(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非圧電板と、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、前記非圧電板の一方の板面またはもう一方の板面に備えられた少なくとも１種類の色で表示される表示画面と、情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記情報処理部は前記各超音波送受波手段および前記表示画面に接続されており、前記各超音波送受波手段はＮ組のすだれ状電極ＩＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を備えた圧電板ＰＴと、すだれ状電極ＩＲを備えた圧電板ＰＲと、Ｎ個のスイッチＣｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とから成り、前記すだれ状電極ＩＴｉは前記圧電板ＰＴの一方の板面に設けられ、前記すだれ状電極ＩＲは前記圧電板ＰＲの一方の板面に設けられており、前記圧電板ＰＴは前記圧電板ＰＴの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板に固着され、前記圧電板ＰＲは前記圧電板ＰＲの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板に固着されていて、前記圧電板ＰＴは前記すだれ状電極ＩＴｉに対応する部分ＰＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）で成り、前記非圧電板は前記部分ＰＴｉに対応する部分と、前記圧電板ＰＲに対応する部分とを含み、前記スイッチＣｉの出力端は前記すだれ状電極ＩＴｉの入力端に接続されており、前記すだれ状電極ＩＴｉは、前記すだれ状電極ＩＴｉ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、前記部分ＰＴｉと、前記非圧電板のうち前記部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に弾性波を励振し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬させ、前記２層構造部ＬＴｉに励振される前記弾性波はＳ０モードおよび１次以上の高次モードの波で、該弾性波の波長は前記すだれ状電極ＩＴｉの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、該弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記すだれ状電極ＩＲは、前記非圧電板中に伝搬した弾性波を前記圧電板ＰＲと、前記非圧電板のうち前記圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、該２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波を前記すだれ状電極ＩＲ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２層構造部ＬＲに伝搬した前記弾性波の波長は前記すだれ状電極ＩＲの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記各圧電板の厚さｄは前記各電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板の厚さは前記各圧電板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあり、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路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２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路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Ｃｉ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、前記非圧電板における前記表示画面を有しない方の板面上に入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力で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Ｃｉを特定することにより接触位置を特定し、特定された前記接触位置に対応する情報を前記表示画面に表示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ＩＴｉ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ＩＲ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Ｃｉ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ＩＲ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Ｃｉ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ＩＲ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Ｃｉ、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Ｃｉ、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】
非圧電板と、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、前記非圧電板の一方の板面またはもう一方の板面に備えられた少なくとも１種類の色で表示される表示画面と、情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記情報処理部は前記各超音波送受波手段および前記表示画面に接続されており、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）およびＮ個の接地電極ＧＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を備えた圧電板ＰＴと、すだれ状電極Ｒおよび接地電極ＧＲを備えた圧電板ＰＲと、移相器ＳＴと、移相器ＳＲと、Ｎ組のスイッチＷｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とから成り、前記すだれ状電極Ｔｉは前記圧電板ＰＴの一方の板面に設けられ、前記接地電極ＧＴｉは前記圧電板ＰＴのもう一方の板面に設けられており、前記すだれ状電極Ｒは前記圧電板ＰＲの一方の板面に設けられ、前記接地電極ＧＲは前記圧電板ＰＲのもう一方の板面に設けられており、前記圧電板ＰＴは前記接地電極ＧＴｉを介して前記非圧電板に固着され、前記圧電板ＰＲは前記接地電極ＧＲを介して前記非圧電板に固着されていて、前記圧電板ＰＴは前記すだれ状電極Ｔｉに対応する部分ＰＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）で成り、前記非圧電板は前記部分ＰＴｉに対応する部分と、前記圧電板ＰＲに対応する部分とを含み、前記すだれ状電極Ｔｉは、電極Ｔｉ−１およびＴｉ−２から成り、前記電極Ｔｉ−１の電極指と前記電極Ｔｉ−２の電極指との間の距離には２種類あり、前記スイッチＷｉはスイッチＷｉ−１およびスイッチＷｉ−２から成り、前記スイッチＷｉ−１の出力端は前記電極Ｔｉ−１の入力端に接続されており、前記スイッチＷｉ−２の出力端は前記電極Ｔｉ−２の入力端に接続されており、前記移相器ＳＴは少なくとも１つのコイルＬ１を含み、前記コイルＬ１は前記スイッチＷｉ−１またはＷｉ−２の入力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｔｉおよび前記接地電極ＧＴｉは、前記電極Ｔｉ−１と前記接地電極ＧＴｉとの間および前記電極Ｔｉ−２と前記接地電極ＧＴｉとの間に位相差２πｙを有する電気信号ＥＴ１およびＥＴ２を前記移相器ＳＴを介して入力されることにより、前記部分ＰＴｉと、前記非圧電板のうち前記部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に一方向性を有する弾性波を励振し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬させ、前記電気信号ＥＴ１およびＥＴ２の周波数は前記すだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐにほぼ対応しており、前記２層構造部ＬＴｉに励振される前記弾性波はＳ０モードおよび１次以上の高次モードの波で、該弾性波の波長は前記すだれ状電極Ｔｉの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒは、電極Ｒ−１およびＲ−２から成り、前記電極Ｒ−１の電極指と前記電極Ｒ−２の電極指との間の距離には２種類あり、前記移相器ＳＲは少なくとも１つのコイルＬ２を含み、前記コイルＬ２は前記電極Ｒ−１またはＲ−２の出力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｒおよび前記接地電極ＧＲは、前記非圧電板中に伝搬されている弾性波を前記圧電���ＰＲと、前記非圧電板のうち前記圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、該２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波を位相差２πｙを有する電気信号ＥＲ１およびＥＲ２として前記電極Ｒ−１と前記接地電極ＧＲとの間および前記電極Ｒ−２と前記接地電極ＧＲとの間から出力し、前記移相器ＳＲは前記電気信号ＥＲ１およびＥＲ２を同じ位相の電気信号ＥＲに合成して出力し、前記電気信号ＥＲ１およびＥＲ２の周波数は前記すだれ状電極Ｒの電極周期長ｐにほぼ対応しており、前記２層構造部ＬＲに伝搬した前記弾性波の波長は前記すだれ状電極ＩＲの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記各圧電板の厚さｄは前記各電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板の厚さは前記各圧電板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあり、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路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２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路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、前記非圧電板における前記表示画面を有しない方の板面上に入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力で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し、特定された前記接触位置に対応する情報を前記表示画面に表示する超音波タッチパネル。
