(57)【要約】【課題】入力する振動の周波数が不明であったり、不特定で、複数の周波数の合成である場合に、スペクトルアナライザーというような高級な手段を使わないでも、十分工業的応用で効果が得られる周波数分析手段を提供することにある。【解決手段】複数の固有振動数をもつ片もち梁を振動検出センサーとして設置し、入力する振動の周波数に共振した（固有振動数と一致した）片もち梁が励振する現象を利用して、周波数分析を行うものである。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固有振動数の相異なる複数の片もち梁と、前記の各々の片もち梁の振動に対応した電気信号出力を出す電気信号出力端子を有する振動電気信号変換素子を有し、測定すべき外部の振動に対して同一又は近い固有振動数を有する前記片もち梁が振動する共振現象を用いて、前記の測定すべき外部の振動の振動分析を行うことを特徴とする片もち梁周波数分析センサー。
【請求項２】
前記の固有振動数の相異なる複数の片もち梁は、長さの異なる片もち梁であることを特徴とする請求項１記載の片もち梁周波数分析センサー。
【請求項３】
前記振動電気信号変換素子は、圧電素子、静電容量を利用した近接センサー、光変位センサー又は、磁気を利用した磁気センサーのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の片もち梁周波数分析センサー。
【請求項４】
前記固有振動数の相異なる複数の片もち梁と前記振動電気信号変換素子を一基板上に集積形成した構造とし、前記片もち梁が前記の測定すべき外部の振動に共振して追従するようにダイアフラム構造を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の片もち梁周波数分析センサー。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の片もち梁周波数分析センサーと、前記振動電気信号変換素子の複数の前記電気信号出力端子を選択的に接続し、前記電気信号出力を増幅するための複数のアナログスイッチと増幅器を少なくとも含むことを特徴とする片もち梁振動周波数分析器。
【請求項６】
前記片もち梁振動周波数分析器は、半導体集積回路チップ上に半導体集積回路素子と一体集積形成された集積化構造を有することを特徴とする請求項５記載の片もち梁振動周波数分析器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片もち梁の共振により特定の周波数を選択的に検出して、周波数分析を行うセンサーとこれを用いた片もち梁振動周波数分析器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、片もち梁は、その固有振動数以下の振動を与えてやれば、振動源の振動にあわせて振れるので、振動を検出することに使われる。例えば、そのような振動センサーは、
特許文献１に見ることができて、そこでは、上下振動を拾うセンサーとしてはたらき、歩数計への応用が開示されている。この応用では、共振現象を利用したのではなく、歩行による上下の振動を片もち梁に与えて、強制振動により振動させているので共振周波数を検出しているわけではない。本願のように、複数の固有振動数の片もち梁を用い、入力する振動の周波数と同一の固有振動数を持つ片もち梁が共振する現象を利用して、入力振動の周波数を特定する応用は今のところ見られていない。
【特許文献１】特開２００３−１５７４２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする課題は、入力する振動の周波数が不明であったり、不特定で、複数の周波数の合成である場合に、スペクトルアナライザーというような高級な手段を使わないでも、十分工業的応用で効果が得られる周波数分析手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、複数の固有振動数をもつ片もち梁を振動検出センサーとして設置し、入力する振動の周波数に共振した（固有振動数と一致した）片もち梁が励振する現象を利用して、振動した片もち梁の振動を電圧（又は電流）に変換して出力する振動電気信号変換素子の出力により、振動の周波数特性を特定とすることで周波数分析を行うものである。
【０００５】
