JP4667689B2 - 圧電タグ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電タグに係る。
【0002】
タグは、物品に取り付けたり個人に着用したりできるポータブル装置である。タグは、例えば、物品を遠隔位置で識別したり物品から情報を受信したりするのに使用できる。多くの用途では、タグは、コンパクトでなければならないと共に、例えば、数年の期間にわたり倉庫に入れられる物品にタグが組み込まれる場合には、長い不作動期間の後に応答することができねばならない。
【0003】
従来、タグは、関連質問ソースからそれに向けられた質問放射を変更及び反射する受動的な装置である。タグは、電力利得を与えないので、ソースからの動作範囲は、しばしば、数メートルに限定される。
【0004】
小型電池のようなオンボード電源を組み込んだ能動的なタグが知られている。このような電源は、特にその関連タグを連続的に電力供給することが必要な場合にはその動作寿命に限度がある。更に、このような電源は、ある用途、例えば、図書館の本の背に組み込むためのフィルムストリップとしてタグが実施される場合には、タグを受け入れられないほどかさばるものにする。
【0005】
例えば、タグに組み込まれた太陽電池を使用して入射する光線からタグに電力供給したり又は関連質問ソースからタグへエネルギーを誘導的に結合することによりタグに電力供給したりできるが、ある環境では、安全性のため、又は動作範囲が限定されているため、或いは太陽電池のケースが黒ずんでいるために、このようにすることが実際的でない。
【0006】
受信した無線放射を使用して電子的タグに電力供給することは公知であり、例えば特許出願公報GB2306081A号に開示されている。この特許出願には電子的タグに電力を供給するための受動的電源が説明されており、この電源は、受信した高周波放射を第1電気信号に変換するためのアンテナと、巻線コイルを含む変圧器であって、上記第1信号を、電界効果トランジスタ(FET)のインピーダンスを変更できる第2信号に変換するための変圧器とを備えている。動作中、FETは、第2信号の擬似半波整流表示をそのドレイン電極に発生し、これは、ドレイン電極に接続されたキャパシタによってユニポラー信号に変換され、このユニポラー信号が、タグを動作する電源電位を与える。この電源は、受信された放射をユニポラー信号に変換するように動作し、変圧器が、アンテナで受信された受信放射の周波数で動作するようにする。変圧器は、単一の巻線コイルを含む単巻変圧器であるのも任意である。
【0007】
又、トランスポンダ用の電源が特許出願公報GB2303767A号に開示されている。ここに開示された電源は、トランスポンダの応答回路に電力を供給し、受信した電磁エネルギーから直流(dc)を発生する。この電源は、整流ダイオードから充電されるキャパシタを備え、そしてダイオードは、そのn領域からp領域へ向けられる逆方向電流に対する逆方向抵抗が、そのp領域からn領域へ向けられる逆方向電流に対するその順方向抵抗より低くなるような特性を有している。従って、ダイオードは、従来のダイオードに比して逆に接続され、そのアノードは、キャパシタの正のプレートに接続される。この構成は、受信した電磁エネルギーが比較的弱いときでもトランスポンダが機能する状態に保たれるようにする。ダイオードに必要とされる特性は、雪崩又はトンネル効果により実施できる。更に、複数のダイオードを関連キャパシタと共に使用して、より高い供給電位を発生することにより、電圧乗算器を形成することができる。この電源は、電磁エネルギーの受信に応答して発生された信号の電位を増加するために何らかの形式の変圧器を使用するものではない。
【0008】
又、電位を昇圧することのできる圧電変圧器も公知であり、例えば、米国特許第5,828,160号及び第5,389,852号に開示されている。このような変圧器は、電位を昇圧するときに通常数十kHzないし300kHzの範囲内の周波数で共振するように動作できる。この周波数範囲は、電子的タグを質問するのに従来使用された電磁放射に使用される周波数、例えば、10MHzないし30GHより著しく低い。300kHzより高い周波数、例えば600kHzで動作する圧電変圧器を製造することはできるが、それらのコストや製造が困難であるために、電子的タグのような物品には魅力的でない。
【0009】
圧電デバイスを使用する非接触エネルギー結合構成体が他の技術分野で知られており、例えば、医学的に植え込まれる装置に関する米国特許第5,749,909号に開示されている。この特許には、外部ユニットから植え込まれた医学的装置へエネルギーを非侵襲的に伝達して医学的装置内のバッテリを再充電するためのエネルギー伝達システムが開示されている。外部ユニットによって交流磁界が発生され、そして植え込まれた医学的装置内の圧電装置は、その磁束に応答して振動して電圧を発生する。この電圧は整流されそして調整されて、医学的装置内の再充電可能なバッテリへ充電電流を供給する。この構成体では、圧電装置は、装置の共振周波数、即ち数十kHz程度の磁束により刺激される。
【0010】
本発明者は、入射する放射により作動されるタグに関連した主たる問題は、タグに組み込まれた半導体集積回路を動作するに充分な大きさの電位をタグに発生するのが困難なことであると分かった。このような回路は、機能するために数ボルトの供給電位をしばしば必要とする。
【0011】
本発明者は、この主たる問題に対処しそして例えば10μW程度の中レベルの入射放射から動作できるタグを案出した。このような中レベルの放射は、健康や安全性のリスクを生じることがほとんどない。
【0012】
本発明の第1の特徴によれば、入力放射を受け取りそしてそれに対応する受信信号を発生するための受信手段と、上記受信信号の電圧の大きさを増加して供給電位を発生するための圧電振動手段と、上記供給電位により電力供給できる電子回路手段とを備えた圧電タグが提供される。
【0013】
本発明は、振動手段が電圧の拡大を与えることができ、これにより、入射する放射からタグに電力供給できるという効果を発揮する。
【0014】
本発明の説明上、マイクロ波周波数は、実質的に1GHzないし30GHzの範囲の周波数を意味する。
