(57)【要約】タッチ位置判定装置で接線力がタッチ位置におよぼす影響を低減するためのさまざまな手法が提供される。たとえば、一態様において、タッチ面の高さでタッチ表面構造体の横方向の動きを妨害することで、検知接続部を通る接線力に対する微々たる大きさの反作用を低減するシャント接続部が提供される。他の態様では、結合部の反作用をその感度軸に垂直な接線方向のタッチ力に変えるように調整された弾性手段を検知接続部に取り入れる。さらに他の態様では、接線力に対する反作用に垂直な結合部の感度軸を変えるように調整された検知手段を検知接続部に取り入れる。
2004527847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチ表面に加わるタッチ力であって、力覚型タッチ位置判定装置の精度面に対して垂直な垂直成分と該精度面に対して接線方向の接線成分とを含むタッチ力を検知するための、力覚型タッチ位置判定装置において、
前記タッチ表面に対する前記タッチ力の印加に応答して信号を出力する複数の力覚センサと、
前記タッチ力の前記接線成分の大部分を伝達する第１の機械的経路であって、前記複数の力覚センサを有さない第１の機械的経路と、
を備える力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２】
前記複数の力覚センサを介して前記タッチ力の前記垂直成分の大部分を伝達する第２の機械的経路をさらに備える、請求項１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３】
前記第１の機械的経路が、前記タッチ表面に連結された複数のシャント接続部を備える、請求項１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４】
前記複数のシャント接続部が、前記タッチ表面の横方向の動きを妨げるための横方向難動化手段を備える、請求項３に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５】
前記横方向難動化手段が、前記タッチ力の前記接線成分に対して実質的ゼロ反作用モーメント面を有し、該実質的ゼロ反作用モーメント面が実質的に前記タッチ表面と一致する、請求項４に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項６】
少なくとも１つの前記力覚センサが実質的に難動的な垂直力経路を有し、前記横方向難動化手段が実質的に易動的な垂直力経路を有する、請求項２に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項７】
前記横方向難動化手段が、前記タッチ表面をその周囲のフレームに接合する薄肉部材を有する、請求項４に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項８】
前記薄肉部材がテープ細片を含む、請求項７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項９】
前記薄肉部材が前記タッチ表面と前記フレームの縁との間の小さなギャップにまたがる、請求項７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１０】
前記薄肉部材の自由に曲がる領域が、前記タッチ表面の縁を超える距離に渡って延在する、請求項７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１１】
前記薄肉部材が、前記タッチ表面の接線方向動作に対して実質的に難動的であるとともに、前記タッチ表面の垂直方向動作に対しては実質的に従順な高弾性素材で形成されている、請求項７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１２】
前記薄肉部材が前記タッチ表面と前記フレームとの間の従順な輪郭部を有する、請求項７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１３】
前記従順な輪郭部が、前記タッチ表面に対して法線方向に従順であるとともに、前記タッチ表面に対して平行な方向に難動的である、請求項１２に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１４】
前記横方向難動化手段が、前記タッチ表面と前記フレームとの間に外来物質が通るのを妨げる、請求項７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１５】
前記薄肉部材が、前記タッチ表面の外周全体を前記フレームに接合する、請求項１４に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１６】
前記タッチ表面がディスプレイ表面を含む、請求項４に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１７】
前記タッチ表面がＬＣＤを含む、請求項１６に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１８】
前記タッチ表面が、前記ディスプレイ表面を覆うタッチオーバーレイを含む、請求項４に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項１９】
前記接線方向に印加されるタッチ力の、前記力覚センサを介して伝達される比率を小さくするために、前記力覚センサを通る力の経路が横方向易動化手段をさらに通る、請求項１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２０】
前記第２の経路が、前記タッチ力の前記接線成分の大部分を前記第１の経路に伝達させる横方向易動化手段を備える、請求項１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２１】
前記横方向易動化手段が、前記タッチ表面と前記複数の力覚センサの少なくとも１つとの間に配置される、請求項２０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２２】
前記横方向易動化手段が柱状構造体を含む、請求項２０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２３】
前記柱状構造体が、前記少なくとも１つの力覚センサに接触するボスを有する拡散板の一部を備える、請求項２２に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２４】
前記横方向易動化手段がエラストマーを含む、請求項２１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２５】
前記横方向易動化手段が、軟質接着剤で裏打ちされたディスク形のテープを含む、請求項２４に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２６】
手持ち式の装置である、請求項１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２７】
前記精度面の弾性中心が前記タッチ表面の所定距離内にある、請求項１に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２８】
タッチ表面に加わるタッチ力を検知するための力覚型タッチ位置判定装置において、
前記タッチ表面に対する前記タッチ力の印加に応答して信号を出力する複数の力覚センサと、
前記タッチ力の大部分を伝達する第１の機械的経路であって、前記複数の力覚センサを有さない第１の機械的経路と、
を備える力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項２９】
前記第１の機械的経路が、前記タッチ表面に連結された複数のシャント接続部を備える、請求項２８に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３０】
前記複数のシャント接続部が、前記タッチ表面の横方向の動きを妨げるための横方向難動化手段を備える、請求項２９に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３１】
前記横方向難動化手段が、前記タッチ力の前記接線成分に対して実質的ゼロ反作用モーメント面を有し、該実質的ゼロ反作用モーメント面が実質的に前記タッチ表面と一致する、請求項３０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３２】
前記タッチ表面がディスプレイ表面を含む、請求項３０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３３】
前記タッチ表面がＬＣＤを含む、請求項３２に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３４】
前記タッチ表面が、前記ディスプレイ表面を覆うタッチオーバーレイを含む、請求項３０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３５】
タッチ表面に加わるタッチ力であって、力覚型タッチ位置判定装置の精度面に対して垂直な垂直成分と該精度面に対して接線方向の接線成分とを含むタッチ力を検知するための、力覚型タッチ位置判定装置において、
前記タッチ表面に対する前記タッチ力の印加に応答して信号を出力する複数の力覚センサと、
前記複数の力覚センサの少なくとも１つを通る第１の力経路であって、該第１の力経路を介して伝達される前記垂直成分のフラクションが該第１の力経路を介して伝達される前記接線力成分のフラクションよりも実質的に大きくなる第１の力経路と、
を備える力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３６】
前記第１の力経路を介して伝達される前記垂直成分の前記フラクションの、前記第１の力経路を介して伝達される前記接線力成分の前記フラクションに対する比が、少なくとも３：２である、請求項３５に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３７】
タッチ表面に加わるタッチ力であって、力覚型タッチ位置判定装置の精度面に対して垂直な垂直成分と該精度面に対して接線方向の接線成分とを含むタッチ力を検知するための、力覚型タッチ位置判定装置であって、
前記タッチ表面に対する前記タッチ力の印加に応答して信号を出力する複数のセンサと、
前記複数のセンサと前記タッチ表面との間に連結された少なくとも１つの検知接続部であって、前記タッチ力の前記接線成分に対する対応反力を発生させるとともに、該対応反力に対して実質的に垂直でかつ該タッチ表面の法線に対して傾いている感度軸を有する少なくとも１つの検知接続部と、
を備える力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３８】
前記複数のセンサが複数の力覚センサを含む、請求項３７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項３９】
前記複数のセンサが複数の変位センサを含む、請求項３７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの検知接続部の弾性中心を実質的に前記精度面内に位置決めするための、前記タッチ表面と少なくとも１つの結合表面との間に連結された複数の弾性手段をさらに備える、請求項３７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４１】
前記複数の弾性手段の各々が、前記タッチ表面と前記複数のセンサの１つの表面との間に連結されている、請求項４０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４２】
前記複数のセンサに接触する硬い支持面をさらに備え、前記少なくとも１つの検知接続部が複数の検知接続部であり、前記結合表面が該硬い支持面を含み、該複数の検知接続部の各々の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項４０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４３】
前記複数のセンサに接触する硬い支持面をさらに備え、前記結合表面が該硬い支持面を含み、前記複数の検知接続部の全体の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項４０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４４】
前記弾性手段が、実質的に前記精度面内の変曲点で接する第１の弾性部分と第２の弾性部分とを含み、それにより、前記少なくとも１つのセンサ接続部の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項４０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの検知接続部が複数の検知接続部であり、前記複数の弾性手段が、前記精度面に対して傾いた主剛性軸を有する要素を含み、それにより、該複数の検知接続部の各々の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項４０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの検知接続部が１つの検知接続部であり、前記複数の弾性手段が、前記精度面に対して傾いた主剛性軸を有し、それにより、該１つの検知接続部の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項４０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４７】
タッチ表面に加わるタッチ力であって、力覚型タッチ位置判定装置の精度面に対して垂直な垂直成分と該精度面に対して接線方向の接線成分とを含むタッチ力を検知するための、力覚型タッチ位置判定装置であって、
前記タッチ表面に対する前記タッチ力の印加に応答して信号を出力する複数のセンサと、
前記複数のセンサと前記タッチ表面との間に連結された少なくとも１つの検知接続部であって、前記タッチ力の前記接線成分に対する対応反力を発生させるとともに、該対応反力に対して実質的に垂直な感度軸を有する少なくとも１つの検知接続部と、
前記タッチ表面と少なくとも１つの結合表面との間に連結された複数の弾性手段であって、前記精度面に対して傾いた構成要素を有し、それにより、前記少なくとも１つの検知接続部の弾性中心を実質的に前記精度面内に位置決めする複数の弾性手段と、
を備える力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４８】
前記複数のセンサが複数の力覚センサを含む、請求項４７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項４９】
前記複数のセンサが複数の変位センサを含む、請求項４７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５０】
前記少なくとも１つの検知接続部の感度軸が前記タッチ表面の法線に対して傾いている、請求項４７に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５１】
