JP6297365B2 - Wave-receiving piezoelectric element - Google Patents

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Description

本発明は、音波を受波する圧電素子に関し、特に音波の受波感度を高めた受波型圧電素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element that receives a sound wave, and more particularly, to a wave-receiving piezoelectric element having improved sound wave reception sensitivity.

分極処理したフッ化ビニリデン系樹脂をはじめとするポリマー圧電体は、セラミックス圧電体と比較して、(1)可撓性が大きく、薄膜化、大面積化、長尺化が容易で任意の形状、形態のものを作ることができる;(2)静水圧圧電ひずみ定数dは同等または、それ以下であるが、誘電率εが小さいために、d/εで定まる静水圧電圧出力係数(g定数)は極めて大となり、従って感度特性が優れる;(3)低密度、低弾性であるため、音響インピーダンス(音速×密度)が、水や生体の値に近く、従って水や生体と素子との間での反射が少なく、効率のよいエネルギー伝播が可能である等の特性を有する。このような特性を生かして、ポリマー圧電体は、スピーカー、マイクロホン、超音波探触子、ハイドロホン、震動計、ひずみ計、血圧計、バイモルフファン等の、一般に電気−機械(音響)変換素子あるいは焦電変換素子として、広汎な用途への適用が提案され、あるいは実用化されている。 Polymer piezoelectric bodies including vinylidene fluoride resin that has undergone polarization treatment are (1) more flexible than ceramic piezoelectric bodies, and can be made into any shape that is easy to make thin, large, and long. (2) The hydrostatic piezoelectric strain constant d h is equal to or less than that, but since the dielectric constant ε is small, the hydrostatic voltage output coefficient (determined by d h / ε) ( g h constant) is extremely large, and the thus sensitivity characteristics are excellent; (3) low density, due to low elasticity, acoustic impedance (sound velocity × density), close to the value of the water or a living body, thus water and biological and elements And has a characteristic such that efficient energy propagation is possible. Taking advantage of such characteristics, polymer piezoelectric materials are generally electro-mechanical (acoustic) conversion elements such as speakers, microphones, ultrasonic probes, hydrophones, vibration meters, strain gauges, blood pressure monitors, bimorph fans, etc. As a pyroelectric conversion element, application to a wide range of uses has been proposed or put into practical use.

受波型圧電素子としては、空気中または気体中を伝播する音波を受信すべく通常はこれらの媒体中に置かれて使用されるマイクロホン、ならびに水中または液体中を伝播する音波を受信すべく通常はこれらの媒体中に置かれて使用されるハイドロホン等が知られている。   As a receiving type piezoelectric element, a microphone that is usually placed and used in these media to receive sound waves propagating in air or gas, and a normal wave to receive sound waves propagating in water or liquid. There are known hydrophones that are used in such media.

これら圧電素子は、常に受波感度の向上が求められる。しかし、ポリマー圧電体は上記のとおり誘電率が小さく、受波感度を高めるためにポリマー圧電体の厚さを増加させるとインピーダンスが大きくなる、という問題点を有する。   These piezoelectric elements are always required to have improved reception sensitivity. However, the polymer piezoelectric material has a problem that the dielectric constant is small as described above, and the impedance increases when the thickness of the polymer piezoelectric material is increased in order to increase the receiving sensitivity.

また、これら圧電素子における音波の受波感度は、圧電素子の大きさが音波の波長に比べて十分小さい場合には、静水圧圧電ひずみ定数(d定数)によって表現され、当然d定数が大きい程感度が優れる。一般に、圧電体のd定数は、分極方向の寄与分(d33)と分極方向と直交する二方向の寄与分(d31およびd32)の和として次式で与えられる。
= d31+d32+d33 (1)
そして、一般に用いられるシート状の圧電体にあっては、分極の容易性の理由により、分極方向は厚さ方向に採られることが多く、またその厚さ方向の寄与(d33)とそれと直交する二方向の寄与(d31およびd32)とでは符号が逆、すなわち相反する作用を有することが多い。圧電素子の設計では、このような相反する作用も考慮しなければならない。
Further, reception sensitivity of the sound wave in these piezoelectric elements, when the size of the piezoelectric element is sufficiently smaller than the wavelength of the acoustic wave is represented by the hydrostatic piezoelectric constant (d h constant), naturally d h constants The larger the value, the better the sensitivity. In general, d h constant of the piezoelectric body, given by the following equation as the sum of the contribution of the polarization direction (d 33) and two-way contributions perpendicular to the polarization direction (d 31 and d 32).
d h = d 31 + d 32 + d 33 (1)
In a generally used sheet-like piezoelectric body, the polarization direction is often taken in the thickness direction because of the ease of polarization, and the thickness direction contribution (d 33 ) is orthogonal to it. The two-direction contributions (d 31 and d 32 ) are often opposite in sign, that is, have an opposite effect. Such contradictory effects must be taken into account when designing the piezoelectric element.

特許文献1には、d定数を増大(感度を増大)させるために、肉厚方向に分極されている圧電体を用いる際にも、そのd33定数ではなく、むしろこれと直交するd31あるいはd32定数の寄与を積極的に利用した素子構成とすること、特に概ね中空の筒状圧電体を用いてこのような素子構成を形成することが開示されている(段落0009、図1)。
すなわち、図1に示すように、筒状の圧電体2の一定の面積を有する対向する二側面2c,2dをより大面積の一対の剛性部材4,5で挾持させて、筒状圧電体2の軸方向変形に寄与する音圧の有効作用面積を増大させることにより見掛け上d定数の著しい増大を図っている。更に、剛性部材による圧力増幅のために行われる、剛性部材内表面への音圧の遮断(剛性円筒6)は、多くの場合において、圧電体のd定数のうち、圧電体2の分極方向と直交する成分(厚さ方向に分極した圧電体のd31またはd32成分)と相反する作用を有する厚さ方向成分(d33成分)の寄与、すなわち、圧電体2の厚さ方向への音圧の作用、を遮断する効果もありこの面でもd定数の見掛けの増大に寄与している(段落0014)。しかし、上記の圧電素子はその構造が複雑になるという問題点を有する。
D 31 in Patent Document 1, in order to increase the d h constant (increased sensitivity), even when using a piezoelectric body is polarized in the thickness direction, rather than its constant d 33, which rather perpendicular thereto Alternatively, it is disclosed that an element configuration that positively utilizes the contribution of the d 32 constant, particularly that such an element configuration is formed using a generally hollow cylindrical piezoelectric body (paragraph 0009, FIG. 1). .
That is, as shown in FIG. 1, two opposite side surfaces 2c and 2d having a certain area of a cylindrical piezoelectric body 2 are held between a pair of rigid members 4 and 5 having a larger area, so that the cylindrical piezoelectric body 2 thereby achieving a significant increase in apparent d h constant by causing axially deformed to increase the effective active area contributing sound pressure. Furthermore, it performed for pressure amplification by the rigid member, blocking the sound pressure to the rigid member surface (the rigid cylinder 6), in many cases, of the d h constant of the piezoelectric body, the polarization direction of the piezoelectric member 2 The contribution of the thickness direction component (d 33 component) having the opposite action to the component orthogonal to the component (d 31 or d 32 component of the piezoelectric body polarized in the thickness direction), that is, in the thickness direction of the piezoelectric body 2 effects of the sound pressure, there is also the effect of blocking in this aspect contributes to increase the apparent d h constants (paragraph 0014). However, the above piezoelectric element has a problem that its structure becomes complicated.

特許第3270616号公報Japanese Patent No. 3270616

上記のとおり、従来の圧電素子には、圧電体の厚さに伴うインピーダンスの増加および構造の複雑化という課題があった。そこで本発明は、適切な厚さを有する圧電体を用い、簡単な構造でd31、d32、d33の相反する作用に対処でき、その上で受波感度を向上させることができる受波型圧電素子を提供することを目的とする。 As described above, the conventional piezoelectric element has a problem that the impedance increases with the thickness of the piezoelectric body and the structure becomes complicated. Therefore, the present invention uses a piezoelectric body having an appropriate thickness, can deal with the conflicting effects of d 31 , d 32 , and d 33 with a simple structure, and can further improve the receiving sensitivity. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element.

