JPH09509252A - 音波同期装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 音響及び超音波トランスデューサを、高分解能の距離及び動き計測、及び双方向通信用の回路に連結するための、一般用途に適応可能な装置である。ジェネレータ信号（５２）は、受信用トランスデューサ信号（２１）又は参照信号（２３）に同期する。検波器（２０）は、検波周期信号（２２）及び検波振幅信号（２４）を検波された信号から提供する。コンパレータ（３０）は、検波周期信号及びジェネレータ信号からコンパレータ信号（３２）を生成する。持続回路は信号が途切れる間にフライホイール動作を提供する。駆動回路（６０）は、発信トランスデューサを駆動する。オプションは、単一又は２つのトランスデューサ動作、連続又はパルスバースト動作、低コストの圧電トランスデューサを使用する最適周波数通信、音波周波数の走査、位相及び振幅の変調及び復調、高速同期、検波信号と参照信号の比較、及び自己検査とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 音波同期装置 発明の属する技術分野 本発明は特に、計測、通信、エネルギー伝達、又は音響デバイスの作動のため に音波を使用する電子デバイスに関するものである。 発明の背景 音響装置は広範囲の製品で使用されている。これら音響装置は幾年もの間、測 深機、カメラ、及び医療用解析装置で使用されてきたが、現在では自動車や、運 動器具に、音響および超音波搬送波上のデータ伝送のために、また他の多くの事 項のために組み込まれている。音は計測や制御の世界で重要になってきている。 音波は、物体検知や距離計測のための未侵入且つ安全な方法を、低電力レベルで 提供する。 音響トランスデューサを電子回路にインタフェースする際に使用される多くの 方法があるが、それらは通常特別のアプリケーションに特定したものである。イ ンタフェースの問題を簡易にするための一般用途向け回路はほ とんどない。 市販で入手できるインタフェース回路は、パルスバーストモード（pulsed-bur st mode）での動作用に設計されている。これらのインタフェース回路は短波チ ャープ（short sonic chirps）を発信し、受信用トランスデューサからの帰還信 号の振幅を検波する。それらは距離や動きの計測用に使用される。典型例は、ポ ラロイド社（０２１３９ マサチューセッツ州、ケンブリッジ、ウィンドサース トリート１１９）により販売された超音波距離計測システムである。これは、マ グリ（Muggli）により１９８０年に出願された米国特許第４１９９２４６号に開 示されている。この回路は、パルスバーストモードで、単一の容量性広帯域トラ ンスデューサ（capacitive broad bandpass transducer）を使用するために特に 設計されている。他の例は、ナショナルセミコンダクタ（９５０５２−８０９０ カリフォルニア州、サンタクララ、私書箱５８０９０、セミコンダクタドライ ブ２９００）により販売されたＬＭ１８１２超音波トランシーバである。これは パルスバーストモードで単一の圧電トランスデューサを使用するために設計され ている。 分解能向上のために連続音響信号を送信し、受信するためのインタフェース回 路は、特別のアプリケーション に適し、一般用途の音響インタフェース回路としての使用に適さないよう特に設 計されている。この形式のインタフェース回路の典型例は、カーシュ（Karsh） により１９７８年に出願された米国特許第４１２２４２７号、及びノースロップ （Northrop）により１９８０年に出願された米国特許一部第４１９７８５６号に 開示されている。これらの回路は高分解能の動き計測に使用され、受信用トラン スデューサからの信号に同期したクロック信号を提供する。これらは、位相変化 を検波し振幅検波を提供しない。これらは、信号が途切れる時に同期性を喪失す るのでパルスバーストや単一トランスデューサの動作には適応できない。１９９ ３年１月２９日付出願の原出願第０８−０１１３６９号についての１９９４年１ 月１４日付米国特許継続出願の中に本発明の部分的開示がある。 音響インタフェース回路は上記ニーズを満足する必要がある。好ましくは、マ イクロプロセッサのようなユーザ回路に適合するべきである。 発明の概要 本発明は、音波同期装置インタフェース回路であり、発明の背景で述べたニー ズを満足するべく発明されたものである。前記回路は、外部ユーザ回路によって 提供さ れた信号を、発信用音響トランスデューサを駆動するための信号に変換し、さら に受信用トランスデューサの振幅を検波する。該回路は、入力信号周波数の平均 に同期した内部ジェネレータ信号と比較することによって、受信用トランスデュ ーサ中の位相変化を検波する。該装置は参照入力により自己検査と信号比較性能 を得る。 基本的同期装置回路は、連続、チョッピング、又はパルスバーストモードで、 距離及び動き計測を実施するのに適合可能である。前記回路は、発信及び受信用 に分離された又は割り当てられたトランスデューサを制御するように適合可能で あり、音波領域を通じて多くの用途を有する。 ２種のジェネレータ形式 同期装置は誘導同調増幅器型ジェネレータ（stimulated tuned amplifier gen erator）又は位相固定ループ被駆動型ジェネレータ（phase-locked-loop driven generator）を使用し製作される。 フライホイール（fly wheel）動作 受信モードで使用する際、同期装置は、受信した音波の平均周波数に同期する ジェネレータ信号を生成する。 ジェネレータ信号は、音波が断続的であり、受信されるのが中止される際には平 均周波数で持続される。持続回路は、検波信号がない場合の周波数変化を低ドリ フト率に削減する。このことにより、同期装置はチョッピング又はパルスバース トモードにおいても動作可能である。 参照信号 参照信号入力は所望の初期化がなされた又は維持された発信周波数でジェネレ ータ信号を同期させるために使用できる。該参照信号入力は、音響周波数域を走 査し又は変調音波を発信するために種々の発信周波数を提供可能であり、音波強 度の測定や同期装置のテストのための比較信号として有用である。 振幅及び位相の変調及び復調 同期装置は、受信用トランスデューサ信号又は参照信号のどちらかの平均振幅 に比例する検波振幅信号を提供する。