JP7005545B2 - センサモジュール - Google Patents

Description

本実施形態は、センサモジュールに関する。

設備や機械等から発生する異常振動の周波数成分と強さを検知し、異常の箇所と程度を判別することは、設備や機械の安全性と信頼性の確保や、保守実施の必要性を見極めることに対して非常に重要である。設置場所の制約を打破するために、小型のセンサモジュールが望まれている。小型のセンサモジュールでは、大型の電池を搭載することが難しい。このため、小型のセンサモジュールでは、センサモジュールの消費電力が高くなると、高頻度で電池交換が必要となる。したがって、長期間の動作が求められているセンサモジュールの場合、消費電力をできるだけ低減させる必要がある。

特開２０１８－１９００５３号公報

本実施形態は、異常振動の周波数成分と強さを特定できる低消費電力のセンサモジュールを提供する。

センサモジュールは、少なくとも１つのセンサと、少なくとも１つのスイッチとを有する。センサは、第１の電極が形成され、検出対象の振動の周波数で共振するように共振周波数が設定された第１の圧電素子を有する。スイッチは、第１の電極と接続された第２の電極と、第２の電極と電気的に分離された第３の電極とが形成された第２の圧電素子を有する。スイッチは、第１の圧電素子の共振によって第１の電極に生じた電圧が第２の電極を通して第２の圧電素子に印加されることによる第２の圧電素子の撓みによって動作する。

図１は、第１の実施形態に係るセンサモジュールの一例の構成を示す図である。 図２Ａは、センサモジュールに振動が発生していないときの図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図２Ｂは、センサモジュールに振動が発生しているときの図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図３は、ＣＭＯＳ回路の一例の構成を示すブロック図である。 図４は、第２の実施形態に係るセンサモジュールの第１の例の構成を示す図である。 図５は、第２の実施形態に係るセンサモジュールの第２の例の構成を示す図である。 図６は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第１の例の構成を示す図である。 図７は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第２の例の構成を示す図である。 図８は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第３の例の構成を示す図である。 図９は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第４の例の構成を示す図である。 図１０は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第５の例の構成を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るセンサモジュールの一例の構成を示す図である。センサモジュール１は、センサ２と、スイッチ３とを有する。また、図１では、示されていないが、センサモジュール１は、ＣＭＯＳ回路を有する。センサ２と、スイッチ３とは、センサモジュール１の検出対象とする振動の数に応じて設けられている。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。ここで、図２Ａは、センサモジュール１に振動が発生していないときの図である。図２Ｂは、センサモジュール１に振動が発生しているときの図である。

図２Ａに示すように、センサ２と、スイッチ３とは、１つの圧電素子１０を共有している。圧電素子１０は、例えば矩形状をした平板の圧電素子である。圧電素子１０の中央部は、ＣＭＯＳ回路４に固定されている。一方、圧電素子１０の両端部は、固定されていない。つまり、圧電素子１０は、中央部を境にして２つの圧電型の片持ち梁１０ａ、１０ｂを有している。片持ち梁１０ａ、１０ｂは１つの圧電素子から形成されなくてよい。つまり、片持ち梁１０ａ、１０ｂは別々の圧電素子から形成されてもよい。

センサ２は、２つの片持ち梁の内の一方、例えば片持ち梁１０ａと、センシング電極１１とを有する圧電型センサである。

片持ち梁１０ａは、センサ２毎に定められた検出対象の振動で共振するように共振周波数が設定された圧電型の片持ち梁である。片持ち梁１０ａの共振周波数は、例えば中央部から端部までの長さを設定することで設定される。片持ち梁１０ａは、共振周波数の振動に応じて撓むことで電圧を発生させる。

センシング電極１１は、片持ち梁１０ａの固定端部に形成されている。センシング電極１１は、片持ち梁１０ａの振動によって発生した電圧を受けるための電極である。

スイッチ３は、２つの片持ち梁の内のもう一方、例えば片持ち梁１０ｂと、駆動電極１２と、配線１３と、可動電極１４とを有する圧電型スイッチである。

駆動電極１２は、片持ち梁１０ｂの固定端部に形成されている。駆動電極１２は、センシング電極１１と、配線１３によって電気的に接続されている。駆動電極１２は、センシング電極１１から配線１３を介して印加された電圧を片持ち梁１０ｂに印加するための電極である。片持ち梁１０ｂは、駆動電極１２からの電圧印加に応じて図２Ｂで示すように撓む。

