JP4252768B2

JP4252768B2 - 非接触物理量測定方法および物理量測定装置および半導体素子。

Info

Publication number: JP4252768B2
Application number: JP2002156325A
Authority: JP
Inventors: 史朗加納; 重雄宮川
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP2003344182A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体上に電子回路や感温素子を形成する半導体素子と、データ収集器からなる非接触温度測定装置と、その温度測定方法に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
従来より回転体の表面および内部の温度の測定を必要とする分野が数多くある。例えば、自動車のタイヤでは走行時のバーストを防ぐために、タイヤの空気圧と共にタイヤ本体やタイヤチューブ内の温度を測定して異常を検知し、運転者に警報を出して未然に大事故を防ぐことが重要となっている。タイヤのような回転体ではセンサの信号を有線で取り出すことが困難であることから、タイヤに装着したセンサの信号を無線により車体本体に伝送する非接触温度測定装置などがある。
【０００３】
例えば特開２００１−３０７２３で示されるように、電池を搭載し、圧力センサを用いてタイヤの空気圧を測定してＲＦ回路とアンテナにて無線送信されるものなどがある。一方、電池を搭載しない装置としては、例えば特開平１０−２８９２９７で示されるような非接触データキャリアにセンサ素子を搭載したものなどがある。この例では質問器から電磁波に重畳させた質問信号を送信して、データキャリアでは電磁波から駆動電力を生成すると共に質問信号を判断して圧力や温度といったセンサ信号を質問器に返信するものなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の非接触温度測定装置の場合、温度センサや、センサ信号を処理する処理回路やマイクロコンピュータを駆動するための電源が必要となる。前述の特開２００１−３０７２３の例では電池を搭載しており、センサの測定結果により無線送信動作のタイミングを少なくなるよう設定して電池電源の消耗を抑えているが、電池交換などのメンテナンス作業が余儀なくされる。一方、特開平１０−２８９２９７の例のように非接触で駆動電源を供給する場合には、データキャリア側に効率の良いアンテナ（コイル）を装着する必要がある。例えば数十ＭＨｚの電磁波を用いた場合には少なくともクレジットカードサイズのコイルアンテナが必要となり、タイヤの構造や組立工程に比較的大掛かりな修正が必要になるような方法で取り付けなくてはならなくなる。さらにはセンサや回路を動作させるための十分な電力を供給できる交信距離は数ｃｍ程度であり非常に近距離でしか交信することができない。また、タイヤなどの回転体は非常に高温となるため、センサ信号を処理する電子回路やマイコンには動作できる温度を保つための特殊なパッケージが必要になる、などといった回転体の表面や内部の温度を非接触で測定するには多々の問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、測定対象物である有線での信号出力の困難なタイヤなどの回転体に装着でき、電池等の電源を必要としない構成を採ることによって、電池交換等のメンテナンス作業を軽減した非接触測定装置及び測定方法を提供するものである。また、そのような構成を採ることによってもセンサ部が小型化でき、且つ通信距離も十分確保できるような非接触測定装置及び方法、更にそれらに用いられる半導体素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明は、測定対象物に取り付けられ、共振周波数が周辺物理量に対応して変化する共振回路を有する半導体素子に対して、前記共振回路の周辺物理量(例えば温度)に対応した共振周波数の変化範囲に渡る周波数の電磁波を発信し、前記半導体素子の共振による電磁波の変化を受信することにより、その変化から前記半導体素子の周辺物理量を測定するようにした。