JP2006003278A - 超音波センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができるようにする。
【解決手段】 複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにする。
【選択図】 図1
【解決手段】 複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置に係り、特に超音波送信素子からの超音波パルス信号の直接波の影響を少なくして、指向性を有する超音波パルス信号を送受信して物体の位置と方向とを検知することができる超音波センサ装置に関する。
超音波センサは、テレビカメラ等の視覚センサに比べて小型、軽量であり、信号処理が簡単で処理時間が短く、コスト面でも優れているため、物体を検知するためのセンサとして多用されている。しかし、超音波センサを用いて物体を2次元的、或いは3次元的に検知するためには、複数の超音波センサを平面状に配置して、複雑な信号遅延等の制御を行わなければならなかった。
背景技術としては、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とを平面格子状に交互に配置し、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをそれぞれ行単位、列単位に切り換えて3次元画像を再生するようにしたものがあった(例えば、特許文献1参照)。
また、ベース基板に複数の超音波強度検知素子を配列して形成して、それらを超音波洗浄槽内に複数枚配列し、超音波洗浄される被洗浄基板の基板表面が受ける超音波強度を3次元的に検知するようにしたものがあった(例えば、特許文献2参照)。
特開2003−599号公報
特開平6−331429号公報
背景技術としては、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とを平面格子状に交互に配置し、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをそれぞれ行単位、列単位に切り換えて3次元画像を再生するようにしたものがあった(例えば、特許文献1参照)。
また、ベース基板に複数の超音波強度検知素子を配列して形成して、それらを超音波洗浄槽内に複数枚配列し、超音波洗浄される被洗浄基板の基板表面が受ける超音波強度を3次元的に検知するようにしたものがあった(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、背景技術で述べたもののうち前者においては、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とを平面格子状に交互に配置し、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをそれぞれ行単位、列単位に切り換えて3次元画像を再生することができたが、超音波送信素子と超音波受信素子とが平面格子状に交互に隣接して配列されていたため、隣接する超音波送信素子から送信された超音波の直接波が超音波受信素子により受信され易いという問題点があった。
また、後者においては、ベース基板に複数の超音波強度検知素子を配列して形成して、それらを超音波洗浄槽内に複数枚配列し、超音波洗浄される被洗浄基板の基板表面が受ける超音波強度を3次元的に検知することができたが、超音波パルス信号を送受信して物体の位置と方向とを検知するようにしたものではなかった。
本発明は、背景技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる超音波センサ装置を提供しようとするものである。
また、後者においては、ベース基板に複数の超音波強度検知素子を配列して形成して、それらを超音波洗浄槽内に複数枚配列し、超音波洗浄される被洗浄基板の基板表面が受ける超音波強度を3次元的に検知することができたが、超音波パルス信号を送受信して物体の位置と方向とを検知するようにしたものではなかった。
本発明は、背景技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる超音波センサ装置を提供しようとするものである。
上記目的を達成するため本発明においては、超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置であって、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサと、前記超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振する発振手段と、前記発振手段により発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、該複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する送信手段と、前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する検知手段とを備える。
前記超音波センサは、該超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子を平面格子状に配置し、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子を平面格子状に配置するようにするとよい。
また、前記超音波センサは、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置し、半導体プロセス技術により前記シリコンウェハに形成されたシリコンパターンに該複数の超音波送信素子の各電極と該複数の超音波受信素子の各電極とをそれぞれ接続するようにするとよい。
これらの手段により、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる。
前記超音波センサは、該超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子を平面格子状に配置し、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子を平面格子状に配置するようにするとよい。
また、前記超音波センサは、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置し、半導体プロセス技術により前記シリコンウェハに形成されたシリコンパターンに該複数の超音波送信素子の各電極と該複数の超音波受信素子の各電極とをそれぞれ接続するようにするとよい。
