JPH0342794B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は工業用ロボツト等のマニピユレータに
取付けられる超音波複合センサに関するものであ
る。

従来例の構成とその問題点 工業用ロボツト等のマニピユレータには、マニ
ピユレータの移動を制御するための距離測定を行
う距離センサと、マニピユレータが目的物をつか
むために目的物に加える圧力の測定を行う圧力セ
ンサとが取付けられているが、従来距離センサと
圧力センサは小型に一体化されたものはなく、異
なつた位置に取付けられていた。

従つて目的物上の距離測定位置と圧力測定位置
が異なるため特に凹凸の多い目的物の場合に不都
合が生じていた。また距離センサには例えば超音
波トランスジユーサ、静電容量型トランスジユー
サあるいは渦電流型トランスジユーサなどが用い
られ、一方圧力センサとしては、一般には感圧高
分子材料や各種ヒズミゲージなどが用いられてお
り、距離センサと圧力センサは多くの場合、異な
つた変換方式のトランスジユーサであるため、測
定回路も各々２系統を必要とし、複雑なものとな
つていた。

発明の目的 本発明は以上のような従来の問題点を解決する
ためになされたもので、マニピユレータへの取付
けを容易にし、かつ距離測定位置と圧力測定位置
をほぼ同じ位置にし、センサの小型一体化をはか
るとともに距離センサおよび圧力センサに同じ変
換方式のトランスジユーサを用いることによつ
て、測定回路系の簡単化を可能とするものであ
る。

発明の構成 本発明は上記目的を構成するもので、圧電振動
子の一面に表面電極、他面に背面電極を設け、少
なくとも背面電極が分割されることにより実質的
に第１と第２の超音波トランスジユーサ部に分割
され、第１の超音波トランスジユーサ部の背面電
極上に背面負荷が設けられてなる超音波トランス
ジユーサと、前記超音波トランスジユーサの動作
周波数の連続波を発振する発振回路と、前記発振
回路の出力を一方又は他方に切換える切換回路
と、前記切換回路の一方に接続され、超音波パル
スを発生する送信回路と、前記送信回路から超音
波パルスを第１の超音波トランスジユーサ部に印
加し、第１の超音波トランスジユーサ部で受波さ
れた超音波パルス信号の増幅、検波等を行う受信
回路と、前記受信回路の出力に基づき目的物まで
の距離を測定し、その出力により切換回路を制御
する測定回路と、前記切換回路の他方を抵抗Ｒを
介して第２の超音波トランスジユーサ部に接続
し、前記切換回路の抵抗Ｒを介して前記第２の超
音波トランスジユーサに印加される電圧を測定す
る電圧測定回路とを具備することを特徴とする超
音波複合センサを提供するものである。

実施例の説明 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。第１図は本発明の第１の実施例における超音
波複合センサを示している。図において１は超音
波トランスジユーサで、距離測定用センサとして
用いられる第１の超音波トランスジユーサ部と、
圧力測定用センサとして用いられる第２の超音波
トランスジユーサ部とから構成される。

すなわち平板状圧電セラミツク振動子９の超音
波放射面側には全面電極１２が設けられており、
他面には背面電極１０，１１が設けられている。
振動子９の周辺の背面電極１０上には圧電セラミ
ツク振動子９のパルス応答特性を改善するため、
例えばフエライトゴムからなるバツキング材（背
面負荷）１３によつて裏打ちされて第１の超音波
トランスジユーサ部を構成し、振動子９の中央部
の背面電極１１にはバツキングを設けることなく
第２の超音波トランスジユーサ部を構成してい
る。２は超音波トランスジユーサ１の動作周波数
の連続波を発振する発振回路、３は発振回路２に
おいて発振された連続波を変調してトーンバース
ト波を発生するためのゲート回路を含み上記トー
ンバースト波を増幅して超音波トランスジユーサ
１の第１の超音波トランスジユーサ部に印加し、
超音波パルスを発生させるための送信回路であ
る。４は超音波トランスジユーサ１の第１の超音
波トランスジユーサ部から放射された超音波パル
スが目的物によつて反射され再び上記第１の超音
波トランスジユーサ部に受波された超音波パルス
信号の増幅・検波等を行なう受信回路、５は送信
回路３の出力と受信回路４において処理された受
信信号とを用いて目的物までの距離を測定する距
離測定回路、６は距離測定回路５の出力に応じて
発振回路２の出力を送信回路３に接続するか、あ
るいは抵抗Ｒを介して第２の超音波トランスジユ
ーサ部の背面電極１１に接続するかを切換えるた
めの切換えるための切換回路、７は換回路６によ
つて発振回路２の出力が抵抗Ｒを介して上記電極
１１に接続されたとき、電極１１における電圧を
測定する電圧測定回路である。

