JP2017227444A - ワイヤレスセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセンサによって多点測定を行う場合にも、混信せずに信頼性の高い測定を可能にしたワイヤレスセンサシステムを提供する。【解決手段】高周波信号を無線にて送受信する高周波回路と、制御回路と、圧電基板上の櫛歯電極及び反射電極によりセンサを構成すると共に高周波回路からの送信電波を受信して弾性表面波を発生させ、その伝播面における物理量に応じた伝播特性を有する応答信号を返信する弾性表面波素子と、を備え、制御回路が弾性表面波素子からの応答信号に基づいて当該弾性表面波素子における伝播面の物理量を測定するワイヤレスセンサシステムにおいて、複数の高周波回路１１Ａ，１１Ｂを備え、かつ、個々の高周波回路に対応させて当該高周波回路のみとの間で送受信可能な弾性表面波素子からなる素子部２０Ａ，２０Ｂを備え、高周波回路１１Ａ，１１Ｂによる送受信動作を互いに時分割にて有効とする。【選択図】図１

Description

本発明は、対象ポイントの圧力や温度等の物理量をワイヤレスにて測定可能なワイヤレスセンサシステムに関するものである。

従来、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）を利用したワイヤレスセンサシステムは各種知られており、例えば、ワイヤレスセンサとして特許文献１に記載された識別タグを用いるものがある。
図５は、この識別タグ１０１の基本構成を示すもので、１０２は圧電基板、１０３は櫛歯電極、１０４，１０５は反射電極、１０６は櫛歯電極１０３に接続されたアンテナである。ここで、複数の反射電極１０４は、その個数と配置とによって識別タグ１０１の特徴を示すコードを形成している。一方、少なくとも一つの反射電極１０５は、他の反射電極１０４よりも大きい反射率を有している。

この従来技術では、図示されていない読取り装置から送られる高周波の電波をアンテナ１０６により受信し、その電力により櫛歯電極１０３を機械的に振動させて圧電基板１０２上に弾性表面波を発生させる。複数の反射電極１０４により反射した弾性表面波は櫛歯電極１０３によって電力に変換され、応答信号としてアンテナ１０６から読取り装置に送信される。

この場合、複数の反射電極１０４により反射して櫛歯電極１０３に到達した弾性表面波の波形は、反射電極１０４の個数や配置により相違するため、読取り装置は、受信波形に基づいて識別タグ１０１の特徴を示すコードを認識することができる。なお、反射電極１０４よりも反射率が大きい反射電極１０５からの反射波形は振幅が大きくなるので、単に識別タグ１０１の有無を検出できれば良い用途では、外部の読取り装置から微小電力にて高周波信号を送信し、識別タグ１０１からの応答信号によって識別タグ１０１の有無を検出することが可能である。

また、反射電極１０４により反射した弾性表面波の伝播遅延時間や振幅減衰量等の伝播特性は、圧電基板上の弾性表面波の伝播面の圧力や温度等によって変化するため、応答信号の波形に基づいて伝播面における物理量を測定することができる。
上記の原理を利用して、圧電基板上に複数の反射電極と単一の櫛歯電極とを組み合わせて複数のセンサを形成し、これらのセンサによって多数のポイントにおける物理量を同時に測定するようにしたワイヤレスセンサシステムが、非特許文献１に記載されている。
なお、図６は、非特許文献１に記載されたシステムにより、４つの反射電極と単一の櫛歯電極とをそれぞれ組み合わせて構成した４つのセンサ（チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４）により測定した、各反射電極からの伝播遅延時間と反射減衰量との関係を示している。

