(57)【要約】【課題】振動の大きさを出力電荷の量で判断しつつ、かつ、小さい振動を検出せずに大きい振動だけを検出する振動検出センサー装置を提供する。【解決手段】本発明の振動検出センサー装置は、センサー部及び記録部を含む。センサー部は、外部の振動により発電を行う振動発電デバイスと、振動発電デバイスが発電により生成した電荷を蓄える蓄電デバイスと、蓄電デバイスが蓄電した電荷をグランドに逃がすリークデバイスと、蓄電デバイスに蓄電されている電荷量を判定し、その電荷量が所定量よりも大きいとき、記録部に前記蓄電デバイスに蓄電されている電荷を供給する蓄電判定デバイスとを含む。【選択図】図１
2013217701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の振動により発電を行う振動発電デバイスと、
前記振動発電デバイスが発電により生成した電荷を蓄える蓄電デバイスと、
前記蓄電デバイスが蓄電した電荷をグランドに逃がすリークデバイスと、
前記蓄電デバイスに蓄電されている電荷量を判定し、その電荷量が所定量よりも大きいとき、前記蓄電デバイスに蓄電されている電荷を外部に供給する蓄電判定デバイスと
を含む
振動検出センサー装置。
【請求項２】
前記振動発電デバイスが、第１の電極板と第２の電極板を含み、
前記第１の電極板には複数のエレクトレット素子が配置され、
前記第２の電極板には複数の金属素子が配置され、
前記第１の電極板と前記第２の電極板とは、夫々、前記エレクトレット素子と前期金属素子とを対向させるように、向かい合わせに配置されている
請求項１に記載の振動検出センサー装置。
【請求項３】
前記リークデバイスが可変抵抗で構成される
請求項１に記載の振動検出センサー装置。
【請求項４】
前記リークデバイスがＭＯＳトランジスタで構成される
請求項１に記載の振動検出センサー装置。
【請求項５】
更に、記録部を含み、
前記蓄電判定デバイスは、前記記録部に前記蓄電デバイスに蓄電されている電荷を供給する
請求項１に記載の振動検出センサー装置。
【請求項６】
前記記録部が、
前記センサー部から供給される電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路により昇圧された電圧により、データ書き込みを行う抵抗変化メモリと
を含む請求項５に記載の振動検出センサー装置。
【請求項７】
三次元積層された複数の層から成るチップで構成され、各層は有線接続されている
請求項５に記載の振動検出センサー装置。
【請求項８】
三次元積層された複数の層から成るチップで構成され、各層は無線接続されている
請求項５に記載の振動検出センサー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動検出センサー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動や光などの環境エネルギを利用した発電は、環境発電（エナジーハーベスティング）と呼ばれている。この環境発電を行う環境発電デバイスを電源装置として利用することにより、バッテリ無しで電子機器を動作できる。このことにより、従来、電池の設置及び交換がボトルネックとなっていた様々な場所において、電子機器を配置できる可能性が拡がる。特に、小型のセンサーデバイスと環境発電デバイスとを組み合わせた装置は、需要が大きくなることが予想される。例えば、道路や橋の下に環境発電デバイス付きのセンサーを配置して経年劣化を観測する取り組みや、自動車のタイヤ圧を検出するためにタイヤ内にセンサーを実装する取り組みが、既に開始されている。
【０００３】
このような小型のセンサーを多数の場所に配置するためには、コストを下げることが重要である。通常の実装手法では、環境発電デバイスにより発電を行い、その電力を用いてセンサーを駆動する。しかし、このような実装手法では、環境発電デバイスとセンサーとのいずれものデバイスが必要となり、結局、部品点数が多くなる。このため、装置全体の小型化が難しくなりコストが高くなる。
【０００４】
特許文献１は、振動発電デバイスの振動波をそのまま振動の検出のためのエネルギとして利用するシステム及び方法を開示している。特許文献１に開示されるシステムは、回転錘を含む振動発電デバイスからの発電エネルギに基づいて相対的に大きい振動を検出するシステムである。振動発電デバイスをセンサーとしても利用する場合には、微細振動によって発生する電力をどう取り扱うのか考慮する必要がある。特許文献１に記載されるシステムは、微弱な揺れを検出対象外としている。つまり、特許文献１のシステムは、振動発電デバイスの出力部分にダイオードを配置しており、振動が所定値より大きいときに発生する、所定値より大きい電圧のみ該ダイオードを通過させる。このことにより、所定値より大きい振動のみ検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１６３２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、チップサイズ程度の大きさの振動検出センサー装置であって、小さい振動を検出せずに大きい振動だけを検出する振動検出センサー装置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】
