JPH0612184A - ディスプレイの外部にタッチ力検知箇所を採用したタッチ入力コンピュータと関連するディスプレイのための方法及び装置 - Google Patents

ディスプレイの外部にタッチ力検知箇所を採用したタッチ入力コンピュータと関連するディスプレイのための方法及び装置

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JPH0612184A
JPH0612184A JP34601592A JP34601592A JPH0612184A JP H0612184 A JPH0612184 A JP H0612184A JP 34601592 A JP34601592 A JP 34601592A JP 34601592 A JP34601592 A JP 34601592A JP H0612184 A JPH0612184 A JP H0612184A
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ジェリー・ビー・ロバーツ
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Abstract

(57)【要約】 ディスプレイスクリーン類上、又はディスプレイスクリ
ーンモニタ装置を支持又は他の方法で外部から接触し、
タッチ位置の検知と計算のためにディスプレイ表面のタ
ッチのスラストにより創り出された力に応答する力検知
台又は表面を実現する他の表面上のタッチ位置を判定す
るための方法及び装置。基礎となる技術は、印加（タッ
チ）された力及びトルクの６個の自由度のすべてに応答
し、スクリーン又は表面内のすべての点の間から３次元
トルクベクトルの最小の大きさの点を計算することによ
り正接力成分にもかかわらずセンサ面から離れた力の位
置検知ができ、スクリーン又は表面のタッチ又は他の接
触力のスラストラインとの交点の推定値としてこの点を
出力する力検知手段を用いている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータや他のビ
デオシステム類を使用するためのタッチスクリーン陰極
線管及び同様なディスプレイに係り、特に周辺及び／又
はディスプレイ表面自身の表面上又は近接した位置に置
かれた力センサとは区別されたディスプレイの外部又は
それから離れた位置に配置された装置でディスプレイ上
のタッチ力位置を判定するための新規な方法及び装置に
関する。
【０００２】更に一般的には、力検知素子の平面又は表
面の外側にかけられた力を測定するのに適した新規な３
次元力位置検知技術にも本発明は関する。
【０００３】
【従来の技術】このように用途はより広範ではあるが、
本発明の重要な用途の一つにコンピュータ又は陰極線管
ディスプレイ（又はＬＣＤ、ＬＥＤ、エレクトロルミネ
センスディスプレイ又は他の電気光学類）等のコンピュ
ータに関連するディスプレイスクリーンシステムの分野
があり、したがって重要な例として以後本発明を説明す
るのはこの典型的な用途についてである。
【０００４】現代のコンピュータは、通常、使用者が選
択できる種々の対象の説明や絵による表示をなし得るよ
うなディスプレイスクリーンを使用者に提供する。多く
の場合、使用者が応答する最も迅速容易かつ直覚的な方
法は、選ぼうとする対象を示すスクリーンの領域を物理
的に指で触れることである。
【０００５】このことを可能にするため、このような使
用者の接触した事実と位置を判定する動作を行うプログ
ラムをすることの可能な入力装置をコンピュータが備え
なければならない。この目的のためのこの種の入力装置
を「タッチスクリーン」と呼ぶこととする。
【０００６】望ましいタッチスクリーン入力装置は、安
価で、強度が強く、信頼性があり、十分に正確でなけれ
ばならない。単一のモデルで広い範囲の異なるディスプ
レイ装置と共に動作し、新品の装置でも中古の装置でも
訓練を受けていない使用者が工場以外の場所で容易に取
り付けできることもまた極めて望ましい。
【０００７】困ったことに、後述するような従来のタッ
チスクリーンは、生産量が比較的低く、したがって自然
の市場の標準によって極めて高価となり、そのためディ
スプレイが製造される際に主な用い方に含められる余地
がない。加えて、改造するためには大変な努力と、費用
と、熟練した製造技術とが必要となる。各モデルは特定
のスクリーン形状に対して多かれ少なかれ独特であり、
異なったモデルが大量に製造されなければならず、ある
いは使用者となろうとする者はディスプレイの選択を制
限されなければならない。したがって、機能的理由と外
見上の理由が結びついてある種の従来のタッチスクリー
ンは、最初の製造時に（少ない量のために高価ではある
が）陰極線管のようなディスプレイ装置に完全に組み込
まれ、残りの物は（これまた高価であるが）不便な改造
が必要となる。このような従来のタッチスクリーンは、
さらに、それと共に使用されるディスプレイ装置のデザ
インに密接に結び付いており、広範な用途に供するため
に多数の異なるタイプが供給されなければならない。さ
らに、形状や互換性、結び付けるディスプレイへ詰め込
むうえでの束縛により多くが本質的に高価なセンサ構造
を有し、そのためセンサ構造はしばしばコストに対して
最適にできない。
【０００８】このような従来の技術を陰極線管や同様な
ディスプレイスクリーン上のタッチ位置を判定するため
に調べると、それらには実際の表示表面すなわちスクリ
ーンの周縁部の周り又は表面上に配置した数個のセンサ
の組み合わせが含まれる。このような力が印加された表
面の点を検知する力検知を用いた公知の方法では、一般
には平面内に置かれ、単一の直線上にない３個以上の力
センサを組み入れている。それぞれの感度の軸はこの平
面に垂直であり、センサの出力はこの平面に印加された
接触力の位置を計算するのに用いられる。もし触れられ
た表面がこの平面から離れることが許される場合は、接
触力の予測できない正接成分は報告された位置で必ず誤
りを引き起こす。もし接触表面がセンサ平面から遠くに
ある（あるいはひどく非平面である）場合には、従来の
方法は有効ではない。
【０００９】特に、この種類の第一のシステムは陰極線
管スクリーンディスプレイの全部に適合されていて、接
触の局部限定を可能にする種々の追加物を備え、それに
は抵抗性及び容量性検知技術を双方とも含み、その中で
は特別のセンサプレートがディスプレイスクリーンの表
面上に印加される。このプレートは、タッチ位置情報を
創り出して上掛けプレートの縁の導体に該情報を伝達す
る１又は２層の透明な導体パターンを有している。すべ
ての部品を透明に保つ努力がなされているが、実際上の
損失は画像の輝度と明瞭さを十分に減少させてしまう。
このようなタッチスクリーンセンサの例を、米国特許第
４，１９８，５３９号、第４，２９３，７３４号、４，
３５３，５５２号、４，３７１，７４６号、４，８０
６，７０９号及び４，８２１，０２９号に見いだすこと
ができる。
【００１０】第二の取り組み方には、周辺部の周りに配
設された変換器と反射器により発生され、再方向づけさ
れ、検知される音響エネルギをガラスの上掛けプレート
が搬送する表面弾性波（ＳＡＷ）技術が含まれる。プレ
ートに触れると、例えばエレオグラフィックス（Ｅｌｅ
ｏｇｒａｐｈｉｃｓ）１９８７の広告の「表面弾性波
（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）」に
記載されている接触位置検知に特有な方法でこのエネル
ギを減衰させる。
【００１１】他の技術には、圧電力変換器がガラスの上
掛けプレートを支え、それを装着具に取り付ける平面力
検知技術が含まれる。指の接触スラストラインの変換器
面との交点は、平面内のこの点の位置を計算できる変換
器の出力の特定の比と関連づけられた点で発生する。曲
がっているときには、発光体を備えたスクリーン表面は
必ず平面から外れなければならず、特別な形の視差の誤
りを発生し、それにより使用者が特別な点での応答を期
待するが、実際には他の点での応答を受ける。このよう
な取り組み方に適したセンサ技術と信号処理は、例えば
米国特許第４，３４０，７７７号、第４，３５５，２０
２号（及びそこに述べられた米国特許第３，６５７，４
７５号及びコンピュータグラフィックス（Ｃｏｍｐｕｔ
ｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ）誌の第１２巻第３号の２１０
