(57)【要約】【課題】構造物の状態をセンサにより監視して検知信号を無線送信し、外部からの電源供給及びメンテナンス作業が不要な無線センサノードを提供する。【解決手段】本発明の無線センサノードは、電力を生成する電力生成手段（３０）と、電力を用いて所定の物理量を検知するセンサ（３４）と、電力を用いてセンサ（３４）の検知信号を無線信号に変換する回路部（３５、３７）と、無線信号を電波として放射するアンテナ（３８）とを含む部品群がパッケージ（２０）内の空洞部に収容されている。パッケージ（２０）は複数のセラミック層を積層してなり、パッケージ（２０）と一体的に接合された蓋部材（２１）が設けられており、これにより部品群を収容する空洞部を気密封止することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を生成する電力生成手段と、
前記電力を用いて所定の物理量を検知するセンサと、
前記電力を用いて前記センサの検知信号を無線信号に変換する回路部と、
前記無線信号を電波として放射するアンテナと、
複数のセラミック層を積層してなり、前記電力生成手段、前記センサ、前記回路部、前記アンテナを構成する部品群を収容する空洞部が形成されたパッケージと、
前記空洞部を気密封止するように前記パッケージと一体的に接合された蓋部材と、
を備えることを特徴とする無線センサノード。
【請求項２】
前記パッケージの内層には、前記部品群の電気的接続を担う導体パターンが形成されることを特徴とする請求項１に記載の無線センサノード。
【請求項３】
前記蓋部材はセラミックにより形成され、前記パッケージ及び前記蓋部材の外部表面に導体が露出しないことを特徴とする請求項２に記載の無線センサノード。
【請求項４】
前記アンテナは、前記パッケージの内層の前記導体パターンを用いて構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の無線センサノード。
【請求項５】
前記アンテナは、前記蓋部材のうち前記空洞部の側の表面の導体パターンを用いて構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の無線センサノード。
【請求項６】
前記アンテナは、前記空洞部を取り囲む側壁内の導通構造を介して前記回路部の一端と電気的に接続されることを特徴とする請求項５に記載の無線センサノード。
【請求項７】
前記蓋部材は金属により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線センサノード。
【請求項８】
前記センサは、前記蓋部材のうち前記空洞部の側の表面に貼り付けられたひずみゲージであることを特徴とする請求項７に記載の無線センサノード。
【請求項９】
前記電力生成手段は、
機械エネルギーを交流電力に変換する発電素子と、
前記交流電力を直流電力に変換する変換回路と、
を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の無線センサノード。
【請求項１０】
前記発電素子は、振動エネルギーを前記交流電力に変換する振動発電素子であることを特徴とする請求項９に記載の無線センサノード。
【請求項１１】
前記電力生成手段は、
前記電力を蓄積する蓄電素子を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の無線センサノード。
【請求項１２】
前記回路部は、前記蓄電素子に蓄積された電力量に応じた所定の時間間隔で、前記無線信号の間欠的な送信制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の無線センサノード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサにより検知した情報を無線により送信する機能を備え、無線センサネットワークを経由して情報の伝送が可能な無線センサノードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ビルや橋梁などの構造物における振動等の物理量をセンサで検知することにより、構造物の状態を監視して長期的なモニタリングを行うシステムが知られている。この種のシステムにおいて、センサに対する電源供給やセンサの検知信号の取得のためのケーブル等を敷設するのは、そのためのスペースや敷設作業が必要となるので望ましくない。また、バッテリー等を用いてセンサに電源供給する場合であっても、定期的なバッテリー交換が必要となる。このように長期的に構造物の状態を監視する用途において、メンテナンス作業を行う必要がなく、かつ付帯的な設備も不要なシステムが要望されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、振動発電素子と、振動センサと、無線発信手段を備えた振動センサシステムが開示されている。