JPS62284600A - Ultrasonic transducer - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
発明の詳細な説明
（産業上の利用分野）
本発明は超音波トランスジューサに関し、特に産業用ロ
ボットの近接党の検出に利用することのできる高性能か
つ小型軽量の静電型空中超音波トランスジューサの構造
に関するものである。[Detailed Description of the Invention] Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ultrasonic transducer, and in particular to a high performance, small and lightweight electrostatic transducer that can be used for detecting objects in the vicinity of industrial robots. The present invention relates to the structure of an airborne ultrasonic transducer.
（従来の技術）
従来、産業用ロボットの分野においては対象物体の距離
、大きさ、形状等の認識にＣＯＤ等の可視光を用いる固
体撮像センサが多く用いられてきた。しかし、可視光を
用いるセンサでは、対象物体が透明であるときやセンサ
と対象物体との間の媒体が塵等で汚れているとき等に用
いることができないという欠点がある。従って、近年、
可視光にかわって超音波を対象物体の認識に利用しよう
とする技術が登場した。超音波トランスジューサにおい
ては、一つあるいは複数個のデバイスにより超音波の送
波および受波を行なうので、超音波の発振および受信を
行なう機械的要素とこれを助ける発振回路、受信回路等
の電気的要素をうまく組み合せて構成する必要がある。(Prior Art) Conventionally, in the field of industrial robots, solid-state image sensors that use visible light such as COD have been widely used to recognize the distance, size, shape, etc. of a target object. However, sensors that use visible light have the disadvantage that they cannot be used when the target object is transparent or when the medium between the sensor and the target object is dirty with dust or the like. Therefore, in recent years,
A new technology has emerged that uses ultrasonic waves instead of visible light to recognize target objects. In an ultrasonic transducer, ultrasonic waves are transmitted and received by one or more devices, so there are mechanical elements that oscillate and receive ultrasonic waves, and electrical elements such as oscillation circuits and reception circuits that support this. It is necessary to properly combine the elements.
特に、ある面を振動させて空気中に超音波を放射しよう
とするとき、その面に対する空気の手ごたえ（音響イン
ピーダンス）は液体や固体に比べて非常に小さいので、
大きな強度をもつ超音波の放射が困難である。In particular, when trying to emit ultrasonic waves into the air by vibrating a certain surface, the response (acoustic impedance) of the air to that surface is very small compared to liquids or solids.
It is difficult to emit ultrasonic waves with high intensity.
従って、先に述べた機械的要素において効率よく超音波
が放射されるように設計することはもちろん、電気的要
素においても増幅補償回路により小信号を補償して受信
する等の工夫が必要である。Therefore, in addition to designing the mechanical elements mentioned above so that ultrasonic waves are emitted efficiently, it is also necessary to devise measures such as using an amplification compensation circuit to compensate for small signals and receive them in the electrical elements. .
しかし、現在一般に用いられている超音波トランスジュ
ーサは、この機械的要素の特性のデバイス間ばらつきが
かなり大きく、必ずしも最適に設計されているとは言え
なかった。さらに、機械的要素と電気的要素とが一体の
構造にされていないため、装置の小型軽量化が困難であ
るという欠点も有していた。以下、従来例を図をあげて
説明し、同時にその欠点について述べる。第４図は従来
の超音波トランスジューサの構成例の断面を示す図であ
る。図中４７は、円形のアルミ合金の板で、表面に数〜
数十ｐｍの深さをもつ複数個の穴１０１が機械加工によ
り形成されている。この穴１０１の上面には、厚さ６〜
２０数ｐｍのポリエステルの膜４８が金属ケース４１と
アルミ合金の板４７により挾まれて固定されている。ポ
リエステルの膜４８の表面は、アルミ合金の板４７左接
する面と反対の側の表面に、金箔等による電極４９が蒸
着されている。図中の４３は保護スクリーンで金属ケー
ス４１に固定されており、ポリエステルの膜４８が外部
より破損されるのを防いでいる。一方、アルミ合金の板
４７の裏面には、金属よりなる板バネ４６が取りつけら
れており、アルミ合金の板４７を金属ケース４１に押し
つけている。また、板バネ４６はプラスチックケース４
２に固定されている。具、４５は電極端子で、４４は板
バネ４６と一体に構成されており、一方、４５は金属ケ
ース４１と一８体に構成されている。従って、電極端子
４４の電位は、板バネ４６を介してアルミ合金の板４７
と等しく、一方、電極端子４５の電位は、金属ケース４
１を介して電極４９と等しい。これより、電極端子４４
゜４５に電圧が印加されるとき、この印加電圧と等しい
電圧がアルミ合金の板４７と電極４９の間に生じ、静電
気力によりポリエステルの膜４８を撓ませる。However, in the ultrasonic transducers currently in general use, the characteristics of this mechanical element vary considerably between devices, and it cannot be said that they are necessarily optimally designed. Furthermore, since the mechanical and electrical elements are not integrated, it is difficult to reduce the size and weight of the device. Hereinafter, a conventional example will be explained with reference to figures, and at the same time, its drawbacks will be discussed. FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a configuration example of a conventional ultrasonic transducer. In the figure, 47 is a circular aluminum alloy plate with several...
