JPS60164280A - 超音波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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に関するものであり、詳しくは、超
音波を用いて近接室を検出する超音波装置に関するもの
である。

（従来技術とその問題点） ロボット制御にセンサ出力信号を利用すれば、プレイバ
ック型のロボット装置の適用範囲を拡大できることが知
られている。即ち、プレイバック型ロボット装置では、
作業対象物が予め定められた位置に予め定められた姿勢
で置かれていることが必要であ、ったが、ロボット装置
に付属する各種センサにより、作業対象物の位置、姿勢
等が精度良く検出できるならば１作業対象物の位置、姿
勢等に対する制限が緩オロされることになる。かかる各
種センサからの出力信号を用いて、自律的に作業手順、
作業内容を決定するロボット装置は知能ロボット装置と
も称されている。知能ロボット装置実現のためには、各
種のセンサの実用化が鍵となっている。かかるセンサの
一つに近接覚センサがある。該近接覚センサは、センサ
と検出対象物体との間の距離を検出するセンサであり、
従来、一種々の方式が提案されている９例えば、超音波
技術を用いたセンサ、コイル・コンデンサの共振回路を
用いたセンサ、渦電流を用いたセンサ等である。しかし
、後二者においては、検出対象が金属であることが要求
されているため、プラスチック、木材等に対しては、何
ら検出機能を有していない欠点がある。また、前者ｌと
おいては、超音波送信器と超音波受信器とを組み合わせ
、送信器から放射された指向性を有するビーム状超音波
が検出対象で反射し、この反射波を前記受信器で検出す
ることに特徴がある。しかし、通常は、単一の送信器と
単一の受信器を組み合わせているにすぎず、前記ビーム
状超音波の放射方向、ないしは、受信方向を変化させた
り、走査したりすることは不可能である。このため、検
出対象を大まかに捉えることしかできず、検出対象の形
状、寸法により、距離を精度良く検出することは困難で
あった。一方、超音波技術が医療診断装置に適用されて
いることは周知である。かかる応用分野では１人体を大
略、水と同一物と見なすことができ、空気中よりも速い
音速度、空気中よりも少ない伝播損失の特長を生かして
いる。また、当該装置では、超音波の送信器、受信器を
、直線状に配列された素子アレイで構成し、当該アレイ
を構成する各素子への超音波送信パルス、および、各素
子へ到達する超音波受信パルスにより発生した電圧信号
の遅延時間を個別に変化させることにより、送信波、受
信波のビームの方向を変化させ、人体内の断層写真を得
ている。当該応用分野では、該断層写真をより鮮明にす
るための研究が成されているが、該研究の成果が本発明
での近接覚センサに直接適用されるとは限らない。−一
例として挙げるならば、超音波を伝送する媒体内での音
速度の差、該媒体中での伝播損失の差等が、適用を阻害
する要因である。さらに、ロボット装置へのセンサの搭
載を考慮するならば、センサの外形が小さく、かつ、そ
の信号処理回路の小型化、簡便化も要求される。

以上の様に、従来の近接覚センサでは、検出対象までの
距離情報に信頼性が無く、医療診断装置での超音波技術
を適用するには難点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、かかる従来技術の欠点を排除し、ロボ
ット装置への適用を容易ならしめる近接覚センサとして
の超音波装置を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、−次元あるいは二次元状アレイに配列
され、超音波を発生させるとおのできるＮ個（Ｎ２２）
の素子と、該アレイを構成する各素子毎に個別にバース
ト状超音波送信パルスを供給する手段とを有する超音波
装置において、当該各素子に、各々、第一および第二の
遅延回路群を構成する二つの遅延回路の出力が、尚該二
つの出力を加算する回路および増幅回路を介して、接続
される手段と、当該遅姑回路群に共通のパルス波形を入
力する手段とにより、前記バースト状超音波送信パルス
を供給する手段が構成され、該第−の遅延回路群を構成
するＮ個の遅延回路での遅延時間が該アレイの素子配列
方向に順次増大し、かつ、該第二の遅延回路群を構成す
るＮ個の遅延回路での遅延時間が該アレイの当該素子配
列方向に順次減少することを特徴とする超音波装置が得
られる。

（実施例） 次に、図面を用いて詳細な説明を行なう。

第１図は、超音波技術を用いた従来のセンサを例示する
図である。図において、１は超音波送信器、２は超音波
受信器、３は１から放射される超音波ビームの指向性を
示す指向性パターン、４は２で受信される超音波の指向
性を示す指向性パターン、５，６は検出対象である、第
２図は、第１図のセンサの動作を示す図であり、波形の
時間変化が示されている。図において、１０は１から放
射さ！７．る超音波波形、１１は２で受信される波形で
ある。時刻ｔ。において、１からは３の指向性パターン
を有する超音波１２が放射される。ｌＯには正弦波状の
２サイクルからなる超音波波形が例示されている。放射
された該超音波は３の指向性パターンにより包括される
領域に存在する検出対象５に到達し、該５の表面で当該
超音波は反射される。該反射により、恰も５に音諒が存
在するかの如き超音波の反射波が発生され、該反射波は
受信器２に向って進行する。４の指向性パターンにより
包括される領域に該５が存在するため、当該反射波の一
部は２に到達し、１１に例示した受信波形中に、１２に
対応した波形１３が時刻ｔ１以後に観測される。

