JP2012008749A - パッシブセンサの製造方法、無線式センサシステムによる計測方法、パッシブセンサ、無線式センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子の製造バラツキ等により個体差があっても、高い計測精度が得られるパッシブセンサおよび該パッシブセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】パッシブセンサ１０は、アンテナ１１とＳＡＷ共振子１２とから構成される。パッシブセンサ１０の共振周波数ｆｓｃは、ＳＡＷ共振子１２の共振周波数ｆｓａｗがアンテナ１１とＳＡＷ共振子１２とのインピーダンスの差に準じたシフト量だけ周波数シフトした値となる。これを利用し、ＳＡＷ共振子１２を共振周波数ｆｓａｗに基づいて識別グループＧｒに分類する。識別グループＧｒ毎に異なるインピーダンスのアンテナモジュール１００Ａ−１００Ｅを形成し、識別グループＧｒを基準にＳＡＷ共振子１２と組み合わせてパッシブセンサ１０を形成する。これにより、ＳＡＷ共振子１２に個体差があっても、所定の周波数誤差幅Δｆｓｃ内にパッシブセンサ１０の共振周波数が収まる。
【選択図】図２

Description

本発明は、物理量に応じて共振周波数が変化する共振子を備えたパッシブセンサおよび該パッシブセンサの製造方法、さらには当該パッシブセンサを用いた無線式センサシステムおよび該無線式センサシステムによる計測方法に関する。

従来、所定の物理量（温度、圧力等）を計測するパッシブセンサとして、特許文献１に示すように、ＳＡＷ共振子等のセンサ素子と該センサ素子に接続するアンテナとを用いたパッシブセンサがある。このようなパッシブセンサは、ＳＡＷ共振子が温度や圧力により共振周波数が変化することを利用しており、計測結果をアンテナから親機に送信している。

特表２００３−５０８７３９号公報

しかしながら、ＳＡＷ共振子等のセンサ素子の共振周波数は、当該センサ素子の形状に依存するため、このようなセンサ素子を用いたパッシブセンサでは、センサ素子の形成精度に計測精度が大きく依存する。

ところが、要求される計測精度が高い場合、当該計測精度を満足するような製造バラツキの範囲内で、センサ素子を製造することは容易ではない。

したがって、本発明の目的は、センサ素子の製造バラツキ等により個体差があっても、高い計測精度が得られるパッシブセンサおよび該パッシブセンサの製造方法を提供することにある。

この発明は、外部からの励起信号によって感知する物理量に応じた周波数の共振信号を出力するセンサ素子と、センサ素子に接続されており、励起信号および共振信号に基づく通信信号を送受波するアンテナと、を備えるパッシブセンサの製造方法に関する。この製造方法は、センサ素子選別工程、アンテナモジュール形成工程、パッシブセンサ形成工程を有する。センサ素子選別工程は、センサ素子を、励起信号による共振周波数で複数のグループに選別する。アンテナモジュール形成工程は、グループ毎に異なる形状のアンテナを備えるアンテナモジュールを形成する。パッシブセンサ形成工程は、センサ素子のグループに応じて、アンテナモジュールとセンサ素子とを組合せてパッシブセンサを形成する。このような製造工程の上で、アンテナモジュール形成工程は、センサ素子の共振周波数を、パッシブセンサの所望共振周波数にシフトさせる形状にアンテナを形成している。

この製造方法では、センサ素子の共振周波数に応じたグループ単位でアンテナの形状を適宜設定している。これにより、センサ素子の製造バラツキによる共振周波数の個体差があっても、パッシブセンサとして送信（出力）する通信信号の共振周波数は一定になる。言い換えれば、センサ素子の個体差に影響されることなく、所望の計測精度が得られるような通信信号を出力可能なパッシブセンサを構成できる。

また、この発明のパッシブセンサの製造方法では、センサ素子はＳＡＷ共振子により形成されている。アンテナモジュール形成工程では、アンテナのインピーダンスにより共振周波数をシフトさせる形状にアンテナを形成する。

この製造方法では、センサ素子として具体的にＳＡＷ共振子を用い、当該ＳＡＷ共振子を用いた場合のアンテナの具体的な形状の設定方法を示している。

また、この発明のパッシブセンサの製造方法では、センサ素子は水晶振動子により形成されている。アンテナモジュール形成工程は、アンテナのインピーダンスに含まれるインダクタンスにより共振周波数をシフトさせる形状にアンテナを形成する。

この製造方法では、センサ素子として具体的に水晶振動子を用い、当該水晶振動子を用いた場合のアンテナの具体的な形状の設定方法を示している。

また、この発明のパッシブセンサの製造方法におけるアンテナモジュール形成工程では、アンテナを放射電極部と配線電極部とからなるダイポールアンテナで形成する。そして、アンテナモジュール形成工程では、放射電極部の開口角により、インピーダンスを調整する。