これらの手段により、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる。
請求項1記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子が平面格子状に配置され、複数の超音波受信素子の周囲の超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子が平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子それぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにしているので、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができるとともに、超音波パルス信号の直接波による影響を少なくすることができる。
請求項2記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにしているので、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる。
請求項3記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子を平面格子状に配置し、複数の超音波受信素子の周囲の超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子を平面格子状に配置配置するようにしているので、超音波センサの超音波送信素子から送信された超音波パルス信号の直接波が超音波受信素子に受信され難いようにすることができ、超音波パルス信号の直接波による影響を少なくすることができる。
請求項4記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置し、半導体プロセス技術によりシリコンウェハに形成されたシリコンパターンに複数の超音波送信素子の各電極と複数の超音波受信素子の各電極とをそれぞれ接続するようにしているので、超音波センサの多数の超音波送信素子と多数の超音波受信素子とをシリコンウェハに形成されたシリコンパターンにより接続することができ、多数の超音波送信素子と多数の超音波受信素子と有する超音波センサを小型化することができる。
請求項2記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにしているので、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる。
請求項3記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子を平面格子状に配置し、複数の超音波受信素子の周囲の超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子を平面格子状に配置配置するようにしているので、超音波センサの超音波送信素子から送信された超音波パルス信号の直接波が超音波受信素子に受信され難いようにすることができ、超音波パルス信号の直接波による影響を少なくすることができる。
請求項4記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置し、半導体プロセス技術によりシリコンウェハに形成されたシリコンパターンに複数の超音波送信素子の各電極と複数の超音波受信素子の各電極とをそれぞれ接続するようにしているので、超音波センサの多数の超音波送信素子と多数の超音波受信素子とをシリコンウェハに形成されたシリコンパターンにより接続することができ、多数の超音波送信素子と多数の超音波受信素子と有する超音波センサを小型化することができる。
以下、適宜図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を詳述する。図1は本発明の一実施例の超音波センサ装置の構成を示すブロック図であり、図2は本発明の一実施例の超音波センサ装置の超音波センサの構造を示す図であり、図3は本発明の一実施例の超音波センサ装置の送信動作を示す説明図であり、図4は本発明の一実施例の超音波センサ装置の送信動作を示すタイミングチャートであり、図5は本発明の一実施例の超音波センサ装置の受信動作を示すタイミングチャートである。
まず、図1の本発明の一実施例の超音波センサ装置の構成を示すブロック図を基に説明する。
超音波センサ装置は、超音波センサ1の周縁部に平面格子状に配置された、超音波パルス信号を送信する複数の超音波送信素子Tmn(m、n=1、2、3、…、7)と超音波センサ1の中央部に平面格子状に配置された、超音波パルス信号を受信する複数の超音波受信素子Rmn(m、n=3、4、5)とを有する超音波センサ1と、超音波信号をパルス変調するパルス変調回路2からのパルス信号に基づいて超音波送信素子Tmnの共振周波数の正弦波パルス信号を発振する発振回路3と、複数の超音波送信素子Tmmをパルス駆動する駆動回路4と、複数の超音波送信素子Tmmからの超音波パルス信号の送信と複数の超音波受信素子Rmnによる超音波パルス信号の受信とを選択的に切り換える切換回路5と、複数の超音波受信素子Rmnにより受信された超音波パルス信号を増幅する増幅回路6と、高周波増幅回路6により増幅された超音波パルス信号を検波する検波回路7と、検波回路7により検波された超音波パルス信号の波形を整形する波形整形回路8と、超音波センサ装置のシステム全体を制御するマイコン9とで構成されている。
また、超音波センサ1は、図2に示すように、シリコン(Si)ウェハを基板として、複数の超音波送信素子Tmnと複数の超音波受信素子Rmnとがシリコンウェハ上に平面格子状に配置されている。超音波送信素子Tmn、超音波受信素子Tmnは、その圧電材料のチタン酸ジルコン酸鉛磁器(PZT)に正弦波パルス電圧を印加するための上部電極E1と下部電極E2とがそれぞれ設けられていて、下部電極E2は半導体プロセス技術によりシリコンウェハ上に形成された平面格子状のシリコンパターン(図示せず)にそれぞれ接続され、上部電極E1はシリコンウェハ上の周縁部に形成されたボンディングパッド(図示せず)にワイヤボンディングによりそれぞれ接続されている(図示せず)。また、超音波センサ1の基板のシリコンウェハは、半導体プロセス技術により複数の導電層のシリコン(Si)と複数の絶縁層の酸化シリコン(SiO2)とが形成され、複数の導電層のシリコンパターンにより複数の超音波送信素子Tmnと複数の超音波受信素子Rmnとが平面格子状に電気的に接続されている。
