JP5067821B2 - 多周波送受波器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、魚群探知機やソナー等に用いられる多周波送受波器に関し、特に矩形振動子を複数個並べて構成した多周波送受波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多周波送受波器は、探知目標に応じて周波数を切り替えて使用する送受波器であって、魚群探知機やソナー等の水中探知装置に使用されている。多周波送受波器の典型的なものとしては、２つの周波数の超音波を送受信する２周波型の送受波器が挙げられる。このような２周波型の送受波器では、それぞれの周波数に対応した振動子を独立して２個設けてもよいが、こうすると全体の形状が大きくなりコストも高くなる。そこで、１個の振動子で２周波の送受信が行える送受波器が実用に供されている。
【０００３】
従来、このような送受波器においては、図１１に示すような振動子１００が用いられていた。振動子１００は、圧電セラミックス（ＰＺＴ）などから形成されており、直径がＬ１、厚みがＬ２の円板形状をしている。この振動子１００は、Ｌ１の寸法で決まる固有の共振周波数ｆ１と、Ｌ２の寸法で決まる固有の共振周波数ｆ２とを有しており、Ｌ１＞Ｌ２であるから、共振周波数はｆ１＜ｆ２となる。したがって、振動子１００にｆ１，ｆ２のいずれかの共振周波数と同じ周波数の送信信号を印加することにより、振動子１００はその周波数で共振して、ｆ１またはｆ２の周波数をもった超音波を放射する。また、水中で反射して帰ってくるエコー信号を受信する場合も、ｆ１またはｆ２の周波数で共振して、その周波数の受信信号を生じる。こうして、１個の振動子１００で２周波の送受信を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の振動子１００は円板形状をしていることから、寸法のディメンジョンがＬ１とＬ２の２つだけである。そして、これらのＬ１，Ｌ２の値は、共振周波数が決まれば必然的に決まってしまう。一方、上記のような円板形状の振動子１００においては、超音波は通常円板面から放射されるので、振動子１００の指向角はＬ１の寸法に依存するが、Ｌ１、Ｌ２が共振周波数で決まるために、指向角をＬ１によって自由に選定することができない。したがって、従来の振動子では、寸法と指向角との間に独立性がなく、共振周波数が決まれば指向角も自動的に決まってしまうので、任意の指向特性を得ることができなかった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、その課題とするところは、振動子の寸法と指向角との間に独立性をもたせて、周波数に関係なく任意の指向特性が得られるようにした多周波送受波器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では振動子として矩形振動子を用い、これを複数個並べて配列する。そして、振動子の長手方向の辺と直交する短辺と長辺の寸法により決まる基本振動モードの共振周波数と高次振動モードの共振周波数とを利用して振動子を共振させ、多周波の送受信が行えるようにしている。振動子は、短辺が振動子の配列方向と一致するように配置され、長手方向の辺と短辺とで形成される面が超音波の放射面を構成し、長手方向の辺と長辺とで形成される面が電極面を構成している。また、短辺の寸法Ａと長辺の寸法Ｂの寸法比Ａ／Ｂが、送波電圧感度に基づいてあらかじめ定められた、結合振動が生じない一定値以下の寸法比に設定されている。さらに、長手方向の辺を、基本振動モードおよび高次振動モードでの共振に影響を与えない寸法に設定し、振動子の指向角をこの長手方向の寸法によって制御するようにしている。
【０００７】
