JP2017181248A - センサおよび測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センシング感度を向上させることができるセンサを提供する。【解決手段】本発明のセンサは、アンテナに接続された第１櫛形電極と、第１櫛形電極から離れて配置された第２櫛形電極とを有する圧電基板と、振動に応じた電圧を発生する振動検出素子と、第２櫛形電極に接続されるとともに振動検出素子が発生した電圧が印加される可変容量素子とを備え、第１櫛形電極が、アンテナから入力された電気信号を表面弾性波に変換して送信し、第２櫛形電極が、当該第２櫛形電極間のインピーダンスに応じて反射率を変化させて第１櫛形電極が送信した表面弾性波を反射し、そして、第１櫛形電極が、第２櫛形電極が反射した表面弾性波を受信して、電気信号に変換してアンテナへ出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、センサおよび測定装置に関する。

特許文献１には、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave；表面弾性波）を利用した無電源ワイヤレス式のセンサについて開示されている。この特許文献１に開示されているセンサでは、圧電基板上に形成された表面弾性波反射ＩＤＴ（Interdigital Transducer；櫛形電極）に対して、インピーダンス変化型センサの一例としてサーミスタが接続されている。特許文献１に記載されたセンサは、サーミスタのインピーダンスの温度変化によって表面弾性波反射ＩＤＴの反射率を変化させることで、温度を検出する。

特開２０１２−２５５７０６号公報

上述した特許文献１では、上述したインピーダンス変化型センサとして、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るとされている。しかしながら、高周波の受動素子ではインピーダンスが大きく変化するものは限られている。そのため、センサの感度が低くなってしまうことがある。例えば、歪センサは抵抗変化が微量であり、これを使うためには電源付きのアンプが必要である。すなわち、電源付きのアンプなしでは感度が低くなる。また、圧電素子では、発生電圧は変化するものの、インピーダンス変化は小さい。このため、反射特性を大きく変化させることは難しく、センシング感度が低くなる。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、センシング感度を向上させることができるセンサおよび測定装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、アンテナに接続された第１櫛形電極と、前記第１櫛形電極から離れて配置された第２櫛形電極とを有する圧電基板と、振動に応じた電圧を発生する振動検出素子と、前記第２櫛形電極に接続されるとともに前記振動検出素子が発生した電圧が印加される可変容量素子とを備え、前記第１櫛形電極が、前記アンテナから入力された電気信号を表面弾性波に変換して送信し、前記第２櫛形電極が、当該第２櫛形電極間のインピーダンスに応じて反射率を変化させて前記第１櫛形電極が送信した表面弾性波を反射し、そして、前記第１櫛形電極が、前記第２櫛形電極が反射した表面弾性波を受信して、電気信号に変換して前記アンテナへ出力するセンサである。

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記振動検出素子が圧電素子である。

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記第２櫛形電極に接続される回路のインピーダンスを調整する調整用素子をさらに備える。

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記第２櫛形電極を構成する互いに対向する第１電極と第２電極とのうち、前記第１電極に前記可変容量素子（以下、第１可変容量素子）の一端が接続され、前記第２電極に前記第１可変容量素子とは異なる第２可変容量素子の一端が接続され、前記第１可変容量素子の他端と前記第２可変容量素子の他端とがともに負荷素子の一端に接続されている。

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記表面弾性波の動作特性が互いに異なる複数のセンサと、前記センサの前記アンテナに対して所定の電波を送信する送信部と、前記センサの前記アンテナから送信された電波を受信する受信部とを備えた計測装置である。

本発明によれば、振動検出素子と可変容量素子とを組み合わせることでインピーダンスの大きな変化を取り出すことができる。よって、センシング感度を向上させることができる。

