JP3887764B2 - 超音波スイッチング素子 - Google Patents
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Description
本発明は、入力用および出力用すだれ状電極を備えた圧電基板に接触することにより出力用すだれ状電極から電気信号を発生させる超音波スイッチング素子に関する。
【従来の技術】
超音波方式による従来のタッチパネルは、非圧電板に弾性表面波を励振させ、その非圧電板に接触することにより弾性表面波が減衰するということを利用したものである。非圧電板に弾性表面波を励振する従来の方法としては、バルク波振動子を用いたくさび形トランスデューサにより間接的に励振する方法、圧電薄膜トランスデューサにより直接的に励振する方法等が挙げられる。これら従来の超音波タッチパネルでは応答時間、感度、耐久性、工作精度、加工性および量産性等の点で問題があり、使用周波数領域も制限されており、信号処理の仕方が複雑で、リモートコントロールが困難である。従って、超音波方式によるタッチパネルを応用してスイッチング素子を作成することが難しかった。
【発明が解決しようとする課題】
従来、超音波方式によるタッチパネルを応用してスイッチング素子を作成することは困難であった。
本発明の目的は、加工性、耐久性および量産性に優れ、低消費電力化を図ることが可能で、応答時間が短く、信号処理の仕方が簡単で、回路の規模も小さく、小型軽量で、使用しやすさに優れ、無線信号も送信できる超音波スイッチング素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の超音波スイッチング素子は、入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波スイッチング素子であって、
前記出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、1個のグループRi(i=1)から成るか、またはN個のグループRi(i=1,2,……,N)と2つの前記グループRiおよびR(i+1)に挟まれた(Nー1)個の部分Qi{i=1,2,……,(N−1)}から成り、
前記各グループRiは2つの部分RiaおよびRibと、それらに挟まれた部分Ri mから成り、
前記部分RiaおよびRibそれぞれの電極指の方向は前記入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行で、前記部分RiaおよびRibそれぞれの電極周期長は前記入力用すだれ状電極の電極周期長Pと等しく、
前記部分Rimの電極指は前記入力用すだれ状電極の電極指に対し角αの傾きを有し、前記部分Rimの電極指に直交する方向での電極指の周期長PRNは、前記電極周期長Pとcosαとの積に等しく、
前記部分Rimの電極交差幅には、前記部分Rimの電極指の方向での交差幅LRPと、前記入力用すだれ状電極の電極指に平行な方向での交差幅LRNとの2種類があり、前記交差幅LRPは、前記交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、前記電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しく、
前記部分Qiの電極指は前記入力用すだれ状電極の電極指に対し角±βの傾きを有し、前記部分Qiの電極指に直交する方向での電極指の周期長PQNは、前記電極周期長Pとcosβとの積に等しく、
前記部分Qiの電極交差幅には、前記部分Qiの電極指の方向での交差幅LQPと、前記入力用すだれ状電極の電極指に平行な方向での交差幅LQNとの2種類があり、前記交差幅LQPは前記交差幅LQNとsecβとの積に等しく、
前記部分RiaおよびRibそれぞれの電極交差幅と、前記交差幅LRNと、前記交差幅LQNの合計は、前記入力用すだれ状電極の電極交差幅Lとほぼ等しく、
前記入力用すだれ状電極は、電気信号を入力されることにより前記圧電基板に超音波を励振し、
前記部分RiaおよびRibは、前記超音波を電気信号EiaおよびEib(i=1,2,……,N)にそれぞれ変換し、前記電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零であり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記圧電基板において、前記部分RiaおよびRibそれぞれに対応する超音波伝搬路ZiaおよびZib(i=1,2,……,N)を形成し、
前記出力用すだれ状電極は、前記圧電基板を人指または物体が接触して前記超音波伝搬路ZiaおよびZibのうちの1つZXaが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力するか、または前記圧電基板を接触して前記超音波伝搬路ZXbが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する。
請求項2に記載の超音波スイッチング素子は、前記交差幅LQPが前記電極周期長Pを前記グループRiの数Nの2倍で除した値と、cosecβとの積に等しい。
請求項3に記載の超音波スイッチング素子は、入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、N個の部分Ai(i=1,2,……,N)と、2つの前記部分AiおよびA(i+1)に挟まれた(N−1)個の部分Bi{i=1,2,……,(N−1)}から成り、
前記出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、(N+1)個の部分Ci{i=1,2,……,(N+1)}と、2つの前記部分CiおよびC(i+1)に挟まれたN個の部分Di(i=1,2,……,N)から成り、
前記部分Aiの電極指の方向は前記部分Ciの電極指の方向と平行で、
前記部分Biの電極指は前記部分Aiの電極指に対し角−βの傾きを有し、前記部分Biの電極指に直交する方向での電極指の周期長PBNは、前記部分AiおよびCiの電極周期長Pとcosβとの積に等しく、
前記部分Biの電極交差幅には、前記部分Biの電極指の方向での交差幅LBPと、前記部分Aiの電極指に平行な方向での交差幅LBNとの2種類があり、前記交差幅LBPは前記交差幅LBNとsecβとの積に等しく、
前記部分Diの電極指は前記部分Ciの電極指に対し角αの傾きを有し、前記部分Diの電極指に直交する方向での電極指の周期長PDNは、前記電極周期長Pとcosαとの積に等しく、
前記部分Diの電極交差幅には、前記部分Diの電極指の方向での交差幅LDPと、前記部分Ciの電極指に平行な方向での交差幅LDNとの2種類があり、前記交差幅LDPは、前記交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、前記電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しく、
前記部分Aiの電極指の交差幅および前記交差幅LBNの合計は、前記部分Ciの電極指の交差幅および前記交差幅LDNの合計にほぼ等しく、
前記入力用すだれ状電極は、電気信号を入力されることにより前記圧電基板に超音波を励振し、
前記出力用すだれ状電極は、前記超音波をN個の電気信号Eia(i=1,2,……,N)およびN個の電気信号Eib(i=1,2,……,N)に変換し、前記電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零であり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記圧電基板において、N個の超音波伝搬路Zia(i=1,2,……,N)およびN個の超音波伝搬路Zib(i=1,2,……,N)を形成し、
前記超音波伝搬路Ziaは前記部分AiとCiの間に、前記超音波伝搬路Zibは前記部分AiとC(i+1)の間にあり、
前記出力用すだれ状電極は、前記圧電基板を人指または物体が接触して前記超音波伝搬路ZiaおよびZibのうちの1つZXaが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力するか、または前記圧電基板を接触して前記超音波伝搬路ZXbが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する。
請求項4に記載の超音波スイッチング素子は、前記交差幅LBPが前記電極周期長Pを前記部分Aiの数Nの2倍で除した値と、cosecβとの積に等しい。
請求項5に記載の超音波スイッチング素子は、前記電極周期長Pが前記圧電基板の厚さdよりも大きく
前記圧電基板の分極軸の方向は、その厚さdの方向と平行であり、
前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性波を励振する。
請求項6に記載の超音波スイッチング素子は、前記電極周期長Pが前記圧電基板の厚さdの3分の1以下の値を有し、
前記圧電基板の分極軸の方向は、その厚さdの方向と平行であり、
前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板の前記一方の板面の表面近傍に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振する。
請求項7に記載の超音波スイッチング素子は、前記電極周期長Pが前記圧電基板の厚さdよりも大きく
