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JPH0627803B2 - Ultrasonic device - Google Patents
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JPH0627803B2 - Ultrasonic device - Google Patents

Ultrasonic device

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Publication number
JPH0627803B2
JPH0627803B2 JP59020290A JP2029084A JPH0627803B2 JP H0627803 B2 JPH0627803 B2 JP H0627803B2 JP 59020290 A JP59020290 A JP 59020290A JP 2029084 A JP2029084 A JP 2029084A JP H0627803 B2 JPH0627803 B2 JP H0627803B2
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JP
Japan
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ultrasonic
pulse
cycle
ultrasonic wave
delay
Prior art date
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JP59020290A
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JPS60164279A (en
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紘 谷川
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic device, and more particularly, to an ultrasonic device that detects proximity by using ultrasonic waves.

(従来技術とその問題点) ロボット制御にセンサ出力信号を利用すれば、プレイバ
ック型のロボット装置の適用範囲を拡大できることが知
られている。即ち、プレイバック型ロボット装置では、
作業対象物が予め定められた位置に予め定められた姿勢
で置かれていることが必要であったが、ロボット装置に
付属する各種センサにより、作業対象物の位置、姿勢等
が精度良く検出できるならば、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ット装置は、知能ロボット装置とも
称されている。知能ロボット装置実現のためには、各種
センサの実用化が鍵となっている。かかるセンサの一つ
に近接覚センサがある。該接近覚センサは、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、プラスチック、木材等に対しては、何ら検
出機能を有していない欠点がある。また、前者において
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
査したり言することは不可能である。このため、検出対
象を大まかに捉えることしかできず、検出対象の形状、
寸法により、距離を精度良く検出することは困難であっ
た。一方、超音波技術が医療診断装置に適用されている
ことは周知である。かかる応用分野では、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、応用を阻
害する要因である。さらに、ロボット装置へのセンサの
搭載を考慮するならば、センサの外形が小さく、かつ、
その信号処理回路の小型化、簡便化も要求される。以上
の様に、従来の近接覚センサでは、検出対象までの距離
情報に信頼性が無く、医療診断装置での超音波技術を適
用するには難点があった。
(Prior art and its problems) It is known that the application range of a playback type robot apparatus can be expanded by using a sensor output signal for robot control. That is, in the playback type robot device,
It was necessary for the work object to be placed at a predetermined position and in a predetermined posture, but the position, posture, etc. of the work object can be accurately detected by various sensors attached to the robot device. In this case, the restrictions on the position, posture, etc. of the work object are alleviated. A robot apparatus that autonomously determines a work procedure and work contents using output signals from various sensors is also called an intelligent robot apparatus. Practical application of various sensors is the key to the realization of intelligent robot devices. One of such sensors is a proximity sensor. The proximity sensor is a sensor that detects a distance between the sensor and an object to be detected, and various methods have been proposed in the past. For example, a sensor using ultrasonic technology, a sensor using a resonance circuit of a coil / capacitor, a sensor using eddy current, and the like. However, the latter two have a drawback that they have no detection function for plastics, wood, etc., because they are required to be detection targets of metal. Further, in the former case, an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver are combined, and beam-like ultrasonic waves having directivity emitted from the transmitter are reflected by a detection target, and the reflected wave is detected by the receiver. It is characterized by this. However, usually, only a single transmitter and a single receiver are combined, and it is not possible to change or scan the emitting direction of the beam-shaped ultrasonic wave, or the receiving direction. It is possible. Therefore, the detection target can only be roughly captured, and the shape of the detection target,
Due to the size, it was difficult to accurately detect the distance. On the other hand, it is well known that ultrasonic technology is applied to medical diagnostic equipment. In such an application field, the human body can be regarded almost as the same thing as water, and the characteristics of a higher sound velocity than in air and less propagation loss than in air are utilized. In addition, in the apparatus, the ultrasonic transmitter and receiver are configured by linearly arranged element arrays, and ultrasonic transmission pulses to each element that configures the array, and ultrasonic waves that reach each element. By individually changing the delay time of the voltage signal generated by the sound wave reception pulse,
By changing the beam direction of the received wave, a tomographic image inside the human body is obtained. In the applied field, research has been conducted to make the tomographic image clearer, but the results of the research are
The present invention is not always directly applied to the proximity sensor.
As an example, a difference in sound velocity in a medium that transmits ultrasonic waves, a difference in propagation loss in the medium, and the like are factors that hinder the application. Furthermore, considering the mounting of the sensor on the robot device, the outer shape of the sensor is small, and
There is also a demand for downsizing and simplification of the signal processing circuit. As described above, in the conventional proximity sensor, the distance information to the detection target is not reliable, and there is a difficulty in applying the ultrasonic technique in the medical diagnostic apparatus.

(発明の目的) 本発明の目的はかかる従来技術の欠点を排除し、ロボッ
ト装置への適用を容易ならしめる接近覚センサとしての
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 eliminate the drawbacks of the prior art and to provide an ultrasonic device as a proximity sensor that facilitates application to a robot device.

