JP2014168108A - 無線送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力信号に対応したパルス変調信号を生成し、その変調信号に搬送波を重畳させて無線送信を行う無線送信装置において、搬送波を生成する発振器の消費電力の駆動を最小限に抑えて、装置全体を低消費電力化する。
【解決手段】変調装置１０として、一定の時間フレーム毎に、入力信号Ｓｉｎの信号レベルに応じて間隔が変化する２つのパルス信号を生成するデュアルパルスポジション変調方式のものを使用し、搬送波を発生する発振装置３０には、変調装置１０から出力されるパルス信号により動作し、パルス信号が入力されないときには発振を停止するオン・オフ制御発振装置を用いる。この結果、発振装置３０の発振停止により無線送信装置の消費電力を低減することができ、しかも、発振装置３０は、一定の時間フレーム毎に２回発振するだけであるので、無線送信装置の消費電力を一定にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力信号に対応したパルス変調信号を生成し、そのパルス変調信号に送信用の搬送波を重畳させて無線送信する無線送信装置に関する。

従来、この種の無線送信装置は、図２３に示すように、入力信号の信号レベルに対応したパルス変調信号Ｓ１を生成し、その生成したパルス変調信号Ｓ１と発振器２から出力される発振信号Ｓ２とをミキサ４を用いて混合することで、発振信号Ｓ２からなる搬送波をパルス変調信号Ｓ１に重畳させた送信信号Ｓｏｕｔを生成するように構成されている。

また、図２４に示すように、この種の無線送信装置において、入力信号Ｓｉｎからパルス変調信号Ｓ１を生成するのに利用されるパルス変調方式としては、下記ａ）〜ｅ）の変調方式が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１等参照）。

ａ）一定周期（時間フレーム）毎にパルスの振幅を変化させるパルス振幅変調方式（ＰＡＭ：Pulse Amplitude Modulation）。
ｂ）一定周期（時間フレーム）毎にパルスのオン時間（つまりデューティ比）を変化させるパルス幅変調方式（ＰＷＭ：Pulse width modulation）。

ｃ）一定周期（時間フレーム）毎にパルスの位置を変化させるパルス位置変調方式（ＰＰＭ：Pulse Position modulation ）。
ｄ）短いパルスの発生間隔を変化させるパルス間隔変調方式（ＰＩＭ：Pulse Interval modulation ）。

ｅ）短いパルスの発生周波数を変化させるパルス周波数変調方式（ＰＦＭ：Pulse Frequency modulation）。
ところで、この種の無線送信装置は、無線通信用の集積回路として小型化され（例えば、特許文献２等参照）、センサ素子や信号処理用のＣＰＵと共に、スマートセンサに組み込まれることがある。

スマートセンサは、センサ素子による検出情報の蓄積、加工、転送機能を持ち、スマートセンサ自身の意志決定によって、スマートセンサ間や他の制御装置との間で通信を行うものであり、その駆動電源には、バッテリ若しくは発電装置が利用される（例えば、特許文献３等参照）。

このため、上記無線送信装置をスマートセンサに組み込む場合には、スマートセンサ全体の消費電力を抑えるために、無線送信装置自体の消費電力を低減する必要がある。

特開２００１−２０８５１１号公報 特開２００７−２８１３０５号公報 特表２００８−５０２４０４号公報

B.Wilson、Z.Ghassemlooy、"Pulse time modulation techniques for optical communication: A review"、IEE Proceedings-J、140、pp.346-348、1993。

しかしながら、上記従来の無線送信装置においては、発振器をパルス変調信号の状態にかかわらず常時動作させていることから、発振器は、パルス変調信号がローレベルで搬送波を送信しないときに不必要に動作することになり、無線送信装置の消費電力を低減することができないという問題があった。

一方、この問題を防止するには、パルス変調信号がハイレベルで、搬送波を送信する必要があるときだけ、発振器を動作させ、パルス変調信号がローレベルであるときには、発振器の動作を停止させることが考えられる。

しかし、上記従来のパルス変調方式では、このような対策だけで、消費電力を充分低減することはできなかった。
つまり、まず、パルス振幅変調方式（ＰＡＭ）では、パルス変調信号のパルス幅は一定であり、そのパルス幅を短くして発振器２の動作時間（搬送波の送信時間）を短くすると、受信装置側でパルス変調信号の振幅から入力信号の信号レベルを正確に検知できなくなるので、発振器の動作時間を短くして消費電力を低減するには限界がある。

また、パルス幅変調方式（ＰＷＭ）では、入力信号の信号レベルが高く、パルス幅変調信号のデューティ比が１００％近くになった場合に、発振器による消費電力を制限することができなくなる。

また、パルス間隔変調方式（ＰＩＭ）では、入力信号の信号レベルが低いとき、短いパルスの発生頻度が高くなるため、発振器による消費電力を充分低減することができず、逆に、パルス周波数変調方式（ＰＦＭ）では、入力信号の信号レベルが高いとき、短いパルスの発生頻度が高くなるため、発振器による消費電力を充分低減することができない。

