收发器的制作方法

本发明涉及收发器。

背景技术：

以往，已知具有能够收发超声波的超声波振子的收发器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002－159087号公报

专利文献2：日本特开平3－179255号公报

专利文献3：日本特开平5－183996号公报

专利文献4：日本特许第3702259号公报

专利文献5：日本特许第3849513号公报

专利文献6：日本特许第4291500号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

作为用于实现更宽带的超声波收发器的方法，能够考虑附加匹配层的方法、使用具有将前质量块设为中空的结构的blt振子的方法、使用利用了宽带化匹配电路的单板振子等各种方法。然而，可认为以往实现了宽带的收发器的相对带宽最大不过在50％左右。此外，相对带宽是指，使用作为用于检测物体等的频带宽度(峰值输出时的频率至衰减－3db时的2个频率之差)的－3db衰减宽度，由(－3db衰减宽度/中心频率)×100％定义。

例如，在通过使用了宽带化匹配电路法的单板振子制作超声波收发器的方法的情况下，产生超声波信号的峰值水平下降的问题、该方法只能用于单板振子(若将该方法用于blt振子则在目标频带以外也引起se－f特性(发送灵敏度－频率特性)的变化)的问题。并且，例如，在中心频率为约38khz的情况下，难以通过单板振子制作该中心频率的收发器。

此外，通过使宽带化匹配电路复杂(追加部件个数)，在某种程度上能够调整频带。然而，存在宽带化匹配电路在物理上变大这一缺点，以及算法高级、电路设计困难这一缺点等。

另外，在为了宽带化而附加匹配层的方法的情况下，存在收发器的制作花费工时、由匹配层的厚度的差别所致的影响较大、以及相对带宽只能获得50％左右的缺点。

另外，在通过将blt振子的前质量块设为中空来实现宽带化的情况下，存在收发器的制作花费工时的缺点、相对带宽只能获得50％左右的缺点等。

本发明鉴于上述课题而做成，目的在于提供能够使相对带宽更宽的收发器。

用于解决课题的手段

(1)为了解决上述课题，本发明的某方面的收发器具备：振子，与峰值发送灵敏度对应的峰值频率从规定频带的中心频率偏离，随着频率以所述中心频率为基准从所述峰值频率远离而发送灵敏度增高；以及宽带化匹配电路，进行阻抗匹配以使所述峰值频率处的所述振子的发送灵敏度与所述中心频率处的所述振子的发送灵敏度大致相等。

(2)所述宽带化匹配电路有时由以串联的方式与所述振子连接的电阻、以及以并联的方式与所述振子连接的电感器构成。

(3)所述宽带化匹配电路有时由以串联的方式与所述振子连接的电阻及电容器、以及以并联的方式与所述振子连接的电感器及电容器构成。

(4)所述振子的所述峰值频率有时设定地比所述中心频率低。

(5)所述振子有时为包含尾质量块、以及作为振荡部的前质量块的blt振子。

(6)所述前质量块的重量有时小于所述尾质量块的重量。

发明效果

根据本发明能够使相对带宽更宽。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式的水中探测装置的结构的框图。

图2为收发器的电路图，以等价电路表示振子。

图3为振子的侧面图。

图4为以往例的收发器中的se－f特性图。

图5为用实线表示以单体使用本实施方式的blt振子的情况(不使用宽带化匹配电路的情况)下的se－f特性，用虚线表示以单体使用以往例的blt振子的情况(不使用宽带化匹配电路的情况)下的se－f特性的图。

图6为用虚线表示本实施方式的blt振子的se－f特性，用实线表示附加了为了blt振子调节了电路常数的宽带化匹配电路的情况下的se－f特性，即收发器的se－f特性的图。

图7为示出变形例的图。

附图标记说明

2收发器

10、10a宽带化匹配电路

20振子

21前质量块(frontmass)

26尾质量块(tailmass)

c3、c4电容器

f频率

fc中心频率

fp峰值频率

i2电感器

pp峰值发送灵敏度

r2电阻

se发送灵敏度

具体实施方式

以下，参照附图对具有本发明的收发器的水中探测装置1的实施方式进行说明。水中探测装置1主要用于探测鱼以及鱼群等物标，以在海中露出的方式固定于渔船等船舶的船底。

[水中探测装置的整体结构]

