(57)【要約】【課題】送信信号に対する応答信号の減衰時間にかかわらず、所望の分解能で測定用の周波数帯域を掃引して、応答信号に基づき物理量を測定する。【解決手段】物理量測定システム（１）は、交流信号が印加されたときに測定対象の物理量に応じた周波数で共振する弾性表面波素子（５）を含むセンサ（４）と、測定に用いられる周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間（Ｆ０〜Ｆ４）を設定し、複数の部分区間のそれぞれについて、その部分区間内で周波数が時間変化する交流信号（ＳＴ０〜ＳＴ４）を生成する生成部（１０）と、複数の部分区間について生成された複数の交流信号をセンサに順次送信し、センサからの応答信号を受信するアンテナ（２０）と、応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき物理量の測定値を判定する判定部（３０）とを有する。【選択図】図４
2017032399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流信号が印加されたときに測定対象の物理量に応じた共振周波数で共振して応答信号を出力する弾性表面波素子を含むセンサと、
測定に用いられ前記共振周波数を含む周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を設定し、前記複数の部分区間のそれぞれについて、当該部分区間内で周波数が時間変化する交流信号を生成する生成部と、
前記複数の部分区間について生成された複数の前記交流信号を前記センサに順次送信し、前記センサからの応答信号を受信するアンテナと、
前記応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、前記弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出された前記ピークの周波数に基づき前記物理量の測定値を判定する判定部と、
を有することを特徴とする物理量測定システム。
【請求項２】
前記生成部は、
前記複数の部分区間のそれぞれについて、当該部分区間内の周波数の搬送波を生成する第１の生成部と、
前記搬送波に対応する部分区間の長さにわたって周波数が時間変化する交流信号である周波数掃引信号を生成する第２の生成部と、
前記搬送波と前記周波数掃引信号を合成して、前記アンテナから送信される交流信号を生成する合成部と、
を有する、請求項１に記載の物理量測定システム。
【請求項３】
前記生成部は、隣接する部分区間同士が一部重複するように前記複数の部分区間を設定する、請求項１または２に記載の物理量測定システム。
【請求項４】
前記判定部は、前記弾性表面波素子の共振周波数と温度との対応関係を参照して、検出された前記ピークの周波数に基づき、前記センサが設置された環境の温度値を判定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の物理量測定システム。
【請求項５】
前記生成部は、周波数がＩＳＭバンド帯に含まれる交流信号を生成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の物理量測定システム。
【請求項６】
測定に用いられる周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を設定し、前記複数の部分区間のそれぞれについて、当該部分区間内で周波数が時間変化する交流信号を生成する生成部と、
交流信号が印加されたときに前記周波数帯域に含まれ測定対象の物理量に応じた大きさを有する周波数で共振して応答信号を出力する弾性表面波素子を含むセンサに、前記複数の部分区間について生成された複数の前記交流信号を順次送信し、前記センサからの応答信号を受信するアンテナと、
前記応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、前記弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出された前記ピークの周波数に基づき前記物理量の測定値を判定する判定部と、
を有することを特徴とする送受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量測定システムおよび送受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶やランガテイト（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４）といった結晶は、圧電性材料として知られている。これらの圧電結晶は、結晶面上に櫛歯状の電極を形成して交流電圧を印加すると、固有の周波数で発振し、弾性表面波（Surface Acoustic Wave）を発生させる。このときの発振周波数や弾性表面波の伝搬速度は、温度などの環境変化に応じて変化するので、櫛歯状の電極にアンテナを接続すれば、圧電結晶は、電池がいらないパッシブなセンサ素子として機能する。こうした素子はＳＡＷデバイスとも呼ばれ、例えば温度による特性変化を利用した温度センサなどに応用されている。ＳＡＷデバイスをセンサに応用した物理量測定システムは、特定の周波数帯をカバーするインパルス信号や、特定の周波数の交流信号を親機からセンサ（子機）に送信し、センサの応答信号から温度などの特性変化を測定する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＳＡＷデバイスを使用したセンサ（ＳＡＷセンサ）用の信号処理回路が記載されている。この信号処理回路では、発振回路は、所定周波数の信号を出力する。その出力信号は、搬送波分周器、第１分周器、および第２分周器に入力される。搬送波分周器は入力信号を分周比Ｎで分周し搬送波を生成する。アンテナはＳＡＷセンサから送信された受信信号を受信する。このとき、搬送波分周器は動作を停止する。第１分周器は入力信号を分周比Ｎ１で分周し第１基準信号を生成する。また、第２分周器は入力信号を分周比Ｎ２で分周し第２基準信号を生成する。
