JPH11513480A - Ｄｉｆａｒセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 方向探知・照準定め（ＤＩＦＡＲ）センサーが音波に応答する運動を及ぼされる比較的軽い感知素子（３０）を備える。慣性質量（２、４）に対する感知素子の運動は音波の伝搬方向を決定するために２つの互いに直交する方向に沿って測定される。このＤＩＦＡＲセンサーは、感知素子（３０）と内部配置された相対運動トランスジューサとの間の接触をＤＩＦＡＲセンサーの組み立て後に調節可能とする構造をもつ。

Description

【発明の詳細な説明】 ＤＩＦＡＲセンサー 本発明は方向探知・照準定め（ＤＩＦＡＲ）トランスジューサに関するもので ある。このトランスジューサは特にソノブイを含む水中用に適するが、地震用や 空気伝送音用にも使用できる。 ＤＩＦＡＲ水中聴音器の如きＤＩＦＡＲセンサーは約２０年間に亘ってソノブ イに使用されてきた。既知のＤＩＦＡＲ水中聴音器は米国特許のＵＳ−４９２８ ２６３号に記載されている。そこに記載されている水中聴音器は取付け素子を含 む中空外殻を含み、この取付け素子から慣性質量が比較的堅固な吊り下げ装置に よって吊り下げられる。取付け素子は典型的には慣性質量の質量より数倍（しば しば１０倍又はそれ以上）大きい質量をもつ。慣性質量は十字形様式に配置され た４個の上向きに延在しかつ圧電素子に掛合するピンをもち、前記圧電素子は取 付け素子に対する慣性質量の動揺を検出する。組み立て中、ねじ山付き調節器を 使用して、慣性質量と圧電素子間に作用する力を調節する。一旦、ねじ山付き調 節器がセットされると、缶が取付け素子の下側に堅固に締着されて、慣性質量を 取り囲み、オイルが缶内に導入される。更に、Ｏリングシールが慣性質量と缶の 間に設けられる。次いでこの構造は防水性ハウジング内に密封される。既知のソ ノブイは比較的構造が複雑である。 更に、ソノブイの表面に当たる圧力波は取付け素子と慣性質量の相対運動を生 ぜしめるために、防水性ハウジングと取付け素子の両方を加速することが要求さ れる。 本発明によれば、慣性質量を含むＤＩＦＡＲセンサーにおいて、感知素子が容 積を取り囲む壁部分を含み、前記壁部分に周囲媒体が圧力を及ぼし、前記壁部分 はそれに作用する音圧波に応答して変位を受け；更に、２つの互いに直交する方 向に沿う感知素子の運動を感知するためのセンサーを含み、感知素子の質量は慣 性質量の質量より小さいことを特徴とするＤＩＦＡＲセンサーが提供される。 好適には、慣性質量の質量は感知素子の質量の１０倍より大きい。 好適には、ＤＩＦＡＲセンサーはほぼ円筒形であり、壁部分は慣性質量と同軸 に取付けられた中空の円筒形壁の形をなす。 センサー素子は一体に形成した端キャップを含み、それによって有効に感知ド ームを形成する。代案として、感知素子は慣性質量を形成するよう協働する対向 するセンサー端部分間に置かれた環状リングを含む。 有利には、感知素子は慣性質量と浮動接触している。感知素子はエラストマー 素子によって慣性質量に連結されており、前記エラストマー素子は慣性質量に対 して予定の休止位置に向かって感知素子を押圧する働きをするが、また感知素子 と慣性質量間に限定された相対運動を許す。有利には、エラストマー素子は感知 素子と慣性質量間に流体密封シールを形成する。 好適には、感知素子は夫々のセンサーと協働する径方向内向きの突出部を担持 する。センサーは例えば歪みゲージ又は変位センサーとすることができる。突出 部は調節手段を担持し、それによって、感知素子がその休止位置にある間に関連 するセンサーに及ぼされる力が調節される。一旦ＤＩＦＡＲセンサーが組み立て られると、調節をなすことができるように前記調節手段は感知素子に形成された アクセスポートを介して調節できる。これは既知のＤＩＦＡＲセンサーに比べて 重要な利点を有し、かかる調節はセンサーの組み立てが完成する前になされる。 代案として、慣性質量に対する感知素子の相対運動は非接触様式で感知される 。光学的、電気的又は磁気的非接触センサーを使用することができる。例えば、 光源を慣性質量内に置き、感知素子の局部領域を照明するよう配置する。次いで 、光学検知器が光強度の変化によって感知素子の動きを検知することができる。 代案として、感知素子の運動は慣性質量の局部セクションとセンサー素子の対応 するセクション間のキャパシタンスを測定することによって測定される。 或る程度まで慣性質量を少なくとも部分的に取り囲む外殻として作用する比較 的軽い剛性の感知素子をもつＤＩＦＡＲセンサーを備えれば、従来の技術設計に 比して、より大きな感度を得ることができる。 以下本発明を図示の実施例につき詳述する。 図１は本発明の第１実施例をなすＤＩＦＡＲセンサーの横断面図である。 図２は本発明の第２実施例の横断面図である。 