JP3348687B2 - 振動波検出方法及び装置 - Google Patents
振動波検出方法及び装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】共振周波数が異なる複数の共
振子を用いて、振動波の周波数帯域毎の強度を電気的に
検出する振動波検出方法及び装置に関し、特に、各周波
数帯域毎の電気的出力を調整できる振動波検出方法及び
装置に関する。
振子を用いて、振動波の周波数帯域毎の強度を電気的に
検出する振動波検出方法及び装置に関し、特に、各周波
数帯域毎の電気的出力を調整できる振動波検出方法及び
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】長さが異なる（つまり、共振周波数が異
なる）複数の共振子をアレイ化して、音波等の振動波に
対して各共振子毎に特定の共振周波数で選択的に応答し
て共振させ、その各共振子毎の共振レベルを電気的信号
に変換して出力し、振動波の周波数帯域毎の強度を検出
する共振子アレイ型の振動センサが報告されている（例
えば、W.Benecke et al., "A Frequency-Selective, Pi
ezoresistive Silicon Vibration Sensor," Digest of
Technical Papers of TRANSDUCERS '85, pp.105-108 (1
985)、または、E.Peeters et al., "Vibration Signatu
re Analysis Sensors for Predictive Diagnostics," P
roceedings of SPIE '97, vol.3224, pp-220-230 (199
7) ）。
なる）複数の共振子をアレイ化して、音波等の振動波に
対して各共振子毎に特定の共振周波数で選択的に応答し
て共振させ、その各共振子毎の共振レベルを電気的信号
に変換して出力し、振動波の周波数帯域毎の強度を検出
する共振子アレイ型の振動センサが報告されている（例
えば、W.Benecke et al., "A Frequency-Selective, Pi
ezoresistive Silicon Vibration Sensor," Digest of
Technical Papers of TRANSDUCERS '85, pp.105-108 (1
985)、または、E.Peeters et al., "Vibration Signatu
re Analysis Sensors for Predictive Diagnostics," P
roceedings of SPIE '97, vol.3224, pp-220-230 (199
7) ）。
【０００３】従来の振動センサでは、共振子の根元にピ
エゾ抵抗を形成し、共振子の振動（共振）によって起こ
るピエゾ抵抗の抵抗値の変化を、ホィートストンブリッ
ジ等によって検出し、共振子から電気的な出力信号を取
り出している。特に、後者の文献のセンサでは、各共振
子におけるホィートストンブリッジ出力をマルチプレク
サにより切り換えながら、出力信号を得ている。
エゾ抵抗を形成し、共振子の振動（共振）によって起こ
るピエゾ抵抗の抵抗値の変化を、ホィートストンブリッ
ジ等によって検出し、共振子から電気的な出力信号を取
り出している。特に、後者の文献のセンサでは、各共振
子におけるホィートストンブリッジ出力をマルチプレク
サにより切り換えながら、出力信号を得ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような振動センサ
にあって、入力された振動波の特定の周波数帯域の検出
感度を制御したいという要求がある。従来の振動センサ
において、このような検出感度制御機能を持たせるため
には、各共振子から得られる電気的な出力信号に対して
後段にて増幅または減衰の処理を施すような回路構成が
必要である。よって、全体の回路規模が大きくなってし
まうという問題がある。
にあって、入力された振動波の特定の周波数帯域の検出
感度を制御したいという要求がある。従来の振動センサ
において、このような検出感度制御機能を持たせるため
には、各共振子から得られる電気的な出力信号に対して
後段にて増幅または減衰の処理を施すような回路構成が
必要である。よって、全体の回路規模が大きくなってし
まうという問題がある。
【０００５】共振子における歪みは、共振子が片持ち梁
の場合、根元で最も大きく、先端に向かう程小さくな
る。歪みが最大となる各共振子の根元にピエゾ抵抗を形
成している場合、夫々の共振子の長さが異なっているの
で、各共振子の先端での振幅が同じであってもそれらの
根元における歪みの大きさは異なる。これは、同じ振幅
であっても、短い共振子では歪みが大きく、長い共振子
では歪みが小さくなるからである。従って、先端の振幅
が等しい振動をしても、各共振子毎に電気的な出力信号
のレベルが異なるという問題がある。
の場合、根元で最も大きく、先端に向かう程小さくな
る。歪みが最大となる各共振子の根元にピエゾ抵抗を形
成している場合、夫々の共振子の長さが異なっているの
で、各共振子の先端での振幅が同じであってもそれらの
根元における歪みの大きさは異なる。これは、同じ振幅
であっても、短い共振子では歪みが大きく、長い共振子
では歪みが小さくなるからである。従って、先端の振幅
が等しい振動をしても、各共振子毎に電気的な出力信号
のレベルが異なるという問題がある。
【０００６】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、各共振子に設ける検出器の位置を調整すること
により、簡単な回路構成にて検出感度制御機能を持たせ
ることができる振動波検出方法及び振動波検出装置を提
供することを目的とする。
であり、各共振子に設ける検出器の位置を調整すること
により、簡単な回路構成にて検出感度制御機能を持たせ
ることができる振動波検出方法及び振動波検出装置を提
供することを目的とする。
【０００７】本発明の他の目的は、各共振子に設ける検
出器の位置を調整することにより、容易に各共振子にお
ける電気的な出力信号のレベルを等しくすることができ
る振動波検出方法及び振動波検出装置を提供することに
ある。
出器の位置を調整することにより、容易に各共振子にお
ける電気的な出力信号のレベルを等しくすることができ
る振動波検出方法及び振動波検出装置を提供することに
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る振動波検
出方法は、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の
共振子に振動波を伝播させて、その共振子夫々の前記周
波数による共振に伴う電気的出力を、前記共振子夫々に
設けた検出器により検出する振動波検出方法において、
その位置を変化させた前記検出器を使用することによ
り、前記電気的出力を調整することを特徴とする。
出方法は、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の
共振子に振動波を伝播させて、その共振子夫々の前記周