ページから２１６ページのシー・ヘロー（Ｃ．Ｈｅｒｏ
ｔ）他の「コンピュータディスプレイのためのベクトル
情報の１点接触入力（Ｏｎｅ−Ｐｏｉｎｔ Ｔｏｕｃｈ
Ｉｎｐｕｔ ｏｆ Ｖｅｃｔｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔ
ｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ
ｓ）」を含む従来技術のストレンゲージセンサ）、及び
第４，６７５，５６９号に述べられている。
【００１２】更に他の取り組み方は、ストレンゲージ変
換器を有する鋼製の梁のスプリングが例えば陰極線管組
み立て体の全重量を支える力センサを構成する。この技
術では上掛けプレートによる画像の劣化を回避できる
が、センサに大きなダイナミックレンジが必要になり、
揺れと振動による浮游信号を除去しなければならない問
題がある。その機能は他の点では上述の圧電システムと
ほぼ同様である。米国特許第４，９１８，２６２号及び
第５，０３８，１４２号にはこのようなシステムと前述
した圧電センサと関連するセンサとが述べられている。
【００１３】発光器から検知器へ流れる多くの分離した
光線が平面を規定する赤外線技術も提案されている。使
用者の指（又は他の十分な幅のプローブ）がこの平面と
交差すると、遮られた光線が確認して「タッチ」を位置
検知する。ここでも、タッチ動作の横成分により、期待
した位置の応答が予期しない位置の応答に置き換えられ
てしまう視差の誤りが導かれ得る。応答表面は発光体表
面を横切るように置くこともそれに一致するように形作
ることもできないので、この技術に対する視差誤りは特
に厳しくなる傾向がある。加えて、この装置は目立ち過
ぎる斜面溝が必要な場合がある。このシステムの一例が
「キャロルタッチ（Ｃａｒｏｌｌ Ｔｏｕｃｈ）」と題
されたテキストの１２ページから４４ページに記載され
ており、このテキストには前述した抵抗性・容量性セン
サ上掛けシステム、表面弾性波システム、及び圧電シス
テムも同様に要約されている。
【００１４】上述の方法の各は、不都合にもディスプレ
イの活性表面と一致することができず、普遍的な従来の
視差の不完全な性能を導く有効な応答表面を有してい
る。
【００１５】前述した抵抗、容量及び音響プレートセン
サは、陰極線管ディスプレイの場合発光体表面の外観上
約１／２インチ（１．２７ｃｍ）前方にあるような実際
のタッチ接触の物理的な表面に一致する応答表面を有し
ている。目が幾分側方にあるオペレータは、したがっ
て、目標点自身よりも所望の目標点の直接上にある表面
点に触れることなく、タッチシステム応答の誤りを感知
するであろう。
【００１６】一方、上述した圧電及び他の平面の力検知
システムは、実際は表面接触の実際の位置を報告せず、
むしろ「事実上の応答表面」上の「表示された点」と呼
ぶことのできるものを提供する。この表示された点はス
ラストラインと力センサの平面との交点にある。説明し
た赤外線システムに対しては、このような表示された点
は、指が赤外線の平面を壊す所にある。光っている発光
体はこのような平面にはないので、実際上の表面は目に
見える又は直感的に分かる物にはなんら対応せず、これ
らの装置の視差誤りを特別にやっかいなものとしてい
る。
【００１７】しかし、本発明の基礎となるのは、コンピ
ュータ、モニタ及び他のビデオシステム類の広い種類の
陰極線管や他のスクリーンディスプレイシステムが共通
の普遍的な力検知台上に置くか又は接触していることが
できるための新規な方法及び装置の発見にあり、そのセ
ンサは、したがって、ディスプレイスクリーンの平面の
外部にあり、ディスプレイ装置自身から離れてさえお
り、それにもかかわらずディスプレイスクリーンの指に
よる接触のような力に対する新規な３次元力位置検知技
術を提供し、一方視差の全体的な除去を含んで、上述し
た従来技術の制限と不利のすべてを除去する。
【００１８】上述の及びたの従来の取り組み方から区別
すべき本発明の他の特徴は以後より十分に述べられるで
あろう。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
したがって、従来のシステムの制限がなく、その反対に
ディスプレイの外部、好ましくはその下又は背面、の目
立たない検知位置に適合し、多くの構成と型のディスプ
レイシステムの広い種類に普遍的に用いることのできる
新しく改良された方法及び装置を提供することにある。
【００２０】別の目的は、表示された画像の特徴を目的
とする接触を検知するためにコンピュータディスプレイ
と共に用いるための新規なタッチ位置検知入力装置で、
ディスプレイの外部の目立たない位置に付け加えてすべ
てのディスプレイに適応できる１又は非常にわずかな型
又は大きさしていて工場外で容易に取り付けることので
きる入力装置を提供することである。さらに、低コスト
であるのに最適であり得るこのような設計は、ディスプ
レイの内部の設計状況に拘束されないので、強く、寿命
が長く、すべてのディスプレイ表面に視差のない応答を
提供でき表示された画像の質の低下をもたらすことのな
い装着不要である。
【００２１】それに加えて、表面に印加された力の位置
検知又は力が表面を通って方向づけられている位置を正
確に判定する、３次元空間の力のスラストライン又は最
小トルクのラインの完全な位置検知の新規な方法を提供
することがそれ以上の及びより一般的な本発明の目的で
ある。このような表面は、センサの平面から遠くに移動
でき、平坦な平面とは十分に異なっていることができ、
装置に対して空間内で特別な関係を有する装置のデザイ
ンに拘束されない。
【００２２】本発明によれば、さらに、同一の実施され
た装置は、ある自然の制限だけに従い任意の形状の実際
上の応答表面を任意の位置に投影して使用するためにプ
ログラム又は計算することができる。この自然の制限
は、配置される力のスラストラインが１点のみで正の極
性で応答表面と交差しなければならないこと（あるいは
より正確には最小トルクの大きさのラインがそうするこ
と）、及び事実上の投影により適合された物理的表面を
支持する物が、関連する距離と力が特定の測定装置のダ
イナミックレンジと感度の範囲内に落ちることと共に、
測定装置により適当に結合又は支持されなければならな
いことである。
【００２３】他のそしてこれ以上の目的は、以後説明さ
れ、更に特許請求の範囲により特別に記述される。
【００２４】
【課題を解決するための手段】しかし、要約するとその
重要な応用の一つで、本発明はディスプレイ表面のタッ
チ位置の判定方法を包含し、その方法は、ディスプレイ
表面の点に接触するスラスト及びその結果発生するスラ
ストベクトルの座標成分及び随伴するトルクベクトルの
座標成分に応答して、十分な程度の自由度及び出現及び
符号化に対する検知感度有する力検知台に対向して又は
力検知台との接触関係において、ディスプレイ表面装置
に接触すること、ディスプレイ表面の交点を提供するた
めに最小トルクのライン上にある位置を符号化から計算
すること、及び前記接触位置の推定として結果として検
知した位置を出力することを含んでいる。
【００２５】本発明の最上の実施形態と好ましい形態に
おいては、任意のモニタ又は他のディスプレイ装置を置
くことのできる６度の力台又はプレートが用いられ、こ
の台又はプレートはライン電力を受け、単一の並列又は
直列のポートケーブルを例えばＩＢＭのＰＣ（パーソナ
ルコンピュータ）等のホストコンピュータに送る。形式
は浴室の電気体重計のようなものかも知れないが、１個
の数の変わりに６個の数を読み出す。これらは、スラス
トのｘ、ｙ及びｚ座標成分、並びにトルクのロール、ピ
ッチ及びヨー成分に含まれるのと同一の情報を符号化す
る。便宜上実際の数はこれらの等価な線形変化である。
【００２６】このような遠隔センサ台又は表面から接触
位置を再生する挑戦は、スクリーン上の正確に同一の点
が接触されたときですら、ディスプレイスクリーン上の
接触力の方向がある瞬間から次の瞬間までに大きく変化
し得るという事実にある。センサが（それを用いてなさ
れた、そして前述のように従来装置に本当に必要な）接
触と同一の有効な平面に制限できないとき、スクリーン
の同一の点での異なる接触が異なった数のセットを生み
出す。
【００２７】しかし、本発明は二つの重要な考えを考慮
に入れることによりこれらの問題を見事に除去する。そ
れらの評価と適用は発明者の心にある。
【００２８】第一に、接触点の力は純粋なスラストとし
て全く正確に記述できる。現在の目的のためには、この