【0015】
上記振動手段は、相互に振動結合された一次及び二次領域を組み込んだ圧電変圧器を含むのが好都合であり、この変圧器は、一次領域における受信信号により振動状態へと励起され、そして上記供給電位を発生するのに使用するための対応する出力信号を二次領域に発生するように動作できる。
【0016】
圧電変圧器は、コンパクトであり、安価であり、そしてその一次領域から二次領域へ信号電圧振幅の著しい増加を与え、この増加が100倍以上に達するという効果をもたらす。
【0017】
或いは又、振動手段は、受信信号によって振動状態へ励起されると共に、上記供給電位を発生するのに使用するための対応する出力信号を発生するよう動作できる圧電バイモルより成る。
【0018】
或いは又、振動手段は、1つ以上の共振素子のアレーより成るシリコンマイクロ加工されたデバイスを含むのが便利であり、各共振素子は、その関連素子の振動に応答して素子信号を発生するように動作できる関連圧電トランスジューサを組み込んでおり、これらトランスジューサは直列に接続されて、それら素子信号を加算して、上記供給電圧が発生されるところの全出力を発生し、そして更に、上記受信信号により駆動されて1つ以上の素子を振動状態へと刺激し、それにより、上記供給電位を発生するための駆動手段を含む。
【0019】
シリコンデバイスは、大量生産することができそして非常にコンパクトで、例えば、巾2mmx長さ2mmx厚み0.6mmであるという効果を与える。
【0020】
シリコンデバイスの共振素子は、共振状態で動作して、供給電位を発生できるのが好都合である。共振状態での動作は、デバイスの電圧拡大が共振以外の状態より大きいという利点を与える。
【0021】
更に、より大きな電圧拡大を得るために、共振素子は、排気された環境に収容される。排気された環境での動作は、共振素子のQ係数を増加し、これにより、シリコンデバイスにより与えられる電圧拡大を高める。
【0022】
タグの受信手段は、受け取った放射に存在する変調成分を復調して受信信号を発生するための復調手段を含むのが便利である。復調手段を含ませることにより信号周波数変換の利点が与えられ、これにより、タグは、振動手段を励起するのに必要な振動の周波数に対して異なる搬送波周波数で電力供給放射を受け取ることができる。
【0023】
復調手段は、受け取った放射を復調して受信信号を発生するためのゼロバイアスのショットキーダイオードを含むのが効果的である。ゼロバイアスのショットキーダイオードは、p−nシリコン接合ダイオードに比して順方向導通電圧降下が小さく、これにより、タグは、例えば、10μWの低レベルの受信放射電力で機能できるという効果を発揮する。
【0024】
受信手段は、1つ以上の受信及び放出放射に対し1つ以上の導電性金属フィルムダイポールアンテナを組み込むのが便利である。このようなダイポールは、潜在的にコンパクトで且つ安価に大量生産できるという効果を発揮する。
【0025】
タグは、2つのアンテナを含むのが効果的であり、一方のアンテナは、受信信号を発生するのに使用され、そして他方のアンテナは、放出及び受信放射の少なくとも1つに対して応答手段に組み込まれる。2つのアンテナを組み込むことにより、各アンテナを、その各々の放射周波数で機能するよう最適化できるという効果が与えられる。アンテナは、高いコンパクトさ及び低い製造コストの理由で導電性金属フィルムダイポールアンテナであるのが便利である。或いは又、アンテナは、パッチアンテナ又はループアンテナであってもよい。
【0026】
タグのある実際の用途では、タグがブロックの形態、例えば立方体ブロックの形態で実施されるのが効果的である。この形態は、タグに改善された機械的頑丈さを与え、ひいては、その信頼性を高める。
【0027】
タグが個人に着用できるか又は商品に取り付けできるときには、タグが平らなカードの形態であるのが便利である。この形態は、タグを、例えば、デビットカードのような既存の平面カードと同様のサイズにすることができ、これにより、既存のカード読み取り装置とのある程度の潜在的な互換性を与えることができるという効果を発揮する。
【0028】
タグは、平面カード形態で実施されるときには、受信手段、振動手段及び応答手段を収容するためのくぼみを含むのが便利である。このようなくぼみは、受信手段及び応答手段の保護を与え、タグをより頑丈なものにする。
【0029】
タグにおいて、回路手段は、タグから出力放射を放出するための応答手段を含むことができ、この応答手段は、供給電位により電力供給できる。応答手段を組み込むことにより、質問時にタグを遠隔位置で識別することができる。
【0030】
応答手段は、タグへの入力放射を受け取りそしてタグからの応答において出力放射を放出するよう動作できるトランスポンダであるのが便利である。トランスポンダを組み込むことにより、タグは、振動手段を励起するための放射が溢れ照射される環境において質問放射に選択的に応答することができる。
【0031】
トランスポンダは、タグを個々に識別できる符号コードで出力放射を変調するように動作できるのが好都合である。このコードは、タグを個々に認識できるようにし、これは、例えば、会社の従業員により着用された個人識別タグのように、タグが個人に着用できるもので、その着用者を識別するのに使用される場合に非常に効果的である。
【0032】
例えば、300MHzから1GHzまでのUHF周波数や、1GHzから30GHzまでのマイクロ波周波数のような高周波放射で動作するときには、タグは、出力放射を発生するために入力放射を増幅する反射増幅器を組み込んだトランスポンダを有するのが好都合である。この反射増幅器は、例えば、数マイクロアンペア程度の比較的低い消費電流に対して、例えば、+10dBないし+30dBの範囲の高い利得を与えることができるという効果を発揮する。
【0033】
特に、トランスポンダが著しい利得を与えるときには、トランスポンダは、擬似連続モードで動作でき、そして入力放射に対して出力放射を遅延するための遅延線を組み込み、これにより、自発的な発振がフィードバックによりトランスポンダ内に生じるのを防止するのが効果的である。
【0034】
