JP2020504398A - 透明なタッチスクリーン型パラメトリックエミッタ - Google Patents

Abstract

一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルは、第１の基層および第１の導電層を備える第１の透明層と、第１の透明層に隣接して配置された、第２の基層および第２の導電層を備える第２の透明層と、を備え、第２の透明層はタッチスクリーンである。【選択図】図４

Description

本発明は一般的にパラメトリックスピーカに関する。より具体的には、いくつかの実施形態は透明タッチスクリーン型超音波エミッタに関する。

パラメトリックサウンド（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｏｕｎｄ）は、音響信号と超音波キャリアとの非線形混合に依拠する根本的に新しい種類の音声（音響、オーディオ）である。この技術の成功への鍵の一つは、高振幅の効果的な超音波源であり、本明細書ではエミッタまたはトランスデューサと呼ばれる。超音波エミッタは、圧電、静電気および熱音響などの様々な異なる基本的機構を介して作成される。静電気エミッタは、通常、空隙を含む２つの導電面で構成される容量性装置であり、少なくとも１つの導電面は、エミッタの機能に重要な意味を持つ構造を有している。

非線形変換は、十分に強力な、音響変調された超音波信号を気柱に導入すると発生する。自己復調または下方変換が気柱に沿って発生し、結果として、可聴音響信号を生成する。このプロセスは、異なる周波数の２つの音波が、同一媒体で同時に発せられるとき、２つの周波数の和および差を含む変調された波形が、２つの音波の非線形（パラメトリック）相互作用によって生成されるという、周知の物理的原理によって起こる。元の２つの波形が超音波であるとき、および、当該２つの波形の差が可聴周波数として選択されたとき、可聴音声がパラメトリック相互作用によって生成可能である。

パラメトリック音声再生システムは、例えば空気のような媒体で発生する非線形プロセスにおける２つの音響信号のヘテロダイン（周波数変換）を通して、サウンド（音響）を生成する。典型的には、音響信号は超音波周波数域である。媒体の非線形性は、結果として、音響信号の和および差である、媒体によって生成される音響信号となる。したがって、周波数で分離された２つの超音波信号は、結果として、人間の聴覚の６０Ｈｚから２０，０００Ｈｚの範囲内の差音となる。

本明細書で説明される技術の実施形態は、一体化（統合）された透明（型）超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルを含み、これは、第１の基層および第１の導電層を備える第１の透明層と、第１の透明層に隣接して配置される第２の透明層を含み、第２の透明層は第２の基層および第２の導電層を備え、第２の透明層はタッチスクリーンである。

他の実施形態は、一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルを操作する方法を含み、当該方法は、導電材料の重複（オーバーラップ）する複数の列および行を有する導電層に対して、タッチ（接触）の存在を検出するために、１度に１回、列および行の考えうる組み合わせを走査するステップと、走査が行われている間、導電層の残りの列および行を駆動して超音波音響信号を生成するステップとを含む。駆動するステップは、超音波信号を生成するために、導電層のすべての列および行を駆動することを含んでもよく、且つ、走査するステップは、駆動信号がタッチの存在を示したか否かを決定するために、走査された列および行における駆動信号を測定することを含んでもよい。

本発明の他の特徴および態様は、添付の図面と合せて、以下の詳細な説明により明らかとなろう。図面は例示を目的として、本発明の実施形態に準じて図示されている。本概要は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は添付される請求項によってのみ画定される。

１または複数の実施形態に準じて本明細書で開示される技術が、ここに含まれる図面を参照して詳細に説明される。図面は、例示のみを目的として提供され、説明される技術の典型的な、または例としての実施形態を表すに過ぎない。これらの図面は、開示される技術の、読者の理解を促進するために提供され、当該技術の幅、範囲、または適用性を限定するとみなされるべきではない。明確性および図示の容易さのために、これらの図面は必ずしも実寸で描かれてはいない。

本明細書に含まれる図面のいくつかは、開示される技術の複数の実施形態を別の視点から見たものである。関連する説明文は、例えば「正面」「底面」「側面」「幅」または「高さ」などの用語を使用して描かれた装置を言及するかもしれないが、かかる言及は、明示的に別段の定めをした場合を除き、開示された技術が特定の空間的配向性で実施または使用されなければならないと暗示または要求するものではない。

図１は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、赤外線による、またはカメラベースのタッチスクリーン機能を組み込んだベゼルを備えた透明エミッタを含む、ディスプレイオーバーレイの例示の平面図である。

図２は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、透明エミッタを備えた、抵抗式または感圧式のタッチ技術を組み込んだ、例示の透明タッチスクリーンの断面図を示している。

図３は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、透明エミッタを備えた、表面静電容量方式のタッチパネルを組み込んだ、例示の透明タッチスクリーンの断面図を示している。

図４は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、静電容量方式タッチパネルとして機能するように、透明エミッタの外側透明導電層が実施可能な例示のエミッタを図示している。

図５および図６は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、エミッタの一部としてプロキャップ式（ｐｒｏｃａｐ、投影型静電容量方式）のタッチパネルを形成するための電気パターン形成の例を示している。 図５および図６は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、エミッタの一部としてプロキャップ式のタッチパネルを形成するための電気パターン形成の例を示している。

図７は、タッチがある場合とない場合のインピーダンスにおける変化の例を示している。

図８は、タッチがある場合とない場合の静電容量における変化の例を図示している。

図９および図１０は、音声に関して駆動される（他のすべての列および行）、およびタッチに関して走査される（現在走査されている矢印の列および行）エミッタを示している。 図９および図１０は、音声に関して駆動される（他のすべての列および行）、およびタッチに関して走査される（現在走査されている矢印の列および行）エミッタを示している。

図１１は、送信信号を生成するために超音波パルスを生成し、さらに反射信号を受信するエミッタの例を示している。

図１２は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、片側に固体面状導体をパターン形成することによって形成された例示のエミッタを示し、他方の側が複数のディスクリート型「エミッタ」としてパターン形成されている。

