JP6863714B2 - センサ情報生成装置及びセンサ情報生成・取得システム - Google Patents

Description

本開示は、センサ情報を生成するセンサ情報生成装置と、センサ情報を取得するセンサ情報取得装置と、を備えるセンサ情報生成・取得システムに関する。

センサ情報を生成するセンサ情報生成装置と、センサ情報を取得するセンサ情報取得装置と、を備えるセンサ情報生成・取得システムに関して、特願２０１６−０６７６２６の技術文献が存在しており、この技術文献の内容及び課題について説明する。
特願２０１６−０６７６２６

従来技術のセンサ情報生成・取得システムの構成を図１に示す。センサ情報生成・取得システムＳ’は、センサ情報取得装置１’及びセンサ情報生成装置２’から構成される。センサ情報生成装置２’は、送受信共用アンテナ２１’、遅延回路２２’、振動発電素子２３’、可変容量ダイオード２４’及びインダクタ２５’から構成される。

センサ情報取得装置１’は、センサ情報生成装置２’に質問信号を送信する。送受信共用アンテナ２１’は、センサ情報取得装置１’から質問信号を受信する。

遅延回路２２’は、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）回路等であり、櫛形電極２２−１’により音波信号に変換された質問信号を、櫛形電極２２−１’と対向する櫛形電極２２−３’により反射させて、圧電基板２２−２’により往復時間だけ伝搬させることにより、質問信号に往復時間だけ遅延を施す。

センサ情報生成・取得システムＳ’は、物体の振動を検出する。振動発電素子２３’は、圧電素子等であり、物体の振動に応じて、出力電圧を変化させる。可変容量ダイオード２４’は、振動発電素子２３’の出力電圧に応じて、容量を変化させる。櫛形電極２２−３’は、可変容量ダイオード２４’の容量に応じて、電極間のインピーダンスが変化され音波信号の反射率を変化させる。インダクタ２５’は、櫛形電極２２−３’で発生した高周波信号が振動発電素子２３’に入力されることを阻止する。

送受信共用アンテナ２１’は、往復時間だけの遅延及び反射率に応じた振幅変調を施された質問信号を、センサ情報取得装置１’に応答信号として送信する。センサ情報取得装置１’は、センサ情報生成装置２’から応答信号を受信する。

このように、各センサ情報生成装置２’が、各センサ情報生成装置２’固有の往復時間だけの遅延を質問信号に施すことにより、センサ情報取得装置１’は、質問信号と応答信号とを混信しないことができ、各センサ情報生成装置２’を識別することができる。そして、センサ情報生成装置２’が、反射率に応じた振幅変調を質問信号に施すことにより、センサ情報取得装置１’は、物体の振動の情報を応答信号から抽出することができる。さらに、センサ情報生成装置２’は、質問信号及び物体の振動に応じて、パッシブに応答するのみであり、無電源で動作することができ、設置や保守を容易にすることができる。

センサ情報生成装置２’は、反射率に応じた振幅変調を質問信号に施している。よって、センサ情報取得装置１’は、応答信号の振幅の変化が、各センサ情報生成装置２’との通信距離の相違から生じるものであるのか、各センサ情報生成装置２’での物体の振動の検出から生じるものであるのか、区別することができない。そして、応答信号の振幅の変化の原因を抽出するためには、センサ情報生成装置２’は、図１で示した構成を設置するのみならず、物体の振動と無関係なリファレンス素子を設置する必要があり、センサ情報取得装置１’は、図１で示した構成からの応答信号と、物体の振動と無関係なリファレンス素子からのリファレンス信号と、の差分を計測する必要がある。

センサ情報生成装置２’は、反射前後の往復時間だけの遅延を質問信号に施している。よって、センサ情報生成装置２’において、最適なインピーダンス設計が困難であり、装置全体の設計や各回路の最適化や装置全体の低損失化が困難である。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、センサ情報生成・取得システムの中で、（１）センサ情報取得装置において、各センサ情報生成装置との通信距離に関係なく、各センサ情報生成装置でのセンサ情報を抽出すること、及び、（２）センサ情報生成装置において、最適なインピーダンス設計を容易にするとともに、装置全体の設計や各回路の最適化や装置全体の低損失化を容易にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、センサ情報生成装置において、音波信号に変換された質問信号を所定時間だけ通過させることにより、質問信号に所定時間だけ遅延を施すとともに、電気信号に変換された質問信号にセンサ情報で変調を施すにあたり、位相変調のみを施す又は位相変調及び振幅変調を独立に施すこととした。