一方、パルス位置変調方式（ＰＰＭ）では、入力信号の信号レベルに応じて短いパルスの位置を変化させるだけであるので、そのパルスに対応した発振器の動作時間を短くして消費電力を低減することはできる。

しかし、パルス位置変調方式（ＰＰＭ）では、送信装置と受信装置との間で時間フレームを同期させる必要があり、その同期化のためには、無線送信装置に、定期的に同期化信号を生成して送信させる回路を設ける必要があるため、その回路の消費電力によって、無線送信装置全体の消費電力を低減することはできない。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、入力信号に対応したパルス変調信号を生成し、そのパルス変調信号に送信用の搬送波を重畳させて無線送信する無線送信装置において、搬送波を生成する発振器の消費電力をより効率よく低減して、装置全体を低消費電力化することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の無線送信装置においては、パルス変調手段が、一定の時間フレーム毎に、入力信号の信号レベルに対応した間隔を有する２つのパルス信号を生成し、発振手段が、その生成されたパルス信号を受けて発振することで、無線通信用の搬送波を生成する。

従って、本発明の無線送信装置によれば、パルス変調手段にて一定の時間フレーム当たりに２回生成されるパルス信号のパルス幅を短くすることで、発振手段が発振状態となる時間を、上述したパルス位置変調方式（ＰＰＭ）によるパルス変調信号を利用した場合と同程度に制限することができる。

このため、本発明の無線送信装置によれば、パルス変調手段の変調方式として、上述したパルス位置変調方式（ＰＰＭ）以外の変調方式（つまり、ＰＡＭ、ＰＷＭ、ＰＩＭ、ＰＦＭ等の変調方式）を採用した場合に比べて、消費電力を低減することができる。

また、本発明では、パルス変調手段の変調方式として、一定の時間フレーム毎に、入力信号の信号レベルに応じて間隔が変化する２つのパルス信号を生成する変調方式（以下、デュアルパルスポジション変調方式：ＤＰＰＭという）を採用していることから、受信装置側では、その２つのパルス信号のパルス間隔を検出することで、入力信号を復元できる。

そして、本発明によれば、パルス変調方式としてパルス位置変調方式（ＰＰＭ）を採用したときのように、受信装置側で入力信号を復元できるようにするために送信側から同期化信号を送信する必要がない。

このため、本発明の無線送信装置によれば、パルス変調手段の変調方式としてパルス位置変調方式（ＰＰＭ）を採用した場合に比べて、無線送信装置の構成を簡単にすることができると共に、無線送信装置の消費電力量を低減することができる。

なお、本発明では、一定の時間フレーム毎に２つのパルス信号を生成することから、受信装置側で入力信号を復元するには、受信信号から順次得られるパルス信号の何れが時間フレーム内の先頭パルスであるかを識別できるようにする必要がある。

そして、このためには、受信装置側で受信信号（搬送波）から最初に生成したパルス信号を、時間フレーム内の先頭パルス、次に受信したパルス信号を、同一時間フレーム内の２番目のパルス、その次に受信したパルス信号を、次の時間フレーム内の先頭パルス、…というように、パルス信号の受信順にパルス信号の種別（先頭・２番目）を識別して、その２つのパルス信号の間隔から入力信号を復元するようにしてもよい。

しかし、より好ましくは、パルス変調手段が一定の時間フレーム当たりに生成する２つのパルス信号の内、最初のパルス信号のパルス幅と２番目のパルス信号のパルス幅とが、それぞれ一定で互いに異なるパルス幅となるよう、パルス変調手段を構成するとよい。

つまり、このようにすれば、受信装置側で受信信号（搬送波）からパルス信号を生成する度に、そのパルス信号のパルス幅から、今回受信したパルス信号は時間フレーム内の先頭パルスであるか２番目のパルスであるかをより正確に識別することができるようになり、その２つのパルス信号の間隔から入力信号を正確に復元することが可能となる。

次に、本発明のパルス変調手段は、請求項２に記載のように、一定の時間フレーム毎に信号レベルが鋸波状に変化する基準信号を発生する基準信号発生手段と、基準信号発生手段が発生した基準信号と入力信号とを比較することで、入力信号の信号レベルに対応したパルス幅を有するパルス幅変調信号を生成する比較手段と、比較手段にて生成されたパルス幅変調信号の立ち上がりタイミング及び立ち上がりタイミングで、それぞれ、パルス信号を発生するパルス信号発生手段と、から構成するとよい。

つまり、このようにすれば、基準信号発生手段と比較手段とで構成される一般的なパルス幅変調回路に、パルス幅変調信号の立ち上がりタイミング及び立ち上がりタイミングでパルス信号を発生するパルス信号発生手段を設けることで、パルス変調手段を構成できる。

また、パルス信号発生手段は、パルス信号のエッジで信号レベルが変化する微分回路等を用いて簡単に実現できる。
よって、請求項２に記載の無線送信装置によれば、パルス変調手段を、極めて簡単な回路構成にて実現することができる。

