JP2008151555A - Temperature sensor, and health management system of living body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度センサ、およびそれを用いた生体の健康管理システムに関する。 The present invention relates to a temperature sensor and a living body health management system using the temperature sensor.
従来より、最もよく使われる温度センサ素子として、半導体ピエゾ抵抗素子、サーミスタ素子がある。これらは温度によって電気抵抗が変化するものであるが、抵抗値を読み取るためには、素子に電流を流し、そのときの電圧降下あるいは電流値といったアナログ値を検出しなければならない。そのためには、素子に常時一定の電流を流しつづけ、安定した状態で動作させる必要があり、その結果、大きな電力を消費する。また、アナログ値をデジタル信号に変換するにはA/Dコンバータ回路が必要となり、その動作にも電力を必要とする。
他に温度センサ素子として、熱電対などの熱電変換素子がある。これらは電力を消費することなく温度に対応した起電力(電圧)を発生するため、素子自体の消費電力はゼロであるが、発生電圧はアナログ値であるため、やはりA/Dコンバータ回路が必要となり、電力を必要とする。
このような温度センサを、無線式とする場合、温度の計測対象に取り付けた状態での電源の確保が問題となる。また、A/Dコンバータによっても電力が消費されるため、消費電力を抑え、無線式の温度センサを使用できる期間を少しでも長期化するための様々な工夫がこれまでにもなされている。(例えば、特許文献1参照。)。
Conventionally, the most commonly used temperature sensor elements include semiconductor piezoresistive elements and thermistor elements. In these, the electric resistance varies depending on the temperature. In order to read the resistance value, it is necessary to pass a current through the element and detect an analog value such as a voltage drop or a current value at that time. For this purpose, it is necessary to continuously pass a constant current through the element and operate it in a stable state, and as a result, a large amount of power is consumed. Further, an A / D converter circuit is required to convert an analog value into a digital signal, and power is also required for its operation.
Other temperature sensor elements include thermoelectric conversion elements such as thermocouples. Since these generate electromotive force (voltage) corresponding to temperature without consuming power, the power consumption of the element itself is zero, but the generated voltage is an analog value, so an A / D converter circuit is still necessary. And requires power.
When such a temperature sensor is wireless, securing a power source in a state where the temperature sensor is attached to a temperature measurement target becomes a problem. In addition, since power is also consumed by the A / D converter, various ideas have been made so far to reduce power consumption and extend the period in which the wireless temperature sensor can be used as much as possible. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、温度センサを、動物等の生体に装着するような用途の場合、外部から電力を供給したり、バッテリに充電を行うのは困難であるうえ、電源を含めた温度センサ全体を小型化・軽量化する必要があるために、大型のバッテリ等を備えることもできない。したがって、このような用途においては、消費電力をさらに抑える必要性がある。
また、一般には温度センサで検出した温度データを、一定時間ごとに間欠的に送信しているが、温度変化に対する応答性を高めるには、より細かい時間間隔でデータを検出して送信せざるを得ず、その結果、消費電力が大きくならざるを得ない。また、間欠的に温度の検出・送信を行う場合、温度変化の有無に関わらず、検出した温度のデータは送信するため、いわば、無駄なデータ送信を行っているとも言え、消費電力を抑える余地がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、小型・軽量化を図ることを可能としつつも、省電力化を図ることのできる温度センサ等を提供することを目的とする。
However, in applications where the temperature sensor is mounted on a living body such as an animal, it is difficult to supply power from the outside or charge the battery, and the entire temperature sensor including the power supply can be downsized. Since it is necessary to reduce the weight, a large battery or the like cannot be provided. Therefore, it is necessary to further reduce power consumption in such applications.
In general, the temperature data detected by the temperature sensor is transmitted intermittently at regular intervals. However, in order to improve the responsiveness to temperature changes, the data must be detected and transmitted at finer time intervals. As a result, power consumption must be increased. In addition, when temperature is detected and transmitted intermittently, the detected temperature data is transmitted regardless of whether there is a temperature change, so it can be said that unnecessary data transmission is performed, and there is room for reducing power consumption. There is.
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a temperature sensor or the like capable of reducing power consumption while enabling reduction in size and weight. .
上記のような課題を解決すべく鋭意検討を行った本発明者らは、バイメタル構造を利用した温度スイッチに注目した。バイメタル構造を利用した温度スイッチは、素子自体の消費電力はゼロであり、また出力もON/OFFの電気的スイッチとなるため、直接デジタル信号として読み出すことが可能であり、読み出しに必要な電力は最小限とすることができる。しかし、バイメタル温度スイッチは、単体では、ある特定の温度で動作するスイッチであるため、広範囲の温度領域内における連続的な温度変化の検出には使用できない。 The inventors of the present invention, which have intensively studied to solve the above problems, have paid attention to a temperature switch using a bimetal structure. The temperature switch using the bimetal structure has zero power consumption and the output is also an ON / OFF electrical switch, so it can be read directly as a digital signal. Can be minimized. However, since the bimetal temperature switch is a switch that operates at a specific temperature, it cannot be used for detecting a continuous temperature change within a wide temperature range.
