JPS6135581A - 圧電変換器及びこの種の変換器を用いた圧力センサ - 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】 発明の背景 本発明は圧電変換器と、この穏の変換器を使用し、更に
特定的には圧力又は圧縮力の値、圧力又は圧縮力の傾度
値、並びにペン、ド又はカーブの測定を可能ならしめる
圧力センサ又はマイクロホンに係る。

圧１！特性をもつか又は適切な処理によってこの種の効
果を持ち得る材料は多数存在する。圧電材料はまたパイ
ロ電気特性なも備える０例えば有極強銹電性セラミック
又は単結晶水晶を挙げることができる。さらに最近では
圧電ポリマか出現した。

この糧のポリマは両面にメタリゼーションした平たん膜
の形で使用され、機械的又は非機械的に配向され、更に
いずれの場合にも周囲温度に等しいか又はそれ以上の温
度で強い電界（およそＩ　ＭＹ／ＣＲ：なかけることに
よって分極される。この６埋の結果として、ポリマ材料
膜は、変換器として使用することを可能にするパイロ電
気特性と圧電気特性を獲得する。この種の平たんＨＩＸ
は圧力又は変位センナ（マイクロホン、水中聴音機、ひ
ずみゲージ、等々）及び温度センサ（侵入者検出用及び
赤外線結像用のパイロ電気センナ）として適用する。

この目的のために使用し得るポリマは例えばポリフッ化
ビニリデン（ＰＶＦ、）、ポリ塩化ビニル（ｐｖ’ｃ）
、ボリア？／化ビニ＃（ｐ”／Ｆ）、並びに例えはポリ
テトラフルオルエチレン−ポリビニリデン（ＦＴＦＢ−
ＰＶＦ、）及びホリフツ化ヒニリテンーポリトリフルオ
ルエチレン（ＰＶＦ、−ＰＴｒＦＥ）のような共重合体
である。この種のポリマの平たん膜は慣例的に押出しブ
ローイング１つや出し。

プレス加工又はｍ媒蒸発によって得られる。

ある材料の静水圧圧電係数ｄ、ｈ）１３つの成分に別け
ることができる６例えば第１図に示したような圧電材料
シートの場合、材料の静水圧圧電係数ｄ−１３つの単軸
圧電係数の合計に分けられる。

即ち、 ３ｈ　　　３１　　３２３３ 多数の材料のうち、特にポリフッ化ビニリデンＰＶＦ２
とその共重合体では、係数ｄ３□及びｄ３□ノ符号はｄ
３３の符号と反対である。このことは３係数ｄ３ｈの値
を低（する、静水圧応力に対する高感度から利益を受け
るため、例えば密閉した鋼製エンクａ−ジャ内に活性物
質を封入する必要がある。ここには第２図に示すよ５゛
に活性物質に対して単軸方向に圧力をかけるピストンが
備えられている。

圧電膜１０は密閉エンクロージャ３０内にその底部上で
平たんになるよ５にして配置される。ピストン３１警エ
ニンクロージヤ３０内をスライドし。

圧電膜１０上に圧縮力Ｆをかけ℃測定することを可能に
する。ピストン３１に力Ｆを加えるためのＦＩｋ構は図
示されていないが、圧［１１ｍに加わる力Ｆ昏エピスト
ン３１の移動方向に必ず加えられるだろ５、この形式の
装置では。

ｄ３ｈ＝ｄ３３ となる。

しかし、この方法は、装置が密閉性でなければならない
ため、精密な装置が要求されることと、測定した力を損
失なしに伝送する必要があるという欠点かあり、大型静
水圧センサの製造には適さない。従ってこの方法は経費
がかさむ。

第３図に示すもうひとつの方法は、非常に高いヤング率
をもつ剛性サポート３２に：圧電膜１０９！：粘着させ
るとい５ものである。従って膜ｌの平面に関して存在し
得る力はいずれもサポート３２の力によって逆向きにさ
れる。

