特許 7573919 無線センサ及び無線センサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】無線センサ及び無線センサシステム

(51)【国際特許分類】

   G08C 17/00 20060101AFI20241021BHJP

【ＦＩ】

G08C17/00 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024033153

(22)【出願日】2024-03-05

【審査請求日】2024-03-05

(31)【優先権主張番号】P 2023075387

(32)【優先日】2023-05-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000230216

【氏名又は名称】日本ミクロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001726

【氏名又は名称】弁理士法人綿貫国際特許・商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】小松 隆次

(72)【発明者】

【氏名】野田 達郎

【審査官】榮永 雅夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２７４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１３３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１０３７５６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２３－１０４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２２５５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０８Ｃ １３／００ － ２５／０４

Ｇ０１Ｄ １１／００ － １１／３０

Ｇ０１Ｄ ２１／００ － ２１／０２

Ｈ０４Ｑ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属、又は非金属を含む測定対象物に取付けられる無線センサであって、
センシング動作にかかる素子類と、全固体電池と、無線給電受信コイルを具備しており、
前記素子類と、前記全固体電池と、前記無線給電受信コイルとが、単一の多層プリント配線板内に立体的に内蔵され、金属層及びビアによって層間接続され、且つプリント配線板材料で一体封止されており、
前記無線給電受信コイルは、前記多層プリント配線板の最外層の裏面位置、又は前記最外層よりも内部の層のいずれかに配置されていること
を特徴とする無線センサ。

【請求項2】

前記素子類は、所定の測定データを取得するセンサ部と、
前記測定データを外部通信する送受信部と、
前記測定データの演算、デジタル化、及び全体の動作管理を実行する制御部と、
前記センサ部、前記送受信部、及び前記制御部に電力供給する電源部とを含むこと
を特徴とする請求項１記載の無線センサ。

【請求項3】

前記制御部及び前記送受信部のうち少なくとも一方は、前記測定データを個体識別ＩＤで管理する構成であること
を特徴とする請求項２記載の無線センサ。

【請求項4】

前記電源部は、前記無線給電受信コイルで受けた高周波電力を整流、及び定電圧化し、前記全固体電池の充電制御をする構成であること
を特徴とする請求項２又は請求項３記載の無線センサ。

【請求項5】

前記無線センサの取付け箇所に対して、ビス、ボルト、紐、テープ、両面接着テープ、接着剤、及び半田のうち少なくとも一つによって取付けられること
を特徴とする請求項１記載の無線センサ。

【請求項6】

請求項１記載の無線センサと、無線給電により前記無線センサを充電可能な無人飛行体と、を具備する無線センサシステム。

【請求項7】

請求項１記載の無線センサと、無線給電により前記無線センサを充電可能なフレキケーブルと、を具備する無線センサシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線センサ及び無線センサシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＩｏＴ機運の高まりから急速にセンサ市場規模が拡大しており、温度、湿度、圧力、振動、加速度、音、光、流速、速度、ＧＰＳ等の様々なセンサを利用し、データ解析やデータ活用をすることが益々求められている。また、安全確認、自動化等の用途でも、今後の利用は急激に増えていくと云われている。

【0003】

一方、従来型のセンサデバイスとしては、電源配線により給電を行い、マイコンを利用してセンサの制御、データ取得を行った後、信号線で当該データを送信するといった、２系統の配線を行う方法が一般的であり、上記センサデバイスへの配線時における施工コストや、配線引回し、配置換え作業が負担である。また、上記センサデバイスの数量が増加した際や、広大なエリアや生産ラインに上記センサデバイスを設置する際には、配線重量による装置全体の重量増加といった問題も生じ、配線そのものの設置がより困難となる。さらに、断線した際の復旧や接触不良箇所の探索・修正も困難である。

【0004】

ところで、国内の製造設備の９割は老朽設備であると云われており、ＩｏＴ対応のニーズがあるものの、当該設備に対してセンサを後から付加し最新型の設備に近い性能にする、又は新しい設備の導入・入替え・配置換え等をするといった対応は、上記した様々な配線事情により、困難である場合が多い。特に、頻繁に稼働する箇所のある設備や車両、船舶、航空機といった移動体の場合に顕著である。

【0005】

上記の改善策として、特許文献１（特開２０２０－１２３５６９号公報）には、センサ、プロセッサ、無線通信／送信デバイス、発電デバイス等を有する電子デバイスと、当該電子デバイスに電力供給可能な可撓性電池とを具備する可撓性電池アセンブリが開示されている。なお、当該発電デバイスとして、太陽電池、ナノ発電機、熱電発電機、発電機等が挙げられている。