前記複数の弾性手段の各々が、前記タッチ表面と前記複数のセンサの１つの表面との間に連結されている、請求項５０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５２】
前記複数のセンサに接触する硬い支持面をさらに備え、前記少なくとも１つの検知接続部が複数の検知接続部であり、前記結合表面が該硬い支持面を含み、該複数の検知接続部の各々の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項５０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５３】
前記複数のセンサに接触する硬い支持面をさらに備え、前記結合表面が該硬い支持面を含み、前記複数の検知接続部の全体の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項５０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５４】
前記弾性手段が、実質的に前記精度面内の変曲点で接する第１の弾性部分と第２の弾性部分とを含み、それにより、前記少なくとも１つのセンサ接続部の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項５０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５５】
前記少なくとも１つの検知接続部が複数の検知接続部であり、前記複数の弾性手段が、前記精度面に対して傾いた主剛性軸を有する要素を含み、それにより、該複数の検知接続部の各々の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項５０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【請求項５６】
前記少なくとも１つの検知接続部が１つの検知接続部であり、前記複数の弾性手段が、前記精度面に対して傾いた主剛性軸を有し、それにより、該１つの検知接続部の弾性中心が実質的に前記精度面内に位置決めされる、請求項５０に記載の力覚型タッチ位置判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタッチセンサに関し、特に、接線力成分を含むタッチ力の位置を正確に判定するための力覚型タッチ位置判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面に与えられる力を検知し、測定し、および／または位置付ける機能は幅広い場面で役に立つことから、表面（本願明細書では「タッチ表面」と呼ぶ）に加わる力（本願明細書では「タッチ力」と呼ぶ）の特性を力覚センサで測定するさまざまなシステムが開発されている。タッチ力に応じて、力覚センサは一般に、たとえばタッチ表面上のタッチ力印加された位置を位置決めするために使用される信号を生成する。米国特許第３，６５７，４７５号においてペロノー（Ｐｅｒｏｎｎｅａｕ）らが説明しているものをはじめとして、この方法を実現した多数の異なる形態が提案されている。このようなタッチ位置は、タッチ表面がコンピュータディスプレイのタッチ表面やコンピュータディスプレイの前にある透明なオーバーレイのタッチ表面である場合に特に注目される。また、携帯情報端末（ＰＤＡ）などのモバイルデバイスや手持ち式のデバイスが急増したことで、タッチ位置の判定を行うことのできる小型軽量かつ安価な位置デバイスに対する需要が高まっている。
【０００３】
このようなタッチ位置判定装置は、すぐ上で述べた力の原理ならびに容量方式、抵抗方式、音響方式、赤外線方式などの考えられるさまざまな技術に基づいて、タッチセンサを利用して製造できるものである。先行技術のタッチ位置判定装置および力を利用したタッチ位置判定全般のさまざまな特徴が、本件特許出願と同一の譲受人が所有し、かつ本件と同日に出願された、発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｃｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｔｏｕｃｈ  Ｉｎｐｕｔ（力を利用したタッチ入力のための方法および装置）」の出願に詳細に説明されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のタッチ位置判定装置に伴う１つの問題として、タッチ表面に対して斜めに加わるタッチの位置が誤認識されるおそれがある点があげられる。言葉を変えると、利用者が指またはスタイラスでタッチ表面に触れ、タッチ表面に対して９０°以外の角度で力を加えたときには、タッチの位置は誤認識されるのが普通である。このような「斜めからのタッチ」によって印加される力には、タッチ表面に対して垂直な成分（「垂直成分」）とタッチ表面に対して平行な成分（「接線成分」）の２つの力の成分がある。タッチ位置の誤認識は一般に、タッチ位置判定装置の１つまたはそれ以上の力覚センサで検知される接線力成分の作用が原因で発生する。このようなタッチ力の接線力成分を本願明細書では単に「接線力」とも呼ぶ。
【０００５】
たとえば、支持センサアタッチメントを介して接線力が伝わり、センサ側ではこのような接線力の測定は想定外であったとしてもこれがセンサに伝達されてしまう場合がある。平衡を維持するのに必要な力とモーメントのパターンが接線力によってタッチ装置内に発生し、このパターンのさまざまな特徴が組み合わさって、接線力そのものの一部を伝達するセンサを通ることになりかねない。仮に力覚センサがこのような組み合わせに敏感なものであると、タッチ位置判定の誤差が発生することがある。
【０００６】
接線力によって生じる誤差に関しては、さまざまな解決策が提案されている。たとえば、システムによっては力覚センサをタッチ表面よりも若干後ろに配置し、結果として接線力が原因で生じる誤差を単純に許容する形をとっている。もう１つ、関連する触圧式の構造（たとえば力覚センサおよびセンサアセンブリなど）すべてを物理的にタッチ表面の近くに配置することで、接線力による影響を抑える方法もある。
【０００７】
もう１つの方法では、デコスタ（ＤｅＣｏｓｔａ）に付与された発明の名称「Ｍｏｕｎｔｉｎｇ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  ａ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｌｏｃａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ（位置判定システム用の実装構造）」の米国特許第４，３５５，２０２号に記載されているように、各力覚センサの支持用としてタッチ面に明確なピボットを設けている。さらに別の方法では、ロバーツ（Ｒｏｂｅｒｔｓ）に付与された発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｔｏｕｃｈ−Ｉｎｐｕｔ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｔｏｕｃｈ  Ｆｏｒｃｅ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ（ディスプレイの外にタッチ力位置を用いたタッチ入力コンピュータおよび関連のディスプレイの方法および装置）」の米国特許第５，３７６，９４８号に開示されているように、タッチ力の接線成分を補正できるタッチ力の余分な自由度を測定している。
【０００８】
これらの先行技術の方法にはいずれも欠点がある。後方へのセンサのずれが１ｍｍのオーバーレイの厚さ分にすぎないとしても、手書き文字認識などの精度が要求される用途では接線方向の誤差を無視しても不十分な場合がある。センサをタッチの平面に配置して接線方向の誤差をなくしても装置の幅や厚さの理由から意に満たないこともある。デコスタ（ＤｅＣｏｓｔａ）によって開示されているように、タッチの平面で力の伝達を旋回させると接線方向の誤差はとどまるが、装置の幅と厚さの問題には対処できない。また、ロバーツ（Ｒｏｂｅｒｔｓ）によって開示されているようにすべての自由度を測定すれば接線方向の誤差はとどまるが、装置内のどこかに空間を追加してどこかを複雑にしなければならない。
【０００９】
このように、先行技術では、過剰な誤差、過剰な嵩または過剰な費用を発生させずに力覚センサをどのようにしてタッチの平面の後ろに配置すればよいかが教示されていないように思われる。斜めからのタッチ（すなわち接線成分がゼロではないタッチ力）はさまざまな用途で頻繁に起こり得るため、仮に触圧が斜めに加わったとしてもタッチ表面上のタッチの位置をタッチ位置判定装置で正確に認識することが望ましい。さらに、このような正確な位置判定を、平面状のタッチ表面と平面状ではないタッチ表面の両方に関して多種多様な力覚センサを利用して斜めからのタッチに対しても実現できると望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
タッチ表面に接線力が加わると支持結合部に反力が生じる。これらの反作用はいずれも印加される接線力のフラクションと大きさが等しく向きが逆だというだけではない。それどころか、各支持結合部の反作用は、並進力の３つの成分とモーメントの３つの成分とが合成された完全な力のパターンである。タッチ表面構造体への印加時に合成されると、これらの力のパターンは多くの箇所で相殺され、印加された力と大きさが等しく向きが逆の反作用だけが残る。このように、検知接続部での接線力に対する反作用はそれ自体がタッチ面に対して傾いた作用線を有することがあり、対応する垂直力成分によって対応するセンサに不要な出力が発生する。
【００１１】
本発明のさまざまな態様で、この検知接続部の反作用に対するセンサの応答を抑えるための手法が得られ、一例として、検知接続部の反作用全体を減らす手法、その力をターンしてセンサの「端に」にぶつける手法、センサをターンして力の「端を」捉える手法があげられる。このため、タッチ表面で印加される純粋な接線力に応答してセンサ接続部を通る反力が、微々たる大きさのものであるか、その結合部をその力の感度軸に対して直角に通過するかのいずれかの場合、関連のセンサからは何の応答も生成されない。このような関係がすべてのセンサについて維持され、かつ、タッチ表面で印加される接線力のすべての位置と方向で維持されると、タッチ位置判定装置の精度面がそのタッチ表面に一致し、印加されるタッチ力の接線成分によるタッチ位置判定誤差が起きることはない。本発明のさまざまな態様でこのような関係を構築するための手法が得られる。
【００１２】
たとえば、本発明の第１の「分配経路」の態様では、シャント接続部によってタッチ面の高さでタッチ表面構造体の横方向の動きを妨害することで、検知接続部を通る接線力に対する微々たる大きさの反作用を低減することができる。
【００１３】
本発明の第２の「弾性補正」の態様では、結合部の反作用をその感度軸に垂直な接線方向のタッチ力に変えるように調整された弾性手段を検知接続部に取り入れることができる。このファミリの部材のほとんどにおいて、複数のセンサ接続部の各々から１つの力信号を得る。しかしながら、一部材では、硬いタッチ表面構造体の一部の垂直方向の運動を一組の変位センサによって検出し、１つの複数出力検知接続部を効率よく得ることができる。
【００１４】
本発明の第３の「角度のついたセンサ」の態様では、接線力に対する反作用に垂直な結合部の感度軸を変えるように調整された検知手段を検知接続部に取り入れることができる。本発明のこの態様のさまざまな実施形態では、複数のセンサ接続部の各々から１つの力信号を得る。しかしながら、少なくとも１つの実施形態では、硬いタッチ表面構造体の一部の傾いた運動を一組の変位センサによって検出し、１つの複数出力検知接続部を効率よく得ることができる。よって、各センサは接線力に対する反作用で経験する変位に垂直である。
【００１５】
本発明の分配経路の態様では、シャント接続部によって第２の組の新規な力の経路が得られるのに対し、本発明の第２の態様および第３の態様では、実質的にすべてのタッチ力を検知接続部に通過させることができる。本発明の弾性補正の態様ならびに本発明の他の２つの態様のいくつかの実施形態では、タッチの平面から排除される弾性手段で精度面の位置を制御することができる。本発明の角度のついたセンサの態様では、センサの感度軸が一般にタッチ面法線に対して傾斜した状態にくるのに対し、本発明の第１の２つの態様では、センサの感度軸をタッチ面法線に対して垂直にすることができる。本発明のさまざまな実施形態で、結合部に、主剛性がタッチ面法線に対して傾いた角度の弾性要素またはサブアセンブリを利用することができる。
【００１６】
本発明のさらに他の態様では、１つまたはそれ以上のセンサ接続部内で横方向易動化手段を利用し、測定されない力の成分の伝達を減らすことができる。このようにすることで、本発明の他の態様を効果的に応用しやすくなり、力覚センサが不要な応力にさらされるのを抑えることができる。
【００１７】
本発明のさらに他の態様では、１つまたはそれ以上のセンサ接続部内で回転易動化手段を利用し、測定されないモーメントの成分の伝達を減らすことができる。このような測定されないモーメントの成分は、関連のモーメント式で表現すべきものであるため、タッチ位置判定誤差の原因となることがある。これらの成分は、タッチ表面構造体を曲げるタッチ付近で発生すると、相当な大きさかつ特性を予測できないのが普通である。回転易動化、特に関連の力覚センサの近くに配置した場合の回転易動化によってもセンサが不要な応力にさらされるのを抑えることができる。
【００１８】
本発明の分配経路の態様では、シャント接続部を、印加されるタッチ力を２組の力の経路（一方は検知接続部を通り、他方はシャント接続部を通る）に分配する横方向難動化手段として機能させることができる。シャント接続部はタッチ面の高さでタッチ表面構造体の横方向の動きを妨害するため、タッチ力の接線成分に応答して検知接続部に伝達される微々たる大きさの力を低減することができる。センサ接続部に横方向易動化手段を設けてこの作用を強めるようにしてもよい。垂直方向のタッチ力が最低限の量だけ検知接続部から逸れるように垂直方向にシャント接続部については易動的に作ることができる。シャント接続部は、タッチ面の軸を中心とした回転に対する基本的にすべての抵抗がセンサ接続部の垂直方向剛性の表現になるように、回転方向にも十分に易動的なものであってもよい。この最後の条件は他の条件が満たされると容易に満たされるため、何かを特別に用意しなければならないことはない。
【００１９】
本発明のさまざまな実施形態で用いられる横方向難動化手段には作用の平面がある。この平面はタッチ装置のタッチ表面に平行にすることができ、この平面内で、モーメントの平衡がないことによるタッチ表面の回転を発生させずに横方向難動化手段によって接線力を受けることができる。より正確に言うと、タッチ表面構造体を十分に硬い素材で作り、これに対する結合部を横方向難動化手段のものを除いてすべて除去すると仮定する。作用の平面がタッチ表面にあれば、接線力が加わり、タッチ表面の回転を伴うことなく平衡を維持することができる。作用の平面がタッチ表面から離れていると、タッチ表面からの硬い延長部を介して作用の平面内で接線方向の試験力が加わり、タッチ表面の回転は発生しない。一方、回転なしで平衡を維持するには、タッチの平面の接線力を、その接線力にタッチ面から作用の平面までの距離をかけた積に等しいモーメントと結合する必要がある。よって、作用の平面をタッチ力の接線成分に対する実質的にゼロ反作用モーメント面に取ることができる。