A plurality of holes 101 having a depth of several tens of pm are formed by machining. The upper surface of this hole 101 has a thickness of 6~
A polyester film 48 having a thickness of about 20 pm is sandwiched and fixed between a metal case 41 and an aluminum alloy plate 47. On the surface of the polyester film 48, an electrode 49 made of gold foil or the like is deposited on the surface opposite to the surface in contact with the left side of the aluminum alloy plate 47. A protective screen 43 in the figure is fixed to the metal case 41 to prevent the polyester film 48 from being damaged from the outside. On the other hand, a plate spring 46 made of metal is attached to the back surface of the aluminum alloy plate 47, and presses the aluminum alloy plate 47 against the metal case 41. In addition, the leaf spring 46 is attached to the plastic case 4
It is fixed at 2. 45 is an electrode terminal, 44 is constructed integrally with a leaf spring 46, and 45 is constructed integrally with the metal case 41. Therefore, the potential of the electrode terminal 44 is applied to the aluminum alloy plate 47 via the plate spring 46.
On the other hand, the potential of the electrode terminal 45 is equal to that of the metal case 4
1 through electrode 49. From this, the electrode terminal 44
When a voltage of .degree. 45 is applied, a voltage equal to this applied voltage is generated between the aluminum alloy plate 47 and the electrode 49, causing the polyester membrane 48 to deflect due to electrostatic force.
従って、この電極端子４４．４５に印加する電圧が交流
で変化するとき、ポリエステルの膜４８に働く静電気力
も交流で変化して、ポリエステルの膜４８を振動させ、
この結果、超音波が前面に放射される。Therefore, when the voltage applied to the electrode terminals 44, 45 changes with alternating current, the electrostatic force acting on the polyester film 48 also changes with alternating current, causing the polyester film 48 to vibrate.
As a result, ultrasonic waves are emitted to the front.
第５図は、前記第４図で述べた静電型超音波トランスジ
ューサの原理を示す図で、振動をおこす機械的要素５１
とこれ以外の電気的要素５２から構成されている。機械
的要素５１は振動板５１ａと固定板５１ｂから構成され
ており、例えば第４図に示す構造をもつ。一方、電気的
要素５２は、超音波の送波の場合にはバイアス電圧５３
、抵抗５４、発振回路５５から構成される。今、発振回
路５５から信号が生じていないときには、振動板５１ａ
はバイアス電圧５３により固定板５１ｂに引かれ撓んで
いる。続いて、発振回路５５にバイアス電圧５３よりも
小さい交流電圧が生じた場合には、発振回路５５の両端
に生ずる電圧の極性により以下のように変化する。すな
わち、発振回路５５の両端に生ずる電圧の極性がバイア
ス電圧５３と同じときには、これら電圧の和に等しい電
位差が振動板５１ａと固定板５１ｂに加わるために、振
動板５１ａの撓みは大きくなる。一方、発振回路５５の
電圧の極性がバイアス電圧５３と逆の場合には、これら
の電圧の差に等しい電位差が振動板５１ａと固定板５１
ｂに加わるために、振動板５１ａの撓みは小さくなる。FIG. 5 is a diagram showing the principle of the electrostatic ultrasonic transducer described in FIG.
and other electrical elements 52. The mechanical element 51 is composed of a diaphragm 51a and a fixed plate 51b, and has the structure shown in FIG. 4, for example. On the other hand, the electric element 52 has a bias voltage 53 when transmitting ultrasonic waves.
, a resistor 54, and an oscillation circuit 55. Now, when no signal is generated from the oscillation circuit 55, the diaphragm 51a
is bent by being pulled by the fixed plate 51b by the bias voltage 53. Subsequently, when an AC voltage smaller than the bias voltage 53 is generated in the oscillation circuit 55, the polarity of the voltage generated across the oscillation circuit 55 changes as follows. That is, when the polarity of the voltage generated across the oscillation circuit 55 is the same as the bias voltage 53, a potential difference equal to the sum of these voltages is applied to the diaphragm 51a and the fixed plate 51b, so that the flexure of the diaphragm 51a increases. On the other hand, when the polarity of the voltage of the oscillation circuit 55 is opposite to the bias voltage 53, a potential difference equal to the difference between these voltages exists between the diaphragm 51a and the fixed plate 51.
b, the deflection of the diaphragm 51a becomes smaller.
