JP2009130560A - Parasitic sensor with antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンテナを備えたセンサに関し、特に、センサに電源供給することなく無線によって離れた場所の物理情報を検出することを可能とするアンテナ付き無給電センサに関する。 The present invention relates to a sensor including an antenna, and more particularly to a parasitic sensor with an antenna that can detect physical information at a remote location without supplying power to the sensor.
構造物の異常診断や防犯セキュリティ用途、さらには設備や工作機械のメンテナンスのための異常検出などに振動センサや衝撃センサ、歪センサ、浸水センサ、近接感知センサなどの様々な物理情報に対応したセンサが使用されている。それらのセンサを設置する環境には電源を容易に供給できない場合も多々あり、また、電源供給が不要なセンサが可能となればそれらの応用範囲も広がると考えられる。 Sensors corresponding to various physical information such as vibration sensors, impact sensors, strain sensors, submersion sensors, proximity sensors, etc. for structural abnormality diagnosis, security security applications, and abnormality detection for equipment and machine tool maintenance, etc. Is used. There are many cases where power cannot be easily supplied to the environment in which these sensors are installed, and it is considered that the range of application of these sensors will expand if sensors that do not require power supply become possible.
このような電源供給を不要とするセンサ方式として、特許文献1に無線を利用した振動検知方法および振動センサが示されている。この従来の振動センサ方式の模式図を図4に示す。図4において、外部から振動が加わることにより2つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子20とその2つの端子に接続されたアンテナ13とを有する無給電の振動センサ100に対して、離れた場所に質問器18が設置され、その質問器18のアンテナ19から発せられる電磁波16をアンテナ13により反射し、その反射波17を質問器18で受信することにより前記2つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる振動を検知するように構成されている。
As a sensor system that does not require such power supply, Patent Document 1 discloses a vibration detection method and a vibration sensor using radio. A schematic diagram of this conventional vibration sensor system is shown in FIG. In FIG. 4, the
ここで、振動センサ素子20は外部振動によって変形する片持ち梁構造の圧電単結晶基板15と、圧電単結晶基板15上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極14から構成され、櫛歯電極14の2つの電極端子がアンテナ13に接続されている。
Here, the
質問器18のアンテナ19より放射された特定の周波数を有する電磁波16の一部の電力は、振動センサ100のアンテナ13で散乱反射され、その反射波17の一部の電力が質問器18のアンテナ19で受信される。このとき、反射波17の強度及び位相情報は、アンテナ13に接続された振動センサ素子20の櫛歯電極14の2つの電極端子間のインピーダンス特性に依存する。つまり、外部振動に伴って片持ち梁構造の圧電単結晶基板15が変形して歪が加わり、それに伴って圧電単結晶基板15上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極14のインピーダンス特性が変動する。そこで質問器18において反射波17の情報より振動センサ100に生じた振動を検知することができる。
A part of the electric power of the
図5は、従来の振動センサ100の具体的構造の一例を示す斜視図である。図5において、基板40上に振動センサ素子20が設置され、振動センサ素子20の櫛歯電極に接続された2つの端子42を挟むように設置され2つの端子42にそれぞれ接続された2つの矩形導体11および12からなる板状ダイポールアンテナ10が設置されている。
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a specific structure of the
従来、図5のような振動センサは、様々な測定対象となる場所に設置されて使用されるが、この振動センサの近くに金属体が存在する場合には、その位置や大きさによってはセンサのアンテナのインピーダンス特性や反射波の特性に大きな影響を及ぼし、質問器で検出される感度の劣化を招いてしまう。 Conventionally, the vibration sensor as shown in FIG. 5 is used by being installed at various places to be measured. When a metal body is present near the vibration sensor, the sensor may be used depending on the position and size. This greatly affects the impedance characteristics and reflected wave characteristics of the antenna, and causes deterioration in sensitivity detected by the interrogator.
このような近接する金属体の影響を低減する方法としては、フェライトなどの高透磁率材料や金属体をアンテナの一部を取り囲むように配置する手段が用いられている。例えば、特許文献2には、データ伝送用無線通信機の応答器においてアンテナの背面に導体である電池を配置し、そのシールド効果を利用し,アンテナから発生される電磁波が近接金属体によって影響を受けないようにしている。
As a method for reducing the influence of such an adjacent metal body, a high permeability material such as ferrite or a means for arranging a metal body so as to surround a part of the antenna is used. For example, in
上記の特許文献2に開示されている手段は、アンテナがコイルアンテナであり、そのアンテナの共振周波数が電池を設置した状態で通信機の周波数と一致するように調整して感度劣化を防ぐものであり、本発明の目的とするセンサで用いられる板状ダイポールアンテナにその技術思想を適用することはできない。また、本発明は無給電センサに関するものであるので電池は使用していない。
The means disclosed in
そこで、本発明の課題は、アンテナを用いた無給電センサにおいて、金属体が近接しても感度劣化を防ぐことができるアンテナ付き無給電センサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a parasitic sensor with an antenna that can prevent sensitivity deterioration even when a metal body is close to the parasitic sensor using an antenna.
