JPH0473557B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超音波装置、システム及び方法に係
り、特に、距離について高い分解能を発揮する装
置、システム及び方法に係る。

従来の技術 超音波装置、システム及び方法はこれまでに多
数提供されている。然し乍ら、一般に、このよう
な装置、システム及び方法は、低い周波数を用い
るもので、集束エネルギービームを形成するもの
ではない。多数の工業用プロセスでは、物体の縁
を検出したり物体のサイズ及び形状を探知したり
するのに利用できる集束エネルギビームを用いた
距離測定・非接触試験装置が必要とされている。
物体の輪郭、形状、縁及びその他表面の凹凸を正
確に表わすために細いエネルギビームが所望され
る。目標とする像を非常に正確且つ詳細に得るた
めには、できるだけ直径の小さいビームを形成す
ることが所望される。

発明の目的 一般に、本発明の目的は、距離について高い分
解能を発揮する超音波装置、システム及び方法を
提供することである。

本発明の別の目的は、空気中で集束エネルギビ
ームを用いた上記特徴の装置、システム及び方法
を提供することである。

本発明の更に別の目的は、比較的周波数の高い
音響ビームを用いた上記特徴の装置、システム及
び方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、比較的値段の安い上
記特徴の装置、システム及び方法を提供すること
である。

本発明の更に別の目的は、ロボツトや、林業生
産物の処理を含む工業的なオートメーシヨンに特
に適用できる上記特徴の装置、システム及び方法
を提供することである。

本発明の更に別の目的及び特徴は、添付図面を
参照した好ましい実施例の詳細な説明より明らか
となろう。

実施例 第１図には、本発明の超音波装置、システム及
び方法を利用したロボツト２１が示されている。
このロボツト２１は、コンソール２２に取り付け
られた制御システムによつて制御される。制御コ
ンソール２２は、以下で説明する形式の電子装置
を備えている。又、ビデオモニタ２３も含まれて
いる。ロボツトには、６軸（プラス把持）の全電
子オーバーヘツドアーム２４が設けられている。
本発明による超音波トランスジユーサ２６は、こ
のアームに支持され、アームを動かす情報を感知
するのに使用される。

図示された例では、ロボツト２１がコンベア２
７の近くに取り付けられ、ロボツト２１の作動に
関連してトランスジユーサ２６によつて感知され
る部品例えば２８及びワツシヤ２９を指示する。
典型的な使用目的においては、ロボツトは、コン
ベア上を移動して来る部品を探索及び識別しそし
てその後、部品を取り上げてこの部品で或る種の
動作を行なうことが必要とされる。

物を３次元的に識別し探索する方法は多数あ
る。この目的に戻りエコーを用いることができ
る。というには、著しく集束された超音波ビーム
は、空間内の点を表わし、ロボツト又他の自動装
置で物体を確認するための像形成データを与え
る。これにより、最終利用者は、ロボツト視覚シ
ステムを作業現場で容易に使用することができ
る。これは、高精度制御ロボツトに取り付けられ
た走査システムで物体の音響画像を取り出すこと
によつて行なわれる。この走査システムにより、
物体の全ての独得な形状を位置付けるに充分な物
体の画像を得ることができる。このパターンがコ
ンピユータのメモリに記憶される。コンピユータ
には、グラフイツクソフトウエア機能を設けるこ
とができ、これにより、適当なアルゴリズムを用
いて、物体の正面図を90゜変換したり、或いは、
メモリに記憶された物体をその３つの軸のいずれ
かに対して回転させたり、完全な物体を１回もし
くは多数回走査することによつて形状、輪郭及び
物体の位置を変換したりすることができる。又、
これを用いて、ロボツトの正確な座標位置をメモ
リに記憶することができる。これらは、全て、精
巧なソフトウエアや応用数学を利用者の側に必要
とせずに実行することができる。

第２図には、ロボツトを作動する距離情報をコ
ンピユータに与えるのに必要な部品を示すブロツ
ク図でシステムが示されている。以下に述べるよ
うに、トランスジユーサ２６は、参照番号３１で
示された１つ以上の素子又はリングを備え、これ
らは導体３２により送受スイツチ３３へ接続され
る。この送受スイツチ３３は、システムの送信器
及び受信器を適当な時間間隔でトランスジユーサ
２６と通信できるようにするために設けられてい
る。送受スイツチ３３は、一般構造のものであ
り、４チヤンネル送信器３４及び４チヤンネル受
信器３６に接続されている。送受スイツチ３３
は、送信器及び受信器３４及び３６がトランスジ
ユーサと順次に通信するためのタイミングを確立
する。送信器３４及び受信器３６には、適当な直
流電源３７が設けられ、その電圧範囲は、100な
いし550ボルトであるが、好ましくは、約450ボル
トである。両方向性のアドレス／データバス３８
は、単一ボードコンピユータ３９とインターフエ
イスブロツク４１との間の通信を確立し、インタ
ーフエイスブロツク４１は、バス４３を経てホス
トコンピユータ４２と通する。更に、両方向性ア
ドレス／データバスは、単一ボードコンピユータ
３９と、４チヤンネル送信器３４、４チヤンネル
受信器３６、及び検出器付きの受信ビーム整形４
４との間の通信も確立する。４チヤンネル受信器
３６と受信ビーム整形器４４との間の通信を確立
するために、一方向性のローカルバス４６が設け
られている。

