(57)【要約】細長いハウジングと、該ハウジングのボア内に配置され、超音波が放射する端部の開口を貫通して伸び、スタイラスの位置を決定するために使用されるチップ（先端）を具えた筆記および描写器具と、ハウジング内に設置された少なくとも１つの超音波トランスデューサとを有するハンドヘルド型スタイラス。トランスデューサは、ホルダと該ホルダの少なくとも２つの間隔をおいて配置された円筒状の面の間に伸びる円筒状圧電フィルムと、とを有する円筒状圧電トランスデューサ、または振動板と該振動板の表面上に設置された圧電材料とを有する平板状トランスデューサである。
2005534230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をおいて配置された少なくとも２つの円筒状の面を有するホルダと、
前記ホルダにおける間隔をおいて配置された少なくとも２つの円筒状の面の間をまたいで伸びる円筒状の圧電フィルムと、
前記フィルムの外面上に配置された外側電極セグメントと、
前記フィルムの内面上に配置された内側電極セグメントと、
を具え、
前記トランスデューサは、前記両電極セグメントを介して前記フィルムに印加された励起電圧に応答して実質的に、その長手方向軸に沿って音響エネルギを放射するものである、
超音波トランスデューサ。
【請求項２】
さらに、前記フィルムの外面から離れて配置されたカバーを含み、前記カバーは前記フィルムの外側に沿って規定された伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するフランジを含むものである、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
さらに、放射音響エネルギを反対方向に再指向させるために端部に配置された反射器を含む、請求項２に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
さらに、放射音響エネルギを反対方向に再指向させるために端部に配置された反射器を含む、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記間隔をおいて配置された複数の円筒状の面の少なくとも２対の円筒状の面は、間隔をおいて配置された複数の円筒状の面を含み、
前記フィルムは、前記ホルダにおける間隔をおいて配置された複数の円筒状の面の間をまたいで伸びており、
前記外側電極セグメントは複数の外側電極セグメントを含み、
前記内側電極セグメントは複数の内側電極セグメントを含むものである、
請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
さらに、前記フィルムの外面から離れて配置されたカバーを含み、前記カバーは前記フィルムの外側に沿って規定された伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するフランジを具える、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
さらに、放射音響エネルギを反対方向に再指向させるために端部に配置された反射器を具える、請求項６に記載のトランスデューサ。
【請求項８】
さらに、放射音響エネルギを反対方向に再指向させるために端部に配置された反射器を含む、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項９】
内側ボアを規定し、端部に前記内側ボアと連通する開口を有する細長いハウジングと、
前記ハウジングの前記ボア内に配置され、前記ハウジングの端部の開口を貫通して伸びるチップを具えた筆記および描画器具と、
前記ボア内に配置されたトランスデューサと、
を含むスタイラスであって、
前記トランスデューサは、
間隔をおいて配置された少なくとも２つの円筒状の面を有するホルダと、
前記ホルダにおける間隔をおいて配置された少なくとも２つの円筒状の面の間をまたいで伸びる円筒状圧電フィルムと、
前記フィルムの外面上に配置された外側電極セグメントと、
前記フィルムの内面上に配置された内側電極セグメントと、
を含むものであり、
前記トランスデューサは、前記両電極セグメントを介して前記フィルムに印加される励起電圧に応答して前記スタイラスの実質的に長手方向軸に沿って音響エネルギを放射し、放射音響エネルギは前記開口の端部に向かって前記ボアに沿って伝播して前記開口から出て行くものである、
スタイラス。
【請求項１０】
さらに、前記開口の外側に配置された円錐形の反射器を含み、
前記器具の前記チップは前記円錐形反射器を貫通して伸びており、
前記円錐形反射器は放射音響エネルギに応答して前記スタイラスの長手方向軸に対して実質的に垂直の角度で放射音響エネルギを再指向させるものである、
請求項９に記載のスタイラス。
【請求項１１】
さらに、前記フィルムの外面から離れて配置されたカバーを含み、
前記カバーは前記フィルムの外側に沿って規定された伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するフランジを含むものである、
請求項９に記載のスタイラス。
【請求項１２】
さらに、放射音響エネルギを前記ハウジングの前記開口に向けて再指向させるために前記トランスデューサの端部に配置された反射器を含む、請求項１１に記載のスタイラス。
【請求項１３】
さらに、放射音響エネルギを前記ハウジングの前記開口に向けて再指向させるために前記トランスデューサの端部に配置された反射器を具える、請求項１０に記載のスタイラス。
【請求項１４】
さらに、放射音響エネルギを前記ハウジングの前記開口に向けて再指向させるために前記トランスデューサの端部に配置された反射器を具える、請求項９に記載のスタイラス。
【請求項１５】
間隔をおいて配置された前記少なくとも２つの円筒状の面は、間隔をおいて配置された複数の円筒状の面を含み、
前記フィルムは、前記ホルダにおける間隔をおいて配置された前記複数の円筒状の面の少なくとも２対の円筒状の面の間をまたいで伸びており、
前記外側電極セグメントは複数の外側電極セグメントを含み、
前記内側電極セグメントは複数の内側電極セグメントを含むものである、
請求項９に記載のスタイラス。
【請求項１６】
さらに、前記開口の外側に配置された円錐形の反射器を具え、
前記器具の前記チップは前記円錐形反射器を貫通して伸びており、
前記円錐形反射器は、放射音響エネルギに応答して、前記スタイラスの長手方向軸に対して実質的に垂直の角度で放射音響エネルギを再指向させるものである、
請求項１５に記載のスタイラス。
【請求項１７】
さらに、前記フィルムの外面から離れて配置されたカバーを具え、
前記カバーは前記フィルムの外側に沿って規定された伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するフランジを含むものである、
請求項１５に記載のスタイラス。
【請求項１８】
さらに、放射音響エネルギを前記ハウジングの前記開口に向けて再指向させるために前記トランスデューサの端部に配置された反射器を含む、請求項１７に記載のスタイラス。
【請求項１９】
さらに、放射音響エネルギを前記ハウジングの前記開口に向けて再指向させるために前記トランスデューサの端部に配置された反射器を具える、請求項１６に記載のスタイラス。
【請求項２０】
さらに、放射音響エネルギを前記ハウジングの前記開口に向けて再指向させるために前記トランスデューサの端部に配置された反射器を具える、請求項１５に記載のスタイラス。
【請求項２１】
励起電圧は伝播媒体中の波長を有する周波数を有し、各電極セグメント幅は前記波長の約２分の１である、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項２２】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加する駆動回路を具える、請求項２１に記載のトランスデューサ。
【請求項２３】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加するための駆動回路を具える、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項２４】
励起電圧は伝播媒体中の波長を有する周波数を有し、波長の約２分の１は各電極セグメント幅よりも大である、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項２５】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加する駆動回路を具える、請求項２４に記載のトランスデューサ。
【請求項２６】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加する駆動回路を具える、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項２７】
励起電圧は伝播媒体中の波長を有する周波数を有し、波長の約２分の１は各電極セグメント幅よりも大である、請求項９に記載のスタイラス。
【請求項２８】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加するための駆動回路を具える、請求項２７に記載のスタイラス。
【請求項２９】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加するための駆動回路を具える、請求項９に記載のスタイラス・
【請求項３０】
励起電圧は伝播媒体中の波長を有する周波数を有し、波長の約２分の１は各電極セグメント幅よりも大である、請求項１５に記載のスタイラス。
【請求項３１】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加するための駆動回路を具える、請求項３０に記載のスタイラス・
【請求項３２】
さらに、前記トランスデューサの電極セグメントに励起電圧を順次に印加するための駆動回路を具える、請求項１５に記載のスタイラス。
【請求項３３】
前記ホルダは、前記ボア内に配置された前記器具の一部分によって規定されているものである、請求項９に記載のスタイラス。
【請求項３４】
前記ホルダは、前記ボア内に配置された前記器具の一部分によって規定されているものである、請求項１０に記載のスタイラス。
【請求項３５】
前記ホルダは、前記ボア内に配置された前記器具の一部分によって規定されているものである、請求項１３に記載のスタイラス。
【請求項３６】
前記ホルダは、前記ボア内に配置された前記器具の一部分によって規定されているものである、請求項１４に記載のスタイラス。
【請求項３７】
内部と、その一端の開口と、前記内部と開口の間に伸びる少なくとも１つのボアとを有する細長いハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、前記ハウジングの端部の開口を貫通して伸びるチップを有する筆記および描画器具と、
前記ハウジングの内部に配置された少なくとも１つのトランスデューサと、
を具えるスタイラスであって、
前記トランスデューサは、
平坦な振動板と、
前記振動板の表面上に配置された圧電層と、
前記圧電層の外面上に配置された外側電極セグメントと、
前記圧電層の内面上に配置された内側電極セグメントと、
を含むものであり、
前記トランスデューサは、前記両電極セグメントを介して前記圧電層に印加される励起電圧に応答して前記ハウジングの長手方向軸に実質的に沿って音響エネルギを放射し、前記放射音響エネルギは前記開口の端部に向かって前記少なくとも１つのボアに沿って伝播して前記開口から出て行くものである、
スタイラス。
【請求項３８】
少なくとも１つのトランスデューサは、前記ハウジングの内部で、前記ハウジングの長手方向軸に対して実質的に垂直の位置に配置されているものである、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項３９】
少なくとも１つのトランスデューサは、前記ハウジングの内部で、前記ハウジングの長手方向軸と実質的に平行な位置に配置されているものである、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項４０】
前記器具が少なくとも１つのボアの少なくとも一部分を貫通して伸びている、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項４１】