上記課題を解決するため、本発明のアンテナ付き無給電センサは、外部からの物理的情報によって2つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子と前記2つの端子に接続されたアンテナとを有し、離れた場所に設置された質問器から発せられる電磁波を前記アンテナにより反射して発生した反射波を前記質問器で受信することにより前記2つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる前記物理的情報を検知するように構成されたアンテナ付き無給電センサにおいて、前記アンテナは前記2つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された2つの矩形導体からなる板状ダイポールアンテナ部と該板状ダイポールアンテナ部と平行に設置された導電体とから構成され、前記電磁波の中心周波数の波長をλとした場合、前記板状ダイポールアンテナ部の前記一定の間隔を挟む方向の長さが0.3λ〜3λであり、且つ該板状ダイポールアンテナ部の前記長さの方向と直交する方向の幅が前記長さをLとすると0.3L以上であって、前記導電体は前記板状ダイポールアンテナ部の長さ及び幅以上の大きさの矩形形状を有し、前記板状ダイポールアンテナ部と前記導電体の間隔はλ/12〜λであることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a parasitic sensor with an antenna according to the present invention includes a vibration sensor element in which impedance between two terminals changes according to physical information from the outside, and an antenna connected to the two terminals. The physical information that causes the impedance change between the two terminals by receiving the reflected wave generated by reflecting the electromagnetic wave emitted from the interrogator installed at a distant place by the antenna. In a parasitic sensor with an antenna configured to detect, the antenna is connected to each of the two terminals, and a plate-shaped dipole antenna unit including two rectangular conductors juxtaposed on the same plane at a constant interval and the plate In the case where the wavelength of the center frequency of the electromagnetic wave is λ The length of the plate-shaped dipole antenna portion in the direction across the fixed interval is 0.3λ to 3λ, and the width of the plate-shaped dipole antenna portion in the direction orthogonal to the length direction is the length. L is 0.3L or more, and the conductor has a rectangular shape with a length greater than or equal to the length and width of the plate-shaped dipole antenna portion, and the distance between the plate-shaped dipole antenna portion and the conductor is λ / 12 to λ.
また、本発明において、前記振動センサ素子は振動によって前記インピーダンスが変化する振動センサであってもよく、その振動センサは外部振動によって変形する片持ち梁構造の圧電単結晶基板と、該圧電単結晶基板上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極から構成されていてもよい。 In the present invention, the vibration sensor element may be a vibration sensor in which the impedance changes due to vibration. The vibration sensor includes a piezoelectric single crystal substrate having a cantilever structure that is deformed by external vibration, and the piezoelectric single crystal. You may comprise from the comb-tooth electrode for exciting the surface acoustic wave formed on the board | substrate.
本発明は従来のセンサに用いられている板状ダイポールアンテナに一定の間隔を隔てて導電体を設置して複合アンテナを構成し、かつ、その板状ダイポールアンテナおよび導電体の形状、さらに上記間隔を特定の値に設定することにより、従来と同等の感度が得られ、かつ、金属物体がアンテナに近接して設置されてもセンサの感度劣化が生じないことを見出したことに基づくものである。 The present invention forms a composite antenna by installing a conductor at a certain interval on a plate-shaped dipole antenna used in a conventional sensor, and the shape of the plate-shaped dipole antenna and the conductor, and the above-mentioned distance By setting to a specific value, it is based on the finding that the sensitivity equivalent to the conventional one can be obtained and that the sensitivity of the sensor does not deteriorate even if the metal object is placed close to the antenna. .
本発明によれば、アンテナの近傍に金属体が設けられた場合にもアンテナのゲインの著しい減少を抑制することが可能となり、より広い環境条件においてアンテナ形状を大きくすることなく所定の感度が得られる。よって、このアンテナを用いることにより小型軽量で無線によって遠方の機械的な外部振動を検出できる振動センサが得られ、被測定体の条件を従来のように拘束することなく精度の高い振動測定が可能となる。また、振動センサをタグ形状のように小型軽量化できるので被測定体への取付け箇所についても制限を受けることが少なくなる。また、電源が不要であるという従来の特徴に加えて上記のように環境上の制約が少ないので広範な用途に使用できる。 According to the present invention, even when a metal body is provided in the vicinity of the antenna, it is possible to suppress a significant decrease in the gain of the antenna, and a predetermined sensitivity can be obtained without increasing the antenna shape in a wider environmental condition. It is done. Therefore, by using this antenna, it is possible to obtain a vibration sensor that is small and lightweight and can detect mechanical external vibrations far away by radio, and enables highly accurate vibration measurement without constraining the conditions of the object to be measured as in the past. It becomes. In addition, since the vibration sensor can be reduced in size and weight like a tag shape, there are few restrictions on the location of attachment to the measurement object. Further, in addition to the conventional feature that a power source is unnecessary, there are few environmental restrictions as described above, so that it can be used for a wide range of applications.
