(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、圧電板と、非圧電板と、前記超音波送受波手段ＸおよびＹに接続された情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記各超音波送受波手段はＮ組のすだれ状電極Ｔｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）、すだれ状電極ＲおよびＮ個のスイッチＷｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）から成り、前記すだれ状電極ＴｉおよびＲは前記圧電板の一方の板面に設けられ、前記非圧電板の下端面は前記圧電板の前記一方の板面に前記各すだれ状電極を介して固着されていて、前記スイッチＷｉの出力端は前記すだれ状電極Ｔｉの入力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｔｉは前記すだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＴを入力されることにより、前記圧電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、該弾性表面波を前記圧電板の内部には漏洩させることなく前記非圧電板の上端面に伝搬させ、前記非圧電板の前記上端面に伝搬される前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒは、前記非圧電板の前記上端面に伝搬した弾性表面波を前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬させ、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した弾性表面波を前記すだれ状電極Ｒの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲに変換して出力し、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、その波長は前記電極周期長ｐとほぼ等しく、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上であり、前記非圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記すだれ状電極ＴｉとＲとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）は、互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させ、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記すだれ状電極ＴｉとＲとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）は、互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させ、前記情報処理部は前記スイッチＷｉを順次に所定の周期で断続し、前記電気信号ＥＲの大きさを検出し、前記非圧電板の前記上端面に入力ペンのペン先が接触することを前記電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅することによって判断し、前記電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅した時に接続されていた前記スイッチＷｉを特定することにより接触位置を特定する超音波タッチパネル。
【請求項２】
前記伝搬路ＵＸｉおよび前記伝搬路ＵＹｉは互いに直交している請求項１に記載の超音波タッチパネル。
【請求項３】
前記すだれ状電極Ｔｉのそれぞれの全体の形状が平行四辺形を成すとともに、前記すだれ状電極Ｒの全体の形状が平行四辺形を成すことにより、前記伝搬路ＵＸｉは互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させ、前記伝搬路ＵＹｉは互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させている請求項２に記載の超音波タッチパネル。
【請求項４】
前記伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉを遅延素子とする発振器Ｈｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）が構成されていて、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記スイッチＷｉの入力端は、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記すだれ状電極Ｒの出力端に増幅器ＡＹを介して接続されており、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記スイッチＷｉの入力端は、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記すだれ状電極Ｒの出力端に増幅器ＡＸを介して接続されており、前記発振器Ｈｉの信号ループは、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＸｉ、前記増幅器ＡＸ、および前記超音波送受波手段Ｙにおける前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＹｉ、前記増幅器ＡＹから成る請求項２または３に記載の超音波タッチパネル。
【請求項５】
少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、圧電板と、非圧電板と、前記超音波送受波手段ＸおよびＹに接続された情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記各超音波送受波手段はすだれ状電極Ｔおよびすだれ状電極Ｒｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）から成り、前記すだれ状電極ＴおよびＲｉは前記圧電板の一方の板面に設けられ、前記非圧電板の下端面は前記圧電板の前記一方の板面に前記各すだれ状電極を介して固着されていて、前記すだれ状電極Ｔは前記すだれ状電極Ｔの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＴを入力されることにより、前記圧電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、該弾性表面波を前記圧電板の内部には漏洩させることなく前記非圧電板の上端面に伝搬させ、前記非圧電板の前記上端面に伝搬される前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒｉは、前記非圧電板の前記上端面に伝搬した弾性表面波を前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬させ、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した弾性表面波を前記すだれ状電極Ｒｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に変換して出力し、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、その波長は前記電極周期長ｐとほぼ等しく、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上であり、前記非圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記すだれ状電極ＴとＲｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）は、互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させ、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記すだれ状電極ＴとＲｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉは、互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させ、前記情報処理部は前記電気信号ＥＲｉの大きさを検出し、前記非圧電板の前記上端面に入力ペンのペン先が接触することを前記電気信号ＥＲｉの大きさが減衰または消滅することによって判断し、減衰または消滅した電気信号ＥＲｉに対応するすだれ状電極Ｒｉを特定することにより接触位置を特定する超音波タッチパネル。
