(57)【要約】【課題】  超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができるようにする。【解決手段】  複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにする。【選択図】        図１
2006003278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置であって、
超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子が平面格子状に配置され、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子が平面格子状に配置された超音波センサ超音波センサと、前記超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振する発振手段と、前記発振手段により発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、該複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する送信手段と、前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する検知手段とを備えたことを特徴とする超音波センサ装置。
【請求項２】
超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置であって、
複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサと、前記超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振する発振手段と、前記発振手段により発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、該複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する送信手段と、前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する検知手段とを備えたことを特徴とする超音波センサ装置。
【請求項３】
前記超音波センサは、該超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子が平面格子状に配置され、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子が平面格子状に配置された超音波センサであることを特徴とする請求項２記載の超音波センサ装置。
【請求項４】
前記超音波センサは、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とがシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置され、半導体プロセス技術により前記シリコンウェハに形成されたシリコンパターンに該複数の超音波送信素子の各電極と該複数の超音波受信素子の各電極とがそれぞれ接続された超音波センサであることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の超音波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置に係り、特に超音波送信素子からの超音波パルス信号の直接波の影響を少なくして、指向性を有する超音波パルス信号を送受信して物体の位置と方向とを検知することができる超音波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは、テレビカメラ等の視覚センサに比べて小型、軽量であり、信号処理が簡単で処理時間が短く、コスト面でも優れているため、物体を検知するためのセンサとして多用されている。しかし、超音波センサを用いて物体を２次元的、或いは３次元的に検知するためには、複数の超音波センサを平面状に配置して、複雑な信号遅延等の制御を行わなければならなかった。
背景技術としては、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とを平面格子状に交互に配置し、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをそれぞれ行単位、列単位に切り換えて３次元画像を再生するようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
また、ベース基板に複数の超音波強度検知素子を配列して形成して、それらを超音波洗浄槽内に複数枚配列し、超音波洗浄される被洗浄基板の基板表面が受ける超音波強度を３次元的に検知するようにしたものがあった（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−５９９号公報
【特許文献２】特開平６−３３１４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、背景技術で述べたもののうち前者においては、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とを平面格子状に交互に配置し、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをそれぞれ行単位、列単位に切り換えて３次元画像を再生することができたが、超音波送信素子と超音波受信素子とが平面格子状に交互に隣接して配列されていたため、隣接する超音波送信素子から送信された超音波の直接波が超音波受信素子により受信され易いという問題点があった。
また、後者においては、ベース基板に複数の超音波強度検知素子を配列して形成して、それらを超音波洗浄槽内に複数枚配列し、超音波洗浄される被洗浄基板の基板表面が受ける超音波強度を３次元的に検知することができたが、超音波パルス信号を送受信して物体の位置と方向とを検知するようにしたものではなかった。
本発明は、背景技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる超音波センサ装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため本発明においては、超音波パルス信号を送受信して物体の有無を検知する超音波センサ装置であって、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサと、前記超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振する発振手段と、前記発振手段により発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、該複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する送信手段と、前記超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する検知手段とを備える。
