JPS6326593A - 並列接続された複数の感知器を含む圧電変換器の感度と信号対雑音比を改善する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、並列連結の複数の転換ピックアップ構成のピ
エゾ電気変換器の感度と信号対雑音比を改良する方法に
関する。

地震探鉱用としては、相互一定間隔に設置した多数の地
震受信器から成る受信装置をとりつけ、これと中央記録
センターとを連結する方式が一般に採用される。各受信
器は一組以上の変換ピックアップを直列および／または
並列相互連結し、ぞれぞれ電圧、電荷感度を高めるよう
努めている。

海洋利用としては、防水カバーまたは地震フルート体を
船舶により侵漬曳航してこれに沿って受信器をとりつけ
る。現在使用の変換ピックアップはピエゾ電気型であり
、比較的小型のディスク型圧型材料セし、これに一対の
電極をとりつけている。このディスク体を音波を完全に
とおす一面または多面を備えたボックス内に収納する。

　　　。

受信装置に収納のボックス体は、通常多数の受信器から
成り、その各々に相互に一定間隔を設けてとりつけた複
数のボックスを収納する。

比較的多数の変換ピックアップ（２０〜３０組のものを
１ｍ間隔でとりつけ）牽用い多覆の電気信号を組合やせ
、波数を選別し、一部の雑音を濾別している。

こ、こで問題になる９は波数５０００／ｋｍ以下の雑音
である。（１０〜２０　Ｃ／ｋｍ間の地震爆破雑音、音
響雑音等）。

さらに高波数の雑音、とくに地震フルート体周縁の渦巻
現象および船舶進行に伴う一定雑音については周波数ス
ペクトルの″たたみ現象。

［シャノン（Ｓｈａｎｎｏｎ）理論】により、濾過処理
はできない。

この種雑音、とくにその波数５０００　Ｃ／ｋｍ以上で
波長が０．２ｍ以下に相当の雑音を少くするには、フル
ートの流体抵抗を低めることが考えられるしかしもっと
も有効な解決法は、その波長が対象雑音の波長１、つま
り、この場合少くとも０．２ｍ以上の変換ピックアップ
を連続形成させることである。

フランス特許第２．１４５，０９９号によれば、少くと
も、ピエゾ電気材質の軟質テープと、このテープ両側に
とりつけた二組の電極構成の感受体−組さらに一般的に
はその感受体数組を、その集合体の感度を増すため直列
に相互連結する方式を開示している。

この変換ピックアップの感度はかなり低いため、組合わ
せ利用とする。

詳細説明で理解できるごとく、それぞれのピエゾ電気感
受体を電極に接続し、さらにこれを電荷増幅器に連結構
成の変換ピックアップ組み合わせにより、その感度およ
び／または種々の雑音源に対する、発信信号との比率（
Ｓ／Ｂ）を向上さすことができる。

複数のピックアップを直列に組み合わせる場合も考えら
れるが、組立てによるゲインは変らぬにしても、上記（
Ｓ／　Ｂ）比率は目立って高まる。

複数のピックアップ並列組み合わせでは、感度は増すが
、実質上Ｓ／Ｂ比は変らない。本発明によれば、複数の
変換ピックアップを並列組み合わせて、感度・Ｓ／Ｂ比
何れも向上さすことができる。

本発明によれば、多数の変換ピックアップを組み合わす
場合、それぞれのピエゾ電気感受体と電極とを連結し、
結合ピックアップによる派生信号を、フィードバック型
電荷コンデンサーを備えた電荷増幅器に加える。この方
式の特徴は、上記増幅器の入力側での組合わせピックア
ップの静電容量を低めて、雑音に加わる増幅利得を減じ
、この場合信号に加わる雑音は変らず、連続継続して、
増幅器の電荷コンデンサーよりはるかに低容量のトラン
スファーコンデンサーと、並列ピックアップとを連結し
、さらに増幅器の入力側にコンデンサーを接続し、連続
的に上記電荷コンデンサー内に電荷をつたえ、ピックア
ップが蓄積した電荷はそれに加わる応力にバランスさせ
るようにし、さらにトランスファーコンデンサーを接地
して、ピックアップに新しく連結の行われる前にトラン
スファーコンデンサーを放電させることである。

