JPS61146098A - 複合型超音波送受波器 - 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 本発明は空中に超音波を送受波し、対象物までの距離、
或いは対象物の形状などを認識する超音波送受波器に関
するものである。

従来の技術 最近、超音波送受波器は測距器や近接センサの分野で盛
んに利用されるようになってきた。この超音波送受波器
は例えば単一の超音波振動子からなるものとしては、文
献山本美明゛ゞ音響認識″電子技術２６巻６号ＰＰ５２
−５７にまとめているように圧電セラミック振動子のバ
イモルフ構造を利用したもの、或いは、コンデンサ型の
超音波振動子などが知られている。これらは数十ＫＨｚ
から２００　ＫＨｚ程度までの超音波を送受波できるが
、超音波ビームの指向性が広く、極めて小さいもの、或
いは溶接線のような段差のあるものの段差を追従する超
音波センサとしては使用できない。

一方、複合型の超音波振動子としては、例えば医療用診
断装置に利用されているアニユラアレイ型探触子が知ら
れている。以下、第６図を用いて従来の複合型超音波送
受波器について説明する。

ａは正面図、ｂは背面図を示す。第６図において１は凹
面振動子、２は凹面振動子の背面に同心円状に分割され
て設けられた分割電極、３は超音波振動子の正面側に設
けた電極、４は背面負荷、５は音響整合層、６はそれぞ
れの電極に接続されたリード線、７はそれぞれのリード
線６に接続された駆動端子である。分割電極２の設けら
れた凹面振動子の部分はそれぞれ独立した超音波送受波
器として動作することが可能であり、図示していない送
受信器によって被検体中に超音波を送受波する。

このような構成の複合型超音波送受波器を空中用として
用いると、個々の超音波送受波器から放射される超音波
ビームの中心軸は全て同一の直線上になる。一方、超音
波ビーム径は、それぞれの超音波送受波器によって変化
し、最も外側の部分からの超音波ビームが最も細くなる
。

一方、溶接ロボットなどにおいて、重ね溶接の場合の段
差部の自動検出用センサなどの要望も多い。この場合自
動検出を行うためのセンサに要求される条件は、例えば
対象物として平板型から三次元の曲面型のもの寸で考え
ると、次のような特性が検出器に要求される。

（１）斜面部の検出も可能であること （２）段差部の検出精度は最終的には１趨以下の高精度
であること （３）検出速度が早いこと （２）の要望を満すためには超音波送受波器として超音
波周波数は１ＭＨｚ程度で、かつフォーカス型振動子に
する必要がある。

発明が解決しようとする問題点 従来用いられていた数１０ＫＨ２の単一型超音波振動子
ではこれらを複数用いて複合型超音波送受波器として用
いても、１Ｈ以下の高精度な検出能力は生じない。

次に、第６図に示したような従来、医療用に用いている
複合型超音波送受波器を用いた場合も先と同様、検出精
度を出すためには１ＭＨｚ程度の超音波周波数を送受波
することが必要である。ＰＺＴ系圧電セラミック振動子
の場合に約２１ｆｌＩ厚の凹面振動子を用い、直径２０
ｆｆ、凹面の曲率半径６０１ｍのものを用いれば１ｆｌ
以下の超音波ビーム径が得られる。また独立の超音波送
受波器をそれぞれ遅延制御して、送受波するとフォーカ
ス点を制御することができる利点があるが、この場合送
信部。

受信部の構成が複雑になる欠点がある。一方、このよう
な超音波送受波器を溶接ロボット用センサとして用い、
曲面を有する対象物の検出に用いると、検出可能な視野
角が立体角で約１０°であるため、常に曲面に垂直に近
い位置に超音波送受波器を設定する必要があり、斜面の
検出が困難でロボットの動きが制約され、かつ、検出時
間が長くなる問題があった。

本発明は上記問題を解決するもので、送信部。

受信部を簡単にし、斜面の検出を可能にし、かつ検出速
度を早くする複合型超音波送受波器を提供することを目
的とするものである。

問題点を解決するための手段 棧明は上記目的を達成するもので超音波を送受波する凹
面振動子と、前記凹面振動子の背面側に設けられた少な
くとも３個の分割電極と、前記凹面振動子の正面側に設
けられた電極と、前記各電極に接続されたリード線とを
具備し、前記分割電極部分より送受波される超音波ビー
ムの中心軸が互いに交差するように分割電極を配置した
ことを特徴とする複合型超音波送受波器を提供するもの
である。

作用 本発明は上記構成により、対象物の粗なセンシングの場
合には各分割電極を独立に駆動し、また検出分解能を高
める場合には同時に駆動することにより、複数方向から
のセンシングや斜面の検出を可能にし、かつ検出速度の
向上をはかることができる。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施例につい
て説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における複合型超音波送
受波器の側面断面図である。第１図において１は球面状
の凹面振動子であり例えばＰＺＴ系圧電セラミックから
なり、２は凹面振動子の背面側に設けた分割電極であシ
、分割方法は第２図に示す。３は凹面振動子の正面側に
設けた電極、４は背面負荷、６は音響整合層、６は分割
電極２と電極３に接続されたリード線であり入力端子７
を通して送信器８及び受信器９に電気的に接続されてい
る。１０は空中に放射される超音波ビームである。第２
図は本実施例の分割電極を示すものであり、中心の分割
電極２ａの上下左右に１つずつ計６個の分割電極２１．
２ｂ　、２ｃ　、２ｄ　。

