JP2010263416A - 振幅変調回路、超音波音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
汎用部品のみで構成し、低コスト化を図る事のできる、振幅変調回路及び前置増幅器と電力増幅部、超音波送信器を備えた超音波音響装置を提供する。
【解決】
振幅変調回路、超音波音響装置は、入力に例えば音声信号が入力された場合に、超音波送信器から超音波を送波するための駆動パルス電圧を生成する駆動パルス電圧生成に、前記音声信号に基づく交流信号を入力し、駆動パルスのＯＮ／ＯＦＦを決定する電圧を変化させ駆動パルス電圧を振幅変調し、振幅変調された駆動パルス電圧により前記超音波送信器から超音波を送波する。前記各機能は汎用ロジック、汎用コンパレータ、汎用トランジスタ、汎用ＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いて容易に達成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振幅変調方式の超音波送信器を用いて音声信号等のアナログ信号を可聴音とする超音波音響装置に関し、詳しくは超音波に音声信号等のアナログ信号を含めて送波することにより、音声等の情報を可聴音として提供する振幅変調方式の超音波音響装置に関するものである。

従来の超音波音響装置の変調方式には、振幅変調方式のほかに周波数変調方式、パルス幅変調方式など様々な変調方式を用いたものがある。また、これらの変調方式の信号処理にはデジタルシグナルプロセッサー（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）により信号処理及び変調処理を行い、電力増幅器で所定のレベルまで増幅し、超音波送信器から送波する超音波音響装置がある。
以下、図により従来の超音波音響装置について説明する。

特表２００５―５１６５１６（第３９頁、図１、図２）（第４１頁、図１３） 特開２００５―１４２９９９（第 ５頁、図１、図２） 特開２００１―３４６２８８（第 ５頁、図２、図３）

「非線形音響学とその応用」鎌倉 友男 著（ h t t p : / / e w 3 . e e . u e c . a c . jp / s u b j e c t / n o n l i n e a r _ 1 . p d f） 「Ｄ Ｓ Ｐ を用いたパラメトリックスピーカ駆動用包絡変調器の試作」栗本睦仁ほか著、電子情報通信学会技術研究報告 E A 2 0 0 2 - 3 0 ( 2 0 0 2 - 6 )

しかしながら、この振幅変調方式の超音波音響装置では、入力される音声信号等のアナログ信号に対してＤＳＰと言われる半導体集積回路（ＬＳＩ:Large Scale Integration）を用いて信号補正処理及び変調を行わねばならず、そのため装置全体の構成が複雑で高価になるという問題点がある。

あるメーカの振幅変調方式の超音波音響装置はＤＳＰを使用し、音声入力部とＤＳＰと振幅変調部及び前置増幅部には数百点に上る電子部品を使用し、これらの部品を実装したプリント基板のサイズは１５０×２００[ｍｍ]とであり、物理的に大きく、電子部品のコストも高価であった、本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で且つＤＳＰを用いることなく音声情報等の各種情報を超音波送信器から送波できる振幅変調方式の超音波音響装置であり、基本機能を満足するために必要な汎用電子部品点数は数十点、プリント基板サイズは４０×５０[ｍｍ]であり、小型低コストで超音波音響装置を提供できる。

また、振幅変調方式においては変調波である音声信号が一定レベル以下の小音量のときにも搬送波が存在するため不要な電力消費を伴い効率的ではない。しかし振幅変調方式の超音波音響装置において、省電力等のために安易な方法で搬送波のＯＮ／ＯＦＦを行うと耳障りな可聴音ノイズが発生し、無視できない問題となる。

上記目的を達成するために、請求項１記載の振幅変調回路は入力信号の信号レベルによって搬送波の振幅電圧を制御する振幅変調回路において、前記信号レベルが所定の入力レベルか否かを判定する信号レベル検出部と、前記入力レベルを前記信号レベル検出部の判定結果に基づき所定の信号レベル以上となったときに入力信号を通過させる入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部と、前記入力信号が前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部を通過した信号レベルに応じて前記振幅変調回路へ電源を供給するスイッチング式電力供給部と、前記搬送波の周期を決定する搬送波周波数発振部と、前記搬送波の周期に基づきスイッチング式電力供給部の出力電圧をＯＮ／ＯＦＦする変調出力制御部と、を有することを特徴としている。

請求項２記載の振幅変調回路は請求項１記載の振幅変調回路において、前期入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部は、前記入力信号が所定の信号レベル以上となったときは速やかにＯＮ抵抗が減少し入力信号を通過させ、また前記入力信号が所定の信号レベル以下となったときはＯＦＦ抵抗が徐々に増加して入力信号の通過を制御できる事を特徴とする請求項１記載の振幅変調回路。

