JP4438251B2

JP4438251B2 - 超音波タッチパネル

Info

Publication number: JP4438251B2
Application number: JP2001143245A
Authority: JP
Inventors: 秀樹北島; 文雄木村; 孝史皿田; 正隆新荻; 耕司戸田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2021-05-14
Also published as: JP2002342031A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送受信装置を非圧電基板に備えることにより、その非圧電基板に指または物体が接触したことを検出する超音波タッチパネルに関する
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波タッチパネルとしては、表面弾性波を使用する方法が普及している。
【０００３】
表面弾性波を使用する従来の方法としては、特許第２０５５３９１号に代表される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ガラス等の非圧電基板を励振する方法、特許第３０１０６９９号に代表される超音波トランスデューサを非圧電基板周辺部に配置し、対向して配置される送信側トランスデューサと受信側トランスデューサ間の伝搬損失の変化を検出する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バルク波振動子を用いたくさび形トランスデューサを使用する従来の方式は、非圧電基板を間接的に励振し、かつ非圧電基板周辺部に配置された凹凸状の反射アレイで表面弾性波を２回反射させるため、表面弾性波の損失が大きく、トランスデューサ駆動電圧を高く設定する必要があり、低消費電力化、低コスト化が困難であった。
【０００５】
超音波トランスデューサを非圧電基板周辺部に配置し、対向して複数配置される送信側トランスデューサと受信側トランスデューサ間の伝搬損失の変化を検出する従来の方法では、有効領域の拡大や分解能の向上を目的としてトランスデューサ数を増加させた場合、トランスデューサ数に応じた信号ライン及びスイッチが必要となり、無効領域の増加及びコスト増の要因となっていた。
【０００６】
本発明の目的は、小型かつ低コストで消費電力の少ない超音波タッチパネルを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、第１の構成としては、
圧電材料からなり、複数のすだれ状電極を表面に形成した超音波トランスデューサが非圧電基板の一方の表面に対向して配置され、かつ、対向する超音波トランスデューサ間を伝搬する表面弾性波の伝搬路が互いに交差するように配置され、超音波トランスデューサのすだれ状電極を選択回路で選択し、人指若しくは指示器の接触による表面弾性波の変化に基づき、前記人指若しくは指示器の位置を検出する超音波タッチパネルにおいて、
パルス発生器から入力される電気信号に応じて、表面弾性波に変換する送信側の超音波トランスデューサと、前記表面弾性波に共振し、表面弾性波の伝搬方向に対して垂直方向に超音波を送信する伝搬方向変換手段と、前記超音波を電気信号に変換する受信用電極を有する受信側の超音波トランスデューサとを含み、前記受信用電極で受信した超音波の振幅情報を得て、前記表面弾性波の減衰部の遅延時間変化に基づき、前記人指若しくは指示器の接触位置を算出する超音波タッチパネルを構成した。
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、第２の構成としては、第１の構成の超音波タッチパネルにおいて、
伝搬方向変換手段が、圧電材料からなり、送信側の超音波トランスデューサのすだれ状電極に対して平行な電極部と、受信側の超音波トランスデューサのすだれ状電極に対して平行な電極部が前記圧電材料の表面に形成され、送信側の超音波トランスデューサが送信する表面弾性波で共振し、受信側の超音波トランスデューサの受信用電極に対して超音波を送信する超音波共振子となるように超音波タッチパネルを構成した。
