JP4864888B2 - 振動センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサのチャンバー内に含まれる流体と接触する複数の変換器を有する振動センサに関する。

振動の方向及び又は強さを決定することは、例えば、地震の震源地、位置決めトンネル作業、及び侵入事象の検出等の、多種多様な技術分野において有用は情報を提供する。

通常の従来の振動センサは、チャンバー内の流体と接触する変換器を備えている。その流体はチャンバーと接触する振動に対して振動するので、変換器は振動インタープリターによって受け取られる信号を創り出す。インタープリターは信号を使用し、流体を通過する軸に沿って、大きさ、周波数又はベクトルにおいて振動を特徴付ける。

複数の軸において振動を特徴付けるため、複数のセンサは、それぞれ異なる軸を有しており、例えば、一緒に又は二者択一的に結合され、センサは、以下に例示する特許で見られるように、振動に対して回転及び又は移動される。

米国特許第４５２５８１９において、ジョン・エドワード（John Edward）は、流体に部分的に水没され、水平な地震波を検知する受振器を教示する。

米国特許第４３３４３９６において、ホール・ジュニア・エーネスト エム（Hall Jr.,Ernest
M.）は、柔軟な頂部及び底部の壁に変換器を有する流体で充填されたチャンバーを備えた受振器を教示する。複数の受振器は地球の動きの方向に対して出力信号を供給するために使用される。

本発明の実施の形態の一つの特徴は、複数の振動軸に沿って出力信号を同時に供給する振動センサを備え、そのセンサはチャンバーを取り囲む振動を伝達するハウジングを有し、前記チャンバーは流体を含み、該流体と実質的に接触する表面を有している。

例示的な実施の形態では、センサはチャンバーの回りに配置された２対以上の振動変換器をさらに含み、各変換器は、第１の端部と、第２の端部と、本体の中心部を通過する第１の端部と第２の端部の間の中心軸部分とを有しており、各本体は信号インタープリターと通信するように設けられたポートを備えている。

各第１の変換器の端部は、ハウジングに適切に結合されている。各第２の変換器の端部は、チャンバーの流体と適切に結合される変換素子を含んでいる。

例示的な実施の形態では、第１の変換器対及び第２の変換器対はチャンバーの回りで一対になり、第１の軸が各対の第１の変換器を通過するようになっており、チャンバーの中心軸は各対の第２の変換器を通過し、第１及び第２の変換器対はチャンバーの中心軸からの振動の情報を供給する。

例示的な実施の形態では、第１及び第２の変換器対を通過する軸はお互いに平面及び垂直である。ここで使用する「平面軸」は単一の平面に沿って位置する軸のことを言う。

例示的な実施の形態では、センサは第１及び第２の変換器対の方法で同様に一対となった変換器対を含む少なくとも第３の軸を有している。

任意に、変換器対を通過する３つの軸の少なくとも３つはお互いに垂直で、それにより、Ｘ，Ｙ及びＺ軸において振動を特徴付ける。

代わりの例示的な実施の形態では、少なくとも一対の変換器の各変換器は振動を増幅するための増幅ハウジングを有している。

本発明のさらなる特徴は、少なくとも１つの第１の対及び少なくとも１つの第２の対の変換器を使用して、振動を測定する方法を含んでいる。

ここで使用する「流体」という用語は、「その容器の外形に適合し流れる傾向の連続的な不定形の物質」（Word著作権登録2005）であり、振動に反応する慣性質量を有する液体中に浮遊する液体又は粉末を含む。

ここで使用する「振動」は、とりわけ、機械又は地質学上のシステムに起源を有するチャンバーの外部の動き又は振動に対するチャンバーの流体の反応を言い、チャンバーの流体の振動圧力は、周波数及び振幅において測定可能である。（Cyril M. Harris and Allan G. Piersolにより編集された「ハリス、震動及び振動ハンドブック」第５版）
ここで使用する「変換器」は、震動又は振動動作の圧力を１以上の動作パラメータに比例する光学的、機械的又は電気的な信号に変換する装置のことを言う。