少なくとも１つのボアは、その長さに沿って実質的に一定に維持された直径を有するものである、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項４２】
少なくとも１つのボアは、開口から内部に向かって次第に増大する直径を有するものである、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項４３】
少なくとも１つのトランスデューサは、少なくとも１対の対向するトランスデューサを含むものである、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項４４】
少なくとも１対の対向するトランスデューサは、それぞれ、前記ハウジングの内部で、前記ハウジングの長手方向軸と実質的に平行な位置に配置されているものである、請求項４３に記載のスタイラス。
【請求項４５】
少なくとも１つのトランスデューサは、多数の対をなす対向するトランスデューサを含むものである、請求項３７に記載のスタイラス。
【請求項４６】
多数の対からなる対向するトランスデューサは、それぞれ、前記ハウジングの内部で、前記ハウジングの長手方向軸と実質的に平行な位置に配置されているものである、請求項４５に記載のスタイラス。
【請求項４７】
少なくとも１つのボアは２つのボアを含むものである、請求項３９に記載のスタイラス。
【請求項４８】
２つのボアは異なるパス長を有するものである、請求項４７に記載のスタイラス。
【請求項４９】
少なくとも１つのボアは３つのボアを含むものである、請求項４３に記載のスタイラス。
【請求項５０】
前記ボアの中の少なくとも１つのボアは他の２つのボアと異なるパス長を有するものである、請求項４９に記載のスタイラス。
【請求項５１】
少なくとも１つのトランスデューサは、１列に並んだ形で配列された複数のトランスデューサを含むものである、請求項３９に記載のスタイラス。
【請求項５２】
少なくとも１つのトランスデューサは、１列に並んだ形で配列された複数のトランスデューサを含むものである、請求項４７に記載のスタイラス。
【請求項５３】
少なくとも１つのトランスデューサは、さらに、前記層の外面上に配置された少なくとも第２の外側電極セグメントを含み、前記内側電極セグメントは共通接地として形成されているものである、請求項３９に記載のスタイラス。
【請求項５４】
少なくとも１つのトランスデューサは、中心に配置された開孔を含むものである、請求項３８に記載のスタイラス。
【請求項５５】
さらに、少なくとも１つのトランスデューサの前面と対向して配置された阻止用素子を具える、請求項５４に記載のスタイラス。
【請求項５６】
さらに、少なくとも１つのトランスデューサの前面と対向して配置された阻止用素子を具える、請求項３８に記載のスタイラス。
【請求項５７】
少なくとも１つのトランスデューサの振動板と接触せず、前記少なくとも１つのトランスデューサが音響エネルギを放射しない第１の位置と、表面と接触している間に前記器具のチップに力が加えられたときに前記器具が少なくとも１つのトランスデューサの振動板と接触し、前記少なくとも１つのトランスデューサが音響エネルギを放射する第２の位置との間で、前記器具が長手方向に移動可能である、請求項３８に記載のスタイラス。
【請求項５８】
前記トランスデューサの前記外側電極セグメントは交流駆動電源の正端子と接地端子のうちの一方に共通に接続されており、前記トランスデューサの前記内側電極セグメントは前記交流駆動電源の正端子と接地端子のうちの他方に共通に接続されているものである、請求項５１に記載のスタイラス。
【請求項５９】
１列に並んだ形で配列されたトランスデューサは、交番する極性を有するものである、請求項５８に記載のスタイラス。
【請求項６０】
前記トランスデューサの前記外側電極セグメントの交互のセグメントが交流駆動電源の正端子と接地端子のうちの一方に共通に接続されており、前記トランスデューサの前記内側電極セグメントの交互のセグメントが交流駆動電源の正端子と接地端子のうちの他方に共通に接続されおり、前記トランスデューサの前記外側電極セグメントの交互の残りのセグメントが交流駆動電源の正端子と接地端子のうちの他方に共通に接続されており、前記トランスデューサの前記内側電極セグメントの交互の残りのセグメントが交流駆動電源の正端子と接地端子のうちの一方に共通に接続されているものである、請求項５１に記載のスタイラス。
【請求項６１】
１列に並んだ形で配列されたトランスデューサは、同じ極性を有するものである、請求項６０に記載のスタイラス。
【請求項６２】
前記トランスデューサの各々は、前記トランスデューサの所定のものから前記トランスデューサの次に隣接するものへの音響信号出力の伝播時間に相当する駆動電圧の時間遅延を有する駆動手段によって駆動されるものである、請求項５１に記載のスタイラス。
【請求項６３】
前記ホルダは、前記フィルムの内部で規定される伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するものである、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項６４】
前記ホルダは、前記フィルムの内部で規定される伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するものである、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項６５】
前記ホルダは、前記フィルムの内部で規定される伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するものである、請求項９に記載のトランスデューサ。
【請求項６６】
前記ホルダは、前記フィルムの内部で規定される伝播パスに沿う放射音響エネルギの伝播を制限するものである、請求項９に記載のトランスデューサ。
【請求項６７】
少なくとも１つのトランスデューサは１列に並んだ形で配列された複数の圧電層のセグメントを含むものである、請求項３９に記載のスタイラス。
【請求項６８】
前記電極セグメントは波長の２分の１の中心間距離を有し、前記電極セグメントは、１つおきの電極セグメントが同相で駆動され、すべての隣接する電極セグメントが反対位相で駆動されるように駆動されるものである、請求項５に記載のトランスデューサ。
【請求項６９】
前記電極セグメントは、波長の２分の１の中心間距離を有し、隣接する電極セグメントが反対位相で駆動されるものである、請求項６７に記載のスタイラス。
【請求項７０】
励起電圧は伝播媒体中の波長を有する周波数を有し、各電極セグメントの幅は波長の２分の１よりも約１０〜２０％大である、請求項１に記載のトランスデューサ。
【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、特にハンドヘルド型スタイラス機器（handheld stylus device）における送信機および／または受信機として使用される超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
本発明は、２００２年７月２２日付けの米国特許仮出願第６０／３９７５７９号、および２００３年３月１０日付けの米国特許仮出願第６０／４５３３２２号の３５ＵＳＣ１１９（ｅ）に基づく利益を主張するものであり、ここで、その仮出願の全体を引用して組み込む。
【背景技術】
【０００３】
（例えば移動可能なペンのような）移動可能なスタイラス（針）上に取り付けられまたは配置された超音波トランスデューサと、遠隔位置に配置された他のトランスデューサ（例えば、そのスタイラスから離れた位置に固定されたトランスデューサ）との間の通信により、ペンの位置を決定することができ、また最終的にはスタイラスの移動に関連する情報を再生することができる。スタイラスの位置に関連するディジタル情報は、例えば製図、地図、挿絵イラスト、並びに電子メール、ファクシミリ送信、文書作成、文書およびファイル作成（ワードプロセッサとの組合せによる）ファイル作成再現（creation reproduction）、またはコンピュータ・ゲーム用の入力装置にも使用される。
【０００４】
円筒状の表面に巻き付けられた圧電フィルム（例えばＰＶＤＦフィルム）は超音波トランスデューサとして構成し得ることは知られている。２００１年５月２９日付けで“全方向性超音波トランスデューサ装置（omni-directional Ultrasound Transducer Apparatus）”という名称の米国特許第6,239,535号のトランスデューサが制御周波数応答性を有し送信機として動作する場合は、音響波は印加された電圧によって励起されて、放射状に（半径方向に）放射される。受信機の場合は、超音波装置に入射する放射波は受信されて電圧信号に変換される。このようなトランスデューサの動作の基本原理は、分子鎖方向（molecular chain direction）（即ち、縦方向（machine direction、機械の流れの方向）のフィルム長が印加電圧によって変化する（または作用する力による長さの変化が電圧を誘導する）ことである。縦方向のフィルムは円筒状を形成するように湾曲しており、印加電圧によって半径が変化して、音響波を励起するようになる。受信機の場合は、入射音響圧力が半径およびアーチ形（弓状）方向の長さの変化を誘導し、電圧信号を発生させる。このような装置は、戸田、他に付与され共同譲渡された米国特許第6,239,535号明細書に開示されている。ここで、この文献を引用して本明細書に組み込む。送信機の場合は、フィルム電極に供給される交流（ＡＣ）信号が対応する音響波をトランスデューサから放射させる。
【特許文献１】米国特許第6,239,535号
【発明の開示】
【０００５】
上述の装置の主音響ビームの方向は、圧電フィルムが巻き付けられた円筒（シリンダ）の軸に対して垂直の方向である。超音波ペンまたはスタイラス(針)の場合は、円筒状超音波トランスデューサは例えば可動ペンのような可動スタイラス上に取り付けまたは配置されており、他の遠隔位置に配置されたトランスデューサ（例えば、そのスタイラスから離れた位置に固定されたトランスデューサ）は、そのスタイラスが移動するとともにそれに設置されたトランスデューサから放射される信号を受信し、（例えば、三角測量によって）ペンの位置を決定し、最終的にはスタイラスの動きに関連する情報を再生することができる。その円筒の高さは８０ＫＨｚの設計では典型的には３〜５ミリメートル（ｍｍ）、４０ＫＨｚの設計ではその倍なので、円筒状フィルムの位置は、ペンのチップ（先端、tip）よりも僅かに高くすべきである。超音波は円筒の中心から放射され、放射の中心はペンのチップ（先端）より数ミリメートル上に位置している。システム（装置）はトランスデューサの絶対位置を検出するように設計されているので、ペンのチップ（先端）の位置が筆記面（writing surface）上の点に固定されているときにペンの角度が変化すると、円筒状トランスデューサの有効位置が移動し、偽情報が送信される。従って、筆記中またはペンの使用中は、システムが最高の精度で設計通りに動作するように、使用者は正確で一定の角度でペンを保持しなければならない。さらに、このようなトランスデューサは、典型的にはペンの外部に取り付けられており、このことは、スタイラスを保持しなければならない使用者（ユーザ）と信号検出／送信回路の双方に別な問題を発生させていた。スタイラスの外面（外側表面）の周囲にリング状の形で構体が配置され、スタイラスのチップ（先端）の位置またはその実質的近傍にその構体を配置すると、スタイラスを充分につかみ、または保持する使用者の能力が妨害または干渉される。さらに、このような位置は、情報が書かれているときに使用者がその情報を見るのを妨げるように作用する。従って、音響信号を送信するためにスタイラス内に組み込み可能な改良されたトランスデューサ機器を提供する必要がある。
【０００６】
添付の図面は、本発明の概念を説明することのみを目的としたものであり、本発明を図面のレベルに限定することを意図したものではないと理解すべきである。全図面を通じて同じ参照番号、ときにはそれに適当な参照記号（文字）を補足した参照番号は、対応する同じ部品（パーツ）を指定（画定）するために使用されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本願発明の側面（特徴）は、軸方向の音響伝送特性を有する円筒状超音波トランスデューサ構成を含むことである。本発明の円筒状超音波トランスデューサ構成は、特に超音波送信機として使用することを意図したものである。しかし、本発明の円筒状超音波トランスデューサ構成を受信機としても使用できることはこの分野の専門家には明らかである。
