(57)【要約】【課題】高効率で簡素な構造の超音波送信装置を構成する。【解決手段】振動子１０を駆動する駆動パルス信号を生成するドライバ回路１２にはＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  を備えたハーフブリッジ回路が備えられており、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  にはドライバＩ／Ｆ１１からそれぞれドライブ信号が入力される。また、ＦＥＴ１  のソース端子に駆動電圧ＶＢ  が供給され、ＦＥＴ２  のドレイン端子が接地され、ハーフブリッジ回路の出力端子５１は振動子１０に接続されている。ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  のいずれかがオン状態となる制御を行うことで、ＦＥＴ１  がオン状態の時には振動子１０に駆動電圧が駆動パルス信号として供給され、ＦＥＴ２  がオン状態の時には振動子１０とＦＥＴ２  とで低インピーダンスの閉ループ回路が形成される。これらを固有の周期で繰り返すことにより、振動子１０が固有共振周波数で振動して超音波信号が送信される。【選択図】  図２
2004354224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサに備えられた、所定のパルス信号で駆動する複数の振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子を直列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するハーフブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記複数の振動子毎に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオフ状態にし、前記第１のスイッチング素子がオフ状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
【請求項２】
トランスデューサに備えられた、所定のパルス信号で駆動する複数の振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記複数の振動子毎に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、前記第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、前記第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において前記第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波送信装置と、トランスデューサの複数の振動子が超音波を受信することにより発生する信号を制御して、受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを備えた超音波送受信装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の受信ビーム形成手段の制御により、前記送信ビーム内での探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から前記送信ビームが形成する方向の探知画像データを求め、該探知画像データを表示する手段とを備えた探知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を送信する超音波送信装置、この送信された超音波のエコーを受信する超音波送受信装置、およびこれらを用いて物標を探知する探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、一般に水中にある物標を探知するためにスキャニングソナー等のソナー装置が用いられている。スキャニングソナーは、周囲の全方位の物標を探知するため、略円筒形状のトランスデューサを備えており、このトランスデューサに配列形成された振動子を駆動させることによって、全周に向けて超音波の送信ビームを形成する。また、トランスデューサの円周方向（方位方向）に並ぶ所定数の振動子を用いて、所定方位に受信ビームを形成し、用いる振動子列の組の選択を切り換えることによって、受信ビームの方位を順次回転させる。このことによって全方位に亘る探知を行う。
【０００３】
このようなスキャニングソナーの超音波送受信装置においては、近接する船舶同士間で互いの送信する超音波同士が干渉し合わないように、超音波の出力すなわち、振幅を制御しなければならない場合がある。また、複数の振動子を備えたトランスデューサから超音波を送信する場合、配列形成された振動子から出力される送信ビームのサイドローブの抑制が必要となる。このため、振動子毎に供給する駆動信号を正確に制御して各振動子から送信される超音波信号の振幅を制御しなければならない。
【０００４】
