JPS62172420A - デ−タ入力装置の較正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、作業域の力が加えられる位置がコンピュータ
・システム中でデータとして用いられるコンピュータ・
システムへのデータを入力装置に関するものである。作
業域はふつう表示装置の表示面であり、力はふつうユー
ザの指またはスタイラスによって加えられる。

Ｂ、従来技術 この形式のデータ入力装置の一例では、ユーザが１本の
指を表示装置の表面に押し付け、トランスジューサから
発生される記号によって指の位置が決定される。これら
のトランスジューサは、各トランスジューサ毎に力（抑
圧）の大きさを検出し、作業域内の力の位置を検出する
。トランスジューサが、ユーザと表示装置の間に置かれ
た透明な板を支持する構成もあり、トランスジューサが
表示装置自体の支持部材になっている構成もある。

力感知型データ入力装置は、ユーザがコンピュータ内の
情報と対話するための直接的な方法を提供し、表示情報
との間の対話の場合、特に有用である。

米国特許第３６５７４７５号では、曲げに対して剛性を
有する受力板が、少くとも３個の離隔されたセンサによ
って、表示装置の表面に固定されている。板と剛性支持
体の間に装着されたセンサの出力が電子的に処理されて
、ユーザの指の位置が決定される。センサは、加えられ
た抑圧の大きさに比例する出力を発生する圧電素子でよ
い。

米国特許第４１２１０４９号では、受力板は、ひずみゲ
ージが装着された長い半円形ばねで表示装置に固定され
ている。

米国特許第４３４０７７７号及び第４３５５２０２号特
許では、受力板がとがった感知部材に装着されている。

米国特許第４５１１７６０号では、各センサが最大圧力
を感知した後で圧力が解除されるとき、方位置の計算を
行なうことによって、受力仮に対する接線力の影響に関
係する問題に対処している。

要件が厳しくなるにつれて高い精度が求められるこの形
式の装置では、力検出器内の雑音による出力の変動と、
静止した、ないし非作動状態にある幾つかの力検出器の
出力が「オフセット信号」と呼ばれる信号を出す可能性
があることを、考慮する必要がある。

英国特許第１５２８５８１号では、検出器の雑音等の微
小な出力変動を排除するために、加算回路を用いて、加
えられた抑圧がある値よりも大きいことを検出している
。

米国特許第４３８９７１１号では、外力が加えられてい
ないことを感知するシステムが設けられている。このシ
ステムはさらに、方位置の計算に使用するため、雑音及
び無負荷ないしオフセット変換接散をメモリに入力する
。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 精度を向上させるために、センサの装着方法、センサか
らの信号、及び力の加え方から生じる信号の変動要素に
適応できることが、当技術で求められている。

本発明は、力感知型データ入力装置において、力（抑圧
）センサの感度及び位置の変動を補正する較正機能を提
供することを目的とする。

Ｄ０問題点を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明は、既知のパターン
のカデータをデータ入力装置に加え、各センサから出力
される力応答信号から得られる情報と各センサに関する
性能情報を用いて当該パターン中の答方の位置を計算し
、計算された位置とそのパターン中の答方の既知の位置
との差を求め、データ入力装置の使用中に感知される答
方に対して用いることができるか、または力センサの位
置を変えるために用いることができる補正を発生させる
ものである。

本発明の較正は、完全に組立てられ、通常の作業状態に
ある装置で実施できる。

Ｅ、実施例 第２図の型式のデータ入力装置では、作業域１中で力を
位置決めする能力に対する精度要件が増大するに従って
、幾つかの問題が生じる。受力板２がたわんでいると、
加えられた力を正確に位置決めする能力に影響が及ぶこ
とがある。たわみを最小にするために受力板２を厚くす
ると、板を通して見る観察者の側の視差が増大すること
にある。

板２を多数のトランスジューサ上で支持すると、曲げの
状況は改善されるが、製造が複雑になる。

本発明は、受力板のたわみの問題の影響を受けず、個々
のトランスジューサの独特の出力信号、及びユーザの独
特の力の加え方に適応できる較正情報を提供するもので
ある。

第２図は、力感知型データ入力装置の概略図である。第
２図において、作業域１上に、受力板２が装着されてい
る６作業域２は、例えば陰極線管のスクリーンである。

受力板２は、各々が表示装置の表面または指示基準部材
７に取付けられた抑圧トランスジューサ３．４．５及び
６で支持されている。受力板２はふつう透明であり、し
たがって作業域１上にあるどの表示情報も、板２を通し
て見ることができ、また所要の情報の近傍で板２を押す
などして力を加えることにより、表示情報を選択または
修正することができる。力センサ３乃至６は、加えられ
た力に応答して電圧または電流出力を出力する圧電トラ
ンスジューサであることが好ましい。力に応答して変化
し、出力信号として使えるパラメータを出力する他の型
式のトランスジューサを使用してもよい。図には４個の
センサが示しであるが、３個以上の任意の数のセンサを
使用することができる。

