JPS6018096A - 複合トランスデユ−サ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、トランスデユーサに関し、更に詳細には分離
された干渉のない送信及び受信トランスデユーサを有す
るノナ−に適用し得る複合トランスデユーサに関する。

（背景技術） 第１図に示すような縦長の振動型トランスデユーサ１０
は、従来ノナ−において送信機及び受信機として広く使
用された。トランスデユーサは、必須の要素として第１
図に示ずような屯気隈１戒的能動素子１１（典型的には
圧電セラミック）、頭部（ヘッド体）１２、後部（体）
１３、バイアス・ロッド１４、圧力緩和（放出）装置１
５及び防水ハウジング１６を有する。バイアス・ロッド
１４は能動素子１１及び圧力緩和装置１５の両方にノミ
イアス圧縮力を与える。これらの構成要素及びハウジン
グ１６の組立における音響の分離は圧力緩和装置１５に
よって供給される。第１図に示すｌ・ランスデューザに
は多くの変形例があるが、この一般的型式のトランスデ
ユーサは受信応答に逆に作用する２つの特性周波数があ
る。この２つの周波数は頭部及び後部の共振周波数での
る。

それらの共振周波数に関連の位相シフト及びトランスデ
ユーサ間の位相シフト差の結果としてのトランスデユー
サ゛・アレイによって生じるビームの減衰のだめ、広い
帯域幅に亘る比較的平坦な受信応答が望ましい。しかし
、典型的トランスデユーサの受信応答は、第２図に示す
ように、コントロールできない頭部及び後部共振周波数
２０及び２１を有する。第２図は正規化した周波数ルー
ｆ／ｆｒに対する受信感度をプロットしたもので、ｆｒ
は開回路（一定電流）共振周波数２１である。その共振
より低いビーク２２は頭部とロッドとの結合共振のだめ
のものである。同様に、最小応答２３は圧力緩和パッド
１５によりて形成されるバネの質量及び後部質量１３の
共振によるものである。

一様な平坦受信応答を達成するため、頭部及び後部共振
周波数は等しく七の共振の振幅も等しくなけれはならな
い。大量生産においてこのバランスをとることは難しい
ので、アンバランスを補償するため通常は制動（ダンピ
ング）が取シ入れら扛ている。この制動は後部質量１３
に取り付けられハウジング１６に摩擦接触するゴ゛ム・
バンパー１７によって与えられる。非常にバランスのと
れたトランスデユーサは材料のパラメータ及びトランス
デユーサの物理的寸法の両方について厳しい公差を要求
する。これによって、特に太埜生産においてトランスデ
ユーサのコストが上昇する。

受信感度の一様性に加えて、トランスデユーサ自体の雑
音が非常に重要な性能のパラメータである。ソナー・ア
レイに雑音の多いトランスデユーサがあると、ノナｍ−
プラットホームの存在を知らせてしまうと共に、ソナー
・／スデムの性能ケ低下させてし丑う。特に第１図に示
すような縦長の振動型トランスデユーサは、流体静力学
的圧力が変動するヘッドに接するとき外来の雑音を発生
することがわかった。典型的には、その外来雑音は圧力
サイタル中に発生される開回路トランステユーサ電圧勿
測定することによって決定される。

頭部１２、セラミック１１及び後部■３の接触面をみが
き、機械部分の公差を厳密にし、位置合せ？よく調節す
ることが縦長の振動型トランスデユーサを雑音のないも
のにするために必要であることがわかった。このような
雑晋のない特徴を与えることはトランスデユーサのコス
ｈｅ著しく増大させることになる。

