JP2007285960A - 振動センサおよび振動検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 被検出対象において生じる振動の周波数に合わせて振動センサを調整する必要がなく、広い周波数範囲での振動検出が可能である振動センサおよび振動検出方法を実現する。
【解決手段】 振動センサ１は、振動部２０の厚さを各振動検出素子１０毎に異ならせることにより共振周波数を異ならせた複数の振動検出素子１０を備えているため、周波数が異なる複数の振動を検出することができる。これにより、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ１を調整する必要がない。また、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。また、各振動部２０及び各伝達部１１ａは、１つの半導体基板１５に形成されているため、振動センサ１を小型化することができる。
【選択図】 図２
【解決手段】 振動センサ１は、振動部２０の厚さを各振動検出素子１０毎に異ならせることにより共振周波数を異ならせた複数の振動検出素子１０を備えているため、周波数が異なる複数の振動を検出することができる。これにより、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ１を調整する必要がない。また、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。また、各振動部２０及び各伝達部１１ａは、１つの半導体基板１５に形成されているため、振動センサ１を小型化することができる。
【選択図】 図２
Description
この発明は、振動を発生する物体に配置され、この物体において生じた振動を検出する振動センサおよび振動検出方法に関する。
この種の振動センサとして、自動車（車両）に搭載されたもの、例えば、エンジンのシリンダブロックに装着され、ノッキングが生じたときに発生するノッキング振動を検出するためにノックセンサとして用いられる振動センサが知られている。
従来の振動センサとして、例えば、特許文献１には、台座に配設されるシリコン半導体基板と、シリコン半導体基板に一体的に形成されており、ノッキング振動に対応して変位する変位部と、変位部に設けられ、ノッキング振動により変位部が共振振動するよう調整されたおもり部を備えた振動センサが開示されている。
この振動センサは、エンジンに発生するノッキング振動により振動部が共振振動することによりノッキングの発生を検出する構成とされている。したがって、振動部の固有振動数がノッキング振動の周波数と対応するように、変位部及びおもり部の大きさが調整されている。
特開平９−１２６８７６号公報
従来の振動センサとして、例えば、特許文献１には、台座に配設されるシリコン半導体基板と、シリコン半導体基板に一体的に形成されており、ノッキング振動に対応して変位する変位部と、変位部に設けられ、ノッキング振動により変位部が共振振動するよう調整されたおもり部を備えた振動センサが開示されている。
この振動センサは、エンジンに発生するノッキング振動により振動部が共振振動することによりノッキングの発生を検出する構成とされている。したがって、振動部の固有振動数がノッキング振動の周波数と対応するように、変位部及びおもり部の大きさが調整されている。
しかし、この従来の振動センサによれば、エンジンの種類毎にノッキング時の振動周波数に合わせておもり部の大きさを調整する必要があり、エンジンの種類に応じたおもり部が必要になるので、量産性及び汎用性が悪いという問題があった。
また、設定された周波数近傍の狭い範囲の振動しか検出できないため、ノッキング以外の事象に起因する振動の検出及びノイズとの分離が困難であるという問題があった。
また、設定された周波数近傍の狭い範囲の振動しか検出できないため、ノッキング以外の事象に起因する振動の検出及びノイズとの分離が困難であるという問題があった。
そこで、この発明は、被検出対象において生じる振動の周波数に合わせて振動センサを調整する必要がなく、広い周波数範囲での振動検出が可能である振動センサおよび振動検出方法を実現することを目的とする。
この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、振動センサにおいて、振動を発生する物体と非接触に配置された膜状の振動部と、この振動部の両端と前記物体とを接続し、前記物体に発生した振動を前記振動部に伝達する伝達部と、前記振動部の振動面に配置され、前記振動部の振動を電気信号として出力する振動検出部と、を有する振動検出素子を複数備え、前記振動部の共振周波数を各振動検出素子毎に異ならせた、という技術的手段を用いる。
請求項１に記載の発明によれば、本発明の振動センサは、振動部の共振周波数を異ならせた複数の振動検出素子を備えているため、周波数が異なる複数の振動を検出することができる。
これにより、広い周波数範囲での振動検出が可能であるので、被検出対象において生じる振動の周波数に合わせて振動センサを調整する必要がない。また、予め推定された事象以外の事象の振動も検出することができる。
また、振動を発生する物体と非接触に配置された膜状の振動部が共振することにより振動を検出するため、振動検出部により出力される電気信号の信号強度を強くすることができるので、振動の検出感度がよい振動センサを実現することができる。
これにより、広い周波数範囲での振動検出が可能であるので、被検出対象において生じる振動の周波数に合わせて振動センサを調整する必要がない。また、予め推定された事象以外の事象の振動も検出することができる。
また、振動を発生する物体と非接触に配置された膜状の振動部が共振することにより振動を検出するため、振動検出部により出力される電気信号の信号強度を強くすることができるので、振動の検出感度がよい振動センサを実現することができる。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の振動センサにおいて、前記各振動検出素子に備えられた前記各振動部は、半導体基板に薄肉形成され、前記振動検出部は、圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで形成された電極と、を備えた、という技術的手段を用いる。
