CN101059367B - 振动传感器及振动检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测振动物体(50)振动的振动传感器(1)包括多个检测元件(10)。每个检测元件(10)包括与振动物体(50)分开设置振动部分(20)、将振动从振动物体(50)传递到振动部分(20)的传递部分(11a)，以及设置在振动部分(20)的振动面上的检测部分(19)。检测部分(19)输出与振动部分(20)的共振对应的电信号。检测元件(10)的振动部分(20)中的至少两个具有彼此不同共振频率。
Description
技术领域
本发明涉及振动检测传感器及振动检测方法。振动检测传感器安装在振动物体上，并且检测振动物体产生的振动。
背景技术
用于检测发动机爆振的爆振传感器，即振动传感器，安装在例如车辆发动机的气缸体上。
JP-A-9-126876公开了包括基座、硅半导体基板、振动部分和配重的振动传感器。基板设置在基座上，并且振动部分与基板结合。振动部分根据爆振而移动。配重布置在振动部分上，使得振动部分随着爆振产生共振。
振动传感器检测由于振动部分的共振引起的爆振。因此，设定振动部分和配重使得振动部分的自然频率与爆振的频率一致。
然而，因为需要根据发动机的类型设定配重，所以需要多种配重对应于多种发动机。因此振动传感器产量和一般通用性较低。
此外，振动传感器仅检测根据发动机设定的窄频率范围内的振动。因此，难以检测除了爆振之外的其它因素引起的非爆振，并且振动传感器难以将爆振与通常的噪音分开。
发明内容
考虑到上述和其它问题，本发明的目的是提供振动检测传感器和振动检测方法。根据该传感器和方法，可以检测宽频率范围内的振动。
根据本发明的第一实施例，振动传感器检测振动物体的振动。振动传感器包括多个检测元件。每个检测元件包括振动部分、传递部分和检测部分。振动部分设置为与振动物体分开。传递部分设置在振动物体与振动部分之间。传递部分将振动物体的振动传递给振动部分。检测部分设置在振动部分的振动面上。检测部分输出与振动部分的共振对应的电信号。至少两个检测元件的振动部分具有彼此不同共振频率。
根据本发明的第二实施例，振动检测方法包括变化步骤和检测步骤。在变化步骤中，振动部分的共振频率在预定的变化范围内周期性地改变。在检测步骤中，当振动的频率与共振频率一致时，检测振动部分的共振。
根据本发明的第三实施例，用于检测振动物体振动的振动传感器包括振动检测元件。该振动检测元件包括与振动物体分开设置的振动部分，以及设置在振动物体与振动部分之间的传递部分。传递部分将振动物体的振动传递给振动部分。振动部分具有共振频率改变部分，该部分在预定范围内周期性地改变共振频率。当振动的频率与共振频率一致时，振动部分随着振动产生共振。振动部分包括检测部分，该检测部分检测振动部分的共振，并且输出与振动部分的共振对应的电信号。
因此，可以检测宽频率范围内的振动。
附图说明
参考附图、阅读下面的详细说明，可以更好地理解本发明的上述和其它目的、特征和优势。在附图中：
图1A是示出根据本发明第一实施方式的振动传感器的检测元件的平面图，图1B是沿图1A中的线IB-IB获得的剖视图；
图2是示出安装到车辆发动机上的振动传感器的剖视图；
图3是示出第一实施方式的改型振动传感器的剖视图；
图4是示出根据第二实施方式的振动传感器的检测元件的剖视图；
图5A是示出第二实施方式的振动传感器的剖视图，图5B是示出振动传感器中时间和共振频率之间的关系图；和
图6A是示出第二实施方式的改型振动传感器的剖视图，图6B是示出改型振动传感器中时间和共振频率之间的关系图，以及图6C是另一个示出改型振动传感器中时间和共振频率之间的关系图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图2所示的振动传感器1安装在车辆的发动机箱上，并且在第一实施方式中检测发动机爆振。
下面将参考图1A和图1B说明振动传感器1的检测元件10。检测元件10包括四边形的半导体基板15，该基板15具有绝缘体上覆硅(SOI)的结构，其中硅基座11、第一绝缘膜12、硅活性层13和第二绝缘层14按此顺序层叠。
