JP2016157356A - 無線センサ端末 - Google Patents

Abstract

【課題】自立電源として太陽電池モジュールを備え、過酷な外部環境に曝される無線センサ端末において、センサの検知出力を良好に無線送信することができる。【解決手段】太陽電池モジュールに接続され、電源電圧を生成する電源回路と、電源回路からの電源電圧を受けて検知対象属性を検知するセンサと、センサの検知信号を無線送信信号に変換する無線送信信号生成回路と、無線送信信号を電波として放射するアンテナとを備える。パッケージは、壁部に囲まれた凹部を備え、この凹部に、電源回路と、センサと、線送信信号生成回路とが、太陽電池モジュールにより覆われるように配置されると共に、壁部内にアンテナが埋め込まれて設けられる。太陽電池モジュールが受ける外光側から見たときに、太陽電池モジュールが外光を受ける面と、壁部とは、互いに重ならない領域とされる。パッケージの凹部を覆うように蓋部が接合されて高気密構造とされる。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば橋梁などの高温、多湿、塩害などの過酷な外部環境に長期にわたって曝される場所に取り付けられる場合に使用して好適な無線センサ端末に関する。

例えば橋梁、トンネル、道路付帯物、法面などの道路インフラの保全のために、それら橋梁等に無線センサ端末を設置して、その無線センサ端末から送られてくるセンサ出力を収集するセンサネットワークシステムが考えられている。

この種の無線センサ端末は、高温、多湿、塩害などの過酷な外部環境に長期にわたって曝される場所に取り付けられることになるので、高耐久性パッケージ構造であることが要求される。

この種の無線センサ端末として、例えば特許文献１（特開２０１３−１２２７１８号公報）には、セラミックからなるパッケージを用いて密閉型の構造とした無線センサノードが提案されている。すなわち、この特許文献１に開示される無線センサノードにおいては、図１１に示すように、複数のセラミック層が積層されて構成されたパッケージ２０の空洞部に、発電素子からなる電力生成手段３０と、加速度センサ３４と、加速度センサ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が収納されている。そして、蓋部材２１がパッケージ２０と一体的に接合されることで、空洞部を気密封止する構成となっている。特許文献１には、蓋部材２１は、金属製とされる場合のほか、セラミックで構成される場合もあることが記載されている。

この特許文献１の無線センサノードは、セラミックによって、気密構造としたパッケージを用いることにより、設置場所の外部環境に対する耐性を有し、外部電源に依存しないという特徴を有する。

特開２０１３−１２２７１８号公報

特許文献１に開示されている無線センサノードでは、自立電源として振動発電素子を用いている。しかし、振動発電素子では、振動が得られない設置場所では、発電ができない。そこで、想定される外部環境においては、日照が得られることが殆どであるから、発電素子として、太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールを用いることが考えられる。その場合には、太陽電池モジュールは、できるだけ効率良く受光できるように、受光面ができるだけ大きい面積であることが望まれる。

例えば特許文献１に記載の無線センサノードにおいて、太陽電池モジュールを発電素子として設けるようにする場合には、パッケージの内部を覆う板面部分を透光性の材料とすると共に、当該板面部分を透過してくる光をできるだけ受光するように、太陽電池モジュールはパッケージ内部を覆うように配置するのがよい。

しかしながら、特許文献１では、アンテナがパッケージの内部の空洞部内に設けられている。太陽電池モジュールは、アンテナに対しては、送受信電波に対する阻害素子となるので、アンテナが配設されている領域には、太陽電池モジュールを配設することはできない。このため、太陽電池モジュールの受光面が、その分、小さくなってしまうという問題がある。

特許文献１の図５には、パッケージのリッドの裏側にアンテナが配設されている例も示されている。しかし、この場合には、アンテナが太陽電池モジュールの受光面よりも光入射側に設けられることになるので、アンテナが太陽電池モジュールの受光面への入射外光を遮断してしまい、太陽電池モジュールの受光面の全体を有効に使用できないという問題がある。

この発明は、以上の問題点を解決することができるようにした無線センサ端末を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、
太陽電池モジュールと、
前記太陽電池モジュールに接続され、電源電圧を生成する電源回路と、
前記電源回路からの電源電圧を受けて検知対象属性を検知するセンサと、
前記センサで検出された前記検知対象属性の情報を含む検知信号から無線送信信号を生成する無線送信信号生成回路と、
前記無線送信信号生成回路で生成された前記無線送信信号を電波として放射するアンテナと、
壁部に囲まれた凹部を備え、前記凹部に、前記太陽電池モジュールが外光を受ける面を遮蔽しないように、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路とが、配置されると共に、前記壁部内に前記アンテナが埋め込まれて設けられたパッケージと、
を備え、
前記太陽電池モジュールが受ける外光側から見たときに、前記太陽電池モジュールが前記外光を受ける面と、前記壁部とは、互いに重ならない領域とされると共に、
前記パッケージの少なくとも前記凹部を覆う部材が前記パッケージと接合されて、密閉構造とされる
ことを特徴とする無線センサ端末を提供する。

上述の構成の請求項１の発明による無線センサ端末によれば、壁部に囲まれた凹部を備えるパッケージの前記凹部に、前記太陽電池モジュールが外光を受ける面を遮蔽しないように、電源回路と、センサと、無線送信信号生成回路とが、配置されると共に、壁部内にアンテナが埋め込まれて設けられる。そして、太陽電池モジュールが受ける外光側から見たときに、太陽電池モジュールが外光を受ける面と、壁部とは、互いに重ならない領域とされる。したがって、請求項１の発明によれば、太陽電池モジュールの受光面とアンテナの配置位置とは重なることはないので、太陽電池モジュールの受光面を最大限の大きさとすることができる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記太陽電池モジュールは平板形状を備えていて、前記凹部内の、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路とが配置される領域の全体を覆うように配置されていると共に、前記少なくとも前記凹部を覆う部材は、透光性材料からなり、前記太陽電池モジュールの外光を受光する面に対向して、設けられることを特徴とする。

