(57)【要約】【課題】検出対象が高温となる場合でも好適に使用可能な環境検出装置を提供する。【解決手段】環境検出装置１は、互いに磁気的に結合する第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２と、第１コイルＬ１に接続される信号発生器１０と、第２コイルＬ２に接続され、周辺環境によってインピーダンスが変化するサーミスタＲ１と、サーミスタＲ１に並列接続される容量Ｃ１と、を備え、信号発生器１０から所定周波数の交流電圧を出力したときに第１コイルＬ１又は前記信号発生器１０に流れる電流によって前記周辺環境を検出する。【選択図】図１
2019184532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに磁気的に結合する第１及び第２コイルと、
前記第１コイルに接続される信号発生器と、
前記第２コイルに接続され、周辺環境によってインピーダンスが変化する回路素子と、
前記回路素子に並列接続される容量と、を備え、
前記信号発生器から所定周波数の交流信号を出力したときの前記第１コイル又は前記信号発生器の電圧及び電流によって前記周辺環境を検出する、環境検出装置。
【請求項２】
前記第２コイルのインダクタンス値をＬ２、前記容量の容量値をＣ１とした場合に、前記所定周波数ｆ１は、
【数５】
2019184532.tif 000007
である、請求項１に記載の環境検出装置。
【請求項３】
前記所定周波数は、前記信号発生器側から見たインピーダンスが極大または極小となる周波数である、請求項１に記載の環境検出装置。
【請求項４】
前記信号発生器は、出力電圧の周波数が可変である、請求項１から３のいずれか一項に記載の環境検出装置。
【請求項５】
前記第１コイル又は前記信号発生器に流れる電流が極大となる周波数を基に導出される前記第１及び第２コイルの結合係数を、前記周辺環境の検出に利用する、請求項４に記載の環境検出装置。
【請求項６】
前記第１コイルを含む一次側回路と、前記第２コイルを含む二次側回路とが、互いに配線を渡すことのできない第１空間と第２空間に分けて配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の環境検出装置。
【請求項７】
前記周辺環境は、温度、湿度、又は圧力であり、
前記回路素子は、温度検出素子、湿度検出素子、又は圧力検出素子である、請求項１から６のいずれか一項に記載の環境検出装置。
【請求項８】
前記容量及び前記回路素子が、同一パッケージに封止されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の環境検出装置。
【請求項９】
前記第１及び第２コイルの一方の面積が、他方の面積よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の環境検出装置。
【請求項１０】
互いに磁気的に結合する第３及び第４コイルと、
前記第３コイルに接続される信号発生器と、
前記第４コイルに接続され、周辺環境によってインピーダンスが変化する回路素子と、
前記回路素子に並列接続される容量と、を備え、
前記信号発生器から所定周波数の交流信号を出力したときの前記第３コイル又は前記信号発生器の電圧及び電流によって前記周辺環境を検出する、請求項１から９のいずれか一項に記載の環境検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度等の環境を検出する環境検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばワイヤを引き出せない閉じられた空間内にある対象物の温度を検出したい場合には、当該対象物の温度情報をワイヤレスで空間外に伝送する必要がある。下記特許文献１は、真空パック内の食品の温度測定に利用可能な温度センサを開示する。この温度センサは、サーミスタと抵抗とで電池電圧を分圧し、分圧電圧を、Ａ／Ｄ変換器及びシフトレジスタを介して、発光ダイオードからディジタル信号としてシリアル出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１９８５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の温度センサでは、Ａ／Ｄ変換器及びシフトレジスタ等の半導体部品を、検出対象に近接して配置する必要がある。このため、特許文献１の温度センサは、高温となる検出対象に使用するのが困難という課題があった。
【０００５】
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、検出対象が高温となる場合でも好適に使用可能な環境検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、環境検出装置である。この環境検出装置は、
互いに磁気的に結合する第１及び第２コイルと、
前記第１コイルに接続される信号発生器と、
前記第２コイルに接続され、周辺環境によってインピーダンスが変化する回路素子と、
前記回路素子に並列接続される容量と、を備え、
前記信号発生器から所定周波数の交流信号を出力したときの前記第１コイル又は前記信号発生器の電圧及び電流によって前記周辺環境を検出する。
【０００７】
前記第２コイルのインダクタンス値をＬ２、前記容量の容量値をＣ１とした場合に、前記所定周波数ｆ１は、
【数１】
2019184532.tif 000003
であってもよい。
【０００８】
前記所定周波数は、前記信号発生器側から見たインピーダンスが極大または極小となる周波数であってもよい。
【０００９】
前記信号発生器は、出力電圧の周波数が可変であってもよい。