如图1B所示，采用微机电系统(MEMS)技术使基座11的大致中央部分去掉四边形形状。从而在硅基座11中形成框架形传递部分11a和薄膜状梁11b。薄膜状振动部分20由对应于传递部分11a所包围的孔的位置的梁11b、第一绝缘膜12、硅活性层13和第二绝缘层14构成。此处，传递部分11a将振动部分20与振动物体连接，并且将振动物体产生的振动传递给振动部分20。
压电检测部分19设置在第二绝缘膜14上。检测部分19包括位于底部电极17与顶部电极18之间的压电薄膜16。压电薄膜16由例如锆钛酸铅(PZT)制成。作为选择，薄膜16可以由氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)或者钽酸锂(LT)制成。作为选择，薄膜16可以由有机膜例如聚偏二氟乙烯或者共聚物(例如聚偏氟乙烯-三氟乙烯或四氟乙烯)等制成。
当振动物体(例如发动机)产生爆振时，振动部分20接收到振动，并且在预定共振频率下随着该振动共振。振动部分20由于共振产生的变形通过检测部分19转换为电压信号。然后，检测部分19输出电压信号。从而，可以检测振动。因为振动部分20通过MEMS技术形成为较薄，并且由传递部分11a支撑，所以振动部分20的变形可以变得更大。因此，检测灵敏度可以得以改进。
检测元件10的共振频率可以通过振动部分20的厚度而改变。在硅基座11具有预定厚度的情形下，当梁11b变厚以后，检测元件10的共振频率变高。也就是说，检测元件10的共振频率可以通过梁11b的厚度而改变。从而，检测元件10可以具有预定共振频率。
如图2所示，多个检测元件10(10a、10b、10c)一体形成在单个基板15中。在第一实施方式中，例如，九个检测元件10以3×3的阵列布置。
检测元件10a、10b、10c设置在外壳80中，传递部分11a安装在外壳80的内表面80i上。也就是说，振动部分20不与外壳80接触。外壳80设置在内燃机50上，使得与内表面80i相对的面与发动机50接触。
梁l 1b按照检测元件10a、10b、10c的顺序变厚，从而振动部分20的共振频率按照检测元件10a、10b、10c的这种顺序变高。举例来说，检测元件10b的振动部分20的共振频率对应于将要检测的爆振的频率。
此处，检测元件10的共振频率设定为覆盖宽频率范围，例如从几kHz到几MHz，其中包括爆振的频率。从而，振动传感器1可以检测宽频率范围内的振动。因此，当发动机50更换为另一发动机时，不需要根据另一发动机产生的爆振来调整振动传感器1。此外，振动传感器1可以准确地检测不同于爆振的其它振动。
在第一实施方式中，检测元件10的数量是九个。然而，检测元件10的数量不限于九个。检测元件10不限于布置为3×3的阵列。作为选择，每个检测元件10可以形成传感器芯片，并且多个芯片可以连成阵列。
每个检测元件10与基座11上的电路元件21电连接。每个检测部分19将电信号输出给电路元件21，电路元件21基于该信号执行计算。然后，电路元件21将计算结果输出给电控单元(ECU)作为振动信号。该ECU与电路元件21电连接。作为选择，电路元件21可以与检测元件10分开设置。
发动机50产生的爆振从发动机50传递给外壳80，通过每个传递部分11a进一步传递给每个检测元件10。然后，在多个振动部分20中，只有能随着爆振共振的振动部分20可以产生共振。举例来说，只有检测元件10b的振动部分20随着爆振共振。在这种情形下，检测元件10a、10c的振动部分20不随着爆振共振。从而，可以准确地检测爆振的频率。这时，从检测元件10a、10c输出的信号可以作为噪音(杂波)部分除去。从而，振动传感器1的检测准确度可以得以改进。
检测元件10的形状不限于上述形状。作为选择，如图3所示，传递部分11a可以不形成于基座11中。在这种情形下，可以通过在外壳80中设置孔80a来形成梁11b。因为孔80a的位置对应于振动部分20的位置，所以梁11b和外壳80之间由于孔80a而形成间隔，并且振动部分20的端部由外壳80支撑。从而，可以提供与检测元件10具有传递部分11a的情形下同样的优势。
在第一实施方式中，压电检测部分19设置在检测元件10的振动部分20上。作为选择，面向彼此且相互间隔一定距离的一对电极可以设置在振动部分20上作为电容检测部分。在这种情形下，振动部分20的共振通过一对电极之间的电容变化来检测。
