JP4594286B2 - 空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのmemsに基づく多共振超音波トランスデューサ及びその製作方法 - Google Patents
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Description
パラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して差音を発生させるために、超音波アクチュエータは、2つの周波数を有する超音波を同じ方向に発生させることができなければならず(条件I)、また空気の微弱な非線形特性により効率よく差音を発生させることができなければならないが、すなわち差音を効率よく発生させるためには、まず発生波(p0=p1=p2)が大きな音圧に発生されなければならず(条件II)、トランスデューサの大きさが大きくなければならない上(条件III)、2つの高周波の周波数差(fd=f1−f2)が大きくなければならない(条件IV)。
従来の超音波距離測定方式では、アクチュエータで発生する発生波とセンサで測定される測定波との周波数が同一であるため、超音波センサの場合はアクチュエータと同じ周波数で共振が発生するようになっている。
Claims (16)
- 空気中で超音波を用いて目標物までの距離を測定するのに利用され得る超音波トランスデューサであって、
2つの超音波を空気中に高圧で発生させ、空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを形成して高指向性の差音(fd=f1−f2)波が生成されるようにするために2つの超音波周波数f1、f2でそれぞれ共振周波数を有する2種類のf1共振型単位アクチュエータとf2共振型単位アクチュエータとが規則的に交互配列されて形成される超音波アクチュエータ部と、
前記目標物に反射して戻ってくる超音波信号を感知するために差音の周波数(fd=f1−f2)で共振周波数を有する少なくとも1つ以上の単位センサからなる超音波センサ部と
を含み、
前記単位アクチュエータ部と前記単位センサは、同じ積層構造で形成され、
その積層構造は、
外郭部は厚く固定支持部として形成され、中心部は薄いメンブレイン部として形成されて前記メンブレイン部が上下振動されるようにする基板部と、
前記基板部の上面上に形成される下部電極と、
前記下部電極上に形成されて印加される電圧に応じて上下振動を発生させ、前記メンブレイン部が振動されるようにする圧電体と、
前記圧電体上に形成されて前記下部電極と共に前記圧電体に対して電圧を印加する上部電極と
からなることを特徴とする空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記超音波アクチュエータ部と前記超音波センサ部は、同じ基板部で薄板状に一体化するように超小型加工技術(MEMS)により製造されることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。
- 前記基板部と前記下部電極との間に形成され、前記基板部を絶縁させる絶縁層を更に含んでなることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。
- 前記超音波アクチュエータ部の前記単位アクチュエータの間を電気的に連結するライニングパターン及び前記ライニングパターンに対して外部と電気的に接続され得る接続端子と、
前記超音波センサ部の前記各単位センサに対して独立して設けられるライニングパターン及び前記ライニングパターンに対して外部と電気的に接続され得る接続端子と
を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記f1共振型単位アクチュエータと前記f2共振型単位アクチュエータとを規則的に交互配列する方法は、
(a)四角形構造の交互配列方法、(b)正六角形構造の交互配列方法、(c)環状構造の交互配列方法の何れか1つであることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記メンブレイン部の構造は、
(a)一般のメンブレイン型構造、(b)カンチレバー(cantilever)型構造、(c)ピストン型構造の中から選択されることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記超音波アクチュエータ部の前記メンブレイン部と前記超音波センサ部の前記メンブレイン部との厚さが同一である場合は、
前記超音波センサ部の共振周波数を相対的に下げるために、
前記単位センサの前記メンブレイン部が前記単位アクチュエータの前記メンブレイン部よりも大きなサイズを有するか、
前記単位センサの前記メンブレイン部の構造が前記単位アクチュエータの前記メンブレイン部よりも低いバネ定数を有することを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記超音波トランスデューサは、
四角状である場合は一辺の長さが30〜50mmの範囲であり、
円形状である場合は直径が30〜60mmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記差音周波数fdは、
20〜60kHzの範囲で選択されることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記単位センサは、
中央部に1つ設けられるか、
外郭部に2つ以上設けられることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記単位アクチュエータ間の電極の連結は、
前記1つの単位アクチュエータの上部電極を次の前記単位アクチュエータの下部電極に連結する直列型であることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記単位アクチュエータ間の電極の連結は、
前記単位アクチュエータの前記上部電極は上部電極同士を、前記下部電極は下部電極同士を連結する並列型であることを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記並列型電極の連結は、
前記f1共振型単位アクチュエータと前記f2共振型単位アクチュエータとを区分することなく、全て並列に連結することを特徴とする請求項12に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記並列型電極の連結は、
前記f1共振型単位アクチュエータ同士のみを並列に連結し、前記f2共振型単位アクチュエータ同士のみを並列に連結することを特徴とする請求項12に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。 - 前記超音波トランスデューサの保護のために、その上下部側に結合されるハウジングを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。
- 前記上部側のハウジングはグリル状に備えられ、
前記下部側のハウジングは吸音可能な材質からなることを特徴とする請求項15に記載の空気中のパラメトリック・トランスミッティング・アレイを用いた超指向性超音波距離測定のためのMEMSに基づく多共振超音波トランスデューサ。
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