JP3353728B2 - 音響振動センサ - Google Patents
音響振動センサInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音声認識処理，音
響信号処理等において振動波を検出する音響振動センサ
に関し、特に、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検出する音響振動セ
ンサに関する。
響信号処理等において振動波を検出する音響振動センサ
に関し、特に、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検出する音響振動セ
ンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】長さが異なる、即ち、共振周波数が異な
る複数の共振子をアレイ化し、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、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。特に、本願発
明者は、棒状のカンチレバー（共振子）を並設し、これ
らの一側を連接すべく形成された横断ビームと振動波の
入力振動板とを同一平面状で接続した音響振動センサを
提案している（M.Harada et al.,“Resonator Array Se
nsor toward Artificial Cochlea Modeling,”Technica
l Digest of tha 15th Sensor Symposium,pp99-102 （1
997) ）。この音響振動センサでは入力振動板が受けた
振動波が横断ビームを伝播して各カンチレバーに伝送さ
れるようになっている。
る複数の共振子をアレイ化し、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、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。特に、本願発
明者は、棒状のカンチレバー（共振子）を並設し、これ
らの一側を連接すべく形成された横断ビームと振動波の
入力振動板とを同一平面状で接続した音響振動センサを
提案している（M.Harada et al.,“Resonator Array Se
nsor toward Artificial Cochlea Modeling,”Technica
l Digest of tha 15th Sensor Symposium,pp99-102 （1
997) ）。この音響振動センサでは入力振動板が受けた
振動波が横断ビームを伝播して各カンチレバーに伝送さ
れるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような音響振動セ
ンサの振動波の分解周波数を広帯域にした場合は、カン
チレバーの数が増大して横断ビームが長くなる。その結
果、横断ビームの伝播能力が弱まり、各カンチレバーで
正確な振動強度が得られないという問題があった。ま
た、各カンチレバーにおいて検出のための充分な振動強
度を得るためには、入力振動板の面積を大きくして感度
を向上させることが考えられる。しかしながら、入力振
動板を大面積にすることにより、音響振動センサの必要
面積が大きくなるという問題があった。
ンサの振動波の分解周波数を広帯域にした場合は、カン
チレバーの数が増大して横断ビームが長くなる。その結
果、横断ビームの伝播能力が弱まり、各カンチレバーで
正確な振動強度が得られないという問題があった。ま
た、各カンチレバーにおいて検出のための充分な振動強
度を得るためには、入力振動板の面積を大きくして感度
を向上させることが考えられる。しかしながら、入力振
動板を大面積にすることにより、音響振動センサの必要
面積が大きくなるという問題があった。
【０００４】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、所定周波数帯域を有する共振子アレイ部の複
数を入力振動部の周りに配することにより、該入力振動
部が受けた振動波を共振子アレイ部の夫々に各別に伝播
せしめ、広帯域での分解能を有する音響振動センサを提
供することを目的とする。
のであり、所定周波数帯域を有する共振子アレイ部の複
数を入力振動部の周りに配することにより、該入力振動
部が受けた振動波を共振子アレイ部の夫々に各別に伝播
せしめ、広帯域での分解能を有する音響振動センサを提
供することを目的とする。
【０００５】また、大面積の入力振動部を共振子アレイ
部と積層構造をなすように形成することにより、必要面
積を拡大せずに感度を向上できる音響振動センサを提供
することを目的とする。
部と積層構造をなすように形成することにより、必要面
積を拡大せずに感度を向上できる音響振動センサを提供
することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１発明に係る音響振動
センサは、媒質中を伝播する振動波を受ける入力振動部
と、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の共振子
を並設した共振子アレイ部とを備え、前記入力振動部で
受けた振動波を前記複数の共振子に伝播させて、前記共
振子夫々の振動強度を検出する音響振動センサにおい
て、複数の前記共振子アレイ部を、前記入力振動部の周
りに配してあることを特徴とする。
センサは、媒質中を伝播する振動波を受ける入力振動部
と、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の共振子
を並設した共振子アレイ部とを備え、前記入力振動部で
受けた振動波を前記複数の共振子に伝播させて、前記共
振子夫々の振動強度を検出する音響振動センサにおい
て、複数の前記共振子アレイ部を、前記入力振動部の周
りに配してあることを特徴とする。
【０００７】第１発明にあっては、異なる特定周波数に
共振する複数の共振子に振動波を順次伝播させる構成の
共振子アレイ部を複数備えているので、中央の入力振動