图1为表示本发明的实施方式的水中探测装置1的结构的框图。如图1所示，水中探测装置1具备收发器2、收发装置3、信号处理部4、以及操作/显示装置5(显示部)。

收发器2具有宽带化匹配电路10、以及作为一个超声波振子的振子20。在收发器2中，振子20按规定的定时向水中发送由电信号转换而成的超声波，并且将接收到的超声波转换为电信号。在本实施方式中，收发器2的中心频率fc为预先设定的值，例如设定为38khz。此外，收发器2的中心频率fc根据观测对象而适当地设定。后述收发器2的详细内容。

收发装置3具备收发切换部6、发送部7、以及接收部8。收发切换部6在超声波的发送时切换为从发送部7向收发器2发送发送信号的连接。另外，收发切换部6在超声波的接收时切换为将利用收发器2转换超声波而成的电信号从收发器2向接收部8发送的连接。

发送部7将基于在操作/显示装置5中设定的条件而生成的发送信号经由收发切换部6向收发器2输出。

接收部8对收发器2接收到的信号进行放大，将放大后的接收信号进行a/d(模拟/数字)转换。之后，接收部8将转换为数字信号后的接收数据向信号处理部4输出。

信号处理部4处理从接收部8输出的接收数据，并进行生成物标的影像信号的处理。

操作/显示装置5在显示画面显示与从信号处理部4输出的影像信号对应的影像。用户能够观看该显示画面推测本船周围的海中的状态(单体鱼、鱼群的有无等)。另外，操作/显示装置5具备各种输入键等的输入机构，构成为能够输入声波的收发、信号处理或者影像显示所需的各种设定或者各种参数等。

[要求振子以及宽带化匹配电路所具有的特性]

图2为收发器2的电路图，以等价电路表示振子20。图3为振子20的侧面图。本实施方式的振子20为了实现宽带化，设计为满足以下的特性。(1)在设计宽带化匹配电路法时设定的谐振点(第一谐振)为单一的谐振(能够以等价电路表示)。(2)成为se－f特性(发送灵敏度－频率特性)伴随频率的增加而缓慢向右上升的曲线。(3)在欲宽带化的频带内无较大的纹波、凹陷。(4)第二谐振的se水平不超过第一谐振的se水平。

另外，为了符合满足上述(1)～(4)的特性的振子20的特性，(5)设定了根据宽带化匹配电路法设计的宽带化匹配电路10内的电路常数。另外，在本实施方式中，(6)宽带化匹配电路10的部件个数抑制为必要最低限度。

[导出上述(1)～(6)的特性的经过]

接下来，对导出上述(1)～(6)的条件的经过进行说明。图4为以往例的收发器的se－f特性图。在图4中，用实线示出设计为通过作为以往的通常的超声波振子的振子20'(未图示)单体(不使用宽带化匹配电路)来实现宽带化的情况下的se－f特性。另外，在图4中，用虚线记载附加了按宽带化匹配电路法的设计值而制作的宽带化匹配电路10'(未图示)的振子20'中的se－f特性。

如图4的实线的曲线所示，为了实现宽带化，振子20'被设为如下se－f特性：在从中心频率fc偏离的频率、例如在小于中心频率fc的峰值频率fp处'产生峰值发送灵敏度pp'，之后发送灵敏度se大体固定。并且，在该振子20'附加了通常的宽带化匹配电路10'，例如包含电阻、电感器以及电容器的宽带化匹配电路10'的情况下，如图4的虚线的曲线所示，与振子20'单体的情况相比，峰值频率fp'处的峰值发送灵敏度pp”降低。由此，se－f特性变得更加平坦。其结果，与附加宽带化匹配电路10'前相比，附加宽带化匹配电路10'后的相对带宽bw乍看之下变得更宽。此外，相对带宽是指，使用作为用于检测物体等的频带宽度(峰值频率至衰减－3db时的2个频率之差)的－3db衰减宽度，由(－3db衰减宽度/中心频率)×100％定义。

然而，实际上，如图4所示，在附加宽带化匹配电路10'前后，相对带宽bw未观察到变化。如图4所示，原因在于，宽带化匹配电路10'的本来的目的是降低比中心频率fc低的频率即低频侧的谐振频率处的se水平，但除此以外在比中心频率fc高的频率即高频侧也降低了se水平。其结果，能够使用的－3db带宽(相对带宽的右端)向低频侧位移。

这里，可认为通过增加宽带化匹配电路10'的部件个数，能够避免该设计外的发送灵敏度的下降。然而，在该情况下，产生(a)由于部件个数增加使电路在物理上变得大型，(b)算法高级而电路设计变得困难的问题。

