JP2013221864A - ワイヤレスセンサシステムおよび信号検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通信距離を維持しつつ、センサの検出値を適切に導出する。
【解決手段】ワイヤレスセンサシステム１００は、センサ１１０と信号検出装置１２０とを備え、センサは、送信側コイル１１２および送信側コンデンサ１１４を含んで構成され、信号検出装置は、送信側コイルと電磁気的に結合する受信側コイル１２４、受信側コイルに接続された可変コンデンサ１２６、ならびに、センサ、受信側コイルおよび可変コンデンサの電磁共鳴状態を維持するように可変コンデンサを変化させ、その同調結果を出力する同調回路１２８を含んで構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、検出対象の変化をワイヤレスに検出するワイヤレスセンサシステムおよび信号検出装置に関する。

ワイヤレスセンサは、検出対象の変化を検出するセンサと、そのセンサとワイヤレスに通信を行う信号検出装置とからなる。センサと信号検出装置とは独立しているため、センサの検出素子や送信回路に別途電力を供給する必要がある（例えば、特許文献１）。

このような電力の供給源として商用電源等の有線電源を用いると、センサの設置場所が制限されるとともに、その設置費用が生じることとなる。また、電力の供給源としてバッテリ（蓄電池）を用いると、その分、センサ全体の形状が大きくなり、コストが増大するのみならず、バッテリ交換のための保守費用が生じてしまう。

上記の問題を解決すべく、例えば、ＳＡＷ（表面弾性波）を利用したワイヤレスセンサが提案されている（例えば、特許文献２）。かかる技術では、圧電基板に働く応力を、磁歪効果を通じて検出することができる。しかし、表面弾性波の隆起や信号の伝播を行うためアンテナを大きくしなければならない問題がある。

そこで、電磁誘導を利用したワイヤレスセンサ（例えば、特許文献３）や電磁共鳴（磁場共鳴）を利用したワイヤレスセンサ（例えば、特許文献４）が提案されている。

特開平１０−１３４２８３号公報 特開２００７−３０４０８７号公報 特開昭５９−３２８４号公報 特開２０１１−１９３６６３号公報

しかし、特許文献３に記載された技術では、センサ側の１次コイルと信号検出装置側の２次コイルとが電磁誘導結合を通じて情報を伝達しているので、両者間の通信距離が制限される。また、特許文献４に記載された技術では、電磁共鳴が情報の伝達手段として固定的に用いられており、仮に、センサ側のコイルのインダクタンスやコンデンサの静電容量が変化してしまうと、共振条件が満たされなくなり通信を維持できなくなってしまう。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、通信距離を維持しつつ、センサの検出値を適切に導出可能なワイヤレスセンサシステムおよび信号検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のワイヤレスセンサシステムは、送信側コイルおよび送信側コンデンサを含んで構成され、送信側コイルおよび送信側コンデンサのいずれかが検出対象の変化に応じて変化するセンサと、送信側コイルと電磁気的に結合する受信側コイル、受信側コイルに接続された可変コンデンサ、ならびに、センサ、受信側コイルおよび可変コンデンサの電磁共鳴状態を維持するように可変コンデンサを変化させ、その同調結果を出力する同調回路を有する信号検出装置と、を備える。

同調回路は、受信側コイルおよび可変コンデンサに印加する電圧信号と受信側コイルおよび可変コンデンサに流れる電流信号との位相差、および、電流信号の振幅に基づいて可変コンデンサを変化させてもよい。

ワイヤレスセンサシステムは、受信側コイルの電磁誘導を受け得る位置に配され、受信側コイルに流れる電流信号の周波数を検出する検出用コイルをさらに含んでもよい。

上記課題を解決するために、本発明の信号検出装置は、ワイヤレスに設けられたセンサのコイルと電磁気的に結合する受信側コイルと、受信側コイルに接続された可変コンデンサと、センサ、受信側コイルおよび可変コンデンサの電磁共鳴状態を維持するように可変コンデンサを変化させ、その同調結果を出力する同調回路と、を備える。

