JP5857793B2

JP5857793B2 - 通信端末及びセンサネットワーク

Info

Publication number: JP5857793B2
Application number: JP2012040090A
Authority: JP
Inventors: 恭明萬
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013175985A

Description

本発明は、通信端末及びセンサネットワークに関し、特に、センサネットワークのモジュールサイズの小型化と低コスト化を実現する回路技術に関するものである。

快適で環境に優しいオフィスを実現するための技術として、センサネットワークが知られている。これは、電力・温度・湿度・照度といった環境を検知する各種センサをオフィス内に複数設置し、これらを無線ネットワークで結び、得られた情報に基づいて快適な環境を実現すると共に、電子機器のエネルギー利用効率を図るものである。
尚、各種センサと通信に必要な電力を得るための一つの方法として、センサ側に電池を搭載することがあげられる。しかし、電池には寿命があること、交換の手間がかかること、アプリによっては電池搭載や電池交換が難しい場合があることから、電池を使用しないで動作させることが望まれている。
近年、振動や光、熱エネルギーから電力を得るエネルギーハーベスティング技術が注目されているが、得られる電力量が小さい点や、必要な時に必要な電力を得られる保証がない、といった欠点がある。
また、ＲＦ−ＩＤでよく用いられる電磁誘導結合によって、リーダ（読み取り機器）からトランスポンダ（カード）に電力供給と同時に通信をおこなう技術が知られている。しかし、電磁誘導結合の有効範囲は、例えば、自動改札機等では１０ｃｍ程度であり、センサネットワーク用途には距離が短すぎるといった問題がある。

これに対して、受信した電波から電力を得て、センサを動作させたり、通信をおこなうのに必要な電力を賄う無線給電通信技術が知られている。この技術では電波によって確実に電力を伝送でき、通信も実現することができるため、センサネットワークに適していると考えられる。
送信装置に関する従来技術として特許文献１には、送信に必要な電力を少なくする目的で、アンテナの反射率を変更することで情報を送信する技術が開示されている。
また、センサネットワークへの応用を考慮した例として、非特許文献１では、子機にて受信信号を元に２倍の周波数を作り出し、これを搬送波として送信信号を重畳させる方式を提案している。また、非特許文献２では、子機から親機への送信時に、別途親機から子機に狭帯域信号を送信し、子機ではその受信信号を搬送波として広帯域送信信号を生成する方式を提案している。

しかし、今までの無線給電通信技術では、親機から子機への通信と子機から親機への通信には別々のアンテナが必要であり、モジュールのサイズが大きくなり、その結果、コストが高くなるという問題があった。
また、技術的な課題として、子機から親機への送信には、搬送波として周波数が正確で高周波のクロックが必要であるが、これを低消費電力で生成する回路の実現が困難である。通常、無線通信では、水晶振動子の発振を利用した正確なクロックを基準として、位相同期ループ回路を利用して搬送波周波数のクロックを生成する手法が一般的である。しかし、センサネットワークを構成する子機では、全回路を数μＷ程度で動作させることが必要条件となるため、そのような手法を採用することが難しい。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、少ない電力で送信信号を生成する点では本発明と類似しているが、送信距離を伸ばすために、電波の反射ではなく、子機から電波を発する方式を採る必要があり、小型化や低コスト化が難しいといった問題がある。
更に、非特許文献１及び２に開示されている従来技術は、親機から子機と、子機から親機への通信は別々のアンテナでおこなっており、小型化や低コスト化が難しい。また、製品化に当たっては電波法等の規制をクリアすることが難しいといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、センサネットワークを構成する親機、子機において、親機から子機への通信と子機から親機への通信を単一のアンテナでおこなうことにより、モジュールのサイズを小型化し、且つ低コストを実現した通信端末を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、送受信兼用のアンテナと、該アンテナから受信した電波を整流して電力として蓄電する電力蓄電手段と、該電力蓄電手段により蓄電された電力を使ってセンサ回路及び送受信回路の少なくとも一方を動作させる通信端末であって、電波受信時に負荷に供給できる電力が最大となるように、入力インピーダンスのリアクタンス成分を打ち消すための可変容量を有するリアクタンス調整回路と、回路配線を切り替える配線切換手段と、を備え、該配線切換手段により回路配線を切り替えることにより、前記リアクタンス調整回路を送信時の搬送波用発振回路として動作させることを特徴とする。

