(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
すだれ状電極ＴおよびＲを圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波接触位置検出装置であって、
前記圧電基板の厚さは前記すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐの３倍以上の値を有し、
前記すだれ状電極Ｔの電極指の方向と、前記すだれ状電極Ｒの電極指の方向とは互いに平行でなく、前記すだれ状電極Ｒの電極指の方向は前記すだれ状電極Ｔの電極指の方向に対し角αの傾きを有し、
前記すだれ状電極Ｒの電極指に直交する方向での電極指の周期長ＰNは、前記電極周期長Ｐとcosαとの積に等しく、
前記すだれ状電極Ｔは、前記電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板の前記一方の板面の表面近傍に前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振し、
前記すだれ状電極Ｒは、前記圧電基板に励振されている前記弾性表面波を、位相θj（ｊ＝１，２，……，χ）を有する電気信号Ｅj（ｊ＝１，２，……，χ）に変換し、
前記電気信号Ｅjは前記電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数を有し、
前記位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零であり、前記電気信号Ｅjを合成することにより生ずる電気信号TotalＥjの振幅は零であって、前記電気信号TotalＥjは前記すだれ状電極Ｒにおいて検出されることはなく、
前記位相θjは、前記すだれ状電極Ｔの電極指の方向に沿った位置Ｆj（ｊ＝１，２，……，χ）に対応し、
前記位置Ｆjは、前記圧電基板の前記一方の板面上の前記すだれ状電極ＴとＲとの間の超音波伝搬路Ｚj（ｊ＝１，２，……，χ）にそれぞれ対応し、
超音波伝搬路Ｚxに対応する位置Ｆxを人指または物体が接触することにより、前記すだれ状電極Ｒにおいて位相θを有する出力電気信号Ｅが検出され、
前記位置Ｆxは位相θxを有する電気信号Ｅxに対応し、
前記出力電気信号Ｅは前記電気信号TotalＥjから前記電気信号Ｅxを除いた成分と等しく、前記位相θは前記位相Totalθjから前記位相θxを除いた成分と等しく、
前記位置Ｆxは前記位相θxの値から特定される超音波接触位置検出装置。
【請求項２】
前記すだれ状電極Ｒの電極指の方向での交差幅ＬPは、前記すだれ状電極Ｔの電極交差幅Ｌとsecαとの積に等しい請求項１に記載の超音波接触位置検出装置。
【請求項３】
前記圧電基板が圧電セラミックで成り、該圧電セラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックの厚さ方向と平行である請求項１または２に記載の超音波接触位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は入力用および出力用すだれ状電極を備えた圧電基板上に人指または物体が接触したことを感知し、その位置を検出する超音波接触位置検出装置に関する。
【従来の技術】
超音波方式による従来のタッチパネルは、非圧電板に弾性表面波を励振させ、その非圧電板に接触することにより弾性表面波が減衰するということを利用したものである。非圧電板に弾性表面波を励振する従来の方法としては、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励振する方法、圧電薄膜トランスデューサにより直接的に励振する方法等が挙げられる。くさび形トランスデューサは超音波による非破壊検査等に用いられているが、くさび角の工作精度の問題等から比較的低い周波数領域においてのみ用いられる。圧電薄膜トランスデューサはＺｎＯ等の圧電薄膜を基板に蒸着しすだれ状電極により弾性表面波を励振する方法で、すだれ状電極の構成により種々の伝送特性を示すことから高周波デバイスとして用いられるが、ＵＨＦ，ＶＨＦ帯に限られるとともに加工性や量産性に問題がある。このようにして、従来の超音波タッチパネルでは応答時間、感度、耐久性、工作精度、加工性、量産性および使用しやすさ等の点で問題があり、使用周波数領域も制限されている。そこで、これらの問題点を解決する超音波タッチパネルが本願発明者により特願平４−２１８３３６等で出願された。この超音波タッチパネルは、圧電薄板とすだれ状電極とから成る超音波デバイスを非圧電板の一方の板面に少なくとも２つ設けて成るものであり、低消費電力で効率良く弾性表面波を非圧電板の板面に励振することができる。従って、一方の超音波デバイスを入力用とし、もう一方の超音波デバイスを出力用とした場合、非圧電板の一方の板面における弾性表面波の伝搬路に人指または物体が接触すれば弾性表面波が減衰または消滅することから、出力用超音波デバイスにおけるすだれ状電極に出力される電気信号も減衰または消滅する。しかし、この超音波タッチパネルを含む従来のタッチパネルは、接触位置の細密さにいっそうの向上を要するとともに、信号処理の仕方が複雑にならざるを得なかった。
