(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から与えられた外部振動を検知期間ごとに検知し、その検知結果を無線電波で順次送信するセンサノードチップであって、
外部振動に応じて容量値が互いに差動的に変化する第１および第２の可変容量素子を有し、これら第１および第２の可変容量素子の一端がそれぞれ接地電位に共通接続され、前記第１の可変容量素子の他端から第１の検知信号を出力し、前記第２の可変容量素子の他端から第１の検知信号とは差動的に変化する第２の検知信号を出力するセンサ素子部と、
一端が前記接地電位に接続された固定容量素子と、アノード端子が電源電位に接続された第１のダイオードと、カソード端子が前記固定容量素子の他端に接続された第２のダイオードと、前記第１ダイオードのカソード端子と前記第２のダイオードのアノード端子との間に順方向で直列接続された１つ以上の第３のダイオードとからなり、前記各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが前記第１の可変容量素子の他端に接続され、他方の接続ノードが前記第２の可変容量素子の他端に接続されており、前記第１および第２の検知信号の変化に応じて前記各ダイオードが交互に導通することにより前記固定容量素子を徐々に充電するセンサ回路部と、
前記検知期間ごとに、前記固定容量素子両端のセンサ出力電圧が初期電位からしきい値電圧に達した時点で、無線電波の送信を指示する制御信号を出力する制御回路部と、
前記制御信号に応じて無線電波を送信することにより、前記外部振動の検知結果に応じた送信間隔で前記無線電波を送信する無線部と
を備えることを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
動作電源を供給する電源部と、前記制御信号に応じて前記無線部に対する前記動作電源の供給を制御するスイッチ部とをさらに備え、
前記無線部は、前記スイッチ部からの前記動作電源の供給開始に応じて前記無線電波の送信を開始する
ことを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセンサノードチップにおいて、
前記センサ回路部は、第３のダイオードを１つ以上の奇数個有していることを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記センサ回路部は、前記第２のダイオードのカソード端子と前記固定容量素子の他端との間に出力バッファ用のトランジスタを有することを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記ダイオードは、ＭＯＳダイオードからなることを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項６】
請求項２に記載のセンサノードチップにおいて、
前記スイッチ部は、ＭＥＭＳスイッチからなることを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記無線部は、高周波パルスそのものを変調して送信する無線方式を用いることを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記可変容量素子は、ＭＥＭＳプロセスを用いて製造されていることを特徴とするセンサノードチップ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のセンサノードチップと、
前記センサノードチップから送信された無線電波の受信間隔を計測し、当該受信間隔から前記センサノードチップに与えられた外部振動の周波数または加速度を示す検知データを算出する受信装置と
を備えることを特徴とするセンサノードシステム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載のセンサノードチップから送信された無線電波の受信間隔を検出する受信間隔計測部と、
前記受信間隔から前記センサノードチップに与えられた外部振動の周波数または加速度を示す検知データを算出する検知データ算出部と
を備えることを特徴とする受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサネットワーク技術に関し、特にセンサノードチップの低電力化技術に関する。
【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チップが注目されている。
【０００３】
このようなセンサノードチップは、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チップ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１１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など参照）。センサノードシステム５００は、センサノードチップ５０と受信装置６０で構成される。センサノードチップ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。
センサノードチップ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。
【０００５】
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。
【０００６】
図１２は、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、電源電位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。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。