特許文献１のセンサシステムは、測定対象物の振動エネルギーを電力に変え、その振動をセンサで検知し、振動データを無線送信するものである。また例えば、特許文献２には、圧力変動を検知するセンサを支持基板上に載置し、その上部に電子部品素子とアンテナパターンを設けたセンサモジュールが開示されている。特許文献２のセンサモジュールによれば、圧力センサモジュールの検知信号を小さい伝送損失でアンテナから送信するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９２３１９号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたセンサシステムは、例えば、工場内の装置の外壁にセンサ端末を取り付け、その装置の振動により異常を検知する使用形態を想定したものである。よって、センサ端末を工場等の内部の環境で動作させることができたとしても、ビルや橋梁などの構造物に取り付ける場合など、センサ端末が外気の温度や湿度の変動を直接受ける状態での動作は保証されていない。このような環境下で長期間にわたって用いる場合には、頻繁にセンサ端末をメンテナンスする必要が生じることになる。また、特許文献２に開示されたセンサモジュールは、外気にさらされる環境下での使用を想定したものであるが、その構造上、内部回路に対して別途電源を供給する必要がある。よって、外部電源用のケーブルの配線や、あるいは高価なバッテリーの搭載などが必要となり、構造物のモニタリングコストの上昇を招く。以上のように、従来の構成によれば、構造物のモニタリングを目的として、外部からの電源供給が不要で、かつ外部環境の影響下で長期間にわたってメンテナンスフリーで使用可能な無線センサノードは提案されていなかった。
【０００６】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、構造物の状態を監視して長期間のモニタリングを行う際、外部からの電源供給に依存することなくセンサの検知信号を自動的に無線送信可能であり、メンテナンス作業が不要で長期間にわたって高い信頼性を保ち得る無線センサノード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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の無線センサノードは、電力を生成する電力生成手段と、前記電力を用いて所定の物理量を検知するセンサと、前記電力を用いて前記センサの検知信号を無線信号に変換する回路部と、前記無線信号を電波として放射するアンテナと、複数のセラミック層を積層してなり、前記電力生成手段、前記センサ、前記回路部、前記アンテナを構成する部品群を収容する空洞部が形成されたパッケージと、前記空洞部を気密封止するように前記パッケージと一体的に接合された蓋部材と、を備えることを特徴としている。
【０００８】
本発明の無線センサノードによれば、パッケージの空洞部内に、電力生成手段と、所定の物理量を検知するセンサと、回路部と、アンテナとを収容したので、外部からの電源供給や電池交換等を不要としつつ、センサの検知信号を自動的に外部の無線通信ネットワークに送信することにより、構造物のモニタリング用途に利用することができる。そして、セラミック層からなるパッケージと蓋部材とを一体的に接合することで、部品群を収容した空洞部を気密封止することができるので、屋外の構造物等に取り付けた状態で外部環境から保護することができ、長期間にわたって無線センサノードを使用する場合の長期信頼性を高めることができる。
【０００９】
前記蓋部材としては、金属性の蓋部材を用いてもよいが、セラミック製の蓋部材を用いてもよい。金属製の蓋部材は、シールド板やアンテナの反射板として用いたり、あるいは微小変位を計測する加速度センサ（ひずみゲージ）を貼り付ける支持板として利用することができる。また、セラミック製の蓋部材は、セラミック製のパッケージと相まってオールセラミック構造の無線センサノードを実現でき、外部表面に導体が露出しないように部品群をセラミックで覆うことで、金属部分の腐食などの外部環境の影響を抑制することができる。
【００１０】
前記パッケージは、セラミックからなる複数の誘電体層と、各誘電体層の間の導体層とからなる構造により形成でき、その内層に形成した導体パターンにより部品群を電気的に接続することができる。このような構造により、各導体層の導体パターンを各部品の端子電極に接続することに加え、各誘電体層を貫くビア導体を経由して異なる導体層の導体パターンを接続することができる。また、前記パッケージの内層に形成した導体パターンを用いて前記アンテナを構成してもよい。