【請求項６】
前記電極Ｔｉ−１の電極指と前記電極Ｔｉ−２の電極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２で、同時に、前記電気信号ＥＴ１とＥＴ２との間の前記位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２が成り立ち、前記電極Ｒ−１の電極指と前記電極Ｒ−２の電極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２で、同時に、前記電気信号ＥＲ１とＥＲ２との間の前記位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２が成り立つ請求項５に記載の超音波タッチパネル。
【請求項７】
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または６に記載の超音波タッチパネル。
【請求項８】
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７に記載の超音波タッチパネル。
【請求項９】
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における前記移相器ＳＴの入力端は、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記移相器ＳＲ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における前記移相器ＳＴの入力端は、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記移相器ＳＲ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における前記移相器ＳＴ、前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＸｉ、前記移相器ＳＲ、前記増幅器ＡＸ、および前記超音波送受波手段Ｙにおける前記移相器ＳＴ、前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＹｉ、前記移相器ＳＲ、前記増幅器ＡＹから成る請求項７または８に記載の超音波タッチパネル。
【請求項１０】
前記各圧電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１，２，３，４，５，６，７，８または９に記載の超音波タッチパネル。
【請求項１１】
前記各圧電板がＰＶＤＦその他の圧電性高分子化合物で成る請求項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。
【請求項１２】
前記非圧電板がガラスで成る請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０または１１に記載の超音波タッチパネル。
【請求項１３】
前記表示画面単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きい請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１または１２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を非圧電板に設けることにより、入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力でその非圧電板の板面上に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、このような弾性表面波を用いる方法では、電磁ノイズの影響を受けにくいことからパネルの大面積化が容易である等の長所を有するものの、パネルに接触する際の接触圧の大小に左右されることなく応答が起こることから、高感度である反面、誤動作しやすく使用しにくいという短所を有する。たとえば、入力ペンのペン先でパネルに接触しその位置の座標を算出するには、ほんの少しでもパネルに手を触れることは許されない。これは、パネルに手を触れることにより座標の算出が不可能になるからである。また、パネルへの少量の異物の付着などによる影響を受け易い。さらに、この超音波タッチパネルではすだれ状電極の電極指に垂直な双方向に均等に超音波が励振されることから、少なくとも超音波エネルギーの半分を浪費していたことになるばかりでなく、圧電薄板の厚さによっては不要信号を引き起こすもととなっていた。
【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、超音波エネルギーの浪費、支持の仕方および不要信号等の点でも問題があった。
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、パネルへの軽い手つきやパネルへの少量の異物の付着などによる影響を受けることのない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、非圧電板と、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、前記非圧電板の一方の板面またはもう一方の板面に備えられた少なくとも１種類の色で表示される表示画面と、情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記情報処理部は前記各超音波送受波手段および前記表示画面に接続されており、前記各超音波送受波手段はＮ組のすだれ状電極ＩＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を備えた圧電板ＰＴと、すだれ状電極ＩＲを備えた圧電板ＰＲと、Ｎ個のスイッチＣｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とから成り、前記すだれ状電極ＩＴｉは前記圧電板ＰＴの一方の板面に設けられ、前記すだれ状電極ＩＲは前記圧電板ＰＲの一方の板面に設けられており、前記圧電板ＰＴは前記圧電板ＰＴの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板に固着され、前記圧電板ＰＲは前記圧電板ＰＲの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板に固着されていて、前記圧電板ＰＴは前記すだれ状電極ＩＴｉに対応する部分ＰＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）で成り、前記非圧電板は前記部分ＰＴｉに対応する部分と、前記圧電板ＰＲに対応する部分とを含み、前記スイッチＣｉの出力端は前記すだれ状電極ＩＴｉの入力端に接続されており、前記すだれ状電極ＩＴｉは、前記すだれ状電極ＩＴｉ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、前記部分ＰＴｉと、前記非圧電板のうち前記部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に弾性波を励振し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬させ、前記２層構造部ＬＴｉに励振される前記弾性波はＳ０モードおよび１次以上の高次モードの波で、該弾性波の波長は前記すだれ状電極ＩＴｉの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、該弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記すだれ状電極ＩＲは、前記非圧電板中に伝搬した弾性波を前記圧電板ＰＲと、前記非圧電板のうち前記圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、該２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波を前記すだれ状電極ＩＲ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２層構造部ＬＲに伝搬した前記弾性波の波長は前記すだれ状電極ＩＲの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記各圧電板の厚さｄは前記各電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板の厚さは前記各圧電板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあり、前記情報処理部は前記スイッチＣｉ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、前記非圧電板における前記表示画面を有しない方の板面上に入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力で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Ｃｉを特定することにより接触位置を特定し、特定された前記接触位置に対応する情報を前記表示画面に表示する。
