(57)【要約】【課題】  金属に覆われた環境化においても良好な無線通信が可能な小型無線応答装置を提供すること。【解決手段】  本発明は、電磁波入力信号を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された電磁波入力信号を音波に変換する入力変換手段と、前記入力変換手段により生成された音波を伝播する遅延媒体と、前記遅延媒体中を伝播した前記音波を電磁波出力信号に変換する出力変換手段と、前記出力変換手段により生成された電磁波出力信号を無線で送信する送信手段とを有する無線応答装置を提供する。【選択図】  図３
2006108766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波入力信号を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信された電磁波入力信号を音波に変換する入力変換手段と、
前記入力変換手段により生成された音波を伝播する遅延媒体と、
前記遅延媒体中を伝播した前記音波を電磁波出力信号に変換する出力変換手段と、
前記出力変換手段により生成された電磁波出力信号を無線で送信する送信手段と
を有する無線応答装置。
【請求項２】
前記受信手段および前記送信手段の少なくとも一方が、フェライト磁石上に、所望の周波数範囲において整合条件が適合するようにコイルを複数回巻きつけたアンテナを有することを特徴とする請求項１に記載の無線応答装置。
【請求項３】
前記入力変換手段および前記出力変換手段の少なくとも一方が、圧電素子を有することを特徴とする請求項１に記載の無線応答装置。
【請求項４】
前記遅延媒体が、外部環境の物理量または化学量に依存して、その遅延媒体中を伝播する音波の位相、周波数、あるいは振幅の少なくとも１つが変化する特性を有する媒体であることを特徴とする請求項１に記載の無線応答装置。
【請求項５】
前記遅延媒体を伝播する音波を反射する反射手段をさらに有し、
前記入力変換手段が前記出力変換手段としての機能も兼ねる
ことを特徴とする請求項１に記載の無線応答装置。
【請求項６】
前記遅延媒体が、複数種類の遅延媒体から構成され、
前記複数種類の遅延媒体は、それぞれが外部環境の異なった物理量または化学量に依存して、その遅延媒体中を伝播する音波の位相、周波数、あるいは振幅の少なくとも１つが変化する特性を有する媒体であることを特徴とする請求項４に記載の無線応答装置。
【請求項７】
前記受信手段および前記送信手段が、周波数１５０ｋＨｚ未満の電磁波に整合することを特徴とする請求項１に記載の無線応答装置。
【請求項８】
前記遅延媒体中に開口部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の無線応答装置。
【請求項９】
請求項８に記載の無線応答装置と、
前記開口部を通過する記録材搬送路と、
前記無線応答装置からの応答信号に基づいて、前記記録材搬送路のうち、前記開口部内に相当する位置を記録材が通過したことを検知する検知手段と
を有する画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質問器との間で無線により信号を送受信する無線応答装置及び無線応答通信方式に関し、特に、固有のエネルギー源を持たずに高ノイズ環境化での通信が可能な無線応答装置およびこの無線応答装置を記録材の経路センサとして用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物理量、化学量等を測定するために種々のセンサが開発されてきた。多くのセンサは、測定対象物、環境の物理量、化学量に応じて出力信号が変化するものである。この出力信号を処理することにより、測定対象物等の物理量、化学量の情報を得ることができる。ここで、センサと、センサからの出力信号を処理する装置（以下「質問器」という）とは、別個の装置であり、通常異なる場所に設置されて用いられる。この場合、センサから質問器までは信号線を設置する必要がある。
【０００３】
しかし、信号線を設置する構造は、移動体や回転体等の運動する物体へのセンサの設置、血管内部等、微小部分へのセンサの設置、あるいは化学的、生物的に過酷な環境下へのセンサの設置が困難であるという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するには、質問器との間の信号の送受信を無線で行えばよい。このようなセンサとして、表面弾性波素子を用いた、表面弾性波センサ（ＳＡＷセンサ）といわれる無線応答装置がある（特許文献１〜３参照）。表面弾性波センサは固有のエネルギー源を必要としないデバイスであり、測定対象物、環境の情報をセンシングしたり、装置の識別信号を応答したりすることができる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３２７３１４６号公報
【特許文献２】特開昭５５−４６１５９号公報
【特許文献３】特許第３３１５９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１〜３に記載された無線応答装置は表面弾性波素子を用いた構造のため、信号の送受信には周波数が数ＭＨｚ以上の高周波を使用しなければならなかった。そのため、金属製のシャーシ、導電性配線パターンが多く形成された部品を持つ電子機器、金属性の担体で構成された各種製造装置、あるいは金属のフレームを持つ車や航空機等、金属で覆われた物体の内部で使用する場合、使用する電磁波の波長が短いため数ｃｍ程度の領域での電磁波の回り込みが十分に得られないこととなる。また、金属による電磁波吸収等の影響もあり、信号の良好な伝搬が阻害されることも起こる。すなわち、無線応答装置が十分に機能しなくなるという問題があった。
【０００７】
また、数１００ｋＨｚの低周波の電磁波を使用する場合、その波長が数ｋｍ以上と長いため小型の放射放出アンテナを形成する事が困難であるという問題もあった。アンテナの小型化のために巻きコイル型の誘導放出アンテナを採用することも可能であるが、前述のように金属に囲まれた環境で使用する場合、磁場の吸収により信号の良好な伝搬が阻害されるという問題もあった。