請求項３記載の振幅変調回路は請求項１記載の振幅変調回路において、前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部の電気的な動作タイミングにおいて、前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部が完全ＯＦＦの期間を除く期間は前記搬送波周波数発振部の動作を継続している事を特徴とする請求項１記載の振幅変調回路。

請求項４記載の振幅変調方式の超音波音響装置は、超音波の周波数を搬送波とし、音声信号で振幅変調して出力する超音波音響装置において、前記請求項１から３の手段を有する事を特徴とする振幅変調方式の超音波音響装置。

請求項１の振幅変調回路によれば、例えば音声信号などの情報が入力された場合に、信号補正処理及び変調にＤＳＰを用いることなく振幅変調を行う事ができ、基本機能を満足するために必要な汎用電子部品点数は数十点、プリント基板サイズは４０×５０[ｍｍ]であり、小型低コストで振幅変調方式の超音波音響装置を提供できる。

請求項２記載の振幅変調回路よれば、信号入力の有無により前記入力信号のＯＮ／ＯＦＦ制御により次段のスイッチング式電力供給部の起動と停止を制御できる。また、この場合のＯＮ／ＯＦＦ制御の抵抗値とその抵抗値の変化速度を制御する事で、スイッチング式電力供給部の出力電圧の起動と停止のスピードを制御する事により、省電力のためにの搬送波のＯＮ／ＯＦＦを変調出力制御部の電源電圧制御で行う事が可能であり、耳障りな可聴音ノイズの発生を伴う事のない、搬送波停止の省電力動作が可能である。

請求項３記載の振幅変調回路は請求項１、２記載の振幅変調回路において、前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部の電気的な動作タイミングにおいて、前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部が完全ＯＦＦの期間を除く期間は前記搬送波周波数発振部の動作を継続している事を特徴としており、特に前記省電力化のための搬送波のＯＮ／ＯＦＦを変調出力制御部の電源電圧制御を行う動作と組み合わせることにより、十分に安定した搬送波周波数発振部の周期で変調出力制御部が搬送波のＯＮ／ＯＦＦを行う事が可能であり、耳障りな可聴音ノイズの発生を伴う事のない、搬送波停止の省電力動作が可能である。

前記請求項１から３の手段を有する事を特徴とする振幅変調方式の超音波音響装置を用いれば、汎用部品のみで構成された安価で、省電力動作を備え、発熱を抑えた小型の超音波音響装置の提供が可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態に係る振幅変調回路と超音波音響装置について図面に基づいて説明する。この振幅変調回路と超音波音響装置は、図１にしめすように、入力信号部１、入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部２、信号レベル検出部３、スイッチング式電力供給部４、変調出力制御部５、搬送波周波数発振部６、変調出力回路部７、超音波送信部８を備えており、入力された音声信号に振幅変調を行い超音波送信器から可聴帯の音声として送波できるよう接続されている。

従来、この種の変調及び駆動回路としては図２に示す形態で実施され、信号入力部９、ＤＳＰ１０、振幅変１１、前置増幅器１２、電力増幅器１３、超音波送信器１４で構成され、入力された音声信号に振幅変調を行い超音波送信器から可聴音の音声とし送波できるよう接続されている。

図３の（ａ）は、振幅変調の基本的なブロック図であり、入力信号１５、振幅変調回路１６、搬送波周波数発振部１７、変調出力回路部１８の構成となる。ここで変調出力回路部に超音波送信器１９を接続する事により超音波音響装置としての機能を備える装置となる。ここで振幅変調について簡単に述べると、入力信号の波形例（ｂ）、の周波数としては低い信号と、搬送波周波数発振部の波形例（ｃ）、の周波数としては高い搬送波を専用の振幅変調回路で処理を行うことにより、変調出力の波形例（ｄ）が得られる。

本発明の電気的な具体的な実施例は、図４に示す構成であり、具体的には４個のコンパレータを用いることにより本発明の振幅変調回路を構成する。

図４において、ウインドコンパレータ２０は、ＩＣ１及びＩＣ２で構成された信号レベル検出回路であり、入力信号２０１が無信号時にはＩＣ１及びＩＣ２のＯＲ出力はＨｉであるが、入力信号の交流成分に（＋Ｖ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３））以上の振幅の信号が入力されるとＩＣ１及びＩＣ２のＯＲ出力はＬｏｗとなる。

図４において、入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部２１は、コンパレータＩＣ３とＰＮＰトランジスタＱ１により入力信号のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。この場合Ｑ１のＯＮ／ＯＦＦはトランジスタの飽和領域のＯＮ／ＯＦＦの利用のみでは無く、リニア領域のＯＮ抵抗を利用した制御が行われ、Ｑ１のＯＮ抵抗と、Ｑ１のコレクタに接続された抵抗Ｒ１１、により分圧された電圧（（入力信号）×Ｒ１１／（Ｑ１のＯＮ抵抗＋Ｒ１１））が次段のコンパレータＩＣ４、へ基準電圧として供給される。

