(57)【要約】      （修正有）【課題】通信距離を伸ばすと共に消費電力を低減することができるワイヤレスセンサを提供する。【解決手段】マスタ１０から駆動信号を受け取ることで、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号をマスタに送り返すワイヤレスセンサ２０が、マスタから駆動信号を受信すると共にマスタに反射信号を送信するアンテナ２１と、駆動信号で弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子２２と、反射信号を増幅してアンテナに出力する増幅回路２３とを備える構成にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスタから駆動信号を受け取ることで、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すワイヤレスセンサであって、
前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するアンテナと、
駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、
反射信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅回路とを備えることを特徴とするワイヤレスセンサ。
【請求項２】
前記弾性表面波素子は、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板と、前記圧電基板上で駆動信号によって弾性表面波を励起するＩＤＴ（Interdigital  Transducers）電極と、前記圧電基板上で弾性表面波を前記ＩＤＴ電極に向けて反射させる反射電極とを有し、前記反射電極で反射した弾性表面波を前記ＩＤＴ電極から反射信号として出力することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスセンサ。
【請求項３】
前記増幅回路は、前記弾性表面波素子から入力された反射信号を増幅して前記アンテナに出力すると共に、前記アンテナから入力された駆動信号を増幅して前記弾性表面波素子に出力することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のワイヤレスセンサ。
【請求項４】
マスタから駆動信号をワイヤレスセンサに送り出し、前記ワイヤレスセンサから駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すセンサシステムであって、
前記ワイヤレスセンサが、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するセンサ側のアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記センサ側のアンテナに出力する増幅回路とを備え、
前記マスタが、前記ワイヤレスセンサに駆動信号を送信すると共に前記ワイヤレスセンサから反射信号を受信するマスタ側のアンテナと、前記ワイヤレスセンサからの反射信号の伝搬特性に基づいて前記検知対象の状態を算出する算出回路とを備えたことを特徴とするセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象の状態を無線で検知可能なワイヤレスセンサ及びセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のワイヤレスセンサとして、検知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１参照）。特許文献１に記載のワイヤレスセンサにはマスタからアンテナを介して駆動信号が入力され、駆動信号によってセンサ内で励起された弾性表面波が反射信号に変換されて再びアンテナ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）の伝搬特性の変化を検知対象物の状態変化として検知している。この構成により、電源が不要なワイヤレスセンサを実現している。
【０００３】
また、弾性表面波を利用したワイヤレスセンサとして、ＲＦＩＤ（Radio  Frequency  Identification）を内蔵したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載のワイヤレスセンサにはマスタからアンテナを介して駆動信号が入力され、弾性表面波の伝搬特性の変化からＲＦＩＤタグにて検知対象の状態を示す計測データが算出される。そして、マスタからの読み出し要求に応じて、ＲＦＩＤ通信にてワイヤレスセンサからマスタに計測データが送り返される。遠隔型ＲＦＩＤ通信で用いられる特定周波数で通信されるため、通信距離を伸ばすことが可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０４０８７号公報
