(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に形成された複数の帯状の電極からなる固定電極と、
前記支持基板に支柱とバネを介して支持され、前記固定電極の複数の帯状の電極と１つおきに対向する複数の帯状の電極が電気的に一体構造になっている可動電極と
を備え、外部からの振動に応じて前記可動電極が前記固定電極の面内方向に可動し、前記固定電極と前記可動電極の交差面積の変位により静電容量が変位する構成であり、
前記固定電極の複数の帯状の電極が交互に電気的に接続され、２つの差動出力としてセンサ回路部に接続される構成である
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動センサにおいて、
前記可動電極は、前記固定電極の配列方向と直角に少なくとも１組のバネと支柱で前記支持基板に支持される構成である
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の振動センサにおいて、
前記可動電極は、前記固定電極の配列方向と直角に１組のバネと支柱で前記支持基板に支持される構成であり、
前記固定電極の複数の帯状の電極は、前記可動電極が前記支柱を起点に円弧状に可動する軌跡に沿って配置される
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の振動センサにおいて、
前記バネは、幅に対して前記支持基板の垂直方向の高さを大きくした構成である
ことを特徴とする振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動構造体に発生する容量変化によって振動を検出する振動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、振動検知を行うセンサノードシステムの構成例を示す（特許文献１，２）。
図５において、センサノードシステムは、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で検知した振動検知データは、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。
【０００３】
センサノード５０は、振動センサ５１、センサ回路部５２、Ａ／Ｄ変換部５３、制御部５４、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、長時間の動作が可能になっている。
振動センサ５１で得られた差動の電圧信号は、センサ回路部５２で差動検出された後、後段のＡ／Ｄ変換部５３でＡ／Ｄ変換され、制御部５４でデータ処理された振動検知データがメモリ部５５に保存される。その後、振動検知データは制御部５４の処理により、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。
【０００４】
図６は、従来の振動センサ５１の構成例を示す。
図６において、振動センサ５１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、２つの固定電極５１Ｐ，５１Ｎの間で、バネを介して支柱に支持された可動電極５１Ｍが振動する構成である。本構成により、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｐとの間に可変容量ＣＰが形成され、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｎとの間に可変容量ＣＮが形成される。２つの可変容量ＣＰ，ＣＮの静電容量は、差動で変化する。
【０００５】
図７は、従来のセンサ回路部５２の構成例を示す。
図７において、センサ回路部５２は、入力端子が電源電位ＶＤＤに接続され、出力端子が振動センサ５１の一方の差動出力端子に接続されたダイオードＤ１と、入力端子がダイオードＤ１の出力端子および振動センサ５１の一方の差動出力端子に接続され、出力端子が振動センサ５１の他方の差動出力端子に接続されたダイオードＤ２と、入力端子がダイオードＤ２の出力端子および振動センサ５１の他方の差動出力端子に接続され、出力端子がセンサ回路５２の出力端子ＯＵＴに接続されたダイオードＤ３と、センサ回路部５２の出力端子ＯＵＴと接地電位との間に接続された容量素子Ｃ１と、初期化時に出力端子ＯＵＴの電圧を接地電位にする初期化スイッチＳＷとを備える。
【０００６】
図８は、センサ回路部５２およびセンサノード５０の動作例を示す。
図８において、時刻Ｔ０以前のセンサノード５０の初期化時に図示しない制御回路から初期化端子ＲＳＴに与えられる初期化信号により初期化スイッチＳＷがオン状態となり、容量素子Ｃ１の電荷が放電される。その後、制御回路は初期化スイッチＳＷをオフ状態にし、センサ回路部５２は入力待ちの状態となる。
【０００７】
時刻Ｔ０においてセンサノード５０に振動が加えられると、振動センサ５１の２つの可変容量ＣＰ，ＣＮの静電容量は、差動で変化する。このとき、可変容量ＣＰの可動電極５１Ｍは振動に応じて固定電極５１Ｐに近づいたり固定電極５１Ｐから遠ざかったりするので、可変容量ＣＰの静電容量は増加と減少を交互に繰り返すことになる。したがって、振動センサ５１の一方の差動出力端子から出力される検知信号ＢＰは、図８(A) に示すように増加と減少を交互に繰り返す信号となる。同様に、振動センサ５１の他方の差動出力端子から出力される検知信号ＢＮも、図８(B) に示すように増加と減少を交互に繰り返す信号となる。上記のとおり、可変容量ＣＰ，ＣＮの静電容量は差動で変化するので、検知信号ＢＰとＢＮの位相は 180°異なる。
