JP2017161397A

JP2017161397A - Wireless sensor and sensor system

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Publication number: JP2017161397A
Application number: JP2016047024A
Authority: JP
Inventors: 卓也古市; Takuya Furuichi; 工藤　高裕; Takahiro Kudo; 高裕工藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-09-14

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wireless sensor that can make communication distance longer and reduce power consumption.SOLUTION: A wireless sensor 20 receives a driving signal from a master 10 and thereby returns a reflection signal corresponding to the state of a detection object to the master as a response to the driving signal. The wireless sensor comprises: an antenna 21 that receives a driving signal from the master and transmits a reflection signal to the master; a surface acoustic wave element 22 that outputs a reflection signal having a propagation characteristic corresponding to the state of the detection object by exciting a surface acoustic wave by the driving signal; and an amplification circuit 23 that amplifies the reflection signal and outputs it to the antenna.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、検知対象の状態を無線で検知可能なワイヤレスセンサ及びセンサシステムに関する。 The present invention relates to a wireless sensor and a sensor system capable of wirelessly detecting the state of a detection target.

従来、この種のワイヤレスセンサとして、検知対象の状態に応じて弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）の伝搬特性が変化することを利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のワイヤレスセンサにはマスタからアンテナを介して駆動信号が入力され、駆動信号によってセンサ内で励起された弾性表面波が反射信号に変換されて再びアンテナを介してマスタに送り返される。マスタは、反射信号（弾性表面波）の伝搬特性の変化を検知対象物の状態変化として検知している。この構成により、電源が不要なワイヤレスセンサを実現している。 Conventionally, as this type of wireless sensor, a sensor utilizing the fact that the propagation characteristic of a surface acoustic wave (SAW) changes according to the state of a detection target is known (for example, see Patent Document 1). . The wireless sensor described in Patent Document 1 receives a drive signal from the master via an antenna, and a surface acoustic wave excited in the sensor by the drive signal is converted into a reflected signal and sent back to the master via the antenna again. . The master detects a change in the propagation characteristic of the reflected signal (surface acoustic wave) as a change in the state of the detection target. With this configuration, a wireless sensor that does not require a power source is realized.

また、弾性表面波を利用したワイヤレスセンサとして、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）を内蔵したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載のワイヤレスセンサにはマスタからアンテナを介して駆動信号が入力され、弾性表面波の伝搬特性の変化からＲＦＩＤタグにて検知対象の状態を示す計測データが算出される。そして、マスタからの読み出し要求に応じて、ＲＦＩＤ通信にてワイヤレスセンサからマスタに計測データが送り返される。遠隔型ＲＦＩＤ通信で用いられる特定周波数で通信されるため、通信距離を伸ばすことが可能になっている。 As a wireless sensor using surface acoustic waves, a sensor incorporating a radio frequency identification (RFID) is known (see, for example, Patent Document 2). A driving signal is input from the master to the wireless sensor described in Patent Document 2 via an antenna, and measurement data indicating a detection target state is calculated by the RFID tag from a change in propagation characteristics of the surface acoustic wave. Then, in response to a read request from the master, measurement data is sent back from the wireless sensor to the master through RFID communication. Since communication is performed at a specific frequency used in remote RFID communication, the communication distance can be extended.

特開２００７−３０４０８７号公報JP 2007-304087 A 特開２００８−２０４２３４号公報JP 2008-204234 A

特許文献１に記載のワイヤレスセンサは、電源が不要になるが、ワイヤレスセンサからマスタに向けて反射信号が直に送り返されるため、反射信号の空中伝搬に伴う減衰によって長距離通信が困難であるという問題がある。一方で、特許文献２に記載のワイヤレスセンサは、反射信号の減衰問題を解消して、特許文献１のワイヤレスセンサと比較して長距離通信が可能になるが、計測データを算出処理するためにワイヤレスセンサの消費電力が増大する。このため、ワイヤレスセンサのバッテリを頻繁に交換しなければならないという問題がある。 The wireless sensor described in Patent Document 1 does not require a power supply, but the reflected signal is sent back directly from the wireless sensor to the master, so that long-distance communication is difficult due to attenuation due to the propagation of the reflected signal in the air. There's a problem. On the other hand, the wireless sensor described in Patent Document 2 solves the reflection signal attenuation problem and enables long-distance communication as compared with the wireless sensor disclosed in Patent Document 1. However, in order to calculate measurement data, The power consumption of the wireless sensor increases. For this reason, there is a problem that the battery of the wireless sensor must be frequently replaced.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、通信距離を伸ばすと共に消費電力を低減することができるワイヤレスセンサ及びセンサシステムを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the wireless sensor and sensor system which can reduce power consumption while extending communication distance.

本発明のワイヤレスセンサは、マスタから駆動信号を受け取ることで、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すワイヤレスセンサであって、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅回路とを備えることを特徴とする。 The wireless sensor of the present invention is a wireless sensor that receives a drive signal from the master, and returns a reflected signal corresponding to the state of the detection target to the master as a response to the drive signal, and receives the drive signal from the master. An antenna that transmits a reflected signal to the master, a surface acoustic wave element that excites a surface acoustic wave with a drive signal and outputs a reflected signal with propagation characteristics according to the state of the detection target, and amplifies the reflected signal to And an amplifier circuit for outputting to the antenna.

