(57)【要約】超音波受信機（２０）は、主として可とう性圧電フィルムから形成された中空シリンダ（２２）を含む。この中空シリンダ（２２）は、外部表面（２４）、内部表面（２６）、中心軸（２８）及びこの中心軸（２８）に対し平行に測定された高さを有する。検知用電極は、内部表面に貼付された導電性材料で形成されており、一方、接地電極（３２）は、外部表面（２４）に貼付された導電性材料で形成されている。中空シリンダ（２２）は、中空シリンダ（２２）の大部分のまわりを円周方向に振動波が伝播できるような形で構成されている支持構造によって支持されている。検知用電極は、高さの大部分に沿って中心軸（２８）に対し実質的に平行である伸長方向に伸び、且つ中心軸（２８）にて９０°以下の角度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。
2005502287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（i）主として可とう性圧電フィルムで形成され、外部表面、内部表面、中心軸及びこの中心軸に対し平行に測定された高さを有する中空シリンダ；
（ii）前記内部表面に貼付された導電性材料で形成された検知用電極；
（iii）前記外部表面に貼付された導電性材料で形成された接地電極；及び
（iv）前記中空シリンダを支持するために、前記中空シリンダの大部分のまわりを円周方向に振動波が伝播できるような形で前記中空シリンダを支持するように構成されている支持構造、を含む超音波受信機において、
前記検知用電極が、前記高さの大部分に沿って前記中心軸に対し実質的に平行である伸長方向に伸び、且つ前記中心軸にて９０°以下の角度に対して定められた１本のストリップとして形成されている超音波受信機。
【請求項２】
前記ストリップが、前記中心軸にて３０°以下の角度に対して定められた、請求項１に記載の超音波受信機。
【請求項３】
前記接地電極が、前記外部表面の大部分にわたって伸びている、請求項１に記載の超音波受信機。
【請求項４】
前記検知用電極と隣接していないパターンで、前記内部表面に貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの付加的な電極をさらに含む、請求項３に記載の超音波受信機。
【請求項５】
前記少なくとも一つの付加的な電極が、前記内部表面の大部分にわたって伸びている、請求項４に記載の超音波受信機。
【請求項６】
前記少なくとも一つの付加的な電極が、接地されている、請求項５に記載の超音波受信機。
【請求項７】
付加的に超音波送信機として使用するように構成され、これにより超音波トランシーバとして機能し、該超音波トランシーバにはさらに、
（i）前記検知用電極に電気的に接続された受信機回路；
（ii）送信機回路；及び
（iii）前記接地電極及び前記付加的な電極の中から選択された起動用電極に接続され、前記起動用電極を前記送信機回路及びアースに交番で電気的に接続するように構成された切換えシステム、を含む制御モジュールが含まれている、請求項５に記載の超音波受信機。
【請求項８】
前記支持構造が、前記検知用電極との電気的接触を回避するような形で、前記中空シリンダ内で展開されている電気的に接地された導電性コア要素を含んでいる、請求項１に記載の超音波受信機。
【請求項９】
前記導電性コア要素が、金属コア要素である、請求項８に記載の超音波受信機。
【請求項１０】
前記導電性コア要素が、導電性フォームで形成されている、請求項８に記載の超音波受信機。
【請求項１１】
前記可とう性圧電フィルムが、ＰＶＤＦフィルムとして実施されている、請求項１に記載の超音波受信機。
【請求項１２】
前記検知用電極及び前記接地電極が、実質的に透明な電極として実施されている、請求項１に記載の超音波受信機。
【請求項１３】
超音波信号を送受信するための超音波トランシーバを動作させる方法において：
（i）（ａ）主として可とう性圧電フィルムで形成され、外部表面、内部表面、中心軸及びこの中心軸に対し平行に測定された高さを有し、その大部分のまわりを円周方向に振動波が伝播できるようにする形で取り付けられている中空シリンダ；
（ｂ）前記内部表面に貼付された導電性材料で形成され、前記高さの大部分に沿って前記中心軸に対し実質的に平行である伸長方向に伸び、且つ前記中心軸にて９０°以下の角度に対して定められた１本の幅の狭いストリップとして形成されている検知用電極；
（ｃ）前記検知用電極と隣接していないパターンで前記内部表面の大部分にわたり伸びるように貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの付加的な内部電極；及び
（ｄ）前記外部表面の大部分にわたり伸びるように貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの外部電極、
を含む超音波トランシーバ構造を提供するステップ；
（ii）（ａ）前記付加的な内部電極及び前記外部電極の両方をアースに接続すること；及び
（ｂ）前記検知用電極を受信機回路に電気的に接続すること、
によって超音波信号を受信するステップ；及び