【０００８】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、金属に覆われた環境化においても良好な無線通信が可能な小型無線応答装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明は、電磁波入力信号を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された電磁波入力信号を音波に変換する入力変換手段と、前記入力変換手段により生成された音波を伝播する遅延媒体と、前記遅延媒体中を伝播した前記音波を電磁波出力信号に変換する出力変換手段と、前記出力変換手段により生成された電磁波出力信号を無線で送信する送信手段とを有する無線応答装置を提供する。
好ましい態様において、前記受信手段および前記送信手段の少なくとも一方が、フェライト磁石上に、所望の周波数範囲において整合条件が適合するようにコイルを複数回巻きつけたアンテナを有してもよい。
別の好ましい態様において、前記入力変換手段および前記出力変換手段の少なくとも一方が、圧電素子を有してもよい。
さらに別の好ましい態様において、前記遅延媒体が、外部環境の物理量または化学量に依存して、その遅延媒体中を伝播する音波の位相、周波数、あるいは振幅の少なくとも１つが変化する特性を有する媒体であってもよい。
さらに別の好ましい態様において、この無線応答装置が、前記遅延媒体を伝播する音波を反射する反射手段をさらに有し、前記入力変換手段が前記出力変換手段としての機能も兼ねる構成としてもよい。
さらに別の好ましい態様において、前記遅延媒体が、複数種類の遅延媒体から構成され、前記複数種類の遅延媒体は、それぞれが外部環境の異なった物理量または化学量に依存して、その遅延媒体中を伝播する音波の位相、周波数、あるいは振幅の少なくとも１つが変化する特性を有する媒体であってもよい。
さらに別の好ましい態様において、前記受信手段および前記送信手段が、周波数１５０ｋＨｚ未満の電磁波に整合する構成としてもよい。
さらに別の好ましい態様において、この無線応答装置が、前記遅延媒体中に開口部をさらに有してもよい。本発明はさらに、この態様の無線応答装置と、前記開口部を通過する記録材搬送路と、前記無線応答装置からの応答信号に基づいて、前記記録材搬送路のうち、前記開口部内に相当する位置を記録材が通過したことを検知する検知手段とを有する画像形成装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の無線応答装置によれば、信号は遅延媒体中を音波として伝播するため、低周波信号を用いることが可能となる。したがって、金属に覆われた環境下でも無線信号の抽出が可能となる。また、構造が単純である為、小型化が可能であり、かつコストを低減することができる。さらに、遅延媒体として物理量あるいは化学量のセンシング機能を有する材料を用いることで、これまで実現できなかった金属に覆われた環境下及び遠隔場所での高精度なセンシングが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜基本構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る無線応答システム１のシステム構成を示すブロック図である。無線応答システム１は、無線応答装置１０と、無線応答装置１０に対して質問信号を送信し、無線応答装置１０から応答信号を受信し、応答信号に対し信号処理を行う質問器２０とから構成される。
図２は、本実施形態に係る質問器２０の構成を示すブロック図である。図２に示されるように、質問器２０は、無線応答装置１０との間で信号の送受信を行う送受信部２１と、受信した信号に信号処理を施す信号処理部２２と、信号処理の結果等を表示する表示部２３と、外部の機器とデータや制御信号の送受信を行うＩ／Ｆ（インターフェイス）２４と、これらの構成要素を制御する制御部２５とを有するコンピュータ装置である。
【００１２】
図３は、本実施形態に係る無線応答装置１０の機能構成を示すブロック図である。無線応答装置１０は、無線により電磁波質問信号（入力信号）を受信する受信部１１と、その入力信号を音波に変換する入力変換部１２と、変換された信号を伝搬する遅延媒体１３と、遅延媒体１３からの信号を電気信号に変換する出力変換部１４と、その電気信号を無線により電磁波応答信号（出力信号）として送信する送信部１５とを有する。
【００１３】
受信部１１及び送信部１５はアンテナ及び整合回路から構成される。アンテナとしては、フェライト磁石上に、所望の周波数範囲において整合条件が適合するようにコイルを複数回巻きつけた小型のアンテナを用いることができる。整合回路には、マッチングキャパシタ（コンデンサ）を単数あるいは複数用いることができる。
【００１４】
入力変換部１２及び出力変換部１４は、アンテナから導入された数１０〜数１００ｋＨｚ程度の低周波の電気信号を音波に変換する圧電素子を有する。この圧電素子は特定の共振周波数を持ち、その共振周波数に相当する交流電圧によって音波を発生する。圧電素子としては、その両面あるいは片面にパターン電極を配置した板状あるいは円柱状圧電素子を用いることができる。
【００１５】
遅延媒体１３は音波が伝搬する媒体である。音波は、遅延媒体１３内をある遅延時間をもって伝播する。遅延媒体１３としては、ガラス・金属・セラミック等の固体、ゲル状物質、液体、気体の材料を用いることができる。ここで、遅延媒体１３として、温度、湿度、圧力等の外部環境の影響により音波の伝搬状態が変化する材料を用いると、遅延媒体１３内を伝播する信号の周波数、位相、あるいは振幅が変化する。こうして遅延媒体１３内を伝播した信号を出力信号として取り出し、信号処理することにより、外部環境の変化を知ることができる。すなわち、遅延媒体１３はセンサ機能を持つことができる。あるいは、遅延媒体内に反射体あるいは吸収体を形成したり、遅延媒体の厚み（すなわち、音波の伝播経路長）が異なる無線応答装置を用いたりすることにより、複数の無線応答装置の各々を識別する識別信号を生成する機能を持つことも可能である。なお、このように無線応答装置を識別標識として用いる場合には遅延媒体は外部の影響を受けて信号を変化させるセンサーとしての機能を持たない材料を用いることが好ましい。
