JP3887765B2 - 超音波スイッチング素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非圧電板に接触することにより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、圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記圧電基板の上端面に設けられ、
前記非圧電板の下端面は、前記圧電基板の前記上端面に前記入力用および出力用すだれ状電極を介して固着され、
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、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上端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し、その弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、
前記部分ＲiaおよびＲibは、前記弾性表面波を電気信号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、前記非圧電板の前記上端面において、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、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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、圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記圧電基板の上端面に設けられ、
前記非圧電板の下端面は、前記圧電基板の前記上端面に前記入力用および出力用すだれ状電極を介して固着され、
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、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上端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し、その弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、
前記出力用すだれ状電極は、前記弾性表面波を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、前記非圧電板の前記上端面において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の上端面に固着され、
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、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、前記入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を前記非圧電板の前記上端面に伝搬させた後、前記出力用圧電基板に伝搬させ、
前記部分ＲiaおよびＲibは、前記弾性表面波を電気信号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、前記非圧電板の前記上端面において、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、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の上端面に固着され、
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、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、前記入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を前記非圧電板の前記上端面に伝搬させた後、前記出力用圧電基板に伝搬させ、
前記出力用すだれ状電極は、前記弾性表面波を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、前記非圧電板の前記上端面において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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５に記載の超音波スイッチング素子は、前記圧電基板の厚さｄが前記電極周期長Ｐのほぼ３倍以上であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、
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、
前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。
請求項６に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の厚さｄが前記電極周期長Ｐよりも小さく、
前記非圧電板の厚さｈは前記電極周期長Ｐのほぼ３倍以上であり、
前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大きく、
前記各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、
前記弾性表面波は１次以上の高次モードの波で、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。
請求項７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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
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、
前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
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入力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢTに超音波を励振し、その超音波を前記非圧電板に伝搬させた後、前記出力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させ、
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、前記非圧電板において、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、前記非圧電板のどちから一方の板面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、または前記非圧電板のどちから一方の板面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８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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
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、
前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
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入力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢTに超音波を励振し、その超音波を前記非圧電板に伝搬させた後、前記出力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させ、
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、前記非圧電板において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板のどちから一方の板面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、または前記非圧電板のどちから一方の板面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９に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。
請求項１０に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄとほぼ等しく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度とほぼ等しく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。
請求項１１に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに前記各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも小さく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。
請求項１２に記載の超音波スイッチング素子は、前記入力用および出力用圧電基板が、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記もう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
前記各圧電基板の前記非圧電板との界面は電気的に開放状態にあり、
前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは、前記各圧電基板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれよりも小さく、
前記非圧電板は、前記非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が前記各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度とほぼ等しいかまたはそれ以下の物質で成り、
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２層構造部ＢTに前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記ＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記ＳＨ波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する横波速度および前記各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値とほぼ等しい。
請求項１３に記載の超音波スイッチング素子は、前記入力用および出力用圧電基板が、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記もう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
前記各圧電基板の前記非圧電板との界面は電気的に短絡状態にあり、
前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに前記各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、
前記非圧電板は、前記非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が前記各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度よりも大きい物質で成り、
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２層構造部ＢTに前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を前記非圧電板の前記一方の板面に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記ＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記ＳＨ波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する横波速度および前記各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にあり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記一方の板面において、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、前記非圧電板の前記一方の板面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、または前記非圧電板の前記一方の板面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１４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１５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１６に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板が圧電セラミックで成る。
請求項１７に記載の超音波スイッチング素子は、前記電気信号Ｅi-1およびＥi-2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の第１の構造は、圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は圧電基板の上端面に設けられ、非圧電板の下端面は、圧電基板の上端面に入力用および出力用すだれ状電極を介して固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子のすだれ状電極に関する第▲１▼の構造は、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、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）｝から成るものである。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。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。また、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。
本発明の超音波スイッチング素子のすだれ状電極に関する第▲２▼の構造は、入力用すだれ状電極の電極指の交差領域が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、また、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、（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）から成るものである。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種類があり、交差幅ＬBPは交差幅ＬBNとsecβとの積に等しい。また、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種類があり、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１の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、圧電基板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を励振し、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させることができる。この弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐのほぼ３倍以上で、非圧電板の厚さｈが電極周期長Ｐよりも小さい構造を採用し、非圧電板単体として、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を向上させることができる。さらに、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構造を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率をさらに向上させることが可能となる。
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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、入力用および出力用圧電基板は、入力用および出力用圧電基板それぞれのどちらか一方の板面を介して非圧電板の上端面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第２の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させ、さらに非圧電板の上端面から出力用圧電基板に伝搬させることができる。この弾性表面波は１次以上の高次モードの波であり、その位相速度は非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈが電極周期長Ｐのほぼ３倍以上である構造を採用するとともに、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を向上させることができる。さらに、各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構造を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率をさらに向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造は、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、入力用および出力用圧電基板は、入力用および出力用圧電基板それぞれのどちらか一方の板面を介して非圧電板のどちらか一方の板面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、入力用圧電基板と非圧電板から成る２層構造部ＢT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し、その弾性波を非圧電板中に伝搬させた後、出力用圧電基板と非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させることができる。この弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波であり、弾性波の位相速度は、弾性波の周波数ｆと各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さいとともに非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄよりも小さく、さらに各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、電気信号と弾性波との間の変換効率を向上させることが可能となる。さらに、各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構造を採用することにより、電気信号と弾性波との間の変換効率をさらに向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造では、次のような構造を採用することが可能である。すなわち、各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さいとともに、非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄとほぼ等しく、また、各圧電基板の分極軸の方向はその厚さｄの方向と平行であって、非圧電板としては、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度とほぼ等しい物質が採用される構造である。この構造においても、電気信号と弾性波との間の変換効率を向上させることが可能である。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造では、次のような構造を採用することが可能である。すなわち、各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈは各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、また、各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、非圧電板としては、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも小さい物質が採用される構造である。この構造においても、電気信号と弾性波との間の変換効率を向上させることが可能である。