この製造方法では、アンテナとして具体的にダイポールアンテナを用いること、および当該ダイポールアンテナを用いた場合のインピーダンス調整方法について示している。

また、この発明のパッシブセンサの製造方法におけるアンテナモジュール形成工程では、アンテナを巻回形電極部と配線電極部とからなる電磁結合型アンテナで形成する。そして、アンテナモジュール形成工程では、巻回形電極部の巻回数または／および開口面積により、インピーダンスを調整する。

この製造方法では、アンテナとして具体的に電磁結合型アンテナを用いること、および当該電磁結合型アンテナを用いた場合のインピーダンス調整方法について示している。

また、この発明のパッシブセンサの製造方法におけるパッシブセンサ形成工程は、アンテナの配線電極部に対する前記センサ素子の接続位置により、インピーダンスを調整する。

この製造方法では、上述の形状によるものとは異なるアンテナに対する別のインピーダンスの調整方法を示している。この製造方法では、アンテナの配線電極部に対するセンサ素子の位置、すなわち、放射電極部や巻回形電極部とセンサ素子とを接続する配線電極部の電極長により、インピーダンスを調整している。

また、この発明は、センサ素子を備えるパッシブセンサから送信される通信信号の共振周波数に基づいて、センサ素子の感知した物理量を、パッシブセンサと無線通信接続された親機で計測する無線式センサシステムの計測方法に関する。この無線式センサシステムによる計測方法では、上述のパッシブセンサの製造方法によって、パッシブセンサを製造するパッシブセンサ製造工程を含むとともに、物理量検知工程、物理量算出工程を有する。物理量検知工程は、上述のように製造されたパッシブセンサを用いて物理量を検知し、通信信号を生成する。物理量算出工程は、親機を用いて、通信信号の共振周波数を解析し、該解析した共振周波数に基づいて物理量を算出する。

この計測方法では、通信信号の共振周波数にセンサ素子の個体差が影響されないので、当該通信信号の共振周波数を用いて計測を行う親機では、高精度で物理量を計測することができる。

この発明によれば、センサ素子の個体差による計測誤差を抑圧し、高い計測精度が得られるパッシブセンサを実現することができる。

第１の実施形態に係るパッシブセンサ１０の構成を示す外観斜視図である。 第１の実施形態のパッシブセンサの形成概念、および、パッシブセンサの形成概念を示す図である。 第１の実施形態に係るパッシブセンサ１０を製造する前段階処理を示すフローチャート、および、パッシブセンサ１０の製造工程を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係るアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅの構成をそれぞれに示す平面図である。 第１の実施形態の無線式センサシステム１の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係るパッシブセンサ３０の外観斜視図である。 第２の実施形態に係るアンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅの構成をそれぞれに示す平面図である。 水晶振動子１２Ａの共振時における親機２０Ａ側から見た計測系の等価回路である。 第３の実施形態に係る複数のパッシブセンサの構造例を示す平面図である。

本発明の第１の実施形態に係るパッシブセンサ、パッシブセンサの製造方法、無線式センサシステム、計測方法について図を参照して説明する。図１は本実施形態のパッシブセンサ１０の外観斜視図である。

無線式センサシステム１は、パッシブセンサ１０と親機２０とを備える。パッシブセンサ１０と親機２０とは、電磁界結合もしくは電波の送受信による通信を行う。なお、通信様式は、電磁界結合に限らず、電磁誘導や電波の放射によるものであってもよい。

パッシブセンサ１０は、機能的にはダイポールアンテナからなるアンテナ１１、ＳＡＷ共振子１２を備える。

パッシブセンサ１０は、平板状で絶縁性を有するＰＥＴ等からなるベース基板１００を備える。該ベース基板１００の表面には、放射用電極１１１と配線用電極１１２とが形成されている。配線用電極１１２は、互いに平行に配置され、所定方向に沿って所定長さで延びる形状の電極パターンである。放射用電極１１１は、配線用電極１１２の一方端から、これら配線用電極１１２に対して所定角を成す方向へ延びる形状からなる。この際、一対の放射用電極１１１は、配線用電極１１２を基準にして対称となる方向へ延びる形状で形成されている。さらに、一対の放射用電極１１１は、それぞれが通信信号の波長λの略１／４波長（λ／４）の長さとなり、全体として略λ／２の長さとなるように形成されている。この形状により、放射用電極１１１と配線用電極１１２とならなるアンテナ１１は、ダイポールアンテナとして機能する。