本発明によれば、マスタからの駆動信号で弾性表面波素子に弾性表面波が励起されると、検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号が増幅回路に出力される。増幅後の反射信号がワイヤレスセンサからマスタに向けて送り返されるため、通信距離を伸ばしてワイヤレスセンサから比較的離れたマスタに検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサでは算出処理等をすることなく、マスタからの駆動信号を弾性表面波に変換した後に反射信号にして送り返しているため、ワイヤレスセンサで余計な処理がなく消費電力を低減することができる。 According to the present invention, when a surface acoustic wave is excited in the surface acoustic wave element by a drive signal from the master, a reflected signal having a propagation characteristic corresponding to the state of the detection target is output to the amplifier circuit. Since the amplified reflected signal is sent back from the wireless sensor to the master, it is possible to notify the master that is relatively far from the wireless sensor by extending the communication distance. In addition, the wireless sensor converts the drive signal from the master into a surface acoustic wave and sends it back as a reflected signal without performing calculation processing, etc., so there is no extra processing in the wireless sensor and power consumption can be reduced. it can.

本実施の形態のセンサシステムのシステム構成図である。It is a system configuration figure of the sensor system of this embodiment. 本実施の形態の弾性表面波素子の模式図である。1 is a schematic diagram of a surface acoustic wave element according to an embodiment. 本実施の形態のセンサシステムにおける検知処理のシーケンス図である。It is a sequence diagram of a detection process in the sensor system of the present embodiment.

以下、添付の図面を参照して、本実施の形態のワイヤレスセンサを備えたセンサシステムについて説明する。図１は、本実施の形態のセンサシステムのシステム構成図である。図２は、本実施の形態の弾性表面波素子の模式図である。なお、センサシステム及び弾性表面波素子は図に示す構成に限定されず、適宜変更が可能である。 Hereinafter, a sensor system including a wireless sensor according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a system configuration diagram of a sensor system according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram of the surface acoustic wave device according to the present embodiment. The sensor system and the surface acoustic wave element are not limited to the configuration shown in the figure, and can be changed as appropriate.

図１に示すように、センサシステム１は、検知対象にワイヤレスセンサ２０を取り付けて、温度や湿度等の検知対象の状態変化をワイヤレスセンサ２０から磁気共振（磁気共鳴）現象を利用してマスタ１０に送信するように構成されている。この場合、高周波の駆動信号がマスタ１０からワイヤレスセンサ２０に送り出され、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた高周波の反射信号がワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に送り返される。駆動信号によってワイヤレスセンサ２０で弾性表面波が励起され、この弾性表面波の伝搬特性が検知対象の状態に応じて変化することを利用して検知対象の状態検知が実施されている。 As shown in FIG. 1, the sensor system 1 has a wireless sensor 20 attached to a detection target, and changes in the state of the detection target such as temperature and humidity from the wireless sensor 20 using a magnetic resonance (magnetic resonance) phenomenon. Configured to send to. In this case, a high-frequency drive signal is sent from the master 10 to the wireless sensor 20, and a high-frequency reflected signal corresponding to the state of the detection target is sent back from the wireless sensor 20 to the master 10 as a response to the drive signal. A surface acoustic wave is excited by the wireless sensor 20 by the drive signal, and the state detection of the detection target is performed by utilizing the fact that the propagation characteristic of the surface acoustic wave changes according to the state of the detection target.

一般に磁気共振現象を利用した通信は、空中伝搬に伴う信号レベルの減衰によって通信距離が短くなるという問題がある。このため、通常はＲＦＩＤ通信によって特定帯域（例えば、９５２ＭＨｚ−９５４ＭＨｚ帯）を用いることで通信距離を伸ばすことが考えられるが、ＲＦＩＤ通信を使用するためにはデジタルデータへの変換処理等が必要になってセンサ構成が複雑になると共に消費電力が増大する。このように、通信距離を伸ばそうとするとセンサの消費電力が増加するため、センサのバッテリを頻繁に交換しなければならず、オペレータの作業が煩わしくなるという問題がある。 In general, communication using the magnetic resonance phenomenon has a problem that the communication distance is shortened by attenuation of a signal level accompanying air propagation. For this reason, it is considered that the communication distance is usually extended by using a specific band (for example, 952 MHz-954 MHz band) by RFID communication. However, in order to use RFID communication, a conversion process to digital data is required. This complicates the sensor configuration and increases the power consumption. As described above, if the communication distance is increased, the power consumption of the sensor increases, so that there is a problem that the battery of the sensor must be frequently replaced, and the operator's work becomes troublesome.