４チヤンネル送信器には、遅延信号発生器が設
けられており、各送信リングを経て遅延時間のた
めのデータバスコマンドを受け入れると共に、同
じバスからトリガコマンドを受け入れる。遅延信
号発生器の使用によつて集束作用を形成するた
め、４つのチヤンネルの少なくとも３つにおいて
送信が遅延される。送信器３４は、自走モードで
動作することができる。このような場合には、４
つの全部の素子もしくはリングにおいて標準遅延
時間を用いて送信が行なわれ、エネルギビームが
弱く集束されて奥行の深い視野が形成される。物
体をより近くから見ることが所望される場合に
は、単一ボードコンピユータ３９の制御のもとで
視野の深さを減少し、超音波エネルギを特定の領
域に集束することができる。或いは又、目標距離
を決定するように単一の探索パルスを送ることが
できる。この距離データを用い、全てのエネルギ
を送信空間内の１点に集束するように送信器の遅
延時間をセツトすることができる。３つの作動モ
ード、即ち、(1)弱い集束で送信、強い集束で受
信、(2)鋭い集束で送信、弱い集束で受信、そして
(3)鋭い集束で送信、鋭い集束で受信、というモー
ドが考えられる。モード(1)及び(2)では、横方向の
分解能が同じになり、モード(3)では、精度が高く
なる。モード(1)及び(2)は、経費が安く実施し易い
が、モード(3)は非常にコストがかゝる。

４チヤンネル受信器３６は、250KHz程度の中
心周波数に対して50％の帯域巾を有する４つの実
質的に同様の増幅器で構成される。このような帯
域巾により、エコーを受けることができ、このエ
コーは増巾されて、受信ビーム整形器４４へ送ら
れる。４チヤンネル受信器には、ボードマルチプ
レクスバスが設けられている。ビーム整形器４４
は、当業者に良く知られたように電子的遅延を挿
入し、受信エコーの異なつた経路長さ（これは、
実際には、音響検出器の焦点長さを電子的に変え
る）を補償する。検出器付きの受信ビーム整形器
４４は、単一ボードコンピユータ３９によつて戻
りエコーとして確認される特定の時点でエコーを
受信したことを示す出力を両方向性アドレス／デ
ータバスに出力する。前記したように、単一ボー
ドコンピユータは、時間ゼロにパルスを供給しそ
してエコーを受信するまで内部クロツクに基づい
てカウントを開始するように送信器に指示を与え
る。次いで、この時間を経路長さに変換し、これ
はインターフエイスブロツク４(1)を経てホストコ
ンピユータ４(2)へ供給される。従つて、単一ボー
ドコンピユータは、送信器をトリガし、そして、
受信器３６から検出器付きの受信ビーム整形器４
４を経て情報を受けた後に、観察されている物体
の距離を計算することが明らかである。

インターフエイスブロツク４１は、２インチ
（5.0cm）から12インチ（30cm）までの範囲の距離
データを自動的に出力できるようにする。インタ
ーフエイスブロツク４１は、送信器を所定の距離
に集束させるように使用できる。インターフエイ
スブロツク４１は、要求があつた際に、各チヤン
ネルからのデータを別々に通す。単一ボードコン
ピユータ３９は、データの転送、ルツクアツプテ
ーブルの記憶及び遅延の計算に対し診断を行なう
ことができる。

４チヤンネル受信器３６は、各リング即ちチヤ
ンネルから情報を受け取る。この受信器は、各チ
ヤンネルに対して増巾及びフイルタ作用を行な
い、平らな目標物に対する距離12インチ（30cm）
の信号を低いノイズで与える。４チヤンネル受信
器は、ビーム整形器４４からのマルチプレクス制
御を受ける。又、この受信器は、１方向性ローカ
ルバス４６を経てビーム整形器へ出力を供給す
る。受信ビーム整形器４４は、１方向性ローカル
バスを経て４チヤンネル受信器３６から情報を受
ける。ビーム整形器４４は、各チヤンネルの情報
を加え、或る形式にされた出力を与える。又、ビ
ーム整形器は、データバスコマンドも受け、所望
ならば（診断のために）１つのチヤンネルのみの
データを通す。このビーム整形器は、デジタルス
レツシユホールド検出器を有し、エコーが入つて
きた時に両方向性アドレス／データバス３８にパ
ルスを出力する。典型的に、このビーム整形器
は、３つのメモリが設けられており、これらは、
３つまでの各エコーの振幅を記憶するのに使用で
きる。又、単一ボードコンピユータ３３から要望
があつた時に３つの各エコーの振幅を両方向性ア
ドレス／データバス３８にダンピングする。