前記圧電基板の分極軸の方向は、前記入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行であり、
前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有するSH波を励振する。
請求項8に記載の超音波スイッチング素子は、前記圧電基板が圧電セラミックで成る。
請求項9に記載の超音波スイッチング素子は、前記電気信号EiaおよびEibそれぞれの周波数が無線周波数で成る。
【発明の実施の形態】
本発明の超音波スイッチング素子は、入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けたものである。
本発明の超音波スイッチング素子の第1の構造では、入力用すだれ状電極は正規型の構造を有する。出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、1個のグループRi(i=1)のみから成るか、またはN個のグループRi(i=1,2,……,N)と2つのグループRiおよびR(i+1)に挟まれた(Nー1)個の部分Qi{i=1,2,……,(N−1)}から成る。各グループRiは2つの部分RiaおよびRibと、それらに挟まれた部分Rimから成る。部分RiaおよびRibそれぞれの電極指の方向は入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行で、部分RiaおよびRibそれぞれの電極周期長は入力用すだれ状電極の電極周期長Pと等しい。部分Rimの電極指は入力用すだれ状電極の電極指に対し角αの傾きを有し、部分Rimの電極指に直交する方向での電極指の周期長PRNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分Rimの電極交差幅には、部分Rimの電極指の方向での交差幅LRPと、入力用すだれ状電極の電極指に平行な方向での交差幅LRNとの2種類があり、交差幅LRPは、交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分Qiの電極指は入力用すだれ状電極の電極指に対し角±βの傾きを有し、部分Qiの電極指に直交する方向での電極指の周期長PQNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分Qiの電極交差幅には、部分Qiの電極指の方向での交差幅LQPと、入力用すだれ状電極の電極指に平行な方向での交差幅LQNとの2種類があり、交差幅LQPは交差幅LQNとsecβとの積に等しい。さらに、交差幅LQPは、電極周期長PをグループRiの数Nの2倍で除した値(P/2N)と、cosecβとの積に等しい値をとることが可能である。部分RiaおよびRibそれぞれの電極交差幅と、交差幅LRNと、交差幅LQNの合計は、入力用すだれ状電極の電極交差幅Lとほぼ等しい。
本発明の超音波スイッチング素子の第1の構造では、入力用すだれ状電極に電気信号を入力することにより圧電基板に超音波を励振することができる。この超音波は部分RiaおよびRibによって電気信号EiaおよびEib(i=1,2,……,N)にそれぞれ変換される。このとき、電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。これは、交差幅LRPが、交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しいことに起因する。入力用および出力用すだれ状電極は、圧電基板において、部分RiaおよびRibそれぞれに対応する超音波伝搬路ZiaおよびZib(i=1,2,……,N)を形成する。つまり、入力用および出力用すだれ状電極の間に、グループRiの数Nの2倍(2N個)の超音波伝搬路が存在することになる。もしも、圧電基板を人指または物体が接触して2N個の超音波伝搬路のうちの1つZXaが遮断されると、出力用すだれ状電極は、超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力する。また、超音波伝搬路ZXbが遮断されたときには、超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、圧電基板を接触することにより電気信号を発生させることができるだけでなく、接触された圧電基板の位置に応じた電気信号を出力することができる。従って、スイッチとしての機能を果たすことが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第2の構造では、入力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、N個の部分Ai(i=1,2,……,N)と、2つの部分AiおよびA(i+1)に挟まれた(N−1)個の部分Bi{i=1,2,……,(N−1)}から成り、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、(N+1)個の部分Ci{i=1,2,……,(N+1)}と、2つの部分CiおよびC(i+1)に挟まれたN個の部分Di(i=1,2,……,N)から成る。部分Aiの電極指の方向は部分Ciの電極指の方向と平行である。部分Biの電極指は部分Aiの電極指に対し角−βの傾きを有し、部分Biの電極指に直交する方向での電極指の周期長PBNは、部分AiおよびCiの電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分Biの電極交差幅には、部分Biの電極指の方向での交差幅LBPと、部分Aiの電極指に平行な方向での交差幅LBNとの2種類がある。交差幅LBPは交差幅LBNとsecβとの積に等しい。さらに、交差幅LBPは、電極周期長Pを部分Aiの数Nの2倍で除した値(P/2N)と、cosecβとの積に等しい値をとることが可能である。部分Diの電極指は部分Ciの電極指に対し角αの傾きを有し、部分Diの電極指に直交する方向での電極指の周期長PDNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分Diの電極交差幅には、部分Diの電極指の方向での交差幅LDPと、部分Ciの電極指に平行な方向での交差幅LDNとの2種類がある。交差幅LDPは、交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分Aiの電極指の交差幅および交差幅LBNの合計は、部分Ciの電極指の交差幅および交差幅LDNの合計にほぼ等しい。
本発明の超音波スイッチング素子の第2の構造では、入力用すだれ状電極に電気信号を入力することにより圧電基板に超音波を励振することができる。この超音波は出力用すだれ状電極によってN個の電気信号Eia(i=1,2,……,N)およびN個の電気信号Eib(i=1,2,……,N)に変換される。電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。これは、交差幅LDPが、交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しいことに起因する。入力用および出力用すだれ状電極は、圧電基板において、N個の超音波伝搬路Zia(i=1,2,……,N)およびN個の超音波伝搬路Zib(i=1,2,……,N)を形成する。つまり、入力用および出力用すだれ状電極の間に、部分Aiの数Nの2倍(2N個)の超音波伝搬路が存在することになり、超音波伝搬路Ziaは部分AiとCiの間に、超音波伝搬路Zibは部分AiとC(i+1)の間にある。もしも、圧電基板を人指または物体が接触して2N個の超音波伝搬路のうちの1つZXaが遮断されると、出力用すだれ状電極は、超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力する。また、超音波伝搬路ZXbが遮断されたときには、超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、圧電基板を接触することにより電気信号を発生させることができるだけでなく、接触された圧電基板の位置に応じた電気信号を出力することができる。従って、スイッチとしての機能を果たすことが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電極周期長Pが圧電基板の厚さdよりも大きく、圧電基板の分極軸の方向が、その厚さdの方向と平行であるような構造が可能である。この場合、入力用すだれ状電極は、電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、圧電基板に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性波を励振することが可能となる。このような弾性波を利用したデバイスでは、圧電基板のどちらか一方の板面を接触することにより、電気信号を発生させることができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電極周期長Pが圧電基板の厚さdの3分の1以下の値、つまりd/3以下の値を有し、圧電基板の分極軸の方向が、その厚さdの方向と平行であるような構造が可能である。