【００１６】
図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る無線応答装置１０のデバイス構成を示す斜視図である。図４（ｂ）は、無線応答装置１０の構成を示す断面図である。以下、図４（ａ）および図４（ｂ）に基づき無線応答装置１０の基本構成について説明する。
図４（ｂ）に示されるように、無線応答装置１０は、遅延媒体１３を、入力変換部１２および出力変換部１４で挟んだサンドイッチ構造を有している。入力変換部１２の、遅延媒体１３と接する面の反対側の面には、担体７０８が接合されている。担体７０８上には受信部１１が形成されている。同様に、出力変換部１４の、遅延媒体１３と接する面の反対側の面には、担体７０９が接合されている。担体７０９上には、送信部１５が形成されている。また、入力変換部１２と出力変換部１４との間にはスペーサ７１９が設けられている。図４（ａ）に示されるように、スペーサ７１９は円筒形状部材である。したがって、遅延媒体１３は、入力変換部１２、出力変換部１４、およびスペーサ７１９で形成される閉空間に充填されている。遅延媒体１３の拡散を防止するために、遅延媒体１３は閉空間に充填されていることが望ましいが、無線応答装置１０の使用目的によっては、スペーサ７１９の一部に開口部を設けてもよい。図４（ａ）では、担体７０８および担体７０９も円筒形状の部材として描かれているが、こちらは内部を密閉する必要性は無く、受信部１１および送信部１５を支持できる構造であればどのようなものでもよい。
【００１７】
図４に示される無線応答装置１０は、遅延媒体１３として空気を用いている。しかし、遅延媒体１３として他の材料を用いてもよい。すなわち、音波が伝播するものであれば、ガラス、金属、セラミック等の固体、ゲル状物質、液体、気体等の別の材料を用いてもよい。遅延媒体１３は、要求される周波数、感度等によって適切なものが選択される。また、これらの材料のうちいくつかを組み合わせたものを用いてもよい。
【００１８】
入力変換部１２および出力変換部１４の電磁波／音波変換器に用いられる圧電体材料７２５、７２６としては、例えば以下に示す材料を用いることができる。（１）ＳｉＯ2、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＢａＺｒＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ３８％−ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ等の酸化物。（２）ＢａＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ1-xＬａx（ＺｒyＴｉ1-y）1-x/4Ｏ3（ｘおよびｙの値によりいわゆるＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴとなる）等の、いわゆるＡＢＯ3型のペロブスカイト型材料。（３）ＫＮｂＯ3等の正方晶，斜方晶もしくは擬立方晶系材料。（４）ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等に代表される擬イルメナイト構造体の強誘電体材料。（５）ＳｒxＢａ1-xＮｂ2Ｏ6、ＰｂxＢａ1-xＮｂ2Ｏ6等のタングステンブロンズ型材料。（６）Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12、Ｐｂ2ＫＮｂ5Ｏ15、Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｉｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｎａ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｃｄ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3等のリラクサー系強誘電体材料。（７）ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子材料。（８）以上列挙した強誘電体の置換誘導体等から選択される複合材料。
本発明の無線応答装置１０には、以上で説明した材料のうち特に、ＰＺＴ，ＰＶＤＦ、あるいはそれらの複合体材料がコスト、結合係数、圧電定数等の点から好適である。
【００１９】
これらの圧電体材料７２５、７２６は、共振条件によって定められる厚みを有する板状あるいは円柱状の形状に成型される。圧電体材料７２５、７２６の少なくとも１の面には電極（電極７１７、７１８）が配置される。圧電体材料７２５、７２６は基板７１３、７１６により保持される。圧電体材料７２５、７２６に、共振条件を満たす電気信号を電極から印加することにより、圧電体材料７２５、７２６にたて振動、ひろがり振動、あるいは厚みすべり振動が生じる。これにより電気信号が音波に変換される。なお、たて振動、ひろがり振動、あるいは厚みすべり振動等の振動モードは、圧電体材料７２５、７２６上に形成される電極のパターン、レイアウト等により制御することが可能である。なお、基板７１３、７１６を用いずに１枚の圧電体のみで入力変換部１２、出力変換部１４を形成する構成としてもよいが、信号線およびＧＮＤ（グランド）線を別個に配線できる点、あるいは、２枚の圧電体にそれぞれ極性の異なる信号を入力することにより、圧電体の歪を大きくすることができる点から、基板と圧電体材料とを貼り合わせる構造の方がより好ましい。
【００２０】
