專利名稱:由壓電膜構(gòu)成的圓柱超聲波接收器和收發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及超聲波換能器,特別涉及由壓電膜構(gòu)成的圓柱超聲波接收器和收發(fā)器,及其它們?cè)跀?shù)字化器系統(tǒng)中的應(yīng)用。
背景技術(shù):
眾所周知,可在數(shù)字化器系統(tǒng)中使用圓柱超聲波換能器來(lái)發(fā)射超聲波信號(hào)。圓柱的形式可提供全向的信號(hào)發(fā)射,并可通過(guò)提供類似于點(diǎn)(更精確地說(shuō),線)源的效果來(lái)簡(jiǎn)化傳播時(shí)間的幾何計(jì)算。在授予De Bruyne的美國(guó)專利No.4,758,691中對(duì)這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。圓柱超聲波換能器的另一優(yōu)點(diǎn)在于,它們能夠圍繞著要測(cè)量位置的元件進(jìn)行對(duì)中。這在PCT公報(bào)WO98/40838中所述的繪圖儀數(shù)字化器系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
在結(jié)構(gòu)上,已經(jīng)提出了許多不同類型的圓柱換能器。De Bruyne的專利提出了一種“Sell換能器”,這是由多個(gè)圓柱層的復(fù)雜排列(用以產(chǎn)生大約20微米的柱狀氣隙)而形成的一種電容器件。這種結(jié)構(gòu)的制造成本高,可靠性差。
已在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域中提出的第二種類型的換能器是基于壓電元件的??稍谑谟鐱reyer等人的美國(guó)專利No.4,706,681中找到這種類型的醫(yī)用換能器的示例,其中公開(kāi)了一種超聲波標(biāo)記器。這里,將圓柱壓電環(huán)夾在兩個(gè)電極之間。在電極上施加交變電壓使該環(huán)振動(dòng),由此發(fā)出呈放射狀傳播的超聲波信號(hào)。
理論上,任何超聲波換能器均能夠用作為發(fā)射器和接收器。然而,實(shí)際上,許多因素導(dǎo)致許多發(fā)射器結(jié)構(gòu)無(wú)法有效地作為接收器。對(duì)于圓柱元件尤其如此,在圓柱元件中,通過(guò)使用相對(duì)高的能量對(duì)其進(jìn)行激勵(lì),使得幾乎整個(gè)柱面都用于廣角發(fā)射,但是只有一小部分柱面能夠正確地定向,以從給定的方向接收輸入的信號(hào)。此外,該換能器的大的無(wú)效區(qū)域的固有電容會(huì)吸收所接收的信號(hào)的大部分振幅,使換能器作為接收器變得不靈敏。
通常,在換能器領(lǐng)域中,大部分工作被投入到基于壓電膜(例如PVDF)的器件的開(kāi)發(fā)上。通常通過(guò)選擇性地在表面區(qū)域上印刷導(dǎo)電墨水來(lái)在該膜的相對(duì)表面上形成導(dǎo)電電極。這些膜的制造成本低廉,并能夠承受大范圍的工作條件,包括暴露在潮濕的環(huán)境中。
盡管采用壓電膜可以相對(duì)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)圓柱超聲波換能器,但是接收器的實(shí)現(xiàn)會(huì)引起上述圓柱接收器的總體復(fù)雜化之外的其它問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō),參考圖1和2,圖中顯示的是由壓電膜構(gòu)成的自由懸掛圓柱10的平面示意圖。圖1顯示的是它的松弛狀態(tài),而圖2顯示的是圓柱10對(duì)輸入超聲波信號(hào)的波陣面12的響應(yīng)。由于壓電膜是柔性的,所以信號(hào)12的振動(dòng)產(chǎn)生繞圓柱10傳播的波(為清楚起見(jiàn)對(duì)其進(jìn)行了夸大)。該壓電膜的撓曲方向和程度隨著圍繞該圓柱產(chǎn)生的波形而變化,導(dǎo)致在電極之間產(chǎn)生的電勢(shì)感應(yīng)反向。結(jié)果,由壓電膜產(chǎn)生的大部分電勢(shì)耗散在電極內(nèi)的局部渦流中,極大地降低了在電極之間測(cè)量到的總體信號(hào)電壓。
采用壓電膜實(shí)現(xiàn)圓柱超聲波換能器的另一個(gè)問(wèn)題是,電極會(huì)作為天線接收到不希望的電磁輻射,這會(huì)導(dǎo)致很低的信噪比。
因此,需要一種采用壓電膜的圓柱超聲波接收器結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為采用壓電膜的圓柱超聲波接收器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的原理,提供了一種超聲波接收器,其包括(a)主要由柔性壓電膜構(gòu)成的中空?qǐng)A柱體,該中空?qǐng)A柱體具有外表面、內(nèi)表面、中心軸線和平行于該中心軸線測(cè)量的高度;(b)由施加到該內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的感應(yīng)電極;(c)由施加到該外表面上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的接地電極;和(d)用于支持該中空?qǐng)A柱體的支持結(jié)構(gòu),該支持結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為支持該中空?qǐng)A柱體,使得振動(dòng)波可以圍繞該中空?qǐng)A柱體的主要部分在圓周方向上傳播,其中,將該感應(yīng)電極形成為沿著該高度的主要部分在基本上平行于該中心軸線的延伸方向上延伸的條,該條與該中心軸線的對(duì)角不超過(guò)90°。