【請求項６】
前記伝搬路ＵＸｉおよび前記伝搬路ＵＹｉは互いに直交している請求項５に記載の超音波タッチパネル。
【請求項７】
前記すだれ状電極Ｔの全体の形状が平行四辺形を成すとともに、前記すだれ状電極Ｒｉのそれぞれの全体の形状が平行四辺形を成すことにより、前記伝搬路ＵＸｉは互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させ、前記伝搬路ＵＹｉは互いに隙間なく隣接するかまたは一部分を重複させている請求項６に記載の超音波タッチパネル。
【請求項８】
前記伝搬路ＵＹｉのうち伝搬路ＵＹ１を遅延素子とする発振器Ｈが構成されていて、前記伝搬路ＵＹ１に対応する前記すだれ状電極Ｒ１の出力端は、前記超音波送受波手段ＸおよびＹにおける前記すだれ状電極Ｔの入力端に増幅器ＡＭＰを介して接続されており、前記発振器Ｈの信号ループは、前記伝搬路ＵＹ１に対応する前記すだれ状電極Ｔ、前記伝搬路ＵＹ１、前記伝搬路ＵＹ１に対応する前記すだれ状電極Ｒ１および前記増幅器ＡＭＰから成る請求項６または７に記載の超音波タッチパネル。
【請求項９】
前記圧電板のもう一方の板面が支持基板で支持されている請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の超音波タッチパネル。
【請求項１０】
前記圧電板が圧電セラミックで成り、前記圧電セラミックの分極軸の方向は前記圧電セラミックの厚さ方向と平行である請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９に記載の超音波タッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はすだれ状電極を備えた圧電板に非圧電板が固着されることにより、その非圧電板に入力ペンのペン先が接触した位置の座標を特定する超音波タッチパネルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のタッチパネルには抵抗膜を用いる方法と超音波を用いる方法が主に挙げられる。抵抗膜を用いる方法は透明導電性フィルム（抵抗膜）に接触することによりその透明導電性フィルムの抵抗値が変化することを利用したものであり、低消費電力であるものの応答時間、感度、耐久性等の点で問題を有している。また、パネルの大面積化が難しいという欠点を有する。超音波を用いる方法は予め弾性表面波を励振させておいた非圧電板に接触することによりその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、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人指または物体による接触が感知される。しかし、この超音波タッチパネルは、弾性表面波を非圧電板の表面近傍に励振する際に、弾性表面波が非圧電板の内部に漏洩される割合が大きく、従って、消費電力に問題があるばかりでなく非圧電板の支持の仕方および不要信号の抑圧に工夫を要した。また、非圧電板の表面近傍に励振している弾性表面波を電気信号に変換する際の効率が悪かった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の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るばかりでなく、消費電力、支持の仕方および不要信号の発生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、使用しやすさに優れた超音波タッチパネルを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波タッチパネルは、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、圧電板と、非圧電板と、前記超音波送受波手段ＸおよびＹに接続された情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記各超音波送受波手段はＮ組のすだれ状電極Ｔｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）、すだれ状電極ＲおよびＮ個のスイッチＷｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）から成り、前記すだれ状電極ＴｉおよびＲは前記圧電板の一方の板面に設けられ、前記非圧電板の下端面は前記圧電板の前記一方の板面に前記各すだれ状電極を介して固着されていて、前記スイッチＷｉの出力端は前記すだれ状電極Ｔｉの入力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｔｉは前記すだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＴを入力されることにより、前記圧電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、該弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、前記非圧電板の前記上端面に伝搬される前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒは、前記非圧電板の前記上端面に伝搬した弾性表面波を前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬させ、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した弾性表面波を前記すだれ状電極Ｒの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲに変換して出力し、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、その波長は前記電極周期長ｐとほぼ等しく、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上であり、前記非圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、前記情報処理部は前記スイッチＷｉを順次に所定の周期で断続し、前記電気信号ＥＲの大きさを検出し、前記非圧電板の前記上端面に入力ペンのペン先が接触することを前記電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅することによって判断し、前記電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅した時に接続されていた前記スイッチＷｉを特定することにより接触位置を特定する。
【０００５】
請求項２に記載の超音波タッチパネルは、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記すだれ状電極ＴｉとＲとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記すだれ状電極ＴｉとＲとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とが互いに直交している。
【０００６】
請求項３に記載の超音波タッチパネルは、前記伝搬路ＵＸｉが互いに隣接するかまたは一部分を重複させており、前記伝搬路ＵＹｉが互いに隣接するかまたは一部分を重複させている。
【０００７】
