JP2012008748A - 無線式センサシステム、パッシブセンサ、および無線式センサシステムによる物理量計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】各パッシブセンサを個別に識別可能でありながら、且つ小型に形成できる無線式センサシステムを実現する。
【解決手段】親機20は、パッシブセンサ10へ励起信号を送信する。パッシブセンサ10は、励起信号により、感知する物理量Tに応じた共振周波数fpの共振信号を発生し、親機20へ送信する。関連情報記録媒体30Aはバーコード等からなり、パッシブセンサ10の識別IDや患者識別ID等の関連情報が記録されている。親機20は、上記計測処理とともに、関連情報記録媒体40を関連情報読取部26で読み取り、関連情報を取得する。親機20は、共振信号を用いて物理量を算出し、当該物理量を関連情報に関連付けして表示する。
【選択図】図2
【解決手段】親機20は、パッシブセンサ10へ励起信号を送信する。パッシブセンサ10は、励起信号により、感知する物理量Tに応じた共振周波数fpの共振信号を発生し、親機20へ送信する。関連情報記録媒体30Aはバーコード等からなり、パッシブセンサ10の識別IDや患者識別ID等の関連情報が記録されている。親機20は、上記計測処理とともに、関連情報記録媒体40を関連情報読取部26で読み取り、関連情報を取得する。親機20は、共振信号を用いて物理量を算出し、当該物理量を関連情報に関連付けして表示する。
【選択図】図2
Description
本発明は、物理量を検知して所定信号を発生するパッシブセンサと、パッシブセンサに対して無線通信する親機とを備え、親機側で物理量を算出する無線式センサシステム、および該無線式センサシステムを用いた物理量計測方法に関する。
従来、所定の物理量(温度、圧力等)を計測するシステムとして、特許文献1に示すように、SAW共振子を備えたパッシブセンサを用いたものがある。このようなシステムでは、パッシブセンサの識別のために、SAW共振子を構成するセンシング用のIDT電極に併設して、所定の電極パターンからなるID識別パターンが形成されている。
しかしながら、特許文献1に記載のシステムでは、物理量を計測する目的以外に、SAW共振子よりも大きな所定面積を必要とするような電極パターンをパッシブセンサに設けなければならない。このため、一文字程度のデータ量ではなく、多くの情報量を含ませる場合には電極パターンを形成する面積が大幅に大きくなってしまう。これにより、パッシブセンサの形状が大きくなってしまう。
したがって、本発明の目的は、各パッシブセンサを個別に識別可能でありながら、且つ小型に形成できる無線式センサシステムを実現することにある。
この発明は、パッシブセンサを用いた無線式センサシステムに関する。この無線式センサシステムでは、パッシブセンサ、関連情報記録媒体、および親機を備える。パッシブセンサは、外部からの励起信号により、被検知体の発する物理量に応じた周波数の共振信号を出力するセンサ素子を備える。関連情報記録媒体には、パッシブセンサに関連する情報が記録されている。親機は、パッシブセンサから無線方式により共振信号を受信して該共振信号に準じて物理量を算出する。親機は、関連情報記録媒体からパッシブセンサの関連情報を読み出し、パッシブセンサと算出された物理量とを関連付けして出力もしくは記録する。そして、センサ素子と関連情報記録媒体とが別体で形成されている。
具体的に、この発明の無線式センサシステムでは、関連情報記録媒体は光学的方法により認識可能な媒体である。さらに、具体的には、関連情報記録媒体はバーコード等の一次元シンボルもしくはQRコード(登録商標)等の二次元シンボルによって形成されている。
この構成では、センサ素子毎に別体で、関連情報記録媒体を備えることで、親機によって、センサ素子の関連情報記録媒体の双方にアクセスすれば、センサ素子の出力信号とセンサ素子(パッシブセンサ)を識別するための関連情報とを、関連付けすることができる。これにより、例えば、センサ素子の出力信号に基づいて算出される物理量とセンサ素子で検知を行う被検知体とを関連付けした状態で、出力もしくは記録できる。この際、一次元バーコードや二次元バーコードを用いることで、或程度の情報量(例えば、被検知体が患者であれば、患者ID等の程度からなる情報量)以上の情報を保持しながら省スペース化が可能になる。
