JP6340984B2 - センシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波素子を用いたセンシングシステムに関する。

弾性表面波素子（以下、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）素子）は、圧電体基板上に形成された櫛型電極（以降ＩＤＴ（Inter Digital Transducer）と称す）に信号を印加し、弾性表面波を伝搬させることで知られている。遅延線タイプのＳＡＷセンサは、入力信号と出力信号とのＳＡＷの遅延量に基づく位相差に応じて測定対象の物理量を求める。

位相角は±１８０degの範囲となるが測定対象による位相角の変化量が激しい場合、真の位相角を検出しにくくなる。例えば、ＳＡＷセンサが温度に対して位相角の変化量の大きい特性を備えるときには繰り返し温度毎に同じ位相角が検出されることになる。位相角の温度依存特性が例えば８［deg/℃］であるときには４５［deg］毎に同じ位相角が検出される。

このとき、測定対象の物理量の変化の範囲が位相角の検出範囲を超えないように、低感度のＳＡＷセンサを使用する方法が一般に採用されている。低感度のＳＡＷセンサは、例えばＳＡＷの伝搬経路の長さを短くすることで物理量の変化に対し位相角の変化を小さくすることで構成できる。しかしながら、このような低感度のＳＡＷセンサは分解能が低くなり、伝搬経路を短く設計するため遅延時間が短くなる。遅延時間が短いとバースト信号を入力可能な時間が短くなる。

また、複数の測定対象（例えば温度と変形量）を測定するシステムを構築する場合には複数のＳＡＷセンサを用いることがあるが、このとき、低感度のＳＡＷセンサを複数使用すると互いの遅延時間が近くなり、伝搬信号を受付ける時間がほぼ一致してしまう。このため、ＳＡＷセンサの判別が困難となる。

特開２０１４−２０８４１号公報

例えば、特許文献１記載の技術が提供されている。特許文献１記載の技術は、遅延線タイプのＳＡＷセンサにおいて、互いに異なる駆動周波数の信号により得られる２つの位相角の差分を処理することで測定可能な物理量の範囲を拡張している。

しかしながら、２つ以上の駆動周波数に応じてＳＡＷセンサを判別する方法を使用すると、互いに異なる駆動周波数の信号源を複数使用しなければならず、分解能、遅延時間の制約の面で不利となる。しかも、特許文献１記載の技術によれば、２つの信号源を使用している形態もあり、この場合、バースト信号を送信して反射波を受信した後、バースト信号を再度送信して反射波を受信しなければならず、位相差を算出するために送信及び受信を２回繰り返さなければならない。

本発明の目的は、１つの信号源を用いて構成しつつ、幅広い範囲で物理量を測定可能にできるようにしたセンシングシステムを提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、遅延線タイプの弾性表面波センサは、第１伝搬経路長の第１伝搬経路、及び、第２伝搬経路長の第２伝搬経路を備える。センシング装置は、信号源から所定周波数のバースト信号をＳＡＷセンサに伝搬させ伝搬信号を検出する。これにより信号源を１つとすることができる。制御装置は、センシング装置の検出信号に応じてＳＡＷセンサに影響する物理量を算出する。位相角算出部は、ＳＡＷセンサの第１伝搬経路を通じて検出された第１検出信号及びバースト信号に応じて算出される第１位相角と、バースト信号がＳＡＷセンサの第２伝搬経路を通じて検出された第２検出信号及びバースト信号に応じて算出される第２位相角と、の位相差を演算し、演算された位相差に応じてＳＡＷセンサに影響する物理量を検出する。

この請求項１記載の発明によれば、位相差算出部が、第１位相角と第２位相角の位相差を演算し、この演算された位相差に応じてＳＡＷセンサに影響する物理量を検出しているため、たとえ位相角の感度の大きなＳＡＷセンサを用いて分解能良く処理できるようにしたとしても、物理量に対する位相差の依存特性を低感度化でき、幅広い範囲で物理量を測定可能にできる。
しかも第１位相角及び第２位相角は共に、ＳＡＷセンサに影響する物理量の変化に応じて位相特性中の第１象限〜第４象限内で変化し、且つ、当該第１象限〜第４象限内において−１８０［ｄｅｇ］≦θＡ≦１８０［ｄｅｇ］、且つ、−１８０［ｄｅｇ］≦θＢ≦１８０［ｄｅｇ］の範囲内の値を得る演算量である。
位相角算出部は、第１位相角及び第２位相角が時間経過に伴い変化したときに、第１位相角又は第２位相角が第２象限から第３象限に跨いだと判定したときには変化量の加減算と共に３６０［ｄｅｇ］加算して補正し、第１位相角又は第２位相角が第３象限から第２象限に跨いだと判定したときには変化量の加減算と共に３６０［ｄｅｇ］減算して補正する。この結果、第１又は第２位相角が第３象限から第２象限に跨いだときにも位相角を補正できる。

第１実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図 センシング装置の処理を概略的に示すタイミングチャート 第１及び第２の伝搬経路に応じた位相角の温度依存特性とその位相差の算出内容を概略的に示す説明図 位相角の補正処理を概略的に示すフローチャート（その１） 位相角の補正処理を概略的に示すフローチャート（その２） 位相角の補正処理を概略的に示すフローチャート（その３） 位相角の補正処理を概略的に示すフローチャート（その４） 位相角の補正処理を概略的に示すフローチャート（その５） 位相角の補正処理を概略的に示すフローチャート（その６） 第２実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図 第３実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図 第４実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図 第５実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図 第６実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図 他の実施形態に係るセンシングシステムを概略的に示す電気的構成図

以下、センシングシステムの幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。各実施形態において同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して必要に応じて説明を省略する。