時刻ｔ。〜ｔ１　の時間差は、当該超音波が１から放射
され、５で反射した後、２に到達するまでの時間に等し
く、該超音波の伝播媒体での音速を一定とするならば、
１，５．２の空間的距離と対応することになる。かかる
理由により、１８〜１８間の時間を計測するならば、検
出対象５までの距離を推定することができ、近接覚セン
サとして第１図の構成を利用することができる。しかし
ながら、第１図の構成では、検出対象５の形状を判断す
ることができず、単に５の存在有無を知ることができる
のみである。さらに、検出対象５よりも実際には至近距
離に存在する検出対象６については、３．４の指向性パ
ターンの包括する領域に存在しないため、検出できない
。送信ンル１と受信器２とは通常、共通の筐体（図示せ
ず）内に搭載されているので、第１図に示した例では、
１．２を共に５の方向へ移動させた場合、当該筐体が５
に到達する以前に、６と衝突する危険が発生する。かか
る理由により、第１図に示した従来例は、ロボット装置
用の近接覚センサとしては不適であると言える。

第３図は、医療診断装置に適用されている、従来技術に
よる超音波装置を示す図である。図において、２０ａ、
２０ｂ、・・・は超音波を発生させることのできる素子
で、４素子が一次元状アレイに配列された構造が示され
ている。当該素子は無機、有機、あるいは複合の圧電材
料、電歪材料、磁歪材料のいずれか、または、その組み
合わせから成っティる。２１ａ　、　２１ｂ　、　・・
・は該２０ａ　、　２０ｂ　、　・＠に設けられた増幅
器である。２２は前記アレイを構成する各素子へ断続的
にバースト状超音波送信パルスを供給する原発振器であ
り、その出力は異なる遅延時間を有する遅延回路２３ａ
、２３ｂ、・・・に入力される。該遅延回路の各出力は
、それぞれ、前記増幅器に入力される。第４図は第３図
の動作を説明する図であり、主要構成要素での波形タイ
ミングが示されている。図において、１２２は２２の出
力波形、１２１　ａ　、　１２１　ｂ　、　−は、それ
ぞれ、２１ａ。

２１ｂ、・・・の出力波形である。第３図に示した２３
ａ。

２３ｂ、・・・のために、１２２のパルス波形は異なる
時間の遅延を受け、該遅延されたパルスは、２１ａ。

２１ｂ、・・・により、２０ａ、２０ｂ、・・・の励畜
に必要な所望の′電圧レベルまで増幅され、１２１　ａ
　、　１２１ｂ。

・・・に示した波形のパルスが得られる。当該１２１ａ
ｊ１２１１）　、・・・の各波形により励振された前記
２０ａ。

２０ｂ、−・・からは、それぞれ、第３図の２４ａ、２
４ｂ。

・・・で概念的に示した波面を有する超音波が、媒体２
５中に放射される。即ち、第４図に示したように２０８
の素子からは時間的に最も早く該超音波が放射され、２
０ｄの素子からは時間的に最も遅く該超音波が放射され
る。放射時刻に差があること、及び、該超音波が第４図
に示す様なバースト状であることのために、１２２の原
発振器の出力の任意の瞬時値に対応する波面は２４ａ、
２４ｂ、・・・に示す空間的な分布を有することになる
。当該２４ａ、２４ｂ。

・・・は波面の瞬時値を空間的に示すものであるので、
該波面は合成され、２６で例示された合成波面形状が媒
体部中に形成される。２４ａ　、　２４ｂ　、・・・の
波面が２５中で等速度で進行するならば、合成された波
面２６は、２６と垂直な方向（第３図において２７で示
されている）に直進する。即ち、２０ａ、２０ｂ、・・
・の該素子アレイからは、２７の方向にのみ超音波エネ
ルギが集中した超音波ビームが放射されていると見なす
ことができる。２７の方向は、２０ａ、２０ｂ。

・・・からの超音波の放射時刻差により決定される。

換言するならば、第４図σ月２２に例示した、任意の前
記断続周期内、例えば同図中τ。と表示された周期内で
、当該素子毎に個々に供給される１２１　ａ　。

１２１　ｂ　、・・・で示された超音波パルスの時間（
第４図でＯ８，θ８．θ２．θ、とされている）を所望
の関係に設定することにより、当該周期内で該アレイに
垂直な平面内の任意の一方向、例えば２７の方向に該超
音波ビームを放射できる。次に、τ０に引続く、他の周
期（第４図ではτ１と示されている）内では、θ。、θ
１．・・・　に対応する前記時間差はそれぞれθｏ１．
θＯｔ＋・・・に変化させられている。第４図では、θ
。、ＯＩ、・・・よりも小さい幅、−２・・・　が図示
されているが、かかる場合には、第３図での放射方向２
７が当該アレイの垂直方向に近づく。換言するならば、
前記時間差を変化させることにより、超音波送信波の放
射方向を変化させ、検出対象・−城となる該狽域を超音
波ビームで走査することができる。次に、上記動作に従
い、放射された超音波ビームは該ビームの到達範囲内に
存在する検出対象２８により反射され、あに恰も点音諒
が存在するかの如き円状の波面２９を有する反射波パタ
ーンを形成する。なお、第３図では器が２７の放射方向
に存在しないように描かれているが、作図上の錯綜を避
けるためであり、実際には２７の方向に詔が存在してい
ると見なす。波面２９は、時間経過と共に順次、音圧・
電気変換機能を有する素子３０ｄ　、　３０Ｃ、＝−・
に到達する。当該素子３Ｑ　ａ　、　：３０ｂ　。

