(57)【要約】【課題】外部からの電力供給を要することなく速度ないし加速度を検出する。【解決手段】無給電センサ１０は、第１電極１２及び第２電極１６と、第１電極１２上に形成されたエレクトレット１３と、エレクトレット１３と対向して第２電極１６上に形成された誘電体１５と、外部から印加される振動によってエレクトレット１３と誘電体１５とのギャップ距離ｄが変化するように第１電極１２及び第２電極１６の一方を変位自在に支持する弾性部材１７と、を有し、ギャップ距離ｄの変化に応じて第１電極１２と第２電極１６との間に流れる電流からセンサ信号を生成して出力する。【選択図】図１
2014085129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極と、
前記第１電極上に形成されたエレクトレットと、
前記エレクトレットと対向して前記第２電極上に形成された誘電体と、
外部から印加される振動によって前記エレクトレットと前記誘電体とのギャップ距離が変化するように前記第１電極及び前記第２電極の一方を変位自在に支持する弾性部材と、
を有し、
前記ギャップ距離の変化に応じて前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流からセンサ信号を生成して出力することを特徴とする無給電センサ。
【請求項２】
前記ギャップ距離の初期値は、前記ギャップ距離の振幅よりも大きい値に設計されていることを特徴とする請求項１に記載の無給電センサ。
【請求項３】
前記ギャップ距離の初期値は、前記ギャップ距離の振幅に対して１０〜４０倍に設計されていることを特徴とする請求項２に記載の無給電センサ。
【請求項４】
前記第１電極は、負荷を介して接地されており、前記第２電極は、直接接地されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の無給電センサ。
【請求項５】
前記第１電極及び前記第２電極として、それぞれ、センサ用電極と発電用電極を並列に含み、前記センサ用電極からセンサ信号を出力する一方、前記発電用電極から発電電力を出力することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の無給電センサ。
【請求項６】
前記誘電体は、前記センサ用電極上よりも前記発電用電極上の方が厚く設計されていることを特徴とする請求項５に記載の無給電センサ。
【請求項７】
前記センサ用電極と前記発電用電極は、相互干渉を生じないように所定の間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の無給電センサ。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の無給電センサを備えたセンサユニットと、
前記センサユニットから無線送信されるセンサ信号を処理する制御ユニットと、
を有することを特徴とする無線センサネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレットを用いた静電容量型の無給電センサ、及び、これを用いた無線センサネットワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシンとは、文字の通り、半導体技術の応用としてマイクロメーター領域の高度な機能要素から構成された微小な機械である。マイクロマシン技術を利用した微小でありながら様々な周波数領域に対応し、かつ、高い感度を持つ速度センサは、今までにも数多く作られ、様々な製品に組み込まれて私達の生活をより快適に、便利にする手助けを担っている。しかし、マイクロマシン技術は多くの分野で活躍が期待される技術であるが、まだ発展途上の段階であり、より効果的な製作法、利用法等については、数多くの余地が残されていると言える。
【０００３】
このマイクロマシン技術を用いて作製・実用化された例として、マイクロセンサが挙げられる。これは、微小な機械構造を有する小型センサであり、従来の機械加工技術を用いて製造されたセンサと比較して小型かつ安価に作成可能であるため、現在では広く普及している。マイクロセンサで検出可能なものは、速度、加速度、力といった機械量だけでなく、温度、電磁波、光といった物理量、さらには、イオン濃度や血中のグルコース量といった化学量に至るまで幅広い。
【０００４】
