JP2013120104A

JP2013120104A - 振動センサシステム

Info

Publication number: JP2013120104A
Application number: JP2011267492A
Authority: JP
Inventors: Arinori Kakita; 有紀垣田; Mitsuharu Chiba; 光晴千葉
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】設置環境に合わせて消費電力を抑えた、低消費電力の振動センサシステムを提供すること。
【解決手段】アンテナと表面弾性波共振子と櫛歯電極を有した振動センサと、アンテナと人感センサを有した質問器を備えており、質問器と振動センサは無線により通信することで対象物の振動の検知を行う。人感センサで監視者の有無を検知し、監視者が不在になった場合、搬送波の送信電力値を確認する電波環境モニタモードに入る。質問器はパルス状の搬送波を送信し、その遅延反射波の信号レベルと予め設定していた信号レベルの閾値を比較する。閾値よりも大きい場合は、遅延反射波の信号レベルが閾値の範囲内に収まるように搬送波の送信電力値を下げる。遅延反射波の信号レベルが閾値の範囲内の場合、対象物の振動を監視する監視モードに移行し、監視者の存在を検知するまで監視を続ける。監視者の存在を検知した場合は、監視モードを終了し、搬送波の送信を終了する。
【選択図】図６

Description

本発明は、対象物の振動現象を検出するための振動センサシステムに関する。

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ガラス破壊検知装置、あるいは、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。

特開２００７−２３２７０８号公報

通常、振動センサは振動を検知する対象物に、質問器は設定された位置に、一度設置されると長期間同じ位置で監視を続ける。

しかしながら、その設置環境は常に一定であるとは限らず、振動センサと質問器との間に荷物などの障害物が存在するようになったり、今まで存在していた障害物が撤去されたり、また、製造機などの金属製の物が多数存在したり、撤去されたりなど、様々な環境の変化がある。さらには、使用者によっては振動センサや質問器の設置位置が未知である場合も考えられる。

そのため従来技術では、振動センサと質問器間の通信用の搬送波を、通常の設置環境で十分と想定される電力値に更に余裕を持たせて出力しており、その設置環境によっては、必要以上の電力を消費する場合があるという課題がある。

そこで本発明は、設置環境に合わせて消費電力を抑えた、低消費電力の振動センサシステム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、本発明の振動センサシステムは、アンテナと表面弾性波共振子と櫛歯電極を有した振動センサと、アンテナを有した質問器を備えた振動センサシステムであって、前記振動センサは前記質問器から送信されたパルス状の搬送波を受信し、前記表面弾性波共振子により前記搬送波を遅延させた遅延反射波を前記質問器に送信し、前記質問器は前記遅延反射波を検出し、前記遅延反射波の電力値と予め設定した電力値の閾値とを比較して、搬送波の送信電力値を調整することを特徴とする。

また、本発明の振動センサシステムの前記振動センサは、さらに反射器を有し、前記搬送波の遅延は少なくとも、前記櫛歯電極と前記反射器間の距離によって設定されることが望ましい。

また、本発明の振動センサシステムの前記質問器は、さらに人感センサを有し、前記人感センサが監視者の不在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を始め、前記人感センサが監視者の存在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を終了することが望ましい。

また、本発明の振動センサシステムの前記質問器は、さらに人感センサを有し、前記人感センサが監視対象の不在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を終了し、前記人感センサが監視対象の存在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を始めることが望ましい。

本発明によれば、振動センサからの遅延反射波の信号レベルと予め設定した電力値の閾値のレベルとを比較して、閾値のレベルよりも遅延反射波の信号レベルが大きい場合、遅延反射波の信号レベルが閾値のレベルになるように、搬送波の送信電力値を小さくすることで、消費電力を必要最小限に抑えられる。

また、質問器にさらに人感センサを備え、人感センサで監視者または監視対象者を検出することで、必要な時のみ振動の監視を行うことが可能となり、消費電力をさらに抑えることができる。

