JP2023550997A - 非接触要素検出デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、検出面と、検出面と音響的に結合した複数のアクチュエータ（１０６）と、超音波検出器（１１０）と、電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）とを備えた、非接触検出デバイス（１００）に関し、デバイス（１００）は、以下のステップを繰り返すことにより、１つまたは複数の要素（１６２）を検出するように構成され、これらのステップは、アクチュエータにより放射された波動から得られて、時間反転法が適用されて、アクチュエータにより放射された超音波を、合焦領域内に合焦するステップと、波動の放射と、検出器によるこれらの波動のエコーの受信との間の時間を測定するステップとであり、コンピュータは、検出波が、様々な形状および／または寸法の合焦領域内に、連続して合焦するように、制御信号を算出するように構成されている。

Description

本発明は、１つまたは複数の要素と、非接触で、検出および遠隔相互作用をする分野に関する。より具体的には、本発明は、デバイスであって、１つまたは複数の要素を、このデバイスと、デバイスと要素との間の接触の必要なく、相互作用可能とするデバイス、ならびに、このようなデバイスを制御する方法に関する。

非接触要素検出デバイスにより、１つまたは複数の要素、たとえば、デバイスからある程度離れた位置にある１人または複数人のユーザの指または手の存在、位置または運動を決定または特徴づけることが可能となる。そして、実行された検出から、検出された要素とデバイスとの間で、相互作用が可能となる。

このようなデバイスを作製するためのいくつかの技術がある。

たとえば、光学的捕捉の原理を用い、１つまたは複数のカメラ、レーザまたは赤外線センサを用いて、非接触要素検出デバイスを作製することができる。しかし、このようなデバイスは、使用される環境の光学的状態に非常に敏感である。さらに、ユーザが仮想立体物と相互作用できるように、このようなデバイスが用いられる場合、取り込んだ画像の解析を実行する必要があるため、デバイスの動作に必要な演算能力は、非常に高くなる。そのうえ、光学的捕捉にレーザを用いることは、解決策として高価である。最後に、光学的捕捉に赤外線センサを用いることにも、いくつかの欠点がある。すなわち、大型で、知覚領域が狭く、観測領域の表現を十分得るために、多数のセンサが必要となる。また、このようなデバイスにて、プライバシー侵害問題も発生することがある。これは、光学的捕捉により、たとえば、ユーザの顔など、検出対象要素周辺に見えるあらゆるものが取得されてしまうためである。

また、小型レーダを用いて、非接触要素検出デバイスを作製することもできる。しかし、得られる性能は、満足できるものではない。検出対象の物体が金属ではない場合（たとえば、手または指）には、特にそうである。

ＷｉＦｉ波またはより短い電磁波を用いる非接触要素検出デバイスも、提案されている。しかし、これらの解決策には、デバイスが通信する通信ネットワークが飽和する危険のある複雑な外部要素が、必要である。

また、容量マトリックスを用いた非接触要素検出デバイスを作製することも、提案されている。しかし、このようなマトリックスは、マトリックスと検出対象要素との間の距離が数センチを超えると、動作が不十分となり、電界を囲むことにより、擾乱が生じ得る。

また、携帯電話またはスマートフォンのマイクロフォンおよびスピーカを用いて実装される、非接触検出および相互作用技術も、示唆されている。これらの技術のいくつかは、電話のマイクロフォンにより放射された音波に対する運動により誘導される、周波数偏移および位相擾乱の測定を用いて、ジェスチャ検出を実行する。事前学習により、様々なジェスチャを、放射音波に対する、ユーザによりなされたジェスチャにより誘導された擾乱と関連づけることが可能になる。しかし、これらの技術では、検出対象要素が静止していると、これらの正確な位置特定を実行することができない。したがって、たとえば、仮想立体物の操作または仮想カーソルの運動の検出を実行することができない。さらに、検出されるジェスチャは、デバイスの製造者により、予め定義されている必要がある。他の技術により、検出対象要素の運動の追跡や、三角測量法による空間におけるこの要素の位置特定や、飛行時間、位相偏移またはインパルス応答の監視が可能となる。しかし、このようになされる測定は、高度に正確というわけではなく、一般に、軌跡の再構築は、方向、運動速度および移動距離を特定可能とするドップラー効果または位相変化追跡により、訂正される必要がある。これらの技術は、準静的相互作用（すなわち、低振幅運動）の検出を促進するものではなく、これらの運動の測定が困難となり、ユーザの何本かの指など、同時に検出されたいくつかの要素間の区別ができなくなる。

先に列挙したシステムと比べて、超音波遠隔検出技術には、多くの利点がある。すなわち、使用される要素が小型化し、使用の際の光学的状態に対する過敏性がなくなり、半透明表面を通じて操作することも可能となり、必要な演算能力が有限となり、プライバシー侵害の問題がなくなり、多くの材料を検出可能となり（音波を反射しない材料はほとんどない）、電磁擾乱に対する過敏性がなくなる。

Ｙｕｎ，Ｓ．等による文献「Ｓｔｒａｔａ：Ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ－ｂａｓｅｄ ｄｅｖｉｃｅ－ｆｒｅｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ」、２０１７年、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ、１５～２８頁は、スマートフォンが、指の位置および軌跡を、後者に接触することなく、リアルタイムで検出できるようにするアルゴリズムについて、記載している。スマートフォンの２つのマイクロフォンを用いることにより、このアルゴリズムは、スマートフォンからある程度離れて、２次元平面内にて指の軌跡に追従可能とする。しかし、この解決策には、いくつかの欠点がある。すなわち、検出対象の指とスマートフォンとの相互作用の距離としてありうる範囲を、事前に定義する必要があること、指の運動を得る必要があること、数本の指の検出および区別が不可能であること、位相偏移を含む最適化を実行することにより、指の位置特定がなされるため、安定性が高いわけではない解決策であること、指の絶対位置による反射経路選択にそれ自体が依存していること、指の追跡の軌跡が、選択された２次元平面内でのみ可能であることである。

Ｅｔａｉｘ，Ｎ．等による文献「Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」、Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ １３１、２０１２年、３９５～３９９頁は、立体画像形成を実行するために、時間反転法を用いた検出技術について、記載している。いくつかの圧電アクチュエータが、板にランダムにあけられた穴を含むいわゆる「カオス的（ｃｈａｏｔｉｃ）」金属板上に配置されている。既知の信号が、各アクチュエータにより生成され、板表面の各点における対応するステップの応答が、振動計により測定される。時間反転法が、数学関数により後に修正される信号に対して、適用される。そして、これらの新たな信号をアクチュエータに印加することにより、音波が、空間における選択された点に合焦される。その後、平面が、選択された高さでスキャンされ、マイクロフォンによりエコーが観測される。板から距離Ｄで反射した後に、マイクロフォンへと帰還するように、エコーポテンシャルが要する理論時間に対応する時間ウィンドウが、選択される。この時間ウィンドウ内の音の最大振幅を測定することにより、選択された合焦座標に配置された、距離Ｄでの物体の存否が、特定される。本文献では、板から距離Ｄに配置された平面が、音波を点ごとに合焦させて、各時間ウィンドウを解析することにより、スキャンされる。さらに、いくつかの平面は、環境の完全な立体画像を得るために、点ごとに完全にスキャンされる必要がある。これにより、取得時間が極めて長くなるという結果になる。