本発明者らの研究によれば、上述の目的の達成のために、表面に曲面を有する立体を骨格として、曲面部分を圧電体で形成し圧電素子を構成すると、単純な構造で素子を形成できること、圧電体の面積を確保でき厚さを増すことなく静電容量を大きくできること、肉厚方向に分極されている圧電体を用いる際にも、そのd33定数ではなく、むしろこれと直交するd31(あるいはd32)定数の寄与を積極的に利用した素子構成とできることを見出し、本発明を完成させた。
なお、本明細書においては「音波」は、圧力振動の波と解釈されるべきであり、可聴域の音波に限定されるものではない。すなわち、「音波」とは、狭義での人間や動物の可聴周波数である空中を伝播する弾性波だけでなく、広義での、気体、液体、固体を問わず、弾性体を伝播するあらゆる弾性波の総称を指す。
According to the researches of the present inventors, in order to achieve the above-mentioned object, when a solid body having a curved surface is used as a skeleton and a curved surface portion is formed of a piezoelectric body to form a piezoelectric element, the element is formed with a simple structure. It is possible to secure the area of the piezoelectric body and increase the capacitance without increasing the thickness, and when using the piezoelectric body polarized in the thickness direction, it is not the d 33 constant, but rather orthogonal to this. The present inventors have found that an element configuration that actively uses the contribution of the d 31 (or d 32 ) constant can be obtained, and the present invention has been completed.
In the present specification, the “sound wave” should be interpreted as a pressure vibration wave, and is not limited to an audible sound wave. In other words, “sonic waves” are not only elastic waves propagating in the air, which is the audible frequency of humans and animals in the narrow sense, but also all elastic waves propagating in elastic bodies, whether in the gas, liquid, or solid, in a broad sense. The generic name of

本発明の第1の態様に係る受波型圧電素子は、例えば図1(a)〜(c)に示すように、受波型圧電素子10であって;曲面に形成された圧電体12と;圧電体12の両面にそれぞれ配置された正の電極15aと負の電極15bとを備え;受波型圧電素子10は、前記曲面で囲まれた立体10’から形成され、前記曲面は、立体10’の全部または一部表面を形成し、前記曲面の内表面側には空間が形成され、立体10’は、閉じた立体である。「曲面」とは、連続的に曲がった、平面でない面、だけでなく、線分で隣り合う2平面が2面角を形成することで、平面の組み合わせにより曲がった面をも含む。なお、2面角が90°を超えると、形成される曲面がよりなだらかになるため好ましい。なお、角錐の頂点のように点で隣り合う2平面の組み合わせによる曲面は含まない。
このように構成すると、圧電体の厚み方向から受波した音波sw(図1(b)参照)により、圧電体が周方向に圧縮・伸張して分極を生じることができる。また、圧電素子を単純な構造で形成することができる。さらに、圧電体の面積を大きくして静電容量を十分に確保し高感度の圧電素子を形成できる。さらに、d33定数の寄与を抑制し主にd31定数の寄与を積極的に利用することができる。
The wave receiving piezoelectric element according to the first aspect of the present invention is a wave receiving piezoelectric element 10 as shown in FIGS. 1A to 1C, for example; a piezoelectric body 12 formed on a curved surface; A positive electrode 15a and a negative electrode 15b respectively disposed on both surfaces of the piezoelectric body 12; the wave-receiving piezoelectric element 10 is formed from a solid 10 'surrounded by the curved surface, and the curved surface has a three-dimensional shape. All or part of the surface of 10 ′ is formed, a space is formed on the inner surface side of the curved surface, and the solid 10 ′ is a closed solid. The “curved surface” includes not only a continuously curved surface that is not a plane but also a surface that is curved by a combination of planes by forming two dihedral angles between adjacent two planes in a line segment. Note that it is preferable that the dihedral angle exceeds 90 ° because the curved surface to be formed becomes more gentle. In addition, the curved surface by the combination of two planes adjacent by a point like the vertex of a pyramid is not included.
With this configuration, the piezoelectric body can be polarized by being compressed and expanded in the circumferential direction by the sound wave sw (see FIG. 1B) received from the thickness direction of the piezoelectric body. In addition, the piezoelectric element can be formed with a simple structure. Furthermore, it is possible to increase the area of the piezoelectric body and secure a sufficient electrostatic capacity to form a highly sensitive piezoelectric element. Furthermore, it is possible to positively utilize the contribution of mainly d 31 constant to suppress the contribution of d 33 constant.

本発明の第2の態様に係る受波型圧電素子は、上記本発明の第1の態様に係る受波型圧電素子において、前記曲面は、円柱、多角柱、円錐、多角錐、球、多面体、楕円体、およびこれら立体の一部分で形成された立体からなる群から選択された一の立体の全表面または一部表面を形成する。
このように構成すると、簡易な形状・構成の受波型圧電素子を形成することができる。
The wave receiving piezoelectric element according to a second aspect of the present invention is the wave receiving piezoelectric element according to the first aspect of the present invention, wherein the curved surface is a cylinder, a polygonal column, a cone, a polygonal pyramid, a sphere, a polyhedron. Forming an entire surface or a partial surface of one solid selected from the group consisting of an ellipsoid and a solid formed by a part of these solids.
With this configuration, it is possible to form a wave-receiving piezoelectric element having a simple shape and configuration.

本発明の第3の態様に係る受波型圧電素子は、上記本発明の第1の態様または第2の態様に係る受波型圧電素子において、前記圧電体の受波感度/厚さは、0.17〜10V/Pa/mである。
このように構成すると、受波感度の優れた受波型圧電素を得ることができる。
The wave receiving piezoelectric element according to the third aspect of the present invention is the wave receiving piezoelectric element according to the first aspect or the second aspect of the present invention, wherein the wave receiving sensitivity / thickness of the piezoelectric body is: 0.17 to 10 V / Pa / m.
If comprised in this way, the receiving type piezoelectric element excellent in receiving sensitivity can be obtained.

本発明の第4の態様に係る受波型圧電素子は、上記本発明の第1の態様〜第3の態様のいずれか1の態様に係る受波型圧電素子において、前記空間に充填された充填材を備え;前記充填材は、ゴム硬度がJIS K6253に基づきA0〜A90、または、SRIS 0101に基づきASKER C 0〜90である。
このように構成すると、外表面を形成する圧電外が外部の水圧等に耐え得る受波型圧電素子を形成できるため、当該圧電素子を特に水中または液体中を伝播する音波を受波するハイドロホンとして用いることができる。
A wave receiving type piezoelectric element according to a fourth aspect of the present invention is the wave receiving type piezoelectric element according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the space is filled. The filler has a rubber hardness of A0 to A90 based on JIS K6253 or ASKER C 0 to 90 based on SRIS 0101.
With this configuration, since the outside of the piezoelectric forming the outer surface can form a wave receiving type piezoelectric element that can withstand external water pressure or the like, the hydrophone that receives sound waves propagating through the piezoelectric element particularly in water or liquid Can be used as

本発明によれば、単純な構造で圧電素子を形成することができる。さらに、圧電体の面積を大きくして静電容量を十分に確保し高感度の圧電素子を形成できる。さらに、d33定数の寄与を抑制し主にd31定数の寄与を積極的に利用することができる。 According to the present invention, a piezoelectric element can be formed with a simple structure. Furthermore, it is possible to increase the area of the piezoelectric body and secure a sufficient electrostatic capacity to form a highly sensitive piezoelectric element. Furthermore, it is possible to positively utilize the contribution of mainly d 31 constant to suppress the contribution of d 33 constant.

