超 音波 セ ンサの ロボ ッ ト計測への応用*
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(2) 青柳:超 音波セ ンサのロボ ッ ト計測へ の応用. 図1超. T:発 R:受. 信器 波器. L:発 C:音 t:超. 音 波 セ ソサ を 用 い た ロボ ッ ト用 計 測 シ ス テ ムの 分 類. 信器 と受 波 器 との 間 の 距 離 速 音 波 パ ル ス の伝 播 時 間. 図3 図2. 発 信 器 の 構造. 超 音 波 を用 いた3次 元 位 置 ・姿 勢計 測原 理. は 測 定 精 度 お よ び 指 向性 の 観 点 か ら無 指 向 性 点 音 源 で あ る こ とが 望 ま し い.超 音 波 発 信 器 と して 従 来 よ り圧 電 バ イ モ ル フ型,コ. ン デ ンサ 型 の も の が 用 い られ て い るが,い. も有 限 の 大 き さ を 持 つ た め,そ. の半 減 角(音. 面 方 向 に対 し て半 分 に な る角 度)は. ずれ. 圧 が発 信の正. 前 者 が300程. 度,後. φ26mmの コ ンデ ンサ 型受 波 器 (共 振 周 波 数85kHz)に よ り受 信. 者. が6。 程 度 で あ り無 指 向 性 近 似 は 不 可 能 で あ る.. 図4. 電 気 火 花 に よ る超 音 波 の受 信 波 形. そ こで 図3に 示 す よ うな電 気 火 花 放 電 を 利 用 し た 発 信 器 を 開 発 した.2本. の 電 極 針 が 微 少 な 空 隙(ギ. ャ ップ)を. 隔. の応 用 に必 要 な2〜3m程. 度 の 距 離 測 定 に 十 分 で あ る.図. て て 対 向 し て お り,電 極 間 に 衝 撃 的 な高 電 圧 を 印加 し て 電. 5に 本 発 信 器 の指 向 性 を 実 験 的 に 確 認 した 結 果 を示 す.こ. 気 火 花 を 生 じ さ せ る と,そ れ に伴 い 超 音 波 パ ル ス が 発 生 す. れ よ り本 発 信 器 は ギ ャ ッ プ の 正 面 軸 に 対 す る 角 度 θが. る.図4に. ±80°の 範 囲 に お い て 音 圧,距. 超 音 波 パ ル ス の 受 信 波 形 を示 す.本. 発 信 器 は機. 械振 動系 を用 いて いないた め波形 は超音 波 パル スが到達 し た 瞬 間 を と ら え る の に 十 分 な 鋭 い 立 上 が りを 持 ち,残 留 振 動 も少 な い.ま. 374. た そ の 音 圧 は ロボ ッ トの 位 置 ・姿 勢 計 測 へ. 精密工学会誌. Vol. 62.. No. 3,. 1996. 離 測定 精度 の 両面 にお いて. 無 指 向性 近 似 で き る こ とが わ か る. 以 上 の よ うな 特 性 を 生 か し て,無 指 向 性 の発 信 器 が必 要 と さ れ る 図1のB,Dタ. イ プ の シ ス テ ムへ の 本 発 信 器 の 今.