また次に、本発明の無線送信装置は、パルス変調手段及び発振手段を、無線送信用の集積回路としてシリコン基板に形成するようにすれば、装置全体を小型化できる。
そして、このようにパルス変調手段及び発振手段をシリコン基板に形成する場合には、請求項３に記載のように、そのシリコン基板の表面に、スパイラルパターンを形成することで、発振手段にて生成された搬送波を放射するためのアンテナ（所謂オンチップアンテナ）を設けるようにするとよい。

つまり、このようにすれば、シリコン基板表面に形成するスパイラルパターンの巻き数や外周の大きさ（例えば直径）を予め設定しておくことで、安定した送信特性が得られる無線送信装置を生産することができる。

なお、シリコン基板へのスパイラルパターンの形成技術については、下記の技術文献に記載されている。
技術文献：Jong-Wan Kim、Hidekuni Takao、Kazuaki Sawada、Makoto Ishida、“Integrated Inductors for RF Transmitters in CMOS/MEMS Smart Microsensor System"、Sensors、Volume7、PP.1387-1398、2007。

但し、この技術文献に開示された技術は、シリコン基板上にスパイラルパターンとキャパシタとで構成されるオンチップアンテナを形成し、このオンチップアンテナとシリコン基板に形成された通信回路とを、インピーダンス整合用のインダクタを用いたワイヤボンディング法にて接続する、というものである。

従って、この技術を利用してスパイラルパターンを形成するようにすると、インピーダンス整合用のインダクタを設けることになり、このインダクタによりアンテナが大きくなってしまうという問題がある。

そこで、請求項３に記載のように、シリコン基板にアンテナを含む無線送信装置を形成する際には、更に、請求項４に記載のように、スパイラルパターンは、シリコン基板上の配線パターンを介して無線送信用の集積回路と直接接続するようにし、その接続部から見たスパイラルパターンのインピーダンスを、スパイラルパターンの幅及び間隔を調整することにより無線送信用の集積回路と整合させるようにするとよい。

つまり、このようにすれば、スパイラルパターンと無線送信用の集積回路とを、インピーダンス整合用のインダクタを用いたワイヤボンディングにより接続する必要がないことから、アンテナを含む無線送信装置を集積回路として構成する際の製造工程を簡単にすることができ、しかも、インピーダンス整合用のインダクタがない分、無線送信装置を小型化することができる。

次に、本発明（請求項１〜４）の無線送信装置によれば、入力信号の変調方式として、本発明特有のデュアルパルスポジション変調方式（ＤＰＰＭ）を採用することにより、従来のパルス変調方式（ＰＡＭ、ＰＷＭ、ＰＩＭ、ＰＦＭ、ＰＰＭ等）を採用したものに比べて、消費電力を低減することができる。

このため、本発明（請求項１〜４）の無線通信装置は、請求項５に記載のように、センサ素子及びセンサ素子からの検出信号を信号処理する信号処理手段を備えたスマートセンサにおいて、信号処理手段からの出力を無線送信する無線送信装置として用いるようにすれば、その効果を有効に発揮することができる。

つまり、上述したように、スマートセンサは、低消費電力化が要求されていることから、本発明の無線送信装置を、スマートセンサにおいて検出信号等の情報信号を無線送信する無線送信装置として利用するようにすれば、スマートセンサの低消費電力化を図ることができる。

また、特に、請求項３、４に記載の無線送信装置によれば、アンテナと共にシリコン基板に形成することで、小型化することができるため、この無線送信装置をスマートセンサに設けるようにすれば、スマートセンサの小型化を図ることもできる。

第１実施形態の無線送信装置全体の構成を表すブロック図である。 第１実施形態のデュアルパルスポジション変調装置の構成を表す構成図である。 第１実施形態のデュアルパルスポジション変調装置の動作を説明するタイムチャートである。 第１実施形態のオン・オフ制御発振装置の構成を表す構成図である。 無線送信装置の各回路をアンテナと共にシリコン基板上に形成した第２実施形態の無線送信装置の概略構成を表す説明図である。 図５に示すシリコン基板上のアンテナの断面を表すＡ−Ａ断面図である。 第２実施形態のアンテナの等価回路を表す説明図である。 図５に示す無線送信装置のＣＭＯＳ製作工程におけるコンタクトホール形成後の状態を表す断面図である。 図８に示す製作工程後にＡｌを堆積した状態を表す断面図である。 図９に示す製作工程後に配線及びアンテナのパターンを形成した状態を表す断面図である。 ＣＭＯＳ製作工程を用いてシリコン基板上に無線送信集積回路及びアンテナを形成した後の状態を表す断面図である。 第２実施形態のデュアルパルスポジション変調装置の動作波形の測定結果を表すタイムチャートである。 第２実施形態のデュアルパルスポジション変調装置において生成される第１のパルス信号を表す説明図である。 第２実施形態のデュアルパルスポジション変調装置において生成される第２のパルス信号を表す説明図である。 第２実施形態の発振装置の動作を表す説明図である。 第２実施形態のアンテナのリターンロスの測定結果を表す説明図である。 第２実施形態のアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の測定結果を表す説明図である。 第２実施形態のアンテナの入力インピーダンスの測定結果を表す説明図である。 第２実施形態のアンテナのｘ−ｙ軸方向の放射パターンの測定結果を表す説明図である。 第２実施形態のアンテナのｙ−ｚ軸方向の放射パターンの測定結果を表す説明図である。 第２実施形態の無線送信装置からの送信電波を測定するのに用いた測定システムの構成を表す説明図である。 図２１に示した測定システムによる測定結果を表す説明図である。 従来の無線送信装置の概略構成を表すブロック図である。 従来のパルス変調方式の種類及びパルス変調信号を表す説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態の無線送信装置は、センサ素子や信号処理用のＣＰＵと共に、スマートセンサに組み込むことにより使用されるものであり、図１に示すように構成されている。

