(57)【要約】第１の端部（３２）と第２の端部（３３）とを有する圧電フィルム（２０）と、圧電フィルム上に配置される複数の電極と、少なくとも１つの固定部材と、一般に円筒の形状である支持構造（５０）とを有する超音波トランスデューサ。圧電フィルムの第１の端部及び第２の端部は、少なくとも１つの固定部材によって支持構造に固定される。
2005530370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の端部と第２の端部とを有する圧電フィルムと、
（ｂ）前記圧電フィルム上に配置される複数の電極と、
（ｃ）少なくとも１つの固定部材と、
（ｄ）実質的に円筒形を成し、前記第１の端部及び前記第２の端部が前記少なくとも１つの固定部材によって固定される支持構造と、
を備える超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記支持構造上に配置される電気接点を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記支持構造が突出部を更に有し、前記第１の端部及び前記第２の端部が前記少なくとも１つの固定部材によって前記突出部に固定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
（ａ）前記支持構造が中心軸を有し、
（ｂ）前記突出部は、伸長方向を有する細長く突出した隆起部として形成され、
（ｃ）前記伸長方向が前記中心軸と実質的に平行である、
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記突出部上に配置される電気接点を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの固定部材がクリップであることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの固定部材上に配置され、前記電気接点を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記圧電フィルムが第１の面と第２の面とを有し、前記電極は、
（ａ）前記第１の面上に配置される第１の電極と、
（ｂ）前記第２の面上に配置され、その少なくとも一部が前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係である第２の電極と、
（ｃ）前記第１の面上に配置され、前記第１の電極に接続される第１の電気接続ストリップと、
（ｄ）前記第１の電気接続ストリップと実質的に対向しない関係の状態で、前記第２の面上に配置されるとともに、前記第２の電極に接続される第２の電気接続ストリップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記圧電フィルムが第１の面と第２の面とを有し、前記電極は、
（ａ）前記第１の面上に配置される第１の電極及び第２の電極を有し、前記第１の電極は、前記第２の電極と接触しないパターンで配置され、
（ｂ）前記第２の面上に配置される第３の電極及び第４の電極を有し、
（i）前記第３の電極の少なくとも一部は、前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、
（ii）前記第４の電極の少なくとも一部は、前記第２の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、
（iii）前記第３の電極は、前記第４の電極と接触しないパターンで配置され、
（ｃ）前記第１の電極から前記第４の電極へと伸びる電気接合ストリップを有し、前記電気接合ストリップは、前記第１の面上における前記電気接合ストリップの第１の部分と、前記第２の面上における前記電気接合ストリップの第２の部分とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分とが電気的に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記圧電フィルムの穴を介して電気的に接続されることを特徴とする請求項９に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
螺旋金属スプリングを更に備え、前記螺旋金属スプリングが前記圧電フィルムの周囲に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
（ａ）第１の面と第２の面とを有する圧電フィルムと、
（ｂ）前記第１の面上に配置される第１の電極と、
（ｃ）前記第２の面上に配置され、その少なくとも一部が前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係の第２の電極と、
（ｄ）前記第１の面上に配置され、前記第１の電極に接続される第１の電気接続ストリップと、
（ｅ）前記第１の電気接続ストリップと実質的に対向しない関係の状態で、前記第２の面上に配置されるとともに、前記第２の電極に接続される第２の電気接続ストリップと、
を備えることを特徴とする超音波受信機。
【請求項１３】
（ａ）前記第１の電気接続ストリップは、前記第２の電極と実質的に対向しない関係であり、
（ｂ）前記第２の電気接続ストリップは、前記第１の電極と実質的に対向しない関係である、
ことを特徴とする請求項１２に記載の超音波受信機。
【請求項１４】
（ａ）前記圧電フィルムで主に形成される中空の実質的な円筒形要素を更に備え、前記実質的な円筒形要素は、中心軸と、前記中心軸と平行とされる高さを有し、
（ｂ）前記実質的な円筒形要素を支持するための支持構造を更に備え、前記支持構造は、前記実質的な円筒形要素の大部分のまわりで円周方向に振動波を伝播できるように前記実質的な円筒形要素を支持するべく構成され、前記第１の電極は、前記高さの少なくとも一部に沿って前記中心軸と実質的に平行な伸長方向に伸びるストリップとして形成され、前記ストリップは、前記中心軸に対して９０°以下の角度の範囲である、
ことを特徴とする請求項１２に記載の超音波受信機。
【請求項１５】
（ａ）前記実質的な円筒形要素が内部表面を有し、前記第１の面が前記内部表面を形成し、
（ｂ）前記第２の電極が接地される、
ことを特徴とする請求項１４に記載の超音波受信機。
【請求項１６】
（ａ）第１の面と第２の面とを有する圧電フィルムを備え、
（ｂ）前記第１の面上に配置される第１の電極及び第２の電極を備え、前記第１の電極は、前記第２の電極と接触しないパターンで配置され、
（ｃ）前記第２の面上に配置される第３の電極及び第４の電極を備え、
（i）前記第３の電極の少なくとも一部は、前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、
（ii）前記第４の電極の少なくとも一部は、前記第２の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、
（iii）前記第３の電極は、前記第４の電極と接触しないパターンで配置され、
（ｄ）前記第１の電極から前記第４の電極へと伸びる電気接合ストリップを備え、前記電気接合ストリップは、前記第１の面上における前記電気接合ストリップの第１の部分と、前記第２の面上における前記電気接合ストリップの第２の部分とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分とが電気的に接続される、
ことを特徴とする多電極超音波受信機。
【請求項１７】
（ａ）前記圧電フィルムで主に形成される中空の実質的な円筒形要素を更に備え、前記実質的な円筒形要素は、中心軸と、前記中心軸と平行とされる高さを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極は、その組み合わされた状態で、前記中心軸において９０°以下の角度であって、
