(57)【要約】【課題】超音波変換装置の装置コストの低減及び性能の向上を可能にする。【解決手段】超音波Ｕを高周波電気信号Ｚｉに変換する変換回路２と、その変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉと周波数が近似する電気信号Ｚｍを発生する局部発振回路１５と、変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉをゲート端子Ｇに入力するとともに局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍを非接地のソース端子Ｓに入力するミキシング・検波用の電界効果トランジスタ９Ｔと、この電界効果トランジスタ９Ｔにおける電源非接続のドレイン端子Ｄから送出される電気信号Ｚｔから高周波成分を除去して可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏを取り出すフィルタ回路１０とを設ける。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を高周波電気信号に変換する変換回路と、その変換回路から送出される高周波電気信号と周波数が近似する電気信号を発生する局部発振回路と、前記変換回路から送出される高周波電気信号をゲート端子に入力するとともに前記局部発振回路の発生電気信号を非接地のソース端子に入力するミキシング・検波用の電界効果トランジスタと、この電界効果トランジスタにおける電源非接続のドレイン端子から送出される電気信号から高周波成分を除去して可聴周波数帯域の電気信号を取り出すフィルタ回路とを設けてある超音波変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を可聴周波数帯域の電気信号に変換する超音波変換装置に関し、例えば、超音波検出に基づき配管系における流体漏洩箇所の検出や機器摩損の検出あるいは機器の作動状態の検出を行う装置での検出超音波の電気的処理などに用いる超音波変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波変換装置では、図７に示す如く、超音波Ｕを高周波電気信号Ｚｉに変換する変換回路２と、その変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉと周波数が近似する電気信号Ｚｍを発生する局部発振回路１５と、変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉに局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍを重畳するミキシング回路９Ａと、このミキシング回路９Ａから送出される電気信号Ｚｔ′を検波処理する検波回路９Ｂと、この検波回路９Ｂの送出電気信号Ｚｔから高周波成分を除去して可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏを取り出すフィルタ回路１０とを主要回路として装置を構成していた。
【０００３】
そして従来、同図７に示すごとく、ミキシング回路９Ａを構成するのに、変換回路２から送出される高周波電気信号ＺｉをボリュームＶＲ１を介して非反転入力端子に入力するバッファＢを設けるとともに、このバッファＢから送出される高周波電気信号Ｚｉを抵抗Ｒ１を通じて反転入力端子に入力する反転増幅回路ＯＰ（オペアンプ）を設け、この反転増幅回路ＯＰの反転入力端子に局部発振回路１５が発生する近似周波数の電気信号Ｚｍを抵抗Ｒ１からの高周波電気信号Ｚｉとともに入力する構成にしていた。
【０００４】
また、検波回路９Ｂを構成するのに、２個のダイオードＤ１，Ｄ２を用いた倍電圧整流回路によりミキシング回路９Ａからの送出電気信号Ｚｔ′を検波処理する構成にしていた。
【０００５】
なお、反転増幅回路ＯＰの非反転入力端子は接地状態にし、反転増幅回路ＯＰの反転入力端子には反転増幅回路ＯＰの出力電圧を帰還抵抗Ｒｆを通じて帰還させてある。また、８は変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉを増幅する増幅回路である。
【０００６】