波数による共振に伴う電気的出力を、前記共振子夫々に
設けた検出器により検出する振動波検出方法において、
その位置を変化させた前記検出器を使用することによ
り、前記電気的出力を調整することを特徴とする。
【０００９】請求項２に係る振動波検出方法は、請求項
１において、前記検出器の位置を、前記共振子の長手方
向に対して、変化させることを特徴とする。
１において、前記検出器の位置を、前記共振子の長手方
向に対して、変化させることを特徴とする。
【００１０】請求項３に係る振動波検出方法は、請求項
１において、所望の周波数特性に応じて前記共振子夫々
で所望の電気的出力分布が得られる位置に、前記検出器
を設けることを特徴とする。
１において、所望の周波数特性に応じて前記共振子夫々
で所望の電気的出力分布が得られる位置に、前記検出器
を設けることを特徴とする。
【００１１】請求項４に係る振動波検出方法は、請求項
１において、前記共振子夫々の電気的出力が等しくなる
位置に、前記検出器を設けることを特徴とする。
１において、前記共振子夫々の電気的出力が等しくなる
位置に、前記検出器を設けることを特徴とする。
【００１２】請求項５に係る振動波検出方法は、請求項
１〜４の何れかにおいて、前記検出器は、歪み検出素
子，容量性の素子及びピエゾ抵抗素子からなる群から選
ばれた素子であることを特徴とする。
１〜４の何れかにおいて、前記検出器は、歪み検出素
子，容量性の素子及びピエゾ抵抗素子からなる群から選
ばれた素子であることを特徴とする。
【００１３】請求項６に係る振動波検出方法は、請求項
１〜４の何れかにおいて、前記検出器は、対向電極を有
する容量性の素子であり、該対向電極間の距離を変化さ
せることを特徴とする。
１〜４の何れかにおいて、前記検出器は、対向電極を有
する容量性の素子であり、該対向電極間の距離を変化さ
せることを特徴とする。
【００１４】請求項７に係る振動波検出装置は、夫々が
異なる特定の周波数に共振する複数の共振子と、該共振
子夫々に設けられており、該共振子夫々に伝播された振
動波によるその共振子夫々の前記周波数での共振に伴う
電気的出力を検出する検出器とを備えた振動波検出装置
において、前記共振子夫々の歪みの大きさの分布に応じ
て定められる位置に前記検出器が設けられていることを
特徴とする。
異なる特定の周波数に共振する複数の共振子と、該共振
子夫々に設けられており、該共振子夫々に伝播された振
動波によるその共振子夫々の前記周波数での共振に伴う
電気的出力を検出する検出器とを備えた振動波検出装置
において、前記共振子夫々の歪みの大きさの分布に応じ
て定められる位置に前記検出器が設けられていることを
特徴とする。
【００１５】請求項８に係る振動波検出装置は、請求項
７において、前記検出器は、前記共振子夫々で所望の電
気的出力が得られるような前記共振子夫々の長手方向の
所定位置に、設けられていることを特徴とする。
７において、前記検出器は、前記共振子夫々で所望の電
気的出力が得られるような前記共振子夫々の長手方向の
所定位置に、設けられていることを特徴とする。
【００１６】請求項９に係る振動波検出装置は、請求項
７において、前記検出器は、共振子夫々の電気的出力が
等しくなる位置に、設けられていることを特徴とする。
７において、前記検出器は、共振子夫々の電気的出力が
等しくなる位置に、設けられていることを特徴とする。
【００１７】請求項１０に係る振動波検出装置は、請求
項７において、前記検出器の一端に電圧を印加する回路
と、前記検出器の他端から電気的出力を取り出し、その
電気的出力を増幅する回路とを更に備えることを特徴と
する。
項７において、前記検出器の一端に電圧を印加する回路
と、前記検出器の他端から電気的出力を取り出し、その
電気的出力を増幅する回路とを更に備えることを特徴と
する。
【００１８】請求項１１に係る振動波検出装置は、請求
項７〜１０の何れかにおいて、前記検出器は、歪み検出
素子，容量性の素子及びピエゾ抵抗素子からなる群から
選ばれた素子であることを特徴とする。
項７〜１０の何れかにおいて、前記検出器は、歪み検出
素子，容量性の素子及びピエゾ抵抗素子からなる群から
選ばれた素子であることを特徴とする。
【００１９】請求項１２に係る振動波検出装置は、請求
項７〜１０の何れかにおいて、前記検出器は、対向電極
を有する容量性の素子であり、該対向電極間の距離が所
定長さであることを特徴とする。
項７〜１０の何れかにおいて、前記検出器は、対向電極
を有する容量性の素子であり、該対向電極間の距離が所
定長さであることを特徴とする。
【００２０】本発明の原理について、簡単に説明する。
本発明では、共振周波数が夫々に異なる複数の共振子を
アレイ化している。入力された振動波に対して、各共振
子がその各共振子が持つ共振周波数で選択的に応答し
て、各共振子に設けた検出器（例えばピエゾ抵抗）を用
いて、振動波における各周波数成分強度を電気的出力信
号として検出する。その際、歪みの大きさが共振子の各
部において異なる（片持ち梁共振子の場合では根元で大
きく先端で小さい）ことに着目し、検出器（例えばピエ
ゾ抵抗）から所望の大きさの出力信号が得られるよう
に、その設置位置を各共振子毎に調整する。このように
各共振子における検出器（例えばピエゾ抵抗）の設置位
置を調整することにより、各共振子毎に検出感度を設定
することができる。更に、後段に増幅器を設けることな
く、容易に各共振子毎の出力を自由に制御できるので、
所望の周波数特性を得ることができ、従来と比べて簡易
な構成で検出感度制御機能を有する振動波センサを実現
できる。また、各共振子における検出器（例えばピエゾ
抵抗）の設置位置を調整して、各共振子での電気的出力
信号のレベルを等しくすることが可能である。
本発明では、共振周波数が夫々に異なる複数の共振子を
アレイ化している。入力された振動波に対して、各共振
子がその各共振子が持つ共振周波数で選択的に応答し
て、各共振子に設けた検出器（例えばピエゾ抵抗）を用
いて、振動波における各周波数成分強度を電気的出力信
号として検出する。その際、歪みの大きさが共振子の各
部において異なる（片持ち梁共振子の場合では根元で大
きく先端で小さい）ことに着目し、検出器（例えばピエ
ゾ抵抗）から所望の大きさの出力信号が得られるよう
に、その設置位置を各共振子毎に調整する。このように
各共振子における検出器（例えばピエゾ抵抗）の設置位
置を調整することにより、各共振子毎に検出感度を設定
することができる。更に、後段に増幅器を設けることな
く、容易に各共振子毎の出力を自由に制御できるので、
所望の周波数特性を得ることができ、従来と比べて簡易
な構成で検出感度制御機能を有する振動波センサを実現
できる。また、各共振子における検出器（例えばピエゾ
抵抗）の設置位置を調整して、各共振子での電気的出力
信号のレベルを等しくすることが可能である。
【００２１】請求項１では、検出器の位置を変化させて
電気的出力を調整するようにしており、簡単な構成で電
気的出力の調整を行える。
電気的出力を調整するようにしており、簡単な構成で電
気的出力の調整を行える。
【００２２】請求項２では、共振子の長手方向に対して
検出器の位置を変化させて電気的出力を調整するように
