JP7383312B2 - 無線センサー - Google Patents

Description

本発明は、小型化、高信頼性化、省電力化が可能な無線でデータ送受信を行う無線センサーに関する。

近年、ＩｏＴの機運の高まりから急速にセンサー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、測距、ＧＰＳなど、様々なセンサーを利用し、データの解析・活用をすることがますます求められている。
また、安全確認、自動化などの用途でも、今後の利用は急激に増えていくと考えられる。

一般的なセンサーデバイスは、対象のデータを取得するセンサーと、センサーからデータの取得、デジタル化、演算などの処理を行うマイコンや専用コントローラーなどを備えており、 さらには、無線でデータ通信を行うための送受信ＩＣを実装した製品もある。
しかし、これらを様々な部品を実装したセンサーデバイスは大型化しやすく、高機能なものであるほど小型・軽量化が難しく、取り付け場所が限定されてしまうといった課題がある。

また、無線通信機能を持たせたセンサーデバイスは、無線通信用のアンテナを必要とするが、通信距離を確保するためには、アンテナサイズを大きくする必要がある。このため、通信性能とのバランスが、小型化をさらに難しいものにしている。

既存のセンサーデバイスは、各種部品を複数個表面実装したものが多く、露出した部品箇所は、湿度やほこりといった外的要因により、信頼性低下を起こしやすく、耐環境性の要求される用途には利用しにくい。 耐環境性を高めるために、堅牢なケースに収めることも出来るが、それに伴い、製品サイズが大型化してしまうといった、相反する問題を抱えている。

ＩｏＴ対応として、老朽化の進んだ設備に対し、センサーを後から付加することで、最新型の設備に近い性能にするといった際も、センサーデバイスは設置箇所を選ばないものであることが好ましい。国内の製造設備の多くは、老朽化が進んでいて最新型ではないため、ＩｏＴ化のためには様々なセンサーを、簡易に取り付けられるようにする必要があり、今後ますますセンサーの小型化・高信頼性化・省電力化に対する要望が高まることが考えられる。

前記問題点の改善策として、アナログ回路とデジタル回路を多層板表裏に配置し部品実装することで、小型化を図ったセンサーモジュールが知られている（例えば、特許文献１）。また、センサーデータをRFID技術を利用して、振動自己発電電力を用いて記録する自己発電機能付きRFIDセンサータグが知られている（例えば、特許文献２）。
また、部品実装基板間に中空構造を作ることで、通信性能の低下を抑えた無線センサーユニットが知られている（例えば、特許文献３）。

特開２０１３－１９８２６号公報 特開２００６－５２７４２号公報 特開２０２１－１０６３３１号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、実装基板が中空構造であり耐衝撃性が確保できないおそれがあり、また接着したケースが過酷な環境で長期間保持されない可能性もある。さらに完全に密封した構造にはなっていないため、蓋材に穴などの欠陥があった場合、水分やほこりの侵入により信頼性が低下するおそれがあるなど、信頼性上の課題がある。

また、上記特許文献２の技術では、小型化に伴いＲＦＩＤタグの通信距離が短いため、センサーデータの読取りにリーダー/ライター設備を近接させなければならず、広い範囲での管理には向かないといった課題がある。

また、上記特許文献３の技術では、通信性能の低下を抑えるために、センサーや電源部品といった部品同士を、中空構造を作ることで立体的に距離を離す配置をしているため、製品を小型化することが難しくなっているという課題がある。また、密閉構造になっていないため水分やほこりの侵入などによる信頼性低下の不安があるといった課題もある。

すなわち本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、小型でも無線通信性能が高く、高信頼性を有する無線センサーの提供を目的とする。

本発明にかかる無線センサーによれば、測定対象物に取り付けられて用いる無線センサーであって、センシング動作に用いる素子類が、多層プリント配線板内に立体的に配置されるとともに、多層プリント配線板が一体的に樹脂封止されており、センサーデータの外部送受信に用いるアンテナ回路が、多層プリント配線板の両面の表層において、互いに電気的に接続されて形成され、前記測定対象物として金属体に取り付けられることを特徴としている。
この構成を採用することによって、多層プリント配線板内に素子を立体的に配置したことで小型化を図ることができ、多層プリント配線板を一体的に樹脂封止したことで密閉構造となって水分やほこりの侵入を防ぎ信頼性を高めることができる。さらに、アンテナ回路を、樹脂封止した多層プリント配線板の両面の表層に形成したことにより、センシングに必要な素子・回路サイズの影響を受けず、アンテナ面積を確保することができ、通信性能を十分に発揮することができる。

