JPH0570115B2 - - Google Patents
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-
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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覚を検出する超音波装
置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ultrasonic device, and more particularly, to an ultrasonic device that detects proximity sense using ultrasonic waves.
(従来技術とその問題点)
ロボツト制御にセンサ出力信号を利用すれば、
プレイバツク型のロボツ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、プレイバツク
型ロボツト装置では、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
が必要であつたが、ロボツ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、作業対象物の位置、姿勢
等に対する制限が緩和されることになる。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ツト装置は知能
ロボツト装置とも称されている。知能ロボツト装
置実現のためには、各種のセンサの実用化が鍵と
なつている。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、
種々の方式が提案されている。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、プラスチツ
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、前者においては、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つ
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、
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、ロボツト装置へのセン
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
あつた。(Prior art and its problems) If sensor output signals are used for robot control,
It is known that the scope of application of playback type robotic devices can be expanded. In other words, with playback type robot equipment, it was necessary for the workpiece to be placed at a predetermined position and in a predetermined posture. , posture, etc. can be detected with high accuracy, restrictions on the position, posture, etc. of the work object will be relaxed. A robot device that autonomously determines work procedures and work contents using output signals from such various sensors is also called an intelligent robot device. The key to realizing intelligent robot equipment is the practical application of various sensors. One such sensor is a proximity sensor. The proximity sensor is a sensor that detects the distance between the sensor and the object to be detected, and conventionally,
Various methods have been proposed. Examples include sensors using ultrasonic technology, sensors using coil-capacitor resonance circuits, and sensors using eddy current. However, in the latter two methods, since the detection target is required to be metal, there is a drawback that they do not have any detection function for plastics, wood, etc. In the former case, an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver are combined, and beam-shaped ultrasonic waves with directivity emitted from the transmitter are reflected by the detection target, and this reflected wave is detected by the receiver. There are certain characteristics. However, usually only a single transmitter and a single receiver are combined, and the radiation direction of the beam-like ultrasound or
It is not possible to change the direction of reception or to scan. For this reason, the object to be detected can only be roughly captured, and it has been difficult to accurately detect the distance depending on the shape and dimensions of the object to be detected. On the other hand, it is well known that ultrasound technology is applied to medical diagnostic equipment. In such application fields,
The human body can be roughly regarded as the same as water, and takes advantage of the advantages of faster sound speed than in air and lower propagation loss than in air. In addition, in this device, the ultrasonic transmitter and receiver are configured with an element array arranged in a linear manner, and the ultrasonic transmission pulse to each element constituting the array and the ultrasonic wave reaching each element are transmitted. By individually changing the delay time of the voltage signal generated by the received sound wave pulse, the beam directions of the transmitted and received waves are changed to obtain tomographic images inside the human body. In this application field, research has been carried out to make the tomographic image clearer, but the results of this research are not necessarily directly applied to the proximity sensor of the present invention. For example, differences in the speed of sound within a medium for transmitting ultrasonic waves, differences in propagation loss within the medium, etc. are factors that inhibit application. Furthermore, if the sensor is to be mounted on a robot device, it is required that the external size of the sensor be small and that its signal processing circuit be miniaturized and simplified. As described above, with conventional proximity sensors, the distance information to the detection target is unreliable, making it difficult to apply ultrasonic technology to medical diagnostic equipment.
(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、ロボツ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。(Object of the Invention) An object of the present invention is to provide an ultrasonic device as a proximity sensor that eliminates the drawbacks of the prior art and facilitates application to robotic devices.
(発明の構成)
本発明によれば、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(N≧2)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、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器を介し
て、接続される手段と、当該遅延回路に共通のパ
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、
加算回路及び増幅器を介してN個の各素子に接続
される二つの遅延回路の内の一方を第一の遅延回
路群、他方を第二の遅延回路群とした場合、該第
一の遅延回路群を構成するN個の遅延回路での遅
延時間が適当に順序付けした該アレイの要素番号
順に順次増大し、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
要素番号順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。(Structure of the Invention) According to the present invention, N elements (N≧2) arranged in a one-dimensional or two-dimensional array and capable of generating ultrasonic waves, and each element constituting the array In an ultrasonic device having means for individually supplying burst-like ultrasonic transmission pulses, the outputs of two delay circuits are connected to each element via a circuit for adding the two outputs and an amplifier. and means for inputting a common pulse waveform to the delay circuit constitute means for supplying the burst-like ultrasonic transmission pulse,
When one of two delay circuits connected to each of the N elements via an adder circuit and an amplifier is a first delay circuit group and the other is a second delay circuit group, the first delay circuit The delay time in the N delay circuits constituting the group increases sequentially in the order of the appropriately ordered element numbers of the array, and the delay time in the N delay circuits constituting the second delay circuit group increases. An ultrasonic device is obtained in which the element numbers of the array are sequentially decreased in order.
(実施例) 次に、図面を用いて詳細な説明を行なう。(Example) Next, a detailed explanation will be given using drawings.
