JP2006340284A - 超音波変調送信回路および超音波変調送受信システム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を用いて情報および電力の同時伝送を実現する際に、伝送電力の損失を抑止すること。
【解決手段】超音波変調送信回路は、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号を生成出力する搬送波回路２１と、伝送情報信号を生成する信号波回路２２と、搬送波信号を伝送情報信号で角度変調した角度変調信号を出力する変調回路２３と、変調回路２３から出力された変調信号に基づいて超音波発振素子２８を駆動する発振回路２４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音響エネルギーを有する音波、特に２０ｋＨｚ以上の超音波を変調して送信する超音波変調送信回路およびこの超音波変調送信回路を用いて送受信を行う超音波変調送受信システムに関するものである。

超音波センサは、魚群探知機、自動車の衝突センサ、防犯センサ等として広く利用されている。この種のセンシング用途では、超音波は送信した信号の反射波を受信して、障害物の有無や距離などを検出する目的で使用されるのが一般的であり、音圧の低い微弱な信号であっても、センサが良好なＳ／Ｎ比で受信できれば使用には事足りていた。

一方、近年の超音波センサの利用用途拡大の中で、例えば、衝突防止センサに見られるように、より遠くの距離まで超音波信号を送信したいという要望が生まれてきている。こうした場合、通常、より音圧の高い超音波信号を送信することで対応してきた。

他方、音圧の高い超音波の送信が可能になると、つぎは反射信号の検出に留まらず、エネルギーの高い超音波を離れた場所に設置された電子機器への電力供給源として利用する試みが検討されている（例えば、非特許文献１）。この非特許文献１に開示されている技術では、例えば、体内に設置された人工臓器への電力源として、人体への影響が懸念される電磁波ではなく、周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を用いた電力伝送が検討されている。また、近年、室内に設置された省電力型の電子機器に超音波を用いて電力を伝送するなど、超音波をワイヤレスの電力伝送手段とする検討が進められている（例えば、非特許文献２）。

音圧の高い超音波を安定して伝送できるようになると、つぎに、超音波を用いて情報も伝送できないかという要望が生まれる。しかしながら、信号波で、直接、超音波発振素子を駆動する場合、元になる信号波で超音波発振素子を駆動できるようにアンプ増幅する必要が生ずるほか、信号波の周波数と超音波発振素子の駆動周波数が必ずしも一致しないという問題が生ずる。

この問題を解決するための、一手法として、例えば超音波を駆動する高周波パルス（搬送波）に重畳させる信号波を振幅変調することによって、搬送波に信号を載せ、超音波発振素子を駆動する手法が考えられる。実際、体内の人工臓器向けに信号波で振幅変調をかけた搬送波で超音波発振素子を駆動し、電力と情報を同時に超音波で伝送した例が報告されている（例えば非特許文献３）。

横山他 「超音波による生体内電子回路へのエネルギー伝送システムの開発」 電子情報通信学会論文誌 Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ａ Ｎｏ．１２ ｐｐ．１５６５−１５７１ Ｔ．Ｉｓｈｉｙａｍａ ｅｔ ａｌ．「Ｉｍｐａｃｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ａｉｒ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」 Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ Ｏｃｔｏｂｅｒ ５−８，２００３ ｐｐ.１３６８−１３７１ Ｈ．Ｋａｗａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．「Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ」 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０ ２００１ ｐｐ．３８６５−３８６６

図４は、振幅変調回路を主要部として構成された従来技術にかかる超音波変調送受信システムの一般的構成を示すブロック図である。同図に示される振幅変調回路は、情報と電力との同時伝送を実現する超音波変調送信用回路の主要部を構成している。具体的には、同図の上段部に示される送信側では、トランス１０１を介して入力された搬送波１１３がトランジスタ１０２のゲートを駆動し、トランス１０５を介して入力された信号波１１４が、自身の振幅で搬送波１１３を制御する。出力される振幅変調波１１５は、コンデンサ１０３およびトランス１０４を介し、トランス１０４に接続される超音波発振素子１０６を駆動する。

一方、同図の下段部に示される受信側では、超音波受信素子１０７で受信した超音波の一部をブリッジダイオード１０８およびコンデンサ１０９からなる整流回路および平滑回路にて直流成分１１６に変換され、負荷回路（図示省略）に電力を供給する。また、受信した超音波の他の一部はダイオード１１０、コンデンサ１１１、抵抗１１２からなる回路にて復調され、信号波１１７として使用される。

