(57)【要約】【課題】  温度と圧力について、周波数の違いによる変化の仕方の違いからこれらを分離することが出来る測定装置を提供する。【解決手段】圧力依存性かあるいは温度依存性の異なる複数の周回経路を有し周回する弾性表面波の周回速度あるいは強度を検出し、周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量（強度）を基に上記周回経路に接する気体の圧力を測定するものであり、弾性表面波励起／受信手段は電磁波送受信手段に接続されていて、電磁波送受信手段を介して受信した電磁波に従い表面の上記周回経路に弾性表面波を励起させ、また弾性表面波励起／受信手段が周回経路を周回する弾性表面波に対応した電磁波を電磁波送受信手段から発信させる圧力測定手段及びそれを利用したタイヤ圧力測定装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、上記弾性表面波素子は複数の周回経路を有し、そのうち少なくとも一つの周回経路は、他の周回経路に比較して、弾性表面波の周回速度が温度依存性と圧力依存性の少なくともいずれか一方が異なっており、
上記複数の周回経路を周回する弾性表面波のそれぞれの強度周回速度の値を用いて、上記周回経路に接する気体のすくなくとも圧力を測定する圧力測定装置。
【請求項２】
弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、上記弾性表面波素子は複数の周回経路を有し、そのうち少なくとも一つの周回経路は、他の周回経路と比較して、弾性表面波の減衰率が温度依存性と圧力依存性の少なくともいずれか一方が異なっており、
上記複数の周回経路を周回する弾性表面波のそれぞれの減衰率の値を用いて、上記周回経路に接する気体のすくなくとも圧力を測定する圧力測定装置。
【請求項３】
上記複数の周回経路を周回する弾性表面波は、互いに異なる振動モードの弾性表面波であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の圧力測定装置。
【請求項４】
上記複数の周回経路は、異なる圧電性結晶材料によりなる別個の球形の円環状表面にすだれ状電極を形成してなる球状弾性表面波素子を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３記載の圧力測定装置。
【請求項５】
上記複数の周回経路に接続される、弾性表面波励起／受信手段は電磁波送受信手段に接続されていて、電磁波送受信手段を介して受信した電磁波に従い表面の上記周回経路に弾性表面波を励起させ、また弾性表面波励起／受信手段が周回経路を周回する弾性表面波に対応した電磁波を電磁波送受信手段から発信させる、上記請求項１から請求項４記載の圧力測定装置を有するタイヤ圧力測定装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
走行中のタイヤの圧力と温度を測定するセンサーシステムに本発明は関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のタイヤ圧力が低下した状態で高速走行するとバーストを起こし、交通事故を起こすことから、走行中のタイヤの圧力と温度（破裂する前にタイヤが高温になることでバーストを察知する）測定需要がある。しかし、走行中のタイヤは必然的に回転しており、タイヤ内部に無線センサーを配置して通信を行って計測することが望まれるが、そのため通常ＩＣチップなどの部品を利用しなくてはならないために壊れやすくなったり、システムが高価となる。タイヤ温度を測定する為にタイヤのゴムの部分に接触して使用したいがタイヤ交換とともに廃棄される為に低コストのセンサーが必要とされる。無線駆動が可能で、且つ温度と圧力を計測できる安価なセンサーシステムの開発が待たれていた。
【０００３】
他方、球状弾性表面波素子は、球形状の基材の表面に弾性表面波を励起して伝搬させ、球表面を多重周回させたときの周回速度の変化を高感度に計測するものである。
【０００４】
また、圧電結晶球がその基材に使用され、たとえば水晶、ランガサイトあるいはそのファミリー、あるいはタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムなどが量産されて安価に入手が可能である。
【０００５】
この場合、すだれ状電極は単一のものが使用されているが、弾性表面波を励起する電極と、それを出力するすだれ状電極は別個のものであっても、あるいは周回経路上に回折パターンが形成されており経路から離れた位置に電極が形成されていてもよい。さらに、物理的に単一の領域に周回経路が形成されていても、複数のすだれ状電極から独立にその出力を測定できるのであれば「複数の周回経路を有する」場合と効果はおなじでありそのように記すこととする。
さらに、複数のすだれ状電極は単一であっても、互いに異なる複数の弾性表面波モードを伝搬させてその出力を独立に測定できるのであれば、「複数の周回経路を有する」場合と効果はおなじでありそのように記すこととする。