しており、簡単な構成で電気的出力の調整を行える。
検出器の位置を変化させて電気的出力を調整するように
しており、簡単な構成で電気的出力の調整を行える。
【００２３】請求項３，８では、検出器の位置を調整す
ることにより、複数の共振子において電気的出力の所望
の分布を得ることができる。
ることにより、複数の共振子において電気的出力の所望
の分布を得ることができる。
【００２４】請求項４，９では、検出器の位置を調整す
ることにより、各共振子での電気的出力が等しくなり、
平坦な周波数特性を得ることができる。
ることにより、各共振子での電気的出力が等しくなり、
平坦な周波数特性を得ることができる。
【００２５】請求項５，１１では、検出器として、歪み
検出素子，容量性の素子またはピエゾ抵抗素子を用いる
ようにしており、簡単な構成で電気的出力の調整を行え
る。
検出素子，容量性の素子またはピエゾ抵抗素子を用いる
ようにしており、簡単な構成で電気的出力の調整を行え
る。
【００２６】請求項６，１２では、検出器として容量性
の素子を用い、その対向電極間の距離を変化させるよう
にしており、簡単な構成で電気的出力の調整を行える。
の素子を用い、その対向電極間の距離を変化させるよう
にしており、簡単な構成で電気的出力の調整を行える。
【００２７】請求項７では、各共振子の歪みの大きさの
分布に応じて、各共振子における検出器の位置を調整す
るようにしており、検出感度制御機能を持たせることが
できると共に、各共振子での電気的出力信号のレベルを
等しくできる。
分布に応じて、各共振子における検出器の位置を調整す
るようにしており、検出感度制御機能を持たせることが
できると共に、各共振子での電気的出力信号のレベルを
等しくできる。
【００２８】請求項１０では、各共振子の検出器を並列
接続し、その並列回路の一端に電圧を印加し、その並列
回路の他端から各共振子での電気的出力の和を取り出し
て増幅するようにしており、結線を簡素化できる。
接続し、その並列回路の一端に電圧を印加し、その並列
回路の他端から各共振子での電気的出力の和を取り出し
て増幅するようにしており、結線を簡素化できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】本発明をその実施の形態を示す図
面を参照して具体的に説明する。なお、検出対象の振動
波を音波とした音響センサを例にして以下に説明する。
面を参照して具体的に説明する。なお、検出対象の振動
波を音波とした音響センサを例にして以下に説明する。
【００３０】（第１実施の形態） 図１は、本発明の振動波検出装置（音響センサ）におけ
るセンサ本体の一例を示す図である。半導体シリコン基
板２０に形成されるセンサ本体１は、入力音波を受ける
ダイヤフラム２と、ダイヤフラム２に連なる１本の横断
ビーム３と、横断ビーム３の先端に連なる終止板４と、
横断ビーム３に片持ち支持された複数（ｎ本）の共振ビ
ーム５とから構成されており、これらのすべての部分が
半導体シリコンで形成されている。
るセンサ本体の一例を示す図である。半導体シリコン基
板２０に形成されるセンサ本体１は、入力音波を受ける
ダイヤフラム２と、ダイヤフラム２に連なる１本の横断
ビーム３と、横断ビーム３の先端に連なる終止板４と、
横断ビーム３に片持ち支持された複数（ｎ本）の共振ビ
ーム５とから構成されており、これらのすべての部分が
半導体シリコンで形成されている。
【００３１】横断ビーム３は、その幅が、ダイヤフラム
２端で最も太く、そこから終止板４側に向かうに従って
除々に細くなり、終止板４端で最も細くなっている。ま
た、各共振ビーム５は特定の周波数に共振するように長
さが調整された共振子となっている。
２端で最も太く、そこから終止板４側に向かうに従って
除々に細くなり、終止板４端で最も細くなっている。ま
た、各共振ビーム５は特定の周波数に共振するように長
さが調整された共振子となっている。
【００３２】これらの複数の共振ビーム５は、下記
（１）式で表される共振周波数ｆにて選択的に応答振動
するようになっている。 ｆ＝（ＣａＹ1/2 ）／（Ｘ2 ｓ1/2 ） …（１） 但し、Ｃ：実験的に決定される定数 ａ：各共振ビーム５の厚さ Ｘ：各共振ビーム５の長さ Ｙ：材料物質（半導体シリコン）のヤング率 ｓ：材料物質（半導体シリコン）の密度
（１）式で表される共振周波数ｆにて選択的に応答振動
するようになっている。 ｆ＝（ＣａＹ1/2 ）／（Ｘ2 ｓ1/2 ） …（１） 但し、Ｃ：実験的に決定される定数 ａ：各共振ビーム５の厚さ Ｘ：各共振ビーム５の長さ Ｙ：材料物質（半導体シリコン）のヤング率 ｓ：材料物質（半導体シリコン）の密度
【００３３】上記（１）式から分かるように、共振ビー
ム５の厚さａまたは長さＸを変えることにより、その共
振周波数ｆを所望の値に設定することができ、各共振ビ
ーム５が固有の共振周波数を持つようにしている。本例
では、すべての共振ビーム５の厚さａは一定とし、その
長さＸを右側（ダイヤフラム２側）から左側（終止板４
側）に向かうにつれて順次長くなるようにしており、右
側（ダイヤフラム２側）から左側（終止板４側）に向か
うにつれて各共振ビーム５が固有に振動する共振周波数
を高周波数から低周波数に設定している。
ム５の厚さａまたは長さＸを変えることにより、その共
振周波数ｆを所望の値に設定することができ、各共振ビ
ーム５が固有の共振周波数を持つようにしている。本例
では、すべての共振ビーム５の厚さａは一定とし、その
長さＸを右側（ダイヤフラム２側）から左側（終止板４
側）に向かうにつれて順次長くなるようにしており、右
側（ダイヤフラム２側）から左側（終止板４側）に向か
うにつれて各共振ビーム５が固有に振動する共振周波数
を高周波数から低周波数に設定している。
【００３４】ｎ本の共振ビーム５を含むこのようなセン
サ本体１の具体的な仕様の一例を下記表１に示す。な
お、ダイヤフラム２，横断ビーム３及び終止板４の厚さ
は、共振ビーム５の厚さ（ａ）と同じである。
サ本体１の具体的な仕様の一例を下記表１に示す。な
お、ダイヤフラム２，横断ビーム３及び終止板４の厚さ
は、共振ビーム５の厚さ（ａ）と同じである。
【００３５】
【表１】
【００３６】なお、以上のような構成をなすセンサ本体
１は、マイクロマシン加工技術を用いて半導体シリコン
基板２０上に作製される。そして、このような構成にお
いて、板状のダイヤフラム２に音波が入力されると、そ
のダイヤフラム２が振動し、音波を示すその振動波は横
断ビーム３に伝搬し、これに片持ち支持された共振ビー
ム５をそれぞれの特定の周波数にて順次共振させながら
終止板４まで伝播する。
１は、マイクロマシン加工技術を用いて半導体シリコン
基板２０上に作製される。そして、このような構成にお
いて、板状のダイヤフラム２に音波が入力されると、そ
のダイヤフラム２が振動し、音波を示すその振動波は横
断ビーム３に伝搬し、これに片持ち支持された共振ビー
ム５をそれぞれの特定の周波数にて順次共振させながら
終止板４まで伝播する。
【００３７】図２は、このようなセンサ本体１を使用す
る本発明の振動波検出装置（音響センサ）の回路図であ
る。センサ本体１の各共振ビーム５の歪み発生部分（横
断ビーム３側）に、ポリシリコンからなるピエゾ抵抗６
