JP4059338B2 - ファイバーを用いた線状センサ及びそのシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本願発明者は、ファイバーを用いた織物構造を有する電子集積装置を新規に開発して、既に特願2001−359830、特願2002−112868として提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記した織物構造を有する電子集積装置の開発過程で、ファイバーを用いた線状センサが提案されるに至った。
【0004】
本発明による線状センサは、簡単な構成でありながら、工場内のガスセンサ、ビル内廊下の移動体センサ、高速道路速度センサや建物などにおける一次元侵入者追跡センサとそれらの検出システム等として広汎な利用が見込まれる。
【0005】
本発明は、簡便な構成で、種々の外部環境の変化とその位置を検出することができるファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【0007】
〔2〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、このファイバーの一方端部に配置され、音波を反射する反射手段と、前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【0008】
〔3〕上記〔1〕記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて音源位置を測定することを特徴とする。
【0009】
〔4〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【0010】
〔5〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、前記ファイバーの一方端面に配置され、音波を反射する反射手段と、前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【0011】
〔6〕上記〔4〕又は〔5〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成される光伝導体膜と、この光伝導体膜に接続されるように形成される1対の金属電極膜とを備え、外部からの光強度分布を検出することを特徴とする。
【0012】
〔7〕上記〔6〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、近赤外線を検出するPbSからなることを特徴とする。
【0013】
〔8〕上記〔6〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、可視光を検出するCdS又はCdSeであることを特徴とする。
【0014】
〔9〕上記〔6〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、γ線を検出するHgCdTeからなることを特徴とする。
【0015】
〔10〕上記〔4〕又は〔5〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成されるガス吸着により伝導率に変化を生じるガス感応伝導体膜と、このガス感応伝導体膜に接続されるように形成される1対の金属電極膜とを備え、外部からのガス濃度分布を検出することを特徴とする。
【0016】
〔11〕上記〔10〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、NO2 ガスを検出するバナジウムおよびインジウムを添加したSnO2 であることを特徴とする。
【0017】
〔12〕上記〔10〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、NOガスを検出するInを添加したTiO2 であることを特徴とする。
【0018】
〔13〕上記〔10〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、アンモニアガスを検出するAuを添加したWO3 であることを特徴とする。
【0019】
〔14〕上記〔10〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、オゾンを検出するFe2 O3 を添加したIn2 O3 であることを特徴とする。
【0020】
〔15〕上記〔10〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、硫化水素を検出するCuOを添加したSnO2 であることを特徴とする。
【0021】
〔16〕上記〔4〕から〔10〕の何れか1項記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて外部から与えられる現象を測定することを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【0023】
図1は本発明の第1実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図であり、図1(a)はそのファイバーを用いた線状センサの全体構成図、図1(b)は図1(a)のA−A′線拡大断面図、図1(c)は図1(a)のB−B′線拡大断面図、図2はその線状センサを用いたシステムの構成図である。
【0024】
この実施例では、半導体検出素子であるゲート絶縁膜として圧電体を使った電界効果トランジスタを有するファイバー式音源位置センサおよびそのシステムとして構成している。
【0025】
図1において、1はファイバー、10,20はそのファイバー1の両端部2,3に設けられる電界効果トランジスタ(圧電トランジスタ)であり、この電界効果トランジスタ10,20は、ファイバー1の端部2,3から、ゲート電極11,21、圧電体からなる電界効果トランジスタゲート絶縁膜(圧電体)12,22、ソース電極13,23、チャネル14,24、ドレイン電極15,25で構成され、ファイバー1の端面2A,3Aには吸音材16,26が設置されている。
【0026】
この音源位置センサの動作原理について説明する。
【0027】
図1に示すように、音源5から発した音6を、ファイバー1上を両方向に伝播させ、ファイバー1の両端部2,3に設置した電界効果トランジスタ10,20のゲート絶縁膜(圧電体)12,22を使って歪−電気信号に変換および増幅を行い、ドレイン電極15,25から出力される電気信号に変換する。この電気信号は、コンピュータ(PC:パソコン)30に取り込まれる。
【0028】
これにより、図2に示すように、二つの電界効果トランジスタ10,20のドレイン電極15,25からの出力信号をコンピュータ(PC:パソコン)30に取込み、信号増幅部31,32で増幅し、その増幅された出力信号の遅延時間をCPU(中央処理装置)33に接続される比較部34で比較して、音源5の位置を特定することができる。なお、ファイバー1の両端面2A,3Aに設置される吸音材16,26は音の反射を少なくする効果を有する。
【0029】
図3は本発明の第2実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図であり、図3(a)はそのファイバーを用いた線状センサの全体の構成図、図3(b)は図3(a)のC−C′線拡大断面図、図4はその線状センサを用いたシステムの構成図である。この実施例では、一次元光センサとそのシステムとして構成される。
