(57)【要約】【課題】  バッテリーやＣＰＵを使用することなくセンサ出力信号のＡ／Ｄ変換や計測データのメモリへの書込み又は読出しをダイレクトに行うことができ、更にはセンサのバイアスをなくして消費電力を減らすことにより充電用の大容量コンデンサも不要とした、センサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサを得る。【解決手段】  ＲＦＩＤチップ内にアナログ入力回路と単一のＡ／Ｄコンバータ又はリーダーからのモード指令により分解能を任意に設定できる複数のＡ／Ｄコンバータを内蔵し、得られた計測データを保存するためのメモリとして強誘電体メモリであるＳｉＲＡＭを使用し、該メモリに対する計測データの書込み又は読出しをシステムクロックと同期したロジック回路によりダイレクトに行う。また、センサとしてバイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサを使用する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦＩＤチップ内にＡ／Ｄ変換回路を内蔵し、得られた計測データを保存するためのメモリとして強誘電体メモリを使用し、該メモリに対する計測データの書込み又は読出しをシステムクロックと同期したロジック回路によりダイレクトに行うことを特徴とした、センサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサ。
【請求項２】
上記メモリが、センサが必要とする処理単位にてアクセス可能なＳｉＲＡＭ（Sensor Interface RAM）であることを特徴とした、請求項１に記載のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサ。
【請求項３】
センサとしてバイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサを使用することを特徴とした、請求項１及び請求項２に記載のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサ。
【請求項４】
Ａ／Ｄ変換回路として、センサから出力される電圧信号を適正レベルにスケーリングするためのアナログ入力回路と、センサから出力された電圧信号を順次切換えてサンプリング入力するためのアナログマルチプレクサと、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータと、該Ａ／Ｄコンバータの出力がシリアル出力型の場合にパラレルデータに変換するためのシフトレジスタ等で構成し、計測データをシステムクロックに同期してＳｉＲＡＭに書込みできることを特徴とした、請求項１，２，３に記載のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサ。
【請求項５】
Ａ／Ｄ変換回路として、センサから出力される電圧信号を適正レベルにスケーリングするためのアナログ入力回路と、センサ毎に出力された電圧信号をデジタル信号に変換するためリーダーからのモード指令により４〜１６ビット程度の範囲において任意の分解能で変換することができる複数のＡ／Ｄコンバータ等で構成し、該Ａ／Ｄコンバータの出力をパラレル出力型としてＳｉＲＡＭの特定アドレスにダイレクト接続し、計測データをシステムクロックに同期してＳｉＲＡＭの特定アドレスにダイレクト書込みでき、また、リーダーからの出力指令により特定アドレスの計測データのダイレクト読出しできることを特徴とした、請求項１，２，３に記載のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線により固有ＩＤ情報等の読出しや書込みを行うことができるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグを利用し、加速度や圧力等の物理量を測定して生体情報や計測情報等の取得管理を行うことができる、センサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、物品の在庫管理やトレーサビリティー管理及び人の位置情報管理等を行う手段として、ＲＦＩＤタグが注目され普及しつつある。該ＲＦＩＤタグをリーダーと通信を行う際の伝送媒体方式で分類すると、主に電磁結合型，電磁誘導型及びマイクロ波型がある。
【０００３】