点に参照されたトルク成分は無視できる。部分的には接
触面積が小さいからであり、また部分的には指がスクリ
ーンに着かないからである。この種の力は、スラストベ
クトルを接触点を通して延ばすことにより得られる点の
軌跡として「スラストライン」を定義する「単純な接触
力」としてここに参照される。次に、単純な接触力に対
して３次元トルクベクトルの最小の（この場合は０）大
きさを有する点の空間におけるラインが力のスラストラ
インと一致する。
【００２９】第二に、ある離れた点でのタッチにより引
き起こされたスラストとトルクの測定が最小トルクライ
ン、したがってスラストラインを十分に再生する。（単
純化のために以下の議論では、時折「スラストライン」
の語はそれと近似の最小トルクラインを参照するのに用
いる。しかし、本発明の方法は直接後者を取り扱う。）
この理論と実際はより十分に以下で開発されるが、最初
に含まれる原理の短い概要を考えよう。 スラスト（あ
るいは多分より直感的には、静的均衡を維持するための
反作用スラスト）は位置に対して不変であるが、トルク
はそうでない。トルクベクトルは、スラストラインと参
照点とを含む面に垂直であり、参照点にスラストライン
が最も近い距離をスラストの大きさに乗じた積に等しい
大きさを有する。スラストとトルクベクトルの方向と大
きさは測定により得られるので、要約すると次のように
逆に計算できる。すなわち（１）スラスト及びトルクベ
クトル（この二つの方向はある左右像の法則の首尾一貫
した使用により決定される）を含む面に垂直の方向を見
つける。（２）スラストベクトルの大きさで割ったトル
クベクトルの大きさに等しい距離をこの方向に進め、参
照点に最も近いスラストライン上の点に終える。（３）
（知られている）スラストベクトルをこの点を通して伸
ばし、もちろん１点でディスプレイスクリーンの表面に
交差するスラストラインを得る。この面の輪郭は知られ
ているか又はタッチ点の位置検知を可能とする適当な計
算手続きを介してコンピュータに伝達される。
【００３０】最上の設計と構成の他の詳細は以後より十
分に説明する。
【００３１】
【実施例】図１の６個の自由度を有する力検知台３２
は、台上に支持されたモニタディスプレイスクリーン３
１（又は他の一般的目的物）が指Ｆのような他の物によ
りタッチすなわち接触された所に発生する「単純な接触
力」から生じる「有効なスラストライン」の計算をする
のに十分な情報を提供するのに用いられる。台は、所望
の出力結果を準備して例えば単純なＲＳ−２３２直列通
信リンクのような外部の装置に伝えるのに適した電気信
号変換及び計算手段も含んでいる。
【００３２】［力位置検知台の構成］図１は、本発明の
好ましい形状に従って構成した遠隔力位置検知装置の台
の実施例３２を示し、この実施例は使用者によりタッチ
される陰極線管スクリーン自身からは離れているが、陰
極線管モニタ３１の底面を支持面３３上に接触又はタッ
チし、全く支持している。力位置検知装置３２はＡＣア
ダプタケーブル３５を介して電力を供給され、位置情報
を例えばケーブル３８を介してコンピュータ（典型的に
は図示しないパーソナルコンピュータすなわち「Ｐ
Ｃ」）通信する。
【００３３】位置関数の校正は台３２に対するモニタ３
１の位置に依存するので、台は停止部材３９（図２も参
照せよ）を設けており、停止部材３９は台の上に突き出
ている材料の「Ｌ」字形の革帯又は島である。モニタ３
１は停止部材３９に対して後方及び右方滑り、正確かつ
迅速に再生できる位置につく。破線の円の組４０及び４
１は２個の可能なモニタの型に対する脚位置の２個の可
能なパターンを示している。
【００３４】図３において、台３２は上方のプレートア
センブリ５０と下方のプレートアセンブリ５１とに分離
してすなわち開いて示されている。合わされて（１セッ
トのみ示す）ネジ５３とワッシャ５４とにより固定され
ると、フランジ５５がフランジ５６に重なって、隅にあ
る４個の鋼製の梁バネ５２が上方のアセンブリとすべて
の支持される物の全重量を担う。梁バネ５２とこれから
述べる（上方及び下方の部分５７ａ及び５７ｂとを有す
る）コンデンサセンサ５７を破損から守るために過負荷
の場合にのみフランジは互いにすなわち対向するプレー
トが接触する。上方のコンデンサ素子５７ａは、プレー
トからプレートへの変位のすべての６個の要素に応答す
る線形の独立の測定をなすために下方のコンデンサ素子
５７ｂ内に面して整列する。これらのコンデンサセンサ
は台プレートの前方に沿って、及び２個の側面の後方に
向かってほぼ中間位置に設けて示している。６本のワイ
ヤ５８ａがコネクタの半身５８ｂ及び５８ｃを介してプ
リント回路基板６０に上方の素子を接続している。同様
に５９ａ、５９ｂ及び５９ｃが下方の素子の接続を提供
する。コネクタ６１は電力を供給し、（図示しない）プ
リント回路基板の電子回路が力位置検知データを検知し
て、それをコネクタ６２を介して出力できるようにす
る。
【００３５】梁バネ５２を図５に拡大して示す。これは
図４に示す二重Ｌの平板から図示のように折り曲げてネ
ジの切られた挿入物７１をプレスでぴったりとはめ込ん
で製造することができる。
【００３６】図６は一対の適当な望ましいコンデンサ変
位センサ５７の断面の詳細を示している。プレートは、
例えば約３平方インチ（４２平方センチメートル）の面
積のエッチングしていないプリント回路基板材料の長方
形から形成することができる。箔片のコンデンサプレー
ト７２は絶縁ラミネート７３上に支持され、絶縁ラミネ
ートは接着剤により上方のブラケット７４及び下方のブ
ラケット７５に取り付けられている。ブラケット７５及
び７４は入れ子式ブラケットであり、それぞれ固定され
る台プレート５０及び５１に平行に平坦に示されてい
る。ブラケットの自由アームは（７４については）外側
に、（７５については）対応して内側に折り曲げられ、
台に適合した角度（４５°で示してある）で方向づけさ
れた対をなすコンデンサプレート７２を装着している。
図６の右側の腕のコンデンサプレート７２により形成さ
れるコンデンサ７６ａはコンデンサプレートに直交する
軸７６ｂに沿ったコンデンサプレートの相対変位に対す
る感度を有し、左側の腕のコンデンサプレート７２によ
り形成されるコンデンサ７７ａは直交軸７７ｂに沿った
感度を有する。この２本の感度軸はそれら自身かくして
直交する。
【００３７】［動作回路の説明］図７は、うまく動作す
る台力検知装置３２に組み込まれた電気的変換及び計算
手段の簡易化した略図を提供する。マイクロプロセッサ
システム８０は、Ｉｎｔｅｌ Ｔｙｐｅ ８０１８８の
ような多くの異なる標準設計のものの一つであってよ
く、それは物理的には数個の集積回路を備え、論理的に
は処理ユニット、読み取り／書き込みメモリ、ファーム
ウエアプログラムメモリ、計算及び動作モードデータを
記憶するための小さな不揮発性読み取り／書き込みメモ
リ、出力ケーブル３８を駆動するための非同期直列Ｉ／
Ｏ性能、アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器８１の
出力を受けるためのディジタル入力性能、及びマルチプ
レクサ８２の入力選択を設定するためのディジタル出力
性能とを備えている。
【００３８】タイミング回路８３は２０ＭＨｚクロック
を１２８で割ってセンサ駆動のための１５６ｋＨｚ５Ｖ
方形波信号８４を与え、６５，５３０で割って３．３ｍ
ｓごとに１６ビットの１変換をするために変換器８１を
駆動する。
【００３９】信号８４は６個の同一のコンデンサインピ
ーダンス測定回路８５にそれぞれ接続されている。演算
増幅器８６は信号８７を発生し、この信号８７は、固定
したコンデンサ８８を介して流れる電荷に正確に等しく
反対にセンサコンデンサ５７を介して電荷を移し、かく
してその和を取る接合点８９を実際上のグランドに維持
する。信号８７のピークツーピークの振幅は、したがっ
て、センサ５７のコンデンサプレートの分離に直線的に
比例する。高い抵抗値（例えば２２Ｍオーム）の抵抗器
９０は入力の漏れに対する復帰経路を提供し、信号８７
を増幅器８６の動作範囲内に保つ。コンデンサ８８の値
（例えば５ｐＦ）は、台の負荷がない条件下でセンサコ
ンデンサにより示される値にほぼ整合するように選択さ
れる。同期振幅検知回路９１はＡＣ信号８７をＤＣ信号
９２に変換し、次にＤＣ信号９２はマルチプレクサ８２
を介してプロセッサ８０が測定のためにこのチャンネル
を選択したときにＡ／Ｄ変換器８１に入力される。接続
９４は８５に類似の他の回路に導く。６入力すべてにわ
