JP3856149B2 - タッチパネル装置 - Google Patents

Description

本発明は、指または指示具などの物体が接触したことを検出するタッチパネル装置に関し、特に、ＩＤＴを用いた弾性表面波の遮断を検知して物体の接触を検出するタッチパネル装置に関する。

主としてパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムの普及に伴って、コンピュータシステムにより情報が表示される表示装置の表示画面上を指または指示具などの物体により指示することにより、新たな情報を入力したり、コンピュータシステムに対して種々の指示を与えたりする装置が利用されている。パーソナルコンピュータ等の表示装置の表示画面に表示された情報に対してタッチ方式にて入力操作を行う場合には、その表示画面上での接触位置（指示位置）を高精度に検出する必要がある。

物体の接触位置を検出するタッチパネル装置としては、抵抗膜を用いた装置と超音波を用いた装置とが良く知られている。前者の抵抗膜を用いた装置では、抵抗膜に物体が接触することによって生じるその抵抗膜の抵抗値の変化を検知する。これは、消費電力が少なくて良いが、応答時間，検出性能，耐久性の点で問題がある。後者の超音波を用いた装置では、非圧電基板に弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave)を伝播させて、その非圧電基板に物体が接触することによって生じる弾性表面波の減衰を検知する。この弾性表面波を励振する励振素子及び伝播された弾性表面波を受信する受信素子として、ＩＤＴ（Inter Digital Transducer：すだれ状変換器）及び圧電薄膜にて構成される素子を使用したタッチパネル装置が提案されている。
特開平６−４３９９５号公報

このタッチパネル装置では、非圧電基板の一端部にＩＤＴ及び圧電薄膜で構成される複数の励振素子を設けると共に、非圧電基板の他端部のこれに対向する位置にＩＤＴ及び圧電薄膜で構成される複数の受信素子を設けている。各励振素子に電気信号を入力して弾性表面波を励振させて、非圧電基板を伝播させ、伝播した弾性表面波を受信素子で受信させる。そして、非圧電基板上の弾性表面波の伝播路に物体が接触した場合には、弾性表面波は減衰する。よって、受信素子の受信信号のレベル減衰の有無を検知することによって、接触の有無を検出することが可能である。

従来のタッチパネル装置にあっては、すべての励振素子及び受信素子における各ＩＤＴの中心周波数は同一であり、励振／受信回路に接続するＩＤＴを切り換えてどの受信素子における受信信号が減衰したかを検知することにより、その受信素子とそれに対向する励振素子との間の伝播路上に物体が接触していることを検出する。検出精度を上げるために、これらの励振素子及び受信素子の配置間隔を狭くすることが考えられる。しかしながら、このように配設ピッチを狭くした場合には、ある励振素子からの弾性表面波がそれに対向しない隣の受信素子で受信される可能性が高くなる。この際、従来のタッチパネル装置では対向する励振素子／受信素子のどの対でも中心周波数は同一であるので、隣の励振素子からの弾性表面波をそのまま受信して、対向する正規の励振素子からの弾性表面波と区別できない。よって、検出誤差を招くという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、精度良く物体が接触していることを検出して、その正確な接触位置を検出でき、小型であっても高い検出精度を有し、また、簡単な回路構成にて２次元の接触位置を検出できるタッチパネル装置を提供することを目的とする。

請求項１に係るタッチパネル装置は、基板と、該基板上に画定された四辺形状の検出範囲の一方の対向する二辺に設けられており、弾性表面波を夫々に励振する複数の励振素子と、前記検出範囲の他方の対向する二辺に設けられており、前記励振素子からの弾性表面波を夫々に受信する複数の受信素子とを備え、前記複数の励振素子夫々から対角二方向へ弾性表面波を発信させて前記複数の受信素子夫々にて対角二方向からの弾性表面波を受信するように、対向する前記励振素子と前記受信素子との間で弾性表面波を前記基板に伝播させ、前記受信素子での受信結果に基づいて、前記基板に接触された物体の位置を検出するようにしてあることを特徴とする。

ＩＤＴは、それ自体がバンドパスフィルタ特性を有しており、入力周波数に対して所定の中心周波数と所定の帯域幅とで規定される通過帯域周波数のみの弾性表面波を励振して受信する。本発明では、検出範囲の一方の対向する二辺に複数の励振素子を配列させ、これらの各励振素子に対向するように、検出範囲の他方の対向する二辺に複数の受信素子を配列させる。そして、複数の励振素子夫々から検出範囲の対角二方向へ弾性表面波を発信させ、複数の受信素子夫々にて対角二方向からの弾性表面波を受信し、受信素子での受信結果に基づいて、基板に接触された物体の位置を検出する。

