(57)【要約】【課題】弾性表面波の伝搬特性の変化に基づいて対象物の温度変化を測定する温度センサを備え、広範囲の温度レンジのもとで対象物の絶対温度値を高精度に測定する無線温度測定システムを提供する。【解決手段】駆動信号を無線にて送信するマスタ１０と、マスタ１０から受信した駆動信号により弾性表面波を励起して測定対象の温度に応じた伝搬特性の反射信号を生成する弾性表面波素子２２を有し、かつ、前記反射信号をマスタ１０に無線にて送信する無給電型の温度センサ２０と、を備えた無線温度測定システムにおいて、マスタ１０は、測定対象の温度に応じた伝搬位相情報及び伝搬時間情報を有する前記反射信号に基づいて、測定対象の絶対温度値を算出する温度算出回路１４を備える。【選択図】図１
2020046257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号を無線にて送信するマスタと、
前記マスタから受信した前記駆動信号により弾性表面波を励起して測定対象の温度に応じた伝搬特性の反射信号を生成する弾性表面波素子を有し、前記反射信号を前記マスタに無線にて送信する無給電型の温度センサと、
を備えた無線温度測定システムにおいて、
前記マスタは、前記測定対象の温度に応じた伝搬位相情報及び伝搬時間情報を有する前記反射信号に基づいて、前記測定対象の絶対温度値を算出する温度算出手段を備えたことを特徴とする無線温度測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載した無線温度測定システムにおいて、
前記温度算出手段は、
前記測定対象の温度に対してバラツキの少ない前記伝搬位相情報の不連続点を、前記測定対象の温度に対してほぼ線形に変化する前記伝搬時間情報を用いて補正することにより、前記測定対象の絶対温度値を算出することを特徴とした無線温度測定システム。
【請求項３】
請求項２に記載した無線温度測定システムにおいて、
前記温度算出手段は、
前記伝搬時間情報から求めた時間算出温度のバラツキが温度計算係数から求めた所定位相当たりの温度レンジより小さい条件のもとで、前記伝搬位相情報から求めた位相算出温度を、前記時間算出温度及び前記温度レンジを用いて補正することを特徴とした無線温度測定システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した無線温度測定システムにおいて、
前記温度算出手段は、
位相変化が急激である前記反射信号を受信した場合に、受信強度波形のＳ／Ｎ比が設定値より大きい場合には、温度測定の頻度を上げて一つ前の位相差の値と比較しつつ前記反射信号の適否を判断する機能を有することを特徴とする無線温度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波を利用して無線通信により温度を測定する無線温度測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線通信により圧力や温度等の物理量を測定する装置としては、測定対象の状態に応じて弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）の伝搬特性が変化することを利用したものが知られている。
例えば、特許文献１に記載された圧力測定装置では、マスタとしてのコンピュータから読取装置及びアンテナを介して、弾性表面波素子を有する圧力センサに駆動信号が無線送信される。この圧力センサは電源を備えていない無給電センサであって、受信した駆動信号により電力が供給されて作動するものであり、センサ内で励起された弾性表面波が圧電基板の表面を反射器に向かって伝搬し、反射信号としてアンテナ及び前記読取装置を介してマスタに送り返される。マスタは、反射信号（弾性表面波）の伝搬特性の変化、すなわち位相の変化を、測定対象である物や位置における圧力変化、例えば気体圧力の変化として検出している。
【０００３】
また、特許文献２に記載された弾性表面波センサは、弾性表面波の位相の変化に基づいて測定対象の温度変化及び歪みの変化を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１０１３５６号公報（［００１０］〜［００２６］、図１，図２等）