本発明の超音波スイッチング素子の第４の構造は、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、各圧電基板は、それぞれ電極が設けられていない方の板面を介して非圧電板のどちらか一方の板面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第４の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、２層構造部ＢTに電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波（shear horizontal wave）を励振し、そのＳＨ波を非圧電板中に伝搬させた後、２層構造部ＢRに伝搬させることができる。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。２層構造部ＢRに伝搬したＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、このＳＨ波の位相速度は、非圧電板単体に伝搬する横波速度および各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値とほぼ等しい。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれよりも小さく、各圧電基板の非圧電板との界面が電気的に開放状態にあり、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度とほぼ等しいかまたはそれ以下の物質を採用することにより、電気信号とＳＨ波との間の変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第５の構造は、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、各圧電基板は、それぞれ電極が設けられていない方の板面を介して非圧電板の一方の板面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第５の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、２層構造部ＢTに電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を非圧電板の各圧電基板が設けられた方の板面に伝搬させた後、２層構造部ＢRに伝搬させることができる。このＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、このＳＨ波の位相速度は、非圧電板単体に伝搬する横波速度および各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にある。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、各圧電基板の非圧電板との界面が電気的に短絡状態にあり、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、電気信号とＳＨ波との間の変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子がすだれ状電極の第▲１▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した超音波は部分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。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、非圧電板において、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、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXbと対を成す超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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がすだれ状電極の第▲２▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した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、非圧電板において、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る。もしも、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXbと対を成す超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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、各圧電基板が圧電セラミックで成る構造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Ｅi-1およびＥi-2それぞれの周波数が無線周波数で成る構造を採用することにより、電気信号Ｅi-1またはＥi-2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の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、非圧電板２、入力用すだれ状電極３および出力用すだれ状電極４から成る。すだれ状電極３および４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。非圧電板２はガラスの他、フッ素樹脂、アクリル樹脂またはプラスチック等の高分子化合物で成り、その厚さｈは１５０μｍである。圧電基板１の上端面にはすだれ状電極３および４を介して非圧電板２が設けられている。非圧電板２がガラス等で成る場合にはエポキシ系樹脂によって圧電基板１上に固着され、非圧電板２がフッ素樹脂やアクリル樹脂等で成る場合には非圧電板２は圧電基板１上に直接塗布されている。
図２は図１の超音波スイッチング素子の平面図である。但し、図２では圧電基板１、すだれ状電極３および４のみが描かれている。すだれ状電極３は正規型の構造を有し、電極周期長Ｐは４００μｍ、電極交差幅Ｌは１５ｍｍである。すだれ状電極４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３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３の電極周期長Ｐと等しい。
図３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３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３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３の電極交差幅Ｌ（１５ｍｍ）と等しい。
図４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４の出力端は増幅器ＡＭＰに接続される。すだれ状電極３から電気信号を入力すると、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極３と接触する部分に弾性表面波が励振される。この弾性表面波は非圧電板２の上端面に伝搬された後、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極４と接触する部分に伝搬され、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３および４は、非圧電板２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。もしも、非圧電板２の上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４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、非圧電板２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４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３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５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、弾性表面波の波数ｋと非圧電板２の厚さｈとの積（ｋｈ）との関係を示す特性図である。但し、図５では、非圧電板２がガラス板で成り、そのガラス板単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波の速度が４１５６ｍ／ｓである場合の特性図が示される。この横波速度２２９７ｍ／ｓおよび縦波速度４１５６ｍ／ｓという値は、圧電基板１単体の場合の横波速度２３４０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．９倍である。図５では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に０次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｋｈ値が約１．６のときで、このときｋ2は最大値の約１５．５％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６は圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｋｈ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図６では、非圧電板２が図５と同様な材質のガラス板で成る場合の特性図が示される。１次以上の高次モードではカットオフ周波数が存在する。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｋｈ値（図５から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｋｈ値）を示す。０次モードの●印における位相速度（約２１７０ｍ／ｓ）は、圧電基板１の表面が電気的に短絡状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２１５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約２３７０ｍ／ｓ）で、圧電基板１単体の表面が電気的に開放状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２３４０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図７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ｋ2値と、ｋｈ値との関係を示す特性図である。但し、図７では、非圧電板２がガラス板で成り、そのガラス板単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が１９８８ｍ／ｓで縦波の速度が３５９７ｍ／ｓである場合の特性図が示される。この横波速度１９８８ｍ／ｓおよび縦波速度３５９７ｍ／ｓという値は、圧電基板１単体の場合の横波速度２３４０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図７では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に０次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｋｈ値が約１．６のときで、このときｋ2は最大値の約１８．５％を示す。
図８は圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｋｈ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図８では、非圧電板２が図７と同様な材質のガラス板で成る場合の特性図が示される。１次以上の高次モードではカットオフ周波数が存在する。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｋｈ値（図７から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｋｈ値）を示す。０次モードの●印における位相速度（約２０９５ｍ／ｓ）は、図６で示される０次モードの●印における位相速度（約２１７０ｍ／ｓ）よりも小さいが、圧電基板１単体の表面が電気的に短絡状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２１５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約２３００ｍ／ｓ）で、図６で示される１次以上の高次モードの●印における位相速度（約２３７０ｍ／ｓ）よりも小さいが、圧電基板１単体の表面が電気的に開放状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２３４０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図５〜８より、非圧電板２に伝搬される弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、電気的に短絡状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。また、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次以上の高次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、電気的に開放状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。さらに、非圧電板２単体を伝搬する弾性表面波の横波および縦波の速度が小さいほど、圧電基板１から非圧電板２に伝搬される弾性表面波の各モードの位相速度が小さくなる。同様にして、すだれ状電極４において弾性表面波が電気信号に変換される場合には、特に０次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。０次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換されるのは、その０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい場合であり、１次以上の高次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換されるのは、その１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい場合である。また、非圧電板２単体を伝搬する弾性表面波の横波および縦波の速度が小さいほど、非圧電板２から圧電基板１に伝搬される弾性表面波の各モードの位相速度が小さくなる。
図９は本発明の超音波スイッチング素子の第２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４が出力用すだれ状電極５に置き換わった構造を有する。図９では圧電基板１、すだれ状電極３および５のみが描かれている。すだれ状電極５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３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３の電極周期長Ｐと等しい。部分Ｒ1mおよびＲ2mの構造は図３に示されている構造と同様である。
図１０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３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３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３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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極４はすだれ状電極５に置き換えられる。すだれ状電極３から電気信号を入力することにより圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極３と接触する部分に励振された弾性表面波は、非圧電板２の上端面に伝搬された後、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極５と接触する部分に伝搬され、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３および５は、非圧電板２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。もしも、非圧電板２の上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５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、非圧電板２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５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３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１１は本発明の超音波スイッチング素子の第３の実施例を示す平面図である。本実施例は図１の第１の実施例の入力用すだれ状電極３および出力用すだれ状電極４が入力用すだれ状電極６および出力用すだれ状電極７に置き換わった構造を有する。図１１では圧電基板１、すだれ状電極６および７のみが描かれている。すだれ状電極６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７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４００μｍである。
図１２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１３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ＬDN（１ｍｍ）の合計（１５ｍｍ）に等しい。
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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極６および７に置き換えられる。すだれ状電極６から電気信号を入力することにより圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極６と接触する部分に励振された弾性表面波は、非圧電板２の上端面に伝搬された後、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極７と接触する部分に伝搬され、すだれ状電極７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６および７は、非圧電板２の上端面において、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、非圧電板２の上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７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、非圧電板２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７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６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１４は本発明の超音波スイッチング素子の第４の実施例を示す断面図である。本実施例は入力用圧電基板８、出力用圧電基板９、非圧電板１０、すだれ状電極３および４から成る。すだれ状電極３および４は圧電基板８および９それぞれの上端面に設けられている。圧電基板８および９は厚さｄが１５０μｍで、その分極軸の方向は厚さｄの方向と平行である。非圧電板１０は厚さｈが１．５ｍｍである。圧電基板８および９は非圧電板１０の上端面に固着されている。図１４におけるすだれ状電極３と４との間の相対的構造は、図２に示されるすだれ状電極３と４との間の相対的構造と同様である。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板１０の上端面を接触する。
