JP4539920B2 - Vibration wave detection method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、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ごと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する。   The present invention relates to a vibration wave detection method and apparatus for electrically detecting the intensity of a vibration wave for each frequency band using a plurality of resonators having different resonance frequencies.

共振周波数が異なる複数の共振子を配列して、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ある(例えば、非特許文献1または非特許文献2)。   A plurality of resonators having different resonance frequencies are arranged and selectively resonated with a specific resonance frequency for each resonator with respect to a vibration wave such as a sound wave, and the resonance level of each resonator is electrically There is a resonator array type vibration sensor that converts and outputs a dynamic signal and detects the intensity of each vibration wave in each frequency band (for example, Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2).

従来の振動センサでは、共振子の支持部付近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、非特許文献2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。   In a conventional vibration sensor, a piezoresistor is formed near the support portion of the resonator, and a change in the resistance value of the piezoresistor caused by the vibration (resonance) of the resonator is detected by a Wheatstone bridge, etc. A typical output signal. In particular, the sensor of Non-Patent Document 2 obtains an output signal while switching the Wheatstone bridge output in each resonator by a multiplexer.

共振子アレイ型の簡易な回路構成にて、入力振動波の特定の周波数帯域の利得を制御する方法が提案されている(特許文献1又は特許文献2)。例えば特許文献1の技術は、共振子アレイ型の振動センサにおいて、各共振ビームに設けられた各ピエゾ抵抗を並列接続する。この並列回路に印加する電源電圧を変更するか、または、ピエゾ抵抗の形状を変化させて抵抗値を変更することにより、特定の周波数帯域の利得を制御する。   A method of controlling the gain of a specific frequency band of an input vibration wave with a simple circuit configuration of a resonator array type has been proposed (Patent Document 1 or Patent Document 2). For example, in the technique of Patent Document 1, in a resonator array type vibration sensor, each piezoresistor provided in each resonance beam is connected in parallel. The gain in a specific frequency band is controlled by changing the power supply voltage applied to the parallel circuit or changing the resistance value by changing the shape of the piezoresistor.

また、特許文献2の技術は、歪みの大きさが共振ビームの位置に応じて異なることを利用し、各周波数帯域の出力信号のレベルが所望のレベルになるように、各共振ビームにおいてピエゾ抵抗を設ける位置を調整して、特定の周波数帯域の利得を制御する。
W. Benecke et al., "A Frequency-Selective, Piezoresistive Silicon Vibration Sensor," Digest of Technical Papers of TRANSDUCERS '85, pp. 105-108 (1985) E. Peeters et al., "Vibration Signature Analysis Sensors for Predictive Diagnostics," Proceedings of SPIE '97, vol. 3224, pp. 220-230 (1997) 特開2000−46639号公報 特開2000−46640号公報
Further, the technique of Patent Document 2 utilizes the fact that the magnitude of distortion varies depending on the position of the resonant beam, so that the piezoresistor is applied to each resonant beam so that the level of the output signal in each frequency band becomes a desired level. Is adjusted to control the gain of a specific frequency band.
W. Benecke et al., "A Frequency-Selective, Piezoresistive Silicon Vibration Sensor," Digest of Technical Papers of TRANSDUCERS '85, pp. 105-108 (1985) E. Peeters et al., "Vibration Signature Analysis Sensors for Predictive Diagnostics," Proceedings of SPIE '97, vol. 3224, pp. 220-230 (1997) JP 2000-46639 A JP 2000-46640 A

振動現象や音響信号を扱う上で、信号を複素数として表現することは、振幅/位相の瞬時検出や信号の変復調等、様々な解析や変換を可能とする。マイクロフォンをはじめとする従来の音響/振動センサは各時刻における音圧などの物理量を電気信号に変換するデバイスであり、出力は単一の実信号である。一般に実信号を対応する複素数信号に変換するためには、下記のヒルベルト変換と呼ばれる演算が必要である。この演算は非因果的であり、広帯域信号に対して実時間でこの演算を行うことはできない。そのため信号の複素数表現が実際に適用できるのは通信分野で扱われるような狭帯域の信号に限られていた。   When dealing with vibration phenomena and acoustic signals, expressing a signal as a complex number enables various analyzes and conversions such as instantaneous amplitude / phase detection and signal modulation / demodulation. A conventional acoustic / vibration sensor such as a microphone is a device that converts a physical quantity such as sound pressure at each time into an electric signal, and an output is a single real signal. In general, in order to convert a real signal into a corresponding complex signal, an operation called the following Hilbert transform is required. This operation is non-causal and cannot be performed in real time on wideband signals. For this reason, the complex number representation of signals can be actually applied only to narrowband signals that are handled in the communication field.

解析関数の実部と虚部の間には一般に、次のヒルベルト変換の関係がある(日本数学会編集、岩波数学辞典第3版(1985)、520頁)。
複素変数z=x+jyの上半平面(y≧0)で正則な関数、
φ(z)=U(x、y)+jV(x,y)
の実軸上の境界値、
f(x)=U(x,0)、g(x)=−V(x、0)
の間には、f、gが実数上の積分可能な関数(f、g∈L1(−∞、∞))のとき、

Figure 0004539920

という関係がある。ここにp.v.はCauchyの主値
Figure 0004539920

を意味する。 In general, there is the following Hilbert transform relationship between the real part and the imaginary part of the analytic function (edited by the Mathematical Society of Japan, Iwanami Mathematics Dictionary 3rd Edition (1985), p. 520).
A regular function in the upper half plane (y ≧ 0) of the complex variable z = x + ji,
φ (z) = U (x, y) + jV (x, y)
Boundary value on the real axis of
f (x) = U (x, 0), g (x) = − V (x, 0)
, When f and g are real integral functions (f, gεL1 (−∞, ∞)),
Figure 0004539920

There is a relationship. P. v. Is the main value of Cauchy
Figure 0004539920

Means.

gをfのヒルベルト変換(Hilbert transform)、fとgをヒルベルト変換対という。ヒルベルト変換は解析関数の実部と虚部を結ぶ関数である。   g is called a Hilbert transform of f, and f and g are called a Hilbert transform pair. The Hilbert transform is a function that connects the real part and the imaginary part of the analytic function.

物理現象、特に振動現象は複素平面上で解析するのが便利である。一般に振動現象では、オイラーの公式 ejθ=cosθ+jsinθ によって、実部と虚部は一方が他方の微分の関係にある。例えば、変位又は速度に対して速度又は加速度の関係にある。現象を瞬時値から把握するには、それらの関係にある一方の情報(例えば変位)だけでは不十分で、両方(例えば変位と速度)を知る必要がある。 It is convenient to analyze physical phenomena, particularly vibration phenomena, on a complex plane. In general, in a vibration phenomenon, one of the real part and the imaginary part is in a differential relationship according to Euler's formula e = cos θ + jsin θ. For example, there is a relationship of velocity or acceleration to displacement or velocity. In order to grasp a phenomenon from an instantaneous value, only one piece of information (for example, displacement) related to the relationship is insufficient, and both (for example, displacement and speed) need to be known.

