JP4803728B2 - 超音波フェイズドアレイ送受波器 - Google Patents

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、特に配列接続方法と駆動方式によって小型軽量化するのに好適な超音波フェイズドアレイ送受波器に関するものである。

ドップラー効果を利用する速度計や伝播時間を利用する高度計など水中において測定や測量を行う計測機器には超音波が利用されている。この種の高度計や速度計には超音波を送信、受信するための送受波器が用いられる。従来から使用されている超音波の送受波器には、ビームの先端が正方形を形成するように４つのビームを放射する直交４ビームとよばれるビームを持つ送受波器がある。

図１は、従来の送受波器のビームを示す斜視図である。送受波器１から４つのビームが放射される。図１は、ビーム放射面４の中心を通りビーム放射面４に垂直な軸をＺ軸として示している。通常使用されている送受波器では、ビーム２の主極軸３とＺ軸とが成す角度α（仰角）は３０度を成す。また、４つのビーム先端βは、ビーム放射面４と平行な面内において、正方形の頂角を成す。

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圧電セラミックス板からなる超音波振動子を４個使用し、仰角を予め持たせて送受波器内に配置する構造（以下、４円盤振動子方式とよぶ）となっている。

前記の４円盤振動子方式による送受波器は形状が大きい為、これを小型にすべく、各種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配列し、前記円盤状の圧電セラミックス板からなる超音波振動子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なされている。

前記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（以下、フェイズドアレイ方式とよぶ）とよばれ、高度や速度などの算出方法は、前記の４円盤振動子方式と同じであり、４つのビームの反射信号から速度や高度などが算出できる。このようなフェイズドアレイ方式による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。

特開２００１−１９７５９５号公報 特開２００１−３０５２１７号公報

前述した従来の４円盤振動子方式、或いは、フェイズドアレイ方式による送受波器において、図１に示す高度Ｈを計測する場合には、直交４ビームそれぞれのビーム先端βまでの直線距離を計測し、角度αを用いて計算して求めている。

しかしながら、高度が高くなるにつれて、或いは水深が深くなるにつれて、前記直線距離の計測結果から求まる送受波器の直下の位置と送受波器直下の真の位置との差が大きくなり、高度或いは深度との誤差が大きくなるという問題点がある。この対策として、送受波器の直下へ向けてビームを放射する超音波振動子を追加することも考えられるが、４円盤振動子方式であれば、形状がさらに大きくなるという問題点がある。

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、直交４ビームに加え、真下にビームが放射できる小型な超音波フェイズドアレイ送受波器を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、超音波振動子を行列配列し、配列された超音波振動子を一定の規則に従いグループ化して回路を形成し駆動することをその要旨とする。