【特許文献２】特開２００８−２０４２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のワイヤレスセンサは、電源が不要になるが、ワイヤレスセンサからマスタに向けて反射信号が直に送り返されるため、反射信号の空中伝搬に伴う減衰によって長距離通信が困難であるという問題がある。一方で、特許文献２に記載のワイヤレスセンサは、反射信号の減衰問題を解消して、特許文献１のワイヤレスセンサと比較して長距離通信が可能になるが、計測データを算出処理するためにワイヤレスセンサの消費電力が増大する。このため、ワイヤレスセンサのバッテリを頻繁に交換しなければならないという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、通信距離を伸ばすと共に消費電力を低減することができるワイヤレスセンサ及びセンサシステム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】
【０００７】
本発明のワイヤレスセンサは、マスタから駆動信号を受け取ることで、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すワイヤレスセンサであって、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、マスタからの駆動信号で弾性表面波素子に弾性表面波が励起されると、検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号が増幅回路に出力される。増幅後の反射信号がワイヤレスセンサからマスタに向けて送り返されるため、通信距離を伸ばしてワイヤレスセンサから比較的離れたマスタに検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサでは算出処理等をすることなく、マスタからの駆動信号を弾性表面波に変換した後に反射信号にして送り返しているため、ワイヤレスセンサで余計な処理がなく消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態のセンサシステムのシステム構成図である。
【図２】本実施の形態の弾性表面波素子の模式図である。
【図３】本実施の形態のセンサシステムにおける検知処理のシーケンス図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して、本実施の形態のワイヤレスセンサを備えたセンサシステムについて説明する。図１は、本実施の形態のセンサシステムのシステム構成図である。図２は、本実施の形態の弾性表面波素子の模式図である。なお、センサシステム及び弾性表面波素子は図に示す構成に限定されず、適宜変更が可能である。
【００１１】
図１に示すように、センサシステム１は、検知対象にワイヤレスセンサ２０を取り付けて、温度や湿度等の検知対象の状態変化をワイヤレスセンサ２０から磁気共振（磁気共鳴）現象を利用してマスタ１０に送信するように構成されている。この場合、高周波の駆動信号がマスタ１０からワイヤレスセンサ２０に送り出され、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた高周波の反射信号がワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に送り返される。駆動信号によってワイヤレスセンサ２０で弾性表面波が励起され、この弾性表面波の伝搬特性が検知対象の状態に応じて変化することを利用して検知対象の状態検知が実施されている。
【００１２】
一般に磁気共振現象を利用した通信は、空中伝搬に伴う信号レベルの減衰によって通信距離が短くなるという問題がある。このため、通常はＲＦＩＤ通信によって特定帯域（例えば、９５２ＭＨｚ−９５４ＭＨｚ帯）を用いることで通信距離を伸ばすことが考えられるが、ＲＦＩＤ通信を使用するためにはデジタルデータへの変換処理等が必要になってセンサ構成が複雑になると共に消費電力が増大する。このように、通信距離を伸ばそうとするとセンサの消費電力が増加するため、センサのバッテリを頻繁に交換しなければならず、オペレータの作業が煩わしくなるという問題がある。
【００１３】
そこで、本実施の形態のセンサシステム１では、ワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に送り返される反射信号を増幅回路２３で増幅している。この構成であれば、磁気共振現象を利用した通信であっても、ワイヤレスセンサ２０とマスタ１０の通信距離を伸ばすことができる。また、増幅回路２３に電力を供給するためにワイヤレスセンサ２０にはバッテリが必要になるが、バッテリの電力が増幅回路１３にのみ使用されるため、消費電力が抑制されてバッテリの交換期間を伸ばすことができる。このように、一般的な磁気共鳴現象を利用した通信よりも通信距離を伸ばすことができ、ＲＦＩＤ通信よりも消費電力を抑えることができる。
【００１４】
