DE10085466B4

DE10085466B4 - Berührungsfeld-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10085466B4
Application number: DE10085466T
Authority: DE
Inventors: Fumihiko Kawasaki Nakazawa; Satoshi Kawasaki Sano; Yoshio Kawasaki Satoh; Takashi Kawasaki Matsuda
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: US7324096B2; US20030038789A1; US20060181523A1; US7705836B2; JP3841685B2; WO2001090874A1; US20060181524A1; DE10085466T1

Abstract

Berührungsfeld-Vorrichtung mit einem nicht-piezoelektrischen Substrat (1),
dadurch gekennzeichnet, dass sie umfaßt:
mehrere Anregungs- und Empfangselemente (6; 29), jeweils einen IDT und einen piezoelektrischen Film enthaltend, die auf dem nicht-piezoelektrischen Substrat (1) angeordnet sind, jeweils sowohl zum Anregen als auch zum Empfangen akustischer Oberflächenwellen,
und dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs- und Empfangselemente (6) an einer Seite des Substrats durch sukzessives Verschieben ihrer Positionen um eine Länge des IDT in einem stufenartigen Muster angeordnet und mit einer gemeinsamen Elektrode (8) zur Anregung und zum Empfangen verbunden sind,
dass an der gegenüberliegenden Seite des Substrats ein reflektierendes Element (7) zum Reflektieren der durch die Anregungs- und Empfangselemente (6) angeregten akustischen Oberflächenwellen ausgebildet ist,
dass Distanzen von den jeweiligen Anregungs- und Empfangselementen (6) zum reflektierenden Element (7) sich voneinander unterscheiden und
dass die Anregungs- und Empfangselemente (6) die durch das reflektierende Element (7) reflektierten akustischen Oberflächenwellen empfangen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Berührungsfeld-Vorrichtung zum Detektieren eines Kontakts eines Fingers oder eines Objekts mit der Berührungsfeld-Vorrichtung und bezieht sich konkreter auf eine Berührungsfeld-Vorrichtung, die IDTs nutzt, um den Kontakt durch Detektieren einer Blockierung von akustischen Oberflächenwellen zu detektieren.
HINTERGRUNDTECHNIK
Mit der Verbreitung von Computersystemen, hauptsächlich Personalcomputern, wurde eine Vorrichtung genutzt, um neue Informationen einzugeben oder verschiedene Anweisungen an ein Computersystem zu geben, indem mit einem Finger oder einem Objekt auf eine Position auf einem Anzeigeschirm einer Anzeigevorrichtung, auf der Informationen durch das Computersystem angezeigt werden, gezeigt wird. Um eine Eingabeoperation bezüglich der auf dem Anzeigeschirm der Anzeigevorrichtung eines Personalcomputers oder dergleichen angezeigten Information mit einem Berührungsverfahren durchzuführen, ist es notwendig, die Kontaktposition (angezeigte Position) auf dem Anzeigeschirm mit hoher Genauigkeit zu detektieren.
Als die Berührungsfeld-Vorrichtungen zum Detektieren der Kontaktposition eines Fingers oder eines Objekts sind eine einen Widerstandsfilm nutzende Vorrichtung und eine Ultraschallwellen nutzende Vorrichtung gut bekannt. Die einen Widerstandsfilm nutzende erstgenannte Vorrichtung detektiert eine Änderung im Widerstand des Widerstandsfilms, die durch den Kontakt des Fingers oder des Objekts mit dem Widerstandsfilm verursacht wird. Diese Vorrichtung hat den Vorteil eines niedrigen Energieverbrauchs, weist aber Probleme in der Ansprechzeit, Detektionsleistung und Haltbarkeit auf.
Die Ultraschallwellen nutzende letztgenannte Vorrichtung pflanzt akustische Oberflächenwellen (SAWs) über ein nicht-piezoelektrisches Substrat fort und detektiert eine Dämpfung der akustischen Oberflächenwellen, die durch einen Kontakt eines Fingers oder eines Objekts mit dem nicht-piezoelektrischen Substrat verursacht wird. Es wurde eine Berührungsfeld-Vorrichtung vorgeschlagen, die ein aus einem IDT (Interdigitalumformer oder Inter Digital Transducer) und einem piezoelektrischen Dünnfilm bestehendes Element als ein Anregungselement zum Anregen einer akustischen Oberflächenwelle und ein Empfangselement zum Empfangen der fortgepflanzten akustischen Oberflächenwelle nutzt.
In dieser Berührungsfeld-Vorrichtung sind mehrere Anregungselemente, die jeweils aus dem IDT und dem piezoelektrischen Dünnfilm bestehen, auf einem Ende des nicht-piezoelektrischen Substrats angeordnet, und mehrere Empfangselemente, die jeweils aus dem IDT und dem piezoelektrischen Dünnfilm bestehen, sind auf dem anderen Ende des nicht-piezoelektrischen Substrats so angeordnet, dass sie den Anregungselementen gegenüberliegen. In jedes Anregungselement wird ein elektrisches Signal eingespeist, um eine akustische Oberflächenwelle anzuregen und die akustische Oberflächenwelle über das nicht-piezoelektrische Substrat fortzupflanzen, und die fortgepflanzte akustische Oberflächenwelle wird vom Empfangselement empfangen. Wenn ein Finger oder ein Objekt mit den Fortpflanzungswegen akustischer Oberflächenwellen auf dem nicht-piezoelektrischen Substrat in Kontakt kommt, dämpfen die akustischen Oberflächenwellen. Indem detektiert wird, ob es eine Dämpfung im Pegel der empfangenen Signale der Empfangselemente gibt oder nicht, ist es dementsprechend möglich zu detektieren, ob ein Kontakt hergestellt wurde oder nicht.
In einer herkömmlichen Berührungsvorrichtung haben die IDTs aller Anregungselemente und Empfangselemente die gleiche Mittenfrequenz, und daher wird ein Kontakt eines Fingers oder eines Objekts mit dem Fortpflanzungsweg zwischen einem Empfangselement und dem gegenüberliegenden Anregungselement detektiert, indem die IDTs geschaltet werden, um mit Anregungs/Empfangsschaltungen verbunden zu werden, und detektiert wird, welches empfangene Signal eines Empfangselements dämpfte.
Um die Detektionsgenauigkeit zu verbessern, kann in Betracht gezogen werden, den Installationsabstand dieser Anregungselemente und Empfangselemente zu verringern. Ein Verringern des Installationsabstands erhöht jedoch die Möglichkeit, dass die akustische Oberflächenwelle von einem Anregungselement vom nächsten Empfangselement empfangen wird, das diesem Anregungselement nicht gegenüberliegt. In diesem Fall empfängt in der herkömmlichen Berührungsfeld-Vorrichtung, da jedes Paar des gegenüberliegenden Anregungselements und Empfangselements die gleiche Mittenfrequenz hat, das Empfangselement eine akustische Oberflächenwelle vom nächsten Anregungselement wie sie ist und kann sie nicht von einer akustischen Oberflächenwelle von dem diesem Empfangselement gegenüberliegenden richtigen Anregungselement unterscheiden. Folglich besteht ein Problem, dass Detektionsfehler verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Ziel gemacht, die obigen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Berührungsfeld-Vorrichtung zu schaffen, die imstande ist, einen Kontakt eines Fingers oder eines Objekts mit der Berührungsfeld-Vorrichtung mit hoher Genauigkeit zu detektieren und die genaue Kontaktposition zu detektieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine klein bemessene Berührungsfeld-Vorrichtung mit hoher Detektionsgenauigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Der IDT selbst besitzt Bandpaßfilter-Eigenschaften und regt nur eine akustische Oberflächenwelle mit einer Durchlaßbereich-Frequenz an/empfängt diese, die durch eine vorbestimmte Mittenfrequenz bezüglich der Eingangsfrequenz und eine vorbestimmte Bandbreite spezifiziert ist. In der vorliegenden Erfindung sind mehrere Anregungselemente, die jeweils aus einem IDT und einem piezoelektrischen Film bestehen, auf einem Ende eines nicht-piezoelektrischen Substrats angeordnet, und mehrere Empfangselemente, die jeweils aus einem IDT und einem piezoelektrischen Film bestehen, sind auf dem anderen Ende des nicht-piezoelektrischen Substrats so angeordnet, dass sie den Anregungselementen gegenüberliegen, die Mittenfrequenzen der IDTs des gegenüberliegenden Anregungselements und Empfangselements sind gleich, und die IDTs der einander benachbarten Anregungselemente und die IDTs der einander benachbarten Empfangselemente sind jeweils so entworfen, dass sie verschiedene Mittenfrequenzen aufweisen.
