JP3920119B2 - Ultrasonic transducer and apparatus, and fish finder - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、魚群探知機等の超音波送受波装置において用いうる超音波送受波器並びにこの超音波送受波器を用いた超音波送受波装置及び魚群探知機に関する。
【0002】
【従来の技術】
魚群探知機は漁船等の操業を支援する装置として有用である。魚群探知機は超音波送受波装置の一種であり、船底に配設した超音波送受波器を用いて水中への超音波送信及び魚群等からのエコーの受信を行い、それによって探知した魚群等の映像を、船上の表示器の画面上に表示させる。魚群探知機には、複数方向を探知できる多面魚群探知機、サーチライト式魚群探知機等があるが、いずれにも問題点がある。まず、多面魚群探知機は、船底に設けた複数の超音波送受波器のうち1個の超音波送受波器のビームを船底直下方向に向け、残りの超音波送受波器のビームを船底直下方向に対して傾いた方向に向ける、という構成であるため、使用する超音波送受波器の個数が多く、装置部品コスト、設置作業コスト、設置スペース等が大きくなるという問題を孕んでいる。また、サーチライト式魚群探知機は、超音波送受波器の向きを機械的に変化させることによって超音波の送受波方向を変化させる、という構成であるため、複数の方向を同時に観測できない、首振り機構が必要であるため装置部品・設置作業・保守等のコストや設置所要スペースが大である、超音波送受波器及び首振り機構を収納するソナードームが必要であり装置部品コストがかさむ、ソナードーム昇降用の機構が必要であり装置部品・設置作業・保守等のコストや設置スペースが大である、等の問題を有している。
【0003】
複数方向を探知可能で上述した多面魚群探知機、サーチライト式魚群探知機等のような問題点が少ない魚群探知機としては、本願出願人が特願平10−313774号(特開2000−147095号公報参照。以下「先提案技術」と称する)にて提案及び開示したものがある。先提案技術の特徴は、多数の振動子を平面的に配置したこと、またその振動子配列・励振側結線・受波側結線をそれぞれ所定の規則に従い行ったこと、それによって3倍密度平面配置・7方向同時探知型の超音波送受波器を実現したこと等である。
【0004】
まず、先提案技術における振動子配列規則は、図13及び図14に示すように、正三角形格子パターンに従い振動子を配置する、という規則である。より具体的には、先提案技術に係る超音波送受波器は、コルクシートや独立気泡スポンジゴムシート等の遮音材から形成されている略円形の遮音体10内に、図13に示す通り117個の超音波振動子12を中心間隔Dで収納した構成を有している。遮音体10の片側の面には開口を設けており、各振動子12はその正電極14を外側にまた負電極16を内側に向けた状態でこの開口に収納されている。遮音体10の内部又は外縁には振動子12の正電極14や負電極16を外部に電気的に接続するための導体配線が配置される。水中で使用できるようにするためウレタンゴムモールド等による防水構造を設ける必要がある。遮音体10を支持補強するための各種構造部材を設けてもよい。遮音体10の形状や振動子12の形状・個数は、後述するアレイ形成に支障とならない限りにおいてまた必要とするビームに応じて決める。各振動子12は、図14に示すように、遮音体10の表面に沿って想定されている仮想的なパターンである正三角形格子パターン18上の各格子点20に、それぞれ配置されている。正三角形格子パターン18とは、その一辺の長さがDの正三角形を繰返しの単位とする格子状のパターンであり、格子点20とはこの繰返しの単位となっている正三角形の頂点である。
【0005】
また、先提案技術における励振用配線の結線規則を図15に示す。励振用配線は、振動子12の正電極14同士を接続し更にこれを外部(後述の駆動信号発生回路)に接続する配線である。励振用配線には、駆動信号TX1を印加するための励振用配線22−1及び駆動信号TX2を印加するための励振用配線22−2がある。振動子12にはこれらのうち一方が接続される。
【0006】
更に、先提案技術における受波用配線の結線規則を図16〜図18に示す。受波用配線は、振動子12の負電極16同士を接続し更にこれを外部(後述のビーム合成回路)に接続する配線である。受波用配線には、受波用配線24−x1〜24−x4(x=A,B,C)という12通りの配線がある。受波用配線24−A1〜24−A4はY軸に平行な直線に沿って、受波用配線24−B1〜24−B4はY軸に対して時計回りに2π/3(rad)傾いた直線に沿って、そして受波用配線24−C1〜24−C4はY軸に対して反時計回りに2π/3(rad)傾いた直線に沿って、振動子12同士を接続し更にそれらを受信側の回路に接続する。受波用配線24−xj(j=1,3)により接続される振動子12と受波用配線24−xk(k=j+1)により接続される振動子12は、同一の直線上に、かつ交互に位置している。また、受波用配線24−x1又は24−x2に接続される振動子12の配置線と、受波用配線24−x3又は24−x4に接続される振動子12の配置線は、3D/2の間隔で交互に位置している。更に、各振動子12はそれぞれいずれか1本の受波用配線に接続されており、いずれの振動子12も2本以上の受波用配線には接続されない。そして、受波用配線24−A1〜24−A4、24−B1〜24−B4及び24−C1〜24−C4により取り出される信号には、それぞれ、順に、RXA1〜RXA4、RXB1〜RXB4及びRXC1〜RXC4という符号が付せられている。
【0007】
図19〜図21に、上述の結線規則において繰返しの単位となっている結線、即ち単位結線を示す。この単位結線は、励振用配線22−1により接続された6個の振動子12を含む一辺=2Dの正三角形と、励振用配線22−2により接続された12個の振動子12を含み上述の正三角形を囲む長辺=3D,短辺=Dの六角形とを、含んでいる。隣り合う単位結線同士の内側正三角形間の間隔は距離=31/2D(中心間隔=2×31/2D)で均一である。外側六角形は、一辺=5Dの正三角形の各頂点から一辺=Dの正三角形を切り落とした形状であり、互いに隣接する他の単位結線中の外側六角形同士はその短辺同士で接触(その短辺を共有)している。また、図19〜図21では各振動子12に符号A,B,Cを付している。これは、同一平面上に形成されている3個の超音波振動子アレイA,B,Cのうちどのアレイに、各振動子12が属するのかを、示している。所属先のアレイは、その振動子12が受波用配線24−A1〜24−A4、受波用配線24−B1〜24−B4、並びに受波用配線24−C1〜24−C4のうち、どれに接続されているかにより、決まる。
【0008】
図19(b)及び(c)に示されているように、内側正三角形に属する振動子群と外側六角形に属する振動子群を同相で励振するかそれとも逆相で励振するかにより、励振時の等位相面の位置ひいては送信ビームの方向が変わる。同相で励振した場合は、送信ビームは真正面(θ=0)を向く。また、逆相励振時は、内側正三角形に属する振動子12にと外側六角形に属する振動子12との間の超音波伝搬経路長の差
【数1】
L=両振動子群の間隔×sinθ
=(3D/2)×sinθ
について
【数2】
L=±λ/2=(3D/2)×sinθ
が成り立つ開き角θ、即ち等位相面が形成される開き角θが、送信ビームの方向を示す角度となる(λ:超音波の波長)。また、上式から明らかなように、逆相励振時における送信ビームは、Z軸について対称な2方向に現れ、また振動子間隔Dを波長λの何倍にするかにより設計的にその方向θを定めることができ、かつ駆動信号の周波数ひいては波長λを切り換えることにより実使用中に任意にその方向θを設定/制御することができる。逆相励振時における送信ビーム本数はこのように振動子アレイ1個当たり2本であるから、全振動子アレイでは合計6本である。同相励振時と逆相励振時を合わせると合計7本の送信ビームとなるが、同相励振と逆相励振を同時に実行することはできないため、これら7本の送信ビームは準同時的に形成することとしている。即ち、送信ビームに関しては、振動子アレイAを例として図23に示すように、単一の送信繰返し周期T0内に信号TX1及びTX2を同相にする期間T1と逆相にする期間T2とを設け、十分短い時間間隔T3を以て前者から後者へ或いは後者から前者へと移行するモード切換を行い、これにより6方向については同時に、また真正面を含めた7方向については準同時に、送信を実行可能にしている。
【0009】
受信ビームについては、受波用配線毎の移相制御によりその方向や本数を切り換えることができる。まず、超音波振動子アレイx(x=A,B,C)に係る受波用配線24−x1〜24−x4にて取り出した信号RXx1〜RXx4それぞれについて同じ移相量にて移相処理を施すこと(或いは移相なしとすること)により、Z軸方向を向いた受信ビームを合成できる(同相合成)。また、信号RXx1及びRXx2を例えばπ(rad)移相させ信号RXx3及びRXx4に係る移相量を0(rad)即ち移相なしとすることによって、Z軸に対して開き角θを有する方向を向いた2本の受信ビームを合成できる(逆相合成)。更に、同相合成に係る移相回路と逆相合成に係る移相回路とを並列に設けることにより、Z軸方向を向いた受信ビームとZ軸に対して開き角θを有する2本の受信ビームとを同時に合成でき、従って3方向について同時探知を行うことができる。任意の1個の超音波振動子アレイについてこのように3方向同時探知が可能であるから、3個の超音波振動子アレイ全てを合わせると、開き角θのビーム2本×振動子アレイ3個+Z軸方向のビーム1本(各アレイに共通)=合計7本のビームを用いて7方向同時受信を行うことができる。
【0010】