本発明によれば、対抗する二面の一面に表面電極、他方の面に裏面電極を有し、前記表面電極が超音波の放射面となる超音波振動子を、分極方向を揃えて平面上にＮ行、Ｍ列（とＭは正の整数）となるように行列配列し、各行には４個以上Ｍ個以下の前記超音波振動子が配列されてＮ行配列を成し、各列には４個以上Ｎ個以下の前記超音波振動子が配列されてＭ列配列を成す超音波フェイズドアレイ送受波器であって、前記超音波振動子は、隣接する前記超音波振動子の前記放射面中心が、水中音波の波長をλとしてＰ＝（０．５±０．２５）×λの間隔となるように行列配列され、前記各表面電極が前記行毎に結線されてＮ本の結線群を成し、前記各裏面電極が前記列毎に結線されてＭ本の結線群を成し、前記Ｎ本の結線群を行方向に順次（４Ｋ＋１）行目のグループと（４Ｋ＋２）行目のグループと（４Ｋ＋３）行目のグループと（４Ｋ＋４）行目のグループ（但し、Ｋ＝０、１、・・・Ｎ／４−１とする）の４つのグループに分けて、グループ毎に結線をし、それぞれを入出力端子Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４とし、前記Ｍ本の結線群を列方向に順次（４Ｌ＋１）列目のグループと（４Ｌ＋２）列目のグループと（４Ｌ＋３）列目のグループと（４Ｌ＋４）列目のグループ（但し、Ｌ＝０、１、・・・Ｍ／４−１とする）の４つのグループに分けて、前記グループ毎に結線をし、それぞれを入出力端子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とし、前記入出力端子Ｆ１と前記入出力端子Ｆ３を第一の変成器の平衡２次回路に接続し、前記入出力端子Ｆ２と前記入出力端子Ｆ４を第二の変成器の平衡２次回路に接続し、前記入出力端子Ｒ１と前記入出力端子Ｒ３を第三の変成器の平衡２次回路に接続し、前記入出力端子Ｒ２と前記入出力端子Ｒ４を第四の変成器の平衡２次回路に接続し、前記第一の変成器と前記第二の変成器の各２次回路中性点の結線部と、前記第三の変成器と前記第四の変成器の２次回路中性点の結線部とを第五の変成器の２次回路に接続してなり、前記第一の変成器の１次回路は前記Ｎ行配列の奇数行の交互逆接続を成し、前記第二の変成器の１次回路は前記Ｎ行配列の偶数行の交互逆接続を成し、前記第三の変成器の１次回路は前記Ｍ列配列の奇数列の交互逆接続を成し、前記第四の変成器の１次回路は前記Ｍ列配列の偶数列の交互逆接続を成し、前記第五の変成器の１次回路は前記すべての超音波振動子の順接続を成し、前記第一乃至第五の変成器の各１次回路に対応して接続され、送信と受信を切り替える機能を有する第一乃至第五の送受波切替回路と、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路、前記第五の送受波切替回路からなる３つのグループに接続を分割して切り替える機能を有する送波ビーム切替回路と、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路から出力される受波信号の位相調整と加算を行う機能を有する第一のビーム合成回路と、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路から出力される受波信号の位相調整と加算を行う機能を有する第二のビーム合成回路と、前記第一のビーム合成回路から出力されるビーム信号と、前記第二のビーム合成回路から出力されるビーム信号と、前記第五の送受波切替回路から出力される受波シングルビーム信号と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からなることを特徴とする超音波フェイズドアレイ送受波器が得られる。

本発明は、厚みを有する円板状或いは角板状の圧電セラミックス板の表裏に電極を設けて、一方を表面電極、他方を裏面電極とし、表面電極と裏面電極との間に高電界を印加して分極処理を施した多数の超音波振動子を平面上にＮ行、Ｍ列に行列配列する。超音波振動子は分極されている方向を揃えて、つまり配列した際に、表は全て表面電極となり、裏は全て裏面電極となるように配列する。

また、各行と各列における各超音波振動子のピッチ間隔は、水中音波の波長をλとしてＰ＝（０.５±０.２５）×λの間隔にする。この時、超音波振動子の数はＮ×Ｍ個配列することが好ましく、ＮとＭは等しく、共に４の整数倍になることが好ましい。また、行を２等分する線及び列を２等分する線のそれぞれに対して線対称となるような配列をすれば、１行には４以上Ｍ個未満の超音波振動子を配列し、１列には４以上Ｎ個未満の超音波振動子を配列すれば良く、必ずしも、全ての行にＮ個、すべての列にＭ個の超音波振動子を配列する必要はない。

本発明では、超音波振動子を上記の配列にし、各表面電極を行ごとに４つのグループ分け、各裏面電極を列ごとに４つのグループ分ける。この時、例えば、Ｎ＝Ｍ＝１６であれば、表面電極は、行を上から下へ順に、１行目・５行目・９行目・１３行目を１つのグループにし、２行目・６行目・１０行目・１４行目を１つのグループにし、３行目・７行目・１１行目・１５行目を１つのグループにし、４行目・８行目・１２行目・１６行目を１つのグループにして、分けて結線をする。

同じく、裏面電極は、列を右から左へ順に、１列目・５列目・９列目・１３列目を１つのグループにし、２列目・６列目・１０列目・１４列目を１つのグループにし、３列目・７列目・１１列目・１５列目を１つのグループにし、４列目・８列目・１２列目・１６列目を１つのグループにして、分けて結線をする。

