JPH0446517B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、ハイドロホン・アレイに関し、更に
詳細には多層圧電重合体（PVDF）ハイドロホ
ン・アレイに関する。

（背景技術） 従来、圧電セラミツク、特にチタンジルコン酸
鉛（PZT）は、ハイドロホン及び放射器の両方
に最もよく使用されてきた材料である圧電セラミ
ツクは、円筒状、リング状、板状又は半球状等の
種々の形状にすることができるので、ハイドロホ
ンの設計において相当の融通性がある。セラミツ
クは種々の形状にすることができるけれども、一
続きに組立られる最大の大きさについて実用上の
制約がある。これは圧電セラミツク材料の硬くそ
してもろい性質のためである。この制限される最
大形状、セラミツクの剛性及びその高い質量密度
（鋼鉄とほぼ等しい）は、いくつかの応用、例え
ば船上で使用される牽引アレイ及び船に取り付け
る大きな開口を有するアレイなどへの適用におい
ては欠点となる。

圧電重合体（PVDF）は、最近開発された新し
いトランスデユーサ材料で、これらの制約を克服
し、軽量で可撓性のハイドロホンを発達させた。
本発明に使用されるとき、PVDFは牽引アレイに
適用される長いストリツプに製造することがで
き、あるいは、大きい開口のアレイに使用される
大きな平坦シートにすることができる。重合体の
低密度及び機械的柔軟性は、細い線状牽引アレイ
に使用するときに有利であることが証明されてお
り、この場合、ハイドロホンは長く、細く、柔軟
で軽量でなければならない。長さの長いハイドロ
ホンは「空間的平均化（spatial averaging）」効
果によつて乱流境界層現象に関連する雑音を減少
させることができる。即ち、ハイドロホンの長さ
を雑音の波長に比較して非常に長くする（ハイド
ロホンの長さに比較して波数が多い）ことによつ
て、ハイドロホンに対する雑音の影響は平均化
（相殺）によつて減少する。大きな開口のアレイ
のハイドロホン素子は、また、大きな横方向寸
法、軽量、薄さ、半柔軟性及び波数の多い乱流境
界層雑音に対する弁別能力が必要になる。船搭載
の大開口アレイ・ハイドロホンは、本発明にける
と同様に、中間波数船体振動雑音（船体の振動に
よつて発生される雑音で、波長は乱流境界層雑音
よりも長い）の影響をも排除する必要がある。

軽量で機械的柔軟性があるので、重合体は圧電
セラミツクよりも衝撃に対する耐性がある。また
重合体の機械的柔軟性によつて、材料を不規則な
表面にすることができ、新しい形式のハイドロホ
ンの設計を可能とする。更に、重合体の特性イン
ピーダンスは、水の特性インピーダンスに非常に
整合する。重合体は、また、大きな圧電応力定数
を有する利点がある。

圧電重合体膜（層）は、現在ポリフツ化ビニリ
デンから作られ、しばしばPVDFと呼ばれる。分
極処理は、重合体を有用な圧電体にするのに行な
わなければならない。この処理は、上昇した温度
で膜を単軸伸長し数回元の長さにすることによつ
て行なわれる。分極の一方法は、膜の両面を金属
化し、高いDC電界を電極に加え、100℃で約１時
間保持する。続いて、電界を加えた状態で室温に
冷やし、その結果永久分極となる。

（発明の概要） 本発明は、中央層の両側に対称に配置される複
数の層から成る多層の圧電ポリフツ化ビニリデン
重合体（PVDF）ハイドロホン・アレイから構成
される。中央層によつて与えられる剛性構造が動
作周波数帯における曲げモードを防止する。中央
層の両側にアレイを取り付けることによつて、加
速度消去のための慣性的に平衡した構造となる。
即ち、加速度力により１つの面のアレイに生じる
信号の極性は他方の面のアレイに生じる信号の極
性と逆になつて、消去される。多層アレイの最も
外側の層は、PVDF層から成り、中間層がPVDF
層を中央支持から分離する。連続するPVDF層の
表面上の金属化パターンが、ハイドロホン・アレ
イの形状及びエレメント数を決定する。

