JP7019930B2 - パッシブセンサタグシステム - Google Patents

Description

本明細書において開示されている実施形態は、検知されたデータを収集するための外部読み出し部によるリモートセンサタグの無線周波数質問部を含むパッシブリモートセンサタグシステムに関する。

センサは、機械的応力、温度、光および他の変数などの環境変数の状態および変化を監視するために必須のツールである。典型的には、これらのセンサは、機能するため、センサのサンプリングに電力を供給するため、または検知されたデータを送信もしくは出力するために、電源を必要とする。電源を含めることは、センサパッケージのサイズまたはフォームファクタを増大させ、所望の場所におけるセンサパッケージの可用性を制限する可能性がある。さらに、センサパッケージは、センサパッケージがアクセス可能な場所に配置されることを必要とする、電源の交換などの定期的なメンテナンスを必要とする可能性がある。

上述のように、現在のリモートセンサは、それらを所望の場所に配置、使用または容易にアクセスすることができるか否かに影響を与える重要な設計および性能仕様を有する。フォームファクタが小さく、メンテナンスおよび電力要件が低減された改善されたリモートセンサが、この改善されたセンサは、当該改善されたセンサが、現在のリモートセンサができなかった領域に配置することができるため、望ましい。

本明細書に示された態様によれば、パッシブ電子センサタグと外部読み出し部とを含むパッシブセンサタグシステムが提供される。パッシブ電子センサタグは、ローカル環境におけるデータを検知するように構成されたセンサ素子と、基本電気共振周波数を有するセンサ回路とを含む。ローカル環境の変化は、センサ素子の反復的な変化を引き起こし、センサタグの基本電気共振周波数特性を変化させる。基本電気共振周波数特性を変化させることは、センサタグの基本電気共振周波数をシフトさせること、センサタグの基本共振周波数応答を広くすることまたは狭くすることなどによって、その山および／または谷を変化させることを含むことができる。外部読み出し部は、出力アンテナを介してパッシブ電子センサタグに送信される固定電圧出力における信号を生成する外部読み出し回路を含む。

外部読み出し回路は、送信された出力に基づいてパッシブ電子センサタグの状態を決定または計算する。パッシブ電子センサタグの状態は、パッシブ電子センサタグのセンサ回路の基本電気共振周波数特性によって特性化することができる。外部読み出し回路は、センサ回路の基本電気共振周波数特性が変化またはシフトされたか否かを判定することができ、それによって、監視されているローカル環境変数に基づくセンサの反動的変化を示す。外部読み出し回路によって測定または計算されるものとしての、センサ回路の変化された基本電気共振周波数特性は、ローカル環境変数の実際の測定値またはその変化に相関付けることができる。たとえば、検知されるデータは、センサ回路の基本電気共振周波数のシフトから決定される実効電圧差に基づいて決定することができる。

図１は、パッシブセンサタグシステムの例示的なブロック図である。 図２は、パッシブセンサタグシステムの例示的な回路図である。 図３は、パッシブセンサタグシステムの例示的な回路図である。 図４は、図３の回路例の結果を示すグラフ図である。

本明細書において開示されている実施形態および構成は、パッシブセンサタグと、センサタグに質問するための外部読み出し部とを含むパッシブセンサタグシステムを含む。センサタグの受動的な性質は、センサタグのフォームファクタおよび電力要件を低減し、センサタグを複数の監視場所に配置することを可能にする。センサタグは、温度、光、圧力、振動ならびに応力および歪みなどの機械力を含むローカル環境変数を監視するための様々な異なるセンサ素子を含むように構成することができる。加えて、センサタグのアーキテクチャにより、センサタグのサイズを大規模なマクロスケールから小型のミクロスケールにまで拡大することができ、センサタグの多用途性および配置環境の可能性を増大させることができる。

図１は、ローカル環境変数の値または変化を測定するためのセンサタグ１１０と、センサタグ１１０に質問して検知されたデータを測定することができる外部読み出し部１２０とを含むパッシブセンサタグシステム１００の例示的なブロック図である。センサタグ１１０は、ローカル環境変数またはその変化に反応してその状態を変化させる受動素子であり、センサタグ１１０の状態は、外部読み出し部１２０によって決定することができ、外部読み出し部は、センサタグ１１０の状態をローカル環境変数の測定された値または測定された変化に相関付けることができる。

センサタグ１１０は、センサ素子１１２とセンサ回路１１４とを含む。センサ素子１１２は、環境変数または環境変数の変化を検知または測定することができる。センサタグ１１０は、電源を含まず、タグ１１０が積極的にデータを送信しないので受動的である。

