JP3749608B2 - タッチ式座標入力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶およびプラズマディスプレイなどのフラットディスプレイや低曲率ディスプレイとして有用なタッチ式座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
座標入力装置として超音波方式のタッチパネルが利用されている。このタッチパネルは、図６に示すように、表面波発信手段４１，４２により短時間の超音波弾性表面波信号をバースト的に発信させ、この発信信号を反射片４３，４４を介して座標入力範囲４５の表面全体に伝播させ、さらに反射片４６，４７を介してその信号を受信手段４８，４９によって受信し、受信信号を時間軸に沿って解析することにより、指示された座標を検出している（特開昭６１−２３９３２２号公報）。
このような超音波方式タッチパネルでは、圧電振動子により励起されたバルク波を、くさび形変換器を介して、超音波弾性表面波に変換し、パネル表面に超音波弾性表面波信号を発信している。また、超音波弾性表面波を受信する際にも、くさび形変換器により弾性表面波信号をバルク波に変換し、圧電振動子により電気信号に変換している。なお、前記くさび形変換器による弾性表面波発信方法は、異なる媒質の境界面に音波が斜めに入射した際に屈折する現象を利用した方法であり、音波の進入角が臨界角となるようにくさびの角度を設定することにより、入射波を表面波に変換して表面波を発信させている。
【０００３】
このような超音波方式タッチパネルでは、パネル表面のうちくさび形変換器の設置部が、必然的にパネル表面に比べて高くなる。そして、図７に示されるように、ディスプレイが一般のブラウン管のような曲面パネルで構成されている場合には、曲面パネル５１と、この曲面パネルの周縁部を覆うベゼル５２との間には、くさび形変換器５３が設置可能な空間が生成する。しかし、図８に示されるように、ディスプレイが液晶ディスプレイやプラズマディスプレイのようなフラットパネルの場合、ベゼル５５で覆われたパネル表面５４の周縁部では、パネル５４とベゼル５５との間に隙間がなく、くさび形変換器を設置する空間的余裕がない。そのため、くさび形変換器を利用すると、フラットパネルや低曲率パネルには適用できず、パネルの種類が大きく制約される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、くさび形変換器を用いることなく、音響波（表面波など）を利用してタッチ式に入力された位置を精度よく検出できるタッチ式座標入力装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、基板（パネル）とベゼルとの間隔が小さなフラットパネル又は低曲率パネルディスプレイであっても音響波（弾性表面波など）を利用して位置検出可能なタッチ式座標入力装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、簡単な構造であっても音響波（弾性表面波など）を利用して入力位置を検出できるタッチ式座標入力装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するため鋭意検討の結果、基板（パネル）の底部又は側部側から表面に対して交差する方向にバルク波［縦波（圧縮波）や横波（滑り波）］を伝播させ、このバルク波を音響波（弾性表面波など）に変換すると、くさび形変換器を用いることなく、パネル基板の表示領域でのタッチ位置（接触又は入力位置）を精度よく検出できることを見いだし、本発明を完成した。
【０００６】
すなわち、本発明のタッチ式座標入力装置は、音響波が伝播可能な表面を有する伝播媒体と、この伝播媒体の前記表面に対する交差方向にバルク波を伝播させるためのバルク波生成手段と、板状部材で構成され、かつ前記バルク波生成手段からのバルク波を音響波に変換し、前記伝播媒体の表面を伝播させるための音響波生成手段と、この音響波生成手段からの音響波の表面での散乱（又は摂動）を検出するための検出手段とを備えている。
【０００７】
この装置において、バルク波生成手段は、伝播媒体の表面に対してバルク波を斜め方向に伝播させてもよく、伝播媒体は、フラットパネル又は低曲率パネルで構成できる。また、伝播媒体の第１のコーナー部の底部又は側部側に配設され、かつ電気信号に応答して前記伝播媒体の表面に対する交差方向にバルク波を伝播させるための第１の圧電手段と、前記伝播媒体の表面において、前記第１の圧電手段からのバルク波を表面波に変換するための第１の音響波生成手段（又は変換手段）とで発信手段を構成し、前記伝播媒体の表面において、表面波をバルク波に変換し、かつ前記伝播媒体の第２のコーナー部の底部又は側部側に向かって伝播させるための第２の音響波生成手段（又は変換手段）と、この第２の音響波生成手段により変換されたバルク波を前記第２のコーナー部の底部又は側部側で受信し、かつ電気信号を生成するための第２の圧電手段とで受信手段を構成してもよい。
【０００８】
本発明の座標入力装置には、超音波弾性表面波を伝播可能な左右対称の表示領域を備えた基板（パネル）と、この基板の第１のコーナー部の底部又は側部側に形成された第１の面と、この第１の面に配設され、かつ前記表示領域の周縁部の発信領域に対する交差方向にバルク波を伝播させるための第１の圧電振動子と、前記発信領域に配設され、かつ前記第１の圧電振動子によるバルク波を弾性表面波に変換するための薄板状の第１の音響波変換媒体と、前記表示領域の周縁部のうちＸ軸及びＹ軸方向の第１の側部に設けられ、かつ音響波変換媒体による弾性表面波を一部透過させるとともに反射させて前記表示領域の全域に亘って伝播させるための第１の反射アレイと、前記第１の側部に対向するＸ軸及びＹ軸方向の第２の側部に設けられ、前記第１の反射アレイ（反射用グレーティング）により反射し、かつ表示領域を伝播した弾性表面波を前記表示領域の周縁部の受信領域に集束させるための第２の反射アレイ（反射用グレーティング）と、前記受信領域に配設され、かつ前記第２の反射アレイ（反射用グレーティング）による弾性表面波をバルク波に変換し、前記パネルの第２のコーナー部の底部側へ伝播させるための薄板状の第２の音響波変換媒体と、前記第２のコーナー部の底部又は側部側に形成された第２の面と、この第２の面に配設され、かつバルク波の受信に応答して電気信号を生成させるための第２の圧電振動子とを備えている、音響的に接触位置を検出可能な装置（又は座標入力装置）も含まれる。
なお、本明細書において「表面」とは、音響波が伝播する伝播媒体の表面近傍又は表層部を意味する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の座標入力装置の一例を示す概略斜視図であり、図２はバルク波と表面波との変換機構を説明するための概略図である。なお、この例では、音響波として表面波、特に弾性表面波を利用した例を示す。
【００１０】
この例の座標入力装置は、表面にタッチ可能であり、Ｘ軸およびＹ軸方向に左右対称な表示領域（画像表示領域）２が形成され、かつ音響波（弾性表面波など）を伝播可能な表面を有する伝播媒体１と、この伝播媒体の底部側から前記伝播媒体の表面に対する交差方向（この例では、前記伝播媒体の表面に向かう斜め方向）にバルク波を伝播させ、かつＸ軸方向およびＹ軸方向に音響波（弾性表面波など）を生成させるための発信手段（すなわち、Ｘ軸方向の発信手段３ａ〜５ａ，Ｙ軸方向の発信手段３ｂ〜５ｂ）とを備えている。この例において、前記伝播媒体１は、ガラス基板の等方性フラットパネル又は低曲率パネルで構成されている。
【００１１】
前記発信手段３ａ〜５ａ，３ｂ〜５ｂは、それぞれ、伝播媒体１の底部側のうちＸ軸方向およびＹ軸方向の発信領域に対応する隣接コーナー部（第１のコーナー部）の基点領域に形成された傾斜面３ａ，３ｂと、これらの傾斜面に配設され、かつ電気信号に応答して前記伝播媒体１の表面の発信領域に向かって斜め方向にバルク波を発射させるための圧電振動子（第１のバルク波生成手段又は第１の圧電手段）４ａ，４ｂと、この圧電振動子から伝播媒体内を伝播したバルク波を、伝播媒体の表面の発信領域において音響波（表面波など）に変換するための薄板状の音響波変換媒体（プレート状トランスデューサ，第１の音響波生成手段）５ａ，５ｂとで構成されている。また、前記基点領域の傾斜面３ａ，３ｂからの垂直投影面（投影領域）は、伝播媒体１の表面のうち前記表示領域２の周縁部の発信領域（Ｘ軸の発信領域およびＹ軸の発信領域）で交差しており、前記発信領域（交差領域又は投影領域）にはそれぞれ前記音響波変換媒体５ａ，５ｂが配設されている。前記音響波変換媒体（プレート状トランスデューサ，第１の音響波生成手段）５ａ，５ｂは、伝播媒体１中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有し、バルク波と音響波（表面波など）とを相互に変換可能である。なお、この例では、音響波変換媒体５ａ，５ｂとして、結晶格子［１００］面を発信方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）に向けた単結晶シリコンが使用されている。
