JP2019168260A - 非接触通信媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】形状が大型化することなく、水分等の環境の変化を非接触で精度よく検知する。【解決手段】非接触給電によって電流が流れるアンテナ１２ａ，１２ｂと、アンテナ１２ａ，１２ｂに流れた電流が供給されることでアンテナ１２ａ，１２ｂを介して非接触通信を行うＩＣチップ１１と、誘電体からなるセンサ部２０と、センサ部２０に所定の間隔を介して互いに対向して取り付けられたセンサ電極２１ａ，２１ｂと、電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流によって算出されるセンサ部２０の抵抗値をセンサ値として検出し、該センサ値をデジタル値に変換してＩＣチップ１１に出力するセンサ用回路２２とを有し、アンテナ１２ａ，１２ｂと電極２１ａ，２１ｂとは、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向と電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが、平行とはならない相対角度をなすように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、環境の変化を非接触で検知する技術に関する。

従来、多孔質セラミックを用いて、土壌や食品、木材等の建築資材等に含有する水分を検知する仕組みが実用化されている。多孔質セラミックは、内部の含水量によりインピーダンスが変化する特性を有しているため、このインピーダンスの変化を検出することで、被測定物の含水量を検知することができる。

そのような仕組みの１つとして、棒状のセラミックの中心部に棒状のアンテナを埋め込むとともに、セラミックの外周部にコイルを巻き付け、アンテナに高周波電場を印加した際にコイルに誘導される電圧や電流を測定することで、周囲の水分量を検知する技術が、特許文献１に開示されている。この技術においては、アンテナに発振器を接続するとともに、コイルにリード線を介して交流電圧計等の測定器を接続することで、アンテナに高周波電場を印加し、コイルに誘導される電圧や電流を測定することになる。

また、板状の導体上にセラミック等の誘電体を積層し、その上にストリップ導体を配置し、ストリップ導体にマイクロ波等の電磁波を通じた際における電磁波損失を測定することで、周囲の水分量を検知する技術が、特許文献２に開示されている。この技術においては、ストリップ導体に電磁波を与える発振器等を接続するとともに、板状の導体に測定器を接続することで、ストリップ導体に電磁波を通じた際における電磁波損失を測定することができる。

上述したような技術においては、セラミック等の誘電体に電磁波を与えるためのアンテナ等の送信側の導体と、与えられた電磁波によってセラミック等の誘電体に流れる電流等を検出するための受信側の導体のそれぞれから、発振器や測定器に接続するための配線を引き出す必要がある。ところが、その場合、被測定物と配線との間に生じる隙間から水分が侵入し、測定精度が低下してしまう虞がある。

そこで、上記のような構成に、非接触通信用のアンテナ及びこれを介して非接触通信を行うＩＣチップを付加し、検出結果を非接触で送信することが考えられている。そのような構成とすることで、配線を不要とし、被測定物と配線との間に生じる隙間から水分が侵入して測定精度が低下してしまうことを回避できるようになる。

特開昭５６−３３５３２号公報 特許第４１９４１７９号公報

しかしながら、上述したように、非接触通信用のアンテナ及びこれを介して非接触通信を行うＩＣチップを付加した場合、非接触通信用のアンテナと、セラミック等の誘電体からなるセンサ部に流れる電流を検出するための電極とが、そのそれぞれが導体からなるものであることから互いに干渉し、アンテナに流れる電流とセンサ部に流れる電流とが打ち消し合ってセンサ性能及び通信性能が不安定になってしまう。

上記のような干渉を避けるためには、アンテナと電極とを、アンテナによる通信周波数の１／４波長以上離間させる必要があるが、例えば、通信周波数が、非接触通信媒体に一般的に用いられる９２０ＭＨｚの場合では、約８ｃｍ以上離間させなければならず、形状が大型化してしまうという問題点がある。

本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、形状が大型化することなく、水分等の環境の変化を非接触で精度よく検知することができる非接触通信媒体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、
非接触給電によって電流が流れるアンテナと、
前記アンテナに流れた電流が供給されることで該アンテナを介して非接触通信を行うＩＣチップと、
誘電体からなるセンサ部と、
前記センサ部に所定の間隔を介して互いに対向して取り付けられた一対の電極と、
前記一対の電極間を流れる電流によって算出される前記センサ部の抵抗値をセンサ値として検出し、該センサ値をデジタル値に変換して前記ＩＣチップに出力するセンサ値検出部とを有し、
前記アンテナと前記一対の電極とは、前記アンテナを流れる電流の方向と前記一対の電極間を流れる電流の方向とが、平行とはならない相対角度をなすように配置されている。