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波タッチパネルでは感度、工作精度、加工性、量産性、消費電力等に問題があるばかりでなく、信号処理の仕方や回路構成等にも問題があった。
本発明の目的は、加工性、耐久性および量産性に優れ、低消費電力駆動で応答時間が短く、信号処理の仕方が簡単で、回路の規模も小さく、接触位置の細密な検出が可能で、使用しやすさに優れた超音波接触位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波接触位置検出装置は、すだれ状電極ＴおよびＲを圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波接触位置検出装置であって、
前記圧電基板の厚さは前記すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐの３倍以上の値を有し、
前記すだれ状電極Ｔの電極指の方向と、前記すだれ状電極Ｒの電極指の方向とは互いに平行でなく、前記すだれ状電極Ｒの電極指の方向は前記すだれ状電極Ｔの電極指の方向に対し角αの傾きを有し、
前記すだれ状電極Ｒの電極指に直交する方向での電極指の周期長ＰNは、前記電極周期長Ｐとcosαとの積に等しく、
前記すだれ状電極Ｔは、前記電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板の前記一方の板面の表面近傍に前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振し、
前記すだれ状電極Ｒは、前記圧電基板に励振されている前記弾性表面波を、位相θj（ｊ＝１，２，……，χ）を有する電気信号Ｅj（ｊ＝１，２，……，χ）に変換し、
前記電気信号Ｅjは前記電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数を有し、
前記位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零であり、前記電気信号Ｅjを合成することにより生ずる電気信号TotalＥjの振幅は零であって、前記電気信号TotalＥjは前記すだれ状電極Ｒにおいて検出されることはなく、
前記位相θjは、前記すだれ状電極Ｔの電極指の方向に沿った位置Ｆj（ｊ＝１，２，……，χ）に対応し、
前記位置Ｆjは、前記圧電基板の前記一方の板面上の前記すだれ状電極ＴとＲとの間の超音波伝搬路Ｚj（ｊ＝１，２，……，χ）にそれぞれ対応し、
超音波伝搬路Ｚxに対応する位置Ｆxを人指または物体が接触することにより、前記すだれ状電極Ｒにおいて位相θを有する出力電気信号Ｅが検出され、
前記位置Ｆxは位相θxを有する電気信号Ｅxに対応し、
前記出力電気信号Ｅは前記電気信号TotalＥjから前記電気信号Ｅxを除いた成分と等しく、前記位相θは前記位相Totalθjから前記位相θxを除いた成分と等しく、
前記位置Ｆxは前記位相θxの値から特定される。
請求項２に記載の超音波接触位置検出装置は、前記すだれ状電極Ｒの電極指の方向での交差幅ＬPが、前記すだれ状電極Ｔの電極交差幅Ｌとsecαとの積に等しい。
請求項３に記載の超音波接触位置検出装置は、前記圧電基板が圧電セラミックで成り、該圧電セラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックの厚さ方向と平行である。
【発明の実施の形態】
本発明の超音波接触位置検出装置の構造は、すだれ状電極ＴおよびＲを圧電基板の一方の板面に設けて成るものである。このとき、すだれ状電極Ｔの電極指の方向と、すだれ状電極Ｒの電極指の方向とは互いに平行でなく、すだれ状電極Ｒの電極指の方向はすだれ状電極Ｔの電極指の方向に対し角αの傾きを有する。すだれ状電極Ｒの電極指に直交する方向での電極指の周期長ＰNは、すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐとcosαとの積に等しくなるような大きさに設定される。すだれ状電極Ｒの電極指の方向での交差幅ＬPは、すだれ状電極Ｔの電極交差幅Ｌとsecαとの積に等しくなるような大きさに設定される。
圧電基板の厚さがすだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐの３倍以上の値を有することから、すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号をすだれ状電極Ｔに入力する構造を採用することにより、圧電基板のすだれ状電極ＴおよびＲが設けられた方の板面の表面近傍に電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振することができる。この弾性表面波はすだれ状電極Ｒによって位相θj（ｊ＝１，２，……，χ）を有する電気信号Ｅj（ｊ＝１，２，……，χ）に変換される。電気信号Ｅjは電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数を有する。位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零となり、電気信号Ｅjを合成することにより生ずる電気信号TotalＥjの振幅は零となる。つまり、電気信号TotalＥjはすだれ状電極Ｒにおいて検出されることはない。
