JP4636234B2 - 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、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、第２のアンテナ部とを一体化した無線センサ送信装置が知られている（特許文献１参照）。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ため、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。

ところで、無線装置においては、周知のように、無線周波数が下がる程、アンテナの形状が大きくなり、無線センサ装置の小型、薄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部の入力インピーダンスにあわせる。通常は５０Ωであるが、もともと、アンテナは、１ＫΩ等、非常に高いインピーダンスを持つ。

一方、無線送信部の出力は、トランジスタ等の半導体の出力からとっていることが多く、無線送信部の出カインピーダンスは、５０Ω等の低いインピーダンスとならざるをえない。

そこで、アンテナを構成するパターン長を、無線周波数の実効波長λｅの１／４又は１／２で構成し、インピーダンスの共振点を無線送信の周波数にあわせる。例えば、無線周波数をｆとすると、１／４波長は、無線周波数ｆが300MHzのときは250mm、1000MHzのときは75mm、2000MHzのときは37.5mmとなるので、この長さに適合するように、アンテナパターン長を定める。

ここで、無線周波数ｆが下がる程、１／４波長は長くなり、この結果、アンテナ形状も大きくなる。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が低い程、アンテナパターンの面積は大きくなり、その分、無線センサ装置の形状も、大きくならざるを得ない。

この種の無線センサ装置において、形状的な制約がなければ、アンテナパターン長を１／４波長に合わせ、低損失で、輻射効率のよいアンテナ構造を、容易に実現することができよう。しかし、実際には、この種の無線センサ装置には、形状小型化の強い要請があり、１／４波長の理想的なアンテナ構造を採用し得ない状況にある。

このような状況のもとでは、いかにして、アンテナを低損失化し、電磁界の輻射効率を向上させるかが重大な課題になるところ、このような課題の解決に有効な技術は未だ知られていない。

また、従来の無線センサ送信装置においては、電源を商用電源（ＡＣ電源）に求める構成をとることが一般的であったから、電源の確保について設置環境に制約を受けることとなり、電源をとれる範囲の環境でしか設置することができなかった。

電源を電池に求める構成をとれば、上述した設置上の問題は一応解決できるようにも思える。

しかし、無線センサ送信装置を電池駆動とした場合、無線センサ装置自身の形状小型化の要請と、消費電流の低減化の要請とを共に実現することは技術的に困難である。

なぜなら、小型化、薄型化、及び、軽量化の要請からアンテナの形状を小型化した場合、無線センサ送信装置に必要とされる消費電流が増加することとなり、無線センサ送信装置を電池駆動とした場合は、電池寿命が、半年〜１年間という短期間で終了してしまう不都合を生じてしまうからである。

大型の電池を用いた場合は、上述した不都合は解消できようが、小型化、薄型化、及び、軽量化の本来的要請に充分に応えることができなくなる。
特開２００２−１４０７２公報

本発明の課題は、小型化を図りながら、第２のアンテナ部の低損失化及び電磁輻射効率向上を図った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、電池寿命及び連続動作時間をより長時間に渡って確保することができる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は、回路基板と、センサ部と、信号処理部と、送信回路部と、第１のアンテナ部と、第２のアンテナ部とを含む。前記回路基板は、一面に前記センサ部と、前記信号処理部と、前記送信回路部とを有している。

前記センサ部は、物理量を検出するものであり、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。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送信する。

前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部と前記送信回路との間に電気的に接続され、両者間のインピーダンスを整合させる。前記第２のアンテナ部は、電波を放射する。

上述したように、本発明に係る無線センサ送信装置は、回路基板と、センサ部と、信号処理部と、送信回路部と、第２のアンテナ部とを含んでおり、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部に供給し、空中に放射しえるから、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。

本発明は、特徴的構成要素として、第１のアンテナ部を有しており、前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部と前記送信回路部との間に電気的に接続され、両者間のインピーダンスを整合させる。上記構成によれば、高い入力インピーダンスを持つ第２のアンテナ部の入力と、低出カインピーダンスとなっている無線送信部の出力との間で、第１のアンテナ部によりインピーダンス整合をとり、送信回路部から第２のアンテナ部にデータを効率的に入力し、輻射電界を第２のアンテナ部から効率よく放射できる。