このように、行を縦方向に上から（４Ｋ＋１）行目のグループと（４Ｋ＋２）行目のグループと（４Ｋ＋３）行目のグループと（４Ｋ＋４）行目のグループ（但し、Ｋ＝０、１、・・・Ｎ／４−１とする）の４つのグループに分けて、グループ毎に結線をし、列を横方向に右から（４Ｌ＋１）列目のグループと（４Ｌ＋２）列目のグループと（４Ｌ＋３）列目のグループと（４Ｌ＋４）列目のグループ（但し、Ｌ＝０、１、・・・Ｍ／４−１とする）の４つのグループに分けて、グループ毎に結線をする。

その際、行を４つに分けた各グループをそれぞれ入出力端子Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４にして、列を４つに分けた各グループをそれぞれ入出力端子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４にする。さらに、この８個の入出力端子を５個の変成器を用いて回路を構成する。変成器にはフェライトのコアに１次巻線と２次巻線を設けたトランスを使用するのが良い。前記トランスの２次巻線を平衡２次回路と呼び、２次巻線の両端に前記入出力端子を接続する。Ｆ１とＦ３を第一の変成器の平衡２次回路に接続し、Ｆ２とＦ４を第二の変成器の平衡２次回路に接続し、Ｒ１とＲ３を第三の変成器の平衡２次回路に接続し、Ｒ２とＲ４を第四の変成器の平衡２次回路に接続する。また、前記第一の変成器と前記第二の変成器の各２次回路中性点を結線した結線部と、前記第三の変成器と前記第四の変成器の各２次回路中性点を結線した結線部とを第五の変成器の２次回路に接続する。

このような接続により、構成される回路は、第一の変成器の１次回路は奇数行の交互逆接続となり、第二の変成器の１次回路は偶数行の交互逆接続となり、第三の変成器の１次回路は奇数列の交互逆接続となり、第四の変成器の１次回路は配列の偶数列の交互逆接続となり、第五の変成器の１次回路は全超音波振動子の順接続となる回路を形成する。この全振動子を順接続とする回路によって直交４ビームに加え超音波フェイズドアレイ送受波器真下へのビームの放射が可能な超音波フェイズドアレイ送受波器が得られる。

本発明は、送受波切替回路と送波ビーム切替回路と第一のビーム合成回路と第二のビーム合成回路と受波ビーム切替回路とを具備する前記接続及び回路構成による超音波フェイズドアレイ送受波器にする。前記接続及び回路構成による超音波フェイズドアレイ送受波器における第一乃至第五の変成器に対応させて、その各１次回路に第一乃至第五の送受波切替回路を接続する。第一乃至第五送受波切替回路は、前記送波ビーム切替回路の出力する信号に応じて送信と受信を切り替える回路である。

前記送波ビーム切替回路は、前記第一乃至第五の送受波切替回路を３つのグループに分けて信号を出力する。すなわち、一つは前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路のグループ、一つは前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路のグループ、もう一つは前記第五の送受波切替回路のグループである。

前記第一のビーム合成回路は、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路が出力する受波信号出力の位相調整と加算を位相調整回路や加算回路等を用いて行う回路とする。同様に、前記第二のビーム合成回路は、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路が出力する受波信号出力の位相調整と加算を行う回路とする。また、前記受波ビーム切替回路は、前記第一のビーム合成回路と前記第二のビーム合成回路と第五の送受波切替回路それぞれから出力される信号出力を切り替えて出力する回路とする。

