JP2010171872A - 超音波フェイズドアレイ送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要とされる超音波振動子の数および変成器の数が少なく、組立が簡単で安価な超音波フェイズドアレイ送受波器を提供すること。
【解決手段】 放射面に設置された表面電極と対向面に設置された裏面電極とを有する超音波振動子２が平面上に１０行、１０列に配置された超音波振動子群と、平衡２次側の端子Ｆ１、Ｆ２を有する変成器Ｔ１、および平衡２次側の端子Ｒ１、Ｒ２を有する変成器Ｔ２とを備え、各行の中心間隔および各列の中心間隔Ｐを、超音波の水中での波長をλとするとき、０．７５λ≦Ｐ≦１．２５λに設定し、表面電極を各行毎に結線して行結線群３１とし、裏面電極を各列毎に結線して列結線群３２とし、行結線群３１を奇数行の結線群と偶数行の結線群とに分けて、一方の変成器Ｔ１の平衡２次側の端子Ｆ１、Ｆ２に接続し、列結線群３２を奇数列の結線群と偶数列の結線群とに分けて他方の変成器Ｔ２の平衡２次側の端子Ｒ１、Ｒ２に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中超音波ビームを形成する超音波振動子のフェイズドアレイに関し、特に超音波振動子の配列接続方法と駆動方式の改善によって小型軽量化した超音波フェイズドアレイ送受波器に関するものである。

水中においては、超音波のドップラー効果を利用する速度計や超音波の伝搬時間を利用する高度計が多く使用されている。この種の高度計や速度計に用いられる代表的な送受波器は、放射された超音波ビームの先端が超音波の到達平面に形成された正方形の頂点に位置するように４つの超音波ビームを放射する直交４ビームと呼ばれる超音波ビームを持つ送受波器である。

直交４ビームは到達平面図上の配置として＋字型と×字型とがあり、超音波ビームの放射角度は、水平方向からの角度である俯角が６０度、すなわち、鉛直線を基準としたビーム仰角で３０度とするのが代表的である。

従来の送受波器は、水中音波の波長の１０〜２０倍の直径を有する円盤状の超音波振動子を４個使用し、それらを超音波振動子の放射面の方向に予め仰角を持たせて送受波器内に配置する構造となっている。

しかしこの構造による送受波器は形状が大きいため、これを小型にすべく、各種の試みがなされている。例えば、矩形板状の小さな超音波振動子を平面上に配列し、前記の円盤状の超音波振動子１個と同程度の大きさで直交４ビームを放射できる送受波器の提案がされている。

このように矩形板状の小さな超音波振動子を平面配列してなる送受波器は、超音波フェイズドアレイ送受波器と呼ばれる。速度や高度等の算出方法は、前記の従来の送受波器と同じであり、４つの超音波ビームの反射波を検出しその受信信号から速度や高度等が算出できる。このような超音波フェイズドアレイ送受波器は、特許文献１または特許文献２に開示されている。

図４は、従来の超音波フェイズドアレイ送受波器で得られる送信指向性のチャート図の一例である。超音波振動子の超音波の放出面に垂直な方向から±３０度の方向に２つの超音波ビームが放出される。

特開２００１−１９７５９５号公報 特開２００１−３０５２１７号公報

しかしながら、前記の特許文献１に記載の超音波フェイズドアレイ送受波器を用いた場合は、矩形板状の小さな超音波振動子が数百個必要になるため組立が複雑で高価になるという問題があった。また、特許文献２に記載の超音波フェイズドアレイ送受波器を用いた場合は、超音波振動子の必要数は減少するが、超音波振動子に接続される変成器が４個必要となり、装置構成や動作が複雑になるという問題があった。