【００２０】
本発明による分配経路の態様の実施形態を第１の区分に基づいて分類すると以下の２つのタイプに分けられる。
・検知接続部が基本的にタッチ力の接線成分によって分配されることがなく、力とモーメント反作用のいずれもタッチ表面構造体に伝達しないような形で、シャント接続部を検知接続部よりも横方向に難動的にすることができる。この場合、作用の平面を精度面とタッチ表面の両方に一致させることができる。
・検知接続部によって接線力に対する有意な反作用を伝達することができる。この反作用は横方向難動化手段において調節を相殺することで水平方向にもたらされる。この場合、これらの調節の表現として、横方向難動化手段の作用の平面を若干センサ接続部からタッチ表面の反対側に位置させてもよい。よって、横方向難動化手段およびセンサ接続部の両方で接線力に対する反作用で生成されるモーメントをタッチの平面で相殺することができる。
【００２１】
本発明による分配経路の態様の実施形態を第２の区分に基づいて分類すると以下の２つのタイプに分けられる。
・横方向難動化手段そのものとその作用の平面の両方を基本的にタッチの平面内にすることができ、その向こうと下の支持構造体を硬いと見なすことができる。横方向難動化手段を含むシャント接続部をある最低値よりも横方向に難動的にし、ある最低値よりも垂直方向に易動的にすることができるが、別段フックの法則に従ったり予測可能な剛性を有している必要はない。
・横方向難動化手段は、タッチの平面の下および／または上に弾性手段を含むことができる。これらの弾性手段の要素に傾斜した剛性の主軸を持たせることができる。傾斜剛性を利用した事例次第では、横方向難動化手段を構成している弾性手段およびシャント接続部の完全に上または完全に下で作用の平面を排除することができる。
【００２２】
本発明による弾性補正の態様では、特別にあつらえた検知接続部にタッチの力を排他的に通すことができる。第１の実施形態では、このようなあつらえとしては、力覚センサと直列に接続された弾性補正手段を含むことがあげられる。ある程度は精度面から最小限に離して分配させてもよいタッチ表面構造体から弾性補正手段を介して、続いてかなり硬いタイプの力覚センサを介して力を伝達し、これを支持構造体まで伝えて、力覚センサを精度面よりも下におくことができる。センサと弾性成分の順序については都合のよいように変更すればよい。
【００２３】
第２の実施形態では、硬いタッチ表面構造体の一部の垂直方向の運動を一組の変位センサによって検出し、１つの複数出力検知接続部を効率よく得ることができる。
【００２４】
本発明による弾性補正の態様の実施形態については次の３つのタイプに分けることができる。
・弾性補正手段を、センサ接続部の力がまず一方を通って次に他方を通るような形で精度面よりも上および下に配置することができる。所望の精度面よりも上および下のオフセットたわみによって、関連のセンサ接続部の弾性中心が所望の精度面内にくる。
・弾性補正手段を精度面の完全に下（または上）に配置することができる。剛性の主軸が傾斜した弾性要素を、関連するセンサの結合部の弾性中心を所望の精度面に投影するように機能させることができる。
・弾性補正手段を精度面の完全に下（または上）に配置することができる。剛性の主軸が傾斜した弾性結合部を、タッチ表面構造体全体の弾性中心を所望の精度面に投影するように機能させることができる。センサは弾性手段と直列に接続されているのではなく、タッチ表面構造体と支持構造体との間の運動を検出する変位センサを含む。
【００２５】
本発明による角度のついたセンサの態様では、特別にあつらえた検知接続部にタッチ力を排他的に通すことができる。第１の事例において、このようなあつらえとしては、接線力のいずれかの成分によって生じる反力に対して感度軸が直角になるように各センサに角度を付けることがあげられる。適度な横方向の易動化を行い、横方向に難動的なセンサの角度を変えることで感度に必要な垂直方向の運動が阻害されるのを防ぐようにしてもよい。回転易動化部を設ける場合などセンサ接続部の弾性中心の位置が分かっている場合は、精度面をタッチの平面に一致させるにはどのような角度にすればよいかを単純な規則で説明することができる。
【００２６】
第２の事例では、支持構造体に対する硬いタッチ表面構造体の一部の傾斜運動を一組の変位センサによって検出し、１つの複数出力検知接続部を効率よく得ることができる。主剛性軸が直交して位置合わせされた弾性結合部の場合は弾性中心を精度面よりも下にすることができる。回転易動化部を設ける場合など弾性結合部の弾性中心の位置が分かっている場合は、精度面をタッチの平面に一致させるには変位センサをどのような角度にすればよいかを単純な規則で説明することができる。
【００２７】
本発明のさまざまな実施形態の他の特徴および利点については以下の説明および特許請求の範囲から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明のさまざまな態様および実施形態について説明する前に、関連のある用語をいくつか定義する。
【００２９】
タッチ表面をなす固体物体の硬い動きの６つの自由度のうち３つを表現することで、平面状の力を利用したタッチ位置判定を行うことができる。この物体のことを本願明細書ではタッチ表面構造体または略してタッチパネルと呼ぶ。上記の３つの自由度のうち２つは三次元空間における特定の軸を中心としたトルクまたはモーメントを表す。最大精度を得るにはこれらの軸が交差していなければならない。このような交差軸を含む平面をタッチ位置の精度面と定義する。表現された３つ目の自由度は精度面に対して垂直に加わる力の大きさである。触圧の印加時、この垂直力によって分配された第１のモーメントの大きさをタッチ点から第１の軸までの距離として得る。同様に、力に対する第２のモーメントの比を第２の軸からのタッチ点の距離として得る。このようにしてタッチ点の位置を判定するために監視する３つの自由度を関連自由度と呼ぶことができる。
【００３０】
タッチによって精度面に平行な接線力が印加される場合がある。これらの接線力が精度面よりも上または下に加わると、一方または両方の測定軸を中心としたモーメントが生じ、これがタッチ位置判定誤差につながる。このため、最大精度を得るには、物理的なタッチ表面が平面状で、かつ精度面に一致していなければならないが、これは本発明の必須要件ではない。
【００３１】
タッチを計算する目的では表現されない硬い動きの自由度には、第１のモーメント軸と平行に加わる接線力、第２のモーメント軸と平行に加わる接線力、精度面に垂直な軸を中心に加わるモーメントの３つがある。監視している表現にこれらの非関連自由度のうちいずれか１つでも影響してしまうと、タッチ位置判定装置は誤差を生じやすくなる。
【００３２】
少なくとも６軸の力覚センサを使用することで、固体のタッチ表面の硬い動きにおける６つの自由度すべてを測定することが可能である。すなわち、精度面に対するセンサの位置合わせとは無関係に、６つすべての成分を表現したものから所望の精度面に関連する３つの成分の一次結合を生成し、これらの成分を監視することができる。たとえば、ロバーツ（Ｒｏｂｅｒｔｓ）に付与された発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｔｏｕｃｈ−Ｉｎｐｕｔ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｔｏｕｃｈ  Ｆｏｒｃｅ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ（ディスプレイの外にタッチ力位置を用いたタッチ入力コンピュータおよび関連のディスプレイの方法および装置）」の米国特許第５，３７６，９４８号に記載の説明を参照のこと。
【００３３】
あるいは、３つまたはそれ以上の力覚センサを用いて、すべてのセンサが全体で硬い動きの３つの自由度しか表現しないようにしてもよい。このようなシステムは、単純さの点から６軸のシステムより好ましい場合がある。センサ数は６未満であってもよく、すべてのセンサが同じ方向を向いていてもよく、これを支える平面状のタッチ表面の外周に沿って配置していてもよい。繰り返すが、監視すべき３つの自由度がさまざまな力覚センサの出力からなる３つの異なる一次結合として得られるものであってもよい。せいぜい、物理的なタッチ構造体とセンサの位置合わせとによって決まる特定のいくつかの精度面に上記の３つの成分を対応させることができる。しかしながら、選択する構造と配置で確実に良好な精度面が得られるように、また、これがタッチ表面と十分に一致するように、相当な注意を払わなければならない。
【００３４】
未加工のセンサ出力全体で硬い動きの３つの自由度のみをエンコードすることを想定した、力を利用したタッチシステムを、３軸システムと呼ぶことができる。
【００３５】
このように、３軸システムの精度面はそのシステムの構造的な特性であることが分かる。実際のシステムには若干の不完全さがあるため、精度面という用語を実際の装置の挙動に当てはめる際には、接線力によって生じる誤差の平均が最も小さい精度面であると考えることができる。
【００３６】
３軸システムに３つを超える数の力覚センサを取り入れてもよく、最も一般的には４つ用いられる点に注意されたい。このようなセンサは一般に矩形の四隅に配置されるため、全体で４つ目の自由度が表現される。この４つ目の自由度は、タッチ表面構造体と支持構造体との間のねじり歪またはサドリング（ｓａｄｄｌｉｎｇ）歪の差に対応している。一般に、３軸システムにセンサが追加されている場合でも硬い動きの別の自由度を捕捉するわけではなく、捕捉されるのは内部の構造歪の自由度である。
【００３７】
６軸システムとは違って、３軸システムにはもともと平面状の精度面がある。このため、平面状ではないタッチ表面を支持する３軸システムでは若干の誤差が発生しやすくなるのは避けられない。それでも、タッチ表面が最も平面に近い状態から外れすぎないのであれば、これらのシステムはかなり有用なものとなり得る。このような最も平面に近い状態は、無限にひろがっており、これをタッチ面と呼ぶことができる。本願明細書において平面状のタッチ表面に関して行う説明については、平面状ではない場合にも同じように適用されるものとして理解すべきである。平面状ではない共通の表面は、球、円柱、放物面、交差円柱などの一部に極めて似たものであってもよい。
【００３８】
タッチ操作式装置の構成要素のタッチ表面に対する向きを考慮するにあたって、局所的なタッチ表面法線に対して自然な基準があるが、これは該当する構成要素を通すために得られ、さらに、物理的なタッチ表面に似ている最も自然な平滑な表面の自然な延長を直角で通り抜ける。構造の便宜上、時には局所的なタッチ表面法線に構成要素を揃えることがある。しかしながら、タッチ面法線に対して斜めの特性を有する構成要素またはアセンブリを含む本発明の複数の実施形態では、このような特性が局所的なタッチ表面法線に対しても斜めになる場合があることは理解できよう。
【００３９】
装置の一部分から他の部分に力を通す固体物体が結合部となる。結合部を通る合計力についてはその特徴を６つの数字で表わすことができる。これらの数字のうち３つは並進力の３本の直交成分の大きさを表す。他の３つは３本の直交基準軸の組を中心に得たトルクまたはモーメントの３つの成分の大きさを表わすことができる。これらの基準軸は、空間内に位置し、共通の基準点で交差するものでなければならない。得られるモーメントの値は基準点の位置によって異なる。特に、直線を形成している空間内に考えられる基準点の軌跡があり、この軌跡に沿ってモーメントのベクトルの大きさが共通の最小値になる。この軌跡のことを本願明細書では結合部を通る合計力の作用線と呼ぶ。具体的には、作用線に沿った点で参照すると作用線に垂直な軸を中心としたモーメントの大きさがゼロになる。
【００４０】
固体物体は、そのたわみが無視できる程度に小さい場合に特定の問題の目的で硬いとみなすことができる。一方、有意なたわみが生じるが、十分な近似値に近付けるのにフックの法則に従う場合は、弾性であるという表現を用いる。弾性結合部とは、一方の端部領域からもう１つの全体まで有意な弾性たわみを呈するものであって、かつ、一方の端部領域の他方に対する並進変位および回転変位の６通りの度合いに鑑みて内蔵構造体に対する作用をで説明できるようなものである。このような弾性結合部は弾性中心を呈することがあり、この弾性中心は結合部を介してさまざまな純粋なモーメントの結合が通ったことに応答して端部が回転するときの共通の中心を近似したものである。純粋に並進的な変位では作用線がこの弾性中心を通る力が生成されることが多い。弾性結合部には、さまざまな純粋に並進的な変位で試験した場合に剛性が最も大きくなる方向がある。この剛性が結合部の最も大きい主剛性である。最も小さい主剛性の方向および値は最も大きい剛性の方向に直角で得られ、中間の主剛性は他の２つと直角をなす第３の方向に沿って適用される。主剛性軸は主剛性が得られる方向に弾性中心を通る３本の線である。主方向での純粋な並進変位によって作用線が変位に平行な力が発生する。この条件を利用して主方向を見つけだすこともできる。ごく普通の衰退の事例では、２つまたは一般にはさらに少ない、３つの主剛性をすべて同じ値にすることができる。一対の非衰退主方向に対して傾いた純粋な並進変位があると、作用線が変位に対して傾いた力が得られる。この変位を横切る成分を本願明細書ではジャム力と呼ぶ。
【００４１】
力覚型タッチ位置判定装置に照らしてみると、さまざまな機械的結合部がタッチ表面構造体とその周囲の支持構造体との間に有意な力を通すことができる。これらの結合部としては、力検知接続部、シール、横方向難動化手段、力予荷重印加手段などがあげられる。特に興味深いのは、操作によるタッチ時に印加される付加力のかなりの部分を通すことのできるものである。伝達される力の有意な成分を監視するための力覚センサが存在する場合はこれらの結合部を本願明細書では検知接続部と呼び、このようなセンサが存在しない場合はこれらの結合部を本願明細書ではシャント接続部と呼ぶ。シャント接続部が認識されるタッチ位置に影響する力を通す場合、これを力の寄生経路が得られるという。
【００４２】
力検知接続部には感度の方向があり、この感度の方向とは、特定の大きさの並進力をその方向で印加すると最大出力が得られ、その方向に直角の方向で印加すると出力が得られないような方向である。変位センサにも印加される純粋な並進変位に対する同様の感度の方向がある。本願明細書では、力検知接続部にはその感度の方向に弾性中心を通る感度軸があるとしている。変位センサをその感度の方向に感度軸がくるようにし、この軸上の点を中心とした２つの側の相対的な回転によって出力が発生しないことが多いような位置に配置することができる。
【００４３】
接線力誤差は、タッチ位置判定装置での精度面に対するオフセット許容域と関連している。たとえば、図６Ａを参照すると、従来のタッチ位置判定装置９００が概略断面図で示されている。システム９００は、平面状のタッチ表面９０４のあるタッチパネル９０２を含む。装置９００などの従来のタッチ位置判定装置は、純粋にタッチ表面９０４に対する法線９１０に沿って印加されたわけではない（すなわち角度θがゼロではない場合）タッチの位置を誤認識することがある。以下、この誤差の１つの態様について詳細に説明する。
【００４４】
装置９００などの力を利用したタッチ装置には、通常は平面状である精度面９０６がある。精度面９０６は必ずしも物理的な表面に対応している必要はなく、接線力感度について言えば一般に物理的な表面には対応していない点に注意されたい。図面を簡単にする目的で図６Ａには力覚センサを示していないが、先行技術のタッチ装置９００は一般に力覚センサを含み、精度面９０６はこのような力覚センサがある方に片寄っていることが多い。