タグは、振動手段を励起する受信信号を発生するための第1及び第2アンテナを受信手段が組み込むように構成されるのが便利であり、第1アンテナは、マイクロ波放射に応答し、そして第2アンテナは、振動手段の共振周波数に対応する搬送波周波数を有する放射に応答する。受信信号を発生するために2つのアンテナを組み込むことにより、多数の考えられる搬送波周波数を有する放射からタグに電力供給できるという効果が与えられる。
【0035】
本発明の第2の特徴においては、経路に沿って行先へ乗物を誘導する方法であって、
(a)上記第1の特徴による複数のタグを経路に沿って分布させ、そしてタグとやり取りするための方向感知質問ソースを乗物に設け、
(b)タグへ放射を放出しそしてタグからの放射を受け取ることにより上記ソースからタグに質問し、これにより、ソースに対するタグの方向を決定し、ひいては、経路を決定し、
(c)乗物を経路に沿って移動し、そして
(d)乗物が行先に到達するまで上記段階(b)及び(c)を繰り返す、
という段階を含む方法が提供される。
【0036】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を一例として詳細に説明する。
【0037】
図1に、本発明の第1の実施例による圧電タグを参照番号10で示す。タグ10は多くの部分を含んでおり、即ち、点線22で囲み参照番号20で示す第1ダイポールアンテナ、点線32で囲み参照番号30で示す第1整流回路、第1領域42と第2領域44を合体した参照番号40で示す圧電トランスフォーマ、点線52で囲み参照番号520で示す第2整流回路、及び点線62で囲み参照番号60で示すトランスポンダ回路である。これらの部分は、幅55mm、長さ85mm、厚さ1mmの外寸を有するプラスチックカードに一体化されているが、後に図2を参照しながら詳しく説明する。
【0038】
トランスポンダ60は、点線66で囲み参照番号64で示すダイポールアンテナと、双方向表面弾性波遅延回路68と、反射増幅器70を含んでいる。
【0039】
第1ダイポールアンテナ20は、第1整流回路30の入力に接続されている。回路30は、トランスフォーマ40の第1領域42に接続されている出力を含んでいる。トランスフォーマ40の第2領域44は、第2整流回路50の入力に接続されている。第2回路50は、トランスポンダ60への電源入力に接続されている出力を含んでいる。
【0040】
タグ10の作動を先ず概括的に説明し、その後、各部分について詳細に説明する。
【0041】
アンテナ20は、呼掛け源(図示せず)からの入射100を受信する。入射100は1GHzの搬送周波数を有しており、300kHzの周波数を有する変調信号により50%から100%の範囲の変調深度に増幅変調される。更に、入射100は、アンテナ20で5mW/m2のパワー密度を有している。入射100はアンテナ20と連結して、アンテナ20の出力端末T1、T2を横切る、対応する信号S2を生成するが、信号S2は1GHzの周波数と80mVオーダーの振幅を有している。信号S2は、第1回路30に伝播し、第1回路30はこれを変調し、次に濾波して1MHzを越える信号要素を実質的に取り除き、300kHzで信号要素を有する単極性変調信号Sbを生成する。トランスフォーマ40は、その第1領域端末P1、P2を横切る信号Sbを受け取る。信号Sbは、第1及び第2領域42、44を刺激し、その縦振動モードで、300kHzで共振させる。共振時、トランスフォーマ40は、第1領域42で受け取った信号Sbを拡大して、第2領域端末S1で、3ボルトオーダーの振幅を有する双極***番信号Scを生成する。第2回路50は、信号Scを受け取って、復調、濾波し、回路50の出力端末で実質的に平滑な単極性信号Sdを生成する。トランスポンダ60は、信号Sdを受け取り、それを供給電位として使って、中に包含しているアクティブ回路に電力供給する。
【0042】
トランスフォーマ40は、共振時に、その第1領域42から第2領域44へのステップアップ電圧変換機能を実行する利点を提供し、それによって、トランスポンダ60に内包されているアクティブ電子デバイス、即ち反射増幅器70、に電力供給するに十分な数ボルトレベルの信号Sdを供給する。トランスフォーマ40は、パワーゲインを提供することはできないが、第2回路50によって提供される入力インピーダンスを、第1回路30によって提供される出力インピーダンスにマッチさせるためのインピーダンス変換を提供するには効果的であり、回路に電力供給するには不適な、アンテナ20からの比較的低電圧振幅の信号Saが、これによって、回路に電力供給するのに適した数ボルトの比較的高い電圧の信号Sdに変換される。
【0043】
トランスポンダ60は、呼掛け源からの連続波入射102を受信する。入射102は1.5GHzの搬送周波数を有している。入射102を受信すると、アンテナ64は、対応する信号Seをその端末で生成し、信号は遅延回路68に送られ、その中で遅延されながらそこを通って伝播し、反射増幅器70への入力で信号Sfを提供する。増幅器70は、変調された負の抵抗をその入出力端子で提供し、それによって、信号Sfを反射増幅して、対応する変調増幅信号Sgを生成する。信号Sgは、遅延回路68を通ってその中で遅延されながらアンテナ64へと逆伝播し、そこから戻り放射として発射される。呼掛け源は、戻り放射を受信し、変調されていることを判定し、それによってタグ10の存在を検知する。
【0044】
タグ10は、そのアクティブ回路に電力供給するための電池のような寿命に限界のある電力源を内包しておく必要無しに、変調戻り放射を提供することができるという利点を供給する。電池の必要がないので、タグ10の使用可能寿命は数十年かそれ以上になる。従って、タグ10は、例えば数年、長期間に亘って保存したい製品に取り付けるのに適している。
【0045】
タグ10の各部について以下詳細に説明する。
【0046】
アンテナ20は、カードの表側表面に導電性トラックで形成された薄いフィルムダイポールである。1GHzの入射周波数で作動するように設計されている。アンテナ20の端末T2はカード上の信号接地に接続され、端末T1は第1回路30に接続されている。
【0047】
