(57)【要約】  それぞれが既知の相対位置及び向きを有する複数の超音波トランスデューサアレイから、音場を生成するためのシステムが記載されている。音場は、搬送波および変調波を含む。搬送波は、複数の変調焦点領域を有する。複数の超音波トランスデューサアレイの少なくとも１つに対して既知の空間的関係を有する複数の制御点が用いられる。複数の超音波トランスデューサアレイのそれぞれの相対位置を用いることにより、複数の超音波トランスデューサアレイが較正される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知の相対位置及び向きを有する超音波トランスデューサアレイから、複数の波部分を有する搬送波および変調波とを含む音場を生成するステップと、
それぞれが前記超音波トランスデューサアレイに対して既知の空間的関係を有する複数の制御点を定めるステップと、
前記複数の波部分がほぼ同時に前記制御点の１つに到達するように前記複数の波部分を遅延させるステップと、を含み、
前記搬送波は、複数の変調焦点領域を有することを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記変調波は、振幅変調を用いることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調波は、周波数変調を用いることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記搬送波が周波数の範囲にチャープするように前記搬送波を変更するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記搬送波は、前記音場内の物体の位置を特定するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
それぞれが既知の相対位置及び向きを有する複数の超音波トランスデューサアレイから、搬送波および変調波を含む音場を生成するステップと、
それぞれが前記複数の超音波トランスデューサアレイの少なくとも１つに対して既知の空間的関係を有する複数の制御点を定めるステップと、
前記複数の超音波トランスデューサアレイのそれぞれの相対位置を用いることにより、前記複数の超音波トランスデューサアレイを較正するステップと、を含み、
前記搬送波は、複数の変調焦点領域を有することを特徴とする、方法。
【請求項７】
前記複数の超音波トランスデューサアレイを較正するステップは、前記複数の超音波トランスデューサアレイの一方を、前記複数の超音波トランスデューサの他方からの信号の受信器として用いることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の超音波トランスデューサアレイを較正するステップは、到着時間差アルゴリズムを用いることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の超音波トランスデューサアレイを較正するステップは、クロックドリフトを補償することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の超音波トランスデューサアレイの一方は、前記複数の超音波トランスデューサの他方に、ヒンジにより接続されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
それぞれが既知の相対位置及び向きを有する複数の超音波トランスデューサアレイから、搬送波および変調波を含む音場を生成するステップと、
それぞれが前記複数の超音波トランスデューサアレイの少なくとも１つに対して既知の空間的関係を有する複数の制御点を定めるステップと、
振幅変調波を用いて、前記複数の制御点の少なくとも１つから放射される音響効果を生成するステップと、を含み、
前記搬送波は、複数の変調焦点領域を有することを特徴とする、方法。
【請求項１２】
前記変調波は、振幅変調を用いることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記変調波は、時空間変調を用いることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記変調波は振幅変調を用いて、前記複数の制御点の少なくとも１つにおいて人間に可聴周波数におけるパラメトリックオーディオを生成することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記搬送波は、前記音場内の物体の位置を特定するために用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記物体は物体特性を有し、
