JP2015535383A - 一体化された音響機能を含む構造 - Google Patents

Abstract

本書で開示される実施形態は、パターン形成されたタッチスクリーンカバーと、音響薄膜と、複数の電極と、基板とを含む一体化された音響機能を備えた、装置を含む。いくつかの実施形態において基板は、音響薄膜に結合され、かつ基板を通じた音響薄膜からの熱損失を低減する。音響薄膜を、パターン形成されたタッチスクリーンカバーに結合してもよく、さらに音響薄膜は複数の電極によって提供される振動電流を伝導し、それによりナノスケールの音響発生器としての機能を果たす。さらにいくつかの実施形態では、パターン形成されたタッチスクリーンカバーがマイクロスピーカアレイと表示エリアとを装備し、マイクロスピーカアレイは、パターン形成されたタッチスクリーンカバーの外縁の周りに配置される。

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１２年１０月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／７１８，９８０号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

本開示は一般に、一体化された音響機能を含む構造に関し、より具体的には、音響機能を提供するためにマイクロスピーカアレイを備えた、タッチスクリーン装置の実施形態に関する。

電子装置のさらなる進歩に伴って、現在では消費者は、装置が音声機能や場合によってはタッチスクリーンディスプレイを含むことを求めている。

しかしながら、こういった電子装置に従来のコーンスピーカを組み込むことは困難なことが多く、また装置のサイズを大きくしてしまう。従来のコーンスピーカはより小さくなったが、電子装置のサイズをさらに小さくしたいという要求がある。

本書で開示される実施形態は、パターン形成されたタッチスクリーンカバーと、音響薄膜と、複数の電極と、基板とを含む一体化された音響機能を備えた、装置を含む。いくつかの実施形態において基板は、音響薄膜に結合され、かつ基板を通じた音響薄膜からの熱損失を低減する。音響薄膜を、パターン形成されたタッチスクリーンカバーに結合してもよく、さらに音響薄膜は複数の電極によって提供される振動電流を伝導し、それによりナノスケールの音響発生器としての機能を果たす。いくつかの実施形態において、パターン形成されたタッチスクリーンカバーはマイクロスピーカアレイと表示エリアとを装備し、マイクロスピーカアレイは、パターン形成されたタッチスクリーンカバーの外縁の周りに配置される。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、種々の実施形態を説明したものであり、そして請求される主題の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供するよう意図されたものであることを理解されたい。添付の図面は、種々の実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は本書において説明する種々の実施形態を示し、そしてその説明とともに、請求される主題の原理および動作の説明に役立つ。

本書において開示される実施形態による、タッチスクリーンを一体化された音響機能と共に含む電子装置の、種々の構成要素の斜視図 本書で開示される実施形態による、音響機能を提供するための複数のマイクロスピーカを備えたタッチスクリーンの俯瞰図 本書で開示される実施形態による、複数の微細構造を含むタッチスクリーンの側面図 本書において開示される実施形態による、基板内に多孔性層を含んでいる電子装置の側面図

本書で開示される実施形態は、２つのガラスシートの間に存在する、透明、半透明、および／または有色の導電性薄膜（薄型のカーボンナノチューブ、グラフェン、金属ナノワイヤ、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＰＥＤＯＴポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、または他の透明な導電性薄膜など）を、ナノスケールの音響発生器として機能するように、ガラス表面と音響薄膜との間に組み立てられた電極と共に備えた、多層構造を含む。これらの層は、電子装置の音声性能およびビデオ性能の両方を最適化するようにパターン形成されたものでもよい。これらのガラスシートの一方または両方は、薄いカバー層を含み得る。音は、カーボンナノチューブ薄膜などの薄い導電性膜に可聴周波数の振動電流を流すことによって、熱音響効果に基づいて発生させる。これは、振動熱を、隣接している周囲の界面に温度振動を生じさせる膜内に発生させ、さらにこれが周囲空気に音圧振動を生じさせる。結果として、層が振動することなく音が生成される。従ってガラス層は、カーボンナノチューブ薄膜などの透明、半透明、および／または有色の導電性薄膜を損傷から保護し、並びに透明、半透明、および／または有色の導電性薄膜と周囲空気との間の熱交換を可能にすることができる。