従って、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、必要とされる超音波振動子の数および変成器の数が少なく、組立が簡単で安価な超音波フェイズドアレイ送受波器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の超音波フェイズドアレイ送受波器は、超音波を放射する放射面に設置された表面電極とその対向する面に設置された裏面電極とを有する超音波振動子が平面上にＮ行、Ｍ列（ＮとＭは正の整数）となるように行列配置されてなる超音波振動子群と、それぞれ２つの平衡２次側の端子と１次側の端子とを有する第一の変成器および第二の変成器とを有し、前記Ｎ行の各行を成す超音波振動子の中心間の間隔Ｐ１および前記Ｍ列の各列を成す超音波振動子の中心間の間隔Ｐ２が、前記超音波が伝播する媒体中での波長をλとするとき、０．７５λ≦Ｐ１≦１．２５λ、０．７５λ≦Ｐ２≦１．２５λであって、前記表面電極を各行毎に結線してＮ本の行結線群とし、前記裏面電極を各列毎に結線してＭ本の列結線群とし、Ｋを０または正の整数とするとき、前記Ｎ本の行結線群を（１＋２Ｋ）行を成す奇数行結線群と（２＋２Ｋ）行を成す偶数行結線群との２つのグループに分けてそれぞれのグループを結線し、前記Ｍ本の列結線群を（１＋２Ｋ）列を成す奇数列結線群と（２＋２Ｋ）列を成す偶数列結線群との２つのグループに分けてそれぞれのグループを結線し、前記奇数行結線群と前記偶数行結線群をそれぞれ前記第一の変成器の平衡２次側の端子に接続し、前記奇数列結線群と前記偶数列結線群をそれぞれ前記第二の変成器の平衡２次側の端子に接続したことを特徴とする。

また、前記第一の変成器および第二の変成器の１次側の端子にそれぞれ接続され該１次側の端子へ送信波を送出しかつ該１次側の端子から受信波を受信する機能を有する２つの送受波切替回路と、該２つの送受波切替回路に送信波を送出する機能を有する送波ビーム切替回路と、前記２つの送受波切替回路からの受信波の一方のみを切り替えて出力する機能を有する受波ビーム切替回路と、該受波ビーム切替回路からの受信信号を入力し該受信信号を高速フーリエ変換処理する機能を有する高速フーリエ変換処理回路とを有してもよい。

また、前記第一の変成器への送信波の送出により、前記超音波振動子群のほぼ中心を通り前記放射面に垂直な直線、すなわち中心線を含み、前記Ｎ行に配列された超音波振動子の行間隔方向に平行な平面内にあって、かつ前記中心線に対して互いに対称な方向に伝播軸を有する２つの超音波ビーム、すなわち縦ツインビームを送出する機能と、前記第二の変成器への送信波の送出により、前記中心線を含み、前記Ｍ列に配列された超音波振動子の列間隔方向に平行な平面内にあって、かつ前記中心線に対して互いに対称な方向に伝播軸を有する２つの超音波ビーム、すなわち横ツインビームを送出する機能とを有し、前記高速フーリエ変換処理回路は、前記縦ツインビームを成す２つの超音波ビームのそれぞれの超音波ビームの反射による受信信号の周波数を分離する機能、および前記横ツインビームを成す２つの超音波ビームのそれぞれの超音波ビームの反射による受信信号の周波数を分離する機能を有してもよい。

また、当該超音波フェイズドアレイ送受波器は移動体に搭載されるものであって、前記縦ツインビームを成す２つの超音波ビームの伝播軸を含む面および前記横ツインビームを成す２つの超音波ビームの伝播軸を含む面が前記移動体の進行方向に対して４５度の角度を成すように配置してもよい。

また、前記超音波振動子の放射面は正方形または円形であることが望ましい。

本発明の超音波フェイズドアレイ送受波器では、上記のように、従来の矩形板状の小さな超音波振動子の寸法、配列方法および接続方法を従来の方法より変更し、さらに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理回路を追加することにより、必要とされる超音波振動子の数および変成器の数が少なく、組立が簡単で安価な超音波フェイズドアレイ送受波器が得られる。例えば、特許文献１の超音波フェイズドアレイ送受波器では、超音波振動子の数量が２９２個必要であったのに対し、本発明では超音波振動子の数量を６０個に減らすことができ、また、変成器の数も２個と少ない。本発明の超音波フェイズドアレイ送受波器により組立が簡単で安価な小型の高度計や速度計を提供することができる。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器の一実施の形態の構成図。 本実施の形態の超音波フェイズドアレイ送受波器による超音波ビームを示す斜視図。 本実施の形態の超音波フェイズドアレイ送受波器で得られる送信指向性のチャート図の一例。 従来の超音波フェイズドアレイ送受波器で得られる送信指向性のチャート図の一例。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器の一実施の形態の構成図であり、超音波振動子の配列とそれらと変成器との結線の状態、および信号処理の入出力回路の構成、さらに放射される超音波ビームの方向を示している。