請求項２に記載の発明によれば、各振動部は、半導体基板に薄肉形成されているため、振動時の変位を大きくすることができるので、振動センサの感度を向上させることができる。また、振動検出部は、圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで形成された電極と、を備えているため、共振周波数が先鋭であり、振動の検出感度が高いので、振動センサの感度を向上させることができる。更に、半導体基板を使用して、ＭＥＭＳ技術を利用して製造することができるので、振動センサを小型化することができ、また、安価に製造することができる。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の振動センサにおいて、前記各振動検出素子に備えられた前記各振動部及び前記各伝達部は、１つの半導体基板に形成されている、という技術的手段を用いる。
請求項３に記載の発明によれば、各振動部及び各伝達部は、１つの半導体基板に形成されているため、振動センサを小型化することができる。これにより、例えば、振動センサを車両のエンジンに取り付けてノックセンサとして用いる場合に、取付位置を自由に設定することができるため、ノッキング振動の検出に適した位置に振動センサを取り付けることが可能となるので、振動センサの感度を向上させることができる。
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の振動センサにおいて、前記振動部の厚さを各振動検出素子毎に異ならせることにより、前記振動部の共振周波数を各振動検出子毎に異ならせた、という技術的手段を用いる。
請求項４に記載の発明によれば、振動部の厚さを各振動検出素子毎に異ならせるという簡単な構造により、共振周波数を変えることができるので、各振動検出素子毎に正確な共振周波数の設定が可能である。また、構造が簡単なのでコスト的にも有利である。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の振動センサにおいて、前記物体は、車両に備えられた内燃機関である、という技術的手段を用いる。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の振動センサにおいて、前記内燃機関においてノッキング現象が発生したときに生じるノッキング振動の周波数が、前記各振動検出素子が有する複数の共振周波数の１つと一致するように構成されている、という技術的手段を用いる。
請求項５に記載の発明によれば、振動センサを用いて、車両に備えられた内燃機関に発生する振動を検出することができる。
特に、請求項６に記載の発明によれば、ノッキング振動の周波数が、各振動検出素子が有する複数の共振周波数の１つと一致するように構成されているため、ノッキング振動を検出することができるので、振動センサをノックセンサとして用いることができる。
特に、請求項６に記載の発明によれば、ノッキング振動の周波数が、各振動検出素子が有する複数の共振周波数の１つと一致するように構成されているため、ノッキング振動を検出することができるので、振動センサをノックセンサとして用いることができる。
請求項７に記載の発明では、振動検出方法において、振動を発生する物体と非接触に配置され、共振周波数が可変である振動部と、この振動部の両端と前記物体とを接続し、前記物体に発生した振動を前記振動部に伝達する伝達部と、前記振動部に備えられ、前記振動部の振動を検出し、電気信号として出力する振動検出部と、を有する振動検出素子を備えた振動センサを用いて、前記振動部の共振周波数を所定の範囲内で周期的に変化させることにより、前記物体において生じる振動の周波数が、前記所定の範囲内で周期的に変化させた共振周波数と一致した場合に、前記振動部が共振する、という技術的手段を用いる。
請求項７に記載の発明によれば、共振周波数が可変である振動部を有する振動検出素子を備えた振動センサを用いて、振動部の共振周波数を所定の範囲内で周期的に変化させることにより、物体において生じる振動の周波数が、所定の範囲内で周期的に変化させた共振周波数と一致した場合に、振動部が共振する。
これにより、１つの振動検出素子で広い周波数範囲での振動検出が可能であるので、被検出対象において生じる振動の周波数に合わせて振動センサを調整する必要がない。また、予め推定された事象以外の事象の振動も検出することができる。
更に、検出する共振周波数の数に応じて振動検出素子を用意する必要がないので、使用する振動センサを小型化することができる。
これにより、例えば、振動センサを車両のエンジンに取り付けてノックセンサとして用いる場合に、取付位置を自由に設定することができるため、ノッキング振動の検出に適した位置に振動センサを取り付けることが可能となるので、振動の検出感度を向上させることができる。
これにより、１つの振動検出素子で広い周波数範囲での振動検出が可能であるので、被検出対象において生じる振動の周波数に合わせて振動センサを調整する必要がない。また、予め推定された事象以外の事象の振動も検出することができる。
更に、検出する共振周波数の数に応じて振動検出素子を用意する必要がないので、使用する振動センサを小型化することができる。
これにより、例えば、振動センサを車両のエンジンに取り付けてノックセンサとして用いる場合に、取付位置を自由に設定することができるため、ノッキング振動の検出に適した位置に振動センサを取り付けることが可能となるので、振動の検出感度を向上させることができる。
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の振動検出方法において、前記振動部は、所定の間隔で対向配置された１組の電極を備え、前記振動部の振動を前記１組の電極間の静電容量の変化により検出する容量式振動検出部と、前記１組の電極の撓みを制御する撓み制御手段とを備えており、前記撓み制御手段により前記１組の電極のうち少なくとも一方の電極の撓みを変化させることにより、前記振動部の共振周波数を変化させる、という技術的手段を用いる。
請求項８に記載の発明によれば、容量式振動検出部が備えた１組の電極の撓みを制御する撓み制御手段により少なくとも一方の電極の撓みを変化させることにより、振動部の共振周波数を変化させることができるので、電極の撓みに応じて、自由に共振周波数を変化させることができる。また、振動検出素子１つあたりの共振周波数の変化の自由度を増大させることができる。
請求項９に記載の発明では、請求項７または請求項８に記載の振動検出方法において、複数の前記振動検出素子を備えた前記振動センサにおいて、少なくとも２以上の前記振動部の共振周波数が、常に異なるように制御する、という技術的手段を用いる。
