JP4661433B2

JP4661433B2 - 無線送受信機

Info

Publication number: JP4661433B2
Application number: JP2005220836A
Authority: JP
Inventors: 信也中井
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2007036112A

Description

本発明は、無線送受信機に関し、特に、太陽電池を用いて構成されたセンサ内蔵発電装置を備えた無線送受信機に関するものである。

最近、センサで検知した温度や湿度といった情報を無線で飛ばして、これらの情報に基づいて各種対象を制御するシステムが利用されており、センサの情報を無線で送受信する回路（以下、無線送受信機と呼ぶ）の需要が高まっている。無線送受信機は比較的省電力な電子機器であることから、その電源としてはボタン電池が用いられることが多い。しかし最近は、環境問題への配慮から太陽電池のようなクリーンな電源が望まれている。太陽電池の発電効率はそれほど高くないが、送信無線通信ユニットのように微小信号を間欠的に送受信し、あまりエネルギーを必要としない用途には好適である。

図７は、従来の無線送受信機の一般的な回路構成を示すブロック図である。

図７に示すように、この無線送受信機６００は、アンテナ６０１、ＲＦ回路６０２、ベースバンド回路６０３、送受信データ処理回路６０４、光センサや温度センサを含むセンサ回路６０５、電源駆動回路６０６及び電源６０７で構成されている。光センサや温度センサより得られたセンサ出力は、送受信データ処理回路６０４、ベースバンド回路６０３、ＲＦ回路６０２の順に処理されて、チップアンテナ６０１を介して無線で送信される。なお、各回路には電源６０７からの電力が電源駆動回路６０６を介して供給される。このように、無線送受信機６００は、センサ出力をホストに送信するだけの場合もあるし、ホストからの制御信号を受信して種々の動作を行うといった応用もある。

図８及び９は、従来の無線送受信機の構成の一例を示す外観斜視図であり、図８はシールドケースがない状態、図９はシールドケースを取り付けた状態を示している。

図８に示すように、この無線送受信機７００は、プリント基板６１０上に実装された各種電子部品で構成され、これにより、上述のＲＦ回路６０２、ベースバンド回路６０３、送受信データ処理回路６０４、センサ回路６０５及び電源駆動回路６０６が構成されている。ＲＦ回路６０２にはアンテナ６０１としてのチップアンテナ６１１が含まれており、センサ回路６０５には光センサ６０５ａや温度センサ６０５ｂが含まれている。また、電源６０７としては太陽電池パネル６１２が使用される。太陽電池パネル６１２はＤＣケーブル６１３を介して無線送受信機本体、詳細にはプリント基板６１０上のＤＣコネクタ６１４に接続される。図９に示すように、これらの各種電子部品はシールドケース６１５によって電磁的にシールドされ、物理的にも保護されるが、チップアンテナ６１１及び光センサ６０５ａについては、ともに正しく動作するようにシールドケース６１５の外部に露出している。

図１０は、従来の無線送受信機の他の例を示す外観斜視図であり、シールドケースを取り付けた状態を示している。

図１０に示すように、この無線送受信機８００では、チップアンテナ６１１の代わりに外部アンテナ６１６を用い、外部アンテナ６１６をプリント基板６１０上の同軸コネクタ６１７に同軸ケーブル６１８を介して接続している。その他の構成は上述の無線送受信機６００と同様である。以上のような構成を有する場合には、チップアンテナによってプリント基板上の実装領域が広範囲に占有されることがなく、プリント基板上の実装領域の有効利用を図ることができる。

その他にも、イメージセンサと太陽電池とを一体に集積された半導体装置や、回路にエネルギーを供給するための太陽電池を搭載した物理量センサや、積雪・融雪検知用センサが組み込まれた太陽電池モジュールなど、本発明に関連する従来技術としては種々のものが存在している。（特許文献１乃至５参照）。
特開平１０−２４２４４３号公報特開平６−４２９８３号公報特開平１０−２７３９５５号公報特開平５−５５８８６号公報特開２００２−３７３９９３号公報

図８及び９に示した従来の無線送受信機７００は、太陽電池パネルと無線送受信機本体とが別体であるため、太陽電池パネルを含めた無線送受信機全体が大型化するという問題がある。また、光センサや温度センサといったセンサ素子が無線送受信機本体のプリント基板上に実装されているため、プリント基板全体をシールドしつつセンサを露出させるためには、シールドケースの一部を切り欠くといった手間も必要となる。