【０００７】
本発明は上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る振動検出センサー装置は、
外部の振動により発電を行う振動発電デバイスと、
振動発電デバイスが発電により生成した電荷を蓄える蓄電デバイスと、
蓄電デバイスが蓄電した電荷をグランドに逃がすリークデバイスと、
蓄電デバイスに蓄電されている電荷量を判定し、その電荷量が所定量よりも大きいとき、蓄電デバイスに蓄電されている電荷を外部に供給する蓄電判定デバイスと
を含む
振動検出センサー装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明を利用する振動検出センサー装置は、振動の大きさを出力電荷の量で判断しつつ、かつ、小さい振動を検出することなく所定のものより大きい振動のみを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る振動検出センサー装置の構成図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態に係る振動発電デバイスの構成図である。（ｂ）は、（ａ）に示すエレクトレット素子を備える振動発電デバイスが出力する電圧波形の図である。
【図３】エレクトレット素子と金属素子との位置関係と、発電作用によって出力される電圧との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は、振動が小さいときの振動発電デバイスの出力の例である。（ｂ）は、振動が大きいときの振動発電デバイスの出力の例である。
【図５】（ａ）は、第１の実施形態に係るセンサー部において、蓄電デバイスと、リークデバイスと、蓄電判定デバイスとの構成を示す図である。（ｂ）は、第１の実施形態に係るセンサー部において、蓄電デバイスと、リークデバイスであるＭＯＳトランジスタと、蓄電判定デバイスとの構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るセンサー部において、発電電荷を蓄える蓄電デバイスと、蓄電量を判定して後段の回路に電圧を供給する蓄電判定デバイスとの構成を示す図である。
【図７】（ａ）は、リークデバイスを備えないセンサー部における、大きい振動が発生したときの振動発電デバイスの出力電圧を示す図であり、（ｂ）は、その際の蓄電デバイスの蓄電電荷量の時間変化を示す図である。
【図８】（ａ）は、リークデバイスを備えないセンサー部における、小さい振動が複数回（２回）発生したときの振動発電デバイスの出力電圧を示す図であり、（ｂ）は、その際の蓄電デバイスの蓄電電荷量の時間変化を示す図である。
【図９】（ａ）は、第１の実施形態に係るセンサー部における、小さい振動が複数回（２回）発生したときの振動発電デバイスの出力電圧を示す図であり、（ｂ）は、その際の蓄電デバイスの蓄電電荷量の時間変化を示す図である。
【図１０】（ａ）は、第１の実施形態に係るセンサー部における、大きい振動が１回発生したときの振動発電デバイスの出力電圧を示す図であり、（ｂ）は、その際の蓄電デバイスの蓄電電荷量の時間変化を示す図である。
【図１１】第１の実施形態に係る振動検出センサー装置の記録部の構成をより詳細に示した図である。
【図１２】昇圧回路の構成図である。
【図１３】第１の実施形態に係る振動検出センサー装置における、振動発生から振動の記録までの動作の例を示すフロー図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る振動検出センサー装置の構成図である。
【図１５】第２の実施形態に係る振動検出センサー装置の、三次元積層されたチップで動作するタグチップでの構築例である。
【図１６】第２の実施形態に係る振動検出センサー装置の、三次元積層されたチップで動作するタグチップでの、別の構築例である。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は、三次元チップの振動検出センサー装置を貼り付けた、宅配便貨物を納める段ボール箱の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一つの実施形態の振動検出センサー装置は、チップサイズ程度の大きさのものである。振動検出センサー装置は、一定の大きさ以上の振動があったことを検出して記録する。
【００１１】
ここで、本実施形態では、振動検出センサー装置で用いられる振動発電デバイスの一例として、エレクトレット素子を用いる。エレクトレット素子を用いる振動発電デバイスでは、エレクトレット素子の配置された電極板と、金属素子の配置された電極板とが対向することで、金属素子の電極板に電荷が集められる。その後、２つの電極板が振動でずれることによって金属素子の電極板の電荷が押し出され、これにより電力が生じる。
【００１２】