以上のことより、設置環境に合わせて消費電力を抑えた、低消費電力の振動センサシステムが得られる。

本発明による振動センサシステムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。本発明による振動センサシステムの遅延反射波と外乱反射波の時間遅延を示す図である。本発明による振動センサの外観を示す斜視図である。本発明の振動センサに使用するセンサ素子の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。本発明による振動センサシステムの第２及び第３の実施の形態を示すシステム構成図である。本発明の第２の実施の形態による質問器のフローチャートである。本発明の第３の実施の形態による質問器のフローチャートである。異なる環境での遅延反射波の信号レベルを測定したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明による振動センサシステムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。図１に示すように、本発明の振動センサシステムは少なくとも質問器１と振動センサ２から構成される。質問器１は質問器本体部３とアンテナ４を備え、振動センサ２は、表面弾性波共振子（図示せず）と櫛歯電極（図示せず）を有したセンサ素子５と、アンテナ６を備えている。

質問器１と、振動を監視する対象物に取り付けられた振動センサ２は、通信距離７だけ離れて設置されており、無線により通信することで対象物の振動の検知を行う。

質問器１はアンテナ４より、振動センサ２に対して、単発、もしくは、一定の間隔でパルス状の搬送波８を送信する。アンテナ６にて搬送波８を受信した振動センサ２は表面弾性波として伝搬した時間分の遅延が生じた遅延反射波９をアンテナ６より放射する。

質問器１は搬送波８を送信する一方で、振動センサ２からの遅延反射波９を監視している。しかし、質問器１から振動センサ２に向けて送信された搬送波８は、実際には振動センサ２だけではなく、その周辺にも伝搬し、壁などによって反射されて質問器１に戻ってくる。そのため質問器１は、遅延反射波９と振動センサ２以外からの外乱反射波１０をアンテナ４より受信している。

ここで、本発明に必要とするのは、振動センサ２から放射された遅延反射波９であるため、遅延反射波９と外乱反射波１０を区別する必要がある。以下に、遅延反射波９と外乱反射波１０を区別する方法の一例を説明する。

図２は本発明による振動センサシステムの遅延反射波と外乱反射波の時間遅延を示す図である。図２に示すように、質問器より振動センサに対してパルス状の搬送波１１を送信すると、振動センサおよび振動センサ以外からの反射波はその伝搬分だけ、時間の遅延が発生する。

振動センサ以外からの外乱反射波１３は、光速相当分である時間ｔ_１の遅延であるのに対し、振動センサからの遅延反射波１２は、表面弾性波共振子の音速相当分の時間ｔ_２の遅延が生じ、外乱反射波１３よりも遅くなる。これは、振動センサで受信された搬送波１１が一度、センサ素子で表面弾性波に変換され、表面弾性波として伝搬する時間分の遅延が生じるためである。

図３は本発明による振動センサの外観を示す斜視図である。図４は本発明の振動センサに使用するセンサ素子の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。本発明に係る振動センサの一例として、振動センサの外観図及びガラス等の機械的振動現象を検知するためのセンサ素子の構造図を示している。

図３に示すように、振動センサ３０は、アンテナ基板２６上に金属からなる面状のダイポールアンテナ２７が形成されたアンテナ２８と、センサ素子２０とから構成され、ダイポールアンテナ２７とセンサ素子２０が電気的に接続されている。

また、図４に示すように、センサ素子２０は、受信した搬送波から表面弾性波を生成するための電極である櫛歯電極２２と、櫛歯電極により生成された表面弾性波を反射するための電極である反射器２３と、櫛歯電極２２と反射器２３が形成された表面弾性波共振子２１と、表面弾性波共振子２１を片持ち梁状に支持する支持台２５とから構成している。

また、表面弾性波共振子２１は、振動可能となるように一端を支持台２５に支持され、その支持部の根元に近いところに櫛歯電極２２が位置している為、表面弾性波共振子２１の振動を櫛歯電極２２近傍に効率よく集中させることができる構成となっている。

