JP2015203566A - 超音波送波器、及び水中探知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波波形のエンベロープを安定化する。【解決手段】サンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントアップされ所定値を超えると所定値の超過分の数値となるカウンタ値Ａｎ（ｎ＝１，２，…）、を順次出力するカウンタ１１と、カウンタ１１から順次出力されるカウンタ値Ａｎを閾値Ｔｈｒと順次比較し、該カウンタ値Ａｎが前記閾値Ｔｈｒをまたいだときにオン状態となり、該オン状態になってから設定時間経過後にオフ状態となる第１駆動信号を生成する第１駆動信号生成部２０と、第１駆動信号に基づいて駆動された超音波振動子から超音波を送波させる送波部２と、を備えた超音波送波器１０を構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波波形を生成するための駆動信号を生成する駆動信号生成部を有する超音波送波器、及び超音波送波器を備えた水中探知装置に関する。

従来より、パルス状に形成された駆動信号のパルス幅を制御することにより（すなわち、ＰＷＭ制御することにより）、超音波のエンベロープを制御することが知られている。例えば、特許文献１では、ＰＷＭ制御されたデジタル制御信号（駆動信号）に基づき、振動子を振動させて超音波を発生させるための送波信号が生成される。この駆動信号は、特許文献１の段落（００５４）及び図４に開示されるように、鋸歯状に形成されたＲＡＭＰ信号とアナログ制御信号（送波信号）との比較に基づいて設定される。

特許第４１１６９３０号

一方、デジタル方式の駆動信号を生成する場合、以下のような方法も考えられる。図２０は、一例として示す駆動信号生成部１００の構成を示すブロック図であり、図２１は、駆動信号生成部１００によって生成された駆動信号の波形の形状について説明するための図である。この例では、図２０及び図２１を参照して、カウンタ１０１が、サンプリング周期毎に任意のステップ値が加算されるとともに所定値を超えると該所定値の超過分の数値となるカウンタ値を順次、駆動信号生成部１００に出力する。

駆動信号生成部１００は、２つの比較部１０２ａ及び１０２ｂと、論理積演算部１０３とを備えている。

各比較部１０２ａ，１０２ｂは、カウンタ１０１から入力されるカウンタ値と閾値とを比較し、その比較結果を論理積演算部１０３に出力する。具体的には、一方の比較部１０２ａは、閾値Ｔｈｒ_Ａとカウンタ値とを比較し、カウンタ値が閾値Ｔｈｒ_Ａ未満の場合、２進数の０で表されるオフ信号を出力する一方、カウンタ値が閾値Ｔｈｒ_Ａ以上の場合、２進数の１で表されるオン信号を出力する。また、他方の比較部１０２ｂは、閾値Ｔｈｒ_Ｂ（＞Ｔｈｒ_Ａ）とカウンタ値とを比較し、カウンタ値が閾値Ｔｈｒ_Ｂを超える場合、２進数の０で表されるオフ信号を出力する一方、カウンタ値が閾値Ｔｈｒ_Ｂ以下の場合、２進数の１で表されるオン信号を出力する。

論理積演算部１０３は、各比較部１０２ａ，１０２ｂから出力された比較結果の論理積を演算する。論理積演算部３３での演算結果が１となるのは、各比較部１０２ａ，１０２ｂでの比較結果が共に１の場合である。これは、図２１を参照して説明すると、カウンタ値が、閾値Ｔｈｒ_Ａ以上且つ閾値Ｔｈｒ_Ｂ以下となる場合である。これにより、論理積演算部１０３から出力される駆動信号は、図２１に示すように、カウンタ値が閾値Ｔｈｒ_Ａ以上且つ閾値Ｔｈｒ_Ｂ以下となってから閾値Ｔｈｒ_Ｂを超えるまでの間にオン状態となり、それ以外の場合にオフ状態となる。

ところで、上述した駆動信号生成部１００で生成される駆動信号のパルス幅は、カウンタ値の数値が離散的であることに起因し、図２１に示すように変動する場合がある。そうなると、図２２に示すように、超音波波形のエンベロープの振幅が脈動してしまい、エンベロープが不安定となってしまう可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、超音波波形のエンベロープを安定化することである。

（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る超音波送波器は、超音波振動子を駆動するための駆動信号を生成して、前記超音波振動子から所望の振幅値を有する超音波を送波させる超音波送波器であって、初期値からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントアップされ所定値を超えると該所定値の超過分の数値となるカウンタ値である第１カウンタ値、又は、初期値からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントダウンされ、所定値未満になると、該所定値を下回った分の数値が前記初期値から減算された数値となるカウンタ値である第２カウンタ値、を順次出力するカウンタと、前記カウンタから順次出力される前記カウンタ値を閾値と順次比較し、前記第１カウンタ値が前記閾値を超えたとき、又は前記第２カウンタ値が前記閾値未満になったときにオン状態となり、該オン状態になってから設定時間経過後にオフ状態となる第１駆動信号を生成する第１駆動信号生成部と、前記第１駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波させる送波部と、を備えている。

（２）好ましくは、上記超音波送波器は、前記設定時間を制御することにより前記第１駆動信号のパルス幅を制御するパルス幅制御部、を更に備えている。

（３）更に好ましくは、上記超音波送波器は、前記パルス幅制御部によって制御される前記パルス幅に応じて前記閾値を制御する閾値制御部、を更に備えている。

（４）更に好ましくは、前記パルス幅制御部は、前記超音波のエンベロープの立ち上がり時に、時間の経過に応じて前記設定時間を長くする制御を行い、前記閾値制御部は、前記カウンタが前記第１カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち上がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を小さくする制御を行い、又は、前記カウンタが前記第２カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち上がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を大きくする制御を行う。