また、この発明の無線式センサシステムでは、関連情報記録媒体は、RFID−ICである。
この構成では、関連情報記録媒体がRFID−ICとなることで、小型でありながら、さらに多くの関連情報を記録しておくことができる。
また、この発明の無線式センサシステムでは、親機は、センサ素子と関連情報記録媒体に対して、単一のアンテナを用いた通信を行う。
この構成では、親機を小型化することができる。
また、この発明は、無線式センサシステムに用いるパッシブセンサに関する。このパッシブセンサは、関連情報記録媒体がセンサ素子と同じベース基材に備えられている。
この構成では、関連情報記録媒体がパッシブセンサに対して一体に形成されている。これにより、パッシブセンサ(センサ素子)と関連情報記録媒体との関係が分かりやすい。
また、この発明のパッシブセンサは、関連情報記録媒体がセンサ素子と同じベース基材に備えられ、センサ素子と関連情報記録媒体との両方に接続する共通のアンテナを備える。
この構成では、パッシブセンサに関連情報記録媒体を一体に形成しながらも、パッシブセンサを小型化することができる。
また、この発明は、上述の無線式センサシステムを用いた物理量計測方法に関する。この物理量計測方法は、パッシブセンサにより被検知体の発する物理量に応じた周波数の共振信号を出力する工程を有する。物理量計測方法は、パッシブセンサに関連する情報が記録された関連情報記録媒体から親機が関連情報を読み出す。物理量計測方法は、親機が共振信号に準じて物理量を算出する。物理量計測方法は、親機が関連情報と算出された物理量とを関連付けして出力もしくは記録する。
この方法では、物理量とパッシブセンサひいては被検知体との関連性が分かる状態で、物理量を出力もしくは記録することができる。
この発明によれば、各パッシブセンサを大型化することなく、各パッシブセンサを個別に識別可能な無線式センサシステムを実現することができる。
本発明の第1の実施形態に係る無線式センサシステムについて、図を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る無線式センサシステム1の構成を示すブロック図である。
<構成説明>
無線式センサシステム1は、パッシブセンサ10と親機20とを備える。パッシブセンサ10と親機20とは、電磁界結合もしくは電波の送受信による通信を行う。なお、通信様式は、電磁界結合に限らず、電磁誘導や電波の放射によるものであってもよい。
無線式センサシステム1は、パッシブセンサ10と親機20とを備える。パッシブセンサ10と親機20とは、電磁界結合もしくは電波の送受信による通信を行う。なお、通信様式は、電磁界結合に限らず、電磁誘導や電波の放射によるものであってもよい。
パッシブセンサ10は、アンテナ11、本願の「センサ素子」に対応する水晶振動子12、バーコード30を備える。なお、本発明では、センサ素子として、水晶振動子を用いているが、圧電共振子、SAW共振子、音叉型共振子等、検知する物理量(温度、磁気強度等)に応じて、共振周波数が変化するものであれば、他のものを用いてもよい。
アンテナ11は、電磁界結合方式であれば、巻回状に形成されたコイル電極によって実現され、電波の送受波方式であれば、例えばダイポールアンテナによって実現される。いずれの方式であっても、アンテナ11は、通信に利用する周波数帯域に応じた形状(電極長等)で形成されている。アンテナ11は、親機20の親機側アンテナ24からの励振信号SpLを受波して、水晶振動子12へ与える。アンテナ11は、水晶振動子12から出力される共振信号Sfpを外部放射する。この放射された共振信号Sfpを親機側アンテナ24で受波することで、共振信号Sfpは、パッシブセンサ10のアンテナ11から親機20の親機側アンテナ24へ伝送される。
水晶振動子12は、例えばYsカットで所定厚みに設定された水晶単結晶に電極パターンを形成したものである。そして、厚み等を変化させることで、共振周波数が決定される。
水晶振動子12は、所定の物理量(本実施形態では温度Tを例にする)を感知して、感知した温度Tに応じた共振周波数で発振する特性を有する。したがって、上述のように、アンテナ11から、パルス状の励振信号SpLを受けると、水晶振動子12は、感知した温度Tに応じた共振周波数で残響共振し、共振信号Sfpを出力する。共振信号Sfpは、アンテナ11へ出力される。