【０００８】
次に図１Ａ〜図１Ｅを参照する。先ず、図１Ｅを参照すると、本発明による多セグメント（multi-segment）の円筒状超音波トランスデューサ（ＭＳＣＵＴ）構成１００の一実施形態が示されている。ＭＳＣＵＴ構成１００は、全体的に、開放した第１の端部１５１と閉じた第２の端部１５２を有する円筒状カバー１５０内に配置された多セグメントの円筒状トランスデューサ１１０を含んでいる。トランスデューサ１１０は、多数の円筒状セクション（部分）１２１（図１Ａ）と、トランスデューサ１１０の軸方向に強い音響波１７０を発生させるために、ホルダ１２０の周囲に配置された円筒状の圧電（piezoelectric）トランスデューサ・フィルム１３０とを具えた概して中空のマンドレル（mandrel）またはホルダ１２０によって形成されている。円筒状の圧電トランスデューサ・フィルム１３０は、限定されることなく、ポリ弗化ビニリデン（polyvinylidene fluoride、ＰＶＤＦ）を含む圧電材料で作られてもよく、約２０〜３０μの厚さをもっていてもよい。ＰＶＤＦをベースとするフィルム１３０は、一軸延伸され（uniaxially stretched）その処理期間において棒で支えられ（poled）、その分子鎖が整列される。フィルム１３０は円筒状に形成され、その延伸方向は湾曲した方向または方位角の方向（azimuthal direction、傾斜角方向）に沿っている。
【０００９】
図１Ａ〜図１Ｅに全体で示すように、圧電フィルム１３０は、トランスデューサ・フィルム１３０の外側電極１３１および内側電極１３２上に配置された複数の電極セグメント１６１によって規定（画定）されたセグメント化された電極１６０を含んでいる。外側および内側のセグメント電極１６０の電極セグメント１６１は、ホルダ１２０の対応するセクション（部分）１２１をカバーするように、好ましくは均一な寸法に定められており、かつ互いに隔離（隔てられて）されて配置されている。
【００１０】
図１Ｃに示すように、各１対の電極セグメント１６１の中心と中心の間の距離ｄは空気中の音響波の波長の約２分の１であり、また、励起電圧Ｖの位相が１つのセグメント１６１から他のセグメントの間で交番するように、トランスデューサ・フィルム１３０の外面（外側表面）および内面（内側表面）１３１、１３２上のセグメント１６１に励起電圧Ｖが印加される。電極セグメント１６１の手段によって圧電トランスデューサ・フィルム１３０に印加される電圧Ｖが、音響波をトランスデューサ１１０の外面と内面に沿って伝播させる。図１Ｅに示すように、カバー１５０はその開放端１５１で内側に向かうフランジ１５３を含み、こらがトランスデューサ１１０の外面に沿って伝播する音響波の伝播パスを遮断し、従ってその伝播を禁止する。このようにして、トランスデューサ１１０の内面に沿って伝播する音響波１７０のみがＭＳＣＵＴ構成１００から放射される。
【００１１】
図２Ａ〜図２Ｄは、全体で、参照番号１００’によって表された本発明によるＭＳＣＵＴ構成の別の実施形態を示す。この実施形態では、ＭＳＣＵＴ構成１００’の多セグメントの円筒状トランスデューサ１１０’は中実(ソリッド、solid)のホルダ１２０’を有し、該ホルダ１２０’はトランスデューサ１１０’の内面に沿って伝播する音響波が阻止（ブロック）される（即ち使用されない）ように構成されている。さらに、ＭＳＣＵＴ構成１００’のカバー１５０’は開放端１５１’を有し、開放端１５１’は、音響波１７０’がトランスデューサ１１０’の外面に沿って伝播してＭＳＣＵＴ構成１００’から放射されることを可能にするよう構成されている。
【００１２】
図１Ａ〜図１Ｅおよび図２Ａ〜図２Ｄに示すＭＳＣＵＴ構成１００、１００’は受信機としても使用できる、と理解すべきである。この場合、軸方向の入射音響波はセグメント電極１６０上に電圧を誘導する。多数の電極セグメント１６１が並列に接続されているので、それによって発生される電圧は実質的に同じで並列に接続され、出力電流は、電極セグメント１６１の数Ｎが増加するにしたがって、増大する。
【００１３】
図３は、本発明のＭＳＣＵＴ構成１１０を使用したハンドヘルド型スタイラス２００の実施形態を示している。スタイラス２００はハウジング２１０を含み、このハウジング２００は筆記および描画チップ（先端）２４２を具えた筆記および描画器具（implement）２３０を受け入れる（収容する）開口２２０ａを有する内部ボア（内腔、中空、空洞、bore）２２０を規定（画定）している。前述のＭＳＣＵＴ構成１００はハウジング２１０の内部ボア２２０内に取り付けられており且つスタイラスの長手方向軸Ｚに沿って方向付けられており（配向し）、音響信号１７０をこの軸Ｚに沿って発生させる。カバー１５０の閉じた第２の端部（図３には示されていない）は、開口２２０ａの方向と逆方向に伝播するいかなる音響信号をも阻止（ブロック）するために利用される。
【００１４】
前述のように、超音波ペンまたはスタイラスのアプリケーション（適用例）では、スタイラスを励起する音響波ビームまたは信号の方向はスタイラスの軸に対して概して垂直でなければならない。スタイラスの位置は、スタイラスから少なくとも２つの固定受信機までの音響波ビームまたは信号の移動時間によって計算される。放射音響波の方向を機器の軸に対して直角（法線方向）に変換するために、反射器２４０を描画器具２３０のネック２３２に設けてもよく、開口２２０ａから出て行く音響波ビームまたは信号を器具２３０の描画チップ（先端）２４２に対して実質的に直交する方向に再指向させる。好ましい実施形態では、反射器は円錐形であればよい。反射器２４０の外径はＭＳＣＵＴの直径よりも小であることに留意されたい。開口２２０ａから描画チップ２４２までの距離ｘは、描画チップの位置が実質的に開口２２０ａの位置にあるように充分に短く（例えば、１ｍｍ）なるように寸法が定められており、それによって筆記面に対するスタイラス２００の角度に関する傾斜誤差を最小にすることができる。円錐状反射器２４０は充分に小さい直径（例えば２ｍｍ〜３ｍｍ）の単一の開口２２０ａに対して有効に作用せず、このような小さな開口２２０ａから出力する放射音響信号は約９０度の角度に充分に発散し、筆記面の近く（例えば５ｍｍ〜１０ｍｍ）に位置する受信機による検出が可能になることに留意されたい。反射器２４０の寸法が波長の２分の１にほぼ等しいか（匹敵する）それより小さいときは、反射波は広がり、反射角は反射の方向には不感になる（insensitive、依存しなくなる）。従って、さらに説明するように反射器は不要になる。小さな対象物からのこのような波の発散は回折としてよく知られている。
【００１５】
軸方向の音響波は、限定されることなく、送信機と受信機の間を阻止（ブロック）することによる対象物の存在の検出、距離の測定、またはペンの位置決め（即ち、２つの超音波送信機が固定位置にあり、受信機のトランスデューサが移動可能なスタイラス上に設置されている）を含む他のアプリケーション（適用例）用に使用することができる。ビームの発散は開口の形状によって制御される。
【００１６】
図４は、音響トランスデューサ２５０の出力端２５１から出て行く発散音響ビームＢを概略的に示す図である。トランスデューサ２５０の出力端２５１における長方形の開口２５２から、Ｙ方向よりもＸ方向でより大きなビーム発散Δθｖがあることが明示されている。その理由は、ビームの発散が垂直方向で小さくなるように開口２５２の垂直寸法が相対的に大きく、一方、ビームの発散Δθｖが水平方向で大きくなるように開口２５２の水平寸法が相対的に小さいからである。小さな直径をもった円形の出口領域、または中心にペンのチップ（先端）を具えたリング形状の出口領域のいずれの場合も、出口領域の寸法が小さいことによって大きな発散をもった円形のビーム形状が形成される。
【００１７】
図５Ａは、図１Ａに示したマンドレルまたはホルダ１２０の拡大図である。この図から明らかなように、ホルダ１２０は、軸方向に分離した複数の対向する切り取り部（cut-out）１２２を有する円筒状部材を含んでいる。その軸方向に分離した対向する切り取り部１２２は、ホルダ１２０の均一な寸法の円筒状セクション１２１と、この円筒状セクション１２１を互いに軸方向に接続する平行な接続部材１２３とを規定している。円筒状セクション１２１と接続部材１２３は、圧電フィルム１３０（図１Ｂ）に適合する（fit）円筒状の外面を規定している。ホルダ１２０は、限定されることなく、プラスチックまたは金属を含む概して硬質の材料で形成してもよい。
【００１８】
図５Ｂは、円筒（シリンダ）状に形成される前の圧電トランスデューサ・フィルム１３０の拡大図である。前述のセグメント電極パターン１６０が、圧電トランスデューサ・フィルム１３０を円筒に形成する前の当該圧電トランスデューサ・フィルム１３０の外面１３１および内面１３２上に形成されている。
【００１９】
図５Ｃは、ホルダ１２０の周囲に円筒状に巻き付けられた圧電トランスデューサ・フィルム１３０を示すトランスデューサ１１０の拡大図である。一旦巻きつけられると、圧電トランスデューサ・フィルム１３０の両端部は、限定されることなく、接着剤を含む任意の適当な手段を用いて互いに固定（固着）され、また好ましくは両端部を互いに超音波溶接することによって固定（固着）される。各電極セグメント１６１の周期性は約２分の１波長に選定されることに留意されたい。
【００２０】
図５Ｂおよび図５Ｃを参照すると、各電極セグメント１６１に印加される励起電圧Ｖの位相が１つのセグメントから次のセグメントへと交番するような形態で、励起電圧Ｖが電極セグメント１６１に印加される。これによって、トランスデューサ１１０は図６に示すような互いに反対位相の振動を生じさせる。トランスデューサ・フィルム１３０の振動によってトランスデューサ１１０中に、該トランスデューサ１１０の長手（縦）方向に沿って変化する圧力の変化を生じさせる。周波数ＶS／２ｆ（ここで、ＶSは励起電圧であり、ｆはその周波数である）をもった選択された励起電圧がλ／２の周期性（即ち、２分の１波長）に等しいときは、トランスデューサ１１０によって音響波が発生される。音響波は、図７の断面図に示すように、トランスデューサ１１０の長手方向軸に沿って両方向に伝播する。
【００２１】
さらに図７を参照すると、トランスデューサ１１０の一端に反射器１２５が設けてもよい。図示のように、トランスデューサ１１０は、矢印ＡおよびＢによって示すように長手方向を互いに反対方向に伝播する第１および第２の音響波を発生する。矢印Ａの方向に伝播する第１の音響波はトランスデューサ１１０の開口１１５から出て行き、矢印Ｂの方向に伝播する第２の音響波は反射器１２５によって反射される（トランスデューサ１１０を矢印Ａの方向に戻る）。反射器１２５の反射面１２５ａが最後の電極セグメント１６１Lの中心から周期ｎλ／２（ここでｎは任意の整数）に等しい距離だけ離れるように反射器１２５を配置すべきであり、これによって反射されて矢印Ａの方向に伝播する第２の音響波は、矢印Ａの方向に伝播する第１の音響波と同相で重畳される。トランスデューサ１１０の内径は波長の２分の１より小さくなるよう選択されており、音響波は角度に殆ど依存することなく空間に発散して行くことに留意されたい。トランスデューサ１１０の出力電力は周期性構体１６１によって増大することができるが、帯域幅はより狭くなる。帯域幅はおおよそ次の式で与えられる。
Δｆ＝ｆ0／（Ｎ／２）
ここで、ｆ0は中心周波数であり、Ｎは電極セグメント１６１の合計数である。同様に、トランスデューサ１１０の出力電力は電極セグメント１６１の数を減少させることによって低下させることができる。本発明の一実施形態では、トランスデューサ１１０は１つの電極セグメント１６１のみを含み、これはＮ＝１の場合である。
【００２２】
図８に示すように、トランスデューサ１１０は、Ｚ軸方向に向かって伝播する音響信号を発生する。従って、トランスデューサ１１０は、図９に示すように前述のカバー１５０によってカバーされている。
【００２３】