回路30は、2つのゼロバイアス・ショットキーダイオードD1、D2と、フィルターキャパシタC1を内包している。ダイオードD2の陽極はダイオードD1の陰極に接続され、入力端末を形成し、その端末はアンテナ20の端末T1に接続されている。ダイオードD2の陰極は、キャパシタC1の第1端末に接続されている。キャパシタC1には第2端末があり、信号接地に接続されている。ダイオードD1の陽極も信号接地に接続されている。
【0048】
ダイオードD1、D2は、例えば、1GHzのマイクロ波周波数で信号整流を行い、mVのオーダーで信号振幅に応答するように作動することができる。ダイオードD1、D2は、整流を行うために金属半導体接合を内包している。通常のp−nシリコン接合ダイオードは、順方向バイアスで作動する際には電圧降下が比較的大きいので、ダイオードD1、D2の代わりに使うには望ましくない。キャパシタC1は、信号要素をマイクロ波周波数で信号接地に短絡するように作動することができる。回路30からの出力は、キャパシタC1を横切って、即ち、信号接地に対しキャパシタC1の第1端末から抽出される。
【0049】
トランスフォーマ40は、誘電損失係数が0.02より小さな、硬質の圧電性鉛ジルコネート・タイタネート(PZT)材で作られており、誘電損失係数は、1サイクル当たりに放散されるエネルギーの1サイクル当たりに貯蔵されるエネルギーに対する比として定義される。トランスフォーマ40は、幅3mm、長さ6mm、厚さ1mmの外寸を有し、従って長手軸を有する細長い形をしている。作動時、約300kHzの共振周波数で長手軸に沿って縦方向に周期的に振動するように設計されている。第1領域42は圧電要素の多層積層を備えており、各要素は、長さ3mm、幅3mm、厚さ0.1mmの外寸を有し、厚さ方向に分極されている。第2領域44は、幅3mm、長さ3mm、厚さ1mmの外寸を有する単一の要素を備えており、領域44は、トランスフォーマ40にアッセンブリされたときに長手軸に対して平行な方向に分極されている。第1領域42及び第2領域44の要素は、共に焼結によって、或いは、PZT材と同等な剛性を有するエポキシ樹脂を使って互いに接合されている。
【0050】
作動時、トランスフォーマ40は、100のオーダーの随伴Qファクタを有する300kHz周波数で縦方向共振モードを呈する。トランスフォーマ40は、共振時には、第1領域42に掛けられた信号の電圧振幅を、第2領域44での比較的大きな電圧振幅の対応する信号を生成することによって拡大するように機能する。この拡大は、第1領域42に比較し第2領域44における信号電流を低下させる引き替えに行われるのであり、換言すれば、トランスフォーマ40は、インピーダンス整合は提供するが、パワーゲインには寄与しない。
【0051】
回路50は、回路30と全く同じ構成を採用している。回路30のキャパシタC1とダイオードD1、D2が、それぞれ、回路50のキャパシタC2とダイオードD3、D4に対応する。
【0052】
トランスポンダ60の反射増幅器70は、その電源接続部が、信号接地と、信号接地に接続されていないキャパシタC2の第1端末とに接続されている。これにより、作動時に電力が増幅器70に供給される。
【0053】
反射増幅器70は、増幅器70によって提供される反射ゲインを高ゲイン状態と低ゲイン状態との間で周期的に切り替える切替オシレータを内包している。このオシレータは、2τの期間の高ゲイン状態と2τの期間の低ゲイン状態の間で周期的に増幅器70を切り替えるように作動する。低ゲイン状態では、増幅器70は、トランスポンダ60内で自発振動を維持できない。期間2τは、信号が遅延回路68を通って1方向に伝播する所要時間の倍に相当する。増幅器70により作り出されるゲインの周期的な切替は、増幅器70が低ゲイン状態に切り替えられると増幅器70からの増幅された信号がアンテナ64から反射され増幅器70に戻るので、トランスポンダ60内での自発振動の形成を妨害する。高ゲイン状態では、増幅器70は、もし増幅器70が先に述べたように低ゲイン状態に周期的にゲイン切替されなければ自発振動を形成する結果となる、+23dBのゲインを提供する。
【0054】
次に、図2にタグ10の外観概略図を示す。タグ10は、第1及び第2の主要面を有する、非道電性プラスチック基板層200を有している。第1の主要面には、30μmから100μmの範囲の厚さのアルミニウム材で作られた導電性のアース平面層210が接着されている。層200、210は、矢印212で示すX方向に85mmの長さと、矢印214で示すY方向に55mmの幅を有している。層200、210は、矢印216で示すZ方向に合わせて1mmの厚さを有している。
【0055】
基板層200には、回路30、50、トランスフォーマ40、増幅器70、遅延回路68をそれぞれ収容するために、凹部230、240、250、260が成形されている。タグ10は、細長く、X方向に長手軸を有している。タグ10の長手方向の第1端と第2端には、アンテナ20と64とがそれぞれ形成されている。アンテナ20、64は共に、層200の第2の主要面上に形成された堆積金属領域を有する蝶ネクタイ型のダイポールアンテナである。第2の主要面上には、アンテナ20、64を回路30、50及び遅延回路68に接続するための接続用導電性トラックも形成されている。回路30、50をトランスフォーマ40及び増幅器70に接続し、遅延回路68を増幅器70に接続するためのトラックも設けられている。ワイヤボンディング技法を使ってトラックから凹部230、240、250、260への接着が行われている。
【0056】
製作時には、厚さ100μmの保護プラスチック層(図示せず)が第2の主要面上に追加され、アンテナ20、64、トラック、回路30、50、トランスフォーマ40、増幅器70、遅延回路68を保護する。図形情報、例えば光学読み取り可能バーコード又は写真画像を、保護層上に随意で印刷することもできる。写真画像は、タグ10が職員に着用可能で遠隔呼び掛け識別タグとして使用される際には、特に適切である。
【0057】
図3に、本発明の第2の実施例による圧電タグを参照番号300で示す。タグ300は、平面コイル310をキャパシタC1と並列接続で追加的に含んでいる点を除けば、タグ10と全く同じである。
【0058】
