(57)【要約】【課題】発電素子により振動から抽出した電力で動作して、振動素子により自己の振動を検知するセンサノードを小型化する。【解決手段】発電センサ素子１１は、基板１１Ｆ上に形成された薄板金属からなる発電電極１１Ｃと、この発電電極１１Ｃ上に配置された帯電体１１Ｂと、基板１１Ｆ上であって発電電極１１Ｃの周辺位置に固定された支持部１１Ｈと、一端が支持部１１Ｈの上端に固定された、弾性を有するバネ１１Ｇと、バネ１１Ｇの他端に接続されて、帯電体１１Ｂの上方であって、帯電体１１Ｂと水平に対向する位置に振動可能に支持された、薄板金属からなる可動体１１Ａと、基板１１Ｆ上で発電電極１１Ｃの周辺位置であって、可動体１１Ａを挟んで互いに対向する位置に立設された薄板金属からなる２つのセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅとを備える。【選択図】  図１
2011160612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された薄板金属からなる発電電極と、
この発電電極上に配置された帯電体と、
前記基板上であって前記発電電極の周辺位置に固定された支持部と、
一端が前記支持部の上端に固定された、弾性を有するバネと、
前記バネの他端に接続されて、前記帯電体の上方であって、当該帯電体と水平に対向する位置に振動可能に支持された、薄板金属からなる可動体と、
前記基板上で前記発電電極の周辺位置であって、前記可動体を挟んで互いに対向する位置に立設された薄板金属からなる２つのセンサ電極と
を備え、
前記可動体および前記電気センサ電極からなる振動素子が、外部から印加された振動に応じて前記可動体が基板面と並行したＸ方向に変位した際に、前記可動体と前記センサ電極との間に生じる２つの容量が変化して、当該変位に応じて振幅が変化する、互いに逆位相の検知信号を前記２つのセンサ電極からそれぞれ出力し、
前記可動体、前記帯電体、および前記発電電極からなる発電素子が、外部から印加された振動に応じて前記可動体が前記基板面と直交するＺ方向に変位した際に、前記発電電極に誘起された電荷が変化して、当該変位に応じて振幅が変化する電圧信号を前記発電電極から出力する
ことを特徴とする発電センサ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発電センサ素子において、
前記バネは、前記Ｘ方向の幅に比較して、前記Ｚ方向の幅が小さいことを特徴とする発電センサ素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の発電センサ素子において、
前記可動体は、１つの前記バネにより支持されていることを特徴とする発電センサ素子。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の発電センサ素子において、
前記可動体は、前記基板面と並行して前記Ｘ方向と直交するＹ方向に沿って、当該可動体を挟んで接続された２つの前記バネにより支持されていることを特徴とする発電センサ素子。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の発電センサ素子において、
前記可動体は、前記基板面と並行して前記Ｘ方向と直交するＹ方向に沿って、当該可動体を挟んで２つずつ接続された４つの前記バネにより支持されていることを特徴とする発電センサ素子。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の発電センサ素子において、
前記可動体は、当該可動体の中心に対して平面視点対称となる位置に接続された４つの前記バネにより支持されていることを特徴とする発電センサ素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の発電センサ素子において、
前記バネは、葛折り形状からなることを特徴とする発電センサ素子。
【請求項８】
請求項７に記載の発電センサ素子において、
前記バネは、前記可動体に設けられた切り欠き部に配置されていることを特徴とする発電センサ素子。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の発電センサ素子において、
前記可動部は、当該変位の共振周波数を調整するための重りを有することを特徴とする発電センサ素子。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の発電センサ素子において、
前記可動部は、当該上面または当該下面の周部であって、少なくとも前記センサ電極と対向する位置に、当該可動部の厚さより高い壁状の縁部を有し、
前記センサ電極は、前記縁部と対向する位置に配置されている
ことを特徴とする発電センサ素子。
【請求項１１】
請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の発電センサ素子において、
前記可動部は、当該下面の周部全周にわたって、当該可動部の厚さより高い壁状の縁部を有し、
前記センサ電極は、前記縁部と対向する位置に配置されており、
少なくとも前記帯電体の一部は、前記縁部により前記可動部の下面に形成された凹部の内側に配置されている
ことを特徴とする発電センサ素子。
【請求項１２】
請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の発電センサ素子において、
前記可動部と前記バネは、薄板金属を加工して一体に形成されており、当該可動部のうち少なくとも前記センサ電極と対向する端部を曲げ加工することにより、上方または下方へ板状に突出した縁部が形成されている
ことを特徴とする発電センサ素子。
【請求項１３】
請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の発電センサ素子において、
前記基板は、プリント基板からなり、
前記発電電極は、前記基板上に形成された配線パターンからなり、
前記センサ電極は、薄板金属をＬ型に曲げ加工して前記プリント基板に立設されており、
前記可動部と前記バネは、薄板金属を加工して一体に形成されており、当該可動部のうち少なくとも前記センサ電極と対向する端部を曲げ加工することにより、上方または下方へ板状に突出した縁部が形成されている
ことを特徴とする発電センサ素子。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の発電センサ素子と、
前記発電センサ素子の前記発電電極から出力された電荷を蓄電することにより動作電源を生成する蓄電回路と、
前記蓄電回路から供給された前記動作電源により起動して、前記発電センサ素子の前記センサ電極から前記検知信号として出力された電荷を蓄積することによりセンサ出力信号を生成し、このセンサ出力信号をしきい値と比較した比較結果を出力信号として出力するセンサ素子信号検出回路と、
前記出力信号に応じて前記蓄電回路から供給された前記動作電源に基づいて動作して、無線電波を送信する無線回路と
を備えることを特徴とするセンサノード。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセンサノードにおいて、
前記蓄電回路は、
前記発電電極から出力された電荷を整流する整流回路と、
前記整流回路で整流された電荷を蓄電して前記動作電源を生成する容量素子と、
前記動作電源の電圧上昇を上限しきい値までに制限する電圧制限回路と、
前記動作電源の電圧が下限しきい値以上に上昇している期間には、第１のスイッチをオンして前記動作電源を前記センサ素子信号検出回路へ供給する電圧検知回路と、
前記出力信号に応じてオンすることにより、前記動作電源を前記センサ素子信号検出回路へ供給する第２のスイッチと
を備えることを特徴とするセンサノード。
【請求項１６】
請求項１４に記載のセンサノードにおいて、
前記センサ素子信号検出回路は、
前記第１のスイッチを介して供給された前記動作電源に応じて動作し、前記検知信号として出力された電荷を蓄積することにより前記センサ出力信号を生成するセンサ回路と、
前記第１のスイッチを介して供給された前記動作電源に応じて動作し、前記センサ出力信号をしきい値と比較した比較結果を出力信号として出力するしきい値回路と
を備えることを特徴とするセンサノード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサノード技術に関し、特に振動から抽出した電力で動作して、自己の振動を検知するセンサノードの小型化に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種のデータを検知するセンサに通信機能やデータ処理機能を付加して高機能なセンサノードを構成し、さらにこれらセンサノードでネットワークを構築するセンサネットワーク技術の研究が進んでいる。