請求項４に記載の超音波タッチパネルは、前記伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉを遅延素子とする発振器Ｈｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）が構成されていて、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記スイッチＷｉの入力端は、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記すだれ状電極Ｒの出力端に増幅器ＡＹを介して接続されており、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記スイッチＷｉの入力端は、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記すだれ状電極Ｒの出力端に増幅器ＡＸを介して接続されており、前記発振器Ｈｉの信号ループは、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＸｉ、前記増幅器ＡＸ、および前記超音波送受波手段Ｙにおける前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＹｉ、前記増幅器ＡＹから成る。
【０００８】
請求項５に記載の超音波タッチパネルは、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、圧電板と、非圧電板と、前記超音波送受波手段ＸおよびＹに接続された情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記各超音波送受波手段はすだれ状電極Ｔおよびすだれ状電極Ｒｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）から成り、前記すだれ状電極ＴおよびＲｉは前記圧電板の一方の板面に設けられ、前記非圧電板の下端面は前記圧電板の前記一方の板面に前記各すだれ状電極を介して固着されていて、前記すだれ状電極Ｔは前記すだれ状電極Ｔの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＴを入力されることにより、前記圧電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、該弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、前記非圧電板の前記上端面に伝搬される前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒｉは、前記非圧電板の前記上端面に伝搬した弾性表面波を前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬させ、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した弾性表面波を前記すだれ状電極Ｒｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に変換して出力し、前記圧電板の前記一方の板面の表面近傍に伝搬した前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、その波長は前記電極周期長ｐとほぼ等しく、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記圧電板の厚さは前記電極周期長ｐのほぼ３倍以上であり、前記非圧電板の厚さｄは前記電極周期長ｐよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、前記情報処理部は前記電気信号ＥＲｉの大きさを検出し、前記非圧電板の前記上端面に入力ペンのペン先が接触することを前記電気信号ＥＲｉの大きさが減衰または消滅することによって判断し、減衰または消滅した電気信号ＥＲｉに対応するすだれ状電極Ｒｉを特定することにより接触位置を特定する。
【０００９】
請求項６に記載の超音波タッチパネルは、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記すだれ状電極ＴとＲｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記すだれ状電極ＴとＲｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とが互いに直交している。
【００１０】
請求項７に記載の超音波タッチパネルは、前記伝搬路ＵＸｉが互いに隣接するかまたは一部分を重複させており、前記伝搬路ＵＹｉが互いに隣接するかまたは一部分を重複させている。
【００１１】
請求項８に記載の超音波タッチパネルは、前記伝搬路ＵＹｉのうち伝搬路ＵＹ１を遅延素子とする発振器Ｈが構成されていて、前記伝搬路ＵＹ１に対応する前記すだれ状電極Ｒ１の出力端は、前記超音波送受波手段ＸおよびＹにおける前記すだれ状電極Ｔの入力端に増幅器ＡＭＰを介して接続されており、前記発振器Ｈの信号ループは、前記伝搬路ＵＹ１に対応する前記すだれ状電極Ｔ、前記伝搬路ＵＹ１、前記伝搬路ＵＹ１に対応する前記すだれ状電極Ｒ１および前記増幅器ＡＭＰから成る。
【００１２】
請求項９に記載の超音波タッチパネルは、前記圧電板のもう一方の板面が支持基板で支持されている。
【００１３】
請求項１０に記載の超音波タッチパネルは、前記圧電板が圧電セラミックで成り、前記圧電セラミックの分極軸の方向が前記圧電セラミックの厚さ方向と平行である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波タッチパネルは、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、圧電板と、非圧電板と、超音波送受波手段ＸおよびＹに接続された情報処理部とから成る簡単な構造を有する。
【００１５】
超音波送受波手段としては２つの構造が提供されている。第１の構造は各超音波送受波手段がＮ組のすだれ状電極Ｔｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）、すだれ状電極ＲおよびＮ個のスイッチＷｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）から成るものである。この場合、すだれ状電極ＴｉおよびＲは圧電板の一方の板面に設けられ、その上に非圧電板の下端面が固着されている。スイッチＷｉの出力端はすだれ状電極Ｔｉの入力端に接続されている。
【００１６】
すだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＴをこのすだれ状電極Ｔｉに入力する構造を採用することにより、圧電板のすだれ状電極Ｔｉが設けられた方の板面の表面近傍にすだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振させ、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させることができる。このとき非圧電板に伝搬されるのは０次モードおよび１次以上の高次モードの弾性表面波である。０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造および１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、すだれ状電極Ｔｉから加えられる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合を大きくすることができるだけでなく、圧電板と非圧電板との界面での音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等を除去することができる。また、圧電板の厚さをすだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐのほぼ３倍以上とし、非圧電板の厚さｄを電極周期長ｐよりも小さくし、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を非圧電板として採用することにより、圧電板の内部には超音波を漏洩させることなく、非圧電板に効率よく弾性表面波を伝搬させることができる。従って、低消費電力駆動が可能となるばかりでなく、圧電板の支持が容易になる。このとき、圧電板の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍を除く部分の支持が可能となる。
