JP2010072893A

JP2010072893A - トランスポンダ

Info

Publication number: JP2010072893A
Application number: JP2008238860A
Authority: JP
Inventors: Kota Iijima; 浩太飯島
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-18
Also published as: JP5085478B2

Abstract

【課題】入力インピーダンスが最も高くなる検波回路にあわせてインピーダンス整合を行なうことができ、かつ、他の回路に必要な信号を分配することができるトランスポンダを提供する。
【解決手段】本発明のトランスポンダ１は、アンテナ２、インピーダンス整合回路３、検波回路４ならびにその後段に並列接続される応答回路５および電源回路６を備える。検波回路４と応答回路５との間には共振回路７が並列接続され、共振回路４と電源回路６との間にはバイパスコンデンサ８およびにブリーダ抵抗器９が並列接続される。ブリーダ抵抗器９は応答回路５および電源回路６に供給される交流成分および直流成分の分配比を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスポンダに係り、特に、１個のアンテナにタイヤ空気圧測定システム（ＴＰＭＳ）および無線周波数認証タグ（ＲＦＩＤタグ）を接続したトランスポンダに対して好適に利用できるトランスポンダに関する。

従来のトランスポンダ（応答装置）としては、その一例として、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：無線周波数認証）タグやＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System：タイヤ空気圧監視システム）が挙げられる。

従来のＲＦＩＤタグ１０１Ａは、その一例として、図７に示すように、インピーダンス整合回路１０３として機能する同調回路１０３ａおよび整流回路１０３ｂの後段に検波回路（変復調回路）１０４および電源回路１０６を並列に備えている。このＲＦＩＤタグ１０１Ａにおいては、図示しない質問装置から放射された信号をアンテナ１０２が受信し、その受信信号を同調回路１０３ａ、整流回路１０３ｂおよび検波回路１０４を順に通過させて受信信号から搬送波を除去して復調信号とし、その後段のＲＦＩＤ用ＩＣ１１０に復調信号を送信する。また、同調回路１０３ａおよび整流回路１０３ｂを通過させることにより受信信号から得た直流成分は、電源回路１０６に含まれる図示しない充電コンデンサに蓄電され、その後段のＲＦＩＤ用ＩＣ１１０を動作させる駆動源となる（特許文献１を参照）。

また、従来のＲＦＩＤ付ＴＰＭＳ１０１Ｂは、その一例として、図８に示すように、同調回路１０３ａおよび整流回路１０３ｂの後段に、前述した検波回路１０４および電源回路１０６の他に、タイヤの空気圧や温度を測定する応答回路１０５をも加えた３つの回路を並列に備えている。このＲＦＩＤ付ＴＰＭＳ１０１Ｂも前述のＲＦＩＤタグ１０１Ａと同様、受信信号から得た直流成分を利用して内蔵された電源回路１０６に電力を充電し、バッテリーレス機構またはバッテリ駆動機構とのハイブリット機構を実現している。

特開２００６−００４０１５号公報

しかしながら、ＲＦＩＤタグ１０１Ａにおいては検波回路１０４および電源回路１０６を並列に接続し、ＲＦＩＤ付ＴＰＭＳ１０１Ｂにおいては検波回路１０４、電源回路１０６および応答回路１０５を並列に接続すると、それら並列接続された複数の回路（検波回路１０４、電源回路１０６、応答回路１０５）のインピーダンスがそれぞれ異なるため、アンテナ１０２と各回路１０４、１０５、１０６とのインピーダンスを整合させることができないという問題があった。並列接続された３個の回路１０４、１０５、１０６の各インピーダンスがＺ１、Ｚ２、Ｚ３だとすると、マッチングさせるインピーダンスの値Ｚ０はＺ１、Ｚ２、Ｚ３のいずれの値よりも小さくなるため、並列接続された複数の回路１０４、１０５、１０６を効率よく動作させることができない。特に、高い入力インピーダンスが要求される検波回路１０４にとっては、効率よく電圧を取り出すことができないという問題も生じる。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、入力インピーダンスが最も高くなる検波回路にあわせてインピーダンス整合を行なうことができ、かつ、他の回路に必要な信号を分配することができるトランスポンダを提供することを本発明の目的としている。