また、そのための装置として、測定対象物に取り付けられ、共振周波数が周辺物理量に対応して変化する共振回路を有する半導体素子と、該半導体素子の前記共振回路の周辺物理量に対応した共振周波数の変化範囲に渡る周波数の電磁波を発信する発信装置と、前記半導体素子の共振による電磁波の変化を受信する受信装置と、前記変化から前記半導体チップの周辺物理量を演算する演算手段とを必要とする。また、半導体素子を複数用い、前記半導体素子に対して発信する周波数を段階的に変化させ、受信した変化の最も変化量の多い周波数を代表値として用いるようにすることで半導体素子の個体差の影響を受けない測定を可能とする。なお、測定対象物が回転体である場合、前記半導体素子が前記発信電磁波の範囲内を少なくとも１回は通過するように１つの周波数を連続して照射し、これを前記測定対象物の各周回毎に段階的に周波数を変化させるようにすることにより、確実に信号を受信する。
【０００７】
【発明の実施の形態１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一つに係る非接触温度測定装置について説明する。
図１は本発明の実施形態を示す外観図であり、自動車のタイヤ付近の構造を示している。感温素子を持つ半導体素子１がタイヤ３の内部に埋め込まれており、タイヤと共にタイヤ軸を中心として回転している。車体本体４には半導体素子１のデータを収集するデータ収集器２と、データ収集器２に接続される送信アンテナ２１、及び受信アンテナ２２が設置されている。なお、送信アンテナ２１と受信アンテナ２２の一部は車体本体４から突出して、向き合うように配置されている。
【０００８】
図２には本発明にかかる半導体素子１の外観図（ａ)および（ｂ）と回路図（Ｃ）が示されている。半導体素子１には、（ａ)のようにシリコン（Ｓｉ）の半導体チップ上にキャパシタ１２を形成した後、表面を酸化膜で覆い、その上にフォトリソグラフィ等によりアルミや銅の導体パターンを用いてコイル１１が形成されている。コンタクト１３はエッチングにより生成され、コイル１１とキャパシタ１２とを電気的に接続されている。また、半導体素子１が直径１ｍｍ程度の球状の半導体として実現される場合、（ｂ）のように球状のシリコンの表面に数ターンの導体によるコイル１１とキャパシタ１２が設けられる。半導体素子１を回路図で等価的に示したものが（ｃ）であり、コイル１１（インダクタンス）とキャパシタ１２が並列に接続され、共振回路１４を構成する。
【０００９】
このような感温素子を備えた半導体素子１が特徴とするところは、共振回路１４の温度特性を半導体プロセスの設定により可変にすることができ、かつ大量に作り出すことができることである。従来の非接触データキャリアでは、電子回路部分は１つのＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）で構成することができたが、交信距離を数ｃｍ確保するためには、外付けで銅線を数十ターン巻いたコイルとチップコンデンサとを接続して共振回路を構成する必要があった。しかしながら、銅線によるコイルやチップコンデンサは製造ばらつきが激しく、個々の共振回路で同じ共振周波数や特性を出すことが困難であり、交信距離にもばらつきが生じていた。ましてや、共振回路の温度特性もまちまちであった。ここで図３に半導体素子１の共振回路１４の温度特性の例を示す。共振回路１４の共振周波数ｆｃは式１で与えられる。

半導体製造工程において、キャパシタ１２のキャパシタンスＣとコイル１１のインダクタンスＬの値と特性は半導体プロセスの設定で自由に変更できる。例えば図３のように、共振回路１４の共振周波数の温度特性を温度が上昇するにつれて共振周波数をさげるような特性曲線にすることも可能である。製造された半導体素子１の特性曲線は１つ１つ検査して規格内のもののみを出荷しても良いし、ロット毎に抜き取り検査をおこなってもよい。出荷時には検査した特性曲線を明記し、後述するデータ収集装置２にその情報を入力することが考えられる。
【００１０】
これら温度特性は、半導体製造プロセスにおけるプロセス温度、時間、材料、などのパラメータにより可変となる。さらには、キャパシタ１２とコイル１１を製作するプロセスは、電子回路を生成するＣＭＯＳプロセスに比べると非常に簡易であり、歩留まりも非常に良いものとなる。またキャパシタ１２とコイル１１の受動素子のみで形成されるので、ＣＭＯＳなどのＩＣのように動作温度範囲が民生用で−２０℃から７０℃、軍事用でも−４０℃から１２５℃に制限されるのに比べて、それ以上の温度範囲でも全く問題なく使用することが可能となる。本発明では測定対象に装着する感温素子を半導体製造工程のみでつくることで、ディスクリートのチップコンデンサやコイルでは出すことの出来ない温度特性や使用温度範囲を自由に作り出すことが可能となる。