【０００７】
図１３は、振動センサの構成例である。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。
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。
【０００８】
したがって、ノードＮ５１を介して固定電極５１Ｐへ電源電位ＶＤＤを印加し、ノードＮ５２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Ｎ５３からセンサ回路５２へ出力される。この際、振動センサ５１Ａ，５１Ｂは、電源電位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５２へ出力される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−０２４５５１号公報
【特許文献２】特許３８９９１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような従来技術では、２つの振動センサを用いて差動の検知信号を得た後、センサ回路部の差動増幅器で増幅しているため、この差動増幅部での消費電力が大きく、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減できないという問題点があった。
すなわち、差動増幅器はトランジスタをアナログ動作させているため、直流電流を常時消費してしまうことから、センサノードチップ全体での消費電力は、ｍＷ（ミリワット）からμＷ（マイクロワット）レベルとなる。また、上記消費電力を確保するために電源部の発電量を大きくするには発電機構の体積を大きくする必要があり、センサノードチップの小型化が制約される。
【００１１】
その結果、小さな物や人などの対象にセンサノードチップを取り付ける際、センサノードチップの大きさによって取付位置が制約されるため、センサノードシステムの導入を妨げる要因となる。また、このような制約に応じてセンサノードチップの取付位置を変更した場合には、対象の状態を示す所望の検知データを正確に取得することができない場合も考えられる。したがって、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することができない場合もある。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、センサノードチップでの消費電力を効果的に削減でき、センサチップノードの小型化を実現できるセンサノードチップおよびセンサノードシステム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】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明にかかるセンサノードチップは、外部から与えられた外部振動を検知期間ごとに検知し、その検知結果を無線電波で順次送信するセンサノードチップであって、外部振動に応じて容量値が互いに差動的に変化する第１および第２の可変容量素子を有し、これら第１および第２の可変容量素子の一端がそれぞれ接地電位に共通接続され、第１の可変容量素子の他端から第１の検知信号を出力し、第２の可変容量素子の他端から第１の検知信号とは差動的に変化する第２の検知信号を出力するセンサ素子部と、一端が接地電位に接続された固定容量素子と、アノード端子が電源電位に接続された第１のダイオードと、カソード端子が固定容量素子の他端に接続された第２のダイオードと、第１ダイオードのカソード端子と第２のダイオードのアノード端子との間に順方向で直列接続された１つ以上の第３のダイオードとからなり、各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが第１の可変容量素子の他端に接続され、他方の接続ノードが第２の可変容量素子の他端に接続されており、第１および第２の検知信号の変化に応じて各ダイオードが交互に導通することにより固定容量素子を徐々に充電するセンサ回路部と、検知期間ごとに、固定容量素子両端のセンサ出力電圧が初期電位からしきい値電圧に達した時点で、無線電波の送信を指示する制御信号を出力する制御回路部と、制御信号に応じて無線電波を送信することにより、外部振動の検知結果に応じた送信間隔で無線電波を送信する無線部とを備えている。
【００１４】
この際、動作電源を供給する電源部と、制御信号に応じて無線部に対する動作電源の供給を制御するスイッチ部とをさらに備え、無線部で、スイッチ部からの動作電源の供給開始に応じて無線電波の送信を開始するようにしてもよい。
【００１５】
また、センサ回路部に、第３のダイオードを１つ以上の奇数個設けてもよい。
また、センサ回路部に、第２のダイオードのカソード端子と固定容量素子の他端との間に出力バッファ用のトランジスタを設けてもよい。
また、ダイオードとして、ＭＯＳダイオードを用いてもよい。
また、スイッチ部として、ＭＥＭＳスイッチを用いてもよい。
また、無線部で、高周波パルスそのものを変調して送信する無線方式を用いるようにしてもよい。
また、可変容量素子を、ＭＥＭＳプロセスで製造してもよい。
【００１６】
また、本発明のかかるセンサノードシステムは、前述したいずれかのセンサノードチップと、このセンサノードトップから送信された無線電波の受信間隔を計測し、当該受信間隔からセンサノードチップに与えられた外部振動の周波数または加速度を示す検知データを算出する受信装置とを備えている。
【００１７】
