JPS62165500A - 電気機械変換器と使用法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、一般的にいえば電気機械変換器に関するもの
である。

［従来の技術］ 電気機械変換器は、加えられた応力または圧力などの機
械的入力に応答して電気的出力、例えば電圧（あるいは
電気的入力に応答して機械的出力）を発生する装置であ
る。このような変換器は公知であり、現在工業的に重要
であり、しかも、例えば空中並びに水中での圧力信号の
検出などに使用されている。

高い周囲圧力を受けた場合に、（周囲圧力に比較して）
小さな振幅の圧力信号に応答して、容易に検出可能な電
気信号を生ずる電気機械変換器を開発するために多大な
努力がなされてきており、また現在も努力が続けられて
いる。例えば約６１００ｍ（２０，０００フイート）に
も及ぶ深度で、かつ対応する静水圧が約６９，０００，
０ＯＯＰａ（１０，０００ｐｓｉ）にも達するような大
海深度にて有用な電圧発生ハイドロホン（与えられた水
圧の変化に応じて電圧を発生する電気機械変換器）を開
発する試みが米国海軍自身によりあるいはそのためにな
されている。このようなハイドロホンは、潜水艦などの
発する音波信号、例えば振幅の小さな水圧信号を検出す
ることを意図するものである。有用なものとするために
は、これらハイドロホンは少なくとも一２１０デシベル
（ｄＢ）、好ましくは一２００ｄＢの感度（電位Ｖの振
幅対、対応する圧力Ｐの比）を有するべきである。（感
度をｄＢで表す場合１本発明においては１マイクロパス
カル当り、かつ１ボルト当たりの値として計算されてお
り、従って２０　Ｑ　Ｏｇｚ。［（Ｖ／Ｐ）／（ＩＶ／
１μＰａ）　］として定義される）。

これらを設計するに当たり、ハイドロホン技術者は、長
年の間、高感度を示すばかりでなく多数の他の重要な特
性をも有するようなハイドロホンを得る必要性を認識し
ていた。

例えば、海洋中にハイドロホンを設置する際、該ハイド
ロホンには一般に付属ケーブルが配備され、このハイド
ロホン−ケーブル構造は敷設の際に曲げられる。このよ
うに曲げるためには、このハイドロホンは可撓性（およ
び／または短い）であることが必要となる。更に、通常
ハイドロホンから遠隔の信号増幅器および検出器、例え
ば水上船に配置された増幅器および検出器に伸びる導電
体もある。電気的な観点から、また興味の対象となる周
波数において、これらの導電体は分布キャパシタンス（
および抵抗）を構成する。遠隔位置で受信された電圧が
容易に検出し得るものであるためには、ハイドロホンの
キャパシタンスは導体のキャパシタンスよりも大きくな
ければならない。即ち、一般には約１００ナノフアラツ
ド（ｎＦ）よりも大きくすべきである。この要件はハイ
ドロホンと共に設置される信号増幅器を用いることによ
って回避されるが、これとは別にハイドロホン技術者は
高キヤパシタンスハイドロホンの実現を探求している。

というのは同一場所に設置する上記信号増幅器の使用に
より、ハイドロホンの価格および複雑さが著しく増大す
るからである。

また、全方向的な圧力信号の検出を達成するために、ハ
イドロホン技術者等は、小さな寸法の、即ち検出すべき
最高周波数の圧力信号の波長の約１７３以下の寸法を有
するハイドロホンを実現すべく探求している。

上記諸特性を有するハイドロホンを得るために、ハイド
ロホン技術者等は、最近、極性ポリビニリデンフルオラ
イド（ＰＶＤＦ）、即ち可撓性圧電材料（印加された応
力に応じて電圧を発生する材料）を含有するハイドロホ
ンの開発を始めた。［例えばジェームズエム、パワーズ
（Ｊｃｍｅｓ　Ｍ、Ｐｏｗａｒｓ）、「圧電ポリマー・
開発途上のハイドロホン技術（Ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ　Ｐｏｌｙｍｅｒ−−Ａｎ　Ｅｍｅｒｇｉｎｇ　
ＩｌｙｄｒｏｐｈｏｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　、　
　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　、イースコン（ＥＡＳＣＯＮ）、１
９７９，５１７頁参照コ。この点に関し、新しいＰＶＤ
Ｆ　（非極性のα結晶相が支配的である）は本来圧電性
ではないので、圧電性とするために処理しなければなら
ないことに注意すべきであるにの処理は、まず初めにＰ
ＶＤＦを延伸（α結晶相を極性のβ相に永久的に転化し
、かっポリマー鎖を延伸方向に沿って永久的に配列させ
る）することを含む。次いで、典型的にはシート状にあ
る延伸されたＰＶＤＦを、該シートの厚さ方向に直流電
圧を印加することにより、電気的に分極させる。［この
処理に関しては、例えばティー、ティー、ワン（Ｔ、　
Ｔ、　Ｖａｎｇ）およびエッチ、フォンゼッゲルン（Ｈ
１νｏｎ　Ｓｅｇｇｅｒｎ）。

室温での電極化されたポリビニリデンフルオライドの高
電界極性調節（Ｈｉｇｈ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐｏｌｉｎｇｏ
ｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｄ　Ｐｏ１ｙｖｉｎｙｌｉｄｅ
ｎｅ　Ｆｌｕｏｒｉｄｅ　ａｔＲｏｏｍ　Ｔｅｍｐｅｒ
ａｔｕｒｅ）、　　ジャーナルオブアプライドフィジッ
クス（Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、）、１９８３゜５
４．４６０２参照コロ得られる処理済みのＰＶＤＦの延
伸方向を一般に「１」で示し５分極方向（厚さ方向）を
一般に「３」で示す。