Ｙｕｎ，Ｓ．等、「Ｓｔｒａｔａ：Ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ－ｂａｓｅｄ ｄｅｖｉｃｅ－ｆｒｅｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ」、２０１７年、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ、１５～２８頁 Ｅｔａｉｘ，Ｎ．等、「Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」、Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ １３１、２０１２年、３９５～３９９頁

本発明は、超音波の使用に基づき、上述の欠点をいずれも伴わない非接触検出デバイスを、提供しようとするものである。すなわち、１つまたは複数の要素の位置および／または運動の同時検出を通じて、相互作用可能であり、これらの要素は、デバイスから様々な距離に位置する平面内に配置される場合もそうでない場合もあり、短い取得時間でそのようになる。

この目的のため、本発明は、非接触検出デバイスを提供し、このデバイスは、少なくとも、
－ 検出面と、
－ 検出面と音響的に結合し、超音波を放射するように構成された、たとえば圧電式のいくつかのアクチュエータと、
－ 超音波検出器と、
－ 電子および／またはＩＴコンピュータと
を備えた、非接触検出デバイスであって、デバイスは、以下のステップを何度か実施することにより、１つまたは複数の要素の検出を実行するように構成され、これらのステップは、
－ 各アクチュエータによる較正超音波の放射により生成された、音響インパルス応答、および／または、検出面の振動インパルス応答を測定して、第１の時間反転法を、音響インパルス応答、および／または、検出面の振動インパルス応答に適用することから、電子および／またはＩＴコンピュータにより算出された制御信号を、アクチュエータに印加することにより、アクチュエータにより放射された検出超音波を、検出面を介して、検出面とは反対側に位置する平面にある合焦領域内に合焦するステップと、
－ 検出超音波の放射と、超音波検出器による検出超音波のエコーの受信との間の持続時間を測定するステップとであり、
電子および／またはＩＴコンピュータは、検出超音波が、様々な形状および／または寸法の合焦領域内に、連続して合焦するように、制御信号を算出するように構成されている。

このデバイスは、たとえば、少なくともユーザの１本の指または１つの手である要素の位置を、この検出面の前にある空間内で特定するために、平面状またはそれ以外の検出面から放射された超音波（１６ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの波長）に対して適用された時間反転原理によって得られた音響的合焦の利用に基づき、１つまたは複数の要素の検出を実行することを、示唆している。

要素の位置特定は、合焦音波が放射されてエコーの形で帰還するまでに必要な時間の測定に基づく。要素の位置推定は、２次元平面にある合焦領域で検出される、要素または複数の要素のうちの１つの存在を規定可能とする、合焦波のエコーにより、かつ、検出された要素と、検出面が位置する平面と同一面にあるとよい超音波検出器との間の距離を特定可能とする、波動の放射とエコーの受信との間の遅延の測定により、立体的に実行される。

様々な合焦領域にて超音波の合焦を実行することにより、何本かの指が独立して検出され得る。

その後、この位置特定により、デバイスに接触することなく、デバイスとの相互作用のモードが豊かになり得る。

超音波の連続した合焦領域の特徴（寸法および／または形状）を適切に選択することにより、たとえば、合焦領域の大きさ、および合焦超音波の到達距離を変えることにより、かつ、動的対象追跡を実行することにより、検出対象要素が位置する空間における様々な領域を、適切に横断することで、取得時間を大幅に低減することが可能となる。

なお、「焦点（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）」とは、超音波が合焦かつ収束する点であることを、理解されたい。

デバイスにより実行される検出は、２つの別々の時点間の信号の比較を伴わないため、静的であってもよい。また、準静的（検出対象要素の小さな運動）または動的であってもよい。

このデバイスは、触覚的な相互作用を超えて、ジェスチャおよび非接触相互作用を可能にすることにより、対話システムの能力を向上させるために使用可能であるとよい。

デバイスは、ユーザの何本かの指の検出を実行するために使用可能であるとよい。

このデバイスにより、ユーザのリアルタイム相互作用が可能になり得る。

このデバイスは、使用の際の光学的状態に対して過敏ではなく、電気的擾乱に対して安定である。

このデバイスは、たとえば、検出面から約１メートルまでの長距離での検出を実行可能である。

さらに、このデバイスは、検出対象要素を特定するのに画像処理方法を用いないため、低い電子またはＩＴ演算能力で動作可能となる利点を有する。このデバイスは、超音波のエコーを返した最も近接した物体の位置を、直接復元する。

また、このデバイスは、画像を取り込まないということ、超音波周波数で動作すること、取得したデータがローカルで処理されることにより、プライバシーを保護する利点を有する。

このデバイスは、複数の指があまり動的に相互作用しない場合に使用可能であるとよい。実際に、デバイスは、超音波の合焦を実行することにより、仮想音源を生成する。検出対象要素の位置特定精度を向上させる、生成された仮想超音波源の数は、大きくともよい。さらに、合焦を実行することにより、全アクチュエータのエネルギーは、合焦領域に集中していることがわかる。この集中により、反射信号（エコー）の振幅が大きくなるため、検出が容易になる。合焦領域に波動を合焦させることにより、振幅がさらに低い全ての寄生的反射から、観察領域を分離することが可能になる。これにより、合焦領域内でデバイスにより実行される検出は、この領域外の要素により擾乱されることがない。

たとえば、各指は、独立して検出され得る。さらに、これらの指が静止していたとしても、デバイスは、合焦が実行される領域における位置を認識する。応答を受信すると、検出した指の正確な位置を関連づける。指からの距離は、検出超音波と放射と、これらの波動のエコーの受信との間の時間を測定することにより、さらにより正確に測定され得る。

複数の圧電アクチュエータからの超音波を合焦することにより、受信エコーの振幅が大きくなる。したがって、このエコーが検出しやすくなり、そのエコーを、あり得る全ての寄生的エコーから、区別しやすくなる。

これにより、このデバイスは、容易に統合される安価な解決策を形成し、広い作業空間と相互作用可能となる。

このようなデバイスのあり得る適用例は、マンマシン型のインターフェース、すなわち、ＨＭＩに関するものであるとよい。たとえば、接触なしで動作する対話画面、車両のダッシュボード、建築部門におけるスイッチ、または対話型テーブルである。また、デバイスは、ＩＴデバイス、タブレットまたはスマートフォンとの非接触相互作用のためにも用いられ得る。このデバイスが実装可能なあり得る機能は、たとえば、仮想立体物の操作、非接触対話画面の使用（保健／衛生の点で有利）、または、小さな空間におけるダッシュボードとの相互作用である。

また、このデバイスは、他の種類の適用例にも使用され得る。たとえば、ロボット制御または部品形状制御用の物体の立体的位置特定や、車両用レーダの逆変換または目標に対する車両の向きの調整などのシステムアプリケーションなどの産業分野において、使用され得る。

たとえば、このデバイスは、車両のダッシュボード内や楽器の制御ボタンを、単純、小型かつ安価に統合し得る。提案されたデバイスにより、多数のボタンおよび仮想照明スイッチを、ダッシュボード前方での相互作用のための余地（ｖｏｌｕｍｅ）を形成する小さく再構成可能な空間内にて、統合することができるようになる。