また、近年では、このマイクロセンサを制御システムから切り離して使用したいという要求が高まっている。この場合、センサの検出した情報は、センサに付属する送信回路により無線信号として制御システムに送信される。このような無線センサを用いたシステムを無線センサネットワークと呼称する。この無線センサの効果的な応用先として、例えば車載センサが挙げられる。この場合、各センサへの配線を省略することで、車体の軽量化を実現することが可能である。また、人体内部をセンサでモニタリングするような場合において、体内にはセンサと発信回路のみを埋め込み、その情報を体外の制御システムで検出することにより、患者の身体的負担を軽減することが可能である。これらの例から明らかなように、無線センサネットワークにおいて、センサ及び送信回路は、可能な限り小型かつ軽量である必要がある。また、無線センサネットワークでは、センサと送信回路が動作するための電力を外部から供給することができないので、センサと送信回路は、基本的に、これらと共に搭載されたバッテリの電力のみで動作させる必要がある。多くの無線センサシステムでは、センサに要求される動作時間が非常に長期に亘るので、理想的にはセンサは電力消費なしに動作し、送信回路のみが電力を消費するようなシステムであることが望ましい。
【０００５】
上記のような電力消費なしに動作するセンサの例として、エレクトレットを用いた静電容量型センサが挙げられる。エレクトレットとは、電荷を半永久的に保持可能な物質または素子のことであり、外部からの給電なしに一定の電位を常に保持することができる。従って、エレクトレットと可変容量コンデンサを組み合わせて、容量を変化させるために消費したエネルギの一部が電気エネルギに変換される仕組みを構築すれば、回路に電流を供給することが可能であり、これをセンサの信号として検出することができる。この方式を利用したセンサとしては、エレクトレットマイクロフォン、すなわち、音波センサが挙げられる。これは、音波が空気の振動であることを利用し、この振動でコンデンサの容量を変化させ、上記の仕組みにより電気信号に変換する。また、コンデンサの容量を機械的な振動で変化させれば、その振動の加速度を検出する加速度センサとして利用することが可能である。このようなエレクトレットを用いた静電容量型の加速度センサは、既に種々開示・提案されている（例えば特許文献１や特許文献２を参照）。
【０００６】
また、エレクトレットを用いた振動発電デバイスの一例としては、本願の発明者らによる非特許文献１を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１８６２４８公報
【特許文献２】特開平５−２３２１３６公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Takahashi, M. Suzuki, T. Nishida, Y. Yoshikawa, and S. Aoyagi, "MILLIWATT ORDER VERTICAL VIBRATORY ENERGY HARVESTING USING ELECTRET AND FERROELECTRIC DISCHARGE -DOES NOT OCCUR WITH SMALL GAP AND ONLY ONE WIRING IS REQUIRED-", 25th IEEE International Confference on Micro Electro Mechanical Systems, MEMS2012, Paris, France, 29 Jan. - 2 Feb. 2012, pp.1265-1268
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のエレクトレットを用いた静電容量型の加速度センサでは、センサ内部に電力供給を必要とするインピーダンス変換回路（センサの出力する電流信号を電圧信号に変換する回路）を組み込む必要があり、電力消費なしに動作することが想定されていなかった。これは、センサの出力インピーダンスが大きく、センサから出力される電力が非常に小さいので、ノイズの影響を受けてしまう前にインピーダンス変換回路によってセンサの出力信号を増幅する必要があるためである。従って、従来のセンサは、無線センサネットワーク用センサとして適していないという問題点を有していた。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑み、外部からの電力供給を要することなく速度ないし加速度を検出することのできる無給電センサ、及び、これを用いた無線センサネットワークを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る無給電センサは、第１電極及び第２電極と、前記第１電極上に形成されたエレクトレットと、前記エレクトレットと対向して前記第２電極上に形成された誘電体と、外部から印加される振動によって前記エレクトレットと前記誘電体とのギャップ距離が変化するように前記第１電極及び前記第２電極の一方を変位自在に支持する弾性部材と、を有し、前記ギャップ距離の変化に応じて前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流からセンサ信号を生成して出力する構成（第１の構成）とされている。
【００１２】
なお、第１の構成から成る無給電センサにおいて、前記ギャップ距離の初期値は、前記ギャップ距離の振幅よりも大きい値に設計されている構成（第２の構成）にするとよい。
【００１３】