前記超音波センサは、該超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子を平面格子状に配置し、前記複数の超音波受信素子の周囲の該超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子を平面格子状に配置するようにするとよい。
また、前記超音波センサは、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置し、半導体プロセス技術により前記シリコンウェハに形成されたシリコンパターンに該複数の超音波送信素子の各電極と該複数の超音波受信素子の各電極とをそれぞれ接続するようにするとよい。
これらの手段により、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子が平面格子状に配置され、複数の超音波受信素子の周囲の超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子が平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子それぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信する受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにしているので、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができるとともに、超音波パルス信号の直接波による影響を少なくすることができる。
請求項２記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とが所定の配列で平面格子状に配置された超音波センサの複数の超音波送信素子の共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振して、発振された正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信して、超音波センサの複数の超音波送信素子のそれぞれから送信された超音波パルス信号の物体による反射波を受信し、受信された複数の超音波パルス信号のそれぞれの受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知するようにしているので、超音波センサから指向性を有する超音波パルス信号を送信し、物体により反射された超音波パルス信号を受信して物体の位置と方向とを検知することができる。
請求項３記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの中央部に複数の超音波受信素子を平面格子状に配置し、複数の超音波受信素子の周囲の超音波センサの周縁部に複数の超音波送信素子を平面格子状に配置配置するようにしているので、超音波センサの超音波送信素子から送信された超音波パルス信号の直接波が超音波受信素子に受信され難いようにすることができ、超音波パルス信号の直接波による影響を少なくすることができる。
請求項４記載の発明に係る超音波センサ装置によれば、超音波センサの複数の超音波送信素子と複数の超音波受信素子とをシリコンウェハ上に所定の配列で平面格子状に配置し、半導体プロセス技術によりシリコンウェハに形成されたシリコンパターンに複数の超音波送信素子の各電極と複数の超音波受信素子の各電極とをそれぞれ接続するようにしているので、超音波センサの多数の超音波送信素子と多数の超音波受信素子とをシリコンウェハに形成されたシリコンパターンにより接続することができ、多数の超音波送信素子と多数の超音波受信素子と有する超音波センサを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、適宜図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を詳述する。図１は本発明の一実施例の超音波センサ装置の構成を示すブロック図であり、図２は本発明の一実施例の超音波センサ装置の超音波センサの構造を示す図であり、図３は本発明の一実施例の超音波センサ装置の送信動作を示す説明図であり、図４は本発明の一実施例の超音波センサ装置の送信動作を示すタイミングチャートであり、図５は本発明の一実施例の超音波センサ装置の受信動作を示すタイミングチャートである。
まず、図１の本発明の一実施例の超音波センサ装置の構成を示すブロック図を基に説明する。
超音波センサ装置は、超音波センサ１の周縁部に平面格子状に配置された、超音波パルス信号を送信する複数の超音波送信素子Ｔｍｎ（ｍ、ｎ＝１、２、３、…、７）と超音波センサ１の中央部に平面格子状に配置された、超音波パルス信号を受信する複数の超音波受信素子Ｒｍｎ（ｍ、ｎ＝３、４、５）とを有する超音波センサ１と、超音波信号をパルス変調するパルス変調回路２からのパルス信号に基づいて超音波送信素子Ｔｍｎの共振周波数の正弦波パルス信号を発振する発振回路３と、複数の超音波送信素子Ｔｍｍをパルス駆動する駆動回路４と、複数の超音波送信素子Ｔｍｍからの超音波パルス信号の送信と複数の超音波受信素子Ｒｍｎによる超音波パルス信号の受信とを選択的に切り換える切換回路５と、複数の超音波受信素子Ｒｍｎにより受信された超音波パルス信号を増幅する増幅回路６と、高周波増幅回路６により増幅された超音波パルス信号を検波する検波回路７と、検波回路７により検波された超音波パルス信号の波形を整形する波形整形回路８と、超音波センサ装置のシステム全体を制御するマイコン９とで構成されている。
また、超音波センサ１は、図２に示すように、シリコン（Ｓｉ）ウェハを基板として、複数の超音波送信素子Ｔｍｎと複数の超音波受信素子Ｒｍｎとがシリコンウェハ上に平面格子状に配置されている。超音波送信素子Ｔｍｎ、超音波受信素子Ｔｍｎは、その圧電材料のチタン酸ジルコン酸鉛磁器（ＰＺＴ）に正弦波パルス電圧を印加するための上部電極Ｅ１と下部電極Ｅ２とがそれぞれ設けられていて、下部電極Ｅ２は半導体プロセス技術によりシリコンウェハ上に形成された平面格子状のシリコンパターン（図示せず）にそれぞれ接続され、上部電極Ｅ１はシリコンウェハ上の周縁部に形成されたボンディングパッド（図示せず）にワイヤボンディングによりそれぞれ接続されている（図示せず）。また、超音波センサ１の基板のシリコンウェハは、半導体プロセス技術により複数の導電層のシリコン（Ｓｉ）と複数の絶縁層の酸化シリコン（ＳｉＯ２）とが形成され、複数の導電層のシリコンパターンにより複数の超音波送信素子Ｔｍｎと複数の超音波受信素子Ｒｍｎとが平面格子状に電気的に接続されている。
以上のように構成された超音波センサ装置について、以下その動作について説明する。
