專利名稱：圓柱超聲波收發(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，以及它們在數(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發(fā)射超聲波信號。圓柱的形式可提供全向的信號發(fā)射，并可通過提供類似于點(更精確地說，線)源的效果來簡化傳播時間的幾何計算。在授予De Bruyne的美國專利No.4,758,691中對這些優(yōu)點進(jìn)行了詳細(xì)說明。圓柱超聲波換能器的另一優(yōu)點在于，它們能夠根據(jù)要測量位置的元件進(jìn)行對中。這在PCT公報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，其中公開了一種超聲波標(biāo)記器。這里，將圓柱壓電環(huán)夾在兩個電極之間。在電極上施加交變電壓使該環(huán)振動，由此發(fā)出呈放射狀傳播的超聲波信號。
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，實際上，許多因素導(dǎo)致許多發(fā)射器結(jié)構(gòu)無法有效地作為接收器。對于圓柱元件尤其如此，在圓柱元件中，通過使用相對高的能量對其進(jìn)行激勵，使得幾乎整個柱面都用于廣角發(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。此外，該換能器的大的無效區(qū)域的固有電容會吸收所接收的信號的大部分振幅，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)的器件的開發(fā)上。通常通過選擇性地在表面區(qū)域上印刷導(dǎo)電墨水來在該膜的相對表面上形成導(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簡單地實現(xiàn)圓柱超聲波換能器，但是接收器的實現(xiàn)會引起上述圓柱接收器的總體復(fù)雜化之外的其它問題。具體來說，參照圖1和2，圖中顯示的是由壓電膜構(gòu)成的自由懸掛圓柱體10的平面示意圖。圖1顯示的是它的松弛狀態(tài)，而圖2顯示的是圓柱體10對輸入超聲波信號的波陣面15的響應(yīng)。由于壓電膜是柔性的，所以信號15的振動產(chǎn)生繞圓柱10傳播的波(為清楚起見對其進(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)生的電勢感應(yīng)反向。結(jié)果，由壓電膜產(chǎn)生的大部分電勢耗散在電極內(nèi)的局部渦流中，極大地降低了在電極之間測量到的總體信號電壓。
采用壓電膜實現(xiàn)圓柱超聲波換能器的另一個問題是，電極會作為天線接收到不希望的電磁輻射，這會導(dǎo)致很低的信噪比。
采用壓電膜實現(xiàn)圓柱超聲波換能器的另一個問題是，在使超聲波的破壞性最小的同時要為換能器提供機(jī)械保護(hù)。
采用壓電膜實現(xiàn)圓柱超聲波換能器的另一個問題是通過焊接壓電膜以形成圓柱體所導(dǎo)致的損壞。
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，提供了一種超聲波換能器，其包括(a)具有第一端和第二端的壓電膜；(b)設(shè)置在所述壓電膜上的多個電極；(c)至少一個固定構(gòu)件；以及(d)支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)基本上是圓柱體，其中通過所述至少一個固定構(gòu)件將所述第一端和第二端固定到該支撐結(jié)構(gòu)上。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)上的電接觸部分(electrical contact)。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述支撐結(jié)構(gòu)還包括突出部分(protrusion)，并且其中所述第一端和第二端通過所述至少一個固定構(gòu)件固定到該突出部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征(a)所述支撐結(jié)構(gòu)具有中心軸；(b)所述突出部分被形成為具有一延伸方向的延伸突出的隆起；以及(c)所述延伸方向基本上平行于所述中心軸。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了設(shè)置在所述突出部分上的電接觸部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述至少一個固定構(gòu)件是夾片(clip)。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了電接觸部分，其中該電接觸部分設(shè)置在所述至少一個固定構(gòu)件上。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述壓電膜具有第一表面和第二表面，其中所述多個電極包括(a)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極；(b)設(shè)置在所述第二表面上的第二電極，其中該第二電極的至少一部分與該第一電極的至少一部分相對；(c)設(shè)置在所述第一表面上的第一電連接條(strip)，其中該第一電連接條與所述第一電極相連；以及(d)設(shè)置在所述第二表面上并與所述第一電連接條基本上不相對的第二電連接條，其中該第二電氣連接條與所述第二電極相連。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述壓電膜具有第一表面和第二表面，其中所述多個電極包括(a)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極和第二電極，其中該第一電極以與該第二電極不鄰接的形式設(shè)置；(b)設(shè)置在所述第二表面上的第三電極和第四電極，其中(i)所述第三電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(ii)所述第四電極的至少一部分與所述第二電極的至少一部分相對；(iii)所述第三電極以與所述第四電極不鄰接的形式設(shè)置；以及(c)從所述第一電極延伸到所述第四電極的電連接條，其中該電連接條包括在所述第一表面上的電連接條的第一部分以及在所述第二表面上的電連接條的第二部分，并且其中所述第一部分與所述第二部分電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述第一部分和所述第二部分通過所述壓電膜中的孔電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了螺旋狀金屬彈簧，其中該螺旋狀金屬彈簧設(shè)置在所述壓電膜的周圍。
