JP2011095092A

JP2011095092A - ガラス破壊検知装置

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Publication number: JP2011095092A
Application number: JP2009249105A
Authority: JP
Inventors: Chieko Fujiwara; 千恵子藤原; Junichi Hayasaka; 淳一早坂; Arinori Kakita; 有紀垣田; Yuichi Togano; 祐一戸叶
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】外部の振動を効率よく伝達することができ、より感度良く無線到達距離も向上させることができる破壊検知装置を提供する。
【解決手段】柱状でＩ字型の第１の振動子アーム３と、柱状でＬ字型の第２の振動子アーム４が一体構成され、第１の振動子アーム３の一側面に、第１の振動子アーム３の端面と第２の振動子アーム４の長寸部分の端面が同一面上にあり、第１の振動子アーム３の手方向の軸に第２の振動子アーム４の長寸部分が平行になるように第２の振動子アーム４を配置した変形音叉型振動子を用いて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の振動現象を検出する振動センサ及びこの振動センサを機能させる質問器を備えたガラス破壊検知装置に関する。

従来、振動センサは、建造物の耐震診断や防犯セキュリティ用のガラス破壊検知装置、或いは設備や工作機械の異常振動検知装置に利用されている。その一例として、特許文献１には、ガラス等の破壊現象において生じる振動のように瞬時的ではあるが周期的な変化を検知するシステムが、開示されている。特許文献１のシステムでは、圧電材料を利用した振動センサを用いて、ガラス等の破壊現象において生じる振動を電気信号に変換することにより、破壊現象の有無を検知している。また、特許文献２には、シングルポートの表面弾性波（ＳＡＷ）共振子を備えた振動センサと質問器を用いて振動検知システムを構築したセンサが開示されている。これにより、振動センサをバッテリレスとすることが可能となっている。また、振動検知用の処理を質問器側ですることとしたことから、振動センサから信号処理部などを省略することもできる。そのため、小型化が可能となっている。さらに、振動子の特性を向上させる検討は多くなされており、例えば、特許文献３に音叉型構造の振動子の例が開示されている。

特開２０００−４８２６８号公報特開２００７−２３２７０８号公報特開２００９−１３０４５６号公報

しかしながら、特許文献１の振動センサは、形状が大きすぎ、開閉式の窓には取り付けられず、また、電池の取替えが必要となるため、取り外し可能な場所への取り付けしかできない。特許文献２のセンサは、片持ち梁振動子を用いることにより、感度が良くなってセンサ出力が大きくなり、ある程度の無線到達距離は確保できるが、振動に対して十分な感度を得ることができない問題があり、より感度を良くして、長い無線到達距離を実現するには、振動子構造を検討する必要が生じていた。

また、特許文献３の音叉型構造の振動子は、逆相を振動漏れが少なくＱ値が高いことから基本波モードとして採用しており、この基本波モードと同相モードの振動周波数を離すことにより、特性が安定しているが、外部からの振動を伝達させる効率が悪いという問題があった。

そこで本発明は、振動子に外部からの振動を効率よく伝達することができ、より感度良く無線到達距離を向上させることができるガラス破壊検知装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、変形音叉型構造を採用し、その最も歪量の大きい場所にＳＡＷ共振子を配置した振動子を有するガラス破壊検知装置としたものである。

すなわち、本発明によれば、変形音叉型振動子を用いた振動センサを備えたガラス破壊検知装置であって、前記変形音叉型振動子は、柱状でＩ字型の第１の振動子アームと、柱状でＬ字型の第２の振動子アームが一体構成され、前記第１の振動子アームの一側面に、前記第１の振動子アームの端面と第２の振動子アームの長寸部分の端面が同一面上にあり、前記第１の振動子アームの長手方向の軸に前記第２の振動子アームの長寸部分が平行になるように前記第２の振動子アームを配置したことを特徴とするガラス破壊検知装置が得られる。