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,該條與該中心軸線的對(duì)角不超過(guò)30°。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,該接地電極在外表面的主要部分上延伸。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,還提供了由導(dǎo)電材料構(gòu)成的至少一個(gè)附加電極,該導(dǎo)電材料以不與感應(yīng)電極連接的方式施加在內(nèi)表面上。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,該至少一個(gè)附加電極在內(nèi)表面的主要部分上延伸。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,該至少一個(gè)附加電極接地。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,該超聲波收發(fā)器被構(gòu)造為可另外作為超聲波發(fā)射器使用,由此用作為超聲波收發(fā)器,該超聲波收發(fā)器還包括一控制模塊,該控制模塊包括(a)與該感應(yīng)電極電連接的接收器電路;(b)發(fā)射器電路;和(c)與從該接地電極和該附加電極中選擇的激勵(lì)電極相關(guān)聯(lián)的切換系統(tǒng),該切換系統(tǒng)被構(gòu)造為交替地將該激勵(lì)電極電連接到發(fā)射器電路和地。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,該支持結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在該中空?qǐng)A柱體內(nèi)的導(dǎo)電芯元件,將該導(dǎo)電芯元件電接地,該導(dǎo)電芯元件設(shè)置為可以避免該導(dǎo)電芯元件與感應(yīng)電極電接觸。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,該導(dǎo)電芯元件為金屬芯元件。根據(jù)一另選實(shí)施例,該導(dǎo)電芯元件由導(dǎo)電泡沫構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,將該柔性壓電膜實(shí)現(xiàn)為PVDF膜。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的特征,將該感應(yīng)電極和該接地電極實(shí)現(xiàn)為基本透明的電極。
根據(jù)本發(fā)明的原理,還提供了一種用于操作超聲波收發(fā)器以接收和發(fā)射超聲波信號(hào)的方法,該方法包括以下步驟(a)提供一種超聲波收發(fā)器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括(i)主要由柔性壓電膜構(gòu)成的中空?qǐng)A柱體,該中空?qǐng)A柱體具有外表面、內(nèi)表面、中心軸線和平行于該中心軸線測(cè)量的高度,安裝該中空?qǐng)A柱體,使得振動(dòng)波能夠圍繞該中空?qǐng)A柱體的主要部分在圓周方向上傳播,(ii)由施加到內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的感應(yīng)電極,將該感應(yīng)電極形成為沿該高度的主要部分在平行于該中心軸線的延伸方向上延伸的窄條,該條與中心軸線的對(duì)角不超過(guò)90°,(iii)由導(dǎo)電材料構(gòu)成的至少一個(gè)附加內(nèi)部電極,施加該導(dǎo)電材料以使其以不與該感應(yīng)電極連接的方式在內(nèi)表面的主要部分上延伸,和(iv)由導(dǎo)電材料構(gòu)成的至少一個(gè)外部電極,施加該導(dǎo)電材料以使其在外表面的主要部分上延伸;(b)通過(guò)以下方法接收超聲波信號(hào)(i)將附加內(nèi)部電極和外部電極接地,和(ii)將感應(yīng)電極與接收器電路電連接;和(c)通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電壓施加到附加內(nèi)部電極和外部電極中的至少一個(gè)上來(lái)發(fā)射超聲波信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的原理,還提供了一種方法,用以操作用于確定可移動(dòng)元件的位置的系統(tǒng),該系統(tǒng)包括第一組可移動(dòng)超聲波換能器,包括與可移動(dòng)元件相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)超聲波換能器,和包含通過(guò)安裝在基座單元上而保持固定幾何關(guān)系的至少兩個(gè)超聲波換能器的第二組固定超聲波換能器,該操作方法包括(a)在測(cè)量模式下操作該系統(tǒng),其中(i)第一組和第二組超聲波換能器中的一組發(fā)射至少一個(gè)測(cè)量信號(hào),該測(cè)量信號(hào)由第一組和第二組中的另一組中的超聲波換能器接收,并且(ii)通過(guò)測(cè)量該至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)得到該可移動(dòng)元件的位置;和(b)在校準(zhǔn)模式下間歇性地操作該系統(tǒng),其中(i)來(lái)自第二組的至少一個(gè)超聲波換能器發(fā)射校準(zhǔn)信號(hào),并且來(lái)自第二組的至少一個(gè)其它超聲波換能器接收該校準(zhǔn)信號(hào),和(ii)通過(guò)測(cè)量該校準(zhǔn)信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)得到校準(zhǔn)信息。
