JP2008096359A - センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アンテナ104が質問信号を受信し、IDT103に供給する。IDT103は質問信号を機械的な振動に変換し、圧電体102上に弾性表面波を励振する。この弾性表面波は圧電体102上を反射器107に向かって伝播し、反射器107によって反射され、IDT103に到達する。IDT103は到達した弾性表面波を電気信号に変換し、アンテナ104に供給する。アンテナ104はこの電気信号を応答信号として放射する。IDT103の第2の電極112は基準電極106に接続されており、基準電極106にはインピーダンス変換器301が接続されている。インピーダンス変換器301は環境の変化に応じて基準電極106のインピーダンスを変化させる、この構成によって、質問信号から応答信号への変換効率が向上する。
【選択図】図5
Description
請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載のセンサにおいて、前記インピーダンス変換手段は、温度が変化するとインピーダンスが変化することを特徴とする。
本発明の第1実施形態について説明する。図1(a)はセンサ100の平面図である。図1(b)は図1(a)のA−A’線における断面図である。図1(c)は、センサ100の裏面、すなわち、図1(b)における下側の面を表す図である。
基板101の表面には、圧電体102が形成されている。圧電体102上には、IDT(Inter-digital Transducer)103、アンテナ104、インピーダンス整合回路105、反射器107が設けられている。基板101の裏面には基準電極106が形成されている。
なお、アンテナ104、インピーダンス整合回路105は圧電体102上以外の部位に設けられていてもよい。また、インピーダンス整合回路105を持たない構成としてもよい。
IDT103は、すだれ状電極で構成された変換器である。IDT103の第1の電極111は第2の電極112に向かって延びた複数の電極からなり、第2の電極112は第1の電極111に向かって延びた複数の電極からなり、第1の電極111から延びた複数の電極と第2の電極112から延びた複数の電極とが交互に配置されている。第1の電極111はアンテナ104に接続され、第2の電極112はスルーホール109を介して基準電極106に接地されている。つまり、基準電極106は、IDT103の基準電位を定める電位基準面として機能し、第2の電極112の電位はこの基準電位にほぼ等しくなる。
上記の構成において、第1の電極111に電圧が印加されると、第1の電極111と第2の電極112との間に電位差が生じ、圧電体102にこの電位差に応じた電界が発生する。すると、圧電効果により、圧電体102にこの電界に応じたひずみが発生する。
インピーダンス整合回路105は、例えば、平面導波路回路、インダクタやコンデンサ等の受動部品を用いた回路であり、アンテナ104のインピーダンスとIDT103のインピーダンスとを整合させる。
反射器107は例えば直方体状に形成されたシリコンである。IDT103によって励振された弾性表面波が圧電体102上を伝播して反射器107に達した場合、反射器107はこの弾性表面波を反射し、弾性表面波は反射される前と反対方向に伝播していく。
信号処理部202は、所定の振幅および周波数を有する電気信号を生成し、アンテナ201に供給する。アンテナ201は、信号処理部202から供給された電気信号を電波信号に変換し、この電波信号を質問信号として放射する。また、アンテナ201は、センサ100のアンテナ104から放射された応答信号を受信し、この応答信号を電気信号に変換して信号処理部202に供給する。この場合、信号処理部202は、アンテナ201から供給された電気信号を振幅測定部203に供給する。振幅測定部203は、信号処理部202から供給された電気信号の振幅を測定する。
実際には応答信号の振幅にはばらつきが生じ得る。そのため、本実施形態では、予め様々な条件下で応答信号の振幅を測定し、振幅の上限値と下限値を求めておく。そして、この上限値と下限値を記憶部204に記憶させておく。
センサ100はいかなる用途に用いてもよいが、その用途としては、例えば、自動ドアを開けるためのスイッチが考えられる。以下、センサ100を自動ドアのスイッチとして用いた例について説明する。
本実施形態では、センサ100の基準電極106に人体が接触しているか否かを判定するために、基準電極106が設けられている側、すなわちセンサ100の裏面(図1(c)に示した面)を露出させてセンサ100が設けられる。なお、図示は省略するが、センサ100のおもて側、すなわち図1(a)に示した面は例えば樹脂製の筐体等で覆われており、センサ100はこの筐体の表面をドア80または壁面81に接着する等の方法によって取り付けられている。
まず、ステップA01では、送受信器200の信号処理部202が所定の周波数と振幅を有する電気信号を生成し、生成された電気信号をアンテナ201に供給する。アンテナ201は、信号処理部202から供給された電気信号を電波信号に変換し、この電波信号を質問信号として放射する。
まず、アンテナ104が質問信号を受信し、この質問信号を電気信号に変換し、この電気信号をIDT103に供給する。IDT103は、アンテナ104から供給された電気信号を機械的な振動に変換し、圧電体102上に弾性表面波を励振する。この弾性表面波は、圧電体102上を伝播し、反射器107に到達する。反射器107に到達した弾性表面波は反射器107によって反射され。反射された弾性表面波は圧電体102上を伝播し、IDT103に到達する。IDT103は、到達した弾性表面波を電気信号に変換し、この電気信号をアンテナ104に供給する。そして、アンテナ104が、IDT103から供給された電気信号を電波信号に変換し、この電波信号を応答信号として放射する。