上記のように構成された本発明においては、非接触給電によってアンテナに電流が流れると、この電流がＩＣチップを介してセンサ値検出部に供給され、誘電体からなるセンサ部に所定の間隔を介して互いに対向して取り付けられた一対の電極間を流れる電流によって算出されるセンサ部の抵抗値がセンサ値として検出される。検出されたセンサ値は、センサ値検出部にてデジタル値に変換されてＩＣチップに出力され、アンテナを介して非接触送信される。その際、アンテナと電極のそれぞれは、電流が流れる導体からなるものであるが、アンテナを流れる電流の方向と一対の電極間を流れる電流の方向とが、平行とはならない相対角度をなすように配置されているため、アンテナに流れる電流とセンサ部に流れる電流とが打ち消し合いにくくなり、それにより、アンテナとセンサ部とを近づけたとしてもセンサ性能及び通信性能が不安定になってしまうことがなくなり、形状を大型化させることなく、水分等の環境の変化を非接触で精度よく検知することができるようになる。

また、センサ部が、アンテナの少なくとも一部に対向するように設けられていれば、センサ部によって共振周波数が低周波側にシフトすることで波長短縮効果が得られ、それにより、非接触通信媒体全体のさらなる小型化を実現できる。

本発明によれば、アンテナと一対の電極とが、アンテナを流れる電流の方向と一対の電極間を流れる電流の方向とが、平行とはならない相対角度をなすように配置されているため、アンテナに流れる電流とセンサ部に流れる電流とが打ち消し合いにくくなり、それにより、形状を大型化させることなく、水分等の環境の変化を非接触で精度よく検知することができる。

また、センサ部が、アンテナの少なくとも一部に対向するように設けられているものにおいては、センサ部によって共振周波数が低周波側にシフトすることで波長短縮効果が得られ、それにより、アンテナのさらなる小型化を実現できる。

本発明の非接触通信媒体の実施の一形態を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は（ａ）に示した矢印Ａ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）に示した矢印Ｂ方向から見た側面図、（ｄ）はセンサ部の裏面の構成を示す図、（ｅ）はベース基材上の構成を示す図である。 図１に示した水分検知タグの作用を説明するための図である。 図１に示した水分検知タグにおいてセンサ部がアンテナに対向して積層されていることによる効果を説明するための図である。 本発明の非接触通信媒体の他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は（ａ）に示した矢印Ａ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）に示した矢印Ｂ方向から見た側面図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の非接触通信媒体の実施の一形態を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は（ａ）に示した矢印Ａ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）に示した矢印Ｂ方向から見た側面図、（ｄ）はセンサ部２０の裏面の構成を示す図、（ｅ）はベース基材１０上の構成を示す図である。

本形態は図１に示すように、ベース基材１０上にセンサ部２０が積層されて構成された水分検知タグ１である。

ベース基材１０は、長方形の形状からなり、その一方の面に、非接触通信用のアンテナ１２ａ，１２ｂが形成されるとともに、このアンテナ１２ａ，１２ｂを介して非接触通信を行うＩＣチップ１１が搭載されている。アンテナ１２ａ，１２ｂはそれぞれ、銅箔からなる７０ｍｍの長さを有するダイポールアンテナであって、ベース基材１０の長手方向に延びるように所定の間隔を介して互いに直線状に並んでベース基材１０上に形成されている。ＩＣチップ１１は、アンテナ１２ａ，１２ｂの互いに対向する端部に接続されており、例えば、９２０ＭＨｚの共振周波数を利用してアンテナ１２ａ，１２ｂを介して非接触通信をするものであって、Farsens社のANDY100を用いることが考えられる。