根據(jù)本發(fā)明的其它特征,將來(lái)自第二組的至少一個(gè)超聲波換能器實(shí)現(xiàn)為上述圓柱超聲波換能器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的原理,還提供了一種方法,該方法為用于給定頻率的超聲波信號(hào)的超聲波換能器提供機(jī)械保護(hù),同時(shí)使對(duì)超聲波信號(hào)的干涉最小,該方法包括在該換能器邊上設(shè)置保護(hù)格柵,該格柵具有以特定的空間頻率分隔的多個(gè)開(kāi)口,該空間頻率小于空氣中該給定頻率的超聲波信號(hào)的波長(zhǎng)的大約二分之一,優(yōu)選為小于該波長(zhǎng)的大約四分之一。對(duì)于圓柱換能器,優(yōu)選地將該格柵構(gòu)造為圍繞該換能器的柱面格柵。
在此參照附圖僅以示例的方式來(lái)描述本發(fā)明,其中圖1顯示的是由壓電膜構(gòu)成的處于松弛狀態(tài)的自由懸掛圓柱的平面示意圖;圖2顯示的是當(dāng)暴露在超聲波信號(hào)中時(shí)圖1所示圓柱的示意圖;圖3顯示的是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造和操作的圓柱超聲波收發(fā)器的立體圖;圖4A和4B分別為用于圖1的圓柱超聲波收發(fā)器中的壓電膜的外表面和內(nèi)表面的平面圖,顯示了施加到每個(gè)表面上的電極圖案的形式;圖4C為圖4A和4B的壓電膜在其圓柱結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的平面示意圖;圖5為圖1的圓柱超聲波收發(fā)器的金屬芯元件的立體圖;圖6為可用作為圖5的芯元件的另選方案的導(dǎo)電泡沫芯元件的立體圖;圖7A和7B是顯示用于采用導(dǎo)電膠與圖1的圓柱超聲波收發(fā)器形成電接觸的第一技術(shù)的立體示意圖;圖8是顯示用于采用彈簧連接與圖1的柱狀超聲波收發(fā)器形成電接觸的第二技術(shù)的立體示意圖;圖9是顯示用于采用插腳與圖1的圓柱超聲波收發(fā)器形成電接觸的第三技術(shù)的立體示意圖;圖10A為用于圖1的圓柱超聲波收發(fā)器中的壓電膜的平面示意圖,顯示了接頭的另選構(gòu)造;圖10B是顯示卷成圓柱形狀的圖10A的膜的立體示意圖;圖11是顯示包括圖1的圓柱超聲波收發(fā)器的收發(fā)器組件的主要部件的框圖;圖12A示意性地表示了用于確定可移動(dòng)元件位置的系統(tǒng)的操作,該系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行構(gòu)造和操作,并以主操作模式工作;圖12B示意性地表示了進(jìn)行自校準(zhǔn)操作時(shí)圖12A的系統(tǒng)的操作;圖13A示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造和操作、并在主操作模式工作的用于確定可移動(dòng)元件位置的另選系統(tǒng)的操作;
圖13B示意性地表示了進(jìn)行自校準(zhǔn)操作時(shí)圖13A的系統(tǒng)的操作;和圖14為根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造和操作的與超聲波換能器一起使用的保護(hù)格柵的立體示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明為由壓電膜構(gòu)成的圓柱超聲波接收器或收發(fā)器。本發(fā)明還提供這種收發(fā)器在數(shù)字化器系統(tǒng)中的應(yīng)用。
參照附圖和附加的描述可以更好地理解根據(jù)本發(fā)明的接收器和收發(fā)器的原理和操作。
現(xiàn)參照附圖,圖3-11顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造和操作的超聲波接收器(總的指示為20)的不同方面及其相關(guān)的組件。
總的說(shuō)來(lái),接收器20包括主要由柔性壓電膜構(gòu)成的中空?qǐng)A柱體22,中空?qǐng)A柱體22具有外表面24、內(nèi)表面26、中心軸線28和平行于軸線28測(cè)量的高度h。在內(nèi)表面26上施加有由導(dǎo)電材料構(gòu)成的感應(yīng)電極30。接地電極32由施加在外表面24上的導(dǎo)電材料構(gòu)成。圓柱體22由支持結(jié)構(gòu)支持,在此由芯元件34表示支持結(jié)構(gòu),將其構(gòu)造為支持該中空?qǐng)A柱體,使得振動(dòng)波能夠圍繞著中空?qǐng)A柱體22的主要部分在圓周方向上傳播。
