JPH01208098A - 高感度チューブ状圧電変換器 - Google Patents
高感度チューブ状圧電変換器Info
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- JPH01208098A JPH01208098A JP63325720A JP32572088A JPH01208098A JP H01208098 A JPH01208098 A JP H01208098A JP 63325720 A JP63325720 A JP 63325720A JP 32572088 A JP32572088 A JP 32572088A JP H01208098 A JPH01208098 A JP H01208098A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01V1/201—Constructional details of seismic cables, e.g. streamers
- G01V1/208—Constructional details of seismic cables, e.g. streamers having a continuous structure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
- Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は高感度のチューブ状圧電変換器を目的とし、静
水圧の大きな変動に秀れた耐性をもつ長大な連続水中聴
音機の製作が構造的に可能となる。
水圧の大きな変動に秀れた耐性をもつ長大な連続水中聴
音機の製作が構造的に可能となる。
チューブ状圧電変換器は例えばポリビニリデンの弗化物
タイプのポリマ（ＰＶＦ２）など圧電特性をもつ材料で
作られるチューブを備え、その各面で電極に接続できる
。
タイプのポリマ（ＰＶＦ２）など圧電特性をもつ材料で
作られるチューブを備え、その各面で電極に接続できる
。
内部電極は圧電チューブの内面に配した金属膜で構成さ
れ、または中心核に接続される。圧電チューブを誘電材
料で作る場合は電極をその外面の金属溶射またはらせん
状に巻き付けた線で構成できる。中心核は導体材料、例
えば金属粒子の封入により導体となったポリマにより、
または直線状の金属線により作れる。
れ、または中心核に接続される。圧電チューブを誘電材
料で作る場合は電極をその外面の金属溶射またはらせん
状に巻き付けた線で構成できる。中心核は導体材料、例
えば金属粒子の封入により導体となったポリマにより、
または直線状の金属線により作れる。
このような変換器は例えばフランス特許Ｎα２，１４５
，０９！３、フランス特許出願Ｎα８１１０Ｓ ２Ｅｉ
２および８１／２２４５２ （後者はＮ１１２．５１７
，１５５として公開）、アメリカ特許Ｎα４，５Ｇ８，
８５１または、ＰＣＴ特許出願Ｎα８Ｇ１００７５７に
記載される。
，０９！３、フランス特許出願Ｎα８１１０Ｓ ２Ｅｉ
２および８１／２２４５２ （後者はＮ１１２．５１７
，１５５として公開）、アメリカ特許Ｎα４，５Ｇ８，
８５１または、ＰＣＴ特許出願Ｎα８Ｇ１００７５７に
記載される。
上記フランス特許Ｎα２，１４５，０９９により少なく
とも圧電感受要素をらせん状に周りに巻き付けた中心核
で構成されるチューブ型圧電変換器は既知である。圧電
感受要素はその各面を金属膜で被覆した柔軟な圧電材料
のバンドで構成される。
とも圧電感受要素をらせん状に周りに巻き付けた中心核
で構成されるチューブ型圧電変換器は既知である。圧電