３０Ｃ，３０ｄは、２０ａ　、　２０ｂ　、−・・と逆
の機能を有しており、例えば、無機、有機あるいは複合
の圧電材料、電歪材料、磁歪材料のいずれか、才たは、
その紹合せから成っている。３０ａ　、　３０ｂ　、・
・・からの電気信号は、それぞれ異なる鰹延時間を有す
る遅延回路３３ａ、３３ｂ、・・・に入力され、当該遅
延回路からの複数の遅延出力信号は加算されて、単一の
出力端子３４に出力される。図示した波面形状２９に対
しては、時間経過と共に順次３０ｄ、３０Ｃ。

３０ｂ、３ｏａで類似の反射超音波信号が検出される。

当該素子に該反射超音波が到達する時間差は、３３ｄ。

３３Ｃ、３３ｂ　、　３３ａの遅延時間を適宜設定する
ことにより、補償されて、該遅延回路の出力で、前記３
０ｄ、３０Ｃ，・・・での検出信号が同一時刻になるよ
うにされる。即ち、３３ａ、３３ｂｌ・・・の遅延時間
を変化させることにより、前記放射超音波の到達領域内
に存在する検出対象からの反射波に対して、電子的に合
焦点、機能を持たせることが可能となる。

以上説明した第３図の構成によれば、２０ａ、２０ｂ。

・・・および３０ａ、３０ｂ、・・・の前面に存在する
検出対象の二次元的な超音波イメージを検出することが
でき、当該イメージ情報から検出対象の形状等が、また
、該超音波イメージの到達時刻から該検出対象までの距
離等が容易に検出することが可能となり、ロボット装置
に搭載する近接覚センサとして用いることができる。

し力）しながら、第３図の構成を該近接覚センサに適用
する場合には重大な欠点が存在する。尚該欠点について
以下に述べる。ロボット装置での近接覚センサとしては
、最大５０（：ＩｒＬまでの距離内に存在する検出対象
を精度良く検出できることが要求されている。通常の工
業用ロボット装置では、放射される超音波の伝播媒体は
空気であるので、該超音波の伝播速度は、空気中での音
速３４０ｍ／ｌｌ！ｃと青しい。検出対象までの距離を
５０ｃＩｒＬとすれば、該超音波は往復１ｍの距離を伝
播することになり、該距離の伝播に必要な時間は約３　
ｍ％である。即ち、第４図で示した周期τ。、τ１　を
３ｆ７ｚｅｃ以上に設定しなければならない、第３図の
２７で示した放射方向を１０毎に変化させ９０°の全方
向範囲をカバーするためには、９０回の前記超音波の放
射が必要となり、当該全方向範囲内の検出対象を検出す
るためには約２７０ｍ５ｅｃ必要となる。当該全方向範
囲の走査周期の逆数をフレーム周波数と定義するならば
、当該数値例に対しては、フレーム周波数３．７出とな
る。該３．７）（ｚのフレーム周波数は、ロボット装置
を制御するためには低すぎることが明らかである。換言
するならば、毎秒３．７回で出現する超音波イメージを
基に、ロボット装置の一部、例えばアームを移動させる
時には、高速移動が困難となり、工業用ロボット装置で
は生産性が低下し、さらには、高速応答を要求される分
野には当該装置を適用し難いという重大な欠点があった
。

本発明は以上の欠点を回避するために成されたものであ
り、第５図に本発明の一実施例を示す。

同図（ａｌは本発明に従う超音波装置の一部の構成例、
同図（ｂ）はタイミングを示す図である。図において５
０ａ　、　５０ｂ　、　５０ｃ　、　５０ｄは超音波を
発生させることのできる素子で、４素子が一次元状アレ
イに配列された構造が例示されている。当該素子は無機
材料、有機材料あるいは複合材料から成る圧電物質、電
歪物質、磁歪物質のいずれか、または、その組合せ物質
が主要な構成要素となっている。また、　５１ａ　、５
１ｂ　、５１ｃ　、５１ｄはそれぞれ５０ａ。

５０ｂ　、　５０ｃ　、５０ｄに供給される断続的なバ
ースト状超音波送信パルス波形である。当該素子５０ａ
。

５０ｂ　、　５０ｃ　、　５０ｄには任意の当該断続周
期４０内において、それぞれ２群の当該パルス、６１ａ
と６５ａ。

６１ｂと６５ｂ、６５０と６ＩＣ，６５ｄと６１ｄが供
給されている。当該パルスにより、５０ａ、５０ｂ、・
・・から放射される超音波の同一時刻での瞬時的な波面
は６２ａ　、６２ｂ　、−，６６ａ　、６６ｂ　＃−・
・で示されている。