すなわち、本実施形態の無線送信装置は、スマートセンサを構成するセンサ素子若しくはＣＰＵから出力される情報信号（換言すれば入力信号）Ｓｉｎをパルス変調するデュアルパルスポジション変調装置１０と、デュアルパルスポジション変調装置１０から出力されるパルス変調信号Ｓ１を受けて発振動作を開始し、デュアルパルスポジション変調装置１０からのパルス変調信号Ｓ１の出力が停止されると、発振動作を停止するオン・オフ制御発振装置３０と、オン・オフ制御発振装置３０の発振動作によって生成される発振信号（つまり無線送信用の搬送波）Ｓ２を電力増幅することで送信信号Ｓｏｕｔを生成する電力増幅装置４０と、を備える。

そして、電力増幅装置４０にて生成された送信信号Ｓｏｕｔは、アンテナ５０に出力され、アンテナ５０から送信電波として放射される。
次に、デュアルパルスポジション変調装置１０は、本発明のパルス変調手段に相当するものであり、図２に示すように、一定の時間フレーム毎に信号レベルが鋸波状に変化する基準信号Ｓｓｔを発生する鋸（のこぎり）波発生装置１２と、鋸波発生装置１２から出力される鋸波状の基準信号Ｓｓｔと入力信号Ｓｉｎとを比較することで、入力信号Ｓｉｎの信号レベルに対応したパルス幅を有するパルス幅変調信号Ｓ１１を生成する比較器１４と、を備える。

そして、比較器１４にて生成されたパルス幅変調信号Ｓ１１は２系統に分配され、その分配された一方のパルス幅変調信号Ｓ１１は微分装置１８に直接入力され、他方のパルス幅変調信号Ｓ１１はインバータ（ＮＯＴゲート）１６を介して、微分装置２０に入力される。

この結果、微分装置１８からは、パルス幅変調信号Ｓ１１の立上がりに同期して立ち上がる微分信号Ｓ１２が出力され、微分装置２０からは、パルス幅変調信号Ｓ１１の立下がりに同期して立ち上がる微分信号Ｓ１３が出力されることになる（図３参照）。

そして、これら各微分装置１８、２０からの出力は、それぞれ、インバータ２２、２４を介してＮＡＮＤゲート２６に入力される。
また、インバータ２２、２４は、各微分装置１８、２０からの出力レベルがしきい値以上であるときにローレベルとなり、各微分装置１８、２０からの出力レベルがしきい値未満であるときにハイレベルとなる信号を出力するように構成されている。

この結果、ＮＡＮＤゲート２６からは、パルス幅変調信号Ｓ１１の立上がりタイミング及び立下がりタイミングに同期して、各微分装置１８、２０の時定数で決まる一定時間だけハイレベルとなるパルス信号Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ出力されることになり、この２つのパルス信号Ｐ１、Ｐ２の間隔は、パルス幅変調信号Ｓ１１のパルス幅（換言すれば入力信号Ｓｉｎの信号レベル）に応じて変化することになる（図３参照）。

つまり、デュアルパルスポジション変調装置１０は、鋸波発生装置１２が発生する基準信号（鋸波）の一周期を時間フレームＴとして、その時間フレームＴ毎に、入力信号Ｓｉｎの信号レベルに応じて間隔が変化する２つのパルス信号Ｐ１、Ｐ２を生成するのである。

なお、本実施形態では、微分装置２０の時定数を、微分装置１８の時定数よりも大きい値に設定することにより、時間フレームＴ毎に生成される２つのパルス信号Ｐ１、Ｐ２の内、２番目に生成されるパルス信号Ｐ２のパルス幅が、最初に生成されるパルス信号Ｐ１のパルス幅よりも大きくなるようにされている（図３参照）。

これは、受信装置側で受信信号からパルス信号を生成したときに、そのパルス信号のパルス幅から、今回受信したパルス信号が時間フレームの最初のパルス幅であるか２番目のパルス信号であるかを識別できるようにするためである。

ここで、本実施形態において、鋸波発生装置１２は、本発明の基準信号発生手段に相当し、比較器１４は、本発明の比較手段に相当し、インバータ１６、微分装置１８、２０、インバータ２２、２４、及びＮＡＮＤゲート２６は、本発明のパルス信号発生手段に相当する。