前述した目的を達成するため、本発明のトランスポンダは、その第１の態様として、アンテナと、アンテナが受信した信号を半導体素子に通して検波を行ない、交流成分および直流成分を重畳して出力する検波回路と、アンテナの出力インピーダンスと検波回路の入力インピーダンスとを整合するインピーダンス整合回路と、検波回路の後段において並列に接続される応答回路および電源回路と、検波回路と応答回路との間の接続点にその一端が並列に接続されており、交流成分から所望の周波数の交流成分を復調信号として取り出す共振回路と、共振回路の他端と電源回路との間の接続点にその一端が並列に接続されているとともにその他端が接地されており、応答回路および電源回路に供給される交流成分および直流成分の分配比を決定するブリーダ抵抗器と、共振回路の他端と電源回路との間の接続点にその一端が並列に接続されているとともにその他端が接地されており、不要な高周波成分をバイパスするバイパスコンデンサとを備えており、共振回路、ブリーダ抵抗器およびバイパスコンデンサは、検波回路の出力インピーダンスと応答回路の入力インピーダンスとの整合および検波回路の出力インピーダンスと電源回路の入力インピーダンスとの整合を行なうインピーダンス整合回路として機能することを特徴としている。

本発明の第１の態様のトランスポンダによれば、検波回路に対して並列にではなく後段に応答回路および電源回路が接続されており、それらの間に共振回路、バイパスコンデンサおよびブリーダ抵抗器が接続されているので、応答回路および電源回路に必要な復調信号および直流成分が分配される。これにより、アンテナとのインピーダンス整合を検波回路のみに絞ることができるので、検波回路の入力インピーダンスとアンテナの出力インピーダンスを適切にインピーダンス整合することができる。

本発明の第２の態様のトランスポンダは、第１の態様のトランスポンダにおいて、共振回路は、並列に接続されているコンデンサおよびインダクタを有する並列共振回路であってアンテナが受信する信号の搬送波よりも低い周波数を共振周波数とする回路であり、応答回路は、復調信号を入力し、出力信号としての被変調信号の周波数を共振周波数にあわせて被変調信号を出力するように形成されていることを特徴としている。

本発明の第２の態様のトランスポンダによれば、共振周波数の信号にとっては電源回路が高インピーダンスの共振回路を介して接続されている状態になっており、応答回路から電源回路が切り離された状態になるので、復調信号のすべてが応答回路に送信され、応答回路と検波回路との間のロスを小さくすることができる。

本発明の第３の態様のトランスポンダは、第１または第２の態様のトランスポンダにおいて、電源回路は、電源回路の入力端子となるアノードおよび電源回路の出力端子となるカノードを有するダイオードと、ダイオードのカソードに並列に接続されている充電コンデンサとを有することを特徴としている。

本発明の第３の態様のトランスポンダによれば、充電コンデンサとブリーダ抵抗器との間にダイオードが介在しているので、充電コンデンサに蓄電された電荷がブリーダ抵抗器を介して接地電極に流出してしまうことを防止することができる。

本発明の第４の態様のトランスポンダは、第１から第３のいずれか１の態様のトランスポンダにおいて、応答回路は、共振周波数の交流成分が入力される水晶振動子を有しており、復調信号を一時的に印加して発振した水晶振動子の周囲の気圧変化および温度変化によって生じる発振周波数の変化に基づいて、圧力または温度を測定することを特徴としている。

本発明の第４の態様のトランスポンダによれば、復調信号を一時入力すれば水晶振動子は固有振動数で振動を続けるので、復調信号の振動数および入力時間を低減させることができる。その結果、省エネルギーで応答回路を駆動させることができる。これにより、電源回路に蓄電された電荷は応答回路以外のＩＣ回路に供給できるので、完全バッテリーレス型またはバッテリを併用するハイブリット型のトランスポンダを形成することができる。