たる測定の完全なセットが１秒ごとに約５０回完成され
る。
【００４０】所望の精度を得るために、力台３２は数オ
ンス（数十グラム）の接触力を約１％の相対精度まで測
定できなければならない。これらは大きなしかし予想不
可能な静的負荷の存在で測定されなければならない。す
なわち、モニタは一般に２０ポンド（９．１ｋｇ）程の
軽さから８０ポンド（３６ｋｇ）以上の重さまである。
したがって、広い負荷範囲が価格や必要な感度を傷つけ
ない設計を見いだすことが必要である。
【００４１】コンデンサセンサ５７の最小の実際的な間
隔は非負荷の解放状態の約２０％であるので、信号８７
の振幅は１００ポンド（４５ｋｇ）の最大モニタ荷重で
約５Ｖ Ｐ−Ｐ（ピークツーピーク）から約１Ｖ Ｐ−
Ｐまで変わる。回路９１及び８２は利得１であるので、
変換器８１の動作入力範囲は大ざっぱに１ＶＤＣから５
ＶＤＣである。許容される適当な動作マージンをもっ
て、このことは約５００カウント／ポンドの感度を提供
する。ＲＭＳ雑音は約１カウントであるので、３オンス
（８５ｇ）以上の力の変化が基準線からの１変換値に基
づいて１％以上の精度で分析できる。典型的なタッチ力
は多数の測定の加重平均に基づいて判定されるので、実
際の最小の力は幾分小さい。
【００４２】１傾斜Ａ／Ｄ変換器が高分解能を低コスト
に結び付けられる周知のデザインであるかもしれない。
変換器８１は、指摘したように、１６ビットの分解能を
持つことができるが、非常に安価な設計の片割れとし
て、１６ビットの絶対精度にとって必要な大体の直線性
又はドリフトのないことを有していない。しかし、その
非直線性は１％よりかなり小さく、その最悪の場合でド
リフトは分当たり１カウントより小さい。プロセッサ８
０のファームウエアが数秒又はそれより短い期間ごとに
基底線を再計算しているので、ドリフトは誤りの源とし
てこのようにして除去される。さらに、関心があるのは
絶対誤差ではなくわずかな変化の相対誤差であるので、
直線性は全体的に十分である。
【００４３】［解析］所望の遠隔３次元力位置検知（指
タッチ）機能は上述の模範的な実施例により以下の方法
で達成される。
【００４４】一つのモードでは、有効スラストライン自
身（又はさらに特別に最小トルクの有効ライン）を特定
するデータが所望の出力であり得る。
【００４５】他のモードでは、有効スラストラインの既
知の表面の輪郭との交点が計算され、力の大きさのよう
な他の検知した特性と多分結合して表面内のこの点の座
標が出力され得る。既知の表面の輪郭は、指示されたモ
ニタ又は他の物又はその部分の実際の物理的な外観に適
合していてよく、この場合は座標は実際の物理的な接触
点と同一視する。
【００４６】力検知台３２は、その最も基本的な形態に
おいて、したがって周辺部の周りに置かれた少なくとも
３本のバネ５２により支持されかつ分離された２枚の堅
いプレート５０、５１から成る。上に指摘したように、
これらのバネは、摩擦によって機械的ヒステリシスを導
入する可能性のあるすべての旋回又は摺動動作を防止す
るように、両端で確実に固定されるのが望ましい。それ
らは（そのように装着されたときには）圧縮と剪断の両
者で大雑把に等しいバネ比を提供し、この比は典型的に
は各バネに対し各方向で１ポンド（４５４ｇ）当たり１
インチ（２．５４ｃｍ）の数１／１０００の範囲にあ
る。全体のバネ比は、より柔らかな装着を達成できるよ
り大きな感度とより堅い装着が支持された質量の共鳴周
波数を上昇させるときに達成される動的誤差からのより
大きな自由との間の取引として選択される。
【００４７】コンデンサ変位センサ５７は、硬直した動
作のすべての６自由度を有効にエンコードするように選
択された位置と感度の方向をもってプレート間に装着さ
れる。前述したそれらの構成を介して達成される変化で
きる形状を有するのが好ましいこれらのセンサは安価で
感度がよい。他の実施例においては、６個のセンサの各
々が台プレートの１枚に装着された光学的な発光器・検
知器対を備え、向き合ったプレートから支持された（図
示しない）階層のついた透明フィルムの小片によりそれ
ぞれの光が可変的に減衰するようにできる。
【００４８】センサの出力は検知され、調整され、多重
化され、図７のＡ／Ｄ変換器への入力を形成する。以前
に述べたように、高安定度も完全な直線性も要求されな
いので、これは非常に安価な１傾斜設計で、必要な広範
囲のダイナミックレンジをなおも供給するものであって
よい。種々の変位に対するディジタル化した値の感度が
標準のマイクロプロセッサシステム８０に供給され、マ
イクロプロセッサ８０は必要な計算を行い、アプリケー
ションにより要求されたように出力をフォーマットす
る。このタッチスクリーンのアプリケーションの場合
は、これはその上に他のタッチスクリーン装置のエミュ
レーションを含んでよい。
【００４９】したがって、図８のディスプレイスクリー
ン３１上の点Ｐへの接触は、遠隔力検知台３２へ機械的
に伝えられたスラストを生じ、その６自由度と検知感度
を介して、生じたスラストベクトルの図９のｘ、ｙ及び
ｚ成分と随伴するトルクベクトルのロール、ピッチ及び
ヨー成分に対応したエンコード信号を検知し発現させ
る。図１０に示し、以後更に十分に説明するように、前
述したマイクロプロセッサの計算は、遠隔的に検知した
接触点の位置を求め、これを３８に出力する。
【００５０】［力データの使用理論］図８は、力検知台
３２上にあるディスプレイ装置３１を示すが、図９及び
１０はこの同一のシステムを図の上での明瞭さのために
ディスプレイと台を透明の立方体で置き換えて再度示し
ている。固定するために、図９に１０４で示す特別の座
標システムを有する特定の基準点「Ｒ」が示されてい
る。スラスト及び平行移動ベクトルはポンド又はインチ
の値のｘ、ｙ、ｚ値から成り、トルク及びローテーショ
ンベクトルはポンド・インチ又はラジアン値のピッチ、
ヨー、ロール値から成ってよい。図９により示唆される
方法で対称な軸上の座標の集中化と整列を図れば以下に
述べる行列の数値例をより単純に見せるが、この選択は
むしろ任意である。単純化のために、さらに力とセンサ
出力とはあたかも時間変化成分のみが存在するかのよう
に議論する。というのは、ディスプレイ重量又は基底線
センサ出力のような定数を持ち通すことは結果を変える
ことなく不必要に説明を混乱させるからである。
【００５１】したがって、図１０にはスラストベクトル
ＴＨＲＵＳＴ＿Ｐが印加点Ｐのその点で図に示されてい
る。Ｐに印加された力の「スラストライン」はタッチ点
Ｐを通るＴＨＲＵＳＴ＿Ｐの無限の伸長により達する点
の軌跡として定義される。使用者の指とディスプレイス
クリーンとの間の実際の接触領域はＰに近い多くの点に
より実際は構成され、それを通して全スラストに対する
無限小の寄与が大略ＴＨＲＵＳＴ＿Ｐに平行な方向に通
過する。このことは、指の圧力によりＰの周りとスラス
トライン上の全くすべての点の周りに作用したトルクは
無視できることを意味する。他の点に参照される力のト
ルクの大きさはスラストラインからのそれらの距離に比
例して上昇するので、「単純な接触力」と呼ばれるこの
種の力に対してスラストラインと事実上一致する最小の
トルクの大きさの十分に規定されたラインが存在する。
（指によりタッチする代わりに手でクギをクギ板に挿入
するとしたら接触力は単純ではなく、クギが穴の中で機
械的に結合して十分に制御されていないトルクが接触
「点」を介して伝達されるであろう。全く、もしクギと
穴が方形であるならば、スラストラインと最小トルクの
ラインとの間の関係はなんら存在する必要がないであろ
う。）後で見るように、台によりなされる力の測定は最
小トルクのラインを計算するのに十分である。しかし、
ディスプレイの外部表面も前回使用者が校正手続きをな
したときから力プレートとの固定した関係に止まること
を必要とする。（この手続きは効果としては台にスクリ
ーンがどこにあるかを知らせる一つの方法である）。し
たがって、センサのデータは、３次元空間の単純な接触
力の接触点の位置検知、所定の適当な校正データ及び表
面上に空想された任意の２次元格子に論理的に十分であ
る。
【００５２】図１０に戻って、基準点Ｒはシステム上で
時間により変化する力の集合効果を現すように選択され
た。より明確にするために、スラストライン１０２と基
準点Ｒを含む面が、スラストラインに垂直な側面を有す
る方形部分１０５と、ディスプレイと力の台を表す立方
体の境界を通る交差面１０６により目に見えるようにさ
れている。