一方、「１」および「３」方向に垂直な方向を「２」で
示す（第１図参照）・ （厚さ方向）に分極したＰＶＤＦ　シート１００に、任
意に配向した応力を印加すると。

該ＰＶＤＦシート内には対応する内部応力並びにシート
上下面には反対符号の電荷が生ずる。この電荷の分離に
より、前記シートの厚さ方向（「３」の方向）の電圧の
上昇を生ずる。ｊ番目（ｊ＝ｉｔ　２９３）の方向に沿
った内部応力の成分子ｊに相当する電圧Ｖの大きさは、
Ｔｊとこれに対応する圧電応力定数ｇ３ｊＣｊ番目の方
向に沿った内部応力成分が「３」の方向の電圧に変換さ
れる程度を決定する物質定数）との積を、（分極したＰ
ＶＤＦシートの）厚さｔについて積分することにより与
えられる。かくして、例えば分極したＰＶＤＦシート中
に内部応力成分子□、Ｔ２およびＴ３が同時に存在する
場合、電圧Ｖは以下の式（１）： ただし、Ｘ、は「３」方向の座標変数である。

で与えられる。重要なことは、−軸延伸され１分極され
たＰＶＤＦに対する圧電応力定数ｇ３□およびｇ３３は
同定数ｇ３２よりも一層大きい（大きさにおいて）とい
うことである。

かくして、「１」または「３」のいずれかの方向におけ
る応力成分の存在により、一般には「２」の方向におけ
る応力成分から得られる電圧よりも更に大きな電圧が発
生する。更に１ｇ、１およびｇ３□はｇｘｓとは反応の
符号を有している（これは他の殆どの圧電材料について
も同様である）、従って、「３」と例えば「１」の両方
向の内部応力成分が存在した場合（これは、例えば静水
圧が作用している際に生ずる）、比較的低い電圧が得ら
れる。

これは、一つの応力成分の寄与で生ずる電圧が、実質的
に他の応力成分の寄与による電圧を相殺することによる
ものである。

ｒｌＪと「３」の両方向の応力成分の誘起を回避するた
めに、しかも結果的に高い感度を達成するために、ハイ
ドロホン技術者等は。

前記ＰＶＤＦが静水圧により直接歪を受けず、即ち静水
圧に直接応答しない構成のものを開発した。（この構成
については、例えば上記ジェームズ　エム、パワーズの
文献を参照のこと）。例えば、第２図に図示されたこの
種の従来の構成は、平板状の長円形断面を有し、空気１
ｃｍで満たされた柔軟性のある鋼管１０２を含んでいる
。この構成は、また幅方向に延伸された「１」軸を有し
、該鋼管に重ねたプラスチックスペーサ１０４上に取付
けられたＰＶＤＦフィルム１０６を含んでいる。稼動に
際し、音波による圧力および静圧により、該鋼管はその
幅方向に湾曲し、この管表面に高い歪を与え、かくして
歪とこれに対応する応力を前記ＰＶＤＦフィルムの「１
」方向に誘起する。出力電圧はｇ３□カップリングによ
り生ずる。

第２図に示した構成のハイドロホンの感度、キャパシタ
ンスおよび最大動作圧力を含む諸特性は上記のパワーズ
の文献に記載されている０例えば、感度は−２００ｄＢ
（１μＰａ、　Ｉ　Ｖ当たり）であるとしている。しか
しながら、上記の柔軟な鋼管１０２はわずかに４，１３
９，０００Ｐａ（６００ｐｓｉ）の圧力でつぶれてしま
い、そのためこの構成のものは極めて深いところでは役
立たない。更に、開示されたキャパシタンスはわずかに
１．６ナノフアラツド（ｎＦ）にすぎない、従って、た
とえこの構成のものが高圧環境下で動作したとしても、
ＰＶＤＦフィルム１０６の全域で発生する任意の電圧は
同時に設置される信号増幅器の助けがあってはじめて検
出され得る６ もう一つの従来のハイドロホンの構成を第３図に示した
。これは空気１１０で満たした柔軟性のあるプラスチッ
クチューブ１１２を含み、その回りに数層のＰＶＤＦを
巻回しである。各層は該チューブの回りに、接線に沿っ
て配向した「１」軸を有している。更に。

各巻回物は相互に同極側が対向するように−緒に巻かれ
た２枚のストリップ１１４を含み、これによってショー
ト（短絡）を防いでいる。

稼動の際には、音波による圧力は管径方向で交互変化を
生じ、ＰＶＤＦによって検知される接線方向の表面歪を
生じる。即ち、ｇ３□カップリングに応じた電圧が生じ
る。

第３図に示された構成につき、バワーズの文献に記載さ
れた感度は、−２１３ｄＢであり、第２図の゛構成のも
のよりも１３ｄＢ（即ち約１１５）小さい感度を有して
いる。更に、最大動作圧力はわずかに１２，４１７，０
００　Ｐａ　（１８００ｐｓｉ）であり、この構成のも
のも、極めて深いところでは役立たない。更に、記載さ
れたキャパシタンスはわずかに１３ｎＦ　であり、この
場合にも同時に設置される信号増幅器を必要とする。

柔軟性要素をもたず、かつＰＶＤＦが静水圧により直接
歪を受け、その結果直接応答する従来のハイドロホン構
成もバワーズの文献に記載されている。この構成は第４
図に示されており、３２層のＰＶＤＦの積層構造１２０
を含んでいる。これらＰＶＤＦ層間に、接着媒体ではな
くひまし油１２２を使用することにより可撓性が得られ
る。更に、このＰＶＤＦ層１２０はポリウレタンカバー
１２４によってゆるく保持されている。１２６は金属ク
ランプである。

パワーズによって議論されているように、第２図および
第３図に示された構成のものとは異り、第４図に示され
た構成のものは、原理的には無制限の許容圧力を有して
いる。しかしながら、この構成のハイドロホンの感度は
わずかに一２０３ｄＢ（第２図の構成のものよりも３ｄ
Ｂ少さい、即ち約０．７倍）にすぎない。更に、この構
成のキャパシタンスはわずかに０．３５ｎＦであり、以
上のすべての構成の中で最も小さなキャパシタンスを有
している。