【００１７】
すだれ状電極ＴｉおよびＲを弾性表面波の送受波の指向軸が共通になるように互いに１対１に対を成すような構造を採用することにより、非圧電板の上端面に伝搬されている弾性表面波をすだれ状電極Ｒから電気信号ＥＲとして出力させることができる。このとき、非圧電板に伝搬されている弾性表面波はいったん圧電板の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍に伝搬された後、すだれ状電極Ｒの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲとしてすだれ状電極Ｒから出力される。この圧電板に伝搬した弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波である。この弾性表面波の波長が電極周期長ｐとほぼ等しくなるように電極周期長ｐを設定し、０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造および１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、圧電板に伝搬した弾性表面波をすだれ状電極Ｒから効率よく電気信号ＥＲとして出力することができる。また、圧電板と非圧電板との界面での音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等を除去することができる。さらに、圧電板の厚さをすだれ状電極Ｒの電極周期長ｐのほぼ３倍以上とし、非圧電板の厚さｄを電極周期長ｐよりも小さくし、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を非圧電板として採用することにより、圧電板の内部には超音波を漏洩させることなく、非圧電板に伝搬されている弾性表面波をすだれ状電極Ｒから効率よく電気信号ＥＲとして出力することができる。従って、低消費電力駆動が可能となるばかりでなく、圧電板の支持が容易になる。このとき、圧電板の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍を除く部分の支持が可能となる。
【００１８】
非圧電板の上端面のすだれ状電極ＴｉとＲとの間を入力ペンのペン先で接触すると、弾性表面波の伝搬路が遮断されるので、それに伴ってすだれ状電極Ｒに出力される電気信号ＥＲも消滅または減衰する。情報処理部が電気信号ＥＲの大きさを検出する機能と、非圧電板の上端面にペン先が接触したことを電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅することによって判断する機能とを備えていることにより、非圧電板の上端面に接触したことが短い応答時間で感知される。さらに、情報処理部がスイッチＷｉを順次に所定の周期で断続する機能と、電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅した時に接続されていたスイッチＷｉを特定することにより非圧電板の上端面における接触位置を特定する機能とを備えていることにより、非圧電板の上端面における接触位置が分かる。たとえば、非圧電板の上端面を接触することにより電気信号ＥＲの大きさが消滅し、そのとき接続されていたのがスイッチＷ５であれば、そのスイッチＷ５に対応する弾性表面波の伝搬路上が接触位置と分かる。
【００１９】
超音波送受波手段Ｘにおけるすだれ状電極ＴｉとＲとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、超音波送受波手段Ｙにおけるすだれ状電極ＴｉとＲとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とを互いに直交させる構造を採用することにより、非圧電板の上端面に入力ペンのペン先で接触した場合、その接触位置の座標を各超音波送受波手段において出力される電気信号ＥＲの大きさから特定することが可能となる。すなわち、接触位置の座標を伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉをそれぞれＸ軸およびＹ軸とする２次元の座標に対応させ、接触位置を伝搬路ＵＸｉとＵＹｉとの交叉部に対応させれば、その交叉部の座標が算出される。また、伝搬路ＵＸｉを互いに隣接させるかまたは一部分を重複させるとともに、伝搬路ＵＹｉを互いに隣接させるかまたは一部分を重複させた構造を採用することにより、非圧電板の上端面における接触位置をさらに精密に特定することが可能となる。
【００２０】
Ｘ軸方向のスイッチＷｉのうちの１個を接続している間に、Ｙ軸方向のスイッチＷｉを一巡する方法を採用することにより、接触位置の特定が容易になる。たとえばＸ軸方向のすだれ状電極Ｔ３とすだれ状電極Ｒとの間の伝搬路ＵＸ３と、Ｙ軸方向のすだれ状電極Ｔ５とすだれ状電極Ｒとの間の伝搬路ＵＹ５との交叉部をペン先で接触すれば、Ｘ軸方向のスイッチＷ３を接続した時に限ってＸ軸方向の電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅すると同時に、Ｙ軸方向のスイッチＷ５を接続した時に限ってＹ軸方向の電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅する。このようにして、伝搬路ＵＸ３とＵＹ５との交叉部を接触していることが判明される。
【００２１】
超音波送受波手段ＸおよびＹにおけるスイッチＷｉをそれぞれスイッチＷＸｉおよびスイッチＷＹｉとし、スイッチＷＸｉの入力端を超音波送受波手段Ｙにおけるすだれ状電極Ｒの出力端に増幅器ＡＹを介して接続し、スイッチＷＹｉの入力端を超音波送受波手段Ｘにおけるすだれ状電極Ｒの出力端に増幅器ＡＸを介して接続する構造を採用することにより、伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉを遅延素子とする発振器Ｈｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を構成することが可能である。このとき、発振器Ｈｉの信号ループはスイッチＷＸｉ、伝搬路ＵＸｉ、増幅器ＡＸ、スイッチＷＹｉ、伝搬路ＵＹｉおよび増幅器ＡＹから成る。このようにして、回路構成が簡略化されることから装置の小型軽量化がさらに促進され、しかも低消費電力で低電圧での駆動が可能となる。
【００２２】
超音波送受波手段の第２の構造は、各超音波送受波手段がすだれ状電極Ｔおよびすだれ状電極Ｒｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）から成るものである。この場合、すだれ状電極ＴおよびＲｉは圧電板の一方の板面に設けられ、その上に非圧電板の下端面が固着されている。
【００２３】
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ＥＴをこのすだれ状電極Ｔに入力する構造を採用することにより、圧電板のすだれ状電極Ｔが設けられた方の板面の表面近傍にすだれ状電極Ｔの電極周期長ｐとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振させ、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させることができる。このとき非圧電板に伝搬されるのは０次モードおよび１次以上の高次モードの弾性表面波である。０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造および１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、すだれ状電極Ｔから加えられる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合を大きくすることができるだけでなく、圧電板と非圧電板との界面での音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等を除去することができる。また、圧電板の厚さｄをすだれ状電極Ｔの電極周期長ｐのほぼ３倍以上とし、非圧電板の厚さを電極周期長ｐよりも小さくし、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を非圧電板として採用することにより、圧電板の内部には超音波を漏洩させることなく、非圧電板に効率よく弾性表面波を伝搬させることができる。
