JP2001141512A

JP2001141512A - 物理量センサ

Info

Publication number: JP2001141512A
Application number: JP32580099A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Arai; 賢一荒井; Kazuyuki Ishiyama; 和志石山; Mitsuteru Inoue; 光輝井上; Eigaku Kin; 栄学金; Atsushi Itagaki; 篤板垣; Tetsuo Yoshida; 哲男吉田
Original assignee: RYOWA DENSHI KK; Tokin Corp
Current assignee: RYOWA DENSHI KK; Tokin Corp
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】離れた位置における物理量の検出を行うことを
可能にした物理量センサを提供する。【解決手段】外部発振器１０からの発振出力を受けるコ
イル１２によって発生した磁界と電磁結合するコイル２
１に誘起した電圧を整流回路２３にて整流した整流出力
を駆動エネルギーとし、かつコンデンサ３２と温度変化
をインダクタンス変化に変換するコイル３３と増幅回路
３１からなる発振器で構成した物理量検出部３で温度を
検出し検出温度に基づく周波数の出力信号を物理量検出
部３から出力させる。物理量検出部３から出力される出
力信号の周波数に基づいてＦＥＴ４２をオンオフさせて
コイル２１に選択的にドレイン負荷抵抗４１を並列接続
してコイル２１のインピーダンスを実質的に変化させる
ことにより、コイル２１に流れる電流をＡＭ変調し、コ
イル１２に流れる電流をＡＭ復調し、ＡＭ復調出力によ
り物理量検出部３からの出力信号の周波数を検出するこ
とにより温度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度、圧力、加速
度などの物理量を周波数に変換して遠隔位置で検出する
物理量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の物理量センサ、例えば温度センサ
の場合、被測定体の温度を計測するために被測定体に温
度センサである温度計を接触させて行っている。しか
し、被測定体が温度センサと直接接触ができない離れた
位置に存在している場合には、温度検出は困難になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような場合、赤外
線センサ等を利用して温度検出が行われるが、この方法
では被測定体の表面温度しか検出することができないと
いう問題点がある。例えば、生体深部等の温度を検出す
ることはきわめて困難である。また、温度に限らず、圧
力、加速度などについても同様である。

【０００４】また、遠隔位置で物理量を計測する場合、
検出物理量を伝送するために、物理量センサが大型化し
て、前記の生体深部における温度を検出することが困難
であるという問題点があった。

【０００５】本発明は、離れた位置における物理量の検
出を行うことを可能にした物理量センサを提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１にかか
る物理量センサは、外部発振器からの発振出力を受ける
第１のコイルによって発生した磁界と電磁結合する第２
のコイルに誘起した電圧に基づいて駆動エネルギーを供
給するエネルギー供給手段と、エネルギー供給手段から
供給された駆動エネルギーを駆動源とし、かつ物理量を
検出して検出物理量に基づく周波数の出力信号を出力す
る物理量検出手段と、物理量検出手段から出力される出
力信号の周波数に基づいて第２のコイルのインピーダン
スを実質的に変化させて第２のコイルに流れる電流を変
調する変調手段とを備え、第２のコイルに流れる電流に
基づいて変化する第１のコイルに流れる電流を復調し、
復調出力により物理量検出手段から出力される出力信号
の周波数を検出することを特徴とする。

【０００７】本発明の請求項１にかかる物理量センサに
よれば、外部発振器からの発振出力を受ける第１のコイ
ルにより発生した磁界と電磁結合する第２のコイルに誘
導電圧が誘起され、この電圧が駆動エネルギーとされ、
この駆動エネルギーを受けて物理量検出手段が動作す
る。したがって物理量検出手段が動作するためのエネル
ギー源が物理量センサの内部に不要となる。物理量検出
手段により検出された物理量に基づく周波数の出力によ
り第２のコイルのインピーダンスが実質的に変化させら
れて第２のコイルに流れる電流が変調される。したがっ
て、第２のコイルに流れる電流は検出された物理量に基
づく周波数で変調される。

