(57)【要約】センサ回路アレイ(101)は、電磁放射を受信するように設計した受信アンテナ(103)を具え、かつセンサ回路アレイ(101)の周囲における少なくとも１つのパラメータを検出するように設計したセンサ素子(104)を具える。受信アンテナ(103)をセンサ素子(104)に接続して、受信アンテナ(103)が起動信号を受信するとすぐに、起動信号に基づいてセンサ素子(104)を起動して、センサ素子(104)に、センサ回路アレイ(101)の周囲における少なくとも１つのパラメータを検出させるようにする。
2008529120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射を受信するように構成した受信アンテナを具え、
センサ回路アレイの周囲におけるパラメータを少なくとも１つ検出するように構成したセンサ素子も具えるセンサ回路アレイであって、
前記受信アンテナを前記センサ素子に接続して、前記受信アンテナが起動信号を受信した場合に、前記起動信号に基づいて前記センサ素子を起動して、当該センサ素子に、前記センサ回路アレイの周囲における前記少なくとも１つのパラメータを検出させるようにした、
ことを特徴とするセンサ回路アレイ。
【請求項２】
電磁放射を放出するように構成した放射アンテナを具え、
前記センサ回路アレイの周囲における前記少なくとも１つのパラメータの検出に応答して前記センサ素子が生成した検出信号を、前記放射アンテナが放射するように、前記放射アンテナを前記センサ素子に接続した、
請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項３】
前記センサ回路アレイの前記受信アンテナおよび前記センサ回路アレイの前記放射アンテナを、共用のアンテナとして実現した、
請求項２に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項４】
前記センサ回路アレイの周囲における前記少なくとも１つのパラメータの検出に応答して前記センサ素子が生成した検出信号を、受信アンテナの前記特性の変化から得ることができるように構成した、
請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項５】
前記受信アンテナが受信した電磁放射から派生する電気エネルギーを、前記センサ素子に供給するように、前記受信アンテナを構成した、
請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項６】
前記受信アンテナと前記センサ素子との間に接続され、前記受信アンテナによって受信された電磁放射から派生する交流信号を整流して、前記センサ素子に供給される整流電気信号を発生するように構成した整流サブ回路を具える、
請求項５に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項７】
エネルギー供給ユニットを具え、
前記エネルギー供給ユニットによって、前記少なくとも１つのパラメータを検出するためのエネルギーが前記センサ素子に供給されるように、前記センサ素子を前記エネルギー供給ユニットに結合することで、前記センサ素子を起動するように、前記受信アンテナを構成した、
請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項８】
前記エネルギー供給ユニットが、少なくとも、非充電式のバッテリー；または太陽電池から選択される、
請求項７に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項９】
前記エネルギー供給ユニットが、少なくとも、充電式のバッテリー；またはキャパシタから選択される、
請求項７に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１０】
前記エネルギー供給ユニットを充電すべく、前記エネルギー供給ユニットに結合される充電ユニットを具える、
請求項９に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１１】
前記受信アンテナおよび／または前記放射アンテナに接続されている集積回路を具える、
請求項２に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１２】
前記集積回路、前記受信アンテナ、および前記放射アンテナが、無線周波識別タグとして実現される、
請求項１１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１３】
前記無線周波識別タグを、電気エネルギーが供給されるべく前記エネルギー供給ユニットに接続することができる、
請求項７および１２に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１４】
基板を具え、前記受信アンテナおよび前記センサ素子を、当該基板の上および／または中に配置している、
請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１５】
前記センサ素子を、前記受信アンテナの起動信号がない場合は、不作動となるように構成した、
請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１６】
前記センサ素子が、少なくとも
温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサ、位置センサ、ガスセンサ、バイオセンサ、化学センサ、風センサ、光センサ、循環センサ、または、電気センサから選択される、請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１７】
前記センサ回路アレイを識別できる識別情報を格納するように構成した記憶手段を具え、前記センサ回路アレイを、前記格納された識別情報に基づいて、前記受信アンテナが受信した信号を、前記センサ回路アレイにアドレス指定するか否かを判定するように構成した、請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１８】
前記放射アンテナを空間指向法で電磁放射を放出するように構成した、請求項１に記載のセンサ回路アレイ。
【請求項１９】
センサ回路アレイを動作させるための制御装置であって、
電磁放射を放出するように構成した放射アンテナを具え、
前記放射アンテナに接続され、かつ前記センサ回路アレイの受信アンテナが受信できる起動信号を、前記放射アンテナに放射させるように構成した制御ユニットも具え、
