(57)【要約】【課題】小型かつ簡易な構成で、超音波タッチパネルの低コスト化、低消費電力化を実現する。【解決手段】非圧電基板４と人指若しくは指示器の接触による表面弾性波の変化に基づき、指示位置を検出する超音波タッチパネルにおいて、超音波トランスデューサ１は非圧電基板表面の一方の周縁部に配置され、かつ、超音波トランスデューサ内のすだれ状電極３は、対向する非圧電基板表面の他方の端面に平行になるように配置する。さらに、超音波トランスデューサ１は非圧電基板４の端面に対して超音波を送信する機能と、非圧電基板４の端面で反射する超音波を受信する機能を有する。【選択図】　　図１
2004046500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなり、すだれ状電極を表面に形成した超音波トランスデューサを含み、表面弾性波の伝搬路となる非圧電基板と、前記非圧電基板と人指若しくは指示器の接触による表面弾性波の変化により、前記人指若しくは指示器の位置を検出する超音波タッチパネルであって、
前記超音波トランスデューサは、前記非圧電基板の端面に対して超音波を送信する機能と前記非圧電基板の端面で反射する超音波を受信する機能を有し、非圧電基板表面の一方の周縁部に配置され、かつ、前記すだれ状電極は対向する非圧電基板表面の他方の端面に平行になるように配置された超音波タッチパネル。
【請求項２】
前記超音波トランスデューサのすだれ状電極の間隔ｌは、最も感度が高い表面弾性波モードの波長をλとすると、ｌ＝１／２λを満たし、かつ各電極と超音波トランスデューサ端面ｘ０との距離は、
【数１】
2004046500.tif 000008
を満たし、各電極と非圧電基板端面との距離ｘ１は、
【数２】
2004046500.tif 000009
を満たすように、前記すだれ状電極と前記超音波トランスデューサに近接する非圧電基板の端面との距離が設定される超音波タッチパネル。
【請求項３】
２つ以上のすだれ状電極を含む超音波トランスデューサを有し、２つ以上のすだれ状電極に発生する電圧変化を検出する手順と、
前記電圧変化が最大となる電極の位置に対応する大まかな位置と、前記２つ以上のすだれ状電極に発生する電圧変化の比率を算出する手順と、電圧変化が最大となる電極に隣接する電極間の、人指若しくは指示器の接触している相対位置を算出する手順と、
前記大まかな位置及び前記相対位置から、前記人指若しくは指示器の接触している詳細位置を算出する手順を含む超音波タッチパネルの位置算出方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の超音波タッチパネルであって、
２つ以上のすだれ状電極を含む超音波トランスデューサを有し、２つ以上のすだれ状電極に発生する電圧変化を検出する手順と、
前記電圧変化が最大となる電極の位置に対応する大まかな位置と、前記２つ以上のすだれ状電極に発生する電圧変化の比率を算出する手順と、
電圧変化が最大となる電極に隣接する電極間の、人指若しくは指示器の接触している相対位置を算出する手順と、
前記大まかな位置及び前記相対位置から、前記人指若しくは指示器の接触している詳細位置を算出する手順を含む超音波タッチパネルの位置算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送受信装置を備える非圧電基板に、指または物体が接触したことを検出する超音波タッチパネルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波タッチパネルとしては、表面弾性波を使用する方法が普及している。
【０００３】
表面弾性波を使用する従来の方法としては、特許第２０５５３９１号に代表されるバルク波振動子を用いた、くさび形トランスデューサにより間接的にガラス等の非圧電基板を励振する方法、特許第３０１０６９９号に代表される超音波トランスデューサを非圧電基板周辺部に配置し、対向して配置される送信側トランスデューサと受信側トランスデューサ間の伝搬損失の変化を検出する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バルク波振動子を用いた、くさび形トランスデューサを使用する従来の方式は、非圧電基板を間接的に励振し、かつ非圧電基板周辺部に配置された凹凸状の反射アレイで表面弾性波を２回反射させるため、表面弾性波の損失が大きく、トランスデューサ駆動電圧を高く設定する必要があり、低消費電力化、低コスト化が困難であった。