ＳＡＷ共振子１２は、圧電基板上にＩＤＴ電極を形成したものであり、当該ＩＤＴ電極に接続する外部接続端子を有する。ＳＡＷ共振子１２は、ベース基板１００の表面における配線用電極１１２の所定位置に実装されている。例えば、図１に示すように、ＳＡＷ共振子１２は、配線用電極１１２の放射用電極１１１と反対側の端部付近に実装されている。ＳＡＷ共振子１２と配線用電極１１２は電気的にも接続されている。

このような構成により、アンテナ１１がＳＡＷ共振子１２に接続された、電池を要さない簡素な構造のパッシブセンサ１０が実現される。そして、このようなパッシブセンサ１０が、アンテナ１１により、外部（後述の親機２０）からパルス状励起信号を受信すると、当該励起信号は、ＳＡＷ共振子１２へ印加される。ＳＡＷ共振子１２は、励起信号により、感知した物理量（例えば磁気強度）に応じた共振周波数で、残響共振し、所定の時間長に亘り、当該共振周波数ｆｓａｗの共振信号を出力する。このＳＡＷ共振子１２により共振信号は、ＳＡＷ共振子１２とアンテナ１１とのインピーダンスマッチング状態に応じて共振周波数がシフトする。アンテナ１１は、当該周波数シフトした共振周波数ｆｓｃの信号を放射（送信）する。この周波数シフトした共振周波数の信号が「通信信号」となる。

なお、詳細は後述するが、親機２０は、パッシブセンサ１０からの通信信号を受信し、当該通信信号の周波数解析を行うことで共振周波数を検出し、検出した共振周波数ｆｓｃに基づいて、物理量（例えば磁気強度）を算出する。

ここで、ＳＡＷ共振子１２は、ＩＤＴ電極のパターン幅、長さ、厚み等のプロセス条件により、特性すなわち共振周波数ｆｓａｗに製造バラツキを有する。したがって、アンテナ１１の形状が一種類であり、親機２０側で共振周波数と物理量との関係を一意に記憶して参照している場合、ＳＡＷ共振子１２の製造バラツキにより、物理量の計測結果にもバラツキが生じてしまう。そこで、本願では、次に示す方法で、ＳＡＷ共振子１２の製造バラツキによる計測精度の低下を抑制する。

＜パッシブセンサ１０の形成概念＞
図２（Ａ）は本実施形態のパッシブセンサの形成概念を示し、図２（Ｂ）は従来のパッシブセンサの形成概念を示す。また、図３（Ａ）はパッシブセンサ１０を製造する前段階処理を示すフローチャートであり、図３（Ｂ）はパッシブセンサ１０の製造工程を示すフローチャートである。

＜パッシブセンサ１０を製造する前段階処理＞
まず、感知する磁気強度範囲に対応するＳＡＷ共振子を形成する。この際、無線通信可能な共振周波数、例えば具体的には９５０ＭＨｚを設計周波数、すなわち基準周波数Ｆｏとするように、ＳＡＷ共振子１２を設計して形成する。これと同時に、ＳＡＷ共振子１２とアンテナ１１とからなるパッシブセンサ１０の基準共振周波数Ｆｓｃを設定する（図３（Ａ）：Ｓ９０１）。

次に、要求される磁気強度の計測誤差ΔＥＲと、ＳＡＷ共振子１２の理論上の磁気強度−周波数特性とから、図２（Ａ）に示すようなパッシブセンサ１０としての周波数誤差幅Δｆｓｃを算出する（図３：Ｓ９０２）。これにより、パッシブセンサ１０としての計測誤差ΔＥＲの仕様に準じた周波数誤差幅Δｆｓｃを設定することができる。

パッシブセンサ１０としての周波数誤差幅Δｆｓｃに基づいて、図２（Ａ）に示すようなＳＡＷ共振子１２をグループ分類するための周波数誤差幅Δｆｑを設定する（図３（Ａ）：Ｓ９０３）。

次に、図２（Ａ）に示すように、ＳＡＷ共振子１２の基準周波数Ｆｏを基準（例えばグループ分類される全周波数帯域の中心周波数）にして、周波数誤差幅Δｆｑの周波数帯域毎に識別グループＧｒを設定する（図３（Ａ）：Ｓ９０４）。

具体的には、図２（Ａ）に示すように、基準周波数Ｆｏを含む周波数誤差幅Δｆｑの帯域を識別グループＧｒＣとし、当該識別グループＧｒＣの高域側に近接する周波数誤差幅Δｆｑの帯域を識別グループＢとし、さらに高域側に近接する周波数誤差幅Δｆｑの帯域を識別グループＡとする。また、当該識別グループＧｒＣの低域側に近接する周波数誤差幅Δｆｑの帯域を識別グループＤとし、さらに低域側に近接する周波数誤差幅Δｆｑの帯域を識別グループＥとする。