本発明の第５の態様のトランスポンダは、第４の態様のトランスポンダにおいて、応答回路は、タイヤに充填された空気の圧力または温度を測定することを特徴としている。

本発明の第５の態様のトランスポンダによれば、完全バッテリーレス型またはバッテリを併用するハイブリット型のＴＰＭＳを形成することができる。

本発明のトランスポンダによれば、検波回路の後段に応答回路および電源回路が並列に接続されており、アンテナとのインピーダンス整合を前段の検波回路のみに絞ることができるので、入力インピーダンスが最も高くなる検波回路にあわせてインピーダンス整合を行なうことができ、かつ、検波回路から出力された必要な信号を電源回路および応答回路に分配することができるという効果を奏する。

以下、図を用いて、本発明のトランスポンダをその一実施形態により説明する。

図１は、本実施形態のトランスポンダ１の等価回路図を示している。本実施形態のトランスポンダ１は、ＲＦＩＤタグおよびＴＰＭＳを組み合わせた高周波無線回路であり、図１に示すように、アンテナ２、インピーダンス整合回路３、検波回路４、応答回路５、電源回路６、共振回路７、ブリーダ抵抗器９、バイパスコンデンサ８を備えている。

インピーダンス整合回路３は、図１に示すように、アンテナ２と検波回路４との間に接続されている。このインピーダンス整合回路３は、アンテナ２の出力インピーダンスと検波回路４の入力インピーダンスとの整合を目的とする回路であり、アンテナ２と検波回路４とのインピーダンス整合が適切になされている。このインピーダンス整合回路３としては、従来技術を利用した種々のインピーダンス整合器を選択することができる。本実施形態のインピーダンス整合回路３としては、回路構成を簡素化してトランスポンダ１を小型化および省エネルギー化するため、図２に示すような、直列接続されたコンデンサ３ｃと並列接続されたマイクロストリップライン３Ｒとからなる直列共振回路を前段回路とし、前述のマイクロストリップライン３Ｒと検波回路４の前段において並列接続されたコンデンサ４ｃ１とからなる並列共振回路を後段回路とする２つの共振回路を組み合わせた回路が用いられている。

検波回路４は、図１に示すように、インピーダンス整合回路３を介してアンテナ２に接続されている。この検波回路４は、アンテナ２が受信した信号を半導体素子４ｓに通して検波を行ない、交流成分および直流成分を重畳して出力する回路である。本実施形態の検波回路４は、１個または直列に接続された２個以上のダイオードからなる半導体素子４ｓ、その半導体素子４ｓの入力側または出力側に並列に接続された複数のコンデンサ４ｃ１、４ｃ２および抵抗器４Ｒ１、４Ｒ２からなるＶＭＰ（Voltage Multi Player）回路である。具体的には、このＶＭＰ回路の等価回路として、図３に示すようなシェンケル（Schenkel）回路（多段型半波整流回路）、図４に示すようなコッククロフト・ウォルトン（Cockcroft & Walton）回路（多段型半波整流回路）、図５に示すようなディクソン（Dickson）回路（多段型全波整流回路）などを選択することができる。本実施形態においては、図５および図６に示すように、検波回路４となるＶＭＰ回路としてシェンケル回路が選択されている。

なお、検波回路４に使用される半導体素子４ｓとしてのダイオードの代わりに、ドレインとゲートとを接続した電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）や、コレクタとベースとを接続したバイポーラトランジスタを選択しても良い。

応答回路５および電源回路６は、図１に示すように、検波回路４の後段において並列に接続されている。また、検波回路４と応答回路５との間の接続点にはチョークコイル１１ｃを介して共振回路７の一端が並列に接続されており、共振回路７の他端と電源回路６との間の接続点には、ともに他端が接地されたブリーダ抵抗器９およびバイパスコンデンサ８の各一端がそれぞれ並列に接続されている。