以上のように構成の超音波複合センサを距離セ
ンサとして動作させるときは、切換回路６は発振
回路２と送信回路３を接続し、発振回路２と第２
の超音波トランスジユーサ部の背面電極１１を結
ぶ経路は切断する。このとき圧電セラミツク振動
子９において第１の超音波トランスジユーサ部の
背面電極１０が励振され超音波パルスを放射し、
目的物により反射された超音波パルス再び第１の
超音波トランスジユーサ部で受波し、受波された
超音波パルス信号を受信回路４で増幅・検波等を
行つたのち距離測定回路５で目的物までの距離を
測定する。超音波トランスジユーサ１と目的物が
接触しているかないしは至近距離にあるときは距
離測定回路５の出力によつて切換回路６は発振回
路２と第２の超音波トランスジユーサ部の背面電
極１１を接続するように制御され、発振回路２と
送信回路３の経路は切断される。超音波トランス
ジユーサ１が目的物と接触し接触圧力が加わると
第２の超音波トランスジユーサ部のインピーダン
スは動作周波数の近傍において顕著に変化し、圧
力が大きくなるほどインピーダンスの絶対値の変
化は大きくなる。従つて第２の超音波トランスジ
ユーサ部の背面電極１１の面積に対応する圧電セ
ラミツク振動子９のインピーダンスをＺとする
と、Ｒ≫｜Ｚ｜なる条件を満たすように抵抗Ｒを
選んだとき、切換回路６および抵抗Ｒを介して発
振回路２から電極１１に加えられる信号の電極１
１の位置における電圧は上記インピーダンスの絶
対値にほぼ比例するのでこの電圧を電圧測定回路
７を用いて測定することによつて、超音波トラン
スジユーサ１に加えられた圧力の大きさを知るこ
とが可能となる。

なお第２の超音波トランスジユーサ部の背面電
極１１がバツキング材で裏打ちされた場合は、接
触圧力に対して第２の超音波トランスジユーサ部
のインピーダンスはほとんど変化しないため、圧
力測定精度が低下するためこの領域にはバツキン
グ材は設けない。

第２図は第２の実施例における超音波トランス
ジユーサの断面図である。９〜１３は第１図と同
様であり、１４は圧電セラミツク振動子９と空気
負荷との音響インピーダンス整合をとるための音
響整合層である。

特に音響整合層１４がシリコーンゴムなどのよ
うに可撓性を有する高分子材料から成つていると
きは超音波トランスジユーサ目１的物との接触
が、より完全に行なわれるため圧力測定が容易に
なるという特徴有をしている。

第３図は第３の実施例における超音波トランス
ジユーサの断面図であり、バツキングを有さない
背面電極１０を有する第２の超音波トランスジユ
ーサ部を圧力測定用として用い、中央の背面電極
１１は第１の超音波トランスジユーサ部としてバ
ツキング材１３により裏打ちして距離測定用に用
いるものである。この場合も同様の結果が得られ
る。

第４図は第４の実施例における超音波トランス
ジユーサの構成でありａは円板状の圧電セラミツ
ク振動子９を使用したときの超音波放射面２０の
電極構造、ｂはａのＡ−A´における断面図であ
る。第４図において１５は背面２１側中央の背面
電極１１と対応する位置に配置された放射面側中
央の表面電極、１６は放射面側中央の表面電極１
５の取出しリードであり、圧電セラミツク振動子
９両面の対向する背面電極１１と表面電極１５部
分で第２の超音波トランスジユーサを構成し、こ
れを用いて応力測定を行なう。１７は背面２１側
周囲の背面電極１０に対応する位置に配置された
超音波放射面２０上の表面電極であり、対向する
背面電極１０と表面電極１７部分で第１の超音波
トランスジユーサを構成し、これを用いて距離測
定を行なう。１８は放射面側中央の表面電極１５
および取出しリード１６と放射面周囲の表面電極
１７とを電気的に絶縁するギヤツプである。

