JP4062625B2 - 無線センサ送信装置用アンテナ、無線センサ送信装置、及び、無線センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線センサ送信装置用アンテナ、無線センサ送信装置、及び、無線センサ装置に関する。

従来より、温度や湿度等を計測するセンサと、無線送信部と、アンテナとを一体化した無線センサ送信装置が知られている。この種の無線センサ送信装置は、温度、湿度または照度の計測値を利用する機器から、空間的に離間させることができる為、複数の場所にそれぞれ無線センサ送信装置を配置して得られる計測値を集中管理したり、無線センサ送信装置を移動、携帯することができるなど、多様な形態での利用が可能となる。

従来の無線センサ送信装置は、無線送信部を搭載した基板に、棒状アンテナを突出するように設けるのが一般的であった。このため、アンテナの形態が大きくなり、装置全体の形状増大につながっていた。とくに無線周波数が下がる程、アンテナの形状が大きくなり、無線センサ送信装置の形状小型化への障害となる。

通常、無線送信部からの出力をより損失なく、アンテナへ伝送する為、無線送信部の出力インピーダンスをアンテナの入力インピーダンスにあわせる。無線送信部の出力は、トランジスタ等の半導体からとっていることが多く、低インピーダンスであることが多い。

そこで、アンテナを構成するパターン長について、インビーダンスの共振点を無線送信の周波数にあわせるように、無線周波数ｆの実効波長の１/４又は１/２で構成するのが一般的である。無線周波数fの１/４波長は、
f=３００MHｚでは、２５０ｍｍ
f=１０００MHｚでは、７５ｍｍ
f＝２０００MHzでは、３７.５ｍｍ
となり、無線周波数fが小さくなる程、１/４波長は長くなる。この結果、アンテナ形状も大きくなる。また、アンテナをヘリカル巻き又はスパイラル巻き等でコイル状に形成し、インピーダンスをあわせる方法もあるが、やはり、無線周波数fが小さい程、アンテナパターンの面積が大きくなり、形状が大型化する。

特許文献１は、アンテナパターンを、基板の外周に設けて、形状の小型化を図る技術を開示している。しかし、この種の無線センサ送信装置では、無線送信部を搭載してある表面とは反対側の底面に、グランド電極を有しており、アンテナパターンを、基板の外周に設けた場合、アンテナに流れる高周波電流磁界のうち、グランド電極を貫通する成分が著しく大きくなり、高周波電流磁界による渦電流が発生する。このため、アンテナ利得が低下してしまうという問題があった。

更に、全体を小型化することにより、グランド電極や回路パターンの影響により、電磁ノイズがアンテナに乗ってしまうという不都合を生じるおそれもあった。
特開２００２−４０７２公報

本発明の課題は、小型化に適した無線センサ送信装置用アンテナ、無線センサ送信装置、及び、無線センサ装置を提供することである。

本発明のもう一つの課題は、全体を小型化したにもかかわらず、電磁ノイズがアンテナに乗るのを回避しえる無線センサ送信装置用アンテナ、無線センサ送信装置、及び、無線センサ装置を提供することである。

本発明の更にもう一つの課題は、アンテナ利得の高い無線センサ送信装置用アンテナ、無線センサ送信装置、及び、無線センサ装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る無線センサ送信装置用アンテナは、支持基板と、アンテナ導体とを含む。前記支持基板は、電気絶縁材料でなり、前記アンテナ導体は、ヘリカル状であって、前記支持基板の厚みを開口部の２辺とし、前記支持基板の面と平行な一方向に巻き進む。

本発明に係るアンテナは、回路基板と、センサと、信号処理部と、送信回路部とともに、無線センサ送信装置を構成する。前記回路基板は、一面側に接地されるグランド電極を有している。前記センサは、物理量を検出するものであって、前記回路基板の前記一面とは反対側である他面に搭載されている。前記信号処理部は、前記センサから出力される検出信号を処理する回路部分であって、前記回路基板の前記他面に搭載されている。前記送信回路部は、前記信号処理部から供給される信号を、前記アンテナに供給する回路であって、前記回路基板の前記他面に搭載されている。前記アンテナは、前記回路基板に組み付けられている。