従来においては、また、比重（密度）が小さく機械的に
柔軟な圧電重合体が知られている。これらの特質は、従
来の圧電セラミックよりも衝撃に強い１１合体を提供す
る。更に、重合体の特性インピーダンスは水の特性イン
ピーダンスによく整合する。圧電重合体フィルムは、現
在ポリフッ化ビニリデン（しばしばＰｖＦ２と呼は）し
ろ）から作られる。分極化処理がＪ］を合体を有効な圧
電性にするために行なわれなけ、ればなら々い。分極化
の一つの方法として、フィルムの両面を金属化し−Ｃ電
極ケつくりその電極に高い直流電圧を加え約１時間１０
０℃に保存する。次に電界を加えた状態で室温にまで冷
却すると、フィルムの金属化された表面を横切る方向に
強い圧電効果が生じるｔ共に永久的分極かもたりされる
。− 重合体ＰＶＦ２は超音波信号の伝送及び受信のためのト
ランスデユーサとして以前から使用されてきた。しかし
、この月料で伝送ａれる音響パワーは限られたものであ
るので、その使用は医療超音波等への応用のように低・
ξワーに限定されでいた−（発明の概要） 従って、本発明の目的は、従来の縦長の振動型トランス
デユーサを伝送機能として使用するが受信機能としては
使用ぜず、そのがわり圧電重合体型の分離したトランス
デユーサを信号を受信するために使用する、複合トラン
スデユーサを提供することである。更に詳細には、本発
明のｗ合］・ジンスデューサは、第１図のように、縦長
の振動型トランスデユーサ１０と、その放射面１２１に
取９偵けたタコ信用の圧゛電車合体６０とから成る。伝
送中は受信トランスデユーサは短絡さｉｔ、受信中は送
信トランスデユーサ１０は電気インピーダンスで終端さ
れて、受信比：答を最適にしトランスデユーザ自体の雑
音全最小にする。その受信と送信とを切換えるスイッチ
ング回路をトランスデユーサに内蔵することができる。

本発明の１つの特徴として、従来の縦長の振動型トラン
スデユーサに必要なスペースとほぼ同じスは−スで複合
トランステユーザを配置１夕することができ、トランス
デユーサの１Ｔ５Ｕ、（＝Ｊけ配Ｒｔ変更することなく
ソナーシステムに組み込むことができる。

（実施例の説明） 本発明を以下実施例に従って詳細に説明する。

第１図の複合トランスデユーサ１００は、音の送信及び
受信のため分離した素子を使用する。送信は送信４ａ１
ｏｉから送信／受信（Ｔ／ｌ（）スイッチ１０２を介し
て圧電セラミック１１に電圧を加えることによって行な
われる。変成器Ｉ　Ｊ　ｌはセラミック１１を送信機団
Ｊにインピーダンス整合させるだめに使用する。送信機
１０１がセラミックにパワーを供給する間、送信／受信
（Ｔ／Ｌ（）スイッチ１０３は重合体の（ポリマー）組
立体６旧に接続されるライン６３１を短絡する。送信機
パワーが終了すると、Ｔ／Ｒスイッチ１０３は受信機１
０４を重合体の組立体６０１に接続し、“ｒ／Ｒスイッ
チ１０２はインピーダンス１０５をフィン６３２に接続
してセラミック１１を終端する。

複合トランスデユーサ１００の送信部は、？／Ｅ来送信
と受信の両方に使用された周知の縦長の電気−機械振動
型トランスデューサ１０である。しかし、本発明におい
ては、受信トランスデユー＋（水中聴音器）は、修正さ
れた流体静力学モードで使用されるポリマ、ツ化ビニリ
デン（ＰＶＦ２）から成る用型重合体６０１の厚膜層で
ある。流体静力学モードにおいては、音圧は３つの軸の
すべてに等しく作用し、感知素子の一方側を音場から分
離する圧力放出機構及びそれに関連のハウジングケ必要
としない。流体静力学モードでは、水中聴音器の両端に
は圧力差が生ぜす、その結果動作圧力能力はほとんど制
限されない。本発明においては、重合体の一表面はトラ
ンスデユーサ１０の放射面１２１と直接に接触し、水圧
に蕗されないので、修正きれた流体静力学動作が行なわ
れ′る。ｐｖＦ２は水のインピーダンスに非常に整合す
るので、トランスデユーサｌＯから伝送された音は無視
しイ（する減とでＰＶＦ２シー１−６０１を通過する。

