JP3883211B2 - 共振構造のインピーダンスを測定する装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、電気共振構造のインピーダンスに影響を及ぼす物理量の値を測定する装置および方法に関する。このような構造の１例は、発振器回路中で使用される表面弾性波（ＳＡＷ）共振器である。さらに詳細には、本発明は、このような共振器が駆動し、かつ感知する電子回路から離れて取り付けられる利用に向けられている。
背景技術
本発明の技術に最も密接に関係する従来技術は、無線伝送アンテナのインピーダンスを送信機のインピーダンスと整合させる技術である（Frederick Termanによる「Eletcronic and Radio Engineering」、Library of Congress card number 55-6174、およびWilliam Orrによる「Radio Handbook」、Library of Congress card number 40-33904に記載）。こうした従来技術の文献では、回路の各エレメント（送信機、伝送線路、およびアンテナ）のインピーダンスを整合させ、必要な動作周波数の回路の無線周波数（ＲＦ）エネルギー放射を最大限にする必要に言及している。このインピーダンス整合は、送信機の固定された搬送周波数で動作するように、最初のシステムのセットアップ中に実行される。回路が動作中にそのインピーダンスを大幅に変えることはないので、インピーダンスが最初に整合した後は、それ以上の調整は行わない。システムのインピーダンスの測定は、通常は、不整合回路から戻された反射電流を測定する方向性結合器によって実行される。この回路から、線路に沿った最大電圧と最小電圧の比（「電圧定在波比」または「ＶＳＷＲ:voltage standing wave ratio」と呼ばれる）を算出することができる。ＶＳＷＲが１であると完全に整合したシステムであることを示す。システムのインピーダンスの調節は、通常は、アンテナまたは伝送線路の長さを変える、あるいはインダクタやコンデンサなどの個々の構成部品を回路に追加することによって実行される。記載の技術は、遠隔のＲＦ受信機に情報を伝達するためのＲＦ電力の無線伝送技術の当業者にはよく理解されている。本発明は、エネルギー放射用に設計されていない遠隔に取り付けられた電気共振構造のインピーダンスを測定する問題に対処する。このような構造は、通常は、発信の周波数を制御するために発振器回路で使用される。この構造と電子装置との間の接続ワイヤのインピーダンスが回路を機能停止させることになるので、これらは常に制御回路の近くに取り付けられる。これらの構造のインピーダンスは温度や湿度、ひずみなどの要因とともに変化する可能性があり、したがってこれらはセンサとして使用することができる。以前の出願では、制御電子装置を常に共振構造の近くに取り付け、制御電子装置への電力伝達および信号の測定のために別々の接続（接触または非接触）を設けている。この技法は、高温領域内や爆発性領域内（センサへの電力を制限しなければならない）で、または回転シャフト上に取り付けられるなど、困難な状況でセンサが取り付けられるときに問題を生じる。
本発明の目的は、この構造付近に制御用電子装置を取り付ける必要をなくし、非常に低い信号パワーでこの構造のインピーダンスを測定することができるようにすることである。
発明の概要
１態様によれば、本発明は、電気共振構造と、ＲＦ電気エネルギー・ソースと、前記ソースを前記共振構造に接続する両方向ＲＦ伝送線路と、前記伝送線路に付随する方向性結合器とを含み、前記ソースが前記構造に励起信号を与え、前記方向性結合器が前記共振構造から戻された反射信号の電圧または位相を検出する、電気共振構造のインピーダンスに影響を及ぼす物理量の値を測定する装置であって、共振構造がほぼ非エネルギー放射性であり、前記ソースの特定の周波数で、前記物理量の値の関数として連続的に変化するインピーダンスを有することを特徴とする装置である。
電気共振構造は、少なくとも部分的には圧電材料から構成されることが好ましい。適当な圧電材料としては、石英および方向付けられた酸化亜鉛がある。
ほぼ非エネルギー放射性の共振構造は、ほぼ非ＲＦ放射性構造であることが好ましい。電気共振構造は、少なくとも１つのインターディジタル・アレイ（ＩＤＡ）を用いて電気的に励起されることが好ましい。ＩＤＡを組み込んだ適切な共振構造は、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器や、シャロウ・バルク弾性波（ＳＢＡＷ）共振器などである。共振構造のインピーダンス変化は、ＩＤＡのピッチの変化または共振構造の質量荷重から生じることが好ましい。ＩＤＡのピッチの変化は、共振構造のひずみから生じることが好ましい。
好ましくは、共振構造はひずみを受ける表面上にしっかりと取り付けられ、したがってそのひずみは前記共振構造に与えられる。前記表面のひずみは、加えられた荷重、加えられた曲げモーメント、加えられた圧力、温度によって引き起こされる熱膨張などの物理量によって引き起こされる可能性がある。共振構造の質量荷重は、特定の流体があるときの共振構造の表面への流体の吸収、または湿度などの物理量によって引き起こされる可能性がある。
方向性結合器は、変成器結合器、マックスウエル・ブリッジ（ワイヤ・ライン）結合器、またはランゲ結合器であることが好ましい。