具体的には、本開示は、センサ情報をセンサ情報取得装置に提供するセンサ情報生成装置であって、前記センサ情報取得装置から質問信号を受信する受信アンテナと、音波信号に変換された前記質問信号を所定時間だけ通過させることにより、前記質問信号に前記所定時間だけ遅延を施す遅延回路と、電気信号に変換された前記質問信号に前記センサ情報で変調を施すにあたり、位相変調のみを施す又は位相変調及び振幅変調を独立に施す位相変調回路と、前記所定時間だけの遅延及び前記センサ情報による変調を施された前記質問信号を、前記センサ情報取得装置に応答信号として送信する送信アンテナと、を備えることを特徴とするセンサ情報生成装置である。

この構成によれば、センサ情報生成装置は、センサ情報に応じた位相変調を質問信号に施している。よって、センサ情報取得装置は、各センサ情報生成装置との通信距離に関係なく、各センサ情報生成装置でのセンサ情報を抽出することができる。

そして、センサ情報生成装置は、片道時間だけの遅延を質問信号に施している。よって、センサ情報生成装置は、最適なインピーダンス設計を容易にするとともに、装置全体の設計や各回路の最適化や装置全体の低損失化を容易にすることができる。

また、本開示は、前記受信アンテナ及び前記送信アンテナは、送受信共用アンテナであり、前記送受信共用アンテナで受信された前記質問信号を二分配し、二分配した一方の前記質問信号であって、前記所定時間だけの遅延及び前記センサ情報による変調をこの順序で施された前記質問信号と、二分配した他方の前記質問信号であって、前記センサ情報による変調及び前記所定時間だけの遅延をこの順序で施された前記質問信号と、を合成し、合成した前記質問信号を前記送受信共用アンテナに出力する二分配回路、をさらに備えることを特徴とするセンサ情報生成装置である。

この構成によれば、二分配回路を用いることにより、受信アンテナ及び送信アンテナを共用することができ、センサ情報生成装置を小型化・低価格化・低損失化することができる。なお、二分配回路に代えて、サーキュレータを用いるときには、センサ情報生成装置を小型化・低価格化することができない。

また、本開示は、前記センサ情報は、物体の振動の情報であり、前記位相変調回路は、前記物体の振動に応じて、極板間の誘電体の挿入深さを変化させ容量を変化させる可変容量素子を備え、前記可変容量素子の容量に応じて、電気信号に変換された前記質問信号に位相変調を施すことを特徴とするセンサ情報生成装置である。

この構成によれば、位相変調回路中の可変インピーダンス素子として、物体の振動に応じて極板間の誘電体の挿入深さを変化させる可変容量素子を用いるため、物体の動的な振動を検出するとともに、物体の静的な歪みを検出することができる。

また、本開示は、前記センサ情報は、物体の振動の情報であり、前記位相変調回路は、前記物体の振動に応じて、振動発電素子の出力電圧を印加され容量を変化させる可変容量素子を備え、前記可変容量素子の容量に応じて、電気信号に変換された前記質問信号に位相変調を施すことを特徴とするセンサ情報生成装置である。

この構成によれば、位相変調回路中の可変インピーダンス素子として、物体の振動に応じて振動発電素子の出力電圧を印加される可変容量素子を用いるため、物体の動的な振動を検出するとともに、位相変調回路の設計を容易にすることができる。

また、本開示は、以上に記載のセンサ情報生成装置と、前記センサ情報を前記センサ情報生成装置から取得するセンサ情報取得装置と、を備えることを特徴とするセンサ情報生成・取得システムである。

この構成によれば、センサ情報生成装置及びセンサ情報取得装置を備えるセンサ情報生成・取得システムにおいて、以上に記載の効果を奏することができる。

このように、本開示によれば、センサ情報生成・取得システムの中で、（１）センサ情報取得装置において、各センサ情報生成装置との通信距離に関係なく、各センサ情報生成装置でのセンサ情報を抽出すること、及び、（２）センサ情報生成装置において、最適なインピーダンス設計を容易にするとともに、装置全体の設計や各回路の最適化や装置全体の低損失化を容易にすることができる。