【００１１】
一方、オールセラミックの構造を採用する場合は、セラミック製の蓋部材の空洞部側の表面の導体パターンを用いて前記アンテナを構成してもよい。この場合、前記空洞部を取り囲む側壁内に導通構造を形成することにより、この導通構造を介して前記アンテナと前記回路部の一端とを電気的に接続することができる。
【００１２】
前記センサとしては、様々な物理量を検知する多様なセンサを用いることができる。例えば、加速度センサ、温度センサ、振動センサ、圧力センサ、ひずみセンサなどを挙げることができる。また、金属製の蓋部材を採用する場合は、その空洞部の側の表面にひずみゲージを貼り付けて、微小な変位を検出する構成としてもよい。
【００１３】
前記電力生成手段は、機械エネルギーを交流電力に変換する発電素子と、前記交流電力を直流電力に変換する変換回路とを含めて構成することができる。この場合、前記発電素子は、例えば、振動エネルギーを交流電力に変換する振動発電素子を用いることができる。
【００１４】
また、前記電力生成手段は、前記電力を蓄積する蓄電素子を含めて構成することができる。この場合、前記回路部は、前記蓄電素子に蓄積された電力量に応じた所定の時間間隔で無線信号の間欠的な送信制御を行うことが望ましい。これにより、前記電力生成手段の発電量に制約がある場合であっても、前記蓄電素子に蓄積される電力を利用して、短時間であれば無線通信に必要な電力を十分に供給することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、設置対象の構造物のモニタリングを行う目的で、外部電源に依存することなく、センサの検知信号を無線により外部送信可能な無線センサノードを構成し、部品群を収容する空洞部を形成したパッケージを蓋部材と一体的に接合して確実に気密封止することができる。従って、構造物の周囲における外部環境の影響を抑えることができ、電池交換や故障に伴うメンテナンス作業を最小限にでき、長期間にわたって使用する際の信頼性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の無線センサノードの構成の概要を示すブロック図である。
【図２】第１の構造例に係る無線センサノードの全体構造を表す斜視図である
【図３】図２に示す無線センサノードの側断面図である
【図４】図２及び図３に示すセラミックパッケージの層構成の例を模式的に示す断面図である。
【図５】第２の構造例に係る無線センサノードの全体構造を表す斜視図である。
【図６】図５に示すセラミックパッケージの層構成の例を模式的に示す断面図である。
【図７】第２の構造例のセラミックリッドとセラミックパッケージの接合手法の一例を示す図である。
【図８】第１の構造例に係る無線センサノードのアンテナの放射指向性を示す図である。
【図９】第２の構造例に係る無線センサノードのアンテナの放射指向性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容によって限定されることはない。
【００１８】
本実施形態では、本発明を適用した無線センサノードについて説明する。図１は、本実施形態の無線センサノード１０の構成の概要を示すブロック図である。図１に示す無線センサノード１０は、構造物や設備に取り付けた状態で所定の物理量をセンサで検出し、それを無線により送信するセンサ装置であり、発電素子１１、変換回路１２、蓄電素子１３、センサ１４、制御回路１５、無線回路１６、アンテナ１７を含んで構成される。
【００１９】
図１の無線センサノード１０は、例えば、複数の無線ノードを含む無線通信ネットワークの構成要素であり、無線通信ネットワーク内の特定の受信ノード（親局）に対して情報を送信する機能を有する。なお、無線通信ネットワークの最小限の構成としては、無線センサノード１０と、その情報を受信可能な１個の受信ノードであってもよい。無線センサノード１０は、所定の物理量をモニタリング可能な構造物における多様な用途に利用でき、例えば、構造物の劣化監視、プラント設備の異常監視、物流監視、火災等の災害監視などの用途を挙げることができる。
【００２０】
発電素子１１は、外部からの電源供給に依存することなく自然界のエネルギーを利用する所謂環境発電（エネルギーハーベスティング）を行う素子である。例えば、無線センサノード１０を取り付けた構造物等において発生する振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子を用いることができる。振動発電素子の形態としては、例えば、エレクトレット電極の静電誘導を利用して発電を行うエレクトレット素子や、圧電効果を利用して発電を行う圧電素子を挙げることができる。一般に、ビルや橋梁などの構造物には、低周波数の微小な振動が常時存在するので、その振動エネルギーを受けた発電素子１１により微小な電力を継続して生成することができる。