【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２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路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Ｃｉ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ＩＲ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Ｃｉ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ＩＲ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Ｃｉ、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Ｃｉ、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、非圧電板と、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、前記非圧電板の一方の板面またはもう一方の板面に備えられた少なくとも１種類の色で表示される表示画面と、情報処理部とから成る超音波タッチパネルであって、前記情報処理部は前記各超音波送受波手段および前記表示画面に接続されており、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）およびＮ個の接地電極ＧＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を備えた圧電板ＰＴと、すだれ状電極Ｒおよび接地電極ＧＲを備えた圧電板ＰＲと、移相器ＳＴと、移相器ＳＲと、Ｎ組のスイッチＷｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とから成り、前記すだれ状電極Ｔｉは前記圧電板ＰＴの一方の板面に設けられ、前記接地電極ＧＴｉは前記圧電板ＰＴのもう一方の板面に設けられており、前記すだれ状電極Ｒは前記圧電板ＰＲの一方の板面に設けられ、前記接地電極ＧＲは前記圧電板ＰＲのもう一方の板面に設けられており、前記圧電板ＰＴは前記接地電極ＧＴｉを介して前記非圧電板に固着され、前記圧電板ＰＲは前記接地電極ＧＲを介して前記非圧電板に固着されていて、前記圧電板ＰＴは前記すだれ状電極Ｔｉに対応する部分ＰＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）で成り、前記非圧電板は前記部分ＰＴｉに対応する部分と、前記圧電板ＰＲに対応する部分とを含み、前記すだれ状電極Ｔｉは、電極Ｔｉ−１およびＴｉ−２から成り、前記電極Ｔｉ−１の電極指と前記電極Ｔｉ−２の電極指との間の距離には２種類あり、前記スイッチＷｉはスイッチＷｉ−１およびスイッチＷｉ−２から成り、前記スイッチＷｉ−１の出力端は前記電極Ｔｉ−１の入力端に接続されており、前記スイッチＷｉ−２の出力端は前記電極Ｔｉ−２の入力端に接続されており、前記移相器ＳＴは少なくとも１つのコイルＬ１を含み、前記コイルＬ１は前記スイッチＷｉ−１またはＷｉ−２の入力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｔｉおよび前記接地電極ＧＴｉは、前記電極Ｔｉ−１と前記接地電極ＧＴｉとの間および前記電極Ｔｉ−２と前記接地電極ＧＴｉとの間に位相差２πｙを有する電気信号ＥＴ１およびＥＴ２を前記移相器ＳＴを介して入力されることにより、前記部分ＰＴｉと、前記非圧電板のうち前記部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に弾性波を励振し、該弾性波を前記非圧電板中に伝搬させ、前記電気信号ＥＴ１およびＥＴ２の周波数は前記すだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐにほぼ対応しており、前記２層構造部ＬＴｉに励振される前記弾性波はＳ０モードおよび１次以上の高次モードの波で、該弾性波の波長は前記すだれ状電極Ｔｉの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記すだれ状電極Ｒは、電極Ｒ−１およびＲ−２から成り、前記電極Ｒ−１の電極指と前記電極Ｒ−２の電極指との間の距離には２種類あり、前記移相器ＳＲは少なくとも１つのコイルＬ２を含み、前記コイルＬ２は前記電極Ｒ−１またはＲ−２の出力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｒおよび前記接地電極ＧＲは、前記非圧電板中に伝搬され���いる弾性波を前記圧電板ＰＲと、前記非圧電板のうち前記圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、該２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波を位相差２πｙを有する電気信号ＥＲ１およびＥＲ２として前記電極Ｒ−１と前記接地電極ＧＲとの間および前記電極Ｒ−２と前記接地電極ＧＲとの間から出力し、前記移相器ＳＲは前記電気信号ＥＲ１およびＥＲ２を同じ位相の電気信号ＥＲに合成して出力し、前記電気信号ＥＲ１およびＥＲ２の周波数は前記すだれ状電極Ｒの電極周期長ｐにほぼ対応しており、前記２層構造部ＬＲに伝搬した前記弾性波の波長は前記すだれ状電極ＩＲの前記電極周期長ｐとほぼ等しく、該弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しく、前記各圧電板の厚さｄは前記各電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板の厚さは前記各圧電板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれ以下であり、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあり、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、前記非圧電板における前記表示画面を有しない方の板面上に入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力で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し、特定された前記接触位置に対応する情報を前記表示画面に表示する。
【０００９】
請求項６に記載の超音波タッチパネルは、前記電極Ｔｉ−１の電極指と前記電極Ｔｉ−２の電極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２で、同時に、前記電気信号ＥＴ１とＥＴ２との間の前記位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２が成り立ち、前記電極Ｒ−１の電極指と前記電極Ｒ−２の電極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２で、同時に、前記電気信号ＥＲ１とＥＲ２との間の前記位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２が成り立つ。
【００１０】
請求項７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２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記２層構造部ＬＴｉと前記２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とが互いに直交している。
【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。
【００１２】
請求項９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における前記移相器ＳＴの入力端は、前記超音波送受波手段Ｙにおける前記移相器ＳＲ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における前記移相器ＳＴの入力端は、前記超音波送受波手段Ｘにおける前記移相器ＳＲ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における前記移相器ＳＴ、前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＸｉ、前記移相器ＳＲ、前記増幅器ＡＸ、および前記超音波送受波手段Ｙにおける前記移相器ＳＴ、前記スイッチＷｉ、前記伝搬路ＵＹｉ、前記移相器ＳＲ、前記増幅器ＡＹから成る。
【００１３】
請求項１０に記載の超音波タッチパネルは、前記各圧電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。
【００１４】
請求項１１に記載の超音波タッチパネルは、前記各圧電板がＰＶＤＦその他の圧電性高分子化合物で成る。
【００１５】
請求項１２に記載の超音波タッチパネルは、前記非圧電板がガラスで成る。
【００１６】
請求項１３に記載の超音波タッチパネルは、前記表示画面単体に伝搬する弾性波の位相速度が、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波タッチパネルは非圧電板と、少なくとも２つの超音波送受波手段ＸおよびＹと、非圧電板のどちらか一方の板面に備えられた少なくとも１種類の色で表示される表示画面と、情報処理部とから成る簡単な構造を有する。情報処理部は各超音波送受波手段および表示画面に接続されている。
【００１８】
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ＩＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を備えた圧電板ＰＴと、すだれ状電極ＩＲを備えた圧電板ＰＲと、Ｎ個のスイッチＣｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とから成るものである。この場合、すだれ状電極ＩＴｉは圧電板ＰＴの一方の板面に設けられ、圧電板ＰＴは圧電板ＰＴのどちらか一方の板面を介して非圧電板に固着されている。すだれ状電極ＩＲは圧電板ＰＲの一方の板面に設けられており、圧電板ＰＲは圧電板ＰＲのどちらか一方の板面を介して非圧電板に固着されている。このとき、圧電板ＰＴがすだれ状電極ＩＴｉを有する板面を介して非圧電板に固着されるときには、圧電板ＰＲはすだれ状電極ＩＲを有する板面を介して非圧電板に固着される。スイッチＣｉの出力端はすだれ状電極ＩＴｉの入力端に接続されている。圧電板ＰＴはすだれ状電極ＩＴｉに対応する部分ＰＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）で成る。非圧電板は部分ＰＴｉに対応する部分と、圧電板ＰＲに対応する部分とを含む。
【００１９】
すだれ状電極ＩＴｉの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＴをすだれ状電極ＩＴｉに入力する構造を採用することにより、部分ＰＴｉと、非圧電板のうち部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）に弾性波を励振し、その弾性波を非圧電板中に伝搬させることができる。２層構造部ＬＴｉに励振される弾性波はＳ０モードおよび１次以上の高次モードの波（つまりＡ０モードを除く波）であって、この弾性波の波長はすだれ状電極ＩＴｉの電極周期長ｐとほぼ等しい。この弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０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ＩＴｉから加えられる電気的エネルギーが弾性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ＰＴ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ＰＴの厚さｄをすだれ状電極ＩＴｉの電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下にするとともに、非圧電板の厚さを圧電板ＰＴの厚さｄとほぼ等しくするかまたはそれ以下にし、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が圧電板ＰＴ単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあるような物質、たとえばガラス等を非圧電板として採用することにより、２層構造部ＬＴｉに効率よくＳ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波を励振し、さらにこの弾性波を効率よく非圧電板に伝搬させることが可能となる。つまり、すだれ状電極ＩＴｉから加えられる電気的エネルギーが弾性波に変換される度合を増大させることができる。このようにして、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。
