JP2005121498A - 弾性表面波センシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ部の小型化を図りながら、測定対象物の外部環境の変化を高精度に検出することができる弾性表面波センシングシステムを提供する。
【解決手段】 圧電基板４１上に送受信電極４２と反射器４３とを形成してなる弾性表面波素子部２３において、励起した弾性表面波ＳＡＷを送受信電極４２と反射器４３との間で多重に反射させ、その一次反射信号と二次反射信号との信号差から、外部環境の変化を検出するようにする。これにより、反射器を複数配置することなく、センサ部と問合せ器との間の距離の影響を受けずに精度の高いセンシングシステムを構築できると共に、弾性表面波素子部２３の縮小化が図られ、センサ部の小型化を実現することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を用いて温度、圧力等の外部環境の変化を検出する弾性表面波センシングシステムに関する。

従来より、弾性表面波素子を利用した無線センシングシステムが知られている。この種のセンシングシステムは、測定対象物に取り付けられた弾性表面波素子およびアンテナ手段を備えたセンサ部と、このセンサ部に対して駆動信号を送信するとともに当該センサ部からの応答信号を受信する問合せ器とからなる。

図６は、従来の無線センシングシステムに用いられる弾性表面波素子の構成例を示している。弾性表面波素子１は、櫛形電極構造をなす送受信電極２と複数の反射器３Ａ，３Ｂとを圧電基板４上に形成することで構成されている。

送受信電極２は、一対の櫛形電極２ａ，２ｂを対向させ、一方の櫛形電極の電極間に他方の櫛形電極の電極が位置するように互いに違いに交差配置されている。このような電極配置構造は一般に、ＩＤＴ（Interdigital Transducers）構造と称されている。また、各反射器３Ａ，３Ｂはそれぞれ異なるトラック（弾性表面波の伝搬路）上に形成され、互いに送受信電極２に対して距離的に異なる位置に配置されている。

送受信電極２に交流電圧を加えると、公知のように圧電基板４上に弾性表面波が励起される。この弾性表面波は圧電基板４の表面を伝搬し、伝搬路上の反射器３Ａ，３Ｂにおいて各々弾性表面波の反射が生じる。反射器３Ａ，３Ｂにより反射された弾性表面波は、再び送受信電極２に戻ってくる。

そこで、弾性表面波の反射波を利用するセンシングシステムでは、送受信電極２で励起された信号（弾性表面波）が反射器３Ａ，３Ｂで反射されて再び送受信電極２へ戻るときに、外部環境の変化に伴い信号が変化することを利用している。測定対象物の状態変化は位相、周波数、遅延時間といった弾性表面波の伝搬特性の変化という形で抽出することができる。

図７に、駆動信号と反射信号の関係の一例を示す。送受信電極２に加えた交流電圧５により弾性表面波が励起され圧電基板４上を伝搬し、各反射器３Ａ，３Ｂによって反射された弾性表面波が再び送受信電極２へ戻ってきて反射信号６Ａ，６Ｂに変換されている様子がわかる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献として以下に挙げるものがある。

特開平８−２８５７０８号公報 特開２００２−２６１５７２号公報 特開平１０−２４２８０１号公報 A.Pohl, R.Steindl, L.Reindl 「Measurement of Vibration and Acceleration Utilizing SAW Sensors」 SENSOR 99 Proceedings II A5.3 p53-58

上記特許文献１には、一対の櫛歯状電極を組み合わせた電極を圧電基板上に離間して配置した超音波デバイスから、液体中に漏洩する弾性表面波をダイアフラムに反射させて液体遅延共振回路を構成し、ダイアフラム変位を周波数の変化として検出する形式の圧力センサが開示されている。

また、上記特許文献２，３には、圧電層の上に一対の櫛形電極からなるＳＡＷ共振器と２つのグレーティング反射器を形成し、２つのグレーティング反射器間で弾性表面波を多重反射させ、定在波を生じさせることにより、弾性表面波フィルタを構成することが開示されている。

ところで、弾性表面波の反射波を利用したセンシングシステムを無線で使用する場合、弾性表面波素子を有するセンサ部と、このセンサ部からの応答信号を受信する問合せ器との間の距離により、弾性表面波素子からの応答時間が変化してしまう。

