JP2015145808A - 物理量検出センサモジュールおよび物理量検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】物理量を検出するセンサとしての感知幅を広くすることによって用途を拡大することができる物理量検出センサモジュールおよび物理量検出システムを提供する。
【解決手段】物理量検出システム１００は、センサモジュール２００とホスト装置３００とを備えている。センサモジュール２００は、表面弾性波を発生させる圧電基板２０１上に表面弾性波変換ＩＤＴ２１０と表面弾性波反射ＩＤＴ２２０とを備えている。表面弾性波変換ＩＤＴ２１０は、高周波電気信号と表面弾性波とを相互に変換する。表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、湿度センサ２４０に対して並列コンデンサ２５０が並列接続されており、表面弾性波を湿度センサ２４０のインピーダンスに応じて反射する。並列コンデンサ２５０は、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に湿度センサ２４０のみを接続した場合に表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が最小となる静電容量に設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面弾性波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を用いて種々の物理量を検出する物理量検出センサモジュールおよび物理量検出システムに関する。

従来から、光、音、超音波（振動）、圧力、温度、湿度、ガス、電界または磁界などの各種物理量を表面弾性波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を介して検出する物理量検出センサモジュールがある。例えば、下記特許文献１には、表面弾性波と高周波電気信号とを相互に変換する表面弾性波変換ＩＤＴ（Interdigital Transducer）と、受光量に応じてインピーダンスが変化する受光素子が接続された表面弾性波反射ＩＤＴとを圧電基板上で対向配置するとともに、表面弾性波変換ＩＤＴと表面弾性波反射ＩＤＴとの間で表面弾性波を往復伝播させた際における表面弾性波反射ＩＤＴの反射率の変化による表面弾性波の変化に基づいて受光素子が受光した光量を検出する無給電ワイヤレス式フォトセンサ（物理量検出センサモジュール）が開示されている。

特開２００６−２６６８４６号公報

しかしながら、本発明者による実験によれば、上記特許文献１に記載したインピーダンス変化型センサの両端子を表面弾性波反射ＩＤＴに接続した構成のセンサモジュールにおいては、インピーダンス変化型センサの共振現象によって反射係数Ｓ１１（ｄＢ）が二次曲線的に変化するため振幅値が一意に定まるインピーダンスの幅が狭くセンサモジュールにおけるセンサとしての感知幅が狭いことを知見した。このため、従来のセンサモジュールにおいては、使用の用途が限定されるという問題があった。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、物理量を検出するセンサとしての感知幅を広くすることによって用途を拡大することができる物理量検出センサモジュールおよび物理量検出システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、圧電効果を示す圧電体で構成されるとともに表面弾性波を伝播可能な圧電基板と、圧電基板上にて互いに対向配置された２つの第１櫛歯状電極を有して高周波電気信号と表面弾性波とを相互に変換する表面弾性波変換手段と、圧電基板上に互いに対向配置された２つの第２櫛歯状電極を有して表面弾性波変換手段によって励振された表面弾性波を反射する表面弾性波反射手段と、表面弾性波反射手段に接続されて検出対象から受ける物理量に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化型センサと、表面弾性波反射手段に対して直列接続されるとともにインピーダンス変化型センサに対して並列接続される並列コンデンサとを備えることにある。

このように構成した本発明の特徴によれば、物理量検出センサモジュールは、表面弾性波変換手段に対向配置された表面弾性波反射手段に対してインピーダンス変化型センサと並列コンデンサとが互いに並行に接続されている。これにより、本発明者らの実験によれば、物理量検出センサモジュールにおける反射係数Ｓ１１（ｄＢ）の二次曲線的変化が並列コンデンサの静電容量に応じて変化することを知見した。具体的には、本発明者らは、物理量検出センサモジュールにおいてインピーダンス型センサとして静電容量が変化するセンサを用いた場合、反射係数Ｓ１１（ｄＢ）に対するインピーダンス（静電容量）の変化の範囲を拡大できることを確認した。また、本発明者らは、物理量検出センサモジュールにおいてインピーダンス型センサとして抵抗値が変化するセンサを用いた場合、インピーダンス（抵抗）に対する反射波の振幅値のダイナミックレンジが拡大することを確認した。これらの結果、物理量検出センサモジュールは、従来のセンサモジュールに比べてセンサとしての感知幅やダイナミックレンジを広くすることができ、センサとしての用途を拡大することができる。

ここで、本発明に係るインピーダンス変化型センサは、物理現象によってインピーダンスが変化する素子を広く採用することができ、例えば、物理量に応じて電荷を蓄える容量（静電容量）が変化する可変キャパシタ、物理量に応じてインダクタンスが変化する可変インダクタ、および物理量に応じて抵抗が変化する可変抵抗のうちの少なくとも１つを含むものである。