また、第２の構成から成る無給電センサにおいて、前記ギャップ距離の初期値は、前記ギャップ距離の振幅に対して１０〜４０倍に設計されている構成（第３の構成）にするとよい。
【００１４】
また、第１〜第３いずれかの構成から成る無給電センサにおいて、前記第１電極は、負荷を介して接地されており、前記第２電極は、直接接地されている構成（第４の構成）にするとよい。
【００１５】
また、第１〜第４いずれかの構成から成る無給電センサは、前記第１電極及び前記第２電極として、それぞれ、センサ用電極と発電用電極を並列に含み、前記センサ用電極からセンサ信号を出力する一方、前記発電用電極から発電電力を出力する構成（第５の構成）にするとよい。
【００１６】
また、第５の構成から成る無給電センサにおいて、前記誘電体は、前記センサ用電極上よりも前記発電用電極上の方が厚く設計されている構成（第６の構成）にするとよい。
【００１７】
また、第５または第６の構成から成る無給電センサにおいて、前記センサ用電極と前記発電用電極は、相互干渉を生じないように所定の間隔を空けて配置されている構成（第７の構成）にするとよい。
【００１８】
また、本発明に係る無線センサネットワークは、第１〜第７いずれかの構成から成る無給電センサを備えたセンサユニットと、前記センサユニットから無線送信されるセンサ信号を処理する制御ユニットと、を有する構成（第８の構成）とされている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、外部からの電力供給を要することなく速度ないし加速度を検出することのできる無給電センサ、及び、これを用いた無線センサネットワークを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】無給電センサの第１実施形態を示す模式図
【図２】センシング原理を説明するための模式図
【図３】無給電センサの電気的な等価回路図
【図４】振動系の概略図
【図５】角速度ωと減衰比ζによる振幅の応答特性を示すグラフ
【図６】実験に用いた試料と測定系の概略図
【図７】試料の作製プロセスを示す模式図
【図８】実験結果を示すグラフ
【図９】初期ギャップｄ０と振幅Ａの最適化を説明するための波形図
【図１０】無給電センサの第２実施形態を示す模式図
【図１１】無線センサネットワークの一構成例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜無給電センサ（第１実施形態）＞
図１は、無給電センサの第１実施形態を示す模式図（横方向から見た断面図）である。第１実施形態の無給電センサ１０は、ＭＥＭＳ［micro electromechanical system］技術を用いて製造される静電容量型の速度センサ（ないしは加速度センサ）であり、基板１１と、下部電極１２と、エレクトレット１３と、空隙層１４と、誘電体１５と、上部電極１６と、弾性部材１７と、パッケージ１８と、抵抗１９と、を有する。
【００２２】
以下では、説明の便宜上、特に断りのない限り、紙面の上端側を鉛直上方向と定義し、誘電体１５が上下方向（鉛直方向）に振動する構成を前提とした説明を行うが、誘電体１５の振動方向はこれに限定されるものではなく、例えば、紙面を９０度回転させることにより、誘電体１５が左右方向（水平方向）に振動する構成とすることも可能である。
【００２３】
基板１１は、下部電極１２及びエレクトレット１３を担持するための板状部材である。基板１１としては、石英基板や酸化膜付きシリコンウェハなどを用いることができる。ただし、寄生容量抑制の観点から言えば、酸化膜付きシリコンウェハよりも石英基板などを用いる方が望ましい。
【００２４】
下部電極１２は、エレクトレット１３の下面側（誘電体１５と対向していない側）に接続された第１電極に相当する。下部電極１２は、抵抗１９を介して接地されている。下部電極１２としては、アルミニウム電極などを用いることができる。
【００２５】
エレクトレット１３は、電荷を半永久的に保持する部材である。エレクトレット１３としては、サイトップ［登録商標］などの高分子化合物に電荷を保持させた有機エレクトレットを用いてもよいし、シリコン酸化物（ＳｉＯ2）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの基材に電荷を保持させた無機エレクトレットを用いてもよい。エレクトレット１３は、下部電極１２の全面を被覆するように形成されている。このように、下部電極１２を露出させない構成とすることにより、エレクトレット１３への電荷注入に際して、露出した下部電極１２への電荷流出を防止することができるので、エレクトレット１３への電荷注入効率を高めることが可能となる。
【００２６】