この請求項２の発明によれば、太陽電池モジュールもパッケージの凹部内に収納することができる。このため、太陽電池モジュールを外部に露呈する場合に比べて、無線センサ端末としての高耐久性を実現することができる。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記太陽電池モジュールは、複数個の球状の太陽電池セルが透光性材料に埋め込まれた構成を有すると共に、外観がドーム状形状を有し、前記少なくとも前記凹部を覆う部材は、前記太陽電池モジュールにより兼用されることを特徴とする。

この請求項３の発明によれば、太陽電池モジュールが、複数個の球状の太陽電池セルが透光性材料に埋め込まれた構成を有しているので、当該太陽電池モジュール自身をパッケージの凹部を覆う部材として、パッケージに接合されて密閉構造とすることができる。

また、請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の発明において、前記凹部には、所定の材料が、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路とが空気層に触れないように充填されていることを特徴とする。

この請求項４によれば、凹部に配置されている電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路は、充填された所定の材料で覆われて空気層に接触しないようにされる。したがって、請求項４の発明によれば、凹部に配置されている電源回路、センサ、無線送信信号生成回路に空気層が触れることはないので、湿度等に対する高耐久性を容易に実現することができる。

また、請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記所定の材料は、前記凹部の空洞部を無くすように充填されていると共に、前記パッケージの熱伝導率以上の熱伝導率を有する材料であることを特徴とする。

この請求項５の発明においては、凹部の空洞部を無くすように充填されている所定の材料は、前記パッケージの熱伝導率以上の熱伝導率を有する材料であって放熱特性の良い材料であるので、太陽光によるパッケージ内の温度上昇を抑えることができる。このため、凹部に配置されている電源回路、センサ、無線送信信号生成回路が高温に曝されることが防止され、安定な動作を確保することができる。

また、請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記電源回路には、前記太陽電池モジュールからの電力エネルギーを蓄電する蓄電部が設けられていることを特徴とする。

この請求項６の発明の無線センサ端末によれば、蓄電部により太陽電池モジュールからの電力エネルギーを蓄電するので、太陽電池モジュールが発電できる光が入射されなくなる状況においても、蓄電部に蓄積された電力エネルギーにより、動作を継続することができる。

この発明による無線センサ端末によれば、壁部に囲まれた凹部を備えるパッケージの前記凹部内にアンテナが埋め込まれて設けられ、太陽電池モジュールが受ける外光側から見たときに、太陽電池モジュールが外光を受ける面と、壁部とは、互いに重ならない領域とされるので、太陽電池モジュールの受光面とアンテナの配置位置とは重なることはなく、太陽電池モジュールの受光面を最大限の大きさとすることができる。

この発明による無線センサ端末の第１の実施形態の構成例を示す図である。 この発明による無線センサ端末の第１の実施形態の電子回路構成例を示すブロック図である。 この発明による無線センサ端末の第１の実施形態の構成例を説明するための図である。 この発明による無線センサ端末の第１の実施形態の要部の構成例を説明するための図である。 この発明による無線センサ端末の第１の実施形態の構成例を説明するための図である。 この発明による無線センサ端末の第１の実施形態における封止結合方法を説明するための図である。 この発明による無線センサ端末の第２の実施形態の構成例を示す図である。 この発明による無線センサ端末の他の実施形態の構成例を示す図である。 この発明による無線センサ端末の他の実施形態の構成例を示す図である。 この発明による無線センサ端末の他の実施形態の構成例を示す図である。 従来の無線センサ端末の構成例を説明するための図である。

以下、この発明による無線センサ端末の幾つかの実施形態を、図を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
図１は、この発明の第１の実施形態の無線センサ端末１００の構成例を説明するための図である。この第１の実施形態の無線センサ端末１００は、外観がほぼ扁平な直方体形状を備えるパッケージ１０１内に、無線センサ端末１００を構成する各電子回路部品が設けられて構成されたものである。図１（Ｂ）は、後述するように、パッケージ１０１を、外光を取り込む側の面に直交する方向から見たときの無線センサ端末１００を示す図である。また、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図であり、パッケージ１０１内の構成例を説明するための図である。

パッケージ１０１は、塩害、高温・高湿のような過酷な外部環境に長期に曝されても内部回路の性能を維持できる高耐久性の材料、この実施形態では、非金属材料であって、ガラスと比較して強靭性を備え、軽量で、かつ、電気的絶縁性を有するセラミック材料で構成されている。そして、図１（Ａ）に示すように、パッケージ１０１は、上部が開口とされ、壁部１０２Ｗにより囲まれた凹部１０４を有する箱型のパッケージ本体１０２と、蓋部１０３とからなる。

パッケージ本体１０２は、この実施形態では、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同時焼成セラミックス）基板を積層した構成とされている。また、蓋部１０３は、透光性セラミック材料で構成されている。蓋部１０３は、パッケージ本体１０２に対して、その壁部１０２Ｗの端面において、後で詳述する低融点ガラス溶融による接合部材１０５を介して接合されており、これにより、パッケージ１０１は、高気密封止接合された構造とされている。

この実施形態では、パッケージ本体１０２には、自立電源を含む電源系と、振動センサや温度センサなどの複数個のセンサで外部環境因子を検出し、その検出出力を無線送信するための信号処理回路系とからなる電子回路が収納されている。この電子回路の主要な部品は、パッケージ本体１０２の凹部１０４に収納される。ただし、後述するように、無線通信用のアンテナは、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗに埋め込まれて設けられる。そして、埋め込まれるアンテナは、セラミック層の少なくとも一層を貫通するビア内に充填される導体で形成されたり、セラミック層の間にパターン形状で形成されたり、ビアとパターンの組み合わせで形成される。

