JP6451035B2 - 共振素子の無線計測システム - Google Patents
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Description
図1に、磁気結合している1対のコイル11の回路図、その等価回路および、1次側から見た1対のコイル11のインピーダンスおよび位相と周波数との関係を示す。なお、図1(c)は、1対のコイル11のコイル間結合係数kが、0<k<1のときのシミュレーション結果であり、各コイルの直流抵抗成分は非常に低いと仮定している。また、1次側コイル11aと2次側コイル11bのインダクタンスおよび寄生容量は等しいと仮定し、それぞれL0、C0とする。このとき、1次側から見たインピーダンスZは、
本発明の実施の形態の共振素子の無線計測システムは、図1に示す原理に基づいて構成されている。すなわち、図2に示すように、本発明の実施の形態の共振素子の無線計測システム10は、1対のコイル11と共振素子12と位相ロックループ(PLL:Phase Lock Loop)回路13と負荷回路14と加算手段15とを有している。無線計測システム10は、1対のコイル11の1次側から共振素子12を共振させる信号を送信し、共振素子12の共振周波数の変化を1対のコイル11の1次側で受動的に検出するよう構成されている。
以下、無線計測システム10を用いて、シミュレーションおよび実機検証を行った。
シミュレーションに用いた共振素子12であるSAW共振子の特性等を、図3に示す。図3(a)に示すように、SAW共振子の等価回路は、一般的な共振子の等価回路であり、シミュレーションに用いたパラメータを、図3(c)に示す。図3(c)に示すように、シミュレーションに用いた2つのSAW共振子12a,12bの共振周波数は、それぞれ203MHzと204MHzである。これは、実機検証に用いたSAW共振子の実際の特性である。
1次側コイル11aと2次側コイル11bで共振周波数を合わせる。2次側コイル11bには、図3(c)から、各SAW共振子12a,12bの並列コンデンサCp1=2.3pF、Cp2=2.4pFが加わるため、1次側コイル11aの側に、Cb=2.3+2.4=4.7pFを並列接続する。これらの値は、図3の実機検証で用いた1次側のコンデンサの実際の値である。
各SAW共振子12a,12bのRs1,Cs1,Ls1およびRs2,Ls2、Cs2直列共振回路部分をオープンとして、1次側から見た時のインピーダンスZを計算すると、(1)式から容易に(8)式が求まる。また、共振周波数は、(2)式から容易に(10)式として求まる。なお、コイルの内部抵抗は非常に小さいものとして無視している。
1対のコイル11の2次側の特性を1次側で得るためには、入力信号fv(t)と2次側からの応答とを分離するために負荷回路14が必要となる。一般に、50Ω計測系の回路では、50Ωの負荷抵抗で応答分離を行う。しかし、ここでは、図4に示す抵抗負荷から成る負荷回路14a、および容量性負荷から成る負荷回路14bを通して、PLL回路13からのVCO信号fv(t)を印加することを考える。
上記のように、1対のコイル11の共振周波数と1次側の直列共振周波数との間に、各SAW共振子12a,12bの共振周波数を配置したときの、1対のコイル11の2次側の電圧Vsawと、そのときの1次側の電圧V0との関係を算出すると、
以上の条件に基づいて、シミュレーションを行った。図7に、入力信号fv(t)を実効振幅1Vrmsとして、周波数スイープしたときのシミュレーション結果を示す。なお、1対のコイル11の結合係数を、k=0.1としている。図7(b)が、各SAW共振子12a,12bに印加される電圧Vsawを示し、図7(a)が1対のコイル11の1次側負荷出力電圧V0の周波数応答を示している。
次に、PLL回路13の位相検波器の出力特性を評価するための実機による測定を行った。ここでは、一方のPLL回路13のみを動作させ、入力信号fv(t)を周波数スイープして入力し、また同じ信号をPLL回路13の位相検波器1の参照信号とした。これにより、抵抗負荷と容量性負荷の位相検波能力の差を見ることができる。
上記のシミュレーションおよび実機検証では、各SAW共振子12a,12bの共振周波数に対し、1対のコイル11の共振周波数frを高い側にシフトさせた場合について考えたが、1対のコイル11の共振周波数frを各SAW共振子12a,12bの共振周波数fSよりも低い周波数にシフトさせてもよい。この場合、図1(c)に示すように、1対のコイル11の高い周波数側のピークよりも高い周波数は容量性となるため、各SAW共振子12a,12bよりも高い周波数で直列共振が起こるように、負荷回路14として誘導性負荷から成る負荷回路を配置する。
11 1対のコイル
11a 1次側コイル
11b 2次側コイル
12 共振素子
12a,12b SAW共振子
13 位相ロックループ(PLL)回路
14 負荷回路
15 加算手段
15a ゲイン調整器
Claims (7)
- 磁界共振により結合された1次側コイルおよび2次側コイルと、
共振を利用して物理量を測定可能であり、前記2次側コイルに並列に接続された共振素子と、
容量性負荷または誘導性負荷から成り、前記1次側コイルに直列に接続された負荷回路とを有し、
前記1次側コイルの側から前記2次側コイルの側に向かって前記共振素子を共振させる信号を送信し、前記共振素子の共振周波数の変化を前記1次側コイルの側で受動的に検出するよう構成されており、
前記共振素子の共振周波数が、前記1次側コイルと前記2次側コイルの共振周波数と、前記負荷回路と前記1次側コイルおよび前記2次側コイルとで形成される直列共振周波数との間の周波数に設定されていることを
特徴とする共振素子の無線計測システム。 - 前記共振素子は複数から成り、それぞれ前記2次側コイルに並列に接続されていることを特徴とする請求項1記載の共振素子の無線計測システム。
- 前記共振素子の容量と同等の容量のコンデンサが、前記1次側コイルに並列に接続されていることを特徴とする請求項1または2記載の共振素子の無線計測システム。
- 前記共振素子の数に対応して1または複数設けられ、対応する共振素子を共振させる信号を発振可能に、前記1次側コイルに接続された電圧制御発振器を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の共振素子の無線計測システム。
- 前記共振素子および前記電圧制御発振器は複数から成り、
各電圧制御発振器で発振した信号を加算するよう構成され、その加算信号を各共振素子を共振させる信号として送信可能に、各電圧制御発振器と前記1次側コイルとの間に設けられた加算手段を有し、
前記加算手段は、前記加算信号がゼロとなる点を持たないよう、各電圧制御発振器で発振した信号の振幅を調整して加算するよう構成されていることを
特徴とする請求項4記載の共振素子の無線計測システム。 - 前記共振素子は、SAW共振子であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の共振素子の無線計測システム。
- 前記共振素子の共振周波数は、前記1次側コイルと前記2次側コイルの共振周波数よりも、前記負荷回路と前記1次側コイルおよび前記2次側コイルとで形成される直列共振周波数に近い周波数に設定されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の共振素子の無線計測システム。
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