が形成されている。これらの複数のピエゾ抵抗６は並列
接続されており、その並列回路の一端は直流電源７（電
圧Ｖ0 ）に接続され、その他端は演算増幅器８の−入力
端子に接続されている。演算増幅器８の＋入力端子は接
地されている。直流電源７にてバイアス電圧Ｖ0 がすべ
ての共振ビーム５に共通に印加される。特定の共振ビー
ム５が共振すると、その歪みによって対応するピエゾ抵
抗６の抵抗値が変化し、それらの変化の和が演算増幅器
８の出力として得られるようになっている。
る本発明の振動波検出装置（音響センサ）の回路図であ
る。センサ本体１の各共振ビーム５の歪み発生部分（横
断ビーム３側）に、ポリシリコンからなるピエゾ抵抗６
が形成されている。これらの複数のピエゾ抵抗６は並列
接続されており、その並列回路の一端は直流電源７（電
圧Ｖ0 ）に接続され、その他端は演算増幅器８の−入力
端子に接続されている。演算増幅器８の＋入力端子は接
地されている。直流電源７にてバイアス電圧Ｖ0 がすべ
ての共振ビーム５に共通に印加される。特定の共振ビー
ム５が共振すると、その歪みによって対応するピエゾ抵
抗６の抵抗値が変化し、それらの変化の和が演算増幅器
８の出力として得られるようになっている。
【００３８】一方で、図示はしないが、前記共振子の夫
々におけるピエゾ抵抗の抵抗変化をホィートストンブリ
ッジの出力として取り出せるようにしたものもある。各
共振子上のピエゾ抵抗を、ブリッジの抵抗の一つとな
し、他の固定抵抗は、共振子上のピエゾ抵抗と同様にポ
リシリコンによって各演算増幅器の入力端子の近傍に形
成され、接続されている。そして、各共振子上のピエゾ
抵抗値の変化に応じて、ブリッジに電流が流れ、それら
の変化が各演算増幅器の出力として得られるようになっ
ている。この方式では、回路規模は大きくなるが、各々
が出力されるように配線されているので、仮に配線の一
部に不具合が生じても、当該部分の共振子出力に影響を
及ぼすのみで、他の出力には影響を及ぼさず、よりダメ
ージに対して強いセンサが得られる。
々におけるピエゾ抵抗の抵抗変化をホィートストンブリ
ッジの出力として取り出せるようにしたものもある。各
共振子上のピエゾ抵抗を、ブリッジの抵抗の一つとな
し、他の固定抵抗は、共振子上のピエゾ抵抗と同様にポ
リシリコンによって各演算増幅器の入力端子の近傍に形
成され、接続されている。そして、各共振子上のピエゾ
抵抗値の変化に応じて、ブリッジに電流が流れ、それら
の変化が各演算増幅器の出力として得られるようになっ
ている。この方式では、回路規模は大きくなるが、各々
が出力されるように配線されているので、仮に配線の一
部に不具合が生じても、当該部分の共振子出力に影響を
及ぼすのみで、他の出力には影響を及ぼさず、よりダメ
ージに対して強いセンサが得られる。
【００３９】（第２実施の形態） 図３は、本発明の振動波検出装置（音響センサ）におけ
るセンサ本体１の他の例を示す図である。第２実施の形
態では、第１実施の形態のように特定の周波数に共振す
るように長さが調整された複数の共振ビーム５を横断ビ
ーム３の片側にのみ設けるのではなく、横断ビーム３の
両側に同一の共振周波数を持つ１対ずつｎ組の共振ビー
ム５を設けている。つまり、横断ビーム３の長手方向の
同じ位置に連なる一対の共振ビーム５，５は、同じ長さ
であって同一の共振周波数を有する。他のダイヤフラム
２，横断ビーム３及び終止板４の構成は、第１実施の形
態と同じである。
るセンサ本体１の他の例を示す図である。第２実施の形
態では、第１実施の形態のように特定の周波数に共振す
るように長さが調整された複数の共振ビーム５を横断ビ
ーム３の片側にのみ設けるのではなく、横断ビーム３の
両側に同一の共振周波数を持つ１対ずつｎ組の共振ビー
ム５を設けている。つまり、横断ビーム３の長手方向の
同じ位置に連なる一対の共振ビーム５，５は、同じ長さ
であって同一の共振周波数を有する。他のダイヤフラム
２，横断ビーム３及び終止板４の構成は、第１実施の形
態と同じである。
【００４０】また、共振ビーム５の本数が２倍（２ｎ
本、例えば２９×２＝５８本）である点を除いて、具体
的な仕様も第１実施の形態（表１）と同様である。即
ち、第１実施の形態と同様に、すべての共振ビーム５の
厚さａは一定とし、その長さＸを右側（ダイヤフラム２
側）から左側（終止板４側）に向かうにつれて順次長く
なるようにしており、ダイヤフラム２側が共振周波数の
高周波数側となっている。
本、例えば２９×２＝５８本）である点を除いて、具体
的な仕様も第１実施の形態（表１）と同様である。即
ち、第１実施の形態と同様に、すべての共振ビーム５の
厚さａは一定とし、その長さＸを右側（ダイヤフラム２
側）から左側（終止板４側）に向かうにつれて順次長く
なるようにしており、ダイヤフラム２側が共振周波数の
高周波数側となっている。
【００４１】図４は、このようなセンサ本体１を使用す
る本発明の振動波検出装置（音響センサ）の回路図であ
る。図４において、図２と同一部分には同一番号を付し
ている。この例では、同じ共振周波数を有する共振ビー
ム５，５を一対ずつ備えた構造（フィッシュボーン構
造）であるので、ピエゾ抵抗６を接続させた並列回路が
２組存在し、夫々の並列回路に直流バイアス電圧Ｖ0 ，
−Ｖ0 を印加する直流電源７，９と、夫々の並列回路の
出力信号を取り出す演算増幅器８，１０とを備え、両並
列回路の出力信号を加算することにより、２倍の出力を
得るようにしている。また、１本の共振ビーム５に何等
かの異常が発生して、その電気的出力信号が得られない
ような場合に、図２に示す構造では、検出エラーとなる
が、このような場合にも、図４に示す構造では、異常の
共振ビーム５と対をなす他の共振ビーム５にて対応する
周波数性成分の出力信号を得ることが可能であり、検出
エラーが発生しない。
る本発明の振動波検出装置（音響センサ）の回路図であ
る。図４において、図２と同一部分には同一番号を付し
ている。この例では、同じ共振周波数を有する共振ビー
ム５，５を一対ずつ備えた構造（フィッシュボーン構
造）であるので、ピエゾ抵抗６を接続させた並列回路が
２組存在し、夫々の並列回路に直流バイアス電圧Ｖ0 ，
−Ｖ0 を印加する直流電源７，９と、夫々の並列回路の
出力信号を取り出す演算増幅器８，１０とを備え、両並
列回路の出力信号を加算することにより、２倍の出力を
得るようにしている。また、１本の共振ビーム５に何等
かの異常が発生して、その電気的出力信号が得られない
ような場合に、図２に示す構造では、検出エラーとなる
が、このような場合にも、図４に示す構造では、異常の
共振ビーム５と対をなす他の共振ビーム５にて対応する
周波数性成分の出力信号を得ることが可能であり、検出
エラーが発生しない。
【００４２】ここでも図示しないが、第１実施の形態と
同様に、ホィートストンブリッジを用いた検出手段もあ
る。構成等については同様なので、ここでは記述を省略
する。
同様に、ホィートストンブリッジを用いた検出手段もあ
る。構成等については同様なので、ここでは記述を省略
する。
【００４３】ところで、機械的な振動を電気的な信号に
変換する方法として、ピエゾ抵抗６を用いているのは、
製造が簡易である、変換特性が直線的である、変換効率
が高い等の理由による。
