JP5499479B2

JP5499479B2 - Electronics

Info

Publication number: JP5499479B2
Application number: JP2009004774A
Authority: JP
Inventors: 学西脇
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-01-13
Also published as: JP2010164331A

Description

本発明は、超音波センサーを備えた入力装置及び電子機器に関するものである。 The present invention relates to an input device including an ultrasonic sensor and an electronic apparatus.

従来から、超音波を発信して障害物により反射された超音波を受信する超音波センサーが知られている。このような超音波センサーとして、自動車に搭載された障害物センサーが開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の超音波センサーは、超音波の送受信が可能な素子から超音波を送信して、被検出体に当って反射された超音波をこの素子によって受信する。これにより、自動車の周囲にある物体の位置測定又は距離測定や、その物体の２次元形状または３次元形状の測定などを行う。 Conventionally, an ultrasonic sensor that transmits ultrasonic waves and receives ultrasonic waves reflected by an obstacle is known. As such an ultrasonic sensor, an obstacle sensor mounted on an automobile is disclosed (for example, see Patent Document 1). The ultrasonic sensor of Patent Document 1 transmits ultrasonic waves from an element capable of transmitting and receiving ultrasonic waves, and receives the ultrasonic waves reflected by the object to be detected by this element. Thereby, position measurement or distance measurement of an object around the automobile, measurement of the two-dimensional shape or three-dimensional shape of the object, and the like are performed.

特開２００８−９９１０３号公報JP 2008-99103 A

しかしながら、上記従来の超音波センサーを例えばＰＤＡ（Personal Data Assistance）や、ＰＣ（Personal Computer）等の電子機器の入力装置に用いる場合には、以下のような課題がある。 However, when the conventional ultrasonic sensor is used in an input device of an electronic device such as a PDA (Personal Data Assistance) or a PC (Personal Computer), there are the following problems.

特許文献１の超音波センサーは車載用として用いられ、比較的遠距離に存在する大きな障害物の位置、距離、形状等を検出するためのものである。超音波センサーによって遠距離の障害物を測定するためには、超音波の減衰を避けるため周波数を低下させ波長を長くする必要がある。超音波の波長が長くなると、検出対象の３次元的な位置の測定や動作を検出する分解能が低下する。したがって、このような超音波センサーでは、例えば人の手の動きや入力用のペン等の動作等、比較的近距離に存在する比較的小さな検出対象の３次元的な位置、形状、速度を正確に検出することができないという課題がある。 The ultrasonic sensor of Patent Document 1 is used for in-vehicle use, and is for detecting the position, distance, shape, and the like of a large obstacle existing at a relatively long distance. In order to measure an obstacle at a long distance by an ultrasonic sensor, it is necessary to lower the frequency and lengthen the wavelength in order to avoid attenuation of the ultrasonic wave. As the wavelength of the ultrasonic wave becomes longer, the resolution for detecting the measurement and operation of the three-dimensional position of the detection target decreases. Therefore, in such an ultrasonic sensor, for example, the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small detection target existing at a relatively short distance, such as the movement of a human hand or the operation of an input pen, are accurately determined. There is a problem that it cannot be detected.

そこで、本発明は、比較的近距離に存在する比較的小さな検出対象の３次元的な位置、形状、速度を正確に検出することができ、測定対象の検出結果に対応した入力を行うことができる入力装置と、その入力装置を備えた電子機器を提供するものである。 Therefore, the present invention can accurately detect the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small detection target existing at a relatively short distance, and can perform input corresponding to the detection result of the measurement target. An input device that can be used and an electronic device including the input device are provided.

上記の課題を解決するために、本発明の入力装置は、超音波を発信して反射された前記超音波を受信する超音波センサーユニットを備え、前記超音波センサーユニットから発信された超音波と、検出対象により反射され前記超音波センサーユニットにより受信された前記超音波と、に基づいて前記検出対象の位置、形状及び速度を算出する制御演算部を備え、前記超音波センサーユニットは、複数の開口部が形成された基部と、前記基部に設けられ前記開口部を閉塞する振動板と、前記開口部の各々に対応して前記振動板に設けられた圧電体と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, an input device of the present invention includes an ultrasonic sensor unit that transmits ultrasonic waves and receives the reflected ultrasonic waves, and includes ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic sensor units. A control calculation unit that calculates the position, shape, and speed of the detection target based on the ultrasonic wave reflected by the detection target and received by the ultrasonic sensor unit, the ultrasonic sensor unit comprising a plurality of A base provided with an opening; a diaphragm provided on the base and closing the opening; and a piezoelectric body provided on the diaphragm corresponding to each of the openings. To do.

このように構成することで、制御演算部により所定の周波数の超音波を発生するための電圧波形を圧電体に印加して、圧電体により基部の開口部を閉塞する振動板を振動させることができる。そして、超音波センサーユニットの基部の開口部から所定の周波数の超音波を発信することができる。
超音波センサーユニットから発信された超音波は、超音波が到達する領域内に検出対象が存在する場合には、その検出対象により反射される。検出対象によって反射され超音波センサーユニットの振動板に到達した超音波は、振動板を振動させる。振動板の振動は、圧電体により電気信号に変換され、制御演算部に伝達される。 With this configuration, a voltage waveform for generating an ultrasonic wave of a predetermined frequency is applied to the piezoelectric body by the control arithmetic unit, and the diaphragm that closes the opening of the base is vibrated by the piezoelectric body. it can. And the ultrasonic wave of a predetermined | prescribed frequency can be transmitted from the opening part of the base part of an ultrasonic sensor unit.
The ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit is reflected by the detection target when the detection target exists in a region where the ultrasonic wave reaches. The ultrasonic wave reflected by the detection target and reaching the diaphragm of the ultrasonic sensor unit vibrates the diaphragm. The vibration of the diaphragm is converted into an electric signal by the piezoelectric body and transmitted to the control calculation unit.

これにより、制御演算部は、発信された超音波の波形、複数の開口部の各々に対応する圧電体によって受信された超音波の波形、超音波が発信されてから受信されるまでの時間等に基づいて、検出対象の位置、形状及び速度を算出することができる。
また、開口部の寸法及び振動板の厚さを調整することで、開口部における振動板の固有振動数を調整することができる。これにより、超音波センサーユニットによって波長の短い高周波数の超音波を発信及び受信し、比較的近距離に存在する検出対象の分解能を向上させることができる。
したがって、本発明の入力装置によれば、超音波センサーユニットにより比較的近距離に存在する比較的小さな検出対象の３次元的な位置、形状、速度を正確に検出することができ、電子機器等に超音波センサーユニットの検出結果に対応した入力を行うことができる。 As a result, the control calculation unit can transmit the waveform of the transmitted ultrasonic wave, the waveform of the ultrasonic wave received by the piezoelectric body corresponding to each of the plurality of openings, the time from when the ultrasonic wave is transmitted until it is received, etc. Based on this, the position, shape and speed of the detection target can be calculated.
Moreover, the natural frequency of the diaphragm in the opening can be adjusted by adjusting the size of the opening and the thickness of the diaphragm. Accordingly, it is possible to transmit and receive high-frequency ultrasonic waves having a short wavelength by the ultrasonic sensor unit, and to improve the resolution of the detection target existing at a relatively short distance.
Therefore, according to the input device of the present invention, the ultrasonic sensor unit can accurately detect the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small detection target existing at a relatively short distance, such as an electronic device. In addition, input corresponding to the detection result of the ultrasonic sensor unit can be performed.