請求項１記載の発明は、片もち梁周波数分析センサーであって、固有振動数の相異なる複数の片もち梁と、前記の各々の片もち梁の振動に対応した電気信号出力を出す電気信号出力端子を有する振動電気信号変換素子を有し、測定すべき外部の振動に対して同一又は近い固有振動数を有する前記片もち梁が振動する共振現象を用いて、前記の測定すべき外部の微小の振動の検出と振動分析を行うことを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の片もち梁周波数分析センサーにおいて、前記の固有振動数の相異なる複数の片もち梁は、長さの異なる片もち梁であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の片もち梁周波数分析センサーにおいて、前記振動電気信号変換素子は、圧電素子、静電容量を利用した近接センサー、光変位センサー又は、磁気を利用した磁気センサーのいずれかであることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の片もち梁周波数分析センサーにおいて、前記固有振動数の相異なる複数の片もち梁と前記振動電気信号変換素子を一基板上に集積形成した構造とし、前記片もち梁が前記の測定すべき外部の振動に共振して追従するようにダイアフラム構造を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の発明は、片もち梁振動周波数分析器であって、請求項１から請求項４のいずれかに記載の片もち梁周波数分析センサーと、前記振動電気信号変換素子の複数の前記電気信号出力端子を選択的に接続し、前記電気信号出力を増幅するための複数のアナログスイッチと増幅器を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の片もち梁振動周波数分析器において、前記片もち梁振動周波数分析器は、半導体集積回路チップ上に半導体集積回路素子と一体集積形成された集積化構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上の様に構成されているので、簡単な構成でありながら、振動の周波数に対する振動強度を計測することができて、フーリエ変換のような数学的ソフト処理を経ずに周波数スペクトルが得られ、ハード的に安価な周波数分析が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明を実施するための最良の形態として、複数の固有振動数を有する長さの異なる片もち梁とこれの振動に対応した電気信号を出力する振動電気信号変換素子を備えた複数の振動センサーを付設したことで、異なる周波数に対しての振動強度を計測できるようにしている。以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明による片もち梁振動分析センサーの一実施態様を示す斜視図であって、複数の固有振動数の片もち梁が設置されている。１０１は、片もち梁の固定端であり、固有振動数の異なる（ここでは長さの異なる）複数の片もち梁１０２が、片側で片もち梁の固定端１０１に固定されている。片もち梁１０２の材質は、どのようなものでもよいが、所望の測定範囲の固有振動数を与える材質が選ばれる。例えば、タングステン、りん青銅などである。固有振動数ｆ0は、式（１）で知られている。式（１）で、√はその後の括弧内の値の平方根を示し、Ｅとρは、各々材料のヤング率と密度である。Ａは梁の断面積、Ｉは断面二次モーメントである。定数λｍｌは、振動モードに関係する一定の定数である。この式から分かるように、材質や形状を変えれば固有振動数を変える事が出来るが、簡単には、梁の長さｌの二乗に反比例して固有振動数を変えることができるので、図1の例では、梁の長さを変えて、複数の異なる固有振動数の片もち梁を作り設置している。長さの変化を細かくすれば、周波数分析の精度（周波数刻み幅）を上げることが出来る。この例では、片もち梁の両側に、振動電気信号変換素子としての圧電素子部１０３u、１０３ｄが貼り付けてあり、その両側に電圧出力用のセンサー電極１０４u、１０４ｄが設置されている。下部のセンサー電極１０４ｄは、裏側にあり、図では見えていない。このような片もち梁１０２の両側に圧電素子部１０３ｕ、１０３ｄを貼り付けた構造は、バイモルフ構造として知られている。ここでは、上部と下部のセンサー電極１０４u、１０４ｄは、互いに接続されている。片もち梁１０２には、梁側電極１０５が接続されている。センサー電極１０４ｕ、１０４ｄと梁側電極１０５に電圧をかけると、上下の圧電素子部１０３u、１０３ｄは、同一方向に曲がる。逆に、片もち梁を曲げて、圧電素子部１０３ｕ、１０３ｄが曲がると、センサー電極１０４ｕ、１０４ｄと梁側電極１０５の間に、電圧が出力する。片もち梁が振動すると、振動した出力電圧が得られる。ここで重要なことは、分析したい周辺の入力振動を受けて振動するのは、全部の片もち梁ではなく、入力振動の周波数と固有振動数が一致或いは近い片もち梁だけが共振して振動し、異なるものは振動しないか、弱い振動になってしまうことである。従って、或る部分の片もち梁が振動していれば、その固有振動数と同じ又は近い周波数の振動が入力したものとして周波数成分を特定することが出来る。