具体的には、図22及び表1に示すように、各受信ビームに対応して合計7個の移相回路を設け、第i番目の移相回路に供給する移相制御信号の値を受信ビームに応じて定めることによって、即ち移相制御信号LSi−1〜LSi−12のうちいずれかを受信ビームに応じて供給し信号RXA1〜RXA4、RXB1〜RXB4及びRXC1〜RXC4各々についての移相量を制御することにより、これら7個のビームに係る受信信号を同時に合成できる。また、信号受信利得を確保するため、必要な受信ビームに対応した受波用配線24以外の受波用配線24からの受波出力をも、適宜移相の上、結合させる。例えばビームBMA1を合成するときには、表1に示すように、振動子アレイAに係る2種類の受波用配線からの受波出力については互いに逆相で移相させ、振動子アレイB及びCに係る残り4種類の受波用配線からの受波出力については単位配列内における位置関係に応じた中間移相量で移相させて、各受波用配線からの受波出力を合成する。
【0011】
【表1】
なお、表1及び図22中、BM0は各振動子アレイにおける同相励振又は同相合成により形成されるビームであり、Z軸方向を向いている。BMA1及びBMA2は振動子アレイAにおける逆相励振又は逆相合成により形成されるビームであり、XZ平面に属している。BMB1及びBMB2は振動子アレイBにおける逆相励振又は逆相合成により形成されるビームであり、XZ平面に対してZ軸回りに−2π/3(rad)回転した平面に属している。BMC1及びBMC2は振動子アレイCにおける逆相励振又は逆相合成により形成されるビームであり、XZ平面に対してZ軸回りに2π/3(rad)回転した平面に属している。Z軸は船底直下方向(図1中の開口形成面即ち輻射面に鉛直な方向)を向いており、X軸及びY軸は輻射面に属している。X軸は、例えば、船首方向とする。
【0012】
以上のように、先提案技術によれば、7方向(準)同時探知を行うことができる。また、正三角形格子パターン18に従い振動子12を配置しているためビーム間隔が均一であり、従って船舶下の水中をくまなく網羅して観測できる。振動子密度が比較的高いため、3個の振動子アレイを含んでいるにもかかわらず、遮音体10に組み込んだ状態での超音波送受波器全体の寸法が、1個しか振動子アレイを備えていないものとさほど変わらない。即ち、低コスト及び省スペースである。また、繰り返し配列の結果、励振用配線が一組(2種類)ですんでいる。即ち、各振動子アレイに対応した励振用配線を設ける必要がなく、3個の振動子アレイA〜Cを低コストで形成できる。
【0013】
図24に、先提案技術による魚群探知機の全体の回路・機能構成を示す。CPU等にて構成される制御回路26は、駆動信号発生回路28及び30に対し基準発振信号及びその分周比を設定する信号を供給し、駆動信号発生回路28及び30内部における基準発振信号の分周動作を制御し、更に分周により得られた信号をパルス変調することによって、図23に示したタイミングで駆動信号S1及びS2を発生させる。パワーアンプ32及び34は、これらの駆動信号S1及びS2のうち対応するものを電力増幅することによって前述の信号TX1及びTX2を発生させ、超音波送受波器36に供給する。超音波送受波器36は図13〜図18に示した構成を有している。超音波送受波器36はX軸を船首方向に向けZ軸を深度方向(船底直下方向)に向けて船底に配設されており、信号TX1及びTX2に応じて超音波を水中に輻射する。
【0014】
水中の魚群等により反射された超音波は、超音波送受波器36により受波され電気信号に変換される。得られた信号RXA1〜RXA4、RXB1〜RXB4及びRXC1〜RXC4は、プリアンプ部38により増幅され、信号RXS1〜RXS12としてビーム合成回路40に供給される。ビーム合成回路40は、制御回路26による制御の下に、これらの信号RXS1〜RXS12からビームBMA1、BMA2、BMB1、BMB2、BMC1、BMC2及びBM0に係る信号を合成する。合成された信号は、各ビームに対応して7個設けられている受信処理回路42に供給される。受信処理回路42では、ビーム合成回路40からの信号に関し、TVG(時間可変利得)回路44が超音波伝搬減衰による反射エコーレベルの低下分の補正処理を施し、検波回路46が検波により直流信号に変換し、AD変換器48がこの直流信号をアナログからディジタルに変換して制御回路26に供給する。制御回路26は、各受信処理回路42から供給されるディジタル信号に基づき、表示器50の画面上に各方向における魚群の有無、規模等の情報を表示させる。使用者は、表示器50の画面表示を看取することにより、多方面についての魚群情報を得ることができる。特に、制御回路26内部における映像合成処理により、図22に示した複数のビームを利用して水中の状況に関する立体的な映像を提供することができる。
【0015】
パワーアンプ32及び34やプリアンプ部38と超音波送受波器36との間に設けられている送受切換器52は、駆動信号TX1及びTX2が供給されているときには振動子12の負電極16を自動的に接地導体としてプリアンプ部38以後の受信側回路を超音波送受波器36から実質的に切り離し、そうでないときには振動子12の正電極14を自動的に接地導体としてパワーアンプ32及び34以前の送信側回路を超音波送受波器36から実質的に切り離すための回路である。言い換えれば、駆動信号TX1及びTX2が供給されているときには超音波送受波器36を実質的に超音波送波器としてのみ使用し、そうでないときには超音波受波器としてのみ使用することができるようにするための回路である。
【0016】
図25に、送受切換器52の一例構成を示す。この図の送受切換器52は送信側の回路54及び受信側の回路56から構成されている。送信側の回路54は、パワーアンプ32及び34各々とこれに対応する励振用配線22との間に、それぞれ設けられている。この回路54は、対応するパワーアンプと対応する励振用配線22との間に接続されかつ互いに逆並列接続されているダイオードD1及びD2、これらのダイオードD1及びD2の超音波送受波器36側の端に接続されているキャパシタC、このキャパシタCと接地との間に接続されているインダクタL、並びにこのインダクタLと並列にかつ互いに逆並列されているダイオードD3及びD4から構成されている。キャパシタC及びインダクタLは信号TX1及びTX2の搬送周波数即ち送信周波数f0にて直列共振するようその値が設定されている。
【0017】
他方、受信側の回路56は、超音波送受波器36の受波用配線24各々とこれに対応するプリアンプ58との間に、それぞれ設けられている。なお、前述のプリアンプ部38はこの合計12個のプリアンプ58により構成されている。受信側の回路56は、接地との間に接続され互いに逆並列接続されているダイオードD5及びD6から構成されている。
【0018】
従って、パワーアンプ32及び34を介し駆動信号TX1及びTX2(厳密にはその中の送信パルス)が供給されている期間(図23中のT1+T3+T2)には、回路54中のインダクタLの両端間が短絡されると共に各受波用配線24の一端が回路56において接地される。また、それ以外の期間には、回路54中のキャパシタC及びインダクタLが受波信号中の送信周波数成分により共振するため各励振用配線22が一端接地状態になる。
【0019】
ビーム合成回路40は、例えば、図26に示す構成とすることができる。この図に示すビーム合成回路40は、合成すべき合計7個のビームに対応して設けられている結合器62それぞれに、局部発振回路60の発振出力である移相制御信号と共に、信号RXS1〜RXS12を入力する構成を有している。局部発振回路60は、先に表1に示したように、合計7組の移相制御信号を発生させている。即ち、ビームBMA1に対応する結合器62に対しては移相制御信号LS1−1〜LS1−12を、ビームBMA2に対応する結合器62に対しては移相制御信号LS2−1〜LS2−12を、…そしてビームBM0に対応する結合器62に対しては移相制御信号LS7−1〜LS7−12を、それぞれ供給する。各移相制御信号は、例えば、制御回路26から供給される基準発振信号を、制御回路26により設定される分周比にて分周し、更にこの分周のために用いるカウンタの初期値を適宜ずらして設定する(初期位相を与える)ことにより、発生させることができる。このようにして発生させた移相制御信号は、実現すべき移相量をその初期位相とする信号になる。
【0020】
各結合器62は、移相回路として動作する回路であり、例えば図27に示す構成を有している。この図に示す結合器62は、入力する信号RXS1〜RXS12それぞれに対応して設けられたバッファ64、このバッファ64を介し供給される信号RXS1〜RXS12各々とこれに対応する移相制御信号LSi−1〜LSi−12(i=1,2,…7)とを乗算結合させる乗算器66、各乗算器66の出力を加算結合させる加算器68、並びに加算器68の出力信号に帯域制限を加え必要な周波数成分のみを取り出すBPF70から構成されている。
【0021】
各乗算器66は、図28に示すように、アナログスイッチ72及びBPF74から構成されている。スイッチ72は、供給される移相制御信号LSi−j(j=1,2,…12)に応じて信号RXSjをスイッチングする手段である。例えば、送信周波数f0が50kHzであるときには、505kHzの周波数を有する信号を移相制御信号LSi−jとして供給しスイッチングを行うことにより、移相制御信号LSi−jに従い変調された信号が得られる。この信号には、和周波数即ち505kHz+50kHz=555kHzの成分と、差周波数即ち505kHz−50kHz=455kHzの成分とが含まれており、その位相は、移相制御信号LSi−jの初期位相により決定されている。BPF74は、この信号に含まれる周波数成分のうち差周波数の成分(上述の例では455kHzの成分)を通過させる。移相制御信号LSi−jには、実現すべき移相量に相当する初期位相が付与されているから、当該移相量だけ移相された信号をBPF74ひいては乗算器66から得ることができる。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、先提案技術によれば、所定の振動子配列規則に従い配列した振動子並びに所定の結線規則に従い振動子間を結線する励振用及び受波用配線により、繰り返しの単位となる単位配列を形成し、この単位配列を平面的に密に配列することにより、3倍密度振動子配置を有し7方向(準)同時探知が可能な超音波送受波器ひいては魚群探知機を、実現している。しかしながら、この先提案技術にもなお、改善すべき箇所がある。
