(57)【要約】【課題】弾性表面波の伝播経路の特性に影響されない小型な変位センサを提供する。【解決手段】圧電材料基板１０を挟んで、弾性表面波伝播面α，βを対向させ、弾性表面波の伝播方向の互いの距離が可変となるように圧電材料基板１０の表面に配置した２つの弾性表面波素子弾性表面波素子２０，３０のうち一方の弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２にアンテナ４０を介して印加した高周波信号によって励起される弾性表面波が前記弾性表面波伝播面αから圧電材料基板１０を介して伝播することにより、他方の弾性表面波素子３０の櫛歯電極３２に、一方の弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に印加した高周波信号より遅れた高周波信号が得られ、アンテナ４２を介して出力される。変位計測装置１００では、この遅れ時間と圧電材料基板１０における弾性表面波の伝播速度を乗じて２つの弾性表面波素子２０，３０間の変位を算出する。【選択図】図１
2009216440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波の伝播材と、
前記伝播材を挟んで、弾性表面波伝播面を対向させ、前記弾性表面波の伝播方向の互いの距離が可変となるように構成した、櫛歯電極を有する２つの弾性表面波素子と、
を備え、
前記弾性表面波素子のうち一方の弾性表面波素子の櫛歯電極に印加した高周波信号によって励起される弾性表面波が前記弾性表面波伝播面から前記伝播材を介して伝播することにより、他方の弾性表面波素子の櫛歯電極に、前記一方の弾性表面波素子の櫛歯電極に印加した高周波信号より遅れた高周波信号が得られることを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
前記一方の弾性表面波素子の前記櫛歯電極に外部から前記高周波を印加するとともに、前記他方の弾性表面波素子の前記櫛歯電極で得られた高周波を外部へ出力するためのアンテナを備えていることを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
弾性表面波の伝播材と、
櫛歯電極を有する弾性表面波素子と、
前記弾性表面波素子から励起される弾性表面波を反射する反射面を有する反射器と、
を備え、
前記弾性表面波素子と、前記反射器は、前記伝播材を挟んで、前記弾性表面波素子の弾性表面波伝播面と前記反射器の反射面とを対向させ、前記弾性表面波素子の弾性表面波伝播面と前記反射器の反射面の距離が可変となるように構成し、
前記弾性表面波素子の前記櫛歯電極に印加した高周波信号によって励起される弾性表面波が前記弾性表面波伝播面から前記伝播材を介して伝播し、さらに、前記反射器の反射面で反射することにより、前記弾性表面波素子の櫛歯電極に、前記弾性表面波素子の櫛歯電極に印加した高周波信号より遅れた高周波信号が得られることを特徴とする変位センサ。
【請求項４】
前記弾性表面波素子の前記櫛歯電極に外部から前記高周波を印加するとともに、前記反射器から反射され前記弾性表面波素子の前記櫛歯電極で得られた高周波を外部へ出力するためのアンテナを備えていることを特徴とする請求項３に記載の変位センサ。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の変位センサを用い、
前記一方の弾性表面波素子の櫛歯電極に印加した高周波信号と、前記他方の弾性表面波素子の櫛歯電極から得られる高周波信号と、の時間差及び前記伝播材における弾性表面波の速度から変位を測定することを特徴とする変位測定方法。
【請求項６】
請求項３又は請求項４に記載の変位センサを用い、
前記弾性表面波素子の櫛歯電極に印加した高周波と、前記反射器から反射され前記弾性表面波素子から得られる高周波信号と、の時間差及び前記伝播材における弾性表面波の速度から変位を測定することを特徴とする変位測定方法。
【請求項７】
弾性材料を用いて他の物理量を変位量に変換する変換手段を備え、
前記変換手段により前記他の物理量から変換された前記変位量を請求項５又は請求項６に記載の変位測定方法により測定可能に構成されたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項８】
請求項５又は請求項６に記載の変位測定方法を用いて変位測定可能に構成されたことを特徴とする変位測定器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子を用い、弾性表面波の伝達遅れを利用して変位を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波センサを用いて対象物までの距離を計測する試みは多くなされている。例えば、超音波センサから超音波を送信し、対象物から反射してきた超音波を、その超音波センサで受信する。そして、超音波の送信から受信までの遅延時間や送信した超音波と受信した超音波の位相差により対象物までの距離を計測する超音波距離計がある。
【０００３】
このような超音波距離計において、対象物までの距離を正確に計測するため、対象物が移動する場合に、対象物の移動速度に基づいて移動平均処理を施したり、対象物からの反射波の反射強度に基づいて移動平均処理を施したりしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２９１８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の超音波距離計では、下記（１）〜（３）に示すような問題がある。
（１）超音波の伝播経路が空間（気体中）や構造物内部（固体中）であることからエネルギ拡散損失が大きく、また伝播経路での乱反射によるノイズの影響を受けやすい。
【０００５】
