JP2010060480A - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】グレーティングローブの発生を抑制して、より広いチルト角の範囲内で正確な角度情報を得ることが可能になると共に、振動子の数を増大させることなく、容易に製造することができる。
【解決手段】超音波送受波器１０の送受波器本体１２を逆円錐台形状とすることで、グレーティングローブの発生する角度範囲を水平方向から鉛直方向（中心軸１９）側に移動させて、超音波（主ローブ）を送受波するためのチルト角の範囲を広げる。これにより、前記グレーティングローブの発生が抑制されて、より広いチルト角の範囲で正確な角度情報を得ることが可能となる。また、球状の超音波送受波器と比較して、振動子１８の数を増大させることなく、超音波送受波器１０を容易に製造することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、周方向に配置した複数の振動子から超音波を送受波するための超音波送受波器であって、より詳細には、船舶に搭載されて魚群等の物標を探知するスキャニングソナーの送受波器として用いられる超音波送受波器に関する。

従来より、円筒形状の超音波送受波器では、該超音波送受波器から送受波する超音波の１／２波長の間隔で、水平方向（周方向）及び鉛直方向（垂直方向）に複数の振動子を配置し、前記各振動子から前記水平方向の全方位に前記超音波を送受波することにより、水中の魚群等の物標にて反射した超音波（エコー）をエコー信号として前記各振動子で検出し、検出した前記エコー信号を解析して前記物標の角度情報（どの方向に物標が存在するのかという情報）を探知する。

特許文献１には、前記各振動子に印加される送信信号を前記垂直方向に位相制御することにより、前記水平方向に対する所定のチルト角の方向にて超音波（主ローブ）を送受波することが提案されている。

特開２００１−３４３４５０号公報

ところで、超音波の送受波時には、主ローブに加え、物標の探知に不要なサイドローブも同時に発生する。そのため、位相制御によりチルト角を大きく設定すると、前記主ローブと前記サイドローブとが合成したグレーティングローブが発生するので、各振動子で検出されるエコー信号は、前記グレーティングローブの影響を受けた電気信号となる。従って、このエコー信号を解析しても、物標の正確な角度情報を得ることができない。

そこで、特許文献１には、超音波送受波器を球面状とすることにより、チルト角を大きくしても主ローブの指向性を確保できること（グレーティングローブの発生を抑制すること）が提案されている。しかしながら、円筒形状の超音波送受波器と球面状の超音波送受波器とが同一高さである場合に、該球面状の超音波送受波器の表面積は、前記円筒形状の超音波送受波器の表面積よりも大きくなるので、前記球面状の超音波送受波器に配置される振動子の数が相対的に多くなる。また、前記球面状の超音波送受波器では、各振動子が互いに異なる方向に指向して配置されるので、前記円筒形状の超音波送受波器と比較して、振動子の配置構造が複雑となって、製造が困難となる。

この発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、グレーティングローブの発生を抑制して、より広いチルト角の範囲内で正確な角度情報を得ることが可能になると共に、振動子の数を増大させることなく、容易に製造することができる超音波送受波器を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波送受波器は、複数の振動子を周方向に配置して構成され且つ上方から下方に向かって縮径する逆円錐台形状の送受波器本体を有し、前記各振動子は、前記逆円錐台形状の送受波器本体の側面に形成される輻射面から超音波を送受波することを特徴とする。

この発明によれば、送受波器本体を逆円錐台形状とすることで、グレーティングローブの発生する角度範囲が水平方向側から鉛直方向側に移動するので、超音波（主ローブ）を送受波するためのチルト角の範囲を広げることができる。従って、グレーティングローブの発生を抑制して、より広いチルト角の範囲で正確な角度情報を得ることが可能となる。また、送受波器本体の形状が円筒形状に近い逆円錐台形状であるので、球状の超音波送受波器と比較して、振動子の数を増大させることなく、超音波送受波器を容易に製造することができる。

