(57)【要約】【課題】無線タグや無線によるセンサネットワーク分野に用いられる低消費で簡易な無線装置及びそれを備えたセンサ並びに無線タグを提供すること。【解決手段】本発明の無線装置は、無線タグや無線によるセンサネットワークに用いられるもので、圧電素子６を用いて発振するための負性抵抗素子１と、この負性抵抗素子１に接続されている発振周波数可変用バラクタ２と、圧電素子６がもつ並列静電容量をキャンセルするために、圧電素子６に並列に接続されているインダクタ３と、発振周波数可変用バラクタ２に接続されて圧電素子６の発振出力を搬送波として用いるＲＦ送信部４と、このＲＦ送信部４に接続されて発振出力を受信ローカル周波数として用いるＲＦ受信部５とを備え、各構成要素を同一パッケージに実装する。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線タグや無線によるセンサネットワークに用いられる無線装置において、
圧電素子を用いて発振するための負性抵抗素子と、該負性抵抗素子に接続されている発振周波数可変用バラクタと、前記圧電素子がもつ並列静電容量をキャンセルするために、前記圧電素子に並列に接続されているインダクタと、前記発振周波数可変用バラクタに接続されて前記圧電素子の発振出力を搬送波として用いるＲＦ送信部と、該ＲＦ送信部に接続されて前記発振出力を受信ローカル周波数として用いるＲＦ受信部とを備え、前記各構成要素を同一パッケージに実装することを特徴とする無線装置。
【請求項２】
前記ＲＦ送信部及び前記ＲＦ受信部に接続されたアンテナスイッチを前記同一パッケージに実装することを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
【請求項３】
前記圧電素子を前記同一パッケージに実装することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線装置。
【請求項４】
前記負性抵抗素子は、ゲートにレギュレート電圧Ｖｒを受ける電圧レギュレート用トランジスタと、該電圧レギュレート用トランジスタのドレインに接続される負荷抵抗と、ゲートに前記圧電素子の一端が接続される負性抵抗発生用トランジスタと、ゲートに前記圧電素子の他端が接続され、前記負性抵抗素子の動作点を決定するための抵抗とを備えていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の無線装置。
【請求項５】
前記発振周波数可変用バラクタは、ＭＯＳトランジスタ容量で実現したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の無線装置。
【請求項６】
前記ＲＦ送信部は、前記発振出力を受ける差動対と、変調信号を受けて前記搬送波を出力するトランジスタ対とを備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の無線装置。
【請求項７】
前記ＲＦ受信部は、ＲＦ入力を差動増幅するＬＮＡ部と、前記発振出力を受信ローカル周波数として受けてベースバンド周波数に変換するミキサ部とを備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の無線装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の無線装置を備え、
前記圧電素子に反応膜を成膜することでセンサの機能をもたせることを特徴とするセンサ。
【請求項９】
前記圧電素子にパラジウムを成膜することで水素センサの機能をもつことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記圧電素子の温度特性を補正するための温度補正回路を備えていることを特徴とする請求項８又は９に記載のセンサ。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれかに記載のセンサと、ＩＤを格納するメモリとを備えていることを特徴とする無線タグ。
【請求項１２】
