JP2018517981A - パッシブｒｆｉｄセンサー・タグ - Google Patents

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Abstract

RFIDセンサー・タグにおいて、発振器(23)の発振周波数(fOSC)がセンシング要素(25)によりセンシングされる所定変数の値に依存するように、センシング要素(25)は発振器(23)に接続される。発振器(50)の発振周波数(fOSC)は、バックスキャタリング変調器(24)に必要な変調周波数(fMOD)のN倍高調波である。周波数ディバイダ(51)は、発振周波数(fOSC)から変調周波数(fMOD)を生成するように発振器(50)の出力に配置される。発振器(50)は、全てのセンサー値(Cs)に関して高い感度が得られるように設計及び設定され、所望の変調周波数(fMOD)は、分周比Nを選択することにより結果的に発振周波数から導出される。
【選択図】図５

Description

本発明はパッシブ・ワイヤレス・センサーに関連し、特に、パッシブ無線周波数識別(RFID)センサー、RFIDセンサー・システム、及び、パッシブRFIDセンサー・タグのためのRFIDリーダーに関連する。
センサーは、測定した量を、読み取り可能なフォーマット(典型的には、電気信号)に変換するデバイスである。現在、事実上何らかの測定の目的に利用可能な市販のセンサーが存在する。その接続に応じて、センサーは無線及び有線のセンサーに分けることが可能である。有線センサーは、配線ハーネス(wiring harnesses)又はケーブル・アセンブリを介して、リーダー・デバイスへ接続される。無線センサーは、センサーへの物理的な接続なしに読み取られることが可能であり、しばしば無線トランシーバーをセンサーに備えるように実現される。送信される無線信号は受信機により読み取られ、受信機は無線信号を所望の出力に変換する。無線による動作は多くのアプリケーションで有用であるが、有線接続は、例えば、配線についての過酷な動作条件(例えば、温度及び圧力)、回転するパーツ、コスト及び複雑性に起因して、困難になる。しかしながら、無線センサーも、バッテリーに起因する限られた寿命、減衰及び干渉に起因する限られた読み出し距離、制御不能な信号伝搬に起因するセキュリティの問題、及び、通信の潜在的な低速性などのような幾つもの欠点を有する。電源及び通信原理に基づいて、無線センサーは、アクティブ・センサー、セミ・パッシブ・センサー及びパッシブ・センサーという3つのカテゴリーに分類されることが可能である。
アクティブ無線センサーは、通常、無線トランシーバーとそのトランシーバーを起動するために使用されるオンボード・バッテリーとの双方を有する。自身の電源を有するアクティブ無線センサーは、強力な送信機と高感度な受信機とを利用することが可能である。しかしながら、ボード上のバッテリーは寿命を制限し、サイズ及び重量を増やしてしまう。より複雑な回路に起因して、アクティブ・センサーの価格は、パッシブ・センサーのものよりかなり高くなる可能性がある。
セミ・パッシブ無線センサーは、無線トランシーバーを含まないが、バッテリーを備えている。バッテリーは、集積回路(IC)を起動するため、センサーがリーダー・デバイスと独立に動作することを可能にするため、及び、センサー内でメモリを維持するために使用される。セミ・パッシブ・バッテリー・アシスト・センサーは、通信に、変調バックスキャタリング技術(modulated backscattering technique)を利用する。これは、セミ・パッシブ・センサーは送信のためにオンボード・バッテリーから如何なる電力も必要としないが、センサーは、リーダー・デバイスにより放出された電力の一部を単に返すことを意味する。
アクティブ及びセミ・パッシブ・センサーとは異なり、パッシブ・センサーはオンボード・バッテリーを要しない。従って、これは、複雑ではなく、小型であり、より安価になる可能性があり、その寿命は電源による制限を受けない。パッシブ無線センサーの典型的な読み出し距離は、10cmないし3mの間にある。パッシブ無線センサーは、(i)無線周波数識別(RFID)タグ、(ii)電気共振回路センサー、(iii)表面音響波(SAW)、ハーモニック・センサー及び(iv)相互変調センサーという4つの主要なカテゴリーに分けられることが可能である。