同図ｔｂ）でのパルスの供給タイミングを参照するなら
ば、６１ａ　、６１ｂ　、６１Ｃ，６１ｄ　、６５ａ　
、６５ｂ　ｔ６５Ｃ，６５ｄのパルスに対応する該波面
は、それぞれ、６２ａ　、６２ｂ　、６２Ｃ＃６２ｄ　
、６６ａ　＃６６ｂ　、６６Ｃ１６６ｄであることが明
らかである。該素子の前面に存在する超音波伝播媒体６
３内では、波面の合成が行なわれるので、６２ａ　＃６
２ｂ　ｌ−９６６ａ　）６６ｂ　＃・・・により合成さ
れた波面は、７０　、７１で示された形状となり、該合
成波面７０　、７１はそれぞれ放射の方向７２　、７３
に向って進行する。より詳細に述べるならば、６２ａ　
、　６２ｂ　、　６２ｃ　、　６２ｄにより合成された
波面は７１に、　６６ａ　、　６６ｂ　、　６６ｃ　、
　６６ｄにより合成された波面は７０になる。当該超音
波送信パルスを超音波を発生させることのできる素子群
アレイに供給することにより、該周期４０内で、該アレ
イにＭで直な平面内の異なる方向７２　＋、　７３に該
超音波を放射できることが分る。該周期４０内で、当該
素子毎に１１６１別に供給されている該超音波送信パル
ス５１ａ。

５１ｂ、・・・間の位相差を適宜設定することにより、
ｓｒ望の放射方向（例えば７２　、７３　）に整形され
た合成波面（例えば７０　、７１　）が実現できる。ま
た、当該４０に続く周期４１では、第５図に示したよう
に、５１ａ、５１ｂ、・・・の各バースト状の２群のパ
ルス列の時間関係が異なっている。即ち、６１ａを基準
とした６１ｂ、６１Ｃ，６１ｄの遅延時間差θ１０　ｙ
θ２０．θ１２に対応する当該４１内での遅延時間差θ
前、θ、１．θ４は、それぞれ該４０内での値よりも大
きくなっている。かかる関係では、７０　、７１に対応
する合成波面は、第５図（ａ）中での傾きがより垂直に
近くなり。

同時に、当該２つの放射方向の成す角度′はより大きく
なる。即ち、当該時間差を当該周期毎に変化させ、当該
放射の方向を該周期毎に変化させることができる。また
、本実施例では、任意の当該周期内の同時刻、あるいは
大略同時刻に２つの該超音波を放射させているため、前
述した如き９０°の放射の全方向範囲に存在する検出対
象を全て検出するための該超音波の放射回数は４５回で
良いことになる。即ち、前述したフレーム周波数は７．
４　Ｈｚにまで増加し、ロボット装置の制御上、アーム
の動作速度上限を２倍に改善できる効果がある。第５図
での説明には、素子数が４の一次元状アレイについて、
２サイクルの矩形波パルスを用いたが、これらに限定さ
れることはない。即ち、素子数については自然数であれ
ば良く、アレイ形状については二次元状でも艮く、パル
スの繰り返し数、およびパルス形状については何ら制限
を受けない。

さらに、５０ａ　、　５０ｂ　、　５ｏｃ　、　５０ｄ
へのパルス波高値は一定値である必要はなく、当該周期
内で該素子毎に異なる波高値を有し、かつ、該波高値が
該周期毎に変化しても良い。なお、素子数が奇数の時に
は、−次元状アレイの中央に位置する素子から放射され
る超音波の音圧を、他の素子から放射される超音波の音
圧の２倍に設定することが望ましい。さらに、第５図（
ｂｌの同一の周ルｊ内での遅延時間差は一定に設定され
ているが、放射の方向を左右非対称（第５図ｔａ）での
７２　、７３は左右対称の方向である）にし、さらに、
合成波面を放射方向に凹状とし、該アレイからの特定の
距離近傍に背圧を集中させるようにするため、該遅延時
間差を所望の関係に設だしても良い。かかる凹状の場合
には、複数の前記周期にわたって当該放射の方向を固定
し、当該周期毎に該凹状の曲率あるいは形状のみを変化
させ、該特定の距離を該周期毎に変化させる手法が好ま
しい。また、該周期４０あるいは４１内にＮ個のパルス
群を配置することにより、該周期内でＮ個の異なる方向
に該超音波を放射させることもできる。かかる場合には
、前記したフレーム周波数は（３，７ＸＮ）Ｈｚまで増
加され、前述したアームの動作速１（向上に一層の改善
が図られる。

また、連続する複数の周期内で一定の当該時間関係を保
持したまま、繰り返し該超音波を放射しても良い。当該
動作においては前記フレーム周波数が低減する欠点はあ
るものの、検出対称からの反射波パクーンが該周期内で
は同一になるので、超音波受信回路側で平均値演算を施
こすことによりＳｌＮ比を改善させ、検出精度を向上で
きる利点がある。

