JPH0654462B2

JPH0654462B2 - 座標入力装置

Info

Publication number: JPH0654462B2
Application number: JP60134236A
Authority: JP
Inventors: 芳夫藤下; 達次郎川北; 岳雄高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPS61292732A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、デイスプレイ面上方に透明なパネルを取り
付け、デイスプレイの指示等にしたがつて前記パネルの
一点を指等で押して操作者の指示を入力するための座標
入力装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の装置には、Ｘ，Ｙ軸に平行に射出された
平行光線の遮断を検出するものや、電磁誘導を利用する
もの、表面弾性波を利用するもの、膜抵抗を利用するも
の、交差する平行導線の接触をマトリツクスにより検出
するもの、剛体力学を利用した機械力によるものなどが
ある。各案の中では、構造の簡単さ、パネルの選択の容
易さなどの点で機械力形が優れている。この機械力形で
は特公昭４９−３４２４７号公報、特願昭５９−２５４
３９号公報などが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これらはいずれもパネル面の一点に加えられた力の分力
を板ばねのたわみに変換し、その板ばねの歪量を検出す
るようにしているため、パネル面と板ばねの接触位置
（実質的支持点位置）が変動し、検出値にシステム誤差
を生ずるという欠点がある。

一方、上記入力装置がオフイスなどのような比較的保護
された環境とは異なり、街頭等で不特定多数の人々に使
用されるような場合には、その利用者からの故意、不注
意からの粗雑な粗暴な入力操作に耐える必要があるが、
これまでの提案ではこれらを対象としたようなものはな
い。

この発明は、上記の点にかんがみてなされたもので、板
ばねを用いた機械力形で見られるような問題がなく、ま
た過大な力の入力による装置の破損を防止でき、街頭等
での使用にも耐えられる座標入力装置を提供することを
目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる座標入力装置は、パネル板を３点以上
支持する各支持点における分力を歪に変換する分力歪変
換部材をプラスチツクからなる柱体とし、この分力歪変
換部材にかかる圧縮歪をそれぞれ検知する歪ゲージを設
けたものである。

〔作用〕

この発明においては、パネル板を押圧して入力を加える
と各支持点における分力をプラスチツクからなる柱体の
各分力歪変換部材が歪に変換し、この歪が各歪ゲージに
よつて検知され、押圧した入力点が検出される。

〔実施例〕

第７図は機械力形の座標検出原理を説明するための図で
あり、２０はパネル板を示す。力学によれば剛体に働く
力Ｆ_iと、このＦ_iの作用点の位置ベクトルｒ_iについ
て、次式がなりたてば剛体のつりあいがとれることが知
られている。（c.f.共立出版社物理学公式）とくに、Ｆ_iが平行力である場合には、第(1)式はＦ_iに
垂直な面の座標（x,y）によつて、次式のように表現で
きる。

ここで、Ｆ_i＝｜_ｉ｜であり、x_i,y_iはＦ_iの（x,y）座
標値である。

いま、ｎ点で支持したパネル板２０面の一点（x_p,y_p）
に力Ｆ_pを加えた場合（第７図）、各支持点でのパネル
板２０に対する反力ｆ_i（ｉ＝１〜ｎ）とその座標（x_i,
y_i）について、次式が成り立つ。

この式より、力Ｆ_pを加えたパネル板２０の面の一点の
座標値（x_p,y_p）をｎ個の支持点の座標値（x_i,y_i）およ
び支持点に加えられた反力ｆ_iにより次のように求める
ことができる。