Da die Mittenfrequenzen der einander benachbart plazierten Elemente verschieden sind, kann ein Empfangselement nur eine akustische Oberflächenwelle vom gegenüberliegenden Anregungselement selektiv empfangen, ohne eine akustische Oberflächenwelle von irgendeinem Anregungselement zu empfangen, das dem Empfangselement nicht gegenüberliegt, und daher verschlechtert sich die Detektionsgenauigkeit nicht, und genaue Detektionsergebnisse können erhalten werden, selbst wenn der Installationsabstand der Anregungselemente und der Empfangselemente verengt wird.
In der Berührungsfeld-Vorrichtung wie oben beschrieben wird die Zeit des Eingangssignals in das Anregungselement in einen intermittierenden Burst geändert. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle im Vergleich zu derjenigen eines elektrischen Signals langsam ist, wird eine Verzögerung verursacht. Falls nach Abschließen der Anregungs/Empfangsprozesse für akustische Oberflächenwellen für ein Paar aus einem Anregungselement und einem Empfangselement die gleichen Prozesse für das nächste Paar aus einem Anregungselement und einem Empfangselement durchgeführt werden, nimmt es dann daher eine lange Zeit in Anspruch, die gesamten Prozesse abzuschließen, und die Kontaktposition kann nicht schnell detektiert werden. In der vorliegenden Erfindung wird daher eine Anregung einer akustischen Oberflächenwelle im nächsten Paar gestartet, ohne auf einen Empfang einer akustischen Oberflächenwelle in einem Paar zu warten. Dementsprechend ist es möglich, eine Detektionsverzögerung, die durch die oben erwähnte Verzögerung hervorgerufen wird, zu eliminieren und die Kontaktposition schnell zu detektieren.
In der oben erwähnten Änderung eines intermittierenden Bursts ist außerdem die Dauer, in der das Eingangssignal in das Anregungselement fortgesetzt wird, etwa gleich der Zeit, die für den Empfangsprozeß notwendig ist, spezieller der Zeit, die durch Teilen der Länge des IDT des Empfangselements durch die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle über das Substrat erhalten wird. Ferner ist die Dauer, in der das Eingangssignal in das Anregungselement gestoppt wird, nicht länger als die Zeit, die durch Teilen der Distanz zwischen den IDTs des Anregungselements und Empfangselements durch die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle über das Substrat erhalten wird. Es ist daher möglich, die Anregungs/Empfangsprozesse effizient durchzuführen und den Stromverbrauch zu reduzieren.
Außerdem ist geplant, daß, wenn die oben erwähnte Änderung eines intermittierenden Bursts gestartet wird, das empfangene Signal im Empfangselement für eine vorbestimmte Periode nicht detektiert wird, spezieller die Zeit, die erhalten wird durch Teilen der Distanz zwischen den IDTs des Anregungselements und Empfangselements durch die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle über das Substrat. Dementsprechend ist es möglich, Detektionsfehler aufgrund des Einflusses von Rauschen zu verhindern.
Um die Detektionsgenauigkeit der Berührungsfeld-Vorrichtung zu verbessern, kann in Betracht gezogen werden, die Aperturen der Anregungselemente zu verringern und deren Installationsdichte zu erhöhen. Bei dieser Anordnung ist jedoch die Distanz zwischen den einander benachbarten Anregungselementen enger, und daher tritt ein den Einfluss von Beugung betreffendes Problem auf. Der Beugungseinfluss kann eliminiert werden, indem mit jedem Anregungselement eine akustische Oberflächenwelle mit einer hohen Frequenz angeregt wird. In diesem Fall nimmt jedoch der Verlust in der elektrischen Signalleitung und der Fortpflanzung der akustischen Oberflächenwellen zu, und es ist schwierig, die Signale zu senden und zu empfangen. Deshalb ist es nicht vorteilhaft, einfach die Frequenz der akustischen Oberflächenwellen zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung ordnet daher ein oder mehrere Empfangselemente an, um Paare mit mehreren Anregungselementen zu bilden. Als eine Technik zum Implementieren dieser Anordnung wird eine Technik ausgewählt, in der die Mittenfrequenz des IDT eines einem Anregungselement gegenüberliegenden Empfangselements um einen vorbestimmten Betrag innerhalb der Bandbreite (z. B. eine halbe Bandbreite) von der Mittenfrequenz des IDT des Anregungselements verschoben wird; oder eine Technik, in der die Aperturen des gegenüberliegenden Anregungselements und Empfangselements gegeneinander um eine Hälfte des Installationsabstands verschoben werden. Dementsprechend ist es möglich, nicht nur die den Mittenfrequenzen der IDTs der Anregungselemente entsprechenden empfangenen Ergebnisse zu erhalten, sondern auch interpolative empfangene Ergebnisse zwischen ihnen, wodurch die Detektionsgenauigkeit verbessert wird, ohne die Größe der Vorrichtungsstruktur besonders zu vergrößern.
In der vorliegenden Erfindung werden außerdem die Mittenfrequenzen der IDTs der Anregungselemente/Empfangselemente in der Reihenfolge, in der sie angeordnet sind, monoton erhöht oder monoton verringert, und die Zahl von Elektroden in jedem der IDTs wird so variiert, daß die Länge jedes IDT nicht mehr als eine bestimmte Länge ist. Dementsprechend wird ein Bereich, wo die Anregungselemente/Empfangselemente ausgebildet sind, nicht größer als eine bestimmte Fläche sein, wodurch der Ausbildungsbereich der Anregungselemente/Empfangselemente innerhalb der bestimmten Fläche begrenzt und eine Reduzierung in der Größe der Vorrichtung erreicht wird.
Durch orthogonales Anordnen zweier Sätze mehrerer Paare der gegenseitig gegenüberliegenden Anregungselemente und Empfangselemente, so daß Ausbreitungsrichtungen der akustischen Oberflächenwellen zueinander orthogonal werden, ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, die zweidimensionale Kontaktposition eines Fingers oder eines Objekts zu detektieren. In diesem Fall kann jeder Satz der Anregungselemente und Empfangselemente unabhängig angesteuert/gesteuert werden. Ferner können die Anregungsprozesse, die in beiden Sätzen mehrerer Anregungselemente durchgeführt werden sollen, und/oder die Empfangselemente, die in beiden Sätzen mehrerer Empfangselemente durchgeführt werden sollen, durch eine gemeinsame Operation ausgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, die Schaltung zu vereinfachen.
Als eine Technik zum Bestimmen der Kontaktposition eines Fingers oder eines Stifts basierend auf den Pegeln der empfangenen Signale in den Empfangselementen kann es eine Technik geben, in der die Mittenposition mehrerer Fortpflanzungswege, wo eine Dämpfung der empfangenen Signale gesehen wurde, als die Kontaktposition bestimmt wird; eine Technik, in der ein Fortpflanzungsweg, wo die größte Dämpfung des empfangenen Signals gesehen wurde, als die Kontaktposition bestimmt wird; und eine Technik, in der der Schwerpunkt, der auf der Basis des Dämpfungsbetrags des empfangenen Signals in jedem der Fortpflanzungswege erhalten wird, als die Kontaktposition bestimmt wird. Indem ein Vektor einer Bewegungsrichtung, der bei der Mitte des Kontaktbereichs beginnt und beim Schwerpunkt endet, erhalten wird, ist es außerdem möglich, die Richtung der Bewegung des Fingers oder Objekts zu schätzen.
In einer anderen Berührungsfeld-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die Kontaktposition auf der Basis der Differenz in der Fortpflanzungszeit detektiert, die durch die Fortpflanzungsverzögerungen der akustischen Oberflächenwellen hervorgerufen wird. In mehreren Paaren der gegenüberliegenden Anregungselemente und Empfangselemente variiert die Distanz zwischen dem Anregungselement und Empfangselement gemäß jedem Paar. Für eine eindimensionale Detektion sind die Mittenfrequenzen der IDTs der jeweiligen Anregungselemente einander gleich gemacht. Falls die Anregungselemente gleichzeitig angeregt werden, unterscheiden sich die Distanzen von den jeweiligen Anregungselementen zu den gegenüberliegenden Empfangselementen, und daher ist es möglich, jeden Fortpflanzungsweg aus den zeitlich seriell in den Empfangselementen empfangenen Signalen zu spezifizieren. Folglich ist es möglich, die Kontaktposition des Fingers oder Objekts mit einer solchen Technik zu detektieren.