本発明によるセンサの第１の実施形態の構成例を示す模式図である。 図１に示したセンサ１０の動作例を説明するための模式図である。 図１に示したセンサ１０の動作例を説明するための模式図である。 図１に示したセンサ１０の変形例を示す模式図である。 図１に示したセンサ１０の変形例を示す模式図である。 本発明によるセンサの第２の実施形態を説明するための模式図である。 本発明による計測装置の実施形態を説明するための模式図である。 図７に示した計測装置２００の動作例を説明するための模式図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明によるセンサの第１の実施形態の構成例を示す模式図である。図１に示したセンサ１０は、圧電基板１と、アンテナ２と、櫛形電極３と、櫛形電極４と、バリキャップダイオード５と、振動検出素子６と、インダクタ７とを備える。櫛形電極３と櫛形電極４とは、互いに離して配置されて圧電基板１上に形成されている。ここで、振動検出素子６は、振動に応じた電圧を発生する受動素子である。振動検出素子６としては、一例として圧電素子があげられる。櫛形電極３はアンテナ２に接続されている。櫛形電極４を構成する互いに対向する電極４ａと電極４ｂとのうち、電極４ａはバリキャップダイオード５のカソードとインダクタ７の一端とに接続されている。電極４ｂはグランドに接続されている。バリキャップダイオード５のアノードはグランドに接続されている。インダクタ７の他端は振動検出素子６の一端に接続されている。そして、振動検出素子６の他端はグランドに接続されている。

圧電基板１は、水晶、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等の圧電性材料によって形成されている。アンテナ２は、図示していない外部の送信装置が送信した電波を受信し、高周波の電気信号に変換して櫛形電極３へ出力する。櫛形電極３は、アンテナ２から入力した高周波信号によって励振され、圧電基板１の表面にＳＡＷ１１を発生する。櫛形電極４は到達したＳＡＷ１１を高周波信号に変換する。そして、櫛形電極４は、到達したＳＡＷ１１を、電極４ａおよび電極４ｂ間のインピーダンスに応じた反射率で、ＳＡＷ１２として反射する。櫛形電極３は、ＳＡＷ１２を高周波信号に変換し、アンテナ２に対して出力する。アンテナ２は、櫛形電極３から入力した高周波信号を電波に変換して送信する。

一方、振動検出素子６は、圧電効果を利用した受動素子であり、外力を電圧に変換する。振動が振動検出素子６に加えられると、振動検出素子６は振動に応じた電圧を発生する。振動検出素子６が発生した電圧は、インダクタ７を介してバリキャップダイオード５に印加される。また、インダクタ７は、櫛形電極４で発生した高周波信号が振動検出素子６に流れ込むのを阻止する。すなわち、インダクタ７を振動検出素子６と直列に設けることで、振動検出素子６が有する静電容量に高周波信号が入力されるのを防いでいる。また、バリキャップダイオード５は、可変容量素子であり、印加された逆方向電圧の大きさに応じて静電容量を変化させる。逆方向電圧が大きくなると容量は減少し、逆方向電圧が小さくなると容量は増加する。したがって、振動検出素子６で振動が観測された場合、次の流れで櫛形電極４が反射した反射波ＳＡＷ１２のレベルが変化する。すなわち、振動検出素子６で振動が観測されると、振動検出素子６が発生する電圧が変化する。振動検出素子６が発生する電圧が変化すると、バリキャップダイオード５の容量が変化する。バリキャップダイオード５の容量が変化すると、櫛形電極４のインピーダンスが変化する。そして、櫛形電極４のインピーダンスが変化すると、反射波ＳＡＷ１２のレベルが変化する。

例えば、図２に示したように、振動検出素子６に加えられた振動が波形（振動波形）２１のように正弦波状に変化した場合、櫛形電極４の反射率は、振動波形２１の半波分の変化に対応して実線２２のように変化する。図２は、振動検出素子６に加えられた力（この場合、加速度）の向きおよび大きさの時間変化を波形２１として、また、櫛形電極４の反射率の大きさの時間変化を実線２２として、模式的に表している。