【００１２】
Ｘ軸方向の発信手段３ａ〜５ａとＹ軸方向の発信手段３ｂ〜５ｂからの弾性表面波は、第１の反射アレイ（第１の反射手段）６ａ，６ｂおよび第２の反射アレイ（第２の反射手段）７ａ，７ｂで構成された反射手段により、前記表示領域２の全域に亘ってＹ軸方向およびＸ軸方向に伝播するとともに、伝播した弾性表面波はＸ軸方向およびＹ軸方向に集束され、受信手段８ａ，９ａ，８ｂ，９ｂにより受信される。
より詳細には、前記表示領域２の周縁部のうちＸ軸方向に延びる一方の側部（第１の側部）には、発信領域を基点として発信手段３ａ〜５ａからの弾性表面波をＸ軸方向からＹ軸方向に伝播させるための第１のＸ軸反射アレイ６ａが形成され、前記表示領域２の周縁部のうち前記第１の側部と対向する他の側部（第２の側部）には、第１のＸ軸反射アレイ６ａでＹ軸方向に反射した弾性表面波をＸ軸方向の集束領域（又は受信領域）に反射して集束させるための第２のＸ軸反射アレイ７ａが形成されている。さらに、前記表示領域２の周縁部のうちＹ軸方向に延びる一方の側部には、発信領域を基点として発信手段３ｂ〜５ｂからの弾性表面波をＹ軸方向からＸ軸方向に伝播させるための第１のＹ軸反射アレイ６ｂが形成され、前記表示領域２の周縁部のうち前記側部と対向する他の側部には、第１のＹ軸反射アレイ６ｂでＸ軸方向に反射した弾性表面波をＹ軸方向の受信領域に反射して集束させるための第２のＹ軸反射アレイ７ｂが形成されている。各反射アレイは、弾性表面波の一部を透過させるとともに反射可能である。このような反射アレイ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂにより、前記Ｘ軸方向の発信手段及びＹ軸方向の発信手段からの弾性表面波を表示領域２の全域に亘って伝播させるとともに、表示領域を伝播した弾性表面波を受信領域（Ｘ軸の受信領域およびＹ軸の受信領域）で集束させることができる。
【００１３】
前記受信手段８ａ，９ａ，８ｂ，９ｂは、表示領域２を伝播し集束した弾性表面波をバルク波に変換して伝播媒体１の底部側に向かって斜め方向に伝播させて受信する。すなわち、前記受信手段は、前記第２の反射アレイ７ａ，７ｂに隣接した受信領域に配設され、かつ前記弾性表面波をバルク波に変換するとともに前記伝播媒体１の底部側に向かって斜め方向に伝播させるための薄板状の音響波変換媒体（プレート状トランスデューサ，第２の音響波生成手段）８ａ，８ｂと、伝播媒体１の底部側のうち前記音響波変換媒体８ａ，８ｂによる屈折投影領域に対応するコーナー部（第２のコーナー部）の終点領域に形成された傾斜面９ａ，９ｂと、この傾斜面に配設されているとともに、前記音響波変換媒体８ａ，８ｂにより変換されたバルク波を受信し、かつ電気信号を生成するための圧電振動子（第２の圧電手段）１０ａ，１０ｂとで構成されている。
【００１４】
前記音響波変換媒体（第２の音響波生成手段）８ａ，８ｂは前記音響波変換媒体（第１の音響波生成手段）５ａ，５ｂと同様な材料（伝播媒体中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有し、バルク波と表面波とを相互に変換可能な材料）で形成されている。この例では、音響波変換媒体８ａ，８ｂとして、結晶格子［１００］面を受信方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）に向けた単結晶シリコンが使用されている。
【００１５】
そして、圧電振動子１０ａ，１０ｂによる受信信号は、信号を解析するための検出手段（図示せず）に与えられ、少なくとも圧電振動子１０ａ，１０ｂを含む検出手段では、受信信号のうち表示領域２のタッチに伴う撹乱成分（摂動）を時間的ファクターとともに検出することにより、表示領域２でのタッチ位置又はタッチ領域を検出している。
【００１６】
なお、圧電振動子４ａ，４ｂにより生成したバルク波は伝播媒体１中を直進し、伝播媒体１と音響波変換媒体５ａ，５ｂとの界面に対して斜め入射し、音速の相違によりスネルの法則にしたがって屈折する。そのため、図２に示されるように、前記伝播媒体１と音響波変換媒体５ａ（５ｂ），８ａ（８ｂ）との界面に対するバルク波の入射角度（斜め伝播方向）θが下記式（1）を充足するように設定することにより、前記音響波（弾性表面波など）とバルク波とを相互に変換できる。前記入射角度θは傾斜面の法線とパネル表面との内角θと同義である。
Ｖb／Ｖs＝cosθ
θ＝９０°−Arcsin（Ｖb／Ｖs） （1）
（式中、Ｖbは伝播媒体中のバルク波伝播速度、Ｖsは伝播媒体と音響波変換媒体との界面での音響波（弾性波など）の伝播速度を示す）
すなわち、伝播媒体および音響波変換媒体の種類に応じて、伝播媒体１の表面と音響機変換媒体５ａ，５ｂとの界面に対するバルク波の入射角度を臨界角に設定することにより、発信手段においては、伝播媒体と音響波変換媒体との界面に進入したバルク波を屈折させて音響波（弾性表面波など）ａを生成させることができ、受信手段においても、上記と同様な関係を利用して、音響波変換媒体８ａ，８ｂにより、伝播媒体と音響波変換媒体との界面に進入した音響波（弾性表面波など）を屈折させて臨界角の方向に伝播するバルク波ｂを生成させることができる。
【００１７】
このような座標入力装置では、電気信号を圧電振動子４ａ，４ｂに与えると、圧電振動子の振動によりバルク波が生成し、発信領域において音響波変換媒体５ａ，５ｂによりバルク波が音響波（弾性表面波など）に変換して、第１の反射手段により表示領域２において複数の経路を経て音響波（弾性表面波など）をＸ軸方向およびＹ軸方向に伝播できる。そのため、表示領域２をペンなどで接触すると、音響波（弾性表面波など）が撹乱され、撹乱成分を含む音響波は第２の反射手段により受信領域に集束する。受信領域では、音響波変換媒体８ａ，８ｂにより音響波（弾性表面波など）がバルク波に変換され、圧電振動子１０ａ，１０ｂにより電気信号に変換される。
【００１８】
伝播媒体の種類は、特に制限されないが、音響波（弾性表面波、特に超音波弾性表面波）が伝播可能な基板（パネル基板）が使用される。伝播媒体の表面は、通常、平らであり、平滑面を形成している。伝播媒体は、通常、フラットパネル又は湾曲パネル（特に低曲率パネル）で構成されている。伝播媒体としては、例えば、ガラス（ソーダライムガラス，ホウケイ酸ガラス，クラウンガラス，バリウム含有ガラス，ストロンチウム含有ガラス、ホウ素含有ガラスなど）、セラミックス，アルミニウム，ポリマー（音響減衰率の低いポリマー）などが利用できる。
【００１９】
バルク波生成手段（圧電手段）はバルク波（第１の波）を生成する。換言すれば、伝播媒体の表面に対して交差する方向に伝播するバルク波は、音響波トランスデューサ（すなわちバルク波生成手段）と結合しており、音響波トランスデューサは、通常、圧電手段（圧電振動子など）で構成されている。音響波トランスデューサは、音響的に結合するための平坦面を有しており、この平坦面は、バルク波（第１の波）が横断する伝播媒体表面の一部に対して傾斜している。音響波トランスデューサを構成する圧電手段（圧電振動子）は、セラミック圧電振動子やポリマー圧電振動子などで構成できる。
【００２０】
バルク波は、通常、縦波モード（プレッシャーモード，pressure mode），表面に対して平行な振動方向を有する横波モード（horizontal shear mode）、表面に対して非平行（垂直）の振動方向を有する横波モード（virtical shear mode）から選択された少なくとも１つの発信成分を有している。
【００２１】
パネル基板の表示領域は、タッチ（接触）可能なタッチ範囲（すなわち座標入力範囲）を含んでおり、通常、前記例のように左右対称、特に線対称な形状（特に四角形状）に形成されている。パネル基板として構成される伝播媒体は、通常、液晶画面などを視認可能とするため、透明性を有している。好ましい伝播媒体は、透明性でかつ等方性である。表示領域の周縁部（パネルなどの伝播媒体の縁部）は、通常、ベゼルで覆うことができる。
【００２２】
音響波生成手段（音響波変換媒体）は、前記バルク波（第１の波）と音響波（第２の波）とを結合させる音響波モードカップラーとして機能する。音響波モードカップラーにより変換された音響波（第２の波）としては、縦波モード（longitudinal mode），表面に対して平行な振動方向を有する横波モード（horizontally polarized shear mode）、表面に対して垂直な面内に振動方向を有する横波モード（virtically polarised shear mode）から選択された少なくとも１つの発信成分を有する音響波が利用できる。好ましい音響波（第２の波）は弾性表面波（中でも超音波弾性表面波）、特にレーリー（Rayleigh）タイプの波である。
