JPS61220598A

JPS61220598A - 超音波トランスジユ−サ

Info

Publication number: JPS61220598A
Application number: JP6133485A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Suzuki; 健一郎鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-03-26
Publication date: 1986-09-30
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPH067719B2

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）本発明は超音波トランスジー−サに関し、特に産業用ロ
ボットの近接室の検出に利用することのできる高性能か
つ小型軽量の超音波トランスジューサの構造に関するも
のである・（従来技術とその問題点）従来、産業用ロボッ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
。従って、近年、可視光にかわっ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
スジューサにおいては、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
発振および受信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。従って、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ューサは、この機械
的要素と電気的要素が一体とはならす番こ分離している
。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
、中央に数十〜数百μｍの深さをもつ溝１０１が形成さ
れている。この溝１０１の上面には、厚さ６〜２０数μ
ｍ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により挿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
反対の側の表向に、金箔等による電極４つが蒸着されて
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か外部より破損
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４Ｇ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はプラスチックケース４２に固定
されている。４４．４５は電極端子で、４４は板バネ４
６と一体に構成されており、一方、４５は金属ケース４
１と一体に構成されている。従って、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１位は、金属ケース４１を介
して電極４９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４
８を撓ませる。従って、この電極端子４−４　、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図で述べた静電然型超音波トラ
ンスジュ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
２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５３、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はバイアス電圧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１辰回路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７ん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。従って、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
能をもっている。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は良い。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。従って、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。以上、例を用いて
従来の静電型超音波トランスジー−サの説明を行なった
。ここで示したように、超音波トランスジー−ザにおい
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、従来例として第４図に示した超音波トラン
スジー−サにおいても第４図の機械的要素に外付けの電
気回路を付帯して全体を構成していた。従って、従来の
構造で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った。

この傾向は、超音波トランスジー−サアレイを実現しよ
うとするときにます才す問題となった。実際アレイ化さ
れたトランスジューサの電極を結ぶ配線は、これだけで
かなりの大きさとなることが知られている。一方、先に
述べたように産業用ロボットの分野において高性能かつ
小型の超音波トランスジューサが必要とされている。従
って、超音波トランスジユーザの電気的要素をシリコン
のＩＣプロセス技術を利用して集積化し、これと振動を
行なう機械的要素を一体に成形して小型軽量を実現した
デバイスが切に望すれていた。しかし、従来の構造をも
つ超音波トランスジューサにおいては、機械的快素をシ
リコンのＩＣプロセス技術と合致して製造することが不
可能なため、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った。

（発明の目的）本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、高性能
かつ小型軽量の超音波トランスジー−ザを提供すること
にある。

（発明の構成）本発明によれば、表面の一方の側に第一の電極をもつダ
イアフラムと、当該ダイアフラムとスペーサを介して対
向する第二の電極により構成されより、また、前記スペ
ーサがシリコンにより構成されることを特徴とする超音
波トランスジー−サおよび、表面の一方の側に第一の電
極をもつダイアフラムと、当該ダイアフラムとスペーサ
を介して対向する第二の電、極により構成される静電型
超前記スペーサがシリコンにより構成される超音波トラ
ンスジー−サを一つの素子とし、当該素子を同一シリコ
ン基板上に複数個ならべ、前記第一あるいは第二の電極
の少なくとも一方を当該各素子ごとに分離し、当該各素
子の前記ダイアフラムに当該素子ごとに異なる電圧が印
加されるようにした超音波トランスジューサが得られる
。

（発明の作用原理）本発明の超音波トランスジー−サは、シリコンの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
したモノリシック超音波トランスジー−サであり、第２
図に示すように弾性定数の小さい高分子膜により主６と
構成されたダイアフラムがこの上下の電極に加えられた
電位差の変化に従って変形し、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、上記ダイアフラムが外部超音波により
振動するときダイアフラムの上下の′■極間の容量が変
化することを利用して、電気口：烙１こγ奇れる電流の
変化として峨み出すことプバできろようになっている。