図１０Ａおよび１０Ｂは、全体で、参照番号５１０によって示された本発明の別の実施形態による、円筒状トランスデューサを使用したハンドヘルド型スタイラス４００の別の実施形態を示している。スタイラス４００は、描画器具４３０を受け入れる開口４２０ａを有する内部ボア４２０を規定するハウジング４１０を含んでいる。トランスデューサ５１０は、描画器具４３０のスプール形の部分５２０（破線で示されている）の周囲に配置された半径がＲ、長さがＬの円筒状の圧電ＰＶＤＦトランスデューサ・フィルム５３０を含み、スプール形の部分５２０はスタイラス４００のハウジング４１０内に配置されている。トランスデューサ・フィルム５３０の外面５３１および内面５３２は、それぞれ、各々リング状の電極層５６１を含んでいる。トランスデューサ・フィルム５３０の内面上の電極層５６１は接地または基準電位にあり、一方、トランスデューサ・フィルム５３０の外面上の電極層５６１には電圧Ｖが印加される。ハウジングのボア４２０の開口４２０ａは、トランスデューサ１１０によってスタイラス４００の軸方向に発生された音響波信号の伝播パスを与えている（形成している）。各電極層５６１のリングの幅ｗは２分の１波長に概ね等しいかまたはそれより小さい。電極層５６１が２分の１波長より大きき幅を有すると、互いに２分の１波長より大きく離れた点から生じる音響波は互いに相殺するように作用する。この場合、ＡおよびＢによって表される音響信号は図１０Ｂに示すように、２つの反対方向に（両方向に）放射される。
【００２４】
図１０Ｃは、反射器５２５と組み合わせた図１０Ａおよび図１０Ｂに示したスタイラス４００とトランスデューサ５１０を示している。反射器５２５はトランスデューサ５１０の端部に取り付けられており、音響信号Ｂを反射して音響信号Ａの方向に戻し、これによって両方の音響信号が有効に使用される。これによって、実質的に同じ出力信号強度を維持しつつ、電力消費を２分の１に減少させることができる。電極層５６１のリングの幅は、この実施形態では約４分の１波長またはそれより小さい。
【００２５】
図１０Ｄは、参照番号５１０’によって示された本発明の別の実施形態による、円筒状トランスデューサを使用したスタイラス４００’の別の実施形態を示している。スタイラス４００’はハウジング４１０’を含み、該ハウジング４１０’は開口４２０ａ’の面から僅かな距離Δｘだけ伸びた描画チップ（先端）４４２’を有する描画器具４３０’を受け入れる開口４２０ａ’を具えた内部ボア４２０’を規定している。トランスデューサ５１０’は、スタイラス４００’のハウジング４１０’内に配置されたスプール形状のマンドレルまたはホルダ４２０’の周囲に配置された円筒状の圧電ＰＶＤＦトランスデューサ・フィルム５３０’を含んでいる。ホルダ５２０’は、該ホルダ５２０’の長さを伸ばすオリフィス（orifice）５２６’を含み、該オリフィスはそれを貫通する描画器具４３０’に適応する寸法を有する。トランスデューサ・フィルム５３０’の外面５３１’および内面５３２’は、それぞれ、リング状電極層５６１’を含んでいる。
【００２６】
図１１Ａ〜１１Ｃは、全体で、参照番号７００によって示された本発明の別の実施形態による、トランスデューサ構体を使用したハンドヘルド型スタイラス６００の別の実施形態を示している。スタイラス６００は、描画器具６３０を受け入れる開口６２０ａを有する内部ボア６２０を規定するハウジング６１０を含んでいる。トランスデューサ構体７００は、同心状の内側トランスデューサ７１０と外側トランスデューサ７１０’とを含んでいる。内側トランスデューサ７１０は、描画器具６３０のスプール形状部分７２０（点線で示されている）の周囲に配置された半径Ｒ1の第１の円筒状の圧電ＰＶＤＦトランスデューサ・フィルム７３０を含み、スプール形状部分７２０はスタイラス６００のハウジング６１０内に配置されている。トランスデューサ７３０の外面７３１および内面７３２は、各々、リング状の電極層７６１を含んでいる。外側トランスデューサ７１０’は、ハウジング６１０の内面の部分７２０’（点線で示されている）上に配置された半径がＲ2の第２の円筒状の圧電ＰＶＤＦトランスデューサ・フィルム７３０’を含み、内面の部分７２０’はスタイラス６００のハウジング６１０内に配置されていて、環状の凹所７２１’を規定している。第２のトランスデューサ・フィルム７３０’の外面７３１’および内面７３２’は、各々、リング状の電極層７６１’を含んでいる。
【００２７】
両方のトランスデューサ・フィルム７３０、７３０’は電気的に並列に接続されているが、フィルム極性と電界向の間の関係は、一方のフィルムの変位の方向が他方のフィルムの変位の方向と反対になるように選択される。換言すれば、一方のフィルムが振動で縮小してその直径を減少させるとき、他方のフィルムは振動で伸びてその直径を増大させる。空隙（ギャップ）ｇは２つのトランスデューサ・フィルム７３０、７３０’間の空間を規定し、フィルム７３０、７３０’間の空気は軸方向に有効に駆動される。対応するフィルム７３０、７３０’上の電極層７６１、７６１’のリングの幅は約２分の１波長に等しいかまたはそれより小さい。
【００２８】
図１１Ｄは、スタイラス６００と図１１Ａ〜図１１Ｃの同心二重（concentric double）フィルム・トランスデューサ７００とを示し、該同心二重トランスデューサ７００は、その端部に取り付けられていて、音響波Ｂを音響波Ａの方向に反射して戻して両音響波が有効に使用されるようにする反射器７２５を有する。この構成によって、同心フィルム構成と反射波の同相加算の両方の利点(効果)が組み合わされる。電極層７６１のリングの幅は、この実施形態では約４分の１波長に等しいかまたはそれより小さいことに留意されたい。
【００２９】
図１２は、トランスデューサ・フィルムの表面からスタイラスのハウジングの内壁までの間隔の関数として音響出力信号の強度をプロットした図であり、図１３Ａは種々のフィルム−ハウジング間隔に対する周波数の関数として信号強度をプロットした図である。図１３Ｃは図１１Ｃに示すスタイラスおよびトランスデューサと同様のスタイラス８００およびトランスデューサ９１０を示し、これは図１２、図１３Ａおよび図１３Ｂのプロット作成に使用された。空気に対するより良好なインピーダンス整合は、図１４Ｂの理論上のプロットに示すようにより狭い間隔Ｓ（図１３Ｃ、１４Ｃ）に対して出力が増大することを表（説明）している。
【００３０】
本発明の他の側面（特徴）は、前に説明した円筒状超音波トランスデューサ構成を駆動するのに使用し得る駆動機構（駆動メカニズム）を含んでいる。図１４Ａは例えばＰＶＤＦ材料で作られた円筒状の圧電トランスデューサ・フィルム１０３０を示し、この圧電トランスデューサ・フィルム１０３０はその外面１０３１および内面１０３２の各々の上に設置されたリング状電極１０６１を有する。円筒状トランスデューサ・フィルム１０３０は、電気的励起に応答して軸方向に伝播する音響波を発生する。各電極１０６１のリングの幅ｗは２分の１波長に等しいかまたはそれより小さくなければならない。図１４Ｂに示すように、もしリングの幅ｗが２分の１波長より大きければ、軸方向の励起波は小さくなる。その理由は、その励起位相が伝播波と整合せず、それによって信号が部分的に相殺されるからである。
【００３１】
軸方向の音響波励起を増強するために、本発明の原理に従って構成された、順次に駆動される多リング電極の円筒状トランスデューサ１１１０の一実施形態が、図１５に示されている。トランスデューサ１１１０は、例えばＰＶＤＦ材料で作られた円筒状の圧電トランスデューサ・フィルム１１３０を含み、これ（トランスデューサ・フィルム１１３０）はその外面１１３１上に設置された多リング電極１１６１と、その内面１１３２上の共通接地電極とを有する。この装置の動作は次の通りである。第１に、フィルム１１３０の外面１１３１上のリング電極１１６１の中の１つが駆動される。第２に、伝播音響波の方向に位置し、従って伝播音響波の前方に位置したリング電極１１６１の中の隣接する第２のリング電極が、第１の駆動電極に対して或る大きさの時間遅延をもって駆動される。この時間遅延は、式Ｔ＝ｄ／Ｖｓで与えられる。ここで、ｄは隣接する２つのリング電極１１６１の中心間距離であり、Ｖｓは空気中の伝播速度である。次に、第３、第４、第５、・・・等の電極１１６１が順次に駆動される。時間Ｔの間に音響波は距離ｄだけ前進し、駆動電圧と励起された音響波の間の関係は各電極１１６１について同じである。次に、単一サイクル駆動が次の電極対に順次に供給され、駆動電圧は波の伝播と同じ速度で移動する。従って、１サイクルの音響波の強度は、上述の一連の励起の後に強められる。ここで、フィルム円筒（シリンダ）はそれ自身の共振および“１サイクル駆動手段”を有し、第１の半サイクルでフィルムに変位が与えられ、次の半サイクルでフィルムはそれ自身の共振現象で反対方向に変位し（キックバック）、このとき駆動電圧は最初の半サイクルに比して反対符号の電圧を与え、この強制された（強められた）駆動とそれ自身の変位が同相状態になること、に留意されたい。従って、最初の半サイクルの変位は非常に小さいが、次の半サイクルははるかに大きくなり、このことにより大きな変位が信号として使用される。このことを理解する助けとして、子供のブランコのスウィング（揺動）に関係する次のようなアナロジー（類似性）を考える。最初に小さな力でブランコを押したとき、これによってブランコに大きなスウィング動作を生じさせることはないが、スウィングが帰ってきたときにそれを押すと、２回目のスウィングの動作は大きくなる。
【００３２】
図１６は、図１５の多リング電極の円筒状トランスデューサを駆動するための多数の駆動増幅器１２０１を含む駆動回路１２００の概略回路図である。図１７（１６）に示す典型例の実施形態では、４つの電極リング１１６１が使用される場合には独立した４つの駆動増幅器１２０１が使用されるというように、各増幅器１２０１に１つのリング電極１１６１が関連付けられている。各増幅器１２０１は高い駆動電圧を供給するために共振誘導コイル１２０２を有する。各駆動増幅器は、式Ｔ＝ｄ／Ｖｓによって与えられる所定の連続する遅延をもって駆動される。
【００３３】
図１８に示す代替的な実施形態において、切り替え（スイッチ型）共振回路１３００を駆動回路として使用してもよい。図１６に示した駆動回路１２００は、嵩高で（bulky）高価になる傾向のある多数の共振コイル１２０２を必要とするので、駆動回路１３００は有利である。切り替え共振回路１３００は１つだけの共振コイル１３０２しか必要とせず、図１６に示した駆動回路１２００よりも遥かに少ない電力を消費する。図１８には、１つの電極の送信機用の基本的な駆動方法が示されている。図に示されているように、トランジスタ１３０１をターンオンした（導通させた）後、回路１３００を通って電流が流れる。ｔ＝ｔ0で入力電圧がターンオンされると、トランジスタの電流が流れ始め、インダクタンスとキャパシタンスのノード（接続点、結節点）Ａの電圧は減少し始め、最終的には負の最小値に達する。この時点（ｔ＝ｔ1）で電流は遮断し、電圧は急速に増加しはじめ、再び減少する前の最大値に上昇する。そして電圧は指数関数的に減衰する正弦波の形で振動する（リンギングする）。最初にトランジスタをターンオンしてからこれを遮断するまでの期間中（ｔ＝ｔ0からｔ＝ｔ1までの期間）においてのみ電力が消費される。
【００３４】
上記の方法は１つのリング電極のトランスデューサ用に使用されるが、電極が多数の電極に細分割されたときも、この駆動方法は原理的に同じである。図１９を参照すると、この駆動方法は、電流が遮断されるまでトランジスタ１３０１に電流が流れこむことによって開始する。次に、インダクタンスとキャパシタンスはそのリンギング発振サイクルを開始する。最初、キャパシタＣ1の両端間の電圧が上昇し、次いで１サイクル後にその電圧は元の０Ｖに低下する。この時（瞬間）、第１のキャパシタＣ1は回路１３００から切り離され、第２のキャパシタＣ2が回路１３００に接続される。第１のキャパシタＣ1と第２のキャパシタＣ2は切換えられるが、このような切換えは共振発振に影響を与えず、リンギングは継続する。従って、第２のキャパシタＣ2は次の１サイクルの振動の電圧をもつ。従って、電圧は再び殆ど０ボルトになる。この時（瞬間）、第２のキャパシタＣ2は回路１３００から切り離され、第３のキャパシタＣ3が回路１３００に接続される。このようにして、１サイクル毎に電圧は順次に次のキャパシタに印加される。各サイクル発振毎に、ピーク電圧振幅は僅かづつ（ゆっくりと）減衰する。基本的に、キャパシタＣ1、Ｃ2、Ｃ3、・・・・は、それぞれトランスデューサ・フィルム上の１つのリング電極を表し、多数の電極はリンギングの各サイクルによって順次に駆動される。
