JPH09508469A - 超音波エネルギを用いる受動センサシステム - Google Patents
超音波エネルギを用いる受動センサシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
超音波エネルギを利用する受動センサシステム(14)が開示される。受動センサシステムは少なくとも1つの超音波的に振動可能なセンサ(10)と超音波活性化および検出シスデム(20、22、24、25)とを含む。センサ(10)は感知されるべき物理変数の関数である少なくとも1つの振動周波数を有する。超音波活性化および検出システム(20、22、24、25)はセンサを励振させ、物理変数の値がそこから判断される振動周波数を検出する。センサはハウジングと、ハウジングに取付けられ、かつ物理変数に応答する膜と、ハウジングの1つの端部に取付けられた振動可能なビームと、膜と振動可能なビームの小部分とに取付けられ、かつ膜の動きに応答して振動可能なビームを曲げる結合器とを含む(図2−4を参照)。
Description
【発明の詳細な説明】
超音波エネルギを用いる受動センサシステム
発明の分野
この発明は一般に受動センサに関し、特に超音波受動センサに関する。
発明の背景
(人体に埋込むか、または機械内のアクセスが困難な場所に装着するための)
受動センサはこの技術において既知である。このセンサは典型的には電磁性であ
り、活性化されると電磁信号を与える。
典型的に、先行技術のセンサシステムは機械に埋込まれるセンサと活性化およ
び検出システムとを含む。センサは典型的に測定されるべき物理変数に応答して
振動周波数が変化する発振回路である。発振回路は典型的にキャパシタおよびイ
ンダクタを含み、そのうちの1つが測定される物理変数に従って変化するように
作られる。結果として、回路の振動周波数は物理変数の関数である。
センサが活性化システムからの電磁エネルギで照らされるとき、単一の入射周
波数または複数の入射周波数が回路の(測定される物理変数に依存する)共振周
波数にいかに近いかに依存して、エネルギのうちのいくらかが発振回路によって
吸収される。発振回路によるエネルギ吸収のための、電磁界における変化は検出
システムによって検出される。
電磁センサおよびシステムは米国特許第4,127,1
10号および以下の論文に記述される。
カーター C.コリンズ(Carter C.Collins)による「目に埋込むための小
型受動圧力トランセンサ」(“Miniature Passive Pressure Transensor for Im
planting in the Eye”)IEEE生物医学工学会誌(IEEE Transactions on Bio-Me
dical Engineering)第BME−14巻第2号、1997年4月
生体組織内では、受動センサは残念なからそのアンテナ(発振回路の一部)の
直径の10倍の範囲内でしか検出可能ではない。さらに、センサシステムは導電
性エンクロージャ内では動作しない。
この発明の概要
したがって、この発明の目的は、上に挙げられた欠点を有さない受動センサシ
ステムを提供することである。
この発明は超音波エネルギを利用する受動センサシステムを提供する。受動セ
ンサは振動周波数が(圧力、温度などのような)物理変数に応じて変化する振動
可能な素子を含む。外部の活性化および検出システムは、ある範囲の周波数を有
する超音波を、超音波が振動可能な素子の現在の振動周波数を含む場合のみに応
じて共振する受動センサに送信する超音波変換器を含む。
この発明は超音波を利用するので、その範囲は1MHz未満で人間に用いるの
に十分である。さらに、センサは導電性エンクロージャ内において動作する。
この発明の好ましい実施例に従って、超音波活性化および検出システムは、a
)所望の周波数帯を有する超音波を発生するための超音波発生器と、b)超音波
を送信し、それに応答して超音波を受信するための超音波変換器システムと、c
)受信された超音波からセンサの振動周波数を検出するための周波数検出器とを
含む。
さらに、この発明の好ましい実施例に従って、受動センサは励振周波数および