前記受信アンテナに接続されたセンサ素子が、前記受信アンテナによる起動信号の受信に基づいて起動されて、当該センサ素子に、前記センサ回路アレイの周囲におけるパラメータの少なくとも１つを検出させるようにした、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２０】
電磁放射を受信するように構成した受信アンテナを具え、前記受信アンテナを、
前記センサ回路アレイの周囲における前記少なくとも１つのパラメータの検出に応答して前記センサ素子が生成し、前記センサ回路アレイの放射アンテナによって放出される検出信号を受信するように構成した、
請求項１９に記載の制御装置。
【請求項２１】
前記制御装置の前記放射アンテナおよび前記制御装置の前記受信アンテナを、共用アンテナとして実現した、
請求項２０に記載の制御装置。
【請求項２２】
前記制御ユニットは、前記センサ回路アレイの周囲における前記少なくとも１つのパラメータを調整可能な調整ユニットを、前記受信アンテナが受信した検出信号に基づいて制御するように構成した、
請求項１９に記載の制御装置。
【請求項２３】
前記制御ユニットを、前記受信アンテナが受信した検出信号を表示装置に表示するように構成した、
請求項１９に記載の制御装置。
【請求項２４】
前記放射アンテナを、空間指向法で電磁放射を放出するように構成した、請求項１９に記載の制御装置。
【請求項２５】
前記制御ユニットを制御するための少なくとも１つの制御コマンドをユーザが入力できるように構成したユーザーインターフェースを具える、
請求項１９に記載の制御装置。
【請求項２６】
ユーザが、インターネットを介して前記制御ユニットを制御できるように、前記ユーザーインターフェースを構成した、
請求項２５に記載の制御装置。
【請求項２７】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載のセンサ回路アレイを具え、かつ
請求項１９〜２６のいずれか１項に記載の制御装置を具える、センサシステム。
【請求項２８】
前記センサ回路アレイおよび前記制御装置を、互いに無線通信するように構成した、
請求項２７に記載のセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ回路アレイに関する。
【０００２】
さらに、本発明は、センサ回路アレイを動作させるための制御装置にも関する。
【０００３】
さらに、本発明は、センサシステムにも関する。
【背景技術】
【０００４】
自動識別システムの重要性が、特に、サービス業、物流分野、商業分野および工業生産分野において増加している。それ故、自動識別システムは、これらおよびほかの分野においてより多く導入されて、将来的には、おそらくバーコードシステムに取って代わるであろう。識別システムの別のアプリケーションは、人および動物の識別に関係している。また、識別システムを用いて、食品、特に腐りやすい食品の冷却過程を監視および制御できるようにすることは、非常に興味深い。特に、トランスポンダシステムのような非接触式の識別システムは、高速で、かつ、邪魔になるケーブル接続のない無線データ通信に適している。そのようなシステムは、特に高周波領域における電磁波の、放射および吸収を用いている。およそ８００ＭＨｚよりも下の動作周波数を有するシステムは、しばしば、キャパシタとの共振状態において得られるコイルの誘導結合に基づくものであり、従って、最大１メートルまで取り得る、数センチの範囲の短い距離にわたる通信にのみ適している。物理的な境界条件により、８００ＭＨｚおよびそれ以上の動作周波数を有するトランスポンダシステムは、特に、数メートルの距離にわたるデータ転送に適している。
【０００５】
これらのシステムは、いわゆるＲＦＩＤ（“無線周波識別”）システムと呼ばれる。２種類のＲＦＩＤシステムを区別しており、すなわち、アクティブＲＦＩＤシステム（例えばバッテリーのような、システム固有の電源装置を具えている）およびパッシブＲＦＩＤシステム（電源は、コイルおよびアンテナそれぞれが吸収する電磁波に基づいて実現され、アンテナにて得られる交流を、ＲＦＩＤシステムに含まれるサブ整流回路で整流して、直流電流を発生させることができる）とを区別している。さらに、受動的に駆動されて、必要に応じて（例えば、データを転送するために）バッテリーを用いるような、セミアクティブ（セミパッシブ）システムも利用可能となってきている。
【０００６】
トランスポンダまたはＲＦＩＤタグは、データをプログラムしたり書き換えたりすることができる半導体チップ（集積回路を有する）と、使用する動作周波数帯（例えば、米国における９０２ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚの周波数帯、欧州における８６３ＭＨｚ〜８６８ＭＨｚの周波数帯、または、例えば２．４ＧＨｚ〜２．８３ＧＨｚの他のＩＳＭ帯（“ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ｍｅｄｉｃａｌ”））に適合させた高周波アンテナとを具える。ＲＦＩＤタグのほかに、ＲＦＩＤシステムは、読取り装置、およびＲＦＩＤタグと読取り装置との間で双方向の無線データ通信を可能にする、システムアンテナを具える。さらに、読取り装置を制御するのに、入力／出力装置（例えばコンピュータ等）を用いることもできる。
【０００７】
半導体チップ（ＩＣ，集積回路）は、高周波アンテナに、直に接続される（例えばワイヤボンディング、フリップチップ実装等によって）か、あるいは、ＳＭＤ（表面実装部品）デバイス（例えば、ＴＳＳＯＰ“薄型シュリンクスモールアウトラインパッケージ”）として取り付けられる。半導体チップおよび高周波アンテナは、プラスチック材料で製造可能なキャリア基板上に設けられる。このシステムは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に製造することもできる。
【０００８】
物理的なパラメータ（例えば、温度、湿度、あるいは、ガスまたは煙の存在および／または濃度等）を検出するための既知の無線センサシステムは、センサによって、および、受信した測定データをディスプレイに表示することができる基地局へ測定データを転送するための無線通信ユニットによって形成することができる。このようなシステムは、無線センサが自動的に基地局へ測定データを送信するように設計することができ、各２つの連続した送信イベントの間には、所定の時間間隔がある（例えば、２つの連続したセンサの送信イベント間の、数分の間隔）。このことは、センサ自体が常にアクティブ（少なくともその内部制御ユニットにおいて）であることを意味し、従ってセンサは、例えばバッテリーから、絶え間なく電力を消費することになる。