根據(jù)本發(fā)明的其它原理，還提供了一種超聲波接收器，其包括(a)具有第一表面和第二表面的壓電膜；(b)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極；(c)設(shè)置在所述第二表面上的第二電極，其中所述第二電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(d)設(shè)置在所述第一表面上的第一電連接條，其中所述第一電連接條與所述第一電極相連；以及(e)設(shè)置在所述第二表面上并與所述第一電連接條基本上不相對的第二電連接條，其中所述第二電連接條與所述第二電極相連。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述第一電連接條與所述第二電極基本上不相對；所述第二電連接條與所述第一電極基本上不相對。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了一種主要由壓電膜形成的大致為圓柱體的元件，該大致為圓柱體的元件為中空的，所述大致為圓柱體的元件具有中心軸和平行于該中心軸測量的高度；以及用于支撐所述大致為圓柱體的元件的支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造用來以下述方式支撐所述大致為圓柱體的元件，該方式使得振動波能夠環(huán)繞所述大致為圓柱體的元件的主要部分傳播；其中，將所述第一電極形成為沿著所述高度的至少一部分以基本上平行于所述中心軸的延伸方向延伸的條，該條與所述中心軸的弦對角不超過90°。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述大致為圓柱體的元件具有內(nèi)表面，其中所述第一表面構(gòu)成所述內(nèi)表面；并且所述第二電極接地。
根據(jù)本發(fā)明的其它原理，還提供了一種多電極的超聲波接收器，其包括(a)具有第一表面和第二表面的壓電膜；(b)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極和第二電極，其中該第一電極以與該第二電極不鄰接的形式設(shè)置；(c)設(shè)置在所述第二表面上的第三電極和第四電極，其中(i)所述第三電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(ii)所述第四電極的至少一部分與所述第二電極的至少一部分相對；以及(iii)所述第三電極以與所述第四電極不鄰接的形式設(shè)置；以及(d)從所述第一電極延伸到所述第四電極的電連接條，其中所述電連接條包括在所述第一表面上的電連接條的第一部分和在所述第二表面上的電連接條的第二部分，并且所述第一部分和所述第二部分電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了一種主要由壓電膜構(gòu)成的大致為圓柱體的元件，該大致為圓柱體的元件為中空的，所述大致為圓柱體的元件具有中心軸以及平行于所述中心軸測量的高度，其中所述第一電極和所述第二電極的組合與所述中心軸的弦對角不超過90°；以及用于支撐所述大致為圓柱體的元件的支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造用來以下述方式支撐所述大致為圓柱體的元件，該方式使得振動波能夠環(huán)繞所述大致為圓柱體的元件的主要部分傳播。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述大致為圓柱體的元件具有內(nèi)表面，其中所述第一表面構(gòu)成所述內(nèi)表面；并且所述第三電極接地。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述第一部分和所述第二部分通過所述壓電膜中的孔電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，還提供了設(shè)置在所述第一表面上的第一電連接條，其中所述第一電連接條與所述第二電極相連；以及設(shè)置在所述第二表面上的第二電連接條，其中所述第二電連接條與所述第三電極相連，并且所述第二電連接條與所述第一電連接條基本上不相對。
根據(jù)本發(fā)明的其它原理，還提供了一種用于在使超聲波的破壞性最小的同時為用于預(yù)定頻率的超聲波的超聲波換能器提供屏蔽的方法，該方法包括以下步驟以小于與所述超聲波換能器相關(guān)的超聲波的波長的大約一半的空間間隔(spatial period)來隔開螺旋狀金屬彈簧的簧圈；以及圍繞所述超聲波換能器設(shè)置所述螺旋狀金屬彈簧。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述隔開步驟是通過以小于所述波長的大約四分之一的空間間隔隔開簧圈來執(zhí)行的。
根據(jù)本發(fā)明的其它原理，還提供了一種數(shù)字化器系統(tǒng)，其包括(a)與可移動元件相關(guān)聯(lián)的一超聲波換能器；(b)兩個超聲波換能器；(c)基座單元；其中通過將所述兩個超聲波換能器附連到所述基座單元上來保持固定的幾何關(guān)系；以及(d)聲波導(dǎo)；其中所述聲波導(dǎo)包括中空的細(xì)伸構(gòu)件，并且所述聲波導(dǎo)設(shè)置在所述兩個超聲波換能器之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述聲波導(dǎo)基本上是直的。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述聲波導(dǎo)是彎曲的。
根據(jù)本發(fā)明的其它原理，還提供了一種用來操作用于確定可移動元件上點的位置的系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括一組可移動的超聲波換能器，包括分別安裝在所述可移動元件上的第一超聲波換能器和第二超聲波換能器，其中所述可移動元件上的所述第一超聲器換能器、所述第二超聲波換能器和所述點沿公共軸線依次隔開；以及一組固定超聲波換能器，包括以預(yù)定距離間隔開的第三超聲波換能器和第四超聲波換能器，所述操作方法包括以下步驟(a)在所述第一超聲波換能器和所述固定組之間以及在所述第二超聲波換能器和所述固定組之間發(fā)射多個測量信號；(b)通過測量這些測量信號的傳播時間導(dǎo)出所述第一超聲波換能器與所述第三超聲波換能器和所述第四超聲器換能器中的每一個之間的距離以及所述第二超聲波換能器與所述第三超聲波換能器和第四超聲波換能器中的每一個之間的距離；以及(c)根據(jù)這些距離導(dǎo)出所述點的位置。
