JPH0329496A - 超音波アレイトランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ロボットや各種産業機器等に装備し、比較的
近い距離にある対象物体との間の距離を測定したり、あ
るいはフエーズドアレイ処理による対象物の超音波距離
信号の映像化によりその大きさや形状を認識したりする
ための超音波アレイトランスデューサに関するものであ
る。

（従来の技術） 近年安価で高性能なマイクロコンピュータが普及し、そ
れらを用いることにより様々な産業分野で自動化あるい
はロボソト化が進められつつある。しかし、現在実用化
されているロボット或るいは自動機器は、ある定まった
形、定まった大きさ、または定まった重さの物を持ち上
げたり運んだり、或るいは加工・組立等の作業を一定の
プログラムによってしか行うことができないのが現状で
ある。一方、消費者層の多様化により、多品種少量生産
の傾向が強くなり、ＦＭＳ（フレキシブルマニュファク
チアリングシステム：　ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａ
ｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる自動化技術
の開発が叫ばれている。このような自動化の流れに於で
は、ロボット或るいは自動機械は、人間の感覚器官に代
わる様々なセンサを装備し、それらの情報をもとに迅速
で的確な行動を行う必要がある。

ロボットがある対象物を持ち上げることを考えた場合、
まず視覚センサにより対象物を見つけ、次に近接覚セン
サにより対象物に近づき、最後に触覚センサの情報をも
とに対象物の硬さや握っている状態を知り、対象物を落
とさずに持ち上げる。

これらのセンサの中で近接覚センサは、視覚センサでは
捕らえることのできない近距離の距離情報を得るもので
、超音波を利用したものが測距精度から適していると考
えられている。更に、煙等の充満した不可視環境におい
て対象物の映像化するためには超音波による近距離セン
サは必要不可欠なものである。

従来、この種の超音波トランスデューサとしてＰＺＴ等
の圧電体の共振を利用したものが数多く市販されている
が周波数特性が狭く、また均一な特性を必要とするアレ
イ化が困難であるという欠点があった。また静電容量型
の超音波トランスデューサとして例えば、特願昭６０−
２８９２９０号、特願昭６２−７０２４２号、特願昭６
２−７０２４３号明細書等、或るいは１９８６年に開催
されたアイトリプルイー１９８６超音波シンポジウム予
稿集（ＩＥＥＥ　１９８６　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳ
ｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｄｉｎｇ）頁５５９がら
５６２、および１９８７年に開催されたトランスデュー
サ”８７予稿集（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　’８７　Ｄ
ｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ
）頁４１４がら４１７　　でＨｉｇｕｃｈｉ（　樋　口
）　、３ｕｚｕｋｉ（　鈴　木）、Ｔａｎｉｇａｗａ（
谷川）らの新しい提案がある。第２図（ａ）にその代表
的な構造を示す。図中１０１はシリコン基板、１０２は
シリコン酸化膜、１０３は下部篭極、１０７はシリコン
の異方性エッチング法により形或された空気溜である。

１０４はＣＶＤ酸化膜、１０６はアルミニウム蒸着膜（
上部電極１０５）で電極形威されたポリエステル膜とな
っている。第２図（ｂ）は、表面の模式図である。その
動作原理は、所謂コンデンサスピーカおよびコンデンサ
マイクロフォンと類似の原理である。すなわち、下部電
極１０３と上部電極１０５の間に約３０からＩＯＯＶの
直流バイアスを与え、交流信号を加えるとポリエステル
膜１０６が振動し、空気溜１０７に閉じ込められた空気
のバネ作用で空気中に超音波が送波され、一方超音波が
外部から入ってきたときはその圧力変化でポリエステル
膜１０６が振動し上部電極１０５と下部電極１０３で形
或される一対のコンデンサの容量が変化しその変化を電
気信号に変えることで超音波信号の受信が可能になるも
のである。特に第２図のように下部電極をアレイ電極と
しアレイの各電極に各々位相の異なる交流信号を入力し
た場合は、各超音波素子がら位相の異なる超音波が発振
され合成波はその位相により前方の任意の方向に向ける
ことが可能となる。また任意の方向から入った超音波信
号は、各電極がらの電気信号を遅延合威することにより
距離画像として再生することができる。特にこの構造の
超音波トランスデューサを受渡器として用いた場合、非
常に微弱な信号を壜幅する必要があるため第２図（ｅ）
に示すような回路でインピーダンス変換を行い、増幅器
に出力゛している。