(発明の構成) 本発明によれば、指向性を有する超音波ビームを放射し
検出対象物からの反射波を受信して検出対象物との間に
距離を検出する近接覚センサを有する超音波装置におい
て、 超音波を発生させることのできる素子が、一次元、ある
いは二次元状アレイに配列された構造を有する超音波素
子アレイと、断続的にバースト状超音波送信パルスを発
生するパルス発生装置と、 異なる遅延時間を有し前記超音波素子アレイを構成する
各素子ごとに並列して設けられた複数の遅延回路により
前記パルス発生装置から供給される超音波送信パルス間
の時間差を所望の関係に設定する遅延回路装置とを備
え、 前記遅延回路により作られた複数の異なる遅延時間を有
するパルスで各素子を励振することにより、前記パルス
発生装置の作る基本となるバーストパルスの周期である
断続周期内で、前記超音波素子アレイの送波面に垂直な
平面内の異なる複数の方向に指向性を有する超音波ビー
ムを放射させ、前記超音波送信パルス間の時間差を前記
断続周期毎に、あるいは異なる断続周期間で変化させる
ことにより断続周期毎に、あるいは異なる断続周期間で
前記超音波ビームが有する複数の方向の指向性を変化さ
せ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, an ultrasonic wave having a proximity sensor that emits a directional ultrasonic beam, receives a reflected wave from the detection target, and detects a distance from the detection target In the device, an ultrasonic element array having elements capable of generating ultrasonic waves arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and a pulse generator for intermittently generating burst ultrasonic transmission pulses And a plurality of delay circuits that have different delay times and are provided in parallel for each of the elements forming the ultrasonic element array so that the time difference between the ultrasonic transmission pulses supplied from the pulse generator can be a desired relationship. And a delay circuit device which is set to, by exciting each element with a pulse having a plurality of different delay times created by the delay circuit, In the intermittent period which is the period of the burst pulse, the ultrasonic beam having directivity is emitted in a plurality of different directions in a plane perpendicular to the transmitting surface of the ultrasonic element array, and the time difference between the ultrasonic transmitting pulses is increased. Ultrasonic waves characterized by changing the directivity in a plurality of directions that the ultrasonic beam has for each intermittent cycle or between different intermittent cycles by changing each of the intermittent cycles or between different intermittent cycles. The device is obtained.

(実施例) 次に、図面を用いて詳細な説明を行なう。(Example) Next, detailed description will be given with reference to the 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
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に向っ
て進行する。4の指向性パターンにより包括される領域
に該5が存在するため、当該反射波の一部は2に到達
し、11に例示した受信波形中に、12に対応した波形13が
時刻t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、接近覚センサとして第1図の構成を利用するこ
とができる。しかしながら、第1図の構成では、検出対
象5の形状を判断することができず、単に5の存在有無
を知ることができるのみである。さらに、検出対象5よ
りも実際には至近距離に存在する検出対象6について
は、3,4の指向性パターンの包括する領域に存在しな
いため、検出できない。送信器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、ロボット装置用の近接覚センサとしては不適である
と言える。
FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional sensor using ultrasonic technology. In the figure, 1 is an ultrasonic transmitter, 2 is an ultrasonic receiver, 3 is a directivity pattern showing the directivity of the ultrasonic beam emitted from 1, and 4 is the directivity of the received ultrasonic wave. Directivity patterns 5 and 6 are detection targets. FIG. 2 is a diagram showing the operation of the sensor shown in FIG. 1, in which the time change of the waveform is shown. In the figure, 10 is an ultrasonic waveform emitted from 1, and 11 is a waveform received at 2. At time t 0 , ultrasonic waves 12 having directivity patterns of 1 to 3 are emitted. An ultrasonic waveform composed of two sinusoidal cycles is illustrated in FIG. The radiated ultrasonic waves reach the detection target 5 existing in the area covered by the directional patterns 3 and the ultrasonic waves are reflected on the surface of the detection target 5. Due to the reflection, a reflected wave of an ultrasonic wave as if a sound source is present at 5 is generated, and the reflected wave travels toward the receiver 2. Since 5 is present 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 has a waveform 13 after time t 1. Observed. The time difference from time t 0 to t 1 is
If the ultrasonic wave is emitted from 1 and reflected at 5 and then reaches 2 and the sound velocity of the ultrasonic wave in the propagation medium is constant, a spatial distance of 1, 5, 2 Will correspond to. 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 of FIG. 1 can be used as the proximity sensor. However, in the configuration of FIG. 1, the shape of the detection target 5 cannot be determined, and it is only possible to know the presence or absence of 5. Further, the detection target 6, which is actually closer than the detection target 5, cannot be detected because it does not exist in the area covered by the directivity patterns of 3 and 4. Since the transmitter 1 and the receiver 2 are normally mounted in a common housing (not shown), in the example shown in FIG. 1, when both 1 and 2 are moved in the direction of 5, Before the casing reaches 5, there is a risk of colliding with 6. 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、20
b、…は超音波を発生させることのできる様子で、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、その組み合せから
成っている。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23a、23b、…に入力される。該遅延回路の各出力
は、それぞれ、前記増幅器に入力される。第4図は第3
図の動作を説明する図であり、主要構成要素での波形タ
イミングが示されている。図において、122 は22の出力
波形、121a、121b、…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、21b、…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、121
a、121b、…に示した波形のパルスが得られる。当該121
a、121b、…の各波形により励振された前記20a、20
b、…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、20d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。
FIG. 3 is a diagram showing an ultrasonic device according to the related art, which is applied to a medical diagnostic device. In the figure, 20a, 20
Symbols b, ... Can generate ultrasonic waves, and show a structure in which four elements are arranged in a one-dimensional array.
