JP4979007B2 - 同時双方向型送受波装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に水中で使用する水中通話器や高度計等に使用される送受信兼用型の同時双方向型送受波装置に関する。

従来、超音波送受波器に関する先行技術としては、付加質量であるフロントマスとリアマスとを用いて複数の圧電振動子を挟み込んでボルトにより固定したボルト締めランジュバン型振動子を使用する送受波器（例えば、特許文献１参照）が挙げられる。

図８は、従来の送受波装置の説明図である。従来、これらの超音波送受波装置を使用した水中通話器や高度計は、図８に示すように、送受波器１００と送受信回路１２０とから構成されている。送受波器１００は、少なくとも２個の円筒型圧電振動子１０２ａ，１０２ｂと、フロントマス１０３、リアマス１０４、シャフト１０５が積層、締結された振動子組立体１０１よりなり、各円筒型圧電振動子１０２ａ，１０２ｂの分極極性の＋／−毎の共通線となって引き出される２本のリード線１０８ａ，１０８ｂは、電気側入出力端子となる。従来の送受波器１００は、振動子組立体１０１の１次縦振動を利用している。

送受波器１００の電気側入出力端子と接続されているリード線１０８ａ，１０８ｂは、送受信回路１２０の送受切替回路１２２に接続される。送受切替回路１２２は、送信回路１２３からの送信信号を受け取ると送受波器１００に送信信号を入力し、送信信号がないときには送受波器１００の受波信号出力を受信回路１２４へ伝送する。

特開２００３−１７４６９５号公報

しかしながら、このような送受波器１００と送受信回路１２０からなる構成では、送受波器１００の送波時間と受波時間は分割され、水中通話器であれば送話／受話の通話は時分割しか行なえない。

図９は、従来の高度計の受波計測可能時間の説明図である。また、高度計であれば、図９に示すように、送波時間内では高度計測は不可能で測定できず、受波時間内でしか高度計測できないという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、送波と受波を同時に行なうことが可能な同時双方向型送受波装置を提供することを目的とする。

本発明は、両端面に電極を有し軸方向に分極された２個の円筒型圧電振動子と、前記円筒型圧電振動子の内径より小さい開口を有し前記２個の円筒型圧電振動子間に同軸状に挟み込まれて積層されるノードプレートと、前記第１の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面に円環状の絶縁座を介して同軸状に積層配置されるフロントマスと、前記第２の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面に円環状の絶縁座を介して同軸状に積層配置されるリアマスと、前記フロントマスと前記リアマス間で積層される前記２個の円筒型圧電振動子と前記ノードプレートおよび前記絶縁座の開口部をシャフトが貫通し、前記シャフトが前記フロントマスと前記リアマスとにネジにて締結して一体化されてなる振動子組立体であって、前記２個の円筒型圧電振動子の分極極性が前記ノードプレート側で同極性となるように配置し、前記ノードプレート側の同極性となる電極に共通の引出し線である第１のリード線と、前記第１の円筒型圧電振動子の前記フロントマス側の電極から引き出した第２のリード線と、前記第２の円筒型圧電振動子の前記リアマス側の電極から引き出した第３のリード線とを設けた振動子組立体と、１次側巻線で平衡入力される巻線を有する絶縁トランスと、前記振動子組立体と前記絶縁トランスを収納するケースとからなる送受波器であって、前記振動子組立体の前記ノードプレートが緩衝座を介して前記ケースに取り付け支持され、前記振動子組立体の前記第２および第３のリード線が前記絶縁トランス１次側の巻線の平衡入力端子に接続され、前記１次側巻線の中性点と前記振動子組立体の前記第１のリード線間で送波信号の入力端子を形成し、前記絶縁トランスの２次側巻線で受波信号の出力端子を形成することを特徴とする同時双方向型送受波装置である。

