JP5541381B2 - 超音波センサーユニット、検出装置及び電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、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。

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。

特開２００８−９９１０３号公報

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。

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。

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。

上記の課題を解決するために、本発明の入力装置は、基準周波数の超音波を発信する発信素子と、検出対象により反射された前記超音波を受信する受信素子と、を有する超音波センサーユニットを備え、前記発信素子により発信された前記超音波と、前記受信素子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、前記受信素子は、前記基準周波数の前記超音波を検出する基準周波数検出素子と、前記基準周波数と異なる周波数の超音波を検出するシフト周波数検出素子と、を有することを特徴とする。

このように構成することで、制御演算部は、発信素子から発信された超音波の波形、受信素子によって受信された超音波の波形、及び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。
検出対象が超音波の発信方向の速度成分を有している場合には、検出対象により反射された超音波の周波数は、発信時の基準周波数からドップラー効果によって周波数が変化してシフト周波数になる。また、検出対象が超音波の発信方向の速度成分を有していない場合には、反射した超音波の周波数は、発信時と同じ基準周波数になる。
このシフト周波数の超音波をシフト周波数検出素子によって検出し、基準周波数の超音波を基準周波数検出素子によって検出することができる。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る。また、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。

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、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、を有し、前記開口部の各々に前記発信素子又は前記受信素子が設けられていることを特徴とする。

このように構成することで、圧電体に所定の周波数の超音波を発生するための電圧波形を印加して、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て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。

また、本発明の入力装置は、前記基準周波数検出素子の前記開口部の寸法は、前記シフト周波数検出素子の前記開口部の寸法と異なることを特徴とする。
また、本発明の入力装置は、前記基準周波数検出素子における前記振動板の厚さは、前記シフト周波数検出素子における前記振動板の厚さと異なることを特徴とする。
また、本発明の入力装置は、前記シフト周波数検出素子は、前記振動板上に固有振動数調整部が設けられていることを特徴とする。

このように構成することで、基準周波数検出素子とシフト周波数検出素子のそれぞれの開口部における振動板の固有振動数を異ならせることができる。

また、本発明の入力装置は、前記センサーユニットは、中央部に前記発信素子が配置され、周辺部に複数の前記受信素子が配置されていることを特徴とする。

このように構成することで、発信素子により発信した超音波を受信素子によってより効率よく受信することができる。

また、本発明の電子機器は、上記のいずれかの入力装置を備えたことを特徴とする。

このように構成することで、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を備えた電子機器を提供することができる。

本発明の実施形態におけるＰＤＡの斜視図である。 本発明の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。 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。 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。 本発明の実施形態における超音波センサーの配置例を示す平面図である。 本発明の実施形態における超音波センサーの変形例を示す拡大断面図である。

以下、本発明の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。

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、例えば人間の手、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出力してＰＤＡ１００へ入力する。

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。

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。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。

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とを備えている。
超音波発生部４３は、超音波センサーユニット１Ａの超音波センサー１のうち、基準周波数の超音波を発信する発信素子１ａに接続されている。また、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、個々の発信素子１ａ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。また、超音波検出部４４は、基準周波数およびその他の周波数を受信する複数の受信素子１ｂに接続されている。

制御演算部４１は、発信素子１ａによる基準周波数の超音波の発信時には、サイン波発生部４３ａが発生させたサイン波を、位相部４３ｂにより基準周波数に対応する位相に変化させる。また、制御演算部４１は、受信素子１ｂによる超音波の受信時には、受信素子１ｂから出力され増幅部４４ａにより増幅され、Ａ／Ｄ変換部４４ｂによりデジタル化された出力信号を記憶部４２に記録する。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。

