JP2009281975A - Surface acoustic wave device and sensor - Google Patents

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Tetsuji Sugiura
哲治 杉浦
Atsushi Watanabe
敦 渡邉
Takaharu Inoue
隆治 井上
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Niterra Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface acoustic wave device capable of obtaining high sensitivity with simple configuration and a sensor using the surface acoustic wave device. <P>SOLUTION: In the stress sensor 1, a first interdigital electrode 15 and a second interdigital electrode 17 have interdigitated finger structure combining up-chirp and down-chirp varying to reduce the breadth of interdigitated finger and spacing of interdigitated finger as each interdigital electrode 15 and 17 departing from the center to right and left directions. In fact, spacing of the interdigitated finger is established to increase from the input side to the central side of the first interdigital electrode 15 (established as up-chirp) and spacing of the interdigitated finger is established to decrease from the central side to the output side of the first interdigital electrode 15 (established as down-chirp). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、櫛歯電極を備えた弾性表面波素子と、その弾性表面波素子を備えた応力センサ等のセンサに関する。   The present invention relates to a surface acoustic wave element including a comb electrode and a sensor such as a stress sensor including the surface acoustic wave element.

従来より、弾性表面波(SAW)の特性を利用した弾性表面波素子を用いて、各種のセンサが研究されている。
前記弾性表面波素子とは、例えば圧電材料等からなる伝播材上に櫛歯電極を設けたものであり、この弾性表面波素子は、伝播材に加わる機械的摂動などによって、伝播材を伝播中の弾性表面波の特性が変化する。そのため、この弾性表面波素子の特徴を利用して、応力や変位等を検出するセンサが開発されている。
Conventionally, various types of sensors have been studied using surface acoustic wave elements that utilize surface acoustic wave (SAW) characteristics.
The surface acoustic wave element is an element in which a comb electrode is provided on a propagation material made of, for example, a piezoelectric material. The surface acoustic wave element propagates the propagation material by mechanical perturbation applied to the propagation material. The surface acoustic wave characteristics of the For this reason, sensors that detect stress, displacement, etc. have been developed using the characteristics of this surface acoustic wave element.

具体的には、圧電材料基板上に入力側と出力側の櫛歯電極を対向して設けた弾性表面波素子を備えたセンサでは、入力側の櫛歯電極に高周波の交流信号を印加することによって弾性表面波を励起し、弾性表面波を出力側の櫛歯電極で受信して、出力側の櫛歯電極では受信した弾性表面波に応じた電圧信号を出力し、この電圧信号によって応力や変位等を検出する。   Specifically, in a sensor having a surface acoustic wave element in which a comb-shaped electrode on the input side and an output side are provided facing each other on a piezoelectric material substrate, a high-frequency AC signal is applied to the comb-shaped electrode on the input side. The surface acoustic wave is received by the comb electrode on the output side, and the voltage signal corresponding to the received surface acoustic wave is output from the comb electrode on the output side. Displacement etc. is detected.

上述した弾性表面波素子を用いたセンサに関する技術としては、例えば周波数によって伝達時間が変化する分散型遅延線の技術が開示されている(特許文献1参照)。また、弾性表面波を用いた変位測定技術として、下記特許文献2〜4の技術が開示されている。
米国特許第614432号明細書 特開2004−51176号公報 特表2005−526240号公報 特開2005−156557号公報
As a technique related to the above-described sensor using a surface acoustic wave element, for example, a technique of a distributed delay line whose transmission time varies depending on a frequency is disclosed (see Patent Document 1). Moreover, the technique of the following patent documents 2-4 is disclosed as a displacement measuring technique using a surface acoustic wave.
US Pat. No. 614432 JP 2004-51176 A JP-T-2005-526240 JP 2005-156557 A

このうち、上述した引用文献2〜4の技術では、主に共振周波数の変化を検知することによって変位を検知しているが、ノイズに影響されやすく、精度良く変位を測定することは容易ではない。なお、この対策として、ノイズを除去する回路を用いることも考えられるが、装置が高価になってしまい好ましくない。   Among these, in the techniques of the cited references 2 to 4 described above, the displacement is detected mainly by detecting the change in the resonance frequency, but it is easily affected by noise, and it is not easy to measure the displacement with high accuracy. . As a countermeasure, it is conceivable to use a circuit for removing noise, but this is not preferable because the apparatus becomes expensive.

一方、前記引用文献1の技術では、ノイズの影響を受けにくい遅延時間計測を採用しているが、外力による弾性表面波特性の変化は僅かであるので、その検出は容易ではない。また、この対策として、僅かな変化を検出するための特別な回路を用いることも考えられるが、装置が高価になってしまい好ましくない。   On the other hand, although the technique of the cited document 1 employs delay time measurement that is not easily affected by noise, the change in the surface acoustic wave characteristics due to external force is slight, so that detection is not easy. As a countermeasure, a special circuit for detecting a slight change may be used, but this is not preferable because the device becomes expensive.

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、高い感度が得られる弾性表面波素子及びこの弾性表面波素子を用いたセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a surface acoustic wave element that can obtain high sensitivity with a simple configuration and a sensor using the surface acoustic wave element.

(1)請求項1の発明は、弾性表面波を励起する第1櫛歯電極から成る第1変換器と、前記第1櫛歯電極によって励起された弾性表面波を受信し該弾性表面波に応じた信号を出力する第2櫛歯電極から成る第2変換器とを、前記弾性表面波が伝播する伝播面を挟んで配置した弾性表面波素子であって、前記両櫛歯電極の少なくとも一方が、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造とを備えたことを特徴とする。   (1) According to the first aspect of the present invention, a first converter comprising a first comb-tooth electrode for exciting a surface acoustic wave and the surface acoustic wave excited by the first comb-tooth electrode are received and the surface acoustic wave is converted into the surface acoustic wave. A surface acoustic wave element in which a second transducer composed of a second comb electrode that outputs a corresponding signal is disposed across a propagation surface through which the surface acoustic wave propagates, wherein at least one of the two comb electrodes Is provided with an up-chirp comb-tooth structure and a down-chirp comb-tooth structure.

本発明では、第1櫛歯電極と第2櫛歯電極の少なくとも一方は、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造とを有している。
このアップチャープの櫛歯構造とは、例えば図1(b)に例示するように、弾性表面波が送受信される方向(ここでは同図左右方向における例えば右方向)において、櫛歯電極の周期(従って櫛歯間隔(W1等):例えば各櫛歯の中央の位置で測定した場合の間隔)が増加する構造を有するものである。一方、ダウンチャープの櫛歯構造とは、その逆に、同図右方向において、櫛歯間隔が減少する構造を有するものである。
In the present invention, at least one of the first comb electrode and the second comb electrode has an up-chirp comb structure and a down-chirp comb structure.
This up-chirp comb-tooth structure is, for example, as illustrated in FIG. 1B, in a direction in which surface acoustic waves are transmitted and received (here, for example, rightward in the left-right direction in the figure). Therefore, it has a structure in which the comb tooth interval (W1 or the like): for example, the interval when measured at the center position of each comb tooth) increases. On the other hand, the down-chirp comb-teeth structure has a structure in which the comb-teeth interval decreases in the right direction in the figure.

基本的に弾性表面波素子が有する周波数特性は、弾性表面波を励起するための櫛歯電極周期で決定される。つまり、櫛歯間隔(W1等)が弾性表面波の波長λの1/2周期と一致する場合に、最も効率良くその周期の弾性表面波が励起される。   Basically, the frequency characteristics of the surface acoustic wave element are determined by the period of the comb electrode for exciting the surface acoustic wave. That is, when the interval between the comb teeth (W1 or the like) matches the half period of the wavelength λ of the surface acoustic wave, the surface acoustic wave having that period is excited most efficiently.

従って、上述したアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造の場合は、弾性表面波の送受信方向において櫛歯間隔が異なるように設定されているので、最も効率よく励起できる弾性表面波(従ってその周波数:以下励起周波数とも称する)を複数設定することができる。詳しくは、アップチャープの櫛歯構造によって複数の励起周波数を設定できるとともに、ダウンチャープの櫛歯構造によっても複数の励起周波数を設定できる。   Therefore, in the case of the above-described up-chirp and down-chirp comb-tooth structures, the interval between the comb-teeth is set to be different in the transmission / reception direction of the surface acoustic wave, so that the surface acoustic wave that can be excited most efficiently (and hence its frequency: A plurality of these can be set. Specifically, a plurality of excitation frequencies can be set by an up-chirp comb-tooth structure, and a plurality of excitation frequencies can also be set by a down-chirp comb-tooth structure.

例えば弾性表面波素子に応力が加わった場合には、その応力により圧電材がひずむことで櫛歯構造が僅かに変形して(詳しくは櫛歯間隔が変化して)、弾性表面波素子の周波数特性が変化する。   For example, when stress is applied to the surface acoustic wave element, the piezoelectric material is distorted by the stress, so that the comb tooth structure is slightly deformed (specifically, the comb tooth interval is changed), and the frequency of the surface acoustic wave element is increased. The characteristic changes.

つまり、弾性表面波素子の周波数特性は、応力など機械的摂動によって変化するので、例えば第1変換器における弾性表面波の励起状態(即ち最適な励起周波数)が変化する。よって、例えば第2変換器における受信信号の出力状態(電圧信号のピークの大きさ等)が変化するので、第2変換器の出力信号により、弾性表面波素子に加わる例えば応力を検出することができる。   That is, since the frequency characteristics of the surface acoustic wave element change due to mechanical perturbation such as stress, for example, the excitation state (ie, the optimum excitation frequency) of the surface acoustic wave in the first transducer changes. Therefore, for example, since the output state of the received signal (the magnitude of the peak of the voltage signal, etc.) in the second converter changes, for example, stress applied to the surface acoustic wave element can be detected by the output signal of the second converter. it can.

特に本発明では、アップチャープとダウンチャープの櫛歯構造によって、それぞれ複数の励起周波数(例えば小さな櫛歯間隔に対応した励起周波数と大きな櫛歯間隔に対応した励起周波数)を設定できるので、それらの励起周波数を応力等の検出に適したように適宜設定することができる。即ち、アップチャープとダウンチャープの櫛歯構造によって、応力等の検出に適した出力信号が得られる様に設定することが可能となる。   In particular, in the present invention, a plurality of excitation frequencies (for example, an excitation frequency corresponding to a small comb tooth interval and an excitation frequency corresponding to a large comb tooth interval) can be set respectively by the up-chirp and down-chirp comb-tooth structures. The excitation frequency can be appropriately set so as to be suitable for detection of stress or the like. That is, it is possible to set so that an output signal suitable for detection of stress or the like can be obtained by an up-chirp and down-chirp comb-tooth structure.

具体的な設定方法としては、後述する様に、応力に応じて出力の電圧信号のピークの遅延時間が変化するように設定したり、応力に応じて出力の電圧信号のピークの出現状態(出現数)が変化するように設定することが可能となる。   As described later, as described later, the output voltage signal peak delay time is changed according to the stress, or the output voltage signal peak appearance state (appearance appears according to the stress). Number) can be set to change.

