JP6519803B2

JP6519803B2 - Sensor and measuring device

Info

Publication number: JP6519803B2
Application number: JP2016067626A
Authority: JP
Inventors: 高橋　英紀; 英紀高橋; 正之尾崎
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd; Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd; Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017181248A

Description

本発明は、センサおよび測定装置に関する。 The present invention relates to sensors and measuring devices.

特許文献１には、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave；表面弾性波）を利用した無電源ワイヤレス式のセンサについて開示されている。この特許文献１に開示されているセンサでは、圧電基板上に形成された表面弾性波反射ＩＤＴ（Interdigital Transducer；櫛形電極）に対して、インピーダンス変化型センサの一例としてサーミスタが接続されている。特許文献１に記載されたセンサは、サーミスタのインピーダンスの温度変化によって表面弾性波反射ＩＤＴの反射率を変化させることで、温度を検出する。 Patent Document 1 discloses a non-power wireless sensor using SAW (Surface Acoustic Wave). In the sensor disclosed in Patent Document 1, a thermistor is connected as an example of an impedance change type sensor to a surface acoustic wave reflection IDT (Interdigital Transducer; comb-shaped electrode) formed on a piezoelectric substrate. The sensor described in Patent Document 1 detects the temperature by changing the reflectance of the surface acoustic wave reflection IDT according to the temperature change of the impedance of the thermistor.

特開２０１２−２５５７０６号公報JP 2012-255706 A

上述した特許文献１では、上述したインピーダンス変化型センサとして、物理現象によってインピーダンスが変化する素子を広く採用することができるとされている。しかしながら、高周波の受動素子ではインピーダンスが大きく変化するものは限られている。そのため、センサの感度が低くなってしまうことがある。例えば、歪センサは抵抗変化が微量であり、これを使うためには電源付きのアンプが必要である。すなわち、電源付きのアンプなしでは感度が低くなる。また、圧電素子では、発生電圧は変化するものの、インピーダンス変化は小さい。このため、反射特性を大きく変化させることは難しく、センシング感度が低くなる。 In Patent Document 1 mentioned above, it is supposed that an element whose impedance changes due to a physical phenomenon can be widely adopted as the above-mentioned impedance change type sensor. However, in high frequency passive elements, those whose impedance changes significantly are limited. Therefore, the sensitivity of the sensor may be lowered. For example, a strain sensor has a small amount of resistance change, and to use this, an amplifier with a power supply is required. That is, without an amplifier with a power supply, the sensitivity is low. Further, in the piezoelectric element, although the generated voltage changes, the impedance change is small. For this reason, it is difficult to significantly change the reflection characteristic, and the sensing sensitivity becomes low.

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、センシング感度を向上させることができるセンサおよび測定装置を提供する。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and provides a sensor and a measuring device capable of improving the sensing sensitivity.

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、アンテナに接続された第１櫛形電極と、前記第１櫛形電極から離れて配置された第２櫛形電極とを有する圧電基板と、振動に応じた電圧を発生する振動検出素子と、前記第２櫛形電極に接続されるとともに前記振動検出素子が発生した電圧が印加される可変容量素子とを備え、前記第１櫛形電極が、前記アンテナから入力された電気信号を表面弾性波に変換して送信し、前記第２櫛形電極が、当該第２櫛形電極間のインピーダンスに応じて反射率を変化させて前記第１櫛形電極が送信した表面弾性波を反射し、そして、前記第１櫛形電極が、前記第２櫛形電極が反射した表面弾性波を受信して、電気信号に変換して前記アンテナへ出力するセンサである。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention relates to a piezoelectric substrate having a first comb-shaped electrode connected to an antenna and a second comb-shaped electrode spaced apart from the first comb-shaped electrode; And a variable capacitance element connected to the second comb electrode and to which the voltage generated by the vibration detection element is applied, the first comb electrode being input from the antenna The surface acoustic wave transmitted from the first comb-shaped electrode by converting the converted electric signal into a surface acoustic wave and transmitting it, and the second comb-shaped electrode changes the reflectance according to the impedance between the second comb-shaped electrodes. , And the first comb electrode receives the surface acoustic wave reflected by the second comb electrode, converts the surface acoustic wave into an electrical signal, and outputs the electrical signal to the antenna.

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記振動検出素子が圧電素子である。 Moreover, one aspect of the present invention is the above-mentioned sensor, wherein the vibration detection element is a piezoelectric element.

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記第２櫛形電極に接続される回路のインピーダンスを調整する調整用素子をさらに備える。 One aspect of the present invention is the above-mentioned sensor, further comprising an adjustment element for adjusting the impedance of the circuit connected to the second comb electrode.

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記第２櫛形電極を構成する互いに対向する第１電極と第２電極とのうち、前記第１電極に前記可変容量素子（以下、第１可変容量素子）の一端が接続され、前記第２電極に前記第１可変容量素子とは異なる第２可変容量素子の一端が接続され、前記第１可変容量素子の他端と前記第２可変容量素子の他端とがともに負荷素子の一端に接続されている。 One embodiment of the present invention is the above-mentioned sensor, wherein the first electrode and the second electrode of the second comb-like electrode, the first electrode and the second electrode, the first electrode is the variable capacitance element (hereinafter referred to as the second sensor). One end of one variable capacitance element is connected, one end of a second variable capacitance element different from the first variable capacitance element is connected to the second electrode, and the other end of the first variable capacitance element and the second variable The other end of the capacitive element is connected to one end of the load element.