また、本発明によれば、前記変形音叉型振動子は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１６）、水晶（ＳｉＯ_２）のうちいずれかの圧電体からなることを特徴とする上記のガラス破壊検知装置が得られる。

また、本発明によれば、前記変形音叉型振動子上に形成されたシングルポート表面弾性波共振子と前記シングルポート表面弾性波共振子と電気的に接続されたアンテナを有する振動検知部と、前記振動検知部に電磁波を放射する機能と前記振動検知部が受信した前記電磁波を反射してなる反射波を受信して前記反射波を監視する機能を有する質問器とを備え、外部振動により前記変形音叉型振動子に加えられた歪に応じて，前記電磁波の周波数帯における、前記シングルモード表面弾性波共振子のインピーダンスが変化することによって生じる、前記反射波の強度もしくは周波数の少なくともいずれかの変化を検出することにより、前記外部振動を検知することを特徴とする上記のガラス破壊検知装置が得られる。

また、本発明の変形音叉型振動子を振動検知センサに用いることにより、振動を感度良く検知できる。

また、シングルポート表面弾性波共振子を用いてガラス破壊検知装置を構成したが、他の振動検出センサを用いても、同様に感度よく検知できる。

本発明では、変形音叉型構造を採用し、その最も歪量の大きい場所にＳＡＷ共振子を配置した振動子を有する構成とすることにより、振動子に外部からの振動を効率よく伝達することができ、より感度良く破壊検知ができるため、無線到達距離も向上させることができるガラス破壊検知装置を提供することができる。

本発明の変形音叉型振動子にＳＡＷ共振子を配置した斜視図である。本発明のガラス破壊検知装置の構成図である。本発明の実施例１の変形音叉型振動子の斜視図である。振動測定の構成図である。振動測定の振動子を示した斜視図であり、図５（ａ）は、変形音叉型振動子、図５（ｂ）は、片持ち梁振動子、図５（ｃ）は、音叉型振動子である。本発明の実施例１の変形音叉型振動子の変位量を示した図である。本発明のＳＡＷ共振子を用いたガラス破壊検知の構造に係わる概念図である。質問器から送信される連続的な送信電磁波に対するＳＡＷ共振子を用いたガラス破壊検知のアンテナで反射された返信電磁波の時間応答説明図である。返信電磁波のスペクトル応答説明図である。比較例１の片持ち梁振動子の斜視図である。比較例２の音叉型振動子の斜視図である。比較例１の片持ち梁振動子と比較例２の音叉型振動子の変位量を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明のガラス破壊検知装置に用いる振動子は、柱状でＩ字型の第１の振動子アームに、柱状でＬ字型の第２の振動子アームが一体構成された変形音叉型振動子である。

図１は、本発明の変形音叉型振動子にＳＡＷ共振子を配置した斜視図である。図１に示すように、本発明の変形音叉型振動子１は、略十手状であり、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ランガサイト（ＬａＯ_３ＧａＯ_５ＳｉＯ_１６）、水晶（ＳｉＯ_２）のうちいずれかの圧電体からなり、柱状でＩ字型の第１の振動子アーム３の基部（端面から全体の１／３の長さの部分）に、第１の振動子アーム３の先端部と柱状でＬ字型の長寸部分と短寸部分からなる第２の振動子アーム４の先端部が同一面上にあり、第１の振動子アーム３の長手方向の軸に長尺部分が平行になるように第２の振動子アーム４が一体構成されている。変形音叉型振動子１における振動時の振動歪量の最も大きい場所に、３６度回転Ｙ板のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）ウエハ上に公知のスパッタリング技術、フォトリソグラフィ技術により、Ｔｉ／Ａｌ層からなるＳＡＷ共振子２を作製して配置している。

図２は、本発明のガラス破壊検知装置の構成図である。図２に示すように、本発明のガラス破壊検知装置５は、変形音叉型振動子１上に形成されたＳＡＷ共振子２と、ＳＡＷ共振子２からの電気的に接続された電磁波を放射する機能を有する振動検知部６と、振動検知部６からの信号を送受信するアンテナ７と、送受信兼用のアンテナ９と送受信号分離のためのサーキュレータ、受信回路、送信回路などから構成された質問器８から成り立っている。