かくして、電気機械変換器の開発にたずされる研究者等
は、高いキャパシタンスと共に高圧環境下での高い感度
並びに機械的な可撓性および小さな寸法をもつ変換器を
探求してきたが、成功にはほど遠い状態にある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は極めて高い圧力環境、例えば約６９．０００，
０００　Ｐａ　（１０，０００ｐｓｉ）ヲ越える圧力下
においてさえも高い感度を達成し、しかも高いキャパシ
タンスを示す電気機械変換器を含む。例えば、感度−１
９６ｄＢ（第２図のハイドロホンの約１．６倍の感度）
およびキャパシタンス０．２μＦ（第２図のハイドロホ
ンの約１００倍）が容易に達成される。

更に、本発明の変換器は比較的寸法が小さく、しかも機
械的な可撓性も有している。

本発明の変換器は圧電材料製の領域を含んでいる。ここ
で重要なことは、この変換器が、例えば圧力などの任意
の外部的に加えられた応力によって直接歪む上記圧電領
域を与える装置構造を有していることである。このよう
に、前記圧電領域内に生じた対応する内部応力成分は、
直接加えられた外部応力に対応する。これとは逆の上記
教示にも拘わらず、この装置構造により高い感度が得ら
れる。なんとなれば、このような構造は１分極／厚さ方
向（「３」の方向）を横切るように配列された圧電領域
内に生じる内部応力成分の少なくとも一つの、少なくと
も部分的な抑制をも達成するからである。この抑制はｇ
ｓｚおよび／またはｇｚｚカップリングによる電圧寄与
を実質的に減少するのに役立ち、さもなければ、比較的
大きなｇｉｉカップリングによる電圧寄与が相殺される
傾向を示すことになろう。

［実施例］ 本発明は、極めて高い圧力環境下においてさえも、小さ
な振幅の圧力信号に敏感であり。

高いキャパシタンスを示し、比較的小さな寸法をもち、
しかも機械的に可撓性である電気機械変換器に関する。

上記の如く、本発明の変換器は、圧力などの印加された
外部応力により直接歪を受ける圧電材料製の領域を含ん
でいる。ｇ３ｘおよび／またはｇ：１２カツプリングを
生ずる。圧電領域内に発生する少なくとも一つの応力成
分を少なくとも部分的に抑制することにより、比較的高
い感度が達成される。本発明によれば、この抑制は少な
くとも部分的に抑制すべき内部応力成分に対応する歪成
分の大きさを制限。

即ち減少（抑制がない場合に起こり得る値以下に）させ
る装置の使用によって達成される。

応力は歪に比例するので、歪の大きさが減じられれば、
応力も減少することになる。

第５図をみると１本発明の電気機械変換器１０の第１の
態様は、圧電材料２例えば分極させたＰＶＤＦなとの領
域１例えばシート２０を含んでいる。この領域２０は上
部面２２および下部面２４を含み、これら面のいずれか
、例えば上部面２２は、領域２０の各点に対する基準方
向（ここでは厚さ方向および／または「３」方向として
いる）を規定するために便宜的に使用している。即ち、
上部面２２のある点に対する厚さ方向、即ちｒ３Ｊの方
向は、この点において該表面に垂直である（第５図参照
）。領域２０の任意の他の点についても、厚さ方向は表
面２２上の最も近接した厚さ方向に対応する。

一旦「３」方向が決定されれば、本発明において「１」
および「２」で示した２つの相互に直交する方向を更に
指定する（第５図参照）ことにより、領域２ｏの任意の
点に対する完全な座標系が規定される。上記相互に直交
する２つの方向は特定の位置の「３」方向を横断、例え
ば直交する。一般に、「１」および「２」の方向は物理
的に意味を持つ必要はない。しかしながら１例えば領域
２０が特定の方向に延伸または押出されている場合には
、「１」の方向は従来と同様に、延伸方向または押出し
方向と一致することが好ましい。

本発明によれば、領域２０の巨視的部分の少なくとも１
つの幾何学的中心（点）における正味の分極またはその
少なくとも１成分は、（幾何学的中心における）厚さ方
向に平行に配列している。（本発明の目的に対し、巨視
的部分とは約１μｍ以上の寸法をもつ部分を意味する）
。結局、領域２０に応力１例えば圧力を印加することに
より、上部面２２および下部面２４に逆符号の電荷が生
じ、この付随する電荷分離のために電圧が生ずることに
なる。これらの電荷（および対応する電圧）は、例えば
少なくとも稼動中は上部面２２および下部面２４と接触
する２つの電極上に該電荷を蓄積させることにより検出
される。これらの電極は領域２０の上部面および下部面
に極く近接して別々に配置され、容量結合を利用して、
領域２０の電気的応答を検出する。例えば、これら電極
の一方は導電性材料９例えば銅または鋼製の領域３０（
第５図参照）を含んでおり、この領域は（少なくとも動
作時には）上部面２２に接触しているか、あるいはこれ
に極めて近接している。例えば、もう一方の電極は第２
の導電性材料製の領域４０を含み、下部面２４に接触し
ているか、もしくはこれに極く近接している。

上記の如く、領域２０は印加された外部応力により直接
歪を受ける。このため、一般に、３方向即ち「１」、「
２」、「３」方向に沿った歪成分（←ｉ　：　ｉ＝１．
２．３）および対応する内部応力成分（Ｔ、：　ｉ＝１
．２．３）。