そして、基準周波数Ｆｏと周波数誤差Δｆｑとに基づいて、識別グループＧｒＡ，ＧｒＢ，ＧｒＣ，ＧｒＤ，ＧｒＥ毎に上限周波数および下限周波数、すなわち閾値周波数Ｔｈｆを設定する（図３（Ａ）：Ｓ９０５）。これにより、ＳＡＷ共振子１２を識別グループＧｒ毎に分類するための準備が完了する。

このようなグループ分類とは別工程で、識別グループＧｒ毎に異なるアンテナ形状からなるアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅを形成する（図３（Ａ）：Ｓ９１１）。ここで示すアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅとは、ベース基板１００の表面にアンテナ１１のみが形成され、ＳＡＷ共振子１２が実装されていない状態のモジュールである。

図４は、本実施形態に係るアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅの構成をそれぞれに示す平面図である。図４（Ａ）−図４（Ｅ）のそれぞれに示すアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅは、アンテナ１１を構成する配線用電極１１２は同じ形状であるが、放射用電極１１１の形状が異なる。

アンテナモジュール１１０Ａの放射用電極１１１Ａ、アンテナモジュール１１０Ｂの放射用電極１１１Ｂ、アンテナモジュール１１０Ｃの放射用電極１１１Ｃ、アンテナモジュール１１０Ｄの放射用電極１１１Ｄ、およびアンテナモジュール１１０Ｅの放射用電極１１１Ｅは、放射用電極の電極長が同じであって、それぞれに開口角が異なる。具体的には、放射用電極１１１Ａの開口角はθ１（例えば図４（Ａ）に示すように１８０°）であり、放射用電極１１１Ｂの開口角はθ２（＜θ１）である。放射用電極１１１Ｃの開口角はθ３（＜θ２）であり、放射用電極１１１Ｄの開口角はθ４（＜θ３）である。放射用電極１１１Ｅの開口角はθ５（＜θ４）である。すなわち、各アンテナモジュール１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ，１１０Ｅの開口角θ１，θ２，θ３，θ４，θ５は、次式の関係になる。

θ１＞θ２＞θ３＞θ４＞θ５
これにより、アンテナモジュール１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ，１１０ＥのインピーダンスＺａｎＡ，ＺａｎＢ，ＺａｎＣ，ＺａｎＤ，ＺａｎＥは、次式の関係になる。

ＺａｎＡ＞ＺａｎＢ＞ＺａｎＣ＞ＺａｎＤ＞ＺａｎＥ
ここで、インピーダンスＺａｎＡ，ＺａｎＢ，ＺａｎＣ，ＺａｎＤ，ＺａｎＥすなわち開口角θ１，θ２，θ３，θ４，θ５は、各識別グループＧｒＡ，ＧｒＢ，ＧｒＣ，Ｇｒｄ，ＧｒＥのＳＡＷ共振子の周波数ｆｓａｗが、ＳＡＷ共振子１２とアンテナ１１とのミスマッチングより、パッシブセンサ１０としての周波数ｆｓｃに周波数シフトした場合に、上述の基準周波数Ｆｓｃを中心とする周波数誤差幅Δｆｓｃ内の周波数へ収まるように、設定されている。

具体的な個別例として、識別グループＧｒＣであれば、識別グループＧｒＣに属するＳＡＷ共振子１２に対して、開口角θ３、インピーダンスＺａｎＣからなるアンテナモジュール１１０Ｃを組み合わせる。これにより、パッシブセンサ１０としての共振周波数ｆｓｃは、ＳＡＷ共振子１２の共振周波数ｆｓａｗに対して、識別グループＧｒＣの周波数帯域と基準周波数Ｆｓｃを中心とする周波数誤差幅Δｆｓｃの周波数帯域との周波数差に応じたインピーダンスＺａｎＣ分シフトした周波数となる。この結果、パッシブセンサ１０としての周波数ｆｓｃは、基準周波数Ｆｓｃを中心とする周波数誤差幅Δｆｓｃ内の周波数へ確実に収まる。

このようなＳＡＷ共振子１２のグループ分類基準と、識別グループＧｒ毎のアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅを用意し、次に示すようにパッシブセンサ１０を製造する。

まず、ＳＡＷ共振子１２に対して、個別に励起信号を印加し、それぞれの共振周波数ｆｓａｗを計測する（図３（Ｂ）：Ｓ１０１）。この際、ＳＡＷ共振子１２の共振周波数ｆｓａｗは、製造バラツキにより、各個体で異なるものとなる。