本発明による回路構成とすることで、直交４ビームと送受波器直下へのビームを放射して、送信と受信が円滑に行うことが可能な超音波フェイズドアレイ送受波器となる。

本発明によれば、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路は、前記超音波振動子が前記行列配列されて形成してなる前記平面の中心を通り、前記表面電極面からなる面に対する垂線を含む前記Ｎ行配列に対して垂直な面内に前記垂線と成す角度が等しい２つの主極を有する送波縦ツインビームを生成する電気信号を前記超音波振動子に送信する機能を有し、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路は、前記中心を通り、前記垂線を含む前記Ｍ列配列に対して垂直な面内に前記垂線と成す角度が等しい２つの主極を有する送波横ツインビームを生成する電気信号を前記超音波振動子に送信する機能を有し、前記第五の送受波切替回路は、前記中心を通り、前記垂線を主極とする送受波垂直シングルビームを生成する電気信号を前記超音波振動子に送信する機能を有し、前記第一のビーム合成回路は、前記受波縦ツインビームを受波上シングルビームと受波下シングルビームとに分離する機能を有し、前記第二のビーム合成回路は、前記受波横ツインビームを受波左シングルビームと受波右シングルビームとに分離する機能を有することを特徴とする超音波フェイズドアレイが得られる。

本発明では、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路は、同時に送信動作をさせて送波縦ツインビームを生成する。送波縦ツインビームは、例えば、超音波振動子を上から下へ縦方向にＮ行配列した行に対して垂直な面で、かつ、Ｎ行Ｍ列に配列した超音波振動子の平面配列全体の中心を通り超音波放射面に対する垂線を含む面内に、２つの主極を持つビームであって、この２つのビームは各々前記垂線と主極とが成す角度が等しい。また、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路は、超音波フェイズドアレイ送受波器に同時に送信動作をさせて送波横ツインビームを生成する。送波横ツインビームは、超音波振動子を右から左へ横方向にＭ列配列した列に対して垂直な面で、かつ、Ｎ行Ｍ列に配列した超音波振動子の平面配列全体の中心を通り超音波放射面に対して垂直な垂線を含む面内に、２つの主極を持つビームであって、この２つのビームは前記垂線と主極とが成す角度が等しいビームである。さらに、前記第五の送受波切替回路は、超音波フェイズドアレイ送受波器に単独で送信動作をさせて前記垂線を主極とする送受波垂直シングルビームを生成する。

更に、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路同時に受信動作をさせて、受波縦ツインビームで受信する信号出力から前記第一のビーム合成回路は位相調整と加算処理により受波上シングルビームと受波下シングルビームを生成する。同様に前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路は同時に受信動作をさせて受波横ツインビームで受信する信号出力から前記第二のビーム合成回路は受波左シングルビームと受波右シングルビームを生成する。さらに、第五の送受波切替回路を受信動作をさせて受波垂直シングルビームで受信する信号出力を得る。これらの受波上シングルビームと受波下シングルビームと受波左シングルビームと受波右シングルビームと受波垂直シングルビームを受波ビーム切替回路で切替えて、時分割された直交４ビームと垂直ビームの合計５ビームが形成できる超音波フェイズドアレイ送受波器が得られる。

前記の如く、本発明によれば、直交４ビームに加え、超音波フェイズドアレイ送受波器の直下にビームが放射できる小型な超音波フェイズドアレイ送受波器の提供が可能となる。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、超音波振動子を、行と列のピッチ間隔を水中音波の波長をλとしてＰ＝（０.５±０.２５）×λとなるように分極方向を揃えて平面上に行列配列する。さらに超音波振動子を表面電極を行ごとに４つのグループ分け、裏面電極を列ごとに４つのグループ分ける。この８つのグループの入出力端子を５個の変成器を用いて回路を構成する。

以下、具体的な例を挙げ、本発明の超音波フェイズドアレイ送受波器について図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。

図２は、実施例１による超音波フェイズドアレイ送受波器の結線図である。本実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器１Ａは、図２において、紙面の上から下に行をＮ＝１６行、列を右から左にＭ＝１６列となるように２５６個の超音波振動子２１を行列配列した。

超音波振動子２１は、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックス材料をプレスし、焼成した焼結体を加工して横１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、縦１５ｍｍのブロックとした。このブロックの横と幅の成す正方形面の２面に電極を設け一方を正極、他方を負極として直流の高電圧を印加し、分極処理を行うことで、縦方向振動モードの共振周波数が８５ｋＨｚとなる超音波振動子とした。