本实施方式实现不产生上述(a)、(b)的问题且用于实现宽带化、即使得相对带宽bw更宽的构成。

在本实施方式中，为了将宽带化匹配电路10的部件个数抑制为必要最低限度，采用图5所示那样的预先具有向右上升那样的se－f特性的振子20、与宽带化匹配电路10的组合，由此，应对频率较高的区域中的发送灵敏度se的降低。此外，图5为用实线表示以单体使用本实施方式的振子20的情况(不使用宽带化匹配电路10的情况)下的se－f特性，用虚线表示以单体使用以往例的振子20'的情况(不使用宽带化匹配电路10'的情况)下的se－f特性的图。

如图5所示，振子20构成为，与峰值发送灵敏度pp对应的峰值频率fp从规定频带的中心频率fc偏离，频率f以中心频率fc为基准，随着从峰值频率fp远离而发送灵敏度se变高。振子20的峰值频率fp在本实施方式中低于中心频率fc(fp＜fc)。并且，频率f随着从峰值频率fp朝向中心频率fc，发送灵敏度se一度降低。并且，在峰值频率fp与中心频率fc之间的频率fb以上，发送灵敏度se随着频率f的增加而变高。

此外，“以中心频率fc为基准，随着从峰值频率fp远离而发送灵敏度se变高”也可以说是对发送灵敏度se的波形进行线性回归时的回归线向右上升。在本实施方式中，高于中心频率fc的规定的频率fm以上，发送灵敏度se随着频率f的增加而连续地降低。然而，该降低区间是“以中心频率fc为基准，随着从峰值频率fp远离而发送灵敏度se变高”的对象之外。即，只要对发送灵敏度se进行线形回归时的回归线包括中心频率fc向右上升即可。

图6为用虚线表示振子20的se－f特性，用实线表示附加了为了振子20调节了电路常数的宽带化匹配电路10的情况下的se－f特性，即收发器2的se－f特性的图。参照图6，在收发器2的se－f特性中，发送灵敏度se跨极其宽的范围地收敛于－3db的范围。由此，相对带宽bw成为约96％，大幅超过了80％。此外，对振子20附加宽带化匹配电路10前的相对带宽bw约为42％。

本申请发明人着力研究的结果为，可知图6中的“设计频率范围外(相对带宽外)的发送灵敏度水平降低的程度”与“设计频率范围内的发送灵敏度水平降低的程度”相关。因此，将振子20的se－f特性设为预估了通过上述的相关而预料的水平降低量而提高的特性。其结果，在收发器2中，如上所述，相对于附加宽带化匹配电路10前的相对带宽bw为约42％，附加宽带化匹配电路10后的相对带宽bw为约96％。这样，在收发器2中，通过附加了宽带化匹配电路10，相对带宽bw大幅度变宽。通过采用这样的构成，相比于参照图4说明的以往例的振子20'与宽带化匹配电路10'的组合，相对带宽bw从约57％变宽至约96％，本实施方式的收发器2的相对带宽bw大幅度变宽。

[收发器的结构]

接下来，进一步详细地说明用于实现图6所示的se－f特性的收发器2的结构。

参照图1、图2以及图3，收发器2的宽带化匹配电路10与收发切换部6连接，并且与振子20连接。

[振子的结构]

振子20在等价电路中，相当于电容器c2以并联的方式与由电阻r1、电感器i1以及电容器c1以串联的方式连接而成的rlc串联电路连接而成的电路。

振子20具有作为振荡部的前质量块21，2个压电元件22、23，一对电极板24、25，尾质量块(talemass)26，以及紧固螺栓27。

振子20作为利用螺栓紧固使前质量块21，压电元件22、23以及尾质量块26相互固定的螺栓紧固朗之万型振子(blt振子)而设置。振子20作为整体形成为柱状，沿着该振子20的轴向具有按顺序配置有前质量块21、压电元件22、电极板24、压电元件23、电极板25、以及尾质量块26的结构。在振子20中，配置有前质量块21的一侧为前端侧，配置有尾质量块26的一侧为基端侧。

前质量块21例如是由构造材料等的金属材料形成的块状的部件。前质量块21例如形成为圆柱状。前质量块21的前端面包含收发超声波的收发面21a。收发面21a的直径例如为26mm左右。此外，前质量块21的形状不限于上述的形状，也可以是直径随着向前端侧前进而增大的圆锥台锥状，或也可以是棱柱状，还可以是其他的形状。