アンテナ７にて受信した受信波は、振動検知部６を通りＳＡＷ共振子２まで供給され、受信波の周波数がＳＡＷ共振子２の共振周波数に一致した時は、受信波はＳＡＷ共振子２にエネルギーが閉じ込められるので反射され再びアンテナ７に戻る反射波は小さい。しかし、変形音叉型振動子１に振動が加わるとＳＡＷ共振子２の共振周波数が変化しそのインピーダンスが変化することにより、その分だけ反射強度が増大して反射され、振動検知部６を通りアンテナ７から反射波として外部に送信されることとなる。反射波には変形音叉型振動子１の振動周波数に対応した共振周波数の両側波帯が発生し、その反射波中の共振周波数の両側波帯をアンテナ９で受信して質問器８で検出することにより、振動が検出される。

ガラス破壊検知装置５は、外部からの振動により変形音叉型振動子１に加えられる歪に応じて，電磁波の周波数帯における、ＳＡＷ共振子２のインピーダンスが変化することによって生じる、反射波の強度もしくは周波数の少なくともいずれかの変化を検出することにより、ガラスの破壊を検知する。

本発明におけるＳＡＷ型ガラス破壊検知の原理について説明する。図７は、ＳＡＷ共振子を用いたガラス破壊検知の構造に係わる概念図である。台座５０上の変形音叉型振動子１の支持部近傍にＳＡＷ共振子２を配置している。このＳＡＷ共振子２は、電気的にアンテナ７に接続している。ＳＡＷ型ガラス破壊検知の装置は、検知対象である窓ガラスに取り付けられている。

ガラスが割られると、ＡＥ（アコースティックエミッション）波が発生する。このＡＥ波をガラスに取り付けられているＳＡＷ型ガラス破壊検知の装置が受けると、変形音叉型振動子１は構造体自体の共振周波数で共鳴振動をする。ここで、変形音叉型振動子１の共振周波数はＡＥ波の周波数帯（５０ｋＨｚ以上）に合致するように、構造を設計する。変形音叉型振動子１が共鳴振動をする場合、アンテナ７からみるインピーダンスは、その共鳴振動に同期して変化する。従って、アンテナ７から反射される返信反射波も、インピーダンスの変化に応じて変化する。

図８は、質問器から送信される連続的な送信電磁波に対するＳＡＷ共振子を用いたガラス破壊検知のアンテナで反射された返信電磁波の時間応答説明図である。図９は、返信電磁波のスペクトル応答説明図である。図８に示すように、ガラスが割られた場合には、質問器より送信される送信電磁波と同一の周波数成分を有する波１１を基本波として、包絡線状に波が形成される。この包絡線１０の周期は、振動子の共振周波数に一致している。図９に示すように、この信号成分のスペクトルは、送信電磁波の周波数を基本波として、両側波帯に振動子の共振周波数が存在する形態をとる。ガラスが割れていない時は、基本波２．４５ＧＨｚの変調がされていない、波形が検出されるだけである。

ガラスの破壊の判断は、質問器により、反射波を用いて３つの判定基準によりガラスの破壊を判定することとしている。反射波をＦＦＴ変換して、両側波帯に存在する振動子の共振周波数と同一の周波数を検知した場合で、基本波から、周波数６０〜１００ｋＨｚ離れた所に信号が表れる。電力レベルが、−８０ｄＢｍ以上のレベルである。この信号が５ｍｓｅｃ以上持続するかを判断してガラスが割れたと認知する。

（実施例１）
本発明の変形音叉型振動子を作製して、特性を比較した。

図３は、本発明の実施例１の変形音叉型振動子を示した斜視図である。外部からの振動を効率よく伝達させるように、図３に示すような変形音叉型振動子の支持部を片側のアームから一直線上になるようにずらした圧電単結晶のＬｉＴａＯ_３（以下ＬＴと記す）を用いて変形音叉型振動子を作製した。このときの変形音叉型振動子の各部寸法を、図３において、ａ＝２００μｍ、ｂ＝１３００μｍ、ｃ＝３５０μｍ、ｄ＝３００μｍ、ｅ＝４００μｍ、ｆ＝５００μｍとした。