この超音波振動子２１を、２５６個作り、超音波振動子２１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となるように揃えて、図１に示すように正方形状に１６行、１６列に配列した。この時、縦の隙間３１と横の隙間３２は１ｍｍにして全てにコルクシートで埋める構造とし、各超音波振動子２１はコルクシートを介して接着材で固定した。この配列による行も列も共に各超音波振動子２１のピッチＰは１１ｍｍとなり、水中での波長λが約１６ｍｍであるから、Ｐ＝（０.５±０.２５）×λを満たす。

各超音波振動子２１の表面電極を全て行毎に接続して１６本の横の結線４１を作り、行を上から下へ順に、１行目と５行目と９行目と１３行目の横の結線４１を１つのグループにして、入出力端子Ｆ１とした。同様にして、２行目と６行目と１０行目と１４行目の横の結線４１を１つのグループにし入出力端子Ｆ２とし、３行目と７行目と１１行目と１５行目の横の結線４１を１つのグループにし入出力端子Ｆ３とし、４行目と８行目と１２行目と１６行目の横の結線４１を１つのグループにして入出力端子Ｆ４とした。

各超音波振動子２１の裏面電極を全て列毎に接続して１６本の縦の結線４２を作り、列を右から左へ順に、１列目と５列目と９列目と１３列目の縦の結線４２を１つのグループにして、入出力端子Ｒ１とした。同様にして、２列目と６列目と１０列目と１４列目の縦の結線４２を１つのグループにし入出力端子Ｒ２とし、３列目と７列目と１１列目と１５列目の縦の結線４２を１つのグループにし入出力端子Ｒ３とし、４列目と８列目と１２列目と１６列目の縦の結線４２を１つのグループにして入出力端子Ｒ４とした。

また、図２に示すように、入出力端子Ｆ１〜Ｆ４は変成器Ｔ１、変成器Ｔ２それぞれの平衡２次回路に、入出力端子Ｒ１〜Ｒ４の入出力端子は変成器Ｔ３、変成器Ｔ４それぞれの平衡２次回路に順次接続した。さらに、変成器Ｔ１、変成器Ｔ２の平衡２次回路中性点の結線と変成器Ｔ３、変成器Ｔ４の平衡２次回路中性点の結線は変成器Ｔ５の平衡２次回路に接続をした。

変成器Ｔ１の１次回路から見た振動子配列の接続は、奇数行が一波長間隔で交互に逆接続される。これによる配列面に垂直な方向の指向性は同相入力音圧の逆接続により奇数行間の総和は極小となる。又、垂直方向から±θｏの主極方位では奇数行間の経路差が半波長、すなわち位相差πとなって奇数行交互に入力音波の位相が反転し、配列の逆接続による再反転で奇数行間の総和は極大となってツインビームを生成する。

同様に、変成器Ｔ２に接続している偶数行、変成器Ｔ３に接続している奇数列、変成器Ｔ４に接続している偶数列についても±θｏに主極を有するツインビームとなる。この関係からビーム仰角となるθ₀は式（１）となる。

（２π／λ）×（逆接続間隔：λ）ｓｉｎθ₀=±π・・・・・・（１）
∴ ｓｉｎθ₀=±１２、θ₀=±３０°

変成器Ｔ５の１次回路から見た振動子配列の接続は、変成器Ｔ１と変成器Ｔ２の中性点を接続することで入出力端子Ｆ１〜Ｆ４を短絡状態にし、変成器Ｔ３と変成器Ｔ４の中性点を接続することで入出力端子Ｒ１〜Ｒ４を短絡状態にして、振動子配列の表面電極全てと裏面電極全てを接続する。その結果、全振動子は順接続となり、配列面中心の垂直方向を主極としたシングルビームが得られた。

図３は、実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の結線図である。図３には超音波フェイズドアレイ送受波器の振動子と変成器の配列と結線と信号処理の入出力回路の構成を示している。本実施例では、超音波振動子２２は実施例１に使用したものと同じ超音波振動子を使用した。また、使用する超音波振動子２２の数を４８０個とし、紙面の上から下に行をＮ＝２６行、列を右から左にＭ＝２６列となるように行列配列した。超音波振動子２２の配列は、図３に示すように、各行、各列に２６個の超音波振動子２２を配列するのではなく、配列した際に、外形が略円形を成す様に、各行、各列とも配列する超音波振動子２２の数を調整した。図３において、配列した超音波振動子２２の行について行番号を上から下へ１から２６とし、列について列番号を右から左へ１から２６とする。各行と各列に配列した振動子の数を表１に示す。