そのため、弾性表面波素子を利用したセンシングシステムを無線で応用する場合、従来では複数の反射器を設置し、各反射器による反射信号の信号差を抽出することによりセンシングを行うようにしている（上記非特許文献１参照）。図６及び図７の例では、各反射器３Ａ，３Ｂの反射信号６Ａ，６Ｂの信号差を抽出するようにしている。

しかしながら、圧電基板上の異なるトラック上に複数の反射器を配置形成する従来の構成では、弾性表面波素子の基板サイズの小型化に限度があり、センサ部の更なる小型化を図ることができないという問題がある。

その一方で、センサ部と問合せ器との間の距離による弾性表面波素子からの応答時間の変化をキャンセルして、精度高く測定対象物の外部環境の変化を検出する必要がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、センサ部の小型化を図りながら、測定対象物の外部環境の変化を高精度に検出することができる弾性表面波センシングシステムを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の弾性表面波センシングシステムは、測定対象物に取り付けられ弾性表面波素子を備えたセンサ部と、このセンサ部に対して駆動信号を発信する駆動信号発信手段およびセンサ部からの応答信号を受信して信号処理を行う信号処理手段を備えた問合せ器とを有し、弾性表面波素子が、問合せ器からの駆動信号を受けて弾性表面波を励起させる送受信用電極と、発生した弾性表面波を送受信用電極に向けて反射する反射器とをそれぞれ圧電材料表面に形成してなる弾性表面波センシングシステムにおいて、信号処理手段は、送受信用電極と反射器との間における弾性表面波の複数回の反射による反射信号を検出し、その各々の信号差に基づいて、測定対象物の外部環境の変化を検出することを特徴とする。

本発明の弾性表面波センシングシステムにおいては、送受信用電極と反射器との間の弾性表面波の複数回の反射による反射信号を検出し、その各々の信号差に基づいて、測定対象物の外部環境の変化を検出するようにしているので、反射器を単一で構成することができると共に、当該単一の反射器における複数の反射信号の信号差、即ち遅延時間、位相、周波数等の弾性表面波の伝搬特性の変化に基づいて、センサ部と問合せ器との間の距離に関係なく、温度、圧力等の外部環境の変化を精度高く検出することが可能となる。

好適には、反射器は、同一トラック上に線状のパターンが複数本並置されて構成され、これにより、反射信号電圧を高めて信号の減衰を抑制することができる。

また、反射信号としては、反射器における弾性表面波の一次反射信号と二次反射信号を検出し、これらの間の信号差から、外部環境の変化を検出する。

以上、本発明の弾性表面波センシングシステムによれば、反射器を単一で構成することができるので弾性表面波素子の基板サイズの縮小を図ることができ、これによりセンサ部の小型化を実現することができる。

また、送受信用電極と反射器との間の多重反射による信号差に基づいて外部環境の変化を検出するようにしているので、センサ部と問合せ器との間の距離に依らずに、精度の高いセンシングシステムを構築することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態による弾性表面波センシングシステム（以下「センシングシステム」という。）の概略構成図である。本実施の形態のセンシングシステム２０は、センサ部２１と、問合せ器２２とで構成される。

センサ部２１は、弾性表面波素子部２３およびアンテナ部２４ａより構成される。弾性表面波素子部２３は、外部環境を弾性表面波の変化として検出する部分で、測定対象物に取り付けられる。アンテナ部２４ａは、問合せ器２２との間で電波（無線）信号の送受信を行う部分である。

一方、問合せ器２２は、送受信回路部２５、信号検出器２６、駆動信号発生回路部２７、演算回路部２８およびアンテナ部２４ｂにより構成されている。駆動信号発生回路部２７は、弾性表面波素子部２３に供給する駆動信号を発生する部分であり、送受信回路部２５は、センサ部２１への送信およびセンサ部２１からの受信を行う部分である。また、信号検出器２６は、センサ部２１から返信される信号の位相や周波数等といった情報を抽出する部分であり、演算回路部２８は、信号検出器２６の信号情報を処理して外部環境情報を抽出する部分である。

なお、アンテナ部２４ｂ、送受信回路部２５及び駆動信号発生回路部２７により本発明の「駆動信号発信手段」が構成され、アンテナ部２４ｂ、送受信回路部２５、信号検出器２６及び演算回路部２８により本発明の「信号処理手段」が構成される。

本実施の形態では、後述するように、センサ部２１から返信される応答信号の位相、周波数等といった情報を抽出することで、測定対象物に取り付けられたセンサ部２１の外部環境による変化を検出するように構成されている。