【００２１】
変換回路１２は、発電素子１１により生成された電力を後段の回路に供給可能な直流電力に変換する回路である。すなわち、発電素子１１が生成した電力は、例えば、固有の振動等に依存する周波数の交流成分を含むので、変換回路１２により交流電力を直流電力に変換するとともに、適正な電圧レベルを保持する必要がある。例えば、変換回路１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータとレギュレータを用いて構成することができる。また、直流電圧のレベルが各部で異なる場合は、そのレベル変換のためにＤＣ／ＤＣコンバータをさらに付加してもよい。このように変換回路１２は、発電素子１１の形態と、後段の回路の電圧仕様とに応じて、多様な構成を想定することができる。
【００２２】
蓄電素子１３は、変換回路１２により得られた直流電力を蓄積し、充放電する素子である。本実施形態では、発電素子１１による発電量が小さいことが想定されるため、二次電池を用いるよりも小型化が可能なキャパシタを用いることが適している。例えば、1対の活性炭電極と電解液からなる電気二重層キャパシタを蓄電素子１３として用いることができる。本実施形態の無線センサノード１０において、発電素子１１及び変換回路１２を経由して蓄電素子１３への充電を長時間にわたって行うとともに、必要に応じて蓄電素子１３から放電することで、比較的大きな電力を後段の回路に供給することが可能となる。
【００２３】
センサ１４は、無線センサノード１０を取り付けた構造物における物理量を検知するセンサである。例えば、センサ１４としては、加速度を検知する加速度センサ、周囲の温度を検知する温度センサ、圧力の変動を検知する圧力センサ、構造物に生じる振動を検知する振動センサ、力学的なひずみを検知するひずみセンサ等、多様なセンサを用いることができる。センサ１４は、変換回路１２から供給される直流電力により動作するが、電力量の制約から低消費電力であることが求められる。また、後述するようにセンサ１４をパッケージ内に気密封止して長期間使用するため、小型かつ長寿命であることが求められる。
【００２４】
制御回路１５は、無線センサノード１０の動作を制御する制御手段として機能し、例えば、１チップのマイクロコントローラ等を用いることができる。制御回路１５は、センサ１４による検知情報を記憶するメモリや、時間経過の基準となるタイマー回路を含んでいてもよい。本実施形態の無線センサノード１０では、各部の動作に必要な電力を抑制すべく、制御回路１５により間欠的な動作を行うことが望ましい。例えば、制御回路１５は、内部タイマーにより所定の時間間隔の経過を判別したとき、センサ１４の起動と無線回路１６の送信動作を行うように制御してもよい。
【００２５】
無線回路１６は、制御回路１５により送られた検知情報に基づいて送信信号を生成し、アンテナ１７を介して送信する役割がある。無線回路１６による送信信号の送信周波数及び送信出力は、無線センサノード１０が属する無線通信ネットワークの仕様や受信ノードまでの距離などに依存して定められる。上述したように、制御回路１５により間欠的な動作が行われる場合は、制御回路１５からの起動信号に応答して無線回路１６に電力が供給され、検知情報で変調した送信信号を出力し、送信完了後に無線回路１６が休止状態に移行するように制御される。
【００２６】
なお、制御回路１５と無線回路１６は一体的な回路モジュールとして構成してもよく、さらにはセンサ１４に付随する回路を回路モジュールに付加してもよい。このような回路モジュールを１チップのＩＣで構成し、後述のパッケージ内に実装してもよい。
【００２７】
アンテナ１７は、無線回路１６の給電部に接続された内蔵アンテナである。本実施形態ではアンテナ１７をパッケージ内の空間に収納する必要があるので、パッケージに内蔵可能なアンテナ素子を用いるほか、パッケージの内層の導体パターンを利用して構成することができる。パッケージの内層にアンテナ１７を構成する場合は、１層の導体層に形成したメアンダ状のアンテナパターンや、２層以上の導体層に形成したヘリカル型のアンテナパターンを用いることができる。なお、アンテナ１７の具体的な構造については後述する。
【００２８】
次に、本実施形態の無線センサノード１０の構造について、図２〜７を参照して説明する。上述したように、長期信頼性とメンテナンスフリーを考慮して、無線センサノード１０の構成部材はパッケージ内の空間に気密封止されるが、以下では、かかる構造を実現するための２つの構造例を説明する。すなわち、第１の構造例は、空洞部を有するセラミックパッケージに金属製の蓋部材を一体的に取り付けた構造であり、第２の構造例は、同様のセラミックパッケージに一体化される蓋部材をセラミックで構成したオールセラミックの構造である。以下、第１の構造例と第２の構造例について順次説明する。