次に、オン・オフ制御発振装置３０は、本発明の発振手段に相当するものであり、図４に示すように、２入力のＮＡＮＤゲート３２と２つのインバータ３４、３６とを順次直列に接続し、最終段のインバータ３６の出力をＮＡＮＤゲート３２の一方の入力端子に接続した、周知のリング発振回路にて構成されている。

このように構成されたオン・オフ制御発振装置３０は、ＮＡＮＤゲート３２の他方の入力端子がローレベルであれば、ＮＡＮＤゲート３２の出力がローレベル、インバータ３４の出力がハイレベル、インバータ３６の出力がローレベルとなって、発振停止状態となり、ＮＡＮＤゲート３２の他方の入力端子がハイレベルになると、ＮＡＮＤゲート３２、インバータ３４、及び、インバータ３６の出力が順次反転する発振状態となる。

そこで、本実施形態では、オン・オフ制御発振装置３０の発振・停止を切り換える制御信号として、デュアルパルスポジション変調装置１０からのパルス変調信号Ｓ１を、ＮＡＮＤゲート３２の他方の入力端子に入力する。

この結果、オン・オフ制御発振装置３０は、デュアルパルスポジション変調装置１０からパルス変調信号Ｓ１（詳しくはパルス信号Ｐ１又はＰ２）が出力されているときにだけ、発振状態となって、インバータ３６の出力が発振信号（換言すれば搬送波）Ｓ２として電力増幅装置４０に出力され、デュアルパルスポジション変調装置１０からパルス信号Ｐ１又はＰ２が出力されていないときには、オン・オフ制御発振装置３０が発振動作を停止することになる。

以上説明したように、本実施形態の無線送信装置においては、入力信号Ｓｉｎに対応したパルス変調信号を生成するのに、デュアルパルスポジション変調方式（ＤＰＰＭ）を採用し、そのデュアルパルスポジション変調方式（ＤＰＰＭ）にて一定の時間フレーム毎に生成される２つのパルス信号を用いて、オン・オフ制御発振装置３０を発振させる。

このため、本実施形態の無線送信装置によれば、従来のパルス変調方式（ＰＡＭ、ＰＷＭ、ＰＩＭ、ＰＦＭ、ＰＰＭ等）にてパルス変調信号を生成し、その生成したパルス変調信号にてオン・オフ制御発振装置３０の発振動作を切り換えるようにした場合に比べて、オン・オフ制御発振装置３０の動作時間を短縮して、無線送信装置で消費される電力量を低減することができる。

また、従来のパルス位置変調方式（ＰＰＭ）を採用したときのように、送信装置側と受信装置側とで時間フレームを同期させるための同期化信号を生成する必要がないため、無線送信装置の装置構成を簡単にすることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

本実施形態の無線通信装置は、図５に示すように、上述したデュアルパルスポジション変調装置１０、オン・オフ制御発振装置３０、及び、電力増幅装置４０からなる無線送信集積回路６０を、周知のＣＭＯＳ製作工程を利用してシリコン基板に形成し、更に、そのシリコン基板の表面にスパイラルパターン７０を形成することで、アンテナ５０を含む第１実施形態の無線通信装置をシリコン基板に一体形成したものである。

アンテナ５０を構成するスパイラルパターン７０は、巻き数及び外周の直径Ｄｏｕｔを調整して、スパイラルパターン７０のインダクタンス、及び、スパイラルパターン７０とシリコン基板との間のキャパシタンスを決定することで、送信信号に対応した共振周波数が設定され、スパイラルパターン７０の幅およびスパイラルパターン７０の間隔を調整することで、スパイラルパターン７０と無線送信集積回路６０との接続部において送信信号の反射が生じることのないようインピーダンス整合がなされる。

以下、この点について詳しく説明する。
まず、スパイラルパターン７０は、シリコン基板上に絶縁膜（ＳiＯ₂）を成長させ、その上に金属層（Ａｌ）を形成することで、シリコン基板上に形成されており、その断面は、図６に示すようになる。

そして、スパイラルパターン７０のデザインパラメータによる等価回路は、図７に示すように記載することができる。
すなわち、図７に示す等価回路において、Ｌｓはスパイラルパターン７０のインダクタンス成分であり、次式（１）のようになる。

なお、（１）式において、ｎは巻き数、μは透磁率で４π×１０^-7Ｈ／ｍ、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４はスパイラルパターンの形による係数である。
また、図７に示す等価回路において、Ｒｓはスパイラルパターン７０を形成する金属に起因する抵抗成分、Ｃoxはシリコン基板と金属層の間に発生する寄生キャパシタンス成分、Ｃsiはシリコン基板の静電容量成分、Ｒsiは基板から発生する抵抗損失成分である。

また、こうしたスパイラルパターン７０の寄生成分の値は以下の式（２）〜（５）のようになる。

ここで、ｗはスパイラルパターン７０の幅、ｔはスパイラルパターン７０の厚さ、ｌはスパイラルパターン７０の長さ、δは使用される周波数からの表皮厚さ（Skin depth）、ρは金属の抵抗、εoxは酸化膜の誘電率、ｔoxは絶縁膜の厚さ、Ｃsub はシリコン基板のキャパシタンス、Ｇsub は単位面積当たりの導電率である。