【００４５】
図６Ａに示すように、精度面９０６はオフセット９１２の分だけタッチ表面９０４からずれている。例示の目的で、このオフセット９１２は０．２５インチであると仮定する。タッチ表面９０４にはタッチ力９０８が印加される。タッチ力９０８はタッチ表面９０４の法線９１０に対してθ＝４５°傾いている。したがって、タッチ力９０８によって規定される作用線９２４が、点９１８から誤差の距離９１６（この場合は０．２５インチ）だけ離れたところにある点９１４で精度面９０６と交差する。この２つの点はタッチ力９０８が内側に向かってまっすぐに加わると（すなわち、タッチ表面９０４に対する法線９１０に純粋に沿っていると）重なり合う。タッチ装置９００をまっすぐなタッチに合わせて正しく較正しておけば、誤差の距離９１６（すなわち０．２５インチ）に等しい誤差で（斜めからの）タッチ力９０８の位置が認識される。
【００４６】
図６Ａに示すように、タッチ力９０８にはタッチ面９０４に対して垂直な成分９２２（「垂直成分」）とタッチ面１０４に対して平行な成分９２０（「接線成分」）の両方がある。多くの用途では、タッチ力の典型的な接線成分はタッチ力の垂直成分の約１／３の大きさになる。このような用途で、コンピュータで計算したタッチポジション誤差に対して許容できる典型的な配分（すなわち受け入れられる誤差の距離９１６の最大値）がｄであるとすると、精度面９０６に許容できるタッチ表面９０４からのオフセット９１２はプラスマイナス３ｄになる。したがって、用途ごとにタッチ面の機能的な厚さを定める「オフセットの許容域」があり、この許容域内であればタッチ位置の計算に受け入れ難いほどの誤差を生じることなく精度面９０６をとることができる。
【００４７】
本発明のさまざまな実施形態では、タッチ面からの選択された最大オフセット範囲内に精度面をとるための手法が得られる。このような最大オフセットは、所望のタッチ位置精度の度合いに応じて適当な方法で選択すればよいものである。
【００４８】
本願明細書では、本発明のさまざまな態様および実施形態を、接線力の成分のうち直交してアライメントされて中央に印加される成分に応答しないように設計されたデザインの観点から示す。ほとんどの場合、デザインにこの特徴があるということは印加される力の非関連自由度に対してシステムが応答しないことと同じである。
【００４９】
第１に、中央に印加される接線力のそのような一成分に対する感度を除去する手法をこれに垂直な他の接線成分に適用できる点を考慮する。そうすれば、重畳によって、システムは方向を問わず中央に印加される接線力を検知しなくなる（すなわちこれに応答して出力を生成することはない）。
【００５０】
第２に、３軸システムでは、少なくとも１つの左右対称面をもたせ、これに適当な回転対称性を組み合わせておけば、垂直方向のモーメントに応答しないことが明らかであろう。たとえば、センサの一般的な矩形の配置は、２つの平面について機能的に左右対称であり、（常に）二重回転対称性を示す。実用上の問題として、検討される配置の大半が純粋な垂直方向のモーメントに対してシステム応答をほとんど示さない。なお、場合によってはセンサの応答が見られることがあるが、これはタッチ位置の計算に用いる一次結合で相殺される点に注意されたい。
【００５１】
タッチ面内の接線力はいずれも中央に印加される接線力と垂直方向のモーメントとの組み合わせで表わすことができる。よって、重畳を別の形で応用することで、中央に印加される接線力の直交成分からの誤差を排除すればどの接線力からの誤差も排除できることになる。
【００５２】
本発明の一実施形態では、タッチ位置判定装置によるタッチ位置の測定に接線力が与える影響を以下のようにして軽減する。タッチ位置判定装置はタッチ表面を含み、このタッチ表面は平面状であってもよい。タッチ表面に対して実質的に平行な方向に剛性であってタッチ表面に垂直な方向に従順な横方向難動化手段が設けられる。横方向難動化手段は、タッチ表面のオフセットの許容域内にあり、タッチ表面からの接線力を受けるとともにこの接線力を力覚センサから離れる方向に伝達する目的でタッチ表面に取り付けられる。
【００５３】
タッチの表面内またはタッチの表面に対して対称に配置することで横方向難動化手段に妥当な特性を持たせることができるが、このようにするには他に方法がないわけではない。たとえば、適切な方法で構成した横方向難動化手段をタッチの平面の外に設けても、弾性中心をタッチの平面内におくことができる。すなわちタッチの平面に加わる接線力に対して回転せずに応答することができるのである。
【００５４】
横方向難動化手段は、おそらくタッチ位置判定装置内の他の構造体と一緒に、接線力を伝達できる第１の力の経路を提供する。この力の経路には力覚センサは含まれない。垂直力は力覚センサを含む第２の力の経路で伝達される。よって、接線力は力覚センサを通らずに伝達されるため、力の測定値にこのような力が影響することはない。
【００５５】
図１Ａ〜図１Ｂを参照すると、本発明の一実施形態による横方向難動化手段を含む触圧式の透明オーバーレイモジュール１０１が示されている。このモジュール１０１は、指、スタイラスまたは他の物体などで印加される触圧の検知に使用できるものである。詳細については後述するように、本発明のさまざまな実施形態では、モジュール１０１を使用して、タッチ表面にタッチ力が印加される位置および／またはタッチ力のうちタッチ表面に対して垂直な成分の大きさなど、タッチ表面に印加されるタッチ力の特性を検知することができる。本願と同時に出願された発明の名称「力を利用したタッチ入力のための方法および装置」の出願にオーバーレイモジュール１０１のさまざまな態様が詳細に説明されている。
【００５６】
透明オーバーレイモジュール１０１は対角４インチのＬＣＤディスプレイで使用するのに適しているであろう大きさに調整されているが、他の大きさの他のディスプレイでの比率やバリエーションが当業者には明らかであろう。ここでは、タッチ表面１０３ａのある透明パネル１０２がフレーム１０４ａの内側に配置されている。パネル１０２とフレーム１０４ａとの間に保持されているのは、相互接続用フレックスプリント１０５と、力覚センサ主要素１０６と、横方向易動化手段１０７である。パネル１０２の端には予圧ばね１０９が接合剤１１０で固定されている。モジュールを組み立てるとフレーム１０４ａに設けられた穴１１２にばね１０９の両端が係合し、これによってパネル１０２とフレーム１０４ａとの間に保持された構造体に合計約２ポンドの圧縮力が加わる。組み立て時、曲がった状態のばね１０９がパネル１０２の短い側のへりに沿った直線上にくる。横方向難動化手段・リキッドシール／ダストシールの組み合わせ１０８をパネル１０２とフレーム１０４ａの鉛直フランジの外面とに密着させると、フレーム１０４ａの内側でパネル１０２が確実に心合わせされる。このように心合わせした状態では、パネル１０２の長辺とフレーム１０４ａの長辺との間に小さな隙間があり、ばね１０９の取り付けられていない部分のまわりにも小さな隙間がある。したがって、パネル１０２のへりの部分がぶつかったりこすれたりすることなくタッチ表面１０３ａに加える力でパネルを垂直方向に小さく動かすことが可能である。
【００５７】
横方向難動化手段１０８は、たとえば取り付けたい２ヶ所の裏面にアクリル接着剤がある厚さ０．００１〜０．００２インチのポリエステルフィルムまたはポリイミドフィルムを含むものであってもよい。点線より外側にある１０８の外側部分（その部分が下向きに折れてフレーム１０４ａの鉛直フランジに重なる）に沿って第１のそのような接着部分１１８がある。第２の接着部分１１９は１０８の内側の縁に沿った幅約１／１６インチの帯である。この部分は、パネル１０２の縁から若干内側でタッチ表面１０３ａに貼り付けられる。点線に沿って曲げる際の横方向難動化手段１０８の応力が軽減されるため、単純な熱成形で横方向難動化手段１０８に適切な最終輪郭を持たせるようにすればよい。これは組み立ての前に行ってもよいし後で行ってもよい。横方向難動化手段１０８の出隅にある余分な材料については、対角線に沿って折り曲げてフレーム１０４ａの鉛直フランジの側面にくるようにすればよい。横方向難動化手段１０８の自由に曲がる領域１２０として適した幅は、この手段自体の剛性、パネル１０２の剛性、必要な精度に左右される。たとえば、この幅を０．０６０から０．１２０インチの範囲にすることができる。図１Ａに示す横方向難動化手段１０８の特定の実施形態は単に例示目的であげたものであり、本発明を限定するものではない点を理解されたい。それどころか、横方向難動化手段１０８は、タッチ力に応じたパネル１０２の横方向の運動を制限する単数または複数のどのような構造体を含むものであってもよい。
【００５８】
図１Ａに示す実施形態ではパネル１０２が力覚センサまたは予圧ばね１０９を介して固定されているわけではないため、基本となる幾何学的形状を維持する目的と横方向の動的な剛性を画定する目的の両方で横方向難動化手段１０８を利用する。一方、パネル１０２がその下のセンサに対して若干すべる可能性こそあるが、横方向易動化手段１０７を用いてもよい点に注意されたい。妥当と思われる接線力が原因で通常のタッチ時にこうしたすべりが生じてしまうのを防ぐために、タッチ力自体だけでなく予荷重力によっても十分な摩擦を得るようにするとよい。したがって、接線方向のタッチ力がとる経路を左右するのは、微分方向（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｓｅｎｓｅ）のみで、すべりの原因にならない小さな力に対する横方向難動化手段１０８の横方向剛性とセンサアセンブリの横方向剛性との比である。
【００５９】
図１Ａ〜図１Ｂでは横方向難動化手段１０８を単一の材料片として示してあるが、これは単なる一例にすぎず、本発明の制限をなすものではない。たとえば横方向難動化手段１０８を４つのテープ断片で構成してもよいし、さまざまな方法のうち適当なものを使って四隅の部分に突出または重畳させてもよい。あるいは、横方向難動化手段１０８は、たとえばタッチ表面１０３ａの内側の部分全体に光学的に透明な接着剤で貼り付けた１枚の透明フィルムシートであってもよい。横方向易動化手段１０７は、天然ゴムなどの強靱であるが軟質のエラストマーの薄層を含むものであってもよい。しかしながら、これよりも単純なソフトアクリル接着剤を選んだとしても、支承部の部分で多少薄くはなるがフォイル厚わずか０．００１５インチで十分に強靱かつ従順であることが明らかになった。特にプラスチック製の場合に、パネル１０２の縁に細部装飾を施すことができる。たとえば、フレーム１０４ａからフックを内側に曲げて予圧ばねを中央に保持した状態で、曲がった予圧ばねの両端をパネル１０２の四隅付近の表面と平行な穴に保持するようにしてもよい。
【００６０】
以下、本発明のさまざまな実施形態に用いられる横方向難動化手段（たとえば横方向難動化手段１０８など）の特徴について詳細に説明する。図２を参照すると、タッチ表面１０３（図１Ａ〜図１Ｂに示すタッチ表面１０３ａなどであってもよい）は、たとえばオーバーレイ（図１Ａに示すオーバーレイパネル１０２など）またはディスプレイユニット（ＬＣＤパネルなど）であればよい浮揚した構造体４０１の上に配置される。接線成分４０３と垂直成分４０４とを含むタッチ力が指４０２によって印加される。構造体４０１は、横方向易動化手段４０６を介して横方向難動化手段４０５と力覚センサ４０７とに支持される。すべての力を受けるのは周囲にある構造体４０８である。指４０２で印加したタッチ力の接線成分４０３によって反作用４０９が生じる。また、指４０２で印加したタッチ力の垂直成分４０４によって反作用４１０ａおよび４１０ｂが生じる。
【００６１】
横方向難動化手段４０５の構成と位置がゆえに、成分４０３と反作用４０９との組み合わせによって正味モーメントが生じることはない。このような外からのモーメントがない状態で垂直成分４０４に対する反作用が４１０ａと４１０ｂとに分かれることで、当業者間で周知の力とモーメントの式に基づいてタッチ位置が正確に特定される。
【００６２】
横方向難動化手段４０５、力覚センサ４０７、横方向易動化手段４０６およびこれらを囲む構造体４０８を、図２では一般化して示してあるが、これらの要素を、たとえば図１Ａ〜図１Ｂに示すようにして実現してもよいことは理解されたい。たとえば、横方向難動化手段４０５は横方向難動化手段１０８であってもよく、力覚センサ４０７は図１Ａ〜図１Ｂに示す力覚センサであってもよく、横方向易動化手段４０６は横方向易動化手段１０７であってもよく、周囲を囲む構造体４０８は、エンクロージャ２０２および／またはフレーム１０４ａまたは１０４ａであってもよい。
【００６３】
横方向難動化手段４０５の名称は、ある意味、力を利用した従来のタッチ装置では空隙が存在するであろう場合に設けたことから付したものである。横方向易動化手段４０６の名称は、ある意味、力を利用した従来のタッチ装置では一般に固定のカップリングがあるところに挿入されることから付したものである。しかしながら、どちらの場合も、直角の他方向ではなく一方向に印加される力に対してこれよりもかなり難動的なカップリングが望ましい場合がある点に注意されたい。硬い平坦な表面間に挟まれるエラストマーの高アスペクト層での場合のように、たとえば高いアスペクト比の柱、梁、板および膜がこの特性を持っている。もちろん古典的支承部でもよいが、ここでは小さな力のレベルで粘着力（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）を呈する場合があるラビング面（ｒｕｂｂｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ）を使用しない方がよいし、その方が単純である。
【００６４】
図２には直接は示していない他のいくつかの態様に注意されたい。図２の平面の上下にある縁に沿って横方向難動化手段４０５を設けてもよい。本発明のさまざまな実施形態では、主に横方向難動化手段４０５のこれらの他の部分における剪断が原因で反力４０９が発生する。
【００６５】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、横方向難動化手段４０５のさまざまな実施形態を示す。一般化された浮揚構造体４０１ａは、オーバーレイ（図１Ａに示すオーバーレイパネル１０２など）またはディスプレイユニット（ＬＣＤパネルなど）を表わすものであってもよく、このバリエーションでは一般化された力覚センサ４０７からエラストマーシートとして示される横方向易動化手段５０１を介して垂直の支持を受ける。横方向難動化手段５０２は、自由に屈曲する領域がタッチの平面にできるだけ近くにくることを意図したシート材料である。横方向難動化手段５０２については、４０１ａの外周全体に沿って配置してもよいし、センサ実装部の近くなどの特定の領域に限定してもよい。接線力には独立した２つの成分がある。一方は図３Ａ〜図３Ｃの左／右の軸に沿った成分であり、横方向難動化手段５０２の断面図で見える部分に部分にねじれまたは圧縮を加えることが多く、もう一方は図３Ａ〜図３Ｃの面に垂直で、横方向難動化手段５０２の断面図で見える部分に剪断が加わるおそれがある。横方向難動化手段５０２を基本的に平坦に維持すると、横方向難動化手段５０２全体が両方の成分に対して有効に抵抗する。横方向難動化手段５０２の材料となり得るほとんどの素材については、縦弾性係数と横弾性係数の比率が、横方向難動化手段５０２の剪断力がかかっている部分よりもねじれまたは圧縮力のかかっている同じ長さから約３から４倍大きな難動化が得られるようなものになる。
【００６６】