また、本発明は、両端面に電極を有し軸方向に分極された２個の円筒型圧電振動子と、前記円筒型圧電振動子の内径より小さい開口を有し前記２個の円筒型圧電振動子間に同軸状に挟み込まれて積層されるノードプレートと、前記第１の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面側に同軸状に積層配置されるフロントマスと、前記第２の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面側に同軸状に積層配置されるリアマスと、前記フロントマスと前記リアマス間で積層される前記２個の円筒型圧電振動子と前記ノードプレートの開口部をシャフトが貫通し、前記シャフトが前記フロントマスと前記リアマスとにネジにて締結して一体化されてなる振動子組立体であって、前記２個の円筒型圧電振動子の分極極性が前記ノードプレート側で同極性となるように配置し、前記ノードプレート側の同極性となる電極に共通の引出し線である第１のリード線と、前記第１の円筒型圧電振動子の前記フロントマス側の電極から引き出した第２のリード線と、前記第２の円筒型圧電振動子の前記リアマス側の電極から引き出した第３のリード線とを設け、前記フロントマス、前記リアマス、前記シャフトのうち少なくとも１つを絶縁性材質で構成した振動子組立体と、１次側巻線で平衡入力される巻線を有する絶縁トランスと、前記振動子組立体と前記絶縁トランスを収納するケースとからなる送受波器であって、前記振動子組立体の前記ノードプレートが緩衝座を介して前記ケースに取り付け支持され、前記振動子組立体の前記第２および第３のリード線が前記絶縁トランス１次側の巻線の平衡入力端子に接続され、前記１次側巻線の中性点と前記振動子組立体の前記第１のリード線間で送波信号の入力端子を形成し、前記絶縁トランスの２次側巻線で受波信号の出力端子を形成することを特徴とする同時双方向型送受波装置である。

また、本発明は、前記振動子組立体の第２のリード線と前記絶縁トランス１次側巻線の入力間、および、前記振動子組立体の第３のリード線と前記絶縁トランス１次側巻線の入力間に調整回路を接続し、前記調整回路の定数を調整することにより、前記送波信号による前記受波信号出力端子へのクロストークを最小化することを特徴とする同時双方向型送受波装置である。

以上の振動子組立体およびそれを用いた同時双方向型送受波装置により、送波と受波を同時に行なうことが可能となり、送受切替回路が不要となるとともに、水中通話器を構成した場合には同時双方向通話が可能となり、迅速な情報伝達を行なえ、高度計を構成した場合には、高度０ｍからの計測が可能な広レンジ高度計の構成が可能になる。また、振動子組立体と絶縁トランス間に調整回路を設けることにより、容易にクロストークを最小化することが可能になる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る振動子組立体の説明図である。振動子組立体１は、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂ、フロントマス３、リアマス４、シャフト５、絶縁座６ａ，６ｂ、ノードプレート７、３本のリード線８ａ，８ｂ，８ｃ等よりなる。

２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂは、それぞれ、両端面に電極を有し、軸方向に分極されている。ノードプレート７は、円筒型圧電振動子２ａ，２ｂの内径より小さい開口を有し、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂ間に同軸状に挟み込まれて積層される。

円筒型圧電振動子２ａのノードプレート７と接触する端面と対向する端面には、円環状の絶縁座６ａを介して同軸状にフロントマス３が積層配置される。一方、円筒型圧電振動子２ｂのノードプレート７と接触する端面と対向する端面には、円環状の絶縁座６ｂを介して、これも同軸状にリアマス４が積層配置される。

シャフト５は、フロントマス３とリアマス４間で積層される２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂとノードプレート７、絶縁座６ａ，６ｂの開口部を貫通してフロントマス３とリアマス４にネジ結合され、振動子組立体１を締結して一体化している。

ここで、シャフト５、フロントマス３、リアマス４の少なくとも１つを絶縁材で構成すれば、円筒型圧電振動子２ａ−フロントマス３間の絶縁座６ａと、円筒型圧電振動子２ｂ−リアマス４間の絶縁座６ｂを積層配置する必要はない。