【0030】
ファイバーとその両端部に配置される半導体検出素子は、上記第1実施例と同様の構造を有する。その上に、前記ファイバーの音波伝播部に、図3に示すように、一様なスリットを有する二つの金属電極膜41,42および二つの金属電極膜41,42を接続するようにスリット上に光伝導体膜43を形成した構造を有する。
【0031】
以下、この一次元光センサの動作について説明する。
【0032】
本実施例では、金属電極膜41,42間に短い電圧パルスを印加して光伝導体膜43に電流を流し、ジュール熱を発生させることによりファイバー1の各部分に熱歪みを発生させ、これを音源とする。その際、強い光が照射されている部位は、抵抗が小さく発熱が大きくなり、強い音源となる。第1実施例で示したのと同様に、この音波信号を両端部の圧電トランジスタ10,20で電気信号に変換し、図4に示すように、その電気信号をコンピュータ(PC:パソコン)50に取り込む。このコンピュータ50はパルス発生器51、信号増幅部52,53、波形記憶部54,55、時間反転レジスタ56、波形加算部57を有している。
【0033】
その検出メカニズムを詳細に説明すると、パルス発生器51により短時間の電圧パルスを光伝導体膜43に印加し、ファイバー1の各部分に光強度に比例した音源を生成する。電圧パルス印加直後にトリガ信号により波形記憶部54,55で波形記憶を開始し、一定時間(=センサ長/音速)継続する。
【0034】
その後、ファイバー両端部2,3の圧電トランジスタ10,20からの二つの信号の片方を時間反転レジスタ56で時間反転した後に、波形加算部57で波形加算し、平均化することにより、ファイバー1内を伝播する音波信号の減衰による強度分布の測定誤差を補正した光強度分布を得ることができる。
【0035】
このように構成したので、上記二つの信号の時間変化から一次元光強度分布を得ることができる。さらに、電圧パルスを一定の周期で印加することにより、光パターンの一次元運動を捉えることができる。
【0036】
なお、上記の光伝導体膜43は、近赤外線を検出する場合はPbS、可視光を検出する場合はCdS又はCdSe、γ線を検出する場合はHgCdTeを用いることができる。
【0037】
図5は本発明の第3実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図であり、図5(a)はそのファイバーを用いた線状センサの全体構成図、図5(b)は図5(a)のD−D′線拡大断面図、図6はその線状センサを用いたシステムの構成図である。この実施例では、一次元ガス濃度分布センサ及びそのシステムとして構成する。
【0038】
ファイバー1の音波伝播部に、図5に示すように一様なスリット上にガス吸着により伝導率変化を生じるガス感応伝導体膜63を有する二つの金属電極膜61,62を形成した構造を有する。金属電極膜61,62間に短い電圧パルスを印加し、ガス感応伝導体膜63に電流を流し、ジュール熱を発生させることにより、ファイバー1の各部分にガス濃度分布に対応した熱歪みを発生させて音源とする。その際、高濃度のガスに曝されている部位は抵抗が小さく発熱が大きくなり、強い音源となる。
【0039】
この音波信号をファイバー両端部2,3の圧電トランジスタ10,20で電気信号とし、これを、図6に示すように、第2実施例と同様に構成し、コンピュータ50に取込み、第2実施例と同様にして、二つの信号の時間変化から一次元ガス濃度分布を得る。さらに、電圧パルスを一定の周期で印加することにより、ガスの分布パターンの時間変化を捉えることができる。
【0040】
その検出メカニズムを詳細に説明すると、パルス発生器51により短時間の電圧パルスをガス感応伝導体膜63に印加し、その直後にトリガ信号により波形記憶部54で波形記憶を開始し、一定時間(=センサ長/音速)継続する。その後、ファイバー両端部2,3の圧電トランジスタ10,20からの二つの信号の片方を時間反転レジスタ56で時間反転した後に、波形加算部57で波形加算し、平均化することにより、ファイバー1内を伝播する音波信号の減衰による強度分布の測定誤差を軽減している。
【0041】
なお、ガス感応伝導体膜63は、NO2 ガスを検出する場合は、V(バナジウム)及びIn(インジウム)を添加したSnO2 、NOガスを検出する場合はInを添加したTiO2 、アンモニアガスを検出する場合はAuを添加したWO3 、オゾンを検出する場合はFe2 O3 を添加したIn2 O3 、硫化水素を検出する場合はCuOを添加したSnO2 を用いることができる。
【0042】
このような、ファイバーを用いた線状センサを使った一次元光強度分布およびガス濃度分布測定システムにおいて、線状センサの両端部に歪みセンサを設置した場合、その線状センサの長さが長くなるに従って検出回路の配線も長距離になるため、ノイズの影響を受けやすくなる等の問題が生ずる。これを解決するために、センサの一方の端面を反射端とし、他方の端部にのみ歪みセンサを設置したシステムを以下に示す。
【0043】
図7は本発明の第4実施例を示すファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムの構成図である。
【0044】
この図において、ファイバー1の一方端面3Aには音波反射材80を配置している。そこで、コンピュータ70のパルス発生器71により短時間の電圧パルスを光伝導体膜43またはガス感応伝導体膜63に印加し、同時に第1のトリガ信号により波形記憶部73で波形記憶を開始し、一定時間T(=センサ長/音速)後に発する第2のトリガ信号により記憶波形を直接波形レジスタ74に転送するとともに、以後の波形記憶を開始する。
【0045】
さらにT時間経過後、波形記憶部73より記憶波形(反射波形)を時間反転レジスタ75に転送し、時間反転した後に直接波形レジスタ74の内容と足し合わせ、平均化することにより、ファイバー1内を伝播する音波信号の減衰による強度分布の測定誤差を軽減している。なお、圧電トランジスタ10を設置した他方端面2Aは吸音端面とし、反射波を制限する吸音材16が配置されている。なお、この図において、72は信号増幅部、76は波形加算部である。
【0046】
このように構成したので、線状センサの長さにかかわらず検出回路の配線は短くなり、ノイズの影響を受けにくくなるとともに、半導体検出素子の構成を簡素化し、コンパクトにすることができる。
【0047】
なお、上記のようなファイバーの一方端面に音波の反射部材を配置する構成は、図1及び図2の第1実施例のファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムにも用いることができることは言うまでもない。
【0048】
また、上記したファイバーを用いた線状センサの歪−電気信号変換部は、この実施例の圧電トランジスタに限るものでなく、圧電素子、電歪素子、マイクロフォンなど他の歪−電気信号変換素子を利用することができる。
【0049】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0050】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0051】
(A)簡便な構成で、種々の外部環境の変化とその位置を検出することができる。
【0052】
(B)線状に配置されたセンサにより外部からの音波の到来とその位置を検出することができる。
【0053】
(C)線状に配置されたセンサにより外部からの光の到来とその位置を検出することができる。
【0054】