【００１４】
（数１）  ｆ0＝（１／２π）・（λｍｌ）２／ｌ２・√（ＥＩ／ρＡ）          （１）
【００１５】
図２は、図1の片もち梁の一部を拡大して裏側からみたもので、下側の圧電素子部１０３ｄ上の下部のセンサー電極１０４dが見えるように書いてある。又、上部と下部のセンサー電極１０４u、１０４dが互いに接続してある状態を示している。この例では、最もよく使われる圧電素子のバイモルフ構造を使用したが、圧電素子は、片もち梁の片側のみにあるユニモルフ構造でも差し支えない。図１では、圧電素子部１０３ｕ、１０３ｄが片もち梁の一部に設置した例であるが、図３では、片もち梁１０２と同じ長さだけ圧電素子部３０３u、３０３dが設置してあってもよい。以上の例では、振動電気信号変換素子として圧電素子を用いた場合を示したが、他に、片もち梁が近づいたか遠ざかったかを静電容量の変化で捉える近接センサーを用いてもよい。又、片もち梁の先端に磁石を貼り付け、周辺に磁界検出コイルや磁気効果半導体（ＧＭＲ、ＭＲ）を配置して振動を検出してもよい。磁石は、片もち梁の先端に貼り付けなくとも、梁を磁性体で作り、磁界が梁で遮られる構成にすれば、振動により磁界が変動するので、磁界検出コイルにより振動の検出が可能である。
【実施例２】
【００１６】
図４は、図1の片もち梁振動分析センサーを使って周波数を分析特定する場合の片もち梁振動周波数分析器の回路構成の一実施態様を示す図である。４０１は、図1の片もち梁振動分析センサーであり、その電圧出力がセンサー電極及び梁側電極からの二本のリード線４０２１、４０２２から出ている。各々のリード線４０２１、４０２２は、計測用の増幅器４０３に入力している。計測用の増幅器４０３の出力には、リード線４０２１、４０２２の差の電圧が出力され、絶対値回路４０４に接続されている。絶対値回路４０４の出力はアナログスイッチ４０５を介して振幅計測回路４０６又は直接、低域通過フィルタ４０７に接続されている。４０８は、アドレスカウンタであって、入力端子４０９から入力するクロックにより、カウンタ動作によりアドレスを作成し、アドレスカウンタ出力４１０がアナログスイッチ４０５のゲートに与えられて、順番にアナログスイッチ４０５が接続される。アナログスイッチ４０５の出力は、振幅計測回路４０６で振幅を計測した後、低域通過フィルタ４０７を介して、Ａ／Ｄ変換器４１１でデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換されたデータは、振動データメモリ４１３に蓄えられ、これはアドレスメモリ４１２に蓄えられたアドレス値に対応したものとなっている。計測用の増幅器４０３には、図5の５−ａに示すような回路の増幅器が用いられる。これは、計測用の増幅器の二つの入力５０１、５０２に入力した電圧の差が計測用の増幅器の出力５０３に出力されるようになっているが、ありふれた回路なので、説明は省略する。又、５−ｂには、アナログスイッチ４０５の具体例であって、アナログスイッチ入力端子５０４とＰｃｈとＮｃｈのＭＯＳＦＥＴからなるアナログスイッチ５０５と、インバータ５０６、スイッチ制御端子５０７と、アナログスイッチ出力端子５０８からなっていて、スイッチ制御端子５０７によりアナログスイッチが開閉する。５−ｃには、絶対値回路４０４が示されている。絶対値回路の入力５０９に入った電圧の絶対値が、絶対値回路の出力５１０に出てくるものであるが、これもありふれた回路なので、動作説明を省略する。５−ｄは、振幅計測回路４０６であって、振幅計測回路の入力５１１に入った電圧の振幅値が振幅計測回路の出力５１２に出力される。この回路もありふれた回路なので動作説明を省略する。図６には、振動センサーに対応するアドレス（番地）又は固有振動数を横軸に、縦軸に振動データメモリに蓄えられた振動データを目盛らせたものであり、アドレス（番地）は、個々の振動センサーに対応して固有振動数（周波数）に対応しているので、周波数対振動強度を目盛った周波数スペクトルが得られることになる。
尚、上記の説明では、振幅値を測定したが、アナログスイッチ４０５の出力からの値を直接帯域制限の低域通過フィルタ４０７とＡ／Ｄ変換器４１１を経由してとれば，振動出力そのものを記録することも可能であるのは当然である。例えば、振幅値の一番大きな（共振している）振動センサー出力のみの振動データの時間的変化を観測することが出来る。