感受要素はその各面を金属膜で被覆した柔軟な圧電材料
のバンドで構成される。
変換器のこの構造により、各種の海中利用、殊に地球物
理学的に好適な加速度や湾曲をはとんど感じない特大長
の水中聴音機の作製が可能となる。比較的厚い圧電膜状
に作製した感受要素の利用は明白な経済的メリットをも
たらす。
理学的に好適な加速度や湾曲をはとんど感じない特大長
の水中聴音機の作製が可能となる。比較的厚い圧電膜状
に作製した感受要素の利用は明白な経済的メリットをも
たらす。
ｒＪ、ＡＣＯＵＳＴ、ＳＯＣ，ＡＭ ６Ｂ （４） 、
ｏｃｔ、 １９８０゜ｐ１０２５〜１０２９ Ｊに掲載
の論文にシリンダ型圧電水中聴音機の記述がある。チュ
ーブ状支持体はその内面および／またはその外面を圧電
膜で被覆され、各端部が剛性カプセルで閉ざされ、内溶
積がガスで溝だされる。この様な構造は径方向に働く応
力の作用でガス充填のチューブ状支持体が変形し得るた
め感度が高まり、従って機械的増幅が生じる。しかし使
用深度に著しい変化が起こる海洋利用においては構造的
メリットがほとんどない。内容積は圧縮可能であるため
チューブ状支持体は静水圧の極端な上昇に対する耐性が
乏しい。感受要素の気密性ロスまたは破損が生じる恐れ
がある。またチューブ状支持体の内面を被覆する感受性
膜を伴う圧電変換器の製造は、その長さが極めて大きな
場合は実用的に極めて困難である。
ｏｃｔ、 １９８０゜ｐ１０２５〜１０２９ Ｊに掲載
の論文にシリンダ型圧電水中聴音機の記述がある。チュ
ーブ状支持体はその内面および／またはその外面を圧電
膜で被覆され、各端部が剛性カプセルで閉ざされ、内溶
積がガスで溝だされる。この様な構造は径方向に働く応
力の作用でガス充填のチューブ状支持体が変形し得るた
め感度が高まり、従って機械的増幅が生じる。しかし使
用深度に著しい変化が起こる海洋利用においては構造的
メリットがほとんどない。内容積は圧縮可能であるため
チューブ状支持体は静水圧の極端な上昇に対する耐性が
乏しい。感受要素の気密性ロスまたは破損が生じる恐れ
がある。またチューブ状支持体の内面を被覆する感受性
膜を伴う圧電変換器の製造は、その長さが極めて大きな
場合は実用的に極めて困難である。
発明に係る装量は高感度と同時に大幅な静水圧変化にも
耐えられる性能も確保できる。この装量は圧電特性をも
つ材料で作られ、電極に接続される少なくとも１つの感
受要素を備え、この感受要素はチューブ状支持体上に配
される。
耐えられる性能も確保できる。この装量は圧電特性をも
つ材料で作られ、電極に接続される少なくとも１つの感
受要素を備え、この感受要素はチューブ状支持体上に配
される。
チューブ状支持体の内部は支持体を貫通する音波に対す
る音響シールドとなるよう、その音響インピーダンスが
上記チューブ状支持体を構成する材料の音響インピーダ
ンスと著しく異なる物質を少なくとも含有し、またチュ
ーブ状支持体の内部で圧電変換器の外部に支配的な静圧
にほぼ等しい圧力を維持する手段を有することを特徴と
する。
る音響シールドとなるよう、その音響インピーダンスが
上記チューブ状支持体を構成する材料の音響インピーダ
ンスと著しく異なる物質を少なくとも含有し、またチュ
ーブ状支持体の内部で圧電変換器の外部に支配的な静圧
にほぼ等しい圧力を維持する手段を有することを特徴と
する。
チューブ状支持体の内部には例えば少なくとも液体に含
浸した物質が含まれる。
浸した物質が含まれる。
液体に含浸した物質は例えばガラス繊維などの繊維状材
料、または多孔質材料でも有利に構成できる。
料、または多孔質材料でも有利に構成できる。
実施方式に従って少なくとも感受要素およびシールドを