空隙層１４は、エレクトレット１３と誘電体１５との間に挟まれた空間である。空隙層１４の厚み（エレクトレット１３と誘電体１５を隔てるギャップ距離ｄに相当）は、振動に伴う誘電体１５の変位によって変化する。空隙層１４は、低真空状態（高真空状態や超高真空状態ではない状態）としてもよいし、若しくは、空気、不活性ガス（Ｎ2など）、或いは、放電防止効果のあるガス（例えば主成分としてＳＦ6を含むガス）等を充填してもよい。空隙層１４を低真空状態とする場合、脱気工程を用いてもよいし、或いは、何らかの高温処理時に空隙層１４からガスが抜けて自然に低真空状態となる現象を利用してもよい。空隙層１４を高真空状態や超高真空状態にしない方が好ましい理由は、エレクトレット１３の放電を回避するためである。なお、本明細書中において、「低真空状態」とは大気圧〜１０-1Ｐａの状態を指し、「高真空状態」とは１０-1〜１０-5Ｐａの状態を指し、「超高真空状態」とは１０-5以下の状態を指すものとする。また、空隙層１４に水分が含まれていると、エレクトレット１３の表面に水分子が付着して電荷が抜けやすくなるので、空隙層１４に含まれる水分は十分に除去して湿度の低い状態としておくことが望ましい。
【００２７】
誘電体１５は、上部電極１６と共に、無給電センサ１０に与えられる振動によってエレクトレット１３に対する相対位置が変化する可動体（プルーフマス）を形成する。誘電体１５の下面は、空隙層１４を挟んでエレクトレット１３の上面と対向している。誘電体１５としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）などを用いることができる。誘電体１５は、板状に形成してもよいし膜状に形成してもよい。例えば基板自体を誘電体で形成してもよいし、基板上に薄膜印刷技術で誘電体膜を形成してもよいし、或いは、別途の工程で形成しておいた板状の誘電体を基板上に貼り付けてもよい。
【００２８】
上部電極１６は、誘電体１５の上面（エレクトレット１３と対向していない側）に接続された第２電極に相当する。上部電極１６は、抵抗１９を介することなく直接接地されている。上部電極１６としては、アルミニウム電極などを用いることができる。
【００２９】
弾性部材１７は、上部電極１６とパッケージ１８との間に設けられており、外部から印加される振動によってエレクトレット１３と誘電体１５とのギャップ距離ｄが変化するように、上部電極１６を変位自在に支持する。弾性部材１７としては、コイルバネ、蛇腹バネ（ミアンダバネ）、板バネなどを用いることができる。なお、本構成例の無給電センサ１０では、弾性部材１７によって上部電極１６が変位自在に支持されているが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、下部電極１２が変位自在に支持される構成としても構わない。
【００３０】
パッケージ１８は、上記の構成要素１１〜１８を内部に収納する中空部材（円筒や多角筒など）であり、レジンやアクリルなどの樹脂製とすればよい。パッケージ１８は、振動系を支える基礎となるので、無給電センサ１０の外部からパッケージ１８に振動が与えられると、弾性部材１７を介して可動体（誘電体１５と上部電極１６）にも振動が生じる。
【００３１】
抵抗１９は、無給電センサ１０の振動によって下部電極１２と接地端との間に流れる電流を電圧として取り出すための負荷である。
【００３２】
＜センシング原理＞
図２は、無給電センサ１０のセンシング原理を説明するための模式図である。なお、図２の上段には、無給電センサ１０の第１状態（エレクトレット１３と誘電体１５とが離間した状態）が描写されており、図２の下段には、無給電センサ１０の第２状態（エレクトレット１３と誘電体１５とが接近した状態）が描写されている。
【００３３】
図２の上段で示したように、無給電センサ１０の第１状態（エレクトレット１３と誘電体１５とが離間した状態）では、エレクトレット１３に保持された負の固定電荷（図２では、白色の四角印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）に引き寄せられて、下部電極１２の表面（エレクトレット１３との界面）に金属内正電荷（図２では、白色の丸印にプラス符号を付したシンボルとして描写）が誘起される。この金属内正電荷は、下部電極１２（金属）中のある箇所から自由電子が排除された結果、周囲に存在する自由電子との電位差により正電荷としての性質を帯びたものである。従って、上記の物理現象については、エレクトレット１３に保持された負の固定電荷によって、下部電極１２内の正電荷が引き寄せられると言うよりも、下部電極１２内の自由電子が遠ざけられると言う方が正しい。なお、下部電極１２内の金属内正電荷は接地端から供給される（下部電極１２内の自由電子は接地端に移動する）ので、下部電極１２の電位は０Ｖのままである。
【００３４】