該同期装置は、検波された信号の各周期か ら検波周期信号も提供する。振幅変調は検波振幅信号により測定可能である。同 様に、トランスデューサ信号又は参照信号のいずれかの位相変調は、ジェネレー タ信号及び検波周期信号からのデジタル遷移を結合するコンパレータ 出力信号から測定可能である。検波制御信号は、入力信号の選択を行う。 コンパレータ回路中の位相調整回路は、低ドリフト状態にするよう同期装置内 の位相関係を調整するために使用され、ユーザ回路からの位相変調信号に応答し て発信波を位相変調するためにジェネレータ信号を位相変調するのに使用可能で ある。 駆動回路は発信用トランスデューサに連結し、振幅変調信号に応答して発信波 を振幅変調するための回路を含むことが可能である。位相制御信号に応答する変 調遅延回路（図示せず）により駆動回路中で位相変調がなされる。 単一のトランスデューサの動作 発信および受信の両方を行うため単一のトランスデューサが使用可能である。 単一のトランスデューサが受信している間、発信制御信号によって制御される駆 動回路中のアナログスイッチにより、駆動回路はトランスデューサから絶縁され る。 トランスデューサ発信電流計測 駆動回路からの駆動電流信号は、発信用トランスデュ ーサ中を流れる交流に応答する信号を提供する。 同期及び感度 コンパレータ信号に応答する周波数調整器回路は、ジェネレータ信号周波数を 、検波周期信号の変化する平均周波数になるよう調整する。感度制御入力は周波 数調整器の感度を調整して平均化が施される期間を決定する。感度制御入力が検 波振幅信号によって提供される際は、入力信号振幅の増加に検波振幅信号が応答 する時、平均化期間は減少する。このことにより、ジェネレータ信号は最大振幅 の入力信号に最も応答することになる。感度制御信号は、ユーザ回路の制御下で 入力信号に高速同期を提供するため使用可能である。 トランスデューサ発信の最適化 発信モードで、駆動電流信号は参照信号を提供し、検波器は該参照信号を検波 するように切り換えられる。ジェネレータは、検波周期信号に同期し、検波振幅 信号によって敏感となるその周波数調整により、発信用トランスデューサ中の交 流を最大化するように応答する。発信用圧電トランスデューサのピークアドミッ タンス特性により、該トランスデューサは最適な発信周波数で自動的 に発信する。 限定周波数検波 受信用トランスデューサが広い周波数通過帯域を有する際には、周波数通過帯 域感度を限定するため、通常はフィルタが検波器回路中に含まれる。 通信 音波による直接制御の双方向ワイヤレス通信（two-way directionally contro lled wire-less communication）は弾性媒体を通して可能である。音波同期装置 は、振幅及び位相変調信号によって双方向通信に適合する多目的音響インタフェ ース回路を提供する。 図の概要説明 図１は、基本的な同期装置の概要図である。 図２は、同調増幅同期装置の概要図である。 図３は、位相固定ループ同期装置の概要図である。 図４は、双方向通信に於ける同調増幅同期装置を示す。 図５ａは、同期装置１００ａ及び圧電トランスデューサ（９１及び９２）の特 性を示す。 図５ｂは、同期装置１００ｂ及び圧電トランスデュー サ（９３）の特性を示す。 図６は、双方向通信に於ける位相固定ループ同期装置を示す。 図７ａは、同期装置１００ｃ及び圧電トランスデューサ（９１及び９２）の特 性を示す。 図７ｂは、同期装置１００ｄ及び圧電トランスデューサ（９３）の特性を示す 。 図８は、検波回路の好ましい実施例を示す。 図９は、コンパレータ回路の好ましい実施例を示す。 図９ａは、図９の実施例に於ける典型的な波形を示す。 図１０は、周波数調整器４０ａ及び同調増幅器５０ａの好ましい実施例を示す 。 図１０ａは、図１０の実施例に於ける典型的な波形を示す。 図１１は、アナログの調整器４０ｂ、アナログのジェネレータ５０ｂ、及び駆 動回路６０の好ましい実施例を示す。 定義 明瞭且つ簡潔にするために。 「音（sound）」は、聴くことが可能な振動であり、又は人間の可聴域外であ って弾性媒体（medium）中を音速 で通過するものである。 「音響（acoustic sound）」は、人間が聴くことのできる音（sound）である 。 「音の（sonic）」は、音響を含む音、超音波の（ultrasonic）、又は超音波 （ultrasound）と関係があることを意味する。音速（空気中でおよそ秒速３３１ ．３メートル）で伝搬する波を有することを意味する。 「媒体（medium）」は、その中を音波（sonic wave）が音速で伝搬する、介在 する弾性要素であり、例えば液体、固体、気体物質である。 「音波（sonic wave）」は、平静な中間位置を中心とするわずかな距離内で振 動する媒介粒子（medium particle）の周期的な起伏変位である。各波は、音源 や反射面から媒体を通って隣接する波に伝搬することにより、圧力エネルギーを 伝達する。波の伝搬速度は音速である。すなわち、３３１．３ｍ／ｓｅｃで通過 する４０ｋＨｚの振動が８．２８２５ｍｍの波長の波を伝搬する。 「帰還音波（returning sonic waves）」は、もともと同期装置（synchronize r）によって伝送され、音響トランスデューサ（sound transducer）によって受 信され同期回路（syncronizer circuit）への入力を提供する音波である。該音 波は表面から帰還し、又は他の同期回路 によって再発信される。 「受信用トランスデューサ（sensing transducer）」は、媒体中の音波を受信 し、本明細書中に受信用トランスデューサ信号（sensing transducer signal） として記載した電気信号を生成する音響トランスデューサである。また、同一の 音響トランスデューサであって、単一で受信／送信を交互に行うトランスデュー サである場合にも、受信用トランスデューサとして記載している。 「発信用トランスデューサ（radiating transducer）」は、本明細書中にドラ イブ信号（driver signal）として記載した電気信号に応答して、音波を媒体中 に発信する音響トランスデューサである。また、同一の音響トランスデューサで あって、単一で受信／送信を交互に行うトランスデューサである場合には、受信 用トランスデューサとして記載している。 