これによって、高価な検出回路を使用しなくとも、簡易な構成で、高い感度を有する弾性表面波素子を実現できる。
なお、本発明としては、第1櫛歯電極のみに上述したアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する場合、第2櫛歯電極のみにアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する場合、第1櫛歯電極及び第2櫛歯電極の両方にアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する場合が挙げられる。
Accordingly, a surface acoustic wave device having high sensitivity can be realized with a simple configuration without using an expensive detection circuit.
In the present invention, when only the first comb electrode has the above-described up-chirp and down-chirp comb-tooth structure, only the second comb-tooth electrode has the up-chirp and down-chirp comb-tooth structure, There is a case where both the first comb electrode and the second comb electrode have an up-chirp and down-chirp comb-tooth structure.

これらの場合において、アップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造が、どちらの櫛歯電極にある場合でも、上記と同様な作用効果を有する。
(2)請求項2の発明は、弾性表面波を励起し且つ受信した弾性表面波に応じた信号を出力する第3櫛歯電極から成る第3変換器と、前記第3櫛歯電極によって励起された弾性表面波を反射する第4櫛歯電極から成る反射器とを、前記弾性表面波が伝播する伝播面を挟んで配置した弾性表面波素子であって、前記両櫛歯電極の少なくとも一方が、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造とを備えたことを特徴とする。
In these cases, the up-chirp and down-chirp comb-teeth structures have the same effects as described above regardless of which comb-teeth structure is present.
(2) The invention according to claim 2 is excited by a third converter comprising a third comb electrode for exciting a surface acoustic wave and outputting a signal corresponding to the received surface acoustic wave, and the third comb electrode. A surface acoustic wave element in which a reflector composed of a fourth comb electrode that reflects the surface acoustic wave is disposed across a propagation surface through which the surface acoustic wave propagates, wherein at least one of the comb electrodes Is provided with an up-chirp comb-tooth structure and a down-chirp comb-tooth structure.

本発明は、前記請求項1の発明の第2変換器に換えて反射器を用いたものである。
本発明では、第3櫛歯電極と第4櫛歯電極の少なくとも一方は、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造とを有しているので、第3変換器から得られる出力信号を用いて、前記請求項1の発明と同様な効果を奏する。
In the present invention, a reflector is used in place of the second converter according to the first aspect of the present invention.
In the present invention, since at least one of the third comb electrode and the fourth comb electrode has an up chirp comb structure and a down chirp comb structure, an output signal obtained from the third converter The same effects as those of the first aspect of the invention can be achieved.

つまり、本発明では、例えば第3変換器で発生した弾性表面波を反射器で反射して、同じ第3変換器で電気信号として取り出す構成であるので、その作用効果は、前記請求項1の発明と同様である。   That is, in the present invention, for example, the surface acoustic wave generated by the third transducer is reflected by the reflector and is extracted as an electric signal by the same third transducer. It is the same as the invention.

なお、本発明としては、第3櫛歯電極のみにアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する場合、第4櫛歯電極のみにアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する場合、第3櫛歯電極及び第4櫛歯電極の両方にアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する場合が挙げられる。また、アップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造が、どちらの櫛歯電極にある場合でも、上記と同様な作用効果を有する。   In the present invention, when only the third comb-tooth electrode has an up-chirp and down-chirp comb-tooth structure, when only the fourth comb-tooth electrode has an up-chirp and down-chirp comb-tooth structure, There is a case where both the tooth electrode and the fourth comb electrode have an up-chirp and down-chirp comb structure. In addition, the comb-like structure of the up-chirp and the down-chirp has the same effect as the above, regardless of which comb-tooth structure is present.

(3)請求項3の発明では、前記反射器の第4櫛歯電極に代えて、櫛歯電極以外の前記弾性表面波を反射する電極を用いたことを特徴とする。
本発明は、反射器に櫛歯電極を用いない場合を例示したものである。反射器に用いる電極としては、弾性表面波を効率よく反射できる例えば弾性表面波の半波長周期で配置された金属パターンで構成されるメタルストリップアレイを採用することができる。
(3) The invention of claim 3 is characterized in that an electrode that reflects the surface acoustic wave other than the comb-tooth electrode is used instead of the fourth comb-tooth electrode of the reflector.
The present invention exemplifies a case where a comb electrode is not used in the reflector. As an electrode used for the reflector, for example, a metal strip array configured by a metal pattern arranged with a half-wave period of the surface acoustic wave that can efficiently reflect the surface acoustic wave can be adopted.

なお、この場合は、第3変換器の第3櫛歯電極が、アップチャープとダウンチャープを組み合わせた櫛歯構造を有する。
(4)請求項4の発明は、前記請求項1〜3のいずれかに記載の弾性表面波素子を備えたセンサであって、前記弾性表面波によって生ずる電圧信号のピークの間の時間変化に基づいて、測定対象の状態を検出する(即ちセンサの感度とする)ことを特徴とする。
In this case, the third comb electrode of the third converter has a comb structure in which up chirp and down chirp are combined.
(4) The invention of claim 4 is a sensor comprising the surface acoustic wave element according to any one of claims 1 to 3, wherein a time change between peaks of a voltage signal generated by the surface acoustic wave is detected. Based on this, the state of the measurement object is detected (that is, the sensitivity of the sensor).

例えば弾性表面波が、第1櫛歯電極から第2櫛歯電極に到る伝達時間は、第1櫛歯電極のどの櫛歯(どの様な櫛歯間隔を有する櫛歯)で強く励起されたかで異なる。これは、最も効率よく励起される櫛歯の位置が異なるからである。   For example, the transmission time of the surface acoustic wave from the first comb electrode to the second comb electrode is strongly excited by which comb tooth of the first comb electrode (a comb tooth having what kind of comb tooth interval). It is different. This is because the positions of the comb teeth that are excited most efficiently are different.

よって、弾性表面波素子に応力が加わった場合には、櫛歯電極の櫛歯間隔が変化して素子が有する周波数特性が変化するので、弾性表面波がより効率よく励起される櫛歯位置が変化するため伝達時間が変化する。そのため、例えば応力が加わらない場合の出力信号(電圧信号のピーク)と、応力が加わった場合の出力信号(電圧信号のピーク)とには、伝達時間に時間差(遅延時間)が生ずる。従って、この遅延時間の変化から応力等を求めることができる。   Therefore, when stress is applied to the surface acoustic wave element, the frequency characteristics of the element change due to the change of the comb-teeth spacing of the comb-teeth electrodes, so that the comb tooth position where the surface acoustic wave is excited more efficiently can be obtained. Because it changes, the transmission time changes. Therefore, for example, there is a time difference (delay time) in the transmission time between the output signal (voltage signal peak) when no stress is applied and the output signal (voltage signal peak) when stress is applied. Therefore, stress and the like can be obtained from the change in the delay time.

特に本発明では、アップチャープとダウンチャープを組み合わせた櫛歯構造を有するので、その櫛歯構造に対応して、それぞれ複数の励起周波数を設定できる。よって、各励起周波数に対応した弾性表面波によって発生する出力信号の電圧ピークの伝達時間も異なる。   In particular, the present invention has a comb-tooth structure combining up-chirp and down-chirp, so that a plurality of excitation frequencies can be set for each of the comb-tooth structures. Therefore, the transmission time of the voltage peak of the output signal generated by the surface acoustic wave corresponding to each excitation frequency is also different.

従って、大きな周波数の弾性表面波によって一対の電圧ピークが現れ、且つ、小さな周波数の弾性表面波によって一対の電圧ピークが現れるように、アップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を設定しておけば(即ち櫛歯間隔を設定しておけば)、応力変化に伴い一対の電圧ピーク間の伝達時間も変化するので、そのピーク電圧間の時間を計測することにより、応力等を検出することができる。   Therefore, if the comb structure of up-chirp and down-chirp is set so that a pair of voltage peaks appear due to a surface acoustic wave with a large frequency and a pair of voltage peaks appear due to a surface wave with a small frequency ( In other words, if the interval between the comb teeth is set), the transmission time between the pair of voltage peaks also changes with the stress change, so that the stress or the like can be detected by measuring the time between the peak voltages.

なお、反射器を備えた場合も、第3変換器と反射器との間の伝達時間が同様に変化するので、同様にピーク間の時間をセンサ感度とすることができる。
(5)請求項5の発明は、前記請求項1〜3のいずれかに記載の弾性表面波素子を備えたセンサであって、前記弾性表面波によって生ずる電圧信号のピークの数に基づいて、測定対象の状態を検出する(即ちセンサの感度とする)ことを特徴とする。
Even when a reflector is provided, since the transmission time between the third converter and the reflector changes in the same manner, the time between peaks can be similarly set as the sensor sensitivity.
(5) The invention of claim 5 is a sensor comprising the surface acoustic wave element according to any one of claims 1 to 3, and based on the number of peaks of a voltage signal generated by the surface acoustic wave, It is characterized by detecting the state of the measurement object (that is, the sensitivity of the sensor).

本発明では、アップチャープとダウンチャープを組み合わせた櫛歯構造を有するので、各櫛歯構造に対応した複数の励起周波数を設定できる。例えば、弾性表面波素子に応力が加わった場合には、櫛歯電極の電極間隔が変化して励起周波数が変化するので、励起周波数に対応した弾性表面波による出力信号(電圧信号のピーク位置)も変化する。   In the present invention, since it has a comb tooth structure combining up-chirp and down-chirp, it is possible to set a plurality of excitation frequencies corresponding to each comb-tooth structure. For example, when a stress is applied to the surface acoustic wave element, the excitation frequency changes due to the change in the electrode spacing between the comb-teeth electrodes, so the output signal (the peak position of the voltage signal) by the surface acoustic wave corresponding to the excitation frequency Also changes.

つまり、応力に応じて電圧信号のピーク出現状況が変化するので、電圧のピークの出現状態(ここではピークの数)によって、応力等を求めることができる。
なお、反射器を備えた場合も同様に、電圧信号のピークの数が変化するので、ピークの数をセンサ感度とすることができる。
That is, since the voltage signal peak appearance state changes according to the stress, the stress or the like can be obtained from the voltage peak appearance state (here, the number of peaks).
Similarly, when the reflector is provided, the number of peaks of the voltage signal changes, so that the number of peaks can be used as the sensor sensitivity.

(6)請求項6の発明では、前記センサは、前記弾性表面波素子に加わる応力を検出する応力センサであることを特徴とする。
本発明は、上述したセンサの用途を例示したものである。なお、応力以外に、例えば第1変換器と第2変換器の距離又は第3変換器と反射器との距離の変化を検出する変位センサとして用いることができる。更に、温度、湿度、ひずみ等の検出に用いることができる。
(6) The invention of claim 6 is characterized in that the sensor is a stress sensor for detecting a stress applied to the surface acoustic wave element.
The present invention exemplifies the use of the sensor described above. In addition to the stress, for example, it can be used as a displacement sensor that detects a change in the distance between the first transducer and the second transducer or the distance between the third transducer and the reflector. Furthermore, it can be used for detecting temperature, humidity, strain, and the like.