従来技術のセンサ情報生成・取得システムの構成を示す図である。 本開示のセンサ情報生成・取得システムの概要を示す図である。 本開示の第１のセンサ情報生成・取得システムの構成を示す図である。 本開示の第２のセンサ情報生成・取得システムの構成を示す図である。 本開示の位相変調回路の具体例を示す図である。 本開示の第１の可変容量素子の具体例を示す図である。 本開示の第１の可変容量素子の容量特性を示す図である。 本開示の位相変調回路の位相特性を示す図である。 本開示の第２の可変容量素子の具体例を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示のセンサ情報生成・取得システムの概要を図２に示す。センサ情報生成・取得システムＳは、センサ情報取得装置１及びセンサ情報生成装置２−１、２−２、２−３から構成される。センサ情報生成・取得システムＳは、例えば、橋梁Ｂの振動を検出する。センサ情報取得装置１は、例えば、橋梁Ｂの路肩に設置される。各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３は、例えば、橋梁Ｂの各車線の直下に設置される。

センサ情報取得装置１は、センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３に質問信号を送信する。各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３は、センサ情報取得装置１から質問信号を受信し、各所定時間だけの遅延及び橋梁Ｂの各車線の振動に応じた位相変調を施された質問信号を、センサ情報取得装置１に各応答信号として送信する。センサ情報取得装置１は、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３から各応答信号を受信し、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３での橋梁Ｂの各車線の振動の情報を抽出する。橋梁Ｂの各車線の振動の情報は、インターネットＩを介して、管理者に通知される。

このように、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３が、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３固有の各所定時間だけの遅延を質問信号に施すことにより、センサ情報取得装置１は、質問信号と応答信号とを混信しないことができ、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３を識別することができる。そして、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３が、橋梁Ｂの各車線の振動に応じた位相変調を質問信号に施すことにより、センサ情報取得装置１は、橋梁Ｂの各車線の振動の情報を応答信号から抽出することができる。さらに、各センサ情報生成装置２−１、２−２、２−３は、質問信号及び橋梁Ｂの各車線の振動に応じて、パッシブに応答するのみであり、無電源で動作することができ、橋梁Ｂの各車線の直下での設置や保守を容易にすることができる。

本開示の第１のセンサ情報生成・取得システムの構成を図３に示す。センサ情報生成・取得システムＳは、センサ情報取得装置１及び単数又は複数のセンサ情報生成装置２から構成される。単数又は複数のセンサ情報生成装置２は、受信アンテナ２１、遅延回路２２、位相変調回路２３及び送信アンテナ２４から構成される。

センサ情報取得装置１は、センサ情報生成装置２に質問信号を送信する。受信アンテナ２１は、センサ情報取得装置１から質問信号を受信する。

遅延回路２２は、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）回路等であり、音波信号に変換された質問信号を所定時間Ｔだけ通過させることにより、質問信号に所定時間Ｔだけ遅延を施す。図１に示した遅延回路２２’は、反射型の遅延回路であるのに対して、図３に示した遅延回路２２は、通過型の遅延回路である。

位相変調回路２３は、図５に示すバンドパスフィルタの位相特性を利用するもの等であり、電気信号に変換された質問信号にセンサ情報で変調を施すにあたり、位相変調のみを施す又は位相変調及び振幅変調を独立に施す。センサ情報の例として、振動、圧力、温度及び湿度等の情報が含まれる。独立な位相変調及び振幅変調の例として、位相変調器（可変移相器）と振幅変調器（可変アッテネータ）を独立に用意する。図１に示した櫛形電極２２−３’は、質問信号に振幅変調を施すのに対して、図３に示した位相変調回路２３は、質問信号に位相変調のみを施す又は位相変調及び振幅変調を独立に施す。

送信アンテナ２４は、所定時間Ｔだけの遅延及びセンサ情報による位相変調（及び独立の振幅変調）を施された質問信号を、センサ情報取得装置１に応答信号として送信する。センサ情報取得装置１は、センサ情報生成装置２から応答信号を受信する。

本実施形態では、所定時間Ｔだけの遅延及びセンサ情報による位相変調（及び独立の振幅変調）をこの順序で施しているが、変形例として、センサ情報による位相変調（及び独立の振幅変調）及び所定時間Ｔだけの遅延をこの順序で施してもよい。

図３の記載では、センサ情報生成・取得システムＳは、単数のセンサ情報生成装置２から構成されている。変形例として、センサ情報生成・取得システムＳは、複数のセンサ情報生成装置２から構成されていてもよい。このとき、１本の受信アンテナ２１が、複数のセンサ情報生成装置２の間で共有されていてもよい。そして、１本の送信アンテナ２４が、複数のセンサ情報生成装置２の間で共有されていてもよい。