この場合、物理現象としては、例えば、光電効果（光電子放出効果、光伝導効果、光起電力効果など）、熱現象（ゼーベック効果、焦電効果など）、圧電現象、音（または振動）現象、磁気現象（ホール効果、磁気抵抗効果など）、電子放出効果（熱電子放出効果、電界放出効果など）、超伝導現象（ジョセフソン効果など）、化学現象（吸着現象、イオン移動など）がある。

また、光電効果を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＰＳＤ、太陽電池およびＵＶトロン（「炎センサ」ともいう）などがある。なお、この場合、「ＵＶトロン」とは、金属の光電効果とガス倍増効果を利用した紫外線センサであり、特に炎から出る微弱な紫外線も検出することができるものである。すなわち、インピーダンス変化型センサとしてＵＶトロンを用いることにより、無給電ワイヤレス炎検出器や火災報知器を構成することができる。

また、熱現象を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、熱伝対、サーモパイル、サーミスタ、量子型赤外線センサ、焦電温度センサおよび焦電形赤外線センサなどがある。また、圧電現象を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、圧電素子（ピエゾ素子）、加圧導電シート（ゴム）、トーションバー、ストレンゲージ（ロードセル）、ダイアフラムおよびマイクロフォン（圧電式）などがある。また、音現象または振動現象を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、マイクロフォン（電磁式）、振動センサおよび衝撃センサなどがある。また、磁気現象を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、ホール素子、ＭＲ素子および半導体磁気抵抗素子変位センサなどがある。また、電子放出効果を利用したインピーダンス変化型センサとしては、例えば、電離真空計などがある。また、超伝導現象を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）などがある。また、化学現象を利用したインピーダンス変化型のセンサや素子としては、例えば、セラミック湿度センサ、半導体ガスセンサおよび固体電解質形酸素センサなどがある。そして、これらのインピーダンス変化型のセンサや素子は、単独でまたはこれらを適宜組み合わせて用いることができる。これらにより、本発明に係る物理量検出システムは、幅広い種類の物理量を効率的に検出することができる

また、本発明の他の特徴は、前記物理量検出センサモジュールにおいて、インピーダンス変化型センサは、検出対象から受ける物理量に応じて静電容量が変化する可変コンデンサを含み、並列コンデンサは、表面弾性波反射手段にインピーダンス変化型センサのみを接続した場合における同表面弾性波反射手段から反射される表面弾性波の振幅値が最小となる静電容量に設定されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、物理量検出センサモジュールは、並列コンデンサが表面弾性波反射手段から反射される表面弾性の振幅値が最小となる静電容量に設定されているため、最も効果的に反射係数Ｓ１１（ｄＢ）に対するインピーダンス（静電容量）の範囲を拡大して感知幅を拡大することができ、センサとしての用途を拡大することができる。また、物理量検出センサモジュールは、並列コンデンサの静電容量を表面弾性波反射手段から反射される表面弾性波に基づく反射係数Ｓ１１（ｄＢ）を用いて容易に特定することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記物理量検出センサモジュールにおいて、インピーダンス変化型センサは、検出対象から受ける物理量に応じて抵抗値が変化する可変抵抗を含み、並列コンデンサは、表面弾性波反射手段にインピーダンス変化型センサのみを接続した場合における同表面弾性波反射手段から反射される表面弾性波の振幅値が小さくなる静電容量に設定されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、物理量検出センサモジュールは、インピーダンス変化型センサとして抵抗値が変化する可変抵抗で構成される。これによれば、物理量検出センサモジュールは、インピーダンス（抵抗）に対する反射波の振幅値のダイナミックレンジが拡大するため、従来のセンサモジュールに比べてセンサとしての感知幅やダイナミックレンジを広くすることができ、センサとしての用途を拡大することができる。

また、本発明は物理量検出センサモジュールの発明として実施できるばかりでなく、物理量検出センサモジュールを備えた物理量検出システムの発明としても実施できるものである。

具体的には、物理量検出システムは、物理量の検出対象に設置される請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載された物理量検出センサモジュールと、表面弾性波変換手段に付与する高周波電気信号を生成する高周波電気信号生成手段と、表面弾性波変換手段にて変換された高周波電気信号の振幅値を用いて物理量を特定する物理量特定手段とを備えることにあるこのように構成した本発明に係る物理量検出システムによれば、上記物理量検出センサモジュールと同様の作用効果を期待することができる。

また、この場合、物理量検出システムは、高周波電気信号生成手段、物理量特定手段、および高周波電気信号と電波とを相互に変換して無線送受信を行う送受信部をそれぞれ有したホスト装置と、表面弾性波変換手段における第１櫛歯状電極に接続されて電波と高周波電気信号とを相互に変換する送受信アンテナとを備えるとよい。