本発明に用いられる音響トランスジユーサ２６
が第３図ないし第８図に示されている。図示され
たように、トランスジユーサ２６は、円筒状で且
つ環状の本体５１より成り、この本体には、円柱
状の中央開口５２が設けられている。開口５２に
は、可撓性のシート即ちホイル５３が張られてお
り、これはクランプリング５４によつて位置固定
される。このリングは、ネジ５６のような適当な
手段によつて本体５１に固定される。シート即ち
ホイル５３は、ポリプロピレンのような絶縁材の
適当な可撓性フイルムで構成され、その厚さは６
ミクロンないし10ミクロンである。このホイルに
は、アルミニユーム又は金のような適当な導電性
材料の薄い層が蒸着され、１平方当たり２−４オ
ームの抵抗率が与えられる。アルミニユーム層
は、厚さが50ないし300Åであり、典型的には、
約200Åである。抵抗率は、１平方当たり約200オ
ームまで許容でき、その下限はゼロである。ホイ
ル即ちフイルム５３は、感知受信器として働くに
充分な程薄くなければならず、且つ又、高いバイ
アス電圧に耐えられるように誘電率が高くなけれ
ばならない。典型的に、フイルムは、例えば、厚
さが0.0003インチ（0.0075mm）のカプトン、厚さ
が0.0004インチ（0.01mm）のポリプロピレン及び
厚さが0.00025インチ（0.0063mm）のテフロンの
ようなプラスチツクである。これらの各々は、
500KHzまでの超音波周波数を形成するように充
分に作動すると分かつている。

比較的固い円形のバツクプレート５７が設けら
れており、このプレートは、例えば、厚さが１／
４インチ（6.3mm）プラスチツクのような適当な
非導電性材料で構成される。このバツクプレート
５７には、導電性の面をもつ複数の素子が取り付
けられる。図示されたように、これらの素子は、
円柱５８の形態の中央素子と、同心リング５９，
６１及び６２の形態の３つの別の素子、即ち、全
部で４つの素子で構成され、これらは全てネジ６
３のような適当な手段によりバツクプレート５７
に固定される。図示された構成で、互いに120゜離
された３本のネジ６３が、リグ５９，６１及び６
２各々のをバツクプレート５７に固定するために
設けられている。素子５８，５９，６１及び６２
は、導電性の面６４を有し、これらの導電性の面
は、本体５１の上面６５に平行で且つバツクプレ
ートに形成された平面６６にも平行であるような
平面内に存在する。素子即ちリング５９，６１及
び６２には、内方に延びる環状リツプ５９ａ，６
１ａ及び６２ａが設けられており、これらはネ６
３によりバツクプレート５７に固定され、ネジ６
３は、バツクプレート５７に設けられた穴６７に
入れられ、リツプ５９ａ，６１ａ及び６２ａ並び
に素子５８のねじ切りされた穴にねじ込まれる。
バツクプレート５７は、素子５８，５９，６１及
び６２を支持した状態で本体５１に適当に固定さ
れる。例えば、図示されたように、金属のような
適当な材料で形成された円形プレートの形態の後
部シユラウド６９は、ネジ７１によつて本体５１
に固定される。ネジ７１は、取り付け穴７２を通
して延び、バツクプレート５７に設けられたねじ
切りされた穴７３及び本体５１に設けられたねじ
切りされた穴５６にねじ込まれる。シユラウド６
８の後部の穴７５には、電気コネクタ７４が取り
付けられ、適当な同軸ワイヤ（図示せず）によつ
てネジ６３に接続され、素子５８，５９，６１及
び６２との電気的接続を形成する。以下で述べる
ように、ポリプロピレンホイル５３は、被覆され
ない面即ち絶縁面が素子５８，５９，６１及び６
２に対向しそして被覆された面がこれら素子から
離れた方を向くように取り付けられる。

例えば、１／８又は１／４インチのメツシユの
如きスチールワイヤメツシユの適当な材料で形成
されたスクリーン７６がポリプロピレンホイル５
３のメツキ面を覆い、ホイル５３を保護するよう
に働く。クランプリング５４及びネジ５６の上に
はゴムの環状ガスケツト７７がのせられる。円形
の前部シユラウド７８が設けられており、これ
は、断面がＬ字型で、スクリーン７６の外縁にの
る環状リツプ７９を有している。この前部シユラ
ウドは、本体５１上に延び、ネジ８１によつて本
体に固定される。ネジ８１は、本体５１に設けら
れたねじ切りされた穴８２へ延び込んでいる。

