JP4725979B2 - センサタグ、センサタグ装置、受電力回路、センサタグ装置の電力供給方法 - Google Patents

Description

本発明はセンサタグに係り、詳細には電池を持たないパッシブ型のセンサ付き無線タグ装置等に用いられるものでありながら、例えば、イベント発生時にそのイベント発生原因とセンサデータ（イベント検出データ等）及びイベント発生時刻等のイベント情報を内部不揮発メモリに記憶し、質問器からの無線問い合わせに対してそれらの記憶情報を無線返送するセンサタグ装置に係る。

特開２０００−２５８２５４号公報「温度記録デバイス」

物品やコンテナなどに取り付けて次々刻々変化する温度の情報を一定時間毎に測定し、後からそれらの温度履歴を無線通信回線を利用して読み出すことができる装置としてセンサタグ装置がある。

このセンサタグ装置は、多種類広範囲に多くの物や場所に取り付けられると共に簡単に読み取ることができる。従って、ネットワーク接続が可能であれば、センサフュージョンと呼ばれる全く新しい未来のネットワーク社会のインフラストラクチャを実現する要素技術になると考えられる。

現時点においては、電池を持ったアクティブ型のセンサタグ装置や、履歴機能を持たずに数１０ｃｍ程度の近距離で利用するパッシブ型のセンサタグ装置の研究開発が主に進められている。

そこで、電池を不要としたパッシブ型で且つ履歴機能を有し、しかも、１０ｍ以上離れた位置からでも読み取りが可能なセンサタグ装置が実現できれば、その応用範囲はさらに広がると考えられる。尚、このような読み取りには、質問器が使用される。

例えば、食品や一部工業製品で環境温度変化の履歴や光・振動等の履歴を後で確認したい場合も有るし、建物や大型構造物で地震等の後にそれらが受けた負荷（歪や加速度）等の履歴を後で確認したいといった場合がある。尚、以下、このような業界毎に異なる監視対象・履歴対象といった各種条件をイベントと称する。

このように電池交換等のメンテナンスの必要がないセンサタグ装置を多種類広範囲に、しかも多く配備することによって、イベントデータを複合的・統合的に解析する新たな情報システムや安全管理システムの構築が可能となる。

図５は、上述した特許文献１に開示の従来型のセンサタグ装置を示し、センサタグ装置のブロック構成図である。
サーミスタ５０３は内部のブリッジに接続され、その出力温度信号はＡＤ変換器５１１でデジタル情報に変換される。この動作は間欠的に行われ、その出力情報は不揮発性メモリ５１２に格納される。温度の記録間隔は外部指令で設定される。これらの動作はマイクロコンピュータ５１５により制御されまた必要な演算が施される。またその動作電源は電源回路５１４から電源（１）と記した供給路５１７により供給される。この間に必要なクロックは発振回路５１６から常時供給されている。

上記のセンサタグ装置において、温度の測定記録をする短い期間は内部の測定記録回路が電池５０４の電源から動作するが、その間の休止期間には時計回路と監視回路など最小限の回路のみ動作し、電池の消耗を節約する。

今、このデバイスを外部から制御しまた情報を読み出すときは、外部のリーダライタからコイル５０１にデジタル信号により変調された高周波電流を流す。コイル５０２はこれに感応してデジタル情報を復調しこれをマイクロコンピュータ５１５に伝える。同時にコイル５０２に誘起された高周波起電力は整流平滑されて電源となり電源（２）と記した供給路５１８を通じてメモリ５１２、マイクロコンピュータ５１５に供給される。上記の動作により初期設定、読み取り開始などをデバイス側に指令することができる。尚、図５中の点線の矢印５１９などは情報の流れを示す。

次にデバイス側から外部に情報を返すときはマイクロコンピュータ５１５の指示によりメモリから情報が読み出され、整流・復調・変調回路５１３で高周波に変調されて外部に伝えられる。この変調方式はコイル５０１を通じて外部から供給される高周波を変調する方式のため、内部の電力を必要とせず、電池５０４の消耗を避けることができる。

尚、コイル５０１を通じて外部から供給される高周波を変調するかわりに、内部で発振した高周波を変調して用いれば、リーダライタ（質問器）との距離を大きく取ることができる。ただし、この場合、発振電力は電池５０４から供給されるので、電池の消耗量は多くなる。

ところで、このような構成では、一次電池又は二次電池５０４を内蔵したアクティブ型であり、電磁誘導による給電及び通信を行うために、以下に示すような欠点があった。

（１）常時内部タイマ回路を動作させる必要があり、常時電力を消費して定期的に電池交換又は充電が必要であった。
（２）電磁誘導による充電及び通信を行うために数１０ｃｍ程度の近距離間でセンサタグ装置と質問器との無線通信を行う必要があった。

そこで、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池交換等のメンテナンスの必要がなく、かつ、１０ｍ以上離れた位置からでも読み取りが可能なセンサタグ装置の実現を目的としている。

請求項１に記載のセンサタグは、送受信アンテナと受電力回路及びマイクロプロセッサを内蔵して電波による双方向通信を可能とした受電力回路に、スタブ共振ＲＦ昇圧回路とラダー昇圧整流回路とを組み合わせたことを特徴とする。
すなわち、従来方式では電池を使ってタイマ回路を動作させて時間の計測を行うのに対して、本発明では電池を用いないで時定数回路の放電現象を利用して時間の計測を行うこととした。