本発明は、PVDF重合体の独特の特性及び大き
な連続シートに作ることができることを利用す
る。本発明は、効率を改善すると共に構造を簡単
にする。本発明の顕著な特徴は、(1)PVDFの連続
シート上に大きな面積の近接した複数のハイドロ
ホン・エレメントを配置し、雑音低減のための空
間平均化の利点を得ること、(2)アレイの中央の支
持層構造に別個のセンサ層を取り付けて雑音消去
に利用すること、(3)外側PVDFアレイ層間に中間
層を設け、外側信号感知層と支持層との分離を行
うと共に層アセンプリのインピーダンスの制御を
行うこと、(4)最も外側のPVDF層の適当な電気接
続によつて加速度消去のための慣性的平衡構造を
供給すること、そして(5)流体静力学モード動作を
行うことである。

（実施例の説明） 本発明の好適実施例が第１図に示すアレイ１０
の斜視図に示される。アレイ・アセンプリ１０は
中心の強化・支持層１２を有し、該層１２は各端
部に伸び各端部に取り付け支持部１１を形成し、
その支持部によつてアセンプリ１０は支持構造
（図示せず）に振動吸収マウント（図示せず）に
固定することができる。トランスデユーサに不所
望な振動が伝達しないように、振動吸収材等で船
体に取り付ける方法は従来より知られている。ア
レイ構造１０は、夫々支持層１２の上下の複合層
１４′，１４″から成る。電極１５′及び層１４′，
１４″の他の側の類似の対向電極１５″（第１図に
は図示せず）は、トランスデユーサ素子（エレメ
ント）１６を形成し、該素子１６は線１７によつ
て周知のビーム形成回路１８に接続される。第１
図の層１４′の外側表面には電気的に接続される
領域即ち電極１５′のみが示されているけれども、
電極１５′，１５″の類似するパターンが他の複合
層１４″の外側及び内側表面上に設けられ、第１
図の斜視図では見えない。

第１図のアレイ１０の変更実施例の線−に
沿つた断面図が第２図に示される。この断面は、
本発明を明瞭に示すため、縦方向にずらしてあ
る。第２図の実施例は、複合層１４′を形成する
３つの層２１′，２２′，２６′を示す。複合層１
４″は層１４′と同一である。中央支持層１２は、
トランスデユーサ・アレイ１０の動作周波数帯に
おける曲げモードを防止する剛性構造を提供す
る。層１２は、また、ハイドロホン・アレイ１０
の取り付け構造を供給し、加速度消去のための慣
性的平衡構造を提供する。支持層１２の適当な材
料は、ガラス繊維強化樹脂で、市販のタイプＧ−
１０（デユポン社製）が適切である。ガラス繊維
強化樹脂層１２の高ステイフネス及び低密度は、
アレイの曲げ応力に対する耐性を高め、アレイの
軽量化にも寄与している。しかし、このような特
性を有する他のプラスチツクやアルミニウム又は
鉄鋼等の金属を他の実施例に使用することが可能
である。

最も外側の層２１′，２１″は厚膜PVDF材から
成り、その平面と垂直の方向の応力に対し最大の
感度を示す。層２１′，２１″は、ハイドロホン・
アレイ１０の主要な電磁的能動層を構成する。電
極１５′、層２１″及び２１″の内側表面上の対応
する電極１５″（第２図のPVDF層２１″の内側表
面に示される）は中間PVDF層２１′，２１″と共
にアレイ１０のトランスデユーサ素子５０を形成
する。層２１′，２１″の対応する領域１５″は並
列に接続され、周知のトランスデユーサ・アレイ
における同様にビーム形成回路に接続される。層
２１′，２１″の最も外側の電極１５′は電気導体
１５２によつて一緒に接続され、次に導体１５３
によつてグランドに接続され、それによつてシー
ルドを形成し、電気雑音が内側の電極１５″によ
つてピツクアツプされるのを防止している。これ
と違つて、第１図に示すように、電極１５′を個
別の線１７でビーム形成回路１８に接続し、そこ
でグランドに接続してもよい。この線１７による
接続は、従来のように共通グランド線が使用され
るときに時々生じるクロストークの問題を最小限
にする。アレイ１０の電極１５″によつて供給さ
れる信号は線１５１によつてアレイの周辺部に供
給され、それから周知のビーム形成回への接続が
行なわれる。電極１５′，１５″及び接続導体１５
１，１５２，１５３は、層２１′，２１″に使用さ
れる市販の金属化PVDF膜の選択エツチングによ
つて形成される。PVDF層２１′，２１″は外部表
面に加えられる圧力変化に感動するので、PVDF
は、当業者に既知の態様で、各層２１′，２１″の
平面と交わる方向に圧電気の最も敏感な軸を有
し、検知すべき音響圧力の通常の印加に対し最大
の感度を示す最大厚さ（0.04インチ（約１mm）が
現在入手可能）を有するように製造される。