【００２０】
すだれ状電極ＩＴｉおよびＩＲを弾性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、非圧電板中に伝搬した弾性波を圧電板ＰＲと、非圧電板のうち圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波をすだれ状電極ＩＲの電極周期長ｐにほぼ対応する周波数の電気信号ＥＲに変換して出力させることができる。このとき、２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波の波長はすだれ状電極ＩＲの電極周期長ｐとほぼ等しい。この弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、２層構造部ＬＲに伝搬された弾性波がすだれ状電極ＩＲにおいて電気信号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ＰＲ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ＰＲの厚さｄをすだれ状電極ＩＲの電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下にするとともに、非圧電板の厚さを圧電板ＰＲの厚さｄと等しくするかまたはそれ以下にし、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が圧電板ＰＲ単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあるような物質、たとえばガラス等を非圧電板として採用することにより、非圧電板中に伝搬されている弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させた後、すだれ状電極ＩＲから電気信号ＥＲとして出力させることができ、弾性波が電気信号ＥＲに変換される度合を増大させることができる。
【００２１】
非圧電板上における表示画面を有しない方の板面上のすだれ状電極ＩＴｉとＩＲとの間が入力ペンのペン先に所定の値を越える圧力で接触されると、弾性波の伝搬路が遮断されるので、弾性波が消滅または減衰する。従って、それに伴ってすだれ状電極ＩＲ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、非圧電板の板面上にペン先が所定の値を越える圧力で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、非圧電板の板面上に所定の値を越える圧力で接触したことが感知される。この際、弾性波が非圧電板の表面付近ではなく内部を伝搬する波であることから、非圧電板の２つの板面のうちどちらの板面を接触することによっても弾性波が消滅または減衰する。従って、どちらか一方の板面には表示画面を設け、もう一方の板面はペン先の接触面として使用することが可能となる。また、ほんの軽く手を触れた程度では弾性波は消滅または減衰しないことから、非圧電板上への手付き等による誤動作を防ぐことができる。このようにして、非圧電板上への軽い手つきや少量の異物の付着などによる影響を受けることがなく、しかも応答時間が短い。従って、入力ペンのペン先等で非圧電板上に接触したときにのみ応答があるようなタッチパネルが実現できる。さらに、情報処理部がスイッチＣｉ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Ｃｉを特定することにより非圧電板上の接触位置を特定する機能とを備えていることにより、非圧電板上の接触位置が分かる。たとえば、非圧電板の板面上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Ｃ５であれば、そのスイッチＣ５に対応する弾性波の伝搬路上が接触位置と分かる。また、情報処理部が特定されたスイッチＣｉに対応する情報を表示画面に表示する機能を備えていることから、非圧電板の板面上を接触することにより、その接触位置に応じた情報を表示画面に表示することが可能となる。
【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Ｎ組のすだれ状電極Ｔｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）およびＮ個の接地電極ＧＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を備えた圧電板ＰＴと、１組のすだれ状電極Ｒおよび接地電極ＧＲを備えた圧電板ＰＲと、移相器ＳＴと、移相器ＳＲと、Ｎ組のスイッチＷｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とから成るものである。すだれ状電極Ｔｉは圧電板ＰＴの一方の板面に設けられ、接地電極ＧＴｉは圧電板ＰＴのもう一方の板面に設けられており、圧電板ＰＴは接地電極ＧＴｉを介して非圧電板に固着されている。すだれ状電極Ｒは圧電板ＰＲの一方の板面に設けられ、接地電極ＧＲは圧電板ＰＲのもう一方の板面に設けられており、圧電板ＰＲは接地電極ＧＲを介して非圧電板に固着されている。圧電板ＰＴはすだれ状電極Ｔｉに対応する部分ＰＴｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）で成る。非圧電板は部分ＰＴｉに対応する部分と、圧電板ＰＲに対応する部分とを含む。すだれ状電極Ｔｉは、電極Ｔｉ−１およびＴｉ−２から成り、電極Ｔｉ−１の電極指と電極Ｔｉ−２の電極指との間の距離には長いものと短いものとの２種類がある。スイッチＷｉはスイッチＷｉ−１およびスイッチＷｉ−２から成り、スイッチＷｉ−１の出力端は電極Ｔｉ−１の入力端に接続されており、スイッチＷｉ−２の出力端は電極Ｔｉ−２の入力端に接続されている。移相器ＳＴは少なくとも１つのコイルＬ１を含み、コイルＬ１はスイッチＷｉ−１またはＷｉ−２の入力端に接続されている。すだれ状電極Ｒは、電極Ｒ−１およびＲ−２から成り、電極Ｒ−１の電極指と電極Ｒ−２の電極指との間の距離には長いものと短いものとの２種類がある。移相器ＳＲは少なくとも１つのコイルＬ２を含み、コイルＬ２は電極Ｒ−１またはＲ−２の出力端に接続されている。
【００２３】
電極Ｔｉ−１と接地電極ＧＴｉとの間および電極Ｔｉ−２と接地電極ＧＴｉとの間に位相差２πｙを有する電気信号ＥＴ１およびＥＴ２を入力することにより、部分ＰＴｉと、非圧電板のうち部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉに一方向性を有する弾性波を励振し、その弾性波を非圧電板中に伝搬させることができる。このような一方向性の弾性波の励振は、よりいっそうの低消費電力駆動を可能にするばかりでなく、超音波送受波手段の第１の構造を備えた超音波タッチパネルでみられるような、２層構造部ＬＴｉや非圧電板の端部で発生する弾性波の反射を生じない。従って、超音波送受波手段の第２の構造を備えた超音波タッチパネルは不要信号が少なく高感度である。電気信号ＥＴ１およびＥＴ２の周波数はすだれ状電極Ｔｉにおける電極周期長ｐにほぼ対応している。ここで、電極Ｔｉ−１の電極指と電極Ｔｉ−２の電極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２で、しかも、電気信号ＥＴ１とＥＴ２との間の位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２が成り立つ場合には２層構造部ＬＴｉに一方向性の弾性波が励振される。たとえば、ｘが１／４のときにはｙ＝１／４またはｙ＝−３／４となる。つまり、距離ｘｐをｐ／４とし、位相差２πｙをπ／２（９０°）または−３π／２（−２７０°）とする電気信号ＥＴ１およびＥＴ２を入力することにより、２層構造部ＬＴｉに一方向性の弾性波を励振することが可能となる。２層構造部ＬＴｉに励振される弾性波はＳ０モードおよび１次以上の高次モードの波であり、この弾性波の波長はすだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐとほぼ等しい。この弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０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ＰＴ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ＰＴの厚さｄをすだれ状電極Ｔｉの電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下にするとともに、非圧電板の厚さを圧電板ＰＴの厚さｄとほぼ等しくするかまたはそれ以下にし、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が圧電板ＰＴ単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあるような物質を非圧電板として採用することにより、２層構造部ＬＴｉに効率よくＳ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波を励振し、さらにこの弾性波を効率よく非圧電板に伝搬させることが可能となる。つまり、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波に変換される度合を増大させることができる。このようにして、低電圧で低消費電力駆動が可能となる。その上、非圧電板の面積を比較的大規模にすることも可能である。
【００２４】