図１において、本実施の形態の超音波フェイズドアレイ送受波器１Ａは超音波を放射する正方形の放射面に設置された表面電極とその対向する面に設置された裏面電極とを有する超音波振動子２が平面上にＮ行、Ｍ列（ここでは、Ｎ＝１０、Ｍ＝１０）となるように行列配置されてなる超音波振動子群と、２つの平衡２次側の端子Ｆ１、Ｆ２と１次側の端子とを有する変成器Ｔ１、および、２つの平衡２次側の端子Ｒ１、Ｒ２と１次側の端子とを有する変成器Ｔ２とを備えている。また、１０行の各行を成す超音波振動子２の中心間の間隔Ｐ１および１０列の各列を成す超音波振動子２の中心間の間隔Ｐ２は、超音波が伝播する水中での波長をλとするとき、０．７５λ≦Ｐ１≦１．２５λ、０．７５λ≦Ｐ２≦１．２５λを満たす値に設定している。さらに、超音波振動子２の表面電極を各行毎に結線して１０本の行結線群３１とし、超音波振動子２の裏面電極を各列毎に結線して１０本の列結線群３２とし、さらに１０本の行結線群３１を奇数行を成す奇数行結線群と偶数行を成す偶数行結線群との２つのグループに分けてそれぞれのグループを結線し、同様に１０本の列結線群３２を奇数列を成す奇数列結線群と偶数列を成す偶数列結線群との２つのグループに分けてそれぞれのグループを結線し、奇数行結線群と偶数行結線群をそれぞれ変成器Ｔ１の平衡２次側の端子Ｆ１、Ｆ２に接続し、奇数列結線群と偶数列結線群をそれぞれ変成器Ｔ２の平衡２次側の端子Ｒ１、Ｒ２に接続している。

また、本実施の形態では、変成器Ｔ１および変成器Ｔ２の１次側の端子にそれぞれ接続されこれらの１次側の端子へ送信波を送出しかつこれらの１次側の端子から受信波を受信する機能を有する２つの送受波切替回路４Ａ、４Ｂと、送受波切替回路４Ａおよび４Ｂに送信波を送出する機能を有する送波ビーム切替回路５と、送受波切替回路４Ａおよび４Ｂからの受信波の一方のみを切り替えて出力する機能を有する受波ビーム切替回路６と、受波ビーム切替回路６からの受信信号を入力しその受信信号を高速フーリエ変換処理する機能を有するＦＦＴ処理回路７とを備えている。

超音波振動子２の具体的一例としては、その形状を、縦９．５ｍｍ、横９．５ｍｍ、高さ約１０ｍｍのブロックとし、このブロックの縦と横の成す正方形面の２面に電極を設け一方を正極、他方を負極としたものを使用することができる。

また、図１に示すように、超音波振動子２の数を６０個とし、上から下に行番号を１行目〜１０行目とし、右から左に列番号を１列目〜１０列目となるように行列配列する。超音波振動子２の配列は、超音波振動子２の正極を表面電極にし、負極を裏面電極として表面電極が表になるように揃える。ここで、図１のように、各行、各列とも同数個の超音波振動子２を配列するのではなく、配列された超音波振動子群の超音波放出面の外形を円形に近づけるように、各行、各列とも配列する超音波振動子２の数を調整している。

送受波切替回路４Ａ、４Ｂは、送信信号と受信信号の流れる方向の切り替えを行う。ここで、送波ビーム切替回路５は、送受波切替回路４Ａおよび送受波切替回路４Ｂに送波信号を切り替えて送る回路である。

図２は、図１に示した本実施の形態の超音波フェイズドアレイ送受波器による超音波ビームを示す斜視図である。送波ビーム切替回路５から送受波切替回路４Ａを通して変成器Ｔ１へ送出された送信波により、超音波振動子群１Ｂのほぼ中心を通り放射面に垂直な中心線１０を含み、各行に配列された超音波振動子２の行間隔方向に平行な平面内にあって、中心線１０に対して互いに対称な方向に伝播軸を有する２つの超音波ビーム９Ａ，９Ｃからなる縦ツインビームが送出され、送受波切替回路４Ｂを通して変成器Ｔ２へ送出された送信波により、中心線１０を含み、各列に配列された超音波振動子２の列間隔方向に平行な平面内にあって、中心線１０に対して互いに対称な方向に伝播軸を有する２つの超音波ビーム９Ｂ，９Ｄからなる横ツインビームが送出される。超音波振動子２の配列方向に対する超音波ビームの放射方向を図１の破線に示す。