【００２４】
すだれ状電極ＴおよびＲｉを弾性表面波の送受波の指向軸が共通になるように配置する構造を採用することにより、非圧電板の上端面に伝搬されている弾性表面波をすだれ状電極Ｒｉから電気信号ＥＲｉとして出力させることができる。このとき、非圧電板に伝搬されている弾性表面波はいったん圧電板の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍に伝搬された後、すだれ状電極Ｒｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲｉとしてすだれ状電極Ｒｉから出力される。この圧電板に伝搬した弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波である。この弾性表面波の波長が電極周期長ｐとほぼ等しくなるように電極周期長ｐを設定し、０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造および１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、圧電板に伝搬した弾性表面波をすだれ状電極Ｒｉから効率よく電気信号ＥＲｉとして出力することができる。また、圧電板と非圧電板との界面での音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等を除去することができる。さらに、圧電板の厚さをすだれ状電極Ｒｉの電極周期長ｐのほぼ３倍以上とし、非圧電板の厚さｄを電極周期長ｐよりも小さくし、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を非圧電板として採用することにより、圧電板の内部には超音波を漏洩させることなく、非圧電板に伝搬されている弾性表面波をすだれ状電極Ｒｉから効率よく電気信号ＥＲｉとして出力することができる。
【００２５】
非圧電板の上端面のすだれ状電極ＴとＲｉとの間を入力ペンのペン先で接触すると、弾性表面波の伝搬路が遮断されるので、それに伴ってすだれ状電極Ｒｉに出力される電気信号ＥＲｉも消滅または減衰する。情報処理部が電気信号ＥＲｉの大きさを検出する機能と、非圧電板の上端面にペン先が接触したことを電気信号ＥＲｉの大きさが減衰または消滅することによって判断する機能とを備えていることにより、非圧電板の上端面に接触したことが短い応答時間で感知される。さらに、情報処理部が、減衰または消滅した電気信号ＥＲｉに対応するすだれ状電極Ｒｉを特定することにより接触位置を特定する機能を備えていることにより、非圧電板の上端面における接触位置が分かる。
【００２６】
超音波送受波手段Ｘにおけるすだれ状電極ＴとＲｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、超音波送受波手段Ｙにおけるすだれ状電極ＴとＲｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とを互いに直交させる構造を採用することにより、非圧電板の上端面に入力ペンのペン先で接触した場合、その接触位置の座標を各超音波送受波手段において出力される電気信号ＥＲｉの大きさから特定することが可能となる。すなわち、接触位置の座標を伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉをそれぞれＸ軸およびＹ軸とする２次元の座標に対応させ、接触位置を伝搬路ＵＸｉとＵＹｉとの交叉部に対応させれば、その交叉部の座標が算出される。また、伝搬路ＵＸｉを互いに隣接させるかまたは一部分を重複させるとともに、伝搬路ＵＹｉを互いに隣接させるかまたは一部分を重複させた構造を採用することにより、非圧電板の上端面における接触位置をさらに精密に特定することが可能となる。
【００２７】
伝搬路ＵＹｉのうち伝搬路ＵＹ１に対応するすだれ状電極Ｒ１の出力端を超音波送受波手段ＸおよびＹにおけるそれぞれのすだれ状電極Ｔの入力端に増幅器ＡＭＰを介して接続する構造を採用することにより、伝搬路ＵＹ１を遅延素子とする発振器Ｈを構成することができる。このとき、発振器Ｈの信号ループは伝搬路ＵＹ１に対応するすだれ状電極Ｔ、伝搬路ＵＹ１、伝搬路ＵＹ１に対応するすだれ状電極Ｒ１および増幅器ＡＭＰから成る。このようにして、回路構成が簡略化されることから装置の小型軽量化がさらに促進され、しかも低消費電力で低電圧での駆動が可能となる。
【００２８】
本発明の超音波タッチパネルでは、圧電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、圧電板の各すだれ状電極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し非圧電板の上端面に伝搬させることと、非圧電板の上端面に伝搬している弾性表面波を効率よく圧電板の各すだれ状電極の設けられた方の板面の表面近傍に伝搬させ、すだれ状電極ＲまたはＲｉから電気信号として出力させることができる。
【００２９】
【実施例】
図１は本発明の超音波タッチパネルの第１の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電磁器板１、非圧電板２、支持基板３、駆動部４、Ｘ軸方向の超音波送受波手段ＸおよびＹ軸方向の超音波送受波手段Ｙから成る。超音波送受波手段Ｘはすだれ状電極ＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）、すだれ状電極ＲＸ、増幅器ＡＸおよびスイッチＷＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）から成る。超音波送受波手段Ｙはすだれ状電極ＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）、すだれ状電極ＲＹ、増幅器ＡＹおよびスイッチＷＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）から成る。図１では圧電磁器板１、非圧電板２、支持基板３、駆動部４および超音波送受波手段Ｘのみが描かれている。すだれ状電極ＴＸｉ、ＴＹｉ、ＲＸおよびＲＹはアルミニウム薄膜で成る。圧電磁器板１は厚さ１．５ｍｍのＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。非圧電板２はガラス、フッ素樹脂やアクリル樹脂等の高分子化合物で成り、その厚さは０．１５ｍｍである。圧電磁器板１上には各すだれ状電極が設けられ、さらにその上に非圧電板２が設けられている。非圧電板２がガラス等で成る場合には厚さ約２０μｍのエポキシ系樹脂によって圧電磁器板１上に固着され、非圧電板２がフッ素樹脂やアクリル樹脂等で成る場合には非圧電板２は圧電磁器板１上に直接塗布されている。圧電磁器板１の下方は支持基板３に固着され支持されている。
【００３０】
図２は図１のすだれ状電極ＴＸｉを示す平面図である。すだれ状電極ＴＹｉもすだれ状電極ＴＸｉと同様な構造を有する。すだれ状電極ＲＸおよびＲＹはすだれ状電極ＴＸｉとは電極指の長さが異なるという点を除けば同様な構造を有する。すだれ状電極ＴＸｉは１０対の電極指を有し、電極周期長ｐは４６０μｍで、全体の形状は平行四辺形を成す。
【００３１】
図３は図１の超音波タッチパネルの部分斜視図である。図３ではすだれ状電極ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＹ１および圧電磁器板１のみが描かれている。
【００３２】
図４は図１の超音波タッチパネルの平面図である。図４では圧電磁器板１、すだれ状電極ＴＸｉ、ＴＹｉ、ＲＸおよびＲＹのみが描かれている。
【００３３】
図５は図１の超音波タッチパネルの駆動回路を示す図である。駆動部４は倍電圧整流器５、コンパレータ６および情報処理部７を含む。スイッチＷＸｉはスイッチＷＸｉ−１およびスイッチＷＸｉ−２から成り、スイッチＷＹｉはスイッチＷＹｉ−１およびスイッチＷＹｉ−２から成る。スイッチＷＸｉおよびＷＹｉの出力端はそれぞれすだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉの入力端に接続されている。スイッチＷＸｉ−１の入力端は増幅器ＡＹを介してすだれ状電極ＲＹの出力端に接続され、スイッチＷＹｉ−１の入力端は増幅器ＡＸを介してすだれ状電極ＲＸの出力端に接続されている。