また、本発明にかかる受信装置は、前述したいずれかのセンサノードチップから送信された無線電波の受信間隔を検出する受信間隔計測部と、受信間隔からセンサノードチップに与えられた外部振動の周波数または加速度を示す検知データを算出する検知データ算出部とを備えている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、センサ素子部で得られた検知信号を差動増幅器で増幅することなく、外部振動に応じた電圧を示すセンサ出力信号を得ることができる。これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していた差動増幅部が不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。
したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となった差動増幅部に応じて回路規模を削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。
【００１９】
また、外部振動の検知結果に応じた送信間隔で無線電波を送信することができるため、センサ出力電圧をＡ／Ｄ変換し、その変換結果に基づき検知データを生成して無線電波で送信する必要がなくなり、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力をさらに削減することが可能となる。
したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となったＡ／Ｄ変換部やＣＰＵに応じて回路規模をさらに削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。
【００２０】
このように、本発明によれば、センサノードチップの小型化・軽量化が可能となるため、小さな物や人などの対象にセンサノードチップを取り付ける場合でも、センサノードチップの大きさに起因する取付位置の制約を緩和でき、センサノードシステムの導入を推進させることができる。したがって、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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システムおよびセンサノードチップについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよびセンサノードチップの構成を示すブロック図である。
【００２２】
このセンサノードシステム１００は、１つ以上のセンサノードチップ１０と受信装置２０とから構成されている。
センサノードチップ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。受信装置２０は、センサノードチップ１０から受信した無線電波により、対象の状態を示すデータを収集し、これらデータを通信ネットワーク（図示せず）で提供する。
【００２３】
センサノードチップ１０には、主な機能部として、センサ素子部１１、ゼロパワーセンサ回路部１２、制御回路部１３、無線部１４、電源部１５、およびスイッチ部１６が設けられている。
センサ素子部１１は、対象の振動や加速度に応じた量の電荷を出力する振動センサからなる。ゼロパワーセンサ回路部１２は、センサ素子部５１で得られた検知信号の電荷を固定容量素子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を出力する。
【００２４】
制御回路部１３は、ゼロパワーセンサ回路部１２で得られたセンサ出力信号の電圧をしきい値電圧と比較し、センサ出力信号がしきい値電圧以下の場合にはスイッチオフを示す制御信号をスイッチ部１６へ出力し、しきい値電圧を超過した場合にはスイッチオンを示す制御信号をスイッチ部１６へ出力する。制御回路部１３については、例えば特許文献２に記載の比較回路を用いることにより、直流電流を生じることなく電圧を比較することができ、消費電力の削減に繋がる。
【００２５】
スイッチ部１６は、制御回路部１３からの制御信号に応じて電源部１５から無線部１４への電源供給をオンオフ制御する。スイッチ部１６については、ＭＯＳトランジスタで実現してもよく、ＭＥＭＳスイッチを用いてもよい。ＭＥＭＳスイッチを用いると、制御回路部の信号変化が緩やかなときでも、スイッチがOFFからONに変化する過渡状態で、リーク電流を生じることがなくなり、さらなる低電力動作が可能である。
【００２６】
無線部１４は、スイッチ部１６を介して電源部１５から電源供給が行われた期間だけ、例えば当該センサノードチップ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。この場合、無線部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。
【００２７】
ゼロパワーセンサ回路部１２からのセンサ出力信号は、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、センサ出力信号が初期電位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。このため、無線部１４から送信する無線電波の間隔で対象の振動や加速度の大きさが受信装置２０へ通知される。
【００２８】