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、第３の構成としては、第１及び第２の構成の超音波タッチパネルにおいて、
送信側の超音波トランスデューサはすだれ状電極毎に分割され、複数の送信側のトランスデューサを選択回路で順次選択するように超音波タッチパネルを構成した。
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、第４の構成としては、前記第１〜３の構成の超音波タッチパネルにおいて、
送信側の超音波トランスデューサと、前記表面弾性波に共振して表面弾性波の進行方向と垂直に超音波を送信する伝搬方向変換手段及び前記超音波を受信するすだれ状電極を有する受信側の超音波トランスデューサと、増幅器を含み、前記送信側の超音波トランスデューサと前記受信側の超音波トランスデューサの受信部と増幅器が表面弾性波及び超音波を遅延線とする発振器となるように構成され、指若しくは指示器接触時に発生する表面弾性波の減衰に伴なう受信側の超音波トランスデューサ出力の振幅の時間変化に基づき、前記人指若しくは指示器の接触位置を算出するように超音波タッチパネルを構成した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の超音波タッチパネルにおける第１の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は前記第１の実施例を示す概略図である。
【００１３】
１は超音波タッチパネル本体である。２ａ〜２ｄはＰＺＴ等の圧電材料の表面に送信用電極Ｔｎ、超音波共振子Ｕｎ、受信用電極Ｒｎを表面に形成した超音波トランスデューサである。３はガラスやアクリル等からなり、表面弾性波の伝搬路となる非圧電基板である。４は指示位置を入力する指である。なお、本実施例では位置を指示し、表面弾性波の減衰を伴う物体として指を使用しているが、指と同様に非圧電基板接触時に表面弾性波の減衰を伴うスタイラスペンやカーソルなどの指示器を使用することも可能である。
【００１４】
図２〜４に電極の実際の形状を示す。図２に示す、すだれ状の送信用電極Ｔｎはアルミニウムなど導電性薄膜で構成され、ＰＺＴなど圧電材料で構成される圧電磁器薄板１６の表面に形成され、すだれ状の受信用電極Ｔｎの電極指は、送信する表面弾性波の波長に応じて決定される電極周期長を隔てて、すだれ状に形成されている。
【００１５】
図３に示す超音波共振子Ｕｎは互いに間挿する電極指を有する第１のすだれ状電極部１５ａと、該すだれ状電極部１５ａと電極指方向が９０°異なる第２のすだれ状電極部１５ｂからなる。
【００１６】
図４に示す、すだれ状の受信用電極Ｒｎは導電性薄膜で構成され、圧電材料で構成される圧電磁器薄板１６の表面に形成され、電極指は、受信する超音波の波長に応じて決定される電極周期長を隔てて、すだれ状に形成されている。
【００１７】
図５は超音波タッチパネルの駆動回路である回路ブロック構成を示す。５は超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサに含まれる電極を選択する選択回路、６は前記電極部の電極周期長に対応する周波数の電気信号を生成するパルス発生器、７は信号処理回路であり、受信側の超音波トランスデューサで変換した電気信号を整流、平滑、増幅等の処理を行い、表面弾性波の減衰量に応じた電気信号を出力する。８はカウンタであり、選択回路５でトランスデューサ及び電極を選択するタイミングで立ちあがり、クロック生成回路９のクロックパルス開始時に同期してカウントし、カウント情報として出力する。
【００１８】
１０はＡ／Ｄ変換回路で、表面弾性波の振幅をデジタル値に変換する。１１ａ及び１１ｂはバッファであり、それぞれ、カウント情報及び表面弾性波の振幅情報を一時記憶し、１３のＲＡＭに転送する、１４はＣＰＵであり、選択回路５とパルス発生器６と信号処理回路７の制御を行い、カウンタ８のカウント出力及び表面弾性波の振幅情報を含むＡ／Ｄ変換回路１０の出力に基づき、指の指示位置を算出する。
【００１９】
図５〜７に基づき、超音波タッチパネルの動作について説明する。
【００２０】
最初に、指４が非圧電基板３に接触していない場合（非接触状態）について説明する。
【００２１】
