(57)【要約】本明細書に開示されるシステムおよび方法は、例えば、実質的に同時に力を検出および生成することができるセンサーおよび／またはアクチュエータに関する。開示されたピエゾデバイスは、多次元で操作することができる。各実施の形態において、上記デバイスは、針などの装置の動きをモニターし、航空機などの装置に作用する力をモニターするシステム内に内蔵される。検出された力は、手書きを認識するなど様々な目的で、装置の動きを再構成して使用してもよい。このシステムは、例えば、装置を制御したり、表面の変形させたりするためのアクチュエータとして更に使用してもよい。
2004512491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、対応するスタック電極に電気的に結合された、少なくとも２つのピエゾスタックを有し、前記少なくとも２つのスタックに適用される力により、前記スタック電極の各々と、共通アースとの間の電位における変化を発生させ、その変化が、対応するスタックに作用する力の成分を表わすことを特徴とする力検出センサー。
【請求項２】
各スタックが、対応するスタック電極に電気的に結合された複数のピエゾ層を有することを特徴とする請求項１記載のセンサー。
【請求項３】
前記センサーが、３つのスタックを備え、それにより、３次元で力を分散させることができることを特徴とする請求項２記載のセンサー。
【請求項４】
各スタックが、共通アースに電気的に結合された複数のピエゾ層を更に備えることを特徴とする請求項２記載のセンサー。
【請求項５】
前記スタックが、導通ワイアによって取り囲まれることを特徴とする請求項１記載のセンサー。
【請求項６】
前記スタックが、少なくともひとつの慣性質量に結合されることを特徴とする請求項１記載のセンサー。
【請求項７】
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されたピエゾ層を有し、前記第１の複数のスタックされた層に適用される力により、前記スタックの各々と、共通アースとの間の電位における変化を発生させ、その変化が、対応する領域に作用する力の成分を表わすことを特徴とする力検出センサー。
【請求項８】
共通アースに電気的に結合され、第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合される第２の複数のスタックされたピエゾ層を更に備えることを特徴とする請求項７記載のセンサー。
【請求項９】
前記第２の複数のスタックされたピエゾ層の各層が、多数の領域に分かれていることを特徴とする請求項８記載のセンサー。
【請求項１０】
前記第１の複数の層および第２の複数の層が、連続して交互に設けられていることを特徴とする請求項８記載のセンサー。
【請求項１１】
前記第１の複数のスタックされたピエゾ層における領域数が３であり、それによって、センサーが、３次元で力を分散できるようにしたことを特徴とする請求項７記載のセンサー。
【請求項１２】
前記各層が、導通ワイアによって取り囲まれることを特徴とする請求項７記載のセンサー。
【請求項１３】
前記各層が、少なくともひとつの慣性質量に結合され、それによってセンサーが、３次元で加速度を検出できるようにしたことを特徴とする請求項７記載のセンサー。
【請求項１４】
ハウジングと、該ハウジング内に配置された２つのセンサーであって、各センサーが、複数のスタックされたピエゾ層を有し、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるセンサーと、前記２つのセンサーの間に配置され、各センサーに結合されるディバイダーとを備え、該ディバイダーに適用される力は、ひとつのセンサーを圧縮し、もうひとつのセンサーを膨張させることを特徴とする力検出システム。
【請求項１５】
力および加速度を検出するシステムであって、
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されたピエゾ層、および
第２の複数のスタックされたピエゾ層であって、前記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合され、各層が、共通アースに電気的に結合されたピエゾ層
を有するセンサーと、
該センサーに電気的に結合され、それによって発生した信号を送信するトランスミッタとを備え、
前記第１の複数のスタックされた層に適用される力により、前記スタックの電極各々と、共通アースとの間の電位における変化を発生させ、その変化が、対応する領域に作用する力の成分を表わすことを特徴とする力および加速度を検出するシステム。
【請求項１６】
前記トランスミッタから信号を受信するレシーバと、該レシーバに結合され、信号を処理するプロセッサとを更に備えることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記各信号が、３つの軸に沿ったセンサーの動きを表わすことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記センサーに結合された慣性質量を更に備え、該センサーが、３次元で加速度を検出できることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
【請求項１９】
前記各信号が、重力の場におけるセンサーの方向を表わすことを特徴とする請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
手書き情報を画像化するシステムであって、
針先と、
該針先に結合される第１センサーであって、該第１センサーが、
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層、および
第２の複数のスタックされたピエゾ層であって、前記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合され、各層が、第１の共通アースに電気的に結合されるピエゾ層を有する第１センサーと、
前記第１センサーに結合されるハウジングと、
前記第１センサーに電気的に結合され、それによって発生する信号を送信する第１トランスミッタとを備え、
該センサーによって発生した信号が、手書き情報を画像化するのに有用であることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
前記ハウジングに結合される第２センサーであって、
第３の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が多数の領域に分けられ、各領域が同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層、および
前記第３の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合された第４の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、第２の共通アースに電気的に結合されるピエゾ層を有する第２センサーと、
該第２センサーに電気的に結合され、それによって発生する信号を送信する第２トランスミッタと、
該第２センサーに結合される慣性質量とを更に備えることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１および第２トランスミッタからの信号を受信するレシーバと、該レシーバに電気的に結合され、信号を処理するプロセッサとを更に備えることを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記プロセッサが、前記第１および第２センサーによって発生した信号を格納された信号と比較することができることを特徴とする請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
前記プロセッサが、ハンドライティングを認識することができることを特徴とする請求項２２記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１および第２トランスミッタから信号を受信するレシーバと、該受信した信号を維持するため、該レシーバに電気的に結合される格納媒体とを更に備えることを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２６】
装置の動きをモニターするシステムであって、
各センサーが、
