JP4806632B2 - プロファイルの小さい回折格子／トランスデューサー・アッセンブリを備えた弾性波タッチセンサー - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明の分野は、タッチセンサー技術に関しており、より詳細には、弾性波タッチセンサー技術（または表面弾性波タッチセンサー技術もしくは音波タッチセンサー技術もしくは超音波タッチセンサー技術、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｏｕｃｈ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）に関している。

発明の背景
タッチセンサーは、コンピューターおよび他の電子システムのための透明または不透明な入力デバイスである。名称から分かるように、タッチセンサーは、ユーザーの指、スタイラス（または棒、ｓｔｙｌｕｓ）または他のデバイスに起因した接触によって作動する。透明なタッチセンサー（特にタッチスクリーン）は、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマもしくはエレクトロルミネセント等のディスプレイ・デバイスまたは他の種類のディスプレイと組み合わされて使用されて、タッチ・ディスプレイを形成する。かかるタッチ・ディスプレイは、レストランのオーダー・エントリー・システム、工業的なプロセス制御の用途、双方向ミュージアムの展示、公共の情報提供所（ｐｕｂｌｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｋｉｏｓｋ）、ポケットベル、携帯電話、パーソナル携帯情報機器（ＰＤＡ）およびテレビ・ゲーム等の商業用途に対して用いられつつある。

現在、用いられている主なタッチ技術は、抵抗方式、容量方式、赤外線方式および弾性波方式である。かかるタッチスクリーンは、コスト的に競争力のある価格で高水準の性能をもたらす。かかるタッチスクリーンの全ては、タッチに反応し、タッチ位置座標をホスト・コンピューターに伝える透明デバイスである。超音波タッチスクリーンとしても知られる弾性波タッチスクリーンは、他のタッチ技術と有効に対抗し得るものである。これは、弾性波タッチスクリーンが、耐久性のあるタッチ表面を供しつつ、高い透明度および高い分解能のタッチ性能を有する必要がある厳しい用途に対応できることに主に起因する。

一般的に、弾性波タッチスクリーンは、弾性波が伝搬し、かつ、タッチに対して感度を有する基板を有して成る。基板表面がタッチされると、基板を伝搬する波エネルギーの少なくとも一部が吸収される。タッチ位置は、電子回路を用いて、タッチスクリーン上に形成された概念的で目に見えないＸＹ座標系の吸収位置を突き止めることによって決められる。それは、基本的には、波が最初に伝搬する時間を記録し、次いで、タッチによって波の振幅が減衰する時間を記録することによって行われている。タッチ位置を正確に決定するには、基板を伝搬する波の既知の速度と共に、上記の時間の差が用いられることになる。

一般的に、透明なタッチセンサー（特にタッチスクリーン）は、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマもしくはエレクトロルミネセント等のディスプレイ・デバイスまたは他の種類のディスプレイの上に設けられる。別法にて、ディスプレイ・デバイスの表面がタッチに対して感度を有するように、タッチスクリーンをディスプレイ・デバイスの前面（または正面）に直接的に形成することもできる。後者では、看者とディスプレイ・デバイスとの間でガラスまたは他の材料が排除されるので、感知されるディスプレイ輝度およびコントラスト比が増加することになる。また、オーバーレイ・ガラス（ｏｖｅｒｌａｙ ｇｌａｓｓ）を用いなくてよいので、オーバーレイ・ガラスの空間を設けるべくディスプレイ・デバイスの胴体（ｃｈａｓｓｉｓ）を変更する必要がないという点で経済的な利点が存在する。

弾性波タッチスクリーンは、弾性波基板およびトランスデューサーを有して成る。なお、トランスデューサーでは、エネルギーがある形態から別の形態へと変えられる。例えば、送信トランスデューサーは、関連する電子回路からのトーン・バーストを受信することができ、基板に弾性波を送信する。その一方、受信トランスデューサーは、送信された弾性波を基板から受信することができ、処理が行われる関連する電子回路へと送信される電子信号を発生させる。

種々の種類の弾性波トランスデューサー・アッセンブリは、既知である。弾性波タッチスクリーンに用いられる最も一般的なタイプは、ウェッジ状（またはくさび型）トランスデューサー・アッセンブリ（ｗｅｄｇｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、格子状トランスデューサー・アッセンブリ（またはグリッド状トランスデューサー・アッセンブリ、ｇｒａｔｉｎｇ ｔｒａｎｃｅｄｕｃｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ）およびエッジ状トランスデューサー（ｅｄｇｅ ｔｒａｎｃｅｄｕｃｅｒ）である。

図１Ａは、典型的なウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａを示している。かかるウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａでは、波速度が適当に異なる種々の媒体の境界面に弾性波が斜めに入射した際に弾性波が屈折する現象を利用している。このような原理に基づき、ウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａは、ウェッジ１２（例えばプラスチック製のウェッジ）から成っており、かかるウェッジ１２の斜辺が、ウェッジ１２の材料とは異なる材料（例えばガラス）から形成されている弾性波基板１６の前面１８に取り付けられている。また、ウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａは、トランスデューサー、厳密に言うと、ウェッジ１２の上記斜辺以外の側面に設けられた圧電素子（または圧電要素）１４を有して成る。矢印で示すように、圧電素子１４は、ウェッジ１２のバルク波と結合する。なお、ウェッジ１２のバルク波は、臨界角（即ち、「ウェッジ角（ｗｅｄｇｅ ａｎｇｌｅ）」）で伝搬するが、基板１６で水平に伝搬する波へと屈折するように伝搬するか、又は、そのような波から屈折するように伝搬することになる。

図１Ｂは、典型的な格子状トランスデューサー・アッセンブリ１０ｂを示している。かかる格子状トランスデューサー・アッセンブリ１０ｂは、平行なストリップ（ｓｔｒｉｐ）として基板前面１８に沿って整列する摂動要素（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）２４から構成されている。また、格子状トランスデューサー・アッセンブリ１０ｂは、トランスデューサー、厳密にいうと、基板前面１８に対向する基板１６の裏面（または背面）２８に設けられた圧電素子２６を有して成る。矢印で示すように、圧電素子２６は、基板１６のバルク波と結合する。格子２２を介して、かかるバルク波は、基板１８にて対向するように水平に伝搬する２つの波と結合する。格子状トランスデューサーの構造および使用についての詳細は、米国特許第６０９１４０６号に開示されており、かかる特許は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。

