JP2019149090A - 無線センサおよびセンサネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力が低減された、あるいはバッテリが不要な無線センサを提供する。【解決手段】センサ素子１１０は、環境情報Ｓ４を取得する。レシーバ１２０は、変調されたエネルギ波Ｓ１を受信する。トランスミッタ１３０は、レシーバ１２０が受信したエネルギ波Ｓ１に含まれる変調成分をキャリア信号として利用し、キャリア信号に環境情報Ｓ４を載せて送信する。【選択図】図１

Description

本発明は、無線センサに関する。

高所、遠隔地、人体内をはじめとするさまざまな箇所の環境情報をモニタするために無線センサーが利用される。

無線センサは、温度、振動、加速度、光、音などの環境情報を測定するセンサ素子に加えて、環境情報に応じたデータを無線で外部に送信するための無線トランスミッタを備える。

特開２０１８−１８４０８号公報

センサ素子や無線トランスミッタは、アクティブデバイスであり電源を必要とする。電源としてバッテリを使用すると、バッテリの交換などのメンテナンスが必要となり、管理コストが高くなる。メンテナンスコストを下げるためには、無線センサの消費電力を低減することが求められるが、ＲＦ（Radio Frequency）帯域で発振するローカル発振器は、消費電力を低減する妨げの一因となる。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、消費電力が低減された、あるいはバッテリが不要な無線センサの提供にある。

本発明のある態様は、無線センサに関する。無線センサは、環境情報を取得するセンサ素子と、変調されたエネルギ波を受信するレシーバと、レシーバが受信したエネルギ波に含まれる変調成分をキャリア信号として利用し、キャリア信号にセンサ素子が取得した環境情報を載せて送信するトランスミッタと、を備える。

本発明の別の態様も、無線センサに関する。無線センサは、環境情報を取得するセンサ素子と、外部から与えられる電磁波または音響波であるエネルギ波を、環境情報に応じて、外部から与えられるエネルギ波に作用する反射コントローラと、を備える。

本発明のある態様によれば、消費電力を低減でき、あるいはバッテリレスの動作が可能となる。

第１の実施の形態に係る無線センサを備えるセンサネットワークシステムのブロック図である。 図１の無線センサの動作を説明する図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施例、第２実施例に係る無線センサのブロック図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第３実施例、第４実施例に係る無線センサのブロック図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、第５実施例、第６実施例に係る無線センサのブロック図である。 変形例に係る無線センサのブロック図である。 第２の実施の形態に係る無線センサを備えるセンサネットワークシステムのブロック図である。 図８（ａ）は、第１実施例に係る無線センサのブロック図であり、図８（ｂ）〜（ｄ）は、第２実施例に係る無線センサのブロック図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第３実施例、第４実施例に係る無線センサのブロック図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、第５実施例、第６実施例に係る無線センサのブロック図である。

（実施の形態の概要）
本明細書に開示される一実施の形態は、無線センサに関する。無線センサは、環境情報を取得するセンサ素子と、変調された電磁波を受信するレシーバと、レシーバが受信した電磁波に含まれる変調成分をキャリア信号として利用し、キャリア信号に環境情報を載せて送信するトランスミッタと、を備える。

外部から与える電磁波を変調しておき、トランスミッタにおいて、電磁波に含まれる変調成分をキャリア信号として利用することにより、ローカル発振器が不要となり、無線センサの消費電力を低減できる。

一実施例において、電磁波は光であり、変調成分はＲＦ（Radio Frequency）帯域であってもよい。レシーバは、光検出器を含んでもよい。トランスミッタは、アンテナを含んでもよい。

一実施例において、電磁波は光であり、変調成分はオーディオ帯域であってもよい。レシーバは、光検出器を含んでもよい。トランスミッタは電気音響変換素子を含んでもよい。

一実施例において、電磁波はＲＦ信号であり、変調成分はＲＦ帯域であってもよい。レシーバは、アンテナを含んでもよい。トランスミッタは、アンテナを含んでもよい。

一実施例において、電磁波はＲＦ信号であり、変調成分はオーディオ帯域であってもよい。レシーバは、アンテナを含んでもよい。トランスミッタは電気音響変換素子を含んでもよい。

無線センサは、レシーバが受信した電磁波のエネルギを電源として動作してもよい。これよりバッテリレス動作が可能となる。

上述の無線センサを用いて、センサネットワークシステムを構成することができる。センサネットワークシステムは、無線センサと、無線センサに、変調された電磁波を供給するエネルギ波源と、無線センサから出力される信号を受信するデータ収集端末と、を備えてもよい。