(7)請求項7の発明では、前記応力センサは、タイヤに生ずる応力の変化からタイヤ空気圧を検出するタイヤ空気圧センサであることを特徴とする。
本発明は、応力センサの用途を例示したものである。
(7) The invention according to claim 7 is characterized in that the stress sensor is a tire air pressure sensor for detecting tire air pressure from a change in stress generated in the tire.
The present invention illustrates the use of a stress sensor.

(8)請求項8の発明では、前記弾性表面波の受信側の櫛歯電極によって出力される信号を、無線通信によりコントローラに送信する機能を有することを特徴とする。
本発明では、センサによって検出したデータを無線通信により送信できるので、センサの設置場所の制限が少ないという利点がある。
(8) The invention of claim 8 has a function of transmitting a signal output from the comb electrode on the receiving side of the surface acoustic wave to the controller by wireless communication.
In the present invention, since data detected by the sensor can be transmitted by wireless communication, there is an advantage that there are few restrictions on the installation location of the sensor.

例えば外部へ出力するためのアンテナを備えるようにすると、弾性表面波素子に対する高周波信号の入出力を非接触で行うことができるので、高周波信号の入力にケーブルや接触子が必要なくなる。したがって、回転体など動きのある部分への設置が可能となる。   For example, if an antenna for outputting to the outside is provided, high-frequency signals can be input / output to / from the surface acoustic wave element in a non-contact manner, so that no cables or contacts are required to input the high-frequency signals. Therefore, it can be installed on a moving part such as a rotating body.

以下、本発明が適用される実施形態について図面を用いて説明する。
[第1実施形態]
本実施形態では、例えばタイヤ空気圧を検出するタイヤ空気圧センサとして用いられる応力センサを例に挙げて説明する。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
In the present embodiment, for example, a stress sensor used as a tire pressure sensor for detecting tire pressure will be described as an example.

a)まず、応力センサの構成について説明する。
図1は、応力センサ1の概略の構成を示す説明図であり、図2は、その信号の状態等を示す説明図である。
a) First, the configuration of the stress sensor will be described.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the stress sensor 1, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing a signal state and the like.

図1(a)に示すように、応力センサ1は、弾性表面波素子3とアンテナ5、7とを備えており、弾性表面波素子3は、弾性表面波と電気信号との間の機械・電気的変換を行う第1変換器9と第2変換器11とを備えている。   As shown in FIG. 1 (a), the stress sensor 1 includes a surface acoustic wave element 3 and antennas 5 and 7. The surface acoustic wave element 3 is a mechanical sensor between a surface acoustic wave and an electric signal. A first converter 9 and a second converter 11 that perform electrical conversion are provided.

このうち、弾性表面波素子3は、圧電材料基板13の同一表面上に、一対の櫛歯電極(入力側の第1櫛歯電極15、出力側の第2櫛歯電極17)を、点対称となるように対向して配置したものであり、この第1櫛歯電極15にて第1変換器9が構成され、第2櫛歯電極17にて第2変換器17が構成されている。   Among these, the surface acoustic wave element 3 is a point-symmetrical arrangement of a pair of comb electrodes (the first comb electrode 15 on the input side and the second comb electrode 17 on the output side) on the same surface of the piezoelectric material substrate 13. The first converter 9 is constituted by the first comb electrode 15, and the second converter 17 is constituted by the second comb electrode 17.

以下、各構成について説明する。
アンテナ5は、計測装置19から供給される高周波信号を受信するためのアンテナであり、タブレットアンテナやパッチアンテナなどを用いることができ、計測装置19までの距離や取付け部分の形状、あるいは用いる高周波信号の周波数によって最適な形態や特性を有するアンテナを用いることができる。
Each configuration will be described below.
The antenna 5 is an antenna for receiving a high-frequency signal supplied from the measuring device 19, and a tablet antenna, a patch antenna, or the like can be used. The distance to the measuring device 19, the shape of the mounting portion, or the high-frequency signal to be used. An antenna having an optimal form and characteristics can be used depending on the frequency.

アンテナ7は、第2変換器11から出力される高周波信号を外部の計測装置19へ出力するためのものであり、アンテナ5と同じ構造を有している。
圧電材料基板13は、例えばLiNbO3などの圧電材料からなり、その表面にDCスパッタ等により、例えばアルミからなる第1変換器9及び第2変換器11が形成されている。
The antenna 7 is for outputting a high-frequency signal output from the second converter 11 to an external measuring device 19, and has the same structure as the antenna 5.
The piezoelectric material substrate 13 is made of, for example, a piezoelectric material such as LiNbO 3, and the first converter 9 and the second converter 11 made of, for example, aluminum are formed on the surface thereof by DC sputtering or the like.

第1変換器9は、外部の計測装置19から供給される高周波信号を弾性表面波に変換するものであり、逆圧電効果により電気信号を弾性表面波に変換する。この第1櫛歯電極15は、対称な形状を有する一対の片側櫛歯電極の櫛歯部分が互いに嵌り込むように対向して配置されたものであり、アンテナ5で受信した電気信号を弾性表面波に変換し、櫛歯に対して垂直方向へ弾性表面波を励起する。   The 1st converter 9 converts the high frequency signal supplied from the external measuring device 19 into a surface acoustic wave, and converts an electrical signal into a surface acoustic wave by the reverse piezoelectric effect. The first comb electrode 15 is arranged so as to be opposed to each other so that the comb portions of a pair of one-side comb electrodes having a symmetrical shape are fitted into each other, and an electric signal received by the antenna 5 is elastically surfaced. The surface acoustic wave is excited in a direction perpendicular to the comb teeth.

第2変換器11は、弾性表面波を電気信号に変換するものであり、その構造は第1変換器9と同じで、第1変換器9とは点対称の形状を有している。この第2変換器11は、圧電材料基板13を伝播してきた弾性表面波を第2櫛歯電極17で電気信号に変換し、アンテナ7を介して計測装置19へ出力する。   The second converter 11 converts a surface acoustic wave into an electric signal. The structure of the second converter 11 is the same as that of the first converter 9 and has a point-symmetric shape with respect to the first converter 9. The second converter 11 converts the surface acoustic wave propagating through the piezoelectric material substrate 13 into an electric signal by the second comb electrode 17 and outputs the electric signal to the measuring device 19 via the antenna 7.

前記第1変換器9と第2変換器11とは、伝播面を挟んで、弾性表面波の伝播方向(同図左右方向)に沿って伸びるように圧電材料基板13の同一表面に配置されている。
特に本実施形態では、第1櫛歯電極15と第2櫛歯電極17とは、各櫛歯電極15、17の中心から同図左右方向に外れるに従って、それぞれ櫛歯電極の周期(即ち櫛歯間隔)が小さくなるように変化するアップチャープとダウンチャープとを組み合わせた櫛歯構造を有している。
The first transducer 9 and the second transducer 11 are arranged on the same surface of the piezoelectric material substrate 13 so as to extend along the propagation direction of the surface acoustic wave (left-right direction in the figure) across the propagation plane. Yes.
In particular, in the present embodiment, the first comb electrode 15 and the second comb electrode 17 are separated from the center of each comb electrode 15, 17 in the horizontal direction of FIG. It has a comb-tooth structure in which up-chirp and down-chirp that change so that the (interval) becomes small.

例えば図1(b)に第1櫛歯電極15を模式的に示すように、その櫛歯間隔は、同図左側(入力側)から第1櫛歯電極15の中央部分にかけて増加するように設定され(アップチャープに設定)、且つ、第1櫛歯電極15の中央部分から同図右側にかけて減少するように設定されている(ダウンチャープに設定)。   For example, as schematically shown in FIG. 1 (b), the first comb-teeth electrode 15 is set so that the comb-teeth interval increases from the left side (input side) to the center of the first comb-teeth electrode 15. It is set so as to decrease from the center of the first comb electrode 15 to the right side of the figure (set to down chirp).

詳しくは、第1櫛歯電極15は、3種類の幅及び櫛歯間隔を有する櫛歯からなり、同図左側の4本の最も細い櫛歯の櫛歯間隔W1は、同図右側の4本の最も細い櫛歯の櫛歯間隔W5と同じに設定されている。また、前記最も細い左右の櫛歯より内側には、最も細い櫛歯よりも大きな幅の各4本の櫛歯(中間の太さの櫛歯)が配置されており、その中間の太さの櫛歯の櫛歯間隔W2、W4は同じであり、前記最も細い櫛歯の櫛歯間隔W1、W5より大きく設定されている。更に、左右の中間の太さの櫛歯の間には、最も幅の広い4本の櫛歯が配置されており、その櫛歯間隔W3は、他の櫛歯の櫛歯間隔W1、W2、W4、W5よりも大きく設定されている。   Specifically, the first comb electrode 15 is composed of comb teeth having three kinds of widths and comb tooth intervals, and the comb tooth interval W1 of the four thinnest comb teeth on the left side of the figure is four on the right side of the figure. Is set to be the same as the comb tooth interval W5 of the thinnest comb tooth. Further, four comb teeth (intermediate thickness comb teeth) each having a width larger than that of the thinnest comb teeth are arranged inside the thinnest left and right comb teeth. The comb tooth intervals W2 and W4 of the comb teeth are the same and are set larger than the comb tooth intervals W1 and W5 of the thinnest comb teeth. Further, four comb teeth having the widest width are arranged between the left and right intermediate comb teeth, and the comb tooth interval W3 is determined by the comb tooth intervals W1, W2, It is set larger than W4 and W5.

ここでは、例えば櫛歯間隔を、9.276μm、9.476μm、9.676μmとした大中小3パターンの櫛歯を、128YX−LiNbO3の圧電材料基板9に作成することにより、帯域幅2.264MHzの、基本波:中心周波数105MHz、チャープ率1.19、3次高調波:中心周波数315MHz、チャープ率3.56、・・となる2つの山(最大ピーク)を有する信号が得られる応力センサ1を構成できる。 In this case, for example, three large, medium, and small patterns of comb teeth with comb teeth intervals of 9.276 μm, 9.476 μm, and 9.676 μm are formed on the piezoelectric material substrate 9 of 128YX-LiNbO 3 , thereby obtaining a bandwidth of 2. 264 MHz fundamental wave: center frequency 105 MHz, chirp rate 1.19, third harmonic: center frequency 315 MHz, chirp rate 3.56,... Stress sensor capable of obtaining a signal having two peaks (maximum peak) 1 can be configured.

なお、チャープ率とは、周波数特性における遅延時間の傾きのことである。
この様に、本実施形態では、上述した櫛歯構造によって、後に詳述する様に、変化方向が2方向の2つの山(最大電圧ピーク)を持つ波形が励起されるので(図5(c)参照)、この最大ピーク間の時間差と弾性表面波素子3に加わる外力との関係により、測定対象の値(応力)を算出することができる。
The chirp rate is the slope of the delay time in the frequency characteristics.
In this way, in the present embodiment, the comb-tooth structure described above excites a waveform having two peaks (maximum voltage peaks) having two changing directions (FIG. 5 (c). )), And the value (stress) of the measurement object can be calculated from the relationship between the time difference between the maximum peaks and the external force applied to the surface acoustic wave element 3.

b)次に、応力センサ1における測定の原理を、参考例とともに説明する。
図2は非分散型電極の参考例1を示し、図3はアップチャープ又はダウンチャープの分散型電極の参考例2を示し、図4は本実施形態のアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有する例を示している。
b) Next, the measurement principle in the stress sensor 1 will be described together with a reference example.
2 shows a reference example 1 of a non-dispersed electrode, FIG. 3 shows a reference example 2 of an up-chirped or down-chirped dispersed electrode, and FIG. 4 shows an up-chirp and down-chirped comb tooth structure of this embodiment. The example which has is shown.