ＲＦ受信パワーを電力に変換する整流器を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の無線タグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線装置及びそれを備えたセンサ並びに無線タグに関し、より詳細には、電子回路技術の中のアナログ回路技術に係り、無線タグや無線によるセンサネットワーク分野に用いられる無線装置及びそれを備えたセンサ並びに無線タグに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、無線通信技術は、多様な産業分野や家庭用に用いられており、各種の多様な提案が行なわれている。特に、例えば、近年、携帯電話やＰＨＳなどが急速に普及して移動体通信分野が活発化しており、この技術的な成果が波及的に、微弱無線を用いた屋内無線データ伝送や識別装置、各種の遠隔測定や遠隔制御の分野にも影響を及ぼしている。
また、高周波を利用する無線機器において、携帯機器や小型機器に用いるために、ＧａＡｓ（ガリウム、ひ素）などを素材に、バイポーラ・プロセスを用いて、通信機の主要構成要素を１チップ化したものが提案されている。
【０００３】
図１は、従来の水晶振動子の等価回路を示す図である。等価直列インダクタンスＬ１と、等価直列容量Ｃ１と等価直列抵抗Ｒ１と並列静電容量（電極間容量及びパッケージの寄生容量の和）Ｃ０とから構成されている。圧電素子の発振余裕の尺度である負性抵抗を大きくとりたい場合、並列静電容量Ｃ０の大きさが問題になる。この大きさで負性抵抗値がほぼ決まってしまい、高周波発振ほど負性抵抗がとれなくなる傾向にある。
【０００４】
この問題を解決する例として、例えば、特許文献１に高周波圧電発信器が提案されている。この特許文献１に記載ものは、高周波圧電発振器で発生する電極間容量Ｃ０の増加を低減し、不要共振による発振を抑圧し、高い安定度を得る高周波圧電発振器を提供するもので、バイポーラトランジスタを用いたコルピッツ発振器を構成する圧電素子と並列にインダクタンスを挿入することで並列静電容量Ｃ０をキャンセルし、さらにインダクタンスと並列に抵抗も挿入することで不要共振をなくすものである。
【０００５】
また、例えば、特許文献２及び３には、小型軽量な送受信機が提案されている。この特許文献２及び３に記載のものは、無線情報機器、特に、携帯用情報機器端末に用いられ、例えば、通信機能を有した腕時計、離れた所からドアを施錠する装置や装置を制御する端末機器に最適なもので、圧電素子を高周波発振させた無線機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４８６５２号公報
【特許文献２】特開２００１−７７１２号公報
【特許文献３】特開平１１−１９６１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１には、高周波圧電発信器が開示されているものの、低消費で簡易な無線装置を同一パッケージに実装することについては何ら開示されていない。
また、上述した特許文献２には、送信機のみが開示されおり、回路規模が大きく複雑な構成であるため、消費電流は大きいものとなるという問題がある。
【０００８】
また、上述した特許文献３には、送受信機が開示されているが、ＰＬＬをもつ複雑な構成で、かつ消費電流も大きいという問題がある。加えて、発振器は２つもっておりコストダウンしにくい方式になっている。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、無線タグや無線によるセンサネットワーク分野に用いられる低消費で簡易な無線装置及びそれを備えたセンサ並びに無線タグを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、無線タグや無線によるセンサネットワークに用いられる無線装置において、圧電素子（６）を用いて発振するための負性抵抗素子（１）と、該負性抵抗素子（１）に接続されている発振周波数可変用バラクタ（２）と、前記圧電素子（６）がもつ並列静電容量をキャンセルするために、前記圧電素子（６）に並列に接続されているインダクタ（３）と、前記発振周波数可変用バラクタ（２）に接続されて前記圧電素子（６）の発振出力を搬送波として用いるＲＦ送信部（４）と、該ＲＦ送信部（４）に接続されて前記発振出力を受信ローカル周波数として用いるＲＦ受信部（５）とを備え、前記各構成要素を同一パッケージに実装することを特徴とする。（実施例１；図２，図３，図１４）
