JPH04581Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は２個の固体超音波遅延素子とコイル、
トランジスタ等の回路素子によつて構成された超
音波遅延回路に関するもので、不要信号特性を改
良した超音波遅延回路に関する。

固体超音波遅延素子は、第１図に示すように金
属、水晶、ガラス、セラミツクス等の固体よりな
る超音波を伝播する遅延媒体１とこの媒体の適当
に選ばれた面上にとりつけられた水晶あるいはチ
タン酸ジルコン酸鉛等の圧電体からなる電気信号
を機械信号に変換する入力変換子２および機械信
号を電気信号に変換する出力変換子３よりなる。
入力変換子２に電気信号が印加されると、この信
号は機械的信号に変換され、遅延媒体１の中を矢
印４に示すように進む。出力変換子３に達した機
械的信号は電気的信号に変換される。

従来１個の超音波遅延素子を用いてある遅延時
間を持つ遅延回路を構成するとき、第２図に示す
不要信号特性が劣化するために小型化が困難であ
つた。即ち、超音波遅延素子を小型化しようとす
れば、超音波が遅延媒体中で多数回反射する多重
反射型とする必要があり、その結果、反射面で主
信号の経路からはずれて反射及び散乱する成分が
多くなり不要信号成分のレベルが大きくなつた
り、入力変換子と出力変換子との距離も小さくな
るため不要信号が十分減衰されずに出力変換子へ
到達するというような問題点があつた。

第２図において、横軸は時間軸で、縦軸は信号
の振幅強度である。なお、遅延素子の通過信号帯
域付近における波長を使用して信号を示すと図の
横軸のスケールに対して非常に細かくなるため、
図の信号は、それらの信号の描く包絡線で示して
ある。主信号５に対して、遅延時間の異なる不要
信号６，７が発生する。これは遅延媒体中で音波
が回折、散乱し、入力変換子から出力変換子へ主
信号と異なる経路を通つて到達する音波が存在す
ること等に起因している。例えば、不要信号６は
超音波が遅延媒体中で主信号と異なる経路で反射
及び散乱された出力されるような信号であり、不
要信号７は主信号と同じ経路を何度か往復するた
めに主信号の遅延時間の奇数倍の遅延時間で出力
される信号、即ち3τスプリアス（３次反射信号）
等の信号である。

この欠点をとり除いた遅延回路として、必要な
遅延時間の1/2の遅延時間を持つ超音波遅延素子
を２個、第１の超音波遅延素子の出力変換子の電
極の一方を第２の超音波遅延素子の入力変換子の
一方に、かつ、第１の出力変換子の他方を第２の
入力変換子の他方に導電接続した回路、即ち継続
に接続した遅延回路が提案されている。

しかるに、かかる構造を持つ遅延回路において
も不要信号特性が劣化していることが判明した。

本考案者はかかる点に鑑み種々実験的、理論的
検討を加えた結果、第３図ａ，ｂに示すように一
素子通過後に発生した不要信号６，７が、二素子
通過後に主信号５が新たに第２の素子を通過する
ことによつて発生した不要信号と同位相で重なり
あうことによつて、不要信号特性を劣化させてい
るとの知見を得た。

第３図ａは第１の素子を通過した後の信号であ
り、第３図ｂは第２の素子を通過した後の信号で
ある。ｂにおいてはａの不要信号６，７が第２の
素子を通過した信号に加えて、主信号５が第２の
素子を通過したために新たに生じる破線で示した
不要信号がそれと同位相で重なる。そのため、第
２の素子の通過後の不要信号６′，７′は図に示す
ように、第１の素子通過後の不要信号の倍程度大
きくなる。

本考案者は、上記知見に基づき更に実験をくり
返した結果、第一の素子の遅延時間と第二の素子
の遅延時間を、その通過帯域の中心周波数におけ
る入出力信号位相差でおのおのΘ₁，Θ₂と規定し
たとき、45°＋ｍ×180°≦｜Θ₁−Θ₂｜≦135°＋ｍ
×180°（ｍは０以上の整数）とすることによつて、
２つの固体超音波遅延素子のうちいずれか一方を
主信号として通過し他方を３次反射信号として通
過する位相差Θ₁＋3Θ₂と3Θ₁＋Θ₂の２つの不要信
号が重なり合つた信号を、効果的に減衰させ得る
ことを見い出した。

