(57)【要約】  超音波伝播時間を正確に測定する。擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する超音波駆動回路と、超音波駆動信号により駆動され、超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する超音波送信器と、を備え、超音波送信器は、超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備える（図７）。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する超音波駆動回路と、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する超音波送信器と、
を備え、
前記超音波送信器は、前記超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、前記圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備えることを特徴とする超音波送信装置。
【請求項２】
前記超音波吸収体は、発泡材にて構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波送信装置。
【請求項３】
前記超音波吸収体は、繊維質材にて構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波送信装置。
【請求項４】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子を囲む円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項５】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子を駆動するための電力を供給するリード線接続側に配されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項６】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子と接して配されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項７】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子の高さの概半分以下と接して配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項８】
前記超音波送信器は、更にカバーを有し、前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子と前記カバーとの間に配されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項９】
前記擬似ランダム信号は、Ｍ系列信号であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項１０】
前記超音波駆動信号の周波数は、前記圧電素子または磁歪素子の共振周波数の概半分であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一に記載の超音波送信装置を備え、
前記超音波送信装置は、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信器をさらに備え、前記超音波駆動回路は、前記電磁波信号の送出と同時に前記擬似ランダム信号に基づいて前記超音波を変調し、
前記電磁波信号を検出する電磁波受信器と、
送出された前記超音波信号を検出する超音波受信器と、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、前記検出された超音波信号と前記モデル波形との間で相関値を算出し、前記算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝播時間を算出するデータ処理回路と、
を備える超音波伝播時間測定システム。
【請求項１２】
前記電磁波送信器と前記超音波駆動回路と前記超音波送信器とを電子ペンに組み込んだことを特徴とする請求項１１記載の超音波伝播時間測定システム。
【請求項１３】
前記電磁波信号は、赤外線信号であることを特徴とする請求項１１または１２記載の超音波伝播時間測定システム。
【請求項１４】
超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、前記圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備える超音波送信器が、前記超音波信号を受信する超音波受信器に対向して配されるシステムにおける超音波の伝播時間の測定方法であって、
送信タイミングを表す電磁波信号を送出するステップと、