送信周波数を有する。さらに、センサは基準振動周波数を有することができる。
センサの一実施例に従って、センサはa)ハウジング、b)ハウジングに取付
けられ、物理変数に応答する膜、c)ハウジングの1つの端部に取付けられる振
動可能なビーム、およびd)膜と振動可能なビームの小部分とに取付けられ、膜
の動きに応答して振動可能なビームを曲げる結合器を含む。
センサの別の実施例に従って、振動可能なビームは2つの端部に取付けられ、
結合器はビームを、励振周波数および送信周波数で振動可能な、2つの別個であ
るか結合している振動可能なビームに分割する。
さらに、この発明のさらなる好ましい実施例に従って、センサはa)励振周波
数で振動可能な薄い膜から形成された平坦なベースを有する第1のカップ形状本
体と、b)送信周波数で振動可能な厚い膜から形成された平坦なベースを有する
第2のカップ形状本体とを含む。第1および第2
の本体は囲まれた空間をその間に生じるように連結される。
最後に、この発明のさらなる好ましい実施例に従って、センサシステムは、各
々が共通の入力振動周波数範囲と少なくとも1つの出力振動周波数とを有する、
複数個の超音波的に振動可能なセンサを含む。超音波活性化および検出システム
は入力周波数範囲内の周波数を有する超音波を送信し、異なった出力振動周波数
を検出する。
図面の簡単な説明
この発明は、図面と関連して、以下の詳細な説明からさらに十分に理解かつ認
識されるであろう。
図1は、この発明の好ましい実施例に従って構成され、かつ動作する超音波受
動センサシステムの概略図である。
図2Aは、図1のセンサシステムに役立つ受動センサの概略図である。
図2Bは、圧力が存在する場合の図2Aのセンサの概略図である。
図2Cは、温度に高感度であるセンサの、図2Aに類似した概略図である。
図3Aおよび図3Bは、2つの結合した振動ビームと基準ビームとを有する代
替的なセンサの概略図であり、図3Aは側面図であり、図3Bは図3Aの線III
B−IIIBに沿った上面図である。
図4Aは代替的な2膜センサの概略図である。
図4Bは、化学組成に高感度であるセンサの、図4Aに
類似した概略図である。
図5は、複数個の受動センサで動作するセンサシステムの概略図である。
好ましい実施例の詳細な説明
この発明の超音波センサシステムを例示する図1を今から参照する。このシス
テムは受動センサ10と外部の超音波活性化および検出システム14とを含む。
センサ10は人体のような超音波を受け入れることができる媒体12に埋込可能
であるか、またはエンクロージャの内壁に装着可能である。
センサ10は適切なものであればどのようなセンサであってもよく、その例は
図2−4に関連して以下に説明される。このセンサは、音波が存在するときに音
叉が振動するように超音波が存在するときに機械的に振動する。したがって、セ
ンサ10は図1において音叉として概略的に表わされる。センサ10の振動周波
数は、感知される物理変数の少なくとも関数であるその現在の振動周波数である
。
活性化および検出システム14は典型的に、超音波発生器20、少なくとも1
つの超音波変換器22、周波数検出器24およびデータ処理装置25を含む。超
音波発生器20および変換器22は活性化素子を構成し、変換器22、周波数検
出器24およびデータ処理装置25は検出素子を構成する。
英国ミルトンキーンズ(Milton Keynes)のボルトゥ・
ソナテスト/シュランベルジェイ(Balteu Sonatest/Schlumberger)によって製
造される非破壊試験ユニットのモデルIIB USTFのような発生器20は、超
音波変換器22によって媒体12を経てセンサ10に送信されるべき超音波を発
生する。典型的に、媒体12の外端部28に位置する超音波ゲル26が利用され
て変換器22を媒体12に結合する。典型的に、送信される超音波は単一の周波
数か、またはある範囲の周波数からなる。
典型的に、非破壊試験ユニットの一部であるような超音波変換器22はまた媒
体12から超音波を受信する。こういった超音波のうちのいくらかは送信された