そこで、本実施の形態のセンサシステム１では、ワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に送り返される反射信号を増幅回路２３で増幅している。この構成であれば、磁気共振現象を利用した通信であっても、ワイヤレスセンサ２０とマスタ１０の通信距離を伸ばすことができる。また、増幅回路２３に電力を供給するためにワイヤレスセンサ２０にはバッテリが必要になるが、バッテリの電力が増幅回路１３にのみ使用されるため、消費電力が抑制されてバッテリの交換期間を伸ばすことができる。このように、一般的な磁気共鳴現象を利用した通信よりも通信距離を伸ばすことができ、ＲＦＩＤ通信よりも消費電力を抑えることができる。 Therefore, in the sensor system 1 of the present embodiment, the reflection signal sent back from the wireless sensor 20 to the master 10 is amplified by the amplifier circuit 23. With this configuration, the communication distance between the wireless sensor 20 and the master 10 can be extended even in communication using the magnetic resonance phenomenon. In addition, a battery is required for the wireless sensor 20 to supply power to the amplifier circuit 23. However, since the battery power is used only for the amplifier circuit 13, power consumption is suppressed and the battery replacement period is extended. be able to. As described above, the communication distance can be extended as compared with communication using a general magnetic resonance phenomenon, and power consumption can be suppressed as compared with RFID communication.

センサシステム１では、マスタ１０とワイヤレスセンサ２０とが所定の通信距離を空けて配置されており、マスタ１０のアンテナ１１とワイヤレスセンサ２０のアンテナ２１との間で高周波信号が送受信されている。マスタ１０には、駆動信号を発生させてアンテナ１１に出力する駆動回路１２と、アンテナ１１から入力された反射信号を増幅する増幅回路１３と、反射信号から温度や湿度等の検知対象の状態を算出する算出回路１４とが設けられている。なお、マスタ１０には、算出回路１４の算出結果に応じて検知対象の状態管理を行う外部装置等が接続されてもよい。 In the sensor system 1, the master 10 and the wireless sensor 20 are arranged with a predetermined communication distance, and high-frequency signals are transmitted and received between the antenna 11 of the master 10 and the antenna 21 of the wireless sensor 20. The master 10 includes a drive circuit 12 that generates a drive signal and outputs the drive signal to the antenna 11, an amplifier circuit 13 that amplifies the reflected signal input from the antenna 11, and a detection target state such as temperature and humidity from the reflected signal. A calculation circuit 14 for calculating is provided. The master 10 may be connected to an external device or the like that manages the state of the detection target according to the calculation result of the calculation circuit 14.

駆動回路１２は、一定周期毎の送信タイミングで高周波の駆動信号を発振してアンテナ１１に出力している。算出回路１４は、ワイヤレスセンサ２０から受信した反射信号の伝搬特性に基づいて検知対象の状態を算出している。反射信号の伝搬特性には、ワイヤレスセンサ２０の後述する弾性表面波素子２２で生じた弾性表面波の伝搬特性が引き継がれている。このため、反射信号の伝搬特性の変化から、弾性表面波素子２２での伝搬特性の変化、すなわち検知対象の状態変化を検知することが可能になっている。算出回路１４は、例えば、基準の応答時間に対する実際の反射信号の応答時間の時間差から検知対象の状態変化を算出している。 The drive circuit 12 oscillates a high-frequency drive signal at a transmission timing for every fixed period and outputs it to the antenna 11. The calculation circuit 14 calculates the state of the detection target based on the propagation characteristics of the reflected signal received from the wireless sensor 20. The propagation characteristic of the reflected signal is inherited from the propagation characteristic of the surface acoustic wave generated by the surface acoustic wave element 22 (to be described later) of the wireless sensor 20. For this reason, it is possible to detect a change in the propagation characteristics of the surface acoustic wave element 22, that is, a change in the state of the detection target, from the change in the propagation characteristics of the reflected signal. For example, the calculation circuit 14 calculates the state change of the detection target from the time difference of the response time of the actual reflected signal with respect to the reference response time.

なお、算出回路１４では、反射信号（弾性表面波）の伝搬特性として、例えば、速度、位相、周波数、遅延時間を用いて検知対象の状態変化を算出してもよい。また、マスタ１０内の駆動回路１２や算出回路１４の各種制御は、プロセッサやメモリ等によって実施されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成されてもよい。メモリには、反射信号の伝搬特性の算出時に基準となる伝搬特性を示す各種パラメータや、反射信号の伝搬特性と検知対象の状態変化の対応関係等が記憶されていてもよい。 Note that the calculation circuit 14 may calculate the state change of the detection target using, for example, velocity, phase, frequency, and delay time as the propagation characteristics of the reflected signal (surface acoustic wave). Various controls of the drive circuit 12 and the calculation circuit 14 in the master 10 are performed by a processor, a memory, and the like. The memory may be composed of one or a plurality of storage media such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) depending on the application. The memory may store various parameters indicating propagation characteristics serving as a reference when calculating the propagation characteristics of the reflected signal, the correspondence between the propagation characteristics of the reflected signal and the state change of the detection target, and the like.