パルス発生器６は超音波トランスデューサのすだれ状電極の電極周期長に対応する周波数である数ＭＨｚの電気信号を生成し、パルス出力信号として出力する。続いて、選択回路５ａを介して、このパルス出力信号を送信側の超音波トランスデューサ２ａに入力し、送信用電極Ｔｎで電気信号を表面弾性波に変換する。超音波共振子Ｕｎのすだれ状電極部１５ａで表面弾性波を受信し、すだれ状電極部１５ａ及び１５ｂに電気信号が発生し、前記表面弾性波の進行方向に対して垂直方向に超音波を伝搬させる。一方、受信用電極Ｒｎに、圧電磁器薄板１６を媒体として伝搬する超音波を電気信号に変換し、選択回路５ｂを介して、図６で示すように信号処理回路７で前記電気信号を（ｂ）整流、（ｃ）平滑、（ｄ）増幅して、表面弾性波の振幅のアナログ値として出力する。
【００２２】
指４が非圧電基板３に接触していない場合（非接触状態）には、送信側の超音波トランスデューサから出力される表面弾性波が受信用の超音波トランスデューサ２ｂの超音波共振子Ｕｎに到達する。この超音波共振子Ｕｎのすだれ状電極部１５ａで表面弾性波を電気信号に変換し、すだれ状電極部１５ｂで電気信号を超音波に変換し、受信用電極Ｒｎで超音波を電気信号に変換する。信号処理回路７に前記電気信号を入力して、整流、平滑、増幅し、前記超音波の振幅のアナログ値として出力し、Ａ／Ｄ変換回路１０でデジタル値に変換する。続いて、選択回路で送信側のトランスデューサのすだれ状電極を順次走査し、同様の動作を行う。非接触状態の場合は、図７（ａ）で示すように、表面弾性波の減衰部を検出できず、ＣＰＵ１３で非接触状態と判断して、座標算出を行わない。
【００２３】
指４が非圧電基板３に接触した場合（接触状態）は、送信側の超音波トランスデューサから出力される表面弾性波が超音波共振子Ｕｎを介して、受信用電極Ｒｎで超音波を電気信号に変換する。信号処理回路７及びＡ／Ｄ変換回路を介して表面弾性波の振幅情報を得る。接触状態の場合、図７（ｂ）で示すように、指の接触位置に対応する送信側の超音波トランスデューサＴｎと超音波共振子Ｕｎの間で表面弾性波が減衰し、超音波共振子Ｕｎと受信用電極Ｒｎとの距離に比例して減衰部の遅延時間の変化が発生するため、その遅延時間の変化を検出し、更に選択した送信用電極Ｔｎの位置情報を含めて、ｘ方向の指の指示位置を算出することが可能となる。
【００２４】
表面弾性波の減衰が大きく、接触状態と判定した場合、更に指のｙ軸方向の指示位置を得るためにｙ軸方向の全面走査を開始し、表面弾性波が減衰している時に選択した超音波トランスデューサ２ｃ、２ｄ及びすだれ状電極Ｔn、Ｒnの位置と表面弾性波の減衰部に対応する遅延時間の変化を検出することにより、ｘ軸方向と同様にｙ軸方向の指の指示位置をＣＰＵ１３で算出する。
【００２５】
図１に示す超音波タッチパネルの構成では、表面弾性波の進行方向の変換手段として超音波共振子を使用しているが、図８に示すような、非圧電基板状に形成した凹凸状の反射格子１７を使用することも十分可能である。
【００２６】
図１に示す超音波タッチパネルの構成では、超音波トランスデューサ２ａ〜２ｄに送信用電極Ｔｎが複数含まれる形で形成されているが、図９に示すように、電極毎に分割した形で、複数の送信用超音波トランスデューサを配置してもよい。
【００２７】
次に、本発明の超音波タッチパネルにおける第２の実施例について説明する。
【００２８】
第２の実施例は、図５に示す回路ブロック構成の代わりに、選択回路を介して送信側の超音波トランスデューサ及び受信側の超音波トランスデューサを増幅器１４と接続し、表面弾性波及び超音波の伝搬路を遅延素子とする発振器として構成した回路ブロック構成を適用する。
【００２９】
この図１０で示す第２の実施例の構成では、指が非圧電基板に接触した時、表面弾性波が減衰して、受信側の超音波トランスデューサから出力される電気信号が変化するため、この電気信号の振幅の時間変化を検出することにより、第１の実施例と同様に指の指示位置の算出を行うことが可能である。
【００３０】