（iii）前記付加的な内部電極及び前記外部電極のうちの少なくとも一つに対して駆動電圧を印加することにより超音波信号を送信するステップ、
を含む方法。
【請求項１４】
可動要素と結合された少なくとも一つの超音波トランスデューサを含む可動超音波トランスデューサの第１のグループと、ベースユニットに対する固着により幾何学的に固定した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を含む固定式超音波トランスデューサの第２のグループを含む、可動要素の位置を決定するためのシステムを動作させる方法において、
（i）（ａ）前記第１及び第２の超音波トランスデューサグループのうちの一つが、前記第１及び第２のグループのうちのもう一方のものの中の超音波トランスデューサによって受信された少なくとも一つの測定信号を送信し；且つ
（ｂ）可動要素の一つの位置が、前記少なくとも一つの測定信号についての飛行時間型測定から導出される、測定モードでシステムを動作させるステップ；及び
（ii）（ａ）前記第２のグループからの少なくとも一つの超音波トランスデューサが較正信号を送信し、前記第２のグループからの少なくとも一つの他の超音波トランスデューサが前記較正信号を受信し；且つ
（ｂ）較正情報が前記較正記号についての飛行時間型測定から導出される、
較正モードでシステムを間欠的に動作させるステップ、
を含む方法。
【請求項１５】
前記第２のグループによる、少なくとも一つの超音波トランスデューサが、
（i）主として可とう性圧電フィルムで形成され、外部表面、内部表面、中心軸及びこの中心軸に対し平行に測定された高さを有し、その大部分のまわりを円周方向に振動波が伝播できるような形で取り付けられている中空シリンダ；
（ii）前記内部表面に貼付された導電性材料で形成され、前記高さの大部分に沿って前記中心軸に対し実質的に平行である伸長方向に伸び、且つ前記中心軸にて９０°以下の角度に対して定められた１本の幅の狭いストリップとして形成されている検知用電極；
（iii）前記検知用電極と隣接していないパターンで、前記内部表面の大部分にわたり伸びるように貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの付加的な内部電極；及び
（iv）前記外部表面の大部分にわたり伸びるように貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの外部電極、
を含む構造で形成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
超音波信号との干渉を最小限におさえつつ、超音波信号の所定の周波数について使用される超音波トランスデューサのための機械的保護を提供する方法において、トランスデューサに隣接して保護格子を位置づけるステップが含まれ、格子が、空気中の所定の超音波周波数の波長の約半分未満の空間周波数で間隔をあけた複数の開口部を有している、方法。
【請求項１７】
格子が、空気中の所定の超音波周波数の波長の約四分の一未満の空間周波数で間隔をあけた複数の開口部を有している、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
トランスデューサが円筒形であり、格子がトランスデューサを取り囲む円筒形格子として構成されている、請求項１６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トランシーバ及び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。これらの利点については、デ・ブルイネ(De Bruyne)に対する米国特許第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さらなる利点は、位置を測定すべき要素のまわりにそれら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た容量性デバイスである「セルトランスデューサ」を提案している。このような構造は、製造コストが高く、信頼性が低いと考えられる。
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(Breyer)らに対する米国特許第4,706,681号に見いだすことができる。ここでは、円筒形圧電カラーが二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させ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づけされているのはシリンダの僅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度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、圧電フィルムを用い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１２に対するシリンダ１０の応答を示す。圧電フィルムは、可とう性であるため、信号１２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の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さらなる問題は、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。