デバイスは、困難な環境下で（たとえば、光度が制御しにくかったりほとんど制御不能だったりするか、質感が乏しいか透明な物体を観測するか、または障害物が多数の場合に）、ロボットに対して知覚機能を与えることが可能であってもよい。

デバイスが検出する要素は、超音波を吸収するのでなければ、どのような形状でも、どのような材料でできていてもよい。

携帯電話およびＩＴの分野では、非接触検出デバイスを用いることができ、相互作用の寸法を付与し、立体操作がしやすくなり、ユーザのジェスチャによる相互作用が可能になる。デバイスの適用例は、
－ アプリケーションとバックグラウンド（たとえば、音楽、カメラ）において相互作用し、または、小さな機能を起動すること（たとえば、フラッシュライト、ボリューム）、
－ 通常のユーザインターフェースと相互作用するものの、接触はしないこと（たとえば、手が濡れていたり汚かったりしたときや、デバイスがユーザの手の届かないところにあるとき）、
－ アプリケーションと相互作用する機能を強化すること（たとえば、画像のズーム、回転、傾斜、並進機能、ファイルのドラッグまたはドロップ機能、テキストのコピーまたは貼り付け機能など）。
－ ビデオゲームの対話性を強化すること、を含んでいる。

また、このようなデバイスを備えたスマートフォンまたはＩＴデバイスは、仮想または拡張現実の活動の際に、立体物をスキャンするために、立体測定システムとして、あるいは、任意の他の立体画像形成の用途に、直接的に利用されてもよい。

自動車の分野では、デバイスは、ボタンやタッチ画面を置き換えるために、または、ジェスチャによる相互作用を可能にするために用いられ得る。相互作用デバイスは、車両のダッシュボード内に直接統合されてもよい。

産業ロボット工学の分野では、このデバイスは、産業ロボットアームが、その近接区域を、センサが集中しても妨害を避けつつ、障害物（エフェクタ上に設置されたセンサ）に可能な限り近く接近して立体スキャンするのを可能にするために用いられてもよい。

建設／農業機械分野では、このデバイスは、逆変換／近接レーダが、機械の周囲の状況を考慮する機能を向上させ得る（近接物体をより良く位置決めする形状）。

実施された較正は、アクチュエータの制御信号の算出により、検出超音波を放射可能とし、いくつかの方式でなされ得る。これらの方式は、
－ 検出面に近接または検出面からいくらか離れて、較正超音波の放射により生成された音響インパルス応答を測定し、第１の時間反転法を、この測定された音響インパルス応答に対して適用すること、および／または
－ 較正超音波の放射により生成された検出面の振動インパルス応答を測定し、第１の時間反転法を、この測定された振動インパルス応答に対して適用することである。

音響インパルス応答が測定される検出面に近接するほど、較正超音波の放射部分が、より正確に測定されるようになり（情報の損失がより少なくなり）、後の検出超音波の合焦が、より正確になされるようになる。

検出面の振動インパルス応答は、たとえば、レーザ振動計などの振動計により、測定されてもよい。

アクチュエータは、圧電アクチュエータに対応してもよい。その他、アクチュエータは、広帯域周波数応答がある場合、圧電式以外の種類であってもよく、たとえば、静電式であってもよい。

検出面は、素材板の第１面に対応してもよく、アクチュエータは、素材板における第１面の反対側の第２面に対して、固定されてもよい。このような構成により、検出デバイスの統合が容易になり、アクチュエータは、計測対象面の背後で固定されている。

検出面を形成する板は、ガラス、および／またはプラスチック、および／または金属を含んでもよい。板の材料は、透明であっても、そうでなくてもよい。板は、平面状であってもよく、そうでなくともよく、たとえば湾曲していてもよい。

素材板は、厚さが０．１ｍｍと３ｍｍとの間であってもよく、かつ／または、ヤング率が５０ＧＰａから３００ＧＰａまでの材料を含んでもよく、かつ／または、その容積質量と板の材料のヤング率との比が、２０．１０^－８ｋｇ／ｍ．Ｎと５０．１０^－８ｋｇ／ｍ．Ｎとの間であってもよい。特に、このような特徴により、板による空気への超音波の良好な透過を保障可能である。

超音波検出器は、検出面にわたって配置された、少なくとも１つのマイクロフォンおよび／または音響トランスデューサを、含んでもよい。音響トランスデューサは、検出超音波を放射するように構成されたアクチュエータとは異なる圧電アクチュエータに、対応してもよい。

その他、超音波検出器は、たとえば、圧電式などのアクチュエータにより形成されてもよく、超音波を放射するように構成され、音響変換も実行可能である。この変形例は、デバイスを極めて良好に統合可能となるため、有利である。

さらに、この変形例では、電子および／またはＩＴコンピュータは、第２の時間反転法を、各アクチュエータにより受信された検出超音波のエコーに適用するように構成されてもよい。この場合、合焦された波動が反射する検出対象要素は、音源に例えられる。したがって、この仮想音源により放射された信号を、板における振動を、観測可能体積のあらゆる点と関連づけるインパルス応答とともに、認識しているコンピュータは、板における振動を測定して、時間反転原理を適用することにより、仮想音源の位置を特定してもよい。この第２の時間反転法を適用することにより、位置特定情報を、合焦領域内での反射器の有無についてのデータに加えることができる。この変形例は、事前検出の際に、音響焦点（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｏｃａｌ ｓｐｏｔ）の大きさ、すなわち、音波が交わる面積が大きい場合に、用いられ得るとよく、これにより、音波がさらに関連した方式で合焦される、将来の検出面積が、選択可能となる。これにより、位置特定精度、およびデバイスの検出速度を向上させることが可能となる。

アクチュエータは、周波数が２０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの超音波を放射するように、構成されてもよい。この値の範囲は、人間に聴こえる周波数域から十分に遠いので、デバイスのユーザにとっての不都合を回避可能である。

電子および／またはＩＴコンピュータは、放射された検出超音波と、検出超音波のエコーとの間の周波数偏移を測定し、検出された要素の運動速度を、測定された周波数偏移から算出するように構成されてもよい。この速度は、ドップラー効果の原理を用いて、検出された要素と超音波検出器との間の方向にしたがって、得られるものである。

電子および／またはＩＴコンピュータは、超音波の放射に先立って、制御信号を符号化するように、構成されてもよい。この符号化は、合焦波動について、周波数内容が既知で、位相が離散的で、周波数が変動し、または、周波数が変調されるように、実行されてもよい。この場合、エコー由来の波動の復号のため、検出デバイスは、より安定であり、この信号は、放射信号との相関性が良好であり、周辺のノイズに由来するものではないことが、保障され得る。

また、本発明は、上述のような非接触検出デバイスを少なくとも１つ備え、非接触検出デバイスにより実行された検出の結果にしたがい、１つまたは複数の動作を実行するように構成された、非接触相互作用デバイスに関する。