このセンサネットワーク技術では、センサノードの小型化・軽量化を目的として、データを検知して受信装置へ送信するための回路構成を半導体チップで実現したセンサノードが注目されている。
【０００３】
このようなセンサノードは、物や人などの様々な対象に取り付けられることで、その対象の各種状態を示すデータを検知して、無線信号により受信装置へ送信することができる。このため、受信装置で受信したこれら検知データを、インターネットなどのネットワークを介して収集することで、様々なサービスを実現することができ、いわゆるユビキタスネットワークサービスを実現することができる。例えば、装置に取り付けたセンサノードでその振動周波数や加速度を検知するとともに、受信装置でこれら検知データを収集して提供することにより、ネットワークを介して遠隔地で装置の動作状態を把握でき、有用な保守・整備サービスを広い範囲で提供することが可能となる。
【０００４】
図２３は、従来のセンサノードシステムの構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１、特許文献２など参照）。センサノードシステム５は、センサノード５０と受信装置６０で構成される。センサノード５０で検知したデータは無線電波を介して受信装置６０に送信される。無線電波は、比較的微弱な無線信号であり、数十ｃｍから数十ｍ離れた距離を通信できる。
【０００５】
センサノード５０は、センサ素子部５１、センサ回路部５２、Ａ／Ｄ変換部５３、ＣＰＵ５４、メモリ部５５、無線部５６、および電源部５７により構成され、電源部５７から各ブロックへ電力が供給されている。電源部５７は、例えば振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構や２次電池等で構成されており、長時間の動作が実現可能なように工夫されている。
【０００６】
センサ素子部５１から得られた差動の電圧信号は、センサ回路部５２の差動増幅器ＡＭＰで増幅された後、後段のＡ／Ｄ変換部５３でＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ５４によりメモリ部５５へ検知データとして保存される。その後、検知データはＣＰＵ５４により所定のタイミングでメモリ部５５から読み出され、無線部５６から無線電波により受信装置６０へ送信される。
【０００７】
図２４は、従来のセンサ素子部およびセンサ回路部の構成を示す回路図である。センサ素子部５１は、動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に逆方向で並列接続された２つの振動センサ５１Ａ，５１Ｂから構成されている（以降、振動センサは「振動素子」とも称す）。振動センサ５１Ａは、外部振動により互いに逆方向に容量値が変化する２つの可変容量素子ＣＰ１，ＣＮ１の直列接続からなり、振動センサ５１Ｂは、外部振動により互いに逆方向に容量値が変化する２つの可変容量素子ＣＰ２，ＣＮ２からなる。
【０００８】
図２５は、従来の振動センサの構成例である（例えば、特許文献２など参照）。振動センサ５１Ａ，５１Ｂは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）プロセスによりシリコンチップ上に構成された微細な櫛歯構造からなり、可動電極５１Ｍと２つの固定電極５１Ｐ，５１Ｎとを有している。
【０００９】
これら振動センサ５１Ａ，５１Ｂにおいて、外部振動で可動電極５１Ｍが振動することにより、固定電極５１Ｐ，５１Ｎとの距離が変化して、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｐ，５１Ｎと間の容量ＣＰ，ＣＮの大きさが変化する。この際、固定電極５１Ｐと固定電極５１Ｎとの中間に可動電極５１Ｍが配置されているため、これら容量ＣＰ，ＣＮは差動的に変化する。
【００１０】
したがって、ノードＮ１を介して固定電極５１Ｐへ動作電源ＶＤＤを印加し、ノードＮ２を介して固定電極５１Ｎへ接地電位ＧＮＤを印加した場合、ＶＤＤとＧＮＤの中間電位を中心として外部振動に応じて電圧が上下に変化する電圧信号が、可動電極５１ＭのノードＮ３からセンサ回路部５２へ出力される。この際、振動センサ５１Ａ，５１Ｂは、動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に逆方向で並列接続されていることから、同一外部振動に対して互いに逆位相の電圧信号がセンサ回路部５２へ出力される。
【００１１】
また一方で、小型の素子（以降、「発電素子」と称する）に外部から与えられる振動エネルギーを電荷に蓄え、電気的なエネルギーに変換する技術については、ＰＭＰＧ（Piezoelectric Micro Power Generator）技術などとして近年研究が盛んになっている（非特許文献１など参照）。図２６は、ＰＭＰＧの従来例を示す回路部である。
図２６における交流電流発生器６１、すなわち発電素子に振動が与えられることによりそこで発生した交流電流は内容は、ダイオードからなる整流回路６２で整流され、さらに、コンデンサ６３で平滑されて直流電流となり、後段の処理回路６４に供給される。
【００１２】
発電素子としては、前述した図２５で示すような振動センサ（振動素子）の構造を変更した上で用いることができる。すなわち、振動を検知する振動素子も、振動エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電素子も、２つの電極板が直接的または間接的にバネで繋がれ相対的に振動することにより電気容量が変化するコンデンサを有する構成を持ち、その結果、振動が交流電流（または交流電圧）に変換されるという点で、原理的には同一なのである。
なお、上記コンデンサが所定の電圧を蓄えた後に、後段の処理回路に電力を供給する技術も提案されている（例えば、特許文献３など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−０２４５５１号公報
【特許文献２】特開２００９−３０２６３２号公報
【特許文献３】特開２００９−０５５７６９号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Y.B.Jeon, et al., "MEMS power generator with transverse mode thin film PZT", ELSEVIER, Sensors and Actuators A 122 (2005) pp.16-22.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
振動を検知する振動素子と、振動エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電素子とは、原理的に同一の構成、すなわち、２つの電極板が直接的または間接的にバネで繋がれ相対的に振動することにより電気容量が変化するコンデンサを有する構成であることは、前述の通りである。
ここで、振動を検知するセンサノードに対し、振動エネルギーを電気エネルギーとして供給する場合、振動素子用のコンデンサと、発電素子用のコンデンサは、別々に設ける必要があった。その理由は、コンデンサの設計パラメタが、振動素子用と発電素子用では異なるからである。
【００１６】
一方、振動素子は、高感度・高線形性が確保できるように、発電素子用は電流・電圧・電力の高出力化が可能であるように、それぞれコンデンサの容量、電極の質量、バネ定数を設定する必要がある。ただし、現時点で、これらのパラメタの最適決定法は不明であることから、経験的に定める必要がある。
また、それぞれのコンデンサの出力特性に合わせて、振動素子用と発電素子用の処理回路を最適設計するのが、得られる信号の品質の観点から、合理的である。
【００１７】
したがって、前述した従来技術によれば、振動を検知するセンサノードに対し、振動エネルギーを電気エネルギーとして供給する場合、振動エネルギーを取り出す発電素子と、人やモノの動作に対応した振動を検知する振動素子を個別に搭載する必要があり、センサノードを小型化できないという課題があった。