以下詳細に説明する。
ミュートＯＦＦで入力信号が次段のコンパレータＩＣ４へ供給される状態は、Ｑ１はＯＮであり飽和領域の動作であってＯＮ抵抗は低い方が望ましい。よってＱ１のバイアス電流制限抵抗Ｒ１０は前記の条件を満足する抵抗値が選ばれる。ここで入力信号の直流バイアス電圧を全回路の電源電圧＋Ｖの１／２に設定すると入力信号の電圧は、（＋Ｖ／２）をゼロクロスとして音声などの交流信号が重畳した入力信号である。これにより通常Ｑ１のエミッタには先述の入力信号が常時供給され続ける。よってミュートＯＦＦ時のＱ１のベース電圧は約（（＋Ｖ／２）―０．６）Ｖであり、ＩＣ３のＯＵＴはおおよそ０Ｖである。

次にミュートＯＦＦからミュートＯＮへの遷移について説明する。
入力信号の音声信号が、先述のウインドコンパレータで無信号と判定されるとＲ６とＲ７を介し、Ｃ１に＋Ｖまで電荷が蓄えられる。このときポップノイズを避ける目的とミュートＯＮ時間遅延の為、Ｃ１への充電時定数は放電時に比べ遅く設定している。またＣ１へ電荷が蓄えられる際に（＋Ｖ×Ｒ５／Ｒ４）の電圧に達するとＩＣ３の出力はＬｏｗからＨｉとなり、Ｑ１の動作をＯＮからＯＦＦへ制御するする。但し、ＩＣ３の出力点の電圧を時間軸的に拡大すると、Ｌｏｗから（＋Ｖ／２）の電圧を経由した後、Ｒ９の帰還抵抗により＋Ｖまで緩やかに上昇する。このときＱ１のＯＮ抵抗はリニア領域で制御されるため、徐々にＯＮ抵抗が増加し、Ｑ１のコレクタには（（入力信号）×Ｒ１１／（Ｑ１のＯＮ抵抗＋Ｒ１１））の電圧に相当する電圧を観測できる。よってＱ１のコレクタと次段のＩＣ４の（―）端子の電圧は共に緩やかにＧＮＤレベルへ下降する。

スイッチング式電力供給部２２は、入力信号の音声信号等を基準電圧として、電力増幅部２５へ電源を供給する。 この様なスイッチング電源に於いて、スイッチング周波数は入力信号の周波数や振幅変調の搬送波周波数に対して十分に高い周波数でスイッチングする事が必要であり、これにより、スイッチング式電力供給部の出力２２ａには基準電圧と相似の、次段の電力増幅部の駆動に必要な電力を供給している。

電力増幅部２５は、搬送波周波数発振部２３で生成され、ゲート駆動回路２４で電力増幅部２５の駆動能力を持ったクロックパルスを基に、フルブリッジのＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦを行う。ここで電力増幅部２５の電源には先述のスイッチング式電力供給部の出力２２ａが供給される事により、電力増幅部２５ａ及び２５ｂの、各々の出力のＨｉの電圧は入力信号に追随した電圧が出力される。

図５は、図４の実施例の回路の動作時の波形観測例を示す。

（ａ）は入力信号の音源にアナウンスを用いた例がであり、断続的なアナウンスの音声に追随し、超音波送波器２６の両端に現れる出力である振幅変調波形２６ａが観測できる。尚、入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部２１のＩＣ３の出力部２１ａの波形は、ＧＮＤレベルの０から＋Ｖ／２、＋Ｖへ遷移するしている。ここでミュート解除動作のＯＮからＯＦＦは、＋Ｖから０へ素早く移行し、ミュートが掛かるＯＦＦからＯＮの、＋Ｖ／２、＋Ｖへは緩やかに移行し、よってソフトミュートが掛かることが観測できる。

（ｂ）は入力信号の音源に１［ＫＨｚ］の正弦波を用い、ミュートＯＮからＯＦＦへ移行する例がである。入力信号２０１はウインドコンパレータ入力部の１［ＫＨｚ］の正弦波を示し、入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部ＩＣ３の出力２１ａの波形示す。また、スイッチング式電力供給部の出力２２ａには入力部２０１の１［ＫＨｚ］の正弦波が増幅され電力増幅部２５の電源に供給される波形を観測できる。超音波送波器２６の両端に印加される電圧を示すのが２６ａであり、スイッチング式電力供給部２２ａの電圧が搬送波周波数発振部２３で生成された周波数でスイッチングされ、共振用インダクタＬ１と超音波送波器２６の合成静電容量成分が直列共振状態となった結果、２６ａの振幅変調電圧が超音波送波器２６へ印加され媒質である空中へ超音波の送波が行われ空気中を超音波が伝播する過程で可聴音を得る事が可能である。