以上のように構成された振動子組立体１において、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂの分極極性は、ノードプレート７側で同極性になるように配置される。例えば、図１ではノードプレート７側の極性は同極性の＋極にされているが、同極性の−極としてもよい。

第１のリード線８ａは、ノードプレート７側の同極性電極共通の引出し線である。また、第２のリード線８ｂは、第１の円筒型圧電振動子２ａのフロントマス３側の電極から引き出される。さらに、第３のリード線８ｃは、第２の円筒型圧電振動子２ｂのリアマス４側の電極から引き出される。

図２は、本実施の形態に係る振動子組立体を使用した送受波器１０の説明図である。送受波器１０は、振動子組立体１と絶縁トランス１１、および振動子組立体１および絶縁トランス１１を収納し、振動子組立体１を支持するフロントケース１３、支持ケース１４、キャップ１５等からなる。

フロントケース１３は、円筒状のケースであり、円筒の内周のフロントマス３側にはフロントマス３を支持するための凹型の切欠部２０、円筒の内周のフロントマス３側と反対側の端部には雌ネジ結合部１９ａと、雌ネジ結合部１９ａと接して緩衝座１７が設けられる。

支持ケース１４も円筒状のケースであり、その一端には、フロントケース１３の雌ネジ結合部１９ａと嵌合する雄ネジ結合部１９ｂが設けられる。キャップ１５は、支持ケース１４の他端の開口部を塞ぐ蓋である。キャップ１５の側面には、切欠部２１が設けられ、切欠部２１にはＯリング１６ｂが装着される。また、キャップ１５には４個の端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが設けられる。

振動子組立体１は、フロントケース１３の内部に挿入され、フロントケース１３の切欠部２０に装着されたＯリング１６ａによって、フロントマス３とフロントケース１３間がシールドされる。また、振動子組立体１の中央部のノードプレート７はフロントケース１３の緩衝座１７に嵌合される。そして、フロントケース１３の雌ネジ結合部１９ａに支持ケース１４の雄ネジ結合部１９ｂを嵌合し、緩衝座を介してノードプレート７を挟み込むことにより、振動子組立体１がフロントケース１３、支持ケース１４内に固定される。支持ケース１４の他端にはキャップ１５が嵌合され、Ｏリング１６ｂによってケース内部がシールドされる。

支持ケース１４の内部には振動子組立体１の他に絶縁トランス１１が封入される。振動子組立体１の第２のリード線８ｂと第３のリード線８ｃは絶縁トランス１１の１次側巻線の平衡入力端子９ａ，９ｂに接続される。また、絶縁トランスの１次側巻線の中性点から引き出した信号線は、キャップ１５に設けられた端子１２ｂに接続される。

さらに、振動子組立体１の第１のリード線８ａはキャップ１５に設けられた端子１２ａに接続される。絶縁トランス１１の２次側巻線の両端はキャップに設けられた端子１２ｃおよび端子１２ｄに接続される。

リード線８ｂおよびリード線８ｃと、絶縁トランス１１の１次側巻線、リード線８ａが接続された端子１２ａ、１次側巻線の中性点から引き出した信号線が接続された端子１２ｂにより、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂを順方向の極性で並列に接続した回線が構成され、端子１２ａ−端子１２ｂ間に送波信号の入力端子が形成される。また、２次側巻線の出力については、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂを逆方向の極性で直列に接続した回線を構成し、受波信号の出力端子を形成する。

図３は、送受波器の送波用１次縦振動の説明図であり、図３（ａ）は、送受波器１０の送波用１次縦振動の振動前の説明図で、図３（ｂ）は、送受波器１０の送波用１次縦振動の伸長時の説明図で、図３（ｃ）は、送受波器１０の送波用１次縦振動の縮長時の説明図で、図３（ｄ）は、送受波器１０の送波用１次縦振動の解説図である。