【００３４】
図５の駆動回路において、すだれ状電極ＴＸｉから電気信号ＥＴを入力すると、その電気信号ＥＴの周波数のうちすだれ状電極ＴＸｉ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、圧電磁器板１の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍を伝搬し、さらにその弾性表面波は非圧電板２の上端面に伝搬される。非圧電板２の上端面に伝搬された弾性表面波のうちすだれ状電極ＲＸ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電気信号ＥＲに変換されてすだれ状電極ＲＸから出力される。電気信号ＥＲは増幅器ＡＸによって増幅され、増幅された電気信号の一部（１）は、スイッチＷＹｉ−１を介してすだれ状電極ＴＹｉに入力され、残部（２）は倍電圧整流器５およびコンパレータ６を介して情報処理部７に送られた後、スイッチＷＸｉ−２およびＷＹｉ−２を介してすだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに入力される。電気信号（１）がすだれ状電極ＴＹｉに入力されと、電気信号（１）はＸ軸方向の場合と同様にして弾性表面波に変換されて、圧電磁器板１の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍を伝搬し、さらにその弾性表面波は非圧電板２の上端面に伝搬された後、すだれ状電極ＲＹから電気信号として出力され、増幅器ＡＹによって増幅される。増幅された電気信号の一部（３）は、スイッチＷＸｉ−１を介してすだれ状電極ＴＸｉに入力され、残部（４）は倍電圧整流器５およびコンパレータ６を介して情報処理部７に送られた後、スイッチＷＸｉ−２およびＷＹｉ−２を介してすだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに入力される。このようにして、すだれ状電極ＴＸｉとＲＸとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）およびすだれ状電極ＴＹｉとＲＹとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）を遅延素子とする発振器Ｈｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）が構成されている。このとき、発振器Ｈｉの信号ループはスイッチＷＸｉ−１、伝搬路ＵＸｉ、増幅器ＡＸ、スイッチＷＹｉ−１、伝搬路ＵＹｉおよび増幅器ＡＹから成る。従って、回路構成が簡略化されることから装置の小型軽量化がさらに促進され、しかも低消費電力で低電圧での駆動が可能となる。
【００３５】
情報処理部７は次の機能を有する。第一に、スイッチＷＸｉおよびＷＹｉを順次に所定の周期で断続すること、第二に、電気信号ＥＲの大きさを検出すること、第三に、非圧電板２の上端面（以後、パネル画面と呼ぶ）に入力ペンのペン先が接触することを電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅することによって判断すること、第四に、電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅した時に接続されていたスイッチＷＸｉおよびＷＹｉを特定することにより接触位置を特定することである。スイッチＷＸｉおよびＷＹｉを順次に所定の周期で断続する場合、スイッチＷＸｉのうちの１個を接続している間に、スイッチＷＹｉを一巡する方法が採用されている。また、スイッチＷＸｉ−１とそれに対応するスイッチＷＸｉ−２は常に同じ断続状態にあり、スイッチＷＹｉ−１とそれに対応するスイッチＷＹｉ−２は常に同じ断続状態にある。伝搬路ＵＸｉとＵＹｉとの交叉部をペン先で接触する場合、たとえば、伝搬路ＵＸ３とＵＹ５との交叉部を接触する場合、スイッチＷＸ３を接続した時に限ってＸ軸方向の電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅すると同時に、スイッチＷＹ５を接続した時に限ってＹ軸方向の電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅する。このようにして、伝搬路ＵＸ３とＵＹ５との交叉部を接触していることが判明する。つまり、電気信号ＥＲの大きさが減衰または消滅した時に接続されていたスイッチＷＸｉおよびＷＹｉを特定することにより、接触位置を特定することが可能となる。図２に示されているように、各すだれ状電極が平行四辺形を成すことにより、伝搬路ＵＸｉは互いに隙間なく隣接した構造をとることができ、伝搬路ＵＹｉも同様にして互いに隙間なく隣接した構造をとることができる。従って、接触位置を特定する場合、パネル画面が隙間なく利用できることから、接触位置の精密な特定が可能となる。また、もし伝搬路ＵＸｉが互いに一部分を重複させている場合には、その重複した部分を有する隣あう２つの伝搬路ＵＸｉが特定されることから、接触位置がその２つの伝搬路ＵＸｉの間であることが判別される。伝搬路ＵＹｉが互いに一部分を重複させている場合も同様である。
【００３６】
図６は圧電磁器板１の異なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出した電気機械結合係数ｋ２と、弾性表面波の波数ｋと非圧電板２の厚さｄとの積（ｋｄ）との関係を示す特性図である。但し、図６では、非圧電板２がガラス板で成り、そのガラス板単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波の速度が４１５６ｍ／ｓである場合の特性図が示される。この横波速度２２９７ｍ／ｓおよび縦波速度４１５６ｍ／ｓという値は、圧電磁器板１単体の場合の横波速度２３４０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．９倍である。図６では、すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーは特に０次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｋｄ値が約１．６のときで、このときｋ２は最大値の約１５．５％を示す。ここでのｋ２値は、弾性表面波用の圧電基板として実用域にあるＬｉＮｂＯ３単結晶が５％程度の値であることと比較しても評価に値することが明らかである。
【００３７】
図７は圧電磁器板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の位相速度を示す特性図であり、ｋｄ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図７では、非圧電板２が図６と同様な材質のガラス板で成る場合の特性図が示される。１次以上の高次モードではカットオフ周波数が存在する。○印は、すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｋｄ値（図６から算出した値で、ｋ２が最大値を示すｋｄ値）を示す。０次モードの○印における位相速度（約２１７０ｍ／ｓ）は、圧電磁器板１単体の表面が電気的に短絡状態にあるときの圧電磁器板１単体のレイリー波速度（２１５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。１次以上の高次モードの○印における位相速度はほぼ一定（約２３７０ｍ／ｓ）で、圧電磁器板１単体の表面が電気的に開放状態にあるときの圧電磁器板１単体のレイリー波速度（２３４０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
【００３８】
