JPH0575360B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、並列連結の複数の感知器を含む圧電
変換器の感度と信号対雑音比を改良する方法に関
する。

〔従来の技術〕

地震探査の分野では、相互に一定間隔に配置さ
れて、中央記録センターと連結されている多数の
地震波受信器が一般に採用される。各受信器は一
つの感知器又は一組以上の感知器を直列および／
または並列に相互連結し、それぞれ電圧、電荷感
度を高めるよう努めている。

海洋利用としては、船によつて水中を曵航され
る防水カバーまたは地震波ストリーマに沿つて受
信器をとりつける。一般的に用される感知器は圧
電材料から作つた、比較的小型のデイスクを含
み、これに一対の電極をとりつけている。このデ
イスク体を音波を完全にとおす一面または多面を
備えたケースの中に収納する。

受信装置に含まれる一組のケース群は、一般に
多数の受信器に分けられており、各受信器は相互
に一定間隔を設けてとりつけた複数のケースを含
んでいる。

比較的多数の（例えば20乃至30個の）感知器を
等間隔で（例えば1m間隔で）とりつけ、これら
から得た電気信号の組合わせが波数サンプルを形
成し、これを処理ることによつて一部の雑音を濾
波している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで問題になるのは波数500サイクル／Km
（以下Ｃ／Kmと略記）以下の雑音である（10〜
20C／Km間の地震波発射に伴う雑音、音響雑音
等）。

さらに高波数の雑音、とくに船航の進行とスト
リーマの回りの渦巻による流水雑音については周
波数スペクトルの“エリアシング現象”［シヤノ
ン（Shannon）理論］のため、データ処理で濾波
することができない。

この種雑音、とくにその波数5000C／Km以上、
即ち波長が0.2m以下の雑音を少なくするには、
ストリーマの流体抵抗を低めることが考えられ
る。しかしもつとも有効な解決法は、その波長が
対象雑音の波長、つまり、この場合0.2mに等し
いかそれ以上の長さに亘る連続的な感知器を用い
ることである。

米国特許第3798474号によれば、その感知装置
は少なくとも、圧電材料のフレキシブルなリボン
と、このリボンの両端にとりつけた二つの電極と
から成る感知器から形成されており、さらに一般
的には集合体としての感度を増すためその感知器
を複数個、例えば直列に相互連結する方式が開示
されている。

この型の感知器装置の感度かなり低いため、組
合わせて使用する。

〔問題点を解決するための手段〕

詳細説明で理解できるごとく、それぞれの圧電
素子と電極とから成る感知器を組合わせ、これを
電荷増幅器に接続することによつて、その感度お
よび／または種々の雑音源に対する、発信信号の
比率（Ｓ／Ｎ）を向上させることができる。

複数の感知器を直列に組み合わせる場合も考え
られるが、これによつてゲインは変らないが、
（Ｓ／Ｎ）比は目立つて向上する。

複の感知器の並列組み合わせでは、感度は増す
が、実質上Ｓ／Ｎ比は変らない。本発明によれ
ば、複数換感知器を並列に組み合わせて、感度お
よびＳ／Ｎ比の何れも向上させることができる。

本発明によれば、多数の高感度の圧電素子を電
極で接続して組み合わせて形成した感知器群によ
つて得た信号を、荷電コンデンサーをフイードバ
ツク回路にもつ荷電増幅器に加える。この方式で
は、上記増幅器の入力側で見た感知器群の見掛け
の電気容量が減少し、信号に対する増幅利得を変
えずに雑音に加わる増幅利得を減じることができ
る。それは次の過程による。

即ち増幅器の荷電コンデンサーよりはるかに低
い電気容量をもつ転送用コンデンサーCtを並列
感知器に接続して、感知器が地震波に応じて蓄え
た電荷の一部をこれに移し、次に増幅器の入力に
接続替えして、増幅器内の前記荷電コンデンサー
Ｃにこの電荷を移し、次に転送用コンデンサーを
接地端子ｉ０に切替えて新しいサイクルで切替え
が行われる前に転送用コンデンサーを放電させ
て、残留雑音を消去するというサイクルを繰返す
ことによつて可能となる。

なおこの方法を実施する装置は、少くとも一組
の並列圧電式感知器と、荷電コンデンサーをもつ
電荷増幅器と、少なくとも１個の転送用コンデン
サーと、同期手段制御によつて、転送用コンデン
サーの端子を順次に前記感知器の並列組合わせコ
ンデンサー、上記増幅器、次に接地に接続を切替
える少なくとも１個の切替器とを含んでいる。

