DE69403247T2

DE69403247T2 - Wellen-empfangende piezoelectrische Anordnung

Info

Publication number: DE69403247T2
Application number: DE69403247T
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro C/O Kureha Kagaku Kogyo K.K. Tokyo 103 Moriyama; Kenichi C/O Kureha Kagaku Kogyo K.K. Tokyo 103 Nakamura; Takashi C/O Kureha Kagaku Kogyo K.K. Tokyo 103 Sato; Kazuyuki C/O Kureha Kagaku Kogyo K.K. Tokyo 103 Suzuki
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2014-03-12
Also published as: EP0614705B1; EP0614705A2; JP3243047B2; JPH06269093A; EP0614705A3; US5432396A; DE69403247D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND VERWANDTE TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wellen-empfangendes (oder passives) piezoelektrisches Element mit erhöhter Empfindlichkeit zum Empfangen einer akustischen Welle.
Bekannt sind Wellen-empfangende piezoelektrische Elemente, einschließlich eines Mikrophons, das üblicherweise in einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise Luft oder Gas, derart angeordnet ist, daß es eine akustische Welle empfängt, die sich durch das gasförmige Medium ausbreitet, und eines Hydrophons, das üblicherweise in einem flüssigen Medium, wie beispielsweise Wasser oder anderen Flüssigkeiten, so angeordnet ist, daß es eine akustische Welle empfängt, die sich durch das flüssige Medium ausbreitet.
Die Empfindlichkeit eines derartigen piezoelektrischen Elements hinsichtlich des Empfangs einer akustischen Welle kann durch eine hydrostatische piezoelektrische Konstante dh für den Fall ausgedrückt werden, daß das Element eine ausreichend kleinere Größe als die Wellenlänge der akustischen Welle aufweist, und sie ist selbstverständlich besser, wenn die Konstante dh größer ist.
Bislang ist die Konstante dh als die Konstante in Bezug auf ein piezoelektisches Material oder einen Körper in Betracht gezogen worden, dem eine piezoelektrische Eigenschaft unter einer bestimmten Bedingung zugeteilt wurde. Es gibt Vorschläge zum Verbessern der Konstante dh durch Modifikation eines Elementaufbaus derart, daß die Empfindlichkeit des resultierenden piezoelektrischen Elements verbessert wird; siehe beispielsweise Proceeding of the 6th IEEE Internatiol Symposium on Applications of Ferroelectrics ISAF '86, Juni 86, Bethlehem, PA, USA, S. 273-276, von M. Kahn et al.
Insbesondere zeigt die Kombination der Fig. 1 und 3 dieser Druckschrift ein Element gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wellen-empfangendes piezoelektrisches Element zu realisieren, das ausgehend von einem gegebenen piezoelektrischen Material eine höhere Empfindlichkeit aufweist.
Gemäß unserer Studie hat es sich als möglich erwiesen, ein piezoelektrisches Element mit einer deutlich erhöhten Wellenempfangsempfindlichkeit, ausgehend von einem gegebenen piezoelektrischen Körper durch Versehen einer Oberfläche des Körpers mit einer Ausnehmung, zu erzeugen, einschließlich einer Perforation durch seine Dicke durch Oberflächenprägen oder Bohren, und durch Abdecken der Oberfläche mit einem steifen Element derart, daß ein akustischer Druck, der durch die Außenfläche des steifen Elements empfangen wird, konzentriert und auf die Oberfläche des piezoelektrischen Körpers angewendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Wellenempfangendes piezoelektrisches Element bereitgestellt, mit: einem piezoelektrischen Körper, der zwei Oberflächen aufweist, die eine Dicke sandwichartig einschließen, und der wenigstens eine Oberfläche aufweist, die mit einer Ausnehmung versehen ist, die in der Dickenrichtung angeordnet bzw. ausgebildet ist, und einem steifen Element, das eine Kontaktfläche und eine Außenfläche aufweist, die der Kontaktfläche gegenüberliegt und so angeordnet ist, daß es wenigstens eine Oberfläche mit der Kontaktfläche so abdeckt, daß die Ausnehmung luftdicht gemacht ist, wodurch ein akustischer Druck, der durch die Außenfläche empfangen wird, konzentriert und auf die wenigstens eine Oberfläche des piezoelektrischen Körpers angelegt ist.
Der Begriff "Ausnehmung" wird nicht nur zur Bezeichnung einer Austiefung in der Nähe der Oberfläche, sondern auch für eine Perforation verwendet, die durch die gegenüberliegende Oberfläche gestanzt bzw. perforiert ist. Eine sich von einer Perforation unterscheidende Ausnehmung kann in einer oder beiden der zwei betroffenen Oberflächen des piezoelektrischen Körpers gebildet sein. In dem Fall, bei dem eine sich von einer Perforation unterscheidende Ausnehmung in lediglich einer Oberfläche gebildet ist, ist es möglich, lediglich die eine Oberfläche mit steifen Elementen abzudecken; es ist jedoch üblicherweise bevorzugt, die beiden Oberflächen mit einem steifen Element so abzudecken, daß eine unerwünschte Wölbung oder Verzerrung des piezoelektrischen Körpers selbst in diesem Fall von vornherein verhindert wird.
Die akustische Welle sollte als Druckwellenschwingung gedeutet werden und ist nicht auf den Audiofrequenzbereich einer akustischen Welle beschränkt. Genauer gesagt handelt es sich vorliegend um eine Druckwellenschwingung mit einer Wellenlänge vergleichbar zu der oder größer als die Größe des steifen Elements. Ferner bedeutet akustischer Druck der Druck der vorstehend genannten Schwingung.
