(57)【要約】【課題】  容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムを提供する。【解決手段】  質問器１は、振動センサ２の共振周波数より高い周波数を有する電気信号を変調信号として生成し、表面弾性波共振子の共振周波数の電気信号を、変調信号で変調して搬送波５を取得し、反射波６を変調信号の周波数に変換し、狭帯域制限して同期検波信号を取得し、同期検波信号を用いて同期検波する。【選択図】図１
2013137231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面弾性波共振子を備え、対象物に取り付ける振動センサと、
前記振動センサに対して搬送波を送信する一方で、前記表面弾性波共振子からの反射波を監視し、前記対象物の振動現象に伴って前記振動センサに与えられる機械振動に応じて前記反射波に生じる変化に基づいて、前記振動現象を検知する質問器と
を備える振動センサシステムであって、
前記質問器は、
前記振動センサの共振周波数より高い周波数を有する電気信号を変調信号として生成し、
前記表面弾性波共振子の共振周波数の電気信号を、前記変調信号で変調して前記搬送波を取得し、
前記反射波を前記変調信号の周波数に変換し、狭帯域制限して同期検波信号を取得し、
前記同期検波信号を用いて同期検波することを特徴とする振動センサシステム。
【請求項２】
前記変調信号は、前記振動センサの共振周波数に対し、１０倍以上の周波数であることを特徴とする請求項１に記載の振動センサシステム。
【請求項３】
前記振動センサおよび前記質問器は、それぞれアンテナを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動センサシステム。
【請求項４】
前記表面弾性波共振子は、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の振動センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の振動現象を検知する振動センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動センサは、建造物の耐震診断や防犯セキュリティ用のガラス破壊検知装置、設備や工作機械の異常振動検知に利用されている。
【０００３】
特許文献１には、従来の振動センサおよび質問器が開示されている。特許文献１では、シングルポートの表面弾性波共振子を備えたバッテリレス振動センサと質問器を用いて振動センサシステムを構築している。また、振動検知の信号処理を質問器側で実行するため、振動センサに信号処理部を設ける必要が無く、振動センサを小型化することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３２７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、質問器から振動センサへ搬送波を送信するとともに、振動センサからの反射波を監視し、対象物の振動に伴う振動センサの機械的な振動による反射波の変化に基づいて、対象物の振動を検知する構成となっている。すなわち、振動が発生したときには、振動センサの共振周波数により変調された反射波が振動センサから送信される。
【０００６】
しかしながら、振動センサの共振周波数により変調された反射波に近似する周波数の妨害波が質問器に入力された場合、対象物の振動による振動信号と妨害波を区別することができず、誤動作の原因となる可能性がある。
【０００７】
一方、従来、外部からの妨害波の影響を受けずに、対象物の応答（振動）を検知するため、同期検波の手法が用いられている。同期検波には、同期検波回路に入力する入力信号と、この入力信号と周波数および位相を一致させた参照信号が必要である。しかしながら、この同期検波の手法を無線で通信を行う振動センサシステムへ適用し、高周波数帯域で使用する際には、入力信号（搬送波）の波長が短いため位相が変化し易く、参照信号の生成には特殊な回路が必要となるという課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、表面弾性波共振子を備え、対象物に取り付ける振動センサと、前記振動センサに対して搬送波を送信する一方で、前記表面弾性波共振子からの反射波を監視し、前記対象物の振動現象に伴って前記振動センサに与えられる機械振動に応じて前記反射波に生じる変化に基づいて、前記振動現象を検知する質問器とを備える振動センサシステムであって、前記質問器は、前記振動センサの共振周波数より高い周波数を有する電気信号を変調信号として生成し、前記表面弾性波共振子の共振周波数の電気信号を、前記変調信号で変調して前記搬送波を取得し、前記反射波を前記変調信号の周波数に変換し、狭帯域制限して同期検波信号を取得し、前記同期検波信号を用いて同期検波することを特徴とする振動センサシステムが得られる。
【００１０】
また、本発明の振動センサシステムにおいて、前記変調信号は、前記振動センサの共振周波数に対し、１０倍以上の周波数であることが好ましい。
