JPS60261293A - ハイドロホン - 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】 し産業上の利用分野］ この発明は平らな圧電性基体を備えたハイドロホンに関
する。

［従来の技術］ 平らな圧電性基体の中に圧電能動領域を有する複数の受
波素子が直線上に配置され、基体の円上面側にはそれぞ
れ金属の電極及び電気接続導線のパターンがこれら圧電
能動領域に伺設され、基体の電気的能動領域はフィルム
の厚さの方向に分極されていると共に、基体のモ面側の
面にはごく僅かの広がりを有する。

小形のハイドロホンは公知であり、音波伝搬媒体の中の
超音波音場の測定のために用いられる。

基体としてポリフッ化ビニリデンＰ　Ｖ、Ｄ　Ｆ　する
いはフッ化ビニリデンとテトラフルオルエチレン又はト
リフルオルエチレンとの共重合体から成り例えば約２５
ｐ、ｍの厚さを有する膜が用いられ、この膜は振動板と
して二つの金属リングの間に張って固定できる。その中
心点には圧電能動領域が存在し、この領域は電極を備え
ると共に受波素子を形成する。フィルムは更に同軸ケー
ブルの端末上に張って固定することもでき、約１ｍｍの
大きさを有するその圧電能動領域はほぼ針の先端上に配
置されている。この針構造により約６．３Ｘ１０−Ｉ’
Ｖ／Ｐａの感度が得られる（「ウルトラソニックス（Ｉ
ｌｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　）　Ｊ　、　１９８１年６月
、第２１３ページないし第２１６ページ）。しかしなが
らたった一つの受波素子しか内蔵しないかかるゾンデを
用いて比較的広い範囲の超音波音場を走査するためには
比較的長時間を必要とする。

基体として用いられたポリフッ化ビニリデンＰＶＤＦか
ら成るフィルムには多数の圧電能動領域の直線配置が既
に設けられており、この能動領域には一般に金属から成
る電極とリード線のパターンが付設されている。このパ
ターンはフィルムの丙子面上に蒸着により固定されてい
る。受波素子は約２ｍｍの直径と約８ｐＦのキャパシタ
ンスを有する。増幅器は長さ約３０ｃｍのケーブルに接
続されている。かかる装置により約３．２×１Ｏ−６Ｖ
／Ｐａの感度が得られる（［米国音響学会誌（Ｊ、Ａｃ
ｃｏｕｓｔ、Ｓｏｃ、Ａ、ｍ、）　Ｊ　、第６１巻、補
遺第１号、１９７７年春季、第１７ページ及び第１８ペ
ージ）。

金属電極のポリマーフィルムへの接着性が悪いために、
受波素子の大きさを任意に設定できない。更に各受波素
子に電子式増幅素子特に電界効果トランジスタが付設さ
れているときにだけ感度を高めることができ、この増幅
素子は受波素子のすぐそばに配置されなければならない
。比較的遠くに離して置かれた増幅器の接続は受波素子
の導線キャパシタンスＣＬにより負荷されて、受波素子
のキャパシタンスをＣｔまた受波器出力電圧をＵＥ　と
したとき次式による電圧Ｕまで低下される。

同軸ケーブルは例えば約１ｐＦ／ｃｍのキャパシタンス
を持っているので、例えば３０ｃｍの導体の場合には受
波器電圧の低下はＣ［／３０ＰＦ倍になる。これに対し
て増幅器の出力端においてはインピーダンスが既に変化
しており、そして導線を増幅器の他の部分に導くことが
できる。従って多数の受波素子が相互に密接して配置さ
れているときには、従属する増幅器もまたほぼ同じ格子
寸法で配置しなければならない。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は、かかる既知の小形ハイドロホンを改良し、
特に広い範囲の未知の超音波音場をも短い時間で且つ簡
単に測定できるハイドロホンを提供することを目的とす
る。更にこの発明は、有用性と感度とを高めることをも
目的とするものである。