この発明に係る超音波送受波器の好適な実施形態について、図１〜図８Ｂを参照しながら説明する。

本実施形態に係る超音波送受波器１０は、図１に示すように、上方から下方に向かって縮径する逆円錐台形状の送受波器本体１２を、絶縁油１６が充填された有底筒状のドーム１４内に収容することにより構成され、該送受波器本体１２での超音波の送受波により、水中の魚群等の物標を探知するためのスキャニングソナーとして船舶６０（図８Ｂ参照）に搭載される。従って、ドーム１４及び絶縁油１６は、前記超音波（送受波器本体１２から放射される送信ビーム及び物標からのエコー）の減衰が比較的小さな音透過性の高い材料から構成される。

送受波器本体１２は、図２に示す振動子１８を周方向に配置すると共に、該周方向に配置した複数の振動子１８を鉛直方向（図１に示す送受波器本体１２の中心軸１９に沿った方向）に沿って積層することにより構成される。

具体的には、図３〜図５に示すように、送受波器本体１２内には、ガラスエポキシ樹脂等の基板２２における送受波器本体１２の外周側（側面２３側）に断面略Ｌ字状のコルク２４が配置され、該コルク２４上に電極２０ｂ、振動子１８及び電極２０ａが順に配置されている。基板２２上には、図４及び図５の例に示すように、送受波器本体１２の周方向に沿って、間隔ｌｃｂ、ｌｃｕ（に応じた角度θｃｂ、θｃｕの間隔）で複数の振動子１８が配置されている。このように、周方向に沿って複数配置された振動子１８、電極２０ａ、２０ｂ及びコルク２４を有する複数の基板２２を、間隔ｌｐで中心軸１９に沿って積層し、積層した各基板２２の中心２６（中心軸１９を構成する点）を貫通する図示しない支持部材により該各基板２２を支持することにより、送受波器本体１２が構成される。

なお、図４は、送受波器本体１２の最下段の基板２２における振動子１８の配置状態を示し、図５は、送受波器本体１２の最上段の基板２２における振動子１８の配置状態を示している。ここで、図４及び図５では、基板２２の図示と、振動子１８の基端面２８側のコルク２４の図示とを省略している。また、間隔ｌｃｂ、ｌｃｕは、図４及び図５の平面視で、基板２２の中心２６から外径方向（図１に示す側面２３の方向）に向かって延在する軸３１と、各振動子１８の輻射面３０とが直交する箇所を点３３（輻射面３０の中央部を示す点）とした場合に、中心２６と点３３との間の距離を半径とする円３５のうち、隣接する２つの振動子１８の点３３間の円弧の長さをいう。そして、間隔ｌｃｂ、ｌｃｕは、送受波器本体１２にて送受波される超音波の波長λに設定され（ｌｃｂ＝ｌｃｕ＝λ）、一方で、間隔ｌｐは、超音波の１／４波長に設定されている（ｌｐ＝λ／４）。この場合、各基板２２に配置される振動子１８は、同一の形状及び大きさであり、一方で、前述したように、送受波器本体１２は、上方から下方に向かって縮径する逆円錐台形状とされているので、上方から下方に向かうに従い、基板２２の大きさが小さくなって、該基板２２に配置される振動子１８の個数も減少すると共に、隣接する振動子１８が互いに近接して配置されることになる。

振動子１８は、圧電セラミックス等で構成され、図４及び図５の平面視で、基板２２の中心２６から外径方向（側面２３）に向かって拡開する扇形状とされている。この場合、中心２６側の基端面２８と、側面２３側の輻射面３０とは、中心軸１９（に平行な直線３８）に対して所定の角度θｓ（例えば、θｓ＝１０°〜２０°）だけ傾斜している。なお、輻射面３０は、側面２３に沿って角度θｓだけ傾斜しているので、輻射面３０に直交する軸３６と水平方向を示す軸３４との成す角度θｄは、角度θｄと略等しい角度となる（θｓ≒θｄ）。

遮音性を有するコルク２４は、図３〜図５に示すように、振動子１８の底面側（電極２０ｂ）、側面３２及び基端面２８を囲曉するように基板２２上に配置されている。ここで、電極２０ａ、２０ｂに電圧（送信信号）を印加すると、圧電セラミックスからなる振動子１８内では、図３の片側矢印方向に分極が発生して、該圧電セラミックスは、両側矢印方向に振動する。これにより、輻射面３０から外部に超音波（送信ビーム）が放射されると共に、外部から魚群等の物標にて反射される超音波（エコー）を受信し、エコー信号として検出することができる。