応答回路５は、検波回路４から交流成分として出力された復調信号を入力し、出力信号としての被変調信号を出力するように形成されているセンサ回路である。本実施形態の応答回路５としては、入力側に接続された２個のカップリングコンデンサ５ｃ１、５ｃ２および２個のカップリングコンデンサ５ｃ１、５ｃ２にそれぞれ接続された各々の対向電極に挟まれた圧力測定用水晶振動子５ｑ２および温度測定用水晶振動子５ｑ１を有しており、復調信号の一時的な入力によってそれら２つの水晶振動子５ｑ１、５ｑ２を発振させ、それらの水晶振動子５ｑ１、５ｑ２の周囲の気圧変化および温度変化によって生じる発振周波数の変化に基づいて圧力または温度を測定し、その測定データを被変調信号として出力する圧力温度測定回路、具体的には、タイヤの空気圧および温度を測定するＴＰＭＳ用圧力温度測定回路が選択されている。応答回路５の前段には共振回路７が並列に接続されている関係上、入出力信号の効率的な入出力を実現するため、復調信号および非変調回路の周波数は、共振回路７の共振周波数付近に設定されている。

電源回路６はＲＦＩＤ用ＩＣ（ＲＦＩＤ用集積回路）１０に駆動力を供給する回路であり、電源回路６におけるバッテリ搭載の有無はどちらでもよい。本実施形態の電源回路６としては、図１に示すように、主として検波回路４から出力された直流成分を充電する充電型回路が選択されており、具体的には、電源回路６の入力端子となるアノードおよび電源回路６の出力端子となるカノードを有するダイオード６ｄとダイオード６ｄのカソードに並列に接続されている充電コンデンサ６ｃとを有する充電型回路が選択されている。なお、電源回路６としては、充電型回路にバッテリを搭載したハイブリット型回路が選択されてもよい。

ＲＦＩＤ用ＩＣ１０は、主として、ＢＳＣ（バックスキャッタ回路：受信電波を反射する回路）１０Ｂ、ＭＰＵ（Micro Processing Unit：演算処理回路）１０Ｍ、ＶＤＤ（ＣＯＭＳ−ＩＣ用電源電圧供給回路）１０Ｖ、ＲＦ（高周波回路）１０Ｒの４つの回路を有している。このうちのＶＤＤ１０Ｖには電源回路６が接続されており、ＲＦ１０ＲおよびＢＳＣ１０Ｂには平滑回路１２を介してアンテナ２に接続されている。なお、ＲＦＩＤ用ＩＣ１０は電源回路６から得た駆動力によって駆動するような回路構成になっていればよいので、本実施形態のＲＦＩＤ用ＩＣ１０の構成が本実施形態のトランスポンダ１の必須構成要件にはならない。そのため、本実施形態の構成と全く異なるＲＦＩＤ用ＩＣ１０が電源回路６に接続されていても良い。

共振回路７は、検波回路４から出力された交流成分から共振周波数として所望の周波数の交流成分を復調信号として取り出す回路である。この共振回路７としては直列共振回路または並列共振回路のいずれであってもよいが、本実施形態の共振回路７としては、並列に接続されているコンデンサ７ｃおよびインダクタコイル７Ｌを有する並列共振回路が選択されている。また、共振回路７の共振周波数は、アンテナ２が受信する信号の搬送波よりも低い周波数に設定されている。例えば、受信信号が２．４ＧＨｚである場合にそれよりも低い周波数１０ＭＨｚを共振周波数に設定するといった設定パターンがこれにあたる。

ブリーダ抵抗器９は、応答回路５および電源回路６に供給される交流成分および直流成分の分配比を決定する抵抗器である。ブリーダ抵抗器９の抵抗値の決定に際しては、ブリーダ抵抗器９に印加される電圧、電源回路６に印加される電圧、応答回路５に印加される電圧を比較しながら決定する。なお、ブリーダ抵抗器９の抵抗値は、応答回路５および電源回路６に供給される交流成分および直流成分の分配比、各回路または各回路要素に印加させる電圧をそれぞれどれくらいに設定するかにも関係する。

バイパスコンデンサ８は、不要な高周波成分を接地側にバイパスするコンデンサである。本実施形態のバイパスコンデンサ８は共振回路７の他端に並列に接続されているため、共振周波数よりも高周波側の交流成分を接地側にバイパスするように設定されている。