本実施の形態の超音波フェイズドアレイ送受波器を移動体に搭載するとき、図２に示すように、その移動体の進行方向をＸ方向とするとき、縦ツインビームを成す２つの超音波ビーム９Ａ、９Ｃの伝播軸９ＡＰ、９ＣＰを含む面および横ツインビームを成す２つの超音波ビーム９Ｂ、９Ｄの伝播軸９ＢＰ、９ＤＰを含む面がＸ方向に対して４５度の角度を成すように配置する。すなわち、進行方向に対して×字型に配置する。

ＦＦＴ処理回路７は、超音波ビーム９Ａ、９Ｃのそれぞれの超音波ビームの反射による受信信号の周波数を分離する機能、および超音波ビーム９Ｂ、９Ｄのそれぞれの超音波ビームの反射による受信信号の周波数を分離する機能を有している。すなわち、超音波ビーム９Ａと超音波ビーム９Ｃからの反射波の合成波信号にＦＦＴ処理を実施し、それぞれの反射波の周波数を算出する。速度計として使用する場合、移動体が停止していればドップラー周波数偏倚はなく超音波ビーム９Ａと超音波ビーム９Ｃの反射波からは送信周波数と同じ周波数ｆｏの１つの周波数が算出される。移動体が航走していれば水中で使用する主な航走体の航走方向は波等によりＸ方向からのずれが生ずるが、超音波ビーム９Ａは前方であるためその反射波の周波数として前方向と右方向の合成周波数ｆｏ＋Δｆ、超音波ビーム９Ｃは後方であるためその反射波の周波数として後方向と左方向の合成周波数ｆｏ−Δｆ（ここでΔｆはドップラー周波数偏倚）の２つの周波数が算出される。

同様に、超音波ビーム９Ｂと超音波ビーム９Ｄからの反射波の合成波信号にＦＦＴ処理を実施し、それぞれの反射波の周波数を算出する。速度計として使用する場合、移動体が停止していればドップラー周波数偏倚はなく同じ周波数ｆｏの１つの周波数が算出され、航走していれば前方にある超音波ビーム９Ｂの反射波の周波数として前方向と左方向の合成周波数ｆｏ＋Δｆ、後方にある超音波ビーム９Ｄの反射波の周波数として後方向と右方向の合成周波数ｆｏ−Δｆ、の２つの周波数が算出される。

図３は、本実施の形態の超音波フェイズドアレイ送受波器で得られる送信指向性のチャート図の一例を示す。送波ビーム切替回路５により送受波切替回路４Ａに送信信号を送り発生させた超音波ビーム９Ａと超音波ビーム９Ｃからなる縦ツインビームと、送波ビーム切替回路５により送受波切替回路４Ｂに送信信号を送り発生させた超音波ビーム９Ｂと超音波ビーム９Ｄからなる横ツインビームについてシミュレーションした結果である。図４に示した従来の超音波フェイズドアレイ送受波器と同様に超音波振動子の超音波の放出面に垂直な方向から±３０度の方向に２つの超音波ビームが放出されており、従来よりもサイドローブの少ない良好な指向性が得られている。

以上のように、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器では、超音波振動子を行および列方向をおよそ超音波の波長の間隔で配列し、それらの電極を適切に結線して２つの変成器に接続すること、縦及び横ツインビームからの反射による受波信号をＦＦＴ処理で分離検出することにより、超音波振動子の数および変成器の数が減り、配線等の組立が容易になる。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、ドップラー効果を利用する速度計や伝搬時間を利用する高度計などの測定や測量を水中で行う計測機器に広く利用することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、変成器に送信信号を送出する部分の回路の構成や変成器からの受信信号を検出する部分の回路の構成は上記の実施の形態に限定されるものではなく、超音波フェイズドアレイ送受波器に対する要求機能、要求性能によって回路機能の変更や追加が可能である。また、超音波振動子の放射面の形状も正多角形、正方形に近い長方形、円形に近い楕円形なども可能であり、その配列の間隔についても多少のばらつきは許容可能である。超音波振動子の数も要求性能によって設計可能である。

