給する。ここにおいて、半球７０１および７０２は、連続した又はいくつかの（例えば３つの）堅固な非導電性スペーサが半球７０１および７０２の各々のエッジに取り付けられた状態で、エッジを互いに近接させて接着され、間隔を開けた関係および電気的絶縁を維持している。あるいは、非導電性接着剤が、半球７０１および７０２のエッジ間において用いられ得る。その後、地理に関する情報を有するビニール製上皮６０１および６０２が、図１１に関して上述したように、２つの半球上に取り付けられる。
本実施形態において、各半球は、内部エッジに取り付けられた３つのコンタクト点を有する。半球７０１はコンタクト点７１０、７１１、および７１２を有し、半球７０２はコンタクト点７４０、７４１、および７４２を有する。ここで、各半球は極冠を通る小さい孔を有する状態で示され、３本ずつの絶縁された導電ケーブル７３０および７５０がそれぞれ対応する半球の内部エッジ上の３つの点を通過し且つ一端をこれらの点に接続させることを可能にする。ケーブル７３０および７５０の各々の他端は、信号発生器７２２内の別のスイッチ対に接続されている。上半球７０１は、スイッチ７７０および７７１に接続されたケーブル７３０を有し、下半球７０２は、スイッチ７７２および７７３に接続されたケーブル７５０を有する。
図１２を図４と比較することにより、図４の実施形態は単一の表面のためのものであるが、図１２は１対の表面のためのものであり、各実施形態の信号発生器間の唯一の配線の違いは、図１２の実施形態において第２の表面用の第２のスイッチ対が追加されていることであるということが理解され得る。各例の信号発生器の残りの部分は、増幅器１３４が両方のスイッチ対７７０と７７１、および７７２と７７３に接続されていること以外は同一である。これは、スタイラス１１６が１つしかなく一度に選択され得る地球上の点が１つのみである（すなわち、選択された点は一度に一方の半球上にのみあり得る）ために可能である。従って、各半球は、別々の位置検出面として扱われる。
ユーザが半球７０１と７０２のいずれをスタイラス１１６で指し示したかを決定するために、マイクロプロセッサ１４２は、一連の測定をするようにプログラムされている。まず、上述した多くの実施形態同様、スタイラス１１６が一方の半球の選択された点を指し示している状態で、SignalFULLおよびSignalOFFSETが各半球に関して別々に測定される。その後、各半球に関するこれらの測定値間の差（すなわち、SignalFULL-701−SignalOFFSET-701、およびSignalFULL-702−SignalOFFSET-702）が決定されてＲＡＭ１４５内に保存される。要するに、SignalFULL、６０KHzＡＣ信号を表面上の全てのコンタクト点に適用することにより測定され、Signal0FFSETは、その表面用の信号発生器７２２内の全ての対応する接触が開放である状態で測定される。これらの差分値が一旦決定されると、これらの差分値の各々が、予め選択された閾値と比較される。閾値は、経験によって決定され、典型的にはスタイラスの先端が表面から０．１０インチ以内のときに測定される値である。その後、これらの差分値のなかで閾値を超えるものがあればどれであるかということが記録される。これは、対応する半球が、スタイラス１１６が指し示している半球として特定された状態で、最大のマージンで記録される。
上記関心のある半球が一旦決定されると、マイクロプロセッサ１４２は、図４に関して上記に簡単に述べた一連の計算により選択された位置を計算する。従って、４つの測定値、SignalFULL、SignalOFFSET、SignalRAW-AB、およびSignalRAW-ACが特定された半球上で生成され、SignalNORM-ABおよびSignalN0RM-ACの値は、式４に示すように計算される。これらの値はその半球上の固有の位置を規定する。
その後、SignalNORM-ABおよびSignalNORM-ACの値によって供給された固有の位置は、いずれの半球がユーザにとって関心の的であるかを決定する閾値テストの結果と共に、地球上の位置にマッピングされ得る。これは、選択された半球に関するルックアップテーブルにより行われ、必要であれば、標準地球座標系における、選択された点の経度および緯度を得る。その後、図１０に関して上述したように、マイクロプロセッサ１４２はユーザに、オーディオビデオカード１５０およびスピーカ１５４または他の任意の所望の媒体（例えば、プリンタ、モニタなど）、または媒体の組み合わせを介してメモリから、選択された点に関する情報を提示し得る。
さらに、本発明に用いられ得る、任意の表面上の点に関するデータを保存する方法は、表面に関する１つの座標系を別の座標系に変換するルックアップテーブルの場合同様、当業者に周知である。
上記に提示した本発明の様々な実施形態に関する記載は、本発明のための様々な形状および適用を述べたものであり、上述した形状および適用が本発明を限定するリストではないことは明らかである。このようなリストは多くの他の形状および適用に容易に拡大され得、上述の技術は多くの他の形状および適用の各々に容易に用いられ得る。このように、本発明は、上述した範囲のみに限定されるものではなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