次に、図３を参照して、図１に示したセンサ１０の動作例について説明する。図３は、アンテナ２の入出力信号の時間変化を示す模式図である。なお、センサ１０の櫛形電極３と櫛形電極４との間のＳＡＷ遅延は１μｓであるとする。また、図示していない外部の送信装置は、１μｓの時間幅を有する周波数４３０ＭＨｚのバースト波を５μｓ毎に送信することとする。この場合、アンテナ２は、５μｓ毎に時間幅１μｓの周波数４３０ＭＨｚのバースト信号３１を櫛形電極３へ出力する。一方、櫛形電極３からアンテナ２へは、バースト信号３１からＳＡＷ遅延の２倍の２μｓ遅延した反射信号３２が５μｓ毎に入力される。このように送信信号をバーストパルスとすることで入出力信号を時間軸で分離することができる。なお、上述したように、反射信号３２の大きさは、振動検出素子６へ加えられる振動に応じて変化する。振動検出素子６に加えられる振動の周期が５μｓより十分大きい場合、振動の時間変化を十分とらえることができる。

以上のように、本実施形態によれば、無電源ワイヤレス式の振動センサにおいて、振動検出素子６とバリキャップダイオード５（可変容量素子）とを組み合わせることで、振動に応じて大きなインピーダンスの変化を発生させることができる。すなわち、センシング感度を容易に高めることができる。

なお、本実施形態のセンサ１０は、アンテナ２に接続された櫛形電極３（第１櫛形電極）と、櫛形電極３から離れて配置された櫛形電極４（第２櫛形電極）とを有する圧電基板１と、振動に応じた電圧を発生する受動素子である振動検出素子６（振動検出素子）と、櫛形電極４に接続されるとともに振動検出素子６が発生した電圧が印加されるバリキャップダイオード５（可変容量素子）とを備えている。

また、振動検出素子や可変容量素子は、圧電素子やバリキャプダイオードに限定されない。振動検出素子は、振動に応じた電圧を発生する受動素子であればよく、例えば、コイルとすることができる。すなわち、振動検出素子をコイルとして、磁石やバネと組み合わせることで、振動を電圧変化として検出することができる。また、可変容量素子は、印加電圧に応じて容量が変化する素子であればよく、半導体素子に限らず、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）可変容量素子でもよい。また、振動検出素子や可変容量素子は、複数の素子を並列または直列に接続したものであってもよいし、例えば圧電素子とコイル等、異なる方式の素子を組み合わせたものであってもよい。

また、アンテナ２での入出力信号の分離は図３を参照して説明したバーストパルスを用いる方式に限定されない。例えば、外部の送受信装置の送信アンテナと受信アンテナとを分ければ、ＦＭＣＷ（frequency modulated continuous wave；周波数変調連続波）方式で定在波によって送信波と反射波とを分離することができる。

次に、図４および図５を参照して、図１に示した第１の実施形態の変形例について説明する。図４に示したセンサ１０ａおよび図５に示したセンサ１０ｂは、図１に示したセンサ１０に対して１または複数のインダクタ、コンデンサまたは抵抗を追加した構成を有している。なお、図４および図５において、図１に示したものと同一または対応する構成には同一の符号をつけて説明を省略する。

図４に示したセンサ１０ａは、図１に示したセンサ１０と比較して、コンデンサ４１と、抵抗４２と、インダクタ４３とを新たに備える。コンデンサ４１は、バリキャップダイオード５のカソードと櫛形電極４の電極４ａとの間に挿入されている。抵抗４２の一端はバリキャップダイオード５のカソードに接続され、他端はインダクタ４３の一端に接続されている。インダクタ４３の他端はグランドに接続されている。

コンデンサ４１は、振動検出素子６が発生する低周波の電圧が櫛形電極４に印加されないように設けられている。コンデンサ４１を設けることで、振動検出素子６が発生する電圧を、櫛形電極４の耐圧を超える電圧に設定することができる。