【０００４】
また、周波数が時間変化する交流信号である周波数掃引信号を搬送波に載せて送信し、応答信号を受信して対象物の周波数特性を分析する装置が知られている（例えば、特許文献２，３を参照）。こうした装置では、Swept Sine信号（以下、「ＳＳ信号」という）や、Time Stretched Pulse信号（以下、「ＴＳＰ信号」という）、チャープ信号などが送信信号に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０９６９０４号公報
【特許文献２】特開２００６−２７５８９０号公報
【特許文献３】特開昭５７−２０１８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の信号処理回路では、数百ＭＨｚの帯域の信号をＳＡＷセンサへの送信信号として使用している。しかしながら、これらの帯域の信号では、センサからの出力信号の強度が必ずしも十分でなかったり、センサを複数台使用する場合に十分なチャネル数を確保できなかったりするなどの課題があるため、より高周波の帯域を使用したいという要求がある。この場合、電波法により、ＩＳＭ（Industry Science Medical）バンド帯のうち、数百ＭＨｚ帯より高周波で使用可能な帯域は、２．４ＧＨｚ、５ＧＨｚおよび２４ＧＨｚ付近の帯域に制限される。
【０００７】
発振周波数がＧＨｚのオーダになると、数百ＭＨｚのオーダのときにはなかった以下の問題が生じる。
（１）まず、特許文献１の信号処理回路では、送信と受信をスイッチ素子が切り替えているが、スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ時間はｎｓのオーダである。一方、２．４ＧＨｚ帯でインパルス信号を使うと、ＳＡＷセンサからの応答信号の残響もｎｓオーダで減衰する。このため、スイッチ素子の切替え速度が応答信号の残響に対して遅く、測定が困難になる。
（２）また、ＧＨｚなどの高周波帯域では、１つのパルスに対する応答信号がｎｓオーダで急激に減衰するため、センサからの出力信号の強度も小さく、この点でも測定が困難になる。これに対しては、送信信号の強度を上げて応答信号の減衰時間を伸ばすことが考えられるが、それには電波法による制限や、素子強度の問題などがあるため、実際には難しい。
（３）また、送信信号として単なるパルスではなくＳＳ信号を用いたとしても、ＧＨｚなどの高周波では、１回の送信信号に対する応答信号が短いことに変わりはない。このため、温度などの測定対象の物理量が変動する範囲の周波数帯域を１回の送信信号で掃引しようとすると、サンプリング点が粗くなり、分解能が悪くなる。
【０００８】
そこで、本発明は、送信した交流信号に対する応答信号の減衰時間にかかわらず、所望の分解能で測定用の周波数帯域を掃引し、得られた応答信号に基づき物理量を測定することが可能なシステムおよび送受信機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】
交流信号が印加されたときに測定対象の物理量に応じた共振周波数で共振して応答信号を出力する弾性表面波素子を含むセンサと、測定に用いられ共振周波数を含む周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を設定し、複数の部分区間のそれぞれについて、その部分区間内で周波数が時間変化する交流信号を生成する生成部と、複数の部分区間について生成された複数の交流信号をセンサに順次送信し、センサからの応答信号を受信するアンテナと、応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき物理量の測定値を判定する判定部とを有する物理量測定システムが提供される。
【００１０】
上記の生成部は、複数の部分区間のそれぞれについて、その部分区間内の周波数の搬送波を生成する第１の生成部と、搬送波に対応する部分区間の長さにわたって周波数が時間変化する交流信号である周波数掃引信号を生成する第２の生成部と、搬送波と周波数掃引信号を合成して、アンテナから送信される交流信号を生成する合成部とを有することが好ましい。
上記の生成部は、隣接する部分区間同士が一部重複するように複数の部分区間を設定することが好ましい。
上記の判定部は、弾性表面波素子の共振周波数と温度との対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき、センサが設置された環境の温度値を判定することが好ましい。
上記の生成部は、周波数がＩＳＭバンド帯に含まれる交流信号を生成することが好ましい。
【００１１】