【００３５】
減衰率はキャパシタに関連する損失に応じて決まる。ＰＶＤＦトランスデューサ・フィルについて、フィルムはtan Δ＝０．１（tan delta＝０．１）の損失をもっている。実効損失を減少させるために、図１９に示した高品質キャパシタＣがインダクタ１３０２と並列に接続される。キャパシタＣは切換えられない。このようにして非常に強い１サイクル波が励起され、軸方向に伝播する。スタイラスのハウジングの内部に取り付けられた本発明のトランスデューサは軸方向の波を発生し、この波はハウジングの開口に到達するまでハウジングのボアに沿って伝播する。開口は描画器具のチップ（先端）領域と実質的に同じ位置に配置されていて、それによって開口から出て行く超音波信号はスタイラスまたはスタイラスの傾斜角には無関係にペンまたはスタイラス上の描画器具の位置から反射するようになっている。
【００３６】
図２０は、ここで述べた原理に従って作られたトランスデューサ１４１０を含むハンドヘルド型スタイラス１４００を概略的に示しており、スタイラス１４００は、軸方向の音響伝送特性、トランスデューサ１４１０と電気的通信（交信）を行う適当な駆動回路１４６０、およびスタイラス１４００に電力を供給する関連する電源またはバッテリ１４８０を有する。ここで述べた本発明の実施形態では、本発明の実施形態のものを励起し、信号電力を維持するために周知の回路および電源を使用していることを理解すべきである。
【００３７】
図２１Ａ〜図２１Ｄは、それぞれ参照番号１５３０、１５３０’、１５３０”、１５３０”’で示したスタイラスの開口の構造を例示している。
【００３８】
図２２および図２３は、本発明による電極駆動接続構成の実施形態を示しており、その構成は、リング電極を駆動回路に接続するの使用してもよく、その背面電極は共通に接地されている。
【００３９】
本発明の別の側面（特徴）は、軸方向の音響伝送特性を有する平板状超音波トランスデューサ構造を含むことである。本発明の平板状超音波トランスデューサ構造は特に超音波送信機として使用することを意図したものである。しかし、本発明の平板状超音波トランスデューサ構造を受信機としても使用できることはこの分野の専門家には明らかである。
【００４０】
次に図２４Ａを参照すると、参照番号２０４０によって示された、本発明の平板状超音波トランスデューサの実施形態が示されている。平板状超音波トランスデューサ（ＦＵＴ、flat ultrasonic transducer）２０４０は、薄い平板状の振動板２０４４と、該振動板２０４４に接着的に（接着剤によって）接合された薄い平板状の圧電トランスデューサ・フィルム２０４２とを含んでいる。振動板２０４４は、限定されることなく、アルミニウム（Ａｌ）のような金属からなり、平面図で見て円形（図示のように）、正方形または長方形であってもよい。アルミニウム（Ａｌ）をベースとする振動板２０４４は、その直径に応じて約０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さを有する。トランスデューサの材料２０４２は、限定されることなく、ジルコン酸チタン酸鉛（lead-zirconate-titanate、チタンジルコン酸鉛）（ＰＺＴ）のような圧電セラミックからなり、平面図で見て円形（図示のように）、正方形または長方形でよい。トランスデューサ２０４２の、ＰＺＴをベースとするトランスデューサ・フィルム２０４２は約０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの厚さをもっているものでよい。この実施形態における振動板２０４４の直径は、トランスデューサの材料２０４２の直径よりも大である。しかし、図２４Ｂに示すように、トランスデューサの材料２０４２は振動板２０４４の直径と実質的に同じ直径をもつものでもよい。さらに、ＦＵＴ２０４０は、音響的に損失を伴う／可撓性材料で作られた環状の取り付け部材２０４６に支持されていてもよい。取付け部材２０４６はＦＵＴ２０４０の前方側２０４０ａおよび後方側２０４０ｂを支持している。
【００４１】
本発明の別の側面（特徴）は、図２４Ａおよび図２４ＢのＦＵＴを使用することができるハンドヘルド型スタイラスである。次に図２５Ａ〜図２５Ｄを参照すると、全体で、参照番号２２００によって表された、本発明によるハンドヘルド型スタイラスの実施形態が示されている。スタイラス２２００は、内側面２２２８を有する円筒状の本体部分２２２２と、該本体部分２２２２から伸びるネック部分２２２４とを具えたハウジング２２２０を含んでいる。ネック部分２２２４は、概して円錐形の外面と、本体の内側面２２２８に対して概して垂直で概して平面状の端縁面２２２７と、中心部に配置され、スタイラスのハウジング２２２０（ネック部分２２２４）の放射開口２２２１を経て外部環境と連通する一定の直径のボア２２２６とを有する中実の（ソリッドな）部材とからなる。本体部分２２２２の円筒状の内側２２２９は、図２４ＡのＦＵＴ２０４０を収容しＦＵＴ２０４０に適合するようなボア２２２６の一定の直径よりも実質的に大きい直径をもっている。
【００４２】
図２５Ａに示すように、ＦＵＴ２０４０は、本体部分２２２２の円筒状の内側２２２９を横切ってスタイラスのハウジング２２２０の長手方向軸ＬＡに対して垂直に、かつボア２２２６および本体部分２２２２と軸方向に整列して取り付けられている。ＦＵＴ２０４０は、前述の円形トランスデューサ材料２０４２と、対応する円形振動板２０４４とにより構成されている。ＦＵＴの振動板２０４４の表面は、本体部分２２２２の本体の内側面２２２８上に規定された連続的なまたはセグメント化された硬質の環状肩部２２２５に押し付けて設置されている。ＦＵＴ２０４０の振動板２０４４は、その周辺端縁部が円筒状本体の内側面２２２８と係合するようにその寸法が定められている。硬質の肩部２２２５を、音響的損失を伴う材料と置換することもできる。肩部２２２５は、ＦＵＴ２０４０とネック部分２２２４の平面状端縁面２２２７との間の狭い間隙Ｇを規定するように、本体部分２２２２内に配置されている。ラバー（ゴム）または他の幾つかの音響的損失のある／可撓性材料で作られた環状の可撓性カプラ２２４５と硬質で環状の支持部材２２４６とを含む配置構成（装置）によって、ＦＵＴ２０４０を本体部分２２２２の内部または内側２２２９内の所定の位置にしっかりと固定、保持することができる。カプラ２２４５と支持部材２２４６は、ＦＵＴの振動板２０４４の表面２０４０ｂと、本体の内側面２２２８上に規定された環状の戻り止め用つめ（dent）２２２８ａとの間に押し込まれており、それによってＦＵＴの振動板の表面２０４０ａを、本体部分２２２２の本体の内側面２２２８上に規定されたか肩部２２２５に向けて押し付けている。
【００４３】
さらに図２５Ａを参照すると、ＦＵＴ２０４０のトランスデューサ材料２０４２の前面および後面と接触状態にある電極ｅ1、ｅ2は、交流（ＡＣ）信号によって超音波送信機を駆動して、ＦＵＴ２０４０から出力する音響信号Ｓを発生させる。この音響信号Ｓは、後でさらに詳しく説明するように、中心ボア２２２６中を下流に向けて伝播し、スタイラスのハウジング２２２０の放射開口２２２１から出て行く。限定されることなくインク・カートリッジを含むチップ（先端）２２５１を有する筆記および描画器具２２５０は、中心ボア２２２６を通って部分的に突出している（伸びている）。描画器具２２５０のチップ（先端）２２５１は、スタイラスのハウジング２２２０の放射開口２２２１から短い距離分だけ突出している（伸びている）。限定されることなくマイクロスイッチを含むスイッチ２２５４と、それに関連して器具２２５０が間隙Ｇに向かって長手方向に動くのを制限するストッパ部材２２５５が、チップ（先端）２２５１と反対側の器具の端部に配置されている。スイッチ２２５４は、器具２２５０のチップ(先端)２２５１と筆記または描画面（図示せず）との間の接触を検出する。接触が検出されると、スイッチ２２５４はＦＵＴ２０４０を付勢し、検出された接触状態に応答して音響信号を発生させる。筆記または描画面との接触を表す筆記および描画器具によって与えられる力、または筆記および描画器具に与えられる力の変化に応答して、超音波送信機／受信機装置を付勢／消勢するスイッチは、当技術分野で周知であるので、ここではこれ以上詳細には説明しない。
【００４４】
中心ボア２２２６は、トランスデューサの材料２０４２の（振動領域の）直径に比して相対的にかなり小さい直径Ｄ（図２５Ｂ）を有し、ＦＵＴ２０４０と実質的に同軸的である。図２５Ｂ〜図２５Ｄに示すように、器具２２５０、スイッチ２２５４およびストッパ２２５５によって占められていないボア２２２６の部分は、ＦＵＴ２０４０から発生された音響波または信号出力を伝播させる導波器（ウェーブ・ガイド）として動作する。ＦＵＴ２０４０によって発生された音響波または信号は振動する振動板２０４４の前方部にある狭い間隙Ｇを通って伝播し、中心の導波器２２２６へと案内される。ＦＵＴ２０４０の周辺端縁とハウジングの本体部分２２２２の内側面２２２８との間の係合によって、シールが形成され、それによって、音響波を導波器（ウェーブ・ガイド）ボア２２２６を経由して（通過して）強制的に伝播させる。
【００４５】
再び図２５Ａを参照すると、前部の空隙すなわち間隙Ｇはインピーダンス整合機能を有し、間隙Ｇは、相対的に狭くなるよう形成され、間隙を狭く作ることによってより高い出力を得るために高周波数の音響信号用には相対的に小さくすべきである（例えば、４０ｋＨｚの信号用には０．２〜０．８ミリメートル（ｍｍ）、Ｌ／４０〜Ｌ／８０、ここでＬ＝波長であり、８０ｋＨｚ用では間隙は半分になる）。
【００４６】
そのＦＵＴは、静電トランスデューサ、ＰＶＤＦフィルム両端がクランプされた湾曲したＰＶＤＦフィルム・トランスデューサ、またはクランプされ波型が付けられた（コルゲート）ＰＶＤＦフィルム・トランスデューサとして実装できることも考えられる。
【００４７】
本発明のスタイラスの別の実施形態が図２６Ａ〜図２６Ｄに示されている。ここで、同じ部品（パーツ）は同じ参照番号で示されている。この実施形態は図２５Ａ〜図２５Ｄに関して説明したものと同様であるが、図示のようにネック部分２２２４によって規定された導波（ウェーブ・ガイド）ボア２２２６’の直径は、該導波ボア２２２６’が本体部分２２２２からスタイラスのハウジング２２２０（ネック部分２２２４）の放射開口２２２１に向かって伸びるにしたがって徐々に小さくなり、これによって図２６Ａのホーン形（角形）構造が形成される。従って、ＦＵＴ２０４０からの音響信号出力は導波ボア２２２６’に結合し、スタイラスのハウジング２２２０の放射開口２２２１に向けて伝播する。この実施形態では、小さな間隙Ｇによるインピーダンス整合機能は失われるが、特に音響信号の波長がＦＵＴ２０４０のトランスデューサ材料２０４２の直径Ｄに比して相対的に（比較的）短いときに、結合効率は改善される。
【００４８】
再び図２５Ａを参照すると、ＦＵＴ２０４０によって発生された音響信号は、ＦＵＴ２０４０の前方の間隙Ｇを横切るときに矢印Ｃによって示される空間に向かって半径方向の内側に伝播する。振動は振動板領域（即ち、振動板２０４４の表面領域）全体にわたって同相であり、音響波または信号は中心に向かって間隙Ｇ中を伝播しなければならないので、音響信号と振動板の振動の間の位相関係は、中心領域Ｃと周辺領域Ｐとで異なる。中心と周辺における差は約８ｍｍの直径の振動板を有する典型的な４０ＫＨｚ用のＦＵＴでは約１８０度である。ＦＵＴ２０４０の振動は、中心で強く、周辺で弱いので、音響波は伝播中に完全に相殺されず、いくらかの信号が相殺される。この問題は、振動板２０４４の直径が波長に比して相対的（比較的）小さくない高周波数でより厳しく（重要に）なってくる。図２６Ａ〜図２６Ｄに示す実施形態のホーン形状の導波ボア２２２６’は、この問題を軽減する傾向にある。
【００４９】
図２７Ａは本発明によるハンドヘルド型スタイラス２３００の別の実施形態を示しており、このスタイラス２３００は、スタイラスのハウジング２３４０の長手方向軸ＬＡと平行に（スタイラスのハウジング２３２０内に）配置されたＦＵＴ２０４０を含んでいる。この実施形態および以下の実施形態で使用されるＦＵＴ２０４０は、前に述べた長方形または正方形のトランスデューサ材料２０４２と、対応する長方形または正方形の振動板２０４４とを使用している。
【００５０】