また、本発明の入力装置は、前記超音波センサーユニットが発信する前記超音波の周波数は１００ｋＨｚ以上であることを特徴とする。 The input device of the present invention is characterized in that the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit is 100 kHz or more.

このように構成することで、超音波センサーユニットが発信する超音波の波長が十分に短くなり、比較的近距離に存在する検出対象の分解能が向上する。したがって、超音波センサーユニットによって比較的近距離に存在する比較的小さな検出対象の３次元的な位置、形状、速度を正確に検出することができる。 By configuring in this way, the wavelength of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic sensor unit is sufficiently short, and the resolution of the detection target existing at a relatively short distance is improved. Therefore, it is possible to accurately detect the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small detection target existing at a relatively short distance by the ultrasonic sensor unit.

また、本発明の入力装置は、前記超音波センサーユニットは、前記超音波を発信する発信素子と、前記超音波を受信する受信素子と、を有することを特徴とする。 The input device of the present invention is characterized in that the ultrasonic sensor unit includes a transmitting element that transmits the ultrasonic waves and a receiving element that receives the ultrasonic waves.

このように構成することで、発信素子における振動板の固有振動数と受信素子における振動板の固有振動数とを異ならせることができる。これにより、発信素子によって所定の周波数で発信され、検出対象により反射してドップラー効果により周波数が変化した超音波を、受信素子により検出することができる。したがって、検出対象の速度をより正確に算出することができる。 With this configuration, it is possible to make the natural frequency of the diaphragm in the transmitting element different from the natural frequency of the diaphragm in the receiving element. Thereby, the ultrasonic wave which is transmitted at a predetermined frequency by the transmitting element and is reflected by the detection target and whose frequency is changed by the Doppler effect can be detected by the receiving element. Therefore, the speed of the detection target can be calculated more accurately.

また、本発明の入力装置は、前記振動板の前記基部とは反対側に反射板が設けられ、前記反射板は前記圧電体の周囲を覆う反射室を有することを特徴とする。 In the input device of the present invention, a reflection plate is provided on the opposite side of the base of the diaphragm, and the reflection plate has a reflection chamber that covers the periphery of the piezoelectric body.

このように構成することで、反射板によって超音波を反射させ、超音波の発信をより効率よく行うことができる。 By comprising in this way, an ultrasonic wave can be reflected with a reflecting plate, and an ultrasonic wave can be transmitted more efficiently.

また、本発明の入力装置は、前記受信素子に属する前記開口部は前記振動板から遠ざかるほど拡大するテーパー形状に形成されていることを特徴とする。 Further, the input device according to the present invention is characterized in that the opening belonging to the receiving element is formed in a tapered shape that expands away from the diaphragm.

このように構成することで、測定対象に反射された超音波が基部によって遮られることを防止できる。 By comprising in this way, it can prevent that the ultrasonic wave reflected by the measuring object is interrupted by the base.

また、本発明の入力装置は、前記基部はシリコンにより形成され、前記振動板はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする。 The input device according to the present invention is characterized in that the base is made of silicon and the diaphragm is made of silicon oxide.

このように構成することで、フォトリソグラフィ法、エッチング法等の微細加工技術を用いて基部を高密度で精密に加工することが可能になる。また、基部を熱酸化させ、あるいはスパッタ法等によりシリコン酸化物を堆積させて振動板の厚さを精密に制御することが可能となる。したがって、高周波数の超音波を発信及び受信することが可能な超音波センサーユニットを容易に製造することが可能になる。 With this configuration, the base portion can be precisely processed with high density using a fine processing technique such as a photolithography method or an etching method. In addition, the thickness of the diaphragm can be precisely controlled by thermally oxidizing the base or depositing silicon oxide by sputtering or the like. Therefore, it is possible to easily manufacture an ultrasonic sensor unit capable of transmitting and receiving high frequency ultrasonic waves.

また、本発明の電子機器は、上記いずれかの入力装置を備えたことを特徴とする。 In addition, an electronic apparatus according to the present invention includes any one of the input devices described above.

このように構成することで、入力装置が備える超音波センサーユニットにより比較的近距離に存在する比較的小さな検出対象の３次元的な位置、形状、速度を正確に検出し、入力装置が備える制御演算部により電子機器に対して超音波センサーユニットの測定結果に対応した入力を行うことができる。 With this configuration, the ultrasonic sensor unit included in the input device accurately detects the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small detection target existing at a relatively short distance, and the control included in the input device. An input corresponding to the measurement result of the ultrasonic sensor unit can be performed on the electronic device by the calculation unit.

本発明の第一実施形態におけるＰＤＡの斜視図である。It is a perspective view of PDA in a first embodiment of the present invention. 本発明の第一実施形態における超音波センサーユニットの斜視図である。It is a perspective view of the ultrasonic sensor unit in a first embodiment of the present invention. 図２に示す入力装置の制御回路部のシステム構成図である。It is a system block diagram of the control circuit part of the input device shown in FIG. 図２のＡ−Ａ’線に沿う超音波センサーの拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the ultrasonic sensor along the line A-A ′ of FIG. 2. 本発明の第二実施形態における超音波センサーの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the ultrasonic sensor in a second embodiment of the present invention.

＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。
図１は本実施形態のＰＤＡ（Personal Data Assistance）１００の構成を模式的に表す斜視図である。図２は本実施形態のＰＤＡ１００が備える入力装置１０の構成を模式的に表す分解斜視図である。図３は本実施形態の入力装置１０の制御回路部４０のシステム構成を模式的に表すシステム構成図である。 <First embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following drawings, the scale is appropriately changed for each layer or member so that each layer or member can be recognized in the drawing.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a PDA (Personal Data Assistance) 100 according to the present embodiment. FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of the input device 10 provided in the PDA 100 of the present embodiment. FIG. 3 is a system configuration diagram schematically showing the system configuration of the control circuit unit 40 of the input device 10 of the present embodiment.

図１に示すように、本実施形態のＰＤＡ（電子機器）１００は本体３０に表示部２０を備えている。表示部２０は例えば液晶パネルや有機ＥＬパネル等からなり、本体３０内部に収容された制御・演算部に接続され、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。また、本体３０の外周には、超音波センサーユニット１Ａ（図２参照）を備えた入力装置１０が設置されている。入力装置１０は、例えば人の手、指、入力用のペン等の位置、形状、速度を超音波センサーユニット１Ａにより検出して、それらに対応する信号をＰＤＡ１００へ入力する。 As shown in FIG. 1, a PDA (electronic device) 100 according to this embodiment includes a display unit 20 in a main body 30. The display unit 20 includes, for example, a liquid crystal panel or an organic EL panel, and is connected to a control / arithmetic unit housed in the main body 30 so as to display various operation images and other information. An input device 10 including an ultrasonic sensor unit 1A (see FIG. 2) is installed on the outer periphery of the main body 30. The input device 10 detects, for example, the position, shape, and speed of a human hand, finger, input pen, and the like using the ultrasonic sensor unit 1 </ b> A, and inputs signals corresponding thereto to the PDA 100.

