JP2012225819A

JP2012225819A - 振動センサおよび振動検知装置

Info

Publication number: JP2012225819A
Application number: JP2011094946A
Authority: JP
Inventors: Arinori Kakita; 有紀垣田; Junichi Hayasaka; 淳一早坂; Chieko Fujiwara; 千恵子藤原
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】高精度なパターンの形成を必要とせず、かつ、簡単な構造で、小型化が可能であり、ＡＥ波の検知に対しても十分な感度が得られる振動センサ、およびそれを使用した振動検知装置を提供すること。
【解決手段】振動センサ部１４とアンテナ１３とから構成され、振動センサ部１４は、基板２と、支持部８と、支持部８に一端を固定された片持ち梁１と、基板２上に設置された下部電極３と、下部電極３に対向して片持ち梁１の先端部に設けられた上部電極４とを有し、下部電極３と上部電極４はアンテナ１３に接続され、外部より印加された振動により片持ち梁１が振動することにより、上部電極４と下部電極３間の静電容量が変化し、これによりアンテナ１３へ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バックスキャッタ方式により振動を検知する振動センサおよびそれを用いた振動検知装置に関し、特に建造物などの破壊現象に伴って発生するＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）波が検知可能な振動センサおよび振動検知装置に関する。

質問機から送信された電磁波に対して、ＩＣタグなどの情報記録媒体の部分で返信したい情報に応じてインピーダンスなどの変化を与え、反射波、散乱波にその信号を重畳して送出し、質問機でその情報を読み取るバックスキャッタ方式の通信がＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）において使用されている。このバックスキャッタ方式の技術はセンサ装置にも応用されており、例えば特許文献１および特許文献２にバックスキャッタ方式を利用したセンサ装置が記載されている。

特許文献１に記載の振動検知装置は、質問機と振動センサからなり、振動センサに加えられた外部からの振動による振動センサからの反射波の変化を質問機が検知するシステムである。このようなバックスキャッタ方式の採用により、振動センサに電源を必要としないという特長がある。この振動センサは、片持ち梁上に形成された表面弾性波（ＳＡＷ）共振子からなる振動センサ部とアンテナにより構成されている。質問機は、振動センサに対してＳＡＷ共振子の共振周波数付近の高周波の搬送波からなる電波信号を送出する一方で、振動センサのＳＡＷ共振子に接続されたアンテナを介して放射される反射波を監視し、振動センサに加えられた機械振動に応じてＳＡＷ共振子の共振特性の変化により生ずる反射波の変化に基づいて振動現象を検知するものである。このように無線技術によりセンサを無電源化することにより、センサの小型化が可能となり、また、遠隔ネットワークを介したセンサシステムの構築が容易となる。

また、特許文献１においては、上記の片持ち梁の長さを選択してそ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、検知対象物の振動が片持ち梁で拡大され継続されるようにしている。例えばガラスの破壊などに伴うＡＥ波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片持ち梁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あとであっても、片持ち梁の振動を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。

特許文献２に記載の振動センサもバックスキャッタ方式の振動センサであり、変調された電磁波信号を受信して受信信号として出力する受信部と、前記受信部に接続されかつ電気的な容量要素を有し、前記受信部が出力した前記受信信号の周波数に応じた電圧を前記容量要素の両端子間に生成させる容量部と、前記容量部に接続され、前記容量部で生成された前記電圧によって励振され、かつ外力によって共振周波数が変化するとともに、前記共振周波数の変調信号を出力する共振部と、前記受信信号を復調して搬送波信号を出力する復調部と、前記復調部が出力した前記搬送波信号と前記共振部が出力した前記変調信号と混合して変調された送信信号を生成する変調部と、前記変調部に接続され、前記変調部で生成された前記送信信号を電磁波信号として送信する送信部とを備えている振動センサである。

特開２００７−２３２７０８公報特開２００８−１６４５９２公報

しかしながら、特許文献１に記載のＳＡＷ共振子を用いた振動センサでは、ＳＡＷ共振子の作製工程において、高精度な櫛歯電極パターンを形成するための微細加工装置が必要となる。たとえば送信波の周波数が２．４５ＧＨｚであれば、水晶基板上に形成される櫛歯電極の電極指幅と電極指間隔は０．３５μｍとなり、超微細なパターンを実現しなければならない。

