CN110383225A - 透明触摸屏参量发射器 - Google Patents

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Abstract

一种集成透明超声音频扬声器和触摸屏面板，包括第一透明层，其包括第一基层和第一导电层；以及第二透明层，其与第一透明层相邻设置，第二透明层包括第二基层和第二导电层；其中第二透明层是触摸屏。

Description

透明触摸屏参量发射器
技术领域
本公开一般涉及参数化/参量扬声器。更具体地，一些实施例涉及透明的触摸屏超声发射器。
背景技术
参量声音是基本上新的一类音频，其依赖于音频信号与超声载波的非线性混合。该技术的关键促成因素之一是高振幅、高效的超声源，在这里被称为发射器或换能器。超声发射器可以通过各种不同的基本机制产生，例如压电、静电和热声等。静电发射器通常是由具有气隙的两个导电面组成的电容器件，其中至少一个导电面具有对发射器的功能至关重要的纹理。
非线性换能是由于将足够强烈的音频调制的超声信号引入空气柱而产生的。沿着空气柱发生自解调或下转换，从而产生可听声学信号。发生该过程是由于已知的物理原理：当具有不同频率的两个声波在同一介质中同时被辐射时，由两个声波的非线性(参量)相互作用产生包括两个频率的和与差的调制波形。当两个原始声波是超声波并且它们之间的差被选择为音频时，可以由参量相互作用生成可听声音。
参量音频再现系统通过在诸如空气的介质中发生的非线性过程中的两个声学信号的外差来产生声音。声学信号通常在超声频率范围内。介质的非线性导致由介质产生的声学信号，即声学信号的和与差。因此，在频率上分离的两个超声信号可以导致在60Hz至20,000Hz的人类听觉范围内的差音调。
发明内容
这里描述的技术的实施例包括集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其可以包括：第一透明层，其包括第一基层和第一导电层；以及第二透明层，其与第一透明层相邻设置，第二透明层包括第二基层和第二导电层；其中第二透明层是触摸屏。
其他实施例包括一种用于操作集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板的方法，其包括：对于具有导电材料的多个重叠行和列的导电层，一次一个地扫描行和列的可能组合以检测触摸的存在；当扫描正在发生时，驱动导电层的剩余行和列以产生超声音频信号。驱动可以包括驱动导电层的所有行和列以产生超声信号，并且扫描可以包括测量扫描的行和列中的驱动信号以确定驱动信号是否指示存在触摸。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和方面将变得明显，附图通过示例的方式示出根据本发明的实施例的特征。发明内容并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求限定。
附图说明
参考附图详细描述根据一个或更多个不同实施例的本公开的技术。提供附图仅用于说明的目的，并且仅描绘了所公开技术的典型或示例实施例。提供这些附图是为了便于读者理解所公开的技术，并且不应认为是对其宽度，范围或适用性的限制。应该注意，为了清楚和便于说明，这些附图不一定按比例绘制。
本文包括的一些附图示出了来自不同视角的所公开技术的各种实施例。尽管所附的描述性文本可以使用诸如“顶部”，“底部”，“侧面”，“具有”或“高度”的术语来指代其中描绘的装置，但是这些引用仅仅是描述性的并且不暗示或要求所公开的技术在特定的空间方向上实施或使用，除非另有明确说明。
图1是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的包括透明发射器的显示器覆盖物的示例平面视图的图，该透明发射器具有结合红外或基于相机的触摸屏功能的边框(bezel)。
图2是说明根据本文描述的系统和方法的一个实施例的结合基于电阻或力的触摸技术、具有透明发射器的示例透明触摸屏的横截面视图的图。
图3是说明根据本文描述的系统和方法的一个实施例的结合表面电容触摸面板、具有透明发射器的示例透明触摸屏的横截面视图的图。
图4是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的示例发射器的图，其中透明发射器的外透明导电层可以被实现以用作电容触摸面板。
图5和图6是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的电图案化以形成作为发射器的一部分的投射式电容(procap)触摸面板的示例的图。