【実施例３】
【００１７】
図７は、半導体集積回路のような、集積素子として片もち梁振動分析センサーを実現したものの一実施態様を示す図である。例えば、酸化シリコン等の絶縁物を敷いたシリコンの基板７０１に固有振動数の異なる複数の振動センサー７０２が集積されている。個々の振動センサー７０２は、圧電素子部７０３ｕ，７０３ｄ、片もち梁７０４、片もち梁の固定端７０５ｕ、７０５ｄ、電圧端子７０６、７０７、７０８、電圧端子リード部７０９が、基板に近いほど先に作成され、必要な形状にパターニングされる。パターニングでは、半導体や、プリント基板のパターニングと同じように、薄膜の形成、写真触刻用のレジスト塗布、写真露光、現像、薄膜エッチング、レジスト剥離の工程を経て、パターニングされる。途中、必要に応じてベーキングが加えられる。振動センサー７０２が乗っている場所の下側は、裏側からエッチングにより掘り込みが形成され、ダイアフラム７１０になっている。図８は、図７でＡ−Ａでの断面であり、図に見るように、振動センサーが共振により自由に振動できるように裏側は、基板がエッチングで剥ぎ取られ、振動センサー８０２は、基板の薄層８０１上に乗っている。図９は、図７のＢでの断面であって、下部の圧電素子部９０３ｄと上部の圧電素子部９０３ｕがセンサー電極９０６で接続されている状況を示す。勿論、集積化される場合は、図４に示される回路やその他の回路も同時に集積されるので、都合がよい。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
以上のような片もち梁振動分析センサー及び片もち梁振動分析器は、簡単な構成でありながら、振動の周波数分析が可能であるので、ビルの振動管理や、騒音管理に使用して便利である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による片もち梁振動分析センサーの一実施態様を示す斜視図である。
【図２】本発明による片もち梁振動分析センサーの個々の片もち梁の拡大図である。
【図３】本発明による片もち梁振動分析センサーの別の一実施態様を示す斜視図である。
【図４】本発明による片もち梁振動分析センサーを用いた片もち梁振動周波数分析器の一実施態様を示す図である。
【図５】図４の実施例で示した部分の説明用の回路図の実施例であって、  ５−ａ部は、計測用の増幅器４０４の回路図、５−ｂ部は、アナログスイッチ４０５の回路図である。５−ｃ部は、絶対値回路４０４の回路図である。５−ｄ部は、振幅計測回路４０６の回路図である。
【図６】本発明による片もち梁振動分析センサーを用いた片もち梁振動周波数分析器により得られる周波数スペクトル図である。
【図７】本発明による片もち梁振動分析センサーを集積した集積化片もち梁振動分析センサーの一実施態様を示す図である。
【図８】図７の片もち梁振動分析センサーのＡ−Ａでの断面を示す図である。
【図９】図７の片もち梁振動分析センサーのＢでの断面を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０１、７０５ｕ、７０５ｄ  片もち梁の固定端、  １０２、７０４  片もち梁
１０３ｕ、１０３ｄ、３０３ｕ、３０３ｄ、７０３ｕ、７０３ｄ、９０３ｕ、９０３ｄ  圧電素子部
１０４ｕ、１０４ｄ、９０６  センサー電極、  １０５  梁側電極
４０１  片もち梁振動分析センサー、  ４０２１、４０２２  リード線
４０３  計測用の増幅器、４０４  絶対値回路
４０５、５０５  アナログスイッチ、  ４０６  振幅計測回路
４０７  低域通過フィルタ、４０８  アドレスカウンタ
４０９  アドレスカウンタの入力端子、  ４１０  アドレスカウンタ出力
４１１  Ａ／Ｄ変換器、４１２  アドレスメモリ、  ４１３  振動データメモリ
５０１、５０２  計測用増幅器の入力、  ５０３  計測用増幅器の出力
５０４  アナログスイッチ入力端子、  ５０６  インバータ
５０７  スイッチ制御端子、  ５０８  アナログスイッチ出力端子
５０９  絶対値回路の入力、  ５１０  絶対値回路の出力
５１１  振幅計測回路の入力  ５１２  振幅計測回路の出力
７０１  基板、  ７０２  振動センサー、  ７０６、７０７、７０８  電圧端子
７０９  電圧端子リード部、７１０  ダイアフラム、  ８０１  基板の薄層
８０２  振動センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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