JPH06229749A - 超音波位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波送受波手段を圧電性を有する板面に備
えることにより、その板面に接触する人指または物体の
位置を特定する超音波位置検出装置を提供する。 【構成】 すだれ状電極ＴＸおよびＴＹから線形チャー
プ信号を入力すると、すだれ状電極ＴＸおよびＴＹの各
電極周期長を示す部分からその電極周期長にほぼ対応す
る周波数を有する電気信号が弾性表面波に変換されて圧
電基板１を伝搬し、すだれ状電極ＲＸおよびＲＹの各電
極周期長にほぼ等しい波長の弾性表面波が遅延電気信号
に変換されて、すだれ状電極ＲＸおよびＲＹの各電極周
期長を示す部分から出力される。圧電基板１上の弾性表
面波の伝搬路を圧電基板１よりも軟らかく超音波を吸収
しやすい物質で接触すると、接触位置に対応する弾性表
面波が減衰し、それに応じて遅延電気信号も減衰する。
接触位置はこのようにして減衰した遅延電気信号の周波
数から検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波送受波手段を圧電
性を有する板面に備えることにより、その板面に人指ま
たは物体が接触したことを感知し、その接触した位置を
特定する超音波位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】板面上への人指または物体による接触を
感知しその接触位置を特定する位置検出装置はすばやい
応答性と高い分解能が要求され、たとえばタッチパネル
などへも応用されている。位置検出の方式には抵抗膜方
式、光学方式および超音波方式など様々な方式がある。
抵抗膜方式や光学方式は低消費電力であるものの応答時
間、感度、耐久性等の点で問題を有している。超音波方
式によるタッチパネルとしては反射アレイを用いた弾性
表面波タッチパネルが挙げられる。これは予め弾性表面
波をくさび形トランスデューサを用いて励振させておい
たパネル上に接触することによりその弾性表面波が減衰
することを利用したものであって、耐環境性に優れる等
の利点を有する反面、反射アレイの製作に高度な技術を
必要とするとともにくさび形トランスデューサの工作精
度がタッチパネルとしての機能を左右し、さらに低電圧
駆動に難点を有している。このようにして、従来のタッ
チパネルは応答時間、分解能、耐久性、工作精度、加工
性および量産性等に問題を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は圧電性
を有する板面に超音波送受波手段を備えることにより加
工性、耐久性および量産性に優れ、小型軽量化が可能な
超音波位置検出装置を提供することにある。また、低消
費電力、低電圧で効率良く弾性表面波を圧電性板面に励
振することができ、その板面への接触による弾性表面波
の減衰に対する応答時間が短く感度が良好で、しかも接
触した位置を高分解能をもって特定できる超音波位置検
出装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
位置検出装置は、基板の一方の板面に少なくとも２つの
超音波送受波手段を備えた超音波位置検出装置であっ
て、前記超音波送受波手段は１組のすだれ状電極Ｐと、
前記すだれ状電極Ｐに対応する１組のすだれ状電極Ｑと
を含み、前記すだれ状電極ＰおよびＱは前記すだれ状電
極ＰおよびＱの中心線に平行な方向に沿ってそれぞれの
電極周期長が連続的に変化する構造を成し、前記すだれ
状電極Ｐの電極周期長にほぼ対応して連続的に変化する
周波数の電気信号で前記すだれ状電極Ｐを励振する手段
と、前記一方の板面における弾性表面波の伝搬路の一部
に接触する人指または物体の位置を前記すだれ状電極Ｑ
に出力される電気信号における周波数成分のうちで減衰
する周波数成分から検出する手段とが設けてあり、前記
すだれ状電極ＰとＱとは前記弾性表面波の送受波の指向
軸を共通にして互いに１対１に対をなして配置されてい
て、１つの前記超音波送受波手段における前記すだれ状
電極ＰとＱとの間の弾性表面波の伝搬路と、別の前記超
音波送受波手段における前記すだれ状電極ＰとＱとの間
の弾性表面波の伝搬路とが互いに直交していることを特
徴とする。

【０００５】請求項２に記載の超音波位置検出装置は、
前記位置と前記減衰周波数成分とが直線関係にあること
を特徴とする。

【０００６】請求項３に記載の超音波位置検出装置は、
前記基板が圧電セラミックで成り、該圧電セラミックの
分極軸の方向は該圧電セラミックの厚さ方向と平行であ
ることを特徴とする。