本発明のような矩形振動子を用いた場合は、寸法のディメンジョンが３つとなるので、共振周波数に応じて２つの寸法が固定されても、もう１つの寸法は自由に選定することができ、この寸法を変えることで共振周波数に関係なく指向角を任意に選定することが可能となる。なお、高次振動モードには、３次振動モードや５次振動モード等があるが、本明細書における３次振動モードや５次振動モード等の文言は、物理学上の正確な３次振動モードや５次振動モード等だけに限られず、略３次振動モード、略５次振動モード等も含んだ概念である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の多周波送受波器に用いる矩形振動子の一例を示した図である。矩形振動子１は、たとえば圧電セラミックス（ＰＺＴ）から形成されており、３辺の長さがそれぞれＡ，Ｂ，Ｃである直方体からなる。Ａは短辺１ａ、Ｂは長辺１ｂ、Ｃは長手方向の辺１ｃの寸法である。１ｄは、辺１ａおよび辺１ｃにより形成される超音波放射面であって、この放射面１ｄから図の矢印方向へ超音波が放射される。θはこのときの指向角を表している。１ｅは、辺１ｂおよび辺１ｃにより形成される電極面であって、短辺１ａをはさんだ一対の面からなる（図１では片方の面しか表れていない）。これらの電極面１ｅには、送信時に矩形振動子１に電圧を印加し、また受信時に矩形振動子１から電圧を取り出すためのリード線（後述）が接続される。なお、矩形振動子１の分極方向は、図のように短辺１ａに沿う方向となっている。
【０００９】
図２は、上記のような矩形振動子１を用いた多周波送受波器の平面図を示している。多周波送受波器１０は、複数個の矩形振動子１が並べて配列された振動子アレイから構成され、各矩形振動子１は、その短辺１ａの方向が振動子の配列方向Ｚと一致するように配置されている。図のｄは、矩形振動子１の配列間隔（中心間距離）を表している。また、２ａ，２ｂは、矩形振動子１の電極面１ｅ（図１参照）に電気的に接続されたリード線である。図では、左端の矩形振動子１についてのみリード線２ａ，２ｂが図示されているが、他の矩形振動子１にも同様にリード線２ａ，２ｂが接続されている。
【００１０】
ところで、図２のようなアレイ型の送受波器においては、矩形振動子１の配列間隔ｄが指向特性を決定する重要なファクターであり、この配列間隔ｄを適正に選定する必要がある。すなわち、矩形振動子１を同位相の信号で使用する場合、図３に示したように、配列間隔ｄの各振動子１に対して斜め方向（角度φ）から到来する超音波３は、隣接する振動子間で、ｘ＝ｄ・ｃｏｓφの距離に相当する位相差をもって入射する。したがって、配列間隔ｄが広いと、ｘが超音波の波長λの整数倍となるようなφの値が存在し、このときのφの角度で到来する超音波３は、各振動子１に入射する時点での位相がすべて揃うことになるので、送受波器の受信電圧レベルが大きくなる。このように、正面方向（φ＝９０°）以外に、入射する超音波の位相が揃う斜め方向の角度φが存在する結果、この斜め方向に対する感度の極大点（グレーティングローブ；以下ＧＬと記す）が発生して、指向特性におけるＳ／Ｎ比が悪くなる。
【００１１】
そこで、これを回避するには、配列間隔ｄを超音波の波長λよりも短くすればよい。すなわち、ｃｏｓφの最大値は１であるから、ｄがλよりも小さければ、ｘの値もλより小さくなって、ｘがλの整数倍となることはない。今、矩形振動子１の配列間隔をｄ（ｍｍ）、使用する周波数をｆ（ＫＨｚ）、伝播媒体中の音速をｖ（ｍ／ｓ）としたとき、波長λ（ｍｍ）は、λ＝ｖ／ｆで表される。したがって、斜め方向からの超音波に対してＧＬが発生しないようにするには、配列間隔ｄが
ｄ＜ｖ／ｆ … （１）
を満足するように矩形振動子１を配列すればよい。ここで、各振動子間の遮音材を考えないとすれば、配列間隔ｄは短辺１ａの寸法Ａと同じとみなせるので、上記（１）式は
Ａ＜ｖ／ｆ
と書き換えることができる。これを変形すると、
Ａ・ｆ＜ｖ … （２）
となって、この（２）式がＧＬを発生させないための条件となる。伝播媒体が水であれば、水中の音速はｖ＝１５００であるから、これを（２）式に代入すると、
