圆柱超声波收发器转让专利
申请号 : CN03802456.X
文献号 : CN100580967C
文献日 : 2010-01-13
发明人 : 伊扎克·兹洛特 , 吉迪奥·申舍尔兹 , 鲍利斯·格卢兹曼 , 鲍利斯·萨利尼科夫
申请人 : 飞马技术有限公司
摘要 :
圆柱超声波收发器。一种超声波换能器，其包括：压电膜(20)，具有第一端部(32)和第二端部(33)；多个电极，设置在所述压电膜上；至少一个固定构件；以及支撑结构(50)，其大致为圆柱体。所述压电膜的第一端部和第二端部通过所述至少一个固定构件固定到所述支撑构件上。
权利要求 :
1.一种超声波换能器，其包括：
(a)具有第一端部和第二端部的细长压电膜(20)，所述第一端部 和第二端部限定一细长方向，所述细长压电膜(20)具有：(i)内表面和外表面；
(ii)上边缘(32)和下边缘(33)，各所述上边缘(32)和 所述下边缘(33)平行于所述细长方向；以及(iii)多个压电膜接头(85)，各所述压电膜接头(85)位于 所述细长压电膜(20)的所述下边缘(33)处；
(b)设置在所述细长压电膜上的多个电极，所述多个电极包括设置 在所述内表面的第一电极(65)以及设置在所述外表面的第二电极(70)；
(c)至少一个固定构件；
(d)设置在所述细长压电膜(20)的所述内表面的第一电连接条 (75)，所述第一电连接条(75)从所述第一电极(65)延伸到所述多个 压电膜接头(85)中的一个压电膜接头；
(e)设置在所述细长压电膜(20)的所述外表面的第二电连接条 (80)，所述第二电连接条(80)从所述第二电极(70)延伸到所述多个 压电膜接头(85)中的另一压电膜接头；以及(f)支撑结构(50)，该支撑结构为圆柱体，其中通过所述至少一 个固定构件将所述第一端部和所述第二端部固定到所述支撑结构(50) 上，以使所述细长压电膜保持为圆柱体形状，从而所述支撑结构(50) 的中心轴(40)垂直于所述细长压电膜(20)的所述细长方向，其中所述第一电极(65)与所述中心轴(40)的弦对角不超过90°。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器，还包括设置在所述支撑结 构上的电接触部分。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述支撑结构还包括 突起部分，并且其中通过所述至少一个固定构件将所述第一端部和所述 第二端部固定到所述突起部分上。
4.根据权利要求3所述的超声波换能器，其中：
(a)所述支撑结构具有中心轴；
(b)将所述突起部分形成为具有延伸方向的延伸突出的隆起；以及(c)所述延伸方向平行于所述中心轴。
5.根据权利要求3所述的超声波换能器，还包括设置在所述突起部 分上的电接触部分。
6.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述至少一个固定构 件是夹片。
7.根据权利要求1所述的超声波换能器，还包括电接触部分，其中 所述电接触部分设置在所述至少一个固定构件上。
8.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述一个压电膜接头 和所述另一压电膜接头从平行于所述细长方向的同一平行的下边缘(33) 延伸。
9、根据权利要求1所述的超声波换能器，还包括：(g)设置在所述支撑结构(50)的下端的基座(55)，所述基座包 括多个接触弹簧，其中所述一个压电膜接头附接到所述多个接触弹簧中 的一个接触弹簧，并且所述另一压电膜接头附接到所述多个接触弹簧中 的另一接触弹簧。
10.一种超声波接收器，其包括：
(a)具有第一表面和第二表面的压电膜；
(b)设置在所述第一表面上的第一电极；
(c)设置在所述第二表面上的第二电极，其中所述第二电极的至少 一部分与所述第一电极的至少一部分相对；
(d)设置在所述第一表面上的第一电连接条，其中所述第一电连接 条连接到所述第一电极；
(e)设置在所述第二表面上并与所述第一电连接条不相对的第二电 连接条，其中所述第二电连接条连接到所述第二电极；
(f)圆柱体的元件，该圆柱体的元件为中空的并主要由所述压电膜 构成，所述圆柱体的元件具有中心轴和平行于所述中心轴测量的高度； 以及(g)用于支撑所述圆柱体的元件的支撑结构，所述支撑结构被构造 用来支撑所述圆柱体的元件，使得振动波能够环绕所述圆柱体的元件的 主要部分传播；其中将所述第一电极形成为沿着所述高度的至少一部分 以平行于所述中心轴的延伸方向延伸的条，所述条与所述中心轴的弦对 角不超过90°。
11.根据权利要求10所述的超声波接收器，其中：(a)所述第一电连接条与所述第二电极不相对；并且(b)所述第二电连接条与所述第一电极不相对。
12.根据权利要求10所述的超声波接收器，其中：(a)所述圆柱体的元件具有内表面，其中所述第一表面构成所述内 表面；并且(b)所述第二电极接地。
13.一种多电极超声波接收器，其包括：
(a)具有第一表面和第二表面的压电膜；
(b)设置在所述第一表面上的第一电极和第二电极，其中以与所述 第二电极非邻接的方式设置所述第一电极；
(c)设置在所述第二表面上的第三电极和第四电极，其中：(i)所述第三电极的至少一部分与所述第一电极的至少一部分相 对；
(ii)所述第四电极的至少一部分与所述第二电极的至少一部分相 对；并且(iii)以与所述第四电极非邻接的方式设置所述第三电极；
(d)从所述第一电极延伸到所述第四电极的电连接条，其中所述电 连接条包括在所述第一表面上的所述电连接条的第一部分以及在所述第 二表面上的所述电连接条的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部 分电连接；
(e)圆柱体的元件，该圆柱体的元件为中空的并主要由所述压电膜 构成，所述圆柱体的元件具有中心轴和平行于所述中心轴测量的高度， 并且其中所述第一电极和所述第二电极的组合与所述中心轴的弦对角不 超过90°；以及(f)用于支撑所述圆柱体的元件的支撑结构，所述支撑结构被构造 为支撑所述圆柱体的元件，使得振动波能够环绕所述圆柱体的元件的主 要部分传播。
14.根据权利要求13所述的多电极超声波接收器，其中：(a)所述圆柱体的元件具有内表面，其中所述第一表面构成所述内 表面；并且(b)所述第三电极接地。
15.根据权利要求13所述的多电极超声波接收器，其中通过所述压 电膜中的孔将所述第一部分和所述第二部分电连接。
16.根据权利要求13所述的多电极超声波接收器，还包括：(a)设置在所述第一表面上的第一电连接条，其中所述第一电连接 条连接到所述第二电极；以及(b)设置在所述第二表面上的第二电连接条，其中所述第二电连接 条连接到所述第三电极，并且所述第二电连接条与所述第一电连接条不 相对。
说明书 :
技术领域
本发明涉及超声波换能器，特别涉及由压电膜构成的圆柱超声波接 收器和收发器，以及它们在数字化器系统中的应用。
背景技术
众所周知，可在数字化器系统中使用圆柱超声波换能器来发射超声 波信号。圆柱的形式可提供全向的信号发射，并可通过提供类似于点(更 精确地说，线)源的效果来简化传播时间的几何计算。在授予De Bruyne 的美国专利No.4,758,691中对这些优点进行了详细说明。圆柱超声波 换能器的另一优点在于，它们能够根据要测量位置的元件进行对中。这 在PCT公报WO98/40838中所述的绘图仪数字化器系统中得到了应用。
在结构上，已经提出了许多不同类型的圆柱换能器。De Bruyne的 专利提出了一种“Sell换能器”，这是由多个圆柱层的复杂排列(用以产 生大约20微米的柱状气隙)而形成的一种电容器件。这种结构的制造成 本高，可靠性差。
已在医疗应用领域中提出的第二种类型的换能器是基于压电元件 的。可在授予Breyer等人的美国专利No.4,706,681中找到这种类型的 医用换能器的示例，其中公开了一种超声波标记器。这里，将圆柱压电 环夹在两个电极之间。在电极上施加交变电压使该环振动，由此发出呈 放射状传播的超声波信号。
理论上，任何超声波换能器均能够用作为发射器和接收器。然而， 实际上，许多因素导致许多发射器结构无法有效地作为接收器。对于圆 柱元件尤其如此，在圆柱元件中，通过使用相对高的能量对其进行激励， 使得几乎整个柱面都用于广角发射，但是只有一小部分柱面能够正确地 定向，以从给定的方向接收输入的信号。此外，该换能器的大的无效区 域的固有电容会吸收所接收的信号的大部分振幅，使换能器作为接收器 变得不灵敏。
通常，在换能器领域中，大部分工作被投入到基于压电膜(例如PVDF) 的器件的开发上。通常通过选择性地在表面区域上印刷导电墨水来在该 膜的相对表面上形成导电电极。这些膜的制造成本低廉，并能够承受大 范围的工作条件，包括暴露在潮湿的环境中。
尽管采用压电膜可以相对简单地实现圆柱超声波换能器，但是接收 器的实现会引起上述圆柱接收器的总体复杂化之外的其它问题。具体来 说，参照图1和2，图中显示的是由压电膜构成的自由悬挂圆柱体10的 平面示意图。图1显示的是它的松弛状态，而图2显示的是圆柱体10对 输入超声波信号的波阵面15的响应。由于压电膜是柔性的，所以信号15 的振动产生绕圆柱10传播的波(为清楚起见对其进行了夸大)。该压电 膜的挠曲方向和程度随着围绕该圆柱产生的波形而变化，导致在电极之 间产生的电势感应反向。结果，由压电膜产生的大部分电势耗散在电极 内的局部涡流中，极大地降低了在电极之间测量到的总体信号电压。