再び図２７Ａを参照すると、振動板２０４４に接合されたトランスデューサ材料２０４２を励起することによって振動板２０４４を振動させ、その振動によって半径の外側方向Ａの音響信号Ｓを発生する。この音響信号Ｓはパス（通路）Ｌの方向に（ＦＵＴ２０４０とこれと反対側の壁ｗの間に規定された）狭い間隙Ｇを通って順次に伝播する。好ましい実施形態では、パスの長さＬは伝播音響信号の波長の２分の１より短い。これによって生じた信号はさらに導波ボア２３２６を下流に伝播し、スタイラスのハウジング２３２０の放射開口２３２１から出て行く。図２５Ａ〜図２５Ｄに関して上に説明したように、狭い間隙Ｇは、４０ＫＨｚ用の間隙Ｇの深さ０．２ｍｍ〜０．８ｍｍが導波ボア２３２６の直径２．５ｍｍ〜３ｍｍよりも小さい場合にインピーダンス整合の役割を果たすことに留意されたい。
【００５１】
図２８は本発明によるハンドヘルド型スタイラス２４００の別の実施形態を示しており、ここで、１対のＦＵＴ２０４０1と２０４０2が、スタイラスのハウジング２４２０内に該スタイラスのハウジング２４２０の長手方向軸ＬＡと平行に互いに対向して配置されている。図２８の構成の目的は、各ＦＵＴ２０４０1、２０４０2は、背部が空隙を向いており、同じように構成されていて、互いに逆位相で振動するように駆動され、それによってＦＵＴ２０４０1、２０４０2の振動板２０４４1、２０４４2間に形成される狭い間隙Ｇ内で発生される音響波を効果的に２倍にすること、である。音響波は、パスＬの方向に狭い間隙Ｇを通って、さらに導波ボア２４２０を通って順次に伝播し、それによってスタイラスのハウジング２４２０の放射開口２４２１における出力を２倍にすることができる。パスＬの長さは各ＦＵＴ２０４０1、２０４０2からの音響信号の波長の２分の１より小さくする必要がある。ＦＵＴ２０４０1、２０４０2の各々はクランプ部材２４４５によって保持されており、それによって、それぞれの背後の空洞（空間）Ｂ1、Ｂ2で発生された音響波が、音響信号が発生される狭い間隙Ｇに漏洩するのを防止している点に留意されたい。
【００５２】
図２９Ａ〜図２９Ｄは、全体で、本発明によるハンドヘルド型スタイラス２４００の別の実施形態を示しており、このスタイラス２４００は、スタイラスのハウジング２５２０の長手方向軸ＬＡと平行に（スタイラスのハウジング２５２０の内部２５３９内に）配置されたＦＵＴ２０４０を含んでいる。ＦＵＴ２０４０は前方の狭い間隙Ｇから第１の音響信号Ｓ１を発生し、後方の狭い間隙Ｇ’から第２の音響信号Ｓ２を出力する。第１の音響信号は前方の狭い間隙Ｇと連通した第１の導波ボア２５２６ａを下流に向けて伝播し、第２の音響信号は後方の狭い間隙Ｇ’と連通した第２の導波ボア２５２６ｂを下流に向けて伝播する。導波ボア２５２６ａと２５２６ｂはスタイラスのハウジング２５２０の放射開口２５２１に直ぐに隣接する位置で互いに連結（結合）している（合成される）。
【００５３】
図２９Ａに示すように、ＦＵＴ２０４０によって発生された第１の音響信号Ｓ１は前方の狭い間隙Ｇの前方の壁Ｆに向けて導かれて、ＦＵＴ２０４０と前方の壁Ｆの間に形成された前方の狭い間隙Ｇによって規定されたパスに沿って伝播する。信号Ｓ１は前方の壁Ｆに形成された開孔２５０２Fの前方の狭い間隙Ｇから出て、第１の導波ボア２５２６ａを下流に向けて伝播する。同様の形態で、ＦＵＴ２０４０によって発生された第２の音響信号Ｓ２は後方の狭い間隙Ｇ’の後方の壁Ｂに向けて導かれて、ＦＵＴ２０４０と背後の壁Ｂの間に形成された背後の狭い間隙Ｇ’によって規定されたパスに沿って伝播する。信号Ｓ２は背後の壁Ｂに形成された開孔２５０２Bの後方の狭い間隙Ｇ’から出て、第２の導波ボア２５２６ｂを下流に向けて伝播する。ＦＵＴ２０４０の前方側および後方側の両方から出力する音響波は基本的に同じ振幅を持っているが、逆位相である（即ち、互いに１８０度離れた位相関係にある）。第１および第２の導波ボア２５２６ａおよび２５２６ｂから出力する信号Ｓ１、Ｓ２を相加的（constructively、加算的）に干渉させるために、第１の導波ボア２５２６ａのパス長Ｐ１と第２の導波ボア２５２６ｂのパス長Ｐ２は２分の１波長だけ異なっており、それによって音響信号Ｓ１、Ｓ２はスタイラスのハウジング２５２０の放射開口２５２１に互いに同相で到達する。音響信号Ｓ１、Ｓ２がスタイラスの出口で“同相”状態で互いに混ざり合うまで音響信号Ｓ１、Ｓ２が混ざり合う（合成される）のを防止するために、第１と第２の導波ボア２５２６ａ、２５２６ｂは互いに分離されていることに留意されたい。さらに、パス長Ｐ１、Ｐ２は、狭い間隙開孔２５０２F、２５０２Bからスタイラスのハウジング２５２０の放射開口２５２１までの伝播距離によって規定されていることに留意されたい。
【００５４】
図３０は、図２８に示したハンドヘルド型スタイラスと同様のハンドヘルド型スタイラス２６００の別の実施形態を示し、このスタイラス２６００に含まれている対をなす同じ構成のＦＵＴ２０４０1、２０４０2は、スタイラスのハウジング２６２０内に互いに対向して配置され、スタイラスのハウジング２６２０の長手方向軸ＬＡと平行である。さらに、スタイラスのハウジング２６２０は後部の空洞Ｂ1、Ｂ2の後方の壁ＢW1、ＢW2上にそれぞれ形成された開孔口２６０２B1、２６０２B2を含み、これによって音響信号Ｓ２およびＳ３は各導波ボア２６２６1および２６２６2に沿って伝播することができる。この実施形態では、各導波ボア２６２６1および２６２６2に関連するパス長は、導波ボア２６２６のパス長と２分の１波長に相当する大きさだけ異なっている。従って、スタイラスのハウジング２６２０の放射開口２６２１から出力する音響信号Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は同相で到達し、各音響信号Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の合計振幅に相当する増大された音響出力信号を発生する。
【００５５】
図３１Ａおよび図３１Ｂはハンドヘルド型スタイラス２７００、２７００’の２つの実施形態を部分的に示した図であり、スタイラス２７００、２７００’は、スタイラスのハウジング２７２０、２７２０’内に配置され、かつスタイラス２７００、２７００’の軸方向に整列された多数のＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3、２０４０4、・・・を有する。この実施形態は、ＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3、２０４０4、・・・が、ボア２７２６、２７２６’に沿って伝播する音響信号Ｓを発生させる電圧位相で駆動される方法（手順）の点で異なっている。図３１Ａおよび図３１Ｂに示すように、隣接するＦＵＴ間（例えば、２０４０1と２０４０2、２０４０3、２０４０4・・・間）の中心間距離Ｄ１は、伝播媒体（例えば空気）における２分の１波長である。図３１Ａの実施形態では、ＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3、２０４０4、・・・は、正端子Ｖ1に共通に接続されたトランスデューサ材料２０４２1、２０４２2、２０４２3、２０４２4、・・・のｅ1側に配置された電極と、接地端子Ｖｇに共通に接続されたトランスデューサ・フィルム２０４２1、２０４２2、２０４２3、２０４２4、・・・のｅ2側に配置された電極とを使用して、交流駆動電源２７７２によって駆動される。ＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3、２０４０4、・・・の極性は、共通駆動電源２７７２によって駆動されたときに、導波ボア２７２６に沿って伝播する合成される音響信号が相加的（加算的）に干渉し合うことができるように反対方向に交番する。
【００５６】
図３１Ｂに示す実施形態では、すべてのＦＵＴエレメント(要素)２０４０1、２０４０2、２０４０3、２０４０4、・・・の極性の方向は同方向に整列されているが、電極への接続は、１つおきのＦＵＴ２０４０1、２０４０3、・・・が駆動電源２７７２’の一方の側に共通に接続されて相加的（加算的）に干渉を生じさせるように異なっている。図３１Ａと図３１Ｂの両方の実施形態において、隣接するＦＵＴから放射された音響波は２分の１波長の周期性により、１８０度の位相差をもっている。この位相差は振動位相の差（即ち、各隣接するＦＵＴについて反対位相）によって相殺され、すべてのＦＵＴから放射された波は実効的に同相で加算され、図３１Ａ、図３１Ｂに示すようにＮ個のユニットのＦＵＴが使用される場合は、音響圧は１つだけのＦＵＴの場合と比較して約Ｎ倍増大される。
【００５７】
図３２Ａはハンドヘルド型スタイラス２８００の別の実施形態を部分的に示しており、このスタイラス２８００は、スタイラスのハウジング２８２０の長手方向軸ＬＡと平行に（スタイラスのハウジング２８２０内に）配置された多数の対向する対をなすＦＵＴ２０４０A1、２０４０B1、２０４０A2、２０４０B2、・・・を有する。各対を成すＦＵＴは互いに補完（補足）し合って、共通の導波ボア２８２６の下流に増強された音響信号Ｓ１を供給する。ＦＵＴ２０４０A1、２０４０B1、２０４０A2、２０４０B2、・・・は駆動電源２８７２によって駆動され、ＦＵＴ２０４０A1、２０４０B1・・・の各対は同じ極性を有するが、１つおきのＦＵＴ２０４０A1、２０４０A3、・・・２０４０B1、２０４０B3、・・・の電極は各軸方向パス上で、図３１Ｂに示す実施形態に類似した、駆動電源２８７２の一方の側に共通に接続されていて、伝播する音響信号の相加的（加算的）干渉を生じさせる。
【００５８】
図３２Ｂは図２９Ａに示す実施形態に類似した（図示されていない駆動電源に接続された）ハンドヘルド型スタイラス２９００のさらに別の実施形態を示しているが、このスタイラス２９００は、スタイラスのハウジング２９２０の長手方向軸ＬＡと平行に（スタイラスのハウジング２９２０内に）配置された多数のＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3、２０４０4を含み、スタイラスのハウジング２９２０の放射開口から出て行く音響波Ｓ１、Ｓ２を、各導波ボア２９２６1、２９２６2の下流に向けて送信する。図３１Ａ〜３１Ｂおよび図３２Ａ〜３２Ｂに示す実施形態では、駆動回路により駆動されるＦＵＴは時間と共に直線的に増大する（即ち、音響信号の出力が増加する駆動サイクルと共に増大する）音響信号を発生することに留意されたい。代替構成として、本発明の別の側面（特徴）によれば、導波ボアまたは狭い間隙に沿って所与のＦＵＴから出力する音響信号が次の隣接ＦＵＴの位置へ伝播する伝播時間に対応する駆動電圧の時間遅延を有するドライバ（駆動器）によって各ＦＵＴを駆動してもよく、それによって各ＦＵＴからの軸方向の伝播音響信号と駆動電圧の波形の間の位相関係はすべてのＦＵＴについて同じになる。このことにより、スタイラスの帯域幅を相当広くすることが可能になり、また、励起音響波の振幅を、軸方向に互いに適当な間隔をおいて整列された多数のＦＵＴの各々によって実効的に逓倍することが可能になり、従って、僅か数サイクル後には非常に強い音響信号を供給することができる。
【００５９】
図３３は順次駆動回路４０００の一実施形態を示しており、この順次駆動回路４０００は、ＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3および２０４０4相互間の距離と、媒体中の伝播速度に従って、ＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3および２０４０4の励起を遅延させるための遅延セグメントを具えている。ＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3、および２０４０4は、各々が軸方向に互いに整列された個々の送信機であってもよく、または各々が例えば図３２Ａに示したような互いに反対に配置された相補的な組であってもよいことに留意されたい。この順次構成では、軸方向に隣接するＦＵＴ間の中心間距離ｄは２分の１波長に限定する必要はなく、上流側に配置された隣接するＦＵＴに比べて、駆動電圧の遅延時間ｔによって大きくても小さくてもよいことに留意されたい。この遅延時間ｔは、ｔ＝ｄ／ＶSによって与えられ、ここで、ＶSは媒体中の音響速度である（例えば、空気中ではＶS＝３４４ｍ／秒）。図３４は、図３３の順次駆動回路によって与えられる時間遅延の関数としてＦＵＴ２０４０1、２０４０2、２０４０3および２０４０4の各々の励起をグラフの形で示したものである。
【００６０】