次に、図２を参照してセンサ部２１の構成を説明する。

センサ部２１は、回路基板３１上に設置されたアンテナ部２４ａ、整合部３２および弾性表面波素子部２３を有している。各部は回路基板３１上の回路パターンとワイヤを介して電気的に接続されているが、これ以外にも、バンプを介したフェイスダウンボンディングや、回路パターンのみで接続することも可能である。

アンテナ部２４ａは、弾性表面波素子部２３を駆動する問合せ器２２からの電波（駆動信号）を受信し、また、弾性表面波素子部２３による計測信号（応答信号）を送信するもので、ループ、ヘリカル、モノポール、ダイポール、パッチ、チップ、板状逆Ｆ、マイクロストリップアンテナ等が用いられる。

アンテナ部２４ａは、銅、アルミニウム等の線材、あるいは絶縁性フィルム基板上に形成したアンテナコイルパターンで構成されるが、直接、回路基板３１上にめっき法、ペースト印刷法、エッチング法あるいは公知の真空薄膜形成技術により作製するようにしてもよい。

整合部３２は、アンテナ部２４ａと弾性表面波素子部２３との間のインピーダンス整合をとるためのもので、抵抗器、コイル、キャパシタ等を組み合わせて構成される。これらの各素子は回路基板３１上にはんだ等の接合材を介して搭載されるが、アンテナ部２４ａと同様、回路基板３１上に直接、めっき、ペースト印刷、エッチングあるいは真空薄膜形成技術を用いて作製してもよい。

なお、整合部３２は上述のようにアンテナ部２４ａと弾性表面波素子部２３との間のインピーダンス整合をとるために設けられたものであるため、整合がとれた状態では省略することができる。

図３は、弾性表面波素子部２３の一構成例を示している。弾性表面波素子部２３は、圧電基板４１上にひとつの送受信電極４２と、ひとつ（あるいは一組）の反射器４３とが形成されることによって構成されている。

圧電基板４１としては、レイリー波を発生する、例えばニオブ酸リチウム単結晶の１２８°回転Ｙカット基板が用いられる。なお、これ以外にも、水晶、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ランガサイト等を適当な方位でカットした基板を使用してもよい。更に、他の圧電材料として、ＺｎＯ等の圧電性薄膜をガラス、シリコン単結晶、ＧａＡｓ等の基板に形成して使用することも可能である。

送受信電極４２は、一対の櫛形電極４２ａ，４２ｂを対向させ、一方の櫛形電極の電極間に他方の櫛形電極の電極が位置するように互い違いに交差配置されている。また、アンテナ部２４ａと弾性表面波素子部２３との間の接続は、送受信電極４２の端子部分を介して行われ、通常ワイヤ４４が用いられるが、フリップチップ方式によりバンプを用いて直接接続することもできる。また、アンテナ部２４ａが圧電基板４１の表面に形成される場合は、送受信電極４２および反射器４３の形成時のパターニングで接続してもよい。

送受信電極４２で励起される弾性表面波の波長をλとすると、送受信電極４２の各々の電極ピッチはλ／２、電極幅はλ／４、電極対数は、図では簡略して２対で表しているが、通常１０〜５０対程度で、伝送の帯域幅などを考慮して決められる。電極厚みは、励起効率を考慮して通常、λ／１５０〜λ／８の範囲で決定される。これらの条件は、圧電基板４１上に十分な弾性表面波を励起させ、さらに、反射器４３からの信号強度を十分に抽出できるように決定される。

反射器４３は、直線状のパターンが同一トラック上に１０〜５０本（図では簡略して２本で示している。）所定ピッチ（例えばλ／２）で並置されてなり、全体としてひとつの反射器を構成している。反射器４３で反射される弾性表面波の反射波は、反射器４３における音響付加効果による反射波と再励起効果による反射波の合成波となる。このように反射器４３を複数本の直線状のパターンで構成するのは、反射信号電圧を高くして信号の減衰を抑制するためである。

送受信電極４２および反射器４３は金属薄膜パターンで形成され、設計に応じた特性が得られるように薄膜の材質、幅、厚さを調整する。薄膜形成方法としては、スパッタ法のほか、蒸着等の真空薄膜形成技術やめっき法、ペースト印刷法等も適用することができる。