図２に示すように、超音波センサーユニット１Ａは複数の開口部１１ａがアレイ状に形成された基部１１を備えている。基部１１は例えば単結晶シリコン基板等により形成されている。開口部１１ａの各々には、超音波センサー１が設けられている。すなわち、超音波センサーユニット１Ａは基部１１の一面に複数の超音波センサー１がアレイ状に配置された構成となっている。 As shown in FIG. 2, the ultrasonic sensor unit 1A includes a base 11 having a plurality of openings 11a formed in an array. The base 11 is formed of, for example, a single crystal silicon substrate. An ultrasonic sensor 1 is provided in each of the openings 11a. That is, the ultrasonic sensor unit 1 </ b> A has a configuration in which a plurality of ultrasonic sensors 1 are arranged in an array on one surface of the base 11.

各々の超音波センサー１にはそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線は基部１１に接続されたフレキシブルプリント基板１２を介して制御基板１３の端子部１３ａに接続されている。制御基板１３には制御演算部、記憶部等からなる制御回路部４０が設けられている。制御回路部４０は、超音波センサー１に入力する入力信号を制御すると共に、超音波センサー１から出力された出力信号を処理するように構成されている。 Each ultrasonic sensor 1 is connected to a wiring (not shown), and each wiring is connected to a terminal portion 13 a of the control board 13 via a flexible printed board 12 connected to the base 11. The control board 13 is provided with a control circuit unit 40 including a control calculation unit, a storage unit, and the like. The control circuit unit 40 is configured to control an input signal input to the ultrasonic sensor 1 and process an output signal output from the ultrasonic sensor 1.

図３に示すように、制御回路部４０は超音波センサーユニット１Ａに接続され、主に制御演算部４１と、記憶部４２と、超音波発生部４３と、超音波検出部４４と、送受信を切り替えるＴ／Ｒスイッチ４５とを備えている。超音波発生部４３は、サイン波を発生させるサイン波発生部４３ａと、個々の超音波センサー１に対して設けられサイン波の位相を変化させる位相部４３ｂと、ドライバー４３ｃとにより構成されている。超音波検出部４４は、主に増幅部４４ａと、Ａ／Ｄ変換部４４ｂとにより構成されている。尚、超音波発生波形はサイン波に拘らず、たとえば回路簡略化のため矩形波や三角波を適宜組み合わせて用いたものでもよい。 As shown in FIG. 3, the control circuit unit 40 is connected to the ultrasonic sensor unit 1 </ b> A. And a T / R switch 45 for switching. The ultrasonic generator 43 includes a sine wave generator 43a that generates a sine wave, a phase unit 43b that is provided for each ultrasonic sensor 1 and changes the phase of the sine wave, and a driver 43c. . The ultrasonic detection unit 44 mainly includes an amplification unit 44a and an A / D conversion unit 44b. Note that the ultrasonic wave generation waveform is not limited to a sine wave, but may be a combination of a rectangular wave and a triangular wave, for example, in order to simplify the circuit.

制御演算部４１は、超音波センサーユニット１Ａによる超音波の発信時には、サイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、位相部４３ｂによりサイン波を個々の超音波センサー１に対応する位相に変化させる。また、制御演算部４１は、超音波センサーユニット１Ａの超音波の受信時には、Ｔ／Ｒスイッチ４５を切り換えて超音波センサーユニット１Ａから出力された出力信号を増幅部４４ａに伝送させる。また、制御演算部４１は、記憶部４２に記憶された情報をＰＤＡ１００の制御・演算部（図示略）に出力可能に構成されている。 When the ultrasonic sensor unit 1A transmits ultrasonic waves, the control calculation unit 41 generates a sine wave by the sine wave generation unit 43a and changes the sine wave to a phase corresponding to each ultrasonic sensor 1 by the phase unit 43b. . In addition, when the ultrasonic sensor unit 1A receives ultrasonic waves, the control calculation unit 41 switches the T / R switch 45 to transmit the output signal output from the ultrasonic sensor unit 1A to the amplification unit 44a. Further, the control calculation unit 41 is configured to be able to output information stored in the storage unit 42 to a control / calculation unit (not shown) of the PDA 100.

また、制御演算部４１は、超音波センサーユニット１Ａから発信された超音波と、検出対象により反射され超音波センサーユニット１Ａにより受信された超音波と、に基づいて検出対象の位置、形状、速度を算出するように構成されている。
具体的には、制御演算部４１は、超音波センサー１によって超音波を発信した後、検出対象により反射された超音波が複数の超音波センサー１によって検出されるまでの時間から、各超音波センサー１と検出対象との距離を算出するようになっている。これにより、検出対象の３次元形状及び位置を算出するようになっている。 The control calculation unit 41 also detects the position, shape, and speed of the detection target based on the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A and the ultrasonic wave reflected by the detection target and received by the ultrasonic sensor unit 1A. Is calculated.
Specifically, the control calculation unit 41 transmits each ultrasonic wave from the time from when the ultrasonic wave is transmitted by the ultrasonic sensor 1 until the ultrasonic wave reflected by the detection target is detected by the plural ultrasonic sensors 1. The distance between the sensor 1 and the detection target is calculated. As a result, the three-dimensional shape and position of the detection target are calculated.

また、制御演算部４１は、超音波の発信と受信を所定の周期で繰り返すことで、検出対象の速度、動作を検出する。さらに、移動する検出対象によって反射され、ドップラー効果により周波数が変化した超音波を超音波センサー１により検出し、検出対象の移動方向及び速度を算出する。 Moreover, the control calculation part 41 detects the speed and operation | movement of a detection target by repeating transmission and reception of an ultrasonic wave with a predetermined period. Furthermore, an ultrasonic wave reflected by the moving detection target and having a frequency changed by the Doppler effect is detected by the ultrasonic sensor 1, and the moving direction and speed of the detection target are calculated.

図４は、図２に示す超音波センサーアレイをＡ−Ａ’線で切断し、超音波センサー１を拡大して表した拡大断面図である。
ここで、図２では基部１１に設けられた開口部１１ａの形状を平面視で矩形状に表したが、以下では開口部１１ａの形状が平面視で円形状である場合について説明する。 FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the ultrasonic sensor 1 in an enlarged manner by cutting the ultrasonic sensor array shown in FIG. 2 along the line AA ′.
Here, in FIG. 2, the shape of the opening 11 a provided in the base portion 11 is shown in a rectangular shape in plan view, but the case where the shape of the opening portion 11 a is circular in plan view will be described below.