この場合、入力用すだれ状電極は、電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、圧電基板のすだれ状電極を有する方の板面の表面近傍に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振することが可能となる。このような弾性表面波を利用したデバイスでは、圧電基板のすだれ状電極を有する方の板面を接触することにより、電気信号を発生させることができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電極周期長Pが圧電基板の厚さdよりも大きく、圧電基板の分極軸の方向が、入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行であるような構造が可能である。この場合、入力用すだれ状電極は、電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、圧電基板に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有するSH波(shear horizontal wave)を励振することが可能となる。SH波とは、振動変位の方向が圧電基板の上・下端面に対して平行な方向にある横波のことである。このようにして、圧電基板の分極軸の方向が入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行になるような構造を採用することにより、入力用すだれ状電極の電極指に対し垂直な方向に効率よくSH波を励振することができるのである。しかも、各すだれ状電極の電極指の対数はせいぜい3対もあれば効率よくSH波を励振できる。このようなSH波を利用したデバイスでは、圧電基板のどちらか一方の板面を接触することにより、電気信号を発生させることができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、圧電基板として圧電セラミックを採用することにより、設計しやすさに優れたデバイスを提供することができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電気信号EiaおよびEibそれぞれの周波数が無線周波数で成るような構造が可能であることから、出力電気信号を無線信号として放射することが可能となる。
【実施例】
図1は本発明の超音波スイッチング素子の第1の実施例を示す平面図である。本実施例は圧電基板1、入力用すだれ状電極2および出力用すだれ状電極3から成る。すだれ状電極2および3はアルミニウム薄膜で成り、10対の電極指を有し、圧電基板1の上端面に設けられている。圧電基板1は厚さdが1.5mmの圧電セラミックで成り、その分極軸の方向は厚さdの方向と平行である。すだれ状電極2は正規型の構造を有し、その電極周期長Pは1.7mmで、電極交差幅Lは15mmである。すだれ状電極3の電極指の交差領域は、1個のグループR1から成り、グループR1は2つの部分R1aおよびR1bとそれらに挟まれた部分R1mから成る。部分R1aおよびR1bそれぞれの電極指の方向はすだれ状電極2の電極指の方向と平行で、部分R1aおよびR1bそれぞれの電極周期長はすだれ状電極2の電極周期長Pと等しい。
図2は部分R1mの拡大平面図である。部分R1mの電極指はすだれ状電極2の電極指に対し角αの傾きを有し、部分R1mの電極指に直交する方向での電極指の周期長PRNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分R1mの電極交差幅には、部分R1mの電極指の方向での交差幅LRPと、すだれ状電極2の電極指に平行な方向での交差幅LRNとの2種類がある。交差幅LRPは、交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。なお、部分R1aおよびR1bそれぞれの電極交差幅(7mm)と、部分R1mの交差幅LRN(1mm)の合計は、すだれ状電極2の電極交差幅L(15mm)と等しい。
図3は図1の超音波スイッチング素子の回路構成図である。すだれ状電極3の出力端は増幅器AMPに接続される。すだれ状電極2から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板1に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性波が励振される。この弾性波は部分R1aおよびR1bによって電気信号E1aおよびE1bにそれぞれ変換される。このとき、電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極2および3は、圧電基板1において、部分R1aおよびR1bそれぞれに対応する超音波伝搬路Z1aおよびZ1bを形成する。もしも、圧電基板1の上端面または下端面を人指または物体が接触してこれらの超音波伝搬路のうちZ1bが遮断されると、超音波伝搬路Z1aに対応する電気信号E1aがすだれ状電極3から出力される。同様にして、超音波伝搬路Z1aが遮断されると、電気信号E1bが出力される。すなわち、圧電基板1の上端面または下端面を接触して超音波伝搬路Z1aまたはZ1bを遮断することにより、遮断した超音波伝搬路に応じた電気信号E1bまたはE1aを発生させることができることから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たすことが可能となる。さらに、電気信号E1aまたはE1bが無線周波数を有する構造を採用することにより、電気信号E1aまたはE1bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極3から出力される電気信号E1aまたはE1bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極2に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1aまたはZ1bを遅延素子とする発振器が構成されることから、低消費電力駆動が可能となるばかりでなく、回路構成も簡単になる。
図4は圧電基板1の異なる2つの電気的境界条件下での位相速度差から算出した電気機械結合係数k2と、弾性波の周波数fと圧電基板1の厚さdとの積(fd)との関係を示す特性図である。但し、圧電基板1を伝搬する弾性波の横波速度は2450m/sで、縦波速度は4390m/sである。たとえば、すだれ状電極2に加えられる電気的エネルギーがS0モードの弾性波に変換されるときのfd値は約1.3MHz・mmで、k2は最大値の約12.4%を示す。ここでのk2値は、弾性表面波用の圧電基板として実用域にあるLiNbO3単結晶が5%程度の値であることと比較しても評価に値することが明らかである。
図5は圧電基板1を伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図であり、fd値に対する各モードの位相速度を示す図である。●印は、すだれ状電極2に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性波に最も効率よく変換されるfd値(図4から算出した値で、k2が最大値を示すfd値)を示す。●印における位相速度はいずれも3500m/s近傍の値を示すことがわかる。
本発明の超音波スイッチング素子の第2の実施例は、図1の第1の実施例の入力用すだれ状電極2および出力用すだれ状電極3が、入力用すだれ状電極4および出力用すだれ状電極5にそれぞれ置き換わった構造を有する。すだれ状電極4の電極周期長Pは400μmで、電極交差幅Lは15mmである。すだれ状電極4はすだれ状電極2と電極周期長Pの値を除いて同様な構造を有し、すだれ状電極5はすだれ状電極3と電極周期長の値を除いて同様な構造を有する。すだれ状電極4と5との間の相対的な構造は、すだれ状電極2と3との間の相対的な構造と同様である。すなわち、すだれ状電極5の電極指の交差領域は、1個のグループR1から成り、グループR1は2つの部分R1a,R1bおよびR1mから成る。部分R1aおよびR1bそれぞれの電極指の方向はすだれ状電極4の電極指の方向と平行で、部分R1aおよびR1bそれぞれの電極周期長はすだれ状電極4の電極周期長Pと等しい。部分R1mの電極指はすだれ状電極4の電極指に対し角αの傾きを有し、部分R1mの電極指に直交する方向での電極指の周期長PRNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分R1mの交差幅LRPは、交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分R1aおよびR1bそれぞれの電極交差幅(7mm)と、部分R1mの交差幅LRN(1mm)の合計は、すだれ状電極4の電極交差幅L(15mm)と等しい。