图7是示出具有触摸和没有触摸的阻抗变化的示例的图。
图8是示出具有触摸和没有触摸的电容变化的示例的图。
图9和10示出发射器针对音频(所有其他行和列)被驱动并针对触摸(当前扫描的行和列处的箭头)被扫描。
图11示出产生超声脉冲以构造发送信号也接收反射信号的发射器的示例。
图12是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的通过在一侧上图案化实心平面导体而另一侧被图案化为多个离散“发射器”而形成的示例发射器的图。
图13示出一个示例，其中离散发射器被配置为可单独寻址的单元(IAU)并且可以经由导体(例如，精细印刷的金属汇流条)连接到驱动/检测电路。
附图并非是穷举的或将本发明限制于所公开的精确形式。应当理解，本发明可以通过修改和变更来实施，并且所公开的技术仅受权利要求及其等同物的限制。
具体实施方式
本文描述的系统和方法的实施例提供触摸屏面板，其不仅可以感测X和Y触摸坐标，还可以感测远离触摸屏面板一定距离的Z触摸信息。在一些实施例中，触摸屏面板可以检测距离面板达几米的Z信息。这可以提供优于传统触摸板的显着优点，传统触摸板可以检测X和Y触摸坐标，但仅提供弱Z检测(仅高达～10cm)。可以实现这样的实施例以实现改进的与争用显示设备(包括例如手势控制)的交互以及与各种内容显示设备的交互。
可以实施另外的实施例以提供用于各种不同应用的透明触摸屏超声音频换能器。某些实施例提供例如用于超声波载波音频应用的透明触摸屏超声发射器。在各种实施例中，使用玻璃或其他透明材料上的导电层或区域制成超声发射器，导电层或区域由透明绝缘层隔开，使得发射器具有高透明度。在以下文献中公开了可以实现本文公开的触摸屏技术的透明参量发射器的示例：2014年7月14日提交的名称为“Transparent ParametricEmitter(透明参量发射器)”的美国专利No.8,976,997；2013年10月17日提交的题为“Transparent Parametric Transducer and Related Methods(透明参量传感器及相关方法)”的美国专利No.9,258,651；2015年1月23日提交的题为“Transparent ParametricEmitter(透明参量发射器)”的美国专利No.9,351,083；其中的每个的全部内容通过引用并入本文，如同在下文中完整再现一样。
因此，在一些实施例中，触摸屏发射器足够透明，使得其可以定位在内容回放或显示设备的显示屏上或前面，以向设备的用户提供定向音频。在其他实施例中，可以提供发射器来代替内容回放或显示设备的显示屏。内容显示设备，例如笔记本计算机，平板计算机，计算机和其他计算设备，智能电话，电视，PDA，移动设备，mp3和视频播放器，数码相机，导航系统，销售点终端，恒温器，家电控制面板和其他内容显示设备正变得更小和更轻，并且设计时考虑了省电功能。
由于这种内容设备的尺寸缩小，所以在设备封装中可用于包括音频扬声器的空间较少。传统的音频扬声器通常利用谐振腔更好地工作，并且还在需要从扬声器锥体移动相对较大程度的频率下谐振。因此，在装置封装中需要足够的空间来容纳这种扬声器。对于其中显示器以及因此设备变得越来越薄的当代内容设备，这可能变得特别具有挑战性。同样增加这一挑战的是，当代内容设备通常被设计成使得设备的正面主要由显示屏占据，显示屏仅由小的装饰边界围绕。因此，在给定这些尺寸限制的情况下，利用传统声学音频扬声器实现期望的音频输出变得越来越困难。而且，传统的声学音频扬声器往往不是高度定向的。因此，难以将传统音频信号专门“引导”到预期的收听者位置。
因此，在一些实施例中，提供一个或更多个透明的触摸屏参量发射器。在进一步的实施例中，这些透明的触摸屏参量发射器可以设置在设备的面上，以允许将参量音频内容提供给(一个或更多个)设备用户。此外，在一些实施例中，透明发射器可以定位在内容设备的显示器的部分或全部上。在更进一步的实施例中，可以提供透明发射器并用作(例如，代替)显示器的保护盖(即，面向玻璃)。因此，在各种实施例中，透明发射器由在可见光谱中提供足够透光率的材料制造，以允许(一个或更多个)用户满意地观看。例如，在一些实施方案中，发射器在可见光谱中的透光率为50％或更高。在进一步的实施方案中，发射器在可见光谱中的透光率为60％或更高。在更进一步的实施方案中，发射器在可见光谱中的透光率为70％或更高。在更进一步的实施方案中，发射器在可见光谱中的透光率为80％或更高。作为另一个例子，发射器在可见光谱中的透光率在70-90％的范围内。作为又一个例子，发射器在可见光谱中的透光率在75-85％的范围内。作为又一个例子，发射器在可见光谱中的透光率在80-95％的范围内。
