JP4786704B2 - 少なくとも１つのｓａｗ素子を具備する計測センサ - Google Patents

Description

本発明は、計測センサであって、センサおよび／または識別ユニットとしての少なくとも１つのＳＡＷ素子と、実質上、同軸導体を形成するハウジング部分とを有し、該ハウジング部分の中に前記ＳＡＷ素子が無接点で内蔵されており、また該ハウジング部分が接続ケーブルのシールドに接続されており、さらに該接続ケーブルの信号導体が、無接触で少なくともほぼ中央にＳＡＷ素子の表面結合構造部にわたって延設されており、同軸導体における電磁界をＳＡＷ素子と近傍界結合させる働きをする計測センサに関する。

上記種類の計測センサは、原理的には、例えば特許文献１によって公知であり、しばしば高温、振動、その他の障害が広く生じている、計測センサに直接近接する領域から収集された、部分的な非常に大きな範囲のセンサ関連データのメモリをスワップアウトできるという効果を有する。その際、センサ自体の内部に、またはそれに接して、センサ関連データ用のメモリユニットと相関可能なセンサ識別子を有する識別ユニットだけが、わずかな識別データだけを保持して残っている。これらのわずかな、従ってまた過酷な周囲条件に影響されない単純な素子に保存可能な識別データ（例えば、簡単なバイナリコード）は、物理的にしっかりとセンサと結合されたままである。一方、その他のセンサ関連データ（例えば感度曲線、較正データなど）は、スワップアウトされたメモリユニット内に存在している。その際、メモリユニットとセンサとの共属性を確保するために必要なことは、所属性に関して前記簡単なセンサ識別子を検査することだけである。

センサの識別ユニットの、上記特許文献１でも言及されているさまざまな簡単な構成のほかに、冒頭で述べたように、公知のＳＡＷ素子を有する構成も実施可能である。表面弾性波（ＳＡＷ）をセンサおよび／または識別マーク（ＩＤマーク）として用いることは、かなり以前から知られている。最近の研究（例えば非特許文献１）によって、この種のシステムが、ＩＤマークとして、および／または物理的または化学的パラメータの監視のために、既存の技術システムに組み入れるのに特に適していることが示されている。その場合に特に有利であることは、この種のシステムは完全に受動的に動作することが可能であるということ、すなわち、例えばバッテリなどの電力供給をＩＤマークあるいはセンサの領域に必要としないことである。さらに、ＳＡＷ素子は、熱的および機械的に強固であり、高度に小型化でき、また形状およびデザインの点で具体的な用途に適応させることができる。

多くの出版物によって公知である従来技術は、ＳＡＷ素子を、電気的に、または遠方電磁界結合を介して、各用途に特に有利なアンテナを用いて送信／受信部に結合することである。また同様に、例えば、特許文献２および特許文献３によって公知であることは、（トランス）結合ループをＳＡＷ素子の表面構造部へ組み入れ、誘導近傍界結合を介してエネルギーあるいは信号の伝送を実現することである。その際、送信／受信アンテナは、ループ状に構成されて組み入れられたアンテナと合同となるように実施かつ調整された導体ループとなる。これらの公知の技法は、多くの技術用途にとって十分かつ有効である。しかし、これらの公知の結合方法は、ＳＡＷ素子を、例えば、射出成形工具用の圧力センサや内燃機関におけるシリンダの内圧測定器などのクローズドシステムに統合するにはあまり適していない。特に、これらのシステムが小型構造の場合には不適である。一方、例えば、物理的パラメータ（例えば温度、磁界の強さなど）および／または化学的パラメータ（例えば大気成分、熱分解生成物など）を監視するための（受動的な）ＩＤマークおよび／またはセンサとして用いるために、ＳＡＷ素子をこの種のゲストシステムに統合することは、かなりの（潜在的な）付加価値となる。

この種の全ての用途に共通であることは、ＳＡＷシステムが既存のシステムを補完するという点である。これが意味することは、送信／受信ユニットと単数または複数のＳＡＷ素子自体とからなるＳＡＷシステム全体を、一般的に、識別すべきおよび／または監視すべきゲストシステムの、例えば電気的または実装技術的な構造特性を変化させることなく統合することができるということである。

電気的な接続、すなわち、ＳＡＷ素子への直接的な電気接点を有するケーブルを介する結合は、多くの場合、ゲストシステムの本来の有効信号に対して、許容されていない形で影響を及ぼすことなしには不可能である。さらに、電気的な結合は、小型システムの場合、生産時あるいは組み立て時に高コストを要してしか実現できないことが多く、かつ／または、ばね支持された圧力接点を有する構成などと同じように、例えば、特にかなり長い時間にわたる、高いおよび／または変化する温度、機械的な振動などに対して、ただ限られた耐性しか有していない。