すだれ状電極ＴｉおよびＲを弾性波の送受波の指向軸が共通になるように配置した構造を採用することにより、非圧電板中に伝搬されている弾性波を圧電板ＰＲと、非圧電板のうち圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、その２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波を位相差２πｙを有する電気信号ＥＲ１およびＥＲ２として電極Ｒ−１と接地電極ＧＲとの間および電極Ｒ−２と接地電極ＧＲとの間から出力することができる。移相器ＳＲは電気信号ＥＲ１およびＥＲ２を同じ位相の電気信号ＥＲに合成して出力することを可能にする。電気信号ＥＲ１およびＥＲ２の周波数はすだれ状電極Ｒにおける電極周期長ｐにほぼ対応している。ここで、電極Ｒ−１の電極指と電極Ｒ−２の電極指との間の距離のうち短い方の距離ｘｐにおいて、ｘ＜１／２で、しかも、電気信号ＥＲ１とＥＲ２との間の位相差２πｙにおいて、ｘ＋ｙ＝±１／２が成り立つ場合には、すだれ状電極Ｒおよび接地電極ＧＲは２層構造部ＬＲに伝搬している一方向性の弾性波のみを検出して電気信号ＥＲ１およびＥＲ２として出力することを可能にする。たとえば、ｘが１／４のときにはｙ＝１／４またはｙ＝−３／４となる。つまり、距離ｘｐをｐ／４とすれば、位相差２πｙがπ／２（９０°）または−３π／２（−２７０°）である電気信号ＥＲ１およびＥＲ２が電極Ｒ−１と接地電極ＧＲとの間および電極Ｒ−２と接地電極ＧＲとの間から出力される。また、２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波の波長はすだれ状電極Ｒの電極周期長ｐとほぼ等しい。このとき、２層構造部ＬＲに伝搬された弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板の厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、２層構造部ＬＲに伝搬された弾性波がすだれ状電極Ｒにおいて電気信号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ＰＲ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ＰＲの厚さｄをすだれ状電極Ｒの電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下にするとともに、非圧電板の厚さを圧電板ＰＲの厚さｄと等しくするかまたはそれ以下にし、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が圧電板ＰＲ単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にあるような物質を非圧電板として採用することにより、非圧電板中に伝搬されている弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させた後、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、弾性波が電気信号ＥＲに変換される度合を増大させることができる。
【００２５】
非圧電板における表示画面を有しない方の板面上のすだれ状電極ＴｉとＲとの間が入力ペンのペン先に所定の値を越える圧力で接触されると、弾性波の伝搬路が遮断されるので、弾性波が消滅または減衰する。従って、それに伴ってすだれ状電極Ｒに出力される電気信号も消滅または減衰するので、移相器ＳＲから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、非圧電板の板面上にペン先が所定の値を越える圧力で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、非圧電板の板面上に所定の値を越える圧力で接触したことが感知される。この際、弾性波が非圧電板の表面付近ではなく内部を伝搬する波であることから、非圧電板の２つの板面のうちどちらの板面を接触することによっても弾性波が消滅または減衰する。従って、どちらか一方の板面には表示画面を設け、もう一方の板面はペン先の接触面として使用することが可能となる。また、ほんの軽く手を触れた程度では弾性波は消滅または減衰しないことから、非圧電板上への手付き等による誤動作を防ぐことができる。このようにして、非圧電板上への軽い手つきや少量の異物の付着などによる影響を受けることがなく、しかも応答時間が短い。従って、入力ペンのペン先等で非圧電板上に接触したときにのみ応答があるようなタッチパネルが実現できる。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上の接触位置を特定する機能とを備えていることにより、非圧電板上の接触位置が分かる。この場合、スイッチＷｉ−１とそれに対応するスイッチＷｉ−２とは常に同じ状態に置かれる。たとえば、スイッチＷ４−１が接続していればスイッチＷ４−２も接続いる。このようにして、たとえば、非圧電板の板面上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Ｗ３であれば、そのスイッチＷ３に対応する弾性波の伝搬路上が接触位置と分かる。また、情報処理部が特定されたスイッチＷｉに対応する情報を表示画面に表示する機能を備えていることから、非圧電板の板面上を接触することにより、その接触位置に応じた情報を表示画面に表示することが可能となる。また、一方向性を有する弾性波の励振が可能なこの超音波タッチパネルは、よりいっそうの低消費電力駆動が可能で、不要信号も少なく高感度である。
【００２６】
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を有する。超音波送受波手段Ｘにおける２層構造部ＬＴｉと２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）と、超音波送受波手段Ｙにおける２層構造部ＬＴｉと２層構造部ＬＲとの間の弾性波の伝搬路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、非圧電板の表示画面を有しない方の板面上に入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力で接触した場合、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、非圧電板上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】
超音波送受波手段の第１の構造を有する超音波タッチパネルでは、Ｘ軸方向のスイッチＣｉのうちの１個を接続している間に、Ｙ軸方向のスイッチＣｉを一巡する方法が採用され、超音波送受波手段の第２の構造を有する超音波タッチパネルでは、Ｘ軸方向のスイッチＷｉのうちの１組を接続している間に、Ｙ軸方向のスイッチＷｉを一巡する方法が採用されている。このようにして、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。
【００２８】
超音波送受波手段の第１の構造を有する超音波タッチパネルでは、超音波送受波手段ＸおよびＹにおけるスイッチＣｉをそれぞれスイッチＣＸｉおよびスイッチＣＹｉとし、スイッチＣＸｉの入力端を超音波送受波手段Ｙにおけるすだれ状電極ＩＲの出力端に増幅器ＡＹを介して接続し、スイッチＣＹｉの入力端を超音波送受波手段Ｘにおけるすだれ状電極ＩＲ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ＣＸｉ、伝搬路ＵＸｉ、増幅器ＡＸ、スイッチＣＹｉ、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。
【００２９】
超音波送受波手段の第２の構造を有する超音波タッチパネルでは、超音波送受波手段Ｘにおける移相器ＳＴ、スイッチＷｉおよび移相器ＳＲをそれぞれ移相器ＳＴＸ、スイッチＷＸｉおよび移相器ＳＲＸとし、超音波送受波手段Ｙにおける移相器ＳＴ、スイッチＷｉおよび移相器ＳＲをそれぞれ移相器ＳＴＹ、スイッチＷＹｉおよび移相器ＳＲＹとし、移相器ＳＴＸの入力端を移相器ＳＲＹの出力端に増幅器ＡＹを介して接続し、移相器ＳＴＹの入力端を移相器ＳＲＸ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の信号ループは移相器ＳＴＸ、スイッチＷＸｉ、伝搬路ＵＸｉ、移相器ＳＲＸ、増幅器ＡＸ、移相器ＳＴＹ、スイッチＷＹｉ、伝搬路ＵＹｉ、移相器ＳＲＹ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。
【００３０】
本発明の超音波タッチパネルでは、圧電板ＰＴ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、２層構造部ＬＴｉに効率よく弾性波を励振し非圧電板中に伝搬させることができる。また、圧電板ＰＲ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、非圧電板中に伝搬された弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させることができる。
【００３１】
本発明の超音波タッチパネルでは、圧電板ＰＴとしてＰＶＤＦその他の高分子圧電フィルムを採用することにより、２層構造部ＬＴｉに効率よく弾性波を励振し非圧電板中に伝搬させることができる。また、圧電板ＰＲとしてＰＶＤＦその他の高分子圧電フィルムを採用することにより、非圧電板中に伝搬された弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させることができる。
【００３２】
本発明の超音波タッチパネルでは、表示画面として、表示画面単体に伝搬する弾性波の位相速度が非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、非圧電板中に伝搬された弾性波が表示画面自身に漏洩されるのを抑制することができる。
【００３３】
【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。本実施例はガラス板１、表示画面２、駆動部３、フレーム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、接地電極ＧＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）、接地電極ＧＲＸ、移相器ＳＴＸ、ＳＲＸ、増幅器ＡＸ、スイッチＷＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）、圧電磁器板ＰＴＸおよびＰＲＸ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、接地電極ＧＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）、接地電極ＧＲＹ、移相器ＳＴＹ、ＳＲＹ、増幅器ＡＹ、スイッチＷＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）、圧電磁器板ＰＴＹおよびＰＲＹから成る。図１ではガラス板１、表示画面２、駆動部３、フレーム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。各圧電磁器板は厚さ１．５ｍｍのＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。ガラス板１は厚さ０．１５ｍｍのガラスで成る。各圧電磁器板はガラス板１の一方の板面の端部に厚さ約２０μｍのエポキシ系樹脂によって固着されている。すだれ状電極ＴＸｉ、ＴＹｉ、ＲＸおよびＲＹはそれぞれ圧電磁器板ＰＴＸ、ＰＴＹ、ＰＲＸおよびＰＲＹ上に設けられている。表示画面２はガラス板１における各圧電磁器板を有する方の板面の中央部分と接触している。各接地電極は各圧電磁器板とガラス板１との界面に設けられており、接地電極ＧＴＸｉ、ＧＲＸ、ＧＴＹｉおよびＧＲＹはそれぞれすだれ状電極ＴＸｉ、ＲＸ、ＴＹｉおよびＲＹに対応する部分に設けられている。
