JP2005534230A - 音響信号の軸方向伝送用の超音波トランスデューサを有するハンドヘルド型機器 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
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。
(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。
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。
米国特許第6,239,535号
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (70)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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・
- 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。
- 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・
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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