JPH07282699A - 反射モード超音波接触感応スイッチ - Google Patents

反射モード超音波接触感応スイッチ

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JPH07282699A
JPH07282699A JP7109956A JP10995695A JPH07282699A JP H07282699 A JPH07282699 A JP H07282699A JP 7109956 A JP7109956 A JP 7109956A JP 10995695 A JP10995695 A JP 10995695A JP H07282699 A JPH07282699 A JP H07282699A
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substrate
electrode
signal
frequency
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JP7109956A
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Joseph Victor Chatigny
ジョセフ・ビクター・チャティグニー
Kyung Tae Park
キュング・ター・パーク
Minoru Toda
ミノル・トダ
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Original Assignee
Whitaker LLC
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    • G06F3/043—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using propagating acoustic waves
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板の接触領域と反対側にトランスデューサ
を設けて、安定した性能を維持できる反射モード超音波
接触感応スイッチを提供すること。 【構成】 基板１６は指２４が触れる接触領域２２とな
る第１表面１８及び反対側の第２表面２０を有する。第
２表面２０には両面に電極１２、１４を有する圧電素子
１０が取り付けられる。圧電素子１０の電極１２、１４
に高周波信号が流されると、基板１６内には超音波が発
生して第１表面１８と第２表面２０の間を反射する。指
２４が接触領域２２に触れると、波の反射率が低下して
インピーダンスが低下し、この低下の割合を検出するこ
とにより指の接触が認識される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は接触感応スイッチに関
し、特に超音波の反射原理による反射モード超音波接触
感応スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】接触感応スクリーンは、
典型的には、コンピュータによって作成されたディスプ
レイに利用される。この様なシステムに於いては、ディ
スプレイスクリーン（表示画面）上には異なる領域を表
示し、夫々の領域はオペレータ（操作者）の各種の操作
に対応している。オペレータは自分の指を、希望する応
答に対応する、スクリーン上の領域に触れる。そうする
と、回路は接触を感知してどの領域が接触されたかにつ
いての情報をコンピュータの制御システムに送る。異な
る型式の接触感応システムの従来例及びそれらの問題点
について次に述べる。
【０００３】透明な導電層が塗布されたガラスの大きな
表面に極めて接近させて導電性の膜が配置される場合、
この膜の領域は各スイッチに対応している。膜は、オペ
レータの指の爪、或いはその他の鋭いエッジ（縁）を有
する物によって容易に損傷を受ける。また、このような
膜の電気的接触の信頼性についての問題もある。
【０００４】大きなガラス板の周辺領域から表面音波が
発射される場合、この方法による問題は、塵、人間の手
の脂、つば等がガラス板に付着して表面が汚染されるこ
とにより伝播損失が生じることである。
【０００５】発光ダイオード及び光検出器がスクリーン
の表面を横切って対向した関係で配置される場合、これ
は光学装置の汚染によって影響を受けるが、表面音波に
ついて前述したのと同じことが原因である。
【０００６】透明な圧電力検出の配列がディスプレイス
クリーン上に配置される場合、この配列は操作者の指の
爪、或いは他の鋭いエッジを有するものによって損傷を