図３Ｂを参照すると、垂直力５０３は、横方向難動化手段５０２の屈曲する部分が傾いて伸びるような形でタッチ表面１０３を距離５０６だけ逸らすことができる。同断面図に示されるように、この距離５０６は、センサによって支えられた場所と場所との中間点で特に大きくなる場合がある。横方向難動化手段５０２の張力は距離５０６の二乗として大きくなる。横方向難動化手段５０２が傾くため、この張力には鉛直成分５０４があるが、この成分は印加される力５０３と釣り合う反作用の一部になる。このため、断面図には示されていないセンサを通る反作用成分５０５が想定値よりも小さくなり、若干の誤差が発生する。
【００６７】
図３Ｃは、垂直荷重の加わっていない状態で横方向難動化手段５０２の屈曲する部分を傾けた状態を示している。距離５１０は、たとえば、フレーム１０４の意図的に高くしたリップまたは構成要素とアセンブリの公差の影響のいずれかを表わす場合がある。接線力５０７が加わることで横方向難動化手段５０２が圧縮される。この圧縮力は傾いているため、接線力５０７と釣り合う接線成分だけでなく、反作用５０９と釣り合う垂直成分が含まれる。反対側の縁でも張力に同じような状態が発生する。誤差力５０９と、縁に沿ったセンサに作用する、誤差力と大きさは等しいが向きが逆の力とを合わせると、接線力５０７に対する反作用で生成される本質的なモーメントになる。この「ジャミング」作用は図３Ａ〜図３Ｃに示す構成のもうひとつの特性である。
【００６８】
図４は、適度な輪郭を持つ部分であればどこにでも設けられる別の横方向難動化手段６０１を示している。横方向難動化手段６０１は鉛直方向（すなわちタッチ表面１０３に対して実質的に直角をなす方向）に従順なため、このような輪郭にすることで横方向難動化手段６０１に張力を加えずに表面１０３を逸らすことができる。これによって、特に縁寄りの部分でセンサとセンサとの間がタッチされたときに正確に特定できるタッチ力の範囲が改善される。また、横方向難動化手段６０１をこのような輪郭にすることで、張力および圧縮力が加わった際の横方向の難動化作用が大幅に小さくなる。しかしながら、これでもまだ剪断力が加わった際に横方向難動化手段６０１の側面で十分な横方向剛性を得ることができるので、横方向難動化手段の張力および／または圧縮によって選択的に影響がおよぶ（本願明細書では「ジャミング作用」と呼ぶ）不完全さがゆえの誤差を大幅に小さくできる点で有利である。
【００６９】
浮揚した構造体４０１ｂは勾配のある縁６０２を設けた状態で示されている。このようにすることで、力覚センサと横方向難動化手段６０１とが境界部分の幅の狭い同じ空間を共有できるようになると同時に、横方向難動化手段の屈曲する部分にクリアランスが保たれる。アプリケーションベゼル２０３は、ベゼル２０３と横方向難動化手段６０１および表面１０３の両方との間にクリアランスを保証するための付加的なフィーチャ６０４を設けた状態で示されている。ベゼル２０３はそれらを化粧的に隠し、かつ横方向難動化手段６０１を破損から保護するために、境界構造の上に完全にかぶさる形で示されている。
【００７０】
横方向難動化手段６０１の輪郭に関して注目されることのある点がもうひとつある。剪断力が加わった際の横方向難動化手段６０１の回転弾性軸は点線６０３の高さに位置する。輪郭がほぼ円形であればタッチの平面から点線６０３までのオフセットが横方向難動化手段６０１自体の最大オフセットの約２倍になる。一方、横方向難動化手段６０１の輪郭が浅い「Ｖ」形であれば点線６０３はその先端と同じ高さに位置することになろう。精度面が点線６０３の高さに位置するので、接線力の拒絶は完全なものではないが、それでもなお相当なものである。
【００７１】
図５Ａ〜図５Ｃは、たとえば図１Ａ〜図１Ｂに示す実施形態に適用できる、横方向難動化手段１０８の別のバリエーション１０８ａ〜ｃを示している。これらのバリエーションでは、フレーム１０４が、タッチ表面１０３よりも０．０２０インチ上にできる意図的に高くした部分すなわちリップと一緒に示されている。横方向難動化手段１０８ａはシールの役割も果たし、かなり急な「くの字形」の輪郭部分７０１ａが設けられている。１０８ａの屈曲する領域の大半はオーバーレイ１０２によって援護される。この部分では破損に対して極めて強くなるという利点が得られ、必ずしもアプリケーションベゼル２０３によって覆っておく必要はない。なお、他の実施形態では、横方向難動化手段１０８ａがフレーム１０４ａとタッチ表面１０３との間のシールにならない場合もあることを理解されたい。
【００７２】
図５Ａでは、横方向難動化手段１０８ａを表面１０３に取り付けてある点７０２の近くに輪郭部分７０１ａを配置する。ベゼル２０３は幅が最小限のものである。横方向難動化手段１０８ａは、境界の目にみえる細部装飾にふさわしい不透明色のものであって構わない。ベゼル２０３ａの下には汚れがたまる可能性のある空洞部分がほとんど露出していないか全く露出していないため、この構成は汚れた環境に特にふさわしいものである点に注意されたい。図５Ｂでは、フレーム１０４のリップ寄りに輪郭７０１ｂを配置する。ベゼル２０３ｂは境界の構造を隠す形で示されている。図５Ａおよび図５Ｂの横方向難動化手段１０８ａおよび１０８ｂはそれぞれ、たとえば４つの別々のテープまたは単一のダイカット片のいずれの形であってもよい。
【００７３】
図５Ａ〜図５Ｂに示すくの字形の横方向難動化手段１０８ａ〜ｂについては、剪断に対する反作用が加わった際の回転弾性軸６０３が、タッチ表面１０３の上にある横方向難動化手段の屈曲する部分の平均の高さとほぼ同じところに位置する。このようにして得られる精度面は、多くの目的でタッチ面に十分に近付けることができる。しかしながら、ジャミング作用が残ると精度面がタッチ表面よりも下に押し下げられるおそれがあるのに対し、ここでは軸６０３がその上にある点に注意されたい。したがって、輪郭部分７０１の位置および／またはリップの高さを調節することで、２つの相反する作用を調節して相殺することができる。これは、横方向難動化手段そのものよりもタッチの平面にはるかに近くに限定された接線方向の反力を発生させる横方向難動化手段の１つの例となる。
【００７４】
図５Ｃでは、横方向難動化手段１０８ｃが、タッチ表面１０３全体にかぶさる透明なフィルムを含む。横方向難動化手段１０８ｃの取り付け点７０２の内側にある部分が光学接着剤で固定される。図示のようにベゼル２０３が最小であるか、そうでなければ浮揚構造体４０１が透明な場合は、（センサと他の縁構造をユーザの目から隠すために）浮揚構造体４０１の上面または下面を縁に沿って不透明な材料でコーティングすると見た目の点で都合がよいことがある。浮揚構造体４０１がガラス製のオーバーレイまたは分割可能なディスプレイである場合、破損時に都合のよい安全面での効果が横方向難動化手段１０８ｃによって得られる。表面１０３の光学品質がちょうど取り付け点７０２のところまで一定であるため、境界幅を増やさずにこの点をさらに内側に配置することができる。境界幅全体を１０８ｃの屈曲する部分に利用できるため、垂直方向剛性を余分に持たせることなく横方向難動化手段１０８ｃを厚く丈夫にできるという利点が得られる。
【００７５】
本発明の一態様において、第１および第２の弾性手段はそれぞれタッチ位置判定装置のタッチ表面の上下に設けられている。第１および第２の弾性手段は、タッチの平面内または少なくともタッチの平面のオフセットの許容域内に弾性中心が得られるように釣り合っている。弾性手段はタッチ位置判定装置の検知接続部内でタッチの平面のオフセットの許容域内に精度面が得られるような形で設けられているため、タッチ位置判定装置の力覚センサに対する接線力の影響が軽減または排除される。
【００７６】
たとえば、図７Ａを参照すると、タッチの平面のオフセットの許容域内に精度面を生成するための弾性手段１０１０を含む力覚センサアセンブリの一例が示されている。硬い支持面１００４に力覚センサ１００２が設けられている。力覚センサ１００２（ならびに本願明細書の他の部分で図示および説明する他の力覚センサ）は、図面を分かりやすくするために一般化した形で示されており、十分な剛性を得られるものであれば、圧電式、抵抗式、容量式など、あるいは他のタイプの構成であってもよい。本願明細書で述べる例は、関連するたわみがすべてここで述べる弾性手段で起こるという前提でのものであるが、これは本発明を限定するものではない。むしろ、精度面上下の弾性手段１０１０の相対剛性を調節することで、「硬い」構造体における適度な弾性たわみに対応することができる点を理解されたい。このような「硬い」構造体におけるたわみが大きすぎて上記のような調節ができない場合（たとえば負の剛性値が必要であるなど）、精度面上下の弾性手段１０１０の剛性を共通して低くし、その相対的な調節によって所望の効果が得られるようにしてもよい。力覚センサ１００２はタッチパネル１００８のタッチ表面１００６に加わるタッチ力を検知する。剛性支持部材１０１４は、（１）タッチ表面１００６の縁から上向きに延在する鉛直部分１０１４ａと、（２）タッチパネル１００８の縁から離れる方向に延在して弾性手段１０１０用のクリアランスを作り出す水平部分１０１４ｂとを含む。
【００７７】
弾性手段１０１０の一方の端は剛性支持部材１０１４の水平部分１０１４ｂの裏側と連結され、弾性手段１０１０の他端は力覚センサ１００２の上面と連結されている。弾性手段１０１０は、変曲点１０１２よりも上の上側部分１０１０ａと変曲点１０１２よりも下の下側部分１０１０ｂとを含む。
【００７８】
第１の実施形態では、弾性手段１０１０はモジュラスおよび慣性モーメントの均一な梁であり、１０１０ａの部分と１０１０ｂの部分は長さが等しい。対称にすることで、この実施形態では弾性手段１０１０には変曲点１０１２があり、この変曲点の周囲ではタッチ表面１００６に加わる接線力に応答したモーメントは発生しないことが明らかであろう。
【００７９】
第２の実施形態では、図７Ｂに移ると、弾性部材１０１４の１０２０ａと１０２０ｂの部分がそれぞれモジュラスおよび慣性モーメントの均一な別々の梁であるが、慣性モーメントが異なる場合は画定している横軸とは無関係にその比が一定である。２つの部分１０２０ａ〜ｂの長さの比をその慣性モーメントの比の平方根にすると、ここでも１０１２に変曲点ができる。このため、たとえば弾性部材１０１４の断面を丸くすることができる。この場合、タッチの平面１００６よりも下で直径Ｄを２００ミル、タッチの平面よりも上で直径Ｄ／２を５０ミルとすることができる。適切な材料と直径Ｄとを選択すれば、弾性部材１０１４を十分な強度のものとすることができ、なおかつ変曲点１０１２の位置を制御できる程度の可撓性も持たせられる。しかしながら、周囲の構造体におけるたわみの作用に対応するために１０２０ａの部分の長さを経験的に調節すると望ましい場合がある。
【００８０】
センサを後方に配置するための上記の方法を用いると、１０１２の近辺で力を伝達するための材料の量を増やすことができ、強度を高め、部材１０１０によってタッチパネル１００８を支持面１００４に完全に相互接続し、拘束し、組み立てることができるという点で、デコスタ（ＤｅＣｏｓｔａ）によって米国特許第４，３５５，２０２号で提供されている方法を凌ぐ利点が得られる。
【００８１】
再度図７Ｂを参照し、タッチ表面１００６には水平力Ｆも加わると仮定する。ｚはタッチ表面１００６からの距離すなわちモーメントアームの長さ、よって１０２０で接線力によって生じるモーメントを示す。Ｍは、支持部材１０２０がタッチ表面１００６に連結された点ａで力Ｆに応答して生成されるモーメントである。
【００８２】
Ｍは点ａと装置の反対側にある対称点（図示せず）の両方で理想的にはゼロである。これが達成できると、タッチ表面１００６には平衡を維持するのに力覚センサ１００２またはこれと対称の位置にあるセンサにおける偽の鉛直センサ力が必要なくなる。タッチ表面１００６は基本的に水平のままであるため、１０２０の長さにわたる統合旋回（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｔｕｒｎｉｎｇ）をゼロのまま維持しなければならない。ｚ＝０（すなわちＭ＝０）のときにモーメントがゼロになると、
【数１】
2004527847.tif 000003
式中、Ｅは縦弾性係数であり、Ｉは断面の慣性モーメントである。
【００８３】
式１を満足するとタッチ表面１００６上下の支持部材１０２０のたわみの作用は互いに相殺される。接点ｂで力覚センサ１００２には純粋なモーメントの結合と純粋な剪断力とが感知され、センサ１００２は純粋なモーメントの結合または純粋な剪断力には反応しない。式１を用いれば弾性手段１０２０の適切なデザインを開発することができる。あるいは、当業者間で周知の経験的な手段または分析手段のいずれかを利用して、当業者であれば明らかであろう多くのバリエーションのいずれでも開発することができる。たとえば、図７Ｂに示す実施形態のバリエーションでは部材１０１４は別個の剛性部材ではなく弾性手段１０２０を弾性的に延長したものであってもよい。このようにすると、このバリエーションの接線力Ｆに対する応答の分析結果を実質的に式１と一致させることができる。しかしながら、図の平面を通る接線力（図示せず）については、別のねじりたわみを考慮しなければならない。ただし、弾性手段のさまざまな部分の相対的な厚さをタッチ面に平行なｘ方向とｙ方向の両方に独立して変えることができるため、点ａでの反作用モーメントが接線力の両方の成分についてゼロになる場合がある。また、１つのタッチ位置判定装置内にデザインまたは設置向きの異なる検知接続部を用いる場合、点ａにおけるゼロではないモーメントをまとめて相殺されるように設計することができるため、ここでもモーメントの平衡を維持するのに偽の垂直力がセンサに伝わることがない点は理解できよう。
【００８４】
さて、本願明細書に記載の他の態様と関係があるが、いくぶん異なる分析によって利益が得られる本発明のさらに他の２つの態様について検討する。どちらの態様においても、硬いタッチ表面構造体をタッチ面よりも下にある弾性結合部で支持する。検知は変位センサによって行う。このセンサは、タッチ表面構造体のさまざまな領域が支持構造体に対して動く動きに、直接または間接的に応答することができるものである。
【００８５】
これらの態様では、タッチの平面に精度面を維持したままタッチの平面よりも下に弾性支持体が得られる。第１のバリエーションでは傾斜剛性軸を用いてこれを達成し、第２のバリエーションは角度のついた感度軸を用いてこれを達成する点でさらに新規である。
【００８６】
弾性結合部と併用される力覚センサとして見たときに、これらの態様の変位センサは各々がすべての弾性結合部のまとまりに依存する。このため、複数のセンサを含むタッチ操作式装置全体を、１つのマルチチャネル力覚型結合部として見ることができる。本発明のこれらの態様のさまざまな実施形態では、タッチ力によって生じるタッチパネルと支持体のたわみが弾性結合部の変位量に比べて小さければ、変位センサが両方の作用を「見る」ため精度を高くすることができる。センサと弾性結合部とを厳密にペアにできる限り、この誤差に対する感度とそれに対応する剛性の要件を緩和することができる。変位センサの感度軸がそれぞれ関連する弾性結合部の弾性中心を通る範囲内において、このようなペアリングが別個の単一チャネル力覚センサ複数個からなる共働集合として分析に役立つことがある。しかしながら、変位の視点がより一般的なように、それはこれらの実施形態を分析する際に得られる。
【００８７】
図１１に移ると、弾性補正を用いる本発明の一実施形態が示されている。硬いタッチ表面構造体１４０１が弾性結合部１４０３ａ〜ｂによって硬い支持体１４０２上に支持される。タッチ表面構造体１４０１の局所的な垂直運動を変位センサ１４０４ａ〜ｂで監視する。このセンサは、垂直方向に感度軸１４１２ａ〜ｂがある。変位センサ１４０４ａ〜ｂは、図面に一般化して示した形から連想できるような容量型であってもよいし、光学型、誘導型、あるいはわずかな力を通す他のタイプのものであってもよい。