【０００６】
特許文献は以下の通り。
【特許文献１】特開２００５−２９１７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
真空成膜プロセスにおいては、プロセス温度とともに、真空中の圧力計測が必要になる場合が多い。特に大気中からの減圧プロセスでは、断熱膨張によって温度が低下する。温度低下が起こると、周回速度が低下するが、圧力が低くなると周回速度が小さくなるためにいずれの影響によって周回速度が低下したか分離できない為に、温度と圧力の何れも測定することが不可能になる。
【０００８】
本発明は、球状弾性表面波素子、それを使用した環境評価装置と方法について、素子の温度、周囲の圧力などを行うに際し、単一の素子を用いてこの２つの測定を行おうとすると、いずれの変化に対しても依存性を持つ場合に、温度の影響と圧力の影響を独立に測定することが出来ない。
【０００９】
２つの原因によって、周回速度が変化する場合に、夫々を独立に測定することを可能に
する方法として、複数の周波数を用いる方法がある。これは高い周波数の弾性表面波は表面への物質の付着やあるいは感応膜の弾性の変化に対して敏感であることを利用し、相対的に低い周波数の弾性表面波の出力変化の仕方を測定すれば２つの周波数の違いを用いることで、温度と表面付着物の付着量を独立に計測できるというものである。しかし、温度と、圧力については、何れも周波数依存性を持たない為に、周波数の違いによる変化の仕方の違いからこれらを分離することが出来ない。
【００１０】
この様な問題点に対し、特許文献１の様に弾性表面波励起／受信手段は電磁波送受信手段に接続されていて、上記電磁波送受信手段を介して受信した電磁波に従い上記表面の上記周回経路に弾性表面波を励起させ、また上記弾性表面波励起／受信手段が上記周回経路を周回する弾性表面波に対応した電磁波を上記電磁波送受信手段から発信させる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の気体圧力測定装置などが知られていた。
【００１１】
しかし、この場合でも温度と、圧力については、何れも周波数依存性を持たない為に、周波数の違いによる変化の仕方の違いからこれらを分離することが出来ないことは同じであった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に対応する発明は、弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、上記弾性表面波素子は複数の周回経路を有し、そのうち少なくとも一つの周回経路は、他の周回経路に比較して、弾性表面波の周回速度が温度依存性と圧力依存性の少なくともいずれか一方が異なっており、
上記複数の周回経路を周回する弾性表面波のそれぞれの周回速度の値を用いて、上記周回経路に接する気体の圧力を測定する圧力測定装置である。
【００１３】
請求項２に対応する発明は、弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、上記弾性表面波素子は複数の周回経路を有し、そのうち少なくとも一つの周回経路は、他の周回経路と比較して、弾性表面波の減衰率が温度依存性と圧力依存性の少なくともいずれか一方が異なっており、
上記複数の周回経路を周回する弾性表面波のそれぞれの減衰率の値を用いて、上記周回経路に接する気体の圧力を測定する圧力測定装置である。
【００１４】
請求項３に対応する発明は、上記複数の周回経路を周回する弾性表面波は、互いに異なる振動モードの弾性表面波であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の圧力測定装置である。
【００１５】
請求項４に対応する発明は、上記複数の周回経路は、異なる圧電性結晶材料によりなる別個の球形の円環状表面にすだれ状電極を形成してなる球状弾性表面波素子を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３記載の圧力測定装置である。
【００１６】
請求項５に対応する発明は、上記複数の周回経路に接続される弾性表面波励起／受信手段は電磁波送受信手段に接続されていて、電磁波送受信手段を介して受信した電磁波に従い表面の上記周回経路に弾性表面波を励起させ、また弾性表面波励起／受信手段が周回経路を周回する弾性表面波に対応した電磁波を電磁波送受信手段から発信させる、上記請求項１から請求項４記載の圧力測定装置を有するタイヤ圧力測定装置である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、温度と、圧力については、何れも周波数依存性を持たないものであっても、互いに温度依存性か圧力依存性が異なる素子の夫々の出力の違いによる変化の仕方の違いからこれらを分離することが出来る圧力測定装置及びタイヤ圧力測定装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図４に、試作した球状弾性表面波素子を示す。
