(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数（ＲＦ）場を用いてデータを読取るためのシステムであって、
ＲＦ場を放出するように構築された読取機デバイスと、
微小設計機械構造（ＭＥＭＳ）共振素子を含んだ、放出されたＲＦ場を受信し読取機デバイスに対して信号を再放射するように構築されたセンサと、
を備えており、
前記センサは、
ＲＦ場からエネルギーを収集するように動作可能な空中線と、
入射エネルギーの周波数を周波数ｆからｆの１つの高調波である周波数ｆｍまで変更するように動作可能な周波数増倍素子と、
を含み、
上側及び下側サイドバンド（ｆｍ＋ｆ１及びｆｍ−ｆ１のそれぞれ）を生成するように周波数ｆｍをセンサ出力周波数ｆ１と混合するように構築された変調器をさらに備えると共に、周波数ｆｍと該上側及び下側サイドバンドとは読取機デバイスによる受信のために空中線によって再放射されており、
前記読取機デバイスはさらに、前記信号を受信しかつ処理して元のセンサ素子周波数ｆ１を取得するように構築されている、
システム。
【請求項２】
前記センサはさらに、ＭＥＭＳ内に一体化させた導体パターンにより形成されると共にＲＦ場からエネルギーを収集するように動作可能なセンサ空中線を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＲＦ場は前記センサの位置に入射場を生じさせる周波数ｆによるものである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記センサは、１００ＧＨｚにおける半波双極子空中線と約３０ｋＨｚにおける検知のためのＭＥＭＳとを含み長さが約１．５ｍｍである、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＭＥＭＳ共振素子は有線式接続を有しない自己共振素子である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＭＥＭＳ共振素子は非自己共振素子でありかつ前記読取機はフィードバック増幅器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＲＦ場はセンサの位置に入射場を生じさせており、かつ前記周波数ｆは、該入射場からの干渉を伴うことなく読取機による信号の受信を可能とするように周波数増倍素子により増倍されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記増倍は、乗算器構成部品と非線形デバイスのうちの少なくとも一方を要求とする高調波の発生によって実行される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記増倍は、ＭＥＭＳ上に形成させるか離散的構成部品とするかの一方としたダイオードによって実行される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記変調器は容量性素子である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記センサはエネルギーハーベスティングによってパワー供給を受ける、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
無線周波数（ＲＦ）場を用いてデータを読取るための方法であって、
微小設計機械構造（ＭＥＭＳ）共振素子を含むセンサにＲＦ場を放出するステップと、
前記センサの位置で放出されたＲＦ場を受信し、該放出されたＲＦ場をＭＥＭＳ共振素子を用いて処理し、かつＲＦ場から取得した信号を読取機デバイスに対して再放射するステップと、
読取機デバイスの位置で前記信号を受信し元のセンサ素子周波数を取得するように該信号を処理するステップと、
を含み、前記方法はさらに、
ＲＦ場からセンサの位置でエネルギーを収集し入射エネルギーの周波数を周波数ｆからｆの１つの高調波である周波数ｆｍまで変化させるステップと、
上側及び下側サイドバンド（ｆｍ＋ｆ１とｆｍ−ｆ１のそれぞれ）を生成するように周波数ｆｍをセンサ出力周波数ｆ１と混合し、かつ読取機デバイスによる受信のために該周波数ｆｍと上側及び下側サイドバンドとを再放射するステップと、
を含む、
方法。
【請求項１３】
前記ＲＦ場はセンサの位置に入射場を生じさせる周波数ｆによるものであると共に、該入射場からの干渉を伴うことなく読取機による信号の受信を可能とするように周波数ｆを増倍させるステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
