(57)【要約】【課題】  振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合にも、誤判定を生じにくい振動検知方法を提供すること。【解決手段】  シングルポート表面弾性波共振子を備えるバッテリーレス振動センサと、質問器とを使用し、バッテリーレス振動センサに与えられる機械振動に応じてバッテリーレス振動センサからの反射波に生じる変化に基づいて振動現象を検知する振動検知方法であって、反射波のＦＦＴ演算により算出される第一のデータ列の絶対値をＩＦＦＴ演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている検知すべき振動の基準となる基準データ列との間の相関係数を求め、その相関係数を予め定めた相関係数の閾値と比較することにより、検知すべき振動の有無を判定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーレス振動センサと、質問器とを使用し、前記バッテリーレス振動センサは、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極とを有するシングルポート表面弾性波共振子と、前記圧電体基板を支持する支持基板とを備え、前記圧電体基板は片持ち梁状に前記支持基板に支持されて片持ち梁振動子を構成し、前記片持ち梁振動子の品質係数Ｑ値は５０〜３，０００であり、前記バッテリーレス振動センサを対象物に取付け、前記質問器は、前記バッテリーレス振動センサに対して連続送信波を送出する一方で、前記バッテリーレス振動センサの前記シングルポート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バッテリーレス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振動検知方法であって、前記反射波のＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算により算出される第一のデータ列の絶対値をＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている検知すべき振動の基準となる基準データ列との間の相関係数を求め、前記相関係数を予め定めた相関係数の閾値と比較することにより、検知すべき振動の有無を判定することを特徴とする振動検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルポート表面弾性波共振子を備えたバッテリーレス振動センサを利用して、対象物の振動を検知する振動検知方法に関し、特に物体の破壊現象に伴う数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ帯のＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）波を検出する振動検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、或いは設備や工作機械の異常振動検知に利用されている。
【０００３】
従来、ガラス等の破壊現象において生じるＡＥ波の振動のように瞬時的な振動を検出可能な振動検知システムおよび振動センサが特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の振動検知方法は、シングルポート表面弾性波共振子を備えたバッテリーレス振動センサにより、対象物の破壊や変形に伴って発生するＡＥ波を検知する振動検知方法である。この振動検知方法は、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を応用している。質問器から搬送波を送出して、対象物に取り付けた振動センサのシングルポート表面弾性波共振子からの反射波の変化を監視し、対象物の振動現象に伴って反射波に生じる変化に基づいて対象物の振動現象を検知する方法である。この方式の振動検知方法は、振動センサの部分に電源や信号処理回路が不要であるので、振動センサの小型化、低背化に好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３４５９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、検知対象である振動現象の周波数や時間変化と類似した電磁ノイズが混入した場合、それらを弁別することが困難である。例えば、特許文献１の振動検知方法は、質問器から送出される搬送波に対して、振動信号によって変調された反射波を監視し、その反射波の特定周波数における強度と時間変化量から、対象となる振動事象の有無を判定する方法であるので、搬送波と同一の周波数帯に存在する無線機器や電子機器より発せられる電磁ノイズがアンテナを経由して質問器に混信すると誤判定を生じやすいという課題がある。