送受信電極４２および反射器４３を形成する材料としては、電気抵抗が小さく軽量であり、パターニングが容易であることから、アルミニウムが好適な例として挙げられる。また、銅、チタン、クロム、金等を適用してもよく、更にはこれら金属同士を混ぜ合わせたり、各種金属を添加したり、あるいは積層構造としてもよい。

次に、以上のように構成されるセンシングシステム２０の作用について説明する。

図１，図２を参照して、問合せ器２２から定期的に発せられる駆動信号（パルス信号）はセンサ部２１のアンテナ部２４ａで受信され、整合部３２を介して弾性表面波素子部２３に供給される。駆動信号は、弾性表面波素子部２３の送受信電極４２に供給され、送受信電極４２の櫛形電極ピッチに対応した波長λの弾性表面波ＳＡＷが圧電基板４１上に励起される（図３）。

送受信電極４２にて発生した弾性表面波ＳＡＷは、圧電基板４１の表面を伝搬し、反射器４３に到達する。反射器４３で反射された弾性表面波ＳＡＷの反射波は、音響付加効果による反射波と再励起効果による反射波の合成波として送受信電極４２へ戻る。送受信電極４２は、弾性表面波ＳＡＷの反射波を受信し電気信号に変換する。

更に、弾性表面波ＳＡＷの反射波を送受信電極４２で反射させ、弾性表面波を再び反射器４３へ向けて伝搬する。これにより、反射器４３において弾性表面波ＳＡＷの二次反射波を生成し、これを送受信電極４２で受信して電気信号に変換する。

送受信電極４２は、反射器４３において最初に反射された弾性表面波の反射波（一次反射信号）と、二番目に反射された弾性表面波の反射波（二次反射信号）を、応答信号として問合せ器２２へ返信する。問合せ器２２においては、センサ部２１からの応答信号がアンテナ部２４ｂ及び送受信回路部２５を介して信号検出器２６及び演算回路部２８へ供給される。

図４は、センサ部２１の送受信電極４２へ印加される駆動信号４４と、反射器４３における弾性表面波の一次反射信号４５ａ及び二次反射信号４５ｂの関係の一例を示している。なお、図において縦軸は信号強度、横軸は時間軸であり「Ｅ−６」は１０のマイナス６乗、すなわち［μｓｅｃ］を表している。

信号検出器２６及び演算回路部２８においては、一次反射信号４５ａと二次反射信号４５ｂとの間の信号差に基づいて、センサ部２１の外部環境の変化を検出する。信号差としては、弾性表面波の位相、周波数、遅延時間といった伝搬特性上の差異が該当する。

例えば、温度を感知するセンサとして本発明を適用する場合には、圧電基板として、弾性表面波の伝搬特性に対して大きな温度特性を有する圧電材料を用いる。そして、環境温度が変化したとき圧電基板を伝搬する弾性表面波の位相速度、周波数等の伝搬特性が変化する。このため、反射器４３の一次反射信号４５ａと二次反射信号４５ｂには温度に関しての情報を含むことになり、例えば各反射信号の位相差を抽出することで、温度変化を検出することができる。

また、反射信号間の位相比較による場合以外に、遅延時間を比較する方法、基準周波数からの反射信号の周波数ずれ、信号強度を比較する方法を用いることができる。

一例を挙げるならば、問合せ器２２の内部に、弾性表面波の伝搬特性が温度に依存しない参照信号検出用弾性表面波素子（もしくは、問合せ器内部の温度を一定としたときの参照信号検出用弾性表面波素子）を組み込んでおくことにより、センサ部２１からの応答信号と、参照信号検出用弾性表面波素子の応答信号を比較することで、センサ部２１周囲の温度変化をより高感度に検出することができる。

また、温度センサ以外には、圧電基板が外力により撓む構造とすることで、圧力センサとして用いることができる。更に、弾性表面波伝搬部を触れる構造とすることで触覚センサを構成できる。あるいは、弾性表面波伝搬面に特定の成分を選択的に吸収して重量が変化する膜を設ける構造とすることで、特定の液相、気相の成分センサとして適用することができる。これらは何れも、上記温度センサと同様に、外的要因による弾性表面波の伝搬特性の変化を利用したものである。

更に、センサ部２１が取り付けられる測定対象物としては、温度や圧力等を常時モニタリングする必要のある機器や部品、構造物あるいは人体等が該当し、本発明の適用例として、タイヤの空気圧センサ、機器の温度センサ、体温検出センサ、脈圧センサ、呼気検出センサ等、多数挙げられる。

