JPH01312486A - 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
いはフェ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
めの新しい構造の超音波アレイトランスデユーサに関す
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或いは自動機器は、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：　ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕ
ｒｉｎｇ　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、ロ
ボット或は自動機械は、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、測距精度
から見て超音波を利用したものが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
物を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
デユーサとしてＰＺＴ（チタン酸シリコン酸鉛）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。

また静電容量型超音波アレイトランスデユーサとして例
えば、特願昭６０−２８９２９０号明細書或は１９８６
年に開催されたアイイーイーイー１９８６年超音波シン
ポジウム予稿集（ＩＥＥＥ　１９８６　Ｕｌｔｒａｓｏ
ｎｉｃｓ　ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ）
５５９頁から５６２頁、および１９８７年に開催された
トランスデユーサ８７ダイジエスト（Ｔｒａｎｓｄｕｃ
ｅｒ　’８７　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａ
ｌ　Ｐａｐｅｒｓ）４１４頁から４１７頁で樋口、銘木
、台用らの新しい提案がある。第４図にその代表的な構
造を示す。図中１０１はシリコン基板、１０３はシリコ
ン熱酸化膜、１０４はアレイ電極、１０７は空気溜であ
る。空気溜１０７はシリコン基板表面に異方性エツチン
グによって穴をあけることで形成される。１０８はＣＶ
Ｄシリコン酸化膜、１０６はポリエステル膜であり片方
の表面にアルミニウム蒸着膜からなる上部電極１０５が
形成されている。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、下部電極であるアレイ電極１０４と上部
電極１０５の間に約３０Ｖ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とアレイ電極１０４で形成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。特にアレイ電
極１０４に各々位相の異なる交流信号を入力した場合は
、アレイを構成する各超音波トランスデユーサから位相
の異なる超音波が発信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、各電極からの電気信号を遅
延合成することにより距離画像として再生するフェーズ
ドアレイ処理を行うことができる。

（発明が解決しようとする課題） 以上、例を用いて主に従来の静電容量型超音波アレイト
ランスデユーサの説明を行った。この型の超音波アレイ
トランスデユーサは増幅部や、信号処理部を同一シリコ
ン基板上に形成でき、かつシリコン表面上に精度よく形
成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徴を有し
て１／）る。

しかしながら、アレイ状に下部電極を配置した場合、隣
接電極間の容量結合による電気的なりロストークが生じ
、フェーズドアレイ処理を施して超音波による対象物の
距離画像再生を行おうとする場合、良質な画像が得られ
ないという欠点を持つ。これを第５図に示した前記超音
波アレイトランスデユーサの等価回路から説明する。第
５図（ａ）は前記超音波アレイトランスデユーサの理想
的な等価回路である。図中５０１がシリコン基板１０１
上に作られた超音波トランスデユーサである。各信号源
５０４は外付けのカップリングコンデンサ５０５を介し
て各々超音波トランスデユーサの下部電極すなわち第４
図のアレイ電極１０４に接続される。振動膜側の共通電
極すなわち第４図の上部電極１０５は抵抗５０９を介し
て直流電源５０７に接続されている。これが理想的な場
合であるが、実際にはシリコン基板１０１上のシリコン
熱酸化膜１０３を介してアレイ電極１０４が形成されて
いるため第５図（ｂ）に示すように各隣接電極間に容量
５０２による結合が生じる。この容量５０２とは第４図
のアレイ電極１０４とシリコン基板１０１の間に形成さ
れる容量である。この容量結合のために上記信号のクロ
ストークが発生することになる。これは、第５図（Ｃ）
に示すようにシリコン基板１０１を接地することにより
そのかなりの部分を取り去ることができるが、シリコン
基板１０１自体がもっている抵抗５０３のために完全に
なくすことはできない。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、クロス
トークの小さい超音波アレイトランスデユーサを提供す
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、表面に穴を有する半導体基板の表面上
に拡散層が設けられ、その上に絶縁体薄膜を介して下部
電極となる複数のアレイ電極が設けられ、当該アレイ電
極上に絶縁体薄膜及び前記の穴の上方に形成された気体
溜を介して、導電体薄膜よりなる上部電極が形成された
振動膜を備えたことを特徴とする超音波アレイトランス
デユーサが得られる。

（作用） 本発明の超音波アレイトランスデユーサでは、下部電極
となる複数のアレイ電極の下に拡散層を設けその部分を
接地することにより各隣接電極間の容量結合をなくすこ
とができる。即ち、等価回路で表せば第５図（ｃ）の抵
抗５０３を取り去り第５図（ｄ）とすることである。こ
の結果、隣接電極からの信号の回り込みによるクロスト
ークはほぼ完全に遮断できることになる。

（実施例） 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。第１図は本
実施例を説明するための超音波アレイトランスデユーサ
の模式断面図である。図中１０１はｐ型で（１００）面
方位のシリコン基板、１０２は高濃度のｎ型拡散層であ
る。１０３はシリコン熱酸化膜、１０４は下部電極とな
るアレイ電極、１０７は空気溜である。