本発明では、一組の励振素子と受信素子との関連付けを弾性表面波の伝播路の長短（伝播時間の長短）によって行うこととし、複数対の対向する励振素子／受信素子にあって、夫々の対における励振素子と受信素子との間の距離を異ならせておく。具体的には、この伝播時間差をより大きくとるために、検出範囲の対角方向（斜め方向）に弾性表面波が伝播するように励振素子及び受信素子を配置する。夫々の励振素子において対向する受信素子までの距離が異なっているので、受信素子での時系列の受信信号から各伝播路を特定することができる。

また、本発明では、対角方向に弾性表面波を伝播させる構成しているため、例えば４５度の方向に伝播させる場合、辺方向に伝播させる構成に比べて伝播時間差を√２倍とすることが可能である。

また、本発明では、複数の励振素子夫々から検出範囲の対角二方向へ弾性表面波を発信させ、複数の受信素子夫々にて対角二方向からの弾性表面波を受信する。よって、互いに対向する励振素子／受信素子の複数対の組を、弾性表面波の伝播方向が直交し合うように２組設けることになり、物体の２次元の接触位置を検出することができる。

本発明のタッチパネル装置では、小型の簡易な構成であっても、物体が接触している正確な２次元の接触位置を精度良く検出することが可能である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
（第１実施の形態）
図１は、タッチパネル装置の基本構成を示す模式図である。図において、１は例えばガラス基板からなる矩形状の非圧電基板である。基板１の一端部には弾性表面波を励振する複数の（具体的に７個の）励振素子２が配列して形成されている。また、基板１の他端部には、各励振素子２に対向させた態様で、弾性表面波を受信する複数の（具体的に７個の）受信素子３が配列して形成されている。

各励振素子２と各受信素子３とは、同一の形状をなしており、ＩＤＴと圧電薄膜とを積層して、後述するような工程にて形成される。ＩＤＴは、２つの相互に入り組んだ例えばアルミニウム製の櫛形金属パターンを有しており、マイクロ波電圧と弾性表面波との相互交換を行う。また、ＩＤＴはそれ自体がバンドパスフィルタ特性を有している。よって、各励振素子２は、入力周波数に対して所定の中心周波数と所定の帯域幅とで規定される通過帯域周波数のみの弾性表面波を励振する。一方、各受信素子３は、同様に規定される通過帯域周波数のみの弾性表面波を受信する。

対向し合う一対の励振素子２のＩＤＴと受信素子３のＩＤＴとは中心周波数が同じであり、隣合う対を構成する励振素子２，２同士及び受信素子３，３同士はそのＩＤＴの中心周波数が異なっている。図１の右側の対から順次その中心周波数はｆ₁ ，ｆ₂ ，ｆ₃ ，ｆ₄ ，ｆ₅ ，ｆ₆ ，ｆ₇ に設定されている。周波数ｆ₁ が最も低くｆ₂ ，ｆ₃ ，ｆ₄ ，ｆ₅ ，ｆ₆ につれて順次高くなり、周波数ｆ₇ が最も高い。但し、隣合う対同士の中心周波数の差は、各対の帯域幅よりも大きくする。

各励振素子２のＩＤＴで励振された弾性表面波は、その幅がＩＤＴの開口とほぼ同じであり、ほぼ直進して基板１を伝播して、対向する各受信素子３にて受信される。これらの励振素子２と受信素子３とで挟まれる矩形の領域が、指Ａの接触を検出する検出範囲１ａとなる。各励振素子２は、励振用の共通電極４に接続され、各受信素子３は、受信用の共通電極５に接続されている。これらの共通電極４及び共通電極５は検出回路１０に接続されている。検出回路１０は、ＭＰＵ１１，Ｄ／Ａ変換器１２，ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator)１３，カウンタ１４，ピークホールド回路１５及びＡ／Ｄ変換器１６を有する。

ＭＰＵ１１はＤ／Ａ変換器１２へ所望の出力電圧を指示する。その指示電圧はＤ／Ａ変換器１２でアナログ変換されてＶＣＯ１３に入力される。ＶＣＯ１３は、入力された電圧で一義的に決まる周波数で発振する。ＶＣＯ１３の発振回数はカウンタ１４にて計数され、カウンタ１４の計数値からＶＣＯ１３の出力周波数をＭＰＵ１１は測定する。このＶＣＯ１３，カウンタ１４及びＭＰＵ１１の系は、ＶＣＯ１３が所望の正確な周波数で発振できるようにするためのフィードバック系の機能を果たす。ＶＣＯ１３は励振用の共通電極４に接続されており、その発振周波数が共通電極４に印加される。ＶＣＯ１３での発振周波数は所定周期毎に変化され、夫々の周波数に合わせて、対応する各励振素子２が自身のＩＤＴの中心周波数と所定の帯域幅とにて励振する。