(3) 青柳:超 音波セ ンサのロボ ッ ト計測 への応用. 一 致 し て お り,本 シ ス テ ム は 従 来 ロ ボ ッ トの 軌 跡 の 測 定 手 段 と し て 一 般 的 に用 い られ て い る ペ ン書 き 方 式 の代 替 手 段 と し て有 望 で あ る,(2)ロ. ボ ッ トが 重 力 の 影 響 を. 受 け てZ方. 向 に び び り振 動 を 行. う様 子,機. 構 の寸法誤 差 に起因 し. て 軌 道 の 中 央 付 近 でZ座 コ ンデ ンサ マ イ クロ ホ ン (B&K. mm近. 標 が1. く 目標 軌 道 か ら逸 脱 す る. 社4138). ギ ャ ップの 正 面 で1m離. れ た 場 所 で の音 圧 は10Paで. あ り,こ れ を 基 準 値 と して0 dBと. た.ギ ャ ップ中 心 を 中 心 と し て発 信 器 を ±90°の範 囲 で5° お きに 回 転 させ,約1m離 所 で の音 圧,お. よ び距 離 をB&K社. 製4138型. し. れ た場. マ イ ク ロホ ン で 測 定 した.す べ て の デ ー タ は. 200回 の 測 定 に お け る平 均 値 で あ る. 図5. 様 子 を本 シ ス テ ム は 正 確 に 検 出 し て い る等 の こ とが 判 明 した. 3.. 火 花放 電 を用 いた 発 信 器 の 指 向特 性. ロ ボ ッ ト用 超 音 波 セ ン サ の 小 形 ・マ イ ク ロ化 の展 望. 後 の 応 用 が 期 待 さ れ る.ま 0,35rnmと. 微 小 で あ り,シ. た 本 発 信 器 の ギ ャ ップ 長 は リコン プ ロセ ス等 を用 いた セ. ンサ の マ イ ク ロ化 と は 少 々意 見 合 い が 異 な るが,実. 用的な. 3. 1. 小 形 化 に よ る無 指 向性 セ ンサ の 可 能 性. 将 来 的 に マ イ ク ロ ロ ボ ッ トへ の 応 用 や,コ. ウモ リ等 生 物. の 超 音 波 送 受 機 能 を 模 擬 す る こ とを 考 え た 場 合,超. 音波セ. 音 圧 が得 られ る空 中 用 超 音 波 発 信 器 の 究 極 の 小 形 化 で あ る. ソ サ を さ らに 小 形 化 す る こ とは 重 要 で あ る と思 わ れ る.こ. と言 え る.. こ で は 指 向性 の 観 点 か ら超 音 波 セ ンサ の 小 形 化 の 意 義 を 考. 本 来 な ら受 波 器 も無 指 向性 点 近 似 で き る も の が 望 ま し い が,こ. の よ うな 受 波 器 で 市 販 さ れ て い る も の は 次 章 で 述 べ. る よ うに 数 少 な く高 価 で あ る.そ 器 と し て 直 径26mmの. こで本 システ ムでは受波. え て み る.発 信 器 の 近 似 モ デ ル と して 半 径aの. 円形 ピス. トン音 源 を考 え,波 長 を λ とす る と,指 向 の 半 減 角 θ1/2は 次 式 で 与 え られ る.. 通常 の送 受兼 用 コンデ ンサ マ イ ク. (2). ロホ ンを 用 い た.受 波 器 の指 向 性 が 半 減 角6° と鋭 い た め, 受 波 器 を サ ー ボ モ ー タに よ り水 平,鉛. 直 方向 に回転 可能 に. し,発 信 器 に対 し受 波 面 が 常 に 正 面 を 向 く よ うに して い る.. す な わ ち 同 じ波 長 λ の 音 波 を 発 生 す る音 源 に お い て は 半 径aが. 小 さ い ほ ど半 減 角 は大 き く な り,指 向性 が 広 が る.. こ れ は受 波 器 に も 当 て は ま る.図1で 2 .4. プ の 研 究 で は無 指 向 性 の 発 信 器,受. ロボ ッ トア ー ム 先 端 位 置 の 計 測 例. 6自 由 度 多 関 節 型 ロ ボ ッ ト(PUMA560)に 描 か せ,そ. 直 線軌 道 を. の 動 的 位 置 を 本 シ ス テ ム で 計 測 した 例 を 図6に. 分 類 したB,Dタ. イ. 波 器 が 必 要 と され,発. 信 器 は前 章 で 述 べ た 火 花 放 電 を用 い た もの が 将 来 的 に援 用 で き る と し て,受 波 器 に関 し て は 半 径 の 小 さい 無 指 向 性 受. 示 す 。 ま た ペ ン書 き に よ り得 られ た 軌 跡 も 図 中 に あ わ せ て. 波 器 が 望 まれ る.こ の 観 点 か ら受 波 器 の 小 形 化 は重 要 で あ. 示 す.こ. る.. れ よ り(1)ペ. ン書 き結 果 と計 測 結 果 は高 い 精 度 で. (a)y座. 標変化図. (b)Z座. 標変化図. 図 7 図6. ペ ン書 きに よ る軌 跡 と計 測軌 跡 との 比 較(ロ ボ ッ ト速 度50mm/s). 無 指 向 性近 似 可 能 な受 波 器(B&K社 の 構 造9). 製4138). 実 際 は保 護 グ リッ ド(図 は省 略)を 付 け て 使 用 す る. 精密工学会誌. Vol. 62,. No. 3,. 1996. 375.