前記搬送波は前記物体特性を測定するために用いられることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記変調波は人間に可聴ではない周波数における振幅変調を用いることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記変調波は人間に可聴周波数における振幅変調を用いることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記物体特性の測定は、前記搬送波の前記周波数の位相を用いることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記物体特性の測定は、飛行時間の決定を用いることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
本出願は、以下の２つの米国仮特許出願の利益を主張するものであり、本明細書にその全てが参照として援用される。
【０００２】
１．２０１６年１月５日出願の米国出願第６２／２７５,１９５号。
【０００３】
２．２０１６年１２月２３日出願の米国出願第６２／４３８,５８７号。
【０００４】
３．２０１７年１月３日出願の米国出願第１５／３９６,８５１号。
【０００５】
［技術分野］
本発明は、概して、触覚に基づくシステムにおける改善された較正および検出技術に関する。
【背景技術】
【０００６】
触覚フィードバックを含む適用範囲のために、本明細書では「音場」と呼ばれる音エネルギーの連続分布を用いることが知られている。
【０００７】
音場が特定され得る空間内に１つ以上の制御点を定めることにより、音場を制御することが知られている。各制御点に、制御点における音場の所望の振幅に等しい振幅値が割り当てられる。また、トランスデューサは、制御点のそれぞれにおいて所望の振幅を示す音場を生成するように制御される。人間の皮膚が音場と相互作用する時、皮膚の振動は、機械受容器が励起され、神経系を介して脳に信号を送ることにより解釈される。
【０００８】
空中で用いられる時、触覚技術は、超音波搬送周波数（ultrasonic carrier frequency）における音を、トランスデューサの上方の空間における一点又は複数の点に集束させることによって作用する。また、これは、触覚感覚を生成する低周波数コンテンツを含む波形によって変調される。
【０００９】
超音波音響の挙動は、測距および測位のためのよく理解された方法である。従って、超音波触覚フィードバックのためのハードウェア要求が超音波位置決めシステムのハードウェア要求と大きく重なることにより、触覚システムにおける位置決め能力を有するアレイを構築する能力は有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付図面において、同じ符号が別の図を通して同じまたは機能的に類似する要素を指し、また、下記の発明を実施するための形態とともに、本明細書に組み込まれ、その一部を形成する。添付図面は、クレームされた本発明を含む概念の実施形態をさらに例示し、これらの実施形態の種々の原理および利点を説明する役割を果たす。
【００１１】
【図１】図１は、モノクロ超音波搬送周波数で出力を放出する一組の超音波トランスデューサの第１シミュレーションを示す。
【００１２】
【図２】図２は、周波数変調された超音波搬送周波数で出力を放出する一組の超音波トランスデューサの第２シミュレーションを示す。
【００１３】
当業者であれば、図面の要素は、簡潔かつ明瞭にするために図示されており、必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解するであろう。例えば、図面におけるいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解を向上させるのを助けるために、他の要素に対して誇張され得る。
【００１４】
装置および方法の構成要素は、本明細書の説明の利益を受ける当業者に容易に明らかとする詳細を含む本開示を不明瞭にしないように、本発明の実施形態を理解することに関連する具体的な詳細のみを示す、図面における符号によって適切な場所に表されている。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［バックグラウンド］
【００１６】
既知の相対位置および向きを有するトランスデューサのアレイを用いて音場を生成する方法は、以下のステップを含む。
【００１７】