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ＲＦ送信部（４）及び前記ＲＦ受信部（５）に接続されたアンテナスイッチを前記同一パッケージに実装することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記圧電素子（６）を前記同一パッケージに実装することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記負性抵抗素子（１）は、ゲート（Ｇ２）にレギュレート電圧Ｖｒを受ける電圧レギュレート用トランジスタ（８）と、該電圧レギュレート用トランジスタ（８）のドレイン（Ｄ２）に接続される負荷抵抗（９）と、ゲート（Ｇ１）に前記圧電素子（６）の一端が接続される負性抵抗発生用トランジスタ（１０）と、ゲート（Ｇ１）に前記圧電素子（６）の他端が接続され、前記負性抵抗素子（１）の動作点を決定するための抵抗（１１）とを備えていることを特徴とする。（図４，図６）
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記発振周波数可変用バラクタ（２）は、ＭＯＳトランジスタ容量（２ａ，２ｂ）で実現したことを特徴とする。（図８）
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記ＲＦ送信部（４）は、前記発振出力を受ける差動対（１７，１８）と、変調信号を受けて前記搬送波を出力するトランジスタ対（１５，１６）とを備えていることを特徴とする。（図９）
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記ＲＦ受信部（５）は、ＲＦ入力を差動増幅するＬＮＡ部（２４，２５）と、前記発振出力を受信ローカル周波数として受けてベースバンド周波数に変換するミキサ部（１５，１６）とを備えていることを特徴とする。（図１１）
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の無線装置を備え、前記圧電素子（６）に反応膜を成膜することでセンサの機能をもたせることを特徴とするセンサである。（図１３）
【００１３】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記圧電素子（６）にパラジウムを成膜することで水素センサの機能をもつことを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の発明において、前記圧電素子（６）の温度特性を補正するための温度補正回路を備えていることを特徴とする。（図１７）
【００１４】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項８乃至１０のいずれかに記載のセンサと、ＩＤを格納するメモリとを備えていることを特徴とする無線タグである。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、ＲＦ受信パワーを電力に変換する整流器（５４）を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子回路技術の中のアナログ回路技術に係り、無線タグや無線によるセンサネットワーク分野に用いられる無線装置の各構成要素を同一パッケージに実装するようにしたので、ＩＣを設置するのみでセンサ付の無線タグにすることができ、燃料電池に限らず、非接触でデータのやり取りをしたいアプリケーションに有効である。また、無線タグや無線によるセンサネットワーク分野に用いられる低消費で簡易な無線装置及びそれを備えたセンサ並びに無線タグを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の水晶振動子の等価回路を示す図である。
【図２】本発明に係る圧電素子にＳＡＷデバイスを用いた回路構成図である。
【図３】本発明に係る圧電素子にＢＡＷデバイスを用いた回路構成図である。
【図４】図２及び図３に示した負性抵抗素子の回路構成図である。
【図５】負性抵抗素子の負性抵抗特性を示す図である。
【図６】図２及び図３に示した負性抵抗素子の回路構成図である。
【図７】負性抵抗素子の負性抵抗特性を示す図である。
【図８】圧電発信器の可変範囲を説明するための回路構成図である。
【図９】図２及び図３に示した送信ドライバアンプの回路構成図である。
【図１０】図９に示した送信ドライバアンプにおける信号波形図である
【図１１】図２及び図３に示した受信ダウンコンバージョンミキサの回路構成図である。
【図１２】図９及び図１１を含む送受信装置の回路構成図である。
【図１３】水素センサの使用形態を示す図である。
【図１４】本発明に係る無線装置の実施例１を説明するための回路構成図である。
【図１５】図１４に示した無線装置の実施例１の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図１６】圧電素子の温度特性の一例を示す図である。