根据第一实施方式，因为检测元件10中的振动部分20的厚度不同，所以检测元件10之间的共振频率不同。因此，可以检测具有不同频率的多个振动。因为振动传感器1可以检测宽频率范围内的振动，所以不需要根据将要检测的爆振频率来调整振动传感器1。此外，振动传感器1可以检测不同于爆振的振动。并且，因为共振频率通过振动部分20的厚度而改变，所以可以在每个检测元件10中准确且容易地设定共振频率。并且，由于结构简单，可以降低振动传感器1的制造成本。
每个振动部分20以薄层的形式形成在半导体基板15中，并且可以随着爆振产生共振。因此，可以增大从每个检测部分19输出的电信号的强度。也就是说，振动传感器1的灵敏度可以得以改进。此外，因为检测部分19包括电极17、18和位于电极17、18之间的压电薄膜16，所以共振频率可以具有尖峰。因此，因为检测部分19具有高灵敏度，所以振动传感器1的灵敏度可以进一步得以改进。
图2所示实施例中的振动传感器1的尺寸可以减小，这是因为振动部分20和传递部分11a形成在单个基板15中。从而，振动传感器1可以自由地安装在发动机50上作为爆振传感器。因此，振动传感器1可以安装于适当的位置以便检测爆振。这样，振动传感器1的灵敏度可以进一步得以改进。
(第二实施方式)
在第二实施方式中，图5A和图6A所示的振动传感器2至少包括图4所示的电容检测元件30。电容检测元件30通过电容的变化来检测振动，而第一实施方式中的检测元件10通过压电检测振动。
如图4所示，基座11的大致中央部分被去掉横截面为四边形的形状，从而使传递部分11a形成为框架形。第一绝缘膜12布置在传递部分11a上。四边形薄膜状第一检测电极31通过第一绝缘膜12布置在传递部分11a上，以覆盖由传递部分11a所包围的孔。第一检测电极31由导电材料，例如多晶硅制成。第二检测电极32通过其间尺寸为G的缝隙布置在第一检测电极31的上方。第二检测电极32具有通孔32a以减小空气阻尼。电极对，即第一检测电极31和第二检测电极32，形成电容器，并且通过电容的变化来检测振动部分40的变形(振动)。
振动部分40包括第一检测电极31、第二绝缘膜14、第一缝隙控制电极33(第一控制部分)、第三绝缘膜34、第二缝隙控制电极35(第二控制部分)、第四绝缘膜36和第二检测电极32。第二绝缘膜14、第一缝隙控制电极33、第三绝缘膜34、第二缝隙控制电极35和第四绝缘膜36分别形成框架形，并且按此顺序层叠在第一检测电极31和第二检测电极32之间。
检测电极31、32之间的沿膜堆叠方向的尺寸G通过第一缝隙控制电极33与第二缝隙控制电极35之间的静电力而改变。也就是说，由于缝隙控制电极33、35，检测电极31、32可以移动。
为了在缝隙控制电极33、35之间产生静电力，第三绝缘膜34覆盖第一缝隙控制电极33的外围部分和第二缝隙控制电极35的外围部分。这样，第一缝隙控制电极33和第二缝隙控制电极35面向彼此，并且相互间隔开以限定间隙。
振动部分40的共振频率可以通过检测电极31、32的变形(弯曲)而改变。当将电压施加在缝隙控制电极33、35之间时，缝隙控制电极33、35之间产生静电作用。从而，缝隙控制电极33、35相互吸引。这样，检测电极31、32之间的尺寸G减小，并且检测电极31、32的变形给检测电极31、32施加压力。从而，由于检测电极31、32的表面刚度增大，所以振动部分40的共振频率变高。也就是说，缝隙控制电极33、35控制检测电极31、32的变形。可以通过检测电极31、32两者的变形来控制振动部分40的共振频率。作为选择，可以通过第一检测电极31和第二检测电极32两者之一的变形来控制振动部分40的共振频率。
如图5A所示，检测元件30设置在外壳80中，传递部分11a安装在外壳80的内表面80i上。检测元件30与基座11上的电路元件21电连接。从振动部分40输出的电压信号输入到电路元件21中。电路元件21基于电压信号执行计算，并且将计算结果输出给ECU作为振动信号。此外，电路元件21通过改变施加在缝隙控制电极33、35之间的电压来控制检测电极31、32之间的尺寸G。从而，可以根据预定的控制模式改变振动部分40的共振频率。
与第一实施方式类似，发动机50产生的爆振传递给检测元件30。然后，振动部分40振动，检测电极31、32之间的尺寸G根据振动部分40的振动频率而改变。从而，因为由第一检测电极31和第二检测电极32构成的电容器的电容发生改变，所以可以检测爆振。