バーコード30は、本願発明の「関連情報記録媒体」に相当し、アンテナ11および水晶振動子12が配設されるパッシブセンサ10の基材(例えばベース基板)上に水晶振動子とは別体に印刷されている。バーコード30には、当該パッシブセンサ10を識別するための情報が記録されている。例えば、バーコード30には、当該パッシブセンサ10に対して個別且つ一意に設定された識別IDや、当該パッシブセンサ10を利用する患者の患者識別ID等が記録されている。
親機20は、制御部21、送信信号生成部22、送受信部23、親機側アンテナ24、計測部25、関連情報読取部26、および表示部27、操作部28を備える。
制御部21は、親機20の全体制御を行うとともに、関連情報読取モード、計測モード(送信モードおよび受信モード)の切り替え等の制御を行う。これらの制御は、例えば操作部28からの操作入力内容に基づいて実行される。
送信信号生成部22は、制御部21からの送信モード開始制御にしたがって、パルス状の励振信号SpLを生成し、送受信部23へ出力する。
送受信部23は、送信信号生成部22からの励振信号SpLを親機側アンテナ24へ出力し、親機側アンテナ24からの共振信号Sfpを計測部25へ出力する。親機側アンテナ24は、パッシブセンサ10のアンテナ10と同様に、仕様に応じて平板状のコイル電極によるアンテナや、ダイポールアンテナによって実現される。
計測部25は、周波数変換部251、物理量検出部252、および記憶部252を備える。周波数変換部251は、共振信号Sfpを周波数解析し、共振周波数fpを検出する。
記憶部253には、温度に対する周波数特性(温度−周波数特性)が記憶されている。
物理量検出部252は、前記記憶部253からの温度−周波数特性と、周波数変換部251からの共振周波数とを比較し、当該共振周波数に対応する温度を読み出すことで、温度Tを算出する。
関連情報読取部26は、光学式読取機(バーコードリーダ等)からなり、パッシブセンサ10のバーコード30を読み取り、関連情報を取得する。関連情報読取部26は、取得した関連情報を計測部25へ与える。
計測部25は、算出した温度Tと関連情報とを関連付けして、表示部27へ出力する。例えば、計測部25は、算出した温度Tとパッシブセンサ10の識別IDとを関連付けして出力する。また、計測部25は、算出した温度Tと患者識別IDとを関連付けして出力する。
表示部27は、液晶ディスプレイ等からなり、計測部25で算出された温度と、関連情報(パッシブセンサの識別IDや患者識別ID)とを、その関連性が分かりやすいように、表示する。例えば、表示部27は、パッシブセンサの識別IDや患者識別IDと、計測温度とを同じ画面の同じ枠内に表示する。
<計測処理の説明>
次に、上述の構成による計測方法について図を参照して説明する。図2は、本実施形態の無線式センサシステムを用いた計測方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、計測処理前に関連情報の取得をしているが、計測処理後に関連情報を取得してもよい。
次に、上述の構成による計測方法について図を参照して説明する。図2は、本実施形態の無線式センサシステムを用いた計測方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、計測処理前に関連情報の取得をしているが、計測処理後に関連情報を取得してもよい。
まず、親機20は、関連情報取得モードを開始する(S101)。これにより、親機20の関連情報読取部26は、パッシブセンサ10に印字されたバーコード30を読み取る(S102)。親機20の関連情報読取部26は、バーコード30に基づいて関連情報を取得する。
次に、親機20は、計測モードに移行し(S103)、送信モードを開始する(S104)。親機20は、パルス状の励振信号SpLを送信する(S105)。親機20は、励振信号SpLの送信後、受信モードに切り替わる(S106)。
パッシブセンサ10は、励振信号SpLを受信する(図4:S201)。パッシブセンサ10の水晶振動子12は、励振信号SpLで励振し、被検知体である患者の体温に応じた共振周波数で発振し、共振信号Sfpを出力する(S202)。パッシブセンサ10は、共振信号Sfpを送信する(S203)。