したがって、本発明の目的は、太陽電池パネルとセンサとが容易に一体化されたセンサ内蔵発電装置を備えた無線送受信機を提供することにある。

本発明の上記目的は、太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルと一体的に形成された送受信回路部と、前記太陽電池パネル内に組み込まれたセンサとを少なくとも備え、前記太陽電池パネルは、支持基板と、前記支持基板の表面に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成された発電層と、前記発電層上に形成された透明電極とを備え、前記センサは光センサ及び温度センサを含み、前記光センサ及び前記温度センサはいずれも、前記支持基板の表面に形成された前記下地電極と、前記下地電極上に形成された前記発電層と同一構造を有するセンサ層と、前記センサ層上に形成された前記透明電極と、前記透明電極上に形成されたリード電極とを少なくとも備え、前記温度センサは、前記センサ層への光の入射を遮断する遮光手段をさらに備え、前記送受信回路部は、前記支持基板の裏面に形成され、前記太陽電池パネルの前記下地電極を接地面として使用しており、前記太陽電池パネルから得られる直流電力によって駆動され、前記光センサ及び前記温度センサの出力を無線送信することを特徴とする無線送受信機によって達成される。ここに、「送受信」とは、送信若しくは受信又は送信及び受信の両方という意味であり、送信及び受信の両方のみならず、送信のみの場合や受信のみの場合も含まれる。

本発明において、太陽電池パネル内に組み込まれたセンサは、光センサ、およびセンサ層への光の入射を遮断する遮光手段をさらに備えることにより構成された温度センサである。これらのセンサであれば、太陽電池パネルの製造プロセスをそのまま利用して形成することができるため、太陽電池パネルとセンサとの一体化がきわめて容易である。

本発明において、送受信回路部は、太陽電池パネルから得られる直流電力によって駆動され、センサの出力を送信する。これによれば、無線送受信機の主要部である送受信回路部と太陽電池パネルとが一体化しているので、太陽電池パネルと送受信回路部の回路基板とをそれぞれ別個に用意する場合に比べて無線送受信機全体の大幅な小型軽量化を図ることができる。さらに、太陽電池パネルの一方の出力電極を送受信回路部の接地面として使用し、当該接地面の周辺に送受信回路部が構成されているので、太陽電池と送受信回路部との電気的な干渉を抑えることができる。

本発明においては、太陽電池パネル自身がセンサとして機能してもよい。このような構成であれば、独立したセンサ素子が不要となるため、センサを太陽電池パネルから切り離す必要がなくなり、製造プロセスをさらに容易にすることができる。

本発明によれば、太陽電池パネルが太陽光を受けて発電するので、これを無線送受信機の電源として用いた場合には、無線送受信機に対して所定の電源電力を供給することができる。したがって、無線送受信機を駆動するためのボタン電池が不要となり、電池の寿命がくるたびに交換しなければならないという不便さを解消することができる。また、太陽電池パネルとセンサとが一体化しているので、このセンサを無線送受信機に用いた場合には、無線送受信機本体のプリント基板上にセンサを実装する必要がなくなり、無線送受信機の小型軽量化、低背化が可能となる。また、これらのセンサを露出させるためにシールドケースの一部を切り欠くといった手間を省くことも可能となる。また、センサ層が太陽電池パネルの発電層と同一構造を有しており、太陽電池パネルとセンサとが透明電極及び下部電極を共用しているため、センサと太陽電池パネルとを同時に形成することができ、特別な製造プロセスを必要とせずに太陽電池パネル内にセンサを組み込むことができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ内蔵発電装置の表面側の構成を示す略平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図１乃至図３に示すように、このセンサ内蔵発電装置１００は、略矩形状の支持基板１０１と、支持基板１０１の表面に形成された太陽電池パネル本体１０２と、太陽電池パネル本体と同一平面上に形成されたセンサ部１０９とで構成されている。太陽電池パネル本体１０２は、支持基板１０１上に形成された下地電極１０３と、下地電極１０３上に形成された発電層１０４と、発電層１０４上に形成された透明電極１０５とを備えている。また、太陽電池パネル本体１０２の右側には、下地電極１０３に接続されたマイナス側リード電極１０６が設けられており、太陽電池パネル本体１０２の左側には、透明電極１０５に接続された略くし型のプラス側リード電極１０７が設けられている。そして、太陽電池パネル本体１０２の全面は保護膜（コーティング樹脂）１０８で覆われている。

支持基板１０１は、太陽電池パネル本体１０２の機械的強度を確保する役割を果たす。支持基板１０１の材料としては、特に限定されるものではないが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン、ポリイミド等を用いることができ、可撓性のあるフィルム状の基板を用いることが好ましい。また、高周波特性の良好なアルミナ基板、ＬＴＣＣ（低温焼成セラミック）多層基板、ガラス基板、樹脂基板、樹脂多層基板等を用いることもできる。