采用压电膜实现圆柱超声波换能器的另一个问题是，电极会作为天 线接收到不希望的电磁辐射，这会导致很低的信噪比。
采用压电膜实现圆柱超声波换能器的另一个问题是，在使超声波的 破坏性最小的同时要为换能器提供机械保护。
采用压电膜实现圆柱超声波换能器的另一个问题是通过焊接压电膜 以形成圆柱体所导致的损坏。
因此，需要一种采用压电膜的圆柱超声波接收器结构。
在结构上，已经提出了许多不同类型的圆柱换能器。De Bruyne的 专利提出了一种“Sell换能器”，这是由多个圆柱层的复杂排列(用以产 生大约20微米的柱状气隙)而形成的一种电容器件。这种结构的制造成 本高，可靠性差。
已在医疗应用领域中提出的第二种类型的换能器是基于压电元件 的。可在授予Breyer等人的美国专利No.4,706,681中找到这种类型的 医用换能器的示例，其中公开了一种超声波标记器。这里，将圆柱压电 环夹在两个电极之间。在电极上施加交变电压使该环振动，由此发出呈 放射状传播的超声波信号。
理论上，任何超声波换能器均能够用作为发射器和接收器。然而， 实际上，许多因素导致许多发射器结构无法有效地作为接收器。对于圆 柱元件尤其如此，在圆柱元件中，通过使用相对高的能量对其进行激励， 使得几乎整个柱面都用于广角发射，但是只有一小部分柱面能够正确地 定向，以从给定的方向接收输入的信号。此外，该换能器的大的无效区 域的固有电容会吸收所接收的信号的大部分振幅，使换能器作为接收器 变得不灵敏。
通常，在换能器领域中，大部分工作被投入到基于压电膜(例如PVDF) 的器件的开发上。通常通过选择性地在表面区域上印刷导电墨水来在该 膜的相对表面上形成导电电极。这些膜的制造成本低廉，并能够承受大 范围的工作条件，包括暴露在潮湿的环境中。
尽管采用压电膜可以相对简单地实现圆柱超声波换能器，但是接收 器的实现会引起上述圆柱接收器的总体复杂化之外的其它问题。具体来 说，参照图1和2，图中显示的是由压电膜构成的自由悬挂圆柱体10的 平面示意图。图1显示的是它的松弛状态，而图2显示的是圆柱体10对 输入超声波信号的波阵面15的响应。由于压电膜是柔性的，所以信号15 的振动产生绕圆柱10传播的波(为清楚起见对其进行了夸大)。该压电 膜的挠曲方向和程度随着围绕该圆柱产生的波形而变化，导致在电极之 间产生的电势感应反向。结果，由压电膜产生的大部分电势耗散在电极 内的局部涡流中，极大地降低了在电极之间测量到的总体信号电压。
采用压电膜实现圆柱超声波换能器的另一个问题是，电极会作为天 线接收到不希望的电磁辐射，这会导致很低的信噪比。
采用压电膜实现圆柱超声波换能器的另一个问题是，在使超声波的 破坏性最小的同时要为换能器提供机械保护。
采用压电膜实现圆柱超声波换能器的另一个问题是通过焊接压电膜 以形成圆柱体所导致的损坏。
因此，需要一种采用压电膜的圆柱超声波接收器结构。
发明内容
本发明为采用压电膜的圆柱超声波接收器结构。
根据本发明的原理，提供了一种超声波换能器，其包括：(a)具有 第一端和第二端的压电膜；(b)设置在所述压电膜上的多个电极；(c) 至少一个固定构件；以及(d)支撑结构，该支撑结构基本上是圆柱体， 其中通过所述至少一个固定构件将所述第一端和第二端固定到该支撑结 构上。
根据本发明的另一特征，还提供了设置在所述支撑结构上的电接触 部分(electrical contact)。
根据本发明的另一特征，所述支撑结构还包括突出部分 (protrusion)，并且其中所述第一端和第二端通过所述至少一个固定构 件固定到该突出部分上。
根据本发明的另一特征：(a)所述支撑结构具有中心轴；(b)所述 突出部分被形成为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轴。
根据本发明的另一特征，还提供了设置在所述突出部分上的电接触 部分。
根据本发明的另一特征，所述至少一个固定构件是夹片(clip)。
根据本发明的另一特征，还提供了电接触部分，其中该电接触部分 设置在所述至少一个固定构件上。
根据本发明的另一特征，所述压电膜具有第一表面和第二表面，其 中所述多个电极包括：(a)设置在所述第一表面上的第一电极；(b)设 置在所述第二表面上的第二电极，其中该第二电极的至少一部分与该第 一电极的至少一部分相对；(c)设置在所述第一表面上的第一电连接条 (strip)，其中该第一电连接条与所述第一电极相连；以及(d)设置在 所述第二表面上并与所述第一电连接条基本上不相对的第二电连接条， 其中该第二电气连接条与所述第二电极相连。
根据本发明的另一特征，所述压电膜具有第一表面和第二表面，其 中所述多个电极包括：(a)设置在所述第一表面上的第一电极和第二电 极，其中该第一电极以与该第二电极不邻接的形式设置；(b)设置在所 述第二表面上的第三电极和第四电极，其中：(i)所述第三电极的至少 一部分与所述第一电极的至少一部分相对；(ii)所述第四电极的至少一 部分与所述第二电极的至少一部分相对；(iii)所述第三电极以与所述 第四电极不邻接的形式设置；以及(c)从所述第一电极延伸到所述第四 电极的电连接条，其中该电连接条包括在所述第一表面上的电连接条的 第一部分以及在所述第二表面上的电连接条的第二部分，并且其中所述 第一部分与所述第二部分电连接。
根据本发明的另一特征，所述第一部分和所述第二部分通过所述压 电膜中的孔电连接。
根据本发明的另一特征，还提供了螺旋状金属弹簧，其中该螺旋状 金属弹簧设置在所述压电膜的周围。
根据本发明的其它原理，还提供了一种超声波接收器，其包括：(a) 具有第一表面和第二表面的压电膜；(b)设置在所述第一表面上的第一 电极；(c)设置在所述第二表面上的第二电极，其中所述第二电极的至 少一部分与所述第一电极的至少一部分相对；(d)设置在所述第一表面 上的第一电连接条，其中所述第一电连接条与所述第一电极相连；以及 (e)设置在所述第二表面上并与所述第一电连接条基本上不相对的第二 电连接条，其中所述第二电连接条与所述第二电极相连。
根据本发明的另一特征，所述第一电连接条与所述第二电极基本上 不相对；所述第二电连接条与所述第一电极基本上不相对。
根据本发明的另一特征，还提供了：一种主要由压电膜形成的大致 为圆柱体的元件，该大致为圆柱体的元件为中空的，所述大致为圆柱体 的元件具有中心轴和平行于该中心轴测量的高度；以及用于支撑所述大 致为圆柱体的元件的支撑结构，该支撑结构被构造用来以下述方式支撑 所述大致为圆柱体的元件，该方式使得振动波能够环绕所述大致为圆柱 体的元件的主要部分传播；其中，将所述第一电极形成为沿着所述高度 的至少一部分以基本上平行于所述中心轴的延伸方向延伸的条，该条与 所述中心轴的弦对角不超过90°。
根据本发明的另一特征，所述大致为圆柱体的元件具有内表面，其 中所述第一表面构成所述内表面；并且所述第二电极接地。
根据本发明的其它原理，还提供了一种多电极的超声波接收器，其 包括：(a)具有第一表面和第二表面的压电膜；(b)设置在所述第一表 面上的第一电极和第二电极，其中该第一电极以与该第二电极不邻接的 形式设置；(c)设置在所述第二表面上的第三电极和第四电极，其中：(i) 所述第三电极的至少一部分与所述第一电极的至少一部分相对；(ii)所 述第四电极的至少一部分与所述第二电极的至少一部分相对；以及(iii) 所述第三电极以与所述第四电极不邻接的形式设置；以及(d)从所述第 一电极延伸到所述第四电极的电连接条，其中所述电连接条包括在所述 第一表面上的电连接条的第一部分和在所述第二表面上的电连接条的第 二部分，并且所述第一部分和所述第二部分电连接。
根据本发明的另一特征，还提供了一种主要由压电膜构成的大致为 圆柱体的元件，该大致为圆柱体的元件为中空的，所述大致为圆柱体的 元件具有中心轴以及平行于所述中心轴测量的高度，其中所述第一电极 和所述第二电极的组合与所述中心轴的弦对角不超过90°；以及用于支 撑所述大致为圆柱体的元件的支撑结构，该支撑结构被构造用来以下述 方式支撑所述大致为圆柱体的元件，该方式使得振动波能够环绕所述大 致为圆柱体的元件的主要部分传播。
根据本发明的另一特征，所述大致为圆柱体的元件具有内表面，其 中所述第一表面构成所述内表面；并且所述第三电极接地。
根据本发明的另一特征，所述第一部分和所述第二部分通过所述压 电膜中的孔电连接。
根据本发明的另一特征，还提供了设置在所述第一表面上的第一电 连接条，其中所述第一电连接条与所述第二电极相连；以及设置在所述 第二表面上的第二电连接条，其中所述第二电连接条与所述第三电极相 连，并且所述第二电连接条与所述第一电连接条基本上不相对。
根据本发明的其它原理，还提供了一种用于在使超声波的破坏性最 小的同时为用于预定频率的超声波的超声波换能器提供屏蔽的方法，该 方法包括以下步骤：以小于与所述超声波换能器相关的超声波的波长的 大约一半的空间间隔(spatial period)来隔开螺旋状金属弹簧的簧圈； 以及围绕所述超声波换能器设置所述螺旋状金属弹簧。
根据本发明的另一特征，所述隔开步骤是通过以小于所述波长的大 约四分之一的空间间隔隔开簧圈来执行的。