複数のエレクトレット素子の配置された電極板と、複数の金属素子の配置された電極板とが対向して振動発電デバイスが構成されている場合には、比較的大きい振動が発生すると、振動中に（複数の）エレクトレット素子の各々は、複数の金属素子と次々に向かいあう。一方、比較的小さい振動が発生すると、各エレクトレット素子は、静止時に対向する金属素子の両隣の金属素子と向かい合う程度にずれるに過ぎない。このような振動により、エレクトレット素子を用いる振動電極デバイスは、大きい振動が発生した場合、大きい電圧ではなく、振幅があまり変わらない多数の波形の電圧を出力する。
【００１３】
すなわち、エレクトレット素子を用いる振動発電デバイスにおいては、物理量としての振動の大きさが、出力電圧の大きさに対応するのではなく、発生させる電荷の量に対応する。このため、振動の大きさを電荷の量で判断した方が、振動検出という観点からは合理的である。つまり、エレクトレット素子を用いる振動発電デバイスを搭載する振動検出センサー装置では、遅い振動や速い振動など様々な振動条件を判定する際、ピークの電圧ではなく発生させた電荷の量を計測することで、適切に振動識別を行うことができる。
【００１４】
しかしながら、振動検出センサー装置が、振動の発生により装置内に蓄えられた電荷の量を単に計測するに過ぎないのであれば、振動検出センサー装置は、小さい振動の多数回の発生によって蓄えられた電荷量と、大きい振動の一回の発生によって蓄えられた電荷量とを、判別することができない（図７、図８参照）。このことは、振動の発生により装置内に蓄えられた電荷の量を単に計測するに過ぎないのであれば、振動検出センサー装置は、大きい振動の発生のみを検出することができない、ということを意味する。
【００１５】
本発明の好適な実施形態は、このような問題点を解決するものであり、振動の大きさを出力電荷の量で判断しつつ、かつ、小さい振動を検出せずに大きい振動だけを検出する振動検出センサー装置を提供するものである。なお、本発明の好適な実施形態に係る振動検出センサー装置における振動発電デバイスは、エレクトレット素子を用いるものに限定されない。振動発電デバイスが、振動が発生した場合に振動に比例した大きさの電荷を出力するものであれば、本発明の好適な実施形態は適用され得る。特に、振動発電デバイスが、振幅があまり変化しない多数の波形の電圧を出力するものであれば、本発明の好適な実施形態は有用である。
【００１６】
なお、特許文献１の振動検出システムは、振動発電デバイスの出力電圧の大きさでのみ、振動の大きさを判別する。このような振動検出システムは、大きい振動が発生した場合に振幅が変化しない多数の波形の電圧を出力するエレクトレット素子を用いる本実施形態の振動発電デバイスに対して、有用ではない。
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係る好適な実施形態を説明する。
【００１８】
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動検出センサー装置の構成図である。振動検出センサー装置２は、センサー部４、記録部６、及び読み出し部８から構成される。
【００１９】
１．１．振動検出センサー装置の全体の構成
第１の実施形態の振動検出センサー装置２において、まずセンサー部４は、与えられた振動に基づいて発電を行い、所定の大きさの振動より大きい振動が発生したときに記録部６に電圧を供給する。記録部６は、センサー部４より電圧が供給された際に、不揮発メモリ２６上の所定のデータ（ビット）を書き換え、書き換えられたデータを保持する。ここで、センサー部４から記録部６への給電は、所定の大きさの振動より大きい振動が発生したときにのみ限定される。読み出し部８は、外部から無線給電をされることにより動作する回路である。読み出し部８は、無線給電をされると、記録部６へ電源を供給して記録部６からデータを読み出し、更に無線インタフェース３２及び無線アンテナ１０の無線通信手段を用いて、読み出したデータを外部に送信する。
【００２０】
１．２．センサー部の構成
図１に示すように、センサー部４は、振動によって発電する振動発電デバイス１２、発電電荷を蓄える蓄電デバイス１６、蓄電した電荷を逃すリークデバイス１８、及び蓄電電荷量を判定して後段の回路に電圧（電荷）を供給する蓄電判定デバイス２２により構成される。また、センサー部４は、振動発電デバイス１２への電荷の逆流を防ぐための整流デバイス１４を含む。以下、各デバイスについて説明する。
【００２１】
図２（ａ）は、第１の実施形態に係る振動発電デバイス１２の構成図である。図２（ａ）に示す振動発電デバイス１２は、複数のエレクトレット素子３８、複数の金属素子３６及び抵抗４０により構成される。よく知られているように、エレクトレット素子は、半永久的に電荷を保持する素子である。このエレクトレット素子３８が複数、第１の電極板４４の一面に配置され、金属素子３６が複数、第２の電極板４２の一面に配置される。図２（ａ）に示すように、第１の電極板４４と第２の電極板４２とは、夫々、エレクトレット素子３８と金属素子３６とを対向させるように、向かい合わせに配置される。
【００２２】