（２）これを補うためには、高出力の素子や伝播経路の最適化が必要であることから、センサ全体として小型化が困難である。
（３）また、伝播経路の温度による音速変化を別途温度センサなどで補正する必要がある。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、弾性表面波の伝播経路の特性に影響されない小型な変位センサ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】
かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の変位センサ（１：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、伝播材（１０）と２つの弾性表面波素子（２０，３０）とを備えている。
【０００８】
伝播材（１０）は、弾性表面波を伝播し、２つの弾性表面波素子（２０，３０）は、伝播材（１０）を挟んで、弾性表面波伝播面が対向し、弾性表面波の伝播方向の互いの距離が可変となるように構成された、櫛歯電極（２２，３２）を有する弾性表面波素子である。
【０００９】
また、弾性表面波素子（２０，３０）のうち一方の弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加した高周波信号によって励起される弾性表面波が弾性表面波伝播面から伝播材（１０）を介して伝播することにより、他方の弾性表面波素子（３０）の櫛歯電極（３２）に、一方の弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極に印加した高周波信号より遅れた高周波信号が得られる。
【００１０】
このような、変位センサ（１）では、一方の弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加された高周波信号により弾性表面波が励起され、励起された弾性表面波が弾性表面波伝播面から伝播材（１０）を介し他方の弾性表面波素子（３０）に伝達される。他方の弾性表面波素子（３０）では、伝達された弾性表面波が櫛歯電極（３２）により高周波信号として得られる。
【００１１】
つまり、他方の弾性表面波素子（３０）では、一方の弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加された高周波信号よりも伝播材（１０）を伝播する伝播時間分だけ遅れた高周波信号が得られる。
【００１２】
したがって、得られた伝播時間に伝播材（１０）における弾性表面波の速度を乗ずれば、弾性表面波素子（２０）と弾性表面波（３０）との間の距離を得ることができる。
さらに、弾性表面波素子（２０）と弾性表面波素子（３０）の弾性表面波の伝播方向の互いの距離が可変となるように構成されているので、互いの弾性表面波素子（２０，３０）の素子間の変位を計測することができる。
【００１３】
また、伝播材（１０）を介して弾性表面波を伝播させている。伝播材（１０）は、空間（気体）や構造物と異なり、エネルギ拡散も少なく、伝播経路中での乱反射も少ないので、ノイズの影響を受けにくい。
【００１４】
また、伝播材（１０）の特性は前もって把握でき、必要に応じた特性を有する伝播材（１０）を選択又は製造することが可能であり、伝播経路の特性を補正する必要はない。
また、ノイズが少ないので、弾性表面波素子（２０，３０）を小出力とすることができるし、伝播材（１０）の材質の選択や特性改善のみによって伝播経路の最適化を行うこともできる。つまり伝播経路の最適化のために他の装置等を必要としないので、変位センサ（１）を小型化することもできる。
【００１５】
ところで、表面弾性波素子（２０，３０）が移動できるように構成されているので、弾性表面波素子（２０，３０）に高周波信号を外部から印加したり、弾性表面波素子（２０，３０）で得られた高周波信号を外部へ出力したりする場合、非接触で高周波の入出力ができると都合がよい。
【００１６】
そこで、請求項２に記載のように、一方の弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に外部から高周波を印加するとともに、他方の弾性表面波素子（３０）の櫛歯電極（３２）で得られた高周波を外部へ出力するためのアンテナ（４０，４２）を備えるようにすると、弾性表面波素子（２０，３０）に対する高周波信号の入出力を非接触で行うことができるので、高周波信号の入力にケーブルや接触子が必要なくなる。したがって、回転体など動きのある部分への設置が可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の変位センサ（２）は、弾性表面波の伝播材（１０）、櫛歯電極（２２）を有する弾性表面波素子（２０）及び弾性表面波素子から励起される弾性表面波を反射する反射面を有する反射器（３４）を備え、弾性表面波素子（２０）と、反射器（３４）は、伝播材（１０）を挟んで、弾性表面波素子（２０）の弾性表面波伝播面と反射器（３４）の反射面とを対向させ、弾性表面波素子（２０）の弾性表面波伝播面と反射器（３４）の反射面の距離が可変となるように構成し、弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加した高周波信号によって励起される弾性表面波が弾性表面波伝播面から伝播材（１０）を介して伝播し、さらに、反射器（３４）の反射面で反射することにより、弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に、弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加した高周波信号より遅れた高周波信号が得られることを特徴としている。
【００１８】