上述したように、本発明に係る無線センサ送信装置は、アンテナと、回路基板と、センサと、信号処理部と、送信回路部とを含んでおり、センサにより物理量を検出し、センサから出力される検出信号を信号処理部によって処理し、信号処理部から供給される信号を、送信回路部によってアンテナに供給するから、センサにより検出された物理量を、受信装置に向けて、無線送信することができる。測定対象となる物理量には、温度、湿度、照度、加速度、衝撃等の諸量が含まれる。

回路基板は、一面側に接地されるグランド電極を有しており、センサ、信号処理部及び送信回路部は、グランド電極の存在する一面とは反対側である他面に搭載されているから、グランド電極を、例えば、マザーボードなどの導体パターンに直接に半田付けなどの手段によって固着することができる。

アンテナを構成するアンテナ導体は、ヘリカル状であるから、その形状効果により、アンテナの全長を著しく短縮できる。例えば、アンテナ全長を、回路基板の一辺の長さに合わせることができる。このため、形状を著しく小型化した無線センサ送信装置を提供することができる。

しかも、アンテナ導体は、支持基板の面と平行な一方向に巻き進むから、支持基板の面が回路基板の面と平行になるように、アンテナを回路基板に組みあわせることにより、アンテナに流れる高周波電流磁界のうち、グランド電極を貫通する成分を著しく減少させ、高周波電流磁界による渦電流の発生を抑制することができる。更に、全体を小型化したにもかかわらず、電磁ノイズがアンテナに乗るのを回避しえる。

本発明に係るアンテナは、ヘリカル状であって、支持基板の厚みを開口部の２辺とするから、開口部の面積をコントロールすることにより、アンテナ利得を向上させることができる。

アンテナ導体を支持する支持基板は、無線センサ装置のための回路基板であってもよいし、無線センサ装置のための回路基板から独立した基板であってもよい。

支持基板の誘電率は、回路基板の誘電率と異ならせることができる。この場合、支持基板の誘電率は、回路基板の誘電率よりも大きいことが好ましい。支持基板は、誘電体材料に限らず、磁性体又は複合磁性体を含んでいてもよい。

本発明に係る無線センサ送信装置は、受信装置と組み合わされ、無線センサ装置を構成する。受信装置は、前記アンテナを通して、前記無線センサ送信装置から送信された無線信号を受信して処理する。これにより、隔地で測定された物理量を、受信装置で受信し、解読し、表示することができる。

本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施例によって更に詳しく説明する。

図１は本発明に係るアンテナを組み込んだ無線センサ送信装置の平面図、図２は図１に示した無線センサ送信装置の正面図、図３は図１、図２に示した無線センサ送信装置の底面図、図４はアンテナ分の拡大図、図５は図１〜図４に示した無線センサ送信装置のブロック図である。図示された無線センサ送信装置は、モジュール化されており、回路基板１と、センサ２１〜２ｎと、センサ回路３１〜３ｎと、信号処理部４と、送信回路部５と、アンテナ６とを含む。

回路基板１は、一面側にグランド電極７を有している。回路基板１は、絶縁材料で構成されていればよく、有機系絶縁材料、無機系絶縁材料又は複合絶縁材料の何れを用いてもよい。また、全体が誘電体材料で構成されていてもよいし、誘電体材料層と磁性材料層との組み合わせであってもよい。

センサ２１〜２ｎは、物理量を検出するものであって、回路基板１の表面に搭載されている。測定対象となる物理量には、温度、湿度、照度、加速度、衝撃等の諸量が含まれる。従って、センサ２１〜２ｎは、温度センサ、湿度センサ、照度センサ、加速度センサ、衝撃センサとして構成される。各種のセンサを組み合わせて用いてもよいし、一種のセンサとして構成してもよい。モジュール一個当たりのセンサ個数ｎ（ｎ＝１、２、３、．．．）は任意である。図１〜図４の実施例は、ｎ＝２の場合を示している。

センサ回路３１〜３ｎは、センサ２１〜２ｎのそれぞれに個別的に備えられ、センサ２１〜２ｎで検出された信号を、後段の信号処理部４に対する伝送及び処理に適した信号に修正し、これを出力する。センサ回路３１〜３ｎは、センサ２１〜２ｎの内部要素として、センサ２１〜２ｎと一体に構成されていてもよい。図示実施例では、センサ回路３１〜３ｎは、センサ２１〜２ｎとは独立の回路として、回路基板１の表面に搭載されている。