トランスジユーサ２６の取り付けブラケツト９
６が設けられており、これは、第３図に示すよう
に、断面がＬ字型で、ネジ９７により本体５１に
固定される。

素子５８，５９，６１及び６２の面６４は、本
発明の特定の所望の結果を得るように、特定のや
り方で処理される。素子５８，５９，６１及び６
２は、適当な導電性材料で形成され、好ましく
は、アルニミユーム合金で形成される。特に満足
であると分かつている１つのアルミニユーム合金
は、合金5086−Ｔ−116と識別されるものである。
これは、海で使用する形式の防食性合金である。
素子５８，５９，６０，６１及び６２は全て厚さ
が１／２インチ（12.5cm）以上のアルミニユーム
合金シートから加工される。明らかなように、素
子５８は、円柱状のピストンとして形成され、一
方、素子５９，６１及び６２は、図示されたよう
に、実質的にＬ字型の断面で形成される。素子の
面６４は、光沢仕上げされる。これは、サンドペ
ーパ及び光沢クロースを旋盤に用いることによつ
て達成される。素子の面６４は旋盤を使用してサ
ンドペーパとポリツシング布で光学的な輝く仕上
げ面に磨くのであり、このため表面６４には不規
則に配置された多数の弧状の細い溝ができる。旋
盤はそれに取りつけられた素子を回転させ、そし
てこれに対面しているサンドペーパは深さも幅も
違うランダムな弧状の、もしくは環状の溝を素子
の面６４につくり、そしてこれらの溝は第８図に
示すようにメツキしたホイル５３に面している。
この光沢仕上げを行つた後、素子５８，５９，６
１及び６２を塩化第二鉄の溶液で処理した。これ
は、市販の塩化第二鉄を購入して、これを水で稀
釈することによつて行なつた。塩化第二鉄
（Fe₂Cl₃）を１／３の水で稀釈し、塩化第二鉄66
２／３％及び水33 １／３％の溶液を形成した。
この稀釈した塩化第二鉄を室温及び大気圧で容器
に入れた。２分ないし３分の範囲の時間で素子を
燥り返し溶液中に沈めることによつて表面６４を
この溶液でエツチングした。これは、素子を、溶
液中に各々１分間挿入し、素子を取り出し、そし
て乾燥させて、表面６４のエツチング状態を検査
することによつて行なうのが好ましい。典型的
に、トランスジユーサ２６に対して所望の作動周
波数を得るためには、表面６４を所望の粗面にす
るように１分ごとに２回ないし３回溶液中に沈め
なければならないことが分つた。例えば、１分間
のエツチングで300ないし400KHzの周波数が与え
られることが分かつた。更にエツチングを行なう
と、更に粗面化が進み、約250KHzの共振周波数
が得られる。このように溶液に沈める操作を行な
う場合には、素子５８，５９，６１及び６２をバ
ツクプレート５７に取り付け、この組立体全体を
エツチング溶液に沈めることが望ましいと分かつ
た。このエツチングにより、ホイル９３の非メツ
キ面の下に粗面６４が形成されると考えられる。
エツチングによつて形成された粗面には、エツチ
ング時間で決まる厚さをもつ酸化アルミニユーム
層が形成される。この酸化アルミニユーム層は、
絶縁特性を有しているから、更に別の誘電層とし
て働く。

周波数の上限は、(a)フイルムの厚さ（これは周
波数に反比例する）と、(b)キヤパシタのソリツド
金属プレートの表面仕上げ状態（表面仕上げが滑
らかである程、周波数が高くなる）とによつて決
定される。横方向及び距離測定の分解能を改善す
るためには、高い周波数が所望される。然し乍
ら、このように高い周波数は、周波数が高くなる
につれて減衰量が相当に大きくなることを理解さ
れたい。

エツチング操作が完了した後、ホイル５３を環
状本体５１に張り、クランプリング５４を用いて
位置固定する。その後、バツクプレート５７に素
子を固定した状態でこのプレートを挿入し、その
表面をホイルに係合させる。

以上に述べた電気的接続状態では、ホイル５３
の前面即ちメツキ面がアース電位にあり、一方、
同軸ケーブル（図示せず）によつて送受スイツチ
３３に接続された素子５８，５９，６０及び６１
はアース電位より高く、従つて、実際には、キヤ
パシタが構成され、ホイル５３の片面の金属被膜
が一方の金属電極として働き、ホイルのポリプロ
ピレンが絶縁体として働き、そして表面６４が絶
縁材の他側の金属電極として働いて、セル型トラ
ンスジユーサと考えられるものを構成する。

トランスジユーサ２６は、前記したように組み
立てられて第２図に示した形式のシステムに接続
されると、典型的に100ないし500ボルトの範囲の
高い電圧によつてパルス付勢される。この電圧
は、ホイル５３のアースされた前面と素子５８，
５９，６１及び６２との間に印加される。

作動に際し、リング即ち素子とホイルの前面と
の間に高い電圧を印加すると、リングとホイルと
の間に吸引が生じる。高い周波数でのホイルのこ
の移動により、本発明で利用される超音波エネル
ギが発生される。電圧を増加するにつれて、戻り
エコーに対して信号対雑音比が改善されると分か
つた。然し乍ら、このような電圧の変化は、周波
に著しく影響しない。然し、できるだけ高い電圧
を使用することが強く所望される。

本発明においては、作動周波数は、１キヤパタ
電極のエツチング、(2)外部の直列インダクタンス
及び(3)フイルムの厚さによつて制御される。本発
明で使用されるビーム整形器は、音響ビームを整
形し、送信及び受信において配列体の軸の如何な
る点にも音響ビームを動的に集束し、高い横方向
分解能が得られるようにする。ビーム整形器で
は、奥行の深い視野に対して送信をソフトフオー
カスにするように、配列体素子からの信号が遅延
される。これらの遅延により、各素子からの信号
は、配列体の軸上の目標点にほゞ同位相で到達
し、即ち、集束される。或いは又、送信の際に、
信号を、配列体の軸上の点に同時に到達するよう
に遅延して、集束を果たすこともできる。物体の
距離が分かつている場合には、適切な遅延により
非常に正確な集束を与えることができる。或い
は、物体の距離が未知の場合には、奥行の深い視
野のソフトフオーカスを用いるか、又は、距離を
測定するように単一の探索パルスを送信すること
ができる。