本明細書に開示される別の実施の形態も、無線センサに関する。この無線センサは、環境情報を取得するセンサ素子と、環境情報に応じて、外部から与えられる電磁波または音響波であるエネルギ波に作用する反射コントローラと、を備える。

センサ素子の出力に応じて、外部から与えられるエネルギ波に作用することで、キャリア信号を生成するローカル発振器が不要となり、無線センサの消費電力を低減できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る無線センサ１００を備えるセンサネットワークシステム２００のブロック図である。センサネットワークシステム２００は、無線センサ１００、エネルギ波源２１０、データ収集端末２２０を備える。

エネルギ波源２１０は、変調された電磁波であるエネルギ波Ｓ１を空間に放射する。エネルギ波Ｓ１は、無線センサ１００に供給される。エネルギ波Ｓ１は、後述するように、ＲＦ信号（無線信号、電波）であってもよいし光信号であってもよい。なお、エネルギ波源２１０として、レーザやフェイズドアレイアンテナを用いることで、エネルギ波Ｓ１の指向性を高めることができ、より長距離な通信が可能になる。

無線センサ１００は、温度、振動、加速度、光、音などの環境情報を測定し、測定した環境情報に応じた送信信号Ｓ２を出力する。データ収集端末２２０は、無線センサ１００からの送信信号Ｓ２を受信する。

図１では、エネルギ波源２１０とデータ収集端末２２０を別々のユニットとして示すが、それらは同一ユニットに内蔵されてもよい。

以上がセンサネットワークシステム２００の概要である。続いて無線センサ１００について説明する。

無線センサ１００は、センサ素子１１０、レシーバ１２０およびトランスミッタ１３０を備える。センサ素子１１０は、環境情報を取得する。センサ素子１１０の種類、構成は限定されず、測定対象の環境情報に応じて選択される。

レシーバ１２０は、エネルギ波源２１０から、振幅変調されたエネルギ波Ｓ１を受信する。トランスミッタ１３０は、レシーバ１２０が受信したエネルギ波Ｓ１に含まれる変調成分をキャリア信号Ｓ３として利用し、キャリア信号Ｓ３にセンサ素子１１０が取得した環境情報Ｓ４を載せて送信する。

以上が無線センサ１００の構成である。続いて無線センサ１００の動作を説明する。図２は、図１の無線センサ１００の動作を説明する図である。ここでは理解の容易化のため、電磁波は周波数ｆ_Ｍの正弦波を用いて振幅変調されているものとする。ここでは電磁波の変調成分を正弦波として示すがその限りでなく、矩形波や台形波、その他の波形であってもよい。また、後述するように、エネルギ波Ｓ１は、複数の周波数成分ｆ_Ｍ１，ｆ_Ｍ２…を含むマルチトーン信号であってもよいし、周波数スイープ信号であってもよい。

トランスミッタ１３０の送信信号Ｓ２は、キャリア信号Ｓ３に載せて搬送される。図２の例ではキャリア信号Ｓ３が、環境情報Ｓ４に応じてアナログ振幅変調される様子を示す。

以上が無線センサ１００の動作である。この無線センサ１００によれば、外部から与えるエネルギ波Ｓ１を変調しておき、エネルギ波Ｓ１に含まれる変調成分Ｓ３をキャリア信号として利用することにより、ローカル発振器が不要となり、無線センサ１００の消費電力を低減できる。

また後述するように、エネルギ波Ｓ１を電気エネルギに変換し、無線センサ１００の電源として利用しても良い。この場合、バッテリレスの動作が可能となる。

キャリア信号Ｓ３を用いて環境情報Ｓ４を搬送する方式は特に限定されず、公知のさまざまな方式を用いることができる。
（１） ダイレクトコンバージョンによるもの
すなわち、環境情報Ｓ４の値に応じてキャリア信号Ｓ３をアナログ変調、デジタル変調あるいはパルス変調する。アナログ変調には、アナログ振幅変調、アナログ周波数変調、アナログ位相変調などが含まれる。デジタル変調には、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）などが含まれる。エネルギ波Ｓ１に含まれる変調成分が矩形波である場合、パルス変調として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）、ＯＯＫ（On-Off Keying）、ＰＤＭ（Pulse Density Modulation）などを用いてもよい。