以上のように本発明では、通信距離を維持しつつ、センサの検出値を適切に導出することが可能となる。

ワイヤレスセンサシステムを構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。 センサの利用例を説明するための説明図である。 センサ、信号検出装置、表示装置の各機能を示した機能ブロック図である。 同調回路を説明するための回路図である。 同調結果を検出する他の手段を説明するための機能ブロック図である。 同調結果を検出するさらに他の手段を説明するための機能ブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（ワイヤレスセンサシステム１００）
図１は、ワイヤレスセンサシステム１００を構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。ワイヤレスセンサシステム１００は、１または複数のセンサ１１０と、信号検出装置１２０と、表示装置１３０とを含んで構成される。

センサ１１０は、小型かつ移動自在に形成され、検出対象が時々刻々と変化する状態を検出する。また、本実施形態では、センサ自体に電源（バッテリ）を有さず、センサ１１０は、他から電力の供給を受けて動作する。信号検出装置１２０は、電力をセンサ１１０に供給するとともに、センサ１１０で検出された検出対象の状態を、電磁共鳴を利用してワイヤレスに受信し、その検出対象の状態を示す状態値を出力する。本実施形態において、信号検出装置１２０では、同調回路を用いセンサ１１０との電磁共鳴を維持することで通信距離を確保している。ここでは、その通信距離として例えば１ｍ程度を想定している。表示装置１３０は、信号検出装置１２０から出力された状態値を数値化して表示する。

このように、センサ１１０を小型かつ移動自在に形成することで、センサ１１０の設置場所を自由に選定することができ、また、センサ１１０に対する線材の引き回しに困ることもない。さらに、センサ１１０が他から電力の供給を受けて動作する構成により、センサ１１０に対して電源の交換を要さず、保守費用を削減できる。以下、図２を用い、センサ１１０の利用例を２つ挙げる。

（利用例１：温度検出）
図２は、センサ１１０の利用例を説明するための説明図である。図２（ａ）の利用例１では、サーバをマウントするサーバラック１５０ａを複数連ねたサーバラックシステム１５０が示されている。

ここで、センサ１１０は、各サーバラック１５０ａ内の複数箇所に設置され、各箇所の雰囲気温度（検出対象）を検出する。そして、信号検出装置１２０は、各センサ１１０それぞれと電磁共鳴し、各センサ１１０が検出した温度を出力する。そして、表示装置１３０としての管理用コンピュータで、複数箇所の温度を集約し、複数の温度に基づいて冷却装置１５２の冷却制御を行う。

このようなサーバラックシステム１５０では、定点（１点）温度検出に起因する過剰冷却を防止すべく、サーバラック１５０ａ内のサーバや電源等、複数の点それぞれの温度を個別に検出する必要がある。しかし、サーバラック１５０ａの数やサーバラック１５０ａ内で温度検出を要する箇所の総数が多く（例えば万単位）、これを全て有線で接続すると、配線や設置工事の費用が膨大となる。

ここでは、センサ１１０としての安価なＳＡＷセンサをワイヤレスかつ無電源に構成することで、サーバラックシステム１５０に大量のセンサ１１０を適切に配することが可能となる。また、センサ１１０の設置自由度が高いため、再配置も容易となり、レイアウトの変更やサーバの増設にも容易に対応することができる。

また、利用例１では、１の信号検出装置１２０が複数のセンサ１１０の温度検出値を並行して読み出している。これは、例えば、信号検出装置１２０が利用可能な周波数帯域を複数に分割し、その分割した分割周波数帯域を各センサ１１０に排他的に割り当てることで実現できる。そして、信号検出装置１２０は、時分割に、読み出し対象となる分割周波数帯域を切り換え、その分割周波数帯域内で各センサ１１０と同調処理を行うことで各温度検出値を得ることができる。

（利用例２：ｐＨ検出）
また、図２（ｂ）の利用例２では、カプセル型のセンサ１１０を人体１５４の食道や胃に挿入している。ここで、センサ１１０は、人体１５４の胃内におけるｐＨ値を検出する。そして、信号検出装置１２０は、人体１５４の外部においてセンサ１１０と電磁共鳴してセンサ１１０のｐＨ値を出力し、観察者は、表示装置１３０を通じてｐＨ値を確認する。また、ｐＨ値を連続的にサンプルすることで、ｐＨ値の時間推移を確認することもできる。