また、制御演算部４１は、超音波センサーユニット１Ａの発信素子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の受信素子１ｂ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。
具体的には、制御演算部４１は、発信素子１ａによって超音波を発信する際に、発信した時刻、発信した超音波の周波数（基準周波数）、音圧等を記憶部４２に記録する。また、制御演算部４１は、検出対象によって反射された超音波を複数の受信素子１ｂによって受信する際に、受信した時刻、受信した超音波の周波数、音圧等を記憶部４２に記録する。そして、記憶部４２に記録されたこれらの情報に基づいて、検出対象の形状、位置、速度等を算出する。

ここで、複数の受信素子１ｂの各々は、発信素子１ａから発信した基準周波数と同じ周波数の超音波を受信する基準周波数検出素子１ｂ０か、又は基準周波数と異なるシフト周波数の超音波を検出するシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎのいずれかである。なお、基準周波数検出素子１ｂ０及びシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎは、それぞれ単数であっても複数であってもよい。また、シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎは、それぞれ異なるシフト周波数を検出するようになっている。

すなわち、制御演算部４１は、発信素子１ａによって発信された超音波が、検出対象によって反射され、受信素子１ｂの各々によって受信されるまでの時間から、検出対象と超音波センサーユニット１Ａとの間の距離を算出する。これにより、検出対象の３次元形状及び位置を算出する。また、制御演算部４１は、発信素子１ａによる超音波の発信と受信素子１ｂによる受信を所定の周期で繰り返すことで、検出対象の速度、動作を算出する。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シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎにより検出する。

また、制御演算部４１は、記憶部４２に記録されたシフト周波数、基準周波数、空気中の音速、及び下記の式（１）に基づいて、検出対象の速度を算出する。ここで、式（１）において、ｆ’はシフト周波数、ｆは基準周波数、Ｖは空気中の音速、ｖ_sは超音波の発信側から超音波センサーユニット１Ａに近づく方向を正とする検出対象の速度である。

ｆ’／ｆ＝Ｖ／（Ｖ−ｖ_s） …（１）

図４は、図２に示す超音波センサーユニット１Ａ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。

図２に示す複数の超音波センサー１の各々は、超音波を発信する発信素子１ａか、又は超音波を受信する受信素子１ｂのいずれかである。超音波センサー１の各々は、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。

振動板２は、基部１１側に設けられ例えばＳｉＯ₂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ＺｒＯ₂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。

振動板２が開口部１１ａの各々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ＶＡとなっている。
本実施形態の超音波センサーユニット１Ａは、複数の超音波センサー１のうち、発信素子１ａにおける開口部１１ａの径Ｄ_aと、受信素子１ｂのうち基準周波数検出素子１ｂ０を除くシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎにおける開口部１１ａの径Ｄ_b1，…，Ｄ_bnとは、それぞれの振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数に応じて適宜異ならせてある。基準周波数検出素子１ｂ０における開口部１１ａの径Ｄ_b0は、発信素子１ａにおける開口部１１ａの径Ｄ_aと略等しくなっている。

超音波センサー１の各々の開口部１１ａの径Ｄ_a，Ｄ_b0，Ｄ_b1，…，Ｄ_bnは、各々の振動領域ＶＡ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。なお、本実施形態では、発信素子１ａの各振動領域ＶＡにおける振動板２の固有振動数は、１００ｋＨｚ以上に設定されている。
各素子の振動板２の振動領域ＶＡ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。

超音波センサー１の各々の下部電極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ＶＡに圧電体３が設けられている。

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ＶＡ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）、ＢａＴｉＯ₃（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。

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。

図５は、本実施形態における超音波センサー１の配置例を示す平面図である。なお、図５では図示の便宜上すべての素子の開口部１１ａの径Ｄ_a，Ｄ_b0，Ｄ_b1，…，Ｄ_bnを等しく表している。また、発信素子１ａと受信素子１ｂの基準周波数検出素子１ｂ０及びシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎとを区別するために、発信素子１ａの開口部１１ａを黒色、基準周波数検出素子１ｂ０の開口部１１ａを斜線ハッチングでそれぞれ表している。