受けることがある。加えて、この表面電極は、摩耗して
しまう。他の欠点はこのセンサの感度はたたかれた（ta
pped) 場合は高いが、徐々に増加する力に対しては低い
ことである。
【０００７】従って本発明の目的は、前述の問題を解決
した反射モード接触感応スイッチを提供することであ
る。
【０００８】
【問題点を解消するための手段】前述の目的はタッチセ
ンサスイッチを設ける本発明の原理によって達成され
る。このタッチセンサスイッチは基板を有し、基板の第
１面には接触領域を有し、この接触領域から基板を横切
って反対側の平行な第２の表面で基板にとり付けられた
圧電素子を有する。この圧電素子は、駆動信号によって
駆動され、圧電素子によって生成された超音波が基板に
伝送され、基板内で超音波が発生され、基板の両表面で
前後に反射される。接触領域に指が触れることにより、
第１表面の反射率が変化し、トランスデューサ（変換
器）組立体（基板と一体の圧電素子）に影響を与える。
電極の合成信号を調べるとこのインピーダンスの変化が
検出される。
【０００９】本発明の特徴によると、駆動信号は周波数
変調信号であり、インピーダンス変化の検出は周波数変
調から振幅変調への変換により効果的になされる。
【００１０】本発明の他の特徴によると圧電素子は圧電
ポリマーフィルムを含む。
【００１１】第２の圧電素子は第１の圧電素子の上に重
ねて固定される。指が接触領域に接触することにより、
第１表面の反射率が変化し、従って反射波の強さが変化
する。第２圧電素子は受波器として働き、第２圧電素子
からの出力が評価されて接触領域が接触されたか否かが
決定される。
【００１２】本発明の他の特徴によると、駆動信号は第
１圧電素子の共振周波数より大きく、第１及び第２圧電
素子を伴った周波数基質（frequency substrate)である
中心周波数を有する周波数変調信号である。駆動信号の
変調は十分な値の固定した周波数であり、駆動信号が共
振周波数と同等な周波数成分を有することを確実にし、
第２圧電素子からの出力を評価するのにピーク検出器が
使用される。
【００１３】以上説明した如く、本発明の反射モード超
音波接触感応スイッチは、互いに逆向き且つ平行な第１
及び第２表面を有し、前記第１表面には接触領域を有す
る基板と、略平坦、且つ逆向きの平行な表面を有し、該
各表面には電極を有し、前記基板の前記第２表面に該表
面と平行に取り付けられる圧電素子と、を具えることを
特徴とする。
【００１４】また、本発明の反射モード超音波接触感応
スイッチは、互いに逆向き且つ平行な第１及び第２表面
を有し、前記第１表面には指の接触領域を有する基板
と、該基板の前記第２表面の取り付けられる圧電素子
と、前記圧電素子に周波数変調駆動信号を送る駆動手段
と、前記圧電素子からの信号を復調して前記指の接触に
応じて変化する振幅変調信号に変化する変換手段とを具
えることを特徴とする。
【００１５】更に、本発明の反射モード超音波接触感応
スイッチは、互いに逆向き且つ平行な第１及び第２表面
を有し、前記第１表面には指の接触領域を有する基板
と、略平坦且つ平行な逆向きの表面を有し、該各表面に
は電極を有し、前記基板の前記第２表面に平行に固定さ
れる圧電素子と、前記電極に接続され該電極に駆動信号
を送る駆動手段と、前記電極に接続され前記駆動手段か
ら導かれる検出信号を付与する検出手段と、該検出手段
から前記検出信号を受け取り、該検出信号を評価し前記
指の接触を示す出力信号を付与する識別手段と、を具え
ることを特徴とする。
【００１６】他に本発明の反射モード超音波接触感応ス
イッチは、互いに逆向き且つ平行な第１及び第２表面を
有し、前記第１表面には指の接触領域を有する基板と、
略平坦且つ平行な逆向きの表面を有し、該各表面には電
極を有し、前記基板の前記第２表面に前記電極のうちい
ずれか一方を接触させて取り付けられる第１圧電素子
と、略平坦且つ平行な逆向きの表面を有し、前記各表面
には電極を有し、前記第１圧電素子の他の電極に、いず
れかの前記電極を接触させて取り付けられる第２圧電素
子と、前記第１圧電素子の前記電極に接続され、該電極
に駆動信号を送る駆動手段と、前記第２圧電素子の電極
に接続され、検出信号を付与する検出手段と、前記検出
手段から前記検出信号を受け取り該検出信号を評価し前
記指の接触を示す出力信号を付与する識別手段と、を具
えることを特徴とする。
【００１７】
【実施例】以下、本発明について添付図を参照して詳細
に説明する。添付図の異なる形状の同様の部品には同じ
参照番号を付してある。
【００１８】本発明によると、図１及び図２に示す如
く、圧電素子１０は、フィルム状のポリふっ化ビニリデ
