JPH0476560B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波トランスジユーサに関し、特に
産業用ロボツトの近接覚の検出に利用することの
できる高性能かつ小型軽量の静電型空中超音波ト
ランスジユーサの製造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、産業用ロボツトの分野においては対象物
体の距離、大きさ、形状等の認識にCCD等の可
視光を用いる固体撮像センサが多く用いられてき
た。しかし、可視光を用いるセンサでは、対象物
体が透明であるときやセンサと対象物体との間の
媒体が塵等で汚れているとき等に用いることがで
きないという欠点がある。従つて、近年、可視光
にかわつて超音波を対象物体の認識に利用しよう
とする技術が登場した。超音波トランスジユーサ
においては、一つあるいは複数個のデバイスによ
り超音波の送波および受波を行なうので、超音波
の発振および受振を行なう機械的要素とこれを助
ける発振回路、受信回路等の電気的要素をうまく
組み合せて構成する必要がある。特に、ある面を
振動させて空気中に超音波を放射しようとすると
き、その面に対する空気の手ごたえ（音響インピ
ーダンス）は液体や固体に比べて非常に小さいの
で、大きな強度をもつ超音波の放射が困難であ
る。従つて、先に述べた機械的要素において効率
よく超音波が放射されるように設計することはも
ちろん、電気的要素においても増幅補償回路によ
り小信号を補償して受信する等の工夫が必要であ
る。しかし、現在一般に用いられている超音波ト
ランスジユーサは、この機械的要素の特性のデバ
イス間ばらつきがかなり大きく、必ずしも最適に
設計されているとは言えなかつた。さらに、機械
的要素と電気的要素とが一体の構造にされていな
いため、装置の小型軽量化が困難であるという欠
点も有していた。以下、従来例を図をあげて説明
し、同時にその欠点について述べる。第４図は従
来の超音波トランスジユーサの構成例の断面を示
す図である。図中４７は、円形のアルミ合金の板
で、表面に数〜数十μｍの深さをもつ複数個の穴
１０１が機械加工により形成されている。この穴
１０１の上面には、厚さ６〜20数μｍのポリエス
テルの膜４８が金属ケース４１とアルミ合金の板
４７により挾まれて固定されている。ポリエステ
ルの膜４８の表面は、アルミ合金の板４７と接す
る面と反対の側の表面に、金箔等による電極４９
が蒸着されている。図中の４３は保護スクリーン
で金属ケース４１に固定されており、ポリエステ
ルの膜４８が外部より破損されるのを防いでい
る。一方、アルミ合金の板４７の裏面には、金属
よりなる板バネ４６が取りつけられており、アル
ミ合金の板４７を金属ケース４１に押しつけてい
る。また、板バネ４６はプラスチツクケース４２
に固定されている。４４，４５は電極端子で、４
４は板バネ４６と一体に構成されており、一方、
４５は金属ケース４１と一体に構成されている。
従つて、電極端子４４の電位は、板バネ４６を介
してアルミ合金の板４７と等しく、一方、電極端
子４５の電位は、金属ケース４１を介して電極４
９と等しい。これより、電極端子４４，４５に電
圧が印加されるとき、この印加電圧と等しい電圧
がアルミ合金の板４７と電極４９の間に生じ、静
電気力によりポリエステルの膜４８を撓ませる。
従つて、この電極端子４４，４５に印加する電圧
が交流で変化するとき、ポリエステルの膜４８に
働く静電気力も交流で変化して、ポリエステルの
膜４８を振動させ、この結果、超音波が前面に放
射される。第５図は、前記第４図で述べた静電型
超音波トランスジユーサの原理を示す図で、振動
をおこす機械的要素５１とこれ以外の電気的要素
５２から構成されている。機械的要素５１は振動
板５１ａと固定板５１ｂから構成されており、例
えば第４図に示す構造をもつ。一方、電気的要素
５２は、超音波の送波の場合にはバイアス電圧５
３、抵抗５４、発振回路５５から構成される。
今、発振回路５５から信号が生じていないときに
は、振動板５１ａはバイパス電圧５３により固定
板５１ｂに引かれ撓んでいる。続いて、発振回路
５５にバイアス電圧５３よりも小さい交流電圧が
生じた場合には、発振回路５５の両端に生ずる電
圧の極性により以下のように変化する。すなわ
ち、発振回路５５の両端に生ずる電圧の極性がバ
イアス電圧５３と同じときには、これら電圧の和
に等しい電位差が振動板５１ａと固定板５１ｂに
加わるために、振動板５１ａの撓みは大きくな
る。一方、発振回路５５の電圧の極性がバイアス
電圧５３と逆の場合には、これらの電圧の差に等
しい電位差が振動板５１ａと固定板５１ｂに加わ
るために、振動板５１ａの撓みは小さくなる。従
つて、発振回路５５により発振回路の両端の電圧
を周期的に変化させるとき、振動板５１ａが振動
し、超音波が前面に放射される。なお、抵抗５４
は、振動板５１ａと固定板５１ｂの間で放電等が
生じた場合に、回路に大きな電流が流れないよう
に回路を保護する機能をもつている。以上超音波
の送波の場合について述べたが、受波の場合に
は、第５図の５５を増幅補償等を行なう受信回路
とすれば良い。このとき、外部から侵入した超音
波により、振動板５１ａが振動して、振動板５１
ａと固定板５１ｂの間の容量が変化する。従つ
て、受信回路５５に交流電流が流れ、これを増幅
補償してやることにより超音波の受波が可能とな
る。