変換する方法として、ピエゾ抵抗６を用いているのは、
製造が簡易である、変換特性が直線的である、変換効率
が高い等の理由による。
【００４４】次に、動作について説明する。図１または
図３のセンサ本体１のダイヤフラム２に音波が入力され
るとその板状のダイヤフラム２が振動し、音波を示すそ
の振動波のエネルギは横断ビーム３を介して伝播され、
個々の共振ビーム５に高周波側から低周波側にかけて順
次吸収される。
図３のセンサ本体１のダイヤフラム２に音波が入力され
るとその板状のダイヤフラム２が振動し、音波を示すそ
の振動波のエネルギは横断ビーム３を介して伝播され、
個々の共振ビーム５に高周波側から低周波側にかけて順
次吸収される。
【００４５】図５は、０．１Ｐａの音波をダイヤフラム
２に入力した場合における各共振ビーム５の先端での振
幅をＦＥＭ分析でシミュレーションした結果を示すグラ
フである。グラフにおける共振ビーム５の番号は、ダイ
ヤフラム２側から採番したものである。このように、本
発明のセンサ本体１は優れた周波数選択性を有すること
を確認できた。
２に入力した場合における各共振ビーム５の先端での振
幅をＦＥＭ分析でシミュレーションした結果を示すグラ
フである。グラフにおける共振ビーム５の番号は、ダイ
ヤフラム２側から採番したものである。このように、本
発明のセンサ本体１は優れた周波数選択性を有すること
を確認できた。
【００４６】このような各共振ビーム５に共振が発生す
ると、その歪みによって各共振ビーム５に形成されたピ
エゾ抵抗６の抵抗値が変化する。並列接続した各ピエゾ
抵抗６に一定のバイアス電圧Ｖ0 が印加され、各共振ビ
ーム５の歪みによって引き起こされるピエゾ抵抗６の抵
抗値の変化が１本の信号線に電流として加算される。
ると、その歪みによって各共振ビーム５に形成されたピ
エゾ抵抗６の抵抗値が変化する。並列接続した各ピエゾ
抵抗６に一定のバイアス電圧Ｖ0 が印加され、各共振ビ
ーム５の歪みによって引き起こされるピエゾ抵抗６の抵
抗値の変化が１本の信号線に電流として加算される。
【００４７】図４において、演算増幅器８の仮想グラン
ドを流れる電流Ｉは、（２）式で示される。
ドを流れる電流Ｉは、（２）式で示される。
【００４８】
【数１】
【００４９】 但し、Ｒi ：ｉ番目の共振ビーム５上の抵抗の定数項 δＲi ：ｉ番目の共振ビーム５での機械的振動により引き起こされ る振動項
【００５０】また、演算増幅器８の出力電圧Ｖ+ は、
（３）式で示される。（３）式において、第２項は振動
によって起こる変動電圧を示す。
（３）式で示される。（３）式において、第２項は振動
によって起こる変動電圧を示す。
【００５１】
【数２】
【００５２】但し、Ｒf ：フィードバック抵抗
【００５３】振動によって引き起こされる抵抗の変化割
合は（４）式で示され、出力電圧に対する貢献比は
（５）式で示される。よって、（３）式の第２項で表さ
れる振動によって起こる変動電圧ｖ+ は（６）式のよう
になる。
合は（４）式で示され、出力電圧に対する貢献比は
（５）式で示される。よって、（３）式の第２項で表さ
れる振動によって起こる変動電圧ｖ+ は（６）式のよう
になる。
【００５４】
【数３】
【００５５】 但し、ρ：抵抗率 πＥ：ゲージ係数 εi ：ｉ番目の共振ビーム５におけるピエゾ抵抗６の歪み Ｌi ，Ｗi ，ｈ：ｉ番目の共振ビーム５におけるピエゾ抵抗６の長 さ，幅，厚さ
【００５６】従って、（６）式から、変動電圧は、各共
振ビーム５におけるピエゾ抵抗６の歪み（εi ）によっ
て制御できることが分かる。共振ビーム５に生じる歪み
の大きさは、共振ビーム５の各部において異なっている
ので、共振ビーム５へのピエゾ抵抗６の設置位置に応じ
て、ピエゾ抵抗６の歪みも変化する。よって、共振ビー
ム５への設置位置を調整することにより、ピエゾ抵抗６
の歪みを制御できる。従って、各共振ビーム５における
ピエゾ抵抗６の設置位置が、各共振ビーム５での変動電
圧に関係する。このように変動電圧の出力がピエゾ抵抗
６の設置位置に依存するので、共振ビーム５に設けるピ
エゾ抵抗６の位置を変化させることにより、各共振ビー
ム５毎にその出力を調整することができる。
振ビーム５におけるピエゾ抵抗６の歪み（εi ）によっ
て制御できることが分かる。共振ビーム５に生じる歪み
の大きさは、共振ビーム５の各部において異なっている
ので、共振ビーム５へのピエゾ抵抗６の設置位置に応じ
て、ピエゾ抵抗６の歪みも変化する。よって、共振ビー
ム５への設置位置を調整することにより、ピエゾ抵抗６
の歪みを制御できる。従って、各共振ビーム５における
ピエゾ抵抗６の設置位置が、各共振ビーム５での変動電
圧に関係する。このように変動電圧の出力がピエゾ抵抗
６の設置位置に依存するので、共振ビーム５に設けるピ
エゾ抵抗６の位置を変化させることにより、各共振ビー
ム５毎にその出力を調整することができる。
【００５７】以下、本発明の特徴部分である、共振ビー
ム５に対するピエゾ抵抗６の設置位置の具体的な例につ
いて説明する。
ム５に対するピエゾ抵抗６の設置位置の具体的な例につ
いて説明する。
【００５８】図６（ａ）は、アレイ型振動センサにおけ
るピエゾ抵抗６の設置位置の一例を比較のために示す平
面図である。ピエゾ抵抗６の設置位置は、すべての共振
ビーム５（ｉ＝〜）において、歪みが最大となる共
振ビーム５の根元である。この場合、振幅が同じであっ
ても、各共振ビーム５の長さが異なっているので、夫々
の共振ビーム５に設けた各ピエゾ抵抗６の歪みの大きさ
が異なり、その出力信号は共振ビーム５毎に異なる。
るピエゾ抵抗６の設置位置の一例を比較のために示す平
面図である。ピエゾ抵抗６の設置位置は、すべての共振
ビーム５（ｉ＝〜）において、歪みが最大となる共
振ビーム５の根元である。この場合、振幅が同じであっ
ても、各共振ビーム５の長さが異なっているので、夫々
の共振ビーム５に設けた各ピエゾ抵抗６の歪みの大きさ
が異なり、その出力信号は共振ビーム５毎に異なる。
【００５９】この比較例における出力信号のレベル結果
を、図６（ｂ）に示す。共振ビーム５が短い高周波数側
では、共振ビーム５が長い低周波数側に比べて、歪みが
大きいので、出力信号のレベルが高くなる。このような
比較例では、出力信号のレベルが夫々の共振ビーム５で
異なり、平坦な周波数特性が得られない。
を、図６（ｂ）に示す。共振ビーム５が短い高周波数側
では、共振ビーム５が長い低周波数側に比べて、歪みが
大きいので、出力信号のレベルが高くなる。このような
比較例では、出力信号のレベルが夫々の共振ビーム５で
異なり、平坦な周波数特性が得られない。
【００６０】図７（ａ）は、平坦な周波数特性を得るよ
うにした、本発明の振動波検出装置におけるピエゾ抵抗
６の設置位置を示す平面図である。各共振ビーム５（ｉ
＝〜）上での歪みが等しくなるような位置にピエゾ
抵抗６を設けている。長さが異なる複数の共振ビーム５
に同じ振幅の振動が生じた場合、長さが長い共振ビーム
５では歪みが小さく、長さが短い共振ビーム５では歪み
が大きい。よって、すべてのピエゾ抵抗６での歪みを等
しくするために、長さが長い共振ビーム５では根元近傍
にピエゾ抵抗６を設け、長さが短い共振ビーム５では根
元から離れてピエゾ抵抗６を設けている。即ち、最長の
