JP2011137637A - 表面弾性波共振子型振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の振動センサの振動検知部の小型形状を保持したまま、感度の改善が可能な表面弾性波共振子型振動センサを提供すること。
【解決手段】 センサ素子２０を有する振動検知部１が検出対象物４に設置されている。センサ素子２０はＳＡＷ共振子を形成した圧電体基板と圧電体基板を保持する支持基板とからなっており、圧電体基板は支持基板に一端を支持されて片持ち梁構造をなしている。振動検知部１を検出対象物４に設置したときに検出対象物４に発生した振動に伴って圧電体基板に発生する機械振動によって生ずるＳＡＷ共振子のインピーダンスの変化を検出する手段として、アンテナ２と質問器を備え、振動検知部１は梁部３０と梁部３０の両端を支持する台座部３１とからなる両持ち梁構造体３２を有しており、センサ素子２０は梁部３０に搭載されている。また、アンテナ２は両持ち梁構造体３２の上に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス等の検出対象に設置して検出対象の破壊時などに検出対象に生ずる振動を検出する振動センサに関し、特に、表面弾性波（ＳＡＷ）共振子を使用し、そのインピーダンス変化により振動を検出する、振動変位拡大機構を有することにより感度を改善した表面弾性波共振子型振動センサに関する。

従来、振動センサは、建造物の耐震診断、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などに利用されている。その一例として、ガラス等の破壊時に生じるＡＥ（アコースティックエミッション）波のように瞬時的な振動を検知する振動センサがあり、その従来例が特許文献１に記載されている。特許文献１の振動センサは、圧電体基板上のＳＡＷ共振子とアンテナとを備えた振動検知部と、この振動検知部に電波を放出して反射波を検出する質問器を用いて振動センサを構築したことから、振動検知部をバッテリレスとすることが可能となっている。また、振動検知処理機能を質問器側に設けたことから、振動検知部から信号処理部などを省略することができ、振動検知部の小型化が可能となっている。

特許文献１の振動センサは、上述のように振動検知部に電源を必要としないこと、および小型化可能なことから、振動検知部を開閉式の窓にも取り付けられるという利点がある。この振動センサの一例のブロック構成図を図５に示し、この振動センサに使用するセンサ素子の構造を示す断面図を図６に、そのセンサ素子とアンテナとが一体となった振動検知部の斜視図を図７にそれぞれ示す。

図５に示されるように、この振動センサは、アンテナ４０およびセンサ素子２０を備えた振動検知部１００と、この振動検知部１００を無線電波により駆動し、センシング結果を受信する質問器５００からなる。振動検知部１００はＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を応用した小型化を可能とするセンサであり、図７に示されるように、ＳＡＷ共振子を形成した圧電体基板とそれを保持する支持基板とからなるセンサ素子２０と、アンテナ４０を構成する平板状のアンテナ導体７１、７２が平板状のタグ基体７０上に搭載されて構成されている。図５に示されるように、質問器５００は送受信兼用のアンテナ５０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ている。

また、図６に示されるように、センサ素子２０は板状の圧電体基板６２と、圧電体基板６２上に形成された櫛歯電極６４及びその表面弾性波伝搬方向の両側に近接して設けられた反射器６７及び６８とを備えたＳＡＷ共振子６０を有している。圧電体基板６２は、支持基板２２により片持ち梁状に支持され、その支持部の根元に近いところに櫛歯電極６４が位置しているので、圧電体基板６２に生じた振動を櫛歯電極６４の近傍に効率よく集中させることができる。ＳＡＷ共振子６０の櫛歯電極６４は半田バンプ２５、２６を介して支持基板２２の外側の端子２７に接続され、端子２７はアンテナ４０（図５）に接続される。

アンテナ４０にて受信した受信波は、センサ素子２０内部の櫛歯電極６４まで供給され、受信波の周波数が上記ＳＡＷ共振子６０の共振周波数に一致したときは受信波はＳＡＷ共振子６０にエネルギーが閉じ込められるので反射されて再びアンテナ４０に戻る反射波は小さい。しかし、圧電体基板６２に振動が加わると櫛歯電極６４の電極指間隔が変化するのでＳＡＷ共振子６０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、アンテナ４０から反射波として振動検知部１００の外部に送信されることとなる。反射波には圧電体基板６２の振動周波数に対応したサイドローブが発生し、その反射波中のサイドローブを質問器５００で検出することにより、振動が検出される。

圧電体基板６２を片持ち梁構造とし、その長さを選択して圧電体基板６２の共振周波数を検出対象が発生する振動周波数帯に合わせると検知対象物の振動が圧電体基板６２で拡大され継続される。例えばガラスの破壊などに伴う振動現象の検出に適用するような場合、ガラスの破壊に伴う振動自体は２ｍｓ程度の間しか持続しないのに対して、ガラス破壊に伴う振動に特徴的な周波数帯域に属するように圧電体基板６２の共振周波数を合わせることで、ガラス破壊に伴う振動自体が止まった後であっても、圧電体基板６２の振動を２ｍｓよりもかなり長めに持続させることができ、振動検知の確度が向上する。

