JP2005291941A - 超音波センサ及び同センサ用の送波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサにおいて、所定の広帯域（ブロードバンド）な周波数成分を持つ超音波を効率良く送波できるようにして、可聴音を出すことなく、送波素子のアレイ化に対応可能で、物体の距離と方向を適切に検出可能とする。
【解決手段】送波素子１と、これを駆動する駆動回路３と、送波素子１から送波された超音波の反射波を受信する受波素子２とを有した超音波センサにおいて、送波素子１は、基板上に設けられた熱絶縁層と、この熱絶縁層上に成膜された発熱体金属薄膜とから成る熱励起超音波送波素子で成り、駆動回路３は、送波素子１が所定の広帯域の周波数をもった超音波を送波出力するように発熱体金属薄膜に印加する駆動電圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波送波素子と受波素子を用いて距離計測を行う超音波センサに関する。

従来から、超音波を送波する発信器と超音波を受波する受波器を用いて、伝播時間測定により対象物までの距離を求め、かつ三角測量により位置計測を行うセンサ装置が知られている(例えば、特許文献１参照)。ここに、超音波発信器としては、電気火花により超音波を生成する火花音源が広く知られている。

また、送波素子及び受波素子として、圧電素子を用いることも広く知られている。また、送波素子として広帯域周波数に対応して超音波パルスを発生する圧力波発生装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この送波素子は、電気的に駆動される発熱体薄膜から成り、その駆動により空気などの媒体を加熱して広い周波数範囲で超音波等の圧力波を発生させるものである。
特開平６−１３７８５０号公報 特開平１１−３００２７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されるような電気火花により超音波を発生するセンサは、無指向性であり不要な周波数成分が多く、可聴音（雑音）が出るといった問題がある。圧電素子を用いるセンサは、単一の周波数しか出力できない、大きな音圧を出せないといった問題がある。また、特許文献２に示されるような圧力波発生装置は、広帯域に亘って超音波を出力するが、周波数帯域幅をもって音波を送波するものではないので、特定の周波数成分をもった複数の素子のアレイ化には不向きであった。

本発明は、上記のような問題を解消するものであり、所定の広帯域（ブロードバンド）な周波数成分を持つ超音波を効率良く送波できるようにして、可聴音を出すことなく、送波素子のアレイ化に対応可能で、物体の距離と方向を適切に検出可能な超音波センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、送波素子と、この送波素子を駆動する駆動回路と、前記送波素子から送波された超音波の物体による反射波を受信する受波素子とを有した超音波センサにおいて、前記送波素子は、基板と、この基板の上に設けられた熱絶縁層と、この熱絶縁層上に成膜された発熱体金属薄膜とから成る熱励起超音波送波素子で成り、前記駆動回路は、前記送波素子が所定の広帯域の周波数をもった超音波を送波出力するように、前記発熱体金属薄膜に印加する駆動電圧を制御するものである。

上記受波素子は、所定の共振周波数値（Ｑ値）を有するメンブレン構成を有するものとすればよい。
上記受波素子は、複数の素子がアレイ化されているものとすればよい。
上記駆動回路は、送波素子から出力されるブロードバンドな超音波がチャープ波形となるように送波素子を駆動するものとすればよい。
上記駆動回路は、送波素子から出力されるブロードバンドな超音波が、立ち上がりが鋭く、立下りが順次減衰する波形を持つように送波素子を駆動するものとすればよい。
上記受波素子が、メンブレン部に圧電素子が設けられたダイアフラム構造を持つ、又はダイアフラム上に真空ギャップを持つものとすればよい。
上記送波素子は、複数の素子がアレイ化され、各素子が異なる周波数の正弦波の超音波を出力するものとすればよい。
上記送波素子から出力される超音波のチャープ波形が、異なる振幅を持つようにすればよい。
上記駆動回路は、送波素子から出力されるブロードバンドな超音波がガウス波形となるように送波素子を駆動するものとすればよい。
上記送波素子は、複数のガウス波形の超音波を出力するものとすればよい。
上記駆動回路は、１次側のスイッチのオン／オフにより充電されるコンデンサと、このコンデンサに充電された電荷を２次側のスイッチのオン／オフにより放電し、その放電電流が供給されるコイル、抵抗及び負荷を備え、負荷として送波素子が接続され、送波素子駆動によりガウス波形を出力するものとすればよい。
上記駆動回路は、１次側のスイッチのオン／オフにより充電される複数のコンデンサと、これら各コンデンサに充電された電荷を２次側のスイッチのオン／オフにより放電し、その放電電流が供給されるコイル、抵抗及び負荷を備え、負荷として送波素子が接続され、送波素子駆動により複数の連続したガウス波形を出力するものとすればよい。
アレイ化された送波素子は、低い周波数波を出力する素子ほど面積を大きくしたものとすればよい。
複数の送波素子を円環状に配置し、外側ほど低周波を出力する素子にしたものとすればよい。
送波素子は固定冶具に固定され、この固定冶具は素子が出力する超音波周波数付近に共振点を持つものとすればよい。