発生した音波を伝達するため、遅延媒体１３は入力変換部１２および出力変換部１４に近接して設置される。前述のように、圧電体の材料としてはガラス、金属、セラミック等の固体、ゲル状物質、液体、気体のいずれを用いてもよい。遅延媒体１３に採用される材料は、圧電体からの音波伝搬損失や、音波伝搬速度、センシング性能要求等、無線応答装置の目的に応じて適宜選択される。また、遅延媒体の厚さ（音波が伝播する方向の長さ、図４（ａ）：ｄ）は出力信号の遅延時間に影響するが、これも無線応答装置の目的に応じて適宜選択される。通常は１００μｍから１ｍの間の厚さの遅延媒体が用いられる。
【００２１】
また、図４（ａ）、（ｂ）に示される無線応答装置は入出力で１つづつ一対のアンテナ部を有する（アンテナ部７２１、７２２）が、複数対のアンテナを有する構成としてもよい。また、１つのアンテナで受信アンテナと送信アンテナを兼ねることもできる。その場合、入力側と出力側とで対称な構造とすることができるため、無線応答装置内に反射体を形成することにより、入力変換部と受信アンテナに、出力変換部と送信アンテナの機能を兼ねさせることができる。
【００２２】
アンテナ部７２１、７２２は、コイルアンテナと、キャパシタとを有する。コイルアンテナは、フェライト磁石上に、所望の周波数範囲において整合条件が適合するようにコイルが巻きつけられたアンテナである。図４に示される無線応答装置では、アンテナ部が圧電素子と異なる部材上に形成されているが、アンテナ部を電磁波／音波変換器と同一基板（基板７１３、７１６）上に形成する構造としてもよい。
【００２３】
インピーダンスマッチング部７２３、７２４は、キャパシタ、抵抗、インダクタのいずれか１つまたは２つ以上をアンテナ部に並列もくしは直列接続することにより形成される整合回路である。インピーダンスマッチング部７２３、７２４は、アンテナ部での所望の周波数に同調する役割と圧電体との電気的整合を取る役割を持つ。
【００２４】
なお、図４（ａ）、（ｂ）では担体７０８および担体７０９の上にアンテナ部７２１、７２２、インピーダンスマッチング部７２３、７２４を設置する構造としたが、アンテナ部７２１、７２２、インピーダンスマッチング部７２３、７２４は圧電素子の表面上に直接形成する構造とすることも可能である。しかし、圧電素子の表面に複雑な部材を設置すると、圧電素子の振動（すなわち、電磁波から音波への変換）が阻害されるので、アンテナ部、インピーダンスマッチング部は圧電素子以外の部材上に設けることが望ましい。
【００２５】
次に、本実施形態に係る無線応答装置の動作の一例を説明する。
図５は、本実施形態に係る入出力信号を例示する図である。受信アンテナが質問器から低周波の電磁波質問信号（図５：入力信号）を無線で受信すると、質問信号はアンテナに接続された圧電体により低周波の音波に変換される。その音波は遅延媒体１３を介して出力側の圧電体まで伝播する。このとき、遅延媒体を伝播する音波の位相は、遅延媒体１３における伝播遅延により質問信号が有する位相からシフトする。この遅延した信号が出力信号として出力される。ある標準温度においては、遅延媒体中を伝播する音波の入力信号からのシフト量（図５：ｔs）は、遅延媒体の材質、厚みによって決まる一定の値である。ここで、遅延媒体が標準温度より高温あるいは低温である場合は、音波の位相はｔsからさらに正方向あるいは負方向にずれる（図５：Δｔ）。送信側の圧電体に伝播した音波は、電磁波信号すなわち応答信号に変換される。応答信号は、圧電体に接続されたアンテナから無線により質問器に送信される。応答信号を受信すると、質問器は、信号処理により質問信号及びから応答信号への位相のシフト量を求め、これに基づいて遅延媒体１３の温度、すなわち測定対象物の温度が求められる。
【００２６】
また、それぞれ遅延媒体の厚みが異なる２つの無線応答装置を用いると、その出力信号の位相のシフト量は、遅延媒体の厚みに依存している。したがって、出力信号（応答信号）の位相により各無線応答装置を識別することができる。図６は、本実施形態に係る入出力信号を例示する図である。すなわち、２つの無線応答装置は、その遅延媒体の厚みにより位相のシフト量が異なる（図６：ｔ1、ｔ2）。このようにして、応答信号を無線応答装置の識別信号として用いることもできる。
【００２７】
本実施形態に係る無線応答装置は、遅延媒体の材質および厚みを適切に設計することにより、上述のセンサ機能および識別機能の２つの機能を同時に具備することもできる。例えば、測定対象温度範囲において、ある無線応答装置の位相のシフト量が他の無線応答装置の位相のシフト量とオーバラップしないように設計することにより、各無線応答装置の信号を識別しつつ、各無線温度装置が検知した温度等の物理量を得ることができる。
【００２８】
この実施形態によれば、以下の効果が奏される。この無線応答装置に対して低周波数の質問無線信号を送ることで、内部で周波数を大きく変化させないまま応答信号を返すことができる。したがって、低周波電磁波を良好に伝搬することが可能となる。すなわち、微細な間隙を通した電磁波の回折が可能となり、金属に覆われた環境下での無線信号の抽出が可能となる。また、構造が単純である為、小型化が可能であり、かつコストを低減することができる。その結果、従来実現が難しかった、金属に覆われた環境下及び遠隔場所での高精度な無線センシングが可能となる。
【００２９】
＜第１実施形態＞
図７（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る無線応答装置１００ａのデバイス構造を示す断面図である。また、図７（ｂ）は、本実施形態に係る無線応答装置１００ｂのデバイス構造を示す断面図である。無線応答装置１００ａおよび無線応答装置１００ｂは、遅延媒体（遅延媒体１０１ａおよび１０１ｂ）の厚みが異なる点以外は同一の構造を有している。以下、特に区別する必要のないときは、添字ａ、ｂを省略して説明する。
【００３０】
受信部１０２は、コイルアンテナ１０３および整合回路１０４を有する。送信部１０５は、コイルアンテナ１０６および整合回路１０７を有する。受信部１０２および送信部１０５はそれぞれ、凹型の担体１０８、１０９上に形成されている。
【００３１】