前記電磁波信号の送出と同時に擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成するステップと、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の前記超音波信号を送出するステップと、
前記電磁波信号を検出するステップと、
送出された前記超音波信号を検出するステップと、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、前記検出された超音波信号と前記モデル波形との間で相関値を算出し、前記算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝播時間を算出するステップと、
を含むことを特徴とする超音波伝播時間測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願についての記載）
本発明は、日本国特許出願：特願２００９−２３３８９３号（２００９年１０月７日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、超音波送信装置、超音波伝播時間測定システムおよび超音波伝播時間測定方法に関し、特に超音波発信に伴う反射波低減技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた従来の位置検出方法の一例として電子ペンシステムが特許文献１に記載されている。この位置検出システムは、一定周期で一定波形の超音波信号と赤外線トリガー信号を固定周期で送信する機能を有する電子ペンと、送信された２つの信号を受信する受信部からなり、受信部はトリガー信号の到達時点と超音波の到達時点とから電子ペンの位置を特定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６１１８２０５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
なお、上記特許文献の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。
以下の分析は本発明において与えられる。【０００５】
超音波送信手段として、円筒状の圧電フィルムを用いる場合、一般的に同心円板状に近い指向性を有している。特に電子ペンへの適用を考えた場合、超音波受信手段としてのコンデンサマイクや圧電セラミクスは、その指向性領域内にあるように設計されている場合が多い。【０００６】
一般的な圧電素子は、電圧駆動型であるため消費電力が小さいが、十分な音圧を確保するためには音響インピーダンスの低い共振体と組み合わせて用いられることが多い。しかしながら共振現象を利用した場合、一定の位相・周波数・ゲインで超音波を発信できるが、それ以外の周波数での送信ゲインはかなり低く、各種の変調方式を利用することが困難である。また、単独の圧電素子においても機械的なＱが高く残留振動が長引くため、変調方式の如何を問わず変調波に追従した超音波を発信することが困難である。また、共振特性を利用する関係上、圧電素子の材料特性及びその形状の僅かなずれによって、共振周波数やそのピークゲインが大きく変動する場合がある。【０００７】
従って、このような場合、圧電素子としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用いた比較的機械的なＱの低い圧電フィルムが用いられる。この圧電フィルムは、音響インピーダンスが低く、圧電定数も大きいため、比較的大きな音圧が得られる半面、フィルム状であるため固定方法が難しいという欠点も併せ持つ。２次元的平面状に均一な指向性を得ようとして円筒形状の加工を行った場合、円形エッジ部分を完全に固定すると、位置決め精度は向上するが、超音波音圧は大幅に減少し、それを避けようとして、比較的余裕を持たせた固定を行うと、どうしても片あたり状態になって均一な指向性が得られなくなる。また、円筒形状に加工する場合、継ぎ目ができてしまうため、円環状に広がるはずの超音波が、均一でなくなる方向が生じてしまう場合もある。更に圧電フィルムを駆動するための電力を供給するリード線が必要となるが、これも軸対称性を乱す一因であって、その引き回しによっては片あたりを助長する結果となってしまう。【０００８】
また、円筒状の超音波発信手段は、電子ペン等に適用する場合、描画を行う２次元平面に対して常に垂直状態で使用される訳ではなく、比較的傾いた状態で使用される場合が多い。この時、超音波受信手段は２次元平面に対して平行に設置されているが、超音波発信方向中心は２次元平面と平行ではなく、超音波発信手段たる電子ペンの傾き方向によって、超音波受信手段方向に対して、主に２次元平面から離れる方向や、２次元平面に向かったのち、反射して超音波受信手段へ近づく方向に音波が進行する場合が生じる。電子ペンの傾きが大きくなると、超音波受信手段が電子ペンの超音波の指向性の範囲外となり、正確に超音波伝播時間が計測できず、電子ペンの描画位置を特定できなくなってしまう。また、電子ペンの傾きが大きくならない場合においても、円筒形状の圧電フィルムを固定する台座における反射によって、超音波が重畳され、特に変調信号とリファレンス信号との相関を求め、そのピークを検出することによって超音波伝播時間を計算する方法を用いる場合、その誤差が大きくなる傾向を示すことになる。【０００９】