８ｔ６図は第５図（１））のタイミングを実現させるた
めの本発明の一実施例である。図において、第５図と同
一、１１号は同一構成要素である。図において５０ａ、
５０ｂ、・・・は分離されているが如く示されているが
、第５図のように一体化の構成であっても良い。図にお
いては、−次元状アレイに配列された４個の当該素子５
０ａ　、　５０ｂ　、　５０ｃ　、　５０ｄの各素子ニ
、谷々、二ツノ遅延回路（８２ａと８３ａ、８２ｂと８
３ｂ、８２Ｃと８３Ｃ２および８２ｄと８３ｄ）の出力
が、当該二つの出力を加算する回路（８１ａ、８１ｂ。

８１Ｃ，および８１ｄ）および増幅回路（８０ａ　、、
　８０ｂ。

８０Ｃ２および８０ｄ）を介して、接続されている。

当該８個の遅延回路群には原発振器８４からの共通のパ
ルス波形が人力されている。該８２ａ、８２ｂ。

８２Ｃ，８２ｄの遅延回路は第一の遅延回路群を、また
、該８３ａ　、８３ｂ　、８３ｃ　、８３ｄの遅延回路
は第二の遅延回路群をそれぞれ構成している。該第−の
遅延回路群を構成する４個の遅延回路での遅延時＋１Ｊ
］は、当該アレイの素子配列方向に、８２ａ、８２ｂ。

８２Ｃ，８２ｄの順で、順次増大しＣいる。第６図ｔａ
ｌでは、当該遅延回路の遅延時間は、図面上での長さに
Ｘ１応させて概念的に示されている。また、該第二の遅
延回路群を構成する４個の遅延回路での遅延時間は、当
該アレイの素子配列方向に、８３ａ。

８３１３　、８３ｃ　、　８３ｄの順で順次減少してい
る。かかる構成の動作は当該技術分野の技術者には容易
に理解され得るので、詳細な説明は避け、５０ａへの波
形についてのみ記する。８４で発生された１８４に例示
するバーストパルス波形は、８２ａによりτ１゜の時間
だけ遅延され１８２ａの波形となる。また、該１８４は
８３ａによりτ■の時間だけ遅延され１８３ａの波形と
なる。次に、８１ａにより１８２ａと１８３ａの波形は
加算され、さらに、８０ａにより５０ａを励振するに十
分な電圧レベルまで増幅され１８０　ａのバースト状超
音波送信パルス波形が得られる。該１８０ａは５０ａに
供給され、超音波が５０、・ａより放射される。本実施
例での各部波形は全て正、零、負の三値レベルを有する
両極性のバーストパルスとして表示されているが、これ
に限らない。例えば、１８４　、１８２ａ　、　１８３
ａ　、　１８０ａが全て正弦波のバーストパルスであっ
ても良い。また、１８４　、１８２　ａ　。

１８３ａがＴＴＬ論理回路で代表される零、正の二値レ
ベルを有する論理回路出力波形であって、８０ａにより
Ｌ［望の波形に変換されても良い。かかる場合には、８
４，８２ａ　、８３ａ　、８１ａ等をＴＴＬやＣＩＶＩ
０８１Ｃのシフトレジスタやランダムアクセスメモリ等
で構成できる利点がある。なお、８２８゜８３８等を周
知の電荷結合素子で構成するならば、８４の出力波形の
形状に依存せず、該出力波形の形状を維持したまま、所
定の遅延時間だけアナログ的に遅延させることも可能と
なる。８０ａ、８０ｂ。

・・・は５０ａ、５０ｂ、・・・の励振に必要な所望の
電圧レベルまで増幅、波形変換する機能を有しているが
、８１ａ、８１ｂ、・・・の出力信号が当該励振に十分
なレベル、波形である場合には、８０ａ、８０ｂ、・・
・を省略することは可能である。第５図で説明しよ該超
音波の放射方向は、第６図のτ１゜、τ１１に依存する
ので、８２ａ、８３ａ等の遅延回路での遅延時間を所望
の値に適宜設定すれば、当該放射の方向を変化させるこ
とができる。特に、第６図の構成において、８２ａと８
３ｄ、８２ｂと８３（ｅ８２ｃと８３ｂ、８２ｄと８３
８とを互いに等しい遅延時間が得られるように設定すれ
ば、放射の当該方向は常に左右対称となる。当該状況は
第７図に示されている。同図において、第６図と同一番
号は同一構成要素を示している。同図ｆａ）では、第５
図の７２　、７３とが示されており、同図（１））では
、同図ｔａ）の場合と比較して、前記時間関係を異にし
た場合の二つの左右対称の放射方向９ｏ　、　９１が示
されている。即ち、第７図（ａ）において示された５０
ａ、５０ｂ、・・・から成る一次元状アレイの中央を通
過する中心線９２の左側の第一の領域９３へは、前記第
一の遅延回路群８２ａ、８２ｂ。

８２Ｃ，８２ｄにより処理された該超音波発信パルスに
より、また、９２の右側の第二の領域９４へは、前記第
二の遅延回路群８３ａ　、　８３ｂ　、　８３ｃ　、　
８３ｄにより処理された該超音波発信パルスにより、当
該超音波が放射される。なお、当該状況を実現するため
には、前述したクロく、第６図の８２ａ、８２ｂ、・・
・。