ここで、支持点の数ｎについては次のような考察ができ
る。パネル面を平面として確定するには幾何学上３点以
上が必要である。ところで、支持点数が３点よりも多く
なると検出面を一平面にするため支持点の高さ調整が必
要になる他、一支持点あたりの反力が少なくなるため歪
ゲージなどによる反力検出出力レベルが低下して雑音レ
ベルに近付き、出力の信頼性が低下するなどの不利な点
が生ずる。しかしながら、３点によつてパネル板２０を
支持する場合には、３点によつて作られる３角形の内部
に力が加えられれば各支持点での分力は圧縮力となる
が、３角形の外部に力が加えられると力の印加点に近い
２支持点の作る直線に対して力の印加点と反対側にある
１支持点の分力が引つ張り側になるため、支持点の分力
検出部は圧縮、引つ張りの両応力を検出するように構成
しなければならない。３点で支持する場合に、支持点で
の分力検出を圧縮側のみとするには、力の印加範囲を３
支持点の作る３角形内に限らなければならなくなり、通
常使用されるパネル板２０の形状である長方形に対して
は装置を大型化することになる欠点がある、これに対し
て、各支持点での圧縮分力を対象とするこの発明は一般
的な長方形パネルを対象とすることが容易であり、以下
の説明では支持点数を４点として説明することとする。

第８図(a)は支持点ａ，ｂ，ｃ，ｄを結ぶ対角線を座標
軸とし、その交点を座標原点Ｏ（０，０）とした長方形
パネルにおける座標検出の説明のための図で、支持点に
よつて作られる長方形の長辺が２ａ、短辺が２ｂ、対角
線長さが２ｃ＝２（a²+b²）^1/2であるものとすると、第
(4)式を用いて、力が加えられたパネル板２０の面の一
点の座標（x_p,y_p）はつぎのように求められる。

いま、座標系をパネルの左上部を原点とする座標系（x,
y）に変換すると、第(5)式は次式のようになる。（第８
図(b)）第１図はこの発明の一実施例を示すための斜視図であ
り、１０は基板、２０はパネル板、３０は分力検出部
で、基板１０の四隅に設けられている。操作者がパネル
板２０より下方に設備された図示しないデイスプレイに
よる操作指示に基づいて、デイスプレイ上方のパネル板
２０の面の一点を指等で押して入力し、この入力装置を
４つの支持点に置いた分力検出部３０の歪ゲージ出力か
ら求めるものである。

分力検出部３０の構成の詳細を第４図に示す。第４図
で、３１は、例えば、金属からなる保護部材で円筒状を
なし、外周と内周にねじ３２，３３が形成される。３４
は固定ナツトである。保護部材３１は、その外周のねじ
３２を基板１０のねじ孔１１に螺合し、ねじ３２に螺合
させた固定ナツト３４を締めることにより基板１０に固
定される。３５は受け部材で、外周はねじ３６を有し、
保護部材３１のねじ３３に螺合する。３７，３８，３９
はスペーサで、いずれもほぼ同じ外径を有し、スペーサ
３９は内径を他のスペーサ３７，３８より大きく形成し
てある。４０は分力歪変換部材であり、各スペーサ３７
〜３９を貫通し、その底面が受け部材３５で支承され
る。分力歪変換部材４０の頂部には金属部材４１が取り
付けられ、また分力歪変換部材４０のスペーサ３９内に
位置する部位に、分力歪変換部材４０が力Ｆ_pの分力ｆ_i
から変換した歪を電気抵抗変化に変換する歪ゲージ４
２，４３が取り付けられ、それぞれのリード線４４，４
５はスペーサ３８にモールドされ、端部が外部に導出さ
れる。

また、パネル板２０の下面には保護部材２１が接着剤等
により取り付けられ、分力歪変換部材４０の当接による
パネル板２０の保護をはかつている。なお、歪ゲージ４
２，４３は分力歪変換部材４０にモールドしてもよい。
また、ΔＤは保護部材３１の上端から出ている分力歪変
形部材４０がパネル板２０の裏面に設けた保護部材２１
と接している部分の長さである。今ΔＤ以上の歪を与え
る力がパネル板２０に加わったとき、保護部材２１の下
面が保護部材３１の上面に当接して支持されることによ
り分力歪変換部材４０に弾性を失わせるような過大な力
が加わっても破壊から守ることができる。

第２図は第１図の側面図、第３図は第１図の上面図でパ
ネル板２０を取り去つて示した図である。基板１０に４
個の円筒状の分力検出部３０が取り付けられていて、こ
れらの各分力検出部３０は、パネル板２０に押下などの
力を受けない状態では、パネル板２０の自重による定常
的重量を等分に受けてパネル板２０を支えている。

