村田电子：使用小型振动传感器件，实现设备状态预知检测

发布时间：2024-06-27 13:13
作者：AMEYA360
来源：村田电子
阅读量：646

　　株式会社村田制作所近日完成了贴片型振动传感器件“PKGM-200D-R”的商品化。该新产品已开始批量生产供应。

村田电子：使用小型振动传感器件，实现设备状态预知检测

　　以往FA行业实施的是计划性维护和事后维护，近年来预测性维护逐步受到关注。预测性维护使用各类传感器信息等预测可能发生故障的时间，以便事先采取措施。因此，可以避免因设备意外停机而造成的停机损失。此外，通过事先掌握维护时间，可以避免保有的维护零件过剩。

　　村田制作所推出的该新产品具有5.0x5.0x3.5mm的小体积，可作为传感器节点，后装在机械关键部件上使用。也可内置于导轨和轴承上。此外，内置的温度传感器可以检测设备的异常发热。搭载了村田长期积累研发的压电PZT陶瓷振动检测元件，可以不被噪声掩盖的检测出宽带宽的振动，并可以测量金属之间摩擦产生的高频成分的振动加速度(11kHz以内)。对于旋转轴承，通过对润滑脂耗尽或轴承表面小划痕的振动数据进行FFT解析(Fast Fourier Transform解析，即频率解析)，可以诊断具备振动原因特征的频率，也可以检测微小的异常，从而检测到与正常状态的差异，并在尽可能早的阶段预测可能发生故障的时间。