さて、本実施の形態においては、送受信電極４２と単一の反射器４３との間の複数回の反射による反射信号を応答信号として問合せ器２２へ返信するようにしているので、見かけ上、反射器が複数存在するような信号を生成する。

したがって、本実施の形態によれば、これら複数の反射信号の信号差からセンサ部２１の外部環境の変化を、センサ部２１と問合せ器２２との間の距離の影響を受けることなく、十分に高い精度で検出することができると共に、単一の反射器４３で構成されているので弾性表面波素子部２３を縮小化でき、結果的にセンサ部２１の小型化を実現することができる。また、複雑な設計等を必要とせず、製造も容易であり、安価に生産性高く弾性表面波素子部２３を構成することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、弾性表面波の一次反射信号及び二次反射信号を検出してこれらの間の信号差から外部環境の変化を検出するようにしたが、これに限らず、反射器に３回以上反射させて得られる三次以上の高次反射信号をも検出対象とすることにより、測定レンジを広げたより拡張性のあるセンシングシステムを構築することができる。

また、以上の実施の形態では、反射器４３を複数本の直線状のパターンを並置配置させた構成としたが、これに限らず、一本の直線パターンで反射器を構成することも勿論可能であり、更には櫛形構造に反射器を構成するようにしてもよい。

更に、以上の実施の形態では、センサ部２１及び問合せ器２２にアンテナ部２４ａ及び２４ｂを設け、両者間において無線で信号の送受信を行うようにしたが、これに代えて、図５に示すように、センサ部５１と問合せ器５２との間を導電部材５３で導通接続し、有線で信号の送受信を行うようなセンシングシステム５０を構成してもよい。なお、図５において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

導電部材５３としては、被覆導線や配線ケーブル、ワイヤハーネス等、信号の送受信を行うのに適した配線部材が該当し、その種類は問われない。

本例のセンシングシステム５０によれば、上述の実施の形態と同様な効果を得ることができることは勿論、センサ部５１と問合せ器５２とが比較的近くに配置される場合等に特に有利な構成である。

本発明の実施の形態のセンシングシステム２０を示す概略構成図である。 センサ部２１の概略構成図である。 弾性表面波素子部２３の一構成例を示す図である。 センサ部２１の応答信号の一例を示すプロット図である。 本発明の実施の形態の変形例を示すセンシングシステム５０の概略構成図である。 従来の弾性表面波素子部の一構成例を示す図である。 従来のセンサ部の応答信号の一例を示すプロット図である。

符号の説明

２０，５０…センシングシステム、２１，５１…センサ部、２２，５２…問合せ器、２３…弾性表面波素子部、２４ａ，２４ｂ…アンテナ部、２５…送受信回路部、２６…信号検出器、２７…駆動信号発生回路部、２８…演算回路部、４１…圧電基板、４２…送受信電極、４３…反射器、４４…駆動信号、４５ａ…一次反射信号、４５ｂ…二次反射信号、５３…導電部材、ＳＡＷ…弾性表面波。

Claims (5)

1. 測定対象物に取り付けられ弾性表面波素子を備えたセンサ部と、このセンサ部に対して駆動信号を発信する駆動信号発信手段および前記センサ部からの応答信号を受信して信号処理を行う信号処理手段を備えた問合せ器とを有し、
   前記弾性表面波素子が、前記問合せ器からの駆動信号を受けて弾性表面波を励起させる送受信用電極と、前記発生した弾性表面波を前記送受信用電極に向けて反射する反射器とをそれぞれ圧電材料表面に形成してなる弾性表面波センシングシステムにおいて、
   前記信号処理手段は、前記送受信用電極と前記反射器との間における弾性表面波の複数回の反射による反射信号を検出し、その各々の信号差に基づいて、前記測定対象物の外部環境の変化を検出する
   ことを特徴とする弾性表面波センシングシステム。
2. 前記反射信号は、前記反射器における弾性表面波の一次反射信号および二次反射信号である
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センシングシステム。
3. 前記反射器は、同一トラック上に線状のパターンが複数本並置されてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センシングシステム。
4. 前記センサ部はアンテナ手段を具備し、前記問合せ器と無線により信号の送受信を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センシングシステム。
5. 前記センサ部と前記問合せ器との間が導電部材で導通接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センシングシステム。
   

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