圧電材料のポアソン比を１とすれは、 ｄ、１１下下（ｄ３１　＋６３□）＋ｄ３３となる。

圧電材料についてはｒ−０，３だから、ｄ　３　ｈ−０
−５（ｄ　３１＋　ｄ　３２　）　＋　ｄ　３３となる
。これはｄ３□とｄ３□かｄ３３と逆符号をもつから有
利である。

但し、後の方法は大型変換器の製造には不適で、従って
大工変換器なカットした形の小型の場合にも同じことが
いえる。

従って１本発明はＥｆの形に製造され、全面租にわたり
同一特性をもつ圧電変換器を提案する。

土工見立Ｊ立 本発明は有極圧電材料膜をもち、かつまた補強材料をＦ
Ｆ３蔵する圧電変換器であって、前記補強材料が所定方
向への変形にさからって膜のｆｆ１ｔｆＲ内に内蔵され
ている。

本発明はまた。この種のトランジスタを用いた圧力セン
サにも係る。

以下に本発明を、添付図面な参照して、い（つかの非限
定の具体例に関し℃さらに詳しく説明する。

好適具体例の詳しい説明 第１図について前に説明した通り、圧電材料１は静水圧
圧電体ａｄ３ｈ＆もつ。係＆２ｄ　３　ｈＧＸ　１　＃
２．３の方向に３部分に分けることができる。これは次
のような３−Ｉｌｉｒ基準で表わされる。

ｄ３ｈ−ｄ３１＋ｄ３２＋（１３３ 圧縮力の測定の場合に高い静水圧圧電効果をもっために
は圧電効果ｄ３□及びｄ３□−を減らすことが有利であ
る。その理由は、これらがｄ　３３と逆の符号をもち、
さらにこのためには圧ｍ係数ｄ３ｈの対応成分の影響を
減少させる必要があるためである。

拘束を均一化するため、２個の剛性サポート間に膜をサ
ンドインチ式にはさむことができる。但しこれによって
、装Ｆｌ！、はさらに複４・１になり、かつインピーダ
ンスブレークか誘導されるという欠点が追加されること
になる。

第４図は本発明変換器を説明するもので、該変換器は、
前記の欠点の口辺な可能にする。

本発明によれば、剛性材料１２が、圧電材料膜１０の平
面と平行な方向にこの圧電材料が変形するのを防ぐため
、膜の’ＦＪＲ内に配置されている。

この材料は多孔質部材であり得る。このよ５Ｋして補強
材料は簡単にポリマ内に挿入される。

第４図に示す具体例によれば、ｖ１４性材料１２はファ
イバ１３より成る。ファイバは相互に編組されるか、あ
るいは交点で結合されて網又は格子を形成する。この格
子１２は平らに配はされ、圧電材料１０を用いて再複成
型（ｏｖ＠ｒｍｏｕｌｄ　）され、その結果各ファイバ
は圧電材料で被覆される。格子１２及び圧電材料は積分
部品を形成する。得られた膜は膜の平面に関して及ぼさ
れる圧縮力又は拡張力ＶＣ対してそれほど敏感ではない
。これらの条件の下で、膜の平置と直角の圧縮力のため
に圧電効果が優勢になる。従って、圧電材料の横方向の
補強は式ｄ　ａ　ｈ−（！　３１　＋　ｄ　３□−Ｄ３
３内で係数ｄ３□及びｄ３□の影響を減らすことから利
益を得ることを目指す。ｔ、１の２つの主要面間の電位
差を測定することによってこの圧電効果を測定すること
により、こうなる圧芦力の値をより簡単に翻訳すること
ができる。

前記の具体例（膜の横方向補強）は、さらに特定的には
海中聴音測定用装置に適している。他の適用では、他の
補強方向を得ることができる。従って、圧電材料は、１
，２又は３．あるいは１及び２．２及び３又は１及び３
、あるいは１と２と３の別々の方向に補強されることが
できる。