第2の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極4および5に置き換えられる。すだれ状電極4から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板1の上端面の表面近傍に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波が励振される。この弾性表面波は部分R1aおよびR1bによって電気信号E1aおよびE1bにそれぞれ変換される。このとき、電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極4および5は、圧電基板1の上端面において、部分R1aおよびR1bそれぞれに対応する超音波伝搬路Z1aおよびZ1bを形成する。圧電基板1の上端面を接触して超音波伝搬路Z1aまたはZ1bを遮断すると、電気信号E1bまたはE1aが発生することから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1aまたはE1bが無線周波数を有する場合には、電気信号E1aまたはE1bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極5から出力される電気信号E1aまたはE1bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極4に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1aまたはZ1bを遅延素子とする発振器が構成される。
本発明の超音波スイッチング素子の第3の実施例は、図1の第1の実施例の圧電基板1が圧電基板6に置き換わり、入力用すだれ状電極2および出力用すだれ状電極3が、入力用すだれ状電極7および出力用すだれ状電極8にそれぞれ置き換わった構造を有する。すだれ状電極7の電極周期長Pは2.2mmで、電極交差幅Lは15mmであり、3対の電極指を有する。すだれ状電極8も3対の電極指を有する。また、圧電基板6の分極軸の方向は、第1および第2の実施例とは異なり、すだれ状電極7の電極指の方向と平行である。すだれ状電極7と8との間の相対的な構造は、すだれ状電極2と3との間の相対的な構造と同様である。すなわち、すだれ状電極8の電極指の交差領域は、1個のグループR1から成り、グループR1は2つの部分R1a,R1bおよびR1mから成る。部分R1aおよびR1bそれぞれの電極指の方向はすだれ状電極7の電極指の方向と平行で、部分R1aおよびR1bそれぞれの電極周期長はすだれ状電極7の電極周期長Pと等しい。部分R1mの電極指はすだれ状電極7の電極指に対し角αの傾きを有し、部分R1mの電極指に直交する方向での電極指の周期長PRNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分R1mの交差幅LRPは、交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分R1aおよびR1bそれぞれの電極交差幅(7mm)と、部分R1mの交差幅LRN(1mm)の合計は、すだれ状電極7の電極交差幅L(15mm)と等しい。
第3の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極7および8に置き換えられ、圧電基板1は圧電基板6に置き換えられる。すだれ状電極7から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板6に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有するSH波が励振される。このSH波は部分R1aおよびR1bによって電気信号E1aおよびE1bにそれぞれ変換される。このとき、電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極7および8は、圧電基板6において、部分R1aおよびR1bそれぞれに対応する超音波伝搬路Z1aおよびZ1bを形成する。圧電基板6の上端面または下端面を接触して超音波伝搬路Z1aまたはZ1bを遮断すると、電気信号E1bまたはE1aが発生することから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1aまたはE1bが無線周波数を有する場合には、電気信号E1aまたはE1bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極8から出力される電気信号E1aまたはE1bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極7に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1aまたはZ1bを遅延素子とする発振器が構成される。
図6は圧電基板6の異なる2つの電気的境界条件下での位相速度差から算出した電気機械結合係数k2と、SH波の周波数fと圧電基板6の厚さdとの積(fd)との関係を示す特性図である。すだれ状電極7に加えられる電気的エネルギーは各モードのSH波に効率よく変換されることが分かる。特にS0モードのSH波に変換される場合には、fd値が約1.5MHz・mm以上のときに、k2値は常に22%以上の値を示している。
図7は圧電基板6を伝搬するSH波の速度分散曲線を示す特性図であり、fd値に対する各モードの位相速度を示す図である。S0モードのSH波の位相速度はほぼ一定値を示し、これは圧電基板6に伝搬する横波速度(2450m/s)とほぼ等しいことが分かる。
図8は本発明の超音波スイッチング素子の第4の実施例を示す平面図である。本実施例は図1の第1の実施例の出力用すだれ状電極3が出力用すだれ状電極9に置き換わった構造を有する。すだれ状電極9の電極指の交差領域は、2個のグループR1およびR2と1個の部分Q1から成り、部分Q1はグループR1およびR2の間にある。グループR1は2つの部分R1aおよびR1bとそれらに挟まれた部分R1mから成り、グループR2は2つの部分R2aおよびR2bとそれらに挟まれた部分R2mから成る。部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極指の方向はすだれ状電極2の電極指の方向と平行で、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極周期長はすだれ状電極2の電極周期長Pと等しい。部分R1mおよびR2mの構造は図2に示されている構造と同様である。
図9は部分Q1の拡大平面図である。部分Q1の電極指はすだれ状電極2の電極指に対し角−βの傾きを有する。本実施例では、このように−βの傾きを有するが、+βの傾きを有する場合も可能である。部分Q1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PQNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分Q1の電極交差幅には、部分Q1の電極指の方向での交差幅LQPと、すだれ状電極2の電極指に平行な方向での交差幅LQNとの2種類がある。交差幅LQPは、交差幅LQNとsecβとの積に等しく、また、電極周期長Pを4で除した値(P/4)とcosecβとの積に等しい。なお、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極交差幅(3mm)と、部分R1mおよびR2mそれぞれの交差幅LRN(1mm)と、部分Q1の交差幅LQN(1mm)の合計は、すだれ状電極2の電極交差幅L(15mm)と等しい。
第4の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極3はすだれ状電極9に置き換えられる。すだれ状電極2から電気信号を入力することにより圧電基板1に励振された弾性波は、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bによって電気信号E1a,E1b,E2aおよびE2bにそれぞれ変換される。電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅および電気信号E2aおよびE2bを合成することにより生ずる電気信号の振幅はともに零となる。すだれ状電極2および9は、圧電基板1において、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれに対応する超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aおよびZ2bを形成する。もしも、圧電基板1の上端面または下端面に接触してこれらの超音波伝搬路のうちZ1bが遮断されると、超音波伝搬路Z1aに対応する電気信号E1aがすだれ状電極9から出力され、同様にして、超音波伝搬路Z1aが遮断されると電気信号E1bが出力され、超音波伝搬路Z2aが遮断されると電気信号E2bが出力され、超音波伝搬路Z2bが遮断されると電気信号E2aが出力される。すなわち、圧電基板1の上端面または下端面を接触して超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遮断することにより、電気信号E1b,E1a,E2bまたはE2aを発生させることができることから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bが無線周波数を有する構造を採用することにより、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極9から出力される電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極2に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遅延素子とする発振器が構成される。