Ａ・ｆ＜１５００ … （３）
が得られる。よって、矩形振動子１の短辺の寸法Ａを（３）式を満足するように選定することによって、図２のような振動子アレイを構成した場合に、ＧＬの発生を回避することができる。なお、後での説明の便宜上、（２）式と（３）式のＡ・ｆを「配列定数」と呼ぶこととし、
Ｎ＝Ａ・ｆ
で定義する。
【００１２】
ところで、図２においては、短辺１ａが矩形振動子１の配列方向Ｚと一致するように配置されているので、複数個の振動子を並べた場合に、配列方向Ｚのアレイの全長を抑制することができる。また、図１からわかるように、電極面１ｅは長手方向の辺１ｃと長辺１ｂとで形成される最も面積の広い面であるから、振動子のインピーダンスを小さくすることができる。また、電極面１ｅは超音波の放射面１ｄと直交する面であって、かつ側方を向いているので、リード線２ａ，２ｂの配線作業がしやすい。さらに、超音波の放射面１ｄは、振動子の長手方向に延びており、後述するように、この長手方向の寸法Ｃは振動子の共振周波数に影響しないので、指向性を独立して制御することができる。以上のことから、図１の矩形振動子１を図２のように配列することが、最も効果的で好ましい。
【００１３】
次に、本発明の特徴をなす矩形振動子１の共振特性について説明する。図１に示した矩形振動子１は、寸法のディメンジョンとしてＡ，Ｂ，Ｃの３つを有しており、それぞれの長さにおいて固有の共振周波数を持っている。本発明では、短辺の寸法Ａと長辺の寸法Ｂによって決まる基本振動モードおよび高次振動モードでの各共振周波数を利用して多周波を得るとともに、長手方向の寸法Ｃによって指向角θを制御するようにしている。以下の実施形態では、２周波の場合を例に挙げる。
【００１４】
図１において、矩形振動子１の短辺の寸法Ａと長辺の寸法Ｂは、後述する結合振動が生じないような寸法比、たとえばＡ／Ｂ＝０．１となるように設定されている。また、長手方向の寸法Ｃは、基本振動モードおよび高次振動モードでの共振に影響を与えない寸法に設定されており、たとえばＣ＞３Ｂとなるように設定されている。
【００１５】
図４は、このような矩形振動子１の共振特性の一例であって、横軸は振動子に印加する信号の周波数、縦軸は振動子のインピーダンスの絶対値をそれぞれ示している。ｆ−ａ，ｆ−ｂ，…ｆ−ｆは振動モード、ｆｒ_ａ，ｆｒ_ｂ，…ｆｒ_ｆは各振動モードにおける共振周波数を表している。振動モードのうち、ｆ−ａとｆ−ｂは、それぞれ短辺の寸法Ａおよび長辺の寸法Ｂで決定される基本振動モードである。また、ｆ−ｃ，ｆ−ｄ，ｆ−ｅ，ｆ−ｆは高次振動モードである。なお、振動子の長手方向の寸法Ｃで決まる基本振動モードでの共振は、ｆｒ_ｂよりも低い周波数において現われるが、図４では省略している。
【００１６】
このように、矩形振動子１は基本振動モードのほかに高次振動モードにおいて共振周波数を有することから、たとえば、寸法Ｂで決定される基本振動モードｆ−ｂでの共振周波数ｆｒ_ｂと、３次振動モードｆ−ｃでの共振周波数ｆｒ_ｃとを利用することで、２周波の送受波器を実現することができる。すなわち、図２において、各矩形振動子１にリード線２ａ，２ｂを介して、周波数がｆｒ_ｂの送信信号と周波数がｆｒ_ｃの送信信号とを切り換えて印加すれば、振動子はｆｒ_ｂまたはｆｒ_ｃの周波数で共振して、その周波数の超音波を水中に放射する。また、水中で反射して帰ってくるエコー信号を受信する場合も、振動子はｆｒ_ｂまたはｆｒ_ｃの周波数で共振して、その周波数の受信信号を生じる。
【００１７】
ところで、基本振動モードとしては、寸法Ｂで決定されるｆ−ｂ以外に、寸法Ａで決定されるｆ−ａが存在するが、ｆ−ａでの共振周波数ｆｒ_ａは、前述した配列定数の条件（式（３））を満たさないので、利用することができない。また、高次振動モードとしては、３次振動モードｆ−ｃのほかに、５次振動モードｆ−ｄや７次振動モードｆ−ｅなどが存在するが、配列定数の条件による制約があるために、５次振動モードｆ−ｄは利用範囲が限定され、７次モード以降は、利用することができない。以下、これらについて説明する。