ワイヤレスセンサ２０には、アンテナ２１から入力された駆動信号で励起した弾性表面波を反射信号として出力する弾性表面波素子２２と、弾性表面波素子２２から入力された反射信号を増幅する増幅回路２３とが設けられている。弾性表面波素子２２は、駆動信号で弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力している。増幅回路２３は、不図示のバッテリからの電力供給によって反射信号を増幅してアンテナ２１に出力している。なお、バッテリの消費電力が少ないため、照明光等を電気エネルギーに変換してバッテリに蓄電する構成でもよい。また、増幅回路２３は、反射信号だけを増幅するように構成されている。 The wireless sensor 20 includes a surface acoustic wave element 22 that outputs a surface acoustic wave excited by a drive signal input from an antenna 21 as a reflected signal, and an amplifier circuit 23 that amplifies the reflected signal input from the surface acoustic wave element 22. And are provided. The surface acoustic wave element 22 excites a surface acoustic wave with a drive signal and outputs a reflected signal having propagation characteristics according to the state of the detection target. The amplifier circuit 23 amplifies the reflected signal by supplying power from a battery (not shown) and outputs the amplified signal to the antenna 21. Note that since the power consumption of the battery is small, a configuration in which illumination light or the like is converted into electric energy and stored in the battery may be employed. The amplifier circuit 23 is configured to amplify only the reflected signal.

また、図２に示すように、弾性表面波素子２２は、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板２７上にＩＤＴ（Interdigital Transducers）電極２５と反射電極２６とを間隔を空けて配置して構成されている。圧電基板２７としては、弾性表面波として基板表面に垂直に振動するレーリー波を発生する基板に限らず、弾性表面波として基板表面内で進行方向に垂直に振動するＳＨ波を発生する基板を用いてもよい。また、圧電基板２７の材質としては、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）等のリチウム化合物や水晶が用いられてもよい。 As shown in FIG. 2, the surface acoustic wave element 22 is configured by disposing an IDT (Interdigital Transducers) electrode 25 and a reflective electrode 26 on a piezoelectric substrate 27 capable of propagating surface acoustic waves with a space therebetween. ing. The piezoelectric substrate 27 is not limited to a substrate that generates a Rayleigh wave that oscillates perpendicularly to the substrate surface as a surface acoustic wave, but a substrate that generates an SH wave that oscillates perpendicularly to the traveling direction in the substrate surface as a surface acoustic wave. May be. Moreover, as a material of the piezoelectric substrate 27, for example, lithium compounds such as lithium tantalate (LiTaO ₃ ), lithium niobate (LiNbO ₃ ), lithium tetraborate (Li ₂ B ₄ O ₇ ), and crystal are used. Also good.

ＩＤＴ電極２５は、一対の櫛歯電極２８、２９を対向させて一方の櫛歯電極２８の電極間に他方の櫛歯電極２９の電極を配置した構造を有している。一方の櫛歯電極２８はアンテナ２１（図１参照）に接続されており、他方の櫛歯電極２９は接地されている。アンテナ２１を通じてＩＤＴ電極２５に駆動信号が入力されることで、ＩＤＴ電極２５において弾性表面波が励起される。なお、一対の櫛歯電極２８、２９の電極数、電極幅、電極ピッチは、特に限定されるものではなく、励起効率を考慮して適宜変更が可能である。また、ＩＤＴ電極２５の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、金等が用いられてもよい。 The IDT electrode 25 has a structure in which a pair of comb-shaped electrodes 28 and 29 are opposed to each other and the electrode of the other comb-shaped electrode 29 is disposed between the electrodes of the one comb-shaped electrode 28. One comb electrode 28 is connected to the antenna 21 (see FIG. 1), and the other comb electrode 29 is grounded. When a drive signal is input to the IDT electrode 25 through the antenna 21, a surface acoustic wave is excited in the IDT electrode 25. The number of electrodes, the electrode width, and the electrode pitch of the pair of comb electrodes 28 and 29 are not particularly limited, and can be appropriately changed in consideration of excitation efficiency. Further, as the material of the IDT electrode 25, for example, aluminum, titanium, chromium, gold, or the like may be used.

反射電極２６は、櫛歯電極２８、２９の電極と平行になるように多数の電極を並べた構造を有している。反射電極２６は、ＩＤＴ電極２５から圧電基板２７を伝搬した弾性表面波をＩＤＴ電極２５に向けて反射させている。この弾性表面波の伝搬中に検知対象の状態に応じて弾性表面波の伝搬特性が変化されている。そして、反射電極２６で反射した弾性表面波がＩＤＴ電極２５に入力されることで反射信号が生成される。反射電極２６の電極数、電極幅、電極ピッチは、特に限定されるものではなく、反射効率を考慮して適宜変更が可能である。また、反射電極２６の材質としては、上記したＩＤＴ電極２５と同じ材質が用いられてもよい。 The reflective electrode 26 has a structure in which a large number of electrodes are arranged so as to be parallel to the electrodes of the comb electrodes 28 and 29. The reflective electrode 26 reflects the surface acoustic wave propagated from the IDT electrode 25 through the piezoelectric substrate 27 toward the IDT electrode 25. During the propagation of the surface acoustic wave, the propagation characteristic of the surface acoustic wave is changed according to the state of the detection target. Then, the surface acoustic wave reflected by the reflective electrode 26 is input to the IDT electrode 25 to generate a reflected signal. The number of electrodes, the electrode width, and the electrode pitch of the reflective electrode 26 are not particularly limited, and can be appropriately changed in consideration of the reflection efficiency. Further, as the material of the reflective electrode 26, the same material as that of the IDT electrode 25 described above may be used.