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が多数の領域に分けられ、各領域が同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層、および
前記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合される第２の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、共通アースに電気的に結合されるピエゾ層を有する
複数のセンサーと、
該センサーに結合され、それによって発生する信号を処理するプロセッサとを備え、
該センサーによって発生した信号が、前記装置に作用する力を表わすことを特徴とする装置の動きをモニターするシステム。
【請求項２７】
前記プロセッサが、センサーに電位を印加して、該センサーを変形できるようにしたことを特徴とする請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサが、ユーザによって制御されることができることを特徴とする請求項２６記載のシステム。
【請求項２９】
前記装置が航空機であることを特徴とする請求項２６記載のシステム。
【請求項３０】
前記装置が、宇宙船であることを特徴とする請求項２６記載のシステム。
【請求項３１】
力を検出するセンサーを製造する方法であって、
少なくとも２つのスタックを設け、各スタックが、複数のピエゾ層を有する工程と、
各スタックにおける第１の数の前記ピエゾ層を対応するスタック電極に電気的に結合させる工程と、
第２の数の前記ピエゾ層を共通アースに電気的に結合させる工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
前記スタックを設ける行為が、３つのスタックを設ける工程を含み、その各々が複数のピエゾ層を有することを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記スタック周辺に導通ワイアを巻線する工程を更に含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
少なくともひとつの慣性質量に前記各スタックを結合させる工程を更に含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の数の層が、前記第２の数の層と連続して交互に設けられることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
前記スタック電極および共通アースを検出器に結合させ、該スタック電極と、該共通アースとの間の電位を測定する工程を更に含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３７】
力を検出するセンサーを製造する方法であって、
第１の複数のスタックされたピエゾ層を設け、各層が多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合される工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合される第２の複数のスタックされたピエゾ層を設け、各層が、共通アースに電気的に結合される工程を更に含むことを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記第２の複数のスタックされたピエゾ層の各層が、多数の領域に分けられることを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記第１および第２の複数の層が、連続して交互に設けられることを特徴とする請求項３８記載のセンサー。
【請求項４１】
前記第１の複数のスタックされたピエゾ層における領域の数が３であることを特徴とする請求項３７記載のセンサー。
【請求項４２】
前記各層周辺に導通ワイアを巻線する工程を更に含むことを特徴とする請求項３７記載のセンサー。
【請求項４３】
少なくともひとつの慣性質量に前記各層を結合させる工程を更に含むことを特徴とする請求項３７記載のセンサー。
【請求４４】前記スタック電極および共通アースを検出器に結合させ、該スタック電極と、該共通アースとの間の電位を測定する工程を更に含むことを特徴とする請求項３７記載のセンサー。
【請求項４５】
力および加速度を検出する方法であって、
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が少なくとも３つの領域に分割され、各領域が同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層と、
前記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合される第２の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、共通アースに電気的に結合されるピエゾ層とを有するセンサーを設ける工程と、
該センサーにトランスミッタを電気的に結合させ、それによって発生する信号を送信する工程とを含み、
スタック電極と、共通アースとの間の電位における変化が、力を表わし、それによって力を３つの軸に沿って検出することができることを特徴とする方法。
【請求項４６】
上記センサーを表面に配置する工程を更に含むことを特徴とする請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記トランスミッタから信号を受信するレシーバを設ける工程と、該レシーバにプロセッサを結合させ、信号を処理する工程を更に含むことを特徴とする請求項４５記載の方法。
【請求項４８】
前記センサーに慣性質量を結合させる工程を更に含むことを特徴とする請求項４５記載の方法。
【請求項４９】
力を検出するシステムを製造する方法であって、
ハウジングを設ける工程と、
該ハウジング内に２つのセンサーを配置し、各センサーが、複数のスタックされたピエゾ層を有し、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合される工程と、
前記２つのセンサー間に移動可能なディバイダーを配置する工程と、
該ディバイダーを各センサーに結合させる工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項５０】
手書き情報を画像化する方法であって、
ハウジングを設ける工程と、
該ハウジング内に第１センサーを配置し、該第１センサーが、
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層、および
前記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合される第２の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、第１の共通アースに電気的に結合されるピエゾ層を有する工程と、
前記第１センサーに針先を結合させる工程と、
該第１センサーに第１トランスミッタを電気的に結合させ、それによって発生する信号を送信する工程とを含み、
該センサーによって発生した信号が、手書き情報の画像化に有用であることを特徴とする方法。
【請求項５１】
前記ハウジングに第２センサーを結合させ、該第２センサーが、
第３の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層、および
前記第３の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合される第４の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、第２の共通アースに電気的に結合されるピエゾ層を有する工程と、
前記第２センサーに第２トランスミッタを結合させ、それによって発生する信号を送信する工程と、
該第２センサーに慣性質量を結合させる工程とを更に含むことを特徴とする請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
前記第１および第２トランスミッタから信号を受信するレシーバを設ける工程と、該レシーバにプロセッサを電気的に結合させ、信号を処理する工程とを更に含むことを特徴とする請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
前記針先の動きを表わす力を検出する工程と、該針先の動きを表わす第１および第２センサーにより信号を生成する工程とを更に含むことを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
