JP2018502301A - 電気導体のための表面弾性波（ｓａｗ）に基づく温度感知 - Google Patents

Abstract

電力ケーブル（１０）の電気導体（３１）の温度を直接感知、測定、又は監視するためのシステム及び方法が提供される。トランスデューサ（２０Ｔ）が上に配置された基板（２０Ｓ）を含む表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサ（２０）が用いられる。トランスデューサ（２０Ｔ）は、電磁信号と、基板（２０Ｓ）上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行う。基板（２０Ｓ）の少なくとも一部分は、電気導体（３１）と熱的に接触するように配置されており、それにより、ＳＡＷ信号は電気導体（３１）の温度によって変化する。【選択図】図１

Description

本開示は、電気導体の温度を監視するためのシステムに関し、特に、少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体、例えば、配電システム内の電力ケーブルの電気導体の温度を監視するためのシステムに関する。

中電圧及び高電圧配電システムは現代社会において重要な役割を果たしている。安全性及びセキュリティは常に、配電システムの「健全性」のために考慮すべき因子となっている。したがって、配電システムの「健全性」の監視を可能にする技術がなければならない。

中電圧又は高電圧配電システムなどの配電システムでは、ケーブルによって送電される電流が増大するにつれて、電気ケーブルの導体の温度が増大し得る。したがって、例えば、このようなシステム内の、弱点になり得る、ケーブルの接合部又は連結部において、活線状態の電気導体の温度を監視することによって、このようなシステムの「健全性」を評価することができる。通例、ケーブルの接合部又は連結部内を流れる通常電流は、最大、例えば、約９０℃の温度を生じさせ得る。ケーブルの接合部又は連結部の温度がその温度を越えて上昇する場合には、この配電システムに異常がある恐れがあるという指標となり得る。一方、既存の配電システムが最大の電流容量であるかどうか、既存のシステムを使って追加電力を確実に配電できるかどうか、追加のインフラ支出が必要かどうか、を知るためにもまた有用である。

例えば、中電圧又は高電圧配電システム内の、活線状態の電力ケーブル、並びにケーブルの接合部及び連結部は、典型的には、多数の絶縁層及び（半）導電層によって絶縁され、保護されており、並びに／又は一般的に、地下に埋設されているか、若しくは空中の高所に位置付けられている。活線状態の電気導体温度を、直接、例えば、ケーブルの接合部又は連結部において直接監視又は測定することが望まれる。

簡潔に言えば、一態様では、本開示は、電力ケーブルの電気導体の温度を直接感知、測定、又は監視するためのシステム及び方法を記載する。本明細書に記載されているいくつかの実施形態は、電気導体と熱的に接触した表面弾性波（surface acoustic wave、ＳＡＷ）温度センサを提供する。ＳＡＷ温度センサは、無線信号を受信するためのアンテナを含む。受信された信号は、電気導体の温度によって変化し得るＳＡＷ信号に変換することができる。電気導体の温度は、ＳＡＷ信号を測定することによって感知、測定、又は監視することができる。

一態様では、少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体の温度を感知するための温度感知装置が提供される。装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面上に配置されたトランスデューサと、トランスデューサに電気接続された１つ以上のアンテナとを含む表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサを含む。１つ以上のアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、トランスデューサは、電磁信号と、基板の主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている。ＳＡＷ温度センサの基板の少なくとも一部分は、電気導体と熱的に接触するように配置されており、ＳＡＷ信号は電気導体の温度によって変化する。

別の態様では、電気ケーブル組立体は、電気導体と、電気導体を密閉している（半）導電層と、温度感知装置とを含む。温度感知装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面上に配置されたトランスデューサと、トランスデューサに電気接続された１つ以上のアンテナとを含む表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサを含む。１つ以上のアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、トランスデューサは、電磁信号と、基板の主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている。ＳＡＷ温度センサの基板の少なくとも一部分は、電気導体と熱的に接触するように配置されており、ＳＡＷ信号は電気導体の温度によって変化する。ＳＡＷ温度センサは電気導体と（半）導電層との間に配置されており、かつ、（半）導電層によって密閉されている。（半）導電層は、電気導体によって送電される電力に対する電磁遮蔽を提供し、その一方で、１つ以上のセンサアンテナの電磁信号が（半）導電層を通過することを可能にするように構成されている。

更に別の態様では、少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体の温度を感知する方法が提供される。本方法は、表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサを準備することを含む。ＳＡＷ温度センサは、主表面を有する基板と、基板の主表面上に配置されたトランスデューサと、トランスデューサに電気接続された１つ以上のアンテナとを含む。１つ以上のアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、トランスデューサは、電磁信号と、基板の主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている。本方法は、基板の少なくとも一部分を、電気導体と熱的に接触するように配置することであって、それにより、ＳＡＷ信号は電気導体の温度によって変化する、ことと、ＳＡＷ温度センサの１つ以上のアンテナと電磁通信するように構成された送受信ユニットを準備することと、この送受信ユニットと１つ以上のアンテナとの間の電磁通信を介して、電気導体の温度によって変化するＳＡＷ信号を検出することと、検出されたＳＡＷ信号に基づいて電気伝送線の温度を決定することと、を更に含む。

本開示の例示的実施形態では、様々な予期せぬ結果及び利点が得られる。本開示の例示的な実施形態のこのような利点の１つは、本明細書において用いられるいくつかの受動ＳＡＷ温度センサは密封されており、たとえ苛酷な温度環境においても、外部の物理的応力の影響、又はデバイスの機構の変化のない、正確な温度測定を提供することである。加えて、本明細書に記載されている実施形態は、受動ＳＡＷ温度センサが外部の遠く離れた送受信ユニットと効果的に電磁通信することを可能にする。
例示的実施形態の列挙