請求項９に記載の発明によれば、複数の振動検出素子を備えた振動センサにおいて、少なくとも２以上の振動部の共振周波数が、常に異なるように制御するため、常に異なる共振周波数を有する振動検出素子が存在し、振動を検出することになるので、広い周波数範囲で振動検出が可能であり、振動の検出感度を向上させることができる。
請求項１０に記載の発明では、請求項７ないし請求項９のいずれか１つに記載の振動検出方法において、前記物体は、車両に備えられた内燃機関である、という技術的手段を用いる。
請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の振動検出方法において、前記所定の範囲を、前記内燃機関においてノッキング現象が発生したときに生じるノッキング振動の周波数を含む範囲に設定する、という技術的手段を用いる。
請求項１０に記載の発明によれば、本振動検出方法を用いて、車両に備えられた内燃機関に発生する振動を検出することができる。
特に、請求項１１に記載の発明によれば、振動部の共振周波数を周期的に変化させる所定の範囲を、内燃機関においてノッキング現象が発生したときに生じるノッキング振動の周波数を含む範囲に設定するため、ノッキング振動を検出することができる。
特に、請求項１１に記載の発明によれば、振動部の共振周波数を周期的に変化させる所定の範囲を、内燃機関においてノッキング現象が発生したときに生じるノッキング振動の周波数を含む範囲に設定するため、ノッキング振動を検出することができる。
〈第１実施形態〉
この発明に係る振動センサの第１実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、振動センサを車両のエンジンボックスに装着し、ノッキング振動などを検出する振動センサとして使用する場合を例に説明する。
図１は、振動センサの振動検出素子の説明図である。図１（Ａ）は、振動検出素子の平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図２は、車両のエンジンに装着された振動センサの断面説明図である。図３は、第１実施形態に係る振動センサの変更例を示す
なお、各図では、説明のために一部を拡大して示している。
この発明に係る振動センサの第１実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、振動センサを車両のエンジンボックスに装着し、ノッキング振動などを検出する振動センサとして使用する場合を例に説明する。
図１は、振動センサの振動検出素子の説明図である。図１（Ａ）は、振動検出素子の平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図２は、車両のエンジンに装着された振動センサの断面説明図である。図３は、第１実施形態に係る振動センサの変更例を示す
なお、各図では、説明のために一部を拡大して示している。
（振動検出素子の構造）
最初に、振動センサに備えられた振動検出素子の構造について説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、振動検出素子１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の四角形状の半導体基板１５を用いて形成されている。半導体基板１５は、シリコンからなる基材１１の上面に、第１絶縁膜１２、シリコン活性層１３、第２絶縁膜１４がこの順番で積層されて形成されている。
基材１１の中央部の一部は、ＭＥＭＳ技術により、四角形状に除去されている。これにより、中央部が四角柱にくり抜かれた枠状の伝達部１１ａと薄膜状の梁部１１ｂとが基材１１に形成され、梁部１１ｂ、第１絶縁膜１２、シリコン活性層１３及び第２絶縁膜１４が積層された部分のうち、伝達部１１ａに形成された枠状の開口部に対応した部分に振動部２０が薄肉形成される。
ここで、伝達部１１ａは、後述するように、振動部２０の両端と振動を発生する物体とを接続し、当該物体に発生した振動を振動部２０に伝達する。
最初に、振動センサに備えられた振動検出素子の構造について説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、振動検出素子１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の四角形状の半導体基板１５を用いて形成されている。半導体基板１５は、シリコンからなる基材１１の上面に、第１絶縁膜１２、シリコン活性層１３、第２絶縁膜１４がこの順番で積層されて形成されている。
基材１１の中央部の一部は、ＭＥＭＳ技術により、四角形状に除去されている。これにより、中央部が四角柱にくり抜かれた枠状の伝達部１１ａと薄膜状の梁部１１ｂとが基材１１に形成され、梁部１１ｂ、第１絶縁膜１２、シリコン活性層１３及び第２絶縁膜１４が積層された部分のうち、伝達部１１ａに形成された枠状の開口部に対応した部分に振動部２０が薄肉形成される。
ここで、伝達部１１ａは、後述するように、振動部２０の両端と振動を発生する物体とを接続し、当該物体に発生した振動を振動部２０に伝達する。
第２絶縁膜１４上には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体薄膜１６を下面電極１７及び上面電極１８で挟んで形成された圧電式の振動検出部１９が設けられている。
ここで、圧電体薄膜１６としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）や有機膜のポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオドトリフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン共重合体などを用いることができる。
ここで、圧電体薄膜１６としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）や有機膜のポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオドトリフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン共重合体などを用いることができる。
振動部２０は、所定の共振周波数を有しており、ノッキングなどの事象に起因してエンジンで生じる振動を受信し、共振する。この共振により生じる振動部２０の変位を振動検出部１９により電圧信号に変換して出力し、振動を検出する。
このように、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された振動検出素子１０は、薄肉形成された振動部２０が、伝達部１１ａにより支持されているため、振動部２０の変位を大きくすることができ、振動の検出感度を高めることができる。