このように構成した本発明に係る物理量検出システムによれば、物理量特定手段および高周波電気信号と電波とを相互に変換して無線送受信を行う送受信部をそれぞれ有したホスト装置、および表面弾性波変換手段における第１櫛歯状電極に接続されて電波と高周波電気信号とを相互に変換する送受信アンテナとを備えて構成されている。これにより、物理量検出システムは、物理量を検出するインピーダンス型センサと、このインピーダンス型センサによる検出結果に基づいて物理量を特定するホスト装置とを互いに物理的に離れた位置に配置してワイヤレス通信によって高周波電気信号の送受信を行うことができるため、ホスト装置から離れた位置での物理量を無給電で検出することができる。

本発明に係る本発明に係る物理量検出センサモジュールを含む物理量検出システム１００の構成の概略を示した模式図である。 図１に示すセンサモジュールに湿度センサのみを接続した場合と湿度センサに対して並列コンデンサを並列接続した場合における表面弾性波反射ＩＤＴから反射される表面弾性波の反射係数Ｓ１１（ｄＢ）と湿度センサのインピーダンス（静電容量）との関係を示したグラフである。 図１に示すセンサモジュールに可変抵抗のみを接続した場合と可変抵抗に対して並列コンデンサを並列接続した場合における表面弾性波反射ＩＤＴから反射される表面弾性波の反射係数Ｓ１１（ｄＢ）と可変抵抗のインピーダンス（抵抗値）との関係を示したグラフである。

以下、本発明に係る物理量検出センサモジュールおよび物理量検出システムの一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る物理量検出センサモジュール（以下、単に「センサモジュール」という）２００を含む物理量検出システム１００の構成の概略を示した模式図である。なお、本明細書において参照する図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。この物理量検出システム１００は、センサモジュール２００をホスト装置３００から物理的に離れた場所に配置して物理量（本実施形態においては温度）を検出するとともに検出した物理量に対応する電気信号を無線通信を介してホスト装置３００に出力する検出装置である。

（物理量検出システム１００の構成）
物理量検出システム１００は、主として、センサモジュール２００とホスト装置３００とで構成されている。センサモジュール２００は、図示しない金属製や樹脂製の筐体内に圧電基板２０１を備えている。

圧電基板２０１は、圧電効果によって表面弾性波（破線矢印で示す）を発生させるとともに発生させた表面弾性波を伝搬する部品であり、表面弾性波の発生および伝搬が可能な素材で構成されている。より具体的には、圧電基板２０１は、圧電効果によって表面弾性波を発生させる圧電体（「圧電素子」ともいう）によって構成されている。この場合、圧電体としては、各種結晶体（例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、水晶、ランガサイト）や、圧電効果を示す高分子材料（例えば、ＰＶＤＦ）などを用いることができる。本実施形態においては、圧電基板２０１は、結晶体で構成されている。なお、表面弾性波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）とは、弾性体の表面を伝播する縦波および／または横波からなる波である。

この圧電基板２０１は、図示左右方向に延びる平行四辺形状の板状体に形成されている。本実施形態においては、圧電基板２０１は、約７ｍｍ×４ｍｍ×１ｍｍの大きさで形成されている。この圧電基板２０１の大きさや形状は、センサモジュール２００の使用場所、使用条件、および励振する表面弾性波の周波数などに応じて適宜決定されるものである。また、圧電基板２０１の厚さは、励振する表面弾性波の波長の１波長以上の厚さであればよいが、好ましくは同波長の３倍以上の厚さで構成するとよい。

圧電基板２０１における長手方向両端部には、反射防止部２０２ａ，２０２ｂがそれぞれ設けられている。反射防止部２０２ａ，２０２ｂは、後述する表面弾性変換ＩＤＴ２１０によって励振された表面弾性波および表面弾性波反射ＩＤＴ２２０によって反射された表面弾性波の表面弾性波変換ＩＤＴ２１０および表面弾性波反射ＩＤＴ２２０への反射を防止するための部分であり、表面弾性波の伝搬方向に対して傾斜して形成されている。本実施形態においては、反射防止部２０２ａ，２０２ｂは、平行四辺形に形成された圧電基板２０１における長手方向両端部の互いに平行に延びる２つの斜辺によって構成されている。

そして、この圧電基板２０１は、高分子材料（例えば、ＢＣＢ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂など）やセラミック材料で構成された図示しない絶縁性基板上に固定されている。なお、圧電基板２０１は、前記圧電体と、表面弾性波を伝搬可能な基体とを組み合わせて構成することもできる。例えば、圧電基板２０１は、ＰＺＴなどの圧電セラミックスや酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなる圧電薄膜をガラス、シリコンまたは樹脂などからなる基板表面の全面または部分的に積層して構成することもできる。