共振ビーム５（ｉ＝）では歪みが最大であるその根元
にピエゾ抵抗６を設け、それから長さが短くなっていく
共振ビーム５（ｉ＝〜）では、ピエゾ抵抗６の設置
位置を根元から除々に離していき、最短の共振ビーム５
（ｉ＝）では根元から最も離隔した位置にピエゾ抵抗
６を設けている。
うにした、本発明の振動波検出装置におけるピエゾ抵抗
６の設置位置を示す平面図である。各共振ビーム５（ｉ
＝〜）上での歪みが等しくなるような位置にピエゾ
抵抗６を設けている。長さが異なる複数の共振ビーム５
に同じ振幅の振動が生じた場合、長さが長い共振ビーム
５では歪みが小さく、長さが短い共振ビーム５では歪み
が大きい。よって、すべてのピエゾ抵抗６での歪みを等
しくするために、長さが長い共振ビーム５では根元近傍
にピエゾ抵抗６を設け、長さが短い共振ビーム５では根
元から離れてピエゾ抵抗６を設けている。即ち、最長の
共振ビーム５（ｉ＝）では歪みが最大であるその根元
にピエゾ抵抗６を設け、それから長さが短くなっていく
共振ビーム５（ｉ＝〜）では、ピエゾ抵抗６の設置
位置を根元から除々に離していき、最短の共振ビーム５
（ｉ＝）では根元から最も離隔した位置にピエゾ抵抗
６を設けている。
【００６１】本例における出力信号のレベル結果を、図
７（ｂ）に示す。すべてのピエゾ抵抗６での歪みが等し
くなるようにしているので、全周波数帯域にわたって出
力信号のレベルが一定となり、平坦な周波数特性を得る
ことができる。
７（ｂ）に示す。すべてのピエゾ抵抗６での歪みが等し
くなるようにしているので、全周波数帯域にわたって出
力信号のレベルが一定となり、平坦な周波数特性を得る
ことができる。
【００６２】図８（ａ）は、特定の周波数帯域の出力の
みを選択的に高めるようにした、本発明の振動波検出装
置におけるピエゾ抵抗６の設置位置を示す平面図であ
る。本例は、中域の出力を他の周波数帯域より高くする
ようにした例である。すべての共振ビーム５（ｉ＝〜
）の中で、長さが中程度である共振ビーム５（ｉ＝
，）において、図７（ａ）の場合よりもピエゾ抵抗
６の設置位置をより根元側に近づけている。他の共振ビ
ーム５については、図７（ａ）の場合と同様に、長さが
長い共振ビーム５（ｉ＝，）では根元近傍にピエゾ
抵抗６を設置し、長さが短い共振ビーム５（ｉ＝，
）では根元から離れてピエゾ抵抗６を設置している。
各ピエゾ抵抗６をこのように設置することにより、中央
の共振ビーム５（ｉ＝，）におけるピエゾ抵抗６で
の歪みが、端部の共振ビーム５（ｉ＝，，，）
におけるピエゾ抵抗６での歪みより大きくなる。
みを選択的に高めるようにした、本発明の振動波検出装
置におけるピエゾ抵抗６の設置位置を示す平面図であ
る。本例は、中域の出力を他の周波数帯域より高くする
ようにした例である。すべての共振ビーム５（ｉ＝〜
）の中で、長さが中程度である共振ビーム５（ｉ＝
，）において、図７（ａ）の場合よりもピエゾ抵抗
６の設置位置をより根元側に近づけている。他の共振ビ
ーム５については、図７（ａ）の場合と同様に、長さが
長い共振ビーム５（ｉ＝，）では根元近傍にピエゾ
抵抗６を設置し、長さが短い共振ビーム５（ｉ＝，
）では根元から離れてピエゾ抵抗６を設置している。
各ピエゾ抵抗６をこのように設置することにより、中央
の共振ビーム５（ｉ＝，）におけるピエゾ抵抗６で
の歪みが、端部の共振ビーム５（ｉ＝，，，）
におけるピエゾ抵抗６での歪みより大きくなる。
【００６３】本例における出力信号のレベル結果を、図
８（ｂ）に示す。中域の周波数帯域が他の周波数帯域よ
り出力信号のレベルが大きくなり、中域の出力を選択的
に高めることができる。
８（ｂ）に示す。中域の周波数帯域が他の周波数帯域よ
り出力信号のレベルが大きくなり、中域の出力を選択的
に高めることができる。
【００６４】なお、上述した例では、中域の周波数帯域
の出力を選択的に高める場合について説明したが、各共
振ビーム５におけるピエゾ抵抗６の設置位置を調整する
ことにより、低域または高域等の所定の周波数帯域の出
力を選択的に高めること、また、所定の周波数帯域の出
力を選択的に低めることも可能である。
の出力を選択的に高める場合について説明したが、各共
振ビーム５におけるピエゾ抵抗６の設置位置を調整する
ことにより、低域または高域等の所定の周波数帯域の出
力を選択的に高めること、また、所定の周波数帯域の出
力を選択的に低めることも可能である。
【００６５】以上の第１，第２実施の形態では、各共振
ビームの共振に伴う歪みをピエゾ素子（ピエゾ抵抗）に
よって検出する場合について説明した。以下の実施の形
態では、この歪みを容量性の素子によって検出する静電
容量方式の場合について説明する。
ビームの共振に伴う歪みをピエゾ素子（ピエゾ抵抗）に
よって検出する場合について説明した。以下の実施の形
態では、この歪みを容量性の素子によって検出する静電
容量方式の場合について説明する。
【００６６】（第３実施の形態） 図９は、本発明の振動波検出装置の第３実施の形態を示
す図である。図９に示すセンサ本体１の構成は、第１実
施の形態と同様であり、同一部分には同一番号を付して
それらの説明は省略する。
す図である。図９に示すセンサ本体１の構成は、第１実
施の形態と同様であり、同一部分には同一番号を付して
それらの説明は省略する。
【００６７】各共振ビーム５の先端部に対向する位置の
半導体シリコン基板２０に夫々電極１１が形成されてお
り、各共振ビーム５の先端部とこれに対向する各電極１
１とにてキャパシタが構成されている。共振ビーム５の
先端部は振動に伴って位置が上下する可動電極であり、
一方、半導体シリコン基板２０に形成された電極１１は
その位置が移動しない固定電極となっている。そして、
共振ビーム５が特定の周波数にて振動すると、両電極間
の距離が変動するので、キャパシタの容量が変化するよ
うになっている。
半導体シリコン基板２０に夫々電極１１が形成されてお
り、各共振ビーム５の先端部とこれに対向する各電極１
１とにてキャパシタが構成されている。共振ビーム５の
先端部は振動に伴って位置が上下する可動電極であり、
一方、半導体シリコン基板２０に形成された電極１１は
その位置が移動しない固定電極となっている。そして、
共振ビーム５が特定の周波数にて振動すると、両電極間
の距離が変動するので、キャパシタの容量が変化するよ
うになっている。
【００６８】図１０は、この第３実施の形態における回
路図である。複数の電極１１は並列接続されており、そ
の並列回路の一端は直流電源１２（電圧Ｖ0 ）に接続さ
れている。横断ビーム３は演算増幅器１３の−入力端子
に接続されている。演算増幅器１３の＋入力端子は接地
されている。直流電源１２にて電圧Ｖ0 がすべての電極
１１に共通に印加される。特定の共振ビーム５が共振す
ると、その歪みによって共振ビーム５の先端部と電極１
１との間の距離が変化してその間のキャパシタの容量が
変化し、それらの変化の和が演算増幅器１３の出力（電
圧Ｖout ）として得られるようになっている。
路図である。複数の電極１１は並列接続されており、そ
の並列回路の一端は直流電源１２（電圧Ｖ0 ）に接続さ
れている。横断ビーム３は演算増幅器１３の−入力端子
に接続されている。演算増幅器１３の＋入力端子は接地
