JP2007530956A - 表面波素子を有するセンサ - Google Patents

Abstract

センサの感度に関する情報が含まれる表面波成分（２）を備えているセンサ（４）においてその情報は、評価装置（７）とセンサ（４）との間の通常の測定線（６）によって調べることができる。その成分（２）は、少量の情報、例えば、３つの図面のみを備えているので、非常に小さなものであり、小さなセンサ（４）に組み込むことができる。読取りセンサの感度は、評価装置（７）において自動的に調整することができる。その情報は、周波数で選択できる様々な反射器（１１）によって、表面波成分（２）で符号化することができる。

Description

本発明は、請求項１の前文による符号化部材を備えているセンサに関する。

センサは、測定データを検出および送信する構造体、例えば、機械部品に広く組み込まれている。これらの構造体は、測定の間、非常に高い温度および／または強い加速度にさらされる。そのようなセンサ、例えば、圧電センサは、異なる感度を有しており、大体、増幅器で手動により設定されなければならない。組み込まれた状態では、例えば、製造番号によって識別を行うこと、および対応するデータ・シートから感度および／またはその他のセンサに特異なデータを決定することは、もはや、ほとんど不可能である。さらには、複数の組込みセンサの場合には、測定ラインを混同することによる混乱の危険がある。

センサによっては、測定に先立ってスキャンできる各々のデータが含まれているメモリ・チップを含んでいるものもある。これらのデータは、測定プロトコルに直接含ませることができる。そのようなメモリ・チップは、高温環境で用いることができないので、ほとんどが受動の構成要素がこれらのアプリケーションに適切である。

ＷＯ０２／０８２０２３は、センサの感度を自動的に認識する方法を記述している。この方法によると、ある量の抵抗がセンサに割り当てられ、それによって、そのセンサは、所定の感度範囲を有するセンサの特定のグループに割り当てられる。

この方法には、抵抗を測定するセンサにラインを追加する必要があって、識別と測定とを同時に行うことができないという不利益がある。

発明の基礎となる目的は、感度を既に存在する測定ラインを介して直接スキャンすることができ、それによって現存する設備と適合性があるようにできるセンサを提供することである。とりわけ、この目的は、小さなセンサについて達成され、非常に高い温度に適応可能である。

本発明の目的は、請求項１の特徴によって達成されている。

（発明の簡潔な説明）
本発明によるセンサは、センサの感度に関する情報で符号化されている符号化表面波素子を備えている。この情報は、評価デバイスとセンサとの間の通常の測定ラインを介してスキャンすることができる。この部材には、ほんの少ししか情報、例えば９．５４という値のような３つの数字しか含まれていないので、その部材は、小さなセンサにも組み入れることができるよう十分小さく設計されている。感度の読みは、評価デバイスにおいて直接設定することができる。

（発明の詳細な説明）
図１は、測定値を検出し送信するセンサ４を示す。このセンサは、例えば、圧電、ピエゾ抵抗または光センサである。測定データは、測定レコーダ１によって記録され、センサ４内でセンサ・ライン５を介して送信される。センサ４の外部で、測定データは、さらに測定ライン６、例えば、同軸リードを介して評価デバイス７へと送信される。センサ４は、センサに特異な感度値で符号化される少なくとも１つの表面波素子２を備えている。この符号化は、また、２つのリード、センサ・ライン５および測定ライン６を介してスキャンすることができ、かつ、センサの感度に対応している。スキャンされた感度値は、評価デバイスによって、直接かつ自律的に設定することができる。このように感度を手動で設定することは、今日「プラグ・アンド・プレイ」が要件となっているので、もはや必要ではない。

表面波素子２は、結合領域３を備えている。この結合領域３においては、高周波信号がセンサ・ライン５から部材２へと入力されて、表面波素子２の符号を読み出し、これらのデータを同じ道筋で評価デバイス７へと再送する。結合領域３への送信は、好ましくは、センサ・ライン５への電磁結合によって達成される。この電磁結合は、例えば、誘導または容量結合である。容量結合の場合、変換器の１つの端子が集合体に結合される。

ライン５、６を介して送信されガルバニック的に分離された高周波信号は、測定動作を妨げないので、測定およびデータ転送を同時に行うことができる。このように、センサの置き換えや信号の伝播の中断は、直ちに認識され、自己テストの一部としてセンサの永続的なモニタを確実なものとする。