このように、弾性表面波素子２２は、検知対象の状態変化を弾性表面波の伝搬特性の変化として検知して、伝搬特性が変化した弾性表面波を反射信号として出力している。この反射信号は増幅回路２３で増幅された後にアンテナ２１からマスタ１０に向けて送信される（図１参照）。よって、磁気共振現象を利用して通信する場合であっても、マスタ１０とワイヤレスセンサ２０の通信距離を伸ばして検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサ２０では、マスタ１０からの駆動信号を単純に反射させて反射信号として送り返しているため、反射信号の増幅のみに電力を消費させてバッテリの減りを抑えることができる。 As described above, the surface acoustic wave element 22 detects a change in the state of the detection target as a change in the propagation characteristic of the surface acoustic wave, and outputs the surface acoustic wave whose propagation characteristic has changed as a reflected signal. The reflected signal is amplified by the amplifier circuit 23 and then transmitted from the antenna 21 to the master 10 (see FIG. 1). Therefore, even when communication is performed using the magnetic resonance phenomenon, it is possible to notify the detection target state by extending the communication distance between the master 10 and the wireless sensor 20. In addition, since the wireless sensor 20 simply reflects the drive signal from the master 10 and sends it back as a reflected signal, the power consumption can be consumed only for the amplification of the reflected signal, and the reduction of the battery can be suppressed.

以下、図３を参照して、センサシステムにおける検知処理について説明する。図３は、本実施の形態のセンサシステムにおける検知処理のシーケンス図である。なお、図３においては、図１及び図２の符号を適宜使用して説明する。 Hereinafter, the detection process in the sensor system will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a sequence diagram of detection processing in the sensor system of the present embodiment. In FIG. 3, description will be made using the reference numerals in FIGS. 1 and 2 as appropriate.

図３に示すように、マスタ１０では駆動回路１２で駆動信号が発振され、アンテナ１１を介してマスタ１０からワイヤレスセンサ２０に向けて駆動信号が送り出される（ステップＳ０１）。ワイヤレスセンサ２０ではアンテナ２１を介して駆動信号が受信されて、駆動信号が弾性表面波素子２２のＩＤＴ電極２５に入力されることで弾性表面波が励起される（ステップＳ０２）。弾性表面波が圧電基板２７を伝搬して反射電極２６で反射され、反射された弾性表面波がＩＤＴ電極２５に入力されることで弾性表面波素子２２から反射信号が出力される（ステップＳ０３）。このとき、検知対象の状態変化に応じて弾性表面波の伝搬特性が変化している。 As shown in FIG. 3, in the master 10, a drive signal is oscillated by the drive circuit 12, and the drive signal is sent from the master 10 to the wireless sensor 20 via the antenna 11 (step S01). The wireless sensor 20 receives a drive signal via the antenna 21 and inputs the drive signal to the IDT electrode 25 of the surface acoustic wave element 22 to excite the surface acoustic wave (step S02). The surface acoustic wave propagates through the piezoelectric substrate 27 and is reflected by the reflective electrode 26, and the reflected surface acoustic wave is input to the IDT electrode 25, whereby a reflected signal is output from the surface acoustic wave element 22 (step S03). . At this time, the propagation characteristics of the surface acoustic wave change according to the change in the state of the detection target.

弾性表面波素子２２から増幅回路２３に反射信号が入力され、アンテナ２１を介してワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に増幅後の反射信号が送り返される（ステップＳ０４）。反射信号が増幅されているため、ワイヤレスセンサ２０から比較的離れたマスタ１０に反射信号を受信させることができる。マスタ１０ではアンテナ１１を介して反射信号が受信されて、増幅回路１３に反射信号が入力されることで空中伝搬によって減衰した反射信号が増幅される（ステップＳ０５）。そして、増幅後の反射信号が算出回路１４に入力されて、算出回路１４にて反射信号から温度や湿度等の検知対象の状態が算出される（ステップＳ０６）。 A reflected signal is input from the surface acoustic wave element 22 to the amplifier circuit 23, and the amplified reflected signal is sent back from the wireless sensor 20 to the master 10 via the antenna 21 (step S04). Since the reflected signal is amplified, the reflected signal can be received by the master 10 that is relatively far from the wireless sensor 20. The master 10 receives the reflected signal via the antenna 11 and inputs the reflected signal to the amplifier circuit 13 to amplify the reflected signal attenuated by air propagation (step S05). Then, the amplified reflection signal is input to the calculation circuit 14, and the calculation circuit 14 calculates the detection target state such as temperature and humidity from the reflection signal (step S06).

