JP5207335B2 - 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圧電振動子を使用するフェイズドアレイに関し、特に高周波化に適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。

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の測定や測量を水中で行う計測機器には超音波が利用されている。この種の速度計や高度計には、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、超音波ビーム（以下、ビームとよぶ）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６１から４つのビーム６２が放射される。図１は、ビーム放射面６４の中心を通りビーム放射面６４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６２の主極軸６３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６４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、駆動周波数が１００ｋＨｚ前後で、水中での波長の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圧電振動子を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、矩形板状の小さな圧電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圧電振動子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圧電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められ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圧電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。

また、フェイズドアレイ方式においては分解能を上げるために、駆動周波数を２５０ｋＨｚ前後まで高周波化すると、圧電振動子の寸法が小さくなり、組み立て・配列が困難になるという問題点があった。

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、ビーム放射面の直下にビームが放射できる高周波での駆動が可能な小型の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、複数の矩形板状の圧電振動子を配列して２つのアレイを構成し、圧電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、矩形板状で長さをＬ、幅をＷ、厚さをＴで表したときに、Ｌ≧３×Ｗ、Ｔ＝λｃ／２（λｃは圧電振動子の共振周波数における１波長）、Ｗ≦λｗ／２（λｗは水中での前記共振周波数における１波長）となる圧電振動子からなり、前記圧電振動子の厚さＴを挟む表裏２面に各々電極を設けて、幅Ｗを成す面が対向するように前記圧電振動子複数が平面上に隣接配列されるアレイを２つ有し、一方のアレイは前記圧電振動子のＮ個（Ｎは４以上の整数）がＮ行配列された縦配列アレイを構成し、他方のアレイは前記圧電振動子のＭ個（Ｍは４以上の整数）が前記縦配列アレイを成す前記圧電振動子の配列方向に対して直交する方向にＭ列配列された横配列アレイを構成し、前記縦配列アレイの裏面を成す前記圧電振動子の電極全てが接続され第１の入出力端子を成し、前記縦配列アレイの表面を成す前記圧電振動子の電極は、それぞれ配列に対応したＮ本のリード線で引出され、前記リード線を順次１番からＮ番としたときに、１＋４ｊ、２＋４ｊ、３＋４ｊ、４＋４ｊ（ｊ＝０、１、２・・・）に対応する番号の前記リード線を１つのグループとし、前記リード線を４グループに分けて、前記グループ毎に結線をし、前記４グループそれぞれが順に第２の入出力端子、第３の入出力端子、第４の入出力端子、第５の入出力端子を成し、前記第２の入出力端子と前記第４の入出力端子は第一の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第３の入出力端子と前記第５の入出力端子は第二の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第一の変成器の２次回路中性点と前記第二の変成器の２次回路中性点は共通にされて第６の入出力端子を成し、前記第６の入出力端子と前記第１の入出力端子は第五の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第一の変成器の１次回路は前記縦配列アレイのＮ行配列のうち奇数行の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第二の変成器の１次回路は前記縦配列アレイのＮ行配列のうち偶数行の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第五の変成器の１次回路は前記縦配列アレイの全圧電振動子の順接続を成し、且つ、前記横配列アレイの裏面を成す前記圧電振動子の電極全てが接続され第７の入出力端子を成し、前記横配列アレイの表面を成す前記圧電振動子の電極は、それぞれ配列に対応したＭ本のリード線で引出され、前記リード線を順次１番からＭ番としたときに、１＋４ｋ、２＋４ｋ、３＋４ｋ、４＋４ｋ（ｋ＝０、１、２・・・）に対応する番号の前記リード線を１つのグループとし、前記リード線を４グループに分けて、前記グループ毎に結線をし、前記４グループそれぞれが順に第８の入出力端子、第９の入出力端子、第１０の入出力端子、第１１の入出力端子を成し、前記第８の入出力端子と前記第１０の入出力端子は第三の変成器の平衡２次回路に接続され、前記入第９の出力端子と前記第１１の入出力端子は第四の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第三の変成器の２次回路中性点と前記第四の変成器の２次回路中性点は共通にされて第１２の入出力端子を成し、前記第三の変成器の１次回路は前記横配列アレイのＭ列配列のうち奇数列の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第四の変成器の１次回路は前記横配列アレイのＭ列配列のうち偶数列の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第１２の入出力端子と前記第７の入出力端子との端子間が前記横配列アレイを成す全圧電振動子の順接続を成す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。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、矩形板状の圧電振動子を配列してなる。圧電振動子は長さをＬ、幅をＷ、厚さをＴで表したときに、Ｌ≧３×Ｗ、Ｔ＝λｃ／２（λｃは前記圧電振動子の共振周波数における１波長）、Ｗ≦λｗ／２（λｗは水中での前記共振周波数における１波長）を満たす形状にする。前記の形状とすることで、幅方向の振動が他の方向の振動の影響を受けず、隣接する圧電振動子間の干渉を防止することができる。また、圧電振動子には厚さＴを成す２面にそれぞれ電極を設けて、厚さ方向に電界を印加して分極処理がなされた圧電振動子を使用する。この圧電振動子は前記電極間に圧電振動子の共振周波数を持つ電圧信号を入力することにより、超音波を放射する。