請求項２に記載のセンサタグは、前記送受信アンテナに２分割マイクロストリップアンテナが用いられていることを特徴とする。
また、従来方式では電磁誘導による充電及び通信を行うのに対して、本発明では２分割マイクロストリップアンテナとスタブ共振器及びラダー昇圧整流方式を組み合わせた回路にＡＳＫ復調回路とチャージポンプ及びリセット回路を追加した電波による受電及び通信方式を採用した。

請求項３に記載のセンサタグは、前記２分割マイクロストリップアンテナは、そのストリップ導体の分割位置が該ストリップ導体の長さ中心からずれていることを特徴とする。

請求項４に記載のセンサタグは、前記ラダー昇圧整流回路の途中段から信号を取り出してＡＳＫ復調回路として受電力回路の一部を利用することを特徴とする。

請求項５に記載のセンサタグは、前記ＡＳＫ復調回路からの出力信号を利用して、前記ラダー昇圧整流回路の最終段の出力電圧をチャージポンプ回路を用いて昇圧して前記マイクロプロセッサの電源電圧とすることを特徴とする。

請求項６に記載のセンサタグは、前記チャージポンプ回路の動作と同期して、前記マイクロプロセッサにリセット信号を入力することによって、初期化及び受信シーケンス動作に十分な電力を前記マイクロプロセッサに供給するようにしたことを特徴とする。

請求項７に記載のセンサタグは、前記リセット信号が質問器から周期Ｔで送出されるものとして、前記マイクロプロセッサでは電源ＯＮシーケンス終了後に継続して電源を供給するための出力を有効としてから内部のパワーフラグをリセットし、前記リセット周期Ｔより少し短い時間のタイマ待ちをセットした後に、そのタイマ待ちが終了したときは内部のパワーフラグをセットして電源電圧が前記マイクロプロセッサの安定動作閾値以上であることを検出することを特徴とする。

請求項８に記載のセンサタグは、前記ＡＳＫ復調信号に対して、時定数の長い一次遅れ回路と時定数の短い一次遅れ回路とを用いて、それぞれ、リセット信号とシリアルデータ信号とを取り出して利用することを特徴とする。

請求項９に記載のセンサタグ装置は、１以上の環境変化を利用した発電手段と電源電圧の立ち上がり制御手段及び電源合成手段を有し、環境の変化をイベントとし、そのイベント発生時にマイクロプロセッサに対して電源を供給すると同時にイベントデータを前記マイクロプロセッサに格納することを特徴とする。

請求項１０に記載のセンサタグ装置は、前記マイクロプロセッサからの制御で電荷のチャージが可能な時定数回路を有し、チャージからの経過時間の情報を前記マイクロプロセッサによって読み取ることを特徴とする。

請求項１１に記載のセンサタグ装置は、請求項１乃至請求項８の何れかに記載のセンサタグを備え、１以上の環境変化を利用した発電手段と電源電圧の立ち上がり制御手段及び電源合成手段を有し、環境の変化をイベントとし、そのイベント発生時に前記マイクロプロセッサに対して電源を供給すると同時にイベントデータを送信して前記マイクロプロセッサにイベントデータを格納することを特徴とする。

請求項１２に記載のセンサタグ装置は、前記マイクロプロセッサからの制御で電荷のチャージが可能な時定数回路を有し、チャージからの経過時間の情報を前記マイクロプロセッサによって読み取ることを特徴とする。

請求項１３に記載のセンサタグ装置は、イベント発生時にイベント原因とセンサデータとを質問器キャリア信号に対して無線返送するようにしたことを特徴とする。

請求項１４に記載のセンサタグ装置は、イベント発生時にイベント原因とセンサデータ及び発生時刻の情報をマイクロプロセッサ内部の不揮発メモリに記憶し、質問器からの問い合わせがあったとき、それらの情報を無線返送するようにしたことを特徴とする。

請求項１５に記載のセンサタグ装置は、質問器から書き込み要求があったときタグ内部の時刻情報とセンサ情報をマイクロプロセッサ内部の不揮発メモリに記憶し、質問器からの問い合わせがあったとき、それらの情報を無線返送することを特徴とする。

請求項１６に記載の受電力回路は、スタブ共振器とラダー昇圧整流回路とから構成され、アンテナ給電点と容量性給電インピーダンスを介し接続し、前記アンテナ給電点から供給される入力信号を昇圧整流して外部負荷に電力を供給する回路であり、前記スタブ共振器と、前記容量性給電インピーダンスとを直列共振させ、さらに前記スタブ共振器と、前記ラダー昇圧整流回路からなる容量性負荷インピーダンスとを並列共振させることを特徴とする。

請求項１７に記載の受電力回路は、前記ラダー昇圧整流回路が、複数のダイオードと、複数の接地側コンデンサーと、複数の受電側コンデンサーとからなるコッククロフト・ウォルトン回路において、入力側の第一番目のダイオードを取り除き、さらに前記受電側コンデンサーの容量値を前記接地側コンデンサーの容量値よりも小さくした回路であることを特徴とする。

請求項１８に記載のセンサタグ装置の電力供給方法は、スタブ共振器とラダー昇圧整流回路とを備え、アンテナ給電点と容量性給電インピーダンスとを介して接続すると共に、前記スタブ共振器と前記容量性給電インピーダンスとを直列共振させ且つ前記スタブ共振器と前記ラダー昇圧整流回路からなる容量性負荷インピーダンスとを並列共振させ、前記アンテナ給電点から供給される入力信号を昇圧整流して外部負荷に電力を供給することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、電磁誘導による充電及び通信を行う必要が無いため、無線通信距離を長く確保することができる。