このような変位センサ（２）によれば、入力された高周波信号により弾性表面波素子（２０）で励起された弾性表面波が伝播材（１０）を介して反射器（３４）で反射され、反射された弾性表面波が伝播材（１０）を介して弾性表面波素子（２０）で高周波信号として得られる。
【００１９】
この際、入力した高周波信号と反射した後に得られる高周波信号とには遅延時間が生じる。したがって、その遅延時間に伝播材（１０）における弾性表面波の速度を乗ずれば、弾性表面波素子（２０）から反射器（３４）までの距離を得ることができる。
【００２０】
さらに、弾性表面波素子（２０）の弾性表面波伝播面と反射器（３４）の反射面の距離が可変となるように構成されているので、弾性表面波素子（２０）と反射器（３４）の間の変位を計測することができる。
【００２１】
また、請求項１に記載の変位センサ（１）における弾性表面波素子（３０）の代わりに反射器（３４）を用いているので、１つのアンテナ（４０）しか必要としない。したがって、より小型化することができ、製造コストも安価にすることができる。
【００２２】
また、請求項４に記載に記載のように、弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に外部から高周波を印加するとともに、反射器（３４）から反射され弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）で得られた高周波を外部へ出力するためのアンテナ（４０）を備えると、請求項２に記載の変位センサ（１）と同様に、弾性表面波素子（２０）に対する高周波信号の入出力を非接触で行うことができるので、高周波信号の入力にケーブルや接触子が必要なくなる。したがって、回転体など動きのある部分への設置が可能となる。
【００２３】
請求項５に記載の変位測定方法は、請求項１又は請求項２に記載の変位センサ（１）を用い、一方の弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加した高周波信号と、他方の弾性表面波素子（３０）の櫛歯電極（３２）から得られる高周波信号との時間差及び伝播材（１０）における弾性表面波の速度から変位を測定することを特徴とする。
【００２４】
このような変位測定方法によれば、一方の弾性表面波素子（２０）に印加した高周波信号と他方の弾性表面波素子（３０）から得られる高周波信号の時間差は、それぞれの弾性表面波素子（２０、３０）の間にある伝播材（１０）を伝播する弾性表面波によるものであるから、伝播材（１０）における弾性表面波の速度が分かれば、時間差に弾性表面波の速度を乗じて２つの弾性表面波素子（２０，３０）間の変位を得ることができる。
【００２５】
請求項６に記載の変位測定方法は、請求項３又は請求項４に記載の変位センサ（２）を用い、弾性表面波素子（２０）の櫛歯電極（２２）に印加した高周波と、反射器（３４）から反射され弾性表面波素子（２０）から得られる高周波信号との時間差及び伝播材（１０）における弾性表面波の速度から変位を測定することを特徴とする。
【００２６】
このような変位測定方法によれば、弾性表面波素子（２０）に印加した高周波信号とその弾性表面波素子（２０）から得られる高周波信号の時間差は、弾性表面波素子（２０）と反射器（３４）との間にある伝播材（１０）を伝播する弾性表面波によるものであるから、伝播材（１０）における弾性表面波の速度が分かれば、時間差に弾性表面波の速度を乗じて、１／２とすれば、弾性表面波素子（２０）と反射器（３４）間の変位を得ることができる。
【００２７】
請求項７に記載の変位測定装置（５，７）は、弾性材料を用いて他の物理量を変位量に変換する変換手段（６０）を備え、変換手段（６０）により他の物理量から変換された変位を請求項５又は請求項６に記載の変位測定方法により測定可能に構成されたことを特徴とする。
【００２８】
このような変位測定装置（５，７）によれば、変換手段（６０）により他の物理量を変位量に変換し、例えば、圧力を弾性体で変位に変換すれば、その変位を請求項５又は請求項６に記載の変位測定方法により測定することができる。
【００２９】
つまり、請求項５又は請求項６に記載の変位測定方法を用いて、例えば、圧力などの変位以外の物理量も測定することが可能となる。
請求項８に記載の変位測定器具（９）は、請求項５又は請求項６に記載の変位測定方法を用いて変位測定可能に構成されたことを特徴とする。
【００３０】
このような変位測定器具（９）は、例えば、ノギスやマイクロメータなどのように、構成品の一部をスライドさせ、変位させる部分に対して請求項５又は請求項５に記載の変位測定方法を用いれば、スライドする部分の変位を測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
［第１実施形態］
（変位センサ１の構成）
図１は、変位センサ１の概略の構成と各構成部分における信号の伝達の様子を示す図である。変位センサ１は、図１（ａ）に示すように、圧電材料基板１０、弾性表面波素子２０，３０及びアンテナ４０，４２を備えている。
【００３２】
圧電材料基板１０は、基板材料及びカット方向によりレイリー波やリーキー波等の様々な波の伝播形態が混在するが、本第１実施形態では、低リップル・低群遅延特性に優れた材料であるＳＴカット水晶（レイリー波）を用いる。ＳＴカット水晶は温度特性に優れており、常温付近で1次温度係数が零となる点を有する圧電基板材料である。
【００３３】
弾性表面波素子２０は、外部の変位計測装置１００から供給される高周波信号を弾性表面波に変換する素子であり、櫛歯電極２２を備えている。
櫛歯電極２２は、電気信号を弾性表面波に変換する変換器であり、２つの櫛形金属電極の櫛歯部分が交差するように対向して配置され、アンテナ４０で受信した電気信号を弾性表面波に変換し、櫛歯に対して垂直方向へ弾性表面波を出力する。
【００３４】