根据本发明的其它原理，还提供了一种数字化器系统，其包括：(a) 与可移动元件相关联的一超声波换能器；(b)两个超声波换能器；(c) 基座单元；其中通过将所述两个超声波换能器附连到所述基座单元上来 保持固定的几何关系；以及(d)声波导；其中所述声波导包括中空的细 伸构件，并且所述声波导设置在所述两个超声波换能器之间。
根据本发明的另一特征，所述声波导基本上是直的。
根据本发明的另一特征，所述声波导是弯曲的。
根据本发明的其它原理，还提供了一种用来操作用于确定可移动元 件上点的位置的系统的方法，该系统包括：一组可移动的超声波换能器， 包括分别安装在所述可移动元件上的第一超声波换能器和第二超声波换 能器，其中所述可移动元件上的所述第一超声器换能器、所述第二超声 波换能器和所述点沿公共轴线依次隔开；以及一组固定超声波换能器， 包括以预定距离间隔开的第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述 操作方法包括以下步骤：(a)在所述第一超声波换能器和所述固定组之 间以及在所述第二超声波换能器和所述固定组之间发射多个测量信号； (b)通过测量这些测量信号的传播时间导出所述第一超声波换能器与所 述第三超声波换能器和所述第四超声器换能器中的每一个之间的距离以 及所述第二超声波换能器与所述第三超声波换能器和第四超声波换能器 中的每一个之间的距离；以及(c)根据这些距离导出所述点的位置。
根据本发明的其它特征，所述第一超声波换能器和所述第二超声波 换能器都是圆柱超声波换能器。
根据本发明的原理，提供了一种超声波换能器，其包括：(a)具有 第一端和第二端的压电膜；(b)设置在所述压电膜上的多个电极；(c) 至少一个固定构件；以及(d)支撑结构，该支撑结构基本上是圆柱体， 其中通过所述至少一个固定构件将所述第一端和第二端固定到该支撑结 构上。
根据本发明的另一特征，还提供了设置在所述支撑结构上的电接触 部分(electrical contact)。
根据本发明的另一特征，所述支撑结构还包括突出部分 (protrusion)，并且其中所述第一端和第二端通过所述至少一个固定构 件固定到该突出部分上。
根据本发明的另一特征：(a)所述支撑结构具有中心轴；(b)所述 突出部分被形成为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轴。
根据本发明的另一特征，还提供了设置在所述突出部分上的电接触 部分。
根据本发明的另一特征，所述至少一个固定构件是夹片(clip)。
根据本发明的另一特征，还提供了电接触部分，其中该电接触部分 设置在所述至少一个固定构件上。
根据本发明的另一特征，所述压电膜具有第一表面和第二表面，其 中所述多个电极包括：(a)设置在所述第一表面上的第一电极；(b)设 置在所述第二表面上的第二电极，其中该第二电极的至少一部分与该第 一电极的至少一部分相对；(c)设置在所述第一表面上的第一电连接条 (strip)，其中该第一电连接条与所述第一电极相连；以及(d)设置在 所述第二表面上并与所述第一电连接条基本上不相对的第二电连接条， 其中该第二电气连接条与所述第二电极相连。
根据本发明的另一特征，所述压电膜具有第一表面和第二表面，其 中所述多个电极包括：(a)设置在所述第一表面上的第一电极和第二电 极，其中该第一电极以与该第二电极不邻接的形式设置；(b)设置在所 述第二表面上的第三电极和第四电极，其中：(i)所述第三电极的至少 一部分与所述第一电极的至少一部分相对；(ii)所述第四电极的至少一 部分与所述第二电极的至少一部分相对；(iii)所述第三电极以与所述 第四电极不邻接的形式设置；以及(c)从所述第一电极延伸到所述第四 电极的电连接条，其中该电连接条包括在所述第一表面上的电连接条的 第一部分以及在所述第二表面上的电连接条的第二部分，并且其中所述 第一部分与所述第二部分电连接。
根据本发明的另一特征，所述第一部分和所述第二部分通过所述压 电膜中的孔电连接。
根据本发明的另一特征，还提供了螺旋状金属弹簧，其中该螺旋状 金属弹簧设置在所述压电膜的周围。
根据本发明的其它原理，还提供了一种超声波接收器，其包括：(a) 具有第一表面和第二表面的压电膜；(b)设置在所述第一表面上的第一 电极；(c)设置在所述第二表面上的第二电极，其中所述第二电极的至 少一部分与所述第一电极的至少一部分相对；(d)设置在所述第一表面 上的第一电连接条，其中所述第一电连接条与所述第一电极相连；以及 (e)设置在所述第二表面上并与所述第一电连接条基本上不相对的第二 电连接条，其中所述第二电连接条与所述第二电极相连。
根据本发明的另一特征，所述第一电连接条与所述第二电极基本上 不相对；所述第二电连接条与所述第一电极基本上不相对。
根据本发明的另一特征，还提供了：一种主要由压电膜形成的大致 为圆柱体的元件，该大致为圆柱体的元件为中空的，所述大致为圆柱体 的元件具有中心轴和平行于该中心轴测量的高度；以及用于支撑所述大 致为圆柱体的元件的支撑结构，该支撑结构被构造用来以下述方式支撑 所述大致为圆柱体的元件，该方式使得振动波能够环绕所述大致为圆柱 体的元件的主要部分传播；其中，将所述第一电极形成为沿着所述高度 的至少一部分以基本上平行于所述中心轴的延伸方向延伸的条，该条与 所述中心轴的弦对角不超过90°。
根据本发明的另一特征，所述大致为圆柱体的元件具有内表面，其 中所述第一表面构成所述内表面；并且所述第二电极接地。
根据本发明的其它原理，还提供了一种多电极的超声波接收器，其 包括：(a)具有第一表面和第二表面的压电膜；(b)设置在所述第一表 面上的第一电极和第二电极，其中该第一电极以与该第二电极不邻接的 形式设置；(c)设置在所述第二表面上的第三电极和第四电极，其中：(i) 所述第三电极的至少一部分与所述第一电极的至少一部分相对；(ii)所 述第四电极的至少一部分与所述第二电极的至少一部分相对；以及(iii) 所述第三电极以与所述第四电极不邻接的形式设置；以及(d)从所述第 一电极延伸到所述第四电极的电连接条，其中所述电连接条包括在所述 第一表面上的电连接条的第一部分和在所述第二表面上的电连接条的第 二部分，并且所述第一部分和所述第二部分电连接。
根据本发明的另一特征，还提供了一种主要由压电膜构成的大致为 圆柱体的元件，该大致为圆柱体的元件为中空的，所述大致为圆柱体的 元件具有中心轴以及平行于所述中心轴测量的高度，其中所述第一电极 和所述第二电极的组合与所述中心轴的弦对角不超过90°；以及用于支 撑所述大致为圆柱体的元件的支撑结构，该支撑结构被构造用来以下述 方式支撑所述大致为圆柱体的元件，该方式使得振动波能够环绕所述大 致为圆柱体的元件的主要部分传播。
根据本发明的另一特征，所述大致为圆柱体的元件具有内表面，其 中所述第一表面构成所述内表面；并且所述第三电极接地。
根据本发明的另一特征，所述第一部分和所述第二部分通过所述压 电膜中的孔电连接。
根据本发明的另一特征，还提供了设置在所述第一表面上的第一电 连接条，其中所述第一电连接条与所述第二电极相连；以及设置在所述 第二表面上的第二电连接条，其中所述第二电连接条与所述第三电极相 连，并且所述第二电连接条与所述第一电连接条基本上不相对。
根据本发明的其它原理，还提供了一种用于在使超声波的破坏性最 小的同时为用于预定频率的超声波的超声波换能器提供屏蔽的方法，该 方法包括以下步骤：以小于与所述超声波换能器相关的超声波的波长的 大约一半的空间间隔(spatial period)来隔开螺旋状金属弹簧的簧圈； 以及围绕所述超声波换能器设置所述螺旋状金属弹簧。
根据本发明的另一特征，所述隔开步骤是通过以小于所述波长的大 约四分之一的空间间隔隔开簧圈来执行的。
根据本发明的其它原理，还提供了一种数字化器系统，其包括：(a) 与可移动元件相关联的一超声波换能器；(b)两个超声波换能器；(c) 基座单元；其中通过将所述两个超声波换能器附连到所述基座单元上来 保持固定的几何关系；以及(d)声波导；其中所述声波导包括中空的细 伸构件，并且所述声波导设置在所述两个超声波换能器之间。
根据本发明的另一特征，所述声波导基本上是直的。
根据本发明的另一特征，所述声波导是弯曲的。
根据本发明的其它原理，还提供了一种用来操作用于确定可移动元 件上点的位置的系统的方法，该系统包括：一组可移动的超声波换能器， 包括分别安装在所述可移动元件上的第一超声波换能器和第二超声波换 能器，其中所述可移动元件上的所述第一超声器换能器、所述第二超声 波换能器和所述点沿公共轴线依次隔开；以及一组固定超声波换能器， 包括以预定距离间隔开的第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述 操作方法包括以下步骤：(a)在所述第一超声波换能器和所述固定组之 间以及在所述第二超声波换能器和所述固定组之间发射多个测量信号； (b)通过测量这些测量信号的传播时间导出所述第一超声波换能器与所 述第三超声波换能器和所述第四超声器换能器中的每一个之间的距离以 及所述第二超声波换能器与所述第三超声波换能器和第四超声波换能器 中的每一个之间的距离；以及(c)根据这些距离导出所述点的位置。
根据本发明的其它特征，所述第一超声波换能器和所述第二超声波 换能器都是圆柱超声波换能器。
附图说明
在此参照附图仅以示例的方式描述本发明，在附图中：