センサ素子１１２は、ローカル環境変数またはローカル環境変数の変化に応答して状態を変化させる。センサ素子１１２の状態の変化は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６の変化を引き起こす。回路の電気共振は、回路の容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスの大きさが等しい場合に発生する。容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスとは互いに１８０°位相がずれているので、共振が達成されると回路は抵抗性インピーダンスのみを有する。センサ回路の変化された基本電気共振周波数特性１１６を読み取るかまたは測定することは、センサ回路１１４のセンサが変化させた基本電気共振周波数特性を、センサ回路１１４の同じ変化されていない、または標準的な基本電気共振周波数特性と比較することによって、センサ回路１１４の誘導性リアクタンスおよび／または容量性リアクタンスの変化またはシフトが測定されることを可能にする。測定されたシフトは、センサタグ１１０によって監視される測定ローカル環境変数のシフトまたは値に転換されるか、またはそれと相関付けされ得る。

センサタグ１１０が質問されるとき、基本電気共振周波数特性１１６のこの変化が、外部読み出し部１２０によって、センサタグ１１０によって監視されるローカル環境変数の変化または値に相関付けられる測定値または測定値の変化として解釈される。

センサ回路１１４の、基本電気共振周波数、または、谷もしくは山の幅のような信号の特性のような基本電気共振周波数特性１１６は、センサ素子１１２によってセンサ回路１１４のインダクタンス１１７またはキャパシタンス１１８の一方または両方を変化させることによって変化される。センサタグ１１０が質問されると、外部読み出し部１２０は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６の変化を検出、読み取り、および／または測定する。センサタグ１１０の基本電気共振周波数特性１１６の変化は、ローカル環境変数の測定値または測定可能な変化と解釈または相関付けることができる。

センサ素子１１２は、ローカル変化環境またはその変化に応答して、センサタグ１１０のセンサ回路１１４の電圧を変化させることができる。電圧を変化させるセンサ素子１１２の一例は、圧電材料を含むセンサ素子を含むことができる。圧電材料は、材料に機械的応力または歪みを引き起こす機械的な入力にさらされたときに電圧を発生し、発生した電圧の量が圧電材料における応力または歪みの量を示す。しかしながら、センサ回路１１４の電圧のこの変化は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６を変化させるために、センサ回路１１４のインダクタンス１１７またはキャパシタンス１１８の変化として変換または表現されなければならない。センサ回路１１４は、センサ回路１１４の電圧の変化をセンサ回路１１４のインダクタンス１１７および／またはキャパシタンス１１８の変化に変換または転換することを容易にすることができ、これによって、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６を示す追加の要素を必要とする場合がある。このような追加の要素は、電圧依存キャパシタンスを有するダイオードであるバラクタダイオードを含むことができる。センサ素子１１２によって生成された電圧は、回路内にバラクタダイオードを含むことによって、センサ回路１１４のキャパシタンスの変化に変換することができる。

センサ素子１１２の選択は、測定または監視すべき環境変数に依存する。センサ素子１１２は、ローカル環境変数の変化に応答して変化される変化可能なキャパシタンス値、または、ローカル的な環境変数の変化に応答して変化される変化可能なインダクタンス値を有するセンサ素子１１２などの、多くの形態をとることができる。そのようなセンサの例には、近接センサ、圧力センサ、温度センサ、応力および歪みセンサ、ならびに他のセンサが含まれる。加えて、センサ素子１１２は、電圧を発生または変化させる性質があり得、この電圧の変化が、センサタグ１１０内のセンサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６を変化させる。

例示的な実施形態では、センサ素子１１２は、センサタグ１１０が配置されるローカル環境の変化に応答して、またはそれに基づいてそのキャパシタンスを変化させるセンサ素子であり得る。例示的な容量性センサ素子１１２は、所望の測定可能な変数の変化を監視または記録するためにキャパシタンスを使用する位置センサ、動きセンサまたは他のタイプのセンサであってもよい。キャパシタンスに基づくセンサは、加速度計または圧力センサなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）キャパシタに基づくセンサを含むことができる。ＭＥＭＳセンサは、マイクロメートル～ミリメートル程度のような小規模のものであり、そうでなければ困難なローカル環境および場所にセンサを配置することを可能にする。