１具体例によれば、使用される圧電材料は、例えばポリ
フッ化ビニリデン（ＰＶＦ２）のような半結晶ポリマで
あるか、又は例えはポリテトラフルオルエチレンとこの
ポリマを結合して得た共重合体であることかできる。

補強材料は導電性又は絶縁性をもつことができる。従っ
て、導電材料の場合では、金ル格子を考えることができ
る。絶縁材料の場合では、ガラスファイバ繊維、ケプラ
（Ｋｅｖｌａｒ　）即ちポリマ繊維が適百であろう。

共重合体Ｐ！／Ｆ、−ＰＴｒＦＲを用いる場合１工、複
合膜形成で溶融状態のポリマ内にこの繊維が含まれる。

海中聴音装置のための材料の具体例では、低密度の複合
材料が得られる。これは水に適する優良インピーダンス
をもつ。

この種の材料についておこなった測定から次の結果か得
られた。

ポリフッ化ビニリデン（Ｐ’／Ｆり６９％と、ポリトリ
フルオルエチレン（ＰＴｒＦＫ）４０％より成るＰＴｒ
ＦＫ−ＰＴｒＦ１Ｍ共重合体ｍｔｚ厚さ１．ｌｉｊｌｍ
ｌ、補強材料を含まず、１３０　ＫＶ／ａｎの電界で８
０℃で分極され１次の値をもつニ ー誘電率　　ｔｒｍ１２ 一静水圧圧電係数　ｄａｈ−４ｐＣ／Ｎ　（ピコクーロ
ン／ニュートン） 前述と同じ条件で分極された同じ成分と厚さの膜にポリ
エステルｌＲ＃１ｃｉｋ：内蔵した場合は次の特性か得
られる： ｒ−９ ＋１３ｈ−１１ｐｃ／Ｎ Ｐ／Ｆ２６７％及びＰＴｒＦＲ３３％から成るＰＶＦ、
−ＰＴｒＦＢ共重合体膜を厚さ１順で補強材料を含まず
、１９０ＫＶ／ｃＩＬの電界により８０℃で分極して次
の特性を得た二 ε　　−１Ｏ０６ ｄ３ｈ−４ｐＣ／Ｎ ＰＶ、？、６７％及びＰ’ｌ’ｒＦｌ　３３％より成る
１’／Ｆ、　−Ｐ’ｌ’ｒＦＢ膜を同じ寸法とし、ポリ
エステル繊維を含むものとして次の特性を得た：ｇｒ”
ｗｌＯ ｄＳｈ曙９））Ｃ／Ｎ 膜組織内に補強繊維か備えられている先の２つの例では
、ｄ３ｈの目ざましい上昇と、ＰＡ電係数の減少がみら
れた。

この材料が静水圧センナ内で使用された場合。

材料の性能を測定するのは係数ｇｈ−ｄ３ｈ／ｇｒであ
う。従って、提案された装置は非常に高い性能特性なも
つ。低周波水中聴音機の性能係数ｇｈａｈは、ｐＶＦ２
６０％とＰ’ｌ”？−ＦＥ　４０％の比率のＰＶＦ、−
ＰＴｒＦＢ共重合体の場合は係数１０に。

６７％７３３％の比率の場きは係数５に改良される。

従って１本発明圧電変換器の構造は、静水圧力をより敏
感に測定し、さらに特定的には検知装置の信号対雑音比
な向上させることを可能にすることがあきらかである。

圧電材料は補強材料な介在させる前後に電気的に分極さ
れることかでき、電気的分極はいろいろな方法で実行し
得ることに留意すべきである。

補強材料の挿入前に材料か分極される場合は。

２つの膜の間にサンドインチ式に補強材料を受けとるこ
れら２膜上で粘着がおこなわれる。エポキシ樹脂形粘着
剤が用いられる。従って、例えばｐ’／Ｆ、とジメチル
ホルムアミド溶剤のＲｅ中への浸漬によってｐＶＦ！ポ
リマ補強材料を塗布するのが有利である。粘着によって
得られるも５ひとつの可能性はケプラをの低温度補強相
打が使用できることである。何故なら粘着は周囲温度に
近い温度でおこなわれるからである。例えば、膜１００
２面４．５は２個の電極を構成する金属付着層１４　’
ｔ　１５で被覆される。