送信中、水中聴音器６０１は短絡される。Ｉ・ランスデ
ューサ１０の放射面１２１に取り付けられる１１合体水
中聴音器６０１は、その送信特性に対し逆方向に作用゛
しない。受信中、トランスデユーサ１０は水中聴音器゛
６０■の信号中の雑音を最小にするインピーダンスで適
切に終端されるか、あるいは、トランスデユーサ１０は
受信したＳ／Ｎ　比を失なうことなく短絡される。更に
、水中聴音器６０１の有効な受（Ｍ応答は１００ＫＨｚ
まで伸びる。開回路及び短絡回路トランスデユーサの重
合体水中聴音器の応答を測定すると、短絡回路状暢の方
が１０ＫＨｚから１００ＫＨｚでほぼ平坦な一様な応答
を示す。トランスデユーサ１０の最適終端においては、
竹にｌ０ＫＨ２以下でより一様な応答が期待できる。

本発明は、速度制御、雑音除去、及び傍受受信器等への
応用が可能である。

ＰＶＦ２水中聴音器６０１のｌｏ、２Ｘ１０．２ｃｍ（
４Ｘ４インチ）の７−トの１００ＫＨｚにおける指向パ
ターンを測定すると、約４．５°のビーム幅で３．　ｄ
ｈめシ、これは高周波における重合体水中聴音器から得
られる良好なビーム・ノミターンを示す。トランスデユ
ーサ１０からの高・ξワー送信試験の結果は、高強度の
音場にめてても重合体水中聴音器の性能に対する測定可
能な影響は生じなかった。す「に、雑音試験中、流体静
力学的圧力サイクルを行なっても重合体水中聴音器への
逆効果は生じなかった。

第１図の俵合トランスデューザ１００の組立ケよ、アル
ミニウム頭部１２を露出さぜるため、往来のトランスデ
ユーサ１０の頭部１２の而１２１に近接して四角形の加
硫ゴム３４盆除去することによって行なわれる。第１図
に面１２１の断面ケ示すが、ゴム３４ケ除去することに
よって生じる四周ポケソｌ−１２３は矩形面１２１０大
ＬＩＸ分に伸ひている。１ｎ１１２１に平坦でなめしか
な表面を得るために、血は機械で切削され、表面の十分
の二又は三が除去される。トランスデユーサ１０のハヮ
ジング１６内′に而１２１から内部空間１２５に頭部１
２ヲ通って穴１２４があけられる。

面１２１の穴１２４の位置には矩形チャンネル１２６が
切削される。而１２１・の露出表面はグリッドプラスト
され、グラスファイバの樹脂をしみ込ませた絶縁マット
３２のノート面に符合する。市販され入手用能な４当な
マットとしてＧ−ＩＯマットがある。

マツＩ・３２及び而１２１は熱及び圧力を加え空気を排
除してエポキシ５σで相反に接着され、堅固に結合する
。

圧電子合体ＰＶＦ２組立体６０１は、夫々■０２×１０
．２ｘＯ，０５８儒（４，Ｘ４Ｘ０．０２３インチ）の
２枚のＰＶＦ２フィルム６０’、　６（１″を第３図に
示すようにエポキシ５０″を被接した面を向い合せて組
立てられる。各フィルム６０はソート両面に金属被膜６
２を設け、そこに紛６３が真空溶接又は低温）・ンダ付
けで電気的に接続される。典型的には、金属被膜６２は
銅で、線６３は０．０７６Ｘ０．２５朋（０，００３ｘ
Ｏ，Ｏｉインチ）のコバール（ＫＯυ（Ｚ７）リボンで
ある。夫々の電気的接続に対し他の金属材料が使用可能
であり、電気的接続はＰＶＦ２を破壊しない温度で選択
された被膜と線材料との間に行なわれる。適当な固定方
法によって、ＰＶＦ２フィルム６０はエポキシ５υ“で
−緒に接合され、空気養生されて第４図に示すようなＰ
ＶＦ２重合体重合仕組合体６０１さｉＬる。