請求項１の発明によれば、可聴音（雑音）を出さずに、特定の広帯域（ブロードバンド）の超音波を送波することができる。また、送波周波数の帯域に幅があることから、所定の帯域を持つ送波素子のアレイ化に対応し易いセンサとなる（単一周波数の素子では、製造上、複数の送波素子の周波数を一致させることは困難）。

請求項２の発明によれば、特定の広帯域な超音波が送波されているので、受波素子の共振周波数にばらつきがあっても、反射波を感度よくセンシングできる。
請求項３の発明によれば、受波素子間で共振周波数がばらついていても、反射波を受波可能であり、受波信号を合成することで物体を認識できる。
請求項４の発明によれば、エコー（反射波）の到達時間を精度良く検出できるので、受波信号のＳ／Ｎ比が低くても、エコーを精度良く検出でき、外乱ノイズの影響を受け難くなる。
請求項５の発明によれば、エコーのＳ／Ｎ比が低くても信号を検出できる。
請求項６の発明によれば、受波素子は低いＱ値であって、共振のないタイプとすることができ、容易に設計可能である。
請求項７の発明によれば、送波素子の出力周波数を適宜に設定することで、任意の指向性を持たせることができる。
請求項８の発明によれば、送波信号の物体距離による減衰による受信感度低下を小さくできる。
請求項９の発明によれば、振幅の大きい送波出力に対応可能となる。
請求項１０の発明によれば、センサ感度応答性を向上することができる。
請求項１１の発明によれば、送波素子から容易にガウス波形を出力できる。
請求項１２の発明によれば、容易に連続したガウス波形を出力できる。
請求項１３の発明によれば、各素子からの送波を同じレイリー長とすることが可能で、指向性を均一にすることができる。
請求項１４の発明によれば、送波素子の指向性を均一にすることができる。
請求項１５の発明によれば、固定治具も音源となり、送波素子による送波の音圧が高まる。

以下、本発明の一実施形態による超音波センサについて図面を参照して説明する。
図１は、超音波センサの構成を示す。超音波センサは、送波装置となる送波素子（スピーカ）１と、この送波素子１を駆動する駆動回路３と、送波素子１から送波された超音波の物体Ｍによる反射波を受信する受波素子（マイク）２とを有する。受波素子２による検出信号は、アンプ４、Ａ／Ｄ回路５を経て、演算手段６により信号処理され、物体Ｍの位置及び距離情報が出力される。送波素子１としては、例えば、特開平１１−３００２７４号公報に示されているような、発熱体金属薄膜を用いた熱励起方式を用いる。この送波素子１は、入力電圧波形により発生する熱の変化と同じ波形の圧力波を送波し、入力電圧の振幅に応じた音圧が出力される。駆動回路３は、送波素子１が所定の広帯域（ブロードバンド）の周波数をもった超音波を送波出力するように、発熱体金属薄膜に印加する駆動電圧を制御する。

（送波素子の構造）
図２は、送波素子１の詳細構成を示す。送波素子１は、単結晶Ｓｉ等で成る基板１２と、この基板１２の上に設けられたナノ結晶Ｓｉ等で成る熱絶縁層１３と、この熱絶縁層１３上に成膜されたアルミニウム等の発熱体金属薄膜１４とから成る熱励起超音波送波素子である。基板１２は、シリコンウエハをベースとしており固定治具１１に固定され、また、発熱体金属薄膜１４には、通電電極端子１５，１６が設けられている。この送波素子１が送波する超音波の周波数を６０ｋHz付近とした場合、固定治具１１の共振周波数を６０ｋHzになるように設計する。例えば、共振周波数ｆ＝２π√ｋ／ｍ ここに、ｍ：治具の質量、ｋ：治具の弾性係数（縦、横、高さの比）であり、固定治具１１固有の共振周波数が６０ｋHzになるように設計する。これにより、音圧が高くなる。