根據(jù)本發(fā)明的其它特征，所述第一超聲波換能器和所述第二超聲波換能器都是圓柱超聲波換能器。


在此參照附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明，在附圖中圖1是由壓電膜構(gòu)成的處于松弛狀態(tài)的自由懸掛圓柱體的示意性平面圖；圖2是當(dāng)暴露在超聲波信號中時圖1所示圓柱體的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的圓柱超聲波接收器的立體圖；圖4是圖3中使用的膜的示意性平面圖；
圖5是壓電膜的示意性平面圖，表示施加到圖3的接收器的各個表面的電極圖案的形式；圖6是壓電膜的示意性平面圖，表示施加到圖3的接收器的各個表面的多個電極圖案的形式；圖7是圖3的接收器的支撐結(jié)構(gòu)的展開立體圖；圖8是表示圖7的支撐結(jié)構(gòu)中使用的單個電接觸板的立體圖；圖9是表示與圖3的接收器形成電接觸的技術(shù)的示意性立體圖；圖10是圖3的接收器中使用的保護(hù)性螺旋狀彈簧的示意性立體圖；圖11是圖10的螺旋狀彈簧的截面的側(cè)視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的圓柱超聲波收發(fā)器的支撐結(jié)構(gòu)的展開立體圖；圖13是壓電膜的示意性平面圖，表示施加到圖12的收發(fā)器的各個表面的電極圖案的形式；圖14是壓電膜的示意性平面圖，表示施加到圖12的收發(fā)器的各個表面的多個電極圖案的形式；圖15是壓電膜的示意性平面圖，表示施加到圖3的接收器的各個表面以用作為收發(fā)器的電極圖案的形式；圖16是表示包括圖15的收發(fā)器的收發(fā)器組件的主要部件的方框圖；圖17示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造并操作的用于確定可移動元件的位置并以主操作模式工作的系統(tǒng)的操作。
圖18示意性地表示了在執(zhí)行自校準(zhǔn)操作時圖17的系統(tǒng)的操作。
圖19示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明另選實施例構(gòu)造并操作的用于確定可移動元件的位置并以主操作模式工作的系統(tǒng)的操作。
圖20示意性地表示了在執(zhí)行自校準(zhǔn)操作時圖19的系統(tǒng)的操作。
圖21示意性地表示了在利用聲波導(dǎo)執(zhí)行自校準(zhǔn)模式時圖17的系統(tǒng)；圖22示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明另選實施例構(gòu)造并操作的用于確定可移動元件上的點的位置的系統(tǒng)的操作。
具體實施例方式
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)參照圖3，圖3是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造并操作的圓柱超聲波接收器18的立體圖。一般而言，接收器18包括中空的大致為圓柱體的元件20。該圓柱體元件20主要由柔性壓電膜構(gòu)成，具有外表面25、內(nèi)表面30、上邊緣32、下邊緣33、中心軸40和平行于中心軸40測量的高度h。圓柱體元件20由支撐結(jié)構(gòu)支撐，在此該支撐結(jié)構(gòu)由芯元件50表示，該支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為以下述方式支撐圓柱體元件20，該方式使得振動波能夠環(huán)繞圓柱體元件20的主要部分傳播。圓柱體元件20由基座55從下方支撐并由蓋60從上方支撐。如上所述，圓柱體元件20基本上為圓柱體，因為圓柱體元件20至少大部分圓周大致為圓柱體形狀。該圓柱體部分提供了接收功能，因此如果非功能部分不是圓柱體也無關(guān)緊要。此外，圓柱體部分本身不必為精確的圓柱體。該方面的應(yīng)用稍后參照圖12進(jìn)行說明。
現(xiàn)參照圖4，圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的圓柱體元件20的示意性平面圖。向內(nèi)表面30施加第一電極65。向外表面25施加第二電極70，其中第二電極70的至少一部分與第一電極65的主要部分相對。第二電極70接地并且第一電極65用作為感應(yīng)電極。但是，應(yīng)該注意，在本發(fā)明的其它實施例中第一電極65和第二電極70可互換使用。第一電極65被形成為沿高度h(圖3)的主要部分以基本平行于中心軸40的延伸方向上延伸的條，并與中心軸40的弦對角α不超過90°。第一電極65的尺寸優(yōu)選為使得該尺寸與小于圓柱體元件20中由預(yù)計工作頻率的超聲波振動引起的振動的波長的大約1/4相對應(yīng)。在大多數(shù)情況下，將尺寸選擇為使得圓柱體元件20只支撐大約一種波長的振動(而不是圖2中示意性所示的大約四種波長)，以使干涉效應(yīng)等最小。結(jié)果，只要第一電極65與中心軸40的弦對角α不超過90°，就可以極大地避免相位抵消的問題。然而，優(yōu)選地，通常將第一電極65的寬度選擇為使得與中心軸40的弦對角α在大約20°到大約30°之間。
通過再次參照圖1和2可以理解接收器18的工作原理。如上所述，入射壓力波15會引起圍繞圓柱體10的周邊傳播的振動波。結(jié)果，圓柱體10表面上任意設(shè)置的局部傳感器也會受到基本上與入射壓力波15的方向無關(guān)的基本相同的振動。同時，由于相對于通過該膜傳播的振動的波長來說，第一電極65的周向尺寸(extent)很小，所以可以避免上述相位抵消和大電容的問題。結(jié)果獲得高效的廣角超聲波接收器。通過以下更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的構(gòu)造的這些和其它優(yōu)點將變得更加明顯。
對于材料，應(yīng)該注意，可以采用任何壓電膜材料和合適的導(dǎo)電電極材料來實施本發(fā)明。膜本身的特別優(yōu)選的示例為聚偏二氟乙烯(Polyvinyl DiFluoride)(PVDF)。極化方向應(yīng)該環(huán)繞圓柱體元件取向。其寬的頻帶響應(yīng)使得使用這種膜可以提供特殊的優(yōu)點。具體來說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基于壓電陶瓷的傳統(tǒng)窄頻帶接收器會將信號噪聲轉(zhuǎn)換到測量頻率范圍中，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，以識別所關(guān)心的信號。
