JPH0436324B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、海底地震探査や魚群探知用のハイド
ロフオン、または超音波洗浄装置の洗浄液内にお
ける音響測定子等に好適に利用される水中用圧電
ケーブルに関する。

〈従来技術〉 ポリ弗化ビニリデン、ポリ弗化ビニール、ポリ
塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニール、ナイロン等
の圧電性有機物もしくは合成ゴムや合成樹脂の有
機物中にチタン酸ジルコニア酸鉛、チタン酸鉛等
の強誘電セラミツク粒子を混合してなる圧電性有
機セラミツク複合物は、一般の焼結質圧電磁器材
料に比し、その音響インピーダンスが水の音響イ
ンピーダンスに近似する特性を有し、このため、
これを圧電トランデユーサとして用いると水中を
伝播する音響波を効率良く受波し、感度を高め得
る利点を生じる。

そこで第５図に示すように、前記圧電材料より
なる圧電層ａを電極芯ｂの周りに配置し、かつ該
圧電層ａの外周に導電塗料等の導電材ｃを配置
し、前記電極芯ｂと導電材ｃ間に所定の直流電圧
を印加して圧電層ａを径方向に分極した同軸状の
圧電ケーブルを形成し、これを水中に浸漬して、
前記電極芯ｂ及び導電材ｃ間から出力信号を取出
して前記水中を伝播する音響波を受信するように
した圧電ケーブルがある。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、前記構成による圧電ケーブルは、柔
軟であるため、音響波以外の圧力、例えば吹き流
し時の引張応力や水の流動、波立等による曲げ応
力が作用するが、これら機械的応力は圧電層ａの
長さ方向（分極軸に垂直な方向）に歪みを与え電
荷又は電圧を生じ、これがノイズ信号となつて音
響波に重畳的に加わり、Ｓ／Ｎ比を低下させると
いう欠点があつた。

本発明は、音響波以外の影響を阻止して前記従
来構成の欠点を除去し得る水中用圧電ケーブルの
提供を目的とするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、圧電性有機セラミツク複合物からな
る第一圧電層と第二圧電層をケーブルに沿つて設
け、前記いずれかの圧電層を、他方の圧電層に比
して水中での圧電定数の大きな圧電材料とすると
ともに、長さ方向に作用する応力により発生する
電荷又は電圧がほぼ相等しくなるよう構成し、か
つ前記第一圧電層と第二圧電層から生じる電荷又
は電圧の差異を取出す接続手段を備えてなるもの
である。

〈作用〉 上記本発明におけるノイズキヤンセル原理は以
下の通りである。

いま、一方の圧電層の水中での圧電定数を¹dh
及び圧電定数をそれぞれ¹d₃₃，¹d₃₁とすると、これ
らの間には ¹dh＝¹d₃₃＋2¹d₃₁ の関係がある。

また、他方の圧電層についてもそれぞれ定数を
²dh，²d₃₃，²d₃₁とすると、これらの間には ²dh＝²d₃₃＋2²d₃₁ の関係がある。

ところで、圧電定数¹d₃₃，²d₃₃は径方向（分極軸
に平行な方向）の圧力に応答する電気変換率を示
し、音響波信号はこの定数に基づく電荷である。
また圧電定数¹d₃₁，²d₃₁は長さ方向（分極軸に垂直
な方向）の圧力に応答する電気変換率を示しノイ
ズ信号はこの定数に基づく電荷である。

従つてこれらの関係より ¹dh−²dh≠０ … ¹d₃₁−²d₃₁＝０ … とすることによつて、¹d₃₃，²d₃₃の差が取出され、
ノイズ信号が除去されて音響波による信号のみが
取出されるのである。

そこで本発明では、一方の圧電層の材料に水中
での圧電定数¹dhの大きい圧電性有機セラミツク
複合物、例えばチタン酸鉛（PbTiO₃）にゴム、
樹脂等の有機物を混合したものを選択使用する。
ちなみにPbTiO₃とシリコンゴムを７：10の比で
混合した材料は¹dh＝35×10^-12（Ｃ／Ｎ）である。