図2(a)の参考例1に示す様に、入力側の櫛歯電極(入力IDT:interdigital transducer)及び出力側の櫛歯電極(出力IDT)における櫛歯間隔が同じセンサの場合(即ち櫛歯間隔が同じ非分散型電極の場合)には、弾性表面波素子は、図2(b)に示す周波数特性となる。   As shown in Reference Example 1 in FIG. 2A, in the case of sensors having the same comb-teeth interval between the input-side comb-teeth electrode (input IDT: interdigital transducer) and the output-side comb-teeth electrode (output IDT) (that is, comb In the case of non-dispersed electrodes having the same tooth spacing, the surface acoustic wave element has frequency characteristics shown in FIG.

即ち、弾性表面波は、櫛歯間隔が弾性表面波の波長λの1/2のときに最も強く励起され、その周波数を中心とした山形のバンドパスフィルタ特性となる。なお、図2(b)では、実線にて周波数に対応した挿入損失を示し、破線にて周波数に応じた遅延時間を示している。   That is, the surface acoustic wave is excited most strongly when the comb tooth interval is ½ of the wavelength λ of the surface acoustic wave, and has a mountain-shaped bandpass filter characteristic centered on the frequency. In FIG. 2B, the solid line represents the insertion loss corresponding to the frequency, and the broken line represents the delay time corresponding to the frequency.

従って、図2(c)に示す様に、入力側の櫛歯電極から単一の周波数の高周波信号を入力した場合、弾性表面波素子に応力が加わっていないときには、出力側の櫛歯電極では、その櫛歯間隔に対応した最大ピークを有する出力Aが得られる。   Therefore, as shown in FIG. 2C, when a high frequency signal having a single frequency is input from the input-side comb-tooth electrode, when no stress is applied to the surface acoustic wave element, the output-side comb-tooth electrode , An output A having a maximum peak corresponding to the comb tooth interval is obtained.

一方、応力が加わった場合には、櫛歯間隔が変化し、各櫛歯が持つ周波数特性が変化するので(図2(b)の左右方向にずれる)、同図の出力Bの様に、所定の遅延時間差分ずれた信号、即ち変化した周波数特性に対応した信号が得られる。   On the other hand, when stress is applied, the comb tooth interval changes, and the frequency characteristic of each comb tooth changes (shifts to the left and right in FIG. 2B). A signal shifted by a predetermined delay time difference, that is, a signal corresponding to the changed frequency characteristic is obtained.

この遅延時間差は加わった応力に対応しているので、遅延時間差から応力を求めることができるが僅かな遅延時間差しか得られない。
また、図3(a)の参考例2に示す様に、入力側及び出力側の櫛歯電極の櫛歯間隔を、弾性表面波素子の中央に向かって単純に増加させたセンサの場合、即ち入力側が分散型のアップチャープの電極で、出力側が分散型のダウンチャープの電極の場合には、弾性表面波素子は図3(b)に示す広帯域幅の周波数特性となる。
Since this delay time difference corresponds to the applied stress, the stress can be obtained from the delay time difference, but only a slight delay time difference can be obtained.
Further, as shown in Reference Example 2 of FIG. 3A, in the case of a sensor in which the comb-teeth spacing between the input-side and output-side comb-teeth electrodes is simply increased toward the center of the surface acoustic wave device, When the input side is a dispersive up-chirp electrode and the output side is a dispersive down-chirp electrode, the surface acoustic wave element has frequency characteristics with a wide bandwidth as shown in FIG.

つまり、櫛歯電極の櫛歯間隔を例えばアップチャープに設定することにより、多数の励起周波数を伝播距離の異なった櫛歯電極群ができるため、周波数によって異なる遅延時間が得られる。即ち、電極形状に依存する傾斜を持った遅延線を構成できる。   In other words, by setting the comb-teeth interval of the comb-teeth electrodes to, for example, up-chirp, a group of comb-teeth electrodes having different propagation distances can be formed at a large number of excitation frequencies, so that different delay times can be obtained depending on the frequencies. That is, a delay line having an inclination depending on the electrode shape can be configured.

従って、図3(c)に示す様に、入力側の櫛歯電極から単一の周波数の高周波信号を入力した場合、弾性表面波素子に応力が加わっていないときには、出力側の櫛歯電極から出力Aが得られる。この出力Aは、アップチャープの櫛歯間隔に対応して、ピークが分散した複雑な波形を有するとともに、入力信号の周波数に応じて最も効率よく弾性表面波を励振できる櫛歯間隔に対応して(即ち最も効率よく励振された弾性表面波に対応して)、1つの最大ピークを有している。   Therefore, as shown in FIG. 3C, when a high-frequency signal having a single frequency is input from the input-side comb-tooth electrode, when no stress is applied to the surface acoustic wave element, the output-side comb-tooth electrode Output A is obtained. The output A has a complex waveform with dispersed peaks corresponding to the comb spacing of the up chirp, and corresponds to the comb spacing that can excite the surface acoustic wave most efficiently according to the frequency of the input signal. It has one maximum peak (ie, corresponding to the most efficiently excited surface acoustic wave).

一方、応力が加わった場合には、図4に示す様に、櫛歯電極の櫛歯間隔が変化し、周波数特性が変化するので、最も効率よく弾性表面波を励振できる周波数(f0、f1、f2)も変化し、それにともない、最大ピークも変化する。   On the other hand, when stress is applied, as shown in FIG. 4, since the comb tooth interval of the comb electrode changes and the frequency characteristics change, the frequencies (f0, f1,. f2) also changes, and the maximum peak changes accordingly.

よって、前記図3(c)の出力Bの様に、所定の遅延時間差分ずれた信号、即ち変化した周波数特性に対応した遅延時間差分ずれた信号が得られる。ここでは、出力Aと出力Bの最大のピーク間を遅延時間差としている。   Accordingly, a signal with a predetermined delay time difference shifted, that is, a signal with a delay time difference shifted corresponding to the changed frequency characteristic is obtained as in the output B of FIG. Here, the delay time difference is the maximum peak between output A and output B.

この遅延時間差は、加わった応力に対応しているので、遅延時間差から応力を求めることができるが、かならずしも十分な遅延時間差は得られない。
これに対して、本実施形態では、図5(a)に示す様に、上述したアップチャートとダウンチャープの櫛歯電極を備えているので、図5(b)に示す様に、広帯域幅で傾斜の大きな遅延線を有する周波数特性が得られる。
Since this delay time difference corresponds to the applied stress, the stress can be obtained from the delay time difference, but a sufficient delay time difference cannot always be obtained.
In contrast, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the above-described up-chart and down-chirp comb-teeth electrodes are provided. Therefore, as shown in FIG. A frequency characteristic having a delay line having a large slope can be obtained.

本実施形態では、図5(c)に示す様に、入力側の第1櫛歯電極15から単一の周波数の高周波信号を入力した場合、第1櫛歯電極15のアップチャープの櫛歯構造より、最も効率良く励起された弾性表面波に対応してその出力に最大ピークが現れ、同様に、第1櫛歯電極15のダウンチャープの櫛歯構造により、最も効率良く励起された弾性表面波に対応してその出力に最大ピークが現れる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 5C, when a high frequency signal having a single frequency is input from the first comb-teeth electrode 15 on the input side, an up-chirp comb-teeth structure of the first comb-teeth electrode 15 Accordingly, the maximum peak appears in the output corresponding to the surface acoustic wave excited most efficiently, and similarly, the surface acoustic wave excited most efficiently by the down-chirp comb structure of the first comb electrode 15. The maximum peak appears in the output corresponding to.

つまり、図6(a)に示す様に、異なる櫛歯間隔を有する第1櫛歯電極15において、入力周波数(f)と周波数特性が一致した場合(ここでは、例えば櫛歯間隔W2、W4に対応する周波数f0に一致した場合)に弾性表面波が励起され、その励起された弾性表面波によって出力に最大ピークが現れる。   That is, as shown in FIG. 6A, in the first comb electrode 15 having different comb tooth intervals, when the frequency characteristics coincide with the input frequency (f) (here, for example, the comb tooth intervals W2 and W4 A surface acoustic wave is excited at the same frequency f0), and a maximum peak appears in the output due to the excited surface acoustic wave.

従って、前記図5(c)に示す様に、弾性表面波素子3に応力が加わっていないときには、第1櫛歯電極15のアップチャープとダウンチャープの櫛歯構造より、2つの山(最大ピーク)を持つ出力Aが得られる。なお、この場合の最大ピーク間の時間を基本時間とする。   Therefore, as shown in FIG. 5C, when no stress is applied to the surface acoustic wave element 3, two peaks (maximum peak) are obtained from the up-chirp and down-chirp comb-teeth structures of the first comb-teeth electrode 15. ) Is obtained. Note that the time between the maximum peaks in this case is the basic time.

この出力Aにおける左側の最大ピークは、第1櫛歯電極15のアップチャープの櫛歯構造のうちの中間の櫛歯間隔W2(周波数f0)に対応し、出力Aにおける右側の最大ピークは、第1櫛歯電極15のダウンチャープの櫛歯構造のうちの同様な中間の櫛歯間隔W4(周波数f0)に対応している。なお、ここでは、中央の最大の櫛歯間隔W3に対応する弾性表面波が最も強く励起されないように設定されている。   The maximum peak on the left side in the output A corresponds to the intermediate comb tooth interval W2 (frequency f0) in the comb structure of the up-chirp of the first comb electrode 15, and the maximum peak on the right side in the output A is the first peak. This corresponds to a similar intermediate comb tooth interval W4 (frequency f0) in the down-chirp comb-tooth structure of one comb-tooth electrode 15. Here, it is set so that the surface acoustic wave corresponding to the center maximum comb tooth interval W3 is not excited most strongly.

このように、出力Aの最大ピークの位置がずれるのは(即ち遅延時間がずれるのは)、第1櫛歯電極15において、最も効率よく弾性表面波を励起できる周波数に対応する櫛歯間隔が設定されている位置が、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造のようにずれているからである。   As described above, the position of the maximum peak of the output A is shifted (that is, the delay time is shifted). In the first comb electrode 15, the comb tooth interval corresponding to the frequency at which the surface acoustic wave can be excited most efficiently is obtained. This is because the set positions are shifted like the comb structure of the up chirp and the comb tooth structure of the down chirp.