以上のように構成された超音波センサ装置について、以下その動作について説明する。
マイコン9は、パルス変調回路2に制御信号を送出して、パルス変調回路2によりパルス変調信号を生成し、発振回路3により超音波センサの複数の超音波送信素子Tmnの共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振させて、切換回路5により複数の超音波送信素子Tmnを選択的に切り換え、駆動回路4により正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnのそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する。超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから送信された超音波パルス信号は、複数の超音波送信素子Tmnの振動面の垂直軸周りに円錐状に広がりながら音速で空間を伝播する。
超音波センサ装置の超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから送信される超音波パルス信号が所定の時間間隔で送信されるので、複数の超音波送信素子Tmnからそれぞれ送信された複数の超音波パルス信号の波面は、所定の方向において揃った超音波パルス信号として、円錐状に広がりながら空間を伝播する。そのため、超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから送信される複数の超音波パルス信号は指向性を有している。超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tm1、Tm2、Tm6、Tm7から送信される超音波パルス信号をΔt1(=psinθ/v0)時間間隔で遅延させて送信することにより、角度θの方向に波面が揃った複数の超音波パルス信号を送信することができる(図3参照)。pは各超音波送信素子の振動面の中心間隔であり、v0は音速である。即ち、超音波送信素子Tm1から超音波パルス信号を送信した後、Δt1時間経過する毎に、超音波送信素子Tm2、Tm3、Tm4、…、Tm7のそれぞれから超音波パルス信号を送信すると(図4参照)、各超音波送信素子の振動面の垂直方向に対して角度θの方向に波面が揃った複数の超音波パルス信号が送信される。また、超音波送信素子Tmnの振動面の垂直軸周りの任意の方向に対しても、同様に、複数の超音波送信素子Tmnから波面が揃った複数の超音波パルス信号を送信することができるので、超音波センサ1から3次元の指向性を有する超音波パルス信号を送信することができる。
そして、超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnのそれぞれから送信された複数の超音波パルス信号が物体により反射されると、物体により反射された複数の超音波パルス信号の反射波が超音波センサ1の複数の超音波受信素子Rmnにより受信される。物体による複数の超音波パルス信号の反射波が複数の超音波受信素子Rmnにより受信されると、受信された複数の超音波パルス信号が複数の超音波受信素子Rmnのそれぞれにより電気信号に変換され、電気信号に変換された超音波パルス信号が増幅回路6により増幅されて、検波回路7により検波され、波形整形回路8によりパルス信号の波形が整形されて、マイコン9に送出される。マイコン9は、超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから超音波パルス信号が送信されてから、物体により反射された超音波パルス信号の反射波が超音波センサ1の複数の超音波受信素子Rmnにより受信されるまでの超音波パルス信号の受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する。
超音波パルス信号を反射した物体の位置と方向とは、超音波送信素子Tmnから超音波パルス信号が送信されてから超音波受信素子Rmnにより超音波パルス信号が受信されるまでの受信時間差t3、t4、t5を計測することにより、物体の位置と方向とを検知することができる(図5参照)。即ち、時間t3、t4、t5は、複数の超音波送信素子Tmnから送信された複数の超音波パルス信号が物体により反射され、反射された複数の超音波パルス信号が複数の超音波受信素子Rm3、Rm4、Rm5により受信されるまでの往復時間であるので、超音波受信素子Rm3、Rm4、Rm5から物体までの距離は、d3=t3/v0/2、d4=t4/v0/2、d5=t5/v0/2となる。超音波受信素子Rm3の振動面の中心を円の中心とする半径d3の円、超音波受信素子Rm4の振動面の中心を円の中心とする半径d4の円、超音波受信素子Rm3の振動面の中心を円の中心とする半径d5の円のそれぞれの交点の位置と方向とから超音波受信素子Rm3、Rm4、Rm5から物体までの距離と方向、即ち、物体の位置と方向とを検知することができる。
また、超音波センサ装置の超音波センサ1は、複数の超音波受信素子Rmnが超音波センサ1の中央部に集中して配置されているので、超音波センサ1の周縁部に配置された複数の超音波送信素子Tmnからの超音波パルス信号の直接波の影響を少なくすることができる。また、超音波パルス信号の直接波は、超音波送信素子Tmnから送信される超音波パルス信号であるので、その超音波パルス信号が到来した方向を検知することにより超音波送信素子Tmnから送信された超音波パルス信号の直接波であることがわかるので、物体からの超音波パルス信号の反射波と区別することができ、超音波送信素子Tmnからの超音波パルス信号の直接波を除外することができる。
また、超音波センサ装置の超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから複数の超音波パルス信号を送信し、複数の超音波送信素子Tmnから複数の超音波パルス信号が送信されてから物体による超音波パルス信号の反射波が複数の超音波受信素子Rmnにより受信されるまでの受信時間差を計測することにより、複数の超音波受信素子Rmnの振動面の中心を中心として物体までの距離を半径とする各球の交点の位置と方向とから複数の超音波受信素子Rmnから物体までの距離と方向、即ち、物体の位置と方向とを3次元で検知することができる。
まず、図1の本発明の一実施例の超音波センサ装置の構成を示すブロック図を基に説明する。