請求項２に記載の発明によれば、送受信アンテナの受信効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、送受信アンテナの受信効率をさらに向上させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、受電回路とＡＳＫ復調回路とを共通化させることができるので、回路構成を簡素化することができとともに、受電した電波エネルギーの利用価値を高めることができる。

請求項５に記載の発明によれば、マイクロプロセッサに汎用品のものを用いることができると共に、低電力で負荷の低い（例えば、１．０Ｖで２μＡすなわち５００ＫΩ程度の負荷）駆動電源であってもマイクロプロセッサの動作をすることができるばかりでなく、低電力化の実現に伴って無線通信距離をさらに拡大することができる。

請求項６に記載の発明によれば、消費最大電力が要求されるタイミングに合わせて、電源電圧を上げると共に出力インピーダンスを下げることによって動作条件を満足させることができる。
例えば、全体動作時間のうち１％の区間だけ１．８Ｖで５０ＫΩの負荷を駆動させる必要があり、残りの９９％の区間は１．０Ｖで５００ＫΩ程度の負荷を駆動させれば良い場合、常に１．８Ｖで５０ＫΩ負荷を駆動する電源を必要とはせず、１．０Ｖで５００ＫΩ負荷を駆動させる電源があれば、１％の区間だけ１．８Ｖで５０ＫΩ負荷を駆動できれば良いこととなる。
これは、電波による微弱な電源供給のみによって動作するパッシブ型の無線タグにとってみれば非常に重要な事項となり、本発明の請求項１乃至請求項３と本請求項を用いることで例えば、２．４５ＧＨｚ帯で利用可能な距離が３ｍ以内であったセンサタグが、３０ｍ程度の距離で利用可能となる。

請求項７に記載の発明によれば、誤動作による不要な応答を減らすことができる。

請求項８に記載の発明によれば、マイクロプロセッサへの入力信号の段階でデータ信号とリセット信号とが分離されているので、マイクロプロセッサが誤動作していても確実にリセット動作ができ、マイクロプロセッサの正常動作を確保することができると共に、タグ動作の一層の安定性が実現できる。

請求項９に記載の発明によれば、アクティブ型センサタグ装置でしかできなかったイベントの検出を電波を受けない状態であっても、パッシブ型のセンサタグで検出することができ、しかも、マイクロプロセッサに対する電源供給を省電力とし得て、無線通信距離を拡大することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、アクティブ型のセンサタグでしかできなかった時間の計測を、電波を受けない状態であってもパッシブ型のセンサタグで実現することができる。

請求項１１に記載の発明によれば、アクティブ型センサタグ装置でしかできなかったイベント発生毎のセンシングデータのロギングが電波を受けない状態でもパッシブ型センサタグ装置で実現することができる。

請求項１２に記載の発明によれば、アクティブ型センサタグ装置でしかできなかったイベント発生時刻の検出をパッシブ型センサタグ装置で実現することができる。

請求項１３に記載の発明によれば、アクティブ型センサタグ装置でしかできなかったリアルタイムのイベント検出とセンシングデータの通知とをパッシブ型センサタグ装置で実現することができる。

請求項１４に記載の発明によれば、アクティブ型センサタグ装置でしかできなかったイベント発生毎のイベントデータのロギングが電波を受けない状態でもパッシブ型のセンサタグ装置で実現することができる。

請求項１５に記載の発明によれば、アクティブ型センサタグ装置でしかできなかった測定要求指令ごとのセンシングデータのロギングがパッシブ型センサタグ装置で実現することができる。

請求項１６に記載の発明によれば、少ない回路素子で高い出力電圧を負荷に対し供給することができる。例えば、RFIDタグ装置やセンサタグ装置など、アンテナから受信した微弱な信号をもとに高い電圧の給電を行う必要がある装置に本発明の受電力回路を用いる場合、高電圧給電、電力変換効率向上に効果を奏することができる。また、共振回路のＬとしてスタブ共振器を用い、ラダー整流回路の容量性インピーダンスとスタブとを並列共振させることによって高いＱ値を実現し電力変換効率を向上することができる。

請求項１７に記載の発明によれば、入力負荷容量を小さくし、かつ、直流ショートで高周波高インピーダンス受電を可能とすることができる。

請求項１８に記載の発明によれば、アクティブ型のセンサタグ装置でしか実現し得なかったセンサフュージョンをパッシブ型のセンサタブ装置にも実現することができ、しかも、通信距離の拡大を実現することができる。

本発明の実施の形態に係るパッシブ型センサタグ装置のブロック構成図である。 本発明の実施の形態に係るパッシブ型センサタグ装置の基本構成の回路図である。 ドップラー効果を利用した周波数読み取り誤差防止回路の原理図である。 図２のＡ点における質問器からの受信信号波形である。ａ−ｂ間のＵ７のＤ０の波形は、ａ’−ｂ’間に拡大して示してある。 従来のアクティブ型センサタグ装置のブロック構成図である。

符号の説明

１…アンテナ（２分割マイクロストリップアンテナ）
２…変調手段
３…発信器
４…昇圧整流回路・ＡＳＫ復調回路
５…チャージポンプ
６…発電手段Ａ
７…発電手段Ｂ
８…立ち上がり制御回路
９…電源合成回路
１０…時定数回路
１１…センサ
１２…制御回路（マイクロプロセッサ・不揮発メモリ・ＡＤ変換器）
Ｄ１、Ｄ２ バラクタダイオード
Ｄ３〜Ｄ１８ ショットキーバリアダイオード
Ｄ１９〜Ｄ２５ ツェナーダイオード
Ｑ１〜Ｑ３ ＮＰＮトランジスタ
Ｑ４，Ｑ５ ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ
ＲＳ サーミスタ
L1 , L2 ストリップ導体
L3 λ/4ショートスタブ
C1〜C18 コンデンサー
R1〜R25 抵抗器
Ｕ１ 反転論理回路
Ｕ２ 非反転（バッファ）論理回路
Ｕ３ オープンドレイン型反転論理回路
Ｕ４ 論理積反転出力論理回路
Ｕ５ 反転論理回路
Ｕ６ シュミットトリガ型反転論理回路
Ｕ７ マイクロプロセッサ
Ｕ８ 発振回路