【0023】
まず、先提案技術における受波用配線の空間的繰返し間隔は、振動子の列数でいうと6列に亘っている。例えば図16でいうと、受波用配線24−A1又は24−A2に接続されている振動子12の列から、右に3列目の列の振動子12は受波用配線24−A3又は24−A4に、更に右に3列目の列の振動子12は受波用配線24−A1又は24−A2に、接続されている。従って、例えば受波用配線24−A1に接続された振動子12が並ぶ列は、図16中の左右方向に沿って、6列(幅=3D)間隔で出現している。他の受波用配線、他のアレイについても(他のアレイの場合配線の傾きが変わるが)同様である。このように6列間隔で結線されていること、また列の間隔が均一であることにより、各受波用配線による受波出力から充分な信号利得で任意の受信ビーム(ビームBM0を除く)を合成するには、6通りの移相制御信号値、即ち表1に示したπ、±2π/3、±π/3、0という6通りの移相量を適宜選択的に用いる必要が生じる。制御の簡単化ひいては実施の容易化のためには、できれば、移相量を6通りにも亘って切り換える制御を不要にしたい。
【0024】
本発明は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、多面魚群探知機やサーチライト式魚群探知機に対して上記先提案技術が有する利点を引き続き確保しつつ、当該先提案技術に比べて移相制御信号値の種類が少なく、従ってより容易且つ低コストで実現可能な超音波送受波器、超音波送受波装置及び魚群探知機を得ること、更には超音波振動子をより隙間無く配置できるようにすることを、その目的としている。
【0025】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係る超音波送受波器は、(1) その輻射面が互いに同面積でかつπ/3[rad]の鋭角頂点を有し更に所定の振動子配列規則に従い平面的に配列された12個以上の超音波振動子と、所定の励振側結線規則に従い上記超音波振動子に接続された第1及び第2励振用配線と、所定の受波側結線規則に従い上記超音波振動子に接続された第1乃至第12受波用配線とを備え、(2)上記振動子配列規則が、上記輻射面の鋭角頂点同士が点集合し鈍角頂点同士が点集合するよう上記超音波振動子をその輻射方向を揃えて密に配列する、という規則であり、(3)上記励振側結線規則が、その鋭角頂点が同一点に集合している超音波振動子同士を上記第1励振用配線により接続し、更にこの第1励振用配線により接続された超音波振動子のいずれかと辺接触している超音波振動子同士を上記第2励振用配線により接続する、という単位結線を、超音波振動子の配列平面上で空間的に繰り返す、という規則であり、(4)上記受波側結線規則が、上記単位結線における超音波振動子の12通りの相対位置に対して上記第1乃至第12受波用配線を1対1に対応付け、それぞれその相対位置に対応した受波用配線に各超音波振動子を接続する、という規則であることを特徴とする。
【0026】
また、本発明に係る超音波送受波装置は、(1)本発明に係る超音波送受波器と、(2)上記超音波送受波器に対し上記第1及び第2励振用配線を介して超音波送信用の駆動信号を供給する送信側の回路であって、上記第1及び第2励振用配線に対して互いに同相の信号を供給するか互いに逆相の信号を供給するかを切り換えることにより送信ビームの方向を設定する手段を含む回路と、(3)上記超音波送受波器から上記第1乃至第12受波用配線を介して超音波受波による受信信号を受け取る受信側の回路であって、上記第1乃至第12受波用配線を介する各受信信号にπ/2、π、0及び−π/2[rad]のうちいずれかの移相量を選択的に割り当て、割り当てた移相量による各受信信号の移相処理並びにその後の各受信信号の相互結合処理を実行することにより、受信ビームの本数及び方向を設定又は選択する手段を含む回路と、を備えることを特徴とする。送信側の回路は、例えば、(4)送信側の回路が、上記第1及び第2励振用配線に対して互いに同相の信号を供給する同相励振動作と、互いに逆相の信号を供給する逆相励振動作とを、送信繰返し周期に比べ十分短い実行間隔を以て、交互に実行する手段を含み、また、(5)逆相励振動作実行時に、上記第1及び第2励振用配線に供給する駆動信号の周波数を調整することにより、送信ビームの方向を変化させる手段を含む。
【0027】
そして、本発明に係る魚群探知機は、(1)船舶に搭載され、水面下における魚群に関する情報を映像表示する表示器を備える魚群探知機であって、(2)本発明に係る超音波送受波装置を備え、更に、(3)上記超音波送受波器を上記船舶の船底に固定したことを特徴とする。
【0028】
ここに、本発明に係る超音波送受波器は、同じ形状を有する多数の超音波振動子を平面的に配列したこと、これらの超音波振動子を所定の振動子配列規則に従い配列したこと、2種類の励振用配線と12種類の受波用配線を設けたこと、各超音波振動子に対する励振用配線及び受波用配線による結線をそれぞれ所定の規則に従い行うこと、の各点にて、先に説明した先提案技術と共通点を有している。また、その駆動・受信動作においても、第1及び第2励振用配線に対して互いに同相の信号を供給するか互いに逆相の信号を供給するかを切り換えることにより送信ビームの方向を定めること、同相励振動作及び逆相励振動作を短時間間隔で準同時に実行できること、逆相励振動作実行時に駆動信号の周波数を調整することにより送信ビームの方向を変化させることができること、第1乃至第12受波用配線からの受信信号に同相/逆相/その中間の移相量による移相処理及び相互結合処理を施すことにより受信ビームの方向を設定・選択すること、船舶に搭載される魚群探知機において用いうること等の点において、先に説明した先提案技術と共通点を有している。これらのことによって、本発明においては、多面式やサーチライト式に対して先提案技術が有していた長所を、引き続き実現している。
【0029】
本発明においては、超音波振動子形状、振動子配列規則、励振側結線規則及び受波側結線規則を工夫・変更することにより、受信ビーム合成の際の移相量を先提案技術における6通りから4通りに減らしている。また、本発明における超音波振動子配列においては、超音波振動子の輻射面形状が菱形であるため、超音波振動子をより密に配置できる。
【0030】
まず、同一寸法及び同一形状の菱形が多数あるとする。また、この菱形の4個の角のうち2個がπ/3[rad]、残りの2個が2π/3[rad]であるとする。従って、任意の点に鋭角の頂点を6個寄せ集めるか鈍角の頂点を3個寄せ集めると2π[rad]となり、その点の周りがそれぞれ6個又は3個の菱形で埋まる。このことに着目し、本発明においては、超音波振動子の輻射面形状(超音波を輻射する端面の形状)を、その4個の角のうち2個がπ/3[rad]で他の2個が2π/3[rad]である菱形とし、平面上における振動子配列規則を、輻射面の鋭角頂点同士が点集合し鈍角頂点同士が点集合するように隙間無くかつ輻射方向をそろえて超音波振動子を配置する、という規則にしている。従って、本発明においては、超音波振動子を平面上に密に、即ち(振動子間遮音材を除けば)隙間なしに配置できる。なお、本願では“密に配置”“点集合”等の言葉を使用しているけれども、それは本発明の構成を理解しやすく表現するためであり、超音波振動子間の結合を防ぐため遮音材を超音波振動子間に挟むことを禁ずる又は排する趣旨ではない。このことは、本願を参照する熟練した技術者にとっては、容易かつ一意に理解できるであろう。
【0031】
更に、上掲の形状・寸法の輻射面を有する超音波振動子を上掲の振動子配列規則に従い配列すると、その配列内にいくつかの基本的繰り返しパターンが現れる。本発明で着目しているのは12個の菱形を含む正六角形の繰り返しパターンである。即ち、任意の点にその鋭角頂点が集まり六芳星をかたちづくっている6個の菱形と、この六芳星を縁取っているかのようにこの6個の菱形のいずれかに対して辺同士が接触している他の6個の菱形とを含み、その辺の長さが各振動子の輻射面の辺の2倍である正六角形が、上掲の振動子配列規則による超音波振動子配列内で空間的に繰り返し現れる。そこで、本発明における結線規則は、励振側・受波側共に、この正六角形における結線を単位結線として超音波振動子の配列平面上で空間的に繰り返す、という規則にしている。また、繰り返される正六角形が12個の超音波振動子を含んでいるため、本発明の好適な実施形態では12の自然数倍の個数の超音波振動子を用いるが、12で割り切れない個数の超音波振動子を用いても構わない。
【0032】
また、繰返しの単位となっている正六角形は、その中央にある鋭角頂点集合点に対して回転対称であり、その点の回りにはπ/3[rad]の角度周期で即ち6回、同一配列パターンが現れる。更に、この正六角形を、上述のように六芳星状に集まった中央の6個と、その縁取りに当たる外縁の6個とに区画することができる。そこで、本発明においては、励振側結線規則として、六芳星をかたちづくる中央の超音波振動子同士を第1励振用配線により接続する一方、縁取りに当たる外縁の超音波振動子同士を第2励振用配線により接続する、という励振側結線規則を採用している。第1励振用配線を介して供給する駆動信号と、第2励振用配線を介して供給する駆動信号とを、同相にすれば真正面を向いた1本の送信ビームが形成され、逆相にすれば振動子配置間隔及び波長により定まる角度だけ傾いた方向を向く送信ビームが(正六角形の各頂点に対応して)全アレイ合計で6本同時形成される。即ち、先提案技術と同様、準同時に形成可能な7本の送信ビームが得られる。
【0033】
