JPH04500145A - 音場変換器 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音場変換器に関する。

音場変換器は地球物理学、工学、機械設計並びに開発、制御システム、侵入アラ ームシステム、環境騒音モニタリング、あらゆる医学的モニタリングシステム、 制動機、衝撃感知、マイクロホンさらに水中聴音を含み、低周波振動が遭遇する ところの様々な用途に要求される。

アメリカ特許第４３２６２７５号に開示されるごと〈従来の音場変換器には圧電 変換器エレメントが用いられてきた。このエレメントはセラミック製でしがも撓 み性があり、加速度感知デバイスとなるものである。

本発明の目的は、音場変換器の新規な改良型を提供することにある。さらに本発 明の別の目的は速度感知式の音場変換器を提供することにある。また本発明のさ らなる目的は音場変換器の新規な改良方法を提供することである。

本発明はその実施例において、周辺を静的歪みで伸張状態保持され、音場変動に 応じて自在に移動する主表面域を有する圧電物質製の弾性膜と、前記膜に音場変 動を連結する手段と、前記音場変動の測定となる歪み変動に応じて膜により圧電 発生した信号を収集すべく前記膜に連結された導電手段とからなる音場変換器を 提供する。

本発明はその別の実施例において、音場と連結可能な強固な中空サポート構造を 含み、該サポート構造は慣性関係を成してサポート構造に対し一定並進方向に移 動するために備えられたアセンブリを収納する音場変換器であって；前記アセン ブリは、周辺を静的歪みで伸張状態に保持され、サポート構造と接触せず、さら に前記一定方向に並進的に延長する主表面域を有する少なくとも一つの圧電物質 製の弾性膜と；サポート構造とアセンブリとに内部連結して、膜を通じてサポー ト構造の慣性関係モーションに転移し、かつ前記並進方向での前記モーションに 続いて膜の歪みに変動を起す手段と；サポート構造に連結される前記音場変動の 測定である歪み変動に応じて膜により圧電発生した信号を収集すべく前記膜に連 結された導電手段とからなり；前記アセンブリは変換器の音場周波感知と同等も しくはこれ以下の共振振動数を有し、変換器の出力は慣性関係とサポート構造と の間の各モーション速度に比例する音場変換器を提供する。

本発明はまた、音場に連結可能な中空サポート構造であって；前記サポート構造 と接触フリー主表面域を有し周辺を静的歪みで伸張状態に保持された圧電物質製 の少なくとも一つの弾性膜を収納するサポート構造と：膜に関するドライバ一手 段の動きに続いて膜の歪みに変動を起すために、サポート構造の撓み部分と前記 主表面域の連結部分とに連結され、さらにサポート構造の撓み部分に連結される 音場変換器の測定となるドライバ一手段とからなる音場変換器を提供する。

本発明はさらに、圧電高分子材料製の弾性膜を用意し、前記膜を静的歪みで伸張 状態に保持し、気体メディア内での動きを自由とした膜の一部に音場変動を起し 、膜から圧電的に発生される音場変動の計測としての信号を収集することからな る音場変換方法を提供する。

各層は前記高分子材料の単一シート、もしくは上記シートの積層体の形態である 。圧電高分子材料は例えば、変換器に機械的共振振動数（例えば直線振幅と位相 振動数関係）以下に線形応答させる特定の利点を持つポリビニリデン　フルオラ イド［ビーヴイディーエフ（ｐＶＤＦ）もしくはピーヴイディーエフ（ＰＶｄＦ ）］である。

膜の主表面域はその周囲好ましくは空中の大気中で可動であり、平坦又は半円筒 状等の他の表面形状でも良い。膜の周辺形状は環状、長方形もしくは四角形等の 所望の形状である。

変換器が所望によって一対の膜制御からなる場合は、導電体がコモンモード拒絶 フォーマットに内部連結され、各層が圧電特性として同一角度方向を有するよう 備えられる。一つのもしくは各々の膜の主表面域にドライバーにより膜上の表面 フィルム電極が接触もしくはねじ込まれ、さらにこれに対して導電体が連結され る部分は、収集した信号の接触音を除外するために部性的にはなしてもよい。