このとき、検知対象の状態変化が反射信号の伝搬特性の変化として現れるため、反射信号の伝搬特性から検知対象の状態が求められる。具体的には、駆動信号の送信後から反射信号を受信するまでの応答時間が測定され、基準の応答時間に対する実際の反射信号の応答時間の時間差から検知対象の状態が算出されている。なお、ワイヤレスセンサ２０の検知対象としては、例えば、データセンタのコンピュータ、プラントの配管、乗り物の回転部分が考えられるが、特に限定されない。また、検知対象の状態は、上記した温度や湿度に限定されず、弾性表面波素子２２において弾性表面波の伝搬特性を変化させる環境条件であればよい。 At this time, since the state change of the detection target appears as a change in the propagation characteristic of the reflected signal, the state of the detection target is obtained from the propagation characteristic of the reflection signal. Specifically, the response time from the transmission of the drive signal to the reception of the reflected signal is measured, and the state of the detection target is calculated from the time difference of the actual reflected signal response time with respect to the reference response time. Examples of detection targets of the wireless sensor 20 include, but are not particularly limited to, data center computers, plant piping, and rotating parts of vehicles. The state of the detection target is not limited to the temperature and humidity described above, and may be any environmental condition that changes the propagation characteristics of the surface acoustic wave in the surface acoustic wave element 22.

以上のように、本実施の形態のワイヤレスセンサ２０では、マスタ１０からの駆動信号で弾性表面波素子２２に弾性表面波が励起されると、検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号が増幅回路１３に出力される。増幅後の反射信号がワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に向けて送り返されるため、通信距離を伸ばしてワイヤレスセンサ２０から比較的離れたマスタ１０に検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサ２０では算出処理等をすることなく、マスタ１０からの駆動信号を弾性表面波に変換した後に反射信号にして送り返しているため、ワイヤレスセンサ２０で余計な処理がなく消費電力を低減することができる。 As described above, in the wireless sensor 20 of the present embodiment, when a surface acoustic wave is excited in the surface acoustic wave element 22 by the drive signal from the master 10, a reflected signal having a propagation characteristic corresponding to the state of the detection target is generated. It is output to the amplifier circuit 13. Since the amplified reflected signal is sent back from the wireless sensor 20 toward the master 10, the communication distance can be extended to notify the master 10 that is relatively far from the wireless sensor 20 of the detection target state. In addition, since the wireless sensor 20 converts the drive signal from the master 10 into a surface acoustic wave and sends it back as a reflected signal without performing calculation processing or the like, the wireless sensor 20 eliminates unnecessary processing and reduces power consumption. can do.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change and implement variously. In the above-described embodiment, the size, shape, and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited to this, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.

例えば、本実施の形態では、ワイヤレスセンサ２０の増幅回路２３が弾性表面波素子２２から入力された反射信号を増幅する構成にしたが、この構成に限定されない。ワイヤレスセンサ２０の増幅回路２３は、弾性表面波素子２２から入力された反射信号を増幅してアンテナ２１に出力すると共に、アンテナ２１から入力された駆動信号を増幅して弾性表面波素子２２に出力してもよい。これにより、ワイヤレスセンサ２０から反射信号を高い信号レベルでマスタ１０に向けて送信することができるため、ワイヤレスセンサ２０とマスタ１０との通信距離を更に伸ばすことができる。 For example, in the present embodiment, the amplifier circuit 23 of the wireless sensor 20 is configured to amplify the reflected signal input from the surface acoustic wave element 22, but is not limited to this configuration. The amplifier circuit 23 of the wireless sensor 20 amplifies the reflected signal input from the surface acoustic wave element 22 and outputs the amplified signal to the antenna 21, and amplifies the drive signal input from the antenna 21 and outputs it to the surface acoustic wave element 22. May be. Thereby, since the reflected signal can be transmitted from the wireless sensor 20 toward the master 10 at a high signal level, the communication distance between the wireless sensor 20 and the master 10 can be further extended.

また、本実施の形態では、ワイヤレスセンサ２０の弾性表面波素子２２が、圧電基板２７上にＩＤＴ電極２５と反射電極２６とを配置して構成したが、この構成に限定されない。弾性表面波素子２２は、駆動信号で弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力可能な構成であればよい。例えば、弾性表面波素子は、入力側のＩＤＴ電極と出力側のＩＤＴ電極を圧電基板上に所定間隔を空けて配置するようにしてもよい。この場合、駆動信号によって入力側のＩＤＴ電極に弾性表面波が励起されて、この弾性表面波が出力側のＩＤＴ電極から反射信号として出力される。 In the present embodiment, the surface acoustic wave element 22 of the wireless sensor 20 is configured by disposing the IDT electrode 25 and the reflective electrode 26 on the piezoelectric substrate 27, but is not limited to this configuration. The surface acoustic wave element 22 only needs to be configured to excite a surface acoustic wave with a drive signal and output a reflected signal having propagation characteristics according to the state of the detection target. For example, in the surface acoustic wave element, the input-side IDT electrode and the output-side IDT electrode may be arranged on the piezoelectric substrate with a predetermined interval. In this case, a surface acoustic wave is excited on the input-side IDT electrode by the drive signal, and this surface acoustic wave is output as a reflected signal from the output-side IDT electrode.

また、本実施の形態では、マスタ１０及びワイヤレスセンサ２０のアンテナ１１、２１が送信及び受信で共通に使用される構成にしたが、この構成に限定されない。マスタ１０及びワイヤレスセンサ２０には、それぞれ送信専用のアンテナ、受信専用のアンテナが設けられていてもよい。 In the present embodiment, the antennas 11 and 21 of the master 10 and the wireless sensor 20 are commonly used for transmission and reception. However, the present invention is not limited to this configuration. The master 10 and the wireless sensor 20 may be provided with a transmission-dedicated antenna and a reception-dedicated antenna, respectively.