【０００９】
しかしながら、多くの場合、センサが測定したデータが必要とされることは非常にまれである。ある特定の時間区間では、データは全く必要とされない（例えば、夜間など）。センサの絶え間ない電力消費により、センサに電力を供給するバッテリーの寿命または耐久性がかなり短縮されてしまい、さらに、センサが別個のエネルギー源なしに自立的に動作することが不可能になる。
【００１０】
特許文献１には、センサシステムと無線周波識別装置（ＲＦＩＤ）とを組み合わせた集積回路センサが開示されており、当該ＲＦＩＤは、無線周波受信器、トランスミッタ、および電源を具えている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示されている解決法には、測定を開始させるために、電源が恒久的または定期的に、センサシステムに電力を供給するという欠点がある。従って、センサの電力消費量が非常に大きい。
【００１２】
特許文献２には、測定動作用のエレメントに電力を供給する電源を有する測定ユニットが開示されている。測定データは、基地局が信号を送信する瞬間に、なんのコンタクトもなく、基地局によって送信される。当該測定ユニットの電源は、測定値の記録および変換に用いられ、基地局によって送信される電力は、測定ユニットから基地局へ測定データを送信するのに用いられる。しかしながら、特許文献２による測定ユニットの場合も、センサのエネルギー消費量が非常に大きいという欠点を有する。
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２０００／４５３１１号公報
【特許文献２】米国特許第５８５９８７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、エネルギー消費を抑えてセンサを駆動することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の目的を達成するため、独立請求項に係るセンサ回路アレイ、当該センサ回路アレイを制御するための制御装置、および、センサシステムを提供する。
【００１６】
センサ回路アレイは、電磁放射を受信するように設計した受信アンテナを具える。さらに、センサ回路アレイは、このセンサ回路アレイの周囲における少なくとも１つのパラメータを検出するように設計したセンサ素子を具える。受信アンテナをセンサ素子に接続して、受信アンテナが起動信号を受信すると、起動信号に基づいてセンサ素子を起動させて、センサ素子に、センサ回路アレイの周囲における少なくとも１つのパラメータを検出させるようにする。
【００１７】
さらに、本発明によれば、電磁放射を放出するように構成した放射アンテナを具える、センサ回路アレイを動作させるための制御装置を提供する。この制御装置は、放射アンテナに接続した制御ユニットをさらに具え、この制御ユニットは、センサ回路アレイの受信アンテナが受信できる起動信号を、放射アンテナに放射させるように構成して、受信アンテナが起動信号を受信した場合に、受信アンテナに接続されたセンサ素子が起動信号に応答して起動され、このセンサ素子に、センサ回路アレイの周囲状況におけるパラメータの少なくとも１つを検出させる。
【００１８】
さらに、本発明は、上述の特徴を有するセンサ回路アレイを具え、さらに、このセンサ回路アレイを制御するための、上述の特徴を有する制御装置を具える、センサ装置を提供する。
【００１９】
本発明の特徴事項は、センサ素子が、ほとんど常に不作動状態（すなわち、電源を切るか、または低電力状態）に制御され、かつ、受信アンテナが受信する起動信号によって、選択的にのみ起動される（すなわち、動作エネルギーが供給される）、という利点を特に有し、起動信号は、例えば、読取り装置が、センサにより測定可能な物理的、化学的、生物学的、または他のパラメータの現在値を有する必要があるようなシナリオにおいて、読取り装置の放射ユニットによって放出させることができる。そのような場合に、読取り装置または基地局は、センサ回路アレイの受信アンテナによって受信すべき電磁放射信号を送信することができ、さらに、受信アンテナは、受信した電磁放射に基づいて、センサ素子を、エネルギーの非消費スリープモードから、センサ素子がパラメータを検出できるような起動状態にもたらすための起動信号を発生することができる。従ってセンサ素子は、検出可能なパラメータの現在値が必要な場合に、または要求された場合にのみ、選択的にスイッチ・オンする。このような外部要求が無い場合は、センサ素子は、エネルギー消費が低減され、好適にはゼロまで削減されるような、待機モードまたは不作動モードで駆動させることができる。
【００２０】
従来技術とは対照的に、センサは、エネルギーを消費する起動状態において連続的に、または内部で既定された一定周期で、電力を供給されて駆動されるのではなく、外部要求がある場合にのみ起動される。従って、センサのエネルギー消費がかなり低減され、さらに、センサにエネルギーを供給するエネルギー供給ユニットの寿命が増加する。また、パラメータの現在値が関心のある時点でのパラメータだけをセンサに検出させるように、周期的ではなく、必要な場合にのみセンサを起動するため、センサ機能を利用する方法の柔軟性が向上する。センサを作動させるのに要する電力を低減することによって、バッテリー交換の平均期間を増加させることができ、また、例えば太陽電池または電磁放射起動用の電力をエネルギー供給源として用いることで、本発明によるセンサの作動に要する最低限の電力をセンサ回路アレイの内部で生成することができるという事実により、自足での動作が可能となる。
【００２１】
さらに、電磁起動信号（例えば、ＲＦ信号）に基づいてセンサを起動する結果として、小型のセンサ回路アレイの無線方式での作動、および、より大きな読取り装置から離した設置が可能となる。従って、読取り装置および／または人間のユーザを配置すべきでない過酷な状況（例えば、極高温下、強力な放射能下、狭い廃棄場など）である場所に、センサ回路アレイを設置することができる。
【００２２】
従って本発明は、好適には無線設計のセンサシステム、および、電力消費量をかなり低減させてコードレスのセンサを動作させる有利な方法を提供する。これにより、バッテリーまたは動作エネルギーをセンサに供給するための他のエネルギー供給ユニットの寿命を向上させ、それと同時に、固有のエネルギー源を持たない自立的なセンサの開発が可能となる。本発明による手段は、センサと、例えば無線周波識別装置（ＲＦＩＤ）のようなコードレスのトランスポンダとの組合せに基づいている。