(a)は、受波型圧電素子10の骨格となる円筒形の立体10’を示す部分切欠斜視図である。(b)は、作成された受波型圧電素子10の実際の寸法を示す部分切欠斜視図である。(c)は、底面11bに平行な面での受波型圧電素子10の部分断面図である。FIG. 2A is a partially cutaway perspective view showing a cylindrical solid 10 ′ that is a skeleton of the wave receiving piezoelectric element 10. FIG. 2B is a partially cutaway perspective view showing actual dimensions of the created wave receiving piezoelectric element 10. FIG. 4C is a partial cross-sectional view of the wave receiving piezoelectric element 10 on a plane parallel to the bottom surface 11b. 実際に完成させた受波型圧電素子10の写真である。It is the photograph of the receiving type piezoelectric element 10 actually completed. 受波型圧電素子の骨格となり得る立体形状の例示である。It is an example of a three-dimensional shape that can be a skeleton of a receiving piezoelectric element. 高分子圧電体を並列積層して作成した受波型圧電素子の構成図である。It is a block diagram of a wave receiving type piezoelectric element created by laminating polymer piezoelectric bodies in parallel. インピーダンス変換回路直結ハイドロホン回路図である。It is a hydrophone circuit diagram directly connected to the impedance conversion circuit. ハイドロホンの概観を示す写真である。It is a photograph which shows the outline of a hydrophone. 静水圧感度測定原理図である。It is a hydrostatic pressure sensitivity measurement principle figure. 音響感度測定系を示す図である。It is a figure which shows an acoustic sensitivity measurement system. 音響感度の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of acoustic sensitivity. 静水圧圧電ひずみ定数測定装置の原理図である。It is a principle diagram of a hydrostatic pressure piezoelectric strain constant measuring apparatus. 円筒にかかる外圧を説明する図である。It is a figure explaining the external pressure concerning a cylinder. 平板状の圧電体を用いた受波型圧電素子の構成図である。It is a block diagram of a wave receiving type piezoelectric element using a flat piezoelectric material.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一または相当する部分には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the present invention is not limited to the following embodiment.

本発明の第1の実施の形態に係る受波型圧電素子は、図1(a)〜(c)に示すように、曲面として円筒形に形成された圧電体12と;圧電体12の内外表面にそれぞれ配置された正の電極15aと負の電極15bとを備える。前記円筒形は、受波型圧電素子10の外周部を形成している。ケース11の上面11aおよび底面11bは、円筒形状の上面と底面を形成し、円筒形状を上下から閉じている。このように、本願の受波型圧電素子は、その骨格となる立体が閉じた立体であり、立体表面の一部または全部が、曲面に形成された圧電体で形成される。さらに、圧電体の内表面側には空間が形成されることを特徴とする。   As shown in FIGS. 1A to 1C, the wave receiving piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention includes a piezoelectric body 12 formed in a cylindrical shape as a curved surface; A positive electrode 15a and a negative electrode 15b are provided respectively on the surface. The cylindrical shape forms the outer periphery of the wave receiving piezoelectric element 10. The upper surface 11a and the bottom surface 11b of the case 11 form a cylindrical upper surface and a bottom surface, and the cylindrical shape is closed from above and below. Thus, the wave receiving piezoelectric element of the present application is a solid whose solid structure is closed, and part or all of the three-dimensional surface is formed of a piezoelectric body formed on a curved surface. Furthermore, a space is formed on the inner surface side of the piezoelectric body.

図1(a)〜(c)を参照して、本願の受波型圧電素子10が円筒形(円柱)の立体10’から形成される場合をさらに説明する。図1(a)は、受波型圧電素子10の骨格となる円筒形の立体10’を示す部分切欠斜視図である。円筒形の立体10’は、ボビン状の金属製のケース11に圧電体としてのPVDFピエゾフィルム12を巻きつけ形成された円柱である。ケース11は、円柱の上面11aおよび底面11bを形成し、上面11aおよび底面11bは、中央の支柱11cにより支えられている。PVDFピエゾフィルム12は、円柱の側面を形成する。上面11aおよび底面11bは、支柱11cからの外方突出部を有するため、PVDFピエゾフィルム12の内表面側には空間が形成される。上面11aおよび底面11bは、円柱内の前記空間を上下から塞ぎ、閉じた円筒形の立体10’を形成している。このように、受波型圧電素子10の骨格には、閉じた立体が用いられる。
PVDFピエゾフィルム12の両表面には、正負電極として、フィルム12の全面よりも小さい範囲で(例えば面の上下左右に余白を有するように)Al電極(15a、15b)が蒸着される。なお、図1のような円筒形の圧電素子の場合は、周方向に連続して蒸着させてもよい。
With reference to FIGS. 1A to 1C, the case where the wave receiving piezoelectric element 10 of the present application is formed from a cylindrical (column) solid 10 ′ will be further described. FIG. 1A is a partially cutaway perspective view showing a cylindrical solid 10 ′ which is a skeleton of the receiving piezoelectric element 10. The cylindrical solid body 10 ′ is a cylinder formed by winding a PVDF piezo film 12 as a piezoelectric body around a bobbin-shaped metal case 11. The case 11 forms an upper surface 11a and a bottom surface 11b of a cylinder, and the upper surface 11a and the bottom surface 11b are supported by a central column 11c. The PVDF piezo film 12 forms a cylindrical side surface. Since the upper surface 11a and the bottom surface 11b have outward protrusions from the support column 11c, a space is formed on the inner surface side of the PVDF piezo film 12. The top surface 11a and the bottom surface 11b close the space in the column from above and below to form a closed cylindrical solid 10 ′. Thus, a closed solid is used for the skeleton of the receiving piezoelectric element 10.
Al electrodes (15a, 15b) are vapor-deposited on both surfaces of the PVDF piezo film 12 as positive and negative electrodes in a range smaller than the entire surface of the film 12 (for example, with margins on the top, bottom, left and right of the surface). In the case of a cylindrical piezoelectric element as shown in FIG. 1, vapor deposition may be continuously performed in the circumferential direction.

図1(b)は、作成された受波型圧電素子10の実際の寸法を示す部分切欠斜視図である。図1(b)に示すように、PVDFピエゾフィルム12の外表面は、保護フィルムとしてのポリオレフィンフィルム14に被覆されることが好ましい。図1(c)は、底面11bに平行な面での受波型圧電素子10の部分断面図である。図1(c)に示すように、受波型圧電素子10は、支柱11cを中心として、その周りを空間(または充填材)、Al蒸着電極15a(正極)、PVDFピエゾフィルム12、Al蒸着電極15b(負極)、ポリオレフィンフィルム14の順に積層された構成を有する。なお、Al蒸着電極15a、15bは、どちらが正極であってもよく、一方を正極、他方を負極とすればよい。
図2は、正負電極にリード線を接続して実際に完成させた受波型圧電素子の写真であり、ビス、平板、およびナット等を用いて作成されている。
図1(b)に示すように、PVDFピエゾフィルム12の内表面側に形成された空間には、充填材としてのポリウレタン13を充填してもよい。ポリウレタン13によりPVDFピエゾフィルム12を内側から支えることで外側からの水圧等に耐えられるようになり、受波型圧電素10をハイドロホンとして用いることができる。
FIG. 1B is a partially cutaway perspective view showing the actual dimensions of the created wave receiving piezoelectric element 10. As shown in FIG.1 (b), it is preferable that the outer surface of the PVDF piezo film 12 is coat | covered with the polyolefin film 14 as a protective film. FIG. 1C is a partial cross-sectional view of the wave-receiving piezoelectric element 10 on a plane parallel to the bottom surface 11b. As shown in FIG. 1C, the wave receiving type piezoelectric element 10 has a support 11c as a center, a space (or filler) around it, an Al vapor deposition electrode 15a (positive electrode), a PVDF piezo film 12, an Al vapor deposition electrode. 15b (negative electrode) and polyolefin film 14 are laminated in this order. Note that either of the Al vapor deposition electrodes 15a and 15b may be a positive electrode, and one may be a positive electrode and the other a negative electrode.
FIG. 2 is a photograph of a wave-receiving piezoelectric element that is actually completed by connecting lead wires to positive and negative electrodes, and is created using screws, flat plates, nuts, and the like.
As shown in FIG. 1B, the space formed on the inner surface side of the PVDF piezo film 12 may be filled with polyurethane 13 as a filler. The PVDF piezo film 12 is supported from the inside by the polyurethane 13 so that it can withstand water pressure from the outside, and the wave receiving piezoelectric element 10 can be used as a hydrophone.