Um eine solche Differenz in der Distanz zu realisieren, sind die IDTs der Anregungselemente und/oder die IDTs der Empfangselemente in einem stufenartigen Muster angeordnet. In diesem Fall ist die stufenartige Differenz zwischen den einander benachbart plazierten IDTs gleich der Länge des IDT oder etwa eine halbe Länge des IDT. Akustische Oberflächenwellen von den Anregungselementen werden ansonsten von einem einzigen gemeinsamen Empfangselement empfangen (oder akustische Oberflächenwellen werden von einem einzigen gemeinsamen Anregungselement angeregt), indem die IDTs der Anregungselemente (oder der Empfangselemente) in einem stufenartigen Muster angeordnet werden und die Aperturlänge des IDT des Empfangselements (oder des Anregungselements) so entworfen wird, daß sie ungefähr gleich der Länge der ganzen stufenartigen IDTs ist. Alternativ dazu sind die IDTs in einem stufenartigen Muster auf einem Ende des Substrats angeordnet, und ein reflektierendes Element ist auf dem anderen Ende vorgesehen, so daß eine akustische Oberflächenwelle vom gleichen Element (IDT) angeregt und empfangen wird, indem die Reflexion der akustischen Oberflächenwelle vom reflektierenden Element genutzt wird.
In dem Fall, in dem die Kontaktposition basierend auf der Differenz in der Fortpflanzungszeit der akustischen Oberflächenwellen bestimmt wird, wird, um die Differenz in der Fortpflanzungszeit zu steigern, bevorzugt, daß die Anregungselemente und Empfangselemente angeordnet werden, um die akustischen Oberflächenwellen in Diagonalrichtungen des Substrats fortzupflanzen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die die Basisstruktur einer Berührungsfeld-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 ist eine Querschnittansicht, die den Prozeß zum Herstellen eines Anregungselements und eines Empfangselements zeigt; 3 ist eine Ansicht, die die Zeitreihe von Anregungssignalen der Anregungselemente und empfangenen Signalen der Empfangselemente zeigt; 4 ist ein Flußdiagramm, das die Operationen in einer MPU zeigt; 5 ist ein Zeitablaufdiagramm von Anregungs/Empfangsprozessen in der ersten Ausführungsform; 6 ist ein Zeitablaufdiagramm von Anregungs/Empfangsprozessen in der zweiten Ausführungsform; 7 ist eine schematische Ansicht, die den Fortpflanzungszustand akustischer Oberflächenwellen in der zweiten Ausführungsform zeigt; 8 ist ein Zeitablaufdiagramm von Anregungs/Empfangsprozessen in der dritten Ausführungsform; 9(a) und 9(b) sind schematische Ansichten, die den Fortpflanzungszustand akustischer Oberflächenwellen in der dritten Ausführungsform zeigen; 10 ist ein Flußdiagramm, das die Betriebsprozedur in der MPU der dritten Ausführungsform zeigt; 11 ist eine Ansicht, die die Frequenzcharakteristiken der akustischen Oberflächenwellen der IDTs der ersten Ausführungsform zeigt; 12 ist eine Ansicht, die die Frequenzcharakteristiken der akustischen Oberflächenwellen der IDTs der vierten Ausführungsform zeigt; 13 ist eine Ansicht, die die Frequenzcharakteristiken der akustischen Oberflächenwellen der IDTs der fünften Ausführungsform zeigt; 14 ist eine Ansicht, die die Anordnung der Anregungselemente/Empfangselemente und den Fortpflanzungszustand der akustischen Oberflächenwellen in der sechsten Ausführungsform zeigt; 15(a), 15(b) und 15(c) sind schematische Ansichten, die die Anordnung der Anregungselemente/Empfangselemente und den Fortpflanzungszustand der akustischen Oberflächenwellen in der siebten Ausführungsform zeigen; 16 ist eine Ansicht, die die Elektrodenstruktur der IDTs zeigt, wenn die Zahl von Paaren der Elektroden in den jeweiligen IDTs festgelegt ist; 17 ist eine Ansicht, die die Elektrodenstrukturen der IDTs, wenn die Frequenz innerhalb einer bestimmten Breite geändert wird, in der achten Ausführungsform zeigt; 18 ist eine schematische Ansicht, die die Basisstruktur der neunten Ausführungsform zeigt; 19 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand des ersten Beispiels der neunten Ausführungsform zeigt; 20 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand des zweiten Beispiels der neunten Ausführungsform zeigt; 21 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand des dritten Beispiels der neunten Ausführungsform zeigt; 22 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand des vierten Beispiels der neunten Ausführungsform zeigt; 23(a) und 23(b) sind Ansichten, die zeigen, wie die Kontaktposition auf der Basis der Pegel der empfangenen Signale bestimmt wird; 24 ist eine Ansicht, die einen Bewegungsrichtungsvektor zum Schätzen der Bewegung eines Fingers zeigt; 25 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und Empfangselemente in der elften Ausführungsform zeigt; 26 ist eine Ansicht, die die Zeitreihen empfangener Signale in der elften Ausführungsform zeigt; 27 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und Empfangselemente in der zwölften Ausführungsform zeigt; 28 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und des Empfangselements in der dreizehnten Ausführungsform zeigt; 29 ist eine Ansicht, die die Basisstruktur der vierzehnten Ausführungsform zeigt; 30 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und Empfangselemente im ersten Beispiel der fünfzehnten Ausführungsform zeigt; 31 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und Empfangselemente in dem zweiten Beispiel der fünfzehnten Ausführungsform zeigt; 32 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und Empfangselemente im dritten Beispiel der fünfzehnten Ausführungsform zeigt; und 33 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente und Empfangselemente im vierten Beispiel der fünfzehnten Ausführungsform zeigt.
DAS BESTE VERFAHREN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung wird die vorliegende Erfindung mit Verweis auf die Zeichnungen ausführlich erläutern, die einige Ausführungsformen davon veranschaulichen.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine schematische Ansicht, die die Basisstruktur einer Berührungsfeld-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 ist 1 ein rechtwinkliges nicht-piezoelektrisches Substrat, das zum Beispiel aus einem Glassubstrat hergestellt wurde. Auf einem Ende des Substrats 1 sind mehrere (konkreter sieben) Anregungselemente 2 zum Anregen akustischer Oberflächenwellen in einer Linie ausgebildet. Außerdem sind auf der anderen Seite des Substrats 1 mehrere (konkreter sieben) Empfangselemente 3 zum Empfangen akustischer Oberflächenwellen in einer Linie so ausgebildet, dass sie den Anregungselementen jeweils gegenüberliegen.
Die Anregungselemente 2 und die Empfangselemente 3 haben die gleiche Konfiguration, und sie können durch den Prozeß wie später beschrieben geschaffen werden, indem ein IDT und ein piezoelektrischer Dünnfilm geschichtet werden. Der IDT weist zwei gegenseitig verwickelte kammartige Metallmuster zum Beispiel aus Aluminium auf und führt eine gegenseitige Umwandlung zwischen einer Mikrowellenspannung und einer akustischen Oberflächenwelle durch.
Außerdem weist der IDT selbst Eigenschaften eines Bandpaßfilters auf. Daher regt jedes Anregungselement 2 nur eine akustische Oberflächenwelle mit einer Durchlaßbereich Frequenz, die durch eine vorbestimmte Mittenfrequenz bezüglich einer Eingangsfrequenz spezifiziert ist, und einer vorbestimmten Bandbreite an. Unterdessen empfängt jedes Empfangselement 3 nur eine akustische Oberflächenwelle mit einer in ähnlicher Weise spezifizierten Durchlaßbereich-Frequenz.
Die IDTS eines Paars aus einem gegenüberliegenden Anregungselement 2 und Empfangselement 3 haben die gleiche Mittenfrequenz, während die IDTS eines Paars einander benachbarter Anregungselemente 2 und die IDTS eines Paars einer benachbarter Empfangselemente 3 verschiedene Mittenfrequenzen aufweisen. Die Mittenfrequenzen sind vom rechten Paar von 1 aus sukzessiv festgelegt auf f₁, f₂, f₃, f₄, f₅, f₆, f₇ festgelegt. f₁ ist die niedrigste Frequenz, und die Frequenz nimmt sukzessiv in der Reihenfolge von f₂, f₃, f₄, f₅, f₆, f₇ zu, so daß f₇ die höchste Frequenz ist. Die Differenz in den Mittenfrequenzen zwischen einem Paar der einander benachbarten IDTS ist jedoch so ausgelegt, daß sie größer als die Bandbreite jedes Paars ist.