The element is made of an inorganic, organic or composite piezoelectric material, electrostrictive material, magnetostrictive material, or a combination thereof. 21a, 21b, ... Are amplifiers provided for the respective 20a, 20b ,. Reference numeral 22 is an original oscillator that intermittently supplies burst ultrasonic wave transmission pulses to each element forming the array, and its output is input to delay circuits 23a, 23b, ... Having different delay times. Each output of the delay circuit is input to the amplifier. Figure 4 is the third
It is a figure explaining operation | movement of a figure, and the waveform timing in a main component is shown. In the figure, 122 is an output waveform of 22 and 121a, 121b, ... Are output waveforms of 21a, 21b ,. The pulse waveforms of 122 are delayed by different times due to 23a, 23b, ... Shown in FIG. 3, and the delayed pulses are delayed by 21a, 21b ,.
Amplified to the desired voltage level needed to excite ...
A pulse having the waveform shown in a, 121b, ... Is obtained. The 121
20a, 20 excited by the waveforms a, 121b, ...
The ultrasonic waves having the wavefronts conceptually shown by 24a, 24b, ... in FIG. 3 are emitted into the medium 25 from b ,. That is, as shown in FIG. 4, the ultrasonic wave is emitted from the element of 20a earliest in time, and the ultrasonic wave is emitted from the element of 20d earliest in time. Due to the difference in the emission time and the burst shape of the ultrasonic wave as shown in FIG. 4, the wavefronts corresponding to any instantaneous value of the output of the original oscillator 122 are 24a, 24b, It will have the spatial distribution shown in.

当該24a、24b、…は波面は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、24b、…の波面
が25中で等速度で進行するならば、合成された波面26
は、26と垂直な方向(第3図において27で示されてい
る)に直進する。即ち、20a、20b、…の該素子アレイ
からは、27の方向にのみ超音波エネルギーが集中した超
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τと表示
された周期内で、当該素子毎に個々に供給される121a、
121b、…で示された超音波パルスの時間差(第4図でθ
0、θ1、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、τに引続く、他の周期(第4図ではτ
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ていることにより、
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
錯線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、
…の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、その組合せから成っている。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30d、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、33aの遅延時間を適宜設定す
ることにより、補償されて、該遅延回路の出力で、前記
30d、30c、…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、20b、…および30a、30b、…の前面に存
在する検出対象の二次元的な超音波イメージを検出する
ことができ、当該イメージ情報から検出対象の形状等
が、また、該超音波イメージの到達時刻から該検出対象
までの距離等が容易に検出することが可能となり、ロボ
ット装置に搭載する近接覚センサとして用いることがで
きる。
Since the wavefronts 24a, 24b, ... Show spatially instantaneous values, the wavefronts are combined, and the combined wavefront shape exemplified by 26 is formed in the medium 25. If the wavefronts of 24a, 24b, ... Travel at a constant velocity in 25, the synthesized wavefront 26
Goes straight in a direction perpendicular to 26 (indicated by 27 in FIG. 3). That is, it can be considered that the ultrasonic beams in which the ultrasonic energy is concentrated are emitted only in the direction 27 from the element arrays 20a, 20b, .... 27
The direction of is determined by the emission time difference of the ultrasonic waves from 20a, 20b, .... In other words, 121a individually supplied to each element within an arbitrary intermittent cycle illustrated in 122 of FIG. 4, for example, within a cycle indicated by τ 0 in the figure,
121b, ..., the time difference of the ultrasonic pulses (in FIG. 4, θ
0 , θ 1 , θ 2 , θ 3 ) are set to a desired relationship so that the ultrasonic wave is generated in any one direction in the plane perpendicular to the array within the period, for example, 27 directions. Can emit a beam. Next, another period following τ 0 (in FIG. 4, τ 0
(Denoted as 1 ), the time differences corresponding to θ 0 , θ 1 , ... Are changed to θ 01 , θ 02 ,. In FIG. 4, θ 01 , which is smaller than θ 0 , θ 1 , ...