用于電極的合適的導(dǎo)電材料包括但不限于含炭、銀和金的合成物。在需要透明結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，可以使用透明導(dǎo)電材料。已將導(dǎo)電材料描述為“施加”到壓電膜，作為導(dǎo)電材料的施加是典型的制造工藝。但是，應(yīng)該注意，可以通過在本領(lǐng)域中已知的其它方法將導(dǎo)電材料“設(shè)置”到壓電膜上。
現(xiàn)參照圖5，圖5是構(gòu)成圓柱體元件20的壓電膜片的半透明平面圖，表示施加到根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例制造和操作的接收器18的各個表面的電極圖案的形式。將第一電連接條75施加到內(nèi)表面25，并將第一電連接條75連接到第一電極65。以與第二電極70基本上不相對的方式施加第一電連接條75，以減少與電容相關(guān)的問題。將第二電連接條80施加到外表面30，并將第二電連接條80連接到第二電極70。以與第一電連接條75基本上不相對的方式施加第二電連接條80，以減少與電容相關(guān)的問題。優(yōu)選地，以與第二電極70基本上不相對的方式施加第一電連接條75以及以與第一電極65基本上不相對的方式施加第二電連接條80，以避免與電容相關(guān)的可能問題。應(yīng)該注意，術(shù)語“基本上不相對”表示優(yōu)選地存在完全不相對的關(guān)系以消除與電容相關(guān)的問題。但是，電連接條的某些相對盡管可能會由于電容而引起一些問題，但不會違背本發(fā)明的本質(zhì)，即旨在使由于電容而引起的問題最少。第一電連接條75和第二電連接條80分別從第一電極65和第二電極70延伸到圓柱體元件20的下邊緣33(圖3)處的接頭85。
現(xiàn)參照圖6，圖6是構(gòu)成圓柱體元件20的壓電膜片的半透明平面圖，表示施加到根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例制造和操作的接收器18的各個表面的多個電極圖案的形式。感應(yīng)電極和接地電極之間的橫截面面積的增加可以增大由超聲波收發(fā)器產(chǎn)生的電流。但是，通常增加由超聲波接收器產(chǎn)生的電壓更為有利。這可通過串聯(lián)設(shè)置多個電極圖案來實現(xiàn)。對于接收器18，這通過將第一電極90和第二電極95施加到圓柱體元件20的內(nèi)表面25來實現(xiàn)。以與第二電極95不鄰接的方式施加第一電極90。如上所述，參照單個感應(yīng)電極、第一電極65的情況(圖4)，第一電極90和第二電極95均形成為條。第一電極90和第二電極95沿著高度h(圖3)的至少一部分以基本上平行于中心軸40的延伸方向延伸。第一電極90和第二電極95的組合與中心軸40的弦對角不超過90°。將第三電極100和第四電極105施加到圓柱體元件20的外表面30，以使得第三電極100的至少一部分與第一電極90的主要部分相對，并且第四電極105的至少一部分與第二電極95的主要部分相對。以與第四電極105不鄰接的方式施加第三電極100。第四電極105接地。電連接條110、115包括在內(nèi)表面25上的電連接條110的第一部分和在外表面30上的電連接條115的第二部分。電連接條110的第一部分從第一電極90延伸到圓柱體元件20中的孔Q，電連接條115的第二部分從孔Q延伸到第四電極105。使用導(dǎo)電材料在孔Q處連接電連接條110的第一部分和電連接條115的第二部分。參照圖5說明的第一電連接條75和第二電連接條80在此可以用于本發(fā)明的該實施例。將第一電連接條75施加到內(nèi)表面25并將第一電連接條75連接到第二電極95。將第二電氣連接條80施加到外表面30并將第二電連接條80連接到第三電極100。同樣以與第一電連接條75基本上不相對的方式施加第二電連接條80，以減少與圓柱體元件20的表面25和30之間的電容相關(guān)的問題。第一電連接條75和第二電連接條80分別從第二電極95和第三電極100延伸到圓柱體元件20的下邊緣33(圖3)處的接頭85。應(yīng)該注意，在本發(fā)明的另選實施例中，可以將第一電極90和第二電極95施加到外表面30，并且可以將第三電極100和第四電極105施加到內(nèi)表面25。還應(yīng)該注意，可以將更多的電極施加到圓柱體元件20并串聯(lián)這些電極以增大接收器18的電壓輸出。
現(xiàn)參照圖7，圖7是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的接收器18的支撐結(jié)構(gòu)117的展開立體圖。如上所述，與實現(xiàn)利用壓電膜的圓柱超聲波收發(fā)器相關(guān)的一個主要問題是電極趨于用作為電磁輻射的天線。為了最小化或消除該問題，本發(fā)明的優(yōu)選實施包括一個或多個特征，這有助于屏蔽感應(yīng)電極免受電磁輻射的影響。首先，接地的第二電極70為第一電極65提供一些屏蔽。順便提一下，這也是優(yōu)選地將第一電極65設(shè)置在膜的內(nèi)表面而非其外部的原因。優(yōu)選地，通過采用以避免與第一電極65電接觸的方式設(shè)置在圓柱體元件20內(nèi)的電接地導(dǎo)電芯元件50來提供對電磁屏蔽的進(jìn)一步或另選的貢獻(xiàn)。盡管不是必須的，但是芯元件50通常是圓柱體元件20的支撐結(jié)構(gòu)117的一部分。芯元件50的一個優(yōu)選實施為金屬芯元件，該金屬芯元件可以是實心或中空的。為了確保圓柱體元件20的膜可以自由地振動，這里將芯元件50形成為在其高度的主要部分上具有直徑減小部分120。在某些情況下，由直徑減小部分120限定的非接觸區(qū)域足以避免與第一電極65電接觸。另選地，可在芯元件50和第一電極65之間插入附加絕緣層。芯元件50的另選實施例可以由導(dǎo)電泡沫的圓柱體(未示出)構(gòu)成。在這種情況下，芯元件50和圓柱體元件20之間的接觸通常不會明顯干擾圓柱體元件20內(nèi)的振動的傳播。在這種情況下，在芯元件50和第一電極65之間通常需要附加絕緣層。如上所述，圓柱體元件20由基座55從下方支撐并由蓋60從上方支撐?；?5包括電接觸彈簧140。通過螺釘145將基座55和蓋60固定到芯元件50上。
現(xiàn)參照圖8，圖8是一立體圖，表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造并操作的支撐結(jié)構(gòu)117中使用的單個電接觸板。基座55具有一個電接觸彈簧140。這可以用于將電連接條75、80組合到單個接頭85上的情況，或用于電連接條75、80延伸到圓柱體元件20的不同邊緣32、33(圖3)的情況。