【０００８】
検知信号ＢＰがＨｉｇｈで検知信号ＢＮがＬｏｗのとき、ダイオードＤ１およびダイオードＤ３はオフ状態となり、検知信号ＢＰがＬｏｗで検知信号ＢＮがＨｉｇｈのとき、ダイオードＤ１およびダイオードＤ３はオン状態となる。一方、検知信号ＢＰがＨｉｇｈで検知信号ＢＮがＬｏｗのときダイオードＤ２はオン状態となり、検知信号ＢＰがＬｏｗで検知信号ＢＮがＨｉｇｈのときダイオードＤ２はオフ状態となる。このように、検知信号ＢＰ，ＢＮによりダイオードＤ１とダイオードＤ３の組と、ダイオードＤ２とが交互にオン状態を繰り返し、容量素子Ｃ１に徐々に電荷が蓄積され、センサ回路部５２の出力信号ＳＯの電圧が上昇する（図８(C) ）。
【０００９】
図５に示すセンサノード５０のＡ／Ｄ変換部５３は、センサ回路部５２の出力信号ＳＯを閾値処理し、図８(D) に示すような制御信号を出力する。図８(C) 、図８(D) の例では、時刻Ｔ０からΔＴ１後の時刻Ｔ１においてセンサ回路部５２の出力信号ＳＯが閾値以上となるので、Ａ／Ｄ変換部５３から出力される制御信号がＨｉｇｈとなる。
【００１０】
以上のように、振動センサ５１の出力に応じて、ダイオードＤ１とダイオードＤ３の組と、ダイオードＤ２とが交互にオン状態を繰り返すようにすることで、電源電位ＶＤＤから接地電位に流れる直流電流をダイオードのリーク電流程度（サブマイクロアンペア以下）に低減することができる。したがって、このような振動センサ５１およびセンサ回路部５２を用いれば、振動センサ５１およびセンサ回路部５２を搭載するセンサノード５０の消費電力をナノワットレベルの極限まで低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２８１７６１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６０６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
振動センサ５１は、図６に示すように、可動電極５１Ｍが固定電極５１Ｐ，５１Ｎ間で振動する構成である。ここで、可動電極５１Ｍはバネを介して支柱に接続され、固定電極５１Ｐ，５１Ｎとの間に振動に依存した容量変化が生じる。図７のセンサ回路部５２を用いて振動を検出する場合、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｐ，５１Ｎからなる可動構造体に生じる容量変化は、 100フェムトファラッド以上を確保する必要がある。
【００１３】
ここで、可動電極５１Ｍの大きさをミリメートルレベルとし、可動電極５１Ｍと固定電極５１Ｐ，５１Ｎの最少となる距離が10μｍと仮定すると、振動の大きさに対して 100フェムトファラッド以上の容量変化を確保するためには、可動構造体の厚さを数 100μｍ以上にする必要がある。しかし、可動構造体をメッキプロセスで形成する場合、厚さを確保するのに莫大な処理時間（例えば 100時間以上）を必要とし、製造コストが上昇する問題があった。
【００１４】
本発明は、可動構造体を厚くすることなく、振動により可動構造体に生じる容量変化を 100フェムトファラッド以上に大きくすることができる振動センサ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】
【００１５】
本発明の振動センサは、支持基板上に形成された複数の帯状の電極からなる固定電極と、支持基板に支柱とバネを介して支持され、固定電極の複数の帯状の電極と１つおきに対向する複数の帯状の電極が電気的に一体構造になっている可動電極とを備え、外部からの振動に応じて可動電極が固定電極の面内方向に可動し、固定電極と可動電極の交差面積の変位により静電容量が変位する構成であり、固定電極の複数の帯状の電極が交互に電気的に接続され、２つの差動出力としてセンサ回路部に接続される構成である。
【００１６】
本発明の振動センサにおいて、可動電極は、固定電極の配列方向と直角に少なくとも１組のバネと支柱で支持基板に支持される構成である。
【００１７】
本発明の振動センサにおいて、可動電極は、固定電極の配列方向と直角に１組のバネと支柱で支持基板に支持される構成であり、固定電極の複数の帯状の電極は、可動電極が支柱を起点に円弧状に可動する軌跡に沿って配置される。
【００１８】
本発明の振動センサにおいて、バネは、幅に対して支持基板の垂直方向の高さを大きくした構成である。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の振動センサを用いれば、固定電極と可動電極を対向させ、近接させて可動できるようにしたので、可動構造体を厚くしなくても、可動構造体に生じる容量変化を 100フェムトファラッド以上にすることができる。したがって、振動センサのサイズを小さくした上で製造コストの上昇を抑制することができる。
【００２０】
また、本発明の振動センサを用いることで、振動検知の機能を備えるセンサノードのサイズをサブセンチメートル以下に小型化することができる。そのため、センサノードの小型化が達成され、いままでサイズの制約で埋め込むことができなかった物や人の部分にも埋め込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の振動センサの実施例１の構成を示す図である。
【図２】本発明の振動センサの実施例１の回路構成例を示す図である。