本発明によれば、子機において、入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路と、送信用搬送波発振回路とを配線の切り替えによって共通化すると共に、受電及び受信時に、電力獲得効率及び受信信号品質を最大化させるため、インピーダンス整合回路を自動調整する。この結果、同じ回路を送信用搬送波発振回路として動作させる場合は、生成する発振信号の周波数が受信周波数とほぼ同じになり、複雑な発振回路を別途設けることなく、受信信号とほぼ同じ周波数の送信用搬送波を低消費電力で生成することができるので、モジュールのサイズを小さく、且つ低コストにすることができる。

交流を直流に変換する変換回路を示す図である。（ａ）は、入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路について説明する図、（ｂ）は、（ａ）における可変容量の具体的な実装方法を説明する図である。高周波で一般的に用いられる発振回路を示す図である。本発明の入力インピーダンス及びＲＦ−ＤＣ変換回路と送信用搬送波発振回路とを配線切り替えによって共通化した回路について説明する図である。送信搬送波発振回路として動作した時の、図４のノードの電圧波形を示した図である。本発明の子機の構成例について説明する図である。本発明の送受信、給電シーケンスについて説明するフローチャートである。本発明のデバイスを用いたセンサネットワークの例を示す図である。本発明に係る通信システム全体の構成を示すブロック図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１は、交流を直流に変換する変換回路を示す図である。
ＡＣ電源１が正の電圧を出力するとき、ダイオード２、負荷６、ダイオード５の順に電流ａ（点線の電流）が流れ、ＡＣ電源１が負の電圧を出力するとき、ダイオード４、負荷６、ダイオード３の順に電流ｂ（一点鎖線の電流）が流れる。このため、負荷６には常に同じ方向に電流ａ、ｂが流れ、ＡＣをＤＣに変換することができる。

図２（ａ）は、入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路について説明する図である。
アンテナ７で図示しない親機からの電波を受信する。受信信号は、バラン８により不平衡信号から平衡信号に変換される。トランジスタ９、１０、１１、１２は、ゲート端子が容量１３、１４、１５、１６によってノード２７または２８とＡＣ結合しており、同じく抵抗１７、１８、１９、２０によってバイアス回路２１とＤＣ結合している。これにより、トランジスタ９、１０、１１、１２は、それぞれ図１のダイオード２、３、４、５に相当する動作をする。即ち、ノード２７に正の電圧、ノード２８に負の電圧がかかっているとき、トランジスタ９、１２はオンし、トランジスタ１０、１１はオフすることによって、トランジスタ９、負荷２２、トランジスタ１２の順に電流ａ（点線の電流）が流れる。またノード２８に正の電圧、ノード２７に負の電圧がかかっているとき、トランジスタ１０、１１はオンし、トランジスタ９、１２はオフすることによって、トランジスタ１０、負荷２２、トランジスタ１１の順に電流ｂ（一点鎖線の電流）が流れる。また、バイアス回路２１によってトランジスタ９、１０、１１、１２は抵抗１７、１８、１９、２０を介して適切にバイアスされている。