検出器付きの受信ビーム整形器４４は、１方向
性のローカルバス４６を経て入つてくる信号を受
け取る。次いで、各チヤンネルの信号を加え、整
形された出力を与える。又、所望ならば、例え
ば、診断の目的で、１つのチヤンネルのみを通る
アドレス／データバスコマンドを受け取ることも
できる。この整形器は、デジタルのスレツシユホ
ールド検出器を有し、エコーを受信した時に、パ
ルス情報をアドレス／データバスにダンピングす
る。この整形器には、３個までの各エコーの振幅
を記憶するためにメモリが３つ設けられている。
この整形器は、単一ボードコンピユータ３９から
要求があつた時にアドレス／データバスにエコー
の振幅をダンピングする。

整相配列トランスジユーサ２６によつて形成さ
れる送信パターンが第９図に示されている。前記
したように、この整相配列体は、環状構成の実質
的に一般のセル型トランスジユーサである。これ
には、環状形態ではなくてデイスク型形状の中央
素子５８が設けられており、一方、素子５９，６
１及び６２は、環状であり、この環は、配列体の
外周に近付く程、半径方向の厚さが減少する。従
つて、最も外側のリング即ち環は、半径方向厚さ
が最も薄い。

これら素子各々からの超音波エネルギの送信パ
ターンが、ローブ１０１，１０２，１０３及び１
０４で示されており、ローブ１０１は、中央素子
５８に関連したもので、サイドローブ１０２，１
０３、及び１０４は、各々、素子５９，６１及び
６２に関連したものである。中央の素子即ちデイ
スク５８のサイズは、トランスジユーサ２６の所
望の視野に一般的に対応する主ローブ１０１を形
成すると共に、使用可能な最少距離を与えるよう
に選択される。素子５９，６１及び６２は、主ロ
ーブ１０２，１０３及び１０４の形態の超音波エ
ネルギ送信を与え、主ローブ１０２は、回折の程
度が最小で、主ローブ１０３は、回折の程度が中
程度で、そして主ローブ１０４は、回折程度が大
きい。当業者に明らかなように、配列体の中心か
ら素子が離れている程、配列体の対称軸に向かつ
てエネルギを回折させるのに要する回折程度が大
きくなる。換言すれば、配列体の全ての素子は、
配列体の軸に向かつてエネルギを回折できなけれ
ばならない。中央素子５８は、一般に、細いビー
ム即ち主ローブ１０１を与えるために配列体の直
径の約20％の直径を有している。トランスジユー
サは、適当なサイズのものでよく、例えば、円筒
の直径が約４インチ（10cm）で、実際の厚さが約
３／４インチ（1.88cm）である。

第１図に示したようなロボツトの使用目的でト
ランスジユーサ２６を動作させる場合には、ロボ
ツトアーム２４の端に支持された走査ヘツドにト
ランスジユーサ２６を取り付け、ロボツト２１の
アーム２４の作業領域に対応する視野を走査ヘツ
ドに与えるようにする。走査ヘツド２６は、物体
−この場合、ボルト２８又はワツシヤ２９である
−を横切るようにアーム２４によつて動かすこと
ができ、走査されつつある物体に対し物体の真の
形状を確立するに要する多数の点即ちスポツトを
決定することができる。ロボツト２１の位置が既
知であるから、走査ヘツド２６の位置も既知であ
る。

第２図に示した装置は、トランスジユーサ即と
走査ヘツド２６から高周波数の音響パルスを出力
し、走査されている物体により反射された高周波
数の音響を受け取る。又、第２図に示した装置
は、走査されている物体との間のパルス走行時間
を測定し、空気中の音速は即知であるから、これ
を距離データに変換する。物体の特定の形状が分
かるようにするためには、物体の非常に僅かな部
分しか一度に走査できない。細い形状の音響ビー
ムは、ビーム整形器４４を使用することによつて
電子的に得られる。ビーム整形器４４は、送信及
び受信の両方に対して時間遅延を利用し、配列体
の個々の素子からの送信及び受信信号の位相を構
造的に整え、動的に集束されたエネルギビームが
得られるようにする。トランスジユーサ２６の配
列体の各々の素子は、配列体における位置が既知
である。配列体の各素子からの信号をタイミング
をとつて送信することにより、全ての信号を軸に
沿つた空間内の点に同時に到達させることができ
る。これに対し、配列体の各素子は、各素子につ
いてその位置をベースとして遅延を与えた場合に
は、同時に信号を受信できる。配列体の形状及び
使用する時間遅延により、これらの信号を空間内
の既知の位置に構造的に加えて、所望の情報を得
ることができる。

前記したように、走査ヘツドトランスジユーサ
２６は、音響信号の送受信に使用される静電トラ
ンスジユーサとして働く。このトランスジユーサ
は、同心的な配列素子５８，５９，６１及び６２
の半径方向平面によつて係合される金属化ホイル
５３で構成される。ホイル５３の片面は、キヤパ
シタの一方の電極として働き、フイルム自体は、
キヤパシタの誘電体であり、そして配列体素子の
金属面６４は、キヤパシタの他方の電極である。
この配列体の活性領域は、フイルム即ちホイル５
３に接触した表面領域６４である。