音波伝搬媒体から超音波振動を録音するための複数の変
換素子を備えた既知の超音波変換装置は、基体としてポ
リフッ化ビニリデンＰＶＤＦから成るフィルムを有する
。この基体はその−・つの平面側に、各変換素子を形成
するあらかじめ定められた圧電能動領域の中に、それぞ
れ導電性材料から成る−・つの電極を備えている。この
フィルムはこの領域の中においてだけその厚さの方向に
分極され、且つこの領域は一平面側のその電極と共に基
体の上に配置されている。超音波変換装置のこのモノリ
シック構造は高感度を有する広帯域の受波アレーを形成
する（ドイツ連邦共和国特許出願公開第３１４９７３２
号明細書）。

支持体のＬ面トに固定される、例えば蒸着される、のを
良しとする電極の厚さは一般に数ｇｍを著しく超過する
ことは無く、Ｉｇｍより非常に小さいのが有利である。

従って従属する電気接続導線もこの厚さを著しく超過す
ることは許されない。接続導線は比較的簡単な方法で同
一の作業工程において電極と共に、例えば写真平版プロ
セスの中で製作される。しかしながら、この導線を支持
体の表面部分上に配置された電気素子に接続しようとし
、この表面部分が上面と稜を形成するときには、この接
続導線を支持体の稜を巡って導くことは困難である。こ
の場合には上面と側面との稜に隣接する表面部分に、こ
の稜に垂直に延びる溝を設けること５ができる。この溝
の中では表面の少なくとも一部分が金属化層を備え、こ
の金属化層を用いて電極と上記の電気素子との間の導線
接続が例えばはんだ付けにより作られる（ドイツ連邦共
和国特許出願公開第３２４ｆｌｉ６８１号明細書）。

［問題点を解決するための手段］ この発明は超音波変換装置のこの公知の構成特徴を使用
すると共に、特許請求の範囲第１項の特徴に基づき構成
される。基体の平面側の面−Ｌでの受波素子の大きさは
一般に１ｍｍより小さく、且つその間隔は０．１ｍｍを
著しく超えない値に制限される。従属する増幅器、好ま
しくは混成増幅器の大きさもまたこの寸法を著しく超過
することはないので、これらの事から１ｍｍより小さい
直線配置の格子寸法が得られる。このハイドロホンは少
なくとも１Ｏ−５Ｖ／Ｐａの感度を有する。

超音波音場の測定のためには受波素子の直線配置に対し
直角な方向に１回だけ移動すれば十分である。ハイドロ
ホンの特別な実施態様において、支持体の始端又は終端
から最初及び最後の受波素子までの距離はそれぞれ受波
素子相互の間隔のほぼ半分に過ぎない。従って多数のモ
ジュールを受波素子の直線配列方向に、同一の格子寸法
を有する共通の構造ユニットとなるように、相前後して
配置することが可能であり、このユニットを用いて更に
広範囲の超音波音場をも短い時間で測定できる。

このハイドロホンの更に別の実施態様は特許請求の範囲
第２項以下に記載されている。

［実施例］ この発明に基づくハイドｒ：Ｉ示ンの諸実施例を示す図
面を参照しながら、この発明を更に詳細に説明する。

第１図に示す実施例においては、受波素子１０は基体２
の図において破線で示した圧電能動領域３から形成され
、この領域３には基体の」二側のモ面側に電極４が、ま
たその下側の平面側には電極５が付設されており、電極
５は支持体１６の上に固定されている。電極５は高誘電
率を有する非導電性の接着層６を介して、基体２の圧電
能動領域３に容量的に結合されている。下側の電極５は
電気接続導線１１を備えている。受波素子１０の直線配
置の中で隣接する受波素子については、接続導線１２が
図に示されている。支持体１６の−Ｌ面１５は傾斜した
二つの側面１７および１８により側力な画成され、これ
ら側面は上面１５と共にそれぞれ稜２２および２３を形
成する。これら稜２２と２３は接続導線１１および１２
の範囲においてそれぞれ−っの溝２４および２５を備え
、これら溝は稜２２および２３に対し垂直に延びると共
に、その内部の表面はそれぞれ少なくとも部分的に図に
示されていない金属化層をｔｌｊえている。

溝２４の中の金属化層は例えば、受波素子１ｏに従属し
且つ基板３３のにに配置されている増幅器３２のための
接続導線２６の、好ましくははんだ伺けのだめの電気的
接続部としての役を果たす。