此处，检测元件30的共振频率在预定变化范围内周期性地改变。当爆振频率与共振频率一致时，振动部分40随着爆振产生共振。从而，振动部分40的共振的振幅增大，并且尺寸G的变化增大。这样，电容的变化增大。因此，振动传感器2的检测灵敏度可以得以改进。
举例来说，如图5B所示，当尺寸G以预定周期阶梯式改变时，共振频率也阶梯式地改变。优选的是，将共振频率的变化范围设定为具有宽频率范围，例如，从几kHz到几MHz，其中包括爆振的频率，这与第一实施方式类似。从而，振动传感器2可以检测宽频率范围内的振动。因此，即使当发动机50更换为另一发动机时，不需要根据另一发动机产生的爆振来调整振动传感器2。此外，可以检测不同于爆振的其它振动。并且，因为振动传感器2只包括一个检测元件30，所以振动传感器2的尺寸可以减小。
然而，如图6A所示，振动传感器2可以包括多个(例如三个)检测元件30a、30b、30c。在这种情形下，如图6B所示，例如将检测元件30a的共振频率设定为具有变化模式A1，将检测元件30b的共振频率设定为具有变化模式B1，将检测元件30c的共振频率设定为具有变化模式C1。也就是说，检测元件30a、30b、30c的共振频率的变化模式A1、B 1、C 1关于时间偏移。从而，至少两个或者更多个共振频率总是彼此不同。因此，因为检测元件30a、30b、30c具有不同的共振频率，所以可以检测宽频率范围内的振动。从而，振动传感器2的检测灵敏度可以得以改进。
如图6C中A2、B2、C2所示，变化模式A2、B2、C2的时间范围可以彼此不同。举例来说，变化模式A2、B2、C2按此顺序具有更长的时间范围。从而，变化模式A2、B2、C2关于时间彼此偏移，并且至少两个或者更多个共振频率总是彼此不同。
作为选择，检测元件30a、30b、30c的共振频率可以具有不同的变化范围。在这种情形下，至少两个或者更多个共振频率总是彼此不同。此外，共振频率的变化范围可以较宽。当检测元件30a、30b、30c的共振频率具有不同的变化范围时，检测元件30a、30b、30c可以具有不同的结构。举例来说，第一检测电极31和第二检测电极32的厚度可以在检测元件30a、30b、30c之间不同。从而，检测元件30a、30b、30c的振动部分40可以容易地在较宽的变化范围内共振。
根据第二实施方式，因为检测电极31、32的变形通过缝隙控制电极33、35而改变，所以振动部分40的共振频率在预定变化范围内周期性地变化。当振动(例如爆振)频率与共振频率一致时，振动部分40随着相应的振动产生共振。
从而，单个检测元件30可以检测宽频率范围内的振动。不需要根据发动机50产生的振动的频率来调整振动传感器2。此外，振动传感器2可以检测不同于爆振的振动。并且，因为在图5所示的实施例中振动传感器2只包括一个检测元件30，所以该振动传感器2的尺寸可以减小。
在振动传感器2包括多个检测元件30的情形下，至少两个或者更多个共振频率总是彼此不同。因此，因为检测元件30a、30b、30c总是具有不同的共振频率，所以可以检测宽频率范围内的振动。从而，振动传感器2的检测灵敏度可以得以改进。
(其它实施方式)
在上述实施方式中，振动传感器1、2安装在作为振动物体的一个实例的车辆发动机50上。然而，振动传感器1、2可以安装在不同于车辆的装置上。举例来说，振动传感器1、2可以安装在振动物体例如机械工具上，并且可以检测机械工具的可动部分产生的振动。
在上述第一实施方式中，至少两个振动部分19可以具有不同的共振频率。
这些变化和修改将认为在如所附权利要求限定的本发明的范围内。
Claims (16)
1.一种用于检测振动物体(50)振动的振动传感器(1)，包括：
多个检测元件(10)，其中每个检测元件(10)包括：
振动部分(20)，其设置为与振动物体(50)分开；
传递部分(11a)，其将振动物体(50)连接到振动部分(20)，传递部分(11a)将振动从振动物体(50)传递到振动部分(20)；和
检测部分(19)，其设置在振动部分(20)的振动面上，检测部分(19)输出与振动部分(20)的共振对应的电信号；
其中，所述多个检测元件(10)的振动部分(20)中的至少两个具有彼此不同共振频率；并且
