特許 7336600 センサ通信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-23

(45)【発行日】2023-08-31

(54)【発明の名称】センサ通信装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 1/12 20060101AFI20230824BHJP

   H05K 1/14 20060101ALI20230824BHJP

   H05K 3/36 20060101ALI20230824BHJP

   G08C 17/00 20060101ALI20230824BHJP

   G08C 19/00 20060101ALI20230824BHJP

【ＦＩ】

H01Q1/12 Z

H05K1/14 F

H05K3/36 Z

G08C17/00 Z

G08C19/00 301F

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022540067

(86)(22)【出願日】2021-06-23

(86)【国際出願番号】 JP2021023718

(87)【国際公開番号】W WO2022024599

(87)【国際公開日】2022-02-03

【審査請求日】2022-11-30

(31)【優先権主張番号】P 2020126765

(32)【優先日】2020-07-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】中野 雅行

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 正人

(72)【発明者】

【氏名】清水 智之

(72)【発明者】

【氏名】池本 哲也

(72)【発明者】

【氏名】吉江 智寿

【審査官】佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１２１２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６３４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０１３２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－５３０７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１７１３８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１０８５９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １／１０－ １／５２

Ｈ０１Ｑ ７／００－ ９／４６

Ｈ０５Ｋ １／１４

Ｈ０５Ｋ ３／３６

Ｇ０８Ｃ １７／００

Ｇ０８Ｃ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基板と、
前記第１基板の第１平面に対してコイン電池が平行にならないように、前記第１基板の前記第１平面に配置された電池ホルダとを備えた、通信機能を有するセンサ通信装置。

【請求項2】

前記第１基板の前記第１平面の裏面に対向して配置された第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板とを支持するスペーサと、
前記第１基板と前記第２基板との間で、前記第２基板の第２平面に搭載された発信機と、をさらに備える、請求項１に記載のセンサ通信装置。

【請求項3】

前記第１基板と前記第２基板とが５ｍｍ以上の距離を持つように配置された、請求項２に記載のセンサ通信装置。

【請求項4】

前記第１基板の前記第１平面に配置された発信機をさらに備えた、請求項１に記載のセンサ通信装置。

【請求項5】

前記発信機は、通信用アンテナを含み、
前記通信用アンテナは、前記電池ホルダに前記コイン電池が搭載された状態の前記第１基板の鉛直方向に対して、前記コイン電池と重畳しないように配置される、請求項２～４のいずれか１項に記載のセンサ通信装置。

【請求項6】

前記電池ホルダは、前記電池ホルダに前記コイン電池が搭載された状態で、前記通信用アンテナが配置されている方向と異なる方向に前記コイン電池を傾倒させている、請求項５に記載のセンサ通信装置。

【請求項7】

前記電池ホルダに前記コイン電池が搭載された状態で、前記コイン電池の正極端子面と平行な第１仮想直線と、前記第１基板の第１平面に平行な第２仮想直線とのなす角が、３０°以上かつ９０°以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載のセンサ通信装置。

【請求項8】

前記電池ホルダは、
前記第１基板に物理的に固定された土台部と、
前記土台部に設けられ、かつ前記コイン電池が挿入可能であるソケットとを有する、請求項１～７のいずれか１項に記載のセンサ通信装置。

【請求項9】

前記電池ホルダは、前記コイン電池から電力を取り出すための少なくとも２つの端子を備え、
前記２つの端子は、前記第１基板を挿通し、かつ前記第１平面の裏面において互いに電気的に接続されている、請求項１～８のいずれか１項に記載のセンサ通信装置。

【請求項10】

前記第２基板の前記第２平面の裏面の略中央に磁気センサをさらに備える、請求項２に記載のセンサ通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、センサ通信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＩｏＴ（Internet of Things）を活用したソリューションのために、センサ機能および通信機能を備えたセンサ通信装置がありとあらゆる場所に配置されており、将来、トリリオン（１兆）個のセンサ通信装置が配置されると予測されている。そのため、センサ通信装置を配置する位置に制限があることが多く、センサ通信装置の小型化が求められている。特に、センサを動作させるための電池の大きさが、センサ通信装置の小型化および通信電波を遮断する障害の原因になることが知られている。