一方、圧電基板２０１の上面には、長手方向両側に互いに対向した状態で表面弾性波変換ＩＤＴ２１０および表面弾性波反射ＩＤＴ２２０がそれぞれ設けられている。これらのうち、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０は、後述するアンテナ２３０から入力する高周波電気信号に対応する表面弾性波を圧電基板２０１に励振するとともに、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０によって反射された表面弾性波を受けて同受信した表面弾性波に対応する高周波電気信号を生成してアンテナ２３０に出力する電極である。すなわち、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０は、アンテナ２３０と圧電基板２０１との間で高周波電気信号と表面弾性波とを相互に変換する電極であり、本発明に係る表面弾性波変換手段に相当する。

また、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、前記表面弾性波変換ＩＤＴ２１０によって励振された表面弾性波を同表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に向けて反射するための電極であり、本発明に係る表面弾性波反射手段に相当する。これらの表面弾性波変換ＩＤＴ２１０および表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、それぞれ２つの櫛歯状電極、具体的には、２つの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂおよび２つの櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂがそれぞれ互いに対向配置されたＩＤＴ（Interdigital Transducer）によって構成されている。

各２つの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂおよび第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂは、圧電基板２０１に対して電圧を加えまたは受けることができる電極であり、正極（＋）側および負極（―）側の一対の櫛歯状の電極によって構成されている。具体的には、直線状に延びる基部から直交する方向に互いに平行に延びる複数の電極指によって構成された２つの櫛歯状の電極が、互いの電極指間に入り込んだ状態で形成されている。

これらの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂおよび第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂのうち、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０を構成する第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂは、正極側の電極指と負極側の電極指との間隔Ｐ１が、励振する表面弾性波の波長の１／２の整数倍の長さに設定されている。本実施形態においては、第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂにおける各正極側の電極指と各負極側の電極指との間隔Ｐは、２つの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂによって励振する表面弾性波の波長の１／２の長さに設定している。また、一対の櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂを構成する同極の各電極指間の間隔Ｐ２も、励振する表面弾性波の波長の整数倍の長さに設定されている。

一方、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を構成する第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂは、必ずしも、各正極側の電極指と各負極側の電極指との間隔Ｐ１や材質などの構成を第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂと同一にする必要はないが、本実施形態においては、第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂは、第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂと同一に構成されている。

また、第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂ（表面弾性波反射ＩＤＴ２２０）は、第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂ（表面弾性波変換ＩＤＴ２１０）に対して第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂが励振する表面弾性波の図示右側の伝搬方向上に配置される。この場合、第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂと第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂとの距離は、センサモジュール２００の仕様（使用条件、励振する表面弾性波の周波数など）に応じて適宜決定されるものであり、特に限定されるものではない。この場合、例えば、第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂと第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂとは、第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂによって励振される表面弾性波の振幅とは無関係に配置してもよいし、同表面弾性波の振幅が２つの第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂの電極指間に一致するように表面弾性波の波長の整数倍の間隔を介して配置することもできる。

これらの各２つずつの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂおよび第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂは、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｔなどの金属単体、これらの組み合わせ、またはこれらの合金によって構成されており、圧電基板２０１の長手方向に沿って表面弾性波を励振させる向き、具体的には、櫛歯状の電極指が圧電基板２０１の長手方向に直交する向きで設けられている。これらの各２つずつの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂおよび第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂは、スパッタ法、フォトリソグラフィーなどにより圧電基板２０１の表面にそれぞれ形成される。

表面弾性波変換ＩＤＴ２１０を構成する２つの第１櫛歯状電極２１１ａ，２１１ｂは、一方の第１櫛歯状電極２１１ａがアンテナ２３０に接続されるとともに、他方の第１櫛歯状電極２１１ｂが接地されている。アンテナ２３０は、ホスト装置３００から送信される電波（図１において破線屈曲線で示す）を高周波電気信号に変換して表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に出力するとともに、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０によって生成された高周波電気信号を電波に変換して送信出力する送受信器である。なお、このアンテナ２３０と表面弾性波変換ＩＤＴ２１０における第１櫛歯状電極２１１ａとの間には、互いのインピーダンスを整合させるための図示しないインピーダンスマッチング回路が設けられている。

一方、表面弾性波変換ＩＤＴ２２０を構成する２つの櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂには、湿度センサ２４０と並列コンデンサ２５０とがそれぞれ接続されている。湿度センサ２４０は、外部から受ける湿度変化に対して静電容量が変化するとともにこの容量変化に対応する電気信号を出力する器具であり、本発明に係るインピーダンス変化型センサに相当する。この湿度センサ２４０は、一方の端子が表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を構成する第２櫛歯状電極２２１ａに接続されるとともに他方の端子が表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を構成する第２櫛歯状電極２２１ｂに接続されている。

並列コンデンサ２５０は、このセンサモジュール２００における湿度の感知幅を拡大させるためのコンデンサであり、湿度センサ２４０ととともに表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を構成する第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂにそれぞれ接続されている。すなわち、並列コンデンサ２５０は、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に対して湿度センサ２４０と並列接続されている。この並列コンデンサ２５０は、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に湿度センサ２４０のみを接続した場合における表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が最小となる静電容量と同じ静電容量に設定されている。