【００５３】「ＴＦ＿Ｐ＠Ｒ」で参照する後に述べる特
別な全体力が、共に取られたＴＨＲＵＳＴ＿Ｒ及びＴＯ
ＲＱＵＥ＿Ｒを含み、それらは図１０の点Ｒに印加さ
れ、Ｐでのタッチ力と同様に台の上面の同一の運動と変
位とを発生させる。選択された任意の基準点に対してこ
の種の唯一の全体力が常に存在することは、事実既知の
結果である。現在の目的にとって、力検知台の内側の支
持システムの対称の中心にあるＲを仮想することは都合
がよい。（これは空の空間の点なので、それは上面の質
量のない堅い拡張に接続して仮想しなければならな
い）。
【００５４】Ｐでの力に等価なＲでの力は次の関係式で
表される。
【００５５】すなわち、 ＴＨＲＵＳＴ＿Ｒ＝ＴＨＲＵＳＴ＿Ｐ （１ａ． ＴＯＲＱＵＥ＿Ｒ＝ＴＯＲＱＵＥ＿Ｐ＋Ｒ→Ｐ ｃｒｏｓｓ ＴＨＲＵＳＴ＿Ｐ （１ｂ． ここで、「Ｒ→Ｐ」は点Ｒから点Ｐへの変位ベクトルで
あり、「ｃｒｏｓｓ」はベクトルのクロス積を参照す
る。単純な接触力に対してＴＯＲＱＵＥ＿Ｐは有効に０
であり、ＴＯＲＱＵＥ＿Ｒは面１０５に垂直であり、Ｔ
ＨＲＵＳＴ＿Ｐの大きさにベクトルＲ→Ｑの長さを乗じ
た積により与えられる大きさを有している。（Ｑはスラ
ストラインに対して垂線１０７を下ろすことにより見い
だされる）。点「Ｔ」の位置ベクトル「Ｒ→Ｔ」に対す
る次の方程式を考えよ。
【００５６】 Ｒ→Ｔ＝Ｌａｍｂｄａ＊ＴＨＲＵＳＴ＿Ｒ＋（ＴＨＲＵＳＴ＿Ｒ ｃｒｏｓｓ ＴＯＲＱＵＥ＿Ｒ）／｜ＴＨＲＵＳＴ＿Ｒ｜＾２ （２． ここで対をなす垂直棒はその間のベクトルの大きさを戻
すと理解され、記号「＊」、「／」、「＾」はそれぞれ
積、商及びイクスポーネンシャルの適当な形式を表し、
「Ｌａｍｂｄａ」はスカラーパラメータを表す。右辺の
第２項のクロス積はＲ→Ｑ＊ＴＨＲＵＳＴ＿Ｒ＊ＴＯＲ
ＱＵＥ＿Ｒの大きさを有する方向がＲ→Ｑのベクトルを
構成し、その結果第２項は点Ｑを基準に対して位置づけ
るように理解できる。第１項はＴＨＲＵＳＴ／￥＿Ｒの
方向の任意の長さのベクトルで、ＴＨＲＵＳＴ＿Ｐの方
向でもあるベクトルを表すので、Ｔはある値のＬａｍｂ
ｄａに対するスラストラインの各点かつすべての点の同
一性を呈する。より一般的な場合は、Ｔに対する方程式
が最小トルクのラインを発生し、ＴＯＲＱＵＥ＿Ｐが０
であるように拘束されているのでこれは全くスラストラ
インと同じであることが示される。
【００５７】かくして、Ｒのようなある基準点で見たよ
うにシステムに作用する全体力ベクトルを決定するのに
十分な情報から接触点が計算できることが示された。次
にこの全体力ベクトルと台センサにより測定された値の
間の関係に向かおう。
【００５８】［力データの獲得］このシステムのスラス
トとトルクは、平行移動を伴うＲの周りの回転の組み合
わせにより表される上プレートの変位を生じる。３要素
回転ベクトルは「ＲＯＴＡＴＩＯＮ＿Ｒ」として表さ
れ、３要素平行移動ベクトルは「ＴＲＡＮＳＬＡＴＩＯ
Ｎ＿Ｒ」として表される。全変位ベクトル「Ｄ＿Ｒ」
も、回転成分を伴う平行移動の成分からなるように定義
される。
【００５９】フックの法則が適用できる範囲では、たわ
みはたわみ行列「ＦＬＥＸＭＡＴ＿Ｒ」により記述され
る。
【００６０】すなわち、 Ｄ＿Ｒ＝ＦＬＥＸＭＡＴ＿Ｒ＊ＴＦ＿Ｒ＿ＭＥＡＳＵＲＥＤ （３． ここで「ＴＦ＿Ｒ＿ＭＥＡＳＵＲＥＤ」は、非基底線ス
プリング力を除いてＲに関するすべての力の和である。
次の段落で議論する非平衡効果を認める点でＴＦ＿Ｐ＠
Ｒとそれは区別される。
【００６１】点「Ｓ」にある特別なセンサでその応答が
感度ベクトル「ＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ＿Ｓ」で特徴づ
けられるセンサを考えよ。Ｓでの頂面の堅い伸長がＳＥ
ＮＳＩＴＩＶＩＴＹ＿Ｓの方向に移動するとき、センサ
は、移動距離にＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ＿Ｓの大きさを
乗じた積に等しい最大の正の応答を与える。この運動が
このラインに垂直な場合は、何の応答もない。
【００６２】すなわち、 Ｒｅｓｐｏｎｓｅ＿Ｓ＝ＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ＿Ｓ ｄｏｔ ＴＲＡＮＳＬＡ ＴＩＯＮ＿Ｓ （４． ここで「Ｒｅｓｐｏｎｓｅ＿Ｓ」はＳのセンサに由来す
るセンサデータベクトル「ＲＥＳＰＯＮＳＥ」の６個の
成分のひとつである。（演算子「ｄｏｔ」はベクトルド
ット積である）。小回転という制限の下ではシステムの
幾何学は次の式を与える。
【００６３】 ＴＲＡＮＳＬＡＴＩＯＮ＿Ｓ＝ＴＲＡＮＳＬＡＴＩＯＮ＿Ｒ ＋ＲＯＴＡＴＩＯＮ＿Ｒ ｃｒｏｓｓ Ｒ→Ｓ （５． 誤差は回転の大きさの約１／２倍ラジアンに結果を乗じ
たものである。興味のある回転は１／１，０００ラジア
ンよりも小さいものであるので、誤差は所望の精度に比
べて重要でない。共に取ったときには、前述した二つの
関係は、応答は全変位の線形変換であることを示唆し、
その依存性は６×６行列「ＳＥＮＳＭＡＴ＿Ｒ」の中で
和を取られる。
【００６４】 ＲＥＳＰＯＮＳＥ＝ＳＥＮＳＭＡＴ＿Ｒ＊Ｄ＿Ｒ （６． 定義により６×６校正行列「ＣＡＬＭＡＴ＿Ｒ」は次式
で与えられる。
【００６５】 ＣＡＬＭＡＴ＿Ｒ＝ｉｎｖｅｒｓｅ(ＳＥＮＳＭＡＴ＿Ｒ＊ＦＬＥＸＭＡＴ＿Ｒ) （７． 結果は、 ＴＦ＿Ｒ＿ＭＥＡＳＵＲＥＤ＝ＣＡＬＭＡＴ＿Ｒ＊ＲＥＳＰＯＮＳＥ （８． である。
【００６６】ＣＡＬＭＡＴ＿Ｒが扱いやすいものである
ことは、ＦＬＥＸＭＡＴ＿ＲとＳＥＮＳＭＡＴ＿Ｒの両
者が正則でないことから合理的に離れていることであ
る。ＦＬＥＸＭＡＴ＿Ｒに対しては、このことはスプリ
ングが圧縮と剪断の両者に大まかに比較できるコンプラ
イアンス有すべきであるということである。これらはタ
ッチ面の大きさに類した何らかの距離だけ離れて広がっ
ているべきであり、ねじれと平行移動の剛性の間の合理
的な均衡を与えるべきであるということでもある。ＳＥ
ＮＳＭＡＴ＿Ｒに対しては、センサができるだけ独立に
置かれて応答するように方向づけられるべきことを意味
する。ここでも、どのようにそれらが離れて広げられて
いるかが平行移動の感度に対する回転の感度の関係を決
定し、所望の平衡がタッチ面の大きさにより設定され
る。
【００６７】［内部効果からの干渉］この点に対して、
力は静的均衡に近似するのに十分に近くゆっくりとかつ
滑らかに印加されものと仮定されて来た。実際には、デ
ィスプレイと台の０でないコンプライアンスが、台によ
り検知される実際の力である「ＴＦ＿Ｒ＿ＭＥＡＳＵＲ
ＥＤ」と、Ｐ点から数学的に投影された全体力であるＴ
Ｆ＿Ｒとの間の差を示唆する。この差は次のように表す
ことができる。
【００６８】 ＴＦ＿Ｒ＿ＭＥＡＳＵＲＥＤ＝ＴＦ＿Ｐ＠Ｒ＿＋ＴＦ＿Ｒ＿ＩＮＥＲＴＩＡＬ （９． 「ＴＦ＿Ｒ＿ＩＮＥＲＴＩＡＬ」はＲに参照されるディ
スプレイと頂部プレートの質量の反作用力である。それ
はこの質量の振動の通常モードでの励起から成る。それ
は最小の通常モード周波数より幾分低い値の周波数にほ
ぼ全体的に拘束されたパワースペクトル有する。
【００６９】ＴＦ＿Ｒ＿ＩＮＥＲＴＩＡＬの悪影響を除
去するために標準的な線形フィルタリング技術を用いる
ことが望ましい。これらの技術は測定データの種々の時
間加重平均値を取ることから構成されている。しかし、
まずこのような平均化が何らかの他の方法の接触位置検
知の精度を壊してしまわないことを示さなければならな
い。
【００７０】典型的なタッチ力の時間展開を考えよ。そ
れはただ上昇し、下降するだけであるが、常に方向を変
化させている。瞬間的なスラストラインにより掃引され
る扇形状は通常それに対していくらか円錐形のへこみを
有しているので、総計の平均力のスラストラインは必ず
しも任意の瞬間的な値の近傍にある訳ではない。しか
し、Ｐ自信が動かないで与えられた場合は（方程式１ｂ
のＲ→Ｐが定数）、Ｒでの全体力成分、又はそれらの成
分の任意の線形変換の時間加重平均は、Ｐで同様に時間
加重平均した瞬間力の成分（又は変換成分）に対応する
事が分かる。Ｐに印加された力のすべての和はＰでの力
に総計され、時間加重平均した要素（「有効スラストラ
イン」）から計算したスラストラインはＰを通らなけれ
ばならない。
【００７１】さて、ＴＦ＿Ｒ＿ＭＥＡＳＵＲＥＤに適用
された線形フィルタは、フィルタリングされたＴＦ＿Ｐ
＠ＲとフィルタリングされたＴＦ＿Ｒ＿ＩＮＥＲＴＩＡ
Ｌの和である応答を生じる。後者は適当なフィルタによ
って０に近くなり、また上に示したように、第１項は正