即ち通常は比較的低い感度を与える応答が得られる。し
かしながら、本発明によれば、上記の少なくとも巨視的
部分における←、および／または←２の大きさを減じ、
結果として少なくとも部分的にＴ１および／またはＴ２
を抑制することにより、比較的高い感度が得られる。こ
れは１例えば領域２０の周辺の一部または全体を包囲し
、（少なくとも動作中は）この周辺の少なくとも１部に
接触して、歪を制限する装置によって容易に実現される
。このような装置は、例えば交叉部材６５により連結さ
れた２枚の側部部材５５および６０を有するＵ−字型構
造体５０（第５図参照）を含む。使用に際して、圧電領
域２ｏは、側部部材５５および６０の内表面間で、（少
なくとも動作中は）領域２０の２つの対向する周辺部が
これら表面と接するように配置される。

この接触は１例えば対向する内表面に溝を形成し、領域
２０の周辺部を該溝表面と接触するように延ばすことに
より有利に達成される。

所定の抑制を達成するためには、２つの条件を満たさね
ばならない。第１の条件は１例えば←１が減少する場合
、領域２０の「１」の方向を、側部部材５５および６０
の対向する内面を横断するように配向させなければなら
ないことである。第２の条件は、使用に際して、「１」
方向における側部部材５５および６０の対向する内面の
相対的（相互の）変位は＋　　（Ｕ−字型構造体５０が
存在しない場合には）、領域２０の対向する周辺部分の
対応する変移よりも小さく、好ましくはその約１７２以
下でなければならないことである。

例えば、（１）Ｕ−字型構造体５０の材質が均一であり
、（２）交叉部材６５の「１」方向の寸法が側部部材５
５および６０の１例えば厚さなどの対応する加算された
寸法よりも大きく、かつ（３）領域２０の断面積が側部
部材５５および６０の対向する内表面積に比して小さい
（例えば１０％以下）場合には、対向する内表面の「１
」方向の相対的変位は、交叉部材６５によって受ける「
１」方向の圧縮歪によって主として決定される。これら
の情況の下で、上記第２の条件は、交叉部材６５の材質
が、「１」方向の圧電領域２ｏの材質程柔軟性が高くな
く、好ましくはその約１／２以下である場合には満たさ
れる。領域２０および装置ｉ！５ｏが相互に異種の均質
な等方性の弾性材料からなる場合、上記のような特定の
情況下では、上記第２の条件は装［５０の材料の弾性率
ＥＡが領域２０の材料の弾性率ＥＲよりも大きく、好ま
しくは約２倍以上である場合には満たされる。

動作に際しては、領域２０に、例えば圧力を印加すると
、一般に←Ｌ（減ずべき歪成分）が発生する。装置５０
の全表面は等価な圧力を受けているので、装置５０はま
ったく曲げられることはなく、従っていかなる歪を受け
ることもない。しかしながら、交叉部材６５の材質は一
般に「１」の方向において圧縮歪を受ける。例えば、Ｅ
ＡがＥＲよりも大きい場合。

この圧縮歪の大きさは、必然的に装置５０が無い場合に
おける←１の大きさよりも小さくなるであろう。領域２
０の周辺部分は、（少なくとも動作中は）側部部材５５
および６０の対向する内表面に接しているので、←１の
大きさは交叉部材６５の材質によって受ける圧縮歪の大
きさにまで必然的に制限、即ち減少される６結果的に、
Ｔ□が（少なくとも部分的に）抑制され、望ましからぬ
ｇｘ、カップリングを減じる。

第６図を参照すると、本発明の電気機械変換器１０の第
２の態様が示されており、そこでは前記Ｕ−字型構造体
は額縁状構造体７０で置換えられ、これしζよって領域
２０が完全に取囲まれている以外は上記第１の態様と同
じである。構造体７０は矩形で描写されているが、他の
形状、例えば円形または三角形なども、これらが領域２
０の形状に一致する場合には有用となる。領域２０の周
辺部は少なくとも動作中は構造体７０の内側周辺部に接
するべきである。前と同様に、　この接触は（構造体７
ｏの内側周辺部に沿った）溝を利用することにより有利
に達成される。構造体７０が、「１」および「２」の両
方向において領域２０の材料はど柔軟でない場合には、
この構造体７０は←１および←２の両者を抑制し、結果
としてＴ工およびＴ２の両者を少なくとも部分的に抑制
するであろう。

第７図をみると、本発明の電気機械変換器１０の第３の
態様は支持体８０上に載せられた圧電材料製の領域２０
を含んでいる。（支持体８ｏを逆にすれば、領域２０は
当然支持体８０の下方にくる。従って、本発明の目的に
とってｒ上に載る」なる表現は上に載せられているか、
または下部にあるかのいずれかを意味するものとする）
。第７図において、領域２０および支持体８ｏは実質上
平板状のものとして描かれているが、支持体８０および
／または領域２０が１もしくはそれ以上の曲率半径を有
する構成とすることも有利である（例えば、第８図参照
）。

初めの２種の態様と同様に、第３の態様は２つの電極を
有している。この電極の一つは、例えば導電性材料製の
領域３０を含み、これは領域２０の上部面２２と接する
か、あるいは極めて近接している。もう一つの電極は導
電性材料製の第２の領域を含み、これは領域２０と支持
体８０との間にサンドインチ状に挟まれていて、そのた
めに（少なくとも動作中は）領域２０の下部面２４と接
するか、あるいは極く近接した状態にある。また、第７
図に示されているように、支持体８０は導電性物質を含
み、該物質は領域２０の下部面に接触もしくは極めて近
接しており、かくして支持体８０は第２の電極を構成す
る。

初めの２つの態様と同様に、第３の態様においては、応
力成分は対応する歪成分の大きさを減じることによって
、少なくとも部分的に抑制される。例えば、←Ｒが支持
体８０のない場合における領域２０の「１」方向におけ
る歪を表わし、←ＲＢが支持体の存在する場合の、対応
する歪を表わすものとすると、「１」の方向の応力成分
の大きさは以下の関係（２）： １←　１く１←Ｒ＋　　　　　　　　（２）Ｂ が満たされる場合には減じられる。

