JPH0821723B2 - 静電容量式アレイ型超音波近接覚センサ - Google Patents

静電容量式アレイ型超音波近接覚センサ

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JPH0821723B2
JPH0821723B2 JP61258389A JP25838986A JPH0821723B2 JP H0821723 B2 JPH0821723 B2 JP H0821723B2 JP 61258389 A JP61258389 A JP 61258389A JP 25838986 A JP25838986 A JP 25838986A JP H0821723 B2 JPH0821723 B2 JP H0821723B2
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行平 樋口
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Nippon Electric Co Ltd
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

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際に用い
られる静電容量式アレイ型超音波近接覚センサに関する
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
ファクチュアリング システム:Flexible Manufacturin
g 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おいては、人間の感覚器
官に代わる様々なセンサをロボットあるいは自動機械に
装備し、それらの情報を基に的確な制御を行う必要があ
る。ロボットがある対象物を持ち上げることを想定した
場合、まず視覚センサにより対象物を見つけ、次に近接
覚センサの助けを借りて対象物体に接近し、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
力等を測定し、把握力を制御しながら、物体を持ち上げ
るという動作を行う。これらの作業を補助するセンサの
中で近接覚センサは、視覚センサでは困難な距離情報の
測定や高速な対象物補足等の役割を受け持つものと考え
られている。近接覚センサとしては様々な方式のものが
これまでに提案されているが、一般的には超音波センサ
が優れているとされている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
超音波センサの一例として、第4図に示すような特願
昭60−289290号明細書に記載の静電容量式アレイ型超音
波センサがある。なお、第4図(a)は静電容量式アレ
イ型超音波センサの平面図、第4図(b)はAB線断面図
である。このアレイ型超音波センサのセンサ部の構造は
簡単で、シリコン基板401上にシリコン酸化膜402を介し
てアレイ状に配置された電極403上の片面に金属405を蒸
着したポリエステルフィルム等の有機フィルム404を張
り付けた単純な構造である。複数の超音波素子がアレイ
状に配置されたこのようなアレイ型超音波センサでは、
アレイ状の電極403と有機フィルム404の間に閉じ込めら
れた空気層を静電力で振動させ、空気中に超音波を発信
できる。また、空気中を伝播してきた超音波は、有機フ
ィルム404を振動させ、アレイ状の電極403との間の容量
変化を検知することにより超音波の検出を行うことがで
きる。この種の超音波センサの駆動には超音波送波時に
は大きな電圧の交流信号が必要であり、一方超音波受波
時には非常に微小な膜振動をとらえ、信号処理に必要な
レベルにまで増幅するための雑音の少ない高感度増幅器
が必要である。
従来このような動作を一つの静電容量式アレイ型超音
波センサで行うためには、第5図に示すように、各超音
波素子504ごとに送波側信号処理回路501と受波側信号処
理回路502とを設け、これら信号処理回路をスイッチ503
を介して超音波素子504に切換え可能に接続し、各送波
側信号処理回路501を信号源505に接続し、各受波側信号
処理回路502を加算器506に接続し、送波側信号処理回路
501と受波側信号処理回路502を送波時と受波時で切換え
て使用していた。
この種の静電容量式アレイ型超音波センサは、超音波
送波時の大振幅の交流信号が受波回路に漏れこみ、それ
を避けるために送波時と受波時の切換えに十分な時間的
余裕を持たせる必要があり、またスイッチの切換えのた
めの時間遅れもあり、静電容量式アレイ型超音波センサ
の近距離測距性能の向上を妨げてきた。例えば、周波数
100kHz(波長3.4mm)のサイン波を5発出して測距実験
を行ったところ、対象物までの距離が100mm程度までし