一般に、超音波送受信装置の送信部の電力増幅部では、その終段部に複数のスイッチング素子を用いたブリッジ回路が用いられている。このブリッジ回路でスイッチング素子を駆動することにより、振動子を駆動するパルス信号を生成する。そして、このパルス信号により振動子は振動して超音波信号を外部に送信する（例えば、特願２００１−４０１７９８号公報参照。）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のブリッジ回路としては、スイッチング素子を４つ用いたフルブリッジ回路とスイッチング素子を２つ用いたハーフブリッジ回路とが存在する。
【０００６】
図６はフルブリッジ回路を示す概略構成図である。なお、本図ではスイッチング素子としてＦＥＴを用いた例を示す。
【０００７】
図６に示すようにフルブリッジ回路は、駆動電圧ＶＢ  を供給する電圧供給部と接地電位との間に２つのＦＥＴ１１，ＦＥＴ１２を直列接続した回路と、２つのＦＥＴ２１，ＦＥＴ２２を直列接続した回路とが並列に設けられ、ＦＥＴ１１，ＦＥＴ１２の接続点とＦＥＴ２１，ＦＥＴ２２の接続点とが振動子ＸＤの両端にそれぞれ接続した構成である。
【０００８】
このようなフルブリッジ回路では、各ＦＥＴ１１，ＦＥＴ１２，ＦＥＴ２１，ＦＥＴ２２に図７（ａ）〜（ｄ）に示すドライブ信号を入力することで、ＦＥＴ１１，ＦＥＴ１２，ＦＥＴ２１，ＦＥＴ２２のオン／オフ状態を制御し、振動子ＸＤに図７（ｅ）に示すパルス信号を供給し、振動子ＸＤが固有共振周波数で振動する。すなわち、ＦＥＴ１１，ＦＥＴ２１でパルス信号を振動子に供給して、振動子を共振させ自由振動させると、パルス信号を供給しない間も引き続き自由振動を維持する。そして、ＦＥＴ１１とＦＥＴ２２とをオン状態にするタイミングと、ＦＥＴ２１とＦＥＴ１２とをオン状態にするタイミングとを、振動子ＸＤの共振周波数に対して半周期ずらして同期させて、パルス信号を振動子に連続して供給する。これにより、振動子が連続的に共振するので、自由振動による減衰量が補われ、所定振幅の超音波信号が出力される。ここで、パルス信号のパルス幅を調整することにより超音波信号の振幅が制御されて、所望の振幅の超音波信号が出力される。
【０００９】
しかし、このようなフルブリッジ回路では、ＦＥＴＥ１１，ＦＥＴ２１から振動子に駆動電圧が供給されていない状態、すなわち、ＦＥＴ１１，ＦＥＴ２１がオフ状態のときに、ＦＥＴ１２，ＦＥＴ２１がオフ状態であると、振動子とＦＥＴ１２，ＦＥＴ２１からなる閉ループ回路のインピーダンスが非常に高くなる。ここで、超音波信号の振幅を大きくする場合は、パルス信号のパルス幅が大きくなるため、上記ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ２２の全てがオフ状態となる時間（図６におけるα区間およびβ区間に対応）は短いため、振動子の振動の減衰量は比較的少なくなる。しかし、超音波信号の振幅を小さくする場合は、供給されるパルス幅が短くなるため、ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ２２の全てがオフ状態となる時間は長くなり、フルブリッジ回路と振動子とからなる閉ループ回路が非常に高いインピーダンスを示す時間が長くなるとともに自由振動が制限される。これにより、振動子の振動が極端に減衰して、連続的に超音波信号を送信する場合、非常に損失が大きくなって効率が悪くなる。また、この減衰量が非常に大きく、次のパルスが供給されるまでに振動が停止してしまえば、連続して超音波信号を送信することができなくなる。
【００１０】
以上のことは、従来のハーフブリッジ回路についても云える。図８は従来のハーフブリッジ回路を示す概略構成図である。
【００１１】
図８に示すようにハーフブリッジ回路は、正の電圧（ＶＢ  ）の供給部と負の電圧（−ＶＢ  ）の供給部との間に２つのＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  を直列接続した回路が設けられ、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  の接続点が振動子ＸＤに接続されているとともに、振動子ＸＤに並列にＦＥＴ３  が接続された構成である。
【００１２】
このようなハーフブリッジ回路では、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  に図９（ａ）、（ｂ）に示すドライブ信号が入力されることで、振動子が固有共振周波数で振動する。ここで、ＦＥＴ３  が常時オフ状態すなわち、ＦＥＴ３  が無い、２つのＦＥＴからなる一般のハーフブリッジ回路の場合には、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  がともにオフとなるタイミングが生じる。特に、超音波信号の振幅を小さくするためにパルス幅を狭くした場合、２つのＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  がともにオフ状態となる時間（図９におけるγ区間およびδ区間）が長くなる。このため、振動子とハーフブリッジ回路からなる閉ループ回路が非常に高いインピーダンスを示す時間が長くなるとともに自由振動が制限される。これにより、上述のフルブリッジ回路の場合と同様に、振動子の振動が極端に減衰して、連続的に超音波信号を送信する場合、非常に損失が大きくなって効率が悪くなる。