構成する物質を備えるチューブ状支特休は、音波を通す
密閉外装の内部に配され液体で満たされ、支持体の端部
には内部で密閉外装を満たす液体を通させる開口部を備
える。
構成する物質を備えるチューブ状支特休は、音波を通す
密閉外装の内部に配され液体で満たされ、支持体の端部
には内部で密閉外装を満たす液体を通させる開口部を備
える。
チューブ状支持体の内部で音波を著しく減衰させる効果
のある物質を使用すれば、圧電変換器の感度を大幅に上
昇できる。この物質とチューブ状支持体の内部圧力と外
部圧力の静的均衡を図れる手段、および特に外部環境と
ほぼ等圧で液体に含浸した繊維性または多孔質材料の組
合せにより、高感度、高耐性の圧電変換器の構成が可能
となる。従ってこのような変換器は各種深度の水中測定
に好適である。
のある物質を使用すれば、圧電変換器の感度を大幅に上
昇できる。この物質とチューブ状支持体の内部圧力と外
部圧力の静的均衡を図れる手段、および特に外部環境と
ほぼ等圧で液体に含浸した繊維性または多孔質材料の組
合せにより、高感度、高耐性の圧電変換器の構成が可能
となる。従ってこのような変換器は各種深度の水中測定
に好適である。
各感受要素はチューブ状支持体の周りにらせん状に巻き
付は可能であり、また内部音響シールドを構成する物質
は取付けが容易なので、比較的低コストで長い変換器の
製作が可能である。
付は可能であり、また内部音響シールドを構成する物質
は取付けが容易なので、比較的低コストで長い変換器の
製作が可能である。
液体を充填した置型外装内に配したこのタイプの変換器
は、例えば地震探鉱、水中聴音、または他の地球物理学
ないし海洋学的作業に用いる受信装置の製作に適する。
は、例えば地震探鉱、水中聴音、または他の地球物理学
ないし海洋学的作業に用いる受信装置の製作に適する。
発明に係る圧電変換器の他の特徴およびメリットも、非
限定的に例示する実施態様の説明で明らかとなる。
限定的に例示する実施態様の説明で明らかとなる。
図１は柔軟性バンド型の圧電感受要素を示し、図２はチ
ューブ状支持体に巻きつけた柔軟性圧電バンドを備える
圧電変換器を示し、図３は巻線を施したチューブ状支持
体を備える圧電変換器が液体を満たした極長外装内にあ
る実施態様を示し、 図４は巻線をもつチューブ状支持体が外装で覆われた別
の実施態様で示す。
ューブ状支持体に巻きつけた柔軟性圧電バンドを備える
圧電変換器を示し、図３は巻線を施したチューブ状支持
体を備える圧電変換器が液体を満たした極長外装内にあ
る実施態様を示し、 図４は巻線をもつチューブ状支持体が外装で覆われた別
の実施態様で示す。
図１に示す圧電変換器はＰＶＦ２または他の類似するプ
ラスチック合成品など、処理により圧電特性を得た柔軟
性材料で構成され、更に両面が電極を構成する導体膜３
．４で被覆された薄い基層２を有する感受要素１を使用
する。特にフランス特許出願Ｎα２，６０１，１３２で
知られる配列により、このような感受要素はチューブ状
支持体５（図２）の周りにらせん上に巻かれ、チューブ
状支持体の近くに配した導体リングは・く応力により電
極上に生じる電荷を集める。
ラスチック合成品など、処理により圧電特性を得た柔軟
性材料で構成され、更に両面が電極を構成する導体膜３
．４で被覆された薄い基層２を有する感受要素１を使用
する。特にフランス特許出願Ｎα２，６０１，１３２で
知られる配列により、このような感受要素はチューブ状
支持体５（図２）の周りにらせん上に巻かれ、チューブ
状支持体の近くに配した導体リングは・く応力により電
極上に生じる電荷を集める。
その音響インピーダンスがチューブ状支持体５の音響イ
ンピーダンスと著しく異なる物質６を音波に対するシー