ン（ＰＶＤＦ）、若しくはポリふっ化ビニリデン−ふっ
化トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の如き
圧電ポリマー材料の逆向きの表面上に電極１２及び１４
を有することが望ましい。基板１６は、実施例ではガラ
スであるが逆向きの平行な第１及び第２表面１８、２０
を有する。基板１６の第１表面１８上には画成された接
触領域２２がある。この接触領域２２は操作者の指２４
の接触範囲に略等しい大きさであることが好ましい。電
極１２は接触領域２２から基板１６を横切った基板１６
の第２表面２０に接着されている。接触領域２２はコン
ピュータによって作成されたディスプレイの一部として
画成することができ、その場合、圧電素子１０及び電極
１２、１４は透明となり、或いは接触領域２２は表面１
８上にしるしを付けて画成することができる。
【００１９】高周波電圧が電極１２、１４を横切って加
えられると、圧電素子１０を横切る変化している電界
は、圧電素子１０の厚さを横切る振動を含む。この変化
する電界の周波数は圧電素子１０の共振周波数ｆ0 の１
／２と共振周波数の５倍との間にある。この与えられた
範囲は参考的なものであり、限定を意図したものではな
い。超音波は一層効果的に基板１６内に放射され、矢印
２６で示す如く表面１８の方へ伝播する。この超音波は
表面１８で反射され、矢印２８で指示した如く圧電素子
１０の方へ折り返し伝播される。この波が表面２０に到
達すると、矢印３０で示す如く再度反射される。最終的
には波は、伝播損失と同様に各反射時に幾らかの損失が
あるので消失する。反射波は圧電素子１０内で電流に変
換されるので、圧電素子１０のインピーダンスは反射に
よって影響を受ける。高周波駆動電圧が電極１２、１４
に加えられると、多くの波は基板１６を通過して前後に
伝播する。ある周波数では、全ての波の位相が一致して
表面１８に向かい、全ての波の位相が一致して表面２０
に向かう。これによって”基板共振”と呼ばれる非常に
鋭い共振ピークが発生する。これはずっと幅広のピーク
を有する”変換器共振（transducer resonance)"とは相
違する。基板共振は、図３に示す如くインピーダンス−
周波数曲線上の連続するピークによって特徴づけられ
る。
【００２０】基板共振の鋭さは、伝播損失及び表面の反
射率による。伝播損失が無視できる程小さいならば、共
振ピークは大部分が基板１６の表面の反射率によって決
まる。例えば、伝播損失が零で反射率が１００％ならば
共振ピーク高さは無限大となる。反射率が９０％まで低
下すると、共振ピークは有限値まで低下する。この共振
ピークの変化は１０％ではなく、無限大から有限値まで
なので非常に大きい。これは基板共振が反射率の変化を
増幅するよう機能することを意味する。低伝播損失は表
面反射率の変化を一層増幅する。伝播損失（ｄＢ／ｃ
ｍ）は周波数に比例するので、低い共振周波数を有する
一層厚い圧電素子トランスデューサがより好ましい。
（前述の如く、波の励起はｆ0 がトランスデューサの共
振周波数の場合、０．５ｆ0 と５ｆ0 の間が最も効率が
よい。）
【００２１】図２は操作者の指２４が接触領域２２に接
触した状態を示す。この場合、基板１６内の波の高い反
射率を付与する表面１８に於ける空気の境界の代りに、
指２４が接触していくらかの超音波エネルギーを吸収す
ることによって表面１８の反射率を低下させる。このこ
とにより圧電素子１０へ戻る多数の反射を変化させ、次
に圧電素子１０内の誘導電流を変化させ、それにより圧
電素子１０のインピーダンスを効果的に変化させる。
【００２２】前述の原理は次のように定量的に記述でき
る。無限大に厚く、硬質で重い材料に接着された圧電素
子１０の共振周波数ｆ0 は ｆ0 ＝４Ｖp Ｔp …（１） で与えられる。ここで、Ｖp は圧電材料内の音速であ
り、Ｔｐは圧電材料の厚さである。圧電材料がＰＶＤＦ
−ＴｒＦＥ共重合体のとき、Ｖp ＝２．３×１０3ｍ／
秒である。この共振は圧電材料の体積及びその弾性特性
によって生じる。従って、振動は約±０．１ｆ0 の幅を
有するｆ0 の周辺で一層強くなる。しかし、本実施例に
於いては、基板の厚さは有限であり、非常に広範囲の周
波数で共振する。これらの基板共振周波数では有効な音
響インピーダンスは非常に低くなり、無限に厚いゴム或
いは水の基板にたとえられる。重合体の圧電材料がゴム
（又は水）の上に配置されると、超音波は非常に広い周
波数帯で発生する。従って、このトランスデューサは、
基板が共振したときのみ、通常のトランスデューサの共
振帯幅の外側に於いて、非常に広い帯域で超音波を励起
する能力を有する。