また、これら共振回路７、ブリーダ抵抗器９およびバイパスコンデンサ８は、インダクタ（Ｌ）、コンデンサ（Ｃ）、抵抗器（Ｒ）を組み合わせてなるＬＣＲ回路になるため、インピーダンス整合回路として機能する。本実施形態においては、これら共振回路７、ブリーダ抵抗器９およびバイパスコンデンサ８が検波回路４と応答回路５との間の接続点または検波回路４と電源回路６との接続点に接続されており、ブリーダ抵抗器９の抵抗値を適切に設定することによって、それらが応答回路５および電源回路６のインピーダンス整合回路として機能する。

次に、本実施形態のトランスポンダ１の作用を説明する。

従来のトランスポンダ１０１Ａ、１０１Ｂは、アンテナ１０２の後段において複数の回路が並列に接続されており、インピーダンス整合が図れないので、適切なインピーダンス整合を図らずにそのまま使用するか、複数の回路に対してそれぞれアンテナ１０２を設けてインピーダンス整合を図っていた。しかし、適切なインピーダンス整合を行なわなければトランスポンダ１０１Ａ、１０１Ｂの受信効率が落ち、アンテナ１０２を複数個設けるとトランスポンダ１０１Ａ、１０１Ｂの大型化につながる。

そこで、本実施形態のトランスポンダ１においては、図１に示すように、応答回路５および電源回路６が従来のように検波回路４に対して並列に接続されているのではなく、その後段に接続されている。また、検波回路４と応答回路５および電源回路６との間には、共振回路７、バイパスコンデンサ８およびブリーダ抵抗器９がそれぞれ所定の位置に並列に接続されている。そのため、検波回路４から出力された復調信号（交流成分）および直流成分について、その復調信号を応答回路５に、その直流成分を電源回路６にそれぞれ分配することができる。また、この分配比はブリーダ抵抗器９の抵抗値によって決定することができる。これにより、アンテナ２とのインピーダンス整合を検波回路４のみに絞ることができるので、アンテナ２の配設個数を増やすことなく、また、少ない回路構成により、検波回路４の入力インピーダンスとアンテナ２の出力インピーダンスを適切にインピーダンス整合することができる。

ここで、本実施形態の電源回路６としては、図１に示すように、直流成分の流れる方向において充電コンデンサ６ｃの前段にダイオード６ｄを接続した充電型回路である。言い換えると、この充電型回路は充電コンデンサ６ｃとブリーダ抵抗器９との間にダイオード６ｄが介在している。そのため、充電コンデンサ６ｃに蓄電された電荷がブリーダ抵抗器９を介して接地電極に流出してしまうことを防止することができる。

また、本実施形態の共振回路７としては並列共振回路が選択されており、その共振周波数がアンテナ２の受信信号の搬送波よりも低い２つの水晶振動子５ｑ１、５ｑ２の共振周波数近傍の周波数に設定されている。一方、共振回路７の後段に接続された応答回路５の復調信号および被変調信号の周波数は共振回路７の共振周波数に設定されている。したがって、共振周波数の信号にとっては電源回路６が高インピーダンスの共振回路７を介して接続されている状態になっており、応答回路５から電源回路６が切り離された状態になる。これにより、復調信号のすべてが応答回路５に伝送され、被変調信号のすべてが検波回路４に伝送されるので、検波回路４と応答回路５との間の伝送ロスを小さくすることができる。

この応答回路５としては、図１に示すように、２個の水晶振動子５ｑ１、５ｑ２から生じる各々の発振周波数の変化を利用したセンサ回路が選択されている。このセンサ回路に対して復調信号を一時入力した場合、水晶振動子５ｑ１、５ｑ２は固有振動数で振動を続けるので、復調信号を常時入力する必要がない。その結果、省エネルギーで応答回路５を駆動させることができる。さらに、ＲＦＩＤ用ＩＣ１０の駆動力となる電源回路６に蓄電された電荷は応答回路５以外のＩＣ回路、本実施形態であればＲＦＩＤ用ＩＣ１０に供給することができるので、完全バッテリーレス型またはバッテリを併用するハイブリット型のトランスポンダを形成することができる。タイヤに充填された空気の圧力または温度を測定するＴＰＭＳに利用すれば、完全バッテリーレス型またはバッテリを併用するハイブリット型のＴＰＭＳを形成することができる。