実部と虚部の関係は、ヒルベルト変換対をなすので、上記のg又はfの式によって他方を導くことができるが、式(1)に示すとおり(−∞、∞)の区間の積分として表され、ある期間(周期関数においては少なくとも1周期)の観測が必要である。従来の振動波検出装置では一方の情報しか検出することができない。瞬時値で実部と虚部両方の情報を検出できれば、現象を瞬時に把握することができる。   Since the relationship between the real part and the imaginary part forms a Hilbert transform pair, the other can be derived by the above equation of g or f. However, as shown in equation (1), as the integral of the interval (−∞, ∞) The observation of a certain period (at least one period in the periodic function) is necessary. A conventional vibration wave detection device can detect only one piece of information. If information on both real and imaginary parts can be detected with instantaneous values, the phenomenon can be grasped instantaneously.

例えば、特許文献1に示されるように、共振ビームの共振周波数に応じたピエゾ抵抗検出器のバイアス電圧付与によって、動的に変更可能な周波数特性が実現される。しかし従来の方法では、振動波検出の荷重は正負の実数に限られ、任意のインパルス応答の実現に必要な複素数荷重を与えられなかった。   For example, as disclosed in Patent Document 1, a frequency characteristic that can be dynamically changed is realized by applying a bias voltage of a piezoresistance detector according to the resonance frequency of the resonance beam. However, in the conventional method, the vibration wave detection load is limited to positive and negative real numbers, and a complex load necessary for realizing an arbitrary impulse response cannot be given.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、任意の複素数荷重を与えることのできる振動波検出方法及び装置を提供することである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a vibration wave detection method and apparatus capable of applying an arbitrary complex load.

本発明の第1の観点に係る振動波検出方法は、
それぞれ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、前記共振子それぞれの前記周波数による共振に伴う電気的出力を、前記共振子それぞれに設けた検出器にて検出する振動波検出方法であって、
前記複数の共振子の検出器に共通の周波数で共振子ごとに位相の異なる交流バイアス電圧を印加し、
前記複数の共振子の検出器の出力を合成する、
ことを特徴とする。
The vibration wave detection method according to the first aspect of the present invention includes:
Vibration in which vibration waves are propagated to a plurality of resonators that resonate at different specific frequencies, and an electrical output associated with resonance of each of the resonators by the frequency is detected by a detector provided in each of the resonators. A wave detection method,
Applying an alternating bias voltage having a different phase for each resonator at a frequency common to the detectors of the plurality of resonators,
Combining the outputs of the plurality of resonator detectors;
It is characterized by that.

さらに、前記交流バイアス電圧は、その交流バイアス電圧が印加される前記複数の共振子のうち少なくとも1つの共振子において振幅が異なることを特徴とする。   Further, the AC bias voltage has a different amplitude in at least one of the plurality of resonators to which the AC bias voltage is applied.

特に、前記複数の共振子を複数の群に分けて、該群ごとに各群に含まれる共振子には共通の振幅と位相を有する前記交流バイアス電圧を印加することを特徴とする。   In particular, the plurality of resonators are divided into a plurality of groups, and the AC bias voltage having a common amplitude and phase is applied to the resonators included in each group.

好ましくは、前記複数の共振子の検出器の合成された出力の上側波帯を濾波器で抽出し、直交相関検出によってヒルベルト変換対の信号を出力することを特徴とする。   Preferably, an upper side band of the combined output of the detectors of the plurality of resonators is extracted by a filter, and a signal of a Hilbert transform pair is output by quadrature correlation detection.

なお、前記複数の共振子の検出器の合成された出力を、無線で前記濾波器に伝送してもよい。   The combined output of the plurality of resonator detectors may be transmitted wirelessly to the filter.

本発明の第2の観点に係る振動波検出装置は、
それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子と、
前記複数の共振子に伝播された振動波によるその共振子それぞれの前記周波数での共振に伴う電気的出力を検出する、前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器と、
前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器に共通の周波数で、前記共振子ごとに位相の異なる交流バイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、
前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器の出力を合成する出力合成手段と、
を備えることを特徴とする。
The vibration wave detection device according to the second aspect of the present invention is:
A plurality of resonators each resonating at a different specific frequency;
A detector provided in each of the plurality of resonators for detecting an electrical output accompanying resonance at the frequency of each of the resonators by vibration waves propagated to the plurality of resonators;
Bias applying means for applying an AC bias voltage having a different phase for each of the resonators at a frequency common to a detector provided in each of the plurality of resonators;
Output combining means for combining the outputs of the detectors provided in each of the plurality of resonators;
It is characterized by providing.

さらに、前記バイアス印加手段で印加する前記交流バイアス電圧は、前記複数の共振子のうち少なくとも1つの共振子において異なる振幅を有することを特徴とする。   Further, the AC bias voltage applied by the bias applying unit has different amplitudes in at least one of the plurality of resonators.

特に、前記バイアス印加手段は、前記複数の共振子を群に分けて、該群ごとに各群の共振子には共通の振幅と位相の交流バイアス電圧を加えることを特徴とする。   In particular, the bias applying means divides the plurality of resonators into groups, and applies an AC bias voltage having a common amplitude and phase to the resonators of each group for each group.

好ましくは、前記出力合成手段で合成された前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器の出力の合成出力から、上側波帯を濾波して抽出する濾波手段と、
前記濾波手段で抽出された上側波帯を直交相関検出してヒルベルト変換対の信号を出力する直交検波手段と、
を備えることを特徴とする。
Preferably, filtering means for filtering and extracting the upper side band from the combined output of the detectors provided in each of the plurality of resonators combined by the output combining means,
Quadrature detection means for detecting a quadrature correlation of the upper side band extracted by the filtering means and outputting a signal of a Hilbert transform pair;
It is characterized by providing.

なお、前記出力合成手段で合成された前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器の出力の合成出力を、前記濾波手段に無線で伝送する無線伝送手段を備えてもよい。   Note that wireless transmission means for wirelessly transmitting a combined output of detector outputs provided in each of the plurality of resonators combined by the output combining means to the filtering means may be provided.

好ましくは、前記検出器は、ピエゾ抵抗である。   Preferably, the detector is a piezoresistor.

また、前記検出器は、容量性の素子であってもよい。   The detector may be a capacitive element.

本発明の振動波検出方法及び振動波検出装置によれば、任意の複素数荷重を実現することが可能である。そして、任意の複素周波数特性を加えて実部と虚部の2自由度を有するRF変調信号として読み出し・伝送することが可能である。   According to the vibration wave detection method and vibration wave detection apparatus of the present invention, it is possible to realize an arbitrary complex load. Then, it can be read and transmitted as an RF modulation signal having two degrees of freedom of a real part and an imaginary part by adding an arbitrary complex frequency characteristic.

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. An acoustic sensor that uses sound waves as vibration waves to be detected will be described below as an example.

図1は、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。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の両側に片持ち支持された複数(n本)の共振ビーム51a、51b〜5na、5nb(以下、共振ビーム5と総称する)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。横断ビーム3の両側の共振ビーム5は同一の共振周波数を有し、対向する1対ずつn組の共振ビーム5を形成している。   FIG. 1 is a diagram showing an example of a sensor main body in the vibration wave detection apparatus of the present invention. The sensor body 1 formed on the semiconductor silicon substrate 20 includes a diaphragm 2 that receives an input sound wave, a transverse beam 3 that is continuous with the diaphragm 2, an end plate 4 that is continuous with the tip of the transverse beam 3, and both sides of the transverse beam 3. Are composed of a plurality (n) of resonant beams 51a, 51b to 5na, 5nb (hereinafter collectively referred to as resonant beams 5), all of which are made of semiconductor silicon. Yes. The resonance beams 5 on both sides of the transverse beam 3 have the same resonance frequency, and n pairs of resonance beams 5 are formed in pairs.

