JP2006170933A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な構造のスタイラスのような接触物を用いなくても、分解能の高い位置の検出を行うことができ、基材の接触表面の傷等の損傷をも防ぐことができる位置検出装置を提供すること。
【解決手段】送信側素子部２１から弾性表面波を接触表面２６０に超音波として伝播させて受信側素子部２２により受信することで、接触表面に接触した接触物の接触表面における位置を検出する位置検出装置１０であって、接触表面を有する基材２０１と、基材２０１上にコーティングされた硬質膜２５０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、弾性表面波を超音波として用いて接触物の接触表面における位置を検出するための位置検出装置に関する。

スタイラスとして指を用いた場合には、柔らかくかつパネル面への接触面積が大きいため、ペン状のスタイラスによる入力とは異なり手書き入力は困難であり、また分解能も悪かった。
また、ペン状のスタイラスが接触面積の小さい先端形状を備えていても、超音波をほとんど吸収しない硬質の材料を使用した従来のペン等では超音波を吸収しないため入力自体を行うことが不可能であった。
このため、超音波方式の位置検出装置はペン等による分解能の良い手書き入力が行えないため、ペンコンピューターやＰＤＡ（携帯情報端末）等では電磁誘導式もしくは抵抗膜式タッチパネルを採用し、超音波式は採用されていなかった。
そこで、スタイラスは、超音波を吸収可能な超音波吸収材料を含む先端部を有する構造とすることで、超音波方式でのペン入力を可能にしている（特許文献１）。
特開２００２−９９３８４号公報（第１頁、図８）

ところが、特許文献１に記載されているスタイラスとしては、超音波吸収剤を含むものを特別に作成する必要がある。しかし、スタイラスとしてはペン状で分解能を確保できる先端を持つものであれば制限無く使用できることが望ましい。
そこで本発明は上記課題を解消し、特別な構造のスタイラスのような接触物を用いなくても、分解能の高い位置の検出を行うことができ、しかも基材の接触表面の傷等の損傷をも防ぐことができる位置検出装置を提供することを目的としている。

上記目的は、第１の発明にあっては、送信側素子部から弾性表面波を接触表面に超音波として伝播させて受信側素子部により受信することで、前記接触表面に接触した接触物の前記接触表面における位置を検出する位置検出装置であって、前記接触表面を有する基材と、前記基材上にコーティングされた硬質膜と、を有することを特徴とする位置検出装置により、達成される。
第１の発明の構成によれば、基材は接触表面を有する。この基材の上には硬質膜がコーティングされている。
これにより、送信側素子部から供給される弾性表面波は、超音波として硬質膜および基材を伝わり、受信側素子部に対して確実に受信することができ、受信側素子部により電気信号として取り出すことができる。この場合に、超音波吸収材料等の軟質の材料を含むような特別な構造の接触物を用いなくても各種の接触物を使用することが可能である。
また、接触表面が硬質膜でコーティングされていることにより、接触表面の損傷を生じないように保護を行うことができる。接触表面に損傷が生じないことから損傷による位置の誤検出を防止することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記硬質膜は前記基材よりも硬いダイヤモンド膜であることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、硬質膜は基材よりも硬いダイヤモンド膜である。
これにより、ダイヤモンド膜を基材にコーティングするだけで、接触物の接触表面における位置の検出を確実に行うことができるとともに、接触表面の損傷を防ぐことができる。

第３の発明は、第１の発明の構成において、前記硬質膜は前記基材よりも硬いダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、硬質膜は基材よりも硬いダイヤモンドライクカーボン膜である。
これにより、ダイヤモンドライクカーボン膜を基材にコーティングするだけで、接触物の接触表面における位置の検出を確実に行うことができるとともに、接触表面の損傷を防ぐことができる。

第４の発明は、第１の発明の構成において、前記硬質膜は前記基材よりも硬いサファイヤ膜であることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、硬質膜は基材よりも硬いサファイヤ膜である。
これにより、サファイヤ膜を基材にコーティングするだけで、接触物の接触表面における位置の検出を確実に行うことができるとともに、接触表面の損傷を防ぐことができる。