【0003】

特許文献１に開示される従来技術では、ボタン電池の周側面が通信用のアンテナのエレメントパターンの端部よりも所定の距離離れて、ボタン電池の陰極面が通信用アンテナのエレメントパターンが形成される平面と略同一平面に配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】日本国公開特許公報「特開２００９－１３５６５１号公報」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の技術のように、通信用アンテナのエレメントパターンが形成される平面とボタン電池の陰極面とを略同一に配置したとしても、センサを取り付ける面を省スペース化することができない。

【0006】

本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、電波強度を十分確保しつつ、センサ通信装置を小型化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係る通信機能を有するセンサ通信装置は、前記の課題を解決するために、第１基板と、前記第１基板の第１平面に対してコイン電池が平行にならないように、前記第１基板の前記第１平面に配置された電池ホルダとを備えた構成である。

【発明の効果】

【0008】

本開示の一態様によれば、電波強度を十分確保しつつ、センサ通信装置を小型化することができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の第１の実施の形態に係るセンサ通信装置の構成を示す図である。

【図2】第１の実施の形態に係るセンサ通信装置を内装した角度計ユニットが、直径６０ｍｍの機械式圧力計にも適用可能であることを示す図である。

【図3】第１の実施の形態に係るセンサ通信装置において樹脂が電波強度に及ぼす影響について実験した結果を示す図である。

【図4】第１の実施の形態に係るセンサ通信装置を機械式圧力計に設置したときの断面を示す断面図である。

【図5】第１の実施の形態に係るセンサ通信装置において電池ホルダと第１基板との角度θが３０°～９０°の範囲内の値であれば良いことを示す図である。

【図6】本開示の第２の実施の形態に係るセンサ通信装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

【0011】

＜第１の実施の形態＞
本開示の第１の実施の形態に係るセンサ通信装置１について、図１～図５を参照して説明する。図１は、本開示の第１の実施の形態に係るセンサ通信装置１の構成を示す図である。図１は、センサ通信装置１がどのような構成になっているか、また、どのような電子部品などがセンサ通信装置１に実装されているのかを分かりやすく説明するために、１０１０～１０３０のように複数の方向から眺めた様子を示している。図１の１０１０は、センサ通信装置１をその前面の斜め上から眺めた様子を示す。図１の１０２０は、センサ通信装置１をその前面の手前から眺めた様子を示す。図１の１０３０は、センサ通信装置１をその側面の手前から眺めた様子を示す。

【0012】

本実施の形態に係るセンサ通信装置１は、センサ機能および通信機能を有する装置である。図１に示すように、センサ通信装置１は、主に、第１基板１０１、電池ホルダ１０２、第２基板１０３、コイン電池１０４、キャリブレーション用ボタン１０５、ファームウェア書込み用コネクタ１０６、発信機１０７、コネクタ１１０、およびセンサ１１１を備えている。電池ホルダ１０２およびキャリブレーション用ボタン１０５は、第１基板１０１の第１平面に実装されている。第２基板１０３は、第１基板１０１の第１平面の裏面に対向して配置されている。ファームウェア書込み用コネクタ１０６、発信機１０７、およびセンサ１１１は、第１基板１０１と第２基板１０３との間において、第２基板１０３の第２平面に実装されている。

【0013】

電池ホルダ１０２は、後述する図４に示すように、第１基板１０１に物理的に固定された土台部２２１と、土台部２２１に設けられ、かつコイン電池１０４が挿入可能であるソケット２２２とを有する。ソケット２２２は、コイン電池１０４の挿入口に相当し、かつ、電池ホルダ１０２に挿入されたコイン電池１０４が外れないようにコイン電池１０４をホールドする部分である。

【0014】

電池ホルダ１０２は、コイン電池１０４から電力を取り出すための少なくとも２つの端子１５１および１５２を備える。これらの端子は、第１基板１０１を挿通するスルーホール１５０を介して第１基板１０１の第１平面の裏面にまで延伸しており、かつ第１基板１０１の第１平面の裏面においてはんだ１５３を用いてはんだ付けされることによって互いに電気的に接続されている。例えば、端子１５１は、電池ホルダ１０２のプラス電極であり、端子１５２は、電池ホルダ１０２のマイナス電極である。

【0015】

発信機１０７は、通信デバイス１０８および通信用アンテナ１０９を含む。コネクタ１１０は、第１基板１０１と第２基板１０３とを電気的に接続する。コネクタ１１０は、第１基板１０１と第２基板１０３とを支持するスペーサを兼ねている。