式（２）で示される結果を得るための１つの方法として
は、少なくとも２つの条件を課すことを必要とする。第
１の条件は、少なくとも使用中は、領域２０は支持体８
０に対して実質的に静止しているべきであるということ
である。←ＲＢ／ＲＭが領域２０と支持体８０との間の
相対的運動、例えばスリップによる領域２ｏの「１」方
向における歪成分の一部を表わし、←８工が支持体８０
と領域２０との境界部における（領域２０がない場合の
）支持体８０の歪を表わしているものとすると、第１の
条件は以下の関係（３）： １←ＲＢ／ＲＭ１＜１←Ｒ１−１←８工１（３）が満足
されれば満たされる。この第１の条件は、領域２ｏと支
持体８０とを、例えば接着剤またはグルーで結合するこ
とにより少なくとも部分的に密着させることによって、
少なくとも領域２０と支持体８０との界面を近接させる
ことで容易に達成される。電極が領域２０と支持体８０
との間にサンドインチ状に挟まれている場合、例えば領
域２０は該電極に接着され、該電極は順に支持体８０に
接着される。また、第１の条件は少なくとも領域２０／
支持体８０界面近傍において、近接する表面を粗面化し
、摩擦により相対運動を制限することにより達成される
。この第１の条件は、これがいかにして達成されたとし
ても、領域２０の（全）歪（抑制すべき応力成分の方向
において）を、支持体８０における対応する歪にほぼ等
しい値まで制限するのに有効である。

式（２）で示される結果を得るのに必要な第２の条件は
、支持体８０の材料が（抑制すべき応力成分の方向にお
いて領域２０の材料はど柔軟ではなく、好ましくはその
約１／２以下であるべきであるということである。例え
ば、支持体８０および領域２０の雨音が（異なる）均質
な等方性の弾性材料製である場合には、支持体８０の弾
性率ＥＢ　が領域２０の弾性率ＥＲよりも大きく、好ま
しくは約２倍以上であるならば、第２の条件は満たされ
る。この第２の条件は、支持体８０内で（抑制もしくは
減少させるべき応力成分の方向に沿って）誘起される歪
が、（この第１の条件が満たされない場合に）領域２０
に誘起されるであろう対応する歪よりも小さくなること
を保証する。しかしながら、第１の条件により、領域２
０に（抑制すべき応力成分の方向に沿って）誘起される
歪は支持体８０に誘起される対応する歪にほぼ等しい。

かくして、領域２０は支持体８０と殆ど同じ比較的小さ
な歪を受け、結果として領域２０にはこれに対応して小
さな歪が誘起される。第１および第２条件を維持するこ
とにより、例えばＴ工またはＴ２などの応力成分が領域
２０の殆どの部分において抑制または減じられることが
確実になるが、これら条件によって該応力成分が領域２
０の対向する両端部において、確実に抑制または減少さ
れることはないであろう。これら末端の状態が領域２０
の電気的応答に対して比較的小さな影響しか与えないこ
とを保証するために１課せられなければならない第３の
条件は、領域２０の厚さが、支持体８０の他の寸法、例
えば長さおよび幅のうちで最も小さなものよりも更に小
さく、好ましくは約１／４以下でなければならないこと
である。更に、例えば第１の条件を達成する目的で接着
を行う場合、第３の条件を維持することにより、第１の
条件が領域２０の十分な厚さによって達成され、しかも
単に領域２０／支持体８０界面近傍においてのみ達成さ
れるのではないことも保証される。かくして。

例えば応力成分子りが抑制もしくは減少される場合、か
つ「１」の方向の寸法が領域２０の（厚さ以外の）他の
寸法のうちでより小さな寸法に当たる場合には、領域２
０の厚さは「１」の方向の領域２０の寸法よりも小さく
、好ましくは約１７４以下である。

第８図をみると、本発明の変換器１０の第４の好ましい
態様は、第３の態様と、支持体８ｏが平板状ではなく円
筒形である点においてのみ異るものである。断面におい
て、円筒体８０は任意の各種形状、例えば円形、楕円形
、矩形および三角形を有していてもよい。

しかしながら、以下において支持体８０は均一な断面径
をもつ円形断面をもつものと便宜的に仮定する。

この好ましい態様も、支持体８０の表面を少なくとも部
分的に取囲んでいる圧電材料製の領域２０を含んでいる
。この領域２ｏの厚さは均一である必要はない。導電性
物質を含む領域３０は、少なくとも部分的に領域２０の
外表面を包囲している。また、支持体８０は導電性物質
を含んでいて、この好ましい態様の電極２つを領域３０
と支持体８０とで構成することが好ましい。

円筒支持体８０は（第８図に示すように）実質的に空隙
部分をもたないことが好ましい。

このように空隙をもたないことは好ましいことである。

というのは、空隙をもたないことは高圧環境下において
交換器の崩壊の可能性を大巾に低下し、結果としてこの
ような高圧環境下で該好ましい態様を有用なものとする
からである。また、空隙がないことにより。

湾曲および該湾曲により誘起される表面歪を生ずる恐れ
のある、支持体８０を横切って作用する圧力差が除かれ
る。（これらの曲げおよびそれによって生ずる表面歪は
、ｇ３１および／またはｇ３□がプリングを生じ、その
結果感度の減少に導くので望ましくない）。しかしなが
ら、支持体８０内部の１またはそれ以上の空隙の存在は
全く排除されるものではなく、このような空隙の存在は
、この好ましい態様が有用である周囲圧力を単に制限す
るにすぎない。また、円筒支持体８０は中空形および端
部開放型であってもよい。この特徴により、内部および
外部表面の双方に圧力が掛かり、高圧下での変換器の崩
壊が回避できる。

更に、支持体８０を横切る圧力差が除かれ。

それによる湾曲も解消される６ 円筒支持体８０を少なくとも部分的に取囲む圧電材料製
の領域２０は、例えば圧電物質の一体御出管である。ま
た、領域２０は１枚以上の圧電物質のシートを含んでお
り、これは支持体８０の回りに巻かれている。この圧型
材料は、例えばＰＶＤＦを含むものである。