このように、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された振動検出素子１０は、薄肉形成された振動部２０が、伝達部１１ａにより支持されているため、振動部２０の変位を大きくすることができ、振動の検出感度を高めることができる。
振動検出素子１０の共振周波数は、振動部２０の厚さを変えることにより変えることができる。基材１１の厚さを一定にして、梁部１１ｂの厚さを変えた場合、梁部１１ｂの厚さが厚いほど、振動検出素子１０の共振周波数は高くなる。つまり、振動検出素子１０の共振周波数は、梁部１１ｂの厚さにより制御可能であり、梁部１１ｂの厚さを変えることにより、所定の共振周波数を有する振動検出素子１０を作製することができる。
（振動センサの構造）
図２に示すように、本実施形態の振動センサ１では、図中横方向に３個、図示しない奥行き方向に３個ずつ並べて配置されている計９個の振動検出素子１０がアレイ状に一体的に形成され、１つの半導体基板１５に形成されている。
振動検出素子１０ａ〜１０ｃは、中空状の収容部材８０に収容され、伝達部１１ａにおいて内壁部５０ａに取り付けられている。つまり、振動部２０が収容部材８０に非接触になるように配置されている。収容部材８０は、内壁部５０ａの裏面が接するようにエンジン５０に装着されている。
振動検出素子１０ａ〜１０ｃは、この順に梁部１１ｂが厚く形成されている。つまり、振動部２０の厚さを異ならせることにより、振動部２０の共振周波数を振動検出素子１０ａ〜１０ｃ毎に異ならせており、この順に共振周波数が高くなるように構成されている。例えば、振動検出素子１０ｂの振動部２０の共振周波数が、ノッキング振動の周波数と一致するように構成されている。
ここで、振動検出素子１０ａ〜１０ｃ及び図示しない振動検出素子の共振周波数は、ノッキング振動の周波数を含む数ｋＨｚから数ＭＨｚの広い周波数範囲に設定することが好ましい。これにより、広い周波数範囲において振動検出が可能であるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ１を調整する必要がない。また、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。
なお、振動検出素子１０の数は例示であり、９個に限らない。配置についても、横方向と奥行き方向に３個ずつに限らない。
また、振動検出素子１０は、個別に形成されたチップを貼り合わせてアレイ状に形成してもよい。
図２に示すように、本実施形態の振動センサ１では、図中横方向に３個、図示しない奥行き方向に３個ずつ並べて配置されている計９個の振動検出素子１０がアレイ状に一体的に形成され、１つの半導体基板１５に形成されている。
振動検出素子１０ａ〜１０ｃは、中空状の収容部材８０に収容され、伝達部１１ａにおいて内壁部５０ａに取り付けられている。つまり、振動部２０が収容部材８０に非接触になるように配置されている。収容部材８０は、内壁部５０ａの裏面が接するようにエンジン５０に装着されている。
振動検出素子１０ａ〜１０ｃは、この順に梁部１１ｂが厚く形成されている。つまり、振動部２０の厚さを異ならせることにより、振動部２０の共振周波数を振動検出素子１０ａ〜１０ｃ毎に異ならせており、この順に共振周波数が高くなるように構成されている。例えば、振動検出素子１０ｂの振動部２０の共振周波数が、ノッキング振動の周波数と一致するように構成されている。
ここで、振動検出素子１０ａ〜１０ｃ及び図示しない振動検出素子の共振周波数は、ノッキング振動の周波数を含む数ｋＨｚから数ＭＨｚの広い周波数範囲に設定することが好ましい。これにより、広い周波数範囲において振動検出が可能であるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ１を調整する必要がない。また、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。
なお、振動検出素子１０の数は例示であり、９個に限らない。配置についても、横方向と奥行き方向に３個ずつに限らない。
また、振動検出素子１０は、個別に形成されたチップを貼り合わせてアレイ状に形成してもよい。
各振動検出素子１０は、同一基材１１上に形成された回路素子２１に電気的に接続されている。回路素子２１は、振動検出部１９（図２）から出力される電気信号が入力されて、入力された電圧信号に基づいて演算処理を行い、電気的に接続されているＥＣＵに対して振動信号として出力する。
なお、回路素子２１は、各振動検出素子１０と別個に設けてもよい。
なお、回路素子２１は、各振動検出素子１０と別個に設けてもよい。
（振動の伝達）
エンジンにおいてノッキングによる振動が生じると、エンジン５０から収容部材８０に振動が伝達される。収容部材８０に伝達された振動は、各伝達部１１ａを介して各振動検出素子１０ａ〜１０ｃに伝達され、当該振動の周波数で共振することができる振動部２０のみが共振する。例えば、ノッキング振動では、振動検出素子１０ｂの振動部２０のみが共振し、他の振動検出素子１０ａ、１０ｃの振動部２０は共振しない。これにより、伝達された振動の周波数を検出することができる。このとき、振動検出素子１０ａ、１０ｃからの出力をノイズ成分として、振動検出素子１０ｂからの出力から除くことで、振動の検出精度を高めることができる。
エンジンにおいてノッキングによる振動が生じると、エンジン５０から収容部材８０に振動が伝達される。収容部材８０に伝達された振動は、各伝達部１１ａを介して各振動検出素子１０ａ〜１０ｃに伝達され、当該振動の周波数で共振することができる振動部２０のみが共振する。例えば、ノッキング振動では、振動検出素子１０ｂの振動部２０のみが共振し、他の振動検出素子１０ａ、１０ｃの振動部２０は共振しない。これにより、伝達された振動の周波数を検出することができる。このとき、振動検出素子１０ａ、１０ｃからの出力をノイズ成分として、振動検出素子１０ｂからの出力から除くことで、振動の検出精度を高めることができる。
（変更例）
振動検出素子１０は、上記の形状に限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、振動検出素子１０の基材１１に伝達部１１ａが形成されておらず、梁部１１ｂのみ形成されている構成を用いてもよい。この構成を用いる場合、収容部材８０の振動部２０に対応する位置にそれぞれ中空部８０ａを形成する。これにより、振動部２０が両端部を保持された状態になるため、伝達部１１ａが形成されている振動検出素子１０を用いた場合と同様の効果を奏することができる。