センサ部２０は、例えばカオリンを主成分とした（ＳｉＯ₂：７０％）セラミックからなり、長手方向の長さがベース基材１０の長手方向の長さと等しく、短手方向の長さがベース基材１０の短手方向の長さよりも短い長方形の形状を有している。センサ部２０は、ベース基材１０のアンテナ１２ａ，１２ｂが形成された面に、アンテナ１２ａ，１２ｂに対向して積層されている。センサ部２０の短手方向の両端辺のそれぞれには、金蒸着により厚み５０ｎｍの一対の電極となるセンサ電極２１ａ，２１ｂが形成されている。これにより、センサ電極２１ａ，２１ｂは、アンテナ１２ａ，１２ｂが延びる方向とは直交する方向にて対向している。また、センサ部２０のベース基材１０との積層面には、ＩＣチップ１１を覆うようにセンサ値検出部となるセンサ用回路２２が配置されており、センサ用回路２２とＩＣチップ１１とは、スルーホール（不図示）等によって電気的に接続されている。センサ用回路２２は、接続配線２３ａ，２３ｂを介してセンサ電極２１ａ，２１ｂと接続されており、例えば、１ｋＨｚの電磁波をセンサ電極２１ａ，２１ｂに与え、この電磁波によってセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流を用いて算出されるセンサ部２０の抵抗値をセンサ値として検出し、検出したセンサ値をマイコンによってデジタル値に変換してＩＣチップ１１に出力する。

以下に、上記のように構成された水分検知タグ１の動作について説明する。

図１に示した水分検知タグ１が、水分を検知する被測定物に取り付けられた状態で、外部装置が水分検知タグ１に翳されると、外部装置からの非接触給電によってアンテナ１２ａ，１２ｂに電流が流れ、この電流がＩＣチップ１１に供給されることで水分検知タグ１が起動する。

水分検知タグ１が起動すると、ＩＣチップ１１に接続されたセンサ用回路２２から１ｋＨｚの電磁波がセンサ電極２１ａ，２１ｂに与えられ、それにより、センサ部２０において、センサ電極２１ａ，２１ｂ間に電流が流れる。

センサ用回路２２においては、センサ部２０にてセンサ電極２１ａ，２１ｂ間に流れた電流に基づいてセンサ部２０の抵抗値がセンサ値として検出される。センサ部２０は、セラミックならなることで水分の含有量に応じてその抵抗値が変化するため、その抵抗値をセンサ値として利用することができる。

センサ用回路２２にて検出されたセンサ値は、センサ用回路２２においてデジタル値に変換され、ＩＣチップ１１に出力される。

ＩＣチップ１１に出力されたセンサ値は、デジタル値に変換されているため、アンテナ１２ａ，１２ｂを介して外部装置に非接触で送信され、外部装置において、水分検知タグ１から非接触で送信されてきたセンサ値が受信されることで、水分検知タグ１が取り付けられた被測定物の水分が認識されることになる。

このように、非接触通信用のアンテナ１２ａ，１２ｂ及びこのアンテナ１２ａ，１２ｂを介して非接触通信を行うＩＣチップ１１を有し、センサ用回路２２にて検出されたアナログ値によるセンサ値がデジタル値に変換されてＩＣチップ１１に出力されるため、セラミックからなるセンサ部２０を用いて水分を検知する場合でも、測定器にケーブル等を接続することなく水分を非接触で検知することが可能となる。

ここで、上述したように水分を非接触で検知するためには、非接触通信用のアンテナ１２ａ，１２ｂが必要となるが、アンテナ１２ａ，１２ｂとセンサ電極２１ａ，２１ｂのそれぞれは、電流が流れる導体からなるものであるため、これらアンテナ１２ａ，１２ｂとセンサ電極２１ａ，２１ｂとが互いに干渉し、アンテナ１２ａ，１２ｂに流れる電流とセンサ部２０に流れる電流とが打ち消し合ってセンサ性能及び通信性能が不安定になってしまう虞がある。

図２は、図１に示した水分検知タグ１の作用を説明するための図である。

図１に示した水分検知タグ１においては、外部装置からの非接触給電がされた場合、図２に示すように、アンテナ１２ａ，１２ｂには、アンテナ１２ａ，１２ｂが延びる方向、すなわち、ベース基材１０の長手方向となる図２中矢印Ａ方向に電流が流れる。

一方、センサ用回路２２から１ｋＨｚの電磁波がセンサ電極２１ａ，２１ｂに与えられると、センサ部２０のセンサ電極２１ａ，２１ｂ間においてセンサ電極２１ａ，２１ｂが対向する方向となる図２中矢印Ｂ方向に電流が流れる。

この際、上述したように、センサ電極２１ａ，２１ｂが、アンテナ１２ａ，１２ｂが延びる方向とは直交する方向にて対向していることで、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが、直交したものとなる。

それにより、センサ部２０をアンテナ１２ａ，１２ｂに対向するように積層する等、アンテナ１２ａ，１２ｂの近傍にセンサ部２０を配置したとしても、アンテナ１２ａ，１２ｂに流れる電流と、センサ部２０にてセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流とが打ち消し合うことがなくなり、水分検知センサ１の形状を大型化させることなく、水分を非接触で精度よく検知することができるようになる。