受信用の共通電極５には、ピークホールド回路１５が接続されている。ピークホールド回路１５は、各受信素子３での受信波形のピーク電圧をホールドする。Ａ／Ｄ変換器１６は、ピークホールド回路１５の出力電圧をディジタル値に変換してＭＰＵ１１へ出力する。ＭＰＵ１１は、この出力に基づいて指Ａの接触位置を検出する。

なお、以上の構成はタッチパネル装置での検出回路１０の基本構成を示したものである。更に、ＶＣＯ１３と励振用の共通電極４との間に、ＩＭＰをマッチングする回路を設けても良い。また、検知した受信信号を有効に利用できるように、その受信信号を増幅したり他の形式に変換したりする回路を受信側に設けても良い。例えば、受信信号を対数変換し、ある基準値から線形に逆変換するような回路を設けても良い。

ここで、基板１上への励振素子２，受信素子３の作製方法について、図２を参照して説明する。ガラス製の基板１上にアルミニウム電極膜２１を、蒸着法またはスパッタリング法にて形成する（図２（ａ））。次いで、フォトレジスト２２にてＩＤＴ形成用のマスクパターンを形成した後（図２（ｂ））、エッチングによってアルミニウム電極膜パターンであるＩＤＴ２３を形成する（図２（ｃ））。ＩＤＴ２３形成部分に開口を持つメタルマスク２４を装着する（図２（ｄ））。スパッタリング法にて圧電薄膜となるＺｎＯ薄膜２５を形成した後、メタルマスク２４を取り外して、ＩＤＴ２３とＺｎＯ薄膜２５とで構成される励振素子２，受信素子３を作製する（図２（ｅ））。

次に、このような構成を有するタッチパネル装置による接触位置検出動作について説明する。図３は励振素子２での励振信号及び受信素子３での受信信号の時系列を示す図である。ＭＰＵ１１からＤ／Ａ変換器１２へ電圧データを出力する。この電圧データはＤ／Ａ変換器１２でアナログ信号に変換されてＶＣＯ１３に出力され、ＶＣＯ１３から共振用の共通電極４へ、ｆ₁ ，ｆ₂ ，ｆ₃ ，ｆ₄ ，ｆ₅ ，ｆ₆ ，ｆ₇ と周波数が周期的に変化する正弦波が入力される。また、一定のインターバルをおいて、ＶＣＯ１３，カウンタ１４及びＭＰＵ１１のフィードバック系を用いて、ＶＣＯ１３への印加電圧と発振周波数との関係を測定し、ＶＣＯ１３への印加電圧を調整する。

入力信号の周波数がｆ₁ である場合、中心周波数がｆ₁ である励振素子２／受信素子３間で弾性表面波が基板１を伝播し、それ以外の中心周波数を持つ励振素子２／受信素子３の対では帯域外となって弾性表面波は伝播しない。以下同様に、入力信号の周波数がｆ_n （ｎ＝２，３，４，５，６，７）である場合、中心周波数がｆ_n である励振素子２／受信素子３間で弾性表面波が基板１を伝播し、それ以外の中心周波数を持つ励振素子２／受信素子３の対では帯域外となって弾性表面波は伝播しない。伝播された各中心周波数の弾性表面波は、対応する各受信素子３で受信される。受信信号は受信用の共通電極５を介してピークホールド回路１５に送られ、そこでピークが求められ、Ａ／Ｄ変換器１６からディジタルのピーク値がＭＰＵ１１へ出力される。

ここで、基板１が指等で接触されていない場合には、各中心周波数の弾性表面波の受信信号の振幅レベルは同一となる。一方、図１に示すように、指Ａが基板１に接触されている場合には、その接触範囲が伝播路に該当する弾性表面波は指Ａに遮断されて、その受信信号の振幅レベルは減衰する。図１の例では、指Ａの接触範囲は、中心周波数ｆ₄ とｆ₅ との弾性表面波の伝播路にかかっており、その接触位置は後者の伝播路の方により近い。弾性表面波の伝播量は、指Ａの接触位置に最も近い中心周波数ｆ₅ の伝播路で最も少なくなり、次に中心周波数ｆ₄ の伝播路で少ない。この結果、共通電極５に出力される受信信号についても、中心周波数ｆ₅ の受信素子３で最も振幅レベルが低くなり、次に中心周波数ｆ₄ の受信素子３で低くなる。