‐前記トランスデューサのアレイに対してそれぞれ既知の空間的関係を有する複数の制御点を定めるステップ。
【００１８】
‐各制御点に振幅を割り当てるステップ。
【００１９】
‐各制御点に対して、制御点で特定の位相を有する割り当てられた振幅を有するモデル化された音場を生成する影響が、他の制御点におけるモデル化された音場の結果的な振幅および位相に及ぶことを表す要素を含む行列を計算するステップ。
【００２０】
‐行列の固有ベクトルを決定するステップ。但し、各固有ベクトルは、制御点におけるモデル化された音場の位相および相対振幅のセットを表す。
【００２１】
‐制御点における合成音場の位相および振幅が、選択されるセットの位相および相対振幅に対応するように、セットの１つを選択し、トランスデューサアレイを操作させて、１つ以上のトランスデューサがそれぞれ初期振幅および位相を有する音波を出力することを引き起こすステップ。
【００２２】
制御点は、特定の位置のマーカである。隣接する制御点の間の距離は、音場の音波が制御点の１つから位相シフトして次の制御点にマッチすることを可能にするのに十分であるほうがよい。いくつかの実施形態において、分離距離は音場の音波の波長と同じであってもよい。
【００２３】
そのため、システムの一態様は、制御点で有効な位相を見つけるために、解くことができる固有値問題（eigenproblem）を定式化することを含む。本発明の実施形態における固有値問題の使用は、既知の方法と比較して、より迅速かつ予測可能な解答時間をもたらし、より多い数の制御点がサポートされ得ることを意味し、制御点のリアルタイム更新を可能にする。固有値問題は、それ自体が解答時間を変更しないが、制御点同士の間の位相関係を変更することによって解答を補助する。より迅速かつ予測可能な解答時間も、既知の方法と比較して、大きい音場が制御され得ることを意味する。
【００２４】
本発明の実施形態において、トランスデューサアレイは、例えば１つ以上の２次元アレイが並列に配置されるような任意の適切な構成における１つ以上のトランスデューサを含む。
【００２５】
制御点において割り当てられた振幅および特定の位相を有するモデル化される音場は、制御点の直下の仮想トランスデューサによって生成される時にモデル化され得る。いくつかの実施形態において、仮想トランスデューサは、実際のトランスデューサアレイの平面に位置してもよい。しかし、当業者は、音場が仮想トランスデューサの他の配置によって生成される時にモデル化され得、すなわち、制御点の直下に位置されてもよい１つ以上の仮想トランスデューサ、又は制御点と異なる空間的関係を有する１つ以上の仮想トランスデューサを、モデリングされた音場を生成するために使用してもよいと理解する。仮想トランスデューサの使用により、ルックアップテーブルを事前計算することを可能にする。好ましくは、仮想トランスデューサは、トランスデューサアレイのトランスデューサにマッチする。
【００２６】
前記方法は、行列の固有値を計算するステップを含むことができる。固有値は、縮尺係数を表し、固有値が互いに関連し、固有値のいくつかが比較的高く、固有値のいくつかが比較的低い。前記方法は、選択されたセットとしての固有値に対して比較的高い位相および相対振幅のセットを選択することを含むことができる。好ましくは、選択されたセットとしての固有値に対して最も高い位相および相対振幅のセットを選択することを含むことができる。
【００２７】
固有値は、行列によって変換される時に対応する固有ベクトルの尺度を定義する。すなわち、固有値は、他の制御点で割り当てられた振幅を生成することによって引き起こされる各制御点における振幅への間接的な貢献が考慮されると、制御点における音場の相対振幅がどの程度拡大するかを表す。よって、大きな固有値を見つけることは、多くの強め合う干渉を用いる相対振幅および位相の対応するセットを示す。行列のすべての固有値の相対値を考慮して、比較的高い対応する固有値を有する相対振幅と位相のセットを選択するため、トランスデューサによる出力をより効率的に用いるので、比較的低い固有値を選択することよりも有利である。
【００２８】
前記方法は、減衰及び伝播による音波の振幅および位相が空間的にどのように変化するかを定義するルックアップ関数を用いて、他の制御点のそれぞれにおける振幅および位相での制御点の１つで割り当てられた振幅を生成する効果を計算することを含むことができる。ルックアップ関数は、振幅および位相変動の２つのソースの一方または両方を考慮することができる。まず、トランスデューサにより出力される音波の振幅の減衰は、トランスデューサからの距離と共に増加し、また、音波が空間を通って伝播する時に位相の変化が生じる。
【００２９】