【０００７】請求項４に記載の超音波位置検出装置は、
前記基板が非圧電板に圧電薄板を設けた２層構造を成
し、前記すだれ状電極ＰおよびＱが該圧電薄板上に設け
られていることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明の超音波位置検出装置は、圧電性を有す
る基板の一方の板面上に超音波送受波手段を少なくとも
２つ備えて成る簡単な構造を有することから、装置の小
型軽量化が可能である。超音波送受波手段は１組のすだ
れ状電極Ｐと、すだれ状電極Ｐに対応する１組のすだれ
状電極Ｑとから成る。すだれ状電極ＰおよびＱはすだれ
状電極ＰおよびＱの中心線に平行な方向に沿ってそれぞ
れの電極周期長が連続的に変化する構造を成す。このと
き、このすだれ状電極ＰおよびＱの中心線とは各すだれ
状電極においてすだれ状電極を線対称に２等分する線と
する。すだれ状電極Ｐの電極周期長にほぼ対応して連続
的に変化する周波数の電気信号、たとえば時間とともに
周波数が直線的に変化する線形チャープ信号をすだれ状
電極Ｐに入力する構造を採用することにより、それぞれ
の電極周期長に応じた部分のすだれ状電極Ｐからその電
極周期長にほぼ等しい波長を有する弾性表面波を基板の
前記一方の板面上に電極交叉幅に応じて連続的に励振す
ることができる。このとき、電極交叉幅が大きいほど広
い範囲にわたって弾性表面波を励振できる。本発明の超
音波位置検出装置は、低消費電力、低電圧で効率良く弾
性表面波を前記一方の板面に励振することができる。

【０００９】すだれ状電極Ｑを出力用とし、すだれ状電
極Ｐに対して弾性表面波の送受波の指向軸が共通になる
よう配置する構造を採用することにより、前記一方の板
面に励振されているそれぞれの弾性表面波をすだれ状電
極Ｑから電気信号として効率よく出力させることができ
る。この際、それぞれの弾性表面波の波長にほぼ対応す
る周波数の電気信号が弾性表面波の波長とほぼ等しい電
極周期長の部分のすだれ状電極Ｑから連続的に出力され
る。前記一方の板面における弾性表面波の伝搬路（すな
わちすだれ状電極ＰとＱとの間）の一部に人指または物
体で接触すると、前記一方の板面に励振されている弾性
表面波のうちその接触位置に対応する弾性表面波が減衰
または消滅する。従って、接触位置に対応する部分のす
だれ状電極Ｑに出力される電気信号も減衰または消滅す
る。人指または物体による接触位置をすだれ状電極Ｑに
出力される電気信号における周波数成分のうちで減衰す
る成分から検出する構造を採用することにより、接触位
置を特定することができる。この際、すだれ状電極Ｑに
出力される周波数の帯域はより平坦であることが望まし
く、平坦であるほど減衰周波数成分の検出感度が向上し
信号処理が容易になり回路構成が簡単になる。周波数帯
域が平坦な構造を成すすだれ状電極としてたとえば双曲
線形すだれ状電極が挙げられる。このようにして、本発
明の超音波位置検出装置は応答時間が短く感度が良い。
なお、前記物体としては基板よりも軟らかく超音波を吸
収しやすい物質であることが必要で、人の指などもその
特徴を有する。

【００１０】前記一方の板面に超音波送受波手段を少な
くとも２つ設けた構造を採用し、しかも１つの超音波送
受波手段におけるすだれ状電極ＰとＱとの間の弾性表面
波の伝搬路と、別の超音波送受波手段におけるすだれ状
電極ＰとＱとの間の弾性表面波の伝搬路とを互いに直交
させる構造を採用することにより、前記一方の板面にお
ける接触位置をさらに繊細に特定できる。また、超音波
送受波手段の数を増やすことも可能で、基板の大きさに
対応して超音波送受波手段の数を増減したり、またはす
だれ状電極ＰおよびＱの大きさを調整したりする等の手
段をとることができる。このようにして、基板の大きさ
に左右されることなく接触位置のきめ細かな特定が可能
となる。