一方、応力が加わった場合(ここでは図1の紙面の裏側に凸となるような応力が加わった場合)には、櫛歯電極の櫛歯間隔が変化するので、図6(b)に示す様に、弾性表面波を効率良く励起する周波数も変化する。よって、図5(c)に示す様に、その周波数に応じて励起された弾性表面波に対応した出力信号の最大ピークも変化し、出力Bが得られる。なお、この最大ピーク間の時間を測定時間とする。   On the other hand, when stress is applied (in this case, a stress that is convex on the back side of the paper surface of FIG. 1), the comb-teeth spacing of the comb-teeth electrode changes, and therefore, as shown in FIG. Similarly, the frequency for efficiently exciting the surface acoustic wave also changes. Therefore, as shown in FIG. 5C, the maximum peak of the output signal corresponding to the surface acoustic wave excited according to the frequency also changes, and the output B is obtained. The time between the maximum peaks is taken as the measurement time.

この出力Bにおける左側の最大ピークは、第1櫛歯電極15のアップチャープの櫛歯構造のうちの最少の櫛歯によって励起される弾性表面波に対応し、右側の最大ピークは、ダウンチャープの櫛歯構造のうちの同様な最小の櫛歯によって励起される弾性表面波に対応している。なお、図6(c)に示す様に、応力が加わった場合には、最小の櫛歯の励起周波数は、応力が加わっていないときの励起周波数(f2)から応力が加わっていないときの中間の櫛歯の励起周波数(f0)に変化している。   The maximum peak on the left side in the output B corresponds to the surface acoustic wave excited by the minimum comb teeth of the up-chirp comb structure of the first comb electrode 15, and the maximum peak on the right side is the down-chirp peak. This corresponds to a surface acoustic wave excited by the same smallest comb tooth of the comb tooth structure. As shown in FIG. 6 (c), when stress is applied, the minimum comb tooth excitation frequency is intermediate from the excitation frequency (f2) when no stress is applied to when the stress is not applied. It changes to the excitation frequency (f0) of the comb teeth.

従って、測定時間から基本時間を引いた値を遅延時間差とすることにより、この遅延時間差は応力に対応したものであるので、遅延時間差から応力を求めることができる。
つまり、本実施形態では、応力センサ1に応力が加わった場合に、基本時間よりも測定時間が増加するようにアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯電極の構造が設定されているので、簡単な回路構成で、従来より精度良く応力を検出することができる。
Accordingly, by setting the value obtained by subtracting the basic time from the measurement time as the delay time difference, the delay time difference corresponds to the stress, and therefore the stress can be obtained from the delay time difference.
That is, in this embodiment, when the stress is applied to the stress sensor 1, the structure of the up-chirp and down-chirp comb-teeth electrodes is set so that the measurement time is longer than the basic time. With the configuration, the stress can be detected with higher accuracy than in the past.

c)次に、圧力センサ1を駆動する計測装置19について説明する。
・前記図1に示す様に、計測装置19は、アンテナ21、高周波信号発生部23、スイッチ25、電圧計27及び信号処理部29(図7参照)を備えている。
c) Next, the measuring device 19 for driving the pressure sensor 1 will be described.
As shown in FIG. 1, the measuring device 19 includes an antenna 21, a high frequency signal generator 23, a switch 25, a voltmeter 27, and a signal processor 29 (see FIG. 7).

アンテナ21は、高周波信号発生部23で発生した高周波信号を、外部の圧力センサ1に出力するとともに、圧力センサ1から出力される高周波信号を入力するためのアンテナである。   The antenna 21 is an antenna for outputting a high frequency signal generated by the high frequency signal generator 23 to the external pressure sensor 1 and inputting a high frequency signal output from the pressure sensor 1.

アンテナ21は、アンテナ5と同じように、タブレットアンテナやパッチアンテナなどを用いることができ、第1変換器9及び第2変換器11までの距離や取付け部分の形状、あるいは用いる高周波信号の周波数によって最適な形態や特性を有するアンテナを用いることができる。   As with the antenna 5, the antenna 21 can be a tablet antenna, a patch antenna, or the like, depending on the distance to the first converter 9 and the second converter 11, the shape of the mounting portion, or the frequency of the high-frequency signal used. An antenna having an optimal form and characteristics can be used.

高周波信号発生部23は、応力センサ1の第1櫛歯電極15において弾性表面波を発生させるための高周波信号を発生させるための発振器である。発振周波数は、例えば315MHz、434MHz、2.45GHz帯などである。   The high-frequency signal generator 23 is an oscillator for generating a high-frequency signal for generating a surface acoustic wave in the first comb electrode 15 of the stress sensor 1. The oscillation frequency is, for example, 315 MHz, 434 MHz, 2.45 GHz band, or the like.

スイッチ25は、高周波信号発生部23で発生される高周波信号をアンテナ21へ供給したり供給させなかったりするためのスイッチであり、オンで高周波信号をアンテナ21へ供給し、オフで供給しないようにする。   The switch 25 is a switch for supplying or not supplying the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generator 23 to the antenna 21, so that the high-frequency signal is supplied to the antenna 21 when turned on and not supplied when turned off. To do.

電圧計27は、高周波信号発生部23から出力される高周波信号及びアンテナ21から入力される高周波信号の電圧を計測するものである。
信号処理部29は、後述する様に、高周波信号発生部23から高周波信号を発生させたり、電圧計27で計測した高周波信号の電圧に基づいて応力センサ1において計測される応力の算出を行うものである。
The voltmeter 27 measures the voltage of the high frequency signal output from the high frequency signal generator 23 and the high frequency signal input from the antenna 21.
As will be described later, the signal processing unit 29 generates a high frequency signal from the high frequency signal generation unit 23 or calculates a stress measured by the stress sensor 1 based on the voltage of the high frequency signal measured by the voltmeter 27. It is.

・ここで、応力センサ1及び計測装置19を用いて応力を測定する方法について、前記図5に基づき説明する。
まず、計測装置19からアンテナ21を介して高周波信号が応力センサ1に対して出力される。応力センサ1では、アンテナ21から出力された高周波信号をアンテナ5で受信する。
Here, a method for measuring stress using the stress sensor 1 and the measuring device 19 will be described with reference to FIG.
First, a high frequency signal is output from the measuring device 19 to the stress sensor 1 via the antenna 21. In the stress sensor 1, the high-frequency signal output from the antenna 21 is received by the antenna 5.

アンテナ5で受信された高周波信号は、第1変換器9の第1櫛歯電極15に供給され、第1櫛歯電極15では、供給された高周波信号により弾性表面波が励起される。励起された弾性表面波は、圧電材料基板13の表面(伝播面)を介して第2変換器11に伝播する。   The high frequency signal received by the antenna 5 is supplied to the first comb electrode 15 of the first converter 9, and surface acoustic waves are excited at the first comb electrode 15 by the supplied high frequency signal. The excited surface acoustic wave propagates to the second transducer 11 via the surface (propagation surface) of the piezoelectric material substrate 13.

第2変換器11では、圧電材料基板13を伝播してくる弾性表面波を取得し、第2櫛歯電極17で高周波信号に変換し、アンテナ7から外部へ出力する。アンテナ7から出力された高周波信号は、計測装置19のアンテナ21で受信される。そして、アンテナ21で受信された高周波信号は、電圧計27によって電圧が計測される。   In the second converter 11, the surface acoustic wave propagating through the piezoelectric material substrate 13 is acquired, converted into a high frequency signal by the second comb electrode 17, and output from the antenna 7 to the outside. The high frequency signal output from the antenna 7 is received by the antenna 21 of the measuring device 19. The voltage of the high frequency signal received by the antenna 21 is measured by the voltmeter 27.

従って、計測装置19においては、計測された電圧の二つの最大ピーク間の測定時間を所定の閾値によって検出し、この測定時間から予め記憶されている基本時間を引いて遅延時間差を求める。   Therefore, in the measuring device 19, the measurement time between the two maximum peaks of the measured voltage is detected by a predetermined threshold value, and the basic time stored in advance is subtracted from this measurement time to obtain the delay time difference.

この遅延時間差は、応力に対応したものであるので、予め実験等によって求められたマップ等を用いて、遅延時間差から応力を求めることができる。
d)次に、信号処理部29の詳しい構成及びその動作について説明する、
図7に示す様に、信号処理部29は、アナログ回路部31とディジタル回路部33とを備えている。アナログ回路部31は、印加電圧生成部35と時間計測パルス生成部37とから構成される。
Since this delay time difference corresponds to the stress, the stress can be obtained from the delay time difference using a map or the like obtained in advance by experiments or the like.
d) Next, the detailed configuration and operation of the signal processing unit 29 will be described.
As shown in FIG. 7, the signal processing unit 29 includes an analog circuit unit 31 and a digital circuit unit 33. The analog circuit unit 31 includes an applied voltage generation unit 35 and a time measurement pulse generation unit 37.

印加電圧生成部35は、オフセット回路39、第1増幅回路41、フィルタ回路43及びアナログスイッチ45から構成される。
オフセット回路39は、図8(イ)に示すように、カウンタ47(図7参照)から出力されるGNDレベルを基準とする0[V]〜+5[V]のパルス波形(図8(ア)に示す。)にマイナスのオフセット電圧を印加し、±2.5[V]のパルス波形に変換する。
The applied voltage generation unit 35 includes an offset circuit 39, a first amplifier circuit 41, a filter circuit 43, and an analog switch 45.
As shown in FIG. 8A, the offset circuit 39 has a pulse waveform of 0 [V] to +5 [V] based on the GND level output from the counter 47 (see FIG. 7) (FIG. 8A). Is applied to the pulse waveform of ± 2.5 [V].

第1増幅回路41は、図8(ウ)に示すように、オフセット回路39において得られた±2.5[V]のパルス波形を増幅し±5[V]のパルス波形に変換する。
フィルタ回路43は、ローパスフィルタであり、図8(エ)に示すように、第1増幅回路41で得られた±5[V]のパルス波形の高周波成分を除去し、振幅5[V]の正弦波を生成する。
As shown in FIG. 8C, the first amplifier circuit 41 amplifies the pulse waveform of ± 2.5 [V] obtained in the offset circuit 39 and converts it to a pulse waveform of ± 5 [V].
The filter circuit 43 is a low-pass filter, and removes a high-frequency component of the pulse waveform of ± 5 [V] obtained by the first amplifier circuit 41 and has an amplitude of 5 [V] as shown in FIG. Generate a sine wave.

アナログスイッチ45は、図8(オ)に示すように、カウンタ47にゲートパルスが入力されると、図8(カ)に示すように、フィルタ回路43で生成した正弦波を外部へ出力する。   When the gate pulse is input to the counter 47 as shown in FIG. 8 (o), the analog switch 45 outputs the sine wave generated by the filter circuit 43 to the outside as shown in FIG. 8 (f).

次に、時間計測パルス生成部37は、図5に示すように、クリップ回路49、オフセット回路51、半波整流回路53、第2増幅回路55、平滑回路57及び比較回路59から構成される。   Next, as shown in FIG. 5, the time measurement pulse generator 37 includes a clip circuit 49, an offset circuit 51, a half-wave rectifier circuit 53, a second amplifier circuit 55, a smoothing circuit 57, and a comparison circuit 59.

クリップ回路9は、図9(ア)に示すような電圧計27から入力される検出電圧波形を、図9(イ)に示すように、出力の最大値が回路を構成する図示しないオペアンプの最大出力値である±10[V]となるよう検出電圧波形のピーク値をクリップする。   The clip circuit 9 has a detection voltage waveform input from the voltmeter 27 as shown in FIG. 9A, and the maximum value of the output of the operational amplifier (not shown) constituting the circuit as shown in FIG. The peak value of the detected voltage waveform is clipped so that the output value becomes ± 10 [V].