【００３４】
圧電磁器板ＰＴＸはすだれ状電極ＴＸｉに対応する部分ＰＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）で成り、圧電磁器板ＰＴＹｉはすだれ状電極ＴＹｉに対応する部分ＰＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）で成る。ガラス板１は部分ＰＴＸｉに対応する部分、部分ＰＴＹｉに対応する部分、圧電磁器板ＰＲＸに対応する部分および圧電磁器板ＰＲＹに対応する部分を含む。部分ＰＴＸｉおよびガラス板１のうち部分ＰＴＸｉに対応する部分は２層構造部ＬＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）を形成し、圧電磁器板ＰＲＸおよびガラス板１のうち圧電磁器板ＰＲＸに対応する部分は２層構造部ＬＲＸを形成する。部分ＰＴＹｉおよびガラス板１のうち部分ＰＴＹｉに対応する部分は２層構造部ＬＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）を形成し、圧電磁器板ＰＲＹおよびガラス板１のうち圧電磁器板ＰＲＹに対応する部分は２層構造部ＬＲＹを形成する。ガラス板１における各圧電磁器板を有しない方の板面（以後、パネル画面と呼ぶ。）の外縁はフレーム４に固着され、囲まれている。フレーム４はガラス板１のパネル画面上にお茶等の飲物やマヨネーズ等の食物が付着した場合でも、それらが内部に侵入するのを防ぐ。従って、圧電磁器板や駆動回路等の内部構成物が外部から遮断され保護される。
【００３５】
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とは電極指の数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１．６ｍｍで、全体の形状は平行四辺形を成す。すだれ状電極ＴＸｉは電極ＴＸｉ−１およびＴＸｉ−２から成り、すだれ状電極ＴＹｉは電極ＴＹｉ−１およびＴＹｉ−２から成り、すだれ状電極ＲＸは電極ＲＸ−１およびＲＸ−２から成り、すだれ状電極ＲＹは電極ＲＹ−１およびＲＹ−２から成る。各すだれ状電極では電極指間の距離が２種類あり、そのうち短い方の距離ｘｐは４００μｍである。
【００３６】
図３は図１の超音波タッチパネルの部分斜視図である。すだれ状電極ＴＸｉと接地電極ＧＴＸｉはスイッチＷＸｉを介して移相器ＳＴＸに接続され、すだれ状電極ＴＹｉと接地電極ＧＴＹｉはスイッチＷＹｉを介して移相器ＳＴＹｉに接続され、すだれ状電極ＲＸと接地電極ＧＲＸは移相器ＳＲＸに接続され、すだれ状電極ＲＹと接地電極ＧＲＹは移相器ＳＲＹに接続されている。移相器ＳＴＸおよびＳＴＹはそれぞれコイルＬ１を含み、移相器ＳＲＸおよびＳＲＹはそれぞれコイルＬ２を含む。図３では、すだれ状電極ＴＸ１および接地電極ＧＴＸ１が移相器ＳＴＸに接続されている様子が示されており、スイッチＷＸ１は省いて描かれている。
【００３７】
図４は図１の超音波タッチパネルの平面図である。図４ではガラス板１、圧電磁器板ＰＴＸ、ＰＴＹ、ＰＲＸ、ＰＲＹ、すだれ状電極ＴＸｉ、ＴＹｉ、ＲＸおよびＲＹのみが描かれている。
【００３８】
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３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ＷＸｉ−１の出力端は電極ＴＸｉ−１の入力端に接続されており、スイッチＷＸｉ−２の出力端は電極ＴＸｉ−２の入力端に接続されている。スイッチＷＹｉはスイッチＷＹｉ−１およびスイッチＷＹｉ−２から成り、スイッチＷＹｉ−１の出力端は電極ＴＹｉ−１の入力端に接続されており、スイッチＷＹｉ−２の出力端は電極ＴＹｉ−２の入力端に接続されている。但し、図５では情報処理部７とスイッチＷＸｉとの接続および情報処理部７とスイッチＷＹｉとの接続が省略されて描かれている。
【００３９】
図５の駆動回路において、電極ＴＸｉ−１と接地電極ＧＴＸｉとの間および電極ＴＸｉ−２と接地電極ＧＴＸｉとの間に位相差が９０°または−２７０°の電気信号ＥＴ１およびＥＴ２を移相器ＳＴＸを介して入力すると、電気信号ＥＴ１およびＥＴ２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一方向性を有する弾性波に変換されて、２層構造部ＬＴＸｉを伝搬し、さらにその弾性波はガラス板１中に伝搬される。ガラス板１中に伝搬された弾性波は２層構造部ＬＲＸに伝搬され、その２層構造部ＬＲＸに伝搬された弾性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波のみが位相差が９０°または−２７０°の電気信号ＥＲ１およびＥＲ２に変換されて、電極ＲＸ−１と接地電極ＧＲＸとの間および電極ＲＸ−２と接地電極ＧＲＸとの間から出力される。出力された電気信号ＥＲ１およびＥＲ２は移相器ＳＲＸを介することにより位相差が零の単一の電気信号ＥＲとして出力され、増幅器ＡＸによって増幅される。増幅された電気信号の一部（１）は、移相器ＳＴＹおよびスイッチＷＹｉを介してすだれ状電極ＴＹｉと接地電極ＧＴＹｉとの間に入力され、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に送られる。電気信号（１）がすだれ状電極ＴＹｉと接地電極ＧＴＹｉとの間に入力される場合、電気信号（１）はＸ軸方向の場合と同様にして電極ＴＹｉ−１と接地電極ＧＴＹｉとの間および電極ＴＹｉ−２と接地電極ＧＴＹｉとの間に位相が異なる２つの電気信号ＥＴ１およびＥＴ２として入力され、一方向性を有する弾性波に変換されて、２層構造部ＬＴＹｉを伝搬する。さらにその弾性波はガラス板１中を経由して２層構造部ＬＲＹに伝搬され、電極ＲＹ−１と接地電極ＧＲＹとの間および電極ＲＹ−２と接地電極ＧＲＹとの間で電気信号ＥＲ１およびＥＲ２に変換されて出力された後、移相器ＳＲＹを介して位相差が零の単一の電気信号ＥＲ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、移相器ＳＴＸおよびスイッチＷＸｉを介してすだれ状電極ＴＸｉと接地電極ＧＴＸｉとの間に入力され、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に送られる。
【００４０】
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、ガラス板１のパネル画面に入力ペンのペン先が所定の値を越える圧力で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、第五に、特定された接触位置に対応する情報を表示画面２に表示することである。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組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。２層構造部ＬＴＸｉと２層構造部ＬＲＸとの間の弾性波の伝搬路ＵＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）と、２層構造部ＬＴＹｉと２層構造部ＬＲＹとの間の弾性波の伝搬路ＵＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）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、ガラス板１のパネル画面のすべて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。
【００４１】
図５の駆動回路では、移相器ＳＴＸの入力端が増幅器ＡＹを介して移相器ＳＲＹの出力端に接続され、移相器ＳＴＹの入力端が増幅器ＡＸを介して移相器ＳＲＸの出力端に接続されることにより、発振器Ｈｉ（ｉ＝１，２，……，８）が構成されている。この発振器Ｈｉの信号ループは移相器ＳＴＸ、スイッチＷＸｉ、伝搬路ＵＸｉ、移相器ＳＲＸ、増幅器ＡＸ、移相器ＳＴＹ、スイッチＷＹｉ、伝搬路ＵＹｉ、移相器ＳＲＹ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。
【００４２】
図６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。本実施例は超音波送受波手段Ｘおよび超音波送受波手段Ｙを除き、図１の第１の実施例と同様な構造を成す。本実施例では超音波送受波手段Ｘがすだれ状電極ＩＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）、すだれ状電極ＩＲＸ、増幅器ＡＸ、スイッチＣＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）、圧電磁器板ＰＴＸおよびＰＲＸから成り、超音波送受波手段Ｙがすだれ状電極ＩＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）、すだれ状電極ＩＲＹ、増幅器ＡＹ、スイッチＣＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）、圧電磁器板ＰＴＹおよびＰＲＹから成る。図６ではガラス板１、表示画面２、フレーム４、倍電圧整流器５、コンパレータ６、情報処理部７および超音波送受波手段Ｘのみが描かれている。表示画面２は図１と同様にしてガラス板１と接触している。すだれ状電極ＩＴＸｉ、ＩＴＹｉ、ＩＲＸおよびＩＲＹはアルミニウム薄膜で成り、それぞれ圧電磁器板ＰＴＸ、ＰＴＹ、ＰＲＸおよびＰＲＹ上に設けられている。各圧電磁器板は各すだれ状電極を介して厚さ約２０μｍのエポキシ系樹脂によってガラス板１上に固着されている。
【００４３】
圧電磁器板ＰＴＸはすだれ状電極ＩＴＸｉに対応する部分ＰＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）で成り、圧電磁器板ＰＴＹｉはすだれ状電極ＩＴＹｉに対応する部分ＰＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）で成る。ガラス板１は部分ＰＴＸｉに対応する部分、部分ＰＴＹｉに対応する部分、圧電磁器板ＰＲＸに対応する部分および圧電磁器板ＰＲＹに対応する部分を含む。部分ＰＴＸｉおよびガラス板１のうち部分ＰＴＸｉに対応する部分は２層構造部ＬＴＸｉ（ｉ＝１，２，……，８）を形成し、圧電磁器板ＰＲＸおよびガラス板１のうち圧電磁器板ＰＲＸに対応する部分は２層構造部ＬＲＸを形成する。部分ＰＴＹｉおよびガラス板１のうち部分ＰＴＹｉに対応する部分は２層構造部ＬＴＹｉ（ｉ＝１，２，……，８）を形成し、圧電磁器板ＰＲＹおよびガラス板１のうち圧電磁器板ＰＲＹに対応する部分は２層構造部ＬＲＹを形成する。
【００４４】