図２（ａ）に示す振動発電デバイス１２は、振動がない時には個々のエレクトレット素子３８と個々の金属素子３６とが向かい合った状態となり、静電誘導によって金属素子３６に電荷が蓄積される。この状態から振動によって、エレクトレット素子３８と金属素子３６とがずれることで、静電誘導が無くなり金属素子３６に蓄えられた電荷が外部へ流れ出す。
【００２３】
図２（ａ）に示す振動発電デバイス１２では、左右方向に第１の金属板４４及び第２の金属板４２が振動する。図２（ａ）に示す、エレクトレット素子３８を備える振動発電デバイス１２が出力する電圧波形は、図２（ｂ）に示すようになる。ただし、実際の出力波形は、通常、図３（ｂ)のような規則的な波形が連続するものであるとは限らず、不規則な周期の波も含まれる。
【００２４】
振動発電デバイス１２における、振動の大きさと出力電圧との関係について説明する。図３は、エレクトレット素子３８と金属素子３６との位置関係と、発電作用によって出力される電圧との関係を示す図である。図３（ｂ）に示すように、エレクトレット素子３８と金属素子３６とが向き合う位置にある場合には、金属素子３６に電荷が蓄えられた状態となり、よって電荷の流れは発生せず発電もない。図３（ａ）に示すグラフにおいて、点Ｂがこのときの状態を示す点である。この向き合った素子３８、３６が振動によって左右にずれることで、蓄積された電荷が外部へ流れ出る。このときのエレクトレット素子３８と金属素子３６の状態を図３（ｃ）に示している。図３（ａ）に示すグラフにおいて、点Ｃがこのときの状態を示す点である。なお、図３（ｂ）（ｃ）では、エレクトレット素子３８が配置される第１の電極板４４と、金属素子３６が配置される第２の金属板４２との、夫々、一部のみを示している。
【００２５】
図２（ａ）に示す振動発電デバイス１２では、振幅の大きい振動により、より多くの発電が得られるように、エレクトレット素子３８と金属素子３６とからなる対が、振幅の方向に複数配置される。つまり、振幅の大きい振動によって個々の金属素子３６が、複数のエレクトレット素子３８と対向するように、複数の上記対が配置される。このとき、例えば、振動が小さいものに止まるときは、個々の金属素子３６は、せいぜい一つ隣りのエレクトレット素子３８まで振動して発電するに過ぎず、図４（ａ）に示すように、振動発電デバイス１２は一つの波（電圧波）を出力する。
【００２６】
一方、振動が大きいとき、個々の金属素子３６は、例えば、２つ乃至３つ隣りのエレクトレット素子３８まで振動する。このとき、図４（ｂ）に示すように、振動発電デバイス１２は複数個の波（出力電圧の波）を出力する。このように、本実施形態に係るエレクトレット素子３８を備える振動発電デバイス１２は、振動が大きいとき、出力電圧が大きくなるのではなく、出力電圧の波が多数になる。
【００２７】
図５（ａ）は、振動検出センサー装置２のセンサー部４において、発電電荷を蓄える蓄電デバイス１６ａと、蓄電した電荷を逃すリークデバイス１８ａと、蓄電判定デバイス２２との詳細な構成を示す図である。蓄電デバイス１６ａには、例えば、キャパシタが用いられる。キャパシタの容量は、振動発電デバイス１２の特性と検出する振動の大きさとにより決定される。キャパシタの容量が大きいものであるならば、キャパシタは外部（オフチップ）に別部品として配置されてもよい。また、ｐＦのオーダの容量を有するような小さい容量のものであれば、キャパシタとしてチップ内の金属配線層が用いられてもよいし、シリコン基盤内にビアを形成してトレンチキャパシタが形成されてもよい。
【００２８】
リークデバイス１８ａは、蓄電デバイス１６ａに蓄えられた電荷をグランドへリークする回路素子である。ただし、蓄えられる電荷とリークされる電荷との、時間依存の関係は、センシング対象となる振動と関係する。このことについては後で説明する。
【００２９】
リークデバイス１８は、所定の時間に所定量の電荷を流す素子であればよい。例えば、リークデバイス１８は、図５（ａ）に示すように、可変抵抗で構成される。この抵抗の値を変えることによって、時間あたりにグランド側にリークする電荷量が決定される。
【００３０】
なお、エナジーハーベスティングによって発生する電荷量は微小量であるので、図５（ｂ）に示すように、ゲートリーク電流の流れるＭＯＳトランジスタを用いてリークデバイス１８ｂを構成してもよい。ＭＯＳトランジスタのリーク電流を用いるのであれば、チャネルのゲート幅やゲート下の不純物ドーピングの量などを調整することによって、リーク量を制御することができる。また、リークデバイスは個別に素子として設けられてもよいが、蓄電判定デバイス２２で用いられるトランジスタ等がリークデバイスとされてもよい。このとき、そのトランジスタのゲートリーク電流がリークを行う（即ち、電荷を逃がす）ように、トランジスタのサイズ等が調整される。
【００３１】
図６を参照して、蓄電電荷量を判定して後段の記録部６に電圧を供給する蓄電判定デバイス２２の構成を説明する。蓄電判定デバイス２２は、蓄電デバイス１６ａに蓄えられた電荷量を判別して、判別結果に応じて、後段の記録部６へ電圧の供給／遮断を行うスイッチ回路２０のオンオフを行う素子である。
【００３２】