入力変換器１１１は、電気信号を音波に変換するための圧電素子１１２と、圧電素子１１２を保持するための基板１１３とを有する。出力変換器１１４の構造も基本的に入力変換器１１１と同一である。すなわち、出力変換器１１４は、音波を電気信号に変換する圧電素子１１５と、圧電素子１１５を保持するための基板１１６とを有する。本実施形態においては、圧電素子１１２、基板１１３、圧電素子１１５、基板１１６はいずれもＰＺＴで形成されている。圧電素子１１２の表面には入力された電気信号に応じた振動を生じさせるための電極１１７が形成されている。圧電素子１１５の表面にも同様に電極１１８が形成されている。本実施形態において、電極１１７、電極１１８はいずれもＡｌで形成されている。入力変換器１１１と出力変換器１１４の間にはスペーサ１１９が設けられている。入力変換器１１１と出力変換器１１４とを絶縁するための、スペーサ１１９は絶縁材料で形成されることが望ましい。本実施形態においてスペーサ１１９はプラスチック材料で形成されている。
【００３２】
入力変換器１１１、出力変換器１１４、およびスペーサ１１９を接合することにより、入力変換器１１１および出力変換器１１４の間には閉空間が形成される。この閉空間には、遅延媒体である空気が充填されている。本実施形態において、スペーサ１１９ａは５ｃｍ、スペーサ１１９ｂは１０ｃｍの厚みを有する。これらは、それぞれ、遅延時間約０．３ｍｓｅｃ、０．７ｍｓｅｃに相当する厚みである。
また、担体１０８、１０９上には、信号の伝送路である配線１１０が形成されている。担体１０８と入力変換器１１１、担体１０９と出力変換器１１４をそれぞれ接合することにより、配線１１０と電極１１７、電極１１８とが接触し、受信部１０２と入力変換器１１１、出力変換器１１４と送信部１０５はそれぞれ電気的に接続される。
【００３３】
続いて、無線応答装置１００ａ、１００ｂの製造方法について説明する。まず、圧電素子１１２、基板１１３、圧電素子１１５、基板１１６の材料となるＰＺＴ結晶基板に対し、洗浄、エッチング、乾燥等の前処理を行う。前処理の終了したＰＺＴ結晶基板のうち、圧電素子１１２として用いるものに対しては、周知のフォトリソグラフィ等の手法により、表面に電極１１７となるＡｌをパターン形成する。同様にして、圧電素子１１５として用いるＰＺＴ結晶基板上には、電極１１８となるＡｌがパターン形成される。
【００３４】
こうして形成された圧電素子１１２は、基板１１３となるＰＺＴ結晶基板と貼り合わせられ、入力変換器１１１が形成される。同様に、圧電素子１１２と基板１１６となるＰＺＴ結晶基板が貼り合わせられ、出力変換器１１４が形成される。なお、ＰＺＴ結晶基板同士を貼り合わせる際は、その分極方向が同一となるように貼り合わせる。基板の貼り合わせには、熱可塑性、熱硬化性、あるいは紫外線硬化性等の接着性樹脂材料を用いる。ここで、効率の観点から弾性係数が高い材料を用いる方が好ましい
【００３５】
入力変換器１１１、出力変換器１１４にはそれぞれ、プラスチック製の担体１０８、担体１０９が接合される。また、スペーサ１１９が、入力変換器１１１と出力変換器１１４の間に挿入され、接合される。なお、無線応答装置１００の製造において、「接合」はエポキシ系樹脂等の接着剤を用いて行ってもよいし、無線応答装置１００全体をプラスチックケースに収納する等の手法により各部材を固定することにより行ってもよい。
【００３６】
このように形成された担体１０８の表面に、約４０ｋＨｚの周波数の信号を受信することができるように設計された整合回路１０４と、フェライト上に形成されたコイルアンテナ１０３とが形成される。担体１０８には、コイルアンテナ１０３からの信号を入力変換器１１１に伝播する配線１１０が形成される。出力側についても、入力側と同様に担体１０９の表面にコイルアンテナ１０６と整合回路１０７とが形成され、コイルアンテナ１０６と出力変換器１１４とを電気的に接続する配線１１０が形成される。
【００３７】
図８は、従来技術に係る無線応答装置９００の構成を示すブロック図である。無線応答装置９００は、送受信アンテナ部９０１、整合回路（マッチング部）９０２、ＲＦ変換部９０３、信号処理部９０４、温度センサ９０５を有する。無線応答装置９００は、信号周波数約２．５ＧＨｚの無線応答装置である。
【００３８】
図９は、本実施形態に係る無線応答装置１００と、従来技術に係る無線応答装置９００との性能を比較する図である。プリンタ等の電子機器内部の状態を模すため、無線応答装置１００および無線応答装置９００を金属で覆われた箱の中に設置し、０〜１００℃の温度範囲で、箱から数１０ｃｍ離れた位置でその無線応答信号をモニタした。図９に示すように、従来技術に係る無線応答装置９００では検出できなかった応答信号を、本実施形態に係る無線応答装置１００では検出することができた。すなわち、無線応答装置９００からの応答信号は金属に吸収あるいは反射され、金属に覆われた環境下では無線応答装置９００は無線応答装置として機能しなかった。しかし、無線応答装置１００は、４０ｋＨｚの低周波信号を用いているため、数１０ｃｍ離れた位置でも応答信号を検出でき、金属に覆われた環境下でも無線応答装置として機能した。
また、無線応答装置１００ａ、１００ｂからの応答信号を、それぞれの位相の違いにより識別することができた。すなわち、どの無線応答装置が何℃だったか検知することができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
図１０（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る無線応答装置２００ａのデバイス構造を示す断面図である。また、図１０（ｂ）は、同実施形態に係る無線応答装置２００ｂのデバイス構造を示す断面図である。無線応答装置２００ａおよび無線応答装置２００ｂは、遅延媒体（遅延媒体２０１ａおよび２０１ｂ）の厚みが異なる点以外は同一の構造を有している。以下、特に区別する必要のないときは、添字ａ、ｂを省略して説明する。