電磁結合型は、セキュリティを重視した非接触ＩＣカードシステムにおいて主に使用され、非接触ＩＣカードとリーダーのアンテナ間において相互誘導により発生した誘導起電力により非接触ＩＣカードを動作させて情報通信を行うものであり、通信距離は数ｍｍ程度である。また、電磁誘導型は、基本的には電磁結合型と同様であり、ＲＦＩＤタグとリーダーのアンテナ間において電磁誘導により発生した誘導起電力によりＲＦＩＤタグを動作させて情報通信を行うものであり、通信距離は５０ｃｍ〜１ｍ程度である。キャリア周波数は、１３．５６ＭＨｚが代表的である。該方式は、現在のＲＦＩＤシステムにおいて主流となっている。また、マイクロ波型は、マイクロ波帯の電磁波によりＲＦＩＤタグのアンテナとリーダーのアンテナ間において情報通信を行うものであり、通信距離はバッテリーレス型では２ｍ程度、バッテリー内蔵型では５ｍ程度である。キャリア周波数は、９５０ＭＨｚや２．４５ＧＨｚが代表的である。
【０００４】
また、物品の在庫管理やトレーサビリティー管理及び人の位置情報管理等の目的以外に、加速度や圧力等の物理量を測定して生体情報や計測情報等の取得管理を行う目的にも使用されている。該目的を実現するためには、センサから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換や計測データのメモリへの書込み又は読出しや周辺回路の制御を行うためのＣＰＵをＲＦＩＤチップに内蔵する必要があり、更には該センサやＣＰＵを駆動するためのバッテリーも必要となる。
【０００５】
しかし、バッテリーを使用するとＲＦＩＤタグの形状が大きくなり、更には定期的な交換が必要であるという問題点があった。該問題点を解決するため、本願出願人による特願２００４−１７７５２０号公報の「バッテリーレス型プログラム制御可能な論理回路付きＲＦＩＤ応答器」においては、効率的なアンテナ回路により発生した誘導起電力を大容量コンデンサに充電し、該電力によりセンサやＣＰＵを駆動可能にすると共にバッテリーを不要とした、ＲＦＩＤ応答器（ＲＦＩＤタグ）を提案した。
【特許文献１】特願２００４−１７７５２０
【非特許文献１】『ＩＣタグってなんだ？』ＮＴＴデータ・ユビキタス研究会著、株式会社カットシステム発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ＲＦＩＤタグはＣＰＵを内蔵又は外部接続して使用するため、価格的にコストアップしてしまうという問題点があった。また、電磁誘導により発生した誘導起電力を充電するための大容量コンデンサが必要となるため、形状が大きくなってしまうという問題点もあった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、電磁誘導型又はマイクロ波型のＲＦＩＤタグを利用し、バッテリーやＣＰＵを使用することなくセンサ出力信号のＡ／Ｄ変換や計測データのメモリへの書込み又は読出しをダイレクトに行うことができ、更にはセンサのバイアスをなくして消費電力を減らすことにより充電用の大容量コンデンサも不要とした、センサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサにおいては、ＲＦＩＤチップ内にＡ／Ｄ変換回路を内蔵し、得られた計測データを保存するためのメモリとして強誘電体メモリを使用し、該メモリに対する計測データの書込み又は読出しをシステムクロックと同期したロジック回路によりダイレクトに行う。また、センサとしてバイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサを使用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサを使用すれば、センサから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換や計測データのメモリへの書込み又は読出しや周辺回路の制御を行う場合に、ＣＰＵを使用しなくとも簡単なロジック回路で行えるため、コストダウンを図ることができるという効果を奏する。また、バイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサを使用するため消費電力が少なくなり、電磁誘導により発生した誘導起電力を充電するための大容量コンデンサも不要となるため、形状を小型化することができるという効果も奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態を図を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサの概略ブロック図であり、アンテナ２を接続したＲＦＩＤチップ１に、バイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサを接続して構成する。リーダー（図示せず）と電磁界又は電磁波により通信を行うためのアンテナ２は同調キャパシタ（図示せず）から成る同調回路３に接続して共振回路を構成する。該アンテナ２は一般的にはループアンテナであり、該ループアンテナの導線には相互インダクタンスが大きく取れる高効率なアンテナ素材を使用するのが好適である。
【００１２】