親機20は、共振信号Sfpを受信し(S107)、当該共振信号Sfpの周波数解析を行い、共振周波数fpを検出する(S108)。
親機20は、検出した共振周波数fpと、予め記憶している温度−周波数特性とに基づいて、計測体温を算出する(S109)。
親機20は、関連情報取得時に取得したパッシブセンサ10もしくは患者を識別する関連情報と計測体温とを表示する(S110)。
以上のような構成および処理を用いることで、パッシブセンサ10および患者を個別に識別しながら、温度計測を行うことができる。この際、上述のように、バーコード30を用いれば、比較的小さな面積において、記号1個や2個ですまない、比較的大きなデータ量の情報を保持することができる。これにより、特許文献1で用いられていた、電極パターンからなるID識別パターンに対して、パッシブセンサ10を大きくすることなく、個別識別情報に関連付けられた物理量の無線による計測が可能になる。
なお、上述の実施形態では特に言及していなかったが、バーコード30は、一次元バーコードや二次元バーコード(例えばQRコード(登録商標))を用いれば良い。特に、二次元バーコードを用いれば、パッシブセンサ10をより小さく形成しながら、より多くの関連情報を記録しておくことができる。
次に、第2の実施形態に係る無線式センサシステムについて、図を参照して説明する。図3は本実施形態に係る無線式センサシステム1’の構成を示すブロック図である。
本実施形態の無線式センサシステム1’では、第1の実施形態に示したバーコード30と同じ機能を有する関連情報記録媒体30Aを、パッシブセンサ10とは別体で形成している。他の構成は、第1の実施形態に示す無線式センサシステム1と同じである。
このような構成は、具体的には、患者がパッシブセンサ10を装着しており、関連情報記録媒体30Aが患者の寝るベッドに装着されている状況に用いられる。
このような構成であっても、第1の実施形態と同様に、個別識別情報に関連付けられた物理量(本実施形態では患者の体温)の計測を、無線により容易に行うことができる。
さらに、本実施形態の構成を用いれば、パッシブセンサ10には、体温Tの計測に必要な水晶振動子12と、無線通信用のアンテナ11とだけを形成すればよい。これにより、パッシブセンサ10を、さらに小型に、具体的には、計測機能を有する最小の形状に形成することができる。
次に、第3の実施形態に係る無線式センサシステムについて、図を参照して説明する。図4は本実施形態に係る無線式センサシステム1Aの構成を示すブロック図である。本実施形態の無線式センサシステム1Aでは、SAW共振子12Aを用いるとともに、関連情報記録媒体40としてRFID−ICを用いている。また、本実施形態では、第2の実施形態に示すように、パッシブセンサ10Aと関連情報記録媒体40とは、別体形成されている。したがって、以下では、第1、第2の実施形態と異なる点についてのみ詳細に説明する。
関連情報記録媒体40は、RFID−ICがベース基材上に配設されたRFIDタグによって形成される。RFIDタグには、無線通信用のアンテナ(図示せず)が形成されている。RFID−ICには、関連情報として、上述のパッシブセンサの識別IDや患者識別IDとともに、パッシブセンサの特性情報が記録されている。
ここで、パッシブセンサの特性情報について図5を参照して説明する。図5はパッシブセンサ(SAW共振子)のグループ分類概念と特性情報との関係を説明するための図であり、図5(A)がグループ分類概念を示し、図5(B)が各グループの温度−周波数特性を示す。
パッシブセンサ10Aに用いるSAW共振子12Aは、製造プロセスのバラツキにより、共振周波数fpにバラツキが生じる。したがって、単一の温度−周波数特性を用いると、計測体温にも同等のバラツキが生じる。このため、まず、SAW共振子12Aの共振周波数fpを個別に測定する。次に、計測誤差に基づく周波数誤差幅Δfqと、設定した目標周波数とを基準に、周波数誤差幅Δfq毎にグループGrA−GrEを設定する。次に、SAW共振子12A単体で測定した共振周波数fpに基づいて、当該SAW共振子12Aをグループ分類する。
ここで、SAW共振子は、図5(B)に示すように、温度に対して周波数が線形に変化するので、この特性を利用し、各グループGrA−GrEに対応させて温度−周波数特性からなる特性情報FTa−FTeを設定する。