【００１０】
前記第１コイル又は前記信号発生器に流れる電流が極大となる周波数を基に導出される前記第１及び第２コイルの結合係数を、前記周辺環境の検出に利用してもよい。
【００１１】
前記第１コイルを含む一次側回路と、前記第２コイルを含む二次側回路とが、互いに配線を渡すことのできない第１空間と第２空間に分けて配置されてもよい。
【００１２】
前記周辺環境は、温度、湿度、又は圧力であり、
前記回路素子は、温度検出素子、湿度検出素子、又は圧力検出素子であってもよい。
【００１３】
前記容量及び前記回路素子が、同一パッケージに封止されてもよい。
【００１４】
前記第１及び第２コイルの一方の面積が、他方の面積よりも大きくてもよい。
【００１５】
互いに磁気的に結合する第３及び第４コイルと、
前記第３コイルに接続される信号発生器と、
前記第４コイルに接続され、周辺環境によってインピーダンスが変化する回路素子と、
前記回路素子に並列接続される容量と、を備え、
前記信号発生器から所定周波数の交流信号を出力したときの前記第３コイル又は前記信号発生器の電圧及び電流によって前記周辺環境を検出してもよい。
【００１６】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、検出対象が高温となる場合でも好適に使用可能な環境検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る環境検出装置１の概略回路図。
【図２】低温における環境検出装置１の信号発生器１０の出力する電圧の周波数と信号発生器１０に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）との関係を示す概略グラフ。
【図３】中温における同関係を示す概略グラフ。
【図４】高温における同関係を示す概略グラフ。
【図５】環境検出装置１の第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数が低い場合における、信号発生器１０の出力する電圧の周波数と、信号発生器１０に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）と、の関係を示す、シミュレーションによる特性図。
【図６】前記結合係数が高い場合における同関係を示す、シミュレーションによる特性図。
【図７】環境検出装置１のサーミスタＲ１の抵抗値と、信号発生器１０から１Ｖppかつ周波数が第１共振周波数ｆ１の電圧を出力した場合に信号発生器１０に流れる電流（周波数特性における極小値の電流）と、の関係を、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数の値ごとに示した概略グラフ。
【図８】第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数と、信号発生器１０に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）が極大値となる第２共振周波数ｆ２と、の関係を示す概略グラフ。
【図９】本発明の実施の形態２に係る環境検出装置２の概略回路図。
【図１０】環境検出装置２における、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２、第３コイルＬ３及び第４コイルＬ４のサイズ及び配置の一例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る環境検出装置１の概略回路図である。環境検出装置１は、信号発生器１０と、電流検出手段１１と、コントローラ１２と、第１コイルＬ１と、第２コイルＬ２と、容量（コンデンサ）Ｃ１と、サーミスタＲ１と、を備える。信号発生器１０は、出力電圧の周波数が可変である（周波数掃引が可能である）。信号発生器１０の出力端子間に、第１コイルＬ１及び電流検出手段１１が設けられる。電流検出手段１１は、シャント抵抗であってもよいし、非接触電流センサであってもよい。制御部としてのコントローラ１２は、マイコン（マイクロコントローラ）等を含み、各種演算処理を行うと共に、信号発生器１０の出力電圧の周波数を制御する。
【００２１】
第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２は、互いに磁気的に結合する。容量Ｃ１及びサーミスタＲ１は、第２コイルＬ２の両端子間に並列に接続される。サーミスタＲ１は、周辺環境によってインピーダンスが変化する回路素子の例示であり、ここでは温度によって抵抗値が変化する受動素子（温度検出素子）である。容量Ｃ１及びサーミスタＲ１は、好ましくは同一パッケージに封止される。
【００２２】
環境検出装置１において、信号発生器１０、第１コイルＬ１、電流検出手段１１、及びコントローラ１２は、一次側回路５を構成する。第２コイルＬ２、容量Ｃ１、及びサーミスタＲ１は、二次側回路７を構成する。一次側回路５及び二次側回路７は、互いに配線を渡すことのできない第１空間及び第２空間に分けて配置される。第１空間は、非検出対象の空間であり、ケーブルで電源を取ることの可能な通常空間である。第２空間は、検出対象となる環境を有する空間であり、第１空間と仕切り部材で仕切られた閉鎖空間であってもよいし、樹脂やゴム等の検出対象物の内部であってもよい。
【００２３】