【０００８】この結果、第２のコイルに流れる変調され
た電流に基づいて、第２のコイルと電磁結合している第
１のコイルに流れる電流が変化し、第１のコイルに流れ
る電流が復調回路により復調されて、復調出力により物
理量検出手段からの出力の周波数、すなわち物理量が検
出される。

【０００９】したがって、外部発振器及び復調回路は外
部設置であって、被測定体から物理量を検出するために
はエネルギー発生部分とエネルギー供給手段とは電磁結
合で済み、その容積は小さくでき、例えば生体深部の物
理量の検出が可能となる。

【００１０】また、本発明の物理量センサにおいて、外
部発振器にて、エネルギー供給手段を構成する回路から
決定される特定の周波数の発振をさせることにより、エ
ネルギー供給手段へのエネルギーの伝達効率を高めるこ
とができる。

【００１１】本発明の請求項２にかかる物理量センサ
は、請求項１に記載の物理量センサにおいて、物理量検
出手段は、検出物理量の変化をインダクタンス変化、ま
たは、キャパシタンス変化のいずれか一方に変換して、
検出物理量の変化を周波数の変化に変換することを特徴
とする。

【００１２】本発明の請求項２にかかる物理量センサに
よれば、検出物理量の変化がインダクタンス変化、また
は、キャパシタンス変化のいずれか一方に変換されて、
検出物理量の変化が周波数の変化に変換される。したが
って、周波数を検出することによって物理量を検出する
ことができる。

【００１３】本発明の請求項３にかかる物理量センサ
は、請求項１に記載の物理量センサにおいて、物理量検
出手段は、感温特性を有する磁性体と該磁性体に巻回し
たコイルとを備えたことを特徴とする。

【００１４】本発明の請求項３にかかる物理量センサに
よれば、温度によって磁性体の特性が変化し、周波数が
温度により変化するため、周波数に基づいて温度を検出
することができる。感温特性を有する磁性体の具体的な
例として、透磁率が温度により変化する軟磁性材料、あ
るいは温度スイッチなどに用いられている感温フェライ
ト材料などの適用が可能である。

【００１５】本発明の請求項４にかかる物理量センサ
は、請求項１に記載の物理量センサにおいて、物理量検
出手段は、温度特性を有するコンデンサを備えたことを
特徴とする。

【００１６】本発明の請求項４にかかる物理量センサに
よれば、温度によってコンデンサのキャパシタンスが変
化し、温度が周波数に変換されて、周波数に基づいて温
度を検出することができる。

【００１７】本発明の請求項５にかかる物理量センサ
は、請求項１に記載の物理量センサにおいて、物理量検
出手段は、外力が加えられたときインダクタンスを変化
させる磁歪薄膜を備えたことを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項５にかかる物理量センサに
よれば、加えられた外力に基づき磁歪薄膜のインダクタ
ンスが変化し、外力が周波数に変換されるため、変換さ
れた周波数により加えられた外力が検出できる。したが
って、圧力、応力、加速度等の物理量の検出が可能とな
る。

【００１９】本発明の請求項６にかかる物理量センサ
は、請求項１に記載の物理量センサにおいて、物理量検
出手段は、外力が加えられたときキャパシタンスが変化
する素子を備えたことを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項６にかかる物理量センサに
よれば、加えられた外力に基づいて素子のキャパシタン
スが変化し、外力が周波数に変換されて変換されるた
め、周波数により外力が検出できる。したがって、圧
力、応力、加速度などの物理量の検出が可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明にかかる物理量センサを実
施の一形態によって説明する。