（ｂ）前記実質的な円筒形要素を支持するための支持構造を更に備え、前記支持構造は、前記実質的な円筒形要素の大部分のまわりで円周方向に振動波を伝播できるように前記実質的な円筒形要素を支持するべく構成される、
ことを特徴とする請求項１６に記載の多電極超音波受信機。
【請求項１８】
（ａ）前記実質的な円筒形要素が内部表面を有し、前記第１の面が前記内部表面を形成し、
（ｂ）前記第２の電極が接地される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の多電極超音波受信機。
【請求項１９】
前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記圧電フィルムの穴を介して電気的に接続されることを特徴とする請求項１６に記載の多電極超音波受信機。
【請求項２０】
（ａ）前記第１の面上に配置され、前記第２の電極に接続される第１の電気接続ストリップと、
（ｂ）前記第２の面上に配置され、前記第３の電極に接続されるとともに、前記第１の電気接続ストリップと実質的に対向しない関係である第２の電気接続ストリップと、
を更に備えることを特徴とする請求項１６に記載の多電極超音波受信機。
【請求項２１】
超音波の所定周波数に使用される超音波トランスデューサのために遮蔽しつつ、前記超音波に対する中断を最小限に抑える方法であって、
（ａ）超音波トランスデューサと関連付けられる超音波の波長の約半分未満の空間周期で、螺旋金属スプリングから成る巻線の間隔をあけるステップと、
（ｂ）超音波トランスデューサを取り囲むように前記螺旋金属スプリングを配置するステップと、
を含む方法。
【請求項２２】
巻線の間隔をあける前記ステップは、前記波長の約１／４未満の空間周期で前記巻線の間隔をあけることによって実施されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
（ａ）可動要素と関連付けられる１つの超音波トランスデューサと、
（ｂ）２つの超音波トランスデューサと、
（ｃ）前記２つの超音波トランスデューサがベースユニットに取り付けられることによって、これらの超音波トランスデューサが固定型の幾何学的関係で維持されるベースユニットと、
（ｄ）中空の細長い部材を有し、前記２つの超音波トランスデューサ間に配置される音波ガイドと、
を備えるデジタイザシステム。
【請求項２４】
前記音波ガイドが実質的に一直線状であることを特徴とする請求項２３に記載のデジタイザシステム。
【請求項２５】
前記音波ガイドが湾曲していることを特徴とする請求項２３に記載のデジタイザシステム。
【請求項２６】
可動要素上の１つの点の位置を決定するためのシステムを動作させる方法であって、前記システムが、前記可動要素にそれぞれ装着された第１の超音波トランスデューサ及び第２の超音波トランスデューサを含む複数の超音波トランスデューサから成る可動グループを有し、前記第１の超音波トランスデューサ、前記第２の超音波トランスデューサ、可動要素上の前記点がそれぞれ、共通の軸に沿って順次に間隔をあけ、また、前記システムが、所定距離だけ互いに間隔をあける第３の超音波トランスデューサ及び第４の超音波トランスデューサを含む複数の超音波トランスデューサから成る固定グループを有する方法において、
（ａ）前記第１の超音波トランスデューサと前記固定グループとの間、及び、前記第２の超音波トランスデューサと前記固定グループとの間で、複数の測定信号を送信するステップと、
（ｂ）前記第１の超音波トランスデューサと前記第３の超音波トランスデューサ及び前記第４の超音波トランスデューサのそれぞれとの間の距離、及び、前記第２の超音波トランスデューサと前記第３の超音波トランスデューサ及び前記第４の超音波トランスデューサのそれぞれとの間の距離を、前記測定信号の飛行時間から得るステップと、
（ｃ）前記距離から前記点の位置を得るステップと、
を含む方法。
【請求項２７】
前記第１の超音波トランスデューサ及び前記第２の超音波トランスデューサの両方が円筒形超音波トランスデューサであることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサに関し、特に、圧電フィルムで形成された円筒形超音波受信機及び超音波トランシーバ、並びに、デジタイザシステムにおけるその利用分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタイザシステム内で超音波信号を送信するために円筒形超音波トランスデューサを使用することは既知のことである。円筒の形状は、用途の広い信号送信を提供し、点状（又は、より正確には線状）源と類似した効果を提供することによって、飛行時間型計算の幾何学的処理を単純化する。これらの利点については、デ・ブルイネ（De Bruyne）に付与された米国特許第4,758,691号に詳述されている。円筒形超音波トランスデューサの更なる利点は、位置を測定すべき要素のまわりに円筒形超音波トランスデューサの中心を置くことができるということである。これは、ＰＣＴ公報ＷＯ98/40838に記載されている製図器具デジタイザシステムにおいて使用されている。
構造的には、数多くの異なるタイプの円筒形トランスデューサが提案されてきた。デ・ブルイネ特許は、約２０μｍの円筒形エアギャップを生成するように意図された円筒形層の複雑な配置で形成される容量性デバイスである「セルトランスデューサ（Sell transducer）」を提案している。このような構造は、製造コストが高く、信頼性も低いと考えられている。
医療用利用分野で提案されてきた第２のタイプのトランスデューサは、圧電要素に基づいている。このタイプの医療用トランスデューサの一例は、超音波マーカーを開示するブレヤーら（Breyer et al.）に付与された米国特許第4,706,681号に見いだすことができる。ここでは、円筒形圧電カラー(cylindrical piezoelectric collar)が、２つの電極間に挟まれている。電極を横断して交番する電位を印加することにより、カラーが振動し、こうして半径方向に伝播する超音波信号が生成される。
【特許文献１】米国特許第4,758,691号
【特許文献２】ＷＯ98/40838
【特許文献３】米国特許第4,706,681号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
原理的には、いずれの超音波トランスデューサでも、送信機及び受信機の両方として動作することが可能である。しかし、実際には、数多くの事項を考慮すると、多くの送信機構造が受信機としては効果がないという結果になる。このことは、特に、比較的高い電力により起動されることであり、シリンダのほぼ全体がより広角の送信に寄与する一方、所定方向からの入力信号を受信するように正しく方向付けされているのはシリンダのわずかな部分にしかすぎないということは円筒形要素について特に言えることである。その上、トランスデューサの大きな不活性領域の固有のキャパシタンスが、受信信号の振幅の大きな割合を吸収してしまい、トランスデューサを受信機として感受性の低いものにする可能性がある。
トランスデューサの分野全般において、圧電フィルム、たとえばＰＶＤＦに基づいたデバイスの開発に多くの研究と労力がつぎ込まれてきた。導電性電極は、標準的に表面の領域上に導電性インクを選択的に印刷することにより、フィルムの相対する面上に形成される。これらのフィルムは、製造コストが安く、湿気に対する露呈を含む広範な動作条件に耐えるものである。
円筒形超音波トランスデューサは、圧電フィルムを使用して実施するのが比較的簡単であるが、受信機の実施は、上記の円筒形受信機が有する一般的で複雑な問題を超えた付加的な問題を提起する。具体的には、図１及び図２を参照すると、圧電フィルムで形成された自由に吊り下げられるシリンダ１０の概略平面図が示されている。図１は、その弛緩した状態を示し、一方図２は、入力超音波信号波面１５に対するシリンダ１０の応答を示す。圧電フィルムは、可撓性であるため、信号１５の振動は、シリンダ１０のまわりを走行する（明確さを期して、誇張された）波を生成する。圧電フィルムの湾曲の方向及び程度は、シリンダのまわりに作り出される波形に沿って変動し、その結果、電極間に生成される電位の方向の逆転がもたらされる。その結果、圧電フィルムによって生成される電位の多くが電極内で局所的渦流の内部で散逸させられ、電極間で測定されるような全体的信号電圧を大幅に減少させる。