薄膜PVDF層２２′，２２″は支持層１２の表裏
両面に接着される。各PVDF層２２′，２２″はそ
の両側に導電膜２３を有し、そこに線２４によつ
て電気接続が行なわれる。薄膜重合体層２２′，
２２″は矢印２５の方向に引き伸ばされ、厚さ方
向（平面と交わる方向）に分極されて矢印２５に
沿つた応力変形に対し最大出力電圧を発生する膜
を提供する。こうして、薄膜２２′，２２″は、支
持層１２のひずみ（応力変形）を感知し、そのひ
ずみに比例した電圧を発生する。層２２′，２
２″は、薄く典型的に約１ミル（0.25mm）の厚さ
で、支持層１２に接着によつて取り付けられるの
で、これらの層は通常当る音響圧力に対してより
も、層１２の機械的振動によつて感動する。双軸
（膜の平面において直交する２つの軸方向に）伸
長された膜も、また利用することができ、層２
１′，２１″，２２′，２２″の単軸伸長膜と置換す
ることができる。線２４上の信号はトランスデユ
ーサ素子５０が接続される電気回路に与えられ、
PVDF層２２′，２２″のトランスデユーサ素子１
５１の各々によつて検知される不所望な雑音の同
じ振動成分を消去する。PVDF層２２′，２２″は
薄くそして層の平面において最大の感度を示すよ
うに分極されるので、変化する水圧によつて発生
される圧縮応力によつては顕著な出力電圧を発生
せず、従つて層２１′，２１″のトランスデユーサ
素子５０によつて発生される信号を減少させる作
用はしない。こうして、雑音感知層２２′，２
２″の線２４上の出力電圧は支持層１２の表面応
力ひずみに比例することになる。

層２６′，２６″は、にかわ又は他の適当な接着
材によつて外側の層２１′，２１″にそして内側の
層２２′，２２″に夫々接合される。層２６′，２
６″は２つの目的を有する。これらの層は外側層
２１′を内側層２２′から電気的に絶縁するが、主
に層２１′，２１″から成るハイドロホンを中心の
支持層１２から分離する目的を有する。その大き
な減衰定数のため、分極された、又は分極されな
いPVDF重合体が層２６′，２６″に適当な材料と
なる。分極され又は分極されないPVDFのインピ
ーダンスは水のインピーダンスに近く、また減衰
定数が大きいので、トランスデユーサ・アレイ１
０によつて与えられるインピーダンスは水のイン
ピーダンスに近くなる。このインピーダンスの整
合により、散乱現象が減少し、よく限定されたビ
ームが形成される。

第３図は、第１図のアレイ１０と類似するトラ
ンスデユーサ・アレイ１０′の斜視図で、該アレ
イは外側の導電膜３０が連続膜で、第１図に示す
ような電極１５′を形成するようにパターン化さ
れていない点が異なる。

トランスデユーサ素子５０（第３図には示して
いない）は、外側PVDF層２１′，２１″の内側表
面上の導電電極１５″によつて画定される。第３
図のトランスデユーサ・アレイの音響的効率は第
１図のトランスデユーサ・アレイのものに匹敵す
ると共に、電線３１によつて接地される膜３０の
簡単な連続被覆によつて同様の電気シールドを与
えている。

第４図は第３図のトランスデユーサ・アレイの
線−からの断面図で、複合層１４′，１４″は
第２図に示す３層よりも多い構成要素を有する。
特に、第２図の単一層２６′，２６″の代りに外側
PVDF層２１′，２１″と内側PVDF層２２′，２
２″との間に夫々Ｎ個の層が設けられる（合計2N
層）。Ｎ個の層〔層１，２……（Ｎ−１），Ｎ〕
は、もし音響的に有効であるときは、にかわ層
（接着媒介層）を含むことが可能で、外側PVDF
層２１′，２１″と支持層１２との間にダンピング
を与えるように選定され、また、多層材を使用す
る周知のインピーダンス整合技術に従つて層２
１′２１″と水とのインピーダンス整合を供給する
ように選定される。Ｎ個の層は中央支持層１２に
対し、層の厚さ及び層の特性に関し対称となるよ
うに配置される。層１〜Ｎは等方性又は直交異方
性でよく、PVDFダンピング（又は分離）層を含
む。第４図の断面はPVDF層２１′，２１″の外側
表面上に連続導電膜を示していることに注目すべ
きである。