前記第１および第２トランスミッタから信号を受信するレシーバを設ける工程と、該受信された信号を維持するため該レシーバに電気的に結合された格納媒体を設ける工程とを更に含むことを特徴とする請求項５１記載の方法。
【請求項５５】
前記第１および第２センサーによって発生した信号を格納された信号と比較する工程を更に含むこと特徴とする請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
前記信号を個人の筆跡を表わすものとして識別する工程を更に含むことを特徴とする請求項５４記載の方法。
【請求項５７】
装置の動きをモニターする方法であって、
複数のセンサーを設け、各センサーが、
第１の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるピエゾ層、および
前記第１の複数のスタックされた層と内部で混合される第２の複数のスタックされたピエゾ層であって、各層が、共通アースに電気的に結合されるピエゾ層を有する工程と、
前記センサーにプロセッサを結合させ、それによって発生した信号を処理する工程と、
該センサーを前記装置に結合させる工程とを含み、
前記各センサーによって発生した信号が、装置に作用する力を表わすことを特徴とする方法。
【請求項５８】
前記プロセッサが、センサーに電位を印加し、該センサーを変形できるようにしたことを特徴とする請求項５７記載の方法。
【請求項５９】
前記プロセッサが、ユーザによって制御されることができるようにしたことを特徴とする請求項５７記載の方法。
【請求項６０】
前記装置が、航空機であることを特徴とする請求項５７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、力、加速度、角度、それらの変化を測定したり、発生させたりするのに必要なセンサーおよびアクチュエータと、このセンサーおよびアクチュエータを駆動させるのに必要なハードウェアおよびソフトウェアと、同センサーおよびアクチュエータを製造するためのプロセスに関する。
【０００２】
（発明の背景）
システムの動作に関する情報をモニターおよびビジュアル化するデバイスは、参照フレームの３つの軸に関するシステムの動きを発生させる力を検出する。これらの力は、本システムの動きを再生したり、仮想３次元ディスプレイスペースにおけるプロジェクションや、２次元平面に関するプロジェクションまたは交差や、単一軸に沿った振動として、その動きの画像を作成するのに使用することができる。この再構成は、本システムが表面上の３次元空間または単一ラインに沿って移動するかどうかなど如何なる環境においても可能である。
【０００３】
画像が如何に正確にビジュアル化または再構成できるかは、検出された力が、如何に完全に、その環境においてシステムの動きを再現するかに係っている。例えば、ペンポイントに対して、２つ以上の軸に沿って適用された力は、そのペンポイントがライティング表面に沿って移動したことを表わす。すなわち、この力は、ペンが、固定点の上で一定の角度で押し付けられていることを表わす。正確な画像が得られるように、これらの状況を区別するには更なる情報が必要である。同様に、ゴルフクラブのヘットの動きは、クラブヘッドおよび空気抵抗の慣性力によって発生したクラブのシャフトに関するねじれや歪みも含めて、ヘッドに拘る力全てが周知であれば、正確にビジュアル化できる。従って、システムに関する動画情報を画像化する機能は、本システムの構成部材の動きおよび方向の変化に関する入手可能な情報によって制限される。
【０００４】
実際、動作中のシステムの情報を画像化するデバイスは、時間内の種々の瞬間において、位置および方向を測定する外部基準点を使用する。例えば、衛星の位置を測定する装置は、地球の水平線、および遠くの星に拘る方向を測定する。もう一つの例としては、ペンコンピュータは、タブレットを使用して、ライティング表面上のペンポイントの位置および方向の変化を測定する。しかし、適切なセンサーシステムは、その位置または方向を変える対象物に作用する力を測定するためデバイスに内蔵することができる。
【０００５】
多くの物理現象同様、力は、測定中の現象を邪魔することなく測定することはできない。殆どのフォース・トランスデューサは、弾性の感知部材を有し、その変形が、作用力の測定値となる。歪み計、導入システム、容量システムなどの多くの力測定システムにおいて、この変形自体を測定しなければならない。感知部材は、十分大きな変形、しいては有効感度を付与するだけのコンプライアンスとしなければならない。しかし、それらは、測定システムの周波数応答を制限し、必然的に測定誤差に導くの幾何学的な変化を力測定パス内に導入するので、大きな変形は望ましくない。
【０００６】
力を電気に変換できるピエゾ材料は、力を検出するのに有用である。ピエゾ・フォース・トランスデューサにおいて、感知部材は、作用力から電気出力信号を生成する変換部材と同じである。従って、一般的に、他の測定システムよりもずっと小さい変形を測定する必要はない。その結果、ピエゾ・フォース・トランスデューサの剛性により、測定によって発生するねじれが大きく低減し、固有の高い自然周波数と、それに関連する立ち上がり時間をがもたらされる。これにより、正確に識別することが困難とされる非常に速い事象の測定も可能になる。
【０００７】
ピエゾ加速度計は、ピエゾ・フォース・トランスデューサに慣性質量を付加する必要がある。この質量が加速されると、ピエゾ材料に力が加わる。この一定の慣性質量のため、測定部材に作用する力は、ニュートンの第１法則に従って、加速度に比例する。このため、ピエゾ材料によって発生する電荷は、加速度に比例する。
【０００８】
ピエゾ構成部材は、電力を力に変換することもできるので、アクチュエータとして使用することもできる。最も簡単な形態において、ピエゾ・アクチュエータは、非移動式の支持部材に当接し、非移動式の部材に対抗して押圧する。ピエゾ部材に電圧が印加されると、この部材は膨張して移動可能な部材を移動させる。個々のピエゾ部材が、約２０ｍｍの全体高さで積み重ねて構成されているときでも、長さの変化は幾分小さくなる傾向がある。
【０００９】
しかし、既存のピエゾデバイスは、３つの軸で力または加速度を測定することはできない。必要なのは、感度的に制御されたやり方で、複数の軸に沿って力を測定したり、伝達したりできるデバイスである。また、複数の軸で加速度を感度よく測定できるデバイスも必要である。感度的に制御されたフィードバック機構のためのセンサーおよびアクチュエータの能力を組み合わせたデバイスも必要である。
【００１０】
（発明の概要）
ここに記載されるシステムおよび方法は、センサー／アクチュエータ・デバイスに関する。一つの実施の形態において、力を検出するセンサーは、対応するスタック電極に電気的に結合された少なくとも２つのピエゾスタックを備え、このセンサーに適用された力により、スタック電極の各々と、共通アースとの間の電位に変化を発生させる。この変化は、対応スタックに作用する力の成分を表わす。各スタックは、対応スタック電極に電気的に決具された複数のピエゾ層を有してもよい。３つのスタックを有するセンサーは、３次元の力を分散できるようにしてもよい。各スタックは、更に共通アースに電気的に結合された複数のピエゾ層を有してもよい。一つの実施の形態において、このスタックは、導通ワイアによって囲まれる。もうひとつの実施の形態において、このスタックは、少なくともひとつの慣性質量に結合される。
【００１１】
もうひとつの実施の形態において、力を検出するセンサーは、第１の複数のスタックされたピエゾ層を有し、その各々の層は、多数の領域に分けられ、その各々の領域は、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁されて、スタック電極によって、ほかの層の同様の領域に電気的に結合されるので、上記センサーに適用された力により、スタック電極の各々と、共通アースとの間の電位に変化が発生する。この変化は、対応領域に作用する力の成分を表わす。このようなセンサーは、共通アースに電気的に結合され、上記第一の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合されるスタックされた第２の複数のピエゾ層を有してもよい。この第２の複数のスタックされたピエゾ層の各層は、同様に多数の領域に分けられる。上記第１および第２の複数の層は、連続して交互に設けてもよい。上記第１の複数のスタックされたピエゾ層における領域の数が３つのとき、センサーは、３次元で力を分散することができる。上述した通り、各層は、導通ワイアによって取り囲んでもよい。一つの実施の形態において、各層は、少なくともひとつの慣性質量に結合される。一つの実施の形態において、共通アースと、スタック電極との間の電位の適用は、これらに電気的に結合された領域の変形の原因となる。