図８は圧電磁器板１の異なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出したｋ２値と、ｋｄ値との関係を示す特性図である。但し、図８では、非圧電板２がガラス板で成り、そのガラス板単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が１９８９ｍ／ｓで縦波の速度が３５９８ｍ／ｓである場合の特性図が示される。この横波速度１９８９ｍ／ｓおよび縦波速度３５９８ｍ／ｓという値は、圧電磁器板１単体の場合の横波速度２３４０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図８では、すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーは特に０次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｋｄ値が約１．６のときで、このときｋ２は最大値の約１８．５％を示す。
【００３９】
図９は圧電磁器板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の位相速度を示す特性図であり、ｋｄ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図９では、非圧電板２が図８と同様な材質のガラス板で成る場合の特性図が示される。１次以上の高次モードではカットオフ周波数が存在する。○印は、すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｋｄ値（図８から算出した値で、ｋ２が最大値を示すｋｄ値）を示す。０次モードの○印における位相速度（約２０９５ｍ／ｓ）は、図７で示される０次モードの○印における位相速度（約２１７０ｍ／ｓ）よりも小さいが、圧電磁器板１単体の表面が電気的に短絡状態にあるときの圧電磁器板１単体のレイリー波速度（２１５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。１次以上の高次モードの○印における位相速度はほぼ一定（約２３００ｍ／ｓ）で、図７で示される１次以上の高次モードの○印における位相速度（約２３７０ｍ／ｓ）よりも小さいが、圧電磁器板１単体の表面が電気的に開放状態にあるときの圧電磁器板１単体のレイリー波速度（２３４０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
【００４０】
図６〜９より、非圧電板２に伝搬される弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、電気的に短絡状態にある圧電磁器板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。また、すだれ状電極ＴＸｉおよびＴＹｉに加えられる電気的エネルギーが１次以上の高次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、電気的に開放状態にある圧電磁器板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。さらに、非圧電板２単体を伝搬する弾性表面波の横波および縦波の速度が小さいほど、圧電磁器板１から非圧電板２に伝搬される弾性表面波の各モードの位相速度が小さくなる。同様にして、すだれ状電極ＲＸおよびＲＹにおいて弾性表面波が電気信号に変換される場合には、特に０次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。０次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換されるのは、その０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電磁器板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい場合であり、１次以上の高次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換されるのは、その１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電磁器板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい場合である。また、非圧電板２単体を伝搬する弾性表面波の横波および縦波の速度が小さいほど、非圧電板２から圧電磁器板１に伝搬される弾性表面波の各モードの位相速度が小さくなる。
【００４１】
図１０は本発明の超音波タッチパネルの第２の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電磁器板１、非圧電板２、支持基板３、倍電圧整流器５、コンパレータ６、情報処理部７、増幅器ＡＭＰおよび超音波送受波手段ＸおよびＹ（図１の第１の実施例における超音波送受波手段ＸおよびＹとは異なる）から成る。本実施例では超音波送受波手段Ｘがすだれ状電極ＴＸおよびすだれ状電極ＲＸｉ（ｉ＝１，２，……，１６）から成り、超音波送受波手段Ｙがすだれ状電極ＴＹおよびすだれ状電極ＲＹｉ（ｉ＝１，２，……，１６）から成る。図１０では圧電磁器板１、非圧電板２、支持基板３、倍電圧整流器５、コンパレータ６、情報処理部７、増幅器ＡＭＰおよび超音波送受波手段Ｘのみが描かれている。すだれ状電極ＴＸ、ＴＹ、ＲＸｉおよびＲＹｉはアルミニウム薄膜で成る。圧電磁器板１上には各すだれ状電極が設けられ、さらにその上に非圧電板２が設けられている。圧電磁器板１の下方は支持基板３に固着され支持されている。
【００４２】
図１１は図１０のすだれ状電極ＴＸを示す平面図である。すだれ状電極ＴＸおよびＴＹは互いに同様な構造を有する。すだれ状電極ＲＸｉおよびＲＹｉは互いに同様な構造を有し、すだれ状電極ＴＸとは電極指の長さが異なるという点を除けば同様な構造を有する。すだれ状電極ＴＸは１０対の電極指を有する正規型のもので、電極周期長ｐは４６０μｍである。
【００４３】
図１２は図１０の超音波タッチパネルの平面図である。図１２では圧電磁器板１およびすだれ状電極ＴＸ、ＴＹ、ＲＸｉ、ＲＹｉおよびのみが描かれている。
【００４４】
図１３は図１０の超音波タッチパネルの駆動回路を示す図である。すだれ状電極ＲＹｉのうちすだれ状電極ＲＹ１は増幅器ＡＭＰに接続されている。すだれ状電極ＴＹから電気信号ＥＴを入力すると、その電気信号ＥＴの周波数のうちすだれ状電極ＴＹ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、圧電磁器板１の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍を伝搬し、さらにその弾性表面波は非圧電板２の上端面に伝搬される。非圧電板２の上端面に伝搬された弾性表面波のうちすだれ状電極ＲＹｉ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電気信号ＥＲｉ（ｉ＝１，２，……，１６）に変換されてすだれ状電極ＲＹｉから出力される。この電気信号ＥＲｉは倍電圧整流器５およびコンパレータ６を介して情報処理部７に送られる。この際、すだれ状電極ＲＹｉのうちすだれ状電極ＲＹ１から出力された電気信号ＥＲ１は増幅器ＡＭＰによって増幅された後、再びすだれ状電極ＴＸおよびＴＹに入力される。同様にして、すだれ状電極ＴＸから電気信号ＥＴを入力すると、その電気信号ＥＴはＹ軸方向の場合と同様にして弾性表面波に変換されて、圧電磁器板１の一方の板面の表面近傍を伝搬し、さらにその弾性表面波は非圧電板２の上端面に伝搬された後、すだれ状電極ＲＸｉから電気信号ＥＲｉとして出力される。この電気信号ＥＲｉは倍電圧整流器５およびコンパレータ６を介して情報処理部７に送られる。このようにして、すだれ状電極ＴＹとＲＹ１との間の弾性表面波の伝搬路ＵＹ１を遅延素子とする発振器Ｈが構成されている。このとき、発振器Ｈｉの信号ループはすだれ状電極ＴＹ、伝搬路ＵＹ１、すだれ状電極ＲＹ１および増幅器ＡＭＰから成る。従って、回路構成が簡略化されることから装置の小型軽量化がさらに促進され、しかも低消費電力で低電圧での駆動が可能となる。
【００４５】
