(57)【要約】【課題】  表面弾性波を反射させるための反射アレイを必要とせず、構造を簡単化し、パネルが大型化しても安価に製造できるようにする。【解決手段】  表面弾性波が伝搬する基板１０上の一辺中央に１つの送信素子１２を、またその対向辺の両端に受信素子１４ａ，１４ｂを設置し、送信素子から超音波振動を発信し、基板を伝搬する表面弾性波を受信素子で受信する。送信素子からの直接波と、タッチによって発生する回折波を各受信素子で検出し、直接波信号と回折波信号の時間差及び受信素子間での回折波信号の時間差から、基板上のタッチ位置を算出する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面弾性波が伝搬する基板上に超音波の送信素子と受信素子を設置した超音波式タッチパネルにおいて、
送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に電極を形成した構造をなし、基板の周辺部に設置され、送信素子から超音波振動を発信し、基板を円弧状に伝搬する表面弾性波が受信素子に到達する際の振動減衰の有無からタッチの有無を検出することを特徴とする超音波式タッチパネル。
【請求項２】
表面弾性波が伝搬する基板上に超音波の送信素子と受信素子を設置した超音波式タッチパネルにおいて、
送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に電極を形成した構造をなし、基板の周辺部に設置され、送信素子から超音波振動を発信し、基板を円弧状に伝搬する表面弾性波のタッチにより生じる回折波の有無を受信素子で検出することによりタッチの有無を検出することを特徴とする超音波式タッチパネル。
【請求項３】
表面弾性波が伝搬する基板上に少なくとも１つの送信素子と複数の受信素子を設置し、送信素子から超音波振動を発信し、基板を伝搬する表面弾性波を受信素子で受信するようにした超音波式タッチパネルにおいて、
送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に電極を形成した構造をなし、送信素子は基板の一方の辺に、各受信素子は基板の対向辺に間隔をおいて設置され、送信素子から超音波振動を発信し、基板を円弧状に伝搬する表面弾性波の直接波及びタッチによって発生する回折波を各受信素子で検出し、直接波信号と回折波信号の時間差、及び受信素子間の回折波信号同士の時間差から、基板上のタッチ位置を算出することを特徴とする超音波式タッチパネル。
【請求項４】
１つの送信素子と２つの受信素子を、二等辺三角形の頂点に１つの送信素子が位置し、他の２点にそれぞれ受信素子が位置する配置関係とし、それを１組として１組以上を基板に配置する請求項３記載の超音波式タッチパネル。
【請求項５】
タッチによって生じる直接波の振動減衰の程度から、タッチ強度も検出する請求項１、３又は４記載の超音波式タッチパネル。
【請求項６】
送信素子及び受信素子は、ともに薄板状圧電体の一方の面に複数の同心状に配設した弧状パターンと各弧状パターン間を連結する接続パターンを有する弧状電極を設けると共に他方の面に全面電極を設けた構造をなし、その弧状電極が基板に接するように貼り付けられている請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波式タッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面弾性波が伝搬する基板上に超音波の送信素子と受信素子を設置した超音波式タッチパネルに関し、更に詳しく述べると、円弧状に平面的に広がり伝搬する表面弾性波を利用することにより、基板全周に表面弾性波を反射する反射アレイを形成する必要を無くし、構造を簡素化した超音波式タッチパネルに関するものである。この技術は、基板上のタッチ位置を検出する大型タッチパネルのみならず、タッチの有無や程度のみを検出する小型のタッチパネル（スイッチ）にも適用できる。
【背景技術】
【０００２】