【００１９】
本発明において弾性表面波とは、厳密に弾性表面波である必要はなく、漏洩弾性表面波であても擬似漏洩弾性表面波であてっても、また回廊波であっても、またＳＨ波であっても良く、基材表面にエネルギーを集中して伝搬する弾性表面波であれば良い。
【００２０】
測定に用いる回路のブロックダイアグラムを図１に示す。
【００２１】
バースト信号を各素子のすだれ状電極に印加して、その反射波を測定する。
【００２２】
周回速度の測定は、バースト信号の周回ごとの時間を測定しても、あるいはある時刻における信号の位相の変化から周回速度の変化を検出しても、あるいは、共振周波数の変化から周回速度の変化を求めてもよい。共振周波数の測定が周回速度の測定にかえることができるのは、弾性表面波の結晶球を１周回するために必要な時間が信号周期の整数倍の場合に共振を起こすためである。
【００２３】
さらに、弾性表面波が周回経路を周回する際に周囲の気体にエネルギーを漏洩して減衰するが、減衰率は所定の周回をするさいにエネルギーを失う程度によって表記できる。これは具体的には異なる周回した時点での信号強度から測定することが可能で、とくに所定の周回数の強度がわかっていれば周回数の異なる信号強度を測定するだけで減衰率の測定（評価）が可能になる。本発明では実際に測定するのは周回することで減衰した信号の強度であっても、減衰率を反映した測定値であるからこれを除かないものとする。
【００２４】
水晶結晶と、ランガサイト結晶の、温度依存性と圧力依存性を示す。
このように、ランガサイトは温度依存性が４０ｐｐｍ／度程度に対して水晶は２５ｐｐｍ／度であってランガサイトは温度に対して敏感である。たとえばタンタル酸リチウムは−５５ｐｐｍ／度、ニオブ酸リチウムは−８０ｐｐｍ／℃などの大きな値を持つことがわかっている。
【００２５】
図１に、実験で用いた測定システムを示す。また、ランガサイトは比重が大きい（比重＝５．７ｋｇ／ｍ3）ことを主な理由として、空気の圧力に対して鈍感であることが図２から判る。圧力に対しては水晶の方が敏感になる。
【００２６】
よって、異なる２つの材料を用意して、温度ｔと圧力ｐの測定をする場合、温度依存性の関数ＶｄｅｐＴ（ｔ）、圧力依存性の関数ＶｄｅｐＰ（ｐ）を夫々の素子に対して測定して、周回経路１についてＶｄｅｐＴ１とＶｄｅｐＰ１を求めておき、周回経路２についてＶｄｅｐＴ２とＶｄｅｐＰ２をもとめておけば以下の連立方程式を構成することが出来る。夫々の環境で測定された周回速度の変化率をそれぞれＡ及びＢとすると近似式として以下のように得ることが出来る。
Ａ＝ＶｄｅｐＴ１（ｔ）＋ＶｄｅｐＰ１（ｐ）
Ｂ＝ＶｄｅｐＴ２（ｔ）＋ＶｄｅｐＰ２（ｐ）
さらに、３種類の結晶球を使用することも容易であり、より高精度化を図ることが可能である。
【００２７】
また、同じ大きさの結晶球を用いても、結晶材料が異なれば周回速度が異なる為に図１に示すように、時間的に弾性表面波が１周回する為に必要な時間より、たとえば４分の１以下の継続時間のバースト信号を用いるばあい、数周回する間にその速度の違いから時間的に検出時刻が異なるために、複数の素子の出力を計測する際のお互いの信号が時間的に重なり正確な測定が困難になることを防ぐことが出来る。
【００２８】
なお、上記は、周回速度のみの情報を採用したが、周回信号の強度値を利用してもよいことは当然である。気体の圧力が変化するに従って、表面を周回する弾性表面波の周囲の気体に漏洩する比率が異なる為に、多重周回してその信号強度を測定するか、あるいは周回するに従って減衰するその速度を測定するかによって、圧力を求めることが出来る。一般にＳＨ波やラブ波と呼ばれる周回経路表面水平に変位を有する波は、伝搬経路の表面垂直方向に変位を有するたとえばレーリー波などに比較して周回速度も減衰率も殆ど圧力依存性を持たない。
【００２９】
強度（減衰率）を用いてその圧力測定する方法に利点は、温度に対して周回速度は図２に示すように大きく変化するが、強度（あるいは減衰率）は温度に対して鈍感であってたとえば次式を用いて測定してもよいことは明らかである。
【００３０】
異なる２つの周回経路について、強度変化（減衰率）の温度依存性の関数ＡｍｐｄｅｐＴ（ｔ）、圧力依存性の関数ＡｍｐｄｅｐＰ（ｐ）を夫々の素子に対して測定して得れば、以下のように関係式を得ることが出来る。
Ｃ＝ＡｍｐｄｅｐＴ１（ｔ）＋ＡｍｐｄｅｐＰ１（ｐ）
Ｄ＝ＡｍｐｄｅｐＴ２（ｔ）＋ＡｍｐｄｅｐＰ２（ｐ）