下地電極１０３は、太陽電池パネル本体１０２のマイナス側の出力電極（接地電極）としての役割を果たすとともに、発電層１０４を透過した光を反射して発電層１０４に戻すことで発電効率を向上させる役割も果たす。そのため、下地電極１０３は「反射電極」とも呼ばれる。特に限定されるものではないが、下地電極の材料としては銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）といった導体を用いることが好ましい。

発電層１０４は、リン等のＮ型不純物がドープされたアモルファスシリコン膜（Ｎ層）、不純物がドープされていないアモルファスシリコン膜（Ｉ層）、ホウ素等のＰ型不純物がドープされたアモルファスシリコン膜（Ｐ層）がこの順で積層された多層膜からなり、Ｉ層をＰ層とＮ層とで挟み込んだＰＩＮ接合構造を有している。そして、本実施形態においては、Ｎ層が下地電極１０３側を向いている。発電層１０４に光が当たると、I層の価電子帯の電子が励起されて電子とホールのペアが発生し、これらの電子とホールはＰＩＮ接合による内部電界に応じてそれぞれＮ層とＰ層とに拡散するので、電位差が発生し、電流を取り出すことが可能となる。つまり、発電層が活性化している状態においてＮ層とＰ層とを結線した場合には、Ｐ層からＮ層に向けて電流が流れることになる。なお、発電層１０４は多数のセルで構成されていてもよく、この場合に個々のセルが直列接続されてもよく、あるいは並列接続されてもよい。

透明電極１０５は、太陽電池パネル本体１０２のプラス側の出力電極としての役割を果たすとともに、光の入射側の電極としての役割も果たすため、一定の光透過性を有している。透明電極１０５は発電層から見て光の入射方向に近い（光の入射面側に設けられている）ことから「表面電極」と呼ばれることがある。これに対し、下地電極１０３は光の入射方向から遠いことから「裏面電極」と呼ばれることがある。透明電極の材料としては、特に限定されるものではないが、二酸化亜鉛（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ）等の導体を用いることが好ましい。

本実施形態においては、マイナス側リード電極１０６の形成領域を確保するため、発電層１０４及び透明電極１０５を下地電極１０３の全面に形成せず、Ｙ方向に沿った右側端部に広めのマージンを持たせて、下地電極１０３の露出領域を形成している。そして、マイナス側リード電極１０６は、下地電極１０３の右側端部の露出領域に形成されており、このマイナス側リード電極１０６とは反対側に位置するプラス側リード電極１０７は、透明電極１０５上の左側端部に形成されている。

本実施形態のセンサ部１０９は２種類のセンサで構成されている。一つは光センサ１０９ａであり、もう一つは温度センサ１０９ｂである。光センサ１０９ａ及び温度センサ１０９ｂはともに、太陽電池パネル本体１０２と共通の下地電極１０３と、この下地電極１０３上に形成されたセンサ層１０４Ｘと、センサ層１０４Ｘ上に形成された透明電極１０５Ｘと、透明電極１０５Ｘ上に形成されたリード電極１１０とで構成されている。さらに温度センサ１０９ｂについては、センサ層１０４Ｘへの光の入射を遮断する遮光膜１１１を有している。各々のセンサ層１０４Ｘは、太陽電池パネル本体の発電層１０４と同じくＰＩＮ接合構造を有しており、光センサ１０９ａの場合には、センサ層１０４Ｘに入射した光の量に応じて得られる電流量から光量を検出する。また、温度センサ１０９ｂの場合には、センサ層１０４Ｘの温度特性を利用して温度を検出する。

上述の通り、センサ部１０９の下地電極１０３は太陽電池パネル本体１０２と共通しているが、センサ層１０４Ｘ及び透明電極１０５Ｘはともに太陽電池パネル本体の発電層１０４及び透明電極１０５から分離しており、それぞれ独立した積層体となっている。このようなセンサ部１０９のセンサ層１０４Ｘ及び透明電極１０５Ｘは、太陽電池パネル本体１０２の発電層１０４及び透明電極１０５と同時に形成される。これらはサブトラクティブ法で形成されてもよく、アディティブ法で形成されてもよい。サブトラクティブ法の場合には、下地電極１０３のほぼ全面にＰ層、Ｉ層、Ｎ層をＣＶＤ法により順次堆積させ、さらに透明電極材料を堆積させた後、発電層１０４とセンサ層１０４Ｘとをエッチングにより切り離す。アディティブ法の場合には、発電層１０４及びセンサ層１０４Ｘの形成領域以外をマスクした後、Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層をＣＶＤ法により順次堆積させ、さらに透明電極材料を堆積させた後、マスクを除去する。その後、センサ層１０４Ｘ上の透明電極１０５Ｘの表面にリード電極１１０を形成する。さらに温度センサについては、光の入射によってセンサ出力が直接変化しないよう、センサ層１０４Ｘへの光の入射を遮断する遮光膜１１１が形成される。

