(57)【要約】 【課題】  アンテナを用いた無給電センサにおいて、金属体が近接しても感度劣化を防ぐことができるアンテナ付き無給電センサを提供すること。【解決手段】  外部から振動が加わることにより２つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子３１とその２つの端子に接続されたアンテナとを有し、離れた場所に設置された質問器から発せられる電磁波を上記アンテナにより反射し、その反射波を質問器で受信することにより前記２つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる振動を検知するように構成されている。上記アンテナは、振動センサ素子３１の２つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された２つの矩形金属膜パターン３２および３３からなり長さＬが０．３λ〜３λ、幅が０．３Ｌ以上である板状ダイポールアンテナ部３６と、それと平行に設置された金属膜３４とから構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの物理的情報によって２つの端子間のインピーダンスが変化するセンサ素子と前記２つの端子に接続されたアンテナとを有し、離れた場所に設置された質問器から発せられる電磁波を前記アンテナにより反射して発生した反射波を前記質問器で受信することにより前記２つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる前記物理的情報を検知するように構成されたアンテナ付き無給電センサにおいて、
前記アンテナは前記２つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された２つの矩形導体からなる板状ダイポールアンテナ部と該板状ダイポールアンテナ部と平行に設置された導電体とから構成され、前記電磁波の中心周波数の波長をλとした場合、前記板状ダイポールアンテナ部の前記一定の間隔を挟む方向の長さが０．３λ〜３λであり、且つ該板状ダイポールアンテナ部の前記長さの方向と直交する方向の幅が前記長さをＬとすると０．３Ｌ以上であって、前記導電体は前記板状ダイポールアンテナ部の長さ及び幅以上の大きさの矩形形状を有し、前記板状ダイポールアンテナ部と前記導電体の間隔はλ／１２〜λであることを特徴とするアンテナ付き無給電センサ。
【請求項２】
前記センサ素子は外部から加えられる振動によって前記インピーダンスが変化する振動センサであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ付き無給電センサ。
【請求項３】
前記振動センサは外部振動によって変形する片持ち梁構造の圧電単結晶基板と、該圧電単結晶基板上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極から構成されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ付き無給電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナを備えたセンサに関し、特に、センサに電源供給することなく無線によって離れた場所の物理情報を検出することを可能とするアンテナ付き無給電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の異常診断や防犯セキュリティ用途、さらには設備や工作機械のメンテナンスのための異常検出などに振動センサや衝撃センサ、歪センサ、浸水センサ、近接感知センサなどの様々な物理情報に対応したセンサが使用されている。それらのセンサを設置する環境には電源を容易に供給できない場合も多々あり、また、電源供給が不要なセンサが可能となればそれらの応用範囲も広がると考えられる。
【０００３】
このような電源供給を不要とするセンサ方式として、特許文献１に無線を利用した振動検知方法および振動センサが示されている。この従来の振動センサ方式の模式図を図４に示す。図４において、外部から振動が加わることにより２つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子２０とその２つの端子に接続されたアンテナ１３とを有する無給電の振動センサ１００に対して、離れた場所に質問器１８が設置され、その質問器１８のアンテナ１９から発せられる電磁波１６をアンテナ１３により反射し、その反射波１７を質問器１８で受信することにより前記２つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる振動を検知するように構成されている。
【０００４】
ここで、振動センサ素子２０は外部振動によって変形する片持ち梁構造の圧電単結晶基板１５と、圧電単結晶基板１５上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極１４から構成され、櫛歯電極１４の２つの電極端子がアンテナ１３に接続されている。
【０００５】
質問器１８のアンテナ１９より放射された特定の周波数を有する電磁波１６の一部の電力は、振動センサ１００のアンテナ１３で散乱反射され、その反射波１７の一部の電力が質問器１８のアンテナ１９で受信される。このとき、反射波１７の強度及び位相情報は、アンテナ１３に接続された振動センサ素子２０の櫛歯電極１４の２つの電極端子間のインピーダンス特性に依存する。つまり、外部振動に伴って片持ち梁構造の圧電単結晶基板１５が変形して歪が加わり、それに伴って圧電単結晶基板１５上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極１４のインピーダンス特性が変動する。そこで質問器１８において反射波１７の情報より振動センサ１００に生じた振動を検知することができる。
【０００６】