（第１実施形態）
まず図１を参照し、センシングシステムの概略構成について説明する。図１に示すセンシングシステム１は、遅延線タイプの弾性表面波センサ（以下ＳＡＷセンサと称す）２と、ＳＡＷセンサ２により検出されるＳＡＷの位相角を検出するセンシング装置３と、センシング装置３の検出信号を入力し物理量（例えば温度Ｔ）を検出する制御装置４と、を備える。図１には模式的に示しているが、ＳＡＷセンサ２は反射型のものを用いている。ＳＡＷセンサ２は、バースト信号の入力に応じて弾性表面波を生じさせる櫛型電極（以下ＩＤＴと称す： Inter Digital Transducer）５と、ＳＡＷを反射する反射器６ａ、６ｂと、を圧電体基板７に設けて構成される。

圧電体基板７は、例えばニオブ酸リチウムにより構成されており、ＩＤＴ５は例えばアルミニウムにより構成される。ＩＤＴ５は、例えば櫛歯の数がそれぞれ数十本（例えば４０本）の２つの電極が所定ピッチ（例えば９．６μｍ）で一対にして構成されている。ＩＤＴ５は一つの電極が接地されており、もう一つの電極はセンシング装置３に入力されている。反射器６ａ、６ｂは、ＩＤＴ５と同一材料であるアルミニウムからなっており、ＳＡＷの進行方向と垂直な方向に延びた数十本（例えば４０本）の電極が所定ピッチ（例えば９．６μｍ）で並設して構成され、ＩＤＴ５と反射器６ａ、６ｂとの間の距離は概ね数ｍｍ（例えば３ｍｍ）程度に設定されている。本実施形態では、ＩＤＴ５が反射器６ａ及び６ｂ間に設置されている形態を示す。このとき、ＩＤＴ５と反射器６ａとの間の伝搬経路Ａの第１伝搬経路長Ｌ１は、ＩＤＴ５と反射器６ｂとの間の第２伝搬経路Ｂの第２伝搬経路長Ｌ２に比較して短くなっている。

他方、センシング装置３は、バースト信号を出力する信号源８と、移相器８ａと、送信用増幅器９と、送受信切換用のスイッチ１０と、受信用増幅器１１と、ミキサ１２、１３と、フィルタ１４、１５と、を備え、フィルタ１４、１５の出力に制御装置４を接続して構成されている。信号源８は、例えば２００ＭＨｚ程度に設定された所定周波数のバースト信号を出力する。

送信用増幅器９は、信号源８からバースト信号を入力すると、このバースト信号を増幅し、スイッチ１０に出力する。スイッチ１０は制御装置４から与えられる制御信号に応じて送信側／受信側に切換可能に構成されている。スイッチ１０は、送信用増幅器９側に切換えられていると、送信用増幅器９の増幅信号をＳＡＷセンサ２に出力する。このスイッチ１０は、初期状態において制御装置４により送信用増幅器９側に切換えられており、この場合、送信用増幅器９とＳＡＷセンサ２とを接続し信号を入出力可能とする。すると、増幅されたバースト信号は、スイッチ１０を通じてＳＡＷセンサ２に出力される。バースト信号がＳＡＷセンサ２に入力されると、圧電体基板７に横波の弾性表面波が発生し、この波がＩＤＴ５から反射器６ａ及び６ｂに向かって進行する。波は反射器６ａ及び６ｂに反射されＩＤＴ５に戻る。ＩＤＴ５に戻った波は電気信号に変換されセンシング装置３に入力される。

センシング装置３は、通常、波がＩＤＴ５を伝搬している間に制御装置４がスイッチ１０を送信側から受信側に切換える。すると、センシング装置３はＩＤＴ５から入力される電気信号を検出できる。この電気信号は受信側増幅器１１に出力される。受信側増幅器１１はこの電気信号を増幅し２つのミキサ１２、１３に出力する。一のミキサ１２は、例えばパッシブミキサにより構成され、信号源８による出力信号を直接入力し受信側増幅器１１の出力信号と混合し、一のフィルタ１４に出力する。

また、移相器８ａは、信号源８による出力信号を例えば９０［ｄｅｇ］進相又は遅相し、もう一つのミキサ１２に出力する。このもう一つのミキサ１３は、例えばパッシブミキサにより構成され、移相器８ａの出力信号と受信側増幅器１１の出力信号とを混合し、もう一つのフィルタ１５に出力する。フィルタ１４、１５は、それぞれ例えば所定周波数以上の波の成分をカットする低域通過フィルタにより構成される。制御装置４は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成される。この制御装置４は、制御部１６、Ａ／Ｄ変換器１７、及び記憶部１８を備える。制御部１６が、記憶部１８に記憶されたプログラムに基づいて演算処理することで、信号源８が移相器８ａを通じて出力するバースト信号とミキサ１２、１３を介して受信された検出信号とから位相角θＡ、θＢを算出する位相角算出部１９としての機能を備える。この位相角算出部１９は、２つの位相角θＡ、θＢに基づいて、これらの位相角θＡ、θＢの差分を計算する差分処理手段としての機能を含む。

位相角算出部１９の差分処理手段は、２つの位相角θＡ、θＢの位相差（θＡ−θＢ）を演算する。ここで２つの位相角θＡ、θＢとは、信号源８から出力された所定周波数のバースト信号が、２つの伝搬経路長Ｌ１、Ｌ２を介してセンシング装置３に戻ってきたときにそれぞれ得られる位相角である。制御部１６は位相角θＡ、θＢを記憶部１８に記憶させ、位相角θＡ、θＢの位相差θdiff（＝θＡ−θＢ）を記憶部１８に記憶させる。