【００１１】
次に非接触温度測定装置の動作について図４を用いて示す。図１においてデータ収集装置２は所定の周波数を掃引させた信号を生成して送信アンテナ２１に伝送する。所定の周波数とは半導体素子１の共振回路１４が取りうる共振周波数の範囲をいう。例えば、共振回路１４の共振周波数が温度―６０℃から１５０℃において図３のような温度曲線を描く場合に、−６０℃で２０ＭＨｚ、１５０℃で５ＭＨｚとすると、所定の周波数は５ＭＨｚから２０ＭＨｚを示す。データ収集装置２の送信部２３には図４のように所定の周波数を掃引させた信号を生成する発振器が搭載されており、その出力が増幅されて送信アンテナ２１に入力される。送信アンテナ２１からは上記所定の周波数の電磁波がタイヤ３に向けて放射される。一方、受信アンテナ２２では送信アンテナ２１から放射された電磁波を受信し、データ収集装置２の受信部２４に入力される。受信部２４では送信部２３から出力した信号を用いて、例えば受信部２４に電流検出回路を設けて、受信アンテナ２４から受信した信号の微小な電流変化を検出する。または、位相検波器などを用いて半導体素子１の共振回路１４による電磁波の位相ひずみを検知しても良く、半導体素子１の共振回路１４による磁場や電磁波の状態の変化を検出できるものであれば、これに限らない。よって半導体素子１が送信アンテナ２１と受信アンテナ２２の間に存在しない、または半導体素子１の共振回路１４の共振周波数が受信している電磁波の周波数と異なっている場合には信号の変化が無いと判断し、受信部２４の出力は無い。
【００１２】
ここで、半導体素子１の共振回路１４の共振周波数の電磁波が半導体素子１の照射された場合、受信アンテナ２２から入力される信号に微妙な変化が生じる。これはアンテナ間の交信エリアに磁場の微妙な変化が生じるためであり、受信部２４ではインピーダンスの変化として捕らえ、その変化を電圧Ｖｏに変換して制御部２５に出力する。制御部２５では受信部２４からＶｏが出力されたときに送信部２３が送信していた発振器の発振周波数を保持し、図３の半導体素子１の共振回路１４の温度曲線から温度を割り出す。これによりタイヤ内にある半導体素子１が設置されている場所の温度を判断することが可能となる。本発明では、半導体素子１の共振回路１４の共振周波数の電磁波を半導体素子１に照射するだけで磁場の微妙な変化を受信部２４にてインピーダンスの変化を検知し、半導体素子１の共振回路１４の共振周波数から温度を判断することができるので、従来のセンサ搭載の無線機や非接触データキャリアのように内部回路を駆動させるための電力を供給する必要が無いので、電池を搭載する必要がないことはもちろんのこと、さらには非接触データキャリアのようにカードサイズのコイルアンテナを必要とせず、シリコンの半導体素子のみで温度を検出できるので、非常に小さい非接触温度測定装置を構成することが可能となる。また、検出距離は受信アンテナ２２と受信部２４の感度を調整することで可変にすることが可能であり、従来の非接触データキャリアのようにデータキャリア側の駆動電源を供給する必要性から生じる数ｃｍの近距離交信の制限が無くなり、非接触温度測定装置の配置を自由に設定することができる。
【００１３】
なお、自動車の走行時にはタイヤは高速に回転しているため、一回の周波数掃引時に半導体素子１が両アンテナ間の検出エリアに入ってこない可能性がある。そこでタイヤの回転数に合わせて周波数を段階的に遷移させることが考えられる。その例を図５に示す。制御部２５ではタイヤの回転数に合わせて周波数を段階的に変化させるように送信部２３に指令を出す。例えば、タイヤが一回転する間は同じ周波数を出力するように設定することにより、半導体素子１をもれなく検出することが可能となる。このとき、周波数の遷移は所定の周波数毎にして、受信アンテナ２２と受信部２４では遷移する周波数の帯域を受信できるようにする。例えば、１ＭＨｚずつ遷移させる場合、受信部２４のフィルタ帯域を、送信部から出力される周波数を中心に５００ｋＨｚに可変に設定することで、半導体素子１の共振回路１４の共振周波数と送信周波数が完全に一致しない場合に磁場の変化が小さくても、受信部２４はフィルタリングによりノイズを除去できるのでインピーダンスの変化を検知することが可能となる。このとき送信部２３と受信部２４は連動して周波数選定をおこなう。また、自動車が動き出した時点ではタイヤは低速に回転しているので、前述の方法により電磁波の周波数を掃引させて共振周波数を検知し、以降その共振周波数とタイヤの回転数から温度上昇を予測して共振周波数を割り出し、遷移させる周波数の範囲を限定することで、共振周波数の検出する時間を短縮することが可能となる。