従来では、ｐＨ値を検出する際、被検者（例えば患者）に、鼻腔からカテーテルを挿入した状態を２４時間といった長時間維持してもらわなければならなかったところ、ここでは、カプセル型のセンサ１１０を飲み込むだけといった、苦痛を伴わない簡易な処理で済むので、被検者の負担を大幅に軽減することが可能となる。

以下、図３の機能ブロック図を用いて、センサ１１０、信号検出装置１２０、表示装置１３０を詳細に説明する。

（センサ１１０）
図３に示すように、センサ１１０は、送信側コイル１１２と、送信側コンデンサ１１４とを含んで構成される。ここでは、送信側コイル１１２および送信側コンデンサ１１４のいずれか一方が検出対象の検出手段となり、検出対象が変化した影響を受けて変化し、その変化した値が検出値となる。

送信側コイル１１２は、螺旋状や渦巻状に巻回した電気素子である。当該送信側コイル１１２が検出手段となる場合、回転角度、非鉄金属、電界、変位、電流、温度、ｐＨ等を検出することができる。

送信側コンデンサ１１４は、静電容量により電荷を蓄える電気素子である。当該送信側コンデンサ１１４が検出手段となる場合、圧力、加速度、変位、振動、フォース（力）、湿度等を検出することができる。例えば、送信側コンデンサ１１４によって圧力を検出する場合において、特開平１１−２４８５７４号公報に示すように、圧力でダイアフラムが撓むと、そのダイアフラムの両側に形成された電極間の静電容量が変化し、圧力に応じた静電容量を得ることができる。

また、上述したように、センサ１１０には電源（バッテリ）が含まれておらず、後述する信号検出装置１２０との電磁共鳴によって検出した値を信号検出装置１２０に伝達する。

（信号検出装置１２０）
図３に示すように、信号検出装置１２０は、電源１２２と、受信側コイル１２４と、可変コンデンサ１２６と、同調回路１２８とを含んで構成される。

電源１２２は当該信号検出装置１２０の各回路を駆動する電力を供給する。また、かかる電力は、電磁共鳴を通じてセンサ１１０にも伝達される。

受信側コイル１２４は、送信側コイル１１２と電磁気的に結合して電磁共鳴を起こす。可変コンデンサ１２６は、受信側コイル１２４に接続され、同調回路１２８の制御信号に応じて静電容量を変化させることが可能である。

本実施形態では、センサ１１０側の送信側コイル１１２および送信側コンデンサ１１４と、信号検出装置１２０側の受信側コイル１２４および可変コンデンサ１２６との組み合わせで電磁共鳴させることを目的としている。このような電磁共鳴が生じると、その共振エネルギーによりセンサ１１０と信号検出装置１２０とが離間している場合であっても、センサ１１０と信号検出装置１２０との間で検出値等の情報を共有することができる。

ここで、送信側コイル１１２や受信側コイル１２４のインダクタンスＬと、送信側コンデンサ１１４や可変コンデンサ１２６の静電容量Ｃと、電磁共鳴における共振周波数ｆ（例えば１ＭＨｚ）との関係は、ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））で表すことができる。

また、上述したように、センサ１１０では、送信側コイル１１２または送信側コンデンサ１１４のいずれか一方のみが変化する。本実施形態では、同調回路１２８による同調処理を通じて可変コンデンサ１２６の静電容量を、送信側コイル１１２または送信側コンデンサ１１４の変化に応じて連続的に変化させ電磁共鳴を維持する。したがって、送信側コンデンサ１１４が検出手段となる場合、可変コンデンサ１２６の静電容量は、送信側コンデンサ１１４の変化後の静電容量に比例することとなる。かかる構成により、センサ１１０と信号検出装置１２０との通信距離を最大限に維持しつつ、送信側コイル１１２または送信側コンデンサ１１４の状態量（インダクタンスまたは静電容量）を、可変コンデンサ１２６を通じて再現することが可能となる。

同調回路１２８は、センサ１１０（送信側コイル１１２および送信側コンデンサ１１４）、受信側コイル１２４、および、可変コンデンサ１２６の組み合わせによる電磁共鳴を維持するように、すなわち、電磁共鳴レベルが最大となるように、または、所定レベル以上となるように、可変コンデンサ１２６の静電容量を連続的に変化させるとともに、受信側コイル１２４に印加する電圧信号の周波数を変化させる。例えば、検出対象の変化に応じて共振周波数が変化した場合、電磁共鳴が生じる静電容量と周波数を新たに決定し、可変コンデンサ１２６にその静電容量を設定するとともに、その周波数の電圧信号を生成する。また、同調回路１２８は、このように同調された同調結果を後段で利用するために、同調結果を外部に出力する。