なおこの方法を実施する装置は、少くとも一組の並列ピ
エゾ電気変換ピックアップと、電荷コンデンサー付設の
電荷増幅器−組と、電荷コンデンサー、同期手段制御に
よる整流器のそれぞれ一組とから構成されトランスファ
ーコンデンサーの各端子を順次連続して、並列組合わせ
コンデンサー、および、上記増幅器および接地側に連結
する特徴を備えている。

整流器は制御装置により作動させ、整流信号周波数は、
変換ピックナツプによる選別信号の有効通過周波帯幅長
に応じて選定し、通過周波帯域内より高周波数を用いて
濾過する。

したがりて、この装置によれば感度と信号対雑音比を高
めるだけでなく、自動的に低域フィルター操作が行われ
、この特徴は現在、地震信号を傍受する系列装置で広く
採用されている。

以下に参考として、とくにこれのみに限定されない本発
明の方法と装置の実施例を述べる。

二電極に接続したピエゾ電気的材質の軟質テープ構成の
変換ピックアツプ体は電気的には、第１図に示す、コン
デンサー（Ｃ１）と直列の電圧発生器（ｖ１）に相当し
たものである。このピックアップは、静電容量（Ｃ）の
電荷コンデンサーをフィードバック式にとりつけた、増
幅器（Ａ）に連結する。

電気雑音からすれば、この増幅器は入力側に取りつけた
、雑音電圧発生器（ｅ）に相当する。

増幅器（Ａ）で生ずる電圧利得（Ｇ１）は＜　−ｃｉ）
に等しく、また出口側雑音（Ｂｓ）はこの（ｅ）雑音電
圧と（１＋−）の比率を保つ。

信号対雑音比を増すためには、素子である一組の変換ピ
ックアップを直列または並列に、と−りつければよい。

増幅器（Ａ）に（Ｃ１）単一容量のＮ組のピックアップ
を直列に設け□、それぞれのピックアップに電圧（ｖ１
）がかかるとすると、この場合同一電圧利得　Ｇｖ−−
Ｃｔ　　が得られるが、入力側で雑音強度（ｅ）の加わ
る場合の出力側雑音強度（Ｂｓ）は、組数ｎと反比例し
、耽　ｅｍｌ＋虹　であられされる。

Ｃ 直列配列の場合、素子となる電荷分のみがコンデンサー
（Ｃ）内に移動する。

今、増幅器（Ａ）に（Ｃ１）の単一容量を備えたＮ組の
ピックアップを並列とりつけし、ｖ１電圧を加えるとす
ると、電圧利得にはｎを乗じて、Ｇ−バー四１が成立す
るが、 ｉ　　Ｃ 雑音は、ピックアップ数ｎとともに増大する。

敗−１＋匹１ 信号対雑音比は、実質上変らない。

本発明の方式によれば、並列組合わせによる利得の増大
が期待できるとともに、これに伴う雑音の増大をさける
ことができる。組合わせピックアップを並列に設けた場
合の静電容量の低減は第４図のごとくインピーダンス（
Ｔ）を挿入して達成できるが、この場合の変換率は組合
わせに用いる変換ピックアップ数ｎに等しい。

この種組立てで得られる利得は、前記と同一関係にあり
、 Ｖｓ＝ｎＣ１°となる。ただし、出力側の雑音ｉ　　　
Ｃ Ｂｓは低減し、 Ｂｓ−１＋Ｃ１となり、直列組立ての場合Ｃ と同一結果が得られる。

この第一の解決策は、ピックアップの組合せ数が比較的
少ない場合有利であるが、その理由は、インピーダンス
変圧器では、重量かがさむとともに比較的面倒な装置の
ためである。

別の利用面、とくに海洋地震フルートを使用する場合、 一使用ピツクアップの組合わせ数のきわめて多い場合 一フルート利得中、構成成分の集積密度がきわめて高い
場合 一質量とその分布が曳船操作中、水力平衡の上で重要な
要因を占める場合、本発明の実施方法では以下の方式を
用いる。