振動センサの外部より表面弾性波共振子２１に振動が加わると、表面弾性波共振子２１が屈曲して歪みが生じ、櫛歯電極２２を構成する電極間の距離と表面弾性波共振子２１を伝搬する弾性波の速度が変化し、その結果、表面弾性波共振子２１のインピーダンスが変化する。ここで、支持台２５に支持された表面弾性波共振子２１の共振周波数は、検知対象である対象物の機械振動における特徴的な周波数帯に属するように設計されている。

図４の構成とすることにより、受信した搬送波から生成された弾性波は表面弾性波共振子２１上を伝搬し、反射器２３に到達する。到達した弾性波は反射器２３によって反射され、櫛歯電極２２に戻った後、アンテナから遅延反射波として放射される。そのため、遅延反射波は外乱反射波に比べて、櫛歯電極２２と反射器２３間の距離２４に応じた遅延時間が発生する。これによって、遅延反射波と外乱反射波を区別できる。

遅延反射波の信号レベルと、質問器で予め設定していた信号レベルの閾値とを比較し、遅延反射波の信号レベルが閾値よりも大きい場合は、必要以上の電力を消費していることとなる。そのため、遅延反射波の信号レベルが閾値レベルになるように搬送波の送信電力値を下げることで、消費電力を最小値に抑えることが可能となる。

一方、遅延反射波の信号レベルと、質問器で予め設定していた信号レベルの閾値とを比較して、遅延反射波の信号レベルが閾値よりも小さい場合は、閾値レベルになるように搬送波の送信電力値を上げれば良い。このように、搬送波の送信電力値を調整することが可能となる。

本実施の形態では、遅延反射波の遅延時間を櫛歯電極と反射器間の距離によって設定したが、表面弾性波共振子上に反射器を構成せず、表面弾性波共振子の音速によって遅延時間を設定することも可能である。つまり、反射波を遅延させる方法としては、表面弾性波の周波数や表面弾性波共振子の音速などに応じて適宜設定すれば良い。

（第２の実施の形態）
図５は本発明による振動センサシステムの第２及び第３の実施の形態を示すシステム構成図である。図６は本発明の第２の実施の形態による質問器のフローチャートである。図５及び図６を用いて、第２の実施の形態について説明する。

図５に示すように、本発明の振動センサシステムは少なくとも質問器３１と振動センサ３２から構成され、質問器３１は質問器本体部３３とアンテナ３４と人感センサ３５を備え、振動センサ３２は、表面弾性波共振子（図示せず）と櫛歯電極（図示せず）を有したセンサ素子３６と、アンテナ３７を備えている。

質問器３１と、振動を監視する対象物に取り付けられた振動センサ３２は、通信距離３８だけ離れて設置されており、無線により通信することで対象物の振動の検知を行う。また、人感センサ３５は、振動センサが振動の監視を行っている対象物を監視する監視者の有無を検知している。

人感センサ３５には例えば、荷重センサや赤外線センサなどを用いてもよい。

図６に示すように、人感センサは監視者の有無を検知しており、監視者が不在になった場合、振動センサシステムは搬送波の送信電力値を確認する電波環境モニタモードに入る。質問器は単発、もしくは、一定の間隔でパルス状の搬送波を送信し、その反射波である遅延反射波と外乱反射波を受信する。

質問器は受信した遅延反射波と外乱反射波から遅延反射波を識別し、遅延反射波の信号レベルと予め設定していた信号レベルの閾値を比較する。

遅延反射波の信号レベルが予め設定していた信号レベルの閾値の範囲より大きい場合、必要以上の電力を消費しているため、遅延反射波の信号レベルが閾値の範囲内に収まるように搬送波の送信電力値を下げる。