特開２００７−２３２７０８号公報

上記の従来の振動センサにおいて、検出対象物に発生する様々な振動の中から目的とする振動現象の発生の有無を検知するために、感度の更なる改善が要求されている。この振動センサの感度は、検出対象物に発生した振動の大きさに対する圧電体基板に形成されたＳＡＷ共振子のインピーダンスの変化によって決まる。従来も上記のように圧電体基板を片持ち梁状として目的とする周波数帯域で共振させることで、検出対象物に発生した振動を圧電体基板でその振幅を拡大し、かつ、その継続時間を長くしている。しかし、従来の振動センサではその感度をさらに改善することは困難であった。

そこで、本発明の課題は、従来の振動センサの振動検知部の小型形状を保持したまま、感度の改善が可能な表面弾性波共振子型振動センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による表面弾性波共振子型振動センサは、表面弾性波共振子を形成した圧電体基板と該圧電体基板を保持する支持基板とからなるセンサ素子を有する振動検知部と、該振動検知部を検出対象物に設置したときに該検出対象物に発生した振動に伴って前記圧電体基板に発生する機械振動によって生ずる前記表面弾性波共振子のインピーダンスの変化を検出する手段とを備えた表面弾性波共振子型振動センサにおいて、前記振動検知部は梁部と該梁部の両端を支持する台座部とからなる両持ち梁構造体を有し、前記センサ素子は前記梁部に搭載されていることを特徴とする。

また、本発明による表面弾性波共振子型振動センサは、表面弾性波共振子を形成した圧電体基板と該圧電体基板を保持する支持基板とからなるセンサ素子を有する振動検知部と、該振動検知部を検出対象物に設置したときに該検出対象物に発生した振動に伴って前記圧電体基板に発生する機械振動によって生ずる前記表面弾性波共振子のインピーダンスの変化を検出する手段とを備えた表面弾性波共振子型振動センサにおいて、前記振動検知部は振動部と該振動部の周囲を支持する台座部とからなるダイアフラム型構造体を有し、前記センサ素子は前記振動部に搭載されていることを特徴としてもよい。

ここで、前記圧電体基板は前記支持基板に一端を支持されて片持ち梁構造をなしていてもよい。

また、前記振動検知部は前記表面弾性波共振子に電気的に接続されたアンテナを有していても良く、この場合、前記アンテナは前記両持ち梁構造体または前記ダイアフラム型構造体に形成されていてもよい。

また、前記アンテナに電磁波を放射する機能と該電磁波が前記アンテナより反射されてなる反射波を受信する機能とを有する質問器を備え、前記反射波の周波数特性の変化を検出することにより前記表面弾性波共振子のインピーダンスの変化を検出してもよい。

また、前記両持ち梁構造体または前記ダイアフラム型構造体の内部に電池が収納されていてもよい。

本発明においては、上記のようにＳＡＷ共振子を形成した圧電体基板とそれを保持する支持基板とからなるセンサ素子が両持ち梁構造体またはダイアフラム型構造体に搭載されて振動検知部が構成されている。

すなわち、センサ素子の支持体の構造を工夫し、その支持体を両持ち梁構造体またはダイアフラム型構造体とし、それらの構造の共振を用いることで圧電体基板の更なる変位量の拡大を図るものである。これにより更なる感度の改善が可能となる。

また、従来の振動センサのように、質問器を備え、無線通信によりＳＡＷ共振子のインピーダンス変化を検出して振動を検知する場合、本発明では両持ち梁構造体またはダイアフラム構造体であるその支持体にアンテナを形成して小型化を図ることができる。

また、前記両持ち梁構造体または前記ダイアフラム型構造体の内部の空間部分に電池を収納することが可能であり、これにより、ＳＡＷ共振子のインピーダンス変化を拡大する電気回路、質問器への反射波を増幅する電気回路、さらにはセンサ出力信号を無線通信する送信回路などを振動検知部に一体化することも可能となる。その結果、センサ信号を無線で通信する場合には、その通信可能距離をさらに拡大することが出来る。