【0016】

第１基板１０１の直径および第２基板１０３の直径は、いずれも２２ｍｍ～２６ｍｍの範囲内の値（推奨は２５ｍｍ）に設計されている。電池ホルダ１０２は、第１基板１０１に対して垂直に設置されている。

【0017】

本実施の形態に係るセンサ通信装置１は、コイン電池１０４から供給される電力を利用して、センサ１１１でセンシングした情報を、発信機１０７によって通信する。これにより、例えば、機械式圧力計の圧力値をセンサで読み取って、その情報を通信するシステムを構築することができる。

【0018】

本実施の形態に係るセンサ通信装置１において、電池ホルダ１０２は、第１基板１０１に対して非平行に設置される。より詳細には、電池ホルダ１０２は、第１基板１０１の第１平面に対してコイン電池１０４が非平行になるように、第１基板１０１の第１平面に配置される。図１では、電池ホルダ１０２は、第１基板１０１に対して略垂直に設置される。さらには、通信用アンテナ１０９は、電池ホルダ１０２にコイン電池１０４が搭載された状態の第１基板１０１の鉛直方向に対して、コイン電池１０４と重畳しないように配置される。これにより、発信機１０７の通信用アンテナ１０９が、金属製のコイン電池１０４から十分遠くに離れているため、センサ通信装置１の通信電波強度を劣化させることなく十分な電波強度を確保することができる。

【0019】

従来の一般的なセンサ通信装置では、センサ通信装置における縦方向の省スペース化を図るために、電池ホルダが第１基板に対して直上に平行に設置される。しかしながら、このような従来構成では、金属製のコイン電池と発信機のアンテナとの距離が短くなるため、電波強度が十分確保できないという課題が生じる。本実施の形態に係るセンサ通信装置１は、電池ホルダ１０２を第１基板１０１に対して非平行（典型的には垂直）に設置することで、この課題を解決したものである。すなわち、本実施の形態に係るセンサ通信装置１は、センサ通信装置１における横方向の省スペース化を図ることによって、センサ通信装置１を小型化することができる。

【0020】

本実施の形態に係るセンサ通信装置１の発信機１０７による通信方式は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）の通信方式を想定している。しかし、ＬＴＥ－Ｍ、ＬｏＲａ、Ｓｉｇｆｏｘ等の他の通信方式でも良く、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈに限定されるものではない。

【0021】

図２は、第１の実施の形態に係るセンサ通信装置１を内装した角度計ユニット２０４が、直径６０ｍｍの機械式圧力計にも適用可能であることを示す図である。本実施の形態に係るセンサ通信装置１では、第１基板１０１の直径および第２基板１０３の直径が、いずれも２２ｍｍ～２６ｍｍ（推奨は２５ｍｍ）に設計されている。この有効性について、図２を参照して説明する。

【0022】

図２の１１１０は、市販の角度計ユニット２０２が設置された、直径１００ｍｍの機械式圧力計２０１を示している。角度計ユニット２０２は、機械式圧力計２０１の圧力値を計測して通信する機能を有している。角度計ユニット２０２は、従来のセンサ通信装置と、これを湿気や粉塵などの外部環境から守るための筐体から構成されている。角度計ユニット２０２は、一般に市販されているものである。

【0023】

図２の１１２０は、角度計ユニット２０２が設置された、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３を示している。図２の１１３０は、角度計ユニットなどが装着されていない機械式圧力計２０３を、比較のために示している。図２の１１４０は、本実施の形態に係るセンサ通信装置１が筐体内に収納されている本実施の形態に係る角度計ユニット２０４が装着された、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３を示している。本実施の形態に係る角度計ユニット２０４の直径は、３０ｍｍに設計されている。その内訳は、第１基板１０１の直径および第２基板１０３の直径がいずれも２５ｍｍであり、角度計ユニット２０４の筐体の片側の厚さが２ｍｍ（片側の公差０．５ｍｍ）である。

【0024】

一般に、機械式圧力計の圧力値をセンサで計測し、かつその情報を通信する角度計ユニットは、電池切れまたは角度計ユニットの故障などが発生した場合も圧力値を把握できるようにするために、目視できることが強く望まれている。しかしながら、図２の１１２０のように、市販の角度計ユニット２０２の直径は４６ｍｍなので、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３の指針を目視では確認できない。したがって、市販の角度計ユニット２０２は、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３の指針の計測には使用できない。一方、図２の１１４０のように、本開示の角度計ユニット２０４は、その直径が３０ｍｍに設計されているため、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３の指針を目視で確認可能となる。