しかも、第２のアンテナ部のパターン長を無線周波数の実効波長の１／４波長に合わせることなく、インピーダンス整合をとることができるので、１／４波長の理想的なアンテナ構造を採用し得ない小型の無線センサ送信装置においても、送信回路部から第２のアンテナ部にデータを効率的に入力し、輻射電界を第２のアンテナ部から効率よく放射できる。

第２のアンテナ部から分離して、第１のアンテナ部を設けたことの更に重要な効果として、第２のアンテナ部の製造バラツキ、及び、温度や湿度の変化に起因するアンテナ効率の変動を抑制できる点を挙げることができる。

即ち、第２のアンテナ部を、送信回路部の出カインピーダンスと整合がとれるように、全てヘリカル巻きパターンで構成した場合、基板厚み、基板上に形成されるアンテナ導体パターンの幅、厚みの製造バラツキや、温度や湿度による基板の誘電率の変化に起因して、送信回路部と第２のアンテナ部との間にインピーダンス不整合が生じやすくなり、アンテナ効率もそれに応じて劣化することになる。

これに対して、第２のアンテナ部から分離して、第１のアンテナ部を設けた場合、第２のアンテナ部を支持する基板の厚み、基板上に形成されるアンテナ導体パターンの幅及び厚みの製造バラツキや、温度や湿度による基板の誘電率の変化を最小限度に抑え、アンテナ効率を維持することができる。

前記第２のアンテナ部は、１つの具体的態様として、支持基板とアンテナ導体とを含む。前記支持基板は、電気絶縁材料でなる。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、前記支持基板の厚み方向にある面と平行な方向に巻き進む。

アンテナ導体は、ヘリカル巻に構成されているから、その形状効果により、第２のアンテナ部の全長を著しく短縮できる。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、支持基板の厚み方向にある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、第２のアンテナ部を回路基板に組みあわせることにより、第２のアンテナ部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、電磁ノイズが第２のアンテナ部に乗るのを回避し得る。

更に、第２のアンテナ部は、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、第２のアンテナ部の利得を向上させることができる。

この結果、無線センサ送信装置自身の小型化の要請、及び、消費電流の低減化の要請とを共に実現し、第２のアンテナ部の低損失化、電磁界の輻射効率の向上を達成することができる。即ち、より低い第２のアンテナ部ヘの入力電力で、通信距離を増大させ、反射的に、第２のアンテナ部前段の回路部の消費電力を低減化させ、無線センサ装置全体での消費電流の低減化、ひいては、電池寿命及び連続動作時間の長期化を達成することができる。

１つの態様として、第２のアンテナ部は、複数とし、それぞれを、回路基板の周縁に設けることができる。この構成によれば、送信の指向性を調整することができる。

本発明に係る無線センサ送信装置は、好ましくは、電池を含み、前記電池は、前記センサ部、前記信号処理部及び前記送信回路部に電源を供給する。従って、無線センサ送信装置を新たに設置する場合、及び、設置後に任意の場所に移動する場合には、電源の確保について設置環境に制約を受けることがなくなり、ＡＣ電源のない環境に自由に設置して用いることができる。即ち、設置環境に制約を受けることがない。

前記電池は、好ましくは、前記回路基板の他面に組み付けられている。即ち、回路基板の一面側に、前記センサ部、前記信号処理部及び前記送信回路部を配置し、他面に電池を配置する構造である。したがって、小型、薄型、且、軽量の無線センサ送信装置を実現することができる。

前記電池は、好ましくは、外周が円形状であり、前記回路基板の面内にある。このような構成によれば、全体の平面外形寸法を、電池の外径による影響を受けず、専ら、回路基板の平面積によって定まる形状まで小型化できる。

ところで、無線センサ送信装置を電池駆動とした場合、無線センサ送信装置自身の小型化の要請と、消費電流の低減化の要請とを共に満たすことには技術的困難性を伴う。例えば、小型化、薄型化、及び、軽量化の要請から第２のアンテナ部の形状を小型化した場合、無線センサ送信装置に必要とされる消費電流が増加することとなるから、電池寿命が、半年〜１年間という短期間で終了してしまう不都合を生じてしまいかねない。

勿論、単三電池２本を用いて、３．０Ｖ電源をつくるなど、電池の大容量化、大型化を図れば、電池寿命を長期間に渡って維持することはできるが、反面、小型化、薄型化、及び、軽量化の要請に充分に応えることができなくなる。