また、測定対象物の状態を取得するセンサー部と、前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、少なくとも前記センサー部及び前記送受信部に電力供給する電源部と、を具備することを特徴としてもよい。

また、前記センサー部によって得られたデータの演算、デジタル化及び全体の動作管理を実行する制御部を具備することを特徴としてもよい。

また、前記送受信部は、前記多層プリント配線板の樹脂封止内部における最外層に配置されており、前記送受信部と前記アンテナとが最短距離で接続されることを特徴としてもよい。
この構成によれば、配線長を最短にし、インピーダンスによる通信性能の低下を抑えることができる。

また、多層プリント配線板の両面に形成された前記アンテナ回路同士は、多層プリント配線板の製造工程において形成された構成により電気的に接続されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、部品内蔵することで、表裏面には実装部品や接続配線がないことから、表裏をアンテナ回路として有効利用できるために、通信性能を十分に確保することができる。また、多層プリント配線板の製造工程において形成された構成とは、スルーホール、レーザービアを用いたビルドアップ接続、端面電極等の構成を指す。

本発明にかかる無線センサーによれば、測定対象物に取り付けられ、測定対象物の状態を取得するセンサー部と、センサー部と外部配線によって通信可能に接続された本体部と、を具備し、センサー部以外のセンシング動作に用いる素子類が、多層プリント配線板内に立体的に配置されるとともに、多層プリント配線板が一体的に樹脂封止されており、センサーデータの外部送受信に用いるアンテナ回路が、多層プリント配線板の両面の表層において、互いに電気的に接続されて形成され、前記測定対象物として金属体に取り付けられることを特徴としている。
この構成を採用することによって、多層プリント配線板内に素子を立体的に配置したことで小型化を図ることができ、多層プリント配線板を一体的に樹脂封止したことで密閉構造となって水分やほこりの侵入を防ぎ信頼性を高めることができる。さらに、アンテナ回路を、樹脂封止した多層プリント配線板の片面及び又は両面の表層に形成したことにより、センシングに必要な素子・回路サイズの影響を受けず、アンテナ面積を確保することができ、通信性能を十分に発揮することができる。
また、センサー部を無線センサーの本体部の外部に設けることにより、例えば設置スペースが小さいわずかな隙間や高温になるために無線センサーを設置するのが困難な場所であってもセンサー部を設置することができる。また、測定対象物にセンサー部を直接接触させることができるため、センシング誤差を最小化することができる。

本発明によれば、小型でも無線通信性能が高く、高信頼性を有する無線センサーとすることができる。

無線センサーの内部構成を示すブロック図である。 無線センサーの第１実施形態を示す断面図である。 無線センサーの第２実施形態を示す断面図である。 センサー部を外部に配置した実施形態を示す概略説明図である。 接着テープによって無線センサーを測定対象物に取り付けた状態を示す概略説明図である。

（全体構成）
以下、図面に基づいて本実施形態における無線センサーについて説明する。
なお、本発明の無線センサーは下記の実施形態に限定されるものではない。

図１に無線センサーの内部構成のブロック図を示す。
無線センサー１０は、様々な環境における測定対象物を測定したセンサーデータを、無線でデータ送信するものである。
無線センサー１０は、測定対象物の状態を取得するセンサー部５０と、センサー部５０によって得られたセンサーデータの計算・記録・デジタル化と、動作管理を行う制御部５１と、得られたセンサーデータを外部通信する送受信部５２と、送受信部５２に接続されたアンテナ回路５４と、センサー部５０、制御部５１、送受信部５２に動作電力を与える電源部５３と、を備えている。
ただし、無線センサー１０に制御部５１を設けない構成であってもよい。この場合において、センサーデータの記憶用メモリなどを設けてもよい。
また、無線センサー１０にセンサー部５０を設けない構成であってもよい。この場合において、無線センサー１０とセンサー部５０とは外部配線により接続する。

図２に本実施形態の無線センサーの断面図を示す。
図２に示すように、無線センサー１０は、センシング動作にかかる複数の素子（図１に示したセンサー部５０、制御部５１、送受信部５２、電源部５３の機能を具体的に実現する素子：以下、素子についてはこの説明を省略する）と、各素子５０、５１、５２、５３を電気的に接続する配線を多層プリント配線板１１内に立体的に内蔵している。このため、従来のような表面実装の場合に比べ、無線センサー１０の小型化を行うことが出来る。