複数のデータ入力試験力を、受力板２に加える。

各試験力は、既知の位置に加える。試験力の数は、力セ
ンサの３倍から１を差引いた数の半分以上とする。試験
方位置のパターンを第２図にＡ、Ｂ。

Ｃ，Ｄ、Ｅ及びＦとして示す。位置Ａ・・・・・・Ｆに
加えられる試験力の数は、４個の押圧センサ３．４．５
．６があるので、（４Ｘ３−１）の半分の５゜５を切り
上げて６、すなわち、第２図に示したＡ・・・・・・Ｆ
になることから明らかであろう。

本発明によれば、Ａ・・・・・・Ｆに加えられる各試験
力の位置が、力感知板２の平衡状態にあるときの試験力
の作用に関して計算され、各力センサ３・・・・・・６
からの単独オフセットないし無負荷信号に対して補正が
加えられる。計算された位置は、各力センサの想定位置
と感度に基くものである。それが、試験力の実際位置と
比較される。比較の結果は、各試験力の計算位置と実際
位置との間の差である。試験力を加えた全ての位置を計
算し、比較し、差を求めると、差のリストができる１次
に、差の値が最小になるまで、力センサの想定位置と感
度を変える。データ入力装置を使用するときに。

この調節された位置と感度を使う。

便宜上、ｘ、ｙアドレスを与えるデカルト座標を用いる
。

一般平衡方程式に対する抑圧の影響を用いて、′″押圧
″の位置を計算することにより１本発明で用いる試験力
のパターン中での個々の力すなわち″押圧″によるデー
タ入力の計算位置が得られる。

一般平衡方程式は、次のように記載することができる。

デカルト座標（Ｘ、Ｙ）にある、板２等の表面に力Ｆを
加えるものとする。第２図の要素３−６に対応するＮ個
のトランスジューサを、整数１（ｉ＝１．２・・・・・
・Ｎ）で表わすことができる。ｉ番目のセンサは、座標
（ＸＴ　（ｉ）、ＹＴ　（ｉ））にある任意の基準格子
内にある。上記の表記法を使うと、ｉ番目の力センサか
らの反力は、−ＦＲ（ｉ）となるはずである。″押圧″
が大体垂直である場合、どの水平成分も無視できるので
、Ｘ軸及びＹ軸の回りのトルクＭｘ及びＭｙならびに板
２に加わる全力がつり合わなければならない。従って、
Ｍｘ、Ｍｙ及び力についての３つの一般平衡力方程式は
、式１．２及び３のように表わすことができる。

式ＩＭｘ＝ΣＦＲ（ｉ）　ＸＴ　（ｉ）式２　　Ｍｙ＝
ΣＦＲ（ｉ）　ＹＴ　（ｉ）式３　　　Ｆ＝ΣＦＲ（ｉ
） 力センサの出力信号は、ふつうＶ　（ｉ）として表され
る電圧信号であるが、式４に従って各センサ毎に変換係
数ＴＦ（ｉ）を使って、この出力信号と式１−３中の力
ＦＲ（ｉ）が得られる。

式４　　ＦＲ（ｉ）　＝ＴＦ　（ｉ）　Ｖ　（λ）変換
係数ＴＦ　（ｉ）は、トランスジューサないし押圧セン
サの効率と、それらと関連して使用される増幅器の利得
を組合わせた、実験的係数である。

式１．２．３及び４を組合わせることにより。

式５及び６にもとづいて″押圧″すなわちデータ入力用
力の位置を得ることができる。

式５及び６でＸ及びＹを計算する際の精度は。

トランスジューサの位置の値ＸＴ　（ｉ）、ＹＴ（ｉ）
及びＴＦ　（ｉ）の測定精度によって決まる。

本発明を実施するに際して、幾つかの点で注意が必要で
ある。トランスジューサを既知の位置に正確に装着した
場合でも、それ自体の寸法が零ではないので、反力が加
えられる正確な位置が明確でないことがある。

ＴＦ（ｉ）の値も正確さが必要である。ＴＦ（ｉ）の値
を得るための１つの方法では、既知の力を各トランスジ
ューサに加え、その増幅器の出力部の電圧を測定して、
組立て前に各トランスジューサ及び増幅器を較正する。

