KR20040064261A - Cylindrical ultrasound receivers and transceivers formed from piezoelectric film - Google Patents
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Abstract
초음파 수신기(20)는 플렉시블 압전 필름으로부터 처음에 형성되고, 외주면(24), 내주면(26), 중심축(28) 및 상기 중심축(28)에 평행한 길이의 높이를 갖는 중공 실린더(22)를 포함한다. 감지 전극은 그라운드 전극(32)이 외주면(24)에 적용된 도전 물질로부터 형성되는 동안, 상기 내주면(26)에 적용된 도전 재료로부터 형성된다. 상기 중공 실린더(22)는 중공 실린더(22)의 핵심 부분 주변에 원주방향으로 진동파를 전달하도록 형성된 지지 구조에 의해 지지된다. 상기 감지 전극은 높이의 핵심 부분을 따라 상기 중심축(28)과 대체로 평행한 확산 방향으로 연장된 스트립처럼 형성되고, 상기 스트립은 상기 중심축(28)에서 90°보다 크지 않은 각도 범위이다.The ultrasonic receiver 20 is initially formed from a flexible piezoelectric film, and has a hollow cylinder 22 having a height of an outer circumferential surface 24, an inner circumferential surface 26, a central axis 28 and a length parallel to the central axis 28. It includes. The sensing electrode is formed from the conductive material applied to the inner circumferential surface 26 while the ground electrode 32 is formed from the conductive material applied to the outer circumferential surface 24. The hollow cylinder 22 is supported by a support structure formed to transmit vibration waves in the circumferential direction around the core portion of the hollow cylinder 22. The sensing electrode is formed like a strip extending in the diffusion direction substantially parallel to the central axis 28 along the central portion of the height, the strip being in an angular range not greater than 90 ° in the central axis 28.
Description
원형 초음파 트랜스듀서는 디지타이저 시스템에서 초음파 신호를 송신하기 위해 사용되고 있다. 원형상은 신호 전송을 사방에서 제공하고, 한 지점(정확하게는, 라인)에서 동일한 효과를 제공함으로서 방사시간의 지오메트리 계산이 간단하다. 이러한 장점은 De Bruyne가 발명한 미국특허번호 4,758,691에 개시되어 있다. 원형 초음파 트랜스듀서의 또다른 장점은 측정하려고 하는 위치의 소자 주변에 신호를 집중시킬 수 있다는 것이다. 이것은 PCT 공개번호 WO98/40838에 개시된 디지타이저 시스템의 도면에 구현되고 있다.Circular ultrasonic transducers are being used to transmit ultrasonic signals in digitizer systems. The circular shape simplifies the calculation of the geometry of the emission time by providing signal transmission in all directions and by providing the same effect at one point (exactly, the line). This advantage is disclosed in US Patent No. 4,758,691, invented by De Bruyne. Another advantage of circular ultrasonic transducers is that they can focus the signal around the device at the location you want to measure. This is implemented in the figure of the digitizer system disclosed in PCT Publication No. WO98 / 40838.
구조적으로, 원형 트랜스듀서의 얼마간의 다른 형상이 제안되어져 왔다. De Bruyne가 발명한 특허는 약 20㎛의 원형 에어갭을 제조하기 위해 제공된 원형층의 복잡한 배열로부터 형성된 정전용량 장치인 "셀 트랜스듀서"를 제안한다. 이러한 구조는 제조비가 비싸고 신뢰성이 떨어진다.Structurally, some other shape of the circular transducer has been proposed. The patent invented by De Bruyne proposes a "cell transducer" which is a capacitive device formed from a complex arrangement of circular layers provided to produce a circular air gap of about 20 μm. Such a structure is expensive to manufacture and is not reliable.
의학 분야에서 제안되어져 온 트랜스듀서의 두번째 형상은, 압전 소자를 이용한다. 이러한 형상의 의료용 트랜스듀서의 한 예로는 초음파 마커를 발표한 Breyer가 발명한 미국 특허번호 4,706,681에 개시되어 있다. 여기에서, 원형 압전 칼라는 두 개의 전극사이에 샌드위치되어 있다. 전극들과 교차하는 교류 전위는 칼라의 진동을 일으키고, 이에 따라 초음파 신호를 방사상으로 방출한다.The second shape of the transducer, which has been proposed in the medical field, uses piezoelectric elements. One example of a medical transducer of this shape is disclosed in US Pat. No. 4,706,681, invented by Breyer, who published an ultrasound marker. Here, the circular piezoelectric collar is sandwiched between two electrodes. An alternating potential crossing the electrodes causes the collar to vibrate, thus radiating an ultrasonic signal radially.
원리적으로, 임의의 초음파 트랜스듀서는 송신기와 수신기로서 모두 동작 가능하나, 실제로 많은 송신기 구조에서 수신기로서 부적합하였다. 이것은 실린더의 한 작은 위치만이 주어진 방향으로부터 착 신호를 수신하기 위해 정확히 방향지어지는 동안, 거의 완전한 원형 실린더가 비교적 고전압으로 동작함으로서 광각 전송의 원인이 된다는 사실이다. 게다가 수신된 신호의 진폭을 큰 비율로 제거할 수 있는 트랜스듀서의 큰 비활성 영역의 고유 정전용량은 수신기로서 반응하지 않는 트랜스듀서가 되게 한다.In principle, any ultrasonic transducer can operate as both a transmitter and a receiver, but is in fact unsuitable as a receiver in many transmitter structures. This is the fact that while only one small position of the cylinder is correctly oriented to receive the complex signal from a given direction, the nearly complete circular cylinder operates at a relatively high voltage, causing wide angle transmission. In addition, the inherent capacitance of the large inactive area of the transducer, which can eliminate the amplitude of the received signal at a large rate, makes the transducer unresponsive as a receiver.
일반적으로, 트랜스듀서 분야에서 PVDF와 같은 압전 필름을 사용한 장치 개발에 많은 노력을 기울였다. 도전 전극은 대체로 표면 영역에 도전 잉크를 선택적으로 인쇄함으로서 필름의 맞은편에 형성된다. 이러한 필름들은 제조비가 싸고, 습기 노출을 포함한 넓은 범위의 동작 조건에서 잘 견딘다.In general, much effort has been made in developing transducers using piezoelectric films such as PVDF. The conductive electrode is generally formed opposite the film by selectively printing the conductive ink in the surface area. Such films are inexpensive to manufacture and well tolerate a wide range of operating conditions, including moisture exposure.