弾性表面波素子３０は、弾性表面波を電気信号に変換するものであり、構造は弾性表面波素子２０と同じである。弾性表面波素子３０は、圧電材料基板１０を伝播してきた弾性表面波を櫛歯電極３２で電気信号に変換し、アンテナ４２を介して変位計測装置１００へ出力する。
【００３５】
アンテナ４０は、変位計測装置１００から供給される高周波信号を受信するためのアンテナであり、タブレットアンテナやパッチアンテナなどを用いることができ、変位計測装置１００までの距離や取付け部分の形状、あるいは用いる高周波信号の周波数によって最適な形態や特性を有するアンテナを用いることができる。
【００３６】
アンテナ４２は、櫛歯電極３２から出力される高周波信号を外部の変位計測装置１００へ出力するためのものであり、アンテナ４０と同じ構造を有している。
弾性表面波素子２０と弾性表面波素子３０とは、圧電材料基板１０を挟んで、互いの弾性表面波伝播面αが対向し、弾性表面波の伝播方向の互いの距離が可変となるように圧電材料基板１０の表面に配置されている。
【００３７】
（変位計測装置１００の構成）
次に、変位計測装置１００の構成について説明する。変位計測装置１００は、アンテナ１１０、高周波信号発生部１１２、スイッチ１１４、電圧計１１６及び信号処理部２００を備えている。
【００３８】
アンテナ１１０は、高周波信号発生部１１２で発生した高周波信号を外部の変位センサ１に出力するとともに、変位センサ１から出力される高周波信号を入力するためのアンテナである。
【００３９】
アンテナ１１０は、アンテナ４０と同じように、タブレットアンテナやパッチアンテナなどを用いることができ、弾性表面波素子２０，３０までの距離や取付け部分の形状、あるいは用いる高周波信号の周波数によって最適な形態や特性を有するアンテナを用いることができる。
【００４０】
高周波信号発生部１１２は、変位センサ１の櫛歯電極２２において弾性表面波を発生させるための高周波信号を発生させるための発振器である。発振周波数は、３１５ＭＨｚ、４３４ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ帯などである。
【００４１】
スイッチ１１４は、高周波信号発生部１１２で発生される高周波信号をアンテナ１１０へ供給したり供給させなかったりするためのスイッチであり、オンで高周波信号をアンテナ１１０へ供給し、オフで供給しないようにする。
【００４２】
電圧計１１６は、高周波信号発生部１１２から出力される高周波信号及びアンテナ１１０から入力される高周波信号の電圧を計測するものである。
信号処理部２００は、高周波信号発生部１１２から高周波信号を発生させたり、電圧計１１６で計測した高周波信号の電圧に基づいて変位センサ１において計測される変位の算出を行うものである。
【００４３】
（信号処理部２００の構成と作動）
次に、信号処理部２００の構成と作動について図２、図３、図４、図５に基づき説明する。
【００４４】
信号処理部２００は、図２に示すように、アナログ回路部２１０とディジタル回路部２５０とを備えている。アナログ回路部２１０は、印加電圧生成部２２０と時間計測パルス生成部２３０とから構成される。
【００４５】
印加電圧生成部２２０は、オフセット回路２２２、第１増幅回路２２４、フィルタ回路２２６及びアナログスイッチ２２８から構成される。
オフセット回路２２２は、図３（イ）に示すように、カウンタ２５８（図２参照）から出力されるＧＮＤレベルを基準とする０［Ｖ］〜＋５［Ｖ］のパルス波形（図４（ア）に示す。）にマイナスのオフセット電圧を印加し、±２．５［Ｖ］のパルス波形に変換する。
【００４６】
第１増幅回路２２４は、図３（ウ）に示すように、オフセット回路２２２において得られた±２．５［Ｖ］のパルス波形を増幅し±５［Ｖ］のパルス波形に変換する。
フィルタ回路２２６は、ローパスフィルタであり、図３（エ）に示すように、第１増幅回路２２４で得られた±５［Ｖ］のパルス波形の高周波成分を除去し、振幅５［Ｖ］の正弦波を生成する。
【００４７】
アナログスイッチ２２８は、図３（オ）に示すように、カウンタ２５８（図２参照）にゲートパルスが入力されると、図３（カ）に示すように、フィルタ回路２２６で生成した正弦波を外部へ出力する。
【００４８】
次に、時間計測パルス生成部２３０は図２に示すように、クリップ回路２３２、オフセット回路２３４、半波整流回路２３６、第２増幅回路２３８、平滑回路２４０及び比較回路２４２から構成される。
【００４９】
クリップ回路２３２は、図４（ア）に示すような電圧計１１６から入力される検出電圧波形を、図４（イ）に示すように、出力の最大値が回路を構成する図示しないオペアンプの最大出力値である±１０［Ｖ］となるよう検出電圧波形のピーク値をクリップする。
【００５０】
オフセット回路２３４は、図４（ウ）に示すように、クリップ回路２３２から出力される電圧波形に重畳しているノイズの最大値の電圧をマイナスするようにオフセット電圧を印加する。
【００５１】
半波整流回路２３６は、図４（エ）に示すように、オフセット回路２３４の出力電圧を半波整流し、出力電圧のプラス側成分のみを取り出して出力する。
第２増幅回路２３８は、図４（オ）に示すように、半波整流回路２３６の出力を図示しないオペアンプの飽和出力値まで増幅する。
【００５２】
平滑回路２４０は、ローパスフィルタであり、図４（カ）に示すように、第２増幅回路２３８の出力（パルス波形）の高周波成分を除去し、複数のパルス群からなる波形を立ち上がり及び立ち下がりが鋭くない１つのパルス波形に変換する。
【００５３】
比較回路２４２は、図４（キ）に示すように、平滑回路２４０の出力パルスと予め定められている比較電圧とを比較し、出力パルスの立ち上がり電圧が比較電圧を超えたときに一定電圧を出力し、出力パルスの立ち下がり電圧が比較電圧より小さくなったときに、出力を停止する。
【００５４】