【図１７】ＳＡＷ発信器の発振周波数の温度補正のための温度補正回路の構成図である。
【図１８】図１７における温度補正の様子を示した図である。
【図１９】本発明に係る無線装置の実施例２を説明するための回路構成図である。
【図２０】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る無線装置の実施例３を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
まず、本発明の無線装置に係る圧電素子にＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ；表面弾性波）デバイスを用いた回路形態と、ＢＡＷ（Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ；バルク弾性波）デバイスを用いた回路形態について以下に説明する。
図２は、本発明に係る圧電素子にＳＡＷデバイスを用いた回路構成図で、図中符号１は負性抵抗素子、２はバラクタ（可変容量ダイオード；ｖａｒｉａｂｌｅ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｄｉｏｄｅ）、３はインダクタ、４は送信ドライバアンプ（切り替えスイッチ内蔵；ＲＦ送信部）、５は受信ダウンコンバーションミキサ（切り替えスイッチ内蔵；ＲＦ受信部）、６（６ａ）は圧電素子（ＳＡＷデバイス）、７はアンテナ装置、１００は送受信内蔵チップ（ＩＣ）を示している。
【００１８】
圧電素子６としてＳＡＷデバイスを用いる場合、負性抵抗素子１及びバラクタ２と、圧電素子６ａがもつ並列静電容量Ｃ０をキャンセルするインダクタ３と、圧電素子６ａの発振出力を搬送波として用いるＲＦ送受信部４，５とアンテナスイッチを１チップ１００に集積し、ＳＡＷデバイス６ａとＩＣを配線したものを１パッケージにした形態をとる。以上の形態をとることで電源と圧電素子６ａとアンテナ装置７を接続するだけで容易に無線装置を組むことができる。
【００１９】
つまり、図２に示す回路構成は、圧電素子６を発振させるための負性抵抗素子１と、周波数を可変バラクタ２と、Ｃ０キャンセル用のインダクタ３と、送信用ドライバアンプ４と、受信用ダウンコンバージョンミキサ５で構成されている。送信用ドライバアンプ４と受信用ダウンコンバージョンミキサ５とは送受切替えのスイッチを内蔵している。送受信内蔵チップ１００は、上述した負性抵抗素子１乃至受信用ダウンコンバージョンミキサ５を内蔵しており、圧電素子６とアンテナ装置７を接続するだけで無線装置となる。
【００２０】
なお、バルン（Ｂａｌｕｎ）７ａとは、同軸ケーブルと２線フィーダなど、平衡と不平衡の状態にある電気信号を変換するための素子である。Ｂａｌｕｎとは、平衡（ｂａｌａｎｃｅ）と不平衡（ｕｎｂａｌａｎｃｅ）の頭文字を合成した語で、平衡−不平衡変換器といわれている。
図３は、本発明に係る圧電素子にＢＡＷデバイスを用いた回路構成図で、図中符号６（６ｂ）は圧電素子（ＢＡＷデバイス）を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００２１】
圧電素子６としてＢＡＷデバイスを用いる場合、圧電素子６ｂと負性抵抗素子１及びバラクタ２と、圧電素子６ｂがもつ並列静電容量Ｃ０をキャンセルするインダクタ３と、圧電素子６の発振出力を搬送波として用いるＲＦ送受信部４，５とアンテナスイッチを１チップ１００に集積した形態をとる。以上の形態をとることで電源と圧電素子６ｂとアンテナ装置７を接続するだけで容易に無線装置を組むことができる。
【００２２】
変調方式は、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ；振幅偏移変調）又はＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ；周波数偏移変調）を想定している。特に、ＡＳＫ方式はコストや消費電流の両面でメリットがある。受信のダウンコンバートミキサは、原理的に１つですむためと、さらにベースバンド信号の振幅検出を行うことで復調可能なため、回路規模が小さくできる。
【００２３】
以上の事柄を踏まえ、本発明の無線装置について以下に説明する。まず、圧電素子を用いた高周波発振器について説明する。本発明は、ＣＭＯＳプロセスで低位相ノイズの発振器を可能にするものである。一般に、ＳＡＷやＢＡＷなどの圧電素子は非常にＱが高いので、狭帯域で発振することが可能である。そのため通常のインダクタを用いた発振器より格段に発振スペクトル幅が狭いため、フリッカーノイズが大きいＣＭＯＳトランジスタを発振器に使用しても、近傍ノイズを低くすることができる。