　　主要特点

　　1. 可进行宽带宽Z轴方向的检测

　　2. 内置驱动电

　　3. 用于降噪的差分输出

　　4. 搭载温度传感器

　　主要规格

村田电子：使用小型振动传感器件，实现设备状态预知检测

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　　传感器是“IoT (Internet of things)”和“自动驾驶”的重要元件，今后也将广泛地搭载于各种机器设备上。各种传感器的性能提升显著，能够将信息更多更精细地传送。另一方面，我们也看到一些由于传感器感知到的信息没有被正确地传送出去而造成了严重的事故。　　为了避免噪声导致的误操作，各种传感器的静噪对策非常重要不可或缺。　　随着MEMS技术的发展，现在One chip传感器已经成为主流。为此，本文将以One chip传感器(数字输出型)为例，探讨误操作发生的原理和静噪对策方法。　　02、噪音如何导致传感器误操作?　　One chip传感器主要由信号、电源、GND三种线构成。而信号线是用了时钟和数据等多根线进行通信的。考虑各根线在施加了噪声后的影响。　　向数字信号线施加噪声时，噪声引起的超过高/低阈值而被误判断时，无法正常通信从而发生误操作(下图)。实际为加速度传感器的数字信号线加入噪声做评估，确认通信会发生停止。　　模拟前端包含增幅电路和A/D转换电路，当这些电路的电源变动没有正常工作时，会输出异常值从而发生误操作(下图)。实际为加速度传感器的电源线加入噪声做评估，确认输出会出现紊乱。　　从上面两种情况可以看出，One chip传感器的信号线或电源线施加噪声时，会发生通信停止或输出值紊乱的误操作。　　本文即为您介绍一种使用EMI滤波器抑制噪声传播的有效方法。　　03、静噪对策：要点及推荐电路　　用于传感器静噪对策的滤波器要求满足以下条件：　　通过设备工作所需的电源或信号线;　　屏蔽造成误操作的噪声。　　One Chip传感器有许多种类和型号，针对造成误操作的噪声所需的滤波器也各有不同。这是因为对滤波器所要求的2个条件，与传感器是相通的：　　通过设备工作所需的电源或信号线：　　→One Chip传感器的接口(IC引线)统一化;　　屏蔽造成误操作的噪声：　　→施加的噪声是抗扰性测试规格内的。　　此外，滤波器的贴装位置在传感器附近效果较好。　　电源线的静噪对策，适合从低频到高频的宽幅带宽下插入损耗较大的滤波器。　　仅使用电容器的情况下，需要低频端的大容量电容器和为获得高频端插入损耗的低ESL电容器。　　使用电容器和电感器组合的情况下，可使插入损耗显著增加。传感器比电感器配置足够的容量，构成多段结构，可形成有效的静噪滤波器。　　信号线的静噪对策：作为信号线(数据/时钟)的静噪对策，通过的信号频率需要插入损耗小的滤波器。　　噪声级别小或信号和噪声的频率相差大的情况下，可以只用电容器进行降噪，但如果信号频率和噪声频率相近时，需要电感器和电容器组合来构成插入损耗陡峭的滤波器。　　信号线的静噪对策　　需要注意的是，将电感器插入特定线时，线路变得不平衡而转换成普通模式(电位差)，误操作可能进一步恶化。插入电感器时很重要的一点是，全线使用同一型号。铁氧体磁珠是电感型滤波器，不仅具有高阻抗可以阻止噪声，铁氧体还能够吸收噪声能量，可以得到更好的静噪效果。　　推荐电路　　用于数字One chip传感器的接口一般有I2C和SPI两种。这里，我们针对One chip传感器，推荐静噪对策滤波器和相应电路。　　I2C对象接口：　　其信号频率为100kbps(50kHz)、400kbps(200kHz)、3.4Mbps(1.7MHz)等等，最大約为2MHz;　　其截止频率(信号频率×5)为10MHz。　　I2C接口推荐电路　　I2C接口信号线插入损耗　　I2C接口电源线插入损耗　　SPI对象接口：　　其信号频率信号频率1～2Mbps(1MHz)、20Mbps(10MHz)等等，最大 10MHz;　　其截止频率(信号频率×5)50MHz。　　SPI接口推荐电路　　SPI接口信号线插入损耗　　SPI接口电源线插入损耗　　用于数字One chip传感器的接口，无论是I2C还是SPI，信号频率并不是一定的，如果滤波器需要对应的截止频率I2C为10MHz，SPI为50MHz，适合使用上述滤波器。　　04、应用事例　　下面，我们以“车载设备用的传导抗扰度规定BCI测试”为设想来介绍防止传感器误操作的对策。　　以车载设备为例研究传感器误操作发生的情况对电源线和信号线的噪声影响。　　电源线的静噪对策　　传感器的电源线受噪声影响，会发生传感器输出值的异常(输出误差)。将注入电源线的噪声级固定，对对策前后的输出误差的大小进行调查。传感器输出值发生误操作的起因是“电源线的常态噪声”，在传感器附近插入0.1uF的低ESL电容器。这样一来，传感器的输出误差降到了1%以下。　　电源线的静噪对策事例　　需要进一步静噪对策时，像前文介绍的，可运用电感器和电容器组合成π型滤波器进行对策。　　信号线的静噪对策事例　　传感器的信号线收到噪声影响，传感器的通信会发生停止。提高注入的噪声水平，调查能够正常工作(不发生误操作)的水平极限。　　初期：误操作耐性根据频率不同而明显不同。(此事例为100MHz和250MHz，耐性较低。)　　对策①，追加电容器改善100/250MHz的耐性　　对策②，用铁氧体磁珠和电容器构成滤波器改善200/250MHz的耐性　　对策③，为了取得平衡，将π型滤波器加在电源线，GND线上追加铁氧体磁珠，从而改善全频率范围的耐性　　可看到使用对策③(推荐电路)，全频带的噪声耐性良好(下图)：　　信号线的静噪对策事例对比　　05、总 结　　本文介绍了传感器噪声对策的必要性和推荐电路，以及可能的难点。村田制作所能够为您提供上述“噪声造成传感器误操作的原理”和“对策事例”中介绍的产品。