すなわち、ピエゾ電気並列結合を第５図のごとく、一つ
の整流器（１）の三つの位置の中、最初の入力側（１１
）に連結する。つぎに整流器の第二の入力側（１２）を
、増幅器（Ａ）の入力側に接続し、この増幅器にコンデ
ンサー（Ｃ）をとりつける。第三の端子（１０）は接地
する。整流器（１）の中央端子（１３）はコンデンサー
（Ｃｔ）に接続するが、このコンデンサーの容量は（Ｃ
）の容量よりはるかに低い。同期装置（Ｈ）で整流器（
１）に対し、制御信号を伝え、連続的に、コンデンサー
（Ｃｔ）とピエゾ電気変換ピックアップ集合体と、増幅
器（Ａ）の入力側と、さらに接地側とを連結して行き、
電荷コンデンサー（Ｃ）に対しては、ピックアップ電荷
の伝達を中断的に行う。端子（１０）（１３）とが相互
連結している場合、順次行う接地接続により、トランス
ファーコンデンサー（Ｃｔ）から、増幅器で発生のノイ
ズ強度をとりのぞく効果も得られる。

ここで並列接続のピエゾ電気変換器全体の静定容量およ
び電荷量を、それぞれＣｇとＱであられすと、 まず第一段階でコンデンサー（ｃｔ）は、ピックアップ
全体から、電荷を受けとり、 第二段階で、整流器（＋）の描動により、この電荷量は
、コンデンサーＣ中に移行し、ここで、電荷により電圧
をある程度高め、 Ｖｓ−−Ｑｔｌまたは Ｖｓ−−虹・　Ｃｔ　　−−ＫＱであられされる。

ｃ　　　Ｃｇ＋ｅｔ　　　　　　ｃ 第二のトランスファーサイクルの時点での電荷は、 ｑｔ２−一息−（Ｑ−ｑｔ１）であられされ、Ｃｔ＋Ｃ
ｇ 同一条件では、 ｑｔ２−　Ｋ（１−Ｋ）Ｑであられされる。

トランスファーサイクルが進むにつれ、ｎのトランスフ
ァー（移行）ののち、コンデンサーＣに蓄積した電圧Ｖ
ｓは、 Ｖｓ−虹［１−（１−Ｋ）ｎ］　トナリ、ｎが大となる
と、ｖｓは極限に近づき、Ｖｓ（Ｌｌ麿）−一９−であ
られされる。

したがって増幅器（Ａ）のコンデンサー中には、集合体
Ｅによるピエゾ電気変換器で、高められた電荷が完全に
トランスファー（移行）される。

変流が継続して行われる場合の雑音の強さは、次式で容
易にあられすことができる。

並−１＋虹 に この場合静定容量（Ｃｔ）は（Ｃ）よりはるかに低く、
雑音の強度もかなり低まり、インピーダンス変圧器で測
定される強さと同程度となる。

電荷の移行は継続して行われる。この移行に要する時間
は、時定数τであられされ、次式で示される。

示し、この関係式は、整流器の抵抗が無視できる特殊ケ
ースの場合成立する。

整流器が数インピーダンス（Ｒ）を示す現実条件のもと
では、時定数τＲは、 であられされる。

ここで指摘しておきたいことは、時定数τの定義として
、装置が一種の低域フィルターとして見なされ、静電容
量（Ｃｔ）と試料採取頻度Ｆの値を適当に定めることに
より、その特性を調整できることである。したがって増
幅信号の通過周波帯を有効幅長に制約することができ、
この装置には、自動的に“非たたみ効果゛機能を十分み
たし、いずれの場合でも地震波データ傍受装置をこの機
構に収納させることができる。

第６図の実施態様によれば、それぞれ二組の整流器（１
１）と（Ｉ２）の端子（１３１）と（１３２）に連結し
た（ＣｔＬ）と（Ｃｔ２）のトランスファーコンデンサ
ー２組を使用している。

（１１）と（Ｉ２）整流器のそれぞれの端子（ｉｌ１）
と（１２２）とをピエゾ電気変換器の６組合せに連結す
る。

整流器（１１）と（１２）の端子（１２１）と（１１２
）は何れも増幅器（Ａ）の入力側に連結する。両整流器
の二端子（１０１）と（＋０２）は接地する。同期共通
装置（）１）は（１１，１２）整流器のタンプリング（
種変）を指令する。また中央端子の（１３１）と（１３
２）は、（１３１）を（１１１）、（１２１）および（
１０１）と順次連結させ、（＋３２）は（１１２）、（
＋２２）、（１０２）に連結させる。