一方、図２の下段で示したように、無給電センサ１０が第１状態から第２状態（エレクトレット１３と誘電体１５が接近した状態）に遷移すると、エレクトレット１３に保持された負の固定電荷によって誘電体１５の内部が分極され、誘電体１５の下面に正の分極電荷（図２では、黒色の丸印にプラス符号を付したシンボルとして描写）が局在化する。このとき、第１状態で生じていたエレクトレット１３内の負電荷と下部電極１２内の正電荷との対応関係（の一部）が解消される。この現象により、下部電極１２内には一時的に余剰の正電荷が生じて下部電極１２の電位が上昇する。ただし、下部電極１２は抵抗１９を介して接地端に接続されているので、一時的に上昇した下部電極１２の電位が０Ｖになるまで、下部電極１２から接地端に向けた余剰の正電荷の移動（電流）が生じる。従って、この電流が流れる経路上に抵抗１９を設けておけば、その両端間電圧をセンサ信号（電圧信号）として読み出すことができる。なお、図２の下段では、下部電極１２から正電荷の一部が移動した後の状態が示されている。下部電極１２から流出しなかった残りの電荷がＱ１である。
【００３５】
また、上記とは逆に、無給電センサ１０が第２状態から第１状態に遷移したときには、接地端から下部電極１２に向けた正電荷の移動（すなわち電流）が生じる。このとき、抵抗１９には、上記とは逆極性の両端間電圧が発生するので、これをセンサ信号として読み出すことができる。
【００３６】
なお、無給電センサ１０の第２状態では、誘電体１５の内部分極により誘電体１５の上面に負の分極電荷（図２では、黒色の丸印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）が局在化する。従って、上部電極１６の上面（誘電体１５との界面）には、上記した負の分極電荷に引き寄せられて金属内正電荷（図中のＱ２を参照）が誘起される。ただし、上部電極１６内の金属内正電荷は接地端から供給されるので、上部電極１６の電位は０Ｖのままである。ここで、下部電極１２から流出した正電荷量と上部電極１６に流入した正電荷量は等しくなる。
【００３７】
＜誘電体挿入の技術的意義＞
エレクトレットを用いた従来の加速度センサでは、エレクトレットと上部電極が空隙層を挟んで直接対向していたので、万一エレクトレットが上部電極と接触すると、エレクトレット内部の電荷が放電現象によって散逸し、センサとしての機能が低下してしまう。そのため、従来の加速度センサでは、エレクトレットと上部電極との接触を避けるために、両者を隔てるギャップ距離が大きく設計されていた。ただし、ギャップ距離を広げた代償として、従来の加速度センサでは、センサ信号の強度が相対的に小さくなるので、信号増幅用に外部給電が必要とされていた。
【００３８】
一方、無給電センサ１０では、エレクトレット１３と上部電極１６との間に、絶縁性の誘電体１５（高誘電率板）が挿入されているので、エレクトレット１３と上部電極１６が直接接触することはなく、また、エレクトレット１３と誘電体１５が接近（ないし接触）したとしても、絶縁性の誘電体１５との間でエレクトレット１３の放電現象（センサ機能の劣化）が生じるおそれはない。従って、無給電センサ１０であれば、ギャップ距離ｄを不必要に大きく設計する必要がなくなるので、センサ信号の強度を飛躍的に増大することが可能となり、延いては、信号増幅用の外部給電が不要となる。
【００３９】
＜速度及び加速度の算出原理＞
以下では、無給電センサ１０のセンサ信号（出力電圧Ｖ）から、無給電センサ１０に与えられた振動の速度や加速度を得るための算出原理について詳細に説明する。
【００４０】
図３は、無給電センサ１０の電気的な等価回路図である。本図において、符号Ｃ１はエレクトレット１３の静電容量（固定値）を示しており、符号Ｃ２は誘電体１５の静電容量（固定値）を示しており、符号Ｃ３は空隙層１４の静電容量（可変値）を示しており、符号Ｃ４は誘電体１５と空隙層１４の直列合成容量（Ｃ４＝Ｃ２×Ｃ３／（Ｃ２＋Ｃ３））を示している。また、符号Ｒは抵抗１９の抵抗値（固定値）を示している。
【００４１】
この等価回路において最も注目すべき点は、電源の役割を果たすエレクトレット１３が一定の電荷Ｑを保持する「定電荷源」と呼称すべき存在であるということである。
【００４２】
無給電センサ１０を第１状態（図２上段）から第２状態（図２下段）に遷移させると、誘電体１５側にも電荷が分配される。一定の電荷に対して分配するコンデンサの静電容量が増加すればコンデンサの電位は低下する。現象としては、コンデンサに電荷を充電した後、電源から切り離して別のコンデンサと接続した場合に等しい。
【００４３】
このとき、エレクトレット１３と下部電極１２との間のコンデンサに残存する電荷をＱ１とし、誘電体１５中の誘導電荷と対になる電荷をＱ２とし、接点Ａ−Ａ’間の電位差を出力電圧Ｖとした場合、次の（１ａ）式及び（１ｂ）式が成立する。
【００４４】
【数１】
2014085129.tif 000003
【００４５】
また、上記の（１ａ）式及び（１ｂ）式により、電荷Ｑ１は次の（２）式で表される。
【００４６】
【数２】
2014085129.tif 000004
【００４７】