本実施の形態では、数学的取り扱いを簡潔にして理解を容易にするために、横断ビーム3の両側に同一の共振周波数を有する共振ビームを対にして配置する。共振ビーム5は横断ビームの片側のみに配置されても、同様の結果を得ることができる。ただし、その場合は、センサの感度は1/2になる。   In this embodiment, in order to simplify mathematical handling and facilitate understanding, a pair of resonant beams having the same resonant frequency is arranged on both sides of the transverse beam 3. Similar results can be obtained even if the resonant beam 5 is arranged only on one side of the transverse beam. However, in that case, the sensitivity of the sensor is halved.

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。   The width of the transverse beam 3 is the thickest at the end of the diaphragm 2, gradually becomes narrower from there toward the end plate 4, and becomes the narrowest at the end of the end plate 4. Each resonant beam 5 is a resonator whose length is adjusted to resonate at a specific frequency.

これらの複数の共振ビーム5は、下記(3)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。

Figure 0004539920

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 The plurality of resonance beams 5 selectively vibrate at a resonance frequency f expressed by the following equation (3).
Figure 0004539920

Where C: constant determined experimentally a: thickness of each resonance beam 5 X: length of each resonance beam 5 Y: Young's modulus of material substance (semiconductor silicon) s: density of material substance (semiconductor silicon)

上記(3)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る。各共振ビーム5は固有の共振周波数を有するようにしている。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。   As can be seen from the above equation (3), the resonance frequency f can be set to a desired value by changing the thickness a or the length X of the resonance beam 5. Each resonance beam 5 has a unique resonance frequency. In this example, the thickness a of all the resonant beams 5 is constant, and the length X of the resonance beam 5 is gradually increased from the right side (diaphragm 2 side) to the left side (end plate 4 side), and the right side (diaphragm). The resonance frequency at which each resonance beam 5 inherently vibrates from the second side to the left side (end plate 4 side) is set from a high frequency to a low frequency.

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。ダイヤフラム2から入力した振動エネルギーは、横断ビーム3を通じてそれぞれの共振ビーム5に分配され、各共振系の機械−電気変換器で吸収されて信号エネルギーに変換されて取り出される。   The sensor body 1 configured as described above is manufactured on the semiconductor silicon substrate 20 by using a micromachining technique. The vibration energy input from the diaphragm 2 is distributed to the respective resonance beams 5 through the transverse beams 3, absorbed by the mechanical-electric converters of the respective resonance systems, converted into signal energy, and extracted.

(実施の形態1)
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の一例を示す回路図である。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61a、61b〜6na、6nb(以下、ピエゾ抵抗6と総称する)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、そのピエゾ抵抗6の一端は、共通の周波数でそれぞれ異なる振幅と位相を有する交流電源71a、71b〜7na、7nb(以下、交流電源7と総称する)に接続され、その他端は演算増幅器10の−入力端子に接続されている。演算増幅器10の+入力端子は接地されている。対向する共振ビーム5には互いに逆の位相の交流バイアス電圧が印加される。図2では、逆の位相であることを電圧Vの負号で表している。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the vibration wave detection apparatus of the present invention using such a sensor body 1. Piezoresistors 61a, 61b to 6na, 6nb (hereinafter collectively referred to as piezoresistors 6) made of polysilicon are formed in the distortion generating portions (crossing beam 3 side) of each resonance beam 5 of the sensor body 1. The plurality of piezoresistors 6 are connected in parallel, and one end of the piezoresistor 6 has AC power supplies 71a, 71b to 7na, 7nb (hereinafter collectively referred to as AC power supply 7) having different amplitudes and phases at a common frequency. The other end is connected to the negative input terminal of the operational amplifier 10. The + input terminal of the operational amplifier 10 is grounded. The opposing resonant beams 5 are applied with AC bias voltages having opposite phases. In Figure 2, indicates that the inverse of the phase at the negative sign of the voltage V i.

電圧V〜Vは同じであってもよい。位相φ〜φは、少なくとも1つは他と異なる位相を有する。 The voltages V 1 to V n may be the same. At least one of the phases φ 1 to φ n has a different phase from the others.

次に、図2に示す振動波検出装置の作用について説明する。一般に、抵抗体の抵抗値Rの相対変化率は、抵抗体のポアッソン比をν、長さをl、比抵抗をρとすると、次の式(4)で表される。

Figure 0004539920
Next, the operation of the vibration wave detection device shown in FIG. 2 will be described. In general, the relative change rate of the resistance value R of the resistor is expressed by the following equation (4), where ν is the Poisson's ratio of the resistor, l is the length, and ρ is the specific resistance.
Figure 0004539920

半導体シリコン基板20に形成されるピエゾ抵抗6では、歪みによる比抵抗の変化が主要であり、ピエゾ抵抗係数をπ、ヤング率をEとすると、ピエゾ抵抗の抵抗値Rの相対変化率は、次の式(5)で表されるとしてよい。

Figure 0004539920
In the piezoresistor 6 formed on the semiconductor silicon substrate 20, the change in specific resistance due to strain is main. When the piezoresistance coefficient is π and the Young's modulus is E, the relative change rate of the resistance value R of the piezoresistor is as follows. It may be expressed by the following formula (5).
Figure 0004539920

図2の振動波検出装置のように、各共振ビーム5の振動出力が波形として1本の信号線に加算されて出力される出力形態を、振動波形の合成出力という。この場合のセンサ本体1の役割は、機械振動の電気信号への効率的変換、機械的周波数分解に基づく電気信号上での周波数特性の調整、にある。   An output form in which the vibration output of each resonance beam 5 is added to one signal line as a waveform and output as in the vibration wave detection device of FIG. 2 is referred to as a combined output of vibration waveforms. The role of the sensor body 1 in this case is to efficiently convert mechanical vibrations into electrical signals and to adjust frequency characteristics on the electrical signals based on mechanical frequency decomposition.

図9は、センサ本体1を用いて、ピエゾ抵抗6による共振ビーム5の振動波形の和の出力形式の一例を表す回路図である。図9の回路では、上側の共振ビーム51a〜5naには正の直流バイアス、下側の共振ビーム51b〜5nbには負の直流バイアスを印加し、各共振ビーム5の振動出力が波形として1本の信号線に加算されて出力される。ここでは、理解を容易にするため、対となる上下の共振ビーム5は逆相で振動し、上下のピエゾ抵抗6は互いに逆相で伸縮しているとする。   FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of the output format of the sum of the vibration waveforms of the resonant beam 5 by the piezoresistor 6 using the sensor body 1. In the circuit of FIG. 9, a positive DC bias is applied to the upper resonance beams 51a to 5na, a negative DC bias is applied to the lower resonance beams 51b to 5nb, and the vibration output of each resonance beam 5 is one waveform. Are added to the signal lines and output. Here, for ease of understanding, it is assumed that the upper and lower resonant beams 5 to be paired vibrate in opposite phases, and the upper and lower piezoresistors 6 expand and contract in opposite phases.