次に、ＳＡＷ共振子１２毎に計測した共振周波数ｆｓａｗと、グループ分類用の閾値周波数Ｔｈｆとを比較し、各ＳＡＷ共振子１２を識別グループＧｒＡ，ＧｒＢ，ＧｒＣ，Ｇｒｄ，ＧｒＥのいずれかに分類し、関連付けする（図３（Ｂ）：Ｓ１０２）。

次に、ＳＡＷ共振子１２が属する識別グループＧｒＡ−ＧｒＥ毎に、アンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅを選択する。そして、選択したアンテナモジュール１１０Ａ−１１０Ｅに対してＳＡＷ共振子１２を実装し、パッシブセンサ１０を完成させる（図３（Ｂ）：Ｓ１０３）。例えば、ＳＡＷ共振子１２が識別グループＧｒＡに属していれば、アンテナモジュール１１０Ａを選択し、アンテナモジュール１１０ＡにＳＡＷ共振子１２を実装することでパッシブセンサ１０を形成する。また、例えば、ＳＡＷ共振子１２が識別グループＧｒＤに属していれば、アンテナモジュール１１０Ｄを選択し、アンテナモジュール１１０ＤにＳＡＷ共振子１２を実装することでパッシブセンサ１０を形成する。

このように、ＳＡＷ共振子１２の属する識別グループＧｒ毎にインピーダンスが異なるアンテナモジュール１１０を選択し、ＳＡＷ共振子１２を実装することで、ＳＡＷ共振子１２としての共振周波数ｆｓａｗに大きなバラツキがあっても、パッシブセンサ１０としての共振周波数ｆｓｃのバラツキを小さくすることができる。そして、パッシブセンサ１０としての周波数誤差幅Δｆｓｃを、要求された仕様の計測誤差範囲ΔＥＲに準じて設定することで、ＳＡＷ共振子１２の共振周波数ｆｓａｗが、計測誤差範囲ΔＥＲに対応する周波数誤差よりも大きくばらついても、パッシブセンサ１０としての共振周波数ｆｓｃは、当該計測誤差範囲ΔＥＲに対応する周波数誤差に確実に収まる。この結果、要求された計測誤差精度に準じた物理量（磁気強度等）の計測が可能になる。

なお、従来のようにグループ分類を行わなければ、図２（Ｂ）に示すように、計測誤差範囲Δｆｓｃｐは、ＳＡＷ共振子１２の周波数誤差範囲Δｆｑｐがそのまま反映され、当該誤差範囲よりも高い計測精度が要求された場合に、対応することができない。しかしながら、本実施形態の構成、方法を用いれば、ＳＡＷ共振子１２の周波数誤差範囲よりも高い計測精度が要求されても、確実に対応することができる。

このような製造方法によって形成されたパッシブセンサ１０は、図５に示すような無線式センサシステム１に適用することができる。図５は本実施形態の無線式センサシステム１の構成を示すブロック図である。

無線式センサシステム１は、パッシブセンサ１０と親機２０とを備える。パッシブセンサ１０は、アンテナ１１およびＳＡＷ共振子１２を備え、上述のように製造される。

親機２０は、制御部２１、送信信号生成部２２、送受信部２３、親機側アンテナ２４、計測部２５、表示部２６、および操作部２７を備える。

制御部２１は、親機２０の全体制御を行う。また、制御部２１は、操作部２７からの操作入力に応じて各種の制御処理を実行する。例えば、操作部２７から磁気強度測定の操作入力を受けると、送信信号生成部２２へパルス状励起信号ＳｐＬの生成制御を行う。

送信信号生成部２２は、パルス状励起信号ＳｐＬの生成制御を受けて、所定周波数の搬送波からなるパルス状励起信号ＳｐＬを生成し、送受信部２３へ与える。このパルス状励起信号ＳｐＬの搬送波周波数は、水晶振動子１１０の共振周波数に近い周波数、具体的には、親機側アンテナ２４と、パッシブセンサ１０のアンテナ１１との通信周波数帯域内の所定周波数に設定されている。

送信時には、送受信部２３は、パルス状励起信号ＳｐＬを親機側アンテナ２４に出力する。親機側アンテナ２４は、パッシブセンサ１０のアンテナ１１と同様のダイポールアンテナからなり、所定の指向性でパルス状励起信号ＳｐＬを放射する。

パッシブセンサ１０のアンテナ１１は、パルス状励起信号ＳｐＬを受信して、ＳＡＷ共振子１２へ与える。ＳＡＷ共振子１２は、パルス状励起信号ＳｐＬで励振し、残響共振する。この際、ＳＡＷ共振子１２は、感知した磁気強度ＰＰに応じた共振周波数ｆｓａｗで共振し、共振信号を出力する。共振信号は、アンテナ１１に伝送される間に、アンテナ１１とＳＡＷ共振子１２とのミスマッチングにより、共振周波数がシフトする。これにより、アンテナ１１からは、共振周波数がシフトした通信信号Ｓｆｐが放射される。