従って、圧電フィルムを利用する円筒形超音波受信機構造が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、圧電フィルムを用いた円筒形超音波受信機の構造に関する。
本発明の教示によれば、（i）主として可とう性圧電フィルムで形成され、外部表面、内部表面、中心軸及びこの中心軸に対し平行に測定された高さを有する中空シリンダ；（ii）前記内部表面に貼付された導電性材料で形成された検知用電極；（iii）前記外部表面に貼付された導電性材料で形成された接地電極；及び（iv）前記中空シリンダを支持するために、前記中空シリンダの大部分のまわりを円周方向に振動波が伝播できるような形で前記中空シリンダを支持するように構成されている支持構造、を含む超音波受信機において、前記検知用電極が、前記高さの大部分に沿って前記中心軸に対し実質的に平行である伸長方向に伸び、且つ前記中心軸にて９０°以下の角度に対して定められた１本のストリップとして形成されている超音波受信機が提供される。
本発明のさらなる特徴によれば、前記ストリップが、前記中心軸にて３０°以下の角度に対して定められている。
本発明のさらなる特徴によれば、前記接地電極が前記外部表面の大部分にわたって伸びている。
本発明のさらなる特徴によれば、前記検知用電極と隣接していないパターンで、前記内部表面に貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの付加的な電極も提供される。
本発明のさらなる特徴によれば、前記少なくとも一つの付加的な電極が、前記内部表面の大部分にわたって伸びている。
本発明のさらなる特徴によれば、前記少なくとも一つの付加的な電極が接地されている。
【０００５】
本発明のさらなる特徴によれば、付加的に超音波送信機として使用するように構成され、これにより超音波トランシーバとして機能し、該超音波トランシーバにはさらに、（i）前記検知用電極に電気的に接続された受信機回路；（ii）送信機回路；及び（iii）前記接地電極及び前記付加的な電極の中から選択された起動用電極に接続され、前記起動用電極を前記送信機回路及びアースに交番で電気的に接続するように構成された切換えシステム、を含む制御モジュールが含まれている。
本発明のさらなる特徴によれば、前記支持構造が、前記検知用電極との電気的接触を回避するような形で、前記中空シリンダ内で展開されている電気的に接地された導電性コア要素を含んでいる。一つの好適な実施態様によれば、前記導電性コア要素は、金属コア要素である。代替の実施態様によれば、前記導電性コア要素が導電性フォームで形成される。
本発明のさらなる特徴によれば、前記可とう性圧電フィルムがＰＶＤＦフィルムとして実施されている。
本発明のさらなる特徴によれば、前記検知用電極及び前記接地電極が、実質的に透明な電極として実施されている。
【０００６】
本発明の教示によれば、超音波信号を送受信するための超音波トランシーバを動作させる方法において、（i）（ａ）主として可とう性圧電フィルムで形成され、外部表面、内部表面、中心軸及びこの中心軸に対し平行に測定された高さを有し、その大部分のまわりを円周方向に振動波が伝播できるようにする形で取り付けられている中空シリンダ；（ｂ）前記内部表面に貼付された導電性材料で形成され、前記高さの大部分に沿って前記中心軸に対し実質的に平行である伸長方向に伸び、且つ前記中心軸にて９０°以下の角度に対して定められた１本の幅の狭いストリップとして形成されている検知用電極；（ｃ）前記検知用電極と隣接していないパターンで前記内部表面の大部分にわたり伸びるように貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの付加的な内部電極；及び（ｄ）前記外部表面の大部分にわたり伸びるように貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの外部電極、を含む超音波トランシーバ構造を提供するステップ、(ii)（ａ）前記付加的な内部電極及び前記外部電極の両方をアースに接続すること；及び（ｂ）前記検知用電極を受信機回路に電気的に接続すること、によって超音波信号を受信するステップ；及び（iii）前記付加的な内部電極及び前記外部電極のうちの少なくとも一つに対して駆動電圧を印加することにより超音波信号を送信するステップ、を含む方法も提供される。
【０００７】
