JPS60185183A - 超音波トランスジューサ、超音波装置そして超音波トランスジューサの製造方法 - 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、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、ロボットや、林業生産物の処
理を含む工業的なオートメーショ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
利用したロボット２１が示されてし）る。

このロボッ１−２１は、コンソール２２に取り付けられ
た制御システムによって制御される。制御コンソール２
２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。ロボットには、６
軸（プラス把持）の全電子オーバーへラドアーム２４が
設けられている。

本発明による超音波トランスジューサ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１−２１がコンベア２７の近
くに取り付けられ、ロボット２１の作動に関連してトラ
ンスジューサ２６によって感知される部品例えばネジ２
８及びワッシャ２９を支持する。典型的な使用目的にお
いては、ロボットは、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
品で成る種の動作を行なうことが必要とされる。

物体を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
、ロボット又は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
ッ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、高精度制御ロボッ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って行なわれ
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ュータのメモリに記憶される。コ
ンピュータには、グラフィックソフトウェア機能を設け
ることができ、これにより、適当なアルゴリズムを用い
て、物体の小面の図を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
ることによって形状、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、ロボットの正確
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、精巧なソフトウェ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、ロボッ１へを作動する距離情報をコンピュ
ータに与えるのに必要な部品を示すブロック図でシステ
ムが示されている。以下に述べるように、トランスジュ
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により送受スイッチ
３３へ接続される。この送受スイッチ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ュー
サ２６と通信できるようにするために設けられている。

送受スイッチ３３は、−殻構造のものであり、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。送受スイッチ３３は、送信器及び受信器３４及
び３６がトランスジュ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、単一ボードコンピュ
ータ３９とインターフェイスブロック４１との間の通信
を確立し、インターフェイスブロック４１は、バス４３
を経てホストコンピュータ４２と通信する。更に、両方
向性アドレス／データバスは、単一ボードコンピュータ
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器４４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って集束
作用を形成するため、４つのチャ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
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、単一ボードコンピュータ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ットす
ることができる。３つの作動モード。

即ち、ｉｌ）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〈実施し易いが、モード（
３）は非常にコストがか５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ｒｌＪを有する４つの実質的
に同様の増ｒｌｊ器で植成される。このような帯域［１
１により、エコーを受け取ることができ、このエコーは
増１トされて、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、受信エコーの異なった経
路長さくこれは、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、単一ボードコンピュータ３９によって戻り
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、単一ボードコンピュータは、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
部クロッ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
、これはインターフェイス４１を経てホストコンピュー
タ４２へ供給される。従って、単一ボードコンピュータ
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４４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。

インターフェイスブロック４１は、２インチ（５、０’
ａ　ｍ　）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
ェイスブロック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。インターフェイスブロク４１は、
要求があった際に、各チャンネルからのデータを別々に
通す。単一ボードコンピュータ３９は、データの転送、
ルックアッ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、各リング即ちチャンネルか
ら情報を受け取る。この受信器は、各チャンネルに対し
て増巾及びフィルタ作用を行ない、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、各チャンネルの情報を加え、成る形式
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
チャンネルのみのデータを通す。このビーム整形器は、
デジタルスレッシュホールド検出器を有し、エコーが入
っ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、このビーム整形器には、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
コンピュータ３３から要望があった時に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ューサ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
ンスジューサ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、これはクランブリング５４によって位
置固定される。このリングは、ネジ５６のような適当な
手段によって本体５１に固定さ九る。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
性フィルムで構成され、その厚さは６ミクロンないし１
０ミクロンである。このホイルには、アルミニューム又
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
ニューム層は、厚さが５０ないし３００人であり、典型
的には、約２００人である。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。ボ
イル即ちフィルム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、フィルムは、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゜０．１ｍｍ）のポリプロピレン及び厚さが
ｏ、ｏｏ−。

２５インチ（０，００６３ｍｍ）のテフロンのようなプ
ラスチックである。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
っている。