[圧電体]
本願の圧電体としては、可撓性に優れ、薄膜化、大面積化、長尺化が容易で任意の形状、形態のものを作ることができるポリマー系圧電体が好ましい。ポリマー系圧電体としては、優れた圧電特性のフッ化ビニリデン系樹脂圧電体が好ましく、なかでも圧電性発現に適したβ型結晶化のために一軸延伸の必要なフッ化ビニデン(VDF)単独重合体が好ましい。また、通常の結晶条件下でβ型結晶化の可能なVDF系共重合体(例えば優位量のVDFと、劣位量のフッ化ビニル(VF)、トリフルオロエチレン(TrFE)あるいはテトラフルオロエチレン(TFE)との共重合体)が好ましく、更には優位量(特に70〜80モル%)のVDFと劣位量(特に30〜20モル%)のTrFEとの共重合体がもっとも好ましく用いられる。また、比較的高い耐熱性を有するシアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体も好適に用いられる。
[Piezoelectric body]
As the piezoelectric body of the present application, a polymer piezoelectric body that is excellent in flexibility, can be easily formed into a thin film, a large area, and a long length and can be formed in any shape and form is preferable. As the polymer piezoelectric material, a vinylidene fluoride resin piezoelectric material having excellent piezoelectric characteristics is preferable. Among them, vinylidene fluoride (VDF) single weight that needs to be uniaxially stretched for β-type crystallization suitable for piezoelectricity expression is preferable. Coalescence is preferred. In addition, a VDF copolymer that can be crystallized in β-type under normal crystallization conditions (for example, a superior amount of VDF and an inferior amount of vinyl fluoride (VF), trifluoroethylene (TrFE), or tetrafluoroethylene (TFE). And a copolymer of a dominant amount (especially 70 to 80 mol%) of VDF and an inferior amount (especially 30 to 20 mol%) of TrFE is most preferably used. A vinylidene cyanide-vinyl acetate copolymer having a relatively high heat resistance is also preferably used.

これらポリマー系圧電体材料は、溶融押出等により成膜後、必要に応じて一軸延伸あるいは軟化温度以下での熱処理、軟化温度以下での電界印加により分極処理に付されて、フィルムないしシートとして形成される。本発明に用いられるポリマー系圧電体は、これらフィルムまたはシートを単層で用いることができるほか、分極方向を同一として、あるいは中間電極層を介して逆方向に積層して用いてもよい。積層数は原理的には制限はないが、例えば2〜20層程度の積層体を挙げることができる。   These polymer-based piezoelectric materials are formed as films or sheets after film formation by melt extrusion or the like, and if necessary, subjected to polarization treatment by uniaxial stretching or heat treatment below the softening temperature, and application of an electric field below the softening temperature. Is done. In the polymer piezoelectric material used in the present invention, these films or sheets can be used as a single layer, or the polarization direction may be the same or they may be laminated in the opposite direction via an intermediate electrode layer. The number of stacked layers is not limited in principle, but examples include a stacked body of about 2 to 20 layers.

圧電体の厚さ(分極方向厚さ)は、10μm〜2mm、さらに好ましくは、40μm〜1mmである。10μm以上であると、形状の自己保持性が低下するのを抑制でき、他の構造材料に形状保持を依存する必要が低減するため、音圧による応力のほとんどを他の構造材料で受け持ち圧電材料内に発生する応力が小さくなり感度が十分に得られない、ということを回避できる。2mm以下であると、剛性が大きくなりすぎて成形加工が難しくなる、ということを回避でき、剛性も適度に小さくなり成形加工が容易になる。さらに、40μm以上であると、形状の自己保持性がより増加するので好ましい。
圧電体の大きさ(曲面状の圧電体を平板状に広げたときの大きさ)には特に制限がなく、圧電体を製造可能な大きさであって、立体表面の全部または一部として形成可能な大きさであればよい。
The thickness of the piezoelectric body (thickness in the polarization direction) is 10 μm to 2 mm, more preferably 40 μm to 1 mm. When the thickness is 10 μm or more, it is possible to suppress a decrease in the shape self-holding property, and it is possible to reduce the necessity of relying on the shape retention of other structural materials. It is possible to avoid that the stress generated inside becomes small and sufficient sensitivity cannot be obtained. If it is 2 mm or less, it can be avoided that the rigidity becomes too large and the molding process becomes difficult, and the rigidity becomes moderately small and the molding process becomes easy. Furthermore, when it is 40 μm or more, the shape self-holding property is further increased, which is preferable.
There is no particular limitation on the size of the piezoelectric body (the size when the curved piezoelectric body is expanded into a flat plate shape), and the piezoelectric body can be manufactured and formed as all or part of a three-dimensional surface. Any size is possible.

[電極]
圧電体の両面に配置される正の電極と負の電極は、一般に用いられるような蒸着電極、接着剤で貼付された箔電極あるいは金属溶射電極を用いることができる。しかし、好ましくは、(1)圧電体の圧縮変形を阻害しない、(2)曲面に形成される圧電体の賦形が容易であるなどの要件を満たすもの、例示すれば、蒸着電極、塗布された導電塗料などの柔軟性を担保し得る電極が好適である。例えば、Al蒸着電極や銅箔電極を挙げることができる。
電極の厚さは、30nm〜70μm、さらに好ましくは、60nm〜40μmである。30nm以上とすると電気抵抗の値が小さくなり、70μm以下であれば柔軟性が維持できる。
[electrode]
As the positive electrode and the negative electrode arranged on both surfaces of the piezoelectric body, a vapor deposition electrode, a foil electrode attached with an adhesive, or a metal spray electrode as generally used can be used. However, preferably, it satisfies the requirements such as (1) does not hinder the compressive deformation of the piezoelectric body, and (2) it is easy to shape the piezoelectric body formed on the curved surface. An electrode capable of ensuring flexibility such as a conductive paint is suitable. For example, Al vapor deposition electrode and copper foil electrode can be mentioned.
The thickness of the electrode is 30 nm to 70 μm, more preferably 60 nm to 40 μm. When the thickness is 30 nm or more, the value of electric resistance is small, and when it is 70 μm or less, flexibility can be maintained.

[保護フィルム]
圧電体の外表面には、電極を保護する被覆などの保護フィルムを施すことが好ましい。このような保護フィルムとしては、防水性および水蒸気バリヤー性が良く、ポリマー圧電体と音響インピーダンスが近く同質または相溶性の良い樹脂のコーティングを例示し得る。例えば、ポリオレフィンフィルム、PVDFフィルム、塩化ビニリデンフィルム、ポリエステルフィルム、およびポリウレタンコーティング、エポキシコーティング等を挙げることができる。
[Protective film]
It is preferable to provide a protective film such as a coating for protecting the electrode on the outer surface of the piezoelectric body. An example of such a protective film is a resin coating that has good waterproofness and water vapor barrier properties, and has a similar acoustic impedance and compatibility with the polymer piezoelectric material. For example, a polyolefin film, a PVDF film, a vinylidene chloride film, a polyester film, a polyurethane coating, an epoxy coating, and the like can be given.