theta 02, but ... are shown, in such a case, the radial direction 27 in Figure 3 is closer to the vertical direction of the array. In other words, by changing the time difference,
By changing the radiation direction of the ultrasonic transmission wave, the region to be detected can be scanned with the ultrasonic beam. Next, the ultrasonic beam emitted according to the above operation is reflected by the detection target 28 existing within the reach of the beam,
Form a reflected wave pattern having a circular wavefront 29 as if a point sound source were present. In FIG. 3, 28 is drawn so that it does not exist in the radial direction of 27, but this is for the purpose of avoiding a complex line in drawing, and it is considered that 28 exists in the direction of 27 in reality. The wavefront 29 sequentially reaches the elements 30d, 30c, ... Having a sound pressure / electricity conversion function with the lapse of time. The elements 30a, 30b, 30c, 30d are 20a, 20b,
It has a function opposite to that of, for example, an inorganic, organic or composite piezoelectric material, an electrostrictive material, a magnetostrictive material, or a combination thereof. The electric signals from 30a, 30b, ... Are input to the delay circuits 33a, 33b, ... Which have different delay times, respectively, and the plurality of delayed output signals from the delay circuits are added to the single output terminal 34. Is output. With respect to the illustrated wavefront shape 29, similar reflected ultrasonic signals are sequentially detected at 30d, 30c, 30b, and 30a as time passes. The time difference of the reflected ultrasonic waves reaching the element is compensated by appropriately setting the delay time of 33d, 33c, 33b, 33a, and at the output of the delay circuit,
The detection signals at 30d, 30c, ... Are made to have the same time. That is, by changing the delay time of 33a, 33b, ..., It is possible to electronically provide a focused wave function to the reflected wave from the detection target existing in the arrival area of the radiated ultrasonic wave. Become. According to the configuration of FIG. 3 described above, it is possible to detect a two-dimensional ultrasonic image of the detection target existing in front of 20a, 20b, ... And 30a, 30b ,. It becomes possible to easily detect the shape of the object and the distance from the arrival time of the ultrasonic image to the object to be detected, and it can be used as a proximity sensor mounted on a robot apparatus.

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。ロボッ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。通常の工業用ロボット
装置では、放射される超音波の伝播媒体は空気であるの
で、該超音波の伝播速度は、空気中での音速340 m/se
c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、τに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270 msec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
ット装置を制御するためには低すぎることが明らかであ
る。換言するならば、毎秒3.7回で出現する超音波イ
メージを基に、ロボット装置の一部、例えばアームを移
動させる時には、高速移動が困難となり、工業用ロボッ
ト装置では生産性が低下し、さらには、高速応答を要求
される分野には当該装置を適用し難いという重大な欠点
があった。
However, there are serious drawbacks when the configuration of FIG. 3 is applied to the proximity sensor. The drawbacks will be described below. As a proximity sensor in a robot device,
It is required that a detection target existing within a distance of up to 50 cm can be accurately detected. In a normal industrial robot apparatus, the propagation medium of the emitted ultrasonic waves is air, so the propagation speed of the ultrasonic waves is 340 m / se in the air.
is equal to c. If the distance to the detection target is 50 cm, the ultrasonic wave propagates a distance of 1 m round trip, and the time required to propagate the distance is about 3 msec. That is, the periods τ 0 and τ 1 shown in FIG. 4 must be set to 3 msec or more. In order to change the radiation direction shown by 27 in FIG. 3 every 1 ° to cover the 90 ° omnidirectional range, it is necessary to radiate the ultrasonic wave 90 times, and the detection within the omnidirectional range is required. It takes about 270 msec to detect the target. If the reciprocal of the scanning period in the omnidirectional range is defined as the frame frequency, the frame frequency is 3.
It becomes 7 Hz. It is clear that the frame frequency of 3.7 Hz is too low for controlling robotic devices. In other words, based on the ultrasonic image that appears at 3.7 times per second, when moving a part of the robot apparatus, for example, the arm, it becomes difficult to move at a high speed, and the productivity of the industrial robot apparatus decreases. Further, there is a serious drawback that the device is difficult to apply in the field where high-speed response is required.

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が構成要素となっている。また、
51a、51b、51c、51dはそれぞれ50a、50b、50c、
50dに供給される断続的なバースト状超音波送信パルス
波形である。当該素子50a、50b、50c、50dには任意
の当該断続周期40内において、それぞれ2群の当該パル
ス、61aと65a、61bと65b、65cと61c、65dと61d
が供給されている。当該パルスにより、50a、50b、…
から放射される超音波の同一時刻での瞬時的な波面は、
62a、62b、…、66a、66b、…で示されている。同図
(b)でのパルスの供給タイミングを参照するならば、61
a、61b、61c、61d、65a、65b、65c、65dのパル
スに対応する該波面は、それぞれ、62a、62b、62c、
62d、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に向って進行する。より詳細に述べるならば、62a、
62b、62c、62dにより合成された波面は71に、66a、
66b、66c、66dにより合成された波面は70になる。当
該超音波送信パルスを、超音波を発生させることのでき
る素子群アレイに供給することにより、該周期40内で、
該アレイに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。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、
…間の時間差を適宜設定することにより、所望の放射方
向(例えば72、73)に、整形された合成波面(例えば7
0、71)が実現できる。また、当該40に続く周期41で
は、第5図に示したように、51a、51b、…の各バース
ト状の2群のパルス列の時間関係が異っている。即ち、
61aを基準とした61b、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、θ
21、θ22は、それぞれ該40内での値よりも大きくなって
いる。かかる関係では、70、71に対応する合成波面は、
第5図(a)中での傾きがより垂直に近くなり、同時に、
当該2つの放射方向の成す角度はより大きくなる。即
ち、当該時間差を当該周期毎に変化させ、当該放射の方
向を、該周期毎に変化させることができる。また、本実
施例では、任意の当該周期内の同時刻、あるいは大略同
時刻に、2つの該超音波を放射させているため、前述し
た如き90゜の放射の全方向範囲に存在する検出対象を全
て検出するための該超音波の放射回数は45回で良いこと
になる。即ち、前述したフレーム周波数は7.4Hzに
まで増加し、ロボット装置の制御上、アームの動作速度
上限を2倍に改善できる効果がある。第5図での説明に
は、素子数が4の一次元状アレイについて、2サイクル
の矩形波パルスを用いたが、これ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
イ形状については一次元状でも良く、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)での72、73は左右対称の方向であ
る)にし、さらに、合成波面を放射方向に凹状とし、該
アレイからの特定の距離近傍に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って
当該放射の方向を固定し、当該周期毎に該凹状の曲率あ
るいは形状のみを変化させ、該特定の距離を該周期毎に
変化させる手法が好ましい。また、該周期40あるいは41
内にN個のパルス群を配置することにより、該周期内で
N個の異なる方向に該超音波を放射させることもでき
る。かかる場合には、前記したフレーム周波数は(3.