（発明が解決しようとする課題｝ 以上、例を用いて従来の静電型超音波トランスデューサ
及びそのインピーダンス変換部の説明を行った。この型
の超音波トランスデューサは増幅部や、信号処理部を同
一シリコン基板上に形戊でき、かつシリコン表面上に精
度よく形戒された多数の穴の大きさを変化させることに
より周波数帯域を制御することができるという優れた特
長を有している。しかしながら、この種のセンサをロポ
ット等に搭載した場合、モータや電源部からの電磁ノイ
ズを非常に受けＳ／Ｎ比が劣化することがわかった。

本発明の目的は、上記の欠点を除去したノイズに強い超
音波アレイトランスデューサを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、超音波アレイトランスデューサを二組
準備し、一つは超音波受波用とし、他方は超音波が入射
しないように表面を被いダミーとし、各対応するアレイ
トランスデューサの出力信号を差動で受けることを特徴
とした超音波アレイトランスデューサが得られる。

（｛’Ｉ’　Ｊｌ＋　） 本発明の超音波アレイトランスデューサでは、構造上二
種類のアレイトランスデューサが形威されており、一つ
は超音波信号を受信する本来の意味での超音波アレイト
ランスデューサであり、他方はアレイトランスデューサ
の形をしているが表面は超音波が入射しないように実装
したダミーである。これら二種類のトランスデューサの
各チャネルからの信号を差動で受けることにより、電磁
ノイズ等の同相部分を除去し、Ｓ／Ｎ比を上げるもので
ある。

（実施例） 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。従来例と同
様な製造方法により第１図（ａ）に示すような構或のア
レイトランスデューサを作る。ここでは説明の都合上図
面ではポリエステル膜は描いていない。同図の上半分１
１は超音波が入射できるようにし、一方下半分１２は超
音波が入射しないようにハウジングする。つまり上手分
１１の保護カバーは穴のあいたもの（例えばネット状〉
とし下半分１２の保１迂カバーは穴のあいていないもの
とする。超音波が入射しないように実装されたアレイト
ランスデューサをここではダミートランスデューサと呼
ぶ。このようにして得られたトランスデューサを第１図
（ｂ）の回路図に示すように結線する。図中１５はアレ
イトランスデューサ、１６はダミートランスデューサで
ある。第１図（ａ）でいえば上半分１ｌと下半分１２の
境界線をはさんで対応するトランスデューサに共通に直
流バイアス電源１７からバイアスを加え出力を差動増幅
器１８に入力する。このようにして得られた超音波アレ
イトランスデューサのチャネル１，２，・・・の出力１
，２，・・・を測定したところ、同相ノイズが除去され
Ｓ／Ｎ比が約３倍程度改善されることがわかった。

（発明の効果） 以上説明してきたように、本発明の超音波アレイトラン
スデューサは、電磁ノイズや電源部からもれ込んでくる
ノイズが除去され、その結果、感６度が向上した。また
、このような差動構戒をとることにより、絶縁耐圧の大
きな結合コンデンサを省略し、小型の増幅器を各チャネ
ルに接続し、増幅器内蔵の超音波アレイトランスデュー
サ形戒できる利点も得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図であり、（ａ）図はト
ランスデューサの表面模式図であり、（ｂ）図はその回
路部の図である。第２図は、従来の超音波アレイトラン
スデューサの図であり、（ａ）図は断面模式図、（ｂ）
図は表面模式図、（ｃ）図は信号出力回路の図である。 図中の番号は以下のものを示す。 １５・・・アレイトランスデューサ １６・・・ダミートランスデューサ １０１・・・シリコン基板 １０２・・・シリコン酸化膜 １０３・・・下部電極 １０４・・・ＣＶＤ酸化膜 １０５・・・上部電極 １０６・・・ポリエステル膜 １０７・・・空気溜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　超音波アレイトランスデューサを二組準備し、一つは
   超音波受波用とし、他方は超音波が入射しないように表
   面を被いダミーとし、各対応するアレイトランスデュー
   サの出力信号を差動で受けることを特徴とした超音波ア
   レイトランスデューサ。