図9において、i番目の共振ビーム5i上のピエゾ抵抗の抵抗値を上側がR+δR(t)、下側がR−δR(t)、上下それぞれの抵抗の他方の共通端子の電圧をV、−Vとおくと、演算増幅器の仮想接地点に流れ込む電流は、次の式(6)で表される。

Figure 0004539920
In FIG. 9, the resistance value of the piezoresistor on the i-th resonance beam 5 i is R i + δR i (t) on the upper side, R i −δR i (t) on the lower side, and the voltage of the other common terminal of the upper and lower resistors. Is V 0 , −V 0 , the current flowing into the virtual ground point of the operational amplifier is expressed by the following equation (6).
Figure 0004539920

そして、帰還抵抗Rによって、次の式(7)で表される振動電圧として取り出される。

Figure 0004539920

合成出力の荷重Wは、抵抗Rを調整することによって可変である。しかし、実際にはチップ製造時のトリミングなど固定的になる。 And it is taken out by the feedback resistance Rf as an oscillating voltage expressed by the following formula (7).
Figure 0004539920

The combined output load W i is variable by adjusting the resistance R i . However, in practice, trimming during chip manufacturing is fixed.

上記の方法で出力がバイアス電圧Vに比例することを利用し、共振ビーム5ごとにバイアス電圧を変えることが考えられる。図10は、バイアス電圧ラインを複数用いたピエゾ抵抗方式の合成出力の一例を表す回路図である。図10の回路を用いて、周波数別の動的な利得調整が可能である。第iビームのバイアス電圧を±Vとすると、出力電圧Voutは、次の式(8)で表される。

Figure 0004539920
It can be considered that the bias voltage is changed for each resonance beam 5 by utilizing the fact that the output is proportional to the bias voltage V 0 by the above method. FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of a piezoresistive combined output using a plurality of bias voltage lines. Using the circuit of FIG. 10, dynamic gain adjustment for each frequency is possible. When the bias voltage of the i-th beam is ± V i , the output voltage V out is expressed by the following equation (8).
Figure 0004539920

但し、横断ビーム3に通せる配線数のため、共振ビーム5の数が多くなると共振ビーム5をグループ化したバイアス制御が必要になる。   However, since the number of wirings that can be passed through the transverse beam 3 is increased, bias control in which the resonant beams 5 are grouped becomes necessary when the number of the resonant beams 5 increases.

図10に示す振動波検出方法は、周波数特性が可変であるが、各周波数に設定できる利得が実数に限られる。周波数フィルタリングの際の利得が実数あるいは純虚数となるのは、インパルス応答が対称か反対称な場合に限られる。各周波数に設定する利得を実数に限ると、任意のインパルス応答を実現することができない。   The vibration wave detection method shown in FIG. 10 has variable frequency characteristics, but the gain that can be set for each frequency is limited to a real number. The gain at the time of frequency filtering becomes real or pure imaginary only when the impulse response is symmetric or antisymmetric. If the gain set for each frequency is limited to a real number, an arbitrary impulse response cannot be realized.

図2に示す本発明の振動波検出装置では、より一般的な周波数応答を実現する可変荷重フィルタを実現できる。図2に示すように、第i番目の共振ビーム5ia及び5ibの共振周波数をω、ピエゾ抵抗の抵抗値をR、抵抗変化をδR(t)とする。各ピエゾ抵抗6iaの個別端子に周波数Ωで振幅がV、位相がφの正弦波交流電圧を加える。逆相側のピエゾ抵抗6ibには同じ正弦波交流電圧の逆相電圧を供給する。正相と逆相のピエゾ抵抗6の共通端子を伝達インピーダンス型の演算増幅器10の入力端子に加える。伝達インピーダンス型の演算増幅器10は、入力インピーダンスが0、出力インピーダンスが0の電流−電圧変換増幅器である。 In the vibration wave detection apparatus of the present invention shown in FIG. 2, a variable load filter that realizes a more general frequency response can be realized. As shown in FIG. 2, the resonance frequency of the i-th resonance beams 5ia and 5ib is ω i , the resistance value of the piezoresistor is R i , and the resistance change is δR i (t). A sinusoidal AC voltage having a frequency Ω, an amplitude V i , and a phase φ i is applied to an individual terminal of each piezoresistor 6ia. The negative phase voltage of the same sine wave AC voltage is supplied to the negative phase side piezoresistor 6ib. A common terminal of the positive-phase and negative-phase piezoresistors 6 is added to the input terminal of the transfer impedance type operational amplifier 10. The transfer impedance type operational amplifier 10 is a current-voltage conversion amplifier having an input impedance of 0 and an output impedance of 0.

このとき、i番目の共振ビーム5ia及び5ibから増幅器に流入する電流は、次の式(9)となる。

Figure 0004539920

ただし、H≡2V/Rは変調の利得係数、F(t,ω)≡δR(t)/Rは共振ビーム5iの振動時間波形である。F(t,ω)はFishbone構造のセンサ本体1の特性によってω近傍の比較的狭帯域なスペクトル分布を有する。 At this time, the current flowing into the amplifier from the i-th resonance beams 5ia and 5ib is expressed by the following equation (9).
Figure 0004539920

Here, H i ≡2V i / R i is a modulation gain coefficient, and F i (t, ω i ) ≡δR i (t) / R i is a vibration time waveform of the resonant beam 5i. F i (t, ω i ) has a relatively narrow spectral distribution in the vicinity of ω i due to the characteristics of the sensor body 1 having a Fishbone structure.

全共振ビーム5の出力電流の合計の波形はNを共振ビーム5のペアの総数として、次の式(10)で表される。

Figure 0004539920
The total waveform of the output currents of all the resonant beams 5 is expressed by the following formula (10), where N is the total number of pairs of the resonant beams 5.
Figure 0004539920

ここでさらに、各共振ビームの出力は充分に狭帯域と仮定できて、

Figure 0004539920

Figure 0004539920

とおける場合、すなわちF(ω)及びH(ω)は正の周波数ω≧0のみで非零な複素関数である場合を考えると、出力電流は次の式(13)で書かれる。ここで、虚数単位を文字jで表す。またReは実部を、関数記号の右肩につけたは複素共役を表す(以下同じ)。
Figure 0004539920
Furthermore, it can be assumed that the output of each resonant beam is sufficiently narrow,
Figure 0004539920

Figure 0004539920

In other words, when F (ω) and H (ω) are non-zero complex functions with only a positive frequency ω ≧ 0, the output current is written by the following equation (13). Here, the imaginary unit is represented by the letter j. Re indicates the real part, and * with the function symbol on the right shoulder indicates the complex conjugate (the same applies hereinafter).
Figure 0004539920

式(12)は、F(ω)の逆フーリエ変換(F−1で表す)である解析化された入力信号f(t)、
f(t)= F−1{F(ω)}
の複素周波数特性H(ω)によるフィルタ結果が搬送周波数Ωで変調されて、その上側波帯(以下、上側サイドバンドという)に得られることを意味する。また、f(−t)、すなわちF(ω)の逆フーリエ変換
(−t)= F−1{F(ω)}
のH(ω)によるフィルタ結果が、下側波帯(以下、下側サイドバンドという)に得られる。
Equation (12), F (omega) of the inverse Fourier transform (represented by F -1) at which the analysis of input signal f (t),
f (t) = F −1 {F (ω)}
This means that the filter result by the complex frequency characteristic H (ω) is modulated at the carrier frequency Ω and obtained in the upper sideband (hereinafter referred to as the upper sideband). Further, f * (− t), that is, the inverse Fourier transform of F * (ω) f * (− t) = F −1 {F * (ω)}
The filter result by H (ω) is obtained in the lower sideband (hereinafter referred to as the lower sideband).