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４の回路構成が用いられる。すだれ状電極３から電気信号を入力すると、圧電基板８に弾性表面波が励振される。この弾性表面波は、非圧電板１０の上端面に伝搬された後、圧電基板９に伝搬され、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。すだれ状電極３および４は、非圧電板１０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。第４の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図１５は圧電基板８または９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、弾性表面波の周波数ｆと圧電基板８または９の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図１５では、非圧電板１０が、非圧電板１０単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が３０９１ｍ／ｓで縦波の速度が５５９２ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度３０９１ｍ／ｓおよび縦波速度５５９２ｍ／ｓという値は、圧電基板８または９単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．３倍である。図１５では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に１次モードの弾性表面波に最も効率よく変換されることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約１．３ＭＨｚ・ｍｍのときで、このときｋ2は最大値の約４．７％を示す。
図１６は圧電基板８または９を伝搬する弾性表面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。但し、図１６では、非圧電板１０が図１５と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図１５から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約２９８０ｍ／ｓ）で、非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度（２８５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図１７は圧電基板８または９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である。但し、図１７では、非圧電板１０が、非圧電板１０単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が４２０３ｍ／ｓで縦波の速度が７６０４ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度４２０３ｍ／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電基板８または９単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図１７では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に１次モードの弾性表面波に最も効率よく変換されることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約０．７ＭＨｚ・ｍｍのときで、このときｋ2は最大値の約１４．０％を示す。
図１８は圧電基板８または９を伝搬する弾性表面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。但し、図１８では、非圧電板１０が図１７と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図１７から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約３８００ｍ／ｓ）で、非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度（３８６０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図１５〜１８より、非圧電板１０に効率よく伝搬される弾性表面波は１次以上の高次モードの波であることが分かる。また、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次以上の高次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度とほぼ等しい。同様にして、すだれ状電極４において１次以上の高次モードの弾性表面波が電気信号に変換される場合、その弾性表面波の位相速度が非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度とほぼ等しいときに効率よく電気信号に変換される。
図１４の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極４がすだれ状電極５に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極３および４がすだれ状電極６および７に置き換わった構造が可能である。
図１９は本発明の超音波スイッチング素子の第５の実施例を示す断面図である。本実施例は入力用圧電基板１１、出力用圧電基板１２、非圧電板１３、入力用すだれ状電極１４および出力用すだれ状電極１５から成る。すだれ状電極１４および１５は圧電基板１１および１２それぞれの下端面に設けられている。圧電基板１１および１２は厚さｄが１ｍｍで、その分極軸の方向は厚さｄの方向と平行である。非圧電板１３は厚さｈが１５０μｍである。圧電基板１１および１２は非圧電板１３の下端面に固着されている。圧電基板１１と非圧電板１３は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板１２と非圧電板１３は２層構造部ＢRを形成する。図１９におけるすだれ状電極１４と１５との間の相対的構造は図２に示されるすだれ状電極３と４との間の相対的構造と同様である。すだれ状電極１４の電極周期長Ｐは１．６ｍｍ、電極交差幅Ｌは１５ｍｍである。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板１３の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。
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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極１４および１５に置き換えられる。すだれ状電極１４から電気信号を入力すると、２層構造部ＢTに弾性波が励振される。その弾性波は非圧電板１３中に伝搬され、さらに２層構造部ＢRに伝搬されて、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。すだれ状電極１４および１５は、非圧電板１３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。第５の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２０は図１９の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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、弾性波の周波数ｆと圧電基板１１の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図２０では、非圧電板１３が、非圧電板１３単体を伝搬する弾性波の横波の速度が４２０３ｍ／ｓで縦波の速度が７６０４ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度４２０３ｍ／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電基板１１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図２０ではＡ0モードのｋ2値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ0モードを除くモード、つまりＳ0モードおよび１次（Ａ1およびＳ1）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＢTに励振されることが分かる。すだれ状電極１４に加えられる電気的エネルギーは、たとえばＡ2モードの弾性波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約３．８ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約１４％に達する。
図２１は図１９の２層構造部ＢT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。但し、図２１では、非圧電板１３が図２０と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極１４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２０から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図２１ではｆｄ値が零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0は約３７５０ｍ／ｓである。●印における位相速度はほぼＶfd=0値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTに励振される弾性波の位相速度とＶfd=0値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図２２は本発明の超音波スイッチング素子の第６の実施例を示す断面図である。本実施例は図１９の第５の実施例の非圧電板１３が非圧電板１９に置き換わった構造を有する。非圧電板１９は厚さｈが１ｍｍである。圧電基板１１と非圧電板１９は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板１２と非圧電板１９は２層構造部ＢRを形成する。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板１９の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。第６の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２３は図２２の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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である。但し、図２２では、非圧電板１９が、非圧電板１９単体を伝搬する弾性波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波の速度が４１５５ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度２２９７ｍ／ｓおよび縦波速度４１５５ｍ／ｓという値は、圧電基板１１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれとほぼ等しい。図２３ではＡ0モードのｋ2値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ0モードを除くモード、つまりＳ0モードおよび１次（Ａ1およびＳ1）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＢTに励振されることが分かる。すだれ状電極１４に加えられる電気的エネルギーは、たとえばＳ1モードの弾性波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約１．８ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約９．５％に達する。
図２４は図２２の２層構造部ＢT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。但し、図２４では、非圧電板１９が図２３と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極１４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２３から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図２４ではＶfd=0値は約３６７０ｍ／ｓである。●印における位相速度はほぼＶfd=0値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTに励振される弾性波の位相速度とＶfd=0値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図２５は本発明の超音波スイッチング素子の第７の実施例を示す断面図である。本実施例は図１９の第５の実施例の非圧電板１３が非圧電板２０に置き換わった構造を有する。非圧電板２０は厚さｈが１．５ｍｍである。圧電基板１１と非圧電板２０は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板１２と非圧電板２０は２層構造部ＢRを形成する。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板２０の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。第７の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２６は図２５の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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である。但し、図２６では、非圧電板２０が、非圧電板２０単体を伝搬する弾性波の横波の速度が１９８８ｍ／ｓで縦波の速度が３５９７ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度１９８８ｍ／ｓおよび縦波速度３５９７ｍ／ｓという値は、圧電基板１１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図２６ではＡ0モードのｋ2値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ0モードを除くモード、つまりＳ0モードおよび１次（Ａ1およびＳ1）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＢTに励振されることが分かる。
図２７は図２５の２層構造部ＢT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。但し、図２７では、非圧電板２０が図２６と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極１４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２６から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図２７ではＶfd=0値は約３５００ｍ／ｓである。●印における位相速度はほぼＶfd=0値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTに励振される弾性波の位相速度とＶfd=0値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図１９，２２および２５の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極１５がすだれ状電極１６に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極１４および１５がすだれ状電極１７および１８に置き換わった構造が可能である。すだれ状電極１６，１７および１８は、電極周期長の値を除いて、すだれ状電極５，６および７とそれぞれ同様な構造を有する。すだれ状電極１４と１６との間の相対的構造は、図９に示されるすだれ状電極３と５との間の相対的構造と同様であり、すだれ状電極１７と１８との間の相対的構造は、図１１に示されるすだれ状電極６と７との間の相対的構造と同様である。
図２８は本発明の超音波スイッチング素子の第８の実施例を示す断面図である。本実施例は入力用圧電基板２１、出力用圧電基板２２、非圧電板２３、入力すだれ状電極２４および出力用すだれ状電極２５から成る。すだれ状電極２４および２５は圧電基板２１および２２それぞれの下端面に設けられている。圧電基板２１および２２は、それぞれの上端面を介して非圧電板２３の下端面に固着されている。圧電基板２１および２２は厚さｄが２００μｍで、その分極軸の方向はすだれ状電極２４の電極指の方向と平行になるような向きに配置されている。非圧電板２３は厚さｈが２００μｍである。圧電基板２１と非圧電板２３との界面および圧電基板２２と非圧電板２３との界面は電気的に開放状態にある。圧電基板２１と非圧電板２３は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板２２と非圧電板２３は２層構造部ＢRを形成する。図２８におけるすだれ状電極２４と２５との間の相対的構造は図２に示されるすだれ状電極３と４との間の相対的構造と同様である。すだれ状電極２４は３対の電極指を有し、その電極周期長Ｐは２９０μｍ、電極交差幅Ｌは１５ｍｍである。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板２３の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。
第８の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極２４および２５に置き換えられる。すだれ状電極２４から電気信号を入力すると、２層構造部ＢTにＳＨ波が励振される。そのＳＨ波は非圧電板２３中に伝搬され、さらに２層構造部ＢRに伝搬されて、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。すだれ状電極２４および２５は、非圧電板２３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。第８の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２９は図２８の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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、ＳＨ波の周波数ｆと圧電基板２１の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図２９では、非圧電板２３が、非圧電板２３単体に伝搬する横波の速度が１９８８ｍ／ｓで、縦波の速度が３５９７ｍ／ｓあるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度１９８８ｍ／ｓおよび縦波速度３５９７ｍ／ｓという値は、圧電基板２１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図２９から、０次および１次以上の高次モードのＳＨ波は大きなｋ2値を有することが分かるが、特に、２次以上の高次モードのＳＨ波はデバイスを設計する上でも扱いやすいことが分かる。このようにして、たとえば、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが２次モードのＳＨ波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約３．３ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約２２．５％に達する。
