JPH05672B2 - - 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
ランスジユーサの構造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
の発信および受信を行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
み合わ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、必らずしも最適
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の深さを持
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により挟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、４４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４９と等しいことになる。

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よりも振幅の小さい交流電圧を印加
した場合には、発振回路５５の両端の電圧の極性
により以下のように変化する。すなわち、発振回
路５５の両端に印加された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５
３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５１ａと固
定板５１ab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、超音波の送受波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、装置が大型なものにな
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、これだけで
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を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、半導体基板に微小な穴を設
け、穴の表面に下部電極を設け、穴を設けた領域
及びその周囲の領域を覆い片面に上部電極となる
導電体薄膜を形成した有機体薄膜を設けてこの有
機体薄膜と穴との間に微小な空〓を形成した超音
波トランスジユーサであつて、前記周囲の領域と
前記穴を設けた領域の間に段差を設け前者が後者
より低くなるようにしたことを特徴とする超音波
トランスジユーサ、及びこの超音波トランスジユ
ーサを複数個アレイ状に配置し、個々のトランス
ジユーサの上部または下部電極の少なくとも一方
に互いに独立の電気信号が入出力できるようにし
たことを特徴とする超音波トランスジユーサが得
られる。

（作用） 本発明の超音波トランスジユーサは、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
することにより、超音波が送波される。一方、こ
のデバイスを超音波の受波に用いる場合には、外
部超音波の圧力により上記ポリエステル膜が振動
し、この結果、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、外部超音波の
圧力を（バイアス電圧が印加された）電気回路に
流れる電流値の変化として検出することが可能で
ある。この際、トランスジユーサの送受波特性の
感度を大きくするために、ポリエステル膜をシリ
コン基板上に設けられた下部電極上に密接に接触
させることが必要となる。本発明では、第２図に
一例として示すように、下部電極の表面をこの電
極の外周表面の高さよりも高くすることにより、
ポリエステル膜と下部電極とを密接に接触させる
ことを実現した。また、本発明の超音波トランス
ジユーサは、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う。当該ポリエ
ステル膜４８の主面の両側には、上部電極４９お
よび下部電極６が配置されていて、送波のときは
交流電圧を印加してポリエステル膜４８を振動さ
せる。受波のときはポリエステル膜４８が振動す
ることによつて電圧が発生する。当該シリコン基
板１の一方の主面は、第２図に示すように当該下
部電極６の表面が下部電極の外周２９の表面高さ
よりも高くなるように加工されている。これは、
下部電極６とポリエステル膜４８とを互いに密接
に接触させるのに役立ち、エツチング穴１２以外
の下部電極６の表面とポリエステル膜４８との間
に実際上存在する微小の空隙（図示せず）を小さ
くすることができる。この微小の空隙に起因する
上部電極４９と下部電極６の間の静電容量はトラ
ンスジユーサの送受波特性の感度を低下させるた
めに、これを小さくすることが望ましいものであ
る。本発明による構成をとれば、上部電極４９と
下部電極６との間隔を小さくすることができ、こ
の結果、デバイスの送受波特性の感度を大きくす
ることができる。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（図示せず）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。また、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の
SiO₂膜のパターンをフオトリソグラフイ技術を
用いて形成した後、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う。この場合には、ピ
ラミツド型の四角錐の形状をしたエツチング穴１
２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、フオトリソグラフイ技術を用いてエツ
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。一方、前記下部電極の外周２９は、
エツチング穴１２を作製する際に同時に異方性エ
ツチング技術を用いて作製することができる。

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
オトリソグラフイ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および下部電
極の外周２９のための開口３１を形成したもので
ある。開口３０，３１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、シリコン異方性エツチン
グを行う（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
しく大きいという性質（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および溝３
２を作製することができる。続いて、エツチング
穴１２および溝１３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（図示せず）
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図は本願第２の発明の実施例
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、破線で示された矩形７
０は、第１図および第２図に示す同一下部電極上
に含まれる振動体要素を示している。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
集積回路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、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図および第９図も本願第２の発明の他の実
施例を示したものであり、それぞれ平面図および
断面図に対応している。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６が下部電極の外周２９を介して互いに分
離して配置されており、それぞれアルミ配線を介
して集積回路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ごとに分離したが、
逆に、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４９を各振動
体要素７０ごとに分離しても上記と同様の効果を
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
ら制限する必要はない。例えば前記第７図の実施
例において、振動体要素７０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
電極を集積回路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７０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
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
および周波数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図および第２図はそれぞれ本願第１の発明
の一実施例の平面図および断面図、第３図ａ〜ｄ
は本願第１の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
願第２の発明の実施例を示す平面図、第８図およ
び第９図は本願第２の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および断
面図。 １…シリコン基板、３…酸化膜、６…下部電
極、８…集積回路、１２…エツチング穴、２９…
下部電極の外周、３０，３１…開口、３２…溝、
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)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板に微小な穴を設け、穴の表面に下
   部電極を設け、穴を設けた領域及びその周囲の領
   域を覆い片面に上部電極となる導電体薄膜を形成
   した有機体薄膜を設けてこの有機体薄膜と穴との
   間に微小な空〓を形成した超音波トランスジユー
   サであつて、前記周囲の領域と前記穴を設けた領
   域の間に段差を設け前者が後者より低くなるよう
   にしたことを特徴とする超音波トランスジユー
   サ。 ２ 半導体基板に微小な穴を設け、穴の表面に下
   部電極を設け、穴を設けた領域及びその周囲の領
   域を覆い片面に上部電極となる導電体薄膜を形成
   した有機体薄膜を設けてこの有機体薄膜と穴との
   間に微小な空〓を形成した超音波トランスジユー
   サであつて、前記周囲の領域と前記穴を設けた領
   域の間に段差を設け前者が後者より低くなるよう
   にした超音波トランスジユーサを複数個アレイ状
   に配置し、個々のトランスジユーサの上部または
   下部電極の少なくとも一方に互いに独立の電気信
   号が入出力できるようにしたことを特徴とする超
   音波トランスジユーサ。