また、測定に用いられる周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を設定し、複数の部分区間のそれぞれについて、その部分区間内で周波数が時間変化する交流信号を生成する生成部と、交流信号が印加されたときにその周波数帯域に含まれ測定対象の物理量に応じた大きさを有する周波数で共振して応答信号を出力する弾性表面波素子を含むセンサに、複数の部分区間について生成された複数の交流信号を順次送信し、センサからの応答信号を受信するアンテナと、応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき物理量の測定値を判定する判定部とを有する送受信機が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上記のシステムおよび送受信機によれば、送信した交流信号に対する応答信号の減衰時間にかかわらず、所望の分解能で測定用の周波数帯域を掃引し、得られた応答信号に基づき物理量を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】物理量測定システム１の概略構成図である。
【図２】センサ４の縦断面図である。
【図３】弾性表面波素子５の模式的な平面図である。
【図４】送受信機２のブロック図である。
【図５】送信部１０が生成する送信信号ＳＴを説明するための図である。
【図６】送信信号ＳＴ、ノイズ、センサ４からの応答信号ＳＲ、およびそれらの合成信号を説明するための図である。
【図７】測定値の判定に用いられる対応関係を説明するための表である。
【図８】周波数帯域の部分区間の設定方法を説明するための図である。
【図９】周波数帯域の部分区間と送信信号との対応を説明するための図である。
【図１０】弾性表面波素子５Ａの模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、物理量測定システムおよび送受信機について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１５】
図１は、物理量測定システム１の概略構成図である。物理量測定システム１は、送受信機２と、１つまたは複数のセンサ４とを有する。図１では、センサ４の個数が３個である場合の例を示している。センサ４は、交流信号が印加されたときに測定対象の物理量に応じた周波数で共振して応答信号を出力する弾性表面波素子を含む。送受信機２は、無線で、送信信号ＳＴをセンサ４に送信し、センサ４からの応答信号ＳＲを受信する。送受信機２は、さらに、応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき物理量の測定値を判定する。図１では、物理量として、各センサ４が設置された環境の温度を送受信機２が測定して表示する場合の例を示している。すなわち、この例では、物理量測定システム１は、無給電ＳＡＷセンサを使用したワイヤレス温度センサである。
【００１６】
送受信機２は、周波数掃引機能を有し、ＳＳ（ＴＳＰ）信号を使って生成された、各センサ４に固有の共振周波数を含む交流信号を送信する。その際、送受信機２は、測定に用いられる周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を設定し、各部分区間について、その部分区間内で周波数が時間変化する交流信号を順次生成して送信する。例えば、ＩＳＭバンドである２．４０〜２．５０ＧＨｚの範囲のうち、２．４０〜２．４５ＧＨｚの帯域を測定する場合には、送受信機２は、その５０ＭＨｚ分の範囲を１回の送信信号で掃引するのではなく、５０ＭＨｚ分の範囲を例えば５つの部分区間に分け、１回で１０ＭＨ分の範囲を掃引する信号を５つ生成し、それらを順次送信する。送受信機２は、このように、１回の送信信号で掃引する範囲を狭めることにより、応答信号の減衰が速い場合であっても、細かくサンプリング点をとり、出力を上げずに高い分解能で広範囲な周波数帯域をカバーする。
【００１７】
送受信機２は、各センサ４についてそのセンサの共振周波数と温度との対応関係の表を記憶し、その対応関係に基づき各センサ４の測定温度を判定して表示する。例えば、各センサ４は、互いに異なる周波数で共振するように設計されており、送受信機２は、それらの共振周波数の交流信号を順次送受信することで、各センサ４が設置された環境の温度を測定する。あるいは、各センサ４は、応答信号に時間差が生じるように設計されており、送受信機２は、その時間差から複数のセンサを互いに区別する。なお、図１に示す例では、送受信機２は、３つのセンサ４の中からスイッチなどによって選択された１つのセンサ４が検知する温度を１つの表示部に表示しているが、送受信機２は、複数のセンサ４にそれぞれ対応する複数の表示部を有してもよい。
【００１８】
図２は、センサ４の縦断面図である。図２に示すように、センサ４は、容器４０と、弾性表面波素子５とを有する。弾性表面波素子５は、容器４０の内部空間４５において、容器４０の蓋４６の下面に、上下を逆さまにして実装される。容器４０は、耐熱性を高めるために、例えば、一般にＨＴＣＣ（High Temperature Cofired Ceramics）として知られている酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの高温焼成セラミック材で形成される。
【００１９】