しかしながら、上記従来技術にかかる手法では、搬送波の振幅を信号波の強度で変調するため、超音波発振素子を駆動する搬送波の振幅が一定ではなくなり、超音波発振素子への印加電圧が減少する箇所が発生する。その結果、伝送される電力量が減少し、本来の電力伝送の効率が低下してしまうといった問題点が生じ、本質的な解決策とはなり得なかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波を用いて情報および電力の同時伝送を実現する際に、伝送電力の損失を抑止することができる超音波変調送信回路および超音波変調送受信システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる超音波変調送信回路にあっては、超音波を放射する超音波発振素子を所定の変調信号に基づいて駆動する発振回路と、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号を生成出力する搬送波回路と、伝送情報信号を生成する信号波回路と、前記搬送波信号を前記伝送情報信号で角度変調した角度変調信号を前記所定の変調信号として前記発振回路に出力する変調回路と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号と、伝送情報信号とに基づいて角度変調信号が生成され、この角度変調信号に基づいて駆動された超音波信号が出力される。このとき出力される超音波信号は、超音波発振素子への印加電圧の減少を伴わない一定振幅の角度変調信号に基づいて生成されているので、超音波を用いて情報および電力の同時伝送を実現する際の伝送電力の損失が抑止される。

つぎの発明にかかる超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記角度変調信号が、位相変調信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記角度変調信号が、周波数変調信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記伝送情報信号がアナログ信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記伝送情報信号がディジタル信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送受信システムにあっては、超音波を放射する超音波発振素子と、前記超音波発振素子を所定の変調信号に基づいて駆動する発振回路と、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号を生成出力する搬送波回路と、伝送情報信号を生成する信号波回路と、前記搬送波信号を前記伝送情報信号で角度変調した角度変調信号を前記所定の変調信号として前記発振回路に出力する変調回路と、を具備する超音波変調送信回路と、前記超音波変調送信回路から送信された超音波信号を電気信号に変換する超音波受信素子と、前記超音波受信素子にて変換された電気信号に基づいて直流出力を生成する整流回路と、前記超音波受信素子にて変換された電気信号に基づいて伝送情報を復調する復調回路と、を具備する超音波変調受信回路と、を備えたことを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送受信システムにあっては、前記角度変調信号が、位相変調信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送受信システム超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記角度変調信号が、周波数変調信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送受信システム超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記伝送情報信号がアナログ信号であることを特徴とする。

つぎの発明にかかる超音波変調送受信システム超音波変調送信回路にあっては、上記の発明において、前記伝送情報信号がディジタル信号であることを特徴とする。

本発明にかかる超音波変調送信回路によれば、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号と、伝送情報信号とに基づいて角度変調信号が生成され、この角度変調信号に基づいて駆動された超音波信号が出力されるので、超音波を用いて情報および電力の同時伝送を実現する際に、伝送電力の損失を抑止することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる超音波変調送受信システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
［システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる超音波変調送受信システムの構成を示すブロック図である。本回路は、同図の上段部に示す送信側回路および下段部に示す受信側回路から構成される。送信側回路は、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波を生成する搬送波回路２１、伝送情報信号を生成する信号波回路２２、電力を伝送する搬送波に変調（位相変調）を施す変調回路２３、位相変調された搬送波（変調搬送波）を用いて超音波を発振させるための発振回路２４および発振回路２４によって駆動され、電気信号（電気エネルギー）を超音波信号（音響エネルギー）に変換する超音波発振素子２８を備えるように構成される。

また、受信側回路は、受信した超音波信号を電気信号に変換する超音波受信素子２９、超音波受信素子２９の出力信号から電力成分を抽出する整流回路３０、超音波受信素子２９の出力信号から情報成分を抽出（復調）する復調回路３３、抽出された電力成分を負荷（図示省略）に供給する負荷回路３１および復調信号が供給される信号回路３４を備えるように構成される。

［システムの動作］
つぎに、図１に示した超音波変調送受信システムの動作について説明する。なお、その動作を説明する際の一例として、例えば超音波発振素子２８および超音波受信素子２９として、例えば２５ｋＨｚ程度の超音波を送受することができるピエゾ素子を用いるものとする。

図１において、搬送波回路２１は、電力エネルギーを信号波形の振幅成分に含ませた、例えば周波数２５ｋＨｚの搬送波２５を生成して変調回路２３に出力する。また、信号波回路２２は、情報信号を表す信号波２６を生成して変調回路２３に出力する。変調回路２３は、搬送波２５を信号波２６によって位相変調した位相変調波２７を生成して発振回路２４に出力する。発振回路２４は、位相変調波２７を用いて超音波発振素子２８を発振させる。超音波発振素子２８に発生した超音波は、任意の伝送空間あるいは伝送媒体を介して受信側回路に伝達される。