なお、本形態においては、センサ電極２１ａ，２１ｂが、アンテナ１２ａ，１２ｂが延びる方向とは直交する方向にて対向していることで、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが、直交したものとなっているが、センサ電極２１ａ，２１ｂとアンテナ１２ａ，１２ｂとが、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが、平行とはならない相対角度をなすように配置されていれば、上記作用を生じさせることができる。ただし、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが平行になるにつれて、センサ部２０にてセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流とが打ち消し合う効果が薄れていく。そのため、センサ電極２１ａ，２１ｂとアンテナ１２ａ，１２ｂとが、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが４５度〜１３５度の相対角度をなすように配置されていることが好ましく、センサ電極２１ａ，２１ｂとアンテナ１２ａ，１２ｂとが、アンテナ１２ａ，１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極２１ａ，２１ｂ間を流れる電流の方向とが６０度〜１２０度の相対角度をなすように配置されていることがさらに好ましい。

ここで、センサ部２０がアンテナ１２ａ，１２ｂに対向して積層されていることによる効果について説明する。

図３は、図１に示した水分検知タグ１においてセンサ部２０がアンテナ１２ａ，１２ｂに対向して積層されていることによる効果を説明するための図である。

図３（ａ）に示すように、図１に示した水分検知タグ１と同様に、ベース基材１０に、銅箔からなる非接触通信用のダイポールアンテナ１２ａ，１２ｂが形成されるとともに、ＩＣチップ１１が搭載されたタグであって、アンテナ１２ａ，１２ｂの長さＬ1が１４０ｍｍのものの所定の共振周波数における通信距離を測定したところ、３．３ｍであった。

この構成のタグに対して、図３（ｂ）に示すように、図１に示した水分検知タグ１のセンサ部２０と同様に、誘電率が１０、誘電正接が０．０３のセラミック２２０ａをベース基材１０のアンテナ１２ａ，１２ｂが形成された面とは反対側の面に積層したところ、セラミック２２０ａによって共振周波数が低周波側にシフトすることで波長短縮効果が得られ、それにより、同一の共振周波数で非接触通信をするためのアンテナ１２ａ，１２ｂの長さＬ2を１１４ｍｍと短くすることができる。その場合の通信距離を測定したところ、３．３ｍとなり、変化はなかった。

また、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）に示したタグに対して、誘電率が１０、誘電正接が０．０３のセラミック２２０ｂをベース基材１０のアンテナ１２ａ，１２ｂが形成された面にも積層したところ、セラミック２２０ｂによって共振周波数がさらに低周波側にシフトすることで波長短縮効果が得られ、それにより、同一の共振周波数で非接触通信をするためのアンテナ１２ａ，１２ｂの長さＬ3を１００ｍｍと短くすることができる。その場合の通信距離を測定したところ、３．３ｍとなり、変化はなかった。

このように、アンテナ１２ａ，１２ｂがセラミックに対向している場合、波長短縮効果によってアンテナ１２ａ，１２ｂの長さを短くすることができ、水分検知タグ１全体を小型化することができる。なお、このような効果は、センサ部２０がアンテナ１２ａ，１２ｂの全体に対向している場合に限らず、アンテナ１２ａ，１２ｂの少なくとも一部に対向していることで得られる。

（他の実施の形態）
図４は、本発明の非接触通信媒体の他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）は（ａ）に示した矢印Ａ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）に示した矢印Ｂ方向から見た側面図である。

本形態は図４に示すように、センサ部１２０上にベース基材１１０が積層されて構成された水分検知タグ１０１である。

センサ部１２０は、図１に示したセンサ部２０と同一の材料からなり、同一の形状を有している。また、センサ部１２０の短手方向の両端辺のそれぞれには、図１に示したセンサ部２０と同様に、金蒸着により厚み５０ｎｍのセンサ電極１２１ａ，１２１ｂが形成されている。

ベース基材１１０は、図１に示したベース基材１０と同一の形状を有し、一方の面に、センサ値検出部となるセンサ用回路１２２が積層されているとともに、センサ用回路１２２上にＩＣチップ１１１が搭載されている。