本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)特殊特征在于,將感應(yīng)電極30形成為沿高度h的主要部分在平行于中心軸線28的延伸方向上延伸的條,并且與中心軸線28的對(duì)角α不超過(guò)90°(見(jiàn)圖4C)。條30的尺寸優(yōu)選為小于圓柱體22中由預(yù)定工作頻率的超聲波振動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)的波長(zhǎng)的大約1/4。在大多數(shù)情況下,對(duì)尺寸進(jìn)行選擇使得圓柱體22只支持大約1種振動(dòng)波長(zhǎng)(而不是圖2中示意性所示的大約3種波長(zhǎng)),以使干涉效應(yīng)等最小。因此,只要條30與中心軸線28的對(duì)角α不超過(guò)90°,就可以極大地避免相位抵消的問(wèn)題。然而,優(yōu)選地,通常將條30的寬度選擇為使得與中心軸線28的對(duì)角α在大約20°到大約30°之間。
通過(guò)再次參照?qǐng)D1和2可以理解接收器20的工作原理。如上所述,入射壓力波會(huì)引起圍繞圓柱體外圍傳播的振動(dòng)波。結(jié)果,圓柱體表面上任意設(shè)置的局部傳感器也會(huì)受到基本相同的振動(dòng),而與壓力波入射的方向無(wú)關(guān)。同時(shí),由于相對(duì)于通過(guò)該膜傳播的振動(dòng)的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō),感應(yīng)電極30的周向尺寸很小,所以可避免上述相位抵消和大電容的問(wèn)題。結(jié)果是高效的廣角超聲波接收器。通過(guò)以下更詳細(xì)的描述,本發(fā)明的構(gòu)造的這些和其它優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。
對(duì)于材料,應(yīng)該注意,可采用任何壓電膜材料和合適的導(dǎo)電電極材料來(lái)實(shí)施本發(fā)明。膜本身最好的示例為PVDF。極化方向應(yīng)該圍繞圓柱體在圓周方向上取向。由于其寬的頻帶響應(yīng),使用這種膜可提供特殊的優(yōu)點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō),已經(jīng)發(fā)現(xiàn),基于壓電陶瓷的傳統(tǒng)窄頻帶接收器會(huì)將信號(hào)噪聲轉(zhuǎn)移到測(cè)量頻率范圍中,大大地降低了信噪比。相反,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的寬頻帶接收器能夠提供得到很大改善的信噪比,本發(fā)明的寬頻帶接收器可與后續(xù)的濾波結(jié)合使用,以識(shí)別所關(guān)心的信號(hào)。
用于電極的合適的導(dǎo)電材料包括但不限于含炭、銀和金的成分。在需要透明結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,可使用透明導(dǎo)電材料。
如前所述,與采用壓電膜實(shí)施圓柱超聲波換能器相關(guān)的一個(gè)主要問(wèn)題是電極具有作為電磁(EM)輻射天線的傾向。為了使該問(wèn)題最小化或消除該問(wèn)題,本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括一個(gè)或多個(gè)有助于屏蔽感應(yīng)電極30使其免受EM輻射的特征,如現(xiàn)將詳細(xì)描述的。
首先,接地電極32優(yōu)選地在膜的外表面24的主要部分上延伸。這會(huì)形成一個(gè)圍繞感應(yīng)電極30的導(dǎo)電殼,由此將電磁場(chǎng)排除所容納的體積之外。順便提一下,這是優(yōu)選地將感應(yīng)電極30設(shè)置在壓電膜的內(nèi)表面上而不是外表面上的原因。
優(yōu)選地,通過(guò)提供由不與感應(yīng)電極連接的方式施加在內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料形成的附加接地電極36來(lái)提供另外的屏蔽。優(yōu)選地,附加電極36在內(nèi)表面26的主要部分上延伸。在需要兩個(gè)或更多個(gè)分離區(qū)域的情況下,優(yōu)選地可以通過(guò)導(dǎo)電材料的橋接部分38將它們進(jìn)行電連接,如圖4B所示。
優(yōu)選地,通過(guò)采用電接地的導(dǎo)電芯元件34來(lái)進(jìn)一步改善EM屏蔽或作為EM屏蔽的另選方案,該導(dǎo)電芯元件34設(shè)置在圓柱體22內(nèi),避免與感應(yīng)電極30電接觸。盡管不是必需的,但是芯元件34通常為圓柱體22的支持結(jié)構(gòu)的一部分。
圖5顯示了作為金屬芯元件的芯元件34的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,該芯元件34可以是如所示的實(shí)心的或者是中空的。為了確保圓柱體22的膜可以自由地振動(dòng),這里將芯元件34形成為在高度的主要部分上具有直徑縮小部分38。在特定的情況下,由直徑縮小部分34定義的非接觸區(qū)域足以有效地避免與感應(yīng)電極30的電接觸。另選地,可在芯元件34和感應(yīng)電極30之間插入附加絕緣層。
圖6顯示了由導(dǎo)電泡沫形成的芯元件34的另選實(shí)施例。在這種情況下,芯元件34和圓柱體22之間的接觸通常不會(huì)明顯干擾圓柱體22內(nèi)的振動(dòng)的傳播。在這種情況下,在芯元件34和感應(yīng)電極30之間通常需要附加絕緣層。