비록, 원형 초음파 트랜스듀서가 압전 필름을 사용하여 비교적 간단히 구현된다 하더라도, 수신기의 구현은 위에서 언급한 원형 수신기의 일반적 문제들 이외의 부가적 문제들로 어렵다. 특히, 도 1 및 도 2을 참조하면, 압전 필름으로부터 형성된 부유 실린더 10의 개략도가 도시되어 있다. 도 1은 이완 상태를 도시하고,도 2는 전면에서 초음파 신호 12가 착신될 때 실린더 10의 반응을 도시한다. 압전 필름이 플랙시블하고, 신호 12의 발진이 실린더 10 주변을 이동하는 동안 파장(비정상적으로 확장된)을 발생한다. 압전 필름의 방향과 유연성 정도는 실린더 주변에 생성된 파형을 따라 변화하고, 전극들 사이에서 발생된 감지 전위의 반전으로 끝난다. 결과적으로, 압전 필름에 의해 발생된 많은 양의 전위는 전극내에서 국부 와전류로 방사되고, 전극들 사이에서 측정된 전체 신호전압은 크게 감소한다.Although the circular ultrasonic transducer is implemented relatively simply using piezoelectric film, the implementation of the receiver is difficult with additional problems other than the general problems of the circular receiver mentioned above. In particular, referring to FIGS. 1 and 2, a schematic of a floating cylinder 10 formed from a piezoelectric film is shown. 1 shows the relaxed state, and FIG. 2 shows the reaction of cylinder 10 when an ultrasonic signal 12 is received at the front. The piezoelectric film is flexible and generates a wavelength (abnormally extended) while the oscillation of signal 12 travels around cylinder 10. The direction and degree of flexibility of the piezoelectric film changes along the waveform generated around the cylinder and ends with the reversal of the sensing potential generated between the electrodes. As a result, a large amount of potential generated by the piezoelectric film is radiated with local eddy currents in the electrodes, and the total signal voltage measured between the electrodes is greatly reduced.
압전 필름을 사용한 원형 초음파 트랜스듀서의 구현에 따른 또다른 문제는 잡음비에 대해 매우 낮은 신호로 생기는 불필요한 전자 방사를 포착하는 안테나처럼 작용하는 전극의 경향이다.Another problem with the implementation of circular ultrasonic transducers using piezoelectric films is the tendency of the electrodes to act as antennas to capture unwanted electromagnetic radiation resulting from very low signals for noise ratios.
그러므로, 압전 필름을 사용한 원형 초음파 수신기 구조를 필요로 한다.Therefore, there is a need for a circular ultrasonic receiver structure using a piezoelectric film.
본 발명은 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 특히 압전 필름으로부터 형성된 원형 초음파 수신기 및 트랜시버, 그리고 디지타이저 시스템에서 이들의 적용에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to ultrasonic transducers, in particular to circular ultrasonic receivers and transceivers formed from piezoelectric films, and to their application in digitizer systems.
도 1은 이완 상태에서 압전 필름으로부터 자유롭게 형성된 부유 실린더의 개략도;1 is a schematic view of a floating cylinder freely formed from a piezoelectric film in a relaxed state;
도 2는 도 1의 실린더가 초음파 신호에 노출되었을 때의 개략도;2 is a schematic diagram when the cylinder of FIG. 1 is exposed to an ultrasonic signal;
도 3은 본 발명의 실시에 의한 원형 초음파 트랜시버의 구성 및 동작도;3 is a configuration and operation diagram of a circular ultrasonic transceiver according to an embodiment of the present invention;
도 4A 및 도 4B는 도 1의 원형 초음파 트랜시버에 적용된 압전 필름의 내주면 및 외주면 각각에 적용된 전극 패턴의 형상도;4A and 4B are shape views of electrode patterns applied to each of the inner and outer circumferential surfaces of the piezoelectric film applied to the circular ultrasonic transceiver of FIG. 1;
도 4C는 도 4A 및 도 4B의 필름을 원형상으로 도시한 개략도;4C is a schematic diagram illustrating the film of FIGS. 4A and 4B in a circular shape;
도 5는 도 1의 원형 초음파 트랜시버에서 금속 코어 소자를 도시한 도면,5 illustrates a metal core device in the circular ultrasonic transceiver of FIG.
도 6은 도 5의 코어 소자를 대체하여 사용할 수 있는 도전성 폼 코어 소자를 도시한 도면,6 is a view showing a conductive foam core element that can be used in place of the core element of FIG.
도 7A 및 도 7B는 도전성 접착체를 사용하여 도 1의 원형 초음파 트랜시버와 전기적 접촉을 형성하는 1실시예를 도시한 개략도,7A and 7B are schematic diagrams showing one embodiment for forming electrical contact with the circular ultrasonic transceiver of FIG. 1 using a conductive adhesive;
도 8은 스프링 결선을 사용하여 도 1의 원형 초음파 트랜시버와 전기적 접촉을 형성하는 제2실시예를 도시한 개략도,8 is a schematic diagram illustrating a second embodiment for forming electrical contact with the circular ultrasonic transceiver of FIG. 1 using a spring connection;
도 9는 핀을 사용하여 도 1의 원형 초음파 트랜시버와 전기적 접촉을 형성하는 제3실시예를 도시한 개략도,9 is a schematic diagram illustrating a third embodiment for forming electrical contact with the circular ultrasonic transceiver of FIG. 1 using pins;
도 10A는 도 1의 원형 초음파 트랜시버에서 사용하는 압전 필름의 결선 탭의 대체 형상을 도시한 개략도,10A is a schematic diagram showing an alternative shape of a connection tab of a piezoelectric film used in the circular ultrasonic transceiver of FIG. 1;
도 10B는 원 형상 속으로 감겨진 도 10A의 필름을 도시한 개략도,10B is a schematic view showing the film of FIG. 10A wound into a circular shape;
도 11은 도 1의 원형 초음파 트랜시버를 포함하는 트랜시버 어셈블리의 주요 구성요소를 예시한 블록도,11 is a block diagram illustrating the main components of a transceiver assembly including the circular ultrasonic transceiver of FIG. 1;
도 12A는 본 발명의 실시에 따라 제1동작모드에서 동작하는 이동 소자의 위치를 결정하기 위한 시스템의 개략적인 동작 설명도,12A is a schematic operational explanatory diagram of a system for determining the position of a mobile device operating in a first mode of operation in accordance with an embodiment of the present invention;
도 12B는 자체 교정 동작을 수행하는 동안 도 12A 시스템의 개략적인 동작 설명도,12B is a schematic operational explanatory diagram of the system of FIG. 12A while performing a self calibration operation;
도 13A는 본 발명의 실시에 따라 제1동작모드에서 동작하는 이동 성분의 위치를 결정하기 위한 대체 시스템의 개략적인 동작 설명도,13A is a schematic operational explanatory diagram of an alternative system for determining the position of a moving component operating in a first mode of operation in accordance with an embodiment of the present invention;
도 13B는 자체 교정 동작을 수행하는 동안 도 13A 시스템의 개략적인 동작 설명도,13B is a schematic operational explanatory diagram of the FIG. 13A system while performing a self calibration operation;
도 14는 본 발명의 실시에 따라 초음파 트랜스듀서와 함께 사용하기 위한 보호 격자의 개략도,14 is a schematic diagram of a protective grating for use with an ultrasonic transducer in accordance with an embodiment of the present invention;
본 발명은 압전 필름을 사용한 원형 초음파 수신기 구조이다.The present invention is a circular ultrasonic receiver structure using a piezoelectric film.