このようにすると、平滑回路２４０から出力される立ち上がり及び立ち下がりが鋭くないパルス波形が、立ち上がり及び立ち下がりが鋭いパルス波形に整形される。このようにして、波形が整形されたパルスが時間計測パルスとして外部に出力される。
【００５５】
次に、ディジタル回路部２５０では、図５（ア）に示すように、カウンタ２５８（図２参照）において、図示しないパルス発生器でカウントの基準となる一定周波数のカウント周波数パルスが生成されている。
【００５６】
そして、図５（イ）に示すように、図示しない第１カウント回路においてカウント周波数パルス数がカウントされ、所定のカウント値に達した場合、第１カウント回路がリセットされるとともに、図５（ウ）に示すように、印加周波数パルスが立ち上がる。
【００５７】
そして、再びカウントが行われカウント値が所定の値に達すると印加周波数パルスが立ち下げられる。このようにして、印加周波数パルスが生成され、印加電圧生成部２２０のオフセット回路２２２に出力される。
【００５８】
そして、図５（エ）に示すように、印加周波数パルスがオフセット回路２２２に出力されるとともに、図示しない第２カウント回路においてそのパルス数がカウントされ、パルス数が所定の値に達すると、第２カウント回路がリセットされるとともに図５（オ）に示すように、印加周波数ゲートパルスが立ち上げられる。
【００５９】
そして、図５（オ）に示すように、第２カウント回路において再び印加周波数パルスがカウントされ、所定の値に達すると印加電圧ゲートパルスが立ち下げられる。
このように印加電圧ゲートパルスが立ち上げ及び立ち下げられると、印加電圧ゲートパルスが立ち上げられてから立ち下げられるまでの間、図５（カ）に示すように検出電圧が時間計測パルス生成部２３０に入力される。
【００６０】
そして、検出電圧がクリップ回路２３２に入力されると、図５（ク）に示すように、時間計測パルスの立ち下がりで、図示しない第３カウンタで時間カウントが開始され、遅延波により時間計測パルスが入力される。そして、そのパルスの立ち下がりで時間カウントが停止され、そのときのカウント値がカウンタ２５８からＣＰＵ２５２（図２参照）に出力される。
【００６１】
ＣＰＵ２５２は、メモリ２５４に記憶されている圧電材料基板１０の伝播速度にカウンタ２５８から入力された時間カウント値に乗じて変位量を算出する。
（変位センサ１による変位計測）
次に、変位センサ１及び変位計測装置１００を用いて変位を測定する方法について図１に基づき説明する。
【００６２】
まず、変位計測装置１００からアンテナ１１０を介して高周波信号が変位センサ１に対して出力される。変位センサ１では、アンテナ１１０から出力された高周波信号をアンテナ４０で受信する。
【００６３】
アンテナ４０で受信された高周波信号は、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に供給され、櫛歯電極２２では、供給された高周波信号により弾性表面波が励起される。励起された弾性表面波は、弾性表面波伝播面αから圧電材料基板１０を介して弾性表面波素子３０に伝播する。
【００６４】
弾性表面波素子３０では、圧電材料基板１０を伝播してくる弾性表面波を弾性表面波伝播面βから取得し、櫛歯電極３２で高周波信号に変換し、アンテナ４２から外部へ出力する。アンテナ４２から出力された高周波信号は、変位計測装置１００のアンテナ１１０で受信される。
【００６５】
このときの各地点における信号の伝達の様子を示したのが図１（ｂ）である。図１（ｂ）の（ア）に示すように、変位計測装置１００の内部のスイッチ１１４がオンされると高周波信号発生部１１２から出力される高周波信号がアンテナ１１０から出力される。
【００６６】
このとき、変位計測装置１００の電圧計１１６に、図１（ｂ）の（イ）に示すように高周波信号が印加されるので、電圧計１１６で高周波信号の電圧が計測される。そして、高周波信号は、アンテナ４０を介して弾性表面波素子２０に印加され、弾性表面波に変換される。
【００６７】
そして、弾性表面波は、弾性表面波素子３０で高周波信号に変換され、アンテナ４２から出力され、変位計測装置１００の電圧計１１６に印加され、図１（ｂ）（ウ）に示すように電圧計１１６によって再び電圧が計測される。
【００６８】
したがって、変位計測装置１００において、図１（ｂ）（イ）、（ウ）に示すように電圧計１１６より電圧が計測される間の時間を計測し、計測した時間に圧電材料基板１０における弾性表面波の速度を乗ずれば、弾性表面波素子２０と弾性表面波素子３０との間の変位を計測することができるのである。
【００６９】
（変位センサ１の特徴）
このような、変位センサ１では、圧電材料基板１０を介して弾性表面波が伝播していく。圧電材料基板１０は、エネルギ拡散も少なく、伝播経路中での乱反射も少ないので、ノイズの影響を受けにくい。また、圧電材料基板１０の特性を把握しておくことができるので、弾性表面波の伝播経路の特性を補正する必要もない。
【００７０】
また、ノイズが少ないので、弾性表面波素子２０を小出力とすることができ、また、圧電材料基板１０の材質の選択や特性改善のみによって伝播経路の最適化を行うこともできる。つまり伝播経路の最適化のために他の装置等を必要としないので、変位センサ１を小型化することもできる。
【００７１】
さらに、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に、アンテナ４０を介して外部から高周波を印加するとともに、弾性表面波素子３０の櫛歯電極３２で得られた高周波をアンテナ４２を介して出力している。
【００７２】
つまり、弾性表面波素子２０，３０に対する高周波信号の入出力を非接触で行うことができるので、高周波信号の入力にケーブルや接触子が必要なくなる。したがって、変位センサ１の回転体など動きのある部分への取付が可能となる。
【００７３】
［第２実施形態］