（受波素子の構造）
図３は、受波素子２の詳細構成を示す。受波素子２は、シリコンウエハ（ＳＯＩ基板）をベースとしたダイアフラム構造とされ、メンブレン部には、ＰＺＴ（圧電素子）の強誘電体薄膜を設け、ＰＺＴの上部と下部にＰｔ（白金）の電極２１，２２を設けている。メンブレン部は、圧力波（送波素子が送波した圧力波（超音波）が物体にあたって反射した波）を受けて、ＰＺＴの圧電効果により発生する微小な電圧を電極２１，２２を通して外部に出力する。

この受波素子２の共振周波数は、ＰＺＴの厚みやダイアフラム開口部の寸法によって決まるが、これらの寸法精度は、μｍオーダの精度が要求されるため、実際には、共振周波数が数％ずれるのが実情である。そこで、上述したように、送波素子１から周波数に幅をもった超音波を送波することにより、共振周波数のばらつきを吸収することができる。

（受波素子のアレイ化）
図４は、複数の受波素子２をアレイ化（縦横３×３）したアレイセンサ２Ａを示す。広帯域の周波数を持った超音波を送波することにより、アレイ化による素子間の共振周波数のばらつきを許容することができる。このように受波素子のアレイ化が実現できれば、演算手段６（図１）において信号処理することで、複数の物体の距離と方向を認識することができる。その具体的な手法としては、アレイセンサ各素子の出力信号に複数種類の時間遅延パターンを加算することで、センサへの入射波の角度に応じた出力を得るようにしたものがある（例えば特開２００２−１５６４５１号公報参照）。

（静電容量型の受波素子）
図５は、上記とは別の受波素子２を示す。この受波素子２は、シリコンダイアフラム２３上に真空ギャップ２５（静電容量）を持った静電容量型の受波素子である。真空ギャップ２５は、メンブレン部に設けられた両面酸化シリコン２４に凹所として形成されている。メンブレン部に圧力波（送波素子が送波した圧力波（超音波が物体にあたって反射した波）を受けて、真空ギャップ２５が変わり、静電容量に微小な変化が発生する。この変化を電極２１と不図示の他方の電極を通して外部に出力する。この受波素子２の特徴は、図６に示すように、共振点からずれたＱ値の低いところでも、上述の受波素子よりも受信感度が高いく、幅の広い帯域で共振する。

（送波装置との組合わせ例）
上記図５に示したような、幅の広い帯域で共振する受波素子２は、図７に示すような、幅の広い周波数帯域をもったチャープパルス波形を送波する送波装置と組合わせると好適である。チャープパルス波形を使用すると、送波とエコー波（送波素子から出力された超音波が物体に当たって反射した波）との相互相関をとったときに、相関値のピークが一意に求められ、エコー波の到達時間が精度良く検出でき、外乱ノイズの悪影響を受け難くなる。チャープパルス波形の代わりに、図８に示すような、時間ｔ１での立ち上がりが鋭く、その後の立下りは順次減衰する波形でも同様である。

（送波素子のアレイ化）
図９は、複数の送波素子をアレイ化した送波素子アレイ１Ａによる送波状況を示す。このような送波素子アレイ１Ａの各素子から少しずつ周波数をずらせた超音波を発生させることで、ブロードな周波数帯域を持つ超音波を簡単に放射させることができる。例えば、各素子から、５４ｋＨｚ、５８ｋＨｚ、６２ｋＨｚ、６６ｋＨｚをそれぞれ発生させると、素子から離れた空間では、図１０に示すような、広い周波数帯域を持つ超音波が観測される。

また、音波の指向性は、送波素子の大きさと送波周波数によって決まる。指向性を半値角で表すと次のようになる。
半値角Ｈ（ｒａｄ） ＝ λ／（π×ａ）
λ：波長、ａ：送波素子の大きさ（半径、または一辺の長さの１／２）

上記送波素子アレイ１Ａ（図９）において、各送波素子の周波数のずらし量が大きい場合、それぞれの周波数での指向性の違いが問題となってくる。そこで、波長λに応じて素子の大きさａを変えることによって、指向性を全ての周波数で一致させることができる。
それには、例えば、図１１に示すように、低い周波数の送波素子の方を大きい面積（サイズ）にして順に並び配置した送波素子アレイ１Ｂとすることで可能である。これにより、各素子からの出力波が同じレイリー長となり、指向性を均一にすることができる。また、図１２に示すように、低い周波数の送波素子の方を円環状の外側に配置した送波素子アレイ１Ｃとすることで、中心軸が揃えられ、より厳密に指向性を一致させることができる。この場合、低周波ほど素子サイズを大きくする必要性にも合致したものとなる。