在各种实施例中，触摸屏，透明发射器使用各种技术，诸如相机、红外、电阻、表面电容和单层投射电容触摸技术与透明超声发射器的组合提供触摸功能。进一步的实施例可以提供具有投射式电容触摸能力的触摸屏透明发射器。更进一步的实施例提供了、一种触摸屏透明发射器，其依赖于结构的声学谐振以用于音频和触摸屏性能。另外的实施例提供触摸屏透明发射器，其具有与投射式电容/透明发射器结构组合的“Z”触摸功能。触摸面板可以具有Z触摸功能，作为透明超声发射器的一部分或独立于透明超声发射器。
在一些实施例中，结合透明参量发射器提供基于边缘的触摸屏解决方案。图1是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的包括透明发射器的显示器覆盖物的示例平面视图的图，该透明发射器具有结合红外或基于相机的触摸屏功能的边框。图1中的示例包括由基于边缘的触摸屏检测系统102围绕的透明超声发射器100。在该文中使用的该示例和其他示例中，使用X，Y，Z笛卡尔坐标系，其中X方向是沿着器件宽度的方向，Y方向是沿器件高度的方向，Z方向是垂直于器件平面的方向。采用该惯例以便于描述技术。术语“宽度”和“高度”不要求设备的特定取向，但是仅仅是为了便于技术的描述。然而，在阅读本说明书之后，本领域普通技术人员将理解，可以使用其他描述符来代替笛卡尔坐标系。
在该示例中，沿着装置的X边缘中的一个和Y边缘中的一个提供多个发射器，并且沿着装置的X和Y边缘的相对边缘提供相应的多个检测器。例如，考虑沿着边缘110和114提供发射器并且沿着边缘112和116提供相应的检测器的实施方式。在该示例中，沿着边缘110和114的发射器发射能量，该能量由相对边缘112和116上的检测器检测。当能量路径被破坏时，如由一个或更多个探测器处的信号丢失所确定的，这表明它们正在发生触摸活动。检测能量路径中的中断的传感器的X和Y坐标指示触摸活动的屏幕上的X，Y位置。
例如，可以使用发光二极管(LED)、激光器或其他能量源来实现发射器，并且检测器可以包括相应的光电晶体管、光电二极管或其他相应的检测器。在其他实施例中，相机或其他类似的图像传感器可以围绕屏幕的周边安装并且用于检测其检测到的图像中的变化，这些变化会指示手指、触控笔或旨在与触摸屏显示器交互的其他指示设备的存在。
诸如图1的示例中所示的边缘解决方案可能是期望的，因为它们可以在不干扰透明发射器的操作的情况下实现，并且它们也可以实现为在发射器的可见区域中没有任何东西。
在其他实施例中，基于电阻或力的触摸屏技术可以与透明发射器组合以提供透明触摸屏显示器。图2是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的结合基于电阻或力的触摸技术与透明发射器的示例透明触摸屏的横截面视图的图。参考图2，触摸屏透明发射器160包括透明超声发射器162和基于电阻或力的触摸面板164。该触摸屏透明发射器160可以安装或覆盖在显示面板168的前面以提供触敏发射器/显示器。触摸面板164优选地设置在透明发射器162后面，以便不干扰由发射器162产生并从发射器162投射的信号。
在诸如图2中所示的实施例中，透明发射器162可以使用具有足够柔性的材料来实现，使得来自触摸屏活动的压力(例如通过用户向透明发射器162的外表面166施加压力)可以在基于电阻或力的触摸面板164上产生足够的压力以感测触摸活动。例如，透明发射器162可以使用足够柔性的玻璃片材来实现，以允许触摸力被传递到基于电阻或力的触摸面板164。作为另一个例子，可以使用聚酯薄膜(mylar)或者其他类似柔性片材来实现透明发射器162，以提供足够的柔性。
在其他实施例中，表面电容触摸面板可以设置在透明发射器的外表面上以提供触摸屏功能。图3是示出根据本文描述的系统和方法的一个实施例的结合表面电容触摸面板与透明发射器的示例透明触摸屏的横截面视图的图。在该示例中，透明发射器212包括用于触摸屏功能的表面电容触摸面板220。表面电容触摸面板220可以使用单个透明导电层来实现，该透明导电层可以制造在透明参量发射器212的最外层上。在另外的实施例中，透明发射器的外部透明导电层可以被实现以用作电容触摸面板220。图4中示出这种情况的一个示例。在该示例中，发射器212包括片材45和46，在各种实施例中，片材45和46是透明片材。尽管片材45、46可以是透明的，但也可以使用不透明的材料。为了便于讨论，发射器配置在本文中有时被描述为透明发射器。然而，本领域普通技术人员将理解，对于各种应用，也可以提供不透明发射器或具有不同不透明度水平的发射器。在这样的替代实施例中，发射器的片材中的一个或更多个可以用不透明或半透明材料制成。