（２） ヘテロダイン方式によるもの
すなわち環境情報Ｓ４の値に応じて中間周波数をアナログ変調、デジタル変調、あるいはパルス変調して中間信号を生成し、中間信号をキャリア信号Ｓ３にアップコンバージョンし、送信信号Ｓ２を生成する。

続いて、第１の実施の形態に係る無線センサ１００の具体的な構成を、いくつかの実施例をもとに説明する。

（第１実施例）
図３（ａ）は、第１実施例に係る無線センサ１００Ａのブロック図である。この実施例において、エネルギ波Ｓ１は光であり、それに含まれる変調成分Ｓ５はＲＦ（Radio Frequency）帯域である。本実施例で変調成分Ｓ５として、周波数スイープ信号、マルチトーン信号、ホワイトノイズやピンクノイズなどが用いられ、複数の周波数成分を含み、あるいは連続スペクトルを有する。

レシーバ１２０は、光検出器（フォトディテクタ）１２２を含む。光検出器１２２には、光信号Ｓ１Ａに応じた光電流Ｉ_ＰＤが流れる。光電流Ｉ_ＰＤは、光信号Ｓ１Ａの強度の変調成分を表す。

トランスミッタ１３０Ａは、送信アンテナ１３２および可変インピーダンス回路１３４を含む。光電流Ｉ_ＰＤは、可変インピーダンス回路１３４を介して送信アンテナ１３２に供給される。可変インピーダンス回路１３４は、インピーダンスが制御可能に構成される。可変インピーダンス回路１３４の構成は特に限定されず、可変抵抗、可変キャパシタ、可変インダクタなどを用いて構成することができる。

送信アンテナ１３２のコイルと可変インピーダンス回路１３４は、共振回路（あるいはフィルタ）を形成する。可変インピーダンス回路１３４のインピーダンス、ひいては共振回路の共振周波数ｆ_０は、センサ素子１１０が取得した環境情報Ｓ４に応じて変化する。

上述のように、光信号Ｓ１Ａに含まれる変調成分Ｓ５は、連続スペクトル（あるいは離散的な複数の周波数成分）を有し、したがって光電流Ｉ_ＰＤもまた連続スペクトルを有することとなり、光電流Ｉ_ＰＤに含まれる周波数成分のうち共振周波数ｆ_０の成分が送信アンテナ１３２に流れ、ＲＦの送信信号Ｓ２として放射される。データ収集端末２２０は、ＲＦ信号Ｓ２の周波数を測定することにより、環境情報Ｓ４を取得することができる。

あるいは光信号Ｓ１Ａに含まれる変調成分は、単一のスペクトルｆｓを有してもよい。この場合、光電流Ｉ_ＰＤも単一スペクトルを有することとなる。センサ素子１１０の出力に応じて、共振周波数ｆ_０を変調成分の周波数ｆｓの近傍でシフトさせることにより、送信アンテナ１３２から放射されるＲＦ信号Ｓ２の強度を変化させることができる。データ収集端末２２０は、ＲＦ信号Ｓ２の周波数成分ｆｓの強度を測定することにより、環境情報Ｓ４を取得することができる。

光信号Ｓ１Ａとして、照明の光を利用することも可能である。たとえばインバータ駆動の蛍光灯は、数十ｋＨｚでスイッチングしており、エネルギ波Ｓ１として好適である。

（第２実施例）
図３（ｂ）は、第２実施例に係る無線センサ１００Ｂのブロック図である。第１実施例と同様に、第２実施例においても、エネルギ波Ｓ１は光信号Ｓ１Ｂであり、変調成分はＲＦ帯域である。この実施例では、光信号Ｓ１Ｂの強度は、所定の周波数ｆｓを有するＲＦ帯域の正弦波により振幅変調されている。

レシーバ１２０は、光検出器（フォトディテクタ）１２２を含む。光検出器１２２には、エネルギ波Ｓ１に応じた光電流Ｉ_ＰＤが流れる。光電流Ｉ_ＰＤは、光信号Ｓ１Ｂの強度、すなわち変調成分を表す。

トランスミッタ１３０Ｂは、フィルタ１３６、周波数ミキサー１３８、中間信号生成部１４０および送信アンテナ１３２を含む。フィルタ１３６は、光電流Ｉ_ＰＤに含まれる周波数ｆｓの変調成分Ｓ７を抽出する。

中間信号生成部１４０は、センサ素子１１０の出力である環境情報Ｓ４に応じて変調されたローカル周波数の中間信号Ｓ６を生成する。中間信号生成部１４０は変調方式に応じて設計すればよく、たとえばアナログ周波数変調を採用する場合、中間信号生成部１４０は、環境情報Ｓ４に応じた周波数で発振する発振器を用いることができる。