図３５は、参照番号２０４０’によって示された本発明のＦＵＴのさらに別の実施形態を示している。この実施形態では、ＦＵＴは平板状（平坦）で細長く伸びた長方形の振動板２０４４’と、該振動板２０４４’に接着剤により（接着的に）接合された例えばＰＺＴ材料で作られた平板状（平坦）で細長く伸びた長方形の圧電トランスデューサ材料２０４２’と、を含んでいる。トランスデューサ材料２０４２’の一方の表面上には間隔を保って複数の電極２０４５ａ、２０４５ｂ、２０４５ｃおよび２０４５ｄが配置されており、反対側の表面上には共通接地電極が配置されており、これによって複数の対応するトランスデューサ・セグメントを形成している。電極２０４５ａ、２０４５ｂ、２０４５ｃおよび２０４５ｄは、対応するトランスデューサ・セグメントの振動時間遅延に整合した各電極用の駆動電圧の時間差をもった順次駆動回路によって順次に励起される。即ち、１つのトランスデューサ・セグメントの励起された振動は長手方向に沿って伝播し、整合状態でこの伝播する振動は順次駆動ユニット４０００によって有効に増幅される。順次の電極が励起されるときは、駆動電圧の時間差は振動の時間遅延に整合している必要がある。振動の伝播速度がＶbのとき、隣接する２つのトランスデューサ・セグメント間の時間遅延はｄ／Ｖbであり、隣接する２つのユニットは同じ時間遅延ｄ／Ｖbをもって駆動される。振動の伝播速度がＦＵＴ２０４０’の表面における媒体（例えば、空気）中の音響伝播速度と整合していると、音響波は有効に励起され、スタイラスのハウジングの放射開口からの放射源として使用される。音響応答性に対する駆動電圧の周波数応答性は非常に広い帯域幅をもっているという特徴があり、励起信号は初期のサイクルから非常に強くなる。図３６は、図３５に示した順次駆動される多数の電極をもったＦＵＴ２０４０’に関連する音響伝播パスの典型例を示している。
【００６１】
図３７はハンドヘルド型スタイラス３０００のさらに別の実施形態を示しており、このスタイラス３０００は、スタイラスのハウジング３０２０の放射開口３０２１で増強された出力信号を供給するために、円形ＦＵＴ２０４０”の前方側および後方側の両方からの音響出力信号を利用する。同図に示すように、ＦＵＴ２０４０”は、中心に配置された開孔２０４４ａ”を有する薄い平坦な円形の振動板２０４４”と、中心に配置された開孔２０４２ａ”を有する薄い平坦な円形の圧電トランスデューサ材料２０４２”とを含んでいる。開孔２０４２ａ”と開孔２０４４ａ”が互いに軸方向に整列するように、トランスデューサ材料２０４２”は振動板２０４４”に接着剤により（接着的に）接合されている。開孔２０４２ａ”と開孔２０４４ａ”は円筒状の狭い間隙の部品（パーツ）であることに留意されたい。ＦＵＴ２０４０”はスタイラスのハウジング３０２０の長手方向軸に対して垂直に配置されている。開孔２０４２ａ”と開孔２０４４ａ”とは中心導波ボア３０２６ｃ、ＦＵＴの阻止（ブロック）構体３０２７の中心開孔３０２７ａ、ＦＵＴの保持プラグ３０４５の中心開孔３０４５ａ、およびスタイラスのハウジング３０２０の放射開口３０２１と軸方向に整列されている。筆記および描画器具３０５０はＦＵＴの開孔２０４２ａ”、開孔２０４４ａ”、中心導波ボア３０２６ｃ、ブロック（阻止）構体３０２７ａ、プラグ開孔３０４５ａ、およびスタイラスのハウジングの放射開口３０２１を貫通して伸びている。ＦＵＴ２０４０”の励起により、プラグ３０４５を保持するＦＵＴの面Ｂに対面するＦＵＴの後方に向かって出力された音響信号Ｓ１は中心導波ボア３０２６ｃを通って放射開口３０２１に向けて案内される。ＦＵＴ２０４０”の前方側からブロック（阻止）構体３０２７の面Ｆに対面するＦＵＴの前方側に向けて出力する前方の音響信号Ｓ２、Ｓ３は外側導波ボア３０２６ａ、３０２６ｂに沿って伝播し、スタイラスのハウジング３０２０の放射開口３０２１で集められ、それによって両方の信号Ｓ２、Ｓ３の位相は、これらの信号Ｓ２、Ｓ３がスタイラスのハウジング３０２０の放射開口３０２１から放射するとき互いに同相になる。スタイラスのハウジングのネック部分３０２４内に形成されたブロック構体３０２７は、伝播とＦＵＴの振動板２０４４”の自由な動きをブロック（阻止）するように働いて、ＦＵＴの後方側（保持プラグ３０４５に対面する側）から発生した音響圧力が導波ボア３０２６ａ、３０２６ｂを通って伝播するのを阻止し、これによってこの圧力が中心導波ボア３０２６ｃを通ってスタイラスのハウジング３０２１の放射開口に伝播するようにする。ブロック構体３０２７は、同様に、ＦＵＴ３０４０”の前面側（ブロック構体３０２７に対面する側）から発生した音響信号Ｓ３、Ｓ４が中心導波ボア３０２６ｃを下流に伝播するのを防止する。さらに、ＦＵＴの前方側導波ボア３０２６ａ、３９２６ｂによって規定される伝播パスの長さとＦＵＴの後方側導波ボア３０２６ｃによって規定される伝播パスの長さは異なることに留意する必要がある。この差は２分の１波長となるように構成されており、これによって前方側の伝播音響信号と後方側の伝播音響信号の間の１８０度の位相差を相殺し、信号Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の相加的（加算的）干渉を可能にする。
【００６２】
本発明の別の側面（特徴）は、力を検出するためにＦＵＴ２０４０の圧電作用を利用することに関する。本発明のこの側面を、本発明のこの側面によって構成されたハンドヘルド型スタイラス３４００の実施形態を示す図４８（図３８）を参照して説明する。スタイラス３４００は、スタイラスのハウジング３４２０の円筒状部分３４２２の内部３４２９内に取り付けられたＦＵＴ２０４０を含み、該ＦＵＴ２０４０はスタイラスのハウジング３４２０の長手方向軸ＬＡに沿って音響信号を送信し、この音響信号はスタイラスのハウジング３４２０の放射開口３４２１から放射される。例えばインク・カートリッジのような筆記および描画器具３４５０は、ハウジング３４２９（３４２０）の内部３４２９内に配置されており、スタイラス３４００がペンアップ（ペンを上げた）位置またはペンダウン（ペンを下げた）位置のいずれの位置にあるかを確認するために、器具３４５０のチップ（先端）に作用する力を検出するための（変形可能な材料によって作られた）ホルダ３４５４によって保持されている。本発明のこの側面に従って、ＦＵＴ２０４０の圧電作用が力の検出のために利用される。即ち、ユーザが筆記および描画器具３４５０を筆記面に作用させて（押し当てて）筆記を開始すると、器具のチップ（先端）に作用する力Ｆによって器具３４５０に矢印Ａによって与えられる方向の長手方向の動きを生じさせて、器具３４５０の反対側の端部３４２３を振動板２０４４の外面２０４４Oに対して作用させ（押し当て）、それによって、振動板２０４４は内側（矢印Ａの方向）に偏向される。筆記期間中、振動板２０４４は振動してスタイラスのハウジング３４２０の放射開口３４２１から音響信号出力を発生させなければならない。従って、（振動板２０４４に接触する）器具３４５０の接触端３４２３は、振動板の振動を抑制することがないように例えばシリコンゴム（シリコンラバー）のような柔軟で弾力性のある材料からなる。接触材料は、ＦＵＴ２０４０の強い共振とリンギングを最小にするために、振動板２０４４の振動ダンピング（減衰）作用を与えるという別の効果を有する。ユーザが筆記を停止すると、ユーザによって筆記面と係合（接触）する器具３４５０に対して与えられる力は０（ゼロ）になり、器具３４５０を矢印Ａと反対方向の長手方向に移動させ、その器具の振動板接触端３４２３は再び振動板２０４４の外面２０４４Oから離れる。これによって、振動板２０４４の内側への偏向は０（ゼロ）になる。振動板２０４４の内面２０４４ｉに接合された圧電トランスデューサ材料２０４２は、筆記期間の開始と終了時においてのみ、図３９に典型例で示したような開始時の電圧の極性と終了時の電圧の極性とが逆の電圧信号を発生する。これは、抵抗Ｒが圧電トランスデューサ・フィルム２０４２と並列に接続されたときの圧電応答性の典型例である。
【００６３】
筆記および描画器具３４５０は弾力性のある保持構体３４５４によって保持され、この保持構体は、非筆記期間中にＦＵＴ２０４０の振動板２０４４に係合または接触しないように器具３４５０の位置を制御する。保持構体３４５４は、波の伝播を妨害しないように設計されていることが好ましく、従って、保持構体３４５４は波の伝播方向に平行に設置されたゴム（ラバー）のような薄い平坦な弾性板であるべきである。
【００６４】
図４０は、ペンアップ期間中はＦＵＴ２０４０を“オフ”にスイッチし、ペンダウン期間中はＦＵＴ２０４０を“オン”にスイッチする典型例の回路を示している。筆記期間中に振動板２０４４が内側に偏向されると、正電圧が発生してスイッチ５００１は“オン”状態に遷移し、直流（ＤＣ）電圧がパルス発振器５００２に供給される。振動板２０４４の偏向が０（ゼロ）になったときは負電圧が発生し、パルス発振器５００２に供給される直流電圧は遮断されなければならない。スタイラス３４００の器具のチップ（先端）が筆記面に接触している期間中は、パルス発振器５００２はＦＵＴ２０４０を駆動する。図４０における端子Ｔ１は、図３８に示すように、キャパシタＣを経て抵抗Ｒに接続され、さらにトランスデューサ・フィルム２０４２に接続されていることに留意されたい。
【００６５】
前述のように、本明細書中で説明し図示した超音波トランスデューサ構成は受信機としても使用することができ、この場合は軸方向に入射する音響波によって、受信音響信号を表す電圧信号がトランスデューサ内の電極上に誘導される。
【００６６】
発明は上述の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の修正および変更は可能である。従って、このような全ての修正および変更も特許請求の範囲に含まれるものと考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態によるマンドレルまたはホルダの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示すホルダを使用した本発明による多セグメント（multi-segment）の円筒状超音波トランスデューサ（ＭＳＣＵＴ）の実施形態の斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂに示すＭＳＣＵＴの断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｂおよび図１Ｃに示すＭＳＣＵＴを使用した本発明によるＭＳＣＵＴ構成の実施形態の斜視図である。
【図１Ｅ】図１Ｅ図は、図１Ｄに示すＭＳＣＵＴ構成の断面図である。
【図２】図２Ａは、本発明の別の実施形態によるマンドレルまたはホルダの斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示すホルダを使用した、本発明によるＭＳＣＵＴの別の実施形態の斜視図である。図２Ｃは、図２Ｂに示すＭＳＣＵＴの断面図である。図２Ｄは、図２Ｂおよび図２Ｃに示すＭＳＣＵＴを使用した、本発明によるＭＳＣＵＴ構成の別の実施形態の斜視図である。
【図３】図３は、図１Ａに示すＭＳＣＵＴ構成を使用したハンドヘルド型スタイラスの実施形態の内部構造を破線で示した部分側面図である。
【図４】図４は、音響トランスデューサの出力端から放射する発散音響ビームを概略的に示す図である。
【図５】図５Ａは、図１Ａに示すマンドレルまたはホルダの一部の拡大斜視図である。図５Ｂは、円筒（シリンダ）内に形成する前における図１Ａ〜図１Ｅに示す圧電トランスデューサ・フィルムの拡大立面図である。図５Ｃは、図１Ｂ〜図１Ｅに示すＭＳＣＵＴの拡大斜視図である。
【図６】図６は、図１Ｂ〜図１Ｅに示すＭＳＣＵＴの振動の相を示す概略図である。
【図７】図７は、反射器が設けられた図１Ｂ〜図１Ｅに示すＭＳＣＵＴの断面図である。
【図８】図８は、音響信号が本発明のＭＳＣＵＴからどのように発生されて伝播して行くかを示す概略図である。
