(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一端が開口された筒状の電波反射手段と、
電波反射手段の一端に、発信した電波が開口端の方向に向かうように取り付けられた電波発信手段と、
４つのダイオードをブリッジ結合したブリッジ回路と、ブリッジ回路の入力側に接続された第一同調回路と、ブリッジ回路の出力側に接続された第二同調回路と、電波反射手段の内部、かつ電波発信手段の近傍に配置され一対の導体板によってくの字状に形成されたレフレクターと、
を備え、
第一同調回路はレフレクターの成す角が鋭角である側の空間に、第二同調回路はレフレクターの成す角が鈍角である側の空間にそれぞれ配置されたことを特徴とする振動検出素子。
【請求項２】
電波反射手段は、電磁ホーンアンテナである請求項１に記載の振動検出素子。
【請求項３】
電波発信手段から発信される電波の周波数が、５GHzから３０GHzの範囲である請求項１、２のいずれかに記載の振動検出素子。
【請求項４】
位相に関する情報を含む信号とは、発信電波と反射電波との位相差の情報を含む信号であること特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動検出素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載された振動検出素子と、
位相に関する情報を含む信号を周波数解析する周波数解析手段と、
を備えたことを特徴とする振動測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の振動を非接触で検出できる振動検出素子、前記振動検出素子を好適に用いることができる振動測定装置並びに振動測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば機械装置等の物体の振動を測定する際には、一般的に、加速度ピックアップ等の振動センサを該物体に接触させて振動を検出して測定する方法が用いられる。
この振動センサを接触させて測定する方法は生物計測の分野でも応用され、様々な手法が提案されている。例えば、果実のような生物体の内部品質を振動によって計測するには、果実に接触式振動検出素子（例えばピエゾ素子等）を接触させることによって行われる。
【０００３】
しかし、本発明者らはこのような接触式振動子を果実等のような柔らかい物体に接触させる行為自体が測定対象の特性変化を引き起し、正確な測定が行なえないことを見出した。
そこで、本発明者らは測定対象の物体に非接触で振動を測定するために、従来から工業計測に用いられていたレーザードップラー振動計を果実等の生物計測に利用して内部品質を計測する技術であるレーザードップラー法を提案している。（特許文献１参照）。
また、さらに本発明者らはマイクロ波を測定対象の物体に照射し、照射電波を櫛型アンテナで受信し検波することにより振動を測定する技術も提案している（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−２３６５８７号公報
【特許文献２】特開２０００７−１９８７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、レーザー光を反射しない物体の振動を測定するには該物体の表面に反射シールを貼る必要があり、この作業が非常に煩雑で、またその貼り方によっては該物体の振動を正確に測定できない恐れがある。
また、特許文献２に記載の技術では、アンテナが信号源から遠い位置に配置されている。そのため、受信電波の信号強度が弱くその受信感度が低くなる。その結果受信電波から振動測定のための十分な信号を取り出せない恐れがある。
【０００５】
本発明には、上記課題に鑑みてなされたものであり、レーザー光を反射する特性を有していない物体に対しても反射シールは貼ることなしに非接触で振動の検出が可能で、かつ受信電波から十分な信号を取り出すことができる振動検出素子、前記振動検出素子を好適に用いることのできる振動測定装置並びに振動測定方法を提供することを課題とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明に係る振動検出素子は、
少なくとも一端が開口された筒状の電波反射手段と、
電波反射手段の一端に、発信した電波が開口端の方向に向かうように取り付けられた電波発信手段と、
４つのダイオードをブリッジ結合したブリッジ回路と、ブリッジ回路の入力側に接続された第一同調回路と、ブリッジ回路の出力側に接続された第二同調回路と、電波反射手段の内部、かつ電波発信手段の近傍に配置され一対の導体板によってくの字状に形成されたレフレクターと、