图1是由压电膜构成的处于松弛状态的自由悬挂圆柱体的示意性平 面图；
图2是当暴露在超声波信号中时图1所示圆柱体的示意图；
图3是根据本发明优选实施例构造和操作的圆柱超声波接收器的立 体图；
图4是图3中使用的膜的示意性平面图；
图5是压电膜的示意性平面图，表示施加到图3的接收器的各个表 面的电极图案的形式；
图6是压电膜的示意性平面图，表示施加到图3的接收器的各个表 面的多个电极图案的形式；
图7是图3的接收器的支撑结构的展开立体图；
图8是表示图7的支撑结构中使用的单个电接触板的立体图；
图9是表示与图3的接收器形成电接触的技术的示意性立体图；
图10是图3的接收器中使用的保护性螺旋状弹簧的示意性立体图；
图11是图10的螺旋状弹簧的截面的侧视图；
图12是根据本发明最优选实施例构造和操作的圆柱超声波收发器 的支撑结构的展开立体图；
图13是压电膜的示意性平面图，表示施加到图12的收发器的各个 表面的电极图案的形式；
图14是压电膜的示意性平面图，表示施加到图12的收发器的各个 表面的多个电极图案的形式；
图15是压电膜的示意性平面图，表示施加到图3的接收器的各个表 面以用作为收发器的电极图案的形式；
图16是表示包括图15的收发器的收发器组件的主要部件的方框图；
图17示意性地表示了根据本发明优选实施例构造并操作的用于确 定可移动元件的位置并以主操作模式工作的系统的操作。
图18示意性地表示了在执行自校准操作时图17的系统的操作。
图19示意性地表示了根据本发明另选实施例构造并操作的用于确 定可移动元件的位置并以主操作模式工作的系统的操作。
图20示意性地表示了在执行自校准操作时图19的系统的操作。
图21示意性地表示了在利用声波导执行自校准模式时图17的系统；
图22示意性地表示了根据本发明另选实施例构造并操作的用于确 定可移动元件上的点的位置的系统的操作。
图1是由压电膜构成的处于松弛状态的自由悬挂圆柱体的示意性平 面图；
图2是当暴露在超声波信号中时图1所示圆柱体的示意图；
图3是根据本发明优选实施例构造和操作的圆柱超声波接收器的立 体图；
图4是图3中使用的膜的示意性平面图；
图5是压电膜的示意性平面图，表示施加到图3的接收器的各个表 面的电极图案的形式；
图6是压电膜的示意性平面图，表示施加到图3的接收器的各个表 面的多个电极图案的形式；
图7是图3的接收器的支撑结构的展开立体图；
图8是表示图7的支撑结构中使用的单个电接触板的立体图；
图9是表示与图3的接收器形成电接触的技术的示意性立体图；
图10是图3的接收器中使用的保护性螺旋状弹簧的示意性立体图；
图11是图10的螺旋状弹簧的截面的侧视图；
图12是根据本发明最优选实施例构造和操作的圆柱超声波收发器 的支撑结构的展开立体图；
图13是压电膜的示意性平面图，表示施加到图12的收发器的各个 表面的电极图案的形式；
图14是压电膜的示意性平面图，表示施加到图12的收发器的各个 表面的多个电极图案的形式；
图15是压电膜的示意性平面图，表示施加到图3的接收器的各个表 面以用作为收发器的电极图案的形式；
图16是表示包括图15的收发器的收发器组件的主要部件的方框图；
图17示意性地表示了根据本发明优选实施例构造并操作的用于确 定可移动元件的位置并以主操作模式工作的系统的操作。
图18示意性地表示了在执行自校准操作时图17的系统的操作。
图19示意性地表示了根据本发明另选实施例构造并操作的用于确 定可移动元件的位置并以主操作模式工作的系统的操作。
图20示意性地表示了在执行自校准操作时图19的系统的操作。
图21示意性地表示了在利用声波导执行自校准模式时图17的系统；
图22示意性地表示了根据本发明另选实施例构造并操作的用于确 定可移动元件上的点的位置的系统的操作。
具体实施方式
本发明为由压电膜构成的圆柱超声波接收器或收发器。本发明还提 供这种收发器在数字化器系统中的应用。
参照附图和附加描述可以更好地理解根据本发明的接收器和收发器 的原理和操作。
现参照图3，图3是根据本发明优选实施例构造并操作的圆柱超声 波接收器18的立体图。一般而言，接收器18包括中空的大致为圆柱体 的元件20。该圆柱体元件20主要由柔性压电膜构成，具有外表面25、 内表面30、上边缘32、下边缘33、中心轴40和平行于中心轴40测量的 高度h。圆柱体元件20由支撑结构支撑，在此该支撑结构由芯元件50表 示，该支撑结构被构造为以下述方式支撑圆柱体元件20，该方式使得振 动波能够环绕圆柱体元件20的主要部分传播。圆柱体元件20由基座55 从下方支撑并由盖60从上方支撑。如上所述，圆柱体元件20基本上为 圆柱体，因为圆柱体元件20至少大部分圆周大致为圆柱体形状。该圆柱 体部分提供了接收功能，因此如果非功能部分不是圆柱体也无关紧要。 此外，圆柱体部分本身不必为精确的圆柱体。该方面的应用稍后参照图 12进行说明。
现参照图4，图4是根据本发明优选实施例构造和操作的圆柱体元 件20的示意性平面图。向内表面30施加第一电极65。向外表面25施加 第二电极70，其中第二电极70的至少一部分与第一电极65的主要部分 相对。第二电极70接地并且第一电极65用作为感应电极。但是，应该 注意，在本发明的其它实施例中第一电极65和第二电极70可互换使用。 第一电极65被形成为沿高度h(图3)的主要部分以基本平行于中心轴 40的延伸方向上延伸的条，并与中心轴40的弦对角α不超过90°。第 一电极65的尺寸优选为使得该尺寸与小于圆柱体元件20中由预计工作 频率的超声波振动引起的振动的波长的大约1/4相对应。在大多数情况 下，将尺寸选择为使得圆柱体元件20只支撑大约一种波长的振动(而不 是图2中示意性所示的大约四种波长)，以使干涉效应等最小。结果，只 要第一电极65与中心轴40的弦对角α不超过90°，就可以极大地避免 相位抵消的问题。然而，优选地，通常将第一电极65的宽度选择为使得 与中心轴40的弦对角α在大约20°到大约30°之间。
通过再次参照图1和2可以理解接收器18的工作原理。如上所述， 入射压力波15会引起围绕圆柱体10的周边传播的振动波。结果，圆柱 体10表面上任意设置的局部传感器也会受到基本上与入射压力波15的 方向无关的基本相同的振动。同时，由于相对于通过该膜传播的振动的 波长来说，第一电极65的周向尺寸(extent)很小，所以可以避免上述 相位抵消和大电容的问题。结果获得高效的广角超声波接收器。通过以 下更详细的描述，本发明的构造的这些和其它优点将变得更加明显。
对于材料，应该注意，可以采用任何压电膜材料和合适的导电电极 材料来实施本发明。膜本身的特别优选的示例为聚偏二氟乙烯 (Polyvinyl DiFluoride)(PVDF)。极化方向应该环绕圆柱体元件取向。 其宽的频带响应使得使用这种膜可以提供特殊的优点。具体来说，已经 发现，基于压电陶瓷的传统窄频带接收器会将信号噪声转换到测量频率 范围中，大大地降低了信噪比。相反，已经发现本发明的宽频带接收器 能够提供得到很大改善的信噪比，本发明的宽频带接收器可与后续的滤 波结合使用，以识别所关心的信号。
用于电极的合适的导电材料包括但不限于含炭、银和金的合成物。 在需要透明结构的应用中，可以使用透明导电材料。已将导电材料描述 为“施加”到压电膜，作为导电材料的施加是典型的制造工艺。但是， 应该注意，可以通过在本领域中已知的其它方法将导电材料“设置”到 压电膜上。
现参照图5，图5是构成圆柱体元件20的压电膜片的半透明平面图， 表示施加到根据本发明优选实施例制造和操作的接收器18的各个表面的 电极图案的形式。将第一电连接条75施加到内表面30，并将第一电连接 条75连接到第一电极65。以与第二电极70基本上不相对的方式施加第 一电连接条75，以减少与电容相关的问题。将第二电连接条80施加到外 表面25，并将第二电连接条80连接到第二电极70。以与第一电连接条 75基本上不相对的方式施加第二电连接条80，以减少与电容相关的问题。 优选地，以与第二电极70基本上不相对的方式施加第一电连接条75以 及以与第一电极65基本上不相对的方式施加第二电连接条80，以避免与 电容相关的可能问题。应该注意，术语“基本上不相对”表示优选地存 在完全不相对的关系以消除与电容相关的问题。但是，电连接条的某些 相对尽管可能会由于电容而引起一些问题，但不会违背本发明的本质， 即旨在使由于电容而引起的问题最少。第一电连接条75和第二电连接条 80分别从第一电极65和第二电极70延伸到圆柱体元件20的下边缘33 (图3)处的接头85。
