JP2017096841A

JP2017096841A - 無給電ワイヤレスセンサおよびそれを用いた計測システム並びに計測システムの検知方法

Info

Publication number: JP2017096841A
Application number: JP2015230738A
Authority: JP
Inventors: 正之尾崎; Masayuki Ozaki; 奈良　誠; Makoto Nara; 誠奈良
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01

Abstract

【課題】センサ感度を向上させることができる無給電ワイヤレスセンサと、それを用いた計測システム並びに計測システムを提供する。【解決手段】圧電基板１上に配置された第１の櫛形電極２は、受信した電気信号を表面弾性波に変換する。表面弾性波は第２の櫛形電極に伝搬する。第２の櫛形電極３は、表面弾性波をインピーダンス変化素子５により周囲環境の物理量の変化に応じて信号レベルを変化させた応答信号として第２のアンテナ６から無線送信する。この応答信号をモニターすることによって物理量の変化を検知することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、表面弾性波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子を用いた無給電ワイヤレスセンサおよびそれを用いた計測システム並びに計測システムの検知方法に関する。

表面弾性波を発生させることができるＳＡＷ素子は、温度、圧力、応力等の物理量の変化を検出するセンサとして利用することができる。この種のＳＡＷ素子は、圧電基板上に表面弾性波を励振するための櫛形電極（ＩＤＴ：Interdigital Transducer）が形成されており、ＳＡＷ素子が設置されている周囲環境の物理量に応じて表面弾性波の共振周波数や反射信号、遅延時間が変化することを利用し、測定環境の物理量をセンシングしている。またＳＡＷ素子は、専用の電源を必要とせず、アンテナから受信した電力のみで動作可能で、パッシブ型のワイヤレスセンサとして利用されている。

ＳＡＷ素子を用いた無給電ワイヤレスセンサ１００ａは、例えば特許文献１に記載されている。この種の無給電ワイヤレスセンサ１００ａは、図５に示すように、圧電効果により表面弾性波を発生させる圧電基板１０１上に、表面弾性波変換ＩＤＴ１０２と表面弾性波反射ＩＤＴ１０３とが相互に離れて対向配置されている。表面弾性波変換ＩＤＴ１０２の一方の櫛形電極にはアンテナ１０４が接続しており、表面弾性波変換ＩＤＴ１０２は、アンテナ１０４から入力する高周波信号（電気信号に相当）に対応する表面弾性波を圧電基板１０１に励振する。この励振された表面弾性波は、圧電基板１０１表面を伝搬して表面弾性波反射ＩＤＴ１０３に達する。この表面弾性波は、表面弾性波反射ＩＤＴ１０３によって反射され、再び圧電基板１０１表面を伝搬して表面弾性波変換ＩＤＴ１０２に達する。そして表面弾性波変換ＩＤＴ１０２によって高周波信号（応答信号に相当）に変換され、アンテナ１０４から出力される。ここで表面弾性波反射ＩＤＴ１０３には、サーミスタ１０５が接続されており、このサーミスタ１０５のインピーダンス変化に応じて、表面弾性波反射ＩＤＴ１０３の反射率が変化することを利用してセンシングを行う構成となっている。

特開２０１２−２５５７０６号公報

ところで、この種のワイヤレス通信に使用される高周波帯域においては、インピーダンス変化の大きい受動素子は限られている。そのため、センサの感度を向上させることができないという問題があった。特に無給電ワイヤレスセンサでは、低いセンサ感度を補うために電源装置が必要な増幅器を追加することができず、大きな問題であった。