可動電極１４は、駆動電極１２と分離されて片持ち梁１０ｂに形成されている。可動電極１４は、図２Ｂに示すように片持ち梁１０ｂが撓んだときにＣＭＯＳ回路４に形成された固定電極１５と接触するように片持ち梁１０ｂに形成されている。

ＣＭＯＳ回路４は、センサ２でセンシングされた振動を信号処理する処理回路である。図３は、ＣＭＯＳ回路４の一例の構成を示すブロック図である。ＣＭＯＳ回路４は、固定電極１５と、データ処理回路１６と、無線送信回路１７とを有する。

固定電極１５は、可動電極１４と対向するように設けられている。固定電極１５は、１つのスイッチ３について、複数、図の例では３つ設けられている。固定電極１５は、可動電極１４との接触の程度、すなわち片持ち梁１０ｂの撓みの程度に応じた数だけオンするように構成されている。スイッチ３と固定電極１５とは、ＭＥＭＳスイッチを形成している。

データ処理回路１６は、固定電極１５の出力から、センサモジュール１に発生した振動の周波数と強さを抽出する。振動の周波数は、どのセンサ２に対応した固定電極１５から信号が出力されたかによって抽出される。また、振動の強さは、幾つの固定電極１５から信号が出力されたかによって抽出される。データ処理回路１６は、電気回路によってこれらの抽出を行ってもよい。また、データ処理回路１６は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等を有し、ソフトウェアによってこれらの抽出を行ってもよい。また、データ処理回路１６は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによってこれらの抽出を行ってもよい。

無線送信回路１７は、アンテナを有し、データ処理回路１６で抽出された振動の周波数と強さの情報を例えば一定間隔でセンサモジュール１の外部の例えばサーバに送信する。無線送信回路１７の無線通信方式は特に限定されるものではない。

以下、センサモジュール１の動作を説明する。センサモジュール１に振動が加えられたとき、その振動の周波数に近い共振周波数を有するセンサ２の片持ち梁１０ａが撓む。これにより、センシング電極１１に電圧が発生する。センシング電極１１に発生する電圧は、片持ち梁１０ａの撓み、すなわち加えられた振動の強さに依存する。

センシング電極１１において発生した電圧は、配線１３及び駆動電極１２を介して片持ち梁１０ｂに印加される。これにより、片持ち梁１０ｂは撓む。片持ち梁１０ｂが撓むことにより、可動電極１４に電圧が発生する。

片持ち梁１０ｂが撓むことにより、可動電極１４と固定電極１５とが接触する。これにより、固定電極１５から信号が出力される。片持ち梁１０ｂの撓みが小さい場合、すなわち加えられた振動が小さい場合には、可動電極１４と１つの固定電極１５とが接触する。片持ち梁１０ｂの撓みが中程度の場合、すなわち加えられた振動が中程度の場合には、可動電極１４と２つの固定電極１５とが接触する。さらに、片持ち梁１０ｂの撓みが大きい場合、すなわち加えられた振動が大きい場合には、可動電極１４と３つの固定電極１５とが接触する。

データ処理回路１６は、固定電極１５の出力から、センサモジュール１に発生した振動の周波数と強さを抽出する。前述したように、振動の周波数は、どのセンサ２に対応した固定電極１５から信号が出力されたかによって抽出される。また、振動の強さは、幾つの固定電極１５から信号が出力されたかによって抽出される。

無線送信回路１７は、データ処理回路１６で抽出された振動の周波数と強さの情報を例えば一定間隔でセンサモジュール１の外部の例えばサーバに送信する。例えばセンサモジュール１が動機械に取り付けられていれば、サーバは、無線送信回路１７から送信された振動の周波数と強さから、動機械に異常な振動が発生しているか否かを判定する。

以上説明したように本実施形態によれば、振動の検知に圧電型センサと圧電型スイッチとを組み合わせたセンサモジュールが用いられることで、センサの駆動に外部電源が不要である。また、センサの動作とスイッチの動作の何れも電力の消費がない。