このＲＦ−ＤＣ変換の電力獲得効率が最もよくなるのは、先に述べたように、ノード２７に正の電圧、ノード２８に負の電圧がかかっているときに、電流がトランジスタ９、負荷２２、トランジスタ１２の順に流れ、ノード２８に正の電圧、ノード２７に負の電圧がかかっているときに、電流がトランジスタ１０、負荷２２、トランジスタ１１に流れることである。しかしながら、高周波ではデバイスや配線間に存在する浮遊容量等の寄生素子により、入力ノード２７、２８からみたインピーダンスは大きなリアクタンス成分を持つ。このため、電圧と電流の位相がずれて負荷２２に逆向きの電流が流れるため、ＲＦ−ＤＣ変換効率が低下してしまう。
これを防ぐために、インダクタ２３及び可変容量２４、２５からなる整合回路２６によって、定められた受信周波数近辺におけるリアクタンス成分を打ち消す。ＲＦ−ＤＣ変換回路の入力インピーダンスのリアクタンス成分は、デバイスのプロセスばらつきや動作温度、電源電圧等によって変動するため、可変容量２４、２５を調節することが必要である。即ち、親機からの電波受信時に、負荷に供給できる電力が最大となるように、可変容量２４、２５の値を探索して、入力インピーダンスのリアクタンス成分を打ち消す最適な値に調節する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）における可変容量２４、２５の具体的な実装方法を説明する図である。容量１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂをＮｃｈトランジスタ５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂで切り換えることにより、容量値を制御することができる。このときトランジスタ５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂのゲート電圧値は、オン／オフの２値で与える。勿論、１つのトランジスタをオンしてもよいし、複数のトランジスタをオンしても構わない。従って、トランジスタの組み合わせにより、各種の容量を実現することができる。

次に、図２（ａ）の入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路と、送信搬送波用発振回路が共通化できることを示すために、一般的なＬＣ共振型発振回路について説明する。図３は高周波で一般的に用いられる発振回路を示す図である。インダクタ３３と可変容量３４、３５からなる共振回路に、負性抵抗を構成するクロスカップル結合したトランジスタ２９、３０の対とトランジスタ３１、３２の対が追加されている。インダクタ３３のインダクタンスＬと可変容量３４、３５の容量Ｃから、この回路は共振周波数２＊π／√（ＬＣ）で発振する。トランジスタ２９、３０、３１、３２はインダクタ３３、可変容量３４、３５の損失を打ち消すために必要である。発振周波数は可変容量３４、３５の容量値を変更することで調節できる。

図４は、本発明の入力インピーダンス及びＲＦ−ＤＣ変換回路と送信用搬送波発振回路とをスイッチにより切り替えることによって共通化した回路について説明する図である。
入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路を４３で示す。４３で示した範囲は、送信搬送波用発振回路としても利用できる。即ち、スイッチ３７、４１、４２がオフで、スイッチ３６がオンのとき、後段のＤＣ／ＤＣ昇圧回路３８を負荷とみなして、入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路として動作する。一方、スイッチ３７がオンで、スイッチ４１、４２、３６がオフのとき、容量４０が十分に充電されていれば、ノード４４は電源線とみなせるため、送信搬送波用発振回路として動作する。

また、制御回路４５で、可変容量の値を変更することができる（図２（ｂ）参照）。親機からの電波受信時に、可変容量の値を順次変更していき、ＤＣ電圧出力を検出する。最もＤＣ電圧出力が高くなる設定を制御回路４５に保存しておく。この設定値は、受信・受電するたびに更新される。
この調整結果を送信搬送波用発振回路として動作する場合も保持しているため、発振回路の発振周波数は受信周波数と等しくなる（受信周波数でリアクタンス成分を打ち消す（＝受信周波数で共振する）ように調整されているため）。