上記構成の作用について説明する。ＳＡＷセンサ２を用いて測定する物理量を温度とした場合の処理について順を追って説明する。まず、ＳＡＷセンサ２が所定温度下に置かれた状況において、制御部１６は、スイッチ１０を送信側に切換え、信号源８から所定周波数のバースト信号を出力させる。この場合、バースト信号はＳＡＷセンサ２と移相器８ａと一つのミキサ１２とに直接入力される。移相器８ａに入力されたバースト信号は位相が例えば９０度進相されミキサ１３に入力される。ＳＡＷセンサ２は、このバースト信号をＩＤＴ５に入力すると、ＩＤＴ５から２つの反射器６ａ、６ｂに向けて圧電体基板７にＳＡＷを発生させる。反射器６ａ、６ｂにＳＡＷが伝わると反射器６ａ、６ｂはＳＡＷを反射する。

制御部１６は、ＳＡＷが反射器６ａ、６ｂを介してＩＤＴ５に戻る前またはスイッチ１０に到達する前に、スイッチ１０を受信側に切換える。すなわちＳＡＷセンサ２とミキサ１２及び１３とを接続する。反射器６ａ、６ｂで反射されたＳＡＷはＩＤＴ５を振動させる。このときＩＤＴ５の一対の電極間に電位差を生じる。検出信号はスイッチ１０を経由しミキサ１２、１３に入力される。ここで検出信号は、それぞれの反射器６ａ、６ｂを通じて伝達された伝搬信号毎にその位相の遅相量が異なるものとなるが、ＳＡＷセンサ２の構成状態及び設置環境条件などに応じて、何れの検出信号の位相角（遅相量）θＡ、θＢも信号源８が発するバースト信号の位相より遅れることになる。

ミキサ１２はバースト信号及び検出信号を混合し、ミキサ１３は移相器８ａにより９０度移相されたバースト信号及び検出信号を混合し低域通過フィルタ１４、１５にそれぞれ出力する。低域通過フィルタ１４、１５は、入力された信号を積分処理して制御装置４に出力する。このとき、例えば位相角θＡについて、互いに直交するＩ信号ＳＩ＝ｃｏｓθＡ、Ｑ信号ＳＱ＝ｓｉｎθＡが得られ、位相角θＢについて、互いに直交するＩ信号ＳＩ＝ｃｏｓθＢ、Ｑ信号ＳＱ＝ｓｉｎθＢが得られる。

Ｉ信号ＳＩ、Ｑ信号ＳＱは、位相角が同一で互いに直交する信号であるため、制御部１６内の位相角算出部１９はａｒｃｔａｎ（ＳＱ／ＳＩ）を算出する。個々の位相角θＡ、θＢについてこの算出処理が行われる。このとき算出された位相角θＡ及びθＢは記憶部１８に記憶される。位相角θＡ、θＢは、それぞれ−１８０［ｄｅｇ］≦θＡ≦１８０［ｄｅｇ］、−１８０［ｄｅｇ］≦θＢ≦１８０［ｄｅｇ］の範囲で算出される。換言すれば、−１８０［ｄｅｇ］≦θＡ≦１８０［ｄｅｇ］、−１８０［ｄｅｇ］≦θＢ≦１８０［ｄｅｇ］、を超える範囲では温度Ｔを算出できない。そこで、本実施形態の位相角算出部１９は、差分処理手段としての機能を備えており、位相角θＡとθＢの位相差θdiff（＝θＢ−θＡ）を算出している。そして、制御部１６は算出された位相差に基づいて温度Ｔを特定する。

各位相角θＡ、θＢは、ＳＡＷの波長λと、ＳＡＷセンサ２内の伝搬経路長Ｌ１及びＬ２と、に応じて決定される。伝搬経路長Ｌ１、Ｌ２が長ければ長いほど、信号の伝搬距離が長くなり、温度変化に応じた位相角θＡ、θＢの変化量が大きくなる。逆に言えば、伝搬経路長Ｌ１、Ｌ２を変化させることは、感度θＫ＿L1（伝搬経路Ａの感度）、θＫ＿L2（伝搬経路Ｂの感度）を変化させることに直結する。なお、波長λが一定の場合、感度θＫ＿L1、θＫ＿L2は、θＫ＿L1：θＫ＿L2 ＝ Ｌ１ ： Ｌ２の関係となる。これらの感度θＫ＿L1、θＫ＿L2は、例えば予めシミュレーション又は実験などに応じて求められるパラメータであり、記憶部１８内に記憶される。

本実施形態に示すように、制御部１６内の位相角算出部１９が差分処理手段により位相角θＡとθＢの位相差θdiff（＝θＢ−θＡ）を算出することで、低感度と見做すことが可能な伝搬経路を見た目生成できる。この見た目低感度となる伝搬経路は、その感度がθＫ＿L2−θＫ＿L1となり、この伝搬経路の感度が伝搬経路長（Ｌ２−Ｌ１）に比例する。

図２はこの処理に係るタイミングチャートを示している。伝搬経路長Ｌ１、Ｌ２が互いに異なるため、期間ＴＺ１中において信号源８が１回バースト信号を出力しても（送信信号ＴＸ参照）、その後、ＳＡＷセンサ２を介して検出される検出信号は、そのＳＡＷセンサ２の伝搬経路長Ｌ１、Ｌ２の差に基づいて遅延時間τ１、τ２が互いに異なることになる（受信信号ＲＸ参照）。この結果、位相角θＡとθＢを算出するための信号検出タイミングが互いに異なる（期間ＴＺ１、ＴＺ２参照）。このとき、制御装置４が、それぞれのＩ信号ＳＩ（又はＱ信号ＳＱ）を検出することで、制御部１６がそれぞれの遅延時間τ１、τ２に対応した検出信号について、位相角θＡ、θＢを算出できる。