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　　株式会社村田制作所研发了用于村田压电薄膜传感器Picoleaf™的评估板“EVK-v2”。相较以前的评估板，通过添加瑞萨电子的可编程混合信号集成电路IC GreenPAK™以及可直观操作的GUI(Graphical User Interface，用户界面)，允许用户通过鼠标或触摸面板等直观地向电脑发出指令，使得本评估板可更简单地实现Picoleaf验证功能，助力产品高效开发。本评估板将从2024年10月开始提供。　　村田的压电薄膜传感器Picoleaf是一款厚度低于0.2mm的薄型传感器，可高灵敏度地进行按压检测、体征信号检测和动作检测。旧评估板的输出模拟信号放大倍率是固定的，且在更改on/off判定阈值时需要改写源代码。因此，如果客户需要调整灵敏度，会使功能验证过程变得复杂。　　鉴于此，村田开发了本评估板，它能够改变picoleaf传感器输出模拟信号的放大倍率，并将其转换为微处理器可识别的数字信号通过采用瑞萨公司的GreenPAK IC，该评估板可同时连接4ch传感器。并且通过追加GUI功能，可以动态切换放大倍率、变更on/off判定输出的阈值、显示输出的模拟信号等。本评估板可更方便地进行Picoleaf评估，有助于产品的高效开发。      主要规格　　主要特点　　Picoleaf™是一款利用村田制作所专有的压电技术实现的柔性薄型压电薄膜传感器，使用聚乳酸(PLA)材料制成，可以检测“弯曲”、“扭转”、“压力”和“振动”。　　该新型传感器，厚度小于或等于0.2mm，即使与显示器或触摸屏组合使用也能节省空间;柔性结构，即使在带有曲面的高设计性设备上也能沿曲面粘贴。此外，还能用于包裹在圆柱体上那样的特别形状;另外，还可用于用水的场所(比附卫生间、厨房等)或水下检测压力，使用在洗衣机等使用水的设备;picoleaf还可在金属外壳上使用，创建无缝按钮。　　该传感器具有高灵敏度，可以检测1µm量级的微小位移。单个传感器可以检测显示器整个表面上的压力。此外，还可用于检测无意识的肌肉颤抖、抓握和脉搏等生物信号。　　该类传感器属于非热释电性，具有不因温度变化极化的物性，不存在因体温、日照或半导体等发热而引起的漂移，所以可遏制因热而产生的噪声。另外，传感器本身功耗为0，驱动放大电路也可以设计成低消耗电流(10uA左右)。而且，Picoleaf™属于环境友好材料，采用从植物中萃取的聚乳酸为原料的环境友好有机压电薄膜。它是一种碳中性材料，在它的制造、废弃和分解的生命周期中不会增加大气中的CO2，有助于实现SDGs。此外，它是符合欧洲RoHS指令的无铅产品。
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　　株式会社村田制作所扩充了移动设备专用与车载专用的0603M尺寸(0.6×0.3×0.3mm)过热检测用PTC热敏电阻的系列产品，追加了标称电阻1kΩ系列，感知温度105℃、115℃的产品。本产品预定从10月起开始批量生产。　　PTC热敏电阻是Positive Temperature Coefficient Thermistor的缩写，PTC阻值在温度超过一定温度后剧烈上升，因此可在电路中起到过热保护的功能。　　随着智能手机和平板终端等移动设备的高功能化和小型化，电子部件的安装数量也不断增加。此外，在通信速度得到飞跃性提高的5G环境下，每个部件需要在单位时间内处理的信息量显著增加，部件的高负载带来发热量的激增，因此对过热检测部件的需求越来越高。　　此外，在符合AEC-Q200标准的车载用途中，随着LED插座的小型化需求增加，其内部用于过热检测的部件也有小型化趋势。　　鉴于此，村田通过改进陶瓷原料的成分和烧制技术，成功研发了标称电阻1kΩ系列的超小型0603M尺寸(0.6×0.3×0.3mm)产品。与旧型号PRF15系列(1005M尺寸)相比体积缩小约80%，贴装面积缩小了约70%。　　此外，这是村田PRF系列中首款使用无铅原料的无Pb产品，因此也有助于减少环境负荷。　　主要特点　　1.作为移动设备专用标称电阻1kΩ系列，实现超小型0603M尺寸，为高密度贴装和节省电路板空间做贡献;　　2. PTC热敏电阻体积小，可高速响应;　　3. 使用无铅原料的无Pb产品;　　4. 无触点，不会发生开启/关闭时的干扰;　　5. 使用无铅原料的无Pb产品;　　6. 不需要复杂的电路结构，可削减部件数量;　　7. 检测发热后，如果恢复正常温度便会自动返回原来的电阻值，可反复使用;　　8. 室温(25℃)的电阻值1kΩ、感知温度105℃、115℃的电阻值10kΩ.　　对于确保电子元件的最佳性能和防止电子元件因受热而损坏，热管理是一项十分重要的技术。有关村田PTC热敏电阻的应用说明和推荐IC，可参考：东芝的Thermoflagger™过温检测IC与PTC热敏电阻结合使用，提供过温保护解决方案的案例。　　今后，村田将继续扩充温度传感产品系列，以满足市场对高密度贴装和小型化的需求，并为此做出贡献。
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村田电子：更适合薄型设计应用场景的3.3V输入、12A输出的DCDC转换IC
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村田电子：更适合薄型设计应用场景的3.3V输入、12A输出的DCDC转换IC