ここで図面を参照すると、図１は本書において開示される実施形態による電子装置１００の種々の構成要素の斜視図を描いたものであり、電子装置１００はガラスタッチスクリーンカバーなどのタッチスクリーンカバー１０８を、一体化された音響機能と共に含む。図示のように電子装置１００は、一体化された視覚機能を含む電子部品１０２（電子映像などの映像を提供するための映像ソースを含み得る）、基板１０４、音響薄膜１０６、およびタッチスクリーンカバー１０８を含む。電子部品１０２は、携帯電話、タブレット、または表示のために画像および音声信号を提供する他の機器の、電子機器またはコンピュータハードウェアとして構成され得る。以下でより詳細に論じるが、タッチスクリーンカバー１０８を介して音声を生じさせるために、電子装置１００は音響薄膜１０６に結合された電極を利用して音声信号をさらに提供し得る。従って、基板１０４をガラスまたは他の類似した材料から構成してもよく、かつ基板１０４を断熱材として構成して、電極で発生した熱が電子部品１０２内へと漏れる量を減少させてもよい。基板１０４は、剛体材料または可撓性材料として構成することができ、また１以上の電極を支持および／または固定するように構成され得る。

基板１０４には音響薄膜１０６が結合される。音響薄膜１０６を、カーボンナノチューブ材料または類似した性質を有する他の材料から構成してもよく、従って音響薄膜１０６はナノ構造膜として構成され得る。使用される具体的な材料次第で、音響薄膜１０６は約０．５μｍから約１．０μｍの間の厚さを有し得、かつ約６Ωから約１５Ωの間の電気抵抗を提供し得る。音響薄膜１０６は、タッチスクリーンカバー１０８のカバー長およびカバー幅に実質的に一致する、膜長および膜幅をさらに有し得る。具体的な実施形態次第で、複数の電極が音響薄膜１０６と基板１０４との間で結合され得る。従って、音声信号を求める要求に応えて、電子部品１０２は複数の電極に電気信号を（１以上）送ることができる。複数の電極はこれに応じて、所望の音に相当する電気信号を（１以上）発することができる。さらに具体的な実施形態次第で、音響薄膜１０６は可撓性、透明性、および／または半透明性を提供して、電子装置１００の所望の視覚効果を提供することができる。

さらに図示されているように、音響薄膜１０６はパターン形成されたナノカーボン膜として構成され得る。具体的には、音響薄膜１０６はパターン部分１０６ａと非パターン部分１０６ｂとを含む。パターン部分１０６ａは音響薄膜１０６の外縁に沿って配置され得、また熱を生成するための音響薄膜への電気信号の伝達を助けるようにパターン形成され得る。同様に、タッチスクリーンカバー１０８はカバー長とカバー幅とを有して、パターン部分１０８ａと非パターン部分１０８ｂとを含み得る。パターン部分１０８ａは、タッチスクリーンカバー１０８の外縁に沿って配置され得、音響薄膜１０６のパターン部分１０６ａからの熱を、タッチスクリーンカバー１０８のパターン部分１０８ａによって画成されるマイクロスピーカアレイに通して伝達するように構成され得る。熱がマイクロスピーカを通って伝達されると、振動熱が周囲空気に音圧振動を生じさせることによって熱音響効果を生み出す。

従って、可撓性ガラス材料を伴ったカーボンナノチューブ薄膜などの音響薄膜１０６と、音響（音声）機能がガラス上で直接実現され得るような製造プロセスとによって、高効率の熱音響効果が生み出される。以下の方程式は音響機能の機構を説明したものであり、ここでＰ_rmsは音圧の二乗平均平方根（空気中の音波）、Ｐ_inputは入力パワー（電気）、Ｃ_sは薄膜導体の単位面積当たりの熱容量、ｆは周波数、ｒは伝播距離、ρ₀、Ｔ₀、およびαは夫々周囲空気の密度、温度、熱拡散率である。

この方程式により、電気入力（Ｐ_input）の増加、周波数（√ｆ）の増加、および薄膜の質量当たりの比熱容量と表面密度とに関連付けられる単位面積当たりの熱容量Ｃ_sの減少で、音圧（Ｐ_rms）が高くなると予測されるが、これに対し熱容量Ｃ_sは固有の材料パラメータである。以下の表は、カーボンナノチューブ膜層と白金箔の性質を比較したものである。いずれの材料（または類似した性質の他の材料）も音響薄膜１０６として使用することができるが、この表はカーボンナノチューブ膜の低い表面密度が、低いＣ_sのための大きな推進力であることを説明しており、これにより音圧レベルは７μｍの白金箔よりもおよそ４８ｄＢ（＝２０×ｌｏｇ（２／７．７×１０^-3））高くなる。