【００２３】
前記の例のように、傾斜面からのバルク波を表面音響波に変換する場合、傾斜面は、伝播媒体，変換媒体の種類に応じて、伝播媒体と変換媒体との界面に対して、バルク波の入射角又は弾性表面波の反射角が臨界角となるように形成できる。傾斜面の角度（傾斜面と平板状の伝播媒体の底面との内角θ1 ）は、伝播媒体や変換媒体の特性に応じて、例えば、下記式（2）により算出できる。
θ1 ＝１８０゜−Arcsin（Ｖb／Ｖs） （2）
（式中、Ｖb，Ｖsは前記に同じ）
前記内角θ1 は、通常、９０゜＜θ1 ＜１８０゜、好ましくは１００゜≦θ1 ≦１６０゜、さらに好ましくは１１０゜≦θ1 ≦１５０゜程度の範囲から選択できる。例えば、伝播媒体をフリントガラスで構成し、変換媒体を結晶格子［１００］面を有する単結晶シリコンで構成する場合、伝播媒体の音響インピーダンスと密度、変換媒体の結晶格子［１００］面に対する垂直方向の表面波音響インピーダンスと密度に基づいて、平板状の伝播媒体の底面に対して１３０°程度に設定すればよい。好ましい組合わせは、ガラスで構成された伝播媒体（基板）とシリコン単結晶で構成された音響波変換媒体との組合わせである。
【００２４】
なお、傾斜面は、伝播媒体の底部側のうち基点領域や終点領域に対応する部位にそれぞれ形成すればよく、図１に示されるように、パネルなどの伝播媒体の側面と底面との角部（コーナー部）の全域に形成してもよい。
【００２５】
バルク波を音響波（特に表面音響波）に相互に変換するための音響波変換媒体としては、伝播媒体中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有する媒体（伝播媒体中の音波の伝播速度Ｖbよりも変換媒体中の波の伝播速度Ｖsが速い媒質）が使用でき、例えば、Ｖb／Ｖs＝０．０１〜０．９９、好ましくは０．１〜０．９、さらに好ましくは０．５〜０．９、特に０．７〜０．８程度の範囲から選択できる。変換媒体としては、音響インピーダンス、ヤング率又は剛性率が、伝播媒体よりも大きな材料や、密度が伝播媒体よりも小さな材料が使用できる。なお、音響インピーダンス、密度、ヤング率および剛性率は、その媒質中の波の伝播速度と関係して、例えば、下記式（3）,（4）で表される。
【００２６】
Ｖ＝Ｚ／ρ （3）
Ｖ＝（Ｙ／ρ）1/2 （4）
（式中、Ｖは媒質中を伝播する波の速度、Ｚは媒質の波の進行方向の音響インピーダンス、ρは媒質の密度、Ｙは媒質のヤング率又は剛性率を示す）
音響波変換媒体の形状や大きさ（例えば、高さ）は、フラットパネルとベゼルとの間に配設可能であればよく、通常、薄片又は薄板状である。変換媒体の厚みは、例えば、５ｍｍ以下（例えば、０．０１〜３ｍｍ）、好ましくは０．１〜３ｍｍ、さらに好ましくは０．１〜１ｍｍ程度の範囲から選択してもよい。
【００２７】
反射手段は前記反射アレイで構成する必要はなく、一部の音響波（弾性表面波など）を透過可能な１又は複数の反射片で構成できる。反射手段を構成する反射アレイは、伝播媒体の表面に凸部（ガラス，セラミックスや金属などで形成された凸部など）や溝などとして形成された反射アレイ素子の集合体（反射アレイ群）であってもよい。各反射アレイ素子は、通常、互いにほぼ平行に形成されており、反射片や各反射アレイ素子の角度は、音響波をＸ軸方向及びＹ軸方向に伝播させるため、通常、Ｘ軸又はＹ軸に対してほぼ４５゜であってもよい。
【００２８】
反射手段は、通常、音響波生成手段からの音響波（第２の波）の進路の少なくとも一部に沿って配置された一連のエレメント（第１の反射手段）と、第１の反射手段からの音響波の反射方向の軸を横切る進路に沿って配置された一連のエレメント（第２の反射手段）とで構成されている。
【００２９】
反射片や反射アレイ素子の反射率や間隔は、適当に設定できる。なお、音響波（弾性表面波など）に対する各反射アレイ素子の反射率が同じであると、音響波変換媒体からの距離が遠くなるにつれて、伝播する音響波（表面波など）の強度が低下する。そのため、反射アレイ素子の反射率は、音響波変換媒体との距離が遠ざかるにつれて大きくしてもよい。また、各反射アレイ素子間の間隔を、音響波（弾性表面波など）の波長の倍数とすると、音響波を効率よく反射できる。そのため、反射アレイとして、各アレイ素子の間隔を波長の倍数とし、かつ前記アレイ素子の反射率を関連する音響波変換媒体から遠ざかるにつれて大きくしてもよい。例えば、各アレイ素子の間隔を関連する音響波変換媒体から遠ざかるにつれて小さくしてもよい。なお、反射片や反射アレイは、スクリーン印刷などを利用して形成できる。
【００３０】
音響波生成手段から生成した音響波（弾性表面波など）のうち第１の反射手段を透過した音響波は第３の波を構成する。そのため、この第３の波は、反射手段を介して、音響波生成手段と結合している。一方、音響波生成手段から生成した音響波（弾性表面波など）のうち第１の反射手段により反射された音響波は一連の第４の波を構成し、音響波生成手段から生成した音響波（第２の波）の進行方向とは異なる軸に沿って伝播媒体の表面を伝播する。前記一連の第４の波は固有の時間遅れを有し、この時間遅れは、通常、単調増加して変化する。
【００３１】
第２の反射手段は、前記のように、第１の反射手段からの音響波の反射方向の軸を横切る進路に沿って配置された一連のエレメントで構成され、第４の波の少なくとも一部を反射して第２の音響波変換媒体に伝播される。
【００３２】
前記検出手段は、伝播媒体の表面での撹乱（摂動）、特に摂動位置を検出可能であればよく、通常、圧電手段（圧電振動子など）を含んでいる。
【００３３】
本発明において、タッチ式座標入力装置（音響的に接触を検出可能な装置）は、前記伝播媒体、バルク波生成手段（音響波トランスデューサ）、音響波生成手段（音響波モードカップラー）、および検出手段とで構成すればよく、反射手段は必ずしも必要ではないが、反射手段を備えているのが好ましい。
【００３４】
なお、前記の例では、伝播媒体の底部側からバルク波を伝播させているが、バルク波の伝播方向が伝播媒体の表面に対して交差方向である限り、バルク波源は適当な部位に形成できる。図３は本発明の装置の他の態様を示す概略断面図である。
【００３５】
この例において、平板状の伝播媒体１１の底部には、傾斜面１９を有する凹部２０が形成され、前記傾斜面１９にはバルク波生成手段としての圧電振動子１４が取り付けられている。前記圧電振動子１４からのバルク波の伝播方向は、伝播媒体１１の表面に配設されたプレート状の音響波変換媒体１５に対して交差する方向である。
【００３６】
前記のように、本発明の装置において、反射手段は必ずしも必要ではない。図４は本発明の装置の他の態様を示す概略平面図である。
この例において、平板状の伝播媒体２１の表面のうち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両側部には、少なくとも１つのプレート状の第１の音響波変換媒体２５ａ，２５ｂと、プレート状の複数の第２の音響波変換媒体２８ａ，２８ｂ…２８ｘとがそれぞれ対向して配設されている。すなわち、第１の音響波変換媒体２５ａ，２５ｂを発信素子の構成要素として利用し、伝播媒体の表面を伝播した音響波を複数の第２の音響波変換媒体２８ａ，２８ｂ…２８ｘで受信素子の構成要素として利用し、音響波の摂動を検出している。なお、第１の音響波変換媒体は単一又は複数の変換媒体で構成してもよい。
なお、平板状の伝播媒体２１は、前記種々の材料で形成でき、多数の圧電素子を形成するため、表面にメタライズパターンが形成された圧電性ポリマーシート（例えば、ポリビニリデンフルオライドなど）で構成してもよい。
【００３７】
バルク波生成手段は単一の圧電素子で構成する必要はなく、複合化して電極が配置されたマルチ圧電素子で構成してもよい。このようなマルチ圧電素子は、伝播媒体の側部、特に比較的厚みの大きな基板（例えば、厚み１２ｍｍ程度のガラス基板）の側面（垂直端面）に取り付けることができる。図５は本発明の他の態様を示す概略断面図である。
【００３８】
この例において、厚みの大きな伝播媒体３１の側端面のうち上部側には、圧電素子３４が配設され、この圧電素子は、前記側端面に取り付けられた底部電極３６と、前記圧電素子３４の外面側に形成され、幾何学的に櫛歯状の電極３７ａ，３７ｂとを備えている。隣接する櫛歯状電極３７ａ，３７ｂの中心部の距離ｓは、伝播媒体中のバルク波の波長λの１／２に対応するように設計されており、垂直方向に対する所望するバルク波Ｂの角度をθB とするとき、ｓ＝１／２×λ／ｃｏｓθB で表すことができる。また、伝播媒体３１の表面にはプレート状の音響波変換媒体３５が配設されている。