オフセット回路51は、図9(ウ)に示すように、クリップ回路49から出力される電圧波形に重畳しているノイズの最大値の電圧をマイナスするようにオフセット電圧を印加する。   As shown in FIG. 9C, the offset circuit 51 applies an offset voltage so as to subtract the maximum voltage of noise superimposed on the voltage waveform output from the clip circuit 49.

半波整流回路53は、図9(エ)に示すように、オフセット回路51の出力電圧を半波整流し、出力電圧のプラス側成分のみを取り出して出力する。
第2増幅回路55は、図9(オ)に示すように、半波整流回路53の出力を図示しないオペアンプの飽和出力値まで増幅する。
As shown in FIG. 9D, the half-wave rectifier circuit 53 performs half-wave rectification on the output voltage of the offset circuit 51, and extracts and outputs only the positive-side component of the output voltage.
The second amplifying circuit 55 amplifies the output of the half-wave rectifier circuit 53 to a saturated output value of an operational amplifier (not shown) as shown in FIG.

平滑回路57は、ローパスフィルタであり、図9(カ)に示すように、第2増幅回路55の出力(パルス波形)の高周波成分を除去し、複数のパルス群からなる波形を立ち上がり及び立ち下がりが鋭くない1つのパルス波形に変換する。   The smoothing circuit 57 is a low-pass filter, and as shown in FIG. 9 (f), the high frequency component of the output (pulse waveform) of the second amplifier circuit 55 is removed, and a waveform composed of a plurality of pulse groups rises and falls. Is converted into one pulse waveform which is not sharp.

比較回路59は、図9(キ)に示すように、平滑回路57の出力パルスと予め定められている比較電圧とを比較し、出力パルスの立ち上がり電圧が比較電圧を超えたときに一定電圧を出力し、出力パルスの立ち下がり電圧が比較電圧より小さくなったときに、出力を停止する。   As shown in FIG. 9 (G), the comparison circuit 59 compares the output pulse of the smoothing circuit 57 with a predetermined comparison voltage, and generates a constant voltage when the rising voltage of the output pulse exceeds the comparison voltage. The output is stopped when the falling voltage of the output pulse becomes smaller than the comparison voltage.

このようにすると、平滑回路57から出力される立ち上がり及び立ち下がりが鋭くないパルス波形が、立ち上がり及び立ち下がりが鋭いパルス波形に整形される。このようにして、波形が整形されたパルスが時間計測パルスとして外部に出力される。   In this way, a pulse waveform with a sharp rise and fall output from the smoothing circuit 57 is shaped into a pulse waveform with a sharp rise and fall. In this way, a pulse whose waveform is shaped is output to the outside as a time measurement pulse.

従って、この様にして得られた時間計測パルスのうち、遅延波(出力波形)に対応した時間計測パルス間の時間をカウンタで計数することにより、このカウンタ値から出力波形の最大ピーク間の時間(遅延時間差)を求めることができる。   Therefore, among the time measurement pulses obtained in this way, the time between the time measurement pulses corresponding to the delayed wave (output waveform) is counted by the counter, and the time between the maximum peak of the output waveform is calculated from this counter value. (Delay time difference) can be obtained.

e)この様に、本実施形態では、少なくとも第1櫛歯電極15がアップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造を有している。
よって、応力センサ1に応力が加わった場合には、主として第1変換器15における周波数特性が変化するので、即ち弾性表面波を効率良く励起できる周波数が変化するので、前記図4(c)に示す様に、出力波形の最大ピークが変化し、基本時間に対して測定時間が大きく変化する。この測定時間から基本時間を引いた遅延時間差は、加わった応力に対応しているので、遅延時間差から応力を求めることができる。
e) As described above, in the present embodiment, at least the first comb-tooth electrode 15 has an up-chirp and down-chirp comb-tooth structure.
Therefore, when stress is applied to the stress sensor 1, the frequency characteristic in the first converter 15 mainly changes, that is, the frequency at which the surface acoustic wave can be excited efficiently changes, so that FIG. As shown, the maximum peak of the output waveform changes, and the measurement time changes greatly with respect to the basic time. Since the delay time difference obtained by subtracting the basic time from the measurement time corresponds to the applied stress, the stress can be obtained from the delay time difference.

しかも、この遅延時間差は、従来と比べて大きなものであるので、簡易な回路により、精度良く応力を測定できるという顕著な効果を奏する。
また、例えば電極対数と櫛歯電極長によって、出力波形におけるピーク電圧レベルを十分に大きくすることにより、第1櫛歯電極15の櫛歯間隔による変化量(遅延時間差)の任意設定が可能となるので、この点からも、安価な検出回路で十分であるという利点がある。
In addition, since this delay time difference is larger than the conventional one, there is a remarkable effect that the stress can be accurately measured with a simple circuit.
Further, for example, by sufficiently increasing the peak voltage level in the output waveform by the number of electrode pairs and the comb electrode length, it is possible to arbitrarily set the change amount (delay time difference) due to the comb tooth interval of the first comb electrode 15. Therefore, also from this point, there is an advantage that an inexpensive detection circuit is sufficient.

なお、本実施形態の変形例として、前記第1変換器を(入力及び出力を行う)第3変換器とし、第2変換器を反射器としてもよい。
つまり、図10(a)に示す様に、変形例の応力センサ71では、アップチャープ及びダウンチャープの櫛歯構造の第3櫛歯電極73を有する第3変換器75にて弾性表面波を励起し、その弾性表面波を、第3櫛歯電極73と同様な構造の第4櫛歯電極77を有する反射器79にて反射する。そして、その反射した弾性表面波を第3変換器73にて受信して出力信号に変換し、その出力信号を弾性表面波素子81側より計測装置83に送信する。
As a modification of the present embodiment, the first converter may be a third converter (which performs input and output), and the second converter may be a reflector.
That is, as shown in FIG. 10A, in the stress sensor 71 of the modified example, the surface acoustic wave is excited by the third transducer 75 having the third comb-teeth electrode 73 having an up-chirp and down-chirp comb-teeth structure. The surface acoustic wave is reflected by a reflector 79 having a fourth comb electrode 77 having the same structure as that of the third comb electrode 73. Then, the reflected surface acoustic wave is received by the third converter 73 and converted into an output signal, and the output signal is transmitted from the surface acoustic wave element 81 side to the measuring device 83.

更に、その変形例として、図10(b)に示す様に、反射器91の第4櫛歯電極93を非分散型の電極としてもよく、弾性表面波を反射する周知の各種の電極を採用できる。
なお、本実施形態の応力センサは、タイヤ空気圧を検出するタイヤ空気圧センサとして用いられるが、このタイヤ空気圧センサは、例えばタイヤの空気封入口(ムシ)に取り付けられる。従って、タイヤ空気圧が増加した場合には、応力センサがタイヤ内圧力と基準圧力(大気圧)との差圧によりブリッジのようにたわむので、その応力によって、タイヤ空気圧を検出することができる。
Further, as a modified example, as shown in FIG. 10B, the fourth comb electrode 93 of the reflector 91 may be a non-dispersive electrode, and various known electrodes that reflect surface acoustic waves are employed. it can.
In addition, although the stress sensor of this embodiment is used as a tire air pressure sensor which detects tire air pressure, this tire air pressure sensor is attached to the air filling port (muscle) of a tire, for example. Therefore, when the tire air pressure increases, the stress sensor bends like a bridge due to the differential pressure between the tire internal pressure and the reference pressure (atmospheric pressure), and therefore the tire air pressure can be detected by the stress.

[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same content as the first embodiment will be omitted.

a)まず、本実施形態の応力センサの構成について説明する。
図11(a)に示す様に、本実施形態の応力センサ101では、その弾性表面波素子103は、第1櫛歯電極105から成る第1変換器107と、第2櫛歯電極109から成る第2変換器111とを備えている。
a) First, the configuration of the stress sensor of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 11A, in the stress sensor 101 of this embodiment, the surface acoustic wave element 103 includes a first converter 107 including a first comb electrode 105 and a second comb electrode 109. A second converter 111.

第1櫛歯電極105及び第2櫛歯電極109には、3種の櫛歯間隔を形成するように、それぞれ4本の櫛歯が設けられている。例えば櫛歯間隔を、0.1〜数μmで変化させた3種の櫛歯が設けられている。   The first comb electrode 105 and the second comb electrode 109 are each provided with four comb teeth so as to form three types of comb tooth intervals. For example, three types of comb teeth are provided in which the comb tooth interval is changed by 0.1 to several μm.

具体的には、図11(b)に模式的に櫛歯間隔の大きさの順番に数字を付して示す様に、各櫛歯電極105、109の中央に櫛歯間隔が最小となるように4本の櫛歯(サイズ:S1)が設けられ、その左右に最大の櫛歯間隔となるように各4本の櫛歯(S3)が設けられ、その左右に中間の櫛歯間隔となるように各4本の櫛歯(S2)が設けられ、その左右に最大の櫛歯間隔となるように各4本の櫛歯(S3)が設けられている。   Specifically, as shown schematically in FIG. 11B with numbers in the order of the comb tooth spacing, the comb tooth spacing is minimized at the center of each comb electrode 105, 109. Four comb teeth (size: S1) are provided on the left and right, and four comb teeth (S3) are provided on the left and right sides so that the maximum comb tooth spacing is provided, and intermediate comb teeth intervals are provided on the left and right sides. In this way, four comb teeth (S2) are provided, and four comb teeth (S3) are provided on the left and right sides of the comb teeth (S3) so as to have the maximum comb tooth interval.

詳しくは、櫛歯間隔が、9.276μm、9.476μm、9.673μmの大中小3パターンの櫛歯(S1〜S3)を、128YX−LiNbO3の圧電材料基板113に作成することにより、帯域幅4.434MHzの、基本波:中心周波数105MHz、チャープ率1.55、3次高調波:中心周波数315MHz、チャープ率4.65、・・となるピーク数が1、2、4と変化する信号が得られる応力センサ101を構成することができる。 Specifically, by forming comb teeth (S1 to S3) having three patterns of large, medium, and small sizes with comb tooth intervals of 9.276 μm, 9.476 μm, and 9.673 μm on the piezoelectric material substrate 113 of 128YX-LiNbO 3 , 4.434 MHz width fundamental signal: center frequency 105 MHz, chirp rate 1.55, third harmonic: center frequency 315 MHz, chirp rate 4.65,... Thus, the stress sensor 101 can be configured.

b)次に、応力センサ101の動作について説明する。
ここでは、例えば図11(a)の紙面の裏側に凸となるような応力が加わった場合について述べる。
b) Next, the operation of the stress sensor 101 will be described.
Here, for example, a case will be described in which a stress that becomes convex is applied to the back side of the paper surface of FIG.