以上のように構成される超音波送受波器１０の効果について、図６Ａ〜図８Ｂを参照しながら説明する。

図６Ａは、従来技術に係る超音波送受波器を構成する円筒形状の送受波器本体５４にて送受波される超音波の指向性のシミュレーション結果（比較例１）であり、一方で、図６Ｂは、本実施形態に係る超音波送受波器１０を構成する逆円錐台形状の送受波器本体１２にて送受波される超音波の指向性のシミュレーション結果（実施例１）である。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、主ビームのチルト角Ｔ（水平方向の軸３４と主ビームを送受波する方向との成す角度）を６０°に設定している。また、図６Ｂでは、θｓ及びθｄを２０°に設定している。

図６Ａの比較例１において、水平方向に対してチルト角Ｔを６０°まで大きくすると、送信ビーム又はエコーを示す主ローブと、物標の探知に不要なサイドローブ５２とが合成してグレーティングローブ５０が発生するので、各振動子で検出されるエコー信号（エコーから変換された電気信号）は、グレーティングローブ５０の影響を受けた電気信号となる。従って、このエコー信号を解析しても、物標の正確な角度情報（どの方向に魚群等の物標が存在するのかという情報）を得ることができない。

これに対して、図６Ｂの実施例１では、チルト角Ｔを６０°にまで大きくしても、主ローブ５６とサイドローブ５２とが合成されず、従って、グレーティングローブ５０の発生が抑制されている。すなわち、実施例１の場合、送受波器本体１２の形状が逆円錐台形状であるため、グレーティングローブ５０の発生する角度範囲が、水平方向（軸３４）から離間して鉛直方向（中心軸１９）側に移動することになり、この結果、正確な角度情報が得られるチルト角Ｔの範囲を広げることができるためである。

次に、図７Ａは、輻射面３０に傾斜を設けない振動子５８での場合（θｓ＝θｄ＝０°）での超音波の位相遅れのシミュレーション結果（比較例２）であり、一方で、図７Ｂは、振動子１８の輻射面３０が角度θｓだけ傾斜している場合（θｓ＝θｄ＝１０°）での超音波の位相遅れのシミュレーション結果（実施例２）である。

図７Ａの比較例２では、チルト角Ｔが０°、すなわち、水平方向（図３に示す軸３４の方向）以外の全ての角度で位相遅れが発生している。これに対して、図７Ｂの実施例２では、Ｔ＝−２０°〜５０°の広い角度範囲にわたって位相遅れが抑制されていることが容易に理解できる。これは、前述したように、本実施形態では、送受波器本体１２の形状を逆円錐台形状としたので、チルト角Ｔを大きくしても、主ローブ５６とサイドローブ５２とが合成されず、グレーティングローブ５０の発生が抑制されるためである。

以上説明したように、本実施形態に係る超音波送受波器１０によれば、送受波器本体１２を逆円錐台形状とすることで、グレーティングローブ５０の発生する角度範囲が水平方向（軸３４）側から鉛直方向（中心軸１９）側に移動して、超音波（主ローブ）を送受波するためのチルト角Ｔの範囲を広げることができる。従って、グレーティングローブ５０の発生を抑制して、より広いチルト角Ｔの範囲で正確な角度情報を得ることが可能となる。

具体的には、船舶６０直下の水中の魚群を探知する魚群探知機６２及び従来技術に係る超音波送受波器６４を船舶６０に搭載した場合（図８Ａ参照）と、魚群探知機６２及び本実施形態に係る超音波送受波器１０を船舶６０に搭載した場合（図８Ｂ参照）とを比較した際に、図８Ａの例では、グレーティングローブ５０の発生により、超音波送受波器６４のチルト角Ｔを広範囲に設定することができず（例えば、Ｔ＝−５°〜６０°の角度範囲）、魚群探知機６２の探索範囲６６と、最も大きなチルト角Ｔ（Ｔ＝６０°）での探索範囲６８との間で、魚群を探索することのできない範囲（探索範囲６６、６８間の１０°の角度範囲）が発生する。これに対して、図８Ｂの例では、本実施形態に係る超音波送受波器１０を船舶６０に搭載することで、グレーティングローブ５０の発生が抑制されるので、チルト角Ｔを広範囲に設定することが可能となり（例えば、Ｔ＝−５°〜７５°の角度範囲）、上述した魚群を探索不能な範囲を無くして、魚群の探索範囲（サービスエリア）を拡大することが可能となる。この結果、本実施形態によれば、従来技術と比較して、船舶６０周辺の水中における魚群を確実且つ短時間で探索することができる。