端子１２ａ，端子１２ｂ間に送信信号を入力すると、第１の円筒型圧電振動子２ａと絶縁トランス１１の１次側巻線の上部半巻線とで１つの閉回路が構成され、電流Ｉｓ１が流れる。また、これと同時に、第２の円筒型圧電振動子２ｂと絶縁トランス１１の１次側巻線の下部半巻線とで２つ目の閉回路を構成され、電流Ｉｓ２が流れる。

２つの閉回路は、信号の極性と円筒型圧電振動子２ａ，２ｂの分極極性が一致するため、図３（ｄ）に示すように、圧電振動子の伸縮方向が同方向となり、図３（ｂ）に示すように、送信信号の交番電圧に一致して伸張、および図３（ｃ）に示すように、縮長を繰り返し、１次縦振動を誘起し、送信信号を送波音波Ｐｓに変換してフロントマス３から送波する。

このとき、絶縁トランス１１の１次側巻線には方向の異なる２つの電流Ｉｓ１とＩｓ２が流れ込むので磁束が誘起されることはなく、２次側の受波出力の端子１２ｃ，１２ｄへのクロストークは生じない。同様に、振動子組立体１が外来音波を受波して駆動される１次縦振動の信号も絶縁トランス１１の２次側巻線へ出力されない。

図４は、送受波器の送波用２次縦振動の説明図であり、図４（ａ）は、送受波器１０の受波用２次縦振動の振動前の説明図で、図４（ｂ）は、送受波器１０の受波用２次縦振動の伸長時の説明図で、図４（ｃ）は、送受波器１０の受波用２次縦振動の縮長時の説明図で、図４（ｄ）は、送受波器１０の受波用２次縦振動の解説図である。

振動子組立体１が外来音波Ｐｒを受けて駆動された２次縦振動は、例えば、図４（ｂ）に示すように、音波の負圧によりフロントマス３を前進させ、第１の円筒型圧電振動子２ａに引張力を与え、一方、第２の円筒型圧電振動子２ｂには圧縮力を与える。また、図４（ｃ）に示すように、音波の正圧によりフロントマス３は後退し、第１の円筒型圧電振動子２ａに圧縮力を与え、第２の円筒型圧電振動子２ｂには引張力を与える。

上記第１および第２の各円筒型圧電振動子２ａ，２ｂは、分極極性を逆にして直列接続されているので、各円筒型圧電振動子２ａ，２ｂに加わる引張力と圧縮力は、機械−電気変換の過程において順方向の信号に変換され、その信号は、各出力電気信号の和として絶縁トランス１１の１次側巻線の平衡入力端子に伝達され、２次側から受波信号として出力される。

外来音波Ｐｒの駆動によって振動子組立体１は１次縦振動、２次縦振動、およびその他の高次の縦振動による信号を発生して重ね合わせの状態にあるが、１次縦振動の信号は２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂの逆極性接続により消滅し、絶縁トランス１１の１次側巻線の平衡入力端子間には現れない。一方、２次縦振動の信号は、振動の逆極性（図４（ｄ）の伸縮逆方向）と、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂの逆極性接続（図４（ｄ）の分極逆極性）により整相され（図４（ｄ）の信号同極性）、受波信号として出現する。

送信信号による大振幅の１次縦振動と、受波音圧による微弱振幅の２次縦振動とが振動子組立体１に混在することから、送受波信号間の干渉等が心配されるが、共に重ね合わせの状態にあるため、それぞれの信号処理を適切に行うことにより送受２種類の信号を同時に処理することが可能である。

図５は、送波信号の受波信号出力端子へのクロストークを最小化するための調整回路の説明図である。すなわち、２個の円筒型圧電振動子２ａ，２ｂの特性差や、絶縁トランス１１の１次側巻線の平衡入力端子への信号伝達誤差等によって生じる２つの閉回路（電流Ｉｓ１と電流Ｉｓ２が流れるそれぞれの回路）の電流差を最小化する回路である。