第５図は分力検出部３０の歪ゲージ４２，４３の出力の
処理回路の例を示したものである。歪ゲージ４２と４３
は一組となつている歪ゲージ（これをＲ_a〜Ｒ_dとする）
各分力検出部３０に設けられている。Ｉ_oは定電流源の
電流、５１〜５３は演算増幅器、５４はマルチプレク
サ、５５はA/Dコンバータ、６０は制御部で、I/Oバツフ
ア６１，６２，メモリ６３，ＣＰＵ６４，バス６５で構
成される。Ｒ_oは抵抗器である。

またｖ_iは入力電圧、ｖ_oは前記抵抗器Ｒ_oの両端の電
圧、Ｆ_pminは入力圧力の最小値、ｖ_a〜ｖ_dは各歪ゲージ
４２，４３の組Ｒ_a〜Ｒ_dの出力を表わす。

次に動作について説明する。パネル板２０の対角にある
支持点の歪ゲージＲ_aとＲ_d，Ｒ_bとＲ_cの出力の差が演算
増幅器５１，５２によつて増幅されて、マルチプレクサ
５４に入力される。またすべての歪ゲージＲ_a〜Ｒ_dの出
力の初期値からの変化分が演算増幅器５３によつて加算
されて、マルチプレクサ５４に入力される。マルチプレ
クサ５４は制御部６０からの指示にしたがつて、入力の
いずれかをA/Dコンバータ５５に接続する。A/Dコンバー
タ５５は制御部６０の指示によつて、入力された計測デ
ータをデイジタル値に変換して出力する。制御部６０は
このデイジタル出力から以下に説明する第(6)式を変換
した第(10)式を用いて、入力点の座標（x_p,y_p）を計算
する。制御部６０のデータ処理手順の例を第６図に示
す。

この回路について、処理内容を以下に説明する。いま、
各分力検出部３０の歪ゲージ４２，４３、分力歪変換部
材４０を等しいものとし、また歪ゲージ４２，４３の変
換式である第(7)式を使つて、第(6)式を変換すると、ここで、Ｒ_iは各支持点の歪ゲージ４２と４３を合わせ
た電気抵抗値、Ｒ_oはＲ_iの基準値、Ｓは分力歪変換部材
４０の断面積、Ｅは分力歪変換部材４０の縦弾性係数、
Ｋは歪ゲージ４２，４３のゲージ率を示す。求める座標
（x_p,y_p）は次式のようになる。

これを整理して、いま、第５図の回路で演算増幅器５１，５２への歪ゲー
ジＲ_a〜Ｒ_dからの入力電圧は、Ｖ_i＝Ｒ_i・Ｉ_o ……(10) であるから、Ｖ_o＝Ｒ_o・Ｉ_oとして、第(10)式は次式の
ようになる。

以上のようにして、第５図の回路によつて入力指示点の
座標（x_p,y_p）が求められることが判る。ところで、こ
こでは説明の便宜のため定電流電源を使用したが、定電
圧電源を使用しても、若干の近似を行うことになるもの
の同様の結果が得られる。

また第(11)式を見れば判るように、x_p,y_pを求める式は
歪ゲージ４２，４３の出力電圧の一次式どうしの割算と
なつている。したがつて、歪ゲージ４２，４３の温度特
性による検出座標値への影響は分子分母で相殺され、精
度の高い結果が得られる。

いま、パネル板２０に力Ｆ_pが加えられると圧縮分力
ｆ_iによつて分力検出部３０は圧縮される。分力歪変換
部材４０がプラスチツクで製造してあるとすると分力検
出部３０の圧縮歪量はほぼ分力歪変換部材４０の歪量と
なる。分力歪変換部材４０に取り付けた歪ゲージ４２，
４３の有効計測長さを、分力歪変換部材４０の断面積
をＳ、縦弾性係数をＥとすると、分力検出部３０の圧縮
歪量Δは次式であたえられる。

いま、f_i/Sは分力歪変換部材４０に加えられた圧縮応力
σ_ｉであることを考えると、変換出力を大きくするにはか（σ_ｉ／Ｅ）の値を大き
くすればよいことになる。

