JPS5826527B2 - 超音波送受信回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、超音波パルス反射方式を採用した超音波探
傷器、超音波厚さ計、超音波診断装置、超音波流量計な
どで使用される超音波送受信回路に関する。

従来、超音波探傷器、超音波厚さ計などで使用されてい
る超音波送受信回路は、その代表的な例を第１図に示す
如く、超音波振動子に対する送信回路部と受信回路部が
別個に構成されている。

即ち、送信回路部をみるに、サイリスタＣＲＩが、その
ゲートＧに第２図ａの如きトリガパルスを印加すると導
通状態になり、高圧電源ｖＨより抵抗Ｒ１を通してコン
デンサＣ１に充電されていた電荷を放電する。

このときの放電電流は、可変抵抗Ｒ２を通して流れるの
で、Ａ点には第２図すに示す電圧が発生し振動子Ｘに印
加され、この振動子Ｘより超音波パルスが発生される。

この振動子Ｘに印加されるパルスの持続時間ｒは、可変
抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１の値とサイリスタＣＲ１の
特性により決まり、持続時間τを振動子Ｘの固有振動周
期の２分の１に決めたとき共振状態に近い振動が起され
、効率のよい送信を行うことができる。

逆に、可変抵抗Ｒ２の値を変えると、印加電圧も変化し
、振動子によって送信電圧が変化してしまう。

次に受信回路部をみると、振動子Ｘを信号源として、ト
ランジスタＱ１を用いたトランジスタ増幅器を使用し、
その入力回路に相逆並列接続したダイオードＤＩ ＪＤ
２と抵抗Ｒ３とによるリミッタ回路が設けられて、送信
時の高電圧よりトランジスタ増幅器Ｑ、を保護している
。

ここで振動子Ｘを信号源とする受信時の等他回路を考え
てみるに、まず第３図ａの振動子Ｘは、同図すに示す如
く、振動に無関係な静電容量Ｃｏと並列に振動子の機械
的振動に関係する等価的な抵抗Ｒｅ 、静電容量Ｃｅ及
びインダクタンスＬｅの直列回路を接続した等価回路と
して知られている。

振動子Ｘが共振しているとき、静電容量Ｃｅとインダク
タンスＬｅは、互いに打ち消し合うので無視でき、第３
図Ｃの如く表わされる。

さらに振動子が超音波パルスを受信した場合には、振動
子Ｘに電圧Ｅが誘起されることから、第３図ｄの如く振
動子の等価回路を表すことができる。

それ故、受信時の等価回路は、第４図の如く表すことが
できる。

第４図に於て、Ｚｉは振動子の内部インピーダンス、Ｚ
ｓはトランジスタ増幅器の入力インピーダンスである。

なお、第１図のダイオードＤ１．Ｄ２は入力電圧が低い
とき高インピーダンスとなり無視できるので第４図では
省略している。

この等価回路でトランジスタ増幅器への入力電圧Ｅｉは
、となり、振動子に誘起された電圧Ｅを効率よく受信増
幅するためには、第（１）式から明らかな如く、増幅器
の入力インピーダンスＺｓを大きくすることが普通であ
るが、それでも（Ｒ２／（Ｚ ｉ ＋Ｒ２） ）だけの
損失は避けられない。

また、高入力インピーダンスの増幅器を使用するため、
外来雑音の影響も受は易いという欠点がある。

この発明の目的は、高入力インピーダンス増幅器を使用
した従来の回路における送信時および受信時の効率を高
めると共に、単一のトランジスタ増幅器で超音波の送信
および受信を兼用することで回路構成の簡略化を図り、
しかも超音波変換素子としての振動子を低電圧で駆動す
ることが出来、対雑音比も改善できる超音波送受信回路
を提供するものである。

即ち、この発明によれば、単一のトランジスタ増幅器を
超音波の送信器および受信器として兼用せしめた超音波
送受信回路として、トリガパルスをトランジスタ増幅器
に印加する送信時にはエミッタフロア増幅器として作動
せしめると共に、受信時には超音波振動子を信号源とす
るベース接地増幅器として作動せしめる回路構成を備え
た超音波送受信回路が提供されるものである。

以下に図面に基ついて、この発明の望ましい実施例を説
明する。

まず、第３図Ｃの等価回路を参照して送信時における振
動子の変換効率を考察してみるに、一般に使用されてい
る振動子はその誘電率が大きく、そのため静電容量Ｃａ
Ｏ値は大きい。

従って１／ＪωｏＣｏ ＜Ｒｅ（但し、ωｏは振動子
を駆動するときの角周波数）で、振動子を駆動するため
高電圧を印加しても、大部分が静電容量Ｃ。

を充電するためのエネルギーとなり、振動に寄与する等
価抵抗Ｒｅには電流がわずかしか流れない。

そこで、送信時に高い変換効率を得るためには送信器の
出力インピーダンスを低くする必要がある。

また、第３図ｄを参照して受信時における振動子の変換
効率を考察してみるに、送信時と同様に振動子に誘起さ
れた電圧Ｅは、その大部分が静電容量Ｃｏを充電するの
に使われ、増幅器では静電容量Ｃｏに充電された電圧を
増幅することになる。