【００１１】基板として圧電セラミックを採用し、その
圧電セラミックの分極軸の方向と厚さ方向とを平行にす
る構造を採用することにより、圧電セラミックに効率よ
く弾性表面波を励振することができる。また、圧電セラ
ミックの板面の面内での等方性を利用することにより、
１つの超音波送受波手段におけるすだれ状電極ＰとＱと
の間の弾性表面波の伝搬路と、別の超音波送受波手段に
おけるすだれ状電極ＰとＱとの間の弾性表面波の伝搬路
とを互いに直交させる構造を採用した場合、一方のすだ
れ状電極Ｑともう一方のすだれ状電極Ｑに出力される電
気信号のレベルをほぼ同一にすることができる。従って
回路構成が簡単になり装置の小型軽量化が促進できるば
かりでなく、出力信号を常に均一化できるので信号処理
が正確になり感度が向上する。さらに分解能も上昇す
る。圧電セラミックの板面に弾性表面波を伝搬させるた
めには圧電セラミックの厚さはすだれ状電極ＰおよびＱ
の電極周期長の３倍以上であることが望ましい。圧電セ
ラミックの厚さが電極周期長よりも小さく、薄い場合に
はラム波が伝搬するが、位置検出装置としての機能を果
たしうるモードが存在するならば、ラム波の利用も可能
である。基板としては圧電セラミックの他にＬｉＮｂＯ
₃ ，ＬｉＴａＯ₃ 等の圧電性の単結晶が考えられる。し
かし、結晶としての異方性を有していることから電気機
械結合係数を含めて設計の段階で工夫を必要とし、余分
な電子回路を必要とする可能性がある。基板として非圧
電板と圧電薄板とを接着した２層構造基板を採用し、す
だれ状電極ＰおよびＱを圧電薄板上に設けた構造を採用
することにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振
することができる。圧電薄板としては圧電セラミックの
他にＬｉＮｂＯ₃ ，ＬｉＴａＯ₃ 等の圧電性の単結晶が
考えられる。また、ＰＶＤＦその他の高分子圧電フィル
ムも有望である。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の超音波位置検出装置の第１の
実施例を示す平面図である。本実施例は圧電基板１、す
だれ状電極ＴＸ，ＴＹ，ＲＸおよびＲＹから成る。圧電
基板１は長さ５５ｍｍ、幅５５ｍｍ、厚さ５ｍｍの圧電
セラミックで成る。圧電セラミックの分極軸の方向は該
圧電セラミックの厚さ方向と平行である。前記各すだれ
状電極はアルミニウム薄膜で成り、双曲線形を成してい
る。すだれ状電極ＴＸおよびＴＹは入力用として、すだ
れ状電極ＲＸおよびＲＹは出力用として用いられてい
る。すだれ状電極ＴＸとＲＸとの間の電極間距離、およ
びすだれ状電極ＴＹとＲＹとの間の電極間距離はともに
３６．４ｍｍである。図２は図１の超音波位置検出装置
におけるすだれ状電極ＴＸを示す平面図である。すだれ
状電極ＴＹ，ＲＸおよびＲＹはすだれ状電極ＴＸと同様
な形状を成し、同様な特性を有している。すだれ状電極
ＴＸ，ＴＹ，ＲＸおよびＲＹは電極周期長が２６０μｍ
〜３９０μｍで２６．５対の電極指を有し電極交叉幅は
２３．４ｍｍである。

【００１３】図３は図１の超音波位置検出装置の断面図
であって、すだれ状電極ＴＸおよびＲＸの関係を示して
いる。すだれ状電極ＴＹおよびＲＹの関係もすだれ状電
極ＴＸおよびＲＸの関係と同様である。

【００１４】図４は図１のすだれ状電極ＴＸ，ＴＹ，Ｒ
ＸおよびＲＹの代わりに用いられるすだれ状電極の一実
施例を示す平面図である。このすだれ状電極は６つの部
分に分割されているが、このような分割された形状のす
だれ状電極を用いることによっても、すだれ状電極Ｔ
Ｘ，ＴＹ，ＲＸおよびＲＹを用いたときと同様な効果が
見られた。また、図２や図４に示されるような電極指が
双曲線形のものだけでなく、電極周期長が連続的に変化
するものであれば電極指が直線形のものであっても同様
な機能を果たす。