ＳＡＷ共振子２の具体的な構造およびその製造方法について説明する。３６度回転Ｙ板のＬＴウエハ上に公知のスパッタリング技術、フォトリソグラフィ技術により、Ｔｉ／Ａｌ層からなるＳＡＷ共振子および反射器を形成する。ＳＡＷ共振子２の共振周波数が２．４５ＧＨｚ帯となるようにＴｉ／Ａｌ層電極およびギャップ間隔は０．４μｍとし、対数ｎ＝１５とした。尚、Ａｌ層の厚みは、適度な電気機械結合係数が得るために７０ｎｍとした。このＳＡＷ共振子２を実施例１の変形音叉型振動子上の最も歪量が大きい図１のＳＡＷ共振子２に示す第１の振動子アーム３と第２の振動子アーム４の交わる近傍の場所にパターニングした。

特性の比較を行うために、比較例１として片持ち梁の振動子を、比較例２として音叉型振動子も同様に作製し、振動子の特性を測定し比較した。図１０は、比較例１の片持ち梁振動子の斜視図である。図１１は、比較例２の音叉型振動子の斜視図である。作製した片持ち梁の振動子と音叉型振動子は、変形音叉型振動子と同様に、圧電単結晶のＬＴを用いて作製した。片持ち梁振動子の寸法は、図１０において、ａ＝１０５０μｍ、ｂ＝２０００μｍ、ｃ＝３５０μｍとした。音叉型振動子の寸法は、図１１において、ａ＝２００μｍ、ｂ＝１３００μｍ、ｃ＝３５０μｍ、ｄ＝３００μｍ、ｅ＝４００μｍ、ｆ＝５００μｍ、ｇ＝４００μｍとした。比較例１の片持ち梁振動子と比較例２の音叉型振動子においても、最も歪量が大きい場所にＳＡＷ共振子をパターニングした。

振動子の特性を測定するために、振動子の振動測定比較を行った。図４は、振動測定の構成図である。図５は、振動測定の振動子を示した斜視図であり、図５（ａ）は、変形音叉型振動子、図５（ｂ）は、片持ち梁振動子、図５（ｃ）は、音叉型振動子である。図４に示すように、測定物の振動子４１に対して、発振器４２から測定する振動子の共振する周波数を発生させアンプ４３で増幅して加振器４４を用いて振動を加え、上面からレーザードップラ振動計４５を用いて振動の様子を測定し、シグナルアナライザ４６を用いて、オシロスコープ４７に表示させた。片持ち梁振動子２１の場合は、５６ｋＨｚで、変形音叉型振動子１と音叉型振動子３１の場合は、８５ｋＨｚの周波数で測定した。図５に示すように、支持部の形成には、セラミックパッケージの台座部分にＡｕ−Ｓｎ半田で固定した。あるいは、シリコン基板を用いて、ＬＴ基板と陽極接合あるいは直接接合技術によって張り合せることも可能である。このとき、加振器の周波数特性を考慮して、レーザードップラ振動計で振動子を乗せる土台となる板の振動状態を測定し、周波数が変わっても土台の変位量は同程度となるように加振器に印加する電圧値を最適なものとした。図５に示すように、支持部の台座５０の長さ４００μｍを除いた台座５０の先端を基準とし、基準からの距離における振動子の変位量を測定した。

このときの変形音叉型振動子の第１の振動子アーム３および第２の振動子アーム４の振動の変位量と片持ち梁振動子の変位量を示す。図６は、本発明の実施例１の変形音叉型振動子の変位量を示した図である。第１の振動子アーム３および第２の振動子アーム４は、面外方向に１８０度の位相差で振動している。片持ち梁振動子と変形音叉型振動子の第２の振動子アーム４の変位量は同等であり、振動子の歪量も同等である。一方、第１の振動子アーム３の変位量は全域において片持ち梁振動子の約３倍であった。歪量も約３倍となり、振動センサの感度を向上させることが可能となる。