したがつて、同一の歪ゲージに対しては（σ_ｉ／Ｅ）の
値を大きくする必要がある。ところで、σ_ｉは入力であ
る圧縮分力ｆ_iを大きくすれば大きくなるが、圧縮降伏
応力σ_ｙより大きくすることはできない。したがつて、
（σ_ｙ／Ｅ）の大きなものを用いることにより、変換出
力を大きくすることができることになる。

ここで、σ_ｙ／Ｅは弾性を保った最大変形量、すなわ
ち、これ以上変形すると破壊するか、あるいは弾性を失
うということの指標であり、したがって、σ_ｙ／Ｅの値
が大きいことは小さな力で大きな変形、すなわち、歪が
生じることとなり、分力歪が検出しやすくなる。また、
圧縮降伏応力σ_ｙが小さいとは、小さな力で破壊（ある
いは弾性を失う）に到達する変形すなわち歪を生じると
いうことを意味する。したがって、分力歪の検出しやす
さの視点からはσ_ｙ／Ｅを用い、変形量の視点からはσ
_ｙが用いられる。

従来、応力歪変換によく用いられる金属ではこの（σ_ｙ
／Ｅ）の値は第１表に例を示すように比較的小であり、
金属を使用する場合には、板ばね等により歪量を大きく
する必要があつた。これに対し、プラスチツクでは第２
表に例を示すように（σ_ｙ／Ｅ）の値は比較的大きいた
め、直接圧縮分力を検出でき、板ばね等の誤差を生ずる
変換手段を使用しなくてもすむものである。

つぎに、パネル板２０に加えられる力の分力の最大値
をf_i(max)とし、分力歪変換部材４０の長さをＬとする
と、分力歪変換部材４０が分力により圧縮される歪量Δ
Ｌは次式によつて求められる。

ここで、ｆ_i(max)／Ｓが分力歪変換部材４０の圧縮降伏
応力σ_ｙよりも大きい場合には分力歪変換部材４０は降
伏してしまい分力検出は困難となる。

いま、分力検出部３０の近くに保護部材３１をおいて、
分力検出部３０が保護部材３１のパネル側面よりパネル
側へ出ている量をΔＤであるようにすると、ΔＬ／ΔＤ
の時は保護部材３１によつて、パネル板２０を支持する
ことになり、分力検出部３０を破壊からまもることがで
きる。すなわち、分力検出部３０を構成している部分の
うち、パネル板２０を直接支えているのは分力歪変換部
材４０であり、ΔＬは分力歪変換部材４０の歪量，ΔＤ
は保護部材３１のパネル板２０の両側から出ている分力
歪変換部材４０のパネル板２０と接している部分の長さ
で実質的には金属部材４１の長さである。このため、Δ
Ｌ＞ΔＤとなる力がパネル板２０に加わったとき、パネ
ル板２０の保護部材２１が分力検出部３０の保護部材３
１の上面に当接することとなり、その結果として、パネ
ル板２０は保護部材３１に支持されることにより、分力
歪変換部材４０に過大な力が加わっても弾性を失って破
壊したり、パネル板２０への過大な力が取り去られて
も、分力歪変換部材４０が弾性を失って戻らなくなり、
分力検出ができなくなることから守ることができる。と
ころで、この場合、ΔＤの値は第(14)式より、であればよい。

つぎに、パネル板２０と分力検出部３０の接点はでき
るだけ接触面積が小さいものであるほうが、分力検出部
３０の座標を高精度に規制でき、出力の精度を向上でき
る。しかしながら、分力歪変換部材４０をプラスチツク
とすると、降伏応力σ_ｙが小さいため変形量が大きくな
り、したがって、保護部材２１への接触面積が大きくな
るので、この条件に逆行することとなる。この場合には
分力歪変換部材４０のパネル板２０側に降伏応力の大き
な金属部材４１を接着することにより、これを避けるこ
とができ、精度の向上を図ることができる。