また、特許文献２に記載の振動センサでは、振動センサのセンサ部はＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いた可変容量を用いることができるが、振動センサの全体構成としては、他にダイオードやコンデンサなどの素子を組み込む必要があるため、小型化や、構成を簡易化して低コスト化を図るためには十分ではない。さらに、ＡＥ波を検知するための考慮はまったくなされておらず、ＡＥ波の検知には十分な感度は得られない。

そこで本発明の課題は、高精度なパターンの形成を必要とせず、かつ、簡単な構造で、小型化が可能であり、ＡＥ波の検知に対しても十分な感度が得られる振動センサ、およびそれを使用した振動検知装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明による第１の振動センサは、振動センサ部とアンテナとから構成され、前記振動センサ部は、基板と、前記基板に固定された支持部と、前記支持部に一端を固定された片持ち梁と、前記基板上に設置された下部電極と、前記下部電極に空隙を介して対向して前記片持ち梁の先端部に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極は前記アンテナに接続され、外部より前記振動センサ部に印加された振動により前記片持ち梁が振動することにより、前記上部電極と前記下部電極間の静電容量が変化し、これにより前記アンテナの入出力インピーダンスが前記振動により変調され、前記アンテナへ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されることを特徴とする。

また、本発明による第２の振動センサは、振動センサ部とアンテナから構成され、前記振動センサ部は、基板と、前記基板に固定された支持部と、前記支持部に両端を固定された両持ち梁と、前記基板上に設置された下部電極と、前記下部電極に空隙を介して対向して前記両持ち梁の中央部に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極は前記アンテナに接続され、外部より前記振動センサ部に印加された振動により前記両持ち梁が振動することにより、前記上部電極と前記下部電極間の静電容量が変化し、これにより前記アンテナの入出力インピーダンスが前記振動により変調され、前記アンテナへ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されることを特徴とする。

ここで、前記第１の振動センサにおいて、前記片持ち梁の共振周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであり、かつ、前記上部電極と前記下部電極間の間隔が０．１μｍ〜５０μｍであることが望ましい。

また、前記第２の振動センサにおいて、前記両持ち梁の共振周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであり、かつ、前記上部電極と前記下部電極間の間隔が０．１μｍ〜５０μｍであることが望ましい。

本発明による振動検知装置は、上記の第１の振動センサまたは第２の振動センサと質問機とを有し、前記質問機は、前記振動センサに送信する電磁波を送出する手段と、前記振動センサからの反射波を受信する手段と、前記反射波より前記の振動を検知する手段とを有することを特徴とする。

上記のような構成により、本発明の振動センサは、特許文献１に記載の振動センサのような高精度なパターンを形成するための微細加工装置を必要とせず、簡便な加工技術によって実現できる。また、特許文献２に記載されているようなダイオードやコンデンサなどを必要とせず、小型、単純化が可能であり、十分な感度でＡＥ波の検知を行うことができる。

以上のように、本発明により、高精度なパターンの形成を必要とせず、かつ、簡単な構造で、小型化が可能であり、ＡＥ波の検知に対しても十分な感度が得られる振動センサ、およびそれを使用した振動検知装置が得られる。

本発明による振動センサの第１の実施の形態を模式的に示す側面図。本発明による振動センサの第１の実施の形態における振動センサの概略を示す平面図。本発明による振動検知装置の一実施の形態を模式的に示す全体構成図。本発明による振動検知装置の質問機と振動センサ間の距離に対する受信信号レベルを示す図。本発明による振動センサの第２の実施の形態を模式的に示す側面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による振動センサの第１の実施の形態を模式的に示す側面図である。図１において、第１の実施の形態の振動センサ２１は、振動センサ部１４とアンテナ１３とから構成され、振動センサ部１４は、基板２と、基板２に固定された支持部８と、支持部８に一端を固定された片持ち梁１と、基板２上に設置された下部電極３と、下部電極３に空隙を介して対向して片持ち梁１の先端部に設けられた上部電極４とを有し、下部電極３と上部電極４はアンテナ１３に接続され、外部より振動センサ部１４に印加された振動により片持ち梁１が振動することにより、上部電極４と下部電極３間の静電容量が変化し、これによりアンテナ１３の入出力インピーダンスが前記振動により変調され、アンテナ１３へ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されるように構成されている。