「ジェネレータ（generator）」は、振動信号（oscillating signal）を生成 する装置である。これは、ジェネレータ信号（generator signal）５２よりも高 周波で振動する信号を含み、一つ以上の同調回路（tuned circuit）を含むか若 しくは全く含まない。 発明の詳細な説明 図１はトランスデューサ９２（場合によっては単一のトランスデューサ９３） から音波を発信し、トランスデューサ９１（場合によっては単一のトランスデュ ーサ９３）で音波を受信する基本的な同期装置１００を示す。トランスデューサ ９３は波を交互に発信、受信するために必要に応じて使用される。同期装置は、 ユーザ回路９０からの信号によって制御される。検波器２０は、ユーザ回路９０ により若しくはユーザ回路９０を通じて供給される参照信号２３を検波し、又は トランスデューサ９１（場合によっては９３）からのトランスデューサ信号２１ を検波する。ユーザ回路９０からの検波器制御信号（detector control signal ）２５は、２入力のアナログスイッチを用いて検波すべき信号を選択する。選択 された信号は増幅されて検波振幅信号（detected-amplitude signal）２４及び 検波周期信号（detected-cycle signal）２２を生成する。検波振幅信号２４は 、検波された信号の振幅に応答するアナログ信号であり、検波周期信号２２は検 波された信号の各周期に応答する少なくとも一つのデジタル遷移（digital tran sition）を有するデジタル信号である。 コンパレータ回路３０は検波周期信号２２及びジェネレータ回路（generator circuit）５０からのジェネレー タ信号（generator signal）５２を受信する。コンパレータ３０は、通常はデジ タルであり、好ましくは検波周期信号２２及びジェネレータ信号５２に応答する 遷移を有する方形波である信号を生成する。コンパレータ信号の遷移間の時間間 隔は検波周期２２とジェネレータ５０の信号間の周波数と位相の違いに応答する ものである。 調整回路４０はコンパレータ信号３２を受信し、コンパレータ信号３２中の選 択された遷移間の時間間隔（time period）に応答する周波数調整信号（frequen cy adjuster signal）４２を生成する。周波数調整信号４２はジェネレータ５０ によってジェネレータ信号５２の周波数を調整するために受信される。周波数調 整信号４２のコンパレータ信号３２に対する感度は感度制御信号４３によって制 御される。コンパレータ３０、周波数調整器４０、及びジェネレータ５０は協働 し、良好な安定性を有し、且つ検波周期信号２２の変化する平均周波数と位相に 同期するジェネレータ信号５２を提供する。 駆動回路（driver circuit）６０はジェネレータ信号５２を受信し、ジェネレ ータ信号５２の周波数に応答するドライブ信号（driver signal）６２を生成す る。ドライブ信号は、発信用トランスデューサ９２（場合によっては９３）が音 波を発信するように、該トランスデュー サを駆動するのに使用される。発信用トランスデューサ中を流れる交流の駆動電 流は計測され、駆動電流信号（drive-current signal）６４を生成する。発信制 御信号（radiate control signal）６５に応じて、発信用トランスデューサを駆 動させないよう、ドライブ信号６２を選択的に遮断するための回路を含んでもよ い。好ましくは、前記回路はトランスデューサ９２（場合によっては９３）を駆 動回路６０から切断するためのアナログスイッチを含む。駆動回路６０は、振幅 変調信号（amplitude modulation signal）６５に応答する、ミキサー回路（mix ing circuit）、又は利得制御増幅器を含むことにより、変調ドライブ信号（mod ulate driver signal）６２を増幅可能である。 フライホイール（fly wheel）動作 コンパレータ３０と周波数調整器４０は協働し、検波器２０によって検波周期 信号が生成されない際には、中間周波数調整信号（neutral frequency adjuster signal）をジェネレータ５０に入力する。ジェネレータ信号５２の周波数は、 検波周期信号がない場合には変化させられない。図９と図９ａに示すように、こ のフライホイール効果（fly wheel effect）により、単一のトランスデ ューサ９３を使用する発信モードや、発信モードと受信モード間の信号消失期間 （signal blanking gaps）中に、発信期間経過後や検波周期信号が存在しない他 の場合にほとんどの音響トランスデューサに固有である自己減衰振動（damped s elf-oscillation）を迅速に回避するため、ジェネレータ５０の周波数が持続さ れる。 好ましくはデジタルの方形波であるコンパレータ信号３２は、検波周期信号２ ２に応答する第１の遷移とジェネレータ信号５２に応答する第２の遷移とを有す る。第１と第２の遷移間の間隔は、コンパレータ３０中の位相調整回路（phase adjustment circuit）によって、平均的に同等になるよう調整される。消失する 検波周期遷移（detected-cycle transitions）の代わりに中間位相遷移（phase- neutral transitions）が挿入されることができる。 変調と復調 ジェネレータ信号に応答するコンパレータ信号３２の遷移は、ユーザ回路９０ により、検波周期に応じた遷移での変調を復調するための高慣性で安定したクロ ックとして使用され得る。検波器２０が受信用トランスデューサ信号を検波する 際、音波の変調はコンパレータ信号３ ２から容易に理解される。感度制御信号（sensitivity control signal）４３は 、ジェネレータ信号５２をより安定させるため、位相復調（phase demodulation ）の間、通常は低感度に設定されるが、高速同期（fast synchronization）を達 成するために高感度にも設定可能である。位相変調信号（phase modulation sig nal）３５に応答するコンパレータ３０中の位相制御回路（phase control circu it）を製作することによって、発信された音波を変調するため、ジェネレータ信 号５２が位相変調される。