【0006】

また、特許文献２（特開２０１５－０７６１５８号公報）には、全固体二次電池と、当該全固体二次電池の電力により駆動するセンサと、当該センサからの情報を無線送信する送信部とを具備するセンサシステムが開示されている。なお、上記全固体二次電池は、２つの電極及び固体電解質が積層された電池部と、当該電池部の周囲に設けられた枠とが封止されて凸部を成している。

【0007】

さらに、特許文献３（特表２０１５－５０２６３５号公報）には、センサと、当該センサを充電可能な二次電池と、送信機と、エネルギーハーベスタとを備えた電子装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０２０－１２３５６９号公報

【文献】特開２０１５－０７６１５８号公報

【文献】特表２０１５－５０２６３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献１に開示される可撓性電池アセンブリは、電力供給用のアタッチメント端子を露出させる場合があり、異物接触や水分付着によるショートトラブルといった信頼性上の問題が生じる可能性がある。したがって、装置の高信頼性化が求められている。

【0010】

特許文献２に開示されるセンサシステムでは、人が触れる場所など上記した凸部を嫌う箇所には利用しづらく、凸部への引掛りにより破損するといった可能性もある。また、装置の厚みが増し、小型化しにくいといった課題が生じる。また、センサシステムの設置環境によって、熱電発電素子が発電できない場合や、発電できたとしても電力不足となる場合には、有線での充電が必要となる。したがって、完全な無線化ができないという課題が生じている。

【0011】

特許文献３に開示される電子装置では、電気回路と電池とエネルギーハーベスタとを相互接続する端子部において、ショートトラブルが生じる可能性があるという特許文献１同様の課題が生じている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

そこで、本発明は上記複合的な課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、小型、且つ高い信頼性があり、環境依存せずに無線での使用が可能な無線センサ及び無線センサシステムを提供することにある。

【0013】

本発明に係る無線センサは、金属、又は非金属を含む測定対象物に取付けられる無線センサであって、センシング動作にかかる素子類と、全固体電池と、無線給電受信コイルを具備しており、前記素子類と、前記全固体電池と、前記無線給電受信コイルとが、単一の多層プリント配線板内に立体的に内蔵され、金属層及びビアによって層間接続され、且つプリント配線板材料で一体封止されており、前記無線給電受信コイルは、前記多層プリント配線板の最外層の裏面位置、又は前記最外層よりも内部の層のいずれかに配置されていることを要件とする。

【0014】

各部材が多層プリント配線板内に内蔵されていることにより、表面に実装部品など凸部を有さない構成となり、装置の小型化を図ることができる。また、上記構成により、無線センサから端子等が露出していないため、ショートトラブルを防止することができ、高い信頼性の装置を実現することができる。さらに、無線給電受信コイルを内蔵しているため、外部からの無線給電が可能となり、環境依存せずに完全に無線での使用が可能な装置を実現することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、小型、且つ高い信頼性があり、環境依存せずに無線での使用ができる無線センサ及び無線センサシステムの提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る無線センサを模式的に示す断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係る無線センサのブロック図である。

【図3】本発明の実施形態に係る無線センサを測定対象物に取付けた際の模式図である。

【図4】本発明の実施形態に係る無人飛行体を用いた無線センサシステムの説明図である。

【図5】本発明の実施形態に係るフレキケーブルを用いた無線センサシステムの説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

先ず、本実施形態における無線センサ１０及び無線センサシステムＳについて説明する。本実施形態においては、図１の送受信アンテナ部２４のある面を上面と称し、その裏面を下面と称する。ただし、無線センサ１０は下面を所定の測定対象物４０ないし所定の測定箇所に取付けて使用することが想定されているため、無線センサ１０の上下方向と、地面側を下向きとする上下方向とは必ずしも一致しない。また、無線センサ１０は、一例として、６層の金属層１４が積層されているが、金属層１４の層数は６層に限定されるものではない。金属層１４については、便宜的に、上面側から下面側方向に向けて順に、第１金属層、第２金属層、第３金属層、第４金属層、第５金属層、第６金属層と称する場合がある。また、多層プリント配線板１２は、一例として、５層のプリント配線板材料（絶縁層と称する場合がある）が積層されているが、絶縁層１２の層数は５層に限定されるものではない。絶縁層１２については、便宜的に、上面側から下面側方向に向けて順に、第１絶縁層、第２絶縁層、第３絶縁層、第４絶縁層、第５絶縁層と称する場合がある。