複合トランスデユーサの組立ての次のステップは、Ｐｖ
Ｆ２組立体６０１をグラスファイバ・マット３２への取
り付けである。ＰＶＦ２絹＼ン６体が而１２１又は線６
３に電気的に短絡しないように、電気絶縁テープ６４が
框４図に示すようにＰＶＦ２の四角形の７１つの端部に
＋＋ｙリ付けられる。線６３は軽：１；の；１セリオレ
フイン収縮スリーブ材によって被膜される。ファイバー
ガラス・マット３２の露出部は荒削りされ、みがかれた
グリースが除去され、空気でちり葡払ってきれいにする
。ＰＶＦ２組立体６（１１の表面（）０２はメチルエチ
ルケトン（ＭＥＫ）で払いてきれいにし、その１ｖｌＫ
ＫはＰＶＦ２　の鋼板面６２に悪影響を及ぼさない。

マット３２及びｐｖｌＩ’２組立体６０１の表面６０２
はエボキ、、　５Ｏ／／／で被覆され、相伝に接触して
配置されて空気養生し、絶縁された線６３は、第１図に
示すようにチャンイ・ル１２６に折りたた丘れ−でしで
頭部の穴１２４に通される。テヤンイ・ル１２６は線（
５３に接続するスは−スｒ与えＰＶＦ２組立体６０１が
ｉｒｉ自２１に対し平坦になるようにする。

第１図の複合トランスデユーサ■００の組立ての最終ス
テップは、ＰｖＦ２組立体６旧の最も外側の表面をＭＥ
Ｋできれいにし、液体ネオプレンでコーディングし、空
気乾燥させる。四角ゴム３３は、ポケット１２３及びＰ
ｖＦ２の外側表面の残りの深さの厚き及び面積を有し、
イ・オプシンで被覆され、空気養生によって相反に接着
される。その結果のゴ゛ム３３及びゴム頭部カバー３４
の外部表面は研摩されて平坦な外部表面を呈する。

線（５３は、トランスデユーサ側板１７と頭部１２、セ
ラミック１１及び後部１３との間を辿ってケーブル１８
に至る。グープル１８は４導体ケーブルで、少し離れた
位置の送信機１０１からトランスデユーサ・セラミック
１１への２つの導体６３２をも含む。複合トランスデユ
ーサ１０の内部には、受信機プリアンプ（図示せず）を
設けることができ、受信機に接続されるケーブル１８の
２本の線に接続される前に、信号を増幅Ｊ−る。

ＰＶＦ２利６２は圧電素子として使用されるとき内部分
極を有する。その分極は第３図に示すＰＶＦ２の′重圧
極性表示によって示芒れる。第４図に示すように線６３
′を＃ｊ！６３″′にそして線６３″を線６３”に接続
することによって並列接続が１号られ、それによって受
信機が接続さＪＬる一対の線（’＋：（Ｉが１．１１．
；　ｉｉされる。その並列接続は各ＰＶＦ’２ソート６
０によって与えられるキイ２フ２フ１４２倍にし、ケー
ブルへのインピーダンス整合をよりよくずゐ。もしプリ
アンプがトランスデユーサ１１の内に使用されると、Ｐ
ＶＦ２組立体６旧のキャパシタンスはそれ程’Ｉｉｊ　
費ではなくなる。各Ｐ　Ｖ’Ｆ　２　ソートのｊ！〕ざ
、／−ト数及び直列／並列接続等は設計段階で選択する
ことができる。

実施例の変更は当業者には容易である。例えば、各々の
Ｐ　Ｖ　１１ｉ’　２シートの両側の銅電極は、その端
部をエツチング又は他の適当な技術で除去することがで
きる。これによって、ＰＶＦ２組立体と接わ”Ｃ線との
短絡の可能性を除去し、テーピングの必要性をなくする
。重い銅線を実施例の比較的もろいコバール材の代りに
使用することができる。なた、溶接又はハンダ付けの代
シに導電性のエポキ・／を使用して緋６３をＰ　Ｖ　）
ｉ’　２金属フイルム６２に固定することができる。