為了使用接收器20,必須在各種電極和相關(guān)電路的適當(dāng)電元件之間明確地進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娺B接(稍后描述)。應(yīng)該注意,在壓電器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域已知很多種類的有效連接結(jié)構(gòu)。然而,出于完整性考慮,將對(duì)多種連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明,這些連接結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是特別優(yōu)選的。
首先,參照?qǐng)D3、4A和4B,應(yīng)該注意,將圓柱體22的優(yōu)選形式構(gòu)造為從其上伸出承載所有電觸點(diǎn)的接頭40。圖7A-7B、圖8和圖9分別顯示了用于將這些觸點(diǎn)與PCB的相應(yīng)觸點(diǎn)相連的三種技術(shù)。
根據(jù)圖7A-7B的技術(shù),接頭40對(duì)準(zhǔn)并緊壓著PCB的相應(yīng)觸點(diǎn)42,通過(guò)在每個(gè)觸點(diǎn)位置上滴上一滴導(dǎo)電膠44來(lái)制備觸點(diǎn)42。
根據(jù)圖8的技術(shù),將接頭40壓在PCB和一個(gè)或多個(gè)彈簧元件46之間。在PCB和彈簧中的一個(gè)上設(shè)置電觸點(diǎn),或者通常在二者之上都設(shè)置電觸點(diǎn)。
根據(jù)圖9的技術(shù),將多個(gè)導(dǎo)電插腳48穿過(guò)接頭40的觸點(diǎn)部分插入,并與PCB上相應(yīng)的插孔接合。
轉(zhuǎn)到圖10A和10B,顯示了壓電膜的另選構(gòu)造,其中,觸點(diǎn)接頭40a和40b從圓柱體22軸向延伸,而不是切向延伸。在其它方面,該構(gòu)造與圖3-4的構(gòu)造完全類似。
盡管到目前為止將器件20作為超聲波接收器進(jìn)行了描述,但是如現(xiàn)將描述的,同樣的結(jié)構(gòu)也非常適合于在收發(fā)器系統(tǒng)中使用,即用于接收和發(fā)送信號(hào)。再次參照?qǐng)D4B,注意,附加電極36優(yōu)選地覆蓋表面26的大部分區(qū)域與接地電極32相對(duì)。這樣,施加在這兩個(gè)電極之間的驅(qū)動(dòng)電勢(shì)能夠非常有效地產(chǎn)生超聲波信號(hào),這與傳統(tǒng)的圓柱超聲波發(fā)射器的操作類似。
如前所述,優(yōu)選地,在超聲波信號(hào)的接收過(guò)程中,將接地電極32和附加電極36均接地以實(shí)現(xiàn)屏蔽。為了保持該優(yōu)點(diǎn),當(dāng)需要發(fā)射時(shí),可使用切換系統(tǒng)來(lái)選擇性地將接地電極中的一個(gè)的連接切換到發(fā)射器電路。
這樣,參照?qǐng)D11,顯示了采用器件20的收發(fā)器組件的說(shuō)明。該收發(fā)器組件還包括控制模塊50,該控制模塊50包括通常通過(guò)放大器54與感應(yīng)電極30電連接的接收器電路52。控制模塊50還包括發(fā)射器電路56和切換系統(tǒng)58。切換系統(tǒng)58與作為激勵(lì)電極的接地電極32或附加電極36相關(guān)聯(lián),交替地將其連接到發(fā)射器電路以進(jìn)行發(fā)射和在接收期間將其接地。整個(gè)組件通常都在處理器60的控制下工作,處理器60的細(xì)節(jié)不是本發(fā)明的要點(diǎn)。
在工作時(shí),當(dāng)將該組件用于接收時(shí),附加電極36和外部電極32均接地,由此提供最大可能的電磁屏蔽。當(dāng)需要發(fā)射時(shí),將驅(qū)動(dòng)電壓施加給接地電極32或附加電極36,以產(chǎn)生所需的信號(hào)。
在這一點(diǎn)上應(yīng)該注意,在本發(fā)明的原理的范圍之內(nèi)可進(jìn)行許多變化和改進(jìn)。例如,應(yīng)該注意,接收器20可使用圍繞圓柱體22分布的多于一個(gè)的感應(yīng)電極30。這是有用的,原因有多種。首先,通過(guò)單獨(dú)分析所檢測(cè)的信號(hào)并識(shí)別信號(hào)之間的相位差,可以根據(jù)單個(gè)接收器的測(cè)量得到大致的方向信息。另選地,在波長(zhǎng)與圓柱體22的尺寸相比較短的情況下,可以選擇多個(gè)公共連接的感應(yīng)電極的間隔,以實(shí)現(xiàn)接收器對(duì)所關(guān)心的頻率的固有調(diào)諧。換句話說(shuō),對(duì)于給定的頻率,如果該間隔對(duì)應(yīng)于圍繞圓柱體的同相間隔(in-phase spacing),那么來(lái)自各個(gè)感應(yīng)電極的信號(hào)將具有相同的符號(hào),并加在一起形成更大的振幅。在其它許多頻率處,會(huì)出現(xiàn)不同程度的抵消,如以上圖2的內(nèi)容中所述。
如前所述,將圓柱體22優(yōu)選地構(gòu)造為只支持由工作頻率的超聲波信號(hào)導(dǎo)致的壓電膜內(nèi)的振動(dòng)波的大約一個(gè)波長(zhǎng)。更具體地說(shuō),周長(zhǎng)的一半(πD/2)優(yōu)選地等于膜內(nèi)的振動(dòng)波的波長(zhǎng)。由于該原因,通常將圓柱體的直徑選擇為與預(yù)定工作頻率成反比。例如,對(duì)于90kHz的工作頻率,約為5mm的圓柱體直徑通常是優(yōu)選的。