ここで使用する「変換素子」は、振動動作の圧力を信号に変換する変換器の部分のことを言う。（ibid）
従って、振動を測定するための振動センサ及び方法を提供し、センサは２対以上の変換器を有し、ハウジング内にチャンバーを有し、該チャンバーは、中心軸と、すべての表面部分がチャンバーの中心軸から実質的に等距離にある表面と、該表面と実質的に接触する振動に敏感な流体とを備えている。

センサは、振動に敏感な変換器の２対以上をさらに含み、２対以上の各変換器は少なくとも１つの信号インタープリターと通信するように設けられている。各変換器は、第１の端部部分と、第２の端部部分と、第１の端部部分と第２の端部部分との間で本体の中心軸を軸方向に通過する中心軸部分とを有している。

第１の端部部分はチャンバーの表面に適切に結合され、変換素子レセプター部分を含み、少なくとも変換素子部分の一部分は実質的に流体と接触する。第２の端部部分はハウジングと適切に結合し、２以上の変換器対の各変換器対は、第１の変換器の中心部分と、チャンバーの中心軸と、第２の変換器の中心部分とを通過する軸を含んでいる。

代わりに、信号インタープリターは少なくとも２対の変換器のそれぞれによって生じる信号を加えるか減じるかの少なくともいずれか１つを供給する。

例示的な実施の形態では、２以上の変換器対の軸は平面であり、少なくとも１つの第１の変換器対を通過する少なくとも１つの第１の軸は、少なくとも１つの第２の変換器対を通過する少なくとも１つの第２の軸に対して、垂直か傾斜しているかの少なくともいずれか１つである。

代わりに、少なくとも２つの変換器対は少なくとも３つの変換器対と、少なくとも２つの平面の変換器対の平面に対して平面であるか、傾斜しているかの少なくともいずれか１つである少なくとも１つの第３の変換器対とを備えており、該少なくとも１つの第３の変換器対の軸は少なくとも２つの変換器対の平面に垂直を成している。

代わりに、前記少なくとも３つの変換器対は少なくとも４つの変換器対を備え、前記2つ以上の平面軸に対して４５度傾斜する少なくとも１つの第４の変換器対を備えている。

代わりに、少なくとも１つの変換器対の各変換器は増幅ハウジングを含んでいる。

本発明の実施の形態の特徴は、１対以上の変換器を有する振動センサを備え、該センサはハウジング内のチャンバーを備え、該チャンバーは、中心軸と、該チャンバーの中心軸からすべての部分が実質的に等距離にある表面と、該表面と実質的に接触する振動に敏感な流体とを備えている。

例示的な実施の形態では、本発明は１対以上の振動に敏感な変換器をさらに含み、各変換器は少なくとも１つの信号インタープリターと通信するように設けられ、各変換器は、横断面領域を有する第１の端部部分と、第２の端部部分と、第１の端部部分と第２の端部部分との間で本体の中心軸を軸方向に通過する中心軸部分とを含む本体をさらに備えている。

変換素子レセプター部分と増幅ハウジングとを含む第１の端部部分は、変換素子を超えて本体から突出し、増幅流体を取り囲む１以上の壁を含む支持素子と、該支持素子に取り付けられていると共に増幅流体を囲み、チャンバーの流体と接触する領域をさらに含む膜とを備えており、その接触領域は第１の端部部分の横断面より実質的に大きくなっている。

第２の端部部分はハウジングと適切に結合し、１以上の変換器対の各変換器対は第１の変換器の中心部分と、チャンバーの中心と、第２の変換器の中心部分とを通過する軸を含む。

本発明のさらなる特徴は、４以上の等距離の点から振動を測定するための方法を含み、中心点の回りのチャンバー表面に集中し、チャンバーを流体で充填し、チャンバーの表面に対して並行の少なくとも２つの測定点からの流体振動を測定することを含み、少なくとも２つの測定点は中心点を通過する第１の軸に沿って配置されていると共に、少なくとも２つの測定点は中心点を通過する第２の軸に沿って配置されている。代わりに、少なくとも４つの測定点の２つ以上は増幅ハウジングを有する変換器を備えている。