つまり、この従来装置では、反転増幅回路ＯＰを用いたミキシング回路９Ａにおいて変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉに局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍ（近似周波数の電気信号）を重畳することで、図８（イ）に模式的に示す如き両波波形の重畳電気信号Ｚｔ′を生成し、続いて、この両波波形の重畳電気信号Ｚｔ′を倍電圧整流回路からなる検波回路９Ｂにおいて検波処理することで、図８（ロ）に模式的に示す如き片波波形（検波波形）の重畳電気信号Ｚｔを生成し、そして、この片波波形の重畳電気信号Ｚｔに対しフィルタ回路１０において高周波成分の除去処理を施すことで、図８（ハ）に模式的に示す如き可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏを得るようにしていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の超音波変換装置は、ミキシング回路９Ａ及び検波回路９Ｂの夫々を構成する部品の点数が多くて装置コストが高く付き、また、ミキシング回路９Ａ（特に反転増幅回路ＯＰ）の消費電力が大きい問題があった。
【０００８】
しかも、ミキシング回路９Ａにおける反転増幅回路ＯＰの反転入力端子に入力する局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍが抵抗Ｒ１を通じ前段の変換回路２の側に漏れ易くて、その漏れ信号が装置の作動に悪影響を与える問題もあり、例えば、この種の超音波変換装置では一般に、変換回路２から送出される高周波電気信号Ｚｉを増幅する増幅回路８がミキシング回路９Ａの前段に設けられるが、この増幅回路８に上記漏れ信号が混入することで、増幅回路８の出力信号が飽和するといったことが生じ易い。
【０００９】
そしてまた、この漏れ信号による悪影響を極力回避するために増幅回路８の増幅度が低く制限され、そのことで装置のＳ／Ｎ比が低くなる問題もあった。
【００１０】
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、合理的な改良により上記問題を効果的に解消する点にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は超音波変換装置に係り、その特徴は、
超音波を高周波電気信号に変換する変換回路と、その変換回路から送出される高周波電気信号と周波数が近似する電気信号を発生する局部発振回路と、前記変換回路から送出される高周波電気信号をゲート端子に入力するとともに前記局部発振回路の発生電気信号を非接地のソース端子に入力するミキシング・検波用の電界効果トランジスタと、この電界効果トランジスタにおける電源非接続のドレイン端子から送出される電気信号から高周波成分を除去して可聴周波数帯域の電気信号を取り出すフィルタ回路とを設けてある点にある。
【００１２】
つまり、この構成によれば、変換回路から送出される高周波電気信号に対し局部発振回路の発生電気信号を重畳するミキシング処理（すなわち、先述の従来装置におけるミキシング回路９Ａでの処理）と、そのミキシング処理により得られる重畳電気信号に対して施す検波処理（すなわち、先述の従来装置における検波回路９Ｂでの処理）との両方が上記ミキシング・検波用の電界効果トランジスタにおいて施される形態となり、変換回路から送出される高周波電気信号（すなわち、変換回路に入力された超音波に相応する高周波電気信号）と局部発振回路の発生電気信号（すなわち、変換回路から送出される高周波電気信号と周波数が近似する電気信号）との周波数差に等しい周波数の低周波成分（うなり成分）を含む検波済みの重畳電気信号が電界効果トランジスタのドレイン端子から送出されて後続のフィルタ回路に入力される。
【００１３】
したがって、従来装置と同様、局部発振回路に発生させる電気信号の周波数を変換回路への入力超音波に応じた適当値に設定した状態で、フィルタ回路において上記電界効果トランジスタのドレイン端子から送出される電気信号から高周波成分を除去するようにすれば、変換回路への入力超音波に対応する可聴周波数帯域の電気信号をフィルタ回路から取り出すことができる。
【００１４】
そして、このように超音波を可聴周波数帯域の電気信号に変換する機能については従来装置と同様の機能を得ながらも、上記構成によれば、従来装置における先述の如きミキシング回路９Ａや検波回路９Ｂに比べ、ミキシング処理部及び検波処理部を構成する部品の点数を少なくすることができて、装置コストを安価にすることができ、また、ドレイン端子が電源非接続で電界効果トランジスタの消費電力が無いことから、装置全体の消費電力も大きく低減することができる。
【００１５】
しかも、電界効果トランジスタの入力インピーダンスは反転増幅回路の入力インピーダンスに比べかなり大きくて、電界効果トランジスタのゲート端子に対する入力部に大きな抵抗を介装することが許容されることから、上記構成によれば、局部発振回路の発生電気信号が前段の変換回路側に漏れることを効果的に回避することができ、これにより、その漏れ信号による従来の問題、すなわち、漏れ信号が装置作動に悪影響を与えるといった問題や、漏れ信号による悪影響を回避するために変換回路からの高周波電気信号に対する増幅処理での増幅度が低く制限されて装置のＳ／Ｎ比が低くなるといった問題も効果的に回避することができ、この点で、従来装置に比べ装置性能も効果的に向上させることができる。