各素子の定数の一例を挙げると、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２のインダクタンス値は１００ｎＨ、サーミスタＲ１の２５℃における抵抗値は１０ｋΩ、コンデンサＣ１の容量値は１０μＦである。なお、以下において、第１コイルＬ１のインダクタンス値、第２コイルＬ２のインダクタンス値、サーミスタＲ１の抵抗値、及び容量Ｃ１の容量値は、各素子に付した符号（Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｃ１）によって示す。また、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数はＫとする。
【００２４】
環境検出装置１において、信号発生器１０側から見たインピーダンスＺは、所定周波数としての第１共振周波数ｆ１において極大となる。第１共振周波数ｆ１、及び第１共振周波数ｆ１におけるインピーダンスＺは、それぞれ下記式１及び式２で示される。
【数２】
2019184532.tif 000004
【数３】
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【００２５】
上記式２の右辺において、インダクタンス値Ｌ１、Ｌ２、及び容量値Ｃ１は既知数である。また、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の相対位置関係から結合係数Ｋを事前に特定できれば、Ｋは既知数である。そうすると、式２の右辺における未知数はＲ１のみとなる。式２の左辺のインピーダンスＺは、信号発生器１０から第１共振周波数ｆ１の交流信号（ここでは交流電圧）を出力した場合における当該電圧を、同場合に信号発生器１０又は第１コイルＬ１に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）で除することで導出できる。導出したインピーダンスＺを用いて、サーミスタＲ１の抵抗値Ｒ１を導出し、現在の温度を検出することができる。
【００２６】
図２は、低温における環境検出装置１の信号発生器１０の出力する電圧の周波数と信号発生器１０に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）との関係を示す概略グラフである。図３は、中温における同関係を示す概略グラフである。図４は、高温における同関係を示す概略グラフである。図２〜図４に示すように、信号発生器１０に流れる電流は、第１共振周波数ｆ１において極小値となる。温度が高いほどサーミスタＲ１の抵抗値は低くなることから、第１共振周波数ｆ１において信号発生器１０に流れる電流は、温度が高いほど大きくなる。
【００２７】
図５は、環境検出装置１の第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数Ｋが低い場合における、信号発生器１０の出力する電圧の周波数と、信号発生器１０に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）と、の関係を示す、シミュレーションによる特性図である。図６は、結合係数Ｋが高い場合における同関係を示す、シミュレーションによる特性図である。図５及び図６に示すように、環境検出装置１において、信号発生器１０に流れる電流は、信号発生器１０の出力電圧の周波数が下記式３で示される第２共振周波数ｆ２のときに極大となる。すなわち、環境検出装置１において、信号発生器１０側から見たインピーダンスＺは、下記式３で示される第２共振周波数ｆ２において極小となる。
【数４】
2019184532.tif 000006
【００２８】
上記式３の右辺において、インダクタンス値Ｌ２及び容量値Ｃ１は既知数である。第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の相対位置関係が不確かで結合係数Ｋを既知数とできない場合、式３の右辺においてＫのみが未知数となる。したがって、信号発生器１０の出力電圧の周波数を変化させながら信号発生器１０又は第１コイルＬ１に流れる電流が極大となる周波数（式３の左辺の第２共振周波数ｆ２）を特定すれば、結合係数Ｋを導出することができる。ここで導出した結合係数Ｋを、上記式２によりサーミスタＲ１の抵抗値Ｒ１を導出する際に利用することで、結合係数Ｋが事前に分からない場合でも抵抗値Ｒ１を正確に導出できる。
【００２９】
図７は、環境検出装置１のサーミスタＲ１の抵抗値と、信号発生器１０から１Ｖpp（ピークピーク値が１Ｖ）かつ周波数が第１共振周波数ｆ１の電圧を出力した場合に信号発生器１０に流れる電流（周波数特性における極小値の電流）と、の関係を、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数の値ごとに示した概略グラフである。図７において、Ｋ＝0.99のグラフは、Ｋ＝0.9のグラフとほぼ重なっている。図７に示すように、結合係数Ｋの値により、サーミスタＲ１の抵抗値と、信号発生器１０に流れる電流の極小値と、の関係は異なる。様々な結合係数Ｋの値における、サーミスタＲ１の抵抗値と、信号発生器１０に流れる電流の極小値と、の関係を事前にテーブルに記憶しておくことで、結合係数Ｋの導出後、信号発生器１０に流れる電流の極小値からサーミスタＲ１の抵抗値を迅速に導出できる。
【００３０】
図８は、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の結合係数と、信号発生器１０に流れる電流（電流検出手段１１の検出する電流値）が極大値となる共振周波数（第２共振周波数ｆ２）と、の関係を示す概略グラフである。図８に示すように、結合係数Ｋが高くなるほど、第２共振周波数ｆ２は高くなる。結合係数Ｋと、第２共振周波数ｆ２と、の関係を事前にテーブルに記憶しておくことで、第２共振周波数ｆ２の特定後、結合係数Ｋを迅速に導出できる。なお、図７及び図８においては、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２のインダクタンス値は１００ｎＨ、サーミスタＲ１の２５℃における抵抗値は１０ｋΩ、コンデンサＣ１の容量値は１μＦとした。
