JP2002159087A - 送受波器モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率で広帯域，多周波数の送受波を行う送
受波器モデュールを提供する。 【解決手段】 複数の圧電体１１１，１１２，１１３と
複数の電極１１４，１１５，１１６，１１７を積層し，
各電極に接続される送信回路１０１，１０２，１０３，
１０４を備え，送信回路の出力信号をパルス変調信号と
する。 【効果】 送信電力効率に優れ，送受信の周波数を可変
にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はソーナー，魚群探知
機などの音波を用いた映像化装置，及び音響リモートセ
ンシング装置のための技術に関わり，特に同一の送受波
器で複数の異なる周波数の音波を送受信する送受波器モ
ジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の河川，海洋の音響計測装置，ソー
ナー装置や魚群探知機では，水中に送波器により音波を
放射し，探知対象からの反射波を受波器により受信して
情報を得ている。以下，本明細書では，音波の送波器と
受波器を兼ねるものを送受波器と呼称する。送受波器は
通常，電気−音響変換部が圧電振動子により構成される
場合が多い。ソーナー装置や魚群探知機では，送受波器
を船体の底，側面などに取り付けたり，水中に深く投入
する場合が多く，送受信回路と送受波器は比較的長い信
号ケーブルを用いて接続される場合が多い。従来装置で
は，構造を簡素化するため送受波器と送受信回路は別々
に構成する場合が多かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置では，送受
波器と送信回路，送信回路を接続する信号ケーブル長が
２０ｍ以上，送信周波数が１００ｋＨｚ以上に及ぶ場合
があり，接続する信号ケーブルの容量性インピーダンス
が送受波器の周波数特性を制限してしまう場合が多かっ
た。送受波器を構成している圧電素子のインピーダンス
に対してケーブルのインピーダンスが十分に高く取れな
い場合が多く，送信回路の信号電流の多くがケーブル容
量に流れることが問題になる。この問題は，単一周波数
帯域で狭帯域信号を送受信する従来の構成では，圧電素
子の制動容量と信号ケーブル容量に対して，トランスや
インダクタを用いて帯域中心周波数における直列あるい
は並列共振回路を形成して回避していた。

【０００４】近年，ディジタル信号処理技術の高度化に
伴い，送受波器の多周波数化，広帯域化，多チャネル化
が進められている。従来技術として，特開平７−２６４
６９７号公報に記載のように，送受波器を多層にし，さ
らに複数周波数に対応させ，送受波器内に整合回路部を
備える方法が開示されている。しかし，上述の共振回路
を形成する方法や整合回路部を実現する場合，広帯域送
受信を実現する場合には多くのＬＣフィルタを組み合わ
せる必要があり，電力効率やインダクタンスＬのための
磁心などが大きく，実装密度において必ずしも有利では
なかった。

【０００５】この点を鑑みて，送受波器に送信回路や受
信回路を具備させて，送受波器モデュールとし，送信回
路および受信回路と送受波器との間のケーブルインピー
ダンスの影響をなくす方法が考えられる。

【０００６】一方，特開平７−２６４６９７号公報に記
載のように，複数の圧電体層の送信回路への接続変更で
周波数特性を変更することができる。複数の圧電体を挟
む電極層と送信回路の接続を切替えることにより，少数
の送信回路で複数の送信周波数を形成することができ
る。

【０００７】しかし，圧電体層の数が多数になる場合
や，送信電圧が２５０Ｖ以上といった高電圧になる場合
など，各電極層と送信回路の接続を高い電力効率で実現
するのは難しく，送信回路の発熱の問題から実装できる
回路数が少なくなってしまい，十分な数の圧電体の層数
が制御できないのが問題であった。

【０００８】本発明の目的は，高効率で広帯域，多周波
数の送受波を行う送受波器モデュールを提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の送受波器モデュ
ールでは，複数の圧電体を積層した電気音響変換部の圧
電体に複数の送信回路と少なくとも一つの受信回路を接
続し，送信回路の出力信号をパルス変調信号とし，送信
回路が，圧電体を挟む電極との接続を多重化するスイッ
チを経ることなく直接に，送信信号出力電圧を圧電体に
供給する。パルス変調信号をパルス幅変調とし，圧電体
の容量性インピーダンスを復調のための積分回路の一部
として簡素化する。更に，パルス幅変調信号は，送波整
相を実現するため，複数の送信回路に共通に供給される
同期信号により波形を発生する構成とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は，本発明の実施例の送受波
器モジュールの構成例を示す図である。圧電体１１１，
１１２，１１３は電極１１４，１１５，１１６，１１７
に挟まれ，多層の圧電振動子を構成している。これらの
前面には音響整合層１１８，背面には背面負荷１１９が
付けられており，これら全体として送受波器をなしてい
る。送信回路１０１，１０２，１０３，１０４の送信出
力Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４はそれぞれ電極１１４，１１
５，１１６，１１７に供給されている。送信回路１０
１，１０２，１０３，１０４の受信分離出力Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４は受信増幅器１０５に電流加算されて入
力される。