次に、測定したSAW共振子12Aに応じた特性情報FT(FTa−FTeのいずれか)を、当該SAW共振子12Aを有するパッシブセンサ10に対応するRFID−ICへ書き込む。
このような特性情報はデータ量が大きくなるが、RFID−ICは、このような比較的データ量の大きな情報であっても記憶でき、さらに、同じデータ量であれば、バーコード30等と比較して大幅に小さくできる。
関連情報記録媒体40が上述のような構成の場合、親機20Aは、次に示す構成を備える。
親機20Aは、関連情報読取部26に替えて、リクエスト信号生成部51と関連情報解析部52とを備える。
リクエスト信号生成部51は、制御部21Aから関連情報取得制御を受け付けると、所定周波数からなるリクエスト信号Srqを生成し、送受信部23Aへ出力する。
送受信部23Aには、スイッチ(SW)231が備えられており、関連情報取得時には、リクエスト信号Srqを親機側アンテナ24へ送信する。ここで、図6に示すように、リクエスト信号Srqの周波数frqと、応答信号Sanの周波数fanとを、SAW共振子12の共振周波数と同じ周波数帯域に設定することで、関連情報取得のための通信と、計測のための通信とを、一つの親機側アンテナ24で実現することができる。図6は、チャンネルによる帯域分割の概念を示す図である。これにより、パッシブセンサ10Aおよび親機20Aの小型化が可能になる。さらに、図6に示すように、同じ周波数帯域であっても、異なるチャンネル(局部帯域)を用いることで、共振信号Sfpと、リクエスト信号Srqおよび応答信号Sanとの混信を防止することができる。
また、送受信部23Aは、関連情報取得時には応答信号Sanを受信して、関連情報解析部52へ出力する。
なお、送受信部23Aは、送信モード時には、上述のように送信信号生成部22からの励起信号SpLを親機側アンテナ24へ出力し、親機側アンテナ24からの共振信号Sfpを計測部25へ出力する。
関連情報解析部52は、応答信号Sanを解析して、パッシブセンサ10Aの特性情報を含む関連情報を取得する。関連情報解析部52は、関連情報を計測部25へ出力する。
計測部25は、関連情報の特性情報FTa−FTeと、共振信号Sfpの共振周波数fpとを用いて温度を算出する。このように、パッシブセンサ10Aに個別に設定された特性情報を用いて温度を算出することで、より高精度な体温計測を行うことができる。
次に、本実施形態の構成による計測方法について、図7を用いて説明する。図7は本実施形態に係る計測処理を示すフローチャートである。
まず、親機20Aは、計測モードを開始し(S301)、パルス状の励起信号SpLを送信する(S302)。親機20Aは、励起信号SpLの送信後、受信モードへ切り替わる(S303)。
パッシブセンサ10Aは、励振信号SpLを受信する(S201)。パッシブセンサ10AのSAW共振子12Aは、励振信号SpLで励振し、被検知体である患者の体温に応じた共振周波数で発振して共振信号Sfpを出力する(S202)。パッシブセンサ10Aは、共振信号Sfpを送信する(S203)。
親機20Aは、共振信号Sfpを受信し(S304)、当該共振信号Sfpの周波数解析を行い、共振周波数fpを検出する(S305)。
親機20Aは、当該共振周波数fpが、使用周波数帯域のどのチャンネルに該当するかを検出する。さらに、親機20Aは、使用周波数帯域の他のチャンネルにおける空き状況をセンシングする(S306)。
親機20Aは、検出した空きチャンネルの周波数でリクエスト信号Srqを生成し、親機側アンテナ24から送信する(S307)。
関連情報記録媒体40は、リクエスト信号Srqを受信する(S401)。関連情報記録媒体40のRFID−ICは、リクエスト信号Srqで起動し、自身の関連情報を含む応答信号Sanを生成する。関連情報記録媒体40は、応答信号Sanをアンテナから送信する(S402)。
親機20Aは、応答信号Sanを受信する(S308)。親機20Aは、応答信号Sanを解析し、関連情報であるパッシブセンサ10Aの識別ID、患者識別ID、特性情報FTを取得する(S309)。
親機20Aは、検出した共振周波数fpと、取得した特性情報FTとに基づいて、体温を算出する(S310)。