例えば、第２のリード線８ｂと１次側巻線の間に可変電気素子５１を、第３のリード線８ｃと１次側巻線の間に固定電気素子５２を設ける。可変電気素子５１を調整することにより、固定電気素子５２と相まって２つの閉回路の電流差を最小化することが可能である。これにより、絶縁トランス１１の２次側巻線で合算されて出力される送波信号のクロストークが最小化される。

図６は、本実施の形態の送受波器１０の感度周波数特性の説明図である。送波感度は、１次縦振動の共振周波数ｆ１で最大感度を示し、共振周波数以外では感度の低下を生じ、送波に適した帯域は共振周波数近傍の帯域となる。受波感度は、２次縦振動の共振周波数ｆ２で最大感度を示す。２次縦振動の共振周波数ｆ２は１次縦振動の共振周波数ｆ１とは異なり、２次縦振動の共振周波数以下の低周波数領域での受波感度は振動モードが大きく変わらないために静圧感度の性能で低周波領域まで一定であると考えられる。よって、送波信号の共振周波数帯域近傍で平坦な受波感度特性が得られることにより、送受波感度積で広帯域となる利点が得られる。

図７は、本実施の形態に係る受波計測可能時間の説明図である。上記にて説明したとおり、本実施の形態の送受波器１０は、送波と受波を同時に行なうことが可能であり、受波計測可能時間が送波時間の制約を受けない。よって、水中通話器に本送受波器１０を適用すれば、同時双方向通信が可能になる。また、高度計に本送受波器１０を適用すれば、高度０ｍからの計測が可能になり、従来の音響機器の機器性能を大幅に向上することが可能である。

尚、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能であり、それらも、本発明の技術範囲に含まれる。

また、本発明による同時双方向送受波器は、水中で使用する音響装置用として実施の形態を説明したが、同種の原理を有する空中音響装置用の電気音響変換器にも適用することが可能である。

本実施の形態に係る振動子組立体の説明図。 本実施の形態に係る振動子組立体を使用した送受波器の説明図。 送受波器の送波用１次縦振動の説明図。図３（ａ）は送受波器の送波用１次縦振動の振動前の説明図。図３（ｂ）は送受波器の送波用１次縦振動の伸長時の説明図。図３（ｃ）は送受波器の送波用１次縦振動の縮長時の説明図。図３（ｄ）は送受波器の送波用１次縦振動の解説図。 送受波器の送波用２次縦振動の説明図。図４（ａ）は送受波器の受波用２次縦振動の振動前の説明図。図４（ｂ）は送受波器の受波用２次縦振動の伸長時の説明図。図４（ｃ）は送受波器の受波用２次縦振動の縮長時の説明図。図４（ｄ）は送受波器の受波用２次縦振動の解説図。 送波信号の受波信号出力端子へのクロストークを最小化するための調整回路の説明図。 本実施の形態の送受波器の感度周波数特性の説明図。 本実施の形態に係る受波計測可能時間の説明図。 従来の送受波装置の説明図。 従来の高度計の受波計測可能時間の説明図。

符号の説明

１，１０１ 振動子組立体
２ａ，２ｂ，１０２ａ，１０２ｂ 円筒型圧電振動子
３，１０３ フロントマス
４，１０４ リアマス
５，１０５ シャフト
６ａ，６ｂ 絶縁座
７ ノードプレート
８ａ，８ｂ，８ｃ，１０８ａ，１０８ｂ リード線
９ａ，９ｂ 平衡入力端子
１０，１００ 送受波器
１１ 絶縁トランス
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 端子
１３ フロントケース
１４ 支持ケース
１５ キャップ
１６ａ，１６ｂ Ｏリング
１７，１１７ 緩衝座
１８ ネジ
１９ａ 雌ネジ結合部
１９ｂ 雄ネジ結合部
２０，２１ 切欠部
５１ 可変電気素子
５２ 固定電気素子
１０９ 支持材
１２０ 送受信回路
１２２ 送受切替回路
１２３ 送信回路
１２４ 受信回路

Claims (3)