そのようなルックアップ関数が用いられる場合、減衰及び伝播による音波の位相の空間的変化は、特定のトランスデューサアレイに対して一度のみ計算されればよく、音場をモデル化するのに必要な時間と、合成音場の位相および振幅を生成するトランスデューサの初期振幅および位相を計算するのに必要な時間と、を短縮する。
【００３０】
制御点の位置は、音場の体積を占める仮想３次元形状の一部を画定するように選択され得る。例えば、制御点は、形状のエッジ上に位置してもよく、または形状のエッジに隣接して位置してもよく、または形状の体積内に位置してもよい。制御点は、形状の全体、またはより好ましくは形状の一部を画定することができる。例えば、制御点は、ユーザが相互作用している、画定される必要がある形状の一部のみの触覚フィードバックシステムの一部として、ユーザが感じる形状を画定することができ、又は、その画定される形状は、乾燥接着剤のような製造用途のために音響放射力が集中され得る目的の点を有する製品の形状であってもよい。
【００３１】
音場が比較的高い振幅を有する制御点群と、音場が比較的低い振幅を有する制御点群とを提供して、仮想形状のエッジにおける音場の振幅勾配を提供することは、音場の振幅においてより検出可能な差異を生成するので、触覚フィードバック用途において利点を提供し、仮想形状のエッジをユーザがより容易に検出することができる。また、触覚フィードバックの場合、比較的低振幅の制御点は、形状に接触していないユーザの手の部分が形状を取り囲む残留超音波を感じることができないと保証できる。低振幅制御点がない場合、これらの点での超音波は制御されないので、手が感じることができる幾つかの強め合う領域を有することができる。
【００３２】
制御点の少なくともいくつかは、物体が仮想形状と交差する点に配置され得る。制御点の少なくともいくつかは、交差点に隣接して配置され得る。
【００３３】
例えばユーザの手といった物体が仮想形状と交差する領域における点で制御点を配置することは、物体が相互作用している仮想形状における点で音場が制御されるだけでよいという利点を提供し、これらの制御点でより高い振幅を生成するのを可能にする。物体が仮想形状と交差する点は、物体トラッカー（ｏｂｊｅｃｔ  ｔｒａｃｋｅｒ）によってリアルタイムで監視することができる。制御点は、物体位置に応じた音場における異なる点で配置され得る。
【００３４】
［複数のアレイ構成］
【００３５】
単一設定（single setup）で複数のアレイが用いられている場合、位置決め性能を用いて効果的に自動化され得る複数の必要な較正ステップを有する。アレイは、製造の不正確性またはシステムクロックの差異により、時間または空間で誤ってオフセットされることが多い。別のセンサに入力として提供され、既知の入力信号が与えられる、ソースとして用いられる超音波トランスデューサのアレイの出力を関連付け、到着時間差（time difference of arrival TDOA）アルゴリズムを使用することにより、時間及び空間における遅延が決定され得る。TDOAは、正確に同期される時間基準を有する物理的に別個の受信局における特定の信号の到着時間が計算される、方向探知およびナビゲーションに用いられる電子技術である。これは、例えば、クロックドリフトによって引き起こされる可能性のある時間オフセットを補償することの代替方法を提供するためにも用いることができる。
【００３６】
動的な方法において、新たに接続されたデバイスを初期化するために、時間と空間の差を決定することができ、それらを、共有され得る空間における既存のボリュメトリック音場に加えることができる。あるいは、デバイスが、自由に移動可能であるか又はヒンジによって拘束される時に移動することができる場合、例えば、この移動は、移動が発生すると、自動的に検出され、補償される場合、複数のアレイが互いに動いている時にも、フィードバックの損失がないことを提供する。これは、単一の相互作用ボリュームとして作用することができるように、入力センサを含む共通空間にアレイを同期させるために用いられ得る。
【００３７】
［焦点を用いるチャーピング］
【００３８】