更に、繰返しの単位となっている正六角形は12個の超音波振動子を含んでいる。本発明においては、12種類の受波用配線を設け、これら第1乃至第12受波用配線を、繰返しの単位となっている上述の正六角形或いはその結線である単位結線における超音波振動子の12通りの相対位置に対して、それぞれ1対1に対応付け、それぞれその相対位置に対応した受波用配線に各超音波振動子を接続する、という受波側結線規則を用いている。従って、先提案技術と同様に移相回路や結合回路を設けることによって、7本の受信ビームを同時に又は選択的に使用して受信を行うことが可能である。また、先提案技術では、繰返しの単位である不等辺六角形における受波用配線の出現間隔が6列間隔であったが、本発明においては繰返しの単位である正六角形における受波用配線の出現間隔が4列間隔となる。列の間隔も均一である。そのため、各アレイの受信ビームを実現しつつ各アレイ受波出力同士の結合処理により受信利得を確保するには、先提案技術では移相制御信号値が6通り必要であったが、本発明においてはπ/2、π、0及び−π/2[rad]の4通りですむ。
【0034】
従って、本発明によれば、上記先提案技術に比べて移相制御信号値の種類が少なくなり、従ってより容易且つ低コストで魚群探知機等の超音波送受波装置を実現できる。超音波振動子の配置においては更に隙間を減らすことができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態に関し図面に基づき説明する。なお、本発明を実施するに当たっては、先に説明した先提案技術における回路を、移相制御信号値の内容を表1に示したものから次の表2に示すものへと変更するのみで、そのまま利用できる。そのため、以下の説明では先に説明した回路を前提とし、重複説明を排することとする。先に説明した回路と異なる回路では本発明を実施できない、という趣旨ではない。また、以下の各図中におけるX,Y,Zの各軸や各ビームの名称は、図22(b)にて定義したものである。
【0036】
【表2】
図1に、本発明の一実施形態における振動子配列規則、即ち配列平面上における振動子12Aの配列に関する規則を示す。図中、符号A,B,Cが付されている菱形は本実施形態に係る超音波送受波器を構成する振動子12Aの輻射面であり、符号A,B,Cはその符号が付されている振動子12Aが超音波振動子アレイA,B,Cのいずれに属しているのかを表している。振動子12Aの輻射面とは超音波送受波に使用される面であり、ここでは正電極14又は負電極16が形成されている面を指している。図2に示すように、菱形輻射面の4個の角のうち鋭角である2個は60[°]即ち2π/3[rad]であり、鈍角である残りの2個はπ/3[rad]である。菱形輻射面の寸法は、例えば長軸方向=2/(3)1/2・λ、短軸方向=2/3・λとなるよう設計する(λ:波長)。ビーム方向θを変更・制御するため、駆動信号周波数の切換即ち波長λの切換/可変制御を行うこともできる。また、任意の振動子12Aとその隣の振動子12Aとの間には、それらの間の音響的結合を防ぐため、平板状の遮音材10Aを挟み込む。
【0037】
単純に幾何学的に考えると、図2に示した形状を有する振動子12Aをその輻射方向をそろえて密に配列する方法には、いくつかの方法がある。本実施形態においては、その中で、(1)鋭角頂点同士を集める、(2)鈍角頂点同士を集める、という2通りの規則に従い振動子12Aを配列する方法を、採用している。この方法に従い振動子12Aを配列すると、各振動子12Aの辺の2倍の長さの辺を有する正六角形を亀甲状に、即ち空間的に繰り返して配置した配列が現れる。この正六角形の中央には、6個の菱形の鋭角頂点が寄り集まった点がある。この6個の菱形のアウトラインはちょうど六芳星を描いている。図1中で最も下の位置に描かれている正六角形でいうと、上下に2個並んだ「A」、向かって左上から右下にかけ袈裟懸けに並んだ「B」、並びに向かって右上から左下にかけ袈裟懸けに並んだ「C」という6個の菱形がこれに当たる。また、この六芳星アウトラインには窪んだ点が6カ所あり、それらの点には、それぞれ、六芳星の一部である2個の菱形と他の1個の菱形の鈍角頂点が集まっている。図1中で最も下の位置に描かれている正六角形でいうと、0時に位置している「A」の上端の鋭角頂点から時計回りに「B」「A」「C」「B」「A」「C」の順で、6個の菱形が六芳星アウトラインの窪みを埋め正六角形外縁を形成している。
【0038】
本実施形態における励振側及び受波側結線規則も、その中央に位置する六芳星アウトラインの部分と、その外縁を埋めて正六角形アウトラインを形成させる外縁部分とを含み、12個の振動子12Aにより構成されたこの正六角形を単位としている。即ち、この正六角形内に含まれる12個の振動子に対する励振用配線及び受波用配線の結線が、単位結線として、上掲の亀甲状繰返しに従い空間的に繰り返される。
【0039】
まず、励振側結線規則、即ち励振用配線22−1及び22−2と振動子12Aとの接続に関する規則は、図3に示すように、六芳星アウトライン部分を構成する6個の振動子12Aには励振用配線22−1を接続し、外縁部分を構成する6個の振動子12Aには励振用配線22−2を接続する、という規則である。図3(及び後に引用する図4〜図6)では、結線規則を示すという目的から記載を簡略化し、振動子12Aを円形で示している。本実施形態における励振側結線規則が有している性格のうち、内側振動子同士を接続する一方外側振動子同士を接続する、という性格は、振動子配列こそ異なるが、先提案での励振側規則も備えていたものである。そのため、図19(b)及び(c)に示したものと同じ原理により、送信ビームを切り換えることができる。即ち、励振用配線22−1を介して印加する駆動信号TX1と励振用配線22−2を介して印加する駆動信号TX2とを同相にすることにより、送信ビームを輻射面に直交する方向(真正面方向)とすることができ、逆相とすることにより、真正面方向に対して同角度傾いた6本の送信ビームを得ることができる。なお、逆相励振時における送信ビーム形成面は、上記正六角形の最長対角線と平行で輻射面に直交する面である。
【0040】
次に、受波側結線規則、即ち受波用配線24−A1〜24−A4,24−B1〜24−B4,24−C1〜24−C4と振動子12Aとの接続に関する規則は、繰返しの単位である正六角形内における振動子12Aの位置に対して1対1に受波用配線を対応付け、相対応する振動子12Aと受波用配線24とを接続する、という規則である。図4〜図6に、理解の助けとなるようアレイ毎に分けて、受波側結線規則を示す。これらの図に示されているように、上述の正六角形内には12個の振動子12Aが含まれているため受波用配線も12種類(24−A1〜24−A4,24−B1〜24−B4,24−C1〜24−C4)必要になる。各受波用配線24−A1〜24−A4,24−B1〜24−B4,24−C1〜24−C4による受波出力RXA1〜RXA4,RXB1〜RXB4,RXC1〜RXC4に対しては、先に掲げた表2に従い、また図24〜図27に示した回路により、移相処理、結合処理等が施される。それによって、受信利得を確保しつつ、合計7本の受信ビームを同時形成できる。
【0041】
受波側結線規則において注目すべき点は、先に説明した振動子配列規則を採用していることと相俟って、空間的繰返し周期が振動子12Aの列でいうと4列であること、である。例えば、受波用配線24−A1に接続されている振動子12Aが並んでいる列は、図4に示すように、X軸の正方向に沿って4列周期で現れる。また、列の間隔は均一(図1に示した間隔設定下ではλ/2)である。これらは、受波用配線24−A2〜24−A4でも同様である。振動子アレイB,Cにおいても、図5及び図6に示すようにZ軸周りに±2π/3[rad]回転させた方向に沿って、同様の空間的繰返しが現れる。先提案技術では繰返し周期が6列であり列間隔が均一であったため6通りの移相制御信号値が必要であったが、本実施形態では引き続き列間隔が均一であるが繰返し周期が4列に減ったため、移相制御信号値は4通り(π,±π/2,0)でよい。
【0042】
図7〜図12に、本実施形態に係る装置にて実現したビームの例を示す。まず、図7及び図8に示す指向性パターンは、それぞれ、信号TX1及びTX2を逆相としたときにXZ平面にて形成される送信ビームと、そのとき形成される6本の送信ビームの俯瞰とを、示している。次に、図9及び図10に示す指向性パターンは、信号TX1及びTX2を同相としたときにXZ平面にて形成される送信ビームと、そのとき形成される1本の送信ビームの俯瞰とを、示している。更に、図11及び図12に示す指向性パターンは、BMA1に係る受波系統出力における指向性パターンであり、それぞれXZ平面におけるビームと、その俯瞰とを示している。
【0043】
本発明の実施に当たっては、様々な変形が可能である。例えば、信号TX1にて励振される振動子12Aについては正電極14が輻射方向を向き負電極16が背面を向くよう配置し、信号TX2にて励振される振動子12Aについては正電極14が背面を向き負電極16が輻射方向を向くよう配置して、輻射方向側にある電極を励振用配線22により接続し背面側にある電極を受波用配線24により接続するようにしてもよい。このようにした場合、信号TX1及びTX2が同相であるときには6個のビームが形成され、逆相であるときには1個のビームが形成される。この場合、表2とは若干異なる移相量による移相処理が必要になるが、本願の開示を参照した同分野の技術者にとっては、この点は自明であろう。また、ある振動子12Aとその周囲の振動子12Aとを直列接続して振動子アレイにシェーディングを施すようにしてもよい。更に、逆相励振/合成に限らず、一般に異相励振/合成を行うことができる。その場合、振動子12Aの中心間隔を、駆動信号間位相差に応じてずらす。同相励振/合成と逆相励振/合成とを使用者からの指令で又は適当な周期で自動的に切り換えるようにしてもよい。更に、複数の受信ビームを全て同時に合成するのではなく必要なビームだけを使用してもよい。同一の移相回路をあるときには第1のビームの合成に使用し他の場合には第2のビームの合成に使用するといった切換を随時行うようにしてもよい。また、本発明に係る超音波送受波器をZ軸の回りに機械的に回転できる機構を設けることによって、斜め方向の探知範囲を固定6方向から更に拡大できる。そして、本発明は、魚群探知機の一部を構成する超音波送受波器に限定適用されるものではない。即ち、多数の方向を同時に探知・監視する必要乃至要請がある分野であれば、本発明に係る超音波送受波器乃至超音波送受波装置を適用できる。そのような例としては、例えば潮流計がある。更に、多面魚群探知機を構成する各超音波送受波器や計量型魚群探知機等に使用される超音波送受波器を、本発明に係る構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態における振動子配列規則を示すXY平面図である。