ステップA03では、振幅測定部203はアンテナ201から供給された電気信号の振幅を測定する。
駆動装置82の受信部84は、送受信器200の報知部206から送信された駆動指示信号を受信する。すると、制御部86がモータ83を回転させてドア80を開ける。ドア80が開けられると、センサ85が出入口を通過する物体(人間や物)を検知する。制御部86はセンサ85によって出入口を監視し、物体が検知されなくなってから一定時間経過するとモータ83を回転させてドア80を閉じる。
以上が、センサ100と送受信器200との連携によって行われる動作である。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図5(a)はセンサ300の平面図、図5(b)はセンサ300の裏面を表す平面図である。本実施形態において第1実施形態と同じ構成要素については第1実施形態と同じ符号を用いて表している。
本実施形態の第1実施形態と異なる点について説明する。
なお、フォトダイオード301を図5(b)に示したのと逆方向に接続してもよい。
本実施形態ではインピーダンス変換器(ここではフォトダイオード301)が、基準電極106のIDT103とは逆側に接続されているため、インピーダンス変換器が基準電極106とIDT103の間に設けられている場合と比べ、インピーダンス変換器の実装位置の精度が低くてもセンサの性能のばらつきを抑えることができる。よって、センサの作製が容易である。また、インピーダンス変換器によるアンテナ104から第1の電極111までの電力損失を抑えることができるため効率良く信号を伝達することができる。
以上説明した形態に限らず、本発明は種々の形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形した形態でも実施可能である。
第1実施形態では、人体の接触の有無を判定するセンサの例を示したが、人体以外の物の接触を判定するセンサを構成することも可能である。
図6は、センサ400の構成を表す図である。本変形例において第1実施形態と同じ構成要素については第1実施形態と同じ符号を用いて表している。センサ400は、第1実施形態のセンサ100と、センサ100を内部に収容する筐体401を有している。図6は、筐体401を基板101に平行に切断して内部を露出させた様子を示す図である。基準電極106には筐体401の外部へ延びる導線402の一端が接続されており、筐体401の外部において導線402の他端には電極403が接続されている。導線402は、導線402に水がかからないようにビニル等の樹脂(図示省略)で被覆されている。また、筐体401はその内部に水が浸入しないように密閉されている。
水槽90に蛇口91から水が注がれると、水位が徐々に上昇していく。水面が電極403の下端に達すると、導体である水が電極403に接触することによって第1実施形態と同様に電位基準面のインピーダンスが変化する。すると、基準電位が変化するため、送受信器200からの信号に対してセンサ400が放射する応答信号の振幅が特定の値を示すようになる。
この構成によれば、送受信器200から一定時間間隔で電波信号が放射され、センサ400からの応答信号の振幅が上限値と下限値とで定められる範囲内である場合にブザーが警報音を発するので、水位が所定の高さに達したか否かを判定することができる。
第2実施形態では、フォトダイオードによって電位基準面のインピーダンスを変化させる例を示したが、インピーダンス変換器として機能する他の素子を基準電極106と電極302の間に接続するようにしてもよい。例えば、サーミスタ、熱電対など温度変化によって基準電極106のインピーダンスを変化させることのできる素子をインピーダンス変換器として用いれば、温度変化を検知するセンサを構成することができる。また、ひずみゲージをインピーダンス変換器として用いれば、ひずみの変化を検知するセンサを構成することができる。
本発明は、SAWセンサに限らず、電位基準面を有するセンサであればいかなるものにも適用可能である。図8は、本発明を適用したRFID(Radio Frequency Identification)タグ500の等価回路を表す図である。RFIDタグ500は、IC(Integrated Circuit)チップ510を有している。ICチップ510には、RFIDタグ500を一意に識別するためのIDが記憶されている。ICチップ510の一方の端子511はアンテナ素子521に、もう一方の端子512はインピーダンス変換器522に接続されており、アンテナ素子521は不平衡給電アンテナとして機能する。
ここで、インピーダンス変換器522として、例えば、第2実施形態で示したのと同様にフォトダイオード301と電極302を端子512に接続してもよいし、サーミスタ、熱電対、ひずみゲージ等を用いてもよい。また、端子512に電極を接続し、この電極を第1実施形態で示した基準電極として機能させるようにしてもよい。
このように構成されたRFIDタグ500によれば、物体の接触や環境の変化に応じて応答信号の振幅が変化するので、物体の接触や環境の変化を判定するためのセンサとして用いることができる。