例示的な実施形態が諸態様として以下に列挙される。実施形態１〜１４及び１５〜１７はいずれも組み合わせることができることを理解されたい。

実施形態１は、少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体の温度を感知するための温度感知装置であって、この装置は、
主表面を有する基板と、この基板の主表面上に配置されたトランスデューサと、このトランスデューサに電気接続された１つ以上のセンサアンテナと、を含む表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサであって、１つ以上のセンサアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、トランスデューサは、電磁信号と、基板の主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている、表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサと、を備え、
基板の少なくとも一部分が、電気導体と熱的に接触するように配置されており、ＳＡＷ信号が電気導体の温度によって変化する、温度感知装置である。

実施形態２は、トランスデューサがインターデジタルトランスデューサ（interdigital transducer、ＩＤＴ）を含む、実施形態１の装置である。

実施形態３は、ＳＡＷ温度センサが、基板の主表面上に配置された１つ以上の反射体を更に含み、１つ以上の反射体は各々、ＳＡＷ信号の少なくとも一部分をトランスデューサへ反射し返すように配置されている、実施形態１又は２の装置である。

実施形態４は、ＳＡＷ温度センサが、トランスデューサを有する基板を収容するための金属ハウジングを更に備え、センサアンテナが金属ハウジングの外部に配置されている、実施形態１〜３のいずれか１つの装置である。

実施形態５は、ＳＡＷ温度センサが電気導体と（半）導電層との間に配置されており、かつ、（半）導電層によって密閉されている、実施形態１〜４のいずれか１つの装置である。

実施形態６は、基板が１つ以上の圧電材料を含む、実施形態１〜５のいずれか１つの装置である。

実施形態７は、１つ以上のセンサアンテナと電磁通信する送受信ユニットを更に備え、送受信ユニットは、ＳＡＷ信号及び電気導体の温度を示す信号を送出するように構成されている、実施形態１〜６のいずれか１つの装置である。

実施形態８は、送受信ユニットが（半）導電層の外部に配置されている、実施形態６の装置である。

実施形態９は、電磁信号がＶＨＦ／ＵＨＦレンジ内の周波数を有する、実施形態１〜８のいずれか１つの装置である。

実施形態１０は、電気導体が、６０Ｈｚの周波数を有する電力を送電する、実施形態１〜９のいずれか１つの装置である。

実施形態１１は、
電気導体と、
電気導体を密閉する（半）導電層と、
実施形態１〜１０のいずれか１つの温度感知装置と、を備える電気ケーブル組立体であって、
ＳＡＷ温度センサが電気導体と（半）導電層との間に配置されており、かつ、（半）導電層によって密閉されており、
（半）導電層が、電気導体によって送電される電力に対する電磁遮蔽を提供し、その一方で、１つ以上のセンサアンテナの電磁信号が（半）導電層を通過することを可能にするように構成されている、電気ケーブル組立体である。

実施形態１２は、（半）導電層が、電気導体の長手方向軸に沿って延在する導電性テープのストリップを含む、実施形態１１の電気ケーブル組立体である。

実施形態１３は、（半）導電層が、１つ以上のアンテナの電磁信号が（半）導電層を通過することを可能にするための窓として機能する間隙を有するように構成された１つ以上の導電性テープを含む、実施形態１１又は１２の電気ケーブル組立体である。

実施形態１４は、（半）導電層が、１つ以上の導電性テープを電気導体の周囲に巻き付けることを可能にする絶縁層を含む、実施形態１３の電気ケーブル組立体である。

実施形態１５は、少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体の温度を感知する方法であって、この方法は、
表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサを準備することであって、ＳＡＷ温度センサは、主表面を有する基板と、基板の主表面上に配置されたトランスデューサと、トランスデューサに電気接続された１つ以上のアンテナと、を含み、１つ以上のアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、トランスデューサは、電磁信号と、基板の主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている、ことと、
基板の少なくとも一部分を、電気導体と熱的に接触するように配置することであって、ＳＡＷ信号は、電気導体の温度によって可変である、ことと、
ＳＡＷ温度センサの１つ以上のアンテナと電磁通信するように構成された送受信ユニットを準備することと、
送受信ユニットと１つ以上のアンテナとの間の電磁通信を介して、電気導体の温度によって可変であるＳＡＷ信号を検出することと、
検出されたＳＡＷ信号に基づいて電気伝送線の温度を決定することと、を含む方法である。

実施形態１６は、ＳＡＷ温度センサ及び電気導体を密閉するための（半）導電層を設けることを更に含み、ＳＡＷ温度センサは（半）導電層と電気導体との間に配置される、実施形態１５の方法。

実施形態１７は、（半）導電層が、電気導体によって送電される電力に対する電磁遮蔽を提供し、その一方で、１つ以上のアンテナの電磁信号が（半）導電層を通過することを可能にするように構成されている、実施形態１５又は１６の方法である。

本明細書で使用するとき、
「（半）導電」は、特定の構造によって、層が半導電性又は導電性であり得ることを示している。

２つの物体間の「熱接触」は、物体が互いに、エネルギーを熱の形で交換できることを意味する。

２つの物体間の「直接接触」は、物理的接触を意味する。

本開示の例示的実施形態の、様々な態様及び利点が要約されてきた。上記の「発明の概要」は、本開示の特定の例示的実施形態の、図示される各実施形態又は全ての実装を説明することを意図するものではない。以下の図面及び「発明を実施するための形態」は、本明細書に開示される原理を使用する特定の好ましい実施形態を、より詳細に例示するものである。