［電子回路構成例］
図２は、この実施形態の無線センサ端末１００の電子回路の構成例を示すブロック図である。この図２に示すように、この実施形態の無線センサ端末１００の電源系２００は、電源制御回路２０１に対して第１の自立電源の例としての太陽電池モジュール２０２と、第２の自立電源の例としての振動発電素子２０３と、蓄電用キャパシタ２０４とが接続されて構成されている。

また、信号処理回路系２１０は、無線センサ端末１００の全体を制御するための処理制御回路２１１に対して振動センサ２１２、トリガセンサ２１３、温度センサ２１４などの複数個のセンサが接続されると共に、通信制御回路２１５が接続されて構成されている。通信制御回路２１５には、アンテナ２１６が接続されている。そして、処理制御回路２１１に対しては、電源制御回路２０１も接続されている。

太陽電池モジュール２０２は、この実施形態では、１または複数個の平板形状の太陽電池セルが面状に配列されて矩形状に構成されている。振動発電素子２０３は、例えば圧電素子を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）として構成される。なお、この振動発電素子２０３は、振動センサ２１２と兼用することができる。

蓄電用キャパシタ２０４は、この例では、１個のキャパシタ（コンデンサ）で構成されるが、複数個のキャパシタで構成してもよい。また、蓄電用キャパシタ２０４は、電気二重層コンデンサで構成してもよい。

電源制御回路２０１は、この例では、エネルギーマネージメントＬＳＩ（Large Scale Integration）として構成されており、太陽電池モジュール２０２からの発電電圧や振動発電素子２０３からの発電電圧を受けて、無線センサ端末１００の電源電圧を生成すると共に、余剰の電力により、蓄電用キャパシタ２０４への蓄電を行う。電源制御回路２０１は、太陽電池モジュール２０２からの発電電圧や振動発電素子２０３からの発電電圧から電源電圧が生成することができないときには、蓄電用キャパシタ２０４に蓄電されている蓄電電圧を電源電圧として使用するようにする。このような電源制御をすることで、無線センサ端末１００が長寿命で動作を維持することができるように電源制御がなされる。

振動センサ２１２は、当該無線センサ端末１００が取り付けられた場所の振動を検知対象属性として検出するためのもので、この例では、ＭＥＭＳセンサの構成とされている。トリガセンサ２１３は、無線センサ端末１００に加わる衝撃など、突発的な事象を検知対象属性として検出するためのもので、これもこの例ではＭＥＭＳセンサの構成とされている。温度センサ２１４は、無線センサ端末１００のパッケージ本体１０２の凹部１０４内の温度を検知対象属性として検出するためのもので、これもこの例では、ＭＥＭＳセンサの構成とされている。

処理制御回路２１１は、この例では、例えばＭＰＵ（Micro Processor Unit；マイクロプロセッサユニット）で構成されている。そして、処理制御回路２１１は、時間管理機能を有し、予め定められている適宜のタイミングで振動センサ２１２や温度センサ２１４で検出された振動情報や、温度情報を取り込む。そして、処理制御回路２１１は、取り込んだ振動情報や温度情報から、送信情報を生成し、通信制御回路２１５を通じて外部に無線送信する。なお、この例では、無線送信信号生成回路は、処理制御回路２１１と、通信制御回路２１５とで構成されることになる。

この実施形態では、振動センサ２１２や温度センサ２１４に基づく送信情報の生成及び無線送信は、処理制御回路２１１での時間管理に基づいて、間欠的に実行される。また、処理制御回路２１１は、トリガセンサ２１３の検出出力を監視して、突発的な事象を検出したときには、その検出した時点で、トリガセンサ２１３の検出出力に基づく送信情報を生成し、通信制御回路２１５を通じて外部に無線送信する。

処理制御回路２１１は、また、電源制御回路２０１と協働して、振動センサ２１２、トリガセンサ２１３、温度センサ２１４、通信制御回路２１５に対する電源供給制御を行って、無線センサ端末１００における電源電圧の省エネ制御を実行するようにする。

通信制御回路２１５は、処理制御回路２１１からの送信情報を、所定の変調方式の信号に変換して、アンテナ２１６を通じて無線送信する無線送信信号を生成する。この例では、無線送信信号は、搬送波周波数（キャリア周波数）が９２０ＭＨｚとされている。なお、この実施形態では、通信制御回路２１５は、送信機能のみではなく、受信機能も備えており、処理制御回路２１１は、外部から通信制御回路２１５を通じて受信した信号を処理する無線受信信号処理回路及び当該無線受信信号処理回路での処理結果に基づいて、所定の制御を行う制御処理回路の機能も備える。

［パッケージ１０１における電子回路部品の配置例］
この例においては、図１（Ａ）に示すように、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの凹部１０４側となる内側の面は、凹部１０４の底面から所定の高さｈ１までは、凹部１０４側に張り出すように構成されている。なお、高さｈ１は、凹部１０４の深さ、すなわち、凹部１０４の底面からパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面までの距離に相当する高さｈ０よりも低い（ｈ１＜ｈ０）ものとされる。

これにより、パッケージ本体１０２の凹部１０４には、図１（Ａ）に示すように階段状となる段差部１０６が設けられている。この段差部１０６は、図１（Ｂ）に示すように、パッケージ本体１０２の４辺の壁部１０２Ｗの内側の全てに亘って形成されている。したがって、凹部１０４は、段差部１０６で囲まれる断面積が小さい小凹部１０４ａと、段差部１０６以外の部分の壁部１０２Ｗで囲ませる断面積が大きい大凹部１０４ｂとを有するものとなる。

そして、この例では、小凹部１０４ａ内の底面部に、太陽電池モジュール２０２と、アンテナ２１６以外の、電源制御回路２０１、振動発電素子２０３、蓄電用キャパシタ２０４、処理制御回路２１１、振動センサ２１２、トリガセンサ２１３、温度センサ２１４、通信制御回路２１５が配置される。なお、図１（Ａ）では、便宜上、処理制御回路２１１、振動センサ２１２、温度センサ２１４のみを示している。