位相θjを、すだれ状電極Ｔの電極指の方向に沿った位置Ｆj（ｊ＝１，２，……，χ）に対応させることができる。このとき位置Ｆjは、圧電基板のすだれ状電極ＴおよびＲが設けられた方の板面上の前記すだれ状電極ＴとＲとの間の超音波伝搬路Ｚj（ｊ＝１，２，……，χ）にそれぞれ対応している。超音波伝搬路Ｚxに対応する位置Ｆxを人指または物体が接触すると、すだれ状電極Ｒにおいて出力電気信号Ｅが検出される。このとき、出力電気信号Ｅは電気信号TotalＥjから電気信号Ｅxを除いた成分と等しく、出力電気信号Ｅの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しい。つまり、圧電基板上を接触しない場合には、すだれ状電極Ｒにおいて弾性表面波から変換される電気信号TotalＥjは均衡がとれて零であったものが、接触により超音波伝搬路Ｚxが遮断されると、その伝搬路Ｚxに対応する弾性表面波がすだれ状電極Ｒにおいて位相θxを有する電気信号Ｅxに変換されることがないので、全体としての均衡が崩れて、すだれ状電極Ｒにおいて位相θを有する出力電気信号Ｅが検出されることになる。従って、出力電気信号Ｅは電気信号TotalＥjから電気信号Ｅxを除いた成分と等しくなり、出力電気信号Ｅの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。このようにして、位置Ｆxを位相θxを求めることにより判別することが可能となる。
本発明の超音波接触位置検出装置では、圧電基板として圧電セラミックを採用し、その圧電セラミックの分極軸の方向と厚さ方向とを平行にする構造を採用することにより、圧電基板のすだれ状電極ＴおよびＲの設けられた方の板面の表面近傍に効率よく弾性表面波を励振することを可能にしている。また、その弾性表面波をすだれ状電極Ｒにおいて効率よく電気信号Ｅjに変換することを可能にしている。
【実施例】
図１は本発明の超音波接触位置検出装置の一実施例を示す平面図である。本実施例はすだれ状電極Ｔ、Ｒおよび圧電基板１から成る。圧電基板１は厚さ１．５ｍｍの圧電セラミックで成る。すだれ状電極ＴおよびＲはアルミニウム薄膜で成り、それぞれ１０対の電極指を有し、圧電基板１の一方の板面上に設けられている。すだれ状電極Ｔは正規型の構造を有し、電極交差幅Ｌは１２ｍｍ、電極周期長Ｐは４００μｍである。すだれ状電極Ｔの電極指の方向と、すだれ状電極Ｒの電極指の方向とは互いに平行ではない。本発明の超音波接触位置検出装置では、すだれ状電極Ｔの電極指の方向に沿った位置Ｆj（ｊ＝１，２，……，χ）を人指または物体で接触した場合に、その位置を検出することができる。
図２はすだれ状電極Ｒを示す平面図である。すだれ状電極Ｒの電極指の方向はすだれ状電極Ｔの電極指の方向に対して角αの傾きを有する。すだれ状電極Ｒの電極指に直交する方向での電極指の周期長ＰNは、すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐとcosαとの積に等しくなるような大きさに設定されている。すだれ状電極Ｒの電極指の方向での交差幅ＬPは、すだれ状電極Ｔの電極交差幅Ｌとsecαとの積に等しくなるような大きさに設定されている。
図３は図１の超音波接触位置検出装置の駆動回路を示す図である。発振器２からの電気信号の一部▲１▼はすだれ状電極Ｔに送られ、残部▲２▼は減衰器３を介して位相比較器４に送られる。すだれ状電極Ｔに電気信号が入力されると、その電気信号の周波数のうちすだれ状電極Ｔの示す中心周波数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変換されて、圧電基板１のすだれ状電極ＴおよびＲが設けられた方の板面の表面近傍に伝搬される。弾性表面波の伝搬方向は圧電基板１上の矢印で示される方向である。圧電基板１に伝搬された弾性表面波のうちすだれ状電極Ｒの示す中心周波数とその近傍の周波数の弾性表面波のみが、すだれ状電極Ｒおいて位相θj（ｊ＝１，２，……，χ）を有する電気信号Ｅj（ｊ＝１，２，……，χ）に変換される。位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零となることから、電気信号Ｅjを合成することにより生ずる電気信号TotalＥjの振幅は零となる。従って、電気信号TotalＥjはすだれ状電極Ｒから出力されることはない。