本発明の超音波スイッチング素子の第5の実施例は、図8の第4の実施例の入力用すだれ状電極2および出力用すだれ状電極9が入力用すだれ状電極4および出力用すだれ状電極10にそれぞれ置き換わった構造を有する。すだれ状電極10はすだれ状電極9と電極周期長の値を除いて同様な構造を有する。すだれ状電極4と10との間の相対的な構造は、すだれ状電極2と9との間の相対的な構造と同様である。すなわち、すだれ状電極10の電極指の交差領域は、グループR1およびR2と部分Q1から成り、グループR1は部分R1a,R1bおよびR1mから成り、グループR2は部分R2a,R2bおよびR2mから成る。部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極指の方向はすだれ状電極4の電極指の方向と平行で、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極周期長はすだれ状電極4の電極周期長Pと等しい。部分Q1の電極指はすだれ状電極4の電極指に対し角−βの傾きを有し、部分Q1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PQNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分Q1の交差幅LQPは、交差幅LQNとsecβとの積に等しく、また、電極周期長Pを4で除した値(P/4)とcosecβとの積に等しい。部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極交差幅(3mm)と、部分R1mおよびR2mそれぞれの交差幅LRN(1mm)と、部分Q1の交差幅LQN(1mm)の合計は、すだれ状電極4の電極交差幅L(15mm)と等しい。
第5の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極4および10に置き換えられる。すだれ状電極4から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板1の上端面の表面近傍に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波が励振される。この弾性表面波は部分R1a,R1b,R2aおよびR2bによって電気信号E1a,E1b,E2aおよびE2bにそれぞれ変換される。このとき、電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となり、電気信号E2aおよびE2bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極4および10は、圧電基板1の上端面において、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれに対応する超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aおよびZ2bを形成する。圧電基板1の上端面を接触して超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遮断すると、電気信号E1b,E1a,E2bまたはE2aが発生することから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bが無線周波数を有する場合には、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極10から出力される電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極4に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遅延素子とする発振器が構成される。
本発明の超音波スイッチング素子の第6の実施例は、図8の第4の実施例の圧電基板1が圧電基板6に置き換わり、入力用すだれ状電極2および出力用すだれ状電極9が、入力用すだれ状電極7および出力用すだれ状電極11にそれぞれ置き換わった構造を有する。すだれ状電極11はすだれ状電極7と同様にして3対の電極指を有する。また、圧電基板6の分極軸の方向は、第3の実施例と同様にして、すだれ状電極7の電極指の方向と平行である。すだれ状電極7と11との間の相対的な構造は、すだれ状電極2と9との間の相対的な構造と同様である。すなわち、すだれ状電極11の電極指の交差領域は、グループR1およびR2と部分Q1から成り、グループR1は部分R1a,R1bおよびR1mから成り、グループR2は部分R2a,R2bおよびR2mから成る。部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極指の方向はすだれ状電極7の電極指の方向と平行で、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極周期長はすだれ状電極7の電極周期長Pと等しい。部分Q1の電極指はすだれ状電極7の電極指に対し角−βの傾きを有し、部分Q1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PQNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分Q1の交差幅LQPは、交差幅LQNとsecβとの積に等しく、また、電極周期長Pを4で除した値(P/4)とcosecβとの積に等しい。部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれの電極交差幅(3mm)と、部分R1mおよびR2mそれぞれの交差幅LRN(1mm)と、部分Q1の交差幅LQN(1mm)の合計は、すだれ状電極7の電極交差幅L(15mm)と等しい。
第6の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極7および11に置き換えられ、圧電基板1は圧電基板6に置き換えられる。すだれ状電極7から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板6に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有するSH波が励振される。このSH波は部分R1a,R1b,R2aおよびR2bによって電気信号E1a,E1b,E2aおよびE2bにそれぞれ変換される。このとき、電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となり、電気信号E2aおよびE2bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極7および11は、圧電基板6において、部分R1a,R1b,R2aおよびR2bそれぞれに対応する超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aおよびZ2bを形成する。圧電基板6の上端面または下端面を接触して超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遮断すると、電気信号E1b,E1a,E2bまたはE2aが発生することから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bが無線周波数を有する場合には、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極11から出力される電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極7に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遅延素子とする発振器が構成される。
図10は本発明の超音波スイッチング素子の第7の実施例を示す平面図である。本実施例は圧電基板1、入力用すだれ状電極12および出力用すだれ状電極13から成る。すだれ状電極12および13は10対の電極指を有し、図1と同様にして、それぞれ圧電基板1の上端面に設けられている。すだれ状電極12の電極指の交差領域は、2個の部分A1およびA2と1個の部分B1から成り、部分B1は部分A1およびA2の間にある。また、すだれ状電極13の電極指の交差領域は、3個の部分C1,C2およびC3と、2個の部分D1およびD2から成り、部分D1は部分C1およびC2の間にあり、部分D2は部分C2およびC3の間にある。部分A1およびA2それぞれの電極指の方向は、部分C1,C2およびC3それぞれの電極指の方向と平行である。部分A1,A2,C1,C2およびC3それぞれの電極周期長Pは1.7mmである。
図11は部分B1の拡大平面図である。部分B1の電極指は部分A1およびA2の電極指に対し角−βの傾きを有し、部分B1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PBNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分B1の電極交差幅には、部分B1の電極指の方向での交差幅LBPと、部分A1およびA2の電極指に平行な方向での交差幅LBNとの2種類がある。交差幅LBPは交差幅LBNとsecβとの積に等しい。さらに、交差幅LBPは、電極周期長Pを4で除した値(P/4)とcosecβとの積に等しい。