【００２３】基板の共振は ｆN ＝ＮＶg ／（２Ｔg ） Ｎ＝１、２、３…（２） によって与えられる一連の周波数で生じる。ここでＶｇ
は基板中の音速であり、Ｔg は基板の厚さである。基板
１６がガラスのとき、Ｖg ＝５，４４０ｍ／秒である。
実施例ではＴg ＝３．２ｍｍである。
【００２４】共振のピーク高さは、 ｈ＝１／〔１−｜Ｒ｜ｅｘｐ（−Ｗｔg ／Ｖg Ｑm 〕…（３） に比例する。ここで、Ｒは基板 表面の反射率であり、
Ｗは角周波数（即ち、Ｗ＝２πｆ）、及びＱｍは基板の
機械的な性質係数である。基板がガラスのときＱｍ＝６
９４、 Ｒ＝（ＰＶ−Ｐg Ｖg ）／（ＰＶ＋Ｐg Ｖg ）…（４） である。ここでＰg は基板材料の密度であり、Ｐ及びＶ
は、基板表面で接触した材料の夫々密度及び音速を示
す。基板がガラスのときはＰｇ＝２．４２×１０3ｋｇ
／ｍ3 である。基板表面に空気があるときはＰ＝１．２
ｋｇ／ｍ3 及びＶ＝３４４ｍ／秒である。人間の筋肉が
基板表面に接触したときは、Ｐ＝１．０５×１０3 ｋｇ
／ｍ3 、Ｖ＝１．５４０ｍ／秒である。従って、指紋の
溝を除外して１００％表面に接触したと仮定して｜Ｒ｜
は空気については１．０であり、人間の筋肉については
０．７８である。しかし、実際に基板表面に接触する指
紋表面の背の頂部領域に基づくと｜Ｒ｜は０．９７と見
積もられる。
【００２５】このように、指２４を接触しないで｜Ｒ｜
＝１のとき、等式（３）に従うと反射によって圧電によ
り生ずる電流（ＩP ）の高さｈは周波数が３．９ＭＨZ
において４８．７である。指２４が基板１６の表面１８
に接触すると｜Ｒ｜＝０．９７、及びｈ＝２０．０とな
る。反射率の値が１から０．９７へ僅かに変化したこと
により、ｈは４８．７から２０．０へ大きく変化し、５
９％の減少となる。前述の反射電流ＩP は、はるかに大
きく位相が９０°ずれた容量性電流に加えられる。
【００２６】実験結果により前述のことが確認された。
特に、図１に示すトランスデューサへの駆動周波数が変
化して、電極１２、１４間の容量及び抵抗がインピーダ
ンス・アナライザ（分析器）によって測定されると、得
られるインピーダンス−周波数曲線は図３のようにな
る。位相の相違及び大きな容量性電流の為に、インピー
ダンス曲線は、各基板共振で落ち込みとピークを示して
おり、その段階的変化は小さい。このように周波数が増
大するに伴い、インピーダンスは、種々の基板共振周波
数における急勾配の傾斜を除き一般的に減少する。
【００２７】本発明は、図４に示す如くそれらの急勾配
の傾斜を利用するものである。
【００２８】基板共振の１つの領域内で指２４が接触し
ない場合のトランスデューサ組立体からのインピーダン
ス−周波数曲線を実線の曲線３２で示す。破線で示した
曲線３４は、図２に示す如く指２４が接触した状態での
インピーダンス−周波数曲線である。曲線３６は、固定
周波数信号によって周波数変調（ＦＭ）された曲線３２
の急勾配の傾斜領域の中心周波数点に略中心をあわせた
中心周波数を有するトランスデューサ駆動信号用の周波
数−時間曲線である。曲線３６によって特徴づけられた
駆動信号が電極１２及び１４に加えられると（指２４を
接触しない）曲線３２との相互作用により、実線の曲線
３８によって示される振幅変調（ＡＭ）信号となる。指
２４が接触したインピーダンス−周波数曲線が破線の曲
線３４で示されるとき、破線の曲線４０によって示され
る振幅変調信号となる。このように指２４で接触するこ
とにより周波数−インピーダンス曲線の傾斜を減少さ
せ、結果として振幅変調信号は指２４の接触がない場合
よりも低い振幅を有する。
【００２９】前述の如く、本発明の原理に従って作動す
る基本的な回路（変換手段）４１を図５に模式的に示
す。周波数変調駆動信号は電圧制御発振器（ＶＣＯ）４
２によって発生する。電圧制御発振器４２は抵抗器４６
を通って電極１２に連結される出力４４及び変調信号発
振器５２の出力５０に連結される入力４８を有する。こ
こで、電圧制御発振器４２と変調信号発振器５２を駆動
手段という。電圧制御発振器４２の中心周波数はインピ
ーダンス−周波数曲線の急勾配の傾斜領域の１つの中心
に概ねあるように選択され、圧電素子１０の共振周波数
の１／２からその共振周波数の５倍の範囲にあることが
望ましい。一実施例では基板１６は厚さ３．２ｍｍのガ
ラスであり、圧電素子１０は厚さ２００μのＰＶＤＦ−
ＴｒＦＥのフィルムである。電圧制御発振器４２の中心
周波数は３．９ＭＨz であり、変調信号発振器５２は１
ｋＨZ で作動する。
【００３０】リード５４の周波数変調駆動信号の変換は
図４を参照して前述した如く、振幅変調信号に変換され