【００２４】
図４は、図２及び図３に示した負性抵抗素子の回路構成図である。この負性抵抗素子１は、レギュレート電圧Ｖｒを受ける電圧レギュレート用トランジスタ（Ｍ２）８と、負荷抵抗（ＲＬ）９と、負性抵抗発生用のトランジスタ（Ｍ１）１０と、負性抵抗素子１の動作点を決定するための抵抗（Ｒ１）１１とで構成されている。図４に示した負性抵抗９は、圧電素子６の並列静電容量（Ｃ０）１２の影響で、図５に示す負性抵抗素子の負性抵抗特性のグラフに示すように、高周波ほど負性抵抗がとれなくなる傾向にある。バイポーラより高周波特性が劣るＣＭＯＳにとって、高周波圧電発振器の実現は非常に難しい問題である。
【００２５】
図６は、図２及び図３に示した負性抵抗素子の回路構成図で、図中符号１３はインダクタ（Ｌ）を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
図６は、図５に示す並列静電容量（Ｃ０）１２に対して並列にインダクタ（Ｌ）１３を挿入することで高周波での負性抵抗値を大きくとる工夫を行ったものである。
並列静電容量Ｃ０とインダクタＬの合成インピーダンスＺｔは、下式の通りになる。
Ｚｔ（ω）＝ｊ（ω×Ｌ）／（１−（ω＾２）×Ｌ×Ｃ０）  ・・・（１）
ｊ：虚数単位
ω２＝ω×ω
ω＝２×π×ｆ
【００２６】
式（１）の分母＝ゼロの条件となるＬは、式（２）のようになる。
Ｌ＝１／（（ω２）×Ｃ０）  ・・・（２）
発振させたい周波数（ω）で適切なＬを選択してやればＺｔ〜∞（オープン）となり、並列静電容量Ｃ０の影響をキャンセルすることができる。
【００２７】
以上の方法によって並列静電容量Ｃ０の影響がほぼ無視できるため、図７に示す負性抵抗素子の負性抵抗特性のグラフの示すように、負性抵抗の周波数特性のみ考慮するだけで、ＣＭＯＳでも高周波圧電発振器を組むことができる。さらにインダクタをＩＣに内蔵することで寄生の容量、抵抗を低減できるため、より低位相ノイズの発振が可能になる。このように、並列静電容量Ｃ０をキャンセルするインダクタを内蔵することで、ＣＭＯＳでも大きな負性抵抗値を得ることができさらに低位相ノイズを実現できる。ただし、インダクタを挿入することで全体のＱ値が下がるので、負性抵抗値と低位相ノイズの両立できるインダクタ値を選択する必要がある。
【００２８】
図８は、圧電発信器の可変範囲を説明するための回路構成図である。図中符号２ａ，２ｂはバラクタ（２ＣＬ）、１４は負性抵抗素子を示している。なお、図１，図４，図６と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
バラクタ２ａ，２ｂは、ＭＯＳ容量で実現した。設計にあたり可変範囲は、次式を利用してＭＯＳ容量の大きさを決定した。
Δ＝（Ｃ１×１ｅ６）／（２×（ＣＬ＋Ｃ０））[ｐｐｍ]  ・・・（３）
【００２９】
次に、送受信部について説明する。図２及び図３に示す送信ドライバアンプ４は、発振出力のバッファとＡＳＫ変調を行う２つの役割がある。
図９は、図２及び図３に示した送信ドライバアンプの回路構成図で、図１０はその信号波形図である。図中符号１５はトランジスタ（Ｍ３）、１６はトランジスタ（Ｍ４）、１７はトランジスタ（Ｍ５）、１８はトランジスタ（Ｍ６）、１９は電流源を示している。
【００３０】
図９に示した送信ドライバアンプ４におけるトランジスタ（Ｍ５，Ｍ６）１７，１８は、発振器出力を受ける差動対である。トランジスタ（Ｍ３，Ｍ４）１５，１６は、変調信号ＭＯＤ＿ＤＡＴＡの入力レベルで、トランジスタ（Ｍ３，Ｍ４）１５，１６がＯＮ／ＯＦＦするためドライバアンプ出力が変化する。この動作でＡＳＫ変調がかかる。一方、受信時はトランジスタ（Ｍ３，Ｍ４）１５，１６ともにＯＦＦで、かつ電流源１９もＯＦＦになるように設計しているため、ドライバアンプとして機能しなくなる。適切なスイッチサイズで設計することで十分なリバースアイソレーションが実現でき、アンテナの切替えスイッチとして動作可能となる。
【００３１】
図１１は、図２及び図３に示した受信ダウンコンバージョンミキサの回路構成図である。図中符号２０は負荷抵抗（ＲＬ１）、２１は負荷抵抗（ＲＬ２）、２２はトランジスタ（Ｍ７，Ｍ９）、２３はトランジスタ（Ｍ８，Ｍ１０）、２４はトランジスタ（Ｍ１１）、２５はトランジスタ（Ｍ１２）、３１はミキサ部、３２はＬＡＮ部を示している。なお、図９と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００３２】