ルドを構成するようチューブ状支持体内に配し、残る内
部スペースを満たすための液体を注入する。
ンピーダンスと著しく異なる物質６を音波に対するシー
ルドを構成するようチューブ状支持体内に配し、残る内
部スペースを満たすための液体を注入する。
別の実施態様（図３）によれば、同様構成の組付体は保
護外装７で覆われ、液体を満たしたチューブ状ケーシン
グ８内に配される。この場合、同じ液体がチューブ状ケ
ーシング８およびその相対する両端部が開放のままとな
るチューブ状支持体５の内部を満たす。それは例えばこ
の柔軟性ケーシングが船で水中実行される際に水と接触
する地震フルートを画する場合は油またはケロシンとな
る。
護外装７で覆われ、液体を満たしたチューブ状ケーシン
グ８内に配される。この場合、同じ液体がチューブ状ケ
ーシング８およびその相対する両端部が開放のままとな
るチューブ状支持体５の内部を満たす。それは例えばこ
の柔軟性ケーシングが船で水中実行される際に水と接触
する地震フルートを画する場合は油またはケロシンとな
る。
更に別の実施態様（図４）によれば、シールド材料を含
み液体で満たされるチューブ状支持体はその相対する端
部を剛性カブセン９で閉じ、単に保護外装７で巻きつけ
使用することもできる。
み液体で満たされるチューブ状支持体はその相対する端
部を剛性カブセン９で閉じ、単に保護外装７で巻きつけ
使用することもできる。
音響シールドを構成する材料は毛管現象により液体が透
過する厚さにガラス繊維でひも状に製することができる
。
過する厚さにガラス繊維でひも状に製することができる
。
また例えば開放セルのフオーム、多孔質材料、またはそ
の音響インピーダンスがチューブ状支持体を構成する材
料の音響インピーダンスと著しく異なる全く別の物質を
使用してもよい。シールド材料はチューブ状支持体５の
全セクションに十分均一となり、また液体で満たして十
分に均一な音響シールドを得るため空気を完全に排出す
るように分配する必要がある。
の音響インピーダンスがチューブ状支持体を構成する材
料の音響インピーダンスと著しく異なる全く別の物質を
使用してもよい。シールド材料はチューブ状支持体５の
全セクションに十分均一となり、また液体で満たして十
分に均一な音響シールドを得るため空気を完全に排出す
るように分配する必要がある。
このように構成した圧電変換器はその外部にがかる静圧
のいかんにかかわらず完全に機能する。支持体がガスな
どの圧縮可能な物質を含む場合に偶発の可能性がある密
閉欠陥および感受要素の変調の恐れが全くない。
のいかんにかかわらず完全に機能する。支持体がガスな
どの圧縮可能な物質を含む場合に偶発の可能性がある密
閉欠陥および感受要素の変調の恐れが全くない。
音響シールドを構成する材料と液体との併用により、チ
ューブ状支持体が液体のみを含む場合と比較して、動圧
の変化に対する変換器の感度は驚異的比率で増大するこ
とが経験的に実記される。また音響シールドのすぐれた
均一性により、極めて低い周波数にまで及ぶ数ヘルツの
オーダの十分に規則的な周波数応答曲線が得られること
も確認できる。
ューブ状支持体が液体のみを含む場合と比較して、動圧
の変化に対する変換器の感度は驚異的比率で増大するこ
とが経験的に実記される。また音響シールドのすぐれた
均一性により、極めて低い周波数にまで及ぶ数ヘルツの
オーダの十分に規則的な周波数応答曲線が得られること
も確認できる。
圧電変換器の感度は上述のように圧電テープおよびチュ
ーブ状支持体５の材料のヤング係数、更に支持体サイズ
の適切な選択によりまだ改善可能である。
ーブ状支持体５の材料のヤング係数、更に支持体サイズ