この並列コンデンサ２５０の静電容量の設定について具体的に説明する。並列コンデンサ２５０の静電容量を設定する設定者は、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に湿度センサ２４０のみを接続した場合における表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の反射率Ｓ１１（ｄＢ）を湿度センサ２４０のインピーダンス（静電容量）を変化させながら測定する。この場合、本発明者らの実験によれば、反射率Ｓ１１（ｄＢ）は、例えば、図２に示すように、湿度センサ２４０などの静電容量が可変のインピーダンス変化型センサの共振現象によって湿度センサ２４０のインピーダンスに対して二次曲線的に変化する（図において四角形ドット）。

そこで、本発明者らは、反射率Ｓ１１（ｄＢ）が最小となる静電容量、すなわち、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が最小となる静電容量の並行コンデンサ２５０を静電容量が可変のインピーダンス変化型センサに対して並列接続して同様に反射率Ｓ１１（ｄＢ）を測定した。その結果、本発明者らは、図２に示すように、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が一意に特定されるインピーダンスの範囲が拡大（約７ｐＦから約３０ｐＦまでの範囲が約１ｐＦから２０ｐＦまで拡大）することを知見した（図においてダイッヤ形ドット）。

したがって、設定者は、反射率Ｓ１１（ｄＢ）が最小となる静電容量、すなわち、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が最小となる静電容量を並行コンデンサ２５０の静電容量とする。この場合、実際のセンサモジュール２００においては反射率Ｓ１１（ｄＢ）にバラツキが生じるため、反射率Ｓ１１（ｄＢ）が最小となる前後（±３０％）の範囲の静電容量が設定される。

ホスト装置３００は、物理的に離れた場所に設置されるセンサモジュール２００に対して表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に高周波電気信号を供給するための駆動信号（電波）を送信するとともにセンサモジュール２００から送信される応答信号（電波）を受信して表面弾性波変換ＩＤＴ２１０によって生成された電気信号を解析する計算装置である。このホスト装置３００は、主として、変調部３１０、送受信部３２０、検波部３３０、制御部３４０、入力装置３５０および表示装置３６０をそれぞれ備えて構成されている。

変調部３１０は、制御部３４０から出力される高周波電気信号を変調して駆動信号を生成する電気回路である。また、送受信部３２０は、変調部３１０から出力される駆動信号をアンテナ３２１を介してセンサモジュール２００に向けて送信するとともに、センサモジュール２００からの応答信号をアンテナ３２１を介して受信して検波部３３０に出力する電気回路である。検波部３３０は、送受信部３２０を介して入力したセンサモジュール２００からの応答信号を検波（復調）して制御部３４０に出力する電気回路である。

制御部３４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、ユーザによって予め記憶される物理量検出プログラムを実行することにより、センサモジュール２００に対して送受信する高周波電気信号を用いて湿度センサ２４０によって検出された湿度を計算する。具体的には、制御部３４０は、高周波電気信号生成部３４１および物理量特定部３４２をそれぞれ備えている。これらのうち、高周波電気信号生成部３４１は、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に供給する高周波電気信号を生成して変調部３１０に出力する。物理量特定部３４２は、検波部３３０によって検波された高周波電気信号の振幅値から湿度センサ２４０が検出した湿度を計算して特定する。

また、この制御部３４０には、ユーザからの指示を入力するための入力装置３５０および制御部３４０の作動状態や特定した物理量を表示するための表示装置３６０がそれぞれ接続されている。なお、このホスト装置３００は、内蔵する各種回路を駆動するための電源を備え、または外部電源に接続されるように構成されている。

（物理量検出システム１００の作動）
次に、上記のように構成した物理量検出システム１００の作動について説明する。物理量検出システム１００の使用者は、センサモジュール２００をホスト装置３００から物理的な離れた場所であって湿度測定の対象となる場所に設置する。この場合、センサモジュール２００は、電源を持たないとともにホスト装置３００からの駆動信号の送信がないため、作動停止状態にある。

次いで、使用者は、ホスト装置３００の電源をＯＮにするとともにホスト装置３００の作動を開始させる。これにより、制御部３４０は、高周波電気信号生成部３４１にて生成した高周波電気信号を変調部３１０および送受信部３２０を介してセンサモジュール２００に対して送信する。すなわち、ホスト装置３００は、センサモジュール２００に表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に高周波電気信号を供給してセンサモジュール２００からの応答信号を得るための駆動信号を送信する。この場合、ホスト装置３００は、駆動信号をバースト出力することにより、センサモジュール２００からの応答信号を検波し易くなる。