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
射される超音波波形、11は2で受信される波形
である。時刻t0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。10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に音源が存在するか
の如き超音波の反射波が発生され、該反射波は受
信器2に向つて進行する。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t0〜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、
t0〜t1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
よりも実際には歪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。送信器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、ロボツト装置用の近接覚センサとしては不
適であると言える。 FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional sensor using ultrasound technology. In the figure, 1 is an ultrasonic transmitter, 2 is an ultrasonic receiver, 3 is a directivity pattern indicating the directivity of the ultrasonic beam emitted from 1, and 4 is a directivity of the ultrasonic wave received by 2. Directivity patterns 5 and 6 are detection targets. Figure 2 shows the first
FIG. 3 is a diagram showing the operation of the sensor shown in the figure, and shows changes in waveforms over time. In the figure, 10 is an ultrasonic waveform emitted from 1, and 11 is a waveform received by 2. At time t 0 , ultrasonic waves 12 having directional patterns 1 to 3 are emitted. 10 shows an example of an ultrasonic waveform consisting of two sinusoidal cycles. The emitted ultrasonic waves reach the detection target 5 existing in the area covered by the directional pattern 3, and are reflected on the surface of the 5. As a result of this reflection, a reflected ultrasonic wave is generated as if a sound source were present at 5, and the reflected wave travels toward receiver 2. Since 5 exists in the area covered by the directivity pattern of 4, a part of the reflected wave reaches 2, and in the received waveform illustrated in 11, a waveform 13 corresponding to 12 appears after time t1. observed. The time difference between times t 0 and t 1 is equal to the time it takes for the ultrasound to reach 2 after it is emitted from 1 and reflected at 5, and if the speed of sound in the ultrasound propagation medium is constant. , correspond to spatial distances of 1, 5, and 2. For this reason,
If the time between t 0 and t 1 is measured, the distance to the detection target 5 can be estimated, and the configuration shown in FIG. 1 can be used as a proximity sensor. However, with the configuration shown in FIG. 1, the shape of the detection target 5 cannot be determined, and only the presence or absence of the detection target 5 can be known. Furthermore, detection target 5
The detection target 6, which actually exists at a closer distance than the above, cannot be detected because it does not exist in the area covered by the directional patterns 3 and 4. Since the transmitter 1 and the receiver 2 are usually mounted in a common housing (not shown), in the example shown in FIG.
If both 1 and 2 are moved in the direction of 5, there is a risk that the casing will collide with 6 before it reaches 5. For this reason, the conventional example shown in FIG. 1 can be said to be unsuitable as a proximity sensor for a robot device.
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
ら成つている。21a,21b,…は該20a,
20b,…毎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23
a,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、121a,12
1b,…は、それぞれ、21a,21b,…の出
力波形である。第3図に示した23a,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,2
1b,…により、20a,20b,…の励振に必
要な所望の電圧レベルまで増幅され、121a,
121b,…に示した波形のパルスが得られる。
当該121a,121b,…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,24b,…で概念的に示し
た波面を有する超音波が、媒体25中に放射され
る。即ち、第4図に示したように20aの素子か
らは時間的に最も早く該超音波が放射され、20
d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,24
b,…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25中に形成される。24a,2
4b,…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図の122に例示した、任意の前
記断続周期内、例えば同図中τ0と表示された周期
内で、当該素子毎に個々に供給される121a,
121b,…で示された超音波パルスの時間(第
4図でθ0、θ2、θ2、θ3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、θ0、θ1、…に対応する前記時間差はそれ
れぞれθ01、θ02、…に変化させられている。第4
図では、θ0、θ1、…よりも小さいθ01、θ02、…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27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
対象領域となる該領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、28に恰も点音
源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28
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28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30a,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、または、そ
の組合せから成つている。30a,30b,…か
らの電気信号は、それぞれ異なる遅延時間を有す
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3
0d,30c,30b,30a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,3
3a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30d,30
c,…での検出信号が同一時刻になるようにされ
る。即ち、33a,33b,…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,20
b,…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、ロボツ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。 FIG. 3 is a diagram showing a prior art ultrasound device applied to a medical diagnostic device. In the figure, 20a, 20b, . . . are elements capable of generating ultrasonic waves, and a structure in which four elements are arranged in a one-dimensional array is shown. The element may be an inorganic, organic, or composite piezoelectric material, electrostrictive material,
Comprised of any magnetostrictive material or combination thereof. 21a, 21b, ... are the 20a,
20b, . . . 22 is an original oscillator that intermittently supplies burst-like ultrasonic transmission pulses to each element constituting the array;
Its output is a delay circuit 23 with different delay times.
a, 23b, . . . Each output of the delay circuit is input to the amplifier. Fourth
The figure is a diagram explaining the operation of FIG. 3, and shows waveform timings of the main components. In the figure, 122 is the output waveform of 22, 121a, 12
1b, . . . are output waveforms of 21a, 21b, . 23a, 23b shown in FIG.
..., the 122 pulse waveforms undergo different time delays, and the delayed pulses 21a, 2
1b,... are amplified to the desired voltage level necessary for excitation of 20a, 20b,..., and 121a,...
Pulses with waveforms shown in 121b, . . . are obtained.
Ultrasonic waves having wavefronts conceptually shown as 24a, 24b, . . . in FIG. 3 are emitted from the 20a, 20b, . radiated. That is, as shown in FIG. 4, the ultrasonic wave is emitted from the element 20a temporally earliest, and
The ultrasonic wave is emitted from the element d temporally latest. Because there is a difference in the emission time and the ultrasonic wave is in a burst shape as shown in FIG. It has the spatial distribution shown below. 24a, 24
Since b, . 24a,2
If the wavefronts 4b, . That is, it can be considered that the element arrays 20a, 20b, . . . emit ultrasonic beams in which ultrasonic energy is concentrated only in the direction 27. The direction of 27 is determined by the difference in emission time of the ultrasonic waves from 20a, 20b, . In other words, 121a, which is individually supplied to each element within an arbitrary intermittent period, for example, within the period indicated as τ 0 in the figure, as illustrated in 122 in FIG.