図２は、本発明による表面波素子の可能な構造体を示す。この素子は、本質的には圧電支持材からなる。測定レコーダ１をこの素子２のための支持材として用いることもまた可能である。この支持材には、入ってくる高周波信号を表面波に変換するインタ・デジタル変換器８が備わっている。この波は、支持材の表面を伝播し、適切に位置付けられている反射体１１で一部反射される。反射された信号自体は、インタ・デジタル変換器８で変換され、高周波信号として評価デバイス７に送られる。

反射体１１を位置付けることで、表面波素子２に対して符号化が行われる。この符号化によって、スキャン信号の信号応答が引き起こされ、時間的に遅延していて、その遅延時間は、表面波が変換器８からそれぞれの反射体１１に伝わる経路長の２倍伝わるのにかかる時間に対応している。反射体１１は、可能な、好ましくは等距離の提供された符号サイト９のいずれかに位置付けられている。これらの想像上の符号サイト９は、好ましくは、ブロック１０に分割でき、好ましくは、少なくとも符号サイト９の各々の間と同じ距離だけ相互に間隔が空けられている。好都合なことに、正確に１つの符号サイト９、ブロック１０は、それぞれ反射体１１が備えられている。各反射体１１は、波がこのサイトを通過するとき、波の一部に反射を引き起こす。キャリア基板上のブロック１０内の符号サイト９の１つの反射体１１の位置によって、スキャン信号に応答する応答信号の時間的な遅延が決定され、その時間遅延がインタ・デジタル変換器８と、この反射体１１の位置との間の距離に比例するからである。時間に依存する応答信号は、全ての反射体の個々の応答信号を加えることによって生成される。

例えば、各々が５つの符号サイト９を備える２つのブロック１０が提供されている。この結果、読み取ることのできる異なる感度は、５の二乗、すなわち、２５を生じる。加えて、範囲サイト１２を備えるブロックがさらに存在する。これらによって、例えば、感度や温度依存の補償係数が決定される。好ましくは、これらの範囲サイトもまた、等距離に配置される。

２５のサイトの範囲と比較して、各々が５つのサイトを備えている２つの範囲の利点は、例えば、表面波素子２の間取り要件がより小さいものとなることであり、２５の符号サイト９ではなく、同数の可能な異なる感度値、すなわち、１１（２×５＋１）を備えている。このように、最大５ｍｍ、好ましくは、最大３ｍｍの大きさの素子において、符号化を全部使うことができる。

十分な空間があるならば、いくつかの範囲も定義されるので、測定範囲、温度推移またはセンサのタイプのような他のデータも加えて記憶することができる。表面波素子２が、約２０および１０ビットの情報内容にそれぞれ対応する５０までもの符号サイトまたは２５だけの符号サイトで符号化されるならば、多くのアプリケーションにとっては十分である。

さらには、表面波素子２は、他の反射器１１よりも高い反射を可能とするように形成される校正反射器１３を含み、反射器をさらに少なくとも２つ、好ましくは、３つを含むことができる。それによって、評価の間に明確に認識できる。これらの反射器の１つは、まさに最初に位置付けられ、また１つは、波が伝わる領域の終りに位置付けられ、かつ、可能であるならば、三番目のものは、最初のものの近くに位置付けることができる。これらの校正反射器１３は、これらの校正反射器１３の応答信号間の時間差を測定することによって、表面波素子２を較正するように働く。それによって、個々の符号サイト９および範囲サイト１２の時間の遅れを測定することができ、それは、これらが全てのサイトの幾何学的な相互距離に比例しなければならないからである。この校正を行うことは、重要であり、それは、長さの変化、とりわけ、温度、圧力または伸長の変化による長さの変化および素子２の温度の変化または波の伝播速度の変化によって、応答信号の拡大または圧縮が引き起こされるからである。素子が機械的な力を受けないならば、素子およびセンサの温度は、校正反射器１３の応答信号を評価することによって、明白に決定することができる。他方、一定の温度では、素子の長さの変化、並びに素子に働く圧力、伸長、加速、力および／またはモーメントの測定を同じ評価で決定することができ、それは、素子が圧電材料で出来ているからである。