さらなる実施形態では、センサ素子１１２は、センサタグ１１０が配置されているローカル環境の変化に応答して、またはそれに基づいてそのインダクタンスを変化させるセンサ素子であってもよい。例示的な誘導性センサ素子１１２は、センサ素子１１２に及ぼされる応力および／または歪みに応答してそのインダクタンスを変化させる金属コイルインダクタを含むことができる。例示的な金属コイルインダクタの１つまたは複数のコイルが圧縮または拡張されると、金属コイルインダクタのインダクタンスは相応に変化される。センサ素子１１２のインダクタンスの変化は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６の変化を引き起こす。前述した容量型センサ素子１１２と同様に、誘導型センサ素子１１２も同様に小規模にすることができる。

さらに別の実施形態では、センサ素子１１２は、圧電素子を含むセンサのような電圧生成素子とすることができる。圧電材料は、材料に加えられる機械的応力に応答して電圧を生成する材料の一種である。したがって、圧電センサは、圧力、加速度、歪みまたは力の変化を測定するのに適している。ローカル環境の変化が圧電型センサ素子１１２によって電圧生成として記録されるので、センサ回路１１４に、電圧生成を、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６の変化に転換するための追加の回路素子を含めることができる。このような回路素子は、センサ素子１１２による電圧生成をセンサ回路１１４のキャパシタンス１１８の変化に転換し、センサタグ１１０の基本電気共振周波数特性１１６の変化を引き起こす、電圧に依存するキャパシタンスを有するバラクタダイオードを含むことができる。

追加の電圧生成型センサ素子１１４は、温度および光センサ素子１１４を含むことができる。熱電対などの温度センサは、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６の変化に転換することができる温度依存電圧生成を呈することができる。光電池などの光センサは、露光に応答して電圧を生成することができる。生成された電圧は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６の変化に転換することができる。

所望に応じて所望のローカル環境の所望の監視を達成するために、単一または複数のセンサ素子１１２をセンサタグ１１０に含めることができる。代替的に、複数のセンサタグ１１０を同様の場所に配置して、所望のローカル環境変数だけでなく、主に監視される変数の変化に寄与することができる追加のローカル環境変数も監視することができる。

例示的なセンサタグ１１０は、複数のセンサ素子１１２および対応するセンサ回路１１４を含むことができる。たとえば、第１のセンサ素子１１２が、構造内の亀裂の寸法を測定することができ、センサタグ１１０の第２のセンサ素子１１２が、周囲温度などの２次変数を監視することができる。２つの変数の測定データ、すなわち、亀裂の寸法および周囲温度を相関付けることができ、２次変数、すなわち、温度が第１の測定変数、すなわち、亀裂の寸法に及ぼす影響を決定するためのパターンを調査することができる。両方のセンサ素子１１２を単一のセンサタグ１１０に統合する利点の１つは、データが実質的に同じ点から収集され、直接的な因果関係を調査して評価できることである。それぞれ第１のセンサ回路および第２のセンサ回路１１４の第１の基本電気共振周波数特性および第２の基本電気共振周波数特性１１６の読み取りを容易にするために、センサタグ１１０が質問されるときに外部読み出し部１２０によって２つの異なる別個の周波数応答を測定することができるように、センサ回路１１４の各々を異なる周波数に調整することができる。さらなる実施形態では、複数のセンサ素子１１２およびセンサ回路１１４を単一のセンサタグ上に配置することができる。１つまたは複数のセンサ素子が１次ローカル変数を測定または監視することができ、残りのセンサ素子が、１次ローカル変数で測定される変化に対する寄与要因である場合もあるし、または、そうでない場合がある、複数のまたは様々な２次ローカル変数を測定することができる。収集されたデータを分析することによって、寄与する２次変数およびそれらが１次変数の測定される効果に寄与する度合いを決定することができる。

さらなる例では、個々のセンサタグ１１０上の異なるセンサ素子１１２を、相関を調査し、因果関係を分析することができる様々な変数を監視するための場所に配置することができる。上記の例と同様に、構造的亀裂の拡大を監視するために第１のセンサタグ１１０を配置することができ、温度および振動などの他の２次的で寄与する可能性のある環境変数を監視するために、追加のセンサタグ１１０を近傍に配置することができる。上記の例とは異なり、各センサタグ１１０に質問することができる。第１の変数、すなわち、構造的亀裂に関する収集されたデータは、その後、２次変数に関して収集されたデータに照らして評価することができ、この評価から相関を確立し、第１の変数に対する２次変数の影響を減らすために軽減する取り組みを行うことができる。

さらに別の例では、同じ環境変数を測定する複数のセンサタグ１１０を広い領域にわたって配置して、領域にわたる、検知される環境の勾配を測定することができる。たとえば、複数の温度検知センサタグ１１０を構造全体にわたって配置して、構造全体にわたる経時的な温度変動を監視することができる。これは、構造全体にわたる均一性のために、構造内の換気および温度制御システムを監視するのに有用であり得る。