【特許文献２】特許第５３３３５３８号公報（［００３９］〜［００８７］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に記載された従来技術では、弾性表面波の位相の変化から測定対象の物理量の変化を検出している。この場合、高い測定精度を確保したい場合には、弾性表面波の位相が２π［ｒａｄ］を超える測定レンジを設定することとなるが、例えば図３の特性図に破線で示すように、位相が（−π［ｒａｄ］）からπ［ｒａｄ］へ変化する時に、測定点に不連続点が現れる。なお、図３は、弾性表面波センサにおける温度と弾性表面波の伝搬時間情報ｔ及び伝搬位相情報ｐとの関係の一例を示したものである。
上述したような伝搬位相情報ｐの不連続点が出現するのを避けるため、測定レンジの位相を２π［ｒａｄ］以内に収めると、測定精度が低下するという問題を生じる。
【０００６】
更に、特許文献１に記載された圧力測定装置は、反射信号の位相が設定範囲を外れる（不連続点が出現する）場合、直前の位相値と大きさを比較して位相の進みまたは遅れを判断し、位相の不連続点を解消する補正機能を備えている。しかし、この補正機能を実現するには直前の位相値が必要であるため、電源投入時や、あるインターバルを置いた後の測定時には絶対位相値が不明となって適切な補正を行うことができず、圧力等の物理量を正確に測定することができないという問題があった。
【０００７】
そこで本発明の解決課題は、弾性表面波の伝搬特性の変化に基づいて測定対象の温度変化を測定する温度センサを備えた無線温度測定システムにおいて、広範囲の温度レンジのもとで測定対象の絶対温度値を高精度に測定可能とした無線温度測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、駆動信号を無線にて送信するマスタと、
前記マスタから受信した前記駆動信号により弾性表面波を励起して測定対象の温度に応じた伝搬特性の反射信号を生成する弾性表面波素子を有し、前記反射信号を前記マスタに無線にて送信する無給電型の温度センサと、を備えた無線温度測定システムにおいて、
前記マスタは、前記測定対象の温度に応じた伝搬位相情報及び伝搬時間情報を有する前記反射信号に基づいて、前記測定対象の絶対温度値を算出する温度算出手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した無線温度測定システムにおいて、前記温度算出手段は、前記測定対象の温度に対してバラツキの少ない前記伝搬位相情報の不連続点を、前記測定対象の温度に対してほぼ線形に変化する前記伝搬時間情報を用いて補正することにより、前記測定対象の絶対温度値を算出することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載した無線温度測定システムにおいて、前記温度算出手段は、前記伝搬時間情報から求めた時間算出温度のバラツキが温度計算係数から求めた所定位相当たりの温度レンジより小さい条件のもとで、前記伝搬位相情報から求めた位相算出温度を、前記時間算出温度及び前記温度レンジを用いて補正することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した無線温度測定システムにおいて、前記温度算出手段は、位相変化が急激である前記反射信号を受信した場合に、受信強度波形のＳ／Ｎ比が設定値より大きい場合には、温度測定の頻度を上げて一つ前の位相差の値と比較しつつ前記反射信号の適否を判断する機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、温度に対してほぼ線形に変化するがバラツキが大きい伝搬時間情報と、不連続点があるがバラツキが小さい伝搬位相情報とを用いることにより、測定対象の絶対温度値を取得することができる。これにより、温度センサの初期設定が不要になると共に、温度レンジや測定精度を気にせずに弾性表面素子を設計することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る無線温度測定システムの全体構成図である。
【図２】図１における弾性表面波素子の模式図である。
【図３】弾性表面波センサにおける温度と伝搬時間情報及び伝搬位相情報との関係の一例を示す特性図である。
【図４】本発明の実施形態における温度計算処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態において温度補正を行った場合の位相算出温度の波形図である。
【図６】Ｔｔのバラツキ＜Ｔｒの条件を満たさない場合の温度補正後の位相算出温度の波形図である。
【図７】遅延時間に対する受信強度を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態に係る無線温度測定システムの全体構成図であり、図２は、図１における弾性表面波素子の模式図である。なお、無線温度測定システム及び弾性表面波素子の構成は図示例に何ら限定されず、適宜変更が可能である。