【００１５】図１の超音波位置検出装置の駆動時、すだ
れ状電極ＴＸおよびＴＹには時間とともに周波数が変化
する線形チャープ信号が印加され、すだれ状電極ＴＸお
よびＴＹの電極周期長（２６０μｍ〜３９０μｍ）にほ
ぼ対応する周波数を有する電気信号のみが弾性表面波に
変換されて圧電基板１を連続的に伝搬する。圧電基板１
を伝搬している弾性表面波のうちすだれ状電極ＲＸおよ
びＲＹの示す電極周期長にほぼ等しい波長の弾性表面波
のみが遅延電気信号に変換されてすだれ状電極ＲＸおよ
びＲＹから出力される。すなわち、すだれ状電極ＴＸお
よびＴＹの各電極周期長を示す部分からその電極周期長
にほぼ対応する周波数を有する電気信号が弾性表面波に
変換されて圧電基板１を伝搬し、すだれ状電極ＲＸおよ
びＲＹの各電極周期長にほぼ等しい波長の弾性表面波が
遅延電気信号に変換されて、すだれ状電極ＲＸおよびＲ
Ｙの各電極周期長を示す部分から出力される。このと
き、すだれ状電極ＴＸとＲＸとの間の弾性表面波の伝搬
路とすだれ状電極ＴＹとＲＹとの間の弾性表面波の伝搬
路とは互いに直行する。すだれ状電極ＲＸにおいてはそ
れぞれの電極周期長に応じた周波数成分を有する遅延電
気信号が受信され、また、すだれ状電極ＲＹにおいても
それぞれの電極周期長に応じた周波数成分を有する遅延
電気信号が受信される。圧電基板１上の弾性表面波の伝
搬路を圧電基板１よりも軟らかく超音波を吸収しやすい
物質で接触すると、接触位置に対応する弾性表面波が消
滅または減衰するので、その接触位置に対応する周波数
成分を有する遅延電気信号が消滅または減衰する。接触
位置はこのようにして消滅または減衰した遅延電気信号
の周波数から検出できるようになっている。すなわちす
だれ状電極ＲＸおよびＲＹに現われる遅延電気信号のう
ち消滅または減衰した周波数を読みとることにより、接
触位置を明確にできる。

【００１６】図５はすだれ状電極ＴＸ，ＲＸ間またはＴ
Ｙ，ＲＹ間における周波数に対する挿入損失の関係を示
す特性図である。但し上から順に、接触しない場合の特
性、低周波数側を接触した場合の特性、中心周波数付近
を接触した場合の特性、高周波数側を接触した場合の特
性を示す。挿入損失における接触した場合と接触しない
場合との間の差は図１の超音波位置検出装置の信号処理
を行なう上で十分な変化である。このようにして、圧電
基板１上の接触位置に対応して振幅が極小となるディッ
プの周波数を読みとることにより、接触位置が検出でき
る。

【００１７】図６は接触位置と周波数との関係を示す特
性図である。但し圧電基板１を接触する際、ペン先が直
径２ｍｍのゴム製で成る接触ペンを使用した。また、こ
の接触ペンは接触圧を一定に保つためにバネを介して固
定物に固定されている。一方、圧電基板１は移動可能な
ステージ上に固定されている。このステージはステッピ
ングモータにより最小２μｍ移動する。圧電基板１上の
接触位置に対応するディップの周波数を読みとる場合、
接触ペンを圧電基板１上に接触させステージを移動させ
ながらそのときのディップの周波数をネットワークアナ
ライザにより測定した。図６は接触ペンを弾性表面波の
伝搬方向に対し垂直に移動させたときの結果、すなわち
圧電基板１上のすだれ状電極ＴＸ，ＲＸ間またはＴＹ，
ＲＹ間における弾性表面波の伝搬方向に対し垂直な直線
を描いた結果を示す。接触位置と周波数とが良好な直線
関係にあることがわかる。接触位置の誤差はペン先の直
径の２ｍｍ以内であり、良好な直線性を維持している。
分解能の限界は波長のオーダで決まり、ペン先を波長以
下で移動させた場合には周波数は一定の値を示す。図１
の超音波位置検出装置の最小分解能は０．５４ｍｍであ
る。このようにして、接触位置と周波数とは良好な直線
関係にありその分解能も高いことが確認された。