複数の前記圧電振動子を配列した状態のものをアレイと呼び、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は２つのアレイで構成する。２つのアレイは共に、前記圧電振動子を配列平面に対して圧電振動子の厚さ方向が垂直となるように配列し、隣り合う圧電振動子はそれぞれの幅を成す面が対向するように隣接配列する。また、２つのアレイは同一平面上に配列し、一方のアレイにおける圧電振動子の配列方向と他方のアレイにおける圧電振動子の配列方向とは互いに直交するように配列する。

ここで、一方のアレイを縦配列アレイと呼ぶ。縦配列アレイは圧電振動子の配列を行配列とし、Ｎ個（４以上の整数）の圧電振動子を使用しＮ行配列したアレイのことをいう。また、他方のアレイを横配列アレイと呼ぶ。横配列アレイは圧電振動子の配列を列配列とし、Ｍ個（Ｍは４以上の整数）の圧電振動子を使用しＭ列配列したアレイのことをいう。縦配列アレイと横配列アレイは、圧電振動子の厚さＴが厚みとなり、圧電振動子の電極面が表裏面となる圧電振動子の集合体を形成する。

前記縦配列アレイにおいては、前記縦配列アレイの前記裏面を成す圧電振動子の電極を全て接続して一つの入出力端子Ｖ６とする。また、前記縦配列アレイの前記表面を成す各圧電振動子の電極はリード線で引出す。従ってリード線はＮ本となる。このＮ本のリード線を４つのグループに分けて接続する。４つのグループの分け方は、前記リード線に、Ｎ行配列した前記縦配列アレイの最端にある圧電振動子から順に１番からＮ番と番号を付したときに、順次１＋４ｊ、２＋４ｊ、３＋４ｊ、４＋４ｊ（ｊ＝０、１、２、・・・）となる番号に対応する圧電振動子に分ける。この４つのグループそれぞれを順に入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４とする。

一方、前記横配列アレイにおいては、前記横配列アレイの前記裏面を成す圧電振動子の電極を全て接続して一つの入出力端子Ｈ６とする。また、前記横配列アレイの前記表面を成す各圧電振動子の電極はリード線で引出す。従って、リード線はＭ本となる。このＭ本のリード線を４つのグループに分けて接続する。４つのグループの分け方は、前記リード線に、Ｍ列配列した前記横配列アレイの最端にある圧電振動子から順に１番からＭ番と番号を付したときに、順次１＋４ｋ、２＋４ｋ、３＋４ｋ、４＋４ｋ（ｋ＝０、１、２、・・・）となる番号に対応する圧電振動子に分ける。この４つのグループは、それぞれを順に入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４とする。

さらに、前記入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ６と前記入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４を第一から第五の変成器に接続する。第一から第五の変成器は一次回路と平行２次回路を有し、例えば磁性材料からなるコアに１次巻線と２次巻線を設けたトランスの１次巻線を一次回路とし２次巻線を平行２次回路とすれば良い。また、前記２次巻線の巻線数を２等分する点を２次回路中性点とする。

ここで、前記縦配列アレイにおいて、前記入出力端子Ｖ１とＶ３は第一の変成器の平行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、前記入出力端子Ｖ２とＶ４は第二の変成器の平行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続する。また、第一の変成器の２次回路中性点と第二の変成器の２次回路中性点とを共通にして入出力端子Ｖ５とし、前記入出力端子Ｖ５とＶ６を第五の変成器の平行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続する。第五の変成器の２次回路中性点はアースに接続すれば良い。

一方、前記横配列アレイにおいて、前記入出力端子Ｈ１とＨ３は第三の変成器の平行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、前記入出力端子Ｈ２とＨ４は第四の変成器の平行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続する。また、第三の変成器の２次回路中性点と第四の変成器の２次回路中性点とを共通にして入出力端Ｈ５とする。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、前記構成とすることにより、前記第一の変成器の１次回路は、前記縦配列アレイのＮ行配列のうち奇数行の圧電振動子が交互に接続され、位相が互いに逆となる交互逆接続を成し、同様に、前記第二の変成器の１次回路は前記縦配列アレイのＮ行配列のうち偶数行の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第三の変成器の１次回路は前記横配列アレイのＭ列配列のうち奇数列の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第四の変成器の１次回路は前記横配列アレイのＭ列配列のうち偶数列の圧電振動子の交互逆接続を成す。また、前記第五の変成器の１次回路は前記縦配列アレイの全圧電振動子が並列に接続する順接続を成し、前記入出力端子Ｈ５と前記入出力端子Ｈ６との端子間は前記横配列アレイを成す全圧電振動子が並列に接続する順接続を成す。