（発明が解決しようとする問題点） 以上、例を用いて従来の静電型超音波トランス
ジユーサの説明を行なつた。この中で、第４図に
示す穴１０１を加工する際に、従来の機械加工に
よる方法では穴の寸法や形状に若干のばらつきを
避けることができなかつた。この穴１０１は、第
５図に示す振動板５１ａと固定板５１ｂの間の間
隙に対応するもので、その寸法や外形がばらつく
ときには、振動板５１ａを駆動する力がばらつ
き、結局、超音波の送受諸特性が一定にならない
という欠点があつた。また、先に述べたように、
超音波トランスジユーサにおいて、機械的要素と
電気的要素の組み合せは必要不可避なものであ
り、従来の構造を用いて、さらに高性能のデバイ
スを実現しようとすると、ますますこの電気的要
素の占める領域が大きくなり、装置を大型なもの
にするという傾向があつた。実際、アレイ化され
たトランスジユーサの電極を結ぶ配線は、こぜだ
けでかなりの大きさとなることが知られている。
このように、従来の技術では、さらに高性能のデ
バイスを作製しても、デバイスの小型軽量化をは
かることができないという欠点があつた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去
し、特性が均一でしかも高性能、小型軽量の空中
超音波トランスジユーサの製造方法を提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） 半導体基板の一方の主面に異方性エツチングに
より複数の穴を設け、この穴の表面に絶縁膜を形
成し、この絶縁膜上に第１の電極膜を形成し、一
方の面に第２の電極を有する有機体薄膜を穴のあ
る側の基板表面に張り付けることを特徴とする超
音波トランスジユーサの製造方法が得られる。

（作用） 本発明の超音波トランスジユーサは、半導体の
ICプロセス技術に合致した製法と周辺回路の集
積化を可能とした静電型超音波トランスジユーサ
であり、第２図に示すように弾性振動体であるポ
リエステルの膜が、ポリエステル膜の上下の電極
に加えられた電位差の変化に従つて上下に可動
し、超音波を送波するように工夫されている。ま
た、このデバイスを超音波の受波に用いる場合に
は、上記ポリエステル膜が外部超音波により振動
するときポリエステル膜の上下の電極間の電位差
が変化することを利用して、電気回路に流れる電
流の変化として読み出すことができるようになつ
ている。また、本発明の製造方法では、シリコン
基板を用いるため、(1)シリコンの微細エツチング
加工技術を用いてシリコン基板上に精度良く穴を
あけることができ、製造プロセスから生ずるデバ
イスの超音波送受の諸特性のばらつきを抑えるこ
とが可能、(2)発振回路および受信回路をシリコン
ICプロセス技術を用いて集積化することができ、
従つて高性能超音波トランスジユーサを小型軽量
に製造することが可能となつた。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

