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JP3959532B2 - Ultrasonic contact position detector - Google Patents

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JP3959532B2
JP3959532B2 JP6376197A JP6376197A JP3959532B2 JP 3959532 B2 JP3959532 B2 JP 3959532B2 JP 6376197 A JP6376197 A JP 6376197A JP 6376197 A JP6376197 A JP 6376197A JP 3959532 B2 JP3959532 B2 JP 3959532B2
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Description

【発明の属する技術分野】
本発明は入力用および出力用すだれ状電極を備えた圧電基板上に人指または物体が接触したことを感知し、その位置を検出する超音波接触位置検出装置に関する。
【従来の技術】
超音波方式による従来のタッチパネルは、非圧電板に弾性表面波を励振させ、その非圧電板に接触することにより弾性表面波が減衰するということを利用したものである。非圧電板に弾性表面波を励振する従来の方法としては、バルク波振動子を用いたくさび形トランスデューサにより間接的に励振する方法、圧電薄膜トランスデューサにより直接的に励振する方法等が挙げられる。くさび形トランスデューサは超音波による非破壊検査等に用いられているが、くさび角の工作精度の問題等から比較的低い周波数領域においてのみ用いられる。圧電薄膜トランスデューサはZnO等の圧電薄膜を基板に蒸着しすだれ状電極により弾性表面波を励振する方法で、すだれ状電極の構成により種々の伝送特性を示すことから高周波デバイスとして用いられるが、UHF,VHF帯に限られるとともに加工性や量産性に問題がある。このようにして、従来の超音波タッチパネルでは応答時間、感度、耐久性、工作精度、加工性、量産性および使用しやすさ等の点で問題があり、使用周波数領域も制限されている。そこで、これらの問題点を解決する超音波タッチパネルが本願発明者により特願平4−218336等で出願された。この超音波タッチパネルは、圧電薄板とすだれ状電極とから成る超音波デバイスを非圧電板の一方の板面に少なくとも2つ設けて成るものであり、低消費電力で効率良く弾性表面波を非圧電板の板面に励振することができる。従って、一方の超音波デバイスを入力用とし、もう一方の超音波デバイスを出力用とした場合、非圧電板の一方の板面における弾性表面波の伝搬路に人指または物体が接触すれば弾性表面波が減衰または消滅することから、出力用超音波デバイスにおけるすだれ状電極に出力される電気信号も減衰または消滅する。しかし、この超音波タッチパネルを含む従来のタッチパネルは、接触位置の細密さにいっそうの向上を要するとともに、信号処理の仕方が複雑にならざるを得なかった。
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波タッチパネルでは感度、工作精度、加工性、量産性、消費電力等に問題があるばかりでなく、信号処理の仕方や回路構成等にも問題があった。
本発明の目的は、加工性、耐久性および量産性に優れ、低消費電力駆動で応答時間が短く、信号処理の仕方が簡単で、回路の規模も小さく、接触位置の細密な検出が可能で、使用しやすさに優れた超音波接触位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の超音波接触位置検出装置は、すだれ状電極TおよびRを圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波接触位置検出装置であって、
前記圧電基板の厚さは前記すだれ状電極Tの電極周期長Pの3倍以上の値を有し、
前記すだれ状電極Tの電極指の方向と、前記すだれ状電極Rの電極指の方向とは互いに平行でなく、前記すだれ状電極Rの電極指の方向は前記すだれ状電極Tの電極指の方向に対し角αの傾きを有し、
前記すだれ状電極Rの電極指に直交する方向での電極指の周期長PNは、前記電極周期長Pとcosαとの積に等しく、
前記すだれ状電極Tは、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板の前記一方の板面の表面近傍に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振し、
前記すだれ状電極Rは、前記圧電基板に励振されている前記弾性表面波を、位相θj(j=1,2,……,χ)を有する電気信号Ej(j=1,2,……,χ)に変換し、
前記電気信号Ejは前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数を有し、
前記位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零であり、前記電気信号Ejを合成することにより生ずる電気信号TotalEjの振幅は零であって、前記電気信号TotalEjは前記すだれ状電極Rにおいて検出されることはなく、
前記位相θjは、前記すだれ状電極Tの電極指の方向に沿った位置Fj(j=1,2,……,χ)に対応し、
前記位置Fjは、前記圧電基板の前記一方の板面上の前記すだれ状電極TとRとの間の超音波伝搬路Zj(j=1,2,……,χ)にそれぞれ対応し、
超音波伝搬路Zxに対応する位置Fxを人指または物体が接触することにより、前記すだれ状電極Rにおいて位相θを有する出力電気信号Eが検出され、
前記位置Fxは位相θxを有する電気信号Exに対応し、
前記出力電気信号Eは前記電気信号TotalEjから前記電気信号Exを除いた成分と等しく、前記位相θは前記位相Totalθjから前記位相θxを除いた成分と等しく、
前記位置Fxは前記位相θxの値から特定される。
請求項2に記載の超音波接触位置検出装置は、前記すだれ状電極Rの電極指の方向での交差幅LPが、前記すだれ状電極Tの電極交差幅Lとsecαとの積に等しい。
