入力装置及び電子機器
【課題】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、検出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。
【解決手段】超音波を発信して反射された超音波を受信する超音波センサーユニット１Ａを備え、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、形状及び速度を算出する制御演算部を備え、超音波センサーユニット１Ａは、複数の開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１に設けられ開口部１１ａを閉塞する振動板と、開口部１１ａの各々に対応して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。
【解決手段】超音波を発信して反射された超音波を受信する超音波センサーユニット１Ａを備え、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、形状及び速度を算出する制御演算部を備え、超音波センサーユニット１Ａは、複数の開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１に設けられ開口部１１ａを閉塞する振動板と、開口部１１ａの各々に対応して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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９９１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態におけるＰＤＡの斜視図である。
【図２】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。
【図３】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４】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。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
＜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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
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、１００ ＰＤＡ（電子機器）、１０ 入力装置、４１ 制御演算部
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９９１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態におけるＰＤＡの斜視図である。
【図２】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。
【図３】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４】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。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
＜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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
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、１００ ＰＤＡ（電子機器）、１０ 入力装置、４１ 制御演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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入力装置。
【請求項２】
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請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
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請求項１又は請求項２に記載の入力装置。
【請求項４】
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請求項１ないし請求項３のいずれか一項記載の入力装置。
【請求項５】
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請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の入力装置。
【請求項６】
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請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の入力装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の入力装置を備えた電子機器。
【請求項１】
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入力装置。
【請求項２】
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請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
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請求項１又は請求項２に記載の入力装置。
【請求項４】
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請求項１ないし請求項３のいずれか一項記載の入力装置。
【請求項５】
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請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の入力装置。
【請求項６】
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請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の入力装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の入力装置を備えた電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１６４３３１（Ｐ２０１０−１６４３３１Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４７７４（Ｐ２００９−４７７４）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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