以下の本開示の様々な実施形態の詳細な説明を添付図面と併せて考慮することで、本開示のより完全な理解が可能である。
一実施形態に係る、ＳＡＷ温度センサの概略ブロック図である。 一実施形態に係る、電気導体の温度を監視するためのシステムの概略ブロック図である。 一実施形態に係る、ＳＡＷ温度センサの斜視側面図である。 別の実施形態に係る、ＳＡＷ温度センサの斜視側面図である。 一実施形態に係る、ケーブル接合部組立体内の電気導体の温度を監視するためのシステムの適用の部分切欠概略図である。 一実施形態に係る、受動ＳＡＷ温度センサを有するケーブル接合部組立体内の電気導体の一部分の断面図である。 一実施形態に係る、ＳＡＷ温度センサの部分断面側面図である。 これらの図面中、同様の参照番号は、同様の要素を示す。上記で定義された図面は、一定の縮尺で描かれていない場合があり、本開示の様々な実施形態を示すものであるが、「発明を実施するための形態」で記述されるように、他の実施形態もまた想到される。全ての場合に、本開示は、本明細書で開示される開示内容を、明示的な限定によってではなく、例示的実施形態を示すことによって説明する。本開示の範囲及び趣旨に含まれる、数多くの他の変更及び実施形態が当業者によって考案可能であることを理解されたい。

本開示は、例えば、中電圧又は高電圧（例えば、＞１ｋＶ又は＞１０ｋＶ）電力ケーブルの電気導体の温度を監視するためのシステム及び方法の諸実施形態を提供する。内部電源（例えばバッテリー）を必要とせず、かつ外部電源に物理的に接続する必要がない装置を意味する、「受動的」装置を用いてこのような監視を実行することは、とりわけ有用であり得る。本開示では、このような適用に使用することができる１つの種類の受動的装置は、温度感受性表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス又はＳＡＷ温度センサに依拠する。

図１は、一実施形態に係る、ＳＡＷ温度センサ２０の概略ブロック図を示す。ＳＡＷ温度センサ２０は、基板２０Ｓの主表面上に配置されたトランスデューサ２０Ｔを含む。基板２０Ｓは、例えば、１つ以上の圧電材料を含む圧電基板であることができる。ＳＡＷ温度センサ２０は、電磁信号を受信及び送信するように構成されたアンテナ２０Ａを更に含む。いくつかの実施形態では、電磁信号は、超短波又は極超短波（ＶＨＦ／ＵＨＦ）帯域内（例えば、３０ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）であることができる。アンテナ２０Ａはトランスデューサ２０Ｔに電気接続されている。トランスデューサ２０Ｔは、アンテナ２０Ａから電磁信号を受信し、受信された電磁信号を、例えば、逆圧電効果によって、ＳＡＷ信号に変換するように構成されている。ＳＡＷ信号は基板２０Ｓの主表面上を弾性波として伝搬することができる。図１の実施形態では、ＳＡＷ温度センサ２０は１つ以上の反射体２０Ｒを更に含む。弾性波の少なくとも一部分は反射体２０Ｒによってトランスデューサ２０Ｔへ反射し返されることが可能であり、トランスデューサ２０Ｔにおいて、反射されたＳＡＷ信号は、アンテナ２０Ａによって送出されるべき電磁信号に再変換されることが可能である。

反射体２０Ｒは任意選択的なものであることができることを理解されたい。ＳＡＷ温度センサ２０は、弾性波を案内、変調、又は変換するための任意の好適な要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＳＡＷ温度センサ２０は反射体２０Ｒを含まなくてもよく、その代わりに、第２のトランスデューサを含み得、ＳＡＷ信号を、反射体からまず反射することなく、トランスデューサ２０Ｔからの弾性波として受信し、受信されたＳＡＷ信号を、第２のトランスデューサに電気接続された第２のアンテナによって送出されるべき電磁信号に再変換することができる。

いくつかの実施形態では、トランスデューサ２０Ｔ及び反射体２０Ｒが上に配置された基板２０Ｓを含むＳＡＷ温度センサ２０のいくつかの構成要素を、パッケージの内部に密封することができる。パッケージは、例えば、密封されたセラミック又は金属パッケージであることができる。アンテナ２０Ａは、パッケージの外部に配置されており、例えば、パッケージのピン、及び例えば、同軸ケーブルなどの伝送線を介してトランスデューサ２０Ｔに電気接続されていることが可能である。

基板２０Ｓの温度は、基板２０Ｓ上を伝搬する弾性波の特性（例えば、速度、振幅、位相、周波数等）に影響を及ぼすことができる。ＳＡＷ温度センサ２０の基板２０Ｓの温度が変化すると、基板２０Ｓの主表面上を伝搬する弾性波は温度変化によって変調され得る。したがって、ＳＡＷ信号から再変換された電磁信号の特性は変調され得る。本明細書に開示されているいくつかの実施形態では、ＳＡＷ信号を用いて、基板２０Ｓの温度を感知、測定、又は監視することができる。ＳＡＷ温度センサ２０が、電力ケーブルの一部分と熱的に連通又は接触しているように配置されると、電力ケーブルのその部分の温度の変化は、温度感受性ＳＡＷデバイスの温度を比例的に変化させることができる。この温度変化は、ＳＡＷ信号、及びそれに対応して再変換された電磁信号を変調することができ、この電磁信号を検出し、それを用いて電力ケーブルのその部分の温度を推測することができる。