親機２０に戻り、受信時には、親機側アンテナ２４は、パッシブセンサ１０のアンテナ１１から放射された通信信号Ｓｆｐ（パッシブセンサ１０の共振周波数ｆｓｃの信号）を受信し、送受信部２３へ出力する。送受信部２３は、通信信号Ｓｆｐを計測部２５へ出力する。

計測部２５は、周波数変換部２５１、物理用検出部２５２、および記憶部２５３を備える。周波数変換部２５１は、ＦＦＴ処理等により、時間軸の通信信号Ｓｆｐから周波数スペクトルを取得する。記憶部２５３には、入力信号すなわち通信信号Ｓｆｐの周波数と磁気強度との関係が予め記憶されている。物理量検出部２５２は、入力された共振信号Ｓｆｐの周波数スペクトルピークを検出し、当該ピーク周波数に関連付けられた磁気強度を記憶部２５３から読み出すことで、磁気強度を算出する。算出された磁気強度は、表示部２６等へ出力される。表示部２６は磁気強度検出結果を表示する。

そして、上述のように、周波数バラツキの小さなパッシブセンサ１０を用いることで、当然に、無線式センサシステムとしての計測精度も向上させることができる。

次に、第２の実施形態に係るパッシブセンサ、およびパッシブセンサの製造方法について、図を参照して説明する。上述の第１の実施形態では、ダイポールアンテナを用いて電波でパッシブセンサ１０と親機２０とを無線通信する例を示したが、本実施形態では、電磁界結合によりパッシブセンサ３０と親機２０Ａ（図示せず）とを無線通信する場合を示す。

また、上述の第１の実施形態では、センサ素子としてＳＡＷ共振子１２を用いて磁気強度を計測する例を示したが、本実施形態では、センサ素子として例えば１３．５６ＭＨｚが共振周波数である水晶振動子１２Ａを用いて温度を計測する場合を示す。

図６は本実施形態に係るパッシブセンサ３０の外観斜視図である。パッシブセンサ３０は、平板状で絶縁性を有するＰＥＴ等からなるベース基板３００を備える。ベース基板３００の表面には、平面視して所定の巻数からなる巻回形電極３１１が形成されている。巻回形電極３１１の両端には、配線用電極３１２が接続されている。配線用電極３１２上の巻回形電極３１１と反対側の所定位置には、水晶振動子１２Ａが実装されている。これにより、パッシブセンサ３０が形成される。

このような電磁界結合によるパッシブセンサ３０を用いる場合において、上述の第１の実施形態に示したように、水晶振動子１２Ａを共振周波数を基準にしてグループ分類し、識別グループＧｒに応じたアンテナモジュール３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ，３１０Ｅを選択し、パッシブセンサ３０を形成する。図７は、本実施形態に係るアンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅの構成をそれぞれに示す平面図である。アンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅは、それぞれに巻回形電極３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄ，３１１Ｅの電極長、巻回数、中央の開口面積が異なり、外形形状は略同じである。

そして、電磁界結合型の場合、各アンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅは、次に示す概念に基づいて設定される。図８は、水晶振動子１２Ａの共振時における親機２０Ａ側から見た計測系の等価回路である。図８に示すように、水晶振動子１２Ａが共振子、親機２０Ａとパッシブセンサ３０が電磁界結合している状態で、親機２０Ａから計測系を見ると、親機側は、回路キャパシタ（キャパシタンスＣｐ）、回路抵抗（抵抗値Ｒｐ）、アンテナコイル（インダクタンスＬｐ）が、計測回路の両端子間に直列接続された回路構成となる。また、パッシブセンサ３０は、アンテナコイル（インダクタンスＬｓｃ）、配線抵抗（抵抗値Ｒｓｃ）、水晶振動子１２Ａからなる直列接続閉ループが形成された回路構成となる。このような場合において、水晶振動子１２ＡのインピーダンスＺｑをＺｑ＝Ｒｑ＋ｊＸｑとする。これにより、計測回路からパッシブセンサ１２Ａ側を見たインピーダンスＺは、次式で表すことができる。

ここで、ｋはパッシブセンサ３０のアンテナ３１と、親機２０Ａの親機側アンテナ２４との結合係数を示す。また、ωは通信信号の角周波数である。

（式１）に示すように、計測回路からパッシブセンサ１２Ａ側を見たインピーダンスＺのリアクタンス成分は、水晶振動子１２Ａのリアクタンス成分ＸｑとアンテナコイルのインダクタンスＬｓｃに依存し、パッシブセンサ３０の共振周波数がアンテナコイルのインダクタンスＬｓｃに依存することが分かる。