センサタグ１１０のセンサ素子１１２およびセンサ回路１１４は、基本電気共振周波数特性１１６を有するＲＬＣ型回路とすることができる。基本電気共振周波数特性１１６の変化は、センサ素子１１２が同調されているローカル環境変数の変化を示す。環境変数の変化に応答して、ＲＬＣ型回路の様々な要素、すなわち、抵抗（Ｒ）、インダクタンス（Ｌ）および／またはキャパシタンス（Ｃ）が変化され得るが、ＲＬＣ型回路のインダクタンスおよび／またはキャパシタンス容量のみによって、基本電気共振周波数特性１１６が変化する。

センサ素子１１２およびセンサ回路１１４などのその様々な要素を含むセンサタグ１１０は、薄膜センサ回路１１４および／またはセンサ素子１１２を作成するために、薄膜基板上に構築または印刷することができる。薄膜回路としてセンサタグ１１０を作成することにより、薄型である程度柔軟性のあるセンサタグが得られる。薄膜回路に基づくセンサタグ１１０が薄型で柔軟性であることによって、センサタグを様々な場所に配置することができる。薄膜センサタグ１１０の柔軟性は、物体または領域の周りに共形に配置することを可能にし、それによって、振動、動き、圧力、および／または物体が経験する他の変数などの変数の直接測定を可能にすることができる。加えて、センサタグ１１０が薄型であることは、それが亀裂、隙間、物体の背後、および、その他のアクセスできない場所のような狭い領域に配置されることを可能にする。この薄膜は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）材料、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）材料または他の適切な可撓性材料から成ることができる。回路素子は、センサタグ１１０の必要な回路を作成するために、リソグラフィなどによって配置、形成、または薄膜上に印刷することができる。

低温ポリシリコン処理を用いて、半導体素子を薄膜上に作製することができる。可撓性ポリマーベース上でのポリシリコン半導体形成を使用してセンサタグ１１０を作製することにより、センサタグ１１０は、ローカル環境変数が監視されるべき物体または場所の周りに共形に配置されることが可能になる。センサタグ１１０は、それ自体の電源を必要としないので、センサタグ１１０が配置されると、メンテナンスをほとんど必要とせず、長期間にわたって機能する。センサタグ１１０の配置は、薄膜センサタグ１１０上に粘着裏地を含めることによって補助することができる。粘着裏地を用いると、センサタグ１１０は、ステッカのように、迅速かつ容易に配置することができる。

加えて、薄膜センサタグ１１０は、センサタグ１１０を環境から保護してセンサタグ１１０を様々な領域および環境に配置できるように、薄膜または他の材料のトップコーティングを含むことができる。このようにして、センサタグ１１０全体を保護材料内に封入することができる。これにより、センサタグ１１０に対する損傷を防止または緩慢にすることによって、センサタグ１１０の可使時間を延ばすことができる。また、保護コーティングは、ローカル環境からセンサタグ１１０を保護し、センサタグ１１０に対する損傷を抑制または低減することができる。

一例は、腐食環境の内部の温度を測定するセンサタグ１１０を含むことができる。腐食に耐性のある材料でセンサタグ１１０をコーティングすることによって、そのような環境内でのセンサタグ１１０の腐食が抑制されまたは緩慢にされる。さらに、センサタグ１１０の開始時間が延長されることによって、センサタグ１１０の交換サイクルが低減し、危険な環境への人の曝露を制限し、および／または、動作中のセンサタグ１１０の交換の影響を制限することができる。

加えて、センサタグ１１０は、センサ素子１１２によって測定または監視されるもの以外のローカル環境変数がセンサタグ１１０の基本電気共振周波数特性１１６に影響を及ぼすのを防止するようにコーティングすることができる。センサ回路１１４の読み取られた基本電気共振周波数特性１１６を外部読み出し部１２０によって測定または相関付けるとき、センサタグ１１０の基本電気共振周波数特性１１６に及ぼすこれらのローカル的環境変数の影響の多くを考慮に入れることができるが、保護コーティングは、センサタグ１１０の基本電気共振周波数特性１１６に対する監視されていない環境変数の望ましくないまたは過度の影響を防止するのを助けることができる。