あるいは、発信された波を変調するために、参照信号 ２３が位相変調されても良い。感度制御信号４３は、ジェネレータ信号５２が変 調されるように、位相変調の間通常は高感度に設定される。もし、同期装置１０ ０が感度制御回路（sensitivity control circuit）を含まないならば、位相制 御信号３５に応答する変調遅延回路（modulated delay circuit）（図示せず） により、駆動回路６０中で位相変調がなされる。 トランスデューサ信号振幅域と自動利得制御 検波器２０は、利得制御信号（gain control signal）に応答する利得制御増 幅器（gain controlled amplifier）を含む時は、より広域の入力信号にわたっ て作動する。 好ましくは、前記増幅器は、自動利得制御（ＡＧＣ）回路を形成するため、検波 振幅信号２４に接続される。図８に示すように入力信号の振幅域は、振幅制御信 号（amplitude control signal）２７に応答する。 リファレンスモードでの動作 参照信号２３は、同期装置１００を多くのアプリケーションに適合させる。例 えば、総合的に同期装置１００をテストするための手段であって、トランスデュ ーサ信号２１、符号化位相変調ドライブ信号（encoded phase-modulated driver signal）６２、受信用トランスデューサの受信域内に発信波の中心を設定する ための参照周波数、及び周波数調整器４０の調整域と比較するべき標準信号と、 発信周波数（radiating frequency）域を走査する手段と、音波の発信を最適化 するため発信用トランスデューサのアドミッタンス特性（admittance character istic）に発信周波数を固定するための手段とに適合させる。 図２は、音波のバースト（bursts of sonic waves）の発信、受信を交互にお こなう単一の音響トランスデューサ９３を作動する同期装置１００を示す。波は 媒体９６中を通り、面９５から帰還する。本実施例では、ジェネ レータ５０は同調増幅器形式（tuned amplifier type）のものである。同調増幅 器の共振周波数が同期装置の参照周波数であるため、参照信号２３は必要とされ ない。本実施例は、受信された帰還波中のドップラー変調の正確な測定、距離計 測、超音波走査、及び総合的な同期通信（synchronous communication）に有用 である。 このアプリケーションには３つのモードが使用される。すなわち、発信モード （radiating mode）、持続モード（sustaining mode）、及び受信モード（recei ving mode）である。持続モードは、自己減衰振動が消失する時間を許容するた め、発信モードに引き続く間隔を充填するものである。発信期間経過後、大部分 の音響トランスデューサではリンギング（ringing）が生じる。同期は、発信モ ードの間、そして前記間隔中、さらに音波が受信されない時も持続されている。 発信モード 駆動回路６０は、トランスデューサ９３を発信モードに切り換えるために、発 信制御信号（radiate control signal）６５に応答するアナログスイッチを含ん でいる。発信検波器２０は、検波器制御信号２５に応答して、トランスデューサ ９３から絶縁される。入力信号がなけれ ば検波器２０は検波周期信号２２を生成できず、よってコンパレータ３０は、周 波数調整器４０ａへ中間位相出力信号（phase-neutral output signal）を提供 する。より好ましい実施例では、コンパレータ信号３２は検波周期トリガー遷移 （detected-cycle triggered transitions）の代わりに持続遷移（sustaining t ransitions）を挿入する。図９ａに示すように、持続遷移はジェネレータ信号５ ２から得られ、ジェネレータ周波数の中間効果（neutral effect）をもつよう位 相調整されている。このことは、周波数ドリフト率（frequency drift rate）を 同調回路の共振周波数へと最小化する。 同調増幅器周波数の調整 周波数調整器４０ａによって受信された持続遷移は、短エネルギーパルス（sh ort energy pulses）にトリガーをかける。これらのパルスは、好ましくはジェ ネレータ５０ａ中の同調回路によって生成される各発振周期の１０％以下である 。前記エネルギーは、低Ｑ同調回路（low-Q tuned circuit）をパルス間の平均 周期に同期させ、同調回路の共振周波数近傍に制限された発振周波数域内で、同 調回路の巡回電流（cyclic currents）を弱振動（slow oscillation）にし、速 度振動（speed oscillat ion）に押し上げる。感度制御信号４３はエネルギーパルス中のエネルギーを調 整し、この調整率で発振信号（oscillating signal）５２の周波数を変換可能で ある。初期発信モードでは、感度は通常、ユーザー用の感度スイッチ９７を開放 した状態で、ユーザ回路９０によって固定された低レベルに保持される。 前記間隔中の持続モード 発信後、トランスデューサ９３が波をうまく受信する前にリング（ring）する ことを許容する間隔が残る。受信した後、再度発信する前にも他の間隔が残る。 この間隔中、ジェネレータ信号周波数は持続されるが、同調回路の共振周波数へ と徐々にドリフトする。ドリフトを削減すべくユーザ回路９０からの感度制御信 号４３により、感度が低減される。 受信モード 検波器制御信号２５は、検波すべき受信用トランスデューサ信号２１に接続し ている。検波振幅信号２４及び検波周期信号２２が生成される。検波振幅信号２ ４は、ユーザによって前方の閉じたスイッチ９７に送られ、感度信号４３を提供 する。検波周期信号２２は、トランス デューサ９３によって受信された音波周期に応答する、コンパレータ信号３０中 の遷移を生成する。エネルギーパルスは遷移によってトリガーをかけられ、同調 回路が、コンパレータ信号３２中の検波周期遷移の平均位相に同期された音波の 平均周波数でジェネレータ信号５２を生成するように影響する。 同期装置１００により、音響経路（sound path）が、検波振幅２４に応答する ループゲイン（loop gain）を有するジェネレータのフィードバックループの一 部であるため、発信及び帰還波は媒体９６中で可能な限り効率良く伝わる。