図１Ｃは、典型的なエッジ状トランスデューサー１０ｃを示している。かかるエッジ状トランスデューサー１０ｃは、基板前面１８に感知できるほどのエネルギーを有する弾性波が生じるように、圧電素子３２が基板１６のエッジ３４に直接的に取り付けられている。従って、界面は、圧電素子３２を基板１６に接続する機械的な機能を有しているだけでなく、矢印で示すように基板１６で水平に伝搬する波へと結合する弾性波機能を有している。エッジ状トランスデューサーの構造および使用についての詳細は、米国特許第５１７７３２７号に開示されており、かかる特許は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。

最終的には、どのタイプのトランスデューサーを選択するかは、タッチスクリーンが設けられる構造的な環境に少なくとも左右される。例えば、どのタイプのトランスデューサーを選択するかは、弾性波基板がディスプレイ・デバイスの前面パネル（または正面パネル）に重なって別個のフェースプレート（ｆａｃｅｐｌａｔｅ）を構成しているか否かに左右されたり、または、ディスプレイ・デバイスの前面パネルに弾性波基板が直接的に組み込まれているか否かに左右されたりする。また、どのタイプのトランスデューサーを選択するかは、弾性波基板の形状、例えば弾性波基板が湾曲しているか又はフラットであるか否かにも左右されることになる。

例えば、図２は、ディスプレイ・デバイス５２、および、かかるディスプレイ・デバイス５２に重ねられる弾性波基板５４を有して成るタッチ・ディスプレイ５０を示している。ディスプレイ・デバイス５２は、湾曲した前面パネル５６（例えば典型的な陰極線管に設けられている前面パネル）を有しており、弾性波基板５４は、それに対応する湾曲した形状を有している。弾性波基板５４の湾曲した幾何学的形状に起因して、基板５４の周縁をカバーするベゼル５８と基板５４との間には空間が存在する。この場合、ウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａが、比較的大きいプロファイル（または輪郭もしくは側面形状、ｐｒｏｆｉｌｅ）を有するものであったとしても、そのようなウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａを好都合に基板５４の前面６０に設けることができる。つまり、弾性波基板５４の前面６０にトランスデューサーを設けることが可能な場合または望ましい場合に、ウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリ１０ａが用いられ得る。

図３は、ディスプレイ・デバイス７２、および、かかるディスプレイ・デバイス７２に重ねられた弾性波基板７４を有して成るタッチ・ディスプレイ７０を示している。なお、かかるディスプレイ・デバイス７２は、液晶ディスプレイ、フラットＣＲＴまたはプラズマ・ディスプレイ等のフラットな前面パネル７６を有しており、弾性波基板７４もまたフラットとなっている。そのため、基板７４とベゼル５８との間にはクリアランス（または隙間）が殆どまたは全く存在しない。このようにクリアランスが最小限であったとしても、格子状トランスデューサー・アッセンブリ１０ｂは設けることができる。格子状トランスデューサー・アッセンブリ１０ｂの格子２２は、比較的小さいプロファイルを有しており、ベゼル５８と基板７４との間に設けられた最小限の空間内にて、基板７４の前面８０に配置することができる。圧電素子２６を基板７４の裏面８２に配置することができる。圧電素子２６とディスプレイ・デバイス７２の前面パネル７６との間にクリアランスを供するために、基板の裏面８２を斜めに形成してもよい（又は斜角で設けてもよい）。

ベゼル５８と弾性波基板のエッジとの間にて利用できる周縁スペースが存在するタッチスクリーンでは、かかる周縁スペースにてエッジ状トランスデューサー１０ｃを基板に設けることができる。しかしながら、このようにエッジ状トランスデューサー１０ｃを設けることは、垂直面を慎重に機械加工しなければならないのでコストが相当に増加してしまうことになる。更に、レイリー波に結合することが望ましい場合では、エッジ状トランスデューサーがより複雑なものとなるので、望ましくないエッジ状トランスデューサーとなてしまう。

別個のフェースプレートを形成する弾性波基板内に上述のトランスデューサー１０を選択的に組み込む場合では、タッチスクリーン・メーカーが実行可能な解決策を一般的に見出すことができるものの、それは、ディスプレイ・デバイスの前面パネルを形成する弾性波基板の場合（即ち、ディスプレイ・デバイス自体がタッチに対して感度を有する前面パネルを有している場合）では当てはまるものではない。例えば、格子状トランスデューサー・アッセンブリの圧電素子は、弾性波基板の裏面に配置しなければならず、基板がディスプレイ・デバイスの前面パネルを構成する場合、その他の選択肢はない。ディスプレイ・デバイスがタッチに対して感度を有するフラットな前面パネル（例えばＣＲＴまたは５０”プラズマ−ディスプレイ）を有する場合、ディスプレイの前面にウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリを取り付けることは困難となり、ベゼルとウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリとの間に機械的な干渉（または機械的な障害、ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）がしばしば生じてしまう。かかる干渉は、トランスデューサーが正常に機能するのを妨害し得、更に悪い場合では、トランスデューサーまたはベゼルを損なう可能性がある。更に、弾性波基板が別個のフェースプレートを構成する場合では、エッジ状トランスデューサーに対しては垂直に機械加工した表面を設けることは非常に困難となり得る。