前述したように、この実施形態では、パッケージ本体１０２は、ＬＴＣＣ基板を積層することで構成されている。そして、図３に示すように、積層されるＬＴＣＣ基板１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，・・・の間に導体パターン１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ，・・・を設けると共に、ＬＴＣＣ基板１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，・・・のそれぞれに導体を充填したビア１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ，・・・を必要な箇所に設けることで、図２に示した各電子回路部品間の電気的接続を行うようにしている。

また、ＬＴＣＣ基板からなる壁部１０２Ｗには、小凹部１０４ａに配設されている電源制御回路２０１と太陽電池モジュール２０２との電気的な接続のための導体が充填されているビアが設けられており、段差部１０６の端面において、太陽電池モジュール２０２の端子との電気的な接続がなされる。

そして、アンテナ２１６は、図１及び図４に示すように、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗ内に埋め込まれるようにしてパッケージ１０１に配置される。この実施形態では、アンテナ２１６は、２個の棒状の導体２１６ａ及び２１６ｂで構成され、無指向性となるように構成される。すなわち、この例では、棒状の導体２１６ａは、その軸心方向が壁部１０２Ｗの高さ方向に沿った方向となるように配置され、また、棒状の導体２１６ｂは、その軸心方向が壁部１０２Ｗの高さ方向に直交する方向となるように配置される。

このように２個の棒状の導体２１６ａ及び２１６ｂを配置したことにより、アンテナ２１６の指向特性は、これら２個の棒状の導体２１６ａ及び２１６ｂのそれぞれで構成されるアンテナの指向特性を合成したものとなるので、ほぼ無指向性を有するものとすることができる。

これらの棒状の導体２１６ａ及び２１６ｂは、ＬＴＣＣ基板を積層することで壁部１０２Ｗを形成する際に、複数層のＬＴＣＣ基板の少なくとも一層を貫通するビア内に導体を充填することで、壁部１０２Ｗ内に収容されるようにされる。そして、棒状の導体２１６ａ及び２１６ｂと通信制御回路２１５との電気的な接続も、図３に示したように、積層されたＬＴＣＣ基板間の導体パターン（図１では導体パターン１０７ｉとして示す）により行う。

そして、この実施形態の太陽電池モジュール２０２は、前述したように、矩形の平板形状を有するが、当該矩形の形状部分は、凹部１０４と相似形とされる。そして、太陽電池モジュール２０２の大きさ（面積）は、パッケージ本体１０２の凹部１０４の小凹部１０４ａの断面積よりも大きく、大凹部１０４ｂの断面積よりも小さいものとされる。そして、太陽電池モジュール２０２は、その周囲部分が、段差部１０６の端面の部分と衝合する状態で、大凹部１０４ｂ内に収納される。なお、前記高さｈ０と高さｈ１との差、すなわち、大凹部１０４ｂの深さ（＝ｈ０−ｈ１）は、太陽電池モジュール２０２の厚さよりも大きくなるように選定されている。

したがって、太陽電池モジュール２０２は、パッケージ本体１０２の大凹部１０４ｂ内にすっぽりと収まる。このため、蓋部１０３に直交する方向から見たとき、太陽電池モジュール２０２の配設位置は、アンテナ２１６を構成する２個の棒状の導体２１６ａ，２１６ｂが埋め込まれているパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗとは重ならないようになる。すなわち、アンテナ２１６は、太陽電池モジュール２０２には、全く邪魔されることなく、無線電波の送受信が可能の状態となる。

太陽電池モジュール２０２は、壁部１０２Ｗに設けられているビアからなる導体を介して、小凹部１０４ａに配設されている電源制御回路２０１に電気的にされると共に、段差部１０６の端面において、例えば接着材などにより接合されて、小凹部１０４ａは、密閉された状態となる。

この場合に、小凹部１０４ａには、少なくとも電子回路部品が空気層に触れることがなくなるように所定の充填材１０９、例えば樹脂が充填される。この充填材１０９の充填により、小凹部１０４ａ内に配設されている電子回路部品は空気層に触れなくなるので、水分や湿気によって、小凹部１０４ａ内の電子回路部品にサビや腐食が生じないようになり、長期にわたる気密性を有することができる。特に、振動センサ２１２及び振動発電素子２０３は、ＭＥＭＳ素子として構成されるが、後述するパッケージ１０１の気密性と相まって、その特性の劣化を防ぎ、性能を維持することができる。

更に、この実施形態では、充填材１０９は、パッケージ本体１０２を構成するセラミック材料（ＬＴＣＣ基板）の熱伝導率以上の高い熱伝導率である高放熱材料で構成される。パッケージ本体１０２の熱伝導率が２Ｗ／ｍｋであるが、充填材１０９は、この例では、その２倍の熱伝導率である４Ｗ／ｍｋ以上の材料が用いられる。これにより、セラミック材料からなるパッケージ１０１自体が、熱伝導率が高く高放熱材料であることと相まって、小凹部１０４ａ内の温度の上昇を抑えて、小凹部１０４ａ内の電子回路部品が安定した動作を確保することができるようになる。

なお、太陽電池モジュール２０２で覆われる小凹部１０４ａに充填材１０９を充填する方法の例としては、例えばゲル状の樹脂からなる充填材１０９により小凹部１０４ａ内を満たしておき、その上から太陽電池モジュール２０２を、段差部１０６において接合して、小凹部１０４ａを密閉するようにする方法を用いる。この場合に、充填材１０９により小凹部１０４ａ内の電子回路部品が空気層に触れないようにすればよいので、太陽電池モジュール２０２との間では、僅かな空間の隙間があってもよい。