【図2】 この実施形態における振動子の形状を示す図であり、特に(a)は斜視外観図、(b)は輻射面形状図である。
【図3】 この実施形態における励振側結線規則を示すXY平面図である。
【図4】 この実施形態における受波側結線規則のうち振動子アレイAに関連する部分を示すXY平面図である。
【図5】 この実施形態における受波側結線規則のうち振動子アレイBに関連する部分を示すXY平面図である。
【図6】 この実施形態における受波側結線規則のうち振動子アレイCに関連する部分を示すXY平面図である。
【図7】 この実施形態に係る装置にて得られたビームの一例をXZ平面にて示す指向特性図である。
【図8】 図7に示したビームを俯瞰的に示す指向特性図である。
【図9】 この実施形態に係る装置にて得られたビームの他の一例をXZ平面にて示す指向特性図である。
【図10】 図9に示したビームの一例を俯瞰的に示す指向特性図である。
【図11】 この実施形態に係る装置にて得られたビームの更に他の一例をXZ平面にて示す指向特性図である。
【図12】 図11に示したビームの一例を俯瞰的に示す指向特性図である。
【図13】 先提案技術における超音波送受波器の構成を示す図であり、特に(a)は振動子配置を示すXY平面図、(b)は振動子収納状態を示すI−I断面図である。
【図14】 この先提案技術における正三角形格子パターンを概念的に示すXY平面図である。
【図15】 この先提案技術における繰返しパターンを概念的に示すXY平面図である。
【図16】 この先提案技術における振動子アレイAに係る受波用配線の接続パターンを概念的に示すXY平面図である。
【図17】 この先提案技術における振動子アレイBに係る受波用配線の接続パターンを概念的に示すXY平面図である。
【図18】 この先提案技術における振動子アレイCに係る受波用配線の接続パターンを概念的に示すXY平面図である。
【図19】 この先提案技術における励振側及び受波側結線規則を示す図であり、特に(a)は振動子アレイAの構成を示すXY平面図、(b)は同相励振時等位相面及び送信ビームを示すXZ平面図、(c)は逆相励振時等位相面及び送信ビームを示すXZ平面図である。
【図20】 先提案技術における励振側及び受波側結線規則、特に振動子アレイBの構成を概念的に示すXY平面図である。
【図21】 先提案技術における励振側及び受波側結線規則、特に振動子アレイCの構成を概念的に示すXY平面図である。
【図22】 先提案技術及び本発明の実施形態におけるビーム指向性を概念的に示す図であり、特に(a)はXZ平面図、(b)はXY平面投影図である。
【図23】 同相/逆相時間差励振を示すタイミングチャートである。
【図24】 魚群探知機の全体構成を示すブロック図である。
【図25】 送受切換器の構成を示す回路図である。
【図26】 ビーム合成回路の構成を示すブロック図である。
【図27】 結合器の構成を示すブロック図である。
【図28】 移相処理の実現手法を示す回路図である。
【符号の説明】
12A 振動子、22−1,22−2 励振用配線、24−A1,24−A2,…24−C4 受波用配線、26 制御回路、28,30 駆動信号発生回路、36 超音波送受波器、40 ビーム合成回路、52 送受切換器、A,B,C 振動子アレイ、BMA1,BMA2,…BM0 ビーム、D 振動子中心間隔、LS1−1〜LS1−12,LS2−1〜LS2−12,…LS7−1〜LS7−12 移相制御信号、RXS1〜RXS12 増幅された受信信号、S1,S2 駆動信号、T0 送信繰返し周期、T1 同相励振期間、T2 逆相励振期間、T3 同相逆相励振時間差、TX1,TX2 増幅された駆動信号。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer that can be used in an ultrasonic transducer such as a fish finder, an ultrasonic transducer and a fish finder using the ultrasonic transducer.
[0002]
[Prior art]
The fish finder is useful as a device that supports the operation of fishing boats. A fish finder is a type of ultrasonic transmitter / receiver that uses an ultrasonic transmitter / receiver located on the bottom of the ship to transmit ultrasonic waves into the water and receive echoes from the fish school, etc. Is displayed on the display screen of the ship. Fish detectors include multifaceted fish detectors that can detect multiple directions, searchlight-type fish detectors, and the like, all of which have problems. First, the multifaceted fish finder directs the beam of one ultrasonic transducer among the multiple ultrasonic transducers provided on the bottom of the ship, and directs the beams of the remaining ultrasonic transducers directly below the bottom of the ship. Since the configuration is directed toward a direction inclined with respect to the direction, there are many ultrasonic transducers to be used, and there is a problem that the device component cost, the installation work cost, the installation space, and the like increase. In addition, since the searchlight type fish detector is configured to change the direction of ultrasonic transmission / reception by mechanically changing the direction of the ultrasonic transmitter / receiver, a plurality of directions cannot be observed simultaneously. Since the swing mechanism is necessary, the cost of equipment parts, installation work, maintenance, etc. and the required space for installation are large, sonar dome that houses the ultrasonic transducer and the swing mechanism is necessary, and the equipment parts cost increases. A mechanism for raising and lowering the sonar dome is necessary, and there are problems such as costs for equipment parts, installation work and maintenance, and a large installation space.
[0003]
Japanese Patent Application No. Hei 10-313774 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-147095) is known as a fish detector that can detect a plurality of directions and has few problems such as the above-described multifaceted fish detector and searchlight type fish detector. (Referred to as “prior proposal technology” below). The feature of the previously proposed technology is that a large number of transducers are arranged in a plane, and that the transducer arrangement, excitation-side connection, and reception-side connection are performed according to predetermined rules. -Realization of a 7-direction simultaneous detection type ultrasonic transducer.
