JP7310145B2

JP7310145B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP7310145B2
Application number: JP2019004160A
Authority: JP
Inventors: 高裕工藤; 卓也古市
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: JP2020112466A

Description

本発明は、センサ装置に関し、特に、インターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）を用いた無給電ワイヤレスセンサに関する。

無給電ワイヤレスセンサにおいて、ＩＤＴが用いられる。ＩＤＴは、１対の櫛歯電極を有しており、表面弾性波（ＳＡＷ）及び電気信号を相互に変換することができる。

特許文献１には、ＩＤＴを用いた無給電ワイヤレスセンサの一例について記載されている。特許文献１のセンサ装置は、圧電基板、第１インターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）及び第２ＩＤＴを含んでいる。第１ＩＤＴ及び第２ＩＤＴは、互いに対向して圧電基板上に位置している。第１ＩＤＴは、外部アンテナに対する電波の送受信を行うアンテナに電気的に接続されている。第２ＩＤＴは、外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有するセンサに電気的に接続されている。第１ＩＤＴは、外部アンテナからの電波に応じてＳＡＷを圧電基板に発生させる。第１ＩＤＴによって発生されたＳＡＷは、第２ＩＤＴによって反射される。第２ＩＤＴの反射率は、センサのインピーダンスに依存して変動する。

特開２０１２－２５５７０６号公報

本発明者は、ＩＤＴを用いた無給電ワイヤレスセンサの信頼性のさらなる向上を検討した。例えば、特許文献１に記載のセンサ装置によるセンシングは、アンテナ及び外部アンテナ間距離の影響及びノイズの影響を受け得る。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＩＤＴを用いた無給電ワイヤレスセンサの信頼性を向上させることにある。

本発明に係るセンサ装置は、圧電基板、第１インターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）、第２ＩＤＴ、第３ＩＤＴ及び測定器を含んでいる。第１ＩＤＴは、外部アンテナに対する電波の送受信を行うためのアンテナに電気的に接続されており、圧電基板上に位置している。第２ＩＤＴは、外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有するセンサに電気的に接続されており、第１ＩＤＴに対向して圧電基板上に位置している。第３ＩＤＴは、第１ＩＤＴに対向して圧電基板上に位置している。測定器は、外部アンテナによる電波の送信から、第１ＩＤＴ及び第２ＩＤＴ間における表面弾性波の伝搬を経て、外部アンテナによる電波の受信までの時間と、外部アンテナによる電波の送信から、第１ＩＤＴ及び第３ＩＤＴ間における表面弾性波の伝搬を経て、外部アンテナによる電波の受信までの時間と、の差を測定する。

本発明に係るセンサ装置は、圧電基板、第１ＩＤＴ、第２ＩＤＴ、第３ＩＤＴ及び測定器を含んでいる。第１ＩＤＴは、外部アンテナに対する電波の送受信を行うためのアンテナに電気的に接続されており、圧電基板上に位置している。第２ＩＤＴは、外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有するセンサに電気的に接続されており、第１ＩＤＴに対向して圧電基板上に位置している。第３ＩＤＴは、第１ＩＤＴに対向して圧電基板上に位置している。測定器は、第１ＩＤＴ及び第２ＩＤＴ間を伝搬する表面弾性波と、第１ＩＤＴ及び第３ＩＤＴ間を伝搬する表面弾性波と、の差を測定する。

本発明によれば、ＩＤＴを用いた無給電ワイヤレスセンサの信頼性を向上させることができる。

実施形態１に係るセンサ装置を示す図である。実施形態２に係るセンサ装置を示す図である。実施形態３に係るセンサ装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るセンサ装置１０を示す図である。

図１を用いて、センサ装置１０の概要を説明する。センサ装置１０は、圧電基板１００、第１インターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）１１０、第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び測定器２０２を含んでいる。第１ＩＤＴ１１０は、アンテナ１１２に電気的に接続されており、圧電基板１００上に位置している。アンテナ１１２は、外部アンテナ２１２に対する電波の送受信を行う。第２ＩＤＴ１２０は、センサ１２２に電気的に接続されており、第１ＩＤＴ１１０に対向して圧電基板１００上に位置している。センサ１２２は、外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有している。第３ＩＤＴ１３０は、第１ＩＤＴ１１０に対向して圧電基板１００上に位置している。測定器２０２は、外部アンテナ２１２による電波の送信から、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間における表面弾性波（ＳＡＷ）の伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間と、外部アンテナ２１２による電波の送信から、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間におけるＳＡＷの伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間と、の差を測定する。