また、本発明の一態様は、上記センサであって、前記表面弾性波の動作特性が互いに異なる複数のセンサと、前記センサの前記アンテナに対して所定の電波を送信する送信部と、前記センサの前記アンテナから送信された電波を受信する受信部とを備えた計測装置である。 One aspect of the present invention is the above-mentioned sensor, wherein a plurality of sensors having different operation characteristics of the surface acoustic wave, a transmitting unit for transmitting a predetermined radio wave to the antenna of the sensor, and the sensor And a receiver configured to receive the radio wave transmitted from the antenna.

本発明によれば、振動検出素子と可変容量素子とを組み合わせることでインピーダンスの大きな変化を取り出すことができる。よって、センシング感度を向上させることができる。 According to the present invention, a large change in impedance can be extracted by combining the vibration detection element and the variable capacitance element. Thus, the sensing sensitivity can be improved.

本発明によるセンサの第１の実施形態の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of 1st Embodiment of the sensor by this invention. 図１に示したセンサ１０の動作例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation example of the sensor 10 shown in FIG. 図１に示したセンサ１０の動作例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation example of the sensor 10 shown in FIG. 図１に示したセンサ１０の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the sensor 10 shown in FIG. 図１に示したセンサ１０の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the sensor 10 shown in FIG. 本発明によるセンサの第２の実施形態を説明するための模式図である。FIG. 5 is a schematic view for explaining a second embodiment of the sensor according to the present invention. 本発明による計測装置の実施形態を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for describing embodiment of the measuring device by this invention. 図７に示した計測装置２００の動作例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation example of the measuring device 200 shown in FIG.

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明によるセンサの第１の実施形態の構成例を示す模式図である。図１に示したセンサ１０は、圧電基板１と、アンテナ２と、櫛形電極３と、櫛形電極４と、バリキャップダイオード５と、振動検出素子６と、インダクタ７とを備える。櫛形電極３と櫛形電極４とは、互いに離して配置されて圧電基板１上に形成されている。ここで、振動検出素子６は、振動に応じた電圧を発生する受動素子である。振動検出素子６としては、一例として圧電素子があげられる。櫛形電極３はアンテナ２に接続されている。櫛形電極４を構成する互いに対向する電極４ａと電極４ｂとのうち、電極４ａはバリキャップダイオード５のカソードとインダクタ７の一端とに接続されている。電極４ｂはグランドに接続されている。バリキャップダイオード５のアノードはグランドに接続されている。インダクタ７の他端は振動検出素子６の一端に接続されている。そして、振動検出素子６の他端はグランドに接続されている。 First Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a configuration example of a first embodiment of a sensor according to the present invention. The sensor 10 shown in FIG. 1 includes a piezoelectric substrate 1, an antenna 2, a comb electrode 3, a comb electrode 4, a varicap diode 5, a vibration detection element 6, and an inductor 7. The comb-shaped electrode 3 and the comb-shaped electrode 4 are formed apart from each other on the piezoelectric substrate 1. Here, the vibration detection element 6 is a passive element that generates a voltage according to the vibration. An example of the vibration detection element 6 is a piezoelectric element. The comb electrode 3 is connected to the antenna 2. The electrode 4 a is connected to the cathode of the varicap diode 5 and one end of the inductor 7 among the electrode 4 a and the electrode 4 b facing each other which constitute the comb-shaped electrode 4. The electrode 4b is connected to the ground. The anode of the varicap diode 5 is connected to the ground. The other end of the inductor 7 is connected to one end of the vibration detection element 6. The other end of the vibration detection element 6 is connected to the ground.

圧電基板１は、水晶、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等の圧電性材料によって形成されている。アンテナ２は、図示していない外部の送信装置が送信した電波を受信し、高周波の電気信号に変換して櫛形電極３へ出力する。櫛形電極３は、アンテナ２から入力した高周波信号によって励振され、圧電基板１の表面にＳＡＷ１１を発生する。櫛形電極４は到達したＳＡＷ１１を高周波信号に変換する。そして、櫛形電極４は、到達したＳＡＷ１１を、電極４ａおよび電極４ｂ間のインピーダンスに応じた反射率で、ＳＡＷ１２として反射する。櫛形電極３は、ＳＡＷ１２を高周波信号に変換し、アンテナ２に対して出力する。アンテナ２は、櫛形電極３から入力した高周波信号を電波に変換して送信する。 The piezoelectric substrate 1 is formed of a piezoelectric material such as quartz, lithium niobate (LiNbO ₃ ), lithium tantalate (LiTaO ₃ ) or the like. The antenna 2 receives a radio wave transmitted by an external transmission device (not shown), converts it into a high frequency electric signal, and outputs the electric signal to the comb electrode 3. The comb-shaped electrode 3 is excited by the high frequency signal input from the antenna 2 and generates the SAW 11 on the surface of the piezoelectric substrate 1. The comb electrode 4 converts the reached SAW 11 into a high frequency signal. Then, the comb electrode 4 reflects the reached SAW 11 as a SAW 12 with a reflectance according to the impedance between the electrode 4 a and the electrode 4 b. The comb electrode 3 converts the SAW 12 into a high frequency signal and outputs the high frequency signal to the antenna 2. The antenna 2 converts a high frequency signal input from the comb electrode 3 into a radio wave and transmits it.