Wie vorstehend erläutert, ist bei einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Element wenigstens eine Oberfläche des piezoelektrischen Körpers mit einer Ausnehmung versehen und mit einem steifen Element so abgedeckt, daß ein akustischer Druck, der auf das steife Element einwirkt, auf einen verbleibenden Vorsprung konzentriert ist, der einen verringerten Oberflächenbereich des piezoelektrischen Elements bildet, wodurch ein verstärkter akustischer Druck an das piezoelektrische Element angelegt wird. Infolge davon kann eine piezoelektrische Konstante des piezoelektrischen Materials unter dem verstärkten höheren Druck verwendet werden. Da die Ausnehmung des piezoelektrischen Körpers mit dem steifen Element luftdicht abgedeckt ist, wird der Beitrag von Komponenten der Konstante dh entsprechend einer Komponente des akustischen Drucks, die auf die Seitenflächen des piezoelektrischen Körpers einwirkt und eine Verformung derselben in einer Ausdehnungsrichtung des piezoelektrischen Körpers und allen Komponenten der Konstante dh einschließlich einer Komponente (d&sub3;&sub3;- Komponente) in der Polarisationsrichtung (in vielen Fällen in der Dickenrichtung) des piezoelektrischen Körpers und Komponenten (d&sub3;&sub1;- und d&sub3;&sub2;-Komponenten) in Richtungen senkrecht zu der Polarisationsrichtung aufgrund des Vorhandenseins der Ausnehmung relativ unterdrückt, zu der die Einwirkung des akustischen Drucks abgefangen wird. Dies wird auch als Faktor betrachtet, der zu einer deutlichen Vergrößerung der Konstanten dh beiträgt (wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 75009/1993 diskutiert). Diese Annahme wird durch eine Vergräßerung des piezoelektrischen Nutzeffekts (2) erhärtet, die in der nachfolgend angeführten Tabelle 1 gezeigt ist.
Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher bei einer Berücksichtigung der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Teile verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements, und Fig. 1B zeigt eine Querschnittsansicht in Dickenrichtung entlang der Linie B-B in der Richtung der Pfeile in Fig. 1A gesehen.
Fig&sub5; 2 und 3 zeigen jeweils eine Schnittansicht in Dickenrichtung eines weiteren Beispiels eines piezoelektrischen Körpers, der bei der in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform verwendbar ist.
Fig. 4A zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements, und
Fig. 4B zeigt eine Schnittansicht in Dickenrichtung entlang der Linie B-B in der Richtung der Pfeile in Fig. 4A gesehen.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht in Dickenrichtung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht in Dickenrichtung eines kombinierten piezoelektrischen Körpers, der bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen verwendbar ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform des Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements (das nachfolgend der Einfachheit halber als "piezoelektrisches Element" bezeichnet ist) gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 1B zeigt eine Schnittansicht in Dickenrichtung entlang der Linie B-B in Fig. 1A. Wie in Fig. 1A und 1B gezeigt, weist ein piezoelektrisches Element 10 einen rechteckigen blattförmigen piezoelektrischen Körper 1 mit zwei Oberflächen 1a und 1b auf, die eine Dicke t sandwichartig umschließen, und eine Seitenfläche 1c, die im wesentlichen senkrecht zu den beiden Oberflächen angeordnet ist, Elektroden 5a und 5b, die auf den Oberflächen 1a bzw. 1b angeordnet sind, und ein Paar von steifen Platten 2 und 3, die eine ähnliche ebene bzw. planare Form wie der piezoelektrische Körper 1 haben und den piezoelektrischen Körper 1 sandwichartig einschließen, der mit den Elektroden 5a und 5b versehen ist. Der piezoelektrische Körper 1, der mit den Elektroden 5a und 5b beschichtet ist, ist mit einer großen Anzahl von kleinen Perforationen 4 versehen, die möit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dichte durch die Dicke t hindurch perforiert sind. Die steifen Platten 2 und 3 als steife Elemente der vorliegenden Erfindung sind so angeordnet, daß die Perforationen von einem akustischen Druck einer empfangenen akustischen Welle abgeschirmt werden. Tatsächlich sind die steifen Platten 2 und 3 mit einem Klebstoff auf die Oberflächen der Elektroden 5a und 5b aufgetragen, wodurch die Perforationen 4 in luftdichte Innenräume umgestaltet sind. Bei einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Element mit einer großen Anzahl von kleinen Perforationen 4, wie gezeigt, kann das piezoelektrische Element 1 bevorzugt in der Richtung der Dicke t polarisiert sein.