圧電フィルムを用いて円筒形超音波トランスデューサを実施することの更なる問題は、非常に低い信号対雑音比を結果としてもたらし得るという、望ましくない電磁放射線をピックアップするアンテナとして電極が作用する傾向にあることである。
圧電フィルムを用いて円筒形超音波トランスデューサを実施することの更なる問題は、超音波の中断を最小限に抑えつつ、トランスデューサの機械的保護を提供することである。
圧電フィルムを用いて円筒形超音波トランスデューサを実施することの更なる問題は、圧電フィルムを溶接してシリンダを形成することにより生じる損傷である。
したがって、圧電フィルムを利用する円筒形超音波受信機の構造が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、圧電フィルムを使用する円筒形超音波受信機の構造である。
本発明の教示によれば、（ａ）第１の端部と第２の端部とを有する圧電フィルムと、（ｂ）前記圧電フィルム上に配置される複数の電極と、（ｃ）少なくとも１つの固定部材と、（ｄ）実質的に円筒形を成し、前記第１の端部及び前記第２の端部が前記少なくとも１つの固定部材によって固定される支持構造とを備える超音波トランスデューサが提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記支持構造上に配置される電気接点も提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記支持構造が突出部を更に有し、前記第１の端部及び前記第２の端部が前記少なくとも１つの固定部材によって前記突出部に固定される。
本発明の更なる特徴によれば、（ａ）前記支持構造が中心軸を有し、（ｂ）前記突出部は、伸長方向を有する細長く突出した隆起部として形成され、（ｃ）前記伸長方向が前記中心軸と実質的に平行である。
本発明の更なる特徴によれば、前記突出部上に配置される電気接点も提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記少なくとも１つの固定部材がクリップである。
本発明の更なる特徴によれば、前記少なくとも１つの固定部材上に配置され、前記電気接点も提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記圧電フィルムが第１の面と第２の面とを有し、前記電極は、（ａ）前記第１の面上に配置される第１の電極と、（ｂ）前記第２の面上に配置され、その少なくとも一部が前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係である第２の電極と、（ｃ）前記第１の面上に配置され、前記第１の電極に接続される第１の電気接続ストリップと、（ｄ）前記第１の電気接続ストリップと実質的に対向しない関係の状態で、前記第２の面上に配置されるとともに、前記第２の電極に接続される第２の電気接続ストリップとを有する。
【０００５】
本発明の更なる特徴によれば、前記圧電フィルムが第１の面と第２の面とを有し、前記電極は、（ａ）前記第１の面上に配置される第１の電極及び第２の電極を有し、前記第１の電極は、前記第２の電極と接触しないパターンで配置され、（ｂ）前記第２の面上に配置される第３の電極及び第４の電極を有し、（i）前記第３の電極の少なくとも一部は、前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、（ii）前記第４の電極の少なくとも一部は、前記第２の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、（iii）前記第３の電極は、前記第４の電極と接触しないパターンで配置され、（ｃ）前記第１の電極から前記第４の電極へと伸びる電気接合ストリップを有し、前記電気接合ストリップは、前記第１の面上における前記電気接合ストリップの第１の部分と、前記第２の面上における前記電気接合ストリップの第２の部分とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分とが電気的に接続される。
本発明の更なる特徴によれば、前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記圧電フィルムの穴を介して電気的に接続される。
本発明の更なる特徴によれば、螺旋金属スプリングも提供され、前記螺旋金属スプリングが前記圧電フィルムの周囲に配置される。
本発明の他の教示によれば、（ａ）第１の面と第２の面とを有する圧電フィルムと、（ｂ）前記第１の面上に配置される第１の電極と、（ｃ）前記第２の面上に配置され、その少なくとも一部が前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係である第２の電極と、（ｄ）前記第１の面上に配置され、前記第１の電極に接続される第１の電気接続ストリップと、（ｅ）前記第１の電気接続ストリップと実質的に対向しない関係の状態で、前記第２の面上に配置されるとともに、前記第２の電極に接続される第２の電気接続ストリップとを備える超音波受信機も提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記第１の電気接続ストリップは、前記第２の電極と実質的に対向しない関係であり、前記第２の電気接続ストリップは、前記第１の電極と実質的に対向しない関係である。
本発明の更なる特徴によれば、前記圧電フィルムで主に形成される中空の実質的な円筒形要素も提供され、前記実質的な円筒形要素は、中心軸と、前記中心軸と平行とされる高さを有し、また、前記実質的な円筒形要素を支持するための支持構造も提供され、前記支持構造は、前記実質的な円筒形要素の大部分のまわりで円周方向に振動波を伝播できるように前記実質的な円筒形要素を支持するべく構成され、前記第１の電極は、前記高さの少なくとも一部に沿って前記中心軸と実質的に平行な伸長方向に伸びるストリップとして形成され、前記ストリップは、前記中心軸に対して９０°以下の角度である。
本発明の更なる特徴によれば、前記実質的な円筒形要素が内部表面を有し、前記第１の面が前記内部表面を形成し、前記第２の電極が接地される。
【０００６】
本発明の他の教示によれば、（ａ）第１の面と第２の面とを有する圧電フィルムを備え、（ｂ）前記第１の面上に配置される第１の電極及び第２の電極を備え、前記第１の電極は、前記第２の電極と接触しないパターンで配置され、（ｃ）前記第２の面上に配置される第３の電極及び第４の電極を備え、（i）前記第３の電極の少なくとも一部は、前記第１の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、（ii）前記第４の電極の少なくとも一部は、前記第２の電極の少なくとも一部と対向する関係であり、（iii）前記第３の電極は、前記第４の電極と接触しないパターンで配置され、（ｄ）前記第１の電極から前記第４の電極へと伸びる電気接合ストリップを備え、前記電気接合ストリップは、前記第１の面上における前記電気接合ストリップの第１の部分と、前記第２の面上における前記電気接合ストリップの第２の部分とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分とが電気的に接続される多電極超音波受信機も提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記圧電フィルムで主に形成される中空の実質的な円筒形要素も提供され、前記実質的な円筒形要素は、中心軸と、前記中心軸と平行とされる高さを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極は、その組み合わされた状態で、前記中心軸において９０°以下の角度であって、また、前記実質的な円筒形要素を支持するための支持構造も提供され、前記支持構造は、前記実質的な円筒形要素の大部分のまわりで円周方向に振動波を伝播できるように前記実質的な円筒形要素を支持するべく構成される。