本実施例では、実施例１と同様に、各超音波振動子２２の表面電極、裏面電極を揃えて配列した。また、縦の隙間３３と横の隙間３４は１ｍｍにして全てにコルクシートで埋める構造とし、各超音波振動子２２はコルクシートを介して接着材で固定したので、各超音波振動子２２のピッチＰは１１ｍｍとなり、Ｐ＝（０.５±０.２５）×λを満たす。

表面電極は各超音波振動子２２を全て行毎に接続して２６本の横の結線４３を作り、さらに、行を上から下へ順に、（４Ｋ＋１）行目のグループと、（４Ｋ＋２）行目のグループと、（４Ｋ＋３）行目のグループと、（４Ｋ＋４）行目のグループ（但し、Ｋ＝０、１、・・・Ｎ／４−１とする）の４つのグループに分けて横の結線４３を接続し、４つの入出力端子Ｆ１〜Ｆ４とした。

また、裏面電極は各超音波振動子２２を全て列毎に接続して２６本の縦の結線４４を作り、列を横方向に右から（４Ｌ＋１）列目のグループと、（４Ｌ＋２）列目のグループと、（４Ｌ＋３）列目のグループと、（４Ｌ＋４）列目のグループ（但し、Ｌ＝０、１、・・・Ｍ／４−１とする）の４つのグループに分けて縦の結線４４を接続し、４つの入出力端子Ｒ１〜Ｒ４とした。

また、図３に示すように、入出力端子Ｆ１〜Ｆ４は変成器Ｔ１、変成器Ｔ２それぞれの平衡２次回路に、入出力端子Ｒ１〜Ｒ４の入出力端子は変成器Ｔ３、変成器Ｔ４それぞれの平衡２次回路に順次接続した。さらに、変成器Ｔ１、変成器Ｔ２の平衡２次回路中性点の結線と変成器Ｔ３、変成器Ｔ４の平衡２次回路中性点の結線は変成器Ｔ５の平衡２次回路に接続をした。

更に、変成器Ｔ１〜Ｔ５の各１次回路側に送受信切替回路７Ａ〜７Ｅを接続した。送受信切替回路７Ａ〜７Ｅは、送波信号と受波信号の流れる方向の切替を行う。ここで、送波ビーム切替回路８は、送受信切替回路７Ａと送受信切換回路７Ｂ、送受信切替回路７Ｃと送受信切換回路７Ｄ、送受信切替回路７Ｅの三つのグループに送波信号を送る回路とした。

図４は、実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器のビーム示す斜視図である。本実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器１Ｂはビーム１１Ａとビーム１１Ｃからなるツインビームとビーム１１Ｂとビーム１１Ｄからなるツインビームとビーム１１Ｅであるシングルビームを形成する。

又、送受波切替回路７Ａと送受波切換回路７Ｂから出力される受波信号は第一のビーム合成回路９Ａに出力され、両方の受波信号の位相を調整して加算し、ビーム１１Ａとビーム１１Ｃからなるツインビームをビーム１１Ａとビーム１１Ｃに分離してシングルビームの受波信号として出力する。

ビーム合成の原理は、正負極性が共に交互反転している送受波切替回路７Ａから出力される奇数行ツインビーム信号と送受波切替回路７Ｂから出力される偶数行ツインビーム信号との間に９０°の位相差を付与して加算することにより、全行が位相差＋９０°又は−９０°ステップの配列と等価な状態になり、主極方位がビームの仰角で＋３０°又は−３０°のシングルビームに合成される。行間隔と主極方位の関係は式（２）、式（３）となる。