【００１２】
本明細書に開示されたシステムおよび方法は、ハウジングと、このハウジング内に配置された２つのセンサーであって、各センサーが、複数のスタックされたピエゾ層を有し、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されるセンサーと、この２つのセンサーの間に配置され、各センサーに結合されるディバイダーとを備え、このディバイダーに適用される力が、一つのセンサーを圧迫し、別のセンサーを拡張することを特徴とする力検出システムも提供する。これらセンサーは、上記各スタックが、２つのセンサーの間で平行となるように位置合わせしてもよい。また、これらセンサーは、上記２つのセンサーの間に上記領域が位置合わせされるように位置合わせしてもよい。
【００１３】
もうひとつの態様において、ここに記載したシステムおよび方法は、力および加速度を検出するシステムであって、上記のごときセンサーと、このセンサーに電気的に結合されて、センサーが発生した信号を送信するトランスミッタとを備え、センサーに適用された力により、スタック電極の各々と、共通アースとの間の電位に変化が発生する。この変化は、対応する領域に作用する力の成分を表わす。このシステムは、トランスミッタからの信号を受信するレシーバおよび、レシートに結合したシグナルを処理するプロセッサを有してもよい。上記各信号は、３つの軸に沿ったセンサーの動作を表わしてもよい。一つの実施の形態において、慣性質量が、センサーに結合される。このようなセンサーが発生する信号は、重力の場におけるセンサーの方向を表わしてもよい。また、このシステムは、温度センサーを有してもよい。
【００１４】
もうひとつの態様において、本明細書に開示されるシステムおよび方法は、書き込み情報を画像化するシステムであって、針先と、この針先に結合された前記第１センサーと、この第１センサーに結合されたハウジングと、第１センサーに電気的に結合されてセンサーが発生する信号を送信する第１トランスミッタとを有するシステムに関する。このシステムは、前記したような慣性質量に結合された第２センサーを有してもよい。一つの実施の形態において、この第２センサーは、第２トランスミッタに結合されて、第２センサーが発生した信号を送信する。一方、両方のセンサー共、同じトランスミッタに結合してもよい。一つの実施の形態において、このシステムは、上記第１および第２トランスミッタからの信号を受信するレシーバと、このレシーバに電気的に結合されて信号を処理するプロセッサを有する。このプロセッサは、第１および第２センサーが発生した信号を、格納された信号と比較することができるようにしてもよい。一つの実施の形態において、このプロセッサは、手書きを認識することができる。もうひとつの実施の形態において、このシステムは、第１および第２トランスミッタからの信号を受信するレシーバと、受信された信号を保持するレシーバに電気的に結合された格納媒体とを有してもよい。
【００１５】
もうひとつの態様において、本システムおよび方法は、前記したような複数のセンサーと、これらセンサーに結合され信号を処理するプロセッサーとを備え、センサーが発生した信号が、本装置に作用する力を表わすことを特徴とする。一つの実施の形態において、本プロセッサは、センサーに電位を適用して、このセンサーを変形させることができる。本プロセッサは、ユーザによって制御されることができるようにしてもよい。また、本装置は、航空機または宇宙船であってもよい。
【００１６】
もうひとつの態様において、本明細書に開示されるシステムおよび方法は、少なくとも２つのスタックを設けることにより、力を検出するセンサーを製造する方法であって、各スタックが、複数のピエゾ層を有し、各スタック内の第１の数の前記ピエゾ層を対応するスタック電極に電気的に結合させ、第２の数の前記ピエゾ層を共通アースに電気的に結合させることを特徴とする方法に関する。前述した通り、本センサーは、各々が複数のピエゾ層を有する３つのスタックを有してもよい。また、この方法は、上記各スタック周辺に導通ワイアを巻線させる手順を有してもよい。一つの実施の形態において、この方法は、少なくともひとつの慣性質量に上記各スタックを結合させる手順を有してもよい。上記第１の数の層は、上記第２の数の層と連続して交互に設けてもよい。この方法は、スタック電極と、共通アースとを検出器に結合させて、スタック電極と、共通アースとの間の電位を測定する手順を更に有してもよい。
【００１７】
もうひとつの実施の形態において、本システムおよび方法は、ハウジングを設けることによって力を検出するシステムを製造する方法であって、このハウジング内に２つのセンサーを配置し、各センサーが、複数のスタックされたピエゾ層を有し、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁されて、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合され、この２つのセンサー間に移動可能なディバイダーを配置し、このディバイダーを各センサーに結合させることを特徴とする方法に関する。これらセンサーは、ピエゾ層のスタックが、両方のセンサー内に位置合わせされるように位置合わせしてもよい。また、この２つのセンサー間に前記領域が位置合わせされるように位置合わせしてもよい。
【００１８】
もうひとつの実施の形態において、本システムおよび方法は、第１の複数のスタックされたピエゾ層を設けることによって力を検出するセンサーを製造する方法であって、各層が、多数の領域に分けられ、各領域が、同じ層のほかの領域から電気的に絶縁され、スタック電極によってほかの層の同様の領域に電気的に結合されることを特徴とする方法について開示している。本方法は、上記第１の複数のスタックされたピエゾ層と内部で混合した第２の複数のスタックされたピエゾ層を設け、各層が、共通アースに電気的に結合されるようにする手順を有してもよい。上記第２の複数のスタックされたピエゾ層の層は、同様に、多数の領域に分けてもよい。上記第１および第２の複数の層は、連続して交互に設けてもよい。一つの実施の形態において、第１の複数のスタックされたピエゾ層における領域数は、３である。本方法は、上記各層周辺に導通ワイアを巻線する手順を有してもよい。一つの実施の形態において、本方法は上記各層を少くとも一つの慣性質量に結合させる手順を有する。また、スタック電極と共通アースを検出器に結合させて、スタック電極と、共通アースとの間の電位を測定する手順を有してもよい。
【００１９】
もうひとつの態様において、ここに開示されるシステムおよび方法は、上述したセンサーを設け、このセンサにトランスミッタを結合させて、その信号を送信するようにすることによって力および加速度を検出する方法であって、上記センサーに適用される力により、スタック電極の各々と、共通アースとの間の電位に変化を発生させ、この変化が、対応する領域に作用する力の成分を表わすようにした方法に関する。本方法は、表面にセンサーを配置する手順を有してもよい。一つの実施の形態において、本方法は、上記トランスミッタから信号を受信するレシーバを設け、このレシーバにプロセッサを結合させて信号を処理する手順を有してもよい。本方法は慣性質量を上記センサーに結合する手順を有してもよい。このような実施の形態において、上記各信号は、重力の場にけるセンサーの方向を表わしてもよい。
【００２０】
更にもうひとつの態様において、本発明は、ハウジングを設けることにより手書き情報を画像化する方法であって、前述したような第１センサーをこのハウジング内に配置し、第１センサーに針先を結合させ、この第１センサーに第１トランスミッタを結合させ、第１センサーが発生した信号を送信し、それによって、センサーが発生した信号が、手書き情報を画像化するのに役立つようにしたことを特徴とする方法を提供する。本方法は、ハウジングに上述したような第２センサーを結合する手順を更に有してもよい。この第２センサーは、第１トランスミッタまたは第２トランスミッタに電気的に結合させてもよい。第２センサーには、慣性質量を結合させてもよい。一つの実施の形態において、本方法は、これら第１および第２トランスミッタから信号を受信するレシーバを設け、このレシーバにプロセッサを電気的に結合させ、信号を処理する手順を有する。この方法は、針先の動きを表わす力を検出し、針先のストロークなどの動きを表わす第１および第２センサーにより信号を生成する手順を有してもよい。もうひとつの実施の形態において、本方法は、第１および第２トランスミッタから信号を受信するレシーバを設けるとともに、このレシーバに電気的に結合される格納媒体を設けて受信された信号を維持する手順を有する。本方法は第１及び第２センサーにより生成された信号を格納された信号と比較する手順を有してもよい。一つの実施の形態において、本方法は、個人の手書きを表わすものとして信号を識別する手順を有する。