以上のような構成を有するセンサ内蔵発電装置１００は、通常の太陽電池として動作する。つまり、太陽光を受けて発電し、２つのリード電極１０６，１０７間に起電力を発生させるので、所定の電源電力を供給することができる。したがって、これを無線送受信機に用いた場合には、無線送受信機のボタン電池が不要となり、寿命がくるたびにボタン電池を交換しなければならないという不便さを解消することができる。また、太陽電池パネルに光センサや温度センサが組み込まれているので、無線送受信機本体のプリント基板上にこれらのセンサを実装する必要がなくなり、これらのセンサを露出させるためにシールドケースの一部を切り欠くといった手間を省くことも可能となる。また、センサ層１０４Ｘが太陽電池パネルの発電層１０４と同一構造を有しており、太陽電池パネルとセンサとが透明電極及び下部電極を共用しているため、センサと太陽電池パネルとを同時に形成することができ、特別な製造プロセスを必要とせずに太陽電池パネル内にセンサを組み込むことができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ内蔵発電装置の裏面側の構成を示す略平面図であり、図５は、図４のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、第１の実施形態に係るセンサ内蔵発電装置１００と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図４及び図５に示すように、このセンサ内蔵発電装置２００の特徴は、支持基板１０１の裏面に形成された送受信回路部２０１を備えている点にある。本実施形態の送受信回路部２０１は、ＲＦ回路２０２、ベースバンド回路２０３、送受信データ処理回路２０４、及び電源駆動回路２０５で構成されている。これらの回路は、支持基板１０１の裏面に配線パターン２０６を形成し、チップコンデンサ２０７やトランジスタ２０８といったチップ部品やＩＣ２０９を実装することにより構成され、ＩＣ２０９がベースバンド回路２０３や送受信データ処理回路２０４の主要部を構成している。

特に限定されるものではないが、電源駆動回路２０５は、図６に示すように、３端子レギュレータ２１１と、逆流防止保護用ダイオード２１２と、平滑コンデンサ２１３とによって構成することができる。電源駆動回路２０５の入力端子１０７Ｘは支持基板１０１を貫通するビアホール電極２１４を介して太陽電池パネル本体のプラス側リード電極１０７に接続される。各回路ブロック間を接続する配線パターン２０６は、接地面に対して概ね５０Ωのインピーダンスをもった伝送線路であるマイクロストリップ線路で構成されており、ＲＦ回路２０２内のマイクロストリップ線路の一部はＲＦコネクタ２１５を介して外部アンテナ（図１３参照）に接続される。また、各回路ブロックのグランドラインは、支持基板１０１を貫通するビアホール電極２１６を介して太陽電池パネル本体の下地電極１０３に接続されることによって確保される。さらに、図５に示すように、センサ部１０９の出力信号はリード電極１１０及びビアホール電極２１７を介して送受信データ処理回路２０３に供給される。そして、送受信回路部２０１の全面は保護膜（コーティング樹脂）１０８ｂで覆われている。

本実施形態によれば、送受信回路部２０１は支持基板１０１の裏面に設けられており、太陽電池パネルの裏面のほぼ全面を利用して送受信回路部２０１を構成しているので、太陽電池パネルと送受信回路部とを一体化することができ、太陽電池パネルと送受信回路部の回路基板とをそれぞれ別個に用意する場合に比べて無線送受信機全体の大幅な小型軽量化を図ることができる。また、太陽電池パネルの一方の出力電極である下地電極１０３を送受信回路部２０１の接地面として使用し、当該接地面の周辺に送受信回路部２０１が構成されているので、太陽電池と送受信回路部２０１との電気的な干渉を抑えることができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態においては、マイナス側の出力電極である下地電極１０３を送受信回路部２０１の接地面として用いる場合について説明したが、透明電極１０５を送受信回路部２０１の接地面として用いてもかまわない。下地電極及び透明電極のどちらがマイナス側電極になるかは発電層（ＰＩＮ層）の向きによることから、透明電極１０５がマイナス側の出力電極となる場合には、透明電極１０５を接地面として用いることができる。さらに、上記実施形態では太陽電池の発電層が非晶質（アモルファス）である場合について説明したが、結晶質のシリコンでもよいことは言うまでもない。