(4) 青柳:超 音波セ ンサの ロボ ッ ト計測へ の応用. こ と を 考 慮 す る と,シ. リコ ン プ ロセ ス に よ るセ. ン サ は こ の よ う な 特 長 を 生 か し て 図1で たB,Dタ. 分類 し. イ プ の シ ス テ ム に お け る 受 波 器 の用. 途 に 最 も 適 し て お り,将. 来 的 に この 用 途 へ の応. 用 が 広 が る こ と が 期 待 さ れ る.. 4 .. ま. と. め. 超 音 波 セ ンサ を 用 い た ロ ボ ッ ト用 計 測 シ ステ ム を4つ 図 8. の タ イ プ に 分 類 し,こ の うち外 部 か ら ロ ボ ッ ト自体 の 絶 対 的 な位 置 を 計 測 す る タ イ プ. シ リ コ ン プ ロ セ ス に よ る 超 音 波 セ ン サ の 一 例10). の 例 と し て,筆 者 が 開 発 した 電 気 火 花 放 電 を 発 現 在 市 販 さ れ て い る無 指 向 性 近 似 で き る受 波 器 と し て, B&K社. 製 の4138型. コ ン デ ン サ マ イ ク ロ ホ ン が あ り,図. 7に そ の 構 造 を 示 す9).膜 Vの. と バ ッ ク プ レ ー トの 間 に は200. バ イ ア ス 電 圧 が 加 え られ て お り,膜 の 振 動 に よ る容. 信 器 と して 用 い る計 測 シ ス テ ム を紹 介 し た.ま た 超 音 波 セ ン サ を 小 形 化 す る意 義 に つ い て 検 討 し,最 近 の シ リコ ン プ ロセ ス に よ る研 究 につ い て も簡 単 に 紹 介 した.マ イ ク ロマ シ ン の 研 究 が 進 み 機 構 が 小 さ くな る とそ の振 動 は超 音 波 領. 量 変 化 に よ り音 波 を 検 出 す る.周 波 数 特 性 は0〜100kHz. 域 に な る こ とが 多 く,そ れ を検 出 す る意 味 か ら も超 音 波 セ. 程 度 ま で 平 坦 で あ り,感 度 も1.3mV/Paと. ン サ の 今 後 一 層 の 小 形 ・マ イ ク ロ化 が 望 ま れ る.. 実用 的 であ る. た め 超 音 波 領 域 まで 使 用 で き る音 圧 校 正 用 の 標 準 マ イ ク ロ. 謝. ホ ン と して 広 く使 用 さ れ て い る.ま た デ ー タ シ ー トに よ る と60kHzの る.し. 超 音 波 に対 し て ほ ぼ 無 指 向 性 が 実 現 され て い. か し な が ら本 受 波 器 は構造 が 精 巧 ・複 雑 な た め,高. 価 で あ る と い う欠 点 が あ る.こ. の よ うな状 況 を考 慮 す る. と,今 後 シ リ コ ン プ ロセ ス等 に よ り小 形,無. 指 向で低 コス. トな 超 音 波 受 波 器 が 開 発 され る こ とが 望 ま れ る.. 第3章. 辞. を 書 くに あ た り参 考 文 献 を送 付 して 頂 き,ご 討 論. 頂 い た オ リンパ ス 光 学 工 業(株)の 宮 島 博 志 氏 に 深 く謝 意 を 表 しま す.ま. た 超 音 波 セ ンサ の 研 究 に 関 して 日 ご ろ よ りご. 指 導 を 賜 っ て お り ます 金 沢 大 学 教 授 ・岡 部 佐 規 一 先 生,同 教 授 ・神 谷 好 承 先 生,東. 京 大 学 教 授 ・高 野 政 晴 先 生,同. 助. 教 授 ・佐 々木 健 先 生 に深 く謝 意 を 表 し ます. 3.2超. 音 波 セ ン サ の マ イ ク ロ化 に 関 す る最 近 の研 究. 参. 超 音 波 セ ンサ に 関 して も シ リ コ ン プ ロセ ス を用 い て製 作 さ れ た も の が 報 告 され て お り,そ れ ら は 主 に コ ン デ ン サ 型10),圧 電 型11),熱 膨 張 型12)に分 類 さ れ る.図8に ン サ 型 セ ンサ の報 告 例 を 示 す.異 厚1.5μmの. コン デ. シ リコ ン の 薄 膜 を作 り,ガ. トを取 り付 け て い る.2mm角. の セ ン サ を作 製 し て 無 指 向. 2). 用 超 音 波 セ ン サ,日 本 ロ ボ ッ ト学 会 誌,6,1(1988)52. 例 え ば, N. Takanashi, K. Higuchi, T. Horiguchi,. の4138に. 比 べ て か な り低 い.他. の 圧 電 型,熱. の セ ンサ の報 告 例 で も 同様 に発 信 音 圧,受 現 状 で は10mm程. 膨張 型. 3) 4). と は で き な い よ うで あ る.音 圧,感 空 気 の 音 響 イ ン ピ ー ダ ン ス(媒. 5). 信 感 度 が 低 く,. 度 の 近 距 離 測 定 の用 途 に しか 用 い る こ 度 を 高 め る た め に は,. 