周波数ミキサー１３８は、フィルタ１３６の出力であるキャリア信号Ｓ７と、中間信号Ｓ６を周波数ミキシングし、ローカル周波数の中間信号Ｓ６を、キャリア周波数ｆｓを有する信号Ｓ８に周波数変換（アップコンバージョン）する。信号Ｓ８は、送信アンテナ１３２から放射される。

（第３実施例）
図４（ａ）は、第３実施例に係る無線センサ１００Ｃのブロック図である。第３実施例は、第１実施例において、変調成分Ｓ５の周波数をオーディオ帯域に置き換えたものである。すなわち、エネルギ波Ｓ１Ｃは光信号であり、変調成分はオーディオ信号（たとえば１０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）である。この実施例では、エネルギ波Ｓ１である光信号Ｓ１Ｃの強度は、オーディオ帯域の変調成分によって変調されている。トランスミッタ１３０Ｃは、図３（ａ）の送信アンテナ１３２に代えて、電気音響変換素子（たとえばスピーカ）１４２を備える。

電気音響変換素子１４２のコイルと可変インピーダンス回路１３４は、共振回路（あるいはフィルタ）を形成する。可変インピーダンス回路１３４のインピーダンス、ひいては共振回路の共振周波数ｆ_０は、環境情報Ｓ４に応じて変化する。

変調成分が連続スペクトル（あるいは離散的な複数の周波数成分）を有する場合、電気音響変換素子１４２からは、センサ素子１１０の出力Ｓ４に応じた周波数（共振周波数ｆ_０）のオーディオ信号が出力される。

変調成分が単一スペクトル（周波数ｆｓ）を有する場合、電気音響変換素子１４２から出力される周波数ｆｓのオーディオ信号の強度が、センサ素子１１０の出力Ｓ４に応じて変化する。

（第４実施例）
図４（ｂ）は、第４実施例に係る無線センサ１００Ｄのブロック図である。第４実施例は、第２実施例をベースとしており、変調成分は周波数をオーディオ帯域に置き換えたものである。第４実施例において、エネルギ波Ｓ１は光信号Ｓ１Ｄであり、変調成分はオーディオ帯域である。この実施例では、光信号Ｓ１Ｄの強度は、所定の周波数ｆｓを有するオーディオ帯域の変調成分により変調されている。

トランスミッタ１３０Ｄは、図３（ｂ）の送信アンテナ１３２に代えて、電気音響変換素子（たとえばスピーカ）１４２を備える。

（第５実施例）
図５（ａ）は、第５実施例に係る無線センサ１００Ｅのブロック図である。第５実施例は、第１実施例の変形と把握され、エネルギ波Ｓ１としてＲＦ信号（電波）Ｓ１Ｅを利用したものであり、レシーバ１２０は、図３（ａ）の光検出器１２２に代えて、受信アンテナ１４４を含んでいる。受信アンテナ１４４には、エネルギ波Ｓ１に応じた電流（コイル電流という）Ｉ_ＣＯＩＬが流れる。無線センサ１００Ｅは、このコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに含まれる変調成分をキャリア信号として利用し、キャリア信号に環境情報Ｓ４を載せて送信する。

変調成分が連続スペクトル（あるいは離散的な複数の周波数成分）を有する場合、送信アンテナ１３２からは、環境情報Ｓ４に応じた周波数（共振周波数ｆ_０）のオーディオ信号が出力される。

変調成分が単一スペクトル（周波数ｆｓ）を有する場合、送信アンテナ１３２から出力される周波数ｆｓのＲＦ信号の強度が、環境情報Ｓ４に応じて変化する。

なお、エネルギ波Ｓ１としてＲＦ信号Ｓ１Ｅを用いる場合、環境に存在する電磁波を利用することも可能である。たとえば一般的な携帯電話や無線ＬＡＮ（Local Area Network）で使用される変調のかかった無線通信信号を、エネルギ波Ｓ１Ｅとして用いることも可能である。この場合、携帯電話の基地局や無線ＬＡＮの親機がエネルギ波源となる。

（第６実施例）
図５（ｂ）は、第６実施例に係る無線センサ１００Ｆのブロック図である。第６実施例は、第２実施例の変形と把握され、エネルギ波Ｓ１としてＲＦ信号（電波）Ｓ１Ｆを利用したものであり、レシーバ１２０は、図３（ｂ）の光検出器１２２に代えて、受信アンテナ１４４を含んでいる。