また、上記ダイアフラムと下部ｔ）ノミ極の間に挿入さ
れたスペーサｈＳシリコンより構成されているため、こ
のスペーサの領域に発１１１．！回路および受信回路を
ＩＣプロセス技術により集積化することが可能であるた
め、高性能超竹波トランスジューサを小型ボイ量に製造
することができた。

（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１１７１は、本発明の一実施例を示す断面図であり
、第２図は本発明の動作原理を示す観念図である。図に
おいて、従来例として示した第４図および第５図と同一
番号は同一構成要素を示している。本実施例の超音波の
送波および受波を行なうダイアフラム２２は、二酸化シ
リコン（Ｓｉｎ、）等の薄い無機絶縁膜１と数〜２０μ
ｍの厚さをもつポリイミド樹脂等よりなる高分子膜２よ
り構成されているために小さな弾性定数をもち、そのた
めに振動による変形が容易な構造となっている。

当該膜１は、本実施例の外に、窒化シリコン膜（８ｉ３
Ｎ４）あるいはＳ　ｉ　３　Ｎ４／８　ｔＯｖ／Ｓ　＋
　３　Ｎ４の３層構造膜等でも良く、シリコン基板９を
化学的にエツチングして溝１２を形成するときに高分子
膜２を保護する役目をもっている。また、高分子膜２は
、回転塗布法を用いると厚さを精確に制御することが可
能であり、材料として本実施例の外にフォトレジストを
用いても良い。かかる構造をもつダイアフラム２２の一
方の表面には、金等が蒸着等によりつけられて第一の電
極３を形成している。一方、当該ダイアフラム２２の背
面には、当該第一の電極３に対向して第二の電極４がベ
ークライト等の絶縁ケース５の上につけられており、前
記第一の電極３と当該第二の電極４により前記ダイアフ
ラム２２と前記シリコン基板９を挿み込んだ構造をして
いる。当該シリコン基板９は前記ダイアフラム２２と前
記第二の電極４のスペーサとじての役目卒しており、ダ
イアフラム２２と接する面には８で示す発眼および受信
回路がＩＣプロセス技術により集積化されている。また
、当該シリコン基板９のダイアフラム２２が形成されて
いる面と反対側の面では、金・シリコン共晶合金１３等
によりシリコン基板９が電極４および絶縁ケース５に接
着されている。図中の１０および１１はリードで、それ
ぞれボンディング線６およびアルミ配線７を介して集積
回路８と外部の電源および制御装置（図示せず）との間
に信号の入出力を行なう。

なお、当該リード１１は、前記第二の電極４と図に示す
ように接続されており、前記集積回路８の端子に電極４
と等しい電位を与えている。第２図の（ａ）は、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
反対の場合を示しており、同図（ｂ）は、当該電圧の極
性が同じ場合を示している。同図に示すように、当該ダ
イアフラム２２は、同図（ｂ）の方が同図（ａ）よりも
大きく変位する。従って、発振回路５５の電圧が交流的
に変化して極性を変えるとき、ダイアフラム２２は、同
図（，１→（ｂ）→（ａ）→・・・と変形することにな
り、この結果、ダイアフラム２２の前面に超音波が放射
される。超音波の強度は、バイアス電圧５３の大きさが
大きい程強く放射されるが、一方、バイアス電圧５３が
大き過ぎるときには、ダイアフラム２２と電極４の間に
放電が生じるためにデバイスの破損が生じる危険がある
。従って、バイアス電圧５３は適度な値に設計されるべ
きである。先に述べたように、当該デバイスを超音波の
受波に用いる場合には、第２図の５５を適当な受信回路
で置き換えると良い。このとき、第一の電極３と第二の
電極４の間の容量がダイアフラム２２の変形に従って変
化するから、外部より侵入した超音波がダイアフラム２
２を同図（ａ）→（ｂ）→（ａ）→・・・と変形させる
とき、受信回路５５の両端に流れる電流値が変化する。