図１３は、ディスクリート型エミッタは、個別にアドレス可能なユニット（ＩＡＵ）として構成されるとともに、例えば、微細にプリントされた金属製バスバーなどの導体を介して回路を駆動／検出するように接続されうる例を示している。

図面は、包括的であること、もしくは開示される形式そのものに本発明を限定することを意図していない。本発明は、修正、変更をもって実施されてもよく、開示される技術は請求項およびその等価物によってのみ限定されることは理解されるべきである。

本明細書中で説明されるシステムおよび方法の実施形態は、ＸＹのタッチ座標だけでなく、タッチスクリーンパネルから離れた場所でＺタッチ情報も感知することができるタッチスクリーンパネルを提供する。いくつかの実施例では、タッチスクリーンパネルは、パネルから数メートル以内の距離で、Ｚ情報を検出することができる。上記は、ＸＹのタッチ座標を検出するが、Ｚに関しては微弱な検出（１０ｃｍまで）しか提供できない既存のタッチパネルに対して顕著な有利性を提供できる。かかる実施形態は、例えば、ジェスチャー制御、および、多様なコンテンツ表示装置との相互作用を含む、コンテンション表示装置との向上した相互作用を可能にするように実施されてもよい。

多様な異なる応用に関して、透明なタッチスクリーン型超音波音響トランスデューサを提供するために、さらなる実施形態が実施されてもよい。ある実施形態は、例えば、超音波キャリア音響の応用に関して、透明タッチスクリーン型超音波エミッタを提供する。複数の実施形態において、超音波エミッタは、導電層、または、ガラスもしくは他の透明材料を使用して構成され、これらは透明な絶縁層によって分離され、その結果、エミッタは高度な透明度を有する。本明細書で開示されるタッチスクリーン技術が実施可能となる透明パラメトリックエミッタの例が、以下の米国特許に開示されている。２０１４年７月１４日出願、米国特許番号８，９７６，９９７「Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｅｍｉｔｔｅｒ」、２０１３年１０月１７日出願、米国特許番号９，２５８，６５１「Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」、２０１５年１月２３日出願、米国特許番号９，３５１，０８３、「Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｅｍｉｔｔｅｒ」。上記それぞれは、参照によりその全体が本書に援用される。

よって、ある実施形態では、タッチスクリーン型エミッタは、装置のユーザに対して指向性音響（オーディオ）を提供するために、コンテンツ再生装置または表示装置のスクリーン上、またはスクリーンの手前に配置されるのに十分な程度に透明である。他の実施形態では、エミッタは、コンテンツ再生装置または表示装置のディスプレイスクリーンの代わりに提供されてもよい。例えば、ラップトップ、タブレットコンピュータ、コンピュータ、または他のコンピュータ装置、スマートフォン、テレビ、ＰＤＡ、モバイル装置、ｍｐ３、ビデオプレイヤー、デジタルカメラ、ナビゲーションシステム、ＰＯＳ端末、サーモスタット、電化製品制御パネル、および他のコンテンツ表示装置などのコンテンツ表示装置は、より小型化、軽量化し、さらに省電力の特徴を念頭に設計されている。

かかるコンテンツ装置のサイズ縮小により、装置デザインにおける音響スピーカを含むための空間が減少している。従来の音響スピーカは、一般的に、反響チャンバを使用してより良好に動作し、さらに、スピーカコーンからの比較的大きな運動を必要とする周波数で反響する。したがって、かかるスピーカを収容するための装置デザインには十分な空間が必要である。上記は、今日の、ディスプレイ、つまり装置がますます薄型になりつつある今日のコンテンツ装置において、特に困難な課題となりうる。さらに、今日のコンテンツ装置は、装置の前面が主としてディスプレイスクリーンによって占められ、小型で装飾的な境界線によってのみ包囲されているという事実も、困難を増すものとなっている。したがって、これらの寸法的制約を想定すると、従来式音響の音声スピーカを使用して望ましいオーディオ出力を実現することが、ますます困難となっている。さらに、従来式音響の音声スピーカは高度な指向性を有していない傾向がある。よって、意図する聴取者の位置に独占的に信号を「向かわせる」ことは困難である。

したがって、ある実施形態では、１または複数の透明なタッチスクリーン方式のパラメトリックエミッタが提供される。さらなる実施形態では、これらの透明なタッチスクリーン型パラメトリックエミッタは、パラメトリック音響コンテンツが装置ユーザに提供されるように、装置の表面に配置されてもよい。さらに、ある実施形態では、透明エミッタはコンテンツ装置のディスプレイの一部に、または全体にわたって配置されてもよい。さらに別の実施形態では、透明エミッタがディスプレイの保護カバー（すなわち、ガラス表面）として（例えば、ディスプレイの保護カバーの代わりに）提供および使用されてもよい。したがって、様々な実施形態において、ユーザが十分に鑑賞することができるように、可視スペクトルでの十分な光線透過率を提供する材料で製造される。例えば、ある実施形態では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、５０％またはそれ以上である。さらなる実施形態では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、６０％またはそれ以上である。さらに別の実施形態では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、７０％またはそれ以上である。さらに別の実施形態では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、８０％またはそれ以上である。さらに別の例では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、７０％から９０％である。さらに別の例では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、７５％から８５％である。さらに別の例では、可視スペクトルでのエミッタの光線透過率は、８０％から９５％である。

複数の実施形態では、タッチスクリーン型透明エミッタには、カメラ、赤外線、抵抗式、表面静電容量方式、および、透明超音波エミッタと組み合わせられた単一層の投影型静電容量タッチ技術など、多様な技術を使用したタッチ機能が備わっている。さらなる実施形態は、プロキャップタッチ性能を備えたタッチスクリーン型透明エミッタを提供してもよい。さらに別の実施形態は、オーディオおよびタッチスクリーン機能のための構造の音響共振に依拠するタッチスクリーン型透明エミッタを提供してもよい。さらなる実施形態は、プロキャップ／透明エミッタ構造と組み合わせた「Ｚ」タッチ機能を備えたタッチスクリーン方式の透明エミッタを提供する。タッチパネルは、透明超音波エミッタの一部として、または、透明超音波エミッタから独立して、Ｚタッチ機能を提供してもよい。