【００２９】
図２は、第１の構造例に係る無線センサノード１０の全体構造を表す斜視図である。また、図３は、図２に示す無線センサノード１０をＡ方向から見た側断面図である。図２及び図３に示すように、無線センサノード１０においては、空洞部２０ａ（図３）が形成されたセラミックパッケージ２０に金属製の蓋部材である金属リッド２１が接合され、空洞部２０ａ内に各構成部材を収納した構造を有する。ここで、図２及び図３では、平板状の金属リッド２１が下方に位置し、セラミックパッケージ２０の開口部が下方を向いた状態を示している。金属リッド２１の矩形の四隅は、ネジ部材２３により無線センサノード１０を設置すべき構造物の表面に取り付け可能となっている。
【００３０】
セラミックパッケージ２０の空洞部２０ａ側の内部表面には、発電素子１１であるハーベスタ３０と、変換回路１２を構成する電源ＩＣ３１及びＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、蓄電素子１３であるキャパシタ３３と、センサ１４である加速度センサ３４と、制御回路１５であるＭＣＵ（Micro Controller Unit）３５と、制御回路１５の内部タイマーに必要な水晶発信器３６と、無線回路１６を構成する無線ＩＣ３７がそれぞれ実装されている。また、セラミックパッケージ２０の内層には、導体パターンで構成したアンテナ１７であるアンテナパターン３８が形成されている。なお、セラミックパッケージ２０の空洞部２０ａ側の内部表面においては、アンテナパターン３８以外の導体パターン（例えば、電源、グランド、信号配線等の各パターン）も形成されるが、図２では省略している。セラミックパッケージ２０の外部表面及び外部側面は、いずれも全面が露出した状態になっている。
【００３１】
セラミックパッケージ２０のサイズとしては、図３に示すように、例えば、平面視で１辺が４０ｍｍ程度の矩形であって、高さが８〜１０ｍｍ程度に形成される。かかるサイズは、上述の各部材を収容するために必要な空洞部２０ａのサイズに依存する。なお、空洞部２０ａを取り囲む上層部及び側壁部は、例えば、側壁部が０．５ｍｍ程度の厚さに形成され、上層部は全体の高さと空洞部２０ａに必要な高さに応じた任意の厚さに形成される。セラミックパッケージ２０の上層部及び側壁部は、絶縁層と導体層を交互に積層して形成されるが、具体的な構造については後述する。
【００３２】
空洞部２０ａ内に実装される構成部材は、直方体状又は円筒状の外形を有し、複数の端子電極を介してセラミックパッケージ２０の内部表面の配線パターンと電気的に接続される。また、各構成部材同士の電気的接続は、セラミックパッケージ２０の内部表面又は内層の導体パターンを経由してなされる。なお、図２及び図３の例では、各構成部材のうち、ハーベスタ３０が平面視で最大の面積を有し、キャパシタ３３が最大の高さを有する。よって、空洞部２０ａは、キャパシタ３３よりも大きい高さで形成する必要がある。また、キャパシタ３３はフィルム型でもよく、この場合は実装面積を確保することで全体の低背化を実現でき、且つ、必ずしもキャパシタによって低背化が制限されるものではない。
【００３３】
金属リッド２１は、例えば、平板状のコバールを用いて形成することができる。金属リッド２１とセラミックパッケージ２０との接合は、多様な手法を適用可能である。例えば、セラミックパッケージ２０の側壁部の下端表面にコバールリングを形成した状態で、コバールからなる金属リッド２１をシーム溶接により接合してもよい。あるいは、セラミックパッケージ２０の側壁部の下端表面を平坦にした状態で、半田、ガラス、エポキシ樹脂等を用いて、金属リッド２１を接合してもよい。いずれの手法を適用した場合であっても、セラミックパッケージ２０と金属リッド２１の間にリークパス等が形成されないように密着して接合することで、空洞部２０ａ内を気密封止することができる。
【００３４】
図４は、図２及び図３に示すセラミックパッケージ２０の層構成の例を模式的に示す断面図である。図４に示すように、セラミックにより形成される複数の誘電体層Ｄが積層され、隣接する誘電体層Ｄの間に複数の導体層Ｃが形成されている。セラミックパッケージ２０の上層部においては、４層の誘電体層Ｄの下面の導体層Ｃとして、それぞれ上層から順にグランド層Ｃ（１）、電源層Ｃ（２）、信号／グランド層Ｃ（３）、信号／グランド層Ｃ（４）が形成されている。これらの各導体層Ｃは、誘電体層Ｄを積層方向に貫くビア導体を介して相互に接続可能となっている。また、セラミックパッケージ２０の側壁部は所定数の誘電体層Ｄからなり、それぞれ中央に同サイズの開口部が積層方向の同じ位置に形成され、各誘電体層Ｄの重なった開口部が空洞部２０ａを形成している。