乗算器構成部品と非線形デバイスのうちの少なくとも一方を要求する高調波の発生によって前記増倍を実行するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ＭＥＭＳ上に形成させるか離散的構成部品とするかの一方としたダイオードを用いて前記増倍を実行するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
無線場環境で動作する周波数出力を提供するセンサであって、
周波数ｆで放射された場からのエネルギーを収集するように構築された空中線と、
前記エネルギーを処理するように構築された微小設計機械構造（ＭＥＭＳ）共振素子と、
入射エネルギー周波数を周波数ｆからｆの１つの高調波周波数ｆｍまで変更するように動作可能な周波数増倍素子と、
上側及び下側サイドバンド（ｆｍ＋ｆ１とｆｍ−ｆ１のそれぞれ）を生成するように周波数ｆｍをセンサ出力周波数ｆ１と混合するように構築された変調器であって、周波数ｆｍと上側及び下側サイドバンドとは読取りデバイスによる受信のために空中線によって再放射されている変調器と、
を備えるセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には遠隔式検知に関し、またさらに詳細には、遠隔にある周波数出力センサやその他の周波数出力デバイスからの問合せ場を用いたデータの読取りに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小設計機械構造（ｍｉｃｒｏ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＭＥＭＳ）は非常に小さい規模に構成部品を組み込んでいる。ＭＥＭＳデバイスは、サイズが１〜１００マイクロメートルの間にある構成部品を含むと共に、全体としてサイズが約２０マイクロメートル〜１ミリメートルの範囲となることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６６６７７２５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスは評判を得つつあるが、単一のチップ上における共振センサの一体化のためのＭＥＭＳテクノロジー並びに場によるパワー供給及び問合せの方法は知られていない。
【０００５】
本発明は、短い距離での共振センサの読取りのため並びに能動的な電子構成部品を最小限にしてあるいは用いることなくこれを実施するための例示的な実施形態を開示する。これによれば、不良環境やモバイル環境で使用し得るように多種多様な計測に関して小型、軽量、低コストかつ高温度のセンサの製造が可能となる。具体的に本発明において、能動的電子部品を全く含まない遠隔読取りセンサを製造することができる。能動的電子構成部品を回避することは本発明を、半導体電子回路に関連する設計限界から解放する、また特にこうしたテクノロジーに関する上側温度限界から解放する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様は、様々なタイプの場を用いてデータを読取るために使用されるシステム、方法及びセンサを提供する。
【０００７】
本発明の実施形態はすべて、読取機及びセンサを備える。
【０００８】
この読取機は、センサにパワー供給するため、またはこれを刺激して共振させるために用い得るようなある性質をもつ場を放出することがある。このセンサは、読取機により検出しデコードされる場を放出することがある。読取機は他の装置で利用可能な検知値を生成することがある。
【０００９】
本発明では、無線場（ｒａｄｉｏ  ｆｉｅｌｄ）を用いた具体的な例示的実施形態について記載する。しかし本発明は無線場に限定されるものではなく、また利用し得る場のタイプには、音響式、無線周波数式、光学式及び磁気式のもの（ただし、これらに限らない）が含まれる。
【００１０】
本発明の一態様によるシステムは、ＲＦ場を放出するように構築された読取機デバイスと、放出されたＲＦ場を受信し読取機デバイスに対して信号を再放射するように構築されたセンサと、を備えることがある。このセンサは、微小設計機械構造（ＭＥＭＳ）を含むことがある。さらにこの読取機デバイスは、信号を受信しかつ処理して元のセンサ素子周波数を取得するように構築されることがある。
【００１１】
本発明の別の態様によるセンサは、センサ空中線を含むことがある。このセンサ空中線は、ＭＥＭＳ内に一体化させた導体パターンにより形成されると共にＲＦ場からエネルギーを収集するように動作可能とすることがある。
【００１２】
本発明の別の態様によるＲＦ場は、センサの位置に入射場を生じさせる周波数ｆによるものである。
【００１３】
本発明の別の態様によるセンサは、自己共振センサ素子を含みかつ有線式接続を全く含まないことがある。
【００１４】
本発明の別の態様では、そのセンサは非自己共振素子を含むことがあり、またその読取機はフィードバック増幅器を含むことがある。
【００１５】
