JPH0467645B2 - - Google Patents

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
ピユータ・システム中でデータとして用いられる
ようにかかるデータをコンピユータ・システムへ
入力するためのデータ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つて加
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
スジユーサから発生される記号によつて指の位置
が決定される。これらのトランスジユーサは、各
トランスジユーサ毎に力（押圧）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
ユーサが、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、トランスジユーサが
表示装置自体の支持部材になつている構成もあ
る。 力感知型データ入力装置は、ユーザがコンピユ
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
ンサによつて、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、加えられた押圧の大きさに
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、受力板とがつ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、力位置
の計算を行なうことによつて、受力板に対する接
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「オフセツト信号」
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、加えられた押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、力位置の計算に使用
するため、雑音及び無負荷ないしオフセツト変換
後数をメモリに入力する。 Ｃ 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（押圧）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。 Ｄ 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
パターンの力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
ーン中の各力の位置を計算し、計算された位置と
そのパターン中の各力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各力に
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
大するに従つて、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ユーサ上で支持する
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、個々のトランスジユ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。作業域１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
置の表面または支持基準部材７に取付けられた押
圧トランスジユーサ３，４５及び６で支持されて
いる。受力板２はふつう透明であり、したがつて
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ユーサであること
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
スジユーサを使用してもよい。図には４個のセン
サが示してあるが、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。試験力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、（４×３−１）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、その際、各力セ
ンサ３…６からの固有のオフセツトないし無負荷
信号で以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。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押圧の影響を用いて、
“押圧”の位置を計算することにより、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個のトランスジユーサを、整数ｉ
（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
回りにトルク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。従つて、
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１ Mx＝ 〓ⁱ FR(i)XT(i) 式２ My＝ 〓ⁱ FR(i)YT(i) 式３ Ｆ＝ 〓ⁱ FR(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に従つて各センサ毎
に変換係数TF(i)を使つて、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(i) 変換係数TF(i)は、トランスジユーサないし押
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 Ｘ＝ 〓ⁱ Ｖ(i)TF(i)XT(i)／ 〓ⁱ TF(i)Vi 式６ Ｙ＝ 〓ⁱ Ｖ(i)TF(i)YT(i)／ 〓ⁱ TF(i)Vi 式５及び６でＸ及びＹを計算する際の精度は、
トランスジユーサの位置の値XT(i)、YT(i)及び
TF(i)の測定精度によつて決まる。 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。トランスジユ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
スジユーサに加え、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ユーサ及び増
幅器を較正する。その場合、各トランスジユー
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つと保存
しなければならない。 既知の場所に「押圧」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
ランスジユーサ電圧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
スジユーサが４個以上ある場合は、期待される押
圧をそのように計算するには、板２のたわみ特
性、トランスジユーサ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ヨン
では、十分な支持のために４個以上のトランスジ
ユーサが必要である。従つて、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つて行なえ
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、各試験押圧位置
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（押
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、押圧位置として不正確
なＸ，Ｙ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
変えることによつて達成される。不一致の尺度は
想定されており、従つて、コンピユータ・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・セツ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
小さなステツプを設けるが、「エラー表面」はふ
つう実際のパラメータ変化によつて決定されるの
で、非常に小さなステツプが必要であり、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がよいことが分つ
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、不一致の尺度のもつて一般
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