Bei dem piezoelektrischen Element mit dem vorstehend genannten Aufbau sind die mit den steifen Platten 2 und 3 abgedeckten Perforationen 4 in luftdichte Innenräume umgestaltet, an bzw. in denen die Innenflächen 2b und 3b von einer äußeren akustischen Welle abgeschirmt sind. Infolge davon sowie entsprechend einer Verringerung des gedrückten Oberflächenbereichs (des piezoelektrischen Körpers 1, der durch die steifen Platten sandwichartig eingeschlossen ist) aufgrund des Vorhandenseins der Perforationen 4, wird ein akustischer Druck, der durch die Außenflächen 2a und 3a der steifen Platten empfangen wird, an den verbleibenden Oberflächen 1a und 1b des piezoelektrischen Körpers mit Hilfe der Steifheit der steifen Platten konzentriert. Infolge davon wird die Spannung (Last), die an den piezoelektrischen Körper 1 angelegt wird, vergrößert, um ein piezoelektrisches Element bereitzustellen, das eine höhere Empfindlichkeit aufweist als diejenige, die durch ein herkömmliches piezoelektrisches Element gegeben ist, das keine Kombination aus Perforationen 4 und steifen Platten 2 und 3 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Wie nachfolgend erläutert, ergibt sich eine Empfindlichkeitserhöhung außerdem durch ein relatives Verringern des Beitrags der d&sub3;&sub1;- und d&sub3;&sub2;-Komponenten, d.h&sub5; des Einflusses einer akustischen Welle, die auf die Seitenfläche 1c einwirkt und eine Verformung in der Richtung der Ausdehnung des blattförmigen piezoelektrischen Körpers 1 verursacht, durch das Vorhandensein der Perforationen 4, die von dem akustischen Druck abgeschirmt sind. Bei der in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform wird ein akustischer Druck, der in der vorstehend genannten Weise konzentriert ist, an den piezoelektrischen Körper 1 über die Elektroden 5a und 5b angelegt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Querschnittsansichten der piezoelektrischen Körper 21 und 31, die anstelle des piezoelektrischen Körpers 1 in der Ausführungsform der Fig. 1A und 1B verwendet werden können. Insbesondere handelt es sich bei dem piezoelektrischen Körper 21 um ein Beispiel eines piezoelektrischen Körpers, der mit von Perforationen verschiedenen Ausnehmungen 14 auf einer Oberfläche versehen ist, während Vorsprünge 15 belassen sind, die einen akustischen Druck in konzentrierter Weise empfangen. Der piezoelektrische Körper 31 stellt ein Beispiel eines piezoelektrischen Körpers dar, der mit von Perforationen verschiedenen Ausnehmungen 14 auf seinen beiden Oberflächen versehen ist. Die Ausnehmungen 14 können durch Prägen usw. gebildet sein.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, können die in wenigstens einer Oberfläche eines piezoelektrischen Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Ausnehmungen solche aufweisen, die Perforationen (Stanzungen) sind, und solche, die von Perforationen verschieden sind an der anderen Oberfläche. In jedem Fall wird ein auf die verbleibenden Vorsprünge konzentrierter akustischer Druck an den piezoelektrischen Körper 1, 21 oder 31 in der Dickenrichtung angelegt, um eine piezoelektrische Eigenschaft mit einer erhöhten Spannung zu erreichen, und die Einwirkung einer Anlegung des akustischen Drucks wird von den abgeschlossenen Ausnehmungen abgeschirmt.
Die ebene Form der piezoelektrischen Körper 1, 21 und 31 ist willkürlich und kann kreisförmig, polygonal oder in einer anderen Form vorliegen, zusätzlich zu einer rechteckigen Form. Ferner sind die ebenen Formen der Perforationen 4 und der sich von Perforationen unterscheidenden Ausnehmungen 14 ebenfalls willkürlich, und sie können polygonal, schlitzförmig oder in Art von Nuten bzw. Rillen mit geschlossener Schleife oder in Ringform gebildet sein, anstatt kreisförmig. Es ist bevorzugt, ein Paar von steifen Elementen in einer ebenen Form anzuordnen, die identisch zu derjenigen eines piezoelektrischen Körpers 1 auf der Gesamtheit beider Oberflächen 1A und 1B des piezoelektrischen Körpers 1 ist, wie in Fig. 1 gezeigt; es ist jedoch auch möglich, diese steifen Element lokal so anzuordnen, daß lediglich ein Teil der großen Anzahl von Perforationen 4 oder Ausnehmungen 14 abgedeckt ist.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen sind die Ausnehmungen, die in einem breiten Sinn (einschließlich von Perforationen) als luftdichte Innenräume gebildet sind, mit Luft gefüllt.
Die Innenräume können jedoch leer bzw. evakuiert hergestellt oder mit einem anderen Gas oder einem Packmaterial gefüllt sein, wie beispielsweise einem elastomeren Harz oder Schaumharz, das eine größere Druckverformbarkeit aufweist als der piezoelektrische Körper, um die Verschiebung oder Verformung in der Dickenrichtung des piezoelektrischen Körpers in Übereinstimmung mit dem akustischen Druck nicht zu behindern.
Die piezoelektrischen Körper 1, 21 und 31 können beispielsweise aus einem polymeren piezoelektrischen Material oder aus einem keramischen piezoelektrischen Material, wie beispielsweise PZT, zusammengesetzt sein, um ein Hydrophon oder ein Mikrophon zu bilden. Insbesondere kann ein polymeres piezoelektrisches Material üblicherweise zur Bildung eines Hyrophons im Hinblick auf eine kleine Wellenreflektionseigenschaft (einer guten akustischen Übertragungseigenschaft) aufgrund einer spezifischen akustischen Impendanz zwischen dem piezoelektrischen Material und dem akustischen Wellenübertragungsmaterial geeignet sein. Es ist möglich, einen piezoelektrischen Körper als Schichtung aus piezoelektrischen Materialien zu bilden. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Körpers kann in der Dickenrichtung, wie bei den vorstehend genannten Ausführungsformen, oder in der ebenen Ausdehnungsrichtung verlaufen (die Elektroden können üblicherweise gegenüberliegend auf Seitenflächen des piezoelektrischen Körpers in diesem Fall angeordnet sein). In den meisten Fällen kann jedoch eine größere Konstante dh in dem Fall erzielt werden, bei dem der piezoelektrische Körper in der Dickenrichtung polarisiert ist.