部から共振子アレイ部の夫々に別経路にて振動波が伝播
し、入力振動部からの伝播距離が拡張されることなく、
多くの共振子に伝播させることができる。従って、広帯
域の周波数での検出が高精度に行なえる。
共振する複数の共振子に振動波を順次伝播させる構成の
共振子アレイ部を複数備えているので、中央の入力振動
部から共振子アレイ部の夫々に別経路にて振動波が伝播
し、入力振動部からの伝播距離が拡張されることなく、
多くの共振子に伝播させることができる。従って、広帯
域の周波数での検出が高精度に行なえる。
【０００８】第２発明に係る音響振動センサは、媒質中
を伝播する振動波を受ける入力振動部と、夫々が異なる
特定の周波数に共振する複数の共振子を並設した共振子
アレイ部とを備え、前記入力振動部で受けた振動波を前
記複数の共振子に伝播させて、前記共振子夫々の振動強
度を検出する音響振動センサにおいて、前記共振子アレ
イ部を複数備え、夫々の共振子アレイ部は前記共振子の
一端側を連接する伝播路を有し、複数の前記伝播路が前
記入力振動部を中心に放射状に配してあることを特徴と
する。
を伝播する振動波を受ける入力振動部と、夫々が異なる
特定の周波数に共振する複数の共振子を並設した共振子
アレイ部とを備え、前記入力振動部で受けた振動波を前
記複数の共振子に伝播させて、前記共振子夫々の振動強
度を検出する音響振動センサにおいて、前記共振子アレ
イ部を複数備え、夫々の共振子アレイ部は前記共振子の
一端側を連接する伝播路を有し、複数の前記伝播路が前
記入力振動部を中心に放射状に配してあることを特徴と
する。
【０００９】第２発明にあっては、複数の伝播路、即ち
複数の共振子アレイ部が入力振動部を中心に放射状に配
してあるので、音響振動センサの小型化が可能となる。
複数の共振子アレイ部が入力振動部を中心に放射状に配
してあるので、音響振動センサの小型化が可能となる。
【００１０】第３発明に係る音響振動センサは、第１又
は第２発明において、少なくとも１つの前記共振子アレ
イ部は、共振すべき周波数帯域が、他の共振子アレイ部
の周波数帯域と異なることを特徴とする。
は第２発明において、少なくとも１つの前記共振子アレ
イ部は、共振すべき周波数帯域が、他の共振子アレイ部
の周波数帯域と異なることを特徴とする。
【００１１】第３発明にあっては、異なる周波数帯域の
共振子アレイ部を備えることにより、より広帯域周波数
での検出が可能となる。
共振子アレイ部を備えることにより、より広帯域周波数
での検出が可能となる。
【００１２】第４発明に係る音響振動センサは、第１乃
至第３発明のいずれかにおいて、前記入力振動部が、前
記複数の共振子アレイ部の幾何学的中心部を含む位置に
配してあることを特徴とする。
至第３発明のいずれかにおいて、前記入力振動部が、前
記複数の共振子アレイ部の幾何学的中心部を含む位置に
配してあることを特徴とする。
【００１３】第４発明にあっては、共振子アレイ部の複
数が配された領域全体に対する幾何学的中心部を少なく
とも含み、該幾何学的中心部の付近に入力振動部を形成
しているので、各共振子アレイ部への振動波の伝播が効
率よく行なえる。また、音響振動センサの一層の小型化
が可能となる。
数が配された領域全体に対する幾何学的中心部を少なく
とも含み、該幾何学的中心部の付近に入力振動部を形成
しているので、各共振子アレイ部への振動波の伝播が効
率よく行なえる。また、音響振動センサの一層の小型化
が可能となる。
【００１４】第５発明に係る音響振動センサは、第１乃
至第３発明のいずれかにおいて、前記入力振動部が、前
記複数の共振子アレイ部の重心部を含む位置に配してあ
ることを特徴とする。
至第３発明のいずれかにおいて、前記入力振動部が、前
記複数の共振子アレイ部の重心部を含む位置に配してあ
ることを特徴とする。
【００１５】第５発明にあっては、共振子アレイ部が複
数配された領域全体に対する重心部を少なくとも含み、
該重心部の付近に入力振動部を形成しているので、マス
バランスが良くなり、振動自体が安定する。従って、安
定した振動特性が得られ、振動波の検出精度が高まる。
数配された領域全体に対する重心部を少なくとも含み、
該重心部の付近に入力振動部を形成しているので、マス
バランスが良くなり、振動自体が安定する。従って、安
定した振動特性が得られ、振動波の検出精度が高まる。
【００１６】第６発明に係る音響振動センサは、第１乃
至第５発明のいずれかにおいて、共振子アレイ部の夫々
は、高周波数側で共振する共振子を前記入力振動部に近
い側に配してあることを特徴とする。
至第５発明のいずれかにおいて、共振子アレイ部の夫々
は、高周波数側で共振する共振子を前記入力振動部に近
い側に配してあることを特徴とする。
【００１７】第６発明にあっては、高周波数側に共振す
る共振子を入力振動部に近い側に配することにより、中
央側に短い共振子が形成される。従って、小スペースで
複数の共振子アレイ部を配置することができ、音響振動
センサの小型化を図ることができる。また、振動波が高
周波数側から低周波数側へ伝播するので、効率の良い伝
送特性が得られ、検出精度が高くなる。
る共振子を入力振動部に近い側に配することにより、中
央側に短い共振子が形成される。従って、小スペースで
複数の共振子アレイ部を配置することができ、音響振動
センサの小型化を図ることができる。また、振動波が高
周波数側から低周波数側へ伝播するので、効率の良い伝
送特性が得られ、検出精度が高くなる。
【００１８】第７発明に係る音響振動センサは、第１乃
至第６発明のいずれかにおいて、前記複数の共振子アレ
イ部に積層された第２の入力振動部をさらに備え、該第
２の入力振動部は、前記複数の共振子アレイ部の中央に
位置する第１の入力振動部に接続してあることを特徴と
する。
至第６発明のいずれかにおいて、前記複数の共振子アレ
イ部に積層された第２の入力振動部をさらに備え、該第
２の入力振動部は、前記複数の共振子アレイ部の中央に
位置する第１の入力振動部に接続してあることを特徴と
する。
【００１９】第７発明にあっては、第２の入力振動部
は、複数の共振子アレイ部と所定の間隙を有して積層構
造をなしているので、音響振動センサの必要面積を増大
させることなく大面積の入力振動部を備えることができ
