特許 7514487 センサインターフェース回路及びセンサモジュール

(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】2024-07-03

(45)【発行日】2024-07-11

(54)【発明の名称】センサインターフェース回路及びセンサモジュール

(51)【国際特許分類】

   H04B 5/48 20240101AFI20240704BHJP

   H04B 1/59 20060101ALI20240704BHJP

   H04B 5/73 20240101ALI20240704BHJP

【ＦＩ】

H04B5/48

H04B1/59

H04B5/73

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022540022

(86)(22)【出願日】2021-05-07

(86)【国際出願番号】 JP2021017464

(87)【国際公開番号】W WO2022024488

(87)【国際公開日】2022-02-03

【審査請求日】2023-09-12

(31)【優先権主張番号】P 2020129427

(32)【優先日】2020-07-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】日清紡マイクロデバイス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 征幸

(72)【発明者】

【氏名】石原 昇

(72)【発明者】

【氏名】村田 眞司

【審査官】川口 貴裕

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５２９６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３４０４１１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３２８６３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】渡邉 伊織ほか，インピーダンス変換回路によるＲＦバックスキャッタリング信号レベルの改善，電子情報通信学会技術研究報告[オンライン]，2020年06月22日，Vol. 120, No. 81，pp. 9-14，インターネット:<URL:https://www.ieice.org/ken/user/index.php?cmd=download&p=teG1&t=IEICE-SRW&l=23d4e04d7fff4b24dc4fed77fd399f3604175ab97108895d556b3ba81abc654a&lang=>

【文献】宮内 楓ほか，直交バックスキャッタリング回路技術の高スペクトラム効率化に関する研究，電子情報通信学会技術研究報告 [オンライン]，2017年12月07日，Vol. 117, No. 344，p. 131，インターネット:<URL:https://www.ieice.org/ken/user/index.php?cmd=download&p=V3Ev&t=IEICE-CAS&l=5c1cfe9386b8eed5ab8c7420138767a20f2e7b0e7c249a6ff410ca624606be9a&lang=>

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ ５／００ － ５／７９

Ｈ０４Ｂ １／５９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御ノードを有するＲＦスイッチと、
前記制御ノードに電気的に接続され、反射特性の線形領域に対応する第１のレベル又は第２のレベルの電圧を前記制御ノードへ印加するバイアス回路と、
第１のセンサに電気的に接続可能である第１の可変発振回路と、
第２のセンサに電気的に接続可能である第２の可変発振回路と、
前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路と前記バイアス回路との間に電気的に接続された差分回路と、
を備えたセンサインターフェース回路。

【請求項2】

前記第１の可変発振回路は、前記第１のセンサの検出値に応じて発振動作を行い、第１の信号を生成し、
前記第２の可変発振回路は、前記第２のセンサの検出値に応じて発振動作を行い、第２の信号を生成し、
前記差分回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との差分信号に応じて、制御信号を生成し、
前記バイアス回路は、前記制御信号に応じて、前記第１のレベル及び前記第２のレベルの間で切り替えながら前記電圧を前記制御ノードへ印加する、
請求項１に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項3】

前記差分回路に対して前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路と並列に電気的に接続された第３の可変発振回路をさらに備えた、
請求項１に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項4】

前記差分回路に対して前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路と並列に電気的に接続された第３の可変発振回路をさらに備え、
前記第３の可変発振回路は、設定すべきチャネル周波数に応じて発振動作を行い、第３の信号を生成し、
前記差分回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との差分と前記第３の信号とに応じて、制御信号を生成し、
前記バイアス回路は、前記制御信号に応じて、前記第１のレベル及び前記第２のレベルの間で切り替えながら前記電圧を前記制御ノードへ印加する、
請求項２に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項5】

アンテナ用端子と蓄電素子との間に電気的に接続された整流回路と、
前記蓄電素子に電気的に接続された電源制御回路と、
をさらに備えた、
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項6】

前記電源制御回路は、第１の期間に前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路への電力供給を遮断して前記蓄電素子に電荷を蓄積させ、第２の期間に前記蓄電素子の電荷を用いて前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路への電力供給を行う、
請求項５に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項7】

前記第１の可変発振回路と前記差分回路との間に電気的に接続された第１の分周回路と、
前記第２の可変発振回路と前記差分回路との間に電気的に接続された第２の分周回路と、
をさらに備えた、
請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項8】

前記センサインターフェース回路は、半導体集積回路で構成される、
請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項9】

前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路のそれぞれは、
リング状に複数段のインバータが接続されたインバータチェーンと、
前記インバータチェーンにおける前記複数段のインバータに直列に接続された抵抗素子と、
前記インバータチェーンにおける前記インバータ及び前記抵抗素子と並列に接続された容量素子と、
を有し、
前記抵抗素子の両端又は前記容量素子の両端には、一対のセンサ用端子が電気的に接続される、
請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサインターフェース回路。

【請求項10】

アンテナと、
第１のセンサと、
第２のセンサと、
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサと前記アンテナとの間に電気的に接続された請求項１から９のいずれか１項に記載のセンサインターフェース回路と、
を備えたセンサモジュール。

【請求項11】

前記アンテナと前記センサインターフェース回路との間に電気的に接続されたインピーダンス変換回路をさらに備えた、
請求項１０に記載のセンサモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書の実施形態は、センサインターフェース回路及びセンサモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バックスキャッタ通信は、主に無線によるメモリアクセス技術として実用化され、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｅｒ）技術として普及している。情報収集端末から無線信号をＲＦＩＤタグに照射しＲＦＩＤタグ内のメモリに格納されたＩＤデータを受信した無線信号に重畳（変調）して反射させ、情報収集端末でそのＩＤ情報を受信して読み取る仕組みである。ＲＦＩＤタグは無線信号を反射させるので、電力を必要とする一般的な無線回路が不要となることから電池不要の動作を可能としている。

【0003】

一方、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）技術への期待から、ＲＦバックスキャッタ通信を利用したセンシング技術が注目されている。ＲＦバックスキャッタ通信を利用したセンシング技術として、ＲＦバックスキャッタ通信によりセンサの情報を収集するためのインターフェース回路が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】宮内 楓， 田口 泰地， 石川 洋介， 伊藤 浩之， 道正 志郎， 益 一哉， 石原 昇， 「ＲＦバックスキャッタリングによる低電力ワイヤレスセンサ端末モジュールの試作評価結果」， ２０１８年 電子情報通信学会総合大会， 日本， ２０１８年３月２０日－２３日， Ｂ－１８－１７， ｐ．３６１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１に記載のインターフェース回路では、センサからの信号により可変発振回路の発振周波数を変化させた発振信号を生成し、その発振信号によりＲＦスイッチを制御し、ＲＦ信号を反射及び吸収させることで、ＲＦバックスキャッタ通信を行う。このとき、インターフェース回路は、ＲＦ信号の反射及び吸収に応じた周波数成分を信号として情報収集端末へ送信する。

【0006】

例えば、ＲＦバックスキャッタ通信では使用可能な帯域が限られており、マルチチャンネルで使用する場合があることを考慮すると、インターフェース回路には、信号の周波数精度を向上させることが望まれる。また、インターフェース回路には、高調波成分を抑制し、使用可能な帯域を確保することが望まれる。

【0007】

本発明の目的は、上記に鑑みてなされたものであって、信号の周波数精度を向上しつつ高調波成分を抑制できるセンサインターフェース回路及びセンサモジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるセンサインターフェース回路は、制御ノードを有するＲＦスイッチと、前記制御ノードに電気的に接続され、反射特性の線形領域に対応する第１のレベル又は第２のレベルの電圧を前記制御ノードへ印加するバイアス回路と、第１のセンサに電気的に接続可能である第１の可変発振回路と、第２のセンサに電気的に接続可能である第２の可変発振回路と、前記第１の可変発振回路及び前記第２の可変発振回路と前記バイアス回路との間に電気的に接続された差分回路と、を有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、信号の周波数精度を向上しつつ高調波成分を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールが適用された通信システム構成を示す図である。