ある実施形態では、エッジ（周縁）ベースのタッチスクリーンソリューションが、透明のパラメトリックエミッタと組み合わせて提供される。図１は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、赤外線による、またはカメラベースのタッチスクリーン機能を組み込んだベゼルを備えた透明エミッタを含む、ディスプレイオーバーレイの例示の平面図である。図１の例は、エッジベースのタッチスクリーン検出システム１０２によって包囲された透明超音波エミッタ１００を含む。本文書で使用されるこの例および他の例では、Ｘ、Ｙ、Ｚによるデカルト座標系が使用され、ここでＸ方向は装置の幅に沿った方向であり、Ｙ方向は装置の高さに沿った方向であり、Ｚ方向は装置の平面に対して垂直方向である。この規定が、本技術の説明を容易にするために採用される。用語「幅」および「高さ」は装置の特定の方向性を必要としているわけではなく、再度となるが、本技術の説明を容易にすることのみを目的として提供されている。ただし、当業者は、本説明を読んだ後で、デカルト座標系の代わりに他の記述子が使用されてもよいことを理解するであろう。

この例では、複数のエミッタが、装置のＸエッジの１つ、および、Ｙエッジの１つに沿って備えられ、対応する複数の検出器が装置の反対のＸエッジおよびＹエッジに沿って備えられる。例えば、エミッタがエッジ１１０および１１４に沿って提供され、対応する検出器がエッジ１１２および１１６に沿って備わる実施例を考慮してみると、この例では、エッジ１１０および１１４に沿ったエミッタは、反対側のエッジ１１２および１１６の検出器によって検出されるエネルギーを放射する。１または複数の検出器での信号の喪失で判断されるところにより、エネルギー経路が遮断されると、上記はタッチ行為が行われていることを示す。エネルギー経路で遮断を検出するセンサのＸＹ座標は、タッチ行為のスクリーン上にＸＹ位置を示す。

エミッタは、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザまたは他のエネルギー源を使用して実施され、検出器は、対応する光トランジスタ、フォトダイオードまたは他の対応する検出器を含んでもよい。他の実施形態では、カメラまたは他の同様の画像センサがスクリーンの外周に取り付けられてもよく、タッチスクリーンディスプレイと相互作用することを意図された手指、スタイラス、または他のポインティングデバイスの存在を示すであろう、検出画像における変化を検出するために使用される。

エッジソリューションは、透明エミッタの動作を邪魔することなく実施されてもよく、さらに、エミッタの可視領域に何もない状態で実施されてもよいことから、図１の例で描かれるようなエッジソリューションが望ましい。

別の実施形態では、透明なタッチスクリーンディスプレイを提供するために、抵抗式または感圧式のタッチスクリーン技術に、透明エミッタが組み合わされてもよい。図２は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、透明エミッタを備えた、抵抗式または感圧式のタッチ技術を組み込んだ、例示の透明タッチスクリーンの断面図を示している。図２を参照すると、タッチスクリーンの透明エミッタ１６０は、透明の超音波エミッタ１６２および抵抗式または感圧式のタッチパネル１６４を含む。タッチセンサ式エミッタ／ディスプレイを提供するために、このタッチスクリーンの透明エミッタ１６０がディスプレイパネル１６８の前部に取り付けられ、または、重ね合されてもよい。タッチパネル１６４は、好適には透明エミッタ１６２の背部に配置され、それによりエミッタ１６２によって生成および投影される信号が妨げられない。

図２で図示されるような実施形態において、透明エミッタ１６２は、（例えばユーザが透明エミッタ１６２の外面１６６に圧力をかけることによる）タッチスクリーン行為からの圧力が、タッチ行為を感知するのに十分な圧力を、抵抗式または感圧式のタッチパネル１６４上に発生させることが可能なように、十分な可撓性を有する材料を使用して実施されてもよい。例えば、透明エミッタ１６２は、タッチの力が抵抗式または感圧式のタッチパネル１６４に伝達可能に十分に可撓性のあるガラスシートを使用して実施されてもよい。別の例にあるように、透明エミッタ１６２は、十分な可撓性を提供するマイラー（登録商標）または他の同様の可撓性シートを使用して実施されてもよい。

さらに別の実施形態では、タッチスクリーン機能を提供するために、表面静電容量方式タッチパネルが透明エミッタの外面上に備えられる。図３は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、透明エミッタを備えた表面静電容量方式のタッチスクリーンを組み込んだ例示の透明タッチスクリーンの断面図を示している。本例では、透明エミッタ２１２は、タッチスクリーン機能に関連する表面静電容量方式のタッチパネル２２０を含む。表面静電容量方式のタッチパネル２２０は、透明パラメトリックエミッタ２１２の最外層に加工されうる単体の透明導電層を使用して実施されてもよい。さらなる実施形態では、透明エミッタの外側透明導電層は、静電容量方式のタッチスクリーンパネル２２０として機能するように実施されてもよい。この例が図４で示されている。この例では、エミッタ２１２は、シート４５および４６を含み、これらのシートは複数の実施形態において透明シートである。シート４５、４６は透明であるが、不透明材料が使用されてもよい。議論しやすいように、本明細書中で、エミッタ構造は時に透明エミッタと記述される。しかし、当業者は、様々な適応において、不透明エミッタまたは様々なレベルの不透明性を有するエミッタが提供されてもよいことを理解するであろう。かかる代替的実施形態では、エミッタの１または複数のシートが不透明または部分的に不透明な材料で構成されてもよい。