図３０は図２８の２層構造部ＢT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。但し、図３０では、非圧電板２３が図２９と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが各モードのＳＨ波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図２９から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図３０から、●印における各位相速度は非圧電板２３単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値（２２１９ｍ／ｓ）とほぼ等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の位相速度と、非圧電板２３単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図２８の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極２５がすだれ状電極２６に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極２４および２５がすだれ状電極２７および２８に置き換わった構造が可能である。すだれ状電極２６，２７および２８は、電極周期長の値および電極指の数を除いて、すだれ状電極５，６および７とそれぞれ同様な構造を有する。すだれ状電極２４と２６との間の相対的構造は、図９に示されるすだれ状電極３と５との間の相対的構造と同様であり、すだれ状電極２７と２８との間の相対的構造は、図１１に示されるすだれ状電極６と７との間の相対的構造と同様である。
図３１は本発明の超音波スイッチング素子の第９の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板２１および２２、非圧電板２９、すだれ状電極２４および２５から成る。すだれ状電極２４および２５は圧電基板２１および２２それぞれの上端面に設けられている。圧電基板２１および２２は、それぞれの下端面を介して非圧電板２９の上端面に固着されている。非圧電板２９は厚さｈが４００μｍである。圧電基板２１および２２の分極軸の方向はすだれ状電極２４の電極指の方向と平行になるような向きに配置されている。圧電基板２１と非圧電板２９との界面および圧電基板２２と非圧電板２９との界面は電気的に短絡状態にある。圧電基板２１と非圧電板２９は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板２２と非圧電板２９は２層構造部ＢRを形成する。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板２９の上端面を接触する。
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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極２４および２５に置き換えられる。すだれ状電極２４から電気信号を入力すると、２層構造部ＢTにＳＨ波が励振される。そのＳＨ波は非圧電板２９の上端面に伝搬され、さらに２層構造部ＢRに伝搬されて、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。すだれ状電極２４および２５は、非圧電板２９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。第９の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図３２は図３１の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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、ＳＨ波の周波数ｆと圧電基板２１の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図３２では、非圧電板２９が、非圧電板２９単体に伝搬する横波の速度が４２０３ｍ／ｓで、縦波の速度が７６０４ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度４２０３ｍ／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電基板２１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図３１から、０次および１次以上の高次モードのＳＨ波は大きなｋ2値を有することが分かる。たとえば、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが０次モードのＳＨ波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約０．６ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約３３．８％に達する。
図３３は図３１の２層構造部ＢT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。但し、図３３では、非圧電板２９が図３２と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが各モードのＳＨ波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図３２から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図３３から、●印における各位相速度は非圧電板２９単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値（３３２７ｍ／ｓ）の近傍にあることが分かる。このようにして、２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の位相速度が、非圧電板２９単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にあるときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図３１の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極２５がすだれ状電極２６に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極２４および２５がすだれ状電極２７および２８に置き換わった構造が可能である。
【発明の効果】
本発明の超音波スイッチング素子に含まれるすだれ状電極に関する第▲１▼の構造は、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、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）｝から成るものである。
本発明の超音波スイッチング素子に含まれるすだれ状電極に関する第▲２▼の構造は、入力用すだれ状電極の電極指の交差領域が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、また、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、（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）から成るものである。
本発明の超音波スイッチング素子がすだれ状電極の第▲１▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した超音波は部分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。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、非圧電板において、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、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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がすだれ状電極の第▲２▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した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、非圧電板において、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。もしも、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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。
【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の実施例を示す断面図。
【図２】図１の超音波スイッチング素子の平面図。
【図３】部分Ｒ1mの拡大平面図。
【図４】図１の超音波スイッチング素子の回路構成図。
【図５】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、ｋｈ値との関係を示す特性図。
【図６】圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図７】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、ｋｈ値との関係を示す特性図。
【図８】圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図９】本発明の超音波スイッチング素子の第２の実施例を示す平面図。
【図１０】部分Ｑ1の拡大平面図。
【図１１】本発明の超音波スイッチング素子の第３の実施例を示す平面図。
【図１２】部分Ｂ1の拡大平面図。
【図１３】部分Ｄ1の拡大平面図。
【図１４】本発明の超音波スイッチング素子の第４の実施例を示す断面図。
【図１５】圧電基板８または９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１６】圧電基板８または９を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１７】圧電基板８または９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１８】圧電基板８または９を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１９】本発明の超音波スイッチング素子の第５の実施例を示す断面図。
【図２０】図１９の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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２１】図１９の２層構造部ＢTを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図２２】本発明の超音波スイッチング素子の第６の実施例を示す断面図。
【図２３】図２２の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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２４】図２２の２層構造部ＢTを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図２５】本発明の超音波スイッチング素子の第７の実施例を示す断面図。
【図２６】図２５の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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２７】図２５の２層構造部ＢTを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図２８】本発明の超音波スイッチング素子の第８の実施例を示す断面図。
【図２９】図２８の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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３０】図２８の２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の速度分散曲線を示す特性図。
【図３１】本発明の超音波スイッチング素子の第９の実施例を示す断面図。
【図３２】図３１の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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３３】図３１の２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の速度分散曲線を示す特性図。
【符号の説明】
１ 圧電基板
２，１０，１３，１９，２０，２３，２９ 非圧電板
３，６，１４，１７，２４，２７ 入力用すだれ状電極
４，５，７，１５，１６，１８，２５，２６，２８ 出力用すだれ状電極
８，１１，２１ 入力用圧電基板
９，１２，２２ 出力用圧電基板
ＡＭＰ 増幅器
本発明は、非圧電板に接触することにより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、圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記圧電基板の上端面に設けられ、
前記非圧電板の下端面は、前記圧電基板の前記上端面に前記入力用および出力用すだれ状電極を介して固着され、
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、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上端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し、その弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、
前記部分ＲiaおよびＲibは、前記弾性表面波を電気信号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、前記非圧電板の前記上端面において、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、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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、圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記圧電基板の上端面に設けられ、
前記非圧電板の下端面は、前記圧電基板の前記上端面に前記入力用および出力用すだれ状電極を介して固着され、
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、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上端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し、その弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、
前記出力用すだれ状電極は、前記弾性表面波を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、前記非圧電板の前記上端面において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の上端面に固着され、
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、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、前記入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を前記非圧電板の前記上端面に伝搬させた後、前記出力用圧電基板に伝搬させ、
前記部分ＲiaおよびＲibは、前記弾性表面波を電気信号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、前記非圧電板の前記上端面において、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、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の上端面に固着され、
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、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、前記入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を前記非圧電板の前記上端面に伝搬させた後、前記出力用圧電基板に伝搬させ、
前記出力用すだれ状電極は、前記弾性表面波を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、前記非圧電板の前記上端面において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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５に記載の超音波スイッチング素子は、前記圧電基板の厚さｄが前記電極周期長Ｐのほぼ３倍以上であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、
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、
前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。
請求項６に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の厚さｄが前記電極周期長Ｐよりも小さく、
前記非圧電板の厚さｈは前記電極周期長Ｐのほぼ３倍以上であり、
前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大きく、
前記各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、
前記弾性表面波は１次以上の高次モードの波で、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。
請求項７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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
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、
前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
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入力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢTに超音波を励振し、その超音波を前記非圧電板に伝搬させた後、前記出力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させ、
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、前記非圧電板において、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、前記非圧電板のどちから一方の板面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、または前記非圧電板のどちから一方の板面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８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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
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、
前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
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入力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢTに超音波を励振し、その超音波を前記非圧電板に伝搬させた後、前記出力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させ、