本発明は上記問題点を解消し、センサ感度を向上させることができる無給電ワイヤレスセンサと、それを用いた計測システム並びに計測システムの検知方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、圧電基板と、該圧電基板上に相互に離れて配置された第１の櫛形電極および第２の櫛形電極と、無線送信される電気信号を受信する前記第１の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第１のアンテナと、応答信号を無線送信する前記第２の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第２のアンテナと、前記第２の櫛形電極の前記一方の櫛形電極に接続し、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化素子と、を備え、前記第１の櫛形電極は、前記第１のアンテナで受信した電気信号を表面弾性波に変換し、前記第２の櫛形電極は、前記第１の櫛形電極から伝搬する前記表面弾性波を前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号に変換し、前記第２のアンテナは、前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号を無線送信することを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する無給電ワイヤレスセンサと、該無給電ワイヤレスセンサから出力される応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムにおいて、前記無給電ワイヤレスセンサは、圧電基板と、該圧電基板上に相互に離れて配置された第１の櫛形電極および第２の櫛形電極と、無線送信される電気信号を受信する前記第１の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第１のアンテナと、応答信号を無線送信する前記第２の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第２のアンテナと、前記第２の櫛形電極の前記一方の櫛形電極に接続し、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化素子と、を備え、前記第１の櫛形電極は、前記第１のアンテナで受信した電気信号を表面弾性波に変換し、前記第２の櫛形電極は、前記第１の櫛形電極から伝搬する前記表面弾性波を前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号に変換し、前記第２のアンテナは、前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号を前記受信機へ無線送信することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項２記載の計測システムにおいて、前記受信機は、前記応答信号を受信し、該応答信号の信号レベルの変化から前記物理量の変化を検知する検知手段を有していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する無給電ワイヤレスセンサと、該給電ワイヤレスセンサから出力された応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムの検知方法において、前記無給電ワイヤレスセンサは、圧電素子と、該圧電基板上に相互に離れて配置された第１の櫛形電極および第２の櫛形電極と、無線送信される電気信号を受信する前記第１の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第１のアンテナと、応答信号を無線送信する前記第２の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第２のアンテナと、前記第２の櫛形電極の前記一方の櫛形電極に接続し、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化素子と、を備え、前記送信機から送信された電気信号を前記第１のアンテナで受信し、該電気信号を前記第１の櫛形電極で表面弾性波に変換し、前記第１の櫛形電極から伝搬する前記表面弾性波を前記第２の櫛形電極で前記インピーダンス変化素子のインピーダンスの変化に応じて信号レベルが変化する前記応答信号に変換し、前記インピーダンス変化素子のインピーダンスの変化に応じて変化する信号レベルの前記応答信号を前記第２のアンテナから前記受信機へ無線送信することを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項４記載の計測システムの検知方法において、前記受信機で前記応答信号の信号レベルの変化を検出し、前記物理量の変化を検知することを特徴とする。

本発明に係る無給電ワイヤレスセンサは、表面弾性波が第１の櫛形電極から圧電基板上を第２の櫛形電極に伝搬し、第２の櫛形電極で応答信号に変換され、この応答信号を第２の櫛形電極に接続している第２のアンテナから送信する構成としている。そのため、従来例のように表面弾性波を第２の櫛形電極で反射させ、この反射波を第１の櫛形電極に接続しているアンテナから送信する場合と比較して、信号の減衰が抑えられる。その結果、応答信号を増幅器で増幅する必要もなく、無給電ワイヤレスセンサとして好適な構成となる。

また、第２の櫛形電極で表面弾性波を応答信号に変換する際、第２の櫛形電極に接続するインピーダンス変化素子は、所望の物理量の変化に対してインピーダンス変化の大きい素子を適宜接続すればよく、センサ感度を向上できるという利点もある。

さらに電気信号の受信のための第１のアンテナと応答信号の送信のための第２のアンテナを分けた構成とすることで、受信時でも応答信号を送信することができ、継続的にセンシングすることができるという利点がある。

本発明の計測システム及びその検知方法は、上記の無給電ワイヤレスセンサを用いることにより、所望の物理量の変化に対してインピーダンス変化の大きい素子を接続することで、センサ感度を向上できる。また、無給電ワイヤレスセンサから送信される減衰の少ない応答信号の信号レベルの変化から物理量の変化を検出することができ、無給電の装置として好適である。

本発明の無給電ワイヤレスセンサの説明図である。本発明の無給電ワイヤレスセンサの動作を説明する図である。本発明の計測システムの説明図である。本発明の計測システムの動作を説明する図である。従来のこの種の無給電ワイヤレスセンサの説明図である。

