(57)【要約】 【課題】  電池や回路を必要とせずに、回転体内の圧力を直接計測することが可能となる回転体内蔵型圧力センサを提供すること。【解決手段】  流体が充填された回転体４の内部に、前記回転体４の内部空間を少なくとも２つ以上に分割する隔壁２を具備し、前記隔壁２には主流路２５およびバイパス流路２４を有する流路体２３を設け、前記バイパス流路２４内には、片持ち梁構造体３３の主面に形成された表面弾性波共振子３１からなる表面弾性波型振動センサ２１と、前記片持ち梁構造体３３より陽圧側に少なくとも１つ以上の渦発生体２６を設置し、前記渦発生体２６の背後に生成したカルマン渦４３によって前記片持ち梁構造体３３が強制的に振動し、前記強制的振動の周波数と同期して変化する表面弾性波共振子３１のインピーダンスの周期的変化を測定することで、前記回転体４の運動中の前記回転体４内部の圧力差を検知する。【選択図】  図１
2009264958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が充填された回転体内に内蔵可能な圧力センサであって、前記回転体内には、前記回転体の内部空間を少なくとも２つ以上に分割する隔壁を具備し、前記隔壁には主流路およびバイパス流路を有する流路体を設け、前記バイパス流路内には、片持ち梁構造体の主面に形成された表面弾性波共振子からなる表面弾性波型振動センサと、前記片持ち梁構造体より陽圧側に少なくとも１つ以上の渦発生体を設置し、前記隔壁間で発生する圧力差によって生じる前記バイパス流路内の流れに応じて、前記渦発生体の背後にカルマン渦が生成し、前記カルマン渦によって前記片持ち梁構造体が強制的に振動し、前記強制的振動の周波数と同期して変化する表面弾性波共振子のインピーダンスの周期的変化を測定することで、前記回転体の運動中の前記回転体内部の圧力差を検知することを特徴とする回転体内蔵型圧力センサ。
【請求項２】
前記表面弾性波共振子に電気的に接続されたアンテナを備え、前記回転体の外部から送信された特定周波数の電磁波に対する、前記アンテナによって散乱された電磁波の周波数変動および強度変化を測定することを特徴とする請求項１に記載の回転体内蔵型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体内の圧力を直接計測することが可能であり、被測定体である回転体の外部へ圧力に関わる情報を伝送する機能を有する回転体内蔵型圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転体内蔵型圧力センサの一例として、自動車のタイヤ空気圧を運転者に知らせることが可能なタイヤ空気圧監視装置が、特許文献１に開示されている。図７は、従来の回転体内蔵型圧力センサの構成図である。このタイヤ空気圧監視装置７１は、空気圧センサ７２、制御回路７３、無線送信回路７４、モーションセンサ７５、および各部を駆動させるための電源７６で構成されている。測定したタイヤ空気圧の信号を高周波に変調して送信アンテナ７７より無線送信し、受信側で無線信号（高周波）を復調し、空気圧の正常／異常などの表示を行う。なお、モーションセンサ７５は、タイヤの回転状態と静止状態を識別し、無線通信の時間間隔を管理し、電源の消費電力を低減するために設けられている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３７２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のような従来の回転体内蔵型圧力センサは、電源として電池を用いているため、電池寿命による使用期間の制約を受けており、更には、その電池重量のため被測定体である回転体の運動に影響を与えるといった問題があった。即ち、本発明の課題は、電池や回路を必要とせずに、回転体内部の圧力情報を検知することが可能となる回転体内蔵型圧力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、流体が充填された回転体内に内蔵可能な圧力センサであって、前記回転体内には、前記回転体の内部空間を少なくとも２つ以上に分割する隔壁を具備し、前記隔壁には主流路およびバイパス流路を有する流路体を設け、前記バイパス流路内には、片持ち梁構造体の主面に形成された表面弾性波共振子からなる表面弾性波型振動センサと、前記片持ち梁構造体より陽圧側に少なくとも１つ以上の渦発生体を設置し、前記隔壁間で発生する圧力差によって生じる前記バイパス流路内の流れに応じて、前記渦発生体の背後にカルマン渦が生成し、前記カルマン渦によって前記片持ち梁構造体が強制的に振動し、前記強制的振動の周波数と同期して変化する表面弾性波共振子のインピーダンスの周期的変化を測定することで、前記回転体の運動中の前記回転体内部の圧力差を検知することを特徴とする回転体内蔵型圧力センサが得られる。