しばしば、タッチスクリーン・メーカーは、ディスプレイ・デバイスを包囲するハウジングを変更するオプションを有していない場合がある。タッチスクリーン・メーカーがディスプレイ・デバイスのフェースプレートを構成するタッチスクリーンを製造する際、通常、ディスプレイ・デバイス自体は製造しない。むしろ、モニター・メーカーによって提供されるディスプレイ・デバイスを扱って製造が行われる。タッチスクリーン・メーカーが、供されたハウジングを新しいハウジングに交換するのは非現実的であるので、ディスプレイ・デバイスと供されたハウジングとの間で利用できるタッチスクリーン要素を収容するスペースがどのようなものであっても、メーカーはそれに適応しなければならない。タッチスクリーン・メーカーがベゼルの設計管理をする場合であっても、しばしば、トランスデューサーへの機械的な干渉に起因して、ベゼル開口部（ディスプレイ・デバイスのディスプレイ面を完全に利用できなくしている）のディメンションが減じることになる。

従って、弾性波基板の前面に設けることができる比較的小さいプロファイルのトランスデューサーに対してはニーズがある。

発明の要旨
本発明の第１要旨では、タッチセンサーが供される。タッチセンサーは、表面を有する弾性波基板を有して成る。ある好ましい態様では、基板は透明であり、そのため、基板をディスプレイ・デバイスと関連させて用いることができる。ある好ましい態様では、タッチセンサーは、圧電素子を有して成る弾性波トランスデューサーを更に有して成る。タッチセンサーは、基板とトランスデューサーとの間に配置される弾性波回折格子（または弾性波を回折させる格子、ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｌｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｇｒａｔｉｎｇ）を更に有して成る。弾性波回折格子は、弾性波トランスデューサー内の弾性波エネルギーを、基板の表面に沿って伝搬する弾性波に結合（ｃｏｕｐｌｅ）させるように構成されている。弾性波回折格子は、様々な方法でもって、基板と弾性波トランスデューサーとの間に配置することができる。例えば、弾性波回折格子は、基板と弾性波トランスデューサーとの間に適当に取り付けられた構造的に別個の要素であってよい。あるいは、弾性波回折格子は、基板および弾性波トランスデューサーのいずれか一方または双方と構造的に一体化させたものであってもよい。例えば、弾性波回折格子は、基板および弾性波トランスデューサーの表面（もしくは表面の内部）のいずれか一方または双方に設けてもよい。従って、本明細書の便宜上、基板表面に沿って伝搬する弾性波がトランスデューサーを通過する前に弾性波回折格子に至る場合、または、弾性波トランスデューサーから伝搬してきた弾性波が基板の表面へと伝搬する前に弾性波回折格子に至る場合では、基板と弾性波トランスデューサーとの間に弾性波回折格子が配置されていることを理解されよう。弾性波トランスデューサーと弾性波回折格子との組合せは、弾性波基板と別の基板（例えば、基板の前面に設けられるベゼル）との間にてより容易に適合することができる比較的小さいプロファイルを有している。

ある好ましい態様では、弾性波回折格子は、平行要素のアレイ（または配列、ａｒｒａｙ）を有して成る。好ましくは、平行要素は、基板表面を伝搬する弾性波の波長に等しい距離で相互に離隔している。このような場合、回折した弾性波エネルギーが一体的に組み合わされて、より強い弾性波が形成される。また、タッチセンサーは、第２弾性波トランスデューサー、および、基板と第２弾性波トランスデューサーとの間に配置される第２弾性波回折格子を有して成る。この場合、第２弾性波回折格子によって、第２弾性波トランスデューサー内の弾性波エネルギーが弾性波へと結合することができる。従って、第１トランスデューサーおよび第１弾性波回折格子が、基板の表面を横断するように弾性波を送信することができる一方、第２弾性波トランスデューサーおよび第２弾性波回折格子が、基板表面からの弾性波を受信することができる。

本発明の第２の要旨では、タッチ・ディスプレイが供される。タッチ・ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマ、エレクトロルミネセント、真空蛍光ディスプレイ（ＶＦＤ）、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）等のディスプレイ・デバイスまたは他の種類のディスプレイを有して成る。タッチ・ディスプレイは、弾性波タッチスクリーン（その基板がディスプレイ・デバイスの前面を成す）、弾性波トランスデューサー、および、基板と弾性波トランスデューサーとの間に配置される弾性波回折格子を更に有して成る。上述したように、弾性波回折格子は、弾性波トランスデューサー内の弾性波エネルギーを、基板の表面に沿って伝搬する弾性波に結合させるように構成されている。弾性波回折格子、弾性波トランスデューサーおよび基板は、上述した特徴と同様の特徴を有するものである。特に、組み合わされた弾性波トランスデューサーおよび弾性波回折格子の小さいプロファイル自体は、基板とベゼルとの間のスペースが殆どない一体化されたフラットな弾性波基板を備えたディスプレイ・デバイスに対して好ましく適合するものである。

図面の簡単な説明
図面は、本発明の好ましい態様の設計および効果を示している。図面では、同様の要素は、似たような参照番号で示している。かかる好ましい態様を示す図面を参照することによって、本発明の利点および目的をより良く理解することができる。なお、図面は、本発明のある態様を単に表したものであり、その範囲に限定して本発明を解すべきものではない。そのような事を前提として、以下にて、図面を用いることによって、本発明を更に特定しつつ詳細に説明する。

図４には、本発明の好ましい態様に従って構成されたタッチスクリーン・システム１００を示している。一般的に、タッチスクリーン・システム１００は、弾性波タッチスクリーン１０５（即ち、透明な基板を有するタッチセンサー）、コントローラー１１０、コントローラー１１０とタッチスクリーン１０５とを接続するリード線１１５を有して成る。タッチスクリーン・システム１００は、タッチスクリーン１０５上のタッチ（または接触）に反応するように構成されている。つまり、弾性波信号がタッチスクリーン１０５を横断するように送信されており、タッチに起因して、その弾性波信号の１つ以上が変化する（ｍｏｄｕｌａｔｅ）ようになっている。コントローラー１１０は、変化した信号を順に用いて、タッチスクリーン１０５のタッチ位置を特定する。コントローラー１１０がタッチを有効なものとして認識した場合には、コントローラー１１０は、タッチ位置をホスト・コンピューター（図示せず）に送信する。そして、ホスト・コンピューターでは、ディスプレイ・デバイスに関連情報（例えば、ユーザーがオプションを選択できるアイコン、メニューまたはディレクトリー等のグラフィック）を表示するコンピューター機能が実行されることになる。