現(xiàn)參照圖9，圖9是一示意性立體圖，表示形成與根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的接收器18的電接觸的技術(shù)。將包含接收器18的電連接條75、80的接頭85推入電接觸彈簧140。通過電接觸彈簧140的壓力將接頭85保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 現(xiàn)參照圖10，圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例構(gòu)造并操作的接收器18中使用的保護(hù)性螺旋狀彈簧150的示意性立體圖。螺旋狀彈簧150圍繞接收器18設(shè)置。螺旋狀彈簧150為接收器18提供機(jī)械和電磁屏蔽，同時使入射超聲波的干涉最小，如以下參照圖11所描述的那樣。螺旋狀彈簧150由導(dǎo)電材料構(gòu)成并接地以提供電磁屏蔽。
現(xiàn)參照圖11，圖11是螺旋狀彈簧150的截面的側(cè)視圖。螺旋狀彈簧150具有厚度為t且空間間隔為S的簧圈155。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)性結(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)重的信號失真或者還伴隨有“盲點”(即發(fā)射強(qiáng)度和接收靈敏度受到嚴(yán)重影響的方向)。為了使這些問題最小化或者消除這些問題，本發(fā)明使用具有簧圈155的螺旋狀彈簧150，其中，簧圈155具有不超過/2的空間間隔S，優(yōu)選地不超過/4，這里為超聲波工作頻率在空氣中的波長。通過采用具有明顯小于現(xiàn)有系統(tǒng)的空間間隔S的螺旋狀彈簧150，對超聲波信號產(chǎn)生的方向性影響很小或沒有影響。通過實際的示例，對于90kHz的工作頻率(與空氣中約4mm的波長相對應(yīng))，已發(fā)現(xiàn)1.9mm的S值對信號的發(fā)射和接收的影響最小。
現(xiàn)參照圖12和13。圖12是根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的接收器18的支撐結(jié)構(gòu)的展開立體圖。圖13是壓電膜175的半透明平面圖，表示施加到圖12的接收器18的各個表面的電極圖案的形式。焊接壓電膜175以構(gòu)成圓柱體元件20是一個昂貴的工藝并且焊接可能導(dǎo)致對壓電膜175的損壞。圓柱體元件20中使用的壓電膜175可以形成為圓柱體元件20而不必焊接壓電膜175，同時使得振動波能夠環(huán)繞接收器18的主要部分傳播。這通過圍繞基本上為圓柱體的支撐結(jié)構(gòu)160包裹壓電膜175來實現(xiàn)，使膜192、193的端部位于支撐結(jié)構(gòu)160上突出部分165上。突出部分165通常是延伸突出的隆起，其延伸方向基本上平行于支撐結(jié)構(gòu)160的中心軸。突出部分165具有基本上平行的夾緊表面166。固定構(gòu)件(通常為夾片170)將膜192、193的端部固定到突出部分165上，以將壓電膜175形成為大致圓柱形狀。通常使用一個固定構(gòu)件將膜192、193的端部固定到突出部分165上，但是可以使用多于一個的固定構(gòu)件來執(zhí)行相同的功能。夾片170執(zhí)行的夾緊功能可以由其它設(shè)計用來執(zhí)行相同夾緊功能的夾片來執(zhí)行。在將壓電膜175包裹到支撐結(jié)構(gòu)160上之前，將必要的電極和所需的電接觸部分施加到壓電膜上。將感應(yīng)電極180施加到壓電膜175的第一側(cè)182，并將接地電極190施加到壓電膜175的第二側(cè)183。當(dāng)圍繞支撐結(jié)構(gòu)160包裹壓電膜175時，通常壓電膜175的第一側(cè)182會面對支撐結(jié)構(gòu)160，因此接地電極190在外部為感應(yīng)電極180提供電磁屏蔽。接地電極190基本上延伸到壓電膜175的一個端部192。延伸接地電極190為感應(yīng)電極180提供額外的電磁屏蔽，并且還使接地電極190能夠直接連接到夾片170內(nèi)部的電接觸部分172。將電連接條185施加到壓電膜175的第一側(cè)182。電連接條185從感應(yīng)電極180基本上延伸到壓電膜175的另一個端部193。這使得感應(yīng)電極180能夠直接連接到突起部分165上的電接觸部分167。應(yīng)該注意，可以有許多其它的電極設(shè)計(例如增加附加電極)來在超聲波收發(fā)器中使用壓電膜175。
現(xiàn)參照圖14，圖14是壓電膜的示意性平面圖，表示施加到圖12的支撐結(jié)構(gòu)的各個表面的多個電極圖案的形式。在本發(fā)明的最優(yōu)選實施例中，可以使圖6中所述的多個電極圖案適用于圖12的支撐結(jié)構(gòu)。將第一電極90和第二電極95施加到壓電膜175的第一側(cè)182。將第三電極100和第四電極105施加到壓電膜175的第二側(cè)183。電連接條110、115通過壓電膜175中的孔Q從第一電極90延伸到第四電極105。將第一電連接條75連接到第二電極95。將第二電連接條80連接到第三電極100。第一電連接條75和第二電連接條80分別從第二電極95和第三電極100延伸到壓電膜175的端部192、193。已參照圖6說明了電極和電連接條的相對位置以及非交疊。
再次參照圖12。在本發(fā)明的最優(yōu)選實施例中，可圍繞接收器18設(shè)置圖10、11中所述的螺旋狀彈簧150來為接收器18提供機(jī)械保護(hù)和額外的電磁屏蔽。
現(xiàn)參照圖15，圖15是壓電膜的半透明平面圖，表示施加到根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的收發(fā)器的各個表面的電極圖案的形式。盡管已將器件18描述為超聲波接收器，但相同的結(jié)構(gòu)非常適用于收發(fā)器系統(tǒng)，即用于接收和發(fā)送信號，如將要描述的。除了施加第一電極65、第一電連接條75、第二電極70和第二電連接條80(以上參照圖5都有所描述)以外，還將附加電極195施加到圓柱體元件20的內(nèi)表面25。將附加電極195與延伸到接頭85的電連接條200相連。將第二電極70擴(kuò)大以覆蓋圓柱體元件20的更大區(qū)域。以與第一電極65不鄰接并與第二電極70基本上相對的方式來施加附加電極195。當(dāng)沒有用作為發(fā)射器時，附加電極195可以接地以提供額外的電磁屏蔽。當(dāng)用作為發(fā)射器時，可以在附加電極195(如果需要的話，連同第一電極65)和第二電極70之間施加一驅(qū)動電位，以產(chǎn)生超聲波信號，類似于傳統(tǒng)圓柱體超聲波發(fā)射器的操作。