特に、振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合が問題となる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合にも、誤判定を生じにくい振動検知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明による振動検知方法は、バッテリーレス振動センサと、質問器とを使用し、前記バッテリーレス振動センサは、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極とを有するシングルポート表面弾性波共振子と、前記圧電体基板を支持する支持基板とを備え、前記圧電体基板は片持ち梁状に前記支持基板に支持されて片持ち梁振動子を構成し、前記片持ち梁振動子の品質係数Ｑ値は５０〜３，０００であり、前記バッテリーレス振動センサを対象物に取付け、前記質問器は、前記バッテリーレス振動センサに対して連続送信波を送出する一方で、前記バッテリーレス振動センサの前記シングルポート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バッテリーレス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振動検知方法であって、前記反射波のＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）演算により算出される第一のデータ列の絶対値をＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：逆高速フーリエ変換）演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている検知すべき振動の基準となる基準データ列との間の相関係数を求め、前記相関係数を予め定めた相関係数の閾値と比較することにより、検知すべき振動の有無を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように、本発明の振動検知方法に用いるバッテリーレス振動センサの基本的構造は、特許文献１に記載の従来のバッテリーレス振動センサと同様であるが、本発明では、圧電体基板による片持ち梁振動子の品質係数Ｑ値を、実用的な感度が得られるように５０以上とし、かつ、製造上の再現性を得やすいように３，０００以下としている。さらに、本発明では、従来のように、シングルポート表面弾性波共振子からの反射波の波形から直接的に振動を検知して判断するのではなく、検出波形の演算処理を行った後、基準波形との相関を取ることによって判断を行っている。すなわち、反射波のＦＦＴ演算により算出される第一のデータ列の絶対値をＩＦＦＴ演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている基準データ列との間の相関係数を求め、その相関係数と予め定めた閾値とを比較することにより振動の有無を判定している。
【０００９】
上記のようなＦＦＴとＩＦＦＴの演算処理を行うことにより、質問器に入力された反射波の波形の特徴が明確に抽出されるので、それを検知すべき振動の基準波形と比較することにより、検出された信号が検知すべき振動による反射波であるか、電磁ノイズであるかを弁別することができる。
【００１０】
以上のように、本発明により、振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合にも、誤判定を生じにくい振動検知方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサの構造を模式的に示す斜視図。
【図２】本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサと質問器とから成る振動検知システムのシステム構成図。
【図３】本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いる質問器のブロック構成図。
【図４】本発明による振動検知方法の一実施の形態における信号処理のフローチャート図。
【図５】検知対象となる振動の振動波形の一例を示す図であり、ガラスを割ったときに生成する破壊振動による破壊信号を示す図。
【図６】妨害波が存在する場合の質問器のバンドパスフィルタからの出力信号、すなわち時間応答波形の一例を示す図。
【図７】質問器のバンドパスフィルタからの出力信号をＦＦＴ演算処理した第一のデータ列の一例を示す図。
【図８】第二のデータ列の一例を示す図。
【図９】基準データ列と第二のデータ列との間の相関関係の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する
【００１３】