確な接触位置を計算する値を提供するので、所望の結果
が得られる。
【００７２】有効なフィルタは既知のローパス及び／又
はノッチ設計であってよく、マイクロプロセッサシステ
ム８０内でディジタル的に実現するのが望ましい。この
ようなフィルタは振動の最低の正規モードのサイクルの
０．５から１倍に等しいか又は０．１秒の範囲の多少の
時間に等しい群遅延を有することがある。これは代表的
なタッチ時間よりも短いので、良好な測定振幅が維持さ
れ（すなわち、タッチの電力スペクトルの主要な部分が
ＴＦ＿Ｒ＿ＩＮＥＲＴＩＡＬの電力スペクトルよりも低
いところにある）、合理的な応答速度が達成される。特
に、この群遅延はシステムの減衰時間よりもしばしばは
るかに短いことに注意すべきである。励起された振動
は、何らかの近似の静的均衡が得られる前に多くのサイ
クルを呼び起こすかもしれない。
【００７３】［平面モデル］接触面が適当に置かれた平
坦な面により適当に近似される多くの状況が存在する。
表面の平面からの最大の変位が必要な精度の約３倍を超
えない場合には、この特別な場合をタッチ印加に適用す
る個とにより良好な結果が得られることが見いだされて
いる。すなわち、大部分のタッチにとって接触力の正接
成分は正規のものの１／３ないしそれより小さい。この
同一の面内にセンサを置くことに実際的な困難さがコス
トを上昇させ、前述した従来技術の多くのこのような用
途への適用を制限していたが、ディスプレイ表面のタッ
チ点の位置を遠隔にて検知することを生じる電気的モデ
ルの計算に対する本発明の方法によれば良好な解決が得
られる。
【００７４】座標「ｕ」と「ｖ」を持つ２次元格子によ
り接触表面が分類できることを考えよ。この格子の原点
は３次元空間の「０」点であり、これを用いて３次元基
底ベクトルＥＵ及びＥＶを結合する。接触「Ｐ」の点が
格子内の座標＜ｕ，ｖ＞にある場合には、 Ｒ→Ｐ＝Ｒ→０＋Ｕ＊ＥＵ＋Ｖ＊ＥＶ （１０． と書ける。
【００７５】６個の成分ベクトルＵ＿ＣＡＬ、Ｖ＿ＣＡ
Ｌ及びＷ＿ＣＡＬにより表される３組の６数が存在する
ことが示され、それらは（静的制限では） ｕ＝（Ｕ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ）／（Ｗ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥ ＳＰＯＮＳＥ） （１１ａ． ｖ＝（Ｖ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ）／（Ｗ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥ ＳＰＯＮＳＥ） （１１ｂ． で、「Ｗ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ）は接触
力の正規成分に比例する。簡略化のために次のように定
義する。
【００７６】 ｕｓ＝Ｕ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ （１２ａ． ｖｓ＝Ｖ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ （１２ｂ． ｗ ＝Ｗ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ （１２ｃ． 「ｕｓ」、「ｖｓ」及び「ｗ」は究極的にはＴＦ＿Ｒ＿
ＭＥＡＳＵＲＥＤの線形変換に過ぎないのであるから、
上述したフィルタリングはデータ流から求められたこれ
らに適用できる。そこで、方程式、 ｕ＝（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｕｓ）／（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｗｓ） （１３ａ． ｖ＝（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｖｓ）／（ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｗｓ） （１３ｂ． は、静的均衡を必要とする事なくｕとｖの近い近似であ
る。「ｆｉｌｔｅｒｅｄｗ」は接触の存在を判定するの
にモニタすることができ、「ｆｉｌｔｅｒｅｄｗ」が十
分に大きいときにはいつでも上記方程式から十分に規定
したｕとｖの値を計算することができる。
【００７７】Ｕ＿ＣＡＬ、Ｖ＿ＣＡＬ及びＷ＿ＣＡＬに
対する値をどのようにしたら得られるか考えよ。力検知
台上の位置にディスプレイを置いた後、使用者は使用者
に校正手続きを取らせるソフトウエアを走らせる。この
ソフトウエアは、必要な場合はマイクロプロセッサシス
テム８０よりもむしろホストコンピュータ上を走らせる
ことができる。手続きが完了した後、８０の一部である
小さな不揮発性メモリに記憶させるために通信リンク３
８を介して校正値がダウンロードされる。システムはそ
こで使用のための準備ができる。
【００７８】便宜のために、ディスプレイスクリーン上
で用いられる格子は左下の隅では座標＜ｕ，ｖ＞＝＜
０，０＞、右上の隅では座標＜ｕ，ｖ＞＝＜１，１＞の
座標値を有するものと仮定する。校正はそれ自身以下の
ごとくなされる。すなわち、スクリーンの４隅の４点、
＜０，０＞、＜０，１＞、＜１，０＞及び＜１，１＞は
連続的に照明され、使用者はそれが現れる３つの異なる
時刻にそれぞれを押圧するように指示される。使用者は
更に斜めからの力を意図的に方向を変えながらタッチを
加えるように指示される。と言うのはこのことにより正
接成分への応答のより正確な校正ができるからである。
しかし、各タッチの正確な力と方向は重要ではない。そ
れぞれが注意深く支持された点に置かれるということだ
けが重要である。
【００７９】６個の測定値の各々がｕ＝０をもってなさ
れたときには、「ｗ」は確実に無限大ではないので、
「Ｕ＿ＣＡＬ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ」も０である
にちがいない。したがって、Ｕ＿ＣＡＬは、これらの６
個の測定値を集めて作った行列の０空間のベクトルであ
り、このスカラー積は「Ｕ＿ＣＡＬ＿Ａ」と呼ばれる標
準的な方法により引き出すことができる。Ｖ＿ＣＡＬ、
「Ｖ＿ＣＡＬ＿Ｂ」の同様な積がｖ＝０を有するタッチ
から決定できる。共に取られた校正ベクトルの任意の積
は十分であるが、相対的スケーリングは首尾一貫してい
なければならない。次のものを定義する。
【００８０】 ａ＝Ｕ＿ＣＡＬ＿Ａ／ＵＣＡＬ （１４ａ． ｂ＝Ｖ＿ＣＡＬ＿Ｂ／ＶＣＡＬ （１４ｂ． １１ａを１１ｂで割り、両辺にａ／ｂを乗じると、＜
１，１＞でのタッチに対する次式を得る。
【００８１】 ａ／ｂ＝（Ｕ＿ＣＡＬ＿Ａ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ）／（Ｖ＿ＣＡＬ＿Ｂ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ） （１５． ａ／ｂの値はこのような１回のタッチから判定され、又
はそのようにして求めた比の平均から判定する。したが
って、 Ｖ＿ＣＡＬ＿Ａ＝（ａ／ｂ）＊Ｖ＿ＣＡＬ＿Ｂ （１６． ｕ＝１を有する６個のタッチの各々に対して方程式１１
ａを用いて、 ｚ＝ＣＡＬ＿Ａ ｄｏｔ ＲＥＳＰＯＮＳＥ＝Ｕ＿ＣＡＬ＿Ａ ｄｏｔ ＲＥＳ ＰＯＮＳＥ （１７． ６個の右辺から計算された６個の数を集めて、対応する
測定値の逆行列によりこのベクトルを予備乗算すると、
Ｚ＿ＣＡＬ＿Ａが抽出でき、プロセスが終了する。
【００８２】［非平面モデル］今からより一般的な非平
面の場合の取り組み方を簡略に考察する。
【００８３】工場では、各台が、６個の正確な既知の力
の組を供給する特別に設計された固定具で事前校正でき
る。Ｒと１０４のような特定の基準点と座標システムに
よってそれぞれが表現されるこれらの力の行列が容易に
逆にできるようにこれらの力は選択される。測定値の行
列は、次に、この逆行列により乗算され、所望の校正行
列（上述のＣＡＬＭＡＴ＿Ｒ）を生じ、これは不揮発性
メモリに蓄えられる。
【００８４】この分野では、使用者の校正手続きがディ
スプレイの中心点と、辺に沿った中心の４点に供せられ
ている。２個の異なる方向を向いたタッチが各点で要求
され、空間の点の位置はスラストラインの対の交点から
判定する。ラインが厳密に交差しないので、代用の「交
点」として両者に垂直な線分の中点が用いられる。線分