第５図に示すｇｌの方法によれば、膜１０は、補強材料
１２が導電性か絶縁性かにかかわらず、電極１４．１１
に接続された高電圧発生器１６を用いて電界にさらされ
る。圧電材料は指示された分極方向、例えば、第５図の
矢印の方向に分極される。

第６図に示す第２の方法によれば、補強材料は導電性で
ある。例えば金属格子１２がそうで、電極として使用さ
れる。１次発電器１７は第１電極１４と格子１２の間に
接続され、２次発電器１８は第１発電器に＠連して極正
に分極されており、格子１２と第２電１ｆ１１５の間に
接続される。格：子１２のどちらかの面に配置された膜
１０の２部分は逆の電界にさらされ、逆方向に分極され
る。これは第６図の向合う矢印で示される。

第２の方法は第７図に示す通り、単一発電器１６により
実施されることかできる。発電器１６の出力端子は、従
って金属格子１ｚに接続され。

発電器１６の他の出力端子は２電極１４．１５に接続さ
れる。膜ＩＯの圧電材料か分極されると、圧電変換器が
得られ、該圧ｆｆｌ変換器は、例えば圧力センサまたは
マイクロホン内で使用することができる。

膜は、成子面に対して垂直方向に分極されることは前に
述べたか、他の方向１例えば膜の１面上に櫛歯なからま
せた形の電極を備えることによって、成子面上で他の方
向を選択することも明らかに可能である。

第８因の公知形具体例によれば、第５図と関連して説明
した通り分極された膜１０の電１＠５４ｒ１５に対して
電圧計２０が接続されている。膜１０に加わり、さらに
２面間の電位差の形成な圧電効果によってひきおこす静
水′圧力は電圧計２０により検出された電圧値によって
測定されるだろう。これは圧電変換器の標準的使用法で
ある。

本発明は、圧縮力傾度の圧縮力を測定することを可能に
する圧力センナに前記変（Ｑ器を適用することに係る。

使用される変換器は金属格子１２を備え、加１０内に２
個の分極範′＃５ｆ：決定する。先ず考えられることは
、これら２範凹の分極方向は第５図の膜について示した
ものと同じであることである。

本発明（よれば、１次電圧計２１は１１７．極１４と金
属格子１２０間に接読され、２次電圧計２２は電極１６
と格子１２の間に接続される。例えば、第９図では、格
子１２．即ち２（１７Ｎのデバイス２１゜２２の共通点
はゼロに電位に接続されている。

圧縮力が膜１０に加えられた時、一方では電極１４と格
子１２０間の、他方では電極１５と格子１２０間の圧電
効果によって電圧が生じる。電圧計２１．２２が生じた
電圧を測定し、それぞれの場合に出力２５．２６上に検
出された圧゛結方を表わす測定信号を与える。出力２５
．２６は加算器２３及び減算器２４の入力に接続する。

加算器２３は入力で受けとった測定結果の合計なおこな
い、出力ＦＩＣ膜１０に及ぼされる圧縮力を代表する信
号を与える。減算器２４は入力で受けた測定結果の差を
形成し、出力ｄＦに膜１ｏの２面４及び５０間で検出さ
れた圧力傾度値を表わす信号を与える。