一方、振動検出素子６は、圧電効果を利用した受動素子であり、外力を電圧に変換する。振動が振動検出素子６に加えられると、振動検出素子６は振動に応じた電圧を発生する。振動検出素子６が発生した電圧は、インダクタ７を介してバリキャップダイオード５に印加される。また、インダクタ７は、櫛形電極４で発生した高周波信号が振動検出素子６に流れ込むのを阻止する。すなわち、インダクタ７を振動検出素子６と直列に設けることで、振動検出素子６が有する静電容量に高周波信号が入力されるのを防いでいる。また、バリキャップダイオード５は、可変容量素子であり、印加された逆方向電圧の大きさに応じて静電容量を変化させる。逆方向電圧が大きくなると容量は減少し、逆方向電圧が小さくなると容量は増加する。したがって、振動検出素子６で振動が観測された場合、次の流れで櫛形電極４が反射した反射波ＳＡＷ１２のレベルが変化する。すなわち、振動検出素子６で振動が観測されると、振動検出素子６が発生する電圧が変化する。振動検出素子６が発生する電圧が変化すると、バリキャップダイオード５の容量が変化する。バリキャップダイオード５の容量が変化すると、櫛形電極４のインピーダンスが変化する。そして、櫛形電極４のインピーダンスが変化すると、反射波ＳＡＷ１２のレベルが変化する。 On the other hand, the vibration detection element 6 is a passive element utilizing the piezoelectric effect, and converts an external force into a voltage. When vibration is applied to the vibration detection element 6, the vibration detection element 6 generates a voltage according to the vibration. The voltage generated by the vibration detection element 6 is applied to the varicap diode 5 via the inductor 7. Further, the inductor 7 prevents the high frequency signal generated by the comb electrode 4 from flowing into the vibration detection element 6. That is, by providing the inductor 7 in series with the vibration detection element 6, the high frequency signal is prevented from being input to the capacitance of the vibration detection element 6. Further, the varicap diode 5 is a variable capacitance element, and changes the electrostatic capacitance in accordance with the magnitude of the reverse voltage applied. As the reverse voltage increases, the capacity decreases, and as the reverse voltage decreases, the capacity increases. Therefore, when vibration is observed by the vibration detection element 6, the level of the reflected wave SAW 12 reflected by the comb electrode 4 changes in the next flow. That is, when vibration is observed by the vibration detection element 6, the voltage generated by the vibration detection element 6 changes. When the voltage generated by the vibration detection element 6 changes, the capacitance of the varicap diode 5 changes. When the capacitance of the varicap diode 5 changes, the impedance of the comb electrode 4 changes. When the impedance of the comb electrode 4 changes, the level of the reflected wave SAW 12 changes.

例えば、図２に示したように、振動検出素子６に加えられた振動が波形（振動波形）２１のように正弦波状に変化した場合、櫛形電極４の反射率は、振動波形２１の半波分の変化に対応して実線２２のように変化する。図２は、振動検出素子６に加えられた力（この場合、加速度）の向きおよび大きさの時間変化を波形２１として、また、櫛形電極４の反射率の大きさの時間変化を実線２２として、模式的に表している。 For example, as shown in FIG. 2, when the vibration applied to the vibration detection element 6 changes in a sine wave like the waveform (vibration waveform) 21, the reflectance of the comb electrode 4 is a half wave of the vibration waveform 21. It changes as a solid line 22 corresponding to the change of the minute. FIG. 2 shows the time change of the direction and magnitude of the force (in this case, acceleration) applied to the vibration detection element 6 as the waveform 21, and the time change of the reflectivity of the comb electrode 4 as the solid line 22. , Is represented schematically.

次に、図３を参照して、図１に示したセンサ１０の動作例について説明する。図３は、アンテナ２の入出力信号の時間変化を示す模式図である。なお、センサ１０の櫛形電極３と櫛形電極４との間のＳＡＷ遅延は１μｓであるとする。また、図示していない外部の送信装置は、１μｓの時間幅を有する周波数４３０ＭＨｚのバースト波を５μｓ毎に送信することとする。この場合、アンテナ２は、５μｓ毎に時間幅１μｓの周波数４３０ＭＨｚのバースト信号３１を櫛形電極３へ出力する。一方、櫛形電極３からアンテナ２へは、バースト信号３１からＳＡＷ遅延の２倍の２μｓ遅延した反射信号３２が５μｓ毎に入力される。このように送信信号をバーストパルスとすることで入出力信号を時間軸で分離することができる。なお、上述したように、反射信号３２の大きさは、振動検出素子６へ加えられる振動に応じて変化する。振動検出素子６に加えられる振動の周期が５μｓより十分大きい場合、振動の時間変化を十分とらえることができる。 Next, an operation example of the sensor 10 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view showing time change of input and output signals of the antenna 2. The SAW delay between the comb electrode 3 and the comb electrode 4 of the sensor 10 is 1 μs. Further, an external transmission device (not shown) transmits a burst wave of 430 MHz at a frequency of 1 μs every 5 μs. In this case, the antenna 2 outputs a burst signal 31 having a frequency of 430 MHz and a time width of 1 μs to the comb electrode 3 every 5 μs. On the other hand, from the comb electrode 3 to the antenna 2, the reflected signal 32 delayed from the burst signal 31 by 2 μs, which is twice the SAW delay, is input every 5 μs. By setting the transmission signal as burst pulses in this manner, input and output signals can be separated on the time axis. As described above, the magnitude of the reflected signal 32 changes in response to the vibration applied to the vibration detection element 6. When the period of the vibration applied to the vibration detection element 6 is sufficiently larger than 5 μs, the time change of the vibration can be sufficiently grasped.