【００１８】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、発電素子により振動から抽出した電力で動作して、振動素子により自己の振動を検知するセンサノードの小型化技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような目的を達成するために、本発明にかかる発電センサ素子は、基板上に形成された薄板金属からなる発電電極と、この発電電極上に配置された帯電体と、基板上であって発電電極の周辺位置に固定された支持部と、一端が支持部の上端に固定された、弾性を有するバネと、バネの他端に接続されて、帯電体の上方であって、当該帯電体と水平に対向する位置に振動可能に支持された、薄板金属からなる可動体と、基板上で発電電極の周辺位置であって、可動体を挟んで互いに対向する位置に立設された薄板金属からなる２つのセンサ電極とを備え、可動体および電気センサ電極からなる振動素子が、外部から印加された振動に応じて可動体が基板面と並行したＸ方向に変位した際に、可動体とセンサ電極との間に生じる２つの容量が変化して、当該変位に応じて振幅が変化する、互いに逆位相の検知信号を２つのセンサ電極からそれぞれ出力し、可動体、帯電体、および発電電極からなる発電素子が、外部から印加された振動に応じて可動体が基板面と直交するＺ方向に変位した際に、発電電極に誘起された電荷が変化して、当該変位に応じて振幅が変化する電圧信号を発電電極から出力する。
【００２０】
この際、バネは、Ｘ方向の幅に比較して、Ｚ方向の幅が小さくしてもよい。
また、可動体は、１つのバネにより支持してもよい。
あるいは、可動体は、基板面と並行してＸ方向と直交するＹ方向に沿って、当該可動体を挟んで接続された２つのバネにより支持してもよい。
あるいは、可動体は、基板面と並行してＸ方向と直交するＹ方向に沿って、当該可動体を挟んで２つずつ接続された４つのバネにより支持してもよい。
あるいは、可動体は、当該可動体の中心に対して平面視点対称となる位置に接続された４つのバネにより支持してもよい。
【００２１】
また、バネとして、葛折り形状を用いてもよい。
また、バネは、可動体に設けられた切り欠き部に配置してもよい。
また、可動部に、当該変位の共振周波数を調整するための重りを設けてもよい。
【００２２】
また、可動部に、当該上面または当該下面の周部であって、少なくともセンサ電極と対向する位置に、当該可動部の厚さより高い壁状の縁部を設け、センサ電極を、縁部と対向する位置に配置してもよい。
【００２３】
また、可動部に、当該下面の周部全周にわたって、当該可動部の厚さより高い壁状の縁部を設け、センサ電極を、縁部と対向する位置に配置し、少なくとも帯電体の一部を、縁部により可動部の下面に形成された凹部の内側に配置してもよい。
【００２４】
また、可動部とバネを、薄板金属を加工して一体に形成し、当該可動部のうち少なくともセンサ電極と対向する端部を曲げ加工することにより、上方または下方へ板状に突出した縁部を形成してもよい。
【００２５】
また、基板としてプリント基板を用い、発電電極を基板上に形成された配線パターンで構成し、センサ電極を、薄板金属をＬ型に曲げ加工してプリント基板に立設し、可動部とバネを、薄板金属を加工して一体に形成して、当該可動部のうち少なくともセンサ電極と対向する端部を曲げ加工することにより、上方または下方へ板状に突出した縁部を形成してもよい。
【００２６】
また、本発明にかかるセンサノードは、前述したいずれか１つの発電センサ素子と、発電センサ素子の発電電極から出力された電荷を蓄電することにより動作電源を生成する蓄電回路と、蓄電回路から供給された動作電源により起動して、発電センサ素子のセンサ電極から検知信号として出力された電荷を蓄積することによりセンサ出力信号を生成し、このセンサ出力信号をしきい値と比較した比較結果を出力信号として出力するセンサ素子信号検出回路と、出力信号に応じて蓄電回路から供給された動作電源に基づいて動作して、無線電波を送信する無線回路とを備えている。
【００２７】
この際、蓄電回路に、発電電極から出力された電荷を整流する整流回路と、整流回路で整流された電荷を蓄電して動作電源を生成する容量素子と、動作電源の電圧上昇を上限しきい値までに制限する電圧制限回路と、動作電源の電圧が下限しきい値以上に上昇している期間には、第１のスイッチをオンして動作電源をセンサ素子信号検出回路へ供給する電圧検知回路と、出力信号に応じてオンすることにより、動作電源をセンサ素子信号検出回路へ供給する第２のスイッチとを備えていもよい。
【００２８】
また、センサ素子信号検出回路に、第１のスイッチを介して供給された動作電源に応じて動作し、検知信号として出力された電荷を蓄積することによりセンサ出力信号を生成するセンサ回路と、第１のスイッチを介して供給された動作電源に応じて動作し、センサ出力信号をしきい値と比較した比較結果を出力信号として出力するしきい値回路とを備えてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、発電センサ素子で、人やモノの動作で生じる大きな振動で発生したＸ方向の変位で、振動、すなわち人やモノの動作を検出することができるとともに、床や壁に発生する比較的弱い環境振動によるＺ方向の変位で、センサノードの動作に用いる電力を発電することができ、センサノードの小型化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施の形態にかかるセンサノードの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる発電センサ素子の構成を示す平面図である。
【図３Ａ】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図３Ｂ】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図３Ｃ】バネを示す外観図である。
【図４】センサノードの蓄電回路およびセンサ素子信号検出回路を示す回路図である。
【図５】ダイオードの構成例である。
【図６】電圧制限回路の構成例である。
【図７】ゼロパワーセンサ回路の構成例である。
【図８】ゼロパワーセンサ回路の構成例である。
【図９】センサノードの動作を示す信号波形図である。
【図１０】センサノードの他の動作を示す信号波形図である。
【図１１】無線回路の動作を示す説明図である。
【図１２】第２の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１３】第３の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１４】第４の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１５】第５の実施の形態にかかるバネを示す平面図である。
【図１６Ａ】第６の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１６Ｂ】第６の実施の形態にかかる他の発電センサ素子を示す平面図である。
【図１６Ｃ】第６の実施の形態にかかる他の発電センサ素子を示す平面図である。
【図１６Ｄ】第６の実施の形態にかかる他の発電センサ素子を示す平面図である。
【図１７Ａ】第７の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【図１８Ａ】第８の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図１９Ａ】第９の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図１９Ｂ】図１９ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図２０Ａ】第１０の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
【図２０Ｂ】図２０ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図２０Ｃ】図２０ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【図２１】第１１の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す断面図である。
【図２２】第１２の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す断面図である。
【図２３】従来のセンサノードシステムの構成を示すブロック図である。
【図２４】従来のセンサ素子部およびセンサ回路部の構成を示す回路図である。
【図２５】従来の振動センサの構成例である
【図２６】ＰＭＰＧの従来例を示す回路部である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサノードについて説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるセンサノードの構成を示すブロック図である。