（５）好ましくは、前記パルス幅制御部は、前記超音波のエンベロープの立ち下がり時に、時間の経過に応じて前記設定時間を短くする制御を行い、前記閾値制御部は、前記カウンタが前記第１カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち下がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を大きくする制御を行い、又は、前記カウンタが前記第２カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち下がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を小さくする制御を行う。

（６）好ましくは、上記超音波送波器は、少なくとも２つの前記第１駆動信号生成部を更に備え、前記閾値は、第１閾値と、該第１閾値よりも大きい第２閾値と、を含み、一方の前記第１駆動信号生成部は、前記カウンタ値を前記第１閾値と比較し、他方の前記第１駆動信号生成部は、前記カウンタ値を前記第２閾値と比較し、前記超音波振動子は、一方の前記第１駆動信号生成部で生成された第１駆動信号、及び他方の前記第１駆動信号生成部で生成された第１駆動信号、の双方によって駆動される。

（７）好ましくは、上記超音波送波器は、前記カウンタから出力された前記カウンタ値と、下限閾値及び上限閾値とを比較し、該カウンタ値が前記下限閾値以上且つ前記上限閾値以下の場合はオン状態となり、該カウンタ値が前記下限閾値未満又は前記上限閾値を超える場合はオフ状態となる第２駆動信号、を生成する第２駆動信号生成部、を更に備え、前記超音波の前記振幅値が所定値未満の場合には、前記送波部は、前記第１駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波し、前記超音波の前記振幅値が前記所定値以上の場合には、前記送波部は、前記第２駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波する。

（８）好ましくは、上記超音波送波器は、前記カウンタから出力された前記カウンタ値と、下限閾値及び上限閾値とを比較し、該カウンタ値が前記下限閾値以上且つ前記上限閾値以下の場合はオン状態となり、該カウンタ値が前記下限閾値未満又は前記上限閾値を超える場合はオフ状態となる第２駆動信号、を生成する第２駆動信号生成部、を更に備え、
前記超音波のエンベロープの立ち上がり時及び立ち下がり時には、前記送波部は、前記第２駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波し、前記超音波のエンベロープが立ち上がった後であって該エンベロープが立ち下がるまでの間は、前記送波部は、前記第１駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波する。

（９）好ましくは、前記第１駆動信号生成部は、前記カウンタから順次出力される前記カウンタ値を前記閾値と順次比較し、その比較結果を順次出力する比較部と、直近で入力された前記比較部からの比較結果を記憶するとともに、前記比較部から次の比較結果が入力されるとそれまで記憶していた比較結果を出力するレジスタと、前記比較部から出力された比較結果と、前記レジスタから出力された比較結果を反転した値と、の論理和を演算する論理和演算部と、を有している。

（１０）また、上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、上述したいずれかの超音波送波器を備え、該超音波送波器から送波された超音波のエコー信号に基づいて水中の物標を探知する。

本発明によれば、超音波波形のエンベロープを安定化することができる。

本発明の実施形態に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す超音波送波器の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、超音波振動子から送波される超音波波形の一例を示す図であり、（Ｂ）は、超音波波形を生成するための送波信号の基となる駆動信号の一例を示す図である。 周期可変カウンタから随時、出力されるカウンタ値と、これらのカウンタ値に基づいて生成される駆動信号との関係を示すグラフである。 （Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち上がり時に閾値が徐々に小さくなる場合の、カウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形である。 （Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち上がり時に閾値が一定である場合の、カウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形である。 （Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち下がり時に閾値が徐々に大きくなる場合の、カウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形である。 （Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち下がり時に閾値が一定である場合の、カウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形である。 送波信号生成部の回路構成の一例を示す図である。 変形例に係る水中探知装置の超音波送波器の構成を示すブロック図である。 図１０に示す送信制御部によって生成される駆動信号の生成過程を説明するための図であって、（Ａ）は周期可変カウンタから出力されるカウンタ値と閾値との関係を示すグラフ、（Ｂ）は第１パルス波の波形図、（Ｃ）は第２パルス波の波形図、（Ｄ）は第１パルス波及び第２パルス波の合成波の波形図、である。 変形例に係る水中探知装置の超音波送波器の構成を示すブロック図である。 図１２に示す第２駆動信号生成部の構成を示すブロック図である。 周期可変カウンタから随時、出力されるカウンタ値と、これらのカウンタ値に基づいて生成される第２駆動信号との関係を示すグラフである。 （Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち上がり時におけるカウンタ値、第２駆動信号、第２駆動信号に基づく送信波形、及び基本波形である。 （Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち下がり時におけるカウンタ値、第２駆動信号、第２駆動信号に基づく送信波形、及び基本波形である。 変形例に係る水中探知装置の超音波送波器の構成を示すブロック図である。 図２に示す超音波送波器において、周期可変カウンタのステップ値を徐々に大きくすることにより生成される駆動信号の波形を説明するための図である。 変形例に係る周期可変カウンタから随時、出力されるカウンタ値と、これらのカウンタ値に基づいて生成される駆動信号との関係を示すグラフである。 比較例に係る駆動信号生成部の構成の一例を示すブロック図である。 図２０に示す駆動信号生成部で生成される駆動信号の一例を示す図である。 図２０に示す駆動信号生成部で生成される駆動信号と、この駆動信号に基づいて生成される超音波波形のエンベロープとを対応させて示す図である。