【図2】図２は、実施形態に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの構成を示す図である。

【図3】図３は、実施形態におけるＲＦスイッチを動作させるべき反射特性の線形領域を示す図である。

【図4】図４は、実施形態におけるインピーダンス変換回路の動作を示す図である。

【図5】図５は、実施形態における変調信号、受信信号、送信信号を示す図である。

【図6】図６は、実施形態における送信信号の周波数スペクトルを示す図である。

【図7】図７は、実施形態の第１の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの構成を示す図である。

【図8】図８は、実施形態の第１の変形例における送信信号の周波数成分を示す図である。

【図9】図９は、実施形態の第２の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの構成を示す図である。

【図10】図１０は、実施形態の第２の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの動作を示すタイミングチャートである。

【図11】図１１は、実施形態の第３の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの構成を示す図である。

【図12】図１２は、実施形態の第４の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの構成を示す図である。

【図13】図１３は、実施形態の第５の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの構成を示す図である。

【図14】図１４は、実施形態の第６の変形例における可変発振回路の構成を示す図である。

【図15】図１５は、実施形態の第７の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの実装構成を示す図である。

【図16】図１６は、実施形態の第７の変形例に係るセンサインターフェース回路の動作のシミュレーション結果を示す図である。

【図17】図１７は、実施形態の第７の変形例における送信信号の周波数スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。

【図18】図１８は、実施形態の第８の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの実装構成を示す図である。

【図19】図１９は、実施形態の第９の変形例に係るセンサインターフェース回路を含むセンサモジュールの実装構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、センサインターフェース回路の実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明は適宜省略する。

【0012】

（実施形態）
実施形態にかかるセンサインターフェース回路は、ＲＦバックスキャッタ通信に対応しており、ＲＦバックスキャッタ通信を利用したセンシング技術に用いられる。例えば、センサインターフェース回路１を含むセンサモジュール１００は、図１に示すように構成される。図１は、センサインターフェース回路１が適用されたセンサモジュール１００を含む通信システム３００の構成を示す図である。

【0013】

通信システム３００において、複数のセンサモジュール１００－１～１００－ｎ及び情報収集端末２００は、ＲＦバックスキャッタ通信が可能に構成されている。ｎは２以上の整数である。情報収集端末２００は、ＲＦ信号を各センサモジュール１００へ送信可能である。各センサモジュール１００は、そのＲＦ信号を用いて、センサの検出値に応じた信号を情報収集端末２００へ送信可能である。

【0014】

各センサモジュール１００は、センサ２、センサインターフェース回路１、及びアンテナ５を有する。センサインターフェース回路１は、センサ２及びアンテナ５の間に電気的に接続される。センサインターフェース回路１は、可変発振回路及びＲＦスイッチを有し、センサ２からの信号により可変発振回路の周波数を変化させ、その発振信号によりＲＦスイッチのオン・オフを制御することにより、ＲＦバックスキャッタ通信を行う。すなわち、センサインターフェース回路１は、アンテナ５から見たＲＦスイッチ側のインピーダンスを変化させ、情報収集端末２００からのＲＦ信号をセンサ情報に応じて反射及び吸収させて情報収集端末２００へ送信する。

【0015】

このとき、複数のセンサモジュール１００－１～１００－ｎには互いに異なるＩＤ（ＩＤｅｎｔｉｆｉｅｒ）が付与されている。センサインターフェース回路１は、自センサモジュール１００のＩＤに応じた周波数成分を信号として情報収集端末２００へ送信し、センサ情報に応じた周波数成分を信号として情報収集端末２００へ送信する。ＲＦ信号を受信した情報収集端末２００は、ＩＤに応じた周波数成分を観測することによってどのセンサ２であるか確認でき、センサ情報に応じた周波数成分を観測することによってそのセンサ２の状態を把握することができる。

【0016】

例えば、ＲＦバックスキャッタ通信について、ＲＦ信号の周波数は、電波法で規定された所定の帯域に収めることが要求されている。ＩｏＴとしてのユースケースを考えた場合、通信システム３００において、複数のセンサモジュール１００－１～１００－ｎの信号を互いに区別可能なようにマルチチャンネル化することも考えられる。この場合、各センサインターフェース回路１は、他のセンサモジュール１００のセンサインターフェース回路１と異なる周波数の信号で送信することになる。

【0017】

しかし、環境変動等により、可変発振回路の発振周波数がばらつきＲＦ信号の周波数がばらつくと、所定の帯域から外れたり、マルチチャンネル化が困難になったりする可能性がある。このため、インターフェース回路１には、信号の周波数精度を向上させることが望まれる。

【0018】

また、センサインターフェース回路１は、ＲＦ信号の反射特性が非線形に歪むと、ＲＦ信号の周波数スペクトルにおいて、基本波のピーク以外に高調波成分のピークが現れる。これにより、ＲＦ信号について、所定の帯域内で使用可能な帯域が制限されて、マルチチャンネル化が困難になる可能性がある。このため、インターフェース回路１には、高調波成分を抑制し、使用可能な帯域を確保することが望まれる。

【0019】

そこで、本実施形態では、センサインターフェース回路１において、センサの信号を他のセンサの信号との差分信号で生成し、その差分信号に応じてＲＦスイッチを反射係数が線形変化するようにバイアスさせることで、信号の周波数精度向上と高調波成分抑制とを図る。

【0020】

具体的には、センサインターフェース回路１において、
（１）一般的な無線通信回路（例えば、パワーアンプ）を不要化し、長期間の電池動作、または、電池なしでの動作が可能であること、
（２）高感度、高分解能のセンサ情報を収集できること、
（３）多種多数のセンサに対応可能であること、
（４）モノリシック集積回路化が可能で小型化が可能であること、
（５）低コストで実現できること、
を目指す。そのため、センサインターフェース回路１において、可変発振回路を複数設け、センサの信号を他のセンサの信号との差分で得られるようにする。センサインターフェース回路１において、第１のセンサに電気的に接続可能である第１の可変発振回路と、第２のセンサに電気的に接続可能である第２の可変発振回路とを設ける。第１のセンサは、その検出値を取得したいセンサであり、第２のセンサは、差分の信号を取るための基準となるセンサであり、環境に応じて検出値が変化しにくいセンサ又は第１のセンサと逆方向に検出値が変化するセンサである。センサインターフェース回路１において、第１の可変発振回路及び第２の可変発振回路の出力側に差分回路を設け、第１のセンサの検出値に応じた第１の可変発振回路からの第１の発振信号と第２のセンサの検出値に応じた第２の可変発振回路からの第２の発振信号との差分信号が差分回路で生成される。これにより、第１の可変発振回路及び第２の可変発振回路で、それぞれ、環境変動等により発振周波数がばらついても、そのばらつきの影響が抑制された差分信号を生成でき、信号の周波数精度を向上できる。差分回路は、差分信号に応じた制御信号をバイアス回路へ供給する。バイアス回路は、制御信号に応じて、反射特性の線形領域に対応する第１のレベル又は第２のレベルの電圧をＲＦスイッチの制御ノードへ印加する。第１のレベルは、実質的にＲＦ信号の反射とみなせる大きな反射係数に対応し、第２のレベルは、実質的にＲＦ信号の吸収とみなせる小さな反射係数に対応する。これにより、ＲＦスイッチにおけるＲＦ信号の反射・吸収の特性を線形化でき、ＲＦ信号の周波数スペクトルにおいて高調波成分を抑制できる。したがって、信号の周波数精度を向上しつつ高調波成分を抑制できる。

【0021】

より具体的には、図１に示すように、各センサモジュール１００において、センサ２に加えて基準センサ３を追加する。センサ２は、その検出値を取得したいセンサである。基準センサ３は、差分の信号を取るための基準となるセンサであり、環境に応じて検出値が変化しにくいセンサである。

【0022】

なお、センサ２の信号に対して差分の信号を取るためのセンサは、環境に応じて検出値が変化しにくい基準センサ３である代わりに、環境に応じてセンサ２と同様に変化するが基準となる環境に置かれることで基準となる検出値を出力するセンサであってもよい。例えば、センサ２が照度センサである場合、差分の信号をとるためのセンサとして白色光が固定的に照射されたセンサが用いられてもよい。

【0023】

あるいは、センサ２の信号に対して差分の信号を取るためのセンサは、環境に応じて検出値が変化しにくい基準センサ３である代わりに、環境変化に対してセンサ２と逆方向に検出値が変化するセンサであってもよい。

【0024】

このとき、各センサモジュール１００のセンサインターフェース回路１は、例えば、図２に示すように構成され得る。図２は、センサインターフェース回路１の構成を示す図である。センサインターフェース回路１は、可変発振回路１１、可変発振回路１２、差分回路１８、バイアス回路１５、ＲＦスイッチ１６、及び電池２２を有する。差分回路１８は、ミキサ回路１３及びフィルタ回路１４を有する。