図３（ａ）は温度変化に応じた位相角θＡ、θＢの温度依存性の一部を示しており、図３（ｂ）は差分処理手段によりこれらの位相角θＡ及びθＢ間の位相差θdiffを求めた結果の一部を示している。これらの図３（ａ）、図３（ｂ）の内容について、対象温度範囲を拡張した場合の位相角θＡ、θＢの温度依存性を示しており、図３（ｄ）はこれらの位相角θＡ及びθＢ間の位相差θdiffを算出した結果を示している。

これらの図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、たとえ位相角θＡ、θＢの変化範囲が±１８０［ｄｅｇ］以内であったとしても、位相差θdiffはその最大幅を±３６０［ｄｅｇ］に拡張できる。この位相差θdiffは、第１伝搬経路長Ｌ１の感度θＫ＿L1の（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ１倍の位相角とみなすことができる。

このようにして、２つの伝搬経路Ａ、Ｂを備えたＳＡＷセンサ２を用いて温度依存性を低感度化することができ、この信号を用いて位相差θdiffが何回転しているか算出できる。この結果、位相角θＡ、θＢの変化量が大きい高感度なＳＡＷセンサ２を用いたとしても、低感度のＳＡＷセンサのごとく挙動させることができる。

以下、具体的な演算処理について場合に分けて説明する。基本的に、位相角θＡ、θＢの位相変化量が３６０度（１周）を超えてしまうと、位相角θＡ、θＢが何回転しているか算出できないため、この算出された位相角θＡ、θＢに対して補正を加える。算出された位相角θＡ，θＢは、−１８０［ｄｅｇ］≦θＡ≦１８０［ｄｅｇ］、−１８０≦θＢ≦１８０［ｄｅｇ］の条件を満たすため、位相角θＡ、θＢは、その位相特性上、第１象限〜第４象限内の何れかの象限内又はその境界に存在することになる。ここで、第１象限は０［ｄｅｇ］〜９０［ｄｅｇ］、第２象限は９０［ｄｅｇ］〜１８０［ｄｅｇ］、第３象限は１８０［ｄｅｇ］〜２７０［ｄｅｇ］、第４象限は２７０［ｄｅｇ］〜３６０［ｄｅｇ］を表す。

そこで、制御部１６は、後述する演算処理を行うことで、位相角θＡ、θＢが、時刻ｔ−１から時刻ｔになるときに第１象限〜第４象限内の何れの象限内の移動であるか、または、第２から第３象限、第３から第２象限への移動であるかを判定し、この判定結果に応じて３６０［ｄｅｇ］を加減算処理して、補正後の位相角をθcorrectA＿t、θcorrectB＿tとして求める。

まず、制御部１６は、ＳＡＷセンサ２を伝搬した伝搬信号に応じて、位相角算出部１９により位相角θＡ、θＢを算出し（図４のＳ１）、これらの位相角θＡ、θＢの位相差θdiffを、次の（１）式に応じて算出する（図４のＳ２）。

θdiff ＝ θＢ − θＡ …（１）
これらの位相角θＡ、θＢ、及び位相差θdiffは、ＳＡＷセンサ２から伝搬信号をセンシング装置３に入力したときに周期的に算出される。そこで、ある時刻ｔにおける位相角θＡ、θＢをそれぞれ位相角θＡ＿t、θＢ＿tとし、その時刻ｔにおける位相差θdiffをθdiff＿tとする。

制御部１６は、位相差θdiffの時間変化分θΔdiffを、時刻ｔの位相差θdiff＿tから時刻ｔ−１の位相差θdiff＿t-1を減算することで、次の（２）式に応じて算出する（図４のＳ３）。

θΔdiff ＝ θdiff＿t − θdiff＿t-1 …（２）
この後、制御部１６は、θΔdiff＝０［ｄｅｇ］、０［ｄｅｇ］＜θΔdiff＜１８０［ｄｅｇ］、−１８０［ｄｅｇ］＜θΔdiff＜０［ｄｅｇ］、θΔdiff＜−１８０［ｄｅｇ］、θΔdiff＞＋１８０［ｄｅｇ］、の場合に分けて処理を行う（図４のＳ４）。制御部１６は、ステップＳ４においてθΔdiff＝０［ｄｅｇ］と判定した場合、位相差θdiffが変化しないことを表す。この場合、例えば位相角θＡ、θＢは共に時間変化しない。このため、時刻ｔにおける補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tは、時刻ｔ−１における補正後の位相角を補正後位相角θcorrectA＿t-1、補正後位相角θcorrectB＿t-1とした場合、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 … （３Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 … （３Ｂ）
とし、補正することなくそのまま維持する（図５のＴＡ１、ＴＡ２）。

また、制御部１６は、ステップＳ４において０［ｄｅｇ］＜θΔdiff＜１８０［ｄｅｇ］と判定した場合、位相角θＡ、θＢの変化量を算出し（図６のＴＢ１）、位相角θＡ、θＢが共に単調増加したか否かを判定する（図６のＴＢ２）。

具体的な処理例としては、時刻ｔの位相角θＡから時刻ｔ−１の位相角θＡを減算して位相差θＡ＿t−θＡ＿t-1を算出し、時刻ｔの位相角θＢから時刻ｔ−１の位相角θＢを減算して位相差θＢ＿t−θＢ＿t-1を算出し、これらの算出値が０を超えるか否かを判定する方法がある。
制御部１６は、位相角θＡ、θＢが共に単調増加したと判定したときには、位相角θＡ、θＢが共に特異点を跨がない増加であると判定する（図６のＴＢ３）。この場合、例えば、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｘ１→ｔｙ１に示すように、図３（ｄ）に示す右矢印方向Ｚ１に位相差θdiffが単調増加することになる。ここで「特異点を跨がない」とは、これらの２つの時刻ｔｘ１→ｔｙ１の間に第２象限から第３象限又は第３象限から第２象限に移動していない、ことを意味する。このとき、補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tは、単調増加分のみを加算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1）
… （４Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1）
… （４Ｂ）
として補正する（図６のＴＢ４、ＴＢ５）。