遅延素子の入力信号と出力信号との間の遅延時
間を測定するとき、位相差計を用いて入出力信号
間の位相差（位相遅延時間）として測定すること
が知られている。この場合、入力信号と出力信号
との位相差は、Θ＝ｎ×360°＋θ（ｎは整数、０
≦θ＜360°）で表わされる。実際には位相差計で
はθのみしか測定されず、ｎは他の方法によつて
決められる。この位相差より遅延時間は、 遅延時間（Ｔ）＝ｎ×360°＋θ／360°× 但し、は位相差を測定した周波数を示す。

この式より位相差は遅延時間に対応することが
わかる。

例えば、遅延時間63.5556μS、通過帯域の中心
周波数3.579545MHzの遅延素子の入出力信号の位
相差；Θ°＝ｎ×360°＋θは Θ＝ｎ×360°＋θ＝63.5556×10^-6×360° ×3.579545×10⁶＝81900° ＝227×360°＋180° となる。即ちｎ＝227，θ＝180°となる。

入出力信号の位相差は、遅延時間と異なり測定
周波数を指定しないと意味がなく、周波数を指定
しないとこの位相差から遅延時間を算出すること
ができない。本考案においてこの測定周波数
は、遅延素子の通過信号帯域の中心周波数とし、
２つの素子間で帯域が異なるときは両方の中心周
波数の平均周波数を用いる。

本考案において、２つの遅延素子の遅延時間を
入出力信号の位相差Θ₁，Θ₂で規定したとき、第
１の遅延素子の入出力信号の遅延時間に対応する
位相差Θ₁ 即ちΘ₁＝T₁×360°× と。第２の遅延素子の入出力信号の遅延時間に対
応する位相差Θ₂ 即ちΘ₂＝T₂×360°× （T₁，T₂……時間で表わした遅延時間） との間に、45°＋ｍ×180°≦｜Θ₁−Θ₂｜≦135°＋
ｍ×180°（ｍは０以上の整数）という関係をもた
せるようにする。

第４図ａは第１の素子を通過した後の信号であ
り、第４図ｂは第２の素子を通過した後の信号で
ある。例えば信号７を、所定の遅延時間の３倍の
ところに生じる不要信号、即ち3τでスプリアス信
号（３次反射信号）とした場合の本考案の作用に
ついて説明する。まず、主信号５は第１の素子へ
の入力からΘ₁経過後に、また不要信号７は3Θ₁経
過後に第１の素子から出力される。これら２つの
信号は出力とほぼ同時に第２の素子に入力され
る。そして、主信号５の第２の素子への入力から
Θ₂経過後に主信号５″が、また3Θ₂経過後に主信
号５の入力に伴う不要信号が出力される。後者は
第４図ｂ中で破線で示したもので、これを以下、
不要信号Ａと称する。即ち、不要信号Ａは第１の
素子の入力後Θ₁＋3Θ₂経過後に第２の素子から出
力される。一方不要信号７の第２の素子への入力
により、その所定の遅延時間Θ₂経過後に第２の
素子からの出力があり、これは第１の素子の入力
から3Θ₁＋Θ₂経過後に第２の素子から出力される
ことになる。（これを以下、不要信号Ｂと称す。）
不要信号Ａと不要信号Ｂは近接した時刻に出力さ
れるが、その時間差は位相差で２｜Θ₁−Θ₂｜で
ある。この場合、２つの波形の信号が打ち消し合
つて最も減衰される位相差は180°＋ｍ×360°（ｍ
は０以上の整数）であるので、２｜Θ₁−Θ₂｜＝
180°＋ｍ×360°より｜Θ₁−Θ₂｜＝90°＋ｍ×180°
の
時が最も減衰され強め合うことはない。２つの不
要信号が互いに打ち消し合うような位相差とする
ことが望ましいが、その値は、その不要信号が所
定の遅延時間の何倍のところに生じるかによつて
異なる。従つて実際には、遅延素子の特性によつ
て、もつとも好都合な位相差｜Θ₁−Θ₂｜を選ぶ
のがよい。

尚、二つの素子の位相差｜Θ₁−Θ₂｜が45°より
も小さいときには２つの不要信号の位相のずれが
大きくないので、打ち消し効果が小さい。｜Θ₁−
Θ₂｜の好ましい範囲は、位相差90°＋ｍ×180°を
中心とした、45°＋ｍ×180°≦｜Θ₁−Θ₂｜≦135°
＋ｍ×180°（ｍは０以上の整数）の範囲が好まし
い。