図５（ａ）、（ｂ）において、ＲＦ信号Ｓ１Ｅ、Ｓ１Ｆの変調成分としてオーディオ帯域を用いる場合、送信アンテナ１３２を電気音響変換素子１４２に置換すればよい。

以上が、無線センサ１００の構成例である。続いてその変形例を説明する。

図６は、変形例に係る無線センサ１００のブロック図である。無線センサ１００は、レシーバ１２０が受信した電磁波のエネルギを電源として動作する。無線センサ１００は、レシーバ１２０が受信した電磁波に応じた光電流Ｉ_ＰＤあるいはコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬを、直流の電源電圧Ｖ_ＤＤに変換する電源回路１５０を含むことができる。たとえば電源回路１５０は、光電流Ｉ_ＰＤやコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬの直流成分を平滑化するキャパシタを含むことができる。電源回路１５０の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。

第１〜第４実施例のように、レシーバ１２０として光検出器１２２を用いる場合、光検出器１２２に流れる光電流Ｉ_ＰＤは整流されているため、光電流Ｉ_ＰＤを平滑化することにより、電源電圧Ｖ_ＤＤを生成できる。

第５〜第６実施例のように、レシーバ１２０として受信アンテナ（アンテナコイル）１４４を用いる場合、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬを整流、平滑化することにより、電源電圧Ｖ_ＤＤを生成できる。

この変形例によれば、バッテリレスの無線センサ１００を提供できる。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態に係る無線センサ３００を備えるセンサネットワークシステム４００のブロック図である。センサネットワークシステム４００は、無線センサ３００、エネルギ波源４１０、データ収集端末４２０を備える。

エネルギ波源４１０は、無変調の（あるいは変調された）電磁波あるいは音響波（以下、入射エネルギ波Ｓ１１と総称する）を空間に放射する。

無線センサ３００は、入射エネルギ波Ｓ１１を受け、環境情報に応じて反射エネルギ波Ｓ１３に作用する。データ収集端末４２０は、無線センサ３００の作用を受けた反射エネルギ波Ｓ１３を受信し、環境情報を取得する。続いて無線センサ３００の構成を説明する。なお、ここでの「反射」は、必ずしも物理的な波の反射を意味せず、無線センサ３００の作用を受けたエネルギ波が放射されることを含む。

無線センサ３００は、センサ素子３１０、反射コントローラ３２０を備える。センサ素子３１０は、環境情報Ｓ１２を取得する。反射コントローラ３２０は、センサ素子３１０が取得した環境情報Ｓ１２に応じて入射エネルギ波Ｓ１１に作用する。言い換えれば反射コントローラ３２０は、入射エネルギ波Ｓ１１を受信し、それに作用し、作用後の反射エネルギ波Ｓ１３を再放射（反射）する。

以上が無線センサ３００の構成である。この無線センサ３００では、エネルギ波源４１０から放射される入射エネルギ波Ｓ１１を、環境情報Ｓ１２を載せるためのキャリア信号として利用する。そのため、無線センサ３００にローカル発振器が不要となり、無線センサ３００の消費電力を低減できる。

以下、第２の実施の形態に係る無線センサ３００について、具体的な実施例を説明する。

（第１実施例）
図８（ａ）は、第１実施例に係る無線センサ３００Ａのブロック図である。この実施例では、入射エネルギ波Ｓ１１として光信号Ｓ１１Ａが利用され、環境情報Ｓ１２を、反射エネルギ波Ｓ１３のスペクトルに反映させる。

光信号Ｓ１１Ａは、連続スペクトル（あるいは離散的な複数のスペクトル成分）を有する。たとえば光信号Ｓ１１Ａは白色光であってもよい。反射コントローラ３２０は、環境情報Ｓ１２に応じて、反射率の波長依存性が制御可能な光学デバイス３２２を含む。光学デバイス３２２は、可変波長選択デバイスとして把握され、反射エネルギ波Ｓ１３の波長は、環境情報Ｓ１２に応じて制御される。

変形例において、入射エネルギ波Ｓ１１Ａは、単一スペクトルλｓを有してもよい。光学デバイス３２２の波長λｓにおける反射率は、環境情報Ｓ１２に応じて制御可能であってもよい。この場合、反射エネルギ波Ｓ１３の波長λｓの強度を測定することで、環境情報Ｓ１２を取得できる。