【００２３】
本発明の一実施態様は、トランスポンダを用いたセンサの作動／起動である。従来のコードレスセンサとは対照的に、センサデータは、恒久的にまたは周期的にではなく、外部の制御装置による促しがあった後にのみ送信される。
【００２４】
本発明の一実施態様によれば、１つまたは複数のセンサ、トランスミッタ、および受動トランシーバを含む、バッテリー駆動式のＲＦＩＤトランスポンダユニットが提供される。ユニットコンポーネント（センサ、および、もし必要ならばトランスミッタなど）は、読取り局がユニットに問い合わせを行った場合に、受動トランシーバが起動する。
【００２５】
本発明は、少なくとも１つの基地局および少なくとも１つの無線センサモジュールを具える、無線センサシステムを提供する。基地局は、センサネットワーク全体を監視および制御、さらに、例えば高周波信号のような対応する電磁気信号を用いた、ネットワーク内部の特定のセンサの起動および／または読取りが可能である。例えば本発明のセンサシステムは、１つの基地局および２つのセンサモジュール（例えば、家庭環境における２つの温度センサ）を具えることができる。温度センサのうちの１つは、建物の外側の外部温度を検出するように設計することができ、他の１つは、建物の内側の内部温度を検出するように設計することができる。本発明のシステムは、従って、高性能な自動の建物／家庭制御システムに組み込むことができる。
【００２６】
本発明の一実施態様によれば、無線センサは、１つまたは複数のパラメータを測定するためのセンサモジュール、および一体化された無線トランスポンダを具えることができる。トランスポンダの重要な機能は、基地局によって送信された対応する要求の後に、センサを起動することである。本発明によれば、受動トランスポンダを提供することができるため、この受動トランスポンダは、別個のエネルギー源を必ずしも必要とせずに、基地局が適切な電磁界を生成した場合にのみ作動する。各トランスポンダ／センサは、それら固有の識別番号（固有の識別子）を有することができるため、単一の基地局によって複数の異なるセンサを作動およびアドレスすることができ、さらに、異なるトランスポンダ／センサアレイは、互いに妨害し合うことがない。これに対して、従来の無線センサシステムは、一般にシステム内に限られた数のセンサしかなく、提供された周波数帯をサブ帯域に分割しなければならない。
【００２７】
基地局によって適切な（例えば、高周波の）交流磁界を生成した後、後者は、基地局の影響範囲内の全てのトランスポンダ／センサからの応答を待つ。存在する各トランスポンダ／センサアレイから、それら固有識別子を含むフィードバック信号を受信した後に、基地局または制御装置は、認識されたトランスポンダのうち特定のものにあてた起動信号、すなわち、対応するセンサユニットを起動するためのコマンドを送信して、センサデータを測定し、かつそのセンサデータを（トランスポンダを経て）基地局へ送るように制御することができる。基地局は、（例えば、高周波の）データストリームを評価および解析することができ、さらに、対応する検出された情報をディスプレイ上に表示したり、および／または、調整ユニットに検出したパラメータの値を変更させることができる。
【００２８】
無線センサシステムの一実施態様は、拡張機能（例えば、トランスポンダを作動させるための高周波電子機器）を有する基地局を提供する。特に本発明は、無線トランスポンダ（例えば、極超短波帯における作動など）とセンサとの、有利な組合せを教示する。トランスポンダは、適切な電子スイッチ機能を介して、センサユニットを起動および不作動することができる。従って、これは、センサモジュールのオンまたはオフを切り換えるための、スイッチオン／スイッチオフ装置として機能する。センサは、（例えば、スイッチを閉じることによって）起動された後にのみ作動し、さらに、対応する単一のまたは複数の物理パラメータの測定を開始する。測定したデータは、トランスポンダに送信することができ、トランスポンダは、順にこれらのデータを基地局へ送る。
【００２９】
トランスポンダが検出データを送るのに十分なエネルギーを供給するために、後者は同様に、スイッチを経てエネルギー供給ユニットへ接続することができる。センサを起動した後、基地局の電磁場をスイッチオフすることもでき、このことにより、ユーザへの電磁放射の照射が低減される。
【００３０】
任意だが、トランスポンダのカバー領域を増大させるために、センサ回路アレイ用の別個のエネルギー供給ユニットを導入することができる。さらに、そのような追加的な任意のエネルギー供給ユニットによって、基地局が、電磁場を恒久的に生成する必要がないようにすることができる。
【００３１】
基地局のカバー領域を増大させるため、および／またはエネルギー消費を低減するため、および／または被ばく量を低減するために、基地局の放射アンテナ（および、追加または代わりの、センサ回路アレイの放射ユニット）に、指向性の放射特性を提供することができる。建物／家庭環境制御システムにおいて、アパートメントまたは土地建物の一部分の、（対応する受信機が位置する）所定の限られた場所のみが照射されるので、ユーザへの被ばくが低減され、さらに、エネルギー消費が低減される。指向性の放射特性を有する放射ユニットは、アンテナを適当に実装することよって実現できる（例えば、図４を参照されたい）。放射特性の制御は、適切なアンテナを組み合わせて（例えば、アンテナアレイ等）用いることによって、ならびに、個々のアンテナ素子の信号の位相を調節して構成することによって、実現することができる。
【００３２】
“知的な”基地局を、プログラマブルに構成することができる。このような“知的な”基地局は、例えば、部屋または家の中の、ヒーター、回転ブラインド等のような付加装置へ、（無線の、および／または有線の）接続することができる。この方法を取ることによって、センサが検出した現在の周囲環境（例えば、温度、光度など）に応じて、係る装置を制御または調整することができる。基地局を、例えばインターネットのようなネットワークに接続することも可能であり、ユーザは、ユーザのアパートメントまたは家の状態に関する情報を遠隔地から得ることができ、センサ回路アレイおよび付加装置をどのように制御するかについてのコマンドまたは指示を制御装置に供給することで、自宅の構成を制御することができる。
【００３３】