【００１８】図７は接触ペンを用いて圧電基板１に数字
の９を入力した場合の接触位置を示す特性図である。但
し、接触位置はすだれ状電極ＲＸまたはＲＹに対応する
ディップの周波数および図６の特性をもとに検出された
ものである。この結果は本発明の超音波位置検出装置が
文字入力に十分対応可能であることを示す。

【００１９】図８は本発明の超音波位置検出装置の第２
の実施例を示す断面図である。本実施例は図１の第１の
実施例における圧電基板１を圧電薄板２と非圧電板３と
の２層構造基板に置き換えたものである。図８ではすだ
れ状電極ＴＸおよびＲＸの関係が示されている。すだれ
状電極ＴＹおよびＲＹの関係もすだれ状電極ＴＸおよび
ＲＸの関係と同様である。圧電薄板２は厚さ２３０μｍ
のＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成る。非圧電板３は
厚さ１．９ｍｍのパイレックスガラスで成る。圧電薄板
２は厚さ約２０μｍのエポキシ系樹脂によって非圧電板
３上に固着されている。

【００２０】図９は非圧電板３を伝搬する弾性表面波の
速度分散曲線を示す特性図であり、弾性表面波の波数ｋ
と圧電薄板２の厚さｄとの積（ｋｄ）または弾性表面波
の波長λに対するｄの割合（ｄ／λ）に対する各モード
の位相速度を示す図である。但し、圧電薄板２は、圧電
薄板２の非圧電板３と接触する方の板面（ガラス側板
面）が電気的に開放状態にあってもう一方の空気に接触
する方の板面（空気側板面）が電気的に短絡状態にある
ものと、圧電薄板２のガラス側板面と空気側板面とが共
に電気的に短絡状態にあるものである。本実施例におい
ては圧電薄板２の板面に金属薄膜を被覆することにより
その板面を電気的に短絡状態にしている。本図におい
て”ｓｈｏｒｔ”は短絡状態を、”ｏｐｅｎ”は開放状
態であることを示す。弾性表面波には複数個のモードが
ある。零次モードは基本レイリー波であり、零次モード
はｋｄ値が零のとき非圧電板３のレイリー波速度に一致
していて、ｋｄ値が大きくなるにつれて圧電薄板２のレ
イリー波速度に収束している。１次以上のモードではカ
ットオフ周波数が存在し、ｋｄ値がそれぞれの最小のと
き非圧電板３の横波速度に収束している。本図において
○印は実測値を示す。

【００２１】図１０は非圧電板３を伝搬する弾性表面波
の速度分散曲線を示す特性図であり、ｋｄ値またはｄ／
λ値に対する各モードの位相速度を示す図である。但
し、圧電薄板２は、圧電薄板２のガラス側板面と空気側
板面とが共に電気的に開放状態にあるものと、圧電薄板
２のガラス側板面が電気的に短絡状態にあって空気側板
面が電気的に開放状態にあるものを用いた。零次モード
ではｆｄ値が零のとき非圧電板３のレイリー波速度に一
致していて、ｋｄ値が大きくなるにつれて圧電薄板２の
レイリー波速度に収束している。１次以上のモードでは
カットオフ周波数が存在し、ｋｄ値がそれぞれの最小の
とき非圧電板３の横波速度に収束している。本図におい
て○印は実測値を示す。

【００２２】図１１は圧電薄板２の異なる２つの電気的
境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機械
結合係数ｋ² とｋｄ値との関係を示す特性図である。但
し、圧電薄板２は、圧電薄板２のガラス側板面を電気的
に短絡状態にし空気側板面にすだれ状電極を設けたもの
を用いている。ｋｄ値がほぼ２．７付近以上のとき零次
モードのｋ² は高次モードに比べて大きな値を示す。

【００２３】図１２は圧電薄板２の異なる２つの電気的
境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機械
結合係数ｋ² とｋｄ値との関係を示す特性図である。但
し、圧電薄板２は、圧電薄板２のガラス側板面を電気的
に開放状態にし空気側板面にすだれ状電極を設けたもの
を用いている。零次モードのｋ² は高次モードに比べて
大きな値を有している。

【００２４】図９〜１２より、圧電薄板２を伝搬する零
次モードの弾性表面波の速度はｋｄ値が大きくなるにつ
れて圧電薄板２単体を伝搬する弾性表面波の速度に収束
し、ｋｄ値がほぼ２付近のときｋ² が最大値を示すこと
がわかる。