非接触相互作用デバイスは、非接触検出デバイスの検出面が固定された表示面を備えた、マンマシンインターフェースを形成してもよい。

また、本発明は、上述のような非接触検出デバイスを制御する方法に関し、この方法は、以下のステップを実施することを含み、これらのステップは、
－ 各アクチュエータにより放射された較正超音波の放射により生成された、音響インパルス応答、および／または、検出面の振動インパルス応答を測定して、第１の時間反転法を、音響インパルス応答、および／または、検出面の振動インパルス応答に適用することから、制御信号を、電子および／またはＩＴコンピュータにより算出するステップと、
－ 算出された制御信号を、圧電アクチュエータに印加し、圧電アクチュエータにより放射された検出超音波を、検出面とは反対側に位置する平面にある合焦領域内に合焦するステップと、
－ 検出超音波の放射と、超音波検出器による検出超音波のエコーの受信との間の持続時間を測定するステップとであり、
算出された制御信号が、検出超音波を、様々な形状および／または寸法の合焦領域内へと、連続的に合焦するように、これらのステップは何度か繰り返される。

この方法は、以下のステップを実施することを含む、非接触検出デバイスの較正を、さらに含んでもよく、これらのステップは、
－ 各圧電アクチュエータにより、較正超音波を放射するステップと、
－ 較正超音波の放射により生成された、音響インパルス応答、および／または、検出面の振動インパルス応答を測定するステップと、
－ 第１の時間反転法を、音響インパルス応答、および／または検出面の振動インパルス応答に、適用するステップと、
－ 第１の時間反転法を、音響インパルス応答、および／または検出面の振動インパルス応答に、適用することにより取得された信号を、記憶するステップとである。

この方法は、検出デバイスのユーザの１本または複数本の指の位置または運動を検出するために、実装され得るとよい。

本発明は、純粋に説明のためであって制限のためではない、例示的実施形態の説明を、添付の図面を参照して読むことにより、より良く理解されるであろう。

具体的実施形態による非接触検出デバイスを模式的に示す。 具体的実施形態による非接触検出デバイスの動作原理を模式的に示す。 同一の焦点に合焦した音波の同一の放射について、非接触検出デバイスの検出面からの様々な距離で得られた合焦の空間分布を示す。 同一の波動放射につき、様々な距離にある物体によって反射して得られた超音波のいくつかのエコーを示す。 具体的実施形態による非接触相互作用デバイスを示す。

以下に説明する、様々な図面における同一、同様、または均等な部分には、ある図から他の図へと移行しやすくなるように、同一の参照番号を付す。

図面に示された様々な部分は、図面をより読みやすくするため、必ずしも均一の縮尺にて描写されているわけではない。

様々な可能性（変形例および実施形態）が、相互に排他的でないものとして理解されるべきであり、組み合わされてもよい。

以下、具体的実施形態による非接触検出デバイス１００につき、図１を参照して説明する。

デバイス１００は、素材板１０２と、デバイス１００の検出面を形成する第１面１０４とを、備えている。たとえば、板１０２は、ガラス、プラスチックまたは金属を含む。たとえば、板１０２は、厚さが０．１ｍｍと３ｍｍとの間であり、かつ／または、ヤング率が５０ＧＰａから３００ＧＰａまでの材料を含み、かつ／または、その容積質量と板１０２の材料のヤング率との比が、２０．１０^－８ｋｇ／ｍ．Ｎと５０．１０^－８ｋｇ／ｍ．Ｎとの間となっている。

ここで、板１０２は、フレーム１０３に対して固定されている。デバイス１００が、画面の前面上に取り付けるものである場合、板１０２は、後述の圧電アクチュエータ１０６が、板１０２の周辺に配置されたときに、画面が透過して見えるように、透明な材料を含んでもよい。

具体的実施形態では、板１０２の寸法は、たとえば、１５６ｍｍ×７６ｍｍに等しく、厚さは０．５ｍｍに等しい。

板１０２は、平面状であってもよく、そうでなくともよく、たとえば湾曲していてもよい。

また、デバイス１００は、検出面と音響的に結合し、超音波を放射するように構成された、いくつかのアクチュエータ１０６を、含んでもよい。アクチュエータ１０６は、圧電アクチュエータに対応しているとよい。その他、アクチュエータ１０６は、静電型であってもよい。

ここに説明する具体的実施形態では、アクチュエータ１０６は固定されており、たとえば、板１０２における第１面１０４とは反対側の第２面に対して、接着されている。さらに、ここに説明する具体的実施形態では、アクチュエータ１０６は、板１０２に対して、その端部に近接して固定されている。その他、アクチュエータ１０６は、板１０２の第２面の任意の点に配置されていてもよい。他の変形例では、アクチュエータ１０６は、板１０２の第１面１０４側、すなわち、検出面側に、配置されてもよい。

一実施形態では、各圧電アクチュエータ１０６は、圧電材部に対して電位差を印加可能な、少なくとも２つの制御電極間に配置された、たとえばＰＺＴなどの圧電材部を含む。たとえば、各圧電アクチュエータ１０６は、７０ｍｍ×１０ｍｍ×０．２ｍｍに等しい寸法の薄膜状に形成されたＰＺＴ部を含んでもよく、このＰＺＴ薄膜を起動すべく、１６個の電極が接続している。

一般に、デバイス１００の検出面に音響的に結合した第１のアクチュエータ１０６の数は、たとえば、１と３２との間であり、デバイス１００の作動電子機器によっては、より多いこともある。アクチュエータ１０６の数および寸法が大きくなるほど、デバイス１００によって放射される信号の電力が高くなり、得られる合焦解像度が向上する。

圧電アクチュエータ１０６は、周波数が２０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでだとよい超音波を放射するように、構成される。

また、デバイス１００は、電子および／またはＩＴコンピュータ１０８を備えており、これは、図１では、参照番号１０８を付した矩形によって、模式的に表されている。このコンピュータ１０８の機能の１つは、圧電アクチュエータ１０６に印加する予定の制御信号を、算出することである。

また、デバイス１００は、超音波検出器１１０を、備えている。この検出器１１０は、圧電アクチュエータ１０６によって板１０２を通じて放射される超音波のエコーを、取り込むようになっている。ここに説明する具体的実施形態では、検出器１１０は、板１０２に近接して配置された、少なくとも１つのマイクロフォンを、備えている。

その他、検出器１１０は、アクチュエータ１０６とは別に、板１０２における第１面１０４、または第１面１０４とは反対側の第２面側にある、デバイス１００の検出面にわたって配置された、追加の圧電アクチュエータに対応してもよい。他の変形例では、検出器１１０は、超音波の放射および超音波のエコーの受信の双方を確実にする、圧電アクチュエータ１０６により、形成されてもよい。

以下に、デバイス１００の動作原理について、図２を参照して説明する。

デバイス１００による１つまたは複数の要素の検出に先立って、デバイス１００の較正が実施される。

この較正のために、第１の実施形態では、超音波を測定するデバイス１５０が、デバイス１００の検出面から非ゼロ距離に配置されている。たとえば、較正の際にデバイス１５０が位置する平面は、検出面から０ｃｍと５０ｃｍとの間の距離に配置されている。