図２は、一実施形態に係る、電気導体３１の温度を監視するためのシステム１００の概略ブロック図である。システム１００は、図１の受動ＳＡＷ温度センサ２０、送受信ユニット４０、及び制御ユニット５０を含む。受動ＳＡＷ温度センサ２０は、基板２０Ｓの少なくとも一部分を電気導体３１の外面と熱的に接触させるように配置されており、それにより、基板２０Ｓ上を伝搬する弾性波が電気導体３１の温度によって可変となり得るようにしている。

いくつかの実施形態では、受動ＳＡＷ温度センサ２０は送受信ユニット４０から電磁信号を受信し、電気導体３１の温度によって変化するフィードバック電磁信号を送出することができる。制御ユニット５０は、送受信ユニット４０と通信し、フィードバック電磁信号に基づいて電気導体３１の温度の値を決定することができる。いくつかの実施形態では、システム１００は任意選択的な中央監視ユニット（図２には示されていない）を更に含んでもよい。任意選択的な中央監視ユニットは、制御ユニット５０と、（例えば、モバイルネットワークを通じて）無線で、又は電線を通じて通信し、電気導体３１の温度の決定値を受信し、それに応じて判断を行うことができる。

いくつかの実施形態では、動作中に、電気導体３１の温度を監視する必要がある場合には、制御ユニット５０は命令信号Ｓ１を送受信ユニット４０へ送出してもよい。送受信ユニット４０が命令信号Ｓ１を受信すると、次に、送受信ユニット４０は電磁信号Ｓ２を受動ＳＡＷ温度センサ２０へ送出する。受動ＳＡＷ温度センサ２０は電磁信号Ｓ２を受信し、それをＳＡＷ信号に変換することができる。ＳＡＷ信号は電気導体３１の温度によって変化することができ、例えば、電気導体３１の温度変化によって変調される。次に、ＳＡＷ信号はフィードバック電磁信号Ｓ３に再変換されることが可能である。送受信ユニット４０は受動ＳＡＷ温度センサ２０からのフィードバック電磁信号Ｓ３を検出し、次に、信号Ｓ４を制御ユニット５０へ送出することができる。フィードバック電磁信号Ｓ３及び信号Ｓ４は、電気導体３１の温度によって可変であり得る、受動ＳＡＷ温度センサ２０のＳＡＷ信号を示す情報を包含する。制御ユニット５０は、確認された信号Ｓ４に基づいて電気導体３１の温度の値を決定することができる。

いくつかの実施形態では、制御ユニット５０によって、測定されたフィードバック電磁信号Ｓ３に基づいて電気導体３１の絶対温度を決定することができる。いくつかの実施形態では、制御ユニット５０によって、測定されたフィードバック電磁信号Ｓ３に基づいて電気導体３１の温度変化を決定することができ、それに応じて電気導体３１の絶対温度を決定することができる。

いくつかの実施形態では、システム１００は任意選択的なエネルギー収集ユニット６０を更に含んでもよい。エネルギー収集ユニット６０は、ＡＣ電流が電気導体３１内を流れる場合、電気導体３１から電力を収集し、収集された電力を送受信ユニット４０及び／又は制御ユニット５０に供給するように適合され得る。

いくつかの実施形態では、受動ＳＡＷ温度センサ２０は、電気導体３１の温度を、例えば、−５５℃〜１５０℃の温度範囲内で、例えば、＋／−２℃又はより良好な温度精度で測定することができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、いくつかの実施形態に係る、図１及び図２の受動ＳＡＷ温度センサ２０のための２つの実施例２１及び２２を示す。図３Ａの受動ＳＡＷ温度センサ２１は、圧電基板２１Ｓと、基板２１Ｓの主表面２１１上に配置されたインターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）２１Ｔと、電線２１２を介してＩＤＴ２１Ｔに電気接続されたアンテナ２１Ａとを含む。

アンテナ２１Ａは、例えば、図２の送受信ユニット４０からのＶＨＦ／ＵＨＦ帯域内の電磁信号などの無線信号を受信するように構成されている。ＩＤＴ２１Ｔは、アンテナ２１Ａによって受信された電磁信号をＳＡＷ信号Ｓ２１に変換するように構成されている。ＳＡＷ信号Ｓ２１は基板２１Ｓの主表面２１１上を弾性波として伝搬することができる。受動ＳＡＷ温度センサ２１は、基板２１Ｓの主表面２１１上に配置された１つ以上の反射体２１Ｒを更に含む。反射体２１Ｒは各々、ＳＡＷ信号Ｓ２１の少なくとも一部分をＩＤＴ２１Ｔへ反射し返すように構成されている。反射されたＳＡＷ信号Ｓ２２は、ＩＤＴ２１Ｔによって受信され、アンテナ２１Ａによって送出されるべきフィードバック電磁信号に再変換され得る。

いくつかの実施形態では、圧電基板２１Ｓは１つ以上の圧電材料を含むことができる。圧電材料は、例えば、チタン酸バリウム、チタンジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、リチウムタンタネート（lithium tantanate）、タングステン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ナトリウムビスマス、フッ化ポリビニリデンなどのポリマー類などを含む、圧電気を呈する任意の好適な天然材料又は合成材料であってよい。