ここで、アンテナ１３は、板状のダイポールアンテナであり、２つのアンテナパッド５および６より構成され、アンテナパッド５の引き出し線は、支持部８上の片持ち梁１に形成されたスルーホール７を介して上部電極４に接続されている。また、下部電極３はアンテナパッド６の引き出し線に接続されている。

図２は、本発明による振動センサの第１の実施の形態における第１の実施の形態の振動センサの概略を示す平面図である。図２において、アンテナ基板４０上に、アンテナ１３を構成するため、金属板、または金属箔、または金属膜からなるアンテナパッド５およびアンテナパッド６が配置され、中央部に振動センサ部１４が配置されている。

図３は、本発明による振動検知装置の一実施の形態を模式的に示す全体構成図である。図３において、本実施の形態の振動検知装置は、上記の振動センサ２１と質問機２２とを有し、質問機２２は、従来の振動検知装置における質問機と同様に、振動センサ２１に送信する電磁波を送出する手段の一部としてのアンテナ１２と、電磁波を送出する手段の一部としての送信回路、振動センサ２１からの反射波を受信する手段としての受信回路、その反射波より前記の振動を検知する手段としての検出回路などを内蔵した質問機本体１１とを有している。

本実施の形態において、振動センサ２１が設置されたガラスなどの被測定物が破壊されると、ＡＥ波が発生する。ここで、図１に示す片持ち梁１の構造を、その共振周波数が、通常１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲内に存在する上記ＡＥ波の周波数帯に合致するように設計すると、このＡＥ波を振動センサ２１が受けた場合、片持ち梁１はその共振周波数で共鳴振動をする。片持ち梁１が共鳴振動をすると、上部電極４と下部電極３間の静電容量が変化し、下部電極３および上部電極４に接続されたアンテナ１３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、図３において、質問機２２より振動センサ２１のアンテナ１３に送信された送信波１６が振動センサ２１内で反射され、振動センサ２１のアンテナ１３から出力する返信波１５も、インピーダンスの変化に応じて変化する。

具体的には、質問機２２から送信される連続的な送信波１６に対して振動センサ２１のアンテナ１３から出力される返信波１５の波形は、質問機２２より送信された送信波１６と同一の周波数成分を有する波形を基本波として、それが振動周波数の波形により変調される。すなわち、反射された返信波１５の周波数スペクトルは、送信波１６の周波数ピークを中心として、振動による共振周波数のピークが両側波帯に存在する形となる。質問機２２では、このような両側波帯に存在する振動の共振周波数と同一の周波数を検知した場合に、被測定物が破壊されたものと認知する。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明による振動センサの第２の実施の形態を模式的に示す側面図である。図５において、第２の実施の形態の振動センサ６１は、振動センサ部３４とアンテナ１３とから構成され、振動センサ部３４は、基板５２と、基板５２に固定された支持部５８と、支持部５８に両端を固定された両持ち梁５１と、基板５２上に設置された下部電極５３と、下部電極５３に空隙を介して対向して両持ち梁５１の中央部に設けられた上部電極５４とを有し、下部電極５３と上部電極５４はアンテナ１３に接続され、外部より振動センサ部３４に印加された振動により両持ち梁５１が振動することにより、上部電極５４と下部電極５３間の静電容量が変化し、これによりアンテナ１３の入出力インピーダンスが前記振動により変調され、アンテナ１３へ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されるように構成されている。

第１の実施の形態と同様に、アンテナ１３はアンテナパッド５および６より構成され、アンテナパッド５の引き出し線は、支持部５８上の両持ち梁５１に形成されたスルーホール５７を介して上部電極５４に接続され、下部電極５３はアンテナパッド６の引き出し線に接続されている。

第２の実施の形態の振動センサ６１も第１の実施の形態と同様に、両持ち梁５１の構造を、１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲内の目的とするＡＥ波の周波数にその共振周波数が合致するように設計して、このＡＥ波を振動センサ６１が受けた場合、両持ち梁５１がその共振周波数で共鳴振動をするように構成する。これにより、ＡＥ波に対する検知感度を高くすることができる。また、従来のＳＡＷ共振子を用いた振動センサに比べて、簡単な構造であり、ＭＥＭＳ技術により容易に製造可能である。