この配列体の物理的な特徴は、所望の全横方向
分解能、アパーチヤの物理的なサイズ限界、作動
周波数、及び配列体の中心にどれ程接近させて目
標物即ち物体を観察しなければならないかによつ
て決定される。これらフアクタの幾つかは、互い
に相反するものである。配列体に大きなアパーチ
ヤを持たせるべき場合には、外側のリングが、配
列体に最も近い所望の点でビーム巾の半分が目標
物に当たるような回折パターンをとらねばならな
い。アパーチヤが４インチ（10cm）で、配列体か
ら実際に２インチ（５cm）離れたところで目標物
を観察する場合には、素子の巾が約0.024インチ
（0.6mm）でなければならない。このように素子の
巾が非常に狭いことにより、非常に僅かな信号し
か受信できないので受信器の感度が不充分とな
る。この制約を解消するために、受信器の感度が
良好となるように素子の巾を充分に増加した。

上記特徴のシステム、装置及び方法では、画質
のよい音響像を実時間ベースで形成することがで
き、これはロボツトの使用目的に特に有用であ
る。整相配列体の各素子は、４つ全部のローブを
合成した時に非常に指向性のある超音波ビームを
形成するような別々の静電トランスジユーサとし
て働く。

前記したように、送信出力を大きくすると共
に、付加的な受信領域を設け、これにより、信号
対雑音比を改善して、距離分解能を改善できるよ
うにするためには、環状配列体の外側の環状素子
をより厚いものにするか、半径方向寸法をより大
きくすることが所望される。然し乍ら、厚い外側
リングを用いた場合には、リングが厚い程、配列
体から相当の距離離れるまで、配列体の中心軸に
沿つて所望の位置へあまりエネルギを回折しなく
なり、トランスジユーサは、非常に至近にある物
体を造影することが非常に困難になる。又、空気
中での減衰により、離れた距離に置かれた物体か
らのエコーを受信することは困難である。この形
式の装置では、色々なサイズの物体を容易に造影
できることが分つた。例えば、トランスジユーサ
の前方約１フイート（30cm）に配置された直径
0.007インチ（0.18mm）のワイヤを、中心周波数
が約250KHzで帯域巾50％の広帯域パルスを用い
て、容易に造影することができることが分かつ
た。

本発明の別の実施例が第１０図及び第１１図に
示されており、この場合には、トランスジユーサ
２６にミラー１１１が取り付けられている。この
ミラー１１１は、アルミニユームのような適当な
材料の円柱状本体１１２で形成することができ
る。本体１１２の中心部にはくぼみ１１３が延び
ており、これは円錐を切断した形態であり、本体
１１２の上面及び下面１１４及び１１６を通つて
延びている。くぼみ１１３を形成する面は、比較
的光沢があり、外側の環状素子６２ａの面６４か
らの超音波エネルギを反射するミラーとして働く
ように適当な角度がつけられている。ミラー１１
１は、Ｌ字型ブラケツト１１７を使用するが如き
適当なやり方でトランスジユーサ２６に固定する
ことができ、このブラケツトは、溶接の如き適当
な手段によつて本体１１２に固定され、そしてネ
ジ１１８の如き適当な手段によつてトランスジユ
ーサ２６に固定される。ミラー１１２を使用する
ことにより、環状素子からのビームパターンを整
相配列体の軸に向かつて曲げることができ、それ
故、上記で述べた理由により、相当に厚みのある
素子を半径方向に使用することができる。

第１０図及び第１１図では、外側の環状素子６
２のみに対して１つのミラー１１１が使用されて
いるが、配列体の他の環状素子にもミラーを使用
できることが明らかである。従つて、第１２図に
示すように、環状素子６１及び５９に対して更に
別のミラー１２１及び１２２を設けることができ
る。これにより、素子６１の厚みをより厚くする
ことができる。又、素子５９も、若干厚く作るこ
とができる。第１２図に矢印で示されたように、
これらのミラーは、素子から出る超音波線の少な
くとも若干を、環状配列体の軸に沿つて集束する
方向に曲げる。環状トランスジユーサの使用可能
な至近距離は、各素子からのエネルギを配列体の
対称軸に集束できるような距離である。これらの
ミラーにより標準素子よりも大きな素子を使用す
ることができ、ひいては、大きな出力を使用する
ことができる。又、これらの素子は、信号の受信
に対して信号対雑音比を改善することができ、ひ
いては、整相配列体の距離、分解能及び精度を改
善することができる。

第１３図及び第１４図には、整相配列体に関連
して多数のミラーを使用した時に特に適用できる
ミラー構造体１２６が示されている。従つて、第
１３図及び第１４図に示されたように、本体１１
２が設けられ、これはくぼみ１１３を形成するミ
ラー面を有している。支持構造体１２７がくぼみ
１１３内に取り付けられており、この構造体には
３つの脚１２８が設けられている。これらの脚
は、中心で接合され、本体１１２に取り付けられ
る。第１２図に示されたミラー１２１及び１２２
は、これらミラーに設けられた開口を通して脚１
２８を延ばすような適当なやり方でこの構造体１
２７に取り付けることができ、そしてこれらミラ
ーは、図示されたように、配列体の関連素子から
のビームを適切に反射する所定の角度で取り付け
配置される。面１１３の場合と同様に、ミラー１
２１及び１２２によつて与えられる面は、幾何学
的には、円錐の切断された部分によつて表わされ
る。本体１１２によつて与えられる面１１３及び
ミラー１２１及び１２２与えられる面は、必ずし
も金属面でなくてもよい。然し乍ら、これらの面
は、音を吸収せず、反射することが必要である。
従つて、これらの面は、金属で作られるのに加え
て、プラスチツクで作ることもでき、更には、音
を吸収しない比較的固い面を有するものであれば
紙で作ることもできる。