[0004]
First, the vibrator arrangement rule in the previously proposed technique is a rule that the vibrators are arranged according to a regular triangular lattice pattern, as shown in FIGS. More specifically, an ultrasonic wave transmitter / receiver according to the previously proposed technique is provided in a substantially circular
[0005]
Further, FIG. 15 shows the wiring rules for the excitation wiring in the previously proposed technique. The excitation wiring is a wiring for connecting the
[0006]
Further, FIG. 16 to FIG. 18 show the connection rules of the receiving wiring in the previously proposed technique. The wave receiving wiring is a wiring for connecting the
[0007]
FIG. 19 to FIG. 21 show connections that are units of repetition in the above connection rules, that is, unit connections. This unit connection includes an equilateral triangle with one side = 2D including six
[0008]
As shown in FIGS. 19B and 19C, excitation is performed depending on whether the vibrator group belonging to the inner regular triangle and the vibrator group belonging to the outer hexagon are excited in the same phase or in the opposite phase. The position of the equiphase surface and the direction of the transmission beam change accordingly. When excited in the same phase, the transmitted beam faces directly in front (θ = 0). Further, at the time of reverse phase excitation, a difference in ultrasonic propagation path length between the
[Expression 1]
L = interval between both vibrator groups × sin θ
= (3D / 2) × sin θ
about
[Expression 2]
L = ± λ / 2 = (3D / 2) × sin θ
Is the angle indicating the direction of the transmitted beam (λ: wavelength of the ultrasonic wave). Further, as apparent from the above equation, the transmission beam at the time of antiphase excitation appears in two directions symmetric with respect to the Z axis, and the direction θ is designed by design depending on how many times the transducer interval D is set to the wavelength λ. And the direction θ can be arbitrarily set / controlled during actual use by switching the frequency of the drive signal and hence the wavelength λ. Since the number of transmission beams at the time of reversed-phase excitation is 2 for each transducer array in this way, the total number is 6 for all transducer arrays. When the in-phase excitation and the anti-phase excitation are combined, a total of seven transmission beams are obtained. However, since the in-phase excitation and the anti-phase excitation cannot be performed simultaneously, these seven transmission beams should be formed quasi-simultaneously. It is said. That is, with respect to the transmission beam, as shown in FIG. 23 using the transducer array A as an example, a period T1 in which the signals TX1 and TX2 are in phase and a period T2 in the opposite phase are provided within a single transmission repetition period T0. The mode is switched from the former to the latter or from the latter to the former with a sufficiently short time interval T3, so that transmission can be executed simultaneously for the six directions and quasi-simultaneously for the seven directions including the front. Yes.
[0009]
The direction and the number of reception beams can be switched by phase shift control for each reception wiring. First, the phase shift processing is performed with the same phase shift amount for each of the signals RXx1 to RXx4 taken out by the receiving wires 24-x1 to 24-x4 for the ultrasonic transducer array x (x = A, B, C). By applying (or no phase shift), it is possible to synthesize a reception beam directed in the Z-axis direction (in-phase synthesis). In addition, the signals RXx1 and RXx2 are phase-shifted by, for example, π (rad), and the phase shift amount related to the signals RXx3 and RXx4 is 0 (rad), that is, there is no phase shift. Two reception beams facing can be synthesized (reverse phase synthesis). Further, by providing in parallel a phase shift circuit related to in-phase synthesis and a phase shift circuit related to reverse phase synthesis, a reception beam directed in the Z-axis direction and two reception beams having an opening angle θ with respect to the Z-axis. Can be synthesized at the same time, so that simultaneous detection can be performed in three directions. Since any one ultrasonic transducer array can be detected simultaneously in three directions in this way, when all three ultrasonic transducer arrays are combined, two beams with an opening angle θ × three transducer arrays One beam in the + Z-axis direction (common to each array) = seven simultaneous receptions can be performed using a total of seven beams.
[0010]
Specifically, as shown in FIG. 22 and Table 1, a total of seven phase shift circuits are provided corresponding to each reception beam, and the value of the phase shift control signal supplied to the i-th phase shift circuit is received. The amount of phase shift for each of the signals RXA1 to RXA4, RXB1 to RXB4, and RXC1 to RXC4 by supplying one of the phase shift control signals LSi-1 to LSi-12 according to the received beam. By controlling, the received signals related to these seven beams can be synthesized simultaneously. In addition, in order to secure the signal reception gain, the reception outputs from the reception wirings 24 other than the reception wirings 24 corresponding to the necessary reception beams are also combined with appropriate phase shift. For example, when the beam BMA1 is synthesized, as shown in Table 1, the received outputs from the two types of receiving wirings related to the transducer array A are phase-shifted in mutually opposite phases, and are transferred to the transducer arrays B and C. The received outputs from the remaining four types of receiving wires are phase-shifted by an intermediate phase shift amount corresponding to the positional relationship in the unit array, and the received outputs from the receiving wires are combined.
[0011]
[Table 1]
In Table 1 and FIG. 22, BM0 is a beam formed by in-phase excitation or in-phase synthesis in each transducer array, and faces the Z-axis direction. BMA1 and BMA2 are beams formed by antiphase excitation or antiphase synthesis in the transducer array A, and belong to the XZ plane. BMB1 and BMB2 are beams formed by antiphase excitation or antiphase synthesis in the transducer array B, and belong to a plane rotated by −2π / 3 (rad) around the Z axis with respect to the XZ plane. BMC1 and BMC2 are beams formed by antiphase excitation or antiphase synthesis in the transducer array C, and belong to a plane rotated by 2π / 3 (rad) around the Z axis with respect to the XZ plane. The Z-axis is directed in the direction directly below the bottom of the ship (the direction perpendicular to the opening forming surface, ie, the radiation surface in FIG. 1), and the X-axis and Y-axis belong to the radiation surface. The X axis is, for example, the bow direction.
[0012]
As described above, according to the previously proposed technique, seven-direction (quasi-) simultaneous detection can be performed. Further, since the
[0013]
FIG. 24 shows an overall circuit / functional configuration of the fish finder according to the previously proposed technique. A
[0014]
The ultrasonic waves reflected by the underwater fish school and the like are received by the
[0015]
A transmission /
[0016]
FIG. 25 shows an example configuration of the transmission /
[0017]
On the other hand, the
[0018]
Therefore, during the period (T1 + T3 + T2 in FIG. 23) in which the drive signals TX1 and TX2 (strictly speaking, the transmission pulses therein) are supplied via the
[0019]
The
[0020]
Each
[0021]
Each
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, according to the previously proposed technique, a unit that becomes a repetitive unit by the vibrators arranged according to the predetermined vibrator arrangement rule and the exciting and receiving wirings connecting the vibrators according to the predetermined wiring rule. By forming an array and arranging this unit array densely in a plane, an ultrasonic transducer with a triple density transducer arrangement and capable of simultaneous detection in 7 directions (quasi), and thus a fish finder can be realized. is doing. However, there are still points to be improved in the proposed technology.
[0023]
First, the spatial repetition interval of the receiving wiring in the previously proposed technique is over 6 columns in terms of the number of transducer columns. For example, referring to FIG. 16, the
[0024]
The present invention has been made in order to solve such problems, and while continuing to ensure the advantages of the above-mentioned previously proposed technology over multifaceted fish finder and searchlight type fish finder, There are fewer types of phase shift control signal values compared to the previously proposed technology, and therefore, it is possible to obtain an ultrasonic transducer, an ultrasonic transducer and a fish detector that can be realized more easily and at a lower cost, and furthermore, an ultrasonic vibration Its purpose is to make it possible to arrange the children without any gaps.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, an ultrasonic transducer according to the present invention includes: (1) radiation surfaces having the same area and having acute angle vertices of π / 3 [rad] and a
[0026]
The ultrasonic transducer according to the present invention includes (1) the ultrasonic transducer according to the present invention, and (2) the first and second excitation wires with respect to the ultrasonic transducer. A circuit on the transmission side for supplying a drive signal for ultrasonic transmission, wherein the first and second excitation wirings are switched between supplying signals having the same phase or signals having opposite phases to each other. And a circuit including means for setting the direction of the transmission beam by (3), and a circuit on the receiving side for receiving a reception signal by ultrasonic reception from the ultrasonic transducer through the first to twelfth reception wirings The phase shift amount of π / 2, π, 0, and −π / 2 [rad] is selectively assigned to each received signal via the first to twelfth receiving wirings and assigned. Phase shift processing of each received signal according to the amount of phase shift and subsequent interconnection of each received signal By executing the process, characterized in that it and a circuit including means for setting or selecting the number and direction of the reception beam. For example, the transmission-side circuit includes (4) an in-phase excitation operation in which the transmission-side circuit supplies in-phase signals to the first and second excitation wirings, and an inversion in which the in-phase signals are supplied to each other. And means for alternately executing the phase excitation operation with an execution interval sufficiently shorter than the transmission repetition period, and (5) driving to be supplied to the first and second excitation wirings when performing the reverse phase excitation operation. Means for changing the direction of the transmitted beam by adjusting the frequency of the signal;
[0027]
The fish finder according to the present invention is (1) a fish finder equipped with a display device that displays an image of information regarding fish under the surface of the water, and is (2) an ultrasonic transmission / reception device according to the present invention. And (3) the ultrasonic transducer is fixed to the bottom of the ship.