また、無線応答装置２００は、遅延媒体２０１として用いる材料およびその厚みが異なる点、および整合回路２０４、整合回路２０７が周波数１３０ｋＨｚに整合している点以外は、第１実施形態に係る無線応答装置１００と同一の構造を有し、同一の製造方法で製造されるのでその説明を省略する。なお、無線応答装置２００において、無線応答装置１００と同一の構成要素には、１００の位を２に変更した参照記号を付している。例えば、図１０において参照記号２１７は、図７に示される１１７と同一の要素、すなわち電極を表している。
【００４０】
本実施形態において、遅延媒体２０１の材料としては水が用いられている。遅延媒体２０１ａ、２０１ｂの厚みはそれぞれ１ｃｍ、２ｃｍである。これらはそれぞれ、遅延時間約４μｓｅｃ、８μｓｅｃに相当する。また、整合回路２０４、２０７はともに約１３０ｋＨｚの周波数の信号を受信できるように設計されている。
【００４１】
以上のような構造を有する無線応答装置２００を、第１実施形態と同様に金属に覆われた環境下で、従来技術に係る無線応答装置と比較実験を行った。無線応答装置２００については、１３０ｋＨｚの低周波信号を用いて、数１０ｃｍ離れた位置から応答信号を検出することができた。また、無線応答装置２００ａ、２００ｂからの応答信号を、それぞれの位相の違いにより識別することができた。
【００４２】
＜第３実施形態＞
図１１（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る無線応答装置３００ａのデバイス構造を示す断面図である。また、図１１（ｂ）は、同実施形態に係る無線応答装置３００ｂのデバイス構造を示す断面図である。無線応答装置３００ａおよび無線応答装置３００ｂは、遅延媒体（遅延媒体３０１ａおよび３０１ｂ）の厚みが異なる点以外は同一の構造を有している。以下、特に区別する必要のないときは、添字ａ、ｂを省略して説明する。
また、以下の説明では、主に第１実施形態に係る無線応答装置１００と異なる部分について説明する。なお、無線応答装置３００において、無線応答装置１００と同一の構成要素には、１００の位を３に変更した参照記号を付している。例えば、図１１において参照記号３１７は、図７に示される１１７と同一の要素、すなわち電極を表している。
【００４３】
本実施形態において、主に、（ａ）圧電素子３１２および圧電素子３１５の材料としてＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が用いられる点、（ｂ）基板３１３、３１６の材料としてステンレス鋼が用いられる点、（ｃ）電極３１７、３１８のレイアウト、が第１実施形態に係る無線応答装置１００と異なる。
【００４４】
まず、無線応答装置３００ａ、３００ｂの製造方法について説明する。まず、圧電素子３１２、３１５の材料となるＰＶＤＦ結晶基板に対し、洗浄、エッチング、乾燥等の前処理を行う。続いて、前処理の終了したＰＶＤＦ結晶基板に対して、周知のフォトリソグラフィ等の手法により、表面に電極３１７となるＡｌをパターン形成する。同様にして、圧電素子３１５として用いるＰＶＤＦ結晶基板上には、電極３１８となるＡｌがパターン形成される。これらのＰＶＤＦ結晶基板は、それぞれステンレス鋼製の基板３１３、３１６と貼り合わせられ、入力変換器３１１、出力変換器３１４となる。
【００４５】
入力変換器３１１、出力変換器３１４にはそれぞれ、プラスチック製の担体３０８、担体３０９が接合される。また、スペーサ３１９が、入力変換器３１１と出力変換器３１４の間に挿入される。入力変換器３１１、出力変換器３１４、スペーサ３１９で形成される空間には、水が遅延媒体３０１として充填される。遅延媒体３０１を充填した後、入力変換器３１１、出力変換器３１４、スペーサ３１９は接合される。なお、無線応答装置３００の製造において、「接合」はエポキシ系樹脂等の接着剤を用いて行ってもよいし、無線応答装置３００全体をプラスチックケースに収納する等の手法により各部材を固定することにより行ってもよい。
【００４６】
本実施形態において、スペーサ３１９ａは１ｃｍ、スペーサ３１９ｂは２ｃｍの厚みを有する。これらは、それぞれ、遅延時間約７０μｓｅｃ、１３０μｓｅｃに相当する厚みである。
【００４７】
以上のような構造を有する無線応答装置３００を、第１実施形態と同様に金属に覆われた環境下で、従来技術に係る無線応答装置と比較実験を行った。無線応答装置３００については、１３０ｋＨｚの低周波信号を用いて、数１０ｃｍ離れた位置から応答信号を検出することができた。また、無線応答装置３００ａ、３００ｂからの応答信号を、それぞれの位相の違いにより識別することができた。
【００４８】
＜第４実施形態＞
図１２（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る無線応答装置４００ａのデバイス構造を示す断面図である。また、図１２（ｂ）は、同実施形態に係る無線応答装置４００ｂのデバイス構造を示す断面図である。無線応答装置４００ａおよび無線応答装置４００ｂは、遅延媒体（遅延媒体４０１ａおよび４０１ｂ）の厚みが異なる点以外は同一の構造を有している。以下、特に区別する必要のないときは、添字ａ、ｂを省略して説明する。なお、無線応答装置４００において、無線応答装置１００と同一の構成要素には、１００の位を４に変更した参照記号を付している。例えば、図１２において参照記号４１７は、図７に示される１１７と同一の要素、すなわち電極を表している。
【００４９】
無線応答装置４００は、遅延媒体の中央に反射体を設置し、受信部としての機能と送信部としての機能とを１つの部材に備えさせたものである。
送受信部４０２は、コイルアンテナ４０３および整合回路４０４を有する。送受信部４０２は、凹型の担体４０８上に形成されている。
【００５０】
入出力変換器４１１は、電気信号を音波に変換するための圧電素子４１２と、圧電素子４１２を保持するための基板４１３とを有する。本実施形態においては、圧電素子４１２、基板４１３はいずれもＰＺＴ／ＰＶＤＦ混合材料で形成されている。圧電素子４１２の表面には入力された電気信号に応じた振動を生じさせるための電極４１７が形成されている。本実施形態において、電極４１７はＡｌで形成されている。入出力変換器４１１はスペーサ４１９に接続され、スペーサ４１９は反射体４２０に接合されている。本実施形態においてスペーサ４１９はプラスチック材料で形成されている。