【００２５】図１１および図１２より、圧電薄板２の空
気側板面にすだれ状電極を設けガラス側板面を電気的に
短絡また開放状態にした構造においてすだれ状電極に加
えられる電気的エネルギーが弾性表面波に変換される度
合が大きくなることがわかる。

【００２６】ｋｄ値が２を越える領域での零次モード表
面波の位相速度は速度分散がきわめて小さく、波長に比
べて十分な厚さを有する圧電磁器単体でのレイリー表面
波速度とほとんど一致することになる。このことは厚い
圧電板を使用することなく薄い圧電板とガラス等の非圧
電体との層状構成によって所望の特性を実現できること
を示している。

【００２７】

【発明の効果】本発明の超音波位置検出装置によれば、
すだれ状電極Ｐの電極周期長にほぼ対応して連続的に変
化する周波数の電気信号をすだれ状電極Ｐに入力する構
造を採用することにより、それぞれの電極周期長に応じ
た部分のすだれ状電極Ｐからその電極周期長にほぼ等し
い波長を有する弾性表面波を基板におけるすだれ状電極
ＰおよびＱを有する板面上に電極交叉幅に応じて連続的
に励振することができる。しかも、低消費電力で高電圧
を印加すること無しに効率良く弾性表面波を励振するこ
とができる。すだれ状電極Ｑをすだれ状電極Ｐに対して
弾性表面波の送受波の指向軸が共通になるよう配置する
構造を採用することにより、弾性表面波をすだれ状電極
Ｑから電気信号として効率よく出力させることができ
る。この際、それぞれの弾性表面波の波長にほぼ対応す
る周波数の電気信号が弾性表面波の波長とほぼ等しい電
極周期長の部分のすだれ状電極Ｑから連続的に出力され
る。弾性表面波の伝搬路の一部に人指または物体で接触
すると、その接触位置に対応する弾性表面波が減衰また
は消滅するので、接触位置に対応する部分のすだれ状電
極Ｑに出力される電気信号も減衰または消滅する。接触
位置をすだれ状電極Ｑに出力される電気信号における周
波数成分のうちで減衰する成分から検出する構造を採用
することにより、接触位置を特定することができる。こ
の際、すだれ状電極Ｑに出力される周波数の帯域はより
平坦であることが望ましく、平坦であるほど減衰周波数
成分の検出感度が向上し信号処理が容易になり回路構成
が簡単になる。周波数帯域が平坦な構造を成すすだれ状
電極としてたとえば双曲線形すだれ状電極が挙げられ
る。このようにして、本発明の超音波位置検出装置は応
答時間が短く感度が良い。接触する物体としては基板よ
りも軟らかく超音波を吸収しやすい物質であることが必
要で、人の指などもその特徴を有する。

【００２８】基板における１つの超音波送受波手段にお
けるすだれ状電極ＰとＱとの間の弾性表面波の伝搬路
と、別の超音波送受波手段におけるすだれ状電極ＰとＱ
との間の弾性表面波の伝搬路とを互いに直交させる構造
を採用することにより、接触位置をさらに繊細に特定で
きる。また、超音波送受波手段の数を増やすことも可能
で、基板の大きさに対応して超音波送受波手段の数を増
減したり、またはすだれ状電極ＰおよびＱの大きさを調
整したりする等の手段をとることができる。このように
して、基板の大きさに左右されることなく接触位置のき
め細かな特定が可能となる。

【００２９】基板として圧電セラミックを採用し、その
圧電セラミックの分極軸の方向と厚さ方向とを平行にす
る構造を採用することにより、圧電セラミックに効率よ
く弾性表面波を励振することができる。また、圧電セラ
ミックの板面の面内での等方性を利用することにより、
１つの超音波送受波手段におけるすだれ状電極ＰとＱと
の間の弾性表面波の伝搬路と、別の超音波送受波手段に
おけるすだれ状電極ＰとＱとの間の弾性表面波の伝搬路
とを互いに直交させる構造を採用した場合、一方のすだ
れ状電極Ｑともう一方のすだれ状電極Ｑに出力される電
気信号のレベルをほぼ同一にすることができる。従って
回路構成が簡単になり装置の小型軽量化が促進できるば
かりでなく、出力信号を常に均一化できるので信号処理
が正確になり感度が向上する。さらに分解能も上昇す
る。基板としては圧電セラミックの他にＬｉＮｂＯ₃ ，
ＬｉＴａＯ₃ 等の圧電性の単結晶が考えられる。しか
し、結晶としての異方性を有していることから電気機械
結合係数を含めて設計の段階で工夫を必要とし、余分な
電子回路を必要とする可能性がある。

