(57)【要約】【課題】外部から電力を供給なしに、半永久的に作動し、強誘電性薄膜の分極反転による疲労を利用して振動回数を長期にわたって記録する。【解決手段】振動エネルギーを電気エネルギーに変換するチャージ発生用圧電体１、発生した電荷を用いて振動のエネルギーや回数をカウントする強誘電体メモリ２、記録したデータを外部から非接触で読み取るためのＲＦアンテナ４及びそのコントロール回路３とを備えている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電荷発生用圧電体と、上記発生した電荷により分極反転を繰り返す強誘電体メモリとを備え、上記分極反転の繰り返しによる疲労により残留分極の値が低下し、振動の回数をカウント可能とすることを特徴とする圧電振動エネルギーセンサ。
【請求項２】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電荷発生用圧電体と、上記発生した電荷により分極反転を繰り返す強誘電体メモリと、ＲＦアンテナと、該ＲＦアンテナのコントロール回路とを備え、
上記強誘電体メモリは、上記分極反転の繰り返しによる疲労により残留分極の値が低下し、振動の回数をカウント可能とし、
上記ＲＦアンテナは、該強誘電体メモリが記録したデータを外部から非接触で読み取るものであることを特徴とする圧電振動エネルギーセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建築物、自動車、船舶、航空機などの構造物の振動による疲労破壊の予測、余寿命診断による長寿命化、及びメンテナンスコストの軽減に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで建築物や自動車、船舶、航空機などの余寿命を診断することは困難であった。従来の技術として定期的にＸ線や超音波診断を用いて内部の疲労による損傷個所の診断を行なう手段がある。また、近年開発された技術として疲労による損傷が起こると思われる個所に光ファイバーや歪ゲージなどのセンサを埋め込みモニタリングする手段がある
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】
上記従来Ｘ線や超音波診断を用いて内部の疲労による損傷個所の診断を行なう手段では、メンテナンスコストが上がるため原子力や航空機などの特殊な構造体にしか利用されていない。また、光ファイバーや歪ゲージなどのセンサを埋め込みモニタリングする手段は、モニタリングのためには外部からエネルギーを供給する必要があり、センサ単体では利用できないため測定した情報を記録や評価するデバイス等のシステムも必要となる。そのため製作コストが上がり特殊な構造物にしか利用することができない。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的とするものであり、具体的には次の点を課題とする。
（１）特に外部から電力の供給を必要とせず、半永久的に作動させる。
（２）数万回から数百万回の振動回数の記録を、数十年という長期にわたって記録することを可能とする。
（３）センサの構造を簡単として、大きさも名刺サイズ程度、またはそれ以下に小型も可能とし、しかも従来のものに比べ低価格とし、特殊な構造物のみでなく、一般の民生用にも供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電荷発生用圧電体と、上記発生した電荷により分極反転を繰り返す強誘電体メモリとを備え、上記分極反転の繰り返しによる疲労により残留分極の値が低下し、振動の回数をカウント可能とすることを特徴とする圧電振動エネルギーセンサを提供する。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するために、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電荷発生用圧電体と、上記発生した電荷により分極反転を繰り返す強誘電体メモリと、ＲＦアンテナと、該ＲＦアンテナのコントロール回路とを備え、上記強誘電体メモリは、上記分極反転の繰り返しによる疲労により残留分極の値が低下し、振動の回数をカウント可能とし、上記ＲＦアンテナは、該強誘電体メモリが記録したデータを外部から非接触で読み取るものであることを特徴とする圧電振動エネルギーセンサを提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電振動エネルギーセンサの実施の形態を、実施例に基づいて図面を参照して説明する。本発明は、外部からのエネルギーの供給なしに半永久的に駆動し、構造体に加わった振動歪みエネルギー信号をデジタル化し記録することの出来る振動エネルギーセンサであり、その特徴的な構成をまずその原理で説明する。
【０００８】
（原理）
通常、不揮発性メモリとして利用されている強誘電体薄膜は、電圧を加えたときに起こる分極反転を利用してデータを記録している。しかし分極反転を繰り返すと、疲労により膜の残留分極の値が低下してくる。本発明は、この点に着目し圧電振動エネルギーセンサに利用するものである。
【０００９】