このようなマルチ圧電素子を有する構成では、伝播媒体の側面に圧電手段を配設しても音響波変換媒体と交差する斜め方向にバルク波を伝播させることができる。また、伝播媒体の底面に配設するのに比べて、板状の音響波変換媒体と圧電素子との距離を小さくでき、圧電素子から放射されるバルク波の拡散を最小限に抑制できる。
【００３９】
本願明細書は、伝播媒体の表面に対する交差方向にバルク波を励起する工程、前記伝播媒体の表面に、板状の音響波モードカップラーにより前記バルク波から変換された波動モードを有する音響波を伝播させる工程、変換された波動モードを有する音響波の摂動を検出する工程とで構成されている、接触検出方法も開示する。この方法において、前記励起工程と、音響波の伝播工程との間に、バルク波を板状の音響波モードカップラーにより反射して音響波を生成させるための工程を含んでいてもよい。また、前記励起工程と、音響波の伝播工程との間に、音響波の一部を反射して伝播媒体の表面付近に音響波を伝播させるための反射工程が介在していてもよい。
【００４０】
本発明の装置には、伝播媒体表面へのタッチに応答して、音声を発する音声生成手段や報知手段、タッチ位置を表示するための表示手段、タッチ位置に応答して表示領域の画像をコントロールするための制御手段（例えば、表示画面の切替や消去手段）、他の駆動装置の制御手段などを接続してもよい。
【００４１】
本発明のタッチ式座標入力装置は、ブラウン管などの曲面を有する通常のディスプレイのみならず、パネル表面がフラット又は低曲率のディスプレイ、例えば、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどにも好適に利用できる。
【００４２】
【実施例】
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
実施例
以下のようにして、図１及び図２に示す構造のタッチパネルを作製した。
伝播媒体（タッチパネル材料）としてフリントガラス基板（26.4cm×19.8cm×3.0mm）を用いた。このフリントガラス基板の底部側のうち底面と側面との角部に、底面に対する角度θ1 ＝１３０°の傾斜面３ａ，３ｂ，９ａ，９ｂを形成した。この傾斜面の角度は、フリントガラスにおけるバルク波（縦波）の音響インピーダンスと密度、および変換媒体としてのシリコン単結晶の結晶格子［１００］面に対する垂直方向の表面波音響インピーダンスと密度に基づいて求めた。
【００４３】
特開昭６１−２３９３２２号公報の記載に準じて、前記フリントガラス基板表面の周縁部においてＸ軸方向、Ｙ軸方向に、それぞれ、一対の発振側反射アレイ６ａ，６ｂと受信側反射アレイ７ａ，７ｂとをガラスペーストを用いてスクリーン印刷により形成し、４５０℃で焼成することにより反射アレイを形成した。
【００４４】
前記発信側の傾斜面３ａ，３ｂおよび受信側の傾斜面９ａ，９ｂには、紫外線硬化型接着剤（日本ロックタイト（株），ロックタイト346）を用いて、それぞれ、圧電振動子（富士セラミックス（株）製，Ｍ−６，共振周波数５．５ＭＨｚ，8.0mm×2.0mm）４ａ，４ｂ，１０ａ，１０ｂを取り付けた。
さらに、前記フリントガラス基板表面のうち発信領域と受信領域に、それぞれ、前記紫外線硬化型接着剤を用い、変換媒体５ａ，５ｂ，８ａ，８ｂとして薄板状の単結晶シリコン（8.0mm×3.1mm×厚み0.5mm）を取り付けた。このシリコン単結晶は、結晶格子［１００］面の方向と弾性表面波の進行方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）とが一致するように取り付けた。なお、前記フリントガラス基板表面と単結晶シリコンとの界面に対する圧電振動子からのバルク波の入射角度θは４０°に設定した。
【００４５】
各圧電振動子の電極に半田付けにて電線ケーブルを接続し、それらの電線ケーブルを、コネクターを介して、コントローラーに接続した。コントローラーとしては、市販の超音波方式のコントローラー（タッチパネルシステムズ（株）製，1055E101）を用いた。コントローラーには、受信信号を解析して入力位置を検出するためのパーソナルコンピューターを接続した。
【００４６】
そして、上記のようにして作製されたタッチパネルを、座標入力装置として動作させたところ、入力位置（タッチ位置）を精度よく検出できた。
また、前記タッチパネルをフラットパネルディスプレイに組み込んだところ、ディスプレイとベゼルとの間に円滑に配設できた。さらに、ディスプレイとベゼルとの間に組み込んだ状態で座標入力装置として動作を確認したところ、入力位置を精度よく検出できた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のタッチ式座標入力装置は、バルク波生成手段と音響波生成手段とを組み合わせているので、伝播媒体（パネルなど）の表面上に凹凸部がほとんど生成せず、表面の平滑性が高い。そのため、くさび形変換器を用いることなく、簡単な構造であっても、表面波を利用してタッチ式に入力された位置を精度よく検出できる。また、伝播媒体（パネル）とベゼルとの間隔が小さなフラットパネル又は低曲率パネルディスプレイでも弾性表面波を利用して位置検出可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の座標入力装置の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図２はバルク波と表面波との変換機構を説明するための概略図である。
【図３】図３は本発明の装置の他の態様を示す概略断面図である。
【図４】図４は本発明の装置の他の態様を示す概略平面図である。
【図５】図５は本発明の他の態様を示す概略断面図である。
【図６】図６は従来の座標入力装置を示す概略斜視図である。
【図７】図７は曲面パネルとベゼルとの関係を示す概略断面図である。
【図８】図８はフラットパネルとベゼルとの関係を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１…伝播媒体
２…表示領域
３ａ，３ｂ，１９…傾斜面
４ａ，４ｂ，１４，３４…圧電振動子
５ａ，５ｂ，１５，２５ａ，２５ｂ，３５…変換媒体
６ａ，６ｂ…第１の反射アレイ
７ａ，７ｂ…第２の反射アレイ
８ａ，８ｂ，２８ａ，２８ｂ…２８ｘ…変換媒体
９ａ，９ｂ…傾斜面
１０ａ，１０ｂ…圧電振動子
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶およびプラズマディスプレイなどのフラットディスプレイや低曲率ディスプレイとして有用なタッチ式座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
座標入力装置として超音波方式のタッチパネルが利用されている。このタッチパネルは、図６に示すように、表面波発信手段４１，４２により短時間の超音波弾性表面波信号をバースト的に発信させ、この発信信号を反射片４３，４４を介して座標入力範囲４５の表面全体に伝播させ、さらに反射片４６，４７を介してその信号を受信手段４８，４９によって受信し、受信信号を時間軸に沿って解析することにより、指示された座標を検出している（特開昭６１−２３９３２２号公報）。
このような超音波方式タッチパネルでは、圧電振動子により励起されたバルク波を、くさび形変換器を介して、超音波弾性表面波に変換し、パネル表面に超音波弾性表面波信号を発信している。また、超音波弾性表面波を受信する際にも、くさび形変換器により弾性表面波信号をバルク波に変換し、圧電振動子により電気信号に変換している。なお、前記くさび形変換器による弾性表面波発信方法は、異なる媒質の境界面に音波が斜めに入射した際に屈折する現象を利用した方法であり、音波の進入角が臨界角となるようにくさびの角度を設定することにより、入射波を表面波に変換して表面波を発信させている。
【０００３】