その後、較正超音波の放射が、各アクチュエータ１０６により実行される。たとえば、このような較正超音波は、瞬時周波数が、デバイス１００の動作に用いる周波数域の少なくとも一部において変化する、周期的信号または疑似周期的信号に対応する。これらの信号を、一般に、「チャープ（ｃｈｉｒｐ）」と称する。参照番号１５２は、圧電アクチュエータ１０６の１つの制御電極に印加された、疑似周期的制御信号の例を示す。

各圧電アクチュエータ１０６が放射した較正超音波は、伝播して、板１０２にて反射し、デバイス１５０により測定される。図２では、参照番号１５４は、デバイス１５０により測定された較正超音波の１つを、模式的に示す。ある点にて測定され、各圧電アクチュエータ１０６の放射から抽出された各音波は、この点における較正データとして記録される。

その後、時間反転法は、デバイス１５０により測定された各較正超音波に対して、適用される。本方法適用後に得られた信号は、デバイス１５０の位置に対応した焦点にて、これらの波動を合焦させるために、各圧電アクチュエータ１０６が放射しようとした波動に対応する。図２では、参照番号１５６は、時間反転法適用後に得られた信号を、模式的に示す。時間反転法の実施の詳細については、たとえば、Ｆｉｎｋ Ｍ．による文献「Ｔｉｍｅ Ｒｅｖｅｒｓａｌ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ － Ｐａｒｔ Ｉ： Ｂａｓｉｃ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、３９巻、５号、５５５～５６６頁、１９９２年９月に記載されている。

その後、この時間反転較正法は、板１０２の反対側のデバイス１５０における多数の位置について、繰り返される。たとえば、図２に示す変形例では、デバイス１５０における位置が、第１面１０４の表面を完全に覆い、デバイス１５０における２つの近接位置の間隔が１０ｍｍとなるメッシュを形成するように、この較正が繰り返される。

その後、デバイス１５０により測定された各較正超音波に時間反転法を適用した後に得られた信号は、たとえば、コンピュータ１０８の一部を形成するデバイス１００のメモリまたはデータベース内に、記録される。

第２の実施形態では、この較正は、較正超音波の放射により生成された音響インパルス応答の測定ではなく、較正超音波の放射により生成された検出面上の振動インパルス応答の測定により、実行されてもよい。この場合、デバイス１５０は、たとえば、板１０２に対抗して配置され、この振動インパルス応答を測定可能なレーザ型の振動計で、置き換えられる。

この較正段階が完了すると、デバイス１００は、たとえば、デバイス１００と相互作用しようとする、１つまたは複数の要素の検出を、実行するために用いられる。

この目的のため、アクチュエータ１０６は、デバイス１００と相互作用しようとする要素が存在するようにしている空間の領域内に合焦する検出超音波を、同時に放射するように制御される。所望の合焦領域内に超音波を合焦可能な制御信号は、コンピュータ１０８が、以前に較正段階の最後で記録された信号に対して、変換およびフィルタ処理を適用することにより、算出される。図２では、参照番号１５８は、超音波を、参照番号１６０で示す所望の焦点に合焦することが可能な、算出された制御信号を、模式的に示す。

アクチュエータ１０６により放射されて合焦された信号は、超音波周波数のみ、たとえば、２０ｋＨｚ未満のフィルタ周波数を励起するように、選択される。放射について、放射波のフィルタ処理を実行可能である。

信号を、放射前にフィルタ処理することにより、いくつかの機能が実現される。その第１は、較正の際に、記録された振動信号を、板１０２の表面に適応させて、板１０２の表面に対して選択された距離に、合焦が生じるようにする。完了した計算は、たとえば、簡易化が施され得る、キルヒホッフ－ヘルムホルツ積分を解くことから、導出される。たとえば、この積分により、音圧および運動速度が、板１０２の全ての点で既知である場合、体積におけるある点での音圧が決定される。また、デバイス１００が動作する環境は、板１０２以外に音源を含んでおらず、この場合、システムの性能が低減することが、想定されている。さらに、積分を解くためになされた想定は、板１０２の境界条件が既知ということである。板１０２の端部は、強固にまたは柔軟性をもって埋め込まれている。これらの２つの場合、コンピュータ１０８は、放射部（ｅｍｉｔｔｅｒ）の較正の際に記録された、全ての信号を含む単純な積分を、解くことが可能である。このように、コンピュータ１０８により、この放射部と観察体積における点との間の理論的インパルス応答を、特定することができる。この理論的信号を時間内に反転させて、この手順を全放射部に対して実行することにより、この点で音波を合焦させるために放射される信号が、既知となる。これら全ての計算は、放射前に、リアルタイムで実行されてもよく、較正段階に引き続き、事前に記録されてもよい。この手順に関する詳細は、Ｎｉｃｏｌａｓ Ｅｔａｉｘによる文献「Ｉｍａｇｅｒｉｅ ａｃｏｕｓｔｉｑｕｅ ａ ｆａｉｂｌｅ ｎｏｍｂｒｅ ｄｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｔｅｕｒｓ ａｕ ｍｏｙｅｎ ｄ’ｕｎｅ ｃａｖｉｔｅ ａｃｏｕｓｔｉｑｕｅ」、Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｃｌａｓｓ－ｐｈ］、Ｐａｒｉｓ－Ｄｉｄｅｒｏｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ － Ｐａｒｉｓ ＶＩＩ、２０１２年、２章：Ｐｌａｔｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇに見られる。

フィルタ処理の第２の役割は、選択された周波数帯域における、デバイス１００により放射された周波数を制限することであり、周波数は超音波領域に留まるはずであるため、高域フィルタ処理が、この目的のために実行され得る。また、選択された周波数帯域は、放射波により形成された音響焦点の大きさを調整可能となるはずである。これにより、低域フィルタ処理も、高周波数が、音響焦点を広げるために排除されるように、実行されてもよい。

フィルタ処理の第３の役割は、測定されたエコーが、放射された信号と良好に相関し得るように、周波数または位相符号化を追加することを、含んでもよい。

このような合焦を実行することにより、アクチュエータ１０６により放射された波動のエネルギーは、合焦領域内に集まり、これにより、この領域内で、より強力な信号を取得可能となる。

図３は、１８３ｍｍに等しい検出面からの距離に位置する焦点に合焦した音波の同一の放射について、検出面からの様々な距離で得られた合焦の空間分布を示す。この図３の３つの図では、検出面と平行な平面において得られた合焦波のパワーは、この平面の位置の関数として、表される。図のａ）では、考慮対象面は、１６８ｍｍの距離にあり、図のｂ）では、考慮対象面は、１８３ｍｍ（検出面と焦点との間の距離に等しい）の距離にあり、図のｃ）では、考慮対象面は、１９８ｍｍの距離にある。

放射された超音波は、図２における参照番号１６２で示す要素に当たると、エコーの形式で反射する。このエコーは、デバイス１００の検出手段１１０により検出される。そして、デバイス１００は、超音波の放射から、検出器１１０によるこれらの超音波のエコーの受信までの持続時間の測定を、実行することにより、デバイス１００と検出された要素との間の距離を特定可能である。