蓋４６は、セラミック製の絶縁基板４２にアンテナ電極層４１とＧＮＤ電極層４３とを積層して形成されたマイクロストリップアンテナである。マイクロストリップアンテナは、平面アンテナやパッチアンテナとも呼ばれ、小型化および薄型化が可能でありながら高利得であって帯域が狭く広い指向性を有するアンテナである。
【００２０】
絶縁基板４２は、例えば、一般にＬＴＣＣ（Low Temperature Cofired Ceramics）として知られているＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３などの低温焼成セラミック材によって形成される。あるいは、絶縁基板４２は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの高温焼成セラミック材によって形成してもよい。
【００２１】
アンテナ電極層４１は、例えば厚さ１０〜１５μｍ程度の電極層であり、例えばＡｇまたはＣｕで形成される。アンテナ電極層４１は、その一部が絶縁基板４２を貫通して、絶縁基板４２の下面に設けられた電極パッド４４ａに電気的に接続される。
【００２２】
ＧＮＤ電極層４３は、例えば厚さ１０〜１５μｍ程度の電極層であり、例えばＡｇまたはＣｕで形成される。ＧＮＤ電極層４３は、その一部が絶縁基板４２を貫通して、絶縁基板４２の下面に設けられた電極パッド４４ｂに電気的に接続される。
【００２３】
弾性表面波素子５は、電極パッド５４ａ，５４ｂを有する。電極パッド５４ａは、ワイヤ５５ａによって電極パッド４４ａに接続されることで、アンテナ電極層４１に電気的に接続される。電極パッド５４ｂは、ワイヤ５５ｂによって電極パッド４４ｂに接続されることで、ＧＮＤ電極層４３に電気的に接続される。
【００２４】
図３は、弾性表面波素子５の模式的な平面図である。弾性表面波素子５は、いわゆる共振型の弾性表面波素子（ＳＡＷ共振器）であり、基板５１と、基板５１の表面中央に形成された励振電極５２ａ，５２ｂと、基板５１の表面の両端に励振電極５２ａ，５２ｂから同じ間隔を空けて形成された反射電極５３ａ，５３ｂとを有する。
【００２５】
基板５１は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の単結晶によって形成される。あるいは、基板５１には、圧電性物質の単結晶基板か、またはガラス基板もしくはＳｉ基板の上に圧電性物質の薄膜を形成した基板などを用いてもよい。圧電性物質には、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、水晶（ＳｉＯ２）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガテイト（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４）などが含まれるが、これらに限られない。基板５１は、例えば、平面視寸法が約１０ｍｍ×１０ｍｍで厚みが約２ｍｍの矩形板形状を有する。
【００２６】
励振電極５２ａ，５２ｂは、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、ＣｒまたはＡｌなどを材料とする２対の櫛歯電極であり、基板５１の表面中央において、互いの電極が交互に配置されるように形成される。励振電極５２ａの端部には電極パッド５４ａが形成され、励振電極５２ｂの端部には電極パッド５４ｂが形成される。励振電極５２ａと励振電極５２ｂの電極間距離は、弾性表面波素子が励起する弾性表面波の波長に応じて設定される。隣接する励振電極５２ａ，５２ｂの各電極幅および各電極間距離は、等間隔であるのが好ましい。
【００２７】
反射電極５３ａ，５３ｂは、励振電極５２ａ，５２ｂを挟む基板５１上の両端に、励振電極５２ａ，５２ｂと略同寸法に形成される。反射電極５３ａ，５３ｂは、図３でははしご形状で示しているが、隙間のないベタ電極であってもよい。反射電極５３ａ，５３ｂは、励振電極５２ａ，５２ｂと同様に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、ＣｒまたはＡｌなどを材料とする電極である。反射電極５３ａ，５３ｂは、励振電極５２ａ，５２ｂに印加された交流信号によって、基板５１の表面に誘起された弾性表面波を反射し、再び励振電極５２ａ，５２ｂを通じて送受信機２に測定情報である応答信号を送信するために設けられる。
【００２８】
センサ４の共振周波数を含む交流信号を送受信機２が送信すると、その交流信号は、センサ４のマイクロストリップアンテナによって受信され、ワイヤ５５ａ，５５ｂを通じて励振電極５２ａ，５２ｂに印加される。すると、その交流信号は基板５１に電気・機械変換効果をもたらし、基板５１の表面に、励振電極５２ａ，５２ｂの電極間距離で決定される励起弾性表面波Ｔｗが発生する。励起弾性表面波Ｔｗは、基板５１の表面を伝搬し、反射電極５３ａ，５３ｂで反射して、反射弾性表面波Ｒｗとなって再び励振電極５２ａ，５２ｂに戻る。反射弾性表面波Ｒｗの一部は、基板５１に機械・電気変換効果をもたらし、交流信号に変換されて、応答信号としてマイクロストリップアンテナにより外部に発信される。一方、反射弾性表面波Ｒｗのうち交流信号に変換されなかった残りの一部は、励振電極５２ａ，５２ｂによって反射され、基板５１上を再び反射電極５３ａ，５３ｂへ向かって進行する。
【００２９】