By setting the times of the ultrasonic pulses indicated by 121b, . . . (denoted as θ 0 , θ 2 , θ 2 , θ 3 in FIG. 4) to a desired relationship, it is possible to The ultrasound beam can be emitted in any one direction in a vertical plane, for example in 27 directions. Then, following τ 0 , another period (denoted as τ 1 in Figure 4)
Within, the time differences corresponding to θ 0 , θ 1 , . . . are changed to θ 01 , θ 02 , . . . , respectively. Fourth
In the figure, θ 01 , θ 02 , . . . are shown to be smaller than θ 0 , θ 1 , .
In other words, by changing the time difference, the radiation direction of the ultrasonic transmission wave can be changed, and the area to be detected can be scanned with the ultrasonic beam. Next, according to the above operation, the emitted ultrasonic beam is reflected by the detection target 28 existing within the reach range of the beam, and a reflected wave having a circular wavefront 29 as if a point source exists is generated at 28. form a pattern. In addition, in Figure 3, 28
Although it is drawn as if it does not exist in the radial direction of 27, this is to avoid confusion in the drawing, and it is assumed that 28 actually exists in the direction of 27. The wavefront 29 sequentially reaches elements 30d, 30c, . . . having a sound pressure/electrical conversion function over time. The elements 30a, 30b, 30c, 30d
has a function opposite to that of 20a, 20b, . The electrical signals from 30a, 30b, . . . are input to delay circuits 33a, 33b, . Output. For the illustrated wavefront shape 29, three
Similar reflected ultrasound signals are detected at 0d, 30c, 30b, and 30a. The time difference in which the reflected ultrasound waves reach the element is 33d, 33c, 33b, 3
By appropriately setting the delay time of 3a, the output of the delay circuit 30d and 30 is compensated.
The detection signals at c, . . . are made to be at the same time. That is, by changing the delay times of 33a, 33b, ..., it is possible to electronically provide a focusing function to the reflected waves from the detection target existing within the reach area of the radiated ultrasonic waves. Become. According to the configuration of FIG. 3 explained above, 20a, 20
It is possible to detect a two-dimensional ultrasound image of the object to be detected that exists in front of 30a, 30b, . It becomes possible to easily detect the distance to the detection target based on the time, and it can be used as a proximity sensor mounted on a robot device.
しかしながら、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。当該
欠点について以下に述べる。ロボツト装置での近
接覚センサとしては、最大50cm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。通常の工業用ロボツト装置では、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/sec
と等しい。検出対象までの距離を50cm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3msecであ
る。即ち、第4図で示した周期τ0,τ1を3msec
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1゜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270msec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3.7Hzとなる。該3.7Hzのフレーム周波数
は、ロボツ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、ロボツト装置
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、工業用ロボツト装置では生産
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
あつた。 However, there are serious drawbacks when applying the configuration of FIG. 3 to the proximity sensor. The drawbacks will be discussed below. Proximity sensors for robotic devices are required to be able to accurately detect objects within a distance of up to 50 cm. In normal industrial robot equipment, the propagation medium of the emitted ultrasonic waves is air, so the propagation speed of the ultrasonic waves is 340 m/sec, which is the sound speed in air.
is equal to If the distance to the detection target is 50cm,
The ultrasonic wave propagates a distance of 1 m round trip, and the time required for propagation over this distance is approximately 3 msec. That is, the periods τ 0 and τ 1 shown in Fig. 4 are set to 3 msec.
Must be set above. In order to cover an omnidirectional range of 90° by changing the radiation direction indicated by 27 in Figure 3 by 1°, it is necessary to emit the ultrasonic wave 90 times, and the detection target within the omnidirectional range is required. Approximately 270 msec is required to detect. If the reciprocal of the scanning period of the omnidirectional range is defined as the frame frequency, the frame frequency will be 3.7 Hz for the numerical example. It is clear that the 3.7 Hz frame frequency is too low for controlling robotic equipment. In other words, when moving a part of a robot device, such as an arm, based on ultrasonic images that appear at 3.7 times per second, it becomes difficult to move at high speed, which reduces productivity in industrial robot devices. However, there was a serious drawback in that it was difficult to apply this device to fields that required high-speed response.