２ｅから構成されている。

以上のような構成において、以下その動作を説明する。

まず、分割電極２ａ〜２ｅから順に駆動され、送受波さ
れる超音波ビーム１ｏの様子は第３図のようになる。こ
こで分割電極２２Ｌ〜２ｅの部分から送受波される超音
波ビームの進行方向に沿った中心軸はそれぞれの分割電
極に対応して１１ａ〜１１ｅｌのように１１′ａ−を中
心として四方から放射され、焦点１２で交差する。これ
らの超音波ビームの焦点１２でのビーム径ωは次式で求
められる。

Ｆ拳■ −ｆ ここでＦは凹面振動子面から焦点１２までの距離、Ｄは
電極の直径、■は空気中の音速、ｆは超音波周波数であ
る。これより、Ｆ二５０ｍｍ、Ｄ＝１０ｗｚ、Ｖ＝−３
４ｏｍ／ｓ　、ｆ＝１ＭＨｚとすると、超音波ビーム径
ωは１．７順となる。また中心軸１１ｉａと１１ｄの角
度は約２１．８度となる。１つの超音波ビームで検出で
きる方位は立体角で約１０°前後であるが、この複合型
超音波送受波器を用いると検出できる方位角は約３００
に拡大され、曲面をもった対象物に対しても追従が容易
になる。

更に対象物の位置が求まり、複合型超音波送受波器が対
象物にほぼ垂直に設定されると個々の超音波送受波器を
電気的に並列に接続し、同時に駆動し、受波することに
よって、放射される超音波ビーム径を更に細く絞り検出
分解能を高めると共に、送受波感度を高めることも可能
になる。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、一つ
の凹面振動子上に複数の超音波送受波器を電極分割で構
成し、独立の動作を可能にした構造であることから、検
出できる方位角を拡大でき、曲面をもった対象物の検出
をも可能にできる。また、同時に駆動することにより検
出精度を高めることも可能となり、１ｍ以下の検出精度
にすることも容易である。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第４図は本発明の第２の実施例における複合型波 超音波送受）の概略の構成図である。第４図において、
第１図の構成と異なる点は、個々の超音波送受波器１３
２Ｌ〜１３Ｃを凹面振動子１の中心に対し、３個、回転
対称の位置に配し、かつ、残りの部分にも電極１４を分
離して設けたことである。

上記構成において、以下その動作を説明する。

個々の超音波送受波器の動作は第１の実施例と同じであ
り、３方向から順次、超音波を放射することによって視
野角の広い検出が可能になる。次に対象物の位置が求ま
った場合、残りの電極１４をも含めて同時に送受波に用
いると、第１の実施例よりも高感度で、かつサイドロー
プの少ない超音波ビームが得られる。

以上、本実施例によれは、第１の実施例と同様対象物が
曲面をもった場合にも視野角が広いために検出能力が高
くなり、かつ高感度、更には、サイドローブの少ないこ
とによるＳ／Ｎ比の良い信号が受信できる。

なお、以上の説明では球面の凹面振動子を用いているが
、こ扛は放物面など、他の形状の凹面振動子を用いても
よい。更に、電極面積も同じにするのでなく、例えば、
第１の実施例において、中心部の電極を大きクシ、周囲
の電極を小さくしてより視野角を広げてもよい。

発明の効果 以上のように本発明は、凹面振動子の背面側に複数の分
割電極を設けて独立した小さい超音波送受波器を構成し
、複数の方向から超音波を送受波することにより、視野
の広い検出が可能になり、曲面をもった対象物の検出を
も容易になる。更に検出精度も１ｊＩＭ以下で行うこと
が可能であり高分解特性をもつ。このような複合型超音
波送受波器を溶接ロボットなどのセンサに用いた場合、
視野の広い検出が可能なため、対象物の探索時間が短縮
され、早い処理能力が得られ、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における複合型超音波送
受波器の断面図、第２図は前記複合型超音波送受波器の
凹面振動子背面の分割電極の配置図、第３図は前記複合
型超音波送受波器から放射される超音波ビームの中心軸
を示す図、第４図は本発明の第２の実施例における凹面
振動子背面の分割電極の配置図、第６図は従来の複合型
超音波送受波器の概略の構成図でａは背面図、ｂは平面
図である。 １・・・・・・凹面振動子、２．２Ｎ〜２６，１３゜１
３ａ〜１３Ｃ・・・・・・分割電極、３・・・・・・電
極、４・・・・・・背面負荷、５・・・・・・音響整合
層、６・・・・・・リード線。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名菓１
図 柿ｔ＠ 第４図 第５図 （ａ）（υ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を送受波する凹面振動子と、前記凹面振動
   子の背面側に設けられた少なくとも３個の分割電極と、
   前記凹面振動子の正面側に設けられた電極と、前記それ
   ぞれの電極に接続されたリード線とを具備し、前記分割
   電極部分より送受波される超音波ビームの中心軸が互い
   に交差するように分割電極が配置されていることを特徴
   とする複合型超音波送受波器。
2. （２）分割電極が凹面振動子の中心に対して回転対称の
   位置になるよう配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の複合型超音波送受波器。