別個のエネルギー供給ユニットなしで動作する、実質的に自立したセンサシステムを構成するために、エネルギー供給ユニットは、補助バッテリーとして実現するのではなく、他の、再充電可能な貯蔵手段（例えば、蓄電池、大型のキャパシタまたは同様なもの）として実現することができる。このような再充電可能なエネルギー貯蔵手段を用いる場合、そのエネルギー貯蔵手段を再充電または再補充するために、エネルギー回収装置をセンサユニットに一体化しなければならない。このようなエネルギー回収装置は、光を電気エネルギーに変換する、太陽電池とすることができる。小型化した風車（例えば、センサ素子として風速も同時に測定することができる）を用いる（または、組み合わせて用いる）ことも、本発明の範囲において可能である。
【００３４】
エネルギーを生成できる他の方法は、基地局が発生させる高周波の交流電圧を用いることである。起動されていない／まだ起動されていない各トランスポンダは、基地局信号を受信する。これら高周波信号を、（任意の電圧増倍ユニットの後で）直流電圧に変換することによって、エネルギー貯蔵手段に、回収または再補充されるエネルギーを供給することができる。この方法は、センサが交互にクエリを行うような、ネットワーク内で比較的多数のセンサを用いる場合（例えば、工場のホールにおいて）に特に好ましいが、この場合は、高周波の交流磁界を比較的頻繁にスイッチ・オンしなければならないため、特にいま現在不活性なセンサのためのエネルギー源として利用できることによる。
【００３５】
本発明によるセンサ回路アレイの簡単な実施態様は、ＲＦＩＤトランスポンダ（アンテナと半導体チップ）の代わりに、整流ユニット（例えば、ダイオード回路）を有する簡単な高周波交流電圧検出器（すなわち、アンテナ）および平滑キャパシタを、（ＭＯＳＦＥＴのような）トランジスタで切り換えられるように構成して、センサモジュールにエネルギーを供給する。
【００３６】
本発明は、実際にセンサ測定を開始させるために、センサおよび／またはセンサ素子をスイッチを介して内部のエネルギー源に接続するのに、スキャナの高周波を用いるような、新しいセンサモジュールのアーキテクチャを開示する。これは、周期的または恒久的なセンサの起動が必要なシナリオと比較して、エネルギー消費がより少ない、という利点を有する。従って、本発明によるセンサは、内部で時間間隔の制御を行う必要がなく、スキャナからの対応するコマンドの後で起動されるだけとなる。これにより、センサ回路アレイの、スペース、コスト、およびエネルギーを節約することができる。従って、本発明は、要求に応じてのみ起動されるセンサを教示する。すなわち、アンテナおよびセンサの双方とも、いわゆる待機モードにおいてエネルギーを消費しない。
【００３７】
交流電源（例えば、太陽電池およびキャパシタ）を用いることで、バッテリーの必要性を完全になくすことができるため、センサ回路アレイの稼動に保守は不要である。
【００３８】
本発明の一実施態様によれば、基地局による問い合わせの後に、受動トランスポンダが、センサユニットを電源（バッテリー、ソーラーモジュール等）に接続すべくセンサユニットを起動する。検出データを送信するための受動トランスポンダは、センサユニットの電源から電力を供給される、能動トランスポンダにすることもできる。
【００３９】
従属項を参照して、本発明の他の好適な実施態様を以下に述べる。
【００４０】
本発明のセンサ回路アレイの好適な実施態様について述べる。これらの実施態様は、センサ回路アレイを制御するための制御装置に、および、センサシステムにも、適用することができる。
【００４１】
センサ回路アレイは、電磁放射を放射するように構成した放射アンテナを具えることができ、センサ回路アレイの周囲における少なくとも１つのパラメータの検出に応答してセンサ素子が生成した検出信号を放射アンテナが放射するように、放射アンテナをセンサ素子に接続している。従って、センサ回路アレイの放射アンテナは、測定した検出データを、読取り装置へ無線方式で転送することができる。本実施態様は、能動トランスポンダ（例えば、能動ＲＦＩＤタグ）を使用する場合に、有利な方法で実施することができる。この場合、放射アンテナは、電磁放射を能動的に放出する。
【００４２】
受信アンテナおよび放射アンテナは、共通の、および／または単一のアンテナとして実現することができる。この方法により、本発明のセンサ回路アレイに、単一の、受信または放射アンテナを実装することができる。このことは、センサ回路アレイを形成するのに必要なスペースを最小化し、さらに、コストを削減させる。しかしながら、代わりに、受信アンテナおよび放射アンテナを、２つの別の物理構造として実現することもでき、各アンテナを、その対応する動作機能に最適化して、双方のアンテナ構成を同時に制御することもできる。
【００４３】
本発明によるセンサ回路アレイは、センサ回路アレイの周囲における少なくとも１つのパラメータの検出に応答してセンサ素子が生成した検出信号を、受信アンテナの特性の変化から得るように構成することができる。このシナリオによれば、受動トランスポンダを実装することができる。受動トランスポンダは、電磁放射を能動的に放出しない。これとは対照的に、トランスポンダは、その反射特性を、特徴的に変化させる。このような技術は、“負荷変調”と称される。このような特性の変化において、情報を符号化することができる。
【００４４】
受信アンテナを構成して、受信アンテナが受信した電磁放射から、センサ素子に電気エネルギーを供給するようにすることができる。本実施態様によれば、センサ素子を制御するためのエネルギー源として、さらに、センサパラメータを測定するためにセンサ素子を作動させるための起動信号として、受信アンテナが取得した電磁放射を用いる。言い換えれば、本実施態様によれば、起動信号およびエネルギー供給信号を、同一のものにすることができる。
【００４５】
センサ回路アレイは、受信アンテナとセンサ素子との間に接続され、受信アンテナによって受信された電磁放射から派生する交流信号を整流して、センサ素子に供給される整流電気信号を発生するように構成した、整流サブ回路を具えることができる。このような整流サブ回路（ダイオードに基づいて形成することができる）は、受信アンテナが受信した電磁放射による交流電圧を、整流された電気信号へと変換することができ、直流電圧または直流電流の形式における電力を要するセンサ装置の駆動に用いることができる。
【００４６】