次に添付図面に関連した実施例により本発明の実施態様を説明する。

第１図はアセンブリの第１形態を有する本発明による音場変換器を示す。

第２図はアセンブリの第２形態を示す。

第３図はアセンブリの第３形態を示す。

第４図はアセンブリの第４形態を有する本発明による音場変換器の別の形態を示 す。

第５図はアセンブリの第５形態を有する本発明による音場変換器の別の形態を示 す。

第６図は第４形態の一対のアセンブリを有する本発明による音場変換器の別の形 態を示す。

第７図はアセンブリの第４形態の変形例を示す。

第８図は第５図に示す変換器の変形例である本発明による音場変換器の別な形態 を示す。

第９図は本発明による音場変換器のさらに別の形態の分解略図を示す。

第１０図は本発明による変換器の別の形態を示す。

第１１図は本発明による変換器の典型的応答曲線を図解で示す。

第１２図並びに１３図は本発明による変換器のさらに別の形態を示す。さらに、 第１４図は本発明による変換器のさらに別の形態の分解図を示す。

第１図に示す様に、音場変換器１ｏは中空強固サポート１１からなり、変換器Ｉ Ｏに受信器として機能させるため、例えば地中侵入用スパイクの挿入可能なネジ 付スピゴント式でサポートが振動源に機械的に連結されうる。液体の侵入に対し 密閉されたサポート１１は、慣性関係をなすアセ２１１月２を内蔵し、第１図に 示す形態のものは慣性体１４、上部膜１５＾、下部Ｈ１ｓＢ用の強固な筒状キャ リア１３を有し、容積は圧電高分子材料製で、エンドクランプリング２０もしく は粘着ボンドによりその周辺がキャリア１３の軸上対向エンドに固定されている 。膜１５Ａ　、　１５Ｂはキャリア■３に対するそれらの固着により静的歪み状 態にあり、その周辺域以外はその表面域の主要部分までキャリアＩ３との接触を まぬがれている。膜１５＾、１５Ｂは静的歪み状態にあるので、二次元的なフッ クの法則が適用される。アセンブリ１２とその慣性体１４の重量を支えるために 、サポートＩＩは膜１５Ａ　、　１５Ｂの主表面域の一部と接触連結する内側軸 上に突出した部材１６Ａ　、　１６Ｂを備えており、導電体１７が＠１５＾、１ ５Ｂに連結されて、膜内の歪み変化により膜により圧電発生された信号をサポー ト１１の外部に運び、これにより本発明の例では地球物理学上の振動源からハウ ジング１１に結合された振動の計測を提供する。

アセンブリＩ２はその慣性体１４のため比較的静的であるため、サポート１１に 結合された振動がアセンブリ１２に対する軸Ｚ−Ｚに沿ってサポート１１を振動 させ、この振動の効果が突起１６Ａ　、　１６Ｂによるガス状大気で囲まれた膜 ＋５Ａ　、　１５Ｂ上に結合され、膜１５Ａ　、１５Ｂの歪み変動として現われ る。サポート１１とアセンブリ１２間の各動きは膜エンドクランプリングとの接 触のためサポートｌｌ上に形成した環状エンドストップ１８Ａ、１８Ｂに規制さ れている。膜１５Ａ　、　１５Ｂ内の歪みの変化率がアセンブリ１２の機械的共 振を下まわれば直に反応して、容積に亘る歪みに適合した変化がおこる。容積の 側面の歪みは最大であり、変換器の出力はアセンブリ１２とサポート１１との間 の各運動速度に比例する。

第２図に示すように、アセンブリ２２の変形例としては、複数のバー２４により 互い間隔をおいて保持された複数のエンドリング２３＾、２３Ｂと、従来どおり エンドリング２３Ａ　、　２３Ｂに固定された膜１５Ａ　、　１．５Ｂと、この 例ではバー２４の重量によって慣性体が与えられている。