また、複数の異なる共振周波数の圧電型センサを設けることにより、複数の振動の周波数成分を特定することができる。また、複数の異なる振動の周波数が一括で特定される。したがって、実施形態のセンサモジュール１は幅広い周波数を有する振動に適用できる。つまり、センサモジュール１は、振動の検知が可能な機器又は機械の種類が多い。

また、スイッチには、圧電型のＭＥＭＳスイッチが用いられている。ＭＥＭＳスイッチの利点は、高精度の０Ｈｚ／ＤＣ性能及び広帯域ＲＦ性能を両立し、リレーよりも高い信頼性を、表面実装型の小さいフォーム・ファクタにまとめることができことである。一般に、ＭＥＭＳスイッチの駆動電圧は、静電型ＭＥＭＳスイッチと比べて低い。あらゆるスイッチ技術において最も重要な性能指数は、１個のスイッチのオン抵抗にオフ容量を乗じた値である。これは一般にRonCoff積と呼ばれ、フェムト秒単位で表される。ＭＥＭＳスイッチは、ＣＭＯＳスイッチと比べてRonCoff積が小さい。このため、スイッチの挿入損失も小さくなり、オフ・アイソレーションが改善される。

また、実施形態では、可動電極との接触の程度によってオンする数の変わる複数の固定電極を備えたスイッチが設けられている。これにより、異常振動の強さ（例えば軽度、中度、重度）が特定され得る。また、データ処理回路１６にはスイッチのオン／オフの情報として信号が出力される。つまり、異常振動の強さの情報がデジタル信号の形で出力され。したがって、無線信号送信のためのＡ／Ｄ変換に必要となる電力も不要である。

［第２の実施形態］
第２の実施形態を説明する。図４は、第２の実施形態に係るセンサモジュールの第１の例の構成を示す図である。図４に示すように、第１の例のセンサモジュール１は、複数のセンサアレイ２ｍ（ｍ＝１，２，…）を有する。

１つのセンサアレイ２ｍは、ｎ個のセンサ２ｍｎ（ｍ＝１，２，…、ｎ＝１，２，…）を有している。センサ２ｍｎは、第１の実施形態と同様の片持ち梁１０ａｍｎを有する圧電型センサと片持ち梁１０ｂｍｎを有する圧電型スイッチが組み合わされたセンサである。ここで、第２の実施形態では、片持ち梁１０ａｍｎの共振周波数はセンサアレイ２ｍ毎に同一に設定されている。また、１つのセンサアレイ２ｍに含まれるセンサ２ｍｎのセンシング電極１１ｍｎ（ｍ＝１，２，…、ｎ＝１，２，…）は、配線１３ｍｎを介して電気的に直列に接続されている。

また、それぞれのセンサ２ｍｎは、配線１３ｍｎ（ｍ＝１，２，…、ｎ＝１，２，…）を介して対応するスイッチ３ｍｎ（ｍ＝１，２，…、ｎ＝１，２，…）の片持ち梁１０ｂｍｎに形成された駆動電極１２ｍｎ（ｍ＝１，２，…、ｎ＝１，２，…）に接続されている。片持ち梁１０ｂｍｎには、さらに可動電極１４ｍｎが形成されている。

第２の実施形態の第１の例では、第１の実施形態と同様にセンサ及びスイッチの消費電力をゼロとして複数の振動の周波数成分を特定することができる。さらに、第２の実施形態の第１の例では、センシング電極１１ｍｎが直列に接続されている。このため、１つのセンサアレイ２ｍに含まれるセンシング電極１１ｍｎで受けられる電圧は、それぞれのセンシング電極１１ｍｎに発生した電圧の総和になる。したがって、それぞれのセンサ２ｍｎに加えられた振動が小さくても、振動が検出され得る。このため、第２の実施形態の第１の例では、異常振動の大きさの検出精度が向上される。

図５は、第２の実施形態に係るセンサモジュールの第２の例の構成を示す図である。図５に示すように、第２の例の圧電型センサは、複数のセンサアレイ２ｍ（ｍ＝１，２，…）を有する。この点は、第１の例と同様である。