図５に示すように、タッチスクリーン１０５は、前面１３５を有する弾性波基板１２０、および、基板の前面１３５に設けられた複数のトランスデューサー・アッセンブリ１２５を有して成る。典型的には、４つのトランスデューサー・アッセンブリ１２５（図５では２つのトランスデューサー・アッセンブリのみを示す）が用いられている。４つのうちの２つのトランスデューサー・アッセンブリ１２５は、コントローラー１１０によって、それぞれが直交方向に基板前面１３５を横断する弾性波信号を送信するように作動する。そして、４つのうちの別の２つのトランスデューサー・アッセンブリ１２５は、コントローラー１１０によって、基板前面１３５から弾性波信号を受信するように機能する。かかる超音波信号は、コントローラー１１０で基板１２０のタッチ位置を決定できる格子を構成する。タッチ位置を特定および決定する弾性波タッチスクリーン・システムの一般的な使用および構成の詳細は、米国特許第３６７３３２７号、同４６４４１００号および同６０９１４０６号に開示されている（かかる特許は、参照することによって、本明細書に組み込まれる）。

図５に示すように、タッチスクリーン・システム１００を常套のディスプレイ・デバイス１５５と関連して用いてタッチ・ディスプレイ１５０を構成することができる。かかる態様では、ディスプレイ・デバイス１５５のフェースプレートは、タッチスクリーン１０５の基板１２０として機能する。タッチスクリーン１０５は、ケーブル１６０によって出口部１６５と接続されている。出口部１６５は、電力を受容したり、コントローラー１１０（図４に示す）とのインターフェースを成したりしている。タッチ・ディスプレイ１５０は、ディスプレイ・デバイス１５５ならびに全ての関連のある回路およびケーブルを受容する略中空のモニター・バックケース１７０、ならびに、タッチスクリーン１０５および関連する部品をカバーおよび保護するベゼル１７５を有して成る。

図示する態様では、弾性波基板１２０は、略フラットな矩形の幾何学的形状を有している。本発明は、ディスプレイ・デバイスのフラットなフェースプレートを成す弾性波基板を用いる際に最も有益であるものの、本発明は、いずれの種類のディスプレイ・デバイスにも一般に適用することができる。例えば、ディスプレイ・デバイスの前に存在するフェースプレートに対して、タッチスクリーン１０５を配置することができる。基板１２０は、六角形などの非矩形の形状を有するものであってよく、また、別法にてＸ軸およびＹ軸の双方または一方に沿って湾曲するものであってもよい。

基板１２０自体は、動作周波数で弾性波が基板表面１３５に平行な方向で伝搬できる材料から構成されている。基板１２０は、常套的なディスプレイ・デバイスの前面を構成する材料と同じ材料（例えばガラス）から常套的に形成され得るものの、それとは別の材料で基板１２０を形成してもよい。別法にて、基板１２０は均一なものにする必要はなく、例えば種々の層から形成された非均一な材料から基板１２０を形成してもよい。

基板１２０を伝搬する弾性波は、基板前面１３５におけるタッチに起因して検知可能に摂動が加えられるような弾性波であればよい。表面束縛波モード（または表面に拘束された波モード、ｓｕｒｆａｃｅ ｂｏｕｎｄ ｗａｖｅ ｍｏｄｅ）または板波モードについては多くの選択肢が存在する。表面束縛波、例えばレイリー波（擬似レイリー波を含む）は、優れたタッチ感度を有しており、任意の厚さの基板であっても表面近くの薄い領域に本質的に束縛（または拘束）される。水平偏波のせん断波は、液体およびゲル状の汚染物質（例えば水およびシリコーン−ゴムシール）とは弱く結合するという利点を有している。他の種類の波の伝搬をサポートすることに加えて、非均一な基板は、非対象な表面の出力密度を有する水平偏波のせん断波の伝搬をサポートするように特に構成されている。なお、かかる非対象な表面の出力密度を有する水平偏波のせん断波には、レイリー波のようにタッチ表面付近に拘束された水平偏波のせん断波であるラブ波が含まれる。充分に薄い基板におけるラム波では、弾性波モードについて更に別の選択肢がもたらされる。種々の工業的なトレードオフは、所定の用途に対して弾性波モードを最適に選択することに関連している。

図６に最もよく示すように、各々のトランスデューサー・アッセンブリ１２５は、弾性波トランスデューサー１８０、および、基板１２０と弾性波トランスデューサー１８０との間に配置された弾性波回折格子１８５を有して成る。最も一般的なトランスデューサー１８０は、チタンジルコン酸鉛、チタン酸鉛またはニオブ酸リチウム等の圧電材料から構成されているものの、本発明はそれに制限されるものではない。弾性波を別の形態のエネルギーに変換するトランスデューサーまたはその逆の変換を行うようなトランスデューサー、例えば、光弾性波トランスデューサー（または光音波トランスデューサー）、磁気弾性波トランスデューサー（または磁気音波トランスデューサー）、弾性波−弾性波トランスデューサー（ある弾性波モードから別の弾性波モードへと変化するトランスデューサー）、熱弾性波トランスデューサー（または熱音波トランスデューサー）が特に利用される。

トランスデューサー１８０は、典型的には、導電性部分を有する薄い矩形要素の形態を有している。なお、かかる導電性部分は、それらの間にて圧電応答材料を備えた電極として機能する。しかしながら、トランスデューサー１８０が矩形である必要はなく、例えば、タッチスクリーン表面が直角のコーナーを有していない場合には、トランスデューサーの形状を、利用できるレイアウトのスペースの幾何学的形状に対応させることができる。振動する電圧信号がトランスデューサー１８０の電極に適用される場合、圧電材料中で生じる電場（または電界）によって、圧電材料の性質、電極の配置および機械的な制限や結合に応じて、トランスデューサー１８０が圧電効果で振動する。また逆に、トランスデューサー１８０が機械的に振動する場合、振動する電圧が電極に現れることになる。