ここで、搬送波周波数発振部２３の発振周波数は超音波送波器２６の中心周波数付近であり効率的に超音波の送波を行う事が可能である。また入力信号２０１の立ち上がりに対して超音波送波器２６の両端に印加される電圧２６ａが２．５［ｍｓｅｃ］の遅れを生じているが聴感上の問題は無い。但し、全くこの遅れをなくす必要が生じた際にはマイクロコンピュータ (Microcomputer) 、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを組み合わせることで可能となる。

（ｃ）は入力信号の音源に１［ＫＨｚ］の正弦波を用い、ミュートＯＦＦからＯＮへ移行する例がである。入力信号２０１が停止後、入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部ＩＣ３の出力２１ａはＱ１のエミッタ電位、すなわち入力信号２０１の直流電位の＋Ｖ／２へ即座に上昇し、その後（Ｃ１・（Ｒ８＋Ｒ９））の時定数で＋Ｖまで上昇する。この間、＋Ｖ／２付近でＱ１のＯＮ抵抗を徐々に増加させることでＱ１のコレクタには（（入力信号）×Ｒ１１／（Ｑ１のＯＮ抵抗＋Ｒ１１））の電圧を出力する。よって、スイッチング式電力供給部２２ａには＋Ｖ／２からＧＮＤレベルの０［Ｖ］へ緩やかに下降する電圧を得る事が出来る。これにより、超音波送波器２６の両端に印加される電圧を示すのが２６ａも緩やかに下降し、ミュートＯＮの不快な可聴音の発生を抑えることが可能である。

ここで、入力信号２０１が停止後も搬送波の送波を継続しながら徐々に送波音圧を下降させることによりミュートＯＮの不快な可聴音の発生を抑えることが可能である。

なお、この振幅変調回路は超音波送波器２６の代わりに容量性負荷の、例えばアンテナなどを接続する事で電波の送信を行う事も可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る振幅変調、超音波音響装置の構成を示すブロック図である。 従来の形態に係る超音波音響装置の構成を示すブロック図である。 振幅変調の基本事例を示した図である。 本発明の超音波音響装置の回路構成の実施例の一部を示した図である。 本発明の超音波音響装置の回路構成の実施例における実際の信号タイミング。

１ 入力信号部
２ 入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部
３ 信号レベル検出部
４ スイッチング式電力供給部
５ 変調出力制御部
６ 搬送波周波数発振部
７ 変調出力回路部
８ 超音波発信部
９ 信号入力部
１０ ＤＳＰ
１１ 振幅変調
１２ 前置増幅器
１３ 電力増幅器
１４ 超音波送信器
１５ 入力信号
１６ 振幅変調回路部
１７ 搬送波周波数発信部
１８ 変調出力回路部
１９ 超音波送信器
２０ ウインドコンパレータ
２１ 入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部
２２ スイッチング式電力供給部
２３ 搬送波周波数発信部
２４ ゲート駆動回路
２５ 電力増幅部
２６ 超音波送波器

Claims (4)

1. 入力信号の信号レベルによって搬送波の振幅電圧を制御する振幅変調回路において、前記入力信号が所定の信号レベルか否かを判定する信号レベル検出部と、前記入力信号を前記信号レベル検出部の判定結果に基づき所定の信号レベル以上となったときに入力信号を通過させる入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部と、前記入力信号が前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部を通過した信号レベルに応じて前記振幅変調回路へ電源を供給するスイッチング式電力供給部と、前記搬送波の周期を決定する搬送波周波数発振部と、前記搬送波の周期に基づきスイッチング式電力供給部の出力電圧をＯＮ／ＯＦＦする変調出力制御部と、を有することを特徴とする振幅変調回路。
2. 前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部は、前記入力信号が所定の信号レベル以上となったときは速やかにＯＮ抵抗が減少し入力信号を通過させ、また前記入力信号が所定の信号レベル以下となったときはＯＦＦ抵抗が徐々に増加して入力信号の通過を阻止できる事を特徴とする請求項１記載の振幅変調回路。
3. 前記搬送波の周期を決定する搬送波周波数発振部の動作と、前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部の電気的な動作タイミングにおいて、前記入力信号ＯＮ／ＯＦＦ制御部が完全ＯＦＦの期間を除く期間は前記搬送波周波数発振部の動作を継続している事を特徴とする請求項１記載の振幅変調回路。
4. 超音波の周波数を搬送波とし、音声信号で振幅変調して出力する超音波音響装置において、前記請求項１から３の手段を有する事を特徴とする振幅変調方式の超音波音響装置。

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