超音波式タッチパネルは、表面弾性波が伝搬する基板上に送信素子と受信素子を設置して、送信素子から超音波振動を発信し、基板を伝搬する表面弾性波を受信素子で受信することにより、タッチの有無やタッチ位置を検出する入力装置である。
【０００３】
従来の超音波式タッチパネルの例としては、表面弾性波が伝搬する四角形の基板の周囲４辺に表面弾性波を反射する反射アレイを設け、一隅にＸ，Ｙ送信素子を、それに隣り合う一方の隅にＸ受信素子、他方の隅にＹ受信素子を設ける構造がある。反射アレイは、４５度傾けた多数の平行突条を基板の辺に沿って配列形成したものであり、表面弾性波の一部の進行方向を直角に変える機能を果たす。例えば、Ｘ送信素子から超音波振動が発せられ、表面弾性波は基板のＹ方向の辺に沿って（一方のＹ方向の反射アレイに沿って）進行し、その過程で一部は反射されて直角方向（Ｘ方向）に進路を変え、残部はそのまま進行する。これによって、表面弾性波は基板全面に行き渡る。基板をＸ方向に横断した表面弾性波は、対向するＹ方向の反射アレイで直角方向に反射され、Ｘ受信素子に導かれて検出される。Ｙ送信素子とＹ受信素子も同様の動作をする。ここで基板にタッチすると、受信素子での出力電圧が変化することから、それを利用して様々な手法を駆使してタッチ位置を検出する。
【０００４】
しかし、このような超音波式タッチパネルでは、基板の全周（４辺）に反射アレイを設ける必要がある。この反射アレイは、ガラス基板上に４５度傾けた多数の平行突条を配列したものであり、例えば低融点ガラスをスクリーン印刷し焼き付けることによって形成する。従って、基板寸法が大きくなるほど歩留まりが低下し、製造が困難となりコスト高となる問題があった。
【特許文献１】特開平８−１７９８７２号公報
【特許文献２】特開平１１−３２７７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、基板の全周にわたって微細加工を必要とする反射アレイを設けねばならない点である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、表面弾性波が伝搬する基板上に超音波の送信素子と受信素子を設置した超音波式タッチパネルにおいて、送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に電極を形成した構造をなし、基板の周辺部に設置され、送信素子から超音波振動を発信し、基板を円弧状に伝搬する表面弾性波が受信素子に到達する際の振動減衰の有無からタッチの有無を検出することを特徴とする超音波式タッチパネルである。また本発明は、表面弾性波が伝搬する基板上に超音波の送信素子と受信素子を設置した超音波式タッチパネルにおいて、送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に電極を形成した構造をなし、基板の周辺部に設置され、送信素子から超音波を発信し、基板を円弧状に伝搬する表面弾性波のタッチにより生じる回折波の有無を受信素子で検出することによりタッチの有無を検出することを特徴とする超音波式タッチパネルである。
【０００７】
更に本発明は、表面弾性波が伝搬する基板上に少なくとも１つの送信素子と複数の受信素子を設置し、送信素子から超音波振動を発信し、基板を伝搬する表面弾性波を受信素子で受信するようにした超音波式タッチパネルにおいて、送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に電極を形成した構造をなし、送信素子は基板の一方の辺に、各受信素子は基板の対向辺に間隔をおいて設置され、送信素子から超音波振動を発信し、基板を円弧状に伝搬する表面弾性波の直接波、及びタッチによって発生する回折波を各受信素子で検出し、直接波信号と回折波信号の時間差、及び受信素子間の回折波信号同士の時間差から、基板上のタッチ位置を検出することを特徴とする超音波式タッチパネルである。ここで、１つの送信素子と２つの受信素子を、二等辺三角形の頂点に１つの送信素子が位置し、他の２点にそれぞれ受信素子が位置する配置関係とし、それを１組として１組以上基板に配置することも検出精度を向上する上で有効である。