現(xiàn)參照圖16，圖16是表示采用器件18的收發(fā)器組件的主要部件的方框圖。如前所述，優(yōu)選地，在接收超聲波信號的過程中，為了進(jìn)行屏蔽而將第二電極70和附加電極195均接地。為了保持該優(yōu)點，當(dāng)需要發(fā)射時，可使用切換系統(tǒng)225來選擇性地切換第二電極70或附加電極195與發(fā)射器電路的連接。因此，示出了采用器件18的收發(fā)器組件的說明。該收發(fā)器組件還包括控制模塊205，該控制模塊205具有通常通過放大器215與第一電極65電連接的接收器電路210?？刂颇K205還包括發(fā)射器電路220和切換系統(tǒng)225。切換系統(tǒng)225與用作為激勵電極的第二電極70或附加電極195相關(guān)，并交替地將其連接到發(fā)射器電路以進(jìn)行發(fā)射以及在接收期間將其接地。整個組件通常在處理器230的控制下工作，處理器230的細(xì)節(jié)不是本發(fā)明的要點。
在工作中，當(dāng)將該組件用于接收時，附加電極195和第二電極70均接地，由此提供最大可能的電磁屏蔽。當(dāng)需要發(fā)射時，將驅(qū)動電壓施加給第二電極70或附加電極195，以產(chǎn)生所需的信號。
在這一點上應(yīng)該注意，在本發(fā)明原理的范圍內(nèi)可進(jìn)行許多變化和改進(jìn)。例如，應(yīng)該注意，接收器18可使用圍繞圓柱體元件20分布的多于一個的感應(yīng)電極。這是有用的，原因有多個。首先，通過單獨分析所檢測的信號并識別信號之間的相位差，可以根據(jù)單個接收器的測量得到大致的方向信息。另選地，在波長與圓柱體元件20的尺寸相比較短的示例中，可以選擇多個共同連接的感應(yīng)電極的間隔，以實現(xiàn)接收器對于所關(guān)心的頻率的固有調(diào)諧。換句話說，對于給定的頻率，如果該間隔與圍繞圓柱體元件20的同相間隔(in-phase spacing)相對應(yīng)，那么來自各個感應(yīng)電極的信號將具有相同的符號，并加在一起形成更大的振幅。在許多其它頻率處，會出現(xiàn)不同程度的抵消，如以上圖2的內(nèi)容中所述。
如前所述，將圓柱體元件20優(yōu)選地構(gòu)造為只支持由工作頻率的超聲波信號導(dǎo)致的壓電膜內(nèi)的振動波的大約一個波長。更具體地說，周長的一半(πD/2，D為圓柱體元件的直徑)優(yōu)選地等于膜內(nèi)的振動波的波長。由于該原因，通常將圓柱體元件20的直徑選擇為與預(yù)計工作頻率成反比。例如，對于90kHz的工作頻率，約為5mm直徑的圓柱體元件20通常是優(yōu)選的。
現(xiàn)參照圖17，圖17示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造并操作的以基本操作模式工作的用于確定可移動元件的位置的系統(tǒng)的操作。應(yīng)該注意，本發(fā)明的換能器18的收發(fā)器功能對于根據(jù)本發(fā)明另一個方面的自校準(zhǔn)模式的實施特別有用，其提高了用于確定可移動元件240位置的系統(tǒng)的精度和可靠性。該系統(tǒng)包括與可移動元件240相關(guān)聯(lián)的可移動超聲波換能器235和通過附連在基座單元225上來保持固定幾何關(guān)系的至少兩個超聲波換能器245、250。在此所示的示例中，系統(tǒng)的正常測量模式包括從可移動超聲波換能器235發(fā)射至少一個測量信號，該測量信號由固定超聲波換能器245、250接收。然后使用該超聲波測量信號的傳播時間測量值來得到可移動元件240的位置。
現(xiàn)參照圖18，圖18示意性地表示了在執(zhí)行自校準(zhǔn)操作時上述系統(tǒng)的操作。通過介紹，應(yīng)該注意，由于通過空氣的音速會隨著溫度、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間的數(shù)字化器系統(tǒng)受到精度問題的困擾。為了補償這些變化，本發(fā)明的這一方面提供了自校準(zhǔn)功能，由此，該系統(tǒng)還以自校準(zhǔn)模式間歇地工作。在該模式下，換能器245從其正常接收功能切換到發(fā)射功能，發(fā)出由換能器250接收的校準(zhǔn)信號。由于換能器245和250之間的距離為由基座單元255的結(jié)構(gòu)限定的固定值，所以可以使用校準(zhǔn)信號的傳播時間測量值來得到表示系統(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)信息用于校正可移動元件240的位置偏差。
現(xiàn)簡要參照圖19和20，這些圖表示本發(fā)明的該方面對于系統(tǒng)的實施例，其中，可移動換能器235用作為接收由固定換能器245和250發(fā)射的信號的接收器。在該示例中，通過瞬時地采用換能器250作為接收器接收由換能器245發(fā)射的校準(zhǔn)信號來實現(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)參照圖21，圖21示意性地表示了在利用聲波導(dǎo)260執(zhí)行自校準(zhǔn)模式時的系統(tǒng)。通過介紹，應(yīng)該注意，物理障礙物265將阻斷校準(zhǔn)信號的通路。物理障礙物265可能是由于系統(tǒng)的內(nèi)在設(shè)計而導(dǎo)致的或者是外部障礙物。將聲波導(dǎo)260設(shè)置在固定換能器245、250之間。聲波導(dǎo)260確保由一個固定換能器245發(fā)射的信號被另一個固定換能器250接收。聲波導(dǎo)260是一細(xì)長管，可以是直的也可以是彎曲的，這取決于物理障礙物265。
現(xiàn)參照圖22，圖22示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造并操作的用于確定可移動元件270上的點P的位置的系統(tǒng)的操作。通過介紹，由于換能器通常不能精確地設(shè)置在所確定的位置，所以基于超聲波傳播時間的數(shù)字化器系統(tǒng)受到精度問題的困擾。例如，在基于超聲波傳播時間的數(shù)字化器系統(tǒng)涉及電子筆的情況下，換能器將會在筆尖的上方。如果如通常的情況筆是傾斜的，則筆尖和超聲波換能器將在測量平面中處于不同的水平位置。為了補償這種變化，本發(fā)明的這一方面提供了用于校正該傾斜誤差的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通過將兩個超聲波換能器275、280附連到可移動元件270上，來保持兩個超聲波換能器275、280和點P沿公共軸W的固定幾何關(guān)系。超聲波換能器的圓柱體形狀提供了全向信號發(fā)射并通過提供類似于點(更確切地說是線)源的效果來簡化傳播時間的幾何計算。