また他方の圧電層の材料に水中での圧電定数
²dhの小さい圧電複合材料、例えばジルコン酸・
チタン酸鉛（Pb（Zr・Ti）O₃）にゴム、樹脂等
の有機物を混合したものを選択使用する。ちなみ
にPb（Zr・Ti）O₃とシリコンゴムを７：10の比
で混合した材料は²dh＝８×10^-12（Ｃ／Ｎ）であ
る。

このように一方の圧電層を他方の圧電層に比し
水中での圧電定数の大きい圧電材料とすることで
上記関係式を満足することができる。一方、こ
れらの圧電材料は圧電定数¹d₃₁，²d₃₁を異にし、水
中での圧電定数¹dhの大きい材料ほど¹d₃₁が小さ
く、例えば上記特定の割合で配合したPbTiO₃材
料の場合¹d₃₁＝−５×10^-6（Ｃ／Ｎ）、同じくPb
（Ti・Zr）O₃材料の場合²d₃₁＝−25×10^-6（Ｃ／
Ｎ）と異なる。そこで、本発明において上記関係
式を満足させるために、Pb（Ti・Zr）O₃材料
に対し、圧電定数²d₃₁がPbTiO₃材料の¹d₃₁値に相
等しくするとか、分極電圧を下げて²d₃₁の低下を
図ることが必要となる。

尚、Pb（Ti・Zr）O₃材料の²d₃₁の低下は同時に
²dhも小さくなるため、PbTiO₃材料の¹dhとの差
が益々大きくなつて感度を最良にならしめる効果
もある。

また上記は圧電層に発生する電荷Ｑに基づくノ
イズキヤンセル原理を説明したが、発生電圧Ｖに
よつてもＶ＝Ｑ／Ｃなる関係式から静電容量Ｃを
考慮するだけで、電荷Ｑが異なつても勿論、同様
に説明することができる。

本発明は、かかるノイズキヤンセル原理に基
き、圧電ケーブルが引つ張り又は屈撓により長さ
方向の応力を受けた場合に、該応力に基づいて第
二圧電層および第一圧電層に発生する電荷（又は
電圧）は夫々等しくかつ電気的減算により消滅す
る。このため、音響波が水中に発生すると、前記
接続手段から２つの圧電層の水中での圧電定数の
差に基づく電荷（又は電圧）のみの取出しが可能
となる。

〈実施例〉 第１，２図は同軸型の圧電ケーブルに本発明を
適用した実施例に関する。

ここで２は圧電ゴム等からなる第一圧電層であ
つてその内側が正、外側が負となるように分極さ
れ、電極芯１がその中心を通つている。前記第一
圧電層２の周りには導電塗料等からなる接続電極
３が形成されており、さらにその外側には、内側
を正、外側を負に分極した圧電ゴム等からなる第
二圧電層５が設けられている。また前記第二圧電
層５の周面には導電塗料を塗着して形成した電極
６が設けられ、さらに導電性の網組７がその外周
に被着されている。

前記第一圧電層２と、第二圧電層５のうちのい
ずれか、例えば第二圧電層５を前記したように水
中での圧電定数の大きい、例えばチタン酸鉛
（PbTiO₃）系材料により形成し、第一圧電層２
を通常のPb（Ti・Zr）O₃系材料により形成する。

而て形成された圧電ケーブルは、第一圧電層２
の正電極側と接続した電極芯１と、第二圧電層５
の負電極と接続した電極６及び網組７とをリード
線１０により電気的に接続して、その端部を出力
端子Ａとし、さらに第一圧電層２の負電極側と、
第二圧電層５の正電極側とに介装した接続電極３
をリード線１２により接続して、その端部を出力
端子Ｂとし、前記出力端子Ａ，Ｂ間より出力信号
を取出すようにしている。尚前記出力端子Ａはア
ース側となつている。