【０００８】
これらにおいて、直接波を検出する方式の場合は、タッチによって生じる直接波の振動減衰の程度から、タッチ強度も検出することもできる。送信素子及び受信素子は、指向性の低い（ほぼ１８０度の範囲にわたって表面弾性波を伝搬させる）ものとし、例えば圧電体の一方の面に複数の同心状に配設した弧状パターンと各弧状パターン間を連結する接続パターンを有する弧状電極を設けると共に他方の面に全面電極を設けた構造をなし、その弧状電極が基板に接するように貼り付けられている構成とする。
【０００９】
なお、本発明において「タッチパネル」とは、基板上のタッチ位置を検出する大型タッチパネルのみならず、単にタッチの有無や程度のみを検出する小型のタッチパネル（タッチスイッチ）も含む広い概念の用語として用いている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る超音波式タッチパネルは、基板の全周にわたって微細加工を必要とする表面弾性波の反射アレイを設ける必要が無く、そのため基板が大型化しても歩留まりが低下することはない。本発明は、基板上に発信素子と受信素子を貼り付けるだけの簡単な構造であるため、大型化しても製造コストが増大することはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
表面弾性波が伝搬する基板上の一辺中央に１つの送信素子を、またその対向辺の両端に受信素子を設置し、送信素子から超音波振動を発信し、基板を伝搬する表面弾性波を受信素子で受信するように構成する。送信素子及び受信素子は、ともに圧電体に弧状電極を形成した構造とする。そして、送信素子から超音波振動を発信し、基板を円弧状に（面状に）表面弾性波が伝搬するようにし、直接波及びタッチによって発生する回折波を各受信素子で検出し、直接波信号と回折波信号の時間差、及び受信素子間の回折波信号同士の時間差から、基板上のタッチ位置を算出する。
【実施例】
【００１２】
本発明に係る超音波式タッチパネルの一実施例を図１に示す。これはタッチスイッチとして機能するようにした小型のデバイスである。表面弾性波が伝搬する基板１０上の一辺中央に超音波の送信素子１２を、その対向辺の中央に超音波の受信素子１４を設置する。基板１０は、例えばガラス板などからなる。送信素子１２及び受信素子１４は、ともに薄板状の圧電体表面に弧状電極を有する構造をなし、送信素子１２から超音波振動が発信し、基板１０を表面弾性波が円弧状に広がって伝搬するようにし、受信素子１４では到達する表面弾性波を受信し出力電圧に変換するように構成する。
【００１３】
送信素子１２と受信素子１４は同一構造でよい。その一例を図２に示す。Ａは縦断面を示しており、Ｂは弧状電極を示している。送信素子１２（又は受信素子１４）は、薄板状の圧電体２０の一方の面（底面）に複数の同心状に配設した弧状パターン２２と各弧状パターン２２間を連結する接続パターン２３とを有する弧状電極２４を設けると共に、他方の面（上面）に全面電極２６を設けた構造である。弧状パターンは、ここでは半楕円状として図示しているが、半円状などでもよい。この送信素子１２（又は受信素子１４）は、弧状電極２４の突出方向が基板１０の中央を向くようにし、且つその弧状電極２４が基板１０に接するように接着剤で貼り付けられる。接着層は、振動を吸収することを考慮し、極力薄くするのが好ましい。複数の弧状パターン２２を同心状に並べるのは、励振パワーを向上させるためである。弧状パターン２２の間隔は、例えば４００μｍ程度とし、５ＭＨｚの周波数で励振するように調整する。なお、弧状電極２４は、単一周波数の振動（サイン波振動）が生じるようにすることが望ましい。
【００１４】