以上のように、本実施形態によれば、無電源ワイヤレス式の振動センサにおいて、振動検出素子６とバリキャップダイオード５（可変容量素子）とを組み合わせることで、振動に応じて大きなインピーダンスの変化を発生させることができる。すなわち、センシング感度を容易に高めることができる。 As described above, according to the present embodiment, in the non-power supply wireless type vibration sensor, by combining the vibration detection element 6 and the varicap diode 5 (variable capacitance element), a large change in impedance according to the vibration is obtained. Can be generated. That is, the sensing sensitivity can be easily enhanced.

なお、本実施形態のセンサ１０は、アンテナ２に接続された櫛形電極３（第１櫛形電極）と、櫛形電極３から離れて配置された櫛形電極４（第２櫛形電極）とを有する圧電基板１と、振動に応じた電圧を発生する受動素子である振動検出素子６（振動検出素子）と、櫛形電極４に接続されるとともに振動検出素子６が発生した電圧が印加されるバリキャップダイオード５（可変容量素子）とを備えている。 The sensor 10 of the present embodiment is a piezoelectric substrate having a comb electrode 3 (first comb electrode) connected to the antenna 2 and a comb electrode 4 (second comb electrode) disposed away from the comb electrode 3. 1 and a vibration detecting element 6 (vibration detecting element) which is a passive element generating a voltage according to vibration, and a varicap diode 5 connected to the interdigital electrode 4 and to which a voltage generated by the vibration detecting element 6 is applied. And (variable capacitance element).

また、振動検出素子や可変容量素子は、圧電素子やバリキャプダイオードに限定されない。振動検出素子は、振動に応じた電圧を発生する受動素子であればよく、例えば、コイルとすることができる。すなわち、振動検出素子をコイルとして、磁石やバネと組み合わせることで、振動を電圧変化として検出することができる。また、可変容量素子は、印加電圧に応じて容量が変化する素子であればよく、半導体素子に限らず、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）可変容量素子でもよい。また、振動検出素子や可変容量素子は、複数の素子を並列または直列に接続したものであってもよいし、例えば圧電素子とコイル等、異なる方式の素子を組み合わせたものであってもよい。 Further, the vibration detection element and the variable capacitance element are not limited to the piezoelectric element and the varicap diode. The vibration detection element may be a passive element that generates a voltage according to the vibration, and can be, for example, a coil. That is, by combining the vibration detection element as a coil with a magnet or a spring, vibration can be detected as a voltage change. The variable capacitance element is not limited to the semiconductor element, and may be, for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) variable capacitance element, as long as the element has a capacitance that changes according to the applied voltage. The vibration detection element or the variable capacitance element may be a plurality of elements connected in parallel or in series, or may be a combination of elements of different systems such as a piezoelectric element and a coil.

また、アンテナ２での入出力信号の分離は図３を参照して説明したバーストパルスを用いる方式に限定されない。例えば、外部の送受信装置の送信アンテナと受信アンテナとを分ければ、ＦＭＣＷ（frequency modulated continuous wave；周波数変調連続波）方式で定在波によって送信波と反射波とを分離することができる。 Further, separation of input and output signals in the antenna 2 is not limited to the method using burst pulses described with reference to FIG. For example, if the transmitting antenna and the receiving antenna of the external transmitting and receiving apparatus are separated, it is possible to separate the transmitting wave and the reflected wave by the standing wave by the FMCW (frequency modulated continuous wave) system.

次に、図４および図５を参照して、図１に示した第１の実施形態の変形例について説明する。図４に示したセンサ１０ａおよび図５に示したセンサ１０ｂは、図１に示したセンサ１０に対して１または複数のインダクタ、コンデンサまたは抵抗を追加した構成を有している。なお、図４および図５において、図１に示したものと同一または対応する構成には同一の符号をつけて説明を省略する。 Next, a variation of the first embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. The sensor 10a shown in FIG. 4 and the sensor 10b shown in FIG. 5 have a configuration in which one or more inductors, capacitors or resistors are added to the sensor 10 shown in FIG. In FIGS. 4 and 5, the same or corresponding components as or to those shown in FIG.

図４に示したセンサ１０ａは、図１に示したセンサ１０と比較して、コンデンサ４１と、抵抗４２と、インダクタ４３とを新たに備える。コンデンサ４１は、バリキャップダイオード５のカソードと櫛形電極４の電極４ａとの間に挿入されている。抵抗４２の一端はバリキャップダイオード５のカソードに接続され、他端はインダクタ４３の一端に接続されている。インダクタ４３の他端はグランドに接続されている。 The sensor 10a shown in FIG. 4 newly includes a capacitor 41, a resistor 42, and an inductor 43, as compared to the sensor 10 shown in FIG. The capacitor 41 is inserted between the cathode of the varicap diode 5 and the electrode 4 a of the comb electrode 4. One end of the resistor 42 is connected to the cathode of the varicap diode 5, and the other end is connected to one end of the inductor 43. The other end of the inductor 43 is connected to the ground.

コンデンサ４１は、振動検出素子６が発生する低周波の電圧が櫛形電極４に印加されないように設けられている。コンデンサ４１を設けることで、振動検出素子６が発生する電圧を、櫛形電極４の耐圧を超える電圧に設定することができる。 The capacitor 41 is provided such that a low frequency voltage generated by the vibration detection element 6 is not applied to the comb electrode 4. By providing the capacitor 41, the voltage generated by the vibration detection element 6 can be set to a voltage exceeding the withstand voltage of the comb electrode 4.