本発明の更なる特徴によれば、前記実質的な円筒形要素が内部表面を有し、前記第１の面が前記内部表面を形成し、前記第２の電極が接地される。
本発明の更なる特徴によれば、前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記圧電フィルムの穴を介して電気的に接続される。
本発明の更なる特徴によれば、前記第１の面上に配置され、前記第２の電極に接続される第１の電気接続ストリップ、及び、前記第２の面上に配置され、前記第３の電極に接続されるとともに、前記第１の電気接続ストリップと実質的に対向しない関係の第２の電気接続ストリップも提供される。
本発明の他の教示によれば、超音波の所定周波数に使用される超音波トランスデューサのために遮蔽しつつ、前記超音波に対する中断を最小限に抑える方法であって、超音波トランスデューサに関連付けられる超音波の波長の約半分未満の空間周期で、螺旋金属スプリングから成る巻線の間隔をあけるステップと、超音波トランスデューサを取り囲むように前記螺旋金属スプリングを配置するステップとを含む方法も提供される。
本発明の更なる特徴によれば、巻線の間隔をあける前記ステップは、前記波長の約１／４未満の空間周期で前記巻線の間隔をあけることによって実施される。
【０００７】
本発明の他の教示によれば、（ａ）可動要素と関連付けられる１つの超音波トランスデューサと、（ｂ）２つの超音波トランスデューサと、（ｃ）前記２つの超音波トランスデューサがベースユニットに取り付けられることによって、これらの超音波トランスデューサが固定型の幾何学的関係で維持されるベースユニットと、（ｄ）中空の細長い部材を有し、前記２つの超音波トランスデューサ間に配置される音波ガイドとを備えるデジタイザシステムも提供される。
本発明の更なる特徴によれば、前記音波ガイドが実質的に一直線状である。
本発明の更なる特徴によれば、前記音波ガイドが湾曲している。
本発明の他の教示によれば、可動要素上の１つの点の位置を決定するためのシステムを動作させる方法であって、前記システムが、前記可動要素にそれぞれ装着された第１の超音波トランスデューサ及び第２の超音波トランスデューサを含む複数の超音波トランスデューサから成る可動グループを有し、前記第１の超音波トランスデューサ、前記第２の超音波トランスデューサ、可動要素上の前記点がそれぞれ、共通の軸に沿って順次に間隔をあけ、また、前記システムが、所定距離だけ互いに間隔をあける第３の超音波トランスデューサ及び第４の超音波トランスデューサを含む複数の超音波トランスデューサから成る固定グループを有する方法において、（ａ）前記第１の超音波トランスデューサと前記固定グループとの間、及び、前記第２の超音波トランスデューサと前記固定グループとの間で、複数の測定信号を送信するステップと、（ｂ）前記第１の超音波トランスデューサと前記第３の超音波トランスデューサ及び前記第４の超音波トランスデューサのそれぞれとの間の距離、及び、前記第２の超音波トランスデューサと前記第３の超音波トランスデューサ及び前記第４の超音波トランスデューサのそれぞれとの間の距離を、前記測定信号の飛行時間から得るステップと、（ｃ）前記距離から前記点の位置を得るステップとを含んでいる方法も提供される。
本発明の更なる特徴においては、前記第１の超音波トランスデューサ及び前記第２の超音波トランスデューサの両方が円筒形超音波トランスデューサである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、本明細書において、添付図面を参照しつつ単なる一例としてここに記載される。
本発明は、圧電フィルムで形成された円筒形超音波受信機又はトランシーバである。本発明は、またデジタイザシステム内でこのようなトランシーバの利用分野も提供している。
本発明に係る受信機及びトランシーバの原理及び動作は、図面及び付随する明細書本文を参照することによって、更に良く理解することができよう。
ここで、図３を参照する。図３は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる円筒形超音波受信機１８の等角図である。一般的に言えば、受信機１８は、中空である実質的な円筒形要素２０を有する。円筒形要素２０は主として可撓性圧電フィルムで形成されており、この圧電フィルムは、外部表面２５と、内部表面３０と、上端部３２と、下端部３３と、中心軸４０と、中心軸４０と平行に測定された高さｈとを有する。円筒形要素２０は、その大部分のまわりで円周方向に振動波が伝播できるようにする形で円筒形要素２０を支持するように構成された、ここではコア要素５０によって表わされている支持構造によって支持されている。円筒形要素２０は、ベース５５によって下側から支持されるとともに、キャップ６０によって上側から支持されている。上記のように、円筒形要素２０は、そのまわりの少なくとも大部分にわたって円筒の形状に近いため、実質的に円筒形である。この円筒形部分は受信機能を与え、したがって、機能しない部分が円筒の形状でなくても重大ではない。また、円筒部分それ自体は、正確に円筒形である必要はない。この応用例については図１２を参照して後述する。
【０００９】
ここで、図４を参照する。図４は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる円筒形要素２０の概略平面図である。第１の電極６５は、内部表面３０に貼付されている。第２の電極７０は、外部表面２５に貼付されている。この場合、第２の電極７０の少なくとも一部分は、第１の電極６５の大部分と対向する関係である。第２の電極７０は接地されており、第１の電極６５は検知用電極としての機能を果たす。しかし、本発明の他の実施態様で使用するため、第１の電極６５及び第２の電極７０が交換可能であることに留意されたい。第１の電極６５は、高さｈの大部分に沿って（図３参照）中心軸４０に実質的に平行な伸長方向に伸び、且つ中心軸４０にて９０°以下の角度ａに対して定められた一つのストリップとして形成されている。第１の電極６５の寸法は、好ましくは、意図された動作周波数の超音波振動によって誘発された円筒形要素２０内の振動の約１／４波長未満に対応するような形で選択される。大部分の場合では、寸法は、干渉効果などを最小限におさえるように（図２に概略的に例示された約４つの波長ではなくむしろ）円筒形要素２０が振動の約１波長のみを支持するような形で選択される。その結果、第１の電極６５が中心軸４０で約９０°未満に角度ａを定める限りにおいて、位相相殺の問題は大幅に回避できる。しかし、好ましくは、第１の電極６５の幅は、標準的に中心軸４０で約２０〜約３０°の間に角度ａを定めるために選択される。
受信機１８の動作原理は、図１及び図２を再度参照することによって認識することができる。上記のように、入射圧力波１５は、シリンダ１０の周囲で伝播する振動波を誘発する傾向を有する。その結果、シリンダ１０の表面上に任意に位置づけされた局部センサーは、圧力波１５が入射する方向とは実質的に独立して、実質的に同じ振動を経験する。同時に、第１の電極６５の円周方向の広がりは、フィルムを通って伝播する振動の波長と比べて小さいことから、位相相殺及び大きいキャパシタンスという上記の問題は回避される。その結果、きわめて効率的な広角超音波受信機が得られる。本発明の構成のこれらの利点及びその他の利点は、以下のさらに詳細な説明からより明確になるであろう。
【００１０】