【００１３】
このため、一般のハーフブリッジ回路の負荷（振動子）に並列に新たなＦＥＴ３  を設ける。ＦＥＴ３  は図８に示すように、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  の両方がオフ状態にある時にオン状態となる制御が行われている。これにより、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  がオフ状態にあるときに、振動子ＸＤとＦＥＴ３  との閉ループ回路で低インピーダンスを実現できるので、低損失で自由振動が継続し、連続して超音波信号を送信することができる。
【００１４】
しかしながら、このようなハーフブリッジ回路においては、振動子に並列にＦＥＴを追加するので、回路が複雑になってしまうという問題がある。
【００１５】
この発明の目的は、複数のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路を用いて、振動子をパルス信号で駆動して超音波を送信する、高効率で簡素な構造の超音波送信装置、これを用いた超音波送受信装置、およびこれらを用いた探知装置を構成することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の超音波送信装置の送信ビーム形成手段は、ハーフブリッジ回路にドライブ信号を与えるドライブ信号生成部で、ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオフ状態にし、前記第１のスイッチング素子がオフ状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
【００１７】
この構成では、ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態になり、第２のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を形成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。一方、第１のスイッチング素子がオフ状態になり、第２のスイッチング素子がオン状態になると、その状態を維持する全期間において、振動子は第２のスイッチング素子とともに閉ループの低インピーダンス共振回路を構成する。
【００１８】
このハーフブリッジ回路と振動子とは、等価的に図１０（ａ）に示すスイッチＳＷを含む共振回路となる。この共振回路において、ＳＷのＡ接状態の時が、ハーフブリッジ回路では第１のスイッチング素子がオン状態、第２のスイッチング素子がオフ状態であり、ＳＷのＢ接状態の時が、第１のスイッチング素子がオフ状態、第２のスイッチング素子がオン状態である。また、振動子は、等価的に抵抗、コイル、およびインダクタの直列回路で示される。
【００１９】
この共振回路は、スイッチＳＷが一旦Ａ接状態になると電源Ｖから所定電圧が振動子に供給され、スイッチＳＷがＢ接状態になると振動子のみの直列共振回路となる。これにより、図１０（ｂ）に示すように、所定の振幅および減衰特性を有する固有共振周波数の減衰振動が生じる。
【００２０】
このように、ハーフブリッジ回路を駆動し、振動子にパルス信号を供給することで、振動子は固有共振周波数で共振して自由振動を起こし、パルスが供給されていない間もこの振動を維持する。さらに、第１のスイッチング素子の駆動タイミングを振動子の固有共振周波数に同期させることで、第１のスイッチング素子を介して駆動電圧が連続的に供給されるので、振動子は所定の振幅値で振動を続け、超音波信号を送信する。
【００２１】
ここで、振動子では供給されるパルス信号のパルス幅に応じて超音波信号の振幅が決定されるので、パルス信号のパルス幅を可変にすることにより、振動子から出力される超音波信号の振幅を制御できる。この制御を行うことで、振動子から送信される超音波信号の振幅制御をトランスデューサに配列形成された振動子毎に行い、所望のウェイト付けが行われた超音波送信ビームを形成する。
【００２２】
また、この発明の超音波送信装置の送信ビーム形成手段は、フルブリッジ回路にドライブ信号を与えるドライブ信号生成手段で、フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
【００２３】
この構成では、フルブリッジ回路の第１、第４のスイッチング素子がオン状態になり、第２のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、第１、第４のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を構成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。また、第３、第２のスイッチング素子がオン状態になり、第４のスイッチング素子がオフ状態になると、その状態を維持する全期間において、第３、第２のスイッチング素子と振動子とが閉ループ回路を構成し、所定駆動電圧すなわち振幅のパルス信号が、オン状態の長さ応じたパルス幅で振動子に供給される。この第１のスイッチング素子がオン状態になるタイミングと、第３のスイッチング素子がオン状態となるタイミングとは、パルス信号により生じる振動子の共振周期に対して、互いに半周期ずれて同期されている。一方、第１、第３のスイッチング素子がオフ状態になり、第２、第４のスイッチング素子がオン状態になると、その状態を維持する全期間において、振動子は、第２、第４のスイッチング素子とともに閉ループの低インピーダンス共振回路を構成する。