[充填材]
図1(a)に示すように、圧電体12の内表面側には空間が形成される。
受波型圧電素子を構成する立体内に形成されたこの内部空間は、圧電体が内外の圧力差に耐えられれば真空が好ましい。または充填材として、任意の気体(空気、窒素等)を充填するか、任意の液体(水等)を充填するか、あるいは、ポリウレタン等の弾性に優れた樹脂や発泡ウレタン等の発泡樹脂の任意の緩衝材を充填することもできる。受波型圧電素子をハイドロホンとして用いる場合は、静水圧を支えることができる充填材であればよい。
なお、充填材として気体、液体、固体を挙げたが、これらは外圧が異なる環境、例えば、水中であれば浅い領域と深い領域というような外圧が異なる環境に合わせて適宜選択すればよい。または、外圧に耐え得るように圧電体の厚さを調節してもよい。
固体の充填材は、JIS K6253(デュロメータ タイプA(ショアA))に基づく場合は、ゴム硬度がA0〜A90であることが好ましい。または、SRIS 0101(日本ゴム協会の規格、軟質ゴム(膨張ゴム)、スプリング式アスカーC型)に基づく場合は、ゴム硬度(スポンジ硬度)がASKER C0〜C90であることが好ましい。
[Filler]
As shown in FIG. 1A, a space is formed on the inner surface side of the piezoelectric body 12.
The internal space formed in the solid constituting the wave receiving type piezoelectric element is preferably a vacuum if the piezoelectric body can withstand the pressure difference between the inside and outside. Or, as a filler, any gas (air, nitrogen, etc.) is filled, any liquid (water, etc.) is filled, or an elastic resin such as polyurethane or a foamed resin such as urethane foam is optional. It is also possible to fill the buffer material. When the wave receiving type piezoelectric element is used as a hydrophone, any filler that can support hydrostatic pressure may be used.
In addition, although gas, liquid, and solid were mentioned as a filler, what is necessary is just to select these suitably according to the environment where external pressure differs, for example, the environment where external pressure differs, such as a shallow area | region and a deep area | region, if it is underwater. Alternatively, the thickness of the piezoelectric body may be adjusted to withstand external pressure.
When the solid filler is based on JIS K6253 (durometer type A (Shore A)), the rubber hardness is preferably A0 to A90. Alternatively, when based on SRIS 0101 (standard of the Japan Rubber Association, soft rubber (expanded rubber), spring type Asker C type), the rubber hardness (sponge hardness) is preferably ASKER C0 to C90.

[立体]
本願の受波型圧電素子は、局面に形成された圧電体を備える。曲面に形成された圧電体は、受波型圧電素子の骨格となる立体の表面を形成する。そのため、圧電体は、厚み方向から受波した音波により周方向に圧縮・伸張して分極を生じる。例えば、圧電体12は、図3(a)に示す円柱の側面を形成する。または、図3(b)に示す円錐の側面であってもよく、図3(c)に示す円錐台の側面であってもよい。また、側面の全周を形成してもよく、一部(例えば半周)であってもよい。
または、圧電体12は図3(d)に示す球体の表面を形成してもよく、楕円体の表面を形成してもよい。また、圧電体は全表面を形成してもよく、表面の一部を形成してもよい。球体や楕円体の場合、圧電体の周方向の圧縮・伸張が一方向に限られずあらゆる方向で可能となるため、より好ましい。
なお、立体形状は、図3(e)に示す半球やハーフパイプのように球体や円柱等の立体の一部分で形成された立体であってもよい。
このように、圧電体により形成された曲面は、連続的に曲がった、平面でない面を構成し、閉じた立体の全表面または一部表面を形成する。
[3D]
The wave receiving piezoelectric element of the present application includes a piezoelectric body formed on a situation. The piezoelectric body formed on the curved surface forms a three-dimensional surface that becomes a skeleton of the receiving piezoelectric element. Therefore, the piezoelectric body is polarized by being compressed and expanded in the circumferential direction by the sound wave received from the thickness direction. For example, the piezoelectric body 12 forms the side surface of the cylinder shown in FIG. Alternatively, it may be the side surface of the cone shown in FIG. 3B or the side surface of the truncated cone shown in FIG. Moreover, the perimeter of a side surface may be formed and a part (for example, half circumference) may be sufficient.
Alternatively, the piezoelectric body 12 may form the surface of a sphere shown in FIG. 3D, or may form the surface of an ellipsoid. The piezoelectric body may form the entire surface or a part of the surface. In the case of a sphere or an ellipsoid, compression / extension in the circumferential direction of the piezoelectric body is not limited to one direction, and is possible in any direction, which is more preferable.
Note that the solid shape may be a solid formed by a part of a solid such as a sphere or a cylinder like the hemisphere or half pipe shown in FIG.
In this way, the curved surface formed by the piezoelectric body constitutes a continuously curved, non-planar surface, and forms the entire surface or a partial surface of a closed solid.

または、圧電体により形成された曲面は、隣り合う2平面が2面角を形成することで、平面の組み合わせにより曲がった面を形成したものでもよい。例えば圧電体12は、図3(f)に示す角柱の側面を形成する。または、図3(g)に示す角錐の側面であってもよい。また、側面の全周を形成してもよく、一部(例えば半周)であってもよい。
なお、2面角が90°を超えると、圧電体で形成された曲面がよりなだらかなものになるため好ましい。したがって、五角以上の角柱、五角以上の角錐であることが好ましい。
さらに、曲面で囲まれた立体としては、多面体を挙げることができる。例えば圧電体12は、図3(h)に示す多面体の表面を形成してもよく、図3(i)に示す多面体の表面を形成してもよい。また、圧電体は多面体の全表面を形成してもよく、表面の一部を形成してもよい。
Alternatively, the curved surface formed by the piezoelectric body may be a curved surface formed by a combination of planes by forming two dihedral angles between two adjacent planes. For example, the piezoelectric body 12 forms the side surface of the prism shown in FIG. Alternatively, the side surface of the pyramid shown in FIG. Moreover, the perimeter of a side surface may be formed and a part (for example, half circumference) may be sufficient.
In addition, it is preferable that the dihedral angle exceeds 90 ° because the curved surface formed of the piezoelectric body becomes gentler. Therefore, a pentagonal or higher prism and a pentagonal or higher pyramid are preferable.
Furthermore, a polyhedron can be given as a solid surrounded by a curved surface. For example, the piezoelectric body 12 may form the surface of the polyhedron shown in FIG. 3 (h) or the surface of the polyhedron shown in FIG. 3 (i). In addition, the piezoelectric body may form the entire surface of the polyhedron or a part of the surface.

図3に示す立体は例示であり、本願の受波型圧電素子の骨格を形成する立体は、圧電体が曲面を形成でき、圧電体の内表面側に空間が形成可能な立体であればよい。
なお、圧電体が立体表面の一部を形成する場合、図1(a)に示すように、残りの面を金属等の剛性部材で形成してもよい。図1(a)に示すケース11を用いることで容易により丈夫な立体を形成できる。
また、図1(a)に示すケース11のように、立体の内部に形状を維持するための支柱等を備えていてもよい。
剛性部材の材料は特に限定されず、立体を維持できる程度の強度を持つ材料であればよい。
The solid shown in FIG. 3 is an example, and the solid that forms the skeleton of the receiving piezoelectric element of the present application may be a solid that can form a curved surface and can form a space on the inner surface side of the piezoelectric body. .
When the piezoelectric body forms a part of the three-dimensional surface, the remaining surface may be formed of a rigid member such as a metal as shown in FIG. By using the case 11 shown in FIG. 1A, a stronger solid can be easily formed.
Moreover, you may provide the support | pillar etc. for maintaining a shape inside the solid | solid like the case 11 shown to Fig.1 (a).
The material of the rigid member is not particularly limited as long as the material has a strength that can maintain a solid body.