また、太陽電池モジュール２０２で覆われる小凹部１０４ａに充填材１０９を充填する方法の例としては、段差部１０６の一部に、段差部１０６の端面と小凹部１０４ａに対面する側壁面との間を連通する孔（注入孔と空気抜き孔）を形成しておき、太陽電池モジュール２０２で覆って小凹部１０４ａを密閉した後に、形成されている段差部１０６の孔を通じて液状の充填材１０９を注入し、充填が終了したら、段差部１０６に形成されている孔を塞ぐようにする方法を用いるようにしてもよい。

以上のようにして、電子回路部品が小凹部１０４ａに配置されると共に、小凹部１０４ａ内が充填材１０９で充填され、太陽電池モジュール２０２により小凹部１０４ａが密閉されるようにされた後、パッケージ本体１０２に対して蓋部１０３が封止接合されることで、凹部１０４が密閉されて、パッケージ１０１は気密性を有するものとなる。

この場合に、蓋部１０３は、前述したように、凹部１０４内の太陽電池モジュール２０２への入射光を透過させる必要があるので、この実施形態では、透光性セラミック（アルミナ）で構成される。この透光性セラミック材料は、ガラスと比較して強靭性を備え、軽量でかつ電気的絶縁性を持ち、光透過性を有する。この蓋部１０３を構成する透光性セラミックとガラスとの主な特性の比較表を図５に示す。

図５の表から明らかなように、透光性セラミックからなる蓋部１０３は、ガラスよりも熱伝導率が高く、また、パッケージ本体１０２を構成するセラミック材料であるＬＴＣＣの熱伝導率（４Ｗ／ｍｋ）よりも高いので、入射光により大凹部１０４ｂの空間の温度が上昇しても、この蓋部１０３を通じて効率よく放熱されるという効果を奏する。更に、透光性セラミックは、ガラスよりも耐熱性が高いので、この実施形態では、この耐熱性の高さを利用して、透光性セラミックからなる蓋部１０３を、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面に、例えばレーザーによる局所加熱で低温・高気密封止接合をするようにする。

パッケージ本体１０２と蓋部１０３とを接合部材を用いて接合する場合、従来は、パッケージ本体１０２及び蓋部１０３の全体に対して接合部材の溶融温度よりも高い温度となるように熱を加えることで当該接合部材を溶融させ、その後冷却することで接合部材を固化させるようにする。しかし、この方法では、パッケージ１０１全体の温度が高くなって、小凹部１０４ａ内部に搭載される電子回路部品の実装に半田が使用できなくなり、実装コストが高くなってしまう。

そこで、この実施形態では、図６に示すように、蓋部１０３の周縁の、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面との接合部のみを、レーザーＬＺにより加熱することで、パッケージ本体１０２に対して蓋部１０３を封止接合するようにする。そして、この実施形態では、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面と、蓋部１０３との間に設ける接合部材１０５としては、低融点材料、この例では、低融点ガラスを用いる。

さらに、この実施形態では、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗには、レーザーＬＺによる熱を放熱するための放熱ビア１１０が、複数層のＬＴＣＣ基板の少なくとも一層を貫通するビア内に導体を充填することで埋め込まれて設けられている。この例では、放熱ビア１１０は、壁部１０２Ｗを構成する複数層のＬＴＣＣの全層を貫通し、端部がパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面に露呈して放熱し易くなるように設けられている。

この放熱ビア１１０は、パッケージ本体１０２を構成するセラミック材料（ＬＴＣＣ基板）の熱伝導率以上の高い熱伝導率であって放熱特性の良い導体が、当該ビア内に充電されて構成されている。この例では、熱伝導率が、ＬＴＣＣ基板の熱伝導率の２倍の熱伝導率である４Ｗ／ｍｋ以上の材料、例えば銀がビア内に充填されて構成されている。この放熱ビア１１０は、図１（Ｂ）に示すように、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗに、所定間隔で、複数個が埋め込まれて設けられている。

パッケージ本体１０２に対して蓋部１０３を封止接合する際には、この例では、図６に示すように、レーザーＬＺを、蓋部１０３に直交する方向から、当該蓋部１０３の周縁に沿って走査するように照射する。すると、蓋部１０３とパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面との間の低融点ガラスからなる接合部材１０５が溶融し、蓋部１０３とパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面とを接合する状態となる。その後、レーザーＬＺの照射が停止されることで接合部分が冷却され、低融点ガラスが固化して、蓋部１０３とパッケージ本体１０２が接合され、密閉構造のパッケージ１０１となる。

この場合に、レーザーＬＺの照射によりパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗが加熱されるが、加熱が局所的であることと、接合部材１０５が低融点ガラスであることと、複数個の放熱ビア１１０の存在によりパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗが効率良く放熱されることにより、パッケージ本体１０２の小凹部１０４ａ内に収納されている電子回路部品同士の電気的な接続に半田が使用されていても、当該半田が溶け出すような高温にはならず、部品間の電気的な接続に不具合が生じることはない。

なお、図１（Ｂ）に示すように、この実施形態の無線センサ端末１００は、パッケージ本体１０２の底部側には、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗよりも、当該壁部１０２Ｗに直交する方向に突出するように、鍔部１０２Ｆが形成されている。そして、この鍔部１０２Ｆに取り付け用の貫通孔１０２Ｆａ，１０２Ｆｂ，１０２Ｆｃ，１０２Ｆｄが形成されており、この貫通孔１０２Ｆａ，１０２Ｆｂ，１０２Ｆｃ，１０２Ｆｄ及び取り付け対象部に穿かれた貫通孔を介して、例えば、セラミックからなるボルトを貫通させ、セラミックからなるナットで固定するようにすることができるようにしている。

取り付け対象部に貫通孔を穿つことができない場合には、パッケージ１０１の底面側が、振動センサ２１２により振動を検知する対象物である、例えば橋梁やトンネル付帯物、道路付帯物に、接着材により接着されるが、鍔部１０２Ｆの分だけ、無線センサ端末１００を取り付ける対象物との接着部及び接合部の面積が大きくなるので、より強固に対象物に対して接着固定させて取り付けることができるようにしている。