圧電結晶材料を用いた弾性表面波素子のすだれ状電極に、コイルアンテナを接続して外部から磁界（電磁波）を印加してコイルアンテナで受信した起電力を素子のすだれ状電極に印加し弾性波を励起することができる。さらに伝搬して反射した弾性波はすだれ状電極に到達して電圧を励起、コイルアンテナなどを介して磁界（電磁波）を外部に返すことで非接触無給電での駆動と測定が考案されて公知となっている。本発明は公知となっている電磁界を用いたエネルギー送信手法を用いれば、図５に示すようにタイヤの内部の圧力と温度を無線で計測することが可能となる。異なる結晶材料を用いた球状弾性表面波素子を２個組み合わせたセンサーであり、夫々は異なる周波数で駆動してその出力を電磁界によって非接触で受信して解析できる。周波数の違いから何れの素子を駆動測定するか識別が可能であるが、電波法の制限から使用できる周波数が一つに限られる場合には、短いバースト信号で励起して互い素子の出力が周回速度の違いによってタイミングをずらす現象を利用して識別する方法も考えられておりその何れを採用してもよい。
【実施例１】
【００３１】
実際に、上式を用いて以下の表１の様に温度と圧力を両方を測定することが可能であった。
【００３２】
直径１ｃｍのニオブ酸リチウム結晶球材料に用いた球状弾性表面波素子であって、Ｚ軸シリンダー経路に、電極周期（７１μｍ）のすだれ状電極を形成して圧力測定を行う。
【００３３】
作成した素子に対して、周波数５２ＭＨｚの高周波バースト信号を入力すると伝搬経路表面水平方向にしか変位を持たないために圧力に殆ど影響をうけない波が周回する。
【００３４】
また、周波数が４６ＭＨｚの高周波信号を入力すると圧力に対して影響を受けるモードの波が周回する。温度依存性はここでは所定周回数周回するために必要な時間（遅延時間）の変化を周回速度変化のパラメーターとして採用している。
【００３５】
この単一の素子表面の単一のすだれ状電極に対して周波数を変えることで、２つの全く異なる温度依存性と圧力依存性を持つ周回経路を用意して測定を行う。
【００３６】
室温２０度、１気圧の状態の周回速度を初期状態として駆動周波数５２ＭＨｚ測定時で次の関係式を得た。
２３ｐｐｍ＝６０ｔ
１４ｐｐｍ＝８０ｔ＋３５ｐ
上記２式から、温度ｔ＝０．３８度上昇、圧力Ｐ＝０．４７気圧減圧であることが測定できた。
【００３７】
【表１】
2007322210.tif 000003
【実施例２】
【００３８】
ニオブ酸リチウムを結晶球に使用した球状弾性表面波素子と、ランガサイト結晶を用いた球状弾性表面波素子をもちいて圧力測定を行った。ニオブ酸リチウムの素子は実施例１の素子を用い、（４６ＭＨｚ）で駆動した。
【００３９】
ランガサイトの素子については以下の表２の温度依存性と圧力依存性であることが前もって行った実験で明らかになっていた。ランガサイト素子に投入した高周波信号の周波数は４５ＭＨｚである。すだれ状電極の電極周期はニオブ酸リチウム結晶素子と同じである。
【００４０】
室温２０度、１気圧の状態の周回速度を初期状態として駆動周波数５２ＭＨｚ測定時、次の実験式を得た。
【００４１】
４０ｐｐｍ＝８０ｔ＋３５ｐ
２５ｐｐｍ＝（−４０）ｔ＋１２ｐ
上記２式から、温度ｔ＝１．５度上昇、圧力Ｐ＝０．１６気圧減圧であることが測定できた。
【００４２】
【表２】
2007322210.tif 000004
【実施例３】
【００４３】
ニオブ酸リチウムを用いた球状弾性表面波素子と、水晶を用いた球状弾性表面波素子を用いて、強度を測定し、その結果から圧力測定を行った。圧力依存性は、５１周回目の信号の振幅を１気圧で０．０５５ｍＶになるように信号強度を調整して原点として表３の様に数値化した。水晶素子に投入した高周波信号の周波数は４５ＭＨｚである。すだれ状電極の電極周期はニオブ酸リチウム結晶素子と同じである。
【００４４】
室温２０度、１気圧の状態の周回速度を初期状態として次の実験式を得た。
−０．００３＝（−０．００１）ｔ
０．０１２＝（−０．０７２）ｐ
上２式を解くことで、温度は３度上昇、圧力ｐは０．１６６気圧の減圧ともとめることが出来た。
【００４５】
【表３】
2007322210.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる、球状表面弾性波素子をタイヤ圧力測定に応用した場合の計測装置の構成を示す模式図である。
【図２】空気の圧力と音速変化の関係を示すグラフである。
【図３】空気の圧力と周回波の強度との関係を示すグラフである。
【図４】球状弾性表面波素子の斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる、タイヤ圧力の測定状態を示す概念断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１…球状表面弾性波素子
１２…真空ポンプ
１３…オシロスコープ
１４…増幅器
１５…高周波信号発生器
１６…ピラニー型圧力計
１７…ロータリー真空ポンプ
２０…水晶
２１…すだれ状電極
３１…タイヤ（ゴム）
３２…ホイール
３３…磁界結合用コイル
３４…高周波送受信信号処理演算器
３５…整合回路
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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