【００１５】
図１に示すように、無線温度測定システムは所定の距離を隔てて配置されるマスタ１０と温度センサ２０とを備え、これらのマスタ１０と温度センサ２０とはアンテナ１１，２１を介して無線通信が可能である。温度センサ２０は、電源を備えていない無給電型のセンサであり、温度の測定対象（物や位置）に設置されている。
【００１６】
マスタ１０は、駆動回路１２と増幅回路１３と温度算出回路１４とを備え、温度センサ２０は、弾性表面波素子２２を備えている。マスタ１０において、駆動回路１２が生成した駆動信号はアンテナ１１を介して送信され、この駆動信号はアンテナ２１を介して温度センサ２０内の弾性表面波素子２２により受信される。
弾性表面波素子２２において、測定対象の温度に応じて生成された反射信号はアンテナ２１を介してマスタ１０側に送信され、この反射信号はアンテナ１１を介して増幅回路１３により受信され、温度算出回路１４により温度値に変換される。
【００１７】
ここで、駆動回路１２は、一定周期の送信タイミングで高周波の駆動信号を発振し、アンテナ１１に出力する。また、温度算出回路１４は、温度センサ２０から受信した反射信号の伝搬特性に基づいて測定対象の温度を算出する。反射信号の伝搬特性は、温度センサ２０の弾性表面波素子２２により発生した弾性表面波の伝搬特性を引き継いでいる。このため、反射信号の伝搬特性の変化から、弾性表面波素子２２における伝搬特性の変化、すなわち測定対象の温度変化を検出することができる。
【００１８】
温度算出回路１４は、例えば、基準の応答時間に対する実際の反射信号（弾性表面波）の応答時間の時間差から測定対象の温度変化を算出する。なお、温度算出回路１４では、反射信号の伝搬特性として、例えば、速度、位相、周波数、遅延時間等を用いて対象物の温度変化を算出可能である。
【００１９】
マスタ１０における駆動回路１２、増幅回路１３、温度算出回路１４の各種制御は、周知のようにプロセッサやメモリ等を用いて実施される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の、一つまたは複数の記憶媒体によって構成される。これらのメモリには、反射信号の伝搬特性の算出時に基準となる伝搬特性を示す各種パラメータや、反射信号の伝搬特性と測定対象の温度変化との対応関係等を予め記憶しておいても良い。
【００２０】
図２に示すように、弾性表面波素子２２は、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板２２１上に、ＩＤＴ（Interdigital Transducers）電極２２２と反射電極２２３とを適宜な間隔をおいて配置することにより構成されている。圧電基板２２１としては、弾性表面波として基板表面に垂直に振動するレーリー波を発生する基板に限らず、弾性表面波として基板表面内で進行方向に垂直に振動するＳＨ波を発生する基板を用いてもよい。
圧電基板２２１の材質としては、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）等のリチウム化合物や水晶を用いることができる。
【００２１】
ＩＤＴ電極２２２は、一対の櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂを対向させ、一方の櫛歯電極２２２ａの電極片の間に他方の櫛歯電極２２２ａの電極片を配置した構造となっている。一方の櫛歯電極２２２ａはアンテナ２１に接続され、他方の櫛歯電極２２２ｂは接地されている。
【００２２】
図１に示したマスタ１０の駆動回路１２からアンテナ１１，２１を介してＩＤＴ電極２２２に駆動信号が入力されると、このＩＤＴ電極２２２において弾性表面波が励起される。なお、一対の櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂの電極片の数、電極片の幅、電極片のピッチは特に限定されず、励起効率を考慮して適宜決定すれば良い。なお、ＩＤＴ電極２２２の材質は、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、金、プラチナ等である。
【００２３】
反射電極２２３は、櫛歯電極２２２ａ，２２２ｂの電極片と平行になるように複数の電極片を並べた構造である。反射電極２２３は、ＩＤＴ電極２２２から圧電基板２２１を伝搬した弾性表面波をＩＤＴ電極２２２に向けて反射させる。この弾性表面波の伝搬中に、測定対象の状態に応じて弾性表面波の伝搬特性が変化する。そして、反射電極２２３により反射した弾性表面波がＩＤＴ電極２２２に入力されることで反射信号が生成される。