図１に示すＤＩＦＡＲセンサーは回路ベース２を含み、この回路ベースは慣性 質量を形成するため円形頂部４と協働する。ベース２と頂部４は協働して、処理 電子装置８を収容するチャンバ６の対向端部を画成する。円筒形壁１０はベース ２と頂部４間に延在する。壁１０は４個の均等に離間した凹部を形成されており 、前記凹部はトランスジューサ素子を受け入れる。これらの凹部のうちの２個の 凹部１２、１４は図１に示す。保持リング１６は頂部４に掛合し、そこから径方 向外方へ延在して、外面１８を画成し、前記外面はベース２の最大幅の部分の表 面と整列している。ベース２は上向きの円形棚部２０をもち、この棚部は最大幅 の部分におけるベース２の周囲とベース２の環状領域２４の垂直壁２２の間に延 在する。棚部２０、保持リング１６及び壁１０は協働して環状凹部２５を画成し かつチャンバ６の側面を画成する。環状壁の形をなす感知素子３０は環状凹部内 に配置される。ポリウレタン又はシリコンゴムの如きエラストマーは外皮３２と して付着され、この外皮は保持リング１６、感知素子３０及びベース２を取り囲 んで、これらと流体密封状の掛合をなす。 感知素子３０は４個の均等に離間した内向きの突出部を形成されている。２個 の突出部３４と３６を図１に示す。各突出部３４、３６はねじ山付き通路をその 中にもち、前記通路は前記突出部の最内部分と、感知素子３０とエラストマー外 皮３２に形成された関連するアクセス孔との間に延在する。ねじ山付き調節素子 ３８、４０は感知素子３０の内向きに突出する調節突出部を提供する。素子３８ 、４０の調節後、その外面はエラストマープラグと接着剤によって環境に対して 密封される。 壁１０中の各凹部は可撓性ダイアフラム上に設けた圧電トランスジューサを担 持する。２つのトランスジューサ４２、４４は図１に示す。ねじ山付き素子３８ はトランスジューサ４２に対して当接するように調節される。同様に、ねじ山付 き素子４０はトランスジューサ４４に対して当接するよう調節される。 感知素子３０の最下部分は壁２４を取り囲み、その結果、感知素子３０の運動 は素子３０と壁２２が衝合することによって制限される。ねじ山付き素子３８と ４０は夫々トランスジューサ４２と４４との接触を常に維持するように置かれる 。同様な考えは図１の平面より上と下にある他のトランスジューサにも当て嵌ま る。 対向する圧電トランスジューサからの信号はセンサーの出力間に差を作るよう 処理される。圧電センサー４２、４４と処理電子装置８間の結線はＤＩＦＡＲセ ンサー装置内に囲まれ、それ故環境から保護される。 リングシール５０はチャンバ６内への流体の侵入を防止するよう頂部４と保持 リング１６間に設けられる。 音圧波を直接測定する別の全方向式水中聴音器５２はベース２中に形成された 凹部内に備えられる。 ベース２、リング１６及び感知素子３０はアルミニウムで作られるが、頂部４ は亜鉛で作られる。感知素子３０は慣性質量（即ちベース２、頂部４及びリング １６）の質量のほぼ１０分の１の質量をもつ。 音圧波の伝搬は音圧波が伝搬する媒体中に局部粒子速度の変動を生じる。粒子 速度は音圧に直接関連するベクトル量であり、音響伝搬方向に対して敏感である 。これはスカラー量であるので方向情報を与えない音圧とは本質的対照をなすも のである。感知素子３０は局部的粒子速度の変動に応答することができる。物体 が中性浮力に接近するにつれて、物体は局部的粒子速度で動く傾向があり、その 結果、感知素子３０は音界の存在で動く傾向がある。底部２、頂部４及びリング １６によって形成される慣性質量と処理電子装置は乱されない状態に留まる傾向 があり、それ故、音圧波は感知素子３０と慣性質量間に相対運動を引き起こすだ ろう。この運動は圧電センサーと感知素子３０間に延在するねじ山付き素子を経 て圧電センサーに伝達され、その結果、電気信号が感知素子の相対運動に応答し て発生させられる。１対の圧電センサーを慣性質量内で互いに斜めに対向するよ う配置することによって、対向する圧電センサー間のラインに沿う外殻の変位が センサーを反対向きに逸らせる。もし対向する圧電素子が互いに反対の偏波方向 で取り付けられるならば、感知素子３０の運動から生じる信号は積極的に加える よう取決められる。 ４個の等間隔をおいたセンサーをＤＩＦＡＲセンサー内に設けることによって 、感知素子３０の変位は、直交する方向に沿う変位の比率から音響伝搬のライン を限定するように２つの直交する方向に分解することができる。これは伝搬ライ ンの方向のあいまいさを残す。しかし、これは音圧波を直接測定する慣例の水中 聴 音器の追加によって解決できる。更に、ＤＩＦＡＲセンサーの本体内に磁気コン パスを含むことによって、伝搬方向を磁気ベアリングに関連付けることができる 。２つの直交するセンサー（センサー対によって形成される）に全方向式水中聴 音器を加わえた組み合わせは慣例のＤＩＦＡＲソノブイにおいて既知である。 図２は本発明の別の実施例を示す。