図４に示す本実施形態の超音波センサー１は、超音波を発信又受信する超音波センサーである。超音波センサー１は、開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１の開口部１１ａを閉塞するように設けられた振動板２と、振動板２の基部１１と反対側に設けられた圧電体３と、圧電体３に接続された下部電極４及び上部電極５とを備えている。
基部１１に形成された開口部１１ａの深さｄは、例えば約１００μｍ程度である。 The ultrasonic sensor 1 of this embodiment shown in FIG. 4 is an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves. The ultrasonic sensor 1 includes a base 11 in which an opening 11 a is formed, a diaphragm 2 provided so as to close the opening 11 a of the base 11, and a piezoelectric provided on the opposite side of the base 11 of the diaphragm 2. A body 3 and a lower electrode 4 and an upper electrode 5 connected to the piezoelectric body 3 are provided.
The depth d of the opening 11a formed in the base 11 is, for example, about 100 μm.

振動板２は、基部１１側に設けられ例えばＳｉＯ_２により形成された第１酸化膜２ａと、第１酸化膜２ａの基部１１とは反対側に積層され例えばＺｒＯ_２により形成された第２酸化膜２ｂとの二層構造となっている。第１酸化膜２ａは例えば単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることにより約３μｍ程度の厚さに形成されている。第２酸化膜２ｂは例えばＣＶＤ（化学気相成長）法等により約４００ｎｍ程度の厚さに形成されている。 Diaphragm 2, a first oxide film 2a formed by being for example SiO ₂ is provided on the base 11 side, a second oxide formed by being laminated on the opposite side e.g. ZrO ₂ is the base 11 of the first oxide film 2a It has a two-layer structure with the film 2b. The first oxide film 2a is formed to a thickness of about 3 μm, for example, by thermally oxidizing the surface of a single crystal silicon substrate. The second oxide film 2b is formed to a thickness of about 400 nm by, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method.

振動板２が開口部１１ａと平面的に重なって開口部１１ａに露出された領域は、振動板２の振動領域Ｖとなっている。開口部１１ａの径Ｄは振動領域Ｖの振動板２の固有振動数に応じて例えば約１００μｍ〜数百μｍ程度の範囲で適宜設定されている。振動板２の振動領域Ｖで基部１１と反対側の面には下部電極４が設けられている。 A region where the diaphragm 2 is planarly overlapped with the opening 11 a and exposed to the opening 11 a is a vibration region V of the diaphragm 2. The diameter D of the opening 11a is appropriately set in a range of about 100 μm to several hundred μm, for example, according to the natural frequency of the diaphragm 2 in the vibration region V. A lower electrode 4 is provided on the surface opposite to the base 11 in the vibration region V of the diaphragm 2.

下部電極４は、超音波センサーユニット１Ａの制御回路部４０に接続された配線（図示略）に接続されている。下部電極４は例えばＩｒ等の導電性金属材料により約２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。下部電極４上には振動領域Ｖに対応して圧電体３が設けられている。 The lower electrode 4 is connected to a wiring (not shown) connected to the control circuit unit 40 of the ultrasonic sensor unit 1A. The lower electrode 4 is formed to a thickness of about 200 nm from a conductive metal material such as Ir. A piezoelectric body 3 is provided on the lower electrode 4 corresponding to the vibration region V.

圧電体３は振動板２の基部１１とは反対側で開口部１１ａと平面的に重なる振動領域Ｖに島状に設けられている。圧電体３は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）等により約１．４μｍ程度の厚さに形成されている。圧電体３の上には上部電極５が形成されている。 The piezoelectric body 3 is provided in an island shape in a vibration region V that overlaps with the opening 11 a on the opposite side of the base 11 of the diaphragm 2. The piezoelectric body 3 is formed with a thickness of about 1.4 μm by, for example, PZT (lead zirconate titanate), BaTiO ₃ (barium titanate) or the like. An upper electrode 5 is formed on the piezoelectric body 3.

上部電極５は例えばＩｒ等の導電性金属材料により形成され、圧電体３に接触して電気的に接続されている。上部電極５の厚さは例えば約５０ｎｍ程度となっている。また、上部電極５は配線（図示略）を介して入力装置１０の制御回路部４０に接続されている。 The upper electrode 5 is made of a conductive metal material such as Ir, and is in contact with and electrically connected to the piezoelectric body 3. The thickness of the upper electrode 5 is about 50 nm, for example. The upper electrode 5 is connected to the control circuit unit 40 of the input device 10 via wiring (not shown).

次に、本実施形態のＰＤＡ１００及び入力装置１０の作用について説明する。
図１に示すように、ＰＤＡ１００において人の手や指の位置、形状、速度を検出する際には、入力装置１０の超音波センサーユニット１Ａ（図２参照）により、所定の検出領域に超音波を発信する。 Next, the operation of the PDA 100 and the input device 10 of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, when detecting the position, shape, and speed of a human hand or finger in the PDA 100, an ultrasonic wave is detected in a predetermined detection region by the ultrasonic sensor unit 1A (see FIG. 2) of the input device 10. To send.

まず、入力装置１０の制御回路部４０により、超音波センサー１の上部電極５と下部電極４との間に電圧を印加する。
具体的には、図３に示すようにサイン波発生部４３ａに所定の周波数の超音波を発生するためのサイン波を発生させる。そして、制御演算部４１によって、位相部４３ｂ、Ｔ／Ｒスイッチ４５を制御する。これにより、超音波センサーユニット１Ａの各々の超音波センサー１の下部電極４と上部電極５との間に少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。 First, a voltage is applied between the upper electrode 5 and the lower electrode 4 of the ultrasonic sensor 1 by the control circuit unit 40 of the input device 10.
Specifically, as shown in FIG. 3, a sine wave for generating an ultrasonic wave of a predetermined frequency is generated in the sine wave generation unit 43a. Then, the control unit 41 controls the phase unit 43b and the T / R switch 45. Thereby, a sine wave voltage whose phase is slightly shifted is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 5 of each ultrasonic sensor 1 of the ultrasonic sensor unit 1A.

図４に示すように振動板２の振動領域Ｖに形成された圧電体３は、上部電極５と下部電極４との間にサイン波電圧が印加されると、振動板２の面方向に伸長されたり圧縮されたりする。圧電体３が振動板２の面方向に伸長されると、振動板２の圧電体３側が面方向に伸長され、振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凹（図の上方向に凸）となるように撓む。 As shown in FIG. 4, the piezoelectric body 3 formed in the vibration region V of the diaphragm 2 expands in the plane direction of the diaphragm 2 when a sine wave voltage is applied between the upper electrode 5 and the lower electrode 4. Or compressed. When the piezoelectric body 3 is extended in the plane direction of the diaphragm 2, the piezoelectric body 3 side of the diaphragm 2 is extended in the plane direction, and the vibration region V of the diaphragm 2 is concave on the base 11 side (convex upward in the figure). ) To bend.