る。従って、音響振動センサの感度が向上する。
は、複数の共振子アレイ部と所定の間隙を有して積層構
造をなしているので、音響振動センサの必要面積を増大
させることなく大面積の入力振動部を備えることができ
る。従って、音響振動センサの感度が向上する。
【００２０】第８発明に係る音響振動センサは、第７発
明において、前記第２の入力振動部は、開口側が底部よ
りも広い凹部を有し、該凹部の底部を前記第１の入力振
動部に接続してあることを特徴とする。
明において、前記第２の入力振動部は、開口側が底部よ
りも広い凹部を有し、該凹部の底部を前記第１の入力振
動部に接続してあることを特徴とする。
【００２１】第８発明にあっては、第２の入力振動部の
第１の入力振動との接続部分が、開口側が広い断面テー
パ状に形成されているので、複数の共振子アレイ部に振
動波を効率よく伝播できる。
第１の入力振動との接続部分が、開口側が広い断面テー
パ状に形成されているので、複数の共振子アレイ部に振
動波を効率よく伝播できる。
【００２２】第９発明に係る音響振動センサは、第７又
は第８発明において、前記複数の共振子アレイ部を支持
する基板をさらに備え、前記第２の入力振動部は前記基
板に支持されていることを特徴とする。
は第８発明において、前記複数の共振子アレイ部を支持
する基板をさらに備え、前記第２の入力振動部は前記基
板に支持されていることを特徴とする。
【００２３】第９発明にあっては、第１の入力振動部は
複数の共振子アレイ部の中央にあって、基板とは直接接
続されていないが、第２の入力振動部が基板で支持され
ることにより、第２の入力振動部に接続された第１の入
力振動部が固定されて安定する。
複数の共振子アレイ部の中央にあって、基板とは直接接
続されていないが、第２の入力振動部が基板で支持され
ることにより、第２の入力振動部に接続された第１の入
力振動部が固定されて安定する。
【００２４】第１０発明に係る音響振動センサは、媒質
中を伝播する振動波を受ける入力振動部と、夫々が異な
る特定の周波数に共振する複数の共振子を並設した共振
子アレイ部とを備え、前記入力振動部で受けた振動波を
前記複数の共振子に伝播させて、前記共振子夫々の振動
強度を検出する音響振動センサにおいて、前記入力振動
部は前記共振子アレイ部に積層してあり、前記入力振動
部の一方の側は前記共振子アレイ部に接続してあること
を特徴とする。
中を伝播する振動波を受ける入力振動部と、夫々が異な
る特定の周波数に共振する複数の共振子を並設した共振
子アレイ部とを備え、前記入力振動部で受けた振動波を
前記複数の共振子に伝播させて、前記共振子夫々の振動
強度を検出する音響振動センサにおいて、前記入力振動
部は前記共振子アレイ部に積層してあり、前記入力振動
部の一方の側は前記共振子アレイ部に接続してあること
を特徴とする。
【００２５】第１０発明にあっては、入力振動部が共振
子アレイ部と所定の間隙を有して積層構造をなしている
ので、音響振動センサの必要面積を拡大することなく大
面積の入力振動部を備えることができる。従って、音響
振動センサの感度が向上する。
子アレイ部と所定の間隙を有して積層構造をなしている
ので、音響振動センサの必要面積を拡大することなく大
面積の入力振動部を備えることができる。従って、音響
振動センサの感度が向上する。
【００２６】第１１発明に係る音響振動センサは、媒質
中を伝播する振動波を受ける第１の入力振動部と、夫々
が異なる特定の周波数に共振する複数の共振子を並設し
た共振子アレイ部とを備え、前記入力振動部で受けた振
動波を前記複数の共振子に伝播させて、前記共振子夫々
の振動強度を検出する音響振動センサにおいて、前記複
数の共振子アレイ部に所定の間隙を有して積層された第
２の入力振動部をさらに備え、該第２の入力振動部は、
開口側が底部よりも広い凹部を有し、該凹部の底部を前
記第１の入力振動部に接続してあることを特徴とする。
中を伝播する振動波を受ける第１の入力振動部と、夫々
が異なる特定の周波数に共振する複数の共振子を並設し
た共振子アレイ部とを備え、前記入力振動部で受けた振
動波を前記複数の共振子に伝播させて、前記共振子夫々
の振動強度を検出する音響振動センサにおいて、前記複
数の共振子アレイ部に所定の間隙を有して積層された第
２の入力振動部をさらに備え、該第２の入力振動部は、
開口側が底部よりも広い凹部を有し、該凹部の底部を前
記第１の入力振動部に接続してあることを特徴とする。
【００２７】第１１発明にあっては、第２の入力振動部
の第１の入力振動との接続部分が、開口側が広い断面テ
ーパ状に形成されているので、共振子アレイ部に振動波
を効率良く伝播できる。
の第１の入力振動との接続部分が、開口側が広い断面テ
ーパ状に形成されているので、共振子アレイ部に振動波
を効率良く伝播できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づき具体的に説明する。なお、検出対象の
振動波として音波を例に用いた音響振動センサを以下に
説明する。 実施の形態１．図１は本発明の音響振動センサにおける
センサ本体の一例を示す図であり、図２は図１のII−II
線から見た断面図である。半導体シリコン基板３０に形
成されるセンサ本体１は、入力音波を受ける矩形板状の
入力振動板２と、入力振動板２の周りの四辺から放射状
に十字に延びる４本の帯状の横断ビーム（伝播路）３，
３…と、各横断ビーム３の先端に連なる終止板４と、各
横断ビーム３の長手方向両側に夫々複数（２×ｎ本）が
並列された棒帯状のカンチレバー（共振子）５，５…と
を備えている。これらのすべての部分は半導体シリコン
で、同一平面状に形成されている。
示す図面に基づき具体的に説明する。なお、検出対象の
振動波として音波を例に用いた音響振動センサを以下に
説明する。 実施の形態１．図１は本発明の音響振動センサにおける
センサ本体の一例を示す図であり、図２は図１のII−II
線から見た断面図である。半導体シリコン基板３０に形
成されるセンサ本体１は、入力音波を受ける矩形板状の
入力振動板２と、入力振動板２の周りの四辺から放射状
に十字に延びる４本の帯状の横断ビーム（伝播路）３，
３…と、各横断ビーム３の先端に連なる終止板４と、各