さらに、無線センサ送信装置自身の小型化の要請、及び、消費電流の低減化の要請とを共に実現するためには、より低い第２のアンテナ部ヘの入力電力で、通信距離が増大できなければならない。そのためには、第２のアンテナ部の損失を低下させるとともに、電磁界の輻射効率を上げなければならない。

本発明では、第２のアンテナ部は、ヘリカル状とし、支持基板の厚みを開口部の２辺とし、開口部の面積をコントロールすることにより、第２のアンテナ部利得を向上させることができるようにするとともに、これに、第１のアンテナ部を組み合わせ、アンテナ効率を向上させてある。

この結果、無線センサ送信装置自身の小型化の要請、及び、消費電流の低減化の要請とを共に実現し、第２のアンテナ部の低損失化、電磁界の輻射効率の向上を達成することができる。即ち、より低い第２のアンテナ部ヘの入力電力で、通信距離を増大させ、第２のアンテナ部前段の回路部の消費電力を低減化させ、無線センサ装置全体での消費電流の低減化、延いては、電池寿命及び連続動作時間の長期化を達成することができる。

好ましくは、前記第２のアンテナ部は、前記電池の搭載領域外に備えられる。この構成によれば、電池に、高周波電流磁界による渦電流が発生するのを抑制し、アンテナ効率を向上させることができる。

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、前記第２のアンテナ部を通して、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、本発明に係る無線センサ送信装置の電気回路図である。図を参照すると、本発明に係る無線センサ送信装置は、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、アンテナ部６と、電池９１とを含む。

センサ２１〜２ｎ（ｎは個数）は、物理量を検出するものである。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。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。センサ回路３１〜３ｎは、センサ２１〜２ｎによって検出された信号を、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変換し、これを出力する。

信号処理部４は、センサ回路３１、３２から出力される検出信号を処理する。送信回路部５は、信号処理部４から供給される信号を、アンテナ部６に供給する回路である。

アンテナ部６は、第１のアンテナ部６０１と、第２のアンテナ部６０２とを含む。第１のアンテナ部６０１は、第２のアンテナ部６０２と送信回路部５との間に電気的に接続され、両者間のインピーダンスを整合させる。第１のアンテナ部６０１は、この実施例では、キャパシタＣ１１，Ｃ１２と、インダクタＬ１１とにより構成されたＬＣ回路となっている。但し、第１のアンテナ部６０１の回路構成は、図示に限らず、インピーダンス整合に適した種々の回路構成をとることができる。最も単純な場合は、図２に示すように、第１のアンテナ部６０１を、１つのインダクタＬ１２によって構成することができる。第の２のアンテナ部６０２は、電波を空中に放射する。

上述したように、本発明に係る無線センサ送信装置は、センサ２１〜２ｎにより物理量を検出し、センサ２１〜２ｎから、センサ回路３１〜３ｎを経由して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、アンテナ部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、受信装置に向けて、無線送信することができる。

本発明は、特徴的構成要素として、第１のアンテナ部６０１を有しており、第１のアンテナ部６０１は、第２のアンテナ部６０２と送信回路部５との間に電気的に接続され、両者間のインピーダンスを整合させる。

上記構成によれば、高いインピーダンスを持つ第２のアンテナ部６０２の入力と、低出カインピーダンスとなっている送信回路部５の出力との間で、第１のアンテナ部６０１によるインピーダンス整合をとり、送信回路部５から第２のアンテナ部６０２にデータを効率的に入力し、輻射電界を第２のアンテナ部６０２から効率よく放射できる。

しかも、第２のアンテナ部パターン長を無線周波数の実効波長の１／４波長に合わせることなく、インピーダンス整合をとることができるので、１／４波長の理想的なアンテナ構造を採用し得ない小型の無線センサ送信装置においても、送信回路部５から第２のアンテナ部６０２にデータを効率的に入力し、輻射電界を第２のアンテナ部６０２から効率よく放射できる。

図３は図１又は図２に示した無線センサ送信装置の平面図、図４は図３に示した無線センサ送信装置の正面図、図５は図３、図４に示した無線センサ送信装置の部分破断底面図である。図示の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、センサ回路部３１〜３ｎと、信号処理部４と、送信回路部５と、第２のアンテナ部６０２と、第１のアンテナ部６０１と、電池９１とを含む。