従って、発振回路５５により発振回路の両端の゛電圧を
周期的に変化させるとき、振動板５１ａが振動し、超音
波が前面に放射される。なお、抵抗５４は、振動板５１
ａと固定板５１ｂの間で放電等が生じた場合に、回路に
大きな電流が流れないように回路を保護する機能をもっ
ている。以上超音波の送波の場合について述べたが、受
渡の場合には、第５図の５５を増幅補償等を行なう受信
回路とすれば良い。このとき、外部から侵入した超音波
により、振動板５ｉａが振動して、振動板５１ａと固定
板５１ｂの間の容量が変化する。従って、受信回路５５
に交流電流が流れ、これを増幅補償してやることにより
超音波の受波が可能となる。Therefore, when the oscillation circuit 55 periodically changes the voltage across the oscillation circuit, the diaphragm 51a vibrates and ultrasonic waves are emitted to the front. Note that the resistor 54 is connected to the diaphragm 51
It has a function of protecting the circuit so that a large current does not flow in the circuit when discharge or the like occurs between the fixing plate 51b and the fixing plate 51b. Although the case of ultrasonic wave transmission has been described above, in the case of transmission, 55 in FIG. 5 may be a receiving circuit that performs amplification compensation and the like. At this time, the diaphragm 5ia vibrates due to the ultrasonic waves entering from the outside, and the capacitance between the diaphragm 51a and the fixed plate 51b changes. Therefore, the receiving circuit 55
An alternating current flows through the device, and by amplifying and compensating this, it becomes possible to receive ultrasonic waves.
（発明が解決しようとする問題点）
以上、例を用いて従来の静電型超音波トランスジューサ
の説明を行なった。この中で、第４図に示す穴１０１を
加工する際に、従来の機械加工による方法では穴の寸法
や形状に若干のばらつきを避けることができなかった。(Problems to be Solved by the Invention) The conventional electrostatic ultrasonic transducer has been described above using examples. Among these, when machining the hole 101 shown in FIG. 4, the conventional machining method could not avoid slight variations in the size and shape of the hole.
この穴１０１は、第５図に示す振動板５１ａと固定板５
１ｂの間の間隙に対応するもので、その寸法や外形がば
らつくときには、振動板５１ａを駆動する力がばらつき
、結局、超音波の送受緒特性が一定にならないという欠
点があった。また、先に述べたように、超音波トランス
ジューサにおいて、機械的要素と電気的要素の組み合せ
は必要不可避なものであり、従来の溝道を用いて、さら
に高性能のデバイスを実現しようとすると、ますますこ
の電気的要素の占める領域が大きくなり、装置を大型な
ものにするという傾向があった。実際、アレイ化された
トランスジューサの電極を結ぶ配線は、これだけでかな
りの大きさとなることが知られている。このように、従
来の技術では、さらに高性能のデバイスを作製しても、
デバイスの小型軽量化をはかることができないという欠
点があった。This hole 101 is connected to the diaphragm 51a and the fixed plate 5 shown in FIG.
1b, and when the dimensions and outer shape vary, the force driving the diaphragm 51a varies, resulting in a disadvantage that the ultrasonic transmission and reception characteristics are not constant. In addition, as mentioned earlier, the combination of mechanical and electrical elements is inevitable in ultrasonic transducers, and if we try to realize a higher performance device using conventional grooves, There has been a trend toward larger and larger devices as the area occupied by these electrical elements becomes larger and larger. In fact, it is known that the wiring connecting the electrodes of arrayed transducers becomes quite large. In this way, with conventional technology, even if a device with higher performance is manufactured,
The drawback was that it was not possible to make the device smaller and lighter.
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、特性が
均一でしかも高性能、小型軽量の空中超音波トランスジ
ューサを提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art described above, and to provide an airborne ultrasonic transducer with uniform characteristics, high performance, small size, and light weight.
（問題点を解決するための手段）
本発明によれば、一方の面に第一の電極を有する有機体
薄膜を備えた静電型トランスジューサにおいて、第二の
電極を複数の穴をもつシリコン基板表面上に設けたこと
を特徴とする超音波トランスジューサ、および、一方の
面に第一の電極を有する有機体薄膜を備えた静電型トラ
ンスジューサジューサの前記、第一および第二の電極側
の少なくとも一方の側の電極に互いに独立の電気信号が
入出力できるようにしたことを特徴とする超音波トラン
スジューサが得られる。(Means for Solving the Problems) According to the present invention, in an electrostatic transducer including an organic thin film having a first electrode on one surface, the second electrode is formed on a silicon substrate having a plurality of holes. an ultrasonic transducer provided on a surface, and an electrostatic transducer comprising an organic thin film having a first electrode on one surface; An ultrasonic transducer is obtained in which mutually independent electrical signals can be input and output to and from the electrodes on one side.