【図９】図９は、図１Ｄに示すＭＳＣＵＴ構成の拡大斜視図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明によるＭＳＣＵＴの別の実施携帯を使用したハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の内部構造を破線で示した部分断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａに示すスタイラスの部分断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、反射器が設けられた図１０Ａおよび図１０Ｂに示すＭＳＣＵＴの部分断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、本発明によるＭＳＣＵＴの別の実施形態を使用したハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明によるＭＳＣＵＴの別の実施携帯を使用したハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の内部構造を破線で示した部分断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに示すスタイラスの部分断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すＭＳＣＵＴの断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、反射器が設けられた図１１Ａ〜図１１Ｃに示すＭＳＣＵＴの部分断面図である。
【図１２】図１２は、音響出力信号強度をトランスデューサのフィルム面からスタイラスのハウジングの内壁までの間隔の関数として示したプロットである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、音響出力信号強度を種々のフィルム−ハウジング間隔に対する周波数の関数として示したプロットである。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、音響出力信号強度を種々のフィルム−ハウジング間隔に対する周波数の関数として示した理論上のプロットである。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１２、図１３Ａおよび図１３Ｂのプロットのために使用した図１０Ｃに示すハンドヘルド型スタイラスと同様なハンドヘルド型スタイラスを示す断面図である。
【図１４】図１４Ａおよび１４Ｂは、それぞれ、フィルムの内面と外面の各々に配置されたリング電極を有する円筒状圧電トランスデューサ・フィルムの斜視図である。
【図１５】図１５は、本発明により構成された順次駆動形の多リング電極を具えた円筒状トランスデューサの実施形態の斜視図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す多リング電極を具えた円筒状トランスデューサを駆動するための本発明による駆動回路の実施形態の概略的な回路図である。
【図１７】図１７は、図１６の増幅器が図１５に示すトランスデューサのリング電極にどのように関連し得るかを示す典型例の実施形態の概略図である。
【図１８】図１８は、単一のリング電極を具えた円筒状トランスデューサを駆動するのに使用される、本発明による駆動回路の代替的な実施形態を示す概略図である。
【図１９】図１９は、多数のリング電極を具えた円筒状トランスデューサを駆動するのに使用される、本発明による図１８に示す駆動回路の概略図である。
【図２０】図２０は、本発明により構成されたトランスデューサを含むハンドヘルド型スタイラスを表す概略図である。
【図２１】図２１Ａ〜２１Ｄは、本発明による典型例のスタイラスの開口の形状を例示する図である。
【図２２】図２２は、リング電極を駆動回路に接続するために使用され得る本発明による電極駆動接続構体の一実施形態を示す図である。
【図２３】図２３は、リング電極を駆動回路に接続するために使用され得る本発明による電極駆動接続構体の一実施形態を示す図である。
【図２４】図２４Ａは、本発明による平板形音響トランスデューサ（ＦＵＴ）の実施形態の斜視図である。図２４Ｂは、本発明による取り付け部材に支持された図２４Ａに示すＦＵＴに類似したＦＵＴの側面図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、本発明のＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスの実施形態の断面図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、図２５ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２５Ｃ】図２５Ｃは、図２５ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図２５Ｄ】図２５Ｄは、図２５ＡのＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図２６】図２６Ａは、本発明のＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の断面図である。図２６Ｂは、図２６ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図２６Ｃは、図２６ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図２６Ｄは、図２６ＡのＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図２７】図２７Ａは、本発明のＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の断面図である。図２７Ｂは、図２７Ａに示すスタイラスで使用されるＦＵＴの平面図である。
【図２８】図２８は、本発明の２つのＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスのさらに別の実施形態の断面図である。
【図２９】図２９Ａは、本発明のＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスのさらに別の実施形態の断面図である。図２９Ｂは、図２９ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図２９Ｃは、図２９ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図２９Ｄは、図２９ＡのＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図３０】図３０は、本発明のＦＵＴを２つ使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスのさらに別の実施形態の断面図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは、本発明の多数のＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の断面図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、本発明のＦＵＴを複数つ使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスの別の実施形態の断面図である。
【図３２】図３２Ａは、本発明のＦＵＴを複数つ使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスのさらに別の実施形態の断面図である。図３２Ｂは、本発明のＦＵＴを複数つ使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスのさらに別の実施形態の断面図である。
【図３３】図３３は、本発明の多数のＦＵＴを駆動するための本発明の順次駆動回路の実施形態を示している。
【図３４】図３４は、図３３に示された順次駆動回路による時間の関数として各ＦＵＴの励起をグラフの形で示している。
【図３５】図３５は、本発明によるＦＵＴの別の実施形態を示している。
【図３６】図３６は、図３５に示す順次駆動される多数の電極を具えたＦＵＴに関連する音響伝播パスを例示する図である。
【図３７】図３７は、本発明のＦＵＴの別の実施形態を使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスのさらに別の実施形態を示す断面図である。
【図３８】図３８は、力の検出のために本発明のＦＵＴを使用した本発明によるハンドヘルド型スタイラスの実施形態の断面図である。
【図３９】図３９は、図３８に示すスタイラスが筆記期間の開始点から筆記期間の終了点まで前進するに従って、図３８に示すスタイラスの圧電トランスデューサ・フィルムによって発生される電圧信号をグラフの形で示した図である。
【図４０】図４０は、図３８に示すスタイラスのＦＵＴを切換えるための典型例の回路を示している。
【図１Ａ】
2005534230.tif 000003
【図１Ｂ】
2005534230.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３】
2005534230.tif 000009
【図４】
2005534230.tif 000010
【図５】
2005534230.tif 000011
【図６】
2005534230.tif 000012
【図７】
2005534230.tif 000013
【図８】
2005534230.tif 000014
【図９】
2005534230.tif 000015
【図１０Ａ】
2005534230.tif 000016
【図１０Ｂ】
2005534230.tif 000017
【図１０Ｃ】
2005534230.tif 000018
【図１０Ｄ】
2005534230.tif 000019
【図１１Ａ】
2005534230.tif 000020
【図１１Ｂ】
2005534230.tif 000021
【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
2005534230.tif 000023
【図１２】
2005534230.tif 000024
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
2005534230.tif 000028
【図１５】
2005534230.tif 000029
【図１６】
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【図１７】
2005534230.tif 000031
【図１８】
2005534230.tif 000032
【図１９】
2005534230.tif 000033
【図２０】
2005534230.tif 000034
【図２１】
2005534230.tif 000035
【図２２】
2005534230.tif 000036
【図２３】
2005534230.tif 000037
【図２４】
2005534230.tif 000038
【図２５Ａ】
2005534230.tif 000039
【図２５Ｂ】
2005534230.tif 000040
【図２５Ｃ】
2005534230.tif 000041
【図２５Ｄ】
2005534230.tif 000042
【図２６】
2005534230.tif 000043
【図２７】
2005534230.tif 000044
【図２８】
2005534230.tif 000045
【図２９】
2005534230.tif 000046
【図３０】
2005534230.tif 000047
【図３１Ａ】
2005534230.tif 000048
【図３１Ｂ】
2005534230.tif 000049
【図３２】
2005534230.tif 000050
【図３３】
2005534230.tif 000051
【図３４】
2005534230.tif 000052
【図３５】
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【図３６】
2005534230.tif 000054
【図３７】
2005534230.tif 000055
【図３８】
2005534230.tif 000056
【図３９】
2005534230.tif 000057
【図４０】
2005534230.tif 000058
【国際調査報告】
2005534230.tif 000059