る。そして、次に電極１２、１４、ダイオード５６、抵
抗器５８、コンデンサ６０及び抵抗器６２を有する圧電
素子１０を含むネットワーク（回路）によって復調され
る。ダイオード５６は電極１２に連結された１個の端子
を有し、抵抗器５８は、ダイオード５６に並列に連結さ
れ、コンデンサ６０はダイオード５６の他方の端子と電
極１４の間に連結され、抵抗器６２はコンデンサ６０と
並列に連結される。ここでダイオード５６、抵抗器５
８、６２、コンデンサ６０を検出手段という。復調され
た振幅変調信号はリード６４に表れるがそれは識別手段
６６への入力となる。識別手段６６はリード６４の復調
された抵抗変調信号のレベルを評価して指２４の接触が
あったか否かを決定する。指２４の接触があった場合は
復調された振幅変調信号のレベルは規定の閾値より小さ
くなる。指の接触が検出されると出力信号が端子６８に
送られる。
【００３１】既知の如く、基板１６として使用されるガ
ラスの音速は温度により決まり、等式（２）により与え
られた共振周波数も温度により決まる。更に、電圧制御
発振器４２の中心周波数は温度変化及びその供給電圧に
より変化することがある。本発明が最良の状態で機能す
る為には、電圧制御発振器４２の変調周波数はインピー
ダンス−周波数曲線の急勾配の傾斜の領域内に常にある
ことが必要である。図６は、図５に示した回路に付属す
る補償回路の第１実施例を示す。リード６４の復調され
た振幅変調信号はトランスデューサのインピーダンス値
に比例する直流信号成分を含む。このように、低域通過
フィルタ７０はリード６４に接続された入力及びこの直
流成分のみを有するリード７２の出力を有する。リード
７２の直流成分はコンパレータ（比較器）７４へ入力の
１つとして加えられる。コンパレータ７４の他の入力は
コンパレータ７４に加えられる基準電圧である。コンパ
レータ７４の出力は抵抗器７６を通過して電圧制御発振
器４２の入力へ加えられてバイアス電圧となり、電圧制
御発振器４２の中心周波数を適切な値までもってくる。
コンデンサ７８によって発振器５２は直流バイアスから
隔離されている。
【００３２】図７には、図５の回路に付属して、マイク
ロプロセッサ８０を使用した補償回路を示す。図８Ａ及
び図８ＢはＦＭからＡＭへ変換する回路４１（図５参
照）のリード６４の出力電圧を示し、図７を参照するこ
とによりこの補償回路の働きを理解する参考となろう。
図７に示す如く、リード６４の復調された振幅変調信号
は低域通過フィルタ７０、位相コンパレータ８２及び振
幅コンパレータ８４に入力として加えられる。位相コン
パレータ８２及び、振幅コンパレータ８４への他の入力
は電圧制御発振器４２への入力信号であるが、コンデン
サ８６によって濾波されて直流成分を有しない。低域通
過フィルタ７０、位相コンパレータ８２、及び振幅コン
パレータ８４の出力はマイクロプロセッサ８０へ入力と
して加えられる。マイクロプロセッサ８０は信号を処理
し、直流電圧制御器８８が電圧制御発振器４２へ適切な
バイアスをするようにさせる。図８Ａに示す如く、電圧
制御発振器４２の中心周波数３３が、インピーダンス−
周波数曲線３２の急勾配の傾斜領域の好ましい中心周波
数３３から高い方の側へ移動すると、リード６４の出力
信号の直流成分は低域通過フィルタ７０を通ってマイク
ロプロセッサ８０に送られる。マイクロプロセッサ８０
は直流電圧制御器８８を経てＶＣＯ４２を制御して中心
周波数３３を低くしている。しかし、中心周波数３５が
急勾配の領域（好ましい領域）の外側にあるときは、中
心周波数は更に一層低くされねばならない。中心周波数
が急勾配の領域の外側にあるか内側にあるかを検出する
為に、リード６４の出力信号の位相は、比較器８２を使
用して、ＶＣＯ４２への入力信号の位相と比較される。
図８Ａに示す如く、急勾配の領域内にある中心周波数の
信号３７の位相は位相信号３９−１の逆側であり、急勾
配領域の外にある中心周波数については位相信号３９−
２の逆側である。
【００３３】中心周波数が急傾斜領域の上にあるか下に
あるかを検出する為に、変調周波数は増大し、リード６
４の出力信号はＶＣＯ４２への入力信号と比較される。
図８Ｂに示す如く、中心周波数が急傾斜領域を超える
と、波形５９の頂部には小さな凹み５７が現れる。逆に
中心周波数が急傾斜領域の下にあるときは波形６３の底
部に小さなピーク（山）６１が現れる。
【００３４】本発明の他の実施例は二層のトランスデュ
ーサを使用した改良型の超音波接触感応スイッチであ
る。基本的には、多数回の反射によるトランスデューサ
インピーダンスの変化は一般的には小さい。その理由
は、容量性インピーダンスの電流は、多数回の反射によ