従って、本発明の目的は、超音波送信手段として圧電素子または磁歪素子を用い、更に円筒形状にした場合に生じる、軸対称性を維持できない（継ぎ目が生じることや、リード線の影響が生じる）ことに起因する指向性の乱れ、すなわち超音波音圧のばらつきを改善し、超音波送信手段から送出される超音波信号の各周期において受信部に最初に到達する直接波の伝搬時間を正確に測定することを可能とする超音波送信装置、超音波伝播時間測定システムおよび超音波伝播時間測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つのアスペクト（側面）に係る超音波送信装置は、擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する超音波駆動回路と、超音波駆動信号により駆動され、超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する超音波送信器と、を備え、超音波送信器は、超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備える。【００１１】
本発明の他のアスペクト（側面）に係る超音波伝播時間測定方法は、超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備える超音波送信器が、前記超音波信号を受信する超音波受信器に対向して配されるシステムにおける超音波の伝播時間の測定方法であって、送信タイミングを表す電磁波信号を送出するステップと、前記電磁波信号の送出と同時に擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成するステップと、前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の前記超音波信号を送出するステップと、前記電磁波信号を検出するステップと、送出された前記超音波信号を検出するステップと、前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、前記検出された超音波信号と前記モデル波形との間で相関値を算出し、前記算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝播時間を算出するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子または磁歪素子の保持台座の一部を覆うように超音波吸収体を設けることによって、音圧の高い反射波の影響を抑制することが可能となる。したがって、超音波送信器の傾きによる超音波伝播時間の誤差を減じて、正確で高速な超音波伝播時間計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波伝播時間測定システムの構成を示す図である。
【図２】Ｍ系列により位相変調された超音波駆動信号の波形の一例を示す図である。
【図３】空間に放射された超音波信号の周波数特性を示す図である。
【図４】電子ペンと受信部との配置位置関係を模式的に示す図である。
【図５】電子ペンとレシーバの相対位置関係が最適な状態での相関データの一例を示す図である。
【図６】電子ペンを傾けた場合の相関データの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電子ペンの先端部の構造図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電子ペンの先端部の他の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態に係る超音波伝播時間測定システムは、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信手段と、前記電磁波信号の送出と同時に自己相関性の高い擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する手段と、該超音波駆動信号により駆動され、該超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する圧電素子からなる超音波送信手段と、前記電磁波信号を検出する電磁波受信手段と、送出された前記超音波信号を検出する超音波受信手段と、前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、検出された超音波信号と該モデル波形との間で相関値を算出し、算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と該主ピーク値の検出時点とから超音波伝播時間を算出するデータ処理手段を有し、更に前記超音波送信手段は、円筒状の圧電素子を具備し、更に超音波吸収体を具備している。
【００１５】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波吸収体は、発泡材にて構成されていることが好ましい。
【００１６】