無線電波の送信期間長は、受信装置２０が当該無線電波を正常に受信するために必要な期間長だけ送信すればよい。この際、制御回路部１３から出力する制御信号を無線電波の送信期間長だけ出力することにより、無線電波の送信期間長を制御してもよい。また、制御回路部１３において、制御信号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部１２の固定容量素子ＣＳに充電されているセンサ出力電圧を、接地電位へ初期化する化など、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、無線電波の送信期間長は、無線部１４において管理してもよく、この場合には、無線電波の送信終了の通知に応じて制御回路部１３で、上記初期化動作を行えばよい。
【００２９】
図２は、センサ素子部およびゼロパワーセンサ回路部の構成例を示す回路図である。センサ素子部１１は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続された振動センサ１１Ａから構成されている。振動センサ１１Ａは、外部振動により差動的に容量値が変化する２つの可変容量素子ＣＰ，ＣＮの直列接続からなる。
【００３０】
図３は、振動センサの構成例である。振動センサ１１Ａは、前述した振動センサ５１Ａ，５１Ｂと同様に、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１１Ｍと２つの固定電極１１Ｐ，１１Ｎとを有している。
【００３１】
外部振動で可動電極１１Ｍが振動することにより、固定電極１１Ｐ，１１Ｎとの距離が変化して、可動電極１１Ｍと固定電極１１Ｐ，１１Ｎと間の容量ＣＰ，ＣＮの大きさが変化する。この際、固定電極１１Ｐと固定電極１１Ｎとの中間に可動電極１１Ｍ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。
本実施の形態では、ノードＮ３を介して可動電極１１Ｍへ接地電位ＧＮＤを印加している。これにより、外部振動に応じて正負に電圧が差動で変化する検知信号が、固定電極１１Ｐ，１１ＮからノードＮ１，Ｎ２を介してそれぞれ出力される。
【００３２】
ゼロパワーセンサ回路部１２は、図２に示すように、順方向で直列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ３と固定容量素子ＣＳとからなり、これらが電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に直列接続されている。図２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。
【００３３】
ゼロパワーセンサ回路部１２において、ダイオードＤ１（第１のダイオード）のアノード端子は、電源電位ＶＤＤに接続され、ダイオードＤ３（第２のダイオード）のカソード端子は、接地電位に接続され、ダイオードＤ１のカソード端子とダイオードＤ３のアノード端子との間にダイオードＤ２（第３のダイオード）が順方向で直列接続されている。また、ダイオードＤ３のカソード端子と接地電位ＧＮＤとの間に固定容量素子ＣＳが接続されている。
【００３４】
また、ゼロパワーセンサ回路部１２では、各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが可変容量素子ＣＰのノードＮ２に接続され、他方の接続ノードが可変容量素子ＣＮのノードＮ３に接続されている。したがって、センサ素子部１１のノードＮ１は、ダイオードＤ１とダイオードＤ２との接続ノードに接続され、センサ素子部１１のノードＮ２は、ダイオードＤ２とダイオードＤ３との接続ノードに接続されている。
これにより、センサ素子部１１のノードＮ１，Ｎ２から出力された逆位相の２つの検知信号ＢＰ，ＢＮによりダイオードＤ１〜Ｄ３が交互に導通制御され、電源電位ＶＤＤにより固定容量素子ＣＳが徐々に充電される。
【００３５】
図４は、ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の動作を示す信号波形図である。検知期間の開始時点である時刻Ｔ０において、固定容量素子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チップ１０に与えた場合、この外部振動に応じてセンサ素子部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回の振動でセンサ素子部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。
【００３６】
このため、１回の振動で固定電極１１Ｐと可動電極１１Ｍ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、固定電極１１Ｎと可動電極１１Ｍ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。
ここで、図３に示したように、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４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４では、検出信号ＢＰ，ＢＮを矩形波形で示してある。
【００３７】
ゼロパワーセンサ回路部１２のダイオードＤ１〜Ｄ３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の電圧が電源電位ＶＤＤよりＶｔ以上低下した時点でダイオードＤ１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Ｄ２が導通し、検知信号ＢＮの電圧が固定容量素子ＣＳの電位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Ｄ３が導通する。
【００３８】