本発明の教示によれば、可動要素と結合された少なくとも一つの超音波トランスデューサを含む可動超音波トランスデューサの第１のグループと、ベースユニットに対する固着により幾何学的に固定した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を含む固定式超音波トランスデューサの第２のグループを含む、可動要素の位置を決定するためのシステムを動作させる方法において、（i）（ａ）前記第１及び第２の超音波トランスデューサグループのうちの一つが、前記第１及び第２のグループのうちのもう一方のものの中の超音波トランスデューサによって受信された少なくとも一つの測定信号を送信し、且つ（ｂ）可動要素の一つの位置が、前記少なくとも一つの測定信号についての飛行時間型測定から導出される測定モードでシステムを動作させるステップ；及び（ii）（ａ）前記第２のグループからの少なくとも一つの超音波トランスデューサが較正信号を送信し、前記第２のグループからの少なくとも一つの他の超音波トランスデューサが較正信号を受信し、且つ（ｂ）較正情報が前記較正記号についての飛行時間型測定から導出される較正モードでシステムを間欠的に動作させるステップを含む方法も提供される。
本発明のさらなる特徴によれば、前記第２のグループによる少なくとも一つの超音波トランスデューサが、上記円筒形の超音波トランスデューサ構造として実施される。
本発明の教示によれば、超音波信号との干渉を最小限におさえつつ、超音波信号の所定の周波数について使用される超音波トランスデューサのための機械的保護を提供する方法において、トランスデューサに隣接して保護格子を位置づけるステップが含まれ、格子が、空気中の所定の超音波周波数の波長の約半分未満、好ましくは約四分の一未満の空間周波数で間隔をあけた複数の開口部を有している方法も提供される。円筒形トランスデューサとしては、格子が好ましくはトランスデューサを取り囲む円筒形格子として構成されている。
【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の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、図面及び付随する説明を参照することによって、さらに良く理解することができよう。
【０００９】
ここで図面を参照すると、図３〜図１１は、本発明の教示によって構築され作動する一般に２０という符号が付されている超音波受信機及びそれに付随するアセンブリを例示している。
一般的に、受信機２０は、外部表面２４、内部表面２６、中心軸２８及び軸２８に平行に測定された高さｈを有する主として可とう性圧電フィルムで形成された中空シリンダ２２を含んでいる。内部表面２６には、導電性材料で形成された検知用電極３０が貼付される。接地電極３２は、外部表面２４に貼付された導電性材料で形成される。シリンダ２２は、その主要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中空シリンダを支持するように構成された、ここではコア要素３４により表わされている支持構造によって支持されている。
検知用電極３０は、高さｈの大部分に沿って中心軸２８に実質的に平行な伸長方向に伸び、且つ中心軸２８にて９０°以下の角度α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、というのが、本発明の最も好ましい実施の独特な特徴である（図４Ｃ参照）。ストリップ３０の寸法は、好ましくは、意図された作動周波数の超音波振動によって誘発されたシリンダ２２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３つの波長ではなくむしろ）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、ストリップ３０が軸２８で約９０°未満に角度α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、ストリップ３０の幅は、標準的に軸２８で約２０〜約３０°の間に角度αを定めるために選択される。
【００１０】
受信機２０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、入射圧力波は、シリンダ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、検知用電極３０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。
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、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。
【００１１】
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。
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一つの主要な問題点は、電極が電磁（ＥＭ）放射のためのアンテナとして機能する傾向にあることである。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、以下に詳述するように、ＥＭ放射から検知用電極３０を遮蔽する一助となる一つ以上の特徴を含んでいる。
まず第１に、接地電極３２が好ましくはフィルムの外部表面２４の大部分にわたって伸びている。これは、検知用電極３０のまわりに導電性のシェルを形成し、こうして収容する容積からＥＭフィールドを除外する傾向がある。ちなみに、フィルムの外部ではなくむしろフィルムの内部表面上に検知用電極３０を位置づけるのが好ましい理由はここにある。