親機20Aは、識別IDや患者識別IDとともに計測体温を表示する(S311)。
このような構成および方法であっても、パッシブセンサや被検知体を識別する情報に関連付けられた物理量の無線による計測が可能になる。さらに、本実施形態のように、RFID−ICを用いることで、さらに多くの関連情報を物理量とともに提供することができる。
なお、本実施形態では、RFID−ICを備える関連情報記録媒体40を、パッシブセンサ10Aと別体で形成する例を示したが、RFID−ICをパッシブセンサ10Aに実装してもよい。
この場合、パッシブセンサ10Aのベース基材上にRFID−ICを実装し、アンテナ11に接続する構成を用いればよい。このような構成であっても、RFID−ICは小さいので、パッシブセンサ10Aを比較的小型にしながら、関連情報に関連付けして物理量の計測を行うことができる。さらに、SAW共振子12AとRFID−ICとで、アンテナ11を共有することで、さらにパッシブセンサ10Aを小型化することができる。
なお、上述の説明では、関連情報と物理量を関連付けして表示する例を具体的に示したが、これらの情報を、所定の記憶媒体に記憶しても良い。このような計測、記憶処理を定期的に実行することで、例えば、上述の患者の体温を計測するような場合であれば、記憶媒体に、患者毎の体温を容易に且つ統計的に記憶することができる。
1,1A−無線式センサシステム、10,10A−パッシブセンサ、11−アンテナ、12−水晶振動子、12A−SAW共振子、20,20A−親機、21,21A−制御部、22−送信信号生成部、23,23A−送受信部、24−親機側アンテナ、25−計測部、251−周波数変換部、252−物理量検出部、253−記憶部、26−関連情報読取部、27−表示部、28−操作部、30−バーコード、30A,40−関連情報記録媒体、51−リクエスト信号生成部、52−関連情報解析部、
Claims (8)
- 外部からの励起信号により、被検知体の発する物理量に応じた周波数の共振信号を出力するセンサ素子を備えたパッシブセンサと、
該パッシブセンサに関連する情報が記録された関連情報記録媒体と、
前記パッシブセンサから無線方式により共振信号を受信して該共振信号に準じて前記物理量を算出し、前記関連情報記録媒体から前記パッシブセンサの関連情報を読み出し、前記パッシブセンサと前記算出された物理量とを関連付けして出力もしくは記録する親機と、
を備え、前記センサ素子と前記関連情報記録媒体が別体とされている、無線式センサシステム。 - 請求項1に記載の無線式センサシステムであって、
前記関連情報記録媒体は、光学的方法により認識可能な媒体であり、
前記親機は、光学的読み取り手段を備える、無線式センサシステム。 - 請求項2に記載の無線式センサシステムであって、
前記関連情報記録媒体は、一次元シンボルもしくは二次元シンボルによって形成されている、無線式センサシステム。 - 請求項1に記載の無線式センサシステムであって、
前記関連情報記録媒体は、RFID−ICである、無線式センサシステム。 - 請求項4に記載の無線式センサシステムであって、
前記親機は、前記センサ素子と前記関連情報記録媒体に対して、単一のアンテナを用いた通信を行う、無線式センサシステム。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の無線式センサシステムに用いるパッシブセンサであって、
前記関連情報記録媒体は、前記センサ素子と同じベース基材に備えられている、パッシブセンサ。 - 請求項4または請求項5のいずれか一項に記載の無線式センサシステムに用いるパッシブセンサであって、
前記関連情報記録媒体は、前記センサ素子と同じベース基材に備えられ、
前記センサ素子と前記関連情報記録媒体との両方に接続する共通のアンテナを備える、パッシブセンサ。 - パッシブセンサにより、被検知体の発する物理量に応じた周波数の共振信号を出力する工程と、
該パッシブセンサに関連する情報が記録された関連情報記録媒体から親機が関連情報を読み出す工程と、
前記親機が前記共振信号に準じて前記物理量を算出する工程と、
前記親機が前記関連情報と前記算出された物理量とを関連付けして出力もしくは記録する工程と、
を有する、物理量計測方法。
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