【００８８】
弾性結合部１４０３ａ〜ｂとタッチ表面構造体１４０１と支持体１４０２とで、ちょうど角のある剛性構造体１３００に匹敵するシステムになる。このように、タッチ表面１４１１の接線力によってタッチ表面構造体１４０１を純粋に横方向に変位させ、センサ１４０４ａ〜ｂからは出力が出ないようにするには、弾性結合部１４０３ａ〜ｂをどのように設ければよいかが分かる。よって、図１１のシステムではタッチ力の接線成分に応答して誤差が生じることはない。
【００８９】
図１２に移ると、角度のついた感度軸を用いた本発明の一実施形態が示されている。硬いタッチ表面構造体１５０１が弾性結合部１５０３ａ〜ｂによって硬い支持体１５０２上に支持される。タッチ表面構造体１５０１の局所的な運動については、変位センサ１５０４ａ〜ｂを用いてタッチ面および所望の精度面１５１１に対して傾いた感度軸１５１２ａ〜ｂに沿って監視する。ここでも変位センサ１５０４ａ〜ｂは事実上どのようなタイプのものであってもよく、大きさ、精度、コストなどに関してそれぞれの用途に最もふさわしいと考えられるものすべてが選択肢になる。
【００９０】
タッチ表面１５１１に接線力１５１３が加わると、タッチ表面構造体１５０１は図１２の下にある点を中心に若干回転する。この運動は変位センサ１５０４ａの部分では線１５０９に沿っている。線１５０９に似た変位線がもう１本（図示せず）あり、この線はタッチ表面の中心１５１４から上に通る接線力（図示せず）に応答して図面から出ると仮定できる。感度軸１５１２ａがこの線と同時に線１５０９に対しても垂直に設定されることは明らかであろう。センサ１５０４ｂおよび使用する他のすべての変位センサについて、仮に不規則な配置になっているとしても同様のことが当てはまる。よって、タッチの接線力成分によるタッチ位置判定誤差が全面的に排除されるセンサの向きを得ることできる。
【００９１】
このような向きは明らかに経験によって見つけだすことのできるものである。しかしながら、さらに分析を行うことでこれを見通すことができる場合もある。
【００９２】
図１２を参照したまま先に進めると、接線力１５１３によって結合部１５０３ａに大きさＦの力が発生する。この力には、力１５０５で示されるように大きさＦ１の垂直成分と大きさＦ２の接線成分とがある。力Ｆには、タッチ表面の中心１５１４と結合部１５０３ａの弾性中心のすぐそばとを通る作用線１５１０がある。（結合部１５０３ａにはタッチ表面構造体１５０１のわずかな回転に対する小さなモーメント反作用があるため、この位置関係は理論的には完全なものではない。）結合部１５０３ａの弾性中心はタッチ面よりも距離Ｈ２だけ下にあり、センサ１５０４ａの中心はタッチ面よりも距離Ｈ１だけ下にある。結合部１５０３ａの弾性中心は中心点１５１４よりも距離Ｌ２だけ左にあり、センサ１５０４ａのこれに対応する対応する距離はＬ１である。したがって、Ｆ１／Ｆ２の比がＨ２／Ｌ２の比に極めて近くなることが分かる。
【００９３】
弾性結合部１５０３ａの主軸および剛性を１５０６に示す。結合部１５０３の弾性中心における硬い延長（ｒｉｇｉｄ  ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）によって見られるタッチ表面構造体１５０１のずれを１５０７に示す。図示のように、かつ、弾性結合部１５０３ａ〜ｂを表わすのに用いた符号からも連想できるように、垂直方向の主剛性Ｓ１が接線方向の主剛性Ｓ２を超えることがある（Ｓ１／Ｓ２＞１）。実用上、極めて広い幅の剛性比が可能であり、多くの弾性結合部の選択肢で比Ｓ１／Ｓ２を１未満にすることができる。図示の力の成分Ｆ１およびＦ２はすでに結合部１５０３ａの主軸と位置が揃っているため、変位Ｄがタッチ面との間でなす角度φの接線がＤ１／Ｄ２＝（Ｆ１／Ｆ２）＊（Ｓ２／Ｓ１）＝（Ｈ２／Ｌ２）＊Ｓ２／Ｓ１になる。
【００９４】
変位の線１５０９がタッチ面との間でなす角度は、センサ１５０４ａが最適に傾けられたときの角度θでもある。これらの角度はφと密接に関連しており、１５０３ａの弾性中心と１５０４ａのセンサ中心とが重畳するか、あるいは接線力１５１３に応答してタッチ表面構造体１５０１が回転するときの回転中心から共通の半径に沿って位置するときに、条件θ＝φが適用される。この回転中心は感度軸１５１２ａ〜ｂの交点に位置する。また、タッチ面法線から角度φだけ傾いた結合部１５０３ａ〜ｂの弾性中心を通る半径に沿って位置する。この幾何学的形状を検討すると、以下の式２で表される関係が得られる。
【数２】
2004527847.tif 000004
【００９５】
三次元のデザインを構築するにあたっては、角度θを、ｘ軸またはｙ軸を含む垂直面に該当するセンサの感度軸を投影したときにタッチ面法線との間でなす角度としてとり、それぞれの軸に対して各センサごとに定めることができる。
【００９６】
剛性Ｓ２に関しては、値が大きくなればなるほどθも大きくなって横方向の動きが少なくなり、製造時にθの値を維持するのに必要な精度を低くすることができる。
【００９７】
図１１または図１２の実施形態に関しては、すべての変位センサが１本の直線の付近に集中しないようにすれば、変位センサの位置を大きな自由度で選択することができる。特に、センサを別個の弾性結合部と極めて近接させてペアにし、剛性の要件を緩和することができる。あるいは、センサを弾性結合部の内側や外側に設けたり、弾性結合部の代わりにしたり、弾性結合部とは違う数で設けるようにしてもよい。弾性結合部の垂直方向剛性を小さくして必要なセンサの感度や構造剛性を小さくしてもよいし、これを大きくして振動に対する感度を抑えるようにしてもよい。
【００９８】
斜めの変位センサと斜めの剛性弾性結合部との組み合わせも自明であり、いずれも本発明の範囲内に包含される。
【００９９】
本発明のさまざまな実施形態では傾斜剛性すなわち、剛性の主軸がタッチ面法線に対して傾いた１つまたはそれ以上の弾性体を利用している。
【０１００】
図１０Ａを参照すると、角度のついた剛性構造体１３００は弾性結合部１３０１ａ〜ｂによって硬い支持体１３０３上に支持された剛性体１３０２を含む。これらの弾性結合部にはそれぞれ対応する最大の剛性の主軸１３１２ａ〜ｂがある。弾性結合部１３０１ｂは、図１０Ａの中央の平面を基準に結合部１３０１ａの鏡像として構成および適用されている。通常、弾性結合部１３０１ａ〜ｂは、その両端でしっかりと固定されているため、どの方向にもある程度は力に耐えられるものと考えられる。弾性結合部１３０１ａについては、この抵抗力が最も大きい主剛性１３１０の長さと方向とによって表される特定方向に沿った最大値になることがある。このとき、弾性結合部１３０１ａの小さい方の主剛性１３１１は最も大きい主剛性１３１０に対して常に直角になる。説明の目的で、これらの２つの方向が図１０Ａの平面にくるようにしてある。三次元では３つ目の主剛性が図１０Ａの平面に対して直角に延在することになる。実際には、残り２つの小さい主剛性が衰えるようにこの最後の主剛性に剛性１３１１と等しい値を持たせることができる。
【０１０１】
接線力１３０４は表面１３０５の高さで剛性体１３０２に加わる。この表面はタッチ表面を示すものであってもよい。接線力に応答して剛性体１３０２が左方向に移動するが、このとき点１３０６はおそらく左上に動くか、あるいはおそらく下に動くか、おそらく同じ高さのままである。しかしながら、対称性から明らかなように、表面１３０５の中央にある点１３０８は純粋に水平に移動を開始するはずである。
【０１０２】
結合部１３０１ａ〜ｂの最も大きい主剛性の方向は、表面１３０５に対する法線から内側に角度θだけ傾いている。θ＝０で剛性の位置が揃っていると、構造体１３００の弾性中心は結合部１３０１ａ〜ｂの別々の弾性中心の中点である点１３０７にくる。よって、この場合、点１３０６は力１３０４に応答して左下に沈む。しかしながら、θが０よりも大きい場合は、システムの弾性中心は点１３０７よりも上にくる。これについて理解するために、小さい方の主剛性１３１１がゼロまで小さくなると仮定する。弾性結合部１３０１ａ〜ｂを適切な構造のものとすることでこの状態に近付けることができるが、両端にピボットを使って実装し、このピボットが最も大きい主剛性軸１３１２ａ〜ｂに沿っている状態を想像すれば完全にイメージすることができる。これでわずかな力１３０４が加わるだけでも剛性体１３０２は軸同士が交差する点１３０９を中心に回転して変位する。従って、点１３０６は左に行くにつれて高くなる。
【０１０３】
純粋なモーメントの結合が加わるとシステムの弾性中心は回転中心のことがあるが、並進力が関与すると一般に回転中心ではなくなる。しかしながら、この特別の場合において、システムは明らかにモーメントの結合に応答して点１３０９を中心に回転するため、２つの中心が一致する場合もある。
【０１０４】
弾性結合部１３０１ａ〜ｂの小さい方の主剛性が増すにつれて、システムの弾性中心は、点１３０９から点１３０７の方に向かう対称面に沿ってなめらかに降下し、「小さい方の」主剛性と「最も大きい」主剛性の大きさが等しくなると後者の点に到達する。
【０１０５】
したがって、最も大きい主剛性１３１２ａ〜ｂの軸を中央の表面点１３０８よりも上に通すのに角度θをどのような値にしても、点１３０８でシステムの弾性中心に位置する小さい方の主剛性１３１１の値がある。そのような選択で、点１３０６は、力１３０４に応答して純粋に水平に移動しはじめる。力１３０４には抗力が働くため、最終結果は些細な回転または鉛直方向の変位を伴う、剛性体１３０２の小さな水平の変位となる場合がある。
【０１０６】
したがって、本発明の一態様では、角度のついた剛性構造体を用いて弾性中心の位置を計画的に制御し、傾斜剛性を利用しなければ達成するのが難しい位置に弾性中心をおくことができる。特に、本発明は、角度のついた剛性構造体１３００で関連の弾性エネルギ貯蔵から弾性中心を引き離す平面（平面１３１３など）の向こうにある点（点１３０８など）にどのようにして弾性中心を投影するかを教示するものである。
【０１０７】
横方向難動化手段として解釈すると、角度のついた剛性構造体１３００には、角度のついた剛性構造体１３００の弾性中心を含み、この弾性中心によって位置が決まる作用の平面があることが分かる。
【０１０８】
以上、最も大きい主剛性軸と位置合わせされる物理的な構造体および端部のアタッチメントを有する弾性結合部１３０１ａ〜ｂについて説明した。これは説明を明瞭にするだけの目的で示したものである。結合部１３０１ａ〜ｂを表わすために選択した半概略的な記号は、確かに使用することが可能なコイルばねを連想させるものではあるが、エラストマーブロックまたは成形品などの他の構造体あるいは大きめのばね金属プレス加工体から曲げて弓形にした薄いタブを使用して結合部１３０１ａ〜ｂを実現してもよい。当業者であれば、材料、形状および構成の他の多くのバリエーションを思い浮かべることができよう。傾斜剛性については、大きめの物体に適宜形成された部分として、あるいは小さめの物体を組み合わせることにより得ることができる。傾斜剛性のアタッチメントの点も必ずしもその剛性の主軸と関連している必要はない。
【０１０９】
図１０Ｂでは、たとえば一例としての弾性結合部１３２０が剛性体１３２１と硬い支持体１３２２との間に位置し、剛性の最も大きな傾斜主軸１３２３が形成されている。弾性中心１３２７および１３２８のある弾性体１３２４および１３２５が、硬いリンク１３２９ａ〜ｃを用いて直列に連結されている。リンク１３２９ａおよび１３２９ｃは硬く、上下の剛性体を固定しているため、全体としての弾性挙動または軸１３２３に影響しない経路と取り付け点とを適宜選択することができる。弾性体１３２４および１３２５それぞれに傾斜していない剛性主軸があってもよい点に注意されたい。しかしながら、直列に接続する場合、弾性中心１３２７と１３２８との間の線に垂直な方向への全体としての変位に応答してリンク１３２９ｂが回転する場合がある。これは、最も大きい剛性主軸１３２３を中心１３２７および１３２８のそばを通るようにしたままこの方向への変位に対する抵抗を非常に小さくする。このように、軸１３２３の傾斜は、直列接続された弾性中心１３２７および１３２８の傾斜した位置に起因するものである。したがって、弾性中心が、個々のサブ要素が傾斜していない場合ですら、構造体の傾斜した態様に起因する傾斜剛性を利用して、弾性中心を制御または投影できることは理解できよう。
【０１１０】
再び図１０Ａに戻り、三次元の角度のついた剛性構造体１３００について検討することができる。構造体１３００の全体としての弾性中心が、左または右に伝達される力に関する限り、図１０Ａの平面に出入りする力と同じ高さに保たれると望ましいことがある。これを達成するために、弾性結合部１３０１ａ〜ｂに類似した別個の弾性結合部を、それぞれが共通の中心軸に向かって内側に傾斜した剛性体１３０２の下にある若干閉じた曲線の外周に間隔をあけて配置することができる。正味の傾斜量が内側である限りにおいて弾性結合部をそのような軸の側に傾斜させてもよく、結合部の組み合わせで適切なバランスを一緒に回復できる。あるいは、傾斜軸のある連続した弾性部材でこのような曲線すなわち弾性結合部１３０１ａ〜ｂのまわりを覆えば、図１０Ａの平面に近い断面の作用を表わすことができる。どちらの場合も、図面の平面の上または下にあり、左右の軸に対して中心に近い位置にある弾性結合部で、弾性結合部１３０１ａ〜ｂの投影作用が若干抑えられる。適切な角度θと剛性１３１１に対する剛性１３１０の適切な比を選択する際にこれを考慮に入れるようにしてもよい。
【０１１１】
全体としての弾性中心の特定の高さについては、このような高さを得るのに十分な比の最小値と、これが対応するθの単一の値がある。しかしながら、比が大きくなると、全体としての弾性中心の同じ所望の高さが得られるθの値には２通りある。θの値が小さく傾斜が少ない解決策は、垂直方向の剛性が比較的大きく接線方向の剛性が比較的小さい構造体１３００に対応し、θの値が大きく傾斜が多い解決策では垂直方向の剛性が少なく接線方向の剛性が多くなる。本願明細書の他の部分に記載したさまざまな用途では、一方の解決策の方がうまく機能することもあればもう一方の方がうまく機能することもある。適切な解決策の計算は当業者間で周知の力学法則から生じる。
【０１１２】
本発明の一態様では、タッチの平面から移動させた横方向難動化手段を用いたタッチ位置判定装置において力の経路を分配する。たとえば、図８Ａに移ると、力覚型タッチ位置判定装置１１００は、タッチ表面１１０７のあるタッチパネル１１０１を含む。パネル１１０１は、検知接続部１１０３ａ〜ｂおよび斜め剛性弾性結合部１１０４ａ〜ｂを介して支持面１１０２上に配置されている。検知接続部１１０３ａ〜ｂは、力覚センサ１１０５ａ〜ｂおよび横方向易動化手段１１０６ａ〜ｂを有するセンサアセンブリを含む。パネル１１０１と支持体１１０２と弾性結合部１１０４ａ〜ｂとの組み合わせで角度のついた剛性構造体１３００（図１０Ａ）に類似した構造体をなす。
【０１１３】
第１の実施形態では、横方向易動化手段１１０６ａ〜ｂでは、弾性結合部１１０４ａ〜ｂによって得られる横方向剛性と比べると些細な横方向剛性が得られる。結合部１１０４ａ〜ｂの傾斜および剛性比については、検知接続部１１０３ａ〜ｂがない状態で、タッチ面１１０７に弾性中心１１０８が得られるように選択してもよい。このようにすると、いずれかのセンサ接続部の部分に鉛直方向の逸れを発生させることなくタッチ面１１０７に加わる接線力によって純粋な横方向の動きが得られる。従って、検知接続部１１０３ａ〜ｂを再度組み込むと、センサ１１０５ａ〜ｂを支えてはいるがこのセンサに有意な力を伝達することなく、同じ接線力によって純粋な横方向の動きが生成され続けることが分かるであろう。このように、タッチ位置判定装置１１００を、その精度面がタッチ面と実質的に一致するものにすることができる。