振動検出素子１０は、上記の形状に限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、振動検出素子１０の基材１１に伝達部１１ａが形成されておらず、梁部１１ｂのみ形成されている構成を用いてもよい。この構成を用いる場合、収容部材８０の振動部２０に対応する位置にそれぞれ中空部８０ａを形成する。これにより、振動部２０が両端部を保持された状態になるため、伝達部１１ａが形成されている振動検出素子１０を用いた場合と同様の効果を奏することができる。
振動検出素子１０として、振動部２０に圧電式の振動検出部１９を備えた構成を示したが、振動部に、所定の間隔で対向配置された１組の電極を備え、振動部の振動を当該１組の電極間の静電容量の変化により検出する容量式振動検出部を備えた構成としてもよい。
［第１実施形態の効果］
（１）本実施形態の振動センサ１は、振動部２０の厚さを各振動検出素子１０毎に異ならせることにより共振周波数を異ならせた複数の振動検出素子１０を備えているため、周波数が異なる複数の振動を検出することができる。
これにより、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ１を調整する必要がない。また、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。
振動部２０の厚さを変えるという簡単な構造により、共振周波数を変えることができるので、各振動検出素子１０毎に正確な共振周波数の設定が可能である。また、構造が簡単なのでコスト的にも有利である。
（１）本実施形態の振動センサ１は、振動部２０の厚さを各振動検出素子１０毎に異ならせることにより共振周波数を異ならせた複数の振動検出素子１０を備えているため、周波数が異なる複数の振動を検出することができる。
これにより、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ１を調整する必要がない。また、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。
振動部２０の厚さを変えるという簡単な構造により、共振周波数を変えることができるので、各振動検出素子１０毎に正確な共振周波数の設定が可能である。また、構造が簡単なのでコスト的にも有利である。
（２）各振動部２０は、半導体基板１５に薄肉形成されており、ノッキング振動などにより共振することにより振動を検出するため、振動検出部１９により出力される電気信号の信号強度を強くすることができるので、振動センサ１の感度を向上させることができる。また、振動検出部１９は、圧電体薄膜１６と、この圧電体薄膜１６を挟んで形成された下面電極１７及び上面電極１８と、を備えているため、共振周波数が先鋭であり、振動の検出感度が高いので、振動センサ１の感度を向上させることができる。
（３）各振動部２０及び各伝達部１１ａは、１つの半導体基板１５に形成されているため、振動センサ１を小型化することができる。これにより、例えば、振動センサ１を車両のエンジン５０に取り付けてノックセンサとして用いる場合に、取付位置を自由に設定することができるため、ノッキング振動の検出に適した位置に振動センサ１を取り付けることが可能となるので、振動センサ１の感度を向上させることができる。
〈第２実施形態〉
この発明に係る振動検出方法の実施形態について、図を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る振動検出方法で用いる振動センサにおける振動検出素子の断面説明図である。図５は、第２実施形態に係る振動検出方法で用いる振動センサの断面説明図である。図５（Ａ）は、振動センサの断面説明図であり、図５（Ｂ）は、共振周波数の制御パターンを示す説明図である。図６は、第２実施形態に係る振動検出方法で用いる振動センサの変更例の説明図である。図６（Ａ）は、振動センサの断面説明図であり、図６（Ｂ）及び（Ｃ）は、共振周波数の制御パターンを示す説明図である。
なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
この発明に係る振動検出方法の実施形態について、図を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る振動検出方法で用いる振動センサにおける振動検出素子の断面説明図である。図５は、第２実施形態に係る振動検出方法で用いる振動センサの断面説明図である。図５（Ａ）は、振動センサの断面説明図であり、図５（Ｂ）は、共振周波数の制御パターンを示す説明図である。図６は、第２実施形態に係る振動検出方法で用いる振動センサの変更例の説明図である。図６（Ａ）は、振動センサの断面説明図であり、図６（Ｂ）及び（Ｃ）は、共振周波数の制御パターンを示す説明図である。
なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
（振動検出素子の構造）
第２実施形態の振動センサ２に備えられた振動検出素子３０の構造について説明する。第１実施形態の振動センサ１に備えられた振動検出素子１０が、圧電体薄膜１６が形成された振動検出部１９を用いて振動を検出する圧電式であるのに対し、振動検出素子３０は、静電容量の変化として振動を検出する容量式である点で異なっている。
第２実施形態の振動センサ２に備えられた振動検出素子３０の構造について説明する。第１実施形態の振動センサ１に備えられた振動検出素子１０が、圧電体薄膜１６が形成された振動検出部１９を用いて振動を検出する圧電式であるのに対し、振動検出素子３０は、静電容量の変化として振動を検出する容量式である点で異なっている。
図４に示すように、基材１１の中央部は四角柱にくり抜かれており、枠状の伝達部１１ａが形成される。第１絶縁膜１２は、伝達部１１ａの上面に形成されており、伝達部１１ａの上面の開口部には、第１絶縁膜１２を介してＰｏｌｙ−Ｓｉなどの導電性材料により第１電極３１が四角形の薄膜状に形成されている。この第１電極３１に対向して、所定の間隔のギャップＧを有するように、第２電極３２が配置されている。第２電極３２には、振動による空気のダンピングの影響を避けるため、孔部３２ａが貫通形成されている。この１組の電極（第１電極３１及び第２電極３２）は、後述する振動部４０の振動を電極間の静電容量の変化により検出する容量式振動検出部として作用する。