また、本実施形態に係る超音波送受波器１０によれば、送受波器本体１２の形状が円筒形状に近い逆円錐台形状であるので、球状の超音波送受波器と比較して、振動子１８の数を増大させることなく、超音波送受波器１０を容易に製造することができる。

さらに、各振動子１８の輻射面３０を送受波器本体１２の側面２３に沿って、該送受波器本体１２の中心軸１９に対して角度θｓ（θｓ＝θｄ）だけ傾斜することにより、主ローブ５６の指向性を良好にすると共に、サイドローブ５２の発生を少なくすることができる。また、輻射面３０から軸３４、３６の方向に超音波の送受波を妨げるような不要な介在物又は突起物が存在しないので、超音波送受波器１０を容易に構成することができる。

さらにまた、周方向に配置した複数の振動子１８を中心軸１９に沿って積層することにより送受波器本体１２を構成し、各振動子１８は、超音波の波長λの間隔で前記周方向に沿って配置されると共に、前記超音波の１／４波長（λ／４）の間隔で中心軸１９に沿って積層されるので、主ローブ５６の指向性制御による物標の探知範囲の一層の拡大を図ることができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、種々の構成を採り得ることは勿論である。

本実施形態に係る超音波送受波器の断面図である。 振動子の斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 送受波器本体の最下段の基板における振動子の配置状態を示す平面図である。 送受波器本体の最上段の基板における振動子の配置状態を示す平面図である。 図６Ａは、円筒形状の送受波器本体にて送受波される超音波の指向性のシミュレーション結果を示す特性図であり、図６Ｂは、図１の送受波器本体にて送受波される超音波の指向性のシミュレーション結果を示す特性図である。 図７Ａは、振動子の輻射面に傾斜を設けない場合での超音波の位相遅れのシミュレーション結果を示す特性図であり、図７Ｂは、振動子の輻射面を傾斜させた場合での超音波の位相遅れのシミュレーション結果を示す特性図である。 図８Ａは、魚群探知機及び従来技術に係る超音波送受波器を船舶に搭載した場合の水中の探索範囲を示す説明図であり、図８Ｂは、魚群探知機及び図１の超音波送受波器を船舶に搭載した場合の水中の探索範囲を示す説明図である。

符号の説明

１０…超音波送受波器 １２…送受波器本体
１８…振動子 １９…中心軸
２０ａ、２０ｂ…電極 ２２…基板
２３、３２…側面 ２４…コルク
２８…基端面 ３０…輻射面
５０…グレーティングローブ ５２…サイドローブ
５６…主ローブ ６０…船舶
６２…魚群探知機

Claims (3)

1. 複数の振動子を周方向に配置して構成され、且つ、上方から下方に向かって縮径する逆円錐台形状の送受波器本体を有し、
   前記各振動子は、前記逆円錐台形状の送受波器本体の側面に形成される輻射面から超音波を送受波する
   ことを特徴とする超音波送受波器。
2. 請求項１記載の超音波送受波器において、
   前記各振動子の輻射面は、前記送受波器本体の側面に沿って、前記送受波器本体の中心軸に対して傾斜している
   ことを特徴とする超音波送受波器。
3. 請求項２記載の超音波送受波器において、
   前記送受波器本体は、前記周方向に配置した複数の振動子を前記中心軸に沿って積層することにより構成され、
   前記各振動子は、前記超音波の波長の間隔で前記周方向に沿って配置されると共に、前記超音波の１／４波長の間隔で前記中心軸に沿って積層される
   ことを特徴とする超音波送受波器。

Images