トランスデューサー１８０によって生じる機械的な振動モードに関しては幾つかの選択肢がある。一般的には、トランスデューサー１８０の薄いディメンションに対しては、最も低い次元の圧縮−拡大振動が選択される。かかる要素は、長手方向成分が多い他の弾性波モードに結合する。その他として、ある電極が設けられた表面が、対向する面に平行で対向する方向に移動する最も低い次元のせん断振動が選択される。かかるトランスデューサー１８０は、せん断成分を有する他の弾性波モードに結合する。電極面内でせん断波がいずれの方向にも動くように、せん断波の方向を設計することができる。より高い次元（例えば、３次元、５次元または７次元など）の振動を用いることによって、より複雑な選択をすることもできる

トランスデューサー１８０は、所望の振動モード（例えば５ＭＨｚ）の動作周波数にて共振周波数（または共鳴周波数）を有するように設計されている。最も低い次元の圧縮または圧力振動に対しては、共振周波数が、トランスデューサー１８０の厚さの２倍によって除されたバルク圧力−波速度（圧電材料におけるバルク圧力−波速度）となり、その結果、トランスデューサー１８０の厚さがバルク圧力波長の半分となっている。同様に、最も低い次元のせん断振動では、共振周波数が、トランスデューサー１８０の厚さの２倍によって除されたバルクせん断−波速度（圧電材料におけるバルクせん断−波速度）となり、その結果、トランスデューサー１８０の厚さが、バルクせん断波長の半分となっている。トランスデューサー１８０は、タッチスクリーン１０５で用いられ、基板１２０の弾性波を結合させるので、機械的な減衰オシレータである。

格子１８５は、トランスデューサー１８０によって生じる弾性波エネルギーを、基板１２０を水平に伝搬する弾性波（即ち、基板表面１３５に平行に伝搬する弾性波）に結合させるように構成されている。このため、格子１８５は、弾性波モードを結合させることができる周期的な弾性波摂動要素１９０のアレイを有して成る。図１Ｂに示すような従来技術の格子状トランスデューサー・アッセンブリ１０ｂとは違って、トランスデューサー１８０と格子１８５との間に存在する基板１２０を伝搬する中間バルク波は存在しない。本発明では、摂動要素１９０がトランスデューサー１８０の表面と直接的に接触しているので、トランスデューサー１８０と摂動要素１９０との間で弾性波エネルギーが直接的に結合することになる。トランスデューサー１８０と摂動要素１９０との間での弾性波エネルギーの結合（即ち、格子１８５の回折特性）が最大限となるように、各々の摂動要素１９０の間の媒体は、トランスデューサー１８０に非効率に結合する。好ましくは、かかる媒体は空気から成るものの、摂動要素１９０の相対的な弾性波結合特性が、介在する媒体の相対的な弾性波結合特性よりも相当に大きい限り、エポキシ等の他の材料から媒体を形成してもよい。

このように、電気信号を介してトランスデューサー・アッセンブリ１２５（送信モードとして作動するトランスデューサー・アッセンブリ）で生じる弾性波エネルギーは、格子１８５に入射し、表面束縛波または板波に変換される。そして、表面束縛波または板波は、上述した複数の通路を通るようにＸ軸およびＹ軸の方向にて基板１２０を伝搬する。その後、表面束縛波または板波は、格子１８５に入射した後、トランスデューサー１２５（受信モードとして機能するトランスデューサー）によって受信される弾性波エネルギーへと変換され、次々と電気信号へと変換されることになる。

図示する態様では、各々の摂動要素１９０はまっすぐなものであってよい。別法にて、各々の摂動要素１９０は湾曲したものでもよく、その場合は、各々の摂動要素１９０が弾性波レンズとして機能し得る。また、各々の摂動要素１９０は、弾性波の一部とのみ相互に作用する点状セグメントまたは短い長尺セグメントであってもよい。場合によっては、各々が異なる波モードまたは伝搬軸を潜在的に有する２つ以上の異なる弾性波へと散乱させるように、摂動要素を設けてもよい。

格子摂動サイクル、即ち、格子１８５の間隔またはピッチは、基板１２０を水平に伝搬する弾性波の波長に応じて、例えば、約０．０１〜１０ｍｍ、好ましくは約０．１〜５ｍｍ、より好ましくは約０．３〜１ｍｍの範囲内で選択され得る。回折した弾性波の間に相加的作用がもたらされるように、格子１８５のピッチが、水平に伝搬する波の波長と等しいことが好ましい。

特に、格子１８５は、対向して水平に伝搬する２つの波に典型的に結合する。基板１２０の中心へと伝搬する波または基板１２０の中心から伝搬する波は、基板１２０のタッチ位置を決定すべくタッチスクリーン・システム１００で用いられる一方、基板１２０のエッジへと伝搬する波または基板１２０のエッジから伝搬する波は捨てられることになる。場合によっては、弾性波が格子１８５の方へと反射されるように、弾性波反射体（図示せず）を格子１８５と基板１２０のエッジとの間に配置してもよい。

一般的には、トランスデューサー１８０から基板１２０へと弾性波エネルギーを効率的に結合させるために、摂動要素１９０は、できる限り非弾性である（例えば、圧縮または伸張しにくい）必要がある。材料の圧縮率は、摂動要素の厚さをヤング率で除すことによって決められるので、摂動要素の厚さが大きくなると、摂動要素の圧縮率が望ましくないものとなる。従って、摂動要素１９０を構成する材料のヤング率が小さいほど、摂動要素１９０をより薄くしなければならない。特に、例えばエポキシ等の比較的柔らかい材料であっても、充分に薄いなら、摂動要素１９０として効率的に用いることができる。摂動要素１９０は、同じ材料から構成してもよいし、または、複数の材料から構成してもよい。いずれの場合であっても、材料の全体的な圧縮率は、トランスデューサー１８０と基板１２０との間の弾性波結合を最大限にするように考慮すべきである。