請求項3に記載の超音波接触位置検出装置は、前記圧電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。
【発明の実施の形態】
本発明の超音波接触位置検出装置の構造は、すだれ状電極TおよびRを圧電基板の一方の板面に設けて成るものである。このとき、すだれ状電極Tの電極指の方向と、すだれ状電極Rの電極指の方向とは互いに平行でなく、すだれ状電極Rの電極指の方向はすだれ状電極Tの電極指の方向に対し角αの傾きを有する。すだれ状電極Rの電極指に直交する方向での電極指の周期長PNは、すだれ状電極Tの電極周期長Pとcosαとの積に等しくなるような大きさに設定される。すだれ状電極Rの電極指の方向での交差幅LPは、すだれ状電極Tの電極交差幅Lとsecαとの積に等しくなるような大きさに設定される。
圧電基板の厚さがすだれ状電極Tの電極周期長Pの3倍以上の値を有することから、すだれ状電極Tの電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号をすだれ状電極Tに入力する構造を採用することにより、圧電基板のすだれ状電極TおよびRが設けられた方の板面の表面近傍に電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振することができる。この弾性表面波はすだれ状電極Rによって位相θj(j=1,2,……,χ)を有する電気信号Ej(j=1,2,……,χ)に変換される。電気信号Ejは電極周期長Pにほぼ対応する周波数を有する。位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零となり、電気信号Ejを合成することにより生ずる電気信号TotalEjの振幅は零となる。つまり、電気信号TotalEjはすだれ状電極Rにおいて検出されることはない。
位相θjを、すだれ状電極Tの電極指の方向に沿った位置Fj(j=1,2,……,χ)に対応させることができる。このとき位置Fjは、圧電基板のすだれ状電極TおよびRが設けられた方の板面上の前記すだれ状電極TとRとの間の超音波伝搬路Zj(j=1,2,……,χ)にそれぞれ対応している。超音波伝搬路Zxに対応する位置Fxを人指または物体が接触すると、すだれ状電極Rにおいて出力電気信号Eが検出される。このとき、出力電気信号Eは電気信号TotalEjから電気信号Exを除いた成分と等しく、出力電気信号Eの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しい。つまり、圧電基板上を接触しない場合には、すだれ状電極Rにおいて弾性表面波から変換される電気信号TotalEjは均衡がとれて零であったものが、接触により超音波伝搬路Zxが遮断されると、その伝搬路Zxに対応する弾性表面波がすだれ状電極Rにおいて位相θxを有する電気信号Exに変換されることがないので、全体としての均衡が崩れて、すだれ状電極Rにおいて位相θを有する出力電気信号Eが検出されることになる。従って、出力電気信号Eは電気信号TotalEjから電気信号Exを除いた成分と等しくなり、出力電気信号Eの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。このようにして、位置Fxを位相θxを求めることにより判別することが可能となる。
本発明の超音波接触位置検出装置では、圧電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、圧電基板のすだれ状電極TおよびRの設けられた方の板面の表面近傍に効率よく弾性表面波を励振することを可能にしている。また、その弾性表面波をすだれ状電極Rにおいて効率よく電気信号Ejに変換することを可能にしている。
【実施例】
図1は本発明の超音波接触位置検出装置の一実施例を示す平面図である。本実施例はすだれ状電極T、Rおよび圧電基板1から成る。圧電基板1は厚さ1.5mmの圧電セラミックで成る。すだれ状電極TおよびRはアルミニウム薄膜で成り、それぞれ10対の電極指を有し、圧電基板1の一方の板面上に設けられている。すだれ状電極Tは正規型の構造を有し、電極交差幅Lは12mm、電極周期長Pは400μmである。すだれ状電極Tの電極指の方向と、すだれ状電極Rの電極指の方向とは互いに平行ではない。本発明の超音波接触位置検出装置では、すだれ状電極Tの電極指の方向に沿った位置Fj(j=1,2,……,χ)を人指または物体で接触した場合に、その位置を検出することができる。
図2はすだれ状電極Rを示す平面図である。すだれ状電極Rの電極指の方向はすだれ状電極Tの電極指の方向に対して角αの傾きを有する。すだれ状電極Rの電極指に直交する方向での電極指の周期長PNは、すだれ状電極Tの電極周期長Pとcosαとの積に等しくなるような大きさに設定されている。すだれ状電極Rの電極指の方向での交差幅LPは、すだれ状電極Tの電極交差幅Lとsecαとの積に等しくなるような大きさに設定されている。
図3は図1の超音波接触位置検出装置の駆動回路を示す図である。発振器2からの電気信号の一部▲1▼はすだれ状電極Tに送られ、残部▲2▼は減衰器3を介して位相比較器4に送られる。すだれ状電極Tに電気信号が入力されると、その電気信号の周波数のうちすだれ状電極Tの示す中心周波数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変換されて、圧電基板1のすだれ状電極TおよびRが設けられた方の板面の表面近傍に伝搬される。弾性表面波の伝搬方向は圧電基板1上の矢印で示される方向である。圧電基板1に伝搬された弾性表面波のうちすだれ状電極Rの示す中心周波数とその近傍の周波数の弾性表面波のみが、すだれ状電極Rおいて位相θj(j=1,2,……,χ)を有する電気信号Ej(j=1,2,……,χ)に変換される。位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零となることから、電気信号Ejを合成することにより生ずる電気信号TotalEjの振幅は零となる。従って、電気信号TotalEjはすだれ状電極Rから出力されることはない。