본 발명의 실시에 의한 초음파 수신기는, (a) 플렉시블 압전 필름으로부터 처음에 형성되고, 외주면, 내주면, 중심축 및 상기 중심축에 평행한 길이의 높이를 갖는 중공 실린더; (b) 상기 내주면에 적용된 도전 재료에서 형성된 감지 전극; (c) 상기 외주면에 적용된 도전 재료에서 형성된 그라운드 전극; 및 (d) 상기 중공 실린더를 지지하기 위해, 상기 중공 실린더의 핵심 부분 주변에 원주방향으로 진동파를 전달하는 방식으로 상기 중공 실린더를 지지하도록 형성된 지지 구조로 구성되며, 상기 감지 전극은 상기 높이의 핵심 부분을 따라 상기 중심축과 대체로 평행한 확산 방향으로 연장된 스트립처럼 형성되고, 상기 스트립은 상기 중심축에서 90°보다 크지 않은 각도 범위인 것을 특징으로 한다.Ultrasonic receiver according to the embodiment of the present invention, (a) a hollow cylinder initially formed from a flexible piezoelectric film, having a height of the outer peripheral surface, the inner peripheral surface, the central axis and the length parallel to the central axis; (b) a sensing electrode formed from a conductive material applied to the inner circumferential surface; (c) a ground electrode formed from a conductive material applied to the outer circumferential surface; And (d) a support structure configured to support the hollow cylinder in such a manner as to transmit a vibration wave in the circumferential direction around the core portion of the hollow cylinder, in order to support the hollow cylinder, wherein the sensing electrode is of the height. It is shaped like a strip extending along the core part in a diffusion direction substantially parallel to the central axis, characterized in that the strip is in an angular range not greater than 90 ° from the central axis.
또한, 본 발명에서 상기 스트립은 상기 중심축에서 30°보다 크지 않은 각도 범위인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the strip is characterized in that the angle range not greater than 30 ° from the central axis.
또한, 본 발명에서 상기 그라운드 전극은 상기 외주면의 핵심 부분 위쪽에 연장된 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, the ground electrode is characterized in that it extends above the core portion of the outer peripheral surface.
또한, 본 발명에서 상기 감지 전극과 비연속 패턴으로 상기 내주면에 적용된 도전 재료로부터 형성된 적어도 하나의 부가 전극이 추가로 구성된 것을 특징으로 한다.In the present invention, at least one additional electrode formed from a conductive material applied to the inner circumferential surface in a discontinuous pattern with the sensing electrode is further configured.
또한, 본 발명에서 상기 적어도 하나의 부가 전극은 상기 내주면의 핵심 부분 위에 연장한 것을 특징으로 한다.In the present invention, the at least one additional electrode is characterized in that it extends over the core portion of the inner peripheral surface.
또한, 본 발명에서 상기 적어도 하나의 부가 전극은 그라운드된 것을 특징으로 한다.In the present invention, the at least one additional electrode is grounded.
또한, 본 발명의 초음파 수신기는, (a) 상기 감지 전극에 전기적으로 연결된 수신기 회로; (b) 송신기 회로; 및 (c) 상기 그라운드 전극과 부가 전극으로부터 선택된 동작 전극과 연계되고, 상기 동작 전극을 상기 송신기 회로와 그라운드에 교대로 전기적으로 연결하기 위해 형성된 스위칭 시스템을 포함하는 제어 모듈을 추가로 구성한 초음파 트랜시버로서 서빙하여 초음파 송신기로서 부가 사용되도록 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the ultrasonic receiver of the present invention comprises: (a) a receiver circuit electrically connected to the sensing electrode; (b) transmitter circuitry; And (c) a switching module associated with an operating electrode selected from the ground electrode and the additional electrode, the switching system being configured to alternately electrically connect the operating electrode to the transmitter circuit and ground. It is characterized in that the serving is configured to be used as an ultrasonic transmitter.
또한, 본 발명에서 상기 지지 구조는 상기 감지 전극과 전기적 접촉을 피하는 방식으로 상기 중공 실린더내에 전개된 도전 코어 소자를 포함하고, 상기 도전코어 소자는 전기적으로 그라운드되며, 상기 도전 코어 소자는 금속 코어 소자이고, 상기 도전 코어 소자는 도전 폼으로부터 형성된 것을 특징으로 한다.Further, in the present invention, the support structure includes a conductive core element deployed in the hollow cylinder in a manner to avoid electrical contact with the sensing electrode, the conductive core element is electrically grounded, and the conductive core element is a metal core element. And the conductive core element is formed from a conductive foam.
또한, 본 발명에서 상기 플렉시블 압전 필름은 PVDF 필름으로 구현된 것을 특징으로 한다.In addition, the flexible piezoelectric film in the present invention is characterized in that it is implemented as a PVDF film.
또한, 본 발명에서 상기 감지 전극과 상기 그라운드 전극은 대체로 투명 전극으로 구현된 것을 특징으로 한다.In addition, the sensing electrode and the ground electrode in the present invention is characterized in that substantially implemented as a transparent electrode.
또한, 본 발명의 실시에 의한 초음파 신호를 송수신하기 위한 초음파 트랜시버를 동작하는 방법은, (a) (ⅰ) 플렉시블 압전 필름으로부터 처음에 형성되고, 외주면, 내주면, 중심축 및 상기 중심축에 평행한 길이의 높이를 가지며, 핵심 부분 주변에 원주방향으로 진동파를 전달하도록 마운트된 중공 실린더, (ⅱ) 상기 내주면에 적용된 도전 재료에서 형성되고, 상기 높이의 핵심 부분을 따라 상기 중심축과 대체로 평행한 확산 방향으로 연장된 협 스트립처럼 형성된 감지 전극, 상기 중심축에서 90°보다 크지 않은 각도 범위의 스트립, (ⅲ) 상기 감지 전극과 비연속 패턴으로 내주면의 핵심 부분 위에 연장된 것처럼 적용된 도전 재료로부터 형성된 적어도 하나의 부가 내부 전극, (ⅳ) 상기 외주면의 핵심 부분 위에 연장된 것처럼 적용된 도전 재료로부터 형성된 적어도 하나의 외부 전극을 포함하는 초음파 트랜시버 구조를 제공하는 단계; (b) (ⅰ) 상기 부가 내부 전극과 상기 외부 전극 모두 그라운드에 연결하고, (ⅱ) 상기 감지 전극을 수신기 회로에 전기적으로 연결함으로서 초음파 신호를 수신하는 단계; 및 (c) 상기 부가 내부 전극과 외부 전극의 적어도 하나에 구동 전압을 공급함으로서 초음파 신호를 송신하는 단계로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, a method of operating an ultrasonic transceiver for transmitting and receiving an ultrasonic signal according to an embodiment of the present invention is (a) (i) initially formed from a flexible piezoelectric film and parallel to an outer circumferential surface, an inner circumferential surface, a central axis, and the central axis. A hollow cylinder having a height of length and mounted circumferentially to transmit a vibration wave around the core portion, (ii) formed from a conductive material applied to the inner circumferential surface and substantially parallel to the central axis along the core portion of the height A sensing electrode formed like a narrow strip extending in the diffusion direction, a strip in an angular range not greater than 90 ° from the central axis, (i) formed from a conductive material applied as extending over the core portion of the inner circumferential surface in a discontinuous pattern with the sensing electrode From at least one additional inner electrode, (i) an electrically conductive material applied as extending over the core portion of the outer circumferential surface Generated the method comprising: providing an ultrasonic transceiver structure comprising at least one outer electrode; (b) (i) receiving the ultrasonic signal by connecting both the additional internal electrode and the external electrode to ground, and (ii) electrically connecting the sensing electrode to a receiver circuit; And (c) transmitting an ultrasonic signal by supplying a driving voltage to at least one of the additional internal electrode and the external electrode.