【００３５】
空洞部２０ａに面する信号／グランド層Ｃ（４）には、図２の各構成部材の端子電極に接続される配線パターンと、図２のアンテナパターン３８がそれぞれ形成される。また、これらの配線パターン及びアンテナパターン３８が形成されない領域には、グランドパターンが形成されている。各構成部材の端子電極は、側面に形成された側面電極、あるいは電源ＩＣ３１や無線ＩＣ３７の底面に形成された電極パッドなどである。また、図４の例では、メアンダ状のアンテナパターン３８が信号／グランド層Ｃ（４）の一角に配置されている。
【００３６】
信号／グランド層Ｃ（４）の直上の信号／グランド層Ｃ（３）には、グランド層Ｃ（３）の配線パターンとビア導体を介して接続される配線パターンと、それ以外の領域のグランドパターンが形成されている。さらに上層の電源層Ｃ（２）には、電源ＩＣ３１から供給される直流電圧の電源パターンが形成されている。電源層Ｃ（２）の電源パターンは、ビア導体及び配線パターンを経由して、加速度センサ３４や無線ＩＣ３７の各入力端子に接続される。最上層のグランド層Ｃ（１）には、広い面積のグランドパターンが形成され、ビア導体及び配線を経由して信号グランド層Ｃ（４）の各構成部材の一部の端子電極に接続されている。
【００３７】
なお、図４の層構成においては、側壁部には導体層が示されていないが、側壁部おいて各誘電体層Ｄを貫くビア導体を用いた導通構造を形成することで、グランド層Ｃ（４）のグランドパターンと金属リッド２１を電気的に接続してもよい。これにより、金属リッド２１を無線センサノード１０のシールド板として利用できるとともに、アンテナ１７のグランドを強化することができる。
【００３８】
また、図２及び図３に示す例では、加速度センサ３４がセラミックパッケージ２０の内部表面に実装されているが、金属リッド２１の空洞部２０ａ側の表面に加速度センサ３４を実装してもよい。加速度センサ３４の形態として、例えば、ひずみゲージの抵抗値変化を計測する場合は金属表面に取り付ける方が精度の面で有利になることも想定される。また、センサ１４として、振動センサやひずみセンサ等を用いる場合であっても、それぞれの特性に応じて、セラミックパッケージ２０内部表面と金属リッド２１のいずれに実装してもよい。ただし、センサ１４を金属リッド２１の表面に実装する場合は、セラミックパッケージ２０の側壁部を経由してセンサ１４の端子電極に至る導通構造が必要になる。
【００３９】
次に図５は、第２の構造例に係る無線センサノード１０の全体構造を表す斜視図である。第２の構造例において、第１の構造例との相違は、金属性の蓋部材である金属リッド２１に代えて、セラミック製の蓋部材であるセラミックリッド２２をセラミックパッケージ２０に接合し、オールセラミック製の構造を実現した点である。かかる構造の相違に基づき図５における基本的な構造は図２と同様となっているが、アンテナパターン３８の配置が異なっている。図５において、空洞部２０ａに収納されるアンテナパターン３８以外の構成部材については図２と同様であるため、説明を省略する。
【００４０】
図６は、図５に示すセラミックパッケージ２０の層構成の例を模式的に示す断面図である。図６において、セラミックにより形成される複数の誘電体層Ｄについては、第１の構造例（図４）の場合と同様の積層構造を有する。一方、複数の導体層Ｃは、側壁部の４層に加えて、セラミックリッド２２の内部表面にアンテナパターン３８を含む導体層Ｃ（５）が形成されている。なお、図５には示されないが、セラミックリッド２２の内部表面にアンテナパターン３８以外の構成部材を配置し、そのための配線パターンを導体層Ｃ（５）に形成してもよい。図５及び図６に示すように、アンテナパターン３８は、上方に延伸される接続構造Ｃａにより、信号配線層Ｃ（４）の給電部に接続されている。この接続構造Ｃａは、隔壁部における複数の誘電体層Ｄを貫くビア導体により形成される。
【００４１】
ここで、第２の構造例のセラミックリッド２２とセラミックパッケージ２０の接合は、多様な手法を適用可能であるが、その一例を図７に示している。図７（ａ）は、セラミックリッド２２の内部表面の角部付近の平面図を示している。図７（ａ）に示すように、隔壁部に重なる外周領域において、帯状のガラスペースト４０が印刷により形成されている。そして、ガラスペースト４０のうちの所定位置には、アンテナパターン３８に接続されるバンプ電極４１が印刷により形成されている。バンプ電極４１は、例えば、半田又は銅を用いて形成することができる。また、図７（ｂ）は、セラミックパッケージ２０とセラミックリッド２２の接合部分として、図７（ａ）をＢ方向から見た側面構造を示している。図７（ｂ）に示すように、セラミックパッケージ２０とセラミックリッド２２を位置合わせし、隔壁部の上述の接続構造Ｃａの下端がバンプ電極４２に合致する状態で、両者を接合する。第２の構造例においても、第１の構造例と同様、セラミックパッケージ２０とセラミックリッド２２との接合により、空洞部２０ａ内を気密封止することができる。