【００２４】
このようなフルブリッジ回路を用いた場合にも、上述のハーフブリッジ回路を用いた場合と同様に、振動子の共振と、この共振による振動の維持とを繰り返すことで、連続して超音波信号を送信する。
【００２５】
また、この発明の超音波送受信装置は、上述の超音波送信装置と、トランスデューサの複数の振動子が超音波を受信することにより発生する信号を制御して、受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを備えたことを特徴としている。
【００２６】
この構成では、送信期間中にトランスデューサの複数の振動子から超音波送信ビームを水中等に送信し、受信期間にこのトランスデューサの複数の振動子により送信ビームのエコーを受信して、該振動子が発生する信号を制御することで受信ビームを形成する。
【００２７】
また、この発明に示す探知装置は、上述の超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の受信ビーム形成手段の制御により、送信ビーム内での探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から、送信ビームが形成する方向の探知画像データを求め、探知画像データを表示する手段とを備えたことを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置を備えたスキャニングソナーについて、図を参照して説明する。
【００２９】
図１は、スキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図である。図１において、ドライバＩ／Ｆ１１は、後述するプログラマブル送信ビーム形成制御部２６から与えられるＣＬＯＣＫ信号と、スイッチングを制御するディジタル形式の制御信号とに基づいて、ドライバ回路１２を制御するドライブ信号を生成する。すなわち、本発明のドライブ信号生成手段とは、ドライバＩ／Ｆ１１およびプログラマブル送信ビーム形成部２６を示す。ここで、制御信号は、プログラマブル送信ビーム形成制御部２６の波形メモリ２４に、超音波信号の振幅に応じて、複数種類のパターンで予め記憶されており、送信する超音波信号の振幅が決定されると、この振幅に応じた制御信号がドライバＩ／Ｆ１１に入力される。
【００３０】
ドライバ回路１２は図２に示すハーフブリッジ回路を備えている。
図２は、ドライバ回路１２に備えられたハーフブリッジ回路を示す概略構成図である。
【００３１】
ハーフブリッジ回路は図２に示すように、請求項１の発明の第１、第２のスイッチング素子に対応する２つのＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  と振動子に供給する電力を格納するコンデンサＣとから構成されており、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  のゲート端子Ｇ１  ，Ｇ２  のそれぞれにドライバＩ／Ｆ１１から、図４（ｃ）、（ｄ）に示すドライブ信号１，２が入力される。また、ＦＥＴ１  のドレイン端子Ｄ１  がＦＥＴ２  のソース端子Ｓ２  に接続するとともに、該ハーフブリッジ回路の出力端子５１を形成している。また、ＦＥＴ１  のソース端子Ｓ１  には、振動子（ＸＤ）１０を駆動する駆動パルス信号の振幅を与えるための電圧（駆動電圧）ＶＢ  が供給されており、ＦＥＴ２  のドレイン端子Ｄ２  は接地されている。さらに、ＦＥＴ１  のゲート端子Ｇ１  はコンデンサＣを介して接地されている。このハーフブリッジ回路に、図４（ｃ），（ｄ）に示すドライブ信号１，２が入力されることで、ＦＥＴ１  ，ＦＥＴ２  がスイッチングして、図４（ｅ）に示す駆動パルス信号を出力する。この駆動パルス信号は送受切替回路１３を介して、振動子１０に供給される。振動子１０はこの駆動パルス信号により固有の共振周波数で振動して、外部に正弦波状の超音波信号を送信する。
【００３２】
送受切替回路１３は、送信期間にドライバ回路１２から出力された駆動パルス信号を振動子１０に導き、受信期間に振動子１０が出力した信号をプリアンプ１４へ受信信号として導く。プリアンプ１４はこの受信信号を増幅し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５は受信信号の周波数帯域以外のノイズ成分を除去する。Ａ／Ｄコンバータ１７はその受信周波数帯域の信号を所定のサンプリング周期でサンプリングして、ディジタルデータ列に変換する。
【００３３】
上述の各部分により、送受信チャンネル１００は構成されており、この送受信チャンネルを、１００ａ，１００ｂ，・・・１００ｎで示すように振動子１０の数だけ設けている。これら振動子１０は円筒形または球形等のトランスデューサ表面に配列して設置されている。