第５の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかの構成において、前記送信側素子部と前記受信側素子部は間隔をおいて対向して配置されており、前記送信側素子部と前記受信側素子部は、それぞれ複数の櫛歯電極を並べることで構成されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、送信側素子部と受信側素子部は間隔をおいて対向して配置されている。送信側素子部と受信側素子部は、それぞれ複数の櫛歯電極を並べることで構成されている。
これにより、送信側素子部の複数の櫛歯電極は、外部電源から電圧を加えることにより弾性表面波を励起する。励起された弾性表面波は、超音波として硬質膜および基材を伝わり、受信側素子部の複数の櫛歯電極により受信し電気信号として取り出すことができる。
したがって、送信側素子部と受信側素子部の間において、接触物が接触表面に触れると、弾性表面波が接触物により吸収されて、受信側素子部において電気信号の減衰として検出することができる。

第６の発明は、第５の発明の構成において、第１組の前記送信側素子部と前記受信側素子部とは、第１方向に沿って間隔をおいて対向して配置され、第２組の前記送信側素子部と前記受信側素子部とは、第１方向とは直交する第２方向に沿って間隔をおいて対向して配置されていることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、第１組の送信側素子部と受信側素子部とは、第１方向に沿って間隔をおいて対向して配置されている。第２組の送信側素子部と受信側素子部とは、第２方向に沿って間隔をおいて対向して配置されている。
これにより、接触表面に接触した接触物の位置は、第１方向と第２方向に関して検出することができる。

第７の発明は、第６の発明の構成において、前記基材は平面型の表示装置の一部であり、前記基材はガラス基材であることを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、基材は平面型の表示装置の一部であり、基材はガラス基材である。
これにより、送信側素子部が発生した弾性表面波は、超音波として硬質膜およびガラス基材を伝わり、受信側素子部において電気信号として取り出すことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の位置検出装置の好ましい実施形態を示す平面図である。この位置検出装置１０は、超音波式位置検出装置とも呼ぶことができる。
図２は、図１のＡ−Ａ線における位置検出装置１０の断面構造例を示している。図３は、図１のＢ−Ｂ線における位置検出装置１０の断面構造例を示している。図２と図３に示す断面構造例はほぼ同じ構造である。
図４は、図１に示す位置検出装置１０と駆動電圧発生部１００と検出信号処理部１０１を示している。

図１ないし図３に示すように、位置検出装置１０は、表示装置２００と、この表示装置２００の上に搭載された第１送信側櫛歯電極群２１、第１受信側櫛歯電極群２２、第２送信側櫛歯電極群３１、第２受信側櫛歯電極群３２を有している。
図２に示す表示装置２００は、たとえば液晶表示装置（ＬＣＤ）である。この表示装置２００の表示面側には、透明の基材２０１が設けられている。この基材２０１は、たとえば透明のガラス板である。この基材２０１は、図１に示すようにたとえば長方形状を有していて、第１辺部２１１、第２辺部２１２、第３辺部２１３、そして第４辺部２１４を有している。
第１辺部２１１と第２辺部２１２は、平行であり、第３辺部２１３と第４辺部２１４は平行である。第１辺部２１１と第２辺部２１２はＹ方向に平行な方向であり、第３辺部２１３と第４辺部２１４はＸ方向に平行である。第１辺部２１１と第２辺部２１２は、第３辺部２１３と第４辺部２１４に比べて長くなっている。

図１に示す第１送信側櫛歯電極群２１は、第１送信側素子部である。第１受信側櫛歯電極群２２は、第１受信側素子部である。同様にして第２送信側櫛歯電極群３１は、第２送信側素子部である。第２受信側櫛歯電極群３２は、第２受信側素子部である。
第１送信側素子部、第１受信側素子部、第２送信側素子部および第２受信側素子部は、それぞれ弾性表面波素子部とも呼ぶことができる。