図9は、2つのSAWセンサを組み合わせたセンサ600の構成を表す図である。センサ600は、基板611、621を有し、基板611、621の図9に示されている面に圧電体が形成されている。基板611上には、IDT612、反射器613が設けられ、基板621上には、IDT622、反射器623が設けられている。IDT612、622の構成は上述のIDT103と同様であり、反射器613、623は上述の反射器107と同様である。IDT612の電極615はインピーダンス整合回路617を介してアンテナ605に接続され、IDT622の電極625はインピーダンス整合回路627を介してアンテナ605に接続されている。IDT612の電極616は、スルーホール619を介してインピーダンス変換器614に接続されている。一方、IDT622の電極626は、スルーホール629を介して基準電極624に接続されている。基板611と621とは、共通の基板上に互いに接しないように設けられている。基板611、IDT612、反射器613、インピーダンス変換器614、インピーダンス整合回路617、アンテナ605によって第1センサ610が構成されており、一方で、基板621、IDT622、反射器623、電極624、インピーダンス整合回路627、アンテナ605によって第2センサ620が構成されている。
一方、第2センサ620は従来知られているSAWセンサ、すなわち、基板621上を伝播する弾性表面波の遅延によりIDを識別することのできるセンサとしての機能を有する。
このように、第1センサ610、第2センサ620を組み合わせれば、IDの識別とともに、物体の接触や環境の変化を検知することができる。
第1実施形態では、IDT103で励振された弾性表面波を反射器107で反射し、反射された弾性表面波をIDT103で電気信号に変換する構成としているが、反射器107の代わりにもう1つのIDTを設けてもよい。図10は、このように構成されたセンサ700を表す図である。第1実施形態と同一の構成要素は同一の符号で表している。センサ700は、圧電体102上にIDT103、アンテナ104、インピーダンス整合回路105、基準電極106が設けられ、IDT103に対向する位置にIDT703が設けられ、IDT703の電極711にアンテナ704が接続されている。IDT703の電極712は、スルーホール709を介して基準電極106に接続されている。この構成によれば、IDT103で励振された弾性表面波が圧電体102上を伝播し、IDT703に到達し、IDT703によって電気信号に変換される。基準電極106のインピーダンスが変化した場合、IDT103、703の基準電位は特定の値を示すようになり、応答信号の振幅が変化する。つまり、センサ700は第1実施形態のセンサ100と同様の機能を有する。
また、第2実施形態および他の変形例においても、反射器をIDTで置き換えることが可能である。
上記の実施形態および変形例では基板の裏面に基準電極を設けた例を示したが、図11に示すセンサ800のように、基準電極106を基板101のおもて側に設けるようにしてもよい。なお、同図において108はインピーダンス変換器である。
Claims (4)
- 基板と、
前記基板上に設けられ、弾性表面波を伝播する媒体と、
前記基板の前記媒体が設けられていない部位に設けられた電位基準面としての基準電極と、
信号の受信と送信を行うアンテナと、
前記媒体上に互いに対向して設けられた第1の電極と第2の電極とからなる変換器であって、該第1の電極は前記アンテナに接続されており、該第2の電極は前記基準電極に接続されており、前記アンテナで受信された信号を前記媒体上における弾性表面波に変換する機能と、前記媒体上を伝播してきた弾性表面波を信号に変換して前記アンテナに出力する機能とを有する変換器と、
前記変換器から発せられて前記媒体上を伝播してきた弾性表面波を前記変換器へ向けて反射する反射器と、
前記基準電極に接続され、環境の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変換手段と
を有することを特徴とするセンサ。 - 基板と、
前記基板上に設けられ、弾性表面波を伝播する媒体と、
前記基板の前記媒体が設けられていない部位に設けられた電位基準面としての基準電極と、
信号を受信する第1のアンテナと、
信号を送信する第2のアンテナと、
前記基板上に互いに対向して設けられた第1の電極と第2の電極とからなる第1の変換器であって、該第1の電極は前記第1のアンテナに接続されており、該第2の電極は前記基準電極に接続されており、前記第1のアンテナで受信された信号を前記基板上における弾性表面波に変換する第1の変換器と、
前記基板上に互いに対向して設けられた第3の電極と第4の電極とからなる第2の変換器であって、該第3の電極は前記第2のアンテナに接続されており、該第4の電極は前記基準電極に接続されており、前記第1の変換器から発せられて前記基板上を伝播してきた弾性表面波を信号に変換して前記第2のアンテナに出力する第2の変換器と、
前記基準電極に接続され、環境の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変換手段と
を有することを特徴とするセンサ。 - 前記インピーダンス変換手段は、光が照射されるとインピーダンスが変化することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ。
- 前記インピーダンス変換手段は、温度が変化するとインピーダンスが変化することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ。
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