付加的な遮蔽は、好ましくは、検知用電極と隣接していないパターンで内部表面に貼付された導電性材料で形成された少なくとも一つの付加的な接地電極３６を具備することによって提供される。好ましくは、付加的な電極３６は、内部表面２６の主要部分全体にわたって伸びている。２つ以上の別々の領域が必要とされる場合、それらは有利には、図４Ｂに示されているような導電性材料のブリッジ部分３８により電気的に接続され得る。
ＥＭ遮蔽に対するさらなる又は代替的な寄与は、好ましくは、検知用電極３０との電気的接触を回避するような形でシリンダ２２の内部に配置された電気的に接地した導電性コア要素３４を利用することによって提供される。コア要素３４は、標準的には（必ずしも必要ではないが）シリンダ２２のための支持構造の一部である。
【００１２】
図５は、図示されているように中実であっても中空であってもよい金属コア要素としてのコア要素３４の一つの好ましい実施形態を示している。シリンダ２２のフィルムが自由に振動できるようにするために、コア要素３４は、ここでは、その高さの大部分にわたり、直径の減少した部分３８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３４により画定された非接触領域は、検知用電極３０との電気的接触を回避するのに十分なものである。あるいは、付加的な絶縁層を、コア要素３４と検知用電極３０の間に介在させることができる。
図６は、導電性フォームで形成されたコア要素３４の代替的実施を示している。この場合、コア要素３４とシリンダ２２の間の接触は、標準的にシリンダ２２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３４と検知用電極３０との間には、一般に付加的な絶縁層が必要とされる。
受信機２０を使用するためには、（以下で言及する）付随する回路の適切な電気部品と様々な電極との間に、適切な電気的接続が明確になされなくてはならない。圧電デバイス設計の分野では、広い範囲の有効な接続構成が知られているという点に留意されたい。しかし、完全さを期するため、特に有利であると考えられているいくつかの接続構成を簡単に参照する。
【００１３】
まず第１に、図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、すべての電気的接点を担持するタブ４０がそこから突出するような形でシリンダ２２の好ましい形態が構成されていることがわかる。これらの接点をＰＣＢの対応する接点に接続するための三つの技術が、それぞれ図７Ａ〜図７Ｂ、図８及び図９の中に例示されている。
図７Ａ及び図７Ｂの技術によれば、各々の上に導電性接着剤４４を一滴沈着させることにより調製されたＰＣＢの対応する接点４２とタブ４０が心合わせされ、これに対しプレスされる。
図８の技術によれば、ＰＣＢと一つ以上のバネ要素４６の間にタブ４０が強制される。ＰＣＢ及びバネのうちの一つ又は標準的には両方の上に電気的接点が具備されている。
【００１４】
図９の技術によれば、タブ４０の接点部分を通っていくつかの導電性ピン４８が挿入され、ＰＣＢ上の対応する接点ソケットと係合する。
ここで簡単に図１０Ａ及び図１０Ｂを見てみると、接点タブ４０ａ及び４０ｂが接線方向ではなくむしろシリンダ２２から軸方向に伸びている圧電フィルムの一つの代替的構成が示されている。その他の点では、この構成は、図３〜図４のものと完全に類似している。
デバイス２０は、ここまで超音波受信機として説明されてきたが、同じ構造は、以下に記すように、信号の送受信の両方のためのトランシーバシステムで使用するのにきわめて適している。ここで、図４Ｂに戻ると、付加的な電極（単数又は複数）３６が好ましくは接地電極３２の反対側で表面２６の大きい割合を被覆しているということがわかるであろう。こうして、これら二つの電極間に加えられる駆動電圧は、従来の円筒形超音波送信機の動作に類似して、超音波信号を生成するためにきわめて有効である。
先に言及したとおり、超音波信号の受信中遮蔽を目的として接地電極３２及び付加的な電極（単数又は複数）３６の両方を接地させることが有利である。この利点を維持するために、送信が必要とされた時点で送信機回路に対する接地電極のうちの一つの接続を選択的に切り換えるのに、切換えシステムを使用することができる。
【００１５】
このようにして、図１１を参照すると、デバイス２０を利用するトランシーバアセンブリが図示されている。トランシーバアセンブリは、さらに、標準的には増幅器５４を介して検知用電極３０に電気的に接続された受信機回路５２を有する制御モジュール５０を含んでいる。制御モジュール５０は、また、送信機回路５６及び切換えシステム５８も含んでいる。切換えシステム５８は、起動用電極として機能し、接地電極３２又は付加的な電極３６のいずれかと接続され、送信のためには送信機回路へ、そして受信中はアースへと、それを交互に接続する。アセンブリ全体は、標準的には、プロセッサ６０の制御下で動作させられるが、その詳細は、本発明にとって本質的なことではない。