【0025】

可変発振回路１１は、センサ用端子２３ａ、２３ｂを介してセンサ２に電気的に接続可能であり、出力ノード１１ｃが差分回路１８のミキサ回路１３に電気的に接続されている。可変発振回路１２は、センサ用端子２４ａ、２４ｂを介して基準センサ３に電気的に接続可能であり、出力ノード１２ｃが差分回路１８のミキサ回路１３に電気的に接続されている。差分回路１８は、可変発振回路１１及び可変発振回路１２とバイアス回路１５との間に電気的に接続されている。ミキサ回路１３は、可変発振回路１１及び可変発振回路１２とフィルタ回路１４との間に電気的に接続されている。フィルタ回路１４は、ミキサ回路１３とバイアス回路１５との間に電気的に接続されている。バイアス回路１５の出力ノードは、ＲＦスイッチ１６の制御ノード１６ａに電気的に接続されている。ＲＦスイッチ１６は、アンテナ用端子１７及びグランド電位の間に電気的に接続されている。ＲＦスイッチ１６は、例えば、トランジスタＮＭを含む。トランジスタＮＭは、例えばＮＭＯＳトランジスタであり、ドレインがアンテナ用端子１７に電気的に接続され、ソースがグランド電位に電気的に接続され、ゲートが制御ノード１６ａとして機能する。

【0026】

バイアス回路１５は、図３に示すような反射特性の線形領域ＬＲのレベルの電圧を制御ノード１６ａへ印加する。図３は、ＲＦスイッチ１６を動作させるべき反射特性の線形領域ＬＲを示す図である。反射特性は、トランジスタＮＭのゲート電圧に応じた反射係数の変化を示す。線形領域ＬＲは、反射特性における反射係数が線形的に変化する領域である。レベルＶ_１は、実質的にトランジスタＮＭをオフさせるレベルであり、ＲＦバックスキャッタ通信における反射に相当する大きな反射係数に対応する。レベルＶ_２は、実質的にトランジスタＮＭをオンさせるレベルであり、ＲＦバックスキャッタ通信における吸収に相当する小さな反射係数に対応する。

【0027】

ＲＦスイッチ１６に直接的にアンテナ５が接続される場合、ＲＦスイッチ１６としてのトランジスタＮＭを微細化すると、アンテナ５から見た場合のＲＦスイッチ１６側の抵抗値Ｒｍが大きな抵抗値Ｒｍ_２（例えば、５００Ω）になり得る。図３に示すように、アンテナ５から見た場合のＲＦスイッチ１６側の抵抗値がＲｍ_２である場合、反射特性が点線で示すようになり、線形領域ＬＲ内におけるレベルＶ_１に対応する反射係数Γ_１１とレベルＶ_２に対応する反射係数Γ_１２との差ΔΓ_１＝Γ_１１－Γ_１２は小さい。すなわち、ＲＦスイッチ１６側の反射特性の線形領域ＬＲ内における反射係数差の確保が困難になる。

【0028】

一方、ＲＦスイッチ１６としてのトランジスタＮＭのサイズを大きくすれば、ＲＦスイッチ１６のオン抵抗値がより小さな抵抗値Ｒｍ_１（例えば、５０Ω）になり得る。図３に示すように、アンテナ５から見た場合のＲＦスイッチ１６側の抵抗値がＲｍ＝Ｒｍ_１である場合、反射特性が実線で示すようになり、線形領域ＬＲ内におけるレベルＶ_１に対応する反射係数Γ_２１とレベルＶ_２に対応する反射係数Γ_２２との差ΔΓ_２＝Γ_２１－Γ_２２が比較的大きくなる。すなわち、ＲＦスイッチ１６側の反射特性の線形領域ＬＲ内における反射係数差を大きく確保できる。しかし、ＲＦスイッチ１６としてのトランジスタＮＭのサイズが大きいので、センサインターフェース回路１の回路面積が増大しやすい。

【0029】

そのため、図１に示すセンサモジュール１００において、センサインターフェース回路１とアンテナ５との間にインピーダンス変換回路（ＺＣ）４を電気的に接続する。インピーダンス変換回路４は、図４に示すように、ＲＦスイッチ１６（トランジスタＮＭ）の微細化に適した抵抗値Ｒｍ_２と反射係数差の確保に適した抵抗値Ｒｍ_１との間のインピーダンス変換を行う。図４は、インピーダンス変換回路４の動作を示す図である。これにより、ＲＦスイッチ１６としてのトランジスタＮＭを微細化しながら（すなわちオン抵抗値をＲｍ_２としながら）、アンテナ５から見たＲＦスイッチ１６側の抵抗値をＲｍ_１とすることができ、ＲＦスイッチ１６側の反射特性の線形領域ＬＲ内における反射係数差を大きく確保できる。

【0030】

図２に示すセンサインターフェース回路１は、２つの可変発振回路１１，１２を具備する。可変発振回路１１，１２のそれぞれの発振周波数は、センサ２および基準センサ３により設定される。可変発振回路１１は、センサ２の検出値に応じて発振動作を行い、周波数ｆｓを有する発振信号Ｓを生成する。可変発振回路１２は、基準センサ３の検出値に応じて発振動作を行い、周波数ｆｒｅｆを有する発振信号Ｓｒｅｆを生成する。

【0031】

例えば、センサ２の検出値が高い値ｄ１である場合、可変発振回路１１は、ｄ１に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ１を有する発振信号Ｓを生成する。センサ２の検出値が低い値ｄ２（＜ｄ１）である場合、可変発振回路１１は、ｄ２に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ２（＜ｆｓ１）を有する発振信号Ｓを生成する。いずれの場合も、可変発振回路１２は、同様な周波数ｆｒｅｆを有する発振信号Ｓｒｅｆを生成する。

【0032】

ミキサ回路１３は、周波数ｆｓを有する発振信号Ｓを可変発振回路１１から受け、周波数ｆｒｅｆを有する発振信号Ｓｒｅｆを可変発振回路１２から受け、周波数ｆｓ－ｆｒｅｆの発振信号Ｓ１と周波数ｆｓ＋ｆｒｅｆの発振信号Ｓ２とを生成する。フィルタ回路１４は、ミキサ回路１３の出力から周波数ｆｓ－ｆｒｅｆの発振信号Ｓ１を変調信号として抽出してバイアス回路１５へ供給する。フィルタ回路１４は、その通過帯域に周波数ｆｓ－ｆｒｅｆを含み周波数ｆｓ＋ｆｒｅｆを含まないローパスフィルタ又はバンドパスフィルを用いることができる。すなわち、差分回路１８は、可変発振回路１１からの発振信号Ｓと可変発振回路１２からの発振信号Ｓｒｅｆとの差分を取り、周波数ｆｓ－ｆｒｅｆを有する変調信号を生成する。変調信号のデューティ比は、略５０％であってもよい。

【0033】

例えば、センサ２の検出値が高い値ｄ１であり、可変発振回路１１がｄ１に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ１を有する発振信号Ｓを生成する場合、差分回路１８は、図５（ａ）に示すような周波数ｆｓ１－ｆｒｅｆを有する変調信号を生成する。周期ＴＰ１は、周波数ｆｓ１－ｆｒｅｆに対応する周期である。

【0034】

センサ２の検出値が低い値ｄ２（＜ｄ１）であり、可変発振回路１１がｄ２に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ２を有する発振信号Ｓを生成する場合、差分回路１８は、図５（ｂ）に示すような周波数ｆｓ２－ｆｒｅｆ（＜ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する変調信号を生成する。周期ＴＰ２は、周波数ｆｓ２－ｆｒｅｆに対応する周期であり、周期ＴＰ１より長い周期である。

【0035】

図２に示すバイアス回路１５は、自センサモジュール１００のＩＤに応じて、ＲＦスイッチ１６をオン・オフし信号反射を制御する。また、バイアス回路１５は、周波数ｆｓ－ｆｒｅｆを有する変調信号を差分回路１８から受けると、変調信号に応じて、ＲＦスイッチ１６をオン・オフし信号反射を制御する。

【0036】

例えば、センサ２の検出値が高い値ｄ１であり、可変発振回路１１がｄ１に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ１を有する発振信号Ｓを生成する場合、ＲＦスイッチ１６は、図５（ａ）に示す変調信号に応じてオン・オフし、アンテナ５の「受信信号」が「送信信号」として示すように反射・吸収される。この反射・吸収の周期は、周期ＴＰ１に略等しい。