第１図並びに第２図に示す構造から好ましくは、検出器１０は第１図に示す軸Ｚ −２に沿う運動のみを感知し、一方、第３図のアセンブリ３４の構造は、３つの 互いに直交に交差し、好ましくは独立したシリンダにより効率的に構成され、こ れらのシリンダが３つの互いに直交する各軸Ｘ−Ｘ　、　Ｙ−Ｙ　、Ｚ−Ｚにお ける感知をアセンブリ３４に提供し、各シリンダは対向するエンド面の上に圧電 膜を運び、サポート構造（図示せず）に固定された突起１６Ａ　、　ＩＢＢの如 き各フォーメーションに接触させる。

上記各側において、アセンブリ１２．２４．３４は変換器ＩＯの振動周波数感知 を下まわる機械的共振振動数を有する。好ましくは、機械的共振振動数は慣性体 １４のマグニチュードとアセンブリの直径の選択により得られる２００Ｈｚオー ダーである。変換器１７は電極を通して各！１１５Ａ　、　１５Ｂに連結する一 対のワイヤから成り、ワイヤは第１図の符号１９に示すように、コモンモード拒 絶フォーマットで、圧電特性に応じて同一環状方向に備えられた２つの膜１５＾ 、１５Ｂと内部連結されている。

この配置が電磁並びにパイロ電気信号の妨害を排除しうる。膜１５Ａ　、　１５ Ｂを形成する圧電高分子材料はピーヴイディーエフ（ＰＶＤＦ）の単一シートも しくは積層シートのいずれかであり、機械的共振振動数域を下まわる直線的振幅 と位相周波数を変換器ＩＯに与える。

第１図の構成はとくに素朴なものであり１、例えば、膜１５Ａ　、１５Ｂを除い てすべての部品をタフノール（アールティーエム）（ＲＴＭ）等の強固なプラス チック材で構成することにより重量が軽く製造が簡単なものとされている。特に 、慣性体が重量２５グラム、容積の直径２０■並びに厚さ４０μ■の変換器１０ は機械的共振振動数２００Ｈｚを備えられ、それ以下の周波数に対して線形応答 を展開する。ｌＯダラムの慣性体並びに２５μｍピーヴイディーエフ（ＰＶＤＦ ）シートの直径２０ｍｍ膜には変換器の機械的共振振動数は約３００　Ｈｚであ る。

第４図に示す変換器３０において、サポート３Ｉは膜３４が伸張され固定される ところの環状フレーム３３を有したアセンブリ３２を含んでおり、前記フレーム ３３はその一端が骨格的に円筒形のキャリア３５で形成され、他端がうちぬきデ ィスク３６で形成されている。ディスク３６はハウジング３１の頂端面に連結す るスプリング３７Ａに接触し、サボー１−３１の底端面は膜３４の端面と接触連 結しているドライバー３７を備えている。従って、変換器３０の上記の形態は電 気的リード（図示せず）が通電されるところの単一膜３４のみ有しており、第１ 図のように変換器はサポート３１とアセンブリ３２の延長軸である軸Ｚに沿うモ ーションを感知する。

第５図は一対の膜４１＾、４１Ｂを有するアセンブリ４０　の略図であり、これ らの膜のドライバーは、サポート４３の上部端壁にねじ込んで連結され、膜４Ｘ ＾、４１Ｂ各々にねし込んでクランプされ最終的にサポート４３の下部端壁に固 定される形を成している。ロッド４２はその各々の端でサポートとねしこみ連結 され、ロッド上にクランプされたワソンヤーと結合ナツトを介して膜４１＾、４ １Ｂにクランプされる。フィルムの導電コートの中央ディスクを取除くと、これ により環状電極ディスクを形成して、ドライバーから発生する接触音を除去する 。フレーム端においても同様の効果が達成できる。

第６図は第４図のアセンブリ３２と同様の一対のアセンブリ３２＾、３２Ｂを内 蔵した変換器５０を示すものであるが、付属ディスクが基部となった背中合せ同 軸の形態に配置されている。ディスクはサポートに固定されたリーフスプリング ５１により分割して保持されており、サポートの各端面が付属膜と接触連結する 膜ドライバー　５２Ａ　、　５２Ｂを備えている。