超音波センサ装置は、超音波センサ1の周縁部に平面格子状に配置された、超音波パルス信号を送信する複数の超音波送信素子Tmn(m、n=1、2、3、…、7)と超音波センサ1の中央部に平面格子状に配置された、超音波パルス信号を受信する複数の超音波受信素子Rmn(m、n=3、4、5)とを有する超音波センサ1と、超音波信号をパルス変調するパルス変調回路2からのパルス信号に基づいて超音波送信素子Tmnの共振周波数の正弦波パルス信号を発振する発振回路3と、複数の超音波送信素子Tmmをパルス駆動する駆動回路4と、複数の超音波送信素子Tmmからの超音波パルス信号の送信と複数の超音波受信素子Rmnによる超音波パルス信号の受信とを選択的に切り換える切換回路5と、複数の超音波受信素子Rmnにより受信された超音波パルス信号を増幅する増幅回路6と、高周波増幅回路6により増幅された超音波パルス信号を検波する検波回路7と、検波回路7により検波された超音波パルス信号の波形を整形する波形整形回路8と、超音波センサ装置のシステム全体を制御するマイコン9とで構成されている。
また、超音波センサ1は、図2に示すように、シリコン(Si)ウェハを基板として、複数の超音波送信素子Tmnと複数の超音波受信素子Rmnとがシリコンウェハ上に平面格子状に配置されている。超音波送信素子Tmn、超音波受信素子Tmnは、その圧電材料のチタン酸ジルコン酸鉛磁器(PZT)に正弦波パルス電圧を印加するための上部電極E1と下部電極E2とがそれぞれ設けられていて、下部電極E2は半導体プロセス技術によりシリコンウェハ上に形成された平面格子状のシリコンパターン(図示せず)にそれぞれ接続され、上部電極E1はシリコンウェハ上の周縁部に形成されたボンディングパッド(図示せず)にワイヤボンディングによりそれぞれ接続されている(図示せず)。また、超音波センサ1の基板のシリコンウェハは、半導体プロセス技術により複数の導電層のシリコン(Si)と複数の絶縁層の酸化シリコン(SiO2)とが形成され、複数の導電層のシリコンパターンにより複数の超音波送信素子Tmnと複数の超音波受信素子Rmnとが平面格子状に電気的に接続されている。
以上のように構成された超音波センサ装置について、以下その動作について説明する。
マイコン9は、パルス変調回路2に制御信号を送出して、パルス変調回路2によりパルス変調信号を生成し、発振回路3により超音波センサの複数の超音波送信素子Tmnの共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振させて、切換回路5により複数の超音波送信素子Tmnを選択的に切り換え、駆動回路4により正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnのそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する。超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから送信された超音波パルス信号は、複数の超音波送信素子Tmnの振動面の垂直軸周りに円錐状に広がりながら音速で空間を伝播する。
超音波センサ装置の超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから送信される超音波パルス信号が所定の時間間隔で送信されるので、複数の超音波送信素子Tmnからそれぞれ送信された複数の超音波パルス信号の波面は、所定の方向において揃った超音波パルス信号として、円錐状に広がりながら空間を伝播する。そのため、超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから送信される複数の超音波パルス信号は指向性を有している。超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tm1、Tm2、Tm6、Tm7から送信される超音波パルス信号をΔt1(=psinθ/v0)時間間隔で遅延させて送信することにより、角度θの方向に波面が揃った複数の超音波パルス信号を送信することができる(図3参照)。pは各超音波送信素子の振動面の中心間隔であり、v0は音速である。即ち、超音波送信素子Tm1から超音波パルス信号を送信した後、Δt1時間経過する毎に、超音波送信素子Tm2、Tm3、Tm4、…、Tm7のそれぞれから超音波パルス信号を送信すると(図4参照)、各超音波送信素子の振動面の垂直方向に対して角度θの方向に波面が揃った複数の超音波パルス信号が送信される。また、超音波送信素子Tmnの振動面の垂直軸周りの任意の方向に対しても、同様に、複数の超音波送信素子Tmnから波面が揃った複数の超音波パルス信号を送信することができるので、超音波センサ1から3次元の指向性を有する超音波パルス信号を送信することができる。
そして、超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnのそれぞれから送信された複数の超音波パルス信号が物体により反射されると、物体により反射された複数の超音波パルス信号の反射波が超音波センサ1の複数の超音波受信素子Rmnにより受信される。物体による複数の超音波パルス信号の反射波が複数の超音波受信素子Rmnにより受信されると、受信された複数の超音波パルス信号が複数の超音波受信素子Rmnのそれぞれにより電気信号に変換され、電気信号に変換された超音波パルス信号が増幅回路6により増幅されて、検波回路7により検波され、波形整形回路8によりパルス信号の波形が整形されて、マイコン9に送出される。マイコン9は、超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから超音波パルス信号が送信されてから、物体により反射された超音波パルス信号の反射波が超音波センサ1の複数の超音波受信素子Rmnにより受信されるまでの超音波パルス信号の受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する。
超音波パルス信号を反射した物体の位置と方向とは、超音波送信素子Tmnから超音波パルス信号が送信されてから超音波受信素子Rmnにより超音波パルス信号が受信されるまでの受信時間差t3、t4、t5を計測することにより、物体の位置と方向とを検知することができる(図5参照)。即ち、時間t3、t4、t5は、複数の超音波送信素子Tmnから送信された複数の超音波パルス信号が物体により反射され、反射された複数の超音波パルス信号が複数の超音波受信素子Rm3、Rm4、Rm5により受信されるまでの往復時間であるので、超音波受信素子Rm3、Rm4、Rm5から物体までの距離は、d3=t3/v0/2、d4=t4/v0/2、d5=t5/v0/2となる。超音波受信素子Rm3の振動面の中心を円の中心とする半径d3の円、超音波受信素子Rm4の振動面の中心を円の中心とする半径d4の円、超音波受信素子Rm3の振動面の中心を円の中心とする半径d5の円のそれぞれの交点の位置と方向とから超音波受信素子Rm3、Rm4、Rm5から物体までの距離と方向、即ち、物体の位置と方向とを検知することができる。
