JPS63196877A - 超音波トランスジユ−サ - 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。

（従来の技術） 従来、産業用ロボットの分計においては対象物″り。し
かし、可視光を用いるセンサでは、対象物媒体が塵等で
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
波の発信および受信を行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わせて
構成する必要がある。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。

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。

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、必らずしも最適に設−計されているとは
言えなかった。さらに、機械的＋？・ 、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の深さを持つ複数個の穴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により挟まれて固定さ
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と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４２に固定されている。４４．４５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４１を介して電極４９と等しいことにな
る。

−れている。機械的要素５１は振動板５１ａと固定板５
１ｂ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がら構成さ
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５１
ｂに引がれ撓んでいる。続いて、発振回路５５にバイア
ス電圧５３よりも振幅の小さい交流電圧を印加した場合
には、発振回路５５の両端の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の両端に印加さ
れた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５
１ｂに加わるために、振動板５１ａの撓みは太き（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５１ｂに加わるために、振動板５１
ａの撓みは小さくなる。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５１ａと固定板５１ｂの間で放電Ｉ □等が生じた場合に、回路に大きな電流が流れないには
、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５１ａ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渡
が可能となる。

（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。こ
の穴１０１は、第５図に示す振動板５１ａと固定板５１
ｂ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、超音波の送受波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、従来の構造を用いて、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゛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。

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。

（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
薄膜を備えた超音波トランスジューサにおいて、半導体
基板表面上に設けられた穴を持つ第二の電極の表面を当
該第二の電極の外周表面の高さよりも高くなるようにし
たことを特徴とする超音波トランスジューサ、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超音
波トランスジューサにおいて、半導体基板表面上に設け
られた穴を持つ第二の電極の表面を当該第二の電極の外
周表面の高さよりも高くなるようにした超音波トランス
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及、び第二の電極側の少なく
とも一方の側の電極に互′０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。

（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
て上下に可動することにより、超音波が送波される。一
方、このデバイスを超音波の受波に用いる場合には、外
部超音波の圧力により上記ポリエステル膜が振動し、こ
の結果、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、外部超音波の圧力を（バイアス電
圧が印加された）電気回路に流れる電流値の変化として
検出することが可能である。この際、トランスジューサ
の送受波特性の感度を大きくするために、ポリエステル
膜をシリコン基板上に設けられた下部電極上に密接に接
触させることが必要となる。本発明では、第２図に一例
として示すように、下部電極の表面をこの電極の外周表
面の高さよりも高くすることにより、ポリエステル膜と
下部電極とを密接に接触させることを実現した。また、
本発明の超音波トランスジューサ’Ｈ、ｔ！、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ｉ精度良く穴をあけ
ることができ、製造プロセスから生ずるデバイス特性の
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ＩＣ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。

（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
。

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。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
部電極６が配置されていて、送波のときは交流電圧を印
加してポリエステル膜４８を振動させる。受波のときは
ポリエステル膜４８が振動することによって電圧が発生
する。当該シリコン基板１の一方の主面は、第２図に示
すように当該下部電極６の表面が下部電極の外周２９の
表面高さよりも高くなるように加工されている。これは
、下部電極６とポリエステル膜４８とを互いに密接に接
触させるのに役立ち、エツチング穴１２以外の下部電極
６の表面とポリエステル膜４８との間に実際上存在する
微小の空隙（図示せず）を小さくすることができる。こ
の微小の空隙に起因する上部電極４９と下部電極６の間
の静電容量はトランジスジューサの送受波特性の感度を
低下させるために、これを小さくすることが望ましいも
のである。本発明による構成をとれば、上部電極４９と
下部電極６との間隔を小さくすることができ、この結果
、デバイスの送受波特性の感度を大きくすることができ
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（図示せず）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。また、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
°末の一方の面に、−辺が＜１１０＞方向に目合せされ
た複数個の正方形の５ｉ０２膜のパターンをフォトリソ
グラフィ技術を用いて形成した後、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う。

この場合には、ピラミッド型の四角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、フォトリソグラフィ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。一方、前記下部電極の
外周２９は、エツチング穴１２を作製する際に同時に異
方性工・レチング技術を用いて作製することができる。

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リングラフィ技術を用いて前
記第１図のエツチング穴１２と同じ形状の開口３０およ
び下部電極の外周２９のための開口３１を形成したもの
である。開口３０．３１を形成する際には、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。この試料をＥＤＰ（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う（同図（ｂ）
）。ＦＤＰ、ヒドラジン等の水溶液は、シリコンの（１
１１）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。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１
２および溝３２を作製することができる。続いて、エツ
チング穴１２および溝１３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（図示せず）を蒸着等により形成す
る（同図（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。

第６図および第７図は本願第２の発明の実施例を示す平
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振動体要素を示している
。ただし集積回路８は含まれない。また、当該振動体要
素７０の上下面に形成された電極はアルミ配線を介して
集積回路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７
０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
性がさらに改善され、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。

第８図および第９図も本願第２の発明の他の実施例を示
したものであり、それぞれ平面図および断面図に対応し
ている。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
７０に形成された下部電極６が下部電極の外周２９を介
して互いに分離して配置されており、それぞれアルミ配
線を介して集積回路８に接続されていることに特徴があ
る。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７０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。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ごとに分離したが、逆に、各振
動体要素７ｏ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４９を各振動体要素７０ごとに分離し
ても上記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
て何ら制限する必要はない。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、それぞれの電極を集積回路
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。

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。

以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行った。な
お、本発明の構成は、信号として使用コ １°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が等に関係な
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ｔｙ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。

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
。

（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党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。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。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。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本願第１の発明の一実施
例の平面図および断面図、第３図（ａ）〜（ｄ）は本願
第１の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図は本願第２の発明の実施例を示す平面
図、第８図および第９図は本願第２の発明による超音波
トランスジューサアレイの一実施例を示す平面図および
断面図。 １・・・シリコン基板、３・・・酸化膜、６・・・下部
電極、８・・・集積回路、１２・・・エツチング穴、２
９・・・下部電極の外周３０、３１・・・開口、３２・
・・溝、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・０．振動板、５１
ｂ・・・固定板、５２・・・電気的要素、５３・・・バ
イアス電圧、５４１１．抵抗、５５・・・発信および受
信回路、７０・・・振動体要素。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の面に第一の電極を有する有機体薄膜を備え
   た超音波トランスジューサにおいて、半導体基板表面上
   に設けられた穴を持つ第二の電極の表面を当該第二の電
   極の外周表面の高さよりも高くな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. （２）一方の面に第一の電極を有する有機体薄膜を備え
   た超音波トランスジューサにおいて、半導体基板表面上
   に設けられた穴を持つ第二の電極の表面を当該第二の電
   極の外周表面の高さよりも高くなるようにした超音波ト
   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及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。