横断ビーム３の長手方向両側に夫々複数（２×ｎ本）が
並列された棒帯状のカンチレバー（共振子）５，５…と
を備えている。これらのすべての部分は半導体シリコン
で、同一平面状に形成されている。
【００２９】各横断ビーム３は、その幅が、入力振動板
２端で最も太く、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。カンチレバ
ー５，５…は横断ビーム３を挟んでｎ本ずつ向かい合っ
て並列しており、横断ビーム３と２×ｎ本のカンチレバ
ー５とで共振子アレイが構成される。入力振動板２を中
心にしてその周りに四方に第１〜第４の共振子アレイ部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが放射状に配されてい
る。ここで、共振子アレイ部１０ａ，１０ｂは入力振動
板２を挟んで対向し、共振子アレイ部１０ｃ，１０ｄは
他の側で対向位置にある。入力振動板２は、半導体シリ
コン基板３０に形成されたセンサ本体１の幾何学的中心
部に位置している。また、センサ本体１の重心部に位置
しているとも言える。なお、本実施の形態では入力振動
板２がセンサ本体１の幾何学的中心部，重心部に位置し
ている場合を説明しているが、これに限らない。
２端で最も太く、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。カンチレバ
ー５，５…は横断ビーム３を挟んでｎ本ずつ向かい合っ
て並列しており、横断ビーム３と２×ｎ本のカンチレバ
ー５とで共振子アレイが構成される。入力振動板２を中
心にしてその周りに四方に第１〜第４の共振子アレイ部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが放射状に配されてい
る。ここで、共振子アレイ部１０ａ，１０ｂは入力振動
板２を挟んで対向し、共振子アレイ部１０ｃ，１０ｄは
他の側で対向位置にある。入力振動板２は、半導体シリ
コン基板３０に形成されたセンサ本体１の幾何学的中心
部に位置している。また、センサ本体１の重心部に位置
しているとも言える。なお、本実施の形態では入力振動
板２がセンサ本体１の幾何学的中心部，重心部に位置し
ている場合を説明しているが、これに限らない。
【００３０】カンチレバー５は、各共振子アレイ部１０
ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄにおいて、特定の周波数に
共振するように長さが調整されている。カンチレバー
５，５…の構成を第１の共振子アレイ部１０ａを例にと
り、以下に説明する。図３は、図１の音響振動センサを
部分的に示した斜視図である。これらの複数のカンチレ
バー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：各カンチレバー５の厚さ Ｘ：各カンチレバー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
ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄにおいて、特定の周波数に
共振するように長さが調整されている。カンチレバー
５，５…の構成を第１の共振子アレイ部１０ａを例にと
り、以下に説明する。図３は、図１の音響振動センサを
部分的に示した斜視図である。これらの複数のカンチレ
バー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：各カンチレバー５の厚さ Ｘ：各カンチレバー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
【００３１】上記（１）式から分かるように、カンチレ
バー５の厚さａ又は長さ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。本実
施の形態では、共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄは、夫々、400 Ｈｚ〜800 Ｈｚ，800 Ｈｚ〜
1600Ｈｚ，1600Ｈｚ〜3200Ｈｚ，3200Ｈｚ〜6400Ｈｚの
周波数帯域を検出するように設定されている。なお、こ
のような周波数帯域は連続的な値をとるものではなく、
カンチレバーに固有の共振周波数とは、周波数帯域中の
最大値，最小値及びその間を複数のカンチレバー５で割
り当てた値である。
バー５の厚さａ又は長さ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。本実
施の形態では、共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄは、夫々、400 Ｈｚ〜800 Ｈｚ，800 Ｈｚ〜
1600Ｈｚ，1600Ｈｚ〜3200Ｈｚ，3200Ｈｚ〜6400Ｈｚの
周波数帯域を検出するように設定されている。なお、こ
のような周波数帯域は連続的な値をとるものではなく、
カンチレバーに固有の共振周波数とは、周波数帯域中の
最大値，最小値及びその間を複数のカンチレバー５で割
り当てた値である。
【００３２】第２，第３及び第４の共振子アレイ部１０
ｂ，１０ｃ，１０ｄは、共振周波数帯域の違いによりカ
ンチレバー５の長さが異なること以外は共振子アレイ部
１０ａと同様であり、その説明を省略する。また、全て
のカンチレバー５の厚さａは一定であり、その長さＸは
入力振動板２に近い側から終止板４に向かうに従い、順
次長くなるようにしている。カンチレバー５が長いほ
ど、より低周波数で共振する。
ｂ，１０ｃ，１０ｄは、共振周波数帯域の違いによりカ
ンチレバー５の長さが異なること以外は共振子アレイ部
１０ａと同様であり、その説明を省略する。また、全て
のカンチレバー５の厚さａは一定であり、その長さＸは
入力振動板２に近い側から終止板４に向かうに従い、順
次長くなるようにしている。カンチレバー５が長いほ
ど、より低周波数で共振する。
【００３３】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３０上に作製される。そして、このような構成にお