切替器は制御装置により作動させ、切替信号の
波数は、感知器につて感知され信号の通過周波帯
幅に応じ、通過周波帯域より高い周波数を濾波除
去するように選ばれる。

以上のように、この装置は感度と信号対雑音比
を高めるだけでなく、自動的に低域フイルター作
用をもつことが分る。この特徴は現在、地震波信
号を受信する装置に広く応用できるものである。

〔実施例〕

以下に参考として、とくにこれのみに限定され
ない本発明の方法と装置の実施例を述べる。

二電極に接続した圧電材料から成るフレキシブ
ルなリボンで構成された感知素子は電気的には、
第１図に示す、コンデンサーCiと直列の電圧発生
器Viに等価なものである。この感知器は、静電
容量Ｃの荷電コンデンサーをフイードバツク路に
とりつけた、増幅器Ａに連結する。

電気的には、この増幅器は入力側に雑音電圧ｅ
の雑音電圧発生器をとりつけた回路と等価であ
る。増幅器Ａで生ずる圧電利得Giは （−Ci／Ｃ）に等しく、また出口側雑音Bsはこの 雑音圧電ｅに対して （１＋C1／Ｃ）倍になる。

信号対雑音比を大きくするためには、感知素子
を直列または並列に、組合わせることが考えられ
る。増幅器Ａに単一容量のCiのＮ組の感知素子を
直列に設け、それぞれの感知素子が電圧Viを発
生するとすると、前記の場合と同じく電圧利得
Gv＝−Ci／Ｃが得られるが、入力側の雑音強度ｅに 対する出側雑音強度Bsは、組数ｎの関数で、減
少し、 Bs／ｅ＝１＋Ci／nCであらわされる。

直列配列の場合、素子の電荷の一部のみがコン
デンサーＣ内に移動する。

今、増幅器Ａに単位容量Ciを備え、それぞれが
電圧Viを発生するＮ組の感知素子を並列にとり
つけたとすると、電圧利得はｎ倍となり、 Ｇ＝Vs／Vi＝nCi／Ｃが成立するが、 雑音も、感知素子数ｎとともに増大する。

Bs／ｅ＝１＋nCi／Ｃ 信号対雑音比は、実質上変らない。

本発明の方式によれば、並列組合わせによる利
得の増大が期待できるとともに、これに伴う雑音
の増大をさけることができる。組合わせ感知素子
を並列に設けた場合の静電容量を低減するには第
４図のように組合せの数ｎに等しい変換比をもつ
インピーダンス変換器Ｔを挿入して達成できる。

この回路で得られる利得は、前記と同一で、
Vs／Vi＝nCi／Ｃとなる。しかし、出力側の雑音Bsは 低減し、 Bs／ｅ＝１＋Ci／nCとなり、直列接続の場合の雑音 と同一結果が得られる。

この第一の解決策は、感知素子の組合せ数が比
較的少ない場合有利であるが、その理由は、イン
ピーダンス変換器は、重量がかさむとともに比較
的高価な装置のためである。

別の利用面、とくに海中地震ストリーマを使用
する場合、 −使用感知素子の組合わせ数のきわめて多い場合 −ストリーマのさやの中の構成素子の集積密度が
きわめて高い場合 −質量とその分布が曵船操作中の水力平衡の上で
重要な要因を点める場合でも、 本発明の実施方法は以下の方式を用いれば可能
である。

すなわち、並列の電圧感知器を第５図のごと
く、一つの切替器Ｉの三つの切替位置の中、最初
の入力ｉ１に連結する。つぎに切替器の第二の入
力ｉ２を、荷電コンデンサーＣをもつ増幅器Ａの
入力に接続する。第三の端子ｉ０は接地する。切
替器Ｉの中央端子ｉ３は転送用コンデンサーCt
に接続するが、このコンデンサーの容量は荷電コ
ンデンサーＣの容量よりはるかに低い。同期装置
Ｈが切替器Ｉに対し、制御信号を伝え、コンデン
サーCtを順次に圧電式感知器の集合体、増幅器
Ａの入力、さらに接地に順次切替えていき、荷電
コンデンサーＣに対して、感知器の電荷の伝達を
不連続的に行う。端子ｉ０をｉ３に接続して、周
期的に行う接地接続により、転送用コンデンサー
Ctから、増幅器で発生したノイズをとりのぞく
効果が得られる。