このため、外部振動の繰り返しに応じて、ダイオードＤ１，Ｄ３とダイオードＤ２とが交互に導通することから、電源電位ＶＤＤからの電荷がダイオードＤ１〜Ｄ３を介して固定容量素子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の電圧が制御回路部１３のしきい値電圧に達していないため、制御回路部１３からスイッチオフを示す制御信号が出力される。一方、時刻Ｔ１に、センサ出力信号ＳＯの電圧が制御回路部１３のしきい値電圧に達した時点で、制御回路部１３からスイッチオンを示す制御信号が出力される。これにより、時刻Ｔ０の動作開始から期間ΔＴ１経過後に、無線部１４に対して電源供給が行われて、無線電波が送信されることになる。
【００３９】
このように、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。
図５は、ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の他の動作を示す信号波形図である。図５では、図４より低い周波数の外部振動をセンサノードチップ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４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の電圧が制御回路部１３のしきい値に達するまでに、期間ΔＴ１より長い期間ΔＴ２を要している。
【００４０】
この結果、無線部１４に対して、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、電源部１５からスイッチ部１６を介して動作電源が供給されることになる。図６は、無線部の動作を示す説明図である。前述した図４および図５の動作で得られた期間ΔＴ１，ΔＴ２をパルス間隔として、無線電波が間欠的に送信される。無線電波の１回あたりの送信期間は、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。
【００４１】
図７は、受信装置の構成を示すブロック図である。この受信装置２０には、主な機能部として、無線部２１、通信部２２、メモリ部２３、およびＣＰＵ２４が設けられている。また、ＣＰＵ２４は、処理部として受信間隔計測部２４Ａ、検知データ算出部２４Ｂ、通信制御部２４Ｃが設けられている。
無線部２１は、センサノードチップ１０から送信された無線電波を受信し、無線電波の受信有無を示す受信パルス信号をＣＰＵ２４へ出力する。また、受信した無線電波を復調して、送信元センサノードチップ１０の識別情報などの各種情報をＣＰＵ２４へ出力する。
【００４２】
図８は、受信装置における無線電波受信間隔の計測結果を示す説明図である。受信間隔計測部２４Ａは、無線部２１からの受信パルス信号のパルス間隔すなわち無線電波の受信間隔をタイマ機能により計測する。検知データ算出部２４Ｂは、計測された各受信間隔を演算処理することにより、センサノードチップ１０で検出した外部振動の周波数や加速度に応じたデータを検知データとして算出し、メモリ部２３へ保存する。この受信間隔と外部振動の周波数や加速度とは逆比例の関係にある。通信制御部２４Ｃは、定期的あるいは外部装置（図示せず）からの要求に応じて、メモリ部２３から検知データを読み出し、ＬＡＮやインターネットなどの通信ネットワークを介して外部装置へ提供する。
【００４３】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態によれば、外部振動に応じて容量値が互いに差動的に変化する第１および第２の可変容量素子からなるセンサ素子部と、順方向で直列接続した３つ以上のダイオードとその後端部に接続した固定容量素子とからなるセンサ回路部とを設け、センサ素子部で得られた互いに差動的に変化する検知信号で、各ダイオードを交互に導通制御して固定容量素子を徐々に充電することにより、外部振動に応じた電圧を示すセンサ出力信号を得るようにしたので、センサ素子部で得られた検知信号を差動増幅器で増幅することなく、外部振動に応じた電圧を示すセンサ出力信号を得ることができる。
【００４４】
これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していた差動増幅部が不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となった差動増幅部に応じて回路規模を削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。このため、小さな物や人などの対象にセンサノードチップを取り付ける場合でも、センサノードチップの大きさに起因する取付位置の制約を緩和でき、センサノードシステムの導入を推進させることができる。したがって、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することが可能となる。
【００４５】
また、本実施の形態では、検知期間ごとに、固定容量素子両端のセンサ出力電圧が初期電位からしきい値電圧に達した時点で、無線部から無線電波を送信するようにしたので、外部振動の検知結果に応じた受信間隔で無線電波を送信することができる。このため、センサ出力電圧をＡ／Ｄ変換し、その変換結果に基づき検知データを生成して無線電波で送信する必要がなくなり、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。
【００４６】
これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力をさらに削減することが可能となる。したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となったＡ／Ｄ変換部やＣＰＵに応じて回路規模をさらに削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。このため、前述と同様にセンサノードシステムの導入を推進させることができ、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することが可能となる。