以上のように、本発明により、従来の振動センサの振動検知部の小型形状を保持したまま、感度の改善が可能な表面弾性波共振子型振動センサが得られる。

本発明による表面弾性波共振子型振動センサの第一の実施の形態に用いる振動検知部を検出対象物に設置したときの図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図。 本発明による表面弾性波共振子型振動センサの第二の実施の形態に用いる振動検知部を検出対象物に設置したときの図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図。 作製した両持ち梁構造体の平面図。 一定の振動をベース板に加えた時の梁部の中央部分およびベース板の振動変位の周波数特性を示す図。 従来の振動センサの一例のブロック構成図。 従来の振動センサに使用するセンサ素子の構造を示す断面図。 従来の振動センサのセンサ素子とアンテナとが一体となった振動検知部の斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明による表面弾性波共振子型振動センサの第一の実施の形態に用いる振動検知部を検出対象物に設置したときの図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。図１において、センサ素子２０を有する振動検知部１が検出対象物４に設置されている。ここでセンサ素子２０は従来の振動センサのセンサ素子と同じであり、図６に示されるように、ＳＡＷ共振子６０を形成した圧電体基板６２と圧電体基板６２を保持する支持基板２２とからなっており、圧電体基板６２は支持基板２２に一端を支持されて片持ち梁構造をなしている。

また、振動検知部１を検出対象物４に設置したときに検出対象物４に発生した振動に伴って圧電体基板６２に発生する機械振動によって生ずるＳＡＷ共振子６０のインピーダンスの変化を検出する手段として、振動検知部１はＳＡＷ共振子６０に電気的に接続された平板状のアンテナ２を有しており、図には表示を省略するが、アンテナ２に電磁波を放射する機能とその電磁波がアンテナ２より反射されてなる反射波を受信する機能とを有する質問器を備え、前記反射波の周波数特性の変化を検出することによりＳＡＷ共振子６０のインピーダンスの変化を検出している。

さらに、本実施の形態においては、図１に示すように、振動検知部１は梁部３０と梁部３０の両端を支持する台座部３１とからなる両持ち梁構造体３２を有しており、センサ素子２０は梁部３０に搭載されている。また、アンテナ２は両持ち梁構造体３２の上に形成されている。

上記の、本実施の形態の振動検知部１に使用する両持ち梁構造体３２の一具体例として、図３に示されるような両持ち梁構造体を作製し、振動特性の評価を行った。図３は作製した両持ち梁構造体の平面図である。この両持ち梁構造体は梁部９と梁部９の両端を支持する台座部１０とからなり、特性評価のためベース板１１上に設置されている。

その設計、作製手順、および評価方法は以下の通りである。固定端となる台座部１０間の梁部９の振導体となる梁長さをＬとすると、その振動体の共振周波数ｆは、以下の式で表される。

ここで、ρは構造体の密度、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメント、αは共振周波数定数 （１次共振の場合は４．７３）である。

本例では、梁部９、台座部１０、ベース板１１として、いずれも厚さ１．６ｍｍのガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）を用いた。式（１）を用い、共振周波数ｆが検知対象の所望の振動の周波数となるようにＬを決めた。図３に示される寸法、すなわち、梁部９の幅Ｄが５ｍｍ、長さが２６ｍｍ、梁長さＬが２０ｍｍ、固定幅Ｃが３ｍｍ、ベース板１１の幅Ａ及び長さＢが５０ｍｍ等となるようにガラスエポキシ基板を切断し、瞬間接着剤を使い、両持ち梁構造体の組立て及びベース板１１上への設置を行った。その接着剤の硬化後、ベース板１１を加振器にのせ、梁部９の中央部分およびベース板１１の部分の振動変位の周波数特性を測定した。変位量の測定にはレーザードップラー変位計を用いた。

上記測定の結果、図４に示すグラフが得られた。図４は一定の振動をベース板に加えた時の梁部の中央部分およびベース板の振動変位の周波数特性を示す図である。梁部の中央部分とベース板のそれぞれの周波数特性を比較すると、梁部の中央部分では１５ｋＨｚ付近で共振により振動変位量が拡大されていることが分かる。すなわち、梁部９の中央部分にセンサ素子を設置することで、従来のようにセンサ素子をベース板１１に直接設置した場合と比較して、より大きな振動を圧電体基板の片持ち梁に加えることが出来ることがわかる。この結果、振動センサの感度を従来よりも向上させることが出来る。

図２は本発明による表面弾性波共振子型振動センサの第二の実施の形態に用いる振動検知部を検出対象物に設置したときの図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。図２において、センサ素子２０を有する振動検知部５が検出対象物４に設置されている。ここでセンサ素子２０は従来の振動センサのセンサ素子と同じであり、図１の第一の実施の形態の振動検知部１と同様に図６に示される構造を有している。

また、第一の実施の形態の振動検知部１と同様にＳＡＷ共振子６０のインピーダンスの変化を検出する手段として、図２に示すように、振動検知部５はＳＡＷ共振子６０（図６）に電気的に接続された平板状のアンテナ２を有しており、また、第一の実施の形態と同様な質問器を備え、ＳＡＷ共振子６０のインピーダンスの変化を検出している。