［第１の実施形態の効果］
以上のようにして、この実施形態の無線センサ端末１００によれば、ＬＴＣＣ基板が積層されて成るパッケージ本体１０２に対して、透光性セラミックからなる蓋部１０３を、低融点ガラスからなる接合部材１０５により封止接合することで、パッケージ１０１を高気密性とすることができる。この場合に、この実施形態の無線センサ端末１００は、パッケージ１０１の内部に、振動センサ２１２などのセンサ及び電源制御回路２０１、通信制御回路２１５や処理制御回路２１１などの電子部品が収納されると共に、壁部１０２Ｗ内にアンテナ２１６が収納されるので、いわゆるオールインワンパッケージの構成とすることができる。したがって、外部からの衝撃に十分耐える頑強性を持ち、かつ、軽量である無線センサ端末を実現することができる。

そして、太陽電池モジュール２０２は、パッケージ本体１０２の凹部１０４内に収納されるため、太陽電池モジュール２０２によって、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面が覆われることはない。したがって、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗに埋め込まれているアンテナ２１６は、太陽電池モジュール２０２に邪魔されることなく、電波の送受を行うことができる。

また、この実施形態の無線センサ端末１００においては、パッケージ１０１は、電波の送受を阻害する金属部分は用いずに、全てセラミック材料で構成すると共に、アンテナ２１６を埋め込むパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗは、高周波数特性の良い低抵抗導体を使用できるＬＴＣＣ基板で構成しているので、無線センサ端末１００全体の信頼性及び感度、そして、安定性のあるアンテナ伝搬特性を有するように構成することができる。

しかも、アンテナ２１６は、全方位に万遍なく電波が放射される無指向性の構成とされているので、無線センサ端末１００の設置は、位置や方向を選ばずに簡単に施工することができるという効果がある。

また、この実施形態の無線センサ端末１００は、パッケージ１０１が全てセラミックからなる構成であるので、パッケージが金属からなる場合のその他の不具合も回避することができる。すなわち、例えば金属筐体にサビ発生による耐久性の低下、金属筐体による電波や光の遮蔽の問題、落雷によってパッケージ内への渦電流が流れることによる電子部品の損傷、などの問題は、この実施形態のセラミックからなるオールインパッケージ構成の無線センサ端末１００では、生じることはない。

また、この実施形態の無線センサ端末１００では、パッケージ１０１から電気的な接続端子などが外部に露呈されることはないので、パッケージ１０１の高気密性を容易に維持することができ、湿気浸透も防ぐこともできるという効果もある。

また、上述した実施形態においては、パッケージ本体１０２の小凹部１０４ａ内に配置された電子部品は、充填材料で覆われることにより、空気層が触れない構成とされているので、電子部品が湿気等により劣化することはない。さらに、しかも、充填材料は放熱特性の良い材料で構成されているので、電子部品で発生する熱の放熱も良好に行なわれ、無線センサ端末１００として長寿命を実現しつつ、安定な動作を確保することができるという効果もある。

したがって、この実施形態の無線センサ端末１００は、高温下、低温下、高含塩分環境下や高濃度ガス下においても、その高気密性により設置可能である。

また、上述の実施形態の無線センサ端末１００では、自立電源として、太陽電池モジュール２０２のみを利用するのではなく、他の自立電源、上述の実施形態では、振動発電素子２０３をも利用するようにするので、光を受光する時間が少ない設置場所においても利用可能である。しかも、上述の実施形態の無線センサ端末１００は、蓄電用キャパシタ２０４からなる蓄電部を備えているので、自立電源である太陽電池モジュール２０２や振動発電素子２０３の余剰電力を蓄電しておくことで、これらの自立電源から電源電圧を得られないときでも、蓄電部に蓄電された電力を用いて駆動することができるという効果がある。

また、上述の実施形態の無線センサ端末１００のパッケージ１０１の、パッケージ本体１０２に対する蓋部１０３の封止結合は、低融点ガラスからなる接合部材を用いると共に、レーザーによる局所加熱により行うようにしたので、パッケージ本体１０２の内部の温度の上昇を抑えることができ、パッケージ本体１０２の内部に配置された電子部品の電気的接続に半田を用いることができるという効果がある。さらに、この実施形態では、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗ内には、放熱ビア１１０を設けたので、パッケージ本体１０２の内部の温度の上昇を、より確実に抑えることができるものである。

［第２の実施形態］
上述の第１の実施形態では、太陽電池モジュール２０２は平板形状の太陽電池セルを用いたもので構成し、この太陽電池モジュール２０２を保護するために、パッケージ本体１０２の内部に収納すると共に、蓋部１０３をパッケージ本体１０２に封止接合することで、高気密性のパッケージ１０１を構成するようにした。

これに対して、第２の実施形態では、太陽電池モジュールとして以下に説明するような特殊形状の太陽電池セルを用いたものを用いることで、蓋部１０３を、太陽電池モジュールで兼用するように構成することで省略できるようにしている。

図７は、この第２の実施形態の無線センサ端末１００Ａの構成例を示すもので、第１の実施形態の無線センサ端末１００と同一部分には、同一参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

この第２の実施形態の無線センサ端末１００Ａにおいては、上述した第１の実施形態の無線センサ端末１００における蓋部１０３を用いないことと、平板形状の太陽電池モジュール２０２に代えて、図７に示すような半球状のドーム型形状を備える太陽電池モジュール３００を用いること以外の構成、すなわち、パッケージ本体１０２側の構成は、第１の実施形態の無線センサ端末１００と同様とされる。

この第２の実施形態の無線センサ端末１００Ａで用いる太陽電池モジュール３００は、周知の球状太陽電池セル３０１の多数個を、所定の厚さのドーム形状の透光性部材３０２内に収納した構成を備える。球状太陽電池セル３０１は、直径が例えば１〜２ｍｍ程度の球状形状を有するもので、受光面が球面であるので、あらゆる方向からの光を受けることができ、平板形状の太陽電池セルに比べて約３倍の光を取り込めるようにされたものである。