このように、センサ情報生成装置２は、センサ情報に応じた位相変調を質問信号に施している。よって、センサ情報取得装置１は、各センサ情報生成装置２との通信距離に関係なく、各センサ情報生成装置２でのセンサ情報を抽出することができる。

そして、センサ情報生成装置２は、片道時間だけの遅延を質問信号に施している。よって、センサ情報生成装置２は、最適なインピーダンス設計を容易にするとともに、装置全体の設計や各回路の最適化や装置全体の低損失化を容易にすることができる。

本開示の第２のセンサ情報生成・取得システムの構成を図４に示す。センサ情報生成・取得システムＳは、センサ情報取得装置１及び単数又は複数のセンサ情報生成装置２から構成される。単数又は複数のセンサ情報生成装置２は、送受信共用アンテナ２５、二分配回路２６、遅延回路２２及び位相変調回路２３から構成される。

センサ情報取得装置１は、センサ情報生成装置２に質問信号を送信する。送受信共用アンテナ２５は、センサ情報取得装置１から質問信号を受信する。

二分配回路２６は、ウィルキンソン型の二分配回路等であり、送受信共用アンテナ２５で受信された質問信号を二分配する。二分配した各系統の質問信号について説明する。

二分配した一方の質問信号については、まず、遅延回路２２は、音波信号に変換された質問信号を所定時間Ｔだけ通過させることにより、質問信号に所定時間Ｔだけ遅延を施し、次に、位相変調回路２３は、電気信号に変換された質問信号にセンサ情報で変調を施すにあたり、位相変調のみを施す又は位相変調及び振幅変調を独立に施す。

二分配した他方の質問信号については、まず、位相変調回路２３は、電気信号に変換された質問信号にセンサ情報で変調を施すにあたり、位相変調のみを施す又は位相変調及び振幅変調を独立に施し、次に、遅延回路２２は、音波信号に変換された質問信号を所定時間Ｔだけ通過させることにより、質問信号に所定時間Ｔだけ遅延を施す。

二分配回路２６は、二分配した一方の質問信号であって、所定時間Ｔだけの遅延及びセンサ情報による位相変調（及び独立の振幅変調）をこの順序で施された質問信号と、二分配した他方の質問信号であって、センサ情報による位相変調（及び独立の振幅変調）及び所定時間Ｔだけの遅延をこの順序で施された質問信号と、を合成する。二分配された各系統の質問信号は、同一の遅延回路２２、位相変調回路２３及び回路長を逆向きに経由するため、二分配回路２６で同相で合成されることができる。

二分配回路２６は、合成した質問信号を送受信共用アンテナ２５に出力する。送受信共用アンテナ２５は、所定時間Ｔだけの遅延及びセンサ情報による位相変調（及び独立の振幅変調）を施された質問信号を、センサ情報取得装置１に応答信号として送信する。センサ情報取得装置１は、センサ情報生成装置２から応答信号を受信する。

このように、二分配回路２６を用いることにより、送受信共用アンテナ２５を用いることができ、センサ情報生成装置２を小型化・低価格化・低損失化することができる。なお、二分配回路２６に代えて、サーキュレータを用いるときには、センサ情報生成装置２を小型化・低価格化することができない。

本開示の位相変調回路の具体例を図５に示す。図５に示した位相変調回路２３は、バンドパスフィルタの位相特性を利用するものであり、センサ情報に応じて容量を変化させる可変容量素子２７をバンドパスフィルタの直列ＬＣ共振部分に備え、可変容量素子２７の容量に応じて電気信号に変換された質問信号に位相変調を施す。

本開示の第１の可変容量素子の具体例を図６に示す。図６では、センサ情報として、物体の振動の情報を想定している。位相変調回路２３は、物体の振動に応じて、極板２８間の誘電体２９の挿入深さを変化させ容量を変化させる可変容量素子２７−１を備え、可変容量素子２７−１の容量に応じて、電気信号に変換された質問信号に位相変調を施す。

本開示の第１の可変容量素子の容量特性を図７に示す。図６に示したＬの長さが短いほど、極板２８間の誘電体２９の挿入深さは深くなる。図６に示した極板２８の厚さが厚いほど、極板２８と誘電体２９との間の隙間は狭くなる。極板２８間の誘電体２９の挿入深さが深くなるほど、そして、極板２８と誘電体２９との間の隙間が狭くなるほど、可変容量素子２７−１の容量が大きくなることが確かめられる。