一方、遅延反射波の信号レベルが閾値の範囲よりも小さい場合は、電力が十分ではないため、遅延反射波の信号レベルが閾値の範囲内に収まるように搬送波の送信電力値を上げる。また、質問器と振動センサ間で通信ができない場合は、電力が十分ではないため、通信が可能となるように搬送波の送信電力値を上げることも可能である。

閾値の範囲内に遅延反射波の信号レベルがある場合、質問器から振動センサに対して連続した搬送波を送信して、対象物の振動を監視する監視モードに移行し、監視者の存在を検知するまで、監視を続ける。監視者の存在を検知した場合は、監視モードを終了し、搬送波の送信を終了する。

このように、監視者が存在する間は対象物の振動の監視を行わないことで、さらに消費電力を抑えることが可能となる。

（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態による質問器のフローチャートである。図５及び図７を用いて、第３の実施の形態について説明する。人感センサ３５は、振動センサが振動の監視を行っている対象物に振動を与える恐れのある、監視対象の有無を検知している。

図７に示すように、人感センサ３５は監視対象の有無を検知しており、監視対象が現れた場合、振動センサシステムはまず搬送波３９の送信電力値を確認する電波環境モニタモードに入る。質問器３１は単発、もしくは、一定の間隔でパルス状の搬送波３９を送信し、その反射波である遅延反射波４０と外乱反射波４１を受信する。

質問器３１は受信した遅延反射波４０と外乱反射波４１から遅延反射波４０を識別し、遅延反射波４０の信号レベルと予め設定していた信号レベルの閾値を比較する。

遅延反射波４０の信号レベルが予め設定していた信号レベルの閾値の範囲より大きい場合、必要以上の電力を消費しているため、遅延反射波４０の信号レベルが閾値の範囲内に収まるように搬送波３９の送信電力値を下げる。

一方、遅延反射波４０の信号レベルが閾値の範囲よりも小さい場合は、電力が十分ではないため、遅延反射波４０の信号レベルが閾値の範囲内に収まるように搬送波３９の送信電力値を上げる。また、質問器３１と振動センサ３２間で通信ができない場合は、電力が十分ではないため、通信が可能となるように搬送波３９の送信電力値を上げることも可能である。

閾値の範囲内に遅延反射波４０の信号レベルがある場合、質問器３１から振動センサ３２に対して連続した搬送波３９を送信して、対象物の振動を監視する監視モードに移行し、監視対象が居なくなるまで監視を続ける。監視対象の不在を検知した場合は、監視モードを終了し、搬送波３９の送信を終了する。

このように、監視対象が存在する間のみ対象物の振動の監視を行うことで、消費電力を抑えることが可能となる。

また、監視対象が現れたことを検知した場合、アラームを鳴らすなど、監視対象に対して警告を行ってもよい。

以下、図１、図３、図４を用いて、第１の実施の形態の実施例について説明する。

本実施例では、質問器本体部３とアンテナ４を有した質問器１と、表面弾性波共振子と櫛歯電極を有したセンサ素子５とアンテナ６を有した振動センサ２を備え、質問器１と振動センサ２間の通信は、２．４５ＧＨｚの連続波で行った。ただし、電波環境モニタリング時は、連続波ではなく、単発、もしくは一定の間隔で送信されるパルス状の搬送波を用いた。

表面弾性波共振子２１は、ＳｉＯ_２から成る、１．１０ｍｍ×２．７０ｍｍ×０．２５ｍｍの直方体を使用し、長手方向に０．９ｍｍだけ支持台２５により支持した。このときの片持ち梁の共振周波数は５０ｋＨｚである。

ＳｉＯ_２から成る表面弾性波共振子２１上の音速は３１００ｍ／ｓであり、周波数２．４５ＧＨｚに対応する櫛歯電極２２および反射器２３の１本あたりの幅および間隔は０．３μｍとした。また、櫛歯電極２２と反射器２３間の距離２４は、表面弾性波共振子２１上における波長λの整数倍で１．２ｍｍ（＝１０００λ）とした。