（作用）
本発明の超音波トランスジューサは、シリコンのＩＣプ
ロセス技術に合致した製法と周辺回路の集積化を可能と
した静電型超音波トランスジューサであり、第２図に示
すように弾性振動体であるポリエステルの膜が、ポリエ
ステル膜の上下の電極に加えられた電位差の変化に従っ
て上下に可動し、超音波を送波するように工夫されてい
る。また、このデバイスを超音波の受渡に用いる場合に
は、上記ポリエステル膜が外部超音波により振動すると
きポリエステル膜の上下の電極間の電位差が変化するこ
とを利用して、電気回路に流れる電流の変化として読み
出すことができるようになっている。また、本発明の超
音波トランスジューサは、シリコン基板を用いるため、
（１）シリコンの微細エツチング加工技術を用いてシリ
コン基板上に精度良く穴をあけることができ、製造プロ
セスからユ害するデバイス特性のばらつきを抑えること
が可゛能、（２）発振回路および受信回路をシリコンＩ
Ｃプロ］セス技術を用いて集積化することができ、従っ
て高性能超音波トランスジューサを小型軽量に製造する
ことが可能となった。(Function) The ultrasonic transducer of the present invention is an electrostatic ultrasonic transducer that has a manufacturing method compatible with silicon IC process technology and that enables the integration of peripheral circuits.As shown in FIG. A certain polyester membrane is designed to move up and down in response to changes in the potential difference applied to electrodes above and below the polyester membrane, thereby transmitting ultrasonic waves. In addition, when this device is used to transmit ultrasonic waves, the electric potential difference between the upper and lower electrodes of the polyester membrane changes when the polyester membrane is vibrated by external ultrasonic waves. It can be read out as a change. Furthermore, since the ultrasonic transducer of the present invention uses a silicon substrate,
(1) Using silicon micro-etching processing technology, holes can be made with high precision on a silicon substrate, making it possible to suppress variations in device characteristics that are detrimental to the manufacturing process; (2) Oscillator circuit and receiver circuit Silicon I
It has become possible to integrate the ultrasonic transducer using C process technology, and thus it has become possible to manufacture a high-performance ultrasonic transducer that is small and lightweight.
（実施例）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図および第２図は、本発明の一実施例を示すもので
あり、それぞれ平面図および断面図に対応している。本
実施例の超音波の送波および受波を行なう有機体薄膜の
ポリエステル膜４８の上面には、金・アルミ等の上部電
極４９が蒸着されている。FIG. 1 and FIG. 2 show one embodiment of the present invention, and correspond to a plan view and a sectional view, respectively. An upper electrode 49 made of gold, aluminum, etc. is deposited on the upper surface of the polyester film 48, which is an organic thin film that transmits and receives ultrasonic waves in this embodiment.
このポリエステル膜４８は、シリコン基板１に開けられ
た未貫通のエツチング穴１２の上で上下に振動して超音
波の送受波を行なう。当該ポリエステル膜４８の主面の
両側には、上部電極４９および下部型、極６が配置され
ていて、ポリエステル膜４８が振動する際に異なる電位
差が印加あるいは発生する。なお下部電極６とシリコン
基板１の間には酸化膜３が挿入されており、電極６と基
板１の間に電流が漏れるのを防いでいる。下部電極６は
、これも酸化膜３の上におかれたアルミ配線２１を介し
てシリコン基板１に作製された駆動および受信のための
集積回路８と電気的に接続している。なお、前記エツチ
ング穴１２は、寸法および形状を精度良く仕上げるため
に、例えばシリコンの異方性エツチング技術を応用して
作製する。これは、例えば、主面を（１００）方向に持
つシリコン基板１の一方の面に、−辺が＜１１０＞方向
に目合せされた複数個の正方形を７オトレジスト技術を
用いて焼付けた後、試料をヒドラジン等の異方性エツチ
ング液中に浸して行なう。この場合には、ピラミッド型
の四面錐の形状をしたエツチング穴１２ができた段階で
、シリコンのエツチングが自動的に停止するという特長
がある。また、先に述べたように、フォトレジスト技術
を用いてエツチング穴１２の形状を作製するために、微
細な形状を高い精度で形成することができること、さら
に、試料を液中に浸してエツチングを行なうので、一度
に多量の試料を処理することができるという利点がある
。This polyester film 48 vibrates up and down above the unpierced etched holes 12 made in the silicon substrate 1 to transmit and receive ultrasonic waves. An upper electrode 49 and a lower electrode 6 are arranged on both sides of the main surface of the polyester film 48, and different potential differences are applied or generated when the polyester film 48 vibrates. Note that an oxide film 3 is inserted between the lower electrode 6 and the silicon substrate 1 to prevent current from leaking between the electrode 6 and the substrate 1. The lower electrode 6 is electrically connected to an integrated circuit 8 for driving and receiving fabricated on the silicon substrate 1 via an aluminum wiring 21 also placed on the oxide film 3 . The etching holes 12 are made by applying, for example, silicon anisotropic etching technology in order to finish the etching holes 12 with high precision in size and shape. For example, after baking a plurality of squares with - sides aligned in the <110> direction on one surface of a silicon substrate 1 having a main surface in the (100) direction using the 7-otoresist technique, The sample is immersed in an anisotropic etching solution such as hydrazine. This case has the advantage that silicon etching is automatically stopped when the pyramid-shaped etching hole 12 is formed. In addition, as mentioned earlier, since the shape of the etched hole 12 is created using photoresist technology, it is possible to form a minute shape with high precision, and furthermore, the etching is performed by immersing the sample in a liquid. This method has the advantage that a large amount of samples can be processed at once.