以下、本発明に係る超音波送波器を有する水中探知装置１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。水中探知装置１は、主に魚及び魚群等の物標を探知するためのものであって、漁船などの船舶の船底において、海中に露出するように固定されている。

［水中探知装置の全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る水中探知装置１の構成を示すブロック図である。水中探知装置１は、図１に示すように、送受波部２と、送受信装置３と、信号処理部４と、操作・表示装置５（表示部）とを備えている。

送受波部２は、複数の超音波振動子２ａを有している。送受波部２では、各超音波振動子２ａが、電気信号（送波信号）から変換された超音波を所定のタイミング毎に水中へ送信するとともに、受信した超音波を電気信号に変換する。

送受信装置３は、送受切替部６と、送信制御部７と、受信部８とを備えている。送受切替部６は、送信時には、送信制御部７から送受波部２に送波信号が送られる接続に切り替える。また、送受切替部６は、受信時には、送受波部２によって超音波から変換された電気信号が送受波部２から受信部８に送られる接続に切り替える。

送信制御部７は、操作・表示装置５において設定された条件に基づいて生成した送波信号を、送受切替部６を介して送受波部２に対して出力する。なお、送信制御部７は、後述する超音波送波器１０の一部を構成している。送信制御部７の構成については、詳しくは後述する。

受信部８は、送受波部２が受信した信号を増幅し、増幅した受信信号をＡ／Ｄ変換する。その後、受信部８は、デジタル信号に変換された受信データを、信号処理部４に対して出力する。

信号処理部４は、受信部８から出力される受信データを処理し、物標の映像信号を生成する処理を行う。

操作・表示装置５は、信号処理部４から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。ユーザは、当該表示画面を見て、自船周囲における海中の状態（単体魚、魚群の有無等）を推測することができる。また、操作・表示装置５は、種々の入力キー等の入力手段を備えており、音波の送受信、信号処理、又は映像表示に必要な種々の設定又は種々のパラメータ等を入力できるように構成されている。

［送受波器の構成］
図２は、図１に示す超音波送波器１０の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る水中探知装置１は、超音波送波器１０を備えている。超音波送波器１０は、上述した送受波部２と送信制御部７とを有している。なお、図２は、図１に示す送受切替部６によって送受波部２と送信制御部７とが接続された状態を図示している。

図３（Ａ）は、超音波振動子２ａから送信される超音波波形の一例を示す図である。また、図３（Ｂ）は、超音波波形を生成するための送波信号の基となる駆動信号（第１駆動信号）の一例を示す図である。超音波振動子２ａからは、図３（Ａ）に示すような超音波が送波される。そして、送信制御部７は、超音波振動子２ａから送波される超音波波形のエンベロープ（図３（Ａ）参照）を制御するように構成されている。やや詳しくは、送信制御部７は、超音波波形を生成するための送波信号の基となるパルス状の駆動信号（図３（Ｂ）参照）のパルス波の幅を制御することにより、エンベロープの振幅を制御する。

送信制御部７は、図２に示すように、周期可変カウンタ１１と、駆動信号生成部２０（第１駆動信号生成部）と、エンベロープ制御部１２と、送波信号生成部１５と、を有している。

図４は、周期可変カウンタ１１から随時、出力されるカウンタ値Ａ_ｎ（ｎ＝１，２，…）と、これらのカウンタ値Ａ_ｎに基づいて生成される駆動信号との関係を示すグラフである。周期可変カウンタ１１は、図４に示すように、初期値（本実施形態の場合、ゼロ）からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントアップされ（すなわち、任意のステップ値が加算され）所定値Ａを超えると該所定値Ａの超過分の数値となるカウンタ値（第１カウンタ値）、を出力するように構成されている。周期可変カウンタ１１では、サンプリング周期及びステップ値を変更することができる。

駆動信号生成部２０は、図２に示すように、第１比較部２１（比較部）と、レジスタ２２と、論理積演算部２３と、タイマー２６と、を備えている。

第１比較部２１は、周期可変カウンタ１１から順次出力されるカウンタ値Ａ_ｎと閾値Ｔｈｒとを比較し、その比較結果Ｂ_ｎ（ｎ＝１，２，…）を順次、出力する。具体的には、第１比較部２１は、カウンタ値Ａ_ｎが閾値Ｔｈｒ以下の場合、２進数の０で表されるオフ信号を出力する一方、カウンタ値が閾値Ｔｈｒを超えている場合、２進数の１で表されるオン信号を出力する。第１比較部２１での比較結果Ｂ_ｎ（０又は１）は、レジスタ２２及び論理積演算部２３に出力される。

レジスタ２２は、順次入力される第１比較部２１からの比較結果のうち直近で入力された比較結果を、一時的に記憶するように構成されている。また、レジスタ２２は、比較結果Ｂ_ｎが新たに入力されると、それまで記憶していた比較結果Ｂ_ｎ−１を論理積演算部２３に出力する。すなわち、レジスタ２２は、その時点における最新の比較結果を記憶するとともに、次の比較結果Ｂ_ｎが入力されると、それまで記憶していた比較結果Ｂ_ｎ−１を論理積演算部２３に出力する。

論理積演算部２３は、第１比較部２１から出力された比較結果Ｂ_ｎと、レジスタ２２から出力された比較結果Ｂ_ｎ−１を反転した値との論理積を演算する。具体的には、論理積演算部２３は、第１比較部２１から出力された直近の比較結果Ｂ_ｎと、レジスタ２２から出力された１つ前の比較結果Ｂ_ｎ−１を反転した値との論理積を演算し、当該演算結果（０又は１）をダウンカウンタ２４に出力する。