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、前記非圧電板において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板のどちから一方の板面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、または前記非圧電板のどちから一方の板面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９に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。
請求項１０に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄとほぼ等しく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度とほぼ等しく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。
請求項１１に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに前記各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも小さく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。
請求項１２に記載の超音波スイッチング素子は、前記入力用および出力用圧電基板が、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記もう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
前記各圧電基板の前記非圧電板との界面は電気的に開放状態にあり、
前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは、前記各圧電基板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれよりも小さく、
前記非圧電板は、前記非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が前記各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度とほぼ等しいかまたはそれ以下の物質で成り、
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２層構造部ＢTに前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記ＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記ＳＨ波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する横波速度および前記各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値とほぼ等しい。
請求項１３に記載の超音波スイッチング素子は、前記入力用および出力用圧電基板が、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記もう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
前記各圧電基板の前記非圧電板との界面は電気的に短絡状態にあり、
前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに前記各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、
前記非圧電板は、前記非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が前記各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度よりも大きい物質で成り、
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２層構造部ＢTに前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を前記非圧電板の前記一方の板面に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記ＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記ＳＨ波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する横波速度および前記各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にあり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記一方の板面において、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、前記非圧電板の前記一方の板面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、または前記非圧電板の前記一方の板面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１４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１５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１６に記載の超音波スイッチング素子は、前記各圧電基板が圧電セラミックで成る。
請求項１７に記載の超音波スイッチング素子は、前記電気信号Ｅi-1およびＥi-2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の第１の構造は、圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は圧電基板の上端面に設けられ、非圧電板の下端面は、圧電基板の上端面に入力用および出力用すだれ状電極を介して固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子のすだれ状電極に関する第▲１▼の構造は、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、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）｝から成るものである。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。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。また、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。
本発明の超音波スイッチング素子のすだれ状電極に関する第▲２▼の構造は、入力用すだれ状電極の電極指の交差領域が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、また、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、（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）から成るものである。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種類があり、交差幅ＬBPは交差幅ＬBNとsecβとの積に等しい。また、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種類があり、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１の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、圧電基板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を励振し、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させることができる。この弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐのほぼ３倍以上で、非圧電板の厚さｈが電極周期長Ｐよりも小さい構造を採用し、非圧電板単体として、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さい物質を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を向上させることができる。さらに、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構造を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率をさらに向上させることが可能となる。
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圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、入力用および出力用圧電基板は、入力用および出力用圧電基板それぞれのどちらか一方の板面を介して非圧電板の上端面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第２の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を非圧電板の上端面に伝搬させ、さらに非圧電板の上端面から出力用圧電基板に伝搬させることができる。この弾性表面波は１次以上の高次モードの波であり、その位相速度は非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈが電極周期長Ｐのほぼ３倍以上である構造を採用するとともに、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率を向上させることができる。さらに、各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構造を採用することにより、電気信号と弾性表面波との間の変換効率をさらに向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造は、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、入力用および出力用圧電基板は、入力用および出力用圧電基板それぞれのどちらか一方の板面を介して非圧電板のどちらか一方の板面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、入力用圧電基板と非圧電板から成る２層構造部ＢT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し、その弾性波を非圧電板中に伝搬させた後、出力用圧電基板と非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させることができる。この弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波であり、弾性波の位相速度は、弾性波の周波数ｆと各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さいとともに非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄよりも小さく、さらに各圧電基板の分極軸の方向がその厚さｄの方向と平行であり、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、電気信号と弾性波との間の変換効率を向上させることが可能となる。さらに、各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構造を採用することにより、電気信号と弾性波との間の変換効率をさらに向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造では、次のような構造を採用することが可能である。すなわち、各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さいとともに、非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄとほぼ等しく、また、各圧電基板の分極軸の方向はその厚さｄの方向と平行であって、非圧電板としては、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度とほぼ等しい物質が採用される構造である。この構造においても、電気信号と弾性波との間の変換効率を向上させることが可能である。
本発明の超音波スイッチング素子の第３の構造では、次のような構造を採用することが可能である。すなわち、各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈは各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、また、各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、非圧電板としては、非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも小さい物質が採用される構造である。この構造においても、電気信号と弾性波との間の変換効率を向上させることが可能である。
本発明の超音波スイッチング素子の第４の構造は、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、各圧電基板は、それぞれ電極が設けられていない方の板面を介して非圧電板のどちらか一方の板面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第４の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、２層構造部ＢTに電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波（shear horizontal wave）を励振し、そのＳＨ波を非圧電板中に伝搬させた後、２層構造部ＢRに伝搬させることができる。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。２層構造部ＢRに伝搬したＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、このＳＨ波の位相速度は、非圧電板単体に伝搬する横波速度および各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値とほぼ等しい。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれよりも小さく、各圧電基板の非圧電板との界面が電気的に開放状態にあり、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度とほぼ等しいかまたはそれ以下の物質を採用することにより、電気信号とＳＨ波との間の変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子の第５の構造は、入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る。入力用および出力用すだれ状電極は入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、各圧電基板は、それぞれ電極が設けられていない方の板面を介して非圧電板の一方の板面に固着されている。
本発明の超音波スイッチング素子の第５の構造では、電極周期長Ｐにほぼ対応する周波数の電気信号を入力用すだれ状電極に入力することにより、２層構造部ＢTに電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を非圧電板の各圧電基板が設けられた方の板面に伝搬させた後、２層構造部ＢRに伝搬させることができる。このＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、このＳＨ波の位相速度は、非圧電板単体に伝搬する横波速度および各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にある。各圧電基板の厚さｄが電極周期長Ｐよりも小さく、非圧電板の厚さｈが各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、各圧電基板の非圧電板との界面が電気的に短絡状態にあり、非圧電板として、非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度よりも大きい物質を採用することにより、電気信号とＳＨ波との間の変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の超音波スイッチング素子がすだれ状電極の第▲１▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した超音波は部分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。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、非圧電板において、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、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXbと対を成す超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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がすだれ状電極の第▲２▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した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、非圧電板において、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る。もしも、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXbと対を成す超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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、各圧電基板が圧電セラミックで成る構造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Ｅi-1およびＥi-2それぞれの周波数が無線周波数で成る構造を採用することにより、電気信号Ｅi-1またはＥi-2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の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板１、非圧電板２、入力用すだれ状電極３および出力用すだれ状電極４から成る。すだれ状電極３および４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。非圧電板２はガラスの他、フッ素樹脂、アクリル樹脂またはプラスチック等の高分子化合物で成り、その厚さｈは１５０μｍである。圧電基板１の上端面にはすだれ状電極３および４を介して非圧電板２が設けられている。非圧電板２がガラス等で成る場合にはエポキシ系樹脂によって圧電基板１上に固着され、非圧電板２がフッ素樹脂やアクリル樹脂等で成る場合には非圧電板２は圧電基板１上に直接塗布されている。
図２は図１の超音波スイッチング素子の平面図である。但し、図２では圧電基板１、すだれ状電極３および４のみが描かれている。すだれ状電極３は正規型の構造を有し、電極周期長Ｐは４００μｍ、電極交差幅Ｌは１５ｍｍである。すだれ状電極４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３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３の電極周期長Ｐと等しい。
図３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３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３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３の電極交差幅Ｌ（１５ｍｍ）と等しい。