り誘導される電流よりずっと大きく、指２４の接触によ
るインピーダンスの変化は容易には検出できないからで
ある。例えば、トランスデューサへ連続的に正弦波交流
が流れ、トランスデューサの端子間の電圧を測定するこ
とによって反射による小さな信号を検出する為に一層大
きな容量性インピーダンスによって一層大きな電圧を差
し引くことが必要とされる。
【００３５】発生（generating) トランスデューサ及び
受入れ（receiving)トランスデューサが分離され二層構
造になると、反射を検出する駆動電圧は受け入れトラン
スデューサに現れるが、大きさは更に小さくなり、反射
信号と略同じ振幅となる。直接誘導された信号及び反射
信号は駆動周波数及び伝播長さによって同相或いは異相
となる。
【００３６】図９は本発明によるトランスデューサ組立
て体を示す。圧電素子１０に加えて、第２の圧電素子１
３０が第１の圧電素子１０に重ねて設けられる。圧電素
子１３０はＰＶＤＦ或いはＰＶＤＦ−ＴｒＦＥが望まし
い。圧電素子１３０は、圧電素子１０と電極１４を共用
すると共に独自の電極１３２を電極１４の反対側に有す
る。共通となる電極１４は図示する如く接地される。本
発明によると、圧電素子１０は超音波発振器として機能
し、圧電素子１３０は超音波受信器として機能する。本
発明はまた、圧電素子１３０を発振器とし、圧電素子１
０を受信器として機能することもできる。
【００３７】駆動信号が電極１２及び１４を横切って圧
電素子１０に加えられると、圧電素子１０は超音波を発
生する。この超音波は圧電素子１３０内と同様に基板１
６内へ伝播する。圧電素子１３０は直接発生した波及び
反射波の両方に対し感応する。発生した波及び反射波の
間の位相関係は、周波数に従って変化して電極１４と１
３２を横切る圧電素子１３０からの出力を生み出す。こ
の出力もまた、周波数によって変化する。この出力は一
連の共振周波数において共振ピークを有する。図１０
は、周波数の機能として圧電素子１３０からの出力を示
し、Ｍａｓｏｎのモデルに従って計算される。特に、こ
の計算は基板１６を３ｍｍ厚のガラスとし、各圧電素子
１０及び１３０を２００μ厚のＰＶＤＦ−ＴｒＦＥフィ
ルムとして計算される。図１０に示す周波数応答の周期
性は僅かに不規則である。その理由はトランスデューサ
の共振及び、その調和共振が基板の共振に影響を与える
からである。図示する如く、周波数の変化に伴い電圧出
力は零からピーク値まで変化する。ピーク値は接触領域
２２への指２４の接触によって大きく影響を受ける。こ
のような接触により各ピークを２０％から５０％の割合
で減少させる。本発明はこれを認識して規定のピーク周
波数で電圧出力の変化を検出することにより指の接触を
検出する。
【００３８】二層のトランスデューサを使用した前述の
接触感応スイッチは接触スクリーン又は接触領域の列を
有するキーパッドに加えられると、多数のトランスデュ
ーサ領域が利用される。このような多数素子システムで
は各領域の共振周波数は正確には同じではない。なぜな
らば、基板１６、圧電素子層、又は接着層の厚さが均一
ではないからである。このように、所定の周波数で作動
する多数のトランスデューサシステムにとって各トラン
スデューサからの出力電圧は同じ値ではない。その理由
は駆動信号の周波数は、１個のトランスデューサから他
のトランスデューサへ変化するので必ずしもピークにあ
る必要はないからである。これを図１１Ａに示すが、こ
れは固定周波数ｆd における駆動信号及び４つの異なる
トランスデューサ領域の周波数ｆd の領域の出力電圧対
周波数曲線を示す。周波数ｆd が局部共振ピークの周波
数と向き合っているところでは出力電圧が変化すること
が判る。
【００３９】この問題を解決する為には、周波数変調駆
動信号を利用するのが好ましい。図１１Ｂに示す如く、
変調駆動信号（ｆ＝ｆｄ±△ｆ）の周波数偏移が、局部
共振ピークにおける周波数と等しい周波数成分を駆動信
号が有する十分な周波数範囲をカバーするならば、出力
信号は常にピークに達するであろう。従って、ピーク検
出器を接触があったか否かを決めるのに利用することが
できる。
【００４０】図１２は本発明によって構成された接触感
応スイッチのマトリックス配列を示す。図示する如く、
２０個のスイッチが４行５列のマトリックス状に配列さ
れている。この様に、スイッチの配列１４０は実施例で
はガラスの基板１４２を含む。この基板１４２には圧電
フィルムの第１層１４４及び圧電フィルムの第２層１４
６が取り付けられている。層１４４は基板１４２に隣接
する表面に、互いに水平且つ平行に配置された５本の細
長い電極ストリップ１４８、１５０、１５２、１５４及
