KR19990088492A

KR19990088492A - 진동파검출방법및장치

Info

Publication number: KR19990088492A
Application number: KR1019990018517A
Authority: KR
Inventors: 하라다무네오; 이케우치나오키
Original assignee: 고지마 마따오; 스미또모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 1999-12-27
Also published as: TW390438U; EP0959332A2; US6223601B1; JP2000046640A; JP3348687B2; EP0959332A3; AU3121999A; KR100354977B1; AU754521B2

Abstract

본 발명은, 공진자 어레이형의 간단한 회로 구성으로, 입력 진동파의 특정한 주파수 대역의 이득을 제어할 수 있는 진동파 검출 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

특정한 주파수로 공진하는 길이가 다른 공진 빔(5)을 가지고, 각 공진 빔(5)에 피에조 저항(6)을 설치하여, 이들 각 피에조 저항(6)을 병렬 접속하고, 피에조 저항(6)에 의해 진동을 전기 신호로 변환하고, 각 공진 빔(5)에서의 진동파형의 합을 출력한다. 비틀림의 크기가 진동 빔의 위치에 따라 다른 것을 이용하여, 각 주파수 대역의 출력 신호의 레벨이 원하는 레벨이 되도록, 각 진동 빔(5)에서 피에조 저항(6)을 설치한 위치를 조정하여, 특정한 주파수 대역의 이득을 제어한다.

Description

진동파 검출 방법 및 장치{Vibration wave detecting method and apparatus}

본 발명은, 공진 주파수가 다른 복수의 공진자를 이용하여, 진동파의 주파수 대역마다의 강도를 전기적으로 검출하는 진동파 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 각각의 주파수 대역마다 검출 이득을 조정할 수 있는 진동파 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.

길이가 다른(즉, 공진 주파수가 다른) 복수의 공진자를 어레이화하여 음파등의 진동파에 대해 각 공진자마다 특정한 공진 주파수에 선택적으로 응답하여 공진시켜, 그 각 공진자마다 공진 레벨을 전기적 신호로 변환하여 출력하여, 진동파의 주파수 대역마다 강도를 검출하는 공진자 어레이형 진동 센서가 보고되어 있다.(예를 들면, W. Benecke et al., “A Frequency-Selective, Piezoresistive Silicon Vibration Sensor," Digest of Technical Papers of TRANSDUCERS’85, pp.105-108

(1985), 또는, E.Peeters et al., “Vibration Signature Analysis Sensors for Predictive Diagnostics," Proceedings of SPIE ’97, vol. 3224, pp-220-230(19

97)).

종래의 진동 센서로는, 진동자의 근원에 피에조 저항을 형성하고 공진자의 진동(공진)에 의해 발생하는 피에조 저항의 저항값의 변화를 휘스톤 브릿지 등으로 검출하여, 공진자에서 전기적인 출력 신호를 이끌어 내고 있다. 특히, 후자의 문헌의 센서에서는, 각 공진자에서 휘스톤 브릿지의 출력을 멀티 플렉서로 변환하면서 출력 신호를 얻고 있다.

이러한 진동 센서에서, 입력된 진동파의 특정한 주파수 대역의 이득(검출 감도)를 제어하고자 하는 요구가 있다. 종래의 진동 센서에서, 이러한 검출 감도 제어 기능을 가지게 하기 위해서는, 각 공진자에서 얻어지는 전기적인 출력 신호에 대해서 후단에서 증폭 또는 감쇠 처리를 하는 회로 구성이 필요하다. 따라서, 전체의 회로 규모가 커지게 되어 버리는 문제가 있다.

공진자에서 비틀림은, 공진자가 캔틸레버(cantilever)인 경우, 근원에서 가장 크고 선단을 향할수록 작아진다. 비틀림이 최대가 되는 각 공진자의 근원에 피에조 저항을 형성하고 있는 경우, 각각의 공진자의 길이가 다르기 때문에, 각 공진자의 선단에서의 진폭이 같더라도 이들의 근원에서 비틀림의 크기는 다르다. 이것은, 같은 진폭이라도 짧은 공진자에서는 비틀림이 크고, 긴 공진자에서는 비틀림이 작아지기 때문이다. 따라서, 선단의 진폭이 같은 진동을 하여도 각 공진자마다 전기적인 출력 신호의 레벨이 다른 문제가 있다.

본 발명은 이러한 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 각 공진자에 설치한 검출기의 위치를 조정함으로써, 간단한 회로 구성으로 검출 감도 제어 기능을 가지게 할 수 있는 진동파 검출 방법 및 진동파 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한

다.

본 발명의 다른 목적은, 각 공진자에 설치한 검출기의 위치를 조정함으로써 용이하게 각 공진자에서 전기적인 출력 신호의 레벨을 같게 할 수 있는 진동파 검출 방법 및 진동파 검출 장치를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 진동파 검출 장치에서 센서 본체의 일예를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 진동파 검출 장치의 일예의 회로도이다.

도 3은 본 발명의 진동파 검출 장치에서의 센서 본체의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 진동파 검출 장치의 다른 예의 회로도이다.