位相θjは位置Fjに対応するとともに、すだれ状電極TとRとの間の超音波伝搬路Zj(j=1,2,……,χ)に対応している。もしも、位置Fxを人指または物体が接触すると、すだれ状電極Rにおいて位相θを有する電気信号Eが出力される。このとき、位置Fxは位相θxを有する電気信号Exに対応していることから、出力電気信号Eは電気信号TotalEjから電気信号Exを除いた成分と等しくなり、位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。つまり、圧電基板1上を接触しない場合には、すだれ状電極Rにおいて弾性表面波から変換される電気信号TotalEjは均衡がとれて零であったものが、接触により超音波伝搬路Zxが遮断されると、その伝搬路Zxに対応する弾性表面波がすだれ状電極Rにおいて電気信号Exに変換されることがないので、全体としての均衡が崩れてすだれ状電極Rから電気信号Eが出力されることになる。従って、出力電気信号Eは電気信号TotalEjから電気信号Exを除いた成分と等しくなり、出力電気信号Eの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。このようにして、位置Fxを位相θxを求めることにより判別することが可能となる。発振器2から減衰器3を介して位相比較器4に送られた電気信号の位相は零であることから、これは位相Totalθjと同等である。従って、位相Totalθjと位相θとの差を位相比較器4で位相θxとして検出することができる。
図4は図1における圧電基板1上の接触位置Fxと、位相比較器4で検出される位相θxとの関係を示す特性図である。但し、位置FxとFx-1との距離は0.5mmとした。位置Fxが零から12mmの間であるのはすだれ状電極Tの電極交差幅Lが12mmであることによる。位置Fxと位相θxとの間には良好な線形性があることが分かる。このようにして、位相θxから接触した位置Fxを判別することが可能となる。
【発明の効果】
本発明の超音波接触位置検出装置は、すだれ状電極TおよびRを圧電基板の一方の板面に設けて成る簡単な構造を有する。すだれ状電極TおよびRのそれぞれの電極指の方向は互いに平行でなく、すだれ状電極Rの電極指の方向はすだれ状電極Tの電極指の方向に対し角αの傾きを有する。すだれ状電極Rの電極指に直交する方向での電極指の周期長PNは、すだれ状電極Tの電極周期長Pとcosαとの積に等しくなるような大きさに設定され、すだれ状電極Rの電極指の方向での交差幅LPは、すだれ状電極Tの電極交差幅Lとsecαとの積に等しくなるような大きさに設定される。
本発明の超音波接触位置検出装置では、圧電基板の厚さがすだれ状電極Tの電極周期長Pの3倍以上の値を有することから、すだれ状電極Tの電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号をすだれ状電極Tに入力することにより、圧電基板のすだれ状電極TおよびRが設けられた方の板面の表面近傍に弾性表面波を励振することができる。この弾性表面波はすだれ状電極Rによって位相θj(j=1,2,……,χ)を有する電気信号Ej(j=1,2,……,χ)に変換される。圧電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、圧電基板のすだれ状電極TおよびRの設けられた方の板面の表面近傍に効率よく弾性表面波を励振することができ、また、その弾性表面波をすだれ状電極Rにおいて効率よく電気信号Ejに変換することができる。但し、位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零となり、電気信号Ejを合成することにより生ずる電気信号TotalEjの振幅は零となることから、電気信号TotalEjはすだれ状電極Rにおいて検出されることはない。
本発明の超音波接触位置検出装置では、位相θjをすだれ状電極Tの電極指の方向に沿った位置Fj(j=1,2,……,χ)に対応させることが可能である。位置Fjはすだれ状電極TとRとの間の超音波伝搬路Zj(j=1,2,……,χ)にそれぞれ対応させることができる。位置Fxを人指または物体が接触すると、すだれ状電極Rにおいて位相θを有する出力電気信号Eが検出される。圧電基板上を接触しない場合には、すだれ状電極Rにおいて弾性表面波から変換される電気信号TotalEjは均衡がとれて零であったものが、接触により超音波伝搬路Zxが遮断されると、その伝搬路Zxに対応する弾性表面波がすだれ状電極Rにおいて位相θxを有する電気信号Exに変換されることがないので、全体としての均衡が崩れてすだれ状電極Rにおいて出力電気信号Eが検出されることになる。従って、出力電気信号Eは電気信号TotalEjから電気信号Exを除いた成分と等しくなり、出力電気信号Eの位相θは位相Totalθjから位相θxを除いた成分と等しくなる。このようにして、位置Fxを位相θxの値から判別することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波接触位置検出装置の一実施例を示す平面図。
【図2】すだれ状電極Rを示す平面図。
【図3】図1の超音波接触位置検出装置の駆動回路を示す図。
【図4】図1における圧電基板1上の接触位置Fxと、位相比較器4で検出される位相θxとの関係を示す特性図。
【符号の説明】
1 圧電基板
2 発振器
3 減衰器
4 位相比較器
T,R すだれ状電極
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic contact position detecting device for detecting that a human finger or an object has touched a piezoelectric substrate provided with interdigital electrodes for input and output, and detecting the position thereof.
[Prior art]