即ち、圧電体センサを取り付けた場所に振動が加わると、圧電効果により、振動エネルギーは電気エネルギーに変換されるが、電気エネルギーは時間の経過と共に消失してしまうため、長期間電気エネルギーとして記憶することは困難である。この電気エネルギーを長期間記録するために、本発明では、電気エネルギーを強誘電体薄膜の残留分極の疲労に変換して記録するものである。
【００１０】
（実施例）
図１は、本発明に係る振動エネルギーセンサの構成を示す図である。この図１に示すように、振動エネルギーセンサは、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するチャージ発生用圧電体１、発生した電荷を用いて振動のエネルギーや回数をカウントする強誘電体メモリ２、記録したデータを外部から非接触で読み取るためのＲＦアンテナ４及びそのコントロール回路３からなる。
【００１１】
この振動エネルギーセンサの使用に際しては、建築物、自動車、船舶、航空機などの構造物に対して、振動による疲労破壊が起こると思われる場所に貼着して取り付ける。
【００１２】
振動エネルギーセンサを取り付けた場所に、図２（ａ）のような振動が加わるとチャージ発生用圧電体１の圧電効果により、振動エネルギーは図２（ｂ）のような電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーにより、強誘電体メモリ２電圧が加えられる。
【００１３】
振動による電気エネルギーによって、強誘電体メモリ２に電圧を加えると、分極反転により振動回数が記録される。しかし分極反転を繰り返すと図３に示すように疲労により膜の残留分極の値が低下してくる。この疲労による低下の程度は、振動の回数、強誘電体薄膜の材料特性、加える電圧等により異なる。
【００１４】
従って、本発明の振動エネルギーセンサは、振動回数が、数万から数百万回のオーダーで疲労による低下が予め決めたしきい値を超えるように意図的に作製することにより、振動発生箇所に適用することにより疲労の状態を把握するすることが可能である。
【００１５】
特に、このような疲労特性の異なる強誘電体薄膜をまとめ一つのセルとして用いることにより、それぞれの疲労状況から分極反転の回数を正確に求めることが可能となる。
【００１６】
図２（ｂ）の例では、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のしきい値電圧で分極反転するセルに記録を書き込んでいる。この振動ではそれぞれＬ１のセルには１回、Ｌ２のセルには２回、Ｌ３のセルには３回の分極反転が起こりセルを疲労させる。このように分極反転する電圧の違うセルを多数準備することにより、正確な振動エネルギー大きさも記録をことができる。
【００１７】
そして、その後、外部からＲＦアンテナ等を用いて一時的にエネルギーを供給しコントロール回路を動かし、比較用の強誘電体薄膜セルと比較した正確な疲労情報として外部へ発信される。この結果、この構造体にこれまで加わった歪エネルギーの総和を知ることができ、構造体の材料特性から余寿命診断を行なうことが可能である。
【００１８】
以上、実施例により本発明を説明したが、このような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術事項の範囲内でいろいろ実施例があることは言うまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
以上の通りの構成の本発明を利用すれば建築物、自動車、船舶、航空機などの構造にこのセンサを貼り付けることにより、この構造体に加わる歪みの大きさ、回数をカウントすることができる。これにより構造物の疲労破壊を予測することが可能になり、構造体の信頼性の向上とメンテナンスコストの軽減が可能である。
【００２０】
即ち、本発明によれば、圧電振動エネルギーセンサは圧電効果を利用することにより、外部から電力を供給なしに、半永久的に作動することが可能である。また記録媒体として、強誘電性薄膜の分極反転による疲労を利用することにより、数万回から数百万回の振動回数の記録を、数十年という長期にわたって記録することが可能である。
【００２１】
そして、センサの構造は簡単であり、大きさは名刺サイズ程度、またはそれ以下に小型も可能であり、センサは従来のシステムに比べ低価格で作成できる。そのため特殊な構造物のみでなく、一般の民生用として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動エネルギーセンサの全体構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る振動エネルギーセンサのおける振動エネルギーを電気エネルギーへの変換を説明する図である。
【図３】本発明に係る振動エネルギーセンサのおける強誘電体薄膜キャパシタの疲労挙動を説明する図である。
【符号の説明】
１　　チャージ発生用圧電体
２　　強誘電体メモリ
３　　コントロール回路
４　　ＲＦアンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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