【０００５】
図１１に示すように、超音波トランスデューサを非圧電基板周辺部に配置し、対向して複数配置される送信側トランスデューサと受信側トランスデューサ間の伝搬損失の変化を検出する従来の方法では、有効領域の拡大や分解能の向上を目的としてトランスデューサ数を増加させた場合、トランスデューサ数に応じた信号ライン及びスイッチが必要となり、無効領域の増加及びコスト増の要因となっていた。
【０００６】
従って、本発明の目的は、小型かつ低コストで消費電力の少ない超音波タッチパネルを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電材料からなり、すだれ状電極を表面に形成した超音波トランスデューサを含み、表面弾性波の伝搬路となる非圧電基板と、非圧電基板と人指若しくは指示器の接触による表面弾性波の変化に基づき、人指若しくは指示器の位置を検出する超音波タッチパネルにおいて、超音波トランスデューサは、非圧電基板の端面に対して超音波を送信する第１の機能と非圧電基板の端面で反射する超音波を受信する第２の機能を有し、非圧電基板表面の一方の周縁部に配置され、かつ、すだれ状電極は対向する非圧電基板表面の他方の端面に平行になるように配置するように超音波タッチパネルを構成する。
【０００８】
また本発明は、すだれ状電極と超音波トランスデューサに近接する非圧電基板の端面との距離が、超音波トランスデューサの電極間隔ｌは最も感度が高い表面弾性波モードの波長をλとすると、ｌ＝１／２λとなるように設定されており、各電極と超音波トランスデューサ端面との距離ｘ０は、
【０００９】
【数３】
2004046500.tif 000003
【００１０】
を満たし、各電極と非圧電基板端面との距離ｘ１は、
【００１１】
【数４】
2004046500.tif 000004
【００１２】
を満たすように構成する。
【００１３】
また本発明は、２つ以上のすだれ状電極を含む超音波トランスデューサを有し、２つ以上のすだれ状電極に発生する電圧変化を検出し、電圧変化が最大となる電極の位置に対応する大まかな位置と、複数の電圧変化の比率を算出して、電圧変化が最大となる電極に隣接する電極間の、人指若しくは指示器の接触している相対位置を算出し、大まかな位置及び相対位置から、人指若しくは指示器の接触している詳細位置を算出する超音波タッチパネルの位置算出方法とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に基づき、本発明における基本動作について説明する。１は超音波トランスデューサ、２はＰＺＴ等の圧電材料、３は圧電材料の表面に形成されたすだれ状電極、４は表面弾性波を伝搬させるガラス等の非圧電基板、５は位置を入力する指、６はすだれ状電極に電気信号を供給するパルス発生器、７はすだれ状電極とパルス発生器及び後述する増幅回路との切り替えを行う選択回路、８は、すだれ状電極３に発生した電気信号を増幅する増幅回路、９は増幅回路から出力される電気信号から超音波の振幅情報に変換する信号処理回路である。
【００１５】
次に第１の構成の動作について、図１に基づき説明する。
【００１６】
最初に、指が非圧電基板に接触していない場合（非接触状態）について説明する。
【００１７】
パルス発生器は超音波トランスデューサのすだれ状電極の電極周期長に対応する周波数である数ＭＨｚの電気信号を生成し、パルス出力信号として出力する。続いて、選択回路を介して、このパルス出力信号を超音波トランスデューサのすだれ状電極に入力し、電気信号を表面弾性波に変換する。超音波トランスデューサから発信された表面弾性波は進行波として伝搬し、非圧電基板の端面で超音波トランスデューサに対向する反射面で反射され、再び超音波トランスデューサの方向へ反射波として伝搬する。