アース平面層210は、コイル310の近辺では選択的に省いてコイル310を過度に遮蔽しないようにすることもできる。コイル310は、図2に示す第2の主要面の層200上の、回路30、50及びトランスフォーマ40の近くに形成される。トランスフォーマ40によってその端末P1とP2の間に作られる電気キャパシタンスと並列なキャパシタC1と、コイル320とは、トランスフォーマ40の共振周波数、即ち300kHzで並列共振することができる。コイル310があることによって、タグ300は、アンテナ20で受信される1GHz入射からだけでなく、コイル320に結びつく300kHzで、誘導結合される磁場によっても、励起することができる。これにより、タグ300は、2つの異なるモードで励起することができるので、300kHz及び1GHzの何れか又は両方の周波数で放射が存在する環境で使うことができ、例えば、安全性の面でマイクロ波が許容できないような環境でも使用することができる。
【0059】
タグ10、300でダイオードD1からD4を使う代わりに、非同期検知器として機能するFETを採用してもよい。このモードで作動するFETは、それを横切って、マイクロボルトのオーダーで電圧降下を呈する。
【0060】
更に、アンテナ20、64は、放射を受信し発射することができ、信号を回路30へ、遅延回路68から、そして遅延回路68へ搬送できる、単パッチアンテナ又は単ループアンテナと置き換えることもできる。タグ10、300は、1GHz及び1.5GHzの放射周波数で受信及び発射するように説明してきたが、アンテナ20、64及び遅延回路68の形状寸法を変えることによって別のマイクロ波周波数で作動させることもできる。10GHzを越えるマイクロ波周波数では、遅延回路68は、例えば、遅延回路内に信号電波経路を提供するイットリウム鉄ガーネット(YIG)のフィルムを内包する遅延回路のような、静磁気波遅延回路(MWDL)と置き換えると好都合である。
【0061】
更に、タグ10、300は、トランスポンダ60を、例えば、そのオシレータ特有のアンテナエンコードされた放射を発射する簡単なオシレータに置き換えることによって変更し、それによって、変更されたときには、タグ10、300がそれから発車された放射から個別に識別されるようにすることもできる。更に、トランスポンダ60は、第1期間には放射を発射できるようにし、第2期間には作動しないようにして、トランスポンダを第1期間と第2期間の間で周期的に切り替えるようにすることもでき、そうすると、トランスポンダ60は、第1期間の間には比較的より強力な放射のバーストを発射することによって応え、第2期間の間はエネルギを貯えるようにする利点が提供される。
【0062】
次に、図4は、参照番号400で示す圧電タグを表しており、この圧電タグ400は、放射を受信するための第1ループアンテナ 410と、発信器モジュール(TX)420と、放射を発射するための第2ループアンテナ430とを使う単純化された回路を有している。このタグ400は、更に、トランスフォーマ40と、第2整流回路50とを備えている。タグ10、300と同じやり方で、タグ400も入射してくる放射によって励起される。
【0063】
アンテナ410は、第1及び第2接続点を有し、第1接続点はタグ400の信号アース平面に接続され、第2接続点はトランスフォーマ40の端末P1に接続されている。トランスフォーマ40の端末P2は、信号アース平面に接続されている。トランスフォーマ40の端末S1は、回路50に接続されており、回路50からの出力は、パルス送信器420のVsパワー入力に接続されている。送信器420も信号アース平面に接続されている。更に、送信器420は、アンテナ430の第1接続点に接続されている出力Qを含んでいる。アンテナ430の第2接続点は信号アース平面に接続されている。
【0064】
アンテナ410は、その接続点においてインダクタンスを提供するが、そのインダクタンスは、タグ400への入力放射と、トランスフォーマ40が信号電圧をその第1領域から第2領域に上げるように機能している際のその振動モードとに対応する周波数で、その端末P1、P2を横切ってトランスフォーマによって呈されているキャパシタンスと電気的に共鳴するように設計されている。送信器420は、クラスCモードの作動にバイアスされたトランジスタを含んでおり、そのトランジスタは、回路50から送信器420への出力が閾値を超えたときに機能的になり信号の一部だけを伝導するようになっている。回路50からの出力が閾値より小さい場合には、トランジスタは非導電的で、従って電力を貯え、回路50に電位を上げる最大の機械を提供する。
【0065】
タグ400の作動を、図4を参照しながら説明する。アンテナ410は、タグ400への300kHzの周波数の放射入射を受信し、端末P1、P2を横切って300kHzの信号を提供し、この信号がトランスフォーマ40を共振状態に励起する。トランスフォーマ40は、その第2端末S1において、周波数300kHzで電圧ステップアップ信号を提供する。信号は回路50に送られ、回路50は信号を整流してキャパシタC2を横切るDC電位を提供する。この電位は、送信器420にそのVsパワー入力で供給される。電位が信号アースに対し2ボルトの値を越えると、送信器420は起動し、その出力Qで信号のバーストの形態で出力信号を生成するが、その各バーストは、500kHzパルスのシーケンスを含み、50μsecの持続時間を有し、バーストは2Hzの繰り返し速度を有している。出力信号は、送信器420からアンテナ430へと送られ、そこから放射として発射される。
【0066】
タグ400は、タグ10、300に比べ単純で、安く作れる可能性があるという利点を提供する。タグ400が大量生産される場合、各タグ400の送信器420は、送信器420に固有の繰り返し速度で500kHz放射のバーストを生成するようにカスタマイズすることができ、それによって、同じ設計の他のタグから区別することができる。クラスC作動は、トランジスタがその特性のアクティブ領域に駆動されることになる、閾値振幅を超える放射がタグ400で受信されるまで、トランジスタは電力を消費しないという利点を提供する。
【0067】