第７図はディスク３６とドライバー３７に駆動される膜３４とに介在する膜５５ を内蔵したアセンブリ３２の変形例を示す。膜５５は駆動されないので、モーシ ョン源からアセンブリへのモーションで生しる圧電信号の発生に左右されず、１ ｉ３４とコモンモード拒絶フォーマットで電気的結合して、電磁ならびにパイロ 電気コモン信号をキャンセルする。

第８図に図示した実施例は、装置が水平軸Ｘ−Ｘについてのモーションを感知し 、サポートリング５９によりキャリア５８のサポートが備えられていることを除 いては第５図と同様である。

第９図において、変換器６０は半円筒形フレーム６２上に伸張固定された膜から 成り、膜も半円筒形を成している。一対のドライバー６３がサポート端壁６４上 に備えられ、他のサポート端壁６６に固定されたスプリング６５によりフレーム ６２が支持され、変換器６０は半円筒形フレーム６２の平面ベースに対する平面 直角の振動を感知する。

前述の各実施例において、変換器は、サポートに固定されたドライバーにより分 与されるモーションに続いて大気中を可動しまたは振動自在であり、交互にモー ション源に連結される少なくとも１つの膜を有している。膜は慣性体をなすフレ ーム上に伸張固定され、フレームはサポートに支持されて少なくとも１並進方向 に生じる連動を可能とする。ドライバーは膜に接触するか又は膜にねし込む。第 ５図の配置において、ドライバーは２つの膜にねじ込んでいるがこれは単に図示 上の一例であり、キャリアはドライバーにねし込まれた数個の間隔をおいた膜を 内蔵している。静的膜はキャリア上に備えられてコモンモード拒絶フォーマット を駆動膜または膜に連結する。図解上、膜の大部分は円形周辺を有しているが別 の周辺形状でもよく、第９図の例のごとく、膜が平板である必要もない。

第１θ図はさらに音場変換器の別の形態を示すものであり、これにおいて、音場 変換器８０は一対の膜８ｚ＾、８２Ｂに対して周辺固定を行うに適した強固な中 空サポート構造８１からなる。慣性体エレメント８３が膜８２Ａ、８２Ｂ上で備 えられ、エレメント８３はサポート構造８１とは接触フリーである。膜８２Ａ　 、　８２Ｂは構造８Ｉに対するその周辺固定によりクランプリング８４で静的膜 みて伸張状態に保持される。膜８２Ａ　、　８２Ｂを介して、“クランプリング ８４が、エレメント８３て形成される慣性体にサポート構造８１のモーションを 移動し、このモーションに連続して膜８２＾、８２Ｂの張りに変化を起すために 前述の符号１６で示されたタイプの分割ドライバーを備える必要がない。図面を 明瞭にするため、導電体は図示していないが、これらは前述のごとく膜に連結さ れている。第１０図の構造は前述の構造よりもさらに軽量かつ機械的に簡単であ りが、音場に同様の周波応答を提供するものである。この応答の典型を第１１図 に周波に対する出力ボルトで示した。