この電流値を受信回路５５により適度に信号処理するこ
とにより、超音波の受信が可能となる。なお、本実施例
で述べた発信回路および受信回路は、特に限定されるも
のでなく、全ての周知の回路技術を本発明に含むことは
言うまでもない。

第３図は、本発明の実施例をもつ超音波トランスジー−
サを製造する手順の一例を示したものである。同図（、
）は通常のシリコンのＩＣプロセス技術を用いて周辺回
路３２をシリコン基板３０の表面に形成したものである
。この段階においては、通常、酸化膜３１がシリコン基
板３０の表裏に形成されているので、当該酸化膜３１を
エツチングして完全に除去する（同図（ｂ））。続いて
、シリコン基板３０の表側の面に酸化膜３１をｃｖｎ法
により形成しく同図（Ｃ））、さらに熱酸化法によって
シリコン基板３０の表裏面に薄い酸化膜を形成する（同
図（ｄ））。以上の手順を行なう理由は、シリコン基板
３０の表側の面の酸化膜３１に生ずる応力を低く抑える
ためであり、後述する同図（ｈ）の段階でエツチングが
当該酸化膜３１で停止するようにするために必要である
。さて、同図ｆｄ）のシリコン基板３０の表１１１１に
ポリイミド樹脂等を回転４ミ布し、これを焼き固めて高
分子１莫３３を形成した後、フォトレジスト等で保護し
て周辺回路３２の電極を外部に取り出すためのコンタク
ト穴３４を開ける（同図（ｅ））。続いて、シリコン基
板３０の表側にアルミ等を蒸着した後、不必要な箇所を
除去して電極３５およびアルミ配線３８を形成する（同
図（ｆ））。当該シリコン基板３０の裏側より溝パター
ン３６の領域ｌこおける酸化膜３１を除去する（同ｌ；
４（ｇ））。この後、シリコン基板３０の裏側のみがエ
ツチング液と接触するようにした治具を用いてシリコン
基板３０をエツチングして溝３７を形成する。この際シ
リコンのエツチング液トシて、Ｋ　ＯＨ、ヒドラジン等
の異方性を示すエツチング液を用いると、横方向の不必
要なエツチングがないため、溝３７を正確に制御して形
成することができる。なお、シリコン基板３０の表側に
形成された酸化膜３１に大きな応力が存在するときには
、同図（ｈ）で示される溝３７を形成したときに当該溝
３７を覆う当該酸化膜３１にクラックが生じ、このクラ
ックを通して高分子膜３３がエツチングされるというこ
とが起こる。従って、当該シリコン基板３０の表側の酸
化膜３１に大きな応力が生じないように注意しなければ
いけない。

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
た複数の矩形はダイアフラム２２を示している。また、
当該ダイアフラム２２の上面に形成された電極３はアル
ミ配線６０およびコンタクト穴６１を介して周辺回路８
の一部と接続されている。なお、これらの図において、
周辺回路８の間を結ぶアルミ配線はこれを省略して描い
た。第６図および第７図の実施例に示すように当該ダイ
アフラム２２を複数個並べたときには、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、
単一の大きな面積をもつダイアフラム構造と比較して、
本実施例に示すように小さな複数個のダイアフラムに分
割するときには、基本モード以外の高調波の信号を減少
させることができるという利点があり、これも同様に信
号の雑音の減少に役立つ。さらに、前記第３図（ｈ）の
説明で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ダイアフラム２２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、中央のダイアフラム２２の面積
を大きくとり、周辺に行くに従ってダイアフラム２２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、ダイアフラム２２の上面に形成された
電極３が各ダイアフラム２２ごとに分離して配置されて
おり、それぞれアルミ配線６０およびコンタクト穴６１
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
。従って、本実施例の構成をとる超音波トランスジー−
サにおいては、各ダイアフラム２２ごとに異なった強度
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、各ダイアフラム２２に異なっ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、従って、電気的に走査を行なう高
性能な超音波トランスジー−サを提供できるという特長
がある。第８図に示す実施例においては、ダイアフラム
２２の上面の電極３を各ダイアフラム２２について分離
したが、この他に、ダイアフラム２２上向の電極３を共
通にして、ダイアフラム２２の下面の第二の電極（図示
せず）を各ダイアフラム２２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。また第
一の電極と第二の電極をともにダイアフラム２２ごとに
分離してもか才わない。第８図においては１行５列の超
音波トランスジー−サアレイを示したが、ダイアフラム
２２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７１ズの実施例において、ダイアフラム２２上
向の電極３を各ダイアフラム２２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吉のできる二次元超音波トラ
ンスジー−サを実現するこ吉ができる。また、本実施例
で述べた超音波トランスジューサアレイにおいては、各
ダイアフラムの上面電極は通常の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。