信号処理部４は、センサ２１〜２ｎまたはセンサ回路３１〜３ｎから出力される検出信号を処理する回路部分であって、回路基板１の表面に搭載されている。

送信回路部５は、信号処理部４から供給される信号を、アンテナ６に供給する回路であって、回路基板１の表面に搭載されている。

アンテナ６は、回路基板１に組み付けられている。アンテナ６は、支持基板６０と、アンテナ導体６１〜６４とを含む。支持基板６０は、電気絶縁材料でなる。図示実施例において、支持基板６０は、回路基板１と同体である。アンテナ導体６１〜６４は、ヘリカル状であって、支持基板６０の厚みを開口部の２辺とし、支持基板６０の面と平行な一方向に巻き進む。より具体的には、図１、図４に示すように、第１の導体片６１を、支持基板６０の表面に、一方向に所定の間隔で形成するとともに、裏面に、第１の導体片６１と同一のピッチで、同方向に第２の導体片６２を形成する。そして、支持基板６０を厚み方向に貫通する第３の導体片６３及び第４の導体片６４により、ヘリカル接続となるように、第１の導体片６１及び第２の導体片６２の端部を順次に接続する。これにより、第１の導体片６２、第３の導体片６３、第２の導体片６２及び第４の導体片６４によって囲まれた開口部が生じる。この開口部の面積は、ほぼ、第１の導体片６１及び第２の導体片６２の有効長Ｘと、第３の導体片６３及び第４の導体片６４の有効長Ｙとの積ＸＹによって定まる。

インビーダンスの共振点を、無線送信する周波数にあわせるには、開口面積、巻き数、基板材料の誘電率を調整すればよい。無線送信周波数が下がる程、開ロ面積、巻き数、又は誘電率を上げなければならない。開ロ面積を上げるには、支持基板６０の厚み、又は、アンテナ形成部の床面積を大きくすればよいが、アンテナ形成部の形状も大きくなり、装置形状も大きくなる。

一方、巻き数や基板材料の誘電率を上げれば、装置形状を大きくすることなく、インピーダンスを下げることができる。巻き数を上げるとパターン長が増える為、パターンによる導体損失も増加するが、支持基板６０を構成する材料の比誘電率(εr)を上げれば、巻き数を減らすことができる。これにより、パターンによる導体損失を低減でき、アンテナ部としての損失が増大することなく、形状を小型化できる。即ち、形状の小型化のためには、アンテナ６を構成する支持基板６０を、基板１を構成する材料の誘電率以上の誘電率を持つ材料により構成することが有効である。支持基板６０は、誘電体材料に限らず、磁性体又は複合磁性体を含んでいてもよい。

グランド電極７は、いわゆる「ベタ塗り」であるが、アンテナ６の下側に位置する部分には形成しない。アンテナ６に対するグランド電極７の悪影響を回避するためである。

上述した無線センサ送信装置は、アンテナ６と、回路基板１と、センサ２１〜２ｎと、信号処理部４と、送信回路部５とを含んでおり、センサ２１〜２ｎにより物理量を検出し、センサ２１〜２ｎから出力される検出信号を信号処理部４によって処理し、信号処理部４から供給される信号を、送信回路部５によってアンテナ６に供給するから、センサ２１〜２ｎにより検出された物理量を、空間的に距離を隔てた受信装置に向けて、無線送信することができる。

回路基板１は、裏面側に、接地されるグランド電極７を有しており、センサ２１〜２ｎ、信号処理部４及び送信回路部５は、グランド電極７の存在する裏面とは反対側の表面に搭載されているから、グランド電極７を、例えば、マザーボードなどに設けられた導体パターンに直接半田付けなどの手段によって固着することができる。

アンテナ６を構成するアンテナ導体６１〜６４は、ヘリカル状であるから、その形状効果により、アンテナ６の全長を著しく短縮できる。例えば、アンテナ６の全長を、回路基板１の一辺の長さに合わせることができる。このため、形状を著しく小型化した無線センサ送信装置を提供することができる。