センサシステム１では、マスタ１０とワイヤレスセンサ２０とが所定の通信距離を空けて配置されており、マスタ１０のアンテナ１１とワイヤレスセンサ２０のアンテナ２１との間で高周波信号が送受信されている。マスタ１０には、駆動信号を発生させてアンテナ１１に出力する駆動回路１２と、アンテナ１１から入力された反射信号を増幅する増幅回路１３と、反射信号から温度や湿度等の検知対象の状態を算出する算出回路１４とが設けられている。なお、マスタ１０には、算出回路１４の算出結果に応じて検知対象の状態管理を行う外部装置等が接続されてもよい。
【００１５】
駆動回路１２は、一定周期毎の送信タイミングで高周波の駆動信号を発振してアンテナ１１に出力している。算出回路１４は、ワイヤレスセンサ２０から受信した反射信号の伝搬特性に基づいて検知対象の状態を算出している。反射信号の伝搬特性には、ワイヤレスセンサ２０の後述する弾性表面波素子２２で生じた弾性表面波の伝搬特性が引き継がれている。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での伝搬特性の変化、すなわち検知対象の状態変化を検知することが可能になっている。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の応答時間の時間差から検知対象の状態変化を算出している。
【００１６】
なお、算出回路１４では、反射信号（弾性表面波）の伝搬特性として、例えば、速度、位相、周波数、遅延時間を用いて検知対象の状態変化を算出してもよい。また、マスタ１０内の駆動回路１２や算出回路１４の各種制御は、プロセッサやメモリ等によって実施されている。メモリは、用途に応じてＲＯＭ(Read  Only  Memory)、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成されてもよい。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検知対象の状態変化の対応関係等が記憶されていてもよい。
【００１７】
ワイヤレスセンサ２０には、アンテナ２１から入力された駆動信号で励起した弾性表面波を反射信号として出力する弾性表面波素子２２と、弾性表面波素子２２から入力された反射信号を増幅する増幅回路２３とが設けられている。弾性表面波素子２２は、駆動信号で弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力している。増幅回路２３は、不図示のバッテリからの電力供給によって反射信号を増幅してアンテナ２１に出力している。なお、バッテリの消費電力が少ないため、照明光等を電気エネルギーに変換してバッテリに蓄電する構成でもよい。また、増幅回路２３は、反射信号だけを増幅するように構成されている。
【００１８】
また、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２７上にＩＤＴ（Interdigital  Transducers）電極２５と反射電極２６とを間隔を空けて配置して構成されている。圧電基板２７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。また、圧電基板２７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が用いられてもよい。
【００１９】
ＩＤＴ電極２５は、一対の櫛歯電極２８、２９を対向させて一方の櫛歯電極２８の電極間に他方の櫛歯電極２９の電極を配置した構造を有している。一方の櫛歯電極２８はアンテナ２１（図１参照）に接続されており、他方の櫛歯電極２９は接地されている。アンテナ２１を通じてＩＤＴ電極２５に駆動信号が入力されることで、ＩＤＴ電極２５において弾性表面波が励起される。なお、一対の櫛歯電極２８、２９の電極数、電極幅、電極ピッチは、特に限定されるものではなく、励起効率を考慮して適宜変更が可能である。また、ＩＤＴ電極２５の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、金等が用いられてもよい。
【００２０】
反射電極２６は、櫛歯電極２８、２９の電極と平行になるように多数の電極を並べた構造を有している。反射電極２６は、ＩＤＴ電極２５から圧電基板２７を伝搬した弾性表面波をＩＤＴ電極２５に向けて反射させている。この弾性表面波の伝搬中に検知対象の状態に応じて弾性表面波の伝搬特性が変化されている。そして、反射電極２６で反射した弾性表面波がＩＤＴ電極２５に入力されることで反射信号が生成される。反射電極２６の電極数、電極幅、電極ピッチは、特に限定されるものではなく、反射効率を考慮して適宜変更が可能である。また、反射電極２６の材質としては、上記したＩＤＴ電極２５と同じ材質が用いられてもよい。
【００２１】
このように、弾性表面波素子２２は、検知対象の状態変化を弾性表面波の伝搬特性の変化として検知して、伝搬特性が変化した弾性表面波を反射信号として出力している。この反射信号は増幅回路２３で増幅された後にアンテナ２１からマスタ１０に向けて送信される（図１参照）。よって、磁気共振現象を利用して通信する場合であっても、マスタ１０とワイヤレスセンサ２０の通信距離を伸ばして検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサ２０では、マスタ１０からの駆動信号を単純に反射させて反射信号として送り返しているため、反射信号の増幅のみに電力を消費させてバッテリの減りを抑えることができる。