本発明は、無給電ワイヤレスセンサに大きな特徴を有している。具体的には、第１の櫛形電極から第２の櫛形電極へ伝搬する表面弾性波を第２の櫛形電極でインピーダンス変化素子のインピーダンス変化に応じた信号レベルの応答信号に変換し、第２の櫛形電極に接続している第２のアンテナから出力する構成としている。ここで出力する応答信号の信号レベル（信号の大きさ）は、インピーダンス変化素子のインピーダンス変化に対応して変化し、このインピーダンス変化は、インピーダンス変化素子が設置されている周囲環境の物理量に対応している。したがって、この信号レベルの変化（変動）をモニターすれば物理量の変化（変動）をセンシングできることになる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

まず、本発明の無給電ワイヤレスセンサ１００について説明する。図１に示すように本実施例の無給電ワイヤレスセンサ１００は、圧電効果を示し表面弾性波を伝搬する圧電基板１上に、第１の櫛形電極２と第２の櫛形電極３が相互に離れて形成されている。

圧電基板１は、圧電効果によって表面弾性波を発生させる圧電体によって構成され、例えばニオブ酸リチウム（ＮｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、水晶、ランガサイトなどから構成されている。また、圧電効果を示す高分子材料（例えば、ＰＶＤＦ）などを用いることもできる。

圧電基板１上に形成されている第１の櫛形電極２は、１対の櫛歯状の電極によって構成されており、交互に正負となるように配置して圧電基板１に対して電圧を印加する構成となっている。図１に示すように、１対の櫛歯状の電極の一方の電極はＧＮＤに接続され、他方の電極は第１のアンテナ４に接続している。第１の櫛形電極２は、例えば、アルミニウム、銅、金、プラチナ、クロム、チタンまたはそれらの組み合わせ等適宜選択された金属で構成することができる。

また圧電基板１上に形成されている第２の櫛形電極３も、第１の櫛形電極２同様、１対の櫛歯状の電極によって構成されており、交互に正負となるように配置して圧電基板１に対して電圧を印加する構成となっている。さらにまた１対の櫛歯状の電極の一方の電極はＧＮＤに接続され、他方の電極はインピーダンス変化素子５と第２のアンテナ６に接続している。第２の櫛形電極３も、例えば、アルミニウム、銅、金、プラチナ、クロム、チタンまたはそれらの組み合わせ等適宜選択された金属で構成することができる。

第１の櫛形電極２と第２の櫛形電極３は、相互に離れて配置されており、第１の櫛形電極２と第２の櫛形電極３との間の寸法を変更することにより、第１の櫛形電極２から第２の櫛形電極３へ伝搬する表面弾性波の遅延時間を調整することができる。

インピーダンス変化素子５は、本センサが設置されている周囲環境の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化する素子となる。例えば、物理量に応じて電荷を蓄える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、物理量に応じて抵抗が変化する可変抵抗等を用いることができる。

図１に示す無給電ワイヤレスセンサ１００では、図示しない送信機から送られた電気信号を第１のアンテナ４が受信し、第１の櫛形電極２によって表面弾性波に変換する。この表面弾性波は、圧電基板１上を伝搬し第２の櫛形電極３に達する。第２の櫛形電極３では、表面弾性波が応答信号に変換され、この応答信号を第２のアンテナ６から図示しない受信機へ送信する。このとき、第２のアンテナ６にはインピーダンス変化素子５が接続しているため、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンス変化素子のインピーダンスが変化し、応答信号の信号レベルが変化することになる。

第２のアンテナ６から送信される応答信号は、受信機に受信されるまでの間に所定の減衰が生じるものの、第２のアンテナ６と受信機との間隔を常に一定に保てば伝送による減衰量は一定となり、応答信号の受信レベルの変化を識別できることになる。

図２は、第１のアンテナ４に入力する電気信号と第２のアンテナ５から送信される応答信号の変化を模式的に示している。図示していない送信機から１μｓの時間幅を有する周波数４３０ＭＨｚのバースト波が５μｓ毎に送信され、第１の櫛形電極２と第２の櫛形電極３との間の遅延時間は２μｓとする。図２に示すように、第１のアンテナ４は、５μｓ毎に時間幅１μｓのバースト信号２１を受信し、第１の櫛形電極２で表面弾性波に変換される。第２の櫛形電極３に伝搬した表面弾性波は、２μｓ遅延した応答信号２２となる。このとき、第２の櫛形電極３にはインピーダンス変化素子５が接続しているため、そのインピーダンスの変化に応じて、応答信号２２の信号レベルが変化する。図２では、インピーダンス変化素子５のインピーダンスが変化し、応答信号の信号レベルが徐々に小さくなっている例を示している。