図１は本発明の実施の形態に係るパッシブ型センサタグ装置のブロック構成図を示す。
図１において、１はアンテナ（２分割マイクロストリップアンテナ）、２は変調手段、３は発信器、４は昇圧整流回路とＡＳＫ復調回路を含む複合回路、５はチャージポンプ、６は発電手段（Ａ）、７は発電手段（Ｂ）、８は立ち上がり制御回路、９は電源合成回路、１０は時定数回路、１１はセンサ、１２は制御回路（マイクロプロセッサ・不揮発メモリ・ＡＤ変換器を内蔵）である。

本形態に係るセンサタグ装置は、
（１）複数の整流ダイオードと複数のコンデンサーとをラダー接続したコッククロフト・ウォルトン回路と呼ばれる昇圧整流回路（特願２００４−３０４８７６号参照）の一部を利用して、ＡＳＫ復調手段を提供する。
（２）ＡＳＫ復調手段からの出力信号をマイクロプロセッサのリセット及び電源電圧のチャージポンプ回路による昇圧動作用として利用する。
（３）ＡＳＫ復調手段からの出力信号をマイクロプロセッサへのデータ入力用として利用する。
（４）１以上の環境変化（振動、温度、圧力、光など）を利用した発電手段と電源電圧の立ち上がり制御手段及び電源合成手段を有し、環境変化（イベント発生）時にマイクロプロセッサに対して電源の供給とイベント発生原因を知らせる。
（５）マイクロプロセッサの制御で充電を開始する時定数回路を有し、充電経過時間情報をマイクロプロセッサによって読み取る事ができる。

これらにより、本形態に係るセンサタグ装置では、以下機能を実現することができる。
（ア）イベント発生時に、そのイベント発生原因とセンサデータ及びイベント発生時刻等のイベント情報をマイクロプロセッサの内部不揮発メモリに記憶し、質問器からの問い合わせコマンドを受け取ったとき、それらの情報を無線返送することができる。
（イ）イベント発生時にイベント発生原因とセンサデータとイベント発生時刻とを質問器キャリア信号に対して、無線返送することができる。
（ウ）質問器からの書き込みコマンドを受け取ったとき、そのコマンドＩＤコードと共にセンサタグ内部の時刻情報やセンサ情報を内部不揮発メモリに記憶し、質問器からの問い合わせコマンドを受け取ったとき、それらの情報を無線返送することができる。

図２は本発明の実施の形態に係るパッシブ型センサタグ装置の基本構成の回路図を示し、図１に示したブロック構成図をより詳細にしたものである。以下、この図２に基づいて本形態に係るセンサタグ装置を具体的に説明する。

Ｌ１及びＬ２はストリップ導体であり、バラクタダイオードＤ１及びＤ２で連絡されており、地板導体（ＧＮＤ）と組み合わされて２分割マイクロストリップアンテナを構成する。

Ｌ３はλ／４ショートスタブであり、ショットキーバリアダイオードＤ３，Ｄ４、Ｄ５及びコンデンサーＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４によって昇圧整流回路を構成する。

抵抗Ｒ１，Ｒ２は、バラクタダイオードＤ１，Ｄ２に対してバイアス電圧を印加し、２分割マイクロストリップアンテナの動作特性を変化させる事によって、入射キャリア信号を変調反射させて情報返送するために用いる。

λ／４ショートスタブＬ３、ショットキーバリアダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ５及びコンデンサーＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４によって形成される昇圧整流回路の出力電圧が一定値以上にならないようにツェナーダイオードＤ２０と抵抗Ｒ７とで電圧制限をかけている。コンデンサーＣ５で昇圧整流回路の出力を平滑化し負荷変動による電圧変動を抑制する。

抵抗Ｒ３によってラダー整流回路の途中段の出力電圧を取り出すので、ツェナーダイオードＤ１９で、出力電圧が一定値以上にならないように制限する。また、抵抗Ｒ３によって取り出されたこの出力信号はラダー整流回路の最終段の出力と比較して、電圧値は低く、ラダー整流回路に入力されたＡＳＫ変調信号に対して短い時定数で応答できる。

ショットキーバリアダイオードＤ８はラダー整流回路の途中段から取り出した出力でコンデンサーＣ６を充電するために用いられている。コンデンサーＣ６に蓄電された電荷は論理回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の電源として利用する。抵抗Ｒ４はラダー整流回路の途中段から取り出した出力信号を論理回路Ｕ１に印加して波形整形するとき、ショットキーバリアダイオードＤ８の逆方向リーク電流が入力電圧に影響しないようにする。

反転論理回路Ｕ１の出力はダイオードＤ９、抵抗Ｒ５及びコンデンサーＣ７で構成される２〜３ｍｓの時定数を有するリセット信号検出回路と、ダイオードＤ１０、抵抗Ｒ６及びコンデンサーＣ８で構成される０．２ｍｓ程度の時定数を有するデータ信号検出回路に接続される。リセット信号検出回路の出力信号は非反転論理回路Ｕ２によって波形整形され、データ信号検出回路の出力信号はオープンドレイン型反転論理回路Ｕ３によって波型整形される。