図12は部分D1の拡大平面図である。部分D2も部分D1と同様な構造を成す。部分D1の電極指は部分C1,C2およびC3の電極指に対し角αの傾きを有し、部分D1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PDNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分D1の電極交差幅には、部分D1の電極指の方向での交差幅LDPと、部分C1,C2およびC3の電極指に平行な方向での交差幅LDNとの2種類がある。交差幅LDPは、交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分D2についても同様である。部分A1およびA2それぞれの電極交差幅(7mm)と、部分B1の交差幅LBN(1mm)の合計(15mm)は、部分C1およびC3それぞれの電極交差幅(3mm)と、部分C2の電極交差幅(7mm)と、部分D1およびD2それぞれの交差幅LD N(1mm)の合計(15mm)に等しい。
第7の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極12および13に置き換えられる。すだれ状電極12から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板1に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性波が励振される。この弾性波はすだれ状電極13によって2個の電気信号E1aおよびE2aと、2個の電気信号E1bおよびE2bに変換される。電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となり、電気信号E2aおよびE2bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極12および13は、圧電基板1において、2個の超音波伝搬路Z1aおよびZ2aと、2個の超音波伝搬路Z1bおよびZ2bを形成する。超音波伝搬路Z1aは部分A1とC1との間に、超音波伝搬路Z1bは部分A1とC2との間に、超音波伝搬路Z2aは部分A2とC2との間に、超音波伝搬路Z2bは部分A2とC3との間にそれぞれ存在する。もしも、圧電基板1の上端面または下端面を人指または物体が接触してこれらの超音波伝搬路のうちZ1bが遮断されると、超音波伝搬路Z1aに対応する電気信号E1aがすだれ状電極13から出力される。同様にして、超音波伝搬路Z1aが遮断されると、電気信号E1bが出力され、超音波伝搬路Z2aが遮断されると、電気信号E2bが出力され、超音波伝搬路Z2bが遮断されると、電気信号E2aが出力される。このとき、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bが遮断されても、また遮断されなくても部分D1およびD2で変換される電気信号が出力されることはない。このようにして、圧電基板1の上端面または下端面を接触して超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遮断することにより、電気信号E1b,E1a,E2bまたはE2aをそれぞれ発生させることができることから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たすことが可能となる。さらに、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bが無線周波数を有する構造を採用することにより、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極13から出力される電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極12に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遅延素子とする発振器が構成される。
本発明の超音波スイッチング素子の第8の実施例は、図10の第7の実施例の入力用すだれ状電極12および出力用すだれ状電極13が、入力用すだれ状電極14および出力用すだれ状電極15にそれぞれ置き換わった構造を有する。すだれ状電極14はすだれ状電極12と電極周期長の値を除いて同様な構造を有し、すだれ状電極15はすだれ状電極13と電極周期長の値を除いて同様な構造を有する。すだれ状電極14と15との間の相対的な構造は、すだれ状電極12と13との間の相対的な構造と同様である。すなわち、すだれ状電極14の電極指の交差領域は、部分A1,A2およびB1から成り、すだれ状電極15の電極指の交差領域は、部分C1,C2,C3,D1およびD2から成る。部分A1およびA2それぞれの電極指の方向は、部分C1,C2およびC3それぞれの電極指の方向と平行である。部分A1,A2,C1,C2およびC3それぞれの電極周期長Pは400μmである。部分B1の電極指は部分A1およびA2の電極指に対し角−βの傾きを有し、部分B1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PBNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分B1の交差幅LBPは交差幅LBNとsecβとの積に等しい。さらに、交差幅LBPは、電極周期長Pを4で除した値(P/4)とcosecβとの積に等しい。部分D1の電極指は部分C1,C2およびC3の電極指に対し角αの傾きを有し、部分D1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PDNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分D1の交差幅LDPは、交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分D2についても同様である。部分A1およびA2それぞれの電極交差幅(7mm)と、部分B1の交差幅LBN(1mm)の合計(15mm)は、部分C1およびC3それぞれの電極交差幅(3mm)と、部分C2の電極交差幅(7mm)と、部分D1およびD2それぞれの交差幅LDN(1mm)の合計(15mm)に等しい。
第8の実施例超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極14および15に置き換えられる。すだれ状電極14から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板1の上端面の表面近傍に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波が励振される。この弾性表面波はすだれ状電極15によって2個の電気信号E1aおよびE2aと、2個の電気信号E1bおよびE2bに変換される。電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となり、電気信号E2aおよびE2bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極14および15は、圧電基板1の上端面において、4個の超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aおよびZ2bを形成する。圧電基板1の上端面を接触して超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遮断すると、電気信号E1b,E1a,E2bまたはE2aが発生することから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bが無線周波数を有する場合には、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極15から出力される電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極14に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遅延素子とする発振器が構成される。
本発明の超音波スイッチング素子の第9の実施例は、図10の第7の実施例の圧電基板1が圧電基板6に置き換わり、入力用すだれ状電極12および出力用すだれ状電極13が、入力用すだれ状電極16および出力用すだれ状電極17にそれぞれ置き換わった構造を有する。すだれ状電極16はすだれ状電極12と電極周期長の値および電極指の対数を除いて同様な構造を有し、すだれ状電極17はすだれ状電極13と電極周期長の値および電極指の対数を除いて同様な構造を有する。すだれ状電極16および17はそれぞれ3対の電極指を有する。すだれ状電極16と17との間の相対的な構造は、すだれ状電極12と13との間の相対的な構造と同様である。すなわち、すだれ状電極17の電極指の交差領域は、部分A1,A2およびB1から成り、すだれ状電極15の電極指の交差領域は、部分C1,C2,C3,D1およびD2から成る。部分A1およびA2それぞれの電極指の方向は、部分C1,C2およびC3それぞれの電極指の方向と平行である。部分A1,A2,C1,C2およびC3それぞれの電極周期長Pは2.2mmである。また、圧電基板6の分極軸の方向は、第7および第8の実施例とは異なり、部分A1,A2,C1,C2およびC3の電極指の方向と平行である。部分B1の電極指は部分A1およびA2の電極指に対し角−βの傾きを有し、部分B1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PBNは、電極周期長Pとcosβとの積に等しい。部分B1の交差幅LBPは交差幅LBNとsecβとの積に等しい。さらに、交差幅LBPは、電極周期長Pを4で除した値(P/4)とcosecβとの積に等しい。部分D1の電極指は部分C1,C2およびC3の電極指に対し角αの傾きを有し、部分D1の電極指に直交する方向での電極指の周期長PDNは、電極周期長Pとcosαとの積に等しい。部分D1の交差幅LDPは、交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しい。部分D2についても同様である。部分A1およびA2それぞれの電極交差幅(7mm)と、部分B1の交差幅LBN(1mm)の合計(15mm)は、部分C1およびC3それぞれの電極交差幅(3mm)と、部分C2の電極交差幅(7mm)と、部分D1およびD2それぞれの交差幅LDN(1mm)の合計(15mm)に等しい。