また、圧電体３が振動板２の面方向に圧縮されると、振動板２の圧電体３側が面方向に圧縮され、振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凸（図の上方向に凹）となるように撓む。これにより、振動領域Ｖの振動板２が法線方向に振動し、各々の超音波センサー１の振動領域Ｖからサイン波電圧の周期に応じた振動数の超音波が発信される。本実施形態において発信される超音波の周波数は１００ｋＨｚ以上であり、解像度を向上させるためは２００ｋＨｚ以上であることが好ましい。また、検出領域を実用的な範囲とするためには、周波数は１ＭＨｚ以下であることが好ましい。 When the piezoelectric body 3 is compressed in the plane direction of the diaphragm 2, the piezoelectric body 3 side of the diaphragm 2 is compressed in the plane direction, and the vibration region V of the diaphragm 2 protrudes toward the base 11 side (upward in the figure). To be concave). Thereby, the diaphragm 2 in the vibration region V vibrates in the normal direction, and ultrasonic waves having a frequency corresponding to the period of the sine wave voltage are transmitted from the vibration regions V of the respective ultrasonic sensors 1. In this embodiment, the frequency of the ultrasonic wave transmitted is 100 kHz or more, and preferably 200 kHz or more in order to improve the resolution. Moreover, in order to make a detection area into a practical range, it is preferable that a frequency is 1 MHz or less.

各々の超音波センサー１の下部電極４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加することで、各々の超音波センサー１の振動領域Ｖの振動板２は、少しずつ位相がずれた状態で振動する。各々の超音波センサー１の振動領域Ｖの振動板２が少しずつ位相のずれた状態で振動することで、各々の超音波センサー１から発せられる超音波が干渉する。この超音波の干渉により、超音波の進行方向が振動板２の法線方向に対して傾いた状態となり、超音波に指向性が付与される。 By applying a sine wave voltage whose phase is slightly shifted to the lower electrode 4a of each ultrasonic sensor 1, the diaphragm 2 in the vibration region V of each ultrasonic sensor 1 is in a state where the phase is slightly shifted. Vibrate. The vibration plate 2 in the vibration region V of each ultrasonic sensor 1 vibrates in a state where the phase is slightly shifted, so that ultrasonic waves emitted from the respective ultrasonic sensors 1 interfere with each other. Due to the interference of the ultrasonic waves, the traveling direction of the ultrasonic waves is inclined with respect to the normal direction of the diaphragm 2, and directivity is imparted to the ultrasonic waves.

この超音波の指向性の変化を利用し、各々の超音波センサー１の圧電体３に印加するサイン波電圧の位相のずれを変化させることで、図１に示す入力装置１０の超音波センサーユニット１Ａから発信される超音波の方向を変化させ、入力装置１０の検出領域を走査する。
検出領域の範囲は、超音波センサーユニット１Ａから発信される超音波の周波数に依存する。例えば、発信する超音波の周波数が１００ｋＨｚ以上の場合には、検出領域は超音波が到達する範囲でかつ超音波センサーユニット１Ａからの距離が約２０００ｍｍ以内の領域となる。また、発信する超音波の周波数が２００ｋＨｚ以上の場合には、検出領域は超音波が到達する範囲でかつ超音波センサーユニット１Ａからの距離が約５００ｍｍ以内の領域となる。 The ultrasonic sensor unit of the input device 10 shown in FIG. 1 is changed by changing the phase shift of the sine wave voltage applied to the piezoelectric body 3 of each ultrasonic sensor 1 by using the change in directivity of the ultrasonic waves. The direction of the ultrasonic wave transmitted from 1A is changed, and the detection area of the input device 10 is scanned.
The range of the detection region depends on the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A. For example, when the frequency of the ultrasonic wave to be transmitted is 100 kHz or more, the detection region is a region where the ultrasonic wave reaches and the distance from the ultrasonic sensor unit 1A is within about 2000 mm. When the frequency of the transmitted ultrasonic wave is 200 kHz or more, the detection region is a region where the ultrasonic wave reaches and within a distance of about 500 mm from the ultrasonic sensor unit 1A.

例えば、開口部１１ａのピッチＰを約２５０μｍ、開口部１１ａの径Ｄを２００μｍ、振動板２の振幅を約３μｍ以上かつ約１０μｍ以下の範囲とし、超音波センサーユニット１Ａの一辺の寸法を約４ｍｍとする。そして、発信する超音波の振動数を３４０ｋＨｚ、音圧を約５０ｄＢ以上かつ約１３０ｄＢ以下の範囲とした場合には、検出領域は超音波センサーユニット１Ａからの距離が約５００ｍｍ以内の範囲となる。このときの入力装置１０の解像度（分解能）は約１ｍｍとなる。 For example, the pitch P of the openings 11a is about 250 μm, the diameter D of the openings 11a is 200 μm, the amplitude of the diaphragm 2 is about 3 μm to about 10 μm, and the dimension of one side of the ultrasonic sensor unit 1A is about 4 mm. And When the frequency of the transmitted ultrasonic wave is 340 kHz and the sound pressure is in the range of about 50 dB to about 130 dB, the detection area is within a range of about 500 mm from the ultrasonic sensor unit 1A. The resolution (resolution) of the input device 10 at this time is about 1 mm.

また、開口部１１ａのピッチＰを約２２０μｍ、開口部１１ａの径Ｄを１７０μｍ、振動板２の振幅を約２μｍ以上かつ約８μｍ以下の範囲とし、超音波センサーユニット１Ａの一辺の寸法を約３．５ｍｍとする。そして、発信する超音波の周波数を５００ｋＨｚ、音圧を約３０ｄＢ以上かつ約１００ｄＢ以下の範囲とした場合には、検出領域は超音波センサーユニット１Ａからの距離が約２００ｍｍ以内の範囲となる。このときの入力装置１０の解像度（分解能）は約０．７ｍｍとなる。 Further, the pitch P of the openings 11a is about 220 μm, the diameter D of the openings 11a is 170 μm, the amplitude of the diaphragm 2 is in the range of about 2 μm to about 8 μm, and the dimension of one side of the ultrasonic sensor unit 1A is about 3 .5 mm. When the frequency of the transmitted ultrasonic wave is 500 kHz and the sound pressure is in the range of about 30 dB to about 100 dB, the detection area is within a range of about 200 mm from the ultrasonic sensor unit 1A. The resolution (resolution) of the input device 10 at this time is about 0.7 mm.

図１に示すように検出領域内に例えば人の手や指が存在すると、入力装置１０の超音波センサーユニット１Ａから発信された超音波は人の手や指によって反射する。人の手や指によって反射した超音波が超音波センサーユニット１Ａの超音波センサー１に到達すると、超音波センサー１の振動領域Ｖの振動板２が振動する。振動領域Ｖの振動板２が振動すると、圧電体３が振動板２の面方向の伸縮に伴って伸縮され、圧電体３に電位差が発生する。 As shown in FIG. 1, for example, when a human hand or finger is present in the detection region, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A of the input device 10 is reflected by the human hand or finger. When the ultrasonic wave reflected by a human hand or finger reaches the ultrasonic sensor 1 of the ultrasonic sensor unit 1A, the diaphragm 2 in the vibration region V of the ultrasonic sensor 1 vibrates. When the vibration plate 2 in the vibration region V vibrates, the piezoelectric body 3 expands and contracts with expansion and contraction in the surface direction of the vibration plate 2, and a potential difference occurs in the piezoelectric body 3.