【００５１】
入出力変換器４１１およびスペーサ４１９を接合することにより、入出力変換器４１１およびスペーサ４１９の間には閉空間が形成される。この閉空間には、遅延媒体４０１として空気が充填されている。本実施形態において、スペーサ４１９ａは２ｃｍ、スペーサ４１９ｂは４ｃｍの厚みを有する。これらは、それぞれ、遅延時間約１４０μｓｅｃ、２８０μｓｅｃに相当する厚みである。
また、担体４０８上には、信号の伝送路である配線４１０が形成されている。担体４０８と入出力変換器４１１を接合することにより、配線４１０と電極４１７が接触し、送受信部４０２と入出力変換器４１１はそれぞれ電気的に接続される。
【００５２】
無線応答装置４００において、質問器からの質問信号は、送受信部４０２により受信される。受信された信号は配線４１０および電極４１７を介して入出力変換器４１１に入力される。入出力変換器４１１は、電気信号を音波に変換する。入出力変換器４１１により生成された音波は、遅延媒体４０１を反射体４２０の方向に伝播する。音波は、反射体４２０で反射され、逆向き（入出力変換器４１１に向かう方向）に伝播する。音波は、入出力変換器４１１で電気信号に変換される。電気信号は、送受信部４０２から電磁波すなわち応答信号として送信される。質問器は、応答信号を受信し、受信した応答信号に信号処理を施すことによって測定対象物の温度を検知することができる。
【００５３】
続いて、無線応答装置４００の製造方法について説明する。まず、圧電素子４１２、基板４１３の材料となるＰＺＴ／ＰＶＤＦ混合材料基板に対し、洗浄、エッチング、乾燥等の前処理を行う。前処理の終了したＰＺＴ／ＰＶＤＦ混合材料基板のうち、圧電素子４１２として用いるものに対しては、周知のフォトリソグラフィ等の手法により、表面に電極４１７となるＡｌをパターン形成する。
【００５４】
こうして形成された圧電素子４１２は、基板４１３となるＰＺＴ／ＰＶＤＦ混合材料基板と貼り合わせられ、入出力変換器４１１が形成される。なお、ＰＺＴ／ＰＶＤＦ混合材料基板同士を貼り合わせる際は、その分極方向が同一となるように貼り合わせる。
【００５５】
入出力変換器４１１には、プラスチック製の担体４０８が接合される。また、スペーサ１１９が、入出力変換器４１１と反射体４２０の間に挿入され、接合される。反射体４２０は、プラスチック材料、金属材料等、音波を反射するものであればどのようなものでもよい。なお、無線応答装置４００の製造において、「接合」はエポキシ系樹脂等の接着剤を用いて行ってもよいし、無線応答装置４００全体をプラスチックケースに収納する等の手法により各部材を固定することにより行ってもよい。
【００５６】
このように形成された担体４０８の表面に、約１００ｋＨｚの周波数の信号を受信することができるように設計された整合回路４０４と、フェライト上に形成されたコイルアンテナ４０３とが形成される。担体４０８には、コイルアンテナ４０３からの信号を入出力変換器４１１に伝播する配線４１０が形成される。
【００５７】
以上のような構造を有する無線応答装置４００を、第１実施形態と同様に金属に覆われた環境下で、従来技術に係る無線応答装置と比較実験を行った。無線応答装置４００については、１００ｋＨｚの低周波信号を用いて、数１０ｃｍ離れた位置から応答信号を検出することができた。また、無線応答装置４００ａ、４００ｂからの応答信号を、それぞれの位相の違いにより識別することができた。
【００５８】
＜第５実施形態＞
図１３は、本発明の第５実施形態に係る無線応答装置５００のデバイス構造を示す断面図である。図１３に示されるように、無線応答装置５００は、第１実施形態の無線応答装置１００を、スペーサ１１９の中央部分を境に入力部５３０と出力部５４０と２つの部分に分割した構造を有している。無線応答装置５００においては、空気が遅延媒体として用いられる。
【００５９】
図１４は、無線応答装置５００を用紙検知センサとして用いた画像形成装置の一例である複合機５５０の構成を示すブロック図である。複合機５５０は、用紙（記録材）を、手差しトレイ５５１またはカット紙トレイ５５２から、排出トレイ５５３まで搬送する用紙搬送路５５４を有する。用紙は、搬送ローラ５５５により用紙搬送路５５４を搬送される。なお、図面が煩雑になるのを防ぐため、現像器や転写ローラ等の画像形成部は図示を省略している。複合機５５０には、用紙搬送路５５４上に、無線応答装置５００ａ〜５００ｄの４つの用紙検知センサが設置されている。
【００６０】
無線応答装置５００の各々は、入力部５３０と出力部５４０との間に用紙搬送路５５４が位置するように設置される。制御部５５６は本実施形態において質問器として機能し、無線応答装置５００から応答信号を受信し、用紙の通過を検知することができる。ここで、無線応答装置５００が用紙検知センサとして機能する動作原理は次のとおりである。遅延媒体（空気）中に異物（用紙）が進入すると、音波の伝播状態が変化するため、制御部５５６は用紙が無線応答装置５００の位置を通過したことを検知することができる。ここで、無線応答装置５００ａのスペーサ５１９は開口部を有している。したがって、遅延媒体５０１は閉空間に封止されていないが、用紙通過の有無を検知することは可能である。
また、音波の伝播経路長（上述の第１〜第４実施形態の「遅延媒体の厚み」に相当）が異なるように設置することにより、制御部５５６は無線応答装置５００ａ〜５００ｄの各々を識別することができる。すなわち、制御部５５６は用紙がどの位置を通過したかを検知することができる。
【００６１】
ここで、無線応答装置５００は無線で通信する装置であるので、制御部５５６との間で配線を結合する必要がなく、複合機５５０の内部配線を簡素化できるという効果がある。したがって、排出トレイ５５３など、交換可能な部品の用紙検知センサとして無線応答装置５００を用いると、部品の取り付けの際にも、制御部５５６と無線応答装置５００とを電気的に接続する必要がなく、設置が容易になるという効果もある。
【００６２】
＜変形例＞