図４は、同調回路１２８を説明するための回路図である。同調回路１２８は、電流検出器１７０、増幅器１７２ａ、１７２ｂ、Ａ／Ｄコンバータ１７４ａ、１７４ｂ、マイコン１７６、Ｄ／Ａコンバータ１７８、バイアス抵抗１８０、掃引信号発生器１８２、加算器１８４を含んで構成される。また、可変コンデンサ１２６は、具体的に、固定コンデンサ１９０と、バリキャップダイオード１９２とを含んで構成される。

まず、同調回路１２８は、電流検出器１７０を通じて受信側コイル１２４および可変コンデンサ１２６に流れる電流信号を検出し、その電流信号を増幅器１７２ａで増幅し、Ａ／Ｄコンバータ１７４ａでデジタル値に変換してからマイコン１７６に取り込む。

マイコン１７６では、受信側コイル１２４および可変コンデンサ１２６に流れる電流信号およびＡ／Ｄコンバータ１７４ｂで取得した電圧信号の位相差、ならびに、その電流信号の振幅に基づき、電磁共鳴を維持できるように、可変コンデンサ１２６の静電容量と、上記電圧信号の周波数とを決定する。

このようにしてマイコン１７６で決定された静電容量は、バイアス電圧としてＤ／Ａコンバータ１７８から出力されることで、バイアス抵抗１８０を通じてバリキャップダイオード１９２に設定される。こうして、可変コンデンサ１２６では、固定コンデンサ１９０とバリキャップダイオード１９２とによって、決定された静電容量を実現する。

また、マイコン１７６で設定された周波数は、ＰＬＬ等で構成され高周波数の掃引信号を出力する掃引信号発生器１８２に伝達され、その周波数の電圧信号に変換される。そして、加算器１８４によりＤ／Ａコンバータ１７８から出力されたバイアス電圧を加算し、直流分のオフセットを除去した後、増幅器１７２ｂを通じて受信側コイル１２４に印加される。

このようにして、受信側コイル１２４および可変コンデンサ１２６に印加される電圧信号の周波数、および、可変コンデンサ１２６の静電容量が調整され、電磁共鳴を維持することができる。

また、ここでは、同調回路１２８の同調結果として、Ｄ／Ａコンバータ１７８で出力されるバイアス電圧を用いている。ただし、同調結果は、同調回路１２８自体から検出する場合に限らず、様々な検出手段を採用することができる。

（同調結果を検出する他の手段１）
図５は、同調結果を検出する他の手段を説明するための機能ブロック図である。ここでは、同調回路１２８からの出力の代わりに、当該信号検出装置１２０の閉回路、例えば、受信側コイル１２４から交流の電圧信号を抽出する。

ここでは、電圧信号の周波数（電磁共鳴の共振周波数）から、可変コンデンサ１２６の静電容量を逆算し、その静電容量を同調結果としてもよいし、周波数そのものを同調結果としてもよい。

（同調結果を検出する他の手段２）
図６は、同調結果を検出するさらに他の手段を説明するための機能ブロック図である。ここでは、同調回路１２８からの出力の代わりに、別途、検出用コイル１６０を設けている。かかる検出用コイル１６０は、受信側コイル１２４の電磁誘導を受け得る位置、例えば、受信側コイル１２４と巻回軸を等しくして配され、受信側コイル１２４に流れる電流信号の周波数を検出する。

ここでは、電圧信号の周波数から、可変コンデンサ１２６の静電容量を逆算し、その静電容量を同調結果としてもよいし、周波数そのものを同調結果としてもよい。かかる検出用コイル１６０は、本回路である当該信号検出装置１２０の回路と磁気的に独立しているので、本回路に影響を与えることなく同調結果を得ることができる。