本発明の別の態様によるセンサは、エネルギーハーベスティング（ｅｎｅｒｇｙ  ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）によってパワー供給を受けることがある。
【００１６】
本発明の別の態様では、無線周波数（ＲＦ）場を用いてデータを読取るための方法を提供する。本方法は、センサにＲＦ場を放出するステップと、センサの位置で放出されたＲＦ場を受信しＲＦ場から取得した信号を読取機デバイスに対して再放射するステップと、該信号を読取機デバイスの位置で受信するステップと、元のセンサ素子周波数を取得するように該信号を処理するステップと、を含むことがある。
【００１７】
本発明の別の態様では、無線場環境で動作する周波数出力を提供するセンサであって、周波数ｆにおいて放射された場からのエネルギーを収集するように構築された空中線と、入射エネルギーの周波数を周波数ｆから周波数ｆｍまで変更するように動作可能な周波数増倍素子と、を備えるセンサを提供する。この態様では、ｆｍがｆの１つの高調波であり、また周波数ｆｍをセンサ出力周波数ｆ１と混合して上側及び下側サイドバンド（それぞれ、ｆｍ＋ｆ１及びｆｍ−ｆ１）を生成するように変調器を含めて構築することがある。周波数ｆｍと上側及び下側サイドバンドとは次いで、読取りデバイスにより受信させるように空中線によって再放射される。
【００１８】
本発明に関する上述の態様及び別の態様は、添付の図面と連携して取り上げた例示的な実施形態に関する以下の説明から明らかとなると共に、これから容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の例示的な一実施形態による自己共振センサ素子を用いた無線周波数（ＲＦ）場を用いてデータを読取るためのシステムを表した図である。
【図２】本発明の例示的な一実施形態による非自己共振センサ素子を用いたＲＦ場を用いてデータを読取るためのシステムを表した図である。
【図３】本発明の例示的な一実施形態による微小設計機械構造を有する自己共振センサ素子を用いたＲＦ場を用いてデータを読取るためのシステムを表した図である。
【図４】本発明の例示的な一実施形態による微小設計機械構造を有する非自己共振センサ素子を用いたＲＦ場を用いてデータを読取るためのシステムを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで、その例を添付の図面に示した本発明の例示的な実施形態を詳細に参照することにする。図面の全体にわたって同じまたは同様の部品を示すために可能な限り同じ参照番号を使用している。
【００２１】
図１は、本発明の例示的な一実施形態による自己共振センサ素子を用いた無線周波数（ＲＦ）場を用いてデータを読取るためのシステム１００を表している。このシステムは、ＲＦ場を放出するように構築された読取機デバイス１１０を含む。読取機デバイス１１０は、送信器１１１、デュプレクサ１１２及び受信器１１３を含むことがある。
【００２２】
送信器１１１は、周波数ｆの無線周波数（ＲＦ）場を放出するように動作可能である。放射されたＲＦ場は、センサ１２０の位置に入射場を生じさせる。例示的な一実施形態ではそのセンサ１２０を読取機デバイス１１０から約３メートルの範囲内に配置させることがあるが、読取機デバイス１１０とセンサ１２０の間の分離距離はこの例により限定されるものではない。
【００２３】
読取機デバイス１１０はさらに、センサ１２０に対するＲＦ信号の送信及び受信で使用するための所望のカバー角度（図示せず）を提供する１つまたは複数の読取機空中線１１５を含むことがある。デュプレクサ１１２は、信号伝送効率を上昇させるために２つ以上の信号を１つの共通のチャンネルまたは媒体に合成するように動作可能である。
【００２４】
受信器１１３は、センサ１２０から受信したスペクトルを復調するように動作可能な復調器１１４を含むことがある。センサ１２０から受信したスペクトルは、スペクトルがあるｆの１つの高調波に集中していれば放射された周波数ｆを基準とすることにより読取機デバイス１１０において容易に復調することができる。したがって、放射された周波数の値が正確であるかやこの値に何かのドリフトがあるかによらずセンサ周波数ｆ１を抽出することが可能である。
【００２５】
読取機デバイス１１０の出力はセンサ１２０の共振周波数である。センサ１２０により計測された値がこの周波数によって表されるため、放射された周波数のドリフトによって計測誤差が全く導入されることがない。さらに、受信信号対ノイズ（ＳＮＲ）比が適正である限り、センサ１２０に対するレンジ変更により生じる振幅変動や、方向、障害物により確度を低下させることがない。
【００２６】
センサ１２０は、センサ空中線１２１、周波数増倍素子１２２、電源１２３、共振センサ素子１２４及び変調器１２５を含むことがある。
【００２７】