【０１１４】
第２の実施形態では、横方向易動化手段１１０６ａ〜ｂによって少なからぬ横方向剛性が得られる。しかしながら、結合部１１０４ａ〜ｂの傾斜と剛性比とを選択し、検知接続部１１０３ａ〜ｂのない状態で、点１１０８よりも若干高い弾性中心を得ることができる。センサアセンブリの横方向剛性が過剰でなければ、精度面がタッチの平面のオフセットの許容域内にくるように、この剛性による作用を相殺できる結合部１１０４ａ〜ｂの選択肢があることが分かるであろう。さらに他の場合では、センサ接続部１１０３ａ〜ｂによって少なからぬ横方向剛性のみならず若干傾斜した剛性も得られるのであれば、弾性結合部１１０４ａ〜ｂを適切に調節することでまだ精度面とタッチの平面とを一致させることができる点も分かるであろう。
【０１１５】
力覚センサ１１０５ａ〜ｂは、どのようなデザインでどのような鉛直剛性を有するものであってもよい。横方向易動化材１１０６ａ〜ｂについては、センサの上と下のどちらに配置してもよく、センサが十分な横方向のコンプライアンスを有するのであればこれを省略してもよい。センサ１１０５ａ〜ｂまたは横方向易動化材１１０６ａ〜ｂのいずれかに回転易動化部を設け、パネル１１０１または支持体１１０２のいずれかのたわみによる有害な影響を軽減するようにしてもよい。弾性結合部１１０４ａ〜ｂに実用的な範囲で最大限の傾斜を選択し、最大限の横方向難動化と最小限の垂直方向剛性とを得るようにしてもよい。弾性結合部１１０４ａ〜ｂの垂直方向剛性が低いとほとんどの垂直方向のタッチ力はセンサ１１０５ａ〜ｂを介して伝わることができ、パネル１１０１または支持体１１０２のたわみによるタッチ位置判定誤差が小さくなる。このため、弾性結合部１１０４ａ〜ｂは弾性結合部を有する横方向難動化手段をタッチの平面の裏側に備えている。
【０１１６】
図８Ｂは、本発明の一実施形態によるドーム形のタッチレンズ１１５０を含むタッチ操作可能な携帯電話での用途を示している。ドーム形レンズ１１５０の形状にすることは、見た目の理由から、あるいは強度または剛性といった機能的な理由から望ましい場合がある。レンズ１１５０のタッチ表面１１５２は平面状ではないため、３軸の力覚ではもはや接線力を完全に拒絶するのは不可能である。それでも良好な折衷案としての精度面１１５４を得ることは可能ではあるが、図示のように横方向難動化材で現実に利用できる領域よりもかなり上にきてしまう。
【０１１７】
筐体１１６０は回路基板１１６６にしっかりと載っており、その下にある他の構造体とまとめて効果的に硬い支持体を形成している。回路基板１１６６は筐体１１６０の棚形部１１６８および／またはリブ１１６９に接している。タッチ表面１１５２の下で機能する懸架部材１１８０の助けを借りて、所望の精度面１１５４を得ることができる。この部材１１８０はシールとしても機能し、下からの弾性補正を利用することで横方向難動化手段としても機能する。
【０１１８】
懸架部材１１８０については、「ジャミング（ｊａｍｍｉｎｇ）」作用が得られるように斜めに設けられている。本発明の一実施形態では、懸架部材１１８０は、鉛直方向の力伝達要素１１５８と筐体１１６０との間に、所望の精度面１１５４に対して精度面１１５４が所望の高さにくるような角度で配置されている。要素１１５８はその長さから鉛直方向に難動的であるが横方向には極めて易動的であり、ネッキングフィーチャ１１７０との連携で機能する。
具体的には、本発明の一実施形態では懸架部材１１８０を配置すべき角度を以下のようにして選択する。図８Ｃを参照すると、図８Ｂに示す懸架部材１１８０を取り入れた携帯電話用途の部分断面図が示されている。レンズ１１５０は基本的に平面が正方形のものであればよい。この場合、部材１１８０は図面の平面で垂直方向に切ったセグメント１１８０ａ〜ｂと、図面の平面の上下で長さ方向にのびるセグメント１１８０ｃ〜ｄとを含むものとすることができる。タッチ表面１１５２には接線方向の試験変位１１８２が加わることがある。このため、試験変位１１８２に対する部材１１８０における反作用によって所望の精度面１１５４の中心点１１８４周囲にモーメントが発生しないように懸架部材１１８０のデザインを選択する。このような反作用モーメントがない場合は、平面１１５４において接線方向の試験力によって試験変位が生成されても力覚センサ１１６２（図８Ｂ）にはこのモーメントと釣り合う垂直力がかからない。よって、力覚センサ１１６２が精度面１１５４で印加される力の接線力成分に応答することもなければ、タッチ表面１１５２に印加される接線成分に過剰に応答することもない。
【０１１９】
線力誤差を最小限にするための部材１１８０のデザインは、経験から実現してもよいし、完全（ｆｕｌｌ）有限要素分析を含むがこれに限定されるものではないさまざまな計算手法で実現してもよいことは理解されたい。しかしながら、図８Ａ〜図８Ｄの実施形態は、簡単な形状の単純な圧縮、剪断、梁のたわみの分析に向いている。このような分析により、潜在的に一層精度の高い他の方法をさらに説明する、本発明の方法を一層よく見通すことができる。
【０１２０】
試験変位１１８２は成分１１８２ａと１１８２ｂとの合計として表わすことのできるものである。懸架部材のセグメント１１８０ａはその横幅に沿って成分１１８２ａによって圧縮され、成分１１８２ｂによって横方向にずれる。セグメント１１８０ａでのこれらの成分に対する反作用は、直交する力成分１１８６ａと１１８６ｂとの合計として表わすことのできるものである。力成分１１８６ａは弾性補正の横幅とシール部材セグメント１１８０ａとに平行であり、力成分１１８６ｂはセグメント１１８０ａの横幅に対して垂直である。
【０１２１】
図面の平面の上下で試験変位１１８２に平行に走っているセグメント１１８０ｃ〜ｄも剪断反作用１１８６ｃ〜ｄを生成する。セグメント１１８０ｃ〜ｄにはこの方向に傾いた剛性がないため、これらの作用は試験変位１１８２に平行である。
【０１２２】
図８Ｄに移ると、レンズ１１５０の左半分周囲の部材１１８０におけるすべての反力の作用を作用線１１８８ａのある１つの力１１８６ｆにまとめてある。これと類似の作用線１１８８ｂのある力１１８６ｇはレンズ１１５０の右側の部材１１８０からのすべての反力による作用をまとめたものである。力１１８６ｆは、図示のような力組成図から導き出すことができるものである。荷重は対称に加わるため、１１８６ａと１１８６ｂの力を部材セグメント１１８０ａの図心１１８９付近で生じるものとして扱うことができる。同様に、剪断力１１８６ｃ〜ｄは部材セグメント１１８０ｃ〜ｄの図心付近で図面の平面の上下に対称に生じる。しかしながら、純粋な試験変位１１８２は回転せずに強要されるため、１１８６ｃ〜ｄでの力は各々、大きさと方向の等しい２つの力（一方がセグメントの左半分で生じ、他方がセグメントの右半分で生じる）の合計であると考えられる点を考慮されたい。この２つの「左半分」の力１１８６ｃ〜ｄを合わせると、レンズ１１５０の左半分に加わる力全体の残りになり、これを力１１８６ｅとして示す。力１１８６ｅは大きさおよび方向が力１１８６ｃ〜ｄと同一である。また、この力にはセグメント１１８０ａの図心１１８９付近を通る作用線があるため、作用を変えることなくそこに移されるように示すことができるものである。
【０１２３】
変位１１８２ａおよび１１８２ｂは、試験変位１１８２の大きさにそれぞれ角度θのサインとコサインを乗じた大きさに等しい。主となる反力１１８６ａは、変位１１８２ａによる懸架部材セグメント１１８０ａの直接的な圧縮からコンピュータで計算できるものである。小さい方の反力１１８６ｂは部材セグメント１１８０ａの横向きの逸れ１１８２ｂからコンピュータで計算できるものであり、これを端部が案内された（ｇｕｉｄｅｄ−ｅｎｄ）広い梁として取り扱うことができる。この梁はどちらかというと「ずんぐりした」様子のものであるため、反力１１８６ｂは直接的な剪断の作用によって若干小さくなることはあるが、部材１１８０の梁剛性によって支配されている。したがって、反力１１８６ｂの相対的な重要性は、部材１１８０によってブリッジしたギャップの長さに対する部材１１８０の厚さの比で制御される。
【０１２４】
力１１８６ｅについては、試験変位１１８２の直接的な横方向剪断に対する同様の部材セグメント１１８６ｃ〜ｄのいずれかの応答からコンピュータで計算できる。部材１１８０がエラストマーであって、角度θがそれほど大きくない場合、力１１８６ｂの大きさが力１１８６ｅの４倍近くになるであろう点に注意されたい。これは、エラストマーのポアソン比が１／２に極めて近いという事実と、セグメント１１８０ａは梁としてその「長さ」に比して極めて「広い」事実が反映されたものである。
【０１２５】
力１１８６ｆと１１８６ｇとを合わせると、弾性のシャント接続部で発生する試験変位１１８２に対する全反力になる。対称性により、これらの成分反力の作用線１１８８ａと１１８８ｂとが点１１８４で交差し、そのベクトル和の作用線すなわち十分に弾性のシャント反作用がこれを通ることは明らかである。さらに、対称性により、この十分なシャント反作用の作用線は水平であり、平面１１５４および図面の平面にくる。試験変位１１８２は、純粋な接線方向の試験力によって発生させることができ、シャント接続部の反作用と逆向きで等しく、点１１８４および平面１１５４の高さで印加されることを考慮されたい。この場合、かつこのレベルでの用途に限り、検知接続部に追加の反力を必要とすることなく平衡が維持される。このため、平面１１５４に加わる、心合わせされて位置の揃った接線力によって、横方向に易動性の検知接続部を力が通ることなく純粋な接線方向の変位が発生する。しかしながら、本願明細書の他の部分で展開した内容から、平面１１５４内のいずれかの場所でいずれかの方向に加わる接線力にはセンサに有意に記録されるものはないことになる。従って、所望の精度面１１５４が事実上は実際の精度面のように見え、部材１１８０によって得られるシャント弾性結合部が効果的な横方向難動化手段を含むように見える。
【０１２６】
精度面１１５４の高さについては、さまざまな方法のうちの適当なものを使って制御することができる。たとえば、部材１１８０の断面に膨らみまたは凹凸を設けてもよい。これによって、力１１８６ａの大きさを小さくしつつ力１１８６ｂおよび１１８６ｃをおおむね変えずに維持することで正味の反作用角度ψ（試験変位１１８２と作用線１１８８ａ〜ｂとの間の角度）を制御することができる。
【０１２７】
あるいは、部材１１８０の横幅（最も大きい主剛性の方向）と実装平面（この平面は所望の精度面１１５４に平行である）に対する法線との間の実装角度θを変更することにより、所望の精度面１１５４を得ることができる。これによって、反力１１８６ａの角度ならびに反力１１８６ｂの角度と大きさの両方を変更することで、正味の反作用角度ψを制御することができる。反作用１１８６ａが鉛直方向になることで最初に角度θが平坦な状態から小さくなり、角度ψは最初に増加する。部材１１８０がさらに上方向に傾けられると、反作用１１８６ｂの大きさは増しはじめ、この角度ψの増加を打ち消す傾向がある。角度ψがさらに小さくなると、反作用１１８６ａが小さくなって反作用１１８６ｂが大きくなることで角度ψの傾向が逆になり、それが減少する。このとき全体をとおして反作用１１８６ｅは変化しない。
【０１２８】
所望の精度面１１５４を得る別の方法として、部材１１８０の相対的な厚さを変えることがあげられる。これによって、反力１１８６ｂの相対的な大きさを変えることで正味の反作用角度ψを制御することができる。
【０１２９】
鉛直方向の剛性を最小限に維持すると望ましい状況では、部材１１８０の実装角度θを最大限にして反力１１８６ｂを最小限に抑えるべきである。これには一般に、角度θの関数として角度ψの増大およびこれに続く降下を示唆する、考えられる２つの解決策の「フラッタ（ｆｌａｔｔｅｒ）」をとることが含まれる。部材１１８０を凹凸にすることで達成できる制御によって、凹凸を設けていない部材で得られるよりも鉛直対水平の剛性比が高くなり、製造時に適切に再現可能に維持するのが困難であることが分かる場合がある。部材１１８０の厚さが厚くなればなるほど、鉛直対水平剛性比が最大になる傾向が強い。
【０１３０】
所望の精度面１１５４を得るための上述した手法は、純粋に一例としてあげただけのものであり、本発明を限定するものではない点を理解されたい。所望の精度面１１５４を生成するための他の手法も本件特許請求の範囲の範囲に包含される。
【０１３１】
本発明の一態様では、複数の力覚センサを含むタッチ位置判定装置のタッチ表面の下に弾性手段が設けられる。検知接続部は複数の力覚センサと直列に接続されたこのような弾性手段を含む。各検知接続部の弾性中心を別々に所望の精度面にくるようにするために、弾性手段は所望の精度面から離れる方向に角度をなした構成要素を含む。よって、各検知接続部の接線方向のタッチ力に対する反作用はそれ自体が純粋に接線方向のものとなる。検知接続部には所望の精度面に垂直な感度の方向がある。このため、これを横断して伝達される純粋に接線方向の反作用は何ら出力を生成しない。
【０１３２】
たとえば、図９Ａを参照すると、所望の精度面であるタッチ表面１２０４を有するタッチパネル１２０２を含む実施形態が示されている。硬い力覚センサ１２０６が弾性手段１２０８ａおよび１２０８ｂに直列に接続され、これらの弾性手段はセンサ１２０６とタッチパネル１２０２との間に連結されている。力覚センサ１２０６は硬い支持面１２１２に実装されている。上および下から得られる硬いアタッチメントに関連して、力覚センサ１２０６と弾性手段１２０８ａ〜ｂとがまとめて検知接続部１２１６をなす。
【０１３３】
弾性手段１２０８ａ〜ｂは、その上および下の硬い構造体に関連して、角度のついた剛性構造体１３００の実施形態を提供する。弾性手段１２０８ａ〜ｂは、検知接続部１２１６の弾性中心がタッチ表面１２０４のオフセットの許容域内である点１２１４にくるように、位置決めされ、角度をなし、剛性比が与えられている。この結果、センサ１２０６はタッチ表面１２０４に加わる接線力に対して反応を示さない。
【０１３４】
図９Ｂは、硬いブラケット１２２１および１２２３の角度のついた表面間にエラストマースラブ１２２８ａ〜ｂが取り付けられている、図９Ａに示す構成のバリエーションを示している。これは、当業者には自明であろう、図９Ａにおいて半概略的に示した弾性手段１２０８ａ〜ｂの広範囲にわたる実施形態のうちの１つを示すものである。
【０１３５】
図９Ｃは、変位センサ１２４６（容量型など）が弾性手段１２４８ａ〜ｂ（ばねなど）に並列に接続された、図９Ａに示す構成のバリエーションを示している。弾性手段１２２８ａ〜ｂおよび変位センサ１２４６はいずれも上側がタッチパネル１２４２の裏側１２５０に連結され、下側が硬い支持面１２５２に連結されている。上および下から提供される硬いアタッチメントに関連して、変位センサ１２４６と弾性手段１２４８ａ〜ｂとがまとめて検知接続部１２５６をなす。角度のついた剛性構造体１３００について触れることで、タッチパネル１２４２のタッチ表面１２４４のオフセットの許容域内である点１２５４で検知接続部１２５６の弾性中心にくるように弾性手段１２４２ａ〜ｂを設計するにはどのようにすればよいかが分かる。この結果、センサ１２４６はタッチ表面１２４４に加わる接線力に対して反応を示さない。
【０１３６】
図９Ａ〜図９Ｃでは各々単一のセンサアセンブリのみを示してあるが、図９Ａ〜図９Ｃを参照して上述した手法を使って１枚のタッチパネルにいくつかのセンサアセンブリを連結し、これによって各検知接続部の弾性中心が所望の精度面のオフセットの許容域内にくるようにしてもよいことは理解できよう。