【００２２】図１は本発明の実施の一形態にかかる物理
量センサの構成を示すブロック図であり、測定物理量と
して温度を計測する場合を例示している。

【００２３】参照符号１はエネルギー発生回路である。
エネルギー発生回路１は、外部発振器１０、増幅器１
１、コイル１２および電流検出コイル１３からなり、外
部発振器１０の出力は増幅器１１にて増幅のうえ、コイ
ル１２に印加されて、コイル１２にて磁界が発生させら
れる。同時に、エネルギー発生回路１に流れる電流は電
流検出コイル１３にて検出される。ここで、コイル１２
は第１のコイルに対応している。

【００２４】参照符号２はエネルギー発生回路１から出
力されるエネルギーを受けて物理量センサを駆動するた
めの駆動エネルギーに変換するエネルギー供給手段に対
応する直流電源部である。直流電源部２は、コイル１２
により発生させられた磁束と鎖交して起電力を発生する
コイル２１、コイル２１に並列接続されたコンデンサ２
２およびコンデンサ２２の出力電圧を整流する整流回路
２３からなる。ここで、コイル２１は第２のコイルに対
応している。コイル２１で電磁誘導により発生したエネ
ルギーはコンデンサ２２に蓄積される。コンデンサ２２
に蓄えられた電荷に基づく電圧は、整流回路２３で直流
電圧に変換される。

【００２５】ここで、コンデンサ２２に蓄積されるエネ
ルギーを最大にするため、外部発振器１０の発振周波数
は、コイル２１とコンデンサ２２により構成される回路
の共振周波数と一致させてある。

【００２６】参照符号３は物理量検出部である。物理量
検出部３は、直流電源部２から出力される直流電圧を受
けて物理量を検出し、検出した物理量に基づき発振周波
数が変化する発振回路で構成されている。ここでは、測
定物理量として温度を計測する場合を例示しているの
で、感温特性を有する磁性材料を用いた温度計測の場合
を例示する。

【００２７】物理量検出部３は、整流回路２３から出力
される直流電圧を電源電圧とする反転増幅器を２段縦続
接続した増幅回路３１と、増幅回路３１の入力端と出力
端との間に、コンデンサ３２と感温特性を有するコイル
３３からなる直列回路を接続し、コンデンサ３２とコイ
ル３３との直列回路を介して増幅回路３１の出力電圧を
入力に正帰還させ、増幅回路３１とコンデンサ３２とコ
イル３３とが協働して検出された温度に基づき発振周波
数が変化する発振回路で構成してある。

【００２８】コイル３３は感温特性を有する磁性体に巻
回してあって、コイル３３のインダクタンスは温度に基
づいて変化する。ここで、コンデンサ３２のキャパシタ
ンスをＣ、コイル３３のインダクタンスをＬとすると、
増幅回路３１、コンデンサ３２およびコイル３３からな
る発振回路の発振周波数、すなわち物理量検出部３から
の出力信号の周波数fｒｘは、下記の(１)式に基づいて
変化する。

【００２９】ｆｒｘ＝１／｛２π・（ＬＣ）^1/2｝ …（１）したがって、物理量検出部３から出力される出力信号の
（１）式で与えられる周波数は温度によって変化し、こ
の周波数fｒｘを検出することによって温度の検出が可
能となる。

【００３０】参照符号４は、周波数−インピーダンス変
換部であり、コイル２１と協働してＡＭ変調手段を形成
する。

【００３１】周波数−インピーダンス変換部４は、ドレ
イン負荷抵抗４１とＦＥＴ４２とを備え、ドレイン負荷
抵抗４１とＦＥＴ４２との直列回路をコイル２１に並列
接続し、物理量検出部３からの出力信号をＦＥＴ４２の
ゲートに印加して、物理量検出部３からの出力信号に基
づいてＦＥＴ４２のオン・オフを制御するように構成し
てある。

【００３２】物理量検出部３からの出力信号によってＦ
ＥＴ４２がオン状態に制御されているときは、コイル２
１はドレイン負荷抵抗４１を介して短絡され、コイル２
１のインピーダンスは実質的に低下させられる。ＦＥＴ
４２がオフ状態に制御されているときは、ドレイン負荷
抵抗４１は回路から除去された状態となって、コイル２
１のインピーダンスは実質的に増大させられる。