上記同調回路３の後段には、リーダーから出力された電磁界又は電磁波がアンテナ２を通過した時に発生する誘導起電力の電圧波形を検波したり、該誘導起電力を半波又は全波整流して直流電圧を取り出すための整流回路４を接続する。該整流回路４で使用するダイオード（図示せず）は順方向電圧降下の低いもの、例えばショットキバリアダイオードが好適である。
【００１３】
次に、上記整流回路４の後段には、検波したキャリアを分周してシステムクロックを生成するためのクロック生成回路５と、信号受信時においてキャリアから信号を取り出す復調動作を行ったり信号送信時においてスイッチング素子（図示せず）により変調動作を行うための変復調回路６と、上記直流電圧を安定化して回路電源を供給したり、充電用コンデンサ８に充電電圧を供給するための電源回路７を接続する。該充電用コンデンサ８はセラミックコンデンサが好適であるが、特に限定するものではない。
【００１４】
次に、上記変復調回路６の後段には、該変復調回路６の制御や強誘電体メモリであるＳｉＲＡＭ（Sensor Interface RAM：センサが必要とする処理単位にてアクセス可能なメモリ）１０に固有ＩＤ情報や計測データの書込み又は読出し制御を行うためのロジック回路９と、センサから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換回路１１等を接続する。
【００１５】
上記センサは、バイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるタイプのものであり、後述の加速度を電圧信号に変換して出力する磁気平衡型３軸加速度センサを始め、光量を電圧信号に変換して出力するソーラーセルや圧力を電圧信号に変換して出力する圧電素子や音圧を電気信号に変換して出力するダイナミックマイク等がある。
【００１６】
図３は磁気平衡型３軸加速度センサの構成図であり、該磁気平衡型３軸加速度センサ１６は磁気平衡型加速度センサエレメント１６ａ，１６ｂ，１６ｃをＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向に互いに直交するように配設して構成する。各磁気平衡型加速度センサエレメント１６ａ，１６ｂ，１６ｃには、それぞれコイル１７ａ，１７ｂ，１７ｃが巻かれている。該図は磁気平衡型３軸加速度センサ１６の基本構成を示したものであり、実際にはハウジングケースに収容して成形し、本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサに接続するものである。
【００１７】
図４は磁気平衡型３軸加速度センサから出力される電圧波形図であり、磁気平衡型３軸加速度センサ１６を構成する各磁気平衡型加速度センサエレメント１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、シリンダ１８の内部に可動マグネット１９を収容すると共に当該シリンダ１８の両端部に可動マグネット１９の極性と同一極性が対向するように固定マグネット２１，２１を固設し、シリンダ１８内部の軸方向に振動可能に可動マグネット１９を平衡配置する。更に、可動マグネット１９の両端部に硬球２０，２０を配設すると共に当該可動マグネット１９の一先端部分のシリンダ１８外面に誘導起電力を発生させるためのコイル１７を巻く。なお、硬球２０，２０はシリンダ１８の内部を可動マグネット１９が振動する際にシリンダ１８の内面と硬球２０，２０が点接触することにより滑り摩擦による影響を減少させるためのものであるが、影響が無視できるものであればなくても構わない。
【００１８】
ここで、磁気平衡型加速度センサエレメント１６ａ，１６ｂ，１６ｃが図中矢印方向に１周期だけ振動した場合、コイル１７からはＶ１で示す１サイクルの交流電圧が発生する。該振動の強さ即ち加速度の強さにより誘導起電力の電圧値が変化するため、電圧値の大きさ及び変動時間を計測することにより加速度が検出可能になる。また、交流電圧の極性を判断することにより振動方向の判別が可能になる。
【００１９】
また、図２は図１のＡ／Ｄ変換回路の第一実施形態の詳細ブロック図であり、センサとして上記磁気平衡型３軸加速度センサ１６を使用した場合、Ｘ軸方向の磁気平衡型加速度センサエレメント１６ａのコイル１７ａとＹ軸方向の磁気平衡型加速度センサエレメント１６ｂのコイル１７ｂとＺ軸方向の磁気平衡型加速度センサエレメント１６ｃのコイル１７ｃから出力される電圧信号をアナログ入力回路１２に入力する。該アナログ入力回路１２は入力電圧を適正レベルにスケーリングするためのＯＰアンプや抵抗で構成される。なお、図２では入力数が４チャンネルであるが、特に限定するものではない。
【００２０】
