JPS62149299A - アレイ型超音波トランスデユ−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
いは対象物の大きさや形状を認識したりするための新し
い超音波トランスデユーサの構造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
はロボッ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あるいは自動機器は、ある定まった
形、定まった大きさ、あるいは定まった重さの物を持ち
上げたり運んだり、あるいは加工・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：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎｕ−ｆ
ａｃｔｕｒｉｎｇ　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
ては、人間の感覚器官に代る様々なセンサをロボットあ
るいは自動機械に装備し、それらに判断機能をもたせる
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みつけ、次
に近接室センサにより対象物に近づき、最後に触覚セン
サにより対象物の硬さ、対象物をつかんだ時の反発力の
情報を得る。

これらのセンサの中で近接室センサは、視覚センサが補
えない近距離の距離情報を得るもので空中超音波が適し
ていると考えられている。

従来、この種の空中超音波トランスデユーサとしてＰＺ
Ｔ等の圧電体の共振を利用したものや静電容量型のトラ
ンスデユーサが市販されている。静電容量型のトランス
デユーサの中で最も良く知られているのはコンデンサス
ピーカやコンデンサマイクロホン等の音響機器であり、
これらは周波数帯域は低く可聴音波領域であるが、電気
音響変換機器の代表である。第６図はコンデンサスピー
カの動作原理及び構造を示す模式断面図である。電極６
０３の周辺部に絶縁体６０５でできた枠を設け、その上
に高分子フィルム６０２を張りつける。フィルム６０２
の上面には、アルミあるいは金等の導体の蒸着膜が形成
されており、フィルム表面が等電位になるように作られ
ている。そのフィルム面上の金属膜はアース電極６０１
と接着されアース電位となる。

裏面の金属電極６０３に直流バイアス電圧が加えられ、
フィルムが金属電極に引きつけられ、更に交流信号を加
えることにより、フィルムが振動し音波が空中に発せら
れる。マイクロホンの場合は、空中を伝播してきた音波
によりフィルムが振動し、その容量変化を検出するため
、第６図で交流信号印加の代りに増幅器を設ければよい
。また、第６図では直流バイアス回路が必要であるが、
帯電処理の施されたエレクトレットフィルムを使用する
ことにより、バイアス回路は不要となる。これらのスピ
ーカやマイクロホンは効率はあまり良くないが周波数特
性が良いという利点がある。

第７図は、カメラのオートフォーカスのための測距セン
サとして用いられている静電容量型の超音波トランスデ
ユーサである。その断面構造は第７図に示すようなもの
である。表面に凹凸のあるアルミニウム板７０２に片面
が金蒸着された高分子フィルム７０１をかぶせ、板バネ
７０３で裏側からおしつけられる。このトランスデユー
サの駆動は、金蒸着高分子フィルム７０１を接地し、ア
ルミニウム板７０２に約３００ｖ直流電圧を加え、かつ
±１５０ｖの交流信号を入力する。その結果入力交流信
号に応じて高分子フィルムがアルミニウム板にひきよせ
−れ超音波が発信される。一方超音波受信時には高分子
フィルムが超音波により振動し、高分子フィルムとアル
ミニウム板でつくられたコンデンサの容量が変化し電極
に誘起された電荷の変化を検出すること１′″、より超
音波を検出する。以上の静電容量型超音波トランスデユ
ーサは必要な駆動電圧が大きいという欠点はあるが、構
造が簡単で周波数特性もよく、すぐれたものである。

一方、シリコン集積化技術を用いた超音波トランスデユ
ーサの試作報告もある。第８図は、１９８４年発行の日
本応用物理学会論文誌（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎ
ａｌｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　ｖｏｌ
　３２．　（１９８４）、　Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　２
３−１゜ｐｐ、１３３〜１３５）に大釜らによって発表
された集積化超音波センサの構造を示す斜視図である。