第１電極３１と第２電極３２との間には、第１電極３１側から順に、第２絶縁膜１４、第１ギャップ制御電極３３、第３絶縁膜３４、第２ギャップ制御電極３５及び第４絶縁膜３６がそれぞれ枠状に形成されて積層されており、第１電極３１及び第２電極３２とともに振動部４０を形成している。
第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５は、静電引力により第１電極３１と第２電極３２とのギャップＧを変化させることにより、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを制御するための電極である。
第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５との間に静電引力を発生させるため、第３絶縁膜３４は、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５の全面を覆っておらず、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５の外周側に形成されており、第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５とが空間を介して対向するように配置されている。
第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５は、静電引力により第１電極３１と第２電極３２とのギャップＧを変化させることにより、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを制御するための電極である。
第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５との間に静電引力を発生させるため、第３絶縁膜３４は、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５の全面を覆っておらず、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５の外周側に形成されており、第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５とが空間を介して対向するように配置されている。
（共振周波数の制御）
第１電極３１及び第２電極３２の撓みを制御することにより、振動部４０の共振周波数を制御することができる。
第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５との間に電圧を印加すると、第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５とが静電気力で引き合うことにより、第１電極３１と第２電極３２とが撓んでギャップＧを狭くなる。これにより、第１電極３１及び第２電極３２に撓み応力が発生し、見かけ上の剛性が大きくなるために、共振周波数が上昇する。つまり、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５は、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを制御する撓み制御手段として作用し、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを変化させることにより、振動部４０の共振周波数を変化させることができる。
なお、第１電極３１、または、第２電極３２のうち、少なくとも一方の撓みを変化させる構成を用いてもよい。
第１電極３１及び第２電極３２の撓みを制御することにより、振動部４０の共振周波数を制御することができる。
第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５との間に電圧を印加すると、第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５とが静電気力で引き合うことにより、第１電極３１と第２電極３２とが撓んでギャップＧを狭くなる。これにより、第１電極３１及び第２電極３２に撓み応力が発生し、見かけ上の剛性が大きくなるために、共振周波数が上昇する。つまり、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５は、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを制御する撓み制御手段として作用し、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを変化させることにより、振動部４０の共振周波数を変化させることができる。
なお、第１電極３１、または、第２電極３２のうち、少なくとも一方の撓みを変化させる構成を用いてもよい。
（振動センサの構造）
図５（Ａ）に示すように、本実施形態の振動センサ２では、振動検出素子３０は、収容部材８０に収容され、伝達部１１ａにおいて内壁部５０ａに取り付けられている。
振動検出素子３０は、同一基材１１上に形成された回路素子２１に電気的に接続されている。回路素子２１は、振動部４０から出力される電圧信号が入力されて、入力された電圧信号に基づいて演算処理を行い、電気的に接続されているＥＣＵに対して振動信号として出力する。また、第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５との間に印加する電圧を変化させ、第１電極と第２電極とのギャップＧを制御することにより、振動部４０の共振周波数を所定の制御パターンに基づいて変化させる。
図５（Ａ）に示すように、本実施形態の振動センサ２では、振動検出素子３０は、収容部材８０に収容され、伝達部１１ａにおいて内壁部５０ａに取り付けられている。
振動検出素子３０は、同一基材１１上に形成された回路素子２１に電気的に接続されている。回路素子２１は、振動部４０から出力される電圧信号が入力されて、入力された電圧信号に基づいて演算処理を行い、電気的に接続されているＥＣＵに対して振動信号として出力する。また、第１ギャップ制御電極３３と第２ギャップ制御電極３５との間に印加する電圧を変化させ、第１電極と第２電極とのギャップＧを制御することにより、振動部４０の共振周波数を所定の制御パターンに基づいて変化させる。
（振動の検出）
エンジン５０においてノッキング振動が生じると、第１実施形態の振動センサ１と同様の経路で、振動が振動検出素子３０に伝達される。振動検出素子３０に振動が伝達され、振動部４０が振動すると、当該振動の周波数で第１電極３１と第２電極３２との間のギャップＧが変化し、第１電極３１と第２電極３２とによって構成されるコンデンサの静電容量が変化することにより、振動を検出することができる。