図に示されていない隣接する受波素子については、従属
する接続導線２７と、同様に基板３７、−Ｌ：に配置さ
れた増幅器３６とが図の中に示されている。

受波素子１０の基体２は重合体、好ましくはポリフッ化
ビニリデンＰＶＤＦあるいはフッ化ビニリデンとテトラ
フルオルエチレン又はトリフルオルエチレンとの共重合
体のシートから成り、その厚さは例えば約２５／７．ｍ
で、このシートはその圧電能動領域３の中ではその厚さ
の方向に分極されている。イ］設された電極４と５は金
属から成り、その厚さは好ましくは数ｋｍを超えず、特
にｌｐｍより著しく小さくすることができる。電極とし
てはクロム／銀又はクロム／金の二重層が適しており、
これらの層では例えば厚さ約２０ｎｍのクロム層は接着
媒体としての役を果たし、このクロム層の上に例えば０
．２ｐＬｍの銀層が析出される。電極５は、一つの共通
な作業口［程において、従属する接続導線１１と共に支
持体１６の上に特に蒸着又はスパッタリングにより設け
ることができる。電極５は接着層６により面接的に基体
２に固定されており、この接着層６は、高誘電率を有す
る電気絶縁材料から成り、好ましくは接着剤層又はパテ
層とするのがよい。支持体１６（いわば背当て）は好ま
しくは高い音響インピーダンスを有する材料から成るこ
とができる。いわゆる固い背当てとしてのこの実施例に
は例えばセラミック、好ましくはアルミナＡｌ２Ｏ３が
適しており、その音響インピーダンスは約４０Ｘ１０Ｌ
ｋｇ／ｍ２ｓである。更に１４　Ｘ　１０６ｋｇ／ｍ２
ｓの音響インピーダンスを有するガラス又は石英も適し
ている。支持体１６として、超音波自身を吸収し且つ例
えばゴムから成る軟らかい背当てを用いることもできる
。受信された超音波信号は約Ｉ　ＭＨｚないし少なくと
も１０ＭＨｚの周波数帯域において変換素子１０の中で
能動領域３の下側のモ面側から電極５に容量的に伝送さ
れ、且つ接続導線１１と２６を経て従属する増幅器３２
に供給される。

増幅器３２としては基板３３、好ましくは薄膜基板−し
に゛配置された混成増幅器が適している。この混成増幅
器はへテロ構造を有する。抵抗は好ましくは薄膜技術に
より形成することがでさ−４、一方付属のトランジスタ
はトランジスタチップとして接着され、その導電接続部
はポンディングされる。

受波素子ｌＯは超音波結合媒体３８を介してカバーフィ
ルム３９に結合され、このカバーフィルムは例えば重合
体から成ることができると共に室の前側の閉鎖壁として
の役を果たし、この室の中に図示の構成ユニットが配置
されている。

第２図の斜視図に示すように図の中で破線により示した
多数の受波素子１０のために、共通の基体２め−Ｌの平
ｉＩ′４１側りにはすべての受波素子ｌＯ１こ対し共通
な電極４が設けられている。接着層６を有する基体２は
明瞭に示すために下側の電極５からある距離を置いて図
示されており、電極５は図には詳細に示していない例え
ば１６個の受波素子１０を有するモジュールの直線の延
長方向に相前後して配列されている。例えば長さｌ＝０
　、８ｍｍ、幅ｂ＝０．７ｍｍ、電極５の間隔ａ−０，
１ｍｍ及び受波素ｆｌＯの格子寸法を０．８ｍｍとすれ
ば、モジュールの全体の長さＬは約１２ｍｍとなる。そ
れにより例えば２　ＭＨｚの周波数において受波素子１
０のキャパシタンスＣｆは約１．６ｐＦとなる。

ハイドロホンの特に有利な実施例においては、受波素子
１０に従属する増幅器３２又は３６はそれぞれ交１に支
持体１６の側面１７又は１８上に配置されている。接続
導線１１と２６から構成され溝２２の中で金属化層の助
けを借りて相互に結合されている電極５と従属する増幅
器３２との間の電気的導線接続部は、非常に短く例えば
たった約１ｍｍとすることかでき更にすべての受波素子
ｉｏに対し同一である。受波素／−１０と増幅器３２又
は３６とから成るこのシステムの感度は従って均一で■
つ非常に高い。混成増幅器の例えば約２ｐＦの小さい固
有キャパシタンスと例えば約１００にΩの高い入力イン
ピーダンス並びに約２０倍の増幅率と約１．６ｍｍの小
さいチャネル幅並びに約１５ＭＨｚの広い帯域幅と約８
ｎＶ／ｒＨｚの少ない雑音により、１６個の受波素子１
０と２５７ｐｍの厚さの基体２とを有する／＼イドロホ
ンにおいて約１０−５ｖ／Ｐａの感度が得られる。