第２の例では、センサ２ｍｎの一定間隔毎に、図では１つ間隔毎に、センサ２ｍｎがスイッチ３ｍｏ（ｍ＝１，２，…、ｏ＝１，３，…、）に接続されている。間隔は、１つ間隔に限定されるものではない。

第２の実施形態の第２の例であっても、第１の例と同様に異常振動の大きさの検出精度が向上される。さらに、第２の例では、ＭＥＭＳスイッチの数を減らすことができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態を説明する。第１の実施形態及び第２の実施形態では、圧電型センサと圧電型スイッチの双方が圧電性を有する片持ち梁によって構成されているとしている。これに対し、圧電型センサと圧電型スイッチは、必ずしも片持ち梁によって構成される必要はない。

図６は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第１の例の構成を示す図である。図６は、第２の実施形態の第１の例で説明したセンサモジュール１の１つのセンサアレイ２ｍの構成を示している。図６では、１つのセンサアレイ２ｍのｎ個の片持ち梁型のセンサの代わりに、メンブレン型のセンサ２ａが用いられている。センサ２ａのメンブレン１０ｃには、例えば、分割されたｎ個の環状のセンシング電極１１が形成されている。それぞれのセンシング電極１１は、配線１３を介してスイッチ３の駆動電極１２に接続されている。また、それぞれのセンシング電極１１は、配線１３を介して直列に接続されている。一方、スイッチ３は、第２の実施形態で説明した片持ち梁型のスイッチである。つまり、スイッチ３は、駆動電極１２と可動電極１４とを有する。

図７は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第２の例の構成を示す図である。図７は、第２の実施形態の第２の例で説明したセンサモジュール１の１つのセンサアレイ２ｍの構成を示している。図７では、１つのセンサアレイ２ｍのｎ個の片持ち梁型のセンサの代わりに、メンブレン型のセンサ２ａが用いられている。センサ２ａのメンブレン１０ｃには、例えば、分割されたｎ個の環状のセンシング電極１１が形成されている。第２の例では、センシング電極１１は、一定間隔毎に配線１３を介してスイッチ３の駆動電極１２に接続されている。また、それぞれのセンシング電極１１は、配線１３を介して直列に接続されている。スイッチ３は、第２の実施形態で説明した片持ち梁型のスイッチである。つまり、スイッチ３は、駆動電極１２と可動電極１４とを有する。

図８は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第３の例の構成を示す図である。第３の例では、片持ち梁型のセンサ２の代わりに両持ち梁型のセンサ２ｂが用いられている。センサ２ｂは、両端部が固定され、中央部が固定されていない両持ち梁１０ｄを有する。センシング電極１１は、両持ち梁１０ｄの固定端部に形成される。なお、図８において、両持ち梁型のセンサ２ｂは、メンブレン型のセンサに置き換えられてもよい。

また、第３の例では、片持ち梁型のスイッチ３の代わりに両持ち梁型のスイッチ３ｂが用いられている。スイッチ３ｂは、両端部が固定され、中央部が固定されていない両持ち梁１０ｅを有する。駆動電極１２は、両持ち梁１０ｅの固定端部に形成される。駆動電極１２は、配線１３を介してセンシング電極１１に接続されている。また、可動電極１４は、両持ち梁１０ｅの中央部に形成される。なお、図８において、両持ち梁型のスイッチ３ｂは、メンブレン型のスイッチに置き換えられてもよい。

図９は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第４の例の構成を示す図である。第４の例では、圧電型センサは、片持ち梁型のセンサ２である。一方、第４の例では、圧電型スイッチは両持ち梁型のスイッチ３ｂである。

図１０は、第３の実施形態に係るセンサモジュールの第５の例の構成を示す図である。第５の例では、圧電型センサは、両持ち梁型のセンサ２ｂである。一方、第５の例では、圧電型スイッチは、片持ち梁型のスイッチ３である。

以上説明したように第３の実施形態のように、片持ち梁型の圧電型センサ、両持ち梁型の圧電型センサ、メンブレン型の圧電型センサと、片持ち梁型の圧電型スイッチ、両持ち梁型の圧電型スイッチ、メンブレン型の圧電型センサとの任意の組み合わせが採用されても、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