び１５６を有する。層１４４及び１４６の間にあるのは
接地用の共通電極１５８である。基板１４２から離れた
フィルム層１４６の表面には互いに垂直且つ平行に配置
された４本の細長い電極ストリップ１６０、１６２、１
６４及び１６６がある。水平な電極ストリップ１４８〜
１５６と垂直の電極ストリップ１６０〜１６６とが重な
って交差した部分によって４×５のスイッチのマトリッ
クス配列が形成され、各々が基板１４２の反対側の限定
的な接触領域に対応する。フィルム層及び電極は透明で
あることが望ましい。透明な電極に共通に用いられる材
料はインジウムすず酸化物である。これらの電極の導電
性を改善する為に、それらの透明性の大部分を犠牲にす
ることなくアルミニウム又は銀の網目の金属被覆法が用
いられる。
【００４１】図１２に示す実施例では、層１４４は超音
波発振器として作用し、層１４６は超音波受信器として
作用する。従って駆動信号は電極ストリップ１４８〜１
５６に加えられ、出力電圧は電極ストリップ１６０〜１
６６から取り出される。前述した如く、駆動信号は周波
数変調信号の形であることが望ましい。従って、周波数
変調発振器１７０が設けられ、その出力はスイッチ群１
７２に加えられる。スイッチ群１７２は５個の選択的に
制御可能なスイッチ１７２−１、１７２−２、１７２−
３、１７２−４、１７２−５を含み、各々は一側が発振
器１７０に共通に接続され、他側の各々は駆動電極スト
リップ１４８−１５６の１つに連結される。これらは機
械的なスイッチとして示されているが、スイッチ群１７
２のスイッチ１７２−１、１７２−２、１７２−３、１
７２−４、１７２−５は電界効果トランジスタの如き電
子的なスイッチであってもよい。スイッチ群１７２内の
スイッチ１７２−１〜１７２−５は制御回路１７４によ
って作動するが、その詳細は以下に説明する。
【００４２】各電極ストリップ１６０−１６６は対応す
る増幅器１７６、１７８、１８０、１８２の入力へ接続
され、その増幅器１７６〜１８２の出力は対応するピー
ク検出回路１８４、１８６、１８８、１９０の入力へ接
続される。ピーク検出回路１８４〜１９０の出力は制御
回路１７４の入力となる。制御回路１７４はピーク検出
回路１８４−１９０からの出力を比較する回路を含む。
前述した如く、指２４の接触により出力電圧が低下し、
ピーク検出回路１８４〜１９０の出力の比較により指２
４の接触があったか否かが検出されるが、もしそうであ
るなら垂直の行に沿って検出される。どの垂直の行に指
２４の接触があったか、及びどの水平の列に駆動信号が
加えられたかを認識して、制御回路が接触の有無及びど
のスイッチが接触に対し作動するかを指示する出力１９
２を発することを可能にする。
【００４３】作動にあたっては、制御回路１７４は、ス
イッチ１７２−１、１７２−２、１７２−３、１７２−
４、１７２−５の１つを所定の順序で１回につき１つ閉
じるよう機能する。スイッチ１７２−１〜１７２−５の
１つが閉じられると、発振器１７０からの駆動信号が駆
動用の電極ストリップ１４８−１５６の１つに加えられ
る。受け側の電極ストリップ１６０−１６６からの出力
電圧のピークが比較される。出力電圧のピークが他の出
力電圧の所定の部分より小さいならば、接触が行われた
ことを示す。接触した交差点の水平及び垂直位置を認識
する（即ち、水平列と垂直行の電極ストリップを識別す
る）ことにより制御回路１７４はこの情報を出力１９２
にのせることができる。
【００４４】以上、改良した反射モード超音波接触感応
スイッチについて説明した。また、二層のトランスデュ
ーサを使用した改良型の反射モード超音波接触感応スイ
ッチについて説明した。以上に説明した本発明の超音波
接触感応スイッチは種々の変形、変更が可能であり本実
施例に限定されるものではないことは当業者にとっては
明白であろう。
【００４５】
【発明の効果】本発明の請求項１の反射モード超音波接
触感応スイッチは、第１表面に接触領域を有する基板
と、両面に電極を有し、基板の接触領域の反対側に取り
付けた圧電素子を具えるので次の効果を奏する。
【００４６】即ち、導電性の膜が接触領域に露出しない
ので膜が傷つかない。膜、即ち電極が摩耗することもな
い。
【００４７】また、本発明の請求項２及び３の構成を有
する反射モード超音波接触感応スイッチは、前述の効果
の他、次の効果を奏する。接触領域の表面の汚れによる
影響を受けず安定した性能が得られる。指が触れただけ
で検知でき高感度である。
【００４８】更に請求項４の構成を有する本発明のスイ
ッチは前述の効果の他、高感度のスイッチが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射モード超音波接触感応スイッチの