【図３】本発明の振動センサの実施例２の構成を示す図である。
【図４】実施例２の振動センサに用いられるバネ４の立体構成例を示す図である。
【図５】振動検知を行うセンサノードシステムの構成例を示す図である。
【図６】従来の振動センサ５１の構成例を示す図である。
【図７】従来のセンサ回路５２の構成例を示す図である。
【図８】センサ回路５２およびセンサノード５０の動作例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の振動センサの実施例１の構成を示す。
図１において、実施例１の振動センサは、支持基板（図示せず）にパターンニングした複数の帯状の電極からなる固定電極１と、支持基板に支柱３とバネ４を介して支持された可動電極２により構成される。
【００２３】
可動電極２は、図１(A) に静止時の状態として示すように、固定電極１の複数の帯状の電極と１つおきに対向する複数の帯状の電極が電気的に一体構造になっている。可動電極２は、ここでは４組の支柱３とバネ４で支持されて固定電極１と平行に配置され、可動電極２の振動によってバネ４が撓み、固定電極１の面内方向（紙面左右方向）に可動するようになっている。すなわち、可動電極２の４隅に、振動方向と直角に４本のバネ４が２本ずつ対向する位置に取り付けられる。バネ４は、対向する位置に２本または６本以上であってもよい。図１(B) は振動により可動電極２の位置が変位した状態を示す。このような構成により、固定電極１と可動電極２の交差面積の変化に応じてその間の静電容量が変化する。
【００２４】
図２は、本発明の振動センサの実施例１の回路構成例を示す。
図２において、固定電極１の複数の帯状の電極は交互に電気的に接続され、２つの差動出力端子を介して図７に示す構成と同様のセンサ回路部５２に接続される。センサ回路部５２は、電源ＶＤＤと出力端子ＯＵＴとの間に縦続に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３と、容量素子Ｃ１と、初期化時に出力端子ＯＵＴの電圧を接地電位にする初期化スイッチＳＷを備え、振動センサの２つの差動出力端子はダイオードＤ２のアノードとカソードに接続される。可動電極２の複数の帯状の電極は電気的に接続され、図１に示す支柱３およびバネ４を介して接地される。センサ回路５２の動作は、図７および図８を用いて説明した従来回路と同様である。
【００２５】
本構成により、固定電極１と可動電極２を厚くすることなく、振動により生じる容量変化を 100フェムトファラッド以上に大きくすることができる。
【実施例２】
【００２６】
図３は、本発明の振動センサの実施例２の構成を示す。
図３において、実施例２の振動センサは、支持基板（図示せず）にパターンニングした複数の帯状の電極からなる固定電極１と、支持基板に支柱３と１本のバネ４を介して支持された可動電極２により構成される。
【００２７】
可動電極２は、固定電極１の複数の帯状の電極と１つおきに対向する複数の帯状の電極が電気的に一体構造になっているが、ここでは切欠き部に結合された１本のバネ４と支柱３を介して支持基板に支持される。可動電極２の振動によってバネ４が撓み、支柱３を起点に可動電極２が円弧方向にかつ固定電極１の面内方向で可動するようになっている。
【００２８】
図４は、実施例２の振動センサに用いられるバネ４の立体構成例を示す。
図４において、支持基板を水平面とした場合に、バネ幅Ｗに対してバネ高さＴを大きくする。これにより、可動電極２の垂直方向の変位を抑制することができ、可動電極２と固定電極１を近接させることができる。なお、本バネ４を実施例１の振動センサに用いることにより、実施例１の振動センサにおいても可動電極２と固定電極１を近接させることができる。
【００２９】
実施例２の振動センサは、実施例１と比べて、可動電極２が１本のバネ４で支持される構成であるので、振動センサ全体のバネ定数を小さくすることができ、共振周波数を下げることができる。一般に、環境に生じる振動の周波数は 100Hz程度であり、実施例２の振動センサを用いることにより、環境に生じる振動の多くを検出できるようになる。
【実施例３】
【００３０】
実施例２の可動電極２は、支柱３を起点に円弧方向に振動するが、その振動軌跡に合せて固定電極１を円弧状に配置してもよい。これにより、固定電極１と可動電極２の交差面積の変化量を大きくすることができ、当該振動センサに生じる容量変化を大きくすることができる。
【００３１】
実施例１〜実施例３の振動センサを図５に示す振動センサ５１として用い、当該振動センサ５１とセンサ回路５２を図２に示すように接続することにより、発電素子からの微小な電流を容量素子に充電したエネルギーで動作させることができるセンサノードを実現することができる。また、当該センサノードにおいて、振動検知に要する消費電力はサブナノワットレベルに低減できるので、センサノードの動作時間を増加させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  固定電極
２  可動電極
３  支柱
４  バネ
５０  センサノード
５１  振動センサ
５２  センサ回路部
５３  Ａ／Ｄ変換部
５４  制御部
５５  メモリ部
５６  無線部
５７  電源部
６０  受信装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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