【００２２】
以下、図３を参照して、センサシステムにおける検知処理について説明する。図３は、本実施の形態のセンサシステムにおける検知処理のシーケンス図である。なお、図３においては、図１及び図２の符号を適宜使用して説明する。
【００２３】
図３に示すように、マスタ１０では駆動回路１２で駆動信号が発振され、アンテナ１１を介してマスタ１０からワイヤレスセンサ２０に向けて駆動信号が送り出される（ステップＳ０１）。ワイヤレスセンサ２０ではアンテナ２１を介して駆動信号が受信されて、駆動信号が弾性表面波素子２２のＩＤＴ電極２５に入力されることで弾性表面波が励起される（ステップＳ０２）。弾性表面波が圧電基板２７を伝搬して反射電極２６で反射され、反射された弾性表面波がＩＤＴ電極２５に入力されることで弾性表面波素子２２から反射信号が出力される（ステップＳ０３）。このとき、検知対象の状態変化に応じて弾性表面波の伝搬特性が変化している。
【００２４】
弾性表面波素子２２から増幅回路２３に反射信号が入力され、アンテナ２１を介してワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に増幅後の反射信号が送り返される（ステップＳ０４）。反射信号が増幅されているため、ワイヤレスセンサ２０から比較的離れたマスタ１０に反射信号を受信させることができる。マスタ１０ではアンテナ１１を介して反射信号が受信されて、増幅回路１３に反射信号が入力されることで空中伝搬によって減衰した反射信号が増幅される（ステップＳ０５）。そして、増幅後の反射信号が算出回路１４に入力されて、算出回路１４にて反射信号から温度や湿度等の検知対象の状態が算出される（ステップＳ０６）。
【００２５】
このとき、検知対象の状態変化が反射信号の伝搬特性の変化として現れるため、反射信号の伝搬特性から検知対象の状態が求められる。具体的には、駆動信号の送信後から反射信号を受信するまでの応答時間が測定され、基準の応答時間に対する実際の反射信号の応答時間の時間差から検知対象の状態が算出されている。なお、ワイヤレスセンサ２０の検知対象としては、例えば、データセンタのコンピュータ、プラントの配管、乗り物の回転部分が考えられるが、特に限定されない。また、検知対象の状態は、上記した温度や湿度に限定されず、弾性表面波素子２２において弾性表面波の伝搬特性を変化させる環境条件であればよい。
【００２６】
以上のように、本実施の形態のワイヤレスセンサ２０では、マスタ１０からの駆動信号で弾性表面波素子２２に弾性表面波が励起されると、検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号が増幅回路１３に出力される。増幅後の反射信号がワイヤレスセンサ２０からマスタ１０に向けて送り返されるため、通信距離を伸ばしてワイヤレスセンサ２０から比較的離れたマスタ１０に検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサ２０では算出処理等をすることなく、マスタ１０からの駆動信号を弾性表面波に変換した後に反射信号にして送り返しているため、ワイヤレスセンサ２０で余計な処理がなく消費電力を低減することができる。
【００２７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００２８】
例えば、本実施の形態では、ワイヤレスセンサ２０の増幅回路２３が弾性表面波素子２２から入力された反射信号を増幅する構成にしたが、この構成に限定されない。ワイヤレスセンサ２０の増幅回路２３は、弾性表面波素子２２から入力された反射信号を増幅してアンテナ２１に出力すると共に、アンテナ２１から入力された駆動信号を増幅して弾性表面波素子２２に出力してもよい。これにより、ワイヤレスセンサ２０から反射信号を高い信号レベルでマスタ１０に向けて送信することができるため、ワイヤレスセンサ２０とマスタ１０との通信距離を更に伸ばすことができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、ワイヤレスセンサ２０の弾性表面波素子２２が、圧電基板２７上にＩＤＴ電極２５と反射電極２６とを配置して構成したが、この構成に限定されない。弾性表面波素子２２は、駆動信号で弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力可能な構成であればよい。例えば、弾性表面波素子は、入力側のＩＤＴ電極と出力側のＩＤＴ電極を圧電基板上に所定間隔を空けて配置するようにしてもよい。この場合、駆動信号によって入力側のＩＤＴ電極に弾性表面波が励起されて、この弾性表面波が出力側のＩＤＴ電極から反射信号として出力される。
【００３０】
また、本実施の形態では、マスタ１０及びワイヤレスセンサ２０のアンテナ１１、２１が送信及び受信で共通に使用される構成にしたが、この構成に限定されない。マスタ１０及びワイヤレスセンサ２０には、それぞれ送信専用のアンテナ、受信専用のアンテナが設けられていてもよい。