動作中に、圧電基板２１Ｓの少なくとも一部分は図２の電気導体３１と熱的に接触している。電気導体３１の温度が変化させられると、弾性波は温度変化によって変調され得る。電気導体３１の温度はフィードバック電磁信号に基づいて決定することができる。図３Ｂの実施形態では、受動ＳＡＷ温度センサ２２は、ＩＤＴ２１Ｔの両側に配置された一連の反射体２２Ｒと、ＩＤＴ２１Ｔの端子に電気接続された２つのアンテナ２２Ａとを含む。ここでは、ＩＤＴ２１Ｔは圧電基板２１Ｓの中心部分内に配置されている。図３Ａの実施形態では、ＩＤＴ２１Ｔは圧電基板２１Ｓの縁部に隣接して配置されている。１つ以上のＩＤＴ及び１つ以上の反射体は、受動ＳＡＷ温度センサが適切に機能することができる限り、様々な仕方で配列させることができることを理解されたい。

図３Ａ及び図３Ｂの実施形態では、ＩＤＴ２１Ｔは、導電線又は「フィンガ」の配列を含む交互嵌合くし形構成で配列された電極を含む。電極は圧電基板２１Ｓの主表面２１１上に配置されているか、その内部に埋め込まれ得る。電極は、例えば、金属、金属合金、金属充填ポリマー等などの任意の適当な導電材料で作製することができる。フィンガは、それらの間に間隔を置いて互いに平行に配置することができる。ＩＤＴ２１Ｔによってアンテナ（例えば、２１Ａ又は２２Ａ）から入力電気信号が受信されると、入力電気信号はＩＤＴ２１Ｔのフィンガの間に、交互になった極性を作り出すことができる。交互になった極性は、圧電基板の圧電効果によって、電極のフィンガの間の基板２１Ｓの主表面２１１上に、引張ひずみ及び圧縮ひずみの交互になった領域を作り出すことができ、表面弾性波（ＳＡＷ）として知られる機械的波動をその上に生成することができる。機械的波動又は弾性波の波長は電極のフィンガの間の間隔になることができる。弾性波の周波数ｆ_０は以下の式のように表すことができる：

ここで、Ｖ_ｐは弾性波の位相速度であり、ｐはフィンガの間の間隔である。

発生した機械的波動又は弾性波は、ＩＤＴ２１Ｔから離れる方向に伝搬することができる。いくつかの実施形態では、干渉パターンを防止するか、挿入損失を制御するために、ＩＤＴ２１Ｔと圧電基板２１Ｓの縁部との間に１つ以上の機械的吸収器を追加することができる。弾性波は基板の表面を横切って進み、１つ以上の反射体によってＩＤＴ２１Ｔへ反射し返され、圧電効果によって電磁フィードバック信号に再変換されることが可能である。いくつかの実施形態では、弾性波は、弾性波を圧電効果によってフィードバック信号に再び変換する他のＩＤＴへ進むことができる。機械的波動又は弾性波に加えられたあらゆる変更がフィードバック信号内に反映され得る。本開示では、ＳＡＷ信号は電気導体の温度によって変化し、温度はフィードバック信号に基づいて決定することができる。

図４は、一実施形態に係る、例えば、ケーブル接合部組立体３０内に密閉された、電気導体３１の温度を監視又は測定するための、受動ＳＡＷ温度センサ２０、送受信ユニット４０、及び制御ユニット５０を含む図２のシステム１００の適用を示す。

ケーブル接合部組立体３０内では、電気ケーブル１０の２つのセクションが接合されている。電気ケーブル１０の各セクションは、電気導体３１、絶縁層３３、及び（半）導電層３５を含む。絶縁層３３及び（半）導電層３５は電気導体３１を密閉している。コネクタ１２は、接合された電気導体３１を同心的に取り囲む。第１の（半）導電（又は電極）層１３、この場合には、金属層は、接合された電気導体３１及びコネクタ１２を同心的に取り囲み、コネクタ１２及び電気導体３１の周囲の遮蔽ファラデーケージを形成する。いくつかの実施形態では、「（半）導電」は、特定の構造によって、層が半導電性又は導電性であり得ることを示している。絶縁層１１（幾何学的ストレス制御部品１６を含む）は、第１の（半）導電層１３を取り囲む。上述の構造が、遮蔽及び接地層として機能する、第２の（半）導電層１４、この場合には、金属ハウジングの内部に配置される。絶縁層１１の周囲の区域を埋めるために、ポート１８のうちの１つを通して樹脂を金属ハウジング１４内に流し込むことができる。収縮性スリーブ層１５が最外層の役割を果たす。

本実施形態では、電気導体３１の部分がコネクタ１２によって覆われ、次に、第１の（半）導電層１３、絶縁層１１、第２の（半）導電層１４、及び収縮性スリーブ層１５によって密閉される。本実施形態では、収縮性スリーブ層１５は２つの重なりあうセクション１５１及び１５２を含み、重なりあう部分の間に通路１５３がある。通路１５３は、収縮性スリーブ層１５の外側から、第２の（半）導電層１４上にあるポート１８を通って、第２の（半）導電層１４の内側までである。

図４に示されるように、受動ＳＡＷ温度センサ２０は、電気導体３１の一方に隣接して、第１の（半）導電層１３の内部に位置付けられている。好ましくは、電気導体３１の一部分が電気ケーブル１０の絶縁層３３とコネクタ１２との間で露出しており、受動ＳＡＷ温度センサ２０は電気導体３１の露出部分の外面に位置付けられていてもよい。受動ＳＡＷ温度センサ２０の位置についてのより詳細な説明が、以下において図５を参照してなされる。