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。

図示実施例において、センサ２１〜２ｎ、センサ回路３１、３２、信号処理部４及び送信回路部５は、回路基板１の一面に搭載されている。

第１のアンテナ部６０１は、表面実装タイプの電子部品であり、回路基板１の一面上に組みつけられている。第２のアンテナ部６０２は、回路基板１に組み付けられている。図示実施例において、第２のアンテナ部６０２は、回路基板１の一面上において、その周辺部に設けられている。

グランド電極７は、いわゆる「ベタ塗り」であるが、第２のアンテナ部６０２の位置する部分には形成しない。第２のアンテナ部６０２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。

電池９１は、センサ２１〜２ｎ、信号処理部４及び送信回路部５に電源を供給するものであって、回路基板１の他面、即ち、グランド電極７のある側に組み付けられている。図示の実施例では、電池９１は、外周が円形状のいわゆる「コイン型」であり、外周面が回路基板１の他面において、その外部に出ないように、面内に設けられている。より具体的には、絶縁性合成樹脂などで構成されたホルダ９２の内部に配置されている。ホルダ９２は、一面が、回路基板１の他面に設けられたグランド電極７の面上に接着などの手段によって取り付けられている。ホルダ９２の内部には、電池９１の陽極、電極に接触する端子９３、９４が備えられている。

図示実施例の無線センサ送信装置は、電池９１を含み、電池９１は、センサ２１〜２ｎ、信号処理部４及び送信回路部５に電源を供給する。従って、無線センサ送信装置を新たに設置する場合、及び、設置後に任意の場所に移動する場合には、電源の確保について設置環境に制約を受けることがなくなり、ＡＣ電源のない環境に自由に設置して用いることができる。即ち、設置環境に制約を受けることがない。

電池９１は、回路基板１の他面(グランド電極側)に組み付けられている。即ち、回路基板１の一面側に、センサ２１〜２ｎ、信号処理部４及び送信回路部５を配置し、他面に電池９１を配置する構造である。したがって、小型、薄型、且、軽量の無線センサ送信装置を実現することができる。

電池９１は、好ましくは、外周が円形状であり、回路基板１の面内にある。このような構成によれば、全体の平面外形寸法を、電池９１の外径による影響を受けず、専ら、回路基板１の平面積によって定まる形状まで小型化できる。

ところで、無線センサ送信装置を電池駆動とした場合、無線センサ送信装置自身の小型化の要請と、消費電流の低減化の要請とを共に満たすことは技術的困難性を伴う。例えば、小型化、薄型化、及び、軽量化の要請から第２のアンテナ部６０２の形状を小型化した場合、無線センサ送信装置に必要とされる消費電流が増加することとなるから、電池寿命が、半年〜１年間という短期間で終了してしまいかねない。

勿論、単三電池２本を用いて、３．０Ｖ電源をつくるなど、電池の大容量化、大型化を図れば、電池寿命を長期間に渡って維持することはできるが、反面、小型化、薄型化、及び、軽量化の要請に充分に応えることができなくなる。

さらに、無線センサ送信装置自身の小型化の要請、及び、消費電流の低減化の要請とを共に実現するためには、より低い第２のアンテナ部６０２ヘの入力電力で、通信距離が増大できなければならない。そのためには、第２のアンテナ部６０２の損失を低下させるとともに、電磁界の輻射効率を上げなければならない。

上述した要望に応えるため、図示の第２のアンテナ部６０２は、回路基板１で構成された支持基板と、アンテナ導体６１〜６４とを含む。回路基板１は、電気絶縁材料でなる。アンテナ導体６１〜６４は、全体として、ヘリカル状であって、回路基板１の厚みを開口部の２辺とし、回路基板１の面と平行な一方向に巻き進む。

より具体的には、図６に示すように、第１の導体片６１を、回路基板１の一面に、一方向に所定の間隔で形成するとともに、他面に、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、回路基板１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６１、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、回路基板１の厚み、又は、第２のアンテナ部形成部の面積を大きくすればよいが、第２のアンテナ部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、回路基板１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、第２のアンテナ部６０２としての損失を増大させることなく、形状を小型化できる。