比較的固い円形のバックプレート５７が設けられており
、このプレートは、例えば、厚さが１７４インチ（６、
３ｍ　ｍ　）プラスチックのような適当な非導電性材料
で構成される。このバックプレート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
６３のような適当な手段によりバックプレート５７に固
定される。図示された構成では、互いに１２０’離され
た３本のネジ６３が、リング５９．６１及び６２の各々
をバックプレート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
行で且つバッ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ップ５９ａ、６
１ａ及び６２ａが設けられており、これらはネジ６３に
よりバックプレート５７に固定され、ネジ６３は、バッ
クプレート５７に設けられた六６７に入れられ、リップ
５９ａ、６１ａ及び６２ａ並びに素子５８のねじ切りさ
れた六６９にねじ込まれる。バックプレート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
後部シュラウド６９は、ネジ７１によって本体５１に固
定される。ネジ７１は、取り付は穴７２を通して延び、
バックプレート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。シュラウド６８の後部の穴７５には、電気コ
ナクタ７４が取り付けられ、適当な同軸ワイヤ（図示せ
ず）によってネジ６３に接続され、素子５８．５９．６
１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６２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
取り付けられるや 例えば、１／８又は１／４インチのメツシュの如きスチ
ールワイヤメツシュ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５３のメッキ面を覆い、
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ット７７がのせ
られる。円形の前部シュラウド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
環状リップ７９を有している。この前部シュラウドは、
本体５１上に延び、ネジ８１によっ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六
８２へ延び込んでいる。

トランスジューサ２６の取り付はブラケット９６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６２は、適当な導電性材
料で形成さｔｂ、好ましくは、アルミニーム合金で形成
される。特に満足であると分かっている１つのアルミニ
ューム合金は、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）以上のアルミニューム
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
いることによって達成される。

この光沢仕上げを行なった後、素子５８．５９．６１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前人して、これを水で稀釈
することによって行なった。塩化第二鉄（Ｆ　ｅ、Ｃｌ
、）を１／３の水で稀釈し、塩化第二鉄６６２／３％及
び水３３１／３％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繰り返し溶液
中に沈めることによって表面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って行なうのが好ましい、
典型的に、トランスジューサ２６に対して所望の作動周
波数を得るためには１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
ないことが分かった０例えば、１分間のエツチングで３
００ないし４００ＫＨｚの周波数が与えられることが分
かった。更にエツチングを行なうと、更に粗面化が進み
、約２５０　Ｋ　Ｈｚ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５８．５
９．６１及び６２をバックプレート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
と分かった。このエツチングにより、ホイル９３の非メ
ッキ面の下に粗面６４が形成されると考えられる。或い
は又、あまり効率的でなし）が、サンドブラスト、加工
又はスクラビングによって粗面を形成することもできる
。エツチングによっ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ューム層が形成さ
れる。この酸化アルミニューム層は、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）フィルムの厚さくこれは周波数
に反比例する）と、（ｂ）キャパシタのソリッド金属プ
レートの表面仕上げ状態（表面仕上げが滑らかである程
１周波数が高くなる）とによって決定される。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５
１に張り、クランプリング５４を用いて位置固定する。

その後、バックプレート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
ちメッキ面がアース電位にあり、一方。

同軸ケーブル（図示せず）によって送受スイッチ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、従って、実際には、キャパシタが構成され、
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
ル型トランスジューサと考えられるものを構成する。

トランスジューサ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っ
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
されると分かった。然し乍ら、このような電圧の変化は
、周波数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）キャパシタ電
極のエツチング、（２）外部の直列インダクタンス及び
（３）フィルムの厚さによって制御される。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
ソフトフォ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はゾ同位相で到達し、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。物体の距離が分かっている場合には
、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
い視野のソフトフォーカスを用いるか、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を経て入ってくる信号を受け取る。次いで
、各チャ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つのチャ
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、デジタルのスレッシ
ュホ−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、単一ボードコンピュータ３９から要求が
あった時にアドレス／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ューサ２６によって形成される送信
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
ンスジューサである。これには、環状形態ではなくてデ
ィスク型形状の中央素子５８が設けられており、一方、
素子５９゜６１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。