[受波感度と圧電体厚さ]
本願の受波型圧電素子は、受波感度と圧電体の厚さとの関係において、0.17≦受波感度/厚さ≦10V/Pa/mを満たすものが好ましい。この範囲を満たす受波型圧電素子は、静電容量を確保しつつ受波感度を増大させることができる。
[Receiving sensitivity and piezoelectric thickness]
The wave receiving piezoelectric element of the present application preferably satisfies 0.17 ≦ wave receiving sensitivity / thickness ≦ 10 V / Pa / m in the relationship between the wave receiving sensitivity and the thickness of the piezoelectric body. A wave receiving type piezoelectric element satisfying this range can increase wave receiving sensitivity while ensuring capacitance.

[受波感度の推定]
本願の実施例で用いた受波感度の検証方法を、平板状のPVDF系ポリマー圧電体を備えたハイドロホンを例に詳細に説明する。
12mmφの圧電素子(図4)にインピーダンス変換回路を直結してハイドロホンを作成した。それを圧力容器中で加圧することによって発生する圧力変化に対する出力電圧の勾配を求め静水圧感度の計算を行い、その値を受波感度(音響感度)とする方法を検討した。
[Estimation of receiver sensitivity]
The verification method of the received wave sensitivity used in the examples of the present application will be described in detail by taking a hydrophone provided with a flat PVDF polymer piezoelectric material as an example.
A hydrophone was created by directly connecting an impedance conversion circuit to a 12 mmφ piezoelectric element (FIG. 4). The hydrostatic pressure sensitivity was calculated by calculating the gradient of the output voltage with respect to the pressure change generated by pressurizing it in a pressure vessel, and a method for setting the value as the received wave sensitivity (acoustic sensitivity) was examined.

[圧電素子の構成]
図4に示すように、厚さ500μmのP(VDF/TrFE)圧電体に銅箔電極を付与し並列積層にして、圧電素子とした。
定数(0.14Vm/N)より圧電感度(受波感度)を推定すると、下記式(2)となる(s:圧電感度、t:厚さ)。
s=g×t=70μV/Pa (2)
[Configuration of piezoelectric element]
As shown in FIG. 4, a copper foil electrode was applied to a P (VDF / TrFE) piezoelectric body having a thickness of 500 μm and laminated in parallel to obtain a piezoelectric element.
When than g h constant (0.14Vm / N) to estimate the piezoelectric sensitivity (reception sensitivity), the following formula (2) (s: piezoelectric sensitivity, t: thickness).
s = g h × t = 70 μV / Pa (2)

[インピーダンス変換回路]
図5は、インピーダンス変換回路直結ハイドロホン回路図である。
入力抵抗1GΩのFETソースフォロワによるインピーダンス変換回路を図4の素子に直結した。素子の静電容量の実測値は30pF(計算上は31pF)である。入力抵抗値との掛け算で決まる時定数から、低域のカットオフ周波数は、5.3Hzとなる(図5参照)。
図6は、ハイドロホンの概観を示す写真である。
圧電素子とインピーダンス変換回路をウレタンゴムにてモールドし、ハイドロホンを作成した。ケーブル長は5mである。
[Impedance conversion circuit]
FIG. 5 is a hydrophone circuit diagram directly connected to the impedance conversion circuit.
An impedance conversion circuit using an FET source follower having an input resistance of 1 GΩ was directly connected to the element shown in FIG. The measured value of the capacitance of the element is 30 pF (31 pF in calculation). From the time constant determined by multiplication with the input resistance value, the low-frequency cutoff frequency is 5.3 Hz (see FIG. 5).
FIG. 6 is a photograph showing an overview of the hydrophone.
A hydrophone was created by molding a piezoelectric element and an impedance conversion circuit with urethane rubber. The cable length is 5 m.

[静水圧感度測定法および静水圧感度]
ハイドロホンを準静的に加圧し、その時に発生する電圧の圧力変化に対する勾配は、圧電素子の線形性の範囲であれば音響感度と一致すると考えられる。この考えをもとに、従来より行っていた圧電体のd定数の測定方法に手を加え、静水圧圧電定数の測定方法を考案し、音響感度(受波感度)を推定する簡便な方法としての有用性を検討した。
準静的に圧力を印加できる方策として、わずかに空隙を残して液体を満たした圧力容器にハイドロホンをセットし、圧搾気体を注入して加圧した。液体としては絶縁性に優れたフッ素系のものを圧搾気体としてNガスを用いた。その出力電圧の圧力勾配を静水圧感度とする。(d定数測定ではチャージアンプにより発生電荷を計測する。)
0.5MPa程度まで加圧するため、発生電圧が40V程度になりアンプ電源電圧を超えること、そして時定数を昇圧速度に合わせるために、アッテネートコンデンサーを並列接続した。このため、実感度は静電容量の比で補正する必要がある。
図7に、静水圧感度測定原理図を示す。
この方法を用いて測定した結果、静水圧感度は、74μV/Pa、−202.6dB(re 1V/μPa)となった。
[Measuring method of hydrostatic pressure sensitivity and hydrostatic pressure sensitivity]
If the hydrophone is pressurized quasi-statically, the gradient of the voltage generated at that time with respect to the pressure change is considered to coincide with the acoustic sensitivity within the range of the linearity of the piezoelectric element. Based on this idea, the conventional method for measuring the dh constant of a piezoelectric body was modified, and a method for measuring the hydrostatic pressure piezoelectric constant was devised, and a simple method for estimating acoustic sensitivity (received sensitivity). We examined its usefulness.
As a method for applying pressure quasi-statically, a hydrophone was set in a pressure vessel filled with a liquid leaving a slight gap, and pressurized by injecting a compressed gas. As the liquid, N 2 gas was used as a compressed gas of a fluorine-based one having excellent insulating properties. The pressure gradient of the output voltage is defined as hydrostatic pressure sensitivity. (D In the h constant measurement, the generated charge is measured by a charge amplifier.)
In order to pressurize to about 0.5 MPa, the generated voltage becomes about 40 V and exceeds the amplifier power supply voltage, and in order to adjust the time constant to the boosting speed, an attenuating capacitor was connected in parallel. Therefore, the actual sensitivity needs to be corrected by the capacitance ratio.
FIG. 7 shows the principle of hydrostatic pressure sensitivity measurement.
As a result of measurement using this method, the hydrostatic pressure sensitivity was 74 μV / Pa, −202.6 dB (re 1 V / μPa).

[音響感度の周波数特性]
本ハイドロホンの音響感度を実際に測定したときの測定系を図8に、その結果を図9に示す。レベルとして、静水圧感度とのよい一致を示していることが確認できる。また、長いケーブルによる減衰もみられないと考える。
図9の35kHz付近にディップが見られるが、ハイドロホン外径(D=20mm)とそのときの水中での波長(λ=42mm)の関係、D≒λ/2が起因していると考えられる。
以上、静水圧圧電感度の測定により、音響感度(受波感度)を推定できることが示された。
[Frequency characteristics of acoustic sensitivity]
FIG. 8 shows a measurement system when the acoustic sensitivity of the hydrophone is actually measured, and FIG. 9 shows the result. It can be confirmed that the level shows a good agreement with the hydrostatic pressure sensitivity. In addition, we think that there is no attenuation by a long cable.
Although a dip is seen near 35 kHz in FIG. 9, it is considered that the relationship between the outer diameter of the hydrophone (D = 20 mm) and the wavelength in water (λ = 42 mm) at that time, D≈λ / 2. .
As described above, it was shown that the acoustic sensitivity (received sensitivity) can be estimated by measuring the hydrostatic pressure piezoelectric sensitivity.

まず、曲面に形成された圧電体を備えた受波型圧電素子の一例として、図1に示す円筒型のハイドロホンを用いて、静電容量を確保しつつ受波感度を大きくできるメカニズムを説明する。   First, as an example of a receiving piezoelectric element having a piezoelectric body formed on a curved surface, a mechanism that can increase the receiving sensitivity while securing capacitance is described using the cylindrical hydrophone shown in FIG. To do.