【００３２】
センサノード１０は、物や人などの様々な対象に取り付けられることで、その対象の状態を検知して、無線電波により外部機器へ送信する。無線電波は、比較的微弱な無線信号であり、数十ｃｍから数十ｍ離れた距離を通信できる。このようなセンサノード１０を複数用いて通信ネットワークを構成することにより、各種対象の状態を示すデータを収集するセンサノードシステムが構築される。
【００３３】
本実施の形態は、振動を検出する振動素子と、振動エネルギーを抽出してセンサノード１０で必要とされる発電する発電素子とを、１つの発電センサ素子１１に一体化したことを特徴としている。
【００３４】
［センサノード］
図１を参照して、本実施の形態にかかるセンサノード１０の構成について説明する。
センサノード１０には、主な機能部として、発電センサ素子１１、蓄電回路１２、センサ素子信号検出回路１３、および無線回路１４が設けられている。
【００３５】
発電センサ素子１１は、例えばＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)プロセスなどの微細加工技術に基づいて、基板上に構成された振動素子１１Ｘと発電素子１１Ｚとを備え、発電素子でセンサノード１０に加えられた振動エネルギーを電荷として抽出することにより発電する機能と、振動素子でセンサノード１０に加えられた振動を検出する機能とを有している。発電センサ素子１１の詳細については、後述する。
【００３６】
蓄電回路１２は、発電センサ素子１１の発電素子１１Ｚから出力された電荷を蓄電して動作電源ＶＤＤを生成する機能と、得られた動作電源ＶＤＤをセンサ素子信号検出回路１３へ供給する機能と、センサ素子信号検出回路１３からの制御信号ＯＵＴに応じて無線回路１４へ動作電源ＶＤＤを供給する機能とを有している。
【００３７】
センサ素子信号検出回路１３は、発電センサ素子１１の振動素子１１Ｘから出力された逆位相の検知信号ＢＰ，ＢＮを昇圧して蓄積することによりセンサ出力信号ＳＯとして出力する機能と、センサ出力信号ＳＯがしきい値電圧Ｖｔｈへ到達した時点で制御信号ＯＵＴを蓄電回路１２へ出力する機能とを有している。
この際、センサ出力信号ＳＯは、対象の振動や加速度の大きさに応じて、その電圧上昇速度が変化する。したがって、センサ出力信号ＳＯが初期電圧からしきい値電圧まで上昇する所要時間、すなわち制御信号ＯＵＴの出力間隔が、対象の振動や加速度の大きさに応じて変化することになる。
【００３８】
無線回路１４は、蓄電回路１２から供給される動作電源ＶＤＤにより動作して、例えば当該センサノード１０の識別情報などのデータを含む所定の無線電波を送信する機能を有している。このため、発電センサ素子１１で検出した振動や加速度の大きさに応じた間隔で、無線回路１４から無線電波が送信される。
この場合、無線回路１４において、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）等の高周波パルスそのものを変調して送信する方式を用いてもよく、これにより低電力化無線通信が可能である。無線方式としては、ＵＷＢに限定するものではなく、これと同等またはそれ以下の低電力化が可能な無線方式を用いてもよい。
【００３９】
なお、無線電波の送信期間長については、センサ素子信号検出回路１３において、制御信号ＯＵＴの出力完了に応じて１つの検知期間を終了し、センサ出力信号ＳＯを初期化するなど、次の検知期間のための初期化動作を行うようにしてもよい。あるいは、無線回路１４から通知された無線電波の送信終了通知に応じて、センサ素子信号検出回路１３で、上記初期化動作を行うようにしてもよい。
【００４０】
［発電センサ素子］
次に、図２、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃを参照して、本実施の形態にかかる発電センサ素子の構成について説明する。図２は、第１の実施の形態にかかる発電センサ素子の構成を示す平面図である。、図３Ａは、図２のＡ−Ａ断面図である。図３Ｂは、図２のＢ−Ｂ断面図である。図３Ｃは、バネを示す外観図である。
【００４１】
発電センサ素子１１は、基板１１Ｆ上に配置された、可動体１１Ａ、帯電体１１Ｂ、発電電極１１Ｃ、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅから構成されている。このうち、可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅとが振動素子１１Ｘを構成し、可動体１１Ａと発電電極１１Ｃとが発電素子１１Ｚを構成している。発電センサ素子１１に関する実際の構造例については、後述する実施の形態で説明する。
【００４２】
可動体１１Ａおよび発電電極１１Ｃは、平面視矩形状の同一形状をなす金属の薄板から構成されている。
発電電極１１Ｃは、基板１１Ｆ上に形成されており、この発電電極１１Ｃの上に、帯電体１１Ｂが形成されている。また、発電電極１１Ｃ周辺の基板１１Ｆ上には、支持部１１Ｈが立設されており、この支持部１１Ｈの上端から、基板１１Ｆの基板面と並行する水平方向Ｙに突出した、弾性を有する棒状のバネ１１Ｇの一端が固定されている。また、バネ１１Ｇの他端は可動体１１Ａの側面に固定されている。これにより、可動体１１Ａは、このバネ１１Ｇを介して、帯電体１１Ｂの上方であって、帯電体１１Ｂと水平に対向する位置に、帯電体１１Ｂと僅かな隙間を持って振動可能に支持されている。
【００４３】
センサ電極１１Ｄ，１１Ｅは、壁状をなす金属の薄板から構成されており、発電電極１１Ｃ周辺の基板１１Ｆ上に、可動体１１Ａと僅かな隙間を持って、可動体１１Ａと基板１１Ｆの基板面と並行して水平方向Ｙと直交する水平方向Ｘに沿って、互いに対向するよう立設されている。図２の例では、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅが、可動体１１Ａを挟んで互いに対向する位置に配置されており、可動体１１Ａは、これらセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅが対向する水平方向Ｙに沿って、バネ１１Ｇにより空中に支持されている。
【００４４】
このような構成を有する発電センサ素子１１に対して、外部から振動が印加されて、可動体１１Ａが水平方向Ｘに揺れた場合、可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｄとの距離、および可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｅとの距離が差動的に変化する。この際、バネ１１Ｇおよび支持部１１Ｈは金属からなり、これらバネ１１Ｇおよび支持部１１Ｈを介して可動体１１Ａは接地電位ＧＮＤに接続されている。
このため、可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｄとの間に生じる容量ＣＰ、および可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｅとの間に生じる容量ＣＮも、接地電位ＧＮＤを中心として互いに差動的に変化する。したがって、これら可変容量ＣＰ，ＣＮから得られる逆位相の検知信号を整流して容量素子に充電することにより、振動の大きさに応じて変化するセンサ出力信号ＳＯを得ることができる。
【００４５】
一方、可動体１１Ａが、基板１１Ｆの基板面と直交する鉛直方向Ｚに揺れた場合、可動体１１Ａと帯電体１１Ｂおよび発電電極１１Ｃとの距離が変化する。特に、バネ１１Ｇについては、図３Ｃに示すように、水平方向Ｘの幅Ｗに比較して鉛直方向Ｚの幅Ｔを小さく設定している（Ｗ＞Ｔ）。これにより、水平方向Ｘよりも鉛直方向Ｚに振動しやすくなる。
このため、発電電極１１Ｃに電荷が誘起されて、可動体１１Ａと発電電極１１Ｃとの間に生じる電圧信号ＢＶも変化する。したがって、この接地電位ＧＮＤを中心とした交流の電圧信号ＢＶを整流して容量素子に蓄電することにより、振動に応じて増大する動作電源ＶＤＤを得ることができ、振動エネルギーから電力を発電することができる。
【００４６】
本実施の形態にかかる発電センサ素子１１によれば、比較的大きなサイズが必要となる可動体１１Ａを、振動素子１１Ｘと発電素子１１Ｚで兼用するようにしたので、発電センサ素子１１を小型化することができる。
これにより、１つの素子で、人やモノの動作で生じる大きな振動で発生した水平方向Ｘの変位で、振動、すなわち人やモノの動作を検出することができるとともに、床や壁に発生する比較的弱い環境振動による鉛直方向Ｚの変位で、センサノードの動作に用いる電力を発電することができる。
【００４７】
［蓄電回路］