（２π／λ）×（行間隔：λ／２）×ｓｉｎθ₀=＋π／２ ・・・・・（２）
∴ｓｉｎθ₀=＋１２、θ₀=＋３０°
（２π／λ）×（行間隔：λ／２）×ｓｉｎθ₀=−π／２ ・・・・・（３）
∴ｓｉｎθ₀=−１２、θ₀=−３０°

同様に、送受波切替回路７Ｃと送受波切換回路７Ｄから出力される受波信号は第二のビーム合成回路９Ｂに出力され、両方の受波信号の位相を調整して加算し、ビーム１１Ｂとビーム１１Ｄからなるツインビームをビーム１１Ｂとビーム１１Ｄに分離してシングルビームの受波信号として出力する。また、送受波切替回路７Ｅの受波出力は送波の場合と同様に全素子の順接続状態であることから送波と同様の垂直シングルビームを形成する。

本実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器を実際に駆動して指向性を測定した。図５乃至図８は、実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性の実測データを示すチャート図である。図５乃至図８に示す指向性は、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器を放射面が水面に対して垂直となるようにして水中深さ３ｍに沈め、放射面から３ｍ離れた位置に水中マイクロホン或いは水中スピーカを配列し、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器を水面に対して水平方向に回転させながら送信及び受信の指向性を測定したものである。

図５乃至図８に示すチャートの実線は、各角度における、送信及び受信で得られた信号のレベルを示している。中心から外に向かってレベルが大きいことを示し、単位はｄＢ（デシベル）で表示している。また、各測定で得られた最大値を０ｄＢとしてチャートには示してある。

図５は、送波ビーム切替回路８により送受波切替回路７Ｅに送信信号を送り、図４に示すビーム１１Ｅであるシングルビームを実測した結果である。図６は送波ビーム切替回路８により送受波切替回路７Ａと送受波切換回路７Ｂに送信信号を送り、図４で示したビーム１１Ａとビーム１１Ｃからなるツインビームを実測した結果である。図７及び図８は第一のビーム合成回路９Ａから出力される図４に示すところのビーム１１Ａとビーム１１Ｃからなるツインビームがビーム１１Ａとビーム１１Ｃに分離されてシングルビームとなって出力される受波信号を実測した結果である。

図５乃至図８に示すように、本実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器のビームは前述した設計値通りとなっていることが確認できた。

上記の如く、本発明によれば、直交４ビームに加え、真下にビームが放射できる小型な超音波フェイズドアレイ送受波器の提供が可能となる。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は海洋開発等において水中で使用する高度速度計や計測機器に利用することができる。

従来の送受波器のビームを示す斜視図。 実施例１による超音波フェイズドアレイ送受波器の結線図。 実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の結線図。 実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器のビーム示す斜視図。 実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性の実測データを示すチャート図。 実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性の実測データを示すチャート図。 実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性の実測データを示すチャート図。 実施例２による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性の実測データを示すチャート図。

符号の説明

１ 送受波器
１Ａ、１Ｂ 超音波フェイズドアレイ送受波器
２、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ ビーム
３ 主極軸
４ ビーム放射面
７ 送受波切替回路
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ 送受信切替回路
８ 送波ビーム切替回路
９Ａ 第一のビーム合成回路
９Ｂ 第二のビーム合成回路
１０ 受波ビーム切替回路
２１、２２ 超音波振動子
３１、３３ 縦の隙間
３２、３４ 横の隙間
４１、４３ 横の結線
４２、４４ 縦の結線
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 入出力端子
Ｈ 高度
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５ 変成器
α 角度
β ビーム先端

Claims (2)