透光性部材３０２は、この例では、例えば透光性セラミックで構成されており、この透光性部材３０２内に、球状太陽電池セル３０１の多数個が、直列に、あるいは並列に、あるいは直並列に接続されて設けられる。この太陽電池モジュール３００の端子は、透光性部材３０２の端面から導出されている。そして、パッケージ本体１０２においては、太陽電池モジュール３００の端面の形状に合わせて、断面が円形状の凹部１０４Ａが形成されている。そして、パッケージ本体１０２のこの凹部１０４Ａには、第１の実施形態と同様に、段差部１０６Ａが設けられており、これにより、凹部１０４Ａは、小凹部１０４ａＡと大凹部１０４ｂＡからなるものとされている。

そして、太陽電池モジュール３００の端面から導出されている端子が、ＬＴＣＣ基板を積層することで構成されているパッケージ本体１０２の段差部１０６に形成されているビアからなる導体と接続された後、第１の実施形態と同様にして、低融点ガラスからなる接合部材１０５Ａにより、太陽電池モジュール３００の端面が、パッケージ本体１０２の段差部１０６Ａに封止接合される。この場合には、接合部材１０５Ａによる封止接合のための局所加熱のためのレーザーＬＺは、透光性セラミックからなる太陽電池モジュール３００の透光性部材３０２を通じて、若干斜め方向から照射される。なお、この場合に、太陽電池モジュール３００の端面と、段差部１０６Ａの端面とを封止接合するだけでなく、大凹部１０４ｂの内壁面と太陽電池モジュール３００の端面近傍の周側面との間も、低融点ガラスからなる接合部材で封止接合するようにするとよい。

以上のように構成される第２の実施形態の無線センサ端末１００Ａは、上述した第１の実施形態の無線センサ端末１００と同様の作用効果を有する上に、蓋部１０３を不要とした簡単な構成を備えるという効果が得られる。さらに、太陽電池モジュール３００を用いた構成により、平板形状の太陽電池モジュール２０２に比較して、より高効率で発電ができて一日を通した発電量（積算発電量）が増加するという効果があると共に、曇りの日であっても高いパフォーマンスを発揮できるという効果がある。

なお、図７の例では、パッケージ本体１０２の凹部１０４Ａに、第１の実施形態と同様に段差部１０６Ａを設けるようにした。しかし、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗの端面において、当該壁部１０２Ｗに埋め込まれているアンテナ２１６の領域と重ならないように太陽電池モジュール３００を封止接合するようにすることもでき、その場合には、段差部１０６Ａを設ける必要はない。

また、図７の例では、太陽電池モジュール３００を接合するパッケージ本体は、第１の実施形態のパッケージ本体１０２をそのまま流用するようにしたが、パッケージ本体も、外観が扁平の円柱形状とするようにしてもよい。

［その他の実施形態または変形例］
＜外部端子について＞
上述の実施形態の無線センサ端末１００及び１００Ａでは、外部の装置や部品と接続するための外部端子は設けない構成とした。しかし、パッケージ本体１０２の内部に設けられていないセンサ等の部品を、無線センサ端末１００，１００Ａの外部に配設し、当該外部に配設されたセンサ等の部品と、パッケージ本体１０２の内部の処理制御回路２１１等と接続することができれば、便利である。

外部に配設されたセンサ等の部品との接続を考慮した場合の無線センサ端末１００Ｂの構成例を図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す。この図８の例の無線センサ端末１００Ｂは、第１の実施形態の無線センサ端末に適用した場合として示しており、図１に示した無線センサ端末１００と同一部分には、同一符号を付してある。

この例の無線センサ端末１００Ｂは、パッケージ本体１０２の壁部１０２の外表面及び鍔部１０２Ｆの外表面に露呈する外部端子１１１を備える。その他は、図１（Ａ），（Ｂ）に示した無線センサ端末１００と同様に構成される。

この例の無線センサ端末１００Ｂでは、外部端子１１１は、ＬＴＣＣ基板の導体パターンを介して、パッケージ本体１０２の内部の処理制御回路２１１に接続されている。なお、外部端子が、パッケージ本体１０２の内部のいずれの回路に接続されているかは、その外部端子の用途によるものであって、処理制御回路２１１に接続される場合に限らないことは言うまでもない。

なお、外部端子１１１は、必要に応じて使用できればよいので、常に露呈させる必要はなく、当該外部端子１１１を開閉可能に覆うカバーを設けるようにしてもよい。このカバーは、外部のセンサ等の部品との接続をする際に開け、接続が完了したら、その接続部分も含めて覆うことができるように構成されていると更によい。

＜アンテナ整合回路について＞
また、上述の実施形態の説明では、アンテナ２１６と通信制御回路２１５との間に設けられるアンテナ整合回路についての配置は省略したが、アンテナ整合回路は、パッケージ本体１０２の小凹部１０４ａ内に設けてよいし、また、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗ内に設けるようにしてもよい。必要によっては、アンテナ整合回路は、通信制御回路２１５の中に設置することも可能である。

図９は、アンテナ整合回路２１７がパッケージ本体１０２の小凹部１０４ａ内に設けられている無線センサ端末１００Ｃの例を示す図であり、また、図１０は、アンテナ整合回路２１８がパッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗ内に設けられている無線センサ端末１００Ｄの例を示す図である。図９及び図１０は、第１の実施形態の無線センサ端末の場合を示しており、図１及び図２に示した各部と同一の部分には、同一符号を付してある。