非反転論理回路Ｕ２から出力されるリセット信号は、コンデンサーＣ９、抵抗Ｒ１０，Ｒ１１で構成される微分回路で微分されてＮＰＮトランジスタＱ２を駆動して、マイクロプロセッサＵ７のリセット信号端子（Ｒｅｓｅｔ）入力となる。マイクロプロセッサＵ７のリセット信号端子（Ｒｅｓｅｔ）入力は内部で約１００ｋΩの抵抗によりマイクロプロセッサＵ７の電源端子電圧ＶＤＤにプルアップされている。

非反転論理回路Ｕ２から出力されるリセット信号で抵抗Ｒ８、コンデンサーＣ１０、ダイオードＤ６，Ｄ７を通じて昇圧整流回路の出力電圧（コンデンサーＣ５に充電された電圧）を昇圧してコンデンサーＣ１１を充電する。リセット信号でコンデンサーＣ１１を充電すると、コンデンサーＣ５に充電された電圧の約１．５倍までコンデンサーＣ１１の電圧は昇圧できる。

Ｃ１１に充電された電荷は、論理回路Ｕ４，Ｕ５の電源となるとともに、論理積反転出力論理回路Ｕ４及びダイオードＤ１１を経由してコンデンサーＣ１２を充電して、マイクロプロセッサＵ７及び発振回路Ｕ８にも電源供給する。

ここで、論理積反転出力論理回路Ｕ４の動作は、非反転論理回路Ｕ２からリセット信号が出力されている期間、抵抗Ｒ９，Ｒ１２及びＮＰＮトランジスタＱ１によって一方の入力がＬｏｗレベルになるか、マイクロプロセッサＵ７が動作して電源ＯＮ状態を識別し、パワーオン出力端子（ＰＯＮ）にＨｉｇｈレベルを出力して反転論理回路Ｕ５によってＬｏｗレベルに変換されてもう一方の入力がＬｏｗレベルになるとダイオードＤ１１を経由してマイクロプロセッサＵ７及び発振回路Ｕ８に電源供給する。このような仕組みを取る理由は、マイクロプロセッサＵ７及び発振回路Ｕ８がもし動作に不十分な電源電圧条件下において、リセット動作又は電源ＯＮのシーケンスを実行しようとすると比較的大きな電流が連続して流れ、コンデンサーＣ５にチャージされた電荷を無駄に消費してしまうことを防止するためである。リセット及び電源ＯＮのシーケンス終了後マイクロプロセッサＵ７の動作閾値電源電圧及び消費電流は減少する。

なお、マイクロプロセッサＵ７のパワーオン出力端子（ＰＯＮ）はトライステート（Ｈｉｇｈ、Ｌｏｗ、高インピーダンス）を取るので、電源ＯＮシーケンスが終了するまで高インピーダンス状態となり、電源ＯＮシーケンスの期間に論理が確定しないことを防止する目的で反転論理回路Ｕ５の入力をＬｏｗレベルに確定させるために抵抗Ｒ１３を挿入した。また、抵抗Ｒ１４は、オープンドレイン型反転論理回路Ｕ３のデータ信号出力レベルをマイクロプロセッサＵ７の動作信号レベルに合わせるためのプルアップ抵抗である。オープンドレイン型反転論理回路Ｕ３のデータ信号出力がマイクロプロセッサＵ７のデータ入力端子（ＤＩＮ）に入力される。

発電手段Ａ，Ｂは、１以上の環境変化（例えば、振動・熱・光・圧力等）によって発電する発電手段（ピエゾ素子・ペルチェ素子・ソーラセル・マイクロ発電機（機械動力を受けて電力を発生する電気機械で、極めて小型のもの））などである。発電手段Ａの出力はダイオードＤ１５、抵抗Ｒ１８を経由してコンデンサーＣ１３を充電する。発電手段Ｂの出力はダイオードＤ１６、抵抗Ｒ１９を経由してコンデンサーＣ１４を充電する。ツェナーダイオードＤ２２，Ｄ２３はコンデンサーＣ１３或いはコンデンサーＣ１４に充電された電荷によって形成される電圧がそれぞれ一定値を越えないように挿入している。

コンデンサーＣ１３，Ｃ１４の電荷によって形成される電圧はダイオードＤ１３，Ｄ１４を経由して合成されることによってシュミットトリガ型反転論理回路Ｕ６の電源となる。また、この電圧は抵抗Ｒ１７を経由してＮＰＮトランジスタＱ３のコレクタに接続され、抵抗Ｒ１５、ツェナーダイオードＤ２１及び抵抗Ｒ１６によってＮＰＮトランジスタＱ３のベースにも接続される。

ツェナーダイオードＤ２１はシュミットトリガ型反転論理回路Ｕ６の電源電圧が一定値以上になったときにＮＰＮトランジスタＱ３を動作させてシュミットトリガ型反転論理回路Ｕ６の入力をＬｏｗレベルとする。その結果、シュミットトリガ型反転論理回路Ｕ６の出力端子がＨｉｇｈになり、ダイオードＤ１２を経由してマイクロプロセッサＵ７及び発振回路Ｕ８の電源端子ＶＤＤに電力を供給する。すなわち、無線タグアンテナからの高周波電力供給が十分でない場合或いは全く無い場合であっても、発電手段Ａ又は発電手段Ｂが環境条件によってセンサタグ装置内の回路を動作させる電力を供給することができ、センサタグ装置によるイベントの発生を記録することが可能となる。