前記実施例の作用を説明すると、前記圧電ケー
ブルが波立等により長さ方向の応力が生じると、
前記第一圧電層２、第二圧電層５に夫々電荷（又
は電圧）が生じる。ところで、第一圧電層２、第
二圧電層５のd₃₁はほぼ等しくしてあるから、前
記長さ方向の応力によつて両圧電層に発生する電
荷量（又は電圧）は、ほとんど同じであり、前記
したように第一圧電層２の正電極と、第二圧電層
５の負電極とはリード線１０により電気的に短絡
し、また第一圧電層２の負電極と第二圧電層５の
正電極とは接続電極３を介して短絡しているので
消極し合い、結局出力端子Ａ，Ｂ間には前記波立
等の外的応力によつては電位差（又は電圧差）が
生じない。一方、音響波による影響はケーブル全
外周から圧電層２，５に作用するが、第二圧電層
５は水中での圧電定数の大きな材料によつて形成
されているから、第一圧電層２よりも音響波に対
する感度が高い。このためその液中に音響波が発
生すると、前記感度差に対応する出力が出力端子
Ａ，Ｂ間に発生する。

従つて、前記したように波立等の外的応力によ
る電位の発生は消去されるから端子Ａ，Ｂ間には
音響波に対応する電気信号のみが抽出されるよう
になる。このため、前記湾曲による影響を受けな
いで、音響波のみを受信することができる。

尚、前記実施例において第一圧電層２を第二圧
電層５に比して水中での圧電定数の大きな材料に
よつて形成しても、音響波の影響は、その透過性
により内外の圧電層２，５に略等しく作用するか
ら、前記と同じ結果を得ることができる。

第３図は、第一圧電層２、第二圧電層５の分極
方向を逆とした実施例を示す。この場合には第一
圧電層２の外面と接触する電極４ａと、第二圧電
層５の内面と接触する電極４ｂとを絶縁層ｓによ
り絶縁し、第一圧電層２の正電極を第二圧電層５
の負電極と、第一圧電層２の負電極を第二圧電層
５の正電極と夫々電気的に接続する必要がある。
その他の作用効果は前記実施例と同じであり省略
する。

第４図は、本発明を偏平な板状ケーブルに適用
したものである。

すなわち第一圧電層２及び第二圧電層５を偏平
形状とし、電極板２０を介して重ね合わせ、その
外周を導電性被覆２１で覆つてなるものである。
この場合に前記第一圧電層２の内側を正、外側を
負の分極し、第二圧電層５の内側を負、外側を正
に分極し、前記電極板２０により第一圧電層２の
正電極と第二圧電層５の負電極を短絡し、導電性
被覆２１により第一圧電層２の負電極と第二圧電
層５の正電極を短絡する。而て、前記電極板２０
は出力端子Ａに接続され、導電性被覆２１は出力
端子Ｂに接続されて、該出力端子Ａ，Ｂ間から信
号が取出される。

かかる偏平構造においても、同軸ケーブルにお
ける第３図の構成のように、第一圧電層２、第二
圧電層５の分極方向を同一とする構成にすること
は容易である。

尚、前記各実施例に示す接続手段に換えて、一
方の圧電層から発生した電荷を反転し、他方の圧
電層から発生した電荷と結合し、その差を取出す
ようにしてもよい。

〈発明の効果〉 本発明は前記の説明によつて明らかにしたよう
に、圧電ケーブルが外圧により湾曲した場合に、
前記第一圧電層２および第二圧電層５に発生する
電荷を打消し合うようにし、水中での圧電定数の
大きな材料によつて形成された圧電層に生ずる前
記音響波に対応する電荷のみを出力端子から取出
し得るようにしたから、前記波立等の外的応力に
よる影響を可及的に除去して抽出でき、圧電ケー
ブルの出力のＳ／Ｎ比を著しく向上できる等の優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の第一実施例の斜視図、第２図
は同縦断側面図であり、第３図は第二実施例の縦
断側面図、第４図は第三実施例の縦断側面図、第
５図は従来装置の斜視図である。 １…中心電線、２…第一圧電層、５…第二圧電
層、Ａ，Ｂ…出力端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧電性有機セラミツク複合物からなる第一圧
   電層と第二圧電層をケーブルに沿つて設け、前記
   いずれかの圧電層を、他方の圧電層に比して水中
   での圧電定数の大きな圧電材料とするとともに、
   長さ方向に作用する応力により発生する電荷又は
   電圧がほぼ相等しくなるよう構成し、かつ前記第
   一圧電層と第二圧電層から生じる電荷又は電圧の
   差異を取出す接続手段を備えたことを特徴とする
   水中用圧電ケーブル。