材料に関しては、任意の圧電フィルム材料及び適当な導電性電極材料を用いて、本発明を実施できるということを指摘しておきたい。フィルム自体についての特に好ましい例は、ポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）である。偏光方向は、シリンダのまわりで円周方向に方向づけされよう。このようなフィルムの使用は、その広い周波数帯応答による特別な利点を提供する。具体的には、ピエゾセラミックスに基づく従来の狭い周波数帯の受信機は、信号雑音を測定周波数範囲内へとシフトさせる傾向をもち、信号対雑音比を徹底的に低減させるということが発見されている。対照的に、本発明の広い周波数帯の受信機は、問題の信号を識別するために、その後のフィルタリングと組み合わせて用いた場合、大幅に増大された信号対雑音比を提供することが発見された。
電極のための適当な導電性材料としては、炭素、銀及び金を含有する組成物が含まれるが、これらに制限されない。透明な構造が必要とされる利用分野においては、透明な導電性材料が使用される。導電性材料の貼付は一般的な製造過程であるため、導電性材料が圧電フィルムに対して「貼付される」ものとして説明してきた。しかし、導電性材料は、従来技術で知られる他の方法を使用して圧電フィルム上に「配置」されてもよいことに留意されたい。
【００１１】
ここで、図５を参照する。図５は、各面に対して貼付される電極パターンの形態を示し本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる受信機１８で使用するための円筒形要素２０を形成する圧電フィルムシートの半透明の平面図である。第１の電気接続ストリップ７５は、内部表面２５に貼付されるとともに、第１の電極６５に接続されている。キャパシタンスに関連する問題を軽減するため、第１の電気接続ストリップ７５の貼付は、第２の電極７０と実質的に対向しない関係になるように行なわれる。第２の電気接続ストリップ８０は、外部表面３０に貼付されるとともに、第２の電極７０に接続されている。キャパシタンスに関連する問題を軽減するため、第２の電気接続ストリップ８０の貼付は、第１の電気接続ストリップ７５と実質的に対向しない関係になるように行なわれる。また、第２の電極７０と実質的に対向しない関係になるように第１の電気接続ストリップ７５を貼付し且つ第１の電極６５と実質的に対向しない関係になるように第２の電気接続ストリップ８０を貼付して、キャパシタンスに関連して起こりうる問題を回避することも有益である。なお、「実質的に対向しない」という用語は、キャパシタンスに関連する問題を除去するために完全に対向しない関係が存在することが好ましいことを意味することに留意されたい。しかし、電気接点ストリップのある程度の対向は、キャパシタンスに起因する問題を増大させる可能性があるものの、キャパシタンスに起因する問題を最小限に抑えることを目的とする本発明の本質を打ち消すことはない。第１の電気接続ストリップ７５及び第２の電気接続ストリップ８０は、第１の電極６５及び第２の電極７０のそれぞれから、円筒形要素２０の下端部３３（図３）にあるタブ８５へと伸びている。
【００１２】
ここで、図６を参照する。図６は、各面に対して貼付される複合電極パターンの形態を示し、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる受信機１８で使用される円筒形要素２０を形成する圧電フィルムシートの半透明の平面図である。検知用電極と接地電極との間の断面積を大きくすると、超音波トランシーバによって生成される電流を大きくすることができる。しかし、一般的には、超音波受信機によって生成される電圧を高めることが更に有益である。これは、複数の電極パターンを直列に配置することによって達成することができる。受信機１８の場合、これは、第１の電極９０及び第２の電極９５を円筒形要素２０の内部表面２５に貼付することによって達成される。第１の電極９０の貼付は、第２の電極９５と接触しないパターンで行なわれる。上記のように、単一の検知用電極すなわち第１の電極６５（図４）の場合に関連して、第１の電極及び第２の電極９０、９５はそれぞれストリップとして形成される。第１の電極及び第２の電極９０、９５は、高さｈ（図３）の少なくとも一部に沿って中心軸４０と実質的に平行な伸長方向に伸びている。第１の電極９０及び第２の電極９５は、互いに組み合わされた状態で、中心軸４０にて９０°以下の角度の範囲を定める。第３の電極１００及び第４の電極１０５は、円筒形要素２０の外部表面３０に貼付されており、これにより、第３の電極１００の少なくとも一部が、第１の電極９０の大部分と対向する関係であり、且つ第４の電極１０５の少なくとも一部が、第２の電極９５の大部分と対向する関係になっている。第３の電極１００の貼付は、第４の電極１０５と接触しないパターンで行なわれる。第４の電極１０５は接地されている。電気接合ストリップ１１０、１１５は、内部表面２５上に電気接合ストリップ１１０の第１の部分を有するとともに、外部表面３０上に電気接合ストリップ１１５の第２の部分を有する。電気接合ストリップ１１０の第１の部分は、第１の電極９０から円筒形要素２０の穴Ｑに向かって伸びており、電気接合ストリップ１１５の第２の部分は、穴Ｑから第４の電極１０５に向かって伸びている。電気接合ストリップ１１０の第１の部分及び電気接合ストリップ１１５の第２の部分は、導電性材料を使用して穴Ｑで接合されている。本発明のこの実施態様においては、図５に関連して説明した第１の電気接続ストリップ７５及び第２の電気接続ストリップ８０をここで使用することができる。第１の電気接続ストリップ７５は、内部表面２５に貼付されるとともに、第２の電極９５に接続される。第２の電気接続ストリップ８０は、外部表面３０に貼付されるとともに、第３の電極１００に接続される。また、円筒形要素２０の面２５、３０間のキャパシタンスに関連する問題を軽減するため、第２の電気接続ストリップ８０の貼付は、第１の電気接続ストリップ７５と実質的に対向しない関係になるように行なわれる。第１の電気接続ストリップ７５及び第２の電気接続ストリップ８０は、第２の電極９５及び第３の電極１００のそれぞれから、円筒形要素２０の下端部３３（図３）にあるタブ８５へと伸びている。なお、本発明の他の実施態様においては、第１の電極９０及び第２の電極９５が外部表���３０に貼付され、第３の電極１００及び第４の電極１０５が内部表面２５に貼付されることに留意されたい。また、更に多くの電極を円筒形要素２０に貼付して、受信機１８の電圧出力を増大するために直列に接続することに留意されたい。
【００１３】
ここで、図７を参照する。図７は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる受信機１８のための支持構造１１７の分解等角図である。上記のように、圧電フィルムを用いた円筒形超音波トランスデューサの実施に付随する１つの主要な問題は、電極が電磁放射のためのアンテナとして機能する傾向であることである。この問題を最小限にするか又はなくすために、本発明の好ましい実施は、電磁放射から検知用電極を遮蔽するのに一助となる一つ以上の特徴を含んでいる。まず、接地される第２の電極７０が、第１の電極６５のために、幾らかの遮蔽が提供される。ちなみに、これは第１の電極６５をフィルムの外側ではなくむしろフィルムの内部表面上に位置させることが好ましい理由である。電磁遮蔽に対するさらなる又は代替的な寄与は、好ましくは、第１の電極６５との電極的接触を回避するような形で円筒形要素２０の内部に配置された電気的に接地した導電性コア要素５０を使用することによって提供される。コア要素５０は、標準的には、必ずしも必要ではないが、円筒形要素２０のための支持構造１１７の一部である。コア要素５０の一つの好ましい実施態様は、中実又は中空の金属コア要素である。円筒形要素２０のフィルムが自由に振動できるように、コア要素５０は、ここでは、その高さの大部分にわたって、直径が減少した直径の減少した部分１２０を伴って形成されている。場合によっては、直径の減少した部分１２０により画定された非接触領域は、第１の電極６５との電気的接触を回避するのに十分である。あるいは、付加的な絶縁層をコア要素５０と第１の電極６５との間に介在させることができる。コア要素５０の代替的実施は、導電性フォーム（conductive foam）（図示せず）のシリンダで形成されることができる。この場合、一般に、コア要素５０と円筒形要素２０との間の接触は、標準的に円筒形要素２０内部の振動の伝播と著しく干渉しない。この場合、コア要素５０と第１の電極６５との間には一般的に付加的な絶縁層が必要とされる。上記のように、円筒形要素２０は、下側からベース５５によって支持されるとともに、上側からキャップ６０によって支持されている。ベース５５は、電気接点スプリング１４０を含む。ベース５５及びキャップ６０は、ボルト１４５によって、コア要素５０に固定されている。