【0037】

センサ２の検出値が低い値ｄ２（＜ｄ１）であり、可変発振回路１１がｄ２に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ２を有する発振信号Ｓを生成する場合、ＲＦスイッチ１６は、図５（ｂ）に示す変調信号に応じてオン・オフし、アンテナ５の「受信信号」が「送信信号」として示すように反射・吸収される。この反射・吸収の周期は、周期ＴＰ２（＞ＴＰ１）に略等しい。

【0038】

これを送信信号の周波数特性についてみると、図６のようになる。図６は、送信信号の周波数スペクトルを示す図である。ＲＦスイッチ１６は、ＲＦミキサとして振る舞うので、差分回路の出力ｆｓ－ｆｒｅｆが周波数ｆ_ＲＦ付近のＲＦ帯へアップコンバージョンされる。

【0039】

例えば、センサ２の検出値が高い値ｄ１であり、可変発振回路１１がｄ１に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ１を有する発振信号Ｓを生成する場合、送信信号の周波数スペクトルは、図６（ａ）に示すようになる。図６（ａ）に示す周波数スペクトルでは、周波数ｆ_ＲＦを有するキャリア成分に加えて、周波数ｆ_ＲＦ－（ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する信号成分と周波数ｆ_ＲＦ＋（ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する信号成分とが現れている。

【0040】

センサ２の検出値が低い値ｄ２（＜ｄ１）であり、可変発振回路１１がｄ２に応じた周波数ｆｓ＝ｆｓ２を有する発振信号Ｓを生成する場合、送信信号の周波数スペクトルは、図６（ｂ）に示すようになる。図６（ｂ）に示す周波数スペクトルでは、周波数ｆ_ＲＦを有するキャリア成分に加えて、周波数ｆ_ＲＦ－（ｆｓ２－ｆｒｅｆ）を有する信号成分と周波数ｆ_ＲＦ＋（ｆｓ２－ｆｒｅｆ）を有する信号成分とが現れている。

【0041】

情報収集端末２００は、センサ２の検出値と発振周波数との対応関係を示すセンサ情報と基準の周波数ｆｒｅｆの情報とを有していてもよい。図６（ａ）、図６（ｂ）に示されるように、センサモジュール１００からのＲＦ信号を受信した情報収集端末２００は、ＲＦ信号の周波数スペクトルにおける信号成分の周波数とキャリア成分の周波数ｆ_ＲＦとの差分を求めることができる。情報収集端末２００は、その差分と基準の周波数ｆｒｅｆとに応じて、可変発振回路１１の発振周波数ｆｓを求めることができ、その発振周波数ｆｓとセンサ情報とに応じて、センサ２の検出値を求めることができる。

【0042】

図２に示すセンサインターフェース回路１の構成では、センサ２に対応した発振信号と基準センサ３に対応した発振信号との差分を取ることにより、センサ２に対応した発振信号に印加される外来雑音や温度依存性によるノイズ成分をキャンセルでき、高精度、高分解能のセンシング動作が可能となる。また、差信号をバックスキャッタ制御信号として用いることにより、狭い帯域でのセンシング動作が可能となる。発振周波数の異なる複数のセンサモジュールの情報を周波数軸上に多数展開することが可能なる。また、本構成では、インピーダンス変換回路（ＺＣ）４をアンテナ５とＲＦスイッチ１６との間に付加することにより、大きな反射係数差をえることができる。一般的なインピーダンス５０Ωのアンテナを直結させた場合は、オン抵抗を５０Ωと小さくするためにＲＦスイッチ１６（トランジスタＮＭ）のサイズを大きくする必要があるが、５０Ωのインピーダンスを高抵抗に変換するインピーダンス変換回路４を付加し、高抵抗に対して反射させることによって、ＲＦスイッチ（トランジスタ）のサイズを小さくしながら大きな反射係数差を確保でき、通信の長距離伝送化が可能となる。このインピーダンス変換回路４はインダクタとキャパシタとの組合せで実現できるため、変換動作に電力を必要としない。また、バイアス回路１５は、ＲＦスイッチ１６としてのトランジスタＮＭのゲートを線形領域にバイアスし、線形に反射係数を変化させる。これにより、ＲＦスイッチ１６としてのトランジスタＮＭのスイッチング時における高調波成分等のスプリアス信号の発生を抑圧できる。

【0043】

なお、可変発振回路１１及び可変発振回路１２は、それぞれ、電池２２から電源電力が供給可能に構成されている。可変発振回路１１及び可変発振回路１２は、それぞれ、差分信号の生成に適した低い周波数の発振動作を行うので、消費電力が低くなる。センサインターフェース回路１は、情報収集端末２００からのＲＦ信号の反射・吸収によるパッシブ無線通信を行うので、パワーアンプ等の電力消費が大きな回路が不要であり、全体的に消費電力が小さい。このため、電池２２を長時間動作させることが可能である。

【0044】

以上のように、本実施形態では、センサインターフェース回路１において、センサ２の信号を基準センサ３等の他のセンサの信号との差分信号で生成し、その差分信号に応じてＲＦスイッチ１６を反射係数が線形変化するようにバイアスさせる。これにより、環境変動等によりセンサ２に対応する可変発振回路１１の発振周波数がばらついた場合に、そのばらつきの影響を差分信号で抑制できる（例えば、キャンセルできる）。この結果、差分信号に応じてＲＦスイッチ１６をオン・オフにさせることにより、ＲＦ信号の反射・吸収に応じた信号の周波数精度を向上できる。また、ＲＦスイッチ１６のオン・オフを反射特性の線形変化領域で行わせることができ、送信信号に高調波成分が含まれることを抑制できる。したがって、ＲＦ信号を所定の帯域に容易に収めることができ、高感度、高分解能のセンサ情報を収集でき、多種多数のセンサに対応可能である。

【0045】

なお、通信システム３００において、情報収集端末２００は、時分割方式で、複数のセンサモジュール１００－１～１００－ｎへＲＦ信号を送信してもよい。この場合、情報収集端末２００は、センサモジュール１００からのＲＦ信号を受信した際に、ＩＤに応じた周波数成分を観測することによってどのセンサ２であるか確認でき、センサ情報に応じた周波数成分を観測することによってそのセンサ２の状態を把握することができる。

【0046】

（実施形態の第１の変形例）
あるいは、通信システム３００における複数のセンサモジュール１００ｉ－１～１００ｉ－ｎには、互いに異なるＩＤが付与される代わりに、互いに異なるチャネル周波数ｆｃｈ１～ｆｃｈｎが割り当てられていてもよい。例えば、センサインターフェース回路１ｉは、図７に示すように構成され得る。図７は、実施形態の第１の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｉを含むセンサモジュール１００ｉの構成を示す図である。

【0047】

センサインターフェース回路１ｉは、差分回路１８（図２参照）に代えて差分回路１８ｉを有し、チャネル設定用発振回路２１ｉをさらに有する。チャネル設定用発振回路２１ｉには、自センサモジュール１００ｉに対応したチャネル周波数ｆｃｈが予め設定されている。差分回路１８ｉは、ミキサ回路１９ｉをさらに有する。ミキサ回路１９ｉは、ミキサ回路１３とフィルタ回路１４との間に電気的に接続されている。なお、差分回路１８ｉは、ミキサ回路１９ｉとフィルタ回路１４との間にミキサ回路１３が電気的に接続された構成であってもよい。

【0048】

例えば、センサモジュール１００ｉ－１において、チャネル設定用発振回路２１ｉには、チャネル周波数ｆｃｈ＝ｆｃｈ１が予め設定されている。ミキサ回路１９ｉは、周波数ｆｓ－ｆｒｅｆの発振信号Ｓ１と周波数ｆｓ＋ｆｒｅｆの発振信号Ｓ２とをミキサ回路１３から受け、周波数ｆｃｈ１を有する発振信号Ｓｃｈをチャネル設定用発振回路２１ｉから受け、周波数ｆｃｈ１±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓ１’と周波数ｆｃｈ１±（ｆｓ＋ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓ２’とを生成する。フィルタ回路１４は、ミキサ回路１９ｉの出力から周波数ｆｃｈ１±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓ１’を変調信号として抽出してバイアス回路１５へ供給する。バイアス回路１５は、周波数ｆｃｈ１±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）の変調信号に応じて、ＲＦスイッチ１６をオン・オフし信号反射を制御する。これにより、送信信号の周波数スペクトルは、図８に示すように、周波数ｆ_ＲＦを有するキャリア成分に加えて、帯域ＦＢ＿１００ｉ－１に周波数ｆ_ＲＦ－ｆｃｈ１±（ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する信号成分が現れ、帯域ＦＢ’＿１００ｉ－１に周波数ｆ_ＲＦ＋ｆｃｈ１±（ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する信号成分が現れている。帯域ＦＢ＿１００ｉ－１，ＦＢ’＿１００ｉ－１は、センサモジュール１００ｉ－１用の帯域である。