従って、最も外側のリング即ち環は、半径方向厚さが最
も薄い。

これら素子名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１０４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１０２．１０３、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
素子即ちディスク５８のサイズは、トランスジューサ２
６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１０
３は、回折の程度が中程度で、そして主ローブ１０４は
１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
っ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
に向かっ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。トランスジューサは、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（Ｌｏｃｍ）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ットの使用目的でトランスジ
ューサ２６を動作させる場合には、ロボットアーム２４
の端に支持された走査ヘッドにトランスジューサ２６を
取り付け、ロボット２１のアーム２４の作業領域に対応
する視野を走査ヘッドに与えるようにする。走査ヘッド
２６は、物体−この場合、ボルト２８又はワッシャ２９
である−を横切るようにアーム２４によって動かすこと
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ットを決定すること
ができる。ロボット２１の位置が既知であるから、走査
ヘッド２６の位置も既知である。

第２図に示した装置は、トランスジューサ即ち走査ヘッ
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、空気中の音速は既知である
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って電子的に得られ
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。トランスジューサ２
６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っ
て送信することにより、全ての信号を軸に沿った空間内
の点に同時に到着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、走査ヘッドトランスジューサ２６は、
音響信号の送受信に使用される静電トランスジューサと
して働く。このトランスジューサは、同心的な配列素子
５８．５９．６１及び６２の半径方向平面によって係合
される金属化ホイル５３で構成される。ホイル５３の片
面は、キャパシタの一方の電極として働き、フィルム自
体は、キャパシタの誘電体であり、そして配列体素子の
金属面６４は、キャパシタの他方の電極である。

この配列体の活性領域は、フィルム即ちホイル５３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、
アパーチャ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って決定される。これらファク
タの幾つかは、互いに相反するものである。配列体に大
きなアパーチャ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ｌＪ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（５ｃ　ｍ）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（０，６
ｍｍ）でなければならない。

このように素子の「口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
ッ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
ューサとして働く。

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前れるまで、配列体の中心軸に沿
って所望の位置へあまりエネルギを回折しなくなり、ト
ランスジューサは、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かった。例えば、トランス
ジューサの前方約１フイート（３０ｃｍ）に配置された
直径０．００　フインチ（０，１８ｍｍ）のワイヤを。

中心周波数が約２５０ＫＨｚで帯域１１５０％の広４１
シ域パルスを用いて、容易に造影することができること
が分かった。

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、トランスジューサ２６にミラー１
１１が取り付けられている。このミラー１１１は、アル
ミニュ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１
１３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を通って延
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がらの超音波エネ
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１１１は、Ｌ字型ブラケット１１
７を使用するが如き適当なやり方でトランスジューサ２
６に固定することができ、このブラケットは、溶接の如
き適当な手段によって本体１１２に固定され、そしてネ
ジ１１８の如き適当な手段によってトランスジューサ２
６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
っ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６２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。従って、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って集束する方向に曲げる。環状
トランスジュ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１
２６が示されている。従って、第１３図及び第１４図に
示されたように、本体１１２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１
２７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１
２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１２８を延ばすような適
当なやり方でこの構造体１２７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
り付は配置される。面１１３の場合と同様に、ミラー１
２１及び１２２によって与えられる面は、幾何学的には
、円錐の切断された部分によって表わされる。本体１１
２によって与えられる面１１３及びミラー１２１及び１
２２に与えられる面は、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。

従って、これらの面は、金属で作られるのに加えて、プ
ラスチッ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
こにはトランスジューサ１３１が示されている。このト
ランスジューサは、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。従って、この
トランスジューサは、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１３７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１
３４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に向かって細くなり、このガイド１
４２は、ホーン状の外側通路１４３へと開いている。従
って、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溝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１３４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って細くシ、その後
、色々な方向に広げてトランスジューサ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
１３６は、その前面からみると、音を通す同心開口即ち
スロッ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
属又はプラスチックで形成することができる。

本発明を、主に、ロボッ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
ボットの分野は、空気を介して像を形成する場合であっ
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６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ュ
ーサの４個の素子３１で構成され、これらは送受スイッ
チ３３に接続される。送受スイッチ３３は、単一チャン
ネルの受信器／検出器１５１に接続され、これは１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（Ｉｌｏ）コンピュータイ
ンターフェイス、タイマ及び送信遅延テーブルを含むブ
ロック１５２に接続される。ブロック１５２は、前記し
たような一般型コンピュータのバス出力に接続される。