変換器のさらに別の形式を第１２．１３図に示す。いずれの場合においても、こ れまでに説明したように、膜もしくは各層は周辺をクランプされて静的伸張をな すが、膜の周辺が固定される強固な端壁を有して少なくとも撓み端壁９２にドラ イバー９３を内蔵するサポート構造９【により慣性体が備えられる。他の端壁９ ４は第１２図もしくは第１８図の撓みのごとく強固である。第１４図においては 、変換器１００が第１Ｏ１■３図の構成を合体して形成されており、特に水中に 適用されるにふされしい消音変換器を目的とする。さらに第Ｉ４図の構造は中央 慣性体エレメント８３がモーションセンサーとして動作し、これが備えられると ころの両方の膜を継ぐので、これらの膜はケーブルモーションにより水中信号の ノイズエレメントをピックアップする。上下のＭｌｏｌ、１０２は周囲メディア の圧力変化を感知し水中エレメントとして作用する。中央モーションセンサの出 力は圧力感知水中エレメントによりピックアップされたノイズ信号を取消すのに 使用されつる。さらに、変換器１００が過剰圧力にさらされると、慣性体エレメ ント８３と上下ドライバーの相互接触により、膜に対する損傷から保護される。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成３年１月１６日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．周辺を静的歪みで伸張状態に保持され、音場変動に応じて自在に移動する主 表面域を有する圧電物質製の弾性膜と；前記膜に音場変動を連結する手段と；前 記音場変動測定である伸張変動に応じて膜により圧電発生した信号を収集すべく 前記膜に連結された導電手段とからなる音場変換器。
2. ２．膜の前記主表面域を収納する中空サポート構造を含む請求項１記載の音場変 換器。
3. ３．前記サポート構造は液体侵入防止用に密閉されており、サポート構造の内部 はガス充填プレナム式である請求項１記載の音場変換器。
4. ４．音場と連結可能な強固な中空サポート構造とを含み、該サポート構造は慣性 体を成してサポート構造に対し一定並進方向に移動するために備えられたアセン ブリを収納する音場変換器であって；前記アセンブリは周辺を静的歪みで伸張状 態に保持され、サポート構造と接触せず、さらに前記一定方向に並進的に延長す る主表面域を有する少なくとも一つの圧電物質製の弾性膜と；サポート構造とア センブリとに内部連結して、膜を通じてサポート構造の慣性体モーションに転移 し、かつ前記並進方向での前記モーションに続いて膜の歪みに変動を起す手段と ；サポート構造に連結される前記音場変動の測定である歪み変動に応じて膜によ り圧電発生した信号を収集すべく前記膜に連結された導電手段とからなり；前記 アセンブリは変換器の音場周波感知と同等もしくはこれ以下の機械的共振振動数 を有し、変換器の出力は慣性体とサポート構造との間の各モーション速度に比例 する音場変換器。
5. ５．慣性体は、サポート構造と接触せずに前記膜の主表面域上に備えられこの上 で移動される質量エレメントからなり、前記膜は前記サポート構造までの周辺確 保により静的歪みで伸張状態に保持され、前記周辺確保が前記内部連結手段とな る請求項４記載の音場変換器。
6. ６．慣性体はフレーム構造からなり、前記膜は前記フレーム構造までの周辺確保 により静的歪みで伸張状態に保持され、前記内部連結手段はサポート構造に連結 したドライバーと膜の主表面域の連結部分とからなる請求項４記載の音場変換器 。
7. ７．音場に連結可能な中空サポート構造であって；周辺が静的歪みで伸張状態に 保持されサポート構造と接触フリー主表面域を有する圧電物質製の少なくとも一 つの弾性膜を収納するサポート構造と；サポート構造の撓み部分と前記主表面域 の連結部分とに連結して、膜に対するドライバー手段の動きに続いて膜の歪みに 変動をもたらし、サポート構造の撓み部分に連結される音場変換器の測定である ドライバー手段とからなる音場変換器。
8. ８．サポート構造は強固な周壁を有しこれに膜の周辺が固定され、サポート構造 の弾性部分は、他端を閉鎖ディスクで密閉された周壁の一端に備えたディスクで ある請求項７記載の音場変換器。
9. ９．前記閉鎖ディスクは強固である請求項８記載の音場変換器。
10. １０．閉鎖ディスクは撓んでおり第１の膜に平行に固定され、かつ周囲を静的歪 みで保持された他方の膜の主表面域のドライバー連結部を有している請求項８記 載の音場変換器。
11. １１．サポート構造は、慣性体をなしてサポート構造に対し軸方向に移動すべく 備えたアセンブリを収納し、このアセンブリ周辺が静的歪みで伸張状態に保持さ れ、かつサポート構造と接触せずに前記軸方向に並進的に延長する主表面域を有 した少なくとも一つの圧電物質製の弾性膜を有しており、前記アセンブリは前記 第１と他方の膜の間に軸的配置された請求項１０記載の音場変換器。
12. １２．圧電高分子材料製の弾性膜を用意し、前記膜を静的歪みで伸張状態に保持 し、気体メディア中を可動する膜の一部に音場変動を起し、膜から圧電的に発生 される音場変動の計測としての信号を収集することからなる音場変換方法。