ＩＣチップ１１１には、図１に示したアンテナ１２ａ，１２ｂと同一の材料からなり、同一の長さを有する非接触通信用のアンテナ１１２ａ，１１２ｂが接続されている。アンテナ１１２ａ，１１２ｂは、図１に示したアンテナ１２ａ，１２ｂと同様に、ベース基材１１０の長手方向に延びるように所定の間隔を介して互いに直線状に並んで配置されており、その全体がセンサ部１２０に対向している。これにより、アンテナ１１２ａ，１１２ｂは、アンテナ１１２ａ，１１２ｂが延びる方向が、センサ電極１２１ａ，１２１ｂが互いに対向する方向に対して直交するように配置されている。ＩＣチップ１１１は、図１に示したＩＣチップ１１と同様に、例えば、９２０ＭＨｚの共振周波数を利用してアンテナ１１２ａ，１１２ｂを介して非接触通信をする。

センサ用回路１２２は、図１に示したセンサ用回路２２と同様に、接続配線１２３ａ，１２３ｂを介してセンサ電極１２１ａ，１２１ｂと接続されており、例えば、１ｋＨｚの電磁波をセンサ電極１２１ａ，１２１ｂに与え、この電磁波によってセンサ電極１２１ａ，１２１ｂ間を流れる電流を用いて算出されるセンサ部１２０の抵抗値をセンサ値として検出する。センサ用回路１２２は、スルーホール（不図示）等によってＩＣチップ１１１と電気的に接続されており、検出したセンサ値をマイコンによってデジタル値に変換してＩＣチップ１１１に出力する。

上記のように構成された水分検知タグ１０１においても、アンテナ１１２ａ，１１２ｂの延びる方向が、センサ電極１２１ａ，１２１ｂが互いに対向する方向に対して直交していることで、アンテナ１１２ａ，１１２ｂを流れる電流の方向とセンサ電極１２１ａ，１２１ｂ間を流れる電流の方向とが直交したものとなり、それにより、アンテナ１１２ａ，１１２ｂの近傍にセンサ部１２０を配置したとしても、アンテナ１１２ａ，１１２ｂに流れる電流と、センサ部１２０にてセンサ電極１２１ａ，１２１ｂ間を流れる電流とが打ち消し合うことがなくなり、水分検知センサ１０１の形状を大型化させることなく、水分を非接触で精度よく検知することができるようになる。

なお、上述した実施の形態においては、ＩＣチップ１１，１１１とセンサ用回路２２，１２２とが積層状態となった構成を例に挙げて説明したが、ＩＣチップ１１，１１１とセンサ用回路２２，１２２とが１つの基板上にて並んだ構成としてもよい。

また、上述した実施の形態においては、センサ部２０，１２０が水分の含有量に応じてその抵抗値が変化することを利用して、被測定物の含水量を検知しているが、センサ部が温度の変化やガスの発生によってもその抵抗値が変化するものであれば、センサ部の抵抗値を検出することで、温度の変化やガスの発生も検知することができる。

また、センサ部２０，１２０として、セラミックからなるものを例に挙げて説明したが、水分等の環境の変化によって抵抗値が変化する誘電体であれば、本発明の非接触通信媒体にセンサ部として適用することができる。

１，１０１ 水分検知タグ
１０，１１０ ベース基材
１１，１１１ ＩＣチップ
１２ａ，１２ｂ，１１２ａ，１１２ｂ アンテナ
２０，１２０ センサ部
２１ａ，２１ｂ，１２１ａ，１２１ｂ センサ電極
２２，１２２ センサ回路
２３ａ，２３ｂ，１２３ａ，１２３ｂ 接続配線
２２０ａ，２２０ｂ セラミック

Claims (2)

1. 非接触給電によって電流が流れるアンテナと、
   前記アンテナに流れた電流が供給されることで該アンテナを介して非接触通信を行うＩＣチップと、
   誘電体からなるセンサ部と、
   前記センサ部に所定の間隔を介して互いに対向して取り付けられた一対の電極と、
   前記一対の電極間を流れる電流によって算出される前記センサ部の抵抗値をセンサ値として検出し、該センサ値をデジタル値に変換して前記ＩＣチップに出力するセンサ値検出部とを有し、
   前記アンテナと前記一対の電極とは、前記アンテナを流れる電流の方向と前記一対の電極間を流れる電流の方向とが、平行とはならない相対角度をなすように配置されている非接触通信媒体。
2. 請求項１に記載の非接触通信媒体において、
   前記センサ部は、前記アンテナの少なくとも一部に対向するように設けられている、非接触通信媒体。

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