図４は、同一の波動放射につき、様々な距離にある物体で反射して得られた超音波のいくつかのエコーを示す。曲線１６４は、放射されて検出面から２００ｍｍ離れた焦点に合焦し、検出面から１８５ｍｍに位置する物体で反射した波動について測定されたエコーに対応する。曲線１６６は、放射されて検出面から２００ｍｍ離れた焦点に合焦し、検出面から２００ｍｍに位置する物体で反射した波動について測定されたエコーに対応する。曲線１６８は、放射されて検出面から２００ｍｍ離れた焦点に合焦し、検出面から２１５ｍｍに位置する物体で反射した波動について測定されたエコーに対応する。

検出対象要素の位置測定時間を低減させるため、コンピュータ１０８は、圧電アクチュエータ１０６により放射された超音波が、様々な形状および／または大きさの領域に連続して合焦するように制御信号を算出するように、構成されている。このように、超音波が連続して合焦する領域の寸法および／または形状は、検出対象要素の検出に必要な時間を低減させるために、適切に調整される。

たとえば、環境についての粗い視点で、検出対象要素の検出を開始することができる。すなわち、比較的広い第１合焦領域を定義して、それから、放射された音響波の１つまたは複数の領域内、たとえばより小さな寸法の領域内への合焦を実行して、デバイス１００によりなされる測定の空間解像度を向上させ、これにより、検出対象要素の位置を正確に特定する。これには、追加の較正を必要としないが、別の制御信号を算出するため、発信信号に別のフィルタ処理が必要となる。その後、デバイス１００は、測定点の周囲のより小さな寸法の領域内に合焦する波動放射を、実行してもよい。波動のエコーの受信時間を測定することにより、検出面と検出要素との距離を予め特定してあるなら、次の合焦領域は、検出面に対して、検出物体と検出面との距離に等しい距離を取って、選択され得る。これにより、寄生的エコーの受信を制限することができる。

要素検出速度を向上させるため、デバイス１００は、関連する観測領域を選択可能であってもよく、選択された領域にしたがって観測区域を調整してもよい。技術的には、観測区域の修正は、音響焦点の大きさを多少広げることにより、すなわち、音波が集まる領域を多少広げることにより、なされてもよい。これは、各アクチュエータ１０６により放射される信号の高周波数に対して、フィルタ処理を施すことによりなされる。実際に、放射信号が含む高周波数が少ないほど、得られる音響焦点は広がる。このように、要素が焦点の中心から離れた位置をとると、エコーを返し、デバイス１００に対して、探索領域を深める必要があることを示すことになる。この場合、この点は、水平部分の径が変化する楕円体状になる。二分法にしたがい、楕円体の大きさを変化させることにより、デバイス１００は、検出要素の正確な位置を特定可能となる。

観測場面にある要素の第１の画像を得るため、デバイス１００は、いくつかの高さで、いくつかの大径楕円体を形成するように、検出波を放射してもよい。検出面に対する要素の距離が、飛行時間により、どうにか正確に特定され得るので、ビームなどのように焦点が広がっても、この特定はより高速である。この技術は、これらの楕円体の拡張を制御可能ではないことがわかる。しかしながら、放射面に対するこの形状の底部の距離を制御することは可能であるため、この点より上に合焦する音響エネルギーを最大化することができる。

選択される焦点寸法は、スキャンされる空間の大きさ、得られる空間精度、および、デバイス１００の所望の応答時間次第である。強度が半分となる焦点径は、音響的に半分の波長に向かおうとする。これは、放射信号により用いられる周波数が、焦点の大きさに直接的に影響することを、意味している。たとえば、これは、空気中では、４ｍｍ径の焦点において、周波数４０ｋＨｚに対応する。しかしながら、この寸法は、検出面から焦点が離れるにつれて、大きくなるものでもあり、その効果は、デバイス１００における等価な放射孔により補償される。この孔は、板１０２の寸法に対応し、板１０２における反射の質およびアクチュエータ１０６の数に関連した修正がなされる。このように、１５０×１５０ｍｍ^２の板１０２について、５０ｃｍでの検出解像度は、理論的には１４ｍｍであり、この解像度は、デバイス１００の埋め込み条件およびアクチュエータ１０６の数により、向上し得る。

一方、広い合焦領域について検出が実行される周波数は、用途に応じて選択される。相互作用の際になされる動作が、１本の指のみを要するのであれば、デバイス１００は、広い合焦領域における検出を継続することなく、検出された指のみを追跡するように、構成され得る。

アルゴリズム的作業が、スキャンに最適な領域を選択するために、実装されてもよい。

デバイス１００が、１つまたは複数の動く要素の検出を実行するように構成される場合、デバイス１００は、放射された検出音波とそのエコーとの間の少なくとも１つの周波数偏移を計測して、計測された周波数偏移から、検出要素の運動速度を算出するように、構成されてもよい。このように、ドップラー効果の計測（計測された周波数偏移に対応）により、検出要素の運動速度を、特定することができる。その後、所与の持続時間後の検出面に対する将来の位置を予測することや、次の検出の際に超音波が合焦する焦点位置を予想することなど、検出要素の運動に関する他の情報を、特定することができる。このような運動追跡段階と並行して、デバイス１００は、たとえば、デバイス１００と相互作用しようとする新たな要素の出現を検出するために、超音波を、広い合焦領域に合焦させることができる。

一方、合焦領域の形状も、修正されてもよい。たとえば、物体を、広い高さ範囲にわたって、個々の高さについてスキャンする必要なく検出可能な、ある種の光線を、生成することができる。

エコーの観測および測定の安定度を向上させるため、合焦超音波は、符号化されてもよい。この符号化は、信号の位相、および／または、第１の圧電アクチュエータ１０６に対して印加される制御信号の周波数成分を、繰り返し変更することにより、実現してもよい。実際に、デバイス１００によりなされる波動の合焦により、完了済の検出が、考慮対象の合焦領域からより離れた、すなわちその外側に位置した障害物により擾乱されることを、回避可能であっても、放射超音波の一部は、波動が焦点から外れて反射した後に、ある程度遅れて、検出器１１０により検出されることがある。放射超音波を符号化することにより、受信エコーが、放射に対してなされたものと同じ符号化を含むかどうかを比較することにより、検出手段により取り込まれたエコーが、最初に放射された波動に実際に対応することを、確実にすることができる。

デバイス１００の変形例では、圧電アクチュエータ１０６は、検出方法を促進、または測定の信号対雑音比を向上させるべく、板１０２の残留振動の除去または減衰のために用いられてもよい。実際に、波動の自然な減衰が終わる前に発生する多くの反射の結果として、板１０２の振動が、合焦信号の放射後にも続く。また、放射信号の意図せぬ延長により、受信エコー信号も延長される結果となり、新たなパルスを生成する前に、系全体が安定するまで待機するか、あるいは、信号品質の低下を受け入れる必要がある。このように、板１０２の振動の減衰により、以前のものの干渉のある新たな受信が、回避される。

放射を短く制御されたものとするために、残留振動を能動的に減衰させることもできる。実際に、較正により、合焦信号の放射に続く、板１０２の応答が、既知である。アクチュエータ１０６が、これらの波動にさらされた広い表面に対応しているので、各位置で既知となっている、残留振動信号と反対の振幅の信号で、波動を制御することができる。このような能動減衰信号は、時間反転による合焦信号に直接的に追従して、印加されてもよい。