上述した構成によれば、センサ装置１０の信頼性を向上させることができる。具体的には、圧電基板１００におけるＳＡＷの伝搬時間に依存した物理量を測定する場合においてアンテナ１１２及び外部アンテナ２１２間距離の影響を低減することができる。圧電基板１００におけるＳＡＷの伝搬時間に依存した物理量を測定する場合、外部アンテナ２１２による電波の送信から、圧電基板１００におけるＳＡＷの伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間（遅延）を測定することがある。この測定によって得られる時間（遅延）は、アンテナ１１２及び外部アンテナ２１２間における電波の伝搬時間も含んでおり、アンテナ１１２及び外部アンテナ２１２間距離の影響を受け得る。しかしながら、上述した構成によれば、上述した時間差によってアンテナ１１２及び外部アンテナ２１２間における電波の伝搬時間を打ち消し合うことができる。したがって、センサ装置１０の信頼性を向上させることができる。

図１を用いて、センサ装置１０の詳細を説明する。

センサ装置１０は、圧電基板１００、第１ＩＤＴ１１０、アンテナ１１２、第２ＩＤＴ１２０、センサ１２２及び第３ＩＤＴ１３０を含んでいる。

圧電基板１００は、圧電効果によってＳＡＷを発生させ、発生させたＳＡＷを伝搬する。圧電基板１００は、ＳＡＷの発生及び伝搬が可能な材料によって構成されている。

圧電基板１００は、平行四辺形形状を有しており、第１辺１０２ａ、第２辺１０２ｂ、第３辺１０２ｃ及び第４辺１０２ｄを有している。第２辺１０２ｂは、第１辺１０２ａの反対側にある。第３辺１０２ｃは、第１辺１０２ａ及び第２辺１０２ｂに対して斜交している。第４辺１０２ｄは、第３辺１０２ｃの反対側にある。圧電基板１００におけるＳＡＷは、第１辺１０２ａ又は第２辺１０２ｂの延伸方向（図１内のＸ方向）に沿って伝搬する。ＳＡＷの伝搬方向（図１内のＸ方向）に斜交する辺（すなわち、図１に示す例では、第３辺１０２ｃ及び第４辺１０２ｄ）は、反射防止部として機能することができる。第１辺１０２ａ及び第２辺１０２ｂに対する第３辺１０２ｃ及び第４辺１０２ｄの傾きθは、例えば、６０°にすることができる。

圧電基板１００の形状は、図１に示す例に限定されない。例えば、圧電基板１００は、矩形形状を有していてもよい。この場合、第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０は、矩形の４辺のうちの一対の対向辺（例えば、図１における第１辺１０２ａ及び第２辺１０２ｂに相当する辺）の延伸方向に対して斜めに並べることができる。このようにすることで、矩形のうちの対向する２つの角及びその周辺が反射防止部として機能することができる。さらに、矩形の４辺のうちの一対の対向辺が凹凸形状を有していてもよい。この場合、凹凸形状を有する一対の対向辺の間に第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０を並べることで、凹凸形状を有する一対の対向辺が反射防止部として機能することができる。

第１ＩＤＴ１１０は、一対の櫛歯電極を有している。一対の櫛歯電極の一方は、アンテナ１１２に電気的に接続されており、一対の櫛歯電極のもう一方は、接地されている。

第２ＩＤＴ１２０は、一対の櫛歯電極を有している。第２ＩＤＴ１２０（一対の櫛歯電極）は、センサ１２２に電気的に接続されている。

センサ１２２は、外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有している。センサ１２２は、インピーダンスの変化によって、外部からの物理量を検出することができる。例えば、センサ１２２は、サーミスタにすることができる。この例において、センサ１２２のインピーダンスは、温度に応じて変化する。センサ１２２によって検出される物理量は、温度だけでなく、他の物理量、例えば、光、音、超音波（振動）、圧力、湿度、ガス、電界又は磁界であってもよい。

第３ＩＤＴ１３０は、一対の櫛歯電極を有している。第３ＩＤＴ１３０（一対の櫛歯電極）は、図１に示すようにセンサに電気的に接続されていなくてもよいし、又はセンサに電気的に接続されていてもよい。