次に、上記アナログ入力回路１２の後段には、Ａ／Ｄコンバータ１４にセンサから出力された電圧信号を順次切換えてサンプリング入力するためのアナログマルチプレクサ１３を接続し、該Ａ／Ｄコンバータ１４でアナログ信号である電圧信号をデジタル信号に変換する。ここで、該Ａ／Ｄコンバータ１４の出力をシリアル出力型とした場合、システムクロックに同期してシフトレジスタ１５に入力しパラレルデータに変換した後、ＳｉＲＡＭ１０に書込みを行う。また、該Ａ／Ｄコンバータ１４の出力をパラレル出力型とした場合、システムクロックに同期してＳｉＲＡＭ１０に書込みを行う。該Ａ／Ｄコンバータ１４の分解能は、４〜１６ビット程度の範囲において任意で構わない。
【００２１】
また、図６は図１のＡ／Ｄ変換回路の第二実施形態の詳細ブロック図であり、第一実施形態と同様にセンサとして上記磁気平衡型３軸加速度センサ１６を使用した場合、Ｘ軸方向の磁気平衡型加速度センサエレメント１６ａのコイル１７ａとＹ軸方向の磁気平衡型加速度センサエレメント１６ｂのコイル１７ｂとＺ軸方向の磁気平衡型加速度センサエレメント１６ｃのコイル１７ｃから出力される電圧信号をアナログ入力回路１２に入力する。該アナログ入力回路１２は入力電圧を適正レベルにスケーリングするためのＯＰアンプや抵抗で構成される。なお、図６でも入力数が４チャンネルであるが、特に限定するものではない。
【００２２】
次に、上記アナログ入力回路１２の後段には、リーダーからのモード指令により４〜１６ビット程度の範囲において任意の分解能で変換することができるＡ／Ｄコンバータ１４をセンサ毎に独立して接続し、該Ａ／Ｄコンバータ１４で電圧信号を指定した分解能にてデジタル信号に変換する。該Ａ／Ｄコンバータ１４の出力はパラレル出力型としてＳｉＲＡＭ１０の特定アドレスにダイレクト接続し、システムクロックに同期してＳｉＲＡＭ１０の特定アドレスにダイレクト書込みを行う。また、リーダーからの出力指令により特定アドレスの計測データのダイレクト読出しを行う。該方式によれば、ＳｉＲＡＭ８本来の高速動作と相俟って、更なる計測データの高速書込み又は高速読出しが可能となる。
【００２３】
図５は１Ｔ／１Ｃ型強誘電体メモリセルの構成図であり、ＳｉＲＡＭ１０を構成する１Ｔ／１Ｃ型強誘電体メモリセル２２は、１個のＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）２３と１個の強誘電体キャパシタ２４で構成される。該ＦＥＴ２３はスイッチング素子として動作し、ゲート電極にワード線２５が接続され、他の電極にビット線２６とプレート線２７が接続される。なお、該プレート線２７には前記強誘電体キャパシタ２４を介して接続される。
【００２４】
上記メモリセルの構造は基本的にＤＲＡＭと同じであるが、異なる点としてＦＥＴ２３に接続されたキャパシタが強誘電体であるということと、該キャパシタの一端が固定電位ではなくセル毎に電圧印加が可能なプレート線２７を接続していることである。
【００２５】
書込みの動作原理は、ワード線２５を用いてＦＥＴ２３を選択した後、ビット線２６とプレート線２７との間に電圧を印加して強誘電体キャパシタ２４を上向き又は下向きに分極させることにより行う。また、読出しの動作原理は、ワード線２５を用いてＦＥＴ２３を選択した後、ビット線２６に流れる強誘電体キャパシタ２４の電荷量の大きさをセンスアンプにて判定することにより行う。
【００２６】
上記強誘電体キャパシタ２４に蓄積された電荷は、ＦＥＴ２３にリーク電流があったり、更には電源がＯＦＦになっても消失しない。このため、ＤＲＡＭとは異なりリフレッシュ動作は不要であり、消費電力はＤＲＡＭよりはるかに少なくなる。また、データの書込み電圧は、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリのように高圧に昇圧する必要がない。従って、昇圧回路が簡略化される。更には、書込み又は読出し速度はＤＲＡＭと同等であり、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリよりはるかに高速である。
【実施例】
【００２７】
本発明の実施例を図を用いて説明する。
【００２８】
上記図１，図２及び図６の説明で述べたように、本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサは、アンテナ２を接続したＲＦＩＤチップ１にセンサを接続することにより基本構成され、バイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサを接続してリーダーと無線通信を行うことにより固有ＩＤ情報及び計測データを取得できるものである。
【００２９】