一例として、基板の比誘電率と、第２のアンテナ部の形状の関係を以下に示す。
比誘電率 構成形状(縦×横×厚み)
εr＝４ １８×３×２mm
εr＝２０ ９×３×２mm
εr＝８０ ３×３×２mm
上記のように、第２のアンテナ部の形状は、構成される材料の比誘電率により、小型化することが可能となる。

上述したように、第２のアンテナ部６０２において、アンテナ導体６１〜６４は、ヘリカル巻に構成されているから、その形状効果により、第２のアンテナ部６０２の全長を著しく短縮できる。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、回路基板１の面と平行な一方向に巻き進むから、第２のアンテナ部６０２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。更に、全体を小型化したにもかかわらず、電磁ノイズが第２のアンテナ部６０２に乗るのを回避し得る。

また、第２のアンテナ部６０２は、ヘリカル状であって、回路基板１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、第２のアンテナ部利得を向上させることができる。

本発明では、上記利点を有する第２のアンテナ部６０２に、第１のアンテナ部６０１を組み合わせてあるので、第２のアンテナ部６０２と送信回路部５との間のインピーダンス整合をとり、アンテナ効率を一層向上させることができる。

例えば、送信回路部５の出力インピーダンスが５０Ωに設定され、第２のアンテナ部６０２の入力インピーダンスが１００Ωとなっている場合、第１のアンテナ部６０１の入力インピーダンスを５０Ωに設定し、出力インピーダンスを１００Ωに設定することにより、送信回路部５と第２のアンテナ部６０２との間において、ほぼ完全なインピーダンス整合をとることができる。

つまり、送信回路部５と、第２のアンテナ部６０２との間のインピーダンス整合について、両者間に生じるインピーダンス不整合のうちの半分を、第１のアンテナ部６０１によって補うのである。この為、ヘリカルパターンで構成される第２のアンテナ部６０２に要する面積が、第１のアンテナ部６０１を持たない場合の半分で済むこととなる。

この結果、無線センサ送信装置自身の小型化の要請、及び、消費電流の低減化の要請とを共に実現し、第２のアンテナ部６０２の低損失化、電磁界の輻射効率の向上を達成することができる。即ち、低い第２のアンテナ部６０２ヘの入力電力で、通信距離を増大させ、反射的に、第２のアンテナ部前段の回路部の消費電力を低減化させ、無線センサ装置全体での消費電流の低減化、ひいては、電池寿命及び連続動作時間の長期化を達成することができる。

第１のアンテナ部６０１を、第２のアンテナ部６０２から分離して設けたことの更に重要な効果として、第２のアンテナ部６０２の製造バラツキ、及び、温度や湿度の変化に起因するアンテナ効率の変動を抑制できる点を挙げることができる。製造バラツキ、温度や湿度の変化は、送信回路部５と第２のアンテナ部６０２との間にインピーダンス不整合を生じさせ、送信回路部５の消費電流の増加、電池寿命の劣化をもたらし、無線センサ送信装置としての連続動作時間の減少をもたらす。また、通信距離の劣化をももたらす。

即ち、第２のアンテナ部６０２を、送信回路部５の出カインピーダンスと整合がとれるように、ヘリカル巻きパターンで、すべて構成した場合、基板厚み、基板上に形成されるアンテナ導体パターンの幅、厚みの製造バラツキや、温度や湿度による基板の誘電率の変化に起因して、送信回路部５と第２のアンテナ部６０２との間にインピーダンス不整合が生じやすくなり、アンテナ効率もそれに応じて劣化することになる。

これに対して、第２のアンテナ部６０２から分離して、第１のアンテナ部６０１を設けた本発明によれば、基板厚み、基板上に形成されるアンテナ導体パターンの幅、厚みの製造バラツキや、温度や湿度による基板の誘電率の変化を最小限度に抑え、アンテナ効率を維持することができる。次にこの点について、具体的に説明する。

回路基板１として、比誘電率εr＝４.５のFR-4を用いた場合について、比較例及び実施例における比誘電率の変化率及び無線センサ送信装置の消費電流の一例を以下に示す。