図５は、従来の振動センサ１００の具体的構造の一例を示す斜視図である。図５において、基板４０上に振動センサ素子２０が設置され、振動センサ素子２０の櫛歯電極に接続された２つの端子４２を挟むように設置され２つの端子４２にそれぞれ接続された２つの矩形導体１１および１２からなる板状ダイポールアンテナ１０が設置されている。
【０００７】
従来、図５のような振動センサは、様々な測定対象となる場所に設置されて使用されるが、この振動センサの近くに金属体が存在する場合には、その位置や大きさによってはセンサのアンテナのインピーダンス特性や反射波の特性に大きな影響を及ぼし、質問器で検出される感度の劣化を招いてしまう。
【０００８】
このような近接する金属体の影響を低減する方法としては、フェライトなどの高透磁率材料や金属体をアンテナの一部を取り囲むように配置する手段が用いられている。例えば、特許文献２には、データ伝送用無線通信機の応答器においてアンテナの背面に導体である電池を配置し、そのシールド効果を利用し，アンテナから発生される電磁波が近接金属体によって影響を受けないようにしている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２３２７０８号公報
【特許文献２】特開平５−８３１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献２に開示されている手段は、アンテナがコイルアンテナであり、そのアンテナの共振周波数が電池を設置した状態で通信機の周波数と一致するように調整して感度劣化を防ぐものであり、本発明の目的とするセンサで用いられる板状ダイポールアンテナにその技術思想を適用することはできない。また、本発明は無給電センサに関するものであるので電池は使用していない。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、アンテナを用いた無給電センサにおいて、金属体が近接しても感度劣化を防ぐことができるアンテナ付き無給電センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明のアンテナ付き無給電センサは、外部からの物理的情報によって２つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子と前記２つの端子に接続されたアンテナとを有し、離れた場所に設置された質問器から発せられる電磁波を前記アンテナにより反射して発生した反射波を前記質問器で受信することにより前記２つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる前記物理的情報を検知するように構成されたアンテナ付き無給電センサにおいて、前記アンテナは前記２つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された２つの矩形導体からなる板状ダイポールアンテナ部と該板状ダイポールアンテナ部と平行に設置された導電体とから構成され、前記電磁波の中心周波数の波長をλとした場合、前記板状ダイポールアンテナ部の前記一定の間隔を挟む方向の長さが０．３λ〜３λであり、且つ該板状ダイポールアンテナ部の前記長さの方向と直交する方向の幅が前記長さをＬとすると０．３Ｌ以上であって、前記導電体は前記板状ダイポールアンテナ部の長さ及び幅以上の大きさの矩形形状を有し、前記板状ダイポールアンテナ部と前記導電体の間隔はλ／１２〜λであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明において、前記振動センサ素子は振動によって前記インピーダンスが変化する振動センサであってもよく、その振動センサは外部振動によって変形する片持ち梁構造の圧電単結晶基板と、該圧電単結晶基板上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極から構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は従来のセンサに用いられている板状ダイポールアンテナに一定の間隔を隔てて導電体を設置して複合アンテナを構成し、かつ、その板状ダイポールアンテナおよび導電体の形状、さらに上記間隔を特定の値に設定することにより、従来と同等の感度が得られ、かつ、金属物体がアンテナに近接して設置されてもセンサの感度劣化が生じないことを見出したことに基づくものである。
【００１５】
本発明によれば、アンテナの近傍に金属体が設けられた場合にもアンテナのゲインの著しい減少を抑制することが可能となり、より広い環境条件においてアンテナ形状を大きくすることなく所定の感度が得られる。よって、このアンテナを用いることにより小型軽量で無線によって遠方の機械的な外部振動を検出できる振動センサが得られ、被測定体の条件を従来のように拘束することなく精度の高い振動測定が可能となる。また、振動センサをタグ形状のように小型軽量化できるので被測定体への取付け箇所についても制限を受けることが少なくなる。また、電源が不要であるという従来の特徴に加えて上記のように環境上の制約が少ないので広範な用途に使用できる。
【００１６】
本発明により、アンテナを用いた無給電センサにおいて、金属体が近接しても感度劣化を防ぐことができるアンテナ付き無給電センサが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施例に基づき実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明によるアンテナ付き無給電センサの一実施例である振動センサを示す斜視図であり、図２は本実施例の振動センサに用いる振動センサ素子の具体的一例を示す斜視図である。
【００１９】