比較例の音叉型振動子の２つのアーム３３および３４の振動の変位量と片持ち梁振動子の変位量を示す。図１２は、比較例１の片持ち梁振動子と比較例２音叉型振動子の変位量を示した図である。音叉型振動子の振動子アーム３３および振動子アーム３４は面外方向に１８０度の位相差で振動している。片持ち梁振動子と音叉振動子の振動子アーム５および振動子アーム６の変位量は同等であり、振動子の歪量も同等である。

ガラス破壊検知装置を、実施例の変形音叉型振動子を用いて構成したところ、質問器により搬送波を１０ｄＢｍの強度で送信し、振動子を振動させ反射波を観測した。質問器との距離を同じにして比較したところ、振動子が片持ち梁構造の場合では、側波帯の電力レベルが−７０ｄＢｍであったのに対して、変形音叉型振動子では−６０ｄＢｍであった。また、−７５ｄＢｍ以上の電力レベルで受信可能と設定すると、本発明の変形音叉型振動子では片持ち梁構造振動子の約３倍の距離でも受信可能であった。

このように、変形音叉型振動子を用いてガラス破壊検知装置を構成することにより、振動子に外部振動を効率よく伝達することができ、より感度良く破壊検知ができるため、無線到達距離も向上させることができた。

（実施例２）
実施例１で使用したＬＴウエハをランガサイト単結晶、水晶に変えても同様の効果が確認できた。また、ＳＡＷ共振子の共振周波数が９５０ＭＨｚ、３５０ＭＨｚとなるようにギャップ間隔を変えて行っても同様の効果を確認できた。

以上、実施例を用いて、この発明を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

１変形音叉型振動子
２ＳＡＷ共振子
３第１の振動子アーム
４第２の振動子アーム
５ガラス破壊検知装置
６振動検知部
７アンテナ
８質問器
９アンテナ
１０包絡線
１１送信電磁波と同一の周波数成分を有する波
２１片持ち梁振動子
２３振動子アーム
３１音叉型振動子
３３振動子アーム
３４振動子アーム
４１振動子
４２発振器
４３アンプ
４４加振器
４５レーザードップラ振動計
４６シグナルアナライザ
４７オシロスコープ
５０台座

Claims

変形音叉型振動子を用いた振動センサを備えたガラス破壊検知装置であって、前記変形音叉型振動子は、柱状でＩ字型の第１の振動子アームと、柱状でＬ字型の第２の振動子アームが一体構成され、前記第１の振動子アームの一側面に、前記第１の振動子アームの端面と第２の振動子アームの長寸部分の端面が同一面上にあり、前記第１の振動子アームの長手方向の軸に前記第２の振動子アームの長寸部分が平行になるように前記第２の振動子アームを配置したことを特徴とするガラス破壊検知装置。
前記変形音叉型振動子は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１６）、水晶（ＳｉＯ_２）のうちいずれかの圧電体からなることを特徴とする請求項１記載のガラス破壊検知装置。
前記変形音叉型振動子上に形成されたシングルポート表面弾性波共振子と前記シングルポート表面弾性波共振子と電気的に接続されたアンテナを有する振動検知部と、前記振動検知部に電磁波を放射する機能と前記振動検知部が受信した前記電磁波を反射してなる反射波を受信して前記反射波を監視する機能とを有する質問器を備え、外部振動により前記変形音叉型振動子に加えられた歪に応じて、前記電磁波の周波数帯における、前記シングルモード表面弾性波共振子のインピーダンスが変化することによって生じる、前記反射波の強度もしくは周波数の少なくともいずれかの変化を検出することにより、前記外部振動を検知することを特徴とする請求項１または請求項２記載のガラス破壊検知装置。