圧電体３に発生した電位差は、上部電極５及び下部電極４に接続された配線（図示略）によって超音波センサー１の出力信号として入力装置１０の制御回路部４０に伝送される。入力装置１０の制御回路部４０に伝送された個々の超音波センサー１からの出力信号は、Ｔ／Ｒスイッチ４５、増幅部４４ａ、Ａ／Ｄ変換部４４ｂを介して記憶部４２に記録される。制御演算部４１は、超音波センサーユニット１Ａから発信された超音波の情報と、検出対象により反射され超音波センサーユニット１Ａにより受信された超音波の情報と、に基づいて検出領域の人の手や指の形状、距離、移動速度を算出して出力する。 The potential difference generated in the piezoelectric body 3 is transmitted to the control circuit unit 40 of the input device 10 as an output signal of the ultrasonic sensor 1 through wiring (not shown) connected to the upper electrode 5 and the lower electrode 4. The output signal from each ultrasonic sensor 1 transmitted to the control circuit unit 40 of the input device 10 is recorded in the storage unit 42 via the T / R switch 45, the amplification unit 44a, and the A / D conversion unit 44b. . The control calculation unit 41 is configured to detect the human hand in the detection region based on the ultrasonic information transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A and the ultrasonic information reflected by the detection target and received by the ultrasonic sensor unit 1A. Calculates and outputs the shape, distance, and movement speed of the finger.

具体的には、制御演算部４１は、超音波センサー１によって超音波を発信した後、発信した超音波の情報を記憶部４２に記録する。また、人の手や指によって反射され複数の超音波センサー１によって検出された超音波の情報をそれぞれ記憶部４２に記録する。そして、発信した超音波が人の手や指によって反射され受信されるまでの時間から、各々の超音波センサー１と人の手や指との距離を算出する。これにより、人の手や指の３次元形状及び位置を算出する。 Specifically, the control calculation unit 41 records the information of the transmitted ultrasonic wave in the storage unit 42 after transmitting the ultrasonic wave by the ultrasonic sensor 1. In addition, ultrasonic information reflected by a human hand or finger and detected by the plurality of ultrasonic sensors 1 is recorded in the storage unit 42. Then, the distance between each ultrasonic sensor 1 and the human hand or finger is calculated from the time until the transmitted ultrasonic wave is reflected and received by the human hand or finger. Thereby, the three-dimensional shape and position of a human hand or finger are calculated.

また、制御演算部４１は、超音波の発信と受信を所定の周期で繰り返すことで、人の手や指の移動を検知し、その速度、動作を算出する。さらに、手や指が所定の動作を行う場合には、動作中の手や指によって反射され、ドップラー効果により周波数が変化した超音波の情報を超音波センサー１により検出して記憶装置２４に記録し、人の手や指の移動方向及び速度を算出する。そして、これら移動方向及び速度の情報を人の手や指の状態や動作の情報として出力する。 Further, the control calculation unit 41 detects the movement of a person's hand or finger by repeating transmission and reception of ultrasonic waves at a predetermined cycle, and calculates the speed and operation thereof. Further, when a hand or finger performs a predetermined motion, ultrasonic information reflected by the hand or finger during operation and having a frequency changed by the Doppler effect is detected by the ultrasonic sensor 1 and recorded in the storage device 24. Then, the moving direction and speed of the human hand or finger are calculated. Then, the information on the moving direction and the speed is output as information on the state and movement of a human hand or finger.

ＰＤＡ１００の制御・演算部（図示略）は、入力装置１０によって入力された手や指の状態や動作と、予め登録された手や指の状態や動作とを比較する。比較の結果、入力装置１０によって入力された人の手や指の状態や動作が予め登録されたものと一致すれば、人の手や指の形状や動作を所定の入力として認識し、例えば表示部２０に画像を表示させる等、予め登録された所定の動作を実行する。 The control / arithmetic unit (not shown) of the PDA 100 compares the state and action of the hand or finger input by the input device 10 with the state or action of the hand or finger registered in advance. As a result of the comparison, if the state or action of the person's hand or finger input by the input device 10 matches that registered in advance, the shape or action of the person's hand or finger is recognized as a predetermined input, for example, display A predetermined operation registered in advance, such as displaying an image on the unit 20, is executed.

人の手や指の動作を検出してＰＤＡ１００が実行する動作の一例としては、例えば親指と人差し指を擦り合わせる動作を検出して、ＰＤＡ１００おいてページめくり動作を実行させる。また、人差し指と中指の先端を円運動させる動作を検出して、ＰＤＡ１００おいてオブジェクトの回転動作を実行する。また、人差し指の動作を検出することで、ＰＤＡ１００おいてポインティング動作を実行する。また、親指の先端と人差し指の先端を接触させる動作を検出して、ＰＤＡ１００おいてクリック動作を実行する、等である。 As an example of an operation performed by the PDA 100 by detecting the movement of a human hand or finger, for example, an operation of rubbing a thumb and an index finger is detected, and the page turning operation is performed in the PDA 100. Further, a motion of circularly moving the tips of the index finger and the middle finger is detected, and the PDA 100 performs a rotation operation of the object. Further, the pointing operation is executed in the PDA 100 by detecting the operation of the index finger. Further, an operation of bringing the tip of the thumb and the tip of the index finger into contact is detected, and a click operation is executed in the PDA 100.

本実施形態の入力装置１０によれば、従来のタッチパネルに代わる非接触の入力装置を提供することができ、上記したような３次元の豊かな表現による入力が可能となる。したがって、表示部２０の表示パネルの透過度を向上させることができ、タッチパネルを用いる場合と比較して表示品質を著しく向上させることができる。また、表示部２０に触れる必要がないので、表示部２０に指紋等が付着することを防止できる。 According to the input device 10 of the present embodiment, it is possible to provide a non-contact input device that replaces a conventional touch panel, and input with a rich three-dimensional expression as described above is possible. Therefore, the transparency of the display panel of the display unit 20 can be improved, and the display quality can be significantly improved as compared with the case where a touch panel is used. In addition, since it is not necessary to touch the display unit 20, it is possible to prevent fingerprints and the like from attaching to the display unit 20.

また、超音波センサーユニット１Ａの開口部１１ａの径Ｄ及び振動板２の厚さを調整することで、開口部１１ａにおける振動板２の固有振動数を調整し、波長の短い高周波数の超音波を発信及び受信可能にして、比較的近距離に存在する検出対象の分解能を向上させることができる。 Further, by adjusting the diameter D of the opening 11a of the ultrasonic sensor unit 1A and the thickness of the diaphragm 2, the natural frequency of the diaphragm 2 in the opening 11a is adjusted, and high-frequency ultrasonic waves with a short wavelength are short. Can be transmitted and received, and the resolution of the detection target existing at a relatively short distance can be improved.