【０１３７】
上記の議論は、理想化された硬さを有するいくつかの要素に関して行ったものである。このような要素は、実際の装置では小さいが些細ではない程度のたわみを呈する場合がある点は理解できよう。特に、検知接続部を通り抜けるモーメントの結合をさらに引き起こすたわみは、一般にこれらの設計でそれを低下させる傾向があり、結合部の弾性中心の位置に影響するおそれがある。しかしながら、そのようなたわみが境界内にある限り、弾性手段を含む要素の位置、傾斜および剛性比を適切な状態でさらに調整することで、所望の弾性中心を得ることができる。このような調整については経験的に行うことができる。
【０１３８】
タッチ表面構造体、支持構造体、力覚センサまたは他の要素において理想以下の硬さを提供するそのような調整は、これらの態様および本願明細書に別記された本発明の他の態様で用いることができるものであり、いずれも本発明の範囲内である。
【０１３９】
本発明の別の態様では、所望の精度面および局所的なタッチ表面法線（時には異なる）の両方から遠ざかる方向に角度をつけた感度軸のある、タッチ位置判定装置の力覚センサまたは力覚センサアセンブリが得られる。感度軸は、タッチ表面に加わる接線力に応答して検知接続部を通り抜ける反作用の作用線が感度軸と直角に交差するような角度にされる。この結果、力覚センサは所望の精度面で接線力に対して何ら応答しない。
【０１４０】
たとえば、図６Ｂを参照すると、角度のついたセンサアセンブリ９５６ａ〜ｂを用いて接線力に対する無感度を達成する実施形態が示されている。タッチパネル９５０は、タッチ力が加わる場合があるタッチ表面９５２を含む。したがって、センサアセンブリ９５６ａ〜ｂを調整することで達成される所望の精度面がタッチ表面９５２と一致する。タッチ表面９５２の中心９５４に接線力９３８が加わると、センサアセンブリ９５６ａ〜ｂを通り抜ける力が発生する。実装時にセンサアセンブリ９５６ａ〜ｂの方がパネル９５０のシステム全体よりも回転剛性が低い場合、これらの力の作用線９４０ａ〜ｂは図示のようにセンサアセンブリの弾性中心９３７ａ〜ｂの付近またはこの弾性中心を通る。しかしながら、センサアセンブリ９５６ａ〜ｂにはタッチ表面９５４に対して角度のついた感度軸９５８ａ〜ｂがあるため、作用線９４０ａ〜ｂは感度軸９５８ａ〜ｂに対してそれぞれ垂直になる。したがって、センサアセンブリ９５６ａ〜ｂは接線力９３８に対して何ら応答せず、あるいは上述したようにタッチ表面９５２に加わる接線力と垂直方向のモーメントとがどのように組み合わさっても応答しない。
【０１４１】
通常、垂直方向のタッチ力によって生じるタッチ表面歪に応答して不要なモーメントがセンサを通らないように、検知接続部がタッチパネル９５０と比較して回転的に易動的であることは望ましい。このような回転易動化は特別の準備を伴わない好きなデザインに固有の場合がある、あるいは、エラストマーパッドまたはブロック、ピボット、ヒンジまたはジョイント、あるいはばね、または他の弾性体などの特定の回転易動化部を加えてもよい。このような構成は、結合部の作用線が通り抜ける明確な弾性中心を有している場合がある。このような回転易動化部の一例が、本件と同日に出願された、発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｃｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｔｏｕｃｈ  Ｉｎｐｕｔ（力を利用したタッチ入力のための方法および装置）」の出願に説明されている。
【０１４２】
図６Ｂにおいて、センサアセンブリ９５６ａ〜ｂ全体ならびに、それとなく示したその全ての構成要素は所望の精度面に対して角度をなしているが、これは単に例示目的のものであり、本発明を限定するものでないことは理解されたい。むしろ、必ず傾斜している力覚センサそのものなどの構成要素を使用しなくても、センサアセンブリ９５６ａ〜ｂの感度軸９５８ａ〜ｂをその構造の特性として斜めにすることができる。たとえば、図６Ｃ〜図６Ｄを参照すると、センサ９６４ａ〜ｂが垂直方向に感度軸を有する場合であってもセンサアセンブリ９６５ａ〜ｂには線９６３ａ〜ｂに平行な傾斜感度軸がある。図６Ｃを参照すると、センサアセンブリ９６５ａの細長いカップリング部材９６１をその脚の方に横方向に曲げることが可能であるが、その長さ方向にはそれほど圧縮されない。このため、線９６１と平行な力によって力覚センサ９６４ａに反作用が生じることはなく、センサアセンブリ９６５ａの感度軸全体は線９６３ａと平行になる。図６Ｄを参照すると、より一層抽象的なセンサアセンブリ９６５ｂは、傾斜した成分がなくても傾斜感度軸を達成できることを示している。硬いカップリング９６６の枢支端は、センサアセンブリ９６５ｂの感度軸９６３ｂ全体に沿ってのみ力覚センサ９６４ｂを介した力の伝達を可能にする。エラストマーブロック９６７の小さなたわみによって、軸９６３ｂに垂直な力のすべての成分に対する平衡反作用が生じる。
【０１４３】
図６Ｂにおいて検討したシステムを、力覚型タッチ位置判定システムのタッチパネル９３０を示す図６Ｅに関連して三次元に得られる場合がある。概略的に示す検知接続部９７０ａ〜ｄは、タッチの平面９３４にある矩形９７２の四隅の下にあたる位置で、パネル９３０の裏側に配置されている。点９７３ａ〜ｄは、タッチ面９３４の矩形９７２の各辺の中点にあたる箇所にある。
【０１４４】
さて、ここで図６Ｂを解釈し、辺に沿って隣接する各ペアごとに検知接続部９７０ａ〜ｄに適用することができる。たとえば、センサアセンブリ９５６ａおよび９５６ｂを、弾性中心９３７ａ〜ｂが矩形９７２の対応する四隅の下にくるようにして、それぞれ検知接続部９７０ａおよび９７０ｄ内におくことができる。検知接続部９７０ａおよび９７０ｄにおいて生じる力の異なる作用線が互いに交差し、図６Ｂの点９５４に対応する点９７３ａでタッチ面９３４と交差した状態で、接線力９３８を中央に印加されるｙ向きの接線力９７６ａに対応させることができる。力９７６ａに応答して４つの検知接続部９７０ａ〜ｄすべてで発生する力がｙ−ｚ平面に平行（すなわちｘ成分を有さない）であり、タッチ面からの傾きの点だけで異なっていることが理解できよう。結合部９７０ａおよび９７０ｄを通る力の作用線は、矩形９７２の左縁に沿ってタッチ面に投影され、力の線が矩形９７２の左縁に一致するベクトル和を有する。結合部９７０ｂおよび９７０ｃを通る対応する力も同様に作用線が矩形９７２の右縁に沿うベクトル和を有する。これらの２つの対になったベクトル和は、作用線がｙ軸に集中した力９７６ａ（または反作用について考える方がよいのであればその逆）と等しくなる大きなベクトル和を有する。
【０１４５】
さて、ｘ方向およびｙ方向の両方の外側にある各検知接続部内でセンサアセンブリに角度をつけることで、図６Ｂに示す状況を両方の軸と４つの検知接続部すべてについて同時に満足できることが分かるであろう。特に、それぞれの場合に結合部の感度軸に対して垂直方向にあり、その弾性中心を含む、各検知接続部の無感度の平面を変えて所望の精度面にある矩形９７２の中点９７３ａ〜ｄの隣接するペアと交差させることができる。
【０１４６】
矩形９７２も正方形ではない図示の事例の場合には、検知接続部９７０ａおよび９７０ｂの感度軸（図面を簡単にする目的で図示していない）は実際に中心９７５から離れる方向ではなく点９７４ａから離れる方向に傾いていることに注意されたい。このため、検知接続部９７０ｄおよび９７０ｃの感度軸は点９７４ｂを含む垂直方向の平面にある。正方形以外の場合では、図６Ｅの構成では、垂直方向に印加されるモーメントに対して、従って点９７５を通り抜けない接線力（中心に印加されない力）に対して、ゼロではないセンサ出力がを生成されることに注目するとさらに有益な場合がある。しかしながら、これらの出力は、タッチ位置のコンピュータ計算に用いられるｘ軸モーメント、ｙ軸モーメント、ｚ力の表現を形成する一次結合で相殺されるものであり、対称性から分かるように、相殺されなければならないものである。従って、このような本発明の複数の実施形態では一般的な接線力誤差に対する免疫を提供するのである。
【０１４７】
また、位置決め用の矩形の類似物が正三角形である、３つのセンサからなるシステムについて、その三角形の辺の中点が検知接続部の無感度の平面と同様に交差することで接線方向の誤差に対する免疫が得られることがさらに分かる場合がある。
【０１４８】
より一般的には、任意のパターンおよび数のセンサについて、ｙ軸のいずれかの辺に対するセンサを多少なりとも外側に向けてｘ方向に傾けてもよく、このときのｘ向きの接線力に対する免疫を与える傾斜の度合いは経験的に求められる。ｘ軸の上および下で再編成された同じセンサに、今度は外側に向けてｙ方向にさらに傾斜をもたせ、ｙ向きの接線力に対する免疫を与える一組の角度を見つけるようにしてもよい。センサは接線力に対してある程度は別々に応答することができるが、これらの応答は計算では見かけ上相殺されるものであり、得られるシステムを基本的にタッチ位置における接線力誤差のないものとすることができる。
【０１４９】
ここで使用するために選択するセンサアセンブリはどのような構成のものであってもよいため、一般化した形態で示してある。容易に識別され、比較的回転易動性の弾性中心またはピボットを含むものでは弾性中心の位置が分かっている場合があるため、上述した非経験的な規則に従って具体化するのは一層容易であるが、経験的な方法を他のものに適用してもよい。使用するセンサが感度軸に沿った方向よりも感度軸を横切る方向のほうが剛性が大幅に高く、よって実質的に傾斜しているような場合は、垂直方向のタッチ力に対する感度が失われないように適度な横方向の易動性を持たせてもよい。
【０１５０】
予荷重印加手段または横方向拘束手段が必要な場合は、タッチ力の経路が分配されずに残り、実質的に検知接続部を通るように、これらの手段を横方向に易動性で作ることができる。このようなシャント経路が中程度の横方向剛性を有するものである場合、センシングがいくらか傾斜し、いくらか横方向に難動化したハイブリッドの設計を見つけるようにしてもよい。
【０１５１】
本願明細書にて図示して説明した本発明のさまざまな態様および実施形態の特徴を、さまざまな形で組み合わせることができる点は理解できよう。このような組み合わせとしては、図８Ａ〜図８Ｂを参照して上述した弾性手段の使用を、図６Ｂを参照して上述した角度のついた感度軸のあるセンサアセンブリの使用と組み合わせることを含むがこれに限定されるものではない。
【０１５２】
以上、特定の実施形態について本発明を説明したが、上記の実施形態は例示目的であげたものにすぎず、本発明の範囲を限定または定義するものではない点は理解できよう。特許請求の範囲に記載の内容によって定義される本発明の範囲には他の実施形態も包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１Ａ】別のＬＣＤモジュールの表面で使用できるような本発明の第１の実施形態のタッチスクリーンモジュールの分解図である。
【図１Ｂ】センサの中央と交差している、図１Ａに示すモジュールの部分断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による接線力誤差の低減について説明する、ごく普通のタッチ操作式システムの部分概略断面図である。
【図３Ａ】横方向難動化手段として用いられる平坦な懸架フィルムまたは梁の使用例を示す部分断面図である。
【図３Ｂ】横方向難動化手段として用いられる平坦な懸架フィルムまたは梁の使用例を示す部分断面図である。
【図３Ｃ】横方向難動化手段として用いられる平坦な懸架フィルムまたは梁の使用例を示す部分断面図である。
【図４】上下方向の動きが可能な範囲を拡大した横方向難動化および／または横方向拘束手段と方向選択可能な横方向難動化とを示す部分断面図である。
【図５Ａ】横方向難動化手段の別のバリエーションを示す部分断面図である。
【図５Ｂ】横方向難動化手段の別のバリエーションを示す部分断面図である。
【図５Ｃ】横方向難動化手段の別のバリエーションを示す部分断面図である。
【図６Ａ】先行技術のタッチ位置判定装置の概略断面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による角度のついたセンサアセンブリを含むタッチ位置判定装置の概略断面図である。
【図６Ｃ】本発明の複数の実施形態による角度のついた感度軸が得られる角度のついていないセンサアセンブリを含むタッチ位置判定装置の部分概略断面図である。
【図６Ｄ】本発明の複数の実施形態による角度のついた感度軸が得られる角度のついていないセンサアセンブリを含むタッチ位置判定装置の部分概略断面図である。
【図６Ｅ】本発明の一実施形態によるタッチパネルの後方に実装された力覚センサの上面斜視図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による、バランスがとれた弾性手段を含むタッチ位置判定装置の部分概略断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、バランスがとれた弾性手段を含むタッチ位置判定装置の部分概略断面図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による角度のついた弾性手段を含むタッチ位置判定装置の概略断面図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態による非平面状のタッチ表面を含むタッチ位置判定装置の断面図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施形態による非平面状のタッチ表面を含むタッチ位置判定装置の断面図である。
【図８Ｄ】本発明の一実施形態による非平面状のタッチ表面を含むタッチ位置判定装置の断面図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による角度のついた主剛性を有するセンサアセンブリを含むタッチ位置判定装置の断面図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態による角度のついた主剛性を有するセンサアセンブリを含むタッチ位置判定装置の断面図である。
【図９Ｃ】本発明の一実施形態による角度のついた主剛性を有するセンサアセンブリを含むタッチ位置判定装置の断面図である。
【図１０Ａ】本発明のいくつかの実施形態で用いられる同様の構造体を示す実例となる、最も大きい傾斜主剛性軸を有する弾性結合部を含む角度のついた剛性構造体の概略断面図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による角度のついた弾性手段を含むタッチ位置判定装置の概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態による変位センサおよび角度のついた弾性手段を含むタッチ位置判定装置の概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態による角度のついた変位センサおよび角度のついていない弾性手段を含むタッチ位置判定装置の概略断面図である。
【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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2004527847.tif 000078
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