発信素子１２では、上面の全面電極２６と底面の弧状電極２４との間に所定の電圧を印加することによって、圧電作用に基づく素子振動が生じ、弧状パターンの間隔に応じた波長の表面弾性波が励振され、その振動が基板１０上を円弧状に伝搬していく。ここでは、５ＭＨｚの単一周波数の振動が電圧を印加する一定の時間だけ継続し、次に電圧印加を停止することで一定時間振動が中断するというサイクルを繰り返すようにバースト波駆動する。基板１０を伝搬してきた振動が受信素子１４に達すると、その圧電作用によって振動の強度が電圧に変換され検出される。
【００１５】
図１の構成では、基板１０を指でタッチしていないときは、発信素子１２から発せられた超音波振動は直接的に受信素子１４に達するため大きな電圧が検出される。しかし、基板１０を指でタッチすると（タッチ箇所を符号「１６」で示す）、基板１０を伝搬する表面弾性波が阻害され、受信素子１４には到達し難くなり、出力電圧は減少する。つまり、直接波の振動減衰の有無は出力電圧の変化で検出できるので、それによってタッチの有無を検出することができる。また、基板１０に指がタッチする強さによって直接波の振動減衰の程度が異なるので、受信素子１４で受信した直接波による出力電圧によって、タッチ強度を検出することができる。
【００１６】
図３は本発明に係る超音波式タッチパネルの他の実施例を示している。これも、タッチスイッチとして機能するようにした小型のデバイスである。表面弾性波が伝搬する基板１０上の一隅に超音波の送信素子１２を、それに隣り合う一隅に超音波の受信素子１４を設置する。設置位置を除く他の構成は、図１と同様であってよい。送信素子１２から超音波バースト波を発信し、表面弾性波は基板１０上を円弧状に伝搬するする。基板１０を指でタッチしていないときは、発信素子１２から発せられた超音波振動は直接的には受信素子１４に達し難いため小さな電圧しか検出されない。しかし、基板１０を指でタッチすると（タッチ箇所を符号「１６」で示す）、基板１０を伝搬する表面弾性波がタッチした指のエッジによって回折現象を起こし、その回折波（点線で示す）が基板１０上を伝搬して受信素子１４に到達する。つまり回折波振動による出力電圧が生じる。従って、指のタッチによって発生する回折波を受信素子１４で検出することによりタッチの有無を検出することができる。
【００１７】
出力電圧波形の一例を図４に示す。点線は基板にタッチしていない場合であり、直接波のみによる電圧が現れている。基板１０を指でタッチすると、実線で示すように、直接波の他に回折波による電圧が現れる。従って、回折波が現れるタイミングで出力電圧を検出すれば、タッチの有無を検出することができる。
【００１８】
図５は本発明に係る超音波式タッチパネルの更に他の実施例を示している。これは、タッチ位置も検出する機能を備えた大型デバイスである。表面弾性波が伝搬する基板１０上の一辺中央に１つの送信素子１２を、またその対向辺の両端に受信素子１４ａ，１４ｂを設置する。送信素子１２と受信素子１４ａ，１４ｂは、いずれも図２に示したのと同様、薄板状の圧電体に弧状電極を形成した構造とする。そして、送信素子１２から超音波振動を発信し、基板１０を円弧状に（面状に）伝搬する表面弾性波を受信素子１４ａ，１４ｂで受信するように構成する。基板１０を指でタッチすると、タッチした指のエッジによって表面弾性波の回折が起こり、その回折波も受信素子１４ａ，１４ｂに到達する。
【００１９】
両受信素子１４ａ，１４ｂでは、発信素子１２からの直接波と、タッチによって発生する回折波が検出される。出力電圧波形の一例を図６に示す。一方の受信素子（例えば１４ａ）での直接波信号と回折波信号の時間差、及び両受信素子１４ａ，１４ｂ間での回折波信号の時間差から、基板１０上のタッチ位置を算出することができる。また、無タッチ時の直接波の信号強度とタッチ時の直接波の信号強度を比較することで、タッチ強度を検出することができる。図６において、一点鎖線は基板にタッチしていない場合であり、直接波のみが現れる。基板にタッチすると、直接波の他に回折波が現れる。実線は一方の受信素子１４ａで検出した出力電圧を示し、点線は他方の受信素子１４ｂで検出した出力電圧を示している。従って、回折波による出力信号が現れるタイミング（出力電圧のピーク位置）を測定すれば、タッチ位置を求めることができる。