次に、図４を参照して、本実施の形態にかかるセンサノードの蓄電回路について詳細に説明する。図４は、センサノードの蓄電回路およびセンサ素子信号検出回路を示す回路図である。
蓄電回路１２には、主な回路として、整流回路１２Ａ、容量素子ＣＶ、電圧制限回路１２Ｂ、電圧検知回路１２Ｃ、スイッチＳＷ１（第１のスイッチ），スイッチＳＷ２（第２のスイッチ）が設けられている。
【００４８】
整流回路１２Ａは、順方向で直列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２からなり、ダイオードＤ１のアノード端子とダイオードＤ２のカソード端子との接続点が、発電センサ素子１１の発電電極１１Ｃに接続され、ダイオードＤ２のアノード端子が接地電位ＧＮＤに接続されている。これにより、発電電極１１Ｃに発生した電圧信号ＢＶがダイオードＤ１，Ｄ２で整流され、ダイオードＤ１のカソード端子から出力される。
【００４９】
図５は、ダイオードの構成例である。ここでは、ｎＭＯＳトランジスタのソース端子をｐＭＯＳトランジスタのソース端子に接続し、ｎＭＯＳトランジスタのゲート端子をｐＭＯＳトランジスタのドレイン端子に接続し、ｐＭＯＳトランジスタのゲート端子をｎＭＯＳトランジスタのドレイン端子に接続することにより、ｎＭＯＳトランジスタのドレイン端子をカソード端子とし、ｐＭＯＳトランジスタのドレイン端子をアノード端子とするダイオードが構成されている。ダイオードＤ１，Ｄ２としてこのような構成を用いることにより、ダイオードＤ１，Ｄ２でのリーク電流を低減できる。
【００５０】
容量素子ＣＶは、ダイオードＤ１のカソード端子と接地電位ＧＮＤとの間に接続されたコンデンサからなり、ダイオードＤ１で整流された電圧信号ＢＶが、この容量素子ＣＶに動作電源ＶＤＤとして蓄電される。
【００５１】
電圧制限回路１２Ｂは、動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続されて、動作電源ＶＤＤの電圧上昇を制限する回路である。図６は、電圧制限回路の構成例である。ここでは、動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続された電圧検知回路ＣＭＰが、動作電源ＶＤＤを監視し、各回路へ動作電源として供給可能な電位を示す上限しきい値ＶＨまで上昇している場合にスイッチＳＷをオンする。これにより、抵抗素子Ｒが動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続されて、動作電源ＶＤＤが、容量素子Ｃと抵抗素子Ｒの時定数により常時放電されて、電圧上昇が制限される。
【００５２】
電圧検知回路１２Ｃは、動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続されて、動作電源ＶＤＤがセンサ素子信号検出回路１３へ動作電源として供給可能な電位に達しているか否かを検知する回路である。これにより、動作電源ＶＤＤが、センサ素子信号検出回路１３へ動作電源として供給可能な電位を示す下限しきい値ＶＬ以上に上昇している場合、電圧検知回路１２Ｃの出力に応じてスイッチＳＷ１がオンし、動作電源ＶＤＤがスイッチＳＷ１を介してセンサ素子信号検出回路１３へ供給される。
【００５３】
スイッチＳＷ２は、センサ素子信号検出回路１３からの制御信号ＯＵＴに応じて、無線回路１４に対する動作電源ＶＤＤの供給を制御するスイッチ素子である。これにより、発電センサ素子１１のセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅから出力された逆位相の検知信号ＢＰ，ＢＮに基づいて、センサ素子信号検出回路１３で振動が検出された場合、この振動検出に応じて出力された制御信号ＯＵＴに応じてスイッチＳＷ２がオンし、動作電源ＶＤＤがスイッチＳＷ２を介して無線回路１４へ供給される。
【００５４】
［センサ素子信号検出回路］
次に、図４を参照して、本実施の形態にかかるセンサノードのセンサ素子信号検出回路について詳細に説明する。
センサ素子信号検出回路１３には、主な回路として、ゼロパワーセンサ回路１３Ａとゼロパワーしきい値回路１３Ｂが設けられている。
【００５５】
ゼロパワーセンサ回路１３Ａは、発電センサ素子１１のセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅで得られた検知信号ＢＰ，ＢＮの電荷を容量素子ＣＳで蓄積することにより、対象の振動や加速度に応じた電圧を有するセンサ出力信号ＳＯを出力する回路である。
【００５６】
図７は、ゼロパワーセンサ回路の構成例である。ここでは、順方向で直列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１３の接続点に検知信号ＢＰ，ＢＮが入力されており、ダイオードＤ１３のカソード端子から出力された電圧信号がセンサ出力信号ＳＯとして容量素子ＣＳに充電される。図７の例では、ＭＯＳトランジスタでダイオードを構成しているが、ＰＮダイオードを用いてもよい。なお、このゼロパワーセンサ回路１３Ａの構成は、特許文献２に開示されているものと同等である。
【００５７】
ゼロパワーしきい値回路１３Ｂは、センサ出力信号ＳＯが振動ありを示す電位であるしきい値Ｖｔｈに達しているか否かを検知する回路である。図８は、ゼロパワーセンサ回路の構成例である。ここでは、ＰＭＯＳトランジスタからなるトランジスタＱ１のソース端子が動作電源ＶＤＤに接続され、トランジスタＱ１のドレイン端子がＮＭＯＳトランジスタからなるトランジスタＱ２のドレイン端子に接続され、トランジスタＱ２のソース端子が接地電位ＧＮＤに接続され、トランジスタＱ２のドレイン端子とソース端子との間に容量素子ＣＯが接続されている。
【００５８】
また、トランジスタＱ１のゲート端子に、ゼロパワーセンサ回路１３Ａからのセンサ出力信号ＳＯが入力され、トランジスタＱ２のゲート端子に、動作電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続された抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２の分圧回路で生成されたしきい値Ｖｔｈが入力されている。また、容量素子ＣＯの両端電圧がインバータＩＮＶに入力され、その反転論理が制御信号ＯＵＴとして出力されている。
【００５９】
したがって、時刻Ｔ０において、センサ出力信号ＳＯが、初期電圧である接地電位ＧＮＤの場合、トランジスタＱ１はオン状態にあり、トランジスタＱ１のソース・ドレイン間電流がトランジスタＱ２のそれよりも大きくなる。このため、動作電源ＶＤＤからの電荷が容量素子ＣＶに充電され、Ｌｏｗレベルの制御信号ＯＵＴが出力される。
この後、振動が継続して、センサ出力信号ＳＯの電圧が上昇し、ゼロパワーしきい値回路１３ＢのトランジスタＱ１のゲート端子電圧が上昇すると、トランジスタＱ１はオフ状態に近付いてくる。
【００６０】
一方、トランジスタＱ２のドレイン・ソース間電流はサブマイクロアンペア程度に設定されているため、センサ出力信号ＳＯの電圧、すなわちトランジスタＱ１のゲート端子電圧がしきい値Ｖｔｈまで到達したところで、トランジスタＱ１のソース・ドレイン間電流がトランジスタＱ２のそれよりも小さくなり、容量素子ＣＶに充電された電荷がトランジスタＱ２へ流れ始める。
これにより、容量素子ＣＶの両端電圧は低下し、容量素子ＣＶの容量値とトランジスタＱ２のドレイン・ソース間電流値で決まる放電時間の後、接地電位ＧＮＤとなり、インバータＩＮＶから出力されている制御信号ＯＵＴがＨｉｇｈレベルに反転する。
【００６１】
このようにして、ゼロパワーしきい値回路１３Ｂにおいて、上記差分電圧Ｖｄを論理閾値とした閾値処理の動作が行われる。したがって、センサ出力信号ＳＯの電圧が差分電圧Ｖｄを越えた時点で、制御信号ＯＵＴがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに反転して、蓄電回路１２のスイッチＳＷ２がオン状態となり、動作電源ＶＤＤが無線回路１４へ供給される。
【００６２】
［第１の実施の形態の動作］
次に、図９を参照して、本実施の形態にかかるセンサノードの動作について説明する。図９は、センサノードの動作を示す信号波形図である。
【００６３】
センサノード１０に印加された外部振動により、発電センサ素子１１の可動体１１Ａが鉛直方向Ｚに変位した場合、発電電極１１Ｃに電荷が誘起され、発生した電圧信号ＢＶが蓄電回路１２へ出力される。
【００６４】
電圧信号ＢＶは、蓄電回路１２の整流回路１２Ａで整流されて容量素子ＣＶへ動作電源ＶＤＤとして充電される。したがって、振動が継続して、動作電源ＶＤＤが下限しきい値ＶＬまで上昇した場合、電圧検知回路１２ＣによりスイッチＳＷ１がオンして、動作電源ＶＤＤがセンサ素子信号検出回路１３へ供給される。また、動作電源ＶＤＤが上限しきい値ＶＨまで上昇した場合、電圧制限回路１２Ｂにより動作電源ＶＤＤが上限しきい値ＶＨに制限され、高電圧から回路が保護される。
