(57)【要約】  本発明は、音響ベクトルセンサに向けられており、特に、水中音響ベクトルセンサに向けられたものである。その音響ベクトルセンサは、強固なハウジングの内側に互いに直交するように取り付けられた3つの圧電センサを含み、その圧電センサの各々は、3つ異なる、直交する軸方向(X,Y,及びZ)の一つからの音響エネルギーを測定する。圧電センサは、プルーフマス、ベース、及びそれらの間に挟まれた圧電結晶を含む。プルーフマス、及びベースの接着面は、凹凸があることが好ましく、かつ、圧電結晶は、剪断(d15)緩和型単結晶であることが好ましい。
2007532016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プルーフマス、
ベース、及び
前記プルーフマスと前記ベースとの間の圧電結晶、
を備え、前記圧電結晶と前記プルーフマスとの間、及び/又は前記圧電結晶と前記ベースとの間の接着面は凹凸があることを特徴とする、圧電センサ。
【請求項２】
前記圧電結晶は、剪断(d15)緩和型単結晶である
ことを特徴とする、請求項1に記載のセンサ。
【請求項３】
前記圧電結晶は、<111>に沿って分極したPMN-PT結晶であり、角度
2007532016.tif 000011
で、そのX軸のまわりを回転する
ことを特徴とする、請求項1に記載のセンサ。
【請求項４】
前記凹凸のある部分は、前記圧電結晶と接触している前記プルーフマスの表面、及び/又は前記ベースの表面から隆起した突出部を備える、
ことを特徴とする、請求項1に記載のセンサ。
【請求項５】
３つの請求項1に記載の圧電センサ、
を備えることを特徴とする、音響ベクトルセンサ。
【請求項６】
前記圧電結晶は、剪断(d15)緩和型単結晶である
ことを特徴とする、請求項5に記載のセンサ。
【請求項７】
前記圧電結晶は、<111>に沿って分極したPMN-PT結晶であり、角度
2007532016.tif 000012
で、そのX軸のまわりを回転する
ことを特徴とする、請求項5に記載のセンサ。
【請求項８】
前記凹凸のある部分は、前記圧電結晶と接触している前記プルーフマス、及び前記ベースの表面から隆起した突出部を備える
ことを特徴とする、請求項5に記載のセンサ。
【請求項９】
前記3つの圧電センサは、強固なハウジング内に取り付けられる
ことを特徴とする、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ハウジングは密封され、水中で中性浮力を保持する
ことを特徴とする、請求項9に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記ハウジングは、対象の最高周波数の半波長より小さい、或いはそれと等しい大きさにされる
ことを特徴とする、請求項9に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記3つの圧電センサの各々が、前記3つの軸方向(X,Y,及びZ)の一つからの音響エネルギーを検出する
ことを特徴とする、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記3つの圧電センサは、互いに対して直交するように取り付けられる
ことを特徴とする、請求項5に記載のセンサ。
【請求項１４】
プルーフマス、
ベース、及び
前記プルーフマスと前記ベースとの間の圧電結晶、
を備え、前記圧電結晶は、剪断(d15)緩和型単結晶であることを特徴とする、圧電センサ。
【請求項１５】
前記圧電結晶は、<111>に沿って分極したPMN-PT結晶であり、角度
2007532016.tif 000013
で、そのX軸のまわりを回転する
ことを特徴とする、請求項14に記載のセンサ。
【請求項１６】
3つの請求項1に記載の圧電センサ、
を備えることを特徴とする、音響ベクトルセンサ。
【請求項１７】
前記圧電結晶は、<111>に沿って分極したPMN-PT結晶であり、角度
2007532016.tif 000014
で、そのX軸のまわりを回転する
ことを特徴とする、請求項16に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記3つの圧電センサは、強固なハウジング内に取り付けられる
ことを特徴とする、請求項16に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記ハウジングは密閉され、水中で中性浮力を保持する
ことを特徴とする、請求項18に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記ハウジングは、対象の最高周波数の半波長より小さい、或いはそれと等しい大きさにされる
ことを特徴とする、請求項18に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記3つの圧電センサの各々は、前記3つの軸方向(X,Y,及びZ)の一つからの音響エネルギーを検出する
ことを特徴とする、請求項16に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記3つの圧電センサは、互いに対して直交するように取り付けられる
ことを特徴とする、請求項16に記載のセンサ。
【請求項２３】
a)水中で中性浮力を維持する、密閉された強固なハウジング、及び
b)各々が、
i)プルーフマス、
ii)ベース、及び
iii)前記プルーフマスと前記ベースとの間の剪断(d15)緩和型単結晶、
を含む、前記強固なハウジングの内側に、互いに直交するように取り付けられた3つの圧電センサ、