抵抗Ｒ２０及びＲ２１は発電手段Ａ，Ｂの出力状態をマイクロプロセッサＵ７のＣＡ及びＣＢ入力端子に連絡する。ダイオードＤ１７，Ｄ１８はマイクロプロセッサＵ７の動作レベルを越える電圧がＣＡ及びＣＢに入力されないように防止する目的で利用されている。

マイクロプロセッサＵ７は電源ＯＮシーケンス終了後に入力端子ＣＡ及びＣＢの入力状態を確認しイベント発生原因を特定するとともに、アナログ信号入力端子ＡＤ１，ＡＤ２入力の電圧値を計測してマイクロプロセッサＵ７内の不揮発メモリにデジタルデータを記録する。

マイクロプロセッサＵ７の出力端子ＶＯは３ステートを取り、質問器から受け取った時定数回路チャージ命令（マイクロプロセッサＵ７のＤＩＮ端子から入力される）期間中のみＨｉｇｈレベルとし、それ以外の条件では高インピーダンス状態となる。マイクロプロセッサＵ７の出力端子ＶＯは、抵抗Ｒ２２を経由してコンデンサーＣ１５をチャージする。ツェナーダイオードＤ２４によってコンデンサーＣ１５の充電電圧が一定値以上になることを防止している。

コンデンサーＣ１５の電圧はツェナーダイオードＤ２４の微少リーク電流によって長い時間をかけて徐々に低下する。コンデンサーＣ１５の電圧変化をアナログ入力端子ＡＤ１の入力電圧レベルを測定すれば、時間の経過が計測できる。

アナログ入力端子ＡＤ１，ＡＤ２の電圧値を計測するとき、マイクロプロセッサＵ７は出力端子ＶＰＯをＨｉｇｈレベルとし、抵抗Ｒ２３を経由してツェナーダイオードＤ２５に一定電圧を発生させる。ツェナーダイオードＤ２５の電圧はマイクロプロセッサＵ７の基準電圧入力端子ＶＲＥＦに入力されて、アナログデジタル（ＡＤ）変換器の基準電圧となる。コンデンサーＣ１７は基準電圧入力端子ＶＲＥＦがノイズの影響を受けるのを防止する目的で挿入する。

また、出力端子ＶＰＯはＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱ４のドレインに接続されＣ１５の電圧をソースフォロアで抵抗Ｒ２４にモニタしＡＤ１入力となる。コンデンサーＣ１６はノイズの影響を防止する目的で利用する。また、ＶＰＯはＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱ５のドレインにも接続され、ツェナーダイオードＤ２５に発生した電圧をソースフォロアで抵抗Ｒ２５及びサーミスタ素子ＲＳに供給する。アナログ入力端子ＡＤ２には、抵抗Ｒ２５とサーミスタ素子ＲＳによって分圧された電圧ＶＳが供給される。タグの温度はサーミスタ素子ＲＳの抵抗変化をアナログ入力端子ＡＤ２の入力電圧を計測して知ることができる。なお、ノイズの影響を防止する目的でコンデンサーＣ１８をアナログ入力端子ＡＤ２に挿入する。

発振回路Ｕ８は一定周波数で発振する。マイクロプロセッサＵ７の出力端子ＤＯによって発振回路Ｕ８の出力端子ＯＵＴの信号出力を制御する。すなわち、マイクロプロセッサＵ７の出力端子ＤＯの出力信号によって発振回路Ｕ８の発振出力（返送情報のキャリアになる）をＡＳＫ変調する。発振器Ｕ８の出力端子ＯＵＴは抵抗Ｒ２を経由して無線タグアンテナのバラクタダイオードＤ１，Ｄ２にバイアス電圧を印加して、バラクタダイオードＤ１及びＤ２に接続された無線タグアンテナの動作条件を周期的に変化するので、返送信号（入射電磁波の変調反射波）を発生させる。

ここで、昇圧整流回路としてコッククロフト・ウォルトン回路を用いた場合、複数の整流ダイオードとコンデンサーをラダー接続することによって振幅Ｖｉの正弦波信号をＶｉより高い直流電圧Ｋ（Ｖｉ−ｌｊ）［Ｋはラダー段数、ｌｊはダイオードの順方向降下電圧］に整流出力することができる。ただし、この回路を高周波帯（例えば２．４５ＧＨｚ）で使用しようとした場合、各ダイオードの接合容量が入力負荷になるため、入力インピーダンスが非常に低くなり出力電圧は低下する。

本発明の昇圧整流回路において、Ｎλｇ／４ショートスタブ（λｇは伝送路の実効波長−Ｎは奇数で１または３を用いる）はλｇ付近の入力信号に対して高周波帯において高いＱ値を有するインダクタンス等価インピーダンスとすることができる。ラダー昇圧部が容量性負荷であっても並列共振動作してインダクティブインピーダンスを保つことができる。

なお、図２に示した回路では発電手段Ａ，Ｂを用いる例を説明したが、必要に応じて、発電手段は増減しても良い。また、その発電手段の種類は製品としての使用目的等に応じたものが使用される。

また、以上で説明した図２の素子の種類・数や回路定数（抵抗、コンデンサー等）は発明者等が本発明のセンサタグ装置の試作で使用した一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。この際、使用されるＵ１〜Ｕ７の数や種類・機能など、その動作環境によってコンデンサーＣの蓄電容量は適宜設定されるものである。

さらに、発振回路Ｕ８に温度や圧力によって発振周波数が変化する発振素子を用いることにより、リアルタイムモニタリングを行うようにすることもできる。

この際、発振回路Ｕ８に代えて、図３に示すような温度や圧力によって発振周波数が変化する発振回路３１の出力信号（周波数ｆｓ）と固定周波数の発振回路３２の出力信号（周波数ｆｃ）を混合した信号を出力させるようにした発振器３０を用いることにより、ドップラー効果による読み取り誤差を防止することもできる。