次に、変位センサ２について図６に基づき説明する。図６は、変位センサ２の概略の構成と各構成部分における信号の伝達の様子を示す図である。なお、変位センサ２は第１実施形態における変位センサ１と同じ構成品が多いので、同じものには同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００７４】
変位センサ２は、図６（ａ）に示すように、第１実施形態の変位センサ１において、弾性表面波素子３０を反射器３４に置き換えたものである。
反射器３４は、弾性表面波素子２０から励起される弾性表面波を反射する反射面γを有するものであり、圧電材料基板１０を挟んで、弾性表面波素子２０の弾性表面波伝播面αと反射器３４の反射面γとを対向させ、弾性表面波素子２０の弾性表面波伝播面αと反射器３４の反射面γの距離が可変となるように圧電材料基板１０の表面に配置している。
【００７５】
アンテナ４０は、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に外部から高周波を印加するとともに、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２で得られた高周波を外部へ出力する。
つまり、アンテナ４０は、外部から入力される高周波信号を受信し、弾性表面波素子２０へ供給するとともに、弾性表面波素子２０で励起され、反射器３４で反射された弾性表面波が弾性表面波素子２０で高周波信号に変換されたものを外部へ出力する。
【００７６】
（変位センサ２の作動）
変位センサ２は、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に印加した高周波信号によって励起される弾性表面波が弾性表面波伝播面αから圧電材料基板１０を介して伝播させ、さらに、反射器３４の反射面γで反射させることにより、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２に印加した高周波信号より遅れた高周波信号を得る。
【００７７】
このときの各地点における信号の伝達の様子を示したのが図６（ｂ）である。図６（ｂ）の（ア）に示すように、変位計測装置１００の内部のスイッチ１１４がオンされると高周波信号発生部１１２から出力される高周波信号がアンテナ１１０から出力される。
【００７８】
このとき、変位計測装置１００の電圧計１１６に、図１（ｂ）の（イ）に示すように高周波信号が印加されるので、電圧計１１６で高周波信号の電圧が計測される。そして、高周波信号は、アンテナ４０を介して弾性表面波素子２０に印加され、弾性表面波に変換される。
【００７９】
そして、弾性表面波は、圧電材料基板１０を伝橋し、反射器３４で反射され、再度圧電材料基板１０を伝播して弾性表面波素子２０で高周波信号に変換される。
変換された高周波信号は、アンテナ４０から出力され、変位計測装置１００の電圧計１１６に印加され、図６（ｂ）（ウ）に示すように電圧計１１６によって再び電圧が計測される。
【００８０】
したがって、図６（ｂ）（イ）、（ウ）に示すように電圧計１１６より電圧が計測される間の時間を計測し、計測した時間に圧電材料基板１０における弾性表面波の速度を乗じ、その１／２を採れば、弾性表面波素子２０と反射器３４との間の変位を計測することができる。
【００８１】
（変位センサ２の特徴）
変位センサ２は、変位センサ１における弾性表面波素子３０の代わりに反射器３４を用いているので、１つのアンテナ４０しか必要としない。したがって、より小型化することができ、製造コストも安価にすることができる。
【００８２】
［第３実施形態］
次に、変位測定装置５について図７に基づき説明する。図７は、変位測定装置５の概略の構成を示す構成図である。変位測定装置５は、変位を測定する装置であり、筐体５０、大ラック５２、小ラック５４、大ピニオンギア５６、小ピニオンギア５８、スプリング６０及び変位センサ２を備えている。
【００８３】
変位測定装置５に用いられている変位センサ２は、第２実施形態における変位センサ２と同じものであるので、その構成品には同じ符号を付し、その構造や機能についての説明は省略する。
【００８４】
筐体５０は、金属や合成樹脂が角筒状に形成されてできている。
大ラック５２は、筐体５０の内部に筐体５０の筒軸方向にスライド可能に装着されている。また大ラック５２は、大ピニオンギア５６の小径ギアと嵌合している。大ラック５２の一端は、その端面が図７中筐体の右端面から約１／３の深さの位置でスプリング６０の端面に接触するように装着され、他端は筐体５０から外部へ突出するように装着されている。
【００８５】
スプリング６０は、螺旋バネであり、その軸が筐体５０の筒軸方向と同じで、かつ、スプリング６０の一端（図７中右端）が、大ラック５２の一端（図７中左端）に接するように、筐体５０の内部に装着されている。
【００８６】
大ピニオンギア５６は、大径ギアと小径ギアからなる歯車であり、大径ギアの歯は小ピニオンギア５８、小径ギアは大ラック５２とそれぞれ嵌合している。
小ピニオンギア５８は、大ピニオンギア５６の大径ギア及び小ラック５４と嵌合している。
【００８７】
小ラック５４は、大ラック５２のスライド方向と同じ方向にスライド可能なように筐体５０の内部に装着されており、筐体内側に向かう短手面は、変位センサ２の弾性表面波素子３０の端部に結合されるように装着されている。
【００８８】
変位センサ２は、筐体５０の図７中下部に配置されており、弾性表面波素子３０の一端（図７中右端）は、小ラック５４の端部（図７中左端）に結合され、小ラック５４の移動とともに筐体５０内部をスライドして移動するようになっている。また、弾性表面波素子２０は、筐体５０の底面に固定されている。
【００８９】
このような、変位測定装置５では、大ラック５２が筐体５０内部側（図７中左向き）に押し込まれると、大ラック５２に嵌合している大ピニオンギア５６が図７中反時計方向に回転する。大ピニオンギア５６が反時計方向に回転すると、大ピニオンギア５６に嵌合している小ピニオンギア５８が時計方向に回転する。