カーボンナノチューブ材料が、Ｃ_sが低く抵抗が比較的高いことで、音響薄膜１０６に瞬間加熱が引き起こされる。振動電流（音声信号入力）が流されると、これが音響薄膜１０６の温度振動に繋がり、さらにこれが、音波を作る隣接する空気に熱膨張および収縮を引き起こす。

図２は、本書で開示される実施形態による音響機能を提供するための複数のマイクロスピーカを備えたタッチスクリーンカバー１０８の俯瞰図を描いたものである。図示のようにタッチスクリーンカバー１０８は、タッチスクリーンカバー１０８の外縁の周りに配置されたパターン部分１０８ａと、電子装置１００の表示エリア内でタッチスクリーンカバー１０８の内部部分に配置された非パターン部分１０８ｂとを含む。さらに図示されているように、パターン部分１０８ａは、振動熱がタッチスクリーンカバー１０８を通って伝達することを可能にする、複数のマイクロスピーカ２０８を画成する。

熱音響による音の生成では、タッチスクリーンカバー１０８を通じて音響薄膜１０６と周囲空気との間で、効率的な熱交換が行われることが重要である。しかしながらタッチスクリーンカバー１０８は固有の熱障壁を含み得るため、本書で開示される実施形態は、音響薄膜１０６を周囲に露出する少なくとも１つの開口チャネルまたは開口部を備えた、パターン形成されたタッチスクリーンカバー１０８を含む。これらの特徴が高密度であると、全表面積の約１０％から約９０％の間の、最適な直接の空気の表面との接触を提供することができる。マイクロスピーカのサイズおよびピッチは、音響出力に基づいて最適化し得ることが想定され得る。マイクロスピーカのパターン形成がタッチスクリーンカバー１０８の全表面かあるいは一部分のみ（図２に示されているように）か、孔のサイズが均一かあるいは不均一か、そして選択された１つまたは複数のエリア内でのこの特徴の分布は、その用途に適するように設計および最適化することができる。マイクロスピーカアレイを、ターゲット領域での最適化された音響性能のために、タッチスクリーンカバー１０８の表面上に作ってもよい。

図３は、本書で開示される実施形態による複数の微細構造３０８を含むタッチスクリーンカバー１０８の側面図を描いたものである。図示のように微細構造３０８は、微細構造３０８の少なくとも一方の側壁にナノチューブが堆積された、複数の開口部として構成され得る。いくつかの実施形態では、微細構造３０８は二重構造の微細構造３０８ａとして構成され得、一方いくつかの実施形態では単一構造の微細構造３０８ｂとして構成され得る。二重構造の微細構造３０８ａは、幅ａ１と第１の高さｈ１とを有する第１のセクションを備えて構成され得る。第２のセクションは、第２の幅ａ２および第２の高さｈ２で構成され得る。図示のように、第１のセクションおよび第２のセクションの両方が、側壁に堆積されたナノチューブを含む。

実施形態次第で微細構造３０８は、音を増幅させるために利用することができる音響特性である、放射状のマイクロヘルムホルツ共振器に似たものでもよい。寸法の特徴、ａ１、ａ２、ｈ１、およびｈ２は、共振が可聴周波数範囲になるように指定することができる。さらに異なる寸法の特徴を、最適化された音響スペクトルのための音声範囲において幅広い範囲の周波数をカバーするようにすることができる。

微細構造は、複数の様々なプロセスのいずれかで生成することができる。一例としては、レーザ処理を利用して、および／またはガラスの相互接続のために薄型板ガラスでビアホールを利用するプロセスによって、大きな形式で薄型ガラスシート内にこれを加工することができる。いくつかの実施形態は、ガラスの圧延で薄膜板ガラス上での表面テクスチャリングを利用するものを含み得る。