ここで、ｆoを質問器からのキャリア周波数、ｆｄをドップラー周波数とする。ただし
、ｆｏ>>ｆｃ，ｆｓとする。

質問器では、例えば、
ｆｏ＋ｆｃ＋ｆｓ＋ｆｄ・・・（式１）
及び
ｆｏ＋ｆｃ−ｆｓ＋ｆｄ・・・(式２）
を受信する。
そうすれば、（式１）−（式２）＝２ｆｓにより、発振回路３１の出力信号ｆｓが取り出せる。
また、
ｆｏ−ｆｃ−ｆｓ＋ｆｄ・・・（式３）
及び
ｆｏ−ｆｃ＋ｆｓ＋ｆｄ・・・（式４）
も受信することができる。
（式１）−（式４）＝２ｆｃ
（式１）＋（式３）＝２（ｆｏ＋ｆｄ）
よって、ｆｓ，ｆｃ，ｆｄの計測が可能となる。

ところで、本形態に係るセンサタグ装置においては、図４に示すように、以下に示すアンチコリジョンプロトコルを利用することもできる。

（目的）
複数の無線タグを同時に検出するための無線タグ用質問器と応答無線タグ及びこれらの通信プロトコルを提供する。以下、アンチコリジョンの方法、タグの起動方法及び動作限界条件の検出方法を以下に説明する。

（動作概要）
（１）質問器は約１００ｍｓごとにタグリセット信号（起動にも使用）と問い合わせＩ
Ｄコードを送信する。
（２）質問器からのタグリセット信号は２〜３ｍｓの“０”出力（キャリア停止）とし、タグが起動中の場合はリセット同期タイミング（問い合わせＩＤコード受信準備）を与え、非起動時にはパワーオン・リセット動作を与える。
（３）タグがパワーオン・リセット動作した後にパワーフラグをリセットし、１００ｍｓ弱のタイマ待ちの後、パワーフラグをセットする（電源電圧のチェック＜クロック誤差１０％以内＞）。
（４）パワーフラグがセットされた状態でリセット動作を行った場合は、約１ｍｓの質問器出力“０”の受信を待つ（ＩＤコードＳｔａｒｔ ｂｉｔ）。
（５）ＩＤコードＳｔａｒｔ ｂｉｔ受信後、約１．２ｍｓ間隔で受信される０．４ｍｓ幅のＩＤコードｂｉｔを記録する。受信するＩＤコードのビット数Ｎは０〜２４の範囲とする。ＩＤコードの終り部分には約１ｍｓの質問器出力“０”を受信するものとする（ＩＤコードＳｔｏｐ ｂｉｔ）。
（６）問い合わせＩＤコードは最大で２４ｂｉｔとするが、５ｂｉｔごとにリタイミング用の“０”ｂｉｔを入れる為、実質２０ｂｉｔに相当するものとする。リタイミングｂｉｔ位置ではマイクロプロセッサのクロック誤差の修正の為の再同期を行う。
（７）問い合わせＩＤコードは上位ｂｉｔから送信され２４ｂｉｔに足りない分はＭａｓｋ ｂｉｔ“Ｍ”とする。
（８）ＩＤコードＳｔｏｐ ｂｉｔ受信後、タグＩＤと問い合わせＩＤコードが一致したとき（Ｍａｓｋ ｂｉｔを含む）、以下のタイミングでバースト・サブキャリア又はデータを返送する。
幅 ７５／２ｍ （ｍｓ）
遅延 ７５／２ｍ×ｋ＋ｘ（ｍｓ）
ただし、ｍ≦Ｍとし、ｍの最大値は６ｂｉｔとする。
尚、ｋはタグＩＤコードの下位ｍ（ｂｉｔ）の数値とし（ただし、ｍ＝０のときｋ＝０とする）、ｘは固定値とする。
（９）質問器は問い合わせＩＤコードと返送信号のタイミングの情報を利用してタグＩＤをサーチすることができる。また、タグ位置を検出する場合は、Ｍ＝０として７５ｍｓのバースト返送信号を利用して、複数の受信アンテナ間での遅延時間差を特定することによって双曲線探査を行うことができる。

このように、スタブ共振によるインピーダンス変換昇圧方式とラダー昇圧方式を組み合わせた回路を採用することにより、従来方式の５倍以上の受信電圧を得ることができる。

本発明のセンサタグ装置は、電池を持たないパッシブ型のセンサ付き無線タグ装置として利用され、無線通信距離を長く確保して 2.45GHz帯で３０ｍ程度の距離で利用可能となること、およびマイクロプロセッサに対する電源供給を省電力とし、電波を受けない状態であっても常時イベントデータをセンサタグで検出することが可能となることから、例えば、イベント発生時にそのイベント発生原因とセンサデータ（イベント検出データ等）及びイベント発生時刻等のイベント情報を内部不揮発メモリに記憶し、質問器からの無線問い合わせに対してそれらの記憶情報を無線返送することが可能となる。したがって例えば、食品や一部工業製品で環境温度変化の履歴や光・振動等の履歴を後で確認したい場合、または建物や大型構造物で地震等の後にそれらが受けた負荷（歪や加速度）等の履歴を後で確認したい場合などに、監視対象や履歴対象といった各種条件をイベントとして扱うことにより本発明のセンサタグ装置を利用することができる。
さらに、電池交換等のメンテナンスの必要がない本発明のセンサタグ装置を多種類広範囲に、しかも多く配備することによって、イベントデータを複合的・統合的に解析する新たな情報システムや安全管理システムの構築に利用することができる。