を備え、
第一同調回路はレフレクターの成す角が鋭角である側の空間に、第二同調回路はレフレクターの成す角が鈍角である側の空間にそれぞれ配置されたことを特徴としている。
また、
電波反射手段は、電磁ホーンアンテナである。
また、
電波発信手段から発信される電波の周波数が、５GHzから３０GHzの範囲である。
また、
位相に関する情報を含む信号とは、発信電波と反射電波との位相差の情報を含む信号である。
また、本発明に係る振動測定装置は、
前記振動検出素子と、
位相に関する情報を含む信号を周波数解析する周波数解析手段と、
を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電波を用いての測定対象の物体の振動測定が可能となるので、レーザーを反射しない性質を有する物体に対しても、反射シールを貼る手間をかけずに非接触で物体の振動を検出できる。また、反射シールを貼る必要がないので、反射シールの貼り方によっては物体の振動を正確に測定できない恐れを解消できる。さらに、レフレクター、２つの同調回路及び該２つの同調回路の接続されたブリッジ回路を組合せることで発信電波と反射電波との位相に関する情報を含む信号を効率よく復調できる。
【００１２】
本発明によれば、電波反射手段を電磁ホーンアンテナとすることができる。
本発明によれば、５GHzから３０GHzの範囲の電波を用いて、測定対象の物体の振動を検出することができる。
本発明によれば、発信電波と反射電波との位相差の情報を含む信号によって測定対象の物体の振動を検出できる。
本発明によれば、発信電波と反射電波との位相に関する情報を含む信号に基づいて、測定対象の物体の振動の周波数を解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施例１）
以下に、本発明の実施例１に係る振動検出素子及び振動測定装置を、図面を参照しながら説明する。
図１は、振動測定装置１の概略構成を示した図である。
図１に示すように、振動測定装置１は電波発信手段２、電磁ホーンアンテナ３、４本櫛型アンテナ４、トランジスター５、リアクタンス６、電源電圧７及び周波数解析手段８を備えており、４本櫛型アンテナ４、トランジスター５及びリアクタンス６は、電磁ホーンアンテナ３の内部に配置されている。
【００１５】
トランジスター５のベース部は４本櫛型アンテナ４に、コレクタ部はリアクタンス６にそれぞれ接続され、エミッタ部は接地されている。また、リアクタンス６のもう一端は電源電圧７のプラス側に接続されている。
電波発信手段２は、電磁ホーンアンテナ３の一端（基部）に、発信された電波が電磁ホーンアンテナ３の開口端の方向に向かうように配置され、測定対象の物体対して周波数１０GHｚの電波を発信する。
【００１６】
電磁ホーンアンテナ３は電波反射手段として利用され電波を効率良く集光する。
４本櫛型アンテナ４は、発信電波と反射電波とを受信する。
トランジスター５は、受信された発信電波と受信電波との位相差情報を含む信号の検波を行う。
リアクタンス６は、検波された信号を周波数解析手段８に出力する。
電源電圧７は、信号を出力するのに利用される。
周波数解析手段８は、出力された信号に対して、高速フーリエ解析等の公知の周波数解析を行う。
なお、電波発信手段２、電磁ホーンアンテナ３、４本櫛型アンテナ４及びトランジスター５によって振動検出素子が構成されている。
【００１７】
電波発信手段２で発信された発信電波と測定対象の物体から反射した反射電波とが、４本櫛型アンテナ４で受信される。発信電波と反射電波との位相差情報を含む信号はトランジスター５で検波され、電源電圧７を用いて周波数解析手段８に出力される。
次に、図２を参照しながら、測定対象の物体１０(以下では、単に物体ともいう)に電波を発信した際の発信電波と反射電波との関係を説明する。
【００１８】
電波発信手段２から、周波数１０GHｚの発信電波１５が物体１０（この実施形態では、りんご）に向けて発信されると、４本櫛型アンテナ４によって受信されると共に、物体１０に照射される。物体１０に照射された発信電波１５は反射され、その反射波である反射電波１６が４本櫛型アンテナ４で受信される。
【００１９】
次に、図３〜図６を参照しながら、振動測定装置１の測定原理を説明する。
図３は、４本櫛型アンテナ４の詳細を示した図である。
本実施例では、周波数が１０GHzの電波が使用される。該周波数を持つ電波の波長は約３．０ｃｍであるので、４本櫛型アンテナ４には、アンテナ素子３０〜３３が半波長分（約１．５cm）間隔ではしご状につながれている。また、アンテナ素子３０〜３３と向かい合うようにアンテナ素子３４〜３７がはしご状につなげられている。