例示的な実施形態では、構造内の既存の亀裂、すなわち、構造亀裂が発生することが予想される場所、または構造亀裂の形成が重大な安全上の懸念となり得る場所に、センサタグ１１０を配置することができる。センサタグ１１０は、取り付け位置で構造体が受ける歪みを容量的または誘導的に監視することができるセンサ素子１１２を含むことができる。このようなセンサタグ１１０は、亀裂の形成および／または既存の亀裂の進行を監視することができ、検査員は、亀裂が形成されているか否か、または、亀裂が成長している場合には、亀裂が成長している速度を調べることができる。この情報は、構造の完全性または安全性を維持するために措置が必要か否かを判定するために使用することができる。

代替的に、構造または物体は、構造または物体上の選択されたまたはランダムな位置に配置された歪みまたは応力検知センサタグ１１０を有することができる。これらのセンサタグ１１０は、それらのローカル環境内の物体または構造体の応力または歪みを監視することができる。この情報は、物体または構造の完全性を迅速かつ容易に評価するために定期的に収集することができる。この監視は定期的に行うことができるので、センサタグ１１０からの情報は、重大な問題が発生する前に予防または是正措置を講じることを可能にする。

センサタグ１１０のセンサ素子１１２からのデータは、外部読み出し部１２０によって読み取られる。センサタグ１１０によって監視または測定されたローカル環境変数は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６を変化させるセンサ素子１１２による反応を引き起こす。外部読み出し部１２０は、出力信号１２６を送信することによってセンサタグ１１０のセンサ回路１１４に質問することができる。出力信号１２６は、外部読み出し部１２０がセンサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６のような、センサ回路１１４の状態を読み取ることを可能にする。センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６がセンサ素子１１２の状態によって変化されると、変化された基本電気共振周波数特性１１６から局部環境変数の変化または状態を決定することができる。センサタグ１１０の測定または決定された基本電気共振周波数特性１１６は、監視されているローカル環境変数の変化または値を測定または計算するために、既知のベース、または、センサ回路１１４の以前に測定もしくは決定されている同じ基本電気共振周波数特性と比較することができる。読み出し部１２０はまた、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６を決定または読み取ることに加えて、センサ回路１１４の以前に読み取りまたは決定されている基本電気共振周波数特性と比較することによって、読み出しまたは決定された基本電気共振周波数特性１１６を、ローカル環境変数の測定されている変化に相関付けることもできる。読み出し部１２０はまた、ローカル環境変数の既知の値およびセンサ回路１１４の対応する基本電気共振周波数特性と比較することによって、読み取られた基本電気共振周波数特性１１６をローカル環境変数の測定値に相関付けることもできる。

例示的な実施形態では、センサタグ１１０の基本電気共振周波数特性１１６の変化から実効電圧差を決定することができる。実効電圧差は、たとえば、圧電ベースのセンサ素子によって引き起こされるセンサ回路１１４の電圧の変化であり得る。この電圧の変化は、バラクタダイオードによって、センサ回路１１４のキャパシタンスの変化に変換することができ、これは、基本電気共振周波数特性を変化させ、この基本電気共振周波数特性はその後、外部読み出し部１２０によって読み取ることができ、センサタグ１１０が監視しているローカル環境変数の実際の測定値または変化と同一視または相関付けることができる。

一実施形態では、外部読み出し部は、センサタグ１１０の１つまたは複数の基本電気共振周波数特性を測定するために、周波数スペクトルまたは「周波数掃引」にわたって複数の信号を送信または出力することができる。様々な周波数の複数の信号を、個々に連続してまたは単一のバーストで送信することができる。外部読み出し回路１２２は、センサ回路１１４の基本電気共振周波数特性１１６を決定するために、センサタグ１１０が送信周波数に及ぼす影響を監視することができる。

パッシブセンサタグ１１０は、小規模から大規模までのタグ１１０のスケーラビリティ、および、電力要件の欠如のために事実上あらゆる環境に配置することができる。配置されると、外部読み出し部１２０は、センサタグ１１０の近位にされ、それによって、外部読み出し部１２０からの送信を、センサタグ１１０のセンサ回路１１４を励起するのに必要な電流を誘導するのに十分な信号電力でセンサタグ１１０によって受信することができる。