の適切な選択によりまだ改善可能である。
図５においてチューブ状支持体の外径をｂ１厚さを（ｂ
−ａ ） 、その表面に巻きつける圧電膜１の厚さを
り、とすれば、感受要素の感度Ｍｏ（ボルト／バールで
表す）は電極間に生じる電圧ｅ０および（至）く圧力Ｐ
ｏの比に等しい。
−ａ ） 、その表面に巻きつける圧電膜１の厚さを
り、とすれば、感受要素の感度Ｍｏ（ボルト／バールで
表す）は電極間に生じる電圧ｅ０および（至）く圧力Ｐ
ｏの比に等しい。
また感受要素の面に垂直な径方向Ｘ３による電界Ｅ３は
その厚さり、内でほとんど変化せず、従って電極間に生
じる電圧ｅ０はｈ ｐ Ｅ ａに等しい。電界Ｅ３は３
つの軸−既述の軸Ｘ３およびチューブ状支持体５の接平
面上の２つの軸Ｘ。
その厚さり、内でほとんど変化せず、従って電極間に生
じる電圧ｅ０はｈ ｐ Ｅ ａに等しい。電界Ｅ３は３
つの軸−既述の軸Ｘ３およびチューブ状支持体５の接平
面上の２つの軸Ｘ。
およびＸ２−により感受要素に働く応力Ｔ７３、Ｔ２１
、Ｔ３Ｐの線型組合せとして表せる。従って感受要素の
感度は次の関係で表される：る。
、Ｔ３Ｐの線型組合せとして表せる。従って感受要素の
感度は次の関係で表される：る。
関係式（１）において径方向軸Ｘ３による応力Ｔ３．は
曇く圧力Ｐ０に等しい。
曇く圧力Ｐ０に等しい。
フックの法則を適用して、また軸Ｘ３により俄く圧力Ｐ
。に応発して接平面の両軸Ｘ、、Ｘ２により感受要素の
相対的膨張は２つの同じ軸によるチューブ状支持体の周
囲で受ける膨張と同じであるとの仮定から、以下の関係
が得られる： Ｅ （１−ｒ′）（２ｎｐ−！Ｘｎｐ＋Ｉ）（＋−ｎｐ
）−ここでｎ。およびｎはそれぞれ感受要素およびチュ
ーブ状支持体のポアッソン比を表し、−Ｅ、およびＥは
それぞれ感受要素およびチューブ状支持体のヤング係数
を表し、 −ｒはチューブ状支持体の内径ａと外径すの比ａ／ｂを
表す。
。に応発して接平面の両軸Ｘ、、Ｘ２により感受要素の
相対的膨張は２つの同じ軸によるチューブ状支持体の周
囲で受ける膨張と同じであるとの仮定から、以下の関係
が得られる： Ｅ （１−ｒ′）（２ｎｐ−！Ｘｎｐ＋Ｉ）（＋−ｎｐ
）−ここでｎ。およびｎはそれぞれ感受要素およびチュ
ーブ状支持体のポアッソン比を表し、−Ｅ、およびＥは
それぞれ感受要素およびチューブ状支持体のヤング係数
を表し、 −ｒはチューブ状支持体の内径ａと外径すの比ａ／ｂを
表す。
上記関係に介在する各種パラメータに応じた感度Ｍ０の
変化から、感度はＥ、／Ｅ比が上昇しｒ比が１に近くな
るだけに一層良好になることが判明する。
変化から、感度はＥ、／Ｅ比が上昇しｒ比が１に近くな
るだけに一層良好になることが判明する。
実験的検証により上掲のような関係と完全に符合する結
果が得られた。圧電変換器の感度は感受要素１のヤング
係数がチューブ状支持体５のヤング係数より著しく高く
、また支持体の厚さが薄い（ｒ＃１）ならば特に改善さ
れる。
果が得られた。圧電変換器の感度は感受要素１のヤング
係数がチューブ状支持体５のヤング係数より著しく高く
、また支持体の厚さが薄い（ｒ＃１）ならば特に改善さ
れる。
感度に影響を及ぼすパラメータに関し最適化した図１〜
４に示す構造の採用により、感度は極めて低い周波数ま
で低下する通過周波帯および十分に規則的な周波数応答
を伴って作用する圧力当り数十ボルトの値（代表的には
５０Ｖ／ｂ）となる。
４に示す構造の採用により、感度は極めて低い周波数ま
で低下する通過周波帯および十分に規則的な周波数応答
を伴って作用する圧力当り数十ボルトの値（代表的には
５０Ｖ／ｂ）となる。
従って発明に係る圧電変換器は海洋地震探査作業の枠内
で地震受信器に、またより一般的に地球物理学または海