Die durch den IDT jedes Anregungselements 2 angeregte akustische Oberflächenwelle hat eine Breite, die im wesentlichen gleich der Apertur des IDTS ist, breitet sich nahezu geradlinig aus, um sich über das Substrat 1 fortzupflanzen, und wird dann vom gegenüberliegenden Empfangselement 3 empfangen. Ein zwischen den Anregungselementen 2 und den Empfangselementen 3 sandwichartig gelegenes Gebiet ist ein Detektionsbereich 1a zum Detektieren des Kontakts eines Fingers A.
Die Anregungselemente 2 sind mit einer gemeinsamen Elektrode 4 zur Anregung verbunden, während die Empfangselemente 3 mit einer gemeinsamen Elektrode 5 zum Empfangen verbunden sind. Diese gemeinsame Elektrode 4 und gemeinsame Elektrode 5 sind mit einer Detektionsschaltung 10 verbunden. Die Detektionsschaltung 10 umfaßt eine MPU 11, einen D/A-Wandler 12, einen VCO (spannungsgeregelten Oszillator) 13, einen Zähler 14, eine Spitzenhalteschaltung 15 und einen A/D-Wandler 16.
Die MPU 11 gibt eine gewünschte Ausgangsspannung an den D/A-Wandler 12 an. Die angegebene Spannung wird durch den A/D-Wandler 12 in einen analogen Wert umgewandelt und dann in den VCO 13 eingespeist. Der VCO 13 oszilliert bei einer Frequenz, die nur durch die Eingangsspannung bestimmt ist. Die Zahl von Oszillationen, die vom VCO 13 ausgeführt werden, wird durch den Zähler 14 gezählt, und die MPU 11 mißt die Ausgangsfrequenz des VCO 13 aus der Zählung des Zählers 14. Das System aus dem VCO 13, dem Zähler 14 und der MPU 11 arbeitet als ein Rückkopplungssystem, um zu ermöglichen, daß der VCO 13 bei einer gewünschten korrekten Frequenz oszilliert. Der VCO 13 ist mit der gemeinsamen Elektrode 4 zur Anregung verbunden, und dessen Oszillationsfrequenz wird an die gemeinsame Elektrode 4 angelegt. Die Oszillationsfrequenz des VCO 13 wird bei jeder vorbestimmten Periode geändert, und gemäß jeder Frequenz regt ein entsprechendes Anregungselement 2 mit der Mittenfrequenz ihres eigenen IDT und einer vorbestimmten Bandbreite an.
Mit der gemeinsamen Elektrode 5 zum Empfangen ist die Spitzenhalteschaltung 15 verbunden. Die Spitzenhalteschaltung 15 hält die Spitzenspannung der von jedem Empfangselement 3 empfangenen Wellenform. Der A/D-Wandler 16 wandelt eine Ausgangsspannung der Spitzenhalteschaltung 15 in einen digitalen Wert um und gibt den digitalen Wert an die MPU 11 aus. Die MPU 11 detektiert die Kontaktposition der Finger A basierend auf den Ausgaben.
Man beachte, daß die oben beschriebene Struktur die Basisstruktur der Detektionsschaltung 10 in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Außerdem kann zwischen dem VCO 13 und der gemeinsamen Elektrode 4 zur Anregung eine IMP-Anpassungsschaltung vorgesehen sein. Für die effektive Verwendung eines detektierten empfangenen Signals kann ferner eine Schaltung zum Verstärken des empfangenen Signals oder Umwandeln des empfangenen Signals in eine andere Form auf der Empfangsseite vorgesehen sein. Zum Beispiel ist es möglich, eine Schaltung zum Durchführen einer logarithmischen Umwandlung der empfangenen Signale und zum Rückwärts-Umwandeln der Signale in eine lineare Form von einem bestimmten Referenzwert vorzusehen.
Bezugnehmend nun auf 2 wird die folgende Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 auf dem Substrat 1 erläutern. Ein Elektrodenfilm 21 aus Aluminium wird auf dem Glassubstrat 1 durch Verwenden einer Aufdampfungs- oder Sputter-Technik gebildet (2(a)). Nach Ausbilden von Maskenmustern für die Bildung der IDTs durch ein Photoresist 22 (2(b)) werden als nächstes IDTs 23 als Elektrodenfilmmuster aus Aluminium durch Ätzen gebildet (2(c)). Eine Metallmaske 24 mit Aperturen an den Positionen, wo die IDTs 23 gebildet werden, wird angebracht (2(d)). Nach Bilden eines ZnO-Dünnfilms 25, der ein piezoelektrischer Dünnfilm sein soll, durch Sputtern wird die Metallmaske 24 entfernt, um die Anregungselemente 2 und die Empfangselemente 3 herzustellen, die jeweils aus dem IDT 23 und dem ZnO-Dünnfilm 25 bestehen (2(e)).
Als nächstes wird die folgende Beschreibung eine eine Kontaktposition detektierende Operation erläutern, die von der Berührungsfeld-Vorrichtung mit der oben beschriebenen Struktur durchgeführt wird. 3 ist eine Ansicht, die eine Zeitreihe von Anregungssignalen in den Anregungselementen 2 und empfangenen Signale in den Empfangselementen 3 zeigt.
Die Spannungsdaten werden von der MPU 11 an den D/A-Wandler 12 ausgegeben. Diese Spannungsdaten werden durch den D/A-Wandler 12 in ein Analogsignal umgewandelt und an den VCO 13 ausgegeben, und eine Sinuswelle, deren Frequenz periodisch zu f₁, f₂, f₃, f₄, f₅, f₆, f₇ wechselt, wird vom VCO 13 in die gemeinsame Elektrode 4 zur Anregung eingespeist. Außerdem wird in einem festgelegten Intervall die Beziehung zwischen der angelegten Spannung an den VCO 13 und der Oszillationsfrequenz unter Verwendung des Rückkopplungssystems aus dem VCO 13, dem Zähler 14 und der MPU 11 gemessen, um so die angelegte Spannung an den VCO 13 einzustellen.
Wenn die Frequenz des Eingangssignals f₁ ist, pflanzt sich die akustische Oberflächenwelle über das Substrat 1 zwischen dem Anregungselement 2 und dem Empfangselement 3 fort, deren Mittenfrequenzen f₁ sind, aber keine akustische Oberflächenwelle pflanzt sich zwischen Paaren von Anregungselementen 2 und Empfangselementen 3 mit anderen Mittenfrequenzen als f₁ fort, welche außerhalb der Bandbreite liegen. Wenn die Frequenz des Eingangssignals f_n (n = 2, 3, 4, 5, 6, 7) ist, pflanzt sich ähnlich die akustische Oberflächenwelle über das Substrat 1 zwischen dem Anregungselement 2 und dem Empfangselement 3 fort, deren Mittenfrequenzen f_n sind, aber keine akustische Oberflächenwelle pflanzt sich zwischen Paaren von Anregungselementen 2 und Empfangselementen 3 mit anderen Mittenfrequenzen als f_n fort, welche außerhalb der Bandbreite liegen.
Eine fortgepflanzte akustische Oberflächenwelle jeder Mittenfrequenz wird von einem entsprechenden Empfangselement 3 empfangen. Das empfangene Signal wird durch die gemeinsame Elektrode 5 zum Empfangen an die Spitzenhalteschaltung 15 gesendet, um die Spitze zu berechnen, und der digitale Spitzenwert wird dann von dem A/D-Wandler 16 an die MPU 11 ausgegeben.
Wenn das Substrat 1 von keinem Finger oder dergleichen berührt wird, haben hier die empfangenen Signale der akustischen Oberflächenwellen der jeweiligen Mittenfrequenzen den gleichen Amplitudenpegel. Wenn auf der anderen Seite der Finger A ist mit dem Substrat 1 wie in 1 gezeigt in Kontakt, werden akustische Oberflächenwellen, deren Fortpflanzungswege dem Kontaktbereich entsprechen, durch die Finger A blockiert, was eine Dämpfung in den Amplitudenpegeln der empfangenen Signale zur Folge hat.
In dem in 1 gezeigten Beispiel überlappt der Kontaktbereich des Fingers A die Fortpflanzungswege der akustischen Oberflächenwellen mit den Mittenfrequenzen f₄ und f₅, und die Kontaktposition liegt näher zum letztgenannten Fortpflanzungsweg. Der Fortpflanzungsbetrag einer akustischen Oberflächenwelle ist am niedrigsten in dem Fortpflanzungsweg der Mittenfrequenz f₅, der der Kontaktposition des Fingers A am nächsten liegt, und der Fortpflanzungsweg der Mittenfrequenz f₄ hat dann den zweitniedrigsten Fortpflanzungsbetrag. In Anbetracht der an die gemeinsame Elektrode 5 abgegebenen empfangenen Signale hat als Folge das Empfangselement 3 mit der Mittenfrequenz f₅ den niedrigsten Amplitudenpegel, und das Empfangselement 3 mit der Mittenfrequenz f₄ hat den zweitniedrigsten Amplitudenpegel.