【００１６】
なお、請求項１に係る発明の実施において、フィルタ回路で取り出した可聴周波数帯域の電気信号は、必ずしも、その信号をスピーカーやレシーバーに入力して超音波に対応した可聴音を発生させる用途に用いるに限らず、その信号の信号値を種々の目的で表示したり、その信号に基づき種々の制御を行うなど、どのような用途に用いてもよい。
【００１７】
また、変換回路は、気体中を伝播する超音波を入力するものに限らず、固体中を機械的な振動として伝播する超音波を入力するものや、液体中を伝播する超音波を入力するものなど、どのような形態で超音波を入力するものであってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の超音波変換装置を用いた携帯型の超音波式漏洩検出装置を示し、この漏洩検出装置１の先端部には、配管系における流体漏洩箇所で発生する超音波Ｕを検出する指向性マイクロホン２及び光ビーム照射光源３を配置し、後端部には、検出した超音波Ｕの強さ（本例では検出超音波Ｕの音圧レベル）をデジタル表示４ａとバーグラフ表示４ｂとにより表示するとともに、各時点の感度レベルＳをデジタル表示４ｃで表示するディスプレイ４、並びに、各種キー５を配置してある。
【００１９】
また、この漏洩検出装置１には、検出した超音波Ｕの強さを、それに応じた音量（または音質）の可聴音で表現して装置の使用者に認知させるイヤホン６を装備してある。
【００２０】
マイクロホン２は、図３に示す如く複数個をそれらの指向範囲Ｅに共通の重なり部分ＥＥが生じる状態に装置前面視で正多角形Ｋ（本例では正六角形）の頂点位置に分散配置し、また、光ビーム照射光源３はマイクロホン指向範囲Ｅの共通重なり部分ＥＥに対して光ビームを照射する状態に装置前面視で上記正多角形Ｋの重心位置に配置してある。
【００２１】
つまり、この漏洩検出装置１では、図４に示す如く装置先端を探知対象の配管の側に向けた状態でその先端向きを配管の延設方向へ徐々に変化させてマイクロホン２の指向方向を変化させながら、イヤホン６の出力可聴音、及び、ディスプレイ４上のデジタル表示４ａとバーグラフ表示４ｂとに基づき漏洩箇所を探知するが、この際、上記光ビーム照射光源３から照射する光ビームの照射ポイントＰが各時点の探知対象箇所に合致するようにしてあり、これにより、その照射ポイントＰの目視により装置の使用者は各時点の探知対象箇所を逐次明確に把握することができる。
【００２２】
なお、７は先端に小開口を形成した円錐状のキャップであり、漏洩箇所と思われる箇所を探知したときには、必要に応じ、このキャップ７を装置１の先端部に装着して複数のマイクロホン２の全体としての指向性を強くした状態で、漏洩箇所をより詳細に確認する。
【００２３】
図５は、この漏洩検出装置１の検出回路を示し、マイクロホン２は増幅回路８とミキシング検波回路９とフィルタ回路１０と整流回路１１と最終調整回路１２との直列接続回路を介して、マイクロコンピュータからなる中央処理装置１３のＡ／Ｄ入力端子に接続してあり、また、イヤホン６は音量調整手段１４を介して上記直列接続回路におけるフィルタ回路１０と整流回路１１との間の部分に接続してある。
【００２４】
マイクロホン２（具体的には複数のマイクロホン２の直列又は並列接続回路）は変換回路として、漏洩箇所から空気中を伝播する超音波Ｕをそれに相応の高周波電気信号Ｚｉに変換し、増幅回路８はマイクロホン２から送出される高周波電気信号Ｚｉを指定の倍率で増幅する。
【００２５】
１５はマイクロホン２から送出される高周波電気信号Ｚｉと周波数が近似する設定近似周波数の電気信号Ｚｍを発生する局部発振回路であり、ミキシング検波回路９は、マイクロホン２から送出されて増幅回路８で増幅された高周波電気信号Ｚｉに対し局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍを重畳するミキシング処理を行うとともに、そのミキシング処理に併せ検波処理を行い、続いて、フィルタ回路１０は、ミキシング検波回路９から送出される検波済みの重畳電気信号Ｚｔから高周波成分を除去して可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏを取り出す。
【００２６】
すなわち、この漏洩検出装置１では、いわゆるヘテロダイン方式により、マイクホン２の検出超音波Ｕをそれに対応する可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏに変換する。
【００２７】