インダクタ４３は、櫛形電極４に接続される回路のインピーダンスを調整する調整用素子として機能する。例えば、櫛形電極４が出力する高周波信号の周波数において、インダクタ４３とバリキャップダイオード５とが並列共振回路を構成するように、インダクタ４３のインダクタンス値を設定する。この場合、櫛形電極４に接続される回路を共振点で動作させた場合、櫛形電極４の反射率を大きくすることができる。なお、抵抗４２は、振動検出素子６が発生する低周波の電圧がグランドに低インピーダンスで接続されることを防止する。 The inductor 43 functions as an adjustment element for adjusting the impedance of the circuit connected to the comb electrode 4. For example, the inductance value of the inductor 43 is set such that the inductor 43 and the varicap diode 5 form a parallel resonant circuit at the frequency of the high frequency signal output from the comb electrode 4. In this case, when the circuit connected to the comb electrode 4 is operated at the resonance point, the reflectance of the comb electrode 4 can be increased. The resistor 42 prevents the low frequency voltage generated by the vibration detection element 6 from being connected to the ground with low impedance.

一方、図５に示したセンサ１０ｂは、図１に示したセンサ１０と比較して、抵抗５１と、インダクタ５２とを新たに備える。抵抗５１は、バリキャップダイオード５のカソードと櫛形電極４の電極４ａとの間に挿入されている。インダクタ５２は、一端が電極４ａに接続され、他端がグランドに接続されている。 On the other hand, the sensor 10b shown in FIG. 5 newly includes a resistor 51 and an inductor 52 as compared with the sensor 10 shown in FIG. The resistor 51 is inserted between the cathode of the varicap diode 5 and the electrode 4 a of the comb electrode 4. One end of the inductor 52 is connected to the electrode 4a, and the other end is connected to the ground.

抵抗５１は、振動検出素子６が発生する電圧が、直接（低インピーダンスで）、櫛形電極４に印加されないようにするとともに、インダクタ５２を介して低インピーダンスでグランドに印加されないようにするために設けられている。この抵抗５１を設けることで、例えば櫛形電極４の耐圧を超える電圧に、振動検出素子６が発生する電圧を設定することができる。 The resistance 51 is provided to prevent the voltage generated by the vibration detection element 6 from being directly (low impedance) applied to the comb electrode 4 and to prevent low impedance via the inductor 52 to be applied to the ground. It is done. By providing the resistor 51, for example, the voltage generated by the vibration detection element 6 can be set to a voltage exceeding the withstand voltage of the comb electrode 4.

インダクタ５２は調整用素子であり、図４に示したインダクタ４３に対応する。インダクタ５２は、インダクタ４３と同様に、櫛形電極４に接続される回路のインピーダンスを調整する。例えば、櫛形電極４が出力する高周波信号の周波数において、インダクタ５２とバリキャップダイオード５とが並列共振回路を構成するように、インダクタ５２のインダクタンス値を設定する。上述したように、櫛形電極４に接続される回路を共振点で動作させた場合、櫛形電極４の反射率を大きくすることができる。なお、抵抗５１は、コンデンサに代えてもよい。 The inductor 52 is an adjustment element, and corresponds to the inductor 43 shown in FIG. The inductor 52 adjusts the impedance of the circuit connected to the comb electrode 4 in the same manner as the inductor 43. For example, the inductance value of the inductor 52 is set so that the inductor 52 and the varicap diode 5 constitute a parallel resonant circuit at the frequency of the high frequency signal output from the comb electrode 4. As described above, when the circuit connected to the comb electrode 4 is operated at a resonance point, the reflectance of the comb electrode 4 can be increased. The resistor 51 may be replaced by a capacitor.

＜第２の実施形態＞
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図６（Ａ）は本発明の第２の実施形態のセンサ１００の構成例を示した模式図である。図６（Ｂ）〜（Ｆ）は、図６（Ａ）に示したセンサ１００の動作を説明するための模式図である。なお、図６において、図１に示したものと同一または対応する構成には同一の符号を付けて説明を省略する。 Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a schematic view showing a configuration example of the sensor 100 according to the second embodiment of the present invention. 6 (B) to 6 (F) are schematic diagrams for explaining the operation of the sensor 100 shown in FIG. 6 (A). In FIG. 6, the same or corresponding components as or to those shown in FIG.

図６（Ａ）に示したセンサ１００は、櫛形電極４に接続される回路が、バリキャップダイオード６１および６２と、インダクタ６３〜６５と、振動検出素子６６とから構成されている。櫛形電極４の一方の電極４ａには、バリキャップダイオード６１のカソードとインダクタ６４の一方の端子とが接続されている。他方の電極４ｂには、バリキャップダイオード６２のカソードとインダクタ６５の一方の端子とが接続されている。バリキャップダイオード６１のアノードおよびバリキャップダイオード６２のアノードはともにインダクタ６３の一方の端子に接続されている。インダクタ６３の他方の端子はグランドに接続されている。インダクタ６４の他方の端子は振動検出素子６６の一方の端子に接続されている。そして、インダクタ６５の他方の端子は振動検出素子６６の他方の端子に接続されている。 In the sensor 100 shown in FIG. 6A, a circuit connected to the comb electrode 4 includes varicap diodes 61 and 62, inductors 63 to 65, and a vibration detection element 66. The cathode of the varicap diode 61 and one terminal of the inductor 64 are connected to one electrode 4 a of the comb electrode 4. The other electrode 4 b is connected to the cathode of the varicap diode 62 and one terminal of the inductor 65. The anode of the varicap diode 61 and the anode of the varicap diode 62 are both connected to one terminal of the inductor 63. The other terminal of the inductor 63 is connected to the ground. The other terminal of the inductor 64 is connected to one terminal of the vibration detection element 66. The other terminal of the inductor 65 is connected to the other terminal of the vibration detection element 66.