論理積演算部２３での演算結果が１となるのは、第１比較部２１からの出力値が１であり、且つレジスタ２２からの出力値が０の場合である。これは、図４を参照して説明すると、第１比較部２１に入力されたカウンタ値（例えばＡ_ｍ）が、閾値Ｔｈｒを超えた（またいだ）場合である。すなわち、閾値Ｔｈｒ以下であったカウンタ値Ａ_ｍ−１の次のカウンタ値Ａ_ｍが閾値Ｔｈｒを超えた場合に、論理積演算部２３の演算結果が１となる。それ以外の場合は、論理積演算部２３での演算結果は０になる。

タイマー２６は、ダウンカウンタ２４と、第２比較部２５とを有している。

ダウンカウンタ２４は、設定値からサンプリング周期毎に任意のステップ値ずつ減算されるとともに、ゼロに到達した後はゼロとなるカウンタ値を、第２比較部２５に出力する。具体的には、論理積演算部２３からダウンカウンタ２４に１が入力されると、設定値がカウンタ値としてセットされ、当該カウンタ値を第２比較部２５に出力する。それから、論理積演算部２３から０が入力される毎に、所定のステップ値ずつ減算されたカウンタ値が、第２比較部２５に出力される。

第２比較部２５は、ダウンカウンタ２４から順次出力されたカウンタ値と比較対象値（本実施形態の場合は、ゼロ）とを比較した比較結果に基づき、駆動信号を生成する。具体的には、第２比較部２５は、ダウンカウンタ２４の値が０でない場合には駆動信号をオン状態にし、ダウンカウンタ２４の値が０の場合には駆動信号をオフ状態にする。これにより、第２比較部２５からは、図４に示すように、周期可変カウンタ１１のカウンタ値が閾値Ｔｈｒを超えたときからオンとなり、設定したパルス幅に対応する時間経過後にオフとなる駆動信号が出力される。

エンベロープ制御部１２は、閾値制御部１３及びパルス幅制御部１４を備えている。

閾値制御部１３は、周期可変カウンタ１１から出力されるカウンタ値の比較対象となる閾値Ｔｈｒの数値を制御するためのものである。閾値制御部１３は、エンベロープの立ち上がり時には、時間経過とともに値が小さくなるように閾値Ｔｈｒを制御し、エンベロープの立ち下がり時には、時間経過とともに値が大きくなるように閾値Ｔｈｒを制御する。また、閾値制御部１３は、エンベロープの立ち上がり後であってエンベロープが立ち下がるまでの間は、閾値Ｔｈｒを一定に維持する（図４参照）。なお、エンベロープの立ち上がり時とは、エンベロープの振幅の増加が開始してから該エンベロープの振幅が一定になるまでの間の時間であって、図３（Ａ）に示す立ち上がり部の長さに対応する。また、エンベロープの立ち下がり時とは、エンベロープの振幅が減少し始めてから該エンベロープがゼロになるまでの間の時間であって、図３（Ａ）に示す立ち下がり部の長さに対応する。

図５の（Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち上がり時におけるカウンタ値、駆動信号、送信波形（超音波振動子２ａから送波される超音波の波形）、及び基本波形である。一方、図６の（Ａ）から（Ｄ）は、本実施形態とは異なり、それぞれ、エンベロープの立ち上がり時において閾値Ｔｈｒが一定の場合のカウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形、である。なお、基本波形とは、図５（Ｃ）及び図６（Ｃ）に示す送信波形の比較基準となる波形であって、周波数が一定の正弦波である。

例えば、図６に示すように、エンベロープの立ち上がり時において閾値Ｔｈｒを一定にすると、駆動信号の周波数が徐々に長くなり、基本波形の周波数に対して徐々にずれていってしまう。これは、駆動信号が立ち上がるタイミングの周期が概ね一定となる一方で、駆動信号のパルス幅が徐々に大きくなるためである。

これに対して、閾値制御部１３は、上述のように、エンベロープの立ち上がり時には、閾値Ｔｈｒを徐々に小さくする処理を行う。これにより、駆動信号が立ち上がるタイミングの周期を徐々に短くできるため、送信波形の周波数を一定に保つことができる。

図７の（Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち下がり時におけるカウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形である。一方、図８の（Ａ）から（Ｄ）は、本実施形態とは異なり、それぞれ、エンベロープの立ち下がり時において閾値Ｔｈｒが一定の場合のカウンタ値、駆動信号、送信波形、及び基本波形、である。

例えば、図８に示すように、エンベロープの立ち下がり時において閾値Ｔｈｒを一定にすると、駆動信号の周波数が徐々に短くなり、基本波形の周波数に対して徐々にずれていってしまう。これは、駆動信号が立ち上がるタイミングの周期が概ね一定となる一方で、駆動信号のパルス幅が徐々に小さくなるためである。

これに対して、閾値制御部１３は、上述のように、エンベロープの立ち下がり時には、閾値Ｔｈｒを徐々に大きくする処理を行う。これにより、駆動信号が立ち下がるタイミングの周期を徐々に長くできるため、送信波形の周波数を一定に保つことができる。

