JP4515092B2 - 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 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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30と接続し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。
図6は、導電性のコア要素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の間の接触によって、標準的にシリンダ22内部への振動の伝播は著しく阻害されない。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (18)
- 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、前記超音波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、前記保護格子が、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、機械的保護提供方法。
- 前記保護格子が、前記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1に記載の機械的保護提供方法。
- 前記超音波トランスデューサが円筒形であり、前記保護格子が前記超音波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1に記載の機械的保護提供方法。
- 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、前記超音波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、前記保護格子が、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、
前記超音波トランスデューサが円筒形であり、前記保護格子が前記超音波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、
前記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にする形で取り付けられている中空シリンダと;
(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と;
(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と;
(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と、を含み、
前記機械的保護提供方法が、さらに、
(a)(i)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
(ii)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と;
(b)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と、
を含む機械的保護提供方法。 - 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装置において、
前記超音波トランスデューサに隣接して位置づけられる保護格子を有し、
前記保護格子が、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、機械的保護提供装置。 - 前記保護格子が、前記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5に記載の機械的保護提供装置。
- 前記超音波トランスデューサが円筒形であり、前記保護格子が前記超音波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5に記載の機械的保護提供装置。
- 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装置において、
前記超音波トランスデューサに隣接して位置づけられる保護格子を有し、
前記保護格子が、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、
前記超音波トランスデューサが円筒形であり、前記保護格子が前記超音波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、
前記円筒形超音波トランスデューサが、
(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する中空シリンダと;
(b)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と;
(c)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と;
(d)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と、を含み、
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、機械的保護提供装置。 - 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8に記載の機械的保護提供装置。
- 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8に記載の機械的保護提供装置。
- 前記検知用電極と接続しないように、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10に記載の機械的保護提供装置。
- 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11に記載の機械的保護提供装置。
- 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12に記載の機械的保護提供装置。
- 前記超音波トランスデューサが、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、
(a)前記検知用電極に電気的に接続された受信機回路と;
(b)送信機回路と;
(c)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と、
を含む制御モジュールが含まれている、請求項12に記載の機械的保護提供装置。 - 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8に記載の機械的保護提供装置。
- 前記導電性コア要素が、金属コア要素である、請求項15に記載の機械的保護提供装置。
- 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8に記載の機械的保護提供装置。
- 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8に記載の機械的保護提供装置。
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