【0049】

同様に、センサモジュール１００ｉ－ｎにおいて、チャネル設定用発振回路２１ｉには、チャネル周波数ｆｃｈ＝ｆｃｈｎ（≠ｆｃｈ１）が予め設定されている。ミキサ回路１９ｉは、周波数ｆｓ－ｆｒｅｆの発振信号Ｓ１と周波数ｆｓ＋ｆｒｅｆの発振信号Ｓ２とをミキサ回路１３から受け、周波数ｆｃｈｎを有する発振信号Ｓｃｈをチャネル設定用発振回路２１ｉから受け、周波数ｆｃｈｎ±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓ１’と周波数ｆｃｈｎ±（ｆｓ＋ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓ２’とを生成する。フィルタ回路１４は、ミキサ回路１９ｉの出力から周波数ｆｃｈｎ±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓ１’を変調信号として抽出してバイアス回路１５へ供給する。バイアス回路１５は、周波数ｆｃｈｎ±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）の変調信号に応じて、ＲＦスイッチ１６をオン・オフし信号反射を制御する。これにより、送信信号の周波数スペクトルは、図８に示すように、帯域ＦＢ＿１００ｉ－ｎに周波数ｆ_ＲＦ－ｆｃｈｎ±（ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する信号成分が現れ、帯域ＦＢ’＿１００ｉ－ｎに周波数ｆ_ＲＦ＋ｆｃｈｎ±（ｆｓ１－ｆｒｅｆ）を有する信号成分が現れている。帯域ＦＢ＿１００ｉ－ｎ，ＦＢ’＿１００ｉ－ｎは、センサモジュール１００ｉ－ｎ用の帯域である。

【0050】

このように、通信システム３００における複数のセンサモジュール１００ｉ－１～１００ｉ－ｎに互いに異なるチャネル周波数ｆｃｈ１～ｆｃｈｎが割り当てられることで、マルチチャンネル化が可能となる。これにより、複数のセンサモジュール１００ｉ－１～１００ｉ－ｎから情報収集端末２００へセンサの検出値に応じた信号を同時に送信することができ、情報収集端末２００におけるセンサ情報の効率的な収集が可能となる。

【0051】

（実施形態の第２の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｊは、図９に示すように、ＲＦ信号のエネルギーがセンサインターフェース回路１ｊへ充電され得るように構成されていてもよい。図９は、実施形態の第２の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｊを含むセンサモジュール１００ｊの構成を示す図である。

【0052】

実施形態又は実施形態の第１の変形例では、可変発振回路１１，１２の動作周波数は、センサ値の変化に追従できる低周波信号とすることができる。このため、図２、図７に示すセンサインターフェース回路１，１ｉは、基本的に低消費電力での動作が可能である。このことから、微弱な環境エネルギーを利用しても動作が可能であると考えられる。

【0053】

このような考えに基づき、図９に示すように、センサモジュール１００ｊにおいて、センサインターフェース回路１ｊとアンテナ５との間にカップリング容量６ｊが電気的に接続される。カップリング容量６ｊは、一端がアンテナ５に電気的に接続され、他端がセンサインターフェース回路１ｊのアンテナ用端子２５ｊに電気的に接続される。センサインターフェース回路１ｊは、昇圧／整流回路２６ｊ及び電源制御回路２７ｊをさらに有する。昇圧／整流回路２６ｊは、アンテナ用端子２５ｊと蓄電素子Ｃｃとの間に電気的に接続されている。電源制御回路２７ｊは、蓄電素子Ｃｃと可変発振回路１１，１２との間に電気的に接続されている。蓄電素子Ｃｃは、例えば容量素子であり、一端が昇圧／整流回路２６ｊ及び電源制御回路２７ｊを接続するラインに電気的に接続され、他端がグランド電位に電気的に接続されている。図９は、実施形態の第２の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｊの構成を示す図である。

【0054】

昇圧／整流回路２６ｊは、アンテナ５からカップリング容量６ｊを介して伝達されたＲＦ信号を昇圧するとともに整流して蓄電素子Ｃｃへ供給する。電源制御回路２７ｊは、第１の期間に可変発振回路１１，１２への電力供給を遮断して蓄電素子Ｃｃに電荷を蓄積させる。電源制御回路２７ｊは、第２の期間に蓄電素子Ｃｃの電荷を用いて可変発振回路１１，１２への電力供給を行う。

【0055】

すなわち、センサインターフェース回路１ｊにおいて、情報収集端末２００からの電磁波（ＲＦ信号）を昇圧／整流しエネルギーを蓄電素子Ｃｃに蓄え、電源制御回路２７ｊにより所定の電力が蓄えられたら、可変発振回路１１，１２で構成されるセンサ回路への電力供給を可能としている。この構成により、電池２２なしでのセンサモジュール１００ｊの動作（バッテリレス動作）が可能となる。

【0056】

例えば、バッテリレス動作は、図１０に示すように行われる。図１０は、実施形態の第２の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｊの動作を示すタイミングチャートである。

【0057】

充電モードにおいて、センサインターフェース回路１ｊは、可変発振回路１１，１２への電力供給を遮断しており、ＲＦ信号を昇圧／整流して蓄電素子Ｃｃへ供給する。蓄電素子ＣｃにはＲＦ信号に応じた電荷が充電され、蓄電素子Ｃｃの電圧が上昇していく。蓄電素子Ｃｃ（例えば、容量素子）の電圧が閾値電圧Ｖ_ＲＨを超え、閾値電圧Ｖ_ＲＨに対応したエネルギーが蓄電素子Ｃｃに蓄えられると、タイミングｔ１において、蓄電素子Ｃｃからの電荷の放電が開始される。すなわち、蓄電素子Ｃｃから電源制御回路２７ｊ経由で可変発振回路１１，１２への電力供給が開始され、可変発振回路１１，１２を含むセンサ回路の電源がオンとなる。これにより、センサインターフェース回路１ｊの動作モードが充電モードからセンシングモードへ移行し、バックスキャッタ動作が開始される。すなわち、センサ２，３の検出値に応じて可変発振回路１１，１２が発振信号を生成し、それらの発振信号の差分に応じた制御信号が差分回路１８で生成され、その制御信号に応じてバイアス回路１５がＲＦスイッチ１６をオン・オフ制御する。これにより、ＲＦ信号の反射・吸収による送信信号が情報収集端末２００へ送信される。

【0058】

蓄電素子Ｃｃの電圧が閾値電圧Ｖ_ＲＬを下回り、蓄電素子Ｃｃに蓄えられたエネルギーが閾値電圧Ｖ_ＲＬに対応したエネルギーよりも減少すると、タイミングｔ２において、可変発振回路１１，１２への電力供給が遮断され、可変発振回路１１，１２を含むセンサ回路はオフとなる。これにより、センサインターフェース回路１ｊの動作モードがセンシングモードから充電モードへ移行する。充電モードにおいて、再び、蓄電素子Ｃｃへ電荷が充電され、蓄電素子Ｃｃの電圧が上昇していく。

【0059】

図１０に示すように、充電モードとセンシングモードとの繰り返しにより、間欠的なバッテリレスのセンシング動作が可能となる。センサ情報は、センシングモード時の信号をモニタすることにより取得できる。

【0060】

このように、センサモジュール１００ｊにおいて、ＲＦ信号のエネルギーの一部をセンサインターフェース回路１ｊへ充電可能であるので、バッテリレス動作化が可能である。これにより、電池交換及びそれに関連するメンテナンスが不要となるので、メンテナンスフリー化が可能である。

