JP7310145B2 - センサ装置 - Google Patents

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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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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