いて、入力振動板２に音波が入力されると入力振動板２
が振動し、音波を示すその振動波は４本の横断ビーム３
に伝播し、第１〜第４の共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄ
の夫々に伝わる。この振動波は、各カンチレバー５を夫
々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３０上に作製される。そして、このような構成にお
いて、入力振動板２に音波が入力されると入力振動板２
が振動し、音波を示すその振動波は４本の横断ビーム３
に伝播し、第１〜第４の共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄ
の夫々に伝わる。この振動波は、各カンチレバー５を夫
々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。
【００３４】図４は、図１の音響振動センサの第１の共
振子アレイ部１０ａを用いる振動波検出部の回路図であ
る。なお、第２，第３及び第４の共振子アレイ部１０
ｂ，１０ｃ，１０ｄに対する振動波検出部の構成及びそ
の動作はこれと同様であり、第１の共振子アレイ部１０
ａを代表にして説明する。共振子アレイ部１０ａの各カ
ンチレバー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はカンチレバー５に対応して夫
々対向して設けられており、一側のピエゾ抵抗６の一端
は共通で直流電源７（電圧Ｖ0 ）に接続され、他側のピ
エゾ抵抗６の一端は共通で直流電源９（電圧−Ｖ0 ）に
接続されている。また複数の演算増幅器１００が、対向
する一対のピエゾ抵抗６に対応して設けてあり、各一対
のピエゾ抵抗６の他端は、演算増幅器１００が備える演
算増幅回路８の負側入力端子に夫々接続されている。演
算増幅回路８の正側入力端子は接地されている。直流電
源７（９）にてバイアス電圧Ｖ0 （−Ｖ0 ）が、共振子
アレイ部１０ａの同側のカンチレバー５全てに共通に印
加される。特定のカンチレバー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。
振子アレイ部１０ａを用いる振動波検出部の回路図であ
る。なお、第２，第３及び第４の共振子アレイ部１０
ｂ，１０ｃ，１０ｄに対する振動波検出部の構成及びそ
の動作はこれと同様であり、第１の共振子アレイ部１０
ａを代表にして説明する。共振子アレイ部１０ａの各カ
ンチレバー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はカンチレバー５に対応して夫
々対向して設けられており、一側のピエゾ抵抗６の一端
は共通で直流電源７（電圧Ｖ0 ）に接続され、他側のピ
エゾ抵抗６の一端は共通で直流電源９（電圧−Ｖ0 ）に
接続されている。また複数の演算増幅器１００が、対向
する一対のピエゾ抵抗６に対応して設けてあり、各一対
のピエゾ抵抗６の他端は、演算増幅器１００が備える演
算増幅回路８の負側入力端子に夫々接続されている。演
算増幅回路８の正側入力端子は接地されている。直流電
源７（９）にてバイアス電圧Ｖ0 （−Ｖ0 ）が、共振子
アレイ部１０ａの同側のカンチレバー５全てに共通に印
加される。特定のカンチレバー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。
【００３５】図５〜図８は、上述した音響振動センサを
用いて音波を入力振動板に入力した場合に各共振子アレ
イ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフである。
各グラフは、1.0 Ｐａの音波を入力振動板２に入力して
各カンチレバー５の先端での振幅をＦＥＭ（有限要素
法）にてシュミレーションした結果を示している。図５
は、第１の共振子アレイ部１０ａによるものであり、40
0 Ｈｚ〜800 Ｈｚの周波数帯域を検出している。図６，
図７及び図８は、夫々、第２，第３及び第４の共振子ア
レイ部１０ｂ，１０ｃ，１０ｄによるものであり、800
Ｈｚ〜1600Ｈｚ，1600Ｈｚ〜3200Ｈｚ，3200Ｈｚ〜6400
Ｈｚの周波数帯域を夫々検出している。
用いて音波を入力振動板に入力した場合に各共振子アレ
イ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフである。
各グラフは、1.0 Ｐａの音波を入力振動板２に入力して
各カンチレバー５の先端での振幅をＦＥＭ（有限要素
法）にてシュミレーションした結果を示している。図５
は、第１の共振子アレイ部１０ａによるものであり、40
0 Ｈｚ〜800 Ｈｚの周波数帯域を検出している。図６，
図７及び図８は、夫々、第２，第３及び第４の共振子ア
レイ部１０ｂ，１０ｃ，１０ｄによるものであり、800
Ｈｚ〜1600Ｈｚ，1600Ｈｚ〜3200Ｈｚ，3200Ｈｚ〜6400
Ｈｚの周波数帯域を夫々検出している。
【００３６】なお、グラフ中、カンチレバー５の番号
は、夫々、入力振動板２側から採番したものである。各
共振子アレイ部のカンチレバー５の個数は２×２５個で
あり、カンチレバー５，横断ビーム３，入力振動板２及
び終止板４の厚さは4.2 μｍである。また、入力振動板
２の平面視寸法は3.5 ｍｍ×3.5 ｍｍである。第１の共
振子アレイ部１０ａの具体的な仕様の一例を表１に示
す。
は、夫々、入力振動板２側から採番したものである。各
共振子アレイ部のカンチレバー５の個数は２×２５個で
あり、カンチレバー５，横断ビーム３，入力振動板２及
び終止板４の厚さは4.2 μｍである。また、入力振動板
２の平面視寸法は3.5 ｍｍ×3.5 ｍｍである。第１の共
振子アレイ部１０ａの具体的な仕様の一例を表１に示
す。
【００３７】
【表１】
【００３８】グラフから、上述した音響振動センサは、
各共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄで優れた周波数選択性
を有していることが判る。以上の如く、本実施の形態１
の音響振動センサは、入力振動板２の周りに十字状にな