现参照图6，图6是构成圆柱体元件20的压电膜片的半透明平面图， 表示施加到根据本发明优选实施例制造和操作的接收器18的各个表面的 多个电极图案的形式。感应电极和接地电极之间的横截面面积的增加可 以增大由超声波收发器产生的电流。但是，通常增加由超声波接收器产 生的电压更为有利。这可通过串联设置多个电极图案来实现。对于接收 器18，这通过将第一电极90和第二电极95施加到圆柱体元件20的内表 面30来实现。以与第二电极95不邻接的方式施加第一电极90。如上所 述，参照单个感应电极、第一电极65的情况(图4)，第一电极90和第 二电极95均形成为条。第一电极90和第二电极95沿着高度h(图3) 的至少一部分以基本上平行于中心轴40的延伸方向延伸。第一电极90 和第二电极95的组合与中心轴40的弦对角不超过90°。将第三电极100 和第四电极105施加到圆柱体元件20的外表面25，以使得第三电极100 的至少一部分与第一电极90的主要部分相对，并且第四电极105的至少 一部分与第二电极95的主要部分相对。以与第四电极105不邻接的方式 施加第三电极100。第四电极105接地。电连接条110、115包括在内表 面30上的电连接条110的第一部分和在外表面25上的电连接条115的 第二部分。电连接条110的第一部分从第一电极90延伸到圆柱体元件20 中的孔Q，电连接条115的第二部分从孔Q延伸到第四电极105。使用导 电材料在孔Q处连接电连接条110的第一部分和电连接条115的第二部 分。参照图5说明的第一电连接条75和第二电连接条80在此可以用于 本发明的该实施例。将第一电连接条75施加到内表面30并将第一电连 接条75连接到第二电极95。将第二电气连接条80施加到外表面25并将 第二电连接条80连接到第三电极100。同样以与第一电连接条75基本上 不相对的方式施加第二电连接条80，以减少与圆柱体元件20的表面25 和30之间的电容相关的问题。第一电连接条75和第二电连接条80分别 从第二电极95和第三电极100延伸到圆柱体元件20的下边缘33(图3) 处的接头85。应该注意，在本发明的另选实施例中，可以将第一电极90 和第二电极95施加到外表面25，并且可以将第三电极100和第四电极 105施加到内表面30。还应该注意，可以将更多的电极施加到圆柱体元 件20并串联这些电极以增大接收器18的电压输出。
现参照图7，图7是根据本发明优选实施例构造和操作的接收器18 的支撑结构117的展开立体图。如上所述，与实现利用压电膜的圆柱超 声波收发器相关的一个主要问题是电极趋于用作为电磁辐射的天线。为 了最小化或消除该问题，本发明的优选实施包括一个或多个特征，这有 助于屏蔽感应电极免受电磁辐射的影响。首先，接地的第二电极70为第 一电极65提供一些屏蔽。顺便提一下，这也是优选地将第一电极65设 置在膜的内表面而非其外部的原因。优选地，通过采用以避免与第一电 极65电接触的方式设置在圆柱体元件20内的电接地导电芯元件50来提 供对电磁屏蔽的进一步或另选的贡献。尽管不是必须的，但是芯元件50 通常是圆柱体元件20的支撑结构117的一部分。芯元件50的一个优选 实施为金属芯元件，该金属芯元件可以是实心或中空的。为了确保圆柱 体元件20的膜可以自由地振动，这里将芯元件50形成为在其高度的主 要部分上具有直径减小部分120。在某些情况下，由直径减小部分120限 定的非接触区域足以避免与第一电极65电接触。另选地，可在芯元件50 和第一电极65之间插入附加绝缘层。芯元件50的另选实施例可以由导 电泡沫的圆柱体(未示出)构成。在这种情况下，芯元件50和圆柱体元 件20之间的接触通常不会明显干扰圆柱体元件20内的振动的传播。在 这种情况下，在芯元件50和第一电极65之间通常需要附加绝缘层。如 上所述，圆柱体元件20由基座55从下方支撑并由盖60从上方支撑。基 座55包括电接触弹簧140。通过螺钉145将基座55和盖60固定到芯元 件50上。
现参照图8，图8是一立体图，表示根据本发明优选实施例构造并 操作的支撑结构117中使用的单个电接触板。基座55具有一个电接触弹 簧140。这可以用于将电连接条75、80组合到单个接头85上的情况，或 用于电连接条75、80延伸到圆柱体元件20的不同边缘32、33(图3) 的情况。
现参照图9，图9是一示意性立体图，表示形成与根据本发明优选 实施例构造和操作的接收器18的电接触的技术。将包含接收器18的电 连接条75、80的接头85推入电接触弹簧140。通过电接触弹簧140的压 力将接头85保持在适当的位置。
现参照图10，图10是根据本发明实施例构造并操作的接收器18中 使用的保护性螺旋状弹簧150的示意性立体图。螺旋状弹簧150围绕接 收器18设置。螺旋状弹簧150为接收器18提供机械和电磁屏蔽，同时 使入射超声波的干涉最小，如以下参照图11所描述的那样。螺旋状弹簧 150由导电材料构成并接地以提供电磁屏蔽。
现参照图11，图11是螺旋状弹簧150的截面的侧视图。螺旋状弹 簧150具有厚度为t且空间间隔为S的簧圈155。通常，必须为换能器提 供机械保护，特别是那些采用容易损坏的压电膜的换能器。由于在换能 器的前面存在各种保护性结构，所以许多现有的换能器结构容易产生严 重的信号失真或者还伴随有“盲点”(即发射强度和接收灵敏度受到严 重影响的方向)。为了使这些问题最小化或者消除这些问题，本发明使用 具有簧圈155的螺旋状弹簧150，其中，簧圈155具有不超过 /2的空 间间隔S，优选地不超过 /4，这里 为超声波工作频率在空气中的波长。 通过采用具有明显小于现有系统的空间间隔S的螺旋状弹簧150，对超声 波信号产生的方向性影响很小或没有影响。通过实际的示例，对于90kHz 的工作频率(与空气中约4mm的波长相对应)，已发现1.9mm的S值对信 号的发射和接收的影响最小。
现参照图12和13。图12是根据本发明最优选实施例构造和操作的 接收器18的支撑结构的展开立体图。图13是压电膜175的半透明平面 图，表示施加到图12的接收器18的各个表面的电极图案的形式。焊接 压电膜175以构成圆柱体元件20是一个昂贵的工艺并且焊接可能导致对 压电膜175的损坏。圆柱体元件20中使用的压电膜175可以形成为圆柱 体元件20而不必焊接压电膜175，同时使得振动波能够环绕接收器18的 主要部分传播。这通过围绕基本上为圆柱体的支撑结构160包裹压电膜 175来实现，使膜192、193的端部位于支撑结构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撑结 构160的中心轴。突出部分165具有基本上平行的夹紧表面166。固定构 件(通常为夹片170)将膜192、193的端部固定到突出部分165上，以 将压电膜175形成为大致圆柱形状。通常使用一个固定构件将膜192、193 的端部固定到突出部分165上，但是可以使用多于一个的固定构件来执 行相同的功能。夹片170执行的夹紧功能可以由其它设计用来执行相同 夹紧功能的夹片来执行。在将压电膜175包裹到支撑结构160上之前， 将必要的电极和所需的电接触部分施加到压电膜上。将感应电极180施 加到压电膜175的第一侧182，并将接地电极190施加到压电膜175的第 二侧183。当围绕支撑结构160包裹压电膜175时，通常压电膜175的第 一侧182会面对支撑结构160，因此接地电极190在外部为感应电极180 提供电磁屏蔽。接地电极190基本上延伸到压电膜175的一个端部192。 延伸接地电极190为感应电极180提供额外的电磁屏蔽，并且还使接地 电极190能够直接连接到夹片170内部的电接触部分172。将电连接条 185施加到压电膜175的第一侧182。电连接条185从感应电极180基本 上延伸到压电膜175的另一个端部193。这使得感应电极180能够直接连 接到突起部分165上的电接触部分167。应该注意，可以有许多其它的电 极设计(例如增加附加电极)来在超声波收发器中使用压电膜175。
现参照图14，图14是压电膜的示意性平面图，表示施加到图12的 支撑结构的各个表面的多个电极图案的形式。在本发明的最优选实施例 中，可以使图6中所述的多个电极图案适用于图12的支撑结构。将第一 电极90和第二电极95施加到压电膜175的第一侧182。将第三电极100 和第四电极105施加到压电膜175的第二侧183。电连接条110、115通 过压电膜175中的孔Q从第一电极90延伸到第四电极105。将第一电连 接条75连接到第二电极95。将第二电连接条80连接到第三电极100。 第一电连接条75和第二电连接条80分别从第二电极95和第三电极100 延伸到压电膜175的端部192、193。已参照图6说明了电极和电连接条 的相对位置以及非交叠。
再次参照图12。在本发明的最优选实施例中，可围绕接收器18设 置图10、11中所述的螺旋状弹簧150来为接收器18提供机械保护和额 外的电磁屏蔽。
现参照图15，图15是压电膜的半透明平面图，表示施加到根据本 发明优选实施例构造和操作的收发器的各个表面的电极图案的形式。尽 管已将器件18描述为超声波接收器，但相同的结构非常适用于收发器系 统，即用于接收和发送信号，如将要描述的。除了施加第一电极65、第 一电连接条75、第二电极70和第二电连接条80(以上参照图5都有所 描述)以外，还将附加电极195施加到圆柱体元件20的内表面30。将附 加电极195与延伸到接头85的电连接条200相连。将第二电极70扩大 以覆盖圆柱体元件20的更大区域。以与第一电极65不邻接并与第二电 极70基本上相对的方式来施加附加电极195。当没有用作为发射器时， 附加电极195可以接地以提供额外的电磁屏蔽。当用作为发射器时，可 以在附加电极195(如果需要的话，连同第一电极65)和第二电极70之 间施加一驱动电位，以产生超声波信号，类似于传统圆柱体超声波发射 器的操作。