図１に示す例では、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０は、双方とも、第１辺１０２ａ及び第２辺１０２ｂの延伸方向（図１内のＸ方向）に第１ＩＤＴ１１０と対向している。したがって、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０の間及び第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０の間のいずれにおいても、第１辺１０２ａ及び第２辺１０２ｂの延伸方向（図１内のＸ方向）に沿ってＳＡＷを伝搬させることができる。

センサ装置１０から離れてホスト装置２００が位置している。ホスト装置２００は、測定器２０２及び外部アンテナ２１２を有している。

図１を用いて、センサ装置１０の動作の一例を説明する。

ホスト装置２００の外部アンテナ２１２は、センサ装置１０のアンテナ１１２に電波を送信する。アンテナ１１２は、外部アンテナ２１２から送信された電波に応じた高周波信号を生成する。第１ＩＤＴ１１０は、外部アンテナ２１２によって生成された高周波信号に応じたＳＡＷを圧電基板１００に発生させる。第１ＩＤＴ１１０によって発生されたＳＡＷは、圧電基板１００を伝搬して、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０によって反射される。第２ＩＤＴ１２０の反射率は、センサ１２２のインピーダンスに依存して変動する。したがって、第２ＩＤＴ１２０から反射されたＳＡＷは、センサ１２２のインピーダンスに応じたものとなる。第１ＩＤＴ１１０は、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０から反射されたＳＡＷに応じた高周波信号を生成する。アンテナ１１２は、第１ＩＤＴ１１０によって生成された高周波信号に応じた電波をホスト装置２００の外部アンテナ２１２に送信する。ホスト装置２００は、外部アンテナ２１２によって受信された電波を解析する。

第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間距離は、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間距離と異なっている。したがって、外部アンテナ２１２による電波の送信から、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間におけるＳＡＷの伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間（遅延）と、外部アンテナ２１２による電波の送信から、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間におけるＳＡＷの伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間（遅延）と、の間に差が生じ得る。これらの時間差によってアンテナ１１２及び外部アンテナ２１２間における電波の伝搬時間を打ち消し合うことができる。

第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０の配置は、図１に示す例に限定されない。例えば、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間距離は、図１に示すように第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間距離より長くてもよいし、又は第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間距離より短くてもよい。さらに、第３ＩＤＴ１３０は、図１に示すように第１ＩＤＴ１１０に対して第２ＩＤＴ１２０と同じ側に位置していてもよいし、又は第１ＩＤＴ１１０に対して第２ＩＤＴ１２０と反対側に位置していてもよい。

（実施形態２）
図２は、実施形態２に係るセンサ装置１０を示す図である。実施形態２に係るセンサ装置１０は、以下の点を除いて、実施形態１に係るセンサ装置１０と同様である。

測定器２０２は、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間を伝搬するＳＡＷと、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間を伝搬するＳＡＷと、の差を測定する。

上述した構成によれば、センサ装置１０の信頼性を向上させることができる。具体的には、圧電基板１００におけるＳＡＷに依存した物理量を測定する場合においてノイズ（例えば、圧電基板１００自身の温度による影響）の影響を低減することができる。圧電基板１００におけるＳＡＷに依存した物理量を測定する場合、圧電基板１００におけるＳＡＷは、ノイズの影響を受け得る。しかしながら、上述した構成によれば、上述した信号差によってノイズの影響を打ち消し合うことができる。したがって、センサ装置１０の信頼性を向上させることができる。

図２に示す例では、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間距離は、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間距離と実質的に等しくなっている。

第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０及び第３ＩＤＴ１３０の配置は、図２に示す例に限定されない。例えば、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間距離は、図２に示すように第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間距離と実質的に等しくなっていてもよいし、又は第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間距離と異なっていてもよい。さらに、第３ＩＤＴ１３０は、図２に示すように第１ＩＤＴ１１０に対して第２ＩＤＴ１２０と反対側に位置していてもよいし、又は第１ＩＤＴ１１０に対して第２ＩＤＴ１２０と同じ側に位置していてもよい。

（実施形態３）
図３は、実施形態３に係るセンサ装置１０を示す図である。実施形態３に係るセンサ装置１０は、以下の点を除いて、実施形態１に係るセンサ装置１０と同様である。