その場合、各トランスジューサ、増幅器及び較正のこの
ような記録を、製造工程中、できればその製品の有効期
間中ずっと保存しなければならない。

既知の場所に「抑圧」を加え、期待される力ＦＲ（ｉ）
を式１．２及び３で計算し、次に実際のトランスジュー
サ電圧Ｖ　（ｉ）を測定して係数ＴＦ　（ｉ）の値を求
めることは論理的に可能であるが、トランスジューサが
４個以上ある場合は、期待される抑圧をそのように計算
するには、板２のたわみ特性、トランスジューサ３乃至
６及びそれらの支持体の機械的特性を考慮に入れる必要
がある。何故ならば、４個以上の支持体の場合、そのよ
うな問題は静力学的に不定であり、しかも、力感知型デ
ータ入力装置の実際の大部分のアプリケーションでは、
十分な支持のために４個以上のトランスジューサが必要
である。従って、この理論的手法は使用できない。

本発明によれば、複数の力による試験データ型入力を、
第２図でＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ及びＦとして示す６個の位
置のような幾つかの位置に加える。

実用上の範囲内では、試験力の大きさを制御する必要は
ない。力の相対的位置を知らなければならないが、これ
は、特定の座標に対応する位置マークを付けた簡単なテ
ンプレートを使って行なえる。位置Ａ・・・・・・Ｆを
指示した板２の上にテンプレートを置く。

各位置Ａ・・・・・・Ｆを押圧した後、各試験抑圧位置
と既知の位置との差から較正補正係数を求め、力感知デ
ータ入力装置を使用する際の全ての座標計算、及び押圧
センサの位置決めにそれを使用する。

較正の一般的な目的は、較正のための力（抑圧）位置の
計算座標が規定の座標対とよく一致するように、個々の
センサの座標と感度の値を決めることである。最適のパ
ラメータ値から逸脱した値は、較正のための押圧位置と
余りよく適合せず、それを実際に使うと、抑圧位置とし
て不正確なＸ、　Ｙ対対が与えられる。較正のための押
圧位置を最も適合した値にするというこの一般的な目的
は、計算座標と予め定めたられた座標の間の全体的不一
致の差が最小になるまで、想定パラメータを変えること
によって達成される。不一致の尺度は想定されており、
従って、コンピュータ・プログラムに含まれる効率的な
アルゴリズムを用いて、十分小さな最小の差が得られる
まで、パラメータ・セットを自動的に変更する。差を最
小にするための１つの好ましい尺度は、計算されたＸ座
標と規定されたＸ座標の差の２乗和にそれに対応するｙ
座標の差の２乗和を加えたものである。従来のアルゴリ
ズムでは、例えば、「エラー表面」の負の勾配ないし傾
斜の方向でパラメータ空間中に小さなステップを設ける
が、「エラー表面」はふつう実際のパラメータ変化によ
って決定されるので、非常に小さなステップが必要であ
り、そのため計算時間が長くなる。もう１つの手法は、
想定パラメータ値の近辺で、「エラー表面」を分析的に
拡大するので、線形最小二乗法が適用できる。一般的な
非線形方法の方が都合のよいことが分っている。

何故ならば、それらの方法では、例えば、最大の差を最
小にするため、または差の二乗和を最小にするため、不
一致の尺度のもっと一般的な定義が得られ、差が最大と
なる、較正のための押圧位置が自動的に排除できる。

本発明の較正の主な利点は、装置を完全に組立てた後で
較正を行なうことができること、トランスジューサの位
置及び感度が実験的に決定されるので、製造中に制御を
行なう必要が全くないこと。

さらに、関連する表示回路の損傷または老朽化などによ
って、較正を変更しなければならない場合、元のデータ
が失われた場合、または別の座標系が必要になった場合
に、装置を分解する必要なしに４後からいつでも較正を
繰返すことができることである。

本発明のもう１つの利点は、式５及び６が与える値がト
ランスジューサ３乃至６の機械的特性及び板２のたわみ
特性の影響を受けないことである。

従って、装置の有効期間中にこれらの特性が変化した場
合にも、精度が失なわれることはない。

本発明を実施するための好ましい方法は、平衡計算、お
よび最小二乗法による補正係数の決定によって、抑圧の
相対位置を相互依存的に決定するものである。

次の表記法を用いる。整数ｉで表される各トランスジュ
ーサについて、それぞれ未知数が３つある。これらはそ
の感度ＴＦ　（ｉ）　、およびその位置座標ＸＴ　（ｉ
）とＹＴ　（ｉ）　である。