【００１１】同期信号ＣＫはアドレスカウンタ１３１の
入力の一つであり，メモリ１３２へ読み出しアドレスＡ
ＤＲを供給する。メモリ１３２は１２ビットデータ出力
であり，それらは送信回路１０１，１０２，１０３，１
０４へのそれぞれの制御入力Ａ１，Ｂ１，Ｃ１；Ａ２，
Ｂ２，Ｃ２；Ａ３，Ｂ３，Ｃ３；Ａ４，Ｂ４，Ｃ４とな
る。

【００１２】同期信号ＣＫにより，アドレスカウンタ１
３１はメモリ１３２への読み出しアドレスＡＤＲを１づ
つ増加させる。ＣＫは一送受波の間にパルスが欠ける間
欠的なパルス列であり，アドレスカウンタ１３１の内部
の図示しないＲＣ時定数回路によりパルス列の休止区間
を検出して送信開始を検出し，アドレスＡＤＲを初期化
する。初期化後は同期信号ＣＫの立ちあがりを検出して
アドレスＡＤＲを増加させる。

【００１３】送信時，メモリ１３２は送信回路１０１〜
１０４へ１２ビットデータを出力するが，それらの内訳
は波形制御入力Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４を合わせた８ビ
ットと受信分離制御入力Ｃ１〜Ｃ４の４ビットとなる。

【００１４】図２は，本発明の実施例での送信回路の構
成例を示す図である。送信回路１０１〜１０４は同じ回
路構成となっている。送信回路はＮチャネルパワーＭＯ
ＳＦＥＴを用いたハーフブリッジ構成となっている。Ｖ
ＤＤ１は直流＋１００Ｖ電源，ＶＤＤ２は直流＋１５Ｖ
電源である。

【００１５】波形制御入力Ａｎは，ＭＯＳＦＥＴ２０１
のソース電位を基準にゲート信号のオフセット電圧レベ
ルを変化させるレベルシフト回路２０７を経て上アーム
側ＦＥＴドライバ２０５の入力となる。ドライバ２０５
の電源はブートストラップダイオード２０３およびコン
デンサ２０４によりＶＤＤ２より供給される。ドライバ
２０５はＭＯＳＦＥＴ２０１のゲートを駆動する。

【００１６】波形制御入力Ｂｎは，下アーム側ＦＥＴド
ライバ２０６の入力となる。ドライバ２０６はＭＯＳＦ
ＥＴ２０２のゲートを駆動する。十分に大きな電圧をも
つ送信電圧のハーフブリッジ出力は順電圧閾値を利用す
るダイオード２０８，２０９の反転対を経て送信出力Ｔ
ｎに出力される。コンデンサ２１８は高調波成分を吸収
する。

【００１７】受信時には，受信分離制御入力Ｃｎがトラ
ンジスタ２１２のベース電流を供給してコレクタ，エミ
ッタ間を導通させ，ＶＤＤ２と接地点の間で，抵抗２１
３，２１４，２１５による分圧と電流制限によりダイオ
ード２１７にオフセット電流を供給する。これによりダ
イオード２１７は交流的にスイッチとして動作する。コ
ンデンサ２１０，２１１はダイオード２１７へのバイア
ス電圧を周辺より分離する。抵抗２１６は受信分離出力
Ｒｎへの電流制限抵抗である。送受波器の発生電圧は送
信出力Ｔｎに現れるが，ダイオード２０８，２０９の順
電圧閾値以下なのでハーフブリッジ側は高いインピーダ
ンスで分離され，受信信号電流はコンデンサ２１０，ダ
イオード２１７，コンデンサ２１１，抵抗２１６を経て
受信分離出力Ｒｎへ流れる。