図５に示すように、超音波センサーユニット１Ａの平面視で矩形状の基部１１の四隅と中央部には、それぞれ発信素子１ａが配置されている。そして、四隅の発信素子１ａと中央部の発信素子１ａのそれぞれを取り囲むように、基準周波数検出素子１ｂ０が配置されている。そして、中央部に配置された発信素子１ａ及び基準周波数検出素子１ｂ０の周囲で基部１１の周辺部には、四隅に配置された発信素子１ａ及び基準周波数検出素子１ｂ０の間のスペースを埋めるようにシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎが配置されている。

本実施形態では、超音波センサーユニット１Ａの超音波センサー１は８×８の正方形状配置とされている。基部１１の中央部には４つの発信素子１ａが正方形状に配置され、その周囲を取り囲むように１２個の基準周波数検出素子１ｂ０が正方形枠状に配置されている。そして、基部１１の四隅に配置された発信素子１ａを囲むように３つの基準周波数検出素子１ｂ０が配置され、これらが基部１１の四隅においてそれぞれ正方形状の配置とされている。シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎは、２×４の長方形状の配置とされ、正方形枠状に配置された中央部の基準周波数検出素子１ｂ０の各辺に長方形の長辺が沿うように、中央部の発信素子１ａの周囲に均等に配置されている。

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において人間の手や指の位置、形状、速度を検出して入力を行う際には、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。

まず、入力装置１０の制御回路部４０により、複数の超音波センサー１のうち、発信素子１ａ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に対し、発信素子１ａにおいて基準周波数の超音波を発信するためのサイン波を発生させる。本実施形態では、発信素子１ａの振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数を発信素子１ａから発信する超音波の基準周波数とする。そして、制御演算部４１によって、位相部４３ｂを制御する。これにより、超音波センサーユニット１Ａの各々の発信素子１ａの下部電極４と上部電極５との間に位相を制御したサイン波電圧を印加する。

図４に示すように発信素子１ａの振動板２の振動領域ＶＡ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、発信素子１ａの振動板２の振動領域ＶＡが基部１１側に凹（図の上方向に凸）となるように撓む。

また、発信素子１ａの圧電体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ＶＡ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、発信素子１ａの振動領域ＶＡの振動板２が法線方向に振動し、各々の発信素子１ａの振動領域ＶＡ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。

このとき、各々の発信素子１ａ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、各々の発信素子１ａの振動領域ＶＡの振動板２は、少しずつ位相がずれた状態で振動する。各々の発信素子１ａの振動領域ＶＡ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、各々の発信素子１ａ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。

この超音波の指向性の変化を利用し、各々の発信素子１ａ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、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。

例えば、隣接する発信素子１ａの開口部１１ａのピッチＰを約２５０μｍ、開口部１１ａの径Ｄ_a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。

また、隣接する発信素子１ａの開口部１１ａのピッチＰを約２２０μｍ、開口部１１ａの径Ｄ_a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。

図１に示すように検出領域内に例えば人間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間の手や指によって反射する。人間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の受信素子１ｂに到達すると、受信素子１ｂの振動領域ＶＡの振動板２が振動する。振動領域ＶＡ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。

ここで、検出対象である人の手や指が所定の動作を行って、超音波センサーユニット１Ａの超音波の発信方向に速度成分を有している場合には、人の手や指により反射された超音波の周波数は、発信時の基準周波数からドップラー効果によって周波数が変化してシフト周波数にシフトする。また、人の手や指が超音波の発信方向の速度成分を有していない場合には、反射した超音波の周波数は、発信時と同じ基準周波数になる。

本実施形態では、シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎにおける開口部１１ａの径Ｄ_b1，…，Ｄ_bnが、発信素子１ａにおける開口部１１ａの径Ｄ_aと異なっている。

そのため、発信素子１ａとシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数が異なっている。
したがって、発信素子１ａから発信され、人の手や指によって反射された超音波の周波数が、シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数と略等しい周波数成分を有する場合には、超音波が超音波センサーユニット１Ａに到達すると、シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの振動領域ＶＡの振動板２が共振する。よって、シフト周波数の超音波をシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの受信電圧によって感度よく検出することができる。