遠方電磁界結合による結合は、一般的に、比較的大きな外部アンテナを組み込まねばならないので、構造上の大きな変更を必要とし、また、送信器／受信器とＳＡＷ素子との間に障害物のない無線経路を必要とする。このような無線経路は、例えば、金属構造内の比較的深い位置に取り付けられたセンサの場合、保証されないことが多い。さらに、この種の構成を利用する場合、動作周波数は、（国ごとに異なる）ＩＳＭバンドに制限されており、従って、これはまた最大許容送信出力を制限することになる。

文献から公知の３つ目の結合方法、すなわち２つの合同なループの間における（誘導）近傍界結合による結合方法も、実際の利用には不適である。この種の構成を利用した場合、確かに有効信号に対する好ましくない影響はわずかになる、あるいは、なくなるであろうし、また外部アンテナや障害物のない長い無線経路を必要としない。しかし、内部結合アンテナ用のスペースを追加する必要があり、またＳＡＷ素子と結合コイルとの相対位置を厳密に決める必要があるために、構造上の変更を伴うことになるであろう。また、この種の変更がそもそも可能であり、許容されている場合にも、コストが増大することになるであろう。

総じて、これらの制約は、一連の用途におけるＳＡＷ素子の実際の利用、例えば識別あるいは監視といった作業での利用の障害となっている。そこで、本発明は、この障害を取り除くことを意図している。

多くの計測センサの基本構造は、例えば冒頭に挙げた非特許文献１に記載された（あるいはまた、非特許文献２の４７０頁図８にも示されている）ものと類似している（冒頭に挙げた従来技術を示した図１を参照）。能動素子１１は、同軸ケーブルの中心導体１２を介して制御ユニットあるいは読み取りユニットに接続されている。その際、センサハウジング１０は、物理的に見て、相応の電磁界分布を有する同軸導体１３となる。従って、好ましくは高周波同軸ケーブルを介して給電されるハウジング１０内に、１個または複数個のＳＡＷ素子２０を無接点で組み込むことができ、また、ＳＡＷ素子の電力供給およびＳＡＷ素子内で生成された信号のフィードバック伝送を、ＳＡＷ素子と同軸ケーブルにおける電磁界との近傍電磁界結合によって行うことができる。

この種の構成は、本用途に関して、これまでに知られている他のシステムに比して、多くの効果を持つ。信号の伝達は、ゲストシステムの同軸ケーブルを介して行われ、これにより、他の場合に必要な、ゲストシステムの広範な構造上の変更を避けることができる。結合は無接触で行われ、従って、ゲストシステムの有効信号の歪みを有効に防止することができる。電磁的に閉じられた空間内に場が生成されるので、ＳＡＷ素子に特に有利な、ゲストシステムの機能を損なわない自由選択可能な周波数あるいは周波数範囲を利用することが可能であり、許容される。その際、送信出力は、広範囲に任意にシステムに適応させることができる。最後に、ゲストシステムへの組み込みは、ゲストシステム内で導電性の接続を追加的に行う必要がなく、位置決めの厳密性に対する要求も比較的わずかであるので、簡単な方法で行うことが可能である。

冒頭に挙げた種類の公知の計測センサには、短所として、ＳＡＷ素子上に組み込まれた結合構造部の結合効率が比較的小さく、その結果、信号の質が十分でないことが多いために、信頼性のある識別データ伝送あるいは測定データ伝送を、好ましくない周囲条件のもとで、またかなり長時間にわたって確実に行うことが保証できないという点がある。

測定方法の所定の機能を実現するために極めて重要な要素は、ＳＡＷ素子上の結合アンテナの設計である。ＳＡＷ素子上に組み込まれた結合構造部を有するこれまでに知られているシステムは、選択的に、図３に示されているように、容量結合用か、あるいはトランス（誘導）結合用に設計されている。例えば、冒頭で既に挙げた特許文献２に説明されているような広範囲の結合ループは、実際の利用には不向きである。なぜなら、同軸導体における環状の磁界によって、誘導電圧が相殺されるからである。図２に示されているように、中心導体の一方の側に閉じられた結合ループ２１１が配置された方法は、原理上は動作可能であるが、しかし、実際に利用するには結合効率が不十分である。同じ制約が、図３に示された容量結合構造にも当てはまる。
オーストリア国実用新案第５０４２号明細書 欧州特許出願公開第０８２７１０５号明細書 欧州特許第０５０２０７９号明細書 独国特許出願公開第１９８５１００２号明細書 Ｂｒｕｃｋｎｅｒ ｅｔ．ａｌ，"Ｐｒｏｃ．２００３ ＩＥＥＥ Ｆｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒ．Ｓｙｍｐ．"，９４２ｆｆ．） "Ｓｅｎｓｏｒ ２００３ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ"