Bevorzugte Beispiele für das polymere piezoelektrische Material, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Vinylidencyanid-Vinylacetat-Copolymer mit relativ hoher Wärmebeständigkeit und piezoelektrische Materialien auf Vinylidenfluoridbasis mit hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften. Im Vergleich zu Vinylidenfluorid(VDF)-Homopolymer, das eine einaxiale Streckbehandlung zur β-Form- Kristallisation erfordert, die Piezoelektrizität erbringt, ist es bevorzugt, VDF-Copolymere (z.B. Copolymere mit einem Hauptanteil an VDF und einem geringeren Anteil an Trifluorethylen (TrFE) oder Tetrafluorethylen (TFE)) zu verwenden, die unter gewöhnlichen Kristallisationsbedingungen zu einer β-Form-Kristallisation in der Lage sind. Das am stärksten bevorzugte Beispiel ist ein Copolymer mit einem Hauptanteil (insbesondere 70 bis 80 Mol-%) an VDF und einem Minoritätsanteil (insbesondere 30 bis 20 Mol-%) an TrFE.
Ein derartiges polymeres piezoelektrisches Material kann beispielsweise durch Schmelzextrusion bzw. Schmelzstrecken gefolgt durch einaxiales Strecken oder Wärmebehandlung unter der Erweichungstemperatur, wie gewünscht, und Polarisation in Übereinstimmung mit der Anlegung eines elektrischen Felds unter der Erweichungstemperatur in eine Folie gebildet werden, um ein piezoelektrisches Polymermaterial in der Form einer Folie oder eines Flachmaterials bereitzustellen. Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete piezoelektrische Polymermaterial kann eine Dicke aufweisen, die nicht besonders begrenzt ist, sondern in einem Bereich von 1 µm bis 2000 µm (2 mm) in seiner üblicherweise gelieferten Form aufweisen kann&sub5; Die Folie oder das Flachmaterial aus piezoelektrischem Material kann als Einzelschicht oder als Laminat bzw. Schichtung aus 2 bis 20 Schichten mit identischen Polarisationsrichtungen oder abwechselnd mit entgegengesetzten Polarisationsrichtungen mit einer Elektroden-Zwischenschicht zwischen den Schichten verwendet werden.
Während es von der Höhe des Drucks eines akustischen Drucks abhängt, von dem erwartet wird, daß er mit einem bestimmten Ausmaß empfangen wird, kann das steife Element üblicherweise aus einem harten harzartigen Material, einem Metallmaterial oder Keramikmaterial zusammengesetzt sein. Der erforderliche Steifheitsgrad des steifen Elements ist derart, daß das steife Element an den Ausnehmungen aufgrund der akutischen Welle frei von einer Wölbung oder Verzerrung ist, die zu einer Störung der effektiven Kommunikation bzw. Verbindung des akustischen Drucks, der an der Außenfläche des steifen Elements mit der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers führen kann, und der Druck innerhalb der luftdichten Ausnehmungen ändert sich infolge des akustischen Drucks wenig. Beispielsweise im Fall eines Kunststoffmaterials, wie etwa Vinylchloridharz oder Acrylharz, kann die steife Platte bevorzugt eine Dicke von 1/10 oder mehr, bevorzugt 1/2 oder mehr, einer repräsentativen Größe (z.B. Durchmesser oder Breite) einer betroffenen Ausnehmung aufweisen. Das Material und die Steifheit des steifen Elements können in bestimmten Fällen durch zusätzliches in Betracht ziehen von Faktoren ermittelt werden, wie beispielsweise einer Differenz der spezifischen akustischen Impedanz von bzw. zu derjenigen des akustischen Wellen-übertragenden Mediums, und einer Beziehung zwischen der Eigenschwingungsfrequenz eines piezoelektrischen Elements, einschließlich des steifen Elements und der Frequenz der akustischen Welle.
Die Elektroden 5a und 5b können eine Dampfabscheidungselektrode oder eine Folienelektrode sein, die mit einem Klebstoff aufgetragen werden, wie jeweils an sich bekannt, oder sie können in geeigneter Weise eine Wärme-aufgespritzte Metallelektrode (wie in der EP-A-0 528 279 offenbart) oder eine perforierte Flachmaterial- oder Schichtelektrode sein, die an bzw. in eine Oberfläche eines piezoelektrischen Materials eingebettet ist (wie in der EP-A-0 655 790 offenbart). Im Fall von beispielsweise einem piezoelektrischen Element 10 mit Elektroden 5a und 5b, die auf den Oberflächen 1a und 1b eines piezoelektrischen Körpers 1 angeordnet sind, wie in Fig. 1A und 1B gezeigt, ist es nicht erforderlich, Perforationen in den Elektroden 5a und 5b entsprechend den Perforationen 4 zu bilden. In einem derartigen Fall ist es möglich, steife Plattenelektroden zu verwenden, die als Kombinationen der Elektroden 5a und 5b und der steifen Platten 2 und 3 arbeiten.