センサ空中線１２１は、読取機放射の場からのエネルギーを周波数ｆで効率よく収集するように設計されることがある。センサ空中線１２１は図示のような離散的構成部品とすることがあり、あるいは別の例示的実施形態では、選択したｆの値に応じてセンサ空中線１２１は、センサ１２０内に含まれる微小設計機械構造（ＭＥＭＳ）内に組み込まれるなどセンサ１２０内に一体化させたあるパターンの導体とすることがある。
【００２８】
周波数増倍素子１２２は、空中線により収集された入射ＲＦエネルギーの周波数を周波数ｆから周波数ｆｍまで変化させるように動作可能である。この実施形態においてｆｍはｆの１つの高調波とすることがある。
【００２９】
この実施形態では、入射場からの干渉を受けずに読取機デバイス１１０において再放射信号を受信可能とするように、受信した無線周波数を増倍させることがある。この増倍では、高調波の発生を必要とすることがあり、一方これには乗算器構成部品または非線形デバイスを要することがある。この機能は、離散的構成部品とすることや、センサ１２０と一緒にＭＥＭＳ構造上に形成されるようなデバイス（例えば、ダイオード）により、より低い温度で実行させることがある。フィルタ回路（図示せず）などの回路によって、乗算器出力信号から必要な高調波を選択することがある。このフィルタ回路は伝送線などの高温構成部品から製作されることがある。
【００３０】
変調器１２５は、上側及び下側サイドバンド（ｆｍ＋ｆ１及びｆｍ−ｆ１）を生成するように、シフトさせた周波数ｆｍをセンサ出力周波数ｆ１と混合することがある。図１Ａに示した実施形態の周波数増倍素子１２２は、上側及び下側サイドバンドが２ｆ＋ｆ１及び２ｆ−ｆ１となるような２倍の増倍を与えることがある。ついでこれらの周波数をセンサ空中線１２１あるいは追加の空中線（図示せず）によって再放射し、これによりｆｍ及びサイドバンドにあるこのスペクトルの読取機デバイス１１０による検出を可能とさせることがある。
【００３１】
センサ１２０の位置での再放射された周波数（ｆ、２ｆ、３ｆ、その他）に対する変調は、ダイオードまたは別の非線形や増倍型のデバイス（図３及び４参照）などの電子デバイスによることがある。例示的な一実施形態では、センサ上の電子構成部品を最小化及び／または排除するようにその再放射される周波数が機械式に作成される。これは例えば離散的変調器構成部品で実施されることや、機能のすべてをセンサ１２０自体に高度に一体化させることがある。
【００３２】
一例として、変調器１２５の一実施形態は容量性素子とすることがある。この容量性素子は、コンデンサのプレートの変位による共振構造の屈曲に従って容量が変わることがある。このコンデンサはしたがって、ＭＥＭＳセンサ素子（利用している場合）の一部とすることがある。周波数増倍素子１２２からのＲＦエネルギーをコンデンサに対して提示させ、センサ１２０の周波数で変調を受けてセンサ空中線１２１に戻されることがある。
【００３３】
本発明の例示的な実施形態内に含まれるキャパシタンスを変動させることにより振幅変調を発生させるための多くの手段には、変調しようとする信号と直列にしたコンデンサのインピーダンスを用いること、コンデンサ及び容量性ポテンシャル分割器の一部を変動させること、キャパシタンスによりコイルまたは伝送線の共振周波数を変動させこれによりそのインピーダンスを変化させること、並びにキャパシタンス変化によりアンバランスとなるブリッジ回路の一部をキャパシタンスにより形成させること、を含むことがある。これらの方法は、異なる物理的実現形態においてまた異なる周波数において有利となり得る。
【００３４】
共振素子上でコンデンサに代えてスイッチを用いこのスイッチを介して乗算器信号をセンサ空中線１２１に渡すように、１００パーセント変調が可能な別の変調器を実現させることがある。
【００３５】
別の実施形態では、センサ１２０のＭＥＭＳ構造は、検知素子としての共振センサ素子１２４とセンサ空中線とを用いることがある。このためにｆで受信されるエネルギーは、（半波双極子となるようにチューニングされた）素子の中心から取得され、これを増倍ダイオードに加える（ｆｍとなるようにする）と共に、プリント式のインダクタまたは伝送線を介してこれを容量性プレートを通る端部または共振センサ素子１２４に戻すように加えることがある。この方法によれば、すべての機能を高度に一体化することができる。この実施形態の一例は、マイクロ波の低温（ダイオード制限）センサ１２０を含むことになる。
【００３６】
図１に示すように、センサ１２０は従来の電源１２３からパワー供給されることがある。本発明の例示的な一実施形態では、パワーは依然として、周辺から（例えば、熱振動や別の環境条件から）のエネルギーのスカベンジ（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）によって（共振センサ素子１２４において）センサ１２０に供給されることがある。さらにセンサ空中線１２１は、ＲＦ電圧の整流を介してセンサ１２０にパワーを提供することがある。