アンテナ整合回路２１７及び２１８は、アンテナ２１６と通信制御回路２１５との間に設けられるインピーダンス調整回路であり、容量性素子と、インダクタンス素子とで構成される。なお、アンテナ整合回路２１７及び２１８は、容量性素子とインダクタンス素子とによる集中定数回路によるものだけではなく、分布定数回路によるものや、集中定数と分布定数の組み合わせによるものであってもよい。図９の例においては、パッケージ本体１０２の小凹部１０４ａの底面に導電パターン１０７０が形成されている。そして、このパッケージ本体１０２の小凹部１０４ａの底面において、アンテナ整合回路２１７が、アンテナ２１６と通信制御回路２１５との間に接続されて設けられる。

また、図１０の例においては、容量性素子とインダクタンス素子とからなるアンテナ整合回路２１８が、パッケージ本体１０２の壁部１０２Ｗ内の、アンテナ２１６と通信制御回路２１５との間となる位置に埋め込まれて、設けられる。

＜その他＞
なお、上述の第１の実施形態では、太陽電池モジュール２０２によりパッケージ本体１０２の凹部１０４を覆うように構成したが、このような構成に限られる訳ではなく、太陽電池モジュール２０２は、外光を受けることができる部位であって、凹部１０４を覆わない位置に配設してもよい。この場合にも、太陽電池モジュールが受ける外光側から見たときに、前記太陽電池モジュールが前記外光を受ける面と、前記壁部とは、互いに重ならない領域とされるものである。

また、上述の実施形態では、アンテナ２１６は、無指向性に近い特性とするために２個の棒状の導体からなるものとしたが、１個の導体からなるものでもよいし、また、棒状の導体からなるものに限らず、種々の形状の導体からなるものであってよい。また、アンテナ２１６を、無指向性により近い特性とする場合には、３個以上のアンテナ導体からなるとしてもよいことは言うまでもない。

また、上述の実施形態では、センサは、振動センサと、トリガセンサと、温度センサとしたが、これらは一例であって、これらのセンサに限られるものではなく、この発明の無線センサ端末が検知すべき検出対象属性に応じたセンサがパッケージ内に設けられることは言うまでもない。

１００…無線センサ端末、１０１…パッケージ、１０２…パッケージ本体、１０２Ｗ…パッケージ本体の壁部、１０３…蓋部、１０４…凹部、１０５…接合部材、１０６…段差部、１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ…導体パターン、１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ…ビア、２０２…太陽電池モジュール、２０３…振動発電素子、２０４…蓄電用キャパシタ、２１１…処理制御回路、２１２…振動センサ、２１５…通信制御回路、２１６…アンテナ、３００…太陽電池モジュール、３０１…太陽電池セル

Claims (12)

1. 太陽電池モジュールと、
   前記太陽電池モジュールに接続され、電源電圧を生成する電源回路と、
   前記電源回路からの電源電圧を受けて検知対象属性を検知するセンサと、
   前記センサで検出された前記検知対象属性の情報を含む検知信号から無線送信信号を生成する無線送信信号生成回路と、
   前記無線送信信号生成回路で生成された前記無線送信信号を電波として放射するアンテナと、
   壁部に囲まれた凹部を備え、前記凹部に、前記太陽電池モジュールが外光を受ける面を遮蔽しないように、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路とが、配置されると共に、前記壁部内に前記アンテナが埋め込まれて設けられたパッケージと、
   を備え、
   前記太陽電池モジュールが受ける外光側から見たときに、前記太陽電池モジュールが前記外光を受ける面と、前記壁部とは、互いに重ならない領域とされると共に、
   前記パッケージの少なくとも前記凹部を覆う部材が前記パッケージと接合されて、密閉構造とされる
   ことを特徴とする無線センサ端末。
2. 前記太陽電池モジュールは、平板形状を備えていて、前記凹部に、前記太陽電池モジュールが外光を受ける面を遮蔽しないように、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路とが、配置されると共に、
   少なくとも前記凹部を覆う部材は、透光性材料からなり、前記太陽電池モジュールの外光を受光する面に対向して、設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線センサ端末。
3. 前記太陽電池モジュールは、複数個の球状の太陽電池セルが透光性材料に埋め込まれた構成を有すると共に、外観がドーム状形状を有し、前記少なくとも前記凹部を覆う部材は、前記太陽電池モジュールにより兼用される
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線センサ端末。
4. 前記凹部には、所定の材料が、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路とが空気層に触れないように充填されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の無線センサ端末。
5. 前記所定の材料は、前記凹部の空洞部を無くすように充填されていると共に、前記パッケージの熱伝導率以上の熱伝導率を有する材料である
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線センサ端末。
6. 前記電源回路には、前記太陽電池モジュールからの電力エネルギーを蓄電する蓄電部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の無線センサ端末。
7. 前記パッケージは、複数のセラミック層を積層したものとして構成されており、
   前記アンテナは、前記複数のセラミック層の少なくとも一層を貫通するビア内に充填される導体からなる構成とされると共に、
   前記太陽電池モジュールと、前記電源回路と、前記センサと、前記無線送信信号生成回路と、前記アンテナとの電気的な接続は、前記積層される前記複数のセラミック層の間に設けられる導体を介して行われる
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の無線センサ端末。
8. 前記少なくとも前記凹部を覆う部材は、透光性のセラミックからなり、前記密閉構造とするための封止部は、低融点ガラス溶融による接合部とされている
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線センサ端末。
9. 前記壁部には、前記パッケージの熱伝導率以上の熱伝導率を有する材料で充填されたビアが形成されている
   ことを特徴とする請求項８に記載の無線センサ端末。
10. 前記壁部に埋め込まれたアンテナは、指向性の方向が異なる２個以上のアンテナから構成されている
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の無線センサ端末。
11. 発電素子として、前記太陽電池モジュールに加えて振動発電素子を備えると共に、前記蓄電部は、前記振動発電素子からの電力エネルギーをも蓄電する
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の無線センサ端末。
12. 前記凹部において、前記無線送信信号生成回路と前記アンテナとの間にアンテナ整合回路を設けた
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の無線センサ端末。
    

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