図１に示す第１送信側櫛歯電極群２１は、複数の電極６１を有している。第１受信側櫛歯電極群２２は、複数の櫛歯電極７１を有している。
第２送信側櫛歯電極群３１は、複数の櫛歯電極８１を有している。第２受信側櫛歯電極群３２は、複数の櫛歯電極９１を有している。

複数の各櫛歯電極６１，７１，８１，９１は、それぞれ直列に配列されている。すなわち複数の櫛歯電極６１は、Ｙ方向に沿って直列に配列されている。複数の櫛歯電極７１は、Ｙ方向に沿って直列に配列されている。複数の櫛歯電極８１は、Ｘ方向に沿って直列に配列されている。複数の櫛歯電極９１は、Ｘ方向に沿って直列に配列されている。第１送信側櫛歯電極群２１と第１受信側櫛歯電極群２２は、Ｘ方向に関して間隔をおいて対向して配列されている。同様にして第２送信側櫛歯電極群３１と第２受信側櫛歯電極群３２は、Ｙ方向に関して間隔をおいて対向して配置されている。

図２では、第１送信側櫛歯電極群２１の１つの櫛歯電極６１と第１受信側櫛歯電極群２２の１つの櫛歯電極７１を代表して示している。図３では、第２送信側櫛歯電極群３１の１つの櫛歯電極８１と第２受信側櫛歯電極群３２の１つの櫛歯電極９１を代表して示している。
図２に示すように、櫛歯電極６１は、圧電体１３０の上に形成され、櫛歯電極７１は圧電体１３１の上に形成されている。図３に示すように、櫛歯電極８１は圧電体１３２の上に形成されている。櫛歯電極９１は圧電体１３３の上に形成されている。
圧電体１３０ないし１３３としては、ＺｎＯ，ＡｌＮ，タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム，ニオブ酸カリウム，ＰＺＴ（圧電性薄膜）等の圧電作用を持つものであれば良い。これらの圧電体１３０ないし１３３は、図１において長方形状の枠体形状を形成している。つまりこの圧電体１３０ないし１３３は、図２と図３に示す基材２０１と硬質膜２５０の上で、外枠部分において形成されている。硬質膜２５０と基材２０１は、非圧電材料である。

図５は、１組の対向する送信側の櫛歯電極６１と受信側の櫛歯電極７１の形状例を示している。図６は、１組の対向する送信側の櫛歯電極８１と受信側の櫛歯電極９１の形状例を示している。
図５と図６に示す櫛歯電極６１，７１，８１，９１の形状は、この実施形態では同じものを採用している。

図５（Ａ）と図６（Ａ）を参照して、送信側の櫛歯電極６１，８１の形状例について説明する。櫛歯電極６１，８１は、複数本の電極指１６０と、バスバー１６１，１６１および電極パッド１６２，１６２を有している。電極パッド１６２は、複数本の電極指１６０に対してバスバー１６１により接続されている。複数の電極指１６０は、所定間隔を隔てて互いに入り込むように形成されている。

図５（Ａ）と図６（Ａ）を参照して、受信側の櫛歯電極７１，９１の形状例について説明する。受信側の櫛歯電極７１，９１は、複数本の電極指１７０と、バスバー１７１，１７１および電極パッド１７２，１７２を有している。電極パッド１７２は、複数の電極指１７０に対してバスバー１７１により接続されている。複数の電極指１７０は、所定間隔を隔てて互いに入り込むようにして形成されている。
櫛歯電極６１，７１，８１，９１は、それぞれ上述した圧電体（圧電膜ともいう）の表面に対してたとえばＡｌやＡｌ−Ｃｕ膜等の導体金属を蒸着もしくはスパッタリング等により薄膜状に形成した上で、たとえばＡｌやフォトリソグラフィ等によりすだれ状になるように形成されている。