【００２０】
電波発信手段２から電波が発信されると、発信電波１５は４本櫛型アンテナ４で受信され、同時に物体１０に投射される。投射された電波は物体１０の表面で反射され、その反射波である反射電波１６が４本櫛型アンテナ４によって受信される。
【００２１】
発信電波１５が４本櫛型アンテナ４で受信されると、アンテナ素子３０では、
【数１】
0005322204.tif 000002
の信号が受信される。
【００２２】
半波長分(約１．５cm)離れたアンテナ素子３１では、
【数２】
0005322204.tif 000003
の信号が受信される。
【００２３】
また、アンテナ素子３２、アンテナ素子３３ではそれぞれ
【数３】
0005322204.tif 000004
【数４】
0005322204.tif 000005
の信号が受信される。
【００２４】
アンテナ素子３１〜３３で受信された信号はアンテナ素子３０の位置に伝播される際には、それぞれπ、２π、３π分位相が遅れる。
よって、アンテナ素子３０の位置では、図４に示すように、
【数５】
0005322204.tif 000006
で表される信号が得られる。
【００２５】
一方、発信電波１５が物体１０に照射されると物体の振動のため反射する位置が変化し位相変化を受ける。アンテナ素子３４の位置ではψで表す位相の変化を受けるものとする。
反射電波１６を４本櫛型アンテナ４で受信すると、
アンテナ素子３４では、
【数６】
0005322204.tif 000007
の信号が受信される。
【００２６】
また、アンテナ素子３５、３６及び３７では、
【数７】
0005322204.tif 000008
【数８】
0005322204.tif 000009
【数９】
0005322204.tif 000010
の信号がそれぞれ受信される。
【００２７】
アンテナ素子３０〜３３でそれぞれ受信された信号がアンテナ素子３４に伝播されると、
位相がそれぞれ、π、２π、３π進むので、アンテナ素子３４の位置では、図４に示すように、
【数１０】
0005322204.tif 000011
の信号が得られる。
【００２８】
そして、２つの信号の合計Iは、
【数１１】
0005322204.tif 000012
【数１２】
0005322204.tif 000013
【００２９】
ここで、
【数１３】
0005322204.tif 000014
【数１４】
0005322204.tif 000015
とおくと、
【数１５】
0005322204.tif 000016
となる。
【００３０】
これが位相差情報を含む信号であり、この信号をトランジスター５で検波（整流）する。
当該信号を整流して平滑した後の出力は、図５に示すように
【数１６】
0005322204.tif 000017
となり、出力効率をαとすると
【数１７】
0005322204.tif 000018
となる。つまり、位相差（ψ）に従った出力（振動強度）が得られ、（a-b）＞０の場合、ψが２π毎に値が最低となる。
【００３１】
これを示したのが、図６である。
図６は、電波発信手段２の位置を変化させ、電波発信手段２の物体からの位置（横軸）と振動強度（縦軸）との関係を測定したグラフである。電波が行き帰りするので、位相２πは距離としては半波長分相当する。よって、発信される電波の周波数は１０GHzなので、半波長（約１．５cm）毎に振動強度の値が最低となる。
なお、ψがゼロの時、整流した信号の振幅はａ＋ｂに比例し、ψがπの時はａ−ｂに比例する。
【００３２】
最後に、整流され平滑された信号に対して周波数解析手段８で高速フーリエ解析等の公知の周波数解析することによって物体１０の振動を解析する。
【００３３】
次に、振動測定装置１を用いてスイカの振動特性を測定した際の測定結果を説明する。
図７に示すように、スイカ４０を加振器４１の上におき、１０MHz〜１００MHzまでの振動を与え、その振動を振動測定装置１によって測定し高速フーリエ解析を行う。
図８は、上記方法により測定したスイカの振動をグラフで表した図である。
図８から読み取れるように、周波数１９０地点４５、周波数２３０地点４６、周波数３５０MHz地点４７にスイカ特有の第２、第３及び第４共鳴ピークが観察された。
【００３４】
なお、本実施例ではアンテナとして４本櫛型アンテナを用いたが、これに限定されず、例えば図９に示す折り返し型ダイポールアンテナ５０や、他の形状のアンテナでも良い。
また、本実施例では、周波数が１０GHzの電波を利用したが、これに限定されず周波数が５GHzから３０GHzの範囲であれば如何なる周波数の電波を用いても良い。