在所示示例中的片材45、46分别包括两个层45a，45b和46a，46b。在该示例中，片材45包括基层45b，基层45b包括玻璃或其他类似材料。片材45还包括在所示实例中在基层45b的顶表面上提供的导电层45a。类似地，在该示例中，片材46包括基层46b，基层46b包括玻璃或其他类似材料，以及在所示示例中在基层46b的顶表面上提供的导电层46a。
导电层45a、46a可以是沉积在它们各自的基层45b，46b上的薄导电材料层。例如，导电层45a、46a可包括喷涂、蒸发或以其他方式沉积在基层45b，46b上的导电涂层。作为另一个例子，导电层45a、46a可以包括氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(FTO)、掺杂的氧化锌、透明金、所谓的混合透明导电涂层、导电聚合物、金属氧化物或涂在透明基板上的其他类似导电材料。导电层45a、46a还可包括设置在透明片材上的碳纳米管网络层或石墨烯或其组合。
导电层45a、46a还可以包括层压或以其他方式沉积在基层45b、46b上的导电材料片材。例如，导电聚酯薄膜或其他类似薄膜可以层压或以其他方式沉积在基层45b、46b上。在更进一步的实施例中，导电层45a、46a可以包括掺杂导电层或导电材料的扩散层，其已部分或完全扩散到片材45、46中以形成导电层45a、46a。例如，金或其他导电金属可以扩散到玻璃中达到所需的深度和所需的浓度，以提供所需值的导电率(例如所需的欧姆/平方值)。优选地，导电区域/层45a、46a具有高透明度(例如，在可见光谱中大于80％或90％，但是可以使用其他透明度)，以便不会过度地不利地影响发射器的整体透明度。
在各种实施例中，发射器的外导电片材可以实现为电容触摸屏。除了用于生成超声音频信号的导电图案之外，外片材(例如，层46a)的导电部分可以实现为用以提供触摸屏功能的导电图案。
在一些实施例中，电容触摸面板220可以实现为投射式电容(procap)触摸面板。实施例可以实现投射式电容触摸面板的一个原因是投射式电容触摸面板可以同时检测多个触摸(例如，多个手指按压)。在一些实施例中，电容或投射式电容触摸面板可以在超声发射器的顶部(例如，在其外表面上)分层，只要其足够柔韧而不会实质上干扰来自发射器的超声发射。在其他实施例中，投射式电容触摸面板可以形成为透明参量超声发射器的集成部分(即，触摸面板和透明发射器是同一结构)。在进一步的实施例中，该设备可以被实现为包括提供传统的投射式电容触摸屏不能执行的增强特征(例如检测z坐标以及z速度)的能力。
在一些实施例中，可以通过在发射器的外部提供投射式电容触摸面板层(例如在图3的示例中)或者通过包括集成到透明发射器的外部部分中的投射式电容触摸面板(如图4所示的示例)来实现触摸屏透明发射器。在这样的配置中，可以使用许多不同的可能配置中的任何一种来实现投射式电容触摸面板。在一些实施例中，仅在触摸面板的单个表面上提供一组导电迹线。这些被称为单侧的投射式电容。这样的面板通常可以进行单次触摸感应或“1.5”触摸(单次触摸加上挤压和缩放)，但不能进行真正的多触摸。为了制造这种结构，可以将涂有图案化的透明导体的非常薄的薄膜(例如PET薄膜)层压到透明发射器的外表面上。认识到的是，通过单层或双层(真正的多触摸)投射式电容触摸面板可以有各种其他方法来构建它。在一些实施例中，在透明发射器的外表面上构造该投射式电容触摸面板。在其他实施例中，该投射式电容触摸板可以被层压到发射器的外表面。在需要薄发射器的实施例中，例如在显示屏上分层的情况下，需要薄层。因为透明发射器的表面将在超声载波频率处或附近的频率下振荡，所以在一些实施例中，可以调整投射式电容触摸面板和发射器以在不同的并且尽可能彼此分离的频率下工作以最小化两者之间的干扰风险。
应注意，使用层压或以其他方式添加到透明发射器外部的外层来结合触摸可能对超声发射器的性能具有一些影响。因此，如上所述，在各种实施例中，可以将电容式或投射式电容触摸面板的功能构建为发射器的组成部分，而无需向发射器添加额外的层。这可以通过将发射器的外片材的导电层形成为图案化的导体来实现，以实现触摸屏功能。特别地，在各种实施例中，透明发射器的外片材上的导电层以与传统电容触摸面板上提供的方式类似的方式被电图案化成一系列行和列。例如，在图4的示例的情况下，可以用于提供触摸屏检测的电图案也可以被用来形成导电层46a作为发射器212的片材46的一部分。作为另一个示例，可用于提供触摸屏检测的电图案也可用来形成发射器212的导电层46a和45a。