A conventional touch panel using an ultrasonic method utilizes the fact that a surface acoustic wave is attenuated by exciting a surface acoustic wave on a non-piezoelectric plate and coming into contact with the non-piezoelectric plate. Examples of conventional methods for exciting a surface acoustic wave on a non-piezoelectric plate include a method of indirectly exciting with a wedge-shaped transducer using a bulk wave vibrator, a method of directly exciting with a piezoelectric thin film transducer, and the like. The wedge-shaped transducer is used for non-destructive inspection using ultrasonic waves, but is used only in a relatively low frequency range due to the problem of the working accuracy of the wedge angle. A piezoelectric thin film transducer is a method in which a piezoelectric thin film such as ZnO is vapor-deposited on a substrate and a surface acoustic wave is excited by a comb-like electrode. There are problems in workability and mass productivity as well as in the VHF band. As described above, the conventional ultrasonic touch panel has problems in response time, sensitivity, durability, work accuracy, workability, mass productivity, ease of use, and the like, and the use frequency range is also limited. Therefore, an ultrasonic touch panel that solves these problems has been filed by the present inventor in Japanese Patent Application No. 4-218336. This ultrasonic touch panel is formed by providing at least two ultrasonic devices each composed of a piezoelectric thin plate and a comb-like electrode on one surface of a non-piezoelectric plate. It can be excited on the plate surface of the plate. Therefore, when one ultrasonic device is used for input and the other ultrasonic device is used for output, if the finger or object comes into contact with the propagation path of the surface acoustic wave on one plate surface of the non-piezoelectric plate, Since the surface wave attenuates or disappears, the electric signal output to the interdigital electrode in the output ultrasonic device also attenuates or disappears. However, the conventional touch panel including the ultrasonic touch panel requires further improvement in the fineness of the contact position, and the signal processing method has to be complicated.
[Problems to be solved by the invention]
Conventional ultrasonic touch panels not only have problems in sensitivity, machining accuracy, workability, mass productivity, power consumption, etc., but also have problems in signal processing methods and circuit configurations.
The object of the present invention is excellent in workability, durability and mass productivity, low power consumption drive, short response time, simple signal processing, small circuit scale, and precise detection of contact position. Another object of the present invention is to provide an ultrasonic contact position detecting device excellent in ease of use.