また、基準周波数検出素子１ｂ０の振動領域ＶＡの振動板２の厚さｔ_aが、発信素子１ａの振動領域ＶＡの振動板２の厚さｔ_aと略等しくなっている。また、基準周波数検出素子１ｂ０における開口部１１ａの径Ｄ_b0が、発信素子１ａにおける開口部１１ａの径Ｄ_aと略等しくなっている。

そのため、発信素子１ａと基準周波数検出素子１ｂ０の振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数が略等しくなっている。
したがって、発信素子１ａから発信され、人の手や指によって反射された超音波の周波数が基準周波数である場合には、超音波が超音波センサーユニット１Ａに到達すると、基準周波数検出素子１ｂ０の振動領域ＶＡの振動板２が共振する。よって、基準周波数の超音波を基準周波数検出素子１ｂ０によって検出することができる。

基準周波数検出素子１ｂ０及びシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの圧電体３に発生した電位差は、各々の上部電極５及び下部電極４に接続された配線（図示略）によって各素子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に伝送された各々の素子からの出力信号は、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、発信素子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基準周波数検出素子１ｂ０及びシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎ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間の手や指の形状、距離、移動速度を算出して出力する。

具体的には、制御演算部４１は、発信素子１ａによって超音波を発信する際に、発信する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受信素子１ｂ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、超音波センサーユニット１Ａ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。

また、制御演算部４１は、発信素子１ａによる超音波の発信と受信素子１ｂによる超音波の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、手や指の動作など、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シフト超音波の情報をシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎ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。したがって、本実施形態の入力装置１０によれば、超音波センサーユニット１ＡによりＰＤＡ１００の近傍の人の手や指等、比較的近距離であ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。

入力装置１０は、これら人の手や指の３次元形状及び位置、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。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。

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することで、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。

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、タッチパネルを用いる場合と比較して、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。

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、周波数が１００ＫＨｚ以上の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。

また、超音波センサーユニット１Ａの基部１１の中央部及び四隅に発信素子１ａを配置し、その周囲に基準周波数検出素子１ｂ０を配置している。したがって、基準周波数の超音波を効率よく検出して、検出領域内に存在する検出対象の３次元形状及び位置の検出精度を向上できる。また、基部１１の周辺部に発信素子１ａを取り囲むようにシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎが配置されている。したがって、シフト周波数の超音波を効率よく検出して、検出対象の速度の検出制度を向上できる。

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実用的な範囲とすることができる。

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。

また、振動板２はＳｉＯ₂等のシリコン酸化物により形成された第１酸化膜２ａと、ＺｒＯ₂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。

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、タッチペン等の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等の電気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。

次に、本実施形態の変形例について、図６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の基部の開口部の径がすべての超音波センサーにおいて等しくなっている点で、本実施形態で説明した入力装置１０と異なっている。その他の点は同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図６は、本実施形態の図４に相当する超音波センサーの変形例を示す拡大図断面図である。
図６に示すように、本実施形態の超音波センサーユニット１Ｂは受信素子１ｂにおいて振動板２の厚さｔ及び基部１１の開口部１１ａの径Ｄが、発信素子１ａにおける開口部１１ａの径Ｄａ（図４参照）と等しくなっている。また、基準周波数検出素子１ｂ０の下部電極４、圧電体３、上部電極５は、発信素子１ａと同様に設けられている。これにより、基準周波数検出素子１ｂ０の振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数が、発信素子１ａの振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数と略等しくなっている。

また、シフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの振動領域ＶＡには、固有振動数調整部６１，…，６ｎがそれぞれ設けられている。固有振動数調整部６１，…，６ｎは、各素子における振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数を調整するために設けられている。固有振動数調整部６１，…，６ｎは、下部電極４、圧電体３、上部電極５と同一の工程で一括して形成され、電気的に独立した島状に形成されている。また、固有振動数調整部６１，…，６ｎは、各素子の固有振動数に対応して体積が異なっている。