【００３４】
図３は、図１に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成する制御部のブロック図である。なお、図３におけるインターフェース２０は図１に示したインターフェース２０を示す。
【００３５】
まず、送信系の構成について説明する。
【００３６】
図３において、２６はプログラマブル送信ビーム形成制御部である。このプログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、駆動パルス信号生成回路２１、波形メモリ２４、およびＴＸ−ＤＳＰ２５を含んでいる。駆動パルス信号生成回路２１はタイミングジェネレータ２２と係数テーブル２３とを備えており、ＦＰＧＡにより構成される。タイミングジェネレータ２２は各振動子１０への駆動パルス信号の生成タイミングを与える信号を発生する。係数テーブル２３は、ＴＸ−ＤＳＰ２５で演算するのに必要な係数を予め記憶している。波形メモリ２４は、上述のように、ドライブ信号１，２を形成するための、［０，１］の２値からなる制御信号を予め記憶しており、ＴＸ−ＤＳＰ２５は、この制御信号を読み出して、各振動子の各チャンネルに与える遅延量を加えた信号を演算する。なお、ＴＸ−ＤＳＰ２５は送信毎に係数テーブル２３の内容を計算し、更新する。
【００３７】
駆動パルス信号生成回路２１は、ＴＸ−ＤＳＰ２５で演算された制御信号を、タイミングジェネレータ２２で生成されたタイミングにより、ＣＬＯＣＫ信号とともにインターフェース（Ｉ／Ｆ）２０を介して送受信チャンネル１００に出力する。
【００３８】
これら、送信ビーム形成制御部２６と複数の送受信チャンネル１００とを組み合わせることで、本発明の送信ビーム形成手段が構成される。
【００３９】
次に、この送信系および送受信チャンネル１００の各部における各信号の生成方法を説明する。
図４は、ＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号１、ドライブ信号２、駆動パルス信号、および超音波信号の関係を示すタイミングチャートである。
【００４０】
上述のように、プログラマブル送信ビーム形成制御部２６は、制御信号のタイミングを与える矩形波状のＣＬＯＣＫ信号（図４（ａ））と、ドライブ信号１、ドライブ信号２を生成するための制御信号（図４（ｂ））とを生成する。制御信号は［０，１］からなる２値信号であり、ＣＬＯＣＫ信号に同期して送信することで、ドライブ信号１，２のレベルを遷移するか保持するかを与える。
【００４１】
ドライバＩ／Ｆ１１は、ＣＬＯＣＫ信号と制御信号に基づいて、制御信号が「１」であれば、ドライブ信号１、ドライブ信号２のレベルを遷移させ、制御信号が「０」であれば、ドライブ信号１、ドライブ信号２のレベルを保持することで、図４（ｃ）に示すドライブ信号１と、図４（ｄ）に示すドライブ信号２とを生成し、ドライバ回路１２に出力する。ここで、ドライバＩ／Ｆ１１はドライブ信号１をドライバ回路１２のハーフブリッジ回路のＦＥＴ１  に出力し、ドライブ信号２をＦＥＴ２  に出力する。
【００４２】
ドライバ回路１２のハーフブリッジ回路では、ドライブ信号１がＨｉ状態でドライブ信号２がＬｏｗ状態となると、ＦＥＴ１  がオン状態となり、ＦＥＴ２  がオフ状態となる。そして、所定時間経過後に、ドライブ信号１がＬｏｗ状態、ドライブ信号２がＨｉ状態に切り替わることで、ＦＥＴ１  がオフ状態となり、ＦＥＴ２  がオン状態となる。これにより、ＦＥＴ１  のソース端子Ｓ１  からドレイン端子Ｄ１  を通じて、所定パルス幅で駆動電圧ＶＢ  の信号が出力されることで、図４（ｅ）に示す駆動パルス信号が生成される。この駆動パルス信号が振動子１０に入力されると、振動子１０は駆動パルス信号の立ち上がりに応じて、固有の共振周波数で共振する。
【００４３】
そして、ＦＥＴ１  がオフ状態であってもＦＥＴ２  がオン状態とすることで、ＦＥＴ２  と振動子１０とで低インピーダンス回路が形成されるので、共振による振動子１０の振動は大きく減衰されることなく継続される。
【００４４】
さらに、振動子１０の共振周波数と、ドライブ信号１，２の周波数とを一致させて、ＦＥＴ１  のオン状態への遷移のタイミングを振動子１０の振幅が負から正に遷移するタイミングに一致させる。すなわち、共振周波数に同期させることにより、振動子１０の自由振動における経時的な減衰が補完される。これにより、所定の周波数で連続して振動子１０を振動させ、図４（ｆ）に示す超音波信号を送信することができる。
【００４５】
なお、このように駆動パルス信号により振動子を振動させる場合、駆動パルス信号のオン時間幅が、超音波信号の半周期よりも小さい場合には、このオン時間幅が超音波信号の振幅と正の相関を持つ。このため、オン時間幅を調整することにより超音波信号の振幅を制御する。ここで、上述の構成を用いることで、駆動パルス信号のオン時間幅に関係なく、安定して振動子を共振させることができ、振幅制御が容易となる。
【００４６】
このような構成とすることにより、簡素な構造のハーフブリッジ回路を用いて振動子を殆ど減衰させることなく、超音波信号を出力できるので、高効率で確実に振幅制御できる、簡素な構造の送信ビーム形成手段、およびこれを備えた超音波送信装置を構成することができる。