送受信ユニット４０は、第１の（半）導電層１３の外側かつ第２の（半）導電層１４の内側、すなわち、第１の（半）導電層１３と第２の（半）導電層１４との間に位置付けられる。送受信ユニット４０は、例えば、誘導コイル、プリントアンテナ等を含む任意の種類のアンテナであり得るアンテナを含むことができる。送受信ユニット４０は、図４の絶縁層１１の周囲に位置付けることができる２つ以上のアンテナを含むことができる。いくつかの実施形態では、送受信ユニット４０のアンテナと受動ＳＡＷ温度センサ２０のアンテナ２１Ａとは、それらの間の電磁通信を改善するために、同じ断面内に位置することができる。送受信ユニット４０及びその位置付けの実施形態についてのより詳細な説明が、以下において図５を参照して提供される。

いくつかの実施形態では、受動ＳＡＷ温度センサ２０と送受信ユニット４０との対は電気ケーブル１０の様々なロケーションに位置することができる。受動ＳＡＷ温度センサ２０は、電気導体３１に隣接して配置され、電気ケーブル１０の（半）導電層３５及び絶縁層３３によって密閉されていることが可能である。送受信ユニット４０は（半）導電層３５の外部に位置し、受動ＳＡＷ温度センサ２０のアンテナ２０Ａと電磁通信するように構成されていることが可能である。電気導体３１の温度分布を提供するために、一連のこのような対を電気ケーブル１０に沿って分布させることができる。

図４を再び参照すると、制御ユニット５０は、電線５１を通じて送受信ユニット４０と通信するように構成されている。電線５１は通路１５３内に収容されることが可能であり、それにより、電線５１は送受信ユニット４０から、ポート１８を通って、制御ユニット５０へ延びることができる。電力誘導コイル６１を含む任意選択的なエネルギー収集ユニット６０は組立体３０の外部においてケーブル１０の周囲に位置するか、第２の（半）導電層１４と収縮性スリーブ層１５との間に位置することができる。エネルギー収集ユニット６０は、電線５２を通じて送受信ユニット４０及び／又は制御ユニット５０に電力を供給するために用いることができる。本明細書全体を通じて、電線５１及び電線５２は各々「電線」と呼ばれるが、電線５１及び電線５２のどちらか又は両方は、システムが機能するための必要に応じて複数の電線を含んでもよいことを理解されたい。

いくつかの実施形態では、任意選択的なエネルギー収集ユニット６０の誘導コイル６１は、例えば、鉄心電流変成器、空心電流変成器、又はロゴウスキーコイルを含むことができる。誘導コイル６１は、第１の（半）導電層１３の外側に、又は、第２の（半）導電層が使用される場合には、その外側に、位置付けられ得る。好ましくは、エネルギー収集ユニット６０は、収集された電力を送受信ユニット４０に提供するために主に用いられてもよく、そのため、エネルギー収集ユニット６０は、送受信ユニット４０が位置する層の外部に位置付けることができる。それゆえ、エネルギー収集ユニット６０は１本以上の電線を介して送受信ユニット４０と電気接続されていてもよい。いくつかの実施形態では、エネルギー収集ユニット６０は、収集された電力を、送受信ユニット４０及び／又は制御ユニット５０に適するように適合させるための任意選択的な整流回路を更に含んでもよい。

図５は、コネクタ１２に隣接して電気導体３１上に配置された図４の受動ＳＡＷ温度センサ２０の例示的なロケーションを示す、より接近した斜視図を示す。図６は、一実施形態に係る、受動ＳＡＷ温度センサ２０の断面図である。図５の実施形態では、収縮性スリーブ層１５は連続的であり、ポート１８を収容し、電線５１の脱出を可能にするための孔が収縮性スリーブ層１５内に切開されている。

一例として、図６の受動ＳＡＷ温度センサ２０は、アンテナ２０Ａと、トランスデューサ２０Ｔ、反射体２０Ｓ及びその他の構成要素が上に配置された基板２０Ｓとを含む。基板２０Ｓ、及びその上に配置された構成要素はパッケージ２０Ｐの内部に密封されている。パッケージ２０Ｐは、例えば、密封されたセラミック又は金属パッケージであることができる。いくつかの実施形態では、パッケージ２０Ｐは、基板２０Ｓを受容するための空洞を有するハウジングを提供することができ、この場合、基板２０Ｓはハウジングの壁上に装着することができる。ハウジングは、例えば、銅などの導電材料で作製することができる。アンテナ２０Ａ、及び基板２０Ｓ上のトランスデューサ２０Ｔ（図示されていない）は、例えば、同軸ケーブルであることができる、伝送線２２０を介して電気接続されている。

アンテナ２０Ａ及びパッケージ２０Ｐを設置するための固定具２１０が設けられている。図６の実施形態では、固定具２１０は主本体２１０１及び溝２１０２を含む。溝２１０２は、電気導体３１を収容し、電気導体３１に溝２１０２を貫通させるように適合されている。主本体２１０１は、パッケージ２０Ｐを収容するためのチャンバ２１０３を有し、チャンバ２１０３は、パッケージ２０Ｐの内部の基板２０Ｓの少なくとも一部分が動作時に電気導体３１の外面と熱的に接触することができる仕方で溝２１０２と連通し得る。アンテナ２０Ａは、図５に示されるように第１の（半）導電層１３の外部に配置された送受信ユニット４０との電磁通信を促進するための様々な構成／幾可学的形状に適合させることができる。固定具２１０は、主本体２１０１を密閉するためのカバー２１０４を更に含む。２つ以上のアンテナ２０Ａ、及び／又は２つ以上のパッケージ２０Ｐを固定具２１０内に収容することができ、この場合、アンテナとパッケージの内部のＩＤＴとは様々な仕方で電気接続させることができることを理解されたい。