本発明のシステムの一般的な実施態様の模式ブロック図である。 ２次元表面形状についての、本発明の位置選定（position location）アルゴリズムの図である。 図２に類似するが、３次元形状に関する図である。 本発明の第１実施態様のブロック図である。 本発明の第２実施態様のブロック図である。 本発明の第３実施態様のブロック図である。 本発明の第４実施態様のブロック図である。 ３つのコンタクトのみを有する位置を決定することが可能なコンタクト点の配置に対する限定を示す。 表面上の位置を決定するために用いることができない３つのコンタクト点を示す。 部分的な実施態様であり、例えば、図４に示すようなスタイラスを使用する代わりに、多層圧縮性タッチ表面が開示される。 球状の導電表面を有する相互作用地球儀に適用される本発明の実施態様の模式図である。 ２つの半球導電表面を有する相互作用地球儀に適用される本発明の実施態様の模式図である。
符号の説明
10 伝導性表面
12,14,16 伝導性コンタクト
18 導体
20 スタイラス
22 先端部
24,26,28 導体
30 プロセッサ
100 シート
102,104,106 コンタクト
108,110,112 コンタクト導電性リード
116 スタイラス
118 ケーブル
120 信号測定ステージ
122 信号生成器
124 交流信号生成器
126,128,130 コンタクト
132,136 スイッチ
134 増幅器
138,140 ケーブル
142 マイクロプロセッサ
144 復調器
146 アナログーデジタル変換器（ＡＤＣ）
145 ＲＡＭ
147 ＲＯＭ

Claims (7)

  1. 電気抵抗率を有する少なくとも２個の導電性材料層と、各導電性材料層の端部に沿って配置された少なくとも3個の接続点と、ユーザの操作によって前記導電材料層のひとつに近接して位置決めされるように配置されたスタイラスを含むプローブアセンブリと、プロセッサと、スピーカとを有し、
    前記プロセッサは、前記端部に沿って隣り合う接続点対のそれぞれから前記配置されており、
    前記プローブアセンブリは、ユーザがスタイラスを操作して前記導電性材料層上に配置された絶縁材料層に近接させたとき、前記絶縁材料層を介して前記導電性材料層から放射される交流信号によって該絶縁材料層上に形成される電位マップに応じた信号を検出し、検出した信号を前記プロセッサに伝達するように配置されており、
    前記プロセッサは、前記プローブアセンブリから受信した信号に基づき、ユーザが前記少なくとも２つの導電性材料層のうちどの導電材料層上で操作を行っているかの特定および該導電性材料層上に配置された絶縁材料層上でユーザが位置決めした場所の座標の特定を行うように構成されており、
    予め前記絶縁材料層上の座標に関連していろいろな情報が格納されたメモリから前記特定された場所の座標に対応する情報を読み出し前記スピーカからユーザに提供するように構成されてなる電子装置。
  2. 前記導電性材料層は、それぞれ非導電性材料上の導電コーティング層によって形成されている請求項１に記載の電子装置。
  3. 前記各導電性材料層は前記端部に沿って隣り合う少なくとも第１、第２および第３の接続点を含み、前記プロセッサは、少なくとも第１および第２の接続点よりなる対および第１および第３の接続点よりなる対のそれぞれから前記導電性材料層のそれぞれに信号を与えるように配置されてなる請求項１または２に記載の電子装置。
  4. 非導電性材料層上に電気抵抗率を有する導電性材料層が形成された２枚のシートと、各シート上の端部に沿って配置された少なくとも３個の点と、ユーザの操作によって前記シートのひとつに近接して位置決めされるように配置されたスタイラスを含むプローブアセンブリと、プロセッサと、スピーカとを有し、
    前記プロセッサは、前記端部に沿って隣り合う点対のそれぞれから前記導電性材料層のそれぞれに交流信号を与えるように配置されており、
    前記プローブアセンブリは、ユーザがスタイラスを操作して前記導電性材料層上に配置された絶縁材料層に近接させたとき、前記絶縁材料層を介して前記導電性材料層から放射される交流信号によって該絶縁材料層上に形成される電位マップに応じた信号を検出し、検出した信号を前記プロセッサに伝達するように配置されており、
    前記プロセッサは、前記プローブアセンブリから受信した信号に基づき、ユーザが前記少なくとも２つの導電性材料層のうちどの導電材料層上で操作を行っているかの特定および該導電性材料層上に配置された絶縁材料層上でユーザが位置決めした場所の座標の特定を行うように構成されており、
    予め前記絶縁材料層上の座標に関連していろいろな情報が格納されたメモリから前記特定された場所の座標に対応する情報を読み出し前記スピーカからユーザに提供するように構成されてなる電子装置。
  5. 前記２個の導電性材料層はそれぞれ半球体に構成された請求項１乃至４のいずれかに記載の電子装置。
  6. 前記２個の導電性材料層は互いに電気絶縁スペーサを介して配置されている請求項１乃至５のいずれかに記載の電子装置。
  7. 前記スタイラス上に搭載された送信器と、前記プロセッサに接続された受信器とを有し、前記送信器は、スタイラスで検出された符号化された情報を含む信号を送信するように構成されており、
    前記受信器は、前記送信器からの信号を受信して、該信号の中に符号化された情報を、該プロセッサと互換性のある信号として与えるように構成された請求項１乃至６のいずれかに記載の電子装置。
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