フィルタ回路１０から送出される可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏは、整流回路１１で全波整流されるとともに最終調整回路１２で最終調整されて中央処理装置１３に入力され、中央処理装置１３は、この入力信号Ｚｏの信号値を平均化するとともに所定の換算値にしてデジタル表示４ａ及びバーグラフ表示４ｂによりディスプレイ４上に表示する。
【００２８】
また一方、フィルタ回路１０から送出される可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏは、音量調整手段１４を介しイヤホン６に入力され、これにより、検出超音波Ｕに応じた可聴音がイヤホン６から出力される。
【００２９】
中央処理装置１３には、ディスプレイ４の他、光ビーム照射光源３、各種キー５、引き金形態の起動スイッチ１６、記憶手段１７、通信手段１８を接続してあり、中央処理装置１３は、使用者による起動スイッチ１６の操作に従い電源をＯＮ・ＯＦＦ操作して装置の作動状態と非作動状態との切り換えを行い、また、使用者による各種キー５の操作に従って光ビーム照射光源３のＯＮ・ＯＦＦ操作、感度レベルＳの変更処理、漏洩量の演算処理、データ記録処理などの各種処理を実行する。
【００３０】
増幅回路８は、増幅器１９ａと帯域フィルタ２０ａと減衰器２１ａを直列接続した第１調整部８Ａと、同じく増幅器１９ｂと帯域フィルタ２０ｂと減衰器２１ｂを直列接続した第２調整部８Ｂと、同じく増幅器１９ｃと帯域フィルタ２０ｃと減衰器２１ｃを直列接続した第３調整部８Ｃとを直列に接続して構成してあり、中央処理装置１３は、キー操作により感度レベルＳの変更を指示されると、制御信号ｃにより各調整部８Ａ〜８Ｃにおける減衰器２１ａ〜２１ｃの減衰率を段階的に変更して、増幅回路８全体としての信号増幅の倍率を指示された感度レベルＳに対応する倍率に変更する。
【００３１】
また、中央処理装置１３は、キー操作により漏洩量の演算を指示されると、同じくキー操作により入力される演算条件と、予め記憶手段１７に格納されている漏洩量演算についての設定情報と、超音波Ｕの検出データとに基づいて、その超音波検出データを得た漏洩箇所での流体漏洩量を演算する。
【００３２】
そしてまた、中央処理装置１３は、キー操作によりデータ記録を指示されると、デジタル表示４ａの表示値やその表示値を得たときの感度レベルＳなどの超音波検出データとともに、その超音波検出データを得た漏洩箇所についての演算漏洩量を探知漏洩箇所ごとの管理番号を付して記憶手段１７に格納する。
【００３３】
通信手段１８は、キー操作により付与される通信指令や外部の管理コンピュータ（図示せず）の側からの通信指令に応じ中央処理装置１３による通信制御下において管理コンピュータとの間で双方向の通信を行うものであり、この双方向の通信により、漏洩箇所探知作業において漏洩箇所ごとに記憶手段１７に逐次格納したデータ（管理番号と超音波検出データと演算漏洩量）を漏洩検出装置１から管理コンピュータに送る処理や、前記した漏洩量演算についての設定情報及び装置の各種初期設定値などを管理コンピュータから漏洩検出装置１に送って記憶手段１７に格納する処理などを行う。
【００３４】
ミキシング検波回路９は、マイクロホン２から送出されて増幅回路８で増幅された高周波電気信号Ｚｉを抵抗Ｒ１を通じてゲート端子Ｇに入力するとともに、局部発振回路１５が発生する設定近似周波数の電気信号Ｚｍを抵抗Ｒ２を介して非接地のソース端子Ｓに入力するミキシング・検波用の電界効果トランジスタ９Ｔ（本例ではＮチャンネル型ＦＥＴ）で構成してあり、この電界効果トランジスタ９Ｔにおける電源非接続のドレイン端子Ｄから送出される電気信号Ｚｔをフィルタ回路１０に入力するようにしてある。
【００３５】
また、フィルタ回路１０は、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６との直列接続列において抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６との間、及び、抵抗Ｒ６の下手側の夫々に接地コンデンサＣ３，Ｃ４を接続して構成したローパスフィルタにしてあり、抵抗Ｒ６と接地コンデンサＣ４とを接続した出力端子から高周波成分除去済みの電気信号Ｚｏを取り出すようにしてある。なお、コンデンサＣ５は検波時に発生したＤＣ成分を除去するためのものである。
【００３６】