本発明の特徴は、２つ以上の等距離の点からの振動を測定するための方法を含み、中心点の回りのチャンバー表面に集中し、該表面内に流体を含み、該表面に並設された２つ以上の振動測定素子を並置し、２つ以上の振動測定素子の上に増幅ハウジングを配置し、チャンバーの表面に対して並設された少なくとも２つの測定点から流体振動を測定し、少なくとも２つの測定点は、中心点を通過する軸に沿って配置されている。

本発明の例示的で限定しない実施の形態が、ここに添付した図面を参照しつつ、以下の説明において説明される。図面では、１以上の図面に示される同一及び同様の構造、要素又は部品は、一般的に、図面上、同一又は類似の符号を付されている。図面に示された構成要素及び特徴の寸法は、主に便宜上選択されたものであり、必ずしも一定の尺度に沿ったものではない。

振動センサの作用
図１は、球状の表面１５４と中心部１５６を含む実質的に球状のチャンバー１５０を中央に有する振動センサ１００の例示的な実施の形態の概略図である。チャンバー１５０は流体１５２を含み、ハウジング１００により取り囲まれており、該ハウジングは外部１１２から流体１５２に振動を伝えるように設けられた材料、例えば、金属及び又はプラスチックを含む材料を備えている。

例示的な実施例では、チャンバー１５０は３つの軸１７２，１８２，１９２のそれぞれに整列された３つの対に配置された６個の孔を有している。第１の孔１７０及び第２の孔１７６はそれぞれ、中心部１５６を通過するＸ軸１７２と実質的に整列された中央軸部分を有している。第３の孔１８０及び第４の孔１８６はそれぞれ、中心部１５６を通過するＹ軸１８２と実質的に整列された中央軸部分を有している。第５の孔１９０及び第６の孔１９６はそれぞれ、中心部１５６を通過するＺ軸１９２と実質的に整列された中央軸部分を有している。

振動圧力変換器１６０は各孔１７０，１７６，１８０，１８６，１９０，１９６に、例えば接着剤により貼付され、チャンバー１５０を通過する流体１５２の振動の圧力に実質的に接触及び応答する変換素子１６２を備えている。

例示的な実施の形態では、信号インタープリター１０２は対のケーブル１７４，１８４，１９４を介して各変換器１６０に接続されている。Ｘ軸の対のケーブル１７４は孔１７０及び１７６の変換器１６０にインタープリター１０２を接続する。Ｙ軸の対のケーブル１８４は孔１８０及び１８６の変換器１６０にインタープリター１０２を接続する。Ｚ軸の対のケーブル１９４は孔１９０及び１９６の変換器１６０にインタープリター１０２を接続する。

任意に、ケーブル１７４，１８４，１９４は、例えば４つの電線を含み、２本の電線はそれぞれ変換器１６０に接続されている。

ここで使用する「変換器１６０」は能動的又は受動的な変換器１６０であり、その信号が電圧、電流の振幅、周波数、又は位相により特徴付けられるもののことを言う。能動的な変換器１６０は測定された物理的な現象から取られたエネルギーから電気信号を発生し、圧電性で誘導的な変換器１６０を含んでいる。能動的な変換器１６０は、電流の抵抗、容量、又は誘導により物理的な現象の影響を測定し、例えば、エレクトレットコンデンサや巻かれたワイヤや磁性体などの抵抗性、容量性、誘導性、及び光電子工学的な変換器１６０を含む。

代わりに、ケーブル１７４，１８４，１９４は、例えば赤外線周波数において、波形信号を伝送する導波管や変換器１６０を含んでいる。さらに他の実施の形態では、各変換器はレセプター１０２により受信するワイヤレス信号を供給する。

例示的な実施の形態では、信号インタープリター１０２は、各変換器１６０の出力によって個々に供給される情報を記録し、従来技術で公知の多くの信号解析処理のいずれかを使用して、記録の間又はその後のいずれかにおいて信号を処理及び又は解析する。

例えば、インタープリター１０２は、Ｘ−１７２、Ｙ−１８２、及び又はＺ−１９２に配置された２つの変換器１６０の各セットからの信号を加えたり或いは減じたりし、それにより、信号を増幅又は弱め、及び又は外側に放散する振動のノイズを除去し、放散する振動のノイズはすべての方向から来る同一の振幅及び位相を有する振動のことを言う。