【００４７】
［第２の実施の形態］
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードチップについて説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードチップにおけるゼロパワーセンサ回路部の構成例を示す回路図である。
第１の実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部１２において、直列接続した３つのダイオードを用いた場合を例として説明した。本実施の形態では、直列接続した５つのダイオードを用いた場合について説明する。
【００４８】
図９のゼロパワーセンサ回路部１２は、順方向で直列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１５と固定容量素子ＣＳとからなり、これらが電源電位ＶＤＤと接地電位との間に直列接続されている。図９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、本実施の形態におけるセンサノードチップのうち、ゼロパワーセンサ回路部１２以外の構成については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４９】
ゼロパワーセンサ回路部１２において、ダイオードＤ１１（第１のダイオード）のアノード端子は、電源電位ＶＤＤに接続され、ダイオードＤ１５（第２のダイオード）のカソード端子は、接地電位に接続され、ダイオードＤ１１のカソード端子とダイオードＤ１５のアノード端子との間に３つのダイオードＤ１２〜Ｄ１４（第３のダイオード）が順方向で直列接続されている。また、ダイオードＤ１５のカソード端子と接地電位ＧＮＤとの間に固定容量素子ＣＳが接続されている。
【００５０】
また、ゼロパワーセンサ回路部１２では、各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが可変容量素子ＣＰのノードＮ２に接続され、他方の接続ノードが可変容量素子ＣＮのノードＮ３に接続されている。したがって、センサ素子部１１のノードＮ１は、ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２との接続ノード、およびダイオードＤ１３とダイオードＤ１４との接続ノードに接続され、センサ素子部１１のノードＮ２は、ダイオードＤ１２とダイオードＤ１３との接続ノード、およびダイオードＤ１４とダイオードＤ１５との接続ノードに接続されている。
【００５１】
これにより、センサ素子部１１のノードＮ１，Ｎ２から出力された逆位相の２つの検知信号ＢＰ，ＢＮによりダイオードＤ１１〜Ｄ１５が交互に導通制御され、電源電位ＶＤＤにより固定容量素子ＣＳが徐々に充電される。
この際、ダイオードの数に応じて固定容量素子ＣＳに充電されるセンサ出力電圧の電圧値が高くなるため、電源電位ＶＤＤが低くても高いセンサ出力電圧を得ることが可能となる。
【００５２】
［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部で用いるダイオードの数を第１の実施の形態より増やしたので、電源電位が低くても高いセンサ出力電圧を得ることが可能となる。これにより、電源電位として低い電圧を用いることができことから、電源部の回路規模を削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。
【００５３】
また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、ゼロパワーセンサ回路部で用いる第３のダイオードとして１つ以上の奇数個を用いるようにしたので、センサ素子部の２つの可変容量素子に接続されるノー度数を等しくすることができ、安定した動作を得ることが可能となる。なお、センサ素子部の２つの可変容量素子に対する上記対称性を考慮しない場合には、ゼロパワーセンサ回路部で用いるダイオードとして４つ以上の偶数個を用いてもよい。
【００５４】
［第３の実施の形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップについて説明する。図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップにおけるゼロパワーセンサ回路部の構成例を示す回路図である。
第１の実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部１２において、最後段のダイオードと固定容量素子ＣＳとを直接接続した場合を例として説明した。本実施の形態では、最後段のダイオードと固定容量素子ＣＳとの間に出力バッファ用のトランジスタＱＳを設けた場合について説明する。
【００５５】
図１０のゼロパワーセンサ回路部１２は、順方向で直列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１３、出力バッファ用のトランジスタＱＳ、および固定容量素子ＣＳからなり、最後段のダイオードＤ１３と固定容量素子ＣＳとの間にトランジスタＱＳが接続されている。図１０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、本実施の形態におけるセンサノードチップのうち、ゼロパワーセンサ回路部１２以外の構成については、第１および第２の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。また、図１０では、第１の実施の形態に本実施の形態を適用した場合を例として説明するが、第２の実施の形態にも同様にして適用可能である。