インダクタ４３は、櫛形電極４に接続される回路のインピーダンスを調整する調整用素子として機能する。例えば、櫛形電極４が出力する高周波信号の周波数において、インダクタ４３とバリキャップダイオード５とが並列共振回路を構成するように、インダクタ４３のインダクタンス値を設定する。この場合、櫛形電極４に接続される回路を共振点で動作させた場合、櫛形電極４の反射率を大きくすることができる。なお、抵抗４２は、振動検出素子６が発生する低周波の電圧がグランドに低インピーダンスで接続されることを防止する。

一方、図５に示したセンサ１０ｂは、図１に示したセンサ１０と比較して、抵抗５１と、インダクタ５２とを新たに備える。抵抗５１は、バリキャップダイオード５のカソードと櫛形電極４の電極４ａとの間に挿入されている。インダクタ５２は、一端が電極４ａに接続され、他端がグランドに接続されている。

抵抗５１は、振動検出素子６が発生する電圧が、直接（低インピーダンスで）、櫛形電極４に印加されないようにするとともに、インダクタ５２を介して低インピーダンスでグランドに印加されないようにするために設けられている。この抵抗５１を設けることで、例えば櫛形電極４の耐圧を超える電圧に、振動検出素子６が発生する電圧を設定することができる。

インダクタ５２は調整用素子であり、図４に示したインダクタ４３に対応する。インダクタ５２は、インダクタ４３と同様に、櫛形電極４に接続される回路のインピーダンスを調整する。例えば、櫛形電極４が出力する高周波信号の周波数において、インダクタ５２とバリキャップダイオード５とが並列共振回路を構成するように、インダクタ５２のインダクタンス値を設定する。上述したように、櫛形電極４に接続される回路を共振点で動作させた場合、櫛形電極４の反射率を大きくすることができる。なお、抵抗５１は、コンデンサに代えてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図６（Ａ）は本発明の第２の実施形態のセンサ１００の構成例を示した模式図である。図６（Ｂ）〜（Ｆ）は、図６（Ａ）に示したセンサ１００の動作を説明するための模式図である。なお、図６において、図１に示したものと同一または対応する構成には同一の符号を付けて説明を省略する。

図６（Ａ）に示したセンサ１００は、櫛形電極４に接続される回路が、バリキャップダイオード６１および６２と、インダクタ６３〜６５と、振動検出素子６６とから構成されている。櫛形電極４の一方の電極４ａには、バリキャップダイオード６１のカソードとインダクタ６４の一方の端子とが接続されている。他方の電極４ｂには、バリキャップダイオード６２のカソードとインダクタ６５の一方の端子とが接続されている。バリキャップダイオード６１のアノードおよびバリキャップダイオード６２のアノードはともにインダクタ６３の一方の端子に接続されている。インダクタ６３の他方の端子はグランドに接続されている。インダクタ６４の他方の端子は振動検出素子６６の一方の端子に接続されている。そして、インダクタ６５の他方の端子は振動検出素子６６の他方の端子に接続されている。

次に、図６（Ｂ）〜（Ｆ）を参照して、図６（Ａ）に示したセンサ１００の動作例について説明する。図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、センサ１００の簡易的な等価回路を示す。図６（Ｂ）は、振動検出素子６が発生した電圧の極性がインダクタ６４側が負である場合のセンサ１００の簡易的な等価回路である。この場合、バリキャップダイオード６１は短絡した状態であり、バリキャップダイオード６２が容量の変化するコンデンサとして動作する。また、破線のブロック６７内は櫛形電極４から高周波的には見えない。図６（Ｂ）に示した回路において、振動検出素子６６に加えられた力が図２の波形２１のように正弦波状に変化したとすると、バリキャップダイオード６２の容量変化に応じて、櫛形電極４の反射率の大きさは、図６（Ｅ）に実線で示したように振動波形２１の半波分の変化に対応して変化する。