[実施例1]
圧電体には、PVDF一軸延伸分極フィルム((株)クレハ製、クレハKFピエゾフィルム)を用いた。厚さ:110μm、幅:10mm、長さ:19mm(延伸方向)である。電極には、アルミニウム(Al)蒸着電極を用いた。充填材には、ポリウレタンを用いた。保護フィルムには、ポリオレフィンを用いた。
図2は、今回作成したハイドロホン(実施例1)の写真である。
素子構造は、図1(a)〜(c)に示すとおりである。金属性のケース11にPVDFピエゾフィルム12で円筒を形成し、ポリウレタン13を充填し、リード線を引き出し、最外層にポリオレフィンフィルム14の保護フィルムを被覆した。PVDFピエゾフィルム12の両面には、フィルムの上下左右に若干の余白を残してAl蒸着電極を蒸着した。ケース11は実際にはビス、平板、ナットで形成した。また、充填したポリウレタンのゴム硬度は、A28であった。
[Example 1]
As the piezoelectric body, a PVDF uniaxially stretched polarizing film (manufactured by Kureha Co., Ltd., Kureha KF Piezo Film) was used. Thickness: 110 μm, width: 10 mm, length: 19 mm (stretching direction). As the electrode, an aluminum (Al) vapor deposition electrode was used. Polyurethane was used as the filler. Polyolefin was used for the protective film.
FIG. 2 is a photograph of the hydrophone (Example 1) created this time.
The element structure is as shown in FIGS. A cylindrical case 11 was formed with a PVDF piezo film 12 on a metallic case 11, filled with polyurethane 13, a lead wire was drawn out, and a protective film of a polyolefin film 14 was coated on the outermost layer. Al vapor deposition electrodes were deposited on both sides of the PVDF piezo film 12 leaving some margins on the top, bottom, left and right of the film. The case 11 was actually formed of screws, flat plates, and nuts. The rubber hardness of the filled polyurethane was A28.

[静水圧圧電ひずみ定数測定装置]
受波感度を推定するための静水圧圧電ひずみ定数測定装置の原理図を図10に示す。この装置は、圧電体の静水圧圧電ひずみ定数dを測定するものである。不活性液体中にサンプル(圧電素子)を入れ加圧し、そのときに発生する分極密度の圧力に対する勾配がdとなる。なお、図10は、図7の原理図を簡略化したものである。
[Hydrostatic pressure piezoelectric strain constant measuring device]
FIG. 10 shows a principle diagram of a hydrostatic piezoelectric strain constant measuring apparatus for estimating the received wave sensitivity. This device is for measuring the hydrostatic piezoelectric constant d h of the piezoelectric body. Pressurized placed sample (piezoelectric elements) in an inert liquid, the gradient becomes d h for the pressure of the polarization density generated at that time. FIG. 10 is a simplified diagram of the principle diagram of FIG.

[理論受波感度]
を誘電率(εε’)で除すと静水圧圧電出力定数gとなり、これに圧電体厚さtを掛けたものが、理論的な受波感度sとなる。
すなわち、
s=g×t (3)
このsと実測される受波感度とはよい一致を示す。
一方(3)は、
s=g×t=d/(εε’)×t=d×S/(εε’×S/t)
よって、
s=d×S/C (4)
となり、Cがわかれば式(4)を用いても理論感度を求めることができる(S:電極面積、C:静電容量)。
[Theoretical reception sensitivity]
The d h permittivity (ε 0 ε ') by dividing to the hydrostatic piezoelectric output constant g h becomes, is this multiplied by the piezoelectric thickness t, the theoretical wave-receiving sensitivity s.
That is,
s = g h × t (3)
This s and the actually measured reception sensitivity show a good agreement.
On the other hand, (3)
s = g h × t = d h / (ε 0 ε ') × t = d h × S / (ε 0 ε' × S / t)
Therefore,
s = d h × S / C (4)
Thus, if C is known, the theoretical sensitivity can be obtained using equation (4) (S: electrode area, C: capacitance).

[受波感度]
円筒状の圧電素子(実施例1)と平板状の圧電素子(ピエゾフィルム、図12)のdを測定し理論受波感度を求めた。その比較結果を表2に示す。円筒形状の方が35倍程度大きい。
ここで実施例1の圧電素子について、円筒内の充填材料である硬度A28のポリウレタンの弾性率はPVDFに比べ1〜2桁程度小さいことが推定されることと、ケースの形状を考慮し、内部に充填材料がない無限長の円筒壁内の圧力分布を考えることにより、感度増大のメカニズムを考察する。
図11に外圧のかかる円筒(外圧のかかる圧電体の曲面)を示す。
波長が素子サイズよりも十分に大きい場合で、内圧ゼロ、外圧Pの静水圧印加の状態を考えればよい。円筒内径をa、外形をbとすると、壁面内半径方向の応力σおよび周方向の応力σθは(軸方向は考えない)、
σ=−b(1−a/r)P (5)
σθ=−b(1+a/r)P (6)
となり、それによって円筒壁内外に発生する電圧Vは、圧電出力定数g31、g33を用いて表すと、
V=∫(σθ31+σ33)dr (インテグラルaからbまでの定積分)
=−{g31+(b−a)g33/(a+b)}bP (7)
となる。したがって、感度sは、V/Pであるから、
s=−{g31+(b−a)g33/(a+b)}b (8)
となる。
PVDFの場合、g31とg33の符号は逆で相殺方向にあるが、圧電体の厚さが薄い場合は、(b−a)/(b+a)≪1であるから、g31の寄与が支配的となり、厚さに比べて十分に大きい外形を掛けることになり発生電圧は大きくなることが解る。式(8)で本素子の場合の感度を計算すると、s=634μV/Paとなる。実際には円筒内の充填材の圧縮弾性率や保護層の弾性率を加味して議論する必要があるが、感度増大のメカニズムが定性的に理解される。
なお、軸方向の応力(g32の寄与)は、図1に示す円筒型のハイドロホンの場合は、中のシャフト(中心軸、支柱)が剛体で上面および底面に掛る圧力が全てそれで支えられており、圧電体にはこの方向の応力が発生しないと考えられる。このように、剛体を用いてg32の寄与を遮断してもよい。なお、シャフトが剛体でなくある程度やわらかい場合は、g32の寄与があったとしても+方向(感度増)の寄与となるため好ましい。
[Receiving sensitivity]
Cylindrical piezoelectric element (Example 1) and plate-shaped piezoelectric element (piezoelectric film, FIG. 12) was determined theoretical reception sensitivity measures the d h of. The comparison results are shown in Table 2. The cylindrical shape is about 35 times larger.
Here, regarding the piezoelectric element of Example 1, it is estimated that the elastic modulus of polyurethane having a hardness of A28, which is a filling material in the cylinder, is about 1 to 2 orders of magnitude smaller than PVDF, and the shape of the case is taken into consideration. We consider the mechanism of increasing sensitivity by considering the pressure distribution in an infinitely long cylindrical wall with no filler material.
FIG. 11 shows a cylinder to which external pressure is applied (a curved surface of a piezoelectric body to which external pressure is applied).
In the case where the wavelength is sufficiently larger than the element size, it is only necessary to consider a state in which the hydrostatic pressure is applied with zero internal pressure and external pressure P. Assuming that the inner diameter of the cylinder is a and the outer shape is b, the stress σ r in the radial direction in the wall surface and the stress σ θ in the circumferential direction (the axial direction is not considered)
σ r = −b 2 (1-a 2 / r 2 ) P (5)
σ θ = −b 2 (1 + a 2 / r 2 ) P (6)
Thus, the voltage V generated inside and outside the cylindrical wall is expressed using piezoelectric output constants g 31 and g 33 .
V = ∫ (σ θ g 31 + σ r g 33 ) dr (definite integral from integral a to b)
= − {G 31 + (b−a) g 33 / (a + b)} bP (7)
It becomes. Therefore, since the sensitivity s is V / P,
s = − {g 31 + (b−a) g 33 / (a + b)} b (8)
It becomes.
In the case of PVDF, the signs of g 31 and g 33 are opposite and in the canceling direction. However, when the thickness of the piezoelectric body is thin, since (b−a) / (b + a) << 1, the contribution of g 31 It can be seen that the generated voltage is increased by applying an outline that is sufficiently larger than the thickness. When the sensitivity in the case of this element is calculated by Equation (8), s = 634 μV / Pa. Actually, it is necessary to discuss the compression elastic modulus of the filler in the cylinder and the elastic modulus of the protective layer, but the mechanism for increasing the sensitivity is qualitatively understood.
Note that the axial stress (the contribution of g 32), if the hydrophone cylindrical as shown in FIG. 1, the shaft within (center axis, strut) is supported by it all the pressure exerted on the top and bottom rigid Therefore, it is considered that no stress in this direction is generated in the piezoelectric body. Thus, the contribution of g 32 may be cut off using a rigid body. Note that it is preferable that the shaft is not rigid and is soft to some extent, even if g 32 contributes, it contributes in the + direction (increased sensitivity).