【００２１】
もうひとつの態様において、本発明は、上述したような複数のセンサーを設け、このセンサーにプロセッサを結合させ、それにより発生した信号を処理し、装置にセンサーを結合することにより装置の動作モニターを行う方法であって、上記各センサーが発生した信号が、装置に作用する力を表わすようにした方法を提供する。このプロセッサは、トランシーバによって上記各センサーに結合させてもよい。一つの実施の形態において、本プロセッサは、センサーに電位を印加して、このセンサーを変形させることができる。このプロセッサは、ユーザによって制御されることができるようにしてもよい。また、本装置は、例えば、航空機または宇宙船であってもよい。
【００２２】
（実施の形態の説明）
以下の説明は、本発明において考えうる幾つかの実施の形態に関する。本明細書に開示されるシステムおよび方法の多くの変更は、当業者によって想定でき、且つこのような変更および改良は、本発明の範囲に該当するように意図されるものと理解される。従って、本発明は、以下の各実施の形態の開示によって如何なる方法においても限定されない。
【００２３】
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、多次元で動作できるセンサー／アクチュエータ・デバイスに関する。特に、ここに記載されるデバイスは、複数の軸において力を検出または生成することができるピエゾデバイスであってもよい。これら装置は、単体で使用しても、装置をモニターまたは制御するためのシステム内に内蔵してもよい。
【００２４】
図１Ａに示すデバイス１０は、ピエゾ層３０の３つのスタック２０を備える。各スタックは、そのスタックの層３０と電気的に結合される別のスタック電極５０を有する。このデバイスに適用される力ベクトルは、スタック２０に別々に伝達してもよい。例えば、その力の源により近接するスタックにより、大部分の力を受け入れ、そのベクトルが、共通アース４０と、スタック電極５０との間の電位の違いを測定することにより３次元で再構成できるようにしてもよい。共通アース４０は、スタック２０の各層３０に電気的に結合してもよい。ある実施の形態において、共通アース４０は、スタック５０に電気的に結合されていない各層３０に電気的に結合させてもよい。例えば、共通アース４０と、スタック電極５０とは、交互の各層３０に結合してもよい。
【００２５】
デバイス１０は、所望の形状であれば、円形、四角形、正方形、三角形、ＸまたはＹ形状など何れの形状でもよい。スタック２０は、如何なる形状関係で構成してもよく、正方形、四角形、三角形、円形などの如何なる形状、規則的または不規則な形状であってもよい。スタック２０は、互いに接触していても、離れていてもよい。一つの実施の形態において、これらスタックは、互いに電気的に絶縁されている。３次元で力を検出するデバイス１０は、少なくとも３つのスタック２０を有してもよく、２次元で力を検出するデバイス１０は、少なくとも２つのスタック２０を有してもよい。
【００２６】
スタック２０内には如何なる数のピエゾ層３０、例えば、１つまたは複数の層が存在してもよい。スタック２０は、それと同等の数の層３０を有してもよく、スタック２０はそれと同等でない数の層３０を有してもよい。各層はお互いに接していてもよく、導通材料などの材料および／または電気的に絶縁する材料の層によって分割してもよい。上記各層は、力が適用されるときに電気信号を発生するものであれば、如何なる材料で構成してもよい。一つの実施の形態において、上記各スタックは、互いに平行にしてもよい。
【００２７】
各スタック２０におけるピエゾ層３０は、例えば、スタック電極５０に直列に電気結合してもよく、如何なる導通材料で構成されてもよい。このデバイスは、共通アース４０を有してもよく、スタック電極５０の電位を測定する基準の役割を果たしてもよい。共通アース４０は、如何なる導通材料で構成されてもよく、例えば、スタック電極５０の材料と同一でも、類似しても、または異なっていてもよい。
【００２８】
一つの実施の形態において、図１Ｂに示す通り、デバイス１０は、交互の層で構成されてもよい。一種類の層を、スタック２０を形成する３つの部分に分けてもよいし、スタック電極５０に電気的に結合させてもよい。交互の層３５は、分割してもしなくてもよく、共通アース４０に電気的に結合させてもよい。デバイス１０の各層は、デバイス１０の動作に物質的に影響しないようなやり方で配列してもよい。
【００２９】
図１に示すデバイス１０は、外部からの電力で動作する必要はないが、デバイス１０の感度および有効性は、外部電源を供給することにより即座に増加させることができる。図２に、導通材料２００のコイルで巻線されたデバイス１０を示す。コイル２００を経由した交流電流などの電流により、デバイス１０のピエゾ層を振動させるようにしてもよい。コイル内２００の交流電流フィードバックが、デバイス１０の機械的な構成の固有振動数に近い振動数に達したとき、デバイス１０は共振する。フィードバック振動数が固有振動数の１．５倍に達したとき、スタック電極５０と、共通アース４０との出力電位は、最大になる。この本発明の共鳴に関する実施の形態によれば、以前に記載された非共鳴に関する実施の形態に比べて、２０倍から１００倍の出力振幅の効率に達することができる。
【００３０】
デバイスは、当業者に周知の技術によって即座に組み立てられる。一つの実施の形態において、複数のピエゾ層を有する少なくとも２つのスタックを設けてもよい。各スタックの各層は、スタック電極に電気的に結合させてもよい。これらスタックは、表面で互いに平行になるように設置し、その表面に作用する力により、スタック内の電位を発生させ、この電位が、その力の源に近接するスタック程大きくなるようにしてもよい。一つの実施の形態において、３つのスタックを設けてもよい。各スタックは、他のスタックから電気的に絶縁させてもよい。一つの実施の形態において、各スタック内の各層の幾つかをスタック電極に電気的に結合させ、ほかの層を、共通アースに電気的に結合させてもよい。例えば、共通アースに結合させた各層は、スタック電極に結合される各層と交互に設けてもよい。
【００３１】
もうひとつの実施の形態において、デバイスは、ピエゾ層のスタックを設けることによって組み立ててもよい。これら各層は、ほかの領域から電気的に絶縁される領域に分けてもよい。ある実施の形態において、各層は、スタックの長さに沿って互いに位置合わせした同じ数の領域内に分けてもよい。また、ある実施の形態においては、各層は、３つまたはそれ以上の領域に分けてもよい。各領域は、その後、スタック電極に電気的に結合させてもよい。幾つかの実施の形態において、スタック内に含まれる幾つかの層は、スタック電極の代わりに、共通アースに電気的に結合させてもよい。例えば、スタック電極に結合される各層は、共通アースに結合される各層と交互に設けてよい。共通アースに結合される各層は、例えば、スタック電極に結合される各層と同様に分割してもよいが、分割しなくてもよい。
【００３２】
上記のようなデバイスは、トランシーバや、トランシーバに結合された制御ユニットに更に結合して、このデバイスが発生するデータを処理用のプロセッサに送信したり、このプロセッサからコマンドを受信してもよい。
【００３３】
各デバイス層内で有用なピエゾ材料としては、例えば、ジルコニア酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）、チタン酸鉛、ジルコニア酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、マグネシウムタングステン酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンすず酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、および前記材料の複合体を含んでもよい。
【００３４】