ホスト装置３００から送信された駆動信号は、センサモジュール２００のアンテナ２３０によって受信される。アンテナ２３０は、受信した電波（駆動信号）に対応する高周波電気信号に変換して表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に出力する。表面弾性波変換ＩＤＴ２１０は、アンテナ２３０から出力された高周波電気信号に対応する表面弾性波を圧電基板２１０上に励振する。これにより、圧電基板２０１上に励振された表面弾性波は、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０の中心として反射防止部２０２ａ側および表面弾性波反射ＩＤＴ２２０側にそれぞれ伝搬する。これらのうち、反射防止部２０２ａ側に伝搬した表面弾性波は、反射防止部２０２ａによって圧電基板２０１の図示下側の長辺に向って反射する。これにより、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０から反射防止部２０２ａ側に伝搬した表面弾性波が再び表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に戻ることが防止される。

一方、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０側に向って伝搬した表面弾性波は、一部が表面弾性波反射ＩＤＴ２２０によって表面弾性波変換ＩＤＴ２１０側に反射されるとともに、他の一部が表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を通り抜ける。この場合、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を通り抜けた表面弾性波は、反射防止部２０２ｂによって圧電基板２０１の図示上側の長辺に向って反射する。これにより、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を通り抜けた表面弾性波が再び表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に戻ることが防止される。

また、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、第２櫛歯状電極２２１ａ，２２１ｂに接続された湿度センサ２４０および並列コンデンサ２５０のインピーダンスに応じた反射率によって表面弾性波を反射する。より具体的には、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、受けた表面弾性波に応じた高周波電気信号を生成して湿度センサ２４０および並列コンデンサ２５０にそれぞれ出力する。この場合、湿度センサ２４０は、湿度センサ２４０が設置された周囲湿度に応じたインピーダンスとなっている。また、並列コンデンサ２５０は、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が最小となる一定の静電容量に設定されている。

このため、湿度センサ２４０に接続された表面弾性波反射ＩＤＴ２２０のインピーダンスが湿度センサ２２０のインピーダンス（静電容量）の変化に応じて変化する。すなわち、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０のインピーダンスは、湿度センサ２４０の周囲の湿度に応じて変化する。この場合、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、湿度センサ２４０に対して並列コンデンサ２５０が並列接続されているため、湿度センサ２４０および並列コンデンサ２５０の合成インピーダンス（静電容量）に応じた振幅の表面弾性波を反射する。

表面弾性波反射ＩＤＴ２２０によって所定の反射率で反射された表面弾性波は、圧電基板２０１上を表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に向って伝搬する。表面弾性波変換ＩＤＴ２１０は、受信した表面弾性波に対応する高周波電気信号に変換するとともに同高周波電気信号をアンテナ２３０に出力する。アンテナ２３０は、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０から出力された高周波電気信号を電波（応答信号）に変換して送信する。アンテナ２３０から送信された応答信号は、ホスト装置３００におけるアンテナ３２１を介して送受信部３２０によって受信される。

なお、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０は、表面弾性波を反射させる際、反射防止部２２１ｂ側にも表面弾性波を励振させる。この場合、反射防止部２２１ｂ側に伝搬した表面弾性波は、反射防止部２２１ｂによって圧電基板２０１の図示上側の長辺に向って反射する。これにより、表面弾性波用反射ＩＤＴ２２０から反射防止部２２１ｂ側に伝搬した表面弾性波が再び表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に戻ることが防止される。

送受信部３２０によって受信されたセンサモジュール２００からの電波（応答信号）は、検波部３３０によって高周波電気信号に復調された後、制御部３４０の物理量特定部３４２に出力される。次いで、物理量特定部３４２は、検波部３３０から出力された高周波電気信号の振幅値に対して湿度を特定する予め記憶された湿度変換テーブルを用いて湿度センサ２４０が検出した湿度を計算して特定する。この場合、物理量特定部３４２は、前記図２に示すように、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値を一意に特定できるインピーダンスの範囲が拡大しているため、湿度の測定範囲、換言すれば感知幅を従来よりも広くすることができる。すなわち、物理量特定部３４２が本発明に係る物理量特定手段に相当する。

次に、制御部３４０は、前記特定した物理量である湿度を表示装置３６０に表示させる。これにより、使用者は、センサモジュール２００を設置した場所における湿度を認識することができる。なお、制御部３４０は、特定した物理量を表示装置３６０に表示させる以外に、記憶装置内に記憶したり、他の機器に送信したりすることができることは言うまでもない。