图5和图6是示出用于形成作为发射器的一部分的投射式电容触摸面板的电图案化的示例的图。图5中所示的示例包括由介电层隔开的多个行和列的导体。在行与导体重叠的每个点处，形成平行板电容器。该电容器产生边缘电场，并且通过将手指放置在场附近来扰乱这些场。该机制用于检测用户何时触摸屏幕以及触摸屏幕的位置。
图6中所示的示例是交替导体的菱形图案，菱形图案的一个优点是它使行和列的重叠区域最小化。与图5的示例相比，这可能是有益的，因为重叠区域不能通过手指的接近来修改，但是它们确实有助于RC时间常数延迟，该延迟也应该被减小或最小化。另一方面，在一些实施方式中，行和列的简单图案可能是优选的，因为重叠区域有助于发射器的声学特性。
一旦构造了图案化的透明发射器，就可以使用若干不同物理机制中的任何一种来检测触摸事件。一种方法是传统的投射式电容触摸面板的方法：当手指接近行/列迹线的交叉点时，每个迹线的电容与地电容的变化(自电容)，或者行/列之间的电容变化(互电容)都可以用于检测用手指触摸。然而，在这种独特的设计中存在第二种方法，因为发射器也是谐振超声声学装置。当手指(或其他触摸工具)触摸到发射器时，该位置处的发射器面板的声学和电学特性改变。首先，手指(或其他触摸工具)抑制薄膜的声学能力，使其以超声音频信号(其载波通常为发射器的谐振频率或接近发射器的谐振频率)的频率移动。触摸发射器上的点将导致谐振频率处阻抗的实部减小，该谐振频率通常在40-200kHz的范围内，最通常为80-100kHz。第二个效果是发射器的电容增加，因为手指将薄膜推向更靠近更刚性的“背板”，从而增加了电容。对于手指触摸到发射器区域的任何相对大小都将存在该效果，但是当手指触摸区域与发射器区域一样大(或手指触摸区域大于发射器区域)时信号将最大化，并且随着手指触摸区域相对于发射器区域变小，信号将会逐渐变小。考虑一个示例实施例，其中发射器被图案化成5mm×5mm的行和列，手指触摸通常应该与发射器本身的每个细分单元的面积相当。
为了证明这种效果，将市售的发射器蚀刻成在背板上具有1″导电行和在膜上具有1″导电列的部分。这导致有效发射器区域的1″×1″重叠区域。然后，该发射器具有其阻抗的实部以及其电容，其在围绕其声学谐振点(对于该特定发射器为约100kHz)的频率范围内测量。在存在和不存在手指触摸的情况下测量发射器(下部峰值显示有触摸的结果)。阻抗和电容的变化分别如图7和8所示。由于噪声较大的DC-DC转换器，96kHz附近的毛刺是测量系统中的误差，应该忽略不计。显然，实际上阻抗的实部(电阻)在谐振时减小，并且电容增加。
从数据显而易见，电阻降低约13％，而电容增加约1％。两个信号都应该可以通过大量的信噪比轻松检测到。值得注意的是，传统的投射式电容触摸屏没有可用的电阻信号。检测电阻变化所需的电子器件和电路可以比检测电容变化所需的电子器件简单和/或更快。这两个独特信号的使用还可以具有其他益处，例如增强的能力，不仅能够检测触摸是否存在，还能够检测触摸压力。应当注意，在该配置中由于手指触摸引起的电容增加与通过传统的投射式电容触摸面板上的手指触摸感测到的电容减小在符号上相反。此外，这里电容变化的幅度要大得多(与典型的每千分之一相比大约每百分之一)。
为了同时检测多个X和Y触摸坐标，在报告一个或更多个触摸事件所需的时间段内“扫描”每个行和列。为了平滑地检测触摸坐标，理想地以至少60Hz的速率报告它们。这仅留下1/60秒或17ms来扫描行和/或列的每个结(节点)。通常，触摸面板在行和/或列之间使用5mm间距，这使得能够解析来自靠近在一起的手指的触摸。对于300×500mm的典型21英寸监视器，这提供60×100行x列，或6000个节点进行扫描。这使得仅留下17ms/6000或大约3μs来扫描每个节点。存在本领域已知的常规技术以加速投射式电容触摸面板的扫描速度。这些技术可以同等地应用于这种基于声学的触摸面板。例如，可以在自电容模式下扫描面板(涉及m+n次扫描)，然后仅在互电容模式下扫描(涉及m*n次扫描)以解决任何问题。
为了同时播放音频和检测触摸信号，触摸面板部分将扫描行和列的所有可能组合以寻找触摸，并且一次一个地执行。在发生扫描的同时，可以并行驱动剩余的行/列，以产生超声音频信号。例如，图9和图10示出发射器针对音频(所有其他行和列)被驱动并针对触摸(当前扫描的行和列处的箭头)被扫描。发射器扫描以指定顺序前进通过每个行/列组合，而剩余行/列由音频信号驱动。图9显示被扫描的最上面一行和最左边的列以检查触摸，而图10显示被扫描的从顶部开始的第二行和最左边的列以检查触摸。