タグ400には、本発明の範囲から逸脱することなく変更を加えることができる。例えば、トランスフォーマ40は、その第1領域に比べ第2領域で信号電圧を上げることのできる、圧電振動バイモルフ、又はシリコンマイクロ加工振動構造体と置き換えることができる。
【0068】
次に、図5に、マンチェスターバイフェーズエンコード信号と共に作動するためのタグを、参照番号500で示す。タグ500は、アンテナ20、回路30、50、及びトランスフォーマ40を備えている。又更に、論理回路510と、ループアンテナ530に連結された送信器520とを備えている。アンテナ20は回路30に接続され、回路30は、トランスフォーマ40と、そして更に回路50と、タグ10と同じやり方で接続されている。キャパシタC2を横切って生成された回路50からの出力は、論理ユニット510と、送信器520に接続されている。ユニット510の入力Clkと「データ入力」とは、それぞれトランスフォーマ40の端末S1とP1に接続されている。
【0069】
ユニット510は出力Doを有しており、送信器520の入力Diに接続されている。送信器520は出力Uを有しており、アンテナ530の一方の接続部に接続されており、一方、アンテナ530のもう一方の接続部は、タグ500の信号アースに接続されている。
【0070】
マンチェスターバイフェーズエンコード信号Mについて説明する。デジタルデータ信号Dは、論理0と論理1と対応する2つの状態を有している。信号Dはこれら2つの状態の間で切り替わり、0と1とから成るデータのストリームを運搬する。信号Dは、τを時定数として、2τ以上の期間、2つの状態の何れかに留まる。信号Dは、次に、1/2τの周波数を有するクロック信号Kで排他的OR処理を受け、信号Mを生成する。マンチェスターバイフェーズ信号の利点は、信号Dが定数0又は1状態の時でも常に変化することである。
【0071】
タグ500の作動を、信号Mをデコードしながら説明する。1GHzの搬送周波数を有し信号Mで変調された放射がアンテナ20で受信され、アンテナ20は対応する1GHzの変調された信号を生成する。回路30は、1GHzの信号を復調して、トランスフォーマ40の端末P1で信号Mを生成する。クロック信号Kは、トランスフォーマ40がその第1領域から第2領域へ電圧を上げる共振モードに対応する主周波数成分を有するように設計されている。トランスフォーマ40は比較的狭い共振ピークを呈するので、信号Dを信号Mから抜いて、端末S1で主に信号Kを出力するのに有用である。端末S1の信号は、次に回路50に送られ、回路50はそれを整流してキャパシタC2を横切るDC電位を生成する。電位は、ユニット510と送信器520の電源入力VSに送られ、電力を供給する。端末P1にある信号Mと端末S1にある信号Kも、それぞれユニット510の入力Clkと「データ入力」に運ばれ、ユニット510は排他的OR処理を実行して信号Dを復元し、信号Dは出力Doで出力される。信号Dはユニット510から送信器520に伝播し、送信器520は信号Dで運ばれてきたデータで制御される。送信器520は、データに応えて、変調された1MHz放射をアンテナ530から発射する。
【0072】
タグ500は、トランスフォーマ40が2つの機能、即ち、供給電位を生成してタグ500に電力供給すること、及び信号濾波を行うこと、を実行するという利点を提供する。
【0073】
製造コストを下げ小型化するため、タグは、放射の受信と発信の両方用にアンテナを1個だけ備えているようにすることが望ましいと発明人は考えた。図6には、アンテナ20を備え、そこで放射の受信と発射の両方をすることのできるタグを、参照番号600で示している。タグ600は、これ以外に、回路30、50、トランスフォーマ40、及び送信器(TX)610を備えている。アンテナ20の端末T1、T2は、それぞれ回路30への入力と信号アースとに接続されている。回路30からの出力は、トランスフォーマ40の端末P1に接続されている。トランスフォーマ40の端末P2は信号アースに接続されている。送信器610の出力Bは、抵抗器R1を通してトランスフォーマ40の端末P1に接続されている。トランスフォーマ40の第2端末S1は、回路50にタグ10と同じやり方で接続されている。更に、送信器610は、出力Vを有しており、キャパシタC3経由でアンテナ20の端末T1に接続されている。
【0074】
タグ600の作動を、図6を参照しながら説明する。最初、送信器610にはエネルギーが供給されておらず、その出力Bは信号アースの電位にある。1GHzの搬送周波数を有し300kHzの信号で変調された放射がアンテナ20で受信され、アンテナ20はその端末T1、T2を横切って対応する信号を生成する。信号は整流され、キャパシタC1を横切る300kHzの信号が生成され、その信号はトランスフォーマ40の第1領域42に送られ、それを共振状態に励起する。トランスフォーマ40は、端末S1において300kHzの周波数で電圧が強化された出力信号を生成し、信号は、続いて回路50で復調され送信器を作動させるための電位を提供する。
【0075】
送信器610は作動して、その出力Vにおいて、1GHz信号の100μsec持続時間バーストを繰り返し速度2Hzで生成する。送信器610は、1GHz放射のバーストをアンテナ20から発射しようとするときは、先ずその出力Bを、回路50が供給したのと近い電位に切替え、するとそれがダイオードD1、D2に逆にバイアスを掛けることになり、それによって回路30が使用禁止になる。送信器は、次に、バースト信号を、キャパシタC3を通してアンテナ20に出力し、アンテナ20から放射として発射される。バースト信号の最後に、送信器はその出力Bを切り替えて信号アースの電位に戻すので、回路30は機能を続行し、次の放射のバーストで発射されるまで、キャパシタC2の充電を続ける。
【0076】
タグ600は、アンテナはアンテナ20の1つだけでいいので、アンテナ20は、必要ならば、拡大してタグ600の主要表面の面積の大部分を占めるようにできるという更なる利点を提供する。2つ又はそれ以上のアンテナがタグに含まれている場合には、この様に拡大するのは不可能であり、各アンテナがタグ600の主要表面の面積の50%以上を要求することになる。