【００６５】
一方、センサノード１０に印加された外部振動により、発電センサ素子１１の可動体１１Ａが水平方向Ｘに変位した場合、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅに逆位相の検知信号ＢＰ，ＢＮが発生する。
【００６６】
図９に示すように、検知期間の開始時点である時刻Ｔ０において、容量素子ＣＳの電圧は接地電位ＧＮＤと等しいものとする。その後、一定周波数の外部振動をセンサノード１０に与えた場合、この外部振動に応じて発電センサ素子１１から出力される検知信号ＢＰ，ＢＮの電圧が変化する。この際、１回の振動で発電センサ素子１１の可変容量素子ＣＰ，ＣＮに充電される電荷は一定であることから、電荷Ｑ＝容量Ｃ×電圧Ｖの関係に基づき、容量Ｃと電圧Ｖとが反比例する。
【００６７】
このため、１回の振動で可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｄとの距離が大きくなって可変容量素子ＣＰの容量Ｃが小さくなると検知信号ＢＰの電圧が高くなり、上記距離が小さくなって可変容量素子ＣＰの容量Ｃが大きくなると検知信号ＢＰの電圧が低くなる。また、このことは、可動体１１Ａとセンサ電極１１Ｅとから構成される可変容量素子ＣＮと検知信号ＢＮとの関係についても同様である。
【００６８】
この際、可変容量素子ＣＰ，ＣＮは対象構造をなすことから、検知信号ＢＰ，ＢＮは、図９に示すように逆位相の信号となる。なお、検出信号ＢＰ，ＢＮの波形については、実際には外部振動の状態に応じて曲線となるが、回路動作の説明を容易とするため、図９では、検出信号ＢＰ，ＢＮを矩形波形で示してある。
【００６９】
このようにして発生した検知信号ＢＰ，ＢＮは、発電センサ素子１１からセンサ素子信号検出回路１３へ出力され、ゼロパワーセンサ回路１３Ａへ入力される。
ゼロパワーセンサ回路１３ＡのダイオードＤ１１〜Ｄ１３は、それぞれの両端電圧差がしきい値電圧Ｖｔ以上になった時点で導通状態となる。このため、検知信号ＢＰの電圧が動作電源ＶＤＤよりＶｔ以上低下した時点でダイオードＤ１１が導通し、検知信号ＢＮの電圧が検知信号ＢＰの電圧よりＶｔ以上低下した時点でダイオードＤ１２が導通し、検知信号ＢＮの電圧が固定容量素子ＣＳの電圧、すなわちセンサ出力信号ＳＯの電圧よりＶｔ以上上昇した時点でダイオードＤ１３が導通する。
【００７０】
このため、外部振動の繰り返しに応じて、ダイオードＤ１１，Ｄ１３とダイオードＤ１２とが交互に導通することから、動作電源ＶＤＤからの電荷がダイオードＤ１１〜Ｄ１３を介して容量素子ＣＳまで順に伝達されて充電される。
したがって、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間ΔＴ１では、センサ出力信号ＳＯの電圧がゼロパワーしきい値回路１３Ｂのしきい値電圧Ｖｔｈに達していないため、ゼロパワーしきい値回路１３ＢからスイッチＳＷ２のオフ状態を示す制御信号ＯＵＴが出力される。
【００７１】
一方、時刻Ｔ１に、センサ出力信号ＳＯの電圧がゼロパワーしきい値回路１３Ｂのしきい値電圧Ｖｔｈに達した時点で、ゼロパワーしきい値回路１３ＢからスイッチＳＷ２のオン状態を示す制御信号ＯＵＴが出力される。これにより、時刻Ｔ０の動作開始から期間ΔＴ１経過後に、スイッチＳＷ２を介して無線回路１４へ動作電源ＶＤＤの供給が開始されて、無線回路１４が起動し、無線電波１５が送信されることになる。
【００７２】
また、センサ出力信号ＳＯの電圧は、検知信号ＢＰ，ＢＮの繰り返し回数に依存する。このため、検知信号ＢＰ，ＢＮの繰り返し速度、すなわち外部振動の周波数や加速度の大きさに応じて、センサ出力信号ＳＯの電圧が上昇する速度が変化する。
【００７３】
図１０は、センサノードの他の動作を示す信号波形図である。図１０では、図９より低い周波数の外部振動をセンサノード１０へ与えた場合が例として示されている。この場合には、図９より外部振動の周波数が低いため、センサ出力信号ＳＯの電圧が上昇する速度は遅くなり、センサ出力信号ＳＯの電圧がしきい値Ｖｔｈに達するまでに、期間ΔＴ１より長い期間ΔＴ２を要している。
【００７４】
この結果、外部振動の周波数あるいは加速度の大きさに応じた間隔で、蓄電回路１２からスイッチＳＷ２を介して動作電源ＶＤＤが無線回路１４へ供給され、上記間隔に応じて無線電波１５が送信されることになる。
図１１は、無線回路の動作を示す説明図である。前述した図９および図１０の動作で得られた期間ΔＴ１，ΔＴ２をパルス間隔として、無線電波１５が間欠的に送信される。
【００７５】
無線電波１５の１回あたりの送信期間長は、例えば１ｍｓ以下であることが望ましい。これによりさらなるμＷより小さいｎＷ（ナノワット）レベルまで低電力化が可能である。この際、ゼロパワーしきい値回路１３Ｂから出力する制御信号ＯＵＴを無線電波１５の送信期間長だけ出力することにより、無線電波１５の送信期間長を制御してもよい。
【００７６】
また、ゼロパワーしきい値回路１３Ｂにおいて、制御信号ＯＵＴの出力完了に応じて１つの検知期間を終了し、ゼロパワーセンサ回路１３Ａの容量素子ＣＳに充電されているセンサ出力電圧ＳＯやゼロパワーしきい値回路１３Ｂの容量素子ＣＶに充電されている制御信号ＯＵＴを、接地電位ＧＮＤへ初期化するなど、次の検知期間のための初期化動作を行うようにしてもよい。なお、無線電波１５の送信期間長は、無線回路１４において制御してもよく、この場合には、無線回路１４からの無線電波１５の送信終了の通知に応じてゼロパワーしきい値回路１３Ｂで、上記初期化動作を行えばよい。
【００７７】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、比較的大きなサイズが必要となる可動体１１Ａを、振動素子１１Ｘと発電素子１１Ｚで兼用することにより、１つの発電センサ素子１１に一体化したので、発電センサ素子１１を小型化することができる。これにより、発電センサ素子１１で、人やモノの動作で生じる大きな振動で発生した水平方向Ｘの変位で、振動、すなわち人やモノの動作を検出することができるとともに、床や壁に発生する比較的弱い環境振動による鉛直方向Ｚの変位で、センサノードの動作に用いる電力を発電することができ、センサノード１０の小型化を実現することが可能となる。
【００７８】
また、可動体１１Ａを支持する棒状のバネ１１Ｇについて、鉛直方向Ｚに沿った高さＨを水平方向Ｘに沿った幅Ｗより小さくしたので、鉛直方向Ｚに沿った可動体１１Ａの揺れを大きくすることができる。これにより、床や壁の環境振動が生じる比較的弱い振動からでも発電素子１１Ｚで発電することができる。また、人やモノの動きで生じる大きな振動が加えられても、可動体１１Ａの揺れをある程度抑制でき、振動を正確を検知できる。
【００７９】
［第２の実施の形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１２は、第２の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
第１の実施の形態では、可動体１１Ａの側面のうち、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅと対向していない、いずれか一方の側面にバネ１１Ｇの一端を接続し、このバネ１１Ｇの他端を支持部１１Ｈに固定することにより可動体１１Ａを支持する場合を例として説明した。
【００８０】
本実施の形態では、図１２のように、可動体１１Ａの側面のうち、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅと対向していない２つの側面に、バネ１１Ｇの一端をそれぞれ接続し、これらバネ１１Ｇの他端を支持部１１Ｈに固定することにより可動体１１Ａを支持している。
これにより、可動体１１Ａは、可動体１１Ａを挟んで対向する位置に設けられた２組の支持部１１Ｈおよびバネ１１Ｇにより、水平方向Ｙに沿って両側から支持されるため、可動体１１Ａの水平方向Ｘに沿った変位を安定化することができる。
【００８１】
［第３の実施の形態］
次に、図１３を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１３は、第３の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