（送波波形）
次に、送波素子から出力される送波波形の例について説明する。送波波形は、上述したように、ブロードバンド送波であって、かつ、その時間波形が、図１３に示すように、ガウス波形となるものを用いる。これにより、センサ感度応答性を向上することができる。駆動回路３（図１）は、送波素子１からガウス波形の超音波が出力されるように送波素子１を駆動する。ガウス波形はフーリエ変換してもガウス波形という特徴があるので、送波の周波数成分分布もガウス波形となる。このような波形を送波すると、特定の周波数帯域を持った超音波を放射することができる。ここでは、５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの幅を持たせた。

（ガウス波形の出力回路）
図１４は、ガウス波形の出力回路としての駆動回路３を示す。駆動回路３は、電源Ｅに接続された１次側のスイッチＳのオン／オフにより充電されるコンデンサＣと、このコンデンサＣに充電された電荷を２次側のスイッチであるトライアックＴのオン／オフにより放電し、その放電電流が供給されるコイルＬ、抵抗Ｒ１及び負荷１００を備え、負荷１００として前述した熱励起式の送波素子が接続される。コイルＬのインダクタンス、抵抗値を適宜に設定することより、送波素子に印加される電圧波形をガウス波形とすることができる。このような駆動回路３により、容易にガウス波形を出力することができる。なお、保護抵抗Ｒ２が、負荷の短絡防止のために負荷と並列に接続される。

（ガウス波形の連続出力回路）
図１５は、ガウス波形の連続出力回路としての駆動回路３を示す。駆動回路３は、電源Ｅに接続された１次側のスイッチＳのオン／オフにより充電される３つの並列接続のコンデンサＣと、これら各コンデンサＣに充電された電荷を２次側のスイッチであるトライアックＴ１，Ｔ２，Ｔ３のオン／オフにより放電し、その放電電流が供給されるコイルＬ、抵抗Ｒ１及び負荷１００を備え、負荷１００として前述した熱励起式の送波素子が接続される。この駆動回路３でガウス波形を３つ連続して出力する。

上記駆動回路３の動作手順は、次の通りである。（１）１次側スイッチＳをＯＮして、３つの充電用コンデンサＣを充電し、（２）充電後、１次側スイッチＳをＯＦＦし、（３）２次側のトライアックＴ１をＯＮして、負荷（受波素子）にガウス波形の電圧を印加し、（４）２次側のトライアックＴ２をＯＮして、負荷（受波素子）にガウス波形の電圧を印加し、（５）２次側のトライアックＴ３をＯＮして、負荷（受波素子）にガウス波形の電圧を印加する。ここに、トライアックＴ２をＯＮさせるタイミングを、トライアックＴ１がＯＮした後、ガウス波形の時間幅分だけ遅らせることで、連続した波形となる。トライアックＴ３についても同様である。このようなシーケンスにより、連続したガウス波形を容易に出力することができる。

図１６は、送波波形が各種方式の場合の出力波形とセンサ出力周波数特性を示す。同図において、上段は、前述した従来の電気火花方式等のインパルス、中段は、本発明の熱励起式のブロードバンド、下段は、従来の圧電方式等の正弦波の各場合を示す。各出力波形は、時間波形と周波数スペクトルを示し、センサ出力周波数特性は、高Ｑ（共振）と低Ｑ（共振）でのアレイとしての素子Ａ，Ｂの波形を示す。音圧及び受信感度について、○は良い、△は中程度、×は悪いことを示している。同図から分かるように、本発明のブロードバンド送波では、音圧、受信感度ともに良好となる。
なお、本発明は、上記実施例構成に限られず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の実施例に係る超音波センサの構成図。 同センサにおける送波素子の詳細構成を示す断面図。 同センサにおける受波素子の詳細構成を示す断面図。 複数の受波素子をアレイ化したアレイセンサの斜視図。 上記とは別の受波素子の詳細構成を示す断面図。 受波素子の周波数に対する受信感度を示す図。 送波信号がチャープパルス波形であることを示す図。 立ち上がりが鋭く、立下りが減衰する送波信号波形を示す図。 送波素子アレイによる送波状況を示す図。 上記送波素子アレイによる送波の周波数帯域を示す図。 送波素子アレイの他の例を示す正面図。 送波素子アレイのさらに他の例を示す正面図。 ガウス波形の送波波形を示す図。 ガウス波形を出力する駆動回路図。 連続したガウス波形を出力する駆動回路図。 従来と本発明との出力波形とセンサ出力周波数特性を対比して示す図。