但し、本実施の形態においては、図２のように、振動検知部５は円板状の振動部６と振動部６の周囲を支持する台座部７とからなるダイアフラム型構造体３３を有し、センサ素子２０は振動部６に搭載されている。また、アンテナ２はダイアフラム型構造体３３の上に形成されている。

ここで、上記のダイアフラム型構造体３３において、台座部７に囲われた振動部６の半径をａとすると、ダイアフラム型構造体３３の共振周波数ｆは以下の式で表される。

ここで、ρは構造体の密度、Ｅはヤング率、σはポアソン比、ｄは振動部の厚さである。式（２）を用いて、上記の具体例と同様に、所望の共振周波数を満たすａを決めることが出来る。本実施の形態においても、振動部６の中央部分にセンサ素子２０を設置することで、従来よりも大きな振動を圧電体基板の片持ち梁に加えることができ、振動センサの感度を従来よりも向上させることが出来る。

上記第一および第二の実施の形態において、図１の振動検知部の両持ち梁構造体３２の内部の空間部分３または図２のダイアフラム型構造体３３の内部の空間部分８に電池やＩＣ化された電気回路などを収納することが可能であり、これにより、ＳＡＷ共振子のインピーダンス変化を拡大する電気回路、質問器への反射波を増幅する電気回路、さらにはセンサ出力信号を無線通信する送信回路などを振動検知部に一体化することも可能となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて任意に設計変更可能である。例えば、振動検知部のセンサ素子の圧電体基板は支持基板に両端を支持された両持ち梁構造であってもよく、また、アンテナは振動検知部とは別に設置されていても良い。さらには、ＳＡＷ共振子のインピーダンスの変化を検出する手段としては、質問器などの無線による手段でなくとも、ＳＡＷ共振子の電極から直接電気線を引出して検知装置に出力し、インピーダンスの変化を検出しても良い。また、振動検知部、両持ち梁構造体、ダイアフラム型構造体、センサ素子、アンテナなどの構造や形状も変更可能である。

１、５、１００ 振動検知部
２、４０、５０ アンテナ
３、８ 空間部分
４ 検出対象物
６ 振動部
９、３０ 梁部
７、１０、３１ 台座部
１１ ベース板
２０ センサ素子
２２ 支持基板
２５、２６ 半田バンプ
２７ 端子
３２ 両持ち梁構造体
３３ ダイアフラム型構造体
６０ ＳＡＷ共振子
６２ 圧電体基板
６４ 櫛歯電極
６７、６８ 反射器
７０ タグ基体
７１、７２ アンテナ導体
５００ 質問器

Claims (7)

1. 表面弾性波共振子を形成した圧電体基板と該圧電体基板を保持する支持基板とからなるセンサ素子を有する振動検知部と、該振動検知部を検出対象物に設置したときに該検出対象物に発生した振動に伴って前記圧電体基板に発生する機械振動によって生ずる前記表面弾性波共振子のインピーダンスの変化を検出する手段とを備えた表面弾性波共振子型振動センサにおいて、前記振動検知部は梁部と該梁部の両端を支持する台座部とからなる両持ち梁構造体を有し、前記センサ素子は前記梁部に搭載されていることを特徴とする表面弾性波共振子型振動センサ。
2. 表面弾性波共振子を形成した圧電体基板と該圧電体基板を保持する支持基板とからなるセンサ素子を有する振動検知部と、該振動検知部を検出対象物に設置したときに該検出対象物に発生した振動に伴って前記圧電体基板に発生する機械振動によって生ずる前記表面弾性波共振子のインピーダンスの変化を検出する手段とを備えた表面弾性波共振子型振動センサにおいて、前記振動検知部は振動部と該振動部の周囲を支持する台座部とからなるダイアフラム型構造体を有し、前記センサ素子は前記振動部に搭載されていることを特徴とする表面弾性波共振子型振動センサ。
3. 前記圧電体基板は前記支持基板に一端を支持されて片持ち梁構造をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の表面弾性波共振子型振動センサ。
4. 前記振動検知部は前記表面弾性波共振子に電気的に接続されたアンテナを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面弾性波共振子型振動センサ。
5. 前記アンテナは前記両持ち梁構造体または前記ダイアフラム型構造体に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の表面弾性波共振子型振動センサ。
6. 前記アンテナに電磁波を放射する機能と該電磁波が前記アンテナより反射されてなる反射波を受信する機能とを有する質問器を備え、前記反射波の周波数特性の変化を検出することにより前記表面弾性波共振子のインピーダンスの変化を検出することを特徴とする請求項４または５に記載の表面弾性波共振子型振動センサ。
7. 前記両持ち梁構造体または前記ダイアフラム型構造体の内部に電池が収納されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面弾性波共振子型振動センサ。

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