現(xiàn)再次參照?qǐng)D12A-13B,應(yīng)該注意,本發(fā)明的換能器的收發(fā)器功能對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的自校準(zhǔn)模式的實(shí)施特別有用,其提高了用于確定可移動(dòng)元件位置的系統(tǒng)的精度和可靠性。
通過(guò)介紹,應(yīng)該注意,由于通過(guò)空氣的音速會(huì)隨著溫度、壓力和濕度的改變而產(chǎn)生顯著的變化,所以基于超聲波傳播時(shí)間的數(shù)字化器系統(tǒng)受到精度問(wèn)題的困擾。為了補(bǔ)償這種變化,本發(fā)明的這一方面提供了自校準(zhǔn)功能,現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行描述。
再次參照?qǐng)D12A,示意性地顯示了用于確定可移動(dòng)元件位置的系統(tǒng),包括與可移動(dòng)元件72關(guān)聯(lián)的可移動(dòng)超聲波換能器70和通過(guò)安裝在基座單元78上來(lái)保持固定幾何關(guān)系的至少兩個(gè)超聲波換能器74、76。在此所示的示例中,系統(tǒng)的正常測(cè)量模式包括從可移動(dòng)超聲波換能器70發(fā)射至少一個(gè)測(cè)量信號(hào),該測(cè)量信號(hào)由固定的超聲波換能器74和76接收。然后使用該超聲波測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間測(cè)量來(lái)得到可移動(dòng)元件72的位置。
根據(jù)本發(fā)明的原理,在校準(zhǔn)模式下間歇地操作該系統(tǒng),其中換能器74從其正常接收功能切換到發(fā)射功能,發(fā)出由換能器76接收的校準(zhǔn)信號(hào)。由于換能器74和76之間的距離為由基座單元78的結(jié)構(gòu)限定的固定值,所以可以使用校準(zhǔn)信號(hào)的傳播時(shí)間測(cè)量來(lái)得到表示系統(tǒng)當(dāng)前所工作的環(huán)境中的音速變化的校準(zhǔn)信息。然后,可以將該校準(zhǔn)信息用于修正可移動(dòng)元件72的位置偏差。
參照?qǐng)D13A和13B,這些圖顯示了本發(fā)明的該方面的系統(tǒng)的實(shí)施例,其中,可移動(dòng)換能器70用作為接收由固定換能器74和76發(fā)射的信號(hào)的接收器。在該示例中,通過(guò)瞬時(shí)地采用換能器76作為接收器接收由換能器74發(fā)射的校準(zhǔn)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)模式。在所有其它方面,本發(fā)明的原理與前述的相同。
現(xiàn)參照?qǐng)D14,顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一方面的原理構(gòu)造和操作的保護(hù)格柵(總的表示為80),用于為超聲波換能器提供機(jī)械保護(hù)。
通常,必須為換能器提供機(jī)械保護(hù),特別是那些采用容易損壞的壓電膜的換能器。由于在換能器的前面存在各種保護(hù)結(jié)構(gòu),所以許多現(xiàn)有的換能器結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)失真和/或“盲點(diǎn)”(即發(fā)射強(qiáng)度和接收靈敏度受到嚴(yán)重影響的方向)。
為了使這些問(wèn)題最小化或者消除這些問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種保護(hù)格柵結(jié)構(gòu)80,其中,開(kāi)口的周期模式具有不超過(guò)λ/2的空間周期(spatialperiod)S,優(yōu)選地不超過(guò)λ/4,這里λ為超聲波工作頻率在空氣中的波長(zhǎng)。通過(guò)采用具有明顯小于現(xiàn)有系統(tǒng)的格柵節(jié)距(grating step)S的柵格,對(duì)超聲波信號(hào)產(chǎn)生的方向性影響很小或沒(méi)有影響。作為實(shí)際的示例,對(duì)于90kHz的工作頻率(對(duì)應(yīng)于空氣中約4mm的波長(zhǎng)),已發(fā)現(xiàn)1.9mm的格柵節(jié)距對(duì)信號(hào)的發(fā)射和接收的影響最小。
為了使信號(hào)衰減最小,最好使格柵開(kāi)口的比例達(dá)到最大,該比例應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的機(jī)械要求。在上述示例中,格柵的開(kāi)口面積優(yōu)選地至少為每個(gè)格柵節(jié)距內(nèi)的總面積的大約70%。
盡管在此示意性地顯示了矩形形式的柵格,但是很明顯,格柵80可以實(shí)施為不同的形式,以滿足各個(gè)具體的應(yīng)用。這樣,對(duì)于圓柱換能器(例如上述的那些),優(yōu)選地將格柵80實(shí)施為具有帶有周期間隔S的開(kāi)口的圓柱套筒。