るように放射状に共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄを配し
ており、横断ビームの伝播力を弱めることなく、振動波
を広い帯域周波数で検出できる。また、各共振子アレイ
部１０ａ〜１０ｄにおいて、中央の入力振動板２に近い
側のカンチレバー５を終止板４側よりも短く形成してあ
るので、音響振動センサの必要面積を小さくできる。
各共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄで優れた周波数選択性
を有していることが判る。以上の如く、本実施の形態１
の音響振動センサは、入力振動板２の周りに十字状にな
るように放射状に共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄを配し
ており、横断ビームの伝播力を弱めることなく、振動波
を広い帯域周波数で検出できる。また、各共振子アレイ
部１０ａ〜１０ｄにおいて、中央の入力振動板２に近い
側のカンチレバー５を終止板４側よりも短く形成してあ
るので、音響振動センサの必要面積を小さくできる。
【００３９】実施の形態２．図９は実施の形態２の音響
振動センサにおけるセンサ本体の一例を示す図であり、
図１０は図９のＸ−Ｘ線から見た断面図である。センサ
本体１は、共振周波数が異なる複数のカンチレバー５，
５…を備えた４つの共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１
０ｃ，１０ｄを矩形板状の入力振動板２の周りに配し、
４つの共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ
の上方にこれらを覆う態様で第２の入力振動板２０が設
けられている。なお、共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，
１０ｃ，１０ｄと入力振動板２とは、上述した実施の形
態１と同様の構成を有しており、その説明を省略する。
振動センサにおけるセンサ本体の一例を示す図であり、
図１０は図９のＸ−Ｘ線から見た断面図である。センサ
本体１は、共振周波数が異なる複数のカンチレバー５，
５…を備えた４つの共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１
０ｃ，１０ｄを矩形板状の入力振動板２の周りに配し、
４つの共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ
の上方にこれらを覆う態様で第２の入力振動板２０が設
けられている。なお、共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，
１０ｃ，１０ｄと入力振動板２とは、上述した実施の形
態１と同様の構成を有しており、その説明を省略する。
【００４０】図９及び図１０に示すように、第２の入力
振動板２０は均一な厚みを有して形成されており、中央
に凹部２０ａを有する碗蓋形状であり、外周部分にフラ
ンジ部２０ｂが形成されている。凹部２０ａは開口部が
底部よりも大きい断面テーパ状を有しており、底部が入
力振動板２の上面に着設されている。フランジ部２０ｂ
は基板３０上に着設され、第２の入力振動板２０は基板
３０で支持されている。このような第２の入力振動板２
０は、凹部２０ａの周りで上側へ膨らんだ形状に設けら
れており、４つの共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄの上方に空間を隔てて第２の入力振動板２０
が配され、積層構造を有している。
振動板２０は均一な厚みを有して形成されており、中央
に凹部２０ａを有する碗蓋形状であり、外周部分にフラ
ンジ部２０ｂが形成されている。凹部２０ａは開口部が
底部よりも大きい断面テーパ状を有しており、底部が入
力振動板２の上面に着設されている。フランジ部２０ｂ
は基板３０上に着設され、第２の入力振動板２０は基板
３０で支持されている。このような第２の入力振動板２
０は、凹部２０ａの周りで上側へ膨らんだ形状に設けら
れており、４つの共振子アレイ部１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄの上方に空間を隔てて第２の入力振動板２０
が配され、積層構造を有している。
【００４１】以上の如き構成の音響振動センサでは、第
２の入力振動板２０に音波が入力されると第２の入力振
動板２０が振動し、第２の入力振動板２０に接続された
入力振動板２に伝播する。そして、振動波は入力振動板
２から４本の横断ビーム３に伝播し、第１〜第４の共振
子アレイ部１０ａ〜１０ｄの夫々に伝わる。この振動波
は、各カンチレバー５を夫々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。本実施の形態２の
音響振動センサは、上述した実施の形態１と同様の効果
を得、さらに第２の入力振動板２０の面積が大きいの
で、感度が向上する。また、第２の入力振動板２０と共
振子アレイ部１０ａ〜１０ｄとは積層構造を有するの
で、第２の入力振動板２０の面積が大きくても音響振動
センサの必要面積は増大しない。
２の入力振動板２０に音波が入力されると第２の入力振
動板２０が振動し、第２の入力振動板２０に接続された
入力振動板２に伝播する。そして、振動波は入力振動板
２から４本の横断ビーム３に伝播し、第１〜第４の共振
子アレイ部１０ａ〜１０ｄの夫々に伝わる。この振動波
は、各カンチレバー５を夫々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。本実施の形態２の
音響振動センサは、上述した実施の形態１と同様の効果
を得、さらに第２の入力振動板２０の面積が大きいの
で、感度が向上する。また、第２の入力振動板２０と共
振子アレイ部１０ａ〜１０ｄとは積層構造を有するの
で、第２の入力振動板２０の面積が大きくても音響振動
センサの必要面積は増大しない。
【００４２】また、入力振動板２と第２の入力振動板２
０との接続部分の形状が、凹部２０ａの底部よりも開口
部の方が大きい断面テーパ状であるので、入力振動波を