一例では、ミリメートル以下のオーダーの小規模のセンサタグ１１０は、センサタグが物体上、物体内、または同様に小規模の物体もしくは構造上に離散的に配置されることを可能にする。一例では、光センサ素子を有する小規模のセンサタグ１１０をアートワーク片上に配置することができる。センサタグ１１０が小規模であること、および、物体に共形に付着することができることによって、センサタグ１１０は、アートワーク自体またはフレーム上で、アートワークの前面に離散的に配置することができる。センサタグの光センサ素子は露光情報を外部読み出し部に送信することができ、保存管理者がアートワークに生じる潜在的な損傷を評価し、アートワークを保存するために軽減が必要か否かを判定することを可能にする。さらなる形態では、センサ回路のアンテナが、センサ素子１１２を含む主センサタグ１１０の外側、および、アンテナ素子が存在しない場合にセンサ回路１１４の一部分の外側に配置される場合、センサタグ１１０のサイズは相当により小さくスケーリングすることができる。アンテナは、センサ回路１１４に電気的に接続されるだけでよいので、センサタグ１１０の機能を維持しながら遠隔に配置することができる。加えて、センサタグ１１０は、センサタグ１１０のためのアンテナであるか、またはその機能を果たすことができる構造物上に配置することができる。構造物は、センサタグ１１０を配置し電気的に接続することができるアンテナとして機能するように設計された金属構造体とすることができる。金属構造および付随するセンサタグ１１０は、ローカル環境変数を監視する場所に配置することができる。

インチまたはフィートのオーダーの大規模なセンサタグ１１０は、構造内の応力または歪みを監視するために、建造物またはパイプなどの大きな構造物上に置くことができる。一例では、構造は、気体または液体を含む加圧パイプであり、センサタグ１１０が、パイプ内の応力および／または歪みを監視するために、パイプまたはパイプの内側に位置する構造の内部または外部の周りに共形に配置される。たとえば、パイプによる応力および／または歪みは、パイプ内の気体または液体の流れに起因して誘発され得る。加圧パイプ内の応力および／または歪みを監視することによって、早すぎるおよび／もしくは壊滅的な故障を防止し、またはパイプ内の気体または液体の流れの閉塞を検出するために、パイプは安全性について定期的に評価することができる。さらに、複数のセンサをパイプラインに沿って配置して各区画を監視することができ、パイプラインを通してリーダを送って各センサからデータを収集することができる。

代替的に、単一の外部読み出し部１２０を１つまたは複数のセンサタグ１１０の近くに持続的にまたは一時的に配置することができ、外部読み出し部１２０は、各センサタグ１１０を質問の対象とすることができる。さらなる代替形態では、各センサタグ１１０は、信号ブロードキャストの周波数を変化または掃引することによって外部読み出し部１２０が各センサタグ１１０に個別に質問することができるように、異なる個別の周波数に調整することができる。

外部読み出し部１２０が１つまたは複数のセンサタグ１１０の近くに長時間にわたって配置される実施形態では、外部読み出し部１２０は定期的にかつ繰り返しセンサタグ（複数可）１１０に質問することができる。このようにして、ローカル的な環境変数の連続的または定期的な監視を達成することができる。

図２は、パッシブセンサタグシステム２００の例示的な回路図である。センサタグシステム２００は、外部読み出し部２２０およびセンサタグ２１０を含む。外部読み出し部は、信号を生成してセンサタグ２１０に向けて送信する。外部読み出し部２２０は、外部読み出し回路の様々な特性および出力信号を監視して、センサタグ２１０の基本電気共振周波数特性を決定することができる。センサタグ２１０の基本電気共振周波数特性の変化は、センサ素子の物理的変化を示し、これは、監視されているローカル環境変数の変化をさらに示す。センサタグ２１０の基本電気共振周波数特性の変化は、監視されているローカル環境変数の物理値または変数の変化量と相関付けることができる。

例示的な外部読み出し部２２０は、電圧源２２２、キャパシタ２２４、およびアンテナ２２６を含む。電圧源２２２はキャパシタ２２４を充電して、アンテナ２２６によって出力される信号を生成する。信号に基づいてセンサタグ２１０の基本共振周波数特性を決定するために必要とされ得る回路および／またはプロセッサは図示されていない。必要な要素および／またはプロセッサは、外部読み出し部２２０または外部システムもしくはデバイスに含めることができる。

例示的なセンサタグ２１０は、電圧生成センサ素子２１２、一対の逆バイアスされたバラクタダイオード２１４Ａおよび２１４Ｂ、ならびにアンテナ２１６を含む。電圧生成センサ素子２１２は、図２に示す回路例において、外部の機械的応力に応答して電圧を生成する圧電センサである。センサ素子２１２は、２つの逆バイアスされたバラクタダイオード２１４Ａと２１４Ｂとの間に配置され、それによって、センサ素子２１２によって生成される電圧が、ローカル環境変数の変化に応答してダイオード２１４Ａおよび２１４Ｂのキャパシタンスを変化させる。バラクタダイオード２１４Ａおよび２１４Ｂのキャパシタンスの変化は、センサタグ２１０の基本電気共振周波数特性の測定可能なシフトを引き起こす。基本電気共振周波数特性のシフトは、監視されているローカル環境変数の変化または値を決定するために、外部読み出し部２２０によって読み取るかまたは決定することができる。