根据实施方式，正被扫描的位置仍然可以产生音频。这可以通过测量每行/列中的驱动信号来实现，而不是直接测量阻抗。如果面板具有良好的特征，在没有触摸的情况下，面板以众所周知的方式响应于驱动。但是，当存在触摸时，该位置的发射器响应将改变，并且面板将对驱动输入作出不同的响应。这可以采取与预期不同的电压，不同的频率响应或不同的电流消耗的形式。
在各种实施例中实现具有透明超声发射器的电容触摸面板提供了超出传统投射式电容触摸面板可能的能力。除了能够检测X和Y触摸坐标之外，面板还能够检测z坐标以及接近或后退的物体(例如手)的z速度。在各种实施例中，这可以通过利用发射器发射和接收超声脉冲的能力来实现。无论发射器是配置为还是用作超声音频发射器，这都可以在各种实施例中实现。
基本上，行和列的图案化网格形成透明超声发射器/接收器的2-D网格。当行/列组合以短信号脉冲串(burst)(例如，在谐振频率处或附近)被施加脉冲时，声学超声脉冲1112(图11)从发射器1114被发射到空气中到达物体1115。声学信号将以紧密的“光束”向前传播，直到它被物体1116(例如手或具有的声学阻抗与空气不匹配的任何其他材料)反射/散射。该信号的一部分将被反射回发射器1114。当包括反射的超声信号的超声声学信号撞击发射器时，它产生出现在端子之间的处于与声学信号频率相同的电压信号。因此，产生了生成发送信号的超声脉冲的同一发射器也可以接收反射信号。图11中显示一个这样的示例。
由于超声信号的定向性质，发射和接收信号都是高度定向的。结果，在相同通道上的发送/接收的组合将具有方向性极坐标图，其是发送或接收方向性极坐标图的平方。因此，发射器通道通常仅对来自其正前方的物体的反射信号敏感，并且将拒绝以倾斜角度散射的超声波。因此，这种应用中的发射器将倾向于拒绝从发射器前面的物体反射的噪声信号。对于超声脉冲的发射和接收使用相同的发射器通道(行/列重叠)可能需要发送模式中的低阻抗和接收模式中的高阻抗以获得最佳信号。
每个发射器通道(例如，行/列重叠的每个区域)可以以连续或脉冲波模式操作，以记录诸如发送和接收之间的飞行时间的数据，其给出物体和发射器之间的距离(Z坐标)的指示。这也可以给出多普勒频移的指示，其将给出诸如物体的z速度之类的信息。可以通过扫描行/列重叠的组合，并通过使用适当的信号处理来确定接收最强信号的信道，确定空间中的物体在Z方向上的X和Y坐标。当信号在通道矩阵上从一个通道移动到另一个通道时，可以通过跟踪信号来检测物体在发射器上的运动。因此，可以跟踪空间中的物体在X、Y和Z中的运动，在各种实施例中，该运动可以用来跟踪手势，以提供无触摸的触摸屏面板或用于其他目的。
该设备可以集成在内容设备的标准显示器(例如，LCD，LED，AMOLED或其他显示器)的前面，从而为监视器，电视或其他显示屏提供用户精确的X、Y、Z坐标数据，或其他物体的位置。然后，响应于物体和/或手势的检测，可以处理该数据以执行特定动作或命令。该信息可以与诸如单个或立体相机之类的替代系统结合使用，或者代替其使用。可以实施实施例以检测距离发射器1cm或更小，至5米范围内的物体，在脉冲模式下z分辨率为约1mm。
在图12和13中示出替代配置。代替行/列，可以通过在一侧上图案化实心平面导体来形成发射器，该实心平面导体可以是例如普通(均匀)导体。另一侧可以被图案化为多个离散的“发射器”(在图12的示例中显示为正方形)。如图13所示，每个离散发射器可以被配置为可单独寻址的单元(IAU)1312，并且可以通过导体，例如精细印刷的金属汇流条连接到驱动/检测电路。每个IAU可以按功能分组，例如，具有24个发送发射器和一个接收发射器的5×5区域。发送模式下发射器的灵敏度与IAU的数量成比例，但设备在接收模式下的灵敏度却不这样。因此，一小部分IAU可专用于接收功能而不损失测距灵敏度或音频输出(如果设备被用作音频源)，从而释放剩余的IAU以服务超声传送器。专用于接收的IAU的数量将决定设备中所需的X/Y空间分辨率。接收IAU将检测由发射IAU产生的超声载波，并且仅需要在单个频率(例如，在发射频率处，其可以是在发射器的谐振频率处或附近)进行检测。将发射器细分为多个分立IAU还可以使用波束控制(beam steering)来实现环绕声音频效果。例如，发送到各个IAU的发送信号可以被定相以使得能够使用相控阵列技术来控制波束。可以与其他组分开地控制不同的IAU组，从而可以实现每个通道具有独立波束控制的多通道发射器。