従って、本発明によるセンサは、要求に応じて、圧力測
定又はダ圧力傾度測定をおこな５ことかできる。

第１０図及び第１−１図は、第６図のような分極膜を用
いた本発明センサの変形例、即ち格子１２の各側の反対
方向に分極された２領域をもつセンナの変形例な表わす
。

先ず留意すべきことは、この種の膜は第９図に類似のセ
ンサ内で使用することがヤ、き、この時、電圧計２１．
２２の接続のための分極方向が考慮されることである。

より簡単に云えは、膜は第１０＠のよ５な圧力傾度針内
で用いることができる。第１０図では、電圧計２０は電
極１４．１５に接続する。逆方向分極の結果として、圧
力のかかる膜１０は適当に目盛の付された電圧計２０に
対して圧力傾度値を与えることができるだろう。

第１０図の圧力頻度計と同じ方法で、第１１図のセンナ
は圧縮力測定装置内に配置される。従って電圧計２０は
入力端子の１ｓＫ：よって電極１４゜１５に接続される
。これらの条件の下で、膜ｌＯの２領域の逆方向分極は
、電圧計２０が圧縮力値を確実に測定できるようにする
。

第１１図の圧力センサの利点は、電極１４及び１５の間
で測定される実際のキャパシタンスより事実上４倍高い
Φヤパシタンスをもつことである。

従って、圧ｆｆｌ膜１０の総厚ｉｅ、センサ内で使用サ
レるｇＨｏの面を８．防電率ｆ：Ｃとすれは、電極１４
及び１５間のキャパシタンスの実値は。

Ｓ Ｃ寓□ となる。

格子１２が膜１０の厚さの中心部分に位置すると仮定す
れば、電極１４と格子１２０間、及び電極１５と格子１
２０間で測定されたキャパシタンスＣ，及びＣ８の値は
、 ｅＳ ＣＩ””！−下 となる。

従って、電圧計２０の場合、第１１図の装置は次の値の
キャパシタイスな供給する： １２゜ このようなセンナを傾度針内で使用する場合、格子１２
が膜の厚さ内で２而１４．１５から事実上等距離に配置
された膜か好適例どなろう。しかし、これは不可欠のこ
とではない。但し膜厚内に適切な寸法の、測定可能な圧
電効果を展開する２領域なもち、さらにこれら２領域に
よって与えられる２測定分岐を校正するかあるいはイン
ピーダンスを援用してバランスをとることが好ましい。

さらに１本発明によるセンサは曲げ応力の測定用として
も使用することができ、従って好ましくは逆方向分極形
質換器を含むのがよい。

本発明の１変形例によれは、変換器は数個の平行格子を
もつ。従ってｌＲ１２図は、２個の平行格子１２．３２
をもつ変換器を示しており、これらの格子は圧電材料１
０内に埋め込まれている。このようにして、これらの格
子は数個の圧電材料層を構成する。結合又は接着によっ
てトランジスタを構成する場合は、さまざまなタイプの
材料からさまざまの層をつくることができる。

使用可能の圧電材料は１例えばポリマ内の鉱物性圧電３
粒懸濁から得られた材料のようなポリマー圧電セラミッ
ク複合材料であることができる。

この種の材料は圧電性を得るため機械的に引抜きしたり
引張り加工する必要がない。

最後に指摘すべき点は、本発明の具体例は平形変換器に
限定されないことである。本発明は展開可能の胴（管又
はコーン）形の変換器又は非展開形の胴（球面カップ等
々）形の変換器に適用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電変換器の１具体例の外観図、第２図は先行
技術による変換器の結合関係を表す説明図、第３図は先
行技術の結合関係をもうひとつの具体例を表す説明図、
第４図は本発明圧電膜の１具体例の説明図、第５図は圧
’Ｗ、　ＦＪのＪｌＮ、一方向分極を可能ならしめる回
路の説明図、第ｎｖＡ及び第７図は圧電膜を相反する２
極性方向に分極することを可能ならしめる回路の説明図
、第８図は公知型圧力センナの具体例の説明図、第９図
は分極いき値に従って分極された膜を用いる本発明によ
る圧力センサの１具体例の説明図、第１０図及び第１１
図は相反する２方向に分極された膜を用いた本発明によ
る圧力センサの具体例の説明図、第１２図は本発明によ
る変換器の１変形例の説明図である。 １０・・・圧電材料膜、　　１２・・・格子、１３・・
・ファイバ。 １４．１５・・・全屈付着層電極。 １６・・・高電圧発生器、　２０・・・電圧計。 ２３・・・加算器、２４−・・減算器。 １：；Ｖ１人　トムソンーセエスエ７ 代ｆ！人　りＦｍ　日　義