作動原理を示す概略図である。
【図２】本発明の反射モード超音波接触感応スイッチの
作動原理を示す概略図である。
【図３】図１の反射モード超音波接触感応スイッチのイ
ンピーダンス−周波数曲線である。
【図４】周波数変調駆動信号から振幅変調信号への変換
を示す図である。
【図５】本発明による、接触へ反応する回路のブロック
線図である。
【図６】図５に第１実施例の補償回路を追加したブロッ
ク線図である。
【図７】図５に第２実施例の補償回路を追加したブロッ
ク線図である。
【図８Ａ】ＦＭからＡＭへの変換回路の出力電圧を示
す。
【図８Ｂ】ＦＭからＡＭへの変換回路の出力電圧を示
す。
【図９】本発明による、二層のトランスデューサ組立体
を使用した反射モード接触感応スイッチを示す。
【図１０】図９の組立体の出力電圧曲線である。
【図１１Ａ】固定周波数駆動信号の電圧出力を示す。
【図１１Ｂ】周波数変調駆動信号の電圧出力を示す。
【図１２】本発明の反射モード接触感応スイッチのマト
リックス配列を示す。
【符号の説明】
１０ 第１圧電端子 １２、１４、１３２ 電極 １６ 基板 １８ 第１表面 ２０ 第２表面 ２２ 接触領域 ２４ 指 ４１ 変換手段 １３０ 第２圧電素子 ４２、５２ 駆動手段 ５６、５８、６０、６２ 検出手段 ６６ 識別手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キュング・ター・パーク アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 19312 ベルイン ニュータウン ロード 710 (72)発明者 ミノル・トダ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 08648ローレンスビル ジェドニー 135

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに逆向きかつ平行な第１及び第２表
    面を有し、前記第１表面には接触領域を有する基板と、 略平坦、且つ逆向きの平行な表面を有し、該各表面には
    電極を有し、前記基板の前記第２表面に該表面と平行に
    取り付けられる圧電素子と、を具えることを特徴とする
    反射モード超音波接触感応スイッチ。
  2. 【請求項２】 互いに逆向き且つ平行な第１及び第２表
    面を有し、前記第１表面には指の接触領域を有する基板
    と、 該基板の前記第２表面に取り付けられる圧電素子と、 前記圧電素子に周波数変調駆動信号を送る駆動手段と、 前記圧電素子からの信号を復調して前記指の接触に応じ
    て変化する振幅変調信号に変換する変換手段と、を具え
    ることを特徴とする反射モード超音波接触感応スイッ
    チ。
  3. 【請求項３】 互いに逆向き且つ平行な第１及び第２表
    面を有し、前記第１表面には指の接触領域を有する基板
    と、 略平坦且つ平行な逆向きの表面を有し、該各表面には電
    極を有し、前記基板の前記第２表面に平行に固定される
    圧電素子と、 前記電極に接続され該電極に駆動信号を送る駆動手段
    と、 前記電極に接続され前記駆動手段から導かれる検出信号
    を付与する検出手段と、 該検出手段から前記検出信号を受け取り、該検出信号を
    評価し前記指の接触を示す出力信号を付与する識別手段
    と、を具えることを特徴とする反射モード超音波接触感
    応スイッチ。
  4. 【請求項４】互いに逆向き且つ平行な第１及び第２表面
    を有し、前記第１表面には指の接触領域を有する基板
    と、 略平坦且つ平行な逆向きの表面を有し、該各表面には電
    極を有し、前記基板の前記第２表面に前記電極のうちい
    ずれか一方を接触させて取り付けられる第１圧電素子
    と、 略平坦且つ平行な逆向きの表面を有し、前記各表面には
    電極を有し、前記第１圧電素子の他の電極に、いずれか
    の前記電極を接触させて取り付けられる第２圧電素子
    と、 前記第１圧電素子の前記電極に接続され、該電極に駆動
    信号を送る駆動手段と、 前記第２圧電素子の電極に接続され、検出信号を付与す
    る検出手段と、 前記検出手段から前記検出信号を受け取り該検出信号を
    評価し前記指の接触を示す出力信号を付与する識別手段
    と、を具えることを特徴とする反射モード超音波接触感
    応スイッチ。
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