【００１８】
図２に示すように、複数の超音波トランスデューサを使用する場合は、選択回路によって、超音波トランスデューサをパルス発生器から増幅回路に切り替えると、進行波の送信を停止し、反射波を受信することが可能となる。
【００１９】
次に、指が非圧電基板に接触している場合（接触状態）について説明する。
【００２０】
接触状態では、前記進行波は指の接触面積や圧力に応じて減衰する。更に、反射面で反射され、超音波トランスデューサの方向に伝搬する反射波も指の接触面積や圧力に応じて減衰する。
【００２１】
図２に示すように、複数の超音波トランスデューサを使用し、指の位置検出を行う場合は、選択回路によって、超音波トランスデューサをパルス発生器から増幅回路に接続を切り替えると、超音波トランスデューサで受信する表面弾性波が指の接触面積や圧力に応じて減衰するため、超音波トランスデューサから出力される電気信号信号の振幅も指の接触面積や圧力に応じて変化する。
【００２２】
複数の超音波トランスデューサを使用する場合、選択回路でパルス発生器と増幅回路を交互に切り替え、更に超音波トランスデューサのすだれ状電極Ｉｎを複数配置して、順次走査し、受信信号の振幅の変化を順次検出することにより、電極位置に対応した指の大まかな接触位置を検出することが可能となる。
【００２３】
次に、図３に本発明における第２の構成として示す超音波タッチパネルについて説明する。
【００２４】
ここで、本出願人が提案した方式（特開昭５５−９６４１１号）を準用し、指示位置を算出することができる。すなわち上記出力信号の減衰量を基に次式で定義される計算を行う。
【００２５】
なお、図４は指の接触位置を示す説明図、図５は出力電圧Ｖと減衰量Ｄの関係を示す説明図、図６は減衰量Ｄの分布を示す説明図、図７は減衰量Ｄから算出するＱ値の変化を示す説明図であり、この図４〜７に基づき、指示位置算出方法を説明する。
【００２６】
図４に示す位置に指を接触させると、出力電圧Ｖは図５に示されるような値を示し、あらかじめ得ている非接触時の出力信号Ｖ´を引いた減衰量Ｄを算出し、その減衰量が最大となる位置をｐとすると減衰量Ｄｐ−１、Ｄｐ、Ｄｐ＋１は図６に示されるような値を示す。
【００２７】
更にこのＤｐ−１、Ｄｐ、Ｄｐ＋１を得て、式１に基づき、Ｑを得る。
【００２８】
Ｑ＝（Ｄｐ−Ｄｐ＋１）／（Ｄｐ−Ｄｐ−１）　　　　　　・・・（式１）
ただし、Ｄｐ＋１＞Ｄｐ−１
上式において、指５をｘ軸に平行にＬ０からＬ１へ移動させたときの式１に示すＱの変化を図７に示す。指５がＬ０の位置にあるとき、図６（ａ）の分布からＱ＝１となり、指５がＬ１の位置にあるとき、図６（ｂ）の分布からＱ＝０となる事は上述した説明より明らかである。
【００２９】
また、指がＬ０とＬ１の間に位置するとき、Ｑはこの位置と１対１に対応した０＜Ｑ＜１の範囲の値をとる。したがって、このＱの特性をあらかじめ実験的に求めておくことにより、誘導信号の振幅からＱを算出し、このＱからＬ０−Ｌ１間における指の詳細な位置を求めることができる。
【００３０】
つまり出力信号の振幅が最大となるすだれ状電極位置により、指のｘ方向の大まかな位置がわかり、さらにＱから求められる詳細な位置を大まかな位置に加減算することにより、ｘ方向の正確な座標を求めることができる。なお、ｙ座標についても同様であるので説明を省略する。
【００３１】
なお、本構成で説明した指示位置算出方式は、図８で示す従来の超音波タッチパネルにも適応可能である。
【００３２】
次に、本発明における超音波トランスデューサの配置方法について、図９に基づき説明する。
【００３３】
２はＰＺＴ等の圧電材料、３は圧電材料の表面に形成されたすだれ状電極、４は表面弾性波を伝搬させるガラス等の非圧電基板である。
【００３４】
図９に示す本発明の超音波トランスデューサの配置方法において、超音波トランスデューサの電極間隔ｌは最も感度が高い表面弾性波モードの波長をλとすると、ｌ＝１／２λ
となるように設定されており、かつ各電極と超音波トランスデューサ端面との距離ｘ０は、
【００３５】
【数５】