本変形例の超音波センサーユニット１Ｂでは、本実施形態の超音波センサーユニット１Ａと同様に、発信素子１ａと基準周波数検出素子１ｂ０の振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数が略等しくなっている。また、固有振動数調整部６１，…，６ｎ設けることで、発信素子１ａとシフト周波数検出素子１ｂ１，…，１ｂｎの振動領域ＶＡの振動板２の固有振動数が異なっている。したがって、図４に示す超音波センサーユニット１Ａと同様の効果を得ることができる。

尚、本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。

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。
また、各素子において振動板の厚さ（図４、ｔ_a，ｔ_b1，ｔ_b0，ｔ_bn参照）を適宜異ならせることで、振動領域の固有振動数を異ならせてもよい。

上述の実施形態において説明した入力装置を用い、超音波センサーユニットの発信素子から発信する基本周波数ｆを３４０ｋＨｚに設定した。振動板を所定の厚さは一定の厚さにし、音波センサーユニットのシフト周波数検出素子の開口部の径を以下の表１に示すように変化させてシフト周波数ｆ’を測定した。このとき、検出対象の速度を変化させて測定を行った。

その結果、表１に示すように、検出対象の速度毎に異なるシフト周波数検出素子によって異なるシフト周波数が検出され、演算部によって検出対象の速度ｖｓがそれぞれ算出された。

１ 超音波センサー、１ａ 発信素子、１ｂ 受信素子、１ｂ０ 基準周波数検出素子、１ｂ１ シフト周波数検出素子、１Ａ，１Ｂ 超音波センサーユニット、２ 振動板、３ 圧電体、１０ 入力装置、１１ 基部、１１ａ 開口部、４１ 制御演算部、６１ 固有振動数調整部、１００ ＰＤＡ（電子機器）、Ｄ_a，Ｄ_b1，Ｄ_b0，Ｄ_bn 径（寸法）、ｔ_a，ｔ_b1，ｔ_b0，ｔ_bn 厚さ。

Claims (6)

1. 第１周波数の超音波を発信する発信素子と、
   前記第１周波数の超音波を検出する第１周波数検出素子と、
   前記第１周波数とは異なる第２周波数の超音波を検出する第２周波数検出素子と、を備え、
   前記第２周波数検出素子は、
   振動板と、
   前記振動板に設けられた第１圧電体素子部と、
   前記第１周波数検出素子に対して固有振動数を異ならせるように前記振動板に設けられた第２圧電体素子部と、を有していることを特徴とする超音波センサーユニット。
2. 前記第１圧電体素子部と前記第２圧電体素子部とは前記振動板上に隔離して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサーユニット。
3. 前記第１周波数検出素子は、複数の開口部が形成された基部と、前記複数の開口部のうちの一部分の開口部に設けられ当該開口部を閉塞する振動板と、当該振動板に設けられ下部電極、圧電体、上部電極を備える圧電体素子と、を有し、
   前記第２周波数検出素子は、前記基部と、前記基部に形成された前記開口部のうちの前記第１周波数検出素子が設けられなかった開口部に設けられ当該開口部を閉塞する前記振動板と、前記振動板に設けられ下部電極、圧電体、上部電極を有する第１圧電体素子部と、前記振動板に設けられ下部電極、圧電体、上部電極を有する第２圧電体素子部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサーユニット。
4. 前記第２圧電体素子部は、前記第２周波数検出素子の固有振動数に対応した体積で形成れていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超音波センサーユニット。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超音波センサーユニットと、
   前記発信素子により発信された前記超音波と、前記第２周波数検出素子により受信された前記超音波と、に基づいて検出対象の速度を算出する制御演算部と、を備えることを特徴とする検出装置。
6. 請求項５に記載の検出装置を備えたことを特徴とする電子機器。

Images