又、ブロック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、多チャジネル送信器１５４に接続され、
この送信器は、送受スイッチ３３を経て多数の素子３１
に接続される。従って、動的（可変）な送信集束を用い
て、トランスジューサの素子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った後、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ャ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１７図に示
されており、ここでは、単一のトランスジューサ素子３
１が使用され、送受スイッチ１５６に接続される。この
送受スイッチ１５６は、単一チャンネル受信器／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性１１ＪＩ　８１’ｌ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１
５８は、一般のデジタル式距離表示装Ｎ１５９に接続さ
れる。

送受スイッチ１５６は、自走もしくはパルスモードで作
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つのチャンネルしか設
けられていない。例えば、直径１インチの単一のピスト
ントランスジューサが素子３１として用いられる。第１
７図に示したシステムによっ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、目標物までの性能情報し
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１本発明による装置、システム及び方法をロボ
ッ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１本発明によるトランスジューサを、成る部分
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ューサを第３図の
４−４線に沿ってみた前面図、第５図は、第３図の５−
５線に沿った断面図、第６図は、第５図の６−６線に沿
った図、第７図は、第３図のトランスジューサの後面図
、 第８図は、第３図に示したトランスジューサの分解図、 第９図は、トランスジュ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図のトランスジュ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ュ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１本発明による別の
トランスジューサの平面図、 第１４図は、第１３図の１４−１４線に沿った断面図、 第１５図は、本発明によるトランスジューサの更に別の
実施例を示す図、 第１６図は、多数のチャンネルで送信しそして１つのチ
ャンネルで受信する本発明の別のシステムのブロック図
、そして 第１７図は、１つのチャ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ック図である。 ２１・・・ロボット　２２・・・コンソール２３・・・
ビデオモニタ ２４・・・オーバーへラドアーム ２６・・・超音波トランスジューサ ２７・・・コンベア　２８・・・ネジ ２９・・・ワッシャ　３３・・・送受スイッチ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３９・・・単
一ボードコンピュータ ４１・・・インターフェイスブロック ４２・・・ホストコンピュータ ４４・・・受信ビーム整形器 ＼ ＦＩＧ、−１ ＦＩＧ、−２ Ｌ−−ｊ ＦＩＧ、−８ 第１頁の続き ０発　明　者　ジョン　ケニス　ビリ ンゲス アメリカ合衆国　ワシントン州　９８２９０　スノウホ
ウミツシュ　サウス　イースト　ワンハンドレッドアン
ドフオーテイセブンス　アベニュー　８９０６

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１つの素子が空気に直結されているよ
   うなトランスジューサと、パルスを供給する送信手段と
   、受信手段と、送受スイッチ手段と、送信手段から素子
   へパルスを供給させて超音波エネルギを形成するように
   送受スイッチ手段を作動させると共に、素子によって受
   け取られる超音波エネルギを受けるような手段とを具備
   した物体検出に用いる超音波装置において、上記素子が
   粗面を有することを特徴とする装置。
2. （２）絶縁材料で形成されていて、キャパシタの絶縁体
   を構成するようなフィルムと、このフィルムの片面に支
   持されていてキャパシタの一方の電極として働く導電性
   材料の層と、この導電性材料が支持された面とは反対の
   薄いフィルム面に一般的に接触する表面を有していてキ
   ャパシタの他方の電極を構成するような素子とを具備し
   、導電性材料の上記層は空気に直結され、そして更に、
   上記素子にエネルギを供給する手段を具備したことを特
   徴とする超音波トランスジューサ。
3. （３）中心の素子から外側の素子へと素子が成るパター
   ンで配列された多素子配列体からの超音波エネルギを用
   いて物体を検出する方法において、上記多素子配列体を
   使用し、この配列体の所定の焦点から素子の間隔に基づ
   いて素子へ高周波数パルスエネルギを順次に供給するこ
   とにより超音波エネルギを空気に直結させ、配列体の素
   子から送られる超音波エネルギを時間的に遅延させて、
   全てのエネルギが配列体の軸に沿ったはゾ同じ点に達す
   るようにし、上記多素子配列体を用いることにより物体
   で反射されたエネルギを受け取り、物体から配列体まで
   の超音波エネルギの種々の経路長さに基づいて物体から
   受信した信号を遅延させ。 そしてこの受信した信号を用いることにより感知した物
   体の特徴を決定することを特徴とする特許