図示される例の各シート４５、４６は、２つの層４５ａ、４５ｂおよび４６ａ、４６ｂをそれぞれ含んでいる。本例のシート４５は、ガラスまたは他の類似の材料を含む基層４５ｂを含む。また、シート４５は、図示される例では、基層４５ｂの上面に備わる導電層４５ａを含む。同様に、この例では、シート４６はガラスまたは他の類似の材料を含む基層４６ｂを含み、導電層４６ａは、図示される例では基層４６ｂの上面に備わる。

導電層４５ａ、４６ａは、各基層４５ｂ、４６ｂに配置された導電材料の薄層であってもよい。例えば、導電層４５ａ、４６ａは、基層４５ｂ、４６ｂ上にスプレー、蒸着、または堆積された導電性コーティングを含んでもよい。さらなる例では、導電層４５ａ、４６ｂは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープスズ酸化物（ＦＴＯ）、ドープ酸化亜鉛、透過金、いわゆるハイブリッドの透明導電コーティング、導電ポリマー、金属酸化物、または他の類似の透明基板上にコーティングされる導電材料を含んでもよい。さらに、導電層４５ａ、４６ａは、透明シート上に配置される、カーボンナノチューブネットワークもしくはグラフェンの層、またはそれらの組合せを含んでもよい。

導電層４５ａ、４６ａは、基層４５ｂ、４６ｂに積層または堆積される材料による導電シートをさらに含んでもよい。例えば、導電性マイラーまたは他の類似のフィルムが基層４５ｂ、４６ｂに積層または堆積されてもよい。さらに別の実施形態では、導電層４５ａ、４６ａは、ドープ導電層または導電層４５ａ、４６ａを形成するために、シート４５、４６に部分的または完全に拡散された導電材料による拡散層を含んでもよい。例えば、所望の値（例えば、所望のオーム／スクエアの値）の導電性を提供するために、金、または他の導電金属が、ガラスに対して所望の濃度で、所望の深さまで拡散されてもよい。好適には、導電領域／層４５ａ、４６ａは、エミッタの全透明度に、過度に悪影響を及ぼさないように、高度な透明度を有している（例えば、可視スペクトルで８０％または９０％よりも高い透明度）。

複数の実施形態では、エミッタの外側導電シートは、静電容量方式タッチスクリーンとして実施されてもよい。外側シート（例えば層４６ａ）の導電部分は、超音波音響信号を生成するために使用される導電パターンに加えて、タッチスクリーン機能を提供する導電パターンとしても実施されてもよい。

ある実施形態では、静電容量方式タッチパネル２２０は、投影型静電容量方式（プロキャップ式）タッチパネルとして実施されてもよい。実施形態がプロキャップ式タッチパネルを実施する可能性がある１つの理由は、プロキャップ式タッチパネルが複数のタッチ（例えば複数の手指による押圧）を同時に検出できる点にある。ある実施形態では、タッチパネルが、エミッタの超音波放射を実質的に妨げない程度に十分に可撓性を有する場合には、静電容量方式または投影型静電容量方式タッチパネルが超音波エミッタの上部（例えば外側表面）で層にされてもよい。別の実施形態では、投影型静電容量方式タッチパネルは、透明パラメトリック超音波エミッタの一体化部分として形成されてもよい（すなわち、タッチパネルと透明エミッタが同一構造）。さらなる実施形態では、従来のプロキャップ式タッチスクリーンが実現できない、例えば、ｚ座標およびｚ速度の検出などの拡張された特徴を提供する性能を含むように実施されてもよい。

ある実施形態では、タッチスクリーン式透明エミッタは、（図３の例のように）エミッタの外側にプロキャップ式タッチパネル層を提供することにより、または、（図４の例のように）透明エミッタの外側部分に一体化されたプロキャップ式タッチパネルを含むことによって実施されてもよい。かかる構造において、プロキャップ式タッチパネルが、多数の異なる考えうる構造のいずれかを用いて実施されてもよい。ある実施形態では、タッチパネルの片面にのみ提供された導電トレース（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｒａｃｅ）のセットが存在する。これらは片側プロキャップ式と呼ばれる。かかるパネルは、典型的にはワンタッチ感知、または「１．５」タッチ（ワンタッチに加えてピンチおよびズーム操作）を行うことができるが、本当の意味でのマルチタッチはできない。この構造物を作るために、パターン化透明導体でコーティングされた極薄膜（例えばＰＥＴフィルム）が透明エミッタの外面上に積層されてもよい。単一層または二層いずれかの（真のマルチタッチの）プロキャップ式タッチパネルを用いて上記を作るために、他の複数の方法が存在することは認識されている。ある実施形態では、このプロキャップ式タッチパネルは透明エミッタの外面上に作成される。他の実施形態では、このプロキャップ式タッチパネルは、エミッタの外面に積層されてもよい。例えばディスプレイスクリーン上に層状化されるなど、薄型エミッタが望ましい実施形態では、薄層が望ましい。透明エミッタの表面が、超音波キャリア周波数で、または超音波キャリア周波数に近い周波数で振動するであろうことから、ある実施形態では、プロキャップ式タッチパネルおよびエミッタは、２つの間での干渉リスクを最小化するために、できる限り互いに異なる、および、できる限り互いに分離された周波数で作動するようになされてもよい。

透明エミッタの外側に積層または追加された外層を利用したタッチを採用することは、超音波エミッタの性能に幾分かの効果を与える可能性が高いことに留意すべきである。したがって、上記のとおり、複数の実施形態では、エミッタに追加層を追加することなく、静電容量方式またはプロキャップ方式のタッチパネルの機能がエミッタの一体化した部分として作成されうる。上記は、タッチスクリーンの性能を実施するために、パターン導体として、エミッタの外側シートの導電層を形成することによって実現されてもよい。詳細には、複数の実施形態で、透明エミッタの外側シート上の導電層は、従来の静電容量方式タッチパネルと同様の方法で、一連の列および行へと電気的にパターン化される。例えば、図４のケースでは、タッチスクリーン検出を提供するために使用可能な電気パターンは、導電層４６ａをエミッタ２１２のシート４６の一部として形成するのに使用されてもよい。別の例として、タッチスクリーン検出を提供するために使用可能な電気パターンは、エミッタ２１２の導電層４６ａおよび４５ａを形成するのに使用されてもよい。