【0077】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、タグ10、300、400、500、600に変更を加えうることを理解頂けよう。
【0078】
例えば、タグ10、300、400、500、600は、図2に示すようなカード状の形態に実装されるのではなく、プラスチックのブロック内にモールドすることもできる。ブロックはカードに比べ頑丈なので、ブロック状のタグ10、300、400、500、600は粗野な環境に曝し、煙の満ちた燃えている建物内に通路のマークを付けることもできる。ブロックは、ブロックの長さ、幅及び厚さの寸法の割合が1:3より小さいという点でカードとは区別可能である。ブロック形態には、立方形、ピラミッド型、疑似球形、球形も含まれる。
【0079】
タグ10、300、400、500、600内にダイオードD1からD4を使う代わりに、非同期検知器として機能するFETを採用してもよい。このモードで作動するFETは、それを横切って、マイクロボルトのオーダーで電圧降下を呈するが、これはダイオードで生じる順方向バイアス電圧降下よりも小さい。
【0080】
タグ10、300、400、500、600は、職員が着用可能な識別タグとして使用することができる。タグは、商品に取り付けて、関連する呼掛け源と組み合わせて商品の盗難防止システムとして使うこともできる。
【0081】
タグ10、300、400、500、600は、自動車道路のレーンの輪郭を描くのに使う「マジックアイ」反射器と同じ方法で使うことができ、複数のタグ10、300、400、500、600を、通路にマークを付ける呼掛けマーカーとして使うことができる。このような使用法は役に立つ可能性があり、例えば製造現場又は倉庫等で自動誘導ロボット車に経路を画定するのに利用できる。誘導車両には、タグ10、300、400、500、600から発射される放射の方向を感知する呼掛け源を装備し、車両に対するタグ10、300、400、500、600の方向を定めることができる。各タグ10、300、400、500、600には、その独自の固有の符号コードを設け、それによって車両がその符号コードから経路に沿ってその位置を定めるようにすることができる。このような車両誘導の方法は、タグを割り付けてゆくのに比べ、誘導ワイヤを敷設する際に掛かるコストが嵩むワイヤ誘導車両システムより好ましい。
【0082】
タグ10、300、400、500、600では、トランスフォーマ40を、電圧を上げるように作動する代替圧電デバイスと入れ替えることもできる。代替圧電デバイスの一例は、一端が支持され他端が自由に振動できるようになっている細長い部材の形をしたセラミックバイモルフであり、このようなバイモルフはトランスフォーマ40よりもQファクタが高く、従って電圧増加も大きくなる。代替圧電デバイスのもう一つの例は、それぞれカンチレバーの振動に応じて信号を生成するように作動する蒸着薄膜圧電トランスジューサを含んでいる、1つ又はそれ以上の懸架シリコンカンチレバーの列を備えたマイクロ加工シリコンデバイスである。トランスジューサは直列に連結され、それらの信号電圧を加え合わせて、回路50に対する全体出力を提供する。回路30からの駆動信号によって駆動することのできる励起トランスジューサも、1つ又はそれ以上のカンチレバーを振動状態に、それも望ましくはカンチレバーの共振振動に、機械的に励振するために備えられている。シリコンカンチレバーは、小型の排気されたハウジング内で作動する際には数百万に近い高い共振Qファクターを呈し、従って、駆動信号に比べ、全体出力で信号電圧振幅を著しく上げることができる。シリコンマイクロ加工は、よく知られた量産プロセスで、バッチリソグラフィ、蒸着及びエッチング技法を使ってシリコン材に機械的構造を製作することを含んでいる。
【0083】
タグ10、300、400、500、600は、記憶回路のような他のタイプの電子回路、放射線センサーや化学センサーのような環境センサーを含むように手を加えることもできる。このような電子回路を使えば、タグは、職員に着用させて、作業環境、例えば、危険な化学物質を取り扱う化学実験室で、職員の安全性を監視するのに使うことのできる小型の個人データ自記計として機能することができる。
【0084】
タグ10、300、400、500、600は、更に小型化して、生体内に入れ、例えば、遠隔操作のインシュリンディスペンサー、心臓刺激ペースメーカー或いは人工網膜として使うこともできる。変調された放射を受信することによって励起される圧電トランスフォーマを使えば、タグ内に電池が不要となり、タグを、定期的に交換する必要無しに、生体システム内に永久的に移植することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態を示す回路図である。
【図2】 図1に示す第1の実施形態の外部斜視図である。
【図3】 本発明の第2の実施形態を示す図である。
【図4】 ループアンテナを用いた簡単な回路を組み込んだ本発明の第3の実施形態を示す図である。
【図5】 マンチェスターエンコード信号で動作する本発明の第4の実施形態を示す図である。
【図6】 放射を放出し及び受け取るのに使用される単一のアンテナを組み込んだ本発明の第5の実施形態を示す図である。
Claims (25)
- 入力放射を受け取りそしてそれに対応する受信信号を発生するための受信手段(20,30)と、上記受信信号の電圧の大きさを増加して供給電位を発生するための、電圧を増大させることができる圧電振動手段(40,50)と、上記供給電位により電力供給できる電子回路手段(60)とを備え、上記振動手段(40)は、相互に振動結合された一次及び二次領域(42,44)を組み込み、その縦振動モードにより共振周波数で共振され、一次領域(42)における受信信号によって振動状態へと励起され、そして上記供給電位を発生するのに使用するための対応する出力信号を二次領域(44)に発生するように動作する、圧電変圧器(40)を備え、上記受信手段(20,30)は前記振動手段(40)を励起する受信信号を生成するための第1及び第2アンテナ(20,310)を組み込み、上記第1アンテナ(20)は、整流回路(30)と接続され、マイクロ波放射に応答し、そして第2アンテナ(310)は、上記変圧器(40)と接続され、上記変圧器(40)の共振周波数に対応する搬送波周波数を有する放射に応答することを特徴とする圧電タグ(10)。