2个压电元件22、23形成为外径以及厚度彼此大致相等的圆环状，构成为利用从外部施加的电压而伸缩并沿轴向振动。2个压电元件22、23以成为同轴状的方式彼此重叠。一方的压电元件22的前端面与前质量块21的基端面接触。在一方的压电元件22的基端面与另一方的压电元件23的前端面之间夹持有电极板24。电极板24形成为大致圆环状且具有在外周部形成了端子片的结构。在另一方的压电元件23的基端面与尾质量块26的前端面之间夹持有电极板25。电极板25形成为大致圆环状且具有在外周部形成了端子片的结构。

在本实施方式中，尾质量块26形成为块状。尾质量块26的前端部形成为圆筒状。另外，尾质量块26的中间部形成为外径随着远离压电元件23而增大的圆锥台状。另外，尾质量块26的基端侧部分形成为切除圆筒形状中的外周部分的一部分而成的形状。尾质量块26例如由不锈钢(sus)等的金属构成。尾质量块26的前端面与电极板25紧贴。

紧固螺栓27构成为通过将前质量块21以及尾质量块26彼此紧固，从而对压电元件22、23赋予压缩应力。紧固螺栓27与形成于前质量块21内的内螺纹部21b螺纹结合且贯通压电元件22、电极板24、压电元件23、电极板25内，进而，与形成于尾质量块26内的内螺纹部26a螺纹结合。

在本实施方式中，为了满足上述的(1)～(4)的特性，对振子20中的特别是前质量块21采用独特的结构。具体而言，前质量块21的重量小于尾质量块26的重量。例如，通过使构成前质量块21的材料的密度以及体积的至少一方小于构成尾质量块26的材料的对应的密度以及体积，能够进一步减轻前质量块21的重量。

另外，在本实施方式中，以成为如下特性的方式设定前质量块21的全长l1：在从中心频率fc偏离的峰值频率fp处产生峰值发送灵敏度pp，且随着频率f以中心频率fc为基准从峰值频率fp远离地变化而发送灵敏度se增高。这里，考虑前质量块的全长以外的结构是与振子20相同的假想振子。假想振子的峰值频率与中心频率fc大致相同。振子20的前质量块21的全长l1设定地长于这样的假想振子中的前质量块的全长。

如以上所述，例如采用使前质量块21的重量比尾质量块26的重量更轻、以及将前质量块21的长度l1设定地更长中的至少一方的构成(在本实施方式中，采用双方的构成)。由此，振子20能够实现图5、图6所示的se－f特性。

[宽带化匹配电路的构成]

参照图2以及图6，宽带化匹配电路10设置用于抑制振子20的输出相对于频率f的变化而变动。更具体而言，宽带化匹配电路10通过降低振子20的峰值频率fp处的发送灵敏度se来实现宽带化。另外，宽带化匹配电路10虽然形成阻抗－频率特性中的反谐振点，但在该反谐振点不对振子20的发送灵敏度se带来影响。

宽带化匹配电路10在本实施方式中由以串联的方式与振子20连接的电阻r2、以及以并联的方式与振子20连接的电感器i2构成。宽带化匹配电路10的目的在于使带宽更宽。因此，未设置宽带化匹配电路10中的用于调整带宽的电容器。

电阻r2设置于收发切换部6的一方的端子与振子20的一方的端子之间，调整振子20的发送灵敏度se。通过设定电阻r2的电路常数，来设定各频率f处的振子20的发送灵敏度se。

电感器i2为了设定阻抗频率特性而被设置。宽带化匹配电路10以在比中心频率fc高的频率中产生阻抗－频率特性的峰值(反谐振点)的方式设定电路常数。由此，抑制比峰值频率fp大的频率f处的发送灵敏度se的变动。

并且，利用该电阻r2与电感器i2的组合，宽带化匹配电路10进行阻抗匹配以使峰值频率fp处的振子20的发送灵敏度se与中心频率fc处的振子20的发送灵敏度se大致相等。此外，该情况的“大致相等”是指，例如，以峰值频率fp处的振子20的发送灵敏度se与中心频率fc处的振子20的发送灵敏度se中的较大者的值为基准，较低者的值收敛于所述较高者的值的－数db的范围内。所述“－数db”是指例如包括－3db、－2db、－1db的值。

根据上述的构成，通过由宽带化匹配电路10的电阻r2消耗发送灵敏度se高的频带中的电力，降低振子20的发送灵敏度se的峰值，实现了宽带化。在本实施方式中，在峰值频率fp的前后的频率处设置反谐振点，提高了该反谐振点处的阻抗。此外，在反谐振点，无论有无电阻r2，发送灵敏度se均无变化。