従って、各中心周波数での受信信号のピーク値に基づき、そのピーク値が下がっている伝播路から接触位置を検出することができる。図１の例では、中心周波数ｆ₅ の伝播路を接触位置とできる。更に詳細に接触位置を検出するためには、受信信号の振幅レベルの減衰量を比較すれば良い。図１の例では、中心周波数ｆ₄ とｆ₅ との受信信号の減衰量の比から、接触位置を求める。具体的には、下記（１）式によって接触位置Ｘを算出する。
Ｘ＝Ｌ×Ｖ₁₄／（Ｖ₁₄＋Ｖ₁₅） …（１）
Ｘ：中心周波数ｆ₅ の伝播路の中心から中心周波数ｆ₄ の伝播路方向への距離
Ｌ：中心周波数ｆ₄ ，ｆ₅ の伝播路の中心間距離
Ｖ₁₄：中心周波数ｆ₄ の減衰量
Ｖ₁₅：中心周波数ｆ₅ の減衰量

また、大きな物体で基板１が接触された場合には、複数の伝播路が完全に遮断される。よって、減衰している受信信号の数から、接触している物体の幅を求めることができる。具体的には、下記（２）式によって物体の幅Ｗを算出する。
Ｗ＝ｋ×Ｌ …（２）
ｋ：減衰している受信信号の数
Ｌ：各伝播路を等間隔にした場合の隣合う伝播路の中心間距離

図４は、ＭＰＵ１１での動作手順を示すフローチャートである。ＭＰＵ１１からＤ／Ａ変換器１２へ電圧データを出力する（ステップＳ１）。そして、その電圧データに応じた中心周波数におけるＡ／Ｄ変換器１６の出力データをＭＰＵ１１に入力する（ステップＳ２）。以上の処理を励振素子２／受信素子３の全ての対について行い、それが終了した場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、受信信号の中に減衰が見られるものが存在するか否かを判断する（ステップＳ４）。存在する場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、接触位置を算出する（ステップＳ５）。一方、存在しない場合には（Ｓ４：ＮＯ）、接触位置の算出処理を行うことなく、動作を終了する。

以上のように、隣合う励振素子２／受信素子３の対において中心周波数を異ならせているので、対向しない隣の励振素子２からの弾性表面波が受信素子３で受信されることはなく、対向する励振素子２からの弾性表面波のみがその受信素子３で受信される。従って、各中心周波数の受信信号のレベル減衰を検知することにより、物体の接触位置を容易に検出できる。また、励振素子２／受信素子３の複数対を狭いピッチで配設した場合でも隣の対の影響が及ぶことがないので、検出性能は劣化せず、高精度の検出結果を得ることができる。

（第２実施の形態）
図５は、上述した第１実施の形態のタッチパネル装置における励振／受信処理を示すタイミングチャートである。この例では、中心周波数ｆ_n での励振処理及び受信処理が完了した後に、次の中心周波数ｆ_n+1 での励振処理を始めている。弾性表面波は音波であるので、電気信号に比べて伝播速度が極めて遅く、処理の遅延が問題となる。図５において、Ｄは励振素子２から受信素子３までの伝播による遅延時間を表している。従って、全ての対について励振処理及び受信処理を完了するまで、長時間を要するので、接触位置を迅速に検出できないことになる。

図６は、第２実施の形態のタッチパネル装置における励振／受信処理を示すタイミングチャート、図７は同じくその弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。この例では、中心周波数ｆ_n での励振処理の完了を待たずに、次の中心周波数ｆ_n+1 での励振処理を始める。このようにすることにより、弾性表面波を利用する際の難点である遅延を解消できて、接触位置を迅速に検出できる。

（第３実施の形態）
第２実施の形態では、１対の励振素子２／受信素子３に関して、受信素子３での受信が開始されるまで励振素子２での励振処理を継続している。しかしながら、これだけの長期にわたって励振素子２を励振させる必要はなく、受信素子３での受信処理に十分な時間だけ励振させれば良い。

図８は、第３実施の形態のタッチパネル装置における励振／受信処理を示すタイミングチャート、図９（ａ），（ｂ）は同じくその弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。この例では、中心周波数ｆ₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_N に関する各励振素子２での励振時間を受信素子３での受信処理に十分なだけの時間に設定している。具体的には、各励振時間を（受信素子３のＩＤＴの長さ／基板１での弾性表面波の速度）程度とする。また、断続バースト変化における励振の停止時間を（励振素子２のＩＤＴと受信素子３のＩＤＴとの間の距離／基板１での弾性表面波の速度）以下とする。バースト状の励振信号で発生した弾性表面波の強度は受信素子３のＩＤＴの長さの通過時間で最大になり、それ以上の励振時間では強度が一定になる。よって、最大になった時点で励振を停止する。