[静電容量]
ここで、受波感度が同等の場合の平板の静電容量を検討する。平板で同等の感度を得るには、圧電体を35倍程度厚くする必要がある。同サイズ(9mm×18mm)の場合の静電容量の値を計算すると表3のようになり、静電容量は円筒に比べ35倍程度小さくなる。
[Capacitance]
Here, the capacitance of the flat plate in the case where the receiving sensitivity is the same is examined. In order to obtain the same sensitivity with a flat plate, the piezoelectric body needs to be about 35 times thicker. When the capacitance value for the same size (9 mm × 18 mm) is calculated, it is as shown in Table 3, and the capacitance is about 35 times smaller than that of the cylinder.

曲面に形成された薄いピエゾフィルムを用いた円筒型のハイドロホンは、静電容量を確保しつつ受波感度を大きくできることが示された。   It was shown that a cylindrical hydrophone using a thin piezo film formed on a curved surface can increase the receiving sensitivity while ensuring the capacitance.

[受波感度と圧電体厚さ]
表4に、図2に示す円筒型のハイドロホン(実施例1)と、種々の平板状の圧電素子(比較例1〜3)との比較をさらに示す。図12は、比較例1および比較例2で用いた圧電素子である。図4は、比較例3で用いた圧電素子である。
比較例1〜比較例3が示すように、ハイドロホンの感度を上げるためには、圧電体はより厚いものが好ましい。しかし、同時に静電容量が低下する。
実施例1では、圧電体を厚くすることなく(静電容量を確保し)、感度を上げることができた。同じ厚さの比較例1と比較しても、感度は約34倍となる。また、感度を著しく増加させることができるため、圧電体の厚さをある程度厚くしたとしても(静電容量が若干低下したとしても)、依然として優れた感度を維持できる。
ここで、受波感度と圧電体の厚さとの関係を考察すると、静電容量を確保しつつ受波感度を増大させることのできた実施例1では、厚さに対する感度が比較例1〜3と比較して著しく大きいことがわかる。
[Receiving sensitivity and piezoelectric thickness]
Table 4 further shows a comparison between the cylindrical hydrophone (Example 1) shown in FIG. 2 and various plate-like piezoelectric elements (Comparative Examples 1 to 3). FIG. 12 shows the piezoelectric elements used in Comparative Example 1 and Comparative Example 2. FIG. 4 shows the piezoelectric element used in Comparative Example 3.
As shown in Comparative Examples 1 to 3, in order to increase the sensitivity of the hydrophone, it is preferable that the piezoelectric body is thicker. However, the capacitance decreases at the same time.
In Example 1, the sensitivity could be increased without increasing the thickness of the piezoelectric body (securing the capacitance). Even when compared with Comparative Example 1 having the same thickness, the sensitivity is about 34 times. Moreover, since sensitivity can be remarkably increased, even if the thickness of the piezoelectric body is increased to some extent (even if the capacitance is slightly reduced), excellent sensitivity can still be maintained.
Here, considering the relationship between the received wave sensitivity and the thickness of the piezoelectric body, in Example 1, which was able to increase the received wave sensitivity while securing the capacitance, the sensitivity to the thickness was compared with Comparative Examples 1 to 3. It turns out that it is remarkably large compared.

10 (円筒状)受波型圧電素子
10’ 受波型圧電素子の骨格となる立体
11 ケース
11a 上面
11b 底面
11c 支柱
12 圧電体、PVDFピエゾフィルム
13 ポリウレタン
14 ポリオレフィンフィルム
15a 正の電極、Al蒸着電極(正)
15b 負の電極、Al蒸着電極(負)
20 (並列積層)受波型圧電素子
21 高分子圧電体
22 銅箔電極
30 (平板状)受波型圧電素子
sw 音波
10 (Cylindrical) wave receiving piezoelectric element 10 'Solid 11 as skeleton of wave receiving piezoelectric element Case 11a Upper surface 11b Bottom surface 11c Post 12 Piezoelectric body, PVDF piezo film 13 Polyurethane 14 Polyolefin film 15a Positive electrode, Al vapor deposition electrode (Correct)
15b Negative electrode, Al evaporated electrode (negative)
20 (Parallel lamination) Received piezoelectric element 21 Polymer piezoelectric body 22 Copper foil electrode 30 (Plate) Received piezoelectric element sw Sound wave

Claims (4)

受波型圧電素子であって;
曲面に形成されたフッ化ビニリデン系樹脂圧電体と;
前記フッ化ビニリデン系樹脂圧電体の両面にそれぞれ配置された正の電極と負の電極とを備え;
前記フッ化ビニリデン系樹脂圧電体の厚さは10μm以上2mm以下であり、
前記受波型圧電素子は、前記曲面で囲まれた立体から形成され、
前記曲面は、前記立体の全部または一部表面を形成し、前記曲面の内表面側には空間が形成され、
前記立体は、閉じた立体である、
受波型圧電素子。
A receiving piezoelectric element;
A vinylidene fluoride resin piezoelectric body formed on a curved surface;
A positive electrode and a negative electrode respectively disposed on both surfaces of the vinylidene fluoride resin piezoelectric body;
The vinylidene fluoride resin piezoelectric material has a thickness of 10 μm to 2 mm,
The wave-receiving piezoelectric element is formed from a solid surrounded by the curved surface,
The curved surface forms all or part of the surface of the solid, and a space is formed on the inner surface side of the curved surface,
The solid is a closed solid,
Received piezoelectric element.
前記曲面は、円柱、多角柱、円錐、多角錐、球、多面体、楕円体、およびこれら立体の一部分で形成された立体からなる群から選択された一の立体の全表面または一部表面を形成する、
請求項1に記載の受波型圧電素子。
The curved surface forms an entire surface or a partial surface of one solid selected from the group consisting of a cylinder, a polygonal cylinder, a cone, a polygonal pyramid, a sphere, a polyhedron, an ellipsoid, and a solid formed by a part of these solids. To
The wave receiving type piezoelectric element according to claim 1.
前記フッ化ビニリデン系樹脂圧電体の受波感度/厚さは、0.17〜10V/Pa/mである、
請求項1または請求項2に記載の受波型圧電素子。
The receiving sensitivity / thickness of the vinylidene fluoride resin piezoelectric body is 0.17 to 10 V / Pa / m.
The wave receiving type piezoelectric element according to claim 1 or 2.
前記空間に充填された充填材を備え;
前記充填材は、ゴム硬度がJIS K6253に基づきA0〜A90、または、SRIS 0101に基づきASKER C 0〜90である、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の受波型圧電素子。
Comprising a filler filling the space;
The filler has a rubber hardness of A0 to A90 based on JIS K6253 or ASKER C 0 to 90 based on SRIS 0101.
The wave-receiving type piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3.
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