前記超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波吸収体は、繊維質材にて構成されていることが好ましい。
【００１７】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波吸収体は、円筒状に形成されていることが好ましい。
【００１８】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波吸収体は、円筒状の圧電素子を駆動するための電力を供給するリード線側に設置されることが好ましい。このような円筒状の圧電素子に対して、同じ円筒形状の超音波吸収体を圧電素子のリード線側に接して設けることによって、軸対称形状を乱す形状による超音波の指向性の乱れを改善すると共に、反射の影響を抑えることが可能となる。
【００１９】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波吸収体は、円筒状の圧電素子と接して配置されることが好ましい。
【００２０】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波吸収体は、円筒状の圧電素子の概半分以下と接して配置されることが好ましい。
【００２１】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波送信手段は更にカバーを有し、前記超音波吸収体は、円筒状の圧電素子と前記カバーとの間に配置されることが好ましい。
【００２２】
超音波伝播時間測定システムにおいて、自己相関性の高い擬似ランダム信号はＭ系列信号であることが好ましい。
【００２３】
超音波伝播時間測定システムにおいて、超音波駆動信号の周波数は圧電素子の共振周波数の概半分であることが好ましい。
【００２４】
以下、超音波伝播時間測定システムについて、より具体的に電子ペンシステムを例にとり図１乃至８を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波伝播時間測定システムの構成を示す図である。超音波伝播時間測定システムは、スイッチ１０を有する電子ペン１に装着された送信部２と、送信部２から離れた所定の位置に設置された受信部３から構成される。送信部２は、制御回路１０１、Ｍ系列生成回路１０２、超音波駆動回路１０３、超音波送信器１０４、赤外線駆動回路１０５、赤外線送信器１０６を備える。
【００２６】
Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から供給されるＭ系列初期条件に基づき特性多項式により決定されるＭ系列を生成する。Ｍ系列生成回路１０２は、例えば４次の特性多項式ｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ＋１、あるいはｆ（ｘ）＝ｘ４＋ｘ３＋１の性質を持つ４ビットシフトレジスタを有し系列長が１５ビットのビット列を生成する。４ビットの初期条件を変更することにより、データの並びが巡回的にシフトした１５通りの異なるデータが得られる。図２は、Ｍ系列により位相変調された超音波駆動信号の波形の一例を示す図である。１５ビットのＭ系列データ「０００１００１１０１０１１１１」の各１ビットを基本波の１周期に対応させている。０の場合は反転位相とし、１の場合は順位相としたもので、変調波は基本波１５周期分の長さとなる。なお、Ｍ系列生成回路１０２は、Ｍ系列ビット列を格納するメモリとし、メモリから読み出すように構成してもよい。Ｍ系列の詳細は、柏木濶著「Ｍ系列とその応用」（１９９６年３月２５日，昭晃堂）等に記述されている。
【００２７】
なお、超音波の変調方式については、擬似ランダム信号で自己相関性の高いＭ系列信号を用いて位相変調を行った場合を示しているが、その他の変調方式についても同様な効果が期待できる。更に変調の基本となる信号系列は、擬似ランダム信号で自己相関性が高い信号系列であればよく、いわゆるＧｏｌｄ系列信号でも同様な効果が期待できる。
【００２８】
制御回路１０１は、電子ペン１が具備するスイッチ１０が押されると、まず時間計測の基準となるトリガー信号とＭ系列の４ビット初期条件データを赤外線駆動回路１０５とＭ系列生成回路１０２に供給する。赤外線駆動回路１０５は、制御回路１０１からの信号に基づき赤外線駆動用信号を生成する。赤外線送信器１０６は、この赤外線駆動回路１０５の出力により駆動され赤外線を電子ペン１から空間に送出する。
【００２９】
一方、Ｍ系列生成回路１０２は、制御回路１０１から供給された初期条件に基づきＭ系列ビット列を生成し、これを超音波駆動回路１０３に供給する。超音波駆動回路１０３は、このＭ系列により超音波信号を位相変調し超音波駆動信号として超音波送信器１０４に供給する。この時、超音波駆動信号を不図示の濾波器によって所定の周波数特性を与えて超音波送信器１０４に供給するようにしてもよい。超音波送信器１０４は、圧電素子または磁歪素子などで構成され、この駆動信号により駆動され、赤外線送信器１０６の送信タイミングに同期して、Ｍ系列位相変調された超音波信号を空間に送出する。従って、赤外線信号と超音波信号は、電子ペン１から同時に受信部３に向け発射される。実際に電子ペン１として機能させるため、スイッチ１０が押されている間、一定周期で上記動作を繰り返す。