上述の実施態様の代わりに、センサ回路アレイは、（別個の装置として）エネルギー供給ユニットを具えることができ、エネルギー供給ユニットによって、少なくとも１つのパラメータを検出するためのエネルギーがセンサ素子に供給されるように、センサ素子をエネルギー供給ユニットに結合することで、センサ素子を起動するように構成する。本実施態様によれば、エネルギーを消費するセンサ素子に、選択的に（能動状態において）接続するか、あるいはそれから（受動状態において）切り離すことができ、その結果、エネルギー供給ユニットから（電気的な）エネルギーを供給され得る、別個のエネルギー供給ユニットを提供する。特に、起動信号は、エネルギー供給ユニットが選択的にセンサ素子に接続されるか、あるいはそれから切り離されるように、エネルギー供給ユニットを制御することができる。
【００４７】
エネルギー供給ユニットは、少なくとも、非充電式のバッテリーまたは太陽電池から選択することができる。非充電式のバッテリーを用いる場合は、ユーザは、空のバッテリーを、新しい充電済みのバッテリーに交換することができる。太陽電池を用いる場合は、エネルギー供給ユニットは、センサ回路アレイの周囲における光によって自動的に再充電されるため、完全に自立的なセンサ回路アレイを実現することができる。
【００４８】
代わりに、エネルギー供給ユニットは、少なくとも充電式のバッテリーまたはキャパシタから選択することもできる。充電式のバッテリーは、例えば、受信アンテナが受信した電磁放射に含まれる電力を用いて充電することができる。キャパシタも、好適には整流された後に、そのような電磁放射から電荷を集めることができる。
【００４９】
さらに上述の実施態様を参照すると、センサ回路アレイは、エネルギー供給ユニットを再充電するために、当該エネルギー供給ユニットに接続される再充電ユニットを具えることもできる。
【００５０】
センサ回路アレイは、受信アンテナおよび／または放射アンテナに接続された、集積回路を具えることができる。このような集積回路は、例えば、シリコン技術において、またはIII−Ｖ半導体に基づいて製造される、半導体チップとして実現することができる。シリコンチップは、一体化した集積回路を有する、シリコンウェーハを用いて作成した電子チップを実装することができる。
【００５１】
集積回路、受信アンテナ、および放射アンテナは、無線周波識別タグ（ＲＦＩＤタグ）として実現することができる。そのようなＲＦＩＤタグのアプリケーションの典型例は、自動化技術（例えば、料金徴収システムにおける自動車の自動識別）におけるアプリケーション、人間または動物の生理学的パラメータのリアルタイムでの測定、または、複数のセンサを具える家庭環境における、装置（例えば、冷蔵庫）およびパラメータ（例えば、現在の室内温度）の監視および制御である。
【００５２】
無線周波識別タグは、電気エネルギーを供給されるべく、エネルギー供給ユニットに接続できるようにすることができる。
【００５３】
さらに、センサ回路アレイは、基板を具えて、受信アンテナおよびセンサ素子を、その基板の上および／または中に配置することができる。基板は、例えば安価なプラスチック基板等、適切に選択することができる。
【００５４】
センサ素子は、受信アンテナの起動信号がない場合は、不作動となるように構成または制御することができる。言い換えれば、物理パラメータの測定が要求されていないような動作状態において、エネルギー消費から、完全にまたは部分的に、センサ素子を切り離すことができる。要求があったときのみ、センサが起動されてエネルギーが供給される。これにより、センサ素子を制御するためのエネルギーの多くを節約できる。
【００５５】
センサ素子は、少なくとも、温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、速度センサ、加速度センサ、位置センサ、ガスセンサ、バイオセンサ、化学センサ、風センサ、光センサ、循環センサ、または、電気センサから選択することができる。温度センサの形式におけるセンサは、例えば家庭環境における温度を、ヒーターの調節を基礎として検出することができる。湿度センサは、水害を早い状況で検出することができるため、より深刻な被害を回避することができる。圧力センサは、乗客への酸素マスクの提供をトリガーするために、キャビンにおける圧力のロスを検出すべく飛行機に一体化することができる。速度センサは、移動物体に取り付けることができ、速度情報を、静的に配置した制御装置へと転送することができる。ガスセンサは、過酷なまたは有害な状態の空間に配置することができ、さらに、その検出情報を、遠隔地へ転送することができる。バイオセンサのアプリケーション用に、コードレスのバイオセンサを、生体内（例えば、人間の身体の内部）に組み込むことができ、検出信号を、身体の外側へ転送して解析することができる。
【００５６】
センサ回路アレイは、特定のセンサ回路アレイを明確に識別できる識別情報（例えば、固有識別子）を格納するように構成した記憶手段を具えることができ、センサ回路アレイを、格納された識別情報に基づいて、受信アンテナが受信した信号を、センサ回路アレイにアドレス指定するか否かを判定するように構成する。このようなメモリ手段は、集積回路に一体化することもでき、さらに、例えばＤＲＡＭ（”ダイナミックランダムアクセスメモリ”）、ＳＲＡＭ（”静的ランダムアクセスメモリ”）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（”電気的に消去可能なＲＯＭ”）等で実現することができる。
【００５７】
センサ回路アレイにおいて、放射アンテナを、空間指向法で電磁放射を放出するように構成することができる。言い換えれば、放射アンテナが電磁放射を放出できる方向を異方性とできるため、放出された電磁放射で、所望の目的地を高い空間精度で照射することができ、エネルギー消費をさらに低減させることができる。
【００５８】
これ以降に、制御装置の好適な実施態様を説明する。しかしながら、これらの実施態様は、本発明による、センサ回路アレイおよびセンサシステムにおいて適用することもできる。
【００５９】
制御装置は、電磁放射を受信するように構成した受信アンテナを具えることができ、受信アンテナを、センサ回路アレイの周囲における少なくとも１つのパラメータの検出に応答してセンサ素子が生成し、センサ回路アレイの放射アンテナによって放出される検出信号を受信するように構成する。従って、制御装置の追加の受信アンテナは、センサ回路アレイと、コードレスな双方向通信ができる。
【００６０】
制御装置の放射アンテナおよび制御装置の受信アンテナは、共用アンテナ、すなわち、共用の物理的なアンテナ構成として実現することもできる。このことにより、制御装置の構造を簡易化できる。また、制御装置は、受信アンテナを構成する物理構造とは別に形成された物理構造として提供される放射アンテナを、有することもできる。後者の構造の場合は、２つの別個のアンテナ構成を、各々の動作機能に対して別々に最適化することができる。