波の反射であり、他はセンサ10からのものである。代替的な実施例では、送信
するためのものと受信するためのものとの2つの超音波変換器22がある。
送信される超音波がセンサ10の現在の振動周波数に近いか、またはそれに相
当する周波数を有するならば、それは振動するようにセンサ10を励振させ、事
実上、現在の振動周波数で送信された波の少なくともいくらかを吸収する。この
ように、変換器22によって受信される波は他の周波数のものほどセンサ10の
現在の振動周波数をあまり含まない。さらに、センサ10は超音波の送信が停止
した後でも振動し続ける。このように、変換器22は超音波を受信し続け、これ
らはセンサ10の現在の振動周波数である。
米国のヒューレット・パッカード(Hewlett Packard)社によって製造される
8590Aスペクトラムアナライザに類似した周波数検出器24は受信した超音
波を分析して、どの周波数がセンサ10によって吸収されたか、および/または
、送信された超音波によってもはや励振されない場合にどの周波数でセンサ10
が共振するかを判断する。
データ処理装置25は周波数検出器24によって判断された周波数を測定され
る物理変数の値に変換する。この変換に必要な情報は、以下にさらに詳細に説明
されるような、センサ10の実際の構造に依存する。
この発明のシステムは生体組織内または導電性エンクロージャ内に深く埋込可
能であることが認識されるであろう。このシステムは、電磁的な共振ではなく、
機械的な振動で動作する。
次に、圧力に応答する、30と符号を付けられた例示的な受動センサの第1の
実施例を示す図2Aおよび図2Bを参照する。図2Aおよび図2Bはそれぞれ圧
力がある場合と圧力がない場合とにおけるセンサ30を示す。
センサ30は典型的にシリコンから作られ、リセス34、振動可能なビーム3
6、膜38および結合器40を有するカップ形状のハウジング32を典型的に含
む。振動可能なビーム36は典型的にハウジング32に一体的に取付けられ、リ
セス34へ延びる。結合器40は典型的に膜38とビーム36の遠端42とを接
続する。結合器40は膜38
か振動可能なビーム36のいずれかに一体的に取付けられる。
図2Bに示されるように、膜38は典型的に外部からの圧力に応答してリセス
34の方に曲がる。このために、硬い結合器40が遠端42を押し,ビーム36
を曲げさせ、したがって歪ませる。この技術において知られているように、歪ん
だビームは歪まないビームよりも高い周波数で振動する。このように、膜38に
かかる圧力が高ければ高いほど、ビーム36の振動周波数が高くなる。ビーム3
6の圧力と周波数との間の特定的な関係はビーム36の材料、その長さおよびそ
の断面積に依存し、ある程度、リセス34内の媒体がどのようなものであれ、そ
の温度および粘性のような他の要因に依存する。
膜が多くの材料から作られるか、または他の材料でコーティングされるならば
、温度のような他の物理変数に応じて曲がることがわかる。たとえば図2Cは温
度に反応するセンサを示し、以下に説明される図4Bは化学組成に反応するセン
サを示す。
次に図2Cを簡単に参照する。このセンサでは、各々が異なった熱係数を有す
る2つの材料42および44で膜が作られる。例示的な材料はシリコンおよびシ
リコン窒化物である。材料が異なった割合で拡張かつ収縮するので、膜は温度の
関数として歪む。
次に、異なった送信周波数および受信周波数を有する受
動センサの代替的な実施例を示す図3Aおよび図3Bを参照する。さらに、図3
Aおよび図3Bのセンサはまた基準周波数を有する。図3Aは50と符号を付け
られたセンサの側面図であり、図3Bは図3Aの線IIIB−IIIBに沿った上面図
である。
センサ50は、52と符号を付けられたハウジングとリセスとを有する点でセ
ンサ30(図2)と類似している。しかしながら、センサ50の振動可能な素子
は短縮していない長さのビーム58である。センサ30と同様に、センサ50も
膜38および結合器40を有する。この実施例では、異なった周波数で振動する
、2つの別個であるが結合している振動可能なビーム60および62を作るよう