増幅器３２は基板３３の表面上の金属化領域４２の助け
を借りて信号導線４３を備え、この信号導線は増幅器３
２の別の構成素子に導くことができる。

第３図に示す実施例においては多数の受波素子１０を有
するモジュールが室４０の中に配置されており、この室
はその正面側をカバーフィルム３９により閉鎖されてお
り、このカバーフィルムは、支持体１６七に配置された
受波素子ｌＯに超音波結合媒体３８を介して結合されて
いる。支持体１６は固い背当てから成り、その受波素子
ｌＯと反対の端部には吸収体４６を備えており、この吸
収体は例えばアルミナ粉末から成る充填剤を内蔵するエ
ポキシ樹脂から成ることができる。支持体１６の中に侵
入した超音波の、吸収体４６と支持体１６との間の境界
面から反射される部分が減少するように、支持体１６の
端末はとがって形成されている。室４０の壁は一般に金
属から成る。

カバーフィルム３９は高強度で水の浸透しない材料から
成る。カバーフィルムは例えば厚さ約２５４ｍのポリエ
チ１／ン又はポリウレタン又はポリイミドから成ること
ができる。

ハイドロホンの特に有利な実施例においては、カバーフ
ィルム３９はシールドのために役立つ金属被覆保護層４
１を備えている。受波素子ｌＯとそれに従属する増幅器
３２と３６と簡単化のために図示されていないそれらの
電気接続導線の外に、室４０は増幅器３２と３６の各系
列のためにこれら増幅器３２と３６に付属する構成素子
例えｔｉ　Ｗｓ、　抗及びキャパシタを内蔵することが
でき、これらの構成素子は図においては簡単化のために
共通な構成部品として示され符号５２．５６が付けられ
ている。これら構成部品５２と５６は、それぞれすべて
の増幅器３２．３６に対し共通なマルチプレクサ４４．
４５と共に、符号を付していないプリント配線板上に配
置されており、マルチプレク、すの出力信号は共通な信
号導線４８を用いて導き出すことができる。信号導線４
８は好ましくは多重ケーブルとして構成することができ
、この多重ケーブルはハイドロホンのすべての部品のた
めの電流供給ばかりでなくアドレス指示をも含んでいる
。

超音波結合媒体３８は受波素子１０とカバーフィルム３
９との間に空気層ができるのを防ぐという役目だけを持
っている。超音波結合媒体３８として例えば含水性のゲ
ル又はシリコングリースから成る層が適しており、この
層の厚さは一般にＧｇｍを著しく超えず例えば５ｇｍと
することができる。