以下で更に詳細に説明するが、トランスデューサー１８０と基板１２０との間で格子１８５を種々に構成することができ、また、各々の摂動要素１９０の断面形状はどのような形状（例えば、半円形状、三角形状、矩形状、鋸歯形状など）であってもよい。格子１８５は、例えば、基板表面１３５またはトランスデューサー１８０に対して形成されたり、それらの中に形成されたりするが、基板１２０とトランスデューサー１８０との間に適当に取り付けられた別個のアッセンブリから格子１８５を形成してもよく、または、基板１２０またはトランスデューサー１８０と一体化させて格子１８５を形成してもよい。格子１８５の形成に際しては、いかなる手法（またはプロセス）を用いてもよい。例えば、スクリーン印刷でガラス・フリット（ｇｌａｓｓ ｆｒｉｔ）を付着させることによって構成１８５を形成することができる。また、エッチング、切断、研磨、レーザー・アブレーションまたはその他の除去手段を用いることによっても構成１８５を形成することができる。更に、成形法もしくはホットスタンピングによっても、または、基板１２０もしくはトランスデューサー１８０の製造後で変性処理を行うことによっても、格子１８５を形成することができる。格子１８５の反射率と透明性とのバランスを取るために、個々の摂動要素の高さ及び／または幅を格子の全域で変更してもよい。

注目すべきことは、図５に示すように、格子１８５とトランスデューサー１８０との組合せを基板１２０とベゼル１４５との間に適合させることができるように、かかる組合せは比較的小さいプロファイルを有している。一般的に、かかる組合せを基板１２０とベゼル１４５との間に適合させることは容易である。なぜなら、格子１８５の厚さを弾性波の波長よりも相当に小さくすることができ、トランスデューサー１８０の厚さが関連するバルク波の波長の半分となるからである。

図７は、金属箔１９５を有して成る格子１８５ａを示している。なお、金属箔１９５からは、摂動要素１９０のネガ・パターン（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐａｔｔｅｒｎ）をエッチングすることによって、交互に設けられた摂動要素としてのタイン部２００（または歯状部分、ｔｉｎｅ）およびスロット部２０５が形成される。生産効率の観点から、摂動パターンの複数のセットをより大きい金属箔シートへとエッチングしてもよく、その後、単一の摂動パターンを各々成すより小さい金属箔へと切断してもよい。金属箔１９５の好ましい厚さは、０．０５０〜０．０７５ｍｍである。基板１２０（ガラスから成る基板）を水平に伝搬する弾性波の表面波速度が３．１６ｍｍ／μｓであり、周波数が５．５３ＭＨｚであることを仮定すると、関連する弾性波の波長は０．５７１ｍｍとなる。従って、ピッチが０．５７１ｍｍの格子１８５（ａ）を得るには（即ち、隣り合うタイン部２００の中心間の距離が０．５７１ｍｍとするには）、各々のタイン部２００の幅が０．２８６ｍｍとなり、各々のスロット部２０５の幅が０．２８６ｍｍとなる必要がある。

エッチングが完了すると、図８に示すように、エポキシ等の適当な接着剤を用いて、金属箔１９５をトランスデューサー１８０の下側に取り付けることができる。得られるサブアッセンブリ（トランスデューサー１８０と金属箔１９５との組合せ）は、基板１２０の前面１３５に適当に取り付ける。好ましくは、硬化したセメント層（または接合剤層または接着剤層）の厚さは、０．０２５ｍｍ以下であるので、格子１８５の弾力性は過度に増加することはない。構造を一体的に接着するに際して、スロット部２０５がセメントで全体的に又は部分的に充填されないようにするのは不可能である。しかし、幸いなことに、このことはあまり重要ではない。なぜなら、比較的柔らかい接着剤を通る弾性波エネルギーの送信は、金属箔１９５を通る弾性波エネルギーの送信よりも効率の良いものではないからである。

別法にて、スロット部２０５を介してトランスデューサー１８０と基板１２０との間で結合される弾性波エネルギーは、タイン部２００を介してトランスデューサー１８０と基板１２０との間で結合される弾性波エネルギーに対して位相が１８０°ずれるように、スロット部２０５の寸法を決定することができたり、弾性波の速度が遅くなるエポキシまたは他の材料で完全にスロット部２０５を充填することができたりする。このように、スロット部を通って伝搬する「寄生」弾性波エネルギーからの基板表面における所望の波の励振が、タイン部２００で回折した弾性波エネルギーへと好ましく加えられることになる。そのような効果を得るには、スロット部２０５を伝搬する弾性波エネルギーの相対位相（または相対的な位相、ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ）が調整されるように、金属箔１９５をより厚くする必要がある。

図９は、格子パターンが設けられた例えばアルミニウム等の金属ブロック２１０を有して成る格子１８５ｂを示している。格子パターンは、例えばホットスタンピングまたは圧印（ｃｏｉｎｉｎｇ）によって、摂動要素としてのリッジ２１５（ｒｉｄｇｅ）および溝部２２０を交互に設けることによって形成される。圧印が完了すると、エポキシ等の適当な接着剤を用いることによって、トランスデューサー１８０の下側に金属ブロック２１０が取り付けられる。そして、得られるサブアッセンブリ（トランスデューサー１８０と金属ブロック２１０との組合せ）が、基板１２０の前面１３５に適当に取り付けられる。格子１８５の弾性が過度に増加することのないように、硬化したセメント層は０．０２５ｍｍ以下にする必要がある。弾性エネルギーがインピーダンスを変えることなくトランスデューサー１８０と基板１２０との間で伝わるように、金属ブロック２１０の厚さは、波長の半分であることが好ましい（アルミニウム・ブロックの場合では、５．５３ＭＨｚにて０．５７ｍｍ厚さであることが好ましい）。弾性波インピーダンスが等しくないトランスデューサー１８０と基板１２０との間で弾性波インピーダンスのマッチングが望ましい場合、所望のインピーダンスのマッチングが得られるように金属ブロック２１０の厚さを調整することができる。