Basierend auf den Spitzenwerten der empfangenen Signale bei den jeweiligen Mittenfrequenzen ist dementsprechend die Kontaktposition aus dem Fortpflanzungsweg mit dem niedrigsten Spitzenwert detektierbar. In dem in 1 gezeigten Beispiel kann der Fortpflanzungsweg mit der Mittenfrequenz f₅ als der Kontaktposition bestimmt werden. Um die Kontaktposition detaillierter zu detektieren, können die Beträge einer Dämpfung der Amplitudenpegel der empfangenen Signale verglichen werden. In dem in 1 gezeigten Beispiel wird die Kontaktposition aus dem Verhältnis der Dämpfungsbeträge zwischen den empfangenen Signalen der Mittenfrequenzen f₄ und f₅ erhalten. Konkreter wird eine Kontaktposition X berechnet aus der folgenden Gleichung (1). X = L × V₁₄/(V₁₄ + V₁₅) (1)

X:: Die Distanz von der Mitte des Fortpflanzungswegs der Mittenfrequenz f₅ in der Richtung des Fortpflanzungsweges der Mittenfrequenz f₄.
L:: Die Distanz zwischen den Mitten der Fortpflanzungswege der Mittenfrequenzen f₄ und f₅.
V14:: Der Dämpfungsbetrag der Mittenfrequenz f₄.
V15:: Der Dämpfungsbetrag der Mittenfrequenz f₅.

Außerdem werden, wenn ein größeres Objekt mit dem Substrat 1 in Kontakt ist, mehrere Fortpflanzungswege vollständig blockiert. Daher kann die Breite des Kontaktobjekts aus der Zahl der gedämpften empfangenen Signale erhalten werden. Konkreter wird die Breite W des Objekts aus der folgenden Gleichung (2) berechnet: W = k × L (2)

k:: Die Zahl der gedämpften empfangenen Signale.
L:: Die Distanz zwischen den Mitten von einander benachbarten Fortpflanzungswegen, wenn die Fortpflanzungswege in gleichem Abstand positioniert sind.

4 ist ein Flußdiagramm, das die Betriebsprozedur in der MPU 11 zeigt. Die Spannungsdaten werden von der MPU 11 an den D/A-Wandler 12 ausgegeben (Schritt S1). Die Ausgabedaten des A/D-Wandlers 16 bei einer Mittenfrequenz entsprechend den Spannungsdaten werden dann in die MPU 11 eingegeben (Schritt S2). Die obigen Prozesse werden für alle Paare von Anregungselementen 2 und Empfangselementen 3 durchgeführt, und wenn die Prozesse abgeschlossen sind (Schritt S3: JA), wird eine Bestimmung diesbezüglich getroffen, ob es in den empfangenen Signalen gedämpfte empfangene Signale gibt (Schritt S4). Falls es gedämpfte empfangene Signale gibt (S4: JA), wird die Kontaktposition berechnet (Schritt S5). Falls es auf der anderen Seite keine gedämpften empfangenen Signale gibt (S4: NEIN), wird die Operation ohne Durchführen des Prozesses zum Berechnen der Kontaktposition beendet.
Da wie oben beschrieben die Mittenfrequenzen eines Paares Anregungselemente 2/Empfangselemente 3, die einander benachbart sind, verschieden sind, empfängt jedes Empfangselement 3 nur eine akustische Oberflächenwelle vom gegenüberliegenden Anregungselement 2, ohne eine akustische Oberflächenwelle vom nächsten Anregungselement 2 zu empfangen, das diesem Empfangselement 3 nicht gegenüberliegt. Durch Detektieren der Dämpfung des empfangenen Signalpegels für die jeweiligen Mittenfrequenzen ist es dementsprechend möglich, die Kontaktposition des Fingers oder des Objekts ohne weiteres zu detektieren. Selbst wenn mehrere Paare von Anregungselementen 2 und Empfangselementen 3 in einem engen Abstand angeordnet sind, verschlechtert sich, da jedes von ihnen durch die nächsten Paare nicht beeinflusst wird, die Detektionsleistung nicht, wodurch Detektionsergebnisse mit hoher Genauigkeit geliefert werden.
(Zweite Ausführungsform)
5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Anregungs/Empfangsprozesse zeigt, die in der oben beschriebenen Berührungsfeld-Vorrichtung der ersten Ausführungsform durchgeführt werden. Nach Abschließen des Anregungsprozesses und Empfangsprozesses bei der Mittenfrequenz f_n wird in diesem Beispiel der nächste Anregungsprozeß bei der Mittenfrequenz f_n+1 gestartet. Da die akustische Oberflächenwelle eine akustische Welle ist, ist ihre Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Vergleich zu derjenigen eines elektrischen Signals extrem niedrig, und folglich kann ein Problem einer Prozeßverzögerung bestehen. In 5 gibt D die Verzögerungszeit in der Fortpflanzung vom Anregungselement 2 zum Empfangselement 3 an. Da es lange Zeit in Anspruch nimmt, den Anregungsprozeß und Empfangsprozeß für alle Paare abzuschließen, kann dementsprechend die Kontaktposition nicht schnell detektiert werden.
6 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der zweiten Ausführungsform durchgeführten Anregungs/Empfangsprozesse zeigt, und 7 ist eine schematische Ansicht, die den Fortpflanzungszustand der Oberflächenwellen darin zeigt. In diesem Beispiel wird der nächste Anregungsprozeß bei der Mittenfrequenz f_n+1 gestartet, ohne auf den Abschluß des Anregungsprozesses bei der Mittenfrequenz f_n zu warten. Dementsprechend ist es möglich, das Verzögerungsproblem zu lösen, welches ein Nachteil einer Verwendung von akustischen Oberflächenwellen ist, und die Kontaktposition schnell zu detektieren.
(Dritte Ausführungsform)
In der zweiten Ausführungsform dauert in einem Paar eines Anregungselements 2 und Empfangselements 3 der Anregungsprozeß im Anregungselement 2 an, bis das Empfangselement 3 den Empfangsprozeß startet. Es ist jedoch nicht notwendig, das Anregungselement 2 während einer so langen Zeit anzuregen, und das Anregungselement 2 muß nur während einer für den Empfangsprozeß im Empfangselement 3 ausreichenden Zeit angeregt werden.
8 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der dritten Ausführungsform durchgeführten Anregungs/Empfangsprozesse zeigt, und 9(a) und 9(b) sind schematische Ansichten, die den Fortpflanzungszustand der akustischen Oberflächenwellen darin zeigen. In diesem Beispiel ist die Anregungszeit in jedem der Anregungselemente 2 für die Mittenfrequenzen f₁, f₂, ... f_n auf die für den Empfangsprozeß in den Empfangselementen 3 ausreichende Zeit festgelegt.
Konkreter ist jede Anregungszeit etwa die Zeit, die durch Teilen der Länge des IDT des Empfangselements 3 durch die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle über das Substrat 1 erhalten wird. Außerdem ist die Anregungs-Stoppzeit aufgrund einer Änderung eines intermittierenden Burst nicht länger als die Zeit festgelegt, die durch Teilen der Distanz zwischen dem IDT des Anregungselements 2 und dem IDT des Empfangselements 3 durch die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle über das Substrat 1 erhalten wird. Die durch ein Burst-Anregungssignal erzeugte akustische Oberflächenwelle hat eine maximale Stärke bei der Überquerungszeit (crossing time), die gleich der Länge des IDT des Empfangselements 3 ist, und die Stärke ist fixiert, wenn die Anregungszeit länger als diese ist. Daher wird eine Anregung gestoppt, wenn die akustische Oberflächenwelle die maximale Stärke erreicht.
Wie die zweite Ausführungsform ist es dementsprechend möglich, das Detektionsverzögerungsproblem zu lösen und die Anregungs/Empfangsprozesse effizient durchzuführen, wodurch ein signifikanter Effekt beim Reduzieren des Stromverbrauchs erzeugt wird. 9(a) und 9(b) veranschaulichen solche Beispiele, und 9(b) zeigt ein Beispiel der kürzesten Zeit, wenn die Anregungs-Stopperiode = 0 ist.