第３図は、本発明の実施例をもつ超音波トランスジュー
サを製造する手順の一例を示したものである。図におい
て、先に本発明の一実施例として示した第１図および第
２図と同一番号は同一構成要素を示している。同図（ａ
）は、（１００）面をもつシリコン基板１の表裏に酸化
膜３をつけたものにフォトエツチング技術を用いて前記
第１図のエツチング穴１２と同じ形状の開口３０を形成
したものである。開口３０を構成する際には、第１図の
エツチング穴１２の辺゛が＜１１０＞方向に向くように
配置する必要がある。FIG. 3 shows an example of a procedure for manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention. In the figures, the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2, which were previously shown as an embodiment of the present invention, indicate the same components. The same figure (a
) is a silicon substrate 1 having a (100) plane with an oxide film 3 on the front and back sides, and an opening 30 having the same shape as the etching hole 12 shown in FIG. When configuring the opening 30, it is necessary to arrange it so that the side of the etched hole 12 in FIG. 1 faces in the <110> direction.
この試料をＦＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）
あるいはヒドラジン等の水溶液に浸して、シリコンの異
方性エツチングを行なう（同図（ｂ））。ＦＤＰ、ヒド
ラジン等の水溶液は、シリコンの（１１１）面に対する
エツチング率に比べて（１００）面に対するエツチング
率が著しく大きいという性質（異方性）をもっている。This sample was treated with FDP (ethylenediamine pyrocatechol)
Alternatively, silicon is anisotropically etched by immersing it in an aqueous solution such as hydrazine (FIG. 4(b)). Aqueous solutions such as FDP and hydrazine have a property (anisotropy) in that the etching rate for the (100) plane of silicon is significantly higher than the etching rate for the (111) plane.
従って、同図（ａ）の試料を前記水溶液に浸すことによ
り、同図（ｂ）に示すエツチング穴１２を作製すること
ができる。続いて、エツチング穴１２に酸化膜３をつけ
るために試料を再び酸化炉に入れ、その後、通常のシリ
コンＩＣプロセス技術を用いて、送受信用の集積回路８
を形成する（同図（Ｃ））。続いて下部電極６および集
積回路８に接続するアルミ配線２１を蒸着等により形成
する（同図（ｄ））。Therefore, by immersing the sample shown in FIG. 12(a) in the aqueous solution, the etching holes 12 shown in FIG. 12(b) can be made. Next, the sample is placed in the oxidation furnace again to form an oxide film 3 in the etching hole 12, and then an integrated circuit 8 for transmitting and receiving is formed using normal silicon IC process technology.
((C) in the same figure). Subsequently, aluminum wiring 21 connected to the lower electrode 6 and the integrated circuit 8 is formed by vapor deposition or the like (FIG. 4(d)).
下部電極は、酸化膜３との接合を良くするためにＣｒの
下地にＡｕを上においたものが望ましいが、必らずしも
これに限定されることなく、アルミ等の金属で代用して
も良い。この後、上部電極４９を蒸着したポリエステル
膜４８をシリコン基板１に接着した後、デバイスをパッ
ケージに実装する。The lower electrode preferably has Au on top of a Cr base to improve the bonding with the oxide film 3, but it is not necessarily limited to this, and metals such as aluminum may be used instead. Also good. Thereafter, the polyester film 48 with the upper electrode 49 deposited thereon is adhered to the silicon substrate 1, and then the device is mounted in a package.