マイコン９は、パルス変調回路２に制御信号を送出して、パルス変調回路２によりパルス変調信号を生成し、発振回路３により超音波センサの複数の超音波送信素子Ｔｍｎの共振周波数の正弦波パルス変調信号を発振させて、切換回路５により複数の超音波送信素子Ｔｍｎを選択的に切り換え、駆動回路４により正弦波パルス変調信号を所定時間遅延して超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎのそれぞれに印加し、複数の超音波送信素子のそれぞれから所定の時間間隔で超音波パルス信号を送信する。超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎから送信された超音波パルス信号は、複数の超音波送信素子Ｔｍｎの振動面の垂直軸周りに円錐状に広がりながら音速で空間を伝播する。
超音波センサ装置の超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎから送信される超音波パルス信号が所定の時間間隔で送信されるので、複数の超音波送信素子Ｔｍｎからそれぞれ送信された複数の超音波パルス信号の波面は、所定の方向において揃った超音波パルス信号として、円錐状に広がりながら空間を伝播する。そのため、超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎから送信される複数の超音波パルス信号は指向性を有している。超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ６、Ｔｍ７から送信される超音波パルス信号をΔｔ１（＝ｐｓｉｎθ／ｖ０）時間間隔で遅延させて送信することにより、角度θの方向に波面が揃った複数の超音波パルス信号を送信することができる（図３参照）。ｐは各超音波送信素子の振動面の中心間隔であり、ｖ０は音速である。即ち、超音波送信素子Ｔｍ１から超音波パルス信号を送信した後、Δｔ１時間経過する毎に、超音波送信素子Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４、…、Ｔｍ７のそれぞれから超音波パルス信号を送信すると（図４参照）、各超音波送信素子の振動面の垂直方向に対して角度θの方向に波面が揃った複数の超音波パルス信号が送信される。また、超音波送信素子Ｔｍｎの振動面の垂直軸周りの任意の方向に対しても、同様に、複数の超音波送信素子Ｔｍｎから波面が揃った複数の超音波パルス信号を送信することができるので、超音波センサ１から３次元の指向性を有する超音波パルス信号を送信することができる。
そして、超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎのそれぞれから送信された複数の超音波パルス信号が物体により反射されると、物体により反射された複数の超音波パルス信号の反射波が超音波センサ１の複数の超音波受信素子Ｒｍｎにより受信される。物体による複数の超音波パルス信号の反射波が複数の超音波受信素子Ｒｍｎにより受信されると、受信された複数の超音波パルス信号が複数の超音波受信素子Ｒｍｎのそれぞれにより電気信号に変換され、電気信号に変換された超音波パルス信号が増幅回路６により増幅されて、検波回路７により検波され、波形整形回路８によりパルス信号の波形が整形されて、マイコン９に送出される。マイコン９は、超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎから超音波パルス信号が送信されてから、物体により反射された超音波パルス信号の反射波が超音波センサ１の複数の超音波受信素子Ｒｍｎにより受信されるまでの超音波パルス信号の受信時間差に基づいて物体の位置と方向とを検知する。
超音波パルス信号を反射した物体の位置と方向とは、超音波送信素子Ｔｍｎから超音波パルス信号が送信されてから超音波受信素子Ｒｍｎにより超音波パルス信号が受信されるまでの受信時間差ｔ３、ｔ４、ｔ５を計測することにより、物体の位置と方向とを検知することができる（図５参照）。即ち、時間ｔ３、ｔ４、ｔ５は、複数の超音波送信素子Ｔｍｎから送信された複数の超音波パルス信号が物体により反射され、反射された複数の超音波パルス信号が複数の超音波受信素子Ｒｍ３、Ｒｍ４、Ｒｍ５により受信されるまでの往復時間であるので、超音波受信素子Ｒｍ３、Ｒｍ４、Ｒｍ５から物体までの距離は、ｄ３＝ｔ３／ｖ０／２、ｄ４＝ｔ４／ｖ０／２、ｄ５＝ｔ５／ｖ０／２となる。超音波受信素子Ｒｍ３の振動面の中心を円の中心とする半径ｄ３の円、超音波受信素子Ｒｍ４の振動面の中心を円の中心とする半径ｄ４の円、超音波受信素子Ｒｍ３の振動面の中心を円の中心とする半径ｄ５の円のそれぞれの交点の位置と方向とから超音波受信素子Ｒｍ３、Ｒｍ４、Ｒｍ５から物体までの距離と方向、即ち、物体の位置と方向とを検知することができる。
また、超音波センサ装置の超音波センサ１は、複数の超音波受信素子Ｒｍｎが超音波センサ１の中央部に集中して配置されているので、超音波センサ１の周縁部に配置された複数の超音波送信素子Ｔｍｎからの超音波パルス信号の直接波の影響を少なくすることができる。また、超音波パルス信号の直接波は、超音波送信素子Ｔｍｎから送信される超音波パルス信号であるので、その超音波パルス信号が到来した方向を検知することにより超音波送信素子Ｔｍｎから送信された超音波パルス信号の直接波であることがわかるので、物体からの超音波パルス信号の反射波と区別することができ、超音波送信素子Ｔｍｎからの超音波パルス信号の直接波を除外することができる。
また、超音波センサ装置の超音波センサ１の複数の超音波送信素子Ｔｍｎから複数の超音波パルス信号を送信し、複数の超音波送信素子Ｔｍｎから複数の超音波パルス信号が送信されてから物体による超音波パルス信号の反射波が複数の超音波受信素子Ｒｍｎにより受信されるまでの受信時間差を計測することにより、複数の超音波受信素子Ｒｍｎの振動面の中心を中心として物体までの距離を半径とする各球の交点の位置と方向とから複数の超音波受信素子Ｒｍｎから物体までの距離と方向、即ち、物体の位置と方向とを３次元で検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例の超音波センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例の超音波センサ装置の超音波センサの構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施例の超音波センサ装置の送信動作を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施例の超音波センサ装置の送信動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の一実施例の超音波センサ装置の受信動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【０００８】
１  超音波センサ
Ｔｍｎ  超音波送信素子
Ｒｍｎ  超音波受信素子
２  パルス変調回路
３  発振回路
４  駆動回路
５  切換回路
６  増幅回路
７  検波回路
８  波形整形回路
９  マイコン
【図１】
2006003278.tif 000003
【図２】
2006003278.tif 000004
【図３】
2006003278.tif 000005
【図４】
2006003278.tif 000006
【図５】
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