つまり、この漏洩検出装置１では、マイクロホン２から送出されて増幅回路８で増幅された高周波電気信号Ｚｉに対し局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍを重畳するミキシング処理と、そのミキシング処理により得られる重畳電気信号に対して施す検波処理との両方がミキシング・検波用の電界効果トランジスタ９Ｔにおいて施される形態となり、マイクロホン２から送出される高周波電気信号Ｚｉと局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍとの周波数差に等しい周波数の低周波成分（うなり成分）を含む検波済みの重畳電気信号Ｚｔが電界効果トランジスタ９Ｔにおける電源非接続のドレイン端子Ｄから送出されてフィルタ回路１０に入力される。
【００３７】
そして、このフィルタ回路１０において、電界効果トランジスタ９Ｔのドレイン端子Ｄから送出される検波済みの重畳電気信号Ｚｔから高周波成分を除去することで、マイクロホン２への入力超音波Ｕに対応する可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏをフィルタ回路１０から後続回路へ送出する。
【００３８】
また、このように超音波Ｕをヘテロダイン方式により可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏに変換することにおいて、局部発振回路１５の発生電気信号Ｚｍが電界効果トランジスタ９Ｔを通じて前段側に漏れることを、電界効果トランジスタ９Ｔのゲート端子Ｇに接続した大きな抵抗Ｒ１により効果的に防止し、これにより、そのような漏れ信号に原因する装置作動上の不都合を効果的に防止して高い装置性能を確保する。
【００３９】
１５ａ，１５ｂは局部発振回路１５を構成する発振子及びバッファー、Ｒ３，Ｒ４は局部発振回路１５を構成する抵抗、Ｃ１，Ｃ２は同じく局部発振回路１５を構成するコンデンサであり、１２ａ，１２ｂは最終調整回路１２におけるローパスフィルタ及び増幅器である。
【００４０】
なお、図６の（イ）〜（ニ）は図５の検出回路におけるイ〜ニの各部での電気信号Ｚｉ，Ｚｔ，Ｚｍ，Ｚｏの波形例を示している。
【００４１】
〔別の実施形態〕
次に別実施形態を列記する。
【００４２】
本発明の実施において、超音波Ｕを高周波電気信号Ｚｉに変換する変換回路は、前述の実施形態で示した如く気体中を伝播する超音波を入力するものに限らず、どのような形態で超音波を入力するものであってもよく、また、その具体的な回路構造も検出対象超音波の形態や装置の用途などに応じて種々の構造を採ることができる。
【００４３】
また、本発明の実施において、変換回路から送出される高周波電気信号Ｚｉと周波数が近似する電気信号Ｚｍを発生する局部発振回路の具体的な回路構造、及び、電界効果トラジスタ９Ｔにおける電源非接続のドレイン端子Ｄから送出される検波済みの重畳電気信号Ｚｔから高周波成分を除去して可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏを取り出すフィルタ回路の具体的な回路構造も夫々、前述の実施形態で示した如き構造に限らず、種々の構成変更が可能である。
【００４４】
フィルタ回路で取り出した可聴周波数帯域の電気信号Ｚｏは、どのような用途に用いてもよく、本発明による超音波変換装置は、超音波検出に基づいて配管系やタンク類での流体漏洩を検出する超音波式の漏洩検出装置や、超音波検出に基づいて機器の摩損を検出する超音波式の摩損検出装置、あるいは、超音波検出に基づいて機器の作動状態を検出する超音波式の作動状態検出装置など、各種装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】漏洩検出装置の斜視図
【図２】装置背面部分の拡大図
【図３】装置前面部分の拡大図及び指向範囲を示す図
【図４】装置使用状態を示す斜視図
【図５】検出回路の回路構成を示すブロック図
【図６】各部の電気信号波形を示すグラフ
【図７】従来装置の回路構成を示すブロック図
【図８】従来装置における各部の電気信号波形を模式的に示すグラフ
【符号の説明】
２            変換回路
９Ｔ          ミキシング・検波用の電界効果トランジスタ
１０          フィルタ回路
１５          局部発振回路
Ｄ            電源非接続のドレイン端子
Ｇ            ゲート端子
Ｓ            非接地のソース端子
Ｕ            超音波
Ｚｉ          変換回路が送出する高周波電気信号
Ｚｍ          局部発振回路が発生する近似周波数の電気信号
Ｚｏ          フィルタ回路で取り出される可聴周波数帯域の電気信号
Ｚｔ          ドレイン端子から送出される電気信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004219377.tif 000009
【図８】
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