在一体形成的多个检测元件(10)中，各检测元件(10)的振动部分(20)具有不同的厚度，从而具有不同的共振频率。
2.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，
振动部分(20)由薄膜状半导体基板(15)制成，并且
检测部分(19)包括一对电极(17、18)和设置在所述一对电极(17、18)之间的压电薄膜(16)。
3.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，
振动部分(20)和传递部分(11a)由单个半导体基板(15)制成。
4.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，
振动物体(50)是内燃机。
5.根据权利要求4所述的振动传感器(1)，其特征在于，
振动部分(20)被以下述方式设置，即所述振动部分(20)的共振频率中的一个与内燃机产生的爆振的频率一致。
6.一种振动检测方法，包括：
在预定范围内周期性地改变振动部分(20)的共振频率；和
当振动的频率与共振频率一致时，检测振动部分(20)的共振；
其特征在于，由振动部分(40)的电容检测部分(31、32)执行检测，其中电容检测部分(31、32)包括一对面向彼此且以预定间隙(G)相互间隔开的电极，并且电容检测部分(31、32)的电容根据振动部分(40)的共振而变化；以及
所述改变包括利用设置在振动部分(40)内的变形控制部分(33、35)使所述一对电极均变形。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电容检测部分(31、32)具有通孔以减小空气阻尼。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述振动部分(40)是多个振动部分中的一个，这些振动部分的共振频率不同；以及
执行所述改变使得至少两个所述共振频率总是彼此不同。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述振动由车辆中的内燃机(50)产生。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述共振频率的预定范围包括由内燃机(50)产生的振动的频率。
11.一种用于检测振动物体(50)振动的振动传感器(2)，包括：
振动检测元件(30)，其包括：
振动部分(40)，其与振动物体(50)分开设置，其中，当振动的频率与振动部分(40)的共振频率一致时，振动部分(40)随着振动产生共振；以及
传递部分(11a)，其将振动物体(50)连接到振动部分(40)，传递部分(11a)将振动从振动物体(50)传递到振动部分(40)；
其中，振动部分(40)包括：
共振频率改变部分(33、35)，其在预定范围内周期性地改变共振频率；以及
检测部分(31、32)，其检测振动部分(40)的共振，并且输出与振动部分(40)的共振对应的电信号；
振动部分(40)的检测部分(31、32)包括由一对电极制成的电容器，并且基于电容器的电容检测振动部分(40)的共振；以及
振动部分(40)的共振频率改变部分(33、35)控制所述一对电极二者的变形，从而改变振动部分(40)的共振频率。
12.根据权利要求11所述的振动传感器(2)，其特征在于，所述检测部分(31、32)具有通孔以减小空气阻尼。
13.根据权利要求11或12所述的振动传感器(2)，其特征在于，
所述振动检测元件(30)是多个振动检测元件中的一个，并且
所述多个振动检测元件的振动部分(40)具有至少两个不同的共振频率。
14.根据权利要求11或12所述的振动传感器(2)，其特征在于，
振动物体(50)是车辆中的内燃机。
15.根据权利要求14所述的振动传感器(2)，其特征在于，
所述共振频率的预定范围包括由内燃机产生的振动的频率。
16.根据权利要求11所述的振动传感器(2)，其特征在于，
振动部分(40)的共振频率改变部分(33、35)由一对膜状电极制成，当将电压施加于所述一对膜状电极上时，所述一对膜状电极之间产生静电作用。
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