特表平９−５０８９７４号公報（請求項１、第４頁第３行〜第５頁第２１行、ＦＩＧ.１，ＦＩＧ.３等）

ＳＡＷパッシブワイヤレスセンサシステム（０６２３０２００２），戦略的情報通信研究開発推進制度（ＳＣＯＰＥ）第５回成果発表会，平成２１年

特許文献１や非特許文献１に記載されたワイヤレスセンサシステムにおいて、一個の圧電基板上に作製可能なセンサの数は圧電基板の大きさによって制約を受ける。例えば、一個の圧電基板につき、最大でも数十個程度のセンサが作製上の限界となる。従って、仮に数十箇所を超えるポイントを対象として多点測定する場合には、そのポイントの数に応じた複数の圧電基板と、これらに対応した複数の読取り装置とが必要になる。
しかしながら、このように複数の読取り装置を使用する場合には、複数の読取り装置が同一のセンサからの信号を同時に読み取ることによって混信が生じ、目的とするポイントの物理量を正確に測定することができないおそれがあった。全ての素子の特性を変えれば混信が生じないようにすることは可能であるが、その場合には素子の製造コストが嵩んでしまうという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、複数の弾性表面波素子を用いて多点測定を行う場合にも、混信のおそれがなく信頼性の高い測定を可能にしたワイヤレスセンサシステムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、高周波の電波を無線にて送受信する高周波回路と、
前記高周波回路の動作を制御する制御回路と、
圧電基板上に形成された櫛歯電極及び反射電極によりセンサを構成すると共に、前記高周波回路からの送信電波を受信して前記櫛歯電極と前記反射電極との間に弾性表面波を発生させ、前記弾性表面波の伝播面における物理量に応じた伝播特性を有する応答信号を前記高周波回路に送信する弾性表面波素子を有する複数のセンサ素子と、を備え、
前記制御回路が、複数の前記センサ素子からの前記応答信号に基づいて前記弾性表面波素子における前記伝播面の物理量を測定するワイヤレスセンサシステムにおいて、
複数の前記センサ素子をｎ（ｎは複数）個のグループに分け、１つのグループに属する少なくとも1つの前記センサ素子の前記弾性表面波素子の特性を、他のグループに属する1つの前記センサ素子の前記弾性表面波素子の特性と同一に構成し、
前記グループに対応して前記高周波回路をｎ（ｎは複数）個設け、かつ、個々の前記高周波回路は、対応する前記グループに属する前記センサ素子との間でのみ電波を送受信可能に構成されるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、個々の前記高周波回路は、時分割で前記送信電波を送信し、各グループに属するセンサ素子は、当該グループに対応する前記高周波回路との間でのみ送受信可能な位置に配置されることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、個々の前記高周波回路は、偏波面が異なるアンテナを有し、各グループに属するセンサ素子は、当該グループに対応する前記高周波回路のアンテナと同じ偏波面のアンテナを有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波素子の前記櫛歯電極と前記反射電極との間の距離を等しくすることにより、前記センサ素子の前記弾性表面波素子の特性を同一にしたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、前記センサ素子は、前記櫛歯電極と複数の前記反射電極とを同一の前記圧電基板上に形成した複数のセンサを有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の素子部からの応答信号が混信するおそれがなく、信頼性の高いワイヤレスセンサシステムを実現することができる。

本発明の実施形態に係るワイヤレスセンサシステムの全体構成図である。 図１における弾性表面波素子の構成図である。 図１における読取り装置の構成図である。 図３において制御回路から出力される駆動指令の説明図である。 特許文献１に記載された識別タグの説明図である。 非特許文献１に記載された伝播遅延時間と反射減衰量との関係を示すグラフである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、この実施形態に係るワイヤレスセンサシステムの全体構成図である。図１において、読取り装置１０は、制御回路１３及び第１，第２の高周波回路１１Ａ，１１Ｂを有し、高周波回路１１Ａ，１１Ｂにはアンテナ１２Ａ，１２Ｂがそれぞれ設けられている。

２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３は第１の高周波回路１１Ａとの間で電波を送受信する弾性表面波素子、２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３は第２の高周波回路１１Ｂとの間で電波を送受信する弾性表面波素子であり、それぞれがアンテナ２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ａ３、またはアンテナ２２Ｂ１，２２Ｂ２，２２Ｂ３を備えている。
ここで、弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３は第１素子部２０Ａ（第１のグループ）を構成し、弾性表面波素子２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３は第２素子部２０Ｂ（第２のグループ）を構成しており、各素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３は、目的とする測定ポイントにそれぞれ配置されている。

