JPH067719B2

JPH067719B2 - 超音波トランスジユ−サ

Info

Publication number: JPH067719B2
Application number: JP6133485A
Authority: JP
Inventors: 健一郎鈴木
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-03-26
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPS61220598A

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ューサに関し、特に産業用ロ
ボッ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、こ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ずに分離している。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ュ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
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
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４８を撓ませる。従って、この電
極端子４４，４５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。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5
1b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
波が直面に放射される。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
とすれば良い。このとき、外部から浸入した超音波によ
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
ランスジューサの説明を行なった。ここで示したよう
に、超音波トランスジューサにおいて、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、従来例
として第４図に示した超音波トランスジューサにおいて
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、、超音波トランスジュー
サアレイを実現しようとするときにますます問題となっ
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になることが知られ
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、超音波トランスジューサの電
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形成して
小型軽量を実現したデバイスが切に望まれていた。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、機械的要素をシリコンの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ューサを提供すること
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が得られる。

（発明の作用原理）本発明の超音波トランスジューサは、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ューサであり、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に構
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電極間の容量が変化す
ることを利用して、電気回路に流れる電流の変化として
読み出すことができるようになっている。また、上記ダ
イアフラムと下部の電極の間に挿入されたスペーサがシ
リコンより構成されているため、このスペーサの領域に
発振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、高性能超音波トランスジ
ューサを小型軽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１図は、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概念図である。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(SiO₂)等の薄い無機絶縁膜１と数〜２０μｍ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(Si₃N₄)あるいはSi₃N₄/S
iO₂/Si₃N₄の３層構造膜等でも良く、シリコン基板９を
化学的にエッチングして溝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のスペーサとしての役目をしており、
ダイアフラム２２と接する面には８で示す発振および受
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(a)→(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２２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ュー
サを製造する手順の一例を示したものである。同図(a)
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
ッ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の表側の側に酸化膜３１をＣＶＤ法によ
り形成し（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)の段階でエッチングが当該酸
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(d)のシリコン基板３０の表側にポリイミド樹
脂等を回転塗布し、これを焼き固めて高分子膜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の領域における
酸化膜３１を除去する（同図(g)）。この後、シリコン
基板３０の裏側のみがエッ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をエッチングして溝３
７を形成する。この際シリコンのエッチング液として、
ＫＯＨ、ヒドラジン等の異方性を示すエッチング液を用
いると、横方向の不必要なエッチングがないため、溝３
７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がエッチ
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な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ッ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ュ
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ュ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上面の電極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
に分離してもかまわない。第８図においては１行５列の
超音波トランスジュ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７図の実施例において、ダイアフラム２２上
面の電極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とのできる二次元超音波トラ
ンスジュ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、スペーサとして
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高くすることがで
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ュ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
の検出に高性能な超音波トランスジューサを利用するこ
とができるようになった。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
ランスジューサの原理図、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３，４，３５，４９…電極５…絶縁ケース６…ボンディング線７，３８，６０…アルミ配
線８，３２…周辺回路９，３０…シリコン基板１０，１１…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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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、前記スペーサがシリコ
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。