【００５６】
ゼロパワーセンサ回路部１２において、ダイオードＤ１（第１のダイオード）のアノード端子は、電源電位ＶＤＤに接続され、ダイオードＤ３（第２のダイオード）のカソード端子は、接地電位に接続され、ダイオードＤ１のカソード端子とダイオードＤ３のアノード端子との間にダイオードＤ２（第３のダイオード）が順方向で直列接続されている。また、トランジスタＱＳのゲート端子がダイオードＤ３のカソード端子に接続され、トランジスタＱＳのソース端子が電源電位ＶＤＤに接続され、トランジスタＱＳのドレイン端子と接地電位ＧＮＤとの間に固定容量素子ＣＳが接続されている。ここでは、トランジスタＱＳとしてＭＯＳトランジスタを用いているが、バイポーラトランジスタであってもよい。
【００５７】
また、ゼロパワーセンサ回路部１２では、各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが可変容量素子ＣＰのノードＮ２に接続され、他方の接続ノードが可変容量素子ＣＮのノードＮ３に接続されている。したがって、センサ素子部１１のノードＮ１は、ダイオードＤ１とダイオードＤ２との接続ノードに接続され、センサ素子部１１のノードＮ２は、ダイオードＤ２とダイオードＤ３との接続ノードに接続されている。
【００５８】
これにより、センサ素子部１１のノードＮ１，Ｎ２から出力された逆位相の２つの検知信号ＢＰ，ＢＮによりダイオードＤ１〜Ｄ３が交互に導通制御され、電源電位ＶＤＤにより固定容量素子ＣＳが徐々に充電される。
この際、最後段のダイオードＤ３のカソード端子から出力された電荷に応じてトランジスタＱＳが駆動され、その駆動に応じた電荷が電源電位ＶＤＤから固定容量素子ＣＳへ充電されるため、固定容量素子ＣＳを充電するための電荷として十分な電荷を用いることができる。したがって、ダイオードＤ３からの電荷量に制約されることなく、センサ出力電圧の上昇特性を決定する固定容量素子ＣＳの容量値を任意に選択することができ、回路設計の自由度を高くすることが可能となる。
【００５９】
［第３の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部で用いる最後段のダイオードと固定容量素子との間に出力バッファ用のトランジスタを設けたので、固定容量素子を充電するための電荷として十分な電荷を用いることができる。このため、最後段のダイオードからの電荷量に制約されることなく、センサ出力電圧の上昇特性を決定する固定容量素子の容量値を任意に選択することができ、回路設計の自由度を高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよびセンサノードチップの構成を示すブロック図である。
【図２】センサ素子部およびゼロパワーセンサ回路部の構成例を示す回路図である。
【図３】振動センサの構成例である。
【図４】ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の動作を示す信号波形図である。
【図５】ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の他の動作を示す信号波形図である。
【図６】無線部の動作を示す説明図である。
【図７】受信装置の構成を示すブロック図である。
【図８】受信装置における無線電波受信間隔の計測結果を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードチップにおけるゼロパワーセンサ回路部の構成例を示す回路図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップにおけるゼロパワーセンサ回路部の構成例を示す回路図である。
【図１１】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１２】従来のセンサノードチップにおける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１３】従来のセンサノードチップにおける振動センサの構成例である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…センサノードシステム、１０…センサノードチップ、１１…センサ素子部、１１Ｍ…可動電極、１１Ｐ，１１Ｎ…固定電極、１２…ゼロパワーセンサ回路部、１３…制御回路部、１４…無線部、１５…電源部、１６…スイッチ部、２０…受信装置、２１…無線部、２２…通信部、２３…メモリ部、２４…ＣＰＵ、２４Ａ…受信間隔計測部、２４Ｂ…検知データ算出部、２４Ｃ…通信制御部、ＣＰ，ＣＮ…可変容量素子、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３…ノード、ＢＰ，ＢＮ…検知信号、Ｄ１〜Ｄ３，Ｄ１１〜Ｄ１５…ダイオード、ＣＳ…固定容量素子、ＳＯ…センサ出力信号、ＱＳ…トランジスタ、ＶＤＤ…電源電位、ＧＮＤ…接地電位。
【図１】
0005006268.tif 000002
【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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【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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