図１１に示した受信ダウンコンバージョンミキサ５は、ＬＮＡ（Ｌｏｗ  Ｎｏｉｓｅ  Ａｍｐ）部３２とミキサ部３１を一体化した構成をとり低消費電力を実現した。図１１におけるトランジスタ（Ｍ１１，Ｍ１２）２４，２５は、ＲＦ入力を差動増幅するＬＮＡ部３２、トランジスタ（Ｍ７乃至Ｍ１０）２２，２３は、ＬＯ信号（本発明においては発振器出力）を受けてベースバンド周波数に変換する機能を有する。変換されたベースバンド信号は、変調データレベルに応じて振幅が変化するので、振幅の変化をとらえることで容易に復調できる。なお、送信時においては電流源１９及びトランジスタ（Ｍ７乃至Ｍ１０）２２，２３は、すべてＯＦＦになるような設計になっているのでダウンコンバージョンミキサとして機能しなくなる。
【００３３】
図１２は、図９及び図１１を含む送受信装置の回路構成図である。図９に示したＲＦ送信部と図１１に示したＲＦ受信部の切替えをしても十分アイソレーションがとれるので、図１２に示す回路構成が可能になる。このようにアンテナスイッチ（送受切替えスイッチ）を内蔵することで送受信のＲＦ端子を共通にできる。圧電素子としてＢＡＷデバイスをＩＣに内蔵する場合、アンテナ装置を接続するだけ無線装置となる。さらに発振周波数が２ＧＨｚをこえるアプリケーションにおいては、電波の波長が短くなるため、ＩＣ内部にアンテナを形成することが可能になり、電源を供給するだけで無線装置となる。
【００３４】
また、圧電素子６は、センサとしても利用できる。加速度センサや圧力センサに代表される物理センサは、機械的な運動、力（圧力・応力）で圧電素子の共振周波数が変化する原理を利用している。各種ガスセンサに代表される化学センサは、圧電素子に反応膜を成膜することで、膜表面に物質が付着（または反応）することで質量変化する。これに応じて圧電素子の共振周波数が変動する。この性質を利用することで極めて微量な変化を計測することができる。
【００３５】
本発明に使用するＢＡＷデバイスに各種反応膜を成膜することで化学センサとして機能する。一般に、ＢＡＷデバイスは、センサとして使用する場合、構造上ＳＡＷデバイスより感度が落ちるが、膜厚を変えるなどのプロセス条件を調整することが可能である。以下では水素センサにフォーカスして説明する。
水素センサは、燃料電池の実用化に必須のセンサで、水素量のコントロールや漏洩を検出する用途で近年その研究が盛んになっている。本発明は、非接触で水素の状態を検知できる技術である。
【００３６】
図１３は、水素センサの使用形態を示す図である。図中符号４１は燃料電池、４２は水素センサ、４３はリーダー（親機）を示している。水素センサ４２は、燃料電池４１の内部に設置するだけで自動的にデータの送出ができる。なぜならばパラジウムを成膜したＢＡＷデバイスは、水素濃度に応じて発振周波数が変化し、その周波数変化は送信ドライバアンプから出力されるので、燃料電池４１の外側で電波を受信すれば、水素濃度は容易に検知できることになる。このデバイスの温度特性を補正することで高精度な水素センサにできる。さらに、ＲＦ受信パワーを電力に変換する整流器を内蔵することでセンサは電力を供給することなく機能できる。この動作の詳細は、後述する実施例で詳細に説明する。
【００３７】
さらに、センサを識別するデータ（ＩＤ）を格納するメモリをもつことで容易にセンサ付無線タグになる。無線タグとは、無線でデータのやり取りができる半導体チップを使った「電子荷札」のことである。仕組は非接触のＩＣカードと同じで、「荷札」の内容であるメモリ部と無線通信を行うＲＦ部からなるＩＣチップとアンテナを組み合わせた無線タグを、読み取り機(リーダー)４３に近づけると、このリーダー４３からの電波によって無線タグ側に起電力が発生(電磁誘導の原理)し、この電力によって回路が働きリーダー側と制御データを交換、その後であらかじめ記憶してある荷札データ(ＩＤ)をリーダー４３に送信する仕組みである。まさに、本発明は、無線タグの要件を満たしセンサ機能もあわせ持っている。
【００３８】
以上でＢＡＷデバイス表面に反応膜を成膜するだけで化学センサになることを、水素センサを例に説明したが、このＢＡＷデバイス表面になんら成膜しなくてもセンサとして機能する。例えば、容器内部に設置するだけで容易に圧力を検知できる。このように、本発明の無線装置を使えば、圧電素子の化学的、物理的（機械的）特性を利用して、容易にセンサ付無線タグになる。