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、検出対称から
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 drawbacks, and FIG. 5 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a partial configuration example of the ultrasonic device according to the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing timing. In the figure, 50a, 50b, 50c,
50d is an element capable of generating ultrasonic waves, and a structure in which four elements are arranged in a one-dimensional array is illustrated.
The element is any one of a piezoelectric substance, an electrostrictive substance and a magnetostrictive substance made of an inorganic material, an organic material or a composite material, or
The combined substance is the main constituent. Also,
51a, 51b, 51c and 51d are respectively 50a, 50b, 50c,
It is an intermittent burst-like ultrasonic transmission pulse waveform supplied to 50d. The elements 50a, 50b, 50c, and 50d have two groups of the pulses, 61a and 65a, 61b and 65b, 65c and 61c, 65d and 61d, respectively, within the arbitrary interrupting period 40.
Is being supplied. By the pulse, 50a, 50b, ...
The instantaneous wavefront of the ultrasonic waves emitted from the
, 62a, 62b, ..., 66a, 66b ,. Same figure
If you refer to the pulse supply timing in (b),
The wavefronts corresponding to the pulses a, 61b, 61c, 61d, 65a, 65b, 65c, 65d are 62a, 62b, 62c,
It is clear that they are 62d, 66a, 66b, 66c, 66d. In the ultrasonic propagation medium 63 existing on the front surface of the element,
Since wavefront synthesis is performed, 62a, 62b, ..., 66a,
The wavefront synthesized by 66b, ... Has the shape shown by 70, 71, and the synthesized wavefronts 70, 71 are respectively the directions of emission 72,
Proceed to 73. More specifically, 62a,
The wavefront synthesized by 62b, 62c, 62d is 71, 66a,
The wavefront synthesized by 66b, 66c and 66d becomes 70. By supplying the ultrasonic transmission pulse to an element group array capable of generating ultrasonic waves, within the cycle 40,
It can be seen that the ultrasonic waves can be emitted in different directions 72, 73 in the plane perpendicular to the array. Within the cycle 40, the ultrasonic transmission pulses 51a, 51b, which are individually supplied to the respective elements,
By appropriately setting the time difference between the two, the shaped wavefront (for example, 7) is shaped in the desired radiation direction (for example, 72, 73).
0, 71) can be realized. Further, in the cycle 41 following the 40, as shown in FIG. 5, the time relationship between the pulse trains of the two burst groups 51a, 51b, ... Is different. That is,
61a, 61b, 61c, 61d delay time difference θ 10 ,
Delay time difference within the corresponding 41 corresponding to θ 11 and θ 12 θ 20 and θ
21 and θ 22 are each larger than the value within 40. In this relationship, the composite wavefronts corresponding to 70 and 71 are
The inclination in Fig. 5 (a) becomes closer to vertical, and at the same time,
The angle formed by the two radial directions becomes larger. That is, the time difference can be changed for each cycle, and the direction of the radiation can be changed for each cycle. Further, in the present embodiment, since the two ultrasonic waves are radiated at the same time or approximately the same time in any given cycle, the detection target existing in the omnidirectional range of radiation of 90 ° as described above. The number of times of radiating the ultrasonic wave for detecting all of the above is 45 times. That is, the above-mentioned frame frequency is increased to 7.4 Hz, and there is an effect that the upper limit of the operation speed of the arm can be doubled for the control of the robot apparatus. In the description of FIG. 5, a two-cycle rectangular wave pulse is used for a one-dimensional array having four elements, but the present invention is not limited to this. That is, the number of elements may be a natural number, the array shape may be one-dimensional, and the number of pulse repetitions and the pulse shape are not limited.