【００３０】
制御回路１０１は、ＣＰＵ等で構成されるため、各信号波形として矩形波が多く用いられる。時間計測の基準となる赤外線トリガー信号については、受信器側でのサンプリングに対する時間ズレを小さくし計測誤差を最小にするためには可能な限り矩形波であることが好ましい。しかし、超音波信号に関しては、超音波送信器１０４が圧電素子（または磁歪素子）で構成されることが多く、圧電素子そのものがＬ、Ｃ成分を含むため空間へ送出される超音波は、駆動波形が矩形波であっても擬似的な正弦波となる。なお、送信側の波形については、上記送信器の特性を考慮し、正弦波、矩形波、三角波、台形波であっても、特に問題は生じない。
【００３１】
受信部３は、超音波受信器２０１、サンプリング回路２０２、赤外線受信器２０３、検出回路２０４、メモリ２０５、データ処理回路２０６を備える。
【００３２】
超音波受信器２０１は、圧電素子、磁歪素子またはマイクロフォン等によって構成され、電子ペン１から送信された超音波信号を受信しこれを電気信号に変換する。サンプリング回路２０２は、この超音波信号を一定間隔でサンプルし、位相変調Ｍ系列超音波データとしてメモリ２０５に格納する。
【００３３】
赤外線受信器２０３は、電子ペン１からの赤外線信号を受信し、これを電気信号に変換する。検出回路２０４は、赤外線受信器２０３の出力からトリガーパルスを検出するとトリガーパルスの到来時刻をメモリ２０５に格納する。また、検出回路２０４は、Ｍ系列初期条件データを検出するとこれをメモリ２０５に格納する。
【００３４】
Ｍ系列初期条件を赤外線信号に含ませる代わりに、所定のＭ系列の初期条件に基づき予め生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形をメモリ２０５に格納し、赤外線トリガー信号が到来するとデータ処理回路２０６がこのＭ系列モデル波形を読出すようにしてもよい。
【００３５】
データ処理回路２０６は、メモリ２０５からトリガーパルスの到来を示すデータを読出すと、格納されているＭ系列初期データからＭ系列モデル波形を生成し、さらにこのモデル波形を送信部２と同様に超音波で位相変調し、送信側の超音波駆動信号と同じ波形の位相変調超音波Ｍ系列モデル波形を生成する。データ処理回路２０６は、この位相変調超音波モデル波形とメモリ２０５に格納されている位相変調超音波受信波形との間で相関処理を行う。データ処理回路２０６は、相関値の最初のピークを検出すると、トリガーパルス到達時刻からこの相関値ピークを検出した時点までの経過時間、即ち電子ペン１からの受信部３に至る超音波信号の伝播時間を算出する。
【００３６】
具体的にはメモリ２０５に格納されているトリガー検出時刻をサンプリング開始時刻（ｔ）に設定し、位相変調Ｍ系列超音波データをメモリ２０５から読み出し、この読み出したデータと先に生成した位相変調Ｍ系列超音波モデル波形との間で式（１）に基づきサンプリング開始時刻（ｔ）における相関値Ｃ（ｔ）を算出する。
【００３７】
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式（１）において、ｉは整数値でサンプリング時刻変数であり、Ｎはモデル波形のサンプリング数、ｒ（ｉ）はサンプリング時刻ｉのモデル波形の値、ｆ（ｉ＋ｔ）はサンプリング時刻（ｉ＋ｔ）の受信波形の値である。
【００３８】
次に得られた相関値からピーク値を探索する。ピーク値が検出されなければ、サンプリング開始時刻（ｔ）を単位量１だけインクリメントし同様にピーク値探索を繰り返す。相関ピーク値が検出されると、相関ピーク値の検出時点における変数ｔに対応するサンプリング時刻をメモリ２０５から読み出す。最後にデータ処理回路２０６は、トリガー検出時刻とピーク値検出時刻とから電子ペン１から受信部３に至る超音波の伝播時間を算出する。赤外線トリガーパルスを受信したサンプリング時刻を０とし、サンプリング周期をＤＴとすると、超音波伝播時間は、ｔ×ＤＴとして算出できる。
【００３９】
図３は、電子ペン１内の送信部２の圧電素子に対して、超音波駆動信号を加えて空間に放射された超音波信号の周波数特性を示す図である。周波数帯域の広い位相変調された超音波信号を、周波数帯域の狭い圧電素子を用いて送信する必要上、少しでも周波数帯域を稼ぐために、圧電素子を、その共振周波数より低い周波数の位相変調された信号で駆動することによって、位相変調部分の相関特性を向上させ、信号識別性能を向上させることが可能であり、最もよい条件の一つは、超音波駆動周波数（加振周波数）が圧電素子の共振周波数の１／２になる場合である。
【００４０】
以上に述べた方法によって、基本的な超音波伝播時間の計測を基に電子ペンの描画を実現することができる。図４は、電子ペン１と受信部３との配置位置関係を模式的に示す図である。電子ペン１の先端に備えられた超音波送信器１０４から受信部３の超音波受信器２０１に対して超音波が放射される。
【００４１】