符号の説明

１ 送波素子
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 送波素子アレイ
２ 受波素子
２Ａ アレイセンサ
３ 駆動回路
１２ 基板
１３ 熱絶縁層
１４ 発熱体金属薄膜
２３ シリコンダイアフラム
２５ 真空ギャップ
Ｓ １次側のスイッチ
Ｃ コンデンサ
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ トライアック（２次側のスイッチ）
Ｌ コイル
Ｒ１ 抵抗
１００ 負荷（送波素子）

Claims (16)

1. 送波素子と、この送波素子を駆動する駆動回路と、前記送波素子から送波された超音波の物体による反射波を受信する受波素子とを有した超音波センサにおいて、
   前記送波素子は、基板と、この基板の上に設けられた熱絶縁層と、この熱絶縁層上に成膜された発熱体金属薄膜とから成る熱励起超音波送波素子で成り、
   前記駆動回路は、前記送波素子が所定の広帯域の周波数をもった超音波を送波出力するように、前記発熱体金属薄膜に印加する駆動電圧を制御することを特徴とする超音波センサ。
2. 受波素子は、所定の共振周波数値（Ｑ値）を有するメンブレン構成を有することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 受波素子は、複数の素子がアレイ化されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
4. 上記駆動回路は、送波素子から出力されるブロードバンドな超音波がチャープ波形となるように送波素子を駆動することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
5. 上記駆動回路は、送波素子から出力されるブロードバンドな超音波が、立ち上がりが鋭く、立下りが順次減衰する波形を持つように送波素子を駆動することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
6. 受波素子が、メンブレン部に圧電素子が設けられたダイアフラム構造を持つ、又はダイアフラム上に真空ギャップを持つことを特徴とする請求項１又は請求項４又は請求項５に記載の超音波センサ。
7. 送波素子は、複数の素子がアレイ化され、各素子が異なる周波数の正弦波の超音波を出力することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
8. 送波素子から出力される超音波のチャープ波形が、異なる振幅を持つようにしたことを特徴とする請求項４記載の超音波センサ。
9. 上記駆動回路は、送波素子から出力されるブロードバンドな超音波がガウス波形となるように送波素子を駆動することを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
10. 送波素子は、複数のガウス波形の超音波を出力することを特徴とする請求項９記載の超音波センサ。
11. 上記駆動回路は、１次側のスイッチのオン／オフにより充電されるコンデンサと、このコンデンサに充電された電荷を２次側のスイッチのオン／オフにより放電し、その放電電流が供給されるコイル、抵抗及び負荷を備え、負荷として送波素子が接続され、送波素子駆動によりガウス波形を出力することを特徴とする請求項１又は請求項９に記載の超音波センサ。
12. 上記駆動回路は、１次側のスイッチのオン／オフにより充電される複数のコンデンサと、これら各コンデンサに充電された電荷を２次側のスイッチのオン／オフにより放電し、その放電電流が供給されるコイル、抵抗及び負荷を備え、負荷として送波素子が接続され、送波素子駆動により複数の連続したガウス波形を出力することを特徴とする請求項１又は請求項１０に記載の超音波センサ。
13. アレイ化された送波素子は、低い周波数波を出力する素子ほど面積を大きくしたことを特徴とする請求項７記載の超音波センサ。
14. 複数の送波素子を円環状に配置し、外側ほど低周波を出力する素子にしたことを特徴とする請求項１３記載の超音波センサ。
15. 送波素子は固定冶具に固定され、この固定冶具は素子が出力する超音波周波数付近に共振点を持つことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
16. 超音波センサ用の送波素子であって、
    前記素子は、基板と、この基板の上に設けられた熱絶縁層と、この熱絶縁層上に成膜された発熱体金属薄膜とから成る熱励起超音波送波素子で成り、
    前記素子が所定の広帯域の周波数をもった超音波を送波出力するように、前記発熱体金属薄膜に駆動電圧が印加されるようにしたことを特徴とする超音波センサ用の送波素子。

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