【００１８】図３は，本発明の実施例でのＰＷＭ波形制
御を説明する図である。図４は，本発明の実施例でのＰ
ＷＭ波形の高調波成分を説明する図である。

【００１９】まず，送信波形をパルス幅変調（Pulse Wi
dth Modulation:ＰＷＭ）出力する場合の，Ｔｎの出力
電圧波形と，Ａｎ，Ｂｎの入力電圧波形の関係について
信号波形を図３に示す。Ｔｎの出力波形として得られる
送信電圧のＰＷＭ波形３１を得るべく，ＡｎとＢｎは，
ほぼ互いに反転した波形３３，３４で入力される。スイ
ッチング時間は各ＯＮ，ＯＦＦの定常区間に比して十分
短く，図２のＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２が同時に導通
するフィードスルー状態にならないように立ちあがり立
下りのタイミングが調整されている。

【００２０】ＰＷＭ波形３１に対応する基本波３２はＰ
ＷＭ波形３１を積分回路や低域通過フィルタを通して得
ることが出来る。例として，送信周波数ｆｓの正弦波を
キャリア周波数ｆｍの三角波で両縁変調した場合のＰＷ
Ｍ波形３１の周波数スペクトルを図４に示す。信号は送
信周波数ｆｓの成分４００の他に，三角波周波数ｆｍの
整数倍およびそれらを中心として間隔がｆｓの側波帯群
４０１〜４０９からなる。ｆｓに対してｆｍを十分大き
く取ると，側波帯群４０１〜４０９は高周波域に集中す
るので，通過特性４２０を持つ積分回路や低域通過フィ
ルタを用いて，ほぼ基本波成分４００だけの出力を得る
ことが出来る。送受波器の各圧電体のインピーダンスは
基本波成分ｆｓの付近で容量と抵抗の直列と見なすこと
が出来，積分回路とすることができる。また，ＰＷＭ波
形を三角波両縁変調で形成せずにそれらのパルス位置を
制御することにより特定の高調波成分の成分の振幅を抑
圧することが出来る。

【００２１】さらに，送信回路毎に基本波成分ｆｓを変
化させ，それらの周波数より十分大きなキャリヤ周波数
を用いることにより複数周波数を同時に合成して送波す
ることが出来る。

【００２２】

【発明の効果】本発明により，送信電力効率に優れ，送
受信の周波数を可変とすることができるソーナーを実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の送受波器モジュールの構成例
を示す図。

【図２】本発明の実施例での送信回路の構成例を示す
図。

【図３】本発明の実施例でのＰＷＭ波形制御を説明する
図。

【図４】本発明の実施例でのＰＷＭ波形の高調波成分を
説明する図。

【符号の説明】

１１１，１１２，１１３…圧電体，１１４，１１５，１
１６，１１７…電極，１１８…音響整合層，１１９…背
面負荷，１０１，１０２，１０３，１０４…送信回路，
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔｎ…送信出力，Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒｎ…受信分離出力，１０５…受信増
幅器，ＣＫ…同期信号，１３１…アドレスカウンタ，１
３２…メモリ，ＡＤＲ…読み出しアドレス，Ａ１，Ａ
２，Ａ３，Ａ４，Ａｎ…上アーム波形制御入力，Ｂ１，
Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂｎ…下アーム波形制御入力，Ｃ
１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃｎ…受信分離制御入力，ＶＤ
Ｄ１，ＶＤＤ２…直流電源，２０７…レベルシフト回
路，２０５，２０６…ＦＥＴドライバ，２０３…ブート
ストラップダイオード，２０４，２１０，２１１，２１
８…コンデンサ，２０８，２０９，２１７…ダイオー
ド，２１２…トランジスタ，２１３，２１４，２１５，
２１６…抵抗，３１…ＰＷＭ波形，３２…基本波，４２
０…積分回路，低域通過フィルタの通過特性，ｆｓ…送
信周波数，４００…ｆｓ成分，ｆｍ…キャリヤ周波数，
４０１，４０２，４０３，４０４，４０５，４０６，４
０７，４０８，４０９…側波帯群。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の圧電体と複数の電極を積層し，前記
   各電極に接続される送信回路と受信回路を備え，前記送
   信回路の出力信号がパルス変調信号であることを特徴と
   する送波器モジュール。
2. 【請求項２】請求項１に記載の送受波器モジュールにお
   いて，前記パルス変調信号はパルス幅変調であることを
   特徴とする送波器モジュール。
3. 【請求項３】請求項２に記載の送受波器モジュールにお
   いて，前記パルス幅変調信号は前記各送信回路に共通に
   供給される同期信号により波形を発生することを特徴と
   する送受波器モジュール。