一方、パネル板２０と分力検出部３０との接触部は力
Ｆ_pの印加のため、パネル板２０がごくわずかにたわむ
ことにより、所期の接触条件から変化するため、パネル
板２０も降伏応力以上の応力を受け、変形することにな
りやすい。したがつて、分力検出部３０と接触するパネ
ル板２０側にも、金属からなる保護部材２１をつけるこ
とによつて、パネル板２０の変形を防止し、寿命を向上
させることができる。ここで、保護部材２１の面積をＳ
_g、パネル板２０に加えられる力の分力の最大値をｆ
_i(max)，パネル板２０の降伏応力をσ_ｙとすると、とする必要がある。

で述べたΔＤの調整量は徴小であるので、保護部材
３１を円筒状として、その内面にねじ３３をつけて、受
け部材３５を基板に対して進退させることによつて、Δ
Ｄの調整を高精度にすることができる。

また、パネル板２０の面は一般に完全な平面ではない
ので、保護部材３１を円筒状として、その外面にねじ３
２をつけ、このねじ３２によつて保護部材３１を基板１
０に対して適切な位置に固定させることにより、各支持
点でのパネル板２０と分力検出部３０との接触を均等な
条件にして分力検出部３０が正しい分力を受けるように
することができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したように、パネル板を支持する３
点以上の支持点に設けられる分力検出部の各分力歪変換
部材をプラスチツクからなる柱体とし、これらの各分力
歪変換部材に歪ゲージを設けたので、剛体力学の原理に
比較的近い形で入力指示位置の座標を検出できるので、
高精度の座標入力が可能となる。また保護部材を設けた
ものは過大入力に対しても耐えることができ、比較的乱
暴な取扱いを受ける街頭等での使用ができるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第
１図に示した実施例の側面図、第３図は第１図に示した
実施例のパネルを取り去つて示した上面図、第４図はこ
の発明の主要部の構成を示す拡大図、第５図は分力検出
部の歪ゲージからの出力の処理回路の例を示す図、第６
図は第５図の制御部が行う座標を求めるためのデータ処
理手順を示すフローチヤート、第７図はｎ点で支持した
パネル面の一点に力Ｆ_pを加えて、その一点の座標を求
める原理を説明するための図、第８図(a)は、４点で支
持した長方形パネルで対角線を座標軸とし、対角線の交
点を座標原点とした場合の説明図、第８図(b)は第８図
(a)の座標系を長方形パネルの左上を原点とする座標系
に変換するための説明図である。図において、１０は基板、２０はパネル板、３０は分力
検出部、３１は保護部材、４０は分力歪変換部材、４１
は金属部材、４２，４３は歪ゲージである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パネル板の板面の一点に加えられた力の分
力を前記パネル板を基板上に支持する３点以上の支持点
において検出し、力の加えられた点の座標を求める分力
検出部を備えた座標入力装置において、前記各支持点に
おいて分力を歪に変換する前記分力検出部の分力歪変換
部材をプラスチックからなる柱体とし、これらの分力歪
変換部材にかかる圧縮歪をそれぞれ検知する歪ゲージを
前記各分力歪変換部材に設けたことを特徴とする座標入
力装置。
【請求項２】分力検出部は、分力による圧縮歪量を一定
の値以下に制限して分力歪変換部材を保護するための金
属からなる保護部材に取り囲まれていることを特徴とす
る特許請求の範囲第(1)項記載の座標入力装置。
【請求項３】分力歪変換部材は、そのパネル板の板面と
接触する側の部分に金属部材を備えたことを特徴とする
特許請求の範囲第(1)項記載の座標入力装置。
【請求項４】パネル板は、分力検出部に当接する部分に
金属からなる保護部材を備えたことを特徴とする特許請
求の範囲第(1)項記載の座標入力装置。
【請求項５】分力検出部の保護部材は、分力歪変換部材
と歪ゲージを取り囲む円筒状とし、その内面にねじを切
り、このねじによって前記分力歪変換部材と歪ゲージを
前記保護部材の内部で基板に対して進退できるようにし
た受け部材を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第
(2)項記載の座標入力装置。
【請求項６】分力検出部の保護部材は、分力歪変換部材
と歪ゲージを取り囲む円筒状とし、その外面にねじを切
り、このねじによって前記円筒状の保護部材が基板に対
して固定できるように構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第(2)項記載の座標入力装置。