또한, 본 발명의 실시에 의한 이동 소자의 위치를 결정하기 위한 시스템을 구동하는 방법은, 이동 소자와 결합된 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 이동 초음파 트랜스듀서의 제1그룹과 베이스 유니트에 부착되어 고정 기하 관계를 유지하는 적어도 두개의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 고정 초음파 트랜스듀서의 제2그룹을 포함하며, (a) (ⅰ) 제1 및 제2 초음파 트랜스듀서 그룹의 하나는 적어도 하나의 측정 신호를 송신하고, 제1 및 제2그룹의 다른 하나는 초음파 트랜스듀서에 의해 수신하며, (ⅱ) 상기 이동 소자의 위치를 상기 적어도 하나의 측정 신호에 대한 방사시간 측정으로부터 얻는 측정 모드에서 시스템을 동작하는 단계; (b) (ⅰ) 상기 제2그룹으로부터 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서는 교정 신호를 송신하고, 상기 제2그룹으로부터 적어도 다른 하나의 초음파 트랜스듀서는 상기 교정 신호를 수신하며, (ⅱ) 상기 교정 정보를 상기 교정 신호에 대한 방사시간 측정으로부터 얻는 교정 모드에서 시스템을 간헐적으로 동작하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, a method for driving a system for determining a position of a moving element according to an embodiment of the present invention is attached to a first group and a base unit of a moving ultrasonic transducer including at least one ultrasonic transducer coupled with the moving element. And a second group of fixed ultrasound transducers comprising at least two ultrasound transducers to maintain a fixed geometric relationship, wherein (a) (iii) one of the first and second groups of ultrasound transducers is at least one measurement Transmit a signal, the other of the first and second groups is received by an ultrasonic transducer, and (ii) the system is in a measurement mode to obtain the position of the moving element from the emission time measurement for the at least one measurement signal. Operating; (b) (iii) at least one ultrasonic transducer from the second group transmits a calibration signal, and at least another ultrasonic transducer from the second group receives the calibration signal, and (ii) the calibration information. Operating the system intermittently in a calibration mode obtained from the emission time measurement for the calibration signal.
또한, 본 발명에서 상기 제2그룹으로부터 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서는, 상술한 원형 초음파 트랜스듀서 구조로서 구현되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, at least one ultrasonic transducer from the second group may be implemented as the above-described circular ultrasonic transducer structure.
또한, 본 발명에서 초음파 신호의 간섭을 최소화하는 동안 주어진 초음파 신호의 주파수를 위해 사용된 초음파 트랜스듀서에 대한 기계적 보호를 제공하고, 상기 트랜스듀서에 인접한 보호 격자를 위치시키며, 공기중에서 주어진 초음파 주파수 파장의 약 ½보다 적은, 오히려 약 ¼보다 적은 공간 주파수에서 다수의 개방간격을 갖는 격자를 구성하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides mechanical protection for an ultrasonic transducer used for a given frequency of the ultrasonic signal while minimizing interference of the ultrasonic signal, positioning a protective grating adjacent the transducer, and giving a given ultrasonic frequency wavelength in air. A method of constructing a grating having multiple open intervals at spatial frequencies of less than about ½, but rather less than about ¼, is provided.
상기 트랜스듀서는 원형 트랜스듀서이고, 상기 격자는 상기 트랜스듀서를 둘러싸는 원형 격자로서 형성된 것을 특징으로 한다.The transducer is a circular transducer, characterized in that the grating is formed as a circular grating surrounding the transducer.
본 발명은 압전 필름으로부터 형성된 원형 초음파 수신기 또는 트랜시버이다. 본 발명은 또한 디지타이저 시스템에서 상기한 트랜시버의 적용을 제공한다.The present invention is a circular ultrasonic receiver or transceiver formed from a piezoelectric film. The present invention also provides for the application of the above-described transceiver in a digitizer system.
본 발명에 의한 수신기 및 트랜시버의 원리와 동작을 도면을 참조하여 보다 이해하기 쉽게 설명한다.The principle and operation of the receiver and transceiver according to the present invention will be described more easily with reference to the drawings.
도 3~11을 참조하여 초음파 수신기의 다양한 외관을 설명한다. 일반적으로, 도면 부호 20은 본 발명의 실시에 따라 구성되고 동작하는 결합 어셈블리이다.Various appearances of the ultrasonic receiver will be described with reference to FIGS. 3 to 11. Generally, reference numeral 20 is a coupling assembly constructed and operative in accordance with an embodiment of the present invention.
말하자면, 수신기 20은 플렉시블 압전 필름으로부터 처음에 형성되고, 외주면 24, 내주면 26, 중심축 28 및 축 28에 평행한 길이의 높이 h를 갖는 중공 실린더 22를 포함한다. 내주면 26에 적용된 감지 전극 30은 도전 재료에서 형성된다. 그라운드 전극 32는 외주면 24에 적용된 도전 재료에서 형성된다.In other words, the receiver 20 is initially formed from a flexible piezoelectric film and includes a hollow cylinder 22 having a height h of length parallel to the outer circumferential surface 24, the inner circumferential surface 26, the central axis 28 and the axis 28. The sensing electrode 30 applied to the inner circumferential surface 26 is formed from a conductive material. The ground electrode 32 is formed from a conductive material applied to the outer circumferential surface 24.
실린더 22는 실린더 22의 핵심 부분 주변에 원주방향으로 진동파를 전달하는 방식으로 중공 실린더를 지지하기 위해 형성된 지지 구조(여기에서는 코어 소자 34로 표시됨)에 의해 지지된다.The cylinder 22 is supported by a support structure (here indicated as core element 34) formed for supporting the hollow cylinder in a manner that transmits vibration waves circumferentially around the core portion of the cylinder 22.