도 5는 본 발명의 진동파 검출 장치에서 FEM 분석에서의 공진 빔의 주파수 응답의 모의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6은 비교하기 위한 진동 센서에서 피에조 저항의 설치 위치를 나타낸 평면도 및 그 비교예에서 출력 신호 레벨의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 진동파 검출 장치에서 피에조 저항의 설치 위치의 일 예를 나타낸 평면도 및 본 예에서 출력 신호 레벨의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 진동파 검출 장치에서 피에조 저항의 설치 위치의 다른 예를 나타낸 평면도 및 본 예에서 출력 신호 레벨의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 진동파 검출 장치의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 10은 진동파 검출 장치의 또 다른 예의 회로도이다.

도 11은 용량(C_i)을 변화시킨 경우의 예를 나타낸 평면도이다.

도 12는 용량(C_i)을 변화시킨 경우의 공진 주파수와 출력 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 13은 거리(d_i)를 변화시킨 경우의 예를 나타낸 평면도 및 단면도이다.

도 14는 거리(d_i)를 변화시킨 경우의 공진 주파수와 출력 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 15는 거리의 미소 변화(d_i)를 변화시킨 경우의 예를 나타낸 평면도이

다.

도 16은 거리의 미소 변화(d_i)를 변화시킨 경우의 공진 주파수와 출력 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.

〈부호의 설명〉

1 : 센서 본체 2 : 진동판

3 : 횡단 빔 4 : 종지판

5, 5A, 5B, 5C : 공진 빔 6 : 피에조 저항

7, 9, 12 : 직류 전원 8, 10, 13 : 연산 증폭기

11, 11A, 11B, 11C : 전극 20 : 반도체 실리콘 기판

청구항 1에 관한 진동파 검출 방법은, 각각이 다른 특정한 주파수로 공진하는 복수개의 공진자에 진동파를 전파시켜 그 공진자 각각의 상기 주파수에 의한 공진에 따른 전기적 출력을, 상기 공진자 각각에 설치한 검출기에 의해 검출하는 진동파 검출 방법에 있어서, 그 위치를 변화시킨 상기 검출기를 사용함으로써, 상기 전기적 출력의 이득을 조정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 관한 진동파 검출 방법은, 청구항 1에서, 상기 검출기의 위치를 상기 공진자가 긴 방향에 대해서 변화시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 관한 진동파 검출 방법은, 청구항 1에서, 원하는 주파수 특성에 따라 상기 공진자 각각에서 원하는 전기적 출력의 이득 분포가 얻어지는 위치에, 상기 검출기를 설치한 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 관한 진동파 검출 방법은, 청구항 1에서, 상기 공진자 각각의 전기적 출력의 이득이 같아지는 위치에, 상기 검출기를 설치한 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 관한 진동파 검출 방법은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 비틀림 검출 소자, 용량성의 소자 및 피에조 저항 소자로 이루어진 무리에서 선택된 소자인 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 관한 진동파 검출 방법은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 대향 전극을 가지는 용량성의 소자이고, 상기 대향 전극 사이의 거리를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 관한 진동파 검출 장치는, 각각이 다른 특정한 주파수로 공진하는 복수의 공진자와, 상기 공진자 각각에 설치되어, 상기 공진자 각각에 전파된 진동파에 의한 그 공진자 각각의 상기 주파수에서의 공진에 따른 전기적 출력을 검출하는 검출기를 구비한 진동파 검출 장치에서, 상기 공진자 각각의 비틀림의 크기의 분포에 따라 정해진 위치에 상기 검출기가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 8에 관한 진동파 검출 장치는, 청구항 7에서, 상기 검출기는 상기 공진자 각각에서 원하는 전기적 출력의 이득을 얻을 수 있게 상기 공진자 각각의 긴 방향의 소정 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 9에 관한 진동파 검출 장치는, 청구항 7에서, 상기 검출기는 공진자 각각의 전기적 출력의 이득이 같아지는 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 10에 관한 진동파 검출 장치는, 청구항 7에서, 상기 검출기의 한 단부에 전압을 인가하는 회로와, 상기 검출기의 다른 단부에서 전기적 출력을 이끌어내어 그 전기적 출력을 증폭시키는 회로를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

청구항 11에 관한 진동파 검출 장치는, 청구항 7 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는, 비틀림 검출 소자, 용량성의 소자 및 피에조 저항 소자로 이루어진 무리에서 선택된 소자인 것을 특징으로 한다.