【００１４】
ここで、図８を参照する。図８は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる支持構造１１７で使用するための単一の電気接点プレートを示す等角図である。ベース５５は、１つの電気接点スプリング１４０を有する。これは、電気接続ストリップ７５、８０が単一のタブ８５上で組み合わされる場合、あるいは、電気接続ストリップ７５、８０が円筒形要素２０の異なる端部３２、３３（図３）に向かって伸びている場合に使用することができる。
ここで、図９を参照する。図９は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる受信機１８との電気接触を形成するための技術を例示する概略等角図である。受信機１８の電気接続ストリップ７５、８０を含むタブ８５は、電気接点スプリング１４０内に押し込まれている。タブ８５は、電気接点スプリング１４０の圧力によって所定位置に保持されている。
ここで、図１０を参照する。図１０は、本発明の実施態様にしたがって構成され動作することができる受信機１８で使用するための保護用螺旋スプリング１５０の概略等角図である。螺旋スプリング１５０は、受信機１８を取り囲むように配置される。螺旋スプリング１５０は、図１１に関連して後述するように、入射超音波との干渉を最小限に抑える一方、受信機１８のための機械的で且つ電磁的遮蔽を形成する。螺旋スプリング１５０は、導電性材料で形成されるとともに、電磁遮蔽を形成するために接地される。
ここで、図１１を参照する。図１１は、螺旋スプリング１５０の断面の側面図である。螺旋スプリング１５０は、厚さがｔ、空間周期がＳの巻線１５５を有する。トランスデューサ、特に容易に損傷を受ける圧電フィルムを用いたトランスデューサのためには、しばしば機械的保護を提供しなければならない。数多くの既存のトランスデューサ構造が、トランスデューサの前に様々な保護構造の存在に起因する有意な信号のひずみのみの問題、あるいは「盲点」（すなわち、送信された強度又は受信感度が著しく損なわれている方向）と組み合わされた問題を抱えている。このような問題を最小限に抑えるか又は除去するために、本発明は、空間周期Ｓがλ／２以下、好ましくはλ／４以下（ここで、λは空気中の超音波動作周波数の波長）の巻線１５５を有する螺旋スプリング１５０を用いる。既存のシステムと比べてはるかに小さい空間周期Ｓを有する螺旋スプリング１５０を用いることにより、超音波信号に対し方向的中断が引き起こされることはほとんどないか、又は全くない。実施例としては、約４ｍｍの空気中の波長に対応する９０ｋＨｚの動作周波数については、１．９ｍｍのＳの値が信号の送信及び受信に対し最小限の中断しか与えないことがわかっている。
【００１５】
ここで、図１２及び図１３を参照する。図１２は、本発明の最も好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる受信機１８のための支持構造の分解等角図である。図１３は、図１２の受信機１８で使用するための各面に貼付される電極パターンの形態を示す圧電フィルム１７５の半透明の平面図である。円筒形要素２０を形成するために圧電フィルム１７５を溶接することは、費用のかかるプロセスであり、また、溶接によって圧電フィルム１７５が損傷する虞がある。円筒形要素２０に使用される圧電フィルム１７５は、それを溶接しなくても円筒形要素２０へと形成することができる一方で、受信機１８の大部分のまわりで円周方向に振動波を伝播することができる。これは、フィルムの端部１９２、１９３を支持構造１６０の突出部１６５上に載置した状態で、実質的に円筒形の支持構造１６０の周囲に圧電フィルム１７５を巻き付けることによって達成される。突出部１６５は、一般に、細長く突出した隆起部であり、その伸長方向が支持構造１６０の中心軸と実質的に平行になっている。突出部１６５は、実質的に平行な挟持面１６６を有する。固定部材、一般的にはクリップ１７０が、フィルムの端部１９２、１９３を突出部１６５に対して固定し、それにより、圧電フィルム１７５が実質的に円筒形に形成される。一般的には、１つの固定部材を使用して、フィルムの端部１９２、１９３を突出部１６５に対して固定するが、２つ以上の固定部材を使用して、同じ機能を果たすこともできる。クリップ１７０は、挟持機能を果たし、この挟持機能は、同じ挟持機能を果たす他のクリップ構造を用いて果たすことができる。圧電フィルム１７５を支持構造１６０上に巻き付ける前に、必要な電極及び必要とされる電気接点が圧電フィルム１７５に対して貼付される。検知用電極１８０は、圧電フィルム１７５の第１の側１８２に貼付され、接地電極１９０は、圧電フィルム１７５の第２の側１８３に貼付される。圧電フィルム１７５が支持構造１６０の周囲に巻き付けられる場合には、一般に、圧電フィルム１７５の第１の側１８２が支持構造１６０に面して対向し、これにより、接地電極１９０は検知用電極１８０のための電磁遮蔽を外側に形成する。接地電極１９０は、ほぼ圧電フィルム１７５の一方の端部１９２の方向に伸びている。この伸長した接地電極１９０は、検知用電極１８０のため付加的な電磁遮蔽を形成するとともに、またクリップ１７０の内側にある電気接点１７２に接地電極１９０を直接、接続することを可能にする。電気接続ストリップ１８５は、圧電フィルム１７５の第１の側１８２に貼付されている。電気接続ストリップ１８５は、検知用電極１８０から、圧電フィルム１７５の他方の端部１９３へとほぼ伸びている。このことは、検知用電極１９０を、突出部１６５上の電気接点１６７に直接、接続することを可能にする。なお、超音波トランシーバ内で圧電フィルム１７５を使用するために付加的な電極を追加する等といった、多くの他の電極構造も考えられることに留意されたい。
【００１６】
ここで、図１４を参照する。図１４は、図１２の支持構造で使用するための、各面に貼付される複合電極パターンの形態を示す圧電フィルムの概略平面図である。本発明の最も好ましい実施態様においては、図６で説明した複合電極パターンを、図１２の支持構造と共に使用できるよう適合させることができる。第１の電極９０及び第２の電極９５は、圧電フィルム１７５の第１の側１８２に貼付されている。第３の電極１００及び第４の電極は１０５、圧電フィルム１７５の第２の側１８３に貼付されている。電気接合ストリップ１１０、１１５は、第１の電極９０から、圧電フィルム１７５の穴Ｑを介して、第４の電極１０５へと伸びている。第１の電気接続ストリップ７５は第２の電極９５に接続されている。第２の電気接続ストリップ８０は第３の電極１００に接続されている。第１の電気接続ストリップ７５及び第２の電気接続ストリップ８０は、第２の電極９５及び第３の電極１００のそれぞれから、圧電フィルム１７５の端部１９２、１９３へと伸びている。電極及び電気接続ストリップの相対的な位置及び非重合性については、図６を参照して既に説明した。
再び図１２を参照する。本発明の最も好ましい実施態様においては、図１０及び図１１で説明した螺旋スプリング１５０を受信機１８の周囲に配置することによって、機械的保護及び付加的な電磁遮蔽を受信機１８に提供することができる。
【００１７】