(D)線状に配置されたセンサにより一次元ガス濃度分布とその位置の検出を行うことができる。
【0055】
(E)一方端面には反射部材を配置した線状に配置されたセンサにより、検出回路の配線が短くなり、ノイズの影響を受けにくくなるとともに、半導体検出素子の構成を簡素化し、コンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図である。
【図2】 本発明の第1実施例を示すファイバーを用いた線状センサを用いたシステムの構成図である。
【図3】 本発明の第2実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図である。
【図4】 本発明の第2実施例を示すファイバーを用いた線状センサを用いたシステムの構成図である。
【図5】 本発明の第3実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図である。
【図6】 本発明の第3実施例を示すファイバーを用いた線状センサを用いたシステムの構成図である。
【図7】 本発明の第4実施例を示すファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムの構成図である。
【符号の説明】
1 ファイバー
2,3 ファイバーの端部
2A,3A ファイバーの端面
5 音源
6 音
10,20 電界効果トランジスタ(圧電トランジスタ)
11,21 ゲート電極
12,22 電界効果トランジスタゲート絶縁膜(圧電体)
13,23 ソース電極
14,24 チャネル
15,25 ドレイン電極
16,26 吸音材
30,50,70 コンピュータ(PC:パソコン)
31,32,52,53,72 信号増幅部
33 CPU(中央処理装置)
34 比較部
41,42,61,62 二つの金属電極膜
43 スリット上に形成される光伝導体膜
51,71 パルス発生器
54,55,73 波形記憶部
56,75 時間反転レジスタ
57,76 波形加算部
63 スリット上に形成されるガス感応伝導体膜
74 直接波形レジスタ
80 音波反射材
Claims (16)
- (a)音源からの音波を伝播するファイバーと、
(b)前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。 - (a)音源からの音波を伝播するファイバーと、
(b)該ファイバーの一方端部に配置され、音波を反射する反射手段と、
(c)前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。 - 請求項1記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて音源位置を測定することを特徴とするファイバーを用いた線状センサシステム。
- (a)音源からの音波を伝播するファイバーと、
(b)前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、
(c)前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。 - (a)音源からの音波を伝播するファイバーと、
(b)前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、
(c)前記ファイバーの一方端面に配置され、音波を反射する反射手段と、
(d)前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部の外周面上にゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とが積層される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。 - 請求項4又は5記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成される光伝導体膜と、該光伝導体膜に接続されるように形成される1対の金属電極膜とを備え、外部からの光強度分布を検出することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項6記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、近赤外線を検出するPbSからなることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項6記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、可視光を検出するCdS又はCdSeであることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項6記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、γ線を検出するHgCdTeからなることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項4又は5記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成されるガス吸着により伝導率に変化を生じるガス感応伝導体膜と、該ガス感応伝導体膜に接続されるように形成される1対の金属電極膜とを備え、外部からのガス濃度分布を検出することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項10記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、NO2 ガスを検出するバナジウムおよびインジウムを添加したSnO2 であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項10記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、NOガスを検出するInを添加したTiO2 であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項10記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、アンモニアガスを検出するAuを添加したWO3 であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項10記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、オゾンを検出するFe2 O3 を添加したIn2 O3 であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項10記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、硫化水素を検出するCuOを添加したSnO2 であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
- 請求項4から10の何れか1項記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて外部から与えられる現象を測定することを特徴とするファイバーを用いた線状センサシステム。
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