现参照图16，图16是表示采用器件18的收发器组件的主要部件的 方框图。如前所述，优选地，在接收超声波信号的过程中，为了进行屏 蔽而将第二电极70和附加电极195均接地。为了保持该优点，当需要发 射时，可使用切换系统225来选择性地切换第二电极70或附加电极195 与发射器电路的连接。因此，示出了采用器件18的收发器组件的说明。 该收发器组件还包括控制模块205，该控制模块205具有通常通过放大器 215与第一电极65电连接的接收器电路210。控制模块205还包括发射 器电路220和切换系统225。切换系统225与用作为激励电极的第二电极 70或附加电极195相关，并交替地将其连接到发射器电路以进行发射以 及在接收期间将其接地。整个组件通常在处理器230的控制下工作，处 理器230的细节不是本发明的要点。
在工作中，当将该组件用于接收时，附加电极195和第二电极70均 接地，由此提供最大可能的电磁屏蔽。当需要发射时，将驱动电压施加 给第二电极70或附加电极195，以产生所需的信号。
在这一点上应该注意，在本发明原理的范围内可进行许多变化和改 进。例如，应该注意，接收器18可使用围绕圆柱体元件20分布的多于 一个的感应电极。这是有用的，原因有多个。首先，通过单独分析所检 测的信号并识别信号之间的相位差，可以根据单个接收器的测量得到大 致的方向信息。另选地，在波长与圆柱体元件20的尺寸相比较短的示例 中，可以选择多个共同连接的感应电极的间隔，以实现接收器对于所关 心的频率的固有调谐。换句话说，对于给定的频率，如果该间隔与围绕 圆柱体元件20的同相间隔(in-phase spacing)相对应，那么来自各个 感应电极的信号将具有相同的符号，并加在一起形成更大的振幅。在许 多其它频率处，会出现不同程度的抵消，如以上图2的内容中所述。
如前所述，将圆柱体元件20优选地构造为只支持由工作频率的超声 波信号导致的压电膜内的振动波的大约一个波长。更具体地说，周长的 一半(πD/2，D为圆柱体元件的直径)优选地等于膜内的振动波的波长。 由于该原因，通常将圆柱体元件20的直径选择为与预计工作频率成反比。 例如，对于90kHz的工作频率，约为5mm直径的圆柱体元件20通常是优 选的。
现参照图17，图17示意性地表示了根据本发明优选实施例构造并 操作的以基本操作模式工作的用于确定可移动元件的位置的系统的操 作。应该注意，本发明的换能器18的收发器功能对于根据本发明另一个 方面的自校准模式的实施特别有用，其提高了用于确定可移动元件240 位置的系统的精度和可靠性。该系统包括与可移动元件240相关联的可 移动超声波换能器235和通过附连在基座单元225上来保持固定几何关 系的至少两个超声波换能器245、250。在此所示的示例中，系统的正常 测量模式包括从可移动超声波换能器235发射至少一个测量信号，该测 量信号由固定超声波换能器245、250接收。然后使用该超声波测量信号 的传播时间测量值来得到可移动元件240的位置。
现参照图18，图18示意性地表示了在执行自校准操作时上述系统 的操作。通过介绍，应该注意，由于通过空气的音速会随着温度、压力 和湿度的改变而产生显著的变化，所以基于超声波传播时间的数字化器 系统受到精度问题的困扰。为了补偿这些变化，本发明的这一方面提供 了自校准功能，由此，该系统还以自校准模式间歇地工作。在该模式下， 换能器245从其正常接收功能切换到发射功能，发出由换能器250接收 的校准信号。由于换能器245和250之间的距离为由基座单元255的结 构限定的固定值，所以可以使用校准信号的传播时间测量值来得到表示 系统当前所工作的环境中的音速变化的校准信息。然后，可以将该校准 信息用于校正可移动元件240的位置偏差。
现简要参照图19和20，这些图表示本发明的该方面对于系统的实 施例，其中，可移动换能器235用作为接收由固定换能器245和250发 射的信号的接收器。在该示例中，通过瞬时地采用换能器250作为接收 器接收由换能器245发射的校准信号来实现校准模式。在所有其它方面， 本发明的原理与前述的相同。
现参照图21，图21示意性地表示了在利用声波导260执行自校准 模式时的系统。通过介绍，应该注意，物理障碍物265将阻断校准信号 的通路。物理障碍物265可能是由于系统的内在设计而导致的或者是外 部障碍物。将声波导260设置在固定换能器245、250之间。声波导260 确保由一个固定换能器245发射的信号被另一个固定换能器250接收。 声波导260是一细长管，可以是直的也可以是弯曲的，这取决于物理障 碍物265。
现参照图22，图22示意性地表示了根据本发明优选实施例构造并 操作的用于确定可移动元件270上的点P的位置的系统的操作。通过介 绍，由于换能器通常不能精确地设置在所确定的位置，所以基于超声波 传播时间的数字化器系统受到精度问题的困扰。例如，在基于超声波传 播时间的数字化器系统涉及电子笔的情况下，换能器将会在笔尖的上方。 如果如通常的情况笔是倾斜的，则笔尖和超声波换能器将在测量平面中 处于不同的水平位置。为了补偿这种变化，本发明的这一方面提供了用 于校正该倾斜误差的系统。该系统包括通过将两个超声波换能器275、280 附连到可移动元件270上，来保持两个超声波换能器275、280和点P沿 公共轴W的固定几何关系。超声波换能器的圆柱体形状提供了全向信号 发射并通过提供类似于点(更确切地说是线)源的效果来简化传播时间 的几何计算。因此，超声波换能器275、280以公共轴W对中。应该注意， 通常将超声波换能器280设置得尽可能地靠近点P，而通常将超声波换能 器275设置得尽可能远离超声波换能器280，以更好地校正倾斜误差。考 虑到由于暂时阻断到换能器之一的超声波信号而导致的问题，也可以在 可移动元件中使用多于两个的换能器。该系统还包括通过附连到基座单 元295上来保持固定几何关系的另外两个超声波换能器285、290。在此 所示的示例中，系统的正常测量模式包括从超声波换能器275发射要由 超声波换能器285、290接收的第一测量信号。从超声波换能器280发射 要由超声波换能器285、290接收的第二测量信号。第一和第二测量信号 是有序的。根据第一测量信号的传播时间测量值导出超声波换能器275 和超声波换能器285、290中的每一个之间的距离。根据第二测量信号的 传播时间测量值导出超声波换能器280和超声波换能器285、290中的每 一个之间的距离。根据以上计算的距离的几何计算导出点P的位置。
该系统还通过在固定超声波换能器285、290之间发送校准信号来以 校准模式间歇地工作。随后将该校准信息用于校正点P的位置偏差。
本领域的技术人员应该理解，本发明并不限于以上具体显示和说明 的内容。相反地，本发明的范围包括以上所述的各种特征的组合和子组 合，以及不属于本领域的技术人员在阅读以上说明能够想到的现有技术 的本发明的各种变化和修改。
参照附图和附加描述可以更好地理解根据本发明的接收器和收发器 的原理和操作。
现参照图3，图3是根据本发明优选实施例构造并操作的圆柱超声 波接收器18的立体图。一般而言，接收器18包括中空的大致为圆柱体 的元件20。该圆柱体元件20主要由柔性压电膜构成，具有外表面25、 内表面30、上边缘32、下边缘33、中心轴40和平行于中心轴40测量的 高度h。圆柱体元件20由支撑结构支撑，在此该支撑结构由芯元件50表 示，该支撑结构被构造为以下述方式支撑圆柱体元件20，该方式使得振 动波能够环绕圆柱体元件20的主要部分传播。圆柱体元件20由基座55 从下方支撑并由盖60从上方支撑。如上所述，圆柱体元件20基本上为 圆柱体，因为圆柱体元件20至少大部分圆周大致为圆柱体形状。该圆柱 体部分提供了接收功能，因此如果非功能部分不是圆柱体也无关紧要。 此外，圆柱体部分本身不必为精确的圆柱体。该方面的应用稍后参照图 12进行说明。
现参照图4，图4是根据本发明优选实施例构造和操作的圆柱体元 件20的示意性平面图。向内表面30施加第一电极65。向外表面25施加 第二电极70，其中第二电极70的至少一部分与第一电极65的主要部分 相对。第二电极70接地并且第一电极65用作为感应电极。但是，应该 注意，在本发明的其它实施例中第一电极65和第二电极70可互换使用。 第一电极65被形成为沿高度h(图3)的主要部分以基本平行于中心轴 40的延伸方向上延伸的条，并与中心轴40的弦对角α不超过90°。第 一电极65的尺寸优选为使得该尺寸与小于圆柱体元件20中由预计工作 频率的超声波振动引起的振动的波长的大约1/4相对应。在大多数情况 下，将尺寸选择为使得圆柱体元件20只支撑大约一种波长的振动(而不 是图2中示意性所示的大约四种波长)，以使干涉效应等最小。结果，只 要第一电极65与中心轴40的弦对角α不超过90°，就可以极大地避免 相位抵消的问题。然而，优选地，通常将第一电极65的宽度选择为使得 与中心轴40的弦对角α在大约20°到大约30°之间。
通过再次参照图1和2可以理解接收器18的工作原理。如上所述， 入射压力波15会引起围绕圆柱体10的周边传播的振动波。结果，圆柱 体10表面上任意设置的局部传感器也会受到基本上与入射压力波15的 方向无关的基本相同的振动。同时，由于相对于通过该膜传播的振动的 波长来说，第一电极65的周向尺寸(extent)很小，所以可以避免上述 相位抵消和大电容的问题。结果获得高效的广角超声波接收器。通过以 下更详细的描述，本发明的构造的这些和其它优点将变得更加明显。
