JP4687446B2

JP4687446B2 - データ伝送装置

Info

Publication number: JP4687446B2
Application number: JP2005371074A
Authority: JP
Inventors: 由明本多; 耕作北田; 博昭竹山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007174420A

Description

本発明は、超音波を媒体とするワイヤレス信号を伝送するデータ伝送装置に関するものである。

従来から、超音波を媒体とするワイヤレス信号を伝送するデータ伝送装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１に開示されたデータ伝送装置（超音波信号発生装置）は、図５に示すように、連続したパルス信号である搬送波信号を発生する搬送波発振器１０１と、情報信号である間欠パルスの送波信号を発生する送波信号発生器１０２と、送波信号発生器１０２から出力された送波信号を搬送波信号により変調してバースト波の変調信号として出力するパルス変調器１０３と、送波信号発生器１０２から出力された送波信号の立ち上がりに同期して変調信号の先頭パルスから所定数のパルスに対して所定の波高値のパルスを加算して出力する過電圧印加器１０４と、送波信号発生器１０２から出力された送波信号の立ち下りに同期して、過電圧印加器１０４からの信号に所定の波高値であって変調信号と逆位相の信号を付加して出力する逆励振印加器１０５と、逆励振印加器１０５からの信号を所定ゲインで増幅し駆動信号として出力する駆動回路１０６と、駆動回路１０６からの駆動信号により駆動され超音波信号からなるデータ信号（ワイヤレス信号）を送出する超音波振動子１０７とを備えている。

上記特許文献１に開示されたデータ伝送装置では、超音波発生素子として機械的振動により超音波を発生させる圧電素子からなる超音波発生素子１０７を用いているので、上述の過電圧印加器１０４および逆励振印加器１０５を設けていない場合には、図６（ａ）に示すように超音波信号からなるデータ信号の立ち上がりおよび立ち下がりにダレが生じる。これに対して、上述の過電圧印加器１０４と逆励振印加器１０５とで構成される信号ダレ防止回路１１０を付加することにより、図６（ｂ）に示すように超音波信号の立ち上がりおよび立ち下がりにダレが生じるのを抑制することができ、データ信号の送信レートを高めることが可能になり、効率的にデータ転送を行うことが可能になる。
特開平１０−９８４５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたデータ伝送装置では、超音波発生素子として機械的振動を伴う圧電素子のような超音波振動子１０７を用いており、超音波信号の立ち上がりおよび立ち下りにダレが生じるのを抑制するために、過電圧印加器１０４と逆励振印加器１０５とを付加する必要があり、回路構成が複雑になっていた。

また、上記特許文献１に開示されたデータ伝送装置では、超音波発生素子として超音波振動子１０７を用いており、固有の共振周波数を持つので、周波数を変調した超音波信号を送信することができず、パルス幅をデータとする信号パターンを生成して超音波発生素子から超音波を送信するようにしていたので、反射波や外来ノイズ（音のノイズ）などの影響によりデータが正確に伝送されないことがあった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、簡単な回路構成で立ち上がりおよび立ち下りにダレの少ないワイヤレス信号を送波可能で周波数変調されたワイヤレス信号の送波も可能なデータ伝送装置を提供することにある。

請求項１の発明は、超音波を媒体とするワイヤレス信号を伝送するデータ伝送装置であって、超音波発生素子として、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側でベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものを用いてなり、出力周波数が可変である発振回路を有し発振回路の出力を増幅し、増幅した出力をパルストランスで昇圧した送信信号として出力する送信回路部を備え、超音波発生素子が、送信回路部からの送信信号が発熱体層へ与えられることで超音波を送信するようにし、発振回路の出力周波数を制御することにより超音波発生素子から周波数変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させる送信制御部を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、超音波発生素子として空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものを用いているので、従来のように機械的振動により超音波を発生する圧電素子を超音波発生素子として用いている場合に比べて、立ち上がりおよび立ち下りを防止するための特別な回路を別途に設けることなく、立ち下りにダレの少ないワイヤレス信号を送波することが可能となる。また、超音波発生素子から発生させる超音波の周波数を、超音波発生素子として圧電素子を用いている場合に比べて広範囲に亘って変化させることができるから、超音波発生素子から周波数変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させることが可能となり、例えば、ディジタル変調方式の一つであるＦＳＫ変調方式やアナログ変調方式の一つであるＦＭ変調方式などにより冗長度の大きなコマンドを含むワイヤレス信号を送信することで、反射波や外来ノイズに起因した伝送誤りを防止することが可能となる。