パルス幅制御部１４は、駆動信号のパルス幅を制御するためのものである。具体的には、パルス幅制御部１４は、ダウンカウンタ２４に設定する設定値の数値を変更することにより、駆動信号のパルス幅を制御する。パルス幅制御部１４は、エンベロープの立ち上がり時には、時間経過とともにパルス幅を徐々に大きくする（すなわち、設定値を徐々に大きくする）制御を行う一方、エンベロープの立ち下がり時には、時間経過とともにパルス幅を徐々に小さくする（すなわち、設定値を徐々に小さくする）制御を行う。また、パルス幅制御部１４は、エンベロープの立ち上がり後であってエンベロープが立ち下がるまでの間は、パルス幅を一定に維持する。このようにパルス幅を制御することにより、エンベロープの振幅を制御することができる。また、パルス幅制御部１４は、送信したい超音波のパワーに応じて、駆動信号のパルス幅（すなわち、設定値）を制御するようにも構成されている。

図９は、送波信号生成部１５の回路構成の一例を示す図である。送波信号生成部１５は、図９に示すように、ＮＯＴ演算部１５ａと、２つのＦＥＴ１５ｂ，１５ｃと、コンデンサ（図示省略）等を有する回路部１５ｄと、を有している。送波信号生成部１５では、該送波信号生成部１５に入力される駆動信号に応じてＦＥＴ１５ｂ，１５ｃがスイッチングして所定のパルス信号が出力され、当該パルス信号が回路部１５ｄによって正弦波状の送波信号に変換された後、送受波部２に出力される。そして、送受波部２は、送波信号によって駆動され、当該送波信号に対応する波形を有する所望の振幅値の超音波を送波する。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る水中探知装置１の超音波送波器１０では、駆動信号生成部２０が、カウンタ値Ａ_ｎが閾値Ｔｈｒを超えてから所定時間が経過するまでオン状態となる駆動信号を生成する。これにより、駆動信号のオン時間を一定にできるため、駆動信号のオン時間が変動することに伴う超音波波形のエンベロープの変動を抑制することができる。

従って、超音波送波器１０では、超音波波形のエンベロープを安定化できる。

また、超音波送波器１０では、パルス幅制御部１４が、駆動信号のオン時間を制御することにより該駆動信号のパルス幅を制御する。これにより、超音波振動子２ａから送信される超音波のエンベロープを適切に制御することができる。

また、超音波送波器１０では、駆動信号のパルス幅に応じて閾値の数値が制御される。これにより、駆動信号の周波数を適切に調整することができる。

また、超音波送波器１０では、超音波のエンベロープの立ち上がり時に、閾値が徐々に小さくなる制御が行われる。これにより、エンベロープの立ち上がり時において、超音波の周波数を一定に保つことができる。

更に、超音波送波器１０では、超音波のエンベロープの立ち下がり時に、閾値が徐々に大きくなる制御が行われる。これにより、エンベロープの立ち下がり時において、超音波の周波数を一定に保つことができる。

また、超音波送波器１０では、第１駆動信号生成部２０を、第１比較部２１、レジスタ２２、及び論理積演算部２３等で構成している。これにより、カウンタ値が閾値をまたいだときにオン状態となる駆動信号を適切に生成することができる。

また、本実施形態によれば、エンベロープが安定化された超音波を送波可能な水中探知装置を構成することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）図１０は、変形例に係る水中探知装置の超音波送波器１０ａの構成を示すブロック図である。本変形例の超音波送波器１０ａは、周期可変カウンタ１１と、第１パルス波生成部２０ａ及び第２パルス波生成部２０ｂと、エンベロープ制御部１２と、論理和演算部１６と、送波信号生成部１５と、送受波部２と、を備えている。これらのうち、周期可変カウンタ１１、送波信号生成部１５、及び送受波部２については、上記実施形態の場合と構成が同じであるため、説明を省略する。

第１パルス波生成部２０ａ及び第２パルス波生成部２０ｂは、それぞれ、上記実施形態の駆動信号生成部２０と構成が同じである。しかし、各パルス波生成部２０ａ，２０ｂでは、互いに異なる第１閾値Ｔｈｒ１及び第２閾値Ｔｈｒ２が設定されていて、第１パルス波生成部２０ａの第１比較部では、カウンタ値と第１閾値Ｔｈｒ１とが比較され、第２パルス波生成部２０ｂの第１比較部では、カウンタ値と第２閾値Ｔｈｒ２とが比較される。

図１１は、超音波送波器１０ａの送信制御部７ａによって生成される駆動信号の生成過程を説明するための図である。具体的には、図１１（Ａ）は、周期可変カウンタ１１から出力されるカウンタ値と各閾値Ｔｈｒ１，Ｔｈｒ２との関係を示すグラフであり、図１１（Ｂ）は、第１パルス波生成部２０ａで生成されるパルス波（第１パルス波、第１駆動信号）の波形図であり、図１１（Ｃ）は、第２パルス波生成部２０ｂで生成されるパルス波（第２パルス波、第１駆動信号）の波形図であり、図１１（Ｄ）は、第１パルス波及び第２パルス波の合成波の波形図である。

本実施形態では、閾値制御部１３は、第１閾値Ｔｈｒ１よりも第２閾値Ｔｈｒ２の方が大きな値となるように、各閾値Ｔｈｒ１，Ｔｈｒ２の値を設定する（図１１参照）。具体的には、閾値制御部１３は、第１パルス波の周期をＴとした場合に、第１パルス波に対する第２パルス波の遅延がＴ／４となるように、各閾値Ｔｈｒ１，Ｔｈｒ２の値を設定する。