図11(c)に示す様に、応力センサ101に応力がかかっていない場合には、出力Aの出力信号波形が得られる。この出力Aの中央の最大ピークは、応力センサ101の中央の櫛歯(S1)に対応している。つまり、応力が加わらない場合には、入力信号の周波数に応じた周波数、即ち、応力が加わらないときに弾性表面波を効率良く励起できる周波数に対応した最小櫛歯間隔の櫛歯(S1)により、1個の最大ピークが得られる。   As shown in FIG. 11C, when the stress sensor 101 is not stressed, an output signal waveform of output A is obtained. The maximum peak at the center of the output A corresponds to the center comb tooth (S1) of the stress sensor 101. In other words, when no stress is applied, the comb teeth (S1) having the minimum comb tooth interval corresponding to the frequency corresponding to the frequency of the input signal, that is, the frequency at which the surface acoustic wave can be excited efficiently when no stress is applied. One maximum peak is obtained.

次に、応力が増加すると、その増加した応力に応じて周波数特性が変化するので、弾性表面波を効率良く励起する周波数も変化する。よって、その弾性表面波を効率良く励起できる周波数に対応した次の大きさの櫛歯間隔の櫛歯(S2)により、2個の最大ピークが得られる。   Next, when the stress increases, the frequency characteristics change according to the increased stress, so the frequency for efficiently exciting the surface acoustic wave also changes. Therefore, two maximum peaks can be obtained by the comb teeth (S2) having the following interdigital spacing corresponding to the frequency at which the surface acoustic wave can be efficiently excited.

次に、更に応力が増加すると、その増加した応力に応じて周波数特性が変化するので、同様に、弾性表面波を効率良く励起する周波数も変化する。よって、その弾性表面波を効率良く励起する周波数に対応した最大の櫛歯間隔の櫛歯(S3)により、4個の最大ピークが得られる。   Next, when the stress further increases, the frequency characteristic changes according to the increased stress. Similarly, the frequency for efficiently exciting the surface acoustic wave also changes. Therefore, four maximum peaks are obtained by the comb teeth (S3) having the maximum comb tooth interval corresponding to the frequency for efficiently exciting the surface acoustic wave.

つまり、応力センサ101に応力が加わると、第1櫛歯電極105の櫛歯間隔が変化するので、効率良く励起される周波数が変化し、それによって出力波形における最大ピークの数も変化する。従って、電圧のオフセット値を決めておき、信号のピーク数を検出することにより、圧力を求めることができる。   That is, when a stress is applied to the stress sensor 101, the comb tooth interval of the first comb electrode 105 changes, so that the frequency that is efficiently excited changes, thereby changing the number of maximum peaks in the output waveform. Therefore, the pressure can be obtained by determining the offset value of the voltage and detecting the number of signal peaks.

なお、ここで、最大ピークとは、出力信号を所定の閾値により区分して検出できる各櫛歯間隔に対応する信号である。
また、最大ピークの数をカウントする手法としては、前記第1実施形態の図9に示す波形(キ)のパルスを用いることができる。即ち、印加波ではない遅延波(出力波)の波形計数パルスは最大ピーク数に対応しているので、この波形計数パルス数をカウントすることにより、最大ピーク数をカウントすればよい。
Here, the maximum peak is a signal corresponding to each comb tooth interval that can be detected by dividing the output signal by a predetermined threshold.
Further, as a method of counting the number of maximum peaks, a pulse having a waveform (ki) shown in FIG. 9 of the first embodiment can be used. That is, since the waveform counting pulse of the delayed wave (output wave) that is not the applied wave corresponds to the maximum number of peaks, the maximum number of peaks may be counted by counting the number of waveform counting pulses.

この様に、本実施形態では、応力によって出力波形の最大ピーク数が変化するので、最大ピーク数をカウントすることにより応力を検出することができる。
また、検出波形間隔を十分に大きくとることにより、或いはピーク電圧レベルを十分に大きくすることにより、波数をカウントするための検出回路を安価に作成することができる。よって、簡単な回路で精度良く応力を検出できるという顕著な効果を奏する。
Thus, in this embodiment, since the maximum number of peaks of the output waveform changes depending on the stress, the stress can be detected by counting the maximum number of peaks.
In addition, a detection circuit for counting the number of waves can be created at a low cost by sufficiently increasing the detection waveform interval or by sufficiently increasing the peak voltage level. Therefore, there is a remarkable effect that the stress can be accurately detected with a simple circuit.

この最大ピーク数をカウントする応力センサ101の測定範囲は、弾性表面波素子103の設計時に任意に作成可能であり、応力センサ101以外にも多くの用途に用いることができる。   The measurement range of the stress sensor 101 for counting the maximum number of peaks can be arbitrarily created when the surface acoustic wave element 103 is designed, and can be used for many applications other than the stress sensor 101.

なお、本実施形態の変形例として、前記第1変換器を(入力及び出力を行う)第3変換器とし、第2変換器を反射器としてもよい。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明するが、前記第2実施形態と同様な内容の説明は省略する。
As a modification of the present embodiment, the first converter may be a third converter (which performs input and output), and the second converter may be a reflector.
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described, but a description of the same contents as those of the second embodiment will be omitted.

a)まず、本実施形態の応力センサの構成について説明する。
図12(a)に示す様に、本実施形態の応力センサ121では、その弾性表面波素子123に、第1櫛歯電極125から成る第1変換器127と、第2櫛歯電極129から成る第2変換器131を備えている。
a) First, the configuration of the stress sensor of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 12A, in the stress sensor 121 of the present embodiment, the surface acoustic wave element 123 includes a first converter 127 including a first comb electrode 125 and a second comb electrode 129. A second converter 131 is provided.

特に本実施形態では、第1櫛歯電極125は、櫛歯間隔が一定の櫛歯を有する非分散型電極である。また、第2櫛歯電極129は、同図左側には、第2櫛歯電極129の中央にゆくほど櫛歯間隔が減少するダウンチャープの櫛歯構造を有するとともに、同図右側には、第2櫛歯電極129の中央から右側にゆくほど櫛歯間隔が増加するアップチャープの櫛歯構造を有している。   In particular, in the present embodiment, the first comb electrode 125 is a non-dispersed electrode having comb teeth with a constant comb tooth interval. Further, the second comb electrode 129 has a down-chirp comb structure in which the comb interval decreases toward the center of the second comb electrode 129 on the left side of FIG. The two comb-tooth electrodes 129 have an up-chirp comb-teeth structure in which the comb-teeth interval increases from the center to the right side.

b)次に、応力センサ121の動作について説明する。
ここでは、例えば図12(a)の下方から上方に応力が加わった場合について述べる。
図12(b)に模式的に示す様に、本実施形態では、応力センサ121に加わる応力が大きくなるほど、出力信号波形は、出力A→出力B→出力Cのように変化する。
b) Next, the operation of the stress sensor 121 will be described.
Here, a case where stress is applied from the lower side to the upper side of FIG.
As schematically shown in FIG. 12B, in this embodiment, the output signal waveform changes in the order of output A → output B → output C as the stress applied to the stress sensor 121 increases.

具体的には、応力が加わっていない場合には、入力信号に対応して、中央の小さな櫛歯間隔によって効率良く弾性表面波が励起されるので、その弾性表面波に対応して(即ち小さな櫛歯間隔に対応して)、出力Aにおいてオフセット電圧により1つの最大ピークが検出される。   Specifically, when no stress is applied, the surface acoustic wave is efficiently excited by the small comb tooth interval at the center in response to the input signal. One maximum peak is detected at the output A by the offset voltage (corresponding to the comb spacing).

その後、応力が増加すると、周波数特性が変化し、外側の大きな櫛歯間隔によって効率良く弾性表面波が励起されるので、その弾性表面波に対応して(即ち大きな櫛歯間隔に対応して)、出力Cにおいてオフセット電圧により2つの最大ピークが検出される。なお、出力Bは、出力Aから出力Cに移行する途中の波形であり、最大ピーク間隔は、出力Cよりも小さくなる。   After that, when the stress increases, the frequency characteristics change, and the surface acoustic wave is efficiently excited by the outer large comb tooth interval, so that it corresponds to the surface acoustic wave (that is, corresponding to the large comb tooth interval). The two maximum peaks are detected by the offset voltage at the output C. The output B is a waveform on the way from the output A to the output C, and the maximum peak interval is smaller than the output C.

つまり、本実施形態の様に、応力が増加するにつれて、出力信号の最大ピーク数が増加するとともに最大ピーク間隔が大きくなっていくのは、第2櫛歯電極129に、アップチャープとダウンチャープの櫛歯構造が形成されており、これによって、最も効率良く弾性表面波が励起される櫛歯が、応力に従って順次変化するからである。   That is, as in the present embodiment, as the stress increases, the maximum peak number of the output signal increases and the maximum peak interval increases. The second comb electrode 129 has an up chirp and a down chirp. This is because a comb-tooth structure is formed, and the comb teeth for which the surface acoustic waves are excited most efficiently change sequentially according to the stress.

なお、入力波数により出力波形が異なるが、同図に示すように連続した波形応答を得るためには、最低でも70〜80サイクル分の波を入力する必要がある。
本実施形態においても、前記第2実施形態と同様な効果を奏する。
Although the output waveform varies depending on the input wave number, it is necessary to input waves of at least 70 to 80 cycles in order to obtain a continuous waveform response as shown in FIG.
In the present embodiment, the same effects as in the second embodiment can be obtained.

なお、本実施形態の変形例として、前記第1変換器を(入力及び出力を行う)第3変換器とし、第2変換器を反射器としてもよい。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明するが、前記第2実施形態と同様な内容の説明は省略する。
As a modification of the present embodiment, the first converter may be a third converter (which performs input and output), and the second converter may be a reflector.
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the second embodiment will be omitted.

a)まず、本実施形態の応力センサの構成について説明する。
図13(a)に示す様に、本実施形態の応力センサ141では、その弾性表面波素子143には、第1櫛歯電極145から成る第1変換器147と、第2櫛歯電極149から成る第2変換器151を備えている。
a) First, the configuration of the stress sensor of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 13A, in the stress sensor 141 of the present embodiment, the surface acoustic wave element 143 includes a first converter 147 including a first comb electrode 145 and a second comb electrode 149. The second converter 151 is provided.

特に本実施形態では、第1櫛歯電極145は、櫛歯間隔が一定の櫛歯を有する非分散型電極である。また、第2櫛歯電極149は、前記図11(a)、(b)に示す第2実施形態の櫛歯電極と同様に、中央に最小の櫛歯間隔の櫛歯(S1)を配置し、その櫛歯(S1)の両側に最大の櫛歯間隔の櫛歯(S3)を配置し、その櫛歯(S3)の両側に中間の櫛歯間隔(S2)の櫛歯を配置し、その櫛歯(S2)の両側に最大の櫛歯間隔の櫛歯(S3)を配置したものである。   In particular, in the present embodiment, the first comb electrode 145 is a non-dispersed electrode having comb teeth with a constant comb tooth interval. The second comb electrode 149 has a comb tooth (S1) having a minimum comb tooth interval at the center, like the comb electrode of the second embodiment shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). The comb teeth (S3) having the maximum comb tooth spacing are arranged on both sides of the comb teeth (S1), and the comb teeth having an intermediate comb tooth spacing (S2) are arranged on both sides of the comb teeth (S3). The comb teeth (S3) with the maximum comb tooth spacing are arranged on both sides of the comb teeth (S2).