（２）式において、エレクトレット１３の電荷Ｑ及び静電容量Ｃ１は固定値であり、誘電体１５と空隙層１４の直列合成容量Ｃ４は、空隙層１４の厚み（延いては、空隙層１４の静電容量Ｃ３）に応じて変化する可変値である。従って、振動に伴う誘電体１５の変位に応じて直列合成容量Ｃ４が変化すると、電荷Ｑ１と電荷Ｑ２の割合が変化する。無給電センサ１０では、この容量変化に伴う電荷の再分配が電流ｉとして取り出される。
【００４８】
以下、電流ｉについて定式化する。ある時間ｔに回路中を流れる電流ｉは、単位時間当たりの電荷移動量であるから、電荷Ｑ１の時間微分として、次の（３）式で表される。
【００４９】
【数３】
2014085129.tif 000005
【００５０】
また、誘電体１５と空隙層１４の直列合成容量Ｃ４は、誘電体１５の静電容量Ｃ２と空隙層１４の静電容量Ｃ３を用いて、次の（４ａ）式で表され、その時間微分は、次の（４ｂ）式で表される。
【００５１】
【数４】
2014085129.tif 000006
【００５２】
また、エレクトレット１３と誘電体１５とのギャップ距離ｄが時間ｔの経過とともに変化すると、これに伴って空隙層１４の静電容量Ｃ３も変化する。ここで、ギャップ距離ｄの初期値をｄ０（以下では、適宜、初期ギャップｄ０と呼ぶ）とし、さらに、誘電体１５が振幅Ａ、角速度ωで単振動していると仮定した場合、空隙層１４の静電容量Ｃ３及びその時間微分は、それぞれ、次の（５ａ）式及び（５ｂ）式で表される。なお、式中の符号ε０は、真空の誘電率（８．８５×１０-12Ｆ／ｍ）である。
【００５３】
【数５】
2014085129.tif 000007
【００５４】
出力電圧Ｖは、電流ｉの流れる経路上に設けられた抵抗１９の両端間電圧として取り出されるので、次の（６）式で表される。
【００５５】
【数６】
2014085129.tif 000008
【００５６】
ここで、ｄ０＞＞Ａである場合には、ｄ≒ｄ０となるので、Ｃ３／Ｃ２≒０、Ｃ４≒０となり、出力電圧Ｖは、次の（７）式で近似することが可能となる。
【００５７】
【数７】
2014085129.tif 000009
【００５８】
上記の（７）式から分かるように、出力電圧Ｖは、可動体（誘電体１５及び上部電極１６）に生じる振動の速度Ａωｃｏｓωｔの関数として与えられる。また、振動の角速度ωが既知ならば、振幅Ａが導かれる。さらに、種々の外力が作用して生じる強制振動では、外力の波形に応じて振動系の応答特性も異なる。
【００５９】
図４は、振動系の概略図である。本図中の振動系Ｘにおいて、基礎Ｘ１は、パッケージ１８に相当し、プルーフマスＸ２（質量：ｍ）は、可動体（誘電体１５と上部電極１６）に相当し、バネＸ３（バネ係数：ｋ）及びダンパーＸ４（粘性減衰係数：ｃ）は、弾性部材１７に相当する。
【００６０】
振動系Ｘを支える基礎Ｘ１が振動すると、バネＸ３やダンパＸ４を介して、プルーフマスＸ２に振動的な力が作用する。基礎Ｘ１の変位をｕとし、プルーフマスＸ２の変位をｘとすると、次の（８ａ）式が成り立つ。また、ｙ＝ｘ−ｕと定義すると、（８ａ）式は、（８ｂ）式に変換される。
【００６１】
【数８】
2014085129.tif 000010
【００６２】
基礎Ｘ１の振動がｕ＝Ａｃｏｓωｔで表されるとき、（８ｂ）式は、次の（９ａ）式となり、その特別解は、次の（９ｂ）式で求められる。
【００６３】
【数９】
2014085129.tif 000011
【００６４】
また、基礎Ｘ１の振幅ＢとプルーフマスＸ２の振幅Ａは、プルーフマスＸ２の角速度ω及び共振周波数ωｎと、減衰比ζを用いて、次の（１０）式で表される。
【００６５】
【数１０】
2014085129.tif 000012
【００６６】
図５は、角速度ωと減衰比ζによる振幅の応答特性を示すグラフである。この応答特性により、プルーフマスＸ２の振幅Ａから基礎Ｘ１（延いては振動系Ｘ全体）の振幅Ｂを求めることができる。
【００６７】
＜実証実験＞
図６は、上記原理の実証実験に用いた試料と測定系の概略図である。実験に用いた試料は、基本的に、先の図１で示した無給電センサ１０と同様の構成から成り、抵抗１９（１ＭΩ）の両端間に現れる出力電圧Ｖは、アンプ２２による増幅処理（利得：２５倍）と、フィルタ２３によるノイズ除去処理（ＢＥＦ：６０Ｈｚ、ＬＰ−ＰＬ：１０ｆ）を介してオシロスコープ２４に入力されている。オシロスコープ２４は、出力電圧Ｖの波形（電気信号の時間的変化）をグラフとして表示する。オシロスコープ２４に表示されるグラフでは、縦軸が電圧値となり、横軸が時間となる。今回の実証実験では、試料を任意の周波数ｆで振動させて、出力電圧Ｖをオシロスコープ２４で確認した。
【００６８】
図７は、試料の作製プロセスを示す模式図である。下側ユニットの作製プロセスでは、まず、アルミニウム蒸着によって石英製の基板１１上に下部電極１２を形成した後、サイトップ［登録商標］のスピンコーティングによって下部電極１２上にエレクトレット１３（２８ｍｍ角）を形成し、さらに、コロナ放電によってエレクトレット１３への電荷注入（表面電位：−５００Ｖ）を行った。
【００６９】