具體到與書寫工具的書寫點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的換能器,應(yīng)該注意,換能器20和格柵80的所有部件優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)為基本透明的元件(對(duì)電極使用透明導(dǎo)電材料,而對(duì)柵格80使用透明塑料等),以達(dá)到這樣的程度,即超聲波換能器的位置可以非常接近并圍繞筆尖而不會(huì)阻擋用戶到筆尖的視線。
可以理解,以上描述僅意在作為示例,在本發(fā)明的主旨和范圍內(nèi),可以有多種其它的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種超聲波接收器,其包括(i)主要由柔性壓電膜形成的中空?qǐng)A柱體,所述中空?qǐng)A柱體具有外表面、內(nèi)表面、中心軸線和平行于所述中心軸線測(cè)量的高度;(ii)由施加在所述內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料形成的感應(yīng)電極;(iii)由施加在所述外表面上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的接地電極;和(iv)用于支持所述中空?qǐng)A柱體的支持結(jié)構(gòu),所述支持結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為支持所述中空?qǐng)A柱體,使得振動(dòng)波能夠圍繞所述中空?qǐng)A柱體的主要部分在圓周方向上傳播,其中,所述感應(yīng)電極被構(gòu)造為沿所述高度的主要部分在基本平行于所述中心軸線的延伸方向上延伸的條,所述條與所述中心軸線的對(duì)角不超過(guò)90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波接收器,其中所述條與所述中心軸線的對(duì)角不超過(guò)30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波接收器,其中所述接地電極在所述外表面的主要部分上延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的超聲波接收器,還包括由導(dǎo)電材料構(gòu)成的至少一個(gè)附加電極,該導(dǎo)電材料以不與所述感應(yīng)電極連接的方式施加在所述內(nèi)表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的超聲波接收器,其中所述至少一個(gè)附加電極在所述內(nèi)表面的主要部分上延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的超聲波接收器,其中所述至少一個(gè)附加電極接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的超聲波接收器,將其構(gòu)造為另外還用作為超聲波發(fā)射器,由此用作為超聲波收發(fā)器,該超聲波收發(fā)器還包括控制模塊,該控制模塊包括(i)與所述感應(yīng)電極電連接的接收器電路;(ii)發(fā)射器電路;和(iii)與從所述接地電極和所述附加電極中選擇的激勵(lì)電極相關(guān)聯(lián)的切換系統(tǒng),該系統(tǒng)被構(gòu)造為交替性地將所述激勵(lì)電極與所述發(fā)射器電路和地電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波接收器,其中所述支持結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述中空?qǐng)A柱體內(nèi)的導(dǎo)電芯元件,該導(dǎo)電芯元件的設(shè)置方式使得可以避免與所述感應(yīng)電極電接觸,所述導(dǎo)電芯元件電接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的超聲波接收器,其中所述導(dǎo)電芯元件為金屬芯元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的超聲波接收器,其中所述導(dǎo)電芯元件由導(dǎo)電泡沫形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波接收器,其中所述柔性壓電膜被實(shí)施為PVDF膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波接收器,其中所述感應(yīng)電極和所述接地電極被實(shí)施為基本透明的電極。
13.一種用于操作接收和發(fā)射超聲波信號(hào)的超聲波收發(fā)器的方法,該方法包括以下步驟(i)提供超聲波收發(fā)器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括(a)主要由柔性壓電膜構(gòu)成的中空?qǐng)A柱體,所述中空?qǐng)A柱體具有外表面、內(nèi)表面、中心軸線和平行于所述中心軸線測(cè)量的高度,所述中空?qǐng)A柱體安裝為使得振動(dòng)波能夠圍繞所述中空?qǐng)A柱體的主要部分在圓周方向上傳播,(b)由施加在所述內(nèi)表面上導(dǎo)電材料形成的感應(yīng)電極,所述感應(yīng)電極被構(gòu)造為沿所述高度的主要部分在基本平行于所述中心軸線的延伸方向上延伸的窄條,所述條與所述中心軸線的對(duì)角不超過(guò)90°,(c)由導(dǎo)電材料形成的至少一個(gè)附加內(nèi)部電極,施加該導(dǎo)電材料,使其以不與所述感應(yīng)電極連接的方式在所述內(nèi)表面的主要部分上延伸,和(d)由導(dǎo)電材料形成的至少一個(gè)外部電極,施加該導(dǎo)電材料,使其在所述外表面的主要部分上延伸;(ii)通過(guò)以下步驟接收超聲波信號(hào)(a)將所述附加內(nèi)部電極和所述外部電極都接地,和(b)將所述感應(yīng)電極與接收器電路電連接;和(iii)通過(guò)向所述附加內(nèi)部電極和所述外部電極中的至少一個(gè)施加驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)發(fā)射超聲波信號(hào)。