第８図に示すように、シリコン基板８０６の表面に高濃
度ボロン拡散層８０１を形成し、シリコンの異方性エツ
チング技術を用いて片側支持の梁を作り、梁上に白金電
極８０３、チタン酸鉛圧電膜８０４．アルミニウム電極
８０５を蒸着、加工する。超音波トランスデユーサとし
ての駆動は、白金及びアルミニウム電極の間に交流信号
を入力し、チタン酸鉛圧電膜に歪を与え、片側支持の梁
を共振させることにより行い、一方受信は超音波により
片側支持の梁を共振させ、圧電膜の両端にあられれた分
極電圧を検地する。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来技術の第１及び第２の静電型トランスデユ
ーサは構造が簡単である利点を有するが二九らのトラン
スデユーサを用いて、超音波を電子・走査することは、
従来全く考慮されていなかった。また第３の例の場合は
素子のアレイ化あるいは集積化にはすぐれた方法である
と考えられるが、超音波素子が共振型であるために、位
相まで考慮する必要のある電子走査型超音波トランスデ
ユーサを作るためには、すべての素子エレメントを同一
の共振周波数で駆動できるように精度良く、片持梁を作
る必要があり、このため素子の分留りが悪くなる。また
素子の共振の鋭さを示すＱ値が大きいため、振動子の振
動が減衰しにくく、近距離の反射音波の測定ができなか
った。本発明の目“は上記の従来の欠点を除去し、電子
走査するのに適したアレイ型超音波トランスデユーサの
新規な構造を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、静電型超音波トランスデユーサに於いて、振
動フィルム上に形成された可動電極もしくは可動電極に
相対している固定電極の少なくとも一方を分割し、アレ
イ化したことを特徴とするアレイ型超音波トランスデユ
ーサである。

（作用） 本発明のアレイ型超音波トランスデユーサは、原理的に
は、静電容量型超音波トランスデュニサであるため、周
波数特性が平坦である。その結果揄号源に忠実な音波を
発信あるいは受信が可能である。また従来このような静
電容量型超音波トランスデユーサをアレイ化する場合、
電極間でフィルムが完全に固定されていなければ一つの
電極に加えられた信号により振動したフィルムは隣接す
る電極方向にも超音波が伝播し、各エレメント間、つク
ロストークのために超音波の電子走査は、不可能である
と考えられていた。しかしながら、本発明者がはじめて
見出した電極を分割するという単純な構造のみで、クロ
ストークがほとんどなく超音波が電子走査できるという
ことが判明した。

また圧電体の振動周波数は通常１００ｋＨｚ〜ＩＭＨｚ
程度であり、空気中の超音波としては減衰が激しく、そ
の点でも静電型トランスデユーサは有利である。

（実施例） 以下本発明を実施例にもとづいて説明する。第１図（ａ
）、　（ｂ）は第１の実施例を説明するための上面及び
断面模式図である。シリコン基板１０１上にシリコン酸
化膜１０２を厚さ１０００人形成し、アルミニウム膜を
真空蒸着法により厚さ約５０００人形成し、加工し、分
割電極１０３を形成する。この電極の幅の大きさ、ピッ
チ、数等は、駆動する周波数により必要とす２指向性及
び走査角度によって決まるが、本実施例の場合、１つの
電極の幅が０．６３ｍｍ長さ２０ｍｍでピッチ１ｍｍで
３２個プレイ化した。チップサイズは、３５ｍｍＸ２５
ｍｍである。次に約５００人の厚さのアルミニウム膜 のポリエステル膜の裏面を適度な張力をもたせて、シリ
コン基板に張りつけ、チップの両端で固定する。この際
、分離された電極間の露出した酸化膜部１０７の部分で
膜を接着しても良いが、静電力でひきつけられるのでわ
ざわざ接着しなくてもよく、極めて簡単な工程でアレイ
化超音波エレメントが構成できる。次にチップをパッケ
ージにマウントし、電極用パッド１０６とパッケージの
パッドをボンディングワイヤで結線し、フィルム面上の
結線は、導電性テープで行った。このようにして得られ
たアレイ型超音波トランスデユーサの各電極に第２図に
示すようにプログラマブルな遅延回路２０３、２００Ｖ
の直流バイアス回路２０５、交流信号発生器２０４を結
線し、振幅１０Ｖｐ−ｐで５０ｋＨｚのサイン波を５発
ずつ入力し、超音波を所定の方向に発信した。