次に、図６（Ｂ）〜（Ｆ）を参照して、図６（Ａ）に示したセンサ１００の動作例について説明する。図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、センサ１００の簡易的な等価回路を示す。図６（Ｂ）は、振動検出素子６が発生した電圧の極性がインダクタ６４側が負である場合のセンサ１００の簡易的な等価回路である。この場合、バリキャップダイオード６１は短絡した状態であり、バリキャップダイオード６２が容量の変化するコンデンサとして動作する。また、破線のブロック６７内は櫛形電極４から高周波的には見えない。図６（Ｂ）に示した回路において、振動検出素子６６に加えられた力が図２の波形２１のように正弦波状に変化したとすると、バリキャップダイオード６２の容量変化に応じて、櫛形電極４の反射率の大きさは、図６（Ｅ）に実線で示したように振動波形２１の半波分の変化に対応して変化する。 Next, an operation example of the sensor 100 shown in FIG. 6 (A) will be described with reference to FIGS. 6 (B) to 6 (F). 6 (B) and 6 (C) show simple equivalent circuits of the sensor 100. FIG. FIG. 6B is a simplified equivalent circuit of the sensor 100 when the polarity of the voltage generated by the vibration detection element 6 is negative on the side of the inductor 64. In this case, the varicap diode 61 is in a short-circuited state, and the varicap diode 62 operates as a capacitor whose capacitance changes. Further, the inside of the broken block 67 is not visible from the comb electrode 4 at high frequency. In the circuit shown in FIG. 6B, assuming that the force applied to the vibration detection element 66 changes sinusoidally as shown by the waveform 21 in FIG. 2, the comb electrode according to the capacity change of the varicap diode 62. The magnitude of the reflectance of 4 changes corresponding to the change of the half wave of the vibration waveform 21 as shown by the solid line in FIG.

一方、図６（Ｃ）は、振動検出素子６６が発生した電圧の極性がインダクタ６４側が正である場合のセンサ１００の簡易的な等価回路である。この場合、バリキャップダイオード６２は短絡した状態であり、バリキャップダイオード６１が容量の変化するコンデンサとして動作する。また、破線のブロック６７内は櫛形電極４から高周波的には見えない。図６（Ｃ）に示した回路において、振動検出素子６６に加えられた力が図２の波形２１のように正弦波状に変化したとすると、バリキャップダイオード６１の容量変化に応じて、櫛形電極４の反射率の大きさは、図６（Ｆ）に実線で示したように振動波形２１の半波分の変化に対応して変化する。 On the other hand, FIG. 6C is a simple equivalent circuit of the sensor 100 when the polarity of the voltage generated by the vibration detection element 66 is positive on the inductor 64 side. In this case, the varicap diode 62 is in a shorted state, and the varicap diode 61 operates as a capacitor whose capacitance changes. Further, the inside of the broken block 67 is not visible from the comb electrode 4 at high frequency. In the circuit shown in FIG. 6C, assuming that the force applied to the vibration detection element 66 changes sinusoidally as shown by the waveform 21 in FIG. 2, the comb electrode according to the capacity change of the varicap diode 61. The magnitude of the reflectance of 4 changes corresponding to the change of the half of the vibration waveform 21 as indicated by the solid line in FIG.

したがって、図６（Ａ）に示したセンサ１００において、振動検出素子６６に加えられた力が図２の波形２１のように正弦波状に変化した場合、バリキャップダイオード６１および６２の容量変化に応じて、櫛形電極４の反射率の大きさは、図６（Ｄ）に実線で示したように振動波形２１の半波分の変化に対応して変化する。 Therefore, in the sensor 100 shown in FIG. 6A, when the force applied to the vibration detection element 66 changes in a sine wave as shown by the waveform 21 in FIG. The magnitude of the reflectance of the comb-shaped electrode 4 changes corresponding to the change of the half wave of the vibration waveform 21 as shown by the solid line in FIG. 6 (D).

以上のように、本実施形態によれば、無電源ワイヤレス式の振動センサにおいて、振動検出素子６６とバリキャップダイオード６１とバリキャップダイオード６２とを組み合わせることで、振動検出素子６６が発生する電圧の極性にかかわらずインピーダンスの大きな変化を取り出すことができる。 As described above, according to the present embodiment, in the vibration sensor without power supply, the combination of the vibration detection element 66, the varicap diode 61, and the varicap diode 62 generates voltage of the voltage generated by the vibration detection element 66. Large changes in impedance can be taken out regardless of polarity.

なお、本実施形態のセンサ１００では、櫛形電極４（第２櫛形電極）を構成する互いに対向する電極４ａ（第１電極）と電極４ｂ（第２電極）とのうち、電極４ａにバリキャップダイオード６１（第１可変容量素子）の一端が接続されている。また、電極４ｂにバリキャップダイオード６２（第２可変容量素子）の一端が接続されている。そして、バリキャップダイオード６１の他端とバリキャップダイオード６２の他端とがともにインダクタ６３（負荷素子）の一端に接続されている。 In the sensor 100 according to the present embodiment, the varicap diode is placed on the electrode 4 a among the electrodes 4 a (first electrode) and the electrode 4 b (second electrode) that form the comb electrode 4 (second comb electrode). One end of 61 (first variable capacitance element) is connected. Further, one end of a varicap diode 62 (second variable capacitance element) is connected to the electrode 4 b. The other end of the varicap diode 61 and the other end of the varicap diode 62 are both connected to one end of the inductor 63 (load element).