２ 超音波振動子
５ 送波ビーム切替回路
６ 受波ビーム切替回路
７ ＦＦＴ処理回路
１０ 中心線
３１ 行結線群
３２ 列結線群
１Ａ 超音波フェイズドアレイ送受波器
１Ｂ 超音波振動子群
４Ａ、４Ｂ 送受波切替回路
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ 超音波ビーム
９ＡＰ、９ＢＰ、９ＣＰ、９ＤＰ 伝播軸
Ｆ１、Ｆ２、Ｒ１、Ｒ２ 平衡２次側の端子
Ｔ１、Ｔ２ 変成器

Claims (5)

1. 超音波を放射する放射面に設置された表面電極とその対向する面に設置された裏面電極とを有する超音波振動子が平面上にＮ行、Ｍ列（ＮとＭは正の整数）となるように行列配置されてなる超音波振動子群と、それぞれ２つの平衡２次側の端子と１次側の端子とを有する第一の変成器および第二の変成器とを有し、
   前記Ｎ行の各行を成す超音波振動子の中心間の間隔Ｐ１および前記Ｍ列の各列を成す超音波振動子の中心間の間隔Ｐ２が前記超音波が伝播する媒体中での波長をλとするとき、０．７５λ≦Ｐ１≦１．２５λ、０．７５λ≦Ｐ２≦１．２５λであって、
   前記表面電極を各行毎に結線してＮ本の行結線群とし、前記裏面電極を各列毎に結線してＭ本の列結線群とし、Ｋを０または正の整数とするとき、前記Ｎ本の行結線群を（１＋２Ｋ）行を成す奇数行結線群と（２＋２Ｋ）行を成す偶数行結線群との２つのグループに分けてそれぞれのグループを結線し、前記Ｍ本の列結線群を（１＋２Ｋ）列を成す奇数列結線群と（２＋２Ｋ）列を成す偶数列結線群との２つのグループに分けてそれぞれのグループを結線し、
   前記奇数行結線群と前記偶数行結線群をそれぞれ前記第一の変成器の平衡２次側の端子に接続し、前記奇数列結線群と前記偶数列結線群をそれぞれ前記第二の変成器の平衡２次側の端子に接続したことを特徴とする超音波フェイズドアレイ送受波器。
2. 前記第一の変成器および第二の変成器の１次側の端子にそれぞれ接続され該１次側の端子へ送信波を送出しかつ該１次側の端子から受信波を受信する機能を有する２つの送受波切替回路と、該２つの送受波切替回路に送信波を送出する機能を有する送波ビーム切替回路と、前記２つの送受波切替回路からの受信波の一方のみを切り替えて出力する機能を有する受波ビーム切替回路と、該受波ビーム切替回路からの受信信号を入力し該受信信号を高速フーリエ変換処理する機能を有する高速フーリエ変換処理回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の超音波フェイズドアレイ送受波器。
3. 前記第一の変成器への送信波の送出により、前記超音波振動子群のほぼ中心を通り前記放射面に垂直な直線、すなわち中心線を含み、前記Ｎ行に配列された超音波振動子の行間隔方向に平行な平面内にあって、かつ前記中心線に対して互いに対称な方向に伝播軸を有する２つの超音波ビーム、すなわち縦ツインビームを送出する機能と、前記第二の変成器への送信波の送出により、前記中心線を含み、前記Ｍ列に配列された超音波振動子の列間隔方向に平行な平面内にあって、かつ前記中心線に対して互いに対称な方向に伝播軸を有する２つの超音波ビーム、すなわち横ツインビームを送出する機能とを有し、
   前記高速フーリエ変換処理回路は、前記縦ツインビームを成す２つの超音波ビームのそれぞれの超音波ビームの反射による受信信号の周波数を分離する機能、および前記横ツインビームを成す２つの超音波ビームのそれぞれの超音波ビームの反射による受信信号の周波数を分離する機能を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波フェイズドアレイ送受波器。
4. 当該超音波フェイズドアレイ送受波器は移動体に搭載されるものであって、前記縦ツインビームを成す２つの超音波ビームの伝播軸を含む面および前記横ツインビームを成す２つの超音波ビームの伝播軸を含む面が前記移動体の進行方向に対して４５度の角度を成すように配置することを特徴とする請求項３に記載の超音波フェイズドアレイ送受波器。
5. 前記超音波振動子の放射面は正方形または円形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波フェイズドアレイ送受波器。

Images