前記第一乃至第五の変成器の各１次回路を適宜切り替えながら、送受信動作を行うことにより、直交４ビームが得られると共に、ビーム放射面の直下にビームが得られる。また、使用する圧電振動子の長さＬは例えば１５ｍｍから２００ｍｍと組み立てが容易な長さであり、高周波数での送受信が可能な超音波フェイズドアレイ送受波器が得られる。

本発明によれば、前記圧電振動子の配列ピッチをＰで表したときに、Ｐ＝（０．５±０．２５）×λｗ（λｗは水中での前記共振周波数における１波長）と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。

本発明では、前記Ｎ行配列或いはＭ列配列する圧電振動子において、隣り合う圧電振動子の幅方向の中心が成す距離を配列ピッチＰとしたときに、配列ピッチＰを水中での前記共振周波数における１波長に対して、１／４波長から３／４波長にする。このような配列ピッチで圧電振動子を配列することにより、隣り合う圧電振動子同士が干渉し合う事がない設計通りの直交４ビーム或いは、ビーム放射面の直下へのビームが得られる。

さらに、本発明では、前記超音波フェイズドアレイ送受波器に送受波切替回路と送波ビーム切替回路と受波ビーム合成回路と受波ビーム切替回路とを備えることで、前記第一乃至第五の変成器の各１次回路を適宜切り替えながらの送受信動作が可能となり、直交４ビームが得られると共に、ビーム放射面の直下にビームが得られ、高周波数での送受信が可能な超音波フェイズドアレイ送受波器が得られる。

すなわち、本発明によれば、前記超音波フェイズドアレイ送受波器と、送波信号入力部と受波信号を出力する受波信号出力部とを有し、受信動作と送信動作を切り替える機能を有する第一乃至第四の送受波切替回路と、前記第一乃至第四の送受波切替回路の前記送波信号入力部と、前記第五の変成器の１次回路との接続を切り替えて送波ビーム信号を出力する送波ビーム信号出力部を備える送波ビーム切替回路と、前記第一乃至第四の送受波切替回路の前記受波信号出力部に接続され、前記受波信号の位相を調整して演算を行い、受波ビーム信号を出力する受波ビーム信号出力部を備える受波ビーム合成回路と、前記入出力端子Ｈ５と前記入出力端子Ｈ６との間で横配列アレイを成す全圧電振動子の順接続で得られる垂直受波ビーム信号と前記受波ビーム合成回路が出力する前記受波ビーム信号とを切り替える受波ビーム切替回路とを備える超音波フェイズドアレイ送受波器であって、前記第一の送受波切替回路は前記第一の変成器に接続され、前記第二の送受波切替回路は前記第二の変成器に接続され、前記第三の送受波切替回路は前記第三の変成器に接続され、前記第四の送受波切替回路は前記第四の変成器に接続され、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へ送信信号が送信されることにより前記平面に対して垂直な面内に２つの主極を有する送波縦ツインビームが生成され、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へ送信信号が送信されることにより前記平面及び前記垂直面双方に垂直な面内に２つの主極を有する送波横ツインビームが生成され、前記入出力端子Ｈ５と前記入出力端子Ｈ６の間から得られる受波信号と前記第五の変成器への送信信号の送信とにより前記平面の直下に主極を有する送受波垂直シングルビームが生成され、前記受波ビーム合成回路は、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から出力される受波信号により得られる受波縦ツインビームを分離して受波上シングルビームと受波下シングルビームを生成し、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から出力される受波信号により得られる受波横ツインビームを分離して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。

本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、前記第一乃至第四の変成器の各１次回路に対応する第一乃至第四の送受波切替回路を接続する。この第一乃至第四の送受波切替回路は、前記縦配列アレイと前記横配列アレイに送信信号を送る送信動作と前記縦配列アレイと前記横配列アレイが受信信号を受信する受信動作とを切り替える機能を有する。また、第一乃至第四の送受波切替回路は、前記縦配列アレイあるいは前記横配列アレイが受信する受信信号を後段の回路へ出力する受波信号出力部と前段の回路から送られてくる送信信号を受ける送波信号入力部を具備している。

前記前段の回路とは前記送波ビーム切替回路であり、前記送波ビーム切替回路は、前記第一乃至第四の送受波切替回路の各前記送波信号入力部と第五の変成器の１次回路に接続して切り替え動作を行い、送信信号を制御する機能を有する。また、前記後段の回路とは前記受波ビーム合成回路であり、前記受波ビーム合成回路は、前記第一乃至第四の送受波切替回路の各受波信号出力部から出力される受信信号の位相を調整し、演算することにより得られる受波ビーム信号を受波ビーム信号出力部から出力する機能を有する。前記受波ビーム信号は、受波ビーム切替回路に送られる。前記受波ビーム切替回路では、前記入出力端子Ｈ５とＨ６の間から出力される受信信号と前記受波ビーム信号を適宜切り替えて、各受信信号を出力する。