また、トランジスター５とリアクタンス６を電磁ホーンアンテナ３の内部に配置するものとしたが、これらを電磁ホーンアンテナ３の外部に配置するものとしても良い。
【００３５】
以上のように、実施例１に係る振動検出素子及び振動測定装置は、以下に示す効果を奏する。
第一に、測定に電波を用いるため、レーザーを反射しない物体に対しても、反射シールを貼るといった手間なしに非接触で物体の振動の検出・測定が可能となる。
第二に、反射シールを貼る必要がないので反射シールの貼り方によっては物体の振動を正確に測定できない恐れを解消できる。
【００３６】
第三に、トランジスターのC級増幅回路によって発信電波と反射電波との位相差に関する情報を含む信号を検波するので高い復調効率を得ることができる。
【００３７】
第四に、受信用の４本櫛形アンテナ４を、電波発信手段２の近傍、かつ反射電波が集まってくる電磁ホーンアンテナ３内に配置したので、発信電波及び反射電波の受信強度が強くなり、感度が高くとれる。その結果受信電波からの振動測定のための十分な信号を取り出すことが出来るので精度の高い振動測定が可能となる。
（実施例２）
次に、本発明の実施例２に係る振動検出素子及び振動測定装置を、図面を参照しながら説明する。
【００３８】
実施例１では、４本櫛型アンテナで発信電波と反射電波とを受信し、トランジスターによって検波を行った。実施例２では、４つのダイオードをブリッジ結合したブリッジ回路と２つの同調回路を用いて、電波の受信や検波等を行う。
【００３９】
図１０は、本実施例で使用される振動検出素子が備えている検波回路の構成を示した図である。図１０に示されるように、検波回路は、４つのダイオードをブリッジ結合したブリッジ回路５３に、アンテナと共用される２つの同調回路５１、５２を備えており、同調回路５１がブリッジ回路５３の入力側に接続され、また同調回路５２がブリッジ回路５３の出力側に接続されている。
【００４０】
図１１は、本実施例で用いられる振動検出素子の構成を示した図である。
図１１に示すように、電磁ホーンアンテナ３の内部に一対の導体板をくの字型にすることにより形成されたレフレクター５４配置され、また電磁ホーンアンテナ３の一端（基部）に電波発信手段２が配置されている。
【００４１】
レフレクター５４の成す角が鋭角である側の空間に同調回路５１が、またレフレクターの成す角が鈍角である側の空間に同調回路５２が配置されている。また、同調回路５１の一端はレフレクター５４に接地されている。発信電波を位相検出の対照とし、その信号に対する反射信号の位相を検波回路で検出する。なお、レフレクター５４は対照用の信号と反射信号とを隔離するために配置されている。
【００４２】
一方の同調回路に信号を、もう一方に同調回路に対照信号を入力して平衡復調回路で位相信号を取り出して出力する。出力信号は２つの同調回路の中点から得られ、出力信号線は干渉がないように電波の偏波に直角の向きに引き出される。
なお、該振動検出素子を備えた振動測定装置の構成及び該振動測定装置を用いた振動測定の方法に関しては、実施例１と同様なので、ここでは割愛する。
このように、実施例２に係る振動検出素子及び振動測定装置は、以下に示す効果を奏する。
【００４３】
第一に、測定に電波を用いるのでレーザーを反射しない物体に対しても、反射シールを貼るといった手間なしに非接触で物体の振動の検出・測定が可能となる。
第二に、反射シールを貼る必要がないので反射シールの貼り方によっては物体の振動を正確に測定できない恐れを解消できる。
第三に、レフレクター５４、同調回路５１，５２及びブリッジ回路５３を組み合わせることにより、高い復調率が実現できる。
【００４４】
第四に、アンテナと共用する同調回路を電波発信手段２の近傍、かつ反射電波が集まってくる電磁ホーンアンテナ３内に配置したので、受信電波の受信強度が強くなり感度が高くとれる。その結果受信電波からの振動測定のための十分な信号を取り出すことが出来るので精度の高い振動測定が可能となる。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３に係る振動検出素子及び振動測定装置を、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
本実施例は、アンテナとして多重ダイポール型アンテナ６０を使用し、検波用のダイオード６１を接続したものである。
図１２は、本実施例で利用される振動検出素子の構成を示した図である。