他の変形例では、このような残留振動は、算出された超音波の放射によるものであるため、既知であるということにより、デジタル的に除去されてもよい。焦点でのその影響は、デジタル的に算出される。実際に、板１０２の残留振動は、較正を受けて既知であるため、体積内で生成した音場を、算出することができる。この信号がわかれば、合焦領域内で物体が検出された場合、次の合焦に続く音響測定にて、この信号を直接的に抑制することができる。このように、前回の測定のエコーが、完全に減衰する前に、測定に対するこのような擾乱なしで、新しい点にて、検出を実行することができる。

これらの変形例により、このような残留振動による擾乱がないか、あるいはほとんどない、超音波のエコーを、復元することができる。

一変形例では、用いられている検出手段１１０が、圧電アクチュエータ１０６に対応する場合、検出された要素の位置特定精度を向上可能な第２の時間反転法を、受信波に適用することができる。実際に、合焦された波動が反射する検出対象要素は、音源に例えられる。この仮想音源により放射された信号、および、板１０２における振動を、観測可能体積のあらゆる点と関連づけるインパルス応答を、認識しているコンピュータ１０８は、板１０２における振動を測定して、時間反転原理を適用することにより、仮想音源の位置を特定してもよい。この第２の時間反転法を適用することにより、位置特定情報を、合焦領域内での反射器の有無についてのデータに加えることができる。これは、事前の検出の際に焦点の大きさが大きい場合に、有利に用いられ得るものであり、これにより、将来の焦点領域を、より適切に選択することが可能となる。これにより、デバイス１００の位置特定精度および検出速度を向上させ得る。

他の変形例では、これらの全ての音響位置特定技術を補完して、圧電アクチュエータ１０６の電極は、相互容量センサとして用いられてもよい。この場合、検出面に近接した電界の擾乱が、測定され、検出対象要素の存在と関連づけられてもよい。これにより、デバイス１００の近接場の相互作用精度が向上するとよい。

この他の変形例では、検出面に接着された圧電アクチュエータ１０６の上側の電極は、たとえば、コンピュータ１０８により形成された、電子容量性測定システム（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に接続してもよい。後者は、２つの隣接するアクチュエータ１０６の上側の電極により形成された静電容量を測定することができる。誘電率が空気とは異なる物体があると、後者は、電気力線を変形し、それにより、これらの電極間の相互容量を変化させる。たとえば、空気より誘電率が高い指があると、この相互容量が増加する。相互容量の増加は、指の大きさおよび検出面からの距離に依存するが、電極のいくつかの組を用いることにより、この情報を検知することができ、これにより、指の位置を、検出面との距離、およびそれが配置されている面の双方について、正確に特定する。この技術は、面の近傍での相互作用の精度を向上させることができるが、物体が面に接触した場合、物体が、合焦波を減衰させてエコーが無いことから、この場合、時間反転が、もはや適用されない。しかしながら、精度は、距離が離れると（数センチメートル）、極めて急速に減少するが、これは音響特性について（数デシメートルまで）はそうではない。この変形例には、相互作用の検出を実行するために、いくつかの相補的物理原理を利用する単一のシステムを用いるという、利点がある。

上述の全ての変形例および実施形態について、デバイス１００が用いる超音波音響検出の物理原理は、検出面を形成するのに、特定の特異性を必要としていない。しかしながら、いくつかのパラメータにより、検出性能を向上させることができ、これらのパラメータについてのトレードオフにより、得られる合焦コントラスト、合焦解像度、およびエコー信号の振幅が最大化し得る。検出面を形成する板１０２におけるこれらのパラメータは、単位面積あたりの質量ρ_ｓ、および板１０２の材料のポアソン比νと関連づけられたヤング率Ｙと、板１０２および検出面Ｓの厚さｅと、アクチュエータ１０６の数Ｑと、使用周波数帯域幅Ｂと、信号ｆの最小周波数、および信号の放射時間Ｔとである。

考慮すべき第１の要素は、一致周波数ｆ_ｃである。これは、板１０２内の音響波長が空気のそれに等しいことに対応している。この周波数およびわずかにその上では、板と空気の結合が最大化されて、板１０２からの最大放射を得ることができ、それにより、理想的な合焦を得るために、放射信号の振幅および豊かさ（ｒｉｃｈｎｅｓｓ）が増大する。この周波数は、２０ｋＨｚにおいて選択され、１００ｋＨｚまで良好な結合が得られる。この一致周波数は、以下の式により表される。

ここで、ｃ_０は、空中の音速、Ｙ、ν、ρ_ｓは、板１０２の材料に関し、主に板１０２の厚さｅの調整により、板の剛性

が、

となるように規定され、ｅ、したがってＤが増えると、板１０２の低周波数結合が向上する。しかしながら、ｆ_ｃが低くなりすぎることを避けて、可聴域での放射を避ける必要がある。

良好な合焦コントラストＣ_{ｉｄｅａｌ}のためには、剛性、周波数、板１０２の表面に関する、使用周波数帯域内に、多くの振動モードがあることが好ましい。この合焦コントラストは、関係式、

により表される。このように、剛性を向上させ、板１０２の表面および放射信号の帯域幅を広げることにより、理想的なコントラストが得られる。

しかしながら、それは、積Ｑ．Ｔが、

に比べて大きいことを前提としている。これは、これらの量が近いと、Ｃが減少するためである。さらに、放射時間Ｔは、板の減衰係数τにより、制限される。３．τに等しい放射時間を超えると、Ｔが延びても意味がなくなる。さらに、放射時間Ｔが長いと、デバイス１００の検出速度が低減する。一方、使用可能なアクチュエータ１０６の数は、取得電子機器により、制限される。

上記のように示されたものを考慮すると、高剛性、したがってかなりの厚さの板１０２を、有することが好ましい。しかしながら、板１０２は、平面波の送出を継続可能である必要がある。さらに、板１０２の剛性が高くなると、振動の振幅が低下し、デバイス１００自体が、信号対雑音比を低減する周囲のノイズの影響に、直面することになる。板１０２自体がエコーを受信する構成では、板１０２は、エコーが板１０２の中を再伝播するには硬すぎるようには、作製されない。こうして、板１０２の剛性について、トレードオフが成立する必要がある。

最後に、板１０２の材料の粘性が高くなりすぎること（たとえば、プラスチックの場合のように）を避け、信号が過度に減衰することを避けることが、好ましい。また、減衰τも、低すぎるべきではない。この場合、信号は、放射後も長く反響を続けることになってしまう。減衰は、境界条件の種類（すなわち、硬い／自由／単純支持）、および板１０２を保持する材料により、制御される。硬いか、または自由な埋め込み実装により、減衰は低減する。

たとえば、上述のように開示された制限に対応するように、板１０２は、ガラスを含み、発泡体上に配置され、以下のパラメータを有してもよい。すなわち、パラメータは、ｅ＝０．７ｍｍ、Ｓ＝８０ｘ１６０ｍｍ^２、Ｙ＝６０ＧＰａ、ｖ＝０．２４、ρ_ｓ＝１．６２ｋｇ．ｍ^－２、Ｔ＝２ｍｓ、Ｂ＝８０ｋＨｚ、Ｑ＝３２である。このようなパラメータにより、以下の特性の合焦を、得ることが可能である。すなわち、τ＝１ｍｓ、Ｃ_{ｉｄｅａｌ}＝２３ＳＩ、Ｃ＝２２ＳＩ、ｆ_ｃ＝１８ｋＨｚ。