また、スパイラルパターン７０の共振周波数は、等価回路から上記（１）〜（５）式によって求められたインダクタンスとキャパシタンス成分によって、以下の（６）式のようになる。

（１）式から明らかなように、スパイラルパターン７０のインダクタンスは、巻き数あるいは外周の直径Ｄｏｕｔによって大きく変化することから、これら各パラメータを調整することによりアンテナ５０の動作周波数を調整できる。

また、（２）〜（５）式から明らかなように、スパイラルパターン７０の巻き数と外周の直径Ｄｏｕｔが固定され、スパイラルパターン７０の幅あるいはパターンの間の間隔が変わった場合、インダクタンス成分の変化より寄生成分の変化が大きくなる。しかし、寄生キャパシタンスの値は小さいため共振周波数の変化は小さいが、寄生キャパシタンス・抵抗成分はスパイラルパターン７０（換言すればアンテナ５０）のインピーダンスを変化させる効果がある。

従って、スパイラルパターン７０の巻き数及び外周の直径Ｄｏｕｔを調整することにより、スパイラルパターン７０の共振周波数（換言すれば、アンテナ５０の動作周波数）を設定でき、スパイラルパターン７０の幅若しくは間隔を調整することで、無線送信集積回路６０との間でインピーダンスを整合させることができる。

そして、例えば、シリコン基板に形成したスパイラルパターン７０によって、ヒューマンモニタリング用のスマートセンサに使用される３００ＭＨｚ帯のアンテナ５０を構成する場合、スパイラルパターン７０の巻き数を１１、外周の直径Ｄｏｕｔを１．２ｍｍ、スパイラルパターン７０の幅を２０μｍ、スパイラルパターン７０の間隔を２０μｍに設計すれば、インダクタンスは９３．５ｎＨ、Ｃoxは１２．４ｐＦ、Ｃsiは３．２ｐＦ、Ｒｓは５０．４Ω、Ｒsiは１８５ｋΩになって、アンテナ５０の動作周波数は３２５ＭＨｚ、入力インピーダンスは５０．４Ω、と計算できる。

なお、この場合、回路の配線とシリコン基板の間の絶縁膜（ＳiＯ₂）は１．５μｍ、スパイラルパターン７０が図に示す円形の場合の係数は、ｃ１が１、ｃ２が２．４６、ｃ３が０、ｃ４が０．２である。

以上説明したように、本実施形態の無線通信装置においては、デュアルパルスポジション変調装置１０、オン・オフ制御発振装置３０、及び、電力増幅装置４０からなる無線送信集積回路６０をシリコン基板に形成し、そのシリコン基板の表面にスパイラルパターン７０を形成することで、アンテナ５０を含む無線通信装置をシリコン基板に一体形成していることから、消費電力が少なく極めて小型の無線通信装置を実現できる。

また特に、本実施形態では、スパイラルパターン７０の巻き数、外周の直径Ｄｏｕｔ、スパイラルパターン７０の幅、及びその間隔を調整することで、アンテナ５０の動作周波数周波数及びインピーダンスを設定できることから、設計時にこれら各パラメータを決定することで、所望のアンテナ特性が得られるアンテナ５０をシリコン基板上に形成することができる。

また、このように、アンテナ５０のインピーダンスは、スパイラルパターン７０の幅やその間隔を調整することで、適宜設定できることから、アンテナ５０を無線送信集積回路６０に接続する際に、インピーダンス整合用のインダクタをワイヤボンディングによって設ける必要がなく、シリコン基板に形成した接続用パターンにて直接接続することができる。

よって、本実施形態の無線送信装置によれば、アンテナ５０を含む無線通信装置をシリコン基板に一体形成する際の工数を削減して、製造コストを低減することができる。
［実験例］
次に、上述した第２実施形態の無線通信装置を、Cadence社製のＣＡＤ（Computer Aided Design）を利用するＬＳＩ設計環境で設計して、製作し、評価を行った。

この評価結果について、第２実施形態の実験例として説明する。
ここで、この無線通信装置の製作に当たっては、周知のＣＭＯＳ製作工程にて、シリコン基板８０（詳しくはｎ型Ｓi(100)）に無線送信集積回路６０を形成すると同時に、スパイラルパターン７０の形成領域にＳiＯ₂ から成る絶縁膜８１を形成した。

そして、図８に示すように、無線送信集積回路６０の形成領域に、配線のためのコンタクトホール９０を形成した後、無線送信集積回路６０の配線およびスパイラルパターン７０の形成工程に入り、以下の手順で無線送信集積回路６０の配線及びスパイラルパターン７０を形成した。

すなわち、まず、図９に示すように、無線送信集積回路６０の配線及びスパイラルパターン７０を形成するために、Ａｌスパッタリング装置を用いてアルミニウム層（Ａｌ層）９２を堆積する。