較正に関係する情報は、複数の力（抑圧）、座標及び信
号値から構成されるので、便宜上表形式を用いる。トラ
ンスジューサの特性を第１表にまとめる。

１　ニドランスジューサの 変換係数　　　　Ｔ　Ｆ　（１）、ＴＦ（２）、・・・
Ｔ　Ｆ　（Ｎ）Ｘ座標　　　　　ＸＴ（１）、ＸＴ（２
）、−Ｘ　Ｔ　（Ｎ）Ｙ座標　　　　　ＹＴ（１）、Ｙ
Ｔ（２）、・・・ＹＴ（Ｎ）第１図は、較正で用いるス
テップを記載したフローチャートである。

最初のステップでは、センサの出力信号、ふつうは電圧
を、全く力を加えずに測定する。信号は、センサからの
ものが、センサと増幅器の組み合せからのものを使用で
きるが、センサと増幅器の組合せを用いることが好まし
い。零でない値が測定された場合、これは「オフセット
・エラー」ないし無負荷信号である。この値が記憶され
、この信号を消すため、後続の全ての測定値から代数的
にそれを差し引く。増幅器ｉのこの無負荷ないし「オフ
セット・エラー」信号は、ＶＯ（ｉ）と呼ばれる。

引き続き第１図を参照すると、第２のステップでは、押
圧が板２の領域の広い部分に分散されるように選んだパ
ターンを有する試験力を複数にの位置に加える。たとえ
ばＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆに対応する点を有するテンプ
レートを使って、抑圧の相対位置を正確に知らねばなら
ない。抑圧はｊ　　（ｊ＝１．２・・・Ｋ）等の整数で
表わすことができるが、かかる記載方法を用いて、第２
表に座標を表の形で示す。

里又糞二連反作ｉ Ｘ座標：ｘｐ（ｔ）、Ｘ　Ｐ　（２）　−・−−−−・
・−Ｘ　Ｐ　（Ｋ）Ｙ座標：ＹＰ（１）、Ｙ　Ｐ　（２
）・・・・・・・・・Ｙ　Ｐ　（Ｋ）位置にの数は、計
算可能な差の数が解くべき未知数の数より多いという数
学的要件によって決定される。式５及び６を調べると、
１つのＴＦ　（ｉ）は任意に選べることが分る。従って
、Ｎ個の力センサがある場合、３Ｎ−１個の未知数があ
る。各抑圧から、２つの差、すなわち、Ｘの差とＹの差
を得ることができる。

従って、抑圧の最小数は９式７で示すように、センサの
数の３倍から１を差引いた数の半分である。

式７　　Ｋ＝０．５　（３Ｎ−１） もっと多くの抑圧を用いれば、より高い精度で得られる
ことは明らかである。

引き続き第１図を参照すると、ステップ３では。

各押圧センサ信号が測定される。ステップ１で測定した
無負荷またはｒオフセット・エラー」信号ＶＯ（ｉ）を
差引いた後の値が、表の形で示される。

表形式電圧を記載するために行列表記法を用いると、Ｖ
　（ｉ、ｊ）が押圧ｊから生ずるトランスジューサｉか
ら得られた電圧からＶＯ（ｉ）を差し引いた後の値を表
わすものとして、第３表のような、説明用部分リストが
容易に作成できる点で便利である。

第３表：測定電圧 トランスジューサ 押圧１　　　　　　　２３　　５　　９　　２押圧２　
　　　　　　７　　１６　　１４　　４押圧３　　　　
　　　３４　　９　　８　　２引き続き第１図を参照す
ると、第４のステップでは、計算位置と実際位置との間
の差が次のように計算される。説明のため、第１表にリ
ストしたトランスジューサの特性として公称値を使用す
ると仮定すると１式５及び６を使って、第３表■の各組
の電圧から押圧の位置が計算される。これらの計算座標
をｘｃ　（ｊ）及びＹＣ（ｊ）と呼ぶことができる。こ
れまでの説明では便利な行列表記法を用いてきたので、
値は弐８及び９に従ってそれらの値を計算することがで
きる。

弐８　　ＸＣ（ｊ）”ＪＴＦ（ｉ）　Ｖ（ｊ、　ｉ）　
ＸＴ（ｉ）／ΣＴＦ（ｉ）　　Ｖ（ｊ、　　ｉ） 式９　　ＹＣ（ｊ）＝多ＴＦ（ｉ）　Ｖ（Ｊ、　ｉ）　
ＹＴ（ｉ）／ΣＴＦ（ｉ）　　Ｖ（ｊ、　ｉ） トランスジューサの所与の特性が理想的なものであり、
試験抑圧の位置決め及び電圧の測定に誤差がないとする
と、弐８及び９から得られるＸＣ（ｊ）及びＹＣ（ｊ）
は、既知の押圧位置（ＸＰ（ｊ）、ＹＰ　（ｊ））に等
しくなるはずである。