【0025】

図３は、第１の実施の形態に係るセンサ通信装置１において樹脂（評価基板）が電波強度に及ぼす影響について実験した結果を示す図である。評価基板とは、第１基板１０１または第２基板１０３に利用され得る基板（樹脂）の候補のことである。本実施の形態に係るセンサ通信装置１では、第１基板１０１と第２基板１０３とが５ｍｍ以上の距離を持つように配置される。また、第１基板１０１と、第２基板１０３に実装されている発信機１０７との距離を、５ｍｍ以上設けている。これにより、樹脂（第１基板１０１および第２基板１０３）による電波強度の低下を防止できる。図３を参照して、この効果について説明する。

【0026】

図３の１２１０は、樹脂（評価基板）と、発信機１０７の通信用アンテナ１０９との距離を示す。図３の１２２０は、評価対象の樹脂、その比誘電率、およびその誘電正接の相互関係を一覧にまとめた表を示す。図３の１２３０は、実験の評価結果を示す。一般に、電波強度は、樹脂の比誘電率および誘電正接に依存することが知られている。そこで、比誘電率と誘電正接が異なる樹脂（３種類）を用いて、センサ通信装置１において樹脂が電波強度に及ぼす影響を実験した。

【0027】

図３に示すように、いずれの樹脂においても、樹脂と、発信機１０７の通信用アンテナ１０９との距離Ａが５ｍｍ以下になると、電波強度は低下している。さらに、樹脂の比誘電率および誘電正接が大きい程、電波強度の低下量は大きい。これらの結果によれば、本実施の形態に係るセンサ通信装置１では、第１基板１０１と、第２基板１０３に実装されている発信機１０７との距離が５ｍｍ以上設けているため、通信電波強度の低下を防止する効果があることが分かる。なお、第１基板１０１および第２基板１０３に使われている一般的な基板の比誘電率は２．５である。この比誘電率は、今回の実験の樹脂の比誘電率が低いため、センサ通信装置１が電波強度の低下をより防止することができると言える。

【0028】

図４は、第１の実施の形態に係るセンサ通信装置１を機械式圧力計に設置したときの断面を示す断面図である。この図では、機械式圧力計の指針１３１に、永久磁石１２１が取り付けられている。この永久磁石の上部に、機械式圧力計の透明版１３０を介してセンサ１１１が配置されるように、本実施の形態に係るセンサ通信装置１を設置する。センサ１１１としては、例えば磁気センサを用いる。したがって、図４の例では、センサ通信装置１は、第２基板１０３の第２平面の裏面の略中央に磁気センサをさらに備える。

【0029】

図４の構成では、永久磁石１２１のＮ極からＳ極に延びる磁力線の向きを磁気センサで計測することによって、指針１３１の角度（すなわち圧力値）を知ることができる。磁気センサと永久磁石１２１との距離が短いほど、計測制度は高まる。したがって、磁気センサと永久磁石１２１とを近づけるために、磁気センサ部分の透明版１３０の表面を削って薄くすればよい。あるいは、透明版１３０に貫通孔を開けたり、永久磁石１２１と指針１３１との間に樹脂等を挿入したりしてもよい。

【0030】

図５は、第１の実施の形態に係るセンサ通信装置において、電池ホルダ１０２と第１基板１０１との角度θが３０°～９０°の範囲内の値であれば良いことを示す図である。電池ホルダ１０２と第１基板１０１との角度θは、３０°～９０°の範囲内の値であれば良い。図５において、電池ホルダ１０２は、電池ホルダ１０２にコイン電池１０４が搭載された状態で、通信用アンテナ１０９が配置されている方向と異なる方向にコイン電池１０４を傾倒させている。さらには、電池ホルダ１０２にコイン電池１０４が搭載された状態で、コイン電池１０４の正極端子面と平行な第１仮想直線と、第１基板１０１の第１平面に平行な第２仮想直線との角度が、３０°以上かつ９０°以下である。

【0031】

図５の例では、コイン電池１０４と電池ホルダ１０２として、最も一般的に使用されている型式：ＣＲ２０３２（パソニック製）の電池と型式：ＣＨ７４－２０３２ＬＦ（タカチ電機工業製）のホルダとをそれぞれ用いている。電池ホルダ１０２にコイン電池１０４を挿入したときの電池ホルダ１０２の大きさは、縦２７ｍｍおよび厚さ６．３ｍｍである。