第６図および第７図は本発明の他の実施例を示す平面図
である。図において、第１図および第２図と同一番号は
同一構成要素を示している。これらの実施例において、
破線で示された複数の矩形７０は、第１図および第２図
に示す同一下部電極上に含まれる要素を示している。た
だし集積回路８は含まれない。また、当該振動体要素７
０の上下面に形成された電極はアルミ配線を介して周辺
回路８の一部と接続されている（図示せず）。第６図お
よび第７図の実施例に示すように当該振動体要素７０を
複数個並べたときには、超音波を前面の小さな角度に強
く放射したり、前面の小さな角度のみの超音波を強く受
信したりすることができ、周囲の雑音に惑わされること
が少なくなるという特長がある。また、先に述べたシリ
コンの異方性エツチングの技術を用いると、正確に形状
の等しい振動体要素７０を同時に形成することができる
ため、品質および製造に要する時間の点からも少しも問
題がないという特長がある。ここに示した実施例の他に
゛も、中央の振動体要素７０の面積を大きくとり、周辺
に行くに従って振動体要素７０の面積を小さくした実施
例もある（図示せず）。この場合には、上記した指向性
がさらに改侍され、雑音の少ない高品質のデバイスを提
供することができるという利点がある。FIGS. 6 and 7 are plan views showing other embodiments of the present invention. In the figures, the same numbers as in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. In these examples,
A plurality of rectangles 70 shown in broken lines indicate elements included on the same lower electrode shown in FIGS. 1 and 2. However, the integrated circuit 8 is not included. In addition, the vibrating body element 7
The electrodes formed on the upper and lower surfaces of 0 are connected to part of the peripheral circuit 8 via aluminum wiring (not shown). When a plurality of the vibrating body elements 70 are arranged as shown in the embodiments of FIGS. 6 and 7, ultrasonic waves can be strongly radiated to a small angle in the front, or ultrasonic waves can be strongly received only in a small angle in the front. It has the advantage of being less distracting from surrounding noise. Furthermore, by using the silicon anisotropic etching technique described above, it is possible to simultaneously form the vibrating body elements 70 with exactly the same shape, so there is no problem in terms of quality and manufacturing time. It has the advantage that there is no In addition to the embodiment shown here, there is also an embodiment (not shown) in which the area of the vibrating body element 70 at the center is increased and the area of the vibrating body element 70 is decreased toward the periphery. In this case, the above-described directivity is further improved, and there is an advantage that a high-quality device with less noise can be provided.
第８図も本発明の他の実施例である。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。本発明の実
施例においては、振動体要素７ｏに形成された下部電極
が各振動体要素７ｏごとに分離して配置されており、そ
れぞれアルミ配線を介して周辺回路８に接続されている
ことに特徴がある。FIG. 8 also shows another embodiment of the present invention. In the figure, the sixth
The same numbers as in the figures indicate the same components. In the embodiment of the present invention, the lower electrode formed on the vibrating body element 7o is arranged separately for each vibrating body element 7o, and is connected to the peripheral circuit 8 via aluminum wiring. It has characteristics.
従って、本実施例の構成をとる超音波トランスジューサ
においては、各振動体要素７ｏごとに異なった強度およ
び位相をもつ電圧を印加することが可能となる。特に、
各振動体要素７０に異なった位相をもつ電圧を印加する
ことにより、超音波の送波および受波の方向を変化させ
ることができ、従って、電気的に走査を行なう高性能な
超音波トランスジューサを提供できるという特徴がある
。Therefore, in the ultrasonic transducer having the configuration of this embodiment, it is possible to apply voltages having different intensities and phases to each vibrating body element 7o. especially,
By applying voltages with different phases to each vibrating body element 70, it is possible to change the direction of ultrasonic wave transmission and reception, thereby creating a high-performance ultrasonic transducer that performs electrical scanning. It has the characteristics of being able to provide
この実施例においては、振動体要素７０の下面の電極を
各振動体要素７０について分解したが、この外に、各振
動体要素７０の下面の電極を共通にして、各振動体要素
７０の上面の電極（図示せず）を各振動体要素７０ごと
に分離しても上と同様の効果をもつデバイスを実現する
ことができる。第８図においては１行５列の超音波トラ
ンスジューサアレイを示したが、振動体要素７０の個数
について何ら制限される必要はない。例えば、前記第７
図の実施例において、振動体要素７０の上下面の電極を
各振動体要素７０ごとに分離して配置し、それぞれの電
極を周辺回路８に接続すると二次元の方向に電気的に走
査することのできる二次元超音波トランスジューサを実
現することができる。また、本実施例で述べた超音波ト
ランスジューサアレイにおいては、各振動体要素７０の
下面電極は通常のＩＣプロセス技術を用いて同時にかつ
容易に形成することができるという点も従来技術に比べ
て大きな長所である。In this embodiment, the electrodes on the bottom surface of each vibrating body element 70 are disassembled for each vibrating body element 70, but in addition to this, the electrodes on the bottom surface of each vibrating body element 70 are made common, and Even if the electrodes (not shown) are separated for each vibrating body element 70, a device having the same effect as above can be realized. Although FIG. 8 shows an ultrasonic transducer array with one row and five columns, there is no need to limit the number of vibrating body elements 70 at all. For example, the seventh
In the illustrated embodiment, if the electrodes on the upper and lower surfaces of the vibrating body element 70 are arranged separately for each vibrating body element 70 and each electrode is connected to the peripheral circuit 8, electrical scanning can be performed in two-dimensional directions. A two-dimensional ultrasonic transducer can be realized. Furthermore, in the ultrasonic transducer array described in this embodiment, the lower surface electrode of each vibrator element 70 can be formed simultaneously and easily using ordinary IC process technology, which is a big difference compared to the conventional technology. This is an advantage.