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a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50a,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
なつている。また、51a,51b,51c,5
1d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,50
c,50dには、加算回路及び増幅器を介して、
それぞれ二つの遅延回路が接続され、任意の当該
断続周期40内において、各素子にはそれぞれ二
つの遅延パルス、61aと65a、61bと65
b、61cと65c、61dと65dが供給され
ており、61a,61b,61c,61dのパル
ス列に注目するならこれらは遅延時間が順次増大
するように設定されており、一方65a,65
b,65c,65dのパルス列は遅延時間が順次
減少するように設定されている。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b
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,65
b,65c,65dのパルスに対応する該波面
は、それぞれ、62a,62b,62c,62
d,66a,66b,66c,66d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63内では、波面の合成が行なわれるの
で、62a,62b,…,66a,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に向つて進行する。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,66
b,66c,66dにより合成された液面は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、該アレイに垂直な平面内
の異なる方向72,73に該超音波を放射できる
ことが分る。すなわち、遅延時間が順次増大する
ように設定されたパルス列61a,61b,61
c,61dをつくる遅延回路群を介して送信され
た超音波の波面は73であり、一方遅延時間が順
次減少するように設定されたパルス列65a,6
5b,65c,65dをつくる遅延回路群を介し
て送信された超音波の波面は72となり、その結
果超音波素子50a,50b,50c,50dか
ら送信された超音波は72の波面と73の波面を
有する合成波となる。したがつて、該周期40内
で、当該素子毎に個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、所望の放射方向(例えば7
2,73)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,51
b,…の各バースト状の2群のパルス列の時間関
係が異なつている。即ち、61aを基準とした6
1b,61c,61dの遅延時間差θ10、θ11、θ12
に対応する当該41内での遅延時間差θ20、θ21、
θ22は、それぞれ該40内での値よりも大きくな
つている。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7.4Hzにまで増加し、ロボツト装置の制御上、
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良く、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,50c,
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、一次元状アレ
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
bの同一の周期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a
では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音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定し
ても良い。かかる凹状の場合には、複数の前記周
期にわたつ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
(3.7×N)Hzまで増加され、前述したアームの動
作速度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、検出対象からの反射波パター
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S/N比を
改善させ、検出精度を向上できる利点がある。 The present invention has been made to avoid the above-mentioned drawbacks, and FIG. 5 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a partial configuration example of an ultrasonic device according to the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing timing. In the figure, elements 50a, 50b, 50c, and 50d are capable of generating ultrasonic waves, and a structure in which four elements are arranged in a one-dimensional array is illustrated. The main component of the element is a piezoelectric material, an electrostrictive material, a magnetostrictive material made of an inorganic material, an organic material, or a composite material, or a combination thereof. Also, 51a, 51b, 51c, 5
1d is 50a, 50b, 50c, 50d respectively
This is an intermittent burst-like ultrasonic transmission pulse waveform supplied to the The elements 50a, 50b, 50
c, 50d, through an adder circuit and an amplifier,
Two delay circuits are connected to each element, and within any given intermittent period 40, each element receives two delay pulses, 61a and 65a, 61b and 65.
b, 61c, 65c, 61d and 65d are supplied, and if we pay attention to the pulse trains 61a, 61b, 61c, 61d, these are set so that the delay time increases sequentially, while 65a, 65
The pulse trains b, 65c, and 65d are set so that their delay times decrease sequentially. Due to the pulse, the instantaneous wavefronts of the ultrasonic waves emitted from 50a, 50b, . . . at the same time are 62a, 62b, .
..., 66a, 66b, . Figure b
If you refer to the pulse supply timing in
61a, 61b, 61c, 61d, 65a, 65
The wavefronts corresponding to pulses b, 65c, 65d are 62a, 62b, 62c, 62, respectively.
d, 66a, 66b, 66c, and 66d. Wavefronts are synthesized in the ultrasonic propagation medium 63 existing in front of the element, so the wavefronts synthesized by 62a, 62b, ..., 66a, 66b, ... have the shape shown by 70, 71. , the resultant wavefronts 70, 71 travel in directions of radiation 72, 73, respectively. To be more specific, 62a, 62b, 62c, 62d
The wavefront synthesized by 71, 66a, 66
The liquid level synthesized by b, 66c, and 66d is 70
become. By supplying the ultrasonic transmission pulse to an array of elements capable of generating ultrasonic waves, it is possible to radiate the ultrasonic waves in different directions 72 and 73 in a plane perpendicular to the array within the period 40. I understand. That is, the pulse trains 61a, 61b, 61 are set such that the delay time increases sequentially.
The wavefront of the ultrasonic wave transmitted through the delay circuit group forming c and 61d is 73, while the pulse train 65a and 6 are set so that the delay time decreases sequentially.
The wavefront of the ultrasound transmitted through the delay circuit group forming 5b, 65c, and 65d is 72, and as a result, the ultrasound transmitted from the ultrasound elements 50a, 50b, 50c, and 50d has a wavefront of 72 and a wavefront of 73. It becomes a composite wave with . Therefore, within the period 40, by appropriately setting the phase difference between the ultrasonic transmission pulses 51a, 51b, .
2, 73)) (for example, 70,
71) can be realized. In addition, in the cycle 41 following 40, as shown in FIG. 5, 51a, 51
The time relationships between the two groups of burst-like pulse trains b, . . . are different. That is, 6 based on 61a
Delay time differences between 1b, 61c, and 61d θ 10 , θ 11 , θ 12
The delay time difference θ 20 , θ 21 , within the corresponding 41 corresponding to
θ 22 is each larger than the value within 40. In such a relationship, the slope of the composite wavefront corresponding to 70, 71 in FIG. 5a becomes closer to vertical, and at the same time, the angle formed by the two radiation directions becomes larger. That is, the time difference can be changed every cycle, and the direction of the radiation can be changed every cycle. Furthermore, in this embodiment, since the two ultrasonic waves are emitted at the same time or approximately at the same time within an arbitrary cycle, detection targets existing in the omnidirectional range of the 90° radiation as described above can be detected. The number of times the ultrasonic waves are emitted in order to detect all the waves is 45 times. In other words, the frame frequency mentioned above increases to 7.4Hz, which makes it difficult to control the robot equipment.