【００３３】したがって、周波数−インピーダンス変換
部４は物理量検出部３からの出力信号の周波数に基づい
て、コイル２１のインピーダンスを実質的に変化させる
ことになり、周波数−インピーダンス変換部４はコイル
２１と協働して外部発振器１０の発振出力を搬送波と
し、物理量検出部３の出力信号を変調波とするＡＭ変調
器として作用し、ＡＭ変調された電流がコイル２１に流
れる。

【００３４】仮に、検出温度が一定のときに、物理量検
出部３から出力される出力信号の周波数は図２Ｂに示す
一定周波数の出力信号となり、該周波数に基づきＦＥＴ
４２のオン・オフが繰り返されて、ドレイン負荷抵抗４
１が選択的にコイル２１に並列接続され、コイル２１の
インピーダンスが実質的に物理量検出部３の出力により
変化させられる。

【００３５】コイル２１のインピーダンスの実質的な変
化によってコイル２１に流れる電流波形は図２Ａに示す
ような波形となる。コイル２１に流れる電流波形と同波
形の電流が電磁結合によってエネルギー発生回路１に流
れる。エネルギー発生回路１に流れる電流は電流検出コ
イル１３によって検出され、電流検出コイル１３によっ
て検出された電流は、ローパスフィルタ５１を有するＡ
Ｍ復調回路部５にて復調され、ローパスフィルタ５１か
ら図２Ｂに示すＡＭ復調出力が得られる。

【００３６】したがって、ＡＭ復調回路部５によるＡＭ
復調出力によって物理量検出部３から出力される出力信
号の周波数ｆｒｘを検出することができ、検出された周
波数ｆｒｘから、本発明の実施の一形態にかかる物理量
センサが検出した温度を測定することができる。

【００３７】上記のように構成された本発明の実施の一
形態にかかる物理量センサによれば、局所温度を遠隔位
置でかつリアルタイムで計測することができる。

【００３８】次に、本発明の実施の一形態にかかる物理
量センサにおいて用いた素子について、具体的に説明す
る。

【００３９】コイル１２には、たとえば直径２００ｍｍ
φ、長さ１６ｍｍ、１０ターンの絶縁導体による巻線を
施した２７μＨの空芯コイルを用いた。コイル２１には
例えば断面積２８ｍｍ²、長さ５０ｍｍの角型断面フェ
ライトコアに２０ターンの絶縁導体による巻線を施した
ものを用い、コンデンサ２２には４００ｐＦのものを用
いた。

【００４０】コイル２１とコンデンサ２２による共振周
波数は約４００ｋＨｚであり、外部発振器１０の出力周
波数を４００ｋＨｚに同調させた。このときのエネルギ
ー発生回路１の出力電圧は直流１０Ｖであった。

【００４１】物理量検出部３の増幅回路３１は、市販の
オペアンプを使用して反転増幅回路を２段縦続接続した
構成とし、入出力端子間にコンデンサ３２とコイル３３
のＬＣ直列回路を挿入して、このＬＣ直列回路の共振周
波数で発振する発振回路を構成した。コイル３３の磁性
材料には、キュリー温度５５℃の感温フェライトを用い
た。

【００４２】さらにいえば、前記感温フェライトは直径
４ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの円盤状のものを９個重ね、こ
のまわりに絶縁導体で５８８ターンの巻線を施してコイ
ル３３とした。このときのコイル３３のインダクタンス
は温度により変化し、５８℃から６６℃の温度範囲で、
図３に示すように、８１７μＨから２．４４ｍＨの間で
変化した。なお、コンデンサ３には８ｎＦのコンデンサ
を用いた。