また、制御部１６は、ステップＴＢ２においてＮＯと判定した場合には、位相角θＡ、θＢが共に第２象限から第３象限に移動した特異点を跨ぐ増加であると判定する（図６のＴＢ６）。すなわち、位相角θＡ、θＢが共に１８０［ｄｅｇ］を超えたときにステップＴＢ２においてＮＯと判定される。この場合、例えば、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔａ→ｔｂに示すように、図３（ｄ）の右矢印方向Ｚ１に位相差θdiffが変化するものの、これらの２つの時刻ｔａ→ｔｂの間に位相角θＡ、θＢが共に第２象限から第３象限に移動したことで急激な位相変化を生じている。

このため、時刻ｔにおける本来の位相角θＡ＿t、θＢ＿tは、時刻ｔ−１における位相角θＡ＿t-1、θＢ＿t-1を基準として考慮すれば、共に３６０［ｄｅｇ］加算して補正すると良い。そこで、制御部１６は、補正後位相角θcorrectA＿t、θcorrectB＿tとして、単調増加分に１周分の補正値を加算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1 ＋３６０）
… （５Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1 ＋３６０）
… （５Ｂ）
とする（図６のＴＢ７、ＴＢ８）。このようにして補正処理が行われる。

また、制御部１６は、ステップＳ４において−１８０［ｄｅｇ］＜θΔdiff＜０［ｄｅｇ］と判定した場合、位相角θＡ、θＢの変化量を算出し（図７のＴＣ１）、位相角θＡ、θＢが共に単調減少したかを判定する（図７のＴＣ２）。

具体的な処理例としては、時刻ｔの位相角θＡから時刻ｔ−１の位相角θＡを減算して位相差θＡ＿t−θＡ＿t-1を算出し、時刻ｔの位相角θＢから時刻ｔ−１の位相角θＢを減算して位相差θＢ＿t−θＢ＿t-1を算出し、これらの双方の算出値が０未満となるか否かを判定する方法がある。

制御部１６は、位相角θＡ、θＢが共に単調減少したと判定したときには、位相角θＡ、θＢが共に特異点を跨がない減少であると判定する（図７のＴＢ３）。この場合、例えば図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｘ２→ｔｙ２に示すように、図３（ｄ）に示す左矢印方向Ｚ２に位相差θdiffが単調減少することになる。ここでいう「特異点を跨がない」とは、これらの２つの時刻ｔｘ２→ｔｙ２の間に第２象限から第３象限又は第３象限から第２象限に移動していない、ことを意味するものである。このときには、補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tは、単調減少分のみを加算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1）
… （６Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1）
… （６Ｂ）
として補正する（図７のＴＣ４、ＴＣ５）。

また、制御部は、ステップＴＣ２においてＮＯと判定した場合には、位相角θＡ、θＢが共に第３象限から第２象限に移動した特異点を跨ぐ増加であると判定する（図７のＴＣ６）。すなわち、−１８０［ｄｅｇ］を下回るときにステップＴＣ２においてＮＯと判定される。この場合、例えば、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｃ→ｔｄに示すように、位相差θdiffが左矢印方向Ｚ２に変化するものの、これらの２つの時刻ｔｃ→ｔｄの間に位相角θＡ、θＢが共に第３象限から第２象限に移動したことで急激な位相変化を生じている。このため、時刻ｔにおける位相角θＡ＿t、θＢ＿tは、時刻ｔ−１における位相角θＡ＿t-1、θＢ＿t-1を基準として考慮すれば、共に３６０［ｄｅｇ］減算して補正すると良い。そこで制御部１６は、補正後位相角θcorrectA＿t、θcorrectB＿tとして、単調増加分に１周分の補正値を減算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1 −３６０）
… （７Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1 −３６０）
… （７Ｂ）
とする（図７のＴＣ７、ＴＣ８）。このようにして補正処理が行われる。

また、制御部１６は、ステップＳ４においてθΔdiff＜−１８０［ｄｅｇ］と判定した場合には、まず時刻ｔ−１から時刻ｔまでの位相差θdiffの増加方向を判定処理する（図８のＴＤ１）。すなわち、位相差θdiffが図３（ｄ）の左右矢印方向Ｚ１、Ｚ２の何れに移動したか（温度増加／温度減少）を判定処理する。具体的には（θdiff＿t＋３６０［ｄｅｇ］）−θdiff＿t-1を算出処理し、０を上回っているか下回っているか判定する方法が挙げられる。このように、３６０［ｄｅｇ］を加算している理由は、ステップＳ４においてθΔdiff＜−１８０［ｄｅｇ］と判定したことから、時刻ｔ−１から時刻ｔまでの間にθΔdiffが急激な位相減少を経ていることが確定しているため、この内容を考慮しているものである。