さもなければ、各抑圧位置について差ＥＸ　（ｉ）及び
ＥＹ　（ｉ）が生じる。これらは、方程式１０及び１１
のように記載することができる。

式１０　　［ＥＸ（ｊ）＝ＸＣ（ｊ）−ＸＰ（ｊ）式１
１　　ＥＶ（ｊ）＝ＹＣ（ｊ）−ＹＰ（ｊ）試験抑圧と
同じ数の差のリストが得られる。

ＥＸ及びＥＹについて最小化を試みる間に、想定された
トランスジューサの特性を変える。

本発明によれば、式１２に関して説明するように、各較
正試験の抑圧に対する計算されたＸ座標と既知のｘＰＪ
ｌ標との差の２乗和にＹ座標の差の２乗和を加えたもの
を用いて、差の全体的尺度が得られる。

式１２　　Ｅ＝ＥＸ（ｊ）”２＋ＥＹ（ｊ）”２トラン
スジユーサの特性値をみつけるための標準の数学的手順
は既知である。方程式８及び９等の非線形方程式の場合
、通常１反復法が必要であり、収束を確実にするため幾
分の注意が必要である。かかる計算を実行するための幾
つかのコンピュータ・プログラムが存在する。そのよう
な場合に時に効果的な、当技術で周知の１つのグループ
は、「可変距離最小法（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｍｅｔｒｉ
ｃＭｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ）　Ｊと呼ばれる手法のバ
リエーションであり１国立技術情報サービス（Ｎａｔｉ
ｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
　５ｅｒｖｉｃｅ）から入手できるｒミノパック１用Ａ
ＬＮ−８０−７４ユーザ・ガイド、８０年８月（ＡＮＬ
−８０−７４ＵｓｅｒＧｕｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｍｉｎｐａ
ｃｋ−１、Ａｕｇ、　８０　）　Ｊと題するアルゴンヌ
・ナショナル・ラボラトリ・レポート（Ａｒｇｏｎｎｅ
　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｒｅｐｏ
ｒｔ）　　Ａ　Ｎ　Ｌ−８０−７４に記載されている。

このレポートは、非線形方程式及び最小二乗問題の数値
解を求めるためのアルゴリズム、ソフトウェア、ドキュ
メンテーション及びプログラム・リストの概説である。

最小値を与えるものならどんな数学的方法でも使用でき
る。

好ましい２乗和法を適用する際、一般的な手順は、未知
のパラメータＸＴ　（ｉ）、ＹＴ　（ｉ）及びＴＦ　（
ｉ）に対する仮定された一組の値から始めて、反復法で
これらの値を改善することである。

ある改善の方法は、何らかの妥当な差の尺度を減らすこ
とである。既知の抑圧位置と、既知の値を用いて計算し
た位置の差の２乗和を使用すると、差が減少し、ステッ
プ間の改善が無視できるほどになると、処理が停止する
。可変距離最小化法は、各パラメータに１つの「空間座
標」を割当てる多次元「空間」の考察に基づくものであ
る。この方法では、各反復ステップで、かかる「空間」
の幾何的特性を考慮に入れることによって「誤差」の尺
度が最小になる位置を推定し、従って、特定の精虐を得
るために必要な反復ステップの数を最小化する。

この結果得られたパラメータは、装置を使用する際に、
使用できる。

以上、力感知型データ入力装置の較正について説明して
きたが、必要とされる数のセンサについて、センサの出
力及び位置の変動が補正係数をもたらす較正方法によっ
て補償される。この較正法は、装置が完全に組立てられ
た後、通常の動作状態にあるとき適用することができる
。

Ｆ５発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、デー
タ入力装置の組立て後に分解せずに、力（抑圧）センサ
の感度及び位置の変動に対応した補正を行うことができ
る。

−チャート、第２図は４個のセンサ上に受力板が装着さ
れた力感知型データ入力装置を示す概略斜親図である。

１・・・・作業域、２・・・・受力板、３．４．５．６
・・・・トランスジューサ、７・・・・支持基準部材。

出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　岡　　１）　次　　生（外１名） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 少なくとも３個の別個の力センサによって基準に対して
   支持された領域部材の局在力が加えられる位置によって
   データをデータ処理装置に入力するための装置において
   、 前記領域部材が平衡状態にあるときの既知の複数の位置
   試験力の影響に基づいて計算された前記の各試験力の位
   置と、前記試験力の実際の位置の差を最小化するように
   補正を行うことを特徴とするデータ入力装置の較正方法
   。