また、ピエゾ材料としては、例えば、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、クロミウム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、タングステン、ニッケル、マンガン、リチウム、ストロンチウム、マグネシウム、カルシウム、およびビスマスの酸化物または他の化合物のような添加物を含んでもよい。例えば、ＰＬＺＴ材料は、上記ＰＺＴ系に酸化ランタンを加えることによって得てもよい。構成材料の例としては、チタン酸鉛とＰＭＮ、ＰＢＺＴ材料（ＰＺＴ材料にバリウムを加えることにより得られる）、およびＰＺＴ系に基づいて３つの成分からなる材料（例えば、マグネシウムニオブ酸鉛、ジルコニア酸鉛、およびチタン酸鉛を含む材料；　ニッケルニオブ酸鉛、チタン酸鉛、ジルコニア酸鉛；ニッケルニオブ酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、およびチタン酸鉛；ニッケルタンタル酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ジルコニア酸鉛、およびチタン酸鉛；タンタル酸マグネシウム鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ジルコニア酸鉛、チタン酸鉛が挙げられる。更にまた、Ｃｕｉに付与された米国特許第５，７０２，６２９号に開示されるように、ピエゾ材料は、有機ポリマーと混ぜ合わせてもよい。
【００３５】
ピエゾ材料の作成には、多くの方法が知られている。このような方法としては、Ｂａｉｌｅｙ等（米国特許第５，５２７，４８０号）によって教示されるような従来型の酸化物混合、酸化物焼結技術や、Ａｒｅｎｄｔ等（米国特許第４，１５２，２８１号）によって開示されるような溶解塩合成や、Ｗｏｏｄｈｅｎｄ等（米国特許第３，７２５，２９８号）によって開示されるようなゾルゲル方法などが挙げられる。本明細書に開示されるデバイスに有用なピエゾ材料
は、当業者に周知の上記またはほかの方法によって作成してもよい。
【００３６】
ピエゾ材料は、操作時に熱を発生する場合があり、温度の変動により、信号の大きさと、力の大きさとの間の関係に影響を与える場合がある。ある実施の形態において、温度センサーを内蔵し、この温度変化につれて、デバイスが発生する信号の校正できるようにしてもよい。また、熱膨張により、力誘引による膨張によって発生した信号を同様の信号を生成してもよい。この種のエラーは、例えば、温度誘引によるエラーが解消されるようなやり方で配置された２つのデバイスを使用して機械的に校正してもよい。例えば、図１Ｅの断面図に示される通り、１対のチューブ状デバイス１１０および１１１をハウジング１１４内に設置してもよい。両方のデバイス共、これらデバイスを分離させる移動可能なパネル１１６に結合させてもよい。パネル１１６は、ハウジング１１４の壁部に沿って摺動させ、例えば、軟質隔膜として動作させたり、或いは、ハウジングの壁部に結合させて、例えば、プランジャーとして動作させてもよい。デバイス１１０を貫通するロッド１１８に力が作用するとき、パネル１１６は、デバイス１１１を圧縮して信号を発生させたり、デバイス１１０を膨張させて反対の大きさの信号を生成してもよい。しかし、両方のデバイス１１０および１１１の温度誘引によるエラーは、同じ大きさであってもよい。これら２つのデバイス１１０および１１１からの信号を合成することにより、温度誘引によるエラーは、効果的に解消され、ロッド１１８に作用する力の測定がより正確に行える。
【００３７】
各デバイスは、デバイスからの電位を検出することにより力を検出したり、デバイスに電位を付与することにより力を発生させるために使用してもよい。
【００３８】
表面に設置されたデバイス１０は、３次元でその表面に作用する力を検出できる。共通アース４０と、各スタック電極３０との間の電位を比較すると、その表面の力の位置を決めることが出来る。これは、力の源に近接するスタックの電位は、その力からうより遠いスタックの電位より大きくなるためである。この力の大きさは、力によって発生する電位の大きさから決定してもよい。これらの測定は、「マイクロエレクトロニック回路」、Ｓｅｄｒａ ａｎｄ Ｓｍｉｔｈ、第３版、１９９１に記載されるような標準的な回路の使用、或いは、当業者に周知のほかの手段により行ってもよい。
【００３９】
デバイス１０は、３軸フォース・センサーとして用いることができる。図３に、ロッド３００に装着されたデバイス１０を示す。この実施の形態において、このデバイス１０は、チューブ状の形状であり、ロッド３００の経由路となる。このデバイスを固定位置に維持するとき、ロッド３００に適用される力により、デバイス１０を変形させて、上述したようなスタック電極５０と、共通アース４０との間の電位に変化を発生させる。このスタック電極５０の電位における変化は、ロッド３００に適用される力に比例してもよく、基準フレームに関して３次元の力を再構成するように使用してもよい。図３に示すデバイス１０を通過するロッドは、円形の断面形状を有するが、四角形、三角形、正方形など如何なる形状の断面を有する対象物も、関連する実施の形態で用いてもよい。
【００４０】
デバイス１０は、図４に示すような慣性素材４００に、このデバイス１０を接続することにより加速度を測定するために使用することができる。図５に、慣性素材４００が装着されるデバイス１０のもうひとつの実施の形態を示す。慣性素材４００は、如何なる形状でも、如何なる材料からなっていてもよく、また、慣性素材４００が、デバイス１０の各スタック２０に力を及ぼすことができるような手段であれば、如何なる手段で直接的または間接的にデバイス１０に接続してもよい。一つの実施の形態において、慣性素材４００は、デバイス１０に接続してもよく、その場合、デバイス１０を支持するほかの構造物によって支持したり、この構造物に接続したりしなくてもよい。慣性素材４００の動作によって及ぼされる力によって発生するデバイス１０の変形は、上述した通り、スタック電極５０と、共通アース４０との間の電位における変化を発生させてもよい。このスタック電極５０の電位における変化は、スタック２０に適用される力に比例してもよく、基準フレームに関する３次元の力を再構成するために使用してもよい。
【００４１】
また、慣性素材４００に結合されるデバイス１０は、重力の場に関して、デバイス１０の位置合わせを測定するために有用である。この重力の場は、上述したような加速度と考えることができるが、慣性素材４００を引き付ける場合があるが、その代わり、デバイス１０に力を及ばせ、上述した通り、スタック電極５０と、共通アース４０との間の電位に変化を発生させてもよい。スタック電極５０の電位における変化は、スタック２０に適用される力に比例させてもよく、重力の場に関してデバイス１０の位置合わせを決めるのに使用してもよい。
【００４２】
このため、慣性素材４００に装着されるデバイス１０によって発生する信号からは、３つの角度が再構成できる。２つの角度、ピッチおよびロール角度は、上述したようなデバイスの慣性素材４００への重力の場の影響から絶対的なやり方で測定してもよい。３番目の角度、偏揺れ角度は、その角度の以前の値に関する増減変化として測定してもよい。例えば、宇宙などの強い重力の場が存在しない場合、角度は、上述した通り、加速度を測定することにより、相対的なやり方で決定してもよい。
【００４３】
図６に示す通り、コンフォーマブル・サーフィス６００に装着されたデバイス１０は、このサーフィス６００に力を及ぼすアクチュエータとして使用することができる。ピエゾ材料は、体積変化によって電位に応答するため、デバイス１０に印加される電圧により、結果的にデバイス１０の変形につながる場合がある。例えば、上述したようなスタック電極５０と、共通アース４０との間の電位における変化により、デバイス１０の変形が発生する場合があり、この変形は、サーフィスにも移動する場合がある。これにより、サーフィスの位置に変化が生じる。デバイス１０は、上述した通り、３つの軸で動作できるため、そのサーフィスの位置も、この３つの軸において変化する場合がある。スタック５０と、共通アース４０ との間の電位における変化によってデバイス１０に発生する変形に比例する。コンフォーマブル・サーフィス６００の形状における所望の変更の計算および実行は、有線または無線接続の何れかを使用した装置と直接的または間接的に通信するプロセッサによって行ってもよい。
【００４４】