第１図および第２図は、本発明の一実施例を示
すものであり、それぞれ平面図および断面図に対
応している。本実施例の超音波の送波および受波
を行なう有機体薄膜のポリエステル膜４８の上面
には、金・アルミ等の上部電極４９が蒸着されて
いる。このポリエステル膜４８は、シリコン基板
１に開けられた未貫通のエツチング穴１２の上で
上下に振動して超音波の送受波を行なう。当該ポ
リエステル膜４８の主面の両側には、上部電極４
９および下部電極６が配置されていて、ポリエス
テル膜４８が振動する際に異なる電位差が印加あ
るいは発生する。なお下部電極６とシリコン基板
１の間には酸化膜３が挿入されており、電極６と
基板１の間に電流が漏れるのを防いでいる。下部
電極６は、これも酸化膜３の上におかれたアルミ
配線２１を介してシリコン基板１に作製された駆
動および受信のための集積回路８と電気的に接続
している。なお、前記エツチング穴１２は、寸法
および形状を精度良く仕上げるために、例えばシ
リコンの異方性エツチング技術を応用して作製す
る。これは、例えば、主面を（100）方向に持つ
シリコン基板１の一方の面に、一辺が＜110＞方
向に目合せされた複数個の正方形をフオトレジス
ト技術を用いて焼付けた後、試料をヒドラジン等
の異方性エツチング液中に浸して行なう。この場
合には、ピラミツド型の四面錐の形状をしたエツ
チング穴１２ができた段階で、シリコンのエツチ
ングが自動的に停止するという特長がある。ま
た、先に述べたように、フオトレジスト技術を用
いてエツチング穴１２の形状を作製するために、
微細な形状を高い精度で形成することができるこ
と、さらに、試料を液中に浸してエツチングを行
なうので、一度に多量の試料を処理することがで
きるという利点がある。

第３図は、本発明の実施例をもつ超音波トラン
スジユーサを製造する手順の一例を示したもので
ある。図において、先に本発明の一実施例として
示した第１図および第２図と同一番号は同一構成
要素を示している。同図ａは、（100）面をもつシ
リコン基板１の表裏に酸化膜３をつけたものにフ
オトエツチング技術を用いて前記第１図のエツチ
ング穴１２と同じ形状の開口３０を形成したもの
である。開口３０を形成する際には、第１図のエ
ツチング穴１２の辺が＜110＞方向に向くように
配置する必要がある。この試料をEDP（エチレン
ジアミンピロカテコール）あるいはヒドラジン等
の水溶液に浸して、シリコンの異方性エツチング
を行なう（同図ｂ）。EDP、ヒドラジン等の水溶
液は、シリコンの（111）面に対するエツチング
率に比べて（100）面に対するエツチング率が著
しく大きくという性質（異方性）をもつている。
従つて、同図ａの試料を前記水溶液に浸すことに
より、同図ｂに示すエツチング穴１２を作製する
ことができる。続いて、エツチング穴１２に酸化
膜３をつけるために試料を再び酸化炉に入れ、そ
の後、通常のシリコンICプロセス技術を用いて、
送受信用の集積回路８を形成する（同図ｃ）。続
いて下部電極６および集積回路８に接続するアル
ミ配線２１を蒸着等により形成する（同図ｄ）。

下部電極は、酸化膜３との接合を良くするため
にCrの下地にAuを上においたものが望ましいが、
必らずしもこれに限定されることなく、アルミ等
の金属で代用しても良い。この後、上部電極４９
を蒸着したポリエステル膜４８をシリコン基板１
に接着した後、デバイスをパツケージに実装す
る。

第６図および第７図は本発明の他の実施例を示
す平面図である。図において、第１図および第２
図と同一番号は同一構成要素を示している。これ
らの実施例において、破線で示された複数の矩形
７０は、第１図および第２図に示す同一下部電極
上に含まれる要素を示している。ただし集積回路
８は含まれない。また、当該振動体要素７０の上
下面に形成された電極はアルミ配線を介して周辺
回路８の一部と接続されている（図示せず）。第
６図および第７図の実施例に示すように当該振動
体要素７０を複数個並べたときに、超音波を前面
の小さな角度に強く放射したり、前面の小さな角
度のみの超音波を強く受信したりすることがで
き、周囲の雑音に惑わされることが少なくなると
いう特長がある。また、先に述べたシリコンの異
方性エツチングの技術を用いると、正確に形状の
等しい振動体要素７０を同時に形成することがで
きるため、品質および製造に要する時間の点から
も少しも問題がないという特長がある。ここに示
した実施例の他にも、中央の振動体要素７０の面
積を大きくとり、周辺に行くに従つて振動体要素
７０の面積を小さくした実施例もある（図示せ
ず）。この場合には、上記した指向性がさらに改
善され、雑音の少ない高品質のデバイスを提供す
ることができるという利点がある。