1. 対抗する二面の一面に表面電極、他方の面に裏面電極を有し、前記表面電極が超音波の放射面となる超音波振動子を、分極方向を揃えて平面上にＮ行、Ｍ列（ＮとＭは正の整数）となるように行列配列し、各行には４個以上Ｍ個以下の前記超音波振動子が配列されてＮ行配列を成し、各列には４個以上Ｎ個以下の前記超音波振動子が配列されてＭ列配列を成す超音波フェイズドアレイ送受波器であって、前記超音波振動子は、隣接する前記超音波振動子の前記放射面中心が、水中音波の波長をλとしてＰ＝（０．５±０．２５）×λの間隔となるように行列配列され、前記各表面電極が前記行毎に結線されてＮ本の結線群を成し、前記各裏面電極が前記列毎に結線されてＭ本の結線群を成し、前記Ｎ本の結線群を行方向に順次（４Ｋ＋１）行目のグループと（４Ｋ＋２）行目のグループと（４Ｋ＋３）行目のグループと（４Ｋ＋４）行目のグループ（但し、Ｋ＝０、１、・・・Ｎ／４−１とする）の４つのグループに分けて、グループ毎に結線をし、それぞれを入出力端子Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４とし、前記Ｍ本の結線群を列方向に順次（４Ｌ＋１）列目のグループと（４Ｌ＋２）列目のグループと（４Ｌ＋３）列目のグループと（４Ｌ＋４）列目のグループ（但し、Ｌ＝０、１、・・・Ｍ／４−１とする）の４つのグループに分けて、前記グループ毎に結線をし、それぞれを入出力端子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とし、前記入出力端子Ｆ１と前記入出力端子Ｆ３を第一の変成器の平衡２次回路に接続し、前記入出力端子Ｆ２と前記入出力端子Ｆ４を第二の変成器の平衡２次回路に接続し、前記入出力端子Ｒ１と前記入出力端子Ｒ３を第三の変成器の平衡２次回路に接続し、前記入出力端子Ｒ２と前記入出力端子Ｒ４を第四の変成器の平衡２次回路に接続し、前記第一の変成器と前記第二の変成器の各２次回路中性点の結線部と、前記第三の変成器と前記第四の変成器の各２次回路中性点の結線部とを第五の変成器の２次回路に接続してなり、前記第一の変成器の１次回路は前記Ｎ行配列の奇数行の交互逆接続を成し、前記第二の変成器の１次回路は前記Ｎ行配列の偶数行の交互逆接続を成し、前記第三の変成器の１次回路は前記Ｍ列配列の奇数列の交互逆接続を成し、前記第四の変成器の１次回路は前記Ｍ列配列の偶数列の交互逆接続を成し、前記第五の変成器の１次回路は前記すべての超音波振動子の順接続を成し、前記第一乃至第五の変成器の各１次回路に対応して接続され、送信と受信を切り替える機能を有する第一乃至第五の送受波切替回路と、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路、前記第五の送受波切替回路からなる３つのグループに接続を分割して切り替える機能を有する送波ビーム切替回路と、前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路から出力される受波信号の位相調整と加算を行う機能を有する第一のビーム合成回路と、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路から出力される受波信号の位相調整と加算を行う機能を有する第二のビーム合成回路と、前記第一のビーム合成回路から出力されるビーム信号と、前記第二のビーム合成回路から出力されるビーム信号と、前記第五の送受波切替回路から出力される受波シングルビーム信号と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からなることを特徴とする超音波フェイズドアレイ送受波器。
2. 前記第一の送受波切替回路と前記第二の送受波切替回路は、前記超音波振動子が前記行列配列されて形成してなる前記平面の中心を通り、前記表面電極面からなる面に対する垂線を含む前記Ｎ行配列に対して垂直な面内に前記垂線と成す角度が等しい２つの主極を有する送波縦ツインビームを生成する電気信号を前記超音波振動子に送信する機能を有し、前記第三の送受波切替回路と前記第四の送受波切替回路は、前記中心を通り、前記垂線を含む前記Ｍ列配列に対して垂直な面内に前記垂線と成す角度が等しい２つの主極を有する送波横ツインビームを生成する電気信号を前記超音波振動子に送信する機能を有し、前記第五の送受波切替回路は、前記中心を通り、前記垂線を主極とする送受波垂直シングルビームを生成する電気信号を前記超音波振動子に送信する機能を有し、前記第一のビーム合成回路は、前記受波縦ツインビームを受波上シングルビームと受波下シングルビームとに分離する機能を有し、前記第二のビーム合成回路は、前記受波横ツインビームを受波左シングルビームと受波右シングルビームとに分離する機能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。

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