청구항 12에 관한 진동파 검출 장치는, 청구항 7 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 검출기는, 대향 전극을 가지는 용량성의 소자이고 상기 대향 전극 사이의 거리가 소정 길이인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 원리에 대해서, 간단히 설명한다. 본 발명에서는, 공진 주파수가 각각에 다른 복수의 공진자를 어레이화 하고 있다. 입력된 진동파에 대해서, 각 공진자가 그 각 공진자가 가진 공진 주파수에 선택적으로 응답하고, 각 공진자에 설치한 검출기(예를 들면, 피에조 저항)를 사용하여 진동파에서 각 주파수 성분 강도를 전기적 출력 신호로 검출한다. 이 때, 비틀림의 크기가 공진자의 각부에서 다른(캔틸레버 공진자의 경우에서는 근원에서 크게 선단에서 작게) 것에 착안하여, 검출기(예를 들면, 피에조 저항)에서 원하는 크기의 출력 신호를 얻을 수 있게, 그 설치 위치를 각 공진자마다 조정한다. 이렇게 각 공진자에서 검출기(예를 들면, 피에조 저항)의 설치 위치를 조정함으로써, 각 공진자마다 검출 이득을 설정할 수 있다. 또, 후단에 증폭기를 설치하지 않고 쉽게 각 공진자마다의 출력 이득을 자유롭게 제어할 수 있으므로, 원하는 주파수 특성을 얻을 수 있고, 종래와 비교하여 간단한 구성으로 검출 감도 제어 기능을 가지는 진동파 센서를 실현할 수 있다. 또, 각 공진자에서 검출기(예를 들면, 피에조 저항)의 설치 위치를 조정하여 각 공진자에서의 전기적 출력 신호의 레벨을 같게 할 수 있다.

청구항 1에서는, 검출기의 위치를 변경시켜 전기적 출력의 이득을 조정하게 하여 간단한 구성으로 전기적 출력의 이득 조정을 할 수 있다.

청구항 2에서는, 공진자가 긴 방향에 대해서 검출기의 위치를 변경시켜 전기적 출력의 이득을 조정하게 하여 간단한 구성으로 전기적 출력의 이득 조정을 할 수 있다.

청구항 3, 8에서는, 검출기의 위치를 조정함으로써, 복수의 공진자에서 원하는 전기적 출력의 이득 분포를 얻을 수 있다.

청구항 4, 9에서는, 검출기의 위치를 조정함으로써, 각 공진자에서의 전기적 출력의 이득이 같아져 평탄한 주파수 특성을 얻을 수 있다.

청구항 5, 11에서는, 검출기로서, 비틀림 검출 소자, 용량성의 소자 또는 피에조 저항 소자를 사용함으로써 간단한 구성으로 전기적 출력의 이득 조정을 할 수있다.

청구항 6, 12에서는, 검출기로서 용량성의 소자를 사용하고 그 대향 전극 사이의 거리를 변화시킴으로써, 간단한 구성으로 전기적 출력의 이득 조정을 할 수 있다.

청구항 7에서는, 각 공진자의 비틀림 크기의 분포에 따라서, 각 공진자에서 검출기의 위치를 조정함으로써, 검출감도 제어 기능을 가지게 할 수 있음과 동시에

, 각 공진자에서의 전기적 출력 신호의 레벨을 같게 할 수 있다.

청구항 10에서는, 각 공진자의 검출기를 병렬 접속하여, 그 병렬 회로의 한 단부에 전압을 인가하고, 그 병렬 회로의 다른 단부에서 각 공진자에서의 전기적 출력의 합을 내어 증폭하도록 하여, 결선을 간소화할 수 있다.

본 발명을 그 실시의 형태를 도시한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 또, 검출 대상의 진동파를 음파로 한 음향 센서를 예로 하여 이하에 설명한다.

(제1 실시의 형태)

도 1은, 본 발명의 진동파 검출 장치(음향 센서)에서 센서 본체의 일예를 도시한 도면이다. 반도체 실리콘 기판(20)에 형성된 센서 본체(1)는, 입력 음파를 받는 진동판(2)과 진동판(2)에 이어지는 하나의 횡단 빔(3)과, 횡단 빔(3)의 선단에 이어지는 종지판(4)과, 횡단 빔(3) 위에 걸쳐져 지지된 복수(n개)의 공진 빔(5)으로 구성되어 있고, 이들 모든 부분은 반도체 실리콘으로 형성되어 있다.

횡단 빔(3)은, 그 폭이 진동판(2) 단부에서 가장 크고, 여기에서부터 종지판

(4)측을 향하여 서서히 작아져, 종지판(4) 단부에서 가장 작아지게 된다. 또, 각 공진 빔(5)은 특정한 주파수에서 공진하도록 길이가 조정된 공진자로 되어 있다.

이들의 복수의 공진 빔(5)은, 하기 식(1)으로 나타낸 공진 주파수(f)로서 선택적으로 응답 진동하게 되어 있다.

f = (CaY^1/2)/(X²S^1/2)… (1)

단, C : 실험적으로 결정된 정수

a : 각 공진 빔(5)의 두께

X : 각 공진 빔(5)의 길이

Y : 재료 물질(반도체 실리콘)의 영률

s : 재료 물질(반도체 실리콘)의 밀도

상기 식(1)에서 알 수 있는 바와 같이, 공진 빔(5)의 두께(a) 또는 길이(X)를 변화시킴으로서, 그 공진 주파수(f)를 원하는 값으로 설정할 수 있고, 각 공진 빔(5)이 고유의 공진 주파수를 가지도록 하고 있다. 본 예에서는, 모든 공진 빔(5)의 두께(a)는 일정하게 하고, 그 길이(X)를 우측(진동판(2)측)에서 좌측(종지판(4)측)을 향해 순차적으로 길어지게 하고 있고, 우측(진동판(2)측)에서 좌측 (종지판(4)측)을 향해 각 공진 빔(5)이 고유로 진동하는 공진 주파수를 고주파수에서 저주파수로 설정하고 있다.

n개의 공진 빔(5)를 포함하는 이러한 센서 본체(1)의 구체적인 사양의 일예를 하기 표1로 나타낸다. 또, 진동판(2), 횡단 빔(3) 및 종지판(4)의 두께는 공진 빔(5)의 두께(a)와 같다.