1. 両端面に電極を有し軸方向に分極された２個の円筒型圧電振動子と、前記円筒型圧電振動子の内径より小さい開口を有し前記２個の円筒型圧電振動子間に同軸状に挟み込まれて積層されるノードプレートと、前記第１の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面に円環状の絶縁座を介して同軸状に積層配置されるフロントマスと、前記第２の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面に円環状の絶縁座を介して同軸状に積層配置されるリアマスと、前記フロントマスと前記リアマス間で積層される前記２個の円筒型圧電振動子と前記ノードプレートおよび前記絶縁座の開口部をシャフトが貫通し、前記シャフトが前記フロントマスと前記リアマスとにネジにて締結して一体化されてなる振動子組立体であって、前記２個の円筒型圧電振動子の分極極性が前記ノードプレート側で同極性となるように配置し、前記ノードプレート側の同極性となる電極に共通の引出し線である第１のリード線と、前記第１の円筒型圧電振動子の前記フロントマス側の電極から引き出した第２のリード線と、前記第２の円筒型圧電振動子の前記リアマス側の電極から引き出した第３のリード線とを設けた振動子組立体と、１次側巻線で平衡入力される巻線を有する絶縁トランスと、前記振動子組立体と前記絶縁トランスを収納するケースとからなる送受波器であって、前記振動子組立体の前記ノードプレートが緩衝座を介して前記ケースに取り付け支持され、前記振動子組立体の前記第２および第３のリード線が前記絶縁トランス１次側の巻線の平衡入力端子に接続され、前記１次側巻線の中性点と前記振動子組立体の前記第１のリード線間で送波信号の入力端子を形成し、前記絶縁トランスの２次側巻線で受波信号の出力端子を形成することを特徴とする同時双方向型送受波装置。
2. 両端面に電極を有し軸方向に分極された２個の円筒型圧電振動子と、前記円筒型圧電振動子の内径より小さい開口を有し前記２個の円筒型圧電振動子間に同軸状に挟み込まれて積層されるノードプレートと、前記第１の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面側に同軸状に積層配置されるフロントマスと、前記第２の円筒型圧電振動子の前記ノードプレートと接触する端面と対向する端面側に同軸状に積層配置されるリアマスと、前記フロントマスと前記リアマス間で積層される前記２個の円筒型圧電振動子と前記ノードプレートの開口部をシャフトが貫通し、前記シャフトが前記フロントマスと前記リアマスとにネジにて締結して一体化されてなる振動子組立体であって、前記２個の円筒型圧電振動子の分極極性が前記ノードプレート側で同極性となるように配置し、前記ノードプレート側の同極性となる電極に共通の引出し線である第１のリード線と、前記第１の円筒型圧電振動子の前記フロントマス側の電極から引き出した第２のリード線と、前記第２の円筒型圧電振動子の前記リアマス側の電極から引き出した第３のリード線とを設け、前記フロントマス、前記リアマス、前記シャフトのうち少なくとも１つを絶縁性材質で構成した振動子組立体と、１次側巻線で平衡入力される巻線を有する絶縁トランスと、前記振動子組立体と前記絶縁トランスを収納するケースとからなる送受波器であって、前記振動子組立体の前記ノードプレートが緩衝座を介して前記ケースに取り付け支持され、前記振動子組立体の前記第２および第３のリード線が前記絶縁トランス１次側の巻線の平衡入力端子に接続され、前記１次側巻線の中性点と前記振動子組立体の前記第１のリード線間で送波信号の入力端子を形成し、前記絶縁トランスの２次側巻線で受波信号の出力端子を形成することを特徴とする同時双方向型送受波装置。
3. 前記振動子組立体の第２のリード線と前記絶縁トランス１次側巻線の入力間、および、前記振動子組立体の第３のリード線と前記絶縁トランス１次側巻線の入力間に調整回路を接続し、前記調整回路の定数を調整することにより、前記送波信号による前記受波信号出力端子へのクロストークを最小化することを特徴とする請求項１または２に記載の同時双方向型送受波装置。

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