本明細書に開示したシステムおよび方法によれば、実質的に同時にセンサーおよびアクチュエータとして使用できるデバイスが提供される。この二重の機能性は、例えば、モード間、例えば、検出動作と、デバイスへの電位の印加との間の高速変化或いは、感知専用のスタックと、作動専用のスタックとを有することによって実現してもよい。例えば、図１Ｄに示すデバイスは、３つのスタックを感知専用に、３つのスタックを作動専用にすることによって、例えば、交互の関係で、同時センサー／アクチュエータとして使用してもよい。このようなデバイスを使用する場合、３次元で力を同時に及ぼしたり、検出したりしてもよい。更にまた、この３つの作動用スタックは、作動モードで任意に動作する部材で構成されていてもよく、一方、３つの感知用スタックは、感知モードで任意に動作する異なった部材で構成してもよく、これにより両方のモードで適切に動作しなければならない単一の部材で構成されるデバイスに関する動作を向上させることができる。センサーおよびアクチュエータの機能を統合させる別の手段は、当業者に対して明白であり、本開示の範囲によって包含される。
【００４５】
本発明についてのこの記載は、例示目的のみとする。２軸または３軸のアクチュエータの用途などの変更は、本発明の本質および範囲から逸脱しない限り、当業者によって行われてもよい。また、これまで記載した本発明の実施の形態は、本発明の適用および原則の幾つかの例示とする。本発明の本質および範囲から逸脱しない限り、当業者は各種変更を行ってもよい。
【００４６】
複数のデバイスを有する各システムは、それらが複雑であるか簡単であるかを問わず、システムの動作の正確な測定のため、本明細書に開示されるシステムおよび方法によって設けられる。一つの実施の形態において、このデバイス・システムは、体部または表面に接触するとき、基準軸（ｘ、ｙ、ｚ）に沿った、また、これらの軸に関する３つの角度（ピッチ角度、ロール角度、ヨー角度）における力の同時リアルタイム測定を実現する。この接触状態から離れたとき、このデバイスは、３つの基準軸（ｘ、ｙ、ｚ）に沿った、また、これらの軸に関する３つの角度（ピッチ角度、ロール角度、ヨー角度）における加速度を測定する。
【００４７】
本システムおよび方法は、各デバイスを体部に結合および位置合わせさせることにより、その体部の動きを再構成することができる。ある実施の形態において、本システムは、上述した通り、１つ以上のデバイスを有し、対象物に作用する力または加速度を測定する。このデバイス・システムは、データの受信、処理、または転送を行ったり、或いは作動モードでデバイスを制御する制御ユニットを有してもよい。
【００４８】
６つのパラメータ（３つの力または加速度および３つの角度）の値から体部の動きを再構成するアルゴリズムについては、十分に文書化され、当業者に周知である。このため、体部についてこれらの値が周知のとき、本発明の方法により、仮想３次元空間内、２次元平面内、または単一の直線に沿って、この体部の動きの再構成が行える。
【００４９】
例えば、デバイス・システムは、弾薬の飛行動作を測定し、その飛行データを制御指令コンピュータに転送し、必要に応じて弾道を修正し、衝撃時の異常爆発を初期化する高性能の弾薬内に据え付けてもよい。もうひとつの実施の形態において、デバイス・システムおよびペンカートリッジは、ハウジング内に、例えば軸方向に位置合わして配置してもよく、連動してデータを測定し、例えば、それを更に処理するため或いは手書き表面上のペン先の動きを再構成するために制御装置によってコンピュータに転送してもよく、これにより以下により詳しく記載されるような手書きの画像を生成することができる。
【００５０】
もうひとつの実施の形態において、複数のデバイスを有するシステムは、複雑なマルチボディー・システムに装着してもよく、この場合、例えば、このマルチボディー・システムの各部には少なくとも一つの装置が装着される。このため、３つの次元および３つの角度における力および加速度は、このマルチボディー・システムの各部について測定することができる。制御ユニットには、複数のデバイスを接続してもよく、上述した通り、プロセッサへそしてプロセッサからデータの転送を行ってもよい。
【００５１】
それによって付与されるデータは、仮想３次元空間内、２次元平面内、或いは、単一方向に沿って、デバイス・システムを内蔵することにより複雑なマルチボディー・システムの動作の再構成を行ってもよいが、この再構成は、例えば、マルチボディー・システム内で、各構成本体にデバイスを結合させたり、上述したような本発明の方法を適用したりすることにより行ってもよい。このシステムの位置のずれ、或いは平面上、直線上、単一軸上での対象物の投影を時間ベースでのスナップ写真のビットマップ、またはシステムの静止画表示として割り出すための好適なアルゴリズムは、当業者に周知である。このビットマップは、フレーム化することができ、そのフレームは、連続して見ることができるので、例えば、アニメーションにより、仮想３次元空間内、２次元平面内、或いは、単一方向の軸に沿って基準フレームの原点に関して、システムの動きを表示することが可能になる。これにより、デバイス・システムによって発生するデータから対象物またはシステムの動きを再構成する。これらの方法は、例えば、リアルタイムまたは据え置きモードでの手書きによる描画やサインなどのハンドライティングの表示に適用してもよい。
【００５２】
実施の形態において、本明細書に開示されるシステムおよび方法により、ハンドライティングの動作に関する情報に基づいて、このハンドライティングを認識する針のポイントの動きを再構成することができる。ハンドライティングの分析は、従来、サインなどのハンドライティング・サンプルを分析し、このサインをほかのサインまたはハンドライティング・サンプルと比較することにより、実行される。本明細書に開示されるデバイス・システムにより、筆跡の再構成を行って、ほかのサンプルと比較することができるが、このデバイス・システムにより、ハンドライティングに関する運動情報も測定してもよい。このため、サインまたはハンドライティング・サンプルのビジュアル素子に加えて、ペン速度、筆記圧、筆記角度などの情報を測定でき、筆者の識別の認証をより正確に行えるようにするのに使用できる。また、ライティング時のペンのねじれや回転など、これら変数の変化は、それらが、サインまたはほかのハンドライティングの異なった部分で発生した場合でも検出および測定することができる。この本発明の目的の一つの実施の形態において、ハンドライティングは、ライティング中にリアルタイムで認識することができる。もうひとつの実施の形態において、ライティングの動きに関する情報を、永久格納媒体に格納し、ハンドライティングのオフラインでの据え置き認識に使用してもよい。もうひとつの実施の形態において、上述したようなリアルタイム或いは据え置きにおいて、ライティングの動き、特にサインにより、人物を識別または認定してもよい。
【００５３】
実施の形態において、図７に、針容器７０２に内蔵されたデバイス・システムを示す。このデバイス・システム７００は、針先７２０に結合された慣性素材７１５と、この容器に結合されるデバイス７１０とを備えた、力、加速度、接触の結合感知部分７０５を有してもよい。また、本デバイスシステムは、慣性素材７１５と、容器７０２に結合されたデバイス７１０から成る傾き感知部分７３０を有してもよい。これら２つのデバイスは、例えば、ワイアまたは無線データリンクにより、標準プロトコル内の暗号化された情報のエンコード／デコードを行い、プロセッサ７４０との通信を行える制御ユニット７３５にデータを送信してもよい。トランシーバ７４５は制御ユニット７３５とプロセッサ７４０との間でデータを転送するために用いてもよい。
【００５４】
力感知部分７０５は、例えば、ライティングまたは表面との接触時に針先７２０に適用される力を測定してもよく、傾き感知部分７３０は、重力の場における針の方向に関する力を測定してもよい。針先７２０が表面と接触していないとき、デバイス・システム７００は、この針に適用される加速度を検出することにより、針の動きを検出してもよい。これらの測定からのデータにより、針先が表面と接触しているときと、表面の上方にあるときの両方における針のポイントの動きを再構成することができる。
【００５５】
デバイス・システムのもうひとつの適用例において、構造または装置の各構成部材、例えば、永久宇宙基地、航空機、船舶、列車、建物などにデバイス・システムを装備することができるので、これら構成部材のモニター、制御、コマンド発行などを行える。同様に、本明細書に開示されるシステムおよび方法は、如何なるシステムの位置、例えば、基準フレームの原点に関する、複雑なマルチボディーまたは単一のポイント、の維持または制御に用いてもよい。例えば、デバイス・システムは、航空機、弾丸、ロケット或いはミサイルなど、飛行装置に内蔵し、リーディングエッジの渦の分離を測定し、そしてアクチュエータとしてデバイスを使用して大型制御コンピュータの支援なしでも飛行中の装置のコンフォーマブル・サーフィスを適合させてもよく、その結果、機動性の向上、リフトの増大、空気力学的な抵抗の低減が得られる。