そして、制御部３４０は、入力装置１３５を介して使用者によって湿度測定の停止の指示またはホスト装置３００の電源をＯＦＦされるまでの間、再度駆動信号をセンサモジュール２００に送信して湿度の測定処理を繰り返し実行する。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、物理量検出システム１００は、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に対向配置された表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に対してインピーダンス変化型センサと並列コンデンサとが互いに並行に接続されている。これにより、本発明者らの実験によれば、物理量検出センサモジュールにおける反射係数Ｓ１１（ｄＢ）の二次曲線的変化が並列コンデンサの静電容量に応じて変化することを知見した。具体的には、本発明者らは、センサモジュール２００においてインピーダンス型センサとして静電容量が変化するセンサを用いた場合、反射係数Ｓ１１（ｄＢ）に対するインピーダンス（静電容量）の変化の範囲を拡大できることを確認した。この結果、物理量検出システム１００およびセンサモジュール２００は、従来のセンサモジュールに比べてセンサとしての感知幅を広くすることができ、センサとしての用途を拡大することができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、下記変形例の説明においては、参照する各図における上記実施形態と同様の構成部分に同じ符号または対応する符号を付すとともに直接関わらない部分については一部の構成を適宜省略して示して、それらの説明も省略する。また、各図において、破線矢印は表面弾性波を示す。

例えば、上記実施形態においては、センサモジュール２００は、湿度センサ２４０を備えることにより湿度センサ２４０の周囲の湿度に応じて表面弾性波反射ＩＤＴ２２０における表面弾性波の反射率を変化させるように構成した。すなわち、湿度センサ２４０が、本発明に係るインピーダンス変化型センサに相当する。しかし、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０における表面弾性波の反射率を変化させるためのインピーダンス変化型センサは、外部から受ける物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するもの、すなわち、静電容量、インダクタンスまたは抵抗が変化する素子であれば、必ずしも湿度センサに限定されるものではない。すなわち、インピーダンス変化型センサは、光、音、超音波（振動）、圧力、温度、湿度、ガス、電界または磁界などの物理量に応じたインピーダンスとなるインピーダンス変換素子を用いることができる。この場合、例えば、温度検出であればサーミスタのほかサーモスタットや熱伝対、圧力検出であればストレンゲージ（ロードセル）や圧電素子（ピエゾ素子）、光検出であればフォトダイオードやフォトレジスタなどを用いることができる。なお、インピーダンス変化型センサは、前記した各種インピーダンス変換素子を単独で、またはこれらを適宜組み合わせて構成することができる。

また、インピーダンス変化型センサとして検出対象から受ける物理量に応じて抵抗値が変化する可変抵抗を用いる場合には、並列コンデンサ２５０の静電容量を設定する設定者は、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に可変抵抗のみを接続した場合における表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の反射率Ｓ１１（ｄＢ）が小さくなる静電容量を抵抗値を変化させながら測定する。

この場合、本発明者らの実験によれば、反射率Ｓ１１（ｄＢ）は、例えば、図３に示すように、可変抵抗のインピーダンス（抵抗）に対して曲線的に変化する（図においてアスタリスク形ドット）。そこで、本発明者らは、反射率Ｓ１１（ｄＢ）が減少する静電容量、すなわち、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が減少する静電容量の並行コンデンサ２５０を抵抗値が可変のインピーダンス変化型センサに対して並列接続して同様に反射率Ｓ１１（ｄＢ）を測定した。その結果、本発明者らは、図３に示すように、インピーダンス（抵抗）に対する反射波の振幅値のダイナミックレンジが拡大（約５.１ｄＢが約１２.３ｄＢに拡大）することを知見した（図において三角形および四角形ドット参照）。

したがって、設定者は、反射率Ｓ１１（ｄＢ）が減少する静電容量、すなわち、表面弾性波反射ＩＤＴ２２０から反射される表面弾性波の振幅値が減少する静電容量を並行コンデンサ２５０の静電容量とする。これによれば、センサモジュール２００は、インピーダンス（抵抗）に対する反射波の振幅値のダイナミックレンジが拡大するため、従来のセンサモジュールに比べてセンサとしての感知幅やダイナミックレンジを広くすることができ、センサとしての用途を拡大することができる。

また、上記実施形態においては、センサモジュール２００は、圧電基板２０１の両端部に反射防止部２０２ａ，２０２ｂを備えて構成されている。しかし、センサモジュール２００は、圧電基板２０１上における表面弾性波の反射を考慮する必要がない場合、例えば、表面弾性波変換ＩＤＴ２１０によって変換された高周波電気信号の中から必要な高周波電気信号を各種演算処理にて抽出可能な場合などには、反射防止部２０２ａ，２０２ｂを省略することもできる。

また、上記実施形態においては、センサモジュール２００は、一組の表面弾性波変換ＩＤＴ２１０と表面弾性波反射ＩＤＴ２２０とを設けた。しかし、センサモジュール２００は、複数組の表面弾性波変換ＩＤＴ２１０と表面弾性波反射ＩＤＴ２２０とを設けることもできる。この場合、各組における表面弾性波の伝搬経路長を互いに異なるものとした所謂タグを用いることにより各組のごとの応答信号を区別するようにするとよい。また、センサモジュール２００は、１つの表面弾性波変換ＩＤＴ２１０に対して２つ以上の表面弾性波反射ＩＤＴ２２０を設けて構成することができるとともに、１つの表面弾性波反射ＩＤＴ２２０に対して２つ以上の表面弾性波変換ＩＤＴ２１０を設けて構成することもできる。