【００３０】基板として非圧電板と圧電薄板とを接着し
た２層構造基板を採用し、すだれ状電極ＰおよびＱを圧
電薄板上に設けた構造を採用することにより、圧電薄板
に効率よく弾性表面波を励振することができる。圧電薄
板としては圧電セラミックの他にＬｉＮｂＯ₃ ，ＬｉＴ
ａＯ₃ 等の圧電性の単結晶が考えられる。また、ＰＶＤ
Ｆその他の高分子圧電フィルムも有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波位置検出装置の第１の実施例を
示す平面図。

【図２】図１の超音波位置検出装置におけるすだれ状電
極ＴＸを示す平面図。

【図３】図１の超音波位置検出装置の断面図。

【図４】図１のすだれ状電極ＴＸ，ＴＹ，ＲＸおよびＲ
Ｙの代わりに用いられるすだれ状電極の一実施例を示す
平面図。

【図５】すだれ状電極ＴＸ，ＲＸ間またはＴＹ，ＲＹ間
における周波数に対する挿入損失の関係を示す特性図。

【図６】接触位置と周波数との関係を示す特性図。

【図７】接触ペンを用いて圧電基板１に数字の９を入力
した場合の接触位置を示す特性図。

【図８】本発明の超音波位置検出装置の第２の実施例を
示す断面図。

【図９】非圧電板３を伝搬する弾性表面波の速度分散曲
線を示す特性図。

【図１０】非圧電板３を伝搬する弾性表面波の速度分散
曲線を示す特性図。

【図１１】圧電薄板２の異なる２つの電気的境界条件下
での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数ｋ
² とｋｄ値との関係を示す特性図。

【図１２】圧電薄板２の異なる２つの電気的境界条件下
での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数ｋ
² とｋｄ値との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１ 圧電基板 ２ 圧電薄板 ３ 非圧電板 ＴＸ，ＴＹ，ＲＸ，ＲＹ すだれ状電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の一方の板面に少なくとも２つの超
   音波送受波手段を備えた超音波位置検出装置であって、 前記超音波送受波手段は１組のすだれ状電極Ｐと、前記
   すだれ状電極Ｐに対応する１組のすだれ状電極Ｑとを含
   み、 前記すだれ状電極ＰおよびＱは前記すだれ状電極Ｐおよ
   びＱの中心線に平行な方向に沿ってそれぞれの電極周期
   長が連続的に変化する構造を成し、 前記すだれ状電極Ｐの電極周期長にほぼ対応して連続的
   に変化する周波数の電気信号で前記すだれ状電極Ｐを励
   振する手段と、 前記一方の板面における弾性表面波の伝搬路の一部に接
   触する人指または物体の位置を前記すだれ状電極Ｑに出
   力される電気信号における周波数成分のうちで減衰する
   周波数成分から検出する手段とが設けてあり、 前記すだれ状電極ＰとＱとは前記弾性表面波の送受波の
   指向軸を共通にして互いに１対１に対をなして配置され
   ていて、 １つの前記超音波送受波手段における前記すだれ状電極
   ＰとＱとの間の弾性表面波の伝搬路と、別の前記超音波
   送受波手段における前記すだれ状電極ＰとＱとの間の弾
   性表面波の伝搬路とが互いに直交していることを特徴と
   する超音波位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記位置と前記減衰周波数成分とが直線
   関係にあることを特徴とする請求項１に記載の超音波位
   置検出装置。
3. 【請求項３】 前記基板が圧電セラミックで成り、該圧
   電セラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックの厚さ
   方向と平行であることを特徴とする請求項１または２に
   記載の超音波位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記基板が非圧電板に圧電薄板を設けた
   ２層構造を成し、前記すだれ状電極ＰおよびＱが該圧電
   薄板上に設けられていることを特徴とする請求項１また
   は２に記載の超音波位置検出装置。