従って、第２実施の形態と同様に検出遅れを解消できると共に、効率良く励振／受信処理を行え、消費電力の低減に大きな効果を奏する。図９（ａ），（ｂ）はこのような例を表しており、図９（ｂ）は励振停止期間＝０の場合で最短時間の例を示す。また、励振初期における遅延時間分（図８のＤ）だけ、遮断処理によって各受信素子３で受信処理を行わないようにしている。従って、ノイズの影響による誤検出を防止できる。この遅延時間は、タッチパネル装置の設計上、（励振素子２のＩＤＴと受信素子３のＩＤＴとの間の距離／基板１での弾性表面波の速度）で求めることができる。また、この際の遮断処理としては、ゲートＩＣによる物理的な遮断、ファームウェアによる受信処理禁止の追加などを使用できる。

図１０は、第２，第３実施の形態におけるＭＰＵ１１での動作手順を示すフローチャートである。中心周波数ｆ₁ ，…，ｆ_N のＩＤＴ対で構成されて各中心周波数の弾性表面波を順次励振／受信するタッチパネル装置において、Ｖ_(ni)は周波数ｆ_niを励振するための電圧データ、ｖ_(no)は周波数ｆ_noにおける受信した電圧データを表す。またｍは、図８においてゲート遮断時間Ｄの間に送信した周波数の数を表す。このフローチャートは、励振動作のみを行って受信動作は行わないループ（ループ１）と、励振動作及び受信動作を同時に行うループ（ループ２）と、受信動作のみを行って励振動作は行わないループ（ループ３）とを有する。

初期化するために、ni，noに初期値１を与える（ステップＳ１１）。周波数ｆ_ni励振用の電圧データＶ_(ni)をＭＰＵ１１からＤ／Ａ変換器１２へ出力する（ステップＳ１２）。niを１だけインクリメントして、次の周波数に対応する番号を設定する（ステップＳ１３）。niがｍ＋１に達したか否か、つまり周波数ｆ_m を励振したか否かを判断する（ステップＳ１４）。達しない場合には（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ループ１により処理がＳ１２に戻る。達した場合に（Ｓ１４：ＮＯ）、Ａ／Ｄ変換器１６での周波数ｆ_no受信の電圧データｖ_(no)をＭＰＵ１１に入力し、その電圧データｖ_(no)と予め設定されている判定レベルデータｈ_(no)とを比較して、弾性表面波の遮断の有無を検出する（ステップＳ１５）。noを１だけインクリメントして、次の周波数に対応する番号を設定する（ステップＳ１６）。 niがＮ＋１に達したか否か、つまり周波数ｆ_N を励振したか否かを判断する（ステップＳ１７）。達しない場合には（Ｓ１７：ＹＥＳ）、ループ２により処理がＳ１２に戻る。

達した場合に（Ｓ１７：ＮＯ）、noがＮ＋１に達したか否か、つまり周波数ｆ_N を受信したか否かを判断する（ステップＳ１８）。達しない場合には（Ｓ１８：ＹＥＳ）、ループ３により処理がＳ１５に戻る。達した場合には（Ｓ１８：ＮＯ）、処理が終了する。なお、上述したような動作は、受信信号の入力開始による割り込み動作を使用しても実現できる。

（第４実施の形態）
図１１は、上述した第１実施の形態のタッチパネル装置におけるＩＤＴの弾性表面波の周波数特性を示す図である。励振の各中心周波数ｆ_n-1 ，ｆ_n ，ｆ_n+1 に対して夫々受信の中心周波数ｆ_n-1 ，ｆ_n ，ｆ_n+1 が１：１で対応しており、この１：１対応によって各伝播路を分離して特定している。ここで、中心周波数に対応する受信結果だけでなく、それらの中間周波数である他の周波数に対応する補間的な受信結果も得ることができれば、より高精度に接触位置を検出できる。

第４実施の形態では、１つの受信素子３が複数の励振素子２と対になるように構成する。図１２は、第４実施の形態のタッチパネル装置におけるＩＤＴの弾性表面波の周波数特性を示す図である。励振の周波数に対して受信側で広帯域の周波数特性を実現している。従って、図１１のように１：１対応ではなく、補間的な受信結果を得ることができる。なお、この例とは逆に、受信の周波数に対して励振側で広帯域の周波数特性を得るように構成しても、同様の効果を奏する。