Ｘ−１７２，Ｙ−１８２及びＺ−１９２軸から結果として生じる信号情報は、その後、インタープリター１０２により処理され、Ｘ−１７２，Ｙ−１８２及び又はＺ−１９２軸に沿って中心部１５６の流体１５２のエネルギー状態の３次元の状態を特徴付ける。この特徴は、例えば、周波数及び大きさの情報を供給し、１つのセンサ１００が、それぞれが一つの軸に沿って記録する複数の従来技術のセンサの代わりに使用可能である。

図３は、変換器１６０が弱い信号に応答するように変更された例示的な実施の形態を示している。変更された変換器１６０は、実質的に堅い円錐形の壁２３０を備えた増幅ハウジング２００を含み、該壁は大きい表面領域を含む振動増幅膜２２０を有している。壁２３０、膜２２０、及び変換素子２６２は、例えば気体等の圧縮性の増幅流体を封じ込める。

膜２２０に対する各振動の圧力は膜２２０を変形させ、流体２１０の圧力は以下の式に従って容量の変更に反比例する。

Ｐ_１＝Ｐ_０・Ｖ_０／Ｖ_１ ここで、
Ｐ_０＝膜２２０にかかる圧力の変化
Ｐ_１＝変換素子２６２により測定される圧力の変化
Ｖ_０＝圧力Ｐ_０がかけられる前の流体２１０の容量
Ｖ_１＝圧力Ｐ_０がかけられた後の流体２１０の容量
上記式に基づき、膜２２０に対する振動の圧力は変換素子２６２の振動圧力を上昇させる結果となり、結果として生じる信号は、例えば、インタープリター１０２が背景ノイズから弱い信号を区別するのを助ける。

振動センサの変形
振動センサ１００は説明した実施の形態に限定されるものではなく、例えば、従来技術で良く知られている多くの出願のセンサ１００の特有の構成を提供し、多くの異なる方法で変更可能である。例として、センサ１００のほんの少しの変更を説明する。

例示的な実施の形態では、ハウジング１１０は、上部セクション１４２と、下部セクション１４４と、中間セクション１４０とを備えている。代わりに、ハウジング１１０は一体で製造され、例えば、注入式塑造技術を使用して製造される。

図示のように、Ｘ孔１７０及び１７６、及びＹ孔１８０及び１８６は、中間セクション１４０に配置されている一方、Ｚ孔１９０は上部セクションに配置され、Ｚ孔１９６は下部セクション１４４に配置されている。

さらなる対の孔（図示省略）はさらなる信号情報を信号インタープリター１０２に供給する。

さらに又は代わりに、３つ以上の軸１７２，１８２及び１９２は特定の使用のため異なる角度で孔１７０，１７６，１８０，１８６，１９０及び１０６を通過してもよい。例えば、水を供給する埋設管を検知する場合に、ある距離から放射された振動を検知するため、センサ１００は、０度と９０度の間の角度で、上部セクション１４２から下部セクション１４４に通過する複数の軸により最適に構成される。

代わりに、センサ１００はＸ軸１７２及びＹ軸１８２に沿って２対の変換器１６０を含んでいても良く、信号インタープリター１０２に供給される信号情報に対して非常に敏感になる。

各変換器１６０と共に孔１７０，１７６，１８０，１８６，１９０及び１９６は外部１１２、及び上述した接着剤と共に密閉チャンバーと通じている。代わりに、変換器１６０はチャンバー１５０の内面に取り付けられ、又はハウジング１１０に埋め込まれ、変換素子１６２が表面１５４を凹ませるようになっている。

図２に移ると、センサ１００は分解図で示されており、上部セクション１４２と中間セクション１４０の間の上部圧縮性ガスケット１３２と、中間セクション１４０と下部セクション１４４の間の下部圧縮性ガスケット１３４とを含んでいる。

ガスケット１５２及び１５４は、例えば、圧縮性及び又は柔軟性のゴム材料を備え、ボルト（図示せず）がセクション１４０，１４２及び１４４の角部に垂直に延出する時にガスケット１５２及び１５４が圧縮され、外部１１２からチャンバーの流体１５２を密閉するようになっている。