に、結合器40はビーム58にその中央以外の場所で結合される。
図3Aに示されるように、ビーム58の、ハウジング52の左端部64から結
合器40までの長さとして規定されるビーム60は、ビーム58の、ハウジング
52の右端部66から結合器40までの長さとして規定されるビーム62よりも
長い。したがって、ビーム60はビーム62よりも低い周波数で振動する。
圧力が存在するとき、膜38は曲がり、結合器40をリセス54の方へとさら
に押し、ビーム58を曲げ、ビーム60および62の両方を歪ませる。動作中に
おいて、この発明のセンサシステムは、その周波数範囲がほぼ長いビー
ム60の振動周波数の範囲である超音波でセンサ50を励振させる。長いビーム
60は励振し、その励振のために短がビーム62もまた振動するか、それはその
現在の振動周波数においてである。
短いビーム62が典型的に長いビーム60とは著しく異なった振動周波数範囲
を有するので、超音波変換器22および周波数検出器24は受信の目的のために
、短いビーム62の周波数範囲に同調させられることだけを必要とする。短いビ
ーム62だけがその周波数範囲において活性化しているので、変換器22によっ
て受信される信号の信号対ノイズ(S/N)比は高い。なぜなら、励振周波数に
関連したノイズがほとんどまたは全くないからである。
センサ50はまた、ビーム58の隣に位置する基準ビーム68(図3B)を含
んでもよい。ビーム68はハウジング52の両端に接続されるが、結合器40に
は接続されない。したがって、ビーム68の振動周波数は圧力では変化しない。
その振動周波数のどのような変化もしたがって、ビーム60および62への影響
を及ぼす、温度および粘性ダンピングなどのような他の原因によるものに違いな
い。したがって、基準ビーム68の出力はデータ処理装置25によって利用され
て、ビーム60および62から判断された圧力値を補正する。
次に、2つのシリコンウェハ70および72から形成されたセンサのさらなる
代替的な実施例を示す図4Aを簡単
に参照する。典型的に、各ウェハは大まかに四角に仕切ったカップ形状に形成さ
れ、その2つは囲まれた空間74を生じるように結合される。各カップのベース
は平坦であり、空間74へと自由に振動できる膜を形成する。2つの異なった、
結合した周波数を図4Aのセンサに与えるために、76および78と符号付けら
れた膜の厚さは異なる。
図3Aの実施例と同様に、より低い振動周波数で振動する素子(すなわち、薄
い膜78)が超音波信号を受信し、他の膜、すなわち厚い膜76が反射した超音
波信号を送信する。2つの振動する素子はウェハ70および72の側面によって
、また、どのようなものであれ、囲まれた空間74に置かれる媒体を介して結合
される。
図4Aに示されるのと類似したセンサが化学組成を測定するために用いられ得
る。結果として生じるセンサは今から参照される図4Bに示される。図4Bの厚
い膜76は、気相アナライト(analyte)を吸収する薄く軟らかいポリマーフィ
ルム79でコーティングされる。アナライトはフィルム79に重みを加え、その
粘弾性を変化させる。結果として、振動周波数が変化する。
次に、複数個の受動センサ80を有するセンサシステムを示す図5を参照する
。センサ80は典型的に少なくとも2つの振動周波数、すなわち入力周波数fi
および出力周波数foiを有し、図5の例ではi=1から5である。入力周波数
は各センサ80について同一であり得るか、予め
定められた範囲内であり得る。
出力周波数foiは、測定される物理変数のあらゆる値に対して各センサが個
々に検出可能であるように典型的に異なった重複しない周波数範囲であるように
される。このように、物理変数の値は一度に線に沿ってまたは領域内で測定でき
る。
センサ80は図3および図4に示されるのと類似したセンサから形成できる。
図3と類似した1組のセンサでは、各々の長いビームの長さは同様の長さである
が、短いビームの長さは著しく異なる。図4と類似した一組のセンサでは、各々
の薄い膜は同様の厚さであるが、厚い膜の厚さは異なる。
この発明は、以上で特定的に示され、かつ説明されたものに限定されないこと