また、超音波センサーユニット１Ａから発信される超音波の周波数を１００ｋＨｚ以上とすることで、超音波センサーユニット１Ａが発信する超音波の波長が十分に短くなり、比較的近距離に存在する検出対象の分解能が向上する。したがって、超音波センサーユニット１Ａによって比較的近距離に存在する比較的小さな人の手や指、あるいはタッチペン等の３次元的な位置、形状、速度を正確に検出することができる。
また、超音波センサーユニット１Ａから発信される超音波の周波数を２００ｋＨｚ以上とすることで、解像度をさらに向上させることができる。また、発信される周波数を１ＭＨｚ以下とすることで検出領域をＰＤＡ１００を用いる際に実用的な範囲とすることができる。 Further, by setting the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A to 100 kHz or more, the wavelength of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A is sufficiently short, and the detection target is present at a relatively short distance. The resolution is improved. Therefore, the ultrasonic sensor unit 1A can accurately detect the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small human hand or finger or a touch pen existing at a relatively short distance.
Moreover, the resolution can be further improved by setting the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit 1A to 200 kHz or more. Moreover, when the transmitted frequency is set to 1 MHz or less, the detection area can be set to a practical range when the PDA 100 is used.

また、入力装置１０の超音波センサーユニット１Ａは、単結晶シリコン基板により形成された基部１１を備えている。そのため、フォトリソグラフィ法、エッチング法等の微細加工技術を用いて基部１１の開口部１１ａを精密に加工することが可能になる。 In addition, the ultrasonic sensor unit 1A of the input device 10 includes a base 11 formed of a single crystal silicon substrate. Therefore, it becomes possible to precisely process the opening 11a of the base 11 using a fine processing technique such as a photolithography method or an etching method.

また、振動板２はＳｉＯ_２等のシリコン酸化物により形成された第１酸化膜２ａと、ＺｒＯ_２等により形成された第２酸化膜２ｂとにより形成されている。そのため、基部１１の表面を熱酸化させて振動板２の第１酸化膜２ａを形成し、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により第２酸化膜２ｂを形成することができる。これにより、振動板の厚さを精密に制御することが可能となる。したがって、高周波数の超音波を発信及び受信することが可能な超音波センサーユニット１Ａを容易に製造することが可能になる。 The diaphragm 2 is formed by a first oxide film 2a formed of silicon oxide such as SiO ₂ and a second oxide film 2b formed of ZrO ₂ or the like. Therefore, the surface of the base 11 can be thermally oxidized to form the first oxide film 2a of the diaphragm 2, and the second oxide film 2b can be formed by CVD, sputtering, or the like. This makes it possible to precisely control the thickness of the diaphragm. Therefore, it is possible to easily manufacture the ultrasonic sensor unit 1A capable of transmitting and receiving high-frequency ultrasonic waves.

以上説明したように、本実施形態の入力装置１０によれば、比較的近距離である検出領域に存在する比較的小さな人の手や指、ペン等の３次元的な位置、形状、速度を超音波センサーユニット１Ａにより正確に検出することができ、ＰＤＡ１００等の電子機器に超音波センサーユニット１Ａの検出結果に対応した入力を行うことができる。 As described above, according to the input device 10 of the present embodiment, the three-dimensional position, shape, and speed of a relatively small person's hand, finger, pen, etc. existing in a detection area that is relatively close to each other are detected. It can be detected accurately by the ultrasonic sensor unit 1A, and an input corresponding to the detection result of the ultrasonic sensor unit 1A can be made to an electronic device such as the PDA 100.

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用し、図５を用いて説明する。本実施形態では、超音波センサーユニットに反射板が設けられ、超音波センサーの発信素子と受信素子の開口部の形状が異なっている点で上述の第一実施形態で説明した入力装置と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。 <Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment differs from the input device described in the first embodiment in that a reflection plate is provided in the ultrasonic sensor unit, and the shapes of the openings of the transmitting element and the receiving element of the ultrasonic sensor are different. Yes. Since the other points are the same as in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図５は、第一実施形態の図４に相当する本実施形態の超音波センサーの拡大図断面図である。
図５に示すように、本実施形態の超音波センサーユニット１Ｂは、振動板２の基部１１とは反対側に反射板１４が設けられている。反射板１４は、例えば基部１１と同様の単結晶シリコン基板により形成されている。反射板１４には、個々の超音波センサー１に対応して、内部に圧電体３を収容する空洞状の反射室１５が形成されている。反射室１５の径Ｄ１は開口部１１ａの径Ｄと略等しいかそれよりもやや大きく形成されている。また、振動板２の表面から反射室１５の反射面１５ａまでの距離Ｄ２は、発信する超音波の波長λに基づいて決定され、例えば、ｎを自然数として（ｎ＋１／２）λに設定されている。 FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the ultrasonic sensor of this embodiment corresponding to FIG. 4 of the first embodiment.
As shown in FIG. 5, the ultrasonic sensor unit 1 </ b> B of the present embodiment is provided with a reflecting plate 14 on the side opposite to the base 11 of the diaphragm 2. The reflecting plate 14 is formed of, for example, a single crystal silicon substrate similar to the base 11. In the reflecting plate 14, corresponding to each ultrasonic sensor 1, a hollow reflecting chamber 15 that accommodates the piezoelectric body 3 is formed. The diameter D1 of the reflection chamber 15 is substantially equal to or slightly larger than the diameter D of the opening 11a. The distance D2 from the surface of the diaphragm 2 to the reflection surface 15a of the reflection chamber 15 is determined based on the wavelength λ of the transmitted ultrasonic wave, and is set to (n + 1/2) λ, for example, where n is a natural number. Yes.

また、本実施形態では、超音波センサーユニット１Ｂは超音波センサー１として、超音波を発信する発信素子１ａと、超音波を受信する受信素子１ｂと、を有している。
受信素子１ｂの開口部１１ｂは、内側面が振動板２に対して傾斜して設けられ、振動板２から遠ざかるほど拡大するテーパー形状に形成されている。すなわち、振動板２の近傍の径Ｄは発信素子１ａの開口部１１ａの径Ｄと略等しく、開口縁近傍の開口部１１ｂの径Ｄ３はそれよりも大きくなっている。 Further, in the present embodiment, the ultrasonic sensor unit 1B includes, as the ultrasonic sensor 1, a transmitting element 1a that transmits ultrasonic waves and a receiving element 1b that receives ultrasonic waves.
The opening 11b of the receiving element 1b is formed in a tapered shape in which an inner surface is inclined with respect to the diaphragm 2 and expands as the distance from the diaphragm 2 increases. That is, the diameter D in the vicinity of the diaphragm 2 is substantially equal to the diameter D of the opening 11a of the transmitting element 1a, and the diameter D3 of the opening 11b in the vicinity of the opening edge is larger than that.

次に、この実施の形態の作用について説明する。
超音波センサーユニット１Ｂの発信素子１ａにより超音波を発信すると、振動板２の基部１１側に超音波が発信されると共に、基部１１と反対側にも超音波が発信される。ここで、本実施形態では、反射室１５を有する反射板１４が振動板２の基部１１と反対側に設けられている。したがって、振動板２の基部１１と反対側に発信された超音波は、反射室１５の反射面１５ａによって反射され、振動板２に入射する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
When ultrasonic waves are transmitted by the transmitting element 1a of the ultrasonic sensor unit 1B, ultrasonic waves are transmitted to the base 11 side of the diaphragm 2 and ultrasonic waves are also transmitted to the side opposite to the base 11. Here, in the present embodiment, the reflecting plate 14 having the reflecting chamber 15 is provided on the side opposite to the base 11 of the diaphragm 2. Accordingly, the ultrasonic wave transmitted to the side opposite to the base 11 of the diaphragm 2 is reflected by the reflecting surface 15 a of the reflecting chamber 15 and enters the diaphragm 2.