【００４３】コイル１２とコイル２１の間の距離を５０
ｍｍとし、温度のリモート・センシング能力についてみ
た場合、次の如くであった。

【００４４】本発明の実施の一形態にかかる物理量セン
サ周辺の温度を変化させたときに、物理量検出部３の出
力信号の周波数は、コイル３３のインダクタンスの温度
変化にしたがって３６ｋＨｚから６０ｋＨｚに変化し、
これと同期して、ＡＭ復調回路部５の出力電圧の周波数
も同様に変化した。

【００４５】上記の結果から、本発明の実施の一形態に
かかる物理量センサの場合には、離れた位置の温度計測
が、５５℃から６６℃温度範囲で、遠隔位置でかつリア
ルタイムで行えることが明らかである。

【００４６】また、本発明の実施の一形態にかかる物理
量センサは、温度を周波数に変換して計測することか
ら、物理量センサの位置が測定中に変動し、電磁誘導に
より送受信する信号の強度が変化しても、測定には全く
支障が生じない。

【００４７】さらに、２つ以上の物理量センサを配置し
た場合には、複数の物理量センサのそれぞれのコイル２
１とコンデンサ２２とによる共振回路の共振周波数を変
えておくことにより、外部発振器１０の発振周波数を変
化させることで、エネルギー供給を受ける物理量セン
サ、すなわち動作する物理量センサを選択することが可
能である。

【００４８】なお、上記した本発明の実施の一形態にか
かる物理量センサでは、温度変化により生ずるコイル３
３のインダクタンス変化に基づいて温度計測を行う場合
を例示したが、コイル３３のインダクタンス変化に基づ
く温度計測に代わってコンデンサのキャパシタンスの温
度変化を用いる方法もある。

【００４９】図４は、チタン酸バリウム等の誘電率の温
度変化を示すものであり、このように誘電率が温度によ
って変化する誘電材料を用いてコンデンサ３２を構成す
ることにより、キャパシタンスが温度によって変化し、
共振周波数が変化する。そのためコイル３３から出力さ
れる磁界の周波数が変化し、ＡＭ復調回路部５で周波数
を復調して計測することにより、温度計測をすることも
可能である。

【００５０】また、図５に示すように、カンチレバー構
造の加速度検出器６０において、直接通電時のインダク
タンスが歪みにより変化する材料、たとえばコバルト・
鉄・シリコン・ボロン薄膜をコイル構造に形成した磁歪
薄膜コイル６２を、カンチレバー６１の根元部分に設け
ることで、受けた加速度に基づくカンチレバー６１の根
元部分の歪みをインダクタンス変化に変換することが可
能となる。そのため、コイル３３に代わって上記コイル
構造に形成した磁歪薄膜コイル６２を用いることにより
加速度のリモート・センシングが可能となる。

【００５１】また、コンデンサ３２に代えて、図６に示
すように、受けた圧力により対向する電極板間の間隔が
変化してキャパシタンスが変化する圧力センサを用い
て、圧力、応力を計測することもできる。この図６で
は、単結晶Ｓｉのサブストレートに多結晶Ｓｉとｎ⁺を
ドープした層をそれぞれ電極として用いた場合を示し、
多結晶Ｓｉとｎ⁺に加えられる圧力に基づいてそのキャ
パシタンスが変化する。

【００５２】上記においては、温度計測、加速度計測、
圧力、応力計測の場合を例示したが、これ以外の物理量
であっても、測定物理量をインダクタンス変化、あるい
はキャパシタンス変化に変換できる物理量検出部を、こ
の物理量センサに適用可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる物
理量センサによれば、物理量が周波数に変換されて検出
され、物理量センサがおかれた位置にかかわらず物理量
を検出することができ、さらに、小型化が可能であっ
て、従来、測定不能であった位置における物理量の検出
が可能となる。さらに物理量センサの動作エネルギーが
外部から磁気的に与えられるため、物理量センサの内部
にエネルギー源を設ける必要がなく、離れた位置におけ
る物理量の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態にかかる物理量センサの
構成を示すブロック図である。