本実施の形態では、図１３のように、可動体１１Ａの側面のうち、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅと対向していない２つの側面のそれぞれに、２組のバネ１１Ｇの一端を、距離を置いてそれぞれ接続し、これらバネ１１Ｇの他端をそれぞれの支持部１１Ｈに固定することにより可動体１１Ａを支持している。
これにより、可動体１１Ａは、可動体１１Ａを挟んで対向する位置に設けられた４組の支持部１１Ｈおよびバネ１１Ｇにより、水平方向Ｙに沿って両側から支持されるため、可動体１１Ａの水平方向Ｘに沿った変位をさらに安定化することができる。
【００８２】
［第４の実施の形態］
次に、図１４を参照して、本発明の第４の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１４は、第４の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。
本実施の形態では、図１４のように、可動体１１Ａの４つの側面のそれぞれに、当該側面の中央から離れたいずれか一方の脇であって、可動体１１Ａの中心に対して平面視点対称となる位置にバネ１１Ｇの一端をそれぞれ接続し、これらバネ１１Ｇの他端をそれぞれの支持部１１Ｈに固定することにより可動体１１Ａを支持している。
【００８３】
また、可動体１１Ａの各側面のうち、バネ１１Ｇが接続されていない部分に対向する位置に、２組のセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅが可動体１１Ａを挟んでそれぞれ配置されている。なお、これら合わせて４つのセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅは、逆位相の検出信号を出力しない２つのセンサ電極が、センサ素子信号検出回路２０に対して並列的に接続される。
これにより、可動体１１Ａの変位を、水平方向Ｘだけでなく水平方向Ｙについても検知することができ、人やモノの動きを正確に検知することができる。
【００８４】
［第５の実施の形態］
次に、図１５を参照して、本発明の第５の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１５は、第５の実施の形態にかかるバネを示す平面図である。
第１の実施の形態では、可動体１１Ａを支持するバネ１１Ｇとして、棒状のバネを用いた場合を例として説明した。
本実施の形態では、図１５のように、水平方向Ｘに沿って折れ曲がった葛折り状のバネ１１Ｇを用いる。ここでは、葛折り状の具体例として、矩形波状に折れ曲がった形状が例として示されているが、湾曲波状や三角波状に折れ曲がっていてもよい。
これにより、小さいサイズで必要な弾性を得ることができ、バネ１１Ｇ、さらには発電センサ素子１１を小型化することができる。
【００８５】
［第６の実施の形態］
次に、図１６Ａ〜図１６Ｄを参照して、本発明の第６の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１６Ａは、第６の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。図１６Ｂは、第６の実施の形態にかかる他の発電センサ素子を示す平面図である。図１６Ｃは、第６の実施の形態にかかる他の発電センサ素子を示す平面図である。図１６Ｄは、第６の実施の形態にかかる他の発電センサ素子を示す平面図である。
【００８６】
第１の実施の形態では、可動体１１Ａの側面に、棒状のバネ１１Ｇの一端を接続し、バネ１１Ｇの他端を支持部１１Ｈに固定することにより可動体１１Ａを支持する場合を例として説明した。
本実施の形態では、図１６Ａ〜図１６Ｄに示すように、可動体１１Ａの側面を切り欠いて設けた切り欠き部１１Ｉに葛折り状のバネ１１Ｇを配置し、このバネ１１Ｇにより可動体１１Ａを支持している。これにより、バネ１１Ｇ、さらには発電センサ素子１１を小型化することができる。バネ１１Ｇを固定する支持部１１Ｈについては、例えば、可動体１１Ａの外側を囲む壁状に形成してもよく、バネ１１Ｇの固定位置にのみ立設した柱状のものであってもよい。
【００８７】
例えば、図１６Ａの場合には、可動体１１Ａの１つの側面から中央部を矩形状に切り欠いて平面視コの字形状とし、これにより形成された切り欠き部１１Ｉにバネ１１Ｇを配置し、このバネ１１Ｇを、可動体１１Ａのうち切り欠き部１１Ｉの内側面と可動体１１Ａの外側に配置された支持部１１Ｈとの間に接続している。また、可動体１１Ａのうち切り欠きのない２つの側面と対向する位置に、可動体１１Ａを挟んでセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅが配置されている。これにより、可動体１１Ａの変位を大きくすることができ、発電性能および振動検出性能を高めることができる。
【００８８】
また、図１６Ｂの場合には、可動体１１Ａの対向する２つの側面からそれぞれ矩形状に切り欠いて平面視Ｈ字形状とし、これにより形成された２つの切り欠き部１１Ｉのそれぞれにバネ１１Ｇを配置し、このバネ１１Ｇを、可動体１１Ａのうち切り欠き部１１Ｉの内側面と可動体１１Ａの外側に配置された支持部１１Ｈとの間に接続している。また、可動体１１Ａのうち切り欠きのない２つの側面と対向する位置に、可動体１１Ａを挟んでセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅが配置されている。これにより、可動体１１Ａの変位を大きくすることができ、発電性能および振動検出性能を高めることができるとともに、２つのバネ１１Ｇで可動体１１Ａの水平方向Ｘに沿った変位を安定化することができる。
【００８９】
また、図１６Ｃの場合には、可動体１１Ａの対向する２つの側面から４箇所を矩形状に切り欠いて平面視王字形状とし、これにより形成された４つの切り欠き部１１Ｉのそれぞれにバネ１１Ｇを配置し、このバネ１１Ｇを、可動体１１Ａのうち切り欠き部１１Ｉの内側面と可動体１１Ａの外側に配置された支持部１１Ｈとの間に接続している。また、可動体１１Ａのうち切り欠きのない２つの側面と対向する位置に、可動体１１Ａを挟んでセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅが配置されている。これにより、可動体１１Ａの変位を大きくすることができ、発電性能および振動検出性能を高めることができるとともに、４つのバネ１１Ｇで可動体１１Ａの水平方向Ｘに沿った変位をさらに安定化することができる。
【００９０】
また、図１６Ｄの場合には、可動体１１Ａの４隅を矩形状に切り欠いて平面視略十字形状とし、これにより形成された４つの切り欠き部１１Ｉのそれぞれにバネ１１Ｇを、可動体１１Ａを中心として点対称で配置し、このバネ１１Ｇを、可動体１１Ａのうち切り欠き部１１Ｉの内側面と可動体１１Ａの外側に配置された支持部１１Ｈとの間に接続している。また、可動体１１Ａのうち切り欠きのない２つの側面と対向する位置に、可動体１１Ａを挟んでセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅが配置されている。これにより、可動体１１Ａの変位を大きくすることができ、発電性能および振動検出性能を高めることができるとともに、可動体１１Ａの変位を、水平方向Ｘだけでなく水平方向Ｙについても検知することができ、人やモノの動きを正確に検知することができる。
【００９１】
［第７の実施の形態］
次に、図１７Ａ、図１７Ｂを参照して、本発明の第７の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１７Ａは、第７の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。図１７Ｂは、図１７ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【００９２】
第１の実施の形態では、可動体１１Ａの側面に、棒状のバネ１１Ｇの一端を接続し、バネ１１Ｇの他端を支持部１１Ｈに固定することにより可動体１１Ａを支持する場合を例として説明した。
本実施の形態では、可動体１１Ａの上面に、重り１１Ｊが配置されている。これにより、重り１１Ｊの重さにより可動体１１Ａの共振周波数を調整することができ、発電の効率や検出したい振動の周波数に適した振動検出の感度に調整することができる。
【００９３】
［第８の実施の形態］
次に、図１８Ａ、図１８Ｂを参照して、本発明の第８の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１８Ａは、第８の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。図１８Ｂは、図１８ＡのＡ−Ａ断面図である。
【００９４】
第１の実施の形態では、可動体１１Ａとして板状の直方体形状の可動体１１Ａを用いる場合を例として説明した。