超音波触覚フィードバック技術は、純粋に、各トランスデューサからの位相及び振幅のモノクロの挙動に作用する。伝統的なソナー及び、動物により使用されるエコーロケーションは、よく現場で遭遇する物体からの個々の反射を取り出すために周波数変調されるコンテンツを含む。音触覚フィードバックの生成は、一定の周波数出力に依存する。所定の焦点に対して、振幅変調波の各部分は、波が同時に焦点に到達するように遅延させることができる。触覚フィードバックを維持するために、波は一般にモノクロでなければならないが、この要求は潜在的に緩和され得る。波は、焦点を生成するために相互作用する時間と空間の点でモノクロとすればよい。これは、波の搬送周波数が、焦点に到達する点で、搬送周波数が同じである限り、時間的に周波数変調され得ることを示唆する。よって、搬送周波数は、振幅変調されるコンテンツとして、同じ方法で変調され、遅延される場合、搬送周波数を連続的に変更しながら焦点合わせを行うことができる。この点において、搬送周波数は、チャープに変更され得、または、一組のマイクロフォンが与えられ、トランスデューサアレイの触覚効果を変化せず、音場における物体を位置付けるために用いられ得る周波数の範囲に変更され得る（チャープは、時間と共に周波数が増加（アップチャープ）または減少（ダウンチャープ）する信号である）。
【００３９】
図１には、点１１に集束されるモノクロ超音波搬送周波数１２で出力を放出する超音波トランスデューサ１３の第１シミュレーション１０を示す。図２には、集束が依然として機能し続けるように、周波数変調が時間的にオフセットされていることにより、同じ点２１で集束したままの周波数変調される超音波搬送信号２２を放出している超音波トランスデューサ２３の第２シミュレーション２０を示す。
【００４０】
［仮想音響点源］
【００４１】
触覚効果を生成する時、空間における焦点制御点は、振幅変調点の場合に触覚フィードバックを提供するために、通常は０Ｈｚから５００Ｈｚまでの範囲のオーダーの１つ以上の周波数からなる低周波振動で変調される。他の触覚技術に対して、これは必要ではなく、時空間変調の何らかの形により置き換えることができる。また、１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでの範囲の構成要素を有する処理されたオーディオ信号は、パラメトリックオーディオの同等物を提供するために、点の上に振幅変調され得る。
【００４２】
制御点と同じ位置で、空中にさらなる仮想音響源を生成するために、近超音波（near-ultrasonic）および超音波トラッキング信号を各制御点に変調することが達成され得る。これらの音源は、音場における物体から反射され、トラッキング信号のみが復元されるように、受信された信号にフィルタを適用することによって、既存のソナー、測距および音響映像技術を機能させることができる。これらのトラッキング信号は、人間の聴覚の範囲を超える音響周波数の帯域内に実質的に適合する結果の変調を達成する限り、振幅、位相、周波数または直角位相による変調として実際に実施することができる。あるいは、トラッキング信号は可聴であるが、可聴周波数において邪魔にならないように設計されており、ランダムノイズ機能と同様の特性を有するように設計することによって達成することができる。各制御点に関連するトラッキング波形は、制御点で表現された周波数の組み合わせから取り出され得るように、周波数構成要素および/または適切に直交する関数からなる信号において区別され得る。各制御点の上に周波数をさらに用いることにより、デバイスの活動期間中でもトラッキングが機能し続けることを可能にする。
【００４３】
触覚が有効ではない時にも用いられ、トラッキング信号のみにより変調された低電力制御点を用いる第２アクティブスキャンモードも可能である。このように、デバイスは、潜在的な相互作用を検出し特定するために、撮像および測距データを収集しながら、空間を探索し続けることができる。このアクティブスキャンモードは、触覚制御点と別個に、しかし触覚制御点の傍にトラッキング制御点を生成するために、触覚と共に用いることもできる。
【００４４】
制御点を介してトラッキング信号を生成するために仮想源を用いることのさらなる利点は、システムが障害物を目立たなくするためにロバストになることにある。物理的ソーストランスデューサの選択からの出力が遮断される場合、残りのトランスデューサは、制御点、且つそのための仮想ソースに貢献し続ける。制御点は、障害物を避けるために移動させることもできる。
【００４５】
デバイスは、トラッキング信号で生成された周波数の位相が、十分な忠実度を有する仮想源を複製するために制御点で正しく複製されることを保証するように構成され得る。また、制御点における仮想源からトラッキング信号がどの時点で「放出された」のかを正確に見つけるために、飛行時間を決定するように、放出から合焦の瞬間までのデルタ時間を監視することが必要である。飛行時間（TOF）は、物体、粒子または音響、電磁気または他の波が媒体を通って遠くに移動するのにかかる時間を測定する様々な方法を示す。この測定は、時間基準（原子泉（atomic fountain）など）のために用いられ得、所定の媒体を通る速度または経路長を測定する手段として、または粒子または媒体（組成または流速など）を知る手段として用いられ得る。移動物体は、直接的に（例えば、質量分析におけるイオン検出器）、または間接的に（例えば、レーザードップラー速度測定において物体から散乱された光）検出され得る。その点から、仮想源の位置、タイミングおよび放出波が知られるため、反射を三角測量し空間を撮像することができるように、単一の仮想源から１つ以上の受信器への飛行時間を決定する従来技術を用いられ得る。