14.一種用于確定可移動(dòng)元件的位置的系統(tǒng)的操作方法,該系統(tǒng)包括包含與可移動(dòng)元件相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)超聲波換能器的第一組可移動(dòng)超聲波換能器,和包含通過(guò)安裝在基座單元上而保持固定幾何關(guān)系的至少兩個(gè)超聲波換能器的第二組固定超聲波換能器,該操作方法包括(i)在測(cè)量模式下操作該系統(tǒng),其中(a)所述第一組和第二組超聲波換能器中的一組發(fā)射至少一個(gè)測(cè)量信號(hào),該測(cè)量信號(hào)由所述第一組和第二組中的另一組中的超聲波換能器接收,和(b)根據(jù)所述至少一個(gè)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間測(cè)量來(lái)得到移動(dòng)單元的位置;和(ii)在校準(zhǔn)模式下間歇地操作該系統(tǒng),其中(a)所述第二組中的至少一個(gè)超聲波換能器發(fā)射校準(zhǔn)信號(hào),所述第二組中另外的至少一個(gè)超聲波換能器接收所述校準(zhǔn)信號(hào),和(b)根據(jù)所述校準(zhǔn)信號(hào)的傳播時(shí)間測(cè)量來(lái)得到校準(zhǔn)信息。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法,其中所述第二組中的至少一個(gè)超聲波換能器由這樣的結(jié)構(gòu)形成,包括(i)主要由柔性壓電膜形成的中空?qǐng)A柱體,所述中空?qǐng)A柱體具有外表面、內(nèi)表面、中心軸線和平行于所述中心軸線測(cè)量的高度,所述中空?qǐng)A柱體安裝為使得振動(dòng)波能夠圍繞所述中空?qǐng)A柱體的主要部分在圓周方向上傳播;(ii)由施加在所述內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料構(gòu)成的感應(yīng)電極,所述感應(yīng)電極被構(gòu)造為沿高度的主要部分在基本平行于所述中心軸線的延伸方向上延伸的條,所述條與所述中心軸線的對(duì)角不超過(guò)90°;(iii)由導(dǎo)電材料構(gòu)成的至少一個(gè)附加內(nèi)部電極,施加該導(dǎo)電材料,使其以不與所述感應(yīng)電極連接的方式在所述內(nèi)表面的主要部分上延伸;和(iv)由導(dǎo)電材料形成的至少一個(gè)外部電極,施加該導(dǎo)電材料,使其在所述外表面的主要部分上延伸。
16.一種為用于給定頻率的超聲波信號(hào)的超聲波換能器提供機(jī)械保護(hù)同時(shí)使對(duì)超聲波信號(hào)的干涉最小的方法,該方法包括在換能器邊上設(shè)置保護(hù)格柵,該格柵具有多個(gè)開(kāi)口,這些開(kāi)口以一個(gè)空間頻率間隔開(kāi),該空間頻率小于該給定頻率的超聲波在空氣中的波長(zhǎng)的大約一半。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法,其中該格柵具有多個(gè)以特定的空間頻率分隔的開(kāi)口,該空間頻率小于該給定頻率的超聲波在空氣中的波長(zhǎng)的大約四分之一。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法,其中該換能器為圓柱換能器,該格柵被構(gòu)造為圍繞該換能器的柱面格柵。
全文摘要
一種超聲波接收器(20),包括主要由柔性壓電膜構(gòu)成的中空?qǐng)A柱體(22),該中空?qǐng)A柱體具有外表面(24)、內(nèi)表面(26)、中心軸線(28)和平行于中心軸線(28)測(cè)量的高度。由施加在該表面上的導(dǎo)電材料構(gòu)成感應(yīng)電極,而由施加在外表面(24)上的導(dǎo)電材料構(gòu)成接地電極(32)。由支持結(jié)構(gòu)來(lái)支持中空?qǐng)A柱體(22),該支持結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為使得振動(dòng)波能夠圍繞中空?qǐng)A柱體(22)的主要部分在圓周方向上傳播。該感應(yīng)電極被構(gòu)造為沿該高度的主要部分在基本平行于中心軸線(28)的延伸方向上延伸的條,該條與中心軸線(28)的對(duì)角不超過(guò)90°。
文檔編號(hào)G01S7/521GK1545397SQ01823607
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2001年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
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