- 上記振動手段(40)は、上記受信信号によって振動状態へ励起されると共に、上記供給電位を発生するのに使用するための対応する出力信号を発生するよう動作できる圧電バイモルより成る請求項1に記載のタグ。
- 上記振動手段は、1つ以上の共振素子のアレーより成るシリコンマイクロ加工されたデバイスを備え、各共振素子は、その関連素子の振動に応答して素子信号を発生するように動作できる関連圧電トランスジューサを組み込んでおり、これらトランスジューサは直列に接続されて、それらの素子信号を加算して、上記供給電圧が発生されるところの全出力を発生し、そして更に、上記受信信号により駆動されて1つ以上の素子を振動状態へ刺激し、それにより、上記供給電位を発生するための駆動手段を含む請求項1に記載のタグ。
- 上記共振素子は、共振状態で動作して上記供給電位を発生するように動作できる請求項3に記載のタグ。
- 上記共振素子は、その共振Q係数を増加するために排気環境に収容される請求項3又は4に記載のタグ。
- 上記受信手段は、上記受け取った放射に存在する変調成分を復調して上記受信信号を発生するための復調手段(30)を備えた請求項1ないし5のいずれかに記載のタグ。
- 上記復調手段(30)は、上記受け取った放射を復調して上記受信信号を発生するためのゼロバイアスのショットキーダイオードを備えた請求項6に記載のタグ。
- 上記復調手段は、上記受け取った放射を復調して上記受信信号を発生するための同期復調器として動作できるトランジスタを備えた請求項6に記載のタグ。
- 上記回路手段は、タグの消費電力を減少するためにクラスCモードで機能するように働く請求項1ないし8のいずれかに記載のタグ。
- 上記受信手段(20,310,410,430)は、1つ以上の受信及び放出放射に対し金属フィルムダイポールアンテナ、ループアンテナ及びパッチアンテナの少なくとも1つを含む請求項1ないし9のいずれかに記載のタグ。
- 上記回路手段は、タグ(10;400;500)から出力放射を放出するための応答手段(64,68,70;420,430;510,520,530)を備え、この応答手段は、上記供給電位により電力供給できる請求項1ないし10のいずれかに記載のタグ。
- 上記振動手段は、タグにおいて受け取られたマンチェスターバイフェーズエンコード放射のクロック成分を回復するよう動作でき、そして上記応答手段は、このクロック成分を使用して、上記エンコード放射を復調し、タグに使用するための対応する復調データを発生するよう動作できる請求項11に記載のタグ。
- 上記タグは、2つのアンテナ(20,64)を組み込んでおり、その一方のアンテナ(20)は、上記受信信号を発生するのに使用され、そしてその他方のアンテナ(64)は、放出及び受信放射の少なくとも1つに対し上記応答手段(60)に組み込まれる請求項11に記載のタグ。
- 上記アンテナは、導電性金属フィルムのダイポールアンテナである請求項11に記載のタグ。
- ブロックの形態である請求項1ないし14のいずれかに記載のタグ。
- 平面カード(図2)の形態である請求項1ないし14のいずれかに記載のタグ。
- 上記カードは、受信手段、振動手段及び応答手段を収容するためのくぼみ(230,240,250,260)を含む請求項16に記載のタグ。
- 上記応答手段は、タグへの入力放射を受け取りそしてタグからの応答に出力放射を放出するように動作できるトランスポンダである請求項11に記載のタグ。
- 上記トランスポンダは、タグを個々に識別できる符号コードで出力放射を変調するように動作できる請求項18に記載のタグ。
- 上記トランスポンダは、入力放射を増幅して出力放射を発生するための反射増幅器(70)を含む請求項18又は19に記載のタグ(10)。
- 上記トランスポンダは、擬似連続モードで動作することができ、そして出力放射を入力放射に対して遅延するための遅延線(68)を含み、これにより、自発的な発振がフィードバックによりトランスポンダ内に生じるのを防止する請求項18、19又は20に記載のタグ。
- タグに対して共通の信号アースを与えるための金属アース平面を備えた請求項1ないし21のいずれかに記載のタグ。
- 生物学的システムへ植え込まれそして生物学的システムの監視及び刺激の少なくとも1つを行うように動作できる請求項1ないし22のいずれかに記載のタグ。
- 経路に沿って行先へ乗物を誘導する方法において、
(a)請求項1ないし22のいずれかに記載の複数のタグを経路に沿って分布させ、そしてタグとやり取りするための方向感知質問ソースを乗物に設け、
(b)タグへ放射を放出しそしてタグからの放射を受け取ることにより上記ソースからタグに質問し、これにより、ソースに対するタグの方向を決定し、ひいては、経路を決定し、
(c)乗物を経路に沿って移動し、そして
(d)乗物が行先に到達するまで上記段階(b)及び(c)を繰り返す、
という段階を含むことを特徴とする方法。 - 入力信号を受信し、そしてそれに対応する電圧が大きさ増大された出力信号をそこから発生するためのシリコンマイクロ加工されたデバイスにおいて、
このデバイスは、
1つ以上の共振素子のアレーを備え、
各素子は、その関連素子の振動に応答して増大された素子信号を発生するように動作できる関連圧電トランスジューサを組み込んでおり、
これらトランスジューサは直列に接続されて、それらの素子信号を加算して、出力信号を発生し、
そして更に、入力信号により駆動されて1つ以上の素子を振動状態へと刺激し、それにより、出力信号を発生するための駆動手段を備え、
前記1つ以上の共振素子のアレーは、第1及び第2アンテナを組み込み、上記第1アンテナは、前記1つ以上の共振素子のアレーに接続された出力を有する整流回路と接続され、マイクロ波放射に応答し、そして第2アンテナは、前記1つ以上の共振素子のアレーに並列に接続され、上記圧電トランスジューサの共振周波数に対応する搬送波周波数を有する放射に応答することを特徴とするデバイス。
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