（第２実施例）
図８（ｂ）〜（ｄ）は、第２実施例に係る無線センサ３００Ｂのブロック図である。この実施例では、入射エネルギ波Ｓ１１として光信号Ｓ１１Ｂが利用され、反射エネルギ波Ｓ１３の時間波形に、環境情報Ｓ１２を反映させる。

反射コントローラ３２０は、環境情報Ｓ１２に応じて、反射エネルギ波Ｓ１３の強度を変調する。たとえは反射コントローラ３２０は、反射エネルギ波Ｓ１３をスイッチングする光学スイッチ３２４を含んでもよい。たとえばスイッチングの周波数に、環境情報Ｓ１２を載せてもよいし、スイッチングのデューティ比に環境情報Ｓ１２を載せてもよい。あるいはスイッチングの波形パターンに環境情報Ｓ１２を載せてもよい。

図８（ｃ）、（ｄ）には、光学スイッチ３２４（反射コントローラ３２０）の構成例が示される。図８（ｃ）の光学スイッチ３２４は、変調信号生成部３３０、ドライバ３３２、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー３３４を備える。変調信号生成部３３０は、環境情報Ｓ１２に応じた変調信号Ｓ１４を生成する。変調信号Ｓ１４は、パルス周波数変調（ＰＦＭ）信号、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号、パルス密度変調（ＰＤＭ）信号などであってもよい。ＰＦＭを採用する場合、変調信号生成部３３０は、環境情報Ｓ１２に応じた周波数で発振する発振器で構成することができる。ドライバ３３２は、変調信号Ｓ１４に応じて、ＭＥＭＳミラー３３４を駆動する。これにより、反射エネルギ波Ｓ１３は、環境情報Ｓ１２に応じてスイッチングする。

図８（ｄ）の光学スイッチ３２４は、変調信号生成部３３０、ドライバ３３２、制御可能な透過率を有する光学結晶３３６、レンズ３３８を備える。ドライバ３３２は、変調信号Ｓ１４に応じて、光学結晶３３６の透過率をスイッチングする。これにより、反射エネルギ波Ｓ１３は、環境情報Ｓ１２に応じた周波数でスイッチングする。

（第３実施例）
図９（ａ）は、第３実施例に係る無線センサ３００Ｃのブロック図である。この実施例では、入射エネルギ波Ｓ１１として音響波Ｓ１１Ｃが利用され、共振を利用して、反射エネルギ波Ｓ１３のスペクトル（周波数情報）に、環境情報Ｓ１２を反映させる。

音響波Ｓ１１Ｃは、連続スペクトル（あるいは離散的な複数の周波数成分）を有してもよい。音響波Ｓ１１Ｃとしては、周波数スープ信号、マルチトーン信号、ホワイトノイズやピンクノイズなどを用いることができる。

反射コントローラ３２０Ｃは、環境情報Ｓ１２に応じて、物理的な形状が変化する形状可変デバイス３４０を含む。形状可変デバイス３４０としては、形状記憶合金やアクチュエータなどを用いることができるがその限りでない。形状可変デバイス３４０は、その形状に応じた共振周波数ｆ_０を有する。連続スペクトルを有する音響波Ｓ１１Ｃが入射すると、共振周波数ｆ_０の近傍の周波数成分のみが反射エネルギ波Ｓ１３として放射される。反射エネルギ波Ｓ１３のスペクトルを測定することにより、環境情報Ｓ１２を取得できる。

変形例において、入射エネルギ波Ｓ１１Ｃは単一周波数ｆｓを含んでもよい。形状可変デバイス３４０の共振周波数ｆ_０を、単一周波数ｆｓの近傍で、環境情報Ｓ１２に応じてシフトさせることにより、反射エネルギ波Ｓ１３の強度が変化する。したがって反射エネルギ波Ｓ１３の強度を測定することにより、環境情報Ｓ１２を取得できる。

（第４実施例）
図９（ｂ）は、第４実施例に係る無線センサ３００Ｄのブロック図である。この実施例では、入射エネルギ波Ｓ１１として音響波Ｓ１１Ｄが利用され、干渉を利用して、反射エネルギ波Ｓ１３のスペクトル（周波数情報）に、環境情報Ｓ１２を反映させる。

音響波Ｓ１１Ｄは、単一の周波数成分を有する。反射コントローラ３２０Ｄは、電気音響変換素子３４２、環境情報Ｓ１２に応じた変調信号Ｓ１４を生成する変調信号生成部３４４、変調信号生成部３４４の出力に応じて電気音響変換素子３４２を駆動するドライバ３４６を含む。