本発明により、アンテナを用いた無給電センサにおいて、金属体が近接しても感度劣化を防ぐことができるアンテナ付き無給電センサが得られる。 According to the present invention, in a parasitic sensor using an antenna, a parasitic sensor with an antenna that can prevent deterioration in sensitivity even when a metal body is in proximity can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の実施例に基づき実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described based on examples of the present invention with reference to the drawings.
図1は、本発明によるアンテナ付き無給電センサの一実施例である振動センサを示す斜視図であり、図2は本実施例の振動センサに用いる振動センサ素子の具体的一例を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a vibration sensor as an embodiment of a parasitic sensor with an antenna according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a specific example of a vibration sensor element used in the vibration sensor of this embodiment. is there.
本実施例の振動センサにおいても、外部から振動が加わることにより2つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子31とその2つの端子に接続されたアンテナとを有し、図4の振動センサ方式と同様に、離れた場所に設置された質問器のアンテナから発せられる電磁波を振動センサのアンテナにより反射し、その反射波を質問器で受信することにより前記2つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる振動を検知するように構成されている。
The vibration sensor of this embodiment also has a
図1において、本実施例の振動センサは、振動センサ素子31と、振動センサ素子31の2つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された2つの矩形金属膜パターン32および33からなる板状ダイポールアンテナ部36と板状ダイポールアンテナ部36と平行に設置された金属膜34とから構成されるアンテナとを有している。ここで本実施例においては、通信に使用する電磁波の中心周波数は2.45GHz、その波長λは約120mmであり、板状ダイポールアンテナ部の前記一定の間隔を挟む方向の長さLが約60mm(0.5λ)であり、かつ、その幅Wが約40mm(0.67L)である。
In FIG. 1, the vibration sensor of the present embodiment includes a
板状ダイポールアンテナ部36は、振動センサ素子31を実装した矩形状の基板35の上面に形成され、その基板35の裏面全体に金属膜34が形成されている。基板35の形状は約80mm×80mmであり、板状ダイポールアンテナ部36と金属膜34の間隔、すなわち基板35の厚さtは約1.6mm(0.133λ)である。
The plate-shaped
図1において、基板35はガラスエポキシ樹脂から成る銅箔付きプリント基板によって構成でき、この場合、板状ダイポールアンテナ部36は公知の機械的切削技術やフォトエッチング技術によって形成することができる。裏面の銅箔は、そのまま金属膜34として使用する。アンテナパターンを形成後所望の寸法に裁断し、その後、振動センサ素子31を実装することで容易に製作可能である。なお、銅箔の厚さは36μm程度である。また、矩形金属膜パターン32および33の矩形の頂点は当該金属膜中を流れる電流の乱れによるアンテナの効率低下を防ぐため、いずれも曲率半径Rが約10mm程度の曲線により角が落とされて形成されている。
In FIG. 1, the
図2において、本実施例の振動センサに使用する振動センサ素子31は、片持ち梁構造の圧電単結晶基板22と、圧電単結晶基板22上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極23、および共振器を構成するための表面弾性波の反射器24から構成されている。圧電単結晶基板22は片持ち梁構造を有しているので外部振動に応じて撓み変形を生ずる。この撓み変形によって、圧電単結晶基板22上に形成された櫛歯電極23は歪を生じ、共振周波数における表面弾性波共振器のインピーダンス特性は変化する。圧電単結晶基板22上に形成された櫛歯電極23の2つの端子25は半田実装やアルミワイヤボンディングにより、矩形金属膜パターン32および33(図1)と電気的に接続される。
In FIG. 2, the
本実施例の振動センサを試作し、電波暗室内にて3m法による電界強度試験を行った結果、そのアンテナの利得は通常のダイポールアンテナと同等の2(dBi)であった。 The vibration sensor of this example was prototyped and subjected to a field strength test by the 3 m method in an anechoic chamber. As a result, the gain of the antenna was 2 (dBi), which is equivalent to that of a normal dipole antenna.