RFIDは、タグとリーダーとの間で無線電波を利用して通信する識別技術であり、アイテムを識別するために使用される。リーダー・デバイスとタグとの間で見通し線(line-of-sight)が不要であるというような、光学的バーコード識別を上回るRFIDの利点が幾つか存在し、RFIDリーダーは一度に何百ものタグを読み取ることも可能である。パッシブRFIDタグは、図1に示される変調バックスキャタリング通信原理を利用する。タグ10がRFIDリーダー11と通信する場合、タグ10は、受信信号12を変調し、その一部分13をリーダーへ送り返す。典型的なパッシブ・タグは、特定用途マイクロチップに接続されるアンテナから構成される。RFIDトランシーバー又はリーダーにより無線でインテロゲートされる場合、RFIDタグ・アンテナは、RFIDリーダーから電力及びRF信号を受信し、それらをチップに提供する。チップは、信号を処理し、要求されるデータをRFIDリーダーへ送り返す。後方返送信号(backscattered signal)は、送信されたデータに従って変調されている。RFIDの最高の動作周波数及び読み出し距離は、集積回路(IC)のために整流される電力によって制限され、それぞれ数GHz及び5-10mである。
RFIDは、大抵、識別(identification)に使用される。RFIDタグは書き込み可能なメモリを備え、そのメモリは、RFIDタグの再利用を可能にするが、外的な量を測定するためには使用されていない。RFIDは、外的なセンサーと外的なセンサーを読み取るためのディジタル論理部とをRFIDタグに備えることにより、センシングに相応しいことが明らかになっている。このアプローチの利点は、一般的なセンサー要素を利用するであろうこと、従って、非常に広範囲に及ぶアプリケーションに非常に相応しいであろうということである。しかしながら、このアプローチでは、センサーを読み出すことができるように、追加的なA/Dコンバータ及びディジタル回路がタグに包含されなければならない。追加的な電子部品に起因する消費電力の増加は、読み出し可能範囲を著しく狭くしてしまう(例えば、8ビットA/Dコンバータを利用する場合、5mから0.3mに減ってしまう)。更に、追加的なセンサー要素は電力消費を増やしてしまう。A/Dコンバータ及び追加的なディジタル回路の実現考察例については、以下の文献で議論されている：
Chapter 9 “Smart RFID Tags”, in the book “Development and Implementation of RFID Technology”, ISBN 978-3-902613-54-7, February 2009, I-Tech, Vienna, Austria. http://www.intechopen.com/books/development_and_implementation_of_rfid_technology
US2013/0099897は、RFIDリーダーと、RFIDチップと、アンテナとを開示しており、アンテナは、RFIDチップに電気的に結合され、RFIDリーダーから信号を受信し且つそこへ信号を送信する。RFIDチップは、センシング・マテリアル(a sensing material)に対する電気的なインターフェースとともに提供される。RFIDチップは、リーダーから受信される信号を変調し、センシング・マテリアルを変調信号により駆動するように構成される。センシング・マテリアルは、バックスキャタリング変調信号がセンシング・マテリアルの状態に応じて変動するように、可変である電気特性を有する。センシング・マテリアルの性質によらず、RFIDチップからの変調信号と相互作用し、その信号をRFIDチップへ返す。返された信号は、バックスキャター変調器を介してRFIDチップからアンテナへ渡され、RFIDリーダーへ送り返される。或いは、センシング・マテリアルにより処理された信号は、RFIDチップの入力インピーダンスを、RFIDチップからの信号により変調するために使用され、その信号は、センシング・マテリアルの状態の判断のためにアンテナによりRFIDリーダーへバックスキャタリングされる。