【0018】

（無線センサ）
続いて、各図面に基づいて、本実施形態における無線センサ１０及び無線センサシステムＳについて説明する。なお、本発明の無線センサ１０及び無線センサシステムＳは下記の実施形態に限定されるものではない。

【0019】

無線センサ１０は、図１に示すように、センシング動作に必要な素子類２０と、全固体電池２５と、無線給電受信コイル２７とが多層プリント配線板１２に一体封止され立体的に内蔵されている構成である。すなわち、無線センサ１０は、図１に示すように、各部２１～２７と、金属層１４と、スルーホール１６と、絶縁層１２とを有する構成である。

【0020】

また、本実施形態における金属層１４は、銅からなる配線パターンとして形成されている。

【0021】

また、本実施形態におけるスルーホール１６は、多層プリント配線板の製造工程において、貫通孔に対して銅めっきを行い形成されるものである。金属層１４を電気的に接続する方法は、スルーホールに限定するものでなく、レーザービアを用いたビルドアップ接続、端面電極、貫通孔に対して導電ペーストが充填されたペーストビア、又はそれらを組み合わせた方法により形成してもよい。

【0022】

全固体電池２５は、一例として、第２絶縁層１２から第４絶縁層１２の内部に内蔵されている。全固体電池２５の下部は、金属層１４に接続されており、スルーホール１６を介して電源部２６に接続されている。

【0023】

また、全固体電池２５は、一例として、全固体リチウム電池であるが、これに限定されず、同等の信頼性を持つ全固体電池であればよい。

【0024】

全固体電池２５は、耐熱性が高く、半田リフロー温度にも耐えることができ、一般的なバッテリと異なり、プリント配線板の多層化工程での加熱にも十分に耐えることができるため、プリント配線板材料を利用した一体封止構造を形成することが可能となる。

【0025】

全固体電池２５は、電解質に固体を利用しているため、液漏れが起こらず、無線センサ１０内で液漏れして故障に繋がることがないため、信頼性の高い製品とすることができる。

【0026】

無線給電受信コイル２７は、一例として、第２金属層に形成されている。無線給電受信コイル２７は、外部から近接及び非接触で電力（高周波電力）を受信する構成である。一方、全固体電池２５は、一般的な二次電池と比べて、高速充電に強く短時間で充電することができるため、充電待ち時間を短くできるといった点で利便性を高めることができる。また、全固体電池２５は、充電サイクル特性が良好であり、特に高温での繰り返し充電による容量低下が少ないため、長期間交換せずに安定的な動作をさせることができる。

【0027】

全固体電池２５と無線給電受信コイル２７とを組み合わせた際の上記特色を利用して、無線センサ１０に無人飛行体（一例として、ドローン）Ｄを接近させて外部充電を行う構成としてもよい。また、無人飛行体（ドローン）Ｄは本体外部に設けられた無線給電送信コイルＤ１を有しており、無線給電送信コイルＤ１を無線給電受信コイル２７に接近（近接、非接触のいずれの場合も含む）させることにより給電可能である。これにより、無線センサ１０を、人の作業負荷が高い橋梁等の高所に取付けて使用可能という利点が得られる。

【0028】

また、フレキケーブルＦを使用して無線センサ１０に外部充電を行う構成としてもよい。また、フレキケーブルＦは先端部に設けられた無線給電送信コイルＦ１を有しており、無線給電送信コイルＦ１を無線給電受信コイル２７に接近（近接、非接触のいずれの場合も含む）させることにより、給電可能である。これにより、下水内、地下道等のガスが発生する可能性のある環境や、放射性物質がある環境等、人が立ち入ることが困難な場所でも、無線センサ１０に無線給電送信コイルＦ１を接近させることにより、危険を冒さずに充電可能という利点が得られる。

【0029】

なお、無線センサ１０は、コンクリート等の構造物内部、塩ビ管等の非金属配管内部、又は地中に埋設した構造体の内部に配置される構成としてもよい。これにより、直接充電困難な環境でも充電が可能となる。また、本実施形態における無線センサ１０は、充電方式として、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、又はマイクロ波無線方式を用いることができる。これらの方式を採用することにより、給電側と無線センサ１０との間に遮蔽物を介していても、給電が可能となる。特に、近距離であれば、電磁誘導方式、又は磁界共鳴方式を採用すればよく、距離が必要な場合には、マイクロ波無線方式を採用すればよい。すなわち、無線センサ１０に内蔵される無線給電受信コイル２７は、選択する無線給電方式に合わせた設計とすることで、最適な効率で全固体電池２５への充電が可能となる。ただし、充電方式はこれらの方式に限定されない。