同期 装置１００は自動的に最適な伝送周波数（transmission frequency）を見出す。 いったんトランスデューサ９３への音波及び該トランスデューサからの音波が確 立されると、距離を計測するために変調が含まれ得る。反射面９５の動作によっ て引き起こされるドップラー変調は、コンパレータ信号３５から計測することが 可能である。 図３は、発信音響トランスデューサ９２を駆動し、同時にトランスデューサ９ １で音波を受信する同期装置１００を示す。波は媒体９６中を伝わる。ジェネレ ータ５０ｂは位相固定ループ（phase-locked loop、ＰＬＬ）形式である。参照 信号２３は、ＰＬＬが線形周波数応答 （linear frequency response）を有するため必要である。変調を許容するジェ ネレータの調整域の限度内で、十分に参照発信周波数を確立することが必要であ る。本実施例は帰還波又は直接受信した波でのドップラー変調の正確な計測、距 離計測、超音波走査、及び他の音波同期装置と通信するために有用である。 同期装置１００は前記アプリケーションに対し３つのモードで作動する。すな わち、参照発信モード（reference radiating mode）、同時発信・受信モード（ simultaneous radiating and receiving mode）、及び持続モード（sustaining mode）である。 音響参照波の確立 発信を開始するため、制御信号６５は、ドライブ信号６２によりトランスデュ ーサ９２がジェネレータ５０ｂの調整域内の周波数で音波を発信するように、駆 動回路６０を切り換える。駆動電流信号６４は、閉じたユーザー用スイッチ９４ を通じて参照信号２３を供給する。検波器制御信号２５は検波すべき参照信号２ ３と接続している。検波振幅信号２４はしたがって、駆動電流信号６４の振幅に 応答する。検波周期信号２２は駆動電流信号６４の周期に応答する。 コンパレータ３０は、図１及び図２と同様に、コンパレータ信号３２を生成す る。 周波数調整器４０ｂは、コンパレータ信号３２を使用し、電荷流ポンプ（char ge-current pumps）を作動させ、集積フィルタ（integrating filter）にまたが る電圧を発生させ、検波周期応答遷移（detected-cycle responsive transition s）とジェネレータ信号応答遷移（generator signal responsive transitions） の中間のコンパレータ信号３２中の時間間隔に応答する周波数及び位相の応答パ ラメータを有する周波数調整信号４２を提供する（図１１を参照）。 ジェネレータ５０ｂは、周波数調整信号４２に影響される電圧調整発振器（vo ltage adjustable oscillator）を含む。 位相固定ループ（ＰＬＬ）回路がジェネレータ５０ｂ、位相コンパレータ３０ 、及び周波数調整器４０ｂを含んで形成される。ジェネレータ信号５２の周波数 及び周波数調整信号４２の電圧は相互依存する。このフィードバックループは、 発振信号５２がコンパレータ信号３２中の遷移間の平均周波数及び間隔に同期す るように調整しようとする。 振幅応答ループ利得（amplitude responsive loop gain） 検波振幅信号２４は外部接続を通じて感度制御信号４３を提供する。それゆえ に感度したがってＰＬＬのループ利得は、発信用トランスデューサ９２中を流れ る交流の振幅に応答する駆動電流信号６４の振幅に応答する。このことはジェネ レータ信号の周波数を、トランスデューサ中の交流が最大となる周波数に到達さ せようとする。 トランスデューサ９２が、所望の発信域内にピークを持たないアドミッタンス 特性を有する場合は、駆動回路６０に付加された低Ｑピーキングフィルタ（low- Q peaking filter）は、最大駆動電流が流れる参照周波数を確立する。 持続モード 持続コンパレータ信号３２は、図２で示したように生成される。ジェネレータ 信号の周波数を持続するための代替手段は、検波周期信号２２が存在する時にの み、電荷流ポンプ（charge-current pumps）を作動することである。 同時の発信と受信 発信モードは同時モード（simultaneous mode）より前に参照音波を確立する 。検波器２０は受信用トランスデューサ９１からトランスデューサ信号２１を検 波するように切り換えられ、駆動回路６０はトランスデューサ９２に発信させる ように切り換えられる。ユーザ用スイッチ９４は開放された状態である。トラン スデューサ信号２１は図１及び図２と同様に検波される。同期装置１００は、断 続的に受信波及び発信波の周波数を調整しようとするため、トランスデューサを 分け隔てる音響経路中に正確な数の波が存在する。これはまた、この閉ループの ループ利得がトランスデューサ信号２１の振幅に応答する感度信号４３に依存す るため、波を最大の振幅で受信しようとする。検波器選択スイッチは初めに検波 器制御信号２５によって数回切り換えられ、同期装置を最適周波数から離れた位 相固定状態（phase-locked condition）で安定させないようにループの切断と接 続をおこなう。図４は、双方向通信での２つの同調増幅同期装置（tuned-amplif ier synchronizers）１００ａおよび１００ｂを示す。同期装置１００ａは発信 用圧電トランスデューサ（piezoelectric radiating transducer）９２を駆動し 、圧電トランスデューサ９１を用いて受信する。同期装置１００ｂは発信及び受 信用圧電トランスデュー サ９３を駆動する。トランスデューサ９２の固有最適発信周波数（natural opti mum radiating frequency）はトランスデューサ９３の固有最適受信周波数（nat ural optimum sensing frequency）に合わせ、トランスデューサ９３の固有最適 発信周波数はトランスデューサ９１の固有最適受信周波数に合わせられている。 双方向通信 同期装置は発信または受信のどちらか一方のみを行う。トランスデューサ９２ は、トランスデューサの最大交流での駆動電流信号６４ａに同期した最適発信周 波数で発信する。トランスデューサ９３はトランスデューサ９２からの音波を受 信し、同期装置１００ｂは受信波の周波数に固定する。