図４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４の出力端は増幅器ＡＭＰに接続される。すだれ状電極３から電気信号を入力すると、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極３と接触する部分に弾性表面波が励振される。この弾性表面波は非圧電板２の上端面に伝搬された後、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極４と接触する部分に伝搬され、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３および４は、非圧電板２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。もしも、非圧電板２の上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４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、非圧電板２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４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３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５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、弾性表面波の波数ｋと非圧電板２の厚さｈとの積（ｋｈ）との関係を示す特性図である。但し、図５では、非圧電板２がガラス板で成り、そのガラス板単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波の速度が４１５６ｍ／ｓである場合の特性図が示される。この横波速度２２９７ｍ／ｓおよび縦波速度４１５６ｍ／ｓという値は、圧電基板１単体の場合の横波速度２３４０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．９倍である。図５では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に０次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｋｈ値が約１．６のときで、このときｋ2は最大値の約１５．５％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６は圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｋｈ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図６では、非圧電板２が図５と同様な材質のガラス板で成る場合の特性図が示される。１次以上の高次モードではカットオフ周波数が存在する。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｋｈ値（図５から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｋｈ値）を示す。０次モードの●印における位相速度（約２１７０ｍ／ｓ）は、圧電基板１の表面が電気的に短絡状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２１５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約２３７０ｍ／ｓ）で、圧電基板１単体の表面が電気的に開放状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２３４０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図７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ｋ2値と、ｋｈ値との関係を示す特性図である。但し、図７では、非圧電板２がガラス板で成り、そのガラス板単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が１９８８ｍ／ｓで縦波の速度が３５９７ｍ／ｓである場合の特性図が示される。この横波速度１９８８ｍ／ｓおよび縦波速度３５９７ｍ／ｓという値は、圧電基板１単体の場合の横波速度２３４０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図７では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に０次モードの弾性表面波に最も効率よく変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｋｈ値が約１．６のときで、このときｋ2は最大値の約１８．５％を示す。
図８は圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、ｋｈ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但し、図８では、非圧電板２が図７と同様な材質のガラス板で成る場合の特性図が示される。１次以上の高次モードではカットオフ周波数が存在する。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｋｈ値（図７から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｋｈ値）を示す。０次モードの●印における位相速度（約２０９５ｍ／ｓ）は、図６で示される０次モードの●印における位相速度（約２１７０ｍ／ｓ）よりも小さいが、圧電基板１単体の表面が電気的に短絡状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２１５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約２３００ｍ／ｓ）で、図６で示される１次以上の高次モードの●印における位相速度（約２３７０ｍ／ｓ）よりも小さいが、圧電基板１単体の表面が電気的に開放状態にあるときの圧電基板１単体のレイリー波速度（２３４０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図５〜８より、非圧電板２に伝搬される弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波であり、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが０次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、電気的に短絡状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。また、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次以上の高次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、電気的に開放状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい。さらに、非圧電板２単体を伝搬する弾性表面波の横波および縦波の速度が小さいほど、圧電基板１から非圧電板２に伝搬される弾性表面波の各モードの位相速度が小さくなる。同様にして、すだれ状電極４において弾性表面波が電気信号に変換される場合には、特に０次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換され、高次モードになるにつれて変換されにくくなる傾向があることが分かる。０次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換されるのは、その０次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に短絡状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい場合であり、１次以上の高次モードの弾性表面波が効率よく電気信号に変換されるのは、その１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度が、電気的に開放状態にある圧電基板１単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい場合である。また、非圧電板２単体を伝搬する弾性表面波の横波および縦波の速度が小さいほど、非圧電板２から圧電基板１に伝搬される弾性表面波の各モードの位相速度が小さくなる。
図９は本発明の超音波スイッチング素子の第２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４が出力用すだれ状電極５に置き換わった構造を有する。図９では圧電基板１、すだれ状電極３および５のみが描かれている。すだれ状電極５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３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３の電極周期長Ｐと等しい。部分Ｒ1mおよびＲ2mの構造は図３に示されている構造と同様である。
図１０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３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３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３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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極４はすだれ状電極５に置き換えられる。すだれ状電極３から電気信号を入力することにより圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極３と接触する部分に励振された弾性表面波は、非圧電板２の上端面に伝搬された後、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極５と接触する部分に伝搬され、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３および５は、非圧電板２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。もしも、非圧電板２の上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５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、非圧電板２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５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３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１１は本発明の超音波スイッチング素子の第３の実施例を示す平面図である。本実施例は図１の第１の実施例の入力用すだれ状電極３および出力用すだれ状電極４が入力用すだれ状電極６および出力用すだれ状電極７に置き換わった構造を有する。図１１では圧電基板１、すだれ状電極６および７のみが描かれている。すだれ状電極６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７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４００μｍである。
図１２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１３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ＬDN（１ｍｍ）の合計（１５ｍｍ）に等しい。
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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極６および７に置き換えられる。すだれ状電極６から電気信号を入力することにより圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極６と接触する部分に励振された弾性表面波は、非圧電板２の上端面に伝搬された後、圧電基板１の上端面の表面近傍のすだれ状電極７と接触する部分に伝搬され、すだれ状電極７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６および７は、非圧電板２の上端面において、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、非圧電板２の上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７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、非圧電板２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７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６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１４は本発明の超音波スイッチング素子の第４の実施例を示す断面図である。本実施例は入力用圧電基板８、出力用圧電基板９、非圧電板１０、すだれ状電極３および４から成る。すだれ状電極３および４は圧電基板８および９それぞれの上端面に設けられている。圧電基板８および９は厚さｄが１５０μｍで、その分極軸の方向は厚さｄの方向と平行である。非圧電板１０は厚さｈが１．５ｍｍである。圧電基板８および９は非圧電板１０の上端面に固着されている。図１４におけるすだれ状電極３と４との間の相対的構造は、図２に示されるすだれ状電極３と４との間の相対的構造と同様である。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板１０の上端面を接触する。
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４の回路構成が用いられる。すだれ状電極３から電気信号を入力すると、圧電基板８に弾性表面波が励振される。この弾性表面波は、非圧電板１０の上端面に伝搬された後、圧電基板９に伝搬され、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。すだれ状電極３および４は、非圧電板１０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。第４の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図１５は圧電基板８または９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、弾性表面波の周波数ｆと圧電基板８または９の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図１５では、非圧電板１０が、非圧電板１０単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が３０９１ｍ／ｓで縦波の速度が５５９２ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度３０９１ｍ／ｓおよび縦波速度５５９２ｍ／ｓという値は、圧電基板８または９単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．３倍である。図１５では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に１次モードの弾性表面波に最も効率よく変換されることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約１．３ＭＨｚ・ｍｍのときで、このときｋ2は最大値の約４．７％を示す。
図１６は圧電基板８または９を伝搬する弾性表面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。但し、図１６では、非圧電板１０が図１５と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図１５から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約２９８０ｍ／ｓ）で、非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度（２８５０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図１７は圧電基板８または９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である。但し、図１７では、非圧電板１０が、非圧電板１０単体を伝搬する弾性表面波の横波の速度が４２０３ｍ／ｓで縦波の速度が７６０４ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度４２０３ｍ／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電基板８または９単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図１７では、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーは特に１次モードの弾性表面波に最も効率よく変換されることが分かる。すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次モードの弾性表面波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約０．７ＭＨｚ・ｍｍのときで、このときｋ2は最大値の約１４．０％を示す。
図１８は圧電基板８または９を伝搬する弾性表面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。但し、図１８では、非圧電板１０が図１７と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが各モードの弾性表面波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図１７から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。１次以上の高次モードの●印における位相速度はほぼ一定（約３８００ｍ／ｓ）で、非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度（３８６０ｍ／ｓ）とほぼ等しい。
図１５〜１８より、非圧電板１０に効率よく伝搬される弾性表面波は１次以上の高次モードの波であることが分かる。また、すだれ状電極３に加えられる電気的エネルギーが１次以上の高次モードの弾性表面波に最も変換されやすい位相速度は、非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度とほぼ等しい。同様にして、すだれ状電極４において１次以上の高次モードの弾性表面波が電気信号に変換される場合、その弾性表面波の位相速度が非圧電板１０単体に伝搬するレイリー波速度とほぼ等しいときに効率よく電気信号に変換される。
図１４の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極４がすだれ状電極５に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極３および４がすだれ状電極６および７に置き換わった構造が可能である。
図１９は本発明の超音波スイッチング素子の第５の実施例を示す断面図である。本実施例は入力用圧電基板１１、出力用圧電基板１２、非圧電板１３、入力用すだれ状電極１４および出力用すだれ状電極１５から成る。すだれ状電極１４および１５は圧電基板１１および１２それぞれの下端面に設けられている。圧電基板１１および１２は厚さｄが１ｍｍで、その分極軸の方向は厚さｄの方向と平行である。非圧電板１３は厚さｈが１５０μｍである。圧電基板１１および１２は非圧電板１３の下端面に固着されている。圧電基板１１と非圧電板１３は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板１２と非圧電板１３は２層構造部ＢRを形成する。図１９におけるすだれ状電極１４と１５との間の相対的構造は図２に示されるすだれ状電極３と４との間の相対的構造と同様である。すだれ状電極１４の電極周期長Ｐは１．６ｍｍ、電極交差幅Ｌは１５ｍｍである。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板１３の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。