このような超音波方式タッチパネルでは、パネル表面のうちくさび形変換器の設置部が、必然的にパネル表面に比べて高くなる。そして、図７に示されるように、ディスプレイが一般のブラウン管のような曲面パネルで構成されている場合には、曲面パネル５１と、この曲面パネルの周縁部を覆うベゼル５２との間には、くさび形変換器５３が設置可能な空間が生成する。しかし、図８に示されるように、ディスプレイが液晶ディスプレイやプラズマディスプレイのようなフラットパネルの場合、ベゼル５５で覆われたパネル表面５４の周縁部では、パネル５４とベゼル５５との間に隙間がなく、くさび形変換器を設置する空間的余裕がない。そのため、くさび形変換器を利用すると、フラットパネルや低曲率パネルには適用できず、パネルの種類が大きく制約される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、くさび形変換器を用いることなく、音響波（表面波など）を利用してタッチ式に入力された位置を精度よく検出できるタッチ式座標入力装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、基板（パネル）とベゼルとの間隔が小さなフラットパネル又は低曲率パネルディスプレイであっても音響波（弾性表面波など）を利用して位置検出可能なタッチ式座標入力装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、簡単な構造であっても音響波（弾性表面波など）を利用して入力位置を検出できるタッチ式座標入力装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するため鋭意検討の結果、基板（パネル）の底部又は側部側から表面に対して交差する方向にバルク波［縦波（圧縮波）や横波（滑り波）］を伝播させ、このバルク波を音響波（弾性表面波など）に変換すると、くさび形変換器を用いることなく、パネル基板の表示領域でのタッチ位置（接触又は入力位置）を精度よく検出できることを見いだし、本発明を完成した。
【０００６】
すなわち、本発明のタッチ式座標入力装置は、音響波が伝播可能な表面を有する伝播媒体と、この伝播媒体の前記表面に対する交差方向にバルク波を伝播させるためのバルク波生成手段と、板状部材で構成され、かつ前記バルク波生成手段からのバルク波を音響波に変換し、前記伝播媒体の表面を伝播させるための音響波生成手段と、この音響波生成手段からの音響波の表面での散乱（又は摂動）を検出するための検出手段とを備えている。
【０００７】
この装置において、バルク波生成手段は、伝播媒体の表面に対してバルク波を斜め方向に伝播させてもよく、伝播媒体は、フラットパネル又は低曲率パネルで構成できる。また、伝播媒体の第１のコーナー部の底部又は側部側に配設され、かつ電気信号に応答して前記伝播媒体の表面に対する交差方向にバルク波を伝播させるための第１の圧電手段と、前記伝播媒体の表面において、前記第１の圧電手段からのバルク波を表面波に変換するための第１の音響波生成手段（又は変換手段）とで発信手段を構成し、前記伝播媒体の表面において、表面波をバルク波に変換し、かつ前記伝播媒体の第２のコーナー部の底部又は側部側に向かって伝播させるための第２の音響波生成手段（又は変換手段）と、この第２の音響波生成手段により変換されたバルク波を前記第２のコーナー部の底部又は側部側で受信し、かつ電気信号を生成するための第２の圧電手段とで受信手段を構成してもよい。
【０００８】
本発明の座標入力装置には、超音波弾性表面波を伝播可能な左右対称の表示領域を備えた基板（パネル）と、この基板の第１のコーナー部の底部又は側部側に形成された第１の面と、この第１の面に配設され、かつ前記表示領域の周縁部の発信領域に対する交差方向にバルク波を伝播させるための第１の圧電振動子と、前記発信領域に配設され、かつ前記第１の圧電振動子によるバルク波を弾性表面波に変換するための薄板状の第１の音響波変換媒体と、前記表示領域の周縁部のうちＸ軸及びＹ軸方向の第１の側部に設けられ、かつ音響波変換媒体による弾性表面波を一部透過させるとともに反射させて前記表示領域の全域に亘って伝播させるための第１の反射アレイと、前記第１の側部に対向するＸ軸及びＹ軸方向の第２の側部に設けられ、前記第１の反射アレイ（反射用グレーティング）により反射し、かつ表示領域を伝播した弾性表面波を前記表示領域の周縁部の受信領域に集束させるための第２の反射アレイ（反射用グレーティング）と、前記受信領域に配設され、かつ前記第２の反射アレイ（反射用グレーティング）による弾性表面波をバルク波に変換し、前記パネルの第２のコーナー部の底部側へ伝播させるための薄板状の第２の音響波変換媒体と、前記第２のコーナー部の底部又は側部側に形成された第２の面と、この第２の面に配設され、かつバルク波の受信に応答して電気信号を生成させるための第２の圧電振動子とを備えている、音響的に接触位置を検出可能な装置（又は座標入力装置）も含まれる。
なお、本明細書において「表面」とは、音響波が伝播する伝播媒体の表面近傍又は表層部を意味する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の座標入力装置の一例を示す概略斜視図であり、図２はバルク波と表面波との変換機構を説明するための概略図である。なお、この例では、音響波として表面波、特に弾性表面波を利用した例を示す。
【００１０】
この例の座標入力装置は、表面にタッチ可能であり、Ｘ軸およびＹ軸方向に左右対称な表示領域（画像表示領域）２が形成され、かつ音響波（弾性表面波など）を伝播可能な表面を有する伝播媒体１と、この伝播媒体の底部側から前記伝播媒体の表面に対する交差方向（この例では、前記伝播媒体の表面に向かう斜め方向）にバルク波を伝播させ、かつＸ軸方向およびＹ軸方向に音響波（弾性表面波など）を生成させるための発信手段（すなわち、Ｘ軸方向の発信手段３ａ〜５ａ，Ｙ軸方向の発信手段３ｂ〜５ｂ）とを備えている。この例において、前記伝播媒体１は、ガラス基板の等方性フラットパネル又は低曲率パネルで構成されている。
【００１１】
前記発信手段３ａ〜５ａ，３ｂ〜５ｂは、それぞれ、伝播媒体１の底部側のうちＸ軸方向およびＹ軸方向の発信領域に対応する隣接コーナー部（第１のコーナー部）の基点領域に形成された傾斜面３ａ，３ｂと、これらの傾斜面に配設され、かつ電気信号に応答して前記伝播媒体１の表面の発信領域に向かって斜め方向にバルク波を発射させるための圧電振動子（第１のバルク波生成手段又は第１の圧電手段）４ａ，４ｂと、この圧電振動子から伝播媒体内を伝播したバルク波を、伝播媒体の表面の発信領域において音響波（表面波など）に変換するための薄板状の音響波変換媒体（プレート状トランスデューサ，第１の音響波生成手段）５ａ，５ｂとで構成されている。また、前記基点領域の傾斜面３ａ，３ｂからの垂直投影面（投影領域）は、伝播媒体１の表面のうち前記表示領域２の周縁部の発信領域（Ｘ軸の発信領域およびＹ軸の発信領域）で交差しており、前記発信領域（交差領域又は投影領域）にはそれぞれ前記音響波変換媒体５ａ，５ｂが配設されている。前記音響波変換媒体（プレート状トランスデューサ，第１の音響波生成手段）５ａ，５ｂは、伝播媒体１中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有し、バルク波と音響波（表面波など）とを相互に変換可能である。なお、この例では、音響波変換媒体５ａ，５ｂとして、結晶格子［１００］面を発信方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）に向けた単結晶シリコンが使用されている。
【００１２】
Ｘ軸方向の発信手段３ａ〜５ａとＹ軸方向の発信手段３ｂ〜５ｂからの弾性表面波は、第１の反射アレイ（第１の反射手段）６ａ，６ｂおよび第２の反射アレイ（第２の反射手段）７ａ，７ｂで構成された反射手段により、前記表示領域２の全域に亘ってＹ軸方向およびＸ軸方向に伝播するとともに、伝播した弾性表面波はＸ軸方向およびＹ軸方向に集束され、受信手段８ａ，９ａ，８ｂ，９ｂにより受信される。
より詳細には、前記表示領域２の周縁部のうちＸ軸方向に延びる一方の側部（第１の側部）には、発信領域を基点として発信手段３ａ〜５ａからの弾性表面波をＸ軸方向からＹ軸方向に伝播させるための第１のＸ軸反射アレイ６ａが形成され、前記表示領域２の周縁部のうち前記第１の側部と対向する他の側部（第２の側部）には、第１のＸ軸反射アレイ６ａでＹ軸方向に反射した弾性表面波をＸ軸方向の集束領域（又は受信領域）に反射して集束させるための第２のＸ軸反射アレイ７ａが形成されている。さらに、前記表示領域２の周縁部のうちＹ軸方向に延びる一方の側部には、発信領域を基点として発信手段３ｂ〜５ｂからの弾性表面波をＹ軸方向からＸ軸方向に伝播させるための第１のＹ軸反射アレイ６ｂが形成され、前記表示領域２の周縁部のうち前記側部と対向する他の側部には、第１のＹ軸反射アレイ６ｂでＸ軸方向に反射した弾性表面波をＹ軸方向の受信領域に反射して集束させるための第２のＹ軸反射アレイ７ｂが形成されている。各反射アレイは、弾性表面波の一部を透過させるとともに反射可能である。このような反射アレイ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂにより、前記Ｘ軸方向の発信手段及びＹ軸方向の発信手段からの弾性表面波を表示領域２の全域に亘って伝播させるとともに、表示領域を伝播した弾性表面波を受信領域（Ｘ軸の受信領域およびＹ軸の受信領域）で集束させることができる。