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
圧電素子、遅延媒体、およびデバイス構造の組み合わせは、上述の実施形態で例示したものに限られず、任意の組み合わせが可能である。また、各実施形態で説明した遅延媒体の厚み等のパラメータも一例に過ぎず、測定対象や使用条件等により適宜設計変更可能である。また、圧電素子等の形状も上述の実施形態で説明したものに限られない。
また、上述の実施形態においては、質問器２０において位相の比較によって測定対象物の物理量、化学量を得る態様について説明したが、質問器２０の信号処理部２２が行う信号処理の方法はこれに限られない。信号処理部２２は、例えば、信号周波数または伝播時間等の他のパラメータを比較する処理を行ってもよい。
また、上述の実施形態においては、無線応答装置を温度センサあるいは用紙検知センサとして用いる態様について説明したが、測定対象はこれに限られない。例えば、無線応答装置を圧力、湿度、変位等の物理量を測定するセンサとして用いてもよい。測定対象とする物理量、化学量に対し適切な圧電素子の材料、構造、あるいは遅延物質の材料、構造を選択することにより実現できる。例えば、本発明に係る無線応答装置を温度センサとして用いる場合には、遅延媒体としては、温度変化により音波の伝播状態が急激に変化するゲル状物質が好適である。また、本発明に係る無線応答装置を識別標識として用いる場合には、遅延媒体としては空気が好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係る無線応答システム１のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】質問器２０の構成を示すブロック図である。
【図３】無線応答装置１０の機能構成を示すブロック図である。
【図４（ａ）】無線応答装置１０のデバイス構成を示す斜視図である。
【図４（ｂ）】無線応答装置１０のデバイス構成を示す断面図である。
【図５】同実施形態に係る入出力信号を例示する図である。
【図６】同実施形態に係る入出力信号を例示する図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る無線応答装置１００ａのデバイス構造を示す断面図である。
【図８】従来技術に係る無線応答装置９００の構成を示すブロック図である。
【図９】無線応答装置１００と無線応答装置９００の性能を比較する図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る無線応答装置２００のデバイス構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る無線応答装置３００のデバイス構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る無線応答装置４００のデバイス構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る無線応答装置５００のデバイス構造を示す断面図である。
【図１４】無線応答装置５００を用紙検知センサとして用いた複合機５５０の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…無線応答システム、１０…無線応答装置、１１…受信部、１２…入力変換部、１３…遅延媒体、１４…出力変換部、１５…送信部、２０…質問器、２１…送受信部、２２…信号処理部、２３…表示部、２４…Ｉ／Ｆ、２５…制御部、１００…無線応答装置、１０１…遅延媒体、１０２…受信部、１０３…コイルアンテナ、１０４…整合回路、１０５…送信部、１０６…コイルアンテナ、１０７…整合回路、１０８…担体、１０９…担体、１１０…配線、１１１…入力変換器、１１２…圧電素子、１１３…基板、１１４…出力変換器、１１５…圧電素子、１１６…基板、１１７…電極、１１８…電極、１１９…スペーサ、２００…無線応答装置、２０１…遅延媒体、２０４…整合回路、２０７…整合回路、３００…無線応答装置、３０１…遅延媒体、３１１…入力変換器、３１２…圧電素子、３１３…基板、３１４…出力変換器、３１５…圧電素子、３１７…電極、３１８…電極、３１９…スペーサ、４００…無線応答装置、４０１…遅延媒体、４０２…送受信部、４０３…コイルアンテナ、４０４…整合回路、４０８…担体、４１１…入出力変換器、４１２…圧電素子、４１３…基板、４１６…基板、４１９…スペーサ、４２０…反射体、５００…無線応答装置、５３０…入力部、５４０…出力部、５５０…複合機、５５１…手差しトレイ、５５２…カット紙トレイ、５５３…排出トレイ、５５４…用紙搬送路、５５５…搬送ローラ、５５６…制御部、７０３…コイルアンテナ、７０６…コイルアンテナ、７０８…担体、７０９…担体、７１３…基板、７１６…基板、７１７…電極、７１８…電極、７１９…スペーサ、７２１…アンテナ部、７２２…アンテナ部、７２３…インピーダンスマッチング部、７２４…インピーダンスマッチング部、９００…無線応答装置、９０１…送受信アンテナ部、９０２…整合回路、９０３…ＲＦ変換部、９０５…温度センサ
【図１】
2006108766.tif 000003
【図２】
2006108766.tif 000004
【図３】
2006108766.tif 000005
【図４（ａ）】
2006108766.tif 000006
【図４（ｂ）】
2006108766.tif 000007
【図５】
2006108766.tif 000008
【図６】
2006108766.tif 000009
【図７】
2006108766.tif 000010
【図８】
2006108766.tif 000011
【図９】
2006108766.tif 000012
【図１０】
2006108766.tif 000013
【図１１】
2006108766.tif 000014
【図１２】
2006108766.tif 000015
【図１３】
2006108766.tif 000016
【図１４】
2006108766.tif 000017