なお、第１素子部２Ａと第２素子部２０Ｂとは、互いにある程度離して配置されており、第１の高周波回路１１Ａは第１素子部２Ａのみとの間で、第２の高周波回路１１Ｂは第２素子部２０Ｂのみとの間で、それぞれ電波を送受信可能となっている。
ここで、高周波回路の数（素子部の数）はｎ（ｎは複数）個であれば良い。また、各素子部を構成する弾性表面波素子の数は、この実施形態では第１素子部２Ａ，第２素子部２Ｂともに各３個であるが、一般に１以上の任意の数であれば良い。更に、各素子部を構成する弾性表面波素子の数が異なっていても良い。

次に、図１における弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３の構成について説明する。図２（ａ），（ｂ）は、弾性表面波素子の構成例を示しており、これらの弾性表面波素子２１０，２５０は、図１の弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３に用いられるものである。

図２（ａ）に示す弾性表面波素子２１０は、圧電基板２１１の一端に配置され、かつアンテナ２２０と接地との間に接続された櫛歯電極２１２と、圧電基板２１１の他端に配置された反射電極２１３と、から構成されている。
また、図２（ｂ）に示す弾性表面波素子２５０は、圧電基板２５１のほぼ中央に配置され、かつアンテナ２６０と接地との間に接続された櫛歯電極２５２と、圧電基板２５１の両端にそれぞれ配置された反射電極２５３，２５４と、から構成されている。
図２（ａ）の例では、櫛歯電極２１２と反射電極２１３とにより１個のセンサが構成され、図２（ｂ）の例では、櫛歯電極２５２と反射電極２５３，２５４とにより２個のセンサがそれぞれ構成されることになる。

これらの弾性表面波素子２１０，２５０において、弾性表面波の伝播遅延時間は、櫛歯電極２１２と反射電極２１３との間の距離（図２（ａ））、または、櫛歯電極２５２と反射電極２５３，２５４との間の距離（図２（ｂ））に応じて変化するので、これらの距離を変えれば各素子における弾性表面波の伝播遅延時間、すなわち各素子の特性を変えることができ、制御回路１３による各素子の識別が可能になる。

例えば、図２（ａ）の弾性表面波素子２１０を用いて図１の弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３（または２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３）を構成する場合には、個々の素子における櫛歯電極２１２と反射電極２１３との間の距離を変えることにより、制御回路１３は、特性が互いに異なる弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３（または２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３）をそれぞれ識別することが可能である。
このことは、図２（ｂ）に示した弾性表面波素子２５０を用いて図１の弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３（または２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３）を構成する場合にも同様である。

ここで、図１における第１素子部２０Ａの弾性表面波素子２１Ａ１と第２素子部２０Ｂの弾性表面波素子２１Ｂ１とは同一の特性（櫛歯電極と反射電極との間の距離が等しい）であれば良く、同様に、第１素子部２０Ａの弾性表面波素子２１Ａ２と第２素子部２０Ｂの弾性表面波素子２１Ｂ２とは同一の特性、第１素子部２０Ａの弾性表面波素子２１Ａ３と第２素子部２０Ｂの弾性表面波素子２１Ｂ３とは同一の特性であれば良い。
このように、第１素子部２０Ａと第２素子部２０Ｂとで特性が同一の弾性表面波素子を使用することにより、仮に各素子部２０Ａ，２０Ｂを構成する弾性表面波素子の個数が等しい場合（図１の例では、各３個）、その個数分、すなわち３種類の特性を有する弾性表面波素子を用いて全ての弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３を構成することができ、全体的なコストの低減が可能になる。

次に、図３は、図１における読取り装置１０の構成図である。図３では、図１の制御回路１３及び第１の高周波回路１１Ａの内部構成を示しているが、第２の高周波回路１１Ｂは第１の高周波回路１１Ａと同様に構成されている。

図３において、制御回路１３は、ＣＰＵ１３１、メモリ１３２及び表示部１３３を備え、高周波回路１１Ａは高周波信号発生回路１１１及び送受信回路１１２を備えている。
ＣＰＵ１３１は、第１の高周波回路１１Ａに対する駆動指令ＳＡを生成すると共に、高周波回路１１Ａ内の送受信回路１１２が受信した応答信号に基づいて、第１素子部２０Ａの弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３を識別する。また、ＣＰＵ１３１は、応答信号から弾性表面波の伝播遅延時間、振幅等を演算し、個々の弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３が測定した圧力、温度等の物理量を演算する。
更に、ＣＰＵ１３１は、第２の高周波回路１１Ｂに対する駆動指令ＳＢを生成し、前記同様の処理によって第２素子部２０Ｂの弾性表面波素子２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３が測定した物理量を演算する。