基本電気共振周波数特性の変化は、ローカル的な環境変数の変化の程度または量に相関付けることができ、または代替的に、ローカル環境変数の測度、たとえば、ローカル環境における温度変化の量ではなくローカル環境の測定温度に相関付けることができる。

センサタグ２１０は、前述のセンサ素子のいずれかを含むことができる。電圧生成センサ素子の場合、発生した電圧をバラクタダイオードのようなセンサ回路のキャパシタンスの変化に変換することができる少なくとも１つの素子が含まれなければならない。システム２００には、センサタグ２１０の基本電気共振周波数特性の変化が必要であるため、センサタグ２１０のキャパシタンスおよび／またはインダクタンスは、ローカル環境変数の変化に応答して変化されなければならない。

図３は、例示的なセンサ回路３１０および例示的な外部読み出し回路３２０を示す。例示的な外部読み出し回路３２０は、アンテナ３２６から様々な電圧で周波数掃引を出力して、センサ回路３１０の基本電気共振周波数などの基本電気共振周波数特性を決定する。センサ回路３１０は、電圧生成センサ素子３１２によって生成される電圧に応答してセンサ回路３１０の基本電気共振周波数特性を変化させるために、アンテナ３１６および一対の逆バイアスされたバラクタダイオード３１４Ａおよび３１４Ｂを含む。

外部読み出し回路３２０は、高速デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）３２２、キャパシタ３２４、アンテナ３２６、一対の高速アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）３２５および３２７、ならびに接地に向かう抵抗器３２８を含む。外部読み出し回路３２０の高速ＤＡＣ３２２およびキャパシタ３２４は、アンテナ３２６を介して出力される、所定の周波数および電圧にある信号を生成する。一対のＡＤＣ３２５および３２７は、アンテナ３２６の前後の出力信号をサンプリングする。抵抗器３２８は固定抵抗を有するので、アンテナ３２６にわたる電圧降下は、ＡＤＣ３２５および３２７によるサンプリングに基づいて測定することができる。結合されたシステム、外部読み出し回路３２０およびセンサ回路３１０のインピーダンスを計算することができる。これを固定電圧で一定の周波数範囲にわたって繰り返すことにより、結合されたシステムの中心周波数を決定することが可能である。センサ回路３１０の基本電気共振周波数に等しいシステムの中心周波数において、結合されたセンサ回路３１０の電力消費が増加するため、外部読み出し回路３２０の出力信号がセンサ回路３１０の共振周波数にあるとき、システムの計算されるインピーダンスは極小に達する。

図４は、チャート上の各トレースに対応する電圧生成センサ素子３１２によって出力される様々な電圧における、一定の周波数範囲にわたる図３のシステムの測定インピーダンスを示す例示的なチャートである。チャート上のトレース４１０によって示される電圧では、他の電圧における中心周波数４０２から外れる、中心周波数４１２のシフトが存在する。加えて、トレース４１０によって示されるように、結合されたセンサ回路３１０の電力消費の増加を示す、システムのインピーダンスに発散スパイクが存在し、これは、センサ回路３１０の基本電気共振周波数に相関付けることができる。

監視されているローカル環境変数の測定される変化は、外部読み出し回路３２０によって読み取られるものとしての、センサ回路３１０の基本電気共振周波数特性を、センサ回路３１０の同じまたは他の基本電気共振周波数特性の以前のものまたはベースラインと比較することによって決定することができる。センサ回路３１０のベースライン基本電気共振周波数特性は、３１２などのセンサ素子が環境変数によって影響されないときに決定される。ベースラインは、変化されていない状態または影響を受けていない状態の回路素子のみに基づくセンサ回路３１０の基本電気共振周波数特性である。センサ回路３１０の基本電気共振周波数特性の変化は、監視されているローカル環境変数の値または定量可能な変化を示す。センサ回路３１０の基本電気共振周波数特性の変化量または測定値は、外部読み出し部または他のデバイスによって、監視されているローカル環境変数の測定変化または値に相関付けることができる。

上記で開示されているおよび他の特徴および機能の変形形態、またはその代替形態が組み合わせて多くの他の異なるシステムまたは応用形態になってもよい。様々な、現在予見不可能なまたは予期されていない代替形態、修正形態、変形形態、またはそこにおける改善を、同じく添付の特許請求の範囲によって包含されるように意図されている技術分野の熟練者によって後に成すことができる。

Claims (9)