本発明の更に別の実施例が第１５図に示されて
おり、ここにはトランスジユーサ１３１が示され
ている。このトランスジユーサは、以上に述べた
形式のものであるが、前記実施例の場合のように
４つの素子が設けられるのではなく３つの素子の
みが設けられている。従つて、このトランスジユ
ーサは、円柱の形態の中央素子１３２と、中間の
環状素子１３３と、外側の素子１３４とで構成さ
れる。素子１３３及び１３４は、このような配列
体では、半径方向厚みを、通常計算される半径方
向厚みよりも厚くすることができ、前記実施例の
場合よりも送信及び受信容量を大きくすることが
できる。これを可能にするため、音響ホーン構造
体１３６が設けられる。このホーン構造体には、
素子１３４及び１３３に各々関連した音響通路１
３７及び１３８が設けられている。これら音響通
路の各々は、ホーン状の内部通路１４１を含み、
これは、環状素子１３４の半径方向寸法に対応す
るに充分な大きさであるが、音波ガイド１４２に
向かつて細くなり、このガイド１４２は、ホーン
状の外側通路１４３へと開いている。従つて、実
際には、音波を曲げる音響屈曲部として働いて配
列体から比較的短い距離内で配列体の軸上に音波
を向けるような二重ホーン状構成体が設けられる
ことが明らかである。第１５図の矢印から明らか
なように、この二重ホーン構造体は、環状素子１
３４から超音波エネルギを取り出しこれを音波ガ
イドに向かつて細くし、その後、色々な方向に広
げてトランスジユーサ１３１の環状配列体の軸上
に集束させるように働く。音響ホーン構造体１３
６は、その前面からみると、音を通す同心開口即
ちスロツトを有していることが明らかである。こ
の音響ホーン構造体は、音を吸収しない適当な材
料、例えば、金属又はプラスチツクで形成するこ
とができる。

本発明を、主に、ロボツトの分野に関連して説
明したが、本発明の装置、システム及び方法は、
例えば、医学の分野のような他の分野にも利用で
きることが明らかである。ホーン、レンズ又はミ
ラー構造体は、医学用の環状整相配列体の特に外
側のリングについて（これら外側のリングは内側
のリングよりも薄くなる傾向がある）造影の質を
著しく改善する。以上に述べたロボツトの分野
は、空気を介して像を形成する場合であつた。医
学の分野では、水又は体液のような液体を介して
像を形成することがしばしばである。以上に述べ
たミラー及びホーン構造体を医学の分野に利用し
た場合には、多量の送信出力を与えることができ
且つ受け取られる音響エネルギに対してより高い
感度を得ることができ、これにより、深い視野か
ら鮮明な像を形成ができるような装置が提供され
る。或いは又、このような場合にレンズを使用す
ることができる。

本発明による更に別のシステムが第１６図に示
されている。このシステムは、以上に述べた形式
のトランスジユーサの４個の素子31で構成され、
これらは送受スイツチ３３に接続される。送受ス
イツチ３３は、単一チヤンネルの受信器／検出器
１５１に接続され、これは、例えば中央素子のよ
うな単一の素子３１に接続される。受信器１５１
の出力は、入／出力（Ｉ／Ｏ）コンピユータイン
ターフエイス、タイマ及び送信遅延テーブルを含
むブロツク１５２に接続される。ブロツク１５２
は、前記したような一般型コンピユータのバス出
力に接続される。又、ブロツク１５２は、ビーム
整形器として働く複数の遅延信号発生器１５３に
も接続される。この遅延信号発生器１５３は、多
チヤンネル送信器１５４に接続され、この送信器
は、送受スイツチ３３を経て多数の素子３１に接
続される。従つて、動的（可変）な送信集束を用
いて、トランスジユーサの素子３１で形成された
超音波エネルギを集束するようなシステムが提供
されたことが明らかであろう。このような動的集
束を与えることにより、最初、比較的広い領域に
弱く集束を行ない、次いで、最初のエコーを受け
取つた後、物体の距離を測定することができる。
その後、先鋭な集束を行ない、感知される物体の
至近領域にある小面域に超音波エネルギを集束さ
せる。このようにして、物体について高い分解能
を得ることができる。このシステムでは単一チヤ
ンネル受信器を使用することにより、システムが
相当に簡単化されると共に、コストが節減され
る。