【００２４】
反射電極２２３の電極片の数、電極片の幅、電極片のピッチは特に限定されず、反射効率を考慮して適宜決定すれば良い。反射電極２２３には、上述したＩＤＴ電極２２２と同じ材質を用いても良い。また、反射電極２２３の個数も、図２のように１個に限定されず、適宜変更することができる。
【００２５】
以上のように、弾性表面波素子２２は、測定対象の温度変化を弾性表面波の伝搬特性の変化として検出し、伝搬特性が変化した弾性表面波を反射信号としてマスタ１０側に無線にて送信する。
【００２６】
次に、図３〜図５を参照して、無線温度測定システムにおける温度の算出処理について説明する。図３は弾性表面波センサにおける温度と伝搬時間情報及び伝搬位相情報との関係の一例を示す特性図、図４は温度算出処理を示すフローチャート、図５は温度補正を行った場合の位相算出温度の波形図である。
【００２７】
温度センサ２０から受信した反射信号が増幅回路１３により増幅され、温度算出回路１４の信号処理によって得られる情報には伝搬時間情報ｔ及び伝搬位相情報ｐが含まれる。前述した図３のように温度を上昇させた場合、得られる伝搬時間情報ｔは、バラツキを持ちながらほぼ線形に増加するが、上記のバラツキを温度換算すると、数十［℃］に相当する。また、温度の上昇に伴って得られる伝搬位相情報ｐは、２π［ｒａｄ］ごとに不連続点を出現させながら減少する。この伝搬位相情報ｐから計算される温度のバラツキは０．１［℃］以下であるため、高精度である。
【００２８】
つまり、伝搬時間情報ｔは、ほぼ線形に変化するがバラツキが大きく、伝搬位相情報ｐは不連続点があるがバラツキは小さい。従って、測定対象の絶対温度値がわかり、かつ広範囲の温度レンジにおいて高精度に温度を測定するためには、温度の算出に伝搬時間情報ｔを使用することにより伝搬位相情報ｐの不連続点を補正する方法が有効である。
【００２９】
温度算出処理としては、図４のフローチャートに示すように、まず、素子に応じた伝搬時間情報ｔと位相伝搬情報ｐとを取得する（ステップＳ１）。次に、伝搬時間情報ｔから時間算出温度Ｔｔを算出し、位相伝搬情報ｐから位相算出温度Ｔｐを算出する。併せて、実測値から予め求めた温度計算係数に基づいて、位相２π［ｒａｄ］当たりの温度レンジＴｒを算出する（ステップＳ２）。
【００３０】
次に、時間算出温度Ｔｔと位相算出温度Ｔｐとの差に関する以下の数式１において、｜α｜が最小となる補正係数ａを求める（ステップＳ３）。
［数式１］
Ｔｔ−Ｔｐ＝ａ×Ｔｒ＋α
そして、以下の数式２により、補正後の位相算出温度Ｔｐｏｐｔを求める（ステップＳ４）。
［数式２］
Ｔｐｏｐｔ＝Ｔｐ＋ａ×Ｔｒ
【００３１】
図５は、上記の温度算出処理による補正前後の位相算出温度Ｔｐ，Ｔｐｏｐｔと時間算出温度Ｔｔを示している。この図５によれば、時間算出温度Ｔｔが大きくばらついていても、位相算出温度ＴｐがＴｐｏｐｔへと線形に補正されていることがわかる。
ただし、この温度算出処理を適用するには、時間算出温度Ｔｔのバラツキ＜温度レンジＴｒという条件を満たすことが必要である。その理由としては、Ｔｔのバラツキ＜Ｔｒという条件を満たさない場合には、図６に示すように、時間算出温度Ｔｔの値を補正後の位相算出温度Ｔｐｏｐｔがトレースするように、間違った補正結果になってしまうためである。
【００３２】
更に、温度算出回路１４において、図７に示すような受信強度波形のＳ／Ｎ比も同時に確認することで、通信品質を判定するようにしても良い。
例えば、Ｓ／Ｎ比が設定値よりも小さい場合は通信エラーとして処理し、その受信信号は温度算出処理には使用しない。Ｓ／Ｎ比が設定値よりも大きく、かつ急激な位相変化が認められた場合は、その測定頻度を上げて一つ前の位相差の値を比較し、弾性表面波素子２２の応答性を勘案しながら反射信号の適否を判断したうえで温度算出処理を行えば良い。
【符号の説明】
【００３３】
１０：マスタ
１１：アンテナ
１２：駆動回路
１３：増幅回路
１４：温度算出回路
２０：温度センサ
２１：アンテナ
２２：弾性表面波素子
２２１：圧電基板
２２２：ＩＤＴ電極
２２２ａ，２２２ｂ：櫛歯電極
２２３：反射電極
【図１】
2020046257.tif 000003
【図２】
2020046257.tif 000004
【図３】
2020046257.tif 000005
【図４】
2020046257.tif 000006
【図５】
2020046257.tif 000007
【図６】
2020046257.tif 000008
【図７】
2020046257.tif 000009