＜第３の実施形態＞
次に、図７および図８を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は本発明の第３の実施形態の計測装置２００の構成例を示した模式図である。そして、図８は、図７に示した計測装置２００の動作例を説明するための模式図である。 Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8. FIG. 7 is a schematic view showing a configuration example of a measuring device 200 according to the third embodiment of the present invention. And FIG. 8 is a schematic diagram for demonstrating the operation example of the measuring device 200 shown in FIG.

図７に示した計測装置２００は、親機２３と、センサ１０−１、１０−２および１０−３とを備える。この場合、親機２３およびセンサ１０−１〜１０−３は、橋梁７１に設置されている。親機２３は、例えば路肩からメンテナンスできるように設置することができる。 The measuring device 200 illustrated in FIG. 7 includes a parent device 23 and sensors 10-1, 10-2, and 10-3. In this case, the parent device 23 and the sensors 10-1 to 10-3 are installed on the bridge 71. The parent device 23 can be installed, for example, so that maintenance can be performed from the road shoulder.

センサ１０−１、１０−２および１０−３は、上述した第１の実施形態または第２の実施形態のセンサ１０、１０ａ、１０ｂまたは１００である。センサ１０−１、１０−２および１０−３は、ＳＡＷの動作特性が互いに異なる。ＳＡＷの動作特性とは、ＳＡＷの動作状態の性質である。ＳＡＷの動作特性としては、例えば、櫛形電極３と櫛形電極４との間のＳＡＷ遅延の大きさがあげられる。あるいは、ＳＡＷを最も強く励振する櫛形電極３に印加される交流電圧の周波数があげられる。この交流電圧の周波数は、櫛形電極３および櫛形電極４を構成するすだれ状の電極の周期で決定される。以下、センサ１０−１、１０−２および１０−３は、図１に示したセンサ１０であり、櫛形電極３と櫛形電極４との間のＳＡＷ遅延がそれぞれ１μｓ、２μｓおよび３μｓであるとして説明を行う。 The sensors 10-1, 10-2 and 10-3 are the sensors 10, 10a, 10b or 100 of the first embodiment or the second embodiment described above. The sensors 10-1, 10-2 and 10-3 have different operation characteristics of the SAW. The operating characteristic of the SAW is the nature of the operating state of the SAW. The operating characteristics of the SAW include, for example, the magnitude of the SAW delay between the comb electrode 3 and the comb electrode 4. Alternatively, the frequency of the alternating voltage applied to the comb electrode 3 which excites the SAW most strongly is given. The frequency of this alternating voltage is determined by the period of the interdigital electrodes constituting the comb electrode 3 and the comb electrode 4. In the following, the sensors 10-1, 10-2 and 10-3 are the sensors 10 shown in FIG. 1 and are described as assuming that the SAW delay between the comb electrode 3 and the comb electrode 4 is 1 μs, 2 μs and 3 μs, respectively. I do.

親機２３は、図示していない送信部と受信部とを内部に備えるとともに、アンテナ２４とアンテナ２５とを備える。送信部は、アンテナ２４を用いて、センサ１０−１〜１０−３のアンテナ２に対して所定の電波を送信する。受信部は、アンテナ２４を用いて、センサ１０−１〜１０−３のアンテナ２から送信された電波を受信する。また、親機２３は、図示していない制御部と通信部とを内部に備える。制御部は、送信部と受信部とを制御し、センサ１０−１〜１０−３からの受信（反射）信号の大きさを集積し、例えば、大きさと振動周波数の対応テーブルから振動の周波数を取得する。また、制御部は、通信部を制御し、アンテナ２５を用いて所定の通信網に接続し、検出結果を表すデータを所定の通信先に対して送信する。 The parent device 23 internally includes a transmitting unit and a receiving unit (not shown), and also includes an antenna 24 and an antenna 25. The transmission unit transmits a predetermined radio wave to the antennas 2 of the sensors 10-1 to 10-3 using the antenna 24. The receiving unit uses the antenna 24 to receive the radio waves transmitted from the antennas 2 of the sensors 10-1 to 10-3. Also, the parent device 23 internally includes a control unit and a communication unit (not shown). The control unit controls the transmission unit and the reception unit, integrates the magnitudes of the received (reflected) signals from the sensors 10-1 to 10-3, and, for example, analyzes the vibration frequency from the correspondence table of the size and vibration frequency. get. Also, the control unit controls the communication unit, connects to a predetermined communication network using the antenna 25, and transmits data representing the detection result to a predetermined communication destination.

次に、図８を参照して、図７に示した計測装置２００の動作例について説明する。図８は、センサ１０−１〜１０−３の各アンテナ２の入出力信号の時間変化を示す模式図である。なお、親機２３は、１μｓの時間幅を有する周波数４３０ＭＨｚのバースト波を８μｓ毎に送信することとする。この場合、各アンテナ２は、８μｓ毎に時間幅１μｓの周波数４３０ＭＨｚのバースト信号８１を出力する。一方、各アンテナ２へは、バースト信号８１からＳＡＷ遅延の２倍の２μｓ、４μｓまたは６μｓ遅延した反射信号８２、８３または８４が８μｓ毎に入力される。このように送信信号をバーストパルスとし、さらにＳＡＷ遅延の大きさを異ならせることで信号８１〜８４を時間軸で分離することができる。 Next, an operation example of the measuring apparatus 200 shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic view showing a time change of input and output signals of each antenna 2 of the sensors 10-1 to 10-3. The parent device 23 transmits a burst wave with a frequency of 430 MHz having a time width of 1 μs every 8 μs. In this case, each antenna 2 outputs a burst signal 81 having a frequency of 430 MHz and a time width of 1 μs every 8 μs. On the other hand, to each antenna 2, a reflected signal 82, 83 or 84 delayed from the burst signal 81 by 2 μs, 4 μs or 6 μs, which is twice the SAW delay, is input every 8 μs. As described above, the transmission signals can be burst pulses, and the signals 81 to 84 can be separated along the time axis by making the magnitudes of the SAW delays different.