相互連結を考慮した結果ではトランスファーコンデンサ
ー（Ｃｔ１）または（Ｃｔ２）は、−刃側が増幅器（Ａ
）のコンデンサーＣ中で放電を行う間、変換ピックアッ
プＥの集合体から電荷を受ける。

同様に、残留雑音強度は端子（１０１）と（１６２）を
通過する間に放散される。増幅器（Ａ）の入力側は各サ
イクル操作が２／３行われる間、二組のトランスファー
コンデンサー（Ｃｔ１）または（Ｃｔ２）の一方により
充電される。この場合出力側で測定の雑音レベルは、Ｂ
Ｓ、Ｃｔ　（ただし、ＣｔＣ はコンデンサー（Ｃｔ１）と　（Ｃｔ２）の共存容量を
示す）であられされる。

第７図で示す変形例は、二組の電荷コンデンサーを備え
たトランスファー装置系を、直列に連結したピエゾ電気
変換器の（Ｅ１）および（Ｅ２）部分集合体を設けた変
換ピックアップ系に適用したものであり、（Ｅ１、Ｅ２
）の共通端子は接地されている。

第一整流器（Ｉｆ）は、端子（１，３１）に連結のトラ
ンスファーコンデンサー（Ｃｔ１）を、たとえば（Ｉｌ
１）と接続させ、この端子を（Ｅ１）部分集合体のプラ
ス端子に連結する。また上記（Ｃｔ１）を（１２１）端
子と連結させ、この端子はまた、増幅器（Ａ）の入力側
に接続させる。さらにまた上記（ＣｔＬ）を（１０１）
に連結し、この端子をまた接地させる構造とする。

第二の整流器（Ｉ２）は、第二のトランスファーコンデ
ンサー（Ｃｔ２）　　（これを中央端子１３２に連結）
の第一端子をたとえば第二端子（＋１２）に接続しこれ
を接地させ。また第二端子（１２２）と（Ｅ２）の部分
集合体のマイナス端子と接続し。さらにまた第三の端子
（１３２）を接地させる構造とする。

第三の整流器（＋３）は、中央端子（１３３）に接続し
たトランスファーコンデンサー（Ｃｔ２）の一端子を第
一端子（１１３）と連結し、これをさらに増幅器（Ａ）
の入力側に接続し、さらに接地した第二の端子（１２３
）と連結し、第三の端子（１０３）とも連結するがこの
端子も接地構造とする。

同種の同期装置（Ｈ）は、交互に三整流器（＋１゜１２
．１３）を整流周波数Ｆを使って指令する。

実施ずみの連結方式を考えると、第一の部分集合体（Ｅ
１）の電荷はトランスファーコンデンサー（Ｃｔ１）に
移行され、ついで増幅器（Ａ）のコンテンサー（Ｃ）中
に流れ、トランスファーコンデンサー（第二）　Ｃｔ２
に電荷が蓄積され、同時に３組の整流器の同時タンプリ
ング操作が、対称操作と生ぜしめ、第一電荷コンデンサ
ー（Ｃｔ１）の電荷はＣコンデンサー中に全部放出され
、第二のトランスファーコンデンサーは、第二の部分集
合体Ｅ２中でたくわえられた電荷を蓄積する。

三組の整流器の三組の中央端子（１３１，１３２゜１３
３）がそれぞれ（１０１，１０２，１０３）端子に連結
される間は、各サイクル分は、（Ｃｔ１、Ｃｔ２）　　
）ランスファーコンデンサーを放電し、雑音の残存値を
低めるために使用される。

この実施方法により、同一増幅器を用い、反対極性の二
組のピエゾ電気変換器により蓄積した電荷の増幅を行う
。なお、増幅器の入力側にあるトランスファーコンデン
サー（ＣｔｌまたはＣｔ２）の半永久的連結により、整
流時の雑音を低めることができる。