以上、本発明にこついて例を挙げ詳細な説明を行なった
。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−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、ダイアフラムの下の溝中に空気が閉じこめられ
ていたが、この構成の外に、溝の底に穴を開けて空気の
流動を可能とした構成もある。さらには、溝穴の外側に
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、およびダイアフ
ラムの前面にホーンを配量１ッ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ダイアフラムの面積を大きく
したり、厚さを薄くしたり、あるいは、スペーサさして
用いられるシリコン基板の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旨くすることがで
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、感度および周波数特性等
を最適にするようにダイアフラムとスペーサの寸法を決
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、高性能かつ小型
軽量の超音波トランスジー−サを供給することが可能と
なった。その結果、産業用ロボット等の分野で近接覚等
の検Ｂ着こ高性能な超音波トランスジューサを利用する
ことができるようζこなった。また、本発明の超音波ト
ランスジューサは従来のシリコン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図は本発明の一実施例の断面図、第２図は本発明の
動作原理を示す概念図、第３図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
波トランスジューサの断面図。第５図は従来の静電型トランスジー−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ューサアレイの一
実施例を示す平面図である。１．３１　酸化膜　　　２，３３　高分子膜３．４，３
．５．４９・・・電極　５・絶縁ケース６・ボンディン
グ線　　７　、３８　、’６０・・・アルミ配線８．３
２・周辺回路　　９，３０・・・シリコン基板１０．１
１・・・リード　　　１２，３７，１０１・・・溝１３
・・・金・シリコン共晶合金２２−ダイアフラム　　３４．　、６１−コンタクト穴
３６　・溝パターン　　　４１・・・金属ケース４２・
プラスチックケース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。＼Ｃ二筆、イ　圀第３図（ｈ）勾剣　　／　譚［］］ゴーーーーーー〜オフ　０　四カフ国ｅ＋ｖ　　６７筋θ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面の一方の側に第一の電極をもつダイアフラム
と、当該ダイアフラムとスペーサを介して対向する第二
の電極により構成される静電型超音波トランスジューサ
において、前記ダイアフラムが無機絶縁膜および高分子
膜の複合層により、また、前記スペーサがシリコンによ
り構成されることを特徴とする超音波トランスジューサ
。
（２）表面の一方の側に第一の電極をもつダイアフラム
と、当該ダイアフラムとスペーサを介して対向する第二
の電極により構成される静電型超音波トランスジューサ
において、前記ダイアフラムが無機絶縁膜および高分子
膜の複合層により、また、前記スペースがシリコンによ
り構成される超音波トランスジューサを一つの素子とし
、当該素子を同一シリコン基板上に複数個ならべ、前記
第一あるいは第二の電極の少なくとも一方を当該各素子
ごとに分離し、当該各素子の前記ダイアフラムに当該素
子ごとに異なる電圧が印加されるようにした超音波トラ
ンスジューサ。