ここで第２の超音波トランスジユーサ部の背面
電極１１はバツキング材によつて裏打ちされてお
らず、第１の超音波トランスジユーサ部の背面電
極１０はバツキング材１３によつて裏打ちされて
いる。第４図の構成によれば、第１〜第３図に示
した構成と比較して圧力測定に使用される第２の
超音波トランスジユーサ部の表面電極１５の面積
が小さいため、表面電極１５全体が目的物に完全
に面接触しやすくなるので接触圧力による第２の
超音波トランスジユーサ部のインピーダンス変化
が大きくなり従つて圧力測定が容易になるという
特徴を有している。

第５図は第５の実施例における超音波トランス
ジユーサの断面図を示している。

本実施例は第４図に示した第４の実施例の放射
面側中央の表面電極１５に突起１９を接着させた
構造を有しており、目的物との接触圧力を、より
効果的に超音波トランスジユーサに取出すことが
可能となる。

なお以上の実施例において圧電セラミツク振動
子９は電極分割されたものではなく、２つの平板
状圧電セラミツク振動子の組合わされたものでも
よい。

また圧電セラミツク振動子の形状も円板状に限
らず他の形状であつても良いことはもちろんであ
る。

発明の効果 以上要するに本発明は表面電極と背面電極とを
有する圧電振動子の少なくとも背面電極を分割す
ることにより実質的に２つの部分に分割し、その
一方の部分を距離測定用センサとして用い、他方
の部分を圧力測定用センサとして用いるもので、
距離センサと圧力センサを小型一体化することが
可能となり、距離測定位置と圧力測定位置を目的
物上のほぼ同一の位置に設定することができるの
でマニピユレータ等に取付けたとき目的物を正確
につかむことが可能となる。

また一つの圧電セラミツク振動子を電極分割し
て各部を圧力センサおよび距離センサとして用い
ており、発振回路を共用することができるので、
測定回路の簡単化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における超音波複合
センサのブロツク図、第２図乃至第３図は同セン
サに用いられる超音波トランスジユーサの実施例
を示す断面図、第４図ａは同センサに用いられる
超音波トランスジユーサの他の実施例を示す平面
図、第４図ｂはその断面図、第５図は同センサに
用いられる超音波トランスジユーサの他の実施例
を示す断面図である。 １……超音波トランスジユーサ、２……発振回
路、３……送信回路、４……受信回路、５……距
離測定回路、６……切換回路、７……電圧測定回
路、９……圧電セラミツク振動子、１０……第１
の超音波トランスジユーサ部の背面電極、１１…
…第２の超音波トランスジユーサ部の背面電極、
１２……超音波放射面側の全面電極、１３……バ
ツキング材、１４……音響整合層、１５……第２
の超音波トランスジユーサ部の表面電極、１６…
…電極取出しリード、１７……第１の超音波トラ
ンスジユーサ部の表面電極、１８……ギヤツプ、
１９……突起、２０……超音波放射面、２１……
背面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面および背面の両面に電極を有する圧電振
   動子の少なくとも背面電極が分割されることによ
   り実質的に第１と第２の超音波トランスジユーサ
   部に分割され、第１の超音波トランスジユーサ部
   の背面電極上に背面負荷が設けられてなる超音波
   トランスジユーサと、前記超音波トランスジユー
   サの動作周波数の連続波を発振する発振回路と、
   前記発振回路の出力を一方又は他方に切換える切
   換回路と、前記切換回路の一方に接続され、超音
   波パルスを発生する送信回路と、前記送信回路か
   らの超音波パルスを第１の超音波トランスジユー
   サ部に印加し、第１の超音波トランスジユーサ部
   で受波された超音波パルス信号の増幅、検波等を
   行う受信回路と、前記受信回路の出力に基づき目
   的物までの距離を測定し、その出力により切換回
   路を制御する測定回路と、前記切換回路の他方を
   抵抗を介して第２の超音波トランスジユーサ部に
   接続し、前記発振回路からの出力の、抵抗を介し
   て前記第２の超音波トランスジユーサ部に印加さ
   れる電圧を測定する電圧測定回路とを具備するこ
   とを特徴とする超音波複合センサ。 ２ 目的物と超音波トランスジユーサが接触して
   いるか若しくは至近距離にあるときは発振回路を
   第２の超音波トランスジユーサ部に接続し、目的
   物と超音波トランスジユーサが一定距離以上隔て
   られているときは発振回路を第１の超音波トラン
   スジユーサ部に接続するごとく切換回路が制御さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の超音波複合センサ。 ３ 第２の超音波トランスジユーサ部の表面電極
   が突出状をなすことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超音波複合センサ。