본 발명에서 가장 우선적으로 구현해야 할 특별한 특징은, 감지 전극 30이 높이 h의 핵심 부분을 따라 중심축 28과 대체로 평행한 확산 방향으로 연장되고, 상기 스트립은 중심축 28에서 90°보다 크지 않은 α각도 범위인 스트립처럼 형성된다는 것이다.(도 4C에 도시) 스트립 30의 치수는 주어진 동작 주파수의 초음파 진동에 의해 유도된 실린더 22에서 약 ¼ 진동 파장보다 작게 일치하는 것을 가급적 선택한다. 대부분의 경우, 실린더 22가 간섭 효과를 최소화시키거나 같을 만큼 약 1 진동 파장(도 2에서 개략적으로 예시한 약 3 파장보다는 오히려)만을 지지하는 그러한 치수를 선택한다. 결과적으로, 스트립 30이 축 28에서 약 90°보다 작은 α각도 범위인 동안은 위상 제거 문제를 크게 피할 수 있다. 그러나, 오히려 스트립 30의 폭은 축 28에서 약 20에서 30°사이의 α각도 범위에서 대체로 선택된다.A particular feature which should be implemented first of all in the present invention is that the sensing electrode 30 extends in the direction of diffusion substantially parallel to the central axis 28 along the central part of the height h, the strip being no greater than 90 ° at the central axis 28. It is shaped like a strip in angular range (shown in FIG. 4C). The dimensions of strip 30 are preferably chosen to match less than about ¼ oscillation wavelength in cylinder 22 induced by ultrasonic vibration at a given operating frequency. In most cases, cylinder 22 selects such dimensions that support only about one oscillation wavelength (rather than about three wavelengths schematically illustrated in FIG. 2) to minimize or equal the interference effect. As a result, the phase rejection problem can be largely avoided while strip 30 is in the α angle range less than about 90 ° on axis 28. Rather, however, the width of strip 30 is generally chosen in the α angle range between about 20 to 30 ° on axis 28.
수신기 20의 동작 원리는 도 1 및 도 2에 언급한 바와 같다. 위에서 언급하였듯이, 흔히 발생하는 압력파는 실린더 주변에 전달하는 진동파를 유발하는 경향이 있다. 결과적으로, 실린더 표면위에 임의로 배치된 감지기는 대체로 같은 진동, 압력파에서 흔히 발생하는 방향의 독립성을 경험하게 된다. 같은 시간에 감지 전극 30의 주변을 둘러싸는 정도는 필름을 통해 전달된 진동의 파장에 비례하여 작기 때문에 위상 제거와 큰 정전용량에 따른 상술한 문제를 피할 수 있다. 그 결과 광각 초음파 수신기는 아주 효과적이다. 본 발명의 형상에 대한 여러 가지 장점은 다음의 보다 상세한 설명에서 더 명백해질 것이다.The operating principle of the receiver 20 is as mentioned in FIGS. 1 and 2. As mentioned above, commonly occurring pressure waves tend to cause oscillating waves that propagate around the cylinder. As a result, sensors placed randomly on the surface of the cylinder experience the independence of the directions commonly encountered in the same vibration and pressure waves. At the same time, the degree of enclosing the periphery of the sensing electrode 30 is small in proportion to the wavelength of the vibration transmitted through the film, thereby avoiding the above-described problems due to phase removal and large capacitance. As a result, the wide-angle ultrasonic receiver is very effective. Various advantages of the shape of the invention will become more apparent in the following more detailed description.
재료에 관해서는, 본 발명은 어떠한 압전 필름 재료와 적당한 도전 전극 재료를 사용하여 구현될 수 있다. 특히, 필름의 우선적 예는 PVDF이다. 편광의 방향은 실린더 주변에 원주방향으로 맞추어 놓는다. 이러한 필름의 사용은 광 주파수대역 응답에 따라서 특별한 장점을 제공한다. 특히, 신호대 잡음비를 현저히 줄이는 측정 주파수 범위내로 신호 잡음을 이동시키는 피에조-세라믹을 사용한 기존의 협 주파수 대역 수신기가 알려져 왔다. 대조적으로, 본 발명의 광 주파수 대역 수신기는 크게 강화한 신호대 잡음비를 제공하기 위해 얻어진 목적 신호를 일치시키기 위해 후속 필터링과 함께 결합하여 사용된다.Regarding the material, the present invention can be implemented using any piezoelectric film material and a suitable conductive electrode material. In particular, a preferred example of a film is PVDF. The direction of polarization is aligned circumferentially around the cylinder. The use of such films offers particular advantages depending on the wide frequency response. In particular, existing narrow frequency band receivers using piezo-ceramic for shifting signal noise into a measurement frequency range that significantly reduce the signal-to-noise ratio have been known. In contrast, the wide frequency band receiver of the present invention is used in combination with subsequent filtering to match the desired signal obtained to provide a greatly enhanced signal to noise ratio.
전극에 대하여 적합한 도전 재료는 카본, 은, 금을 함유한 조성물을 포함하나, 제한되지는 않는다. 적용분야에서는 투명 구조가 요구되며, 투명 도전 재료가 사용된다.Suitable conductive materials for the electrode include, but are not limited to, compositions containing carbon, silver, and gold. Applications require transparent structures, and transparent conductive materials are used.
먼저 언급한 바와 같이, 압전 필름을 사용하는 원형 초음파 트랜스듀서의 구현과 연계된 하나의 중요한 문제는 전극이 전자(EM) 방사를 위한 안테나처럼 작용한다는 것이다. 이러한 문제를 최소화 또는 제거하기 위해, 본 발명에서는 EM 방사로부터 감지 전극 30을 차폐하도록 하나 또는 그 이상의 특징을 포함하며, 이제부터 상세히 설명한다.As mentioned earlier, one important problem associated with the implementation of circular ultrasonic transducers using piezoelectric films is that the electrodes act like antennas for electron (EM) radiation. To minimize or eliminate this problem, the present invention includes one or more features to shield the sensing electrode 30 from EM radiation and will now be described in detail.
먼저, 그라운드 전극 32는 필름의 외주면 24의 핵심 부분 위에 가급적 연장한다. 이것은 감지 전극 30 주변에 도전 셸을 형성하고, 그것에 의하여 포함된 볼륨으로부터 EM 필드를 차단한다. 이것은 말하자면 외부에서 보다 오히려 필름의 내주면 위에 감지 전극 30을 위치시키도록 하기 위함이다.First, the ground electrode 32 extends as much as possible over the core portion of the outer circumferential surface 24 of the film. This forms a conductive shell around the sensing electrode 30, thereby shielding the EM field from the volume contained therein. This is to say that the sensing electrode 30 is positioned on the inner circumferential surface of the film rather than from the outside.