ここで、櫛歯電極２２および反射器２３は、Ａｌ材料により公知のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術により作成した。

本実施例の構成において、表面弾性波が櫛歯電極２２と反射器２３間の往復２．４ｍｍを伝搬するのに要する時間は０．８μｍであった。この時間遅延が生じることにより、質問器１は振動センサ２からの遅延反射波９と外乱反射波１０とを識別できた。

図８は異なる環境での遅延反射波の信号レベルを測定したグラフである。環境Ａ５０および環境Ｂ５１の異なる環境において、振動センサに擬似的な振動を印加した。この振動によって表面弾性波共振子が振動し、質問器から送信された搬送波が変調される。変調された搬送波は遅延反射波として振動センサから返信される。振動センサと質問器間の通信距離Ｌでの質問器で受信される遅延反射波をＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）解析し、変調成分の強度の変化を示した概略図である。

図８から、搬送波の電力は同じであり、さらに振動センサと質問器間の通信距離Ｌが同じであっても、振動センサが設置される環境により、質問器が受信する遅延反射波の信号レベルは異なることがわかる。これは、壁などの障害物、誘電体や金属体の有無、またそれらの位置関係などによって、電磁波の吸収、反射および干渉の程度が変化し、電磁波の伝搬に影響を与える為である。

通信距離Ｌが６の地点では環境Ａ５０と環境Ｂ５１の両方で通信ができているが、環境Ａ５０の信号レベルが環境Ｂ５１の信号レベルよりも１０ｄＢ大きくなっていることがわかる。つまり、環境Ａ５０は搬送波のレベルとして１０ｄＢ分の余分な電力を出力しており、環境Ａ５０において通信に必要な搬送波のレベルは１０ｄＢ小さくても十分であることがわかる。よって、環境Ａ５０では搬送波の送信電力値を１／１０下げることが可能となり、消費電力を抑えられる。

以上より、設置環境に合わせて消費電力を抑えた、低消費電力の振動センサシステムが得られる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の変更や修正、フローチャートの変更が可能である。すなわち、当業者であれば成し得るであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。

１、３１質問器
２、３０、３２振動センサ
３、３３質問器本体部
４、６、２８、３４、３７アンテナ
５、２０、３６センサ素子
７、３８通信距離
８、１１、３９搬送波
９、１２、４０遅延反射波
１０、１３、４１外乱反射波
２６アンテナ基板
２７ダイポールアンテナ
２１表面弾性波共振子
２２櫛歯電極
２３反射器
２４距離
２５支持台
３５人感センサ
５０環境Ａ
５１環境Ｂ

Claims

アンテナと表面弾性波共振子と櫛歯電極を有した振動センサと、アンテナを有した質問器を備えた振動センサシステムであって、
前記振動センサは前記質問器から送信されたパルス状の搬送波を受信し、
前記表面弾性波共振子により前記搬送波を遅延させた遅延反射波を前記質問器に送信し、
前記質問器は前記遅延反射波を検出し、
前記遅延反射波の電力値と予め設定した電力値の閾値とを比較して、搬送波の送信電力値を調整することを特徴とする振動センサシステム。
前記振動センサは、さらに反射器を有し、
前記搬送波の遅延は少なくとも、前記櫛歯電極と前記反射器間の距離によって設定されることを特徴とする請求項１に記載の振動センサシステム。
前記質問器は、さらに人感センサを有し、
前記人感センサが監視者の不在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を始め、
前記人感センサが監視者の存在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を終了することを特徴とする請求項１または２に記載の振動センサシステム。
前記質問器は、さらに人感センサを有し、
前記人感センサが監視対象の不在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を終了し、
前記人感センサが監視対象の存在を検出した場合に、検知すべき振動の監視を始めることを特徴とする請求項１または２に記載の振動センサシステム。