伝送された超音波は、ピエゾ素子である超音波受信素子２９によって受信され、整流回路３０で直流成分３２に変換された後、負荷回路３１に出力されて所望の電子機器に給電される。一方、受信した超音波の一部は、復調回路３３により信号波成分３５が抽出され、出力先である信号回路３４で処理される。なお、受信側回路において、受信した超音波の出力が大きく、信号波成分が分離し難い場合には、復調回路３３と出力先である信号回路３４との間にコンデンサを挿入するなどの手法を併用するなどして、信号波成分を取り出し易くしても構わない。

なお、この実施の形態では、周波数２５ｋＨｚの超音波を一例として示したが、実施周波数はこれに限定されるものではなく、他の周波数であっても構わない。また、超音波の送受信素子として、ピエゾ素子を使用しているが、スピーカーのような音響エネルギーを伝送することができるものであれば、どのような手段を用いても構わない。

以上説明したように、この実施の形態の超音波変調送信回路および超音波変調送受信システムによれば、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号と、伝送情報信号とに基づいて位相変調信号が生成され、この位相変調信号に基づいて駆動された超音波信号を出力するようにしているので、超音波を用いて情報および電力の同時伝送を実現する際に、伝送電力の損失を抑止することができる。

（実施の形態２）
［システムの構成］
図２は、本発明の実施の形態２にかかる超音波変調送受信システムの構成を示すブロック図である。本回路は、同図の上段部に示す送信側回路および下段部に示す受信側回路から構成される。送信側回路は、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波を生成する搬送波回路４１、伝送情報信号を生成する信号波回路４２、電力を伝送する搬送波に変調（周波数変調）を施す変調回路４３、周波数変調された搬送波（変調搬送波）を用いて超音波を発振させるための発振回路４４および発振回路４４によって駆動され、電気信号（電気エネルギー）を超音波信号（音響エネルギー）に変換する超音波発振素子４８を備えるように構成される。

また、受信側回路は、受信した超音波信号を電気信号に変換する超音波受信素子４９、超音波受信素子４９の出力信号から電力成分を抽出する整流回路５０、超音波受信素子４９の出力信号から情報成分を抽出（復調）する復調回路５３、抽出された電力成分を負荷（図示省略）に供給する負荷回路５１および復調信号が供給される信号回路５４を備えるように構成される。

［システムの動作］
つぎに、図２示した超音波変調送受信システムの動作について説明する。なお、実施の形態１と同様に、超音波発振素子２８および超音波受信素子２９として、例えば２５ｋＨｚ程度の超音波を送受することができるピエゾ素子を用いるものとする。

図２において、搬送波回路４１は、電力エネルギーを信号波形の振幅成分に含ませた、例えば周波数２５ｋＨｚの搬送波４５を生成して変調回路４３に出力する。また、信号波回路４２は、情報信号を表す信号波４６を生成して変調回路４３に出力する。変調回路４３は、搬送波４５を信号波４６によって周波数変調した周波数変調波４７を生成して発振回路４４に出力する。発振回路４４は、周波数変調波４７を用いて超音波発振素子４８を発振させる。超音波発振素子４８に発生した超音波は、任意の伝送空間あるいは伝送媒体を介して受信側回路に伝達される。

伝送された超音波は、例えばピエゾ素子である超音波受信素子４９によって受信され、整流回路５０で直流成分５２に変換された後、負荷回路５１に出力されて所望の電子機器に給電される。一方、受信した超音波の一部は、復調回路５３により信号波成分５５が抽出され、出力先である信号回路５４で処理される。なお、受信側回路において、受信した超音波の出力が大きく、信号波成分が分離し難い場合には、復調回路５３と出力先である信号回路５４との間にコンデンサを挿入するなどの手法を併用するなどして、信号波成分を取り出し易くしても構わない。

ところで、図１に示した位相変調は２７と、図２に示した周波数変調波４７とは、その波形は位相成分のみが異なり信号波形成分は同一である。このことは周波数変調および位相変調のそれぞれの性質に依存しており、例えば変調信号波を積分した後に位相変調した波形と、その変調信号波をそのまま周波数変調した波形とは同一である。したがって、送信側回路に位相変調を行う変調回路を備え、受信側回路に周波数変調を行う変調回路を具備するように構成することも可能である。この場合、図２の送信側回路において、例えば信号波回路４２と変調回路４３との間に積分回路などを設けるようにすればよい。なお、上述のような性質を有する周波数変調方式および位相変調方式を総称して角度変調方式とも呼ばれている。

［変調波の他の例］
ところで、上述の実施の形態１，２では、搬送波を変調する変調信号としてアナログ信号を用いるアナログ情報変調方式に適用する場合を一例として示したが、アナログ情報変調方式に限定されるものではなく、変調信号としてディジタル信号を用いるディジタル情報変調方式に適用することもできる。例えば、図３は、ディジタル情報変調方式による代表的な変調波形を示す図である。同図（ａ）はディジタル信号である入力信号を、同図（ｂ）は入力ディジタル信号で搬送波の振幅を変化させるＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を、同図（ｃ）は入力ディジタル信号で搬送波の位相を変化させるＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を、同図（ｄ）は入力ディジタル信号で搬送波の周波数を変化させるＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）をそれぞれ示している。