が長すぎるか、対の線が平行に近づき過ぎている場合に
は、使用者は点を繰り返すように駆り立てられるであろ
う。平面、垂直に向いた円筒、及び球が５個のテスト点
に（ＲＭＳの意味で）最も適合している。それぞれに対
する適合の質が比較され、すべての点に最も近く通る形
が使用するために保持される。（ここで試したこれらの
３つの家族はディスプレイの表面として極めて卓越した
形状である）。
【００８５】使用するときには、工場の校正行列は、セ
ンサデータの適当なフィルタリングを用いて上述した方
程式２に従ってスラストラインを計算するのに用いるこ
とができる。使用者が校正した情報は次に３個の空間の
表面の交点の計算に用いられ、それは方形平面格子の２
次元座標により３８を介して報告され、その格子は仮定
した表面上に直行して投影されたとき直角位置に５個の
テスト点を置く。
【００８６】今説明した用途を要約するために、スラス
トラインのような実在物と解析のために開発されたＲで
の全体力の成分の実施例自体の中に明白な使用がなされ
る。しかし、平面への応用の場合には、それを開発する
のに用いるけれども、それらは実施例の中に現れる必要
はない。かくして、本発明の内部に２個の異なるタイプ
の実施例が、構造と詳細の両者に関して根本的に異なる
計算を採用できる。それらは共通には何を有しているで
あろうか。本発明によれば、（１）剛体の運動の６個の
程度のすべてに応答する力検知手段の使用と、（２）前
記力検知手段の出力から接触力の位置を計算する計算手
段で、このような計算された位置が、センサ面から十分
に離れたものを含む興味の対象となるすべての潜在的接
触点に対して予知できない接触力の正接成分の存在によ
り引き起こされる誤りからほぼ自由であることにある。
【００８７】提案された本発明の平面の外にあるセンサ
により供給される情報は、事実前述した正接成分から誤
りを除去するのに理論的に十分である。必要な計算の各
ステージを遂行する特別の実際的技術が提出されている
が、これらの計算を実行するのに多くの異なる方法があ
り、センサの位置及び方向、センサのタイプ、支持体の
タイプ等の事柄には多くの変形があることを理解すべき
である。
【００８８】［従来技術との相違の要約］要約するに、
したがって、本発明の根底にある原理体系が従来述べら
れまた他の従来技術とそれを区別し、本発明を用いて得
られる新規な結果に応答できる少なくとも３個の主な方
法が存在する。
【００８９】第一には、本発明は、印加された力とトル
クの６個の自由度のすべてに応答する力検知手段を用い
ている。従来の方法は、他方、正接成分に応答しないこ
とが確かなそれらの方法から外へでない。
【００９０】第二に、本発明は、このような正接成分に
もかかわらず、センサの平面から離れた力の位置検知を
行う。
【００９１】第三に、本発明は、興味のある表面内のす
べての点の中から３次元トルクベクトルの最小の振幅の
点を計算し、そして興味ある表面の点と接触力のスラス
トラインとの交点の推定値としてこの点を出力する。
【００９２】この表面のすべての配列に対して、これが
従来の検知又は計算方法と異なることが更に以下に説明
される。
【００９３】上述の特徴のそれぞれが本発明を前述した
従来技術とそれにより得られる結果とから明瞭に区別す
る。
【００９４】先に説明した従来の方法は、他方では、あ
る２次元トルクベクトルの大きさが０になるセンサの平
面内の位置を報告する。このベクトルは、その点での真
の３次元トルクベクトルのその面上にある空間の各点で
のセンサの面上への投影としてみることができる。本発
明の方法は、曲がっていてさえしても興味ある面を許容
し、センサの面から全く離れていてもよい点ではるかに
一般的であるのみならず、センサを含むことのできる平
面に適用するときにも従来技術と概念的にも数字的にも
異なっている。
【００９５】このことを明白にするために次のことを考
えよ。従来技術に従って動作するセンサをその隅に有す
る平板を支持する。この全体の装置を今度は本発明の装
置上に置くと、板上の接触位置は同時に両方の装置で読
み出される。ネジを板の表面に４５度の角度で（又は完
全に垂直でない任意の角度で）ねじ込む。再びねじ回し
で捻らずにネジ頭を４５度で押圧する。この点で両方法
は正確な接触位置を報告するであろう。
【００９６】両者の２及び３次元トルクベクトルは接触
点で０である。３次元トルクベクトルの場は、スラスト
ラインの中心に向いた等しい長さの矢の円筒として目に
見えるようにできる。各円筒に対する矢の長さは円筒の
半径に比例して上昇する。個々の矢はスラストラインに
対して垂直に存在し、互いにその周りに円形パターン状
にたどっている。
【００９７】さて、ドライバーは右向きに捻るので、ス
ラストラインに平行に板の中を指す０でないトルクベク
トルが接触点に現れる。この成分は場全体に均一に付け
加えられて現れ、至るところで矢を長くし、それらを幾
分スラストの方向に向くように曲げる（矢は今は右巻き
の螺旋状に互いにたどるように現れている）。
【００９８】最小の大きさは、平行成分だけが存在する
スラストラインに沿ってなおも存在するので、本発明の
方法のみが正確な接触点を報告する。接触点での並列成
分の２次元投影は、それは表面に直角に傾く（どんな実
際の力に対しても少なくともある程度はそれは常にそう
でなければならない）ので、０になることができない。
しかし、スラストラインから離れたトルク場の螺旋形の
勾配は無関係の点で消滅するある特別のベクトルの２次
元投影を引き起こす。
【００９９】接触点を通ってスラストラインに対して直
角で右に伸びたラインがその上に引かれた水平の板と、
使用者のほうに傾いたドライバーとを想像せよ。このラ
インの上の例えばネジから２インチ（５ｃｍ）の点を選
べ。ドライバーで２ポンドインチ（１．１５ｋｇ・ｃ
ｍ）の時計方向のトルクをかける一方、ネジを１ポンド
（０．４５ｋｇ）の力で押圧せよ。スラストによって引
き起こされたトルク成分は２ポンドインチ（１．１５ｋ
ｇ・ｃｍ）の大きさを有し、使用者のほうへ４５度傾い
て板の中を指している。捩りにより引き起こされたトル
ク成分は、２ポンドインチ（１．１５ｋｇ・ｃｍ）の大
きさを有し、使用者から離れた方向に４５度傾いて板の
中を指している。合力は２．８１８ポンドインチ（３．
２５０ｋｇ・ｃｍ）の大きさを有し、板に真っすぐに直
交する。したがって、その表面への投影は０の大きさを
有し、これが従来の技術により接触位置として報告され
た的外れの点の位置である。
【０１００】以前説明した構成方法は、ディスプレイ装
置の外部表面に一致する興味のある表面を必ずしも規定
しないということに注意せよ。使用者が２又はそれ以上
の異なった方向からスクリーンの照明された点を「通っ
た」タッチを指令したときは、使用者は表面上の物理的
に異なった点をタッチしている可能性が十分にある。か
くして、厚いガラスの表面板を有する陰極線管モニタを
用いる場合には、興味のある表面は蛍光体が現れる所に
位置し、このことは装置が適合するような仮想の応答表
面を投影できるようにする校正手続きの効果を介した用
途に暗黙のうちに限定される可能性がある。この応答表
面を有するスラストラインの交点は、３次元トルクベク
トルの最小の振幅を有する仮想の応答表面内の点を見い
だすことにより密接に近似されている。
【０１０１】本発明の方法は、３次元トルクベクトルが
最小の振幅をとる（すなわち、最も短い長さを有する）
興味のある表面内の位置を報告する点において従来技術
から区別される。まったく、このことは本発明が必要と
する唯一の校正の説明として解してよい。
【０１０２】これ以上の修正もまた当業者には発生する
であろう。例えば、お望みならば他の型の同様な機能の
スプリング及びセンサ、及び支持された装置の内部又は
後ろに置かれたより一般的な用途を含む、その上にタッ
チ又は他の接触事象が位置する表面を担っているモニタ
又は他の装置に接触し又は寄りかかり又は別の方法でタ
ッチする他の外部力検知台の位置検知などである。どん
な形状であっても興味のある表面に対するこのような支
持又は寄りかからせる台又は物はここでは一般的に「デ
ィスプレイ表面部分」と呼び、又は一般的に呼ぶために
同様な語の「ディスプレイ装置」と呼ぶ。他ではより一
般的な「興味のある表面」は想像できるであろう。顧客
がはるかに内側の所望の物を押圧して指摘するときの自
動販売機のガラス窓に印加された力を考えよ。各物の表
面がそこで「興味ある表面」で、潜在的に最小トルクラ
インと交差している。医学生は、例えば不透明な人体モ