図１０は、格子パターンに従ってガラス・フリット（例えば、酸化鉛を含有したセラミック）等の材料を基板表面１３５に付着させ、リッジ２２５および溝部２３０を交互に設けることによって形成された格子１８５ｃを示している。必要に応じて、基板表面１３５を適当に処理して格子材料を硬くしてもよい。そして、全てのリッジ２２５が等しく適切な高さとなるように、格子のリッジ２２５を部分的に研磨してもよい。その後、エポキシなどの適当な接着剤を用いることによって、トランスデューサー１８０がフラットになったリッジ２２５に取り付けられる。ガラス・フリットなどのセラミック材料の代わりに、ポリマー・インクを用いて基板前面１３５に格子パターンをプリント（または印刷）してもよい。別法では、図１１に示すように、格子１８５ｄを形成することができ、トランスデューサー１８０の底面にガラス・フリットまたはポリマー・インクを付着させてリッジ２３５および溝部２４０を交互に設けることによって、格子１８５ｄが形成されている。

図１２は、リッジ２４５および溝部２５０が交互になるように基板前面１３５に形成された格子１８５ｅを示している。溝部２５０は、化学エッチング、研磨、サンドブラスティング（または砂の吹き付け処理）またはレーザー・アブレーション等の適当な手段を用いて形成することができる。そして、トランスデューサー１８０は、エポキシなどの適当な接着剤を用いて、溝部が設けられた基板面１３５に取り付けられる。トランスデューサー１８０を基板に接合するに際して、溝部が接着剤で充填されないようにすることが望ましい。溝部が接着剤で充填されないようにすることが不可能な場合には、接着剤とトランスデューサー１８０との間の弾性波結合を無視できる程に溝部２５０を充分に深く形成することが好ましい。即ち、溝部２５０の深さが増すと、入れられる接着剤の厚さが増し、かかる接着剤の圧縮率が増加することになる。必要に応じて、接着剤を通過する弾性波エネルギーがリッジ２４５を通過する弾性波エネルギーに対して位相が１８０°ずれるように、溝部２５０のサイズおよび深さを設計することもできる。別法にて、図１３に示すように、格子１８５ｆを形成することができ、リッジ２５５および溝部２６０を交互に設けることによって、トランスデューサー１８０の底面に格子１８５ｆが形成される。

上述したように、本明細書で説明したトランスデューサー／格子アッセンブリは、いずれの種類の適当なディスプレイとも共に用いることができる。タッチ・ディスプレイを構成すべく上述の回折格子を含んだトランスデューサー・アッセンブリと組み合せて用いることが可能なディスプレイとしては、真空蛍光ディスプレイ（ＶＦＤ）および電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）が挙げられる。なお、ＶＦＤおよびＦＥＤでは、トランスデューサーから、ＶＦＤまたはＦＥＤに既に存在するガラス表面へと弾性波エネルギーを結合させるように、回折格子が用いられている。ＶＦＤおよびＦＥＤと組合せて用いることができるトランスデューサー・アッセンブリの例としては、図５の要素１２５、ならびに、図８〜図１３にそれぞれ示される格子要素１８５ａ，１８５ｂ，１８５ｃ，１８５ｄ，１８５ｅおよび１８５ｆのいずれかと組み合わされたトランスデューサー１８０が挙げられる。更に、ディスプレイ・ドライバー電子機器（ｄｉｓｐｌａｙ ｄｒｉｖｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）が設けられているボードにタッチシステムのコントローラー電子機器（ｔｏｕｃｈ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）を設けることもできる。

図１４Ａは、タッチ・ディスプレイ３００を構成するようにトランスデューサー・アッセンブリ３０１および反射体アレイ３０４が組み合わされたＶＦＤ２９９を示している。図１４Ｂは、タッチ・ディスプレイ３００を線３０３−３０３’で切り取った断面図を示している。ＶＦＤは、小さいディスプレイが必要とされる場合に一般に使用され、一般的には、リード線３０７を用いてサーキットボード（または回路基板）に設けられるように設計されている。ＶＦＤ２９９は、弾性波を伝搬させるべく超音波基板として機能し得る前面ガラス基板３０２を含んでいる。ＶＦＤは、前面ガラス３０２、底部ガラス３０８およびスペーサー壁部３０９によって囲まれた真空領域３０５であって、真空部分３１３にアクセスできる真空領域３０５を含んでいる。格子３０６（リード線３０７に取り付けられている格子）、アノード３１０、リン光体３１１およびフィラメント３１２は全て真空領域３０５内に配置されている。真空領域３０５は高度に真空された領域であり、ディスプレイ機構を含んでいるために、トランスデューサーを前面ガラス３０２の裏面に取り付けるのが困難となっている。図１４Ａおよび図１４ｂには、１次元でタッチを検知できる２つのトランスデューサー・アッセンブリ３０１が示されているものの、種々の既知のタッチスクリーン設計をＶＦＤタッチ・ディスプレイに適用することができる。例えば、トランスデューサー・アッセンブリを１つのみ備えた設計、および、２次元でタッチを検知する設計が考えられる。それゆえ、前面ガラスの上面側に設けることが可能な本明細書で説明したプロファイルの低い回折格子と共にトランスデューサーを用いることは、ＶＦＤを使用してタッチ・ディスプレイを構成するうえで特に有用である。