振動検出素子は、電波発信手段２、電磁ホーンアンテナ３、多重ダイポールアンテナ６０及びダイオード６１を備えている。電磁ホーンアンテナ３の内部に、多重ダイポールアンテナ６０、ダイオード６１が配置され、また電波発射手段２は電磁ホーンアンテナ３の一端（基部）に配置されている。
【００４６】
多重ダイポールアンテナ６０は、復調効率を上げるためにアンテナを多重にされている。
電波発信手段２から発信された電波の発信電波と反射電波とが、多重ダイポールアンテナ６０で受信され、ダイオード６１で位相差情報を含む信号を検波（整流）する。
なお、該振動検出素子を備えた振動測定装置の構成及び該振動測定装置を用いた振動測定の方法に関しては、実施例１と同様なので、ここでは割愛する。
また、本実施例では、電磁ホーンアンテナ３の内部にダイオード６１を配置するものとしたが、ダイオード６１を電磁ホーンアンテナ３の外部に配置するものとしても良い。
【００４７】
実施例３に係る振動検出素子及び振動測定装置は、以下に示す効果を奏する。
第一に、測定に電波を利用するのでレーザーを反射しない物体に対しても、反射シールを貼るといった手間なしに非接触で物体の振動の検出・測定が可能となる。
第二に、反射シールを貼る必要がないので、反射シールの貼り方によっては物体の振動を正確に測定できない恐れを解消できる。
【００４８】
第三に、多重ダイポールアンテナ６０とダイオード６１とを組み合わせることにより高い復調率を得ることが可能となる。
第四に、多重ダイポールアンテナ６０を電波発信手段２の近傍、かつ反射電波が集まってくる電磁ホーンアンテナ３内に配置したので、発信電波及び反射電波の受信強度が強くなり感度が高くとれる。その結果受信電波からの振動測定のための十分な信号を取り出すことが出来るので精度の高い振動測定が可能となる。
【００４９】
なお、実施例１、実施例２及び実施例３では、トランジスター、ダイオード等を用いて検波を行ったが、これ以外の能動素子を用いて検波を行うものとしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る振動検出素子、振動測定装置並びに振動測定方法は、青果物のような軟らかい生物体、特にレーザー光を反射しにくい生物体の振動を非接触に測定できるので、青果物の品質を非接触で検査する選別機械や生育途上の青果物の生育モニタリングセンサーとして有用である。また、樹木、木材、といった青果物以外の生物体の品質を非接触で測定できる品質測定器にも有用である。さらには、コンクリートなどの人工物の建築構造物の内部劣化や構造を測定するという応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施例１に係る振動検出素子と振動測定装置との構成を示した図である。
【図２】実施例１に係る振動測定装置と測定対象の物体との位置関係を示した図である。
【図３】発信電波と反射電波とが各アンテナ素子で受信される際の位相を示した図である。
【図４】トランジスターの位置での合成された信号の位相を示した図である。
【図５】トランジスターの位置での出力をベクトルで示した図である。
【図６】電波発信手段の位置と振動出力との関係を示した図である。
【図７】実施例１に係る振動測定装置を用いてスイカの振動を測定する際の図である。
【図８】実施例１に係る振動測定装置で測定したスイカの振動スペクトルを示した図である。
【図９】実施例１に係る振動検出素子のアンテナを折り返し型ダイポールアンテナとしたものである。
【図１０】実施例２に係る振動検出素子で用いる検出回路を示した図である。
【図１１】実施例２に係る振動検出素子を示した図である。
【図１２】実施例３に係る振動検出素子を示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・振動測定装置
２・・・電波発信手段
３・・・電磁ホーンアンテナ
４・・・４本櫛型アンテナ
５・・・トランジスター
６・・・リアクタンス
７・・・電源電圧
８・・・周波数解析手段
【図１】
0005322204.tif 000019
【図２】
0005322204.tif 000020
【図３】
0005322204.tif 000021
【図４】
0005322204.tif 000022
【図５】
0005322204.tif 000023
【図６】
0005322204.tif 000024
【図７】
0005322204.tif 000025
【図８】
0005322204.tif 000026
【図９】
0005322204.tif 000027
【図１０】
0005322204.tif 000028
【図１１】
0005322204.tif 000029
【図１２】
0005322204.tif 000030