さらに又は代わりに、ガスケット１５２及び１５４は、セクション１４０，１４２及び１４４の近接する表面に接着する上部及び下部表面を含み、それにより、チャンバー１５０を密閉するのを助ける。

変換器１６０は円筒状の横断面を有して示されている。代わりに、変換器１６０は、矩形状の横断面、長円形の横断面、又は、例えば、変換器１６０及び又は使用のタイプによった他の横断面形状を有していてもよい。

さらに、流体１５２の構成は所定の使用のために要求される慣性質量の特性によって変化する。例えば、液体水銀のような高密度の流体１５２が幾つかの使用において要求されてもよい。他の使用は、例えば粉末状或いは例えば流体１５２中に浮遊する金属単体等の粒子により最も適しており、流体１５２の他の選択肢は従来技術で良く知られた特定を特性を備えているものである。

幾つかの実施の形態では、流体１５２は実質的にチャンバー１５０を充填し、他の実施の形態では、チャンバー１５０は部分的に充填されている。例えば、幾つかの実施の形態では、流体はチャンバー１５０の９０％を充填し、流体１５２が予期した温度変化により膨張することを許容する。

幾つかの実施の形態では、チャンバー１５０は実質的に球状の表面１５４を有しており、他の実施の形態では、表面１５４は、平面が交差する幾つかの平面を有しており、例えば四面体を有している。

センサ１００の多くの使用及び実施の形態は、地震反射の検知、宇宙ステーションに届くエネルギー、又は位置決めトンネル作業であり、従来技術で良く知られている。

エピローグ
本発明は限定した数の実施の形態に関して説明したが、本発明の多くの変形、変更及び他の適用が可能であることが認識されるだろう。

また、構成要素の組み合わせ及び又は変形が組み合わされ、単一の構成要素が使用されても良く、当業者に明らかな他と同様に、そのような変形及び変更が、添付した請求項により定義されているように、本発明の範囲内に含まれることを意図している。

「含む」、「備える」、及び「有する」という用語及びそれの変形は、ここでは「含むが必ずしも限定されない」という意味である。

ここまで説明したことにより本発明が限定されるものではないことは当業者にとって認識されるだろう。むしろ、本発明の範囲は、添付した請求項によってのみ限定される。

本発明の実施の形態に係る振動センサシステムの概略図を示している。 本発明の実施の形態に従い、図１の振動センサの詳細な分解図を示している。 本発明の実施の形態に従い、増幅隔膜を有する圧力変換器を示している。

Claims (5)

1. ハウジング（１１０）と、
   該ハウジング（１１０）内に配置されると共に液体（１５２）で満たされ、一表面（１５４）と中心部（１５６）とを有するチャンバー（１５０）と、
   各対には前記中心部と交差する軸に沿って前記表面に配置される２個の同一の変換器（１６２）が設けられ、該各変換器は、前記液体（１５２）と直接接触する変換素子を有する第１の端部と、前記ハウジング（１１０）に結合される第２の端部とを備え、前記液体を検知し、それぞれの信号を生成するように構成されている２対以上の変換器（１６０）と、
   （ｉ）前記変換器（１６０）対から前記それぞれの信号を受け取り、（ｉｉ）各対の前記２個の変換器（１６０）の第２の信号から第１の信号を減じ、（ｉｉｉ）前記減じた信号を結合して前記中心部（１５６）で振動を示す三次元の信号を生成するように構成される信号インタープリター（１０２）と、
   を備えていることを特徴とする振動センサ（１００）。
2. 各対では、前記２個の変換器が前記中心部から均一な間隔をあけられている請求項１に記載の振動センサ。
3. 前記変換器は、それぞれの位置で前記表面に加えられる前記液体の圧力を測定するように構成される圧力変換器である請求項１に記載の振動センサ。
4. 前記表面は前記ハウジングの内側を形成する請求項１に記載の振動センサ。
5. 前記変換器は前記表面に沿ってお互いから均一な間隔で配置されている請求項１に記載の振動センサ。

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