１０８は層間絶縁膜としてのＣＶＤシリコン酸化膜であ
り、１０６は片面にアルミニウム層が蒸着されたポリエ
ステル膜である。このアルミニウム層が上部電極１０５
となる。またポリエステル膜１０６が振動膜となる。

第１図の超音波アレイトランスデユーサを得るための製
造工程を第２図（ａ）〜（ｃ）に示す。まずｐ型で（１
００）面方位のシリコン基板１０１の表面にシリコン熱
酸化膜１１０を形成し空気溜１０７を形成するための穴
となるべき部分を開孔し、ヒドラジン液によりシリコン
の異方性エツチングを行う（第２図（ａ））。表面のシ
リコン熱酸化膜１１０を除去後、その穴を含む部分にリ
ンを高濃度に拡散しｎ型拡散層１０２を形成する（第２
図（ｂ））。次に表面にシリコン熱酸化膜１０３を形成
する。次に第２図（Ｃ）に示すようにアレイ電極１０４
を複数形成する。更に、上部電極１０５との層間絶縁膜
となるべきＣＶＤシリコン酸化膜１０８を堆積する。そ
の後裏面に上部電極１０５となるアルミニウム層が蒸着
されたポリエステル膜１０６を張り、第１図に示す超音
波アレイトランスデユーサが得られる。このようにして
得られた素子の各アレイ電極間のクロストークを、第３
図のブロック図に示すような方法、即ち第１図でいうア
レイ電極１０４のうちの１つの電極に信号源３０１から
信号を入力した場合の他のアレイ電極での出力値の大き
さで測定した。その結果従来の素子では入力信号をＯｄ
Ｂとしだ時他のアレイ電極での出力信号は一６ｄＢから
一１０ｄＢと大きかったにもかかわらず本実施例の構造
の素子では一２０ｄＢから一３０ｄＢと非常に良い値を
得ることができた。

なお本実施例では拡散層として基板と反対の導電型を持
つ拡散層を用いたがこれは同じ導電型を持つ拡散層を用
いてもかまわない。また振動膜として裏面にアルミニウ
ムが蒸着されたポリエステル膜を用いたが他の高分子膜
例えば、ポリエチレン膜やポリイミツド膜等でも全く使
用上の問題はない。また単純に金属薄膜例えばチタンや
金の薄膜あるいは金属のコートされたセラミックス薄膜
例えば、アルミナあるいはシリコン窒化膜でもよい。更
に前記実施例ではポリエステル膜１０６の上部電極１０
５が蒸着された側を基板側にして使用したが逆に上部電
極１０５が蒸着された側が表面側にくるようにしてもよ
い。また前記実施例では１０７の空気溜であるがこれは
ポリエステル膜１０６を空気中で張っだからであり、空
気中に限らず窒素中や不活性ガス中等で張ってもよいこ
とは明白である。

（発明の効果） 以上説明してきたように、本発明の構造による超音波ア
レイトランスデユーサは従来技術の問題点であった各電
極間の容量結合によるクロストークを抑えることができ
ることが明らかとなった。

その結果、非常に良質な距離画像を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明の詳細な説明す
るための断面図である。第３図は、このようにして得ら
れた超音波アレイトランスデユーサのクロストーク測定
回路の１例を示す図である。第４図は従来の静電容量型
超音波トランスデユーサの断面図である。第５図（ａ）
から（ｄ）は従来の問題点及び本発明の特徴を示すため
の等価回路図である。 図中 １０１・・・シリコン基板　　１０２・・・ｎ型拡散層
１０３・・・シリコン熱酸化膜１０４・・・アレイ電極
１０５・・・上部電極　　　　　１０６・・・ポリエス
テル膜１０７・・、空気溜　　　　　１０８・・・ＣＶ
Ｄシリコン酸化膜５０１・・・超音波トランスデユーサ である。 特許出願人工業技術院長　飯塚幸三 １０Ｂ、ＣＶＤシリ１ン香匿化）ｌ央 １０３、シリコン墾、ｎ騎イヒ慮 蜂　　２１１￥１ １１０、　　シリコン然Ｃ歳イしｙ向 （ｂ　）　　　／Ｉ！７．２’、　７７Ｆｔｌ広取層（
Ｃ） の５ 亭　　４　　　図 ｔＯＢ、ＣＶＤ”）’月ンｆ！１５イｂ川喚１０３、　
　シリコ）亥へ坤凝イヒ月莫千　５　図　　（ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面に穴を有する半導体基板の表面上に拡散層が設け
   られ、その上に絶縁体薄膜を介して下部電極となる複数
   のアレイ電極が設けられ、当該アレイ電極上に絶縁体薄
   膜及び前記の穴の上方に形成された気体溜を介して、導
   電体薄膜よりなる上部電極が形成された振動膜を備えた
   ことを特徴とする超音波アレイトランスデューサ。