1. パッシブセンサタグシステムであって、
   センサ素子およびセンサ回路を有するパッシブ電子センサタグであって、前記センサ素子は、ローカル環境変数の変化を検出し、前記ローカル環境変数の変化に基づいて前記センサ回路の基本電気共振周波数特性の少なくとも１つを変化させるように構成されている、パッシブ電子センサタグと、
   一定の周波数および電圧を有する信号を生成し、出力アンテナを通じて前記パッシブ電子センサタグに前記信号を送信するように構成されている外部読み出し回路を含む外部読み出し部であって、前記信号は前記センサ回路および前記外部読み出し回路を結合し、前記外部読み出し部は、前記結合されている外部センサ回路および外部読み出し回路のインピーダンスに基づいて、前記センサ回路の前記基本電気共振周波数特性の少なくとも１つを決定し、前記外部読み出し部は、前記センサ回路の前記少なくとも１つの基本電気共振周波数特性の変化に基づいて前記ローカル環境変数の変化を決定する、外部読み出し部と
   を備え、
   前記センサ回路は、少なくとも１つのキャパシタンス値および１つのインダクタンス値を含み、前記センサ素子は、前記少なくとも１つのキャパシタンス値および前記少なくとも１つのインダクタンス値の一方または両方の変化に基づいて、前記センサ回路の基本電気共振周波数特性を変化させるように構成されており、
   前記センサ回路は、電圧生成センサ素子および電圧－キャパシタンス変換素子をさらに備え、前記電圧－キャパシタンス変換素子が、前記電圧生成センサ素子で生成される電圧変化を、前記センサ回路のキャパシタンス値の変化に変換するように構成されている、
   パッシブセンサタグシステム。
2. パッシブセンサタグシステムであって、
   センサ素子およびセンサ回路を有するパッシブ電子センサタグであって、前記センサ素子は、ローカル環境変数の変化を検出し、前記ローカル環境変数の変化に基づいて前記センサ回路の基本電気共振周波数特性の少なくとも１つを変化させるように構成されている、パッシブ電子センサタグと、
   一定の周波数および電圧を有する信号を生成し、出力アンテナを通じて前記パッシブ電
   子センサタグに前記信号を送信するように構成されている外部読み出し回路を含む外部読み出し部であって、前記信号は前記センサ回路および前記外部読み出し回路を結合し、前記外部読み出し部は、前記結合されている外部センサ回路および外部読み出し回路のインピーダンスに基づいて、前記センサ回路の前記基本電気共振周波数特性の少なくとも１つを決定し、前記外部読み出し部は、前記センサ回路の前記少なくとも１つの基本電気共振周波数特性の変化に基づいて前記ローカル環境変数の変化を決定する、外部読み出し部と
   を備え、
   前記外部読み出し回路は、前記出力アンテナの前の信号をサンプリングする第１のＡＤＣと、前記出力アンテナの後の信号をサンプリングする第２のＡＤＣとを含み、前記外部読み出し部は、前記第１のＡＤＣと前記第２のＡＤＣのサンプリングに基づいて、結合されたシステムのインピーダンスを決定する、
   パッシブセンサタグシステム。
3. 前記電圧生成センサ素子は圧電材料を含み、前記電圧－キャパシタンス変換素子は少なくとも１つのバラクタダイオードを含む、請求項１に記載のパッシブセンサタグシステム。
4. 前記センサ回路は薄膜回路である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のパッシブセンサタグシステム。
5. 前記センサ回路は、少なくとも１つの基本電気共振周波数特性を有するＲＬＣ共振回路を含み、前記センサ素子は、前記センサ回路の少なくとも１つのキャパシタンス値および１つのインダクタンス値の一方または両方の変化に基づいて、前記センサ回路の前記基本電気共振周波数特性を変化させるように構成されている、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のパッシブセンサタグシステム。
6. 前記センサ素子は、微小電気機械センサ（ＭＥＭＳ）キャパシタ、金属コイルインダクタ、および圧電材料のうちの１つを含む、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のパッシブセンサタグシステム。
7. 前記パッシブ電子センサタグは、物体に取り付けられるように構成されている、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のパッシブセンサタグシステム。
8. 前記物体は、前記物体がそのとき、ローカル環境内のパラメータ、および、物理構造の状態に影響を与えるパラメータの一方または両方を検知するように構成されるように、前記物理構造に取り付けられるように構成されている、請求項７に記載のパッシブセンサタグシステム。
9. 前記結合されている外部センサ回路および外部読み出し回路のインピーダンスは、前記出力アンテナにわたる前記信号の電圧降下を測定することによって決定される、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のパッシブセンサタグシステム。

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