論理和演算部１６は、第１パルス波と第２パルス波との論理和を演算して合成波（図１１（Ｄ）参照）を生成する。これにより、送受波部２からは、当該合成波に基づいて生成される超音波が送信される。以上のように、互いに位相がずれた２つのパルス波（第１パルス波及び第２パルス波）の合成波に基づいて超音波を送波することで、超音波に含まれる２次高調波成分を低減することができる。なお、第１パルス波に対する第２パルス波の遅延を、Ｔ／２ｋ（ｋ＝２，３，４，…）とすることで、駆動信号におけるｋ次高調波成分を取り除くことができる。また、本変形例では、互いの位相が異なる２つのパルス波を例に挙げて説明したが、これに限らず、互いの位相が異なる３以上のパルス波の合成波を用いて超音波振動子２ａを駆動させてもよい。

また、所望のレベルだけ出力を低減したい場合のパルス幅τは、最大振幅で規格化した振幅α（≦１）を用いて、以下の式（１）で表すことができる。

（２）図１２は、変形例に係る水中探知装置の超音波送波器１０ｂの構成を示すブロック図である。本変形例の超音波送波器１０ｂは、周期可変カウンタ１１と、第１駆動信号生成部２０及び第２駆動信号生成部３０と、エンベロープ制御部１２と、駆動信号選択部１７と、送波信号生成部１５と、送受波部２と、を備えている。これらのうち、周期可変カウンタ１１、送波信号生成部１５、及び送受波部２については、上記実施形態の場合と構成が同じであるため、説明を省略する。また、第１駆動信号生成部２０は、上記実施形態の駆動信号生成部２０と構成が同じであるため、説明を省略する。

図１３は、第２駆動信号生成部３０の構成を示すブロック図である。第２駆動信号生成部３０は、第３比較部３１と、第４比較部３２と、論理積演算部３３と、を有している。

図１４は、周期可変カウンタ１１から随時、出力されるカウンタ値と、これらのカウンタ値に基づき第２駆動信号生成部３０によって生成される第２駆動信号と、の関係を示すグラフである。上記実施形態の場合と同様、周期可変カウンタ１１は、サンプリング周期毎に任意のステップ値が加算されるとともに所定値Ａを超えると該所定値Ａの超過分の数値となるカウンタ値Ａ_ｎ、を出力するように構成されている。

第３比較部３１は、周期可変カウンタ１１から順次出力されるカウンタ値Ａ_ｎと、閾値制御部１３によって設定された上限閾値Ｔｈｒ_Ｈ（図１４参照）とを比較し、その比較結果を順次、出力する。具体的には、第３比較部３１は、カウンタ値Ａ_ｎが上限閾値Ｔｈｒ_Ｈを超える場合、２進数の０で表されるオフ信号を出力する一方、カウンタ値Ａ_ｎが上限閾値Ｔｈｒ_Ｈ以下の場合、２進数の１で表されるオン信号を出力する。

第４比較部３２は、周期可変カウンタ１１から順次出力されるカウンタ値Ａ_ｎと、閾値制御部１３によって設定された下限閾値Ｔｈｒ_Ｌ（図１４参照）とを比較し、その比較結果を順次、出力する。具体的には、第４比較部３２は、カウンタ値Ａ_ｎが下限閾値Ｔｈｒ_Ｌ未満の場合、２進数の０で表されるオフ信号を出力する一方、カウンタ値Ａ_ｎが下限閾値Ｔｈｒ_Ｌ以上の場合、２進数の１で表されるオン信号を出力する。

論理積演算部３３は、第３比較部３１から出力された比較結果と、第４比較部３２から出力された比較結果との論理積を演算する。論理積演算部３３での演算結果が１となるのは、第３比較部３１での比較結果及び第４比較部３２での比較結果が、共に１の場合である。これは、図１４を参照して説明すると、第３比較部３１及び第４比較部３２の双方に入力されたカウンタ値Ａ_ｎが、下限閾値Ｔｈｒ_Ｌ以上且つ上限閾値Ｔｈｒ_Ｈ以下となる場合である。これにより、論理積演算部３３から出力される駆動信号は、図１４に示すように、カウンタ値が下限閾値Ｔｈｒ_Ｌ以上且つ上限閾値Ｔｈｒ_Ｈ以下となってから上限閾値Ｔｈｒ_Ｈを超えるまでの間にオン状態となり、それ以外の場合にオフ状態となる。

図１５の（Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち上がり時におけるカウンタ値、第２駆動信号、第２駆動信号に基づく送信波形、及び基本波形である。また、図１６の（Ａ）から（Ｄ）は、それぞれ、エンベロープの立ち下がり時におけるカウンタ値、第２駆動信号、第２駆動信号に基づく送信波形、及び基本波形である。

閾値制御部１３は、図１５に示すように、エンベロープの立ち上がり時には、上限閾値Ｔｈｒ_Ｈを徐々に大きくするとともに、下限閾値Ｔｈｒ_Ｌを徐々に小さくする制御を行う。これにより、第２駆動信号のパルス波の周期を一定に維持しつつ、時間の経過とともにパルス幅を徐々に大きくできる。

また、閾値制御部１３は、図１６に示すように、エンベロープの立ち下がり時には、上限閾値Ｔｈｒ_Ｈを徐々に小さくするとともに、下限閾値Ｔｈｒ_Ｌを徐々に大きくする制御を行う。これにより、第２駆動信号のパルス波の周期を一定に維持しつつ、時間の経過とともにパルス幅を徐々に小さくできる。

駆動信号選択部１７は、超音波振動子２ａから送信される超音波の振幅値を検出するように構成されている。そして、駆動信号選択部１７は、その振幅値に応じて、いずれか一方の駆動信号（第１駆動信号又は第２駆動信号）を選択し、当該選択した駆動信号を送波信号生成部１５に出力する。具体的には、駆動信号選択部１７は、超音波の振幅値が所定値未満の場合は第１駆動信号を選択する一方、超音波の振幅値が所定値以上の場合は第２駆動信号を選択する。