IAU可以通过背板上的导体(例如，ITO)的单独图案化区域来实现，每个通过细金属线连接到外部电路。在各种实施例中，连接线足够细以不干扰发射器的透明性质。IAU也可以通过更传统的无源或有源矩阵设计来实现。在图13的示例中，每个较小的正方形表示ITO，并且正方形之间的阴影区域表示蚀刻的ITO。连接每个IAU的线是非常薄的金属导体。电压可以分别施加到这些线中的每一条，而另一侧(未示出)可以实现为保持在恒定接地处的均匀导电膜。
在另一种操作方法中，每个IAU可以被配置为发送和接收信号，如上面在行/列实施方式中所描述的。在采用这种能力的实施例中，每个IAU可以配置成用作独立的测距仪，既传输脉冲又测量返回信号。
通常，每个IAU的完全独立操作使用独立的电子器件来控制设备的发送和接收操作。如果需要，在各种实施例中可以通过使用模拟存储电路在返回信号中存储时间/频率信息来避免这种情况。在这种模式下，所有IAU可以立即被激发脉冲以产生出射波。然后将IAU切换到检测电路，其中每个IAU连接到简单的模拟电路，该模拟电路被设计用于检测返回信号定时并将其存储以用于读出。然后可以使用模数转换器扫描每个单独的电路并以类似于CCD相机的操作的方式测量存储在其中的时间值。这构建面板前面区域的完整图片。
在进行z检测时，同时发生x、y检测。Z检测功能与参量声音原理相同并且以和上述相同的策略起作用，以允许x、y触摸同时操作适用于z检测。
如上所述，各种实施例将触摸功能结合到超声音频发射器中，包括透明超声音频发射器。然而，替代实施例可以被配置为实现没有这些参量音频能力的触摸面板。这可以包括触摸面板，其不仅可以是触摸的X和Y坐标，还可以是事件的Z距离和Z速度。将触摸面板实现为没有参量音频功能的独立面板可能是有利的。驱动空气非线性所需的信号很高，高达135+dB的超声波。相反，检测超声回波所需的超声发送信号要低得多，大约低100倍(40dB)。因此，发射器会需要显著更低的驱动电压，并且如果不需要也发射超声音频则消耗更低的功率。此外，由于测距不太复杂并且更容忍失真，因此不再需要由昂贵的DSP执行的电子音频信号处理。而且，仅需要单个载波频率降低了复杂性。此外，也不需要通过使用DC电压偏移进行信号线性化。发射器可以以载波的一半频率驱动，改善光学/透明度以及消除产生这种DC电压的“偏置板”或其他装置。
虽然上面已经描述了所公开技术的各种实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，而不是限制。同样地，各种图可以描绘用于所公开的技术的示例架构或其他配置，其被完成以帮助理解可以包括在所公开的技术中的特征和功能。所公开的技术不限于所示出的示例架构或配置，而是可以使用各种替代架构和配置来实现期望的特征。实际上，对于本领域技术人员来说，如何实现替代的功能，逻辑或物理划分和配置以实现本文公开的技术的期望特征将是明显的。此外，除了这里描述的那些之外的多个不同的组成模块名称可以应用于各种分区。另外，关于流程图，操作描述和方法权利要求，除非上下文另有指示，否则本文中呈现步骤的顺序不应强制各种实施例实施以按相同顺序执行所述功能。
尽管以上根据各种示例性实施例和实施方式描述了所公开的技术，但是应当理解，在一个或更多个单独的实施例中描述的各种特征、方面和功能不限于对描述它们的特定实施例的适用性，而是可以单独或以各种组合方式应用于所公开技术的一个或更多个其他实施例，无论是否描述了这些实施例以及这些特征是否作为所描述的实施例的一部分呈现。因此，本文公开的技术的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制。
除非另有明确说明，否则本文件中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式的而非限制性的。作为前述的例子：术语“包括”应理解为“包括但不限于”等含义；术语“示例”用于提供讨论中的项目的示例性实例，而不是其详尽或限制性列表；术语“一”或“一个”应理解为“至少一个”，“一个或更多个”等；诸如“常规”、“传统”、“正常”、“标准”、“已知”之类的形容词和类似含义的术语不应被解释为将所描述的项目限制在给定时间段或者限制为给定时间可用的项目。但应该被理解为包含现在或将来任何时间可能获得或已知的常规、传统、正常或标准技术。同样地，在本文件涉及对本领域普通技术人员明显或已知的技术的情况下，此类技术包括现在或将来的任何时间对本领域技术人员明显的或已知的技术。