図５および図６は、本明細書で説明されるシステムおよび方法のある実施形態に準じた、エミッタの一部としてプロキャップ式タッチパネルを形成するための電気パターン形成の例を図示している。図５の例は、誘電体層によって分離された導体の複数の列および行を含む。列が導体と重複する各々の点で、平行する平板コンデンサが形成される。このコンデンサはフリンジング電界を生成し、これらの電界は、電界の付近に手指を置くことによって阻害される。この機構は、ユーザがいつ、どこでスクリーンにタッチしたかを検出するために使用される。

図６の例は、交流導体のダイヤモンドパターンであり、このダイヤモンドパターンの一つの利点は、列と行の重複領域を最小化することである。重複領域は、手指の接近により修正されることは不可能だが、当該領域は低減または最小化されるべきＲＣタイムの一定遅延に寄与することから、上記は、図５の例と比較して利点が大きい。一方で、いくつかの実施では、重複領域がエミッタの音響特性に寄与することから、単純なパターンの列および行が好ましい場合もある。

パターン化透明エミッタが構築されると、タッチの事象を検出するために、異なる物理的機構のいずれかが使用されてもよい。一つの方法は、従来のプロキャップ式タッチパネルの方法であり、手指が列／行のトレースの交点に接近すると、各トレースのグランドへの静電容量における変化（自己静電容量）、または、列／行の間の静電容量における変化（相互静電容量）の両方が、手指のタッチを検出するために使用されてもよい。ただし、この独自の設計において、２つ目の方法は、エミッタが共鳴超音波音響装置でもあるという理由から存在している。手指（または他のタッチ手段）がエミッタに接触すると、その位置でのエミッタパネルの音響および電気特性が変化する。第１に、手指（または他のタッチ手段）は、薄膜の音響機能を減衰し、超音波音響信号の周波数（当該信号のためのキャリアは典型的にはエミッタの共鳴周波数であるか、またはその周波数に近い値である）で移動する。エミッタ上のスポットをタッチすることにより、実部において、共鳴周波数でのインピーダンスが減少し、典型的には４０−２００ｋＨｚであり、より典型的には８０−１００ｋＨｚである。第２の効果は、手指が、より硬質な「バックプレート（ｂａｃｋｐｌａｔｅ）」に近接して薄膜を押圧すると静電容量が増し、エミッタの静電容量が増加することである。この効果は、手指の、エミッタ領域に対する相対的サイズに応じて現れるが、手指のタッチ領域がエミッタ領域と同様に大きくなったとき（または当該領域より大きくなったとき）、最大化するであろう。また、手指のタッチ領域がエミッタ領域に対して小さくなったときに、漸進的に小さくなるであろう。エミッタが、５ｍｍ×５ｍｍの列および行にパターン化されるという例示の実施形態を考えれば、手指のタッチは、典型的には、領域内で、エミッタ自体の細分化された各ユニットの手指のタッチに相当する。

この効果を実証するために、市販のエミッタが、バックプレートに導電性の１”（１インチ）の列を有し、膜に導電性の１”の行を有する部分にエッチングされた。これは、効果的なエミッタ領域の１”×１”の重複領域につながる。次いで、このエミッタは、その音響共鳴点周囲の周波数の範囲に渡って測定されたインピーダンスおよび静電容量の実部を有する（この特定のエミッタに関して、約１００ｋＨｚであった）。エミッタは手指のタッチの有無にかかわらず、いずれの場合も測定された（低ピークはタッチを伴った結果を示す）。インピーダンスおよび静電容量の変化が図７および図８にそれぞれ示されている。９６ｋＨｚ周辺のグリッチ（急上昇）は、ＤＣ変換器へのノイズの多いＤＣによる測定システムのエラーであり、無視されるべきである。実際に、インピーダンス（抵抗）の実部が共鳴において減少し、静電容量が増加することは明らかである。

抵抗が約１３％減少するのに対して、静電容量が約１％増加することは、データから明らかである。両方の信号は、ノイズに対する大量の信号によって容易に検出可能でなければならない。従来のプロキャップ式タッチパネルは、それに使用可能な抵抗信号を有していないということは特筆すべき点である。抵抗の変化を検出するのに必要な電子機器および電子回路は、静電容量の変化を検出するのに必要な電子機器よりも単純および／または高速でもよい。これら２つの特有の信号の使用には、おそらく他の利点が存在し、例えば、タッチの有無を検出するだけでなく、タッチによる押圧をも検出する拡張機能が含まれる。この構成において、手指のタッチによる静電容量の増加は、従来のプロキャップ式タッチパネルの手指のタッチにより感知される静電容量の減少とは逆の符号であることは注目すべきである。さらに、静電容量の変化の大きさは、ここでははるかに大きい（典型的な１０００分の１と比較して、約１００分の１）。

複数のＸＹタッチ座標を同時に検出するために、すべての列および行が、１または複数のタッチ事象を報告するのに必要な時間内に「走査」される。タッチ座標を円滑に検出するために、理想的には、少なくとも６０Ｈｚの周波数で報告される。すべての列および／または行の交点（ノード）を走査するのに、わずか１／６０秒、すなわち１７ミリ秒しかかからない。典型的には、タッチパネルは、近接した複数の手指による複数のタッチを分解する機能を可能にする列および／または行の間の５ｍｍのピッチを使用する。３００×５００ｍｍの典型的な２１インチモニタでは、これは６０×１００の列×行、すなわち、走査される６０００ノードを提供する。各ノードを走査するのに、わずかに１７ミリ秒／６０００、すなわち、約３マイクロ秒しかかからない。プロキャップ式タッチパネルの走査速度を向上するための、周知の従来技術が存在する。これらの技術が、かかる音響ベースのタッチパネルに同様に適用されてもよい。例えば、パネルが自己静電容量モードで走査され（ｍ＋ｎ走査を含む）、次いで、相互静電容量モードのみで走査されてもよい（ｍ＊ｎ走査を含む）。