図５は、非接触検出デバイス１００を備えた非接触相互作用デバイス２００を、模式的に示す。デバイス２００は、デバイス１００により実行された検出の結果にしたがい、１つまたは複数の動作を実行するように、構成されている。図５の例では、デバイス２００は、たとえば、デバイス１００の検出面が固定され、デバイス２００のユーザの手（指２０２が図５に示されている）と相互作用することになる画面などの表示面を含む、マンマシンインターフェースに対応する。たとえば、デバイス１００により検出されたジェスチャにしたがい、デバイス２００は、内容が検出されたジェスチャに依存する情報を、表示してもよい。他の例では、デバイス２００は、デバイス２００の画面上に表示された仮想立体物の操作を実行するために、用いられてもよい。このような操作は、デバイス１００により検出されたジェスチャに対応する。

他の実施形態では、デバイス２００は、デバイス１００を介して知覚機能が実装されたロボットに、対応してもよい。

１００ 非接触検出デバイス
１０２ 素材板
１０３ フレーム
１０４ 第１面
１０６ 圧電アクチュエータ
１０８ 電子および／またはＩＴコンピュータ
１１０ 超音波検出器
１５０ デバイス
１５４ 較正超音波
１５６ 信号
１５８ 制御信号
１６２ 要素
１６４ 曲線
１６６ 曲線
１６８ 曲線
２００ 非接触相互作用デバイス
２０２ 指

Claims (14)

1. 少なくとも、
   － 検出面と、
   － 前記検出面と音響的に結合し、超音波を放射するように構成された、いくつかのアクチュエータ（１０６）と、
   － 超音波検出器（１１０）と、
   － 電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）と
   を備えた、非接触検出デバイス（１００）であって、前記デバイス（１００）は、以下のステップを何度か実施することにより、１つまたは複数の要素（１６２）の検出を実行するように構成され、これらのステップは、
   － 各前記アクチュエータ（１０６）による較正超音波の放射により生成された、音響インパルス応答、および／または、前記検出面の振動インパルス応答を測定して、第１の時間反転法を、前記音響インパルス応答、および／または、前記検出面の前記振動インパルス応答に適用することから、前記電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）により算出された制御信号（１５８）を、前記アクチュエータ（１０６）に印加することにより、前記アクチュエータ（１０６）により放射された検出超音波を、前記検出面を介して、前記検出面とは反対側に位置する平面にある合焦領域内に合焦するステップと、
   － 前記検出超音波の前記放射と、前記超音波検出器（１１０）による前記検出超音波のエコーの受信との間の持続時間を測定するステップとであり、
   前記電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）は、前記検出超音波が、様々な形状および／または寸法の合焦領域内に、連続して合焦するように、前記制御信号（１５８）を算出するように構成された、非接触検出デバイス（１００）。
2. 前記検出面は、素材板（１０２）の第１面（１０４）に対応し、前記アクチュエータ（１０６）は、前記素材板（１０２）における前記第１面（１０４）とは反対側の第２面に対して固定される、請求項１に記載の非接触検出デバイス（１００）。
3. 前記素材板（１０２）は、厚さが０．１ｍｍと３ｍｍとの間であり、かつ／または、ヤング率が５０ＧＰａから３００ＧＰａまでの間の材料を含み、かつ／または、その容積質量と前記板の材料の前記ヤング率との比が、２０．１０^－８ｋｇ／ｍ．Ｎと５０．１０^－８ｋｇ／ｍ．Ｎとの間である、請求項２に記載の非接触検出デバイス（１００）。
4. 前記超音波検出器（１１０）は、前記検出面にわたって配置された、少なくとも１つのマイクロフォンおよび／または音響トランスデューサを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）。
5. 前記超音波検出器（１１０）は、前記超音波を放射するように構成されるとともに音響変換をさらに実行可能な、前記アクチュエータ（１０６）により形成された、請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）。
6. 前記電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）は、第２の時間反転法を、各前記アクチュエータ（１０６）により受信された前記検出超音波の前記エコーに適用するように構成された、請求項５に記載の非接触検出デバイス（１００）。
7. 前記アクチュエータ（１０６）は、周波数が２０ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間の超音波を放射するように構成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）。
8. 前記電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）は、放射された前記検出超音波と、前記検出超音波の前記エコーとの間の周波数偏移を測定し、検出された前記要素（１６２）の運動速度を、測定された前記周波数偏移から算出するように構成された、請求項１から７のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）。
9. 前記電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）は、前記超音波の前記放射に先立って、前記制御信号を符号化するように構成された、請求項１から８のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）を少なくとも１つ備え、前記非接触検出デバイス（１００）により実行された前記検出の結果にしたがい、１つまたは複数の動作を実行するように構成された、非接触相互作用デバイス（２００）。
11. 前記非接触検出デバイス（１００）の前記検出面が固定された表示面を備えた、マンマシンインターフェースを形成する、請求項１０に記載の非接触相互作用デバイス（２００）。
12. 請求項１から９のいずれか一項に記載の非接触検出デバイス（１００）を制御する方法であって、以下のステップを実施することを含み、これらのステップは、
    － 各前記アクチュエータ（１０６）により放射された前記較正超音波の放射により生成された、音響インパルス応答、および／または、前記検出面の振動インパルス応答を測定して、第１の時間反転法を、前記音響インパルス応答、および／または、前記検出面の前記振動インパルス応答に適用することから、前記制御信号（１５８）を、前記電子および／またはＩＴコンピュータ（１０８）により算出するステップと、
    － 算出された前記制御信号（１５８）を、前記圧電アクチュエータ（１０６）に印加し、前記圧電アクチュエータ（１０６）により放射された前記検出超音波を、前記検出面とは反対側に位置する平面にある合焦領域内に合焦するステップと、
    － 前記検出超音波の前記放射と、前記超音波検出器（１１０）による前記検出超音波のエコーの受信との間の持続時間を測定するステップとであり、
    算出された前記制御信号が、前記検出超音波を、様々な形状および／または寸法の合焦領域内へと、連続的に合焦するように、これらのステップが何度か繰り返される、方法。
13. 以下のステップを実施することを含む、前記非接触検出デバイス（１００）の較正をさらに含み、これらのステップは、
    － 各前記圧電アクチュエータ（１０６）により、較正超音波を放射するステップと、
    － 前記較正超音波の放射により生成された、音響インパルス応答、および／または、前記検出面の振動インパルス応答を測定するステップと、
    － 前記第１の時間反転法を、前記音響インパルス応答、および／または前記検出面（１５６）の前記振動インパルス応答に、適用するステップと、
    － 前記第１の時間反転法を、前記音響インパルス応答、および／または前記検出面（１５６）の前記振動インパルス応答に適用することにより取得された前記信号を、記憶するステップとである、請求項１２に記載の方法。
14. 前記非接触検出デバイス（１００）のユーザの１本または複数本の指（２０２）の位置または運動の検出を実施する、請求項１２または１３に記載の方法。

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