この過程を図3に示す。図3は、周波数分解後の振幅位相変調の作用を模式的に表すスペクトル分布である。周波数分解された入力信号は、個別に一定の複素振幅Hiが乗じられ、搬送周波数Ωだけの周波数シフトが与えられる。これらの合成がH(ω)の周波数特性の乗算と一定周波数Ωの搬送波による変調となる。例えば、ある共振ビーム5に周波数分解された入力スペクトル分布Aは、搬送周波数Ωだけの周波数シフトされたスペクトル分布Bとなる。分解されて搬送周波数Ωだけ周波数シフトされたスペクトルの合成が上側サイドバンドのスペクトル分布として得られる。   This process is shown in FIG. FIG. 3 is a spectral distribution that schematically represents the action of amplitude phase modulation after frequency decomposition. The frequency-resolved input signal is individually multiplied by a certain complex amplitude Hi, and given a frequency shift of the carrier frequency Ω. These synthesis results in multiplication by the frequency characteristic of H (ω) and modulation by a carrier wave having a constant frequency Ω. For example, the input spectrum distribution A that is frequency-resolved into a certain resonant beam 5 becomes a spectrum distribution B that is frequency-shifted by the carrier frequency Ω. A composite of the spectrum that is decomposed and frequency shifted by the carrier frequency Ω is obtained as the spectral distribution of the upper sideband.

この結果は、単に音響信号f(t)を周波数特性H(ω)でフィルタリングし、そののちに搬送周波数Ωで変調したものとは異なる。周波数特性H(ω)でフィルタリングして搬送周波数Ωで変調したものは、音響信号の負の周波数がH(ω)の利得変化を受ける。それに対して、本発明の方法では正の周波数と同じH(ω)の利得が乗じられる。 This result is different from simply filtering the acoustic signal f (t) with the frequency characteristic H (ω) and then modulating it with the carrier frequency Ω. In the case of filtering with the frequency characteristic H (ω) and modulating with the carrier frequency Ω, the negative frequency of the acoustic signal undergoes a gain change of H * (ω). In contrast, the method of the present invention multiplies the same gain of H (ω) as the positive frequency.

図4は、下側サイドバンドや−Ωの周波数シフトも考慮した合成信号のスペクトル分布を示す。それぞれのサイドバンド成分の意味について考える。搬送周波数Ωの右側の成分(上側サイドバンド)は、所望のフィルタ特性の出力が解析信号化されたものである。搬送周波数Ωの左側の成分(下側サイドバンド)は、次の式(14)

Figure 0004539920

のように周波数応答H(ω)あるいはインパルス応答h(−t)によるフィルタ出力である。ここで、関数の間の記号*は畳み込みを表す。式(14)は、複素共役の逆フーリエ変換
Figure 0004539920


から導かれる。 FIG. 4 shows the spectral distribution of the combined signal in consideration of the lower sideband and the frequency shift of −Ω. Consider the meaning of each sideband component. The component on the right side (upper side band) of the carrier frequency Ω is an output of a desired filter characteristic converted into an analytic signal. The left component (lower sideband) of the carrier frequency Ω is expressed by the following equation (14)
Figure 0004539920

As shown, the filter output is based on the frequency response H * (ω) or the impulse response h * (− t). Here, the symbol * between functions represents convolution. Equation (14) is a complex conjugate inverse Fourier transform.
Figure 0004539920


Derived from.

負の周波数領域では、−Ωの左側の成分は所望のフィルタ特性の出力の複素共役であり、−Ωの右側の成分は上記のH(ω)のフィルタ出力の複素共役であることが分かる。なお、バイアス電圧V〜Vが等しければ、振動波検出装置の周波数特性はフラットになる。バイアス電圧V〜Vを変えることによって、フィルタ特性を変化させることができる。 In the negative frequency region, it can be seen that the component on the left side of −Ω is the complex conjugate of the output of the desired filter characteristic, and the component on the right side of −Ω is the complex conjugate of the filter output of the above H * (ω). . Incidentally, it equal the bias voltage V 0 ~V n, the frequency characteristics of the vibration wave detecting device becomes flat. The filter characteristics can be changed by changing the bias voltages V 0 to V n .

上述のとおり、上側サイドバンドと下側サイドバンドは信号としての意味が異なる。共振ビーム5の合成された出力は、上側サイドバンドと下側サイドバンドを分離したのちに復調する必要がある。合成出力信号を直接復調してもよいが、搬送周波数Ωで変調されているので、そのまま無線で送信してもよい。   As described above, the upper sideband and the lower sideband have different meanings as signals. The synthesized output of the resonant beam 5 needs to be demodulated after separating the upper sideband and the lower sideband. The combined output signal may be directly demodulated, but may be transmitted wirelessly as it is modulated at the carrier frequency Ω.

図5は、無線を利用した振動波検出装置の構成例を示すブロック図である。図5(a)はセンサ側の回路を、図5(b)は受信側の回路を示す。図5(a)に示すように、センサ側では、センサ本体1で変調された信号をトランス11でインピーダンス整合して、増幅器12で増幅してアンテナ13Sから無線で送信する。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of a vibration wave detection device using radio. 5A shows a circuit on the sensor side, and FIG. 5B shows a circuit on the receiving side. As shown in FIG. 5A, on the sensor side, the signal modulated by the sensor body 1 is impedance-matched by a transformer 11, amplified by an amplifier 12, and transmitted wirelessly from an antenna 13S.

図5(b)に示す受信側では、アンテナ13Rで受信して増幅器14で増幅した信号について、上側サイドバンドと下側サイドバンドを帯域濾波器(BPF)15で分離する。同時に、搬送周波数ΩをPLL(Phase Locked Loop)16等と用いて再生する。搬送周波数から移相器(Phase Shifter)17で0°と90°の位相の搬送周波数を作り、BPF15で分離された上側サイドバンド(USB:Upper Side Band、上側波帯)の直交検波を行う。USBに0°と90°の位相の搬送周波数を乗算器18で乗算して、低域濾波器(LPF)19を通して検波出力を得る。直交相関検出後の2つの信号は、設定した複素荷重フィルタの出力のヒルベルト変換対をなす。すなわち、0°の位相から実部の信号が得られ、90°の位相から虚部の信号を得る。   On the receiving side shown in FIG. 5B, the upper sideband and the lower sideband of the signal received by the antenna 13R and amplified by the amplifier 14 are separated by the bandpass filter (BPF) 15. At the same time, the carrier frequency Ω is reproduced using a PLL (Phase Locked Loop) 16 or the like. A phase shifter (Phase Shifter) 17 generates carrier frequencies having phases of 0 ° and 90 ° from the carrier frequency, and performs quadrature detection of the upper sideband (USB: Upper Side Band) separated by the BPF 15. The USB is multiplied by a carrier frequency having a phase of 0 ° and 90 ° by a multiplier 18, and a detection output is obtained through a low-pass filter (LPF) 19. The two signals after detection of the orthogonal correlation form a Hilbert transform pair of the output of the set complex weight filter. That is, the real part signal is obtained from the phase of 0 °, and the imaginary part signal is obtained from the phase of 90 °.

なお、印加する交流バイアス電圧は正弦波でなくてもよい。BPF15を適当に調節して、上側サイドバンドを抽出するときに高調波を抑圧できるからである。交流バイアス電圧は例えば、矩形波とすることができる。   The applied AC bias voltage may not be a sine wave. This is because harmonics can be suppressed when the upper sideband is extracted by appropriately adjusting the BPF 15. The AC bias voltage can be, for example, a rectangular wave.

