(57)【要約】【課題】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得ること。【解決手段】本願の受波型圧電素子は、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が、前記曲面で囲まれた立体１０’から形成され、前記曲面が、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’が、閉じた立体である。【選択図】図１
2015171100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受波型圧電素子であって；
曲面に形成された圧電体と；
前記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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
前記圧電体の受波感度／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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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ｄｈ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、ｄｈ／εで定まる静水圧電圧出力係数（ｇｈ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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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（ｄｈ定数）によって表現され、当然ｄｈ定数が大きい程感度が優れる。一般に、圧電体のｄｈ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。
ｄｈ  ＝  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。
【０００６】
特許文献１には、ｄｈ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ｄｈ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ｄｈ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ｄｈ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３２７０６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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。（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。
【図２】実際に完成させた受波型圧電素子１０の写真である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】ハイドロホンの概観を示す写真である。
【図７】静水圧感度測定原理図である。
【図８】音響感度測定系を示す図である。
【図９】音響感度の周波数特性を示す図である。
【図１０】静水圧圧電ひずみ定数測定装置の原理図である。
【図１１】円筒にかかる外圧を説明する図である。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
［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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
［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。
【００２４】
［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。
【００２５】
［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。
【００２６】
［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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
［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。
【００３０】
［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。
【表１】
2015171100.tif 000003
【００３１】
［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。
ｇｈ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＝ｇｈ×ｔ＝７０μＶ／Ｐａ          （２）
【００３２】
［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。
【００３３】
［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ｄｈ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Ｎ２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。（ｄｈ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。
【００３４】
［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。
【実施例】
【００３５】
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。
【００３６】
［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。
【００３７】
［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ｄｈ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ｄｈ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。
【００３８】
［理論受波感度］
ｄｈを誘電率（ε０ε’）で除すと静水圧圧電出力定数ｇｈ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＝ｇｈ×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＝ｇｈ×ｔ＝ｄｈ／（ε０ε’）×ｔ＝ｄｈ×Ｓ／（ε０ε’×Ｓ／ｔ）
よって、
ｓ＝ｄｈ×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）。
【００３９】
［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ｄｈ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。
【表２】
2015171100.tif 000004
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σｒおよび周方向の応力σθは（軸方向は考えない）、
σｒ＝−ｂ２（１−ａ２／ｒ２）Ｐ          （５）
σθ＝−ｂ２（１＋ａ２／ｒ２）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＝∫（σθｇ３１＋σｒｇ３３）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。
【００４０】
［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。
【表３】
2015171100.tif 000005
【００４１】
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。
【００４２】
［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。
【表４】
2015171100.tif 000006
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。
【符号の説明】
【００４３】
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
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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