【0061】

（実施形態の第３の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｋは、図１１に示すように、実施形態の第１の変形例の構成と実施形態の第２の変形例の構成とが組み合わせられて構成されてもよい。図１１は、実施形態の第３の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｋを含むセンサモジュール１００ｋの構成を示す図である。すなわち、センサモジュール１００ｋにおいて、センサインターフェース回路１ｋとアンテナ５との間にカップリング容量６ｊが電気的に接続される。センサインターフェース回路１ｋは、差分回路１８（図２参照）に代えて差分回路１８ｉを有し、チャネル設定用発振回路２１ｉ、昇圧／整流回路２６ｊ及び電源制御回路２７ｊをさらに有する。差分回路１８ｉ及びチャネル設定用発振回路２１ｉのそれぞれの詳細は、実施形態の第１の変形例と同様である。カップリング容量６ｊ、昇圧／整流回路２６ｊ及び電源制御回路２７ｊのそれぞれの詳細は、実施形態の第２の変形例と同様である。

【0062】

このように、通信システム３００における複数のセンサモジュール１００ｋ－１～１００ｋ－ｎに互いに異なるチャネル周波数ｆｃｈ１～ｆｃｈｎが割り当てられることで、マルチチャンネル化が可能となる。また、各センサモジュール１００ｋにおいて、ＲＦ信号のエネルギーの一部をセンサインターフェース回路１ｋへ充電可能であるので、バッテリレス動作化が可能である。これにより、複数のセンサモジュール１００ｋ－１～１００ｋ－ｎからのセンサ情報の収集をバッテリレス動作で実現することができる。

【0063】

（実施形態の第４の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｐは、図１２に示すように、センサ２，３の検出値を高分解能で取得可能に構成されていてもよい。図１２は、実施形態の第４の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｐを含むセンサモジュール１００ｐの構成を示す図である。

【0064】

ＩｏＴとしてのユースケースを考えた場合、環境に応じたセンサ２の信号変化が微弱なことがある。微弱な信号変化であっても、信号取得における時間方向の分解能を向上させて、信号変化に応じた大きな周波数変化を高速に生成しつつそれを時間平均すれば、ノイズ成分の影響を抑制しながら、実施形態と同等レベルの差分信号を高精度に生成できると期待される。

【0065】

このような考えに基づき、図１２に示すように、センサインターフェース回路１ｐは、可変発振回路１１及び可変発振回路１２（図２参照）に代えて可変発振回路１１ｐ及び可変発振回路１２ｐを有し、分周回路２８ｐ及び分周回路２９ｐをさらに有する。

【0066】

可変発振回路１１ｐは、センサ２の検出値に対して実施形態の可変発振回路１１より高い周波数ｆｈｓ（＞ｆｓ）の発振信号Ｓを生成する。分周回路２８ｐは、可変発振回路１１ｐと差分回路１８との間に電気的に接続されている。分周回路２８ｐの分周比はｆｈｓ／（ｆｓ）である。分周回路２８ｐは、可変発振回路１１ｐの発振信号Ｓを分周し、周波数ｆｓを有する分周信号ＤＳを生成して差分回路１８のミキサ回路１３へ供給する。

【0067】

可変発振回路１２ｐは、基準センサ３の検出値に対して実施形態の可変発振回路１２より高い周波数ｆｈｒｅｆ（＞ｆｒｅｆ）の発振信号Ｓｒｅｆを生成する。分周回路２９ｐは、可変発振回路１２ｐと差分回路１８との間に電気的に接続されている。分周回路２９ｐの分周比はｆｈｒｅｆ／（ｆｒｅｆ）である。分周回路２９ｐは、可変発振回路１２ｐの発振信号Ｓｒｅｆを分周し、周波数ｆｒｅｆを有する分周信号ＤＳｒｅｆを生成して差分回路１８のミキサ回路１３へ供給する。

【0068】

ここで、分周回路２８ｐ，２９ｐによる分周動作は発振信号に対して平均化動作（積分動作）となるため、センシングの高分解能動作化が可能となる。センサ２，３の検出値に対する可変発振回路１１ｐ，１２ｐの発振周波数の割合を高めに設定すると、微小なセンサインピーダンスの変化に対して大きな周波数変化を示す発振信号を得ることができる。この大きな周波数変化を示す発振信号を分周し、差信号を取ることによりジッタ雑音の少ない高分解能動作の実現が可能となる。

【0069】

このように、センサモジュール１００ｐにおいて、可変発振回路１１ｐ及び可変発振回路１２ｐで高分解能の発振動作を行いながら、それによる高周波数の発振信号を分周回路２８ｐ，２９ｐで時間平均するので、実施形態と同等レベルの差分信号を高精度に生成できる。これにより、センサモジュール１００ｐを高精度化でき、高分解能化でき、センサモジュール１００ｐを低雑音動作化することができる。

【0070】

（実施形態の第５の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｑは、図１３に示すように、実施形態の第１の変形例の構成と実施形態の第４の変形例の構成とが組み合わせられて構成されてもよい。図１３は、実施形態の第５の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｑを含むセンサモジュール１００ｑの構成を示す図である。すなわち、センサインターフェース回路１ｑは、差分回路１８（図１２参照）に代えて差分回路１８ｉを有し、チャネル設定用発振回路２１ｉをさらに有する。差分回路１８ｉ及びチャネル設定用発振回路２１ｉのそれぞれの詳細は、実施形態の第１の変形例と同様である。

【0071】

このように、通信システム３００における複数のセンサモジュール１００ｑ－１～１００ｑ－ｎに互いに異なるチャネル周波数ｆｃｈ１～ｆｃｈｎが割り当てられる。また、各センサモジュール１００ｑにおいて、可変発振回路１１ｐ及び可変発振回路１２ｐで高分解能の発振動作を行いながら、それによる高周波数の発振信号を分周回路２８ｐ，２９ｐで時間平均するので、実施形態と同等レベルの差分信号を高精度に生成できる。これにより、周波数スペクトルにおいて、キャリア成分の周波数ｆ_ＲＦからの各センサモジュール１００ｑの帯域（図８参照）までの周波数方向の距離を近づけることができ、マルチチャンネル化が容易になる。

【0072】

あるいは、図示しないが、各センサモジュールは、実施形態の第３の変形例の構成と実施形態の第４の変形例の構成とが組み合わせられて構成されてもよい。

【0073】

（実施形態の第６の変形例）
あるいは、各センサインターフェース回路１において、各可変発振回路１１，１２は、図１４に示すような弛張型の発振回路であってもよい。図１４は、実施形態の第６の変形例における可変発振回路１１，１２の構成を示す図である。図１４（ａ）は、可変発振回路１１，１２に接続すべきセンサ２，基準センサ３が抵抗型のセンサである場合を例示し、図１４（ｂ）は、可変発振回路１１，１２に接続すべきセンサ２，基準センサ３が容量型のセンサである場合を例示する。

【0074】

可変発振回路１１，１２は、インバータチェーン１１１、抵抗素子Ｒ、及び容量素子Ｃを有する。インバータチェーン１１１は、リング状に接続された複数段のインバータＩｎｖ１～Ｉｎｖ３を含む。インバータＩｎｖの段数は、奇数段であり、例えば３段である。初段のインバータＩｎｖ１の出力ノードは、次段のインバータＩｎｖ２の入力ノードに電気的に接続されている。最終段のインバータＩｎｖ３の出力ノードは、可変発振回路１１，１２の出力ノードＮｏｕｔと初段のインバータＩｎｖ１の入力ノードとにそれぞれ電気的に接続されている。抵抗素子Ｒは、インバータチェーン１１１における複数段のインバータＩｎｖ１～Ｉｎｖ３に直列に電気的に接続される。図１４（ａ）、図１４（ｂ）では、抵抗素子ＲがインバータＩｎｖ１の出力ノードとインバータＩｎｖ２の入力ノードとの間に電気的に接続された構成が例示されている。容量素子Ｃは、インバータチェーン１１１におけるインバータＩｎｖ及び抵抗素子Ｒと並列に接続される。図１４（ａ）、図１４（ｂ）では、容量素子Ｃが初段のインバータＩｎｖ１及び抵抗素子Ｒの直列接続に対して並列に接続された構成が例示されている。