上述したＶＦＤと同様に、本明細書で説明した回折格子を用いてＦＥＤからタッチ・ディスプレイを構成することができる。ＦＥＤは典型的には小さいフラットなパネル・ディスプレイであり、ＬＣＤが用いられる種々の用途（例えば、携帯電子機器）に用いることができる。図１５Ａは、タッチ・ディスプレイ４００を構成するようにトランスデューサー・アッセンブリ４０１および反射体アレイ４０４が組み合わされたＦＥＤ３９９を示している。図１５Ｂは、タッチ・ディスプレイ４００を線４０３−４０３’で切り取った断面図を示している。ＦＥＤは、弾性波を伝搬させ、かつ、タッチ・ディスプレイのタッチ検知面として機能するように用いることができる上方アノード基板４０２（ガラスから成る基板）を有している。なお、タッチ・ディスプレイでは、弾性波エネルギーが生じているが、弾性波エネルギーはトランスデューサー・アッセンブリ４０１によって基板４０２へと結合している。ＦＥＤは、アノード基板４０２、カソード基板４０８およびスペーサー壁部４０９によって囲まれている真空領域４０５を有している。真空領域４０５内には、透明なアノード４１０、リン光体４１１、コーン４１２、絶縁部材４１４に配置されたゲート電極４１３、および、抵抗層４１５が設けられている。図１５Ａおよび図１５ｂには、１次元でタッチを検知できる２つのトランスデューサー・アッセンブリ４０１が示されているものの、種々の既知のタッチスクリーン設計をＦＥＤタッチ・ディスプレイに適用することができる。例えば、トランスデューサー・アッセンブリ４０１を１つのみ備えた設計、および、２次元でタッチを検知する設計が考えられる。真空領域４０５は高度に真空された領域であり、ＦＥＤディスプレイ機構を含んでいるために、トランスデューサーをアノード・ガラス基板４０２の裏面に取り付けるのが困難となり得、従って、ＦＥＤと組み合せてタッチ・ディスプレイを構成するのに特に有用な本明細書で説明したプロファイルの小さいトランスデューサー・アッセンブリが用いられている。

本発明の特定の態様に関して説明してきたが、本発明は、かかる特定の態様に限定されるものではないことが理解されよう。また、特許請求の範囲および概念から逸脱することなく、種々に変更および変形を行うことができることを当業者は理解されよう。従って、本発明は、特許請求の範囲に規定される発明の範囲および概念に相当し得る代替物、変更物および均等物をもカバーすることが意図される。

図１Ａは、従来技術のウェッジ状トランスデューサー・アッセンブリの側面図である。 図１Ｂは、従来技術の格子状トランスデューサー・アッセンブリの側面図である。 図１Ｃは、従来技術のエッジ状トランスデューサーの側面図である。 図２は、湾曲した前面パネルを備えたディスプレイ・デバイスを有する従来技術のタッチ・ディスプレイの断面図である。 図３は、フラットな前面パネルを備えたディスプレイ・デバイスを有する従来技術のタッチ・ディスプレイの断面図である。 図４は、本発明のある好ましい態様に従って構成されたタッチスクリーン・システムのブロック図である。 図５は、図４のタッチスクリーン・システムを組み込んだタッチ・ディスプレイの平面断面図である。 図６は、図５にて線６−６で示された領域のタッチ・ディスプレイの拡大図である。 図７は、図５に示されたタッチスクリーンに用いることができる格子の好ましい態様の上面図である。 図８は、図５に示すタッチスクリーンに用いられる図７の格子の側面図である。 図９は、図５に示すタッチスクリーンに用いられる格子の別の好ましい態様の側面図である。 図１０は、図５に示すタッチスクリーンに用いることができる格子の更に別の好ましい態様の側面図である。 図１１は、図５に示すタッチスクリーンに用いることができる格子の更に別の好ましい態様の側面図である。 図１２は、図５に示すタッチスクリーンに用いることができる格子の更に別の好ましい態様の側面図である。 図１３は、図５に示すタッチスクリーンに用いることができる格子の更に別の好ましい態様の側面図である。 図１４Ａは、ＶＦＤタッチ・ディスプレイの斜視図である。 図１４Ｂは、図１４Ａの線３０３−３０３’に沿って切り取ったＶＦＤタッチ・ディスプレイの断面平面図である。 図１５Ａは、ＦＥＤタッチ・ディスプレイの斜視図である。 図１５Ｂは、図１５Ａの線４０３−４０３’に沿って切り取ったＦＥＤタッチ・ディスプレイの断面図である。

Claims (11)

1. 表面を有する弾性波基板、
   弾性波トランスデューサー、および
   前記弾性波トランスデューサーと直接的に接触するように前記弾性波基板と弾性波トランスデューサーとの間に配置される弾性波回折格子
   を有して成り、
   前記弾性波回折格子が、前記弾性波トランスデューサー内の弾性波エネルギーを、前記弾性波基板の表面に沿って伝搬する弾性波に結合し、
   前記弾性波トランスデューサーが、導電性電極を備えた圧電素子を有して成る
   、タッチセンサー。
2. 前記弾性波回折格子が、平行要素のアレイを有して成る、請求項１に記載のタッチセンサー。
3. 前記平行要素が、弾性波の波長に等しいピッチを有する、請求項２に記載のタッチセンサー。
4. 前記弾性波回折格子が、前記弾性波トランスデューサーおよび前記弾性波基板と構造的に別個に構成されている、請求項１に記載のタッチセンサー。
5. 前記弾性波回折格子が、前記弾性波基板と構造的に一体化している、請求項１に記載のタッチセンサー。
6. 前記弾性波回折格子が、前記弾性波トランスデューサーと構造的に一体化している、請求項１に記載のタッチセンサー。
7. 別の弾性波トランスデューサー、および
   その別の弾性波トランスデューサーと直接的に接触するように該別の弾性波トランスデューサーと前記弾性波基板と間に配置される別の弾性波回折格子
   を更に有して成り、
   前記別の弾性波回折格子は、該別の弾性波トランスデューサー内の弾性波エネルギーを弾性波に結合する、請求項１〜６のいずれかに記載のタッチセンサー。
8. 前記弾性波基板の表面がフラットである、請求項１に記載のタッチセンサー。
9. 前記弾性波回折格子が、交互に設けられたタイン部およびスロット部を有して成り、
   前記タイン部を介した前記弾性波トランスデューサーと前記弾性波基板との間の結合は、前記スロット部を介した前記弾性波トランスデューサーと前記弾性波基板との間の結合に対して位相が約１８０°ずれている、請求項１〜３のいずれかに記載のタッチセンサー。
10. ディスプレイ・デバイス、および
    請求項１〜９のいずれかに記載のタッチセンサー
    を有して成り、
    前記タッチセンサーの前記弾性波基板が透明であって、前記弾性波基板がディスプレイ・デバイスの前面を形成している、タッチ・ディスプレイ。
11. タッチ・ディスプレイが、真空蛍光ディスプレイまたは電界放出ディスプレイから成る、請求項１０に記載のタッチ・ディスプレイ。

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