ところで、図４（Ａ）に示すような超音波の主放射方向が水平方向となる場合、超音波受信器２０１は、音圧が最大となる超音波を受信する。したがって、相関値の時刻暦データは、図５に示すような波形となり、この状態でピーク検出が行われれば、超音波の到達時間を特定することは容易である。しかし、実際には、図４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように超音波の主放射方向が水平方向からずれ、受信超音波に基づく相関値の時刻歴データは、図６に示すような波形、すなわち超音波送信器１０４からの直接波と反射波が重畳された波形となる。この場合、超音波受信器２０１で検出される超音波に関し、音圧が最も高くなる方向は反射波の方向になるため、ピーク検出を行うと実際の超音波到達時間を誤ることになる。特に超音波送信器１０４に近いところでの反射波はその音圧も大きく、また、反射面の材質によっても大きく変化する。超音波発信手段（電子ペン）のエッジでの反射波については、通常の使用状態では問題にならないが、特に図４（Ｂ）に示す様な電子ペンの傾き状態になると、超音波受信器２０１に到達する支配的な超音波になる傾向にある。
【００４２】
次に、エッジでの反射波を抑制する電子ペンについて説明する。図７は、本発明の実施形態に係る電子ペンの先端部の構造図である。電子ペンの先端部は、上部の先端が丸まった円柱状のペンティップ１１、下部が膨らんだ円筒状の圧電フィルム固定台座１２、円筒状の圧電フィルム１３、リード線１４、円筒状の超音波吸収体１５を備える。圧電フィルム固定台座１２は、内側にペンティップ１１を配し、上部の外側に圧電フィルム１３を保持するように配し、下部に接すると共に圧電フィルム１３のさらに外側に超音波吸収体１５を配する。リード線１４は、圧電フィルム１３の一端に接続され、圧電フィルム固定台座１２の下部を貫通して下方に引き出される。
【００４３】
このような構造の電子ペンによれば、電子ペンを傾けた状態においても、超音波吸収体１５によって圧電フィルム固定台座１２からの反射波を抑制することが可能である。なお、圧電フィルム固定台座１２そのものを超音波吸収体で形成しても同様な効果が得られる。更に、超音波吸収体１５として、発泡体や繊維質材を用いれば超音波反射波のダンピングについて十分な効果が期待できる。このように超音波の反射波を効果的にダンピングできるため、正確かつ高速な超音波伝播時間計測が可能となるため、滑らかで高速な電子ペンでの描画を実現することができる。
【００４４】
また、円筒形状の圧電フィルム１３を駆動するためには圧電フィルム１３に対して電力を供給するためのリード線１４が必要になる。この場合、圧電フィルム全体を十分柔らかく形成するため、圧電体そのものは数十ミクロンのＰＶＤＦで形成されており、それを保持するポリエチレン（ＰＥ）あるいはポリプロピレン（ＰＰ）も数ミクロンであるため圧電体の両面に電圧を加える電極も薄膜で形成される場合がほとんどである。この薄膜電極リード線の強度を十分確保するためには、ある程度の幅が必要になる。この薄膜リード線１４の固定方法によっては、圧電フィルム１３の振動によって放射される超音波の指向性及び音圧が軸対称でなくなり、ペンの持ち方によって描画性能の差が生じてしまう。この場合、先に述べた超音波吸収体１５を円筒形状の圧電フィルム１３のリード線１４側に円筒形状に設置することによって、円筒形状の圧電フィルム１３の振動状態を軸対称方向に対して均一にすることができる。したがって、電子ペンとして安定な描画性能を得る事が可能となる。なお、円筒形状の圧電フィルム１３とその外側に設置される超音波吸収体１５を接触させることによって、超音波放射量は減少するものの、超音波放射の均一性を更に向上させることができる。
【００４５】
さらに、図８に示すように、圧電フィルム１３を保護するためのカバー１６を備え、カバー１６と圧電フィルム１３の間に超音波吸収体１５を挿入することによっても、同様な効果が期待できる。
【００４６】
以上、電子ペンを例に説明したが、本システムは、超音波発信部を障害物に設置し受信部をロボットに設置することにより障害物までの距離を算出することによる回避行動の制御を行うロボットシステムや、医療看護システムにおいて超音波発信体を患者に装着しその居場所の特定するシステムなどに適用することも可能である。
【００４７】
以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正、特に開示した種々の要素の選択、組合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００４８】
１  電子ペン
２  送信部
３  受信部
１０  スイッチ
１１  ペンティップ
１２  圧電フィルム固定台座
１３  圧電フィルム
１４  リード線
１５  超音波吸収体
１６  カバー
１０１  制御回路
１０２  Ｍ系列生成回路
１０３  超音波駆動回路
１０４  超音波送信器
１０５  赤外線駆動回路
１０６  赤外線送信器
２０１  超音波受信器
２０２  サンプリング回路
２０３  赤外線受信器
２０４  検出回路
２０５  メモリ
２０６  データ処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年4月23日(2012.4.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成する超音波駆動回路と、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の超音波信号を送出する超音波送信器と、