音声再生とタッチ信号の検出を同時に行うために、タッチパネル部分は、タッチを探索する列および行のすべての可能な組み合わせに亘って、一度に１回走査（スキャン）するであろう。走査が行われている間、残りの列／行は並列に駆動され、超音波音響信号を生成する。例えば、図９および図１０は、オーディオ用に動作される（他のすべての列および行）とともに、タッチを走査する（現在走査している列および行での矢印）ことを示している。エミッタによる走査は指定された順番で、各列／行の組合せに渡って進行し、一方で、残りの行／列は音響信号とともに駆動される。図９は、タッチの有無を確認するために、上部から２番目の列と、左端の行が走査されていることを示している。

実施に応じて、走査されている場所が音響（音声）を発生させてもよい。これは、直接インピーダンスを測定するのではなく、各列／行における駆動信号を測定することによって実現されてもよい。パネルがよく特徴付けられている場合、タッチがなくとも、パネルは周知の方法で駆動するように応答する。しかしながら、タッチが存在するとき、その場所でのエミッタの応答は変化し、パネルは入力を駆動するために異なる応答を示すであろう。これは、予想とは異なる電圧、異なる周波数応答、または異なる電流引き込みの形態を取り得る。

複数の実施形態における、透明超音波エミッタを備えた静電容量方式タッチパネルの実施は、従来のプロキャップ式タッチパネルで実現可能だった性能よりも高い性能を提供する。ＸＹの両方のタッチ座標を検出できることに加えて、接近または後退する、例えば手のような物体のｚ座標およびｚ速度の両方を検出することができる。複数の実施形態で、上記は、超音波パルスを伝送および受信するエミッタの性能を利用することにより実現されてもよい。上記は、複数の実施形態で、エミッタが超音波音響エミッタとして構成されるか、あるいは超音波音響エミッタとして使用されるように構成されるかに関わらず、実施されてもよい。

本質的に、列および行のパターングリッドは、透明超音波エミッタ／レシーバ（受信機）の２次元グリッドを形成する。列／行の組合せが、短いバースト信号（ｓｈｏｒｔ ｓｉｇｎａｌ ｂｕｒｓｔ）（例えば、共鳴周波数で、または共鳴周波数に近い値で）でパルスを送られるとき、音響超音波パルス１１１２（図１１）がエミッタ１１１４から物体１１１５に向かって、空気に伝送される。音響信号は、空気とは不一致な音響インピーダンスを有する手または他の材料による物体１１１６によって反射／散乱されるまで、タイトな「ビーム」として前方に伝搬するであろう。この信号の一部は、エミッタ１１１４に向かって戻るように反射されるであろう。反射した超音波信号を含む超音波音響信号がエミッタに対して作用すると、当該信号は音響信号と同一の周波数で、端子間に現れる電圧信号を生成する。したがって、送信信号を形成した超音波パルスを生成する同一のエミッタが、また、反射信号を受信してもよい。この例は図１１に示されている。

超音波信号の指向性の特性により、送信信号および受信信号の両方が高度な指向性を有する。結果として、同一チャネル上の送信／受信の組合せは、送信用指向性極座標プロットまたは受信用指向性極座標プロットのいずれかの平方（二乗）である指向性極座標プロットを有するであろう。したがって、通常、エミッタチャネルは、エミッタチャンネルの直接的に正面にある物体からの反射信号のみを感知し、斜角で散乱した超音波は拒絶するであろう。よって、かかる適用におけるエミッタは、エミッタの前にある物体から反射されたノイズ信号を拒絶する傾向にある。超音波パルスの送信および受信の両方として同一のエミッタチャネル（列／行の重複部分）の使用は、最適な信号のために、送信モードでは低インピーダンスを、また受信モードでは高インピーダンスを必要とするであろう。

各エミッタチャネル（例えば、列／行の重複部分の各領域）は、例えば送信と受信の間の飛行時間などのデータを記録するために、連続波モードまたはパルス波モードのいずれかで動作してもよく、飛行時間は物体とエミッタの間の距離の指標（ｚ座標）を提供する。さらに、上記はドップラー変位周波数の指標を提供し、例えば物体のｚ速度などの情報を提供する。ｚ方向の空間における物体のＸＹ座標は、列／行の重複部分の組合せを走査し、最も強力な信号を受信するチャネルを確定するための適切な信号処理を使用することによって確定されてもよい。エミッタを横切る物体の動きは、チャネルのマトリックスを横切ってチャネルからチャネルへと移動する際に、信号を追跡することによって検出されてもよい。よって、ＸＹＺの空間における物体の動きは追跡可能であり、当該動作は、複数の実施形態で、タッチフリー（タッチ不要）のタッチスクリーンパネルまたは他の目的を提供するために、ジェスチャーを追跡するのに使用されてもよい。

装置は、コンテンツ装置の標準的なディスプレイ（例えば、ＬＣＤ、ＬＥＤ、ＡＭＯＬＥＤまたは他のディスプレイ）の前部に一体化されてもよく、それにより、モニター、テレビまたは他のディスプレイスクリーンに、ユーザまたは他の物体の位置の正確なＸＹＺ座標を提供する。このデータは、次いで、物体および／またはジェスチャーの検出に応答して、一定のアクションまたはコマンドを実行するように処理されてもよい。それらの情報は、例えば単一カメラまたはステレオカメラといった別のシステムと共に、またはその代わりに使用されてもよい。実施形態は、パルスモードで、約１ｍｍのｚ分解能により、１ｃｍまたはそれよりも小さい値から、５ｍまでの範囲でのエミッタからの距離の物体を検出するように実施されてもよい。