もし、入力インピーダンスＺｓが、 １／ＪωｇＣｏ ＞Ｚｓとなる入力インピーダンスの
小さＬ・増幅器が使用できたとすれば、静電容量Ｃｏを
充電させることなく振動子に誘起される電圧Ｅによって
増幅器に入力電流を流すことができ、受信効率を高める
ことができる。

以上の考察から、超音波送受信回路として低インピーダ
ンス出力の送信器と低入力インピーダンスの受信増幅器
を組み合せることが最も望ましいとの知見を導き得た。

第５図は、この発明の超音波送受信回路の一実施例を示
したもので、トリガパルスが印加される入力端子Ｅｊが
コンデンサＣ３を介してＮＰＮトランジスタＱ２のベー
スに接続され、抵抗Ｒ８゜Ｒ９による直流バイアス回路
を備え、トランジスタＱ２のエミッタ負荷抵抗Ｒ１ｏと
並列にダイオードＤ３．Ｄ４が逆相にて接続され、トラ
ンジスタＱ２のコレクタより信号出力端子Ｅ。

が取りだされる。

またトランジスタＱ２のエミッタ負荷抵抗Ｒ１、と並列
に超音波振動子Ｘが接続される。

その動作は、まず第６図ａに示すトリガパルスが入力端
子ＥｊよりコンデンサＣ３を通してトランジスタＱ２の
ベースに印加されると、トランジスタＱ２は完全な導通
状態となり、電源Ｖｃｃ より供給される電流はダイ
オードＤ３及びトランジスタＱ２を通して急速に振動子
Ｘの静電容量Ｃ。

を充電し、振動子Ｘに第６図すの電圧を印加する。

即ち、この送信時においてトランジスタＱ２による増幅
器の出力インピーダンスは十分低く、振動子Ｘを負荷と
するエミッタフロア増幅器として作動する。

パルスの印加が終り再びトランジスタＱ２が遮断状態に
なると、振動子ＸのＣｏに充電されていた電荷は抵抗Ｒ
１１を通して放電されるので、振動子Ｘに印加されてい
た電圧は第６図すの如く減衰消滅する。

次に振動子Ｘが超音波反射パルスを受信したときの動作
を説明する。

反射パルスを受信すると振動子Ｘは電圧Ｅを誘起し、こ
の電圧ＥをトランジスタＱ２のエミッタに供給する。

するとトランジスタＱ２はベース接地増幅器として作動
されることになり、その入力インピーダンスは極めて低
い値となることから、振動子Ｘの静電容量Ｃｏを充電す
ることなくトランジスタＱ２のエミッタを通じてトラン
ジスタＱ２のコレクタ電流となり、出力端子Ｅ。

より取り出される。ここでトランジスタＱ２のコレクタ
負荷抵抗Ｒ１ｏと並列接続されたダイオードＤ３．Ｄ、
の作用は、まず送信時に、トランジスタＱ２がエミッタ
フロア増幅器として振動子Ｘに対し大振幅の電圧を印加
するため低インピーダンス出力となるように作動するこ
とから、そのコレクタ負荷抵抗Ｒ１０を無視できるよう
に小さくする必要があり、これはダイオードＤ３．Ｄ４
により達成される。

また、受信時にトランジスタＱ２はベース接地増幅器と
して作動することから、所定値以上の負荷抵抗をコレク
タに接続する必要があり、このとき振動子Ｘで誘起され
る電圧Ｅは非常に低いレベルにあるためダイオードＤ３
．Ｄ４の抵抗は大きく、トランジスタＱ２の負荷抵抗と
しては抵抗Ｒ１ｏのみを考えれば良い。

この様に、第５図の実施例ではトランジスタ増幅器個を
用いた単一のトランジスタ増幅器が送信時にはエミッタ
フロア増幅器として、また受信時にはベース接地増幅器
と作動される回路構成を実現したもので、変換効率の非
常に優れた送受信回路を成し得たものである。

第７図は、この発明の他の実施例を示したもので、第５
図の実施例において送信終了時に第６図すの如く振動子
印加電圧の減衰に時間を要するという問題点を改善した
ものである。

第７図に於て、トランジスタ増幅器はＮＰＮ トランジ
スタＱ３とＰＮＰトランジスタＱ４とのプッシュプル接
続で構成され、入力端子ＥｊはコンデンサＣ，，Ｃ５を
介して各トランジスタＱ３．Ｑ４の各ベースに接続され
、抵抗Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ７４による直流バイアス回路
を備え、トランジスタＱ３のコレクタ負荷抵抗Ｒ１５と
並列に逆相並列接続されたダイオードＤ５．Ｄ６が接続
され、またトランジスタＱ４のコレクタ負荷抵抗Ｒ１６
と並列に相通並列接続されたダイオードＤ７．Ｄ８が接
続される。