本開示の位相変調回路の位相特性を図８に示す。図８では、図５に示した可変容量素子２７として、図６に示した可変容量素子２７−１を用いている。図８に示したいずれの無線周波数においても、可変容量素子２７−１の可変容量と位相変調回路２３の位相変調角度とが一対一に対応していることが確かめられる。図８に示した９２０ＭＨｚの無線周波数においては、可変容量素子２７−１の可変範囲内で０度を中心として〜±２０度の位相変調回路２３の位相変調角度が得られていることが確かめられる。

このように、位相変調回路２３中の可変インピーダンス素子として、物体の振動に応じて極板２８間の誘電体２９の挿入深さを変化させる可変容量素子２７−１を用いるため、物体の動的な振動を検出するとともに、物体の静的な歪みを検出することができる。

本開示の第２の可変容量素子の具体例を図９に示す。図９でも、センサ情報として、物体の振動の情報を想定している。位相変調回路２３は、物体の振動に応じて、振動発電素子３０の出力電圧を印加され容量を変化させる可変容量ダイオード３１を備え、可変容量ダイオード３１の容量に応じて、電気信号に変換された質問信号に位相変調を施す。

このように、位相変調回路２３中の可変インピーダンス素子として、物体の振動に応じて振動発電素子３０の出力電圧を印加される可変容量素子２７−２を用いるため、物体の動的な振動を検出するとともに、位相変調回路２３の設計を容易にすることができる。

本開示のセンサ情報生成装置及びセンサ情報生成・取得システムは、橋梁等の構造物の検査等、センサ情報を応答器から質問器へと無線通信する用途に適用することができる。

Ｓ、Ｓ’：センサ情報生成・取得システム
Ｉ：インターネット
Ｂ：橋梁
１、１’：センサ情報取得装置
２、２−１、２−２、２−３、２’：センサ情報生成装置
２１：受信アンテナ
２１’：送受信共用アンテナ
２２、２２’：遅延回路
２２−１’、２２−３’：櫛形電極
２２−２’：圧電基板
２３：位相変調回路
２３’：振動発電素子
２４：送信アンテナ
２４’：可変容量ダイオード
２５：送受信共用アンテナ
２５’：インダクタ
２６：二分配回路
２７、２７−１、２７−２：可変容量素子
２８：極板
２９：誘電体
３０：振動発電素子
３１：可変容量ダイオード

Claims (4)

1. センサ情報をセンサ情報取得装置に提供するセンサ情報生成装置であって、
   前記センサ情報取得装置から質問信号を受信する受信アンテナと、
   音波信号に変換された前記質問信号を所定時間だけ通過させることにより、前記質問信号に前記所定時間だけ遅延を施す遅延回路と、
   電気信号に変換された前記質問信号に前記センサ情報で位相変調を施す位相変調回路と、
   前記所定時間だけの遅延及び前記センサ情報による位相変調を施された前記質問信号を、前記センサ情報取得装置に応答信号として送信する送信アンテナと、
   を備え、
   前記受信アンテナ及び前記送信アンテナは、送受信共用アンテナであり、
   前記送受信共用アンテナで受信された前記質問信号を二分配し、二分配した一方の前記質問信号であって、前記所定時間だけの遅延及び前記センサ情報による位相変調をこの順序で施された前記質問信号と、二分配した他方の前記質問信号であって、前記センサ情報による位相変調及び前記所定時間だけの遅延をこの順序で施された前記質問信号と、を合成し、合成した前記質問信号を前記送受信共用アンテナに出力する二分配回路、をさらに備える
   ことを特徴とするセンサ情報生成装置。
2. 前記センサ情報は、物体の振動の情報であり、前記位相変調回路は、前記物体の振動に応じて、極板間の誘電体の挿入深さを変化させ容量を変化させる可変容量素子を備え、前記可変容量素子の容量に応じて、電気信号に変換された前記質問信号に位相変調を施す
   ことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ情報生成装置。
3. 前記センサ情報は、物体の振動の情報であり、前記位相変調回路は、前記物体の振動に応じて、振動発電素子の出力電圧を印加され容量を変化させる可変容量素子を備え、前記可変容量素子の容量に応じて、電気信号に変換された前記質問信号に位相変調を施す
   ことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ情報生成装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のセンサ情報生成装置と、
   前記センサ情報を前記センサ情報生成装置から取得するセンサ情報取得装置と、
   を備えることを特徴とするセンサ情報生成・取得システム。

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