本実施例の振動センサにおいても、外部から振動が加わることにより２つの端子間のインピーダンスが変化する振動センサ素子３１とその２つの端子に接続されたアンテナとを有し、図４の振動センサ方式と同様に、離れた場所に設置された質問器のアンテナから発せられる電磁波を振動センサのアンテナにより反射し、その反射波を質問器で受信することにより前記２つの端子間のインピーダンス変化を生じさせる振動を検知するように構成されている。
【００２０】
図１において、本実施例の振動センサは、振動センサ素子３１と、振動センサ素子３１の２つの端子にそれぞれ接続され一定の間隔で同一平面上に並置された２つの矩形金属膜パターン３２および３３からなる板状ダイポールアンテナ部３６と板状ダイポールアンテナ部３６と平行に設置された金属膜３４とから構成されるアンテナとを有している。ここで本実施例においては、通信に使用する電磁波の中心周波数は２．４５ＧＨｚ、その波長λは約１２０ｍｍであり、板状ダイポールアンテナ部の前記一定の間隔を挟む方向の長さＬが約６０ｍｍ（０．５λ）であり、かつ、その幅Ｗが約４０ｍｍ（０．６７Ｌ）である。
【００２１】
板状ダイポールアンテナ部３６は、振動センサ素子３１を実装した矩形状の基板３５の上面に形成され、その基板３５の裏面全体に金属膜３４が形成されている。基板３５の形状は約８０ｍｍ×８０ｍｍであり、板状ダイポールアンテナ部３６と金属膜３４の間隔、すなわち基板３５の厚さｔは約１．６ｍｍ（０．１３３λ）である。
【００２２】
図１において、基板３５はガラスエポキシ樹脂から成る銅箔付きプリント基板によって構成でき、この場合、板状ダイポールアンテナ部３６は公知の機械的切削技術やフォトエッチング技術によって形成することができる。裏面の銅箔は、そのまま金属膜３４として使用する。アンテナパターンを形成後所望の寸法に裁断し、その後、振動センサ素子３１を実装することで容易に製作可能である。なお、銅箔の厚さは３６μｍ程度である。また、矩形金属膜パターン３２および３３の矩形の頂点は当該金属膜中を流れる電流の乱れによるアンテナの効率低下を防ぐため、いずれも曲率半径Ｒが約１０ｍｍ程度の曲線により角が落とされて形成されている。
【００２３】
図２において、本実施例の振動センサに使用する振動センサ素子３１は、片持ち梁構造の圧電単結晶基板２２と、圧電単結晶基板２２上に形成された表面弾性波を励振するための櫛歯電極２３、および共振器を構成するための表面弾性波の反射器２４から構成されている。圧電単結晶基板２２は片持ち梁構造を有しているので外部振動に応じて撓み変形を生ずる。この撓み変形によって、圧電単結晶基板２２上に形成された櫛歯電極２３は歪を生じ、共振周波数における表面弾性波共振器のインピーダンス特性は変化する。圧電単結晶基板２２上に形成された櫛歯電極２３の２つの端子２５は半田実装やアルミワイヤボンディングにより、矩形金属膜パターン３２および３３(図１)と電気的に接続される。
【００２４】
本実施例の振動センサを試作し、電波暗室内にて３ｍ法による電界強度試験を行った結果、そのアンテナの利得は通常のダイポールアンテナと同等の２（ｄBｉ）であった。
【００２５】
図３は、本実施例の振動センサの測定結果の一例を示す図であり、金属体をアンテナに接近させた場合の質問器と振動センサ間の距離に対する質問器で受信された振動情報の受信電力を示す。図３においては、比較のために同様に金属体を接近させた場合の従来のダイポールアンテナと金属体を接近させない場合の従来のダイポールアンテナの受信電力も示している。
【００２６】
ここで、比較のため使用した従来のダイポールアンテナの形状は、長さが約６０ｍｍ、幅は約２０ｍｍである。質問器からの送信電力は１０ｄＢｍ、周波数は２．４５ＧＨｚである。金属体がアンテナに接近した場合、従来のアンテナは質問器からの距離に対して受信電力は急激に減少し、振動信号を受信可能な伝搬距離は１ｍ以下に低減する。一方、本実施例の振動センサは、金属体がアンテナに接近した場合においても振動信号を受信可能な伝搬距離は従来のように大幅に低減することはない。
【００２７】
以上のように、本発明によりアンテナの近傍に金属体が設けられた場合にもアンテナのゲインの著しい減少を抑制することが可能となる。
【００２８】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、センサの目的や用途によって設計変更が可能である。例えば、振動センサ以外にも、アンテナと接続される端子間のインピーダンス変化を生じさせるセンサであれば本発明を適用可能であり、また、通信周波数が異なる場合にも、その周波数において本発明により規定される形状のアンテナを設けることにより本発明の効果が得られる。また、アンテナを構成する矩形導体や導電体の材質も様々な選択が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明によるアンテナ付き無給電センサの一実施例である振動センサを示す斜視図。
【図２】本実施例の振動センサに用いる振動センサ素子の具体的一例を示す斜視図。
【図３】本実施例の振動センサの測定結果の一例を示す図。
【図４】電源供給を不要とする従来の振動センサ方式の模式図。
【図５】従来の振動センサの具体的構造の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３０】
１０    ダイポールアンテナ
１１、１２    矩形導体
１３、１９    アンテナ
１４、２３    櫛歯電極
１５、２２    圧電単結晶基板
１６    電磁波
１７    反射波
１８    質問器
２０、３１    振動センサ素子
２４    反射器
２５、４２    端子
３２、３３    矩形金属膜パターン
３４    金属膜
３５、４０    基板
３６    板状ダイポールアンテナ部
１００    振動センサ
【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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