チェン等による文献(Chen et al, Coupling Passive Sensors to UHF RFID Tags, Radio and Wireless Symposium (RWS), 2012 IEEE, 15-18 Jan. 2012, Santa Clara, 255 − 258)は、新たなタグASICを設計することなく、既存の「UHF RFID」タグにパッシブ・センサー・データを結び付ける可能性を調べている。既存の「UHF RFID」システムは、タグ・アンテナにカップリング・ループを重ね合わせ、ベクトル・バックスキャタリングを変調することにより、追加的なデータを運ぶために使用されることが可能である。センサー・データを搬送するパッシブ・センサーのインピーダンスは、バックスキャタリングの振幅及び位相の値に影響を及ぼす。パッシブ・センサー・データの送信に関し、パッシブ・センサー・カップリング・モジュールの負荷が、3つの負荷の間で切り替えられ、2つのリファレンス・インピーダンス又はパッシブ・センサーの何れかに対するコネクションを提供する。2つのリファレンス・インピーダンスにより、パッシブ・センサーのインピーダンスが決定される。
ゲーリン等による文献(Guerin et al., A temperature and gas sensor integrated on a 915MHz RFID UHF tag, Wireless Information Technology and Systems (IC-WITS), 2010 IEEE International Conference, Honolulu, Aug. 28 2010-Sept. 3 2010)は、変調バックスキャタリング原理を利用するパッシブ・ワイヤレス・センサーを開示している。変調信号は電圧制御発振器により生成され、電圧制御発振器の制御電圧、したがって出力周波数は、センサー値に応じて変化するように構成される。
同時継続中のPCT/FI2013/051214は、パッシブ無線センサーの読み出し距離を著しく増やすパッシブ無線センサー設計を開示する。変調信号は、発振回路の一部としてセンシング要素を含むオシレータにより生成され、それにより、変調周波数はセンシング要素のセンシング値に依存するようになる。RFIDセンサーは、通常の「UHF RFID」タグと同様に動作するが、タグの変調周波数がセンサー情報を運ぶ点が異なる。ISO/IEC18000-6C規格によれば、タグの変調周波数は、通信の開始時にリーダー・デバイスにより設定され、40kHzないし640kHzの間に存在することが可能である。タグの変調周波数は、周波数及び動作状態に応じて、初期設定周波数から±4…22％変動することが可能である。これは、センサー情報を変調周波数に符号化することを可能にする。この種のRFIDセンサーは、発振周波数が測定量に同調するような仕方で、RFIDチップの内部発振器を修正することにより実現されることが可能である。これは、誘導性、容量性又は抵抗性のセンサー要素によりオシレータに負荷をかけることにより実現されることが可能である。この原理の利点は、センサーは低いkHzの周波数で読み出されるので、MEMSセンサーのような一般的なセンサー要素が利用可能な点である。センサー値は、変調されたアナログ信号の周波数に変換され、その信号は、エネルギを消費するAD変換によらず且つ最少数の外部コンポーネントとともに生成されることが可能である。センシング要素は、タグの電力消費を必ずしも増やすとは限らず、従ってこの原理は長い読み出し距離をもたらす。また、センシング回路は、アンテナから十分に分離され、コンセプトをアンテナ近接効果に敏感でないようにする。このコンセプトは、潜在的に、既存のRFIDシステムとの互換性を有することを可能にし、多くのセンシング要素が、ディジタル的に制御されるスイッチにより1つのRFIDタグの中に組み込まれることが可能である。センシング要素は、発振周波数が一度に唯一つの要素により影響を受けるように構成されても良い。
この種のRFIDセンサーでは、センシングされる特性の小さな変化でさえ、変化の検出が可能であるほど十分大きく変調周波数を変化させるほど十分に、RFIDセンサーは敏感にされることが可能な点は重要である。センサー要素の電気特性はしばしば与えられたものであり、発振周波数は典型的には周波数の規制、規格又はリーダーのハードウェアにより制約を受ける。従って、オシレータ・コンポーネントの値は、正しい周波数で発振が得られ且つ感度が所望レベルであるように選択又は調整される必要がある。これは、多数のコンポーネントを必要とし、発振器のサイズ、損失及び電力消費を増やしてしまい、全ての種類のセンサー要素に実用的なタスクにはならないかもしれない。従って設計はセンサー要素のタイプ毎に別々に行われる必要がある。
本発明の一形態は、センサー感度を向上させるRFIDセンサーの発振器である。