ユニットを前もって存在しているセンサに組み込まなければならないので、特別な問題は、記憶できる情報量を保持しながら、素子２の小型化にある。符号化の種類、符号化の量および校正サイトによって、素子２の大きさに比例する音波経路の長さが決定される。したがって、さらに小さな空間しか必要とせず、さらなる情報を提供することのできる素子２が特別に必要となっている。

素子２の長さを低減する非常に効率的な解決法は、２つの異なる周波数範囲ｆ１、ｆ２、例えば、６００ＭＨｚおよび８００ＭＨｚからなるスキャン信号として信号を用いることである。さらには、周波数選択反射器１１を用いなければならず、その各々は、他の周波数範囲の信号が妨げられずに通過する間に、１つの周波数範囲の１つの信号のみを反射する。そのような周波数選択反射器が図３に示され、それぞれ１１’、１１’’と示されている。それらは、異なる間隔および幅を備える反射フィンガ１４で形成されている。このように、反射器１１’、１１’’をそれぞれ１つ全てのブロック１０に位置付けることができ、符号サイト９の２つが占められ、１つは、各周波数範囲のためのものである。さらなる空間を必要とすることなく、ｎ個の符号サイト９を備えるブロックにおいて、ｎ（ｎ−１）個の異なる符号化状態を記述することができる。図４は、反射器１１’、１１’’を有するこの種の素子２の例を示している。

好ましくは、相互に重畳しないが、相互に近接する２つの周波数範囲が選択され、広帯域スキャン・システムは、１つのスキャン・サイクルにおいて双方の符号範囲を評価できるようにする。

図５は、２つの別々の周波数範囲ｆ１、ｆ２を認識することのできる測定される信号の応答のスペクトラムを示す。フーリエ変換によって、各部分範囲を別々に時間信号に変換することによって、符号の測定が行われる。そのような信号が、図６Ａ、図６Ｂに示されている。全符号への割り当ては、どのようなやり方ででも、例えば、得られた２つの時間信号を加えることによってでも、行うことができる。校正信号は、双方の周波数範囲で時間に少し差があって、または唯一の周波数範囲で出力することができる。

本発明によるセンサの利点は、読み取られる値を感度および／または他のセンサに特異なパラメータと直接、すなわち、データベースを使うことなく、かつ、通常の測定ラインを用いることによって関連付けることができるというものである。このように、いずれのセンサも現存する評価デバイスで作動できる。

（感度値の符号化の例）
感度は、ブロック１０内またはいくつかのブロック１０内の反射器１１の位置に反映される。この目的で、ブロック１０は、例えば、１から１０まで列挙できる１０の符号サイト９のパターンに分割される。隣り合う２つの符号サイト９の間の距離は、表面波が１２．５ｎｓで伝わる距離におよそ対応する。隣り合う反射器からの信号の応答時間の差は、２５ｎｓであり、それは、波がその距離の２倍だけ伝わらなければならないからである。各々が１０の範囲サイトを備える２つのブロックについて、１００（＝１０^２）の異なる値、それゆえに、例えば、０と１の間の０．０１刻みの全ての値が得られる。表１および２は、反射器１１の位置によって決定される可能な異なる遅延時間の値の範囲をそれぞれ示す。

応答の不確実性のため、反射器１１は、最小の時間差を有さなければならない。符号サイトの時間差は、スキャン・システムの帯域幅を反転することによって測定されるシステムの感度に対応する。スキャン・システムによって最小限の時間の差が決定されるように、これらの帯域幅が制限される。

異なる周波数範囲が用いられさえすれば、所定の時間範囲について情報内容の増大が得られる。

信号の反応Ｓが図７に示されている。校正反射器１３の反応は、ｔ_ｋ１、ｔ_ｋ２の後に明確に見て取れる。これらの校正反射器１３は、好ましくは、他の反射器の応答よりも明らかに高い信号の応答を有するように設計されている。

このように、例えば０．９７ｐＣ／Ｎというセンサの感度は、ｔ１＋２２５ｎｓおよびｔ２＋１７５ｎｓの２つの時間信号によって符号化され、ここで、ｔ１およびｔ２は、表面波がそれぞれのブロック１０の始めまで進むだけの時間である。