第８図に示されているように１本発明の変換器１０の好
ましい態様は、便宜的に、長手方向の軸左に対する半径
方向の距離二および任意に選ばれた半径方向の直線に対
する方位角互に関して描写されている。この−２工軸は
各点が支持体８０の断面の幾何学的中心に位置する点の
軌跡であり、該断面はこの点において−２−軸に対して
垂直である。ここで使用するある点の半径方向の距離り
は左軸から該点に至る最短の直線の長さである。

第８図の好ましい態様に関する上記議論に関連して、あ
る点における「３」の方向が該点における二の方向に平
行であることに注意すべきである。しかしながら、他の
方向のうち１つ、例えば「１」の方向は工および一２１
方向に対して任意の配向をとり得る。（例えば、「１」
および「３」の方向の配向が一旦決定されれば、「２」
の方向の配向は自動的に定まる）。例えば、「１」の方
向はθ方向または−２一方向のいずれかの方向に配向さ
れあるいはこれら方向のある中間的な配向をとることが
有利である。かくして、例えば「１」の方向が圧電材料
の延伸方向に対応する場合には、この延伸方向は一２ユ
方向あるいはθ方向のいずれか、もしくはこれら方向の
ある中間的な配向にあることが有利である。

この好ましい態様によれば、−２一方向に沿った応力成
分子、および／または０方向に沿った応力成分子、を抑
制または減じることにより、高い感度が達成される。こ
のような抑制または減少は（第３の態様に関連して）上
記した３条件を適用することにより達成される。

例えば、Ｔおよび／またはＴ、が抑制される場合には、
第１の条件は満たされる。即ち。

例えば領域２０と支持体８０とを接着剤またはグルーで
接着するなどにより少なくとも部分的に接着すると、領
域２０は１および／またはθ方向に沿って支持体８ｏに
対し実質的に静止される。有用な接着剤は支持体８０お
よび領域２０の組成によって変化する０例えば、支持体
８０が銅（導電体）を含み、かつ領域２０がＰＶＤＦを
含む場合、有用な接着剤はデソト（ＤａＳｏｔｏ）社［
イリノイ州、デスプレインズ（Ｄｅｓ　Ｐｌａｉｎｅｓ
）］により商標名デソト（ＤｅＳｏｔｏ）　３４７１−
１−１２として市販されているＵＶ硬化性アクリレート
樹脂を包含する。

（ＴＺおよび／またはＴ、を抑制するための）上記第２
の条件は、支持体８０が−Ｚ一方向および／またはθ方
向において領域２０よりも柔軟性の点で劣っていること
を要求する。これは適当な材質を選択することにより容
易に達成される。例えば、領域２０がＰＶＤＦ製である
場合、この第２の条件は支持体８ｏが、例えば銅または
鋼製である場合に容易に満たされる。

第３の条件は、領域２０の厚さがその他の領域２０の寸
法のうちのより小さな寸法よりも小さく、好ましくはそ
の約１／４以下であれば満たされる。かくして、例えば
領域２゜の長さがその内周２πＲ，（ここでＲ１は円筒
支持体８０の外表面の半径、即ち領域２ｏの内面の半径
である）よりも小さい場合、上記厚さは領域２０の長さ
よりも小さく、好ましくは約１７４以下であるべきであ
る。他方、領域２０の内周がその長さよりも小さい場合
には、前記厚さは２πＲ１より小さく、好ましくは約１
／４以下であるべきである。

重要なことは、好ましい態様の感度およびキャパシタン
スの両者は、この態様の寸法によって主として決定され
、かつこれら寸法が高感度および高キヤパシタンス両者
を達成するべく容易に選択し得ることが見出されたこと
である。例えば、Ｒ２が１軸がら領域２０の外表面まで
の平均半径方向の距離を表わす場合、好ましい態様の感
度は領域２０の平均の厚さ、即ちＲ２−Ｒ１の値によっ
て主として決定される。即ち、平均の厚さを増大（例え
ばＲ工を固定しＲ２を増大させる）させることにより、
感度増加がみられる。しかしながら、一定の平均厚さく
一定のＲ，−Ｒ，値）に対して、Ｒ１またはＲ２を変化
させることは、感度に殆ど影響しない。他方、平均厚さ
を増大させることにより、単位長さ当たりのキャパシタ
ンスは減少する。しかし、一定の平均厚さに対してＲ１
を増大させることにより、単位長さ当たりのキャパシタ
ンスは増加する。即ち１本発明によれば、まず所定の感
度を与える平均厚さく種々の厚さのコントロールサンプ
ルから）を選択することにより、高感度および高キャパ
シタンスを得ることができる。

次いで、平均厚さく即ち感度）を一定に保ったまま、（
コントロールサンプルの）Ｒ１を、単位長さ当たりの所
定のキャパシタンスが実現されるまで、変化させる。

上記、の最適の方法を利用した場合であって、本発明の
変換器１０の好ましい態様が銅製の円筒支持体８ｏとＰ
ＶＤＦ製の管２０とを有する場合に対しては、管２０の
平均の厚さは。

好ましくは約１．２７　Ｘ　１０−”ａｎ　（０，００
５インチ）〜約０．６３５ＣＩ１１（０，２５インチ）
の範囲内にあることがわかった。約　１．２７　Ｘｌ　
０−”ａｎ（０，００５インチ）未満ノ平均ノ厚さでは
、望ましくない程に低い感度が得られるので好ましくな
い、他方、約Ｑ、６３５ａ１１（０，２５インチ）を越
える平均の厚さでは不当に低い単位長さ当たりのキャパ
シタンスを与えるので好ましくない。更に、　Ｒ１は約
３．８１　Ｘ　１０−”ｃｍ　（０，ｃｍ５インチ）〜
約０．６３５ａ＋＋　（０，２５インチ）の範囲内にあ
る。約３．８１　Ｘ　１０−”ｃｍ（０，ｃｍ５）未満
のＲＬの値では、管２０を、例えば支持体８０上で延伸
した場合に支持体８ｏが締付けられる傾向にあるので好
ましくない、Ｒ□の値が約０．６３５ｃｍ　（０，２５
インチ）を越える場合には、得られる構造は不当にかた
く剛直であり、かつ（一般に組立てに使用される）芯枠
またはリールに巻付けることが困難であるので好ましく
ない。