Further, the pulse crest values to 50a, 50b, 50c, and 50d do not have to be constant values, have different crest values for each element within the period, and the crest values change for each period. May be. When the number of elements is odd, it is possible to set the sound pressure of ultrasonic waves emitted from the element located at the center of the one-dimensional array to twice the sound pressure of ultrasonic waves emitted from other elements. desirable. Further, the delay time difference within the same period in FIG. 5 (b) is set to be constant, but the radiation direction is left-right asymmetrical (72 and 73 in FIG. 5 (a) are left-right symmetrical directions. Furthermore, the delay time difference may be set to a desired relationship in order to make the composite wavefront concave in the radial direction and concentrate the sound pressure in the vicinity of a specific distance from the array. In the case of such a concave shape, it is preferable that the direction of the radiation is fixed over a plurality of the cycles, only the curvature or shape of the concave shape is changed for each cycle, and the specific distance is changed for each cycle. Also, the cycle 40 or 41
It is also possible to radiate the ultrasonic wave in N different directions in the cycle by arranging N pulse groups in the inside. In such a case, the frame frequency described above is (3.
It is increased up to 7 × N) Hz to further improve the operation speed of the arm described above. Further, the ultrasonic waves may be repeatedly emitted while maintaining a certain time relationship within a plurality of continuous cycles. Although there is a drawback in that the frame frequency is reduced in this operation, since the reflected wave pattern from the detection symmetry is the same within the period, the S / N ratio is calculated by performing the average value calculation on the ultrasonic receiving circuit side. And the detection accuracy can be improved.

第6図は第5図(b)のタイミングを実現させるための一
構成例である。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
構成であっても良い。図において、 184の波形を発生さ
せる原発振器84からの出力は、異なる遅延時間を有する
遅延回路82a、82b、82c、82d、83a、83b、83c、
83dに入力される。該遅延回路からの出力は加算回路81
a、81b、81c、81dに入力され、該加算回路の出力
は、増幅機能、波形整形機能等を有する増幅回路80a、
80b、80c、80dに入力され、該増幅回路の出力は前記
50a、50b、50c、50dに入力されている。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波形は、
82aにτ10の時間だけ遅延され182 a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183 a
の波形となる。次に、81aにより、182 aと183 aの波
形は加算され、さらに、80aにより50aを励振するのに
十分な電圧レベルまで増幅され180 aの波形から得られ
る。該180 aは50a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、184 、182a、183
a、180aが全て正弦波のバーストパルスであっても良
い。また、184 、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
あって、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、83a、81a等をTTLやCMOS
IC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50a、50b、…の励振に必要な所望の電圧レ
ベルまで増幅、波形変換する機能を有しているが、81
a、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図で説明した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83c、82cと83b、
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90、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、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、83a、83b、83c、83dにより処理
された該超音波発信パルスにより、当該超音波が放射さ
れる。なお、当該状況を実現するためには、第6図の82
a、82b、…、83a、83b、…の図面上の長さの差で概
念的には示したように、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 example of a configuration for realizing the timing shown in FIG. 5 (b). In the figure, the same numbers as in FIG. 5 are the same components. In the drawing, 50a, 50b, ... Are shown as separated, but they may be integrated as shown in FIG. In the figure, outputs from an original oscillator 84 that generate 184 waveforms are delay circuits 82a, 82b, 82c, 82d, 83a, 83b, 83c having different delay times.
It is input to 83d. The output from the delay circuit is the adder circuit 81.
a, 81b, 81c, 81d, and the output of the adder circuit is an amplifier circuit 80a having an amplifying function, a waveform shaping function, and the like.
80b, 80c, 80d, and the output of the amplifier circuit is
It is input to 50a, 50b, 50c and 50d. Since the operation of such a configuration can be easily understood by those skilled in the art, a detailed description is omitted and only the waveform to 50a is described. The 184 burst waveform generated at 84 is
It is delayed by τ 10 to 82a and becomes a waveform of 182a. The 184 is delayed by 83a for a time of τ 11 and 183a
Becomes the waveform of. The waveforms of 182a and 183a are then added by 81a and further amplified by 80a to a voltage level sufficient to excite 50a, resulting in a waveform of 180a. The 180a is supplied to 50a, and ultrasonic waves are emitted from 50a. In the present embodiment, all the waveforms of each part are displayed as bipolar burst pulses having positive, zero, and negative ternary levels, but the present invention is not limited to this. For example, 184, 182a, 183
All of a and 180a may be sine wave burst pulses. Further, 184, 182a, 183a are logic circuit output waveforms having zero and positive binary levels, which are represented by TTL logic circuits, and may be converted into desired waveforms by 80a. In this case, 84, 82a, 83a, 81a, etc. should be replaced with TTL or CMOS.
It has the advantage that it can be configured with an IC shift register or random access memory. If 82a, 83a, etc. are composed of known charge-coupled devices, it does not depend on the shape of the output waveform of 84, and delays in an analog manner for a predetermined delay time while maintaining the shape of the output waveform. Will also be possible. 80a,
80b, ... Have the function of amplifying and converting the waveform to the desired voltage level necessary for exciting 50a, 50b ,.