因此，超聲波換能器275、280以公共軸W對中。應(yīng)該注意，通常將超聲波換能器280設(shè)置得盡可能地靠近點P，而通常將超聲波換能器275設(shè)置得盡可能遠(yuǎn)離超聲波換能器280，以更好地校正傾斜誤差?？紤]到由于暫時阻斷到換能器之一的超聲波信號而導(dǎo)致的問題，也可以在可移動元件中使用多于兩個的換能器。該系統(tǒng)還包括通過附連到基座單元295上來保持固定幾何關(guān)系的另外兩個超聲波換能器285、290。在此所示的示例中，系統(tǒng)的正常測量模式包括從超聲波換能器275發(fā)射要由超聲波換能器285、290接收的第一測量信號。從超聲波換能器280發(fā)射要由超聲波換能器285、290接收的第二測量信號。第一和第二測量信號是有序的。根據(jù)第一測量信號的傳播時間測量值導(dǎo)出超聲波換能器275和超聲波換能器285、290中的每一個之間的距離。根據(jù)第二測量信號的傳播時間測量值導(dǎo)出超聲波換能器280和超聲波換能器285、290中的每一個之間的距離。根據(jù)以上計算的距離的幾何計算導(dǎo)出點P的位置。
該系統(tǒng)還通過在固定超聲波換能器285、290之間發(fā)送校準(zhǔn)信號來以校準(zhǔn)模式間歇地工作。隨后將該校準(zhǔn)信息用于校正點P的位置偏差。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于以上具體顯示和說明的內(nèi)容。相反地，本發(fā)明的范圍包括以上所述的各種特征的組合和子組合，以及不屬于本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀以上說明能夠想到的現(xiàn)有技術(shù)的本發(fā)明的各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器，其包括(a)具有第一端部和第二端部的壓電膜；(b)設(shè)置在所述壓電膜上的多個電極；(c)至少一個固定構(gòu)件；以及(d)支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)大致為圓柱體，其中通過所述至少一個固定構(gòu)件將所述第一端部和所述第二端部固定到所述支撐結(jié)構(gòu)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，還包括設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)上的電接觸部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述支撐結(jié)構(gòu)還包括突起部分，并且其中通過所述至少一個固定構(gòu)件將所述第一端部和所述第二端部固定到所述突起部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波換能器，其中(a)所述支撐結(jié)構(gòu)具有中心軸；(b)將所述突起部分形成為具有延伸方向的延伸突出的隆起；以及(c)所述延伸方向基本上平行于所述中心軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波換能器，還包括設(shè)置在所述突起部分上的電接觸部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述至少一個固定構(gòu)件是夾片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，還包括電接觸部分，其中所述電接觸部分設(shè)置在所述至少一個固定構(gòu)件上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述壓電膜具有第一表面和第二表面，并且其中所述多個電極包括(a)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極；(b)設(shè)置在所述第二表面上的第二電極，其中所述第二電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(c)設(shè)置在所述第一表面上的第一電連接條，其中所述第一電連接條連接到所述第一電極；以及(d)設(shè)置在所述第二表面上并與所述第一電連接條基本上不相對的第二電連接條，其中所述第二電連接條連接到所述第二電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述壓電膜具有第一表面和第二表面，并且其中所述多個電極包括(a)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極和第二電極，其中以與所述第二電極非鄰接的方式設(shè)置所述第一電極；(b)設(shè)置在所述第二表面上的第三電極和第四電極，其中(i)所述第三電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(ii)所述第四電極的至少一部分與所述第二電極的至少一部分相對；并且(iii)以與所述第四電極非鄰接的方式設(shè)置所述第三電極；以及(c)從所述第一電極延伸到所述第四電極的電連接條，其中所述電連接條包括在所述第一表面上的所述電連接條的第一部分以及在所述第二表面上的所述電連接條的第二部分，并且其中所述第一部分和所述第二部分電連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波換能器，其中通過所述壓電膜中的孔將所述第一部分和所述第二部分電連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，還包括螺旋狀金屬彈簧，其中圍繞所述壓電膜設(shè)置所述螺旋狀金屬彈簧。