【００３１】
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
【００３２】
(1) 検出対象の環境を有する空間に配置される二次側回路７は、受動素子（受動部品）のみで構成され、半導体素子や電源を含まない。このため、環境検出装置１は、検出対象が高温となる場合でも好適に使用可能である。
【００３３】
(2) 結合係数Ｋを既知数とできる場合には、信号発生器１０から第１共振周波数ｆ１の電圧を出力し、信号発生器１０に流れる電流を測るだけで温度を検出（特定）できる。このため、環境検出装置１は構成が簡単でコスト安である。
【００３４】
(3) 結合係数Ｋを導出する構成とすれば、結合係数Ｋが事前に分からない場合でもサーミスタＲ１の抵抗値を高精度で導出できる。したがって、環境検出装置１は、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２の相対配置を正確に定めることが困難な場合でも、高精度の温度検出が可能である。また、結合係数Ｋを導出する場合でも、特段の追加回路は不要なため、環境検出装置１は構成が簡単でコスト安である。
【００３５】
実施の形態１の変形例について説明する。周辺環境は温度に限定されず、例えば湿度又は圧力であってもよい。すなわち、周辺環境によってインピーダンスが変化する回路素子は、サーミスタＲ１に限定されず、湿度検出素子（湿度センサ）又は圧力検出素子（圧力センサ）であってもよい。容量Ｃ１は、第２コイルＬ２の寄生容量や、線間容量等であってもよい。信号発生器１０は、電圧出力タイプに限定されず、電流出力タイプであってもよい。この場合、式２の左辺のインピーダンスＺは、信号発生器１０から第１共振周波数ｆ１の電流を出力した場合における当該電流により、信号発生器１０又は第１コイルＬ１の電圧を除することで導出できる。信号発生器１０側から見たインピーダンスが極小となる第２共振周波数ｆ２の交流信号を信号発生器１０から出力したときの第１コイルＬ１又は信号発生器１０の電圧及び電流により、サーミスタＲ１の抵抗値（インピーダンス）を導出し、サーミスタＲ１の周辺環境を特定してもよい。
【００３６】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る環境検出装置２の概略回路図である。環境検出装置２において、第１環境検出部３１は、図１に示した実施の形態１の環境検出装置１と同構成である。但し、図９において、図１における電流検出手段１１及びコントローラ１２の図示は省略している。環境検出装置２は、図１に示した実施の形態１の環境検出装置１と比較して、第２環境検出部３２を更に備える点で相違し、その他の点で一致する。第２環境検出部３２は、第１環境検出部３１と同構成でよい。第３コイルＬ３及び第４コイルＬ４は、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２とは異なる位置で互いに磁気的に結合する。第２容量Ｃ２及び第２サーミスタＲ２は、第４コイルＬ４の両端間に互いに並列接続される。第２サーミスタＲ２は、サーミスタＲ１とは温度変化の異なりうる位置に設けられる。第１環境検出部３１と同構成の環境検出部を、第２環境検出部３２に加えて更に１つ以上設けてもよい。本実施の形態によれば、複数箇所の環境検出が可能となる。
【００３７】
図１０は、環境検出装置２における、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２、第３コイルＬ３及び第４コイルＬ４のサイズ及び配置の一例を示す模式図である。第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２は、境界３５を挟んで対向する。同様に、第３コイルＬ３及び第４コイルＬ４は、境界３５を挟んで対向する。第２コイルＬ２の面積は、第１コイルＬ１の面積よりも大きい。第４コイルＬ４の面積は、第３コイルＬ３の面積よりも大きい。第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の面積の大小関係を逆にしてもよい。第３コイルＬ３及び第４コイルＬ４の面積の大小関係を逆にしてもよい。このように、互いに磁気的に結合するコイルの一方の面積を他方の面積よりも大きくすることで、両コイルの位置合わせが容易となり、磁気結合を確実にでき、また結合係数のばらつきも抑制できる。互いに磁気的に結合するコイルの一方の面積を他方の面積よりも大きくすることは、実施の形態１にも適用でき、同様の効果を奏することができる。実施の形態１の変形例は、本実施の形態においても適用できる。
【００３８】
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００３９】
１  環境検出装置、１０  信号発生器、１１  電流検出手段、１２  コントローラ（制御部）、２０  信号発生器、３１  第１環境検出部、３２  第２環境検出部、３５  境界
【図１】
2019184532.tif 000008
【図２】
2019184532.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019184532.tif 000014
【図８】
2019184532.tif 000015
【図９】
2019184532.tif 000016
【図１０】
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