2004046500.tif 000005
【００３６】
を満たし、各電極と非圧電基板端面との距離ｘ１は、
【００３７】
【数６】
2004046500.tif 000006
【００３８】
を満たすように配置する。
【００３９】
【実施例】
次に上記配置条件を満たす超音波トランスデューサ及び非圧電基板と電極間の距離ｌ０及びｌ１に設定した実施例１及び２と、上記配置条件を満たしていない比較例１〜２の入出力特性を表１に示す。なお、超音波トランスデューサ中央と対向する非圧電基板（ソーダガラス）端面との距離３０ｍｍであり、すだれ状電極の幅は１０ｍｍ、電極間距離は０．１２５ｍｍであり、超音波トランスデューサの圧電材料の厚みは０．１５５ｍｍである。なお、入出力特性は入力電圧と出力電圧との比を示している。
【００４０】
【表１】
2004046500.tif 000007
【００４１】
実施例１及び２の構成の場合、図１０（ａ）に示すように、最も感度が高い表面弾性波モードの進行波（実線）と反射波（破線）の干渉が少ない。したがって、指の非接触時の出力電圧が高く、接触時の感度も高くなる。一方、比較例１及び２の構成の場合、図１０（ｂ）に示すように進行波と反射波との干渉が大きく、指の非接触時の出力電圧が低くなり、接触時の感度も低くなる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、本発明における第１の構成に基づき説明したが、図１１で示す従来の超音波タッチパネルにおいても本発明による超音波トランスデューサーの配置方法は適応可能である。
【００４３】
同様に、本実施の形態では座標指示手段として指を使用しているが、指と同様に超音波を減衰させる役割を有するペン等の物体でも本発明に適応可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の超音波タッチパネルと比較して半数のトランスデューサで同様の検出領域を確保できるため、低コスト化が可能となる。また、トランスデューサを配置していない反射部の無効領域を低減することが可能となる。
【００４５】
更に、本発明の第２の構成を使用することにより、従来の超音波タッチパネルと比較して、指示位置の高精度及び高分解能の読取が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における超音波タッチパネルの基本動作を示す概略図である。
【図２】本発明における第１の構成を示す概略図である。
【図３】本発明における第２の構成を示す概略図である。
【図４】本発明における第２の構成において、座標算出方法を示す説明図である。
【図５】本発明における第２の構成において、座標算出方法を示す説明図である。
【図６】本発明における第２の構成において、座標算出方法を示す説明図である。
【図７】本発明における第２の構成において、座標算出方法を示す説明図である。
【図８】本発明における座標算出方法を使用し、トランスデューサ間隔を狭くした従来の超音波タッチパネルの構成図を示す。
【図９】本発明における第１及び第２の構成において、超音波トランスデューサ周辺部の構成を示す拡大図である。
【図１０】本発明における第１及び第２の構成において、トランスデューサ付近の動作を説明する説明図である。
【図１１】従来の超音波タッチパネルの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１　超音波トランスデューサ
２　圧電材料
３　すだれ状電極
４　非圧電基板
５　指
６　パルス発生器
７　選択回路
８　増幅回路
９　信号処理回路
【図１】
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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】
2004046500.tif 000018
【図１０】
2004046500.tif 000019
【図１１】
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