[Means for Solving the Problems]
The ultrasonic contact position detecting device according to claim 1, wherein the interdigital electrodes T and R are provided on one plate surface of the piezoelectric substrate,
The thickness of the piezoelectric substrate has a value more than three times the electrode period length P of the interdigital electrode T;
The direction of the electrode finger of the interdigital electrode T and the direction of the electrode finger of the interdigital electrode R are not parallel to each other, and the direction of the electrode finger of the interdigital electrode R is the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T. With a slope of angle α,
The period length P N of the electrode fingers in the direction perpendicular to the electrode fingers of the interdigital electrode R is equal to the product of the electrode period length P and cos α,
The interdigital electrode T receives an electric signal having a frequency substantially corresponding to the electrode periodic length P, and thereby has a wavelength substantially equal to the electrode periodic length P in the vicinity of the surface of the one plate surface of the piezoelectric substrate. Exciting a surface acoustic wave having
The interdigital electrode R converts the surface acoustic wave excited on the piezoelectric substrate into an electric signal E j (j = 1, 2,...) Having a phase θ j (j = 1, 2,..., Χ). …, Χ),
The electrical signal E j has a frequency substantially corresponding to the electrode period length P,
The phase Totalθ j generated by combining the phase θ j is zero, the amplitude of the electric signal TotalE j generated by combining the electric signal E j is zero, and the electric signal TotalE j is the interdigital shape. Is not detected at the electrode R,
The phase θ j corresponds to a position F j (j = 1, 2,..., Χ) along the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T,
The position F j corresponds to the ultrasonic wave propagation path Z j (j = 1, 2,..., Χ) between the interdigital electrodes T and R on the one plate surface of the piezoelectric substrate. ,
When a finger or an object contacts a position F x corresponding to the ultrasonic wave propagation path Z x , an output electric signal E having a phase θ is detected at the interdigital electrode R,
The position F x corresponds to an electrical signal E x having a phase θ x ,
The output electrical signal E is equal to components except for the electrical signals E x from said electrical signal totale j, the phase theta is equal to components except for the phase theta x from the phase Totalθ j,
The position F x is specified from the value of the phase θ x .
In the ultrasonic contact position detecting device according to claim 2, the intersection width L P of the interdigital electrode R in the direction of the electrode finger is equal to the product of the electrode intersection width L of the interdigital electrode T and secα.
In the ultrasonic contact position detecting apparatus according to a third aspect, the piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramic, and the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to the thickness direction of the piezoelectric ceramic.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The structure of the ultrasonic contact position detection apparatus of the present invention is formed by providing the interdigital electrodes T and R on one plate surface of a piezoelectric substrate. At this time, the direction of the electrode fingers of the interdigital electrode T and the direction of the electrode fingers of the interdigital electrode R are not parallel to each other, and the direction of the electrode fingers of the interdigital electrode R is in the direction of the electrode fingers of the interdigital electrode T. It has an inclination of angle α. The period length P N of the electrode fingers in the direction perpendicular to the electrode fingers of the interdigital electrodes R is set to a size equal to the product of the electrode period length P of the interdigital electrodes T and cos α. The intersection width L P of the interdigital electrode R in the direction of the electrode fingers is set to a size equal to the product of the electrode intersection width L of the interdigital electrode T and secα.
Since the thickness of the piezoelectric substrate has a value more than three times the electrode period length P of the interdigital electrode T, an electric signal having a frequency substantially corresponding to the electrode period length P of the interdigital electrode T is input to the interdigital electrode T. By adopting the structure, a surface acoustic wave having a wavelength substantially equal to the electrode period length P can be excited in the vicinity of the surface of the plate surface of the piezoelectric substrate on which the interdigital electrodes T and R are provided. This surface acoustic wave is converted into an electric signal E j (j = 1, 2,..., Χ) having a phase θ j (j = 1, 2,..., Χ) by the interdigital electrode R. The electric signal E j has a frequency substantially corresponding to the electrode period length P. The phase Totalθ j generated by synthesizing the phase θ j becomes zero, and the amplitude of the electric signal TotalE j generated by synthesizing the electric signal E j becomes zero. That is, the electric signal TotalE j is not detected at the interdigital electrode R.
The phase θ j can be made to correspond to the position F j (j = 1, 2,..., Χ) along the direction of the electrode fingers of the interdigital electrode T. At this time, the position F j is an ultrasonic propagation path Z j (j = 1, 2, between the interdigital electrodes T and R on the plate surface of the piezoelectric substrate on which the interdigital electrodes T and R are provided. ……, χ) respectively. When a finger or an object contacts the position F x corresponding to the ultrasonic wave propagation path Z x , the output electric signal E is detected at the interdigital electrode R. At this time, the output electrical signal E is equal to the electrical signal TotalE equal components except electrical signals E x from j, the phase theta component excluding the phase theta x from the phase Totalshita j of the output electrical signal E. That is, when the piezoelectric substrate is not contacted, the electrical signal TotalE j converted from the surface acoustic wave at the interdigital electrode R is balanced and zero, but the ultrasonic propagation path Z x is blocked by the contact. Then, since the surface acoustic wave corresponding to the propagation path Z x is not converted into the electric signal E x having the phase θ x in the interdigital electrode R, the overall balance is lost, and the interdigital electrode An output electrical signal E having a phase θ is detected at R. Therefore, the output electrical signal E is equal to the component excluding the electric signals E x from the electrical signal totale j, the phase theta of the output electrical signal E is equal to the ingredients except the phase theta x from the phase Totalθ j. In this way, the position F x can be determined by obtaining the phase θ x .