メモリ１３２は、検出動作を行うための所定のプログラムや、測定結果である物理量等を記憶するものであり、表示部１３３は、必要に応じて測定結果等を表示するために用いられる。
なお、制御回路１３及び高周波回路１１Ａ，１１Ｂの構成は、図３に示したものに何ら限定されないのは言うまでもない。

図４は、制御回路１３から出力される駆動指令ＳＡ，ＳＢの一例を示している。
図示するように、駆動指令ＳＡ，ＳＢは互いに時分割でＯＮ，ＯＦＦを繰り返し、駆動指令ＳＡのＯＮ期間では高周波回路１１Ａによる第１素子部２０Ａとの間の送受信動作を有効とし、駆動指令ＳＢのＯＮ期間では高周波回路１１Ｂによる第２素子部２０Ｂとの間の送受信動作を有効とするものである。

本実施形態において、例えば、第１の高周波回路１１Ａの高周波信号発生回路１１１は、駆動指令ＳＡに従って高周波信号を生成し、この高周波信号を送受信回路１１２に送出する。送受信回路１１２は、高周波信号の変調、増幅、フィルタ処理等を行い、アンテナ１２Ａを介して第１素子部２０Ａの弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３に高周波の電波を送信する。
弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３は、アンテナ２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ａ３を介して電波を受信し、各測定ポイントからの弾性表面波の伝播遅延時間、振幅等により測定した圧力、温度等の物理量を、応答信号として高周波回路１１Ａに送信する。高周波回路１１Ａ内の送受信回路１１２は、アンテナ１２Ａにより受信した応答信号のフィルタ処理、復調、増幅等を行い、制御回路１３に送出する。

制御回路１３は、送受信回路１１２から送られた信号をディジタル信号に変換し、弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３が検出した物理量を各測定ポイントの測定値として記憶、表示等の処理を実行する。
その際、前述したように、弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３は、各素子における櫛歯電極と反射電極との間の距離が異なっていて特性が互いに異なるため、各素子の識別、言い換えれば各測定値がどの測定ポイントにおける測定値であるかを識別することが可能である。

一方、第２の高周波回路１１Ｂと第２素子部２０Ｂとの間の送受信動作は、上述した第１の高周波回路１１Ａと第２素子部２０Ａとの間の送受信動作と同様に行われる。
但し、図４に示したように駆動指令ＳＡ，ＳＢが時分割で出力されることにより、第１の高周波回路１１Ａによる送受信動作が有効な期間は第２の高周波回路１１Ｂによる送受信動作が無効になり、逆に第２の高周波回路１１Ｂによる送受信動作が有効な期間は第１の高周波回路１１Ａによる送受信動作が無効になっている。

制御回路１３では、現時点で駆動指令ＳＡ，ＳＢのどちらが有効であるかを認識可能であるため、応答信号が第１の高周波回路１１Ａまたは第２の高周波回路１１Ｂのどちらを経由したものであるかを識別可能である。
従って、例えば、第１素子部２０Ａの弾性表面波素子２１Ａ１と第２素子部２０Ｂの弾性表面波素子２１Ｂ１とが同一特性であったとしても、各素子２１Ａ１，２１Ｂ１から時分割で受信した電波を正確に識別して処理することができる。このことは、弾性表面波素子２１Ａ２と２１Ｂ２、及び、弾性表面波素子２１Ａ３と２１Ｂ３との関係においても同様である。

以上のように、この実施形態では、第１素子部２０Ａについては第１の高周波回路１１Ａのみとの間で電波を送受信し、第２素子部２０Ｂについては第２の高周波回路１１Ｂのみとの間で電波を送受信すると共に、第１素子部２０Ａについては個々の弾性表面波素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３の特性がそれぞれ異なり、また、第２素子部２０Ｂについては個々の弾性表面波素子２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３の特性がそれぞれ異なっている。更に、第１の高周波回路１１Ａと第２の高周波回路１１Ｂとは、それぞれの送受信動作が時分割で有効となるように制御されている。
このため、制御回路１３において、各素子２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３からの受信電波が混信する恐れがなく、各測定ポイントの測定値を正確に識別することができる。