本実施の形態では、可動体１１Ａの上面周部に、可動体１１Ａの厚さより高い壁状の縁部１１Ｋが設けられている。この縁部１１Ｋは、可動体１１Ａの上面周部の全周にわたって設けてもよく、少なくともセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅと対向する位置にのみ設けてもよい。これにより、可動体１１Ａの側面について、センサ電極１１Ｄ、１１Ｅと対向する面積が大きくなって、可変容量ＣＰ，ＣＮの容量を増やすことができ、振動検出感度を大きくすることができる。
【００９５】
［第９の実施の形態］
次に、図１９Ａ、図１９Ｂを参照して、本発明の第９の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図１９Ａは、第９の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。図１９Ｂは、図１９ＡのＡ−Ａ断面図である。
【００９６】
本実施の形態では、可動体１１Ａの下面周部に、可動体１１Ａの厚さより高い壁状の縁部１１Ｋが設けられている。この縁部１１Ｋは、可動体１１Ａの下面周部の全周にわたって設けてもよく、少なくともセンサ電極１１Ｄ、１１Ｅと対向する位置にのみ設けてもよい。これにより、可動体１１Ａの側面について、センサ電極１１Ｄ、１１Ｅと対向する面積が大きくなって、可変容量ＣＰ，ＣＮの容量を増やすことができ、振動検出感度を大きくすることができる。また、発電センサ素子１１の高さを図１８より低くすることができ、センサノード１０の小型化を実現できる。また、縁部１１Ｋにより可動体１１Ａの下面に形成された凹部の内側に、帯電体１１Ｂを配置してもよい。これにより、発電効率を高めることができる。
【００９７】
［第１０の実施の形態］
次に、図２０Ａ〜図２０Ｃを参照して、本発明の第１０の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図２０Ａは、第１０の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す平面図である。図２０Ｂは、図２０ＡのＡ−Ａ断面図である。図２０Ｃは、図２０ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【００９８】
本実施の形態は、前述した第１〜第９の実施の形態の実現例として、プリント基板１１Ｌ上に発電センサ素子１１を形成したものである。
プリント基板１１Ｌに配線パターンで形成された発電電極１１Ｃの上に、帯電体１１Ｂとして、ガラス、テフロン（登録商標）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）フィルム、アセテートフィルム（商品名：メンディングテープなど）、ポリプロピレン（ＯＰＰ）フィルム（商品名：ダイアハロテープなど）などの誘電体を配置して、静電気帯電装置により高電圧を印加する。
【００９９】
また、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅは、薄板金属をＬ型に曲げ加工してプリント基板１１Ｌ上に固定され、半田付けなどにより配線パターン１１Ｍに接続されている。可動体１１Ａとバネ１１Ｇは、薄板金属を材料としてエッチング加工や打ち抜き加工して一体に形成した後、可動体１１Ａの端部のうち、少なくともセンサ電極１１Ｄ，１１Ｅと対向する端部を曲げ加工することにより、下方へ壁状に突出した縁部１１Ｋを形成する。
【０１００】
また、支持部１１Ｈは、金属柱をプリント基板１１Ｌ上に立設して配線パターン１１Ｍに接続し、その上端にバネ１１Ｇの一端を半田付けなどにより固定する。この際、支持部１１Ｈについては、周囲に接地電位が露出している、例えば薄型電池などの回路部品を用いてもよい。また、バネ１１Ｇは、前述した第５の実施の形態のように、水平方向Ｘに沿って折れ曲がった葛折り状に形成してもよい。また、前述した第２〜第４の実施の形態のように、複数のバネ１１Ｇとを可動体１１Ａと一体に形成して、可動体１１Ａを支持してもよい。さらには、前述した第６の実施の形態のように、可動体１１Ａに切り欠き部１１Ｉを設け、この切り欠き部１１Ｉにバネ１１Ｇを形成してもよい。
【０１０１】
このように、本実施の形態では、薄板金属を加工して形成した各構成部品を、プリント基板１１Ｌ上に配置することにより、発電センサ素子１１を組み立てるようにしたので、微細加工と比較して極めて安価に発電センサ素子１１を構成することができる。
【０１０２】
［第１１の実施の形態］
次に、図２１を参照して、本発明の第１１の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図２１は、第１１の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す断面図である。
本実施の形態は、前述した第１〜第９の実施の形態の実現例として、ＩＣチップの基板１１Ｕ上に発電センサ素子１１を形成したものである。
【０１０３】
金属メッキ膜を積層することで、可動体１１Ａ、バネ１１Ｇ（図示せず）、支持部１１Ｈ（図示せず）、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅ、発電電極１１Ｃを形成している。帯電体１１Ｂは、二酸化ケイ素やテフロンをスピンコート法などで形成し、エッチングした後、静電気帯電装置により高電圧を印加することで、絶縁膜１１Ｎを挟んで基板１１Ｕ上に形成できる。また、センサ電極１１Ｄ，１１Ｅおよび発電電極１１Ｃには、絶縁膜１１Ｎを貫通するビア１１Ｏを用いた配線が接続されている。これにより、発電センサ素子１１をＩＣチップの基板１１Ｕ上に形成できるため、プリント基板１１Ｌに比べてセンサノードを大幅に小型化できる。
【０１０４】
［第１２の実施の形態］
次に、図２２を参照して、本発明の第１２の実施の形態にかかる発電センサ素子について説明する。図２２は、第１２の実施の形態にかかる発電センサ素子を示す断面図である。
本実施の形態は、前述した第１〜第９の実施の形態の実現例として、ＩＣチップの支持基板１１Ｐ上に発電センサ素子１１を形成したものである。
【０１０５】
ＩＣチップの基板１１Ｕとは別の支持基板１１Ｐを設け、支持基板１１Ｐ上に帯電体１１Ｂを形成している。この際、絶縁膜１１Ｎを挟んで基板１１Ｕに形成した金属メッキ膜の積層構造からなる支持部１１Ｒと、絶縁膜１１Ｑを挟んで支持基板１１Ｐ上に形成した支持部１１Ｓとを、導電性接着剤１１Ｔで接続している。
第１１の実施の形態では、金属メッキ膜の形成過程で帯電体１１Ｂを形成する必要があるため、帯電体１１Ｂの材料によっては、帯電量が劣化してしまう課題があった。本実施の形態によれば、金属メッキ膜の積層構造と独立して、帯電体１１Ｂを形成できるため、帯電量が劣化せず、発電量を増大させることができる。
【０１０６】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。特に、第２〜第１３の実施の形態で説明した発電センサ素子１１の構成については、任意に組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１０…センサノード、１１…発電センサ素子、１１Ａ…可動体、１１Ｂ…帯電体、１１Ｃ…発電電極、１１Ｄ，１１Ｅ…センサ電極、１１Ｆ…基板、１１Ｇ…バネ、１１Ｈ…支持部、１１Ｉ…切り欠き部、１１Ｊ…重り、１１Ｋ…縁部、１１Ｌ…プリント基板、１１Ｍ…配線パターン、１１Ｎ…絶縁膜、１１Ｏ…ビア、１１Ｐ…支持基板、１１Ｑ…絶縁膜、１１Ｒ…支持部、１１Ｓ…支持部、１１Ｔ…導電性接着剤、１１Ｕ…基板、１１Ｘ…振動素子、１１Ｚ…発電素子、１２…蓄電回路、１２Ａ…整流回路、１２Ｂ…電圧制限回路、１２Ｃ…電圧検知回路、１３…センサ素子信号検出回路、１３Ａ…ゼロパワーセンサ回路、１３Ｂ…ゼロパワーしきい値回路、１４…無線回路、１５…無線電波、ＣＶ，ＣＰ，ＣＮ…可変容量、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３…ダイオード、ＣＶ，ＣＳ，ＣＯ…容量素子、ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…抵抗素子、Ｑ１…トランジスタ（ＰＭＯＳ），Ｑ２…トランジスタ（ＮＭＯＳ）、ＢＶ…電圧信号、ＢＰ，ＢＮ…検知信号、ＶＤＤ…動作電源、ＳＯ…センサ出力信号、ＯＵＴ…制御信号。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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