In the ultrasonic contact position detection device of the present invention, a piezoelectric ceramic is adopted as the piezoelectric substrate, and the interdigital electrode of the piezoelectric substrate is adopted by adopting a structure in which the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to the thickness direction. It is possible to efficiently excite a surface acoustic wave near the surface of the plate surface on which T and R are provided. In addition, the surface acoustic wave can be efficiently converted into the electric signal Ej in the interdigital electrode R.
【Example】
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of the ultrasonic contact position detecting apparatus of the present invention. This embodiment comprises interdigital electrodes T and R and a piezoelectric substrate 1. The piezoelectric substrate 1 is made of a piezoelectric ceramic having a thickness of 1.5 mm. The interdigital electrodes T and R are made of an aluminum thin film, have 10 pairs of electrode fingers, and are provided on one plate surface of the piezoelectric substrate 1. The interdigital electrode T has a regular structure, the electrode crossing width L is 12 mm, and the electrode period length P is 400 μm. The direction of the electrode finger of the interdigital electrode T and the direction of the electrode finger of the interdigital electrode R are not parallel to each other. In the ultrasonic contact position detection apparatus of the present invention, when the position F j (j = 1, 2,..., Χ) along the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T is contacted with a human finger or an object, The position can be detected.
FIG. 2 is a plan view showing the interdigital electrode R. FIG. The direction of the electrode finger of the interdigital electrode R has an inclination of an angle α with respect to the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T. The period length P N of the electrode finger in the direction orthogonal to the electrode finger of the interdigital electrode R is set to a size equal to the product of the electrode period length P of the interdigital electrode T and cos α. The intersection width L P of the interdigital electrode R in the direction of the electrode fingers is set to a size equal to the product of the electrode intersection width L of the interdigital electrode T and secα.
FIG. 3 is a diagram showing a drive circuit of the ultrasonic contact position detection apparatus of FIG. Part (1) of the electrical signal from the oscillator 2 is sent to the interdigital electrode T, and the remaining part (2) is sent to the phase comparator 4 via the attenuator 3. When an electric signal is input to the interdigital electrode T, only the electric signal having a frequency in the vicinity of the center frequency indicated by the interdigital electrode T in the frequency of the electric signal is converted into a surface acoustic wave. It propagates near the surface of the plate surface on which the interdigital electrodes T and R are provided. The propagation direction of the surface acoustic wave is the direction indicated by the arrow on the piezoelectric substrate 1. Of the surface acoustic waves propagated to the piezoelectric substrate 1, only the surface acoustic wave having the center frequency indicated by the interdigital electrode R and the frequency in the vicinity thereof has a phase θ j (j = 1, 2,...) At the interdigital electrode R. , Χ) is converted into an electrical signal E j (j = 1, 2,..., Χ). Since the phase Totalθ j generated by synthesizing the phase θ j becomes zero, the amplitude of the electric signal TotalE j generated by synthesizing the electric signal E j becomes zero. Therefore, the electric signal TotalE j is not output from the interdigital electrode R.
The phase θ j corresponds to the position F j and also corresponds to the ultrasonic propagation path Z j (j = 1, 2,..., Χ) between the interdigital electrodes T and R. If a finger or an object touches the position F x , an electric signal E having a phase θ is output from the interdigital electrode R. At this time, the position F x from Be for the electric signals E x having a phase theta x, the output electrical signal E is equal to the component excluding the electric signals E x from the electrical signal totale j, the phase theta phase It is equal to the component obtained by removing the phase θ x from Total θ j . That is, when the piezoelectric substrate 1 is not contacted, the electrical signal TotalE j converted from the surface acoustic wave in the interdigital electrode R is balanced and zero, but the ultrasonic propagation path Z x is changed by the contact. When cut off, the surface acoustic wave corresponding to the propagation path Z x is not converted into the electric signal E x in the interdigital electrode R, so that the overall balance is lost and the electric signal E is output from the interdigital electrode R. Will be output. Therefore, the output electrical signal E is equal to the component excluding the electric signals E x from the electrical signal totale j, the phase theta of the output electrical signal E is equal to the ingredients except the phase theta x from the phase Totalθ j. In this way, the position F x can be determined by obtaining the phase θ x . Since the phase of the electrical signal sent from the oscillator 2 to the phase comparator 4 via the attenuator 3 is zero, this is equivalent to the phase Totalθ j . Therefore, it is possible to detect a phase theta x the difference between the phase Totalshita j and the phase theta by the phase comparator 4.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the contact position F x on the piezoelectric substrate 1 in FIG. 1 and the phase θ x detected by the phase comparator 4. However, the distance between the positions F x and F x-1 was 0.5 mm. The reason why the position F x is between zero and 12 mm is that the interelectrode width L of the interdigital electrode T is 12 mm. It can be seen that there is good linearity between the position F x and the phase θ x . In this way, it is possible to determine the contact position F x from the phase θ x .