ここで並列接続の圧電感知器全体の静定容量お
よび電荷量を、それぞれCgとＱでらわすと、 まず第一段階でコンデンサーCtは、感知器全
体から、電荷を受けとり、 q_t1＝KQ（Ｋ＝Ct／Ct＋Cg）式が成り立つ 第二段階で、切替器Ｉを切替えて、この電荷量
は、コンデンサーＣ中に移行し、この電荷により
コンデンサー両端の電圧が次のようになる。

Vs＝−qt1／Ｃまたは Vs＝−Ｑ／Ｃ・Ct／Cg＋Ct＝−ＫＱ／Ｃであらわされ る。第二の転送サイクルの時点での電荷は、 qt2＝Ct／Ct＋Cg（Ｑ−qti）であらわされ、 前記のＫの式を用いると、 qt2＝Ｋ（１−Ｋ）Ｑであらわされる。

転送サイクルが進むにつれ、ｎ回の転送のの
ち、コンデンサーＣに蓄積した圧電Vsは、 Vs＝Ｑ／Ｃ［１−（１−Ｋ）ⁿ］となり、 ｎが大となると、Vsは極限に近づき、 Vs（Lim）＝−Ｑ／Ｃであらわされる。

したがつて増幅器ＡのコンデンサーＣ中には、
集合体Ｅの中の圧電式感知器に蓄えられた電荷が
完全に転送される。継続して行われる転送後の雑
音の強さは、次式であらわすことができる。

Bs／ｅ＝１＋Ct／2C この場合静電容量CtはＣよりはるかに低いの
で、雑音の強度はかなり低下され、インピーダン
ス変圧器の場合観測される強さと同程度となる。

電荷の転送は継続して行われる。この移行に要
する時間は、時定数τでらわされ、次式で示され
る。

τ＝１／Ｆ・１／log１／ｋ ここでＦは、切替、Ｉの制御信号周波を示す
が、この関係式は、整流器の抵抗が無視できる特
殊ケースの場合成立する。

切替器が或るインピーダンス値Ｒをもつ、実用
の場合には、時定数τ_Rは、 τ_R＝１／Ｆ１／log〔（１−Ｋ）（１−exp１／FRKCg
〕^-1 であらわされる。

ここで指摘しておきたいことは、時定数τがあ
るために、装置が一種の低域フイルターとして働
作し、静電容量Ctとサンプリング周波数Ｆの値
を適当に定めることにより、その特性を調整でき
ることである。したがつて増幅信号の通過周波帯
の幅を有用な値に制約することができる。この装
置には、自動的にいずれの場合でも地震波データ
受信装置に含まれる“エリアシング防止効果”機
能をもつことになる。

第６図の実施態様では、それぞれ二組の転送用
コンデンサーCt１，Ct２を切替器Ｉ１とＩ２の
端子ｉ３１とｉ３２に連結して使用している。

切替器Ｉ１とＩ２のそれぞれの端子ｉ１１とｉ
２２とは一組の圧電感知器Ｅに接続されている。

切替器Ｉ１とＩ２の端子ｉ２１とｉ１２は何れ
も増幅器Ａの入力に接続されている。両切替器の
二端子ｉ０１とｉ０２は接地に接続されている。
同期装置Ｈは、Ｉ１，Ｉ２切替器の切替を制御す
る。また中央端子のｉ３１とｉ３２は、ｉ３１を
ｉ１１，ｉ２１，ｉ０１と、ｉ３２をｉ１２，ｉ
２２，ｉ０２と、それぞれ順次に切替えられる。

上記の接続を考えると、転送用コンデンサー
Ct１またはCt２は、一方が増幅器Ａのコンデン
サーＣ中に充電を行う間、他方は圧電感知器の集
合体Ｅから電荷を受けるという具合に順次切替え
られる。

同様に、残留雑音強度は端子ｉ０１とｉ０２を
通過する間に接地に放電される。増幅器Ａの入力
は各サイクルの働作の２／３の間、二組の転送用
コンデンサーCt１またはCt２のいずれかにより
充電されるので、この出力側で測定される雑音レ
ベルは、Bs＝Ct／2C（ただし、CtはコンデンサーCt １とCt２の容量が等しい場合の容量を示す）で
あらわされる。