蓄電判定デバイス２２は、ヒステリシス特性を持つスイッチングを行うデバイスであることが望ましい。即ち、蓄電判定デバイス２２は、スイッチ回路２０をオンするときの（蓄電デバイス１６ａの電荷量の）しきい値が、スイッチ回路２０をオフするときの（蓄電デバイス１６ａの電荷量の）しきい値よりも、大きい、という特性を有するデバイスであることが望ましい。このようなデバイスとして、例えば、図６（ａ）に示すようなシュミットトリガーを用いるスイッチ素子を挙げることができる。また、スイッチ回路２０を、図６（ｂ）に示すようなＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）スイッチ素子２２ｂを用いて構成してもよい。図６（ｂ）に示すスイッチ素子２２ｂは、上部の金属部品に蓄電した電荷が大きくなると、その金属部品自体が下部に引き寄せられて、スイッチ回路２０を導通する。
【００３３】
以上、図２乃至図６を用いて、本実施形態に係るセンサー部４の構成を説明したが、センサー部４の構成はこれらに限定されるものではなく、同様の機能を実現するものであれば他の素子等が用いられてもよい。
【００３４】
１．３．センサー部の動作
次に、センサー部４の動作について説明する。本実施形態に係るセンサー部４の動作の説明のために、対比例として、まず、リークデバイス１８を備えないセンサー部の動作を説明する。
【００３５】
１．３．１．リークデバイス１８を備えない場合のセンサー部の動作
図７（ａ）は、リークデバイス１８を備えないセンサー部における、大きい振動が発生したときの振動発電デバイス１２の出力電圧を示す図である。図７（ｂ）は、その際の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示す図である。図７（ａ）に示すように、振動が大きいとき、振動発電デバイス１２は複数個の波（出力電圧の波）を出力する。振動発電デバイス１２の生成する電荷は蓄電デバイス１６に蓄えられるが、その蓄電電荷量は図７（ｂ）に示すように増加する。大きい振動が発生した場合、蓄電デバイス１６には一気に電荷が蓄えられるので、蓄電デバイス１６の蓄電電荷量は、蓄電判定デバイス２２の判別するしきい値をすぐに超えることになる。
【００３６】
一方、小さい振動が時間をおいて複数回発生したときを考える。図８（ａ）は、リークデバイス１８を備えないセンサー部における、小さい振動が複数回（２回）発生したときの振動発電デバイス１２の出力電圧を示す図である。図８（ｂ）は、その際の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示す図である。図８（ｂ）に示すように、小さい振動が複数回発生したときも、時間経過と共に、図７（ｂ）の場合と同様に蓄電デバイス１６の蓄電電荷量はしきい値を超える。このことは、言い換えると、リークデバイス１８を備えないセンサー部は、小さい振動が複数回発生したことと、大きい振動が１回発生したこととの差異を見分けることができない、ということを示している。
【００３７】
１．３．２．リークデバイス１８を備えるセンサー部の動作
大きい振動の発生のみを検出することを目的とするセンサー部では、図８（ａ）のように小さい振動が複数回発生しても、振動として検出しない、ということが要求される。そこで、本実施形態では、リークデバイス１８を設けて、小さい振動による電荷はリークさせ、蓄電されないようにしている。
【００３８】
図９（ａ）は、本実施形態のセンサー部４における振動発電デバイス１２の出力電圧の一例を示す図である。図９（ａ）は、小さい振動が複数回（２回）発生したときの振動発電デバイス１２の出力電圧を示し、図９（ｂ）は、その際の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示す。なお、図９（ｂ）においては、実線が本実施形態のセンサー部４の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示しており、一点鎖線がリークデバイス１８を備えないセンサー部の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示している。図９（ｂ）に示すように、小さい振動によって蓄電デバイス１２に蓄えられた電荷は、リークデバイス１８により時間をかけて破棄される。すなわち、小さい振動による発電では、しきい値を超えるほどの蓄電が困難となる。
【００３９】
図１０（ａ）は、本実施形態のセンサー部４における、大きい振動が１回発生したときの振動発電デバイス１２の出力電圧を示す図である。図１０（ｂ）は、その際の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示す図である。なお、図１０（ｂ）においても、実線が本実施形態のセンサー部４の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示しており、一点鎖線がリークデバイス１８を備えないセンサー部の蓄電デバイス１６の蓄電電荷量の時間変化を示している。図１０（ｂ）に示すように、大きい振動発生時には、蓄電電荷量は一気に、蓄電判定デバイス２２の判別するしきい値を超える。大きい振動発生時にも、リークデバイス１８により蓄電電荷の一部がグランドにリークされる。しかし、大きい振動発生時には、通常、それ以上に早く蓄電デバイス１６にしきい値を超える電荷が蓄電される。そのため、リークデバイス１８によるリークは問題とはならない。