ここで、振動板２の表面から反射室１５の反射面１５ａまでの距離がｎを自然数として（ｎ＋１／２）λに設定されている。そのため、反射室１５の反射面１５ａで反射した超音波は、振動板２から発信され波長λの整数倍の経路を経て再び振動板２に入射する。したがって、振動板２に入射した超音波の位相は、振動板２の振動の位相と一致して振動板２の振動を増幅させるように作用する。これにより、超音波の発信をより効率よく行うことができる。 Here, the distance from the surface of the diaphragm 2 to the reflecting surface 15a of the reflecting chamber 15 is set to (n + 1/2) λ where n is a natural number. Therefore, the ultrasonic wave reflected by the reflection surface 15a of the reflection chamber 15 is transmitted from the diaphragm 2 and enters the diaphragm 2 again through a path that is an integral multiple of the wavelength λ. Therefore, the phase of the ultrasonic wave incident on the diaphragm 2 is matched with the vibration phase of the diaphragm 2 and acts to amplify the vibration of the diaphragm 2. Thereby, ultrasonic waves can be transmitted more efficiently.

また、本実施形態では、例えば発信素子１ａと受信素子１ｂの径Ｄを異ならせ、発信素子１ａにおける振動板２の固有振動数と受信素子１ｂにおける振動板２の固有振動数とを異ならせることができる。これにより、発信素子１ａによって所定の周波数で発信され、人の手や指により反射してドップラー効果により周波数が変化した超音波を、受信素子１ｂにより検出することができる。したがって、制御演算部４１により検出対象の速度をより正確に算出することができる。 Further, in the present embodiment, for example, the diameter D of the transmitting element 1a and the receiving element 1b is made different so that the natural frequency of the diaphragm 2 in the transmitting element 1a and the natural frequency of the diaphragm 2 in the receiving element 1b are made different. Can do. As a result, an ultrasonic wave that is transmitted at a predetermined frequency by the transmitting element 1a and reflected by a human hand or finger and whose frequency is changed by the Doppler effect can be detected by the receiving element 1b. Therefore, the speed of the detection target can be calculated more accurately by the control calculation unit 41.

また、受信素子１ｂの開口部１１ｂは、内側面が振動板２に対して傾斜して設けられ、振動板２から遠ざかるほど拡大するテーパー形状に形成されている。したがって、人の手や指等の測定対象に反射され、受信素子１ｂの開口部１１ｂに対して角度を持って入射する超音波が基部１１によって遮られることを防止することができる。 Further, the opening 11 b of the receiving element 1 b is provided with an inner surface inclined with respect to the diaphragm 2, and is formed in a tapered shape that expands as the distance from the diaphragm 2 increases. Therefore, it is possible to prevent the base 11 from blocking the ultrasonic wave that is reflected by the measurement target such as a human hand or a finger and is incident on the opening 11b of the receiving element 1b at an angle.

尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、電子機器はＰＤＡに限られない。本発明の入力装置は、例えば人の指の動きを検出することで、パーソナルコンピュータのバーチャルキーボードとして利用することも可能である。また、血流等の液体の速度検出装置として用いてもよい。また、手話の翻訳機等にも応用することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the electronic device is not limited to a PDA. The input device of the present invention can also be used as a virtual keyboard of a personal computer, for example, by detecting the movement of a human finger. Moreover, you may use as a velocity detection apparatus of liquids, such as a blood flow. It can also be applied to sign language translators.

また、振動板の材料としては、シリコン酸化物以外にも、ニッケル、クロム、アルミニウムのような金属材料及び、それらの酸化物であるセラミック材料、シリコン、有機樹脂を用いた高分子有機物等を用いることができる。また、酸化膜は基板表面の熱酸化以外に、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、塗布等、或いはこれらの金属膜成膜と熱酸化の組み合わせにより形成してもよい。
また、基部に形成する開口部の平面形状は矩形状や円形状に限られない。
また、入力装置は複数の超音波センサーユニットを備えていてもよい。これにより、検出対象の複数の方向の速度をより正確に検出することが可能になる。 Further, as the material of the diaphragm, in addition to silicon oxide, metal materials such as nickel, chromium, and aluminum, ceramic materials that are oxides thereof, silicon, and polymer organic materials using organic resins are used. be able to. In addition to thermal oxidation of the substrate surface, the oxide film may be formed by CVD, sputtering, vapor deposition, coating, or the like, or a combination of these metal film formation and thermal oxidation.
Further, the planar shape of the opening formed in the base is not limited to a rectangular shape or a circular shape.
The input device may include a plurality of ultrasonic sensor units. This makes it possible to more accurately detect the speeds of the detection target in a plurality of directions.

２振動板、３圧電体、１ａ発信素子、１ｂ受信素子、１Ａ，１Ｂ超音波センサーユニット、１１基部、１１ａ，１１ｂ開口部、１４反射板、１５反射室、１００ＰＤＡ（電子機器）、１０入力装置、４１制御演算部 2 vibration plate, 3 piezoelectric body, 1a transmitting element, 1b receiving element, 1A, 1B ultrasonic sensor unit, 11 base, 11a, 11b opening, 14 reflecting plate, 15 reflecting chamber, 100 PDA (electronic device), 10 inputs Equipment, 41 Control operation part

Claims

A main body comprising: a display unit; and a control / calculation unit connected to the display unit;
An input device disposed on the outer periphery of the surface on which the display unit of the main body is provided,
The input device is:
An ultrasonic sensor unit that transmits ultrasonic waves and receives the reflected ultrasonic waves; and
A control calculation unit that calculates the position, shape, and speed of the detection target based on the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor unit and the ultrasonic wave reflected by the detection target and received by the ultrasonic sensor unit; ,
An ultrasonic generator that transmits ultrasonic waves to the ultrasonic sensor unit, and
In the ultrasonic sensor unit, a plurality of openings are formed in an array having a pitch of 220 μm or more and 250 μm or less, a diaphragm provided on the base and closing the openings, and each of the openings Correspondingly provided with a piezoelectric body provided on the diaphragm,
The ultrasonic wave generation unit generates an ultrasonic wave generation waveform so that the vibration plate vibrates at a frequency of 340 kHz to 500 kHz and an amplitude of 3 μm to 8 μm ,
The control calculation unit calculates a three-dimensional shape, position, moving direction, and speed of a human hand and finger as the detection target, and outputs it as information on the state and movement of the human hand and finger.
The control / calculation unit provided in the main body is
When the information on the hand and finger state and action of the person output by the control operation unit of the input device is compared with the state and action of the person hand and finger registered in advance, and the comparison result matches An electronic apparatus that executes a predetermined display operation registered in advance.