【００１８】
図５は、Ａ／Ｂの値と配列定数との関係を示したグラフである。Nａ，Ｎｂ，…Ｎｆは、各振動モードｆ−ａ，ｆ−ｂ，…ｆ−ｆに対応する配列定数を示している。配列定数は、前述の通りＮ＝Ａ・ｆで定義されるから、それぞれの配列定数Nａ，Ｎｂ，…Ｎｆは、振動子の短辺の寸法Ａと共振周波数ｆｒ_ａ，ｆｒ_ｂ，…ｆｒ_ｆとの積を計算することで算出される。
【００１９】
図５からわかるように、基本振動モードｆ−ｂの配列定数Ｎｂは、Ａ／Ｂが０．１〜１．０の範囲で変化しても１５００を超えることがない。すなわち、ＧＬを発生させないための式（３）の条件を満たしている。同様に、３次振動モードｆｃの配列定数Ｎｃも、Ａ／Ｂが０．１〜１．０の範囲で１５００を超えることがなく、式（３）の条件を満たしている。また、５次振動モードｆｄの配列定数Ｎｄは、Ａ／Ｂが０．１〜０．４の範囲では１５００を超えないが、Ａ／Ｂが０．４以上になると１５００を超えて、式（３）の条件を満たさなくなる。さらに、基本振動モードｆ−ａの配列定数Ｎａと、７次以上の振動モードｆ−ｅ，ｆ−ｆの配列定数Ｎｅ，Ｎｆについては、Ａ／Ｂの値にかかわらず１５００を超えており、式（３）の条件を満たさない。
【００２０】
以上のことから、式（３）の条件を満たすのは、基本振動モードｆ−ｂと、３次振動モードｆ−ｃと、５次振動モードｆ−ｄの一部であることがわかる。そこで、上記実施形態においては、基本振動モードｆ−ｂの共振周波数ｆｒ_ｂと、３次振動モードｆｃの共振周波数ｆｒ_ｃの２つを利用して、ＧＬの発生しない２周波の送受波器を実現している。
【００２１】
一方、指向角θについては、振動子の長手方向の寸法Ｃを変えることで調整が可能である。この場合、寸法Ｃは、基本振動モードｆ−ｂおよび３次振動モードｆ−ｃでの共振周波数ｆｒ_ｂ，ｆｒ_ｃに影響を与えない寸法に設定されているので、寸法Ｃを共振周波数に関係なく独立して設定することができる。すなわち、寸法Ａ，Ｂは２周波の共振周波数ｆｒ_ｂ，ｆｒ_ｃにより拘束されるが、寸法Ｃは共振周波数ｆｒ_ｂ，ｆｒ_ｃによる拘束は受けず、長さを自由に決定できるので、寸法Ｃによって決まる指向角θも、共振周波数とは切り離して独立して設定することができる。なお、指向角θは矩形振動子１の長手方向の指向角であるが、矩形振動子１の配列方向Ｚ（図２参照）の指向角については、矩形振動子１の配列個数によって調整することが可能であり、この指向角も共振周波数による拘束は受けない。このようにして、寸法Ａ，Ｂと寸法Ｃとを独立に設計できる結果、任意の共振周波数と任意の指向角の組合せが可能な送受波器を実現することができる。
【００２２】
図６は、各振動モードごとの送波電圧感度の一例であって、振動子の中心音軸上における送波電圧感度の周波数特性を示したものである。この図６は、Ａ／Ｂの値を固定したときの特性であるが、Ａ／Ｂの値を変化させたときに、送波電圧感度がどのように変化するかを表したのが図７である。図７では、３次振動モードｆ−ｃの送波電圧感度が示されている。図７からわかるように、送波電圧感度はＡ／Ｂの値が０．１〜０．５の範囲では１５０ｄＢ以上を維持しているが、Ａ／Ｂの値が０．５を超えると１５０ｄＢを下回り、感度が低下する。実際上、送波電圧感度が１５０ｄＢ以上あれば、２周波型送受波器の特性としては十分なので、３次振動モードｆ−ｃを利用する場合は、Ａ／Ｂの値を０．５以下に選定するのが望ましい。ただし、ここでの０．５という数値は一例であって、一般的には、送波電圧感度に基づいてあらかじめ定められた一定値以下にＡ／Ｂの値を選定することになる。
【００２３】