図２に示すように、慣性質量は上部分６０ と下部分６２に分割され、これらの部分は着脱自在に互いに結合されてチャンバ ６４を画成する。慣性質量下部分６２は下方に延在する円筒形部分６６をもち、 この円筒形部分はその周囲に等間隔をおいた４つのダイアフラムを担持し、各ダ イアフラムは圧電トランスジューサを担持する。感知素子３０はドームを形成す るよう端キャップ３０′を備えることによって変更される。前記ドームは容積６ ９を囲む。ドーム３０はピン６８と７０上に支持され、前記ピンは感知素子の壁 の最上部分に形成された開口７１、７２を通して延在して、慣性質量部分６０、 ６２内の位置決め凹部内に保持される。感知素子３０は４個のねじ山付き調節器 を担持し、前記調節器はダイアフラムに当接するように配置されかつ図１に示す 実施例に関して記載した如き手法でダイアフラムを逸らせるように配置される。 感知素子３０は領域６６を取り囲む円筒形空洞を形成されており、かつ慣性質量 ６２に対する感知素子３０の相対運動を、運動限界を確定するよう前記部分６６ に衝合することによって、制限する働きをする。全方向式水中聴音器７３は音波 伝搬の実際の方向を決定できるようにＤＩＦＡＲセンサーに取付けられる。Ｏリ ングシール７４は慣性質量下部素子６２と感知素子３０の上部壁部分間の環状間 隙内に置かれる。Ｏリングは流体密封シールを形成する。感知素子３０と慣性質 量下部素子６２間の容量６９は、感知素子３０の振動を減衰させる制御手段を提 供するために、空気を充填してもよく、感知素子３０中に形成した孔を介して周 囲媒体を充填してもよく或いはシリコンオイルの如きオイルを充填してもよい。 感知素子３０は慣性質量に比して軽く、音圧波に応答して容易に動かされる。こ のことは、ＤＩＦＡＲ水中聴音器が良好な感度をもつことを可能にする。 図１、２に示した各実施例では、感知素子３０の質量は慣性質量の質量のほぼ １０分の１である。 従って、敏感な、丈夫な、製造が比較的簡単なＤＩＦＡＲを提供することがで きる。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年３月１２日 【補正内容】 請求の範囲 １．慣性質量（２、４；６０、６２）を含むＤＩＦＡＲセンサーにおいて、感知 素子（３０）が容積（２５；６９）を取り囲む壁部分を含み、前記壁部分に周囲 媒体が圧力を及ぼし、前記壁部分はそれに作用する音圧波に応答して変位を受け ；更に、２つの互いに直交する方向に沿う慣性質量に対する感知素子の運動を感 知するためのセンサー（４２、４４）を含み、感知素子の質量は慣性質量の質量 より小さいことを特徴とするＤＩＦＡＲセンサー。 ２．慣性質量（２、４；６０、６２）の質量は感知素子の質量の１０倍より大き いこと特徴とする請求項１に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ３．前記壁部分は慣性質量（２、４；６０、６２）と同軸に取り付けられた円筒 形壁であること特徴とする請求項１又は２に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ４．感知素子（３０）は一体に形成された端キャップ（３０′）をもつこと特徴 とする請求項１から３の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ５．感知素子（３０）は慣性質量を形成するよう協働する対向するセンサー端部 分（２、４）間に置かれた環状リングを含むこと特徴とする請求項１から３の何 れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ６．感知素子（３０）は慣性質量（２、４；６０、６２）と浮動接触しているこ と特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ７．感知素子（３０）はエラストマー素子によって慣性質量（２、４；６０、６ ２）に連結されており、前記エラストマー素子は慣性質量に対して予定の休止位 置に向かって感知素子を押圧する働きをするが、また感知素子（３０）と慣性質 量（２、４；６０、６２）間に限定された相対運動を許すこと特徴とする請求項 １から６の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ８．感知素子（３０）は夫々のセンサーと協働する径方向内向きの突出部（３４ 、３６）を担持すること特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のＤＩＦ ＡＲセンサー。 ９．突出部（３４、３６）は調節手段を担持し、それによって、感知素子（３０ ）がその休止位置にある間に関連するセンサーに及ぼされる力が調節されるこ と特徴とする請求項８に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １０．