効率よく共振子アレイ部に伝播させることができる。図
１１は、実施の形態２の他の音響振動センサの構造を示
す断面図である。図に示すように、図１０に示す第２の
入力振動板２０よりも凹部２１ａのテーパ角αを大きく
形成している。入力される音波の音響インピーダンスが
整合するように、テーパ角αを設定することにより、さ
らに効率良く入力振動波を伝播させることができる。な
お、図１１の音響振動センサのその他の構成は実施の形
態２と同様であり、対応する部分に対応うる符号を付し
て説明を省略する。
０との接続部分の形状が、凹部２０ａの底部よりも開口
部の方が大きい断面テーパ状であるので、入力振動波を
効率よく共振子アレイ部に伝播させることができる。図
１１は、実施の形態２の他の音響振動センサの構造を示
す断面図である。図に示すように、図１０に示す第２の
入力振動板２０よりも凹部２１ａのテーパ角αを大きく
形成している。入力される音波の音響インピーダンスが
整合するように、テーパ角αを設定することにより、さ
らに効率良く入力振動波を伝播させることができる。な
お、図１１の音響振動センサのその他の構成は実施の形
態２と同様であり、対応する部分に対応うる符号を付し
て説明を省略する。
【００４３】なお、実施の形態１及び実施の形態２で
は、第１〜第４の共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄの共振
すべき周波数帯域を全て異なる帯域としたが、これに限
るものではなく、同帯域の共振子アレイ部を用いても良
い。また、少なくとも１つの共振子アレイ部の共振すべ
き周波数帯域が、他の共振子アレイ部の周波数帯域と異
なっていれば良い。さらに、複数の共振子アレイ部の中
で、異なる共振周波数を有する共振子を少なくとも１つ
備えていれば良い。
は、第１〜第４の共振子アレイ部１０ａ〜１０ｄの共振
すべき周波数帯域を全て異なる帯域としたが、これに限
るものではなく、同帯域の共振子アレイ部を用いても良
い。また、少なくとも１つの共振子アレイ部の共振すべ
き周波数帯域が、他の共振子アレイ部の周波数帯域と異
なっていれば良い。さらに、複数の共振子アレイ部の中
で、異なる共振周波数を有する共振子を少なくとも１つ
備えていれば良い。
【００４４】また、実施の形態１及び実施の形態２で
は、中央にある入力振動板２から周りに横断ビーム３，
３…が十字状に延びる構造を示しているが、これに限る
ものではなく、横断ビーム３，３…は入力振動板２を中
心に単に放射状に配してあるものも可能である。さら
に、入力振動板２はセンサ本体１の幾何学的中心部、又
は重心部に配した場合を説明しているが、これに限るも
のではなく、複数の共振子アレイ部の中央部分に配して
あれば良い。また、入力振動板２は、複数の共振子アレ
イ部が配された領域での幾何学的中心部又は重心部に配
してあっても良い。
は、中央にある入力振動板２から周りに横断ビーム３，
３…が十字状に延びる構造を示しているが、これに限る
ものではなく、横断ビーム３，３…は入力振動板２を中
心に単に放射状に配してあるものも可能である。さら
に、入力振動板２はセンサ本体１の幾何学的中心部、又
は重心部に配した場合を説明しているが、これに限るも
のではなく、複数の共振子アレイ部の中央部分に配して
あれば良い。また、入力振動板２は、複数の共振子アレ
イ部が配された領域での幾何学的中心部又は重心部に配
してあっても良い。
【００４５】さらにまた、上述した実施の形態１及び実
施の形態２では、カンチレバー５の共振周波数をその長
さによって決定する場合を説明しているが、これに限る
ものではなく、例えばカンチレバー５の厚みを変えるこ
とにより共振周波数を変えても良い。
施の形態２では、カンチレバー５の共振周波数をその長
さによって決定する場合を説明しているが、これに限る
ものではなく、例えばカンチレバー５の厚みを変えるこ
とにより共振周波数を変えても良い。
【００４６】さらにまた、カンチレバー５の振動強度の
検出部の構成は上述したものに限らない。カンチレバー
５の振動を電気信号に変換するものであれば良い。
検出部の構成は上述したものに限らない。カンチレバー
５の振動を電気信号に変換するものであれば良い。
【００４７】
【発明の効果】以上のように、本発明においては、所定
の周波数帯域を有する共振子アレイ部の複数を入力振動
部の周りに配してあるので、該入力振動部が受けた振動
波を夫々の共振子アレイ部に別経路で伝播できる。従っ
て、伝播路の長さが拡張されることなく多数の共振子に
振動波が伝播され、振動波の広帯域での検出が可能とな
る。
の周波数帯域を有する共振子アレイ部の複数を入力振動
部の周りに配してあるので、該入力振動部が受けた振動
波を夫々の共振子アレイ部に別経路で伝播できる。従っ
て、伝播路の長さが拡張されることなく多数の共振子に
振動波が伝播され、振動波の広帯域での検出が可能とな
る。
【００４８】また、本発明においては、大面積の入力振
動部を共振子アレイ部と積層構造をなすように形成して
いるので大型化することなく感度を向上できる等、本発
明は優れた効果を奏する。
動部を共振子アレイ部と積層構造をなすように形成して
いるので大型化することなく感度を向上できる等、本発
明は優れた効果を奏する。
【図１】本発明の音響振動センサ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】図１のII−II線から見た断面図である。
【図３】図１の音響振動センサを部分的に示した斜視図
である。
である。
【図４】図１の音響振動センサの第１の共振子アレイ部
を用いる振動波検出部の回路図である。
を用いる振動波検出部の回路図である。
【図５】音波をダイヤフラムに入力した場合に第１共振
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
【図６】音波をダイヤフラムに入力した場合に第２共振
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
【図７】音波をダイヤフラムに入力した場合に第３共振
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