第２駆動信号には、カウンタ値の数値が離散的であることに起因し、パルス幅が異なる２種類のパルスが含まれることがある。例えば一例として、図１４に示す例の場合、パルスＰ_２のパルス幅の方が、パルスＰ_１及びパルスＰ_３のパルス幅よりも、やや長くなっている。よって、超音波の振幅値が大きい場合には、その２種類のパルスの出現率を制御することで、エンベロープ制御を細かく行うことができる。しかし、超音波の振幅値が小さい場合には、上述した２種類のパルスのパルス幅の差異が大きくなるため、エンベロープが大きく変動してしまう（図２２参照）。

一方、第１駆動信号に含まれるパルスのパルス幅は一定であるため、超音波の振幅値が小さい場合であっても、エンベロープの変動を抑制することができる。しかし、第１駆動信号は、上述のようにパルス幅が一定であるため、超音波の振幅値が大きい場合に、第２駆動信号の場合と異なり、細かいエンベロープ制御を行うことができない。

これに対して、本実施形態に係る駆動信号選択部１７は、超音波の振幅値が大きい場合には第２駆動信号を選択する。これにより、エンベロープ制御を細かく行うことができる。一方、駆動信号選択部１７は、超音波の振幅値が小さい場合には第１駆動信号を選択する。これにより、エンベロープが大きく変動するのを抑制できる。すなわち、本変形例では、超音波の振幅値に応じて適切な制御信号（第１制御信号又は第２制御信号）が選択される。

（３）図１７は、変形例に係る水中探知装置の超音波送波器１０ｃの構成を示すブロック図である。本変形例の超音波送波器１０ｃは、図１２に示す超音波送波器１０ｂと比べて、駆動信号選択部の構成及び動作が異なっている。具体的には、本変形例の駆動信号選択部１７ａは、超音波波形のエンベロープの立ち上がり部及び立ち下がり部（図３（Ａ）参照）を検出するように構成されている。そして、駆動信号選択部１７ａは、超音波波形のエンベロープの立ち上がり時及び立ち下がり時には、第２駆動信号を選択する。一方、駆動信号選択部１７ａは、エンベロープが立ちあがった後であってエンベロープが立ち下がるまでの間は、第１駆動信号を選択する。

図６を参照して、エンベロープの立ち上がり時に閾値Ｔｈｒを一定に維持する場合、第１駆動信号の周期は、時間の経過に応じて徐々に長くなる。また、図８を参照して、エンベロープの立ち下がり時に閾値Ｔｈｒを一定に維持する場合、第１駆動信号の周期は、時間の経過に応じて徐々に短くなる。そうなると、送信波形の周期が徐々に変化する。一方、エンベロープの値が一定のとき（エンベロープが立ち上がった後であってエンベロープが立ち下がるまでの間）には、第１駆動信号の周期は一定となるため、時間経過に伴う送信波形の周期の変動は発生しない。

一方、図１５を参照して、第２駆動信号において、エンベロープの立ち上がり時に、上限閾値Ｔｈｒ_Ｈを徐々に大きくし且つ下限閾値Ｔｈｒ_Ｌを徐々に小さくする制御を行うと、送信波形の周波数を一定に維持することができる。また、図１６を参照して、第２駆動信号において、エンベロープの立ち下がり時に、上限閾値Ｔｈｒ_Ｈを徐々に小さくし且つ下限閾値Ｔｈｒ_Ｌを徐々に大きくする制御を行うと、送信波形の周波数を一定に維持することができる。

よって、本実施形態に係る駆動信号選択部１７ａのように、エンベロープの立ち上がり時及び立ち下がり時に第２駆動信号を選択し、且つエンベロープの振幅値が一定のときに第１駆動信号を選択することで、送信波形の周波数ずれを適切に抑制することができる。

（４）図１８は、図２に示す超音波送波器１０において、周期可変カウンタ１１のステップ値を徐々に大きくことにより生成される駆動信号の波形を説明するための図である。これにより、送受波部２から、いわゆるチャープ波形を有する超音波を送波することができる。そして、そのチャープ波形の各パルスのパルス幅の変動を、上記実施形態の場合と同様、抑制することができる。

（５）上記実施形態では、周期可変カウンタ１１は、初期値からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントアップされ所定値Ａを超えると該所定値Ａの超過分の数値となるカウンタ値（第１カウンタ値）、を出力したが、これに限らない。本変形例に係る周期可変カウンタ（図示省略）は、初期値からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントダウンされ、所定値未満（ここでは、０未満）になると、該所定値を下回った分の数値が前記初期値から減算された数値となるカウンタ値（第２カウンタ値）、を出力する（図１９参照）。そして、本変形例に係る第１駆動信号生成部（図示省略）は、カウンタ値が閾値Ｔｈｒ未満となったときにオン状態となり、該オン状態になってから設定時間経過後にオフ状態となる第１駆動信号を生成する（図１９参照）。これにより、上述した実施形態及び各変形例の場合と同様、パルス幅が一定の駆動信号を適切に生成することができる。

（６）上述した実施形態及び各変形例では、本発明に係る超音波送波器を、水中探知装置に適用する例を挙げて説明したが、これに限らない。具体的には、本発明に係る超音波送波器を、例えば一例として、人体の内部に送波された超音波のエコー信号に基づいて人体内部の状態を診断する超音波診断装置に適用することもできる。