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３６及び外部電極３２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ＥＭ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、接地電極３２又は付加的な電極３６のいずれかに対し、駆動電圧が印加される。
【００１６】
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２０がシリンダ２２のまわりに間隔をあけて１個より多い検知用電極３０を使用できるという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、シリンダ２２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シリンダ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で、上記の図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、シリンダ２２は、好ましくは、動作周波数で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）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、シリンダの直径は、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の直径のシリンダが好ましい。
【００１７】
ここで、図１２Ａ〜図１３Ｂに戻ると、本発明のトランスデューサのトランシーバ機能性が、可動要素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動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。
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、以下で説明する自己較正機能が提供されている。
最初に図１２Ａを参照すると、可動要素７２と係合する可動超音波トランスデューサ７０と、ベースユニット７８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７４、７６とを含む、可動要素の位置を決定するためのシステムが概略的に示されている。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７４及び７６によって受信される可動超音波トランスデューサ７０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７２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。
本発明の教示によれば、システムは、また、トランスデューサ７４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７６により受信された較正信号を送り出す較正モードで間欠的に動作する。トランスデューサ７４及び７６の間の距離は、ベースユニット７８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わす較正情報を導出するために、較正信号用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７２の位置の導出を補正するために使用することができる。
簡単に図１３Ａ及び図１３Ｂを参照すると、これらは、可動トランスデューサ７０が固定型トランスデューサ７４及び７６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７４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７６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。
【００１８】
ここで図１４に戻ると、超音波トランスデューサのための機械的保護を提供するように使用するための本発明のさらなる態様の教示によって構築され作動する、全体として８０という符号で示された保護用格子が示されている。
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の様々な保護構造の存在に起因する有意な信号ひずみ及び／又は「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）の問題を抱えている。
このような問題を最小限におさえるか又は除去するために、本発明は、開口部の周期パターンが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）の空間周期Ｓを有する保護格子構造８０を提供している。既存のシステムに比べてはるかに小さい格子ステップＳを有する格子を用いることにより、超音波信号に対し方向的中断がひ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の格子ステップ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。