位相θjは位置Ｆjに対応するとともに、すだれ状電極ＴとＲとの間の超音波伝搬路Ｚj（ｊ＝１，２，……，χ）に対応している。もしも、位置Ｆxを人指または物体が接触すると、すだれ状電極Ｒにおいて位相θを有する電気信号Ｅが出力される。このとき、位置Ｆxは位相θxを有する電気信号Ｅxに対応していることから、出力電気信号Ｅは電気信号TotalＥjから電気信号Ｅxを除いた成分と等しくなり、位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。つまり、圧電基板１上を接触しない場合には、すだれ状電極Ｒにおいて弾性表面波から変換される電気信号TotalＥjは均衡がとれて零であったものが、接触により超音波伝搬路Ｚxが遮断されると、その伝搬路Ｚxに対応する弾性表面波がすだれ状電極Ｒにおいて電気信号Ｅxに変換されることがないので、全体としての均衡が崩れてすだれ状電極Ｒから電気信号Ｅが出力されることになる。従って、出力電気信号Ｅは電気信号TotalＥjから電気信号Ｅxを除いた成分と等しくなり、出力電気信号Ｅの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。このようにして、位置Ｆxを位相θxを求めることにより判別することが可能となる。発振器２から減衰器３を介して位相比較器４に送られた電気信号の位相は零であることから、これは位相Totalθjと同等である。従って、位相Totalθjと位相θとの差を位相比較器４で位相θxとして検出することができる。
図４は図１における圧電基板１上の接触位置Ｆxと、位相比較器４で検出される位相θxとの関係を示す特性図である。但し、位置ＦxとＦx-1との距離は０．５ｍｍとした。位置Ｆxが零から１２ｍｍの間であるのはすだれ状電極Ｔの電極交差幅Ｌが１２ｍｍであることによる。位置Ｆxと位相θxとの間には良好な線形性があることが分かる。このようにして、位相θxから接触した位置Ｆxを判別することが可能となる。
【発明の効果】
本発明の超音波接触位置検出装置は、すだれ状電極ＴおよびＲを圧電基板の一方の板面に設けて成る簡単な構造を有する。すだれ状電極ＴおよびＲのそれぞれの電極指の方向は互いに平行でなく、すだれ状電極Ｒの電極指の方向はすだれ状電極Ｔの電極指の方向に対し角αの傾きを有する。すだれ状電極Ｒの電極指に直交する方向での電極指の周期長ＰNは、すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐとcosαとの積に等しくなるような大きさに設定され、すだれ状電極Ｒの電極指の方向での交差幅ＬPは、すだれ状電極Ｔの電極交差幅Ｌとsecαとの積に等しくなるような大きさに設定される。
本発明の超音波接触位置検出装置では、圧電基板の厚さがすだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐの３倍以上の値を有することから、すだれ状電極Ｔの電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号をすだれ状電極Ｔに入力することにより、圧電基板のすだれ状電極ＴおよびＲが設けられた方の板面の表面近傍に弾性表面波を励振することができる。この弾性表面波はすだれ状電極Ｒによって位相θj（ｊ＝１，２，……，χ）を有する電気信号Ｅj（ｊ＝１，２，……，χ）に変換される。圧電基板として圧電セラミックを採用し、その圧電セラミックの分極軸の方向と厚さ方向とを平行にする構造を採用することにより、圧電基板のすだれ状電極ＴおよびＲの設けられた方の板面の表面近傍に効率よく弾性表面波を励振することができ、また、その弾性表面波をすだれ状電極Ｒにおいて効率よく電気信号Ｅjに変換することができる。但し、位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零となり、電気信号Ｅjを合成することにより生ずる電気信号TotalＥjの振幅は零となることから、電気信号TotalＥjはすだれ状電極Ｒにおいて検出されることはない。
本発明の超音波接触位置検出装置では、位相θjをすだれ状電極Ｔの電極指の方向に沿った位置Ｆj（ｊ＝１，２，……，χ）に対応させることが可能である。位置Ｆjはすだれ状電極ＴとＲとの間の超音波伝搬路Ｚj（ｊ＝１，２，……，χ）にそれぞれ対応させることができる。位置Ｆxを人指または物体が接触すると、すだれ状電極Ｒにおいて位相θを有する出力電気信号Ｅが検出される。圧電基板上を接触しない場合には、すだれ状電極Ｒにおいて弾性表面波から変換される電気信号TotalＥjは均衡がとれて零であったものが、接触により超音波伝搬路Ｚxが遮断されると、その伝搬路Ｚxに対応する弾性表面波がすだれ状電極Ｒにおいて位相θxを有する電気信号Ｅxに変換されることがないので、全体としての均衡が崩れてすだれ状電極Ｒにおいて出力電気信号Ｅが検出されることになる。従って、出力電気信号Ｅは電気信号TotalＥjから電気信号Ｅxを除いた成分と等しくなり、出力電気信号Ｅの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。このようにして、位置Ｆxを位相θxの値から判別することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波接触位置検出装置の一実施例を示す平面図。
【図２】すだれ状電極Ｒを示す平面図。
【図３】図１の超音波接触位置検出装置の駆動回路を示す図。
【図４】図１における圧電基板１上の接触位置Ｆxと、位相比較器４で検出される位相θxとの関係を示す特性図。
【符号の説明】
１    圧電基板
２    発振器
３    減衰器
４    位相比較器
Ｔ，Ｒ    すだれ状電極
【図１】
0003959532.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003959532.tif 000004
【図４】
0003959532.tif 000005