図１は、本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサの構造を模式的に示す斜視図である。図１において、バッテリーレス振動センサ１は、圧電体基板４と圧電体基板４上に形成された櫛歯電極３とを有するシングルポート表面弾性波共振子と、圧電体基板４を支持する支持基板５とを備え、圧電体基板４は片持ち梁状に支持基板５に支持されて片持ち梁振動子を構成し、前記片持ち梁振動子の品質係数Ｑ値は５０〜３，０００となっている。また、バッテリーレス振動センサ１は、櫛歯電極３と接続されたアンテナ２を備えている。バッテリーレス振動センサ１において、外部より圧電体基板４に振動が加わると圧電体基板４に歪が生じ、櫛歯電極３を構成する電極指間の距離と圧電体基板４を伝搬する弾性波の速度が変化し、その結果、シングルポート表面弾性波共振子のインピーダンスが変化する。ここで、圧電体基板４が支持基板５に支持されて構成された片持ち梁振動子の共振周波数は、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属するように設計されている。
【００１４】
図２は、本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサと質問器とから成る振動検知システムのシステム構成図である。図２において、バッテリーレス振動センサ１１としては、例えば図１に示したバッテリーレス振動センサ１を用いることができる。バッテリーレス振動センサ１１を対象物に取付け、質問器１２は、バッテリーレス振動センサ１１に対して連続送信波を送出する一方で、バッテリーレス振動センサ１１のシングルポート表面弾性波共振子からの反射波を監視し、対象物の振動現象に伴ってバッテリーレス振動センサ１１に与えられる機械振動に応じて反射波に生じる変化に基づいて対象物の振動現象を検知するものである。すなわち、バッテリーレス振動センサ１１のアンテナは、質問器１２より放射された送信波１３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１４を放射する。このとき放射される反射波１４は、外部振動によって送信波１３の搬送波が変調された波形となる。なお、質問器１２のアンテナには反射波１４以外にも、電磁ノイズなどの妨害波１５が入力する場合がある。
【００１５】
図３は、本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いる質問器のブロック構成図である。図３において、公知のＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）等から構成される送信部２４により送信周波数信号が生成され、分波器２５にて２つに分波され、一方は送信信号としてパワーアンプ２６へ送られ、他方は局部発信信号としてアッテネータ２３を経由してミキサー２１へ分配される。送信信号は、サーキュレータ２７を経由してアンテナ２８から所望の電力量で送信される。その送信波は、バッテリーレス振動センサに送られる。送信波に対するバッテリーレス振動センサからの微弱な反射波がアンテナ２８から受信され、サーキュレータ２７を経由してローノイズアンプ２０により増幅される。その後、ミキサー２１にてダウンコンバートされ、後段のバンドパスフィルタ２２にて振動信号を有する出力信号が取り出される。出力信号は信号処理部２９に入力され、以下の述べるような信号処理が行われる。
【００１６】
図４は、本発明による振動検知方法の一実施の形態における信号処理のフローチャート図である。図４において、まず、図３の質問器のバンドパスフィルタ２２を通過した出力信号から、その強度が予め設定されている閾値以上であり、且つ、その信号の継続時間が所定の時間以上である信号部分のデータ群を抽出する。次に、そのデータ群に対して所望のフレーム時間毎にＦＦＴ演算を実行し、第一のデータ列を作成する。その後、第一のデータ列の絶対値を算出し、ＩＦＦＴ演算を実行し、第二のデータ列を作成する。最後に、第二のデータ列と、検出すべき破壊によるＡＥ波の標準的な振動波形として予め記憶されている基準データ列との比較を行い、それらのデータ列間の相関係数が予め定めた相関係数の閾値以上である場合に、破壊信号を検知したと判断し、検知結果を出力する。
【００１７】
本発明においては、破壊信号を含んだ反射波が入力された時には、第二のデータ列と基準データ列との間で強い相関がみられ、電磁ノイズなどの妨害波が入力した時には基準データ列との相関がないので、バッテリーレス振動センサからの振動信号と周波数や時間変化の類似した妨害波を弁別することが可能となる。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明による振動検知方法の一実施の形態の具体的な実施例について説明する。
【００１９】
先ず、図１のバッテリーレス振動センサ１の実施例について説明する。圧電基板４としては、片持ち梁の張出し長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの水晶ＳＴカット基板を用いる。このときの片持ち梁振動子の共振周波数は６０ｋＨｚである。櫛歯電極３の電極指間隔は、シングルポート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とする。また、櫛歯電極３は、外部振動に対して、圧電体基板４の歪が最大となる支持部の近傍に配置する。加えて、アンテナ２は、シングルポート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する。圧電基板４による片持ち梁振動子の品質係数Ｑ値は、約１００である。なお、この品質係数Ｑ値は、圧電基板４と支持基板５との固定法等により、約５０〜３，０００の範囲で調整可能である。品質係数Ｑ値が５０以下では実用的な感度を得るのが困難であり、３，０００以上では製造上、再現性を得るのが困難となる。