If the output signals of a, 81b, ... Have a level and waveform sufficient for the excitation, 80a, 80b, .. can be omitted. The radiation direction of the ultrasonic wave described in FIG. 5 is
Since it depends on τ 10 and τ 11 in FIG. 6, the direction of the radiation can be changed by appropriately setting the delay time in the delay circuits such as 82a and 83a to a desired value. In particular, in the configuration of FIG. 6, 82a and 83d, 82b and 83c, 82c and 83b,
If 82d and 83a are set so as to obtain the same delay time, the direction of radiation is always symmetrical. The situation is shown in FIG. In the figure, the same numbers as in FIG. 6 indicate the same components. In the figure (a), 72 and 73 of FIG. 5 are shown, and in the figure (b),
Compared to the case of FIG. 9A, two symmetrical radial directions 90 and 91 when the time relationship is different are shown.
That is, to the first region 93 on the left side of the center line 92 passing through the center of the one-dimensional array of 50a, 50b, ... Shown in FIG. 7 (a), 82a, 82b, 82c, 82d are provided. The ultrasonic wave emitted by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave is processed by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave. . In addition, in order to realize this situation, 82 in FIG.
, 82a, 82b, ..., 83a, 83b, ... As shown conceptually by the difference in length on the drawing, the delay times 82a, 82b, 82c,
It is necessary to increase the length in the order of 82d, and at the same time, in the order of 83d, 83c, 83b, 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、PLZ
T、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ット等広範囲
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、10
3 は絶縁膜、104 、106 は電極、105 は薄膜圧電膜であ
る。該105 の材質は前記95と同様に考えられるが、スパ
ッタ技術により圧電薄膜が容易に得られるZnO、Al
N等が望ましい。当該構成においては、104 、106 に前
記超音波送信パルスを供給することにより、105 を振動
させ、100 と垂直な方向に超音波を放射させることがで
きる。さらに、当該構成においては、104 を外部回路
(図示せず)から切り離してフローティングの状態と
し、106 を適宜直流電圧源に接続するならば、100 と垂
直な方向から到来する超音波により、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のチャネル電流を変調せしめるため、超音波検出
器として当該構成を利用することができる利点を有す
る。即ち、当該構成は本発明における超音波発信の素子
のみならず、第3図にて30a、30b、…として例示した
音圧・電気変換機能を有する素子とても機能するため、
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 a configuration example of the elements 50a, 50b, 50c, 50d capable of generating the ultrasonic waves of FIG. 5 (a). FIG. 3A shows a configuration example in which electrodes 96 and 97 are provided on both surfaces of the piezoelectric body 95. The material of 95 is ZnO, PZT, PLZ
A wide range of materials such as inorganic materials such as T and AlN, organic materials such as PVDF, hybrids that are a mixture of inorganic materials and organic materials can be selected. Further, the 96 and 97 have high adhesiveness with 95,
Any material can be selected as long as it can maintain good reliability against piezoelectric vibration of 95. In the configuration example, the ultrasonic wave transmission pulse is supplied to 96 and 97, and the well-known inverse piezoelectric effect causes 95 to vibrate and emit ultrasonic waves. The 95, 96, 97
The structure consisting of may be fixed on the silicon substrate with an adhesive, paste or the like via an insulating means. Fig. 8
(b) is an example of the configuration when the silicon integrated circuit technology is used. In the figure, 100 is a silicon substrate having a first conductivity type, 101 and 102 are diffusion layers having a conductivity type different from 100, 10
3 is an insulating film, 104 and 106 are electrodes, and 105 is a thin film piezoelectric film. The material of 105 is considered to be the same as that of 95, but ZnO and Al, which can easily obtain a piezoelectric thin film by the sputtering technique.
N or the like is desirable. In this configuration, by supplying the ultrasonic wave transmission pulse to 104 and 106, 105 can be vibrated and ultrasonic waves can be emitted in a direction perpendicular to 100. Further, in the configuration, if 104 is separated from an external circuit (not shown) to be in a floating state and 106 is connected to a DC voltage source as appropriate, ultrasonic waves arriving in a direction perpendicular to 100 will cause a known error. It is possible to induce charges in 105 according to the piezoelectric effect. The induced charge modulates the channel current of a FET provided with means to be appropriately biased so that 101 acts as the source and 102 acts as the drain, so the configuration can be used as an ultrasonic detector. Have advantages. That is, since the structure functions not only as the ultrasonic wave transmitting element in the present invention, but also as the element having the sound pressure / electric conversion function exemplified as 30a, 30b, ... in FIG.
There is an advantage that the ultrasonic device in the form of IC can be realized.