【００４６】
［結論］
【００４７】
前述実施形態の様々な特徴は、改良された触覚システムの複数の変形を生成するために選択され、組み合わせられ得る。
【００４８】
前記のとおり明細書において、特定の実施形態が説明された。しかし、以下の請求項で定められているような本発明の範囲から逸脱することなくさまざまな修正および変更を加えられることは、当業者には明白であろう。従って、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく例示する意味で考慮され、このような修正形態はすべて、本発明の教示の範囲内に含まれることが意図される。
【００４９】
利益、利点、問題の解決手段、および利益、利点もしくは解決手段をもたらし得るか、または顕著なものとし得る要素（複数可）は、任意の、またはすべての請求項の重大な、必要な、または不可欠な特徴もしくは要素として解釈すべきでない。本発明は、本出願の係属期間中になされた補正を含む添付の請求項、および発行されたとおりの請求項のすべての均等物によってのみ定められる。
【００５０】
さらに、本明細書では、第１の、第２の、上、および下などの関係語、ならびに同様の語は、一方の物または動作を他方の物または動作から、そのような物または動作の間で実際にそのような関係もしくは順序を必ずしも必要とすることなく、または暗示することなく、区別するためにのみ使用されうる。「comprises（備える、含む）」、「comprising（備える、含む）」、「has（有する）」、「having（有する）」、「includes（含む）」、「including（含む）」、「contains（含む）」、「containing（含む）」、および他の変形の用語は、非排他的な包含を対象とすることを意図しており、一連の要素を備える、有する、含む、包含するプロセス、方法、物品、または装置は、それらの要素のみを含むわけではなく、明示的に列挙されない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有のものでない他の要素を含むことができる。「comprises ...a」、「has ...a」、「includes ...a」、「contains ...a」が続く要素は、さらに制約を付けることなく、要素を備える、有する、含む、包含するプロセス、方法、物品、または装置内の追加の同一の要素の存在を除外しない。「a」および「an」という用語は、本明細書で別段明示的に述べられていない限り１つまたは複数として定義される。「実質的に」、「本質的に」、「約」、「ほぼ」、または他の用語は、当業者が理解する用語に近いものとして定義される。本明細書で使用されているような「結合」という用語は、接続として定義されるが、必ずしも直接的ではなく、また必ずしも機械的なものではない。特定の方法で「構成」されたデバイスまたは構造は、少なくともその方法で構成されるが、列挙されていない方法でも構成され得る。
【００５１】
本開示の要約書は、読者に技術的開示の性質を素早く確認できるようにする。これは請求項の範囲または意味を解釈または制限するために使用されないことを理解したうえで提出される。それに加えて、前記の「発明を実施するための形態」では、本開示を合理化するためにさまざまな特徴をさまざまな実施形態においてグループにまとめられていることがわかる。この開示方法は、特許請求されている実施形態が各請求項において明示的に述べられている以上の特徴を必要とする意図を反映するものとして解釈すべきでない。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明の主題は、単一の開示されている実施形態のすべての特徴に満たない数の特徴にある。したがって、以下の請求項は、これにより「発明を実施するための形態」に組み込まれ、各請求項は別々に特許請求される発明対象として自立している。
【図１】
2019506057.tif 000003
【図２】
2019506057.tif 000004
【国際調査報告】
2019506057.tif 000005
2019506057.tif 000006
2019506057.tif 000007
2019506057.tif 000008
2019506057.tif 000009