This has the effect of doubling the upper limit of the arm's operating speed. In the explanation of FIG. 5, a two-cycle rectangular wave pulse is used for a one-dimensional array having four elements, but the invention is not limited to this. That is, the number of elements may be any natural number, the array shape may be two-dimensional, and there are no restrictions on the number of pulse repetitions or the pulse shape. Furthermore, 50a, 50b, 50c,
The pulse height value to 50d does not need to be a constant value, and may have a different pulse height value for each element within the period, and the pulse height value may change for each period. Note that when the number of elements is odd, the sound pressure of the ultrasound emitted from the element located at the center of the one-dimensional array can be set to twice the sound pressure of the ultrasound emitted from the other elements. desirable. Furthermore, although the delay time difference within the same period in Figure 5b is set constant, the direction of radiation is asymmetric (Figure 5a).
Then, 72 and 73 are the directions of left-right symmetry),
Further, the delay time difference may be set to a desired relationship in order to make the composite wavefront concave in the radial direction and to concentrate the sound pressure near a specific distance from the array. In the case of such a concave shape, the direction of the radiation is fixed over a plurality of periods, and only the curvature or shape of the concave shape is changed for each period,
A method in which the specific distance is changed every cycle is preferable. Further, by arranging N pulse groups within the period 40 or 41, the ultrasonic waves can be emitted in N different directions within the period. In such a case, the above-mentioned frame frequency is increased to (3.7×N) Hz, thereby further improving the above-mentioned arm operation speed. Alternatively, the ultrasonic waves may be emitted repeatedly while maintaining a constant time relationship within a plurality of consecutive cycles. Although this operation has the drawback that the frame frequency is reduced, the reflected wave pattern from the detection target is the same within the period, so the S/N ratio can be improved by performing average value calculation on the ultrasonic receiving circuit side. This has the advantage of improving detection accuracy.
第6図は第5図b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
図と同一番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つ
ても良い。図においては、一次元状アレイに配列
された4個の当該素子50a,50b,50c,
50dの各素子に、各々、二つの遅延回路(82
aと83a、82bと83b、82cと83c、
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,
80c、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入力されている。該82
a,82b,82c,82dの遅延回路は第一の
遅延回路群を、また、該83a,83b,83
c,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。該第一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、82a,82b,82c,82
dの順で、順次増大している。第6図aでは、当
該遅延回路の遅延時間は、図面上での長さに対応
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,83
b,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τ10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τ11の時間
だけ遅延され183aの波形となる。次に、81
a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180aのバースト状超
音波送信パルス波形が得られる。該180aは5
0aに供給され、超音波が50a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、1
84,182a,183a,180aが全て正弦
波のバーストパルスであつても良い。また、18
4,182a,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
波形であつて、80aにより所望の波形に変換さ
れても良い。かかる場合には、84,82a,8
3a,81a等をTTLやCMOSIC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、82a,83a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50
a,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、8
1a,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τ10,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83d、82bと83
c、82cと53b、82dと83a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aで
は、第5図の72,73とが示されており、同図
bでは、同図a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9
0,91が示されている。即ち、第7図aにおい
て示された50a,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,8
3b,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、前述した如
く、第6図の82a,82b,…、83a,83
b,…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,82c,82d
の順で、また同時に、83d,83c,83b,
83aの順で長くなることが必要である。 FIG. 6 is an embodiment of the present invention for realizing the timing of FIG. 5b. In the figure, the fifth
The same numbers as in the drawings indicate the same components. In the figure, 50a, 50b, . . . are shown as being separated, but they may have an integrated configuration as shown in FIG. In the figure, four such elements 50a, 50b, 50c, arranged in a one-dimensional array are shown.
Two delay circuits (82
a and 83a, 82b and 83b, 82c and 83c,
and 82d and 83d), the circuit that adds the two outputs (81a, 81b, 81c, and 81d) and the amplifier circuit (80a, 80b,
80c and 80d). A common pulse waveform from the original oscillator 84 is input to the eight delay circuit groups. 82
The delay circuits a, 82b, 82c, and 82d also serve as the first delay circuit group 83a, 83b, and 83d.
The delay circuits c and 83d constitute a second delay circuit group, respectively. The delay times in the four delay circuits constituting the first delay circuit group are 82a, 82b, 82c, 82 in the element arrangement direction of the array.
It increases sequentially in the order of d. In FIG. 6a, the delay time of the delay circuit is conceptually shown corresponding to the length on the drawing. Further, the delay time in the four delay circuits constituting the second delay circuit group is 83a, 83 in the element arrangement direction of the array.
b, 83c, and 83d are sequentially decreased in this order. Since the operation of such an arrangement can be easily understood by those skilled in the art, a detailed description will be avoided and 50a
We will only describe the waveforms. The burst pulse waveform exemplified at 184 generated at 84 is 82a
As a result, the waveform is delayed by the time τ 10 and becomes the waveform 182a. Further, the waveform 184 is delayed by the time τ 11 by 83a and becomes the waveform 183a. Next, 81
The waveforms of 182a and 183a are added by a,
Furthermore, it is amplified by 80a to a voltage level sufficient to excite 50a, and a burst-like ultrasonic transmission pulse waveform of 180a is obtained. The 180a is 5
0a, and ultrasonic waves are emitted from 50a. Although all waveforms in this embodiment are displayed as bipolar burst pulses having three levels of positive, zero, and negative, the present invention is not limited to this. For example, 1
84, 182a, 183a, and 180a may all be sinusoidal burst pulses. Also, 18
4, 182a, and 183a are logic circuit output waveforms having binary levels of zero and positive, which are represented by a TTL logic circuit, and may be converted into a desired waveform by 80a. In such a case, 84, 82a, 8
There is an advantage that 3a, 81a, etc. can be configured with TTL or CMOSIC shift registers, random access memories, etc. Note that if 82a, 83a, etc. are configured with well-known charge-coupled devices, it is possible to delay the output waveform in an analog manner by a predetermined delay time while maintaining the shape of the output waveform, regardless of the shape of the output waveform of 84. is also possible. 80a, 80b,... is 50
It has the function of amplifying and converting the waveform to the desired voltage level necessary for excitation of 8.