以上説明したとおり、本発明の振動波検出装置によれば、任意の複素数荷重を実現することが可能である。そして、任意の複素周波数特性を加えて実部と虚部の2自由度を有するRF変調信号として読み出し・伝送することが可能である。   As described above, according to the vibration wave detection apparatus of the present invention, an arbitrary complex load can be realized. Then, it can be read and transmitted as an RF modulation signal having two degrees of freedom of a real part and an imaginary part by adding an arbitrary complex frequency characteristic.

本発明の振動波検出方法は、従来のマイクロフォンや振動センサが用いられているあらゆる場面において利用可能である。さらに、従来できなかった次のような場合に利用することができる。   The vibration wave detection method of the present invention can be used in any scene where a conventional microphone or vibration sensor is used. Furthermore, it can be used in the following cases that have not been possible in the past.

複素波形の特徴抽出に基づいて、時間分解能の高い振動・音響検出。例えば、連続稼働している機械において瞬時に異常音を検出することができる。また、可能性として広帯域のAM/FM復調器が実現できる。そして、無矛盾で多相出力信号の検出ができるので、高精度の波形計測に適用できる。   Vibration / acoustic detection with high time resolution based on feature extraction of complex waveforms. For example, an abnormal sound can be detected instantaneously in a machine that is continuously operating. Moreover, a wideband AM / FM demodulator can be realized as a possibility. And since it can detect a polyphase output signal consistently, it can be applied to highly accurate waveform measurement.

(実施の形態1の変形例)
図6は、共振ビーム5を群に分けて、交流バイアス電圧を印加する振動波検出装置の例を示す。共振ビーム5の数が多くなると、横断ビーム3に通せる配線数の制限のため、全ての共振ビーム5に異なる位相の交流バイアス電圧を印加することが困難である。例えば、図6に示すように、共振ビーム5を群にわけて、群ごとに各群に含まれる共振ビーム5には共通の振幅と位相を有する交流バイアス電圧を印加する。
(Modification of Embodiment 1)
FIG. 6 shows an example of a vibration wave detector that divides the resonant beam 5 into groups and applies an AC bias voltage. When the number of the resonant beams 5 is increased, it is difficult to apply AC bias voltages having different phases to all the resonant beams 5 due to the limitation of the number of wirings that can be passed through the transverse beam 3. For example, as shown in FIG. 6, the resonance beams 5 are divided into groups, and an AC bias voltage having a common amplitude and phase is applied to the resonance beams 5 included in each group.

図6の例では、共振ビーム51aと52aに振幅V、位相φの交流バイアス電圧を印加する。共振ビーム51bと52bに振幅−V、位相φの交流バイアス電圧を印加する。同じように、つぎつぎと隣り合う2つの共振ビーム5を組にして、各組には共通の振幅と位相の交流バイアス電圧を印加する。このようにすると、複素数荷重の振幅と位相の自由度は減少するが、複素数荷重であることには変わりなく、横断ビーム3の配線数の制限内で共振ビーム5を多数設けることができる。 In the example of FIG. 6, an AC bias voltage having an amplitude V 1 and a phase φ 1 is applied to the resonant beams 51a and 52a. An AC bias voltage having an amplitude −V 1 and a phase φ 1 is applied to the resonance beams 51b and 52b. Similarly, two adjacent resonant beams 5 are grouped, and an AC bias voltage having a common amplitude and phase is applied to each group. In this way, the degree of freedom of the amplitude and phase of the complex number load is reduced, but the complex number load remains unchanged, and a large number of resonance beams 5 can be provided within the limit of the number of wires of the transverse beam 3.

図6の例では、隣り合う2本の共振ビーム5を組にしたが、1組の共振ビーム5の数は3以上でもよい。また、1組の共振ビーム5の数は組ごとに異なっていてもよい。さらに、隣り合う共振ビーム5ではなく、例えば、m本おきに選択した共振ビーム5を組にして、各組に共通の振幅と位相の交流バイアス電圧を印加する構成とすることもできる。どのような組み合わせの群に分けて、それぞれの組にどのような振幅と位相の交流バイアス電圧を印加するかは、取得した複素周波数特性に応じて設計される。   In the example of FIG. 6, two adjacent resonance beams 5 are grouped, but the number of one group of resonance beams 5 may be three or more. Further, the number of the set of resonance beams 5 may be different for each set. Furthermore, instead of the adjacent resonance beams 5, for example, a combination of resonance beams 5 selected every m beams may be set, and an AC bias voltage having a common amplitude and phase may be applied to each set. It is designed according to the acquired complex frequency characteristic what kind of group is divided and what kind of amplitude and phase AC bias voltage is applied to each group.

(実施の形態2)
図7は、検出器がキャパシタの場合の本発明の振動波検出装置の一例を示す回路図である。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of the vibration wave detection device of the present invention when the detector is a capacitor.

各共振ビーム5の先端部81a、81b〜8na、8nb(以下、先端部8と総称する)に対向する位置の半導体シリコン基板20にそれぞれ電極91a、91b〜9na、9nb(以下、電極9と総称する)が形成されており、各共振ビーム5の先端部8とこれに対向する各電極9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8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9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、その対向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。   Electrodes 91a, 91b to 9na, and 9nb (hereinafter collectively referred to as electrodes 9) are provided on the semiconductor silicon substrate 20 at positions facing the front end portions 81a, 81b to 8na, and 8nb (hereinafter collectively referred to as the front end portions 8) of the respective resonance beams 5. And a capacitor is constituted by the tip 8 of each resonance beam 5 and each electrode 9 opposed thereto. The tip 8 of the resonant beam 5 is a movable electrode whose position moves up and down with vibration, while the electrode 9 formed on the semiconductor silicon substrate 20 is a fixed electrode whose position does not move. When the resonant beam 5 vibrates at a specific frequency, the distance between the counter electrodes varies, so that the capacitance of the capacitor changes.

複数の電極9は並列接続されており、演算増幅器10の−入力端子に接続されている。演算増幅器10の+入力端子は接地されている。共振ビーム5の先端部8は共通の周波数でそれぞれ異なる振幅と位相を有する交流電源71a、71b〜7na、7nbに接続されている。図2の回路と同様、対向する共振ビーム5には互いに逆の位相の交流バイアス電圧が印加される。   The plurality of electrodes 9 are connected in parallel and connected to the negative input terminal of the operational amplifier 10. The + input terminal of the operational amplifier 10 is grounded. The tip 8 of the resonance beam 5 is connected to AC power supplies 71a, 71b to 7na, 7nb having different amplitudes and phases at a common frequency. Similar to the circuit of FIG. 2, alternating bias voltages having opposite phases are applied to the opposed resonant beams 5.

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8と電極9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10の出力(電圧V)として得られるようになっている。 When the specific resonance beam 5 resonates, the distortion causes the distance between the tip 8 of the resonance beam 5 and the electrode 9 to change, and the capacitance of the capacitor between them changes. It is obtained as an output (voltage V + ).