ＲＦ伝送線路は、同調または非同調の変成器結合器、レーザ結合器、光学結合器、容量性結合器、あるいはＲＦ結合器になる可能性がある非接触インライン結合器を組み込むことが好ましい。
別法として、ＲＦ伝送線路は、ソースと共振構造の間の連続的な電気導体となる。
好ましくは、電気共振構造は、インライン結合器が非接触方式で前記励起信号を回転部材に伝送し、前記反射信号を前記回転部材から伝送されるように、ひずみを受ける回転部材の表面上に取り付けられる。
好ましくは、ソースの出力インピーダンスは、前記の両方向ＲＦ伝送線路、共振構造、方向性結合器、およびインライン結合器のいずれか１つとほぼ共役に整合するものとする。
【図面の簡単な説明】
次に、例示を目的として添付の図面に関連して本発明について説明する。
第１図は、本発明の第１の実施形態を示す概略図である。
第２図は、方向性結合器の出力の振幅と変化するインピーダンスとの関係を示す図である。
第３図は、励起信号に関する方向性結合器の出力の位相と変化するインピーダンスとの関係を示す図である。
第４図は、曲げモーメントを受けるビームおよびこのビーム表面に取り付けられた共振構造を示す図である。
第５図は、本発明の第２の実施形態を示す概略図である。
発明を実行する方法
第１図は、本発明の装置の第１の実施形態を示す基本的な回路図である。ＲＦ電気エネルギー・ソース１は、方向性結合器３を組み込む両方向ＲＦ伝送線路５を介して、可変インピーダンスを有する非エネルギー放射性の電気共振構造２に電気的に接続される。方向性結合器３の出力は端子点４で測定される。
構造２は、石英や方向付けられた酸化亜鉛などの圧電材料から一部構成される、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器、シャロウ・バルク弾性波（ＳＢＡＷ）共振器、またはそれに類するものであることが好ましい。このような共振器は、共振器を電気的に励起することができるインターディジタル・アレイ（ＩＤＡ）を含む。
ソース１は、ほぼ回路の共振周波数の励起周波数信号を供給する。構造２のインピーダンスが、回路の共振周波数がソース１から供給される周波数と正確に整合するようになっている場合には、構造２に供給されるエネルギーは全て構造２で散逸することになり、ソース１には反射されない。構造２のインピーダンスがその動作中に変化するにつれて、ソースから供給される周波数は回路の共振周波数と一致しなくなり、エネルギーは構造２からソース１に反射されることになる。方向性結合器３は、この反射されたエネルギーの帰還を測定する。好ましくは、方向性結合器３は、変成器結合器、マックスウエル・ブリッジ（Maxwell Bridge、ワイヤ・ラインと呼ばれることもある）結合器、またはラング（Lange）結合器を含めた多くの既知のタイプのうちの１つにすることができる。方向性結合器３の出力は、励起周波数と周波数が同期しているが、構造２とソース１の間のインピーダンスの不整合の関数として変調された振幅および位相を有する。
第２図は、構造１のインピーダンスに対する、端子点４で測定された信号の振幅を示す図である。信号の振幅は、回路がインピーダンス整合であるときに最小となり、構造２のインピーダンスがこの整合状態から離れるにつれて増大する。構造２のインピーダンスがソース１のインピーダンスと大幅に異なるときには、構造２のインピーダンスの変化は方向性結合器３の出力に影響を及ぼさない。構造２のインピーダンスの変化とともに方向性結合器３からの出力が変化する範囲は、回路のＱと直接関係している。振幅信号は、構造２のインピーダンスがソース１より高いか、または低いかは示さず、不整合の絶対量のみを示す。
第３図は、励起信号に関する端子点４で測定された信号の位相を構造２のインピーダンスに対して示す図である。この位相情報は不整合の方向を示すが、曲線中の屈曲点のためその値を判断することは困難である。適用分野によって、振幅または位相あるいはその両方を使用して、構造２のひずみまたは質量荷重によって生じる、構造２のインピーダンスに関する情報を得ることができる。
第４図は、外部曲げモーメント１０を受けるビームのひずんだ表面７にしっかりと取り付けられたＳＡＷ共振器２の形態の共振構造を示す図である。表面７のひずみを引き起こすことができるその他の物理量としては、外部から加えられる引張り力、またはビーム８に加えられる圧縮荷重、ビーム８の熱膨張を引き起こす温度、あるいはビーム８が密封されたダイアフラム表面の一部分である場合のビーム８の片面に加わる圧力が含まれる。したがって、ビーム８の表面７のひずみは、ＳＡＷ共振器２に加えられ、ＳＡＷ共振器２の表面上に蒸着させたＩＤＡ９のピッチを変化させ、それによりＳＡＷ共振器２のインピーダンスを変化させる。別法として（図示せず）、特定の流体が存在するときのＳＡＷ共振器２の表面への流体の吸収、または湿度などその他の物理量によって、ＳＡＷ共振器２の質量荷重が引き起こされる可能性もある。
第５図は本発明の第２の実施形態を示す図であり、インライン結合器６が伝送線路５中に含まれ、構造２の可変インピーダンスを非接触測定することができるようになっている。インライン結合器６は、例えば、完全に整合した容量性結合器となることも、あるいは同調した変成器結合器、非同調の変成器結合器、レーザ結合器、光学結合器、またはＲＦ結合器を含むこともある。
上述の第１および第２の実施形態を利用することができる多くの適当な適用分野がある。例えば、第１の実施形態は、第４図に示す曲げモーメントの測定に利用することができる。