本発明の振動センサおよび振動検知装置は、建造物の耐震診断センサや衝撃センサ、及び防犯用ガラス破壊センサに利用することができる。

以下に、図１の振動センサ２１の具体的な一実施例を作製し評価を行った結果について説明する。本実施例の振動センサ部１４の構成は、片持ち梁１の梁部の長さを３００μｍ、梁部の板厚を１１μｍ、梁部の幅を４００μｍとし、上部電極４と下部電極３間の距離を１μｍ、上部電極４と下部電極３の対向部分の形状は、長さを１００μｍ、幅は梁部の幅と同じ４００μｍとした。これにより、振動センサ部１４の全体としては１ｍｍ角以内のサイズに収まっている。なお、本実施例において、片持ち梁１の共振周波数は、１５０ｋＨｚとなる。基板２および支持部８、片持ち梁１の材料はＰｏｌｙ−Ｓｉ、上部電極４および下部電極３はＡｌ膜であり、振動センサ部１４はＭＥＭＳ技術を用いて作製した。なお、上部電極４と下部電極３間の間隔は、現在の技術での加工精度上は０．１μｍ程度が下限である。また、電極面積を大きくすれば上記間隔を大きくしても振動の検知感度を向上できるが、小型の振動センサを得るためには上記の間隔は５０μｍ以下であることが望ましい。

また、図２におけるアンテナ基板４０の材質はアクリル樹脂、アンテナパッド５および６としては銅箔を用いた。

図３において、質問機２２から周波数２．４５ＧＨｚ、電力１０ｄＢｍの送信波１６を送り、振動センサ２１からの返信波１５に含まれる振動による変調波の受信レベルを質問機２２によって測定した。図４は、本発明による振動検知装置の質問機と振動センサ間の距離に対する受信された変調波の信号レベル、すなわち受信信号レベルを示す図である。本実施例の振動検知装置において、たとえば、検知可能な受信信号レベルのしきい値を−８０ｄＢｍとするならば、質問機とセンサの無線通信可能距離は３ｍである。

なお、本発明は上記の実施の形態や実施例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設計変更可能である。例えば、ＡＥ波以外の振動を検知する場合、１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲外の周波数であっても、その目的とする振動周波数に片持ち梁、または両持ち梁の共振周波数を合致させることにより、振動の検出感度を向上させることができる。

１片持ち梁
２、５２基板
３、５３下部電極
４、５４上部電極
５、６アンテナパッド
７、５７スルーホール
８、５８支持部
１１質問機本体
１２、１３アンテナ
１４、３４振動センサ部
１５返信波
１６送信波
２１、６１振動センサ
２２質問機
４０アンテナ基板
５１両持ち梁

Claims

振動センサ部とアンテナとから構成され、前記振動センサ部は、基板と、前記基板に固定された支持部と、前記支持部に一端を固定された片持ち梁と、前記基板上に設置された下部電極と、前記下部電極に空隙を介して対向して前記片持ち梁の先端部に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極は前記アンテナに接続され、外部より前記振動センサ部に印加された振動により前記片持ち梁が振動することにより、前記上部電極と前記下部電極間の静電容量が変化し、これにより前記アンテナの入出力インピーダンスが前記振動により変調され、前記アンテナへ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されることを特徴とする振動センサ。
振動センサ部とアンテナから構成され、前記振動センサ部は、基板と、前記基板に固定された支持部と、前記支持部に両端を固定された両持ち梁と、前記基板上に設置された下部電極と、前記下部電極に空隙を介して対向して前記両持ち梁の中央部に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極は前記アンテナに接続され、外部より前記振動センサ部に印加された振動により前記両持ち梁が振動することにより、前記上部電極と前記下部電極間の静電容量が変化し、これにより前記アンテナの入出力インピーダンスが前記振動により変調され、前記アンテナへ入力される外部からの送信波の反射波が前記振動により変調されることを特徴とする振動センサ。
前記片持ち梁の共振周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであり、かつ、前記上部電極と前記下部電極間の間隔が０．１μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
前記両持ち梁の共振周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであり、かつ、前記上部電極と前記下部電極間の間隔が０．１μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の振動センサ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動センサと質問機とを有し、前記質問機は、前記振動センサに送信する電磁波を送出する手段と、前記振動センサからの反射波を受信する手段と、前記反射波より前記の振動を検知する手段とを有することを特徴とする振動検知装置。