一方、上側ユニットの作製プロセスでは、まず、アルミニウム蒸着によって板状の弾性部材１７（シリコーン膜）上に上部電極１６を形成した後、その中央部分に１ｍｍ厚の誘電体１５（ＰＺＴ（εｒ＝２，６００））を接着し、さらに、接着層２０（ＳＵ−８）を用いて上部電極１６にアクリル板２０を貼り合わせた。なお、アクリル板２０は、誘電体１５の周囲を取り囲む形で、その中央部分が円形にくり抜かれている。従って、アクリル板２０に支持されていない弾性部材１７の中央部分は、円形の振動膜として機能する。
【００７０】
最後に、エレクトレット１３と誘電体１５とを対向させるように、接着層２０（ＳＵ−８）を用いて上側ユニットのアクリル板２０と下側ユニットのエレクトレット１３とを貼り合わせて試料を完成させた。
【００７１】
なお、アクリル板２０の厚みについては、エレクトレット１３と誘電体１５を隔てる初期ギャップｄ０が１ｍｍとなるように設計した。また、弾性部材１７の厚みや素材については、誘電体１５の振幅Ａが０．０５ｍｍ（＝ｄ０×１／２０）となるように設計した。なお、初期ギャップｄ０と振幅Ａの最適化については、後ほど詳細に説明する。
【００７２】
図８は、実証実験の結果を示すグラフである。なお、図８の横軸は振動の周波数ｆ［Ｈｚ］を示しており、縦軸は誘電体１５の速度（＝Ａωｃｏｓωｔ）を示している。また、図中の四角マークは、出力電圧Ｖから算出された計算値を示しており、図中の菱形マークは、一般に市販されている速度センサの測定値を比較参照用として示している。
【００７３】
本図で示したように、今回の実証実験では、広い周波数範囲において、誘電体１５の速度を正しく測定できることが確認された。特に、周波数ｆが５０〜８０Ｈｚの範囲では、アンプによる増幅なしでも、オシロスコープの検出下限値を上回る出力電圧Ｖを得ることが可能であった。このような周波数範囲は、弾性部材１７の共振周波数に応じて定まる。従って、できるだけ大きい出力電圧Ｖを得るためには、速度の計測対象となる振動の周波数ｆと弾性部材１７の共振周波数とを一致させておくことが望ましい。
【００７４】
＜初期ギャップｄ０と振幅Ａの最適化＞
図９は、センサ用途に特化した初期ギャップｄ０と振幅Ａの最適化を説明するための波形図である。なお、本図の左側にはｄ０＞＞Ａである場合のギャップ距離ｄと出力電圧Ｖとの関係が描写されており、本図の右側にはｄ０≒Ａである場合のギャップ距離ｄと出力電圧Ｖとの関係が描写されている。
【００７５】
先にも述べたように、無給電センサ１０では、仮にエレクトレット１３と誘電体１５が接触しても、エレクトレット１３の放電は生じないので、センサ機能の劣化を心配する必要がない。しかしながら、エレクトレット１３と誘電体１５が接近し過ぎると、図９の右側で示したように、出力電圧Ｖが正弦波ではなく、正弦波を歪ませた波形となる。
【００７６】
出力電圧Ｖを発電電力として取り出すのであれば、そのピーク電圧が高いほど発電効率が良いので、ｄ０≒Ａのように設計することは有意義であると言える。一方、出力電圧Ｖをセンサ信号として取り出す場合、ｄ０≒Ａのような設計では、ギャップ距離ｄと出力電圧Ｖとの相関がなくなるので、振動の速度や加速度を正しく測定することができなる。
【００７７】
そこで、無給電センサ１０では、ギャップ距離ｄと出力電圧Ｖとの相関維持（言い換えれば、出力電圧Ｖの歪み回避）を最優先として、初期ギャップｄ０が振幅Ａよりも十分に大きい値（１０〜４０倍）に設計されている。例えば、振幅Ａが０．０５〜０．１ｍｍである場合には、初期ギャップｄ０を１〜２ｍｍに設計することが望ましい。
【００７８】
このような構成とすることにより、出力電圧Ｖのピーク値はやや低くなるものの、ギャップ距離ｄと出力電圧Ｖとの相関関係を良好に保つことができるので、振動の速度や加速度を正しく測定することが可能となる。
【００７９】
＜無給電センサ（第２実施形態）＞
図１０は、無給電センサの第２実施形態を示す模式図である。第２実施形態は、先の第１実施形態をさらに発展させたものであり、エレクトレットを用いた静電容量型の無給電センサに加えて、これと同一の原理で発電を行う振動発電デバイスを複合させた構成とされている。
【００８０】
より具体的に述べると、第２実施形態の無給電センサ１０は、第１実施形態と基本的に同様の構成であり、下部電極及び上部電極として、それぞれ、センサ用電極１２ａ及び１６ａと、発電用電極１２ｂ及び１６ｂとを並列に含み、センサ用電極１２ａ及び１６ａから抵抗１９ａを介してセンサ信号を出力する一方、発電用電極１２ｂ及び１６ｂから抵抗１９ｂを介して発電電力を出力する点に特徴を備えている。
【００８１】
このような構成とすることにより、無給電センサ１０は、外部からの電力供給を要することなく速度ないし加速度を検出するだけでなく、自ら発電を行って外部に電力供給を行うことも可能となる。
【００８２】