【0030】

また、センシング動作にかかる素子類２０は、所定の測定データを取得するセンサ部２１と、測定データの演算、デジタル化、及び無線センサ１０全体の動作管理を実行する制御部２２と、測定データを外部通信する送受信部２３と、センサ部２１、制御部２２、及び送受信部２３に電力供給する電源部２６とを含む構成としてもよい。

【0031】

センサ部２１は、一例として、第２絶縁層１２に内蔵されており、金属層１４及びスルーホール１６を介して、制御部２２、及び電源部２６に接続されている。

【0032】

また、センサ部２１は、所定の測定データを取得する構成であり、具体的には、温度又は温度変化を計測する温度センサ、加速度又は加速度変化を計測する加速度センサ、湿度又は湿度変化を計測する湿度センサ、圧力又は圧力変化を計測する圧力センサ、磁気又は磁気変化を測定する磁気センサ、光量又は光量変化を計測する光量センサ、音を計測する音センサ、距離を測定する測距センサ、液体や気体の流量を計測する流量センサ、角速度を計測するジャイロセンサ、赤外線を測定する赤外線センサ、及び振動を計測する振動センサのうち少なくとも一つを含むセンサとすることができる。図３に示すように、無線センサ１０は、測定対象物４０に取付けられて当該測定対象物４０の種々のデータを取得する構成としてもよく、また、所定の箇所に取付けられて温度や湿度等、周囲環境についてのデータを取得する構成としてもよい。

【0033】

センサ部２１は、多層プリント配線板１２内に内蔵される構成とすれば、信頼性を高めた使い方ができるが、測定対象に直接センサ部２１を取付けて精度よく測定したい、入り組んだ狭い箇所にセンサ部２１を取付けたいといったような要望に合わせ、センサ部２１のみ無線センサ１０の外側に接続する構成としてもよい。

【0034】

制御部２２は、一例として、第２絶縁層１２に内蔵されており、センサ部２１の他、金属層１４及びスルーホール１６を介して、送受信部２３、及び電源部２６に接続されている。

【0035】

制御部２２は、センサ部２１が取得した測定データを演算・デジタル化処理する機能と、無線センサ１０全体の動作制御を実行する機能を有する。また、制御部２２内には、１つ以上の記憶領域（不図示）が内蔵されており、測定データが記憶される構成としてもよい。なお、当該記憶領域に記憶される測定データは、制御部２２によってデジタル化処理が施されたデータである。

【0036】

なお、測定データを記憶させる記憶領域としては、制御部２２内の記憶領域に限定するものではなく、送受信部２３に記憶領域を設ける構成や、その他記憶用メモリを設ける構成としてもよい。

【0037】

送受信部２３は、一例として、第２絶縁層１２に内蔵されており、金属層１４及びスルーホール１６を介して、制御部２２、送受信アンテナ部２４、及び電源部２６に接続されている。

【0038】

より具体的には、送受信部２３は、無線通信用の半導体と、外部通信用の送受信アンテナ部２４と、設定を記憶するメモリを有している。送受信部２３は、一例として、９２０ＭＨｚのＵＨＦ帯通信や２．４ＧＨｚ帯通信をする構成であるが、これらの周波数帯以外を用いた通信であってもよい。また、通信方式としてセミパッシブ通信方式を採用することができ、これにより、電力消費を抑えることができる。なお、電力に余裕があれば、アクティブ通信方式を採用してもよい。アクティブ通信方式であれば、通信距離を延ばすことができ、通信の自由度を高めることができる。

【0039】

また、無線センサ１０は、個体識別用の識別ＩＤを備えている。すなわち、制御部２２及び送受信部２３のうち少なくとも一方は、測定データを個体識別ＩＤで管理する構成としてもよい。これにより、数百個といった多量の無線センサ１０を利用する場合、混乱せずに測定データの紐付けを行うことができる。

【0040】

なお、識別ＩＤは、制御部２２、及び／又は送受信部２３で保持されるが、それ以外の外部メモリ等を利用して識別ＩＤを保持する構成としてもよい。あらかじめ識別ＩＤを持つパッシブ通信方式、又はアクティブ通信方式の場合は、内部メモリに既に保持されている識別ＩＤを利用し、その他の通信方式を利用する場合は、別途識別ＩＤを付加することで、個体識別を可能とすることができる。

【0041】

電源部２６は、一例として、第４絶縁層１２に内蔵されている。電源部２６は、無線給電受信コイル２７が受けた電力（高周波電力）を整流し、電圧制御する素子や蓄電を行う素子を備える構成としてもよい。