[0028]
Here, in the ultrasonic transducer according to the present invention, a number of ultrasonic transducers having the same shape are arranged in a plane, these ultrasonic transducers are arranged in accordance with a predetermined transducer arrangement rule, At each point of providing two types of excitation wiring and twelve types of reception wiring, and performing connection with each of the excitation wiring and reception wiring for each ultrasonic transducer according to a predetermined rule, It has similarities to the previously proposed technology described above. Also, in the driving / receiving operation, the direction of the transmission beam is determined by switching between supplying the signals having the same phase or the signals having the opposite phases to the first and second excitation wirings, The in-phase excitation operation and the anti-phase excitation operation can be executed quasi-simultaneously at short time intervals, the direction of the transmission beam can be changed by adjusting the frequency of the drive signal when the anti-phase excitation operation is executed, Setting and selecting the direction of the received beam by applying phase shift processing and mutual coupling processing based on the in-phase / reverse phase / intermediate phase shift amount to the received signal from the wave wiring, and a fish finder mounted on the ship In this respect, there are common points with the previously proposed technology described above. For these reasons, the present invention continues to realize the advantages of the previously proposed technology over the multi-face type and the searchlight type.
[0029]
In the present invention, by devising and changing the ultrasonic transducer shape, transducer arrangement rule, excitation-side connection rule, and reception-side connection rule, the amount of phase shift at the time of receiving beam synthesis is six ways in the previously proposed technique. It is reduced to 4 ways. Further, in the ultrasonic transducer arrangement according to the present invention, since the radiation surface shape of the ultrasonic transducer is a rhombus, the ultrasonic transducers can be arranged more densely.
[0030]
First, it is assumed that there are many rhombuses having the same dimensions and the same shape. Further, it is assumed that two of the four corners of the rhombus are π / 3 [rad] and the remaining two are 2π / 3 [rad]. Therefore, when 6 acute-angle vertices are gathered at an arbitrary point or 3 obtuse-angle vertices are gathered, 2π [rad] is obtained, and the circumference of the point is filled with 6 or 3 rhombuses, respectively. Focusing on this, in the present invention, the radiation surface shape of the ultrasonic transducer (the shape of the end surface that radiates ultrasonic waves) is 2 out of the four corners and π / 3 [rad] and the other Two diamonds are 2π / 3 [rad], and the arrangement rules of the oscillators on the plane are aligned so that the acute angle vertices of the radiating surface are point-set and the obtuse-angle vertices are point-set so that there is no gap between them. The rule is to arrange ultrasonic transducers. Therefore, in the present invention, the ultrasonic transducers can be arranged densely on a plane, that is, without a gap (except for the inter-vibrator sound insulating material). In the present application, the terms “closely arranged” and “point set” are used, but this is for easy understanding of the configuration of the present invention, and in order to prevent coupling between the ultrasonic transducers, a sound insulating material. Is not forbidden or excluded from being sandwiched between ultrasonic transducers. This will be easily and uniquely understood by a skilled technician referring to the present application.
[0031]
Further, when the ultrasonic transducers having the radiation surfaces of the above-mentioned shapes and dimensions are arranged according to the above-mentioned transducer arrangement rules, some basic repetitive patterns appear in the arrangement. The focus of the present invention is a regular hexagonal repeating pattern including 12 rhombuses. In other words, six rhombuses whose sharp vertices are gathered at an arbitrary point to form a six-pointed star, and either of these six rhombuses as if bordering the six-pointed star A regular hexagon that includes the other six diamonds in contact with each other and whose side length is twice the side of the radiation surface of each transducer is the ultrasonic vibration according to the transducer arrangement rule described above. Appears spatially repeated in the child array. Therefore, the connection rule in the present invention is such that both the excitation side and the reception side are spatially repeated on the arrangement plane of the ultrasonic transducer using the connection in the regular hexagon as a unit connection. In addition, since the regular hexagon to be repeated includes 12 ultrasonic transducers, the preferred embodiment of the present invention uses a number of ultrasonic transducers that is a natural number multiple of 12; An ultrasonic transducer may be used.
[0032]
In addition, the regular hexagon that is a repeating unit is rotationally symmetric with respect to the acute vertex set point at the center thereof, and is the same around the point with an angular period of π / 3 [rad], that is, six times. An array pattern appears. Furthermore, this regular hexagon can be partitioned into six pieces at the center gathered like a hexagonal star as described above and six pieces at the outer edge corresponding to the border. Therefore, in the present invention, as the excitation-side connection rule, the central ultrasonic transducers forming the hexagonal star are connected by the first excitation wiring, while the outer ultrasonic transducers corresponding to the edge are used for the second excitation. The excitation side connection rule of connecting by wiring is adopted. If the drive signal supplied via the first excitation wiring and the drive signal supplied via the second excitation wiring are in phase, a single transmission beam facing directly in front will be formed, and the drive signal supplied in reverse phase will be passed. For example, six transmission beams directed in the direction inclined by an angle determined by the transducer arrangement interval and wavelength (corresponding to each vertex of the regular hexagon) are formed in total for a total of six. That is, as in the previously proposed technique, seven transmission beams that can be formed quasi-simultaneously are obtained.
[0033]
Furthermore, the regular hexagon which is a repeating unit includes 12 ultrasonic transducers. In the present invention, twelve kinds of receiving wirings are provided, and the first to twelfth receiving wirings are ultrasonic transducers in the above-mentioned regular hexagon or a unit connection which is a connection unit thereof. The twelve relative positions are associated with each other in a one-to-one relationship, and a receiving-side connection rule is used in which each ultrasonic transducer is connected to a receiving wire corresponding to each relative position. Therefore, by providing a phase shift circuit and a coupling circuit as in the previously proposed technique, it is possible to perform reception using seven reception beams simultaneously or selectively. Further, in the previously proposed technique, the appearance interval of the receiving wiring in the unequal hexagon that is a repeating unit was 6 column intervals. However, in the present invention, the receiving wiring in the regular hexagon that is a repeating unit is used. The appearance interval is 4 column intervals. The spacing between the rows is also uniform. Therefore, in order to secure the reception gain by combining the reception signals of the arrays while realizing the reception beams of the arrays, the previously proposed technique requires six kinds of phase shift control signal values. There are four types of π / 2, π, 0, and −π / 2 [rad].
[0034]
Therefore, according to the present invention, the number of types of phase shift control signal values is reduced as compared with the above-described prior art, so that an ultrasonic transmission / reception device such as a fish finder can be realized more easily and at a lower cost. The gap can be further reduced in the arrangement of the ultrasonic transducers.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In practicing the present invention, the circuit in the previously proposed technology described above is simply changed from the one shown in Table 1 to the one shown in Table 2 below. Can be used as is. For this reason, in the following description, it is assumed that the circuit described above is a premise, and redundant description is omitted. This does not mean that the present invention cannot be implemented with a circuit different from the circuit described above. In addition, the names of the respective axes of X, Y, and Z and the respective beams in the following drawings are defined in FIG.
[0036]
[Table 2]
FIG. 1 shows a vibrator arrangement rule according to an embodiment of the present invention, that is, a rule regarding the arrangement of the
[0037]
Considering simply in terms of geometry, there are several methods for densely arranging the
[0038]
The excitation-side and receiving-side connection rules in this embodiment also include a hexagonal outline portion located at the center and an outer edge portion that fills the outer edge to form a regular hexagonal outline, and includes twelve
[0039]
First, the excitation-side connection rule, that is, the rule relating to the connection between the excitation wirings 22-1 and 22-2 and the
[0040]
Next, the receiving-side connection rules, that is, the rules regarding the connection between the receiving wirings 24-A1 to 24-A4, 24-B1 to 24-B4, 24-C1 to 24-C4 and the
[0041]
What should be noted in the receiving-side connection rule is that, in combination with the adoption of the transducer arrangement rule described above, the spatial repetition period is four in terms of the column of the
[0042]
7 to 12 show examples of beams realized by the apparatus according to the present embodiment. First, the directivity patterns shown in FIGS. 7 and 8 are overhead views of the transmission beam formed in the XZ plane and the six transmission beams formed at that time when the signals TX1 and TX2 are out of phase, respectively. Is shown. Next, the directivity patterns shown in FIGS. 9 and 10 show a transmission beam formed in the XZ plane when the signals TX1 and TX2 are in phase, and an overhead view of one transmission beam formed at that time. Show. Furthermore, the directivity patterns shown in FIG. 11 and FIG. 12 are directivity patterns in the receiving system output according to BMA1, and each show a beam on the XZ plane and its bird's-eye view.
[0043]
In carrying out the present invention, various modifications are possible. For example, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an XY plan view showing transducer arrangement rules according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the shape of a vibrator in this embodiment, in particular, FIG. 2A is a perspective external view, and FIG. 2B is a radiation surface shape diagram;
FIG. 3 is an XY plan view showing excitation-side connection rules in this embodiment.
FIG. 4 is an XY plan view showing a portion related to the transducer array A in the receiving-side connection rule in this embodiment.