또, 이상과 같은 구성을 이루는 센서 본체(1)는 마이크로 머신 가공 기술을 이용하여 반도체 실리콘 기판(20) 상에 제작된다. 그리고, 이러한 구성에서 판 형상의 진동판(2)에 음파가 입력되면, 그 진동판(2)이 진동하고 음파를 나타내는 그 진동파는 횡단 빔(3)에 전달되고, 이 위에 걸쳐 지지된 공진 빔(5)을 각각의 특정의 주파수로 순차적으로 공진시키면서 종지판(4)까지 전파한다.

도 2는, 이러한 센서 본체(1)를 사용하는 본 발명의 공진 주파 검출 장치(음향 센서)의 회로도이다. 센서 본체(1)의 각 공진 빔(5)에 비틀림 발생 부분(횡단 빔(3)측)에, 폴리 실리콘으로 이루어진 피에조 저항(6)이 형성되어 있다. 이들의 복수의 피에조 저항(6)은 병렬 접속되어 있고, 그 병렬 회로의 한 단부는 직류 전원(7)(전압(V_o))에 접속되고 그 다른 단부는 연산 증폭기(8)의 - 입력 단자에 접속되어 있다. 연산 증폭기(8)의 + 입력 단자는 접지되어 있다. 직류 전원(7)에 바이어스 전압(V_O)이 모든 공진 빔(5)에 공통으로 인가된다. 특정한 공진 빔(5)이 공진하면, 그 비틀림에 따라 대응하는 피에조 저항(6)의 저항값이 변화하고, 이들의 변화의 합이 연산 증폭기(8)의 출력으로 얻어지게 되어 있다.

한 편, 도시하지는 않았지만, 상기 공진자의 각각에서 피에조 저항의 저항 변화를 휘스톤 브릿지의 출력으로 이끌어 내게 한 것도 있다. 각 공진자 상의 피에조 저항을 브릿지 저항의 하나로 하고, 다른 고정 저항은 공진자 상의 피에조 저항과 같이 폴리 실리콘에 의해 각 연산 증폭기의 입력 단자의 근처에 형성되어 접속되고 있다. 그리고, 각 공진자 상의 피에조 저항값의 변화에 따라 브릿지에 전류가 흘러, 이들의 변화가 각 연산 증폭기의 출력으로서 얻어지게 되어 있다. 이 방식에서는, 회로 규모는 커지지만, 각각이 출력되도록 배선되어 있으므로 가령 배선의 일부에 알맞지 않은 부분이 생겨도, 그 부분의 공진자 출력에 영향을 미치는 것만으로 다른 출력에는 영향을 미치지 않고, 위험에 대해 보다 강한 센서를 얻을 수 있다.

(제2 실시의 형태)

도 3은 본 발명의 진동파 검출장치(음향 센서)에서 센서 본체(1)의 다른 예를 도시한 도면이다. 제 2 실시의 형태에서는, 제 1실시의 형태와 같이 특정한 주파수에서 공진하도록 길이가 조정된 복수의 공진 빔(5)을 횡단 빔(3)의 한 측면에만 설치하는 것이 아니라, 횡단 빔(3)의 양측면에 동일한 공진 주파수를 가진 한 쌍씩 n조의 공진 빔(5)을 설치하고 있다. 즉, 횡단 빔(3)이 긴 방향의 같은 위치에 이어지는 한 쌍의 공진 빔(5, 5)은 같은 길이라도 동일한 공진 주파수를 가진다. 다른 진동판(2), 횡단 빔(3) 및 종지판(4)의 구성은 제 1 실시의 형태와 같다.

또, 공진 빔(5)의 개수가 2배(2n개, 예를 들면 29×2 = 58개)인 점을 제외하고, 구체적인 사양도 제 1 실시의 형태(표 1)와 같다. 즉, 제 1 실시의 형태와 마찬가지로, 모든 공진 빔(5)의 두께(a)는 일정하게 하고, 그 길이(X)를 우측(진동판

(2)측)에서 좌측(종지판(4)측)을 향함을 따라 순차적으로 길어지도록 하고, 진동판

(2)측이 공진 주파수의 고주파 수치로 되어 있다.