【００２０】
例えば図５に示すように、１つの送信素子１２と２つの受信素子１４ａ，１４ｂが二等辺三角形の頂点に位置するような配置関係としたとき、発信素子１２の座標を［０，０］とし、一方の受信素子１４ａの座標を［１，１］、他方の受信素子１４ｂの座標を［１，−１］とする。また、タッチ位置を［ｘ，ｙ］とする。図６において、一方の受信素子１４ａに現れる直接波と回折波の時間差をＴ１、一方の受信素子１４ａと他方の受信素子１４ｂに現れる回折波同士の時間差をＴ２とすると、それらは振動が伝搬する距離に比例することから、
Ｔ１∝（Ｂ１＋Ｂ２）−Ａ
Ｔ２∝Ｂ３−Ｂ２
で表せる。ここで、
Ａ＝√２
Ｂ１＝√（ｘ2 ＋ｙ2 ）
Ｂ２＝√（（１−ｘ）2 ＋（１−ｙ）2 ）
Ｂ３＝√（（１−ｘ）2 ＋（１＋ｙ）2 ）
Ａ：送信素子１２から一方の受信素子１４ａまでの距離
Ｂ１：送信素子１２からタッチ位置１６までの距離
Ｂ２：タッチ位置１６から一方の受信素子１４ａまでの距離
Ｂ３：タッチ位置１６から他方の受信素子１４ｂまでの距離
である。従って、時間差Ｔ１及びＴ２はタッチ位置ｘとｙの関数であり、Ｔ１とＴ２を測定することによって、タッチ位置［ｘ，ｙ］を算出することができる。更に、直接波の無タッチ時の振幅とタッチ時の振幅の振動減衰の程度によって、タッチ強さを検出することもできる。
【００２１】
図７は、本発明に係る超音波式タッチパネルの更に他の実施例を示している。基本的には図５と同様、表面弾性波が伝搬する基板１０上の一辺中央に１つの送信素子１２を、またその対向辺の両端に受信素子１４ａ，１４ｂを設置し、送信素子１２から超音波振動を発信し、基板１０を伝搬する表面弾性波を受信素子１４ａ，１４ｂで受信するように構成する。１つの送信素子１２が二等辺三角形の頂点に位置し、他の２点に受信素子１４ａ，１４ｂが位置するような配置関係とし、それを１組とする。同様の配置関係にある１つの送信素子３２と２つの受信素子３４ａ，３４ｂの組を、前記の組とは対称的に基板１０に設置している。なお図７には、送信素子１２と受信素子１４ａ，１４ｂの組を用いた場合の直接波と回折波を示している。
【００２２】
このように送信素子や受信素子の設置個数を増やすと、検出精度を向上することができる。基板上での検出精度が低い領域を無くすことができるからである。測定は、例えば一つの送信素子と受信素子の組で行い、次にタイミングをずらせて他の送信素子と受信素子の組で行うという動作を繰り返えせばよい。
【００２３】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる構成のみに限定されるものではない。送信素子や受信素子の設置位置、電極構造などは、使用条件などに合わせて適宜変更可能である。一方の電極は円弧状でもよいし、楕円形の周の一部や放物線など各種曲線の一部を利用した弧状、さらに微細な個片に分割したマトリックス状でもよい。送信素子と受信素子とは、必ずしも同一でなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る超音波式タッチパネルの一実施例を示す説明図。
【図２】送信素子（又は受信素子）の説明図。
【図３】本発明に係る超音波式タッチパネルの他の実施例を示す説明図。
【図４】その受信素子で検出される出力電圧波形の説明図。
【図５】本発明に係る超音波式タッチパネルの更に他の実施例を示す説明図。
【図６】その両受信素子で検出される出力電圧波形の説明図。
【図７】本発明に係る超音波式タッチパネルの更に他の実施例を示す説明図。
【符号の説明】
【００２５】
１０  基板
１２  送信素子
１４，１４ａ，１４ｂ  受信素子
１６  タッチ位置
【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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