８３ａ、８３ｂ、・・・の図面上の長さの差で概念的に
示したように、遅延時間が８２ａ　、　８２ｂ　、　８
２ｃ　、　８２ｄの順で、また同時に、８３ｄ　、８３
ｃ　、８３ｂ　、８３ａの順で長くなることが必要であ
る。

第８図は第５図ｔａ）の超音波を発生させることのでき
る素子５０ａ　、　５０ｂ　、　５０ｃ　、　５０ｄの
構成例を示す図である。同図（ａ）は圧電体９５の両面
に゛電極９６゜９７が設けられた構成例である。該９５
の材質はＺｎＯ。

ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＡＩＮ　等の無ｉ４ｍ、ＰＶＤＦ　
等（７）有機物、無機物材料と有機物材料との混合体で
あるハイブリッド等広範囲に選択できる。また、該９６
゜９７は９５との密着性が高く、９５の圧電振動に対し
ても良好な信頼性を維持できる材料ならば任意に選択で
きる。当該構成例では、９６　、９７に前記超音波送信
パルスが供給され、周知の逆圧電効果により９５が振動
し超音波を放射する。なお、当該９５，９６゜９７から
成る構造体は絶縁手段を介してシリコン基板上に接着剤
、ペースト等にて固定されていても良い。第８図（ｂＪ
はシリコン集積回路技術を用いた場合の構成例である。

同図において、１００は第一の導電型を有するシリコン
基板、１０１　、１０２は１００と導電型を異にする拡
散層、１０３は絶縁膜、１０４　。

１０６は電極、１０５は薄膜圧電膜である。該１０５の
材質は前記９５と同様に考えられるが、スパッタ技術に
より圧電薄膜が容易に得られるＺｎＯ、ＡＪＮ等が望ま
しい、当該構成においては、１０４，１０６に前記超音
波送信パルスを供給することにより、１０５を振動させ
、１００と垂直な方向に超音波を放射させることができ
る。さらに、当該構成においては、１０４を外部回路（
図示せず）から切り離してフローティングの状態とし、
１０６を適宜直流電圧源に接続するならば、１００と垂
直な方向から到来する超音波により５周知の圧電効果に
従い１０５内に電荷を誘起存しぬることが可能である。

当該誘起された電荷は、１０１がソース１．１０２がド
レインとして作用するよう適宜バイアスされる手段が施
こされたＦＢＴのチャネル電流を変調せしめるため、超
音波検出器として当該構成を利用することができる利点
を有する。即ち、当該構成は本発明における超音波発信
の素子のみならず、第３図にて３０ａ、３０ｂ、・・・
として例示した音圧・は気変換機能を有する素子として
も機能するため、ＩＣ化された当該超音波装置を実現す
ることができる利点がある。

第９図は本発明の他の一実施例を示す図である。

同図では、第６図ｔａｌの８２ａ、８２ｂ、・、８３ａ
、８３ｂ、−・−，８１，ａ　。

８１ｂ、・・・の部分が詳細に示されている。本実施例
では、該遅延回路群および加算回路が電荷結合素子にて
４Ｍ成されていることに特徴がある。電荷結合素子の基
本構造、動作原理等に′〕いては周知であるので、第９
図では三相駆動型の表面チャネル型電荷結合素子の平面
図のみが示されている。同図において、１３０はシリコ
ン基板内に埋設されたチャネルストップ領域の端部を示
す線、１３１は当該素子への電荷注入源となる該シリコ
ン基板と反対導電型の入力部拡散層領域の端部を示す線
。

１３２　ａ　、　１３２　ｂ　、・・・は当該素子から
電荷を検出するための該シリコン基板と反対導電型の出
力部拡散層領域の端部を示す線である。１３１で囲まれ
た入力部拡散層領域１３３には、電気的接続をとる手段
が施こされ、前記８４へ接続される手段を有する入力端
子１３４に該領域が接続されている。　１３２ａｐ１３
２　ｂ　、・・・で囲まれたそれぞれの出力部拡散層領
域１３５　ａ　、　１３５　ｂ　、・・・には、電気的
接続をとる手段が鵬こされ、それぞれ出力端子１３６　
ａ　、　１３６ｂ。

・・・に該各領域が接続されている。１３７ａ、１３７
ｂ。

１３７　Ｃ、・・・は該電荷結合素子の転送電極であり
。

駆動のための三相転送パルスが供給される端子１３８　
ａ　、　１３８　ｂ　、　１３８　ｃに接続されている
。１４３は該電荷結合素子の出力ゲート電極で、直流電
圧源に接続される端子１４２に接続される手段を有する
。１４０　ａ　、　１４０　ｂ　、　１４０　ｃ　、　
１４０　ｄ　、　１４１　ａ　。

１４１　ｂ　、　１４１　ｃ　、　１４１　ｄは、それ
ぞれ、＠６図（ａ）の８２ａ　、８２ｂ　、８２Ｃ，８
２ｄ　、８３ａ　、８３ｂ　、８３Ｃ１８３ｄに対応す
る尚該電荷結合素子のチャネル領域である。該チャネル
領域は１３３と１３５　ａ　、　１３５　ｂ。