If the output signals of 1a, 81b, ... have a level and waveform sufficient for the excitation, 80a, 80b,
It is possible to omit .... This will be explained with reference to FIG. 5. The radiation direction of the ultrasonic wave depends on τ 10 and τ 11 in FIG. The direction of the radiation can be changed. In particular, in the configuration of FIG. 6, 82a and 83d, 82b and 83
If delay times c, 82c and 53b, and 82d and 83a are set to be equal to each other, the direction of radiation will always be symmetrical. The situation is shown in FIG. In this figure, the same numbers as in FIG. 6 indicate the same components. 72 and 73 in FIG. 5 are shown in FIG. 5A, and in FIG. 9
0.91 is shown. That is, the first group of delay circuits 82a, 50b, . . . shown in FIG.
The ultrasonic transmission pulses processed by 82b, 82c, and 82d also send the second delay circuit group 83a, 82 to the second region 94 on the right side of 92.
The ultrasonic waves are emitted by the ultrasonic transmission pulses processed by 3b, 83c, and 83d. In addition, in order to realize this situation, as mentioned above, 82a, 82b, ..., 83a, 83 in FIG.
As conceptually shown by the difference in the length of b, ... on the drawing, the delay times 82a, 82b, 82c, 82d
In the order of 83d, 83c, 83b, and at the same time.
It is necessary that the length increases in the order of 83a.
第8図は第5図a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、AlN等の無機
物、PVDF等の有機物、無機物材料と有機物材料
との混合体であるハイブリツ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b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、スパツタ技術により圧電薄膜が容易
に得られるZnO、AlN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、1
00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イン
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、周知の圧電効果に従い105内に電荷
を誘起せしめることが可能である。当該誘起され
た電荷は、101がソース、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FETのチヤ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
ける超音波発振の素子のみならず、第3図にて3
0a,30b,…として例示した音圧・電気変換
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。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of elements 50a, 50b, 50c, and 50d that can generate the ultrasonic waves shown in FIG. 5a. Figure a shows an example of a configuration in which electrodes 96 and 97 are provided on both sides of a piezoelectric body 95. The material of the 95 can be selected from a wide range of materials such as inorganic materials such as ZnO, PZT, PLZT, and AlN, organic materials such as PVDF, and hybrid materials that are a mixture of inorganic and organic materials. Further, the materials 96 and 97 can be selected from any material as long as it has high adhesion to the material 95 and can maintain good reliability even against the piezoelectric vibrations of the material 95. In this configuration example, the ultrasonic transmission pulse is supplied to 96 and 97, and 95 vibrates due to the well-known inverse piezoelectric effect and emits ultrasonic waves. Note that the structure consisting of the 95, 96, and 97 may be fixed on the silicon substrate with an adhesive, paste, or the like via an insulating means. FIG. 8b shows an example of a configuration using silicon integrated circuit technology. In the figure, 100 is a silicon substrate having a first conductivity type, 101, 102
100 is a diffusion layer having a different conductivity type, 103 is an insulating film, 104 and 106 are electrodes, and 105 is a thin piezoelectric film. The material of the material 105 can be considered to be the same as that of the material 95, but ZnO, AlN, etc., which can easily form a piezoelectric thin film by sputtering technology, are preferable. In this configuration, by supplying the ultrasonic transmission pulse to 104 and 106, 105 is vibrated, and 1
Ultrasonic waves can be emitted in a direction perpendicular to 00. Furthermore, in this configuration, if 104 is disconnected from an external circuit (not shown) and placed in a floating state, and 106 is connected to a DC voltage source as appropriate, ultrasonic waves arriving from a direction perpendicular to 100 can cause It is possible to induce charges in 105 according to the piezoelectric effect of . The induced charge modulates the channel current of the FET, which is appropriately biased so that 101 acts as a source and 102 acts as a drain.
This structure has the advantage of being able to be used as an ultrasonic detector. That is, this configuration is applicable not only to the ultrasonic oscillation element in the present invention, but also to the 3 in FIG.
Since it also functions as an element having a sound pressure/electrical conversion function as exemplified as 0a, 30b, . . . , there is an advantage that the ultrasonic device can be implemented as an IC.