(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っ
た。なお、説明に際しては、超音波の送信に限定した
が、反射波の受信については、第3図の従来例が適用で
きる。勿論、本発明では、複数の放射方向へ超音波パル
スを放射しているため、第3図に例示した受信のための
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 with reference to the drawings. It should be noted that although the description is limited to the transmission of ultrasonic waves in the description, the conventional example of FIG. 3 can be applied to the reception of reflected waves. Of course, in the present invention, since the ultrasonic pulse is emitted in a plurality of emission directions, it is necessary to prepare the plurality of sets of the configuration for reception illustrated in FIG. According to the present invention, there is an advantage that a detection target object 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.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

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(a)、(b)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図の
一実施例を実現する具体例を説明するための図である。 図において、1……超音波送信器、2……超音波受信
器、3,4……指向性パターン、5,6,28……検出対
象、10……超音波波形、11……受信波形、20a、20b、
20c、20d、50a、50b、50c、50d……超音波を発生
させることのできる素子、21a、21b、21c、21d……
増幅器、80a、80b、80c、80d……増幅回路、23a、
23b、23c、23d、33a、33b、33c、33d、82a、82
b、82c、82d、83a、83b、83c、83d……遅延回
路、22、84……原発振器、30a、30b、30c、30d……
音圧・電気変換機能を有する素子、24a、24b、24c、
24d、29、62a、62b、62c、62d、66a、66b、66
c、66d……波面、26、70、71……合成された波面、2
7、72、73、90、91……放射の方向、34……出力端子、1
22 、121a、121b、121c、121d、51a、51b、51c、51
d、184 、182a、183a、180a……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 、106 ……電極、103 ……絶縁膜、10
0 ……シリコン基板、101 、102 ……拡散層 である。
FIG. 1 is a conventional sensor using ultrasonic technology, and FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining a conventional ultrasonic device, and FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of FIG. 5 (a) and 5 (b) are views showing an embodiment of the present invention. Fig. 6
(a), (b), FIG. 7 (a), (b), FIG. 8 (a), (b) are views for explaining a concrete example for realizing the embodiment of FIG. . 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, 21c, 21d ...
Amplifier, 80a, 80b, 80c, 80d ... Amplifier circuit, 23a,
23b, 23c, 23d, 33a, 33b, 33c, 33d, 82a, 82
b, 82c, 82d, 83a, 83b, 83c, 83d ... delay circuit, 22, 84 ... original oscillator, 30a, 30b, 30c, 30d ...
Elements having sound pressure / electricity conversion function, 24a, 24b, 24c,
24d, 29, 62a, 62b, 62c, 62d, 66a, 66b, 66
c, 66d ... wavefront, 26, 70, 71 ... synthesized wavefront, 2
7, 72, 73, 90, 91 …… Radiation direction, 34 …… Output terminal, 1
22, 121a, 121b, 121c, 121d, 51a, 51b, 51c, 51
d, 184, 182a, 183a, 180a ... Waveform, 40, 41 ... Period, 81a, 81b, 81c, 81d ... Addition circuit, 92 ... Center line, 93, 94 ... Region, 95 ... Piezoelectric body , 105 ・ ・ ・ Thin film piezoelectric film, 96, 97, 104, 106 ・ ・ ・ Electrode, 103 ・ ・ ・ Insulating film, 10
0 ... Silicon substrate, 101, 102 ... Diffusion layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】指向性を有する超音波ビームを放射し検出
対象物からの反射波を受信して検出対象物との間の距離
を検出する近接覚センサを有する超音波装置において、 超音波を発生させることのできる素子が、一次元、ある
いは二次元状アレイに配列された構造を有する超音波素
子アレイと、断続的にバースト状超音波送信パルスを発
生するパルス発生装置と、 異なる遅延時間を有し前記超音波素子アレイを構成する
各素子ごとに並列して設けられた複数の遅延回路により
前記パルス発生装置から供給される超音波送信パルス間
の時間差を所望の関係に設定する遅延回路装置とを備
え、 前記遅延回路により作られた複数の異なる遅延時間を有
するパルスで各素子を励振することにより、前記パルス
発生装置の作る基本となるバーストパルスの周期である
断続周期内で、前記超音波素子アレイの送波面に垂直な
平面内の異なる複数の方向に指向性を有する超音波ビー
ムを放射させ、前記超音波送信パルス間の時間差を前記
断続周期毎に、あるいは異なる断続周期間で変化させる
ことにより断続周期毎に、あるいは異なる断続周期間で
前記超音波ビームが有する複数の方向の指向性を変化さ
せることを特徴とする超音波装置。
1. An ultrasonic device having a proximity sensor that emits a directional ultrasonic beam and receives a reflected wave from a detection target to detect a distance to the detection target. The elements that can be generated have an ultrasonic element array having a structure arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, a pulse generator that intermittently generates burst-shaped ultrasonic transmission pulses, and a different delay time. A delay circuit device that sets a time difference between ultrasonic transmission pulses supplied from the pulse generator to a desired relationship by a plurality of delay circuits that are provided in parallel for each element that forms the ultrasonic element array. And a basic burst pulse generated by the pulse generator by exciting each element with a pulse having a plurality of different delay times generated by the delay circuit. In an intermittent cycle which is a cycle, an ultrasonic beam having directivity is emitted in a plurality of different directions in a plane perpendicular to the transmitting surface of the ultrasonic element array, and the time difference between the ultrasonic transmission pulses is the intermittent cycle. An ultrasonic device, characterized in that the directivity in a plurality of directions of the ultrasonic beam is changed for each intermittent cycle or for different intermittent cycles by changing it for each intermittent cycle or for different intermittent cycles.
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