【００１３】
前記受信手段８ａ，９ａ，８ｂ，９ｂは、表示領域２を伝播し集束した弾性表面波をバルク波に変換して伝播媒体１の底部側に向かって斜め方向に伝播させて受信する。すなわち、前記受信手段は、前記第２の反射アレイ７ａ，７ｂに隣接した受信領域に配設され、かつ前記弾性表面波をバルク波に変換するとともに前記伝播媒体１の底部側に向かって斜め方向に伝播させるための薄板状の音響波変換媒体（プレート状トランスデューサ，第２の音響波生成手段）８ａ，８ｂと、伝播媒体１の底部側のうち前記音響波変換媒体８ａ，８ｂによる屈折投影領域に対応するコーナー部（第２のコーナー部）の終点領域に形成された傾斜面９ａ，９ｂと、この傾斜面に配設されているとともに、前記音響波変換媒体８ａ，８ｂにより変換されたバルク波を受信し、かつ電気信号を生成するための圧電振動子（第２の圧電手段）１０ａ，１０ｂとで構成されている。
【００１４】
前記音響波変換媒体（第２の音響波生成手段）８ａ，８ｂは前記音響波変換媒体（第１の音響波生成手段）５ａ，５ｂと同様な材料（伝播媒体中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有し、バルク波と表面波とを相互に変換可能な材料）で形成されている。この例では、音響波変換媒体８ａ，８ｂとして、結晶格子［１００］面を受信方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）に向けた単結晶シリコンが使用されている。
【００１５】
そして、圧電振動子１０ａ，１０ｂによる受信信号は、信号を解析するための検出手段（図示せず）に与えられ、少なくとも圧電振動子１０ａ，１０ｂを含む検出手段では、受信信号のうち表示領域２のタッチに伴う撹乱成分（摂動）を時間的ファクターとともに検出することにより、表示領域２でのタッチ位置又はタッチ領域を検出している。
【００１６】
なお、圧電振動子４ａ，４ｂにより生成したバルク波は伝播媒体１中を直進し、伝播媒体１と音響波変換媒体５ａ，５ｂとの界面に対して斜め入射し、音速の相違によりスネルの法則にしたがって屈折する。そのため、図２に示されるように、前記伝播媒体１と音響波変換媒体５ａ（５ｂ），８ａ（８ｂ）との界面に対するバルク波の入射角度（斜め伝播方向）θが下記式（1）を充足するように設定することにより、前記音響波（弾性表面波など）とバルク波とを相互に変換できる。前記入射角度θは傾斜面の法線とパネル表面との内角θと同義である。
Ｖb／Ｖs＝cosθ
θ＝９０°−Arcsin（Ｖb／Ｖs） （1）
（式中、Ｖbは伝播媒体中のバルク波伝播速度、Ｖsは伝播媒体と音響波変換媒体との界面での音響波（弾性波など）の伝播速度を示す）
すなわち、伝播媒体および音響波変換媒体の種類に応じて、伝播媒体１の表面と音響機変換媒体５ａ，５ｂとの界面に対するバルク波の入射角度を臨界角に設定することにより、発信手段においては、伝播媒体と音響波変換媒体との界面に進入したバルク波を屈折させて音響波（弾性表面波など）ａを生成させることができ、受信手段においても、上記と同様な関係を利用して、音響波変換媒体８ａ，８ｂにより、伝播媒体と音響波変換媒体との界面に進入した音響波（弾性表面波など）を屈折させて臨界角の方向に伝播するバルク波ｂを生成させることができる。
【００１７】
このような座標入力装置では、電気信号を圧電振動子４ａ，４ｂに与えると、圧電振動子の振動によりバルク波が生成し、発信領域において音響波変換媒体５ａ，５ｂによりバルク波が音響波（弾性表面波など）に変換して、第１の反射手段により表示領域２において複数の経路を経て音響波（弾性表面波など）をＸ軸方向およびＹ軸方向に伝播できる。そのため、表示領域２をペンなどで接触すると、音響波（弾性表面波など）が撹乱され、撹乱成分を含む音響波は第２の反射手段により受信領域に集束する。受信領域では、音響波変換媒体８ａ，８ｂにより音響波（弾性表面波など）がバルク波に変換され、圧電振動子１０ａ，１０ｂにより電気信号に変換される。
【００１８】
伝播媒体の種類は、特に制限されないが、音響波（弾性表面波、特に超音波弾性表面波）が伝播可能な基板（パネル基板）が使用される。伝播媒体の表面は、通常、平らであり、平滑面を形成している。伝播媒体は、通常、フラットパネル又は湾曲パネル（特に低曲率パネル）で構成されている。伝播媒体としては、例えば、ガラス（ソーダライムガラス，ホウケイ酸ガラス，クラウンガラス，バリウム含有ガラス，ストロンチウム含有ガラス、ホウ素含有ガラスなど）、セラミックス，アルミニウム，ポリマー（音響減衰率の低いポリマー）などが利用できる。
【００１９】
バルク波生成手段（圧電手段）はバルク波（第１の波）を生成する。換言すれば、伝播媒体の表面に対して交差する方向に伝播するバルク波は、音響波トランスデューサ（すなわちバルク波生成手段）と結合しており、音響波トランスデューサは、通常、圧電手段（圧電振動子など）で構成されている。音響波トランスデューサは、音響的に結合するための平坦面を有しており、この平坦面は、バルク波（第１の波）が横断する伝播媒体表面の一部に対して傾斜している。音響波トランスデューサを構成する圧電手段（圧電振動子）は、セラミック圧電振動子やポリマー圧電振動子などで構成できる。
【００２０】
バルク波は、通常、縦波モード（プレッシャーモード，pressure mode），表面に対して平行な振動方向を有する横波モード（horizontal shear mode）、表面に対して非平行（垂直）の振動方向を有する横波モード（virtical shear mode）から選択された少なくとも１つの発信成分を有している。
【００２１】
パネル基板の表示領域は、タッチ（接触）可能なタッチ範囲（すなわち座標入力範囲）を含んでおり、通常、前記例のように左右対称、特に線対称な形状（特に四角形状）に形成されている。パネル基板として構成される伝播媒体は、通常、液晶画面などを視認可能とするため、透明性を有している。好ましい伝播媒体は、透明性でかつ等方性である。表示領域の周縁部（パネルなどの伝播媒体の縁部）は、通常、ベゼルで覆うことができる。
【００２２】
音響波生成手段（音響波変換媒体）は、前記バルク波（第１の波）と音響波（第２の波）とを結合させる音響波モードカップラーとして機能する。音響波モードカップラーにより変換された音響波（第２の波）としては、縦波モード（longitudinal mode），表面に対して平行な振動方向を有する横波モード（horizontally polarized shear mode）、表面に対して垂直な面内に振動方向を有する横波モード（virtically polarised shear mode）から選択された少なくとも１つの発信成分を有する音響波が利用できる。好ましい音響波（第２の波）は弾性表面波（中でも超音波弾性表面波）、特にレーリー（Rayleigh）タイプの波である。
【００２３】
前記の例のように、傾斜面からのバルク波を表面音響波に変換する場合、傾斜面は、伝播媒体，変換媒体の種類に応じて、伝播媒体と変換媒体との界面に対して、バルク波の入射角又は弾性表面波の反射角が臨界角となるように形成できる。傾斜面の角度（傾斜面と平板状の伝播媒体の底面との内角θ1 ）は、伝播媒体や変換媒体の特性に応じて、例えば、下記式（2）により算出できる。
θ1 ＝１８０゜−Arcsin（Ｖb／Ｖs） （2）
（式中、Ｖb，Ｖsは前記に同じ）
前記内角θ1 は、通常、９０゜＜θ1 ＜１８０゜、好ましくは１００゜≦θ1 ≦１６０゜、さらに好ましくは１１０゜≦θ1 ≦１５０゜程度の範囲から選択できる。例えば、伝播媒体をフリントガラスで構成し、変換媒体を結晶格子［１００］面を有する単結晶シリコンで構成する場合、伝播媒体の音響インピーダンスと密度、変換媒体の結晶格子［１００］面に対する垂直方向の表面波音響インピーダンスと密度に基づいて、平板状の伝播媒体の底面に対して１３０°程度に設定すればよい。好ましい組合わせは、ガラスで構成された伝播媒体（基板）とシリコン単結晶で構成された音響波変換媒体との組合わせである。
【００２４】
なお、傾斜面は、伝播媒体の底部側のうち基点領域や終点領域に対応する部位にそれぞれ形成すればよく、図１に示されるように、パネルなどの伝播媒体の側面と底面との角部（コーナー部）の全域に形成してもよい。
【００２５】
バルク波を音響波（特に表面音響波）に相互に変換するための音響波変換媒体としては、伝播媒体中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有する媒体（伝播媒体中の音波の伝播速度Ｖbよりも変換媒体中の波の伝播速度Ｖsが速い媒質）が使用でき、例えば、Ｖb／Ｖs＝０．０１〜０．９９、好ましくは０．１〜０．９、さらに好ましくは０．５〜０．９、特に０．７〜０．８程度の範囲から選択できる。変換媒体としては、音響インピーダンス、ヤング率又は剛性率が、伝播媒体よりも大きな材料や、密度が伝播媒体よりも小さな材料が使用できる。なお、音響インピーダンス、密度、ヤング率および剛性率は、その媒質中の波の伝播速度と関係して、例えば、下記式（3）,（4）で表される。