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aの82a,82b,…、
83a,83b,…、81a,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構成され
ていることに特徴がある。電荷結合素子の基本構
造、動作原理等については周知であるので、第9
図では三相駆動型の表面チヤ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、1
30はシリコン基板内に埋設されたチヤネルスト
ツ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、132a,1
32b,…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。132
a,132b,…で囲まれたそれぞれの出力部拡
散層領域135a,135b,…には、電気的接
続をとる手段が施こされ、それぞれ出力端子13
6a,136b,…に該各領域が接続されてい
る。137a,137b,137c,…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138a,138b,
138c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,140b,140c,140d,141a,
141b,141c,141dは、それぞれ、第
6図aの82a,82b,82c,82d,83
a,83b,83c,83dに対応する当該電荷
結合素子のチヤネル領域である。該チヤネル領域
は133と135a,135b,135c,13
5dとの中間に位置しており、140a,140
b,140c,140d,141a,141b,
141c,141dでの該転送電極数は、それぞ
れ、6、12、18、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
ヤ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,82d,
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40KHzの
正弦波、該転送パルスの周波数が100KHzの場合
には、82aでは20μsec遅延された40KHz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、他の素子数であつても良い。
該チヤネル領域の出力部拡散層領域の近傍では、
該チヤネル領域の合流が起こり、140aと14
1aが135aで、140bと141bが135
bで、140cと141cが135cで、140
dと141dが135dで終結されている。当該
チヤネル領域の合流は、各チヤネル領域を転送さ
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、当該合流により、8
1a,81b,81c,81dの加算回路が構成
される。136a,136b,136c,136
dの各出力端子は、それぞれ、前記80a,80
b,80c,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に示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、138a,138b,138c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、当該チヤ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結合素子の動作を説明した。
本発明では、単に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、埋めこみチヤネル型を含む各種の素子構造
等を組み合わせて良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。 FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the present invention. In the figure, 82a, 82b, . . . in FIG. 6a,
Portions 83a, 83b, . . . , 81a, 81b, . . . are shown in detail. This embodiment is characterized in that the delay circuit group and the addition circuit are constructed of charge-coupled devices. Since the basic structure and operating principles of charge-coupled devices are well known,
In the figure, only a plan view of a three-phase drive type surface channel type charge coupled device is shown. In the same figure, 1
30 is a line indicating the end of a channel stop region buried in the silicon substrate; 131 is a line indicating the end of an input diffusion layer region of a conductivity type opposite to that of the silicon substrate, which serves as a charge injection source to the device; 132a; ,1
32b, . . . are lines indicating the ends of output diffusion layer regions of the opposite conductivity type to the silicon substrate for detecting charges from the device. An input diffusion layer region 133 surrounded by 131 is provided with means for making an electrical connection, and is connected to an input terminal 134 having means for connection to the aforementioned 84. 132
A, 132b, . . . are surrounded by output portion diffusion layer regions 135a, 135b, .
6a, 136b, . . . are connected to each region. 137a, 137b, 137c, ... are transfer electrodes of the charge coupled device, and terminals 138a, 138b, to which three-phase transfer pulses for driving are supplied,
138c. Reference numeral 143 denotes an output gate electrode of the charge-coupled device, which has means for being connected to a terminal 142 connected to a DC voltage source. 140
a, 140b, 140c, 140d, 141a,
141b, 141c, 141d are 82a, 82b, 82c, 82d, 83 in FIG. 6a, respectively.
These are channel regions of the charge coupled device corresponding to a, 83b, 83c, and 83d. The channel areas are 133, 135a, 135b, 135c, 13
It is located between 5d and 140a, 140
b, 140c, 140d, 141a, 141b,
The numbers of transfer electrodes 141c and 141d are 6, 12, 18, 24, 24, 18, 12, and 6, respectively. Since the charge-coupled device is a three-phase drive type, the number of devices in each channel region is 2, 4, and 4, respectively.
6, 8, 8, 6, 4, 2. That is, in the embodiment of FIG. 9, 82a, 82b, 82c, 82d,
Each delay circuit 83a, 83b, 83c, 83d is 2, 4, 6, 8, 8, 6, 4, 2, respectively.
A case is shown in which the device is constructed of an analog delay circuit consisting of a charge-coupled device. In this configuration, when the pulse at 86 is a sine wave with a frequency of 40 KHz and the frequency of the transfer pulse is 100 KHz, in 82a, a 40 KHz sine wave delayed by 20 μsec is outputted to 136a. The number of elements is merely an example, and other numbers of elements may be used.
In the vicinity of the output diffusion layer region of the channel region,
A merging of the channel regions occurs and 140a and 14
1a is 135a, 140b and 141b are 135
b, 140c and 141c are 135c, 140
d and 141d are terminated by 135d. Since the merging of the channel regions means that the signal charges transferred through the respective channel regions are mixed, analog addition can be realized. That is, due to the said merging, 8
Addition circuits 1a, 81b, 81c, and 81d are configured. 136a, 136b, 136c, 136
Each output terminal of d is connected to the above-mentioned 80a and 80
It has means for connecting to the input terminals of the amplifier circuits b, 80c, and 80d. If this configuration is used, there is an advantage that the configuration shown in FIG. 3a can be realized entirely as a silicon integrated circuit. Furthermore, in this embodiment, by controlling the repetition frequency of the three-phase transfer pulses supplied to 138a, 138b, and 138c, the delay time in the channel region can be changed all at once, and the ultrasonic device can be driven It is clear that this will be very effective. In the explanation of this embodiment, the operation of the charge-coupled device was explained using a conceptual plan view.
The present invention is not limited to the merely illustrated example, but includes techniques related to well-known charge-coupled devices, such as various charge injection methods, charge detection methods, charge transfer driving methods, and various device structures including a buried channel type. It is clear from the description of this specification that these may be combined, and all of these are included in the present invention.