【００１４】
更に、複数の半導体素子１をタイヤ内に装着することも有効である。半導体素子１は例えば図２の（ｂ）のような直径１ｍｍ程度の球状の半導体であれば、タイヤ内に数十個装着したとしてもタイヤの構造や組立工程に比較的大掛かりな修正は必要とならない。また、タイヤチューブ内に予め入れておき、その後にタイヤチューブ内に空気を挿入すれば装着が簡易となり、かつ非常に小さいのでチューブ内に悪影響を与える危惧はほとんど無い。タイヤチューブ内に数十個の半導体素子１を入れた場合、走行時には遠心力によりタイヤチューブの外側面に張り付くので、交信エリアまで自動的に移動し、データ収集装置２では数十個の半導体素子１の信号を一度に受信する。例えば図６のように、送信する電磁波の周波数を段階的に掃引した場合、遷移させた周波数毎に幾つかの半導体素子１による出力を取得する。これは半導体素子１にも半導体プロセスによる製造ばらつきが多少生じるためであるが、複数の半導体素子１による磁場の変化は相乗的に大きくなり、受信部２４にて最もインピーダンスの変化が大きかったときが多数の半導体素子１が反応したことになるので、その周波数から温度を判断することにより、より正確な温度計測が可能となる。
【００１５】
一方、複数の半導体素子１を一つのタイヤに散らばらせて設置することもできる。図７は自動車のタイヤの構造の例であり、タイヤの骨格となり荷重や衝撃・充てん空気圧に耐えてタイヤ構造を保持するゴムで被覆したコードを張り合わせた層カーカス３３とタイヤ内面にあり空気を保持するための特殊ゴムの層インナーライナー３２の間や、インナーライナー３２とタイヤチューブ３１の間などに、タイヤ製作工程時に半導体素子１を挟んでおくことなどが考えられる。半導体素子１を球状の半導体にする場合には、表面をエポキシ樹脂などでコーティングして、コイル１１の巻き方向とタイヤの接地面３４を直行する向きで配置すると、図１のような形態でデータ収集装置２を設置すれば、半導体素子１が最上位に到達したときに送信、受信アンテナとコイルの向きが並列の関係となり、最も効率よく検知できるようになる。そのためにも半導体素子１の出荷時にタイヤへの取り付け向きがわかるようなアセンブリをしておくことが望ましい。
【００１６】
なお、上述の実施の形態ではデータ収集装置２に送信アンテナ２１、受信アンテナ２２を設けたが、送信と受信を同じアンテナにておこなっても良い。この場合には受信部が送信する電磁波の影響を受けやすくなるので検出距離が短くなる可能性があるが、送信部からの信号の回り込みを十分除去して、半導体素子１のインピーダンス変化を抽出するようにすれば検出も可能であり、これによりアンテナの設置の位置などに自由度を持たせることができる。
【００１７】
また、上述の実施の形態では半導体素子１から収集されたタイヤの温度データを常に監視しても良いし、バーストの危険を検知したときのみに中央の制御装置（図示しない）に伝達するようにしても良い。例えば４輪の乗用車の場合、４つのタイヤから温度データが収集され、車体本体４にあり乗用車の駆動などを制御している中央の制御装置に該温度データが集められる。このとき各タイヤの温度データを常時集めて中央の制御装置内で監視しても良いが、各タイヤ付近に設置されているデータ収集装置２内でバーストの危険性を判断する機能を持たせることも考えられる。自動車のタイヤは一種の圧力容器であり，空気圧に対応した圧縮、伸張、せん断，曲げの静的歪みに加え，転動する事により接地部分を中心に動的な繰り返し歪みが発生する。この繰り返し歪みによりタイヤは発熱し、蓄熱して温度が上昇し，飽和温度に達し、タイヤ成分と注入空気の酸素が反応してバーストする危険性が高まる。そこで飽和温度の手前をスレッシュホールド値として設定し、半導体素子１の値がスレッシュホールド値に達したときのみデータ収集装置２から中央の制御装置に警報があがるようにしても良い。中央の制御装置は運転席のフロントパネルなどに警報を表示し、運転者に対して車の停止などを促すなどの処置を実行する。これにより、中央の制御装置において複雑な処理を省くことが可能となる。