別の構成が図１２および図１３に示されている。列／行の代わりに、硬質な平面導体を片側にパターニングすることでエミッタが形成されてもよく、例えば、一般的な（均一な）導体であってもよい。反対側は、複数のディスクリート（個別）型「エミッタ」としてパターニングされてもよい（図１２の例の四角形部分）。図１３に示されるように、各ディスクリート型エミッタは、個別にアドレス可能なユニット（ＩＡＵ）１３１２として構成されてもよく、例えば、微細にプリントされた金属製バスバーのような導体を介して動作／検出回路に接続されてもよい。各ＩＡＵは、例えば、２４の送信エミッタおよび１の受信エミッタを有する５×５の領域を用いて、機能ごとにグループ化されてもよい。送信モードにおけるエミッタの感度は、ＩＡＵの数に対応するが、受信モードの装置の感度には対応しない。したがって、距離測定の感度または音響出力を喪失することなく、わずかなＩＡＵを受信機能に割くだけでよく（装置が音源として使用されている場合）、それによって、残りのＩＡＵを解放して、超音波送信に機能させる。受信に割り当てられるＩＡＵの数は、装置に必要なＸ／Ｙの空間分解能を確定するであろう。受信ＩＡＵは、送信ＩＡＵによって生成された超音波キャリアを検出してもよく、単一周波数（例えば、エミッタの共鳴周波数または共鳴周波数に近い値であってもよい送信周波数）のみで検出する必要がある。複数のディスクリート型ＩＡＵへのエミッタの細分化は、さらに、ビームステアリングを使用したサラウンドサウンド効果を可能にする。例えば、複数のＩＡＵに送信された送信信号は、フェーズドアレイ技術を使用してビームをステアリングすることを可能にするように、段階的に実施されてもよい。ＩＡＵの異なるグループは他のグループとは分離して制御され、結果として、チャネルごとに独立したビームステアリングによるマルチチャネルエミッタが実現されてもよい。

金属細線でそれぞれが外部回路に接続されたバックプレート上の導体の個別にパターニングされた領域（例えばＩＴＯ）によって、ＩＡＵが実現されてもよい。複数の実施形態では、接続線は、エミッタの透明特性を阻害しない程度に細くてもよい。ＩＡＵは、より従来的なパッシブマトリックスまたはアクティブマトリックス設計によって実現されてもよい。図１３の例では、それぞれより小さい四角形はＩＴＯを表し、四角形の間の陰影エリアはエッチングされたＩＴＯである。各ＩＡＵを接続する線は極細の金属導体である。電圧が各線に対して個別に印加され、一方で、他方側（図示せず）は、定常のグランド（接地）で保持された均一な導電膜として実施されてもよい。

別の操作方法では、各ＩＡＵは、上記の列／行で実施されるような、信号の送信および受信の両方を行うように構成されてもよい。この性能を採用する実施形態では、各ＩＡＵは、パルスの送信およびリターン信号の測定の両方を行う、独立したレンジファインダー（距離測定器）として動作するように構成されてもよい。

一般的に、各ＩＡＵの完全に独立した操作は、装置の送信および受信操作を制御するために、独立した電子機器を使用する。必要に応じて、複数の実施形態では、リターン信号に時間／周波数情報を保存するために、アナログ記憶回路を使用することによって、上記の使用を回避してもよい。このモードでは、すべてのＩＡＵは、外向き波を生成するために、即座にパルス発信してもよい。次いで、ＩＡＵは検出回路に切り替えられ、ここで、各ＩＡＵは、リターン信号のタイミングを検出し、それを読み出し用に保存するように設計された単純なアナログ回路に接続される。次に、各個別の回路をスイープ（ｓｗｅｅｐ）し、ＣＣＤカメラの動作と同様の方法で、そこに保存された時刻値を測定するために、アナログ−デジタル変換器が使用されてもよい。上記はパネル前部の領域の完全な画像を構築する。

ｚ検出が行われている間、ｘ、ｙ検出も同時に起こる。パラメトリックサウンドと同じ原理、および、上述したものと同じ戦略は、ｘ、ｙタッチの同時的な動作がｚ方向に適用することを可能とする。

上述したとおり、種々の実施形態が、透明超音波音響エミッタを含む超音波音響エミッタに、タッチ機能を組み込んでいる。しかし、別の実施形態は、これらのパラメトリック音響機能を含まずに、タッチパネルを実施するように構成されてもよい。上記は、タッチのＸＹ座標だけでなく、事象のＺ距離およびＺ速度も可能なタッチパネルを含んでもよい。パラメトリック音響機能を有しないスタンドアローン形式のパネルとしてタッチパネルを実施することは有利となりうる。空気を非線形に駆動することを要する信号は、最大で１３５＋ｄＢと高い超音波である。一方で、超音波エコーを検出するのに必要な超音波送信信号は、より極めて低く、約１００倍の単位（４０ｄＢ）でより低い。したがって、エミッタは、実質的により少ない駆動電圧を必要とし、超音波音響の送信を必要としない場合には、より少ない電力を消費する。さらに、距離測定は複雑ではなく、また、ひずみに対してより耐性があるため、高価なＤＳＰで実施される電子音響信号処理はもはや不要である。また、単体のキャリア周波数のみの要件は、複雑さを低減する。さらに、ＤＣ電圧オフセットの使用による信号の線形化もまた不要である。エミッタは、キャリアの半分の周波数で駆動可能であり、光学／透明性を向上するとともに、「バイアスボード」、またはかかるＤＣ電圧を生成するための他の手段を不要とする。