あるいは、別の実施例として、親機からの電波受信時と送信時とで可変容量の設定値を少しずらすことにより、送受信の搬送波周波数を確実にずらすことを特徴とする送受信器が考えられる。
ＲＦ−ＤＣ変換回路はＤＣ／ＤＣ昇圧回路３８に接続し、高い電圧に昇圧することでセンサや他の回路で利用できるようにする。ＤＣ／ＤＣ昇圧回路３８は実際の負荷３９（他の回路やセンサを含む）と容量４０を駆動する。ノード４４は回路の電源電圧として利用される。
また、子機から信号を送信する場合、スイッチ４１、３７を同時にオンする（このときスイッチ３６、４２はオフしている）。スイッチ４１をオンし、スイッチ４２をオフして差動回路に非対称の入力を与えることで、瞬時に発振することが可能になる。

図５は、送信搬送波発振回路として動作した時の、図４のノード４６、４７の電圧波形を４８（実線）、４９（破線）に示したものである。縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は時間（ｎｓ）を示す。図からわかるとおり、３ｎｓで波形が立ち上がり、この信号をトリガとして瞬時に送信搬送波発振回路を発信させることができる。

図６は、本発明の子機の構成例について説明する図である。
入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路兼送信搬送波発振回路５０で得られたＤＣ電圧は、ＤＣ／ＤＣ昇圧回路５１によって、昇圧され、負荷であるその他の回路５６やセンサ５７の駆動に利用され、また容量５３に蓄えられる。センサ５７の出力はアナログ・デジタル変換回路５８によってディジタル信号に変換され、変調回路５９によって変調されて送信回路５０にて送信される。ＲＦ−ＤＣ変換回路５０のみでは、小さな信号を受信した場合に電力獲得効率が悪いため、別途スタートアップ回路５２を有する。受信開始時は、まずスタートアップ回路５２が起動して高いＤＣ電圧を得て、スイッチ５４をオン、スイッチ５５をオフし、ＲＦ−ＤＣ変換回路５０及びＤＣ／ＤＣ昇圧回路５１のみを動作させる。ＲＦ−ＤＣ変換回路５０及びＤＣ／ＤＣ昇圧回路５１が起動後、スイッチ５４をオフ、スイッチ５５をオンすることで、受信電波から継続的に電力を獲得しつつ、その他の回路５６やセンサ５７を駆動することができる（スタートアップ回路５２のみでは、その他の回路５６やセンサ５７を駆動するだけの出力を得ることはできない）。

図７は、本発明の送受信、給電シーケンスについて説明するフローチャートである。
まず親機が子機に向かって電力と同時に情報を送信する（Ｓ１）。子機は、受け取った電波をもとに、スタートアップ回路５２が起動して約１Ｖに昇圧する（Ｓ２）。この電圧をもとにＲＦ−ＤＣ変換回路が起動し、受信電波から電力を効率的に変換し、蓄電する（Ｓ３）。同時に信号を復調し、自分宛の信号かどうか、返信が必要かどうかを判断する（Ｓ４）。受信信号が、自分宛にセンサ値を要求するような信号であった場合（Ｓ４でＹｅｓ）、蓄電した電力でセンサを駆動する（Ｓ５）。十分に充電されていれば（Ｓ６でＹｅｓ）、子機はセンサ値等を送信回路から送信する（Ｓ７）。子機からのデータ送信のトリガーは、親機からの送信・給電が終了した時点で発生する。あるいは、十分に電力が充電されたかどうかで判断される。尚、ステップＳ４で子機が自分宛に返信を要求する信号でない場合（Ｓ４でＮｏ）と、ステップＳ６で子機に充分充電されていない場合（Ｓ６でＮｏ）は、何の動作も行なわない。

図８は本発明のデバイスを用いたセンサーットワークの例を示す図である。
この例は、空調や照明設備をコントロールし、温度・湿度・照度を最適な値に設定するためのセンサネットワークに本発明のデバイスを適用している。
親機６０が１台以上部屋に置かれており、温度計、湿度計、照度計といったセンサノード（Ａ〜Ｄ）が室内に複数配置されている。親機６０には、別途センサノードの位置を把握する機能が備わっており、室内の各ポイントにおけるセンサ値を知ることができる。これを利用して、空調や照明設備の最適制御が可能になる。例えば、センサノードが温度計の場合、各センサノードの値から、温度分布が偏っていた場合に、空調機を制御して部屋全体の温度を均一に制御することができる。各センサノードは、センサの駆動、及び情報の送受信に必要な電力を、本発明で示したように無線で得ることができるため、電力線に接続する必要が無く、自由な配置が許される。