【０００６】
また、本発明によれば、前記表面弾性波共振子に電気的に接続されたアンテナを備え、前記回転体の外部から送信された特定周波数の電磁波に対する、前記アンテナによって散乱された電磁波の周波数変動および強度変化を測定することを特徴とする回転体内蔵型圧力センサが得られる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電池や回路を必要としないため、センサの長寿命化、軽量化、小型化が可能となり、また、回転体内を隔壁で分割して、各隔壁間の圧力情報が得られるため、回転運動中の内部圧力分布が高精度に測定可能となる。よって、回転体の表面上に生じる裂孔や、回転体内部に充填されている気体等の流体の減少に伴う体積変形等が発生した場合には、異常個所の特定や異常情報の詳細を認知することが可能となる。加えて、本発明の回転体内蔵型圧力センサは、重量が５ｇ程度と軽量であるため、被測定体である回転体の回転運動に与える影響は少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の回転体内蔵型圧力センサの構成図である。被測定体である回転体４は、外膜６と内膜７の各球状体からなり、外膜６と内膜７に挟まれた空間内部および内膜７の内部に、気体または液体からなる流体が充填されている。外膜６と内膜７の各内壁に接する隔壁２を本実施の形態では８枚配置することで内部空間を分割している。尚、この隔壁２の枚数は特定の数量に限定されているものではなく、隔壁２間の圧力差を検知出来るように、内部空間を分割するものであればよく、１枚以上であれば構わない。また、本実施の形態のように外膜６と内膜７からなる２層構造を必ずしも必要とせず、外膜６のみからなる球状の回転体を被測定体とする場合には、隔壁２を回転体の中央部まで拡張することで、内部空間を分割することが可能である。更に、回転体４は、円環状、円柱状、円錐等の形状でもよく、球状に限定されるものではない。
【０００９】
隔壁２の内部には、分割された空間の間を流体が自由に入出できる後述の流路体２３が設けられている。この流路体２３の内部に、後述の表面弾性波型振動センサ２１とカルマン渦を生成するための渦発生体２６が具備されている。
【００１０】
また、回転体４の外部には、回転体内部の圧力変化を検知するための圧力情報収集解析装置１が配置されている。回転体内蔵型圧力センサと圧力情報収集解析装置１は、本実施の形態に示す無線方式の他にも、同軸ケーブル等の有線方式による通信手段を利用しても構わない。
【００１１】
図２は、流路体の構成および表面弾性波型振動センサとカルマン渦を生成するための渦発生体の配置断面図である。前述の隔壁２の内部には、主流路２５とバイパス流路２４からなる流路体２３が形成されている。バイパス流路２４には、流量に応じたカルマン渦を生成するための渦発生体２６と表面弾性波型振動センサ２１が配置されている。表面弾性波型振動センサ２１は、アンテナ２２が設置されている。バイパス流路２４は、必ずしも設ける必要は無いが、主流路２５の流れを減縮し、表面弾性波型振動センサ２１への負荷を軽減する目的や、流れを整える目的で設けることが好ましい。
【００１２】
図３は、表面弾性波型振動センサの構造図である。図３（ａ）は、表面弾性波型振動センサの断面図、図３（ｂ）は、表面弾性波型振動センサの正面図である。圧電材料からなる片持ち梁構造体３３の主面上には、シングルポートの表面弾性波共振子３１が形成されている。
【００１３】