一方、図６（Ｃ）は、振動検出素子６６が発生した電圧の極性がインダクタ６４側が正である場合のセンサ１００の簡易的な等価回路である。この場合、バリキャップダイオード６２は短絡した状態であり、バリキャップダイオード６１が容量の変化するコンデンサとして動作する。また、破線のブロック６７内は櫛形電極４から高周波的には見えない。図６（Ｃ）に示した回路において、振動検出素子６６に加えられた力が図２の波形２１のように正弦波状に変化したとすると、バリキャップダイオード６１の容量変化に応じて、櫛形電極４の反射率の大きさは、図６（Ｆ）に実線で示したように振動波形２１の半波分の変化に対応して変化する。

したがって、図６（Ａ）に示したセンサ１００において、振動検出素子６６に加えられた力が図２の波形２１のように正弦波状に変化した場合、バリキャップダイオード６１および６２の容量変化に応じて、櫛形電極４の反射率の大きさは、図６（Ｄ）に実線で示したように振動波形２１の半波分の変化に対応して変化する。

以上のように、本実施形態によれば、無電源ワイヤレス式の振動センサにおいて、振動検出素子６６とバリキャップダイオード６１とバリキャップダイオード６２とを組み合わせることで、振動検出素子６６が発生する電圧の極性にかかわらずインピーダンスの大きな変化を取り出すことができる。

なお、本実施形態のセンサ１００では、櫛形電極４（第２櫛形電極）を構成する互いに対向する電極４ａ（第１電極）と電極４ｂ（第２電極）とのうち、電極４ａにバリキャップダイオード６１（第１可変容量素子）の一端が接続されている。また、電極４ｂにバリキャップダイオード６２（第２可変容量素子）の一端が接続されている。そして、バリキャップダイオード６１の他端とバリキャップダイオード６２の他端とがともにインダクタ６３（負荷素子）の一端に接続されている。

＜第３の実施形態＞
次に、図７および図８を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は本発明の第３の実施形態の計測装置２００の構成例を示した模式図である。そして、図８は、図７に示した計測装置２００の動作例を説明するための模式図である。

図７に示した計測装置２００は、親機２３と、センサ１０−１、１０−２および１０−３とを備える。この場合、親機２３およびセンサ１０−１〜１０−３は、橋梁７１に設置されている。親機２３は、例えば路肩からメンテナンスできるように設置することができる。

センサ１０−１、１０−２および１０−３は、上述した第１の実施形態または第２の実施形態のセンサ１０、１０ａ、１０ｂまたは１００である。センサ１０−１、１０−２および１０−３は、ＳＡＷの動作特性が互いに異なる。ＳＡＷの動作特性とは、ＳＡＷの動作状態の性質である。ＳＡＷの動作特性としては、例えば、櫛形電極３と櫛形電極４との間のＳＡＷ遅延の大きさがあげられる。あるいは、ＳＡＷを最も強く励振する櫛形電極３に印加される交流電圧の周波数があげられる。この交流電圧の周波数は、櫛形電極３および櫛形電極４を構成するすだれ状の電極の周期で決定される。以下、センサ１０−１、１０−２および１０−３は、図１に示したセンサ１０であり、櫛形電極３と櫛形電極４との間のＳＡＷ遅延がそれぞれ１μｓ、２μｓおよび３μｓであるとして説明を行う。

親機２３は、図示していない送信部と受信部とを内部に備えるとともに、アンテナ２４とアンテナ２５とを備える。送信部は、アンテナ２４を用いて、センサ１０−１〜１０−３のアンテナ２に対して所定の電波を送信する。受信部は、アンテナ２４を用いて、センサ１０−１〜１０−３のアンテナ２から送信された電波を受信する。また、親機２３は、図示していない制御部と通信部とを内部に備える。制御部は、送信部と受信部とを制御し、センサ１０−１〜１０−３からの受信（反射）信号の大きさを集積し、例えば、大きさと振動周波数の対応テーブルから振動の周波数を取得する。また、制御部は、通信部を制御し、アンテナ２５を用いて所定の通信網に接続し、検出結果を表すデータを所定の通信先に対して送信する。