第７図で示す変形例は、二個の荷電コンデンサ
ーへの転送システムに関するもので、直列に連結
した圧電感知器の集合（Ｅ１およびＥ２）をも
ち、Ｅ１とＥ２の直列接続点は接地されている。

第一の切替器Ｉ１は、端子ｉ３１に接続されて
いる転送用コンデンサーCt１を、順次感知器群
Ｅ１のプラス端子に連結されている端子ｉ１１、
増幅器Ａの入力に接続している端子ｉ２１、次に
接地端子ｉ０１に接続させるようになつている。

第二の切替器Ｉ２は、第二の転送用コンデンサ
ーCt２の第一端子（これは中央端子ｉ３２に連
結されている。）を接地に接続されている第二端
子ｉ１２に接続し、次に第二の感知器群Ｅ２のマ
イナス側端子に接続されている第二端子ｉ２２と
接続し、さらに次に接地されている第三の端子ｉ
０２と接続させる。

第三の切替器Ｉ３は、中央端子ｉ３３を第二の
転送用コンデンサーCt２の第二の端子と接続し
ておき、これを増幅器Ａの入力側に接続している
第一端子ｉ１３と、次に接地した第二の端子ｉ２
３と、次にやはり接地されている第三の端子ｉ０
３という順序で切替える。

前と同じ同期装置Ｈが、交互に三切替器Ｉ１，
Ｉ２，Ｉ３を切替周波数Ｆで同時に切替えるよう
に制御する。

第一の感知器群Ｅ１の電荷が第一の転送用コン
デンサーCt１に転送されるｉ１１と同時に、第
二の転送用コンデンサーに貯えられていた電荷が
増幅器ＡのコンデンサーＣに移されるｉ１３。次
に第一の転送用コンデンサーCt１の電荷が増幅
器のコンデンサーＣ中に転送される時、第二の転
送用コンデンサーに、第二の感知器群Ｅ２中にた
くわえられた電荷を蓄積する。

三組の切替器の中央端子ｉ３１，ｉ３２，ｉ３
３がそれぞれｉ０１，ｉ０２，ｉ０３端子に切替
られている間に、転送用コンデンサーCt１，Ct
２から、雑音の残存電圧を接地に放電する。

この実施例では、同一増幅器を用い、反対極性
の二組の圧電感知器群により蓄積した電荷の増幅
を行う。なお、増幅器の入力が転送用コンデンサ
ーCt１またはCt２と半永久的に接続されている
ため、切替時の雑音を低めることができる。