【００４０】
なお、リークデバイスに対して、漏れ回路素子のプログラマビリティを適用することにより、本実施の形態に係るセンサー部が、大きい振動だけでなく種々なタイプの振動を検出することも可能となる。
【００４１】
１．４．記録部の構成
図１１は、第１の実施形態に係る振動検出センサー装置２の記録部６の構成をより詳細に示した図である。図１１に示すように、記録部６は、書き込み回路である昇圧回路２４ａと、不揮発メモリである抵抗変化メモリ（ＲｅＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ＲＡＭ）２６ａとで構成することができる。
【００４２】
不揮発メモリは、書き換え不可能（ＷＯＭ：Ｗｒｉｔｅ  Ｏｎｃｅ  Ｍｅｍｏｒｙ）なメモリである。すなわち、不揮発メモリは大きい振動が発生したか否かのみを記録するメモリであればよい。このため、書き込み制御回路である昇圧回路２４ａは、書き込みに必要な電力が外部から提供されただけで、不揮発メモリにフラグ「１」を書き込むものであればよい。
【００４３】
昇圧回路２４ａは一般的なものでよく、例えば、図１２に示すように、コイル５２、ＮＭＯＳトランジスタ５４、ＰＭＯＳトランジスタ５６、スイッチング制御回路５０、ダイオード５８、及びキャパシタ６０により構成される。よく知られているように、環境発電（エナジーハーベスティング）によって生成される電力は低電圧であるので、その電圧のままでは不揮発メモリを十分に駆動できないことが多い。このため、昇圧回路２４ａによって、生成される電圧を昇圧させて後段の回路へ繋ぐことが求められる。
【００４４】
図１１に示す振動検出センサー装置２における記録部６では、不揮発メモリとして抵抗変化メモリ（ＲｅＲＡＭ）２６ａが用いられている。不揮発メモリとして、他にもフラッシュメモリなどの利用が想定され得るが、フラッシュメモリは書き込み電圧が１２Ｖであり、低電力動作が難しい。このため、書き込み電圧が低く、且つ、低コストである抵抗変化メモリ（ＲｅＲＡＭ）のような不揮発メモリを利用することが望ましい。
【００４５】
なお、記録部６を構成する不揮発メモリ２６ａは、振動検出の対象物の種類や検出する振動の属性によって、異なるものとなる。例えば、複数回の大きい振動の発生を記録するには、１ビットの不揮発メモリではなく、複数回の振動を記録し得るメモリビットを備える不揮発メモリが必要となる。
【００４６】
１．５．センサー部及び記録部の動作
図１３は、第１の実施形態の振動検出センサー装置２における、振動発生から振動の記録までの動作の一例を示すフロー図である。まず、振動の発生により、振動発電デバイス１２が発電を行い（ステップＳ１）、生成された電荷は蓄電デバイス（キャパシタ）１６に蓄電される（ステップＳ２）。ここで、振動が小さいものであり、よって蓄電デバイス１６に蓄電された電荷量がしきい値より小さいものであれば（ステップＳ３・ＮＯ）、蓄電デバイス（キャパシタ）１６に蓄電された電荷はリークデバイス１８によりグランドに逃がされる。それにより、蓄電デバイス（キャパシタ）１６には蓄電された電荷が無い状態となる。そして、センサー部４は後続の振動の発生を待つことになる。
【００４７】
一方、振動が大きいものであり、よって蓄電デバイス１６に蓄電された電荷量がしきい値より大きいものであれば（ステップＳ３・ＹＥＳ）、蓄電判定デバイス２２はスイッチ回路２０をオンする。これにより、記録部６は蓄電デバイス（キャパシタ）１６からの電荷を給電される（ステップＳ４）。この給電により、書き込み回路２４（昇圧回路２４ａ）は昇圧を行い（ステップＳ５）、この昇圧により書き込み回路２４（昇圧回路２４ａ）は不揮発メモリ２６のフラグを書き込む（ステップＳ６）。この不揮発メモリ２６のフラグを確認することで、大きい振動の発生の有無を識別できる。
【００４８】
１．６．読み出し部の構成及び動作
図１を参照し、第１の実施形態に係る振動検出センサー装置２おける、読み出し部８を説明する。読み出し部８は、電源装置である無線給電インタフェース２８、読み出し制御や増幅を行う読み出し制御回路３０、読み出したデータを送信する無線インタフェース３２、及び、無線インタフェース３２に接続する無線アンテナ１０により構成される。
【００４９】
読み出し部８では、無線給電インタフェース２８に無線給電され、この給電により読み出し制御回路３０が記録部６の不揮発メモリ２６からデータを読み出す。読み出されたデータは、無線インタフェース３２及び無線アンテナ１０を介して外部に送信される。
【００５０】
読み出し部８において、データの読み出し時、不揮発メモリ２６には電源が供給されなければならないが、この場合の電源は、センサー部４や記録部６ではなく、読み出し部８に無線給電インタフェース２８として設けられている。これは、振動検出センサー装置２が使い捨てチップとして実装されることを想定しているためである。よって、振動検出センサー装置２を再利用することを想定する場合には、センサー部４や記録部６に読み出し部８の稼働のためのバッテリ電源等の電源回路を含んでもよい。