本発明の一形態は、独立請求項によるパッシブ無線周波数識別(RFID)トランスポンダである。従属請求項には本発明の好ましい実施形態が記載されている。
本発明の一形態はパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダであり、そのトランスポンダは、
バックスキャタリング原理により通信し、無線周波数識別(RFID)機能を提供するためのアンテナ、整流器及び変調器と、
変調器に変調周波数を提供する発振器と、
発振器の発振周波数が、センシング要素によりセンシングされる所定変数の値に依存するように、発振器に接続されるセンシング要素と、
を有し、発振周波数は変調周波数のN倍高調波である。
一実施形態では、周波数ディバイダは、発振周波数から変調周波数を生成するように構成される。
一実施形態では、センシング要素は、容量性のセンシング要素、抵抗性のセンシング要素又は誘導性のセンシング要素を有する。
一実施形態では、周波数ディバイダは、アナログ周波数ディバイダ又はディジタル周波数ディバイダを有する。
一実施形態では、周波数ディバイダの分周比Nは、制御可能又はプログラム可能である。
一実施形態では、トランスポンダのコントローラは、周波数ディバイダを制御又はプログラムするように構成される。
一実施形態では、センシング要素は2つ以上の変調周波数で読み取られ又はインテロゲートされることが可能であり、周波数ディバイダの分周比Nは、特定のセンシング要素を読み取る又はインテロゲートするためにリーダー又はインテロゲータにより選択される変調周波数に依存して変更されるように構成される。
一実施形態では、トランスポンダは、発振周波数が一度に唯一つのセンシング要素によって影響を受けるように構成される複数のセンシング要素を有する。
一実施形態では、トランスポンダは、複数のセンシング要素のうち一度に一つを発振器に接続するように提供されるセレクタ又はディジタル可制御スイッチを有する。
一実施形態では、発振器は、RC発振器、リング発振器、LC発振器、RLC発振器及びMEMS発振器のうち何れかを有する。
一実施形態では、発振器は、高い感度が得られるように、調和発振周波数で動作するように設計及び設定され、所望の変調周波数は、分周比Nにより前記調和発振周波数から導出される(Nは整数)。
一実施形態では、変調周波数は、約40-640kHzの範囲内にあり、好ましくは、640 kHz，320kHz，256kHz，160kHz及び40kHzの群から選択される。
一実施形態では、Nは10以上の整数である。
一実施形態では、発振周波数は、最低でも5MHzであり、好ましくは最低でも10MHzである。
以下、図面を参照しながら好ましい実施形態を用いて本発明を説明する。
RFDIシステムにおけるバックスキャタリング通信原理を示す図。 センサーからバックスキャタリングされる信号中のサイドバンド又はサブキャリアfCW-fOSC及びfCW+fOSCを示す図。 RFIDタグの一例を示す簡略化された回路図。 容量性センサー要素による負荷を有するコルピッツ発振器の簡略化された等価電気回路図。 低周波数発振器に関し、達成可能な感度をセンサー容量Csの関数としてグラフで示す図。 例示的な実施形態によるハーモニック・オシレータ及び周波数ディバイダを有するRFIDセンサー・タグの一例を示す簡略化された回路図。 低周波数発振器との比較とともに、例示的な実施形態による達成可能な感度を、ハーモニック・オシレータを伴うセンサー容量Csの関数としてグラフで示す図。
図1Aに関し、RFIDシステムは、典型的には、RFIDトランスポンダ又はタグ10及びRFIDインテロゲータ又はリーダー11という2つの基本コンポーネントを有し、RFIDトランスポンダ又はタグ10は識別されるオブジェクトに配置される又は測定地点に配置され、RFIDインテロゲータ又はリーダー11はRFIDタグについてのインテロゲーションを実行する。パッシブRFIDシステムでは、RFIDリーダー11は、タグ10に、リーダーのインテロゲーション信号の変調を実行するために不可欠な電力を供給する。RFIDセンサー・タグの場合、単にRFIDタグ10に電源を供給し且つデータを送信するための媒体を供給することに加えて、RFIDリーダー11はタグ10の方へデータ送信を実行しても良く、データ送信は、多くの場合、キャリア信号の変調として実現される。