ＤＩＦＡＲセンサーが組み立てられた後に調節をなすことができるように 前記調節手段は感知素子（３０）に形成されたアクセスポートを介して調節でき ること特徴とする請求項９に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １１．センサー（４２、４４）は歪みゲージ又は変位センサーとすること特徴と する請求項１から１０の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １２．センサーは非接触モードで作動すること特徴とする請求項１から８の何れ か１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １３．センサーは光学的、電気的、磁気的又は容量性センサーとすること特徴と する請求項１２に記載のＤＩＦＡＲセンサー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バッキンガム デイヴィッド エドウィン ジェームス イギリス国 ミドルセックス ユービー６ ８ユーエイ グリーンフォード ブリッ ドポート ロード（番地なし）ウルトラ エレクトロニクス リミテッド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．慣性質量（２、４；６０、６２）を含むＤＩＦＡＲセンサーにおいて、感知 素子（３０）が容積（２５；６９）を取り囲む壁部分を含み、前記壁部分に周囲 媒体が圧力を及ぼし、前記壁部分はそれに作用する音圧波に応答して変位を受け ；更に、２つの互いに直交する方向に沿う感知素子の運動を感知するためのセン サー（４２、４４）を含み、感知素子の質量は慣性質量の質量より小さいことを 特徴とするＤＩＦＡＲセンサー。 ２．慣性質量（２、４；６０、６２）の質量は感知素子の質量の１０倍より大き いこと特徴とする請求項１に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ３．前記壁部分は慣性質量（２、４；６０、６２）と同軸に取り付けられた円筒 形壁であること特徴とする請求項１又は２に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ４．感知素子（３０）は一体に形成された端キャップ（３０′）をもつこと特徴 とする請求項１から３の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ５．感知素子（３０）は慣性質量を形成するよう協働する対向するセンサー端部 分（２、４）間に置かれた環状リングを含むこと特徴とする請求項１から３の何 れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ６．感知素子（３０）は慣性質量（２、４；６０、６２）と浮動接触しているこ と特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ７．感知素子（３０）はエラストマー素子によって慣性質量（２、４；６０、６ ２）に連結されており、前記エラストマー素子は慣性質量に対して予定の休止位 置に向かって感知素子を押圧する働きをするが、また感知素子（３０）と慣性質 量（２、４；６０、６２）間に限定された相対運動を許すこと特徴とする請求項 １から６の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 ８．感知素子（３０）は夫々のセンサーと協働する径方向内向きの突出部（３４ 、３６）を担持すること特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のＤＩＦ ＡＲセンサー。 ９．突出部（３４、３６）は調節手段を担持し、それによって、感知素子（３０ ）がその休止位置にある間に関連するセンサーに及ぼされる力が調節されるこ と特徴とする請求項８に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １０．ＤＩＦＡＲセンサーが組み立てられた後に調節をなすことができるように 前記調節手段は感知素子（３０）に形成されたアクセスポートを介して調節でき ること特徴とする請求項９に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １１．センサー（４２、４４）は歪みゲージ又は変位センサーとすること特徴と する請求項１から１０の何れか１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １２．センサーは非接触モードで作動すること特徴とする請求項１から８の何れ か１項に記載のＤＩＦＡＲセンサー。 １３．センサーは光学的、電気的、磁気的又は容量性センサーとすること特徴と する請求項１２に記載のＤＩＦＡＲセンサー。