開示される技術の複数の実施形態がこれまで説明されてきたが、例示を目的としているに過ぎず、限定を意図していないことが理解されるべきである。同様に、開示される技術に関する複数の図面が、例示の構成・構造、または他の構成・構造を描写しているが、開示される技術に含まれる特徴および機能への理解を促すためになされている。開示される技術は図示された例示の構成・構造に限定されないが、望ましい特徴が、別の様々な構成・構造を使用して実施されてもよい。実際、本明細書中で開示される技術の望ましい特徴を実施するために、別の機能的、論理的、または物理的な区分および構造をどのように実施するかは、当業者にとって明白であろう。また、本明細書中に示されたものと異なる、多数の構成要素のモジュール名が、様々な区分に適用されてもよい。さらに、本明細書中に示された、フロー図、操作記述および方法クレームに関するステップの順番は、文脈中に特記されない限り、同一の順番で当該機能を実施するように実施形態が実施されなければいけないと義務付けるものではない。

開示される技術は、多様な例示的実施形態および実施の観点から説明されているが、１または複数の個別の実施形態に記述された多様な特徴、態様および機能は、特定の実施形態への適用性に限定されず、その代わりに、かかる実施形態が説明されたか否かに関わらず、および、かかる特徴が説明される実施形態の一部であるか否かに関わらず、単体または様々な組み合わせにより、開示される技術の１または複数の他の実施形態にも適用可能である。したがって、本明細書中で開示される技術の幅および範囲は上記の例示的実施形態のいずれによっても限定されない。

本文書で使用される用語および言い回し、およびその変化形体は、別段の表明がなされていない限り、限定とは正反対の、制約のない状態であると解釈されるべきである。例として：「含む」は「制限なく含む」などと意味すると読まれるべきである；「例」は議論の中での物品の例示的な事例を提供するために使用され、排他的または限定的列挙ではない；冠詞「ａ」または「ａｎ」は「少なくとも１つ」「１またはそれ以上」と意味すると読まれるべきである；「従来の」「伝統的な」「通常の」「標準的な」「知られた」などの形容詞、および類似の意味の用語は、想定される期間に物品を限定する、または想定される期間のタイミングで利用可能な物品に限定すると解釈されるべきではなく、代わりに現在、または将来的に利用可能、または周知であってもよい、従来の、伝統的な、通常の、または標準的な技術にまで拡大すると読まれるべきである。同様に、この文書が当業者にとって明白であろう技術について言及する場合、かかる技術は現在、または将来的に、当業者にとって明白、または知られているであろう技術にまで拡大する。

ある実例における、例えば「１またはそれ以上」「少なくとも」「それに限定されない」または他の同様の言い回しといった、範囲を拡大する用語および言い回しの存在は、かかる範囲を拡大する言い回しが記述されていない場合に、より狭い事象が意図または要求されていることを意味すると読まれるべきではない。用語「モジュール」の使用は、モジュールの一部として記述または主張される構成要素または機能が、共通するパッケージにすべて構成されることを暗示していない。実際、モジュールの複数の構成要素のいずれか、またはすべてが、制御ロジックまたは他の構成要素であるかに関わらず、単一パッケージに組み合されてもよいし、別々に保持されてもよく、さらに、複数のグルーピング、またはパッケージ、または複数の場所にまたがって配布されてもよい。

さらに、本明細書中に記載された複数の実施形態は、例示的なブロック図、フロー図、および他の図面で説明されている。本文書を読了した当業者にとって明白であるように、図示された実施形態、およびそれらの複数の代替案は、図示された例に限定されることなく実施されてもよい。例えば、ブロック図およびその付帯説明は、特定の構成または構造を義務付けると解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルであって、
   第１の基層および第１の導電層を備える第１の透明層と、
   前記第１の透明層に隣接して配置され、第２の基層および第２の導電層を備える第２の透明層と、を備え、
   前記第２の透明層はタッチスクリーンであることを特徴とする一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
2. 前記第２の透明層は、前記第１の透明層の背後に配置されることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
3. 前記第１の透明層は、前記第１の透明層に付加されたタッチ行為を前記第２の透明層に感知させることを可能にするように、タッチスクリーン行為からの圧力が、前記第２の透明層上に十分な圧力を引き起こすのに十分な可撓性を有する材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
4. 前記第１の透明層は、ユーザのタッチの力が前記第２の透明層に伝達されることを許容するのに十分な可撓性を有するガラス、マイラーまたは他の透明シートを含むことを特徴とする請求項３に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
5. 前記第２の透明層は、前記一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルの外層であることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
6. 前記第２の透明層は静電容量方式タッチパネルを含むことを特徴とする請求項５に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
7. 前記一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルは、パラメトリック音響コンテンツが装置ユーザに提供されることを許容するように、コンテンツ装置の外面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
8. 前記一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルは、前記コンテンツ装置のディスプレイの一部または全体に配置されることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
9. 前記一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルは、前記コンテンツ装置のディスプレイの代わりに提供されることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
10. 前記第２の透明層は導電パターンを備え、前記導電パターンはタッチスクリーン機能を提供するとともに、超音波音響信号を生成することに使用されることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
11. 前記第２の透明層はプロキャップ式タッチパネルを含むことを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
12. 前記第２の導電層は、タッチスクリーン検出を提供するとともに、超音波音響放射のための導電層を形成することに使用されるパターン化導体を備えることを特徴とする請求項１に記載の一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネル。
13. 一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルを操作する方法であって、
    導電材料の複数の重複する列および行を有する導電層に対して、タッチの存在を検出するために、列および行の可能な組み合わせを、一度に１回、走査するステップと、
    前記走査が行われている間、超音波音響信号を生成するために、前記導電層の残りの列および行を駆動するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 前記駆動するステップは、超音波信号を生成するために、前記導電層のすべての列および行を駆動することを含み、前記走査するステップは、前記走査された列および行の駆動信号を測定し、前記駆動信号がタッチの存在を示すか否かを決定するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記導体材料の列／行の組合せに、音響超音波パルスでパルス発信させるステップをさらに含み、前記一体化された透明超音波音響スピーカおよびタッチスクリーンパネルが、物体からの前記音響超音波パルスの反射を検出し、前記物体の前記パネルからの距離を決定することを特徴とする請求項１３に記載の方法。