が当業者によって認識されるであろう。むしろ、この発明の範疇は以下の請求の
範囲によって規定される。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.超音波エネルギを利用する受動センサシステムであって、 感知されるべき物理変数の関数である少なくとも1つの振動周波数を有する少 なくとも1つの超音波的に振動可能なセンサと、 前記センサを励振させ、かつ前記少なくとも1つの振動周波数を検出して前記 物理変数の値を判断するための超音波活性化および検出システムとを含む、シス テム。 2.前記超音波活性化および検出システムは、 所望の周波数帯を有する超音波を発生するための超音波発生器と、 前記超音波を送信し、それに応答して超音波を受信するための超音波変換シス テムと、 受信された前記超音波から前記センサの前記振動周波数を検出するための周波 数検出器とを含む、請求項1に記載のシステム。 3.前記超音波活性化および検出システムは、検出された前記振動周波数を前記 物理変数の前記値に変換するためのデータ処理装置をさらに含む、請求項2に記 載のシステム。 4.前記受動センサは励振周波数および送信周波数を有する、請求項1に記載の システム。 5.前記受動センサはまた基準振動周波数を有する、請求項4に記載のシステム 。 6.前記センサは、 ハウジングと、 前記ハウジングに取付けられ、前記物理変数に応答する膜と、 前記ハウジングの1つの端部に取付けられた振動可能なビームと、 前記膜と前記振動可能なビームの小部分とに取付けられ、前記膜の動きに応答 して前記振動可能なビームを曲げる結合器とを含む、請求項1に記載のシステム 。 7.前記センサは、 ハウジングと、 前記ハウジングに取付けられ、前記物理変数に応答する膜と、 前記ハウジングの2つの端部に取付けられた振動可能なビームと、 前記膜と前記振動可能なビームの中心から離れた場所とに取付けられた結合器 とを含み、前記振動可能なビームは前記励振周波数および前記送信周波数で振動 可能な2つの異なっているが結合した振動可能なビームに分離され、前記結合器 は前記膜の動きに応答して前記振動可能なビームを曲げる、請求項4に記載のシ ステム。 8.前記センサはまた前記ハウジングの2つの端部に取付けられた基準ビームを 含む、請求項5に記載のシステム。 9.前記センサはまた前記ハウジングの2つの端部に取付 けられた基準ビームを含む、請求項7に記載のシステム。 10.前記センサは、 前記励振周波数で振動可能な薄い膜から形成された平坦なベースを有する第1 のカップ形状本体と、 前記送信周波数で振動可能な厚い膜から形成された平坦なベースを有する第2 のカップ形状本体とを含み 前記第1および第2の本体は囲まれた空間をその間に生じるように結合される 、請求項4に記載のシステム。 11.超音波エネルギを利用する受動センサシステムであって、 各々が共通の入力振動周波数範囲と少なくとも1つの出力振動周波数とを有す る複数個の超音波的に振動可能なセンサを含み、前記振動周波数は感知されるべ き物理変数の関数であり、さらに、 前記センサを励振させるために前記入力周波数範囲内の周波数を有する超音波 を送信し、かつ前記物理変数の複数個の値を判断するために前記出力振動周波数 を検出するための超音波活性化および検出システムとを含む、システム。 12.本体の物理変数を測定する方法であって、 本体内に位置し、かつ前記物理変数の関数である振動周波数を有する受動セン サを超音波によって活性化するステップと、 前記振動周波数を検出するステップとを含む、方法。 13.本体の物理変数を測定する方法であって、 第1の範囲の振動周波数を有する超音波を前記本体を介して送信して、これに よって前記本体内に位置する受動センサを活性化するステップを含み、前記受動 センサは前記第1の範囲内の入力振動周波数と前記第1の範囲外の出力周波数と を有し、両方の周波数は前記物理変数の関数であり、さらに、 前記出力振動周波数を検出するステップを含む、方法。
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