부가적인 실드가 감지 전극과 비연속 패턴으로 내주면에 적용된 도전 재료로부터 형성된 적어도 하나의 부가 그라운드 전극 36을 제공함으로서 나타난다. 오히려, 부가 전극 36은 내주면 26의 핵심 부분 위에 연장한다. 두개 또는 그 이상의 분리 영역이 요구되는 어디에서도, 그것들은 도 4B에 도시한 바와 같이, 도전 재료의 브릿지 위치 38에 의해 전기적으로 연결되는 장점이 있다.An additional shield is shown by providing at least one additional ground electrode 36 formed from a conductive material applied to the inner circumferential surface in a discontinuous pattern with the sensing electrode. Rather, the additional electrode 36 extends over the core portion of the inner circumferential surface 26. Where two or more separation regions are required, they have the advantage of being electrically connected by the bridge position 38 of the conductive material, as shown in FIG. 4B.
EM 실드에 대한 대체 기여가 감지 전극 30과 전기적 접촉을 피하는 방식으로 실린더 22내에 배열되고 전기적으로 그라운드된 도전 코어 소자 34를 사용함으로서 제공된다. 코어 소자 34는 대체로 비록 반드시는 아니어도 실린더 22를 위한 지지 구조의 일부이다.An alternative contribution to the EM shield is provided by using a conductive core element 34 arranged in the cylinder 22 and electrically grounded in a manner that avoids electrical contact with the sensing electrode 30. Core element 34 is generally part of the support structure for cylinder 22, although not necessarily.
도 5는 코어 소자 34의 한 예를 도시된 바와 같은 또는 중공의 고체일 수 있는 금속 코어 소자로서 구현하여 도시한다. 실린더 22의 필름이 자유롭게 진동하기 위해서 코어 성분 34는 높이의 핵심 부분 위에 축소한 지름 위치 38과 함께 형성된다. 어떤 경우, 비접촉 영역은 감지 전극 30과 전기적 접촉을 피하기에 충분한지를축소된 지름 위치 38에 의해 정의된다. 교대로 부가 절연층은 코어 소자 34와 감지 전극 30사이에 삽입할 수 있다.5 shows an example of a core element 34 embodied as a metal core element, which may be a solid as shown or hollow. In order for the film of the cylinder 22 to vibrate freely, the core component 34 is formed with the diameter position 38 reduced over the core part of the height. In some cases, the non-contact area is defined by a reduced diameter position 38 that is sufficient to avoid electrical contact with the sensing electrode 30. Alternately, the additional insulating layer can be inserted between the core element 34 and the sensing electrode 30.
도 6은 도전 폼으로부터 형성된 코어 소자 34의 대체 구현을 도시한다. 이 경우, 코어 소자 34와 실린더 22사이에 접촉은 실린더 22내에 진동의 전달과 함께 현저히 간섭하지 않는다. 이 경우, 부가 절연층은 일반적으로 코어 소자 34와 감지 전극 30사이에 요구된다.6 shows an alternative implementation of core element 34 formed from a conductive foam. In this case, the contact between the core element 34 and the cylinder 22 does not significantly interfere with the transmission of vibration in the cylinder 22. In this case, an additional insulating layer is generally required between the core element 34 and the sensing electrode 30.
수신기 20를 만들기 위해서, 다양한 전극과 연계된 회로(아래에 지시하였듯이)의 전기적 구성요소 사이에 적절한 전기적 연결은 이루어져야 한다. 효과적인 연결 형상의 범위는 압전 장치의 설계 기술에서 알려져 있다. 구현해보면 특별한 장점이 있다고 믿어진 얼마간의 연결 형상을 간단히 만들 수 있을 것이다.In order to make receiver 20, proper electrical connection must be made between the various electrodes and the electrical components of the circuit (as indicated below). The range of effective connection shapes is known in the design art of piezoelectric devices. If you implement, you will be able to easily create some of the connection shapes believed to have special advantages.
우선, 도 3, 도 4A 및 도 4B를 참조하면, 실린더 22의 형상은 전기적인 접촉을 모두 반송하는 탭 40이 형성되어 그것으로부터 발사한다. PCB의 접촉에 대응하는 이러한 접촉의 세 가지 연결 기술은 도 7A-7B, 도 8 및 도 9에 각각 예시되어 있다.First, referring to Figs. 3, 4A and 4B, the shape of the cylinder 22 is formed with a tab 40 which carries all the electrical contacts and shoots from it. Three connection techniques of these contacts corresponding to the contacts of the PCB are illustrated in FIGS. 7A-7B, 8 and 9, respectively.
도 7A 및 도 7B의 기술에 따르면, 탭 40은 각각에 도전 글루 44를 떨어뜨려 침전시킴으로서 PCB와 함께 배치되고, PCB의 접촉 42에 대응하여 가압 성형된다.According to the technique of FIGS. 7A and 7B, the tab 40 is disposed with the PCB by dropping conductive glue 44 on each, and press-molded in correspondence with the contact 42 of the PCB.
도 8의 기술에 따르면, 탭 40은 PCB와 하나 또는 그 이상의 스프링 소자 46사이에 붙인다. 전기적인 접촉은 PCB와 스프링의 하나 또는 대체로 둘 상에 제공된다.According to the technique of FIG. 8, tab 40 is sandwiched between the PCB and one or more spring elements 46. Electrical contact is provided on one or generally two of the PCB and the spring.
도 9의 기술에 따르면, 얼마간의 도전 핀 48은 탭 40의 접촉 위치를 통해 삽입되고, PCB상의 접촉 소켓에 대응하여 인게이지된다.According to the technique of FIG. 9, some of the conductive pins 48 are inserted through the contact positions of the tabs 40 and engaged corresponding to the contact sockets on the PCB.
도 10A 및 도 10B을 간단히 살펴보면, 접하기보다는 오히려 실린더 22로부터 축방향으로 연장된 탭 40a와 탭 40b를 접촉하는 압전 필름의 대체 형상을 도시하였다. 다른 관점에서 보면, 이 형상은 도 3-4의 형상과 아주 유사하다.10A and 10B show an alternative shape of the piezoelectric film contacting tab 40a and tab 40b extending axially from cylinder 22 rather than in contact. In other respects, this shape is very similar to the shape of FIGS. 3-4.
여태까지는, 장치 20을 초음파 수신기로서 설명하였으나, 상기와 같은 구조는 트랜시버 시스템에 사용하기에 아주 적합하다. 즉, 수신 및 송신 신호 모두에 대하여 이제부터 설명한다. 도 4B를 참조하면, 부가 전극 36은 오히려 맞은편 그라운드 전극 32 표면 26을 큰 비율로 덮는다. 그리하여, 두 개의 전극 사이에 적용된 동작 전위는 초음파 신호를 발생하기에 아주 효과적이고, 기존 원형 초음파 송신기의 동작과 유사하다.So far, device 20 has been described as an ultrasonic receiver, but such a construction is well suited for use in a transceiver system. That is, both the reception and transmission signals will now be described. 4B, the additional electrode 36 rather covers the opposite ground electrode 32 surface 26 in a large proportion. Thus, the operating potential applied between the two electrodes is very effective for generating an ultrasonic signal, and is similar to the operation of a conventional circular ultrasonic transmitter.