エンジン５０においてノッキング振動が生じると、第１実施形態の振動センサ１と同様の経路で、振動が振動検出素子３０に伝達される。振動検出素子３０に振動が伝達され、振動部４０が振動すると、当該振動の周波数で第１電極３１と第２電極３２との間のギャップＧが変化し、第１電極３１と第２電極３２とによって構成されるコンデンサの静電容量が変化することにより、振動を検出することができる。
ここで、振動検出素子３０の共振周波数を所定の変動範囲内で周期的に変化させると、ノッキング振動の周波数が、所定の変動範囲内で周期的に変化させた共振周波数と一致した場合に、振動部４０が共振する。振動部４０が共振すると、振幅が増大してギャップＧの変化が大きくなり、静電容量の変化が増大するので、振動センサ２による振動の検出感度を向上させることができる。
例えば、図５（Ｂ）に示すように、所定の時間間隔でギャップＧを階段状に変化させることにより、共振周波数を階段状に変化させることができる。周波数の変動範囲は、第１実施形態と同様に、ノッキング振動の周波数を含む数ｋＨｚから数ＭＨｚの広い周波数範囲に設定することが好ましい。これにより、広い周波数範囲において振動検出が可能であるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ２を調整する必要がない。また、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。
更に、検出する共振周波数の数に応じて振動検出素子３０を用意する必要がないので、使用する振動センサ２を小型化することができる。
例えば、図５（Ｂ）に示すように、所定の時間間隔でギャップＧを階段状に変化させることにより、共振周波数を階段状に変化させることができる。周波数の変動範囲は、第１実施形態と同様に、ノッキング振動の周波数を含む数ｋＨｚから数ＭＨｚの広い周波数範囲に設定することが好ましい。これにより、広い周波数範囲において振動検出が可能であるので、エンジン５０の種類毎にノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ２を調整する必要がない。また、広い周波数範囲の振動を検出することができるので、ノッキング振動と異なる周波数の振動を検出することが可能である。
更に、検出する共振周波数の数に応じて振動検出素子３０を用意する必要がないので、使用する振動センサ２を小型化することができる。
（変更例）
振動センサ２では、複数個の振動検出素子３０を用いてもよい。図６（Ａ）に、３個の振動検出素子３０を並べて配置した構成を示す。この構成を使用する場合、例えば、図６（Ｂ）に示すように、振動検出素子３０ａの共振周波数を制御パターンＡ１、振動検出素子３０ｂの共振周波数を制御パターンＢ１、振動検出素子３０ｃの共振周波数を制御パターンＣ１によりそれぞれ制御し、共振周波数の制御パターンを時間に対してずらすことにより、少なくとも２以上の振動部４０の共振周波数が、常に異なるように制御することができる。これにより、常に異なる共振周波数を有する振動検出素子３０が存在するので、広い周波数範囲で振動検出が可能であり、振動の検出感度を向上させることができる。
振動センサ２では、複数個の振動検出素子３０を用いてもよい。図６（Ａ）に、３個の振動検出素子３０を並べて配置した構成を示す。この構成を使用する場合、例えば、図６（Ｂ）に示すように、振動検出素子３０ａの共振周波数を制御パターンＡ１、振動検出素子３０ｂの共振周波数を制御パターンＢ１、振動検出素子３０ｃの共振周波数を制御パターンＣ１によりそれぞれ制御し、共振周波数の制御パターンを時間に対してずらすことにより、少なくとも２以上の振動部４０の共振周波数が、常に異なるように制御することができる。これにより、常に異なる共振周波数を有する振動検出素子３０が存在するので、広い周波数範囲で振動検出が可能であり、振動の検出感度を向上させることができる。
また、図６（Ｃ）に示すように、共振周波数の制御パターンの各ステップにおける保持時間を変えてもよい。例えば、制御パターンＡ２、Ｂ２、Ｃ２の順に保持時間を長くすることにより、共振周波数の制御パターンの周期をずらすことができるので、少なくとも２以上の振動部４０の共振周波数が、常に異なるように制御することができる。
更に、各振動検出素子３０でそれぞれ異なる変動範囲で周波数を変化させる構成を用いることもできる。
この構成を用いた場合も、少なくとも２以上の振動部４０の共振周波数が、常に異なるように制御することができるとともに、共振周波数の変動範囲を広く設定することができる。この場合、各振動検出素子３０は同じ構成の素子を用いる必要はなく、例えば、第１電極、第２電極の厚さを変えて、各振動検出素子３０で変動させる周波数において共振しやすい形状に構成してもよい。
この構成を用いた場合も、少なくとも２以上の振動部４０の共振周波数が、常に異なるように制御することができるとともに、共振周波数の変動範囲を広く設定することができる。この場合、各振動検出素子３０は同じ構成の素子を用いる必要はなく、例えば、第１電極、第２電極の厚さを変えて、各振動検出素子３０で変動させる周波数において共振しやすい形状に構成してもよい。
［第２実施形態の効果］
（１）共振周波数が可変である振動部４０を有する振動検出素子３０を備えた振動センサ２を用いて、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５によって、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを変化させることにより、振動部４０の共振周波数を所定の範囲内で周期的に変化させることができる。物体において生じる振動の周波数、例えば、ノッキング振動の周波数が、所定の範囲内で周期的に変化させた共振周波数と一致した場合に、振動部４０が共振する。
これにより、１つの振動検出素子３０で広い周波数範囲での振動検出が可能であるので、エンジン５０において生じるノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ２を調整する必要がない。また、ノッキング振動以外の事象の振動も検出することができる。
更に、検出する共振周波数の数に応じて振動検出素子３０を用意する必要がないので、使用する振動センサ２を小型化することができる。