ＲＦＩＤチップ１は、アンテナ２を接続して共振回路を構成する同調回路３と、リーダーから出力された電磁界又は電磁波がアンテナ２を通過した時に発生する誘導起電力の電圧波形を検波したり当該誘導起電力を半波又は全波整流して直流電圧を取り出すための整流回路４と、検波したキャリアを分周してシステムクロックを生成するためのクロック生成回路５と、信号受信時においてキャリアから信号を取り出す復調動作を行ったり信号送信時においてスイッチング素子により変調動作を行うための変復調回路６と、整流回路４より得られた直流電圧を安定化して回路電源の供給及び充電用コンデンサ８に充電電圧の供給を行うための電源回路７と、該変復調回路６の制御や強誘電体メモリであるＳｉＲＡＭ１０に固有ＩＤ情報や計測データの書込み又は読出し制御を行うためのロジック回路９と、センサから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換回路１１等で構成する。また、該Ａ／Ｄ変換回路１１は、図２の第一実施形態ではセンサから出力される電圧信号を適正レベルにスケーリングするためのアナログ入力回路１２と、該電圧信号を順次切換えてサンプリング入力するためのアナログマルチプレクサ１３と、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ１４と、該Ａ／Ｄコンバータ１４の出力がシリアル出力型の場合にパラレルデータに変換するためのシフトレジスタ１５等で構成し、図６の第二実施形態ではセンサから出力される電圧信号を適正レベルにスケーリングするためのアナログ入力回路１２と、センサ毎に出力された電圧信号をデジタル信号に変換するためリーダーからのモード指令により４〜１６ビット程度の範囲において任意の分解能で変換することができる複数のＡ／Ｄコンバータ１４等で構成する。
【００３０】
ここで、アナログ変換回路１１にバイアスがなくとも自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるセンサ、例えば磁気平衡型３軸加速度センサ，ソーラーセル，圧電素子，ダイナミックマイク等を接続し、リーダーから計測指令を送信すると、システムクロックに同期した制御信号がロジック回路９より出力され、計測が実行される。得られた計測データは、ロジック回路９より出力されるライト信号によりＳｉＲＡＭ１０に書込まれる。また、リーダーから出力指令を送信すると、ロジック回路９より出力されるリード信号によりＳｉＲＡＭ１０より計測データの読出しが行われる。該計測データの書込み又は読出しはシステムクロックレベルで高速に行うことができるため、ロジック回路９による簡単なロジックシーケンスでダイレクトに実行でき、ＣＰＵを使用する必要がない。
【００３１】
また、センサとして自ら発電して変化量に対応した電圧を出力することができるタイプのものを使用し、更にはメモリとしてＳｉＲＡＭ１０を使用することにより消費電力が少なくなる。従って、電磁誘導により発生した誘導起電力の充電には小型の充電用コンデンサ８で賄えるため大容量コンデンサが不要となり、形状を小型化することができることになる。
【００３２】
なお、センサとしてバイアス電圧や電流が非常に少なく、電源回路７で得られる回路電源で駆動することが可能であれば、他のセンサを使用することも構わない。
【００３３】
従って、本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサを使用することによりバッテリーを使用することなく無線により加速度や圧力等の物理量を高速に測定することができるため、人体や家畜等に取り付けることにより生体情報の取得管理が高速に行え、各種機器に取り付けることにより計測情報の取得管理が高速に行えることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のセンサ入力機能付きバッテリーレス型ＲＦＩＤセンサの概略ブロック図である。
【図２】図１のＡ／Ｄ変換回路の第一実施形態の詳細ブロック図である。
【図３】磁気平衡型３軸加速度センサの構成図である。
【図４】磁気平衡型３軸加速度センサから出力される電圧波形図である。
【図５】強誘電体１Ｔ／１Ｃ型メモリセルの構成図である。
【図６】図１のＡ／Ｄ変換回路の第二実施形態の詳細ブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ＲＦＩＤチップ
２  アンテナ
３  同調回路
４  整流回路
５  クロック生成回路
６  変復調回路
７  電源回路
８  充電用コンデンサ
９  ロジック回路
１０  ＳｉＲＡＭ
１１  Ａ／Ｄ変換回路
１２  アナログ入力回路
１３  アナログマルチプレクサ
１４  Ａ／Ｄコンバータ
１５  シフトレジスタ
１６  磁気平衡型３軸加速度センサ
１７  コイル
１８  シリンダ
１９  可動マグネット
２０  鋼球
２１  固定マグネット
２２  １Ｔ／１Ｃ型強誘電体メモリセル
２３  ＦＥＴ
２４  強誘電体キャパシタ
２５  ワード線
２６  ビット線
２７  プレート線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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