【００５１】
１．７．まとめ
第１の実施形態に係る振動検出センサー装置は、センサー部及び記録部を含む。センサー部は、外部の振動により発電を行う振動発電デバイスと、振動発電デバイスが発電により生成した電荷を蓄える蓄電デバイスと、蓄電デバイスが蓄電した電荷をグランドに逃がすリークデバイスと、蓄電デバイスに蓄電されている電荷量を判定し、その電荷量が所定量よりも大きいとき、前記記録部に前記蓄電デバイスに蓄電されている電荷を供給する蓄電判定デバイスとにより構成される。
【００５２】
第１の実施形態に係る振動検出センサー装置は、振動発電デバイスが発電により生成し、蓄電デバイスに蓄えられた電荷を、リークデバイスにより少しずつ時間を掛けてグランドにリークする。このことにより、第１の実施形態に係る振動検出センサー装置は、振動発電デバイスが生成する電荷が短時間で大きくなる、所定の大きさの振動より大きい振動が発生したときにのみ、振動検出を記録する記録部を動作することができる。従って、第１の実施形態に係る振動検出センサー装置は、振動の大きさを振動発電デバイスの出力電荷の量で判断しつつ、かつ、小さい振動を検出することなく所定のものより大きい振動のみを検出することができる。
【００５３】
[第２の実施形態]
２．１．第２の実施形態に係る振動検出センサー装置の構成
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る振動検出センサー装置の構成図である。第２の実施形態に係る振動検出センサー装置２ｂは、第１の実施形態に係る振動検出センサー装置２の構成に加えて、はがし検出部６０を含む。
【００５４】
はがし検出部６０は、振動検出センサー装置２が設置される段ボール箱などから、その振動検出センサー装置２が強制的に剥がされた場合に、その剥がしの痕跡を残すための装置である。例えば、はがし検出部６０は、振動検出センサー装置２が設置される段ボール箱内にコイルを設け、それと容量結合させる回路により構成される。ここで、振動検出センサー装置２が強制的に剥がされると、段ボール箱内のコイルとの容量結合が切断される。はがし検出部６０は、その容量結合の切断を検出し、検出結果を示す検出信号を記録部６に出力する。記録部６は、検出信号を受けて容量結合の切断を示すフラグを、書き込み回路２４によって不揮発メモリ２６に記録する。
【００５５】
なお、はがし検出部６０は電子回路で実現される必要はなく、振動検出センサー装置２が段ボール箱から強制的に剥がされたらその痕跡が残るシールなどであってもよい。
【００５６】
２．２．第２の実施形態の振動検出センサー装置の構築例
図１５は、本実施形態に係る振動検出センサー装置の、三次元積層されたチップで動作するタグチップでの構築例である。三次元化積層によってチップ単体で動作する製品とすることで、ボード設計のコストが不要となり低コストを達成できる。図１５に示す三次元チップの振動検出センサー装置２ｃは、第１層６２、第２層６４、及び第３層６６から成る。
【００５７】
図１５に示す三次元チップの振動検出センサー装置２ｃでは、センサー部４の振動発電デバイス１２は、第３層６６に含まれる。センサー部４の振動発電デバイス１２は、エレクトレット素子等のＭＥＭＳ部品を含むため、他の電子回路と同時に製造することが困難である。このため、振動発電デバイス１２は他の電子回路とチップを分けて製造することが好ましい。センサー部４における振動発電デバイス１２以外の回路、及び記録部６は、第２層６４に含まれる。読み出し部８は第１層６２に含まれる。第１層６２は、更に、無線給電インタフェース２８の一部であるワイヤレス給電用コイル７０と、無線アンテナ１０であるワイヤレス通信用コイル６８とを含む。図１５に示す三次元チップの振動検出センサー装置２では、各チップ間はＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ）７２やマイクロ（μ）バンプ７４を介して物理的に接続されている。
【００５８】
図１６は、本実施形態に係る振動検出センサー装置の、三次元積層されたチップで動作するタグチップでの、別の構築例である。図１６に示す三次元チップの振動検出センサー装置２ｄも、図１５に示す振動検出センサー装置２ｃと同様に、第１層８２、第２層８４、及び第３層８６から成るが、各層（各チップ）間は無線通信で接続される。各層は、チップ間通信用のワイヤレス通信用コイル９０、９２、９４、９６、９８を備える。例えば、不揮発メモリ２６を含む記録部６を使い捨て部分として一つの層に構成し、他の部分を再利用可能部分として別の層に構成する場合に、図１６に示す構成は有用である。
【００５９】
２．３．第２の実施形態の振動検出センサー装置の応用例
第２の実施形態に係る振動検出センサー装置の応用例として、宅配便貨物の宅配証明タグへの利用を取り上げる。
【００６０】