図４に示すように第１送信側櫛歯電極群２１と第２送信側櫛歯電極群３１のそれぞれの櫛歯電極に対しては、駆動電圧発生部１００から駆動電圧が供給されることにより、各櫛歯電極は弾性表面波を超音波として励起する。
第１受信側櫛歯電極群２２と第２受信側櫛歯電極群３２の各櫛歯電極は、送られてくる弾性表面波としての超音波を受信して、機械的振動を検出信号処理部１０１が電気信号として取り出して必要な信号処理をするようになっている。

次に、図２と図３を参照して、硬質膜２５０について説明する。この硬質膜２５０は、表示装置２００の基材２０１の表面である接触表面２６０に対してコーティングされている。この硬質膜２５０は、たとえばダイヤモンド膜を採用することができる。この硬質膜２５０は、基材２０１よりも硬質な材料である。この硬質膜２５０は、ダイヤモンド膜に限らず、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜や、サファイヤ膜を採用することができる。

上述した圧電体１３０，１３１，１３２，１３３は、硬質膜２５０の上に形成されている。
このような硬質膜２５０が基材２０１の接触表面２６０の上に形成されていると、次のようなメリットがある。
送信側素子部から供給される弾性表面波である超音波は、硬質膜２５０および基材２０１を伝わり、受信側素子部に対して確実に受信することができ、受信側素子部により電気信号として取り出すことができる。この場合に、超音波吸収材料等の軟質の材料を含むような特別な構造の接触物を用いなくても各種の接触物を使用することが可能である。つまり、接触表面２６０に硬質膜２５０がコーティングされていると、接触物は、その先端部が尖っているペン状のものであれば、特に材質を制限されずに使用することができる。
また、接触表面が硬質膜でコーティングされていることにより、接触表面の損傷を生じないように保護を行うことができる。接触表面に損傷が生じないことから損傷による位置の誤検出を防止することができる。

図２に示すスタイラス４００は、硬質膜２５０を介して接触表面２６０に対して接触するための接触物の一例である。このスタイラス４００は、細い棒状の部材であり、先端部４０１は先細りになっている。そして先端部４０１は、たとえば半球形状を採用することができる。スタイラス４００は、たとえばプラスチックや金属材料により作ることができる。あるいはスタイラス４００は、先端にボールを有する使用済みのペンを使用することができる。このボールを有するペンは、インクが無くなった状態で、先端にあるボールを硬質膜２５０の上に接触させる。このボールの材質は、たとえばアルミニウム合金や超硬合金や、銅合金あるいは炭素鋼等により作られている。しかしながらダイヤモンド膜のような硬質膜２５０は、このようなボールの材質よりも硬い材料である。

次に、上述した位置検出装置１０の使用例について説明する。
図１と図４に示すように、駆動電圧発生部１００が、第１送信側櫛歯電極群２１の各櫛歯電極６１と、第２送信側櫛歯電極群３１の各櫛歯電極８１に対して電圧を加える。これによって、第１送信側櫛歯電極群２１と第２送信側櫛歯電極群３１の各櫛歯電極６１，８１は、弾性表面波を励起する。
励起された弾性表面波３５０，３６０は、図１と図４では、図示の簡単化のために１本の波線で示している。弾性表面波３５０は、図２に示す第１送信側櫛歯電極群２１の櫛歯電極６１から硬質膜２５０と基材２０１を超音波として伝わり、反対側の第１受信側櫛歯電極群２２の櫛歯電極７１において受信される。櫛歯電極７１は、機械的振動を電気信号に変換して、図４に示す検出信号処理部１０１が電気的な信号処理を行う。
同様にして、弾性表面波３６０は、図４に示す第２送信側櫛歯電極群３２の図３に示す櫛歯電極８１から硬質膜２５０と基材２０１を超音波として伝わり、第２受信側櫛歯電極群３２の櫛歯電極９１において受信される。櫛歯電極９１は、機械的振動を電気信号に変換して、図４に示す検出信号処理部１０１が電気的な信号処理を行う。