三極切替器を用いて行う、転送用コンデンサー
の間欠的短絡は、オプシヨンであつて、転送用コ
ンデンサーを交互に感知器群と増幅器の入力とに
切替える二極切替器を使用することも本発明の範
囲を逸脱しないことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電荷増幅器に接続された圧電感知器の
概要構成を、第２図は上記電荷増幅器入力に直列
接続した電圧感知器の組合せを、第３図は電荷増
幅器の入力端子に連結した複数の並列接続の感知
器群を、第４図はこの方法の実施装置の第一例
を、第５図はこの方法の実施装置の第二例を、第
６図は第５図の一変形例を、第７図は直列接続さ
れた感知器群により生成される電荷の電荷増幅に
適合させた第二の実施例の変形をそれぞれ示す。 Ａ：電荷増幅器、Ｃ：荷電コンデンサー、Ｈ：
同期装置、Ｉ：切替器、Ｅ：圧電感知器群（Ｅ
１，Ｅ２）、Cti：転送用コンデンサー、Ci：感知
器の等価内部コンデンサー、Vi：感知器の等価
電圧発生器、Ｔ：インピーダンス変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれが感度をもつ圧電素子をもつ数個の
   感知器を並列に接続することと、該感知器によつ
   て発生された信号を、荷電コンデンサーＣを含む
   帰還回路と、１つの入力とをもつ電荷増幅器に印
   加することを含む圧電変換器の感度と信号対雑音
   比を改善するための方法において、該方法が、 加えられた圧力に対応して、該感知器に蓄積さ
   れた電荷を該荷電コンデンサーに転送するサイク
   ルを繰返すことによつて上記改善を行うものであ
   り、 各サイクルが該荷電コンデンサーよりも、非常
   に少ない電気容量をもつ転送用コンデンサーCt
   を該並列に接続された感知器と接続し、次に該電
   荷増幅器の入力に、次に接地にと順次接続し、新
   しく該感知器に接続される前に該転送用コンデン
   サーを放電するステツプを含み、これによつて該
   増幅器の入力から見た該圧電感知器の見掛けの電
   気容量を減少させ、該増幅器の信号に対する増幅
   度を変えるとなく、雑音に対する増幅度を減少さ
   せることを特徴とする、圧電変換器の感度と信号
   対雑音比を改善するための方法。 ２ 圧電変換器の感度と信号対雑音比を改善する
   ための装置において、 該装置が； 少なくとも一組の並列接続された圧電感知器
   と、 荷電コンデンサーを含む帰還回路と一つの入力
   とをもつ、少なくとも一式の電荷増幅器と、 該荷電コンデンサーの電気容量よりも非常に少
   ない電気容量をもち、一方の端子を接地されてい
   る転送用コンデンサーと、 該転送用コンデンサーの他方の端子を前記一組
   の圧電感知器、前記電荷増幅器の入力、および接
   地に順次接続替えするための少なくとも一式の切
   替手段と、 該切替手段を制御して、前記圧電感知器に蓄積
   された電荷を、順次に前記荷電コンデンサーに転
   送し、該転送用コンデンサーの他端を次のサイク
   ルで圧電感知器に接続する前に、該コンデンサー
   に残留する電荷を接地に放電させるために接地さ
   せるサイクルを行わせる同期手段Ｈと、 を含むことを特徴とする、圧電変換器の感度と信
   号対雑音比を改善するための装置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、前記同期手段Ｈが切替信号を発生する時計発
   震器を含み、該切換信号の周波数が、受信される
   地震信号の有効通過帯域幅の関数として選ばれる
   ことを特徴とする、圧電変換器の感度と信号対雑
   音比を改善するための装置。 ４ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、該装置が； それぞれ永久的に接地されている第１端子と、
   切換接続される第２端子とを備える２ケの転送用
   コンデンサーCt１，Ct２と、 該２ケの転送用コンデンサーの第２端子を、そ
   れぞれの第１（ｉ１１）、第２（ｉ２１）の位置で
   前記圧電感知器と、それぞれの第２（ｉ２１）、第
   １（ｉ１２）の位置で、前記電荷増幅器の入力と、
   双方の第３の位置ｉ０１，ｉ０２で接地と、切換
   え接続させる２ケの３極切替手段I₁，I₂と、 該切替手段に制御信号を送り、該２ケの転送用
   コンデンサーの第２端子のそれぞれを順次に切替
   え、第１の転送用コンデンサーCt１の第２端子
   が前記圧電感知器に、第２の転送用コンデンサー
   Ct２の第２端子が前記電荷増幅器の入力にとい
   うように交互に切替るように該３極切替手段を制
   御する同期手段Ｈとを含むことを特徴とする、圧
   電変換器の感度と信号対雑音比を改善するための
   装置。 ５ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、該装置が反対の極性をもち、直列に接続され
   ていて、その共通接続端子が接地されている２組
   の圧電感知器群Ｅ１，Ｅ２と、 それぞれが第１と第２の端子をもち、その一方
   Ct１の第１端子が永久的に接地に接続されてい
   る、２つの転送用コンデンサーCt１，Ct２と、 ３ケの３極切替手段とを含んでいて、 第１の切替手段１１が前記第１の転送用コンデ
   ンサーCt１の第２端子を、第１の位置ｉ１１で
   前記第１の組の圧電感知器群Ｅ１と、第２の位置
   ｉ２１で前記電荷増幅器Ａの入力と、第３の位置
   ｉ０１で接地と切替接続させ、 第２の切替手段１２が、前記第２の転送用コン
   デンサーCt２の第１端子を第１の位置ｉ１２で
   接地と、第２の位置ｉ２２で前記第２の組の圧電
   感知器群Ｅ２と、第３の位置ｉ０２で接地と切換
   接続させ、 第３の切換手段Ｉ３が前記第２の転送用コンデ
   ンサーCt２の第２端子を、第１の位置ｉ１３で
   前記電荷増幅器の入力と、第２の位置ｉ２３、第
   ３の位置ｉ０３で接地と接続させるようになつて
   いることを特徴とする、圧電変換器の感度と信号
   対雑音比を改善するための装置。