質 の密 度 と音 速 の積)が. 6) 7). 8). の た め に は 強 度 を保 ち つ つ 膜 を で き るだ け 薄. 9). くす る必 要 が あ り,今 後 の製 作 プ ロセ スの 発 展 が 望 まれ る.. 10). い け な い.こ. シ リコ ン プ ロセ ス に よ る超 音 波 セ ンサ は膜 と外 枠 を 同 一 の シ リコ ン で 作 製 で き膜 を 機 械 的 に 固 定 す る必 要 が な い た め,構. 造 の簡 略 化,低. コス ト化,性. で ア レ イ型 セ ン サ が 製 作 しや す い.音. 圧等 の発信機 能 に関. し て は 筆 者 が 開 発 した 火 花 放 電 を 用 い た も の が 優 れ て い る. 376. 精密工学会誌. Vol. 62,. No. 3,. 1996. Imaging 20th Int.. Imaging System for Robot Using Electronic Scanning Method, Proc. 1983 Int. Conf. Advanced Robotics, (1983) 187. Y. Kanayama, S. Yuta and Y. Kubotera : A Sonic Finding Module for Mobile Robots, Proc. 14th Int. Symp. Industrial Robots, (1984) 653. 馬 樹 元,下 河 辺 明:超 音 波 に よ る3次 元 座 標 測 定,精 密 工 学 会 誌,54,12(1988)2359. 青 柳 誠 司,神 谷 好 承,岡 部 佐 規 一,佐 々木 健,高 野 政 晴: 元 位 置 ・姿 勢 計 測,精. 密工学会. GP-8-3D Sonic Digitizer Operator's Manual, Science sories Corp., (1985) 1. Condenser Microphones Data Handbook, Bruel & Naerum, Denmark, (1982) 1. K. Inoue, Y. Suzuki and S. Ogawa : Fabrication of sonic Sensor Using Silicon Membrane, Proc. 8th Int. Solid-State Sensors and Actuators, (1995) 616.. AccesKjaer, UltraConf.. 11). A. Lal and R. White : Micro-Fabricated Acoustic and Ultrasonic Source/Receiver, Proc. 7th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators, (1994) 712.. 12). M. Hornung, O. Brand and H. Baltes : Optimization of Micromachined Ultrasound Transducer by Finite Element Simulation, Proc. 8th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators, (1995) 620.. 能 の 均 一 化 が期 待 で き. る.ま た 同一 基 板 上 に多 数 の セ ンサ を 作 る こ と が で き るの. H. Fuku-. 佐 々木 健,小 野 勝 久,高 野 政 晴:ロ ボ ッ トの た め の 高 精 度 超 音 波 セ ン サ の 開 発 研 究,精 密 機 械,51,6(1985)1238. 例 え ば, S. Kuroda, A. Jitsumori and T. Inari : Ultrasonic. 超 音 波 に よ る ロ ボ ッ トの3次 誌,61,7(1995)964.. 固. の振 動振 幅を大 き くしなけれ ば. 体 に比 べ て小 さ い の で,膜. 布 型 受 波 器 を もつ 姿 勢 計 測. chi and H. Tanigawa : A Robotic Ultrasonic System Using a Si Phased-array Receiver, Proc. Symp. Industrial Robots, (1990) 173.. 性 の 受 波 特 性 を 実 現 し て い る が,感 度 が 先 に 述 べ たB& K社. 橋 禎 一:分. 献. 例 え ば,中. ラ ス製 の ボ ー ル を. 介 して ア ル ミニ ウ ムが 蒸 着 さ れ た ガ ラ ス製 の バ ック プ レ ー. 文. 1). 方 性 エ ッチ ン グ に よ り膜. 嶋 新 一,高. 考.
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