図６及び図７を再び参照すると、受動ＳＡＷ温度センサ２０の基板２０Ｓの少なくとも一部分は、電気導体３１と熱的に接触するように配置されている。いくつかの実施形態では、基板２０Ｓを封止するパッケージ２０Ｐは、例えば、熱伝導性ペーストによって電気導体３１の表面に接着していてもよい。いくつかの実施形態では、パッケージ２０Ｐは電気導体３１の表面と直接接触していてもよい。基板２０Ｓと電気導体３１との間で熱を効果的に交換するために好適な熱接触面を提供することができる限り、パッケージ２０Ｐは任意の好適な形状であってよいことを理解されたい。

図４及び図６に示される実施形態などのいくつかの実施形態では、アンテナ２０Ａを含む受動ＳＡＷ温度センサ２０は、第１の（半）導電（若しくは電極）層１３又は（半）導電層３５などの電磁遮蔽層の内部に位置し、送受信ユニット４０は電磁遮蔽層の外部に位置する。電磁遮蔽層は電気導体３１及び／又はコネクタ１２を取り囲み、電気導体３１によって送電される電力の効果的遮蔽を提供する。例えば、第１の（半）導電（又は電極）層１３は、圧着によって生じるコネクタ１２上の角度方向の放電を遮蔽することができる。いくつかの実施形態では、電気導体３１によって送電される電力は、例えば、６０Ｈｚの周波数を有する。本開示では、第１の（半）導電（若しくは電極）層１３又は（半）導電層３５などの電磁遮蔽層は、不適切に設計されている場合には、受動ＳＡＷ温度センサ２０のアンテナ２０Ａと送受信ユニット４０との間の電磁通信に影響を及ぼし得ることが認識されている。

後述される本開示におけるいくつかの実施形態は、第１の（半）導電（若しくは電極）層１３又は（半）導電層３５などの１つ以上の（半）導電層を設けている。（半）導電層は電気導体３１及び受動ＳＡＷ温度センサ２０を取り囲み、密閉している。送受信ユニット４０は（半）導電層の外部に配置されている。（半）導電層は、受動ＳＡＷ温度センサ２０のアンテナ２０Ａと送受信ユニット４０との間の電磁通信に大幅に影響を及ぼすことなく、電気導体３１によって送電される電力の電磁遮蔽を提供するように構成されている。

いくつかの実施形態では、（半）導電層は、電気導体３１を取り囲む１つ以上の導電性テープを含むことができる。テープは、例えば、導電性メッシュを含む目の細かいメッシュテープであってよい。例示的なテープが、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓａｉｎｔ Ｐａｕｌ，ＭＮ，ＵＳＡ）から、商品名Ｓｃｏｔｃｈ ２４ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｔａｐｅで市販されている。このテープは、スズめっき銅線で編んだ導電性金属タップ（taps）であり、１３０℃の温度で動作する能力を有する。いくつかの実施形態では、複数のテープが、それらの間に間隙又は間隔を有するように配列されている。他の実施形態では、テープの導電性メッシュの間に間隙又は間隔を含む単一のテープを用いることができる。間隙又は間隔は、受動ＳＡＷ温度センサ２０のアンテナ２０Ａと送受信ユニット４０との間の電磁通信を可能にするための窓の役割を果たすことができる。間隙又は間隔は、例えば、０．０５ｍｍ〜２５ｍｍ、又は０．１ｍｍ〜１０ｍｍの寸法を有することができる。間隔又は間隙がない場合には、（半）導電層は、アンテナ２０Ａ又は送受信ユニット４０からの電磁信号がそれを通して伝送されることを阻止し得る。

いくつかの実施形態では、（半）導電層は、１つ以上の導電性テープを電気導体３１の周囲に巻き付け、導電性表面を形成することを可能にする絶縁ベース層を更に含むことができる。間隙又は間隔を有する導電性表面は、特定のレンジの周波数（例えば、ＶＨＦ／ＵＨＶレンジ内）の電磁信号に対して比較的透過的であり、その一方で、電気導体３１によって送電される電力に対しては比較的遮蔽的であることができる、周波数選択性表面を形成することができる。

いくつかの実施形態では、（半）導電層は、電気導体の長手方向軸に沿って延在し、電気導体の外部の周囲に巻き付いた導電性テープのストリップを含むことができる。導電性テープは円筒電流ループを形成することはないと考えられ、あり得る渦電流が抑制され得る。渦電流の抑制は、ＶＨＦ／ＵＨＶレンジ内の電磁信号がそれを通して伝わることを助け得る。

本明細書に記載されているいくつかの実施形態は、受動ＳＡＷ温度センサを含む温度感知装置を提供する。受動ＳＡＷ温度センサは、苛酷な温度環境に曝露され、外的物理応力、又はセンサの機構の変化を生じることなく電気導体の温度を測定することができる、密封されたシステムであることができる。本明細書に記載されているいくつかの受動ＳＡＷ温度センサは、例えば、機械的応力などの故障メカニズムを誘発することなく、多くの測定サイクルに耐えることができる。

本明細書全体を通して、「一実施形態」、「特定の実施形態」、「１つ以上の実施形態」、又は「実施形態」への言及は、用語「実施形態」の前に、用語「例示的」が含まれているか否かに関わらず、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、材料、又は特性が、本開示の特定の例示的実施形態のうちの少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえ、本明細書全体を通して、様々な箇所での「１つ以上の実施形態では」、「特定の実施形態では」、「一実施形態では」、又は「実施形態では」などの語句の出現は、必ずしも、本開示の特定の例示的実施形態のうちの、同じ実施形態に言及するものではない。更に、特定の特徴、構造、材料、又は特性は、任意の好適な方法で１つ又は複数の実施形態に組み合わされてもよい。