【００４７】
次に、受信系の構成について説明する。
図３において、バッファメモリ２７は、インターフェース２０を介して各チャネルからの受信データを一時記憶するメモリである。２８はプログラマブル受信ビーム形成制御部であり、ＲＸ−ＤＳＰ２９、係数テーブル３０、および受信ビーム形成演算部３１とから構成されている。ＲＸ−ＤＳＰ２９は受信ビーム毎に各振動子による受信信号の位相とウェイト値とを計算して、係数テーブル３０へ書き込む。受信ビーム形成演算部３１は各振動子の受信信号に対して係数テーブル３０に書き込まれた位相とウェイト値との計算を行って合成することにより合成受信信号を得る。この合成受信信号をビーム毎の時系列データとして求め、これをバッファメモリ３２へ書き込む。この受信ビーム形成演算部３１はＦＰＧＡにより構成されている。
【００４８】
３３はプログラマブルフィルタであり、フィルタＤＳＰ３４、係数テーブル３５、およびフィルタ演算部３６から構成される。フィルタ演算部３６はＦＰＧＡにより構成されている。フィルタＤＳＰ３４はビーム毎に所定の帯域通過フィルタ特性を得るためのフィルタ係数を計算して、それを係数テーブル３５へ書き込む。フィルタ演算部３６は係数テーブル３５の係数に基づいてＦＩＲフィルタとしての演算を行い、帯域処理済みの受信信号を求める。
【００４９】
エンベロープ検出部４０は、各受信ビームの帯域処理済み受信信号のエンベロープを検出する。イメージ処理部４１は、各受信ビームの各距離における受信信号強度をイメージ情報化してディスプレイ４２に出力する。これにより、ディスプレイ４２に所定探知範囲の探知画像を表示する。
【００５０】
探知操作部３９は、探知範囲の指示等を行う入力部である。ホストＣＰＵ３７はインターフェース３８を介して探知操作部３９の指示内容を読み取り、上述した各部の制御を行う。
【００５１】
上述のように、ドライバ回路を構成することにより、従来と同じ構成部品でありながら損失の少ない超音波送受信装置およびこれを用いた探知装置を構成することができる。
【００５２】
次に、第２の実施形態にかかる超音波送受信装置について説明する。
本実施形態に示す超音波送受信装置は、図１に示すドライブ回路１２に、図６に示すフルブリッジ回路を用いて、図５に示すドライブ信号を入力したものである。他の構成は、第１の実施形態に示した超音波送受信装置と同じであり、同一部の説明は省略する。
【００５３】
図５に示したフルブリッジ回路のＦＥＴ１１，ＦＥＴ１２，ＦＥＴ２１，ＦＥＴ２２はそれぞれ請求項２の発明の第１、第２、第３、第４のスイッチング素子に対応する。
【００５４】
送受信チャンネル１００のドライバ回路１２は、上述の図６に示すような、４つのＦＥＴからなるフルブリッジ回路が備えられており、図５に示すドライブ信号１１がＦＥＴ１１に、ドライブ信号１２がＦＥＴ１２に、ドライブ信号２１がＦＥＴ２１に、ドライブ信号２２がＦＥＴ２２に入力される。
【００５５】
このようなフルブリッジ回路では、ドライブ信号１１，２２がＨｉ状態でドライブ信号１２，２１がＬｏｗ状態となると、ＦＥＴ１１，ＦＥＴ２２がオン状態となり、ＦＥＴ１２，ＦＥＴ２１がオフ状態となる。そして、所定時間経過後に、ドライブ信号１１がＬｏｗ状態、ドライブ信号１２がＨｉ状態に切り替わることで、ＦＥＴ１１がオフ状態となり、ＦＥＴ２２がオン状態となる。このため、振動子にはＦＥＴ１１がオン状態であった時間に相当するパルス幅のパルス信号が入力される。これにより、振動子は固有の共振周波数で共振して超音波信号を送信する。この後、ＦＥＴ２１がオン状態になり、ＦＥＴ２２がオフ状態になるまでは、ＦＥＴ１２とＦＥＴ２２のみがオン状態になるため、振動子とＦＥＴ１２，ＦＥＴ２２とで低インピーダンス回路が形成される。これにより、ＦＥＴ１１のオン状態により発振した振動の減衰を抑制することができる。
【００５６】
次に、ＦＥＴ２１が所定時間オン状態となることで、このオン状態の長さに応じたパルス幅のパルス信号が振動子に入力され、振動子は固有の共振周波数で共振する。この後、ＦＥＴ１１がオン状態になり、ＦＥＴ１２がオフ状態になるまでは、再度ＦＥＴ１２とＦＥＴ２２のみがオン状態になるため、振動子とＦＥＴ１２，ＦＥＴ２２とで低インピーダンス回路が形成される。これにより、ＦＥＴ２１のオン状態により発振した振動の減衰を抑制することができる。
【００５７】
ここで、ＦＥＴ１１がオン状態となるタイミングと、ＦＥＴ２１がオン状態となるタイミングとを、振動子の共振周期の半周期でずらし、ＦＥＴ１１による共振とＦＥＴ２１による共振とを同期させることにより、連続振動の減衰分を補完することができるので、連続して安定した超音波信号を発振し続けることができる。
【００５８】
このように、フルフブリッジ回路を用いても、振動子を殆ど減衰させることなく、超音波信号を出力できるので、高効率で確実に振幅制御できる送信ビーム形成手段、およびこれを備えた超音波送信装置を構成することができる。
【００５９】