図７は図６のすだれ状電極ＩＴＸｉを示す平面図である。すだれ状電極ＩＴＸｉおよびＩＴＹｉは互いに同様な構造を有し、すだれ状電極ＩＲＸおよびＩＲＹはすだれ状電極ＩＴＸｉとは電極指の数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ＩＴＸｉ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１．６ｍｍであり、全体の形状は平行四辺形を成す。すだれ状電極ＩＴＸｉでは電極指間の距離はすべて均一である。すだれ状電極ＩＴＸｉの構造は、電極指間の距離を除き図２のすだれ状電極ＴＸｉと同様である。
【００４５】
図８は図６の超音波タッチパネルの駆動回路を示す図である。スイッチＣＸｉおよびＣＹｉの出力端はそれぞれすだれ状電極ＩＴＸｉおよびＩＴＹｉの入力端に接続されている。図８では情報処理部７とスイッチＣＸｉとの接続および情報処理部７とスイッチＣＹｉとの接続が省略されて描かれている。
【００４６】
図８の駆動回路において、すだれ状電極ＩＴＸｉから電気信号ＥＴを入力すると、電気信号ＥＴの周波数のうちすだれ状電極ＩＴＸｉ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波に変換されて、２層構造部ＬＴＸｉを伝搬し、さらにガラス板１中を伝搬する。ガラス板１中に伝搬された弾性波は２層構造部ＬＲＸに伝搬され、その２層構造部ＬＲＸに伝搬された弾性波のうちすだれ状電極ＩＲＸの示す中心周波数とその近傍の周波数の弾性波のみが電気信号ＥＲに変換されて、すだれ状電極ＩＲＸ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ＣＹｉを介してすだれ状電極ＩＴＹｉ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に送られる。電気信号（１）がすだれ状電極ＩＴＹｉ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波に変換されて、２層構造部ＬＴＹｉを伝搬する。さらにその弾性波はガラス板１中を経由して２層構造部ＬＲＹに伝搬され、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ＣＸｉを介してすだれ状電極ＩＴＸｉ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に送られる。この情報処理部７は図５の情報処理部７と同様な機能を有する。このようにして、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ＣＸｉおよびＣＹｉ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。また、スイッチＣＸｉの入力端はすだれ状電極ＩＲＹの出力端に増幅器ＡＹを介して接続され、スイッチＣＹｉの入力端はすだれ状電極ＩＲＸの出力端に増幅器ＡＸを介して接続されている。このようにして、伝搬路ＵＸｉおよびＵＹｉを遅延素子とする発振器Ｈｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）が構成されている。このとき、発振器Ｈｉの信号ループはスイッチＣＸｉ、伝搬路ＵＸｉ、増幅器ＡＸ、スイッチＣＹｉ、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。図６の第２の実施例では、各すだれ状電極は各圧電磁器板とガラス板１との界面に設けられた構造を有するが、各すだれ状電極が各圧電磁器板の空気側板面に設けられた構造においても同様な効果が見られた。
【００４７】
図１の第１の実施例と図６の第２の実施例を比較した場合、第１の実施例による一方向性の弾性波の励振は、いっそうの低消費電力駆動を可能にする。しかも、第１の実施例では、第２の実施例でみられるような反射（２層構造部ＬＴＸｉ、ＬＴＹｉおよびガラス板１の端部で発生する。）が無いので、ノイズが少なく、さらに高感度である。
【００４８】
図９は本発明の超音波タッチパネルの第３の実施例を示す断面図である。本実施例は図１の第１の実施例におけるガラス板１がガラス板８に置き換わるとともに、各圧電磁器板の厚さが１ｍｍの場合のものである。ガラス板８は厚さ１ｍｍのガラスで成る。図９では圧電磁器板ＰＴＸ、ＰＲＸ、すだれ状電極ＴＸｉ、ＲＸ、接地電極ＧＴＸｉ、ＧＲＸ、フレーム４およびガラス板８のみが描かれている。表示画面２は図１と同様にしてガラス板８と接触している。図９の第３の実施例は図１の第１の実施例と同様に駆動され、同様な効果を有する。
【００４９】
図１０は本発明の超音波タッチパネルの第４の実施例を示す断面図である。本実施例は図６の第２の実施例におけるガラス板１がガラス板８に置き換わるとともに、各圧電磁器板の厚さが１ｍｍの場合のものである。図１０では圧電磁器板ＰＴＸ、ＰＲＸ、すだれ状電極ＩＴＸｉ、ＩＲＸ、フレーム４およびガラス板８のみが描かれている。表示画面２は図１と同様にしてガラス板８と接触している。図１０の第４の実施例は図６の第２の実施例と同様に駆動され、同様な効果を有する。
【００５０】
図９の第３の実施例と図１０の第４の実施例を比較した場合、第３の実施例による一方向性の弾性波の励振は、いっそうの低消費電力駆動を可能にする。しかも、第３の実施例では、第４の実施例でみられるような反射（２層構造部ＬＴＸｉ、ＬＴＹｉおよびガラス板８の端部で発生する。）が無いので、ノイズが少なく、さらに高感度である。
【００５１】
図１１は図９の圧電磁器板ＰＴＸ単体に伝搬する弾性波の位相速度を示す特性図であり、弾性波の周波数ｆと圧電磁器板ＰＴＸの厚さｄとの積（ｆｄ）に対する各モードの位相速度を示す図である。圧電磁器板ＰＴＸ単体を伝搬する弾性波の横波の速度（ｖｇ−ｔ）は２４５０ｍ／ｓであり、縦波の速度（ｖｇ−ｌ）は４３９０ｍ／ｓである。圧電磁器板ＰＲＸ、ＰＴＹおよびＰＲＹ単体を伝搬する弾性波の横波および縦波の速度についても同様な値を示す。
【００５２】
図１２は図９の２層構造部ＬＴＸｉにおける圧電磁器板ＰＴＸ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ｆｄ値との関係を示す特性図である。但し、図１２では、ガラス板８が、ガラス板８単体を伝搬する弾性波の横波の速度が３０９１ｍ／ｓで縦波の速度が５５９２ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度３０９１ｍ／ｓおよび縦波速度５５９２ｍ／ｓという値は、圧電磁器板ＰＴＸ単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．３倍である。図１２ではＡ０モードのｋ２値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ０モードを除くモード、つまりＳ０モードおよび１次（Ａ１およびＳ１）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＬＴＸｉに励振されることが分かる。また、すだれ状電極ＴＸｉに加えられる電気的エネルギーは特にＳ１モードの弾性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に加えられる電気的エネルギーがＳ１モードの弾性波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約１．９ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ２値は最大値の約２０％に達する。同様にして、Ｓ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＬＴＹｉに励振される。すだれ状電極ＴＹｉに加えられる電気的エネルギーは特にＳ１モードの弾性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。さらに、すだれ状電極ＲＸおよびＲＹにおいて弾性波が電気信号に変換される場合、Ｓ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波が効率よく電気信号に変換されることが分かる。なお、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。
【００５３】
図１３は図９の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図１３では、ガラス板８が図１２と同様な材質で成る場合の特性図が示される。図１３ではｆｄ値が零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０は約４０７０ｍ／ｓである。図１３における○印は、すだれ状電極ＴＸｉに加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図１２から算出した値、つまりｋ２値が最大値を示すｆｄ値）を示す。○印における位相速度はほぼＶｆｄ＝０値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＬＴＸｉに励振される弾性波の位相速度とＶｆｄ＝０値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ２の最大値をもたらすことが分かる。同様にして、２層構造部ＬＴＹｉに励振される弾性波の位相速度とＶｆｄ＝０値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ２の最大値をもたらす。さらに、２層構造部ＬＲＸおよびＬＲＹに伝搬される弾性波の位相速度とＶｆｄ＝０値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ２の最大値をもたらす。
【００５４】
図１４は図１の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図１４では、ガラス板１が図１２と同様な材質で成る場合の特性図が示される。Ｖｆｄ＝０値は約３６５０ｍ／ｓである。図１４における○印はすだれ状電極ＴＸｉに加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性波に最も効率よく変換されるｆｄ値を示したものであり、圧電磁器板ＰＴＸ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ｆｄ値との関係に基づいて算出した値である。○印の付されたモードが図１３に比べて少ないものの、○印における位相速度はほぼＶｆｄ＝０値と等しいことが分かる。
【００５５】
図１５は図９の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図１５では、ガラス板８が、ガラス板８単体を伝搬する弾性波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波の速度が４１５５ｍ／ｓであるような材質で成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４１５５ｍ／ｓという値は、圧電磁器板ＰＴＸ単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．９倍である。Ｖｆｄ＝０値は約３６７０ｍ／ｓである。図１５における○印はすだれ状電極ＴＸｉに加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性波に最も効率よく変換されるｆｄ値を示したものであり、圧電磁器板ＰＴＸ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ｆｄ値との関係に基づいて算出した値である。○印における位相速度はほぼＶｆｄ＝０値と等しいことが分かる。