FIG. 5 is an XY plan view showing a portion related to the transducer array B in the receiving-side connection rule in this embodiment.
FIG. 6 is an XY plan view showing a portion related to the transducer array C in the receiving-side connection rule in this embodiment.
FIG. 7 is a directivity characteristic diagram showing an example of a beam obtained by the apparatus according to this embodiment on the XZ plane.
8 is a directivity characteristic diagram showing the beam shown in FIG. 7 in an overhead view.
FIG. 9 is a directional characteristic diagram showing another example of the beam obtained by the apparatus according to this embodiment on the XZ plane.
10 is a directional characteristic diagram showing an example of the beam shown in FIG.
FIG. 11 is a directional characteristic diagram showing still another example of a beam obtained by the apparatus according to this embodiment on the XZ plane.
12 is a directional characteristic diagram showing an example of the beam shown in FIG.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing a configuration of an ultrasonic transducer in the previously proposed technique, in particular, FIG. 13A is an XY plan view showing a transducer arrangement, and FIG. It is.
FIG. 14 is an XY plan view conceptually showing an equilateral triangular lattice pattern in the previously proposed technique.
FIG. 15 is an XY plan view conceptually showing a repetitive pattern in the previously proposed technique.
FIG. 16 is an XY plan view conceptually showing a connection pattern of wave receiving wirings related to the transducer array A in the previously proposed technique.
FIG. 17 is an XY plan view conceptually showing a connection pattern of wave receiving wirings related to the transducer array B in the previously proposed technique.
18 is an XY plan view conceptually showing a connection pattern of wave receiving wirings related to the transducer array C in the previously proposed technique. FIG.
19A and 19B are diagrams showing excitation-side and receiving-side connection rules in the previously proposed technique, in particular, FIG. 19A is an XY plan view showing the configuration of the transducer array A, and FIG. 19B is an equiphase surface during in-phase excitation; FIG. 4C is an XZ plan view showing a transmission beam, and FIG. 5C is an XZ plan view showing an equiphase surface and a transmission beam during reverse phase excitation.
FIG. 20 is an XY plan view conceptually showing the excitation-side and receiving-side connection rules in the previously proposed technique, in particular, the configuration of the transducer array B.
FIG. 21 is an XY plan view conceptually showing the excitation-side and receiving-side connection rules in the previously proposed technique, in particular, the configuration of the transducer array C.
FIGS. 22A and 22B are diagrams conceptually showing the beam directivity in the previously proposed technique and the embodiment of the present invention, and in particular, FIG. 22A is an XZ plan view, and FIG. 22B is an XY plane projection view.
FIG. 23 is a timing chart showing in-phase / reverse phase time difference excitation.
FIG. 24 is a block diagram showing the overall configuration of the fish finder.
FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration of a transmission / reception switch.
FIG. 26 is a block diagram showing a configuration of a beam combining circuit.
FIG. 27 is a block diagram showing a configuration of a coupler.
FIG. 28 is a circuit diagram showing a method for realizing phase shift processing;
[Explanation of symbols]
12A vibrator, 22-1, 22-2 excitation wiring, 24-A1, 24-A2,..., 24-C4 receiving wiring, 26 control circuit, 28, 30 drive signal generation circuit, 36 ultrasonic transducer , 40 beam synthesis circuit, 52 duplexer, A, B, C transducer array, BMA1, BMA2,... BM0 beam, D transducer center interval, LS1-1 to LS1-12, LS2-1 to LS2-12, ... LS7-1 to LS7-12 Phase shift control signal, RXS1 to RXS12 Amplified received signal, S1, S2 drive signal, T0 transmission repetition period, T1 In-phase excitation period, T2 Inverse-phase excitation period, T3 In-phase to anti-phase excitation time difference , TX1, TX2 Amplified drive signals.
Claims (5)
上記振動子配列規則が、上記輻射面の鋭角頂点同士が点集合し鈍角頂点同士が点集合するよう上記超音波振動子をその輻射方向を揃えて密に配列する、という規則であり、
上記励振側結線規則が、その鋭角頂点が同一点に集合している超音波振動子同士を上記第1励振用配線により接続し、更にこの第1励振用配線により接続された超音波振動子のいずれかと辺接触している超音波振動子同士を上記第2励振用配線により接続する、という単位結線を、超音波振動子の配列平面上で空間的に繰り返す、という規則であり、
上記受波側結線規則が、上記単位結線における超音波振動子の12通りの相対位置に対して上記第1乃至第12受波用配線を1対1に対応付け、それぞれその相対位置に対応した受波用配線に各超音波振動子を接続する、という規則であることを特徴とする超音波送受波器。12 or more ultrasonic transducers whose radiation surfaces have the same area and have acute vertices of π / 3 [rad] and are arranged in a plane according to a predetermined transducer arrangement rule, and a predetermined excitation side connection First and second excitation wirings connected to the ultrasonic transducer according to a rule, and first to twelfth reception wirings connected to the ultrasonic transducer according to a predetermined reception side connection rule. ,
The vibrator arrangement rule is a rule that the ultrasonic vibrators are arranged densely with their radiation directions aligned so that acute angle vertices of the radiation surface are point-set and obtuse-angle vertices are point set,
In the excitation-side connection rule, ultrasonic transducers whose acute vertices are gathered at the same point are connected to each other by the first excitation wiring, and the ultrasonic transducers connected by the first excitation wiring are connected. It is a rule that the unit connection of connecting ultrasonic transducers that are in side contact with either one by the second excitation wiring is spatially repeated on the arrangement plane of the ultrasonic transducers,
The reception-side connection rule associates the first to twelfth reception wirings on a one-to-one basis with respect to the 12 relative positions of the ultrasonic transducer in the unit connection, and each corresponds to the relative position. An ultrasonic transducer according to the rule that each ultrasonic transducer is connected to a receiving wire.
上記超音波送受波器に対し上記第1及び第2励振用配線を介して超音波送信用の駆動信号を供給する送信側の回路であって、上記第1及び第2励振用配線に対して互いに同相の信号を供給するか互いに逆相の信号を供給するかを切り換えることにより送信ビームの方向を設定する手段を含む回路と、
上記超音波送受波器から上記第1乃至第12受波用配線を介して超音波受波による受信信号を受け取る受信側の回路であって、上記第1乃至第12受波用配線を介する各受信信号にπ/2、π、0及び−π/2[rad]のうちいずれかの移相量を選択的に割り当て、割り当てた移相量による各受信信号の移相処理並びにその後の各受信信号の相互結合処理を実行することにより、受信ビームの方向を設定又は選択する手段を含む回路と、
を備えることを特徴とする超音波送受波装置。An ultrasonic transducer according to claim 1;
A circuit on the transmission side for supplying a driving signal for ultrasonic transmission to the ultrasonic transducer via the first and second excitation wirings, and for the first and second excitation wirings A circuit including means for setting the direction of the transmission beam by switching between supplying in-phase signals to each other or supplying signals in opposite phases to each other;
A reception-side circuit for receiving a reception signal by ultrasonic reception from the ultrasonic transducer via the first to twelfth reception wires, and each of the circuits via the first to twelfth reception wires. A phase shift amount of any one of π / 2, π, 0, and −π / 2 [rad] is selectively assigned to the received signal, the phase shift process of each received signal by the allocated phase shift amount, and each subsequent reception A circuit including means for setting or selecting a direction of a received beam by performing a signal mutual coupling process;
An ultrasonic transmission / reception apparatus comprising:
送信側の回路が、上記第1及び第2励振用配線に対して互いに同相の信号を供給する同相励振動作と、互いに逆相の信号を供給する逆相励振動作とを、送信繰返し周期に比べ十分短い実行間隔を以て、交互に実行する手段を含むことを特徴とする超音波送受波装置。The ultrasonic transmission / reception device according to claim 2,
The transmission-side circuit compares an in-phase excitation operation for supplying in-phase signals to the first and second excitation wirings and an anti-phase excitation operation for supplying signals in opposite phases to the transmission repetition period. An ultrasonic transmission / reception apparatus comprising means for alternately executing with a sufficiently short execution interval.
送信側の回路が、逆相励振動作実行時に、上記第1及び第2励振用配線に供給する駆動信号の周波数を調整することにより、送信ビームの方向を変化させる手段を含むことを特徴とする超音波送受波装置。The ultrasonic transmission / reception apparatus according to claim 2 or 3,
The transmission-side circuit includes means for changing the direction of the transmission beam by adjusting the frequency of the drive signal supplied to the first and second excitation wirings when the anti-phase excitation operation is performed. Ultrasonic transducer.
請求項2乃至4のいずれか一項に記載の超音波送受波装置を備え、更に、上記超音波送受波器を上記船舶の船底に固定したことを特徴とする魚群探知機。In a fish finder equipped with a display mounted on a ship and displaying video information about fish under the surface of the water,
A fish finder comprising the ultrasonic transmission / reception device according to any one of claims 2 to 4, wherein the ultrasonic transmission / reception device is fixed to a bottom of the ship.
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