このとき、励振電極５２ａ，５２ｂから発生する励起弾性表面波Ｔｗと、反射電極５３ａ，５３ｂによって戻ってくる反射弾性表面波Ｒｗとが丁度重なると、共振が発生し、弾性表面波の振幅が大きくなる。したがって、共振を発生させる周波数の交流信号を印加すると、その周波数での応答信号は強くなる。一方、それ以外の周波数の交流信号を印加すると、共振は発生せず、弾性表面波は基板５１上の励振電極５２ａ，５２ｂと反射電極５３ａ，５３ｂとの間で減衰していくため、その周波数での応答信号は弱くなる。この共振周波数は温度などの環境に応じて変化するため、温度と共振周波数との対応関係を予め用意しておけば、共振周波数を検出してその対応関係を参照することにより温度を測定することが可能である。
【００３０】
図４は、送受信機２のブロック図である。送受信機２は、送信部１０と、アンテナ２０と、受信部３０とを有する。
【００３１】
送信部１０は、生成部の一例であり、測定に用いられる周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を予め設定し、複数の部分区間のそれぞれについて、その部分区間内で周波数が時間変化する交流信号を生成する。送信部１０は、周波数設定部１１と、局所発振器１２と、ＳＳ信号生成部１３と、ＩＱ信号生成部１４と、ＤＡＣ（デジタル・アナログ変換器）１５と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１６と、ミキサ１７と、アンプ１８とを有する。
【００３２】
周波数設定部１１は、第１の生成部の一例であり、予め設定された測定用の周波数帯域の各部分区間について、局所発振器１２が生成する搬送波の周波数を設定する。例えば、測定用の周波数帯域が２．４０ＧＨｚから２．４５ＧＨｚの間であり、この帯域を１０ＭＨｚごとに５つに分割してそのそれぞれを部分区間とする場合には、周波数設定部１１は、２．４０ＧＨｚ，２．４１ＧＨｚ，２．４２ＧＨｚ，２．４３ＧＨｚおよび２．４４ＧＨｚを、各部分区間での搬送波の周波数として設定する。部分区間の設定の詳細については、図８および図９を参照して後述する。
【００３３】
局所発振器１２は、第１の生成部の一例であり、複数の部分区間のそれぞれについて、その部分区間内の周波数の搬送波を生成する。上記の例では、局所発振器１２は、５つの各部分区間について、２．４０ＧＨｚ，２．４１ＧＨｚ，２．４２ＧＨｚ，２．４３ＧＨｚおよび２．４４ＧＨｚの５つの搬送波を順次生成する。
【００３４】
ＳＳ信号生成部１３は、第２の生成部の一例であり、搬送波に対応する部分区間の長さにわたって周波数が時間変化する交流信号であるＳＳ信号（周波数掃引信号の一例）を生成する。ＳＳ信号生成部１３により生成される信号はデジタル信号である。具体的には、ＳＳ信号生成部１３は、例えば周波数領域にて下記の式により信号を生成し、その信号をＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）により時間領域の波形に変換することで、ＳＳ信号を生成する。
【数１】
2017032399.tif 000003
ここで、Ｎはサンプリング数、ｍは定数、ｊは虚数単位である。上記の例では、５つの部分区間の長さがそれぞれ１０ＭＨｚであるため、ＳＳ信号生成部１３は、例えば０〜１０ＭＨｚの間で周波数が時間変化するＳＳ信号を生成する。
【００３５】
ＩＱ信号生成部１４は、ＳＳ信号生成部１３により生成されたＳＳ信号を無線送信のためにヒルベルト変換して、Ｉ（in-phase）信号とＱ（Quadrature）信号を生成する。
【００３６】
ＤＡＣ１５は、ＩＱ信号生成部１４により生成されたＩ信号とＱ信号（デジタル信号）を、それぞれアナログ信号に変換する。ＬＰＦ１６は、ＤＡＣ１５により変換されたＩ信号とＱ信号（アナログ信号）から、不要な高周波成分を除去する。
【００３７】
ミキサ１７は、合成部の一例であり、局所発振器１２により生成された搬送波と、ＬＰＦ１６から出力されたＩ信号、Ｑ信号とをそれぞれ合成して、アンテナ２０から送信される交流信号を生成する。その際、ミキサ１７は、図４に示すように、局所発振器１２から出力される搬送波に、それぞれ０度、９０度位相をずらした信号をミックスして、交流信号を生成する。アンプ１８は、ミキサ１７からの出力信号を増幅する。
【００３８】
以上の各ブロックにより、送信部１０では、（搬送波の周波数）＋（ＳＳ信号の周波数範囲における最小値）〜（搬送波の周波数）＋（ＳＳ信号の周波数範囲における最大値）の範囲の信号が生成され、アンテナ２０から送信される。例えば、搬送波の周波数が２．４１ＧＨｚであり、ＳＳ信号の周波数範囲が０〜１０ＭＨｚであれば、送信される周波数範囲は２．４１ＧＨｚ〜２．４１ＧＨｚ＋１０ＭＨｚになる。こうして、送信部１０は、各部分区間についての送信信号を順次生成することで、例えば周波数が２．４０ＧＨｚから２．４５ＧＨｚの間の交流信号を生成する。
【００３９】
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、送信部１０が生成する送信信号ＳＴを説明するための図である。図５（Ａ）は、局所発振器１２により生成された搬送波の波形を示し、図５（Ｂ）は、ＳＳ信号生成部１３より生成されたＳＳ信号の波形を示し、図５（Ｃ）は、ミキサ１７により合成された送信信号ＳＴの波形を示す。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）の横軸は時間ｔであり、これらの図はいずれも時間領域の波形を示す。これらの図は、各信号を模式的に示すものであり、各図の波長や振幅の大小関係は必ずしも正確ではない。