【００５６】
図８に、航空機などの構造体にデバイス・システム８００を内蔵する例を模式的に示す。このデバイス・システム８００は、ネットワーク・バス１４経由でスクリーン１３付きプロセッサ１２に結合された、複数のデバイス１５と、トランシーバ１６とを有してもよい。上述した通り、プロセッサ１２は、入力データを処理し、オペレータ入力に応答してもよい。このシステムは、トランシーバ１６と、４つの制御ユニット１８とを有するチェンバー３０も有してもよい。このチェンバー３０は、モニターおよび制御される如何なるシステム、例えば、機体や宇宙船などに相応する。有線または無線による送信経由で、制御ユニット１８は、複数のデバイス２２に結合してもよく、その場合、その各々は、構造体の部材に接続される。例えば、制御ユニット１８は、航空機のウィング・アセンブリの一部であるコンフォーマブル・サーフィス部材２８に結合してもよい。同様に、ほかの制御ユニット１８も、ほかのデバイス２４に結合させてもよい。制御ユニット１８は、航空機形状の動的変化のための制御システムにおいて有用とされる複数の部材（例えば、アクチュエータ、センサー、測定装置など）に結合してもよい。
【００５７】
上述した通り、制御ユニット１８は、ハードワイア式のケーブルリンクなどのデータリンク経由でコマンドを受信し、トランシーバ１６にデータを付与してもよい。また、オプションで、赤外線またはラジオ周波数ワイアレスリンクを用いることができる。トランシーバ１６は、航空機によりで分散されたネットワーク１４経由でプロセッサ１２とのデータおよび命令の交換を行ってもよい。
【００５８】
各制御ユニットは、この制御装置に結合される各デバイスの駆動の仕方やインターフェースの仕方に関するデータをプロセッサから受信する。制御ユニットは、この情報を利用し、情報の収集または各デバイスへのコマンドの伝達を行える。標準データフォーマットおよびプロトコルは、トランシーバとの情報交換に使用してもよい。このトランシーバは、制御ユニットとの交換用、およびネットワーク上での転送に適切なプロトコルにデータをフォーマットしてもよい。従って、このシステムにより、機体用の、軽量、小型、低電力制御システムに、その構成部材への標準インターフェースを備えてもよい。
【００５９】
上記に概説したようなシステムによって発生する信号は、このシステムに適用される力および加速度を再構成するために処理して、ビジュアル化まはた更なる分析に役立ててもよい。このプロセスは、一般的に、システムによって発生した信号が較正および校正される初期化部分と、システム動作時に信号が測定される測定部分と、各信号を測定し、測定時にシステムに適用される力および加速度を再構成する分析部分とを有する。（図７に図示するような）針に装着されたシステム内に有用な処理スキーム例９００を図９に示す。このスキームを、様々な複雑性を有するほかのシステムに拡張するかどうかついては、通常の能力を有する当業者によって即座に決定できる。
【００６０】
通常の能力を有する当業者にとって明らかなように、この初期化シーケンスは、システムの特性およびシステム上のエラーを定義し、より正確な測定を行えるようにすることを意図している。図９に示す通り、初期化シーケンスは、例示ステップ９１０乃至９２０を含んでもよい。このため、初期化シーケンスは、例えば、高速フーリエ解析によりシステム内の各デバイスの力定数および共鳴周波数を決定する手順を含んでもよい。装置の力定数および共鳴周波数の決定は、デバイスの応答特性を決定する手段のひとつであり、この機能を実行する別の方法については、通常の能力を有する当業者であれば明白であり、この方法に置換してもよい。また、力／加速度感知デバイスの較正マトリックスを決めてもよく、角度感知デバイスの角度的な校正値および増幅値を測定してもよい。較正マトリックスの決定は、デバイスの力／加速度の関係を決めるのに役立ち、デヴァイスを較正する別の手段は、当業者に周知であり、この手順に置換してもよい。同様に、角度感知デバイスの角度校正し、増幅値の測定は、角度感知デバイスを較正する方法としての役割を果たす。また、当業者に周知の、ほかの方法によって同様の結果を得てもよい。基準システムに関するデバイスのずれを決定して、デバイスと、その環境との間の空間関係を設定できるようにしてもよい。この機能を実行する様々な方法が当業者に周知である。これら各種測定値は、実質的に同時なものも含めて、如何なる順序で採取してもよい。また、フィルタリング・パラメータを設定することにより、各デバイスによって発生したデータの部分を選択して、今後の処理に用いてもよい。この機能を実行する各種手順は、当業者であれば周知であり、本明細書に開示されるシステムおよび方法において使用してもよい。
【００６１】
ステップ９２２および９２４も含めて、シーケンス９００の測定部分は、発生した力に応じて、システムによって発生した信号を集めるステップに関する。これらの信号は、初期化シーケンス時に計算および／または設定したパラメータに基づいて、或いは、測定値の精度を増すために選択されたほかの手順を適用することによって校正およびフィルタリングしてもよい。これらの信号は、生データとして処理前に格納したり、測定値を得たら連続して処理したりしてもよい。
【００６２】
シーケンス９００の分析ステップは、システムによって発生した信号を、グラフィック表示、デジタル読み出しなどの出力形態を含めて、解釈可能な形態に変換するために選択してもよい。これらの信号の処理としては、各信号を格納された信号と比較する手順、対象物の動きを仮想３次元空間内、２次元平面内、または直線沿いに表示する手順、または、システムに作用する力をモニターする手順が挙げられる。図９に示す通り、針内に収容されたシステムによって発生する信号を分析する処理としては、ステップ９５０乃至９６０が挙げられる。例えば、針が表面に接触しているかどうかを決定するために信号を分析してもよい。接触が検出されたら、その結果発生した信号は、力信号と解釈される。また、接触が検出されなければ、その結果発生した信号は、加速度として解釈される。力／加速度信号および角度信号に適用される標準的な数学上の演算は、力または加速度によって発生する速度を決定するのに使用することができ、この情報から、針の位置は、何時どの位置でも決定することができる。これらの演算を実行する代表的な方法については、米国特許第５，５４８，０９２号に記載されている。角度センサーは、重力の場に関する２次元の角度しか検出できないが、３次元については、測定された加速度などの追加データに基づいた以前の角度の値に関する増減変化として計算できる。その結果は、例えば、コンピュータ画面またはプリントアウトで表示され、針の動きの表示を付与することができる。
【００６３】
上述したような方法は、例えば、フォートラン、Ｃ言語、ジャバなどのコンピュータ言語で書き込まれたコンピュータ・プログラムを実行したり、通常の能力を有する当業者であれば周知の別の手段によってコンピュータ・システムなどのプロセッサによって実行してもよい。データは内部で例えばペン容器の中で、部分的に或いは全体的に処理してもよく、分析のために外部のプロセッサに転送してもよい。
【００６４】
尚、本発明が、図示された実施の形態に関連して開示され、詳細に記載してきたが、上記記載から通常の能力を有する当業者であれば、様々な等価物、変更、改良が行えることは明白である。このような等価物、変更、改良については、以下の請求項によって包含されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
３次元の多目的センサーおよびアクチュエーターを図示する
【図１Ｂ】
３次元の多目的センサーおよびアクチュエーターを図示する
【図１Ｃ】
３次元の多目的センサーおよびアクチュエーターを図示する
【図１Ｄ】
３次元の多目的センサーおよびアクチュエーターを図示する
【図１Ｅ】
３次元の多目的センサーおよびアクチュエーターを図示する
【図２】
共鳴作用による電気回路または電子回路付きのデバイスを図示する
【図３】
３軸フォース・センサーを図示する
【図４】
３軸加速度計を図示する
【図５】
３角度センサーを図示する
【図６】
アクチュエータを図示する
【図７】
ワイアレスペン内に取り付けられるデバイス・システムを示す
【図８】
航空機内に取り付けられたデバイス・システムを図示する
【図９】
本発明の一部である各方法の処理フローについて説明する
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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