本発明によれば、前記第一と第二の送受波切替回路への送信信号の送信により前記縦配列アレイのビーム放射面中心の垂線を含む配列向に対して直交する面内に２つの主極を有する送波縦ツインビームを生成する。また、前記第三と第四の送受波切替回路への送信信号の送信により前記横配列アレイのビーム放射面中心の垂線を含む配列向に対して直交する面内に２つの主極を有する送波横ツインビームを生成する。

さらに、前記第五の変成器への送信信号の送信及び入出力端子Ｈ５とＨ６間からの受信信号の出力により前記縦配列アレイと前記横配列アレイの各ビーム放射面中心の直下に主極を有する送受波垂直シングルビームを生成する。前記受波縦ツインビームは前記受波ビーム合成回路により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され、前記受波横ツインビームは前記受波ビーム合成回路により受波左シングルビームと受波右シングルビームに分離される。その結果、直交４ビームと垂直ビームの合計５ビームが形成される。

通常、アレイを２つ設けると超音波フェイズドアレイ送受波器の面積は単純に２倍となるが、本発明によれば高周波化が可能となるので、例えば周波数を１．４倍以上と高周波化することにより、１つのアレイの面積は１／２以下となり、従来の超音波フェイズドアレイ送受波器より小型化が可能となる。

また、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、振動子の数量を減らすことができるので、低価格の超音波フェイズドアレイ送受波器、及びこれを使用する高度計や速度計などの計測機器を低価格で提供することが可能となる。即ち、例えば縦の配列と横の配列のピッチを１／２波長にして、縦にＮ行、横にＭ列圧電振動子を配列するアレイを考えた場合、必要となる圧電振動子の数はＮ×Ｍ個となる。一方、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器では、矩形板状の圧電振動子を用いて縦と横の配列を２つのアレイに分けて構成するので、必要となる圧電振動子の数はＮ＋Ｍ個に減少する。さらに、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、指向性の制御が容易で、圧電振動子の配列形状の精度を高くすることが出来るので、指向性の性能が向上する。

前述の如く、本発明によれば、直交４ビームに加え、ビーム放射面の直下にビームが放射できる高周波での駆動が可能な小型の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、複数の矩形板状の圧電振動子を配列して２つのアレイを構成し、圧電振動子を一定の規則に従いグループ化して回路を形成する。

以下、具体的な例を挙げ、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図２は、実施例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１は、Ｎ＝２６（個）の矩形板状の圧電振動子３を紙面上、上から下へＮ行配列した縦配列アレイ２と、Ｍ＝２６（個）の矩形板状の圧電振動子１３を紙面上、右から左へＭ列配列した横配列アレイ１２とで構成した。圧電振動子３及び圧電振動子１３には、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成形、焼成、加工し、厚さを５ｍｍ、幅を３ｍｍとし、長さが１５ｍｍから２００ｍｍの範囲で数種類の異なる長さの圧電振動子を使用した。また、圧電振動子３及び圧電振動子１３は厚さを成す２面に電極を形成し、分極処理を行い、厚さ方向振動の共振周波数が約２５０ｋＨｚの圧電振動子とした。

縦配列アレイ２及び横配列アレイ１２は、共に圧電振動子３或いは圧電振動子１３の配列は幅を成す面同士が対向するように緩衝材を介して配列し、圧電振動子３或いは圧電振動子１３の厚さがアレイの厚みとなり、電極面が表裏面となる圧電振動子の集合体となっている。図２では縦配列アレイ２及び横配列アレイ１２の表面を図示している。図２に示す様に、圧電振動子３或いは圧電振動子１３を各圧電振動子の長手方向の中心が長手方向に対し直交する線上に位置するように配置した。また、数種類の長さが違う圧電振動子を配列することで、圧電振動子の端部を結んだ輪郭線が略円形となるようにした。隣り合う圧電振動子の幅方向の中心が成す距離を配列ピッチＰとしたときに、配列ピッチＰは水中での前記共振周波数における１波長に対して１／２波長にした。

縦配列アレイ２の表面を成す各圧電振動子３の電極には、それぞれに結線４を設けさらに結線４を４つのグループに分けて接続した。この４つのグループは、圧電振動子３に、紙面上、上から順に１から２６までの行番号を付したときに、１＋４ｊ、２＋４ｊ、３＋４ｊ、４＋４ｊ（ｊ＝０、１、２・・・）となる行番号の圧電振動子３同士をまとめて４つのグループとし、それぞれを順に入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４とした。すなわち、行番号が１、５、９、１３、１７、２１、２５となる圧電振動子３をまとめて入出力端子Ｖ１とし、行番号が２、６、１０、１４、１８、２２、２６となる圧電振動子３をまとめて入出力端子Ｖ２とし、行番号が３、７、１１、１５、１９、２３となる圧電振動子３をまとめてＶ３とし、行番号が４、８、１２、１６、２０、２４となる圧電振動子３をまとめて入出力端子Ｖ２とした。また、縦配列アレイ２の裏面を成す各圧電振動子３の電極は全て共通にして入出力端子Ｖ６とした。