（第５実施の形態）
図１３は、第５実施の形態のタッチパネル装置におけるＩＤＴの弾性表面波の周波数特性を示す図である。対向する励振素子２と受信素子３とにおけるＩＤＴの中心周波数を帯域幅の半分だけシフトさせている。即ち、励振の中心周波数ｆ_n と受信の中心周波数ｇ_n との間に、帯域幅をＢＷとした場合、下記（３）式の関係が成り立つ。
ｇ_n ＝ｆ_n ＋ＢＷ／２ …（３）
この第５実施の形態でも、第４実施の形態と同様に、補間的な受信結果が得られるようになり、検出精度を高めることが可能である。

（第６実施の形態）
図１４は、第６実施の形態のタッチパネル装置における励振素子２／受信素子３の配置及び弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。この例では、励振素子２と受信素子３とにおけるＩＤＴの位置を物理的にずらせて配置させており、第４，第５実施の形態と同様に、検出精度を高めるべく補間的な受信結果が得られるようにしている。なお、図１４に示す例では、ＩＤＴの開口幅の半分だけずらせている。

（第７実施の形態）
図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第６実施の形態と同様の目的で、複数段に励振素子２／受信素子３を構成した第７実施の形態のタッチパネル装置における励振素子２／受信素子３の配置及び弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。図１５（ａ）は、励振素子２及び受信素子３を夫々前後にずらせて２段に構成した例を示す。図１５（ｂ）は、同様に励振素子２及び受信素子３を２段に構成すると共に、弾性表面波の伝播時間を一定にした例である。この例では、各弾性表面波での位相ずれが生じない。図１５（ｃ）は、励振素子２での励振の走査方向と複数段の受信素子３での受信方向とを同一方向に設計した例である。

（第８実施の形態）
図１６は、励振素子２の各ＩＤＴ２ａ（受信素子３の各ＩＤＴ３ａ）における電極の対数を一定にした場合のＩＤＴ２ａ（３ａ）の電極構成を示す図である。電極の対数を一定にして周波数を変化させた場合、波長が変わるので、電極間の距離が変化する。この結果、各ＩＤＴ２ａ（３ａ）の全長も変化し、低周波（長波長）側でその全長が長くなる。この例では、周波数に対して帯域比は電極の対数によって決定されるので、一定のピッチの周波数変化を実現するために、低周波数側の帯域幅に設定している。よって、装置構成が大型化してしまう。図１７は、周波数変化を一定の幅で行う場合のＩＤＴ２ａ（３ａ）の電極構成を示す図である。この例では、各ＩＤＴ２ａ（３ａ）における電極の対数を可変とし、周波数シフト量が一定になるように対数を変化させる。よって、各ＩＤＴＩＤＴ２ａ（３ａ）の全長を所定長さ以下に抑えることができ、装置構成の小型化を図れる。

（第９実施の形態）
図１８は、第９実施の形態によるタッチパネル装置の基本構成を示す模式図である。図１に示す励振素子２／受信素子３の複数対の１組に加えて、基板１の残りの両端部に、対向し合う態様で、更にもう１組の励振素子２及び受信素子３の複数対が配列して形成されている。このように第９実施の形態では、２組の励振素子２／受信素子３の複数対を直交させた態様で配設させているので、物体の２次元の接触位置を検出することができる。

［第１例］
図１９は、第９実施の形態の第１例における駆動状態を示す図である。この例では、各組における励振素子２での励振処理は独立的に行われ、また、各組における受信素子３での受信処理も独立的に行われる。よって、容易にこれらの処理を行える。

次に、各組での処理を共通化することによって回路の簡素化を図るようにした第２例〜第４例について説明する。

［第２例］
図２０は、第９実施の形態の第２例における駆動状態を示す図である。この例では、２組の励振素子２に対する駆動回路を共通化している。一方の組の励振素子２と他方の組の励振素子２とを、同じタイミングで中心周波数ｆ₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_n で順次的に励振させる。よって、同時に周波数走査を行えるので、処理時間を短くできる。

［第３例］
図２１は、第９実施の形態の第３例における駆動状態を示す図である。この例では、両組の励振素子２が同じ共通電極４に接続されている。一方の組の励振素子２を中心周波数ｆ₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_n で順次的に励振させた後、他方の組の励振素子２を中心周波数ｆ_n+1 ，ｆ_n+2 ，…，ｆ_2nで順次的に励振させる。第１例のように同時に２方向の弾性表面波が起こらず、ノイズの影響を受けにくい。

［第４例］
図２２は、第９実施の形態の第４例における駆動状態を示す図である。この例では、第３例と同様に両組の励振素子２が同じ共通電極４に接続されると共に、両組の受信素子３も同じ共通電極５に接続した構成とする。回路構成の簡素化を最大限に図ることができる。