なお、上述の各実施形態では、超音波信号と同じ周期の駆動パルス信号を用いて、振動子を駆動する方法を示したが、超音波信号よりも短い周期の駆動パルス信号により振動子を駆動してもよい。この場合、振動子の共振周波数の半周期内に供給される複数のパルス信号のパルス幅を合計した幅（オンデューティ比）により、振動子から送信される超音波信号の振幅が制御される。このような駆動方法を用いた場合にも上述の構成は適用でき、且つ同様の効果が期待できる。
【００６０】
【発明の効果】
この発明によれば、振動子を振動させる駆動パルス信号を生成するドライバ回路を２つのスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路、または４つのスイッチング素子からなるフルブリッジ回路で構成し、上述のように、ブリッジ回路のスイッチング素子を制御することにより、確実に振幅制御ができ、高効率で簡素な構造の超音波送信装置を構成することができる。
【００６１】
また、この発明によれば、上述の超音波送信装置と、受信ビーム形成手段を備えた超音波送受信装置と、送信ビームおよび受信ビームを制御する手段を備えることで、探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から探知範囲の探知データを求めて表示して、略同時刻に複数の探知方向の探知画像を正確に把握できる高性能な探知装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスキャニングソナーの送受信チャンネルの構成を示すブロック図
【図２】図１に示すドライバ回路１２に備えられたハーフブリッジ回路を示す概略構成図
【図３】図１に示した複数の送受信チャンネル１００を用いて送信ビームおよび受信ビームを形成するとともに、所定探知範囲の探知画像を生成する制御部のブロック図
【図４】ハーフブリッジ回路を用いた場合のＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号、および駆動パルス信号の関係を示すタイミングチャート
【図５】フルブリッジ回路を用いた場合のＣＬＯＣＫ信号、制御信号、ドライブ信号、および駆動パルス信号の関係を示すタイミングチャート
【図６】従来のフルブリッジ回路を示す概略構成図
【図７】図６に示すフルブリッジ回路に入力されるドライブ信号、出力される駆動パルス信号を示すタイミングチャート
【図８】従来のハーフブリッジ回路を示す概略構成図
【図９】図８に示すハーフブリッジ回路に入力されるドライブ信号、出力される駆動パルス信号を示すタイミングチャート
【図１０】本発明のハーフブリッジ回路と振動子とから成る閉ループ回路の等価回路図、および該閉ループ回路で発生する自由減衰振動を示す波形図
【符号の説明】
１０−振動子
１１−ドライバＩ／Ｆ
１２−ドライバ回路
１３−送受信切替回路
１４−プリアンプ
１５−帯域通過フィルタ
１６−Ａ／Ｄ変換回路
１７，２０−Ｉ／Ｆ
２１−駆動パルス信号生成回路
２２−タイミングジェネレータ
２３−係数テーブル
２４−波形メモリ
２５−ＴＸ−ＤＳＰ
２６−プログラマブル送信ビーム形成制御部
１００−送受信チャンネル
【図１】
2004354224.tif 000003
【図２】
2004354224.tif 000004
【図３】
2004354224.tif 000005
【図４】
2004354224.tif 000006
【図５】
2004354224.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年5月14日(2004.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサに備えられた、所定のパルス信号で駆動する複数の振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子を直列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するハーフブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記複数の振動子毎に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオフ状態にし、前記第１のスイッチング素子がオフ状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
【請求項２】
トランスデューサに備えられた、所定のパルス信号で駆動する複数の振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記複数の振動子毎に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、前記第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、前記第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において前記第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波送信装置と、トランスデューサの複数の振動子が超音波を受信することにより発生する信号を制御して、受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを備えた超音波送受信装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の受信ビーム形成手段の制御により、前記送信ビーム内での探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から前記送信ビームが形成する方向の探知画像データを求め、該探知画像データを表示する手段とを備えた探知装置。