逆方向の通信では、トラ ンスデューサ９３は、トランスデューサの最大交流での駆動電流信号６４ｂに同 期した最適発信周波数で発信する。トランスデューサ９１は、トランスデューサ ９３から音波を受信し、同期装置１００ａは受信波の周波数に固定する。 同期装置１００ａ及び１００ｂにより、トランスデューサ９１、９２及び９３ は最も効率良く通信する。このような双方向通信は、受信用トランスデューサの 制限された周波数通過帯域と分離した発信および受信周波数に よって、帰還音波からの干渉の大部分を回避する。 図５ａは、図４の実施例に関連するものである。図５ａは、同期装置１００ａ に対する低Ｑ同調増幅器（low-Q tuned amplifier）の特性曲線５０１と、トラ ンスデューサ９１のアドミッタンス対周波数特性曲線５９１と、トランスデュー サ９２のアドミッタンス対周波数特性曲線５９２を示す。周波数５０２は、トラ ンスデューサ９１内部の並列共振（parallel resonance）状態に関連するトラン スデューサ９１の低アドミッタンス点であり、そこで、受信した音波から最大電 圧信号を生成する。周波数５０３は、トランスデューサ９２内部の直列共振（se ries resonance）状態に関連するトランスデューサ９２の高アドミッタンス点で あり、そこで、最大発信性能を発揮する。曲線５０１は、周波数５０２と５０３ 間の中央にあり、同期装置１００ａの同調増幅器の共振周波数である。 図５ｂは、図４の実施例に関連するものである。図５ｂは、同期装置１００ｂ に対する低Ｑ同調増幅器の特性曲線５０４と、トランスデューサ９３のアドミッ タンス対周波数特性曲線５９３を示す。周波数５０３は、トランスデューサ９３ 内部の並列共振状態に関連するトランスデューサ９３の低アドミッタンス点であ り、そこで、 受信した音波から最大電圧信号を生成する。周波数５０２は、トランスデューサ ９３内部の直列共振状態に関連するトランスデューサ９３の高アドミッタンス点 であり、そこで、最大発信性能を発揮する。曲線５０４は、周波数５０２と５０ ３間の中央にあり、同期装置１００ｂの同調増幅器の共振周波数である。 図６は、双方向通信での２つのＰＬＬ同期装置１００ｃと１００ｄを示す。同 期装置１００ｃは発信用圧電トランスデューサ９２を駆動し、圧電トランスデュ ーサ９１を使用して受信する。同期装置１００ｄは、発信及び受信用圧電トラン スデューサ９３を駆動する。トランスデューサ９２の固有最適発信周波数はトラ ンスデューサ９３の固有最適受信周波数に合わせられ、トランスデューサ９３の 固有最適発信周波数はトランスデューサ９１の固有最適受信周波数に合わせられ ている。 同期装置は発信または受信のどちらか一方のみを行う。トランスデューサ９２ は、トランスデューサの最大交流での駆動電流信号６４ｃに同期した最適発信周 波数で発信する。トランスデューサ９３はトランスデューサ９２からの音波を受 信し、同期装置１００ｄは受信波の周波数に固定する。逆方向の通信では、トラ ンスデューサ９３は、トランスデューサの最大交流での駆動電流信号６ ４ｄに同期した最適発信周波数で発信する。トランスデューサ９１は、トランス デューサ９３から音波を受信し、同期装置１００ｃは受信波の周波数に固定する 。 図７ａは図６の実施例に関連するものである。図７ａは、同期装置１００ｃに 対するアナログ発振器の電圧対周波数特性７０１と、トランスデューサ９１のア ドミッタンス対周波数特性曲線７９１と、トランスデューサ９２のアドミッタン ス対周波数特性曲線７９２を示す。周波数７０５は、トランスデューサ９１内部 への並列共振状態に関連するトランスデューサ９１の低アドミッタンス点であり 、そこで、受信音波からの最大電圧信号を生成する。周波数７０７は、トランス デューサ９２内部への直列共振状態に関連するトランスデューサ９２の高アドミ ッタンス点であり、そこで、最大発信能力を発揮する。周波数７０５と７０７は 、特性７０１の非線形エッジから等距離にある。曲線７０３は、トランスデュー サ９２が発信する際の交流のピーク値、及びトランスデューサの交流振幅に応答 する同期装置中の感度制御を表す。 曲線７０８（破線）は、同期装置１００ｃの電圧制御発振器（voltage-contro lled oscillator）の周波数がトランスデューサ９２中の交流に直接応答する際 に、電圧を制御する周波数の絶対動作位置（absolute operating position）に関連する応答曲線を表す。図１１に示すように、最適発信周波数及 び絶対動作位置での最大電流を達成するためには回路調整が重要である。 図７ｂは図６の実施例に関連するものである。図７ｂは、同期装置１００ｄに 対するアナログ発振器の電圧対周波数特性７０２と、トランスデューサ９３のア ドミッタンス対周波数特性曲線７９３を示す。周波数７０７は、トランスデュー サ９１内部への並列共振状態に関連するトランスデューサ９３の低アドミッタン ス点であり、そこで、受信音波からの最大電圧信号を生成する。周波数７０５は 、直列共振状態に関連するトランスデューサ９３の高アドミッタンス点であり、 そこで、最大発信能力を発揮する。周波数７０５と７０７は、特性７０２の非線 形エッジから等距離にある。曲線７０４は、トランスデューサ９３が発信する際 の交流のピーク値、及びトランスデューサの交流振幅に応答する同期装置中の感 度制御を表す。 曲線７０９（破線）は、同期装置１００ｄの電圧制御発振器の周波数がトラン スデューサ９３中の交流に直接応答する際に、電圧を制御する周波数の絶対動作 位置に関連する応答曲線を表す。図１１に示すように、最適発信周波数及び絶対 動作位置での最大電流を達成するため には回路調整が重要である。 同期装置１００ｃ及び１００ｄにより、トランスデューサ９１、９２及び９３ は最も効率良く通信する。トランスデューサの制限された周波数通過帯域と、分 離した発信および受信周波数を使用する双方向通信は、反響音波からの干渉の大 部分を回避する。 図８は検波器２０の好ましい実施例を示す。検波器制御信号２５に応答するア ナログスイッチ２０１は、トランスデューサ信号２１又は参照信号２３のどちら か一方を増幅器２０２に接続する。フィルタ２０３は増幅器２０２の周波数通過 帯域感度（frequency passband sensitivity）を制限し、受信用トランスデュー サが、広域の周波数通過帯域を有する際には通常必要である。