ここで、第３の実施形態において、両持ち梁又はメンブレンが用いられるときには、固定部は２つに限らない。つまり、固定部は端部以外にあってもよい。この場合であっても、センシング電極と駆動電極とは、圧電素子における固定されている部分に設けられる。一方、可動電極は、圧電素子における固定されていない部分に設けられる。

［変形例］
以下、変形例を説明する。前述した実施形態では、圧電素子及び電極の形状は、矩形状又は環状である。これに対し、圧電素子及び電極の形状は、矩形状又は環状以外の任意の形状であってよい。

また、前述した実施形態では、圧電型センサの電圧を受けるスイッチに、圧電型スイッチと固定電極とを用いたＭＥＭＳスイッチが用いられている。これに対し、圧電型センサの電圧を受けるスイッチは、他のスイッチ、例えば圧電型スイッチに対向するように設けられた静電容量スイッチ又はＣＭＯＳスイッチに置き換えられてもよい。つまり、圧電型センサの電圧を受けるスイッチは、圧電型センサの出力電圧に応じた出力信号を出力できるスイッチであればよい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ センサモジュール、２ センサ、３ スイッチ、４ ＣＭＯＳ回路、１０ 圧電素子、１０ａ 片持ち梁、１０ｂ 片持ち梁、１０ｃ メンブレン、１０ｄ 両持ち梁、１０ｅ 両持ち梁、１１ センシング電極、１２ 駆動電極、１３ 配線、１４ 可動電極、１５ 固定電極、１６ データ処理回路、１７ 無線送信回路。

Claims (11)

1. 第１の電極が形成され、検出対象の振動の周波数で共振するように共振周波数が設定された第１の圧電素子を有する少なくとも１つのセンサと、
   前記第１の電極と接続された第２の電極と、前記第２の電極と電気的に分離された第３の電極とが形成された第２の圧電素子を有する少なくとも１つのスイッチと、
   を具備し、
   前記スイッチは、前記第１の圧電素子の共振によって前記第１の電極に生じた電圧が前記第２の電極を通して前記第２の圧電素子に印加されることによる前記第２の圧電素子の撓みによって動作するセンサモジュール。
2. 前記第３の電極と対向して設けられた第４の電極と、
   前記第４の電極と接続され、前記第４の電極の出力信号から、前記センサに加えられた振動の周波数と強さを抽出するように構成されたデータ処理回路と、
   前記データ処理回路で抽出された振動の周波数と強さの情報を無線で送信するように構成された無線送信回路と、
   をさらに具備する請求項１に記載のセンサモジュール。
3. 前記センサは、それぞれが検出対象の異なる複数の振動の周波数で共振するように共振周波数が設定された前記第１の圧電素子を有する複数のセンサであり、
   前記スイッチは、それぞれの前記センサに対応した複数のスイッチである請求項１又は２に記載のセンサモジュール。
4. 複数の前記センサが同一の共振周波数で共振する前記第１の圧電素子を有するセンサアレイを形成しており、
   前記センサアレイに含まれる複数の前記センサの前記第１の電極は直列に接続されている請求項１乃至３の何れか１項に記載のセンサモジュール。
5. 前記センサアレイに含まれる複数の前記センサの一定間隔毎に前記スイッチが設けられている請求項４に記載のセンサモジュール。
6. 前記第１の圧電素子又は前記第２の圧電素子は、片持ち梁型をしている請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサモジュール。
7. 前記第１の圧電素子又は前記第２の圧電素子は、両持ち梁型をしている請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサモジュール。
8. 前記第１の圧電素子は、メンブレン型をしており、
   前記第１の電極は、複数に分割されて前記第１の圧電素子に形成されている請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサモジュール。
9. 複数に分割された前記第１の電極は、直列に接続されており、
   複数に分割された前記第１の電極には、一定間隔毎に前記第２の電極が接続されている請求項８に記載のセンサモジュール。
10. 前記第３の電極と対向して設けられた静電容量スイッチをさらに具備する請求項１に記載のセンサモジュール。
11. 前記第３の電極と対向して設けられたＣＭＯＳスイッチをさらに具備する請求項１に記載のセンサモジュール。

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