１３５　Ｃ、１３５ｄとの中間に位置しており、１４０
　ａ　。

１４０　ｂ　、　１４０　ｃ　、　１４０　ｄ　、　１
４１　ａ　、　１４１　ｂ　。

１４１　ｃ　、　１４１　ｄでの該転送電極数は、それ
ぞれ、６　、１２　、１Ｂ　、　２４　、２４　、１８
　、１２　、６である。当該電荷結合素子は三相駆動型
であるため、該各チャネル領域での素子数は、それぞれ
、２，４，６，８゜８．６，４．２となる。即ち、第９
図の実施例では、８２ａ　、８２ｂ　、８２ｃ　、８２
ｄ　、８３ａ　、８３ｂ　、８３ｃ。

８３ｄの各遅延回路が、それぞれ、２，４，６，８゜８
．６，４．２素子の当該電荷結合素子から成るアナログ
遅延回路で構成されている場合が示されている。かかる
構成において、８６でのパルスが周波数４ＱＩＧ（ｚの
正弦波、該転送パルスの周波数が１００ＫＨｚの場合に
は、８２ａでは２０ａ式　遅延された４９　Ｋｆ−１ｚ
の正弦波が１３６ａに出力される。当該素子数は単に例
示されたに過ぎず、他の素子数であっても良い。該チャ
ネル領域の出力部拡散層領域の近傍では、該チャネル領
域の合流が起こり、１４０　ａ　（ｌ！：　１４１　ａ
が１３５　ａで、１４０ｂと１４１　ｂが１３５ｂで、
１４０ｃと１４１ｃが１３５ｃで、１４０　ｄと１４１
ｄが１３５ｄで終結されている。当該チャネル領域の合
流は、各チャネル領域を転送されてきた信号電荷が混合
を意味するので、アナログ加算が実現できる。即ち、自
該合流により、８１ａ、８１ｂ。

８１ｅ、８１ｄの加算回路が構成される。１３６　ａ　
。

１３６　ｂ　、　１３６　ｃ　、　１３６　ｄの各出力
端子は、それぞれ、前記ｓｏａ　、　８０ｂ　、　８０
ｃ　、　８０ｄの増幅回路の入力端子へ接続される手段
を有している、当該構成を用いるならば、第３図（ａ）
にボした構成を全てシリコン集積回路として実現できる
利点がある。さらに、本実施例では、１３８　ａ　、　
１３８　ｂ　、　１３８　ｃに供給する三相転送パルス
の繰り返し周波数を制御することにより、当該チャネル
領域での遅延時間を一斉に変化させることができ、当該
超音波装置の駆動上、非常に有効となることは明らかで
ある。

なお、本実施例での説明に際しては、概念的な平面図を
用いて当該電荷績を素子の動作を説明した。

本発明では、単に１図示した例に限定されることなく、
周知の当該電荷結合素子に関する技術、例えば、各種の
電荷注入法、電荷検出法、電荷転送駆動法、埋めこみチ
ャネル型を含む各種の素子構造等を組み合わせて艮いこ
とは本明細書の記載より明らかであり、これらは全て本
発明に含まれる。