本発明は、超音波送波器、及び超音波送波器を備えた水中探知装置として広く適用できる。

１ 水中探知装置
２ 送受波部（送波部）
２ａ 超音波振動子
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 超音波送波器
１１ 周期可変カウンタ（カウンタ）
２０ａ 駆動信号生成部、第１パルス波生成部（第１駆動信号生成部）
２０ｂ 第２パルス波生成部（第１駆動信号生成部）

Claims (10)

1. 超音波振動子を駆動するための駆動信号を生成して、前記超音波振動子から所望の振幅値を有する超音波を送波させる超音波送波器であって、
   初期値からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントアップされ所定値を超えると該所定値の超過分の数値となるカウンタ値である第１カウンタ値、又は、初期値からサンプリング周期毎に任意のステップ値でカウントダウンされ、所定値未満になると、該所定値を下回った分の数値が前記初期値から減算された数値となるカウンタ値である第２カウンタ値、を順次出力するカウンタと、
   前記カウンタから順次出力される前記カウンタ値を閾値と順次比較し、前記第１カウンタ値が前記閾値を超えたとき、又は前記第２カウンタ値が前記閾値未満になったときにオン状態となり、該オン状態になってから設定時間経過後にオフ状態となる第１駆動信号を生成する第１駆動信号生成部と、
   前記第１駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波させる送波部と、
   を備えていることを特徴とする、超音波送波器。
2. 請求項１に記載の超音波送波器において、
   前記設定時間を制御することにより前記第１駆動信号のパルス幅を制御するパルス幅制御部、を更に備えていることを特徴とする、超音波送波器。
3. 請求項２に記載の超音波送波器において、
   前記パルス幅制御部によって制御される前記パルス幅に応じて前記閾値を制御する閾値制御部、を更に備えていることを特徴とする、超音波送波器。
4. 請求項３に記載の超音波送波器において、
   前記パルス幅制御部は、前記超音波のエンベロープの立ち上がり時に、時間の経過に応じて前記設定時間を長くする制御を行い、
   前記閾値制御部は、前記カウンタが前記第１カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち上がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を小さくする制御を行い、又は、前記カウンタが前記第２カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち上がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を大きくする制御を行うことを特徴とする、超音波送波器。
5. 請求項３又は請求項４に記載の超音波送波器において、
   前記パルス幅制御部は、前記超音波のエンベロープの立ち下がり時に、時間の経過に応じて前記設定時間を短くする制御を行い、
   前記閾値制御部は、前記カウンタが前記第１カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち下がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を大きくする制御を行い、又は、前記カウンタが前記第２カウンタ値を出力する場合における前記超音波のエンベロープの立ち下がり時に、時間の経過に応じて前記閾値を小さくする制御を行うことを特徴とする、超音波送波器。
6. 請求項２又は請求項３に記載の超音波送波器において、
   少なくとも２つの前記第１駆動信号生成部を更に備え、
   前記閾値は、第１閾値と、該第１閾値よりも大きい第２閾値と、を含み、
   一方の前記第１駆動信号生成部は、前記カウンタ値を前記第１閾値と比較し、
   他方の前記第１駆動信号生成部は、前記カウンタ値を前記第２閾値と比較し、
   前記超音波振動子は、一方の前記第１駆動信号生成部で生成された第１駆動信号、及び他方の前記第１駆動信号生成部で生成された第１駆動信号、の双方によって駆動されることを特徴とする、超音波送波器。
7. 請求項２又は請求項３に記載の超音波送波器において、
   前記カウンタから出力された前記カウンタ値と、下限閾値及び上限閾値とを比較し、該カウンタ値が前記下限閾値以上且つ前記上限閾値以下の場合はオン状態となり、該カウンタ値が前記下限閾値未満又は前記上限閾値を超える場合はオフ状態となる第２駆動信号、を生成する第２駆動信号生成部、を更に備え、
   前記超音波の前記振幅値が所定値未満の場合には、前記送波部は、前記第１駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波し、
   前記超音波の前記振幅値が前記所定値以上の場合には、前記送波部は、前記第２駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波することを特徴とする、超音波送波器。
8. 請求項２又は請求項３に記載の超音波送波器において、
   前記カウンタから出力された前記カウンタ値と、下限閾値及び上限閾値とを比較し、該カウンタ値が前記下限閾値以上且つ前記上限閾値以下の場合はオン状態となり、該カウンタ値が前記下限閾値未満又は前記上限閾値を超える場合はオフ状態となる第２駆動信号、を生成する第２駆動信号生成部、を更に備え、
   前記超音波のエンベロープの立ち上がり時及び立ち下がり時には、前記送波部は、前記第２駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波し、
   前記超音波のエンベロープが立ち上がった後であって該エンベロープが立ち下がるまでの間は、前記送波部は、前記第１駆動信号に基づいて駆動された前記超音波振動子から前記超音波を送波することを特徴とする、超音波送波器。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超音波送波器において、
   前記第１駆動信号生成部は、
   前記カウンタから順次出力される前記カウンタ値を前記閾値と順次比較し、その比較結果を順次出力する比較部と、
   直近で入力された前記比較部からの比較結果を記憶するとともに、前記比較部から次の比較結果が入力されるとそれまで記憶していた比較結果を出力するレジスタと、
   前記比較部から出力された比較結果と、前記レジスタから出力された比較結果を反転した値と、の論理和を演算する論理和演算部と、
   を有していることを特徴とする、超音波送波器。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超音波送波器を備え、該超音波送波器から送波された超音波のエコー信号に基づいて水中の物標を探知することを特徴とする、水中探知装置。

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