この場合に、図２と図３に示すようにスタイラス４００が、図４に示す接触位置Ｐに接触すると、硬質膜２５０と基材２０１を伝播する弾性表面波（超音波）３５０，３６０が、スタイラス４００の先端部４０１により吸収されて、弾性表面波の周波数が低下する。この様子は図５（Ｂ）と図６（Ｂ）に示している。図５（Ｂ）では、弾性表面波３５０が、スタイラスの先端部４０１により減衰して弾性表面波３５０Ａとなっている。この弾性表面波３５０Ａは、受信側櫛歯電極７１により機械的振動を電気信号にして取り出すことができる。

図６（Ｂ）では、弾性表面波３５０が、スタイラスの先端部４０１により減衰した弾性表面波３６０Ａを示している。この弾性表面波３６０Ａは、受信側櫛歯電極９１により機械的信号を電気信号として取り出すことができる。
このようにスタイラスの先端部４０１に対応する図５に示す送信側櫛歯電極６１と受信側櫛歯電極７１との間におけるＹ方向に関する位置と、図６に示す送信側櫛歯電極８１と受信側櫛歯電極９１との間におけるＸ方向に関する位置の交差した点が、図２と図３に示す接触位置Ｐの位置になり、この接触位置Ｐは、図４に示す検出信号処理部１０１により高い分解能で検出することができる。

これにより、いわゆる超音波方式の位置検出装置１０では、スタイラスを用いた分解能の高い手書き入力が可能になる。しかも従来のような超音波吸収材料等の軟質な材料を含むスタイラスを用いる必要が無く、たとえばプラスチックや金属製のスタイラスを用いても、スタイラスの先端部の接触位置は、高い分解能でＸ方向とＹ方向に関して検出することができる。

図２と図３に示すように、基材２０１の接触表面２６０が、硬質膜２５０によりコーティングされていることにより、基材２０１の表面に傷等の損傷を生じるのを防ぐことができる。つまりスタイラスがたとえば硬いプラスチックや金属製であり、直接スタイラスの先端部が基材２０１の接触表面に接触して入力する場合には、たとえばガラス製の基材２０１には傷等の損傷が生じることがある。このような傷が基材２０１に生じると、スタイラスの先端部の位置検出をする場合に誤検出を生じてしまうことになる。
しかし、本発明の実施形態では、基材２０１の上に硬質膜２５０が形成されていることから、基材２０１の接触表面２６０は直接スタイラスの先端部に触れないので、このような基材２０１の傷等の損傷を確実に防ぐことができる。

図７（Ａ）は、スタイラスの先端部が硬質膜２５０に接触する前における弾性表面波（超音波）の挿入損失の例を示す図であり、図７（Ｂ）は、スタイラスの先端部が接触した状態における弾性表面波（超音波）の挿入損失の例を示す図である。
図７（Ａ）と図７（Ｂ）を比較して分かるように、スタイラスの先端部が接触していない状態ではある周波数における挿入部分５００の挿入損失に比べて、図７（Ｂ）の部分５１０で示すようにある周波数の領域において、弾性表面波（超音波）の挿入損失が、変化していることを示している。

本発明の実施形態では、送信側素子部から供給される弾性表面波は、硬質膜および基材を超音波として伝わり、受信側素子部に対して確実に受信することができ、受信側素子部により電気信号として取り出すことができる。この場合に、超音波吸収材料等の軟質の材料を含むような特別な構造の接触物を用いなくても各種の接触物を使用することが可能である。接触表面が硬質膜でコーティングされていることにより、接触表面の損傷を生じないように保護を行うことができる。接触表面に損傷が生じないことから損傷による位置の誤検出を防止することができる。

本発明の実施形態では、送信側素子部の複数の櫛歯電極は、外部電源から電圧を加えることにより弾性表面波を励起する。励起された弾性表面波は、超音波として硬質膜および基材を伝わり、受信側素子部の複数の櫛歯電極により受信し電気信号として取り出すことができる。送信側素子部と受信側素子部の間において、接触物が接触表面に触れると、弾性表面波が接触物により吸収されて、受信側素子部において電気信号の減衰として検出することができる。