センサ装置１０は、第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０を含んでいる。第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０は、第１ＩＤＴ１１０を挟んで互いに反対側に位置している。測定器２０２は、外部アンテナ２１２による電波の送信から、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間におけるＳＡＷの伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間と、外部アンテナ２１２による電波の送信から、第１ＩＤＴ１１０及び第３ＩＤＴ１３０間におけるＳＡＷの伝搬を経て、外部アンテナ２１２による電波の受信までの時間と、の差を測定する。さらに、測定器２０２は、第１ＩＤＴ１１０及び第２ＩＤＴ１２０間を伝搬するＳＡＷと、第１ＩＤＴ１１０及び第４ＩＤＴ１４０間を伝搬するＳＡＷと、の差を測定する。

上述した構成によれば、センサ装置１０の信頼性を向上させることができるとともに、第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０を効率よく配置することができる。具体的には、仮に、第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０のすべてを第１ＩＤＴ１１０に対して同じ側に位置させると、第１ＩＤＴ１１０から伝搬したＳＡＷを第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０のすべてが反射することができるように、ＳＡＷの伝搬方向に直交する方向（図３内のＹ方向）において、第１ＩＤＴ１１０を大きくし、又は第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０を小さくする必要がある。これに対して、上述した構成によれば、ＳＡＷの伝搬方向に直交する方向（図３内のＹ方向）において、第１ＩＤＴ１１０を大きくし、又は第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０を小さくすることなく、第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０を配置することができる。

第１ＩＤＴ１１０、第２ＩＤＴ１２０、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０の配置は、図３に示す例に限定されない。例えば、第３ＩＤＴ１３０及び第４ＩＤＴ１４０は、図３に示すように第１ＩＤＴ１１０に対して互いに反対側に位置していてもよいし、又は第１ＩＤＴ１１０に対して同じ側に位置していてもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０センサ装置
１００圧電基板
１１０第１ＩＤＴ
１２０第２ＩＤＴ
１３０第３ＩＤＴ
１４０第４ＩＤＴ
１０２ａ第１辺
１０２ｂ第２辺
１０２ｃ第３辺
１０２ｄ第４辺
１１２アンテナ
１２２センサ
２００ホスト装置
２０２測定器
２１２外部アンテナ

Claims

圧電基板と、
外部アンテナに対する電波の送受信を行うためのアンテナに電気的に接続されており、前記圧電基板上に位置する第１ＩＤＴと、
外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有するセンサに電気的に接続されており、前記第１ＩＤＴに対向して前記圧電基板上に位置する第２ＩＤＴと、
前記第１ＩＤＴに対向して前記圧電基板上に位置する第３ＩＤＴと、
前記外部アンテナによる所定の電波の送信から、前記第１ＩＤＴ及び前記第２ＩＤＴ間における表面弾性波の伝搬を経て、前記外部アンテナによる電波の受信までの時間と、前記外部アンテナによる前記所定の電波の送信から、前記第１ＩＤＴ及び前記第３ＩＤＴ間における表面弾性波の伝搬を経て、前記外部アンテナによる電波の受信までの時間と、の差を測定する測定器と、
を含むセンサ装置。
圧電基板と、
外部アンテナに対する電波の送受信を行うためのアンテナに電気的に接続されており、前記圧電基板上に位置する第１ＩＤＴと、
外部からの物理量に応じて変化するインピーダンスを有するセンサに電気的に接続されており、前記第１ＩＤＴに対向して前記圧電基板上に位置する第２ＩＤＴと、
前記第１ＩＤＴに対向して前記圧電基板上に位置する第３ＩＤＴと、
前記外部アンテナから所定の電波が送信された場合において前記第１ＩＤＴ及び前記第２ＩＤＴ間を伝搬する表面弾性波と、前記外部アンテナから前記所定の電波が送信された場合において前記第１ＩＤＴ及び前記第３ＩＤＴ間を伝搬する表面弾性波と、の差を測定する測定器と、
を含むセンサ装置。
請求項１に記載のセンサ装置において、
前記圧電基板上において前記第１ＩＤＴを挟んで前記第３ＩＤＴと反対側に位置する第４ＩＤＴをさらに含み、
前記測定器は、前記外部アンテナから前記所定の電波が送信された場合において前記第１ＩＤＴ及び前記第２ＩＤＴ間を伝搬する表面弾性波と、前記外部アンテナから前記所定の電波が送信された場合において前記第１ＩＤＴ及び前記第４ＩＤＴ間を伝搬する表面弾性波と、の差を測定する、センサ装置。