먼저 언급하였듯이, 그라운드 전극 32과 부가 전극 36 모두 초음파 신호를 수신하는 동안 실드 목적을 위해 그라운드 된다는 장점이 있다. 이러한 장점을 유지하기 위해, 스위칭 시스템은 송신이 필요할 때 그라운드 전극의 하나를 송신기 회로에 선택적으로 스위치 연결시키도록 사용된다.As mentioned earlier, both the ground electrode 32 and the additional electrode 36 have the advantage of being grounded for shielding purposes while receiving the ultrasonic signal. To maintain this advantage, a switching system is used to selectively switch one of the ground electrodes to the transmitter circuit when transmission is needed.
그리하여, 도 11을 참조하면, 장치 20을 적용한 트랜시버 어셈블리가 도시되어 있다. 또한 트랜시버 어셈블리는 증폭기 54를 통하여 감지 전극 30에 전기적으로 연결된 수신기 회로 52를 갖는 제어 모듈 50을 포함한다. 제어 모듈 50은 또한 송신기 회로 56, 스위칭 시스템 58을 포함한다. 스위칭 시스템 58은 수신이 이루어지는 동안 송신을 위한 송신기 회로와 그라운드에 교대로 연결되는 활성 전극처럼 작용하는 그라운드 전극 32 또는 부가 전극 36에 결합되어 있다. 전체 어셈블리는프로세서 60의 제어에 따라 동작되는데, 본 발명에서 자세한 설명은 생략한다.Thus, referring to FIG. 11, a transceiver assembly employing device 20 is shown. The transceiver assembly also includes a control module 50 having a receiver circuit 52 electrically connected to the sense electrode 30 via an amplifier 54. The control module 50 also includes a transmitter circuit 56, a switching system 58. The switching system 58 is coupled to a ground electrode 32 or an additional electrode 36 which acts like an active electrode which is alternately connected to ground with the transmitter circuit for transmission during the reception. The entire assembly is operated under the control of processor 60, and detailed description thereof will be omitted.
어셈블리가 수신을 위해 사용되는 동작에서, 부가 전극 36과 외부 전극 32 모두 그라운드에 연결됨으로서 EM 실드가 최대한으로 이루어진다. 송신이 필요할 때 동작 전압은 그라운드 전극 32 또는 부가 전극 36에서 원하는 신호를 발생하도록 사용된다.In the operation in which the assembly is used for reception, the EM shield is maximized by connecting both the additional electrode 36 and the external electrode 32 to ground. When transmission is required, the operating voltage is used to generate the desired signal at ground electrode 32 or additional electrode 36.
본 발명의 원리하에서 만들어진 많은 변화와 정제가 있음을 고려해야 한다. 예를 들면, 수신기 20는 실린더 22 주변에 간격을 둔 감지 전극 30을 하나 이상 사용할 수 있다. 이것은 어떠한 이유로 유용할 수 있다. 우선, 개별적으로 검출된 신호를 분석하고, 이 신호들 사이에 위상차를 일치시킴으로서 단일 수신기에서 측정된 근접 방향 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어 파장은 실린더 22의 크기와 비교하여 짧고, 목적 주파수에 수신기 고유의 튜닝을 이루기 위해 감지 전극에 공통으로 연결된 간격을 선택하는 것이 가능하다. 다시 말해서, 주어진 주파수에 대한 간격은 실린더 주변의 위상 간격과 부합하고, 각 감지 전극으로부터 신호는 같은 표시를 가지며 증가된 진폭을 갖게 될 것이다. 많은 다른 주파수에서 어느 정도의 제거는 상기 도2 에서 설명한 것처럼 일어날 것이다.It should be considered that there are many variations and purifications made under the principles of the present invention. For example, the receiver 20 may use one or more sensing electrodes 30 spaced around the cylinder 22. This can be useful for some reason. First, by analyzing the individually detected signals and matching the phase difference between these signals, the proximity direction information measured in a single receiver can be obtained. For example, the wavelength is short compared to the size of cylinder 22, and it is possible to select an interval commonly connected to the sensing electrode to achieve receiver-specific tuning at the desired frequency. In other words, the spacing for a given frequency corresponds to the phase spacing around the cylinder, and the signal from each sensing electrode will have the same indication and have increased amplitude. Some degree of rejection at many different frequencies will occur as described in FIG.
먼저 언급하였듯이, 실린더 22는 동작 주파수에서 초음파 신호에 의해 유도된 압전 필름내에서 진동파의 단일 파장만을 지지하기 위해 형성된다. 더 자세히 설명하면, 원주의 반(πD/2)은 필름내에서 진동파의 파장과 같다. 이러한 이유로, 실린더의 직경은 보통 지정된 동작 주파수에 반비례하도록 선택된다. 예를 들어 90kHz의 동작 주파수에 대한 실린더의 직경은 대략 5mm이다.As mentioned earlier, cylinder 22 is formed to support only a single wavelength of the oscillating wave in the piezoelectric film induced by the ultrasonic signal at the operating frequency. In more detail, half the circumference (πD / 2) is equal to the wavelength of the oscillating wave in the film. For this reason, the diameter of the cylinder is usually chosen to be inversely proportional to the specified operating frequency. For example, the cylinder diameter is approximately 5 mm for an operating frequency of 90 kHz.
이제, 도 12A-13B를 살펴보면, 본 발명의 다른 관점에 따라 자체 교정 모드를 구현하는 동안, 본 발명의 트랜스듀서에서 트랜시버 기능은 이동 소자의 위치를 결정하기 위한 시스템에서 정밀도와 신뢰성을 증가시키데 아주 유용하다.Referring now to Figures 12A-13B, while implementing a self calibration mode in accordance with another aspect of the present invention, the transceiver function in the transducer of the present invention increases precision and reliability in a system for determining the position of a mobile device. Very useful.
디지타이저 시스템을 사용한 초음파 방사시간은 온도, 압력, 습도의 변화에 따라 공기를 통과하는 소리의 현저한 변화에 기인한 정확도의 문제점을 해결한다. 이러한 변화를 보상하기 위해 본 발명은 다음에 설명하는 자체 교정 능력을 제공한다.Ultrasonic radiation using a digitizer system solves the problem of accuracy due to significant changes in the sound passing through the air with changes in temperature, pressure and humidity. To compensate for this change, the present invention provides the self calibration capability described below.
도 12A를 참조하면, 이동 소자 72와 결합된 이동 초음파 트랜스듀서 70, 베이스 유니트 78에 부착되어 고정된 기하 관계를 유지하는 적어도 두개의 초음파 트랜스듀서 74,76를 포함하여, 이동 성분의 위치를 결정하기 위한 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 예시된 경우에서, 상기 시스템의 정상 측정 모드는 이동 초음파 트랜스듀서 70에서 적어도 하나의 측정 신호를 송신하고, 고정 초음파 트랜스듀서 74,76에 의해 수신하는 것을 포함한다. 이동 소자 72의 위치는 초음파 측정 신호에 대한 방사시간 측정을 사용하여 얻을 수 있다.Referring to FIG. 12A, a mobile ultrasonic transducer 70 coupled with a mobile element 72, including at least two ultrasonic transducers 74,76 attached to the base unit 78 and maintaining a fixed geometric relationship, determines the position of the mobile component. A system for this is schematically shown. In the illustrated case, the normal measurement mode of the system includes transmitting at least one measurement signal at the moving ultrasound transducer 70 and receiving by the fixed ultrasound transducers 74,76. The position of the moving element 72 can be obtained using the radiation time measurement on the ultrasonic measurement signal.