【００９０】
すると、小ピニオンギア５８に嵌合している小ラック５４が筐体５０内部側（図７中左向き）にスライドする。それに伴い、弾性表面波素子３０が図７中左にスライドする。
弾性表面波素子３０が左にスライドすると、弾性表面波素子３０の反射器３４と弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２の距離が短くなるので、第２実施形態と同じようにして変位を得ることができる。
【００９１】
変位が得られた後、大ラック５２に押し込み力が加わらなくなると、スプリング６０の弾性力により大ラック５２は元の位置まで戻される。
大ピニオンギア５６の大径ギアと小径ギアの比を変えることで、大ラック５２の移動距離を弾性表面波素子３０に拡大または縮小して伝達することが可能となる。
【００９２】
［第４実施形態］
次に、変位測定装置７について図８に基づき説明する。図８は、変位測定装置７の概略の構成を示す構成図である。変位測定装置７は、弾性材料を用いて他の物理量を変位量に変換し、他の物理量から変換された変位を第２実施形態の変位センサ２で計測するものである。
【００９３】
変位測定装置７に用いられている変位センサ２は、第２実施形態における変位センサ２と同じものであるので、その構成品には同じ符号を付し、その構造や機能についての説明は省略する。
【００９４】
変位測定装置７は、図８に示すように、金属材料や樹脂材料を筒状に成形した筐体８０、ピストン７０及び変位センサ２を備えている。
筐体８０の右短から約１／４の位置の筐体８０の内部に、ピストン７０の動きを止めるための円柱状のストッパ８２が設けられている。ストッパ８２の中心部分には、ピストン７０の軸を通すための穴が設けられている。
【００９５】
ピストン７０は、軸部分がストッパ８２の穴に挿入された状態で筐体８０内部に挿入される。ピストン７０のヘッド７２には、２個のＯリングが装着されており、そのＯリングが筐体８０の内壁面に密着することにより、図中右からのタイヤ内部の空気が筐体８０の変位センサ２が装着されている部分へ侵入するのを防いでいる。
【００９６】
ストッパ８２とヘッド７２との間には、スプリング６０が、その中心軸とピストン７０の中心軸とが同軸になるように装着されている。このスプリング６０により、ピストン７０のヘッド７２の端面（図８中ヘッド７２の右端面）にタイヤ内部から掛かる圧力がピストン７０の変位に変換される。
【００９７】
つまり、タイヤ内部の圧力が低くなると、スプリング６０によりピストン７０が図８中右に変位し、タイヤ内部の圧力が高くなると、ピストン７０が図８中左に変位する。
ピストン７０の軸の先端には変位センサ２の弾性表面波素子３０の右端面が固定されている。したがって、ピストン７０が図８中左右に変位すると、弾性表面波素子３０もピストン７０と同じように図８中左右に変位する。
【００９８】
一方変位センサ２の弾性表面波素子２０は、筐体８０に固定されているので、弾性表面波素子３０がピストン７０の変位に従って変位すると、弾性表面波素子３０の反射器３４と弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２との間の距離が変化する。
【００９９】
この距離の変化により、櫛歯電極２２で励起され圧電材料基板１０を伝播し、反射器３４で反射される弾性表面波の遅れ時間が変化するため、その遅れ時間の変化により第２実施形態と同様に変位を得ることができる。
【０１００】
このように、変位測定装置７によれば、タイヤ内部の空気圧の変化を変位として得ることができる。
変位測定装置７では、異なるバネ定数のスプリング６０を用いることにより、タイヤ内部の空気圧に対する変位センサ２の弾性表面波素子３０の変位量を自在に変えることができるので、タイヤ内部の空気圧に対する圧力感度を自在に変化させることが可能となる。
【０１０１】
［第５実施形態］
次に、変位測定器具９について図９に基づき説明する。図９は、変位測定器具９の概略の構成を示す構成図である。変位測定器具９は、ノギス９０に第２実施形態の変位センサ２を装着したものであり、ノギス９０のジョウ９１やクチバシ９２の間の距離、あるいはデップスバー９３の突き出しの量を計測するものである。
【０１０２】
変位測定器具９に用いられている変位センサ２は、第２実施形態における変位センサ２と同じものであるので、その構成品には同じ符号を付し、その構造や機能についての説明は省略する。
【０１０３】
変位測定器具９は、図９に示すようにノギス９０の本尺９４の上端部、つまり、副尺９５とのスライド面に接触する上端面に、圧電材料基板１０が装着され、圧電材料基板１０の、本尺９４のデップスバー近傍に変位センサ２の弾性表面波素子２０が装着されている。また、ノギス９０の副尺９５の内側、つまり、本尺９４のスライド面に接触する内側の面に弾性表面波素子３０が装着されている。
【０１０４】
このように、ノギス９０の本尺９４に弾性表面波素子２０を装着し、副尺９５に弾性表面波素子３０を装着しているので、副尺９５を本尺９４に沿ってスライドさせると、弾性表面波素子２０と弾性表面波素子３０との間の距離が変化し、弾性表面波素子２０で励起され、圧電材料基板１０を伝播し、反射器３４で反射される表面弾性波の遅れ時間が変化する。
【０１０５】
この遅れ時間の変化に基づいて第２実施形態と同じように、弾性表面波素子２０と弾性表面波素子３０の変位の変化が計測できる。この変位の変化は、ノギス９０のジョウ９１やクチバシ９２の間の距離の変化あるいはデップスバーの突き出し量の変化であるので、それらを計測することができる。
【０１０６】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
【０１０７】