従って、本発明の課題は、前述の短所を排除し、しかも特に簡単な手段によって、上述の限られたスペースにおいて、結合効率の改良と、従ってまた、信号の質の改良とを実現することができるように冒頭に挙げた種類の計測センサを構成することである。

この課題は、本発明では、冒頭に挙げた種類の計測センサにおいて、ＳＡＷ素子の結合構造部が、信号導体の両側に、追加的な結合を行う部分構造部を有することによって解決される。本発明に係る構成のその他の特徴および効果については、以下において、図面およびそれに関する説明によって詳述する。

同軸導体の電磁界とＳＡＷ素子との間の（主に）誘導結合に関する結合効率を改良するために、図４では、インターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）２２およびリフレクタ２３，２５，２６、遅延線２４などを、２つの個別の、互い違いに配置されたループ状の結合構造部２１３の間に配置することが提示される。２つの反対向きのコイルに分割することによって、誘導電流を足し合わせ、これにより、ＳＡＷ素子へのエネルギー結合を改良すること、従ってまた、信号の質を改良することが可能となっている。

結合ループの、所定の用途に特に適したもう１つの構造は、原則的に環状の磁界と原則的に放射状の電界とからのエネルギーを複合的に結合することを目的としている。この多機能性は特に重要である。なぜなら、多くのゲストシステムでは、ＳＡＷ素子の動作周波数範囲に適合するように線路を電気的に閉じることを保証できないからである。従って、同軸導体には、制御不可能な場の不均一性が、例えばエネルギーの腹と節という形で生じる。従って、両成分を有効に結合することができるＳＡＷ表面構造は、特に有利である。この種の構造部２１４が、図５に例示されている。この構造部は、中心導体１２を基準にして非対称であり、誘導結合および容量結合の最適な利用を保証する。

ＳＡＷ素子上の構造部は、物理的にはＲＬＣ発振回路である。電磁励起エネルギーを効率よく表面音響波に変換するために極めて重要であることは、ＲＬＣ回路の発振特性をＳＡＷ素子の動作周波数と材料特性とに適合させることである（共振動作）。これは、通例、インダクタあるいはキャパシタを有する外部回路を介して、発振回路のＬ素子およびＣ素子を適合させることによって行われ、例えば独国特許出願公開第１９８５１００２号明細書に説明されている。しかし、これは小型化の障害になる。さらに、外部個別部品を伴う場合、例えば４００℃までの高温に適したＳＡＷ素子を実現することができない。この種の用途には、ＳＡＷ素子上の構造部を適切に設計することよって誘導特性および容量特性を適合させることが知られている。例としては、構造部の長さを変えること、あるいはマイクロストリップ線路の幅を変えること（誘導成分、Ｌ素子に対する作用）、蛇行構造の成形、さらにマイクロストリップ線路間の間隔を変えること（容量成分、Ｃ素子に対する作用）などがある。

実際に利用される場合には、ＳＡＷ素子の寸法は一般的にゲストシステムの空間的な要件によって制限されるので、この種の適合方法は、非常に限られた範囲においてのみ可能である。蛇行構造または同等のスペース設計は、大抵の場合、（有意に）実現することは不可能であり、線路の長さまたは間隔の変更には、ＳＡＷ素子の形状寸法によって制約が課せられる。本発明の１つの有利な構成では、有効なオーム抵抗を適合化することを通じて、結合回路を最適化することが提案される。この適合法は、好ましくは、線路断面の適合によって行われ、その際、空間的な制約を考慮するために、この断面の変更は、線路の層厚を部分的または経路ごとに変更することによって実現されるのが特に有利である。

表面構造部に電磁結合構造部が組み込まれているＳＡＷ素子の機能にとって重要なもう１つの方策は、実質上アンテナとみなされる結合構造部の放射抵抗を同軸導体の特性インピーダンスに適合させることである。これは、特に簡単かつ有利な方法で、表面構造部または表面構造部の一部の層厚を本発明に従って適合させることよって実現可能である。例えば、図５に示された配置に基づいて、線路の（一部の）層厚を適切に変更することによって（しかし、櫛形構造、すなわちインターデジタルトランスデューサやリフレクタなどを変更せずに）、信号強度を最大１桁改良することが可能である。そのために、一般的に層構造として複数の材料からなる基本層上に、導電材料、例えば純アルミニウムの単数または複数の層を重ねる。一般的に、この追加層の積重は、ＳＡＷ素子上の表面構造部の層厚を２倍から１０倍増大させることになる。