ここで、（θdiff＿t＋３６０［ｄｅｇ］）−θdiff＿t-1が０を上回っているときには（ＴＤ１：＞０）、位相差θdiffが図３（ｄ）の右矢印方向Ｚ１に移動したと判定し、この場合、位相角θＢが第２象限から第３象限内に移動するように特異点を跨いだ減少をしたと判定する（図８のＴＤ２）。例えば、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｅ→ｔｆの位相変化を参照。このとき、制御部１６は、補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tについて、位相角θcorrectB＿t-1にのみ単調減少分と共に一周分の位相角を加算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1）
… （８Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1 ＋ ３６０）
… （８Ｂ）
として補正する（図８のＴＤ３、ＴＤ４）。また、制御部１６は、（θdiff＿t＋３６０［ｄｅｇ］）−θdiff＿t-1が０を下回っているときには（ＴＤ１：＜０）、位相差θdiffが図３（ｄ）の左矢印方向Ｚ２に移動したと判定し、この場合、位相角θＡが第３象限から第２象限内に移動するように特異点を跨いだ増加をしたと判定する（図８のＴＤ５）。例えば、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｇ→ｔｈの位相変化を参照。このとき、制御部１６は、補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tについて、位相角θcorrectA＿t-1にのみ単調減少分と共に一周分の位相角を減算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1 − ３６０）
… （９Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1）
… （９Ｂ）
として補正する（図８のＴＤ６、ＴＤ７）。このようにして補正処理が行われる。

また、制御部１６は、ステップＳ４においてθΔdiff＞＋１８０［ｄｅｇ］と判定した場合にも同様に、時刻ｔ−１から時刻ｔまでの位相差θdiffの増加方向を判定処理する（図９のＴＥ１）。すなわち、位相差θdiffが図３（ｄ）の左右矢印方向Ｚ１、Ｚ２の何れに移動したか、を判定処理する。具体的な方法としては、（θdiff＿t−３６０［ｄｅｇ］）−θdiff＿t-1を算出処理し、０を上回っているか下回っているか判定する方法が挙げられる。このように３６０［ｄｅｇ］を減算している理由は、ステップＳ４においてθΔdiff＞−１８０［ｄｅｇ］と判定したことから、時刻ｔ−１から時刻ｔまでの間にθΔdiffが急激な位相増加を経ていることが確定しているため、この内容を考慮しているものである。

ここで、（θdiff＿t−３６０［ｄｅｇ］）−θdiff＿t-1が０を上回っているときには（図９のＴＥ１：＞０）、位相差θdiffが図３（ｄ）の右矢印方向Ｚ１に移動したと判定し、この場合、位相角θＡが第２象限から第３象限内に移動するように特異点を跨いだ減少をしたと判定する（図９のＴＥ２）。図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｉ→ｔｊの位相変化を参照。このとき、制御部１６は、補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tについて、位相角θcorrectA＿t-1にのみ単調減少分と共に一周分の位相角を加算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1 ＋ ３６０）
… （１０Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1）
… （１０Ｂ）
として補正する（図９のＴＥ３、ＴＥ４）。また制御部１６は、（θdiff＿t−３６０［ｄｅｇ］）−θdiff＿t-1が０を下回っているときには、位相差θdiffが図３（ｄ）の左矢印方向Ｚ２に移動したと判定し、この場合、位相角θＢが第３象限から第２象限内に移動するように特異点を跨いだ増加をしたと判定する（図９のＴＥ５）。：図３（ｃ）及び図３（ｄ）の時刻ｔｋ→ｔｌの位相変化を参照。このときには、補正後位相角θcorrectA＿t、補正後位相角θcorrectB＿tは、位相角θcorrectA＿t-1にのみ単調減少分と共に一周分の位相角を減算し、
θcorrectA＿t ＝ θcorrectA＿t-1 ＋（θＡ＿t − θＡ＿t-1）
… （１１Ａ）
θcorrectB＿t ＝ θcorrectB＿t-1 ＋（θＢ＿t − θＢ＿t-1 − ３６０）
… （１１Ｂ）
として補正する（図９のＴＥ６、ＴＥ７）。このようにして補正処理が行われる。このようにして処理された補正後位相角θcorrectA＿t、θcorrectB＿tを用いて温度を特定することができる。ＳＡＷセンサ２の伝搬信号に応じて求められる位相角θが、温度Ｔによる物理量のみで変化するという仮定条件下では、温度Ｔは補正後の位相角θcorrectA＿tを用いて、
Ｔ ＝ （θcorrectA＿t − θcorrect＿t=0） ／ θＫ＿L1 … （１２）
として算出することができる。ここで、θＫ＿L1は前述したように感度を示しており、温度Ｔが１［°Ｃ］変化するときの例えば位相角θＡの変化度を示している。なお、補正後位相角θcorrectA＿t、感度θＫ＿L1（伝搬経路Ａの感度）に替えて、補正後位相角θcorrectB＿t、感度θＫ＿L2（伝搬経路Ｂの感度）を用いても良い。

＜まとめ＞
高感度で高分解能なＳＡＷセンサの位相角が何回転しているのかを調べる為に、低感度な素子を使用する方法が考えられる。しかし、この方式を用いると遅延時間によるバースト信号の入力時間の制約の問題は解決されない。

本実施形態によれば、位相角算出部１９は、ＳＡＷセンサ２を伝搬する伝搬信号の第１位相角θＡと第２位相角θＢとの位相差θdiffを演算し、この演算された位相差θdiffに応じて物理量となる温度Ｔを算出している。このため、たとえ位相角θＡ、θＢの感度の大きなＳＡＷセンサ２を用いて分解能良く処理できるようにしたとしても、温度Ｔに対する位相差θdiffの依存特性を低感度化することができ、幅広い範囲で温度Ｔを測定可能にできる。

１つのＳＡＷセンサ２が２つの伝搬経路Ａ及びＢを備えているため、ＳＡＷセンサ２をコンパクト化できる。
また、第１位相角θＡ及び第２位相角θＢは共に、ＳＡＷセンサ２に影響する物理量の変化に応じて位相特性中の第１象限〜第４象限内で変化し、且つ、当該第１象限〜第４象限内において−１８０［ｄｅｇ］≦θＡ≦１８０［ｄｅｇ］、且つ、−１８０［ｄｅｇ］≦θＢ≦１８０［ｄｅｇ］の範囲内の値を得る演算量であるが、位相角算出部１９は、第１及び第２の位相角θＡ及びθＢが時間経過に伴い変化したときに、第１又は第２の位相角θＡ又はθＢが第２象限から第３象限に跨いだと判定したときには、変化量の加減算と共に３６０［ｄｅｇ］加算して補正している。この結果、第１又は第２の位相角θＡ又はθＢが第２象限から第３象限に跨いだときに位相角θＡ又はθＢを補正できる。