を備え、
前記超音波送信器は、前記超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、前記圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備えることを特徴とする超音波送信装置。
【請求項２】
前記超音波吸収体は、発泡材にて構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波送信装置。
【請求項３】
前記超音波吸収体は、繊維質材にて構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波送信装置。
【請求項４】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子を囲む円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項５】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子を駆動するための電力を供給するリード線接続側に配されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項６】
前記超音波吸収体は、前記圧電素子または磁歪素子と接して配されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の超音波送信装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一に記載の超音波送信装置を備え、
前記超音波送信装置は、送信タイミングを表す電磁波信号を送出する電磁波送信器をさらに備え、前記超音波駆動回路は、前記電磁波信号の送出と同時に前記擬似ランダム信号に基づいて前記超音波を変調し、
前記電磁波信号を検出する電磁波受信器と、
送出された前記超音波信号を検出する超音波受信器と、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、前記検出された超音波信号と前記モデル波形との間で相関値を算出し、前記算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝播時間を算出するデータ処理回路と、
を備える超音波伝播時間測定システム。
【請求項８】
前記電磁波送信器と前記超音波駆動回路と前記超音波送信器とを電子ペンに組み込んだことを特徴とする請求項７記載の超音波伝播時間測定システム。
【請求項９】
前記電磁波信号は、赤外線信号であることを特徴とする請求項７または８記載の超音波伝播時間測定システム。
【請求項１０】
超音波信号を送出する円筒状の圧電素子または磁歪素子と、前記圧電素子または磁歪素子を保持する台座の一部を覆う超音波吸収体とを備える超音波送信器が、前記超音波信号を受信する超音波受信器に対向して配されるシステムにおける超音波の伝播時間の測定方法であって、
送信タイミングを表す電磁波信号を送出するステップと、
前記電磁波信号の送出と同時に擬似ランダム信号に基づいて超音波を変調することにより超音波駆動信号を生成するステップと、
前記超音波駆動信号により駆動され、前記超音波駆動信号の基本周波数より高い周波数の前記超音波信号を送出するステップと、
前記電磁波信号を検出するステップと、
送出された前記超音波信号を検出するステップと、
前記超音波駆動信号と同じ波形をモデル波形とし、前記検出された超音波信号と前記モデル波形との間で相関値を算出し、前記算出された相関値の主ピーク値を検出し、前記電磁波信号の検出時点と前記主ピーク値の検出時点とから超音波伝播時間を算出するステップと、
を含むことを特徴とする超音波伝播時間測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
以上、電子ペンを例に説明したが、本システムは、超音波発信部を障害物に設置し受信部をロボットに設置することにより障害物までの距離を算出することによる回避行動の制御を行うロボットシステムや、医療看護システムにおいて超音波発信体を患者に装着しその居場所の特定するシステムなどに適用することも可能である。
なお、上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下に限定されるものではない。
（付記１）超音波吸収体は、圧電素子または磁歪素子の高さの概半分以下と接して配されることができる。
（付記２）超音波送信器は、更にカバーを有し、超音波吸収体は、圧電素子または磁歪素子とカバーとの間に配されることができる。
（付記３）擬似ランダム信号は、Ｍ系列信号とすることができる。
（付記４）超音波駆動信号の周波数は、圧電素子または磁歪素子の共振周波数の概半分とすることができる。
【国際調査報告】
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