図１０の超音波タッチパネルにおける情報処理部７は次の機能を有する。第一に、電気信号ＥＲｉの大きさを検出すること、第二に、パネル画面に入力ペンのペン先が接触することを電気信号ＥＲｉの大きさが減衰または消滅することによって判断すること、第三に、減衰または消滅した電気信号ＥＲｉに対応するすだれ状電極ＲＸｉおよびＲＹｉを特定することにより接触位置を特定することである。すだれ状電極ＴＸとＲＸｉとの間の弾性表面波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，１６）とすだれ状電極ＴＹとＲＹｉとの間の弾性表面波の伝搬路伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝２，３，……，１６）との交叉部をペン先で接触する場合、たとえば、伝搬路ＵＸ６とＵＹ２との交叉部を接触する場合、すだれ状電極ＲＸ６から出力される電気信号ＥＲ６およびすだれ状電極ＲＹ２から出力される電気信号ＥＲ２がそれぞれ減衰または消滅する。このようにして、伝搬路ＵＸ６とＵＹ２との交叉部を接触していることが判明する。また、図１０の第２の実施例では伝搬路ＵＸｉが互いに一部分を重複させ、伝搬路ＵＹｉもまた互いに一部分を重複させている。もし、その重複した部分を接触する場合、たとえば、伝搬路ＵＸ６とＵＸ５とが重複した部分を接触する場合には、すだれ状電極ＲＸ６およびＲＸ５それぞれに出力される電気信号ＥＲ６およびＥＲ５がともに減衰または消滅する。従って、伝搬路ＵＸ６とＵＸ５との間を接触していることが判明する。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の超音波タッチパネルでは、圧電板のすだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍に０次モードおよび１次以上の高次モードの弾性表面波を励振させ、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させることができる。このとき、０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造および１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、すだれ状電極ＴｉおよびＴ（以後、入力用すだれ状電極と呼ぶ）から加えられる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度合を大きくすることができるだけでなく、圧電板と非圧電板との界面での音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等を除去することができる。従って、低消費電力駆動が可能となる。また、圧電板の各すだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍を除く部分の支持が可能となる。
【００４７】
本発明の超音波タッチパネルでは、非圧電板の上端面に伝搬されている０次モードおよび１次以上の高次モードの弾性表面波を圧電板のすだれ状電極が設けられた方の板面の表面近傍に伝搬させた後、すだれ状電極ＲおよびＲｉ（以後、出力用すだれ状電極と呼ぶ）から電気信号として出力させることができる。このとき、０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造および１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、圧電板に伝搬した弾性表面波を出力用すだれ状電極から効率よく電気信号として出力することができる。また、圧電板と非圧電板との界面での音響インピーダンスの不整合等によって生じる反射等を除去することができる。
【００４８】
圧電板の厚さをすだれ状電極の電極周期長ｐのほぼ３倍以上とし、非圧電板の厚さｄを電極周期長ｐよりも小さくする構造を採用するとともに、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を非圧電板として採用することにより、入力用すだれ状電極から加えられる電気的エネルギーが０次モードおよび１次以上の高次モードの弾性表面波に変換される度合を増大させることができる。このとき、圧電板の内部には弾性表面波を漏洩させることなく、非圧電板の上端面に効率よく伝搬させることができる。また、非圧電板の上端面に伝搬されている０次モードおよび１次以上の高次モードの弾性表面波を圧電板の内部に漏洩させることなく、出力用すだれ状電極から効率よく電気信号として出力することができる。
【００４９】
圧電板として圧電セラミックを採用することにより、圧電板の各すだれ状電極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し非圧電板の上端面に伝搬させることを可能にしている。また、非圧電板の上端面に伝搬している弾性表面波を圧電板の各すだれ状電極の設けられた方の板面の表面近傍に効率よく伝搬させ、出力用すだれ状電極から電気信号として出力させることを可能にしている。圧電板として圧電セラミックを採用する場合、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が採用される。
【００５０】
パネル画面上の入力用および出力用すだれ状電極間を入力ペンのペン先で接触すると、弾性表面波の伝搬路が遮断されるので、それに伴って出力用すだれ状電極に出力される電気信号も消滅または減衰する。従って、パネル画面上に接触したことが短い応答時間で感知される。さらに、接触位置の座標を、伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉをそれぞれＸ軸およびＹ軸とする２次元の座標に対応させ、接触位置を伝搬路ＵＸｉとＵＹｉとの交叉部に対応させれば、その交叉部の座標、すなわち接触位置の座標が判明する。また、伝搬路ＵＸｉを互いに隣接させるかまたは一部分を重複させるとともに、伝搬路ＵＹｉを互いに隣接させるかまたは一部分を重複させた構造を採用することにより、パネル画面上の接触位置をさらに精密に特定することが可能となる。１つの出力用すだれ状電極ＲにＮ個の入力用すだれ状電極Ｔｉを備えたタイプの超音波タッチパネルでは、そのＮ個の入力用すだれ状電極それぞれに接続されたＮ個のスイッチＷｉを用いることにより、パネル画面上の接触位置が容易に判明し、また、回路構成が簡略化される。
【００５１】
駆動回路の中に増幅器を用いることにより、伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉを遅延素子とする発振器Ｈｉを構成することが可能となることから、回路構成が簡略化され、低消費電力で低電圧での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の超音波タッチパネルの第１の実施例を示す断面図。
【図２】  図１のすだれ状電極ＴＸｉを示す平面図。
【図３】  図１の超音波タッチパネルの部分斜視図。
【図４】  図１の超音波タッチパネルの平面図。
【図５】  図１の超音波タッチパネルの駆動回路を示す図。
【図６】  圧電磁器板１の異なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出したｋ２値と、ｋｄ値との関係を示す特性図。
【図７】  圧電磁器板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の位相速度を示す特性図。
【図８】  圧電磁器板１の異なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出したｋ２値と、ｋｄ値との関係を示す特性図。
【図９】  圧電磁器板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の位相速度を示す特性図。
【図１０】  本発明の超音波タッチパネルの第２の実施例を示す断面図。
【図１１】  図１０のすだれ状電極ＴＸを示す平面図。
【図１２】  図１０の超音波タッチパネルの平面図。
【図１３】  図１０の超音波タッチパネルの駆動回路を示す図。
【符号の説明】
１    圧電磁器板
２    非圧電板
３    支持基板
４    駆動部
５    倍電圧整流器
６    コンパレータ
７    情報処理部
ＴＸｉ，ＴＹｉ，ＲＸ，ＲＹ    すだれ状電極
ＷＸｉ，ＷＹｉ    スイッチ
ＴＸ，ＴＹ，ＲＸｉ，ＲＹｉ    すだれ状電極
ＡＭＰ    増幅器
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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