由压电膜构成的圆柱超声波接收器和收发器制造技术

一种超声波接收器（２０），包括主要由柔性压电膜构成的中空圆柱体（２２），该中空圆柱体具有外表面（２４）、内表面（２６）、中心轴线（２８）和平行于中心轴线（２８）测量的高度。由施加在该表面上的导电材料构成感应电极，而由施加在外表面（２４）上的导电材料构成接地电极（３２）。由支持结构来支持中空圆柱体（２２），该支持结构被构造为使得振动波能够围绕中空圆柱体（２２）的主要部分在圆周方向上传播。该感应电极被构造为沿该高度的主要部分在基本平行于中心轴线（２８）的延伸方向上延伸的条，该条与中心轴线（２８）的对角不超过９０°。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声波换能器，特别涉及由压电膜构成的圆柱超声波接收器和收发器，及其它们在数字化器系统中的应用。
技术介绍
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，它们能够围绕着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，参考图1和2，图中显示的是由压电膜构成的自由悬挂圆柱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10对输入超声波信号的波阵面12的响应。由于压电膜是柔性的，所以信号12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。因此，需要一种采用压电膜的圆柱超声波接收器结构。
技术实现思路
本专利技术为采用压电膜的圆柱超声波接收器结构。根据本专利技术的原理，提供了一种超声波接收器，其包括(a)主要由柔性压电膜构成的中空圆柱体，该中空圆柱体具有外表面、内表面、中心轴线和平行于该中心轴线测量的高度；(b)由施加到该内表面上的导电材料构成的感应电极；(c)由施加到该外表面上的导电材料构成的接地电极；和(d)用于支持该中空圆柱体的支持结构，该支持结构被构造为支持该中空圆柱体，使得振动波可以围绕该中空圆柱体的主要部分在圆周方向上传播，其中，将该感应电极形成为沿着该高度的主要部分在基本上平行于该中心轴线的延伸方向上延伸的条，该条与该中心轴线的对角不超过90°。根据本专利技术的进一步的特征，该条与该中心轴线的对角不超过30°。根据本专利技术的进一步的特征，该接地电极在外表面的主要部分上延伸。根据本专利技术的进一步的特征，还提供了由导电材料构成的至少一个附加电极，该导电材料以不与感应电极连接的方式施加在内表面上。根据本专利技术的进一步的特征，该至少一个附加电极在内表面的主要部分上延伸。根据本专利技术的进一步的特征，该至少一个附加电极接地。根据本专利技术的进一步的特征，该超声波收发器被构造为可另外作为超声波发射器使用，由此用作为超声波收发器，该超声波收发器还包括一控制模块，该控制模块包括(a)与该感应电极电连接的接收器电路；(b)发射器电路；和(c)与从该接地电极和该附加电极中选择的激励电极相关联的切换系统，该切换系统被构造为交替地将该激励电极电连接到发射器电路和地。根据本专利技术的进一步的特征，该支持结构包括设置在该中空圆柱体内的导电芯元件，将该导电芯元件电接地，该导电芯元件设置为可以避免该导电芯元件与感应电极电接触。根据一个优选实施例，该导电芯元件为金属芯元件。根据一另选实施例，该导电芯元件由导电泡沫构成。根据本专利技术的进一步的特征，将该柔性压电膜实现为PVDF膜。根据本专利技术的进一步的特征，将该感应电极和该接地电极实现为基本透明的电极。根据本专利技术的原理，还提供了一种用于操作超声波收发器以接收和发射超声波信号的方法，该方法包括以下步骤(a)提供一种超声波收发器结构，该结构包括(i)主要由柔性压电膜构成的中空圆柱体，该中空圆柱体具有外表面、内表面、中心轴线和平行于该中心轴线测量的高度，安装该中空圆柱体，使得振动波能够围绕该中空圆柱体的主要部分在圆周方向上传播，(ii)由施加到内表面上的导电材料构成的感应电极，将该感应电极形成为沿该高度的主要部分在平行于该中心轴线的延伸方向上延伸的窄条，该条与中心轴线的对角不超过90°，(iii)由导电材料构成的至少一个附加内部电极，施加该导电材料以使其以不与该感应电极连接的方式在内表面的主要部分上延伸，和(iv)由导电材料构成的至少一个外部电极，施加该导电材料以使其在外表面的主要部分上延伸；(b)通过以下方法接收超声波信号(i)将附加内部电极和外部电极接地，和(ii)将感应电极与接收器电路电连接；和(c)通过将驱动电压施加到附加内部电极和外部电极中的至少一个上来发射超声波信号。根据本专利技术的原理，还提供了一种方法，用以操作用于确定可移动元件的位置的系统，该系统包括第一组可移动超声波换能器，包括与可移动元件相关联的至少一个超声波换能器，和包含通过安装在基座单元上而保持固定几何关系的至少两个超声波换能器的第二组固定超声波换能器，该操作方法包括(a)在测量模式下操作该系统，其中(i)第一组和第二组超声波换能器中的一组发射至少一个测量信号，该测量信号由第一组和第二组中的另一组中的超声波换能器接收，并且(ii)通过测量该至少一个测量信号的传播时间来得到该可移动元件的位置；和(b)在校准模式下间歇性地操作该系统，其中(i)来自第二组的至少一个超声波换能器发射校准信号，并且来自第二组的至少一个其它超声波换能器接收该校准信号，和(ii)通过测量该校准信号的传播时间来得到校准信息。根据本专利技术的其它特征，将来自第二组的至少一个超声波换能器实现为上述圆柱超声波换能器结构。根据本专利技术的原理，还提供了一种方法，该方法为用于给定频率的超声波信号的超声波换能器提供机械保护，同时使对超声波信号的干涉最小，该方法包括在该换能器边上设置保护格栅，该格栅具有以特定的空间频率分隔的多个开口，该空间频率小于空气中该给定频率的超声波信号的波长的大约二分之一，优选为小于该波长的大约四分之一。对于圆柱换能器，优选地将该格栅构造为围绕该换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波接收器，其包括：　　　　（ｉ）主要由柔性压电膜形成的中空圆柱体，所述中空圆柱体具有外表面、内表面、中心轴线和平行于所述中心轴线测量的高度；　　　　（ｉｉ）由施加在所述内表面上的导电材料形成的感应电极；　　　　（ｉｉｉ）由施加在所述外表面上的导电材料构成的接地电极；和　　　　（ｉｖ）用于支持所述中空圆柱体的支持结构，所述支持结构被构造为支持所述中空圆柱体，使得振动波能够围绕所述中空圆柱体的主要部分在圆周方向上传播，　　　　其中，所述感应电极被构造为沿所述高度的主要部分在基本平行于所述中心轴线的延伸方向上延伸的条，所述条与所述中心轴线的对角不超过９０°。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：伊扎克兹洛特，吉迪恩什霍茨，
申请(专利权)人：飞马技术有限公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]