無線センサー１０は、多層プリント配線板１１の表層にアンテナ回路５４が形成されている。多層プリント配線板１１はセンシング動作にかかる複数の素子５０、５１、５２、５３と、各素子５０、５１、５２、５３を電気的に接続する配線を内蔵しており、表層にはこれら素子５０、５１、５２、５３や配線が配置されていないため、表層にはアンテナ回路５４を形成するにあたり十分なアンテナ面積を確保することができ、通信性能を十分に発揮することが可能となる。
また、無線センサー１０を小型化するとアンテナ回路５４のサイズも同時に小型化してしまうことになるが、多層プリント配線板１１に各素子５０、５１、５２、５３や配線を内蔵することで、アンテナ回路５４の面積を確保しやすくなるため、小型化に伴う通信性能の低下を抑えることが出来る。

また、送受信部５２をアンテナ回路５４の直下に内蔵する。つまり、多層プリント配線板１１を構成する最表面層１１ａの表面側にはアンテナ回路５４を形成し、最表面層１１ａの裏面側には銅箔等の金属層１２を形成して金属層１２に送受信部５２を配置する。また、金属層１２とアンテナ回路５４とは最表面層１１ａを貫通するビア１４によって電気的に接続される。
このように１つの基板層の表面にアンテナ回路５４を配置し、裏面に送受信部５２を配置する構成によって、配線長は基板層１層分の厚さだけになるため、配線長が最短となってインピーダンスによる通信性能の低下を最低限に抑えることが可能となる。
この場合、なお、金属層１２と送受信部５２はボンディング接続でもよいし、フリップチップ実装としてもよい。フリップチップ実装の場合には、ボンディングワイヤー接続に比べて、インピーダンスが低下するため、さらに通信性能を高めることが出来る。

本実施形態では、多層プリント配線板１１の裏面にもアンテナ回路５４を形成している。表面のアンテナ回路５４と裏面のアンテナ回路５４は多層プリント配線板１１を積層方向に貫通するスルーホール１６によって電気的に接続されている。なお、表面のアンテナ回路５４と裏面のアンテナ回路５４を電気的に接続する方法としてはスルーホールに限定するものではなく、レーザービアを用いたビルドアップ接続や、端面電極等の方法であってもよい。表面のアンテナ回路５４と裏面のアンテナ回路５４の接続は多層プリント配線板１１の製造工程において形成されるものである。
多層プリント配線板１１の表面と裏面には、実装部品や配線がないことから、基板の表裏をアンテナ回路５４として有効利用できるために、通信性能を十分確保することが出来る。

なお、多層プリント配線板１１の表面と裏面には、ソルダーレジストが塗布される。多層プリント配線板１１の表面と裏面にソルダーレジスト層が形成されることによって、アンテナ回路５４を保護するとともに、アンテナ回路５４を絶縁する絶縁膜としての役割を有する。
さらに、アンテナ回路５４の保護と絶縁のために、多層プリント配線板１１の外周を樹脂で封止することも出来る。

なお、図２に示した実施形態では、最表面層１１ａの裏面側に送受信部５２が配置され、中間層１１ｂの表面側にセンサー部５０と制御部５１が配置され、中間層１１ｂの裏面側に電源部５３が配置されている。なお、最裏面層１１ｃの裏面側にはアンテナ回路５４が形成されているが、最裏面層１１ｃの表面側には素子は配置されていない。
このように、センシング動作に必要な素子５０、５１、５２、５３は、互いに多層プリント配線板１１を構成する最表面層１１ａ、中間層１１ｂ、最裏面層１１ｃにおいて対向して配置され、最表面層１１ａと中間層１１ｂとの間、及び中間層１１ｂと最裏面層１１ｃとの間は、樹脂が充填されており、各素子５０、５１、５２、５３が樹脂封止されている。

このため、各素子５０、５１、５２、５３は、密封されることになるので、後工程でフタのようなものを被せる構造の製品に比べ、空洞がなく湿度やほこりなど外部環境による影響をより受けにくく、高い信頼性を持たせることが出来る。
また、表面実装製品のように平面的な部品配置では、部品間の配線が冗長になりやすいが、本発明のように多層プリント配線板による無線センサーでは、多層板の層間を利用し配線長を短く出来るため、製品の小型化をしつつ、電気特性を高めることも可能となる。特に配線長は高周波領域や、微小電力で利用する際に影響が大きいため、無線通信の特性改善をすることが出来る。