図３（ｂ）に示したＡＳＫでは、変調信号がアナログ信号のときと同様に、超音波発振素子への印加電圧が減少する箇所が発生してしまうため、本発明の変調方式としてはあまり適さない。一方、同図（ｃ）および（ｄ）に示したＰＳＫ、ＦＳＫでは、搬送波信号の振幅が一定であり、超音波発振素子への印加電圧が一定に保持されるため、本発明の変調方式として好適である。したがって、上述のような搬送波振幅を略一定とするアナログ情報変調方式に代えて、図３に示すような、搬送波振幅を略一定とするディジタル情報変調方式を用いるようにしてもよい。

なお、この実施の形態では、実施の形態１と同様に、周波数２５ｋＨｚの超音波を一例として示したが、実施周波数はこれに限定されるものではなく、他の周波数であっても構わない。また、超音波の送受信素子として、ピエゾ素子を使用しているが、スピーカーのような音響エネルギーを伝送することができるものであれば、どのような手段を用いても構わない。

以上説明したように、この実施の形態の超音波変調送信回路および超音波変調送受信システムによれば、伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号と、伝送情報信号とに基づいて周波数変調信号が生成され、この周波数変調信号に基づいて駆動された超音波信号を出力するようにしているので、超音波を用いて情報および電力の同時伝送を実現する際に、伝送電力の損失を抑止することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波変調送信回路は、超音波を変調して送受信する送受信回路として有用であり、特に、情報および電力の同時伝送を効率よく行うための送受信回路として好適である。

本発明の実施の形態１にかかる超音波変調送受信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる超音波変調送受信システムの構成を示すブロック図である。 ディジタル情報変調方式による代表的な変調波形を示す図である。 振幅変調回路を主要部として構成されたな従来技術にかかる超音波変調送受信システムの一般的構成を示すブロック図である。

符号の説明

２１，４１ 搬送波回路
２２，４２ 信号波回路
２３，４３ 変調回路
２４，４４ 発振回路
２５，４５ 搬送波
２６，４６ 信号波
２７ 位相変調波
２８，４８，１０６ 超音波発振素子
２９，４９，１０７ 超音波受信素子
３０，５０ 整流回路
３１，５１ 負荷回路
３２，５２，１１６ 直流成分
３３，５３ 復調回路
３４，５４ 信号回路
３５，５５ 信号波成分
４７ 周波数変調波

Claims (10)

1. 超音波を放射する超音波発振素子を所定の変調信号に基づいて駆動する発振回路と、
   伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号を生成出力する搬送波回路と、
   伝送情報信号を生成する信号波回路と、
   前記搬送波信号を前記伝送情報信号で角度変調した角度変調信号を前記所定の変調信号として前記発振回路に出力する変調回路と、
   を備えたことを特徴とする超音波変調送信回路。
2. 前記角度変調信号が、位相変調信号であることを特徴とする請求項１に記載の超音波変調送信回路。
3. 前記角度変調信号が、周波数変調信号であることを特徴とする請求項１に記載の超音波変調送信回路。
4. 前記伝送情報信号がアナログ信号であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音波変調送信回路。
5. 前記伝送情報信号がディジタル信号であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音波変調送信回路。
6. 超音波を放射する超音波発振素子と、
   前記超音波発振素子を所定の変調信号に基づいて駆動する発振回路と、
   伝送電力を振幅成分に含ませた搬送波信号を生成出力する搬送波回路と、
   伝送情報信号を生成する信号波回路と、
   前記搬送波信号を前記伝送情報信号で角度変調した角度変調信号を前記所定の変調信号として前記発振回路に出力する変調回路と、
   を具備する超音波変調送信回路と、
   前記超音波変調送信回路から送信された超音波信号を電気信号に変換する超音波受信素子と、
   前記超音波受信素子にて変換された電気信号に基づいて直流出力を生成する整流回路と、
   前記超音波受信素子にて変換された電気信号に基づいて伝送情報を復調する復調回路と、
   を具備する超音波変調受信回路と、
   を備えたことを特徴とする超音波変調送受信システム。
7. 前記角度変調信号が、位相変調信号であることを特徴とする請求項６に記載の超音波変調送受信システム。
8. 前記角度変調信号が、周波数変調信号であることを特徴とする請求項６に記載の超音波変調送受信システム。
9. 前記伝送情報信号がアナログ信号であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載の超音波変調送受信システム。
10. 前記伝送情報信号がディジタル信号であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載の超音波変調送受信システム。

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