か距離測定できなかった。
本発明の目的は、上記の従来の欠点を除去し、近距離
測距性能の向上を図ることのできる静電容量式アレイ型
超音波波近接覚センサを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は、超音波の送受
信が可能な静電容量式アレイ型超音波近接覚センサにお
いて、アレイを構成する静電容量式超音波素子のうち一
部の超音波素子は、出力部にソースフォロワ回路を内蔵
した受波専用超音波素子であり残りの超音波素子は送波
専用であるようにしたものである。
〔作用〕
本発明の原理は、静電容量式アレイ型超音波近接覚セ
ンサを構成する多数の超音波素子に、超音波送波用素子
と超音波受波用素子の役割を分担させ、受波用素子に
は、その出力部にソースフォロワ回路を内蔵させたこと
にある。その結果、互いの素子間の干渉なく送波用素子
には大振幅の交流信号を発生させる駆動回路を接続し、
受波用素子には低雑音の高感度増幅器を接続することが
可能となる。即ち、超音波の送波部及び受波部の回路が
完全に分離されるため、送波超音波が直接隣の受波素子
に入ることによる干渉の可能性は、使用する波長及び隣
接送受波素子間の距離等の設計パラメータを適切に選ぶ
ことにより低減することが可能となる。従って、駆動の
ための信号が信号増幅回路に漏れこむことはなく、同時
に双方の回路を駆動でき、対象物からの反射波を受ける
までの時間の短い近距離の測距が可能となる。また、受
波用素子には、その出力部にソースフォロワ回路が内蔵
されている。ソースフォロワ回路は高入力インピーダン
ス、低出力インピーダンスを有したインピーダンス変換
器として利用されている。これを本発明の静電容量式超
音波素子を受波器として用いることによって、高インピ
ーダンスセンサから出力される電気信号をS/N比よく捕
らえ増幅回路に入力することが可能となる。加えて、オ
ンチップでインピーダンス変換器を超音波素子に接続す
ることが可能となる。
〔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、本発明の実施例を説明するための静電容量
式アレイ型超音波近接覚センサの概略構成図である。p
型のシリコン基板101に受波側超音波素子102及び送波側
超音波素子103を交互に16素子ずつ計32素子を配置した
構成をとる。
受波側超音波素子102の電極部出力パッド付近には第
2図(a),(b)に示すMOS型FETで構成されたインピ
ーダンス変換回路が作られている。なお、第2図(a)
はインピーダンス変換回路部の構成を、第2図(b)は
その等価回路を示している。
第2図中、第1トランジスタ201は、ディプリーショ
ン型MOSFETで超音波受波信号を高インピーダンスで受け
取るものである。一方第2トランジスタ202は、負荷抵
抗として働く。これらのトランジスタは標準的な製造工
程で、まずシリコン基板上に形成され、その後第4図に
示したような超音波センサを形成した。但し、第1トラ
ンジスタ201のゲートは受波側超音波素子の電極形成後
に同時に形成された。第2図(a)中、203は超音波受
波素子電極、204は受波側超音波素子の出力パッドであ
る。また第2図(b)中、205は出力部、206は受波側超
音波素子である。
第3図は、このようにして得られた静電容量式アレイ
型超音波近接覚センサの最終的なブロック図である。図
中301は送波側超音波素子で、各送波側超音波素子には
送波側信号処理回路302が接続され、これら信号処理回
路は信号源303に接続されている。本実施例の静電容量
式アレイ型超音波近接覚センサは超音波ビームを扇型に
電子走査することを目的として動作させるため、送波側
信号処理回路302にはプログラマブルな遅延回路が構成
されている。
一方、図中304は受波側超音波素子であり、各受波側
超音波素子には第2図において説明したMOSFETで構成さ
れているインピーダンス変換回路305が接続され、各イ
ンピーダンス変換回路には受波側信号処理回路306が接
続され、これら信号処理回路は加算器307に接続されて
いる。受波側信号処理回路306は低雑音増幅器及び遅延
回路等からなる。この遅延回路は、電子走査による超音
波送波ビームが対象物に反射して戻ってきた信号を受信
し、送波時と逆の遅延処理を行い各超音波素子からの信
号を合成するために必要である。なお、第3図の電池記
号は,静電型電気音響変換器から信号を取り出すために
必要な直流バイアス電源を示している。一般に静電変換
器は振動板と固定電極の間に電圧を加えたときに,両極
間に働く静電気力によって空気を振動させる(静電スピ
ーカの場合),或いは逆に両極間に力が加わったときに
両極に誘起される電流を検知する(マイクロフォンの場
合)変換方式であり,いずれの場合も静電気力が基本で
ある。簡単のために静電スピーカを例にとって説明する