一方、横配列アレイ１２の表面を成す各圧電振動子１３の電極にもそれぞれに結線１４を設けさらに結線１４を４つのグループに分けて接続した。この４つのグループは、圧電振動子１３に、紙面上、右から順に１から２６までの列番号を付したときに、１＋４ｋ、２＋４ｋ、３＋４ｋ、４＋４ｋ（ｋ＝０、１、２・・・）となる列番号の圧電振動子１３同士をまとめて４つのグループとし、それぞれを順に入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４とした。すなわち、列番号が１、５、９、１３、１７、２１、２５となる圧電振動子１３をまとめて入出力端子Ｈ１とし、列番号が２、６、１０、１４、１８、２２、２６となる圧電振動子１３をまとめて入出力端子Ｈ２とし、列番号が３、７、１１、１５、１９、２３となる圧電振動子１３をまとめてＨ３とし、列番号が４、８、１２、１６、２０、２４となる圧電振動子１３をまとめて入出力端子Ｈ２とした。また、横配列アレイ１２の裏面を成す各圧電振動子１３の電極は全て共通にして入出力端子Ｈ６とした。

前記入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、及び前記入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４はそれぞれ変成器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の各並行２次回路に接続した。入出力端子Ｖ１、Ｖ３は第一の変成器である変成器Ｔ１の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、入出力端子Ｖ２、Ｖ４は第二の変成器である変成器Ｔ２の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、入出力端子Ｈ１、Ｈ３は第三の変成器である変成器Ｔ３の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、入出力端子Ｈ２、Ｈ４は第四の変成器である変成器Ｔ４の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続した。

変成器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の各並行２次回路を成す巻線の中間点を２次回路中性点として、変成器Ｔ１と変成器Ｔ２の２次回路中性点を共通にして入出力端子Ｖ５にし、変成器Ｔ３と変成器Ｔ４の２次回路中性点を共通にして入出力端子Ｈ５にした。入出力端子Ｖ５と入出力端子Ｖ６は第五の変成器である変成器Ｔ５の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続した。

上記の構成により、変成器Ｔ１の１次回路から見た圧電振動子３の接続は、縦配列アレイ２の奇数行が一波長間隔で交互に逆接続されている。この状態による配列面に対して垂直方向のビームの指向性は同相の送信信号の逆接続により奇数行間の総和が極小となる。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。また、縦配列アレイ２の変成器Ｔ２の偶数行、横配列アレイ１２の変成器Ｔ３の奇数列、横配列アレイ１２の変成器Ｔ４の偶数列についても同様であり、±θoに主極を有するツインビームが得られる。従って、前記逆接続されている圧電振動子の間隔はλｗ（λｗは水中での前記共振周波数における１波長）であるので、ビームの仰角θoは式（１）で表すことができる。

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

また、変成器Ｔ５の１次回路から見た圧電振動子３の接続は、変成器Ｔ１とＴ２の２次 回路中性点を接続することで前記入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４全てが短絡状態となり、変成器Ｔ３とＴ４の２次回路中性点を接続することで入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４全てが短絡状態となるので、前者は縦配列アレイ２の入出力端子Ｖ６との間で，後者は横配列アレイ１２の入出力端子Ｈ６との間で、縦配列アレイ２及び横配列アレイ１２の表裏を成す電極間が接続されることになる。その結果、縦配列アレイ２及び横配列アレイ１２は、それぞれのアレイを成す全ての圧電振動子が順接続となり、各配列面の直下に主極を有するシングルビームを生成する。

（実施例２）
図３は、実施例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１１は、実施例１と同様に、Ｎ＝２６（個）の矩形板状の圧電振動子２３を紙面上、上から下へＮ列配列した縦配列アレイ２２と、Ｍ＝２６（個）の矩形板状の圧電振動子３３を紙面上、右から左へＭ行配列した横配列アレイ３２とで構成した。使用した圧電振動子２３及び圧電振動子３３は実施例１と同じ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成形、焼成、加工し、幅と厚さが全て同じで、数種類の長さが違う形状にし、幅を成す２面に電極を形成し、分極処理を行ったものを使用した。