【００６１】
制御装置の制御ユニットは、センサ回路アレイの周囲における少なくとも１つのパラメータを調整可能な調整ユニットを、受信アンテナが受信した検出信号に基づいて制御するように構成することができる。従って、測定したパラメータを、調節可能な装置の調整の基礎として用いることができる。例えば、センサで温度を測定した場合は、ヒーターを、対応する調整装置として制御することができる。
【００６２】
制御ユニットは、受信アンテナが受信した検出信号を、表示装置に表示するように構成することができる。このような表示装置は、モニタ（例えば、ブラウン管または液晶ディスプレイ）、携帯電話のディスプレイ、または、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）のような、他の手持ちの装置とすることができる。
【００６３】
放射アンテナは、空間指向法で電磁放射を放出するように構成することができる。言い換えれば、センサを起動するための起動信号の基盤として機能することができる電磁放射を、特定の方向に放射して、特定のセンサ装置を好適に制御することができる。このことにより、電磁放射の必要量を最小化することができる。
【００６４】
制御装置は、制御ユニットを制御するための少なくとも１つの制御コマンドをユーザが入力できるように構成したユーザーインターフェースを具えることができる。従って、ユーザは、キーボードもしくはコンピュータのマウス、またはトラックボールのような、ユーザーインターフェースを介して、柔軟に制御装置を制御することができる。
【００６５】
ユーザインターフェースは、ユーザが、インターネットを介して制御ユニットを制御できるように構成することができる。これにより、ユーザは、遠隔地から制御装置を制御できることになる。
【００６６】
これ以降には、センサシステムの好適な実施態様を説明する。この実施態様も、センサ回路アレイおよび制御装置に適用することができる。
【００６７】
センサ回路アレイおよび制御装置は、互いに無線通信するように構成することができる。例えば、センサ回路アレイおよび制御装置は、通信するために、相互に電磁放射を放出し合う。
【００６８】
上述の態様および本発明の他の態様は、これ以降に述べる実施例から明らかになり、さらに、これら実施例を参照につき説明する。
【００６９】
本発明のこれらおよび他の態様を、これ以降に述べる実施例につき説明するが、本発明はこれに限られるものではない。図面の説明図は、概略的なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
これ以降に、図１を参照して、本発明の第１実施例によるセンサシステム１００を詳細に説明する。センサシステム１００は、センサ回路アレイ１０１および制御装置１０２を具える。センサ回路アレイ１０１は、高周波（ＲＦ）の電磁放射を受信するように設計したセンサ回路アンテナ１０３を具える。さらに、センサ回路アレイ１０１は、このセンサ回路アレイ１０１の周囲における温度を検出するように設計した温度センサ素子１０４を具える。センサ回路アンテナ１０３は、センサ素子１０４に接続して、センサ回路アンテナ１０３が起動信号を受信するとすぐに、センサ回路アンテナ１０３が温度センサ素子１０４を起動して、センサ回路アレイ１０１の周囲における温度を検出させるようにする。
【００７１】
センサ回路アンテナ１０３の特性（例えば、電磁放射の反射に関する特性）は、温度センサ素子１０４が現在の温度を検出した際に変更される。温度センサ素子１０４が供給する検出信号を、センサ回路アンテナ１０３の現在の特性から得ることができ（“負荷変調”）、かつ、この検出信号を放射するように、センサ回路アレイ１０３は、温度センサ素子１０４に接続する。図１に示す実施例によれば、センサ回路アンテナ１０３は、このセンサ回路アンテナ１０３が受信した電磁放射から得た電気エネルギーを温度センサ素子１０４に供給し、かつ、検出信号を放出するように設計する。このことは、センサ回路アンテナは、受信アンテナとして、および放射アンテナとして設計されることを意味する。センサ回路アレイ１０１は、プラスチック基板１０５も具え、センサ回路アンテナ１０３および温度センサ素子１０４を、このプラスチック基板１０５上に配置している。センサ回路アンテナ１０３の起動信号がない場合は、温度センサ素子１０４は不作動される。
【００７２】
図１に示すように、センサシステム１００は、センサ回路アレイ１０１を動作させるための制御装置１０２を有する。制御装置１０２は、電磁放射を放出するように設計した制御装置アンテナ１０６を具える。制御装置１０２は、マイクロプロセッサ１０７（ＣＰＵ、中央演算処理装置）をさらに具え、このマイクロプロセッサ１０７は、制御装置アンテナ１０６に接続され、かつ、センサ回路アンテナ１０３が起動信号を受信した場合に、センサ回路アンテナ１０３が温度センサ素子１０４を起動して、センサ回路アレイ１０１の周囲における温度を、温度センサ素子１０４に検出させるように、センサ回路アレイ１０１のセンサ回路アンテナ１０３が受信できる起動信号を、制御装置アンテナ１０６に放出させるように設計されている。
【００７３】
制御装置アンテナ１０６は、電磁放射を放出するように設計するだけでなく、センサ回路アンテナ１０３の反射特性の変化も検出するように設計する。制御装置アンテナ１０６は、従って、センサ回路アレイ１０１の周囲における温度検出に応えて温度センサ素子１０４が生成した検出信号を、センサ回路アンテナ１０３から受信するように設計する。このことは、制御装置アンテナは、放射アンテナとして、および受信アンテナとして設計することを意味する。
【００７４】
図１から明らかなように、センサシステム１００はさらに、周囲の温度を調節すべく周囲を加熱するように設計した、加熱装置１０８も具える。マイクロプロセッサ１０７は、制御装置アンテナ１０６によって推定された検出信号に基づき、センサ回路アレイ１０１の周囲における温度を調節できるように、加熱装置１０８を制御するように設計する。
【００７５】
センサシステム１００はさらに、マイクロプロセッサ１０７を制御するための制御コマンドをユーザが入力でき、従って加熱装置１０８および温度センサ素子１０４を（間接的に）制御するような、グラフィカル・ユーザ・インターフェース１０９（ＧＵＩ）も具える。グラフィカル・ユーザ・インターフェース１０９は、遠隔地に位置するユーザが、インターネット１１０を経て、マイクロプロセッサ（制御ユニット）１０７を制御できるように設計する。矢印１１１で示すように、センサ回路アレイ１０１および制御装置１０２は、互いに双方向に無線通信するように設計する。