検出器がキャパシタの場合は、式(4)〜式(13)において抵抗Rの代わりに、キャパシタの容量CのインピーダンスZとして考えればよい。
= 1/(jΩCi)
この場合、インピーダンスZには周波数(角振動数)が含まれるが、搬送周波数Ωは一定で共通なので、1/j=−jだけ変化することを考慮すれば、抵抗の場合と同様に取り扱うことができる。振幅Hに虚数jが含まれるので、出力の位相はピエゾ抵抗6の場合に比べて90°変化し、復調した出力の実部と虚部が入れ替わることになる。任意の複素周波数特性を加えて実部と虚部の2自由度を有するRF変調信号として読み出し・伝送できることは、検出器が抵抗の場合と同様である。
When the detector is a capacitor, it can be considered as the impedance Z i of the capacitor C i instead of the resistor R i in the equations (4) to (13).
Z i = 1 / (jΩCi)
In this case, the impedance Z i includes the frequency (angular frequency), but since the carrier frequency Ω is constant and common, it is handled in the same manner as the resistance in consideration of the change by 1 / j = −j. be able to. Since the amplitude H i includes the imaginary number j, the phase of the output changes by 90 ° compared to the case of the piezoresistor 6, and the real part and the imaginary part of the demodulated output are switched. As in the case where the detector is a resistor, it can be read and transmitted as an RF modulation signal having two degrees of freedom of a real part and an imaginary part by adding an arbitrary complex frequency characteristic.

(実施の形態2の変形例)
図8は、検出器がキャパシタの場合に、共振ビーム5を群に分けて、交流バイアス電圧を印加する振動波検出装置の例を示す。共振ビーム5の数が多くなると、横断ビーム3に通せる配線数の制限のため、全ての共振ビーム5に異なる位相の交流バイアス電圧を印加することが困難である。
(Modification of Embodiment 2)
FIG. 8 shows an example of a vibration wave detector that applies an AC bias voltage by dividing the resonant beam 5 into groups when the detector is a capacitor. When the number of the resonant beams 5 is increased, it is difficult to apply AC bias voltages having different phases to all the resonant beams 5 due to the limitation of the number of wirings that can be passed through the transverse beam 3.

実施の形態1に対する変形例(図6)と同様に、隣り合う2つの共振ビーム5を組にして、各組には共通の振幅と位相を有する交流バイアス電圧を印加する。このようにすると、複素数荷重の振幅と位相の自由度は減少するが、複素数荷重であることには変わりなく、横断ビーム3の配線数の制限内で共振ビーム5を多数設けることができる。   Similar to the modification (FIG. 6) with respect to the first embodiment, two adjacent resonance beams 5 are grouped, and an AC bias voltage having a common amplitude and phase is applied to each group. In this way, the degree of freedom of the amplitude and phase of the complex number load is reduced, but the complex number load remains unchanged, and a large number of resonance beams 5 can be provided within the limit of the number of wires of the transverse beam 3.

図8の例でも、隣り合う2本の共振ビーム5を組にしたが、1組の共振ビーム5の数は3以上でもよい。また、1組の共振ビーム5の数は組ごとに異なっていてもよい。さらに、隣り合う共振ビーム5ではなく、例えば、m本おきに選択した共振ビーム5を組にして、各組に共通の振幅と位相の交流バイアス電圧を印加する構成とすることもできる。どのような組み合わせの群に分けて、それぞれの組にどのような振幅と位相の交流バイアス電圧を印加するかは、取得した複素周波数特性に応じて設計される。   Also in the example of FIG. 8, two adjacent resonance beams 5 are grouped, but the number of one group of resonance beams 5 may be three or more. Further, the number of the set of resonance beams 5 may be different for each set. Furthermore, instead of the adjacent resonance beams 5, for example, a combination of resonance beams 5 selected every m beams may be set, and an AC bias voltage having a common amplitude and phase may be applied to each set. It is designed according to the acquired complex frequency characteristic what kind of group is divided and what kind of amplitude and phase AC bias voltage is applied to each group.

以上説明したとおり、本発明の振動波検出装置によれば、検出器がキャパシタの場合にも任意の複素数荷重を実現することが可能である。そして、任意の複素周波数特性を加えて実部と虚部の2自由度を有するRF変調信号として読み出し・伝送することが可能である。   As described above, according to the vibration wave detection apparatus of the present invention, it is possible to realize an arbitrary complex load even when the detector is a capacitor. Then, it can be read and transmitted as an RF modulation signal having two degrees of freedom of a real part and an imaginary part by adding an arbitrary complex frequency characteristic.

その他、前記のハードウエア構成は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。   In addition, the above-described hardware configuration is an example, and can be arbitrarily changed and modified.

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。It is a figure which shows an example of the sensor main body in the vibration wave detection apparatus of this invention. 本発明の振動波検出装置の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the vibration wave detection apparatus of this invention. 周波数分解後の振幅位相変調の作用を模式的に表すスペクトル分布である。It is the spectrum distribution which represents typically the effect | action of the amplitude phase modulation after frequency decomposition. 下側サイドバンドや−Ωの周波数シフトも考慮した合成信号のスペクトル分布図である。It is a spectrum distribution figure of a synthetic signal in consideration of a lower side band and a frequency shift of −Ω. 無線を利用した振動波検出装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the vibration wave detection apparatus using a radio | wireless. 共振ビームを群に分けて、交流バイアス電圧を印加する振動波検出装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the vibration wave detection apparatus which divides | segments a resonant beam into a group and applies an alternating current bias voltage. 検出器がキャパシタの場合の本発明の振動波検出装置の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the vibration wave detection apparatus of this invention in case a detector is a capacitor. 検出器がキャパシタの場合に、共振ビームを群に分けて、交流バイアス電圧を印加する振動波検出装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the vibration wave detection apparatus which divides | segments a resonant beam into a group and applies an alternating current bias voltage when a detector is a capacitor. ピエゾ抵抗による共振ビームの振動波形の和の出力形式の一例を表す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of the output format of the sum of the vibration waveform of the resonant beam by a piezoresistor. バイアス電圧ラインを複数用いたピエゾ抵抗方式の合成出力の一例を表す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of a combined output of a piezoresistive method using a plurality of bias voltage lines.

符号の説明Explanation of symbols

1 センサ本体
2 ダイヤフラム
3 横断ビーム
4 終止板
51a、51b、52a、52b、
5ia、5ib、5na、5nb 共振ビーム
61a、61b、62a、62b、
6ia、6ib、6na、6nb ピエゾ抵抗
71a、71b、72a、72b、
7na、7nb 交流電源
81a、81b、82a、82b、
8ia、8ib、8na、8nb 先端部
91a、91b、92a、92b、
9ia、9ib、9na、9nb 電極
10 演算増幅器
11 トランス
12、14 増幅器
13S、13R アンテナ
15 帯域濾波器(BPF)
16 PLL
17 移相器(Phase Shifter)
18 乗算器
19 低域濾波器(LPF)
20 半導体シリコン基板
1 Sensor body
2 Diaphragm
3 Cross beam
4 End plate 51a, 51b, 52a, 52b,
5ia, 5ib, 5na, 5nb Resonant beam 61a, 61b, 62a, 62b,
6ia, 6ib, 6na, 6nb Piezoresistors 71a, 71b, 72a, 72b,
7na, 7nb AC power supply 81a, 81b, 82a, 82b,
8ia, 8ib, 8na, 8nb Tip 91a, 91b, 92a, 92b,
9ia, 9ib, 9na, 9nb electrode
10 operational amplifier
11 Transformer
12, 14 amplifier
13S, 13R antenna
15 Bandpass Filter (BPF)
16 PLL
17 Phase Shifter
18 multiplier
19 Low-pass filter (LPF)
20 Semiconductor silicon substrate