また、超音波センサ装置の超音波センサ1は、複数の超音波受信素子Rmnが超音波センサ1の中央部に集中して配置されているので、超音波センサ1の周縁部に配置された複数の超音波送信素子Tmnからの超音波パルス信号の直接波の影響を少なくすることができる。また、超音波パルス信号の直接波は、超音波送信素子Tmnから送信される超音波パルス信号であるので、その超音波パルス信号が到来した方向を検知することにより超音波送信素子Tmnから送信された超音波パルス信号の直接波であることがわかるので、物体からの超音波パルス信号の反射波と区別することができ、超音波送信素子Tmnからの超音波パルス信号の直接波を除外することができる。
また、超音波センサ装置の超音波センサ1の複数の超音波送信素子Tmnから複数の超音波パルス信号を送信し、複数の超音波送信素子Tmnから複数の超音波パルス信号が送信されてから物体による超音波パルス信号の反射波が複数の超音波受信素子Rmnにより受信されるまでの受信時間差を計測することにより、複数の超音波受信素子Rmnの振動面の中心を中心として物体までの距離を半径とする各球の交点の位置と方向とから複数の超音波受信素子Rmnから物体までの距離と方向、即ち、物体の位置と方向とを3次元で検知することができる。
1 超音波センサ
Tmn 超音波送信素子
Rmn 超音波受信素子
2 パルス変調回路
3 発振回路
4 駆動回路
5 切換回路
6 増幅回路
7 検波回路
8 波形整形回路
9 マイコン
Tmn 超音波送信素子
Rmn 超音波受信素子
2 パルス変調回路
3 発振回路
4 駆動回路
5 切換回路
6 増幅回路
7 検波回路
8 波形整形回路
9 マイコン
Claims (4)
- 超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置であって、
超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子が平面格子状に配置され、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子が平面格子状に配置された超音波センサ超音波センサと、前記超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振する発振手段と、前記発振手段により発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、該複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する送信手段と、前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する検知手段とを備えたことを特徴とする超音波センサ装置。 - 超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置であって、
複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサと、前記超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振する発振手段と、前記発振手段により発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、該複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する送信手段と、前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する検知手段とを備えたことを特徴とする超音波センサ装置。 - 前記超音波センサは、該超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子が平面格子状に配置され、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子が平面格子状に配置された超音波センサであることを特徴とする請求項2記載の超音波センサ装置。
- 前記超音波センサは、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とがシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置され、半導体プロセス技術により前記シリコンウェハに形成されたシリコンパターンに該複数の超音波送信素子の各電極と該複数の超音波受信素子の各電極とがそれぞれ接続された超音波センサであることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の超音波センサ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004181609A JP2006003278A (ja) | 2004-06-18 | 2004-06-18 | 超音波センサ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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JP2006003278A true JP2006003278A (ja) | 2006-01-05 |
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ID=35771781
Family Applications (1)
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Country | Link |
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JP (1) | JP2006003278A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2004
- 2004-06-18 JP JP2004181609A patent/JP2006003278A/ja active Pending
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