【００７６】
センサシステム１００の機能は以下の通りである。マイクロプロセッサ１０７は、制御装置アンテナ１０６からセンサ回路アンテナ１０３へ送信される起動信号（例えば、ユーザがＧＵＩ１０９によって入力する制御コマンドの結果として）を生成することができる。センサ回路アンテナ１０３は、送信信号に含まれるエネルギー、および活性化情報を用いて、温度センサ素子１０４による測定をトリガーし、かつ、温度センサ素子１０４にエネルギーを供給する。測定した温度が符号化されて含まれる検出信号は、次に、制御装置アンテナ１０６によって受信され、制御装置アンテナ１０６から、マイクロプロセッサ１０７へ転送される。マイクロプロセッサ１０７は、測定温度を目標値と比較し、現在の温度が所望の目標値よりも低いという解析結果が得られた場合は、マイクロプロセッサ１０７は、加熱装置１０８をトリガーさせて、温度を上昇させるように周囲を加熱する。
【００７７】
これ以降は、本発明の第２実施例による、建物／家庭環境のセンサシステム２００を図２につき説明する。
【００７８】
図に示すように、基地局または制御装置２０１が、アパートメントの適切な場所に設置されている。アパートメントの他の場所には、無線の内部温度センサ２０２が備えられている。アパートメントの外部には、無線の外部温度センサ２０３が配置されている。無線の内部温度センサ２０２は、アパートメントの内部の温度を測定するように設計されている。無線の外部温度センサ２０３は、アパートメントの外部の温度を測定するように設計されている。制御装置２０１は、無線方式で、温度センサ２０２，２０３と通信する。ＲＦＩＤタグを用いて無線方式で制御装置２０１と通信するように設計した温度センサ２０２，２０３は、大ほとんど常に、温度センサ２０２，２０３がエネルギーを消費しない、不作動状態にある。基地局２０１は、現在の内部の温度を知りたいと望む場合、対応する起動信号を無線の内部温度センサ２０２に送信し、この起動信号に基づいて、無線の内部温度センサ２０２の内部の温度センサユニットが起動される。その結果、温度センサユニットは内部温度の測定を開始し、測定した温度を、基地局２０１へ同様に無線方式で送信する。同じように、制御装置２０１は、現在の外部温度の測定を起動させるために、無線の外部温度センサ２０３に、リクエストを送信することができる。
【００７９】
これ以降は、図３を参照して、本実施例によるセンサ回路アレイ３００を説明する。
【００８０】
センサ回路アレイ３００の場合、トランスポンダアンテナ３０１は、読取り装置（図示せず）からの電磁放射を受信するように設計する。このような放射信号は、集積回路３０２（トランスポンダ半導体）に伝えられ、この集積回路は、トランスポンダアンテナ３０１で受信した電磁放射は、パラメータを測定するためのリクエストとして解釈すべきものであるかどうかを判定するように設計する。もし、これがリクエストであった場合は、集積回路３０２は、スイッチ３０３を閉じるための起動信号を生成する（このスイッチ３０３は、ＭＯＳＦＥＴとして実現することができ、ＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間に電流を流すために、ＭＯＳＦＥＴのゲートに起動信号が印加される。）。スイッチ３０３を閉じることによって、エネルギー供給ユニットとしてのバッテリー３０４が、センサ電子機器３０５に接続されるため、関連するセンサ３０６（例えば、温度、ガス、または湿度センサ）がセンサ電子機器３０５を介して起動することができる。言い換えれば、バッテリー３０４は、センサ電子機器３０５に、センサ３０６を動作させるのに必要な電気エネルギーを供給する。従って、センサ３０６は、測定処理を実行して測定情報を作成し、この測定情報を、集積回路３０２へ供給する。この測定情報に基づいて、集積回路３０２は、検出信号を発生することができ、この検出信号は、集積回路３０２からトランスポンダアンテナ３０１へ、さらに、トランスポンダアンテナ３０１から読取り装置（図示せず）へと送信することができる。
【００８１】
トランスポンダ（集積回路）３０２は、センサ電子機器３０５およびセンサ３０６を起動または不作動し、かつ、センサモジュール３００のスイッチ３０３を制御する。スイッチ３０３が閉じられた後のみ、センサ電子機器３０５およびセンサ３０６を動作させ、対応する物理パラメータの測定を開始する。検出信号を用いて得られたデータは、その後トランスポンダ３０２へ送信され、このトランスポンダ３０２は、これらのデータを、基地局（図示せず）へと送る。
【００８２】
データを送るのに要する十分なエネルギーをトランスポンダ３０２に供給するために、トランスポンダ３０２は、必要に応じ、スイッチ３０３を介してエネルギー供給ユニット３０４に結合させることもできる。
【００８３】
以下に、図４につき、本発明による制御装置４００を説明する。
【００８４】
図４は、放射アンテナを形成し、かつ４つの信号アンテナ４０１〜４０４（放射アンテナ）を具えるアンテナアレイの放射特性を制御するための、模範的な電子アレイを（部分的に）示す。これら４つのアンテナ４０１〜４０４は、位相制御ユニット４０５に接続されており、この位相制御ユニットは、ＲＦ信号処理ユニット４０６を制御したり、またこのＲＦ信号制御ユニットによって制御されたりする。ＲＦ信号制御ユニット４０６は、対話式でかつ相互通信式に、デジタル制御ユニット４０７に接続されている。制御装置４００は、電磁放射を指向放射するように設計されており、適切なアンテナ構成４０１〜４０４を組み合わせて使用することで、放射特性を制御することができる。
【００８５】
図４の構成は、本発明によるセンサ回路アレイによって、電磁放射を指向方出させるのに用いることもできる。
【００８６】
「具え」という言葉は、他の要素またはステップを排除するものではなく、さらに、「１つの」または「単一の」は、多数性を排除するものではないことに留意されたい。異なる実施例と関連付けて説明した要素を、組み合わせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施例によるセンサシステムを示す図である。
【図２】本発明の第２実施例によるセンサシステムを有する、建物／家庭環境のセンサシステムを示す図である。
【図３】本発明の実施例によるセンサ回路アレイを示す図である。
【図４】本発明の実施例による制御装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2008529120.tif 000008
2008529120.tif 000009