（表示装置１３０）
図３に戻り、表示装置１３０は、Ａ／Ｄコンバータ１３２と、記憶部１３４と、中央制御部１３６と、表示部１３８とを含んで構成される。

Ａ／Ｄコンバータ１３２は、信号検出装置１２０においてアナログ出力された同調結果をデジタル値に変換する。記憶部１３４は、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、中央制御部１３６の各機能部の処理に必要な種々の情報、例えば、変換テーブルを記憶する。

ここで、変換テーブルは、例えば、信号検出装置１２０における同調回路１２８のＤ／Ａコンバータ１７８の出力（同調結果）と、センサ１１０の検出対象の換算値とを一意に対応付けたものである。かかる対応付けは、センサ１１０における送信側コイル１１２または送信側コンデンサ１１４の仕様等を勘案して予め設定しておく。

中央制御部１３６は、ＣＰＵを含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して表示装置１３０全体を管理および制御する。また、中央制御部１３６は、記憶部１３４に記憶された変換テーブルを参照し、Ａ／Ｄコンバータ１３２で読み出した同調回路１２８のＤ／Ａコンバータ１７８の出力に基づいて検出対象の換算値を特定する。

例えば、同調回路１２８のＤ／Ａコンバータ１７８の出力が１Ｖであった場合、検出対象である温度が３０℃といったように、その出力から検出対象を一意に特定することが可能となる。そして、中央制御部１３６は、このようにして特定された検出対象の換算値を表示部１３８に表示する。

表示部１３８は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等で構成され、中央制御部１３６の制御指令に応じて様々な画像を表示する。

以上、説明したように、ワイヤレスセンサシステム１００によれば、同調回路１２８によりセンサ１１０と信号検出装置１２０とが磁気共鳴する状態を維持できるので、電磁誘導を用いた場合と比較して長い通信距離を維持しつつ、センサ１１０の検出値を適切に導出することが可能となる。ここでは、磁気的な共振現象を利用してワイヤレスセンシングが実現されるので、アンテナの大型化を招くこともない。

また、センサ１１０個々に電源を設ける必要もないので、センサ１１０の小型化、低コスト化を実現でき、その保守費用も削減することができる。さらに、ワイヤレスに構成することで、配線や設置工事の費用も不要となり、再配置等、設計自由度が高くなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、信号検出装置１２０における同調結果をアナログ信号で出力し、それを表示装置１３０のＡ／Ｄコンバータ１３２でデジタル化して表示する例を挙げて説明したが、デジタル化は必須ではなく、例えば、制御のフィードバック系に、信号検出装置１２０におけるアナログ信号をそのまま利用することもできる。

本発明は、検出対象の変化をワイヤレスに検出するワイヤレスセンサシステムおよび信号検出装置に利用することができる。

１００ …ワイヤレスセンサシステム
１１０ …センサ
１１２ …送信側コイル
１１４ …送信側コンデンサ
１２０ …信号検出装置
１２４ …受信側コイル
１２６ …可変コンデンサ
１２８ …同調回路
１６０ …検出用コイル

Claims (4)

1. 送信側コイルおよび送信側コンデンサを含んで構成され、該送信側コイルおよび該送信側コンデンサのいずれかが検出対象の変化に応じて変化するセンサと、
   前記送信側コイルと電磁気的に結合する受信側コイル、該受信側コイルに接続された可変コンデンサ、ならびに、前記センサ、該受信側コイルおよび該可変コンデンサの電磁共鳴状態を維持するように該可変コンデンサを変化させ、その同調結果を出力する同調回路を有する信号検出装置と、
   を備えるワイヤレスセンサシステム。
2. 前記同調回路は、前記受信側コイルおよび前記可変コンデンサに印加する電圧信号と該受信側コイルおよび該可変コンデンサに流れる電流信号との位相差、および、該電流信号の振幅に基づいて該可変コンデンサを変化させることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスセンサシステム。
3. 前記受信側コイルの電磁誘導を受け得る位置に配され、該受信側コイルに流れる電流信号の周波数を検出する検出用コイルをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレスセンサシステム。
4. ワイヤレスに設けられたセンサのコイルと電磁気的に結合する受信側コイルと、
   前記受信側コイルに接続された可変コンデンサと、
   前記センサ、前記受信側コイルおよび前記可変コンデンサの電磁共鳴状態を維持するように該可変コンデンサを変化させ、その同調結果を出力する同調回路と、
   を備えることを特徴とする信号検出装置。

Images