【請求項５】
所定のパルス信号で駆動する振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子を直列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するハーフブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記振動子に前記パルス信号を与えて駆動させることで、超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオフ状態にし、前記第１のスイッチング素子がオフ状態にある全期間において前記第２のスイッチング素子をオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
【請求項６】
所定のパルス信号で駆動する振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、前記ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、前記振動子に前記パルス信号を与えて駆動させることで超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、
前記ドライブ信号生成手段は、前記フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、前記第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において前記第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、前記第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において前記第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴とする超音波送信装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
また、この発明に示す探知装置は、上述の超音波送受信装置と、該超音波送受信装置の受信ビーム形成手段の制御により、送信ビーム内での探知すべき方位を順次走査して、各方位の受信信号から、送信ビームが形成する方向の探知画像データを求め、探知画像データを表示する手段とを備えたことを特徴としている。
また、この発明は、所定のパルス信号で駆動する振動子と、パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子を直列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいてパルス信号を生成するハーフブリッジ回路と、ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、振動子にパルス信号を与えて駆動させることで、超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、ドライブ信号生成手段で、ハーフブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２のスイッチング素子をオフ状態にし、第１のスイッチング素子がオフ状態にある全期間において第２のスイッチング素子をオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。
また、この発明は、所定のパルス信号で駆動する振動子と、前記パルス信号の振幅を与える駆動電位と接地電位との間に第１、第２のスイッチング素子の直列回路と、第３、第４のスイッチング素子の直列回路とを並列に接続して、各スイッチング素子に入力されるドライブ信号に基づいて前記パルス信号を生成するフルブリッジ回路と、ドライブ信号を生成するドライブ信号生成手段とを備え、振動子にパルス信号を与えて駆動させることで超音波を送信する送信手段を備えた超音波送信装置において、ドライブ信号生成手段で、フルブリッジ回路の第１のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第２、第３のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第４のスイッチング素子をオン状態にし、第３のスイッチング素子がオン状態にある全期間において第４、第１のスイッチング素子をオフ状態にするとともに第２のスイッチング素子をオン状態にし、さらに、第１、第３のスイッチング素子がともにオフ状態にある全期間において第２、第４のスイッチング素子をともにオン状態にするドライブ信号を生成することを特徴としている。