位相角算出部１９は、第１及び第２の位相角θＡ及びθＢが時間経過に伴い変化したときに、第１又は第２の位相角θＡ又はθＢが第３象限から第２象限に跨いだと判定したときには、変化量の加減算と共に３６０［ｄｅｇ］減算して補正している。この結果、第１又は第２の位相角θＡ又はθＢが第３象限から第２象限に跨いだときにも位相角θＡ又はθＢを補正できる。

（第２実施形態）
図１０は第２実施形態を示す。第１実施形態ではＳＡＷセンサ２とセンシング装置３とが有線接続された形態を示したが、有線接続に限定されるものではなく、図１０に示すように、ＳＡＷセンサ２のＩＤＴ５とセンシング装置３のスイッチ１０との間に信号送受信用のアンテナ２０を備える形態を適用しても良い。すなわち、無線接続する構成を採用しても良い。

（第３実施形態）
第３実施形態ではＳＡＷセンサ１０２の他の構成を例示する。第１実施形態では反射器６ａ、６ｂを設けた反射型のＳＡＷセンサ２を採用したが、第３実施形態を示す図１１に示すように、非反射型のＳＡＷセンサ１０２を採用して構成しても良い。このＳＡＷセンサ１０２は、第１及び第２のＳＡＷ素子１２０及び１２１が複数併設されることで構成される。これらの第１及び第２のＳＡＷ素子１２０及び１２１は、それぞれ、圧電体基板７上に入力用のＩＤＴ１０５ａと出力用のＩＤＴ１０５ｂとが対向配置されることで構成される。各ＩＤＴ１０５ａ、１０５ｂの詳細構造は、第１実施形態におけるＩＤＴ５と同様の構造となっている。

ここで、入力用のＩＤＴ１０５ａは、２つの電極が一対にして構成されているが、この一対のうち一つの電極は接地されており、もう一つの電極はセンシング装置３ａの信号源８に接続されている。出力用のＩＤＴ１０５ｂもまた、２つの電極が一対にして構成されているが、この一対のうち一つの電極は接地されており、もう一つの電極はセンシング装置３ａ内のミキサ１２及び１３に接続されている。

本実施形態では、入力用のＩＤＴ１０５ａと出力用のＩＤＴ１０５ｂとが別々に構成されており、センシング装置３ａは、信号源８から入力用ＩＤＴ１０５ａに信号を出力すると、出力用ＩＤＴ１０５ｂ及びミキサ１２、１３を通じてＳＡＷセンサ１０２を伝搬した信号を取得できる。したがって、センシング装置３ａには、第１実施形態に示した入出力切換用のスイッチ１０を設ける必要がなくなる。このようなＳＡＷセンサ１０２を用いても良い。

（第４実施形態）
図１２に示す第４実施形態でもＳＡＷセンサ２０２の他の構成を例示する。図１２に示すＳＡＷセンサ２０２は、ＩＤＴ２０５ａ及び反射器２０６ａによる第１ＳＡＷ素子２２０、及び、ＩＤＴ２０５ｂ及び反射器２０６ｂによる第２ＳＡＷ素子２２１、を同一の圧電体基板７に併設して備える。ＩＤＴ２０５ａと反射器２０６ａとが圧電体基板７の上の第１所定領域に第１伝搬経路長Ｌ１の第１伝搬経路Ａを備える。ＩＤＴ２０５ｂと反射器２０６ｂとが圧電体基板７の上の第２所定領域に第２伝搬経路長Ｌ２の第２伝搬経路Ｂを備える。このような場合、ＩＤＴ２０５ａと反射器２０６ａとが第１伝搬経路Ａを通じてＳＡＷを伝達し、ＩＤＴ２０５ｂと反射器２０６ｂとが第２伝搬経路Ｂを通じてＳＡＷを伝達する。そして、これらのＩＤＴ２０５ａ、２０５ｂと反射器２０６ａ、２０６ｂとが互いに並列してセンシング装置３に接続されている。このようなＳＡＷセンサ２０２を用いても同様に適用できる。

（第５実施形態）
図１３に示す第５実施形態でもＳＡＷセンサ３０２の他の構成を例示する。第１実施形態ではＩＤＴ５が２つの反射器６ａ、６ｂに挟まれることで第１及び第２伝搬経路Ａ、Ｂを備える形態を示したが、図１３に示すＳＡＷセンサ３０２は、この構成要素５、６ａ、６ｂによる第１ＳＡＷ素子３２０に加えて、他のＩＤＴ３０５及び反射器３０６による第２ＳＡＷ素子３２１を別途備え、この第２ＳＡＷ素子３２１が第３伝搬経路長Ｌ３の第３伝搬経路Ｃを通じてＳＡＷを伝達する形態としても良い。第１〜第３の伝搬経路Ａ〜Ｃの伝搬経路長Ｌ１〜Ｌ３は互いに異なる距離とすると良い。センシング装置３はこれらの第１〜第３の伝搬経路Ａ〜Ｃのうち何れか２つのＳＡＷを選択的に受信する。このようなＳＡＷセンサ３０２を用いても同様に適用できる。