即ち、複数のアップチャープとダウンチャープの櫛歯構造を備えたものである。
b)次に、応力センサ141の動作について説明する。
ここでは、例えば図13(a)の下方から上方に応力が加わった場合について述べる。
That is, it has a plurality of up-chirp and down-chirp comb-tooth structures.
b) Next, the operation of the stress sensor 141 will be described.
Here, for example, a case where stress is applied from the bottom to the top in FIG.

図13(b)に模式的に示す様に、本実施形態では、応力センサ141に加わる応力が大きくなるほど、出力信号波形は、出力A→出力B→出力C→出力D→出力E→出力Fのように変化する。   As schematically shown in FIG. 13B, in this embodiment, the greater the stress applied to the stress sensor 141, the more the output signal waveform is output A → output B → output C → output D → output E → output F. It changes as follows.

つまり、上述した第2実施例と同様に、応力が大きくなるほど、出力波形のピーク数が1、2、4と変化するとともに、ピーク間隔も応力が大きくなるほど大きくなる。
本実施形態の様に、応力が増加するにつれて、出力信号の最大ピーク数が増加するとともに最大ピーク間隔が大きくなっていくのは、第2櫛歯電極149に、複数のアップチャープとダウンチャープの櫛歯構造が構成されており、それによって、最も効率良く弾性表面波が励起される櫛歯が、応力に従って順次変化するからである。
That is, as in the second embodiment described above, as the stress increases, the number of peaks in the output waveform changes to 1, 2, and 4, and the peak interval increases as the stress increases.
As in the present embodiment, as the stress increases, the maximum number of peaks of the output signal increases and the maximum peak interval increases. The second comb electrode 149 has a plurality of up-chirps and down-chirps. This is because a comb-tooth structure is formed, and thereby the comb-teeth where the surface acoustic wave is most efficiently excited change sequentially according to the stress.

従って、本実施形態においても、前記第2実施形態と同様な効果を奏する。
なお、本実施形態の変形例として、前記第1変換器を(入力及び出力を行う)第3変換器とし、第2変換器を反射器としてもよい。
Therefore, the present embodiment has the same effect as the second embodiment.
As a modification of the present embodiment, the first converter may be a third converter (which performs input and output), and the second converter may be a reflector.

なお、本発明は、前記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
(1)例えば応力センサと計測装置との間で、無線通信により送受信するのではなく、有線で接続してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, As long as it belongs to the technical scope of this invention, it can take a various form.
(1) For example, the stress sensor and the measurement device may be connected by wire instead of transmitting and receiving by wireless communication.

(2)また、タイヤ応力センサのような応力センサに限らず、変位センサ、温度センサなど、各種の用途に適用できる。   (2) Moreover, it is applicable not only to a stress sensor such as a tire stress sensor but also to various uses such as a displacement sensor and a temperature sensor.

(a)は第1実施形態の応力センサの概略構成を示す説明図、(b)は応力センサの一部を拡大して示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the stress sensor of 1st Embodiment, (b) is explanatory drawing which expands and shows a part of stress sensor. (a)は参考例1のセンサの平面及び側面の概略構成を示す説明図、(b)はその周波数特性を示すグラフ、(c)はその出力波形等を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the plane of the sensor of the reference example 1, and a side surface, (b) is a graph which shows the frequency characteristic, (c) is a graph which shows the output waveform etc. (a)は参考例2のセンサの平面及び側面の概略構成を示す説明図、(b)はその周波数特性を示すグラフ、(c)はその出力波形等を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the plane of the sensor of the reference example 2, and a side surface, (b) is a graph which shows the frequency characteristic, (c) is a graph which shows the output waveform etc. 櫛歯間隔と励起周波数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a comb-tooth space | interval and an excitation frequency. (a)は第1実施形態の応力センサの平面及び側面の概略構成を示す説明図、(b)はその周波数特性を示すグラフ、(c)はその出力波形等を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the plane and side surface of the stress sensor of 1st Embodiment, (b) is a graph which shows the frequency characteristic, (c) is a graph which shows the output waveform etc. (a)は入力周波数と励起周波数との関係を示す説明図、(b)は応力が加わった場合の励起周波数の変化を示すグラフ、(c)は応力が加わった場合の励起周波数の変化を櫛歯とともに示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows the relationship between an input frequency and an excitation frequency, (b) is a graph which shows the change of the excitation frequency when stress is added, (c) is the change of the excitation frequency when stress is added. It is a graph shown with a comb tooth. 信号処理部の概略の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of a signal processing part. 印加周波数パルスから印加電圧波形を得る様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that an applied voltage waveform is obtained from an applied frequency pulse. 電圧計で検出した検出電圧から時間計測パルスを得る様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that a time measurement pulse is acquired from the detection voltage detected with the voltmeter. (a)は変形例の応力センサの平面の概略構成を示す説明図、(b)は更にその変形例の平面の概略構成を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the plane of the stress sensor of a modification, (b) is explanatory drawing which further shows schematic structure of the plane of the modification. (a)は第2実施形態の応力センサの平面の概略構成を示す説明図、(b)はその櫛歯間隔の大きさを模式的に示す説明図、(c)はその出力波形等を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the plane of the stress sensor of 2nd Embodiment, (b) is explanatory drawing which shows typically the magnitude | size of the comb-tooth space | interval, (c) shows the output waveform etc. It is a graph. (a)は第3実施形態の応力センサの側面の概略構成を示す説明図、(b)はその出力波形等を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the side surface of the stress sensor of 3rd Embodiment, (b) is a graph which shows the output waveform. (a)は第4実施形態の応力センサの側面の概略構成を示す説明図、(b)はその出力波形等を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the side surface of the stress sensor of 4th Embodiment, (b) is a graph which shows the output waveform etc.

符号の説明Explanation of symbols

1、71、101、121、141…応力センサ
3、81、103、123、143…弾性表面波素子
9、107、127、147…第1変換器
11、111、131、151…第2変換器
13、113…圧電材料基板
15、107、125、141…第1櫛歯電極
17、109、129、149…第2櫛歯電極
19、83…計測装置
73…第3櫛歯電極
75…第3変換器
77、93…第4櫛歯電極
79、91…反射器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 71, 101, 121, 141 ... Stress sensor 3, 81, 103, 123, 143 ... Surface acoustic wave element 9, 107, 127, 147 ... 1st converter 11, 111, 131, 151 ... 2nd converter DESCRIPTION OF SYMBOLS 13, 113 ... Piezoelectric material board | substrate 15,107,125,141 ... 1st comb-tooth electrode 17,109,129,149 ... 2nd comb-tooth electrode 19,83 ... Measurement apparatus 73 ... 3rd comb-tooth electrode 75 ... 3rd Transducers 77, 93 ... fourth comb electrodes 79, 91 ... reflectors

Claims (8)

弾性表面波を励起する第1櫛歯電極から成る第1変換器と、
前記第1櫛歯電極によって励起された弾性表面波を受信し該弾性表面波に応じた信号を出力する第2櫛歯電極から成る第2変換器とを、
前記弾性表面波が伝播する伝播面を挟んで配置した弾性表面波素子であって、
前記両櫛歯電極の少なくとも一方が、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造とを備えたことを特徴とする弾性表面波素子。
A first transducer comprising a first comb electrode for exciting a surface acoustic wave;
A second transducer comprising a second comb electrode that receives the surface acoustic wave excited by the first comb electrode and outputs a signal corresponding to the surface acoustic wave;
A surface acoustic wave element disposed across a propagation surface through which the surface acoustic wave propagates,
The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein at least one of the comb electrodes has an up-chirp comb-tooth structure and a down-chirp comb-tooth structure.
弾性表面波を励起し且つ受信した弾性表面波に応じた信号を出力する第3櫛歯電極から成る第3変換器と、
前記第3櫛歯電極によって励起された弾性表面波を反射する第4櫛歯電極から成る反射器とを、
前記弾性表面波が伝播する伝播面を挟んで配置した弾性表面波素子であって、
前記両櫛歯電極の少なくとも一方が、アップチャープの櫛歯構造とダウンチャープの櫛歯構造とを備えたことを特徴とする弾性表面波素子。
A third transducer comprising a third comb electrode for exciting a surface acoustic wave and outputting a signal corresponding to the received surface acoustic wave;
A reflector comprising a fourth comb electrode that reflects the surface acoustic wave excited by the third comb electrode;
A surface acoustic wave element disposed across a propagation surface through which the surface acoustic wave propagates,
The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein at least one of the comb electrodes has an up-chirp comb-tooth structure and a down-chirp comb-tooth structure.
前記反射器の第4櫛歯電極に代えて、櫛歯電極以外の前記弾性表面波を反射する電極を用いたことを特徴とする前記請求項2に記載の弾性表面波素子。   3. The surface acoustic wave device according to claim 2, wherein an electrode that reflects the surface acoustic wave other than the comb-tooth electrode is used instead of the fourth comb-tooth electrode of the reflector. 前記請求項1〜3のいずれかに記載の弾性表面波素子を備えたセンサであって、
前記弾性表面波によって生ずる電圧信号のピークの間の時間変化に基づいて、測定対象の状態を検出することを特徴とするセンサ。
A sensor comprising the surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 3,
A sensor for detecting a state of an object to be measured based on a time change between peaks of a voltage signal generated by the surface acoustic wave.
前記請求項1〜3のいずれかに記載の弾性表面波素子を備えたセンサであって、
前記弾性表面波によって生ずる電圧信号のピークの数に基づいて、測定対象の状態を検出することを特徴とするセンサ。
A sensor comprising the surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 3,
A sensor for detecting a state of an object to be measured based on the number of peaks of a voltage signal generated by the surface acoustic wave.
前記センサは、前記弾性表面波素子に加わる応力を検出する応力センサであることを特徴とする前記請求項4又は5に記載のセンサ。   The sensor according to claim 4, wherein the sensor is a stress sensor that detects a stress applied to the surface acoustic wave element. 前記応力センサは、タイヤに生ずる応力の変化からタイヤ空気圧を検出するタイヤ空気圧センサであることを特徴とする前記請求項6に記載のセンサ。   The sensor according to claim 6, wherein the stress sensor is a tire air pressure sensor that detects tire air pressure from a change in stress generated in the tire. 前記弾性表面波の受信側の櫛歯電極によって出力される信号を、無線通信によりコントローラに送信する機能を有することを特徴とする前記請求項4〜7のいずれかに記載のセンサ。   The sensor according to any one of claims 4 to 7, wherein the sensor has a function of transmitting a signal output from the comb-tooth electrode on the reception side of the surface acoustic wave to a controller by wireless communication.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8006563B2 (en) * 2009-01-26 2011-08-30 Denso Corporation Surface acoustic wave pressure sensor
JP2012002679A (en) * 2010-06-17 2012-01-05 Tamagawa Seiki Co Ltd Inertial sensor
JP2017017699A (en) * 2015-06-29 2017-01-19 ノースロップ グラマン システムス コーポレーションNorthrop Grumman Systems Corporation Multiferroic surface acoustic wave antenna

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