第9の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図3の回路構成が用いられる。但し、図3のすだれ状電極2および3はそれぞれすだれ状電極16および17に置き換えられ、圧電基板1は圧電基板6に置き換えられる。すだれ状電極16から電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力すると、圧電基板6に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有するSH波が励振される。このSH波はすだれ状電極17によって2個の電気信号E1aおよびE2aと、2個の電気信号E1bおよびE2bに変換される。電気信号E1aおよびE1bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となり、電気信号E2aおよびE2bを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。すだれ状電極16および17は、圧電基板6において4個の超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aおよびZ2bを形成する。圧電基板6の上端面または下端面を接触して超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遮断すると、電気信号E1b,E1a,E2bまたはE2aが発生することから、本発明の超音波スイッチング素子はスイッチとしての機能を果たす。さらに、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bが無線周波数を有する場合には、電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bを無線信号として放射することが可能となる。すだれ状電極17から出力される電気信号E1a,E1b,E2aまたはE2bは増幅器AMPによって増幅され、増幅された電気信号の一部はすだれ状電極16に再び入力される。このようにして、超音波伝搬路Z1a,Z1b,Z2aまたはZ2bを遅延素子とする発振器が構成される。
【発明の効果】
本発明の超音波スイッチング素子の第1の構造は、入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けた簡単な構造を有し、入力用すだれ状電極は正規型の構造を有する。出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、1個のグループRi(i=1)のみから成るか、またはN個のグループRi(i=1,2,……,N)と2つのグループRiおよびR(i+1)に挟まれた(Nー1)個の部分Qi{i=1,2,……,(N−1)}から成る。各グループRiは2つの部分RiaおよびRibと、それらに挟まれた部分Rimから成る。もしも入力用すだれ状電極に電気信号を入力すると、圧電基板に超音波が励振される。この超音波は部分RiaおよびRibによって電気信号EiaおよびEib(i=1,2,……,N)にそれぞれ変換される。このとき、電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。入力用および出力用すだれ状電極は、圧電基板において、部分RiaおよびRibそれぞれに対応する超音波伝搬路ZiaおよびZib(i=1,2,……,N)を形成する。もしも、圧電基板を人指または物体が接触してこれらの超音波伝搬路のうちの1つZXaが遮断されると、出力用すだれ状電極は、超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力する。また、超音波伝搬路ZXbが遮断されたときには、超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、圧電基板を接触することにより電気信号を発生させることができるだけでなく、接触された圧電基板の位置に応じた電気信号を出力することができることから、スイッチとしての機能を果たすことが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第2の構造は、入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けた簡単な構造を有し、入力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、N個の部分Ai(i=1,2,……,N)と、2つの部分AiおよびA(i+1)に挟まれた(N−1)個の部分Bi{i=1,2,……,(N−1)}から成り、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、(N+1)個の部分Ci{i=1,2,……,(N+1)}と、2つの部分CiおよびC(i+1)に挟まれたN個の部分Di(i=1,2,……,N)から成る。もしも入力用すだれ状電極に電気信号を入力すると、圧電基板に超音波が励振される。この超音波は出力用すだれ状電極によってN個の電気信号Eia(i=1,2,……,N)およびN個の電気信号Eib(i=1,2,……,N)に変換される。電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零となる。入力用および出力用すだれ状電極は、圧電基板において、N個の超音波伝搬路Zia(i=1,2,……,N)およびN個の超音波伝搬路Zib(i=1,2,……,N)を形成する。超音波伝搬路Ziaは部分AiとCiの間に、超音波伝搬路Zibは部分AiとC(i+1)の間にある。もしも、圧電基板を人指または物体が接触してこれらの超音波伝搬路のうちの1つZXaが遮断されると、出力用すだれ状電極は、超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力する。また、超音波伝搬路ZXbが遮断されたときには、超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、圧電基板を接触することにより電気信号を発生させることができるだけでなく、接触された圧電基板の位置に応じた電気信号を出力することができる。従って、スイッチとしての機能を果たすことが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電極周期長Pが圧電基板の厚さdよりも大きく、圧電基板の分極軸の方向が、その厚さdの方向と平行であるような構造が可能である。この場合、圧電基板には弾性波が励振される。このような弾性波を利用したデバイスでは、圧電基板のどちらか一方の板面を接触することにより、電気信号を発生させることができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電極周期長Pが圧電基板の厚さdの3分の1以下の値を有し、圧電基板の分極軸の方向が、その厚さdの方向と平行であるような構造が可能である。この場合、圧電基板のすだれ状電極を有する方の板面の表面近傍に弾性表面波が励振される。このような弾性表面波を利用したデバイスでは、圧電基板のすだれ状電極を有する方の板面を接触することにより、電気信号を発生させることができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電極周期長Pが圧電基板の厚さdよりも大きく、圧電基板の分極軸の方向が、入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行であるような構造が可能である。この場合、圧電基板にはSH波が励振される。このようなSH波を利用したデバイスでは、圧電基板のどちらか一方の板面を接触することにより、電気信号を発生させることができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、圧電基板として圧電セラミックを採用することにより、設計しやすさに優れたデバイスを提供することができる。
本発明の超音波スイッチング素子では、電気信号EiaおよびEibそれぞれの周波数が無線周波数で成る場合、出力電気信号を無線信号として放射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波スイッチング素子の第1の実施例を示す平面図。
【図2】部分R1mの拡大平面図。