Wie in Fig. 1 gezeigt, können die steifen Platten 2 und 3 üblicherweise in Klebung mit den oder anstoßend an die Oberflächen des piezoelektrischen Körpers 1 (oder der Elektroden 5a und 5b in dem Fall, daß diese Elektroden auf ihm gebildet sind) angeordnet sein. In dem Fall, daß der piezoelektrische Körper 1 (oder die auf ihm gebildeten Elektroden 5a und 5b) eine gekrümmte Oberfläche bildet, ist es jedoch möglich, eine spannungsverteilende Schicht aus z.B. einem Elastomerharz zwischen den steifen Platten und den Oberflächen des piezoelektrischen Körpers oder den Elektrodenoberflächen so einzuführen bzw. einzusetzen, daß eine verformende Spannung gleichförmig bzw. gleichmäßig auf die Oberflächen des piezoelektrischen Körpers angelegt wird. Das elastomere Harz kann beispielsweise Silicongummi, Urethangummi, Chloroprengummi oder Butylgummi oder einen daraus zusammengesetzten Klebstoff aufweisen.
Bei dem Wellen-empfangenden piezoelektrischen Element, einschließlich seiner in Fig. 1 gezeigten und vorstehend erläuterten Ausführungsform, kann das steife Element gemäß der vorliegenden Erfindung, das die Funktion hat, einen durch eine Außenfläche von ihm empfangenen akustischen Druck auf eine gedrückte Oberfläche eines piezoelektrischen Körpers zu konzentrieren, auch als akustischer Druckverstärker angesehen werden. In diesem Fall stellt ein Hauptfaktor, der die Verstärkungsrate bestimmt, einen Leerraumanteil oder einen Öffnungsanteil dar, der als Verhältnis des Öffnungsbereichs bzw. der Öffnungsfläche zu dem gesamten Bereich der Oberfläche eines steifen Elements festgelegt ist. Der Leerraumanteil kann üblicherweise im Bereich von 10 bis 90% angesichts einer deutlichen Erhöhung der Empfangsempfindlichkeit für eine akustische Welle und eine Schwierigkeit bei der Ausnehmungsbildung liegen.
Fig. 4A zeigt eine Schnittansicht in Dickenrichtung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements, und Fig. 4B zeigt eine B- B-Schnittansicht in der Richtung der Pfeile B-B in Fig. 4A gesehen. Das in diesen Figuren gezeigte piezoelektrische Element 20 ist identisch mit dem in Fig. 1A und 1B gezeigten piezoelektrischen Element 10 mit der Ausnahme, daß der dabei verwendete piezoelektrische Körper 1 mit einer einzigen Perforation 4 anstelle einer großen Zahl von Perforationen versehen ist.
Bei dem piezoelektrischen Element 20 ist die Perforation 4 außerdem über den gesamten piezoelektrischen Körper 1 und die Elektroden 5a und 5b gebildet. Bei dem piezoelektrischen Element 20 kann der piezoelektrische Körper 1 in der Richtung der Dicke t polarisiert sein; alternativ kann er jedoch in einer dazu senkrechten Richtung polarisiert sein, d.h. in der Richtung einer planaren bzw. ebenen Ausdehnung des piezoelektrischen Körpers. Ferner müssen die Elektroden 5a und 5b nicht auf den Oberflächen 1a und 1b des piezoelektrischen Körpers angeordnet sein; vielmehr können sie alternativ auf einer Seitenfläche 1c und einer dazu gegenüberliegenden Innenseitenfläche 1d des piezoelektrischen Körpers 1 angeordnet sein. Im zuletzt genannten Fall ist es jedoch erforderlich, darauf zu achten, daß die Verschiebung des piezoelektrischen Körpers in der Dickenrichtung durch die Elektroden nicht behindert wird, z.B. durch Verwenden einer dünnen Metallfolienelektrode, einer Dampfabscheidungselektrode usw.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht in Dickenrichtung entsprechend Fig. 4A von einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist das piezoelektrische Element 30 identisch mit dem in Fig. 4A und 4B gezeigten piezoelektrischen Element 20 mit der Ausnahme, daß der piezoelektrische Körper 1 zwischen einem Paar von schalenförmigen steifen Elementen 12 und 13 anstelle der planaren Platten 2 und 3 angeordnet ist.
Bei dem in Fig. 4 oder 5 gezeigten piezoelektrischen Element 20 oder 30 kann die Perforation 4 mit einem großen Innendurchmesser in einem großflächigen piezoelektrischen Körper 1 derart vorgesehen sein, daß eine hohe Empfangsempfindlichkeit durch Vergrößern des vorstehend genannten Leerraumanteils erhalten wird. Wenn die planaren bzw. ebenen steifen Platten 2 und 3 in dem piezoelektrischen Element 20 verwendet werden, können in einem derartigen Fall die steifen Platten jedoch an der Perforation 4 verformt werden, wodurch eine effektive Übertragung eines Drucks, der an den Außenflächen 2a und 3a empfangen wird, an die Oberflächen des piezoelektrischen Körpers 1 nicht möglich ist, es sei denn, die steifen Platten sind besonders steif oder dick. Das piezoelektrische Element 30 löst das vorstehend genannte Problem durch Verwenden der schalenförmigen steifen Elemente 12 und 13 unter Verhinderung deren Verformung. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten steifen Elemente müssen nicht in der Form einer Platte vorliegen, die im wesentlichen parallele Hauptflächen aufweist; vielmehr können sie schalenförmig sein, wie in Fig. 5 gezeigt, oder eine beliebige Form einnehmen, einschließlich einer nicht ebenen oder einer undefinierten Form.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht eines kombinierten piezoelektrischen Körpers 11, der anstelle des piezoelektrischen Körpers 1 bei der Ausführungsform von Fig. 4 oder 5 verwendet werden kann. Der kombinierte piezoelektrische Körper 11 weist vier Streifen aus piezoelektrischen Körpern 1 auf, die abwechselnd durch Klebstoff derart verbunden sind, daß sie eine Perforation 4 umschließen. Dadurch muß der bei der vorliegenden Erfindung verwendete piezoelektrische Körper kein kontinuierlicher Körper sein, der aus einem einzigen piezoelektrischen Material geschnitten ist.