と,静電気力は電圧の2乗に比例することからそのまま
駆動した場合は,信号の2倍の周波数の駆動力が生じ
る。即ち信号eの場合 e=e0cos(ωt)→e2={e0cos(ωt)} =e0 2{1+cos(2ωt)}/2 となり2ωの駆動力が生じる。これを避けるために静電
力を常に与えるためのバイアスE0を加えると(E0>>
e0)駆動力は, (E0+e)=E0 2+2eE0+e2=E0 2{1+2e/E0 +(e/E0}〜E0 2{1+2e/E0} と表され,2ωの周波数成分を無視することができる。な
お,蛇足ながらω成分の駆動力は静電バイアス電圧E0
比例する。
第3図のシステムを用いて超音波の測距実験を行っ
た。信号周波数は100kHz(波長3.44mm)でサイン波を5
発出し、まず全送波側超音波素子から同一位相で超音波
を発信し前方の対象物までの距離をパラメータとして受
波信号をオシロスコープで観測した。その結果、対象物
が10mmの距離に近接した場合でも十分なS/N比で測定可
能なことが明らかとなった。従来の超音波センサによる
測距方法に比較して十分な効果が得られていることが明
らかである。
次に各送波側超音波素子の位相を変化させることによ
り超音波ビームの扇型走査による測距実験を行った。±
30度程度の電子走査の場合では、同様な結果で10mm程度
の近接物体までの距離を測定することができた。当初、
アレイ型超音波素子を送受に分割することによる送信パ
ワーの減少により超音波ビームの到達距離が極端に悪く
なることが懸念されていたが、その影響は10%程度で、
その劣化分は送受超音波素子の干渉が少なくなり受波時
のS/N比が向上したことにより相殺していることも明ら
かになった。
以上の実施例では、インピーダンス変換回路はMOS型F
ETで構成される例について説明したが、一般にMIS型FET
で構成することができる。また、MIS型ではなく接合型
のFETで構成することもできる。
〔発明の効果〕
以上説明してきたように、本発明の構造を持つ静電容
量式アレイ型超音波近接覚センサを用いた場合、近距離
の測距性能を向上させることができた。また受波時のS/
N比が向上したため、最終的な波形合成後の信号処理、
即ち2次元距離画像の検出等の画像処理においても平均
化等の処理が不必要になり全体的な処理時間の短縮効果
も得られた。また、組み立て時に多数のスイッチを設け
る手間も省け信頼性も向上した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である静電容量式アレイ型超
音波近接覚センサの概略構成図、 第2図は受波側超音波素子の出力部付近に設けられたイ
ンピーダンス変換回路を示す図、 第3図は第1図および第2図の静電容量式アレイ型超音
波近接覚センサを用いた測距システムを示す図、 第4図は従来の静電容量式アレイ型超音波近接覚センサ
を示す図、 第5図は第4図の静電容量式アレイ型超音波近接覚セン
サを用いた測距システムを示す図である。 102,304……受波側超音波素子 103,301……送波側超音波素子 201……第1トランジスタ 202……第2トランジスタ 302……送波側信号処理回路 303……信号源 305……インピーダンス変換回路 306……受波側信号処理回路 307……加算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/78 H04R 17/00 332 Y

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超音波の送受波が可能な静電容量式アレイ
    型超音波近接覚センサにおいて、アレイを構成する静電
    容量式超音波素子のうち一部の超音波素子は、出力部に
    ソースフォロワ回路を内蔵した受波専用超音波素子であ
    り、残りの超音波素子は送波専用であることを特徴とす
    る静電容量式アレイ型超音波近接覚センサ。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項に記載の静電容量式
    アレイ型超音波近接覚センサにおいて、前記ソースフォ
    ロワ回路は、MIS型FETもしくは接合形FETで構成されて
    いることを特徴とする静電容量式アレイ型超音波近接覚
    センサ。
JP61258389A 1986-10-31 1986-10-31 静電容量式アレイ型超音波近接覚センサ Expired - Lifetime JPH0821723B2 (ja)

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JPS63113380A JPS63113380A (ja) 1988-05-18
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