本明細書では、特定の例示的実施形態が詳細に説明されてきたが、当業者には、上述の説明を理解した上で、これらの実施形態の代替物、変更物、及び均等物を容易に想起することができる点が、理解されるであろう。したがって、本開示は、本明細書で上記された例示的実施形態に、過度に限定されるものではないことを理解されたい。特に、本明細書で使用するとき、端点による数値範囲の列挙は、その範囲内に包含される全ての数を含む（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）ことが意図される。更には、本明細書で使用される全ての数は、用語「約」によって修飾されるものと想定される。更に、種々の例示的な実施形態が説明されてきた。これらの実施形態及び他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に含まれるものである。

Claims (17)

1. 少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体の温度を感知するための温度感知装置であって、前記装置は、
   主表面を有する基板と、前記基板の前記主表面上に配置されたトランスデューサと、前記トランスデューサに電気接続された１つ以上のセンサアンテナと、を含む表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサであって、前記１つ以上のセンサアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、前記トランスデューサは、前記電磁信号と、前記基板の前記主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている、表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサ、を備え、
   前記基板の少なくとも一部分が、前記電気導体と熱的に接触するように配置されており、前記ＳＡＷ信号が前記電気導体の前記温度によって変化する、温度感知装置。
2. 前記トランスデューサがインターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記ＳＡＷ温度センサが、前記基板の前記主表面上に配置された１つ以上の反射体を更に含み、前記１つ以上の反射体は各々、前記ＳＡＷ信号の少なくとも一部分を前記トランスデューサへ反射し返すように配置されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記ＳＡＷ温度センサが、前記トランスデューサを有する前記基板を収容するための金属ハウジングを更に含み、前記１つ以上のセンサアンテナが前記金属ハウジングの外部に配置されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記ＳＡＷ温度センサが前記電気導体と前記（半）導電層との間に配置されており、かつ、前記（半）導電層によって密閉されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記基板が１つ以上の圧電材料を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記１つ以上のセンサアンテナと電磁通信する送受信ユニットを更に備え、前記送受信ユニットは、前記ＳＡＷ信号及び前記電気導体の前記温度を示す信号を送出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
8. 前記送受信ユニットが前記（半）導電層の外部に配置されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記電磁信号がＶＨＦ／ＵＨＦレンジ内の周波数を有する、請求項１のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記電気導体が、６０Ｈｚの周波数を有する電力を送電する、請求項１に記載の装置。
11. 電気導体と、
    前記電気導体を密閉する（半）導電層と、
    請求項１に記載の温度感知装置と、を備える電気ケーブル組立体であって、
    前記ＳＡＷ温度センサが前記電気導体と前記（半）導電層との間に配置されており、かつ、前記（半）導電層によって密閉されており、
    前記（半）導電層が、前記電気導体によって送電される電力に対する電磁遮蔽を提供し、その一方で、前記１つ以上のセンサアンテナの前記電磁信号が前記（半）導電層を通過することを可能にするように構成されている、電気ケーブル組立体。
12. 前記（半）導電層が、前記電気導体の長手方向軸に沿って延在する導電性テープのストリップを含む、請求項１１に記載の電気ケーブル組立体。
13. 前記（半）導電層が、前記１つ以上のアンテナの前記電磁信号が前記（半）導電層を通過することを可能にするための窓として機能する間隙を有するように構成された１つ以上の導電性テープを含む、請求項１１に記載の電気ケーブル組立体。
14. 前記（半）導電層が、前記１つ以上の導電性テープを前記電気導体の周囲に巻き付けることを可能にする絶縁ベース層を含む、請求項１３に記載の電気ケーブル組立体。
15. 少なくとも（半）導電層内に密閉された電気導体の温度を感知する方法であって、前記方法は、
    表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサを準備することであって、前記ＳＡＷ温度センサは、主表面を有する基板と、前記基板の前記主表面上に配置されたトランスデューサと、前記トランスデューサに電気接続された１つ以上のアンテナと、を含み、前記１つ以上のアンテナは、電磁信号を受信又は送信するように構成されており、前記トランスデューサは、前記電磁信号と、前記基板の前記主表面上を伝搬するＳＡＷ信号との間の変換を行うように構成されている、ことと、
    前記基板の少なくとも一部分を、前記電気導体と熱的に接触するように配置することであって、前記ＳＡＷ信号は、前記電気導体の前記温度によって可変である、ことと、
    前記ＳＡＷ温度センサの前記１つ以上のアンテナと電磁通信するように構成された送受信ユニットを準備することと、
    前記送受信ユニットと前記１つ以上のアンテナとの間の前記電磁通信を介して、前記電気導体の前記温度によって可変である前記ＳＡＷ信号を検出することと、
    検出された前記ＳＡＷ信号に基づいて電気伝送線の前記温度を決定することと、を含む方法。
16. 前記ＳＡＷ温度センサ及び前記電気導体を密閉するための（半）導電層を設けることを更に含み、前記ＳＡＷ温度センサは前記（半）導電層と前記電気導体との間に配置される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記（半）導電層が、前記電気導体によって送電される電力に対する電磁遮蔽を提供し、その一方で、前記１つ以上のアンテナの前記電磁信号が前記（半）導電層を通過することを可能にするように構成されている、請求項１６に記載の方法。