（第１０実施の形態）
図２３（ａ），（ｂ）は各受信素子３での受信信号のレベルに基づく接触位置の決定の方法を示す図である。図において、破線は弾性表面波の減衰の有無を判別するための閾値レベルであり、この例では中心周波数ｆ₄ ，ｆ₅ ，ｆ₆ ，ｆ₇ における受信素子３での受信信号のレベルがこの閾値レベル以下となっており、この４本の伝播路が接触範囲となっている。このような受信レベルパターンに対して、以下のような３種の方法にて接触位置を決定する。

図２３（ａ）に示すように、弾性表面波が遮断された４本の伝播路の中心位置Ｐ₁ を接触位置とする。または、図２３（ａ）に示すように、最も減衰量が大きい中心周波数ｆ₅ での伝播路の中心Ｐ₂ を、最大の圧力が加えられた位置として、接触位置とする。または、図２３（ｂ）に示すように、４本の伝播路における減衰量に基づいて算出したその重心位置Ｐ₃ を接触位置とする。

図２４は、指の動きを推定するための移動方向ベクトルを示す図である。図において、Ｓは二次元的に検出された指の接触範囲を示し、その中心Ｃの座標を（Ｘ_C ，Ｙ_C ）とする。また、得られる受信信号の減衰量に基づいて算出された重心Ｇの座標を（Ｘ_G ，Ｙ_G ）とする。ここで、始点を中心Ｃとして終点を重心Ｇとするベクトルを移動方向ベクトルと定義する。この移動方向ベクトル（ベクトルＣＧ）の向きを求めることにより、指の動きに関する方向を推定できる。

ところで、上述した各実施の形態では、弾性表面波の中心周波数の相違によって、接触位置を検出するようにしたが、弾性表面波は音波であって比較的速度が遅いので、伝播時間の差を利用して接触位置を検出することも可能である。このような例を、以下の第１１〜第１５実施の形態として説明する。

（第１１実施の形態）
図２５は、第１１実施の形態におけるタッチパネル装置の励振素子２及び受信素子３の配置例を示す図である。基板１の一端部に、ＩＤＴ及び圧電薄膜で構成される複数の励振素子２が階段状に配列して形成されている。また、基板１の他端部には、夫々が各励振素子２に対向する態様で複数の受信素子３が階段状に配列して形成されている。よって、対向する励振素子２と受信素子３との間の距離は、各対において異なっている。この例では、隣合う励振素子２／受信素子３での段差をＩＤＴの長さとしている。

次に、動作について説明する。各励振素子２は同一の中心周波数で同時に励振させる。各励振素子２から励振された弾性表面波は基板１を伝播されて、対向する各受信素子３で受信される。ここで、各対において励振素子２，受信素子３間距離が異なっているので、各受信素子３での受信タイミングは異なり、それらの受信信号を時系列的に検知した場合、図２６に示すようになり、各伝播路を区別できる。従って、受信信号が減衰した伝播路を特定できるので、上述した各実施の形態と同様に、物体の接触位置を検出することが可能である。

（第１２実施の形態）
図２７は、第１２実施の形態におけるタッチパネル装置の励振素子２及び受信素子３の配置例を示す図である。隣合う励振素子２／受信素子３での段差をＩＤＴの長さの半分としている。よって、第１１実施の形態と比べて、励振素子２及び受信素子３の配置領域が狭くなり、構成を小型化できる。なお、検出動作は第１１実施の形態と同様である。

（第１３実施の形態）
図２８は、第１３実施の形態におけるタッチパネル装置の励振素子２及び受信素子３の配置例を示す図である。基板１の一端部に、ＩＤＴの長さだけ順次ずらせて複数の励振素子２が階段状に配列して形成されている。また、基板１の他端部には、共通の受信素子３が形成されている。各励振素子２から受信素子３までの距離は互いに異なっている。この例では、全励振素子２の長さと同じ大きさの開口を有する共通のＩＤＴを持つ１個の受信素子３にて弾性表面波を受信する。なお、検出動作は第１１実施の形態と同様である。なお、第１３実施の形態にあっては、複数の受信素子３が階段状に配列して形成されており、大きな開口を有する共通のＩＤＴを持つ１個の励振素子２にて弾性表面波を励振するように構成しても良い。この場合には、弾性表面波のビーム性を高めることができる。