次に、図８を参照して、図７に示した計測装置２００の動作例について説明する。図８は、センサ１０−１〜１０−３の各アンテナ２の入出力信号の時間変化を示す模式図である。なお、親機２３は、１μｓの時間幅を有する周波数４３０ＭＨｚのバースト波を８μｓ毎に送信することとする。この場合、各アンテナ２は、８μｓ毎に時間幅１μｓの周波数４３０ＭＨｚのバースト信号８１を出力する。一方、各アンテナ２へは、バースト信号８１からＳＡＷ遅延の２倍の２μｓ、４μｓまたは６μｓ遅延した反射信号８２、８３または８４が８μｓ毎に入力される。このように送信信号をバーストパルスとし、さらにＳＡＷ遅延の大きさを異ならせることで信号８１〜８４を時間軸で分離することができる。

センサ１０−１〜１０−３は、バッテリレスおよびワイヤレスで、取り付け箇所の振動を感度良く検出することができる。したがって、バッテリレスであることから保守コストを低く抑えることができる。また、ワイヤレスであることから設置の自由度が高い。

なお、上記の説明では、センサ１０−１〜１０−３においてＳＡＷ遅延を異ならせることとしたが、ＳＡＷを最も強く励振する櫛形電極３に印加される交流電圧の周波数を異ならせる場合には、例えば、次のようにして各センサの検出値を別々に取り出すことができる。すなわち、親機２３からは、複数の異なる周波数の信号を同時にまたは時間差を持たせて送信する。この場合、センサ１０−１〜１０−３は、観測している振動に応じた信号をそれぞれのＳＡＷを最も強く励振する周波数で送信する。したがって、親機２３は、受信信号から各周波数の信号を別々に取り出すことで、センサ１０−１〜１０−３の各反射信号を取得することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、振動検出素子６を他の物理量を電圧に変換する検出素子に代えてもよい。例えば、図１に示した振動検出素子６を、熱電対や熱電堆に代えることで熱や光を検出するセンサに変更することができる。また、例えば、図１に示した振動検出素子６を、例えば風力や水力を動力源とする発電機に代えることで風力や水力を検出するセンサに変更することができる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１００、１０−１〜１０−３ センサ
２００ 計測装置
２３ 親機
１ 圧電基板
２、２４、２５ アンテナ
３、４ 櫛形電極
５、６１、６２ バリキャップダイオード
６、６６ 振動検出素子
７、４３、５２、６３〜６５ インダクタ
４１ コンデンサ
４２、５１ 抵抗

Claims (5)

1. アンテナに接続された第１櫛形電極と、前記第１櫛形電極から離れて配置された第２櫛形電極とを有する圧電基板と、
   振動に応じた電圧を発生する振動検出素子と、
   前記第２櫛形電極に接続されるとともに前記振動検出素子が発生した電圧が印加される可変容量素子と
   を備え、
   前記第１櫛形電極が、前記アンテナから入力された電気信号を表面弾性波に変換して送信し、
   前記第２櫛形電極が、当該第２櫛形電極間のインピーダンスに応じて反射率を変化させて前記第１櫛形電極が送信した表面弾性波を反射し、そして、
   前記第１櫛形電極が、前記第２櫛形電極が反射した表面弾性波を受信して、電気信号に変換して前記アンテナへ出力する
   センサ。
2. 前記振動検出素子が圧電素子である
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第２櫛形電極に接続される回路のインピーダンスを調整する調整用素子を
   さらに備える請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記第２櫛形電極を構成する互いに対向する第１電極と第２電極とのうち、
   前記第１電極に前記可変容量素子（以下、第１可変容量素子）の一端が接続され、
   前記第２電極に前記第１可変容量素子とは異なる第２可変容量素子の一端が接続され、
   前記第１可変容量素子の他端と前記第２可変容量素子の他端とがともに負荷素子の一端に接続されている
   請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサであって、前記表面弾性波の動作特性が互いに異なる複数のセンサと、
   前記センサの前記アンテナに対して所定の電波を送信する送信部と、
   前記センサの前記アンテナから送信された電波を受信する受信部と
   を備えた測定装置。

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