したがって、図７に示すように、各アンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅの巻回形電極３１１Ａ−３１１Ｅの巻回数、電極長、開口面積を変化させることで、それぞれに異なるインダクタンスのアンテナを実現できる。そして、各アンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅのインダクタンスを、上述の第１の実施形態に示したように、識別グループＧｒ毎に設定する。すなわち、水晶振動子１２Ａとアンテナ３１とのミスマッチングによる周波数シフトで得られるパッシブセンサ３０の共振周波数が、いずれの識別グループＧｒの水晶振動子１２Ａを用いても、計測精度に準じた所定の周波数誤差幅Δｆｓｃ内に入るように、巻回形電極の巻回数、電極長、開口面積等を調整してインダクタンスＬｓｃを設定する。なお、この際、巻回数、電極長、開口面積の少なくとも一要素を調整して、インダクタンスＬｓｃを設定すればよい。

このように、水晶振動子１２Ａを識別グループＧｒＡ−ＧｒＥに識別し、識別グループＧｒＡ−ＧｒＥに応じてアンテナモジュール３１０Ａ−３１０Ｅを選択してパッシブセンサ３０を製造すれば、第１の実施形態と同様に、水晶振動子１２Ａの個体差に影響されることなく、要求された計測精度に応じたパッシブセンサおよび無線式センサシステムを実現することができる。さらに、本実施形態に示すように、インダクタンスのみで共振周波数の調整を行うことが可能である。これにより、アンテナモジュールの設計負荷を軽減することができる。

次に、第３の実施形態に示すパッシブセンサおよびパッシブセンサの製造方法について、図を参照して説明する。図９は本実施形態に係る複数のパッシブセンサの構造例を示す平面図である。

図９に示すように、本実施形態のパッシブセンサ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃは、放射用電極４１１、配線用電極４１２の形状は同じである。すなわち、アンテナモジュールの形状は同じであり、第１の実施形態と同様にダイポールアンテナを用いている。しかしながら、パッシブセンサ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃでは、ＳＡＷ共振子１２の配線用電極４１２に対する実装位置が異なる。具体的には、パッシブセンサ４０Ａは、配線用電極４１２に沿って、放射用電極４１１から長さＤＬａの位置にＳＡＷ共振子１２が実装されている。パッシブセンサ４０Ｂは、放射用電極４１１から長さＤＬｂ（＜ＤＬａ）の位置にＳＡＷ共振子１２が実装されている。パッシブセンサ４０Ｃは、放射用電極４１１から長さＤＬｃ（＜ＤＬｂ）の位置にＳＡＷ共振子１２が実装されている。このように、放射用電極４１１の形状を同じにして、配線用電極４１２に対するＳＡＷ共振子１２の実装位置を変化させても、インピーダンスを異ならせることができ、共振周波数のシフト量を調整することができる。さらに、この製造方法であれば、アンテナモジュールを一種類だけ形成すればよく、アンテナモジュールの製造負荷を低減できる。

なお、上述の実施形態では、センサ素子として、ＳＡＷ共振子、水晶振動子を用いた例に説明したが、感知する所定の物理量に応じて共振周波数が変化する素子であれば、圧電共振子、音叉型共振子等の素子を用いることができる。また、物理量として磁気強度もしくは温度を計測する例を示したが、他の共振型のセンサ素子で検知可能な他の物理量であっても、計測対象とすることができる。

また、第１、第３の実施形態では、ダイポールアンテナによる電波を用いた無線通信の例を示し、第２の実施形態では、電磁界結合による無線通信の例を示したが、電波式、電磁界結合式等の方式やアンテナの形状は、通信に利用する周波数やパッシブセンサの形状仕様に応じて適宜設定すればよい。この際、インピーダンスやインダクタンスが容易に調整可能な構造であれば、より良い。

１０，３０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ−パッシブセンサ、１１−アンテナ部、１２−ＳＡＷ共振子、１２Ａ−水晶振動子、２０，２０Ａ−親機、２１−制御部、２２−送信信号生成部、２３−送受信部、２４−親機側アンテナ、２５−計測部、２６−表示部、２７−操作部、１００，３００−ベース基板、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ，１１０Ｅ−アンテナモジュール、１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅ，４１１−放射用電極、１１２，３１２，４１２−配線用電極、３１１−巻回形電極、

Claims (15)