また、上記実施形態においては、センサ部として光センサ及び温度センサが一つずつ設けられている場合について説明したが、各センサの数はいくつであってもよく、その形成位置についても自由に決めることが可能である。

また、上記実施形態においては、温度センサ１０９のセンサ層１０４Ｘへの光の入射を遮断する手段として遮光膜１１１を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばセンサ層１０４Ｘに光が入射しないようにその周囲をリード電極で覆ってもよい。すなわち、センサ層１０４Ｘへの光の入射を遮断することができればどのような方法であってもかまわない。

また、上記実施形態においては、太陽電池パネルとセンサ素子とが独立して構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、太陽電池パネル自身をそのままセンサとして利用してもよい。太陽電池パネルは光量によって起電力が変化することから、これを検出することにより光量を求めることが可能である。より正確な測定を行う場合には、時分割制御が有効である。つまり、光量を測定したいときだけ太陽電池パネルを光センサとして利用する。このようにすれば、一定時間内は太陽電池パネル全体が光センサとして機能するので、より正確な光量の測定が可能となる。

また、上記各実施形態においては、無線送受信機が送信及び受信の両機能を備えている場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばセンサ出力を送信する機能のみを備えている場合や、データ表示装置への制御信号を受信する機能のみを備えている場合も含まれる。つまり、本発明において「送受信」とは、送信及び受信の両方又は送信のみ又は受信のみという意味である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ内蔵発電装置の表面側の構成を示す略平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図４は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ内蔵発電装置の構成を示す略平面図である。図５は、図４のＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。図６は、電源駆動回路の構成の一例を示す回路図である。図７は、従来の無線送受信機の一般的な回路構成を示すブロック図である。図８は、従来の無線送受信機の構成の一例を示す外観斜視図であり、シールドケースがない状態を示している。図９は、従来の無線送受信機の構成の一例を示す外観斜視図であり、シールドケースを取り付けた状態を示している。図１０は、従来の無線送受信機の他の例を示す外観斜視図であり、シールドケースを取り付けた状態を示している。

符号の説明

１００センサ内蔵発電装置
１０１支持基板
１０２太陽電池パネル本体
１０３下地電極
１０４発電層
１０４Ｘセンサ層
１０５透明電極
１０５Ｘ透明電極
１０６マイナス側リード電極
１０７プラス側リード電極
１０７Ｘ電源駆動回路の入力端子
１０９センサ部
１０９ａ光センサ
１０９ｂ温度センサ
１１０リード電極
１１１遮光膜
２００センサ内蔵発電装置
２０１送受信回路部
２０２ＲＦ回路
２０３ベースバンド回路
２０４送受信データ処理回路
２０５電源駆動回路
２０６配線パターン（マイクロストリップ線路）
２０７チップコンデンサ
２０８トランジスタ
２１１３端子レギュレータ
２１２逆流防止保護用ダイオード
２１３平滑コンデンサ
２１４ビアホール電極
２１５ＲＦコネクタ
２１６ビアホール電極
２１７ビアホール電極
６００無線送受信機
６０１アンテナ
６０２ＲＦ回路
６０３ベースバンド回路
６０４送受信データ処理回路
６０５センサ回路
６０５ａ光センサ
６０５ｂ温度センサ
６０６電源駆動回路
６０７電源
６１０プリント基板
６１１チップアンテナ
６１２太陽電池パネル
６１３ＤＣケーブル
６１４ＤＣコネクタ
６１５シールドケース
６１６外部アンテナ
６１７同軸コネクタ
６１８同軸ケーブル
７００無線送受信機
８００無線送受信機

Claims

太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルと一体的に形成された送受信回路部と、前記太陽電池パネル内に組み込まれたセンサとを少なくとも備え、
前記太陽電池パネルは、支持基板と、前記支持基板の表面に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成された発電層と、前記発電層上に形成された透明電極とを備え、
前記センサは光センサ及び温度センサを含み、
前記光センサ及び前記温度センサはいずれも、前記支持基板の表面に形成された前記下地電極と、前記下地電極上に形成された前記発電層と同一構造を有するセンサ層と、前記センサ層上に形成された前記透明電極と、前記透明電極上に形成されたリード電極とを少なくとも備え、
前記温度センサは、前記センサ層への光の入射を遮断する遮光手段をさらに備え、
前記送受信回路部は、前記支持基板の裏面に形成され、前記太陽電池パネルの前記下地電極を接地面として使用しており、前記太陽電池パネルから得られる直流電力によって駆動され、前記光センサ及び前記温度センサの出力を無線送信することを特徴とする無線送受信機。