＜比較例＞
第１のアンテナ部６０１を持たず、第２のアンテナ部６０２を、送信回路部５の出カインピーダンスと整合がとれるように、全てヘリカル巻きパターンで構成した。
（１）回路基板１を８５℃の雰囲気中に1000時間保持した場合
εrの変化率＝−１０％程度
初期消費電流＝１.１ｍＡ
１０００時間後の消費電流＝１.３ｍＡ
（２）回路基板１を８５℃、８５％ＲＨの雰囲気中に1000時間保持した場合
εrの変化率＝＋２０％程度
初期消費電流＝1０ｍＡ
１０００時間後の消費電流＝９ｍＡ
上記結果から、仮に、第２のアンテナ部６０２を、送信回路部５の出カインピーダンスと整合がとれるように、ヘリカル巻きパターンで、すべて構成した場合は、温度及び湿度の変化により、無線センサ送信装置のアンテナ効率が大きく変化してしまうことがわかる。

＜実施例＞
（１）回路基板１を８５℃の雰囲気中に1000時間保持した場合
εrの変化率＝−１０％程度（比較例と同じ）
初期消費電流＝１.１ｍＡ
１０００時間後の消費電流＝１.１ｍＡ
（２）回路基板１を８５℃、８５％ＲＨの雰囲気中に1000時間保持した場合
εrの変化率＝＋２０％程度（比較例と同じ）
初期消費電流＝１．１ｍＡ
１０００時間後の消費電流＝１．４ｍＡ
上記結果から明らかなように、第２のアンテナ部を、第２のアンテナ部１６と、第１のアンテナ部６０１とに分けて構成した場合は、温度及び湿度の変化に対する無線センサ送信装置の消費電流の変化が，比較例と比べて、著しく小さくなる。つまり、温度及び湿度の変化にかかわらず、安定したアンテナ効率を確保し得る。

電池寿命は、消費電流の増加に比例して減少し、その減少率は、高温放置では０%、高温高湿放置では、約３０％となる。

図１の実施例では、第２のアンテナ部は、ＬまたはＬＣ回路から構成される第１のアンテナ部６０１と、回路基板１にヘリカル巻きパターンで構成した第２のアンテナ部６０２の２つのブロックから構成される。具体的には、第１のアンテナ部６０１は、１個のインダクタＬ１１と、２個のキャパシタＣ１１，Ｃ１２からなる回路で構成される。このようなＬＣ回路部品としては、1005（１ｍｍ×0.5ｍｍ）又は1608（1.6ｍｍ×0.8ｍｍ）と表示される表面実装部品を用いることができる。この為、設置環境条件や、基板の製造公差等の影響をほとんど受けない。

図２の場合、第１のアンテナ部６０１としては、セラミックブロックに、第２のアンテナ部６０２と同様のヘリカルパターンを形成した表面実装タイプの部品を用いることができる。セラミックブロックの大きさは２ｍｍ程度とすることができ、設置環境条件や基板製造公差による影響は、ほとんど受けない。この為、基板上に形成されるパターンの幅、厚み、また、基板の厚みなどが、製造バラツキにより変化し、第２のアンテナ部６０２の入カインピーダンスが変化した場合でも、第１のアンテナ部６０１による、第２のアンテナ部６０２の入力と送信回路部５の出力インピーダンスとの整合状況は、実質的に影響を受けることはなくなる。基板のεrの経時変化による影響も同様である。

第２のアンテナ部６０２は、電池９１の搭載領域外に備えられる。また、第２のアンテナ部６０２の占有領域内には、第２のアンテナ部６０２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、電磁界の第２のアンテナ部６０２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、第２のアンテナ部利得が向上する。

図７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８は図７に示した無線センサ送信装置の部分断面図、図９は図７及び図８に示した無線センサ送信装置の底面部分破断面図である。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、無線センサ送信装置のための回路基板１から独立させた点にある。第２のアンテナ部６０２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の一面に搭載されている。

この実施例によれば、回路基板１が、第２のアンテナ部６０２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。第２のアンテナ部６０２の搭載されている回路基板１の一面には、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、第２のアンテナ部６０２を回路基板１の一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、第２のアンテナ部利得を向上させることができる。第２のアンテナ部利得は、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１０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１１は図１０に示した無線センサ送信装置の部分断面図である。この実施例では、第２のアンテナ部６０２を、著しく短くしてある。第２のアンテナ部６０２は、アンテナ導体６１〜６４を支持する支持基板６０が、無線センサ送信装置のための回路基板１から独立している。

図１２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１３は図１２に示した無線センサ送信装置の部分断面図、図１４は図１２、図１３に示した無線センサ送信装置の底面図である。この実施例では、第２のアンテナ部６０２を、著しく短くして、無線センサ送信装置のための回路基板１に組みつけてある。