以上は、ＢＡＷデバイスにフォーカスして説明をしてきたが、ＢＡＷ以外の圧電素子でも以上の機能は実現できる。
【実施例１】
【００３９】
図１４は、本発明に係る無線装置の実施例１を説明するための回路構成図である。図３に示した回路形態を組み入れた無線装置で、図中符号２６はコンパレータ、２７はオペアンプ、５１は無線装置、５２は電圧レギュレータ、５３は起動パルス生成部、５４は整流器を示している。なお、図２及び図３と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。使用形態は、図１３に示すものを想定している。
【００４０】
本実施例１の無線装置は、無線タグや無線によるセンサネットワークに用いられるもので、圧電素子６を用いて発振するための負性抵抗素子１と、この負性抵抗素子１に接続されている発振周波数可変用バラクタ２と、圧電素子６がもつ並列静電容量をキャンセルするために、圧電素子６に並列に接続されているインダクタ３と、発振周波数可変用バラクタ２に接続されて圧電素子６の発振出力を搬送波として用いるＲＦ送信部４と、このＲＦ送信部４に接続されて前記発振出力を受信ローカル周波数として用いるＲＦ受信部５とを備え、各構成要素を同一パッケージに実装する。
【００４１】
また、ＲＦ送信部４及びＲＦ受信部５に接続されたアンテナスイッチを同一パッケージに実装する。また、圧電素子６を同一パッケージに実装する。
図１４は、図３に示した発振器と送受信部にＲＦパワーを整流して電圧レギュレータ５２として使うブロックと起動パルス生成部５３の２つを追加したものである。
図１４に示すように、整流器５４は、外部から供給されるパワーをダイオードで整流し、容量を充電する。起動パルスは、コンパレータ２６から生成され、充電された電圧がコンパレータ２６の閾値レベルを超えた時に発生する。このパルスの発生は、容量は十分充電されたことを示し、このパルスが状態を遷移させる。具体的に無線装置の状態が送信モードに切り替わり、その状態で圧電素子（ＢＡＷやＳＡＷデバイス）が発振を開始し、その発振出力が送信ドライバアンプで増幅され、電波としてアンテナから放出される。この動作は、充電された容量が回路に必要な電流を供給できなくなるまで持続する。受信側は、電波を出している間に、発振周波数を特定することで、水素センサ４２の出力を検知できる。
【００４２】
本方式をとると発振周波数自体が水素センサ４２の出力になっていることから変調の必要がないため、スプリアスの発生は極めて少なくなるという特徴がある。加えて、２ＧＨｚを超える高周波で通信を行う場合、波長がＩＣ内部に形成できる。この形態になると外付け部品はおろか電源配線まで不要になるため、燃料電池内部に設置するのみで水素センサ４２として機能することが可能になる。
【００４３】
図１５は、図１４に示した無線装置の実施例１の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、リーダー（親機）４３が対象とする水素センサ４２に向けるＲＦパワーの放射が起動シーケンスとなる（ステップＳ１）。ＲＦ放射が水素センサ（子機）側がもつ整流器５４で直流となり、容量を充電する（ステップ２）。この充電電圧がシステムの閾値レベルを超えるまで充電モードが続く（ステップＳ３）。充電電圧が閾値レベルを超えると充電モードから送信モードに遷移し、充電エネルギーで発振を開始し、送信出力を開始する（ステップＳ４）。このモードは、充電電圧が閾値以下になるまで続き、閾値以下になると動作を停止する（ステップＳ５）。
【００４４】
このように、図１５に示したフローチャートからわかるように、非常にシンプルな通信方式でデータ通信ができる。本方式は、リーダー（親機）４３の機能も非常に単純化できるという特徴がある。なお、本方式においてリーダー４３は、水素センサ４２から放射される電波の周波数に同期するＰＬＬ機能を有することで、リーダー側のＰＬＬを構成するループフィルタ出力に基準発振周波数（または初期発振周波数）からのずれが現れるので、水素センサ４２から放射される電波の周波数を容易に検知し得る。
【００４５】
図２に示したように、圧電素子がＳＡＷデバイスである場合に整流器５４と電圧レギュレータ５２を追加したものでも、図１４に示す構成と同様の効果を示すが、繰り返しになるので説明は省略する。
一般に、圧電素子は温度特性をもっており、この温度特性を補正することでより高精度なセンサとして機能する。
【００４６】
図１６は、圧電素子の温度特性の一例を示す図である。圧電素子の温度特性が図１６に示すうような２次特性である場合について説明する。