【0032】

図２を参照して上述したように、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３の指針を目視で確認できるようにするために、本実施の形態に係るセンサ通信装置１が内装される筐体１４０の外形は、３０ｍｍ以内に設計される。図５においては、筐体１４０の外形が３０ｍｍである。したがって、筐体１４０の肉厚が２ｍｍであるとすると、筐体１４０の内径は２６ｍｍである。内径２６ｍｍ内に電池ホルダ１０２およびコイン電池１０４を内装するためには、角度θを３０°以上に設定する必要がある。

【0033】

上述したように、角度θは３０°～９０°の範囲内にあるため、筐体１４０（内径２６ｍｍ）の中に電池ホルダ１０２およびコイン電池１０４を内装することができる。角度θが３０°の場合、９０°のときよりも筐体１４０の高さを低くできる。そのため、角度計ユニットを縦方向に省スペース化することができる。さらに、筐体１４０の材料費用を削減することもできる。一方、角度θが９０°の場合、コイン電池１０４の脱着が容易にすることができる。さらに、振動に対するセンサ通信装置１の耐性を大きくすることもできる。

【0034】

＜第２の実施の形態＞
本開示の第２の実施の形態に係るセンサ通信装置１Ａについて、図６を参照して説明する。図６は、本開示の第２の実施の形態に係るセンサ通信装置１Ａを示す図である。本実施の形態に係るセンサ通信装置１Ａは、概ね、第１の実施の形態に係るセンサ通信装置１が備える各部材と同一の部材を備えている。しかし、本実施の形態に係るセンサ通信装置１Ａは、第１基板１０１の代わりに第１基板３０１を備えている。

【0035】

センサ通信装置１Ａでは、ファームウェア書込み用コネクタ１０６、発信機１０７、およびセンサ１１１などの電子部品が、第１基板３０１に実装されている。このように、本実施の形態に係るセンサ通信装置１Ａでは、第１実施の形態に係るセンサ通信装置１と異なり、一枚の第１基板３０１にセンサ１１１を含む複数の電池部品が実装されている。したがって、第１の実施の形態第１に係るセンサ通信装置１に比べて第１基板３０１の面積が大きくなるが、センサ通信装置１Ａを縦方向に省スペース化することができる効果が得られる。

【0036】

本実施の形態に係るセンサ通信装置１Ａにおいても、図５を参照して説明したように、電池ホルダ１０２と第１基板２０１との角度θを３０°～９０°の範囲内の値にしてもよい。

【0037】

＜付記事項＞
第１の実施の形態において説明したように、センサ通信装置１では、回路基板を第１基板１０１および第２基板１０３の２枚構成とすると共に、コイン電池１０４を第１基板２０１に対して３０°～９０°の範囲内の角度で傾けている。したがって、センサ通信装置１の通信電波強度を低下させることなく、センサ通信装置１を横方向に省スペース化することができる。これにより、センサ通信装置１は、従来では不可能であった、直径６０ｍｍの機械式圧力計２０３に角度計ユニットを設置することを実現できる。これと同様の効果は、第２の実施の形態に係るセンサ通信装置１によっても得られる。

【0038】

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【0039】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年７月２７日に出願された日本国特許出願：特願２０２０－１２６７６５に対して優先権の利益を主張するものであり、それを参照することにより、その内容の全てが本書に含まれる。

【符号の説明】

【0040】

１０１：第１基板
１０２：電池ホルダ
１０３：第２基板
１０４：コイン電池
１０５：キャリブレーション用ボタン
１０６：ファームウェア書込み用コネクタ
１０７：発信機
１０８：通信デバイス
１０９：アンテナ
１１０：第１基板１０１と第２基板１０３を電気的に接続するコネクタ
１１１：センサ
１２１：永久磁石
１３０：透明板
１３１：指針
１３２：目盛板
１３３：ケース
１４０：筐体
１５０：スルーホール
１５１：端子
１５２：端子
１５３：はんだ
２０１：直径１００ｍｍの機械式圧力計
２０２：市販の角度計ユニット
２０３：直径６０ｍｍの機械式圧力計
２０４：本開示に係る角度計ユニット
２２１：土台部
２２２：ソケット
３０１：第２の実施の形態に係る第１基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】