본 발명의 실시에 따라, 상기 시스템은 또한 트랜스듀서 74가 정상 수신 기능으로부터 송신하고, 트랜스듀서 76에 의해 수신된 교정 신호를 전송하는 교정 모드에서 간헐적으로 동작된다. 트랜스듀서 74와 76사이의 거리는 베이스 유니트 78의 구조에 의해 고정값으로 정의되고, 교정 신호에 대한 방사시간 측정은 시스템이 현재 작동하고 있는 환경하에서 소리의 속도 변화에 교정 정보 표시를 얻기 위해 사용될 수 있다. 이 교정 정보는 이동 소자 72의 위치를 정확히 유도할 수 있다.According to the practice of the present invention, the system is also operated intermittently in a calibration mode in which the transducer 74 transmits from the normal receiving function and transmits a calibration signal received by the transducer 76. The distance between the transducers 74 and 76 is defined as a fixed value by the construction of the base unit 78, and the radiation time measurement for the calibration signal can be used to obtain a calibration information display on the speed of sound under the environment in which the system is currently operating. have. This calibration information can accurately derive the position of the mobile element 72.
도 13A 및 도 13B에서 간단히 설명하면, 고정 트랜스듀서 74,76에 의해 전송된 신호를 수신하는 동안 수신기로서 작용하는 이동 트랜스듀서 70은 시스템에 대한 본 발명의 이러한 관점을 구현하여 설명한다. 이 경우, 교정 모드는 트랜스듀서 74에 의해 전송된 교정 신호를 수신하는 수신기로서 트랜스듀서 76를 순간적으로 사용함으로서 구현된다. 다른 모든 것을 고려하여, 본 발명의 원리는 이전과 같이 남아 있다.Briefly described in FIGS. 13A and 13B, a mobile transducer 70 which acts as a receiver while receiving a signal transmitted by the fixed transducers 74, 76 embodies and describes this aspect of the present invention for the system. In this case, the calibration mode is implemented by using transducer 76 momentarily as a receiver to receive a calibration signal sent by transducer 74. In all other respects, the principles of the present invention remain as before.
도 14는 보호 격자를 도시한 것이다. 도면 부호 80은 본 발명의 다른 실시에 따른 구성 및 동작을 도시한 것으로, 초음파 트랜스듀서에 대한 기계적인 보호를 위해 사용된 것이다.14 shows a protective grating. Reference numeral 80 shows a configuration and operation according to another embodiment of the present invention, which is used for mechanical protection of the ultrasonic transducer.
기계적인 보호는 트랜스듀서를 위해 종종 제공되어야 하며, 특히 압전 필름을 사용하는 것들은 쉽게 손상을 입는다. 현재의 많은 트랜스듀서 구조는 트랜스듀서의 전면에 다양한 보호 구조에 의하여 현저한 신호 일그러짐 및/또는 "수신 무효 지점"(즉, 전송 강도 또는 수신 감도가 현저히 떨어지는 방향)을 허용한다.Mechanical protection must often be provided for the transducers, especially those using piezoelectric films are easily damaged. Many current transducer structures allow for significant signal distortion and / or "reception points" (i.e., directions of significant drop in transmission strength or reception sensitivity) by various protective structures on the front of the transducer.
이러한 문제점을 최소화 또는 제거하기 위해서, 본 발명은 대기중에서 초음파 동작 주파수의 파장이 λ일 때, 주기적인 개방 패턴이 λ/2를 넘지 않고, 오히려 λ/4를 넘지 않는 공간 주기 S를 갖는 보호 격자 구조 80을 제공한다. 격자 간격 S를 갖는 격자를 사용하여 기존의 시스템보다 현저히 더 작고, 방향 간섭이 거의 없는 초음파 신호를 얻을 수 있다. 실제로 예를 들면, 90kHz의 동작 주파수는 대기중에서 약 4mm의 파장, 1.9mm의 격자 간격은 신호의 송신 및 수신에 대하여 최소한의 간섭을 일으킨다.In order to minimize or eliminate this problem, the present invention provides a protective grating having a spatial period S in which the periodic open pattern does not exceed λ / 2, but rather λ / 4, when the wavelength of the ultrasonic operating frequency in the air is λ. Provide structure 80. A grating with grating spacing S can be used to obtain an ultrasonic signal that is significantly smaller than existing systems and has little directional interference. In practice, for example, an operating frequency of 90 kHz has a wavelength of about 4 mm in the atmosphere and a grating spacing of 1.9 mm causes minimal interference to the transmission and reception of signals.
상기 신호의 감쇠를 최소화하기 위해 격자의 비율은 구조를 위한 기계적 요구에 따라서 오히려 최대로 개방한다. 전술한 예에서, 격자의 개방 면적은 각 격자 단계 내에서 적어도 전체 면적의 약 70%이다.In order to minimize the attenuation of the signal, the ratio of the grating is rather open to the maximum depending on the mechanical requirements for the structure. In the above example, the open area of the grating is at least about 70% of the total area within each grating step.
비록, 본 발명에서는 직사각형의 격자 형상을 개략적으로 예시하였으나, 격자 80는 각각의 응용분야에 적합하도록 다른 형상의 범위로 구현 가능하다. 그리하여 원형 트랜스듀서에서 상술한 바와 같이, 격자 80은 주기적인 개방 간격 S를 갖는 원형의 외부 슬리브처럼 구현될 수 있다.Although the present invention schematically illustrates a rectangular grid shape, the grid 80 can be implemented in a range of different shapes to suit each application. Thus, as described above in the circular transducer, the grating 80 can be embodied as a circular outer sleeve with periodic open spacing S.
특히, 기록 장치의 기록 지점과 결합된 트랜스듀서는 사용자의 팁이 분명히 기록되도록 초음파 트랜스듀서가 주변에 아주 가까이 위치할 수 있는 크기로 대체로 투명 소자(전극과 투명 플라스틱 또는 격자 80과 같이 투명 도전 재료를 사용하는)처럼 구현되는 트랜스듀서 20과 격자 80의 모든 구성요소를 고려해야 한다.In particular, the transducer combined with the recording point of the recording device is typically a transparent element (such as an electrode and a transparent plastic or grating 80) in a size such that the ultrasonic transducer can be placed very close to the surrounding so that the user's tip is clearly recorded. Consider all components of transducer 20 and grid 80 that are implemented as
상기에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위내에서 여러가지 변형이 물론이다.What has been described above is merely an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are naturally within the spirit and scope of the present invention.
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