【００１１】
また、前記振動センサおよび前記質問器は、それぞれアンテナを備えているのが好ましい。
【００１２】
また、前記表面弾性波共振子は、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、振動センサに送信される搬送波を、振動センサの共振周波数より高い周波数の変調信号で変調し、表面弾性波共振子からの反射波を変調信号の周波数に変換（ダウンコンバート）し、狭帯域制限することによって、同期検波の入力信号が得られ、この入力信号と周波数と位相が一致する同期検波の参照信号が容易に得られる。また、上記の入力信号および参照信号からなる同期検波信号を用いて同期検波することで、妨害波の影響を軽減することができる。
【００１４】
すなわち、本発明によれば、容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る質問器のブロック図。
【図２】本発明の振動センサシステムの構成を示す概略図。
【図３】本発明の実施の形態に係る振動センサの概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１７】
図２は、本発明の振動センサシステムの構成を示す概略図である。図２に示すように、本発明の振動センサシステムは、質問器１と振動センサ２から構成される。質問器１と振動センサ２には、それぞれアンテナ３、アンテナ４が設けられている。振動センサ２は、振動を検知する対象物に取り付けられ、バッテリレスで構成されている。質問器１から振動センサ２に設けられた表面弾性波共振子へ搬送波５を送信するとともに、振動センサ２からの反射波６を監視し、対象物の振動を検知する構成となっている。本実施の形態においては、振動センサの一例として、ガラスの機械的振動現象を検知するための振動センサを用いた。
【００１８】
図３は、本発明の実施の形態に係る振動センサの概略斜視図である。振動センサ２は、圧電体基板７と圧電体基板７上に形成された櫛歯電極８とを有する表面弾性波共振子と、圧電体基板７を支持する支持基板９と、櫛歯電極８に接続されたアンテナ４から構成されている。
【００１９】
振動センサ２の外部より圧電体基板７に振動が加わると歪が生じ、櫛歯電極８間の距離が変化し、表面弾性波共振子のインピーダンスも同時に変化する。すなわち、振動センサ２が外部からの振動信号を検知したとき、振動センサ２から送信される反射波は、搬送波と同じ周波数となる表面弾性波共振子の共振周波数を、振動センサ２（圧電体基板７）の共振周波数で変調した信号となる。なお、本実施の形態による圧電体基板７は、検知対象である対象物の機械振動における特徴的な周波数帯に共振周波数が属するようにして選択された振動形状を有している。
【００２０】
本実施の形態においては、圧電体基板７の形状は片持ち梁であり、張出し長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの水晶ＳＴカット基板を用いた。このとき、片持ち梁の厚さ方向の屈曲振動モードの共振周波数は、およそ６０ｋＨｚである。すなわち、本実施の形態の振動センサの共振周波数は、６０ｋＨｚである。櫛歯電極８の間隔は、表面弾性波共振子の共振周波数が２．４５ＧＨｚ帯となるように０．３５μｍとした。また、櫛歯電極８は、外部振動に対して、圧電体基板７の歪が最大となるように支持部近傍に配置した。加えて、アンテナ４は、表面弾性波共振子の共振周波数に合わせて、２．４５ＧＨｚ帯の半波長ダイポールアンテナとした。圧電体基板７の品質係数は、約１００であった。なお、品質係数は、支持基板９との固定法等により、約５０〜３０００まで調整可能である。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る質問器のブロック図である。質問器１において、まず発振器１１で２．４５ＧＨｚの出力信号が生成され、分配器（ＤＩＶ）１２に入力される。分配器１２の出力信号は、２つに分岐し、一方は送信信号としてミキサ１３へ、他方は局部発振信号としてミキサ１７へ分配される。
【００２２】
送信信号は、ミキサ１３にて発振器１６より出力される周波数６００ｋＨｚの変調信号で変調され、パワーアンプ（ＰＡ）１４およびサーキュレータ１５を経由して、アンテナ３から所望の電力量で数ｍ離れた振動センサ２へ搬送波５として送信される。このとき、振動センサの共振周波数６０ｋＨｚに対し１０倍以上の周波数の変調信号で変調することで、後述する同期検波の際に、容易に同期検波信号が得られ、振動センサの６０ｋＨｚの振動信号を検出することができる。
【００２３】
上述したように、変調信号は、振動センサの共振周波数より十分高くする必要があり、特に再現性や実用性を考慮すると、１０倍以上とするのが好ましい。さらに、変調信号は、質問器と振動センサ間の伝播距離に対して、１０倍以上の波長を有する周波数とするのが好ましい。これは、伝播距離に対して、搬送波および反射波の位相変化を無視できる大きさの変調信号とするためである。本実施の形態において、質問器と振動センサ間の伝播距離は数ｍを想定しており、６００ｋＨｚの波長はおよそ５００ｍで、伝搬距離の１０倍以上となり、位相変化を無視できる変調信号となっている。