前述したように、第１図及び第２図のPVDF層
２１′，２１″上の金属化パターン１５′，１５″は
アレイ配置を画定し、対向する夫々一対の金属化
面１５′，１５″とそれらの中間PVDF材はハイド
ロホン素子１６を構成している。同じく金属化さ
れたパターンが第１図及び第２図の実施例の層の
両側に現われている。各ハイドロホン素子の形状
は任意であるけれども、空間平均化による雑音低
減の利益を得るためには実装密度を高くすること
が望ましい。この必要条件を満たすため、正方形
又は長方形のパターンにして素子間の金属化され
ないギヤツプを小さくすることがよいであろう。
ハイドロホン素子の大きさ、数量、及びグループ
分けは、周知の受信アレイ設計規模によつて決定
される。電気接続は導体１５１によつて各ハイド
ロホン素子の金属化表面に行なわれる。

ハイドロホン・アレイ１０は、該アレイ１０を
取り巻くプラスチツク又はゴム被膜（図示せず）
によつて防水にされ、アレイへの電気接続の防水
が行なわれる。PVDF層２１′，２１″の両方がア
レイの使用される水環境によつて与えられる音場
に接するので、アレイ１０は流体静力学モードで
動作し、その感度は圧電定数ghによつて決定さ
れる。各トランスデユーサ素子１５１の感度は支
持層１２による曲げモードがないので同じにな
る。支持層１２は動作周波数帯において曲げ共振
を消去するのに必要な剛性を有するからである。
アレイ１０を構成する層は支持層１２に対し層の
厚さ及び層の特性に関して対象に配置されること
は注目すべきである。そして、対応する層は等方
性又は直交異方性板で形成することができる。層
２１′は層２１″と同じ厚さ、同じ特性を有する。
即ち、層N′は層N″と同じ厚さ、同じ特性を有す
る。

以上、本発明は実施例に従つて説明したが、本
発明の思想を利用する他の実施例が可能であるこ
とは当業者には明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従つて構成されるトランス
デユーサ・アレイの等角図である。第２図は第１
図の線−からの断面図である。第３図は本発
明の他の実施例の等角図である。第４図は第３図
の線−からの断面図である。 （符号説明）、１０：アレイ・アセンブリ、１
２：支持層、１４′，１４″：複合層、１５′，１
５″：電極、２１′，２１″：PVDF層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平面支持層と、 前記支持層の両面上に接着される第１圧電重合
   体層であつて、該第１圧電層の各々は該第１層の
   平面と平行な方向に生じるひずみによつて主に発
   生される電気信号を発生する、第１圧電重合体層
   と、 前記第１層に接着され、各々が高音響減衰定数
   を有する第２層と、 前記第２層に接着される第３圧電重合体層であ
   つて、該第３層の平面と垂直の方向に加わる圧力
   に主に応答して電気信号を供給する第３圧電重合
   体層と、 から構成され、前記第１及び第３圧電層は各層の
   両面に導電膜を有し各層間のひずみに応答して前
   記電気信号を供給する、トランスデユーサ。 ２ 前記第２層が重合体層である特許請求の範囲
   第１項記載のトランスデユーサ。 ３ 前記第２層がPVDF層である特許請求の範囲
   第１項記載のトランスデユーサ。 ４ 前記平面支持層が曲げに対し耐性を有する剛
   性層である特許請求の範囲第１項記載のトランス
   デユーサ。 ５ 前記支持層がガラス繊維強化樹脂層で、動作
   周波数帯において安定したハイドロホン応答とな
   るように充分な剛性を与える厚さを有する、特許
   請求の範囲第１項記載のトランスデユーサ。 ６ 前記第３層の導電膜が該層の一表面上に電気
   的に絶縁された領域を供給するようパターン化さ
   れた少なくとも１つの膜を有し、前記領域が前記
   第３層のトランスデユーサ素子アレイから成るト
   ランスデユーサ素子を画定する、特許請求の範囲
   第１項記載のトランスデユーサ。 ７ 前記第１層が、音響信号圧力に対してよりも
   前記支持層におけるひずみに対してより敏感な薄
   層である特許請求の範囲第１項記載のトランスデ
   ユーサ。 ８ 前記第３層が主にその平面と垂直の方向に加
   わる圧力からの電気信号を供給させる厚い層から
   なる特許請求の範囲第１項記載のトランスデユー
   サ。