（第１４実施の形態）
図２９は、第１４実施の形態におけるタッチパネル装置の構成を示す図である。基板１の一端部に、ＩＤＴの長さだけ順次ずらせて、弾性表面波の励振及び受信を行う複数の励振／受信素子６が階段状に配列して形成されている。また、基板１の他端面には反射部材７が形成されている。各励振／受信素子６から反射部材７までの距離は互いに異なっている。また、各励振／受信素子６は、励振／受信用の共通電極８に接続されている。この例では、反射部材７での弾性表面波の反射を利用して、弾性表面波の励振及び受信を同一の励振／受信素子６で行えるようにする。弾性表面波が基板１を一往復する伝播遅延があるので、励振処理及び受信処理の駆動系の切換えは容易に行える。また、ノイズの影響を避けるために、遅延時間分の時間ゲートをかける。

（第１５実施の形態）
弾性表面波の伝播時間差を利用して接触位置を検出する構成としたタッチパネル装置にあって、検出精度を高めるべくその伝播時間差をより大きくとるためには、矩形の検出範囲１ａの斜め方向に弾性表面波を伝播させるように励振素子２，受信素子３を配置することが好ましい。このようにした場合には、励振素子２，受信素子３の配置密度を高くでき、検出性能を上げることができる。図３０〜図３３は、第１５実施の形態におけるタッチパネル装置の励振素子２及び受信素子３の配置例を示す図である。何れも、検出範囲１ａの辺方向に対して４５°傾けて弾性表面波の伝播路を形成しており、２次元の接触位置を検出できる。

図３０の第１例では、入力を分離して出力を加算している。図３１の第２例では、入力を同一として出力を分離している。図３２の第３例では、入力及び出力を加算している。図３３の第４例では、中心周波数が異なるＩＤＴを用いて入力及び出力を加算している。Ｘ方向，Ｙ方向について伝播路の長さが等しくて同じ伝播時間になるものがあるので、それらについては中心周波数を変えて、伝播路の分離・特定を容易にしている。

タッチパネル装置の基本構成を示す模式図である。 励振素子，受信素子の作製工程を示す断面図である。 励振素子での励振信号及び受信素子での受信信号の時系列を示す図である。 ＭＰＵでの動作処理を示すフローチャートである。 第１実施の形態における励振／受信処理を示すタイミングチャートである。 第２実施の形態における励振／受信処理を示すタイミングチャートである。 第２実施の形態における弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。 第３実施の形態における励振／受信処理を示すタイミングチャートである。 第３実施の形態における弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。 第２，第３実施の形態におけるＭＰＵでの動作手順を示すフローチャートである。 第１実施の形態におけるＩＤＴの弾性表面波の周波数特性を示す図である。 第４実施の形態におけるＩＤＴの弾性表面波の周波数特性を示す図である。 第５実施の形態におけるＩＤＴの弾性表面波の周波数特性を示す図である。 第６実施の形態における励振素子／受信素子の配置及び弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。 第７実施の形態における励振素子／受信素子の配置及び弾性表面波の伝播状態を示す模式図である。 各ＩＤＴにおける電極の対数を一定にした場合のＩＤＴの電極構成を示す図である。 第８実施の形態で周波数変化を一定の幅で行う場合のＩＤＴの電極構成を示す図である。 第９実施の形態の基本構成を示す模式図である。 第９実施の形態の第１例における駆動状態を示す図である。 第９実施の形態の第２例における駆動状態を示す図である。 第９実施の形態の第３例における駆動状態を示す図である。 第９実施の形態の第４例における駆動状態を示す図である。 受信信号のレベルに基づく接触位置決定を示す図である。 指の動きを推定するための移動方向ベクトルを示す図である。 第１１実施の形態における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。 第１１実施の形態における受信信号の時系列を示す図である。 第１２実施の形態における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。 第１３実施の形態における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。 第１４実施の形態の基本構成を示す模式図である。 第１５実施の形態の第１例における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。 第１５実施の形態の第２例における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。 第１５実施の形態の第３例における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。 第１５実施の形態の第４例における励振素子及び受信素子の配置例を示す図である。

符号の説明

１ 非圧電基板
１ａ 検出範囲
２ 励振素子
３ 受信素子

Claims (1)

1. 基板と、
   該基板上に画定された四辺形状の検出範囲の一方の対向する二辺に設けられており、弾性表面波を夫々に励振する複数の励振素子と、
   前記検出範囲の他方の対向する二辺に設けられており、前記励振素子からの弾性表面波を夫々に受信する複数の受信素子とを備え、
   前記複数の励振素子夫々から対角二方向へ弾性表面波を発信させて前記複数の受信素子夫々にて対角二方向からの弾性表面波を受信するように、対向する前記励振素子と前記受信素子との間で弾性表面波を前記基板に伝播させ、前記受信素子での受信結果に基づいて、前記基板に接触された物体の位置を検出するようにしてあることを特徴とするタッチパネル装置。

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