しかも、アンテナ導体６１〜６４は、支持基板６０の面と平行な一方向に巻き進むから、支持基板６０の面が回路基板１の面と平行になるように、アンテナ６を組み合わせることにより、アンテナ６に流れる高周波電流磁界のうち、グランド電極７を貫通する成分を著しく減少させ、高周波電流磁界による渦電流の発生を抑制することができる。また、全体を小型化したにもかかわらず、グランド電極7や、回路パターンなどを介して、電磁ノイズがアンテナ６に乗るのを回避し得る。

本発明に係るアンテナ６は、ヘリカル状であって、支持基板６０の厚みを開口部の２辺とするから、開口部の面積をコントロールすることにより、アンテナ利得を向上させることができる。即ち、第１の導体片６１及び第２の導体片６２の有効長Ｘ、または、第３の導体片６３及び第４の導体片６４の有効長Ｙを調整することにより、積ＸＹによって定まる開口部の面積を調整し、アンテナ利得を調整できるのである。アンテナ利得は、支持基板６０を構成する誘電体材料の誘電率を調整することによっても、調整することができる。

図６は本発明に係る無線センサ送信装置の別の実施例を示す平面図、図７は図６に示した無線センサ送信装置の正面図である。図において、図１乃至図５に表れた構成部分に相当する部分には、同一の参照符号を付してある。この実施例の特徴は、アンテナ導体６１〜６４を支持する支持基板６０を、無線センサ装置のための回路基板１から独立させた点にある。アンテナ６は、センサ２１〜２ｎ、信号処理部４及び送信回路部５の搭載されている回路基板１の表面に搭載されている。

この実施例によれば、回路基板１がアンテナ６の開口面積に影響を与えなくなるため、回路基板１の厚みを薄くし、装置全体の薄型化を達成できる。アンテナ６の搭載されている回路基板１の表面には、もともと、センサ２１〜２ｎ、信号処理部４及び送信回路部５が搭載されているから、アンテナ６を回路基板１の表面に搭載したとしても、装置全体の厚みが増大することはない。

しかも、アンテナ導体６１〜６４を支持する支持基板６０を、回路基板１から独立させてあるため、支持基板６０を、回路基板１を構成する誘電体材料よりも高い比誘電率を有する誘電体材料によって構成し、小型化を図りながら、アンテナ利得を向上させることができる。アンテナ利得は、支持基板６０を構成する誘電体材料の誘電率を調整することによっても、調整することができる。

図８は本発明に係る無線センサ送信装置の更に別の実施例を示す平面図である。図において、図１乃至図５に表れた構成部分に相当する部分には、同一の参照符号を付してある。この実施例の特徴は、回路基板１の周縁に複数のアンテナ６を備えることである。このような配置構成によると、アンテナ６の指向性を緩和できる。図示実施例の場合、回路基板４の４周縁にアンテナ６を配置してあるので、回路基板１の全周において指向性を平均化できる。また、アンテナ６によって囲まれた内部の導体パターンの影響を軽減することもできる。アンテナ６の数は、４個以下、例えば、相対向する２周縁に設ける構成（合計２個）であってもよいし、回路基板１の平面形状によっては、４個以上設けてもよい。

アンテナ６の占有領域内には、アンテナ以外の電気的要素、例えば、導体パターン又は他の部品を配置しない構成が好ましい。このような構成によれば、電気信号や、電磁界のアンテナ６に対する干渉を回避し、ノイズの発生を抑制できる他、渦電流漏れが低減され、アンテナ利得が向上する。

図９は本発明に係る無線センサ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１乃至図７に表れた構成部分に相当する部分については、同一の参照符号を付してある。図示するように、本発明に係る無線センサ送信装置１０１〜１０ｍは、受信装置８と組み合わされ、無線センサ装置を構成する。図示実施例において、ｍ個の無線センサ送信装置１０１〜１０ｍが備えられている。これらは、互いに異なる位置に配置されているものとする。無線センサ送信装置１０１〜１０ｍの個数ｍ（ｍ＝１、２、３、．．．）は任意でよい。