縦配列アレイ２２及び横配列アレイ３２は、共に圧電振動子２３或いは圧電振動子３３の配列は幅を成す面が対向するように緩衝材を介して配列し、圧電振動子２３或いは圧電振動子３３の厚さがアレイの厚みとなり、電極面が表裏面となる圧電振動子の集合体となっている。図３では縦配列アレイ２２及び横配列アレイ３２の表面を図示している。図３に示す様に、圧電振動子２３或いは圧電振動子３３を各圧電振動子の長手方向の中心が長手方向に対し直交する線上に位置するように配置した。また、数種類の長さが違う圧電振動子を配列することで、圧電振動子の端部を結んだ輪郭線がシェーデイング分布に相当する形状となるようにした。シェーデイングとは、指向性を制御するために圧電振動子の長さを制御することで各圧電振動子の振幅に分布を持たせることをいい、圧電振動子を配列した際に得られる前記輪郭線が振幅分布に相当しシェーデイング分布となる。また、隣り合う圧電振動子の幅方向の中心が成す距離を配列ピッチＰとしたときに、配列ピッチＰを水中での前記共振周波数における１波長に対して１／２波長となるようにした。

縦配列アレイ２２の表面を成す各圧電振動子２３の電極には、それぞれに結線２４を設けさらに結線２４を４つのグループに分けて接続した。この４つのグループは、圧電振動子２３に、紙面上、上から順に１から２６までの行番号を付したときに、１＋４ｊ、２＋４ｊ、３＋４ｊ、４＋４ｊ（ｊ＝０、１、２・・・）となる行番号の圧電振動子３同士をまとめて４つのグループとし、それぞれを順に入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４とした。すなわち、行番号が１、５、９、１３、１７、２１、２５となる圧電振動子２３をまとめて入出力端子Ｖ１とし、行番号が２、６、１０、１４、１８、２２、２６となる圧電振動子２３をまとめて入出力端子Ｖ２とし、行番号が３、７、１１、１５、１９、２３となる圧電振動子２３をまとめてＶ３とし、行番号が４、８、１２、１６、２０、２４となる圧電振動子２３をまとめて入出力端子Ｖ２とした。また、縦配列アレイ２２の裏面を成す各圧電振動子２３の電極は全て共通にして入出力端子Ｖ６とした。

一方、横配列アレイ３２の表面を成す各圧電振動子３３の電極にもそれぞれに結線３４を設けさらに結線３４を４つのグループに分けて接続した。この４つのグループは、圧電振動子３３に、紙面上、右から順に１から２６までの列番号を付したときに、１＋４ｋ、２＋４ｋ、３＋４ｋ、４＋４ｋ（ｋ＝０、１、２・・・）となる列番号の圧電振動子３３同士をまとめて４つのグループとし、それぞれを順に入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４とした。すなわち、列番号が１、５、９、１３、１７、２１、２５となる圧電振動子３３をまとめて入出力端子Ｈ１とし、列番号が２、６、１０、１４、１８、２２、２６となる圧電振動子３３をまとめて入出力端子Ｈ２とし、列番号が３、７、１１、１５、１９、２３となる圧電振動子３３をまとめてＨ３とし、列番号が４、８、１２、１６、２０、２４となる圧電振動子３３をまとめて入出力端子Ｈ２とした。また、横配列アレイ３２の裏面を成す各圧電振動子３３の電極は全て共通にして入出力端子Ｈ６とした。

前記入出力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４及び前記入出力端子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４は、それぞれ変成器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の各並行２次回路に接続した。入出力端子Ｖ１、Ｖ３は第一の変成器である変成器Ｔ１の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、入出力端子Ｖ２、Ｖ４は第二の変成器である変成器Ｔ２の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、入出力端子Ｈ１、Ｈ３は第三の変成器である変成器Ｔ３の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続し、入出力端子Ｈ２、Ｈ４は第四の変成器である変成器Ｔ４の並行２次回路を成す巻線の両端にそれぞれ接続した。

変成器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の各並行２次回路を成す巻線の中間点を２次回路中性点として、変成器Ｔ１と変成器Ｔ２の２次回路中性点を共通にして入出力端子Ｖ５にし、変成器Ｔ３と変成器Ｔ４の２次回路中性点を共通にして入出力端子Ｈ５にした。入出力端子Ｖ５と入出力端子Ｖ６は第五の変成器である変成器Ｔ５の並行２次回路を成す巻線の両端
にそれぞれ接続した。

本実施例では更に、前記変成器Ｔ１乃至Ｔ４の１次回路に送受波切替回路７ａ乃至７ｄを接続した。すなわち、変成器Ｔ１の１次回路には第一の送受波切替回路となる送受波切替回路７ａを接続し、変成器Ｔ２の１次回路には第二の送受波切替回路となる送受波切替回路７ｂを接続し、変成器Ｔ３の１次回路には第三の送受波切替回路となる送受波切替回路７ｃを接続し、変成器Ｔ４の１次回路には第四の送受波切替回路となる送受波切替回路７ｃを接続した。送受波切替回路７ａ乃至７ｄは送波信号入力部と受信信号出力部を具備し、送信信号と受信信号の切り替えを行う回路である。送受波切替回路７ａ乃至７ｄの各送波信号入力部には、送信信号を制御する送波ビーム切替回路８を接続した。送波ビーム切替回路８は、変成器Ｔ５の１次回路にも接続し、送受波切替回路７ａ乃至７ｄと変成器Ｔ５への送信信号の送信の切り替え動作を行う回路である。