すなわち、本実施形態のトランスポンダによれば、検波回路の後段に応答回路および電源回路が並列に接続されており、アンテナとのインピーダンス整合を前段の検波回路のみに絞ることができるので、入力インピーダンスが最も高くなる検波回路にあわせてインピーダンス整合を行なうことができ、かつ、検波回路から出力された必要な信号を電源回路および応答回路に分配することができるという効果を奏する。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態のトランスポンダはＴＰＭＳとして利用するため、応答回路はタイヤの空気圧及び温度の測定を目的として形成されている。しかし、他の実施形態においては、応答回路はタイヤの空気圧及び温度の測定目的以外にも使用できる。例えば、取扱に注意が必要な薬剤等の液体を応答回路における温度や圧力を測定する対象としてもよい。

本実施形態のトランスポンダを示す等価回路図本実施形態のインピーダンス整合回路の一例を示す等価回路図シェンケル回路（多段型半波整流回路）を示す等価回路図コッククロフト・ウォルトン回路（多段型半波整流回路）を示す等価回路図ディクソン回路（多段型全波整流回路）を示す等価回路図本実施形態のトランスポンダにおいて検波回路となるＶＭＰ回路としてシェンケル回路が選択された場合のトランスポンダを示す等価回路図従来のトランスポンダとしてのＲＦＩＤタグの一例を示すブロック図従来のトランスポンダとしてのＲＦＩＤ付ＴＰＭＳの一例を示すブロック図

符号の説明

１トランスポンダ
２アンテナ
３インピーダンス整合回路
４検波回路
５応答回路
６電源回路
７共振回路
８バイパスコンデンサ
９ブリーダ抵抗器
１０ＲＦＩＤ用ＩＣ

Claims

アンテナと、
前記アンテナが受信した信号を半導体素子に通して検波を行ない、交流成分および直流成分を重畳して出力する検波回路と、
前記アンテナの出力インピーダンスと前記検波回路の入力インピーダンスとを整合するインピーダンス整合回路と、
前記検波回路の後段において並列に接続される応答回路および電源回路と、
前記検波回路と前記応答回路との間の接続点にその一端が並列に接続されており、前記交流成分から所望の周波数の交流成分を復調信号として取り出す共振回路と、
前記共振回路の他端と前記電源回路との間の接続点にその一端が並列に接続されているとともにその他端が接地されており、前記応答回路および前記電源回路に供給される前記交流成分および前記直流成分の分配比を決定するブリーダ抵抗器と、
前記共振回路の他端と前記電源回路との間の接続点にその一端が並列に接続されているとともにその他端が接地されており、不要な高周波成分をバイパスするバイパスコンデンサと
を備えており、
前記共振回路、前記ブリーダ抵抗器および前記バイパスコンデンサは、前記検波回路の出力インピーダンスと前記応答回路の入力インピーダンスとの整合および前記検波回路の出力インピーダンスと前記電源回路の入力インピーダンスとの整合を行なうインピーダンス整合回路として機能する
ことを特徴とするトランスポンダ。
前記共振回路は、並列に接続されているコンデンサおよびインダクタを有する並列共振回路であって前記アンテナが受信する信号の搬送波よりも低い周波数を共振周波数とする回路であり、
前記応答回路は、前記復調信号を入力し、出力信号としての被変調信号の周波数を前記共振周波数にあわせて前記被変調信号を出力するように形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のトランスポンダ。
前記電源回路は、前記電源回路の入力端子となるアノードおよび前記電源回路の出力端子となるカノードを有するダイオードと、前記ダイオードのカソードに並列に接続されている充電コンデンサとを有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトランスポンダ。
前記応答回路は、前記共振周波数の交流成分が入力される水晶振動子を有しており、前記復調信号を一時的に入力して発振した前記水晶振動子の周囲の気圧変化および温度変化によって生じる発振周波数の変化に基づいて、圧力または温度を測定する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のトランスポンダ。
前記応答回路は、タイヤに充填された空気の圧力または温度を測定する
ことを特徴とする請求項４に記載のトランスポンダ。