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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極１４および１５に置き換えられる。すだれ状電極１４から電気信号を入力すると、２層構造部ＢTに弾性波が励振される。その弾性波は非圧電板１３中に伝搬され、さらに２層構造部ＢRに伝搬されて、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。すだれ状電極１４および１５は、非圧電板１３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。第５の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２０は図１９の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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、弾性波の周波数ｆと圧電基板１１の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図２０では、非圧電板１３が、非圧電板１３単体を伝搬する弾性波の横波の速度が４２０３ｍ／ｓで縦波の速度が７６０４ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度４２０３ｍ／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電基板１１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図２０ではＡ0モードのｋ2値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ0モードを除くモード、つまりＳ0モードおよび１次（Ａ1およびＳ1）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＢTに励振されることが分かる。すだれ状電極１４に加えられる電気的エネルギーは、たとえばＡ2モードの弾性波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約３．８ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約１４％に達する。
図２１は図１９の２層構造部ＢT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。但し、図２１では、非圧電板１３が図２０と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極１４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２０から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図２１ではｆｄ値が零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0は約３７５０ｍ／ｓである。●印における位相速度はほぼＶfd=0値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTに励振される弾性波の位相速度とＶfd=0値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図２２は本発明の超音波スイッチング素子の第６の実施例を示す断面図である。本実施例は図１９の第５の実施例の非圧電板１３が非圧電板１９に置き換わった構造を有する。非圧電板１９は厚さｈが１ｍｍである。圧電基板１１と非圧電板１９は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板１２と非圧電板１９は２層構造部ＢRを形成する。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板１９の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。第６の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２３は図２２の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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である。但し、図２２では、非圧電板１９が、非圧電板１９単体を伝搬する弾性波の横波の速度が２２９７ｍ／ｓで縦波の速度が４１５５ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度２２９７ｍ／ｓおよび縦波速度４１５５ｍ／ｓという値は、圧電基板１１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれとほぼ等しい。図２３ではＡ0モードのｋ2値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ0モードを除くモード、つまりＳ0モードおよび１次（Ａ1およびＳ1）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＢTに励振されることが分かる。すだれ状電極１４に加えられる電気的エネルギーは、たとえばＳ1モードの弾性波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約１．８ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約９．５％に達する。
図２４は図２２の２層構造部ＢT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。但し、図２４では、非圧電板１９が図２３と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極１４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２３から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図２４ではＶfd=0値は約３６７０ｍ／ｓである。●印における位相速度はほぼＶfd=0値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTに励振される弾性波の位相速度とＶfd=0値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図２５は本発明の超音波スイッチング素子の第７の実施例を示す断面図である。本実施例は図１９の第５の実施例の非圧電板１３が非圧電板２０に置き換わった構造を有する。非圧電板２０は厚さｈが１．５ｍｍである。圧電基板１１と非圧電板２０は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板１２と非圧電板２０は２層構造部ＢRを形成する。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板２０の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。第７の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２６は図２５の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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である。但し、図２６では、非圧電板２０が、非圧電板２０単体を伝搬する弾性波の横波の速度が１９８８ｍ／ｓで縦波の速度が３５９７ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度１９８８ｍ／ｓおよび縦波速度３５９７ｍ／ｓという値は、圧電基板１１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図２６ではＡ0モードのｋ2値のみが常に５％を下回っている。従って、Ａ0モードを除くモード、つまりＳ0モードおよび１次（Ａ1およびＳ1）以上の高次モードの弾性波が効率よく２層構造部ＢTに励振されることが分かる。
図２７は図２５の２層構造部ＢT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。但し、図２７では、非圧電板２０が図２６と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極１４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２６から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図２７ではＶfd=0値は約３５００ｍ／ｓである。●印における位相速度はほぼＶfd=0値と等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTに励振される弾性波の位相速度とＶfd=0値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図１９，２２および２５の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極１５がすだれ状電極１６に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極１４および１５がすだれ状電極１７および１８に置き換わった構造が可能である。すだれ状電極１６，１７および１８は、電極周期長の値を除いて、すだれ状電極５，６および７とそれぞれ同様な構造を有する。すだれ状電極１４と１６との間の相対的構造は、図９に示されるすだれ状電極３と５との間の相対的構造と同様であり、すだれ状電極１７と１８との間の相対的構造は、図１１に示されるすだれ状電極６と７との間の相対的構造と同様である。
図２８は本発明の超音波スイッチング素子の第８の実施例を示す断面図である。本実施例は入力用圧電基板２１、出力用圧電基板２２、非圧電板２３、入力すだれ状電極２４および出力用すだれ状電極２５から成る。すだれ状電極２４および２５は圧電基板２１および２２それぞれの下端面に設けられている。圧電基板２１および２２は、それぞれの上端面を介して非圧電板２３の下端面に固着されている。圧電基板２１および２２は厚さｄが２００μｍで、その分極軸の方向はすだれ状電極２４の電極指の方向と平行になるような向きに配置されている。非圧電板２３は厚さｈが２００μｍである。圧電基板２１と非圧電板２３との界面および圧電基板２２と非圧電板２３との界面は電気的に開放状態にある。圧電基板２１と非圧電板２３は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板２２と非圧電板２３は２層構造部ＢRを形成する。図２８におけるすだれ状電極２４と２５との間の相対的構造は図２に示されるすだれ状電極３と４との間の相対的構造と同様である。すだれ状電極２４は３対の電極指を有し、その電極周期長Ｐは２９０μｍ、電極交差幅Ｌは１５ｍｍである。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板２３の上端面または下端面のどちらを接触してもよい。
第８の実施例の超音波スイッチング素子を駆動する場合、図４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極２４および２５に置き換えられる。すだれ状電極２４から電気信号を入力すると、２層構造部ＢTにＳＨ波が励振される。そのＳＨ波は非圧電板２３中に伝搬され、さらに２層構造部ＢRに伝搬されて、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。すだれ状電極２４および２５は、非圧電板２３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。第８の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図２９は図２８の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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、ＳＨ波の周波数ｆと圧電基板２１の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図２９では、非圧電板２３が、非圧電板２３単体に伝搬する横波の速度が１９８８ｍ／ｓで、縦波の速度が３５９７ｍ／ｓあるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度１９８８ｍ／ｓおよび縦波速度３５９７ｍ／ｓという値は、圧電基板２１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ０．８倍である。図２９から、０次および１次以上の高次モードのＳＨ波は大きなｋ2値を有することが分かるが、特に、２次以上の高次モードのＳＨ波はデバイスを設計する上でも扱いやすいことが分かる。このようにして、たとえば、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが２次モードのＳＨ波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約３．３ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約２２．５％に達する。
図３０は図２８の２層構造部ＢT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。但し、図３０では、非圧電板２３が図２９と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが各モードのＳＨ波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図２９から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図３０から、●印における各位相速度は非圧電板２３単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値（２２１９ｍ／ｓ）とほぼ等しいことが分かる。このようにして、２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の位相速度と、非圧電板２３単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値とがほぼ一致するときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図２８の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極２５がすだれ状電極２６に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極２４および２５がすだれ状電極２７および２８に置き換わった構造が可能である。すだれ状電極２６，２７および２８は、電極周期長の値および電極指の数を除いて、すだれ状電極５，６および７とそれぞれ同様な構造を有する。すだれ状電極２４と２６との間の相対的構造は、図９に示されるすだれ状電極３と５との間の相対的構造と同様であり、すだれ状電極２７と２８との間の相対的構造は、図１１に示されるすだれ状電極６と７との間の相対的構造と同様である。
図３１は本発明の超音波スイッチング素子の第９の実施例を示す断面図である。本実施例は圧電基板２１および２２、非圧電板２９、すだれ状電極２４および２５から成る。すだれ状電極２４および２５は圧電基板２１および２２それぞれの上端面に設けられている。圧電基板２１および２２は、それぞれの下端面を介して非圧電板２９の上端面に固着されている。非圧電板２９は厚さｈが４００μｍである。圧電基板２１および２２の分極軸の方向はすだれ状電極２４の電極指の方向と平行になるような向きに配置されている。圧電基板２１と非圧電板２９との界面および圧電基板２２と非圧電板２９との界面は電気的に短絡状態にある。圧電基板２１と非圧電板２９は２層構造部ＢTを形成し、圧電基板２２と非圧電板２９は２層構造部ＢRを形成する。本実施例の超音波スイッチング素子を使用する場合、非圧電板２９の上端面を接触する。
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４の回路構成が用いられる。但し、図４のすだれ状電極３および４はすだれ状電極２４および２５に置き換えられる。すだれ状電極２４から電気信号を入力すると、２層構造部ＢTにＳＨ波が励振される。そのＳＨ波は非圧電板２９の上端面に伝搬され、さらに２層構造部ＢRに伝搬されて、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。すだれ状電極２４および２５は、非圧電板２９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。第９の実施例の超音波スイッチング素子もまたスイッチとして有効な機能を果たす。
図３２は図３１の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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、ＳＨ波の周波数ｆと圧電基板２１の厚さｄとの積（ｆｄ）との関係を示す特性図である。但し、図３２では、非圧電板２９が、非圧電板２９単体に伝搬する横波の速度が４２０３ｍ／ｓで、縦波の速度が７６０４ｍ／ｓであるような材質で成る場合の特性図が示される。この横波速度４２０３ｍ／ｓおよび縦波速度７６０４ｍ／ｓという値は、圧電基板２１単体の場合の横波速度２４５０ｍ／ｓおよび縦波速度４３９０ｍ／ｓそれぞれのほぼ１．７倍である。図３１から、０次および１次以上の高次モードのＳＨ波は大きなｋ2値を有することが分かる。たとえば、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが０次モードのＳＨ波に最も変換されやすいのはｆｄ値が約０．６ＭＨｚ・ｍｍのときであり、このときｋ2値は最大値の約３３．８％に達する。
図３３は図３１の２層構造部ＢT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。但し、図３３では、非圧電板２９が図３２と同様な材質で成る場合の特性図が示される。●印は、すだれ状電極２４に加えられる電気的エネルギーが各モードのＳＨ波に最も効率よく変換されるｆｄ値（図３２から算出した値で、ｋ2が最大値を示すｆｄ値）を示す。図３３から、●印における各位相速度は非圧電板２９単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値（３３２７ｍ／ｓ）の近傍にあることが分かる。このようにして、２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の位相速度が、非圧電板２９単体に伝搬する横波速度および圧電基板２１単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にあるときのｆｄ値がｋ2の最大値をもたらすことが分かる。
図３１の超音波スイッチング素子では、すだれ状電極２５がすだれ状電極２６に置き換わった構造が可能であるとともに、すだれ状電極２４および２５がすだれ状電極２７および２８に置き換わった構造が可能である。
【発明の効果】
本発明の超音波スイッチング素子に含まれるすだれ状電極に関する第▲１▼の構造は、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、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）｝から成るものである。
本発明の超音波スイッチング素子に含まれるすだれ状電極に関する第▲２▼の構造は、入力用すだれ状電極の電極指の交差領域が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、また、出力用すだれ状電極の電極指の交差領域が、（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）から成るものである。