振幅検波器２０４ は増幅信号を受信し、該信号の振幅に応答する整流電圧レベル（rectified volt age level）を生成する。振幅コンパレータ２０５は、整流電圧レベルと、参照 電圧としての振幅制御信号２７との差に応答する差動信号を生成する。集積増幅 器（integrating amplifier）２０６は参照信号から高周波を除去し、増幅器２ ０２の利得制御入力へフィードバックされる検波振幅信号２４を生成する。この ネガティブフィードバックは制御振幅、広域の入力信号にわたる増幅信号を生成 し、それによっ て入力信号の作動域は振幅制御信号２７によって決定される。検波振幅信号２４ は、検波された信号の振幅に応答する。 シュミットトリガ２０７は、増幅信号を受信し、増幅信号がシュミットスレシ ョールドレベル（Schmitt threshold levels）を越える際にデジタル出力を生成 する。クロスオーバ検波器（crossover detector）２０８は増幅信号を受信し、 増幅信号の各ゼロクロス点（zero-crossover point）に応答する遷移を有するデ ジタル信号を形成する。フリップフロップ２０９は、信号周期毎にシュミットト リガからの一つの遷移によってセットされ、信号周期毎にクロスオーバ検波器か らの一つの遷移によってリセットされて、スイッチ２０１からの各信号周期に応 答する検波周期信号２２を生成する。 電力節約検波（power saving detection） 検波器２０の重要な特徴は電力節約に有用なことである。同期装置１００中で 、増幅器２０２、整流振幅検波器２０４、振幅コンパレータ２０５及び集積増幅 器２０６のみが、音波が受信されるまで受信電源２１０を通じて動力を供給され る必要がある。ユーザ回路９０は、検波振幅信号２４が音波を認識したことを示 す時には、主 電源２１１のスイッチを入れる。 図９は、コンパレータ３０の好ましい実施例を示す。ジェネレータ信号５２は 検波周期信号２２と比較される。ジェネレータ信号５２が正弦波であるなら、シ ュミットトリガ３０１はそこからデジタル信号を形成する。デジタルコンパレー タ３０２は予知能力および優先ゲート及びラッチを含み、検波周期信号が存在す る時にはコンパレータ信号３２がそれらに応答することを確実にする。位相制御 信号３５は、コンパレータ信号３２中の正及び負の遷移間の平均的な相対位相関 係（relative phase relationship）を調整する。 図９ａは、検波周期信号２２が、平均的であり、早くなり、遅くなり、そして 消失する際の、優先ゲート（priority gate）の効果を示す典型的な波形と互い の依存関係を示す。 検波周期信号波形９２２、ジェネレータ信号波形９５２、及びコンパレータ信 号波形９３２が示されている。連結（link）９０１は、波形９２２と波形９５２ が一致する際の、波形９２２の正の遷移に依存する波形９３２の正の遷移を示す 。連結９０２は、波形９２２が波形９５２より早い際の、波形９２２の正の遷移 に依存する波形９３２の正の遷移を示す。連結９０３は、波形９２２ が波形９５２より遅い際の、波形９２２の正の遷移に依存する波形９３２の正の 遷移を示す。連結９０４は、波形９２２が消失している際の、波形９５２の正の 遷移に依存する波形９３２の正の遷移を示す。連結９０５は、全ての状態の元で 、波形９５２の負の遷移に依存する波形９３２の負の遷移を示す。コンパレータ 波形９３２は平均的に方形波になるよう調整されている。正の遷移は音波中のい かなる変調にも応答し、負の遷移は安定したジェネレータ信号５２に応答する。 図１０は、好ましい周波数調整器４０ａと同調増幅ジエネレータ（tuned-ampl ifier generator）５０ａを示す。コンパレータ信号３２（図９ａ中の波形９３ ２）はパルスジェネレータ４０２にトリガをかけ、感度制御信号４３に応答する 振幅を有する正の遷移から電圧パルスを形成する。トランジスタ４０３と電流制 御抵抗４０４は、電圧パルスの振幅と継続時間に応答するエネルギーを有する電 流パルスを生成する。ジェネレータ５０ａは同調回路５０１を含み、周波数調整 信号４２中の電流パルスのエネルギーによって発振させられる。減衰制動抵抗（ damping resistor）４０１は、同調回路５０１のＱ値を低減する。増幅器５０２ は発振を増幅する。 図１０ａは、図１０中のパルスジェネレータ４０２に よって生成された電圧パルス１００１を示す。発振波形１０５２はジェネレータ 信号５２を示す。電圧パルス１００１が止まる際に、周波数調整信号４２は止ま り、ジェネレータ信号５２は、振幅と周波数を指数関数的に零へと低減する。ジ ェネレータ信号の周波数は、パルス１００１間の平均周期に同期し、したがって コンパレータ信号３２の平均周波数に同期する。 図１１は、ＰＬＬ同期装置のための周波数調整器４０ｂとジェネレータ５０ｂ を示す。コンパレータ信号３２は、双方向電流ポンプ（bi-directional current pump）４０５を駆動してフィルタ４０６を充電、放電し、周波数及び位相の調 整パラメータを含む電圧制御周波数調整信号（controlled voltage frequency a djuste rsignal）４２を生成する。ジェネレータ５０ｂは、周波数調整信号４２ に応答する電圧制御同調回路（voltage controlled tuned circuit）５０３から なる電圧調整可能発振器を含み、ポジティブフィードバック増幅器５０４によっ て発振する。 電流ポンプ４０５は、感度制御信号４３に応答する速度で電流を送り込む。直 接周波数制御（direct frequency control）が、周波数制御信号４５に応答する 周波数調整信号４２を制御するために含まれ得る（図７ａ及び ７ｂ）。駆動回路６０は、ジェネレータ信号５２を受信しドライブ信号６２を提 供する増幅器６０３と、音響トランスデューサ９３に音波を発信させるのに適し た出力インピーダンスと、トランスデューサ９３がピーキングされていない時に プリセット周波数でトランスデューサのピーク電流を提供する周波数ピーキング フィルタ６０４と、発信制御信号６５に応答してトランスデューサ９３へ駆動回 路６０を選択的に接続するためのアナログスイッチ６０５と、発信用トランスデ ューサ９３中を流れる交流に応答してコンデンサ６０２を通じて駆動電流信号６ ４を提供する抵抗６０１を含む。