図2は無線周波数識別(RFID)タグ・アーキテクチャの一例を示す機能ブロック図を示す。例示のため、本発明の例示的な実施形態は、アンテナ21、発振器23、変調器24及びセンシング要素25という主要な部分のみに関して説明される。図示の例では、整流器22及び変調器24がダイオードD1のような同じ素子である。アンテナ21は、当業者に良く知られているように、適切な整合回路により整流器22に整合させられている。更に、アンテナ21と整流器22との間にハイ・パス・フィルタ27、整流器21のDC出力と低周波発振器23の入力との間にロー・パス・フィルタ28、及び、発振器23の出力と変調器24の入力との間にバンド・パス・フィルタ29が存在していても良い。所望の機能を提供するように構成される論理部又はディジタル制御モジュール26が存在しても良く、所望の機能は、インテロゲーション・コマンドを取り扱うこと、衝突防止プロトコル(the anti-collision protocol)を実行すること、データの整合性検査を実行すること、メモリ読み書き処理を行わせること、及び、出力制御やデータ・フローを実行すること等である。論理の実現は、通常、所定の規格及び何らかの関連するプロトコルに従う。更に、メモリ・ストレージが提供されても良い。ユーザーの要求に応じて、リード/ライト双方の機能が実現される場合、不揮発性メモリ・ストレージが必要とされても良い。
上述したように、パッシブRFIDタグは、変調バックスキャタリング原理を通信に利用する。リーダー11から送信される無線周波数(RF)搬送波(CW)信号の照射をタグが受けると、タグは、受信した信号を変調し、その一部をリーダーへ送り返す。RFIDセンサー10は、リーダー11から送信された無線周波数(RF)搬送波(CW)信号を利用して作動させられる。先ず、RF信号は整流器22によりDC電圧VDCに変換される。整流された電圧VDCは発振器23を起動し、発振器23は低い周波数の正弦波信号fOSCをその出力に生成する。最終的に、発振信号fOSCはバックスキャタリング変調器へ供給され、バックスキャタリング原理を実現する。変調器24は、その信号を変調し、アンテナ21の方へ返されるものは、アンテナと整流器22/変調器24との間のマッチング(又は整合性)に依存する。その結果、図1Bに示されるように、センサーからバックスキャタリングされる信号中にはサイドバンド又はサブキャリアfCW-fOSC及びfCW+fOSCが存在する。fCW及びfOSCはそれぞれキャリア周波数及び発振周波数である。サイドバンド又はサブキャリアは、発振周波数fOSCの分だけキャリア周波数fCWからオフセットしている(即ち、ずれている)。発振周波数fOSCは、バックスキャタリング変調周波数又はサブキャリア周波数のように言及されても良い。
発振器23の周波数はセンシングされた値(又は検出値)に依存する。この依存性は、AD変換を行うことなく外的な量を測定する能力及びRFIDの高度な特徴を可能にする。例示的な実施形態において、(例えば、図2でセンシング要素25により示されるような)センシング要素は、タグ・オシレータの発振回路のうちの基本的な部分であるように考えられ、そのため、発振器から出力される変調周波数はセンシングされた値に依存し、即ち、センシングされる量の値の範囲は、発振周波数の範囲に対応付けられる。この対応付け(又はマッピング)は、電力を消費する如何なる外的なコンポーネントも実際上伴うことなく外的な量を測定する能力、及び、読み出し距離を短縮することなく外的な量を測定する能力を可能にする。このコンセプトは既存のRFIDタグとコンパチブルである。適用可能な発振器の具体例は、RC発振器、リング発振器、LC発振器、RLC発振器又は他の任意の共振型の発振器を含んでも良く、例えば、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、SAW(表面音響波)及びBAW(バルク音響波)共振器に基づく発振器であっても良い。RC発振器の利点はそれが一体化できることであるが、より大きな電力消費となり、従って読み出し距離は、例えばLC発振器やRLC発振器と比較して短くなってしまうかもしれない。図2では、例示的な発振器23がコルピッツ発振器(a Collpitts oscillator)として実現されている。
このタイプのRFIDセンサーでは、センサー値における小さな変化でさえ、変化の検出が可能であるほど十分に変調周波数を変化させる程度に十分に、センサーは高感度にされることが可能であることは重要である。
図3に示されるコルピッツ発振器の簡略化された電気的等価回路図を利用して、容量性センシング要素25に対する発振器の周波数感度を考察する。発振器23は、キャパシタC1に並列的に容量性センシング要素Csという負荷を担っている。簡明化のため、この分析では損失が無視される。