【００４２】
次に、第１及び第２の構造例に関し、それぞれのアンテナ特性について説明する。図８は、第１の構造例に係る無線センサノード１０に対し、シミュレーションによりアンテナ１７の放射指向性を求めた結果を示す。また、図９は、第２の構造例に係る無線センサノード１０に対し、同様のシミュレーションによりアンテナ１７の放射指向性を求めた結果を示す。図８及び図９のシミュレーションは、周波数を２４５０ＭＨｚとし、図８の上部のＸ、Ｙ、Ｚの各方向に対応するＸＹ平面、ＹＺ平面、ＸＺ平面において、角度に応じた絶対利得（ｄＢｉ）を垂直偏波及び水平偏波のそれぞれについて求めた。
【００４３】
図８に示すように、図２に示すアンテナパターン３８を配置した第１の構造例は、ＹＺ平面、ＸＺ平面においてＺ方向（上方向）への指向性を有するアンテナ特性が確認された。第１の構造例では、アンテナ１７に対向する金属リッド２１の反射板としての作用により、Ｚ方向の指向性が現れると考えられる。なお、図８には示していないが、金属リッド２１をグランドに接続した場合においても、同様の指向性を有する。
【００４４】
一方、図９に示すように、図５に示すセラミックリッド２２の上にアンテナパターン３８を配置した第２の構造例は、アンテナ特性に図８のようなＺ方向（上方向）への指向性が確認されなかった。第２の構造例では、金属リッド２１の代わりにセラミックリッド２２に配置されるため、第１の実施例のような反射板としての作用が生じないためと考えられる。なお、図９には示していないが、図５のアンテナパターン３８を上層部の導体層Ｃ（４）に構成した場合であっても、指向性が現れない。以上から、アンテナ特性の指向性の有無に着目して、金属リッド２１を用いる第１の構造例と、オールセラミック製の第２の構造例を使い分けることも可能である。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態の無線センサノード１０により、外部からの電源供給に依存することなく、発電素子１１により発電した電力により回路群を動作させ、センサ１４の検知信号を無線送信することができ、ケーブル等の敷設に伴う設置場所の制約や設置作業をなくすことができる。また、蓄電素子１３を有効に活用すれば、発電素子１１の発電量に制約されることなく、制御回路１５により所望の時間間隔で間欠的な送信制御を実現することができる。さらに、セラミックパッケージ２０を蓋部材（金属リッド２１又はセラミックリッド２２）と一体的に接合することにより、構成部材を収容した空洞部２０ａを確実に気密封止できる。その結果、各構成部材が外気に直接さらされず、温度や湿度等の環境の影響を抑制できるので、無線センサノード１０の製品寿命を延ばして長期間にわたる使用を可能とするとともに、メンテナンス作業を不要としてモニタリングに要するコストの低減が可能となる。
【００４６】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、図１において、変換回路１２、制御回路１５、無線回路１６等を含む回路部は、本実施形態の構成には限定されることなく、多様な回路構成を採用することができる。また、セラミックパッケージ２０や蓋部材の構造についても、本実施形態の構造には限定されることなく、各構成部材を気密封止可能な多様な形態を採用することができる。また、発電素子１１により、比較的大きく安定的な発電量が得られる場合は、蓄電素子１３を設けない構成としてもよい。その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…無線センサノード
１１…発電素子
１２…変換回路
１３…蓄電素子
１４…センサ
１５…制御回路
１６…無線回路
１７…アンテナ
２０…セラミックパッケージ
２０ａ…空洞部
２１…金属リッド
２２…セラミックリッド
２３…ネジ部材
３０…ハーベスタ
３１…電源ＩＣ
３２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３３…キャパシタ
３４…加速度センサ
３５…ＭＣＵ
３６…水晶発信器
３７…無線ＩＣ
３８…アンテナパターン
４０…ガラスペースト
４１…バンプ電極
Ｃ…導体層
Ｃａ…接続構造
Ｄ…誘電体層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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