また、この発明によれば、発熱体層へ与える電気入力波形の周波数の略２倍の周波数の超音波を、電気入力波形の発生期間と略同じ期間に発生させることができる。

さらに、この発明によれば、超音波発生素子から発振回路の出力周波数の略２倍の周波数の超音波を発生させることができ、また、発振回路として出力周波数が可変のものを用い、送信制御部が発振回路の出力周波数を制御することにより超音波発生素子から周波数変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させるので、例えば、ディジタル変調方式やアナログ変調方式の一つであるＦＭ変調方式などにより冗長度の大きなコマンドを含むワイヤレス信号を送信することができ、反射波や外来ノイズに起因した伝送誤りを防止することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、送信制御部は、超音波発生素子からＦＳＫ変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させることを特徴とする。

この発明によれば、信頼性の高いデータ伝送が可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、超音波発生素子から送信されたワイヤレス信号を受信する受波素子として、超音波域の周波数特性が平坦なマイクロホンを用いてなることを特徴とする。この発明によれば、ワイヤレス信号を受信する受波素子で残響が発生するのを防ぐことができる。

請求項１の発明では、簡単な回路構成で立ち上がりおよび立ち下りにダレの少ないワイヤレス信号を送波可能になるとともに、周波数変調されたワイヤレス信号の送波も可能になるという効果がある。

本実施形態のデータ伝送装置は、データの伝送を指示するキースイッチからなる操作部の操作に応じて超音波を媒体とするワイヤレス信号を伝送するデータ伝送装置であって、図１（ａ）に示すように、出力周波数が可変である発振回路２１を有し発振回路２１の出力を増幅して送信信号として出力する送信回路部２と、送信回路部２からの送信信号により駆動されて超音波を送信する超音波発生素子３と、操作部１の操作に応じて発振回路２１の出力周波数を制御することにより超音波発生素子３から周波数変調（本実施形態では、ＦＳＫ変調）された超音波からなるワイヤレス信号を送信させる送信制御部４を備えている。なお、送信制御部４は、マイクロコンピュータなどにより構成されている。

ここにおいて、送信回路部２は、出力周波数が可変である発振回路２１と、発振回路２１の出力を増幅して送信信号として出力する増幅回路２２とを備えている。

また、超音波発生素子３は、図１（ｂ）に示すように、単結晶のシリコン基板からなるベース基板３１と、ベース基板３１の一表面側（図１（ｂ）の上面側）に設けられた金属薄膜（例えば、タングステン薄膜）からなる発熱体層３３と、ベース基板３１の上記一表面側でベース基板３１と発熱体層３３との間に介在する熱絶縁層３２と、ベース基板３１の上記一表面側で発熱体層３３の両端部それぞれと電気的に接続された一対のパッド３４，３４とを備えている。この超音波発生素子３では、一対のパッド３４，３４を介した発熱体層３３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化により媒質である空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる。すなわち、この超音波発生素子は、発熱体層３３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形に応じた発熱体層３３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることにより超音波を発生させることができるものである。なお、ベース基板３１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層３２、発熱体層３３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。また、ベース基板３１の上記一表面側において熱絶縁層３２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。

また、上述の超音波発生素子３は、ベース基板３１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層３２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、ベース基板３１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層３２となる多孔質シリコン層を形成することができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層３２の熱伝導度および熱容量をベース基板３１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層３２の熱伝導度と熱容量との積をベース基板３１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層３３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層３３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、かつ、ベース基板３１が熱絶縁層３２からの熱を効率良く受け取って熱絶縁層３２の熱を逃がすことができて発熱体層３３からの熱が熱絶縁層３２に蓄積されるのを防止することができる。

発熱体層３３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層３３の材料はタングステンに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の超音波発生素子３では、ベース基板３１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層３２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層３３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド３４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板３１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板３１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

ところで、図２に示すように可変発振器（ＯＣＳ）からなる発振回路２１の出力を増幅回路２２のトランジスタＴｒで増幅して、その増幅出力をパルストランスＰＴで昇圧して超音波発生素子３に与える回路構成を採用した場合、超音波発生素子３が従来のような圧電素子であれば、圧電素子の共振周波数では高い音圧の超音波が放射されるが、共振周波数からずれると音圧が低くなってしまい、また、機械的振動により超音波を発生させるのでワイヤレス信号の立ち上がりと立ち下りにダレが起こる。

これに対して、本実施形態における超音波発生素子３は、一対のパッド３４，３４を介した発熱体層３３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化に伴って音波を発生するものであり、従来のような信号ダレ防止回路１１０（図５参照）を付加することなく、図２のような簡単な回路構成で、立ち上がりと立ち下りにダレのないワイヤレス信号を送信することができる。また、本実施形態における超音波発生素子３では、発熱体層３３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形を例えば周波数がｆ１の正弦波波形（図３（ａ）参照）とした場合、理想的には、発熱体層３３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の超音波（図３（ｂ）参照）を発生させることができる。すなわち、上述の超音波発生素子３は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を圧電素子に比べて広範囲にわたって変化させることができる。