도 4는, 이러한 센서 본체(1)를 사용하는 본 발명의 진동파 검출 장치(음향 센서)의 회로도이다. 도 4에서, 도 2와 동일한 부분에는 동일 번호를 붙이고 있다. 이 예에서는, 같은 공진 주파수를 가지는 공진 빔(5, 5)을 하나씩 구비한 구조(생선 뼈 구조)이므로, 피에조 저항(6)을 접속시킨 병렬 회로가 2조 존재하고, 각각의 병렬 회로에 직류 바이어스 전압(V_o,-V_o)을 인가하는 직류 전원(7, 9)과 각각의 병렬 회로의 출력신호를 이끌어 내는 연산 증폭기(8, 10)를 구비하고, 양 병렬 회로의 출력 신호를 가산함으로써, 2배의 출력을 얻게 하고 있다. 또, 1개의 공진빔(5)의 어딘가에 이상이 발생하여, 그 전기적 출력 신호가 얻어지지 않는 경우에, 도2에 도시한 구조에서는 검출 에러가 되지만 이러한 경우에도, 도 4에 도시한 구조에서는 이상이 있는 공진 빔(5)과 쌍을 이루는 다른 공진 빔(5)으로 대응하는 주파수 성분의 출력신호를 얻을 수 있어 검출 에러가 발생하지 않는다.

여기에서도 도시하지 않았지만, 제 1 실시의 형태와 마찬가지로 휘스톤 브릿지를 사용한 검출 수단도 있다. 구성 등에 대해서는 같으므로, 여기에서는 기술을 생략한다.

그런데, 기계적인 진동을 전기적인 신호로 교환하는 방법으로서 피에조 저항

(6)을 사용하고 있는 것은 제조가 간단하고, 교환 특성이 직선적이고, 교환 효율이 높은 것 등의 이유에 의한 것이다.

다음에 동작에 대해서 설명한다. 도 1 또는 도 3의 센서 본체(1)의 진동판 (2)에 음파가 입력되면 그 판 형상의 진동판(2)이 진동하고, 음파를 나타내는 그 진동파의 에너지는 횡단 빔(3)을 통하여 전파되어, 개개의 공진 빔(5)에 고주파측에서 저주파측에 걸쳐 순차적으로 흡수된다.

도 5는, 0.1Pa의 음파를 진동판(2)에 입력한 경우에 각 공진 빔(5)의 선단에서의 진폭을 FEM 분석으로 모의 실험한 결과를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 공진 빔(5)의 번호는, 진동판(2)측에서 채번(採番)한 것이다. 이렇게, 본 발명의 센서 본체(1)는 뛰어난 주파수 선택성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 각 공진 빔(5)에 공진이 발생하면, 그 비틀림에 의해 각 공진 빔(5)에 형성된 피에조 저항(6)의 저항값이 변화하는 병렬 접속된 각 피에조 저항(6)에 일정한 바이어스 전압(V_o)이 인가되어, 각 공진 빔(5)의 비틀림에 의해 발생된 피에조 저항(6)의 저항값의 변화가 1개의 신호선에 전류로서 가산된다.

도 4에서, 연산 증폭기(8)의 가상선을 흐르는 전류(1)는 (2)식으로 나타낸다.

또, 연산 증폭기(8)의 출력 전압 V₊은 식(3)으로 나타내었다. 식(3)에서, 제 2항은 진동에 의해 발생한 변동 전압을 나타낸다.

단, R_f: 피드 백 저항

진동에 의해 발생된 저항의 변화 비율은 식(4)으로 나타내고, 출력 전압에 대한 공헌비는 식(5)으로 나타냈다. 따라서, 식(3)의 제 2항에 나타낸 진동에 의해 발생한 변동 전압(V₊)은 (6)식과 같이 된다.

단, ρ: 저항률

E : 게이지 계수

Li, Wi, h : i번째의 공진 빔(5)에서 피에조 저항(6)의 길이, 폭, 두께(두께(h)는 일정)

따라서, 식(6)에서 변동 전압은, 각 공진 빔(5)에서 피에조 저항(6)의 비틀림(ε_i)에 의해 제어할 수 있다는 것을 알았다. 공진 빔(5)에 발생하는 비틀림의 크기는, 공진 빔(5)의 각부에서 다르므로, 공진 빔(5)에의 피에조 저항(6)의 설치 위치에 따라 피에조 저항(6)의 비틀림도 변화한다. 따라서, 공진 빔(5)으로의 설치 위치를 조정함으로써, 피에조 저항(6)의 비틀림을 제어할 수 있다. 따라서, 각 공진 빔(5)에서 피에조 저항(6)의 설치 위치가 각 공진 빔(5)에서의 변동 전압에 관계한다. 이러한 변동 전압의 이득이 피에조 저항(6)의 설치 위치에 의존하므로, 공진 빔(5)에 설치한 피에조 저항(6)의 위치를 변화시킴으로써, 각 공진 빔(5)마다 그 출력 이득을 조정할 수 있다.

이하, 본 발명의 특징 부분인 공진 빔(5)에 대한 피에조 저항(6)의 설치 위치의 구체적인 예에 대해서 설명한다.