【００２４】
振動センサ２のアンテナ４では、アンテナ３より送信された搬送波５を受信し、表面弾性波共振子のインピーダンス変化に応じた反射波６をアンテナ４から再放射する。つまり、このとき再放射する反射波６は、アンテナ３から送信された搬送波５が外部からの振動信号によって変調された信号を含んでいる。本実施の形態では、振動センサに外部からの振動が加えられた場合において、２．４５ＧＨｚを６００ｋＨｚで変調した搬送波５が、振動センサ２の共振周波数である６０ｋＨｚでさらに変調された反射波６が得られる。この反射波６は、アンテナ３で受信され、サーキュレータ１５を経由し、ミキサ１７にて、２．４５ＧＨｚの局部発振信号と混合され、６００ｋＨｚ帯の周波数の信号に変換（ダウンコンバート）される。
【００２５】
ミキサ１７の出力信号は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１８および増幅回路（ＡＭＰ）１９に入力され、狭帯域（６００ｋＨｚ±６０ｋＨｚ）に帯域制限し増幅される。増幅回路１９の出力信号は、２つに分岐し、ミキサ２０およびミキサ２１に入力される。増幅回路１９の出力信号が、同期検波に使用する入力信号となる。このため、発振器１６の出力信号から容易に同期検波の参照信号が得られる。
【００２６】
以下、同期検波を用いた、反射波の復調方法、すなわち振動の検知方法について説明する。
【００２７】
ミキサ２０では、増幅回路１９の出力信号（同期検波の入力信号）と発振器１６の出力信号（同期検波の参照信号）が乗算処理され６０ｋＨｚ帯の周波数の信号にダウンコンバートされる。そして、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３で帯域制限され、６０ｋＨｚの信号が得られる。同様に、ミキサ２１では、増幅回路１９の出力信号（同期検波の入力信号）と、発振器１６の出力信号（同期検波の参照信号）を移相回路２２で９０°移相された信号とが乗算処理され、６０ｋＨｚ帯の周波数の信号にダウンコンバートされる。そして、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２４で帯域制限され、さらに、移相回路２５で９０°移相される。
【００２８】
バンドパスフィルタ２３の出力信号および移相回路２５の出力信号は、それぞれ、減算回路２６および加算回路２７に入力される。この減算回路２６および加算回路２７における信号処理により、反射波６をＵＳＢ（上側帯波）成分およびＬＳＢ（下側帯波）成分に分離した信号が得られる。さらにＵＳＢ成分およびＬＳＢ成分からなる２つの信号成分は、それぞれ振幅検出回路２８および振幅検出回路２９で直流信号に整流され、コンパレータ３０およびコンパレータ３１に入力される。
【００２９】
コンパレータ３０およびコンパレータ３１は、予め所望の閾値を設定しており、振動センサ２で振動を検出した際にＯＮとなる。さらに、コンパレータ３０およびコンパレータ３１の出力信号は、ＡＮＤ回路３２に入力される。コンパレータ３０およびコンパレータ３１の出力信号が同時にＯＮとなったときのみ、ＡＮＤ回路３２の出力信号がＯＮとなり、振動センサ２で振動を検出したことをユーザに通知する。
【００３０】
このように信号処理することによって、ＬＳＢ帯域、またはＵＳＢ帯域に妨害波が混入した際は、どちらか一方に対応するコンパレータのみがＯＮとなり、ＡＮＤ回路３２はＯＦＦであるため、誤報とはならない。したがって、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑えることができる。
【００３１】
本実施の形態では、振動センサへ送信する搬送波を、振動センサの共振周波数の１０倍以上の周波数の変調信号で変調し、表面弾性波共振子からの反射波を変調信号の周波数にダウンコンバートおよび帯域制限して、同期検波信号を取得することにより、妨害波の影響を軽減することができる。
【００３２】
すなわち、本発明により、容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムの提供が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  質問器
２  振動センサ
３、４  アンテナ
５  搬送波
６  反射波
７  圧電体基板
８  櫛歯電極
９  支持基板
１１、１６  発振器
１２  分配器
１３、１７、２０、２１  ミキサ
１４  パワーアンプ
１５  サーキュレータ
１８、２３、２４  バンドパスフィルタ
１９  増幅回路
２２、２５  移相回路
２６  減算回路
２７  加算回路
２８、２９  振幅検出回路
３０、３１  コンパレータ
３２  ＡＮＤ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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