受信装置８は、アンテナ８１と、受信回路８２と、ＣＰＵ等で構成された信号処理回路８３と、ディスプレイなどの表示部８４とを備える。そのほか、パソコンとのインターフェースをとるための変換部などを備えていてもよい。受信装置８は、無線センサ送信装置１０１〜１０ｍから送信された無線信号を、アンテナ８１及び受信回路８２によって受信し、信号処理装置８３で処理する。そして、処理結果を、表示部８４に表示する。これにより、隔地で測定された物理量を、受信装置８で受信し、解読し、表示することができる。

図１０は本発明に係る無線センサ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１乃至図９に表れた構成部分に相当する部分については、同一の参照符号を付してある。図示するように、図示実施例において、１個の無線センサ送信装置に対して、ｍ個の受信装置８０１〜８０ｍが備えられている。これらは、互いに異なる位置に配置されているものとする。受信装置８０１〜８０ｍの個数ｍ（ｍ＝１、２、３、．．．）は任意でよい。

受信装置８０１〜８０ｍのそれぞれは、無線センサ送信装置１０から送信された無線信号を、アンテナ８１及び受信回路８２によって受信し、信号処理装置８３で処理する。そして、処理結果を、表示部８４に表示する。これにより、隔地で測定された物理量を、別々の場所に設置された受信装置８０１〜８０ｍで個別的に受信し、解読し、表示することができる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係るアンテナを組み込んだ無線センサ送信装置の平面図である。 図１に示した無線センサ送信装置の正面図である。 図１、図２に示した無線センサ送信装置の底面図である。 アンテナ分の拡大図である。 図１〜図４に示した無線センサ送信装置のブロック図である。 本発明に係る無線センサ送信装置の別の実施例を示す平面図である。 図６に示した無線センサ送信装置の正面図である。 本発明に係る無線センサ送信装置の更に別の実施例を示す平面図である。 本発明に係る無線センサ装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係る無線センサ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 回路基板
２１〜２ｎ センサ
３１〜３ｎ センサ回路
４ 信号処理部
５ 送信回路部
６ アンテナ
６０ 支持基板
６１〜６４ アンテナ導体

Claims (8)

1. 回路基板と、センサと、信号処理部と、送信回路部と、アンテナとを含む無線センサ送信装置であって、
   前記回路基板は、一面側にグランド電極を有しており、
   前記センサは、物理量を検出するものであって、前記回路基板の前記一面とは反対側である他面に搭載されており、
   前記信号処理部は、前記センサから出力される検出信号を処理する回路部分であって、前記回路基板の前記他面に搭載されており、
   前記送信回路部は、前記信号処理部から供給される信号を、前記アンテナに供給する回路であって、前記回路基板の前記他面に搭載されており、
   前記アンテナは、複数であって、それぞれは、支持基板と、アンテナ導体とを含んでおり、
   前記支持基板は、電気絶縁材料でなり、
   前記アンテナ導体は、ヘリカル状であって、前記支持基板の厚みを開口部の２辺とし、前記支持基板の面と平行な一方向に巻き進み、
   更に、前記アンテナのそれぞれは、前記センサ、前記信号処理部及び前記送信回路部を取り囲み、かつ、前記支持基板の面が前記回路基板の面と平行になるようにして、前記回路基板の全周縁に設けられ、前記回路基板の全周において指向性を平均化する、
   無線センサ送信装置。
2. 請求項１に記載された無線センサ送信装置であって、前記支持基板は、無線センサ装置のための回路基板である、無線センサ送信装置。
3. 請求項１に記載された無線センサ送信装置であって、前記支持基板は、無線センサ装置のための回路基板から独立した基板である無線センサ送信装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、前記支持基板の誘電率は、前記回路基板の誘電率と異なる、無線センサ送信装置。
5. 請求項４に記載された無線センサ送信装置であって、前記支持基板の誘電率は、前記回路基板の誘電率よりも大きい、無線センサ送信装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、前記支持基板は、磁性体又は複合磁性体を含む、無線センサ送信装置。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、前記アンテナの占有する領域内には、アンテナ以外の導体又は部品が配置されていない無線センサ送信装置。
8. 無線センサ送信装置と、受信装置とを含む無線センサ装置であって、
   前記無線センサ送信装置は、請求項１乃至７の何れかに記載されたものでなり、
   前記受信装置は、前記アンテナを通して、前記無線センサ送信装置から送信された無線信号を受信して処理する
   無線センサ装置。

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