【００２０】
本実施例では、図２において、質問器１２より放射される送信波１３の周波数は２．４５ＧＨｚ帯であり、バッテリーレス振動センサからの反射波は、搬送波である周波数２．４５ＧＨｚの信号が、片持ち梁振動子の共振周波数である６０ｋＨｚで変調された信号となる。
【００２１】
また、本実施例では、図３において、バンドパスフィルタ２２にて取り出される出力信号の中心周波数は、片持ち梁振動子の共振周波数である６０ｋＨｚとなる。
【００２２】
図５は、検知対象となる振動の振動波形の一例を示す図であり、ガラスを割ったときに生成する破壊振動による破壊信号を示す図である。破壊事象が発生してから約０．５ミリ秒間に大きな振動振幅がみられる。破壊振動の継続時間は、破壊される対象物の種類や構造等により、約０．１ミリ秒から数十ミリ秒と幅がある。このような破壊振動による信号、すなわち破壊信号の時間変化は、無線機器から混入してくる電磁ノイズ、すなわち妨害波の時間間隔と類似しているので、継続時間により破壊信号と妨害波を弁別することは困難である。また、破壊信号のエネルギーは、本実施例の圧電体基板の共振周波数である６０ｋＨｚを含む数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ帯に存在する。
【００２３】
図６は、妨害波が存在する場合の質問器のバンドパスフィルタからの出力信号、すなわち時間応答波形の一例を示す図である。図６のように、バッテリーレス振動センサからの反射波に含まれる破壊振動による振動信号の他に、無線機器から混入してくる妨害波が存在する。なお、図６において、振動信号は片持ち梁振動子によってその継続時間が拡大されている。
【００２４】
図７は、質問器のバンドパスフィルタからの出力信号をＦＦＴ演算処理した第一のデータ列の一例を示す図である。振動信号（図７において信号１）は、６０ｋＨｚ付近に急峻な共振特性がみられる。一方、妨害波（図７においてノイズ１）には６０ｋＨｚ付近と１２０ｋＨｚ付近に比較的高いピークがみられる。このため、周波数のフィルタリングによる振動信号と妨害波の弁別は困難である。
【００２５】
本実施例では、図４の信号処理フローチャートにおいて、先ず、質問器のバンドパスフィルタを通過した出力信号から、強度が予め設定されている閾値以上であり、且つ、その信号の継続時間が０．５ミリ秒以上であるデータ群を抽出する。次に、そのデータ群に対して、フレーム時間を０．１ミリ秒として、そのフレーム時間毎にＦＦＴ演算を実行し、第一のデータ列を作成する。その後、第一データ列の絶対値を算出し、ＩＦＦＴ演算を実行し、第二のデータ列を作成する。
【００２６】
図８は、第二のデータ列の一例を示す図である。図８において、破壊による振動信号の第二のデータ列（図８において信号１）は、不規則な妨害波の第二のデータ列（図８においてノイズ１）と比べると、特徴的な単調減衰曲線となっている。
【００２７】
最後に、第二のデータ列と、破壊信号の基準データ列との比較を行い、相関係数が０．８以上である場合に、破壊信号を検知したと判断する。図９は、基準データ列と第二のデータ列との間の相関関係の一例を示す図である。基準データ列（図９において信号１）と破壊信号の第二のデータ列（図９において信号２）との間の相関係数は０．９７である。一方、無線機器より混入する妨害波（図９においてノイズ１）は、基準データ列との間の相関係数は０．４５である。したがって、破壊信号に対しては、基準データ列との間で強い相関がみられ、妨害波の相関係数は小さいので、質問器に入射する周波数や時間変化が破壊信号と類似した妨害波を弁別することが可能となり、誤判定を生じにくい振動検知方法が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の振動検知方法は、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、或るいは設備や工作機械の異常振動検知に利用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１、１１  バッテリーレス振動センサ
２  アンテナ
３  櫛歯電極
４  圧電体基板
５  支持基板
１２  質問器
１３  送信波
１４  反射波
１５  妨害波
２０  ローノイズアンプ
２１  ミキサー
２２  バンドパスフィルタ
２３  アッテネータ
２４  送信部
２５  分波器
２６  パワーアンプ
２７  サーキュレータ
２８  アンテナ
２９  信号処理部
【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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