トランジスタＱ３ 、Ｑ４のエミッタは共通接続され、
この共通接続路にエミッタ共通負荷抵抗Ｒ１□と並列に
超音波振動子Ｘが接続される。

そこで第７図を参照してその動作を説明するに、第８図
ａに示す如きトリガパルスがコンデンサＣ４，Ｃ５を通
して各トランジスタＱｓ 、Ｑ４に供給されると、トラ
ンジスタＱ３は導通し、一方トランジスタＱ４は遮断状
態におかれ、ダイオードＤ５．Ｄ６及びトランジスタＱ
３を通して振動子Ｘに電流が供給される。

トリガパルスの持続時間τが終るとトランジスタＱ３は
遮断状態になり、一方トランジスタＱ４は導通状態にな
るので、振動子Ｘに充電された電荷は、トランジスタＱ
４及びダイオードＤ７．Ｄ８を通じて放電され、その時
定数は極めて小さく放電時間は極（わずかで済み、第８
図すに示すように振動子Ｘの印加電圧は急峻な立下りに
改善される。

また、受信時においてトランジスタＱ３．Ｑ４は第５図
の実施例と同様にベース接地増幅器として作動し、この
とき入力インピーダンスは、２個のトランジスタＱ３．
Ｑ４に受信された電圧を供給するので、さらに低い入力
インピーダンスとすることができ、この点でも改善され
る。

受信信号は、各トランジスタＱ３．Ｑ４のコレクタより
導出された出力端子Ｅ。

１２ ＥＯ２より取り出される。以上説明した如く、こ
の発明の超音波送受信回路は、単一のトランジスタ増幅
器を送信時に超音波振動子を負荷とする低出力インピー
ダンスのエミッタフロア増幅器として作動するため、ト
リガパルスの立上りで十分な電流を供給して振動子の静
電容量を充電することから、静電容量の影響を受けずに
高い変換効率を実現でき、しかも高電圧を必要とせず増
幅器の電源電圧で済み、受信時には超音波振動子を信号
源とする低入力インピーダンスのベース接地増幅器とし
て作動することから、振動子に誘起される低レベルの電
圧が振動子の静電容量の充電で消費されることなく増幅
出力として高い効率で取り出すことができ、しかも入力
インピーダンスが低いことから外来雑音の影響も大幅に
低減され、対雑音比の高い受信信号を取り出すことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波送受信回路の代表的な例を示す回
路図、第２図は第１図の従来例における各部の信号波形
図、第３図は超音波振動子の等何回路を示す回路図、第
４図は第１図の従来例における受信時の等価回路図、第
５図はこの発明の一実施例を示す回路図、第６図は第５
図の実施例における各部の信号波形図、第７図はこの発
明の他の実施例を示す回路図、第８図は第７図の実施例
における各部の信号波形図である。 ＣＲ１・・・・・・サイリスタ、Ｇ−・・・・・ゲート
、Ｃ１〜Ｃ５・・・・・・コンデンサ、Ｒ１，Ｒ３〜Ｒ
１□・・・・・・抵抗、Ｒ２・・・・・・可変抵抗、Ｘ
・・・・・・超音波振動子、Ｄ１〜Ｄ８・・・・・・ダ
イオード、Ｃｏ 、Ｃｅ ・・・・・・静電容量、Ｒｅ
・・・・・・抵抗、Ｌｅ・・・・・・インダクタンス、
Ｅ・・・・・・振動子の誘起電圧、Ｑ１〜Ｑ３・・・・
−・ＮＰＮ）ランジスタ、Ｑ４・・・・・・ＰＮＰ ）
ランジスタ、＋■ｃｃ・・・・・・電源電圧、ＶＨ・・
・・・・高電圧、Ｅｊ・・・・・−入力端子、Ｅｏ、Ｅ
ｏｌ、Ｅｏ２−・・−・出力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単一の増幅器を超音波の送信および受信に兼用せし
   めた超音波送受信回路において、 前記増幅器として、送信時には超音波振動子を負荷とす
   るエミッタフォロア増幅器として作動し、受信時には超
   音波振動子を信号源とするベース接地増幅器として作動
   するトランジスタ増幅器を備えたことを特徴とする超音
   波送受信回路。 ２ トランジスタ増幅器が単一のトランジスタを有し、
   該トランジスタのコレクタ負荷抵抗と並列に逆相並列接
   続された一対のダイオードを接続すると共にエミッタ負
   荷抵抗と並列に超音波振動子を接続した特許請求の範囲
   第１項記載の超音波送受信回路。 ３ トランジスタ増幅器がプッシュプル接続された２ケ
   のトランジスタを有し、各トランジスタのコレクタ負荷
   抵抗と並列に逆相並列接続された一対のダイオードをそ
   れぞれ接続すると共に、共通エミッタ負荷抵抗と並列に
   超音波振動子を接続した特許請求の範囲第１項記載の超
   音波送受信回路。