도 6(a)은, 어레이형 진동 센서에서 피에조 저항(6)의 설치 위치의 일예를 비교하기 위해 나타낸 평면도이다. 피에조 저항(6)의 설치 위치는 모든 공진 빔(i=①∼⑥)에서 비틀림이 최대가 되는 공진 빔(5)의 근원이다. 이 경우, 진폭이 같아도 각 공진 빔(5)의 길이가 다르므로, 각각의 공진 빔(5)에 설치한 각 피에조 저항(6)의 비틀림의 크기가 달라 그 출력 신호는 공진 빔(5)마다 다르다.

이 비교예에서 출력 신호의 레벨의 결과를, 도 6(b)에 도시한다. 공진 빔(5)이 짧은 고주파수측에서는, 공진 빔(5)이 긴 저주파수측에 비해서 비틀림이 크므로 출력 신호의 레벨이 높아진다. 이러한 비교예에서는, 출력 신호의 레벨이 각각의 공진 빔(5)에서 다르고 평탄한 주파수 특성을 얻을 수 없다.

도 7(a)은, 평탄한 주파수 특성을 얻게 한 본 발명의 진동파 검출 장치에서 피에조 저항(6)의 설치 위치를 나타낸 평면도이다. 각 공진 빔(5)(i=①∼⑥)상에서의 비틀림이 같아지는 위치에 피에조 저항(6)을 설치하고 있다. 길이가 다른 복수의 공진 빔(5)에 같은 진폭의 진동이 발생한 경우, 길이가 긴 공진 빔(5)에서는 비틀림이 작고, 길이가 짧은 공진 빔(5)에서는 비틀림이 크다. 따라서, 모든 피에조 저항(6)에서의 비틀림을 같게 하기 위해서는, 길이가 긴 공진 빔(5)에서는 근원 근처에 피에조 저항을 설치하고, 길이가 짧은 공진 빔(5)에서는 근원에서 떨어져 피에조 저항(6)을 설치한다. 즉, 최장의 공진 빔(5)(i = ⑥)에서는 비틀림이 최대인 그 근원에 피에조 저항(6)을 설치하고, 그것에서 길이가 짧아지는 공진 빔(5)(i=⑤∼②)에서는 피에조 저항(6)의 설치 위치를 근원에서 서서히 멀어져 가고, 최단의 공진 빔(5)(i=①)에서는 근원에서 가장 떨어진 위치에 피에조 저항(6)을 설치했다.

본 예에서, 출력 신호의 레벨의 결과를 도 7(b)에 도시한다. 모든 피에조 저항(6)에서의 비틀림이 같아지게 하고 있으므로, 모든 주파수 대역에 걸쳐 출력 신호의 레벨이 일정하게 되어 평탄한 주파수 특성을 얻을 수 있다.

도 8(a)은 특정한 주파수 대역의 출력 이득만을 선택적으로 높이도록 한 본 발명의 진동파 검출 장치에서 피에조 저항(6)의 설치 위치를 나타낸 평면도이다. 본 예는, 중간 영역의 출력 이득을 다른 주파수 대역보다 높게 한 예이다. 모든 공진 빔(5)(i=①∼⑥)중에서, 길이가 중간 정도인 공진 빔(5)(i=③,④)에서 도 7(a)의 경우보다도 피에조 저항(6)의 설치 위치를 보다 근원측에 가까이 하고 있다. 다른 공진 빔(5)에 대해서는, 도 7(a)의 경우와 같이, 길이가 긴 공진 빔(5)(i=⑤, ⑥)에서는 근원 근처에 피에조 저항(6)을 설치하고, 길이가 짧은 공진 빔(5)(i=①, ②)에서는 근원에서 떨어져 피에조 저항(6)을 설치하고 있다. 각 피에조 저항(6)을 이렇게 설치함으로써, 중앙의 공진 빔(5)(i=③, ④)에서 피에조 저항(6)에서의 비틀림이 단부의 공진 빔(5)(i=①, ②, ⑤, ⑥)에서 피에조 저항(6)에서의 비틀림보다 커진다.

본 예에서 출력 신호의 레벨 결과를 도 8(b)로 나타낸다. 중간 영역의 주파수가 대역이 다른 주파수 대역보다 출력 신호의 레벨이 커져, 중간 영역의 출력 이득을 선택적으로 높일 수 있다.

또, 상술한 예에서는 중간 영역의 주파수 대역의 출력 이득을 선택적으로 높이는 경우에 대해서 설명했지만, 각 공진 빔(5)에서 피에조 저항(6)의 설치 위치를 조정함으로써, 저역 또는 고역 등의 소정의 주파수 대역의 출력 이득을 선택적으로 높이는 것, 또 소정의 주파수 대역의 출력 이득을 선택적으로 낮추는 것도 가능하다.

이상의 제 1, 제 2 실시의 형태에서는, 각 공진 빔의 공진에 따른 비틀림을 피에조 소자(피에조 저항)에 의해 검출하는 경우에 대해서 설명했다. 이하의 실시의 형태에서는, 이 비틀림을 용량성의 소자에 의해 검출하는 정전 용량 방식의 경우에 대해서 설명한다.

(제 3의 실시의 형태)

도 9는, 본 발명의 진동파 검출 장치의 제 3 실시의 형태를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시한 센서 본체(1)의 구성은, 제 1 실시의 형태와 같고, 동일 부분에는 동일 번호를 붙이고 이들의 설명은 생략한다.