Claims (18)

1. 送受信アンテナと受電力回路及びマイクロプロセッサを内蔵して電波による双方向通信を可能とした受電力回路に、スタブ共振ＲＦ昇圧回路とラダー昇圧整流回路とを組み合わせたことを特徴とするセンサタグ。
2. 前記送受信アンテナに２分割マイクロストリップアンテナが用いられていることを特徴とするセンサタグ。
3. 前記２分割マイクロストリップアンテナは、そのストリップ導体の分割位置が該ストリップ導体の長さ中心からずれていることを特徴とする請求項２に記載のセンサタグ。
4. 前記ラダー昇圧整流回路の途中段から信号を取り出してＡＳＫ復調回路として受電力回路の一部を利用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサタグ。
5. 前記ＡＳＫ復調回路からの出力信号を利用して、前記ラダー昇圧整流回路の最終段の出力電圧をチャージポンプ回路を用いて昇圧して前記マイクロプロセッサの電源電圧とすることを特徴とする請求項４に記載のセンサタグ。
6. 前記チャージポンプ回路の動作と同期して、前記マイクロプロセッサにリセット信号を入力することによって、初期化及び受信シーケンス動作に十分な電力を前記マイクロプロセッサに供給するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のセンサタグ。
7. 前記リセット信号が質問器から周期Ｔで送出されるものとして、前記マイクロプロセッサでは電源ＯＮシーケンス終了後に継続して電源を供給するための出力を有効としてから内部のパワーフラグをリセットし、前記リセット周期Ｔより少し短い時間のタイマ待ちをセットした後に、そのタイマ待ちが終了したときは内部のパワーフラグをセットして電源電圧が前記マイクロプロセッサの安定動作閾値以上であることを検出することを特徴とする請求項６に記載のセンサタグ。
8. 前記ＡＳＫ復調信号に対して、時定数の長い一次遅れ回路と時定数の短い一次遅れ回路とを用いて、それぞれ、リセット信号とシリアルデータ信号とを取り出して利用することを特徴とする請求項７に記載のセンサタグ。
9. １以上の環境変化を利用した発電手段と電源電圧の立ち上がり制御手段及び電源合成手段を有し、環境の変化をイベントとし、そのイベント発生時にマイクロプロセッサに対して電源を供給すると同時にイベントデータを前記マイクロプロセッサに格納することを特徴とするセンサタグ装置。
10. 前記マイクロプロセッサからの制御で電荷のチャージが可能な時定数回路を有し、チャージからの経過時間の情報を前記マイクロプロセッサによって読み取ることを特徴とする請求項９に記載のセンサタグ装置。
11. 請求項１乃至請求項８の何れかに記載のセンサタグを備え、１以上の環境変化を利用した発電手段と電源電圧の立ち上がり制御手段及び電源合成手段を有し、環境の変化をイベントとし、そのイベント発生時に前記マイクロプロセッサに対して電源を供給すると同時にイベントデータを送信して前記マイクロプロセッサにイベントデータを格納することを特徴とするセンサタグ装置。
12. 前記マイクロプロセッサからの制御で電荷のチャージが可能な時定数回路を有し、チャージからの経過時間の情報を前記マイクロプロセッサによって読み取ることを特徴とする請求項１１に記載のセンサタグ装置。
13. イベント発生時にイベント原因とセンサデータとを質問器キャリア信号に対して無線返送するようにしたことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のセンサタグ装置。
14. イベント発生時にイベント原因とセンサデータ及び発生時刻の情報をマイクロプロセッサ内部の不揮発メモリに記憶し、質問器からの問い合わせがあったとき、それらの情報を無線返送するようにしたことを特徴とする請求項１１乃至請求項１３の何れか１項に記載のセンサタグ装置。
15. 質問器から書き込み要求があったときタグ内部の時刻情報とセンサ情報をマイクロプロセッサ内部の不揮発メモリに記憶し、質問器からの問い合わせがあったとき、それらの情報を無線返送することを特徴とする請求項１１乃至請求項１４の何れか１項に記載のセンサタグ装置。
16. スタブ共振器とラダー昇圧整流回路とから構成され、アンテナ給電点と容量性給電インピーダンスを介し接続し、前記アンテナ給電点から供給される入力信号を昇圧整流して外部負荷に電力を供給する回路であり、前記スタブ共振器と、前記容量性給電インピーダンスとを直列共振させ、さらに前記スタブ共振器と、前記ラダー昇圧整流回路からなる容量性負荷インピーダンスとを並列共振させることを特徴とする受電力回路。
17. 前記ラダー昇圧整流回路が、複数のダイオードと、複数の接地側コンデンサーと、複数の受電側コンデンサーとからなるコッククロフト・ウォルトン回路において、入力側の第一番目のダイオードを取り除き、さらに前記受電側コンデンサーの容量値を前記接地側コンデンサーの容量値よりも小さくした回路であることを特徴とする請求項１６に記載の受電力回路。
18. スタブ共振器とラダー昇圧整流回路とを備え、アンテナ給電点と容量性給電インピーダンスとを介して接続すると共に、前記スタブ共振器と前記容量性給電インピーダンスとを直列共振させ且つ前記スタブ共振器と前記ラダー昇圧整流回路からなる容量性負荷インピーダンスとを並列共振させ、前記アンテナ給電点から供給される入力信号を昇圧整流して外部負荷に電力を供給することを特徴とするセンサタグ装置の電力供給方法。

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