なお下部電極あるいは上部電極が分離された実施例にお
いて、一つの振動体要素７０は第１図、第２図に示した
ような複数のエツチング穴を持つものとして説明したが
これに限らず第１図、第２図中のエツチング穴−個が一
つの振動体要素に対応するものと考えてもよい。In the embodiment in which the lower electrode or the upper electrode is separated, one vibrating body element 70 is described as having a plurality of etched holes as shown in FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited to this. It may be considered that the etched holes in the figures and FIG. 2 correspond to one vibrator element.
以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。The present invention has been described above in detail using examples.
なお、本発明の構成は、信号として使用する超音波が連
続的に変化するか、あるいは−及、至数個の波長のみで
パルス的に変化するか等に関係なく成り立つものである
。また、超音波の波長″が単一かあるいは複数個か等に
も関係なく成り立゛つものである。また、本発明の実施
例においては、振動体の下の穴中に空気が閉じこめられ
ていたが、この構成の他に、穴の底に開口穴を開けて空
気の流動を可能とした構成もある。さらには、穴の外側
にスポンジ等の音を吸収する物質を置く等の方法により
デバイスの裏側の影響を少なくした構成、および振動体
の前面にホーンを配置して感度を高くした構成も本発明
に含まれる。The configuration of the present invention is applicable regardless of whether the ultrasonic wave used as a signal changes continuously, or changes in a pulsed manner with only a few wavelengths. This also holds true regardless of whether the ultrasonic wave has a single wavelength or multiple wavelengths.Furthermore, in the embodiment of the present invention, air is trapped in the hole below the vibrating body. However, in addition to this configuration, there is also a configuration in which an open hole is made at the bottom of the hole to allow air to flow.Furthermore, there is a method such as placing a sound-absorbing material such as a sponge on the outside of the hole. The present invention also includes a configuration in which the influence of the back side of the device is reduced, and a configuration in which a horn is placed in front of the vibrating body to increase sensitivity.
なお、上記実施例において振動体の面積を大きくしたり
、厚さを薄くしたりすることにより超音波の送波および
受波の感度を大きくすることができる。しかし、この場
合には、同時にデバイスの周波数特性等の変化が生ずる
ので、超音波センサを設計する際には、以上の効果を考
慮して、感度および周波数特性や電気音響変換効率等を
最適にするように振動体の寸法を決めなければならない
。Note that in the above embodiments, the sensitivity of ultrasonic wave transmission and reception can be increased by increasing the area of the vibrating body or decreasing its thickness. However, in this case, changes in the frequency characteristics of the device occur at the same time, so when designing an ultrasonic sensor, take the above effects into account and optimize the sensitivity, frequency characteristics, electroacoustic conversion efficiency, etc. The dimensions of the vibrator must be determined so that
（発明の効果）
以上説明したとおり、本発明によれば、特性のばらつき
の少ない高性能かつ小型軽量の空中用集積化超音波トラ
ンスジューサを供給することが可能となった。その結果
、産業用ロボット等の分野で近接室等の検出に高性能な
超音波トランスジューサを利用することができるように
なった。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it has become possible to provide a high-performance, small-sized, lightweight aerial integrated ultrasonic transducer with little variation in characteristics. As a result, it has become possible to use high-performance ultrasonic transducers to detect adjacent rooms in the field of industrial robots and the like.
また、本発明の超音波トランスジューサは従来のシリコ
ンＩＣプロセス技術と合致した製法で大量に製造するこ
とができるため、製造コストを低減することができる。Further, since the ultrasonic transducer of the present invention can be manufactured in large quantities using a manufacturing method that is compatible with conventional silicon IC process technology, manufacturing costs can be reduced.
これらの効果は著しいものであり、本発明は有効なもの
である。These effects are remarkable and the present invention is effective.