第３図に示すように３０１試料を中央に設置し、半径３
０ｃｍの円弧上をプリューエル・アンド・ケア社（Ｂｒ
ｎｅｌ＆　Ｋｊａ＝ｒ）のマイクロホン３０２を回転し
、各方向での指向特性を測、した。第４図（ａ）は全素
子を同位相で発信した場合、第４図（ｂ）は、隣接電極
間の位相遅れを０．６４ｐｓｅｃごとにした場合、第４
図（Ｃ）は１．５９ｐｓｅｃごとにした場合で、それぞ
れＯ’、　１３°、３３°の方向に超音演が放射されて
おり、これは１ｍｍ間隔で点音源が８２個並んだ場合の
計算値と極めて良く一致している。

第５図（ａ）は第２の実施例である。工程は第１の実施
例とほぼ同じである。即ち、シリコン基板上にシリコン
酸化膜１０２を形成し、アルミニウム膜を蒸着し、電極
１０３とする。次に厚さ約５００人のアルミニウム蒸着
膜のついたポリエステルフィルム１０４を張りチップ両
端で固定し、電極１０５を加工して分割電極とし、アレ
イ化する。

第５図（ｂ）は第３の実施例である。シリコン基板上に
シリコン酸化膜１０２を形成し、アルミニウム膜を蒸着
し、加工し、分割電極１０３とする。次に、厚さ約５０
ＯＡのアルミニウム蒸着膜のついたポリエステルフィル
ム１０４を張りチップ両端で固定する。次に下の電極パ
ターンに合わせてフィルム上の電極１０５を加工して分
割電極とする。この際、アルミニラム膜が厚いと、下の
パターンがうま（見えずに加工できないが、本素子では
等電位になりさえすればよいのでフィルム上のアルミニ
ウム電極は薄くても十分機能する。以上第２．第３の実
施例で得たアレイ型超音波トランスデユーサを第１の実
施例と同じく、遅延回路を設けて超音波走査実験を行っ
たところ、第２の実施例は第１の実施例とほぼ同じ特性
が得られた。第３の実施例は、さらに電気的なりロスト
ークが減り、指向性の特性が向上した。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の構造によるアレイ型超音
波トランスデユーサは極めて簡単な工程で、作製するこ
とができ、歩留りが向上した。また、空中での電子走査
による超音波走査を行うことができた。本実施例では、
超音波の発信実験を示したが、交流信号発生器の代わり
に受信用増幅器を設けることにより、斜め方向からの超
音波も受信できることは言うまでもない。また時間的位
相をずらしながら送信、受信を行うことにより超音波の
電子走査による２次兄、を得ることも可能である。また
本素子の実施例では直流バイアス電圧を加えたが、予し
め帯電処理の施されたエレクトレット膜を用いることに
より、直流バイアス回路をなくし、自己バイアスとする
こともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図であり、第１図
（ａ）は上面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡＢで
の断面模式図である。また第２図は第１図で得られたア
レイ型超音波トランスデユーサに遅延回路等を結線し、
超音波走査を行った実施例での周辺回路結線図である。 第３図は超音波走査実験の試料及びマイクロホンの配置
図であり、第４図はそれによって得られた超音波の指向
性図を示す。第４図（ａ）は、全素子を同一位相で超音
波発信した場合、第４図（ｂ）は、隣接する電極に各々
０．６４ｐｓｅｃの遅延時間を与えた場合、第４図（ｃ
）は、１．５９ｐｓｅｃの遅延時間を与えた場合である
。第５図（ａ）、　（ｂ）は、本発明の第２．第３の実
施例での素子断面図である。第６図、第７図、第８図は
それぞれ従来例での模式図であり、第６図はコンデンサ
スピーカの図、第７図はカメラのオート７オーカス用の
静電型トランスデユーサの断面図、第８図は圧電体を用
いた共振型の超音波センサの斜視図である。 図中　１０１：シリコン基板、　　１０２：シリコン酸
化膜１０３、１０５＝アルミニウム電極 １０４：高分子フィルム である。 工業技術院長 享　　　ｊｌｆｌ （ｂ） 蜂　　　２　　図 父主器 ３θ２．マイク０１籾ン ３θ／、４式２斗 亭　　　５　　　図 （ａ） （ｂ） 半　　　７　　　図 享８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）静電型超音波トランスデューサに於いて、振動フ
   ィルム上に形成された可動電極もしくは可動電極に相対
   している固定電極の少なくとも一方を分割し、アレイ化
   したことを特徴とするアレイ型超音波トランスデューサ
   。