Außerdem ist jedes der Empfangselemente 3 dafür ausgelegt, den Empfangsprozeß während nur einer Verzögerungszeit (D in 8) bei der Anfangsphase einer Anregung mittels eines Blockierprozesses nicht durchzuführen. Es ist somit möglich, Detektionsfehler aufgrund des Einflusses von Rauschen zu verhindern. Gemäß dem Entwurf der Berührungsfeld-Vorrichtung kann diese Verzögerungszeit angegeben werden, indem die Distanz zwischen dem IDT des Anregungselements 2 und dem IDT des Empfangselements durch die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle über das Substrat 1 geteilt wird. In diesem Fall ist es ferner möglich, als der Blockierprozeß eine physikalische Blockierung mittels einer Gate-IC, der Addition eines Prozesses zum Unterbinden des Empfangsprozesses durch Firmware etc. anzuwenden.
10 ist ein Flußdiagramm, das die Betriebsprozedur in der MPU 11 gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform zeigt. In der Berührungsfeld-Vorrichtung mit Paaren von IDTs mit den Mittenfrequenzen f₁, ... f_n zum sukzessiven Anregen/Empfangen von akustischen Oberflächenwellen mit den jeweiligen Mittenfrequenzen sind V_(ni) die Spannungsdaten zum Anregen einer Frequenz f_ni, und v_(no) sind die empfangenen Spannungsdaten für eine Frequenz f_no. m repräsentiert außerdem die Zahl von Frequenzen, die während der Gate-Blockierzeit D in 8 übertragen werden.
Dieses Flußdiagramm enthält eine Schleife (Schleife 1), in der nur die Anregungsoperation ausgeführt wird, ohne die Empfangsoperation durchzuführen; eine Schleife (Schleife 2), in der die Anregungsoperation und die Empfangsoperation simultan ausgeführt werden; eine Schleife (Schleife 3), in der nur die Empfangsoperation ausgeführt wird, ohne die Anregungsoperation durchzuführen.
Um eine Initialisierung durchzuführen, wird ein Anfangswert 1 ni und no gegeben (Schritt S11). Die Spannungsdaten V_(ni) zum Anregen der Frequenz f_ni werden von der MPU 11 an den D/A-Wandler 12 ausgegeben (Schritt S12). ni wird nur um 1 inkrementiert, um eine der nächsten Frequenz entsprechende Zahl festzulegen (Schritt S13). Es wird eine Bestimmung diesbezüglich getroffen, ob ni m + 1 erreicht hat, d. h. ob die Frequenz f_m angeregt wurde (Schritt S14). Falls ni m + 1 nicht erreicht hat (S14: JA), kehrt der Prozeß zu S12 gemäß Schleife 1 zurück.
Die Spannungsdaten v_(no) der empfangenen Frequenz f_no im D/A-Wandler 12 werden in die MPU 11 eingegeben, und die Spannungsdaten v_(no) werden mit vorher festgelegten Bestimmungspegeldaten h_(no) verglichen, um zu detektieren, ob die akustische Oberflächenwelle blockiert wurde (Schritt S15). no wird nur um 1 inkrementiert, um eine der nächsten Frequenz entsprechende Zahl festzulegen (Schritt S16).
Es wird eine Bestimmung diesbezüglich getroffen, ob ni N + 1 erreicht hat, d. h. ob die Frequenz f_N angeregt wurde (Schritt S17). Falls ni N + 1 nicht erreicht hat (S17: JA), kehrt der Prozeß zu S12 gemäß Schleife 2 zurück.
Es wird eine Bestimmung diesbezüglich getroffen, ob no N + 1 erreicht hat, d. h. ob die Frequenz f_N erreicht wurde (Schritt S18). Falls no N + 1 nicht erreicht hat (Schritt S18: JA), kehrt der Prozeß zu S15 gemäß Schleife 3 zurück. Falls no N + 1 erreicht hat (S18: NEIN), wird der Prozeß abgeschlossen.
Man beachte, daß die oben beschriebene Operation auch durch eine Unterbrechungsoperation realisiert werden kann, die durch Starten der Eingabe eines empfangenen Signals implementiert ist.
(Vierte Ausführungsform)
11 ist eine Ansicht, die die Frequenzcharakteristiken von akustischen Oberflächenwellen der IDTs in der oben beschriebenen Berührungsfeld-Vorrichtung der ersten Ausführungsform zeigt. Die empfangenen Mittenfrequenzen f_n-1, f_n, f_n+1 entsprechen Eins zu Eins den Anregungsmittenfrequenzen f_n-1, f_n, f_n+1, und die jeweiligen Fortpflanzungswege sind durch diese Eins-zu-Eins-Korrespondenz getrennt und spezifiziert.
Falls es hier möglich ist, nicht nur empfangene Ergebnisse entsprechend den Mittenfrequenzen, sondern auch empfangene Ergebnisse einer Interpolation entsprechend anderen Frequenzen zwischen diesen Mittenfrequenzen zu erhalten, wird dann die Kontaktposition mit größerer Genauigkeit detektiert.
In der vierten Ausführungsform ist ein Empfangselement 3 entworfen, um ein Paar mit mehreren Anregungselementen 2 zu bilden. 12 ist eine Ansicht, die die Frequenzcharakteristiken akustischer Oberflächenwellen der IDTs in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der vierten Ausführungsform zeigt. Bezüglich einer Anregungsfrequenz werden auf der Empfangsseite Breitband-Frequenzcharakteristiken realisiert. Es ist daher möglich, interpolative empfangene Ergebnisse anstelle der Eins-zu-Eins-Korrespondenz wie in 11 gezeigt zu erhalten. Man beachte, daß im Gegensatz dazu, selbst wenn die Berührungsfeld-Vorrichtung dafür ausgelegt ist, die Breitband-Frequenzcharakteristiken auf der Anregungsseite bezüglich der Empfangsfrequenzen aufzuweisen, ähnliche Effekte erhalten werden.
(Fünfte Ausführungsform)
13 ist eine Ansicht, die die Frequenzcharakteristiken akustischer Oberflächenwellen der IDTs in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der fünften Ausführungsform zeigt. Die Mittenfrequenzen der IDTs des entsprechenden Anregungselements 2 und Empfangselements 3 sind gegeneinander um eine halbe Bandbreite verschoben. Mit anderen Worten ist zwischen der Anregungs-Mittenfrequenz f_n und der Empfangs-Mittenfrequenz g_n eine durch Gleichung (3) unten dargestellte Beziehung eingerichtet, vorausgesetzt daß die Bandbreite BW ist. g_n = f_n + BW/2 (3)
In dieser fünften Ausführungsform ist es wie in der vierten Ausführungsform möglich, interpolative empfangene Ergebnisse zu erhalten, wodurch die Detektionsgenauigkeit verbessert wird.
(Sechste Ausführungsform)
14 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 und den Fortpflanzungszustand akustischer Oberflächenwellen in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der sechsten Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel sind die Positionen der IDTs des Anregungselements 2 und Empfangselements 3 gegeneinander physisch verschoben, um interpolative empfangene Ergebnisse zu erhalten und die Detektionsgenauigkeit wie in der vierten und fünften Ausführungsform zu verbessern. Man beachte, daß in dem in 14 gezeigten Beispiel die Positionen um eine halbe Aperturbreite des IDTs gegeneinander verschoben sind.
(Siebte Ausführungsform)
15(a), 15(b), 15(c) sind schematische Ansichten, die die Anordnung der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 und den Fortpflanzungszustand akustischer Oberflächenwellen in einer Berührungsfeld-Vorrichtung der siebten Ausführungsform zeigen, in der die Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 für den gleichen Zweck wie in der sechsten Ausführungsform in mehreren Stufen angeordnet sind. 15(a) veranschaulicht ein Beispiel, in welchem die Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 in zwei Stufen angeordnet sind, indem sie zu den vorderen und hinteren Positionen verschoben werden. 15(b) veranschaulicht ein Beispiel, in welchem die Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 in der gleichen Weise in zwei Stufen angeordnet sind und die Fortpflanzungszeit der akustischen Oberflächenwellen fixiert ist. In diesem Beispiel gibt es keine Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen akustischen Oberflächenwellen. 15(c) veranschaulicht ein Beispiel, in welchem die Scan-Richtung einer Anregung in den Anregungselementen 2 und die Empfangsrichtung in mehreren Stufen von Empfangselementen 3 so ausgelegt sind, daß sie in der gleichen Richtung liegen.