送受波切替回路７ａ乃至７ｄの受信信号出力部には受波ビーム合成回路９を接続した。受波ビーム合成回路９は、送受波切替回路７ａ乃至７ｄの各受波信号出力部から出力される受信信号の位相を調整し、演算することにより得られる受波ビーム信号を受波ビーム信号出力部から出力する機能を有する。受波ビーム合成回路９の受波ビーム信号出力部には受波ビーム切替回路１０を接続した。受波ビーム切替回路１０では、前記入出力端子Ｈ５とＨ６の間から出力される受信信号と前記受波ビーム信号を適宜切り替えて、各受信信号を出力する回路である。

図４は、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を示す斜視図である。本実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器１１は、送波ビーム切替回路８により、送信信号の送信を縦配列アレイ２２にすることで、ビーム１１Ａとビーム１１Ｃからなるツインビームが得られ、送信信号の送信を横配列アレイ３２にすることで、ビーム１１Ｂとビーム１１Ｄからなるツインビームが得られ、結果として直交４ビームが得られる。さらに、送信信号の送信を変成器Ｔ５にすることで、超音波フェイズドアレイ送受波器１１の直下に放射されるビーム１１Ｅからなるシングルビームが得られる。

一方、送受波切替回路７ａ乃至７ｄの受信信号は受波ビーム合成回路９に送られ、各位相を調整して加算し、前記直交４ビームをシングルビームに合成して出力する。シングルビームへ合成は、縦配列アレイ２２では送受波切替回路７ａの受信信号出力である奇数行ツインビーム信号と送受波切替回路７ｂの受信信号出力であ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°のステップの配列と等価となり、主極方位がビーム仰角で＋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）及び式（３）で表すことができる。

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

横配列アレイ３２においても前記同様の原理によりシングルビームが合成され出力される。入出力端子Ｈ５とＨ６間の受信信号出力は送信の場合と同様に、超音波フェイズドアレイ送受波器１１の直下に主軸を持つシングルビームが得られる。

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、実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性を示すチャ−ト図である。図５乃至図８に示す指向性は、本実施例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により変成器Ｔ５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は受波ビーム合成回路９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。

前述した如く、本発明による超音波フェイズドアレイ送受波器は、矩形板状の圧電振動子を用いて高周波化することで、圧電振動子の寸法が縮小しても、組み立て配線等が可能な長さ寸法の確保ができ、矩形板状の圧電振動子を配列し、縦配列アレイと横配列アレイの２つのアレイで超音波フェイズドアレイ送受波器を構成することにより、超音波フェイズドアレイ送受波器の直下へのシングルビームと直交４ビームとの５つのビームが得られる。従って、本発明によれば、直交４ビームに加え、ビーム放射面の直下にビームが放射できる高周波での駆動が可能な小型の超音波フェイズドアレイ送受波器の提供が可能となる。

本発明は、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の測定や測量を水中で行う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。 実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器のビームを示す斜視図。 実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性を示すチャート図。 実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性を示すチャート図。 実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性を示すチャート図。 実施例による超音波フェイズドアレイ送受波器の指向性を示すチャート図。

符号の説明

１、１１ 超音波フェイズドアレイ送受波器
２、２２ 縦配列アレイ
３、１３、２３、３３ 圧電振動子
４、１４、２４、３４ 結線
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 送受波切替回路
８ 送波ビーム切替回路
９ 受波ビーム合成回路
１０ 受波ビーム切替回路
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、６２ ビーム
１２、３２ 横配列アレイ
６１ 送受波器
６３ 主極軸
６４ ビーム放射面
Ｈ 高度
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６ 入出力端子
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５ 変成器
α 角度
β ビーム先端

Claims (3)