ところで本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、たとえば各櫛歯電極は、Ａｌ−Ｃｕ膜やＡｌ膜以外に、導電性の金属であれば特に限定されるものではない。
図示の実施形態では、Ｘ方向とＹ方向に第１組の送信側櫛歯電極群と受信側櫛歯電極群と、第２組の送信側櫛歯電極群と受信側櫛歯電極群を搭載している。
しかしこれに限らず、本発明の位置検出装置としては、１組の送信側櫛歯電極群と受信側櫛歯電極群だけを設ける形式のものも採用することができる。

スタイラスは、アルミニウムや銅等の金属やプラスチックの他に、木やセラミックス、ゴムであっても良い。基材２０１は非圧電基材であるが、この非圧電基材の上に非圧電材料の硬質膜２５０を形成している。この硬質膜２５０の上には、圧電体（圧電膜ともいう）１３０ないし１３３が膜形状に形成されている。基材２０１は、ガラス以外に石英、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶等で作られていても良い。送信側素子部は、励振側素子部とも呼ぶことができる。櫛歯電極は、櫛歯型電極とも呼ぶことができる。

図１の実施形態では、位置検出装置１０に用いられている表示装置は、たとえば液晶表示装置である。しかしこれに限らず表示装置は、他の形式の平面型の表示装置、たとえばプラズマディスプレイ装置、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）、ＳＥＤ（表面電界ディスプレイ）等であっても勿論構わない。
本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
上記実施形態の各構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせることができる。

本発明の位置検出装置の好ましい実施形態を示す平面図。 図１の位置検出装置のＡ−Ａ線における断面図。 図１の位置検出装置のＢ−Ｂ線における断面図。 図１の位置検出装置および駆動電圧発生部と検出信号処理部を示す図。 送信側の櫛歯電極と受信側の櫛歯電極とを示す図。 もう１組の送信側の櫛歯電極と受信側の櫛歯電極とを示す図。 スタイラスの先端部を接触する前と接触した状態での弾性表面波の挿入損失を示す図。

符号の説明

１０・・・位置検出装置、２１・・・第１送信側櫛歯電極群（第１送信側素子部の一例）、２２・・・第１受信側櫛歯電極群（第１受信側素子部の一例）、３１・・・第２送信側櫛歯電極群（第２送信側素子部の一例）、３２・・・第２受信側櫛歯電極群（第２受信側素子部の一例）、６１，７１，８１，９１・・・櫛歯電極、１３０ないし１３３・・・圧電体、２００・・・表示装置、２０１・・・基材、２５０・・・硬質膜、２６０・・・接触表面、４００・・・スタイラス（接触物の一例）、４０１・・・接触物の先端部、Ｐ・・・接触位置

Claims (7)

1. 送信側素子部から弾性表面波を接触表面に超音波として伝播させて受信側素子部により受信することで、前記接触表面に接触した接触物の前記接触表面における位置を検出する位置検出装置であって、
   前記接触表面を有する基材と、
   前記基材上にコーティングされた硬質膜と、を有することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記硬質膜は前記基材よりも硬いダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記硬質膜は前記基材よりも硬いダイヤモンドライクカーボン膜であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
4. 前記硬質膜は前記基材よりも硬いサファイヤ膜であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
5. 前記送信側素子部と前記受信側素子部は間隔をおいて対向して配置されており、前記送信側素子部と前記受信側素子部は、それぞれ複数の櫛歯電極を並べることで構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。
6. 第１組の前記送信側素子部と前記受信側素子部とは、第１方向に沿って間隔をおいて対向して配置され、第２組の前記送信側素子部と前記受信側素子部とは、第１方向とは直交する第２方向に沿って間隔をおいて対向して配置されていることを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。
7. 前記基材は平面型の表示装置の一部であり、前記基材はガラス基材であることを特徴とする請求項６に記載の位置検出装置。

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