上記態様のすべてにおいて、圧電領域２０の歪を制限す
るために使用される装置または支持体は湾曲しない。し
かしながら、この湾曲しないという点は、本発明の必須
の特徴ではない。即ち、湾曲しやすい装置または支持体
は、湾曲により誘起された圧電領域２０の歪によって、
該装置または支持体がない場合に生ずる歪より小さい（
抑制すべき内部応力成分の方向の）歪成分が与えられる
場合には有用である。

本発明は電気機械変換器だけでなく、応力。

例えば圧力検出方法をも包含するものである。

該方法によれば、本発明の電気機械変換器には（検出す
べき）応力が掛けられ、それによって対応する電気的応
答、例えば電圧が発生する。この電気的応答の少なくと
も一部は変換器から遠く離れた位置に伝えられ、そこで
電気的応答が検出される。

笑−■ 本発明の、第８図に示された型の電気機械変換器の１態
様を、デソト３４７１−１−１２の商標名でデッド社（
イリノイ州、デスプレインズ）により市販さているＵＶ
硬化性樹脂を、銅をクラツディングした鋼線の表面にま
ず塗布することにより形成した。この鋼線は後に変換器
の電極の１つとして作用し、６．３５ｘ　１０−”ｃｍ
（０、０２５インチ）の直径および３０．５ｍの長さを
有していた。塗布したＵＶ硬化樹脂の厚さは約２．５４
　Ｘ　１０″″３０ｍ（０，０ｃｍインチ）であった。

ＰＶＤＦ管は、１分間に約０．６’７ｏ（２，２フイー
ト）の速度で、樹脂で被覆した鋼線の回りに連続的に押
出した。該ＰＶＤＦ管の内径および外径は夫々０．１３
ｃｍ（０，０５インチ）および０．２８ｃｍ（０，１１
インチ）であった、このＰＶＤＦ被覆鋼線を、次に水中
に通してＰＶＤＦを冷却し、固化させた。

（銅をクラツディングした鋼線を覆っている）押出され
かつ固化したＰＶＤＦ管を炉内で７０℃に加熱し、（延
伸の準備として）該ＰＶＤＦを軟化させた。次いで、こ
のＰＶＤＦ管をはじめの長さの４〜５倍に延伸し、鋼線
上で肢管を収縮させ、かつＰＶＤＦを非極性のα結晶相
から極性のβ結晶相に転移させた。このＰＶＤＦ管を鋼
線と結合させるために、該ＰＶＤＦ管を（約３００〜約
４０５ｎ＋＊の波長の）透過性ＵＶ光に暴露させて、下
層の樹脂を硬化した。この硬化工程により、該ＰＶＤＦ
と銅クラツド鋼線との間の強い結合が得られ、ＰＶＤＦ
と鋼線との間の相対運動が実質的に排除された。（上述
のように、相対運動の回避は高感度を得るために必須で
ある）。

このＰＶＤＦ管を、９０”Ｃに加熱し、環状のコロナ放
電中で、ＰＶＤＦで被覆した鋼線を１分間に約０．０９
　ｍ　（０，３フイート）の速度で連続的に引っばるこ
とにより、厚さ方向に分極させた。該ＰＶＤＦの厚さ方
向に印加した電圧は２０ＫＶであった。

この電気機械変換器の第２の電極を形成するだめに、商
標名３７０ＷＥＣとしてザ・ダイナロイ（ｔｈｅ　Ｄｙ
ｎａｌｏｙ）社にュージャージー州、ハノーバー）によ
り市販されている銀含有ウレタンを上記ＰＶＤＦ管の外
表面に塗布した。　このウレタンの厚さは約１．２７　
Ｘｌ　０−”ａｎ（０，００５インｆ）　’Ｔ：アッｔ
＝。次ニ。

得られたＰＶＤＦ被覆鋼線を、５．ＩＱｌｌ（２インチ
）の外径および０．３ｍの長さを有する円筒形真ちゅう
管の回りに巻付けた。該ＰＶＤＦ被覆鋼線の両端は、プ
ラスチック撚り線で該真ちゅう管の反対側の端部に固定
した。

本発明の変換器の単位長さ当たりのキャパシタンスを、
関数発生器〔ウェーブチック（Ｉｌａｖｅｔｓｃ）社（
カリフォルニア州、サンジエゴ）により市販されている
モデルＮｏ、１６６］および電位計［カイスリー・イン
スッルメント（Ｋａｉｔｈｌｙ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
）社（オハイオ州。

クリーブランド）により市販されているモデルＮｏ、６
１６］で測定したところ、１ｃｍ１当たり９．４　ピコ
ファラッドであった。［かくして、全キャパシタンス０
．２μＦは（実用的な）２１３ｍに等しい長さのＰＶＤ
Ｆ被覆鋼線を用いることにより容易に得られる）。

−１９７，４ｄＢ　（１μＰａ当たり、かつＩＶ当たり
）の較正された感度を有する鉛−チタン標準ハイドロホ
ン［ウェスターン・ディビジョンψオブーエド（Ｗｅｓ
ｔｅｒｎ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆＥｄｏ）社（ユタ州
、ツルトレークシティー）により市販されているモデル
Ｎｏ、Ｅｃ９７で、圧電素子を含む］および本発明の交
換器を、水で満たした圧力容器中に配置した。この容器
内の静水圧は、次いで、１ｃｍ，３２５Ｐａ（１４，７
ｐｓｉ　：　大気圧）から６９．ＯＯｏ、ｏｏｏＰａ（
１０、ＯＯ０ｐｓｉ）まで高められた。各圧力に達した
時点で、該容器を金属ハンマーで叩き、容器内に静水圧
パルスを発生させ、本発明の変換器および標準ハイドロ
ホンに発生した対応する電圧を記録し、本発明の交換器
の感度を決定した。この結果を、感度（ｄＢで表わす）
対静水圧のグラフ（接着と表示しである）として第９図
に示した。