テクスチャリングされた薄型ガラスシートが生成されると、これが微細構造３０８の表面と側壁とに導電性ナノ材料を堆積させるためのプロセスに送られ得る。微細構造３０８は、高アスペクト比分子（ＨＡＲＭ）構造を含み得る。ＨＡＲＭ構造は、板ガラスの背面と開口部の側壁との両方に堆積され得る。ガラス上のパターンとしてのこれらの開口部の分布は、表示および接触などのガラスの他の動作機能と共用できる、高品質の音声効果を提供するように指定され得る。

図４は、本書において開示される実施形態による基板４０４内に埋込層４０４ｂ（多孔性でもよい）を含んでいる電子装置１００の側面図を描いたものである。図示のように基板４０４は、基層４０４ａ、埋込層４０４ｂ、および表面層４０４ｃを含み得る。基層４０４ａおよび表面層４０４ｃはガラス基板から構成してもよい。埋込層４０４ｂは、アルゴンおよび／または窒素などの既定の気体を保持するために、基板内で複数の気孔から構成されたものでもよい。埋込層４０４ｂは厚さ約０．３μｍでもよく、基板を通じた音響薄膜層４０６からの熱の伝達を遮断するために利用され得る。埋込層４０４ｂは基板の表面の約０．３μｍ下方に存在し得る。さらにタッチスクリーンカバー４０８が、カーボンナノチューブまたは他の類似した構造から構成され得る外部薄膜層４１０と共に含まれる。

いくつかの実施形態において外部薄膜層４１０は、カーボンナノチューブ、グラフェン、またはガラス基板の多孔性構造内に堆積された他の類似した材料から構成された、薄い板状の多孔性ガラス基板として構成され得る。このガラスの空隙率は約１０％から約６０％の（またはこれを超える）範囲でもよく、平均孔サイズはマイクロメートルレベルである。外部薄膜層４１０は、タッチスクリーンカバー４０８の上面の上で厚さ約１０ナノメートルから約１０００ナノメートルのものでもよい。高空隙率により、カーボンナノチューブまたはグラフェン材料の堆積のために大きい表面積が提供される。従ってこの構成は、カーボンナノチューブまたはグラフェン材料と空気との間の表面接触を増加させて、高い音圧レベルを生み出すことができる。これはさらに、基板４０４に伝導される熱を減少させることができる。

請求される主題の精神および範囲から逸脱することなく、本書において説明された実施形態の種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。従って、本書において説明される種々の実施形態の改変および変形が、添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本明細書はこのような改変および変形を含むと意図されている。

１００ 電子装置
１０４ 基板
１０６ 音響薄膜
１０６ａ、１０８ａ パターン部分
１０６ｂ、１０８ｂ 非パターン部分
１０８、４０８ タッチスクリーンカバー
２０８ マイクロスピーカ
３０８ 微細構造

Claims (5)

1. パターン形成されたタッチスクリーンカバーと、音響薄膜と、複数の電極と、基板とを含む一体化された音響機能を備えた、装置であって、
   前記基板が、前記音響薄膜に結合され、かつ該基板を通じた前記音響薄膜からの熱損失を低減し、
   前記音響薄膜が、前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーに結合され、かつ前記複数の電極によって提供される振動電流を伝導し、それによりナノスケールの音響発生器としての機能を果たし、
   前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーがマイクロスピーカアレイと表示エリアとを装備し、前記マイクロスピーカアレイが、前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーの外縁の周りに配置され、
   前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーが、前記マイクロスピーカアレイを介して熱を伝達して周囲空気に音圧を生み出し、それにより前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーに振動を生じさせることなく所望の音を発生させ、さらに、
   前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーが、タッチベースのユーザの入力を受けて、前記装置の少なくとも一部の動作を制御することを特徴とする装置。
2. 前記基板が、該基板の表面のすぐ下に配置された多孔性層を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記音響薄膜が、前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーと前記基板との間に適用されたカーボンナノ構造膜を含むことを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 前記音響薄膜が約０．５μｍから約１μｍの間の厚さを有し、かつ前記音響薄膜が約６Ωから約１５Ωの間の電気抵抗を提供することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の装置。
5. 前記基板、前記音響薄膜、および前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーが、半透明であることで、映像ソースから前記基板、前記音響薄膜、および前記パターン形成されたタッチスクリーンカバーを通じて映像を提供することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の装置。

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