なお、センサ精度の向上に着目した場合には、エレクトレット１３と誘電体１５を近付け過ぎないことが重要となり、発電能力の向上に着目した場合には、エレクトレット１３と誘電体１５をできる限り接近させることが重要となる。このトレードオフを鑑みると、誘電体１５は、センサ用電極１６ａ上よりも発電用電極１６ｂ上の方を厚く設計しておくことが望ましい。このような構成とすることにより、センサ部分の初期ギャップをｄ０ａ（例えば１ｍｍ）とし、発電デバイス部分の初期ギャップをｄ０ｂ（例えば０．１ｍｍ）とした場合に、ｄ０ａ＞＞Ａ、かつ、ｄ０ｂ≒Ａを満たすことができるので、センサ精度を落とすことなく発電能力を向上させることが可能となる。
【００８３】
また、第２実施形態の無給電センサ１０において、センサ用電極１２ａ及び１６ａと発電用電極１２ｂ及び１６ｂは、それぞれ、相互干渉を生じないように所定の間隔ｄ１（例えば数ｍｍ）を空けて配置されている。このような構成とすることにより、無給電センサと発電デバイスを各々独立に設けた場合と比べて、トータル的なデバイス規模を大幅にシュリンクすることが可能となる。
【００８４】
＜無線センサネットワーク＞
図１１は、無線センサネットワークの一構成例を示すブロック図である。本構成例の無線センサネットワーク１００は、センサユニット１１０と制御ユニット１２０を有する。センサユニット１１０は、速度や加速度の測定対象となる振動源（機械や生物など）に組み込まれるユニットであり、無給電センサ１１１と、無給電センサ１１１で得られたセンサ信号を無線送信する送信回路１１２と、送信回路１１２に電力供給を行うバッテリ１１３と、を含む。一方、制御ユニット１２０は、センサユニット１１０から無線送信されるセンサ信号を処理するユニットであり、センサ信号を受信する受信回路１２１と、受信されたセンサ信号を処理するマイコン１２２と、を含む。
【００８５】
このような無線センサネットワーク１００を構築することにより、センサユニット１１０と制御ユニット１２０との間を結ぶ配線が不要となるので、各々のユニットを分散配置して、無線センサネットワーク１００内での情報連携を実現することが可能となる。
【００８６】
なお、無給電センサ１１１として、先に説明した大出力の無給電センサ１０を採用すれば、その出力信号を増幅するアンプ（インピーダンス変換回路）が不要となる。従って、バッテリ１１３からの電力供給を必要とする回路は、センサ信号送信用の送信回路１１２のみとなるので、バッテリ１１３の寿命（延いてはセンサユニット１１０の動作寿命）を延ばすことが可能となる。
【００８７】
特に、無給電センサ１１１として、第２実施形態の無給電センサ１０を採用した場合には、振動によって発電された電力を送信回路１１２に供給することができるので、バッテリ１１３すら不要となり、センサユニット１１０の小型化に貢献することが可能となる。
【００８８】
なお、無線センサネットワーク１００の適用例としては、一部で実用化されているタイヤ空気圧モニタリングシステム（ＴＰＭＳ［Tire  Pressure Monitoring System］）への応用のほか、医療・健康分野（健康管理や安否確認）、構造物監視（ワイヤ断線やボルト緩みの監視）、プラント監視（設備異常の監視）、並びに、物流管理（流通状態や品質の監視）などを挙げることができる。
【００８９】
＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係る無給電センサは、例えば、車載センサや体内センサとして利用することが可能である。
【符号の説明】
【００９１】
１０    無給電センサ
１１    基板
１２    下部電極
１２ａ    下部電極（センサ用）
１２ｂ    下部電極（発電用）
１３    エレクトレット
１４    空隙層
１５    誘電体
１６    上部電極
１６ａ    上部電極（センサ用）
１６ｂ    上部電極（発電用）
１７    弾性部材
１８    パッケージ
１９    抵抗
１９ａ    抵抗（センサ用）
１９ｂ    抵抗（発電用）
２０    アクリル板
２１    接着層（ＳＵ−８層）
２２    アンプ
２３    フィルタ
２４    オシロスコープ
１００    無線センサネットワーク
１１０    センサユニット
１１１    無給電センサ
１１２    送信回路
１１３    バッテリ
１２０    制御ユニット
１２１    受信回路
１２２    マイコン
Ｘ    振動系
Ｘ１    基礎
Ｘ２    プルーフマス
Ｘ３    バネ
Ｘ４    ダンパー
【図１】
2014085129.tif 000013
【図２】
2014085129.tif 000014
【図３】
2014085129.tif 000015
【図４】
2014085129.tif 000016
【図５】
2014085129.tif 000017
【図６】
2014085129.tif 000018
【図７】
2014085129.tif 000019
【図８】
2014085129.tif 000020
【図９】
2014085129.tif 000021
【図１０】
2014085129.tif 000022
【図１１】
2014085129.tif 000023