【0075】

センサ２，基準センサ３が抵抗型のセンサである場合、図１４（ａ）に示すように、抵抗素子Ｒの両端にセンサ用端子を介してセンサ２，３が電気的に接続される。センサ２，基準センサ３の一端はセンサ用端子２３ａ，２４ａを介して抵抗素子Ｒの一端側のノードＮ_１に電気的に接続され、センサ２，基準センサ３の他端はセンサ用端子２３ｂ，２４ｂを介して抵抗素子Ｒの他端側のノードＮ_２に電気的に接続される。センサ２，３は、等価的に、その検出値に応じて抵抗値が可変する可変抵抗素子Ｒｓとして機能する。可変抵抗素子Ｒｓの抵抗値が変化することで、ノードＮ_１及びノードＮ_２間の合成抵抗値Ｒａｌｌ＝（Ｒ・Ｒｓ）／（Ｒ＋Ｒｓ）が変化し、合成抵抗値Ｒａｌｌと容量素子Ｃの容量値Ｃとの時定数｛（Ｒ・Ｒｓ）／（Ｒ＋Ｒｓ）｝×Ｃが変化する。

【0076】

センサ２，基準センサ３が容量型のセンサである場合、図１４（ｂ）に示すように、容量素子Ｃの両端にセンサ用端子を介してセンサ２，基準センサ３が電気的に接続される。センサ２，基準センサ３の一端はセンサ用端子２３ａ，２４ａを介して容量素子Ｃの一端側のノードＮ_１１に電気的に接続され、センサ２，基準センサ３の他端はセンサ用端子２３ｂ，２４ｂを介して容量素子Ｃの他端側のノードＮ_１２に電気的に接続される。センサ２，基準センサ３は、等価的に、その検出値に応じて容量値が可変する可変容量素子Ｃｓとして機能する。可変容量素子Ｃｓの容量値が変化することで、ノードＮ_１１及びノードＮ_１２間の合成容量値Ｃａｌｌ＝Ｃ＋Ｃｓが変化し、抵抗素子Ｒの抵抗値と合成容量値Ｃａｌｌとの時定数Ｒ×（Ｃ＋Ｃｓ）が変化する。

【0077】

図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示す可変発振回路１１，１２は、インバータ３段によるリング構成で低電源電圧での低消費電力動作が可能な構成である。可変発振回路１１，１２は、弛張型の発振動作を行う。可変発振回路１１，１２において、抵抗素子及び容量素子の時定数に応じた充電速度で容量素子の一端に電荷が充電されていく。容量素子の電圧がインバータＩｎｖ２のＨレベルの閾値を超えると、インバータＩｎｖ２の出力がＬレベル、インバータＩｎｖ３の出力がＨレベル、インバータＩｎｖ１の出力がＬレベルとなり、抵抗素子及び容量素子の時定数に応じた放電速度で容量素子の一端から電荷が放電される。容量素子の電圧がインバータＩｎｖ２のＬレベルの閾値を下回ると、インバータＩｎｖ２の出力がＨレベル、インバータＩｎｖ３の出力がＬレベル、インバータＩｎｖ１の出力がＨレベルとなり、再び、容量素子の一端に電荷が充電されていく。容量素子の一端に電荷の充電・放電が交互に繰り返されることで、弛張型の発振動作が実現される。

【0078】

すなわち、可変発振回路１１，１２の発振周波数は、抵抗素子と容量素子の時定数により決定できる。時定数は、図１４（ａ）の場合であれば、｛（Ｒ・Ｒｓ）／（Ｒ＋Ｒｓ）｝×Ｃで、図１４（ｂ）の場合であれば、Ｒ×（Ｃ＋Ｃｓ）で表され得る。本構成では、容量端子の一端がグランド電位へ接続される一般的なローパスフィルタ構成ではなく、容量端子の一端が帰還ループに接続された構成になっている。これにより、低消費電力での安定動作を実現している。この回路に、図１４（ａ）に示すように抵抗型のセンサ２，基準センサ３を抵抗素子Ｒの両端に接続したり、図１４（ｂ）に示すように容量型のセンサ２，基準センサ３を容量素子Ｃの両端に接続したりすることにより、センサ２，基準センサ３の状態に応じた発振信号を得ることができる。

【0079】

仮に、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示す構成において、インバータの段数を１段少なく、例えば２段にして抵抗素子Ｒと容量素子Ｃとを入れ替えた第１の構成を考える。第１の構成では、インバータの段数が少ない分、低消費電力動作化に有利であるが、抵抗素子の抵抗値が低くなる、または、容量素子の容量値が大きくなると、２段のインバータの動作が分離されてしまい動作が不安定となりやすく、寄生発振を生じやすい。これにより、第１の構成では、寄生発振を避けようとすると、接続可能なセンサの抵抗値又は容量値の範囲が制限されてしまい、適用可能なセンサの抵抗値又は容量値のダイナミックレンジの確保が困難になる。

【0080】

それに対して、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示す構成では、インバータの段数の増加が１段程度で済み、低消費電力動作化が可能である。また、抵抗素子の抵抗値が低くなる、または、容量素子の容量値が大きくなる場合に、奇数段（例えば、３段）のインバータにより弛張型の発振動作が安定して行われるので、接続可能なセンサの抵抗値又は容量値の範囲を広く確保できる。したがって、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示す構成によれば、低消費電力動作化が可能であり、且つ、適用可能なセンサの抵抗値又は容量値のダイナミックレンジを広く確保できる。

【0081】

（実施形態の第７の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｒでは、図１５に示すように、センサインターフェース回路１ｒが半導体集積回路で構成されてもよい。図１５は、実施形態の第７の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｒを含むセンサモジュール１００ｒの実装構成を示す図である。実施形態及び実施形態の第１の変形例～第６の変形例に係るセンサインターフェース回路は、いずれも、モノリシック又は複数チップでの集積回路化が可能である。図１５では、実施形態の第３の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｋがモノリシック集積回路化された場合の実装構成が例示されている。図１５は、トランジスタレベルの設計結果を示すスケマティック図を例示している。

【0082】

図１５に示すセンサインターフェース回路１ｒは、半導体チップ７ｒに搭載される。半導体チップ７ｒは、メイン回路領域７ｒ１、サブ回路領域７ｒ２、電源回路領域７ｒ３を有する。

【0083】

メイン回路領域７ｒ１には、ＲＦスイッチ１６、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）回路８、インバータ９、ミキサ回路１３、ミキサ回路１９ｉ、可変発振回路１１が配される。ＢＰＦ回路８は、入力側に配されるフィルタ回路１４と出力側に配されるバイアス回路１５とを含む。可変発振回路１１には、端子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を介してセンサ２が電気的に接続される。センサ２は、抵抗素子２ａ及び容量素子２ｂを含む。センサ２が抵抗型センサである場合、抵抗素子２ａは可変抵抗素子である。

【0084】

サブ回路領域７ｒ２には、可変発振回路１２、チャネル設定用発振回路２１ｉが配される。可変発振回路１２には、端子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を介して基準センサ３が電気的に接続される。基準センサ３は、抵抗素子３ａ及び容量素子３ｂを含む。チャネル設定用発振回路２１ｉには、端子ＸＴ，ＸＴＯを介して水晶等の原発振器が電気的に接続される。

【0085】

電源回路領域７ｒ３には、昇圧／整流回路２６ｊ、電源制御回路２７ｊが配される。昇圧／整流回路２６ｊは、ＣＰ（Ｃｈａｒｇｅ Ｐｕｍｐ）回路２６ｊ１を含む。電源制御回路２７ｊは、入力側に配されるＰＭ（Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）回路２７ｊ１と出力側に配されるＲＥＧ（ＲＥＧｕｌａｔｏｒ）回路２７ｊ２とを含む。昇圧／整流回路２６ｊは、端子ＲＦＩＮ、インダクタ６ｊ１、キャパシタ６ｊを介してアンテナ５に電気的に接続されている。蓄電素子Ｃｃ（容量素子）は、昇圧／整流回路２６ｊ及び電源制御回路２７ｊの間のノード４１に、端子ＶＤＤを介して電気的に外部接続されている。電源制御回路２７ｊは、端子ＶＤＤ＿ＯＳＣに外部接続された容量素子を介してメイン回路領域７ｒ１へ電源供給が可能であり、端子ＶＤＤ＿ＯＳＣ２に外部接続された容量素子を介してサブ回路領域７ｒ２へ電源供給が可能である。

【0086】

ＲＦスイッチ１６は、トランジスタＮＭを含む。トランジスタＮＭは、ゲートがバイアス回路１５に電気的に接続され、ソースがグランド電位に接続され、ドレインが端子ＲＦＢＳを介してインピーダンス変換回路４に電気的に接続されている。