第２の実施形態は、インライン結合器６が回転部材との間で励起信号および反射信号を非接触方式で伝送することができるようにして、トルクが誘導するひずみを受ける回転部材（図示せず）の２ｓ表面に構造２が取り付けられる場合に利用することができる。本発明の装置および方法は、ソース１から非常に低い信号励起パワーが与えられることを必要とし、駆動および感知用の電子装置から離して取り付けられた共振構造を利用することができる。したがって、本発明は、ひずみや荷重、圧力、温度、湿度、気体の存在などの物理量が測定される高温かつ／または爆発性の環境など、非常に低い励起信号パワーが望ましいその他の適用分野および環境にも適している。
本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、本発明に様々な変更および修正を加えることができることは当業者には分かるであろう。

Claims (16)

1. 電気共振構造と、ＲＦ電気エネルギー・ソースと、前記ソースを前記共振構造に接続する両方向ＲＦ伝送線路と、前記伝送線路に付随する方向性結合器とを含み、前記ソースが前記構造に励起信号を与え、前記方向性結合器が前記共振構造から戻された反射信号の電圧または位相を検出する、電気共振構造のインピーダンスに影響を及ぼす物理量の値を測定する装置であって、共振構造がほぼ非エネルギー放射性であり、前記ソースの特定の周波数で、前記物理量の値の関数として連続的に変化するインピーダンスを有することを特徴とする装置。
2. 電気共振構造が少なくとも部分的には圧電材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 圧電材料が、石英または方向付けられた酸化亜鉛を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ほぼ非エネルギー放射性の共振構造が非ＲＦ放射性構造であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
5. 電気共振構造が、少なくとも１つのインターディジタル・アレイ（ＩＤＡ）を用いて電気的に励起されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
6. ＩＤＡを組み込んだ共振構造が、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器やシャロウ・バルク弾性波（ＳＢＡＷ）共振器などであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 共振構造のインピーダンスの変化が、ＩＤＡのピッチの変化または共振構造の質量荷重から生じることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. ＩＤＡのピッチの変化が共振構造のひずみから生じることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
9. 共振構造がひずみを受ける表面上に取り付けられ、ひずみが前記共振構造に与えられることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
10. 前記表面のひずみが、加えられた荷重、加えられた曲げモーメント、加えられた圧力、温度によって引き起こされる熱膨張などの物理量によって引き起こされることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 共振構造の質量荷重が、特定の流体があるときの共振構造の表面への流体の吸収、または湿度などの物理量によって引き起こされることを特徴とする請求項７、８、９、または１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 方向性結合器が、変成器結合器、マックスウエル・ブリッジ（ワイヤ・ライン）結合器、またはランゲ結合器であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
13. ＲＦ伝送線路が、同調または非同調の変成器結合器、レーザ結合器、光学結合器、容量性結合器、あるいはＲＦ結合器になる可能性がある非接触インライン結合器を組み込むことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
14. ＲＦ伝送線路が、ソースと共振構造の間の連続的な電気導体であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
15. インライン結合器が非接触方式で前記励起信号を回転部材に伝送し、前記反射信号を前記回転部材から伝送されるように、電気共振構造がひずみを受ける回転部材の表面上に取り付けられることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
16. ソースの出力インピーダンスが、前記の両方向ＲＦ伝送線路、共振構造、方向性結合器、およびインライン結合器のいずれか１つとほぼ共役に整合することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。

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