각 공진 빔(5)의 선단부에 대향하는 위치의 반도체 실리콘 기판(20)에 각각 전극(1)이 형성되어 있고, 각 공진 빔(5)의 선단부와 이것에 대향하는 각 전극(11)에 캐패시터가 구성되어 있다. 공진 빔(5)의 선단부는 진동에 따라 위치가 상하 가동되는 가동 전극인 한 편, 반도체 실리콘 기판(20)에 형성된 전극(11)은 그 위치가 이동하지 않는 고정 전극으로 되어 있다. 그리고, 공진 빔(5)이 특정의 주파수에서 진동하면, 양 전극 사이의 거리가 변동하므로, 캐패시터의 용량이 변화하게 된다.

도 10은, 이 제 3 실시의 형태에서 회로도이다. 복수의 전극(11)은 병렬 접속되어 있고, 그 병렬 회로의 한 단부는 직류 전원(12)(전압(Vo))에 접속되어 있다. 횡단 빔(3)은 연산 증폭기(13)의 -입력 단자에 접속되어 있다. 연산 증폭기(13)의 +입력 단자는 접지되어 있다. 직류 전원(12)에서 전압 Vo이 모든 전극(11)에 공통으로 인가된다. 특정한 공진 빔(5)이 공진하면, 그 비틀림에 의해 공진 빔(5)의 선단부와 전극(11) 사이의 거리가 변화하여 그 사이의 캐패시터의 용량이 변화하고, 이들의 변화의 합이 연산 증폭기(13)의 출력(전압(Vout))으로서 얻어지게 되어 있다.

도 10에서, 연산 증폭기(13)의 가상 접지에 흘러 보낸 전류 I’는 (7)으로 나타낸다.

단, d_i: i번째의 공진 빔(5)과 이것에 대응하는 전극(11) 사이의 거리

δd_i: 진동에 따른 상기 거리(d_i)의 미소 변화

C_i: i번째의 공진 빔(5)과 이것에 대응하는 전극(11) 사이의 정지

(靜止)시의 용량

δC_i: 진동에 따른 상기 용량(C_i)의 미소 변화

C : 센서 본체(1) 전체와 전극(11) 사이의 용량

δC : 진동에 따른 상기 용량(C)의 미소 변화(구체적으로는 식(8))

귀환이 용량이 경우에는, 연산 증폭기(13)의 출력 전압(Vout)은, 식(9)으로 나타내고, 각 공진 빔(5)의 비틀림을 전압으로 이끌어 낼 수 있다.

귀환 용량인 경우에는, 상기 식(9)과 같이 각 공진 빔(5)에서의 공진이 변위의 합으로 출력된다. 따라서, 동일한 진폭을 전제로 한 이득 조정의 경우에는, 귀환 용량의 쪽이 바람직하다.

상기 식(9)에서, 각 공진 빔(5)(각 주파수 대역)마다 이득을 조정하기 위해서는, 용량(C_i), 거리(d_i),거리의 미소 변화(d_i)의 어느 것을 변화시키면 되는 것을 알았다. 이하, 각각의 매개 변수를 변화시켜 각 공진 빔(5)의 이득을 조정하는 예에 대해서 설명한다.

도 11은, 용량(C_i)을 변화시킨 경우의 예를 나타낸 평면도이고, 3개의 공진 빔(5A 5B, 5C) 중에서 길이가 가장 긴 공진 빔(5C)에 대응하는 전극(11C)의 면적을 다른 2개의 공진 빔(5A, 5B)에 대응하는 전극(11A, 11B)의 면적보다도 작게 한다. 이렇게 한 경우에서, 공진 주파수와 출력 전압(Vout)의 관계를 도12에 도시한다. 저주파수 영역에서 이득을 다른 주파수 영역에서의 이득보다 선택적으로 작게 할 수 있다.

또, 도 13(a)는 거리(d_i)를 변화시킨 경우의 예를 도시한 평면도, 도 13(b)은 도 13(a)의 X-X선에서의 단면도이다. 3개의 공진 빔(5A, 5B, 5C) 중에서 길이가 가장 짧은 공진 빔(5A)과 그것에 대응하는 전극(11A) 사이의 거리를 가장 짧게 하고, 중간 길이인 공진 빔(5B)과 그것에 대응하는 전극(11B) 사이의 거리를 가장 길게 하고 있다. 이렇게 한 경우에 공진 주파수와 출력 전압(Vout)의 관계를 도14에 도시한다. 고주파수 영역에서 이득을 가장 높게 하고, 중간 주파수 영역에서 이득을 가장 낮게 할 수 있다. 이 경우, 상기 식(9)에서도 알 수 있는 바와 같이, 출력 전압(Vout)이 거리(d_i)의 2승에 따라 변화하므로, 본예와 같이 거리(d_i)를 변화시킨 경우에는 이득 조정폭이 크다.