(Achte Ausführungsform)
16 ist eine Ansicht, die die Elektrodenstruktur in einem IDT 2a (3a) zeigt, wenn die Anzahl von Elektrodenpaaren in jedem der IDTs 2a der Anregungselemente 2 (jedem der IDTs 3a der Empfangselemente 3) festgelegt ist. Falls die Zahl von Elektrodenpaaren festgelegt ist und die Frequenz geändert wird, ändert sich die Distanz zwischen den Elektroden, da sich die Wellenlänge ändert. Folglich ändert sich die Gesamtlänge des IDT 2a (3a), und die Gesamtlänge ist auf der Seite niedriger Frequenz (langer Wellenlänge) länger. Da ein Bandbreitenverhältnis bezüglich einer Frequenz durch die Zahl von Elektrodenpaaren bestimmt ist, ist es in diesem Beispiel auf die Bandbreite auf der Niederfrequenzseite festgelegt, um eine Frequenzänderung mit fixiertem Abstand zu realisieren. Folglich wird die Vorrichtungsstruktur größer.
17 ist eine Ansicht, die die Elektrodenstruktur des IDT 2a (3a) zeigt, wenn die Frequenz innerhalb einer fixierten Breite geändert wird. In diesem Beispiel ist die Zahl von Elektrodenpaaren in jedem IDT 2a (3a) variabel, und die Zahl von Paaren wird so geändert, um eine gleichmäßige Frequenzverschiebung zu haben. Dementsprechend ist es möglich, die Gesamtlänge jedes IDT 2a (3a) auf eine vorbestimmte Länge oder weniger zu begrenzen, wodurch eine klein bemessene Vorrichtungsstruktur erreicht wird.
(Neunte Ausführungsform)
18 ist eine schematische Ansicht, die die Basisstruktur einer Berührungsfeld-Vorrichtung gemäß der neunten Ausführungsform zeigt. Zusätzlich zu einem Satz aus mehreren Paaren von Anregungselementen 2 und Empfangselementen 3, die in 1 dargestellt sind, wird auf den verbleibenden beiden Enden des Substrats 1 ein anderer Satz mehrerer Paare Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 gebildet, so dass die Anregungselemente 2 und die Empfangselemente 3 einander gegenüberliegen. In der neunten Ausführungsform ist, wie oben beschrieben wurde, da die beiden Sätze mehrerer Paare der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 orthogonal angeordnet sind, es möglich, die zweidimensionale Kontaktposition eines Fingers oder eines Objekts zu detektieren.
[Erstes Beispiel]
19 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand im ersten Beispiel der neunten Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel wird der Anregungsprozeß in jedem Satz der Anregungselemente 2 unabhängig durchgeführt, und der Empfangsprozeß in jedem Satz der Empfangselemente 3 wird ebenfalls unabhängig ausgeführt. Folglich ist es möglich, diese Prozesse ohne weiteres durchzuführen.
Als nächstes erläutert die folgende Beschreibung die zweiten bis vierten Beispiele, welche dafür entworfen wurden, die Schaltung zu vereinfachen, indem den Prozessen gemeinsame Operationen in den jeweiligen Sätzen durchgeführt werden.
[Zweites Beispiel]
20 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand im zweiten Beispiel der neunten Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel teilen sich die beiden Sätze der Anregungselemente 2 eine Ansteuerschaltung. Ein Satz der Anregungselemente 2 und der andere Satz der Anregungselemente 2 werden bei den Mittenfrequenzen f₁, f₂, ..., f_n sukzessiv mit den gleichen Zeitsteuerungen angeregt. Dementsprechend ist es möglich, ein Frequenz-Scannen gleichzeitig durchzuführen, wodurch die Verarbeitungszeit verkürzt wird.
[Drittes Beispiel]
21 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand im dritten Beispiel der neunten Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel sind beide Sätze der Anregungselemente 2 mit einer einzigen gemeinsamen Elektrode 4 verbunden. Nach sukzessivem Anregen eines Satzes der Anregungselemente 2 bei den Mittenfrequenzen f₁, f₂, ..., f_n wird der andere Satz der Anregungselemente 2 bei den Mittenfrequenzen f_n+1, f_n+2, f_2n sukzessiv angeregt. Im Gegensatz zum ersten Beispiel werden akustische Oberflächenwellen in zwei Richtungen nicht gleichzeitig erzeugt, und folglich wird diese Struktur durch Rauschen stark beeinflußt.
[Viertes Beispiel]
22 ist eine Ansicht, die den Ansteuerzustand im vierten Beispiel der neunten Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel sind beide Sätze der Anregungselemente 2 in der gleichen Weise wie im dritten Beispiel mit einer einzigen gemeinsamen Elektrode 4 verbunden, und beide Sätze der Empfangselemente 3 sind mit einer einzigen gemeinsamen Elektrode 5 verbunden. Die Schaltungsstruktur kann bis zu einem maximalen Maß vereinfacht werden.
[Zehnte Ausführungsform]
23(a) und 23(b) sind Ansichten, die ein Verfahren zum Bestimmen der Kontaktposition basierend auf den Pegeln der empfangenen Signale in den Empfangselementen 3 zeigen. In diesen Figuren gibt die gestrichelte Linie einen Schwellenpegel zum Bestimmen des Vorhandenseins oder Fehlens einer Dämpfung akustischer Oberflächenwellen an, und in diesem Beispiel sind die Pegel der empfangenen Signale in den Empfangselementen 3 mit den Mittenfrequenzen f₄, f₅, f₆ und f₇ niedriger als dieser Schwellenpegel, und diese vier Linien von Fortpflanzungswegen sind der Kontaktbereich. Bezüglich eines derartigen empfangenen Pegelmusters wird die Kontaktposition durch drei Arten von Verfahren wie im folgenden beschrieben bestimmt.
Wie in 23(a) gezeigt ist, wird die Mittenposition P₁ der vier Fortpflanzungswege, wo die akustischen Oberflächenwellen blockiert wurden, als die Kontaktposition bestimmt. Wie in 23(a) gezeigt ist, wird ansonsten die Mittenposition P₂ des Fortpflanzungsweges mit der Mittenfrequenz f₅, wo die maximale Dämpfung geliefert wurde, als eine Position, wo der maximale Druck angewendet wurde, und folglich die Kontaktposition bestimmt. Wie in 23(b) gezeigt ist, wird alternativ dazu die Schwerpunktposition P₃, die auf der Grundlage der Dämpfungsbeträge in den vier Fortpflanzungswegen berechnet wird, als die Kontaktposition bestimmt.
24 ist eine Ansicht, die einen Bewegungsrichtungsvektor zum Abschätzen der Bewegung des Fingers zeigt. In 24 gibt S den zweidimensional detektierten Kontaktbereich des Fingers an, um die Koordinaten seiner Mitte C werden bezeichnet durch (X_C, Y_C). Außerdem werden die Koordinaten des Schwerpunkts G, die auf der Basis der Dämpfungsbeträge der erhaltenen empfangenen Signale berechnet werden, durch (X_G, Y_G) bezeichnet. Ein bei der Mitte C beginnender und beim Schwerpunkt G endender Vektor ist hier als der Bewegungsrichtungsvektor definiert. Durch Berechnen der Richtung dieses Bewegungsrichtungsvektors (Vektor CG) ist es möglich, die Richtung der Bewegung des Fingers abzuschätzen.
Übrigens ist es in den oben beschriebenen Ausführungsformen, obgleich die Kontaktposition basierend auf der Differenz in den Mittenfrequenzen der akustischen Oberflächenwellen detektiert wird, ebenfalls möglich, die Kontaktposition auf der Basis der Differenz in der Fortpflanzungszeit zu detektieren, weil die akustischen Oberflächenwellen akustische Wellen sind und die Geschwindigkeit verhältnismäßig langsam ist. Beispiele einer derartigen Position sind als die elften bis fünfzehnten Ausführungsformen unten veranschaulicht.
(Elfte Ausführungsform)
25 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 einer Berührungsfeld-Vorrichtung gemäß der elften Ausführungsform zeigt. Mehrere Anregungselemente 2, die jeweils aus einem IDT und einem piezoelektrischen Dünnfilm bestehen, sind auf einem Ende des Substrats 1 in einem stufenartigen Muster ausgebildet. Außerdem sind mehrere Empfangselemente 3 in einem stufenartigen Muster auf dem anderen Ende des Substrats 1 ausgebildet, so daß sie den Anregungselementen 2 jeweils gegenüberliegen. Die Distanz zwischen dem Anregungselement 2 und Empfangselement 3, die einander gegenüberliegen, unterscheidet daher jedes gegenüberliegende Paar. In diesem Beispiel ist die stufenartige Differenz zwischen den einander benachbarten Anregungselementen 2/Empfangselementen 3 gleich der Länge des IDT.