（第６実施形態）
図１４に示す第６実施形態でもＳＡＷセンサ４０２の他の構成を例示する。図１４に示すＳＡＷセンサ４０２は、短絡タイプの入力用ＩＤＴ４０５ａ及び出力用ＩＤＴ４０６ａによる第１ＳＡＷ素子４２０と、反射型のＩＤＴ４０５ｂ及び反射器４０６ｂによる第２ＳＡＷ素子４２１とを同一の圧電体基板７の上に搭載して構成される。ここで、短絡タイプの入力用ＩＤＴ４０５ａと出力用ＩＤＴ４０６ａとの一方の電極は短絡して構成されており、他方の電極は接地されている。ＩＤＴ４０５ｂ及び反射器４０６ｂは、ＩＤＴ５及び反射器６と同様の構造とされている。

本実施形態では、信号源８がバースト信号をＳＡＷセンサ４０２に入力させるときには、制御装置４の制御部１６がスイッチ１０を切換えることによりＳＡＷセンサ４０２と信号源とを接続してＳＡＷセンサ４０２に入力させ、ＳＡＷがＳＡＷセンサ４０２を伝搬している最中にスイッチ１０をミキサ１２及び１３側に切換えることでセンシング装置３が検出信号を入力する。このようなＳＡＷセンサ４０２を用いても同様に適用できる。

（他の実施形態）
前述実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
ＳＡＷセンサの種類は、前述実施形態に挙げた例に限定されるものではなく、前述実施形態に挙げた例以外にも種々の形態のものを採用することができる。遅延線タイプのＳＡＷセンサであり少なくとも２つ以上の伝搬経路Ａ、Ｂ（、Ｃ）を備える形態であれば、どのようなタイプのＳＡＷセンサでも適用できる。例えば、図１５にＳＡＷセンサ５０２を示すように、共通の圧電体基板７の上にＩＤＴ５０５が一方に形成されると共に、反射器５０６ａ、５０６ｂが他方に２つ離間して形成されている形態に適用しても良い。

前述実施形態では、ＳＡＷセンサ２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２の測定対象となる物理量について、温度を対象として説明したが、この測定対象は前述説明に限定されるものではなく、位相角θが変化することに応じて変化する物理量であれば測定対象として適用できる。例えば、このＳＡＷセンサ２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２を取り付けた対象物の歪みを測定することも可能となる。

なお、特許請求の範囲に付した括弧付き符号は本願明細書の構成要素に対応する符号を付したものであり構成要素の一例を挙げたものである。したがって、本願に係る発明は当該特許請求の範囲の構成要素に付した符号の要素に限られるわけではなく、特許請求の範囲内の用語又はその均等の範囲で様々な拡張が可能である。

図面中、２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２は弾性表面波センサ（ＳＡＷセンサ）、１２０、２２０、３２０、４２０は第１ＳＡＷ素子、１２１、２２１、３２１、４２１は第２ＳＡＷ素子、３、３ａはセンシング装置、４は制御装置、１９は位相角算出部、θＡは第１位相角、θＢは第２位相角、θdiffは位相差、を示す。

Claims (3)

1. 第１伝搬経路長を備える第１伝搬経路、及び、第２伝搬経路長を備える第２伝搬経路を備える遅延線タイプの弾性表面波センサ（以下ＳＡＷセンサ）（２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２）と、
   信号源から所定周波数のバースト信号を前記ＳＡＷセンサに伝搬させ伝搬信号を検出するセンシング装置（３、３ａ）と、
   前記センシング装置の検出信号に応じて前記ＳＡＷセンサに影響する物理量を算出する制御装置（４）と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記センシング装置の検出信号に応じて位相角を算出する位相角算出部（１９）を備え、前記位相角算出部は、前記ＳＡＷセンサの第１伝搬経路を通じて検出された第１検出信号及び前記バースト信号に応じて算出される第１位相角（θＡ）と、前記バースト信号が前記ＳＡＷセンサの第２伝搬経路を通じて検出された第２検出信号及び前記バースト信号に応じて算出される第２位相角（θＢ）と、の位相差（θdiff）を演算し、前記演算された位相差に応じて前記ＳＡＷセンサに影響する物理量を検出し、
   前記第１位相角（θＡ）及び第２位相角（θＢ）は共に、前記ＳＡＷセンサ（２）に影響する物理量の変化に応じて位相特性中の第１象限〜第４象限内で変化し、且つ、当該第１象限〜第４象限内において−１８０［ｄｅｇ］≦θＡ≦１８０［ｄｅｇ］、且つ、−１８０［ｄｅｇ］≦θＢ≦１８０［ｄｅｇ］の範囲内の値を得る演算量であり、
   前記位相角算出部は、前記第１位相角（θＡ）及び前記第２位相角（θＢ）が時間経過に伴い変化したときに、前記第１位相角（θＡ）又は前記第２位相角（θＢ）が第２象限から第３象限に跨いだと判定したときには変化量の加減算と共に３６０［ｄｅｇ］加算して補正し、前記第１位相角（θＡ）又は前記第２位相角（θＢ）が第３象限から第２象限に跨いだと判定したときには変化量の加減算と共に３６０［ｄｅｇ］減算して補正することを特徴とするセンシングシステム。
2. 請求項１記載のセンシングシステムにおいて、
   １つの前記ＳＡＷセンサが、前記第１及び第２の伝搬経路を備えることを特徴とするセンシングシステム。
3. 請求項１記載のセンシングシステムにおいて、
   前記ＳＡＷセンサは、第１ＳＡＷ素子（１２０、２２０、３２０、４２０）、及び、第２ＳＡＷ素子（１２１、２２１、３２１、４２１）を備え、
   前記第１ＳＡＷ素子が前記第１伝搬経路を備え、
   前記第２ＳＡＷ素子が前記第２伝搬経路を備えることを特徴とするセンシングシステム。

Images