デルのトルソー内の目に見えない器官を指摘できる。そ
のモデルはまったく中空であるかもしれない。しかし数
学的記述はモデルが実際にそこにあるであろう器官に対
応している興味ある表面にたいして見いだすことができ
る。当業者は、どのようにしたらこのような表面が採用
された全体の計算手段の内部で適当に記述できるか、ま
たどのようにしたら本発明の方法がこのようなまた他の
特定の場合に適用できるか容易に理解するであろう。し
たがって、「興味ある表面」及び対応する所望の「仮想
の応答表面」は、本発明の説明されたモードの示された
特定の物により限定されずに用途と使用者の意図により
限定される。前に述べたように、陰極線管よりもＬＣＤ
やＬＥＤディスプレイを含むがそれに限定されない他の
型の電気光学ディスプレイ表面に本発明は有用であるこ
とも理解すべきである。このようなまた他の指示された
修正は特許請求の範囲により限定される本発明の精神と
範囲内にあるものと考える。
【０１０３】
【発明の効果】本発明のタッチ位置検知入力装置及び方
法は、正確な位置検知が可能で、ディスプレイの外部に
置いてタッチ位置を検知でき、工場外で多種のディスプ
レイに取り付けることができ、安価であり、耐久性が高
く、すべてのディスプレイに視差の無い応答を提供で
き、表示画像の画質の低下をもたらさない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 台上に支持された陰極線管ディスプレイスク
リーンを有するコンピュータ又は同様のモニタに対する
離れたタッチスクリーンシステムとしての本発明の力検
知台の使用を示す側面図である。
【図２】 図１の実施例の力検知台上に支持されたモニ
タを再現できるように置くための単純な手段を示す台セ
ンサの上面図である。
【図３】 力検知台の主な部品と構成の等角図であり、
開かれた位置での状態を示す。
【図４】 台に用いるスプリングを示す図である。
【図５】 台に用いるスプリングを示す図である。
【図６】 台の適当な対の容量的変位センサの詳細を示
す断面図である。
【図７】 本システムのための電気変換と計算回路の簡
略化した回路図である。
【図８】 発明により位置を検知できるようにされる種
類の力で台センサの面の外に印加された力の位置検知動
作を示す図である。
【図９】 発明により位置を検知できるようにされる種
類の力で台センサの面の外に印加された力の位置検知動
作の力ベクトルと幾何形状をグラフで示す図である。
【図１０】 発明により位置を検知できるようにされる
種類の力で台センサの面の外に印加された力の位置検知
動作の力ベクトルと幾何形状をグラフで示す図である。
【符号の説明】
３１ 陰極線管モニタ ３２ 力位置検知装置 ３９ 停止部材 ５０、５１ プレートアセンブリ ５２ 梁バネ ５７ コンデンサセンサ ６０ プリント回路基板 ８０ マイクロプロセッサシステム ８１ Ａ／Ｄ変換器 ８２ マルチプレクサ ８３ タイミング回路 ８５ コンデンサインピーダンス測定回路 ９１ 同期振幅検知回路

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ディスプレイ装置のディスプレイ表面部
    分上のタッチ位置の判定方法であって、 ディスプレイ表面部分自体から離れて配置され、十分な
    自由度と、ディスプレイ表面部分の点にタッチするスラ
    スト並びに発生するスラストベクトル及び随伴するトル
    クベクトルの座標成分に応答して集合的に検知する検知
    感度とを有する力検知台に対抗してディスプレイ装置に
    接触すること、 測定した力がほぼ最小のトルクの大きさを有するように
    参照したディスプレイ表面部分の位置を検知した力から
    計算すること、 前記タッチ位置の推定値として遠隔的に検知した結果と
    しての位置を出力することを備えたことを特徴とする判
    定方法。
  2. 【請求項２】 力検知が、結果として生じたスラストベ
    クトルのｘ、ｙ及びｚ座標成分と前記タッチにより引き
    起こされた随伴するトルクベクトルのロール、ピッチ及
    びヨー成分とを含むディスプレイ装置の剛体運動の６個
    の自由度に応答することである請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記検知が、台を備えた一対の間を隔て
    られた平行なプレートの間のスプリング装着動作により
    影響を受け、そのディスプレイスクリーン部分から離れ
    た領域でディスプレイ装置に接触する請求項２記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 装置の表面上のタッチ位置判定方法で、 前記表面自体から離れて配置され、該表面にタッチする
    ことから発生する力及びトルクベクトルの剛体運動の６
    個の程度のすべてに応答する力検知手段に対抗して前記
    装置に接触すること、 前記表面のこのようなタッチにより発生した力を前記力
    検知手段で検知すること、 検知した力の等価物がほぼ最小のトルクの大きさを有す
    るよう参照して前記表面上の位置を検知した力から計算
    すること、 結果として生じる遠隔的に検知した位置をタッチ点の推
    定値として出力することを備えたことを特徴とする判定
    方法。
  5. 【請求項５】 ディスプレイスクリーンを備えたモニタ
    のためのタッチスクリーン検知装置であって、 ディスプレイスクリーンから離れた領域でモニタに接触
    する力検知台手段で、該台手段が、結果として発生する
    スラストベクトルの座標成分と随伴するトルクベクトル
    の成分に対応する測定値をディスプレイスクリーンのタ
    ッチ点のスラストに応答して集合的に検知する数と自由
    度が十分なセンサ手段を備えている台手段と、 測定した力がほぼ最小のトルクの大きさを有するよう参
    照してディスプレイスクリーン上の位置を前記検知した
    力から計算する手段と、 結果として発生する遠隔的に検知された位置を前記タッ
    チ点の推定値として出力する手段とを備えたことを特徴
    とするタッチスクリーン検知装置。
  6. 【請求項６】 センサ手段が、スラストベクトルのｘ、
    ｙ及びｚ座標成分及び随伴するトルクベクトルのロー
    ル、ピッチ及びヨー成分の独立の組み合わせを線形に検
    知する６個の自由度を備えた請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 台手段が、間隔を隔てられた平行なプレ
    ートを装着一対のスプリングを備えた請求項６記載の装
    置。
  8. 【請求項８】 計算手段が、基準点でのスラスト及びト
    ルクベクトルを含む平面に垂直な方向を含む電気モデル
    をエンコードすることから、スラストベクトルの大きさ
    により割ったトルクベクトルの大きさに等しい距離を前
    記方向に沿って進めて基準点に最も近いスラストライン
    上の位置に達することを可能とする手段を創り出すため
    及び前記点を通ってスラストベクトルを伸長してディス
    プレイ表面の交点を提供するための手段を備えたマイク
    ロプロセッサを有する請求項５記載の装置。
  9. 【請求項９】 台手段上にモニタを正確にかつ再現でき
    るように置くことを保証するための手段を備えた請求項
    ６記載の装置。
  10. 【請求項１０】 力検知台手段が、位置決めされ、セン
    サ出力に対応することにより台の運動の６個の自由度の
    すべてに応答するのに十分な方向を有する感度の複数の
    配置されたセンサを備えた請求項８記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記センサ出力をそれぞれ検知し、評
    価し、多重送信し、該センサ出力を傾斜タイプのＡ／Ｄ
    変換器を介して前記マイクロプロセッサに印加するため
    の手段を備えた請求項１０記載の装置。
JP34601592A 1992-03-25 1992-12-25 ディスプレイの外部にタッチ力検知箇所を採用したタッチ入力コンピュータと関連するディスプレイのための方法及び装置 Pending JPH0612184A (ja)

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