(発明の効果)
以上、本発明について図面を用いて詳細な説明
を行つた。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図に例示した受信のための当該構成を当該複
数組準備することが必要である。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。(Effects of the Invention) The present invention has been described above in detail using the drawings. Although the explanation is limited to transmission of ultrasonic waves, the conventional example shown in FIG. 3 can be applied to reception of reflected waves. Of course, in the present invention, since ultrasonic pulses are emitted in multiple radiation directions,
It is necessary to prepare a plurality of sets of the configuration for reception illustrated in FIG. According to the present invention, an object to be detected existing in the air can be detected at a high frame frequency, and the shape of the object and the distance to the object can be easily and accurately detected.
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a,b、第7図a,b、第8図
a,bは第5図a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,2
1c,21d……増幅器、23a,23b,23
c,23d,33a,33b,33c,33d,
82a,82b,82c,82d,83a,83
b,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,2
4b,24c,24d,29,62a,62b,
62c,62d,66a,66b,66c,66
d……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,12
1b,121c,121d,51a,51b,5
1c,51d,184,182a,183a,1
80a……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、96,97,104,1
06……電極、103……絶縁膜、100……シ
リコン基板、101,102……拡散層、80
a,80b,80c,80d……増幅回路、13
0……チヤネルストツプ領域の端部、131,1
32a,132b,132c,132d……拡散
層領域の端部、133,135a,135b,1
35c,135d……拡散層領域、134……入
力端子、136a,136b,136c,136
d……出力端子、137a,137b,137c
……転送電極、138a,138b,138c,
142……端子、143……出力ゲート電極、1
40a,140b,140c,140d,141
a,141b,141c,141d……チヤネル
領域である。
FIG. 1 is a conventional sensor using ultrasonic technology, and FIG. 2 is a diagram explaining the operation of FIG. 1. FIG. 3 is a conventional ultrasonic device, and FIG. 4 is a diagram explaining the operation of FIG. 3. FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of the present invention. 6a and 6b, 7a and 7b, and 8a and 8b are diagrams explaining a part of FIG. 5a in more detail. FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the present invention. In the figure, 1... Ultrasonic transmitter, 2... Ultrasonic receiver, 3, 4... Directional pattern, 5, 6,
28...Detection target, 10...Ultrasonic waveform, 11...
... Received waveform, 20a, 20b, 20c, 20d,
50a, 50b, 50c, 50d... Elements capable of generating ultrasonic waves, 21a, 21b, 2
1c, 21d...Amplifier, 23a, 23b, 23
c, 23d, 33a, 33b, 33c, 33d,
82a, 82b, 82c, 82d, 83a, 83
b, 83c, 83d...Delay circuit, 22, 84...
...Original oscillator, 30a, 30b, 30c, 30d...
...Element having sound pressure/electrical conversion function, 24a, 2
4b, 24c, 24d, 29, 62a, 62b,
62c, 62d, 66a, 66b, 66c, 66
d...Wave surface, 26,70,71...Synthesized wave surface, 27,72,73,90,91...Direction of radiation, 34...Output terminal, 122, 121a, 12
1b, 121c, 121d, 51a, 51b, 5
1c, 51d, 184, 182a, 183a, 1
80a... Waveform, 40, 41... Period, 81a,
81b, 81c, 81d...addition circuit, 92...
Center line, 93, 94... area, 95... piezoelectric body,
105... thin film piezoelectric film, 96, 97, 104, 1
06... Electrode, 103... Insulating film, 100... Silicon substrate, 101, 102... Diffusion layer, 80
a, 80b, 80c, 80d...amplifier circuit, 13
0...End of channel stop area, 131,1
32a, 132b, 132c, 132d... end of diffusion layer region, 133, 135a, 135b, 1
35c, 135d...Diffusion layer region, 134...Input terminal, 136a, 136b, 136c, 136
d...Output terminal, 137a, 137b, 137c
...Transfer electrode, 138a, 138b, 138c,
142...terminal, 143...output gate electrode, 1
40a, 140b, 140c, 140d, 141
a, 141b, 141c, 141d...channel areas.
Claims (1)
超音波を発生させることのできるN個(N≧2)
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、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器を介して、接続され
る手段と、当該遅延回路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、加算回路及び
増幅器を介してN個の各素子に接続される二つの
遅延回路の内の一方を第一の遅延回路群、他方を
第二の遅延回路群とした場合、該第一の遅延回路
群を構成するN個の遅延回路での遅延時間が適当
に順序付けした該アレイの要素番号順に順次増大
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要素番号順に
順次減少することを特徴とする超音波装置。1 Arranged in a one-dimensional or two-dimensional array,
N pieces that can generate ultrasonic waves (N≧2)
In an ultrasonic device having an element and means for individually supplying a burst-like ultrasonic transmission pulse to each element constituting the array, each element has the following steps:
The outputs of the two delay circuits are connected to each other via a circuit and an amplifier for adding the two outputs, and means for inputting a common pulse waveform to the delay circuits to generate the burst ultrasonic waves. The means for supplying the transmission pulse is configured, and one of two delay circuits connected to each of the N elements via an adder circuit and an amplifier is a first delay circuit group, and the other is a second delay circuit group. In this case, the delay times in the N delay circuits constituting the first delay circuit group increase sequentially in the order of appropriately ordered element numbers of the array, and the second delay circuit group is constituted. An ultrasonic device characterized in that delay times in N delay circuits decrease sequentially in order of element numbers of the array.
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|---|---|---|---|---|
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-
1984
- 1984-02-07 JP JP2029184A patent/JPS60164280A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60164280A (en) | 1985-08-27 |
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