精密機器や美術品など振動や衝撃を加えてはならない物品を運送する場合、その物品を納める箱の表面に、精密機器やわれものが在中することを示すラベルを貼ることが多い。このラベルによって運送を請け負う者の注意が喚起される。しかしながら、従来、荷送人から物品を受け取ってから荷受人に配送するまでに、精密機器やわれものに振動や衝撃を与えなかったことを証明する手段や仕組は、宅配便貨物では何ら用いられていない。
【００６１】
本実施形態に係る振動検出センサー装置２ｂは、運送を請け負う者が荷送人から物品を受け取ってから荷受人に配送するまでの運搬過程において、運搬品に振動や衝撃が加えられたか否かを証明するものである。
【００６２】
まず、精密機器やわれものに振動や衝撃が加えられたか否かを証明するセンサー装置は、自動車や人手による運送中に生じるような細かい揺れ（振動）の発生は記録せず、落下などの乱暴な取扱いによってのみ発生する大きい揺れ（振動や衝撃）だけを検出して記録することが望ましい。また、個別の物品にセンサー装置を付すことから、センサー装置のコストが低いことが望ましい。このような観点から、構成部品数が少なく構造が簡素であり、且つ、大きい振動のみを検出して記録する、本実施形態の振動検出センサー装置が適合的である。
【００６３】
図１７（ａ）（ｂ）は、三次元チップの振動検出センサー装置２を貼り付けた、宅配便貨物を納める段ボール箱１００の斜視図である。図１７（ａ）（ｂ）に示すように、三次元チップの振動検出センサー装置２は、宅配便貨物を納める段ボール箱１００の表面に貼り付けて用いる。なお、振動発電デバイスは、一方向の振動のみを検出する。よって図１７（ａ）に示すように一つのみの振動検出センサー装置２が貼り付けられる場合、振動検出センサー装置２は、概略、段ボール箱１００に対する一方向のみの振動を検出することになる。振動の方向が多次元に渡り得ることを考慮して、図１７（ｂ）に示すように、複数の振動検出センサー装置２を、段ボール箱１００の複数の表面に貼り付けてもよい。
【００６４】
図１７に示す、第２の実施形態の振動検出センサー装置の使用方法を簡単に説明する。まず、初期化された振動検出センサー装置（タグ）を荷送人が宅配便貨物に貼り付ける。このとき、荷送人は識別番号（ＩＤ）を振動検出センサー装置（タグ）に電磁気的に記録する。この状態で、荷送人は宅配業者に物品を渡す。宅配業者は、振動や衝撃を物品に加えないように物品を丁寧に扱いつつ荷受人まで運搬する。荷受人は、別途荷送人から取得した識別番号（ＩＤ）と振動検出センサー装置に電磁気的に記録される識別番号（ＩＤ）が一致するか、はがし検出が記録されていないか（若しくは、はがしの痕跡がないか）、及び、振動検出センサー装置に大きい振動の発生が記録されていないか、夫々確認する。荷受人は、別途荷送人から取得した識別番号（ＩＤ）と振動検出センサー装置に記録される識別番号（ＩＤ）が一致すること、及び、はがし検出が記録されていないこと（若しくは、はがしの痕跡がないこと）から、内容物のすり替えが無く、且つ、振動検出センサー装置が宅配便貨物に終始貼付してきたことを確認できる。更に、記録部の不揮発メモリのフラグデータへの書き込みがないことから、宅配便貨物に振動や衝撃が加えられなかったことを確認できる。荷受人は、受け取った宅配便貨物に貼付されていた振動検出センサー装置を廃棄してもよいし、別の識別番号（ＩＤ）を記録した上で再利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、精密機器搬送時の振動検出システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
２、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・振動検出センサー装置、４・・・センサー部、６・・・記録部、８・・・読み出し部、１０・・・無線アンテナ、１２・・・振動発電デバイス、１６・・・蓄電デバイス、１８・・・リークデバイス、２２・・・蓄電判定デバイス、２４・・・書き込みデバイス、２６・・・不揮発メモリ、２８・・・無線給電インタフェース、３０・・・読み出し制御回路、３２・・・無線インタフェース。
【図１】
2013217701.tif 000003
【図２】
2013217701.tif 000004
【図３】
2013217701.tif 000005
【図４】
2013217701.tif 000006
【図５】
2013217701.tif 000007
【図６】
2013217701.tif 000008
【図７】
2013217701.tif 000009
【図８】
2013217701.tif 000010
【図９】
2013217701.tif 000011
【図１０】
2013217701.tif 000012
【図１１】
2013217701.tif 000013
【図１２】
2013217701.tif 000014
【図１３】
2013217701.tif 000015
【図１４】
2013217701.tif 000016
【図１５】
2013217701.tif 000017
【図１６】
2013217701.tif 000018
【図１７】
2013217701.tif 000019