12.一種超聲波接收器，其包括(a)具有第一表面和第二表面的壓電膜；(b)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極；(c)設(shè)置在所述第二表面上的第二電極，其中所述第二電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(d)設(shè)置在所述第一表面上的第一電連接條，其中所述第一電連接條連接到所述第一電極；以及(e)設(shè)置在所述第二表面上并與所述第一電連接條基本上不相對的第二電連接條，其中所述第二電連接條連接到所述第二電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波換能器，其中(a)所述第一電連接條與所述第二電極基本上不相對；并且(b)所述第二電連接條與所述第一電極基本上不相對。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波換能器，還包括(a)大致為圓柱體的元件，該大致為圓柱體的元件為中空的并主要由所述壓電膜構(gòu)成，所述大致為圓柱體的元件具有中心軸和平行于所述中心軸測量的高度；以及(b)用于支撐所述大致為圓柱體的元件的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造用來以下述方式支撐所述大致為圓柱體的元件，該方式使得振動波能夠環(huán)繞所述大致為圓柱體的元件的主要部分傳播；其中將所述第一電極形成為沿著所述高度的至少一部分以基本上平行于所述中心軸的延伸方向延伸的條，所述條與所述中心軸的弦對角不超過90°。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲波換能器，其中(a)所述大致為圓柱體的元件具有內(nèi)表面，其中所述第一表面構(gòu)成所述內(nèi)表面；并且(b)所述第二電極接地。
16.一種多電極超聲波接收器，其包括(a)具有第一表面和第二表面的壓電膜；(b)設(shè)置在所述第一表面上的第一電極和第二電極，其中以與所述第二電極非鄰接的方式設(shè)置所述第一電極；(c)設(shè)置在所述第二表面上的第三電極和第四電極，其中(i)所述第三電極的至少一部分與所述第一電極的至少一部分相對；(ii)所述第四電極的至少一部分與所述第二電極的至少一部分相對；并且(iii)以與所述第四電極非鄰接的方式設(shè)置所述第三電極；以及(d)從所述第一電極延伸到所述第四電極的電連接條，其中所述電連接條包括在所述第一表面上的所述電連接條的第一部分以及在所述第二表面上的所述電連接條的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分電連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的多電極超聲波接收器，還包括(a)大致為圓柱體的元件，該大致為圓柱體的元件為中空的并主要由所述壓電膜構(gòu)成，所述大致為圓柱體的元件具有中心軸和平行于所述中心軸測量的高度，并且其中所述第一電極和所述第二電極的組合與所述中心軸的弦對角不超過90°；以及(b)用于支撐所述大致為圓柱體的元件的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為以下述方式支撐所述大致為圓柱體的元件，該方式使得振動波能夠環(huán)繞所述大致為圓柱體的元件的主要部分傳播。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多電極超聲波接收器，其中(a)所述大致為圓柱體的元件具有內(nèi)表面，其中所述第一表面構(gòu)成所述內(nèi)表面；并且(b)所述第三電極接地。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的多電極超聲波接收器，其中通過所述壓電膜中的孔將所述第一部分和所述第二部分電連接。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的多電極超聲波接收器，還包括(a)設(shè)置在所述第一表面上的第一電連接條，其中所述第一電連接條連接到所述第二電極；以及(b)設(shè)置在所述第二表面上的第二電連接條，其中所述第二電連接條連接到所述第三電極，并且所述第二電連接條與所述第一電連接條基本上不相對。
21.一種為用于預(yù)定頻率的超聲波的超聲波換能器提供屏蔽同時使對所述超聲波的破壞最小的方法，該方法包括以下步驟(a)以小于與所述超聲波換能器相關(guān)的超聲波的波長的大約一半的空間間隔將螺旋狀金屬彈簧的簧圈間隔開；以及(b)圍繞所述超聲波換能器設(shè)置所述螺旋狀金屬彈簧。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述間隔開的步驟是通過以小于所述波長的大約四分之一的空間間隔將所述簧圈間隔開來執(zhí)行的。
23.一種數(shù)字化器系統(tǒng)，其包括(a)與可移動元件相關(guān)聯(lián)的超聲波換能器；(b)兩個超聲波換能器；(c)基座單元；其中通過將所述兩個超聲波換能器附連到所述基座單元上來將所述兩個超聲波換能器保持為固定的幾何關(guān)系；以及(d)聲波導(dǎo)；其中所述聲波導(dǎo)包括中空的細(xì)長構(gòu)件，并且所述聲波導(dǎo)設(shè)置在所述兩個超聲波換能器之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的數(shù)字化器系統(tǒng)，其中所述聲波導(dǎo)基本上是直的。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的數(shù)字化器系統(tǒng)，其中所述聲波導(dǎo)是彎曲的。
26.一種操作用于確定可移動元件上的點的位置的系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括一組可移動超聲波換能器，包括均安裝在所述可移動元件上的第一超聲波換能器和第二超聲波換能器，其中所述可移動元件上的所述第一超聲波換能器、所述第二超聲波換能器和所述點沿著公共軸依次間隔開；以及一組固定超聲波換能器，包括以預(yù)定距離間隔開的第三超聲波換能器和第四超聲波換能器，所述操作方法包括以下步驟(a)在所述第一超聲波換能器與所述固定組之間以及在所述第二超聲波換能器與所述固定組之間發(fā)射多個測量信號；(b)根據(jù)所述測量信號的傳播時間測量值，導(dǎo)出所述第一超聲波換能器與所述第三超聲波換能器和所述第四超聲波換能器中的每一個之間的距離以及所述第二超聲波換能器與所述第三超聲波換能器和第四超聲波換能器中的每一個之間的距離；以及(c)根據(jù)所述多個距離導(dǎo)出所述點的位置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述第一超聲波換能器和所述第二超聲波換能器都是圓柱超聲波換能器。
全文摘要
圓柱超聲波收發(fā)器。一種超聲波換能器，其包括壓電膜(20)，具有第一端部(32)和第二端部(33)；多個電極，設(shè)置在所述壓電膜上；至少一個固定構(gòu)件；以及支撐結(jié)構(gòu)(50)，其大致為圓柱體。所述壓電膜的第一端部和第二端部通過所述至少一個固定構(gòu)件固定到所述支撐構(gòu)件上。
文檔編號H02N2/14GK1698216SQ03802456
公開日2005年11月16日 申請日期2003年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者伊扎克·茲洛特, 吉迪奧·申舍爾茲, 鮑利斯·格盧茲曼, 鮑利斯·薩利尼科夫 申請人:飛馬技術(shù)有限公司