図3に示される発振器の発振周波数f0は、次式のように与えられる。
Figure 2018517981
 センサー容量の相対的な変化に対する回路の相対的な逸脱周波数感度(The relative tangential frequency sensitivity)は、次式のように与えられる。
Figure 2018517981
 最高感度は(-0.5)であり、それは、キャパシタC1のキャパシタンス値C1=0であり且つキャパシタC2のキャパシタンス値C2→∞である場合に得られる。これは、センシング要素25がその値を1%変動させた場合に、周波数変化は絶対値で-0.5％以下になることを意味する。
しかしながら、発振周波数f0は、典型的には、周波数規制、規格又はリーダーのハードウェアによって制約を受ける。更に、センサーのキャパシタンスCsはしばしば与えられている。そのような状況では、所望の感度のために、インダクタL、キャパシタC1及びキャパシタC2の値が調整されることが可能である。インダクタは、しばしば、キャパシタと比較して相対的に損失(ロス)の大きいコンポーネントであり、従って、インダクタLは、発振器23の電力消費及びロスを増やさないように適切に選択されるべきである。
インダクタは、レジスタ及びインダクタの直列により構成される電気等価回路でモデル化され、それにより、これら2つの直列コンポーネントがキャパシタと並列的にあるようにする。そのような電気等価回路に関し、クオリティ・ファクタ(the quality factor)は、自己共振周波数(SRF)を√3で除算したものにおいて、ピークをとることが分かる。従って、発振周波数f0が設定される場合、SRFが近似的に√3・f0であるインダクタが選択されるべきである。最終的に、キャパシタC1及びC2は、発振が適切な周波数で得られ且つその感度が可能な限り高くなるように、選択されるべきである。
以下の数式を簡略化するため、必要な総容量を次のように規定する。
Figure 2018517981
 Cs<Ctotである場合、最高感度は次式のように表現される。
Figure 2018517981
 これは、C1=Ctot-Cs及びC2→∞である場合に得られる。
同様に、Cs>Ctotである場合、最高感度は次式のように表現される。
Figure 2018517981
 これはC1=0である場合に得られ、次式が成立する。
Figure 2018517981
 導出される数式は、所定のセンシング要素25に関して得られる感度に、発振周波数f0を関連付けるために使用されることが可能である。例えば、図4は、L=10mH及びL=3.3mHという2つの異なるインダクタ(ボーンズ社(Bourns)により製造されるRL875S-103K-RC及びRL875S-332K-RC)に関し、達成可能な感度を、センサー容量Csの関数として示す。双方のインダクタは、それぞれ289kHz及び577kHzという異なる発振周波数f0を提供する。インダクタL=10mHに関する最高感度はセンサー容量Csが20pFである場合に得られ、インダクタL=3.3mHに関する最高感度はセンサー容量Csが15pFである場合に得られる。
「ISO 18000-6C」規格は、RFIDタグは40-640kHzの変調周波数レンジをサポートすべきことを規定する。本分析は、変調周波数が200-500kHzのオーダーにあるべき場合、最適なセンサー容量値は15-20pF以上であることを示す。しかしながら、多くのMEMSセンサーのような多くの実際のセンシング要素は、僅か数pFのキャパシタンスしか与えない。そのような場合、感度は、可能な最高感度の約10分の1でしかない。その結果、MEMS及び低いキャパシタンスを示すその他のセンサーのための読み出し技術に関し、控えめな読み出し分解能(a modest read-out resolution)しか達成できない。