本発明を実施例に従って説明したが、本発明の範囲内で
他の実施例を採用すること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図は不発明の複合トランスデユーサの斜視図でめる
。 第２図は従来の縦長の振動型トランスデユーサの周波数
応答曲線を示す。 第３図は）’ＶＦ２フィルムの分解図である。 第４図は組立でたＰＶＦ２水中聴音器の断面図でめる。 （符号説明） １０ニドランスデユーサ　１１：圧゛屯セラミック１２
：ヘッド体（頭部）１３：後部 １４：バイアス・ロッド　１５：圧力放出装置１６：防
水ハウジング　３３：四角コ゛ム３４：ゴム頭部カバー
　６６　：　ＰＶＦ２フィルム６０１：ＰＶＦ２組立体 特許出願人　レイセオン。カンノミニー（外５名）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）送信ヘッド面を有する縦長の振動型トランスデユ
   ーサと、 前記ヘット゛面の振動を電気的に生じさぜる装置と、 前記ヘッド面の大部分に取り付けられ、それを覆う圧電
   重合体水中聴音器と、 前記重合体水中聴音器に生じる電位を検出する装ｆｆ’
   （と、 から構成される複合トランスデユーサ。
2. （２）前記重合体水中聴音器がＰｖＦｚ層から成る特許
   請求の範囲第１項記載の複合トランスデユーサ。
3. （３）外側表面を有するヘッド体を有する縦長の振動型
   トランスデユーサと、 二面を有し、その両面が金属化され、その−面が前記表
   面に取シ付けられる圧電重合体と、前記金属化された面
   に電気的接続を行う装置と、前記重合体層を扱い該層を
   ′「Ｅ気的に絶縁する装置と、 から構成される複合トランスデユーサ。
4. （４）前記圧電重合体層がＰＶＦ２から成る特許請求の
   範囲第３項記載の複合トランスデユーサ。
5. （５）前記圧電重合体層が、水の１１￥性インピーダン
   スとほぼ等しい特性インピーダンメを有する特許請求の
   範囲第３項ｇ＋２載の複合トランスブ゛″コー＝−リ。
6. （６）前記重合体層が複数の金属北東合体フィルムから
   成り、その金属化フィルムがｔＪＪ、気菌に接続さｆ’
   して前記フイルノ・の゛屯気菌相す、ｈ２針ノ１が行な
   われる特許請求の範囲第３項記載の複合ｉ・フンステユ
   ーサ。
7. （７）前記重合体層が少なくとも２つのノイルノ・から
   成シ、各フィルムが前記向を（、，７切る分極をイ１し
   、各フィルムの肉面に金属化層忙有する特ハ′１瑠Ｉ求
   の範囲第３項記載の複合トランスデユーサ。
8. （８）外側表面を有するヘット゛体を有する縦長の振動
   型トランスデユーサと、 ２つの外部側面を有し、その１つの側面が前記表面に取
   り付けられる圧電重合体層と、前記２つの側面に電気的
   接続を行う装置と、前記重合体層を電気的に絶縁する装
   置と、前記重合体層及び前記ヘッド体の防水を行う装置
   と、 から構成される複合トランスデユーサ。
9. （９）外部面を有するヘッド体を有する縦長の振動型ト
   ランスデユーサと、 ２つの外部側面を有する圧電重合体層と、前記各々の側
   面に電気的接続を行う装置と、前記側面の１つをｎｉ［
   記外部面から電気的に絶縁する装置と、 前記絶縁装置ヶ前記外部面及び前記重合体層の１側面に
   接着する装置と、 前記層及び前記外部面の防水を行う装置と、から構成き
   れる複合トランスデユーサ。