次に、図１０に示すように、Ａｌ層９２の上に、無線送信集積回路６０の配線及びスパイラルパターン７０を形成するためのレジスト９４を形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いてＡｌ層９２をエッチングする。

そして、Ａｌ層９２のエッチング後、基板表面に残ったレジスト９４を除去する。
この結果、図１１に示すように、無線送信集積回路６０の配線９５及びスパイラルパターン７０が、ＣＭＯＳ製作工程の配線形成工程を利用して形成されることになる。

なお、図８〜図１１において、符号８２はｐ−ｗｅｌｌ領域、符号８３はｎ−ＭＯＳのチャネルストッパ、符号８４はｐ−ＭＯＳのチャネルストッパ、符号８５はｎ−ＭＯＳのソース・ドレイン領域、符号８６はｐ−ＭＯＳのソース・ドレイン領域、符号８７はチャネルストッパ（ｎ＋）、符号８８はチャネルストッパ（ｐ＋）、符号８９はＰｏｌｙ−Ｓｉ膜、をそれぞれ表している。

次に、上記手順でシリコン基板８０に形成された無線送信集積回路６０を、５Ｖの電源電圧にて駆動し、無線送信集積回路６０各部の動作波形、及び、スパイラルパターン７０からなるアンテナ５０の放射特性を測定した。
（無線送信集積回路６０の動作特性）
図１２は、デュアルパルスポジション変調装置１０への入力信号（情報信号）Ｓｉｎ、鋸波発生装置１２から出力される基準信号Ｓｓｔ、比較器１４からの出力（パルス幅変調信号）Ｓ１１、及び、デュアルパルスポジション変調装置１０からの出力（ＤＰＰＭにより生成される２つのパルス信号からなるパルス変調信号）Ｓ１の測定結果を表している。

そして、この測定結果から、デュアルパルスポジション変調装置１０において、入力信号Ｓｉｎが鋸波（基準信号）Ｓｓｔより高くなるとき（換言すればパルス幅変調信号Ｓ１１の立上がりタイミング）に生成されるパルス信号Ｐ１のパルス幅は１μｓになり（図１３参照）、入力信号Ｓｉｎが鋸波（基準信号）Ｓｓｔより低くなるとき（換言すればパルス幅変調信号Ｓ１１の立下がりタイミング）に生成されるパルス信号Ｐ２のパルス幅は２μｓになり（図１４参照）、これら２つのパルス信号Ｐ１，Ｐ２のパルス幅が異なることを確認できた。

また、図１５は、デュアルパルスポジション変調装置１０から出力されるパルス変調信号Ｓ１によってオン・オフ制御発振装置３０が発振動作を開始したときに、オン・オフ制御発振装置３０から出力される発振信号（搬送波）Ｓ２を測定した測定結果を表している。

そして、このようにオン・オフ制御発振装置３０の動作状態が切り換えられることによって変化する無線送信集積回路６０での消費電力を測定したところ、オン・オフ制御発振装置３０が発振停止状態であるとき、オン・オフ制御発振装置３０と電力増幅装置４０とで消費される消費電力は２．４５ｍＷであり、オン・オフ制御発振装置３０が発振状態であるとき、オン・オフ制御発振装置３０と電力増幅装置４０とで消費される消費電力は１０．４５ｍＷであり、デュアルパルスポジション変調装置１０の消費電力は４ｍＷであった。

また、デュアルパルスポジション変調装置１０とオン・オフ制御発振装置３０とで消費される消費電力の平均は、７．０ｍＷであった。
これに対し、デュアルパルスポジション変調装置１０とオン・オフ制御できない従来の発振装置とで消費される消費電力は１４．５ｍＷ以上であった。

この結果、本実施形態の無線送信装置によれば、デュアルパルスポジション変調装置１０と従来の発振装置とを組み合わせた場合に比べ、消費電力を５０％以上低減できることが確認できた。

一方、入力信号からパルス変調信号を生成する変調装置として、鋸波発生装置１２と比較器１４とで構成されるパルス幅変調方式（ＰＷＭ）のものを利用し、この変調装置とオン・オフ制御発振装置３０とを用いて無線送信集積回路を構成した場合、その消費電力は８．４〜１４．５ｍＷの範囲内で変化し、本実施形態の無線送信装置に比べ消費電力が大きくなることがわかった。

なお、このように消費電力が変化するのは、入力信号（情報信号）によってパルス変調信号のデューティ比が変化するためであるが、この測定結果から、パルス間隔変調方式やパルス周波数変調方式でも同様に消費電力が変化するのを予想できる。

これに対し、本実施形態の無線送信装置では、デュアルパルスポジション変調方式を採用することで、一定の時間フレーム毎に短い２つのパルス信号を発生させ、そのパルス信号によってオン・オフ制御発振装置３０を駆動することから、消費電力を略一定にすることができる。
（アンテナ５０の特性）
次に、上記のようにスパイラルパターン７０にて構成した本実施形態のアンテナ５０は、図１６に示すように動作周波数が３００ＭＨｚ、リターンロスが−２４ｄＢであった。また、図１７に示すように、バンド幅は、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）＜２の条件下で、２７０〜３６０ＭＨｚであった。