【００３１】
また、本実施の形態では、マスタ１０が増幅回路１３を有する構成にしたが、この構成に限定されない。マスタ１０は、ワイヤレスセンサ２０から十分な信号レベルの反射信号が受信可能であれば、増幅回路１３を備えない構成にしてもよい。
【００３２】
また、本実施の形態では、マスタ１０の算出回路１４が基準の応答時間に対する実際の反射信号の応答時間の時間差から検知対象の状態を算出する構成にしたが、この構成に限定されない。算出回路１４は、反射信号の伝搬特性に基づいて検知対象の状態を算出する構成であれば、どのような算出処理で検知対象の状態を算出してもよい。
【００３３】
また、本実施の形態では、センサシステム１では、説明の便宜上、マスタ１０とワイヤレスセンサ２０とが１対１で通信する構成にしたが、この構成に限定されない。センサシステム１では、マスタ１０が複数のワイヤレスセンサ２０と通信してもよい。
【００３４】
下記に、上記の実施形態における特徴点を整理する。
上記実施形態に記載のワイヤレスセンサは、マスタから駆動信号を受け取ることで、駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すワイヤレスセンサであって、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅回路とを備えることを特徴とする。
【００３５】
上記実施形態に記載のセンサシステムは、マスタから駆動信号をワイヤレスセンサに送り出し、前記ワイヤレスセンサから駆動信号の応答として検知対象の状態に応じた反射信号を前記マスタに送り返すセンサシステムであって、前記ワイヤレスセンサが、前記マスタから駆動信号を受信すると共に前記マスタに反射信号を送信するセンサ側のアンテナと、駆動信号で弾性表面波を励起して前記検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号を出力する弾性表面波素子と、反射信号を増幅して前記センサ側のアンテナに出力する増幅回路とを備え、前記マスタが、前記ワイヤレスセンサに駆動信号を送信すると共に前記ワイヤレスセンサから反射信号を受信するマスタ側のアンテナと、前記ワイヤレスセンサからの反射信号の伝搬特性に基づいて前記検知対象の状態を算出する算出回路とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
これらの構成によれば、マスタからの駆動信号で弾性表面波素子に弾性表面波が励起されると、検知対象の状態に応じた伝搬特性の反射信号が増幅回路に出力される。増幅後の反射信号がワイヤレスセンサからマスタに向けて送り返されるため、通信距離を伸ばしてワイヤレスセンサから比較的離れたマスタに検知対象の状態を通知することができる。また、ワイヤレスセンサでは算出処理等をすることなく、マスタからの駆動信号を弾性表面波に変換した後に反射信号にして送り返しているため、ワイヤレスセンサで余計な処理がなく消費電力を低減することができる。
【００３７】
また、上記実施形態に記載のワイヤレスセンサにおいて、前記弾性表面波素子は、弾性表面波を伝搬可能な圧電基板と、前記圧電基板上で駆動信号によって弾性表面波を励起するＩＤＴ（Interdigital  Transducers）電極と、前記圧電基板上で弾性表面波を前記ＩＤＴ電極に向けて反射させる反射電極とを有し、前記反射電極で反射した弾性表面波を前記ＩＤＴ電極から反射信号として出力する。この構成によれば、圧電基板上にＩＤＴ電極と反射電極を設けた簡易な構成により、弾性表面波を励起して検知対象の状態に応じた反射信号を出力することができる。
【００３８】
また、上記実施形態に記載のワイヤレスセンサにおいて、前記増幅回路は、前記弾性表面波素子から入力された反射信号を増幅して前記アンテナに出力すると共に、前記アンテナから入力された駆動信号を増幅して前記弾性表面波素子に出力する。この構成によれば、ワイヤレスアンテナから反射信号を高い信号レベルでマスタに向けて送信することができるため、ワイヤレスセンサとマスタとの通信距離を更に伸ばすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上説明したように、本発明は、通信距離を伸ばすと共に消費電力を低減することができるという効果を有し、特に、検知対象の温度や湿度等を無線で検知できるワイヤレスセンサ及びセンサシステムに有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１  センサシステム
１０  マスタ
１１  マスタ側のアンテナ
１２  駆動回路
１４  算出回路
２０  ワイヤレスセンサ
２１  ワイヤレスセンサ側のアンテナ
２２  弾性表面波素子
２３  増幅回路
２５  ＩＤＴ電極
２６  反射電極
２７  圧電基板
【図１】
2017161397.tif 000003
【図２】
2017161397.tif 000004
【図３】
2017161397.tif 000005