第５図は、本考案に係る遅延回路の全体を示
し、ここで１１は第１の遅延素子、１２，１３は
それぞれ入力変換子、出力変換子、１４は第２の
遅延素子、１５，１６はそれぞれ入力変換子、出
力変換子を示す。第１の遅延素子の出力変換子１
３と第２の遅延素子の入力変換子１５とは受動イ
ンピーダンス素子であるコイル１７が設けられた
リード線１８によつて接続されており、これによ
り２つの遅延素子間のインピーダンスマツチング
をとる。コイル１７に代えて、トランジスタの如
き能動回路素子を設けてもよい。尚、１９は入力
端子、２０は入力側マツチング抵抗、２１は入力
側マツチング用コイル、２２は出力側マツチング
コイル、２３は出力側マツチング抵抗、２４は出
力端子を示す。

実施例 通過帯域の中心周波数4.43362MHz、 遅延時間63.973μSの遅延素子の入出力信号の位
相差Θ₁は、 Θ₁＝63.973×10^-6×360°×4.43362×10⁶＝
102108° である。

この素子に、遅延時間63.913μSの遅延素子（中
心周波数4.43362MHz，入出力位相差Θ₂＝
102012°）を、第５図に示すように、コイルを介
して継続接続したとき、3τスプリアス信号（３次
反射信号）の強度は、主要信号に対して−50dB，
その他の不要信号の強度は−32dBであつた。尚、
両素子の中心周波数の位相差はΘ₁−Θ₂＝96°であ
る。

比較のため、遅延時間93.943μSの遅延素子を２
個（両素子間の位相で規定した遅延時間差は0°で
ある）継続に接続したとき、3τスプリアス信号の
強度は主信号に対して−34dB、その他の不要信
号は−27dBであつた。ここで、第６図に不要信
号Ａ，Ｂが重ね合わされた信号の強度（縦軸）と
位相差（横軸）の関係を、周波数3.9，4.2，4.43，
4.6，4.9MHzの５通りについて測定した例につい
て具体的に示す。

横軸は遅延時間Ｔ（ns）及びそれを位相差Θ₁−
Θ₂に換算した値を単位としており、Ｔ＝（Θ₁−
Θ₂）／（360°×）（は周波数）である。この
例では、4.43MHzを横軸の単位の基準とし360°が
約226nsに相当する。縦軸は主信号を600とした場
合の相対的な信号強度を示している。いずれの周
波数においても、位相差が90°付近と270°付近が
最も信号強度が小さくなり減衰されている。

本考案によれば、小型で且つ不要信号特性が良
好な遅延回路が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、固体超音波遅延素子の１例の平面図
を示す。第２図は、従来の１個の遅延素子の出力
信号の状態、第３図は従来の２個接続された遅延
素子の出力信号の状態、第４図は本考案の２個接
続された遅延素子の出力信号の状態を、それぞれ
示す。第５図は、本考案の超音波遅延回路の１例
の全体を示す回路図である。第６図は、本考案の
不要信号Ａ，Ｂを重ね合わせた信号の位相差と信
号強度を５つの周波数について測定したグラフで
ある。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ２つの固体超音波遅延素子について、遅延時
   間をそれぞれの通過帯域の中心周波数における
   入出力間の位相差Θ₁，Θ₂で規定したとき、45°
   ＋ｍ×180°≦｜Θ₁，Θ₂｜≦135°＋ｍ×180°（ｍ
   は０以上の整数）となる２つの固体超音波遅延
   素子を、縦続接続してなり、前記２つの固体超
   音波遅延素子のうちいずれか一方を主信号とし
   て通過し他方を３次反射信号として通過する位
   相差Θ₁＋3Θ₂と3Θ₁＋Θ₂の２つの不要信号が重
   なり合つた信号を、減衰せしめてなることを特
   徴とする超音波遅延回路。 (2) ２つの固体超音波遅延素子の間にコイル等の
   受動インピーダンス素子からなる回路素子を並
   列に接続して、該２つの固体超音波遅延素子を
   縦続接続してなる実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の超音波遅延回路。 (3) 前記２つの遅延素子の前記中心周波数が異な
   る場合には、両素子の中心周波数の平均周波数
   を用いて入出力間の位相差に基ずく遅延時間を
   規定する実用新案登録請求の範囲第１又は第２
   項記載の超音波遅延回路。