を備え、前記圧電結晶と前記プルーフマスとの間、及び/又は前記結晶と前記ベースとの間の接着面が凹凸があることを特徴とする、音響ベクトルセンサ圧電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響ベクトルセンサに向けられたものであり、特に、水中音響ベクトルセンサに向けられたものである。
【０００２】
(政府権利の陳述)
本発明につながる作業は、一部分、海軍ONR契約書第N66604-03-C-1309号によりサポートされた。米国政府は、本発明について、一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
慣性加速度計が、水中音響圧力勾配(ベクトル)センサにおける検出要素として使用されている。従来は、PZT圧電セラミックスが、検出材料として使用された。緩和型単結晶にくらべて圧電特性が減少するため、PZTを使用するベクトルセンサは、低信号対雑音比で狭い帯域幅において、適している。
【０００４】
最近、ベクトルセンサ設計において緩和型単結晶を利用することが、試みられた。横拘束効果、及び大きな横応答というような、緩和型結晶の悪影響を和らげる良い解決策もなく、これらの努力は、これまで、殆ど改善されない、及び/又は非常にもろい検出構造を持つベクトルセンサに終わっていた。
【０００５】
Lee及び他著の米国特許第6,038,924号は、3つの圧電検出要素を備える震動加速度計を開示しており、この各要素は、特定の方向X,Y,又はZから加速度計に加えられた慣性力を検出する。各検出要素はまた、ベース、圧電検出要素、及びマス、を持つスタッキング構造を有する。
【０００６】
Armstrong及び他著の米国特許第4,928,263号は、圧電セラミックを活性材料として使用した、加速度計に基づく水中マイクロホンを開示する。水中マイクロホンは、慣性マスを共有し、圧力容器に収められる、互いに直交するように配置された加速度計を備える。
【０００７】
Cray著の米国特許第6,370,084号は、音響効果検出三軸加速度計、加速度計を包むシンタクチックフォーム体、そのシンタクチックフォーム体を包む粘弾性ゴム体、及びその粘弾性ゴム体を包む固いプラスチックコーティング、を備える音響ベクトルセンサを開示している。粘弾性体は、音響学的に透過であり、加速度計、及びシンタクチックフォーム球をその取り付けから切り離し、加速度計を、センサ近くの支持構造からの、構造によって伝わる曲げ振動から遮断する。
【０００８】
Cray及び他著の米国特許第6,697,302号は、配置点における音響分野の最高７つまでの量を測定する水中音響センサを開示する。音響受信機センサによって測定される量は、音響圧力、音響粒子加速度の3つの直交成分、及びその加速度ベクトルの3つの空間勾配である。次に、これらの量を組み合わせて、音響受信機センサの指向性の改善を提供する。
【０００９】
前の全ての解決策は、高い雑音レベル、及び狭い周波数帯域幅に苦しむ。
【００１０】
(発明の要約)
従って、高い雑音レベル、及び狭い帯域幅という不利な点なく、緩和型結晶の利点を持つセンサを提供することが、本発明の目的である。上記及びその他の目的を実現するために、本発明は、剪断(d15)緩和型単結晶を使用する。他の改良点はまた、クランピング効果を緩和するための凹凸のある取り付け表面、及び横圧電応答を取り除くための、回転角
2007532016.tif 000003
で与えられる結晶の配向、を含む。
【００１１】
本発明の圧電センサは、プルーフマス、ベース、及びそれらの間に挟まれた圧電結晶を備える。プルーフマス、及びベースの接着面は、凹凸があることが好ましい。及び、圧電結晶は、剪断(d15)緩和型単一結晶であることが好ましい。
【００１２】
本発明の音響ベクトルセンサは、強固なハウジング上に互いに直交するように取り付けられた3つの圧電センサを備える。その3つの圧電センサの各々は、３つの異なる直交する軸方向(X,Y,及びZ)の一つからの音響エネルギーを測定する。
【００１３】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
本発明の実施形態では、横拘束(クランピング効果)緩和機構、及び本発明の緩和型結晶の特定された最適な配向と結合された、最高圧電係数を持つ剪断(d15)緩和型単結晶を利用することにより、ずっとより高い信号対雑音比、及びより広い周波数帯域を持つベクトルセンサを実現することができる。
【００１４】
本発明は、緩和型単一結晶の非常に高い圧電剪断係数(d15)を利用し、かつ、悪影響、すなわち横拘束(クランピング)効果、及び横応答効果、を取り除く独特の手法を用いる。従って、高い信号対雑音比、及び広い帯域幅を持つミニチュアベクトルセンサが実現される。
【００１５】
単純剪断圧電慣性積層が、基本検出要素として選択される。図Iにおいて100で示されるこの積層は、プルーフマス102、剪断緩和型結晶プレート104、及びベース106を含む。その積層設計には、2つの独特の特徴が組み込まれており、それらは図2に示されており、図2は、プルーフマス202、剪断緩和型結晶プレート204、及びベース206を含む積層200を示している。第一の特徴は、接着面208,210が凹凸がある、すなわち、マス及びベースの接着面上に隆起された突出部が作られる、ということである。引用により本出願に組み入れられる、Deng及び他著の米国特許第6,715,363号により、接着面上に凹凸のパターンを作ることができる。この特徴は、結晶上の接着領域を大幅に減らすことができ、そうすることは、緩和型結晶の横拘束の悪影響を効果的に和らげるであろう。結果として、検出構造の圧電出力は、大幅に改善される。第二の特徴は、緩和型剪断結晶プレート204が、一方向(図2ではY軸)に最大圧電応答を生み出し、他の2つの直交する方向(図2ではX及びZ軸)に最小圧電出力を生み出すだけとなるように、特別な配向でカットされる、ということである。この特別な配向についての詳細な情報を、以下に示す。