【００３７】
さらに別のパワー供給の選択肢として、ＲＦ場自体が直接センサ１２０にパワー供給することがある。一例として共振センサ素子１２４は、周波数ｆにおいて双極子として使用されることがある。次いで電流は、双極子の中心に集中することがある。この構成によって温度上昇が共振センサ素子１２４の中心に集中して生じることになる。共振センサ素子１２５が温度膨張係数が異なる２つの材料層を含む場合、共振器センサ素子１２５は撓むことになる。共振器センサ素子１２５の端部に隣接して接地したプレートを配列させるとこれが撓むため、双極子の端部キャパシタンスが変化し、これにより双極子の共振周波数が動くことになる。一方これにより電流極大値が双極子中心から離れるように動かされ、素子が復帰することになる。この方法では、放射された場から直接パワー供給を受けて共振器センサ素子１２５を振動させている。
【００３８】
本発明はさらに、放射された場の周波数の増倍に使用する素子を含まないセンサの実施形態も含む。これらの実施形態ではそのセンサは、読取機と同じ周波数に基づいて再放射することがある。
【００３９】
図１は、共振センサ素子１２５が自己共振センサ素子１２５であるようなシステムを表している。本発明はさらに、非自己共振センサ素子１５０を用いた図２に示すようなシステムも含む。
【００４０】
非自己共振センサ素子１５０を含む図２に示した例示的な実施形態では、読取機デバイス１００内にフィードバック増幅器１６０を含むことがある。さらに、図２の実施形態の送信器１１１とセンサ１２０の両者は、それぞれ振幅変調器１７０と１８０を含むことがある。
【００４１】
非自己共振センサ素子１５０を有する図２の実施形態では、読取機デバイス１１０が受信した信号がフィードバック増幅器１６０によって増幅されて再送信される。送信器１１１に関連付けされた振幅変調器１７０は、ｆ１によって変調される場周波数ｆを生成する役割をすることがある。
【００４２】
図３及び４は、ＭＥＭＳテクノロジーを用いた本発明のセンサの実施形態を表している。図３は、ＭＥＭＳ素子３０２内に自己共振センサ素子３０１が組み込まれているセンサ３００を表している。さらにＭＥＭＳ素子３０２上へは、２ｆで共振するように設定されたインダクタＬ1とコンデンサＣ1の配列（Ｌ1＜Ｃ1）が組み込まれることがある。センサが共振するとＣ１の値が変化し、Ｌ１とＣ１の共振周波数がシフトする。この共振の変化がインピーダンスを変化させ、これによりアンテナに送られる２ｆ周波数の振幅が変調される。
【００４３】
図３の実施形態では、非線形素子（ＮＬＥ）３０３が乗算器と電源の役割をしている（これらの素子の機能は図１を参照しながら上で説明している）。インダクタＬ2はＮＬＥ３０３により整流された直流供給源からのＲＦをろ過するように動作可能である。図３及び４の例はＮＬＥとしてダイオードを使用しているが、本発明は当技術分野で周知の別のタイプのＮＬＥを含むことがあることに留意すべきである。
【００４４】
図４は、ＭＥＭＳ素子４０２内に非自己共振センサ素子４０１が組み込まれたセンサ４００を表している。さらにＭＥＭＳ素子４０２上には共振器ドライバ４０３及びＮＬＥ４０４を組み込むこともある。図４の実施形態では、共振器ドライブが振幅変調（Ａ．Ｍ．）された入射場からＮＬＥ４０４によって復調される。図４の非自己共振センサ素子では、図２に関して記載したように読取機内に維持回路を必要とする。
【００４５】
本発明について特にその例示的な実施形態を参照しながら図示し説明しているが、当業者であれば添付の特許請求の範囲に規定したような本発明の精神及び範囲を逸脱することなくこれについてその形態や詳細に様々な変更を実施し得ることを理解されよう。この例示的な実施形態は説明の意味で検討しているものであり、限定を目的としたものではない。したがって本発明の範囲は、本発明に関する詳細な説明ではなく添付の特許請求の範囲によって規定しており、かつこの範囲内にある差異はすべて本発明内に含まれるものと解釈される。
【符号の説明】
【００４６】
１１０  読取機デバイス
１１１  送信器
１１２  デュプレクサ
１１３  受信器
１１５  読取機空中線
１２０  センサ
１２１  センサ空中線
１２２  周波数増倍素子
１２３  電源
１２４  共振センサ素子
１２５  変調器
１５０  非自己共振センサ素子
１６０  フィードバック増幅器
１７０  振幅変調器
１８０  振幅変調器
３００  センサ
３０１  自己共振センサ素子
３０２  ＭＥＭＳ素子
３０３  非線形素子（ＮＬＥ）
４００  センサ
４０１  非自己共振センサ素子
４０２  ＭＥＭＳ素子
４０３  共振器ドライバ
４０４  ＮＬＥ
【図１】
0005555713.tif 000002
【図２】
0005555713.tif 000003
【図３】
0005555713.tif 000004
【図４】
0005555713.tif 000005