本発明の一形態は、センサー感度を向上させるRFIDセンサーの発振器である。図5には、この形態の本発明を利用する発振器を有するRFIDタグ又はトランスポンダの具体例が示されている。図2及び図5において同じ参照符合は、同一又は類似の機能及び構造を指す。バックスキャタリング変調器24に変調周波数fMODを提供する発振器50の発振周波数fOSCは、所望の変調周波数fMODのN倍高調波(a harmonic multiple N of the desired modulation frequency fMOD)である。センシング要素25は発振器50に接続され、それにより、発振器50の発振周波数fOSCは、センシング要素25によりセンシングされる所定変数の値に依存するようになる。一実施形態では、発振周波数fOSCから変調周波数fMODを変調器24へ提供するために、発振器50の出力に周波数ディバイダ51が配置される。分周比(又は分割比)Nは、全てのセンサー容量値Csに関して最高感度の取得が可能であるように、選択されることが可能である。一例として、図6は、インダクタRL875S-100L-RC(L＝10μH)とともに達成可能な感度を、センサー容量Csの関数として示す。この例の場合、発振周波数は14MHzであり、変調周波数fMODは14MHzを整数Nで除算したものである。例えば、N=48である場合、変調周波数は290kHzである。このインダクタに関する最高感度は、センサー容量が8pFである場合に得られる。即ち、この高い感度は、小さなセンサー容量値でも達成される。高調波発振器(the harmonic oscillator)の利用は、使用される発振周波数fOSCによらず、様々なセンサー容量値Csについて感度を最大化することを許容する。発振器50は、高い感度が得られるように設計及び設定されることが可能であり、所望の変調周波数fMODは、適切な分周比Nを選択することにより、発振周波数fOSCから導出される。
あるタイプの高調波発振器50及び容量性センシング要素25が上述されているが、本発明の原理に従って、任意のタイプの発振器が調和発振器50に使用されても良く、或いは、任意のタイプのセンシング要素(例えば、抵抗性センシング要素あるいは誘導性センシング要素)がセンシング要素25に使用されても良いことが、認められるべきである。
周波数ディバイダ51は、RF処理に相応しい任意のタイプのアナログ又はディジタル周波数ディバイダにより実現されて良い。周波数ディバイダ51に相応しい様々な設計又は市販の製品が、当業者にとって既知であり自明である。一実施形態において、周波数ディバイダ51の分周比Nは調節可能である。一実施形態において、周波数ディバイダ51はプログラマブルである。一実施形態において、RFIDタグの制御論理部26は、特定のセンシング要素25の各々について、周波数ディバイダ51の分周比Nを制御又はプログラムするように構成されても良い。
実施形態において、センシング要素は、2つ以上の公称変調周波数(the nominal modulation frequencies)で読み取られる或いはインテロゲートされることが可能である。実施形態において、周波数ディバイダ51の分周比Nは、特定のセンシング要素を読み取る又はインテロゲートするために、リーダー又はインテロゲータにより選択される変調周波数に依存して変更されるように構成される。発振周波数は変更されなくても良い。一実施形態では、周波数ディバイダ51はプログラマブルである。一実施形態では、RFIDタグの制御論理部26は、特定のセンシング要素を読み取る又はインテロゲートするために、リーダー又はインテロゲータにより選択される変調周波数に従って、特定のセンシング要素25のために周波数ディバイダ51の分周比を制御又はプログラムするように構成されても良い。1つより多いバックスキャタリング変調周波数で同じセンシング要素を動作させる能力により、センシング要素は、特定のセンシング要素が何れの変調周波数に同調又は設定されるかを事前に知ることなく、センシング要素は読み取られる又はインテロゲートされることが可能である。更に、1つより多い選択可能なバックスキャタリング変調周波数でセンサー・データをリーダーへ転送する能力は、必要に応じて、読み取り可能な距離又は読み取り速度を最適化することを許容する。
一実施形態では、(2つ以上の)複数のセンシング要素25が1つのRFIDタグ11に組み込まれることが可能である。複数のセンシング要素25は、発振周波数fOSCが、一度に唯一つのセンシング要素により影響を受けるように、構成されることが可能である。一実施形態では、一度に一つのセンシング要素25を発振器50に接続するための選択部が提供される。一実施形態では、一度に一つのセンシング要素25を発振器50に接続するために、ディジタル的に制御されるスイッチが提供される。
発明概念は様々な自明な代替的な方法で実現されることが可能であることは、当業者に明らかであろう。本発明及びその実施形態は、上述した例に限定されず、特許請求の範囲内で多様性を有していても良い。