在某些情况下，诸如“一个或更多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似短语的扩大词汇和短语的存在不应被理解为意味着在可能缺少这种扩大短语的情况下想要或需要更窄的情况。术语“模块”的使用并不意味着作为模块的一部分描述或要求保护的组件或功能都配置在公共封装中。实际上，模块的各种组件中的任何一个或全部，无论是控制逻辑还是其他组件，可以组合在单个封装中或单独维护，并且还可以分布在多个分组或封装中或跨多个位置。
另外，本文阐述的各种实施例是根据示例性框图、流程图和其他图示来描述的。如在阅读本文件之后对于本领域普通技术人员将变得明显的，可以在受所示示例的限制情况下实现所示实施例及其各种替代方案。例如，框图及其随附的描述不应被解释为强制要求特定的体系结构或配置。

Claims (15)

1.一种集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其包括：
第一透明层，其包括第一基层和第一导电层；以及
第二透明层，其与所述第一透明层相邻设置，所述第二透明层包括第二基层和第二导电层；
其中所述第二透明层是触摸屏。
2.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第二透明层设置在所述第一透明层后面。
3.根据权利要求2所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第一透明层包括足够柔性的材料，使得来自触摸屏活动的压力能够造成所述第二透明层上的足够压力，以允许所述第二透明层感测给予在所述第一透明层上的触摸活动。
4.根据权利要求3所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第一透明层包括玻璃、聚酯薄膜或足够柔性的其他透明片材，以允许用户的触摸力被传输到所述第二透明层。
5.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第二透明层是所述集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板的外层。
6.根据权利要求5所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第二透明层包括电容触摸面板。
7.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板设置在内容设备的一面上，以允许参量音频内容被提供给设备用户。
8.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板位于内容设备的显示器的部分或全部上方。
9.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中提供所述集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板代替所述内容设备的显示器。
10.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第二透明层包括导电图案，并且其中所述导电图案提供触摸屏功能并被用于生成超声音频信号。
11.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第二透明层包括投射式电容触摸面板。
12.根据权利要求1所述的集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板，其中所述第二导电层包括图案化的导体，其被用于提供触摸屏检测并且形成导电层用于超声音频发射。
13.一种用于操作集成的透明超声音频扬声器和触摸屏面板的方法，其包括：
对于具有多个重叠行和列的导电材料的导电层，一次一个地扫描行和列的可能组合以检测触摸的存在；
当发生所述扫描时，驱动所述导电层的剩余行和列以产生超声音频信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动包括驱动所述导电层的所有行和列以产生超声信号，并且所述扫描包括测量所扫描的行和列中的驱动信号以确定所述驱动信号是否指示触摸的存在。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括用声学超声脉冲对所述导电材料的行/列组合施加脉冲，所述集成的透明超声音频扬声器和触摸面板检测来自物体的所述声学超声脉冲的反射，确定所述物体与所述面板的距离。
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