図８は、３次振動モードｆ−ｃにおける振動子の共振の様子を示した図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれＡ／Ｂが０．３と０．６のときの共振状態を表している。（ａ）では、きれいな３次モードの振動が現われているが、（ｂ）は高次の振動モードにはなっていない。（ｂ）の場合は、何らかの振動モードが組み合わさった結合振動モードと考えられる。このような結合振動モードは振動効率が悪く、図７においてＡ／Ｂの値が０．５を超えると送波電圧感度が低下するのも、結合振動モードが発生しているためであると推定される。したがって、矩形振動子１の短辺と長辺の寸法比Ａ／Ｂを０．５以下に設定しておくことにより、上記のような結合振動が生じないようにすることができる。
【００２４】
図９は本発明の他の実施形態であって、ＧＬが発生しないことに加えて、サイドローブを抑制できるようにしたものである。ここでは、矩形振動子１の長手方向の寸法を配列方向Ｚに順次異ならせることで、形状的に重み付けをしている。このような重み付けを行うことにより、振動子の配列方向Ｚの指向性を制御して、サイドローブを抑制することができる。この場合、先にも述べたように、振動子１の長手方向の寸法は共振周波数に影響を与えないので、寸法の異なる振動子１を図のように配列することで、周波数に関係なく指向性を制御してサイドローブを抑制することができる。
【００２５】
なお、重み付けをするには、上記のような形状による重み付けのほか、電気的に重み付けを行う方法もある。図１０はこの場合の実施形態を示しており、矩形振動子１を配列方向Ｚと直交する方向に分割して、振動子が複数個並べて配列された振動子列１１，１２，１３を複数組設けたものである。この実施形態では、各振動子列１１，１２，１３に印加する信号電圧の大きさを異ならせて、印加電圧に重み付けを行う。振動子の印加電圧に重み付けをすることにより指向性を改善できることは、たとえば特開平５―６０８５８号公報、特公平３−２３８７４号公報などに記載されているように、すでに公知である。重み付けの手段としては、トランスの巻数比を利用する方法、振動子のインピーダンス制御による方法など、公知の方法を採用することができる。また、重み付けの関数としては、チェビシェフ関数やガウス関数などの関数を用いることができる。また、図１０で縦方向の振動子群ａ，ｂ，…ｊのそれぞれに印加する信号電圧の大きさを異ならせて、重み付けを行うことで、配列方向Ｚの指向性も制御することができる。
【００２６】
なお、図２の構成において、各矩形振動子１に印加する信号電圧の大きさを異ならせて重み付けを行うことによっても、配列方向の指向性を制御することができる。
【００２７】
本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、他にも種々の形態を採用することができる。たとえば、上記実施形態においては、基本振動モードｆ−ｂと３次振動モードｆ−ｃとを利用した２周波型の送受波器を例に挙げたが、振動子の長手方向の寸法Ｃによって決まる基本振動モードでの共振周波数も利用すれば、３周波型の送受波器を実現することができる。また、高次振動モードとして、３次振動モードｆ−ｃに加えて５次振動モードｆ−ｄを一定範囲内で利用してもよく、この場合は４周波型の送受波器を実現することができる。
【００２８】
また、上記実施形態においては、矩形振動子１を圧電セラミックス（ＰＺＴ）で構成したが、振動子の材質は圧電材料であればよく、たとえばチタン酸バリウムなどを用いてもよい。なお、材質のもつ音速値はそれぞれ異なるから、使用する圧電材料によって前述のＡ／Ｂの値が変化することはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、矩形振動子における共振周波数を決定する寸法と、指向性を決定する寸法とを独立に設定することができるので、周波数に関係なく任意の指向特性が得られる多周波送受波器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多周波送受波器に用いる矩形振動子の斜視図である。