ここで、回転体内蔵型圧力センサの基本原理について説明する。図４は、カルマン渦による流量検知の説明図である。回転体４に裂孔等が生じた場合、回転体４の回転運動５に伴って隔壁間で圧力差が生じ、バイパス流路内に流れ４２が発生する。この流れ４２は、バイパス流路内に配置される渦発生体２６によってカルマン渦４３を生成し、生成したカルマン渦４３により、前述の片持ち梁構造体３３が強制的に振動する。このカルマン渦の周期は、流量に比例することが知られているので、結果的に、片持ち梁構造体３３の強制振動周波数は、流れ、つまり流量に比例することになる。
【００１４】
また、図３に示すように片持ち梁構造体３３の主面には、表面弾性波共振子３１が形成されており、この表面弾性波共振子３１の櫛歯電極３２は、前述の強制振動に応じて伸縮し、表面弾性波共振子３１のインピーダンスが変化する。更には、この表面弾性波共振子３１は、アンテナ２２に接続されているので、このアンテナ２２によって散乱される電磁波は、表面弾性波共振子３１のインピーダンスによって変化することになる。
【００１５】
図５は、圧力情報収集解析装置１の構成図である。発振器５１から出力される一定周波数の高周波信号は、分配器５２にて等分され、増幅器５３ａ、サーキュレータ５４を介してアンテナ５８から高周波電磁波として放射される。放射された高周波電磁波の一部は、前述の回転体内蔵型圧力センサ５９に達し、被測定体である回転体４内の圧力差に応じた散乱電磁波として返される。返信された散乱電磁波の一部は、再び圧力情報収集解析装置１のアンテナ５８にて受信され、サーキュレータ５４を介して増幅器５３ｂを経てミキサー５５にて、前述の分配器５２からの高周波信号と混合され、その後、フィルタ５６にて圧力情報成分５７のみが弁別される。この圧力情報成分５７は、ロジック回路（図示せず）に入力され、デジタル処理後数値化される。
【００１６】
図６は、圧力情報収集解析装置に対して、回転体内蔵型圧力センサから返信される電磁波のスペクトル信号の一例である。例えば、圧力情報収集解析装置１により受信された電磁波は、回転体内蔵型圧力センサ５９が送信した電磁波と同一の周波数を有する搬送波６１と、その両側に、前述のバイパス流路２４を流れる流量に応じた片持ち梁構造体３３の強制振動周波数が側波帯６２として現れる。
【００１７】
従って、圧力情報収集解析装置１は、一定周波数の高周波電磁波を送信する一方で、無線伝搬可能な範囲内にある回転体内蔵型圧力センサ５９によって散乱された散乱電磁波のスペクトルを解析することで、被測定体である回転体４内の圧力情報を得ることができる。図６に示す側波帯６２の信号は、前述のパイパス流路内を流れる流量に応じた片持ち梁構造体の強制振動周波数、つまり流量と、隔壁間に生じる圧力差の関係を示している。
【００１８】
また、被測定体である回転体４の回転速度は角速度センサやロータリエンコーダ等によって測定可能であるため、前述の流量を知ることができれば、隔壁２で隔たれた空間の局所的な圧力差を解析することができる。また、回転体内蔵型圧力センサから返信されるスペクトルの側波帯６２の信号に閾値を設定し、圧力情報収集解析装置１に警報機能を具備することで、回転体４内の圧力差が規定のレベル以上になった状態を認知でき、タイヤ圧モニタリングシステムとして利用することも可能である。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
本発明の実施の形態について具体的に説明する。本実施例では、被測定体として、外膜６の直径が１．０ｍ、内膜７の直径が０．８ｍ（各厚み０．０１ｍ）の弾性体から構成されている球状の回転体４を使用した。回転体４の内部には、空気を充填した。回転体の外膜６と内膜７間に各内壁に接するように隔壁２を放射状に８箇所、エポキシ樹脂系の接着剤で固定した。隔壁２の厚みは１０ｍｍ程度とした。また、隔壁２には、被測定体である回転体と同一の弾性体を使用し、流路体２３の形成にはアクリル樹脂を用いた。当然ながら、流路体２３としては、セラミックスのような軽量で一定の強度が確保される材質であればよく、アクリル樹脂に限定されるものではない。
【００２０】