図3は、本実施例の振動センサの測定結果の一例を示す図であり、金属体をアンテナに接近させた場合の質問器と振動センサ間の距離に対する質問器で受信された振動情報の受信電力を示す。図3においては、比較のために同様に金属体を接近させた場合の従来のダイポールアンテナと金属体を接近させない場合の従来のダイポールアンテナの受信電力も示している。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a measurement result of the vibration sensor according to the present embodiment, and reception of vibration information received by the interrogator with respect to a distance between the interrogator and the vibration sensor when a metal body is brought close to the antenna. Indicates power. For comparison, FIG. 3 also shows the received power of the conventional dipole antenna when the metal body is approached and the conventional dipole antenna when the metal body is not approached.
ここで、比較のため使用した従来のダイポールアンテナの形状は、長さが約60mm、幅は約20mmである。質問器からの送信電力は10dBm、周波数は2.45GHzである。金属体がアンテナに接近した場合、従来のアンテナは質問器からの距離に対して受信電力は急激に減少し、振動信号を受信可能な伝搬距離は1m以下に低減する。一方、本実施例の振動センサは、金属体がアンテナに接近した場合においても振動信号を受信可能な伝搬距離は従来のように大幅に低減することはない。 Here, the shape of the conventional dipole antenna used for comparison is approximately 60 mm in length and approximately 20 mm in width. The transmission power from the interrogator is 10 dBm, and the frequency is 2.45 GHz. When the metal body approaches the antenna, the reception power of the conventional antenna rapidly decreases with respect to the distance from the interrogator, and the propagation distance capable of receiving the vibration signal is reduced to 1 m or less. On the other hand, in the vibration sensor of the present embodiment, even when the metal body approaches the antenna, the propagation distance capable of receiving the vibration signal is not significantly reduced unlike the conventional case.
以上のように、本発明によりアンテナの近傍に金属体が設けられた場合にもアンテナのゲインの著しい減少を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present invention, even when a metal body is provided in the vicinity of the antenna, it is possible to suppress a significant decrease in the gain of the antenna.
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、センサの目的や用途によって設計変更が可能である。例えば、振動センサ以外にも、アンテナと接続される端子間のインピーダンス変化を生じさせるセンサであれば本発明を適用可能であり、また、通信周波数が異なる場合にも、その周波数において本発明により規定される形状のアンテナを設けることにより本発明の効果が得られる。また、アンテナを構成する矩形導体や導電体の材質も様々な選択が可能である。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the design can be changed depending on the purpose and application of the sensor. For example, in addition to the vibration sensor, the present invention can be applied to any sensor that causes an impedance change between terminals connected to an antenna, and even when the communication frequency is different, the frequency is defined by the present invention. The effect of the present invention can be obtained by providing the antenna having the shape. In addition, various materials can be selected for the rectangular conductor and the conductor constituting the antenna.
10 ダイポールアンテナ
11、12 矩形導体
13、19 アンテナ
14、23 櫛歯電極
15、22 圧電単結晶基板
16 電磁波
17 反射波
18 質問器
20、31 振動センサ素子
24 反射器
25、42 端子
32、33 矩形金属膜パターン
34 金属膜
35、40 基板
36 板状ダイポールアンテナ部
100 振動センサ
10
Claims (3)
前記アンテナは前記2つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された2つの矩形導体からなる板状ダイポールアンテナ部と該板状ダイポールアンテナ部と平行に設置された導電体とから構成され、前記電磁波の中心周波数の波長をλとした場合、前記板状ダイポールアンテナ部の前記一定の間隔を挟む方向の長さが0.3λ〜3λであり、且つ該板状ダイポールアンテナ部の前記長さの方向と直交する方向の幅が前記長さをLとすると0.3L以上であって、前記導電体は前記板状ダイポールアンテナ部の長さ及び幅以上の大きさの矩形形状を有し、前記板状ダイポールアンテナ部と前記導電体の間隔はλ/12〜λであることを特徴とするアンテナ付き無給電センサ。 A sensor element whose impedance between two terminals changes according to physical information from the outside and an antenna connected to the two terminals, and an electromagnetic wave emitted from an interrogator installed at a remote location is caused by the antenna. In a parasitic sensor with an antenna configured to detect the physical information that causes an impedance change between the two terminals by receiving a reflected wave generated by reflection with the interrogator,
The antenna is composed of a plate-shaped dipole antenna portion made of two rectangular conductors connected to the two terminals and juxtaposed on the same plane at regular intervals, and a conductor installed in parallel with the plate-shaped dipole antenna portion. When the wavelength of the center frequency of the electromagnetic wave is λ, the length of the plate-shaped dipole antenna unit in the direction of sandwiching the constant interval is 0.3λ to 3λ, and the plate-shaped dipole antenna unit The width in the direction perpendicular to the length direction is 0.3 L or more, where L is the length, and the conductor has a rectangular shape that is larger than the length and width of the plate-shaped dipole antenna portion. A parasitic sensor with an antenna, wherein a distance between the plate-shaped dipole antenna portion and the conductor is λ / 12 to λ.
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