【００５６】
図１６は図１の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｆｄ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図１６では、ガラス板１が図１５と同様な材質で成る場合の特性図が示される。Ｖｆｄ＝０値は約３６００ｍ／ｓである。図１６における○印はすだれ状電極ＴＸｉに加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性波に最も効率よく変換されるｆｄ値を示したものであり、圧電磁器板ＰＴＸ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ｆｄ値との関係に基づいて算出した値である。○印の付されたモードが図１５に比べて少ないものの、○印における位相速度はほぼＶｆｄ＝０値と等しいことが分かる。
【００５７】
図１３〜１６より、ｋ２の最大値をもたらすｆｄ値に対する各モードの位相速度は、ｆｄ値が零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しいことが分かる。また、図１の２層構造部ＬＴＸｉおよびＬＴＹｉよりも図９の２層構造部ＬＴＸｉおよびＬＴＹｉの方が、すなわち、各ガラス板および各圧電磁器板の厚さがほぼ等しい場合の方が、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波に効率よく変換される。同様にして、図１の２層構造部ＬＲＸおよびＬＲＹよりも図９の２層構造部ＬＲＸおよびＬＲＹの方が、弾性波がすだれ状電極ＲＸおよびＲＹにおいて電気信号に変換されやすい。さらに、各ガラス板単体に伝搬する弾性波の速度が各圧電磁器板単体に伝搬する弾性波の速度のほぼ０．９倍からほぼ１．３倍のときに、すなわち、各ガラス板単体に伝搬する弾性波の速度が各圧電磁器板単体に伝搬する弾性波の速度の近傍にあるときに、電気的エネルギーと弾性波との間の変換効率が増大する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の超音波タッチパネルでは、圧電板ＰＴにおける部分ＰＴｉと、非圧電板のうち部分ＰＴｉに対応する部分とから成る２層構造部ＬＴｉにＳ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波を励振させ、その弾性波を非圧電板中に伝搬させることができる。この弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板ＰＴの厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０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ＩＴｉまたはＴｉ（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ＰＴ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。
【００５９】
本発明の超音波タッチパネルでは、非圧電板中に伝搬されているＳ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波を圧電板ＰＲと、非圧電板のうち圧電板ＰＲに対応する部分とから成る２層構造部ＬＲに伝搬させ、２層構造部ＬＲに伝搬された弾性波をすだれ状電極ＩＲまたはＲ（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、この弾性波の位相速度が、弾性波の周波数ｆと圧電板ＰＲの厚さｄとの積ｆｄが零の場合のＳ０モードの弾性波の位相速度Ｖｆｄ＝０とほぼ等しくなるような構造を採用することにより、非圧電板から２層構造部ＬＲに伝搬した弾性波を出力用すだれ状電極において電気信号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ＰＲ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。
【００６０】
入力用すだれ状電極として電極指間の距離が２種類あるようなすだれ状電極Ｔｉを採用することにより、２層構造部ＬＴｉに一方向性の弾性波を励振し、その弾性波を非圧電板中に伝搬させることができる。一方向性の弾性波の励振は、よりいっそうの低消費電力駆動を可能にするばかりでなく、不要信号の発生を抑制する。また、出力用すだれ状電極として電極指間の距離が２種類あるようなすだれ状電極Ｒを採用することにより、非圧電板に伝搬されている一方向性の弾性波をすだれ状電極Ｒから電気信号として出力することができる。
【００６１】
各圧電板の厚さｄを電極周期長ｐとほぼ等しいかまたはそれ以下に設定するとともに、非圧電板の厚さを各圧電板の厚さｄと等しいかまたはそれ以下にする構造を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Ｓ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波に変換される度合を増大させることができる。また、非圧電板中に伝搬しているＳ０モードおよび１次以上の高次モードの弾性波が出力用すだれ状電極において電気信号に変換される度合を増大させることができる。
【００６２】
非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度の近傍にある物質を採用することにより、２層構造部ＬＴｉに効率よく弾性波を励振し非圧電板中に伝搬させるとともに、非圧電中に伝搬している弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させた後、電気信号として出力させることを可能にする。
【００６３】
各圧電板として圧電セラミックやＰＶＤＦその他の高分子圧電フィルムを採用することにより、２層構造部ＬＴｉに効率よく弾性波を励振し非圧電板中に伝搬させるとともに、非圧電板中に伝搬している弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させた後、電気信号として出力させることを可能にする。圧電板として圧電セラミックを採用する場合には、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。
【００６４】
表示画面として、表示画面単体に伝搬する弾性波の位相速度が非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、２層構造部ＬＴｉから非圧電板中に伝搬された弾性波を効率よく２層構造部ＬＲに伝搬させることができる。つまり、非圧電板中に伝搬された弾性波が表示画面自身に漏洩されるのを抑制することができる。
【００６５】
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が所定の値を越える圧力で接触すると、弾性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。この際、弾性波が非圧電板の内部を伝搬する波であることから、ほんの軽く手を触れた程度では弾性波は消滅または減衰しない。従って、非圧電板上への軽い手つきや少量の異物の付着などによる影響を排除できる。このようにして、所定の筆圧で接触したときにのみ応答があるようなタッチパネルが実現できる。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にＮ個の入力用すだれ状電極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Ｃｉまたは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。
【００６６】
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】  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７】  図６のすだれ状電極ＩＴＸｉを示す平面図。
【図８】  図６の超音波タッチパネルの駆動回路を示す図。
【図９】  本発明の超音波タッチパネルの第３の実施例を示す断面図。
【図１０】  本発明の超音波タッチパネルの第４の実施例を示す断面図。
【図１１】  図９の圧電磁器板ＰＴＸ単体に伝搬する弾性波の位相速度を示す特性図。
【図１２】  図９の２層構造部ＬＴＸｉにおける圧電磁器板ＰＴＸ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ｆｄ値との関係を示す特性図。
【図１３】  図９の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１４】  図１の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１５】  図９の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１６】  図１の２層構造部ＬＴＸｉを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【符号の説明】
１    ガラス板
２    表示画面
３    駆動部
４    フレーム
５    倍電圧整流器
６    コンパレータ
７    情報処理部
８    ガラス板
ＴＸｉ，ＴＹｉ，ＲＸ，ＲＹ    すだれ状電極
ＧＴＸｉ，ＧＴＹｉ，ＧＲＸ，ＧＲＹ    接地電極
ＳＴＸ，ＳＴＹ，ＳＲＸ，ＳＲＹ    移相器
ＷＸｉ，ＷＹｉ    スイッチ
ＰＴＸ，ＰＴＹ，ＰＲＸ，ＰＲＹ    圧電磁器板
ＡＸ，ＡＹ    増幅器
Ｌ１，Ｌ２    コイル
ＩＴＸｉ，ＩＴＹｉ，ＩＲＸ，ＩＲＹ    すだれ状電極
ＣＸｉ，ＣＹｉ    スイッチ
【図１】
0003867255.tif 000002
【図２】
0003867255.tif 000003
【図３】
0003867255.tif 000004
【図４】
0003867255.tif 000005
【図５】
0003867255.tif 000006
【図６】
0003867255.tif 000007
【図７】
0003867255.tif 000008
【図８】
0003867255.tif 000009
【図９】
0003867255.tif 000010
【図１０】
0003867255.tif 000011
【図１１】
0003867255.tif 000012
【図１２】
0003867255.tif 000013
【図１３】
0003867255.tif 000014
【図１４】
0003867255.tif 000015
【図１５】
0003867255.tif 000016
【図１６】
0003867255.tif 000017