二極整流器を用いて行う、トランスファーコンデンサー
の間欠的短絡は、依然として厄介な問題点を残している
が、トランスファーコンデンサーを交互に変換ピックア
ップに連結し、増幅器の入力側にとりつける二位置での
整流器を利用するとしてもこれが発明の範囲を逸脱しな
いことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電荷増幅器連結のピエゾ電気変換ピックアップ
の概要構成を 第２図は上記増幅器入力側に直列連結した組合わせピッ
クアップを 第３図は増幅器入力端子に連結した複数の並列ピックア
ップを 第４図はこの方法の実施装置の第−例を第５図はこの方
法実施装置の第二例を 第６図は第５図の一変形例を 第７図は直列連結による電荷増幅器に適合の第６国別変
形例をそれぞれ示す。 Ａ：電圧増幅器 Ｃ：電荷コンデンサー 旧同期装置 Ｉ：整流器 Ｅ：変換ピックアップ部分集合体 （Ｅ１、Ｅ２） Ｃｔｌ：）ランスファーコンデンサー Ｃ１：コンデンサー ｖｌ：電圧発生器 Ｔ：インピーダンス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の組合せ変換ピックアップから構成され、そ
   の構成要素であるピエゾ電気感応エレメントを電極と連
   結し、組合わせ変換ピックアップによる発生信号をフィ
   ードバック連結の電荷コンデンサー（Ｃ）を設けた。電
   荷増幅器（Ａ）に加え、電荷増幅器の入力側で測定可能
   の変換ピックアップを並列に設けて静電容量を低減させ
   、上記信号に加わる雑音を変動さすことなく雑音に付加
   される増幅利得を低めるごとき構成とし、継続的反覆的
   操作方式で、増幅器（Ａ）の電荷コンデンサー（Ｃ）の
   容量よりはるかに低容量のトランスファーコンデンサー
   （Ｃｔ）を変換ピックアップと並列結合させ、さらに増
   幅器入力側と結合させて、加えられる応力に応じて変換
   ピックアップに蓄積した電荷を、上記電荷コンデンサー
   中に反覆進行式に伝達し、さらにトランスファーコンデ
   ンサーを接地して、上記変換ピックアップに新規連結の
   なされる前にすべてトランスファーコンデンサーを放電
   することを特徴とする、ピエゾ電気変換器の感度および
   信号対雑音比の改良方法。
2. （２）少くとも並列に設けた一組のピエゾ電気変換器と
   、電荷コンデンサー（Ｃ）に連結した少くとも１組の電
   荷増幅器（Ａ）と、コンデンサー（Ｃ）の静電容量より
   はるかに低容量のトランスファーコンデンサー（Ｃｔ）
   少くとも１組と、同期手段により指令される整流器（１
   ）少くとも１組とから構成され、それぞれのトランスフ
   ァーコンデンサー（Ｃｔ）の一端子を連続的に変換ピッ
   クアップと並列連結させ、また上記電荷増幅器の入力側
   と連結させ、および接地させることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の方法の実施装置。
3. （３）同期手段として切替信号を発するクロック発信器
   （Ｈ）を備え、その信号周波数（Ｆ）を上記変換ピック
   アップの受信する信号の有効通過周波帯の幅長に合わせ
   て選定し、通過周波帯が含む周波数より高周波数を濾過
   させることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装
   置。
4. （４）それぞれの第一端子を永続接地させた二組のトラ
   ンスファーコンデンサー（Ｃｔ１、Ｃｔ２）および二組
   の整流器（１１、１２）とを設け、さらに同期手段（Ｈ
   ）を備えて、上記整流器（１１、１２）に制御信号を送
   り、かつ、上記コンデンサー（Ｃｔ１、Ｃｔ２）の第二
   端子の一方を組み合わせ変換ピックアップに連続交互に
   とりつけ、その他方を電荷増幅器（Ａ）の入力側にとり
   つける構成とすることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の装置。
5. （５）組合わせ変換ピックアップが二組の並列ピックア
   ップから成る部分集合体（Ｅ１、Ｅ２）で構成され、こ
   の二組集合体を次に直列連結してその端子を共通接地し
   、かつ、二組のトランスファーコンデンサー（Ｃｔ１、
   Ｃｔ２）と三組の整流器（１１、１２、１３）を配設し
   て、第一のコンデンサー（Ｃｔ１）の第一端子を永続接
   地し、第二端子を部分集合体Ｅ１の端子側、電荷増幅器
   入力側および接地側に連結し、つぎに、第二のコンデン
   サー（Ｃｔ２）の第一端子を連続して、電荷増幅器（Ａ
   ）の入力側、第三整流器（１３）の接地側に連結し、第
   二の端子を連続して接地するとともに第二整流器（１２
   ）を介し、第二部分集合体（Ｅ２）の一方の端子と連結
   する構成を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装置
   。