予め、応答信号の変化量と物理量の変化量の関係を知っていれば、応答信号の受信レベルの変化からインピーダンス変化素子が設置されている周囲環境の物理量の変化を検知することが可能となる。

次に、図１に示す無給電ワイヤレスセンサ１００を振動センサとして用いる場合について説明する。図３に橋梁の振動を計測する計測システムである本実施例の振動センサを示す。図３に示すように、橋梁７の車両が走行する裏面側に複数個の本発明の無給電ワイヤレスセンサ１００ａ〜１００ｃを設置している。振動センサとなるので、インピーダンス変化素子として振動に応じて電圧が発生する圧電素子を用いる。また無給電ワイヤレスセンサの近傍の橋梁７に中継器８に設置する。この中継器８は、無給電ワイヤレスセンサ１００に電気信号を送信し、あるいは無給電ワイヤレスセンサ１００から応答信号を受信するための第３のアンテナ９を備えている。この場合、中継器８は送信機と受信機として機能することになる。また例えば橋梁の振動を遠隔監視している監視センターなどへ応答信号を送信するための第４のアンテナ６を備えている。

振動測定は次のように行われる。中継器８から、例えば、１μｓの時間幅を有する周波数４３０ＭＨｚのバースト信号を５μｓ毎に無給電ワイヤレスセンサ１００ａ〜１００Ｃへ送信する。無給電ワイヤレスセンサ１００ａ〜１００ｃは、それぞれ第１のアンテナでこのバースト信号２１を受信する。ここで、無給電ワイヤレスセンサの遅延時間が、１００ａは２μｓ、１００ｂは４μｓ、１００ｃは６μｓとする。入力したバースト信号２１は、各無給電ワイヤレスセンサの第１の櫛形電極２で表面弾性波に変換される。この表面弾性波は、圧電基板１表面を伝搬して第２の櫛形電極３に到達する。無給電ワイヤレスセンサ１００ａでは遅延時間が２μｓなので、２μｓ後に第２のアンテナから５μｓ毎に応答信号２２ａを出力する。同様に、無給電ワイヤレスセンサ１００ｂでは遅延時間が４μｓ、無給電ワイヤレスセンサ１００ｃでは遅延時間が６μｓなので、それぞれ４μｓ、６μｓ後にそれぞれの第２のアンテナから５μｓ毎に応答信号２２ｂ、２２ｃが出力される。これら応答信号は、第２の櫛形電極に接続している圧電素子が配置されている橋梁の振動に応じてインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化に応じて信号レベルが変化する。したがって、第２のアンテナから出力される応答信号は、信号レベルが振動に応じて変化して出力されることになる。

図４では、１つのバースト信号２１に対して３つの応答信号が出力されることがわかる。ここで、応答信号２２ａ、２２ｂ、２２ｃはその信号レベルが異なっている。これは、無給電ワイヤレスセンサと中継器８との間の寸法が異なるため、その寸法が大きくなるほど伝送による減衰が大きくなることを示している。なお、無給電ワイヤレスセンサと中継器８との間の寸法が大きくなるほど伝送による遅延も生じるが、本説明では伝送による遅延についてはゼロとして説明を行っている。

第２のアンテナから出力された応答信号は、中継器８で信号処理して振動を検知することができる。あるいは中継器８で増幅した信号を応答信号として出力し、別に設けた信号処理手段で信号を処理して振動を検知してもよい。なお上述のように、複数の無給電ワイヤレスセンサから出力される応答信号は、複数の無給電ワイヤレスセンサ毎に信号レベルが異なっている。したがって、同一の無給電ワイヤレスセンサ毎、つまり図４では例えば応答信号２２ａの信号レベルの変化をモニターし、振動の大きさの変化を検知することになる。