センサ１０−１〜１０−３は、バッテリレスおよびワイヤレスで、取り付け箇所の振動を感度良く検出することができる。したがって、バッテリレスであることから保守コストを低く抑えることができる。また、ワイヤレスであることから設置の自由度が高い。 The sensors 10-1 to 10-3 can detect the vibration of the attachment location with high sensitivity in a batteryless and wireless manner. Therefore, the maintenance cost can be reduced because the battery is not used. In addition, because it is wireless, there is a high degree of freedom in installation.

なお、上記の説明では、センサ１０−１〜１０−３においてＳＡＷ遅延を異ならせることとしたが、ＳＡＷを最も強く励振する櫛形電極３に印加される交流電圧の周波数を異ならせる場合には、例えば、次のようにして各センサの検出値を別々に取り出すことができる。すなわち、親機２３からは、複数の異なる周波数の信号を同時にまたは時間差を持たせて送信する。この場合、センサ１０−１〜１０−３は、観測している振動に応じた信号をそれぞれのＳＡＷを最も強く励振する周波数で送信する。したがって、親機２３は、受信信号から各周波数の信号を別々に取り出すことで、センサ１０−１〜１０−３の各反射信号を取得することができる。 In the above description, the SAW delay is made different in the sensors 10-1 to 10-3. However, in the case where the frequency of the AC voltage applied to the comb electrode 3 which excites the SAW most strongly is made different, For example, the detection value of each sensor can be separately taken out as follows. That is, from the parent device 23, signals of a plurality of different frequencies are transmitted simultaneously or with a time difference. In this case, the sensors 10-1 to 10-3 transmit signals according to the observed vibration at a frequency that most strongly excites each SAW. Therefore, the parent device 23 can acquire each reflection signal of the sensors 10-1 to 10-3 by separately extracting the signal of each frequency from the reception signal.

＜その他の実施形態＞
なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、振動検出素子６を他の物理量を電圧に変換する検出素子に代えてもよい。例えば、図１に示した振動検出素子６を、熱電対や熱電堆に代えることで熱や光を検出するセンサに変更することができる。また、例えば、図１に示した振動検出素子６を、例えば風力や水力を動力源とする発電機に代えることで風力や水力を検出するセンサに変更することができる。 <Other Embodiments>
The embodiments of the present invention are not limited to the above, but also include design etc. within the scope of the present invention. For example, the vibration detection element 6 may be replaced with a detection element that converts another physical quantity into a voltage. For example, the vibration detection element 6 shown in FIG. 1 can be changed to a sensor that detects heat or light by replacing it with a thermocouple or a thermocouple. Further, for example, the vibration detection element 6 shown in FIG. 1 can be changed to a sensor that detects wind power or water power, for example, by replacing it with a generator powered by wind power or water power.

１０、１０ａ、１０ｂ、１００、１０−１〜１０−３センサ
２００計測装置
２３親機
１圧電基板
２、２４、２５アンテナ
３、４櫛形電極
５、６１、６２バリキャップダイオード
６、６６振動検出素子
７、４３、５２、６３〜６５インダクタ
４１コンデンサ
４２、５１抵抗 10, 10a, 10b, 100, 10-1 to 10-3 Sensor 200 Measuring device 23 Parent device 1 Piezoelectric substrate 2, 24, 25 Antenna 3, 4 Comb electrode 5, 61, 62 Varicap diode 6, 66 Vibration detection element 7, 43, 52, 63 to 65 Inductor 41 Capacitor 42, 51 Resistance

Claims

A piezoelectric substrate having a first comb electrode connected to an antenna and a second comb electrode spaced apart from the first comb electrode;
A vibration detection element that generates a voltage according to the vibration;
And a variable capacitance element connected to the second comb electrode and to which a voltage generated by the vibration detection element is applied.
The first comb electrode converts an electric signal input from the antenna into a surface acoustic wave and transmits the surface acoustic wave,
The second comb electrode changes the reflectance according to the impedance between the second comb electrodes to reflect the surface acoustic wave transmitted by the first comb electrode, and
A sensor, wherein the first comb electrode receives the surface acoustic wave reflected by the second comb electrode, converts the surface acoustic wave into an electrical signal, and outputs the electrical signal to the antenna.

The sensor according to claim 1, wherein the vibration detection element is a piezoelectric element.

The sensor according to claim 1, further comprising an adjusting element that adjusts an impedance of a circuit connected to the second comb electrode.

Of the first and second electrodes facing each other that constitute the second comb electrode,
One end of the variable capacitance element (hereinafter referred to as a first variable capacitance element) is connected to the first electrode,
One end of a second variable capacitance element different from the first variable capacitance element is connected to the second electrode,
The sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the other end of the first variable capacitance element and the other end of the second variable capacitance element are both connected to one end of a load element.

The sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of sensors having different operation characteristics of the surface acoustic wave,
A transmitter configured to transmit a predetermined radio wave to the antenna of the sensor;
And a receiver configured to receive radio waves transmitted from the antenna of the sensor.