（１）共振周波数が可変である振動部４０を有する振動検出素子３０を備えた振動センサ２を用いて、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５によって、第１電極３１及び第２電極３２の撓みを変化させることにより、振動部４０の共振周波数を所定の範囲内で周期的に変化させることができる。物体において生じる振動の周波数、例えば、ノッキング振動の周波数が、所定の範囲内で周期的に変化させた共振周波数と一致した場合に、振動部４０が共振する。
これにより、１つの振動検出素子３０で広い周波数範囲での振動検出が可能であるので、エンジン５０において生じるノッキング振動の周波数に合わせて振動センサ２を調整する必要がない。また、ノッキング振動以外の事象の振動も検出することができる。
更に、検出する共振周波数の数に応じて振動検出素子３０を用意する必要がないので、使用する振動センサ２を小型化することができる。
（２）複数の振動検出素子３０を備えた振動センサを用いた場合、少なくとも２以上の振動部４０の共振周波数が、常に異なるように制御することにより、常に異なる共振周波数を有する振動検出素子３０が存在し、振動を検出することになるので、広い周波数範囲で振動検出が可能であり、振動の検出感度を向上させることができる。
〈その他の実施形態〉
振動センサとして、車両のエンジン５０に装着する振動センサ１，２を例示したが、これに限定されるものではなく、車両以外の機器、例えば、工作機械の可動部の振動検出などに用いることもできる。
振動センサとして、車両のエンジン５０に装着する振動センサ１，２を例示したが、これに限定されるものではなく、車両以外の機器、例えば、工作機械の可動部の振動検出などに用いることもできる。
［各請求項と実施形態との対応関係］
エンジン５０が請求項５に記載の内燃機関に、第１電極３１及び第２電極３２が請求項８に記載の容量式振動検出部に、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５が撓み制御手段にそれぞれ対応する。
エンジン５０が請求項５に記載の内燃機関に、第１電極３１及び第２電極３２が請求項８に記載の容量式振動検出部に、第１ギャップ制御電極３３及び第２ギャップ制御電極３５が撓み制御手段にそれぞれ対応する。
１，２ 振動センサ
１０，３０ 振動検出素子
１１ａ 伝達部
１５ 半導体基板
１６ 圧電体薄膜
１７ 下面電極
１８ 上面電極
１９ 振動検出部
２０，４０ 振動部
３１ 第１電極（容量式振動検出部）
３２ 第２電極（容量式振動検出部）
３３ 第１ギャップ制御電極（撓み制御手段）
３５ 第２ギャップ制御電極（撓み制御手段）
５０ エンジン（内燃機関）
１０，３０ 振動検出素子
１１ａ 伝達部
１５ 半導体基板
１６ 圧電体薄膜
１７ 下面電極
１８ 上面電極
１９ 振動検出部
２０，４０ 振動部
３１ 第１電極（容量式振動検出部）
３２ 第２電極（容量式振動検出部）
３３ 第１ギャップ制御電極（撓み制御手段）
３５ 第２ギャップ制御電極（撓み制御手段）
５０ エンジン（内燃機関）
Claims (11)
- 振動を発生する物体と非接触に配置された膜状の振動部と、
この振動部の両端と前記物体とを接続し、前記物体に発生した振動を前記振動部に伝達する伝達部と、
前記振動部の振動面に配置され、前記振動部の振動を電気信号として出力する振動検出部と、を有する振動検出素子を複数備え、
前記振動部の共振周波数を各振動検出素子毎に異ならせたことを特徴とする振動センサ。 - 前記各振動検出素子に備えられた前記各振動部は、半導体基板に薄肉形成され、前記振動検出部は、圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで形成された電極と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
- 前記各振動検出素子に備えられた前記各振動部及び前記各伝達部は、１つの半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の振動センサ。
- 前記振動部の厚さを各振動検出素子毎に異ならせることにより、前記振動部の共振周波数を各振動検出子毎に異ならせたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の振動センサ。
- 前記物体は、車両に備えられた内燃機関であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の振動センサ。
- 前記内燃機関においてノッキング現象が発生したときに生じるノッキング振動の周波数が、前記各振動検出素子が有する複数の共振周波数の１つと一致するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の振動センサ。
- 振動を発生する物体と非接触に配置され、共振周波数が可変である振動部と、
この振動部の両端と前記物体とを接続し、前記物体に発生した振動を前記振動部に伝達する伝達部と、
前記振動部に備えられ、前記振動部の振動を検出し、電気信号として出力する振動検出部と、を有する振動検出素子を備えた振動センサを用いて、
前記振動部の共振周波数を所定の範囲内で周期的に変化させることにより、前記物体において生じる振動の周波数が、前記所定の範囲内で周期的に変化させた共振周波数と一致した場合に、前記振動部が共振することを特徴とする振動検出方法。 - 前記振動部は、所定の間隔で対向配置された１組の電極を備え、前記振動部の振動を前記１組の電極間の静電容量の変化により検出する容量式振動検出部と、前記１組の電極の撓みを制御する撓み制御手段とを備えており、
前記撓み制御手段により前記１組の電極のうち少なくとも一方の電極の撓みを変化させることにより、前記振動部の共振周波数を変化させることを特徴とする請求項７に記載の振動検出方法。 - 複数の前記振動検出素子を備えた前記振動センサにおいて、少なくとも２以上の前記振動部の共振周波数が、常に異なるように制御することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の振動検出方法。
- 前記物体は、車両に備えられた内燃機関であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１つに記載の振動検出方法。
- 前記所定の範囲を、前記内燃機関においてノッキング現象が発生したときに生じるノッキング振動の周波数を含む範囲に設定することを特徴とする請求項１０に記載の振動検出方法。
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