樹脂封止に用いる材料は、エポキシ樹脂のようなプリント配線板材料を用いてもよいしそれ以外の樹脂でも良い。また、複数の樹脂の組み合わせでも良い。
樹脂封止は、各素子の実装後に行っても良いし、プリント配線板の多層化時に同時に行ってもよい。この場合、高真空の設備で多層化することで、各層の空間内に樹脂がうまく流れ込み、素子類を固定することで信頼性を高めることが出来る。

図３に、アンテナ回路を表面のみに形成した実施形態を示す。なお、図２に示した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。
図３に示す実施形態では、多層プリント配線板１１の表層のみにアンテナ回路５４が形成されており、ソルダーレジストが塗布される。

なお、本実施形態では多層プリント配線板１１の裏層にはアンテナ回路を配置していないが、表層のアンテナ回路５４と電気的に接続するスルーホール１６を介してランド１８を裏層に形成してもよい。

上述してきた図２及び図３の実施形態では、多層プリント配線板１１を構成する最表面層１１ａ、中間層１１ｂ、最裏面層１１ｃの４～６層で構成しているが、層数としては４～６層に限定するものではない。

図４に、センサー部を無線センサーの外部に設けた場合の概略構成図を示す。
この場合、センサー部５０は、測定対象物３０に直接設置されている。
また、センサー部５０以外の素子である、制御部５１、送受信部５２、電源部５３は、多層プリント配線板１１内に立体的に内蔵されており、これを本体部３４と称する。
本体部３４の構成は、図１～図３に示した無線センサー１０からセンサー部５０を除いた構成であってその他の構成は同一のため、説明は省略する。

センサー部５０と本体部３４は、信号線や電源線からなる外部配線３２によって接続される。本体部３４の表面又は側面には外部配線３２と接続可能なタップを設けておくとよい。
このようにセンサー部５０を、本体部３４の外部に設けることにより、例えば設置スペースが小さいわずかな隙間や、高温になるために無線センサー１０を設置するのが困難な場所であってもセンサー部５０を設置することができる。
また、この場合には測定対象物にセンサー部５０を直接接触させることができるため、センシング誤差を最小化することができる。
本体部３４の設置場所は、センサー部５０を設置した測定対象物３０に取り付けに適した箇所があればセンサー部５０を設置した測定対象物３０であってもよいし、測定対象物３０に取り付けに適した箇所が無ければ測定対象物３０以外の任意の場所に設置してもよい。

（測定対象物）
測定対象物としては、機械、設備、構造体、乗り物などである。測定対象物の無線センサー１０を取り付ける箇所は、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出来る。なお、無線センサー１０を取り付ける箇所は金属体に限定す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として利用することもできる。

（測定対象物への取り付け）
図５に、無線センサーを測定対象物へ取り付けたところを示す。
無線センサー１０と測定対象物３０は、両面テープ４０を利用し固定することができる。
なお、無線センサー１０の測定対象物３０への固定方法としては、両面テープ４０に限定するものではなく、例えば無線センサー１０を測定対象物３０にボルト・ビス等で直接固定してもよい。また、接着剤や半田を利用して固定してもよい。

（センサー部）
センサー部５０は、温度変化を計測する温度センサー、加速度変化を計測する加速度センサー、湿度変化を計測する湿度センサー、圧力変化を計測する圧力センサー、磁気変化を計測する磁気センサー、光量変化を計測する光量センサー、音を計測する音量センサー、距離を測定する測距センサー、液体や気体の流量を計測する流量センサー、角速度を計測するジャイロセンサー、赤外線を測定する赤外線センサー、振動を計測する振動センサー、又はその他のセンサー類の少なくとも１つ以上とすることができる。
ただし、センサー部５０の種類としては、これらのセンサーに限定するものではない。

（制御部）
制御部５１は、センサー部５０からのセンサーデータを演算・デジタル化処理する機能と、無線センサー１０全体の動作制御を実行する機能を有する。
また、制御部５１内の記憶領域にセンサー部５０からのセンサーデータを記憶させておくこともできる。記憶させるセンサーデータは制御部５１内でデジタル化処理したデータである。なお、センサーデータを記憶させる記憶領域としては制御部５１内の記憶領域に限定するものではなく、送受信部５２に記憶領域を設けたり、その他記憶用メモリを設けてもよい。