図１５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。この実施例の特徴は、回路基板１の周縁に複数の第２のアンテナ部６０２を備えることである。このような配置構成によると、複数の第２のアンテナ部６０２においてそれぞれのアンテナ導体６１〜６４の長さを調整し、使用する周波数に対応させることができる。第２のアンテナ部６０２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。

図１６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、先に示した図面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１７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、先に示した図面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。

本発明に係る無線センサ送信装置の電気回路図である。 本発明に係る無線センサ送信装置の別の例を示す電気回路図である。 本発明に係る無線センサ送信装置の平面図である。 図３に示した無線センサ送信装置の正面図である。 図３、図４に示した無線センサ送信装置の部分破断底面図である。 第２のアンテナ部の拡大図である。 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７に示した無線センサ送信装置の部分断面図である。 図７、図８に示した無線センサ送信装置の部分破断底面図である。 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。 図１０に示した無線センサ送信装置の部分断面図である。 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。 図１２に示した無線センサ送信装置の部分断面図である。 図１２、図１３に図示した無線センサ送信装置の底面面である。 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。 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 アンテナ部
６０１ 第１のアンテナ部
６０２ 第２のアンテナ部
６０ 支持基板
６１〜６４ アンテナ導体
９１ 電池

Claims (13)

1. 回路基板と、センサ部と、信号処理部と、送信回路部と、アンテナ部とを含む無線センサ送信装置であって、
   前記回路基板は、一面に前記センサ部と、前記信号処理部と、前記送信回路部とを有しており、
   前記センサ部は、物理量を検出するものであり、
   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であり、
   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送信する回路であり、
   前記アンテナ部は、第１のアンテナ部と、第２のアンテナ部とを含み、前記回路基板に組みつけられており、
   前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部と前記送信回路部との間に電気的に接続され、両者間のインピーダンスを整合させるものであり、
   前記第２のアンテナ部は、ヘリカル状のアンテナ導体を有しており、
   前記第１のアンテナ部は、前記第２のアンテナ部の前記アンテナ導体の巻き進む方向で見て、前記第２のアンテナ部の側方に隣接して設けられている、
   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、電池を含んでおり、
   前記電池は、前記回路基板の前記他面に組み付けられ、前記センサ部、前記信号処理部及び前記送信回路部に電源を供給するものであり、
   前記第１のアンテナ部は、前記回路基板を平面視した場合に前記電池の搭載領域外に備えられている、
   無線センサ送信装置。
3. 請求項２に記載された無線センサ送信装置であって、前記第１のアンテナ部は、前記回路基板を平面視した場合に前記電池と重ならない状態で備えられている、無線センサ送信装置。
4. 請求項２又は３に記載された無線センサ送信装置であって、前記第２のアンテナ部は、前記回路基板を平面視した場合に前記電池の搭載領域外に備えられている、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、前記第２のアンテナ部は、前記回路基板を平面視した場合に前記電池と重ならない状態で備えられている、無線センサ送信装置。
6. 請求項２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、前記電池は、外周が円形状であり、前記回路基板の面内にある、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、前記第２のアンテナ部は、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、前記支持基板の厚み方向にある面と平行な方向に巻き進む、
   無線センサ送信装置。
8. 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、前記第２のアンテナ部の前記アンテナ導体は、前記回路基板の厚みを開口部の２辺とし、前記回路基板の面と平行な方向に巻き進む、無線センサ送信装置。
9. 請求項１乃至８の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、前記第２のアンテナ部は、複数であり、前記回路基板の周縁に設けられている、無線センサ送信装置。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、グランド電極を含み、前記グランド電極は、前記回路基板の他面において、前記第２のアンテナ部を除くすべての範囲にベタ状に構成されている、無線センサ送信装置。
11. 請求項１乃至１０の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、前記第１のアンテナ部は、インダクタを含む電子部品で構成されており、前記回路基板の前記一面上に搭載されている、無線センサ送信装置。
12. 請求項１乃至１０の何れかに記載された無線センサ送信装置であって、前記第１のアンテナ部は、インダクタ及びキャパシタを含む電子部品で構成されており、前記回路基板の前記一面上に搭載されている、無線センサ送信装置。
13. 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１２の何れかに記載されたものでなり、
    前記受信装置は、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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