ここで、図１５を参照する。図１５は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができるトランシーバとして使用するために各面に貼付される電極パターンの形態を示す圧電フィルムの半透明の平面図である。装置１８は、超音波受信機としてこれまで説明してきたが、同じ構造は、ここで説明がなされるように、トランシーバシステムでの使用、すなわち、信号を送受信するために非常に適している。第１の電極６５の貼付に加えて、第１の電気接続ストリップ７５と、第２の電極７０と、第２の電気接続ストリップ８０（以上の全ては図５に関連して説明した）と、付加的な電極１９５とが、円筒形要素２０の内部表面２５に貼付される。付加的な電極１９５は、タブ８５に伸びている電気接続ストリップ２００に接続されている。第２の電極７０は、円筒形要素２０のより大きい領域を覆うように広げられている。付加的な電極１９５の貼付は、第１の電極６５と接触せず且つ第２の電極７０と実質的に対向する関係になるパターンで行なわれる。送信機として使用しない場合には、付加的な電磁遮蔽を形成するために、付加的な電極１９５を接地することができる。送信機として使用する場合には、従来の円筒形の超音波送信機の動作と同様に、付加的な電極１９５及び必要に応じて第１の電極６５ともに、及び第２の電極７０との間に駆動電圧を印加して、超音波信号を生成することができる。
【００１８】
ここで、図１６を参照する。図１６は、装置１８を使用するトランシーバアセンブリの主要なコンポーネントを例示するブロック図である。上記のように、超音波信号の受信中においては、遮蔽する目的で、第２の電極７０及び付加的な電極１９５の両方を接地することが有利である。この有利を維持するため、送信が必要な場合には、切換えシステム２２５を使用して、送信機回路に対する第２の電極７０又は付加的な電極１９５の接続を選択的に切換えてもよい。そのため、装置１８を使用するトランシーバアセンブリの表示が示されている。トランシーバアセンブリは、一般には増幅器２１５を介して、第１の電極６５に電気的に接続される受信機回路２１０を有する制御モジュール２０５をさらに含む。また、制御モジュール２０５は、送信機回路２２０と切換えシステム２２５とを含む。切換えシステム２２５は、起動用電極としての機能を果たす第２の電極７０又は付加的な電極１９５のいずれかに関連付けられ、それを送信機回路とアースとに対して交互に接続する。この場合、送信時には電極を送信機回路に接続し、受信中には電極をアースに接続する。アセンブリ全体は、一般にプロセッサ２３０の制御下で動作されるが、その詳細は、本発明に必須ではない。
動作中、アセンブリが受信のために使用されている場合、付加的な電極１９５及び第２の電極７０の両方がアースに接続され、これにより、利用可能な最大の電磁遮蔽を提供する。送信が必要とされる場合、所望の信号を生成するため、第２の電極７０又は付加的な電極１９５のいずれかに対し駆動電圧が印加される。
この時点で、本発明の原理の範囲内で、数多くの変更及び改良を加えることができるという点に留意されたい。一例を挙げると、受信機１８が、円筒形要素２０のまわりに間隔をあけて１個より多い検知用電極を使用できることに留意されたい。このことは、数多くの理由で有用である。第１に、検出された信号を別々に分析し、信号間の位相差を識別することにより、単一の受信機での測定値から近似の方向情報を導出することが可能である。あるいは、円筒形要素２０のサイズに比べて波長が短い例においては、所望の周波数に対する受信機の固有の同調を達成するために、数個の共通接続された検知用電極の間隔を選択することが可能であるかもしれない。換言すると、この間隔が所定の周波数についての円筒形要素２０の周囲の同位相の間隔に対応する場合、各々の検知用電極からの信号は、同じ正負符号を有することになり、増大した振幅まで合算することになる。その他の数多くの周波数は、上記図２の状況下で説明したとおり、ある程度の相殺が発生することになる。
以上で言及したように、円筒形要素２０は、好ましくは動作周波数の超音波信号により誘発された圧電フィルム内で振動波のおよそ単一の波長のみを支持するような形で構成されている。より詳細には、円周の半分（πＤ／２、Ｄは円筒形要素の直径）は、好ましくは、フィルム内部の振動波の波長に等しい。このような理由で、円筒形要素２０の直径は、一般に、意図された動作周波数に反比例するように選択される。一例を挙げると、９０ｋＨｚの動作周波数では、一般に約５ｍｍの直径の円筒形要素が好ましい。
【００１９】
ここで、図１７を参照する。図１７は、一次的動作モードで動作している本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる可動要素２４０の位置を決定するためのシステムの動作の概略図である。なお、本発明のトランスデューサ１８のトランシーバ機能性が、可動要素２４０の位置を決定するためのシステムにおいて精度及び信頼性の増大を提供する本発明の別の態様による自己較正モードを実施するために特に有用であるという点に留意されたい。このシステムは、可動要素２４０と係合する可動超音波トランスデューサ２３５と、ベースユニット２５５に対する取り付けにより固定型の幾何学的関係で維持された少なくとも二つの超音波トランスデューサ２４５、２５０とを含む。ここで示されている例においては、システムの通常の測定モードは、固定型超音波トランスデューサ２４５、２５０によって受信される可動超音波トランスデューサ２３５からの少なくとも一つの測定信号を送信するステップを含む。可動要素２４０の位置は、このとき、超音波測定信号についての飛行時間型測定を用いて導出される。
ここで、図１８を参照する。図１８は、自己較正操作を実施している間の上記システムの動作の概略図である。まず始めに、超音波飛行時間型デジタイザシステムは、温度、圧力、又は湿度の変化の結果としてもたらされる空気を通しての音速の有意な変動に起因する精度の問題に直面するという点に留意されたい。このような変動を補償するために、本発明のこの態様では、自己較正機能が提供され、それにより、システムはまた較正モードで間欠的に動作される。このモードにおいて、トランスデューサ２４５が、その通常の受信機能から送信機能に切り換わり、トランスデューサ２５０により受信された較正信号を送り出す。トランスデューサ２４５、２５０間の距離は、ベースユニット２５５の構造によって画定される固定値であることから、システムが現在動作している環境内の音速の変動を表す較正情報を導出するために、較正信号の飛行時間型測定を使用することができる。この較正情報は、次に、可動要素２４０の位置導出を補正するために使用することができる。
【００２０】
ここで、図１９及び図２０を簡単に参照する。これらの図は、可動トランスデューサ２３５が固定トランスデューサ２４５及び２５０により送信された信号を受信するための受信機として機能しているシステムのための本発明のこの態様の一つの実施例を示している。この例では、較正モードは、トランスデューサ２４５により送信された較正信号を受信するための受信機としてトランスデューサ２５０を一時的に利用することによって実施される。その他のすべての点において、発明の原理は、上記のままである。
ここで、図２１を参照する。図２１は、音波ガイド２６０を利用して自己較正モードを実施している間のシステムの概略図である。まず始めに、物理的な障害物２６５が較正信号の経路を塞ぐことも可能であることに留意されたい。物理的な障害物２６５は、システム固有の構造又は外的な障害物に起因している場合もある。音波ガイド２６０は、固定トランスデューサ２４５、２５０間に配置される。音波ガイド２６０により、一方の固定トランスデューサ２４５によって送信された較正信号が、他方の固定トランスデューサ２５０によって受信されることを保証する。音波ガイド２６０は、物理的な障害物２６５によって、直線かあるいは湾曲のどちらか一方になることができる細長いチューブである。
【００２１】