1. 矩形板状で長さをＬ、幅をＷ、厚さをＴで表したときに、Ｌ≧３×Ｗ、Ｔ＝λｃ／２（λｃは圧電振動子の共振周波数における１波長）、Ｗ≦λｗ／２（λｗは水中での前記共振周波数における１波長）となる圧電振動子からなり、前記圧電振動子の厚さＴを挟む表裏２面に各々電極を設けて、幅Ｗを成す面が対向するように前記圧電振動子複数が平面上に隣接配列されるアレイを２つ有し、一方のアレイは前記圧電振動子のＮ個（Ｎは４以上の整数）がＮ行配列された縦配列アレイを構成し、他方のアレイは前記圧電振動子のＭ個（Ｍは４以上の整数）が前記縦配列アレイを成す前記圧電振動子の配列方向に対して直交する方向にＭ列配列された横配列アレイを構成し、前記縦配列アレイの裏面を成す前記圧電振動子の電極全てが接続され第１の入出力端子を成し、前記縦配列アレイの表面を成す前記圧電振動子の電極は、それぞれ配列に対応したＮ本のリード線で引出され、前記リード線を順次１番からＮ番としたときに、１＋４ｊ、２＋４ｊ、３＋４ｊ、４＋４ｊ（ｊ＝０、１、２・・・）に対応する番号の前記リード線を１つのグループとし、前記リード線を４グループに分けて、前記グループ毎に結線をし、前記４グループそれぞれが順に第２の入出力端子、第３の入出力端子、第４の入出力端子、第５の入出力端子を成し、前記第２の入出力端子と前記第４の入出力端子は第一の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第３の入出力端子と前記第５の入出力端子は第二の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第一の変成器の２次回路中性点と前記第二の変成器の２次回路中性点は共通にされて第６の入出力端子を成し、前記第６の入出力端子と前記第１の入出力端子は第五の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第一の変成器の１次回路は前記縦配列アレイのＮ行配列のうち奇数行の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第二の変成器の１次回路は前記縦配列アレイのＮ行配列のうち偶数行の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第五の変成器の１次回路は前記縦配列アレイの全圧電振動子の順接続を成し、且つ、前記横配列アレイの裏面を成す前記圧電振動子の電極全てが接続され第７の入出力端子を成し、前記横配列アレイの表面を成す前記圧電振動子の電極は、それぞれ配列に対応したＭ本のリード線で引出され、前記リード線を順次１番からＭ番としたときに、１＋４ｋ、２＋４ｋ、３＋４ｋ、４＋４ｋ（ｋ＝０、１、２・・・）に対応する番号の前記リード線を１つのグループとし、前記リード線を４グループに分けて、前記グループ毎に結線をし、前記４グループそれぞれが順に第８の入出力端子、第９の入出力端子、第１０の入出力端子、第１１の入出力端子を成し、前記第８の入出力端子と前記第１０の入出力端子は第三の変成器の平衡２次回路に接続され、前記入第９の出力端子と前記第１１の入出力端子は第四の変成器の平衡２次回路に接続され、前記第三の変成器の２次回路中性点と前記第四の変成器の２次回路中性点は共通にされて第１２の入出力端子を成し、前記第三の変成器の１次回路は前記横配列アレイのＭ列配列のうち奇数列の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第四の変成器の１次回路は前記横配列アレイのＭ列配列のうち偶数列の圧電振動子の交互逆接続を成し、前記第１２の入出力端子と前記第７の入出力端子との端子間が前記横配列アレイを成す全圧電振動子の順接続を成すことを特徴とする超音波フェイズドアレイ送受波器。
2. 前記圧電振動子の配列ピッチをＰで表したときに、Ｐ＝（０．５±０．２５）×λｗ（λｗは水中での前記共振周波数における１波長）とな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. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波フェイズドアレイ送受波器と、送波信号入力部と受波信号を出力する受波信号出力部とを有し、受信動作と送信動作を切り替える機能を有する第一乃至第四の送受波切替回路と、前記第一乃至第四の送受波切替回路の前記送波信号入力部と、前記第五の変成器の１次回路との接続を切替えて送波ビーム信号を出力する送波ビーム信号出力部を備える送波ビーム切替回路と、前記第一乃至第四の送受波切替回路の前記受波信号出力部に接続され、前記受波信号の位相を調整して演算を行い、受波ビーム信号を出力する受波ビーム信号出力部を備える受波ビーム合成回路と、前記第１２の入出力端子と前記第７の入出力端子との間で横配列アレイを成す全圧電振動子の順接続で得られる垂直受波ビーム信号と前記受波ビーム合成回路が出力する前記受波ビーム信号とを切り替える受波ビーム切替回路とを備える超音波フェイズドアレイ送受波器であって、前記第一の送受波切替回路は前記第一の変成器に接続され、前記第二の送受波切替回路は前記第二の変成器に接続され、前記第三の送受波切替回路は前記第三の変成器に接続され、前記第四の送受波切替回路は前記第四の変成器に接続され、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へ送信信号が送信されることにより前記平面に対して垂直な面内に２つの主極を有する送波縦ツインビームが生成され、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へ送信信号が送信されることにより前記平面及び前記垂直面双方に垂直な面内に２つの主極を有する送波横ツインビームが生成され、前記第１２の入出力端子と前記第７の入出力端子の間から得られる受波信号と前記第五の変成器への送信信号の送信とにより前記平面の直下に主極を有する送受波垂直シングルビームが生成され、前記受波ビーム合成回路は、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から出力される受波信号により得られる受波縦ツインビームを分離して受波上シングルビームと受波下シングルビームを生成し、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から出力される受波信号により得られる受波横ツインビームを分離して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ことを特徴とする超音波フェイズドアレイ送受波器。

Images