また、上記実施形態においては、物理量検出システム１００は、１つのセンサモジュール２００に対して駆動信号の無線送信および応答信号の無線受信を行なう構成とした。しかし、物理量検出システム１００は、１つのワイヤレス式物理量検出システム１００に対して複数のセンサモジュール２００に対して駆動信号の無線送信および応答信号の無線受信を行なう構成とすることもできる。

また、上記実施形態においては、ホスト装置３００は、センサモジュール２００に対して電波を送信する機能と受信する機能を共に兼ね備えて構成されている。すなわち、ホスト装置３００は、センサモジュール２００に対して駆動信号を無線送信するとともに同センサモジュール２００からの応答信号を無線受信する。しかし、ホスト装置３００は、駆動信号を無線送信する機能と応答信号を無線受信する機能とを別個の装置で構成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、物理量検出システム１００は、センサモジュール２０とホスト装置３００との間の駆動信号および応答信号の送受信を無線通信で行うように構成した。しかし、物理量検出システム１００は、センサモジュール２００とホスト装置３００とを有線で結ぶことにより、センサモジュール２００とホスト装置３００との間の駆動信号および応答信号の送受信を有線通信で行うように構成することもできる。また、物理量検出システム１００は、センサモジュール２００とホスト装置３００とを一体的に構成することもできる。

１００…物理量検出システム、
２００…物理量検出センサモジュール（センサモジュール）、２０１…圧電基板、２０２ａ，２０２ｂ…反射防止部、
２１０…表面弾性波変換ＩＤＴ、２１１ａ，２１１ｂ…第１櫛歯状電極、
２２０…表面弾性波反射ＩＤＴ、２２１ａ，２２１ｂ…第２櫛歯状電極、
２３０…アンテナ、
２４０…湿度センサ、
２５０…並列コンデンサ、
３００…ホスト装置、３１０…変調部、３２０…送受信部、３２１…アンテナ、３３０…検波部、３４０…制御部、３４１…高周波電気信号生成部、３４２…物理量特定部、３５０…入力装置、３６０…表示装置。

Claims (5)

1. 圧電効果を示す圧電体で構成されるとともに表面弾性波を伝播可能な圧電基板と、
   前記圧電基板上にて互いに対向配置された２つの第１櫛歯状電極を有して高周波電気信号と前記表面弾性波とを相互に変換する表面弾性波変換手段と、
   前記圧電基板上に互いに対向配置された２つの第２櫛歯状電極を有して前記表面弾性波変換手段によって励振された前記表面弾性波を反射する表面弾性波反射手段と、
   前記表面弾性波反射手段に接続されて検出対象から受ける物理量に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化型センサと、
   前記表面弾性波反射手段に対して直列接続されるとともに前記インピーダンス変化型センサに対して並列接続される並列コンデンサとを備えることを特徴とする物理量検出センサモジュール。
2. 請求項１に記載した物理量検出センサモジュールにおいて、
   前記インピーダンス変化型センサは、
   前記検出対象から受ける物理量に応じて静電容量が変化する可変コンデンサを含み、
   前記並列コンデンサは、
   前記表面弾性波反射手段に前記インピーダンス変化型センサのみを接続した場合における同表面弾性波反射手段から反射される前記表面弾性波の振幅値が最小となる静電容量に設定されていることを特徴とする物理量検出センサモジュール。
3. 請求項１に記載した物理量検出センサモジュールにおいて、
   前記インピーダンス変化型センサは、
   前記検出対象から受ける物理量に応じて抵抗値が変化する可変抵抗を含み、
   前記並列コンデンサは、
   前記表面弾性波反射手段に前記インピーダンス変化型センサのみを接続した場合における同表面弾性波反射手段から反射される前記表面弾性波の振幅値が小さくなる静電容量に設定されていることを特徴とする物理量検出センサモジュール。
4. 物理量の検出対象に設置される前記請求項１ないし前記請求項３のうちのいずれか１つに記載された物理量検出センサモジュールと、
   前記表面弾性波変換手段に付与する前記高周波電気信号を生成する高周波電気信号生成手段と、
   前記表面弾性波変換手段にて変換された前記高周波電気信号の振幅値を用いて前記物理量を特定する物理量特定手段とを備えることを特徴とする物理量検出システム。
5. 請求項４に記載した物理量検出システムにおいて、
   前記高周波電気信号生成手段、前記物理量特定手段、および前記高周波電気信号と電波とを相互に変換して無線送受信を行う送受信部をそれぞれ有したホスト装置と、
   前記表面弾性波変換手段における第１櫛歯状電極に接続されて電波と前記高周波電気信号とを相互に変換する送受信アンテナとを備えることを特徴とする物理量検出システム。
   

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