加えて、他のセンサの特徴は、例えば、オフセット値のような既に検出された感度に加えられるブロックｎにおける校正範囲のように特定できる。表３は、そのような第３のブロックにおける信号の応答遅延時間について割当て値の例を示す。

加えて、あるいは代わりに、感度の温度係数（ＴＣＳ）もまた、訂正値としてパーセントで示すことができる。これらの値は、室温と比較して、感度の相対的な変化をパーセントで記述する。表４は、そのような第４のブロックにおける信号の応答の遅延時間について割当て値の例を示す。

感度認識の組み込まれた本発明によるセンサが含まれている測定装置を概略的に示す。 代表的な表面波素子を概略的に示す。 異なる周波数範囲のための反射器の２つの例を示す。 周波数依存の反射器を備える代表的な表面波素子を概略的に示す。 周波数依存の反射器を備える表面波素子からの信号の応答のスペクトラムを示す。 異なる周波数について濾過された周波数依存の反射器を有する表面波素子からの信号の応答の時間信号を示す。 異なる周波数について濾過された周波数依存の反射器を有する表面波素子からの信号の応答の時間信号を示す。 時間の関数としての信号の応答Ｓの例を示す。

符号の説明

（符号のリスト）
１ 測定レコーダ
２ 表面波素子、部材
３ 結合
４ センサ
５ センサ・ライン
６ 測定ライン
７ 評価デバイス
８ インタ・デジタル変換器
９ 符号サイト
１０ ブロック
１１，１１’，１１’’ 反射器
１２ 範囲サイト
１３ 校正反射器
１４ 反射フィンガー

Claims (18)

1. 測定値を検出し測定ライン（６）を介して評価デバイス（７）に送信するセンサ（４）であって、符号化素子（２）を備え、符号化は、センサに特異な感度値に直接割り当てられ、符号化素子（２）は、表面波素子であり、符号化は、測定値と同様に測定ライン（６）を介してスキャンすることを特徴とするセンサ。
2. 請求項１記載のセンサであって、符号化データおよび測定値は、測定ライン（６）を介して同時に送信されることを特徴とするセンサ。
3. 請求項１または２記載のセンサであって、センサ（４）は、耐熱性であることを特徴とするセンサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のセンサであって、電磁結合（３）によって表面波素子（２）は、センサ・ライン（５）に接続されることを特徴とするセンサ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のセンサであって、電磁結合（３）は、誘導性であることを特徴とするセンサ。
6. 請求項１から４のいずれかに記載のセンサであって、電磁結合（３）は、容量性であることを特徴とするセンサ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）の大きさは、最大で５ｍｍ以下、好ましくは、３ｍｍ以下であることを特徴とするセンサ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）の符号化は、２０ビット以下、好ましくは１０ビット以下であることを特徴とするセンサ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）は、感度を符号化する少なくとも２つの反射器（１１）を備えることを特徴とするセンサ。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）は、感度の範囲値を符号化する少なくとも１つの反射器（１１）を備えることを特徴とするセンサ。
11. 請求項1から１０のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）は、符号化を校正する少なくとも２つ、好ましくは３つの校正反射器（１３）を備えることを特徴とするセンサ。
12. 請求項１１記載のセンサであって、校正反射器（１３）は、他の反射器１１よりも強い信号の反応を生成することを特徴とするセンサ。
13. 請求項１１または１２記載のセンサであって、校正反射器（１３）は、センサの温度を検出することを特徴とするセンサ。
14. 請求項１１または１２記載のセンサであって、校正反射器（１３）は、圧力、伸長、加速、力および／またはモーメントを検出することを特徴とするセンサ。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載のセンサであって、符号化は、少なくとも１つの範囲および／または１つの訂正に関する情報を備えていることを特徴とするセンサ。
16. 請求項１から１５のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）は、同時にセンサの測定レコーダ（１）であることを特徴とするセンサ。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載のセンサであって、センサは、圧電、ピエゾ抵抗または光センサであることを特徴とするセンサ。
18. 請求項１から１７のいずれかに記載のセンサであって、表面波素子（２）は、少なくとも２つの異なる周波数範囲について周波数選択反射器（２）を備えていることを特徴とするセンサ。

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