【図２】矩形振動子を用いた多周波送受波器の平面図である。
【図３】グレーティングローブを説明する図である。
【図４】矩形振動子の共振特性の一例である。
【図５】寸法比率と配列定数との関係を示したグラフである。
【図６】送波電圧感度の周波数特性を示したグラフである。
【図７】寸法比率と送波電圧感度との関係を示したグラフである。
【図８】３次振動モードにおける振動子の共振の様子を示した図である。
【図９】本発明の他の実施形態を示す平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態を示す平面図である。
【図１１】従来の振動子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 矩形振動子
１ａ 短辺
１ｂ 長辺
１ｃ 長手方向の辺
１ｄ 放射面
１ｅ 電極面
２ａ，２ｂ リード線
３ 超音波
１０ 多周波送受波器
１１，１２，１３ 振動子列
Ａ 短辺の寸法
Ｂ 長辺の寸法
Ｃ 長手方向の辺の寸法
θ 指向角
ｄ 配列間隔
Ｚ 配列方向
ｆ−ａ，ｆ−ｂ 基本振動モード
ｆ−ｃ，ｆ−ｄ，ｆ−ｅ，ｆ−ｆ 高次振動モード

Claims (7)

1. 矩形振動子が複数個並べて配列された送受波器であって、
   前記矩形振動子は、長手方向の辺と直交する短辺と長辺の寸法により決まる基本振動モードの共振周波数および高次振動モードの共振周波数においてそれぞれ共振して、多周波の超音波を送受信するように構成されているとともに、短辺が振動子の配列方向と一致するように配置され、長手方向の辺と短辺とで形成される面が超音波の放射面を構成し、長手方向の辺と長辺とで形成される面が電極面を構成しており、
   前記矩形振動子における短辺の寸法Ａと長辺の寸法Ｂの寸法比Ａ／Ｂが、送波電圧感度に基づいてあらかじめ定められた、結合振動が生じない一定値以下の寸法比に設定されており、
   前記長手方向の辺は、前記基本振動モードおよび高次振動モードでの共振に影響を与えない寸法に設定されており、
   前記長手方向の辺の寸法によって決まる指向角を有していることを特徴とする多周波送受波器。
2. 請求項１に記載の多周波送受波器において、
   寸法比Ａ／Ｂが０．５以下であり、長手方向の辺の寸法Ｃと長辺の寸法Ｂとの関係がＣ＞３Ｂであることを特徴とする多周波送受波器。
3. 請求項１または請求項２に記載の多周波送受波器において、
   高次振動モードの共振周波数として、３次振動モードまたは５次振動モードの共振周波数を利用することを特徴とする多周波送受波器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の多周波送受波器において、
   前記短辺と長辺の寸法により決まる基本振動モードの共振周波数に加えて、長手方向の辺の寸法により決まる基本振動モードの共振周波数を利用することを特徴とする多周波送受波器。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の多周波送受波器において、
   矩形振動子は、振動子の配列間隔をｄ（ｍｍ）、使用する周波数をｆ（ＫＨｚ）、伝播媒体中の音速をｖ（ｍ／ｓ）としたとき、ｄ＜ｖ／ｆの条件を満たすような配列間隔で配置されていることを特徴とする多周波送受波器。
6. 請求項５に記載の多周波送受波器において、
   短辺の寸法Ａが、Ａ・ｆ＜１５００の条件を満たような寸法であることを特徴とする多周波送受波器。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の多周波送受波器において、
   矩形振動子は、配列方向に形状的または電気的な重み付けがされていることを特徴とする多周波送受波器。

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