振幅変調信号６３に応答してドライブ信号６２ の振幅を変調するための回路も含まれて良い。 全般 好ましい実施例を特に参照することにより、本発明を示し述べたが、形式と詳 細において数多の変形と変更を本発明の本質及びその範囲から逸脱することなく おこなうことができることは、当業者の理解するところであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子回路を音響トランスデューサに接続するために有用である音波同期装置 の電子回路であって、 （ａ）音響周波数で平均発振周波数を有するジェネレータ信号（５２）を生成 するためのジェネレータ回路（５０）であって、ジェネレータ信号（５２）の周 波数が周波数調整信号（４２）によって調整される前記ジェネレータ回路と、 （ｂ）ドライブ信号（６２）を外部の発信用音響トランスデューサに提供し、 音波を発信させる駆動回路（６０）と、 （ｃ）検波すべき２つの入力信号の１つを選択するためにアナログスイッチ回 路を有する検波器回路（２０）で、１つの入力信号が参照信号（２３）であり、 他方が外部の受信用トランスデューサからのトランスデューサ信号（２１）であ り、前記選択が検波器制御信号（２５）に応答するものであって、前記検波器回 路（２０）が更に、 選択された入力信号の振幅に応答する検波振幅信号（２４）を提供する振幅 検波回路と、 選択された入力信号に応答する検波周期信号（２２）を提供し、検波された 入力信号の各周期に対する少なく とも１つの遷移を有する周期検波回路と、 を備えた前記検波器回路と、 （ｄ）検波周期信号（２２）及びジェネレータ信号（５２）を受信し、コンパ レータ信号（３２）を生成するコンパレータ回路（３０）であって、コンパレー タ信号（３２）が、ジェネレータ信号（５２）に応答する遷移、検波周期信号（ ２２）に応答する遷移、及び検波周期信号に応答する遷移とジェネレータ信号に 応答する遷移とを離す時間間隔を含み、ジェネレータ信号と検波周期信号間の位 相と周波数の違いに応答する、前記コンパレータ回路と、 （ｅ）検波周期信号が受信されない時にコンパレータ信号（３２）を中間位相 にする持続回路であって、消失する検波周期信号の遷移に応答してコンパレータ 信号（３２）中に非中間遷移（non-neutral transitions）が存在することを防 止する前記持続回路と、 （ｆ）コンパレータ信号（３２）を受信し、コンパレータ信号（３２）中の選 択された遷移間の時間間隔に連続的に応答する周波数調整信号（４２）を生成す る周波数調整器回路（４０）であって、周波数調整信号（４２）がジェネレータ （５０）と協働して変化を生じさせないようにし、ジェネレータ信号（５２）の 周波数変化率が コンパレータ信号（３２）中の検波周期遷移の周波数変化率より小さく、そのた めジェネレータ信号の周波数が平均的な検波周期遷移の周波数に同期する、前記 周波数調整回路と、 を備えた前記音波同期装置。 ２．接続された際には音波を発信させる外部の発信用トランスデューサへ駆動回 路（６０）を接続し、切断された際にはトランスデューサを駆動回路（６０）か ら電気的に絶縁させることを選択するためのスイッチング回路で、該選択が発信 制御信号（６５）に応答するスイッチング回路を含む請求項１に記載の音波同期 装置。 ３．検波器回路（２０）が、受信用音響トランスデューサからのトランスデュー サ信号（２１）を、その周波数が制限された周波数域外である際にフィルタリン グするための回路を含む請求項１に記載の音波同期装置。 ４．駆動回路（６０）が、振幅制御信号（６３）に応答するドライブ信号（６２ ）を振幅変調するための回路を含む請求項１に記載の音波同期装置。 ５．位相制御信号に応答するジェネレータ信号（５２）の平均周波数にドライブ 信号（６２）を位相変調するための回路を含む請求項１に記載の音波同期装置。 ６． （ａ）コンパレータ信号（３２）中の各検波周期に応答する遷移と、消失する 検波周期遷移の代わりにコンパレータ信号中に含まれる各中間位相遷移に対して 、エネルギーパルスを生成する周波数調整器回路（４０ａ）と、 （ｂ）ジェネレータ回路（５０）中の同調回路（５０１）によって受信された 、エネルギーパルスの平均タイミング位置（mean timing position）及びパルス 繰り返し周波数に同期するジェネレータ信号（５２）であって、同調回路の巡回 電流を弱電流にし、速度振動に押し上げ、同調回路のコンポーネントによって決 定される共振周波数近傍に限定された発振周波数域を有するエネルギーパルスに よって同期化され、ジェネレータ信号周波数がエネルギーパルスの繰り返し周波 数中の変化に応答する速度が、エネルギーパルスのエネルギー含有量に依存して いる、前記ジェネレータ信号を含むジェネレータ回路（５０）と、 を更に含む請求項１に記載の音波同期装置。 ７．（ａ）コンパレータ信号（３２）に応答するフィルタ回路（４０６）を充電 及び放電し、位相及び周波数の調整パラメータを周波数調整信号（４２）に配す るための回路を含む周波数調整器回路（４０）と、 （ｂ）動作周波数が周波数調整信号（４２）の電圧レ ベルに応答するジェネレータ回路（５０）と、 （ｃ）ジェネレータ回路（５０）、コンパレータ回路（３０）、及び周波数調 整器回路（４０）を含む位相固定ループ回路であって、ジェネレータ信号（５２ ）の周波数及び周波数調整信号（４２）の電圧が相互依存し、ジェネレータ信号 （５２）をコンパレータ信号（３２）中の検波周期遷移の平均周波数及び位相位 置に同期するように調整しようとするネガティブフィードバックループを形成し 、検波周期遷移の繰り返し周波数の変化にジェネレータ信号周波数が応答できる 速度が、周波数調整器回路（４０）によって決定される、前記位相固定ループ回 路と、 を更に含む請求項１に記載の音波同期装置。 ８．ジェネレータ信号（５２）の周波数変化速度と、コンパレータ信号（３２） 中の検波周期遷移の繰り返し周波数変化速度の差が、感度制御信号（４３）に応 答して調整可能である、請求項１に記載の音波同期装置。 ９．駆動回路（６０）が、発信用音響トランスデューサを流れる交流の振幅に応 答する振幅を有する駆動電流信号（６４）を提供する、請求項８に記載の音波同 期装置。 １０．発信用トランスデューサが音波を発信している間に発信用トランスデュー サに最大の交流が流れる周波数 を定義する、周波数ピーキング回路を駆動回路（６０）が含む、請求項９に記載 の音波同期装置。