信号の減衰を最小限におさえるためには、開放している格子の割合は、構造の機械的必要条件を前提として、好ましくは最大にされる。上記の例において、格子の開放面積は、好ましくは、各々の格子ステップの内部の全面積の少なくとも約７０％である。
【００１９】
ここでは矩形格子の形で概略的に示されているが、格子８０は、明らかに、各々の特定の利用分野に適合するように、範囲の異なる形態で実施できる。このようにして、上記のもののような円筒形トランスデューサについては、格子８０は、好ましくは、Ｓという周期的間隔で開口部を有する円筒形外部スリーブとして実施される。
具体的には、筆記具の書込み点と結びつけられたトランスデューサについては、好ましくは、ユーザーのチップ視野を良く見えない状態にすることなく書込みチップに非常に近いところに超音波トランスデューサが位置設定され、これを取り囲むことができる程度に、（電極のためには透明な導電性材料、格子８０のためには透明なプラスチックなどを用いて）実質的に透明な要素として、トランスデューサ２０及び格子８０のすべてのコンポーネントが実施されるという点に留意されたい。
上記の説明は、一例として役立つように意図されたものにすぎず、本発明の精神及び範囲内でその他の数多くの実施形態が可能である、ということが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】超音波信号に露呈された場合の図１のシリンダの概略図である。
【図３】本発明の教示によって構築され動作する円筒形超音波トランシーバの等角図である。
【図４】Ａは、各々の表面に貼付された電極パターンの形態を示す、図１の円筒形超音波トランシーバ内で使用される圧電フィルムの外部表面及び内部表面のそれぞれの平面図、Ｂは、各々の表面に貼付された電極パターンの形態を示す、図１の円筒形超音波トランシーバ内で使用される圧電フィルムの外部表面及び内部表面のそれぞれの平面図、Ｃは、その円筒形構成でのＡ及びＢのフィルムの概略平面図である。
【図５】図１の円筒形超音波トランシーバからの金属コア要素の等角図である。
【図６】図５のコア要素の代替として使用可能な導電性フォームコア要素の等角図である。
【図７】Ａは、導電性接着剤を使用する、図１の円筒形超音波トランシーバとの電気的接点を形成するための第１の技術を例示する概略等角図、Ｂは、導電性接着剤を使用する、図１の円筒形超音波トランシーバとの電気的接点を形成するための第１の技術を例示する概略等角図である。
【図８】バネ接続を使用する、図１の円筒形超音波トランシーバとの電気接点を形成するための第２の技術を例示する概略等角図である。
【図９】ピンを使用する、図１の円筒形超音波トランシーバとの電気接点を形成するための第３の技術を例示する概略等角図である。
【図１０】Ａは、接続タブの代替的構成を示す、図１の円筒形超音波トランシーバで使用するための圧電フィルムの概略平面図、Ｂは、円筒形に巻かれたＡのフィルムを示す概略等角図である。
【図１１】図１の円筒形超音波トランシーバを含むトランシーバアセンブリの主要コンポーネントを例示するブロック図である。
【図１２】Ａは、一次的動作モードで動作している、本発明の教示によって構築され動作する、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、Ｂは、自己較正動作を実施している間のＡのシステムの動作の概略図である。
【図１３】Ａは、一次的動作モードで動作している、本発明の教示によって構築され動作する、可動要素の位置を決定するための代替的システムの動作の概略図、Ｂは、自己較正動作を実施している間のＡのシステムの動作の概略図である。
【図１４】超音波トランスデューサと共に使用するための、本発明の教示によって構築され動作する保護格子の概略等角図である。
【符号の説明】
【００２１】
α  角度、Ｓ  空間周期（格子ステップ）、ｈ  高さ、１０  シリンダ、１２  入力超音波信号波面（信号）、２０  受信機（デバイス、トランスデューサ）、２２  中空シリンダ、２４  外部表面、２６  内部表面、２８  中心軸、３０  検知用電極（ストリップ）、３２  接地電極、３４  コア要素、３６  接地電極（付加的な電極）、３８  （導電性材料の）ブリッジ部分、４０  タブ、４０ａ、４０ｂ  接点タブ、４２  接点、４４  導電性接着剤、４６  バネ要素、４８  導電性ピン、５０  制御モジュール、５２  受信機回路、５４  増幅器、５６  送信機回路、５８  切換えシステム、６０  プロセッサ、７０  可動超音波トランスデューサ、７２  可動要素、７４、７６  超音波トランスデューサ、７８  ベースユニット、８０  保護格子構造。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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