本発明に係るＳＡＷ表面構造部のもう１つの有利な構成では、焦電電荷用の放電ループが組み込まれている。焦電効果は、ＳＡＷ素子を高温利用する場合に一般的に見られる問題である。良好な結合特性を有する、ＳＡＷの高温用途に適した利用可能材料の大多数は、焦電特性を有しており、この場合、ＳＡＷ素子に沿った温度勾配によって、表面上に電荷が蓄積する可能性がある。このようにして発生する電圧は、ｋＶ／ｃｍのレベルにまで達することがある。フラッシュオーバによる突然の放電の場合、蓄積されたエネルギーの大きさは、表面構造部、例えばインターデジタルトランスデューサまたはリフレクタを破壊するに十分であり、従ってまた、ＳＡＷ素子に対する修復不可能な損傷を引き起こすに十分である。この種の帯電を避けるためには、構造部を単数または複数の放電ループで取り囲むことが有効である。超小型設計のＳＡＷ素子の場合、この放電ループをＳＡＷ素子の動作に必要な構造部へ組み入れることが有効である。これらの構造部は、従ってまた、ＳＡＷ素子の高周波動作状態用のＬＣ発振回路として機能し、さらに焦電電荷移動の補償電流用の短絡ループとして機能する。

例えば実装前の機能検査のために必要とされるようなＳＡＷ素子上接点も、同様に、電磁界結合用の構造部の中へ組み入れることができることが有利である。

要するに、ＳＡＷ素子上で利用するための上述の表面構造部は、無接触の近傍界結合、発振特性の適合、焦電放電による損傷からの構造部の保護といった分野において、これまで未解決であった、利用可能性を大きく制限する諸問題を解決するための非常に好適な技術上の方策である。

従来技術による計測センサの基本構造を示す。 図１に示された計測センサにおいて利用できる、結合構造部を組み込んだＳＡＷ素子を示した略図である。 図１に示された計測センサにおいて利用できる、結合構造部を組み込んだＳＡＷ素子を示した略図である。 本発明に係る計測センサの、図２および図３に対応する細部を示す。 本発明に係る計測センサの、図２および図３に対応する細部を示す。

符号の説明

１０ ハウジング部分
１２ 信号導線
２２ ＩＤＴ
２３ リフレクタ
２４ 遅延線
２５ リフレクタ
２６ リフレクタ

Claims (6)

1. センサおよび／または識別ユニットとしての少なくとも１つのＳＡＷ素子（２０）と、同軸導体を形成するハウジング部分（１０）とを有し、該ハウジング部分の中に前記ＳＡＷ素子（２０）が無接点で内蔵されており、また該ハウジング部分が接続ケーブルのシールド（１３）に接続されており、さらに該接続ケーブルの信号導体（１２）が、無接触で、ＳＡＷ素子（２０）の表面結合構造部（２１３,２１４）の中央に、ＳＡＷ素子（２０）の表面結合構造部（２１３，２１４）にわたって延設されており、前記同軸導体における電磁界をＳＡＷ素子（２０）と近傍界結合させる働きをする計測センサにおいて、
   前記ＳＡＷ素子（２０）の表面結合構造部（２１３，２１４）が、前記信号導体（１２）の両側に配置された、追加的な結合を行う部分構造部を有する計測センサ。
2. 前記ＳＡＷ素子（２０）の能動素子、インターデジタルトランスデューサ（２２）、リフレクタ（２３，２５，２６）、遅延線（２４）が、信号導体（１２）を基準にしてほぼ対称的な２つの個別の、互い違いに配置された、前記結合構造部（２１３）のループ状部分構造部の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の計測センサ。
3. 主に環状の磁界と主に放射状の電界とからのエネルギーを複合的に結合するために、信号導体（１２）の一方の側に、優先的に誘導結合を行うアンテナ構造部が、さらに信号導体のもう一方の側に、優先的に容量結合を行うアンテナ構造部が、結合構造部（２１４）の部分構造部として配置されていることを特徴とする請求項１に記載の計測センサ。
4. 少なくとも１つの導線路を有する前記部分構造部（２１３，２１４）が、ＳＡＷ素子（２０）の外周内にループ状に形成され、焦電電荷用の内蔵放電ループとして機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の計測センサ。
5. 動作周波数および／または材料特性および／または放射抵抗に適合させるために、有効なオーム抵抗部分が、前記結合構造部（２１３，２１４）の導線路の断面を適合させることを通じて、表面に設けられた導線路の層厚を少なくとも領域ごとに変更することを通じて、変更可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の計測センサ。
6. 前記ＳＡＷ素子（２０）の結合構造部（２１３，２１４）が、機能検査装置のための接点を追加的に有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測センサ。

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