更に、この第２の実施例の構成では、パルス発生回路を使用せず、送信側超音波トランスデューサ−受信側の超音波トランスデューサ−増幅器を経路として、自励発振回路を構成するため、第１の実施例と同様に、低消費電力化及び指の指示位置出力の高速化等に有効である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、指接触時に表面弾性波が減衰した状態に生じる振幅の相対的変化を検出し、その表面弾性波の減衰部の遅延時間変化に基づき座標算出を行うため、送信側及び受信側超音波トランスデューサ個々の特性バラツキによって発生する振幅の大小による影響を低減することが可能である。更に、受信側の選択回路の切り替え動作が不要となるため、低コスト化が可能となり、低消費電力化及び指の指示位置出力の高速化に対しても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における超音波タッチパネルの構成を示した概略図である。
【図２】すだれ状電極Ｔｎの詳細を示した拡大図である。
【図３】超音波共振子のすだれ状電極部の詳細を示した拡大図である。
【図４】すだれ状電極Ｒｎの詳細を示した拡大図である。
【図５】超音波タッチパネルの回路ブロック構成を示す説明図である。
【図６】指接触及び非接触時の信号処理回路の出力を示した波形図である。
【図７】信号処理回路の信号処理方法を説明した波形図である。
【図８】本発明における他の超音波タッチパネルの構成を示した概略図である。
【図９】本発明における他の超音波タッチパネルの構成を示した概略図である。
【図１０】超音波タッチパネルの他の回路ブロック構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・超音波タッチパネル
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・超音波トランスデューサ
３・・・非圧電基板
４・・・指
５ａ、５ｂ・・・選択回路
６・・・パルス発生器
７・・・信号処理回路
８・・・カウンタ回路
９・・・クロック生成回路
１０・・・Ａ／Ｄ変換回路
１１ａ、１１ｂ・・・バッファ
１２・・・ＲＡＭ
１３・・・ＣＰＵ
１４・・・増幅器
１５ａ、１５ｂ・・・すだれ状電極部
１６・・・圧電磁器薄板
１７・・・反射格子
Ｔｎ・・・送信用電極
Ｕｎ・・・超音波共振子
Ｒｎ・・・受信用電極

Claims

圧電材料からなり、複数のすだれ状電極を表面に形成した超音波トランスデューサが非圧電基板の一方の表面に対向して配置され、かつ、対向する超音波トランスデューサ間を伝搬する表面弾性波の伝搬路が互いに交差するように配置され、超音波トランスデューサのすだれ状電極を選択回路で選択し、人指若しくは指示器の接触による表面弾性波の変化に基づき、前記人指若しくは指示器の位置を検出する超音波タッチパネルにおいて、
パルス発生器から入力される電気信号に応じて、表面弾性波に変換する送信側の超音波トランスデューサと、前記表面弾性波に共振し、表面弾性波の伝搬方向に対して垂直方向に超音波を送信する伝搬方向変換手段と、前記超音波を電気信号に変換する受信用電極を有する受信側の超音波トランスデューサとを含み、前記受信用電極で受信した超音波の振幅情報を得て、前記表面弾性波の減衰部の遅延時間変化に基づき、前記人指若しくは指示器の接触位置を算出する超音波タッチパネル。
前記伝搬方向変換手段が、圧電材料からなり、送信側の超音波トランスデューサのすだれ状電極に対して平行な電極部と、受信側の超音波トランスデューサのすだれ状電極に対して平行な電極部が前記圧電材料の表面に形成され、送信側の超音波トランスデューサが送信する表面弾性波で共振し、受信側の超音波トランスデューサの受信用電極に対して超音波を送信する超音波共振子で構成される請求項１記載の超音波タッチパネル。
送信側の超音波トランスデューサはすだれ状電極毎に分割され、複数の送信側のトランスデューサを選択回路で順次選択する請求項１または２に記載の超音波タッチパネル。
送信側の超音波トランスデューサと、前記表面弾性波に共振して表面弾性波の進行方向と垂直に超音波を送信する伝搬方向変換手段及び前記超音波を受信するすだれ状電極を有する受信側の超音波トランスデューサと、増幅器を含み、前記送信側の超音波トランスデューサと前記受信側の超音波トランスデューサの受信部と増幅器が表面弾性波及び超音波を遅延線とする発振器となるように構成され、指若しくは指示器接触時に発生する表面弾性波の減衰に伴なう受信側の超音波トランスデューサ出力の振幅の時間変化に基づき、前記人指若しくは指示器の接触位置を算出する請求項１から３までのいずれかに記載の超音波タッチパネル。