【0042】

また、電源部２６は、全固体電池２５の充電制御機能を有し、過充電を防止する機能（過充電防止機能）を備えていてもよい。

【0043】

また、素子類２０と、全固体電池２５と、無線給電受信コイル２７とは、プリント配線板材料で一体封止されていてもよい。全固体電池２５の端子部分が無線センサ１０の表面に露出していないため、水分や異物の付着によるショートトラブルを防止することができる。また、後から蓋をする構造の製品と比べて、水分の侵入が困難で、ピンホールなどの欠陥も発生しにくい構成であるため、より信頼性の高い耐久性のある製品を実現することができる。

【0044】

なお、プリント配線板材料として、エポキシ樹脂を用いることができるが、それ以外の樹脂であってもよいし、複数の樹脂の組合せであってもよい。

【0045】

無線給電受信コイル２７は、取付ける測定対象物４０が金属体の場合、金属影響による効率低下を避けるため、多層プリント配線板１２の最外層の表裏面位置、又は多層プリント配線板１２の最外層の内部のいずれかに配置される構成が好ましい。なお、本実施形態においては、無線給電受信コイル２７は、一例として、第１絶縁層１２の裏面位置（すなわち、第２絶縁層１２の内部）に配置されている。

【0046】

無線センサ１０は、測定対象物４０に対して、ビス、ボルト、紐、テープ、両面接着テープ、接着剤、半田等のうち少なくとも一つによって取付けられる。測定対象物４０に無線センサ１０を取付ける箇所は、金属体であることが好ましく、金属体の材質としては、銅、アルミ、チタン、ステンレス、鉄といった材質を用いることができる。なお、無線センサ１０を取付ける箇所は、金属体に限定されるものではなく非金属体であってもよく、また液体の入った容器等を測定対象物４０として利用することもできる。

【0047】

なお、無線センサ１０の表面と裏面は、絶縁と保護のためソルダーレジストを塗布してもよい。絶縁と保護のために用いる材料はソルダーレジストに限定されず、他の絶縁材料などを用いてもよい。

【0048】

（無線センサシステム）
続いて、本実施形態における無線センサシステムＳについて説明する。

【0049】

無線センサシステムＳは、図４に示すように、本実施形態で説明した無線センサ１０と、無線給電により無線センサ１０を充電可能な無人飛行体（ドローン）Ｄとを具備する構成である。また、無人飛行体（ドローン）Ｄは本体外部に設けられた無線給電送信コイルＤ１を有しており、無線給電送信コイルＤ１を無線給電受信コイル２７に接近（近接、非接触のいずれの場合も含む）させることにより給電可能である。これにより、無線センサ１０を、人の作業負荷が高い橋梁等の高所に取付けて使用可能という利点が得られる。

【0050】

また、無線センサシステムＳの変形例として、図５に示すように、本実施形態で説明した無線センサ１０と、無線給電により無線センサ１０を充電可能なフレキケーブルＦと、を具備する構成としてもよい。また、フレキケーブルＦは先端部に設けられた無線給電送信コイルＦ１を有しており、無線給電送信コイルＦ１を無線給電受信コイル２７に接近（近接、非接触のいずれの場合も含む）させることにより、給電可能である。これにより、下水内、地下道等のガスが発生する可能性のある環境や、放射性物質がある環境等、人が立ち入ることが困難な場所でも、無線センサ１０に送信コイルを接近させることにより、危険を冒さずに充電可能という利点が得られる。

【0051】

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

【符号の説明】

【0052】

１０ 無線センサ
１２ 多層プリント配線板（絶縁層）
１４ 金属層
１６ スルーホール
２０ 素子類
２１ センサ部
２２ 制御部
２３ 送受信部
２４ 送受信アンテナ部
２５ 全固体電池
２６ 電源部
２７ 無線給電受信コイル
Ｓ 無線センサシステム
Ｄ 無人飛行体（ドローン）
Ｄ１ 無線給電送信コイル
Ｆ フレキケーブル
Ｆ１ 無線給電送信コイル

【要約】

【課題】小型、且つ高い信頼性があり、環境依存せずに無線での使用が可能な無線センサ及び無線センサシステムの提供。
【解決手段】センシング動作にかかる素子類２０と、全固体電池２５と、無線給電受信コイル２７を具備しており、素子類２０と、全固体電池２５と、無線給電受信コイル２７とが、多層プリント配線板１２内に立体的に内蔵されているとともに、プリント配線板材料で一体封止されていることを要件とする。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】