例えば、変位センサの弾性表面波の伝播経路を複数枚の圧電材料基板で構成してもよい。このように構成した変位センサ３について図１０に基づいて説明する。図１０は、変位センサ３の概略の構成と各構成部分における信号の伝達の様子を示す図である。
【０１０８】
変位センサ３では、図１０（ａ）に示すように、圧電材料基板１０を挟んで、弾性表面波伝播面を対向させ、弾性表面波の伝播方向の互いの距離が可変となるように弾性表面波素子２０、３０あるいは反射器３４を配置する際、２枚の圧電材料基板１２，１４を用い、一方の圧電材料基板１２の弾性表面波の伝播面と他方の圧電材料基板１４の弾性表面波の伝播面とを密着させるようにする。
【０１０９】
この圧電材料基板１２，１４は、同じ材質の材料で形成され、さらに、２つの圧電材料基板１２，１４が弾性表面波の伝播方向にスライドするように構成されている。
このようにすると、弾性表面波素子２０の櫛歯電極２２で生成された弾性表面波は圧電材料基板１２を伝達した後、圧電材料基板１２，１４の接触面又は接近面をまたぐように伝播し、圧電材料基板１４に伝播し、弾性表面波素子３０又は反射器３４に入力される。
【０１１０】
ここで、図１０（ａ）に示すように、弾性表面波素子３０を用い、弾性表面波素子２０に変位計測装置１００から配線で高周波信号を入力する場合には、図１０（ｃ）の（ア）に示すように、スイッチ１１４がオン／オフされると電圧計１１６に、弾性表面波素子２０に入力される高周波信号が印加される電圧（検出電圧１）が計測され、弾性表面波の伝播による遅れ時間が経過した後、図１０（ｃ）の（ウ）に示すように、電圧計１１８で高周波信号の電圧（検出電圧２）が計測される。
【０１１１】
この遅延時間と圧電材料基板１２，１４における弾性表面波の伝搬速度とから信号処理部２００において弾性表面波素子２０と弾性表面波素子３０との間の変位が算出される。
このとき、図１０（ａ）に示すように、弾性表面波素子３０が位置Ｂからスライドして位置Ａになると、弾性表面波素子２０，３０間の離間距離が大きくなるので、図１０（ｃ）（ウ）に示すように、遅延時間が大きくなり、大きくなった変位を算出することができる。
【０１１２】
一方、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、弾性表面波素子３０の代わりに、反射器３４を用い、変位計測装置１００からアンテナ４０を介して高周波信号を入力する場合には、図１０（ｃ）の（ア）に示すように、スイッチ１１４がオン／オフされると電圧計１１６に、図１０（ｃ）の（イ）に示すように、弾性表面波素子２０に入力される高周波信号が印加される電圧（検出電圧１）が計測され、弾性表面波の伝播及び反射器３４による反射波の伝播による遅れ時間が経過した後、図１０（ｃ）の（イ）に示すように、再度電圧計１１６で高周波信号の電圧（検出電圧１）が計測される。
【０１１３】
この遅延時間と圧電材料基板１２，１４における弾性表面波の伝搬速度とから信号処理部２００において弾性表面波素子２０と反射器３４との間の変位が算出される。
このとき、図１０（ａ）に示すように、反射器３４が位置Ｂからスライドして位置Ａになると、弾性表面波素子２０と反射器３４の間の離間距離が大きくなるので、図１０（ｃ）（イ）に示すように、遅延時間が大きくなり、大きくなった変位を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】変位センサ１の概略の構成と各構成部分における信号の伝達の様子を示す図である。
【図２】信号処理部２００の概略の構成を示すブロック図である。
【図３】印加周波数パルスから印加電圧波形を得る様子を示す図である。
【図４】電圧計１１６で検出した検出電圧から時間計測パルスを得る様子を示す図である。
【図５】遅延時間の計測を行う様子を示した図である。
【図６】変位センサ２の概略の構成と各構成部分における信号の伝達の様子を示す図である。
【図７】変位測定装置５の概略の構成を示す構成図である。
【図８】変位測定装置７の概略の構成を示す構成図である。
【図９】変位測定器具９の概略の構成を示す構成図である。
【図１０】変位センサ３の概略の構成と各構成部分における信号の伝達の様子を示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１，２，３…変位センサ、５，７…変位測定装置、９…変位測定器具、１０，１２，１４…圧電材料基板、２０，３０…弾性表面波素子、２２，３２…櫛歯電極、３４…反射器、４０，４２…アンテナ、５０，８０…筐体、５２…大ラック、５４…小ラック、５６…大ピニオンギア、５８…小ピニオンギア、６０…スプリング、７０…ピストン、７２…ヘッド、８２…ストッパ、９０…ノギス、９１…ジョウ、９２…クチバシ、９３…デップスバー、９４…本尺、９５…副尺、１００…変位計測装置、１１０…アンテナ、１１２…高周波信号発生部、１１４…スイッチ、１１６，１１８…電圧計、２００…信号処理部、２１０…アナログ回路部、２２０…印加電圧生成部、２２２…オフセット回路、２２４…第１増幅回路、２２６…フィルタ回路、２２８…アナログスイッチ、２３０…時間計測パルス生成部、２３２…クリップ回路、２３４…オフセット回路、２３６…半波整流回路、２３８…第２増幅回路、２４０…平滑回路、２４２…比較回路、２５０…ディジタル回路部、２５２…ＣＰＵ、２５４…メモリ、２５８…カウンタ。
【図１】
2009216440.tif 000003
【図２】
2009216440.tif 000004
【図３】
2009216440.tif 000005
【図４】
2009216440.tif 000006
【図５】
2009216440.tif 000007
【図６】
2009216440.tif 000008
【図７】
2009216440.tif 000009
【図９】
2009216440.tif 000010
【図８】
2009216440.tif 000011
【図１０】
2009216440.tif 000012