【００１８】
なお、本発明にかかる非接触温度測定装置は自動車のタイヤなどの回転体だけではなく、静止物体や流体などの液体や気体などの温度を初めとする他の物理量を計測する場合にも同様に適応できることは言うまでもない。特に従来の非接触データキャリア技術を用いたデータ収集装置では困難であった長距離でのデータ交信が可能となることから、その応用分野は多面にある。
【００１９】
また使用する周波数も数十ＭＨｚの短波帯に寄らず、長波やマイクロ波でもよい。ただし、半導体による形状の非常に小さい共振回路であるため、高い周波数のほうが共振周波数を作りやすいので、数ＭＨｚから数百ＭＨｚが適当である。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明により、測定対象の物理量に応じて、電磁波に対する反応特性が変化する回路をセンサとしての半導体素子として独立させ、半導体素子に対して電磁波を発信し、これを通過して得られる電磁波を受信し、その特性に基づき測定対象の物理量を測定するようにしたので、半導体素子自身に電池と大きな通信アンテナが不要になり、半導体素子の小型化、交信距離の制約の排除、メンテナンス作業の排除という効果が得られる。
【００２１】
また、実際のタイヤの例においては、高速で回転する対象に、半導体技術で製造される非常に小さな素子を埋め込むだけであり、その素子には単純な共振回路のみを作成するだけなので、回転むらを起こしかねない重量のある電源もいらず、タイヤの長期にわたる利用期間中もメンテナンスなしに使用することができる。
また、半導体素子の簡素な点はコストの面でもメリットが大きく、例えば、自動車の車体に発信器、受信器、演算器を備えておけば、タイヤに予め半導体素子を埋め込んで販売することで、素子自体はタイヤと共に使い捨てにすることも可能となり、流通の面でも大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる物理量測定装置の概要を示す図である。
【図２】本発明にかかる半導体素子の構成図である。
【図３】本発明にかかる半導体素子の共振回路の温度特性を表す図である。
【図４】本発明にかかる物理量測定装置の動作を示す図である。
【図５】本発明にかかる物理量測定装置の他の動作例を示す図である。
【図６】本発明にかかる物理量測定装置の他の動作例を示す図である。
【図７】本発明にかかる物理量測定装置のタイヤへの取り付けを説明する図である。
【符号の説明】
１半導体素子
１１コイル
１２キャパシタ
１４共振回路
２データ収集器
２１送信用アンテナ
２２受信用アンテナ
２３送信部
２４受信部
２５制御部
３タイヤ

Claims

測定対象物に取り付けられ、共振周波数が周辺物理量に対応して変化する共振回路を有する半導体素子に対して、前記共振回路の周辺物理量に対応した共振周波数の変化範囲に渡る周波数の電磁波を発信し、前記半導体素子の共振による電磁波の変化を受信することにより、その変化から前記半導体素子の周辺物理量を測定する非接触物理量測定方法において、前記測定対象物が回転体であり、前記半導体素子が前記発信電磁波の範囲内を少なくとも１回は通過するように周波数を固定した電磁波を連続して照射し、前記発信電磁波の周波数を前記測定対象物の各周回毎に段階的に変化させるようにして測定するようにしたことを特徴とする非接触物理量測定方法。
測定対象物に取り付けられ、共振周波数が周辺物理量に対応して変化する共振回路を有する半導体素子と、該半導体素子の前記共振回路の周辺物理量に対応した共振周波数の変化範囲に渡る周波数の電磁波を発信する発信装置と、前記半導体素子の共振による電磁波の変化を受信する受信装置と、前記変化から前記半導体素子の周辺物理量を演算する演算手段とを有する非接触物理量測定装置であって、前記測定対象物が回転体であり、前記発信装置は前記半導体素子が前記発信電磁波の範囲内を少なくとも１回は通過するように周波数を固定した電磁波を連続して照射し、前記受信装置は前記発信電磁波の周波数を前記測定対象物の各周回毎に段階的に変化させるようにして測定するようにしたことを特徴する非接触物理量測定装置。
半導体素子を複数用い、これに対して発信する周波数を段階的に変化させ、受信した変化の最も変化量の多い周波数を代表値として用いるようにしたことを特徴とする請求項１項記載の非接触物理量測定方法。