第１図および第２図はそれぞれ本発明の一実施例の平面
図および断面図、第３図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施
例を製造する方法の一実施例を示す概念図、第４図は従
来の超音波トランスジューサの断面図、第５図は従来の
静電型トランスジューサの原理図、第６図および第７図
は本発明の他の実施例を示す平面図、第８図は本発明に
よる超音波トランスジューサアレイの一実施例を示す平
面図。
１・・・シリコン基板、 ３・０．酸化膜、６・
・・下部電極、 ８・・・集積回路、２１・
・・アルミ配線、 １２・・・エツチング穴、３
０・・・開口、 ４１・・・金属ケース
、４２・・・プラスチックケース、
４３・・・保護スクリーン、 ４４．４５・・・電極
端子、４６・・・板バネ、 ４７・・・アル
ミ合金の板、４８・・・ポリエステルの膜、 ４９・・
・上部電極、５１・・・機械的要素、 ５１ａ・
・・振動板、５１ｂ・・・固定板、 ５２・
・・電気的要素、５３・・・バイアス電圧、 ５４
・・・抵抗、５５・・・発信および受信回路、７０・・
・振動体要素。1 and 2 are a plan view and a sectional view of an embodiment of the present invention, respectively, and FIGS. 3(a) to 3(d) are conceptual diagrams showing an embodiment of a method for manufacturing the embodiment of the present invention. , FIG. 4 is a sectional view of a conventional ultrasonic transducer, FIG. 5 is a principle diagram of a conventional electrostatic transducer, FIGS. 6 and 7 are plan views showing other embodiments of the present invention, and FIG. The figure is a plan view showing one embodiment of an ultrasonic transducer array according to the present invention. 1... Silicon substrate, 3.0. Oxide film, 6.
...Lower electrode, 8...Integrated circuit, 21.
...Aluminum wiring, 12...Etching hole, 3
0... Opening, 41... Metal case, 42... Plastic case, 43... Protective screen, 44.45... Electrode terminal, 46... Leaf spring, 47... Aluminum alloy Plate, 48... Polyester membrane, 49...
- Upper electrode, 51... mechanical element, 51a.
...Vibration plate, 51b...Fixing plate, 52.
...Electrical element, 53...Bias voltage, 54
... Resistor, 55... Transmitting and receiving circuit, 70...
- Vibrating body element.
Claims (2)
た超音波トランスジューサにおいて、第二の電極を複数
の穴をもつシリコン基板表面上に設けたことを特徴とす
る超音波トランスジューサ。(1) An ultrasonic transducer comprising an organic thin film having a first electrode on one surface, characterized in that the second electrode is provided on the surface of a silicon substrate having a plurality of holes.
た超音波トランスジューサにおいて、第二の電極を複数
の穴をもつシリコン基板表面上に設けた超音波トランス
ジューサを複数個アレイ状に配置し、個々の超音波トラ
ンスジューサの前記第一および第二の電極側の少なくと
も一方の側の電極に互いに独立の電気信号が入出力でき
るようにしたことを特徴とする超音波トランスジューサ
。(2) In an ultrasonic transducer equipped with an organic thin film having a first electrode on one surface, a plurality of ultrasonic transducers each having a second electrode provided on the surface of a silicon substrate having a plurality of holes are arranged in an array. 1. An ultrasonic transducer characterized in that the ultrasonic transducer is arranged so that mutually independent electric signals can be input and output to and from electrodes on at least one side of the first and second electrodes of each ultrasonic transducer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12733586A JPS62284600A (en) | 1986-06-03 | 1986-06-03 | Ultrasonic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12733586A JPS62284600A (en) | 1986-06-03 | 1986-06-03 | Ultrasonic transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62284600A true JPS62284600A (en) | 1987-12-10 |
| JPH0476560B2 JPH0476560B2 (en) | 1992-12-03 |
Family
ID=14957376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12733586A Granted JPS62284600A (en) | 1986-06-03 | 1986-06-03 | Ultrasonic transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62284600A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000005001A1 (en) * | 1998-07-23 | 2000-02-03 | The Secretary Of State For Defence | Method of manufacturing a capacitive ultrasound transducer |
| JP2006105887A (en) * | 2004-10-08 | 2006-04-20 | Synthesis Corp | Stereoscopic vision device and stereoscopic image display system equipped therewith |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61220599A (en) * | 1985-03-26 | 1986-09-30 | Nec Corp | Ultrasonic wave sensor |
-
1986
- 1986-06-03 JP JP12733586A patent/JPS62284600A/en active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61220599A (en) * | 1985-03-26 | 1986-09-30 | Nec Corp | Ultrasonic wave sensor |
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| WO2000005001A1 (en) * | 1998-07-23 | 2000-02-03 | The Secretary Of State For Defence | Method of manufacturing a capacitive ultrasound transducer |
| JP2006105887A (en) * | 2004-10-08 | 2006-04-20 | Synthesis Corp | Stereoscopic vision device and stereoscopic image display system equipped therewith |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0476560B2 (en) | 1992-12-03 |
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