[Beispiele]

Nachfolgend werden einige Beispiele und Vergleichsbeispiele eines Hydrophons als spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements erläutert.
In den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellte Hydrophone wurde im Hinblick auf die hydrostatische piezoelektrische Konstante (Konstante dh) bewertet, die in der folgenden Weise gemessen wurde.
Ein Probenelement wurde in Siliconöl eingetaucht, das in einem Druckbehälter enthalten ist, und der Behälter wurde mit einem kontinuierlich erhöhten Druck P (Newton (N)/m²) von einer Stickstoffgasversorgung unter Druck gesetzt, um eine Ladung Q (Coulomb (C)) zu messen, die in dem Element erzeugt wurde. Daraufhin wurde eine Ladungserhöhung dQ entsprechend einer Druckzunahme dP in der Nachbarschaft eines Manometerdrucks von 20 N/cm² (2 kg-f/cm²) gemessen, und die Konstante dh wurde durch die folgende Gleichung (I) berechnet:
dh (dQ/dP)/A ... (I)
wobei A die Elektrodenfläche (m²) bezeichnet, und die Konstante dh wurde in der Einheit C/N erhalten.

Verpleichsbeispiel 1

Ein herkömmliches blattförmiges piezoelektrisches Element wurde in der folgenden Weise zubereitet.
Ein VDF/TrFE- (Molverhältnis: 75/25) Copolymer (hergestellt durch die Kureha Kagaku Kogyo K.K.) wurde mit einer Gießform temperatur von 265ºC in ein Blatt bzw. Flachmaterial extrudiert, das daraufhin einer Wärmebehandlung bei 125ºC für 13 Stunden und einer Polarisationsbehandlung unter einem elektrischen Feld von 75 MV/m für insgesamt 1 Stunde unterworfen wurde, einschließlich einer Haltezeit von 5 Minuten bei 123ºC und der begleitenden Temperaturanstiegs- und -absenkzeit. Als Ergebnis wurde ein 500 µm-dickes piezoelektrisches Polymerflachmaterial erhalten.
Daraufhin wurden beide Oberflächen des Flachmaterials durch Sandstrahlen mit Aluminiumoxidstrahlmittel (Partikelgröße: #220) bei einem Luftdruck von 40 N/cm² (4,0 kg-f/cm²) und einem Abstand von 15 cm aufgerauht, und 70 µm dicke Kupferfolien wurden auf die beiden Oberflächen mit einem auf SBR basierendem Klebstoff aufgetragen (einer 10 bis 20%igen Lösung in 1,2-Dichlorethan (Lösungsmittel) eines auf SBR basierenden Klebstoffs ("4693 Scotch Grip", hergestellt von Sumitomo 3M K.K.)). Daraufhin wurde der derart gebildete piezoelektrische Körper 1, der auf beiden Oberflächen mit Elektroden 5a und 5b versehen war, in ein quadratisches Blatt mit 6 cm Kantenlänge geschnitten, wobei an einer Ecke davon Leitungsdrähte mit den beiden Oberflächen verbunden wurden, um ein blattförmiges piezoelektrisches Element (Hydrophon) bereitzustellen.