【The invention's effect】
The ultrasonic contact position detection apparatus of the present invention has a simple structure in which the interdigital electrodes T and R are provided on one plate surface of a piezoelectric substrate. The directions of the interdigital electrodes T and R are not parallel to each other, and the direction of the interdigital electrodes R has an inclination of an angle α with respect to the direction of the interdigital electrodes T. The period length P N of the electrode finger in the direction perpendicular to the electrode finger of the interdigital electrode R is set to a size equal to the product of the electrode period length P of the interdigital electrode T and cos α, and the interdigital electrode The crossing width L P in the direction of the R electrode fingers is set to a size equal to the product of the electrode crossing width L of the interdigital electrode T and secα.
In the ultrasonic contact position detection apparatus of the present invention, the thickness of the piezoelectric substrate has a value that is at least three times the electrode period length P of the interdigital electrode T, and therefore the frequency substantially corresponding to the electrode period length P of the interdigital electrode T. Is input to the interdigital electrode T, so that a surface acoustic wave can be excited in the vicinity of the surface of the surface of the piezoelectric substrate on which the interdigital electrodes T and R are provided. This surface acoustic wave is converted into an electric signal E j (j = 1, 2,..., Χ) having a phase θ j (j = 1, 2,..., Χ) by the interdigital electrode R. By adopting a piezoelectric ceramic as the piezoelectric substrate and adopting a structure in which the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to the thickness direction, the plate surface of the piezoelectric substrate on which the interdigital electrodes T and R are provided The surface acoustic wave can be efficiently excited in the vicinity of the surface, and the surface acoustic wave can be efficiently converted into the electric signal E j at the interdigital electrode R. However, the phase Totalθ j generated by synthesizing the phase θ j becomes zero, and the amplitude of the electric signal TotalE j generated by synthesizing the electric signal E j becomes zero, so that the electric signal TotalE j becomes the interdigital electrode R. Is not detected.
In the ultrasonic contact position detection device of the present invention, the phase θ j can be made to correspond to the position F j (j = 1, 2,..., Χ) along the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T. . The position F j can correspond to the ultrasonic wave propagation path Z j (j = 1, 2,..., Χ) between the interdigital electrodes T and R, respectively. When a finger or an object contacts the position F x , an output electric signal E having a phase θ is detected at the interdigital electrode R. When the piezoelectric substrate is not contacted, the electrical signal TotalE j converted from the surface acoustic wave in the interdigital electrode R is balanced and zero, but the ultrasonic propagation path Z x is blocked by the contact. Since the surface acoustic wave corresponding to the propagation path Z x is not converted into the electric signal E x having the phase θ x in the interdigital electrode R, the overall balance is lost and the output is output from the interdigital electrode R. The electric signal E is detected. Therefore, the output electrical signal E is equal to the component excluding the electric signals E x from the electrical signal totale j, the phase theta of the output electrical signal E is equal to the ingredients except the phase theta x from the phase Totalθ j. In this way, the position F x can be determined from the value of the phase θ x .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an ultrasonic contact position detection apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing an interdigital electrode R;
FIG. 3 is a diagram showing a drive circuit of the ultrasonic contact position detection device of FIG. 1;
4 is a characteristic diagram showing a relationship between a contact position F x on the piezoelectric substrate 1 in FIG. 1 and a phase θ x detected by a phase comparator 4. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Piezoelectric substrate 2 Oscillator 3 Attenuator 4 Phase comparator T, R Interdigital electrode