Die folgende Beschreibung wird als nächstes die Funktion erläutern. Die Anregungselemente 2 werden mit der gleichen Mittenfrequenz gleichzeitig angeregt. Die angeregte akustische Oberflächenwelle von jedem Anregungselement 2 wird über das Substrat 1 fortgepflanzt und vom gegenüberliegenden Empfangselement 3 empfangen. Da die Distanz zwischen dem Anregungselement 2 und dem Empfangselement 3 sich gemäß jedem Paar unterscheidet, unterscheiden sich die Empfangszeitsteuerungen in den jeweiligen Empfangselementen voneinander. Falls die empfangenen Signale in einer Zeitreihe detektiert werden, werden sie daher wie in 26 gezeigt detektiert, und ihre Fortpflanzungswege können voneinander unterschieden werden. Da ein Fortpflanzungsweg, wo das empfangene Signal gedämpft wurde, spezifiziert werden kann, ist es dementsprechend möglich, die Kontaktposition des Fingers oder Objekts in der gleichen Weise wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen zu detektieren.
(Zwölfte Ausführungsform)
27 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung der Anregungselemente 2 und der Empfangselemente 3 einer Berührungsfeld-Vorrichtung gemäß der zwölften Ausführungsform zeigt. Die stufenartige Differenz zwischen den Anregungselementen 2/Empfangselementen 3, die einander benachbart sind, ist gleich der halben Länge des IDT. Verglichen mit der elften Ausführungsform ist daher das Gebiet, wo die Anregungselemente 2 und die Empfangselemente 3 angeordnet sind, kleiner, wodurch eine Reduzierung der Größe der Struktur ermöglicht wird. Man beachte, daß die Detektionsoperation in der gleichen Weise wie in der elften Ausführungsform durchgeführt wird.
(Dreizehnte Ausführungsform)
28 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anregung der Anregungselemente 2 und des Empfangselements 3 einer Berührungsfeld-Vorrichtung gemäß der dreizehnten Ausführungsform zeigt. Auf einem Ende des Substrats 1 sind mehrere Anregungselemente 2 durch sukzessives Verschieben ihrer Positionen um die Länge eines IDT in einem stufenartigen Muster angeordnet. Auf dem anderen Ende des Substrats 1 ist überdies ein gemeinsames Empfangselement 3 ausgebildet. Die Distanzen von den jeweiligen Anregungselementen 2 zum Empfangselement 3 unterscheiden sich voneinander. In diesem Beispiel werden die akustischen Oberflächenwellen von einem einzigen Empfangselement 3 mit einem gemeinsamen IDT mit einer Apertur empfangen, deren Größe gleich der Gesamtlänge der Anregungselemente 2 ist. Man beachte, daß die Detektionsoperation in der gleichen Weise wie in der elften Ausführungsform durchgeführt wird.
Außerdem ist es in der dreizehnten Ausführungsform ebenfalls möglich, mehrere Empfangselemente 3 in einem stufenartigen Muster anzuordnen und akustische Oberflächenwellen durch ein einziges Anregungselement 2 mit einer gemeinsamen IDT mit einer großen Apertur anzuregen. In diesem Fall ist es möglich, die Strahlcharakteristiken der akustischen Oberflächenwellen zu verbessern.
(Vierzehnte Ausführungsform)
29 ist eine Ansicht, die die Struktur einer Berührungsfeld-Vorrichtung gemäß der vierzehnten Ausführungsform zeigt. Auf einem Ende des Substrats 1 sind mehrere Anregungs/Empfangselemente 6 zum Anregen und Empfangen akustischer Oberflächenwellen durch sukzessives Verschieben ihrer Positionen um die Länge eines IDT in einem stufenartigen Muster angeordnet. Auf der anderen Endfläche des Substrats 1 ist überdies ein reflektierendes Element 7 ausgebildet. Die Distanzen von den jeweiligen Anregungs/Empfangselementen 6 zum reflektierenden Element 7 unterscheiden sich voneinander. Ferner sind die Anregungs/Empfangselemente 6 mit einer gemeinsamen Elektrode 8 zur Anregung/zum Empfang verbunden.
Dieses Beispiel nutzt die Reflexion einer akustischen Oberflächenwelle durch das reflektierende Element 7, um zu ermöglichen, daß ein einziges Anregungs/Empfangselement 6 die akustische Oberflächenwelle anregt und empfängt. Da es hier eine Fortpflanzungsverzögerung aufgrund der Hin- und Herbewegung der akustischen Oberflächenwelle auf dem Substrat 1 gibt, ist es möglich, die Ansteuersysteme für den Anregungsprozeß und Empfangsprozeß einfach zu schalten. Um den Einfluß von Rauschen zu vermeiden, wird außerdem ein Zeit-Gatter entsprechend der Verzögerungszeit angewendet.
(Fünfzehnte Ausführungsform)
In einer Berührungsfeld-Vorrichtung, die konstruiert ist, um die Kontaktposition basierend auf der Differenz in der Fortpflanzungszeit akustischer Oberflächenwellen zu detektieren, ist es, um die Differenz in der Fortpflanzungszeit für eine höhere Detektionsgenauigkeit zu vergrößern, vorzuziehen, die Anregungselemente 2 und die Empfangselemente 3 anzuordnen, um die akustischen Oberflächenwellen in orthogonalen Richtungen des Substrats 1 fortzupflanzen. In einem solchen Fall kann die Installationsdichte der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 erhöht werden, wodurch die Detektionsleistung verbessert wird. 30 bis 33 sind Ansichten, die Beispiele der Anordnung der Anregungselemente 2 und Empfangselemente 3 einer Berührungsfeld-Vorrichtung gemäß der fünfzehnten Ausführungsform zeigen. In jedem dieser Beispiele werden die Fortpflanzungswege akustischer Oberflächenwellen mit einer Neigung von 45° bezüglich einer Seitenrichtung des Substrats 1 ausgebildet, wodurch eine zweidimensionale Kontaktpositions-Detektion ermöglicht wird.
Das erste Beispiel von 30 trennt die Eingaben und addiert die Ausgaben. Das zweite Beispiel von 31 verwendet dieselbe Eingabe und trennt die Ausgaben. Das dritte Beispiel von 32 addiert die Eingaben und addiert die Ausgaben. Das vierte Beispiel von 33 addiert die Eingaben und addiert die Ausgaben, indem IDTs mit verschiedenen Mittenfrequenzen verwendet werden. Da einige Ausgaben eine gleiche Fortpflanzungsweglänge in der X-Richtung und der Y-Richtung haben und die gleiche, Fortpflanzungszeit aufweisen, werden ihre Mittenfrequenzen geändert, so daß die Fortpflanzungswege leicht getrennt und spezifiziert werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben wurde, ist es gemäß einer Berührungsfeld-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, selbst wenn die Berührungsfeld-Vorrichtung klein konstruiert ist, möglich, den Kontakt eines Fingers oder eines Objekts mit hoher Genauigkeit zu detektieren und die präzise eindimensionale oder zweidimensionale Kontaktposition zu detektieren.

Claims

Berührungsfeld-Vorrichtung mit einem nicht-piezoelektrischen Substrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie umfaßt: mehrere Anregungs- und Empfangselemente (6; 29), jeweils einen IDT und einen piezoelektrischen Film enthaltend, die auf dem nicht-piezoelektrischen Substrat (1) angeordnet sind, jeweils sowohl zum Anregen als auch zum Empfangen akustischer Oberflächenwellen, und dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs- und Empfangselemente (6) an einer Seite des Substrats durch sukzessives Verschieben ihrer Positionen um eine Länge des IDT in einem stufenartigen Muster angeordnet und mit einer gemeinsamen Elektrode (8) zur Anregung und zum Empfangen verbunden sind, dass an der gegenüberliegenden Seite des Substrats ein reflektierendes Element (7) zum Reflektieren der durch die Anregungs- und Empfangselemente (6) angeregten akustischen Oberflächenwellen ausgebildet ist, dass Distanzen von den jeweiligen Anregungs- und Empfangselementen (6) zum reflektierenden Element (7) sich voneinander unterscheiden und dass die Anregungs- und Empfangselemente (6) die durch das reflektierende Element (7) reflektierten akustischen Oberflächenwellen empfangen.
Berührungsfeld-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass ein Zeit-Gatter entsprechend der Verzögerungszeit angewendet wird, um den Einfluß des Rauschens zu vermeiden.