第２の電気機械変換器を上記のように製造した。尚、樹
脂をまったく使用せず、上記ＰＶＤＦ管と銅クラット鋼
線とは接着されていない。この第２の変換器の感度を上
記方法を利用して測定した。これらの結果を、第９図に
グラフで示した（「未接着」と表示したグラフ）。

第９図の結果から明らかな如く、本発明の変換器（鋼線
と接着したＰＶＤＦをもつもの）の感度は広範囲の圧力
に亘り、第２の変換器よりも著しく良好な感度を有して
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は延伸されかつ分極されたＰＶＤＦの諸特性を説
明する際に、従来用いられた座標系を示す図であり、 第２図および第３図は３１圧電結合を利用した従来のハ
イドロホンを示す図であり、第４図は従来の静水圧モー
ドのハイドロホンを示す図であり、 第５図乃至第８図は本発明の電気機械変換器の４つの態
様を示す図であり、 第９図は本発明の電気機械変換器の１態様について得ら
れた感度を静水圧に対してプロットしたグラフを示す図
である。 （主な参照番号） 本発明の電気機械変換器・・・・・・・・・・・・・・
・・１０圧電材料領域・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・２０圧電材料領域上部面・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・２２圧電材料領域
下部面・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２４
導電性材料領域・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・３０導電性材料領域・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・４０Ｕ−字型構造体・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・５０側
部部材・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・５５．６０交叉部材・・・・・・・・、・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・６５額縁状構
造体・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・７０支持体・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・８０ＲＧ、５ ハ４１”Ｏ）＠７ｔ　（ｄＢ　ｒｅ１Ｖ／ＩＰＰａｌＣ
◎　Ｎ　もＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電材料を含む材料の第一の領域を 含み、該第１領域は少なくとも１つの第１表面を有し、
   該第１表面に相対的に該第１領域の各点に対する厚さ方
   向が規定され、該第１領域の巨視的部分の少なくとも１
   つの中心において正味の分極または正味の分極の成分は
   上記中心において上記厚さ方向に平行である電気機械変
   換器であって、 該変換器が、更に上記第１領域に印加され た外部応力に応じて誘起された、少なくとも上記巨視的
   部分における少なくとも１つの応力成分を少なくとも部
   分的に抑制する第１の手段を含み、該応力成分が上記中
   心において上記厚さ方向を横切って配列されていること
   を特徴とする、 上記電気機械変換器。 ２、上記第１手段が、上記応力成分に対 応する歪成分の大きさを減じるための第２の手段を含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の変換器。 ３、上記第２手段が、上記第１領域の周 辺部の少なくとも１部を取囲み、かつ少なくとも動作中
   に該周辺部の少なくとも１部と接する装置を含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の変換器。 ４、上記装置がＵ−字型構造体または額 縁状構造体を含むことを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の変換器。 ５、上記第２手段が本体を含み、上記第 １領域が該本体上にあり、該本体の材質が上記歪成分の
   方向において該第１領域の材質の柔軟性よりも柔軟性に
   劣り、かつ該第１領域が該歪成分の方向において上記本
   体に関して実質的に不動性であることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の変換器。 ６、上記第１領域がその厚さ以外の寸法 のうちのより小さな寸法よりも小さな厚さを有している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の変換器。 ７、導電性材料を含む材料の第２の領域 が上記第１領域上にあることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第５項記載の変換器。 ８、導電性材料を含む材料の第３の領域 が上記第１の領域の下部にあるか、あるいは該第１領域
   と上記本体との間に位置することを特徴とする特許請求
   の範囲第７項記載の変換器。 ９、上記本体が導電性材料を含むことを 特徴とする特許請求の範囲第８項記載の変換器。 １０、上記本体に含まれる導電性材料が銅 または鋼を含むことを特徴とする特許請求の範囲第９項
   記載の変換器。 １１、上記本体が円筒状であり、かつ上記 第１領域が少なくとも部分的に該本体を包囲しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の変換器。 １２、上記第１領域が内表面および外表面 を有する管であり、上記円筒の長手方向の軸から該内表
   面および外表面までの平均の半径方向の距離を夫々Ｒ＿
   １およびＲ＿２とした場合に、該管の平均の厚さがＲ＿
   ２−Ｒ＿１であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   １項記載の変換器。 １３、上記平均の厚さ、Ｒ＿２−Ｒ＿１、が約１．２７
   ×１０＾−＾２ｃｍ〜約０．６３５ｃｍの範囲内にある
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の変換器
   。 １４、上記Ｒ＿１が約３．８×１０＾−＾２〜約０．６
   ３５ｃｍの範囲内にあることを特徴とする特許請求の範
   囲第１２項記載の交換器。 １５、上記圧電材料がポリビニリデンフル オライドを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１〜
   １４項のいずれか１項に記載の変換器。 １６、電気機械変換器に応力を印加して、 該変換器に該応力に対する電気的応答を生じさせ、 該電気的応答の少なくとも１部を該変換器 から遠隔位置に伝え、次いで この電気的応答の一部を検出する 各工程を含む上記応力の検出方法であって、上記変換器
   が圧電材料を含む材料の領域を 含み、そして 上記応力印加工程が上記領域の少なくとも 巨視的部分における、上記応力に応じて誘起された応力
   の少なくとも１つの成分を、少なくとも部分的に抑制す
   る工程を含む、 ことを特徴とする、上記応力検出方法。