隔壁２内に設けられた流路体２３の主流路２５の長さは、前述の隔壁２の厚みと同一の１０ｍｍとし、その断面積は１６ｍｍ2とした。バイパス流路２４の長さは各５ｍｍとし、その断面積は４ｍｍ2とした。また、バイパス流路２４内には、後述の表面弾性波型振動センサ２１と、カルマン渦４３を生成するための渦発生体２６をエポキシ樹脂系の接着剤で固定した。このとき、渦発生体２６は、長さ１．５ｍｍ、幅１ｍｍ、厚み１ｍｍのアクリル樹脂で形成し、表面弾性波型振動センサ２１に比べて陽圧側に１ｍｍの空隙で設置した。また、固定方法についてはこれに限定されるものではなく、渦発生体２６に関しては、流路体２３と同一材質を使用し、切削加工等で製造することも可能である。
【００２１】
次に、バイパス流路２４内に設置する表面弾性波型振動センサ２１について具体的に説明する。まず、片持ち梁構造体３３の圧電材料としては、３６度回転Ｙ板のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）を用いた。このＬｉＴａＯ3上に、Ｔｉ／Ａｌ層からなる厚み７０ｎｍ程度の櫛歯電極３２(ギャップ間隔０．３μｍ)を公知のスパッタリング法、フォトリソグラフィ技術により形成し、表面弾性波共振子３１とした。
【００２２】
ＬｉＴａＯ3から成る片持ち梁構造体３３の寸法は、その機械的共振周波数が６０ｋＨｚ程度となるように、長さ１．５ｍｍ、幅１．０ｍｍ、厚み０．２５ｍｍとした。また、前述の通り櫛歯電極３２の櫛歯幅およびギャップ間隔を０．３μｍに設定した場合、その共振周波数は、略２．４５ＧＨｚに相当する。
【００２３】
表面弾性波型振動センサ２１の櫛歯電極３２に接続されるアンテナ２２は、ガラスエポキシ基板に銅箔を、公知のフォトリソグラフィ技術等によりパターン形成した半波長ダイポールアンテナを使用した。このとき、使用するアンテナの共振周波数が、前述の櫛歯電極の共振周波数の略２．４５ＧＨｚに一致するように、長さを６０ｍｍとした。尚、同様に、圧力情報収集解析装置１にも半波長ダイポールアンテナを使用した。
【００２４】
前述した構造の回転体内蔵型圧力センサを用いて、回転体４の一部に裂孔を設け、流量を検知した。搬送波の条件として周波数を２．４５ＧＨｚ、信号強度を＋１０ｄＢｍとした場合、側波帯が観測され、０．１Ｌ／ｍｉｎ〜５Ｌ／ｍｉｎの流量が無線伝搬距離が略１ｍの範囲で検知された。但し、このときの圧力情報収集解析装置１の受信感度は、−８０ｄＢｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の回転体内蔵型圧力センサの構成図。
【図２】流路体の構成および表面弾性波型振動センサとカルマン渦を生成するための渦発生体の配置断面図。
【図３】表面弾性波型振動センサの構造図。図３（ａ）は、表面弾性波型振動センサの断面図、図３（ｂ）は、表面弾性波型振動センサの正面図。
【図４】カルマン渦による流量検知の説明図。
【図５】圧力情報収集解析装置の構成図。
【図６】圧力情報収集解析装置に対して、回転体内蔵型圧力センサから返信される電磁波のスペクトル信号の一例。
【図７】従来の回転体内蔵型圧力センサの構成図。
【符号の説明】
【００２６】
１    圧力情報収集解析装置
２    隔壁
４    回転体
５    回転運動
６    外膜
７    内膜
２１    表面弾性波型振動センサ
２２    アンテナ
２３    流路体
２４    バイパス流路
２５    主流路
２６    渦発生体
３１    表面弾性波共振子
３２    櫛歯電極
３３    片持ち梁構造体
４２    流れ
４３    カルマン渦
５１    発振器
５２    分配器
５３ａ，５３ｂ    増幅器
５４    サーキュレータ
５５    ミキサー
５６    フィルタ
５７    圧力情報成分
５８    アンテナ
５９    回転体内蔵型圧力センサ
６１    搬送波
６２    側波帯
７１    タイヤ空気圧監視装置
７２    空気圧センサ
７３    制御回路
７４    無線送信回路
７５    モーションセンサ
７６    電源
７７    送信アンテナ
【図１】
2009264958.tif 000003
【図２】
2009264958.tif 000004
【図３】
2009264958.tif 000005
【図４】
2009264958.tif 000006
【図５】
2009264958.tif 000007
【図６】
2009264958.tif 000008
【図７】
2009264958.tif 000009