Beispiel 1

Mehrere als Hydrophone dienende piezoelektrische Elemente 10, wie in Fig. 1A und 1B gezeigt, wurden jeweils in der folgenden Weise zubereitet.
Ein blattförmiges piezoelektrisches Element, das mit demjenigen identisch ist, das im Vergleichsbeispiel 1 zubereitet wurde, wurde durch die Dicke (hindurch) perforiert, um eine große Anzahl von Perforationen (jeweils mit einem Durchmesser von 3,6 mm) zu bilden, und beide Elektrodenoberflächen dieses Elements wurden mit einem Paar von quadratischen Acrylplatten 2 und 3 mit einer Kantenlänge von 6 cm (wobei jede an einer Ecke zum Herausführen des Leitungsdrahts eine freie Stelle bzw. einen Freischnitt aufwies) über einen auf SBR basierendem Klebstoff beschichtet, der identisch mit demjenigen ist, der für die Elektrodenauftragung im Vergleichsbeispiel 1 verwendet wurde, gefolgt durch Verbinden bzw. Bondieren unter Vorerwärmen bei 90ºC für 4 Minuten und einer Druckausübung bei 1472 N/cm² (150 kg-f/cm²) und 90ºC für 4 Minuten, um ein piezoelektrisches Element 10 zu erhalten.
Bei der Zubereitung von jedem piezoelektrischen Element 10 wurde das blattförmige piezoelektrische Element mit im wesentlichen gleichförmiger Verteilung perforiert. Als Ergebnis wurden mehrere piezoelektrische Elemente 10 mit unterschiedlichen Leerraumanteilen (Öffnungsanteilen), wie in Tabelle 1 zubereitet. Die Leerraumanteile der jeweiligen piezoelektrischen Elemente wurden durch Berechnen eines Gewichtsverhältnisses auf der Grundlage der Gewichte vor und nach der Perforationsverarbeitung eines jeden blattförmigen piezoelektrischen Elements erhalten.

Beispiel 2

Ein als Hydrophon dienendes piezoelektrisches Element 20, wie in Fig. 4A und 4B gezeigt, wurde in der folgenden Weise zubereitet.
Ein blattförmiges piezoelektrisches Element, das identisch mit demjenigen ist, das im Vergleichsbeispiel 1 zubereitet wurde, wurde bereitgestellt, und eine Perforation mit einem Durchmesser von 4 cm wurde darin so gebildet, daß eine konzentrische Ausrichtung vorliegt. Auf beiden Oberflächen des perforierten piezoelektrischen Elements wurden Acrylplatten 2 und 3 mit einer jeweiligen Dicke von 7,5 mm im übrigen in derselben Weise aufgetragen wie in Beispiel 1, um ein piezoelektrisches Element mit einem Leerraumanteil von 34,9% zu erhalten.
Die derartig zubereiteten verschiedenen piezoelektrischen Elemente (Hydrophone) wurden im Hinblick auf die piezoelektrische Eigenschaft entsprechend der vorstehend genannten Gleichung (I) bewertet, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 bezieht sich die piezoelektrische Eigenschaft (1) auf eine reale Konstante dh, die berechnet wurde, indem die Elektrodenfläche A in der Gleichung (I) als verbleibende Elektrodenfläche A&sub1; nach der Perforation genommen wurde, die bestimmt ist durch A&sub1; = A&sub0;(100-x)/100, wobei A&sub0; (=36 cm²) die Elektrodenfläche vor der Perforation bezeichnet, und wobei x (%) den Leerraumanteil bezeichnet, und die piezoelektrische Eigenschaft (2) bezieht sich auf eine Quasi-Konstante dh, die durch Ersetzen der Elektrodenfläche A&sub0; vor der Perforation für die Elektrodenfläche A der Gleichung (I) berechnet wurde. Die derart erhaltenen Konstanten dh waren sämtliche negative Werte; ihre Absolutwerte sind jedoch in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1
Die vorstehend genannten Meßergebnisse zeigen, daß die piezoelektrische Eigenschaft (insbesondere die piezoelektrische Eigenschaft (1)) des erfindungsgemäßen Wellen-empfangenden piezoelektrischen Elements in übereinstimmung mit einer Erhöhung des Leerraumanteils im Vergleich zu einem Kontrollelement (einem piezoelektrischen Element, das keiner Perforation oder keinem Vorsehen von steifen Platten ausgesetzt war; Vergleichsbeispiel 1) war deutlich verbessert. Selbst wenn die piezoelektrische Eigenschaft (2) (d.h. eine quasi-piezoelektrische Konstante dh, die unter Verwendung der Elektrodenfläche A&sub0; vor der Perforation als die Elektrodenfläche A in der Gleichung (I) berechnet wurde) in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Leerraums deutlich verbessert war. Es war für uns überraschend bzw. verblüffend, daß die Erhöhung des Leerraumanteils x eine Vergrößerung der Konstante dh über die Vergrößerung entsprechend der Konzentration des akustischen Drucks auf die Oberfläche des piezoelektrischen Körpers hinaus verursachte (wobei von der zuletzt genannten Vergrößerung als einzige erwartet wurde, daß sie einen deutlichen bzw. im wesentlichen kontanten Wert der piezoelektrischen Eigenschaft (2) erbringt).
Eine derartige zusätzliche Vergrößerung der Konstante dh war in Bezug auf die Erhöhung des Leerraumanteils x linear und ist voraussichtlich zurückzuführen auf einen Faktor, demnach die erhöhte Spannung bevorzugt zu einer Vergrößerung der d&sub3;&sub3;- Konstante beiträgt, oder daß der Beitrag der d&sub3;&sub1;- und d&sub3;&sub2;- Konstanten zu der dh-Konstante, d.h. der Einfluß des akustischen Drucks, der auf die Seitenwände des piezoelektrischen Körpers einwirkt und die Verformung in Richtung der ebenen Ausdehnung des piezoelektrischen Körpers verursacht, auf denjenigen Abschnitt beschränkt war, der lediglich auf die Umfangsseite bzw. Randseite des piezoelektrischen Körpers aufgrund des Vorhandenseins der Perforation 4 einwirkt, die von dem akustischen Druck abgeschirmt waren. Es wird angenommen, daß die quasi-piezoelektrische Konstante (Eigenschaft (2)) sich theoretisch der d&sub3;&sub3;-Konstante annähert, wenn der Leerraumanteil sich 100% annähert, während die Extrapolation der experimentellen Werte einen Wert ergab, der geringfügig kleiner war als d&sub3;&sub3; = ca. -40 pC/N. Wir haben bereits ein piezoelektrisches Element vorgeschlagen, das mit einem akustischen Druckabschirmelement versehen ist, das in Gegenüberlage zu der Seitenfläche eines piezoelektrischen Körpers angeordnet ist, um ein piezoelektrisches Leistungsvermögen zu zeigen, daß nahe an der Konstanten dh liegt (japanische Patentanmeldung Nr. 75009/1993, eingereicht am 10. März 1993), und von der vorliegenden Erfindung kann gesagt werden, daß sie eine ähnliche Aufgabe bezüglich der piezoelektrischen Quasi-Konstante löst. Das piezoelektrische Element gemäß Beispiel 2, das mit einer großen Perforation versehen ist, verursachte eine geringfügige Abnahme der piezoelektrischen Quasi-Konstante, und die Abnahme ist vermutlich auf einen Faktor zurückzuführen, demnach die Acrylplatten als steife Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung unter sandwichartigem Einschluß des piezoelektrischen Körpers verwellt waren, wodurch sie nicht in der Lage waren, den akustischen Druck, der durch die Außenflächen der Acrylplatten empfangen wurde, ausreichend zu den Oberflächen des piezoelektrischen Körpers zu übertragen. Diese Schwierigkeit kann durch Verwenden von steifen Elementen gemildert werden, die als ganzes eine erhöhte Steifigkeit gegenüber der Verwellung aufweisen, wie in Fig. 5 gezeigt.
Wie vorstehend erläutert, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein piezoelektrisches Element unter Verwendung einer piezoelektrischen Eigenschaft bei einem erhöhten akustischen Druck zugunsten einer verbesserten Empfangsempfindlichkeit zu realisieren, indem ein piezoelektrischer Körper bereitgestellt wird, der zwei Oberflächen aufweist, die eine Dicke sandwichartig einschließen und der wenigstens eine Oberfläche aufweist, die mit einer Ausnehmung versehen ist, und indem die mit einer Ausnehmung versehene Oberfläche mit einem steifen Element abgedeckt ist, um die Ausnehmung luftdicht zu machen.