したがって、上述の送信制御部４が操作部１の操作に応じて発振回路２１の出力周波数を制御することで送信信号の周波数を変化させることにより超音波発生素子３から周波数変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させることができるのである。ここにおいて、送信制御部４は、例えば、２０ビットのビット列からなる信号であって、４ビットのヘッダ、４ビットのＩＤ（識別符号）、制御対象機器に制御内容を指示する４ビットのコマンド（制御コマンド）、誤り訂正符合などの４ビットのチェックビット、４ビッドの終了ビットとで構成される信号パターンを生成し、図４に示すように当該信号パターンのデータが０のときの超音波の周波数（以下、第１の規定周波数と称す）が例えば６０ｋＨｚ、データが１のときの超音波の周波数（以下、第２の規定周波数と称す）が例えば４０ｋＨｚとなるように送信制御部４が発振回路２１の出力周波数を制御する。ここで、上述の説明から分かるように、超音波発生素子３から６０ｋＨｚの超音波を発生させるには、発振回路２１の出力周波数を３０ｋＨｚとすればよく、超音波発生素子３から４０ｋＨｚの超音波を発生させるには発振回路２１の出力周波数を２０ｋＨｚとすればよい。

一方、ワイヤレス信号を受波するとともに受波したワイヤレス信号を電気信号である受信信号に変換する受波素子としては、共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく超音波の周波数域においてフラットな周波数特性を有する静電容量型のマイクロホンを用いているので、ワイヤレス信号を受信する受波素子で残響が発生するのを防ぐことができる。上述の受波素子を備えた相手側では、受波素子から出力された受信信号を復調して、ワイヤレス信号に含まれていたＩＤがＩＤ記憶部に予め設定してあるＩＤに一致すると、ワイヤレス信号に含まれていた制御コマンドに従って負荷を制御する。

以上説明した本実施形態のデータ伝送装置では、超音波発生素子３が、ベース基板３１と、ベース基板３１の上記一表面側に形成された発熱体層３３と、ベース基板３１の上記一表面側でベース基板３１と発熱体層３３との間に介在する熱絶縁層３２とを備え、発熱体層３３への通電に伴う発熱体層３３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものなので、超音波発生素子３から発振回路２１の出力周波数の略２倍の周波数の超音波を発生させることができ、また、発振回路２１として出力周波数が可変のものを用い、送信制御部４が操作部１の操作に応じて発振回路２１の出力周波数を制御することにより超音波発生素子３からＦＳＫ変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させるので、ディジタル変調方式の一つであるＦＳＫ変調方式により冗長度の大きなコマンドを含むワイヤレス信号を送信することができ、反射波や外来ノイズに起因した伝送誤りを防止することができる。

なお、本実施形態では、超音波発生素子３における発熱体層３３が薄板状の発熱体を構成しているが、空気に熱衝撃を与えることにより超音波を発生する超音波発生素子は、少なくとも薄板状の発熱体を備えていればよく、例えば、アルミニウム製の薄板を発熱体として当該発熱体への通電に伴う発熱体の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。また、超音波発生素子３から送信させる超音波の周波数変調方式はＦＳＫ変調方式に限らず、例えば、アナログの周波数変調方式の一つであるＦＭ変調方式でもよい。

実施形態を示し、（ａ）はデータ伝送装置のブロック図、（ｂ）はデータ伝送装置における超音波発生素子の概略断面図である。同上の要部説明図である。同上の動作説明図である。同上の動作説明図である。従来例を示すブロック図である。同上の動作説明図である。

符号の説明

１操作部
２送信回路部
３超音波発生素子
４送信制御部
２１発振回路
２２増幅回路
３１ベース基板
３２熱絶縁層
３３発熱体層
３４パッド

Claims

超音波を媒体とするワイヤレス信号を伝送するデータ伝送装置であって、超音波発生素子として、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された発熱体層と、ベース基板の前記一表面側でベース基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生するものを用いてなり、出力周波数が可変である発振回路を有し発振回路の出力を増幅し、増幅した出力をパルストランスで昇圧した送信信号として出力する送信回路部を備え、超音波発生素子が、送信回路部からの送信信号が発熱体層へ与えられることで超音波を送信するようにし、発振回路の出力周波数を制御することにより超音波発生素子から周波数変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させる送信制御部を備えてなることを特徴とするデータ伝送装置。
送信制御部は、超音波発生素子からＦＳＫ変調された超音波からなるワイヤレス信号を送信させることを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
超音波発生素子から送信されたワイヤレス信号を受信する受波素子として、超音波域の周波数特性が平坦なマイクロホンを用いてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のデータ伝送装置。