されている。直流電源１２にて電圧Ｖ0 がすべての電極
１１に共通に印加される。特定の共振ビーム５が共振す
ると、その歪みによって共振ビーム５の先端部と電極１
１との間の距離が変化してその間のキャパシタの容量が
変化し、それらの変化の和が演算増幅器１３の出力（電
圧Ｖout ）として得られるようになっている。
【００６９】図１０おいて、演算増幅器１３の仮想グラ
ンドに流れ込む電流Ｉ′は、（７）式で示される。
ンドに流れ込む電流Ｉ′は、（７）式で示される。
【００７０】
【数４】
【００７１】 但し、ｄi ：ｉ番目の共振ビーム５とこれに対応する電極１１との間の距 離 δｄi ：振動に伴う上記距離ｄi の微小変化 Ｃi ：ｉ番目の共振ビーム５とこれに対応する電極１１との間の静 止時の容量 δＣi ：振動に伴う上記容量Ｃi の微小変化 Ｃ：センサ本体１全体と電極１１との間の容量 δＣ：振動に伴う上記容量Ｃの微小変化（具体的には（８）式）
【００７２】
【数５】
【００７３】帰還が容量である場合には、演算増幅器１
３の出力電圧Ｖout は、（９）式で示され、各共振ビー
ム５の歪みを電圧として取り出すことができる。
３の出力電圧Ｖout は、（９）式で示され、各共振ビー
ム５の歪みを電圧として取り出すことができる。
【００７４】
【数６】 但し、Ｃf ：フィードバック容量
【００７５】帰還容量の場合には、上記（９）式のよう
に、各共振ビーム５での共振が変位の和として出力され
る。従って、同一振幅を前提にした出力調整の場合に
は、帰還容量の方が好ましい。
に、各共振ビーム５での共振が変位の和として出力され
る。従って、同一振幅を前提にした出力調整の場合に
は、帰還容量の方が好ましい。
【００７６】上記（９）式から、各共振ビーム５（各周
波数帯域）毎に出力を調整するためには、容量Ｃi ，距
離ｄi ，距離の微小変化δｄi の何れかを変化させれば
良いことが分かる。以下、夫々のパラメータを変化させ
て、各共振ビーム５の出力を調整する例について説明す
る。
波数帯域）毎に出力を調整するためには、容量Ｃi ，距
離ｄi ，距離の微小変化δｄi の何れかを変化させれば
良いことが分かる。以下、夫々のパラメータを変化させ
て、各共振ビーム５の出力を調整する例について説明す
る。
【００７７】図１１は、容量Ｃi を変化させた場合の例
を示す平面図であり、３本の共振ビーム５Ａ，５Ｂ，５
Ｃの中で長さが最も長い共振ビーム５Ｃに対応する電極
１１Ｃの面積を、他の２本の共振ビーム５Ａ，５Ｂに対
応する電極１１Ａ，１１Ｂの面積よりも小さくする。こ
のようにした場合における、共振周波数と出力電圧Ｖ
out との関係を図１２に示す。低周波数領域における出
力を他の周波数領域における出力より選択的に低くする
ことができる。
を示す平面図であり、３本の共振ビーム５Ａ，５Ｂ，５
Ｃの中で長さが最も長い共振ビーム５Ｃに対応する電極
１１Ｃの面積を、他の２本の共振ビーム５Ａ，５Ｂに対
応する電極１１Ａ，１１Ｂの面積よりも小さくする。こ
のようにした場合における、共振周波数と出力電圧Ｖ
out との関係を図１２に示す。低周波数領域における出
力を他の周波数領域における出力より選択的に低くする
ことができる。
【００７８】また、図１３（ａ）は、距離ｄi を変化さ
せた場合の例を示す平面図、図１３（ｂ）は図１３
（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図である。３本の共振ビ
ーム５Ａ，５Ｂ，５Ｃの中で長さが最も短い共振ビーム
５Ａとそれに対応する電極１１Ａとの間の距離を最も短
くし、中間の長さの共振ビーム５Ｂとそれに対応する電
極１１Ｂとの間の距離を最も長くしている。このように
した場合における、共振周波数と出力電圧Ｖout との関
係を図１４に示す。高周波数領域における出力を最も高
く、中間周波数領域における出力を最も低くすることが
できる。この場合、上記（９）式からも分かるように、
出力電圧Ｖout が距離ｄi の２乗に応じて変化するの
で、本例のように距離ｄi を変化させた場合にはその出
力調整幅が大きい。
せた場合の例を示す平面図、図１３（ｂ）は図１３
（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図である。３本の共振ビ
ーム５Ａ，５Ｂ，５Ｃの中で長さが最も短い共振ビーム
５Ａとそれに対応する電極１１Ａとの間の距離を最も短
くし、中間の長さの共振ビーム５Ｂとそれに対応する電
極１１Ｂとの間の距離を最も長くしている。このように
した場合における、共振周波数と出力電圧Ｖout との関
係を図１４に示す。高周波数領域における出力を最も高
く、中間周波数領域における出力を最も低くすることが
できる。この場合、上記（９）式からも分かるように、
出力電圧Ｖout が距離ｄi の２乗に応じて変化するの
で、本例のように距離ｄi を変化させた場合にはその出
力調整幅が大きい。
【００７９】更に、図１５は、距離の微小変化δｄi を
変化させる場合の例を示す平面図である。３本の共振ビ
ーム５Ａ，５Ｂ，５Ｃの中の２本の共振ビーム５Ａ，５
Ｂに対応する電極１１Ａ，１１Ｂは共振ビーム５Ａ，５
Ｂの先端部に対向させて形成しているが、長さが最も長
い共振ビーム５Ｃに対応する電極１１Ｃは共振ビーム５
Ｃの基端部に対向させて形成している。このような位置
に電極１１Ｃを形成することにより、同じ大きさの振動
が共振ビーム５Ｃに生じても、共振ビーム５Ｃの先端部
に対向させて電極１１Ｃを形成した場合に比べて、微小
変化δｄi は小さくなる。このようにした場合における
共振周波数と出力電圧Ｖout との関係を図１６に示す。
低周波数領域における出力を他の周波数領域における出
力より選択的に低くすることができる。
変化させる場合の例を示す平面図である。３本の共振ビ
ーム５Ａ，５Ｂ，５Ｃの中の２本の共振ビーム５Ａ，５
Ｂに対応する電極１１Ａ，１１Ｂは共振ビーム５Ａ，５
Ｂの先端部に対向させて形成しているが、長さが最も長
い共振ビーム５Ｃに対応する電極１１Ｃは共振ビーム５
Ｃの基端部に対向させて形成している。このような位置
に電極１１Ｃを形成することにより、同じ大きさの振動
が共振ビーム５Ｃに生じても、共振ビーム５Ｃの先端部
に対向させて電極１１Ｃを形成した場合に比べて、微小
変化δｄi は小さくなる。このようにした場合における
共振周波数と出力電圧Ｖout との関係を図１６に示す。
低周波数領域における出力を他の周波数領域における出
力より選択的に低くすることができる。
【００８０】なお、この静電容量方式を利用する振動波
検出装置にあっても、前述した第２実施の形態のよう
に、横断ビーム３の両側に同一の共振周波数を持つ１対
ずつｎ組の共振ビーム５を設けるように構成しても、前
記容量Ｃi ，距離ｄi ，距離の微小変化δｄi を変化さ
せることにより共振ビーム５の出力調整が可能であるこ
とは勿論である。
検出装置にあっても、前述した第２実施の形態のよう
に、横断ビーム３の両側に同一の共振周波数を持つ１対
ずつｎ組の共振ビーム５を設けるように構成しても、前
記容量Ｃi ，距離ｄi ，距離の微小変化δｄi を変化さ
せることにより共振ビーム５の出力調整が可能であるこ
とは勿論である。