このような橋梁の振動検知は、橋梁の構造、路面の状態、通過する車両の大きさ等により特有の振動解析を行うことで、精度の高い疲労破損予測を可能とし期待が大きい。

なお、図４では、受信するバースト信号２１と応答信号２２が一致しない場合について説明したが、本実施例では受信アンテナである第１のアンテナと送信アンテナである第２のアンテナとを備えているため、バースト信号２１の受信タイミングと送信信号２２の送信タイミングが一致していても何ら問題がない。したがって、図３で説明した計測システムにさらに遅延時間が８μｓの無給電ワイヤレスセンサを付加することも可能である。その結果、連続的な振動検知が可能となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、バースト信号を用いる代わりにＦＭＣＷ(Frequency modulated continuous wave：周波数変調連続波)方式とすることも可能である。

１：圧電基板、２：第１の櫛形電極、３：第２の櫛形電極、４：第１のアンテナ、５：インピーダンス変化素子、６：第２のアンテナ、７：橋梁、８：中継器、９：第３のアンテナ、１０：第４のアンテナ、２１：バースト信号、２２：応答信号、１００：無給電ワイヤレスセンサ

Claims

圧電基板と、
該圧電基板上に相互に離れて配置された第１の櫛形電極および第２の櫛形電極と、
無線送信される電気信号を受信する前記第１の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第１のアンテナと、
応答信号を無線送信する前記第２の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第２のアンテナと、
前記第２の櫛形電極の前記一方の櫛形電極に接続し、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化素子と、を備え、
前記第１の櫛形電極は、前記第１のアンテナで受信した電気信号を表面弾性波に変換し、
前記第２の櫛形電極は、前記第１の櫛形電極から伝搬する前記表面弾性波を前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号に変換し、
前記第２のアンテナは、前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号を無線送信することを特徴とする無給電ワイヤレスセンサ。
電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する無給電ワイヤレスセンサと、該無給電ワイヤレスセンサから出力される応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムにおいて、
前記無給電ワイヤレスセンサは、圧電基板と、該圧電基板上に相互に離れて配置された第１の櫛形電極および第２の櫛形電極と、無線送信される電気信号を受信する前記第１の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第１のアンテナと、応答信号を無線送信する前記第２の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第２のアンテナと、前記第２の櫛形電極の前記一方の櫛形電極に接続し、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化素子と、を備え、
前記第１の櫛形電極は、前記第１のアンテナで受信した電気信号を表面弾性波に変換し、
前記第２の櫛形電極は、前記第１の櫛形電極から伝搬する前記表面弾性波を前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号に変換し、
前記第２のアンテナは、前記インピーダンス変化素子のインピーダンスに応じた信号レベルの前記応答信号を前記受信機へ無線送信することを特徴とする計測システム。
請求項２記載の計測システムにおいて、前記受信機は、前記応答信号を受信し、該応答信号の信号レベルの変化から前記物理量の変化を検知する検知手段を有していることを特徴とする計測システム。
電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する無給電ワイヤレスセンサと、該給電ワイヤレスセンサから出力された応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムの検知方法において、
前記無給電ワイヤレスセンサは、圧電素子と、該圧電基板上に相互に離れて配置された第１の櫛形電極および第２の櫛形電極と、無線送信される電気信号を受信する前記第１の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第１のアンテナと、応答信号を無線送信する前記第２の櫛形電極の一方の櫛形電極に接続した第２のアンテナと、前記第２の櫛形電極の前記一方の櫛形電極に接続し、周囲の物理量の変化に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス変化素子と、を備え、
前記送信機から送信された電気信号を前記第１のアンテナで受信し、該電気信号を前記第１の櫛形電極で表面弾性波に変換し、前記第１の櫛形電極から伝搬する前記表面弾性波を前記第２の櫛形電極で前記インピーダンス変化素子のインピーダンスの変化に応じて信号レベルが変化する前記応答信号に変換し、前記インピーダンス変化素子のインピーダンスの変化に応じて変化する信号レベルの前記応答信号を前記第２のアンテナから前記受信機へ無線送信することを特徴とする計測システムの検知方法。
請求項４記載の計測システムの検知方法において、前記受信機で前記応答信号の信号レベルの変化を検出し、前記物理量の変化を検知することを特徴とする計測システムの検知方法。