ここで、図２２を参照する。図２２は、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる可動要素２７０上の点Ｐの位置を決定するためのシステムの動作の概略図である。まず始めに、超音波飛行時間型デジタイザシステムは、トランスデューサが通常決められた位置に正確に配置されないという事実に起因する精度の問題に直面する。例えば、電子ペンを含む超音波飛行時間型デジタイザシステムの場合、トランスデューサはペンのペン先よりも上側にある。一般的なケースのように、ペンが傾けられる場合には、ペン先及び超音波トランスデューサは、測定平面内で様々な水平位置をとるであろう。そのような変動を補償するため、本発明のこの態様では、傾き誤差を補正するためのシステムが推奨される。このシステムは、２つの超音波トランスデューサ２７５、２８０を可動要素２７０に取り付けることにより、２つの超音波トランスデューサ２７５、２８０と点Ｐとを共通の軸Ｗに沿った固定型の幾何学的関係で維持することを含んでいる。超音波トランスデューサの円筒の形状は、用途の広い信号送信を提供し、点状（又は、より正確には線状）源に類似した効果を提供することによって、飛行時間型計算の幾何学的処理を単純化する。したがって、超音波トランスデューサ２７５、２８０が共通の軸Ｗ上に中心に置かれる。傾き誤差をよりうまく補正できるように、超音波トランスデューサ２８０は、一般に、可能な限り点Ｐに近接して配置され、超音波トランスデューサ２７５は、一般に、可能な限り超音波トランスデューサ２８０から間隔をあけて配置されることに留意されたい。また、トランスデューサの１つに超音波信号の一時的な遮断から生じる問題を見越して、可動要素内で２つ以上のトランスデューサを使用することもできる。また、システムは、ベースユニット２９５に取り付けられることにより固定型の幾何学的関係で維持される他の２つの超音波トランスデューサ２８５、２９０を含む。ここで示されている例においては、システムの通常の測定モードは、超音波トランスデューサ２８５、２９０によって受信される超音波トランスデューサ２７５から第１の測定信号を送信することを含んでいる。第２の測定信号は、超音波トランスデューサ２８５、２９０によって受信される超音波トランスデューサが送信される。第１及び第２の測定信号は、連続して生じる。超音波トランスデューサ２７５と各超音波トランスデューサ２８５、２９０との間の距離は、第１の測定信号における飛行時間型測定から導出される。超音波トランスデューサ２８０と各超音波トランスデューサ２８５、２９０との間の距離は、第２の測定信号における飛行時間型測定から導出される。点Ｐの位置は、上記計算された距離に関する幾何学的計算から導出される。
また、システムは、固定超音波トランスデューサ２８５、２９０間で較正信号を送信することにより、較正モードで間欠的に動作する。この較正情報は、次に、点Ｐの位置の導出を補正するために使用される。
【００２２】
本発明は、特に図示して上述したものに限定されないことは当業者であれば理解できるであろう。むしろ、上述した様々な特徴の組み合わせ及びサブコンビネーションの両方と、上述の明細書を読む際に当業者が想像するであろう従来技術にはない上述した様々な特徴の変形及び変更とを本発明の範囲は含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】弛緩状態にある圧電フィルムで形成された自由に吊り下げられたシリンダの概略平面図である。
【図２】超音波信号を受けた時の図１のシリンダの概略図である。
【図３】本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる円筒形超音波受信機の等角図である。
【図４】図３で使用されるフィルムの概略平面図である。
【図５】図３の受信機で使用し、各面に貼付される電極パターンの形態を示す圧電フィルムの概略平面図である。
【図６】図３の受信機で使用し、各面に貼付される複合電極パターンの形態を示す圧電フィルムの概略平面図である。
【図７】図３の受信機のための支持構造の分解等角図である。
【図８】図７の支持構造で使用するための信号電気接点プレートを示す等角図である。
【図９】図３の受信機との電気接点を形成するための技術を例示する概略斜視図である。
【図１０】図３の受信機で使用するための保護用螺旋スプリングの概略等角図である。
【図１１】図１０の螺旋スプリングの断面の側面図である。
【図１２】本発明の最も好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる円筒形超音波トランシーバのための支持構造の分解等角図である。
【図１３】図１２のトランシーバで使用し各面に貼付される電極パターンの形態を示す圧電フィルムの概略平面図である。
【図１４】図１２の受信機で使用し各面に貼付される複合電極パターンの形態を示す圧電フィルムの概略平面図である。
【図１５】図３の受信機でトランシーバとして使用し各面に貼付される電極パターンの形態を示す圧電フィルムの概略平面図である。
【図１６】図１５のトランシーバを含むトランシーバアセンブリの主要なコンポーネントを例示するブロック図である。
【図１７】一次的動作モードで動作している、本発明の好ましい実施態様にしたがって構成され動作することができる可動要素の位置を決定するためのシステムの動作の概略図である。
【図１８】自己較正動作を実施している間の図１７のシステムの動作の概略図である。
【図１９】一次的動作モードで動作している、本発明のもう一つの実施態様にしたがって構成され動作することができる可動要素の位置を決定するためのシステムの動作の概略図である。
【図２０】自己較正動作を実施している間の図１９のシステムの動作の概略図である。
【図２１】音波ガイドを利用して自己較正モードを実施している間の図１７のシステムの概略図である。
【図２２】本発明のもう一つの実施態様にしたがって構築され動作することができる可動要素のある点の位置を測定するためのシステムの動作の概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  シリンダ、１５  入射圧力波（入力超音波信号波面、信号）、１８  円筒形超音波受信機（トランスデューサ）、２０  円筒形要素、２５  外部表面（内部表面）、３０  内部表面（外部表面）、３２  上端部、３３  下端部、４０  中心軸、５０  コア要素、６０  キャップ、６５、９０  第１の電極、７０、９５  第２の電極、７５  第１の電気接続ストリップ、８０  第２の電気接続ストリップ、８５  タブ、１００  第３の電極、１０５  第４の電極、１１０、１１５  電気接合ストリップ、１１７、１６０  支持構造、１２０  直径の減少した部分、１４０  電気接点スプリング、１４５  ボルト、１５０  保護用螺旋スプリング、１５５  巻線、１６５  突出部、１６６  挟持面、１６７  電気接点、１７０  クリップ、１７２  電気接点、１７５  圧電フィルム、１８０  検知用電極、１８２  （圧電フィルムの）第１の側、１８３  （圧電フィルムの）第２の側、１８５、２００  電気接続ストリップ、１９０  接地電極、１９２  フィルムの端部（フィルムの一方の端部）、１９３  フィルムの端部（フィルムの他方の端部）、１９５  付加的な電極、２０５  制御モジュール、２１０  受信機回路、２１５  増幅器、２２０  送信機回路、２２５  切換えシステム、２３０  プロセッサ、２３５  可動超音波トランスデューサ（可動トランスデューサ）、２４０、２７０  可動要素、２４５、２５０  固定超音波トランスデューサ（固定トランスデューサ）、２５５、２９５  ベースユニット、２６０  音波ガイド、２６５  物理的な障害物、２７５、２８０  超音波トランスデューサ、２８５、２９０  固定超音波トランスデューサ、ｈ  高さ、ａ  角度、ｔ  厚さ、Ｓ  空間周期、Ｑ  穴、Ｗ  共通の軸、Ｐ  点。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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