通过设置具有以上的结构的振子20以及宽带化匹配电路10，如上所述，来自振子20的超声波的se－f特性成为图6的用实线表示的特性。即，相对带宽bw为约96％，实现了极其宽带的特性。

[效果]如以上说明那样，根据本实施方式，在收发器2的振子20中，设为与峰值发送灵敏度pp对应的峰值频率fp从规定频带的中心频率fc偏离，随着频率f以中心频率fc为基准从峰值频率fp远离而发送灵敏度se增高。另外，宽带化匹配电路10进行阻抗匹配以使峰值频率fp处的振子20的发送灵敏度se与中心频率fc处的振子20的发送灵敏度se大致相等。根据该构成，在包含中心频率fc的宽频率范围中，能够使收发器2的发送灵敏度se的变动更少。其结果，能够使相对带宽bw更宽。

另外，根据本实施方式，宽带化匹配电路10不包含电容器。根据该构成，能够在宽带化匹配电路10中最大限度实现宽带化，且能够以较少的部件个数实现宽带化匹配电路10。其结果，能够实现可靠性高、小型、且廉价的宽带化匹配电路10。

另外，根据本实施方式，振子20的峰值频率fp设定地低于中心频率fc。根据该构成，能够与具有单一的峰值频率fp的振子20相适应地设定峰值频率fp。换言之，能够进一步减少为了设计振子20而需要从现有的blt振子进行改良的程度。

另外，根据本实施方式，前质量块21的重量小于尾质量块26的重量。根据该构成，能够将振子20的se－f特性设为随着频率f以中心频率fc为基准从峰值频率fp起增大而发送灵敏度se变高。

另外，根据本实施方式，以成为如下特性的方式设定前质量块21的全长l1：在峰值频率fp处产生峰值发送灵敏度pp且随着频率以中心频率fc为基准从峰值频率fp远离地变化而发送灵敏度se增高。这样，利用适当地设定前质量块21的全长l1这一简易的结构，能够如图6所示那样使振子20的se－f特性优化。

[变形例]以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限于这些实施方式，只要不脱离本发明的主旨则能够进行各种的变更。

(1)在上述的实施方式中，以在宽带化匹配电路10中未设置电容器的方式为例进行了说明。然而，也可以是除此以外的情况。例如，如图7所示，也可以使用包含电容器c3、c4的宽带化匹配电路10a来代替宽带化匹配电路10。宽带化匹配电路10a相当于对宽带化匹配电路10附加了电容器c3、c4的结构。电容器c3设置于电感器i2的一端与振子20的一端之间，以串联的方式与振子20连接。电容器c4以并联的方式与电感器i2以及振子20连接。并且，通过设定电容器c3、c4的电路常数，来设定频带宽度bw。

根据该变形例，宽带化匹配电路10a由以串联的方式与振子20连接的电阻r2以及电容器c3、以及以并联的方式与振子20连接的电感器i2以及电容器c4构成。若为该结构，由于能够通过与公知的宽带化匹配电路的构成相近的结构来实现宽带化匹配电路10a，因此宽带化匹配电路10a的制造所花费的成本较少即可。

(2)另外，在上述的实施方式中，振子20构成为在设定为频率比中心频率fc小的峰值频率fp处产生峰值发送灵敏度pp，且随着频率f以中心频率fc为基准变大而发送灵敏度se增高。然而，也可以是除此以外的情况。例如，也可以使用特性与振子20的特性相反的振子。即，也可以使用以下述方式构成的振子，即在设定为频率比中心频率大的峰值频率处产生峰值输出，且随着频率f以中心频率为基准变小而发送灵敏度增高。若为该构成，则能够实现与使用blt振子以外的振子、例如具有多个谐振模式的振子的情况相适的se－f特性。此外，即使在该情况下，宽带化匹配电路也构成为使峰值频率处的振子的发送灵敏度低于中心频率处的振子的发送灵敏度。

(3)另外，本发明也能够适用于blt振子以外的其他的振子。

(4)另外，在上述的实施方式中，以在收发器2设置了一个振子20的方式为例进行了说明。然而，也可以是除此以外的情况。例如，也可以对具有多个振子排列而成的阵列振子的收发器适用本发明。

(5)另外，在上述的实施方式以及变形例中，举出将收发器2适用于探测水中的物标的水中探测装置1的例子进行了说明。然而，也可以是除此以外的情况。本发明也可以适用于具有收发器的其他的装置(超声波诊断装置等)。

工业实用性

本发明能够作为收发器广泛适用。