【００２６】
Ｖ＝Ｚ／ρ （3）
Ｖ＝（Ｙ／ρ）1/2 （4）
（式中、Ｖは媒質中を伝播する波の速度、Ｚは媒質の波の進行方向の音響インピーダンス、ρは媒質の密度、Ｙは媒質のヤング率又は剛性率を示す）
音響波変換媒体の形状や大きさ（例えば、高さ）は、フラットパネルとベゼルとの間に配設可能であればよく、通常、薄片又は薄板状である。変換媒体の厚みは、例えば、５ｍｍ以下（例えば、０．０１〜３ｍｍ）、好ましくは０．１〜３ｍｍ、さらに好ましくは０．１〜１ｍｍ程度の範囲から選択してもよい。
【００２７】
反射手段は前記反射アレイで構成する必要はなく、一部の音響波（弾性表面波など）を透過可能な１又は複数の反射片で構成できる。反射手段を構成する反射アレイは、伝播媒体の表面に凸部（ガラス，セラミックスや金属などで形成された凸部など）や溝などとして形成された反射アレイ素子の集合体（反射アレイ群）であってもよい。各反射アレイ素子は、通常、互いにほぼ平行に形成されており、反射片や各反射アレイ素子の角度は、音響波をＸ軸方向及びＹ軸方向に伝播させるため、通常、Ｘ軸又はＹ軸に対してほぼ４５゜であってもよい。
【００２８】
反射手段は、通常、音響波生成手段からの音響波（第２の波）の進路の少なくとも一部に沿って配置された一連のエレメント（第１の反射手段）と、第１の反射手段からの音響波の反射方向の軸を横切る進路に沿って配置された一連のエレメント（第２の反射手段）とで構成されている。
【００２９】
反射片や反射アレイ素子の反射率や間隔は、適当に設定できる。なお、音響波（弾性表面波など）に対する各反射アレイ素子の反射率が同じであると、音響波変換媒体からの距離が遠くなるにつれて、伝播する音響波（表面波など）の強度が低下する。そのため、反射アレイ素子の反射率は、音響波変換媒体との距離が遠ざかるにつれて大きくしてもよい。また、各反射アレイ素子間の間隔を、音響波（弾性表面波など）の波長の倍数とすると、音響波を効率よく反射できる。そのため、反射アレイとして、各アレイ素子の間隔を波長の倍数とし、かつ前記アレイ素子の反射率を関連する音響波変換媒体から遠ざかるにつれて大きくしてもよい。例えば、各アレイ素子の間隔を関連する音響波変換媒体から遠ざかるにつれて小さくしてもよい。なお、反射片や反射アレイは、スクリーン印刷などを利用して形成できる。
【００３０】
音響波生成手段から生成した音響波（弾性表面波など）のうち第１の反射手段を透過した音響波は第３の波を構成する。そのため、この第３の波は、反射手段を介して、音響波生成手段と結合している。一方、音響波生成手段から生成した音響波（弾性表面波など）のうち第１の反射手段により反射された音響波は一連の第４の波を構成し、音響波生成手段から生成した音響波（第２の波）の進行方向とは異なる軸に沿って伝播媒体の表面を伝播する。前記一連の第４の波は固有の時間遅れを有し、この時間遅れは、通常、単調増加して変化する。
【００３１】
第２の反射手段は、前記のように、第１の反射手段からの音響波の反射方向の軸を横切る進路に沿って配置された一連のエレメントで構成され、第４の波の少なくとも一部を反射して第２の音響波変換媒体に伝播される。
【００３２】
前記検出手段は、伝播媒体の表面での撹乱（摂動）、特に摂動位置を検出可能であればよく、通常、圧電手段（圧電振動子など）を含んでいる。
【００３３】
本発明において、タッチ式座標入力装置（音響的に接触を検出可能な装置）は、前記伝播媒体、バルク波生成手段（音響波トランスデューサ）、音響波生成手段（音響波モードカップラー）、および検出手段とで構成すればよく、反射手段は必ずしも必要ではないが、反射手段を備えているのが好ましい。
【００３４】
なお、前記の例では、伝播媒体の底部側からバルク波を伝播させているが、バルク波の伝播方向が伝播媒体の表面に対して交差方向である限り、バルク波源は適当な部位に形成できる。図３は本発明の装置の他の態様を示す概略断面図である。
【００３５】
この例において、平板状の伝播媒体１１の底部には、傾斜面１９を有する凹部２０が形成され、前記傾斜面１９にはバルク波生成手段としての圧電振動子１４が取り付けられている。前記圧電振動子１４からのバルク波の伝播方向は、伝播媒体１１の表面に配設されたプレート状の音響波変換媒体１５に対して交差する方向である。
【００３６】
前記のように、本発明の装置において、反射手段は必ずしも必要ではない。図４は本発明の装置の他の態様を示す概略平面図である。
この例において、平板状の伝播媒体２１の表面のうち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両側部には、少なくとも１つのプレート状の第１の音響波変換媒体２５ａ，２５ｂと、プレート状の複数の第２の音響波変換媒体２８ａ，２８ｂ…２８ｘとがそれぞれ対向して配設されている。すなわち、第１の音響波変換媒体２５ａ，２５ｂを発信素子の構成要素として利用し、伝播媒体の表面を伝播した音響波を複数の第２の音響波変換媒体２８ａ，２８ｂ…２８ｘで受信素子の構成要素として利用し、音響波の摂動を検出している。なお、第１の音響波変換媒体は単一又は複数の変換媒体で構成してもよい。
なお、平板状の伝播媒体２１は、前記種々の材料で形成でき、多数の圧電素子を形成するため、表面にメタライズパターンが形成された圧電性ポリマーシート（例えば、ポリビニリデンフルオライドなど）で構成してもよい。
【００３７】
バルク波生成手段は単一の圧電素子で構成する必要はなく、複合化して電極が配置されたマルチ圧電素子で構成してもよい。このようなマルチ圧電素子は、伝播媒体の側部、特に比較的厚みの大きな基板（例えば、厚み１２ｍｍ程度のガラス基板）の側面（垂直端面）に取り付けることができる。図５は本発明の他の態様を示す概略断面図である。
【００３８】
この例において、厚みの大きな伝播媒体３１の側端面のうち上部側には、圧電素子３４が配設され、この圧電素子は、前記側端面に取り付けられた底部電極３６と、前記圧電素子３４の外面側に形成され、幾何学的に櫛歯状の電極３７ａ，３７ｂとを備えている。隣接する櫛歯状電極３７ａ，３７ｂの中心部の距離ｓは、伝播媒体中のバルク波の波長λの１／２に対応するように設計されており、垂直方向に対する所望するバルク波Ｂの角度をθB とするとき、ｓ＝１／２×λ／ｃｏｓθB で表すことができる。また、伝播媒体３１の表面にはプレート状の音響波変換媒体３５が配設されている。
このようなマルチ圧電素子を有する構成では、伝播媒体の側面に圧電手段を配設しても音響波変換媒体と交差する斜め方向にバルク波を伝播させることができる。また、伝播媒体の底面に配設するのに比べて、板状の音響波変換媒体と圧電素子との距離を小さくでき、圧電素子から放射されるバルク波の拡散を最小限に抑制できる。
【００３９】
本願明細書は、伝播媒体の表面に対する交差方向にバルク波を励起する工程、前記伝播媒体の表面に、板状の音響波モードカップラーにより前記バルク波から変換された波動モードを有する音響波を伝播させる工程、変換された波動モードを有する音響波の摂動を検出する工程とで構成されている、接触検出方法も開示する。この方法において、前記励起工程と、音響波の伝播工程との間に、バルク波を板状の音響波モードカップラーにより反射して音響波を生成させるための工程を含んでいてもよい。また、前記励起工程と、音響波の伝播工程との間に、音響波の一部を反射して伝播媒体の表面付近に音響波を伝播させるための反射工程が介在していてもよい。
【００４０】
本発明の装置には、伝播媒体表面へのタッチに応答して、音声を発する音声生成手段や報知手段、タッチ位置を表示するための表示手段、タッチ位置に応答して表示領域の画像をコントロールするための制御手段（例えば、表示画面の切替や消去手段）、他の駆動装置の制御手段などを接続してもよい。
【００４１】
本発明のタッチ式座標入力装置は、ブラウン管などの曲面を有する通常のディスプレイのみならず、パネル表面がフラット又は低曲率のディスプレイ、例えば、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどにも好適に利用できる。
【００４２】
【実施例】
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
実施例
以下のようにして、図１及び図２に示す構造のタッチパネルを作製した。