【図２】図２Ａ、図２Ｂは、本発明の一形態にかかる物
理量センサにおける温度検出のための変調、復調の説明
に供する波形図である。

【図３】本発明の実施の一形態にかかる物理量センサに
用いられる感温磁性体に巻回したコイルのインダクタン
スの温度特性図である。

【図４】本発明の実施の一形態にかかる物理量センサの
他の例に用いられる誘電体の誘電率の温度特性図であ
る。

【図５】本発明の実施の一形態にかかる物理量センサに
より加速度を検出する場合に用いられる加速度検出器の
一例を示す模式図である。

【図６】本発明の実施の一形態にかかる物理量センサに
より圧力を検出する場合に用いられる圧力センサの一例
を示す模式図である。

【符号の説明】

１…エネルギー発生回路２…直流電源部３…物理量検出部４…周波数−インピー
ダンス変換部５…ＡＭ復調回路部１０…外部発振器１１…増幅器１２、２１…コイル１３…電流検出コイル２２、３２…コンデン
サ２３…整流回路３１…増幅回路３３…コイル４１…ドレイン負荷抵
抗４２…ＦＥＴ５１…ローパスフィル
タ６０…加速度検出器６１…カンチレバー６２磁歪薄膜コイル

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｌ 9/12 Ｇ０１Ｐ 15/11 Ｇ０１Ｐ 15/11 15/125 15/125 Ｇ０８Ｃ 19/12 Ｇ０８Ｃ 19/12 Ｇ０１Ｄ 5/24 Ｌ (72)発明者井上光輝愛知県岡崎市伊賀町地蔵ヶ入20番８号 (72)発明者金栄学宮城県仙台市太白区八木山松波町４番５号東北大学八木山ホールＡ301 (72)発明者板垣篤宮城県仙台市若林区南材木町48番地凌和電子株式会社内 (72)発明者吉田哲男宮城県仙台市太白区郡山６丁目７番１号株式会社トーキン内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE25 FF34 GG11 2F056 SA04 SA05 SA07 2F073 AA22 AB02 AB03 AB12 BB02 BC01 CC01 CD04 CD27 EE12 FF03 GG01 2F077 FF39 HH03 HH13 TT02 TT81 TT82 WW08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部発振器からの発振出力を受ける第１の
コイルによって発生した磁界と電磁結合する第２のコイ
ルに誘起した電圧に基づいて駆動エネルギーを供給する
エネルギー供給手段と、エネルギー供給手段から供給さ
れた駆動エネルギーを駆動源とし、かつ物理量を検出し
て検出物理量に基づく周波数の出力信号を出力する物理
量検出手段と、物理量検出手段から出力される出力信号
の周波数に基づいて第２のコイルのインピーダンスを実
質的に変化させて第２のコイルに流れる電流を変調する
変調手段とを備え、第２のコイルに流れる電流に基づい
て変化する第１のコイルに流れる電流を復調し、復調出
力により物理量検出手段から出力される出力信号の周波
数を検出することを特徴とする物理量センサ。
【請求項２】請求項１に記載の物理量センサにおいて、
物理量検出手段は、検出物理量の変化をインダクタンス
変化、または、キャパシタンス変化のいずれか一方に変
換して、検出物理量の変化を周波数の変化に変換するこ
とを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】請求項１に記載の物理量センサにおいて、
物理量検出手段は、感温特性を有する磁性体と該磁性体
に巻回したコイルとを備えたことを特徴とする物理量セ
ンサ。
【請求項４】請求項１に記載の物理量センサにおいて、
物理量検出手段は、温度特性を有するコンデンサを備え
たことを特徴とする物理量センサ。
【請求項５】請求項１に記載の物理量センサにおいて、
物理量検出手段は、外力が加えられたときインダクタン
スを変化させる磁歪薄膜を備えたことを特徴とする物理
量センサ。
【請求項６】請求項１に記載の物理量センサにおいて、
物理量検出手段は、外力が加えられたときキャパシタン
スが変化する素子を備えたことを特徴とする物理量セン
サ。