無線センサー１０は、個体識別用の識別ＩＤを備えている。これにより、数千個といった多量の無線センサー１０を利用する場合、混乱せずにセンサーデータの紐付け行うことができる。識別ＩＤは制御部５１、及び／又は送受信部５２で保持されるが、それ以外の外部メモリなどを利用して識別ＩＤを保持しても良い。
予め識別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、それを利用し、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。

（送受信部）
送受信部５２は、無線通信用の半導体と、外部通信用のアンテナと、設定を記憶するメモリを有している。 送受信部５２は、９２０ＭＨｚのＵＨＦ帯通信、２．４ＧＨｚ帯通信を用いることが出来るが、前記以外の周波数帯を用いた通信でもよい。
また、送受信部５２の通信の方式として、電力消費を抑えたい場合にはセミパッシブ通信方式を採用することが好ましく、電力に余裕がある場合にはアクティブ通信方式を採用することができる。これにより、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も可能となる。

（電源部）
電源部５３は、バッテリーや太陽電池のほか、熱電発電ハーベスタ、振動発電ハーベスタ、その他のハーベスタ素子などの発電素子を備えることが出来る。また、電圧制御する素子や、蓄電を行う素子を備えても良い。

１０ 無線センサー
１１ 多層プリント配線板
１１ａ 最表面層
１１ｂ 中間層
１１ｃ 最裏面層
１２ 金属層
１４ ビア
１６ スルーホール
１８ ランド
２０ センサー部
３０ 測定対象物
３２ 外部配線
３４ 本体部
４０ 両面テープ
５０ センサー部
５１ 制御部
５２ 送受信部
５３ 電源部
５４ アンテナ回路

Claims (10)

1. 測定対象物に取り付けられて用いる無線センサーであって、
   センシング動作に用いる素子類が、多層プリント配線板内に立体的に配置されるとともに、多層プリント配線板が一体的に樹脂封止されており、
   センサーデータの外部送受信に用いるアンテナ回路が、多層プリント配線板の両面の表層において、互いに電気的に接続されて形成され、
   前記測定対象物として金属体に取り付けられることを特徴とする無線センサー。
2. 測定対象物の状態を取得するセンサー部と、
   前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、
   少なくとも前記センサー部及び前記送受信部に電力供給する電源部と、を具備することを特徴とする請求項１記載の無線センサー。
3. 前記センサー部によって得られたデータの演算、デジタル化及び全体の動作管理を実行する制御部を具備することを特徴とする請求項２記載の無線センサー。
4. 前記送受信部は、前記多層プリント配線板の樹脂封止内部における最外層に配置されており、前記送受信部と前記アンテナ回路とが最短距離で接続されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の無線センサー。
5. 多層プリント配線板の両面に形成された前記アンテナ回路同士は、多層プリント配線板の製造工程において形成された構成により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１～請求項４のうちのいずれか１項記載の無線センサー。
6. 測定対象物に取り付けられ、測定対象物の状態を取得するセンサー部と、
   センサー部と外部配線によって通信可能に接続された本体部と、を具備し、
   センサー部以外のセンシング動作に用いる素子類が、多層プリント配線板内に立体的に配置されるとともに、多層プリント配線板が一体的に樹脂封止されており、
   センサーデータの外部送受信に用いるアンテナ回路が、多層プリント配線板の両面の表層において、互いに電気的に接続されて形成され、
   前記測定対象物として金属体に取り付けられることを特徴とする無線センサー。
7. 前記本体部は、
   前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、
   少なくとも前記センサー部及び前記送受信部に電力供給する電源部と、を具備することを特徴とする請求項６記載の無線センサー。
8. 前記本体部は、
   前記センサー部によって得られたデータの演算、デジタル化及び全体の動作管理を実行する制御部を具備することを特徴とする請求項６又は請求項７記載の無線センサー。
9. 前記送受信部は、前記多層プリント配線板の樹脂封止内部における最外層に配置されており、前記送受信部と前記アンテナ回路とが最短距離で接続されることを特徴とする請求項７記載の無線センサー。
10. 多層プリント配線板の両面に形成された前記アンテナ回路同士は、多層プリント配線板の製造工程において形成された構成により電気的に接続されていることを特徴とする請求項６～請求項９のうちのいずれか１項記載の無線センサー。