【００４０】
また、図５（Ｄ）は、周波数領域の送信信号ＳＴの波形を示す。図５（Ｄ）の横軸は周波数ｆであり、縦軸は強度Ｉである。ＳＳ信号はインパルスの周波数を時間で伸長したものであるため、送信信号ＳＴをＦＦＴ（フーリエ変換）して周波数成分を見ると、ＳＳ信号に含まれる周波数範囲に対応する長さにわたって（図５（Ｄ）ではｆａ〜ｆｂの範囲で）強度Ｉが一定になる。
【００４１】
図４に戻って、送受信機２の残りの構成要素について説明する。アンテナ２０は、複数の部分区間について送信部１０により生成された複数の交流信号をセンサ４に順次送信し、センサ４からの応答信号を受信する。アンテナ２０は、無線信号の送受信が可能なものであればよく、特に限定されない。
【００４２】
受信部３０は、判定部の一例であり、応答信号の周波数スペクトルのピークを検出し、弾性表面波素子の共振周波数と測定対象の物理量との対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき物理量の測定値を判定する。受信部３０は、アンプ３１と、ミキサ３２と、ＬＰＦ３３と、ＡＤＣ（アナログ・デジタル変換器）３４と、インパルス応答生成部３５と、共振周波数検出部３６とを有する。
【００４３】
アンプ３１は、アンテナ２０による受信信号を増幅する。ミキサ３２は、アンプ３１からの出力信号と、局所発振器１２により生成された搬送波とを合成して、Ｉ信号およびＱ信号となる２つの信号を生成する。その際、ミキサ３２は、ミキサ１７と同様に、局所発振器１２から出力される搬送波に、それぞれ０度、９０度位相をずらした信号をミックスして、得られた信号を出力する。
【００４４】
ＬＰＦ３３は、ミキサ３２から出力された各信号から、不要な高周波成分を除去する。ＡＤＣ３４は、ＬＰＦ３３を通過した２つのデジタル信号をアナログ信号に変換する。
【００４５】
インパルス応答生成部３５は、ＡＤＣ３４まで到達して得られたＩ信号、Ｑ信号と、ＳＳ信号生成部１３により生成された逆ＳＳ信号をそれぞれＦＦＴし、両者を掛け算することで、受信信号の周波数領域のインパルス応答（周波数スペクトル）を取得する。共振周波数検出部３６は、インパルス応答生成部３５により得られた周波数スペクトルのピークを検出し、これをセンサ４の共振周波数と判定する。
【００４６】
図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、それぞれ、送信信号ＳＴ、ノイズ、センサ４からの応答信号ＳＲ、およびそれらの合成信号を説明するための図である。図６（Ａ）〜図６（Ｄ）の上側は、各信号の時間領域の波形を示し、下側は、各信号の周波数領域の波形を示す。これらの図も、各信号を模式的に示すものであり、各図の波長や振幅の大小関係は必ずしも正確ではない。
【００４７】
図示した例では、図６（Ａ）に示すように、周波数範囲が２．４１〜２．４２ＧＨｚの間の１０ＭＨｚである送信信号ＳＴがアンテナ２０から送信される。実際には、送信信号および受信信号には、図６（Ｂ）に示すようなノイズ（ホワイトノイズ）が加算される。そして、２．４１〜２．４２ＧＨｚの範囲内のある周波数でセンサ４の弾性表面波素子５が共振を起こしたとすると、図６（Ｃ）に示すように、応答信号ＳＲの周波数スペクトルにはこの範囲内にピークが現れ、そのピークを検出することができる。実際には、図６（Ａ）に示すような送信信号の回り込みや図６（Ｂ）のホワイトノイズの影響により、受信部３０には、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の各信号が加算された図６（Ｄ）の信号が入力される。その際、ホワイトノイズなどのノイズの影響は、例えば複数の測定の加算平均をとることにより低減させることができる。また、送信信号の回り込みがあっても、図６（Ｃ）と図６（Ｄ）を比べれば分かるように、対象の周波数範囲内では合成信号は応答信号が一定量かさ上げされるだけであるため、ピークの周波数を検出する際には特に問題はない。
【００４８】
図７は、測定値の判定に用いられる対応関係を説明するための表である。図７は、センサ４に含まれる弾性表面波素子５の共振周波数ｆと温度Ｔとの対応関係を示す。例えば、送受信機２では、図示しない記憶部に、図７に示す対応関係を記憶させておく。例えば、共振周波数検出部３６は、さらに、その対応関係を参照して、検出されたピークの周波数に基づき、センサ４が設置された環境の温度値を判定する。あるいは、送受信機２は、共振周波数検出部３６が検出したピークの周波数の値を外部装置に出力して、その外部装置が温度値などの判定を行ってもよい。
【００４９】
なお、物理量測定システム１は、温度に限らず、例えば圧力や湿度などの他の物理量も測定可能である。温度以外の物理量を測定する場合には、図７と同様に、弾性表面波素子５の共振周波数や弾性表面波の伝搬の遅延時間といった実際の測定量と、圧力や湿度などの測定したい物理量との対応関係を予め用意して、送受信機２の記憶部に記憶させておけばよい。複数種類の物理量について、図７に示す対応関係をそれぞれ用意しておけば、物理量測定システム１は、複数種類の物理量を同時に測定することも可能である。
【００５０】