对于材料，应该注意，可以采用任何压电膜材料和合适的导电电极 材料来实施本发明。膜本身的特别优选的示例为聚偏二氟乙烯 (Polyvinyl DiFluoride)(PVDF)。极化方向应该环绕圆柱体元件取向。 其宽的频带响应使得使用这种膜可以提供特殊的优点。具体来说，已经 发现，基于压电陶瓷的传统窄频带接收器会将信号噪声转换到测量频率 范围中，大大地降低了信噪比。相反，已经发现本发明的宽频带接收器 能够提供得到很大改善的信噪比，本发明的宽频带接收器可与后续的滤 波结合使用，以识别所关心的信号。
用于电极的合适的导电材料包括但不限于含炭、银和金的合成物。 在需要透明结构的应用中，可以使用透明导电材料。已将导电材料描述 为“施加”到压电膜，作为导电材料的施加是典型的制造工艺。但是， 应该注意，可以通过在本领域中已知的其它方法将导电材料“设置”到 压电膜上。
现参照图5，图5是构成圆柱体元件20的压电膜片的半透明平面图， 表示施加到根据本发明优选实施例制造和操作的接收器18的各个表面的 电极图案的形式。将第一电连接条75施加到内表面30，并将第一电连接 条75连接到第一电极65。以与第二电极70基本上不相对的方式施加第 一电连接条75，以减少与电容相关的问题。将第二电连接条80施加到外 表面25，并将第二电连接条80连接到第二电极70。以与第一电连接条 75基本上不相对的方式施加第二电连接条80，以减少与电容相关的问题。 优选地，以与第二电极70基本上不相对的方式施加第一电连接条75以 及以与第一电极65基本上不相对的方式施加第二电连接条80，以避免与 电容相关的可能问题。应该注意，术语“基本上不相对”表示优选地存 在完全不相对的关系以消除与电容相关的问题。但是，电连接条的某些 相对尽管可能会由于电容而引起一些问题，但不会违背本发明的本质， 即旨在使由于电容而引起的问题最少。第一电连接条75和第二电连接条 80分别从第一电极65和第二电极70延伸到圆柱体元件20的下边缘33 (图3)处的接头85。
现参照图6，图6是构成圆柱体元件20的压电膜片的半透明平面图， 表示施加到根据本发明优选实施例制造和操作的接收器18的各个表面的 多个电极图案的形式。感应电极和接地电极之间的横截面面积的增加可 以增大由超声波收发器产生的电流。但是，通常增加由超声波接收器产 生的电压更为有利。这可通过串联设置多个电极图案来实现。对于接收 器18，这通过将第一电极90和第二电极95施加到圆柱体元件20的内表 面30来实现。以与第二电极95不邻接的方式施加第一电极90。如上所 述，参照单个感应电极、第一电极65的情况(图4)，第一电极90和第 二电极95均形成为条。第一电极90和第二电极95沿着高度h(图3) 的至少一部分以基本上平行于中心轴40的延伸方向延伸。第一电极90 和第二电极95的组合与中心轴40的弦对角不超过90°。将第三电极100 和第四电极105施加到圆柱体元件20的外表面25，以使得第三电极100 的至少一部分与第一电极90的主要部分相对，并且第四电极105的至少 一部分与第二电极95的主要部分相对。以与第四电极105不邻接的方式 施加第三电极100。第四电极105接地。电连接条110、115包括在内表 面30上的电连接条110的第一部分和在外表面25上的电连接条115的 第二部分。电连接条110的第一部分从第一电极90延伸到圆柱体元件20 中的孔Q，电连接条115的第二部分从孔Q延伸到第四电极105。使用导 电材料在孔Q处连接电连接条110的第一部分和电连接条115的第二部 分。参照图5说明的第一电连接条75和第二电连接条80在此可以用于 本发明的该实施例。将第一电连接条75施加到内表面30并将第一电连 接条75连接到第二电极95。将第二电气连接条80施加到外表面25并将 第二电连接条80连接到第三电极100。同样以与第一电连接条75基本上 不相对的方式施加第二电连接条80，以减少与圆柱体元件20的表面25 和30之间的电容相关的问题。第一电连接条75和第二电连接条80分别 从第二电极95和第三电极100延伸到圆柱体元件20的下边缘33(图3) 处的接头85。应该注意，在本发明的另选实施例中，可以将第一电极90 和第二电极95施加到外表面25，并且可以将第三电极100和第四电极 105施加到内表面30。还应该注意，可以将更多的电极施加到圆柱体元 件20并串联这些电极以增大接收器18的电压输出。
现参照图7，图7是根据本发明优选实施例构造和操作的接收器18 的支撑结构117的展开立体图。如上所述，与实现利用压电膜的圆柱超 声波收发器相关的一个主要问题是电极趋于用作为电磁辐射的天线。为 了最小化或消除该问题，本发明的优选实施包括一个或多个特征，这有 助于屏蔽感应电极免受电磁辐射的影响。首先，接地的第二电极70为第 一电极65提供一些屏蔽。顺便提一下，这也是优选地将第一电极65设 置在膜的内表面而非其外部的原因。优选地，通过采用以避免与第一电 极65电接触的方式设置在圆柱体元件20内的电接地导电芯元件50来提 供对电磁屏蔽的进一步或另选的贡献。尽管不是必须的，但是芯元件50 通常是圆柱体元件20的支撑结构117的一部分。芯元件50的一个优选 实施为金属芯元件，该金属芯元件可以是实心或中空的。为了确保圆柱 体元件20的膜可以自由地振动，这里将芯元件50形成为在其高度的主 要部分上具有直径减小部分120。在某些情况下，由直径减小部分120限 定的非接触区域足以避免与第一电极65电接触。另选地，可在芯元件50 和第一电极65之间插入附加绝缘层。芯元件50的另选实施例可以由导 电泡沫的圆柱体(未示出)构成。在这种情况下，芯元件50和圆柱体元 件20之间的接触通常不会明显干扰圆柱体元件20内的振动的传播。在 这种情况下，在芯元件50和第一电极65之间通常需要附加绝缘层。如 上所述，圆柱体元件20由基座55从下方支撑并由盖60从上方支撑。基 座55包括电接触弹簧140。通过螺钉145将基座55和盖60固定到芯元 件50上。
现参照图8，图8是一立体图，表示根据本发明优选实施例构造并 操作的支撑结构117中使用的单个电接触板。基座55具有一个电接触弹 簧140。这可以用于将电连接条75、80组合到单个接头85上的情况，或 用于电连接条75、80延伸到圆柱体元件20的不同边缘32、33(图3) 的情况。
现参照图9，图9是一示意性立体图，表示形成与根据本发明优选 实施例构造和操作的接收器18的电接触的技术。将包含接收器18的电 连接条75、80的接头85推入电接触弹簧140。通过电接触弹簧140的压 力将接头85保持在适当的位置。
现参照图10，图10是根据本发明实施例构造并操作的接收器18中 使用的保护性螺旋状弹簧150的示意性立体图。螺旋状弹簧150围绕接 收器18设置。螺旋状弹簧150为接收器18提供机械和电磁屏蔽，同时 使入射超声波的干涉最小，如以下参照图11所描述的那样。螺旋状弹簧 150由导电材料构成并接地以提供电磁屏蔽。
现参照图11，图11是螺旋状弹簧150的截面的侧视图。螺旋状弹 簧150具有厚度为t且空间间隔为S的簧圈155。通常，必须为换能器提 供机械保护，特别是那些采用容易损坏的压电膜的换能器。由于在换能 器的前面存在各种保护性结构，所以许多现有的换能器结构容易产生严 重的信号失真或者还伴随有“盲点”(即发射强度和接收灵敏度受到严 重影响的方向)。为了使这些问题最小化或者消除这些问题，本发明使用 具有簧圈155的螺旋状弹簧150，其中，簧圈155具有不超过 /2的空 间间隔S，优选地不超过 /4，这里 为超声波工作频率在空气中的波长。 通过采用具有明显小于现有系统的空间间隔S的螺旋状弹簧150，对超声 波信号产生的方向性影响很小或没有影响。通过实际的示例，对于90kHz 的工作频率(与空气中约4mm的波长相对应)，已发现1.9mm的S值对信 号的发射和接收的影响最小。
现参照图12和13。图12是根据本发明最优选实施例构造和操作的 接收器18的支撑结构的展开立体图。图13是压电膜175的半透明平面 图，表示施加到图12的接收器18的各个表面的电极图案的形式。焊接 压电膜175以构成圆柱体元件20是一个昂贵的工艺并且焊接可能导致对 压电膜175的损坏。圆柱体元件20中使用的压电膜175可以形成为圆柱 体元件20而不必焊接压电膜175，同时使得振动波能够环绕接收器18的 主要部分传播。这通过围绕基本上为圆柱体的支撑结构160包裹压电膜 175来实现，使膜192、193的端部位于支撑结构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撑结 构160的中心轴。突出部分165具有基本上平行的夹紧表面166。固定构 件(通常为夹片170)将膜192、193的端部固定到突出部分165上，以 将压电膜175形成为大致圆柱形状。通常使用一个固定构件将膜192、193 的端部固定到突出部分165上，但是可以使用多于一个的固定构件来执 行相同的功能。夹片170执行的夹紧功能可以由其它设计用来执行相同 夹紧功能的夹片来执行。在将压电膜175包裹到支撑结构160上之前， 将必要的电极和所需的电接触部分施加到压电膜上。将感应电极180施 加到压电膜175的第一侧182，并将接地电极190施加到压电膜175的第 二侧183。当围绕支撑结构160包裹压电膜175时，通常压电膜175的第 一侧182会面对支撑结构160，因此接地电极190在外部为感应电极180 提供电磁屏蔽。接地电极190基本上延伸到压电膜175的一个端部192。 延伸接地电极190为感应电极180提供额外的电磁屏蔽，并且还使接地 电极190能够直接连接到夹片170内部的电接触部分172。将电连接条 185施加到压电膜175的第一侧182。电连接条185从感应电极180基本 上延伸到压电膜175的另一个端部193。这使得感应电极180能够直接连 接到突起部分165上的电接触部分167。应该注意，可以有许多其它的电 极设计(例如增加附加电极)来在超声波收发器中使用压电膜175。