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）有極圧電材料膜をもつ圧電変換器であつて、さら
   に、膜の質量中に内蔵され、所定方向への膜の変形を防
   止する少なくとも１個の補強材料を含む圧電変換器。
2. （２）前記補強材料を膜の質量中に膜の主要面に対して
   平行に内蔵し、従つて前記主要面と平行な方向に膜の変
   形を防止する特許請求の範囲第１項に記載の圧電変換器
   。
3. （３）前記補強材料が多孔質材料である特許請求の範囲
   第１項に記載の圧電変換器。
4. （４）前記補強材料が繊維より成る材料である特許請求
   の範囲第１項に記載の圧電変換器。
5. （５）前記補強材料繊維を格子を形成するため相互に編
   組させた特許請求の範囲第４項に記載の圧電変換器。
6. （６）前記補強材料を圧電材料の厚み内に配置し、さら
   に圧電材料の２つの相対面から等距離に置く特許請求の
   範囲第１項に記載の圧電変換器。
7. （７）前記補強材料が電気的に絶縁性の材料である特許
   請求の範囲第１項に記載の圧電変換器。
8. （８）前記補強材料が電気的に導電性の材料である特許
   請求の範囲第１項に記載の圧電変換器。
9. （９）前記膜を膜の２つの主要面に対して垂直に分極し
   、さらに膜が主要面上に１次電極と２次電極をもつ特許
   請求の範囲第１項に記載の圧電変換器。
10. （１０）平行に配置した数個の補強材料より成る特許請
    求の範囲第１項に記載の圧電変換器。
11. （１１）補強材料によつて分離されたさまざまなタイプ
    の数層の圧電材料から成る特許請求の範囲第１項に記載
    の圧電変換器。
12. （１２）１次電極と補強材料とに接続した１次電圧計と
    、２次電極と補強材料とに接続した２次電圧計と、１次
    及び２次電圧計による測定結果の合計を行ない、２個の
    電圧計に接続し、圧電材料内に及ぼされる圧縮力の値を
    表わす信号を与える加算器と、２個の電圧計に接続し、
    １次及び２次測定手段による測定結果の差を形成し、圧
    電材料内に展開する圧縮力傾度値を表わす信号を送出す
    る減算器より成る特許請求の範囲第１項に記載の圧電変
    換器を用いた圧力センサ。
13. （１３）１次電極と補強材料間に接続し、１次電極と補
    強材料間に配置され、第１分極方向に圧電材料を分極す
    ることができる第１分極手段と、２次電極と補強材料間
    に接続し、２次電極と補強材料間の圧電材料を第１分極
    方向と逆の第２分極方向に分極することができる第２分
    極手段より成る特許請求の範囲第１項に記載の圧電変換
    器を用いた圧力センサ。
14. （１４）１次及び２次電極に接続し、さらに従つて圧電
    材料内で展開する圧縮力傾度を表わす測定結果を提供す
    る電圧計より成る特許請求の範囲第１２項に記載の圧力
    センサ。
15. （１５）１方では１次及び２次電極に共通して、他方で
    は補強材料に接続し、従つて圧電材料内に及ぼされる圧
    縮力の値を表わす測定結果を提供する電圧計より成る特
    許請求の範囲第１２項に記載の圧力センサ。