実際の測定に用いられる周波数帯域は設計によって異なるが、以下では、２．４０〜２．４５ＧＨｚの範囲を測定用の周波数帯域とする場合を例にとり、部分区間の設定、および部分区間と送信信号との対応について、詳細に説明する。
【００５１】
上記の通り、１回の送信信号で測定用の周波数帯域の全体を掃引しようとすると、分解能などの問題がある。そこで、送受信機２の送信部１０は、測定の分解能を上げるために、測定したい全周波数帯域を覆い尽くす複数の部分区間を設定し、各部分区間を掃引する交流信号を、部分区間ごとにいわば小分けにして送信する。送受信機２の送信部１０は、各部分区間の周波数に対応する搬送波とＳＳ信号とをミキシングした送信信号を用いることで、１回の送信信号で対象の周波数帯域の全体を掃引した場合と比べて高い分解能で、対象の周波数帯域をもれなくカバーする。以下では、簡単のため、２．４０〜２．４５ＧＨｚの帯域を１０ＭＨｚごとの５つの部分区間に分割する場合の例を説明する。
【００５２】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、周波数帯域の部分区間の設定方法を説明するための図である。図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、それぞれ、説明のための理想的な場合、および実際の場合の周波数領域における送信信号の波形を模式的に示す。また、図９は、周波数帯域の部分区間と送信信号との対応を説明するための図である。
【００５３】
例えば、２．４０〜２．４５ＧＨｚの周波数帯域を１０ＭＨｚごとに５つに分割する場合には、ｆ０＝２．４０ＧＨｚ，ｆ１＝２．４１ＧＨｚ，ｆ２＝２．４２ＧＨｚ，ｆ３＝２．４３ＧＨｚ、ｆ４＝２．４４ＧＨｚおよびｆ５＝２．４５ＧＨｚとして、ｆ０〜ｆ１，ｆ１〜ｆ２，ｆ２〜ｆ３，ｆ３〜ｆ４およびｆ４〜ｆ５の範囲が、それぞれ部分区間Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４になる。この場合、部分区間Ｆ０については、周波数設定部１１が周波数をｆ０＝２．４０ＧＨｚに設定して、局所発振器１２が２．４０ＧＨｚの搬送波を生成し、ＳＳ信号生成部１３が１０ＭＨｚ（０．０１ＧＨｚ）の帯域のＳＳ信号を生成する。そして、ミキサ１７が搬送波とＳＳ信号をミキシングすることで、送信部１０は、図９に示すように、部分区間Ｆ０に相当する２．４０〜２．４１ＧＨｚの周波数帯をカバーした送信信号ＳＴ０を生成する。
【００５４】
次に、部分区間Ｆ１については、周波数設定部１１が周波数をｆ１＝２．４１ＧＨｚに設定して、局所発振器１２が２．４１ＧＨｚの搬送波を生成する。一方、ＳＳ信号生成部１３は、部分区間Ｆ０のときと同じ１０ＭＨｚ（０．０１ＧＨｚ）の帯域のＳＳ信号を生成する。そして、ミキサ１７が搬送波とＳＳ信号をミキシングすることで、送信部１０は、図９に示すように、部分区間Ｆ１に相当する２．４１〜２．４２ＧＨｚの周波数帯をカバーした送信信号ＳＴ１を生成する。
【００５５】
部分区間Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４についても同様に、周波数設定部１１が周波数をｆ２＝２．４２ＧＨｚ，ｆ３＝２．４３ＧＨｚおよびｆ４＝２．４４ＧＨｚにそれぞれ設定して、局所発振器１２が２．４２ＧＨｚ，２．４３ＧＨｚおよび２．４４ＧＨｚの搬送波を順次生成する。一方、ＳＳ信号生成部１３は、各部分区間Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４について、部分区間Ｆ０のときと同じ１０ＭＨｚ（０．０１ＧＨｚ）の帯域のＳＳ信号を生成する。そして、部分区間ごとに、対応する搬送波とＳＳ信号をミキサ１７がミキシングすることで、送信部１０は、図９に示すように、部分区間Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４に相当する２．４２〜２．４３ＧＨｚ，２．４３〜２．４４ＧＨｚおよび２．４４〜２．４５ＧＨｚの周波数帯をカバーした送信信号ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４を順次生成する。
【００５６】
そして、アンテナ２０は、生成された送信信号ＳＴ０〜ＳＴ４を、図９に示すように順次送信する。このときの各送信信号の送信間隔はごく短い時間なので、その間のセンサ４の設置環境における温度変化の影響は無視できる。
【００５７】
理想的には、図８（Ａ）に示すように、隣接する部分区間Ｆ０〜Ｆ４の端部が互いに一致するように各部分区間を設定すれば、最も効率がよい。しかしながら、実際には、図８（Ｂ）の下側に示すように、ＳＳ信号の帯域の両端に対応する各部分区間の両端では、強度Ｉがなだらかに減少する。このため、実際には、送信部１０は、図８（Ｂ）の上側に示す通り、隣接する部分区間同士が一部重複するように複数の部分区間を設定することが好ましい。より詳細には、送信部１０は、隣接する部分区間同士で送信信号の周波数スペクトルが平坦な部分が一部重複するように、複数の部分区間を設定することが好ましい。各部分区間の両端でなだらかに減衰する部分の周波数は測定に使用できないが、隣接する部分区間同士をこのように一部重複させることにより、周波数スペクトルが平坦な部分で対象の周波数帯域全体が覆い尽くされる。
【００５８】