【００８１】なお、振動波を音波とした音響センサを本
発明の例として説明したが、音波以外の振動波について
も同様の構成にて、出力を調整できることは勿論であ
る。
発明の例として説明したが、音波以外の振動波について
も同様の構成にて、出力を調整できることは勿論であ
る。
【００８２】
【発明の効果】以上のように本発明では、各共振子にお
いてピエゾ抵抗，電極等の検出器を設ける位置を調整す
るようにしたので、その設置位置に応じて各共振子にお
ける電気的出力を制御できる。この結果、安価で簡易な
構成にて、入力振動波の周波数帯域毎の出力設定を行え
る。また、各共振子において歪みの大きさが等しくなる
位置に検出器を設けるようにしたので、従来では得られ
なかった平坦な周波数特性を実現できる。
いてピエゾ抵抗，電極等の検出器を設ける位置を調整す
るようにしたので、その設置位置に応じて各共振子にお
ける電気的出力を制御できる。この結果、安価で簡易な
構成にて、入力振動波の周波数帯域毎の出力設定を行え
る。また、各共振子において歪みの大きさが等しくなる
位置に検出器を設けるようにしたので、従来では得られ
なかった平坦な周波数特性を実現できる。
【図１】本発明の振動波検出装置におけるセンサ本体の
一例を示す図である。
一例を示す図である。
【図２】本発明の振動波検出装置の一例の回路図であ
る。
る。
【図３】本発明の振動波検出装置におけるセンサ本体の
他の例を示す図である。
他の例を示す図である。
【図４】本発明の振動波検出装置の他の例の回路図であ
る。
る。
【図５】本発明の振動波検出装置におけるＦＥＭ分析で
の共振ビームの周波数応答のシミュレーション結果を示
すグラフである。
の共振ビームの周波数応答のシミュレーション結果を示
すグラフである。
【図６】比較の為の振動センサにおけるピエゾ抵抗の設
置位置を示す平面図、及び、その比較例における出力信
号レベルの周波数特性を示すグラフである。
置位置を示す平面図、及び、その比較例における出力信
号レベルの周波数特性を示すグラフである。
【図７】本発明の振動波検出装置におけるピエゾ抵抗の
設置位置の一例を示す平面図、及び、本例における出力
信号レベルの周波数特性を示すグラフである。
設置位置の一例を示す平面図、及び、本例における出力
信号レベルの周波数特性を示すグラフである。
【図８】本発明の振動波検出装置におけるピエゾ抵抗の
設置位置の他の例を示す平面図、及び、本例における出
力信号レベルの周波数特性を示すグラフである。
設置位置の他の例を示す平面図、及び、本例における出
力信号レベルの周波数特性を示すグラフである。
【図９】本発明の振動波検出装置の更に他の例を示す図
である。
である。
【図１０】本発明の振動波検出装置の更に他の例の回路
図である。
図である。
【図１１】容量Ｃi を変化させた場合の例を示す平面図
である。
である。
【図１２】容量Ｃi を変化させた場合の共振周波数と出
力電圧との関係を示すグラフである。
力電圧との関係を示すグラフである。
【図１３】距離ｄi を変化させた場合の例を示す平面図
及び断面図である。
及び断面図である。
【図１４】距離ｄi を変化させた場合の共振周波数と出
力電圧との関係を示すグラフである。
力電圧との関係を示すグラフである。
【図１５】距離の微小変化δｄi を変化させた場合の例
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図１６】距離の微小変化δｄi を変化させた場合の共
振周波数と出力電圧との関係を示すグラフである。
振周波数と出力電圧との関係を示すグラフである。
１ センサ本体 ２ ダイヤフラム ３ 横断ビーム ４ 終止板 ５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 共振ビーム ６ ピエゾ抵抗 ７，９，１２ 直流電源 ８，１０，１３ 演算増幅器 １１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 電極 ２０ 半導体シリコン基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01H 11/08
Claims (12)
- 【請求項１】 夫々が異なる特定の周波数に共振する複
数の共振子に振動波を伝播させて、その共振子夫々の前
記周波数による共振に伴う電気的出力を、前記共振子夫
々に設けた検出器により検出する振動波検出方法におい
て、その位置を変化させた前記検出器を使用することに
より、前記電気的出力を調整することを特徴とする振動
波検出方法。 - 【請求項２】 前記検出器の位置を、前記共振子の長手
方向に対して、変化させる請求項１記載の振動波検出方
法。 - 【請求項３】 所望の周波数特性に応じて前記共振子夫
々で所望の電気的出力分布が得られる位置に、前記検出
器を設ける請求項１記載の振動波検出方法。 - 【請求項４】 前記共振子夫々の電気的出力が等しくな
る位置に、前記検出器を設ける請求項１記載の振動波検
出方法。 - 【請求項５】 前記検出器は、歪み検出素子，容量性の
素子及びピエゾ抵抗素子からなる群から選ばれた素子で
ある請求項１〜４の何れかに記載の振動波検出方法。 - 【請求項６】 前記検出器は、対向電極を有する容量性
の素子であり、該対向電極間の距離を変化させる請求項
１〜４の何れかに記載の振動波検出方法。 - 【請求項７】 夫々が異なる特定の周波数に共振する複
数の共振子と、該共振子夫々に設けられており、該共振
子夫々に伝播された振動波によるその共振子夫々の前記
周波数での共振に伴う電気的出力を検出する検出器とを
備えた振動波検出装置において、前記共振子夫々の歪み
の大きさの分布に応じて定められる位置に前記検出器が
設けられていることを特徴とする振動波検出装置。 - 【請求項８】 前記検出器は、前記共振子夫々で所望の
電気的出力が得られるような前記共振子夫々の長手方向
の所定位置に、設けられている請求項７記載の振動波検
出装置。 - 【請求項９】 前記検出器は、共振子夫々の電気的出力
が等しくなる位置に、設けられている請求項７記載の振
動波検出装置。 - 【請求項１０】 前記検出器の一端に電圧を印加する回
路と、前記検出器の他端から電気的出力を取り出し、そ
の電気的出力を増幅する回路とを更に備える請求項７記
載の振動波検出装置。 - 【請求項１１】 前記検出器は、歪み検出素子，容量性
の素子及びピエゾ抵抗素子からなる群から選ばれた素子
である請求項７〜１０の何れかに記載の振動波検出装
置。 - 【請求項１２】 前記検出器は、対向電極を有する容量
性の素子であり、該対向電極間の距離が所定長さである
請求項７〜１０の何れかに記載の振動波検出装置。
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| US7095295B1 (en) * | 2003-05-21 | 2006-08-22 | Sandia Corporation | Multi-tunable microelectromechanical system (MEMS) resonators |
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