スジユ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
化などによつて、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
標系が必要になつた場合に、装置を分解する必要
なしに、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
る値がトランスジユーサ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。従つて、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
よつて、押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
ンスジユーサについて、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（押圧）、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。トランスジユーサの特性を第１表にま
とめる。 第１表： トランスジユーサの特性 変換係数 TF(1)、TF(2)、…TF(N) Ｘ座標 XT(1)、XT(2)、…XT(N) Ｙ座標 YT(1)、YT(2)、…YT(N) 第１図は、較正で用いるステツプを記載したフ
ローチヤートである。 最初のステツプでは、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「オフセツト・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「オフセツト・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のステツプ
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Ｋ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つて、押
圧の相対位置を正確に知らねばならない。押圧は
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。 第２表： 押圧位置 Ｘ座標：XP(1)、XP(2)……XP(K) Ｙ座標：YP(1)、YP(2)……YP(K) 位置Ｋの数は、計算可能な差の数が解くべき未
知数の数より多という数学的要件によつて決定さ
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。従つて、Ｎ個の力センサ
がある場合、3N−１個の未知数がある。各押圧
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。 従つて、押圧の最小数は、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） もつと多くの押圧を用いれば、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、ステツプ３で
は、各押圧センサ信号が測定される。ステツプ１
で測定した無負荷または「オフセツト・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
ジユーサ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。

【表】 引き続き第１図を参照すると、第４のステツプ
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
トランスジユーサの特性として公称値を使用する
と仮定すると、式５及び６を使つて、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、値は式８及び９に従つてそれらの値を計
算することができる。 式８ XC(j)＝ 〓ⁱ TF(i)Ｖ（ｊ，ｉ）XT(i)／ 〓ⁱ TF(i)Ｖ（ｊ，ｉ） 式９ YC(j)＝ 〓ⁱ TF(i)Ｖ（ｊ，ｉ）YT(i)／ 〓ⁱ TF(i)Ｖ（ｊ，ｉ） トランスジユーサの所与の特性が理想的なもの
であり、試験押圧の位置決め及び電圧の測定に誤
差がないとすると、式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、各押圧
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11 EY(j)＝YC(j)−YP(j) 試験押圧と同じ数の差のリストが得られる。
EX及びEMについて最小化を試みる間に、想定
されたトランスジユ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、各較正試験の押圧に対する計算されたｘ座標
と既知のＸ座標との差の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、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
ユータ・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 Metric
Minimization）」と呼ばれる手法のバリエーシヨ
ンであり、国立技術情報サービス（National
Technical Information Service）から入手でき
る「ミンパツク１用ALM−80−74ユーザ・ガイ
ド、80年８月（ANL−80−74User Guide for
Minpack−１、Aug.80）」と題するアルゴンヌ・
ナシヨナル・ラボラトリ・レポート（Argonne
National Laboratory Report）ANL−80−74
に記載れている。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、ソフトウエア、ドキユメンテーシヨン及
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。既知の押圧位置と、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、
ステツ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、
各反復ステツプで、かかる「空間」の幾何的特性
を考慮に入れることによつて「誤差」の尺度が最
小になる位置を推定し、従つて、特定の精度を得
るために必要な反復ステツ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つて補償される。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。 Ｆ 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
（押圧）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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による較正方法の実施例を示す
フローチヤート、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
略斜視図である。 １…作業域、２…受力板、３，４，５，６…ト
ランスジユーサ、７…支持基準部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 支持基準部材に結合された領域部材に印加さ
   れる局在力の位置を少なくとも３個の力センサに
   よつてデータ処理装置の入力データに変換するた
   めの装置において、 前記各力センサから無負荷時の出力信号を得る
   段階と、 少なくとも前記力センサの数の３倍から１を差
   し引いた数の半分以上の数（該数が整数にならな
   い場合は小数点以下を切り上げた整数）の試験力
   を前記領域部材上の対応する複数の既知の位置に
   逐次に印加する段階と、 前記領域部材が平衡状態にあるとき、前記各試
   験力の印加に応答して前記各力センサから得られ
   る出力信号から前記無負荷時の出力信号をそれぞ
   れ差し引くことにより前記各力センサの補正済み
   出力信号をそれぞれ得る段階と、 前記各力センサの想定座標値および想定感度並
   びに前記各力センサの補正済み出力信号に基づい
   て、前記各試験力が印加された前記既知の位置の
   推定座標値を前記各試験力ごとにそれぞれ算出す
   る段階と、 前記各力センサの前記想定座標値および前記想
   定感度をを可変パラメータとして、前記既知の各
   位置の推定座標値と当該各位置の実際の座標値と
   の差が全体として最小になるように数学的反復手
   法により計算を行うことにより、前記各力センサ
   の座標値および感度をそれぞれ確定する段階とを
   有する、 データ入力装置の較正方法。