第４図に示すハイドロホンの実施例においては、受波素
子１０の基体２は室４０のための力／ヘーフィルムとし
て用いられている。接着層６は同時に支持体１６上に固
定された電極５のための電気的結合媒体を構成する。こ
の実施例においては、金属のカバー４が同時に受波素子
１０のための接地電極としての役を果たす。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に基づくハイドロホンの実施例１の部
分断面図、第２図は第１図に示すハイドロホンの部分斜
視図、第３図は実施例２の断面図、第４図は実施例３の
部分断面図である。 ２・・・基本体、３・・・圧電能動領域、４．５・・・
電極、　６−・・接着層、ｌＯ・−・受波素子、１１．
１２−・・電気接続導線（リード線）、１５・・会−１
−面、１６・・・支持体、１７．１８・・会側面、２２
　、２３・・拳稜、　２４，２５・・・溝、　２６　、
２７・・・リード線、３２．３６・・・増幅器、３３．
３７・・・基板、３８・・・超音波結合媒体、３９・Ｉ
ＩＩＩ力／＜−７（ルム、４０−−・室、　４１・・・
保護層、４２・・・吸収体、４４．４６＠・・マルチプ
レクサ。 ＦＩＧ　１ ７′ ＦＩＧ　３ ４０ ＦＩＧ　４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ）平らな圧電性基体（２）を備え、この基体の中には
   圧電能動領域（３）を有する複数の受波素子（’１０）
   が直線上に配置され、基体の円上面側にはそれぞれ金属
   の電極（４゜５）及び電気接続導線（１１，１２）のパ
   ターンがこれら圧電能動領域に付設されているハイドロ
   ホンにおいて、基体（２）の一平面側の電極（５）が機
   械的な支持体（１６）の平らな−Ｅ面（１５）の−Ｌに
   配置されると共に、非導電性で電気的な結合媒体として
   の役を果たす共通の接着層（６）を介して基体（２）の
   従属する能動領域（３）に容に的に結合されており、ま
   た受波素子（１０）に各一つの増幅器（３２，３６）が
   付設されており、これら増幅器（３２，２６）が少なく
   ともほぼ長さの等しいリード線（１１，２６又は１２．
   ２７）により支持体（１６）の側面（１７又は１８）の
   少なくとも一つに固定されると共に、支持体（１６）の
   −ヒ面（１５）及び側面（１７又は１８）の稜（２２又
   は２３）に隣接する表面領域が、接続導線（１１又は１
   ２）の伺近においてそれぞれ稜（２２，２３）に垂直に
   延びる各一つの溝（２４又は２５）を備えており、また
   この溝（２４，２５）の内部の表面の少なくとも一部分
   が金属化層を備え、この金属化層が従属する受波素子（
   １０）の電極（５）にばかりでなく従属する増幅器（３
   ２又は３６）にも結合されていることを特徴とするハイ
   ドロホン。 ２）受波素子（ｉｏ）の同一の格子寸法を有する複数の
   モジュールが設けられ、これらモジュールをタンデム配
   置した際にも格子寸法が維持されるように、これらモジ
   ュールの受波素子（ｉｏ）の始端と終端が形成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のハイド
   ロホン。 ３）混成増幅器（３２）が用いられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載のハイドロホ
   ン。 ４）複ゲートＭＯ３ＦＥＴが混成増幅器（３２，３６）
   の能動素子として用いられていることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載のハイドロホン。 ５）複ゲー１−　Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔがそのブリーダ
   抵抗と共に共通の基板（３３又は３７）上に配置されて
   おり、この基板が支持体（１６）の側面（１７又は１８
   ）上に固定されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載のハイドロホン。 ６）薄膜基板が用いられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載のハイドロホン。 ７）音波伝搬媒体の音響インピーダンスより著しく高い
   音響インピータンスを有する固い背当てが支持体（１６
   ）として用いられ、この支持体の基体（２）と反対側の
   表面」−に吸収体（４２）が配置されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに
   記載のハイドロホン。 ８）音波伝搬媒体と少なくともほぼ同じ音響インピーダ
   ンスを有する軟らかい背当てが支持体（１６）として用
   いられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第７項のいずれかに記載のハイドロホン。 ９）電源及び少なくとも一つのマルチプレクサ（４４，
   ４６）を内蔵する室（４０）の中に配置されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか
   に記載のハイドロホン。 １０）　室（４０）の前側がカバーフィルム（３９）に
   より閉鎖され、このフィルムの厚さが測定すべき超音波
   音場の波長より著しく小さいことを特徴とする特許請求
   の範囲第９項記載のハイドロホン。 １１）カバーフィルム（３９）と受波素子（１０）との
   間に超音波結合媒体（３８〕が設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１０項記載のハイドロホン。 １２）カバーフィルム（３９）、がその受波素子（１０
   ）と反対側の平面側上に導電性材料から成る保護層（４
   １）を備えていることを特・　徴とする特許請求の範囲
   第１０項又は第１１項記載のハイドロホン。 １３）受波素子（１０）の基体（２）がカバーフィルム
   として用いられていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１０項記載のハイドロホン。 １４）基体（２）が支持体（１６）と反対側のその平面
   側上に金属化層を備え、この金属化層が電極（４）を形
   成すると共に受波素子（ｌＯ）のための共通な接地電極
   として用いられていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１３項記載のハイドロホン。