【図3】図1の超音波スイッチング素子の回路構成図。
【図4】圧電基板1の異なる2つの電気的境界条件下での位相速度差から算出したk2値と、fd値との関係を示す特性図。
【図5】圧電基板1を伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図6】圧電基板6の異なる2つの電気的境界条件下での位相速度差から算出したk2値と、fd値との関係を示す特性図。
【図7】圧電基板6を伝搬するSH波の速度分散曲線を示す特性図。
【図8】本発明の超音波スイッチング素子の第4の実施例を示す平面図。
【図9】部分Q1の拡大平面図。
【図10】本発明の超音波スイッチング素子の第7の実施例を示す平面図。
【図11】部分B1の拡大平面図。
【図12】部分D1の拡大平面図。
【符号の説明】
1,6 圧電基板
2,4,7,12,14,16 入力用すだれ状電極
3,5,8,9,10,11,13,15,17 入力用すだれ状電極
AMP 増幅器
Claims (9)
- 入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波スイッチング素子であって、
前記出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、1個のグループRi(i=1)から成るか、またはN個のグループRi(i=1,2,……,N)と2つの前記グループRiおよびR(i+1)に挟まれた(Nー1)個の部分Qi{i=1,2,……,(N−1)}から成り、
前記各グループRiは2つの部分RiaおよびRibと、それらに挟まれた部分Rimから成り、
前記部分RiaおよびRibそれぞれの電極指の方向は前記入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行で、前記部分RiaおよびRibそれぞれの電極周期長は前記入力用すだれ状電極の電極周期長Pと等しく、
前記部分Rimの電極指は前記入力用すだれ状電極の電極指に対し角αの傾きを有し、前記部分Rimの電極指に直交する方向での電極指の周期長PRNは、前記電極周期長Pとcosαとの積に等しく、
前記部分Rimの電極交差幅には、前記部分Rimの電極指の方向での交差幅LRPと、前記入力用すだれ状電極の電極指に平行な方向での交差幅LRNとの2種類があり、前記交差幅LRPは、前記交差幅LRNとsecαとの積に等しいとともに、前記電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しく、
前記部分Qiの電極指は前記入力用すだれ状電極の電極指に対し角±βの傾きを有し、前記部分Qiの電極指に直交する方向での電極指の周期長PQNは、前記電極周期長Pとcosβとの積に等しく、
前記部分Qiの電極交差幅には、前記部分Qiの電極指の方向での交差幅LQPと、前記入力用すだれ状電極の電極指に平行な方向での交差幅LQNとの2種類があり、前記交差幅LQPは前記交差幅LQNとsecβとの積に等しく、
前記部分RiaおよびRibそれぞれの電極交差幅と、前記交差幅LRNと、前記交差幅LQNの合計は、前記入力用すだれ状電極の電極交差幅Lとほぼ等しく、
前記入力用すだれ状電極は、電気信号を入力されることにより前記圧電基板に超音波を励振し、
前記部分RiaおよびRibは、前記超音波を電気信号EiaおよびEib(i=1,2,……,N)にそれぞれ変換し、前記電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零であり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記圧電基板において、前記部分RiaおよびRibそれぞれに対応する超音波伝搬路ZiaおよびZib(i=1,2,……,N)を形成し、
前記出力用すだれ状電極は、前記圧電基板を人指または物体が接触して前記超音波伝搬路ZiaおよびZibのうちの1つZXaが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力するか、または前記圧電基板を接触して前記超音波伝搬路ZXbが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する超音波スイッチング素子。 - 前記交差幅LQPは、前記電極周期長Pを前記グループRiの数Nの2倍で除した値と、cosecβとの積に等しい請求項1に記載の超音波スイッチング素子。
- 入力用および出力用すだれ状電極を圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、N個の部分Ai(i=1,2,……,N)と、2つの前記部分AiおよびA(i+1)に挟まれた(N−1)個の部分Bi{i=1,2,……,(N−1)}から成り、
前記出力用すだれ状電極の電極指の交差領域は、(N+1)個の部分Ci{i=1,2,……,(N+1)}と、2つの前記部分CiおよびC(i+1)に挟まれたN個の部分Di(i=1,2,……,N)から成り、
前記部分Aiの電極指の方向は前記部分Ciの電極指の方向と平行で、
前記部分Biの電極指は前記部分Aiの電極指に対し角−βの傾きを有し、前記部分Biの電極指に直交する方向での電極指の周期長PBNは、前記部分AiおよびCiの電極周期長Pとcosβとの積に等しく、
前記部分Biの電極交差幅には、前記部分Biの電極指の方向での交差幅LBPと、前記部分Aiの電極指に平行な方向での交差幅LBNとの2種類があり、前記交差幅LBPは前記交差幅LBNとsecβとの積に等しく、
前記部分Diの電極指は前記部分Ciの電極指に対し角αの傾きを有し、前記部分Diの電極指に直交する方向での電極指の周期長PDNは、前記電極周期長Pとcosαとの積に等しく、
前記部分Diの電極交差幅には、前記部分Diの電極指の方向での交差幅LDPと、前記部分Ciの電極指に平行な方向での交差幅LDNとの2種類があり、前記交差幅LDPは、前記交差幅LDNとsecαとの積に等しいとともに、前記電極周期長Pの半分とcosecαとの積に等しく、
前記部分Aiの電極指の交差幅および前記交差幅LBNの合計は、前記部分Ciの電極指の交差幅および前記交差幅LDNの合計にほぼ等しく、
前記入力用すだれ状電極は、電気信号を入力されることにより前記圧電基板に超音波を励振し、
前記出力用すだれ状電極は、前記超音波をN個の電気信号Eia(i=1,2,……,N)およびN個の電気信号Eib(i=1,2,……,N)に変換し、前記電気信号EiaおよびEibを合成することにより生ずる電気信号の振幅は零であり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記圧電基板において、N個の超音波伝搬路Zia(i=1,2,……,N)およびN個の超音波伝搬路Zib(i=1,2,……,N)を形成し、
前記超音波伝搬路Ziaは前記部分AiとCiの間に、前記超音波伝搬路Zibは前記部分AiとC(i+1)の間にあり、
前記出力用すだれ状電極は、前記圧電基板を人指または物体が接触して前記超音波伝搬路ZiaおよびZibのうちの1つZXaが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaと対を成す超音波伝搬路ZXbに対応する電気信号EXbを出力するか、または前記圧電基板を接触して前記超音波伝搬路ZXbが遮断されたときにのみ、前記超音波伝搬路ZXaに対応する電気信号EXaを出力する超音波スイッチング素子。 - 前記交差幅LBPは、前記電極周期長Pを前記部分Aiの数Nの2倍で除した値と、cosecβとの積に等しい請求項3に記載の超音波スイッチング素子。
- 前記電極周期長Pは前記圧電基板の厚さdよりも大きく、
前記圧電基板の分極軸の方向は、その厚さdの方向と平行であり、
前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性波を励振する請求項1,2,3または4に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記電極周期長Pは前記圧電基板の厚さdの3分の1以下の値を有し、
前記圧電基板の分極軸の方向は、その厚さdの方向と平行であり、
前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板の前記一方の板面の表面近傍に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振する請求項1,2,3または4に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記電極周期長Pは前記圧電基板の厚さdよりも大きく、
前記圧電基板の分極軸の方向は、前記入力用すだれ状電極の電極指の方向と平行であり、
前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有するSH波を励振する請求項1,2,3または4に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記圧電基板が圧電セラミックで成る請求項1,2,3,4,5,6または7に記載の超音波スイッチング素子。
- 前記電気信号EiaおよびEibそれぞれの周波数が無線周波数で成る請求項1,2,3,4,5,6,7または8に記載の超音波スイッチング素子。
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