ある周波数ｆ_０（第２周波数）振動する振動板（干渉器）に、別の周波数（第１周波数）ｆｓを有する音響波Ｓ１１Ｄが入射すると干渉が発生する。したがってビート（差周波あるいは和周波）を測定することにより、環境情報Ｓ１２を取得できる。

（第５実施例）
図１０（ａ）は、第５実施例に係る無線センサ３００Ｅのブロック図である。この実施例では、入射エネルギ波Ｓ１１として、連続スペクトル（あるいは複数の周波数成分）を含むＲＦ信号Ｓ１１Ｅが利用され、反射エネルギ波Ｓ１３のスペクトル（周波数情報）に、環境情報Ｓ１２を反映させる。

反射コントローラ３２０Ｅは、同調回路３６０を含む。同調回路３６０は、環境情報Ｓ１２に応じてインピーダンスが制御可能な可変インピーダンス回路であり、ＲＦアンテナ３５０とともに共振回路を形成する。共振回路の共振周波数ｆ_０は、環境情報Ｓ１２に応じて変化する。ＲＦアンテナ３５０に入射する入射エネルギ波Ｓ１１Ｆのうち、インピーダンス整合がとれている周波数成分は吸収され、その他の周波数成分は反射される。

（第６実施例）
図１０（ｂ）は、第６実施例に係る無線センサ３００Ｆのブロック図である。この実施例では、入射エネルギ波Ｓ１１として、無変調のＲＦ信号Ｓ１１Ｆが利用され、反射エネルギ波Ｓ１３を環境情報Ｓ１２に応じて変調する。

無線センサ３００Ｆは、ＲＦアンテナ３５０、変調器３７０およびセンサ素子３１０を備える。変調器３７０は、スイッチング回路３７１、変調信号生成部３７４、ドライバ３７６を含む。

ＲＦアンテナ３５０は、インピーダンスが制御可能なスイッチング回路３７１と接続される。たとえばスイッチング回路３７１は、スイッチ３７２および終端抵抗Ｒｔを含む。スイッチ３７２がオンの状態では、スイッチング回路３７１のインピーダンスはＲｔであり、インピーダンス整合がとられ、入射エネルギ波Ｓ１１Ｆは吸収される。スイッチ３７２がオフの状態では、スイッチング回路３７１のインピーダンスは無限大（オープン）であり、インピーダンス整合がとれないため、入射エネルギ波Ｓ１１Ｆは全反射する。

変調信号生成部３７４は、環境情報Ｓ１２に応じた変調信号Ｓ１４を生成する。たとえば変調信号生成部３７４は、環境情報Ｓ１２に応じた周波数で発振する発振器で構成してもよい。ドライバ３７６は、変調信号Ｓ１４に応じてスイッチ３７２を駆動する。その結果、反射エネルギ波Ｓ１３は環境情報Ｓ１２に応じた周波数でスイッチングされる。データ収集端末４２０は、反射エネルギ波Ｓ１３のスイッチング周波数にもとづいて、環境情報Ｓ１２を取得できる。

第２の実施の形態に係る無線センサ３００は、入射エネルギ波Ｓ１１を受け、電源電圧を生成する電源回路をさらに含むことができ、これによりバッテリレスの無線センサが提供される。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００ 無線センサ
１１０ センサ素子
１２０ レシーバ
１２２ 光検出器
１３０ トランスミッタ
１３２ 送信アンテナ
１３４ 可変インピーダンス回路
１３６ フィルタ
１３８ 周波数ミキサー
１４０ 中間信号生成部
１４２ 電気音響変換素子
１４４ 受信アンテナ
２００ センサネットワークシステム
２１０ エネルギ波源
２２０ データ収集端末
３００ 無線センサ
３１０ センサ素子
３２０ 反射コントローラ
３２２ 光学デバイス
３２４ 光学スイッチ
３３０ 変調信号生成部
３３２ ドライバ
３３４ ＭＥＭＳミラー
３４０ 形状可変デバイス
３４２ 電気音響変換素子
３４４ 変調信号生成部
３４６ ドライバ
３５０ ＲＦアンテナ
３６０ 同調回路
３７０ 変調器
３７１ スイッチング回路
３７２ スイッチ
３７４ 変調信号生成部
３７６ ドライバ
４００ センサネットワークシステム
４１０ エネルギ波源
４２０ データ収集端末
Ｓ１ エネルギ波
Ｓ２ 送信信号
Ｓ３ キャリア信号
Ｓ４ 環境情報
Ｓ１１ 入射エネルギ波
Ｓ１２ 環境情報
Ｓ１３ 反射エネルギ波