Claims (12)

それぞれ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、前記共振子それぞれの前記周波数による共振に伴う電気的出力を、前記共振子それぞれに設けた検出器にて検出する振動波検出方法であって、
前記複数の共振子の検出器に共通の周波数で共振子ごとに位相の異なる交流バイアス電圧を印加し、
前記複数の共振子の検出器の出力を合成する、
ことを特徴とする振動波検出方法。
Vibration in which vibration waves are propagated to a plurality of resonators that resonate at different specific frequencies, and an electrical output associated with resonance of each of the resonators by the frequency is detected by a detector provided in each of the resonators. A wave detection method,
Applying an alternating bias voltage having a different phase for each resonator at a frequency common to the detectors of the plurality of resonators,
Combining the outputs of the plurality of resonator detectors;
A vibration wave detection method characterized by the above.
前記交流バイアス電圧は、その交流バイアス電圧が印加される前記複数の共振子のうち少なくとも1つの共振子において振幅が異なることを特徴とする請求項1に記載の振動波検出方法。   2. The vibration wave detection method according to claim 1, wherein the AC bias voltage has different amplitudes in at least one of the plurality of resonators to which the AC bias voltage is applied. 前記複数の共振子を複数の群に分けて、該群ごとに各群に含まれる共振子には共通の振幅と位相を有する前記交流バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項1又は2に記載の振動波検出方法。   3. The plurality of resonators are divided into a plurality of groups, and the AC bias voltage having a common amplitude and phase is applied to the resonators included in each group. The vibration wave detection method described in 1. 前記複数の共振子の検出器の合成された出力の上側波帯を濾波器で抽出し、直交相関検出によってヒルベルト変換対の信号を出力することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の振動波検出方法。   4. The upper band of the combined output of the detectors of the plurality of resonators is extracted by a filter, and a signal of a Hilbert transform pair is output by quadrature correlation detection. The vibration wave detection method according to the item. 前記複数の共振子の検出器の合成された出力を、無線で前記濾波器に伝送することを特徴とする請求項4に記載の振動波検出方法。   5. The vibration wave detection method according to claim 4, wherein the combined output of the plurality of resonator detectors is wirelessly transmitted to the filter. それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子と、
前記複数の共振子に伝播された振動波によるその共振子それぞれの前記周波数での共振に伴う電気的出力を検出する、前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器と、
前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器に共通の周波数で、前記共振子ごとに位相の異なる交流バイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、
前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器の出力を合成する出力合成手段と、
を備えることを特徴とする振動波検出装置。
A plurality of resonators each resonating at a different specific frequency;
A detector provided in each of the plurality of resonators for detecting an electrical output accompanying resonance at the frequency of each of the resonators by vibration waves propagated to the plurality of resonators;
Bias applying means for applying an AC bias voltage having a different phase for each of the resonators at a frequency common to a detector provided in each of the plurality of resonators;
Output combining means for combining the outputs of the detectors provided in each of the plurality of resonators;
A vibration wave detection device comprising:
前記バイアス印加手段で印加する前記交流バイアス電圧は、前記複数の共振子のうち少なくとも1つの共振子において異なる振幅を有することを特徴とする請求項6に記載の振動波検出装置。   The vibration wave detecting apparatus according to claim 6, wherein the AC bias voltage applied by the bias applying unit has different amplitudes in at least one of the plurality of resonators. 前記バイアス印加手段は、前記複数の共振子を群に分けて、該群ごとに各群の共振子には共通の振幅と位相の交流バイアス電圧を加えることを特徴とする請求項6又は7に記載の振動波検出装置。   The bias applying means divides the plurality of resonators into groups, and applies an AC bias voltage having a common amplitude and phase to the resonators of each group for each group. The vibration wave detection apparatus as described. 前記出力合成手段で合成された前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器の出力の合成出力から、上側波帯を濾波して抽出する濾波手段と、
前記濾波手段で抽出された上側波帯を直交相関検出してヒルベルト変換対の信号を出力する直交検波手段と、
を備えることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の振動波検出装置。
Filtering means for filtering and extracting the upper sideband from the combined output of the detectors provided in each of the plurality of resonators combined by the output combining means;
Quadrature detection means for detecting a quadrature correlation of the upper side band extracted by the filtering means and outputting a signal of a Hilbert transform pair;
The vibration wave detection device according to claim 6, comprising:
前記出力合成手段で合成された前記複数の共振子それぞれに設けられた検出器の出力の合成出力を、前記濾波手段に無線で伝送する無線伝送手段を備える、
ことを特徴とする請求項9に記載の振動波検出装置。
A wireless transmission means for wirelessly transmitting a combined output of detector outputs provided in each of the plurality of resonators combined by the output combining means to the filtering means;
The vibration wave detection apparatus according to claim 9.
前記検出器は、ピエゾ抵抗であることを特徴とする請求項6乃至10のいずれか1項に記載の振動波検出装置。   The vibration detector according to any one of claims 6 to 10, wherein the detector is a piezoresistor. 前記検出器は、容量性の素子であることを特徴とする請求項6乃至10のいずれか1項に記載の振動波検出装置。   The vibration detector according to claim 6, wherein the detector is a capacitive element.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI426786B (en) * 2009-12-31 2014-02-11 Fan En Yueh Voice receiver and electronic device using the same
TW201237233A (en) * 2011-03-07 2012-09-16 Wei-Yan Lin Method and apparatus for judging bridge status
TWI466442B (en) 2011-12-07 2014-12-21 Ind Tech Res Inst Inter-digital bulk acoustic resonator
DE102012204357A1 (en) * 2012-03-20 2013-09-26 Siemens Aktiengesellschaft Sensor arrangement for detecting sound emissions of object, used in industrial plant, has detecting unit to detect the sum of electrical currents flown through the respective first electrode elements as measurement signal
JP7030331B2 (en) * 2018-03-28 2022-03-07 リバーエレテック株式会社 AE sensor element and AE sensor
TWI681371B (en) * 2018-03-31 2020-01-01 鈺紳科技股份有限公司 Vibration and sound wave integrated sensing system and method
CN110793620B (en) * 2019-11-28 2024-01-26 长安大学 Noise detection device and detection method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6313500Y2 (en) * 1981-06-30 1988-04-16
JP2000046639A (en) * 1998-05-22 2000-02-18 Sumitomo Metal Ind Ltd Oscillatory wave detection method and device
JP2000046640A (en) * 1998-05-22 2000-02-18 Sumitomo Metal Ind Ltd Oscillatory wave detection method and device
JP2000181472A (en) * 1998-12-10 2000-06-30 Japan Science & Technology Corp Signal analysis apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6313500Y2 (en) * 1981-06-30 1988-04-16
JP2000046639A (en) * 1998-05-22 2000-02-18 Sumitomo Metal Ind Ltd Oscillatory wave detection method and device
JP2000046640A (en) * 1998-05-22 2000-02-18 Sumitomo Metal Ind Ltd Oscillatory wave detection method and device
JP2000181472A (en) * 1998-12-10 2000-06-30 Japan Science & Technology Corp Signal analysis apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11770658B2 (en) 2020-09-17 2023-09-26 Samsung Electronics Co., Ltd. Sensor interface including resonator and differential amplifier

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