　　株式会社村田制作所面向1.2mm以下的低矮应用，开发了可以3.3输入电压输出上限12A的高效率DC-DC转换器IC“FlexiBK系列(PE24110)”。本产品以4.0×3.2mm的QFN(Quad Flat No leaded package)封装提供，适合1.2mm以下的薄型应用。　　近年来，在通信基础设施市场，ASIC/DSP的消耗电流持续增加，而核心电压呈下降的趋势。传统方式的DC-DC转换器的占空比(1)变窄，转换效率显著降低，因此要求不依赖于输入输出电位差，便可实现高效转换的DC-DC转换器。　　为此，在薄型POL(2)稳压器及要求高密度安装的光传输模块、核心电源、ASIC/FGPA等对安装面积和高度进行限制的应用中，村田开发了大幅降低对电感器尺寸的依赖并实现高效率的本产品。除融合了自主研发的电荷泵技术(3)与传统DC-DC转换器电路的两级架构创新电路方式外，通过构成2相交错方式(4)，实现了89%的高效率。输入电压范围为3.0V至3.45V，可提供每台设备12A的输出电流。可根据外部反馈电阻在0.35 V至0.7 V之间调整输出电压。　　主要特点　　输出电流上限12A　　峰值转换效率89%(使用3.3V输入、0.5V输出、高度1.2mm电感器时)　　采用交错方式，实现了极低的输入输出波纹和噪声特性　　经由外部DAC的自适应电压调节(AVS)功能　　至多可并列运行4台设备　　内置FET开关　　电源模块事业部 低功率商品部 部长 三上修司的评论：“为了解决客户面临的电力相关问题，我们开发了薄型高效率降压型DC-DC转换器。PE24110在峰值效率、输出电流和输出电压等方面都有非常出色的表现，为低输出电压应用提供了理想的电源解决方案。”　　注释：　　占空比：通电时间相对于总循环时间所占的比例。当为直流-直流(DC-DC)转换器时，由输入电压与输出电压比决定。　　POL：Point of Load的缩写。作为专用电源电路配置在FPGA及ASIC等电子设备附近的DC-DC转换器。　　电荷泵技术：由电容器和半导体开关构成的电压转换电路。　　交错方式：让并联配置的相同电路网依次工作而不会重复的电路方式。　　本产品以4.0×3.2 mm的QFN(Quad Flat No leaded package)封装提供。该产品现在还可获取样品，有关评估套件和量产部件，请咨询地区的销售负责人。
2024-09-19 17:20 阅读量：666
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