（弁明の効果） 以上、本発明について図面を用いて詳細な説明を行った
。なお、説明に際しては、超音波の送信に限定したが、
反射波の受信については、第３図の従来例が適用できる
。勿論、本発明では、複数の放射方向へ超音波パルスを
放射しているため、第３図に例示した受（ｇのための当
該構成を当該複数Ａ；旧ｐ偏することが必要である０本
発明によれば空気中に存在する検出対象物体を高速のフ
レーム周波数で検出し、当該物体の形状および当該物体
までの距離を容易に精度良く検知することができる利点
が発生する。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波技術を用いた従来のセンサ、第２図は第
１図の動作を説明する図である。第３図は従来の超音波
装置、第４図は第３図の動作を説明す°る図である。第
５図は本発明の実施例を示す図である。第６図１ａ）　
、　（ｂ）、第７図（ａｌ　、　（ｂ）、第８図（ａ）
　、　ｆｂＪは第５図１ａ）の一部をより詳細に説明す
る図、である。第９図は本発明の他の実施例を示す図で
ある、 図において、１・・・超音波送信器、２・・・超音波受
信器、３，４・・・指向性パターン、５　、６．２８・
・・検出対象、１０・・・超音波波形、１１・・・受信
波形、２０ａ。 ２０ｂ　、２０ｃ　、２０ｄ　、５０ａ　、５０ｂ　、
５０ｃ　、５０ｄ・・・超音波を発生させることのでき
る素子、２１ａ、２１ｂ。 ２１Ｃ，２１ｄ・・・増幅器、２３ａ　、２３ｂ　、２
３Ｃ１２３ｄ　１３３ａ　Ｉ　３３ｂ　＊３３Ｃ，３３
ｄ　、８２ａ　、８２ｂ　、８２Ｃ。 ８２ｄ　、　８３ａ　、　８３ｂ　、　８３Ｃ、８３ｄ
−遅延回路、２２゜８４・・・原発振器、３０ａ　、　
３０ｂ　、　３０ｃ　、　３０ｄ・・・音圧・電気変換
機能を有する素子、２４ａ　ｔ　２４ｂ　＃　２４Ｃｔ
２４ｄ　、２９，６２ａ　、６２ｂ　、６２Ｃ，６２ｄ
　、６６ａ　、６６ｂ。 ６６Ｃ，６６ｄ・・・波面、２６　、７０　、７１・・
・合成された波面、２７　、７２　、７３　、９０　、
９１・・・放射の方向、３４・・・出力端子、１２２　
、１２１ａ、　１２１ｂ、１２１ｃ、　１２１ｄ、５１
ａ、５１ｂ。 ５１ｃ　、　５１ｄ　、　１８４　、１８２　ａ　、　
１８３　ａ　、　１８０　ａ　・−波形、４０　、４１
−・・周期、８１ａ　、８１ｂ　、８１ｃ　、８１ｄ・
・・加算回路、９２・・・中心線、９３　、９４・・・
領域、９５・・・圧電体、１０５・・・薄膜圧電膜、９
６　、９７　、１０４　、１０６・・・電極、１０３・
・・絶縁膜、ｉｏｏ・・・シリコン基板、１０’ｌ　、
　１０２・・・拡散層、８０ａ　、　８０ｂ　、　８０
ｃ　、　８０ｄ−・−増幅回路、１３０・・・チャネル
ストップ領域の端部、１３１　、１３２ａ　。 １３２　ｂ　、　１３２ｃ　、　１３２ｄ・・・拡散層
領域の端部、１３３゜１３５ａ　、　１３５ｂ、　１３
５ｃ　、　１３５ｄ　−−−拡散層領域、１３４−・・
入力端子、１３６　ａ　、　１３６　ｂ　、　１３６　
ｃ　、　１３６　ｄ・・・出力端子、１３７　ａ　、　
１３７　ｂ　、　１３７　ｃ−転送電極。 １３８　ａ　、　１３８　ｂ　、　１３８　ｃ　、　１
４２　・一端子、１４３−・・出力ゲート電極、１４０
　ａ　、　１４０　ｂ　、　１４０　ｃ　、　１４０　
ｄ　。 １４１　ａ　、　１４１　ｂ　、　１４１　ｃ　、　１
４１　ｄ　−・−チャネル領域である。 代理人ヅ１゛埋上　内　原　Ａ゛ ７１−１　図 −５ オ　２　図 ｔ。 １ ３ ７３　図 第４図 τＯＴ１ ；７５　図 （０） （ｂ） オ６図 （０） （ｂ） オ　７　図 ［ １４キ （０）　（ｂ） 口＝ 匡＝ 匡＝ 口＝ オ　８　図　「 匡＝ 匡＝ （ｏ）　［ｂ）　賑 オ９図 １３６ａ　１３６ｂ　１３６ｃ　１３６ｄン°１２侃°
、ン。 １３５ａ　１３５ｃ　１３５ｄ ＼／、＼／　＼／　＼　＋４３１４２ ３８ａ ＩＩ　ＩＩ　Ｉ　ＩＩ　Ｉｔ　ＩＩ　ＩＩ　、１　．３
８ｂＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　’１ｍｌ　、１１　１１
Ｉ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　１１Ｉ　Ｉ
Ｉ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　＋　１３８ｃＩＩ　Ｉ　
ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　１１　１１　１　Ｉ　Ｉ ＋＋　１１１１１ １Ｉ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　１１　１＋　１．、Ｉ
　’ＩＩ　Ｉ’　ＩＩ　１１　１１　ＩＩ　ｌ目＋１＋
Ｚ＋ ＩＩ　Ｉｌ’ｌ、ｌ　１１ １１１ ｉｌｌ　ｌ’ｊｌｌ　ＩＩ　Ｉｆｆ　ｌ　ｌ＋１１　１
１１１　、”１１ １ １１　１１１’ｌ　ｌ’ｌ　Ｉｌｆ　Ｉ　１１　１、＋
１１　１　＋　Ｉｆ ＋　ｌ　Ｉｆ　：＋　＋　＋ ＋　１　１　１１１　ＩＢ ｏｌｌｌｌ、　’　ＩＩ　１ｆ ｔｌｌ　ｌ　ｌ！　ｌ　１ｌｉ １１１１！１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一次元あるいは二次元状アレイに配列され、超音波を発
   生させることのできるＮ個（Ｎ２２）の素子と、該アレ
   イを構成する各素子毎に個別にバースト状超音波送信パ
   ルスを供給する手段とを有する超音波装置において、当
   該各素子に、各々、第一および第二の遅延回路群を構成
   する二つの遅延回路の出力が、当該二つの出力を加算す
   る回路および増幅回路を介して、接続される手段と、当
   該遅延回路群に共通のパルス波形を入力する手段とによ
   り、前記バースト状超音波送信パルスを供給する手段が
   構成され、該第−の遅延回路群を構成するＮ個の遅延回
   路での遅延時間が該アレイの素子配列方向に順次増大し
   、かつ、該第二の遅延回路群を構成するＮ個の遅延回路
   での遅延時間が該アレイの当−該素子配列方向に順次減
   少することを特徴とする超音波装置。