Claims (19)

1. 環境情報を取得するセンサ素子と、
   変調されたエネルギ波を受信するレシーバと、
   前記レシーバが受信した前記エネルギ波に含まれる変調成分をキャリア信号として利用し、前記キャリア信号に前記環境情報を載せて送信するトランスミッタと、
   を備えることを特徴とする無線センサ。
2. 前記エネルギ波は光であり、前記変調成分はＲＦ（Radio Frequency）帯域またはオーディオ帯域であることを特徴とする請求項１に記載の無線センサ。
3. 前記エネルギ波はＲＦ信号であり、前記変調成分はＲＦ帯域またはオーディオ帯域であることを特徴とする請求項１に記載の無線センサ。
4. 前記変調成分は、複数の周波数成分あるいは連続スペクトルを含み、
   前記トランスミッタは、前記変調成分から、前記環境情報に応じた周波数成分を抽出あるいは除去することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無線センサ。
5. 前記トランスミッタは、前記環境情報に応じて前記キャリア信号を変調することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無線センサ。
6. 前記トランスミッタは、前記センサ素子の出力に応じて変調された中間信号を生成する中間信号生成部を含み、前記中間信号と前記キャリア信号をミキシングすることを特徴とする請求項５に記載の無線センサ。
7. 前記中間信号生成部は、前記センサ素子の出力に応じた周波数で発振する発振器を含むことを特徴とする請求項６に記載の無線センサ。
8. 前記レシーバが受信した前記エネルギ波のエネルギを電源として動作することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の無線センサ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の無線センサと、
   前記無線センサに、変調された電磁波を供給するエネルギ波源と、
   前記無線センサから出力される信号を受信するデータ収集端末と、
   を備えることを特徴とするセンサネットワークシステム。
10. 環境情報を取得するセンサ素子と、
    前記環境情報に応じて、外部から与えられる入射エネルギ波に作用する反射コントローラと、
    を備えることを特徴とする無線センサ。
11. 前記入射エネルギ波はＲＦ信号であり、
    前記反射コントローラは、
    ＲＦアンテナと、
    前記ＲＦアンテナと接続され、前記環境情報に応じてインピーダンスが制御可能な同調回路と、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の無線センサ。
12. 前記入射エネルギ波は、複数の周波数成分、あるいは連続スペクトルを有し、
    前記環境情報に応じたスペクトルを有するエネルギ波を反射することを特徴とする請求項１１に記載の無線センサ。
13. 前記入射エネルギ波はＲＦ信号であり、
    前記反射コントローラは、
    ＲＦアンテナと、
    前記環境情報に応じた変調信号を生成する変調信号生成部と、
    前記ＲＦアンテナと接続され、前記変調信号に応じてインピーダンスが制御可能なスイッチング回路と、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の無線センサ。
14. 前記入射エネルギ波は光であり、
    前記反射コントローラは、前記環境情報に応じて、反射率または透過率の波長特性が制御可能な光学デバイスを含むことを特徴とする請求項１０に記載の無線センサ。
15. 前記入射エネルギ波は複数のスペクトル成分あるいは連続スペクトルを含み、前記環境情報に応じたスペクトルを有するエネルギ波を反射することを特徴とする請求項１４に記載の無線センサ。
16. 前記入射エネルギ波は光であり、
    前記反射コントローラは、
    前記環境情報に応じた変調信号を生成する変調信号生成部と、
    前記変調信号に応じて、反射率または透過率の波長特性が制御可能な光学デバイスと、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の無線センサ。
17. 前記入射エネルギ波は、連続スペクトルあるいは複数の周波数成分を有する音響波であり、
    前記反射コントローラは、前記環境情報に応じて、前記音響波の周波数特性を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の無線センサ。
18. 前記入射エネルギ波は、第１周波数を含む音響波であり、
    前記反射コントローラは、前記第１周波数の音響波に、第２周波数の音響波を干渉させる干渉器を含み、
    前記第２周波数が前記環境情報に応じて制御可能であることを特徴とする請求項１０に記載の無線センサ。
19. 請求項１１から１８のいずれかに記載の無線センサと、
    前記無線センサに電磁波あるいは音響波であるエネルギ波を供給するエネルギ波源と、
    前記無線センサが作用したエネルギ波を受信するデータ収集端末と、
    を備えることを特徴とするセンサネットワークシステム。

Images