【図８】音波をダイヤフラムに入力した場合に第４共振
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
子アレイ部で得られた振幅の周波数分布を示すグラフで
ある。
【図９】実施の形態２の音響振動センサにおけるセンサ
本体の一例を示す図である。
本体の一例を示す図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線から見た断面図である。
【図１１】実施の形態２の他の音響振動センサの断面図
である。
である。
１ センサ本体 ２ 入力振動板 ３ 横断ビーム ４ 終止板 ５ カンチレバー ６ ピエゾ抵抗 １０ａ〜１０ｄ 第１〜第４の共振子アレイ部 ２０ 第２の入力振動板 ２０ａ 凹部 ３０ 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) H04R 1/26 G01H 11/02 G10L 15/28
Claims (11)
- 【請求項１】 媒質中を伝播する振動波を受ける入力振
動部と、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の共
振子を並設した共振子アレイ部とを備え、前記入力振動
部で受けた振動波を前記複数の共振子に伝播させて、前
記共振子夫々の振動強度を検出する音響振動センサにお
いて、 複数の前記共振子アレイ部を、前記入力振動部の周りに
配してあることを特徴とする音響振動センサ。 - 【請求項２】 媒質中を伝播する振動波を受ける入力振
動部と、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の共
振子を並設した共振子アレイ部とを備え、前記入力振動
部で受けた振動波を前記複数の共振子に伝播させて、前
記共振子夫々の振動強度を検出する音響振動センサにお
いて、 前記共振子アレイ部を複数備え、夫々の共振子アレイ部
は前記共振子の一端側を連接する伝播路を有し、複数の
前記伝播路が前記入力振動部を中心に放射状に配してあ
ることを特徴とする音響振動センサ。 - 【請求項３】 少なくとも１つの前記共振子アレイ部
は、共振すべき周波数帯域が、他の共振子アレイ部の周
波数帯域と異なる請求項１又は２記載の音響振動セン
サ。 - 【請求項４】 前記入力振動部が、前記複数の共振子ア
レイ部の幾何学的中心部を含む位置に配してある請求項
１乃至３のいずれかに記載の音響振動センサ。 - 【請求項５】 前記入力振動部が、前記複数の共振子ア
レイ部の重心部を含む位置に配してある請求項１乃至３
のいずれかに記載の音響振動センサ。 - 【請求項６】 共振子アレイ部の夫々は、高周波数側で
共振する共振子を前記入力振動部に近い側に配してある
請求項１乃至５のいずれかに記載の音響振動センサ。 - 【請求項７】 前記複数の共振子アレイ部に積層された
第２の入力振動部をさらに備え、該第２の入力振動部
は、前記複数の共振子アレイ部の中央に位置する第１の
入力振動部に接続してある請求項１乃至６記載の音響振
動センサ。 - 【請求項８】 前記第２の入力振動部は、開口側が底部
よりも広い凹部を有し、該凹部の底部を前記第１の入力
振動部に接続してある請求項７記載の音響振動センサ。 - 【請求項９】 前記複数の共振子アレイ部を支持する基
板をさらに備え、前記第２の入力振動部は前記基板に支
持されている請求項７又は８記載の音響振動センサ。 - 【請求項１０】 媒質中を伝播する振動波を受ける入力
振動部と、夫々が異なる特定の周波数に共振する複数の
共振子を並設した共振子アレイ部とを備え、前記入力振
動部で受けた振動波を前記複数の共振子に伝播させて、
前記共振子夫々の振動強度を検出する音響振動センサに
おいて、 前記入力振動部は前記共振子アレイ部に積層してあり、
前記入力振動部の一方の側は前記共振子アレイ部に接続
してあることを特徴とする音響振動センサ。 - 【請求項１１】 媒質中を伝播する振動波を受ける第１
の入力振動部と、夫々が異なる特定の周波数に共振する
複数の共振子を並設した共振子アレイ部とを備え、前記
入力振動部で受けた振動波を前記複数の共振子に伝播さ
せて、前記共振子夫々の振動強度を検出する音響振動セ
ンサにおいて、 前記複数の共振子アレイ部に積層された第２の入力振動
部をさらに備え、該第２の入力振動部は、開口側が底部
よりも広い凹部を有し、該凹部の底部を前記第１の入力
振動部に接続してあることを特徴とする音響振動セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00148599A JP3353728B2 (ja) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | 音響振動センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00148599A JP3353728B2 (ja) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | 音響振動センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000201391A JP2000201391A (ja) | 2000-07-18 |
| JP3353728B2 true JP3353728B2 (ja) | 2002-12-03 |
Family
ID=11502756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00148599A Expired - Fee Related JP3353728B2 (ja) | 1999-01-06 | 1999-01-06 | 音響振動センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3353728B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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