また、本実施の形態では、マスタ１０が増幅回路１３を有する構成にしたが、この構成に限定されない。マスタ１０は、ワイヤレスセンサ２０から十分な信号レベルの反射信号が受信可能であれば、増幅回路１３を備えない構成にしてもよい。 In the present embodiment, the master 10 includes the amplifier circuit 13, but the present invention is not limited to this configuration. The master 10 may be configured not to include the amplifier circuit 13 as long as a reflected signal having a sufficient signal level can be received from the wireless sensor 20.

また、本実施の形態では、マスタ１０の算出回路１４が基準の応答時間に対する実際の反射信号の応答時間の時間差から検知対象の状態を算出する構成にしたが、この構成に限定されない。算出回路１４は、反射信号の伝搬特性に基づいて検知対象の状態を算出する構成であれば、どのような算出処理で検知対象の状態を算出してもよい。 In the present embodiment, the calculation circuit 14 of the master 10 calculates the state of the detection target from the time difference of the actual response time of the reflected signal with respect to the reference response time. However, the present invention is not limited to this configuration. The calculation circuit 14 may calculate the state of the detection target by any calculation process as long as the calculation circuit 14 is configured to calculate the state of the detection target based on the propagation characteristic of the reflected signal.

また、本実施の形態では、センサシステム１では、説明の便宜上、マスタ１０とワイヤレスセンサ２０とが１対１で通信する構成にしたが、この構成に限定されない。センサシステム１では、マスタ１０が複数のワイヤレスセンサ２０と通信してもよい。 In the present embodiment, the sensor system 1 has a configuration in which the master 10 and the wireless sensor 20 communicate on a one-to-one basis for convenience of explanation. However, the present invention is not limited to this configuration. In the sensor system 1, the master 10 may communicate with a plurality of wireless sensors 20.

下記に、上記の実施形態における特徴点を整理する。
上記実施形態に記載のワイヤレスセンサは、マスタから駆動信号を受け取ることで、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すワイヤレスセンサであって、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅回路とを備えることを特徴とする。 The feature points in the above embodiment are organized below.
The wireless sensor described in the above embodiment is a wireless sensor that receives a drive signal from the master, and returns a reflected signal according to the state of the detection target as a response to the drive signal to the master. An antenna that receives and transmits a reflected signal to the master, a surface acoustic wave element that excites a surface acoustic wave with a drive signal and outputs a reflected signal with propagation characteristics according to the state of the detection target, and amplifies the reflected signal And an amplifier circuit for outputting to the antenna.

上記実施形態に記載のセンサシステムは、マスタから駆動信号をワイヤレスセンサに送り出し、前記ワイヤレスセンサから駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すセンサシステムであって、前記ワイヤレスセンサが、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するセンサ側のアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記センサ側のアンテナに出力する増幅回路とを備え、前記マスタが、前記ワイヤレスセンサに駆動信号を送信すると共に前記ワイヤレスセンサから反射信号を受信するマスタ側のアンテナと、前記ワイヤレスセンサからの反射信号の伝搬特性に基づいて前記検知対象の状態を算出する算出回路とを備えたことを特徴とする。 The sensor system described in the above embodiment is a sensor system that sends a drive signal from a master to a wireless sensor, and sends back a reflected signal according to a state of a detection target as a response to the drive signal from the wireless sensor. A wireless sensor receives a drive signal from the master and transmits a reflected signal to the master, and a sensor-side antenna, and a reflected signal having a propagation characteristic according to the state of the detection target by exciting a surface acoustic wave with the drive signal And an amplifier circuit that amplifies the reflected signal and outputs it to the antenna on the sensor side, and the master transmits a drive signal to the wireless sensor and receives the reflected signal from the wireless sensor. Based on the antenna on the receiving master side and the propagation characteristics of the reflected signal from the wireless sensor Characterized in that a calculation circuit for calculating a state of the detection target.

これらの構成によれば、マスタからの駆動信号で弾性表面波素子に弾性表面波が励起されると、検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号が増幅回路に出力される。増幅後の反射信号がワイヤレスセンサからマスタに向けて送り返されるため、通信距離を伸ばしてワイヤレスセンサから比較的離れたマスタに検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサでは算出処理等をすることなく、マスタからの駆動信号を弾性表面波に変換した後に反射信号にして送り返しているため、ワイヤレスセンサで余計な処理がなく消費電力を低減することができる。 According to these configurations, when a surface acoustic wave is excited in the surface acoustic wave element by the drive signal from the master, a reflected signal having a propagation characteristic corresponding to the state of the detection target is output to the amplifier circuit. Since the amplified reflected signal is sent back from the wireless sensor to the master, it is possible to notify the master that is relatively far from the wireless sensor by extending the communication distance. In addition, the wireless sensor converts the drive signal from the master into a surface acoustic wave and sends it back as a reflected signal without performing calculation processing, etc., so there is no extra processing in the wireless sensor and power consumption can be reduced. it can.