Claims (3)

すだれ状電極TおよびRを圧電基板の一方の板面に設けて成る超音波接触位置検出装置であって、
前記圧電基板の厚さは前記すだれ状電極Tの電極周期長Pの3倍以上の値を有し、
前記すだれ状電極Tの電極指の方向と、前記すだれ状電極Rの電極指の方向とは互いに平行でなく、前記すだれ状電極Rの電極指の方向は前記すだれ状電極Tの電極指の方向に対し角αの傾きを有し、
前記すだれ状電極Rの電極指に直交する方向での電極指の周期長PNは、前記電極周期長Pとcosαとの積に等しく、
前記すだれ状電極Tは、前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数の電気信号を入力されることにより、前記圧電基板の前記一方の板面の表面近傍に前記電極周期長Pとほぼ等しい波長を有する弾性表面波を励振し、
前記すだれ状電極Rは、前記圧電基板に励振されている前記弾性表面波を、位相θj(j=1,2,……,χ)を有する電気信号Ej(j=1,2,……,χ)に変換し、
前記電気信号Ejは前記電極周期長Pにほぼ対応する周波数を有し、
前記位相θjを合成することにより生ずる位相Totalθjは零であり、前記電気信号Ejを合成することにより生ずる電気信号TotalEjの振幅は零であって、前記電気信号TotalEjは前記すだれ状電極Rにおいて検出されることはなく、
前記位相θjは、前記すだれ状電極Tの電極指の方向に沿った位置Fj(j=1,2,……,χ)に対応し、
前記位置Fjは、前記圧電基板の前記一方の板面上の前記すだれ状電極TとRとの間の超音波伝搬路Zj(j=1,2,……,χ)にそれぞれ対応し、
超音波伝搬路Zxに対応する位置Fxを人指または物体が接触することにより、前記すだれ状電極Rにおいて位相θを有する出力電気信号Eが検出され、
前記位置Fxは位相θxを有する電気信号Exに対応し、
前記出力電気信号Eは前記電気信号TotalEjから前記電気信号Exを除いた成分と等しく、前記位相θは前記位相Totalθjから前記位相θxを除いた成分と等しく、
前記位置Fxは前記位相θxの値から特定される超音波接触位置検出装置。
An ultrasonic contact position detecting device in which interdigital electrodes T and R are provided on one plate surface of a piezoelectric substrate,
The thickness of the piezoelectric substrate has a value more than three times the electrode period length P of the interdigital electrode T;
The direction of the electrode finger of the interdigital electrode T and the direction of the electrode finger of the interdigital electrode R are not parallel to each other, and the direction of the electrode finger of the interdigital electrode R is the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T. With a slope of angle α,
The period length P N of the electrode fingers in the direction perpendicular to the electrode fingers of the interdigital electrode R is equal to the product of the electrode period length P and cos α,
The interdigital electrode T receives an electric signal having a frequency substantially corresponding to the electrode periodic length P, and thereby has a wavelength substantially equal to the electrode periodic length P in the vicinity of the surface of the one plate surface of the piezoelectric substrate. Exciting a surface acoustic wave having
The interdigital electrode R converts the surface acoustic wave excited on the piezoelectric substrate into an electric signal E j (j = 1, 2,...) Having a phase θ j (j = 1, 2,..., Χ). …, Χ),
The electrical signal E j has a frequency substantially corresponding to the electrode period length P,
The phase Totalθ j generated by combining the phase θ j is zero, the amplitude of the electric signal TotalE j generated by combining the electric signal E j is zero, and the electric signal TotalE j is the interdigital shape. Is not detected at the electrode R,
The phase θ j corresponds to a position F j (j = 1, 2,..., Χ) along the direction of the electrode finger of the interdigital electrode T,
The position F j corresponds to the ultrasonic wave propagation path Z j (j = 1, 2,..., Χ) between the interdigital electrodes T and R on the one plate surface of the piezoelectric substrate. ,
When a finger or an object contacts a position F x corresponding to the ultrasonic wave propagation path Z x , an output electric signal E having a phase θ is detected at the interdigital electrode R,
The position F x corresponds to an electrical signal E x having a phase θ x ,
The output electrical signal E is equal to components except for the electrical signals E x from said electrical signal totale j, the phase theta is equal to components except for the phase theta x from the phase Totalθ j,
The ultrasonic contact position detection device in which the position F x is specified from the value of the phase θ x .
前記すだれ状電極Rの電極指の方向での交差幅LPは、前記すだれ状電極Tの電極交差幅Lとsecαとの積に等しい請求項1に記載の超音波接触位置検出装置。The ultrasonic contact position detecting device according to claim 1, wherein an intersection width L P of the interdigital electrode R in the direction of the electrode fingers is equal to a product of the electrode intersection width L of the interdigital electrode T and secα. 前記圧電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請求項1または2に記載の超音波接触位置検出装置。The ultrasonic contact position detecting device according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate is made of a piezoelectric ceramic, and a direction of a polarization axis of the piezoelectric ceramic is parallel to a thickness direction of the piezoelectric ceramic.
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