図９は、本発明に係る通信システム全体の構成を示すブロック図である。本通信システムは、親機６０と複数の通信端末（子機）６４からなる。子機６４はアンテナ６１と受電及び通信回路６２と、センサ６３からなる。親機６０は複数の子機６４と送電、通信が可能である。

１ＡＣ電源、２〜５ダイオード、６負荷、７アンテナ、８バラン、９〜１２トランジスタ、１３〜１６容量、１７〜２０抵抗、２１バイアス回路、２２負荷、２３インダクタ、２４、２５可変容量、２６整合回路、２７、２８ノード、２９〜３２トランジスタ、３３インダクタ、３４、３５可変容量、３６、３７、４１、４２スイッチ、３８ＤＣ／ＤＣ昇圧回路、３９負荷、４０容量、４３入力インピーダンス整合回路及びＲＦ−ＤＣ変換回路、４４ノード、４５制御回路、４６、４７ノード、４８、４９ノード４６、４７の電圧波形、５０ＲＦ−ＤＣ変換回路、５１ＤＣ／ＤＣ昇圧回路、５２スタートアップ回路、５３容量、５４、５５スイッチ、５６その他の回路、５７センサ、５８アナログ・デジタル変換回路、５９変調回路、６０親機、６１アンテナ、６２受電及び通信回路、６３センサ、６４子機

特開２００３−２２９７７１号公報

‘A New Transponder Architecture With On-Chip ADC for Long-Range Telemetry Applications’Fatih Kocer,Michael P.FlynnIEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.41,NO.5,MAY 2006 p.1142-1148 ‘Far-Field On-Chip Antennas Monolithically Integrated in a Wireless-Powered 5.8-GHz Downlink/UWB Uplink RFID Tag in 0.18um Standard CMOS’Soheil Radiom, Majid Baghaei-Nejad,Karim Mohammadpour-Aghdam,Guy A. E. Vandenbosch,Li-Rong Zheng,Georges G.E. GielenIEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.45, NO.9,SEP 2010 p.1746-1758

Claims

送受信兼用のアンテナと、該アンテナから受信した電波を整流して電力として蓄電する電力蓄電手段と、該電力蓄電手段により蓄電された電力を使ってセンサ回路及び送受信回路の少なくとも一方を動作させる通信端末であって、
電波受信時に負荷に供給できる電力が最大となるように、入力インピーダンスのリアクタンス成分を打ち消すための可変容量を有するリアクタンス調整回路と、回路配線を切り替える配線切換手段と、を備え、
該配線切換手段により回路配線を切り替えることにより、前記リアクタンス調整回路を送信時の搬送波用発振回路として動作させることを特徴とする通信端末。
前記可変容量の値を保持する容量値保持手段を備え、
電波受信時に前記リアクタンス調整回路により設定された前記可変容量の値を前記容量値保持手段に保持し、該保持された容量値を適用して前記搬送波用発振回路を動作させることにより、送受信時の発振周波数を略同一としたことを特徴とする請求項１に記載の通信端末。
電波受信時に前記リアクタンス調整回路により設定された前記可変容量の値を前記容量値保持手段に保持し、該保持された容量値と異なる容量値に設定して、該保持された容量値と異なる容量値を適用して前記搬送波用発振回路を動作させることにより、送受信時の発振周波数を互いに異なるものとしたことを特徴とする請求項２に記載の通信端末。
少なくとも１台の親機と、請求項１乃至３の何れか一項に記載の複数の通信端末を備えたことを特徴とするセンサネットワーク。