【0087】

インピーダンス変換回路４は、インダクタ４ａ，４ｂを有する。インダクタ４ａは、一端が端子ＲＦＢＳに電気的に接続され、他端がノード４ｃに電気的に接続されている。インダクタ４ｂは、一端がグランド電位に電気的に接続され、他端がノード４ｃに電気的に接続されている。ノード４ｃは、アンテナ５に電気的に接続されている。

【0088】

図１５に示すようにインピーダンス変換回路４が端子ＲＦＢＳを介してトランジスタＮＭに電気的に外部接続されることにより、トランジスタＮＭのサイズ（Ｗ×Ｌ、Ｗ：ゲート幅、Ｌ：ゲート長）を小さくすることができる。

【0089】

図１５に示す実装構成について、その動作についてシミュレーションした結果を図１６及び図１７に示す。図１６は、実施形態の第７の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｒの動作のシミュレーション結果を示す図である。図１７は、実施形態の第７の変形例における送信信号の周波数スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。

【0090】

図１６に示すように、２つの可変発振回路１１，１２は、電源電圧１Ｖで、約５００ｋＨｚの発振が可能であり、その発振信号Ｓ，Ｓｒｅｆがそれに応じた比較的低い周波数を有する。ミキサ回路１３、ミキサ回路１９ｉ、フィルタ回路１４を含む差分回路１８ｉ（図１１参照）は、比較的低い周波数で変調信号を生成する。この変調信号に応じてバイアス回路１５がＲＦスイッチ１６をオン・オフ制御し、ＲＦ信号の反射・吸収による送信信号が情報収集端末２００へ送信される。

【0091】

図１７は、１ＧＨｚのＲＦ信号の照射を想定した時の反射信号特性のシミュレーション結果を示す。アンテナ条件は、損失ゼロの理想状態を想定した。送信信号の周波数スペクトルには、図１７に点線で囲った部分に信号成分のピークが現れる。すなわち、送信信号の周波数スペクトルには、周波数ｆ_ＲＦを有するキャリア成分に加えて、帯域ＦＢに周波数ｆ_ＲＦ－ｆｃｈ±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）を有する信号成分が現れ、帯域ＦＢ’に周波数ｆ_ＲＦ＋ｆｃｈ±（ｆｓ－ｆｒｅｆ）を有する信号成分が現れている。帯域ＦＢ，ＦＢ’は、センサモジュール１００ｒ用の帯域である。

【0092】

なお、図１６及び図１７に示すシミュレーション結果では、消費電力は、１００μＷ未満で、－１０ｄＢｍ以上のＲＦ信号の照射エネルギーにより図１２に示したようなバッテリレス動作の確認に成功した。

【0093】

世の中で一般的に使用されているＷｉＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＺｉｇＢｅｅといった無線通信モジュールの消費電力は、最小加工寸法６５ｎｍや４０ｎｍ以下の先端的集積回路プロセスの適用により低消費電力化が進められているが、それでも１ｍＷ以上の電力が必要なためバッテリレス動作は困難な状況にある。

【0094】

しかし、実施形態の第７の変形例では、高価な先端的集積回路技術を用いなくとも、低コストの集積回路技術で１００μＷ未満の低消費電力動作の実現でき、無線信号エネルギーによるバッテリレス動作を実現できる。さらに、集積回路化によりセンサ端末の小型化が可能で、様々な物、場所（人体を含む）にセンサ端末を組み込むことが可能となる。

【0095】

（実施形態の第８の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｓは、図１８に示すように、半導体チップ７ｒが回路基板７１上に搭載されて構成されてもよい。図１８は、実施形態の第８の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｒを含むセンサモジュール１００ｓの実装構成を示す図であり、半導体チップ７ｒが図１５に示す半導体チップ７ｒと同様である。図１８は、回路基板７１の回路構成を示している。

【0096】

図１８に示す回路基板７１は、誘電体基板が用いられ得る。回路基板７１上には、インピーダンス変換回路４’が搭載されている。インピーダンス変換回路４’は、インダクタ４ａ及びキャパシタ４ｅ～４ｇを有する。インダクタ４ａは、一端がノード４ｄを介して端子ＲＦＢＳ（図１５参照）に電気的に接続され、他端がノード４ｃに電気的に接続されている。キャパシタ４ｅ，４ｆは、一端がノード４ｃを介して端子ＲＦＢＳに電気的に接続されている。キャパシタ４ｇは、一端がノード４ｃに電気的に接続され、他端がグランド電位に電気的に接続されている。ノード４ｃは、導体パターン５１１を介してアンテナ５に電気的に接続されている。

【0097】

また、回路基板７１上には、抵抗素子Ｒｓの両端が端子Ｓ１１，Ｓ２２（図１５参照）に電気的に接続され、容量素子Ｃｓの両端が端子Ｓ２２，Ｓ３３に電気的に接続されている。抵抗素子Ｒｒｅｆの両端が端子Ｓ１，Ｓ２に電気的に接続され、容量素子Ｃｒｅｆの両端が端子Ｓ２，Ｓ３に電気的に接続されている。抵抗素子Ｒｓの両端又は容量素子Ｃｓの両端にセンサ２を付加し、抵抗素子Ｒｒｅｆの両端又は容量素子Ｃｒｅｆの両端に基準センサ３を付加することによりセンサモジュール１００ｓとして動作する。

【0098】

（実施形態の第９の変形例）
あるいは、各センサモジュール１００ｔは、図１９に示すように、アンテナ５ｔがパッチアンテナで構成されてもよい。図１９は、実施形態の第９の変形例に係るセンサインターフェース回路１ｒを含むセンサモジュール１００ｔの実装構成を示す図である。アンテナ５ｔは、回路基板７１ｔ上に搭載されるカバー８１に配される。図示しないが、半導体チップ７ｒは、カバー８１の内側で回路基板７１ｔ上に搭載される。図１９は、回路基板７１ｔの主面に垂直な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。

【0099】

アンテナ５ｔは、複数の導体線路５０～５９を有する。導体線路５０は、一端が接続部材５１２を介して導体パターン５１１に電気的に接続されている。導体線路５０は、カバー８１の－Ｙ側の側面において接続部材５１２から＋Ｚ方向に延び、＋Ｚ側の主面を＋Ｙ方向に延びて導体線路５１に電気的に接続される。導体線路５１は、カバー８１の＋Ｚ側の主面を－Ｙ側の端部付近から＋Ｙ方向に＋Ｙ側の端部付近まで延びている。導体線路５２～５５は、互いにＹ方向に離間しながら導体線路５１から－Ｘ方向に延びている。導体線路５６～５９は、互いにＹ方向に離間しながら導体線路５１から＋Ｘ方向に延びている。

【0100】

センサモジュール１００ｔの小型化のためには、アンテナ５ｔの小型化が有効である。ＲＦＩＤタグで使用されているアンテナのサイズは、９２０帯で１０ｃｍ以上の大サイズとなっている。

【0101】

一方、実施形態の第９の変形例のアンテナ５ｔは、小型パッチアンテナで構成され、図１９に示すような特有のパターンの構成により小型化が可能とされる。アンテナ５ｔのサイズは、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍである。

【0102】

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0103】

１，１ｉ，１ｊ、１ｋ，１ｐ，１ｑ，１ｒ センサインターフェース回路
２ センサ
３ 基準センサ
４ インピーダンス変換回路
５，５ｔ アンテナ
６ｊ カップリング容量
１１，１１ｐ，１２，１２ｐ 可変発振回路
１３，１９ｉ ミキサ回路
１４ フィルタ回路
１５ バイアス回路
１６ ＲＦスイッチ
１７，２５ｊ アンテナ用端子
１８，１８ｉ 差分回路
２１ｉ チャネル設定用発振回路
２２ 電池
２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ センサ用端子
２６ｊ 昇圧／整流回路
２７ｊ 電源制御回路
２８ｐ，２９ｐ 分周回路
１００，１００－１～１００－ｎ，１００ｉ，１００ｉ－１～１００ｉ－ｎ，１００ｊ，１００ｋ，１００ｋ－１～１００ｋ－ｎ，１００ｐ，１００ｑ，１００ｑ－１～１００ｑ－ｎ，１００ｒ，１００ｓ，１００ｔ センサモジュール
１１１ インバータチェーン
２００ 情報収集端末
３００ 通信システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】