伝播媒体（タッチパネル材料）としてフリントガラス基板（26.4cm×19.8cm×3.0mm）を用いた。このフリントガラス基板の底部側のうち底面と側面との角部に、底面に対する角度θ1 ＝１３０°の傾斜面３ａ，３ｂ，９ａ，９ｂを形成した。この傾斜面の角度は、フリントガラスにおけるバルク波（縦波）の音響インピーダンスと密度、および変換媒体としてのシリコン単結晶の結晶格子［１００］面に対する垂直方向の表面波音響インピーダンスと密度に基づいて求めた。
【００４３】
特開昭６１−２３９３２２号公報の記載に準じて、前記フリントガラス基板表面の周縁部においてＸ軸方向、Ｙ軸方向に、それぞれ、一対の発振側反射アレイ６ａ，６ｂと受信側反射アレイ７ａ，７ｂとをガラスペーストを用いてスクリーン印刷により形成し、４５０℃で焼成することにより反射アレイを形成した。
【００４４】
前記発信側の傾斜面３ａ，３ｂおよび受信側の傾斜面９ａ，９ｂには、紫外線硬化型接着剤（日本ロックタイト（株），ロックタイト346）を用いて、それぞれ、圧電振動子（富士セラミックス（株）製，Ｍ−６，共振周波数５．５ＭＨｚ，8.0mm×2.0mm）４ａ，４ｂ，１０ａ，１０ｂを取り付けた。
さらに、前記フリントガラス基板表面のうち発信領域と受信領域に、それぞれ、前記紫外線硬化型接着剤を用い、変換媒体５ａ，５ｂ，８ａ，８ｂとして薄板状の単結晶シリコン（8.0mm×3.1mm×厚み0.5mm）を取り付けた。このシリコン単結晶は、結晶格子［１００］面の方向と弾性表面波の進行方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）とが一致するように取り付けた。なお、前記フリントガラス基板表面と単結晶シリコンとの界面に対する圧電振動子からのバルク波の入射角度θは４０°に設定した。
【００４５】
各圧電振動子の電極に半田付けにて電線ケーブルを接続し、それらの電線ケーブルを、コネクターを介して、コントローラーに接続した。コントローラーとしては、市販の超音波方式のコントローラー（タッチパネルシステムズ（株）製，1055E101）を用いた。コントローラーには、受信信号を解析して入力位置を検出するためのパーソナルコンピューターを接続した。
【００４６】
そして、上記のようにして作製されたタッチパネルを、座標入力装置として動作させたところ、入力位置（タッチ位置）を精度よく検出できた。
また、前記タッチパネルをフラットパネルディスプレイに組み込んだところ、ディスプレイとベゼルとの間に円滑に配設できた。さらに、ディスプレイとベゼルとの間に組み込んだ状態で座標入力装置として動作を確認したところ、入力位置を精度よく検出できた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のタッチ式座標入力装置は、バルク波生成手段と音響波生成手段とを組み合わせているので、伝播媒体（パネルなど）の表面上に凹凸部がほとんど生成せず、表面の平滑性が高い。そのため、くさび形変換器を用いることなく、簡単な構造であっても、表面波を利用してタッチ式に入力された位置を精度よく検出できる。また、伝播媒体（パネル）とベゼルとの間隔が小さなフラットパネル又は低曲率パネルディスプレイでも弾性表面波を利用して位置検出可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の座標入力装置の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図２はバルク波と表面波との変換機構を説明するための概略図である。
【図３】図３は本発明の装置の他の態様を示す概略断面図である。
【図４】図４は本発明の装置の他の態様を示す概略平面図である。
【図５】図５は本発明の他の態様を示す概略断面図である。
【図６】図６は従来の座標入力装置を示す概略斜視図である。
【図７】図７は曲面パネルとベゼルとの関係を示す概略断面図である。
【図８】図８はフラットパネルとベゼルとの関係を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１…伝播媒体
２…表示領域
３ａ，３ｂ，１９…傾斜面
４ａ，４ｂ，１４，３４…圧電振動子
５ａ，５ｂ，１５，２５ａ，２５ｂ，３５…変換媒体
６ａ，６ｂ…第１の反射アレイ
７ａ，７ｂ…第２の反射アレイ
８ａ，８ｂ，２８ａ，２８ｂ…２８ｘ…変換媒体
９ａ，９ｂ…傾斜面
１０ａ，１０ｂ…圧電振動子
Claims (10)
- 音響波が伝播可能な表面を有する伝播媒体と、この伝播媒体の前記表面に対する交差方向にバルク波を伝播させるためのバルク波生成手段と、板状部材で構成され、かつ前記バルク波生成手段からのバルク波を音響波に変換し、前記伝播媒体の表面を伝播させるための音響波生成手段と、この音響波生成手段からの音響波の表面での散乱を検出するための検出手段とを備えているタッチ式座標入力装置。
- バルク波生成手段が、伝播媒体の表面に対してバルク波を斜め方向に伝播させる請求項１記載のタッチ式座標入力装置。
- 伝播媒体が、フラットパネル又は低曲率パネルで構成されている請求項１記載のタッチ式座標入力装置。
- 弾性表面波を伝播可能な表面を有する伝播媒体と、この伝播媒体の底部側又は側面側から前記伝播媒体の表面に対してバルク波を斜め方向に伝播させるためのバルク波生成手段と、バルク波を変換して弾性表面波を生成させるための音響波生成手段と、前記伝播媒体の表面に形成され、かつタッチ可能な領域と、この領域の周縁部のうち互いに対向する両側部に設けられ、かつ前記音響波生成手段からの弾性表面波を前記両側部のうち一方の側部から前記表示領域の全域に亘って伝播させるとともに、前記両側部のうち他方の側部において伝播した弾性表面波を集束させるための反射手段と、集束した弾性表面波をバルク波に変換して伝播媒体の底部側又は側面側に向かって斜め方向に伝播させ、伝播媒体の表面での弾性表面波の散乱を検出するための検出手段とを備えている請求項１記載のタッチ式座標入力装置。
- 伝播媒体の第１のコーナー部の底部又は側面側に配設され、かつ前記伝播媒体の表面に対する交差方向にバルク波を伝播させるための第１の圧電手段と、前記伝播媒体の表面において、前記第１の圧電手段からのバルク波を表面波に変換するための第１の音響波生成手段と、前記伝播媒体の表面において、表面波をバルク波に変換し、かつ前記伝播媒体の第２のコーナー部の底部又は側面側に向かって伝播させるための第２の音響波生成手段と、この第２の音響波生成手段により変換されたバルク波を前記第２のコーナー部の底部又は側面側で検出するための第２の圧電手段とで構成され、前記第１及び第２の音響波生成手段が板状部材で構成されている請求項１記載のタッチ式座標入力装置。
- 音響波生成手段が、伝播媒体中のバルク波伝播速度よりも速い表面波速度を有し、バルク波と表面波とを相互に変換可能な板状の変換媒体で構成されている請求項１，４又は５記載のタッチ式座標入力装置。
- 伝播媒体表面とバルク波の斜め伝播方向との角度θが、下記式（1）
θ＝９０°−Arcsin（Ｖb／Ｖs） （1）
（式中、Ｖbは伝播媒体中のバルク波伝播速度、Ｖsは伝播媒体と変換媒体との界面での弾性波の伝播速度を示す）
で表される請求項１，４，５又は６記載のタッチ式座興入力装置。 - 伝播媒体表面と音響波生成手段との界面に対するバルク波の入射角度が臨界角である請求項１，４，５又は６記載のタッチ式座標入力装置。
- 音響波生成手段の音響インピーダンス、ヤング率又は剛性率が、伝播媒体よりも大きい請求項１，４，５又は６記載のタッチ式座標入力装置。
- 超音波弾性表面波を伝播可能な左右対称の表示領域を備えた基板と、この基板の第１のコーナー部の底部又は側部側に形成された第１の面と、この第１の面に配設され、かつ前記表示領域の周縁部の発信領域に対する交差方向にバルク波を斜め方向に伝播させるための第１の圧電振動子と、前記発信領域に配設され、かつ前記第１の圧電振動子によるバルク波を弾性表面波に変換するための薄板状の第１の音響波変換媒体と、前記表示領域の周縁部のうちＸ軸及びＹ軸方向の第１の側部に設けられ、かつ音響波変換媒体による弾性表面波を一部透過させるとともに反射させて前記表示領域の全域に亘って伝播させるための第１の反射アレイと、前記第１の側部に対向するＸ軸及びＹ軸方向の第２の側部に設けられ、前記第１の反射アレイにより反射し、かつ表示領域を伝播した弾性表面波を前記表示領域の周縁部の受信領域に集束させるための第２の反射アレイと、前記受信領域に配設され、かつ前記第２の反射アレイによる弾性表面波をバルク波に変換し、前記パネルの第２のコーナー部の底部又は側部側へ伝播させるための薄板状の第２の音響波変換媒体と、前記第２のコーナー部の底部側に形成された第２の面と、この第２の面に配設され、かつバルク波の受信に応答して電気信号を生成させるための第２の圧電振動子とを備えている、音響的に接触位置を検出可能な装置。
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