现参照图14，图14是压电膜的示意性平面图，表示施加到图12的 支撑结构的各个表面的多个电极图案的形式。在本发明的最优选实施例 中，可以使图6中所述的多个电极图案适用于图12的支撑结构。将第一 电极90和第二电极95施加到压电膜175的第一侧182。将第三电极100 和第四电极105施加到压电膜175的第二侧183。电连接条110、115通 过压电膜175中的孔Q从第一电极90延伸到第四电极105。将第一电连 接条75连接到第二电极95。将第二电连接条80连接到第三电极100。 第一电连接条75和第二电连接条80分别从第二电极95和第三电极100 延伸到压电膜175的端部192、193。已参照图6说明了电极和电连接条 的相对位置以及非交叠。
再次参照图12。在本发明的最优选实施例中，可围绕接收器18设 置图10、11中所述的螺旋状弹簧150来为接收器18提供机械保护和额 外的电磁屏蔽。
现参照图15，图15是压电膜的半透明平面图，表示施加到根据本 发明优选实施例构造和操作的收发器的各个表面的电极图案的形式。尽 管已将器件18描述为超声波接收器，但相同的结构非常适用于收发器系 统，即用于接收和发送信号，如将要描述的。除了施加第一电极65、第 一电连接条75、第二电极70和第二电连接条80(以上参照图5都有所 描述)以外，还将附加电极195施加到圆柱体元件20的内表面30。将附 加电极195与延伸到接头85的电连接条200相连。将第二电极70扩大 以覆盖圆柱体元件20的更大区域。以与第一电极65不邻接并与第二电 极70基本上相对的方式来施加附加电极195。当没有用作为发射器时， 附加电极195可以接地以提供额外的电磁屏蔽。当用作为发射器时，可 以在附加电极195(如果需要的话，连同第一电极65)和第二电极70之 间施加一驱动电位，以产生超声波信号，类似于传统圆柱体超声波发射 器的操作。
现参照图16，图16是表示采用器件18的收发器组件的主要部件的 方框图。如前所述，优选地，在接收超声波信号的过程中，为了进行屏 蔽而将第二电极70和附加电极195均接地。为了保持该优点，当需要发 射时，可使用切换系统225来选择性地切换第二电极70或附加电极195 与发射器电路的连接。因此，示出了采用器件18的收发器组件的说明。 该收发器组件还包括控制模块205，该控制模块205具有通常通过放大器 215与第一电极65电连接的接收器电路210。控制模块205还包括发射 器电路220和切换系统225。切换系统225与用作为激励电极的第二电极 70或附加电极195相关，并交替地将其连接到发射器电路以进行发射以 及在接收期间将其接地。整个组件通常在处理器230的控制下工作，处 理器230的细节不是本发明的要点。
在工作中，当将该组件用于接收时，附加电极195和第二电极70均 接地，由此提供最大可能的电磁屏蔽。当需要发射时，将驱动电压施加 给第二电极70或附加电极195，以产生所需的信号。
在这一点上应该注意，在本发明原理的范围内可进行许多变化和改 进。例如，应该注意，接收器18可使用围绕圆柱体元件20分布的多于 一个的感应电极。这是有用的，原因有多个。首先，通过单独分析所检 测的信号并识别信号之间的相位差，可以根据单个接收器的测量得到大 致的方向信息。另选地，在波长与圆柱体元件20的尺寸相比较短的示例 中，可以选择多个共同连接的感应电极的间隔，以实现接收器对于所关 心的频率的固有调谐。换句话说，对于给定的频率，如果该间隔与围绕 圆柱体元件20的同相间隔(in-phase spacing)相对应，那么来自各个 感应电极的信号将具有相同的符号，并加在一起形成更大的振幅。在许 多其它频率处，会出现不同程度的抵消，如以上图2的内容中所述。
如前所述，将圆柱体元件20优选地构造为只支持由工作频率的超声 波信号导致的压电膜内的振动波的大约一个波长。更具体地说，周长的 一半(πD/2，D为圆柱体元件的直径)优选地等于膜内的振动波的波长。 由于该原因，通常将圆柱体元件20的直径选择为与预计工作频率成反比。 例如，对于90kHz的工作频率，约为5mm直径的圆柱体元件20通常是优 选的。
现参照图17，图17示意性地表示了根据本发明优选实施例构造并 操作的以基本操作模式工作的用于确定可移动元件的位置的系统的操 作。应该注意，本发明的换能器18的收发器功能对于根据本发明另一个 方面的自校准模式的实施特别有用，其提高了用于确定可移动元件240 位置的系统的精度和可靠性。该系统包括与可移动元件240相关联的可 移动超声波换能器235和通过附连在基座单元225上来保持固定几何关 系的至少两个超声波换能器245、250。在此所示的示例中，系统的正常 测量模式包括从可移动超声波换能器235发射至少一个测量信号，该测 量信号由固定超声波换能器245、250接收。然后使用该超声波测量信号 的传播时间测量值来得到可移动元件240的位置。
现参照图18，图18示意性地表示了在执行自校准操作时上述系统 的操作。通过介绍，应该注意，由于通过空气的音速会随着温度、压力 和湿度的改变而产生显著的变化，所以基于超声波传播时间的数字化器 系统受到精度问题的困扰。为了补偿这些变化，本发明的这一方面提供 了自校准功能，由此，该系统还以自校准模式间歇地工作。在该模式下， 换能器245从其正常接收功能切换到发射功能，发出由换能器250接收 的校准信号。由于换能器245和250之间的距离为由基座单元255的结 构限定的固定值，所以可以使用校准信号的传播时间测量值来得到表示 系统当前所工作的环境中的音速变化的校准信息。然后，可以将该校准 信息用于校正可移动元件240的位置偏差。
现简要参照图19和20，这些图表示本发明的该方面对于系统的实 施例，其中，可移动换能器235用作为接收由固定换能器245和250发 射的信号的接收器。在该示例中，通过瞬时地采用换能器250作为接收 器接收由换能器245发射的校准信号来实现校准模式。在所有其它方面， 本发明的原理与前述的相同。
现参照图21，图21示意性地表示了在利用声波导260执行自校准 模式时的系统。通过介绍，应该注意，物理障碍物265将阻断校准信号 的通路。物理障碍物265可能是由于系统的内在设计而导致的或者是外 部障碍物。将声波导260设置在固定换能器245、250之间。声波导260 确保由一个固定换能器245发射的信号被另一个固定换能器250接收。 声波导260是一细长管，可以是直的也可以是弯曲的，这取决于物理障 碍物265。
现参照图22，图22示意性地表示了根据本发明优选实施例构造并 操作的用于确定可移动元件270上的点P的位置的系统的操作。通过介 绍，由于换能器通常不能精确地设置在所确定的位置，所以基于超声波 传播时间的数字化器系统受到精度问题的困扰。例如，在基于超声波传 播时间的数字化器系统涉及电子笔的情况下，换能器将会在笔尖的上方。 如果如通常的情况笔是倾斜的，则笔尖和超声波换能器将在测量平面中 处于不同的水平位置。为了补偿这种变化，本发明的这一方面提供了用 于校正该倾斜误差的系统。该系统包括通过将两个超声波换能器275、280 附连到可移动元件270上，来保持两个超声波换能器275、280和点P沿 公共轴W的固定几何关系。超声波换能器的圆柱体形状提供了全向信号 发射并通过提供类似于点(更确切地说是线)源的效果来简化传播时间 的几何计算。因此，超声波换能器275、280以公共轴W对中。应该注意， 通常将超声波换能器280设置得尽可能地靠近点P，而通常将超声波换能 器275设置得尽可能远离超声波换能器280，以更好地校正倾斜误差。考 虑到由于暂时阻断到换能器之一的超声波信号而导致的问题，也可以在 可移动元件中使用多于两个的换能器。该系统还包括通过附连到基座单 元295上来保持固定几何关系的另外两个超声波换能器285、290。在此 所示的示例中，系统的正常测量模式包括从超声波换能器275发射要由 超声波换能器285、290接收的第一测量信号。从超声波换能器280发射 要由超声波换能器285、290接收的第二测量信号。第一和第二测量信号 是有序的。根据第一测量信号的传播时间测量值导出超声波换能器275 和超声波换能器285、290中的每一个之间的距离。根据第二测量信号的 传播时间测量值导出超声波换能器280和超声波换能器285、290中的每 一个之间的距离。根据以上计算的距离的几何计算导出点P的位置。
该系统还通过在固定超声波换能器285、290之间发送校准信号来以 校准模式间歇地工作。随后将该校准信息用于校正点P的位置偏差。
本领域的技术人员应该理解，本发明并不限于以上具体显示和说明 的内容。相反地，本发明的范围包括以上所述的各种特征的组合和子组 合，以及不属于本领域的技术人员在阅读以上说明能够想到的现有技术 的本发明的各种变化和修改。