Claims (14)

  1. パッシブ・ワイヤレス・トランスポンダであって、
    バックスキャタリング原理により通信し、無線周波数識別(RFID)機能を提供するためのアンテナ、整流器及び変調器と、
    前記変調器に変調周波数を提供する発振器と、
    前記発振器に接続されるセンシング要素であって、前記発振器の発振周波数は前記センシング要素によりセンシングされる所定変数の値に依存する、センシング要素と、
    を有し、前記発振周波数は前記変調周波数のN倍高調波である、パッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  2. 前記発振周波数から前記変調周波数を生成するように構成される周波数ディバイダを有する請求項1に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  3. 前記センシング要素は、容量性のセンシング要素、抵抗性のセンシング要素又は誘導性のセンシング要素を有する、請求項1又は2に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  4. 前記周波数ディバイダは、アナログ周波数ディバイダ又はディジタル周波数ディバイダを有する、請求項2又は3に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  5. 前記周波数ディバイダの分周比Nは、制御可能又はプログラム可能である、請求項2ないし4のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  6. 前記パッシブ・ワイヤレス・トランスポンダのコントローラは、前記周波数ディバイダを制御又はプログラムするように構成される、請求項2ないし5のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  7. 前記センシング要素は2つ以上の変調周波数で読み取られ又はインテロゲートされることが可能であり、前記周波数ディバイダの分周比Nは、特定のセンシング要素を読み取る又はインテロゲートするためにリーダー又はインテロゲータにより選択される変調周波数に依存して変更されるように構成される、請求項2ないし6のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  8. 前記発振周波数が一度に唯一つのセンシング要素によって影響を受けるように構成される複数のセンシング要素を有する請求項1ないし7のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  9. 前記複数のセンシング要素のうち一度に一つを前記発振器に接続するように提供されるセレクタ又はディジタル可制御スイッチを有する請求項8に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  10. 前記発振器は、RC発振器、リング発振器、LC発振器、RLC発振器及びMEMS発振器のうち何れかを有する請求項1ないし9のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  11. 前記発振器は、高い感度が得られるように、調和発振周波数で動作するように設計及び設定され、所望の変調周波数は、分周比Nにより前記調和発振周波数から導出される(Nは整数)、請求項1ないし10のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  12. 前記変調周波数は、約40-640kHzの範囲内にあり、好ましくは、640 kHz，320kHz，256kHz，160kHz及び40kHzの群から選択される、請求項1ないし10のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  13. Nは10以上の整数である、請求項1ないし12のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
  14. 前記発振周波数は、少なくとも5MHzであり、好ましくは少なくとも10MHzである、請求項1ないし13のうちの何れか一項に記載のパッシブ・ワイヤレス・トランスポンダ。
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