本発明の超音波スイッチング素子がすだれ状電極の第▲１▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した超音波は部分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。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、非圧電板において、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、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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がすだれ状電極の第▲２▼の構造を有する場合、非圧電板に伝搬した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、非圧電板において、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。もしも、非圧電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、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が出力用すだれ状電極から出力される。同様にして、超音波伝搬路ＺXbが遮断されると、超音波伝搬路ＺXaに対応する電気信号ＥXaが出力用すだれ状電極から出力される。このようにして、本発明の超音波スイッチング素子は、非圧電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。
【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の実施例を示す断面図。
【図２】図１の超音波スイッチング素子の平面図。
【図３】部分Ｒ1mの拡大平面図。
【図４】図１の超音波スイッチング素子の回路構成図。
【図５】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、ｋｈ値との関係を示す特性図。
【図６】圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図７】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、ｋｈ値との関係を示す特性図。
【図８】圧電基板１の表面近傍を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図９】本発明の超音波スイッチング素子の第２の実施例を示す平面図。
【図１０】部分Ｑ1の拡大平面図。
【図１１】本発明の超音波スイッチング素子の第３の実施例を示す平面図。
【図１２】部分Ｂ1の拡大平面図。
【図１３】部分Ｄ1の拡大平面図。
【図１４】本発明の超音波スイッチング素子の第４の実施例を示す断面図。
【図１５】圧電基板８または９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１６】圧電基板８または９を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１７】圧電基板８または９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１８】圧電基板８または９を伝搬する弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図１９】本発明の超音波スイッチング素子の第５の実施例を示す断面図。
【図２０】図１９の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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２１】図１９の２層構造部ＢTを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図２２】本発明の超音波スイッチング素子の第６の実施例を示す断面図。
【図２３】図２２の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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２４】図２２の２層構造部ＢTを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図２５】本発明の超音波スイッチング素子の第７の実施例を示す断面図。
【図２６】図２５の２層構造部ＢTにおける圧電基板１１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２７】図２５の２層構造部ＢTを伝搬する弾性波の速度分散曲線を示す特性図。
【図２８】本発明の超音波スイッチング素子の第８の実施例を示す断面図。
【図２９】図２８の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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３０】図２８の２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の速度分散曲線を示す特性図。
【図３１】本発明の超音波スイッチング素子の第９の実施例を示す断面図。
【図３２】図３１の２層構造部ＢTにおける圧電基板２１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３３】図３１の２層構造部ＢTを伝搬するＳＨ波の速度分散曲線を示す特性図。
【符号の説明】
１ 圧電基板
２，１０，１３，１９，２０，２３，２９ 非圧電板
３，６，１４，１７，２４，２７ 入力用すだれ状電極
４，５，７，１５，１６，１８，２５，２６，２８ 出力用すだれ状電極
８，１１，２１ 入力用圧電基板
９，１２，２２ 出力用圧電基板
ＡＭＰ 増幅器
Claims (17)
- 圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記圧電基板の上端面に設けられ、
前記非圧電板の下端面は、前記圧電基板の前記上端面に前記入力用および出力用すだれ状電極を介して固着され、
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、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上端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し、その弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、
前記部分ＲiaおよびＲibは、前記弾性表面波を電気信号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、前記非圧電板の前記上端面において、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、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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。 - 圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記圧電基板の上端面に設けられ、
前記非圧電板の下端面は、前記圧電基板の前記上端面に前記入力用および出力用すだれ状電極を介して固着され、
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、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上端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し、その弾性表面波を前記非圧電板の上端面に伝搬させ、
前記出力用すだれ状電極は、前記弾性表面波を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、前記非圧電板の前記上端面において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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。 - 入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の上端面に固着され、
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、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、前記入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を前記非圧電板の前記上端面に伝搬させた後、前記出力用圧電基板に伝搬させ、
前記部分ＲiaおよびＲibは、前記弾性表面波を電気信号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、前記非圧電板の前記上端面において、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、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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。 - 入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の上端面に固着され、
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、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、前記入力用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表面波を励振し、その弾性表面波を前記非圧電板の前記上端面に伝搬させた後、前記出力用圧電基板に伝搬させ、
前記出力用すだれ状電極は、前記弾性表面波を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、前記非圧電板の前記上端面において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記上端面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、または前記非圧電板の前記上端面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。 - 前記圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐのほぼ３倍以上であり、
前記非圧電板の厚さｈは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも小さく、
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、
前記弾性表面波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記０次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に短絡状態にある前記圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しく、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、電気的に開放状態にある前記圧電基板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい請求項１または２に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
前記非圧電板の厚さｈは前記電極周期長Ｐのほぼ３倍以上であり、
前記非圧電板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性表面波の位相速度よりも大きく、
前記各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、
前記弾性表面波は１次以上の高次モードの波で、前記１次以上の高次モードの弾性表面波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬するレイリー波の速度とほぼ等しい請求項３または４に記載の超音波スイッチング素子。 - 入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
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、
前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
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入力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢTに超音波を励振し、その超音波を前記非圧電板に伝搬させた後、前記出力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させ、
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、前記非圧電板において、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、前記非圧電板のどちから一方の板面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、または前記非圧電板のどちから一方の板面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。 - 入力用および出力用圧電基板、非圧電板、入力用および出力用すだれ状電極から成る超音波スイッチング素子であって、
前記入力用および出力用すだれ状電極は前記入力用および出力用圧電基板それぞれの一方の板面に設けられ、
前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記一方の板面またはもう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
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、
前記各圧電基板の厚さｄは前記電極周期長Ｐよりも小さく、
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入力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢTに超音波を励振し、その超音波を前記非圧電板に伝搬させた後、前記出力用圧電基板と前記非圧電板から成る２層構造部ＢRに伝搬させ、
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、前記非圧電板において、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、
前記出力用すだれ状電極は、前記非圧電板のどちから一方の板面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、または前記非圧電板のどちから一方の板面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。 - 前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも大きく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい請求項７または８記載の超音波スイッチング素子。 - 前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄとほぼ等しく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度とほぼ等しく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい請求項７または８に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに前記各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、前記非圧電板単体に伝搬する弾性波の位相速度は、前記各圧電基板単体に伝搬する弾性波の位相速度よりも小さく、
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２層構造部ＢT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し、その弾性波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記弾性波はＳ0モードおよび１次以上の高次モードの波で、
前記２層構造部ＢTに励振される前記弾性波の位相速度は、前記弾性波の周波数ｆと前記各圧電基板の厚さｄとの積ｆｄが零の近傍にある場合のＳ0モードの弾性波の位相速度Ｖfd=0とほぼ等しい請求項７または８に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記もう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
前記各圧電基板の前記非圧電板との界面は電気的に開放状態にあり、
前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは、前記各圧電基板の厚さｄとほぼ等しいかまたはそれよりも小さく、
前記非圧電板は、前記非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が前記各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度とほぼ等しいかまたはそれ以下の物質で成り、
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２層構造部ＢTに前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を前記非圧電板中に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記ＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記ＳＨ波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する横波速度および前記各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値とほぼ等しい請求項７または８に記載の超音波スイッチング素子。 - 前記入力用および出力用圧電基板は、前記入力用および出力用圧電基板それぞれの前記もう一方の板面を介して前記非圧電板の一方の板面に固着され、
前記各圧電基板の前記非圧電板との界面は電気的に短絡状態にあり、
前記各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、
前記非圧電板の厚さｈは前記各圧電基板の厚さｄよりも大きいとともに前記各圧電基板の厚さｄの２倍よりも小さく、
前記非圧電板は、前記非圧電板単体に伝搬する横波の位相速度が前記各圧電基板単体に伝搬する横波の位相速度よりも大きい物質で成り、
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２層構造部ＢTに前記電極周期長Ｐとほぼ等しい波長を有するＳＨ波を励振し、そのＳＨ波を前記非圧電板の前記一方の板面に伝搬させた後、前記２層構造部ＢRに伝搬させ、
前記ＳＨ波は０次モードおよび１次以上の高次モードの波で、前記ＳＨ波の位相速度は、前記非圧電板単体に伝搬する横波速度および前記各圧電基板単体に伝搬する横波速度の平均値の近傍にあり、
前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記非圧電板の前記一方の板面において、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、前記非圧電板の前記一方の板面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、または前記非圧電板の前記一方の板面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７または８に記載の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１，３または７に記載の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２，４または８に記載の超音波スイッチング素子。
- 前記各圧電基板が圧電セラミックで成る請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４または１５に記載の超音波スイッチング素子。
- 前記電気信号Ｅi-1およびＥi-2それぞれの周波数が無線周波数で成る請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５または１６に記載の超音波スイッチング素子。
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