本発明によるシステムの更に別の実施例が第１
７図に示されており、ここでは、単一のトランス
ジユーサ素子３１が使用され、送受スイツチ１５
６に接続される。この送受スイツチ１５６は、単
一チヤンネル受信器／検出器１５７に接続され
る。この受信器／検出器１５７は、超音波走行時
間又は目標物距離測定機能を有するタイマボード
１５８に接続される。このボード１５８は、一般
のデジタル式距離表示装置１５９に接続される。
送受スイツチ１５６は、自走もしくはパルスモー
タで作動できる送信器１５１にも接続される。こ
の送信器は、タイマボード１５８に接続され、タ
イマ同期パルスをタイマボード１５８に供給す
る。

第１７図のシステムから明らかなように、この
システムは、本発明の前記実施例の場合よりも簡
単化されている。送信及び受信の両方に対して１
つのチヤンネルしか設けられていない。例えば、
直径１インチの単一のピストントランスジユーサ
が素子３１として用いられる。第１７図に示した
システムよつて与えられる横方向分解能は、前記
のシステムで与えられる分解能より低い。然し乍
ら、第１７図のシステムは、目標物までの距離情
報しか所望されないような低コストで簡単なシス
テムを提供することが望まれる場合には効果的で
ある。例えば、製材所での板の縁検出にこのよう
なシステムが利用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による装置、システム及び方
法をロボツトの分野に用いた場合の斜視図、第２
図は、本発明による典型的なシステムの概略図、
第３図は、本発明によるトランスジユーサを、或
る部分を破断して示した側面図、第４図は、第３
図に示したトランスジユーサを第３図の４−４線
に沿つてみた前面図、第５図は、第３図の５−５
線に沿つた断面図、第６図は、第５図の６−６線
に沿つた図、第７図は、第３図のトランスジユー
サの後面図、第８図は、第３図に示したトランス
ジユーサの分解図、第９図は、トランスジユーサ
の軸に向けられた各素子の回折を示すグラフ、第
１０図は、第３図のトランスジユーサに関連して
用いられるミラーの側面図、第１１図は、第１０
図の１１−１１線にミラーの平面図、第１２図
は、第１０図及び１１図に示した形式のミラーを
第３図の形式のトランスジユーサに関連して用い
た場合の作用を示すグラフ、第１３図は、本発明
による別のトランスジユーサの平面図、第１４図
は、第１３図の１４−１４線に沿つた断面図、第
１５図は、本発明によるトランスジユーサの更に
別の実施例を示す図、第１６図は、多数のチヤン
ネルで送信しそして１つのチヤンネルで受信する
本発明の別のシステムのブロツク図、そして、第
１７図は、１つのチヤンネルで送信及び受信を行
なう本発明の更に別のシステムを示すブロツク図
である。 ２１……ロボツト、２２……コンソール、２３
……ビデオモニタ、２４……オーバーヘツドアー
ム、２６……超音波トランスジユーサ、２７……
コンベア、２８……ネジ、２９……ワツシヤ、３
３……送受スイツチ、３４……４チヤンネル送信
器、３６……４チヤンネル受信器、３７……電
源、３８……両方向性アドレス／データバス、３
９……単一ボードコンピユータ、４１……インタ
ーフエイスブロツク、４２……ホストコンピユー
タ、４４……受信ビーム整形器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 開口を有する本体、この本体により支持さ
   れ、そしてこの開口に配置されている堅いバツク
   プレート、このバツクプレートにより支持され、
   そして平らな面をつくつている金属素子、この金
   属素子の上になつているしなやかな絶縁材料層、
   そして金属素子から遠い側の絶縁材料層の面上に
   配置された薄い導電材料層を備え、上記の金属素
   子の平らな面は、上記のしなやかな絶縁材料層に
   面して不規則に配置された多数の弧状の細い溝を
   有していることを特徴とする超音波トランスジユ
   ーサ。 ２ キヤパシテイタイプのトランスジユーサ、パ
   ルスを供給する送信手段、受信手段、送受スイツ
   チそして伝達超音波エネルギーをつくるため上記
   のトランスジユーサに上記の送信手段からパルス
   を供給させるように上記の送受スイツチを操作
   し、そして上記のトランジユーサが受けた反射超
   音波エネルギーを受ける手段を備え、上記のトラ
   ンスジユーサは開口を有する本体、この本体によ
   り支持され、そしてこの開口に配置されている堅
   いバツクプレート、このバツクプレートにより支
   持され、そして平らな面をつくつている金属素
   子、この金属素子の上になつているしなやかな絶
   縁材料層、そして金属素子から遠い側の絶縁材料
   層の面上に配置された薄い導電材料層を備え、上
   記の金属素子の平らな面は、上記のしなやかな絶
   縁材料層に面して不規則に配置された多数の弧状
   の細い溝を有していることを特徴とする対象物を
   検出する超音波装置。 ３ 平らな面を作つている金属素子、この金属素
   子の上になつているしなやかな絶縁材料層、そし
   て金属素子から遠い側の絶縁材料層の面上に配置
   された薄い導電材料層を備えたキヤパシテイタイ
   プのトランジユーサの金属素子の処理方法におい
   て、上記金属素子の平らな面にサンドペーパを当
   てて両者を相対的に回転させ、上記の平らな面に
   不規則に配置された多数の弧状の細い溝を形成
   し、その後その平らな面を化学的にエツチングす
   ることを特徴とするトランスジユーサの金属素子
   の処理方法。