図１７は、ＳＡＷ発信器の発振周波数の温度補正のための温度補正回路の構成図で、図１８は、温度補正の様子を示した図である。図中符号６１は負性抵抗素子、６２はバリキャップ（可変容量ダイオード）、６３はＳＡＷ発信器を示している。温度補正電圧がバリキャップ（可変容量ダイオード）６２に入っている。ＳＡＷ発振器６３の温度特性は、上に凸の特性であるため、可変容量値の特性も上に凸になるようにする必要がある。一般に、バリキャップ６２は、電圧増で容量減の特性をもつので、温度補正電圧は下に凸の特性になる。以上合算すると、温度に対して平坦な特性を期待できる。
このように、温度特性を打ち消す特性を圧電発振器のバラクタに加えてやることで、特性を平坦化することが可能になる。なお、本実施例１では、一例として図１５に示すフローチャートに従ったが、これに限らない。
【実施例２】
【００４７】
図１９は、各種センサの使用形態を示す図で、本発明に係る無線装置の実施例２を説明するための回路構成図である。図中符号７１は燃料電池、７２ａは水素センサ、７２ｂは圧力センサ、７２ｃは温度センサ、７３はリーダー（親機）を示している。
各種センサ７２ａ乃至７２ｃの回路構成は、図１４に示すものと同等である。本実施例２においては、各種センサ７２ａ乃至７２ｃにＩＤを格納するメモリを内蔵している。各種センサ７２ａ乃至７２ｃにＩＤを付番することで同一の燃料電池７１に複数の各種センサ７２ａ乃至７２ｃを設置でき、かつ各々のセンサ７２ａ乃至７２ｃの出力を識別できるようになる。
【００４８】
なお、実施例１及び実施例２は、燃料電池への応用にフォーカスして例を述べたが、これに限ることはない。例えば、各種ガス容器（ボンベ）のように密閉された内部に本発明のセンサ機能の無線装置を設置することで容易にセンサ出力を検知できる。
【実施例３】
【００４９】
図２０（ａ），（ｂ）は、本発明に係る無線装置の実施例３を説明するための構成図で、電子ペーパーへの応用を示す図である。図２０（ａ）は情報をダウンロードした図で、親機から情報をダウンロードしている様子を示しており、図２０（ｂ）は情報を表示画面Ａに表示した図で、受信した情報を電子ペーパーに表示している様子を示している。図中符号８１は電子ペーパー、８２は無線装置、８３は親機、Ａは電子ペーパーの表示画面を示している。本実施例３を用いれば、電子ペーパーの物流管理だけでなく、情報端末としての機能も実現できる。
【００５０】
本実施例３において、実装技術が大きな特徴となる。特に、ＩＣ内部にアンテナを形成できない周波数で通信する必要がある場合、透明な導電性フィルムで電極間を配線する技術が必要になる。工業デザイン上アンテナが目立たないようにするため、導電性フィルムでアンテナを形成、さらに、本発明の無線装置から電子ペーパー表示装置までの配線を導電性フィルムで形成し、電極間を接続する。以上のように、電子ペーパーを情報端末として使用することが可能になる。
【符号の説明】
【００５１】
１  負性抵抗素子
２  バラクタ（可変容量ダイオード）
２ａ，２ｂ  バラクタ（２ＣＬ）
３  インダクタ
４  送信ドライバアンプ
５  受信ダウンコンバーションミキサ
６  圧電素子
６ａ  ＳＡＷデバイス
６ｂ  ＢＡＷデバイス
７  アンテナ装置
７ａ  バルン（Ｂａｌｕｎ）
８  電圧レギュレート用トランジスタ（Ｍ２）
９  負荷抵抗（ＲＬ）
１０  負性抵抗発生用のトランジスタ（Ｍ１）
１１  抵抗（Ｒ１）
１２  並列静電容量（Ｃ０）
１３  インダクタ（Ｌ）
１４  負性抵抗素子
１５乃至１８  トランジスタ（Ｍ３乃至Ｍ６）
１９  電流源
２０  負荷抵抗（ＲＬ１）
２１  負荷抵抗（ＲＬ２）
２２乃至２５  トランジスタ（Ｍ７乃至Ｍ１２）
２６  コンパレータ
２７  オペアンプ
３１  ミキサ部
３２  ＬＡＮ部
４１  燃料電池
４２  水素センサ
４３  リーダー（親機）
５１  無線装置
５２  電圧レギュレータ
５３  起動パルス生成部
６１  負性抵抗素子
６２  バリキャップ（可変容量ダイオード）
６３  ＳＡＷ発信器
７１  燃料電池
７２ａ  水素センサ
７２ｂ  圧力センサ
７２ｃ  温度センサ
７３  リーダー（親機）
８１  電子ペーパー
８２  無線装置
８３  親機
１００  送受信内蔵チップ（ＩＣ）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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