1. 外部からの励起信号により、感知する物理量に応じた周波数の共振信号を出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子に接続されており、前記励起信号、および前記共振信号に基づく通信信号を送受波するアンテナと、を備えるパッシブセンサの製造方法であって、
   センサ素子を、前記励起信号による共振周波数で複数のグループに選別するセンサ素子選別工程と、
   グループ毎に異なる形状のアンテナを備えるアンテナモジュールを形成するアンテナモジュール形成工程と、
   前記センサ素子のグループに応じて、前記アンテナモジュールと前記センサ素子とを組合せてパッシブセンサを形成するパッシブセンサ形成工程と、を有し、
   前記アンテナモジュール形成工程は、前記センサ素子の共振周波数を、パッシブセンサの所望共振周波数にシフトさせる形状に前記アンテナを形成する工程である、パッシブセンサの製造方法。
2. 請求項１に記載のパッシブセンサの製造方法であって、
   前記センサ素子はＳＡＷ共振子により形成されており、
   前記アンテナモジュール形成工程は、前記アンテナのインピーダンスにより共振周波数をシフトさせる形状に前記アンテナを形成する工程である、パッシブセンサの製造方法。
3. 請求項１に記載のパッシブセンサの製造方法であって、
   前記センサ素子は水晶振動子により形成されており、
   前記アンテナモジュール形成工程は、前記アンテナのインピーダンスに含まれるインダクタンスにより共振周波数をシフトさせる形状に前記アンテナを形成する工程である、パッシブセンサの製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のパッシブセンサの製造方法であって、
   前記アンテナモジュール形成工程は、
   前記アンテナを放射電極部と配線電極部とからなるダイポールアンテナで形成し、
   前記放射電極部の開口角により、前記インピーダンスを調整する工程である、パッシブセンサの製造方法。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のパッシブセンサの製造方法であって、
   前記アンテナモジュール形成工程は、
   前記アンテナを巻回形電極部と配線電極部とからなる電磁結合型アンテナで形成し、
   前記巻回形電極部の巻回数または／および開口面積により、前記インピーダンスを調整する工程である、パッシブセンサの製造方法。
6. 請求項４または請求項５のいずれか一項に記載のパッシブセンサの製造方法であって、
   前記パッシブセンサ形成工程は、前記アンテナの前記配線電極部に対する前記センサ素子の接続位置により、前記インピーダンスを調整する工程である、パッシブセンサの製造方法。
7. センサ素子を備えるパッシブセンサから送信される通信信号の共振周波数に基づいて、前記センサ素子の感知した物理量を、前記パッシブセンサと無線通信接続された親機で計測する無線式センサシステムの計測方法であって、
   請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のパッシブセンサの製造方法によって、パッシブセンサを製造するパッシブセンサ製造工程と、
   製造されたパッシブセンサを用いて前記物理量を検知し、前記通信信号を生成する物理量検知工程と、
   前記親機を用いて、前記通信信号の共振周波数を解析し、該解析した共振周波数に基づいて前記物理量を算出する、物理量算出工程と、を有する無線式センサシステムの計測方法。
8. 外部からの励起信号により、感知する物理量に応じた周波数の共振信号を出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子に接続されており、前記励起信号、および前記共振信号に基づく通信信号を送受波するアンテナと、を備えるパッシブセンサであって、
   前記アンテナは、前記センサ素子の共振周波数に基づいて、前記アンテナから送信される通信信号の周波数がパッシブセンサとしての所望の共振周波数になるインピーダンスを有する形状からなる、パッシブセンサ。
9. 請求項８に記載のパッシブセンサであって、
   前記アンテナは、放射電極部と、該放射電極部を前記センサ素子に接続する配線電極部とからなるダイポールアンテナであり、
   前記放射電極部は、前記インピーダンスに応じた開口角からなる、パッシブセンサ。
10. 請求項８に記載のパッシブセンサであって、
    前記前記アンテナは、巻回形電極部と、該巻回形電極部を前記センサ素子に接続する配線電極部とからなる電磁結合型アンテナであり、
    前記巻回形電極部は、前記インピーダンスに応じた巻回数または／および開口面積からなる、パッシブセンサ。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載のパッシブセンサであって、
    前記配線電極部は、前記インピーダンスに応じた長さからなる、パッシブセンサ。
12. 請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載のパッシブセンサであって、
    前記センサ素子は、ＳＡＷ共振子である、パッシブセンサ。
13. 請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載のパッシブセンサであって、
    前記センサ素子は、水晶振動子である、パッシブセンサ。
14. 請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載のパッシブセンサであって、
    前記アンテナは、前記インピーダンスに含まれるインダクタンスによって形状が決定されている、パッシブセンサ。
15. 請求項８乃至請求項１４のいずれかに一項に記載のパッシブセンサと、
    前記パッシブセンサに対して、前記励起信号を送信するとともに、前記通信信号を受信し、前記通信信号の共振周波数に基づいて前記物理量を算出する親機と、を備えた無線式センサシステム。