洋学的測定に好適である。
で地震受信器に、またより一般的に地球物理学または海
洋学的測定に好適である。
上述の実施例で使用するものとは異なる感受要素を使用
しても発明の枠を逸脱するものではない。例えば支持体
の外壁に対し配したチューブ状感受要素を使用すること
も可能である。
しても発明の枠を逸脱するものではない。例えば支持体
の外壁に対し配したチューブ状感受要素を使用すること
も可能である。
図１は、柔軟性バンド型の圧電感受要素を示し、
図２は、チューブ状支持体に巻きつけた柔軟性圧電バン
ドを備える圧電変換器を示し、第３図は、巻線を施した
チューブ状支持体を備える圧電変換器が液体を満した極
長外装内にある実１１１！ｉ態様を示し、 図４は巻線をもつチューブ状支持体が外装で覆われた別
の実施態様を示す。 図５はチューブ状支持体を示す概念図である。 １・・・感受要素 ２・・・基層 ３・・・導体膜 ４・・・導体膜 ５・・・チューブ状支持体
ドを備える圧電変換器を示し、第３図は、巻線を施した
チューブ状支持体を備える圧電変換器が液体を満した極
長外装内にある実１１１！ｉ態様を示し、 図４は巻線をもつチューブ状支持体が外装で覆われた別
の実施態様を示す。 図５はチューブ状支持体を示す概念図である。 １・・・感受要素 ２・・・基層 ３・・・導体膜 ４・・・導体膜 ５・・・チューブ状支持体
Claims (11)
- １．圧電特性を呈する材料（２）で製作され電極（３、
４）に接続されてチューブ状支持体（５）上に配される
感受を要素（１）を少なくとも備え、チューブ状支持体
の内部にチューブ状支持体を貫く音響波に対する音響シ
ールドを形成するよう上記チューブ状支持体を構成する
材料とは著しく異なる音響インピーダンスをもつ物質、
および圧電変換器の内部を支配する静圧にほぼ等しい圧
力をチューブ状支持体の内部に維持する手段を少なくと
も有することを特徴とする圧電変換器。 - ２．液体に含浸された物質がチューブ状支持体（５）の
内部に少なくとも含まれることを特徴とするクレーム１
に記載の圧電変換器。 - ３．チューブ状支持体（５）の内部に繊維性材料が含ま
れることを特徴とするクレーム２に記載の圧電変換器。 - ４．チューブ状支持体（５）の内部に多孔質材料が含ま
れることを特徴とするクレーム２に記載の圧電変換器。 - ５．繊維性材料がガラス繊維で製作されることを特徴と
するクレーム３に記載の圧電変換器。 - ６．少なくとも１つの感受要素（１）を備えるチューブ
状支持体（５）は音波を透す密閉ケーシング（８）内に
配されて液体で満たされ、チューブ状支持体（５）の端
部は密閉ケーシングを満たす液体を内部で通させる閉口
部を有することを特徴とするクレーム２に記載の圧電変
換器。 - ７．感受要素（１）が薄膜状に作られることを特徴とす
るクレーム１に記載の圧電変換器。 - ８．チューブ状支持体の周囲にらせん状に巻きつけた感
受要素を少なくとも１つ備えることを特徴とするクレー
ム７に記載の圧電変換器。 - ９．チューブ状支持体（５）の周囲に相反する方向の２
つのらせん状に巻きつけた２つの感受要素を備えること
を特徴とするクレーム７に記載の圧電変換器。 - １０．チューブ状支持体（５）の構成材料のヤング係数
が感受要素（１）の基層（２）のヤング係数より著しく
小さく選択されることを特徴とする上述クレームの１つ
に記載する圧電変換器。 - １１．チューブ状支持体（５）の厚さがその直径に比較
して著しく薄く選択されることを特徴とするクレームの
１０に記載の圧電変換器。
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