なお、上述したごとく第１の高周波回路１１Ａと第２の高周波回路１１Ｂとを時分割で動作させる以外に混信を防止する方法としては、以下のような方法がある。
すなわち、第１の高周波回路１１Ａと第１素子部２０Ａとの間、及び、第２の高周波回路１１Ｂと第２素子部２０Ｂとの間で、アンテナの偏波面が異なるように設定すれば良い。例えば、高周波回路１１Ａのアンテナ１２Ａと第１素子部２０Ａ側のアンテナ２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ａ３とを垂直偏波に設定し、高周波回路１１Ｂのアンテナ１２Ｂと第２素子部２０Ｂ側のアンテナ２２Ｂ１，２２Ｂ２，２２Ｂ３とを円偏波に設定すれば、例えば弾性表面波素子２１Ａ１と弾性表面波素子２１Ｂ１とが同じ特性であっても混信を防止することができる。

本発明によれば、原理的に任意の複数の高周波回路を時分割で動作させることが可能であるから、各高周波回路との間で送受信する多数の弾性表面波素子を用いることにより、多点の物理量を同時に測定する大規模なワイヤレスセンサシステムとして利用することできる。

１０：読取り装置
１１Ａ，１１Ｂ：高周波回路
１２Ａ，１２Ｂ：アンテナ
２０Ａ：第１素子部
２０Ｂ：第２素子部
２１Ａ１，２１Ａ２，２１Ａ３，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３：弾性表面波素子
２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ａ３，２２Ｂ１，２２Ｂ２，２２Ｂ３：アンテナ
１１１：高周波信号発生回路
１１２：送受信回路
１３１：ＣＰＵ
１３２：メモリ
１３３：表示部
２１０，２５０：弾性表面波素子
２１１，２５１：圧電基板
２１２，２５２：櫛歯電極
２１３，２５３，２５４：反射電極
２２０，２６０：アンテナ
ＳＡ，ＳＢ：駆動指令

Claims (5)

1. 高周波の電波を無線にて送受信する高周波回路と、
   前記高周波回路の動作を制御する制御回路と、
   圧電基板上に形成された櫛歯電極及び反射電極によりセンサを構成すると共に、前記高周波回路からの送信電波を受信して前記櫛歯電極と前記反射電極との間に弾性表面波を発生させ、前記弾性表面波の伝播面における物理量に応じた伝播特性を有する応答信号を前記高周波回路に送信する弾性表面波素子を有する複数のセンサ素子と、を備え、
   前記制御回路が、複数の前記センサ素子からの前記応答信号に基づいて前記弾性表面波素子における前記伝播面の物理量を測定するワイヤレスセンサシステムにおいて、
   複数の前記センサ素子をｎ（ｎは複数）個のグループに分け、１つのグループに属する少なくとも1つの前記センサ素子の前記弾性表面波素子の特性を、他のグループに属する1つの前記センサ素子の前記弾性表面波素子の特性と同一に構成し、
   前記グループに対応して前記高周波回路をｎ（ｎは複数）個設け、かつ、個々の前記高周波回路は、対応する前記グループに属する前記センサ素子との間でのみ電波を送受信可能に構成されることを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
2. 請求項１に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、
   個々の前記高周波回路は、時分割で前記送信電波を送信し、
   各グループに属するセンサ素子は、当該グループに対応する前記高周波回路との間でのみ送受信可能な位置に配置されることを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
3. 請求項１に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、
   個々の前記高周波回路は、偏波面が異なるアンテナを有し、
   各グループに属するセンサ素子は、当該グループに対応する前記高周波回路のアンテナと同じ偏波面のアンテナを有することを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、
   前記弾性表面波素子の前記櫛歯電極と前記反射電極との間の距離を等しくすることにより、前記センサ素子の前記弾性表面波素子の特性を同一にしたことを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載したワイヤレスセンサシステムにおいて、
   前記センサ素子は、前記櫛歯電極と複数の前記反射電極とを同一の前記圧電基板上に形成した複数のセンサを有することを特徴とするワイヤレスセンサシステム。

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