Claims

1. Wellen-empfangendes piezoelektrisches Element (10) mit: einem piezoelektrischen Körper (1), der zwei Oberflächen (1a, 1b) aufweist, die eine Dicke (t) sandwichartig einschließen, und der wenigstens eine Oberfläche aufweist, die mit einer Ausnehmung (4) versehen ist, die in der Dickenrichtung angeordnet bzw. ausgebildet ist, und einem steifen Element (2, 3), das eine Kontaktfläche und eine Außenfläche aufweist, die der Kontaktfläche gegenüberliegt und so angeordnet ist, daß es wenigstens eine Oberfläche mit der Kontaktfläche so abdeckt, daß die Ausnehmung (4) luftdicht gemacht ist, wodurch ein akustischer Druck, der durch die Außenfläche empfangen wird, konzentriert und auf die wenigstens eine Oberfläche des piezoelektrischen Körpers angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Oberflächen mit Ausnahme desjenigen Abschnitts, der mit der Ausnehmung (4) versehen ist, jeweils mit einer Elektrode (5a, 5b) beschichtet sind.

2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Körper (1) in der Dickenrichtung polarisiert ist.

3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei der piezoelektrische Körper (1) ein piezoelektrisches Polymermaterial aufweist.

4. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei der piezoelektrische Körper (1) ein piezoelektrisches Keramikmaterial aufweist.

5. Piezoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ein Hydrophon oder ein Mikrophon bildet.

6. Piezoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der piezoelektrische Körper (1) mit mehreren Ausnehmungen (4) bei bzw. mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dichte aufweist.

7. Piezoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (4) mit einer anderen Oberfläche des piezoelektrischen Körpers (1) in Verbindung steht, um eine Perforation zu bilden.

8. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 7, wobei der piezoelektrische Körper (1) mit mehreren Perforationen (4) mit im wesentlichen gleichförmiger Dichte versehen ist.

9. Piezoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zwei Oberflächen (1a, 1b) des piezoelektrischen Körpers jeweils mit einem steifen Element abgedeckt sind.

10. Piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7 und 9, wobei der piezoelektrische Körper (1) mit einer einzigen Perforation (4) versehen ist, die mit zwei steifen Elementen (12, 13) abgedeckt ist.

11. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 10, wobei die zwei steifen Elemente (12, 13) Schalenform mit einer konkaven Innenfläche aufweisen, die der Perforation (4) gegenüberliegt.

12. Piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7 bis 11, wobei der piezoelektrische Körper (1) eine Kombination aus mehreren piezoelektrischen Körpern aufweist, die so kombiniert sind, daß sie eine Perforation (4) einschließen.