또, 도 15는 거리의 미소 변화(d_i)를 변화시킨 경우의 예를 나타낸 평면도이다. 3개의 공진 빔(5A, 5B, 5C) 중에서 2개의 공진 빔(5A, 5B)에 대응하는 전극(11A, 11B)은 공진 빔(5A, 5B)의 선단부에 대향시켜 형성하고 있지만, 길이가 가장 긴 공진 빔(5C)에 대응하는 전극(11C)은 공진 빔(5C)의 기단부에 대향시켜 형성하고 있다. 이러한 위치에 전극(11C)을 형성함으로써, 같은 크기의 진동이 공진 빔(5C)에 발생해도, 공진 빔(5C)의 선단부에 대향시켜 전극(11C)을 형성한 경우에 비해, 미소 변화(d_i)는 작아진다. 이렇게 한 경우 공진 주파수와 출력 전압(Vout)과의 관계를 도 16에 나타낸다. 저주파수 영역에서의 이득을 다른 주파수 영역에서의 이득보다 선택적으로 낮게 할 수 있다.

또, 이 정전 용량 방식을 이용하는 진동파 검출 장치에서도, 상술한 제 2 실시의 형태와 같이, 횡단 빔(3)의 양측에 동일한 공진 주파수를 가진 한쌍씩 n조의 공진 빔(5)을 설치하게 구성해도, 상기 용량(C_i), 거리(d_i),거리의 미소 변화(

d_i)를 변화시킴으로써 공진 빔(5)의 이득 조정이 가능한 것은 물론이다.

또, 진동파를 음파로 한 음향 센서를 본 발명의 예로서 설명했지만, 음파 이외의 진동파에 대해서도 같은 구성으로 출력의 이득을 조정할 수 있는 것을 물론이다.

이상과 같이, 본 발명에서는 각 공진자에서 피에조 저항, 전극 등의 검출기를 설치한 위치를 조정하도록 했으므로, 그 설치 위치에 따라 각 공진자에서 전기적 출력의 이득을 제어할 수 있다. 그 결과, 저렴하고 간단한 구성으로 입력 진동파의 주파수 대역마다의 이득 설정을 할 수 있다. 또, 각 공진자에서 비틀림의 크기가 같아지는 위치에 검출기를 설치하게 하였으므로, 종래에서는 얻을 수 없었던 평탄한 주파수 특성을 실현시킬 수 있다.

Claims

각각이 다른 특정한 주파수로 공진하는 복수의 공진자에 진동파를 전파시켜, 그 공진자 각각의 상기 주파수에 의한 공진에 따른 전기적 출력을 상기 공진자 각각에 설치한 검출기에 의해 검출하는 진동파 검출 방법에 있어서, 그 위치를 변화시킨 상기 검출기를 사용함으로써 상기 전기적 출력의 이득을 조정하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출 방법.
제 1항에 있어서, 상기 검출기의 위치를, 상기 공진자의 긴 방향에 대해서 변화시킨 것을 특징으로 하는 진동파 검출 방법.
제 1항에 있어서, 원하는 주파수 특성에 따라 상기 공진자 각각에서 원하는 전기적 출력의 이득 분포가 얻어지는 위치에, 상기 검출기를 설치한 것을 특징으로 하는 진동파 검출 방법.
제 1항에 있어서, 상기 공진자 각각의 전기적 출력의 이득이 같아지는 위치에, 상기 검출기를 설치한 것을 특징으로 하는 진동파 검출 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 비틀림 검출 소자, 용량성의 소자 및 피에조 저항 소자로 이루어진 그룹 중에서 선택된 소자인 것을 특징으로 하는 진동파 검출 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 대향 전극을 가지는 용량성의 소자이고, 상기 대향 전극 사이의 거리를 변화시키는 것을 특징으로 하는 진동파 검출 방법.
각각이 다른 특정한 주파수로 공진하는 복수의 공진자와, 상기 공진자 각각에 설치되어 상기 공진자 각각에 전파된 진동파에 의한 그 공진자 각각의 상기 주파수에서의 공진에 따른 전기적 출력을 검출 하는 검출기를 구비한 진동파 검출 장치에 있어서, 상기 공진자 각각의 비틀림의 크기의 분포에 따라 정해진 위치에 상기 검출기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출 장치.
제 7항에 있어서, 상기 검출기는 상기 공진자 각각에서 원하는 전기적 출력의 이득을 얻을 수 있도록 상기 공진자 각각의 긴 방향의 소정 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출 장치.
제 7항에 있어서, 상기 검출기는 공진자 각각의 전기적 출력의 이득이 같아지는 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출 장치.
제 7항에 있어서, 상기 검출기의 한 단부에 전압을 인가하는 회로와, 상기 검출기의 다른 단부에서 전기적 출력을 이끌어 내어, 그 전기적 출력을 증폭하는 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출 장치.
제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 비틀림 검출 소자, 용량성의 소자 및 피에조 저항 소자로 이루어진 그룹 중에서 선택된 소자인 것을 특징으로 하는 진동파 검출 장치.
제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 대향 전극을 가지는 용량성의 소자이고, 상기 대향 전극 사이의 거리가 소정 길이인 것을 특징으로 하는 진동파 검출 장치.