図８（Ｂ）に示した例では、隣接する部分区間の平坦な部分をΔｆの長さだけ重複させており、ｆ０〜ｆ１＋Δｆ，ｆ１〜ｆ２＋Δｆ，ｆ２〜ｆ３＋Δｆ，ｆ３〜ｆ４＋Δｆおよびｆ４〜ｆ５＋Δｆの範囲が、それぞれ部分区間Ｆ０’，Ｆ１’，Ｆ２’，Ｆ３’，Ｆ４’になる。具体的な数値の例としては、２．４００〜２．４１２ＧＨｚ，２．４１０〜２．４２２ＧＨｚ，２．４２０〜２．４３２ＧＨｚ，２．４３０〜２．４４２ＧＨｚおよび２．４４０〜２．４５２ＧＨｚを、それぞれ部分区間Ｆ０’，Ｆ１’，Ｆ２’，Ｆ３’，Ｆ４’としてもよい。あるいは、複数の部分区間の中には、長さが異なるものが含まれてもよい。図示しないが、例えば、２．４００〜２．４１２ＧＨｚ，２．４０８〜２．４２２ＧＨｚ，２．４１８〜２．４３２ＧＨｚ，２．４２８〜２．４４２ＧＨｚおよび２．４３８〜２．４５０ＧＨｚを、それぞれ部分区間Ｆ０’’，Ｆ１’’，Ｆ２’’，Ｆ３’’，Ｆ４’’としてもよい。この場合、部分区間Ｆ０’’，Ｆ４’’は長さが１２ＭＨｚであり、部分区間Ｆ１’’，Ｆ２’’，Ｆ３’’は長さが１４ＭＨｚである。
【００５９】
なお、一般的な無線機でも、子機ごとに通信用の周波数を変えることは広く行われている。しかしながら、こうした無線機では、複数の子機の間で混信が発生しないように、複数の周波数として、互いに十分に離れた値が選択される。一方、送受信機２では、対象の周波数帯域をもれなくカバーするために、部分区間同士で周波数が一部重複するように複数の部分区間を設定することが好ましい。
【００６０】
以上説明したように、物理量測定システム１では、送受信をスイッチで切り替えることなく同時に行うため、例えばＧＨｚ帯など、応答信号の減衰が速いＳＡＷセンサであっても使用可能である。また、物理量測定システム１では、周波数を時間的に連続して変化させたＳＳ（ＴＳＰ）信号をセンサ４への送信信号として使用することで、応答信号の減衰が速いＳＡＷセンサであっても、応答信号が検出可能な強度のものになる。また、送受信機２は、周波数設定部１１が局所発振器１２の周波数を段階的に変化させ、送信信号を複数回に分けて送信することにより、１回の送信信号で測定する場合と比べて、出力を上げずに高い分解能で、対象の周波数帯域を掃引することが可能になる。
【００６１】
なお、図３で説明した弾性表面波素子５は共振型の素子であるが、センサ４には、いわゆる遅延型の弾性表面波素子を使用してもよい。そこで、最後に、遅延型の弾性表面波素子を使用する場合の例を説明する。
【００６２】
図１０は、弾性表面波素子５Ａの模式的な平面図である。図３に示す弾性表面波素子５では、基板５１の表面中央に励振電極５２ａ，５２ｂが形成され、基板５１の両端に２つの反射電極５３ａ，５３ｂが形成されているのに対し、図１０に示す弾性表面波素子５Ａでは、基板５１の左端に励振電極５２ａ，５２ｂが形成され、基板５１の右端に１つの反射電極５３が形成されている。弾性表面波素子５Ａの構成は、これ以外の点では弾性表面波素子５の構成と同様である。なお、図１０に示した例では反射電極５３は３本の電極で構成されているが、この本数は何本でもよい。また、遅延型の弾性表面波素子５Ａの場合でも、共振型の弾性表面波素子５と同様に、基板５１の両端に２つの反射電極５３が形成されていてもよい。
【００６３】
センサ４に遅延型の弾性表面波素子５Ａを使用する場合には、送受信機２は、基板５１を伝搬する励起弾性表面波Ｔｗおよび反射弾性表面波Ｒｗの伝搬速度が温度などの環境に依存することに基づき、送信信号に対する応答信号の遅延時間を測定することで、目的の物理量を測定する。このため、センサ４に遅延型の弾性表面波素子５Ａを使用する場合には、送受信機２の図示しない記憶部に、測定対象の物理量の値と応答信号の遅延時間との対応関係を予め記憶させておく。そして、送受信機２の受信部３０は、応答信号の遅延時間を測定して、目的の物理量の測定値を判定する。
【００６４】
遅延型の弾性表面波素子５Ａの場合にも、環境変化に応じて共振周波数は変動する。このため、遅延時間を測定する際に、センサ４（弾性表面波素子５Ａ）が応答する共振周波数の大きさがある程度が分かっていないと、送信部１０は、どの周波数の交流信号を送信すればよいのかが分からない。特に、共振周波数の変動範囲が広い場合は、送信部１０のように周波数範囲を複数の部分区間に分けて段階的に掃引し、応答信号が返ってくる帯域を探す手順が必要になる。このため、センサ４に遅延型の弾性表面波素子５Ａを使用する場合にも、遅延時間を計測する前の準備段階として、上記の通り複数の部分区間を設定し、複数の送信信号を段階的に送信する方法は適用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１    物理量測定システム
２    送受信機
１０    送信部
１１    周波数設定部
１２    局所発振器
１３    ＳＳ信号生成部
１７    ミキサ
２０    アンテナ
３０    受信部
３５    インパルス応答生成部
３６    共振周波数検出部
４    センサ
５，５Ａ    弾性表面波素子
ＳＴ，ＳＴ０，ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４，    送信信号
ＳＲ    応答信号
【図１】
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【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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