また、上記実施形態に記載のワイヤレスセンサにおいて、前記弾性表面波素子は、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板と、前記圧電基板上で駆動信号によって弾性表面波を励起するＩＤＴ（Interdigital Transducers）電極と、前記圧電基板上で弾性表面波を前記ＩＤＴ電極に向けて反射させる反射電極とを有し、前記反射電極で反射した弾性表面波を前記ＩＤＴ電極から反射信号として出力する。この構成によれば、圧電基板上にＩＤＴ電極と反射電極を設けた簡易な構成により、弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた反射信号を出力することができる。 In the wireless sensor according to the embodiment, the surface acoustic wave element includes a piezoelectric substrate capable of propagating the surface acoustic wave, and an IDT (Interdigital Transducers) electrode that excites the surface acoustic wave by a drive signal on the piezoelectric substrate. And a reflective electrode that reflects the surface acoustic wave toward the IDT electrode on the piezoelectric substrate, and outputs the surface acoustic wave reflected by the reflective electrode from the IDT electrode as a reflected signal. According to this configuration, with a simple configuration in which the IDT electrode and the reflection electrode are provided on the piezoelectric substrate, it is possible to excite the surface acoustic wave and output a reflection signal corresponding to the state of the detection target.

また、上記実施形態に記載のワイヤレスセンサにおいて、前記増幅回路は、前記弾性表面波素子から入力された反射信号を増幅して前記アンテナに出力すると共に、前記アンテナから入力された駆動信号を増幅して前記弾性表面波素子に出力する。この構成によれば、ワイヤレスアンテナから反射信号を高い信号レベルでマスタに向けて送信することができるため、ワイヤレスセンサとマスタとの通信距離を更に伸ばすことができる。 In the wireless sensor according to the embodiment, the amplifier circuit amplifies the reflected signal input from the surface acoustic wave element and outputs the amplified signal to the antenna, and amplifies the drive signal input from the antenna. Output to the surface acoustic wave device. According to this configuration, since the reflected signal can be transmitted from the wireless antenna to the master at a high signal level, the communication distance between the wireless sensor and the master can be further extended.

以上説明したように、本発明は、通信距離を伸ばすと共に消費電力を低減することができるという効果を有し、特に、検知対象の温度や湿度等を無線で検知できるワイヤレスセンサ及びセンサシステムに有用である。 As described above, the present invention has the effect of extending the communication distance and reducing the power consumption, and is particularly useful for a wireless sensor and a sensor system that can detect the temperature and humidity of the detection target wirelessly. It is.

１センサシステム
１０マスタ
１１マスタ側のアンテナ
１２駆動回路
１４算出回路
２０ワイヤレスセンサ
２１ワイヤレスセンサ側のアンテナ
２２弾性表面波素子
２３増幅回路
２５ＩＤＴ電極
２６反射電極
２７圧電基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor system 10 Master 11 Master side antenna 12 Drive circuit 14 Calculation circuit 20 Wireless sensor 21 Wireless sensor side antenna 22 Surface acoustic wave element 23 Amplifier circuit 25 IDT electrode 26 Reflective electrode 27 Piezoelectric substrate

Claims

A wireless sensor that receives a drive signal from a master and sends back a reflected signal according to a state of a detection target as a response to the drive signal to the master,
An antenna for receiving a drive signal from the master and transmitting a reflected signal to the master;
A surface acoustic wave element that excites a surface acoustic wave with a drive signal and outputs a reflected signal having propagation characteristics according to the state of the detection target;
An amplifying circuit for amplifying a reflected signal and outputting the amplified signal to the antenna.

The surface acoustic wave element includes a piezoelectric substrate capable of propagating a surface acoustic wave, an IDT (Interdigital Transducers) electrode for exciting the surface acoustic wave by a driving signal on the piezoelectric substrate, and the surface acoustic wave on the piezoelectric substrate. The wireless sensor according to claim 1, further comprising: a reflective electrode that reflects toward the IDT electrode, and outputs a surface acoustic wave reflected by the reflective electrode as a reflected signal from the IDT electrode.

The amplifier circuit amplifies the reflected signal input from the surface acoustic wave element and outputs the amplified signal to the antenna, and amplifies the drive signal input from the antenna and outputs the amplified signal to the surface acoustic wave element. The wireless sensor according to claim 1 or 2.

A sensor system that sends a drive signal from a master to a wireless sensor, and sends back a reflected signal according to the state of a detection target as a response to the drive signal from the wireless sensor,
The wireless sensor receives a drive signal from the master and transmits a reflected signal to the master, and a reflection of a propagation characteristic according to a state of the detection target by exciting a surface acoustic wave with the drive signal. A surface acoustic wave element that outputs a signal, and an amplification circuit that amplifies a reflected signal and outputs the amplified signal to the antenna on the sensor side,
The master calculates a state of the detection target based on a master side antenna that transmits a drive signal to the wireless sensor and receives a reflected signal from the wireless sensor, and propagation characteristics of the reflected signal from the wireless sensor. A sensor system comprising a calculation circuit.