また、入力インピーダンスは、図１８に示すように５１Ωで、放射パターンは、図１９、図２０に示すようになり、略無指向性を有することがわかった。なお、最大ゲインは、−４０ｄＢｉである。

ここで、アンテナ特性の計算値と実施形態の測定値との間の誤差は、スパイラルパターン７０のインダクタンス及び寄生成分を求める式が持っている誤差と、製作工程で生じる誤差とによって発生するものである。

そして、本実施形態では、アンテナ５０を、スパイラルパターン７０にて形成して、その寄生成分を用いて動作周波数の調整およびインピーダンスマッチングを行うため、特許文献２に記載のように波長に当たる長さのラインパターンを用いたアンテナ、或いは、上述した技術文献に記載のようにオンチップアンテナとインピーダンスマッチング用インダクタを用いたアンテナに比べて、小型化が可能である。

また、アンテナ５０は、無線送信集積回路６０の製作工程の際に、配線形成工程を利用して製作できることから、アンテナ５０専用の製作工程を不要にすることができる。
次に、上記のように作製した無線送信装置からの送信信号を確認するため、標準ダイポールアンテナとローノイズアンプ（ＬＮＡ）とオシロスコープとで構成された図２１に示す受信システムを利用し、無線送信装置からの送信信号を測定した。

図２２は、その測定結果を表しているが、この測定結果から、本実施形態の無線送信装置によれば、デュアルパルスポジション変調方式で生成したパルス変調信号を、スパイラルパターン７０にて形成したアンテナ５０を使って正常に送信でき、受信側では、受信信号から、一定の時間フレーム毎に生成される２つのパルス信号を識別して、そのパルス間隔から入力信号の信号レベルを検知できることがわかった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、シリコン基板上に形成するスパイラルパターン７０は、円形であるものとして説明したが、例えば、四角形や六角形等、多角形であってもよい。

また、上記実施形態では、無線送信装置は、スマートセンサに組み込み、使用されるものとして説明したが、本発明の無線送信装置は、パルス変調信号を無線送信するものであれば、どのようなものでも使用することができる。

そして、本発明の無線送信装置によれば、従来のものに比べて、低消費電力化することができ、また、第２実施形態に記載のように、半導体集積回路としてＩＣ化（換言すれば小型化）することもできるので、低消費電力化或いは小型化が必要な装置に適用すれば、その効果を有効に発揮することができる。

２…発振器、４…ミキサ、１０…デュアルパルスポジション変調装置、１２…鋸波発生装置、１４…比較器、１６，２２，２４…インバータ、１８，２０…微分装置、２６…ＮＡＮＤゲート、３０…オン・オフ制御発振装置、３２…ＮＡＮＤゲート、３４，３６…インバータ、４０…電力増幅装置、５０…アンテナ、６０…無線送信集積回路、７０…スパイラルパターン、８０…シリコン基板、８１…絶縁膜、９０…コンタクトホール、９２…Ａｌ層、９４…レジスト、９５…配線。

Claims (5)

1. 一定の時間フレーム毎に、入力信号の信号レベルに対応した間隔を有する２つのパルス信号を生成するパルス変調手段と、
   制御信号により、無線通信用の搬送波を生成する発振状態又は発振停止状態に切換可能な発振手段と、
   を備え、前記パルス変調手段にて生成されたパルス信号を前記制御信号として前記発振手段に入力することで、前記発振手段の発振動作を前記パルス信号の発生時に制限するよう構成されたことを特徴とする無線送信装置。
2. 前記パルス変調手段は、
   前記一定の時間フレーム毎に信号レベルが鋸波状に変化する基準信号を発生する基準信号発生手段と、
   前記入力信号と前記基準信号発生手段が発生した基準信号とを比較することで、前記入力信号の信号レベルに対応したパルス幅を有するパルス幅変調信号を生成する比較手段と、
   該比較手段にて生成されたパルス幅変調信号の立ち上がりタイミング及び立ち上がりタイミングに、それぞれ、前記パルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
3. 前記パルス変調手段及び前記発振手段は、無線送信用の集積回路としてシリコン基板に形成されており、該シリコン基板の表面には、前記発振手段にて生成された搬送波を放射するためのアンテナを構成する、スパイラルパターンが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線送信装置。
4. 前記スパイラルパターンは、前記シリコン基板上の配線パターンを介して無線送信用の集積回路と直接接続され、その接続部から見た前記スパイラルパターンのインピーダンスは、当該スパイラルパターンの幅及び間隔を調整することにより前記無線送信用の集積回路とインピーダンス整合されていることを特徴とする請求項３に記載の無線送信装置。
5. 前記無線送信装置は、センサ素子及び該センサ素子からの検出信号を信号処理する信号処理手段を備えたスマートセンサに、前記信号処理手段からの出力を無線送信する無線送信装置として設けられることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の無線送信装置。