第８図も本発明の他の実施例である。図におい
て、第６図と同一番号は同一構成要素を示してい
る。本発明の実施例においては、振動体要素７０
に形成された下部電極が各振動体要素７０ごとに
分離して配置されており、それぞれアルミ配線を
介して周辺回路８に接続されていることに特徴が
ある。従つて、本実施例の構成をとる超音波トラ
ンスジユーサにおいては、各振動体要素７０ごと
に異なつた強度および位相をもつ電圧を印加する
ことが可能となる。特に、各振動体要素７０に異
なつた位相をもつ電圧を印加することにより、超
音波の送波および受波の方向を変化させることが
でき、従つて、電気的に走査を行なう高性能な超
音波トランスジユーサを提供できるという特徴が
ある。この実施例においては、振動体要素７０の
下面の電極を各振動体要素７０について分解した
が、この外に、各振動体要素７０の下面の電極を
共通にして、各振動体要素７０の上面の電極（図
示せず）を各振動体要素７０ごとに分離しても上
と同様の効果をもつデバイスを実現することがで
きる。第８図においては１行５列の超音波トラン
スジユーサアレイを示したが、振動体要素７０の
個数について何ら制限される必要はない。例え
ば、前記第７図の実施例において、振動体要素７
０の上下面の電極を各振動体要素７０ごとに分離
して配置し、それぞれの電極を周辺回路８に接続
すると二次元の方向に電気的に走査することので
きる二次元超音波トランスジユーサを実現するこ
とができる。また、本実施例で述べた超音波トラ
ンスジユーサアレイにおいては、各振動体要素７
０の下面電極は通常のICプロセス技術を用いて
同時にかつ容易に形成することができるという点
も従来技術に比べて大きな長所である。

なお下部電極あるいは上部電極が分離された実
施例において、一つの振動体要素７０は第１図、
第２図に示したような複数のエツチング穴を持つ
ものとして説明したがこれに限らず第１図、第２
図中のエツチング穴一個が一つの振動体要素に対
応するものと考えてもよい。

以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行
なつた。なお、本発明の構成は、信号として使用
する超音波が連続的に変化するか、あるいは一及
至数個の波長のみでパルス的に変化するか等に関
係なく成り立つものである。また、超音波の波長
が単一かあるいは複数個か等にも関係なく成り立
つものである。また、本発明の実施例において
は、振動体の下の穴中に空気が閉じこめられてい
たが、この構成の他に、穴の底に開口穴を開けて
空気の流動を可能とした構成もある。さらには、
穴の外側にスポンジ等の音を吸収する物質を置く
等の方法によりデバイスの裏側の影響を少なくし
た構成、および振動体の前面にホーンを配置して
感度を高くした構成も本発明に含まれる。

なお、上記実施例において振動体の面積を大き
くしたり、厚さを薄くしたりすることにより超音
波の送波および受波の感度を大きくすることがで
きる。しかし、この場合には、同時にデバイスの
周波数特性等の変化が生ずるので、超音波センサ
を設計する際には、以上の効果を考慮して、感度
および周波特性や電気音響変換効率等を最適にす
るように振動体の寸法を決めなければならない。

（発明の効果） 以上説明したとおり、本発明によれば、特性の
ばらつきの少ない高性能かつ小型軽量の空中用集
積化超音波トランスジユーサを供給することが可
能となつた。その結果、産業用ロボツト等の分野
で近接覚等の検出に高性能な超音波トランスジユ
ーサを利用することができるようになつた。ま
た、本発明の超音波トランスジユーサは従来の半
導体ICプロセス技術と合致した製法で大量に製
造することができるため、製造コストを低減する
ことができる。これらの効果は著しいものであ
り、本発明は有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の一実施
例の平面図および断面図、第３図ａ〜ｄは本発明
の実施例を製造する方法の一実施例を示す概念
図、第４図は従来の超音波トランスジユーサの断
面図、第５図は従来の静電型トランスジユーサの
原理図、第６図および第７図は本発明の他の実施
例を示す平面図、第８図は本発明による超音波ト
ランスジユーサアレイの一実施例を示す平面図。 １……シリコン基板、３……酸化膜、６……下
部電極、８……集積回路、２１……アルミ配線、
１２……エツチング穴、３０……開口、４１……
金属ケース、４２……プラスチツクケース、４３
……保護スクリーン、４４，４５……電極端子、
４６……板バネ、４７……アルミ合金の板、４８
……ポリエステルの膜、４９……上部電極、５１
……機械的要素、５１ａ……振動板、５１ｂ……
固定板、５２……電気的要素、５３……バイアス
電圧、５４……抵抗、５５……発信および受信回
路、７０……振動体要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板の一方の主面に異方性エツチング
   により複数の穴を設け、この穴の表面に絶縁膜を
   形成し、この絶縁膜上に第１の電極膜を形成し、
   一方の面に第２の電極を有する有機体薄膜を穴の
   ある側の基板表面に張り付けることを特徴とする
   超音波トランスジユーサの製造方法。