【００１６】
前記の積層200の3つは、強固なハウジング(ベース)302上に、互いに直交するように取り付けられて、ベクトルセンサ300を形成し、これは図3に示されるが、積層200の各々は、3つの異なる直交する軸方向(X,Y,及びZ)の一つからの音響エネルギーを測定する。さらに、センサハウジング302は、積層200の残りの部分より強固である(或いは、積層の共振より高い共振を持つ)ことが好ましい。図3に示すような本発明の実施形態では、ハウジング302はまた、積層200のベースとして働くこともできる。しかしながら、そのかわりに、各積層に対して別個のベースを構成し、ハウジング302上に取り付けることもできる。密閉されたハウジング302は、水中において、ほぼ中性の浮力を維持するように設計されることが好ましい。好ましい実施形態では、密閉センサ300の特徴サイズは、対象の最高周波数の半波長に等しい、あるいはそれより小さい。センサ300は、水中に沈められると、自由に浮遊することができ、それによって、音響粒子の移動が次に続く。その結果として、音響波の圧力勾配(加速度)を、3つの対応する積層(図3におけるX,Y,Zの検出方向)によって測定することができる。
【００１７】
古い方法は、3つの独立した圧電慣性センサを用い、水よりずっと軽い材料内に、それらを一緒に入れた。これとは対照的に、本発明は、強固な密閉容器上に、直接、3つの圧電検出構造を取り付ける。一品としてまとめられる取り付け構造、及びハウジングの共振は、検出構造自身より高くなるように設計される。さらに重要なことには、剪断検出積層に組み込まれる2つの重要な特徴があり、その第一は、特有の凹凸の接着面であり、第二は、最適にカットされた結晶プレートである。これらの両方の特徴は、センサの設計に依って、一緒に、或いは独立して用いることができる。
【００１８】
単純でコンパクトな検出構造は、最も重量効率の良い設計を可能にする。凹凸の接着面は、緩和型結晶の横拘束効果を効果的に緩和し、さらに、良い接着保全性を確実にする。緩和型結晶プレートの最適なカットは、ベクトルセンサにとって重要な、良い検出指向性を保証する。
【００１９】
以下は、一方向において最大圧電応答を生み出し、他の2つの直交する方向において最小圧電出力を生み出す、特定の結晶配向を説明する。
【００２０】
剪断PMN-PT結晶の例外的な圧電特性を、以下の表1に示す。
表1：3つのモードの典型的な圧電特性
2007532016.tif 000004
【００２１】
全てのモードの中で、剪断の圧電係数d15が最も高い値を持つ。それは、多くのセンサ、及びアクチュエータの応用例に恩恵を与えることができるであろう。
【００２２】
以下の表2は、<111>方向に分極したPMN-PT結晶の圧電マトリクスを示している。
表2：  3m結晶クラスの圧電マトリクス
2007532016.tif 000005
【００２３】
標準のカットでは、かなりの横圧電効果が存在する。<111>方向に分極した緩和型結晶の基準座標系を図4に示す。
【００２４】
様々な配向における圧電テンソルの変換は、以下のようである。見かけの圧電行列(dij)は、実際には階数3のテンソル(dimn)であり、それらの間の添字変換を、以下の表3に示す。
表3：  dimn及びdijについての添字変換方式
2007532016.tif 000006
【００２５】
回転後の新しい圧電テンソルは、
d'ijk=αij・αkn・dlmn
で計算される。ここで、
αijは、方向余弦、
添字ij,k,l,m,n = 1,2,3、
d'ijk = 回転後の圧電係数、及び
dlmn = 回転前の圧電係数、
である。
【００２６】
図5に示すような、横圧電効果がゼロの場合の最適な配向は、角度
2007532016.tif 000007
でX軸のまわりを回転させることにより、与えられる。
【００２７】
その回転の前及び後のd行列を与えるが、ここで、*は、ゼロでない値を持つ要素を示している。
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【００２８】
本発明の概念は、表1に示す構成を持つ試験構造(慣性剪断積層)を使って、実験に基づいて検証された。その結果を、以下の表4に示す。
表4：  従来のカット、及び新しいカットのPMN-PT剪断プレートを使った
慣性積層の試験結果
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【００２９】
本発明の好ましい実施形態を上で示す一方で、当業者は、他の実施形態も本発明の技術的範囲内で実現できるということを認識し、従って、それらは、正規の出願に示される特許請求の範囲によってのみ限定されると、解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】剪断慣性センサ積層を示している。
【図２】凹凸のある接着面、及び最適なカットの緩和型結晶プレートを持つ、剪断慣性センサ積層を示している。
【図３】ベクトルセンサ内に組み込まれた、3つのそのようなセンサ積層を示している。
【図４】結晶の座標系を示している。
【図５】結晶の最適な回転を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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