そこでなされた本発明の温度センサは、線膨張率の互いに異なる2種類の材料を積層してなるバイメタル式のカンチレバーと、カンチレバーの先端部に間隙を隔てて対向する電気接点部材と、カンチレバーまたは電気接点部材に電圧を印加する電圧印加部と、温度変化に応じて変形したカンチレバーが電気接点部材に対して接触または離間したときの電圧変動を検出する検出回路と、を複数組備える。そして、複数組のカンチレバーの長さまたはカンチレバーの先端部と電気接点部材との間隙が、互いに異なるよう形成されていることを特徴としている。このように、複数組間において、複数組のカンチレバーの長さまたはカンチレバーの先端部と電気接点部材との間隙を、互いに異ならせておくと、温度変化に応じてバイメタル式のカンチレバーが変形したとき、カンチレバーの先端部と電気接点部材とが接触するタイミングが異なる。カンチレバーが長いほど、カンチレバーの先端部と電気接点部材の間隙が狭いほど、少ない温度変化で接触する。このようにして、各組間における、カンチレバーの長さの差、またはカンチレバーの先端部と電気接点部材との間隙の差に応じて決まる温度ピッチに相当する温度変化が生じたときに、複数組のカンチレバーと電気接点部材との接触状態が変化し、検出回路では、その接触(または離間)を電圧変動により検出することができる。これにより、複数組のカンチレバーを用いることで広い温度範囲における温度検出を、デジタル的に行うことができる。
そこで、このような温度センサに、複数の検出回路から発する信号に基づいて、温度をデジタル的に測定する測定制御回路をさらに備えることもできる。
The temperature sensor of the present invention made there is a bimetallic cantilever formed by laminating two kinds of materials having different linear expansion coefficients, an electric contact member facing the tip of the cantilever with a gap, and a cantilever or electric A plurality of sets of voltage application units that apply a voltage to the contact member and a detection circuit that detects voltage fluctuation when the cantilever deformed according to the temperature change comes into contact with or separates from the electrical contact member are provided. The lengths of the plurality of sets of cantilevers or the gaps between the cantilever tips and the electrical contact members are formed to be different from each other. In this way, when the length of the multiple cantilevers or the gap between the tip of the cantilever and the electrical contact member is made different between the multiple sets, when the bimetallic cantilever is deformed according to the temperature change The timing at which the tip of the cantilever and the electrical contact member come into contact is different. The longer the cantilever is, the smaller the gap between the tip of the cantilever and the electrical contact member is, the smaller the temperature change is. In this way, when a temperature change corresponding to a temperature pitch determined according to a difference in cantilever length or a gap between the tip of the cantilever and the electrical contact member occurs between the groups, a plurality of groups The contact state between the cantilever and the electrical contact member changes, and the detection circuit can detect the contact (or separation) by voltage fluctuation. Thereby, temperature detection in a wide temperature range can be performed digitally by using a plurality of cantilevers.
Therefore, such a temperature sensor may further include a measurement control circuit that digitally measures the temperature based on signals emitted from a plurality of detection circuits.
ところで、カンチレバーは、少なくとも電気接点部材に対向する側の層を導電性材料で形成するのが好ましい。
カンチレバーの電気接点部材に対向する側の層を非導電性材料で形成する場合、カンチレバーの電気接点部材に対向する側の面に、導電性材料からなり、温度変形に応じてカンチレバーが変形したときに電気接点部材に対して導通する配線等の導通部材を設けるのが好ましい。
By the way, it is preferable that the cantilever is formed of a conductive material at least on the side facing the electric contact member.
When the layer facing the electrical contact member of the cantilever is formed of a non-conductive material, the surface of the cantilever facing the electrical contact member is made of a conductive material and the cantilever is deformed in response to temperature deformation. It is preferable to provide a conducting member such as a wiring conducting to the electrical contact member.
また、電圧印加部は電源から給電されるコンデンサとすることができる。このような構成においては、常時電圧を印加する必要がなく、カンチレバーが電気接点部材に接触したときにコンデンサが放電し、これによって電圧変化を検出回路で検出することができる。そして、コンデンサが放電したときには、給電制御回路において、コンデンサへの電源からの給電が行われるようにすれば良い。 Further, the voltage application unit can be a capacitor fed from a power source. In such a configuration, it is not necessary to constantly apply a voltage, and the capacitor is discharged when the cantilever comes into contact with the electrical contact member, whereby the voltage change can be detected by the detection circuit. Then, when the capacitor is discharged, the power supply control circuit may perform power supply from the power source to the capacitor.
ところで、上記したような温度センサは、いかなる目的で用いても良いが、動物等の生体集団の健康管理等の目的で使用することが可能である。
我が国におけるBSE発生や鳥インフルエンザ流行などを契機に、最近「食の安全」に対する関心が急速に高まっている。しかし、これらの問題は、「人間にとっての安全」という観点からの個々の感染症などに対する対症療法的な対策だけでは根本的には解決できず、改めて、食とは何か、人間と自然(動植物)との関わりはどうあるべきか、というような大局的な観点から問題を捉えなおす必要性に迫られている。
By the way, the temperature sensor as described above may be used for any purpose, but can be used for the purpose of health management of a living group such as an animal.
Recently, interest in “food safety” has been rapidly increasing due to the occurrence of BSE in Japan and the avian influenza epidemic. However, these problems cannot be fundamentally solved by symptomatic measures against individual infectious diseases from the viewpoint of “safety for human beings”. What is food? There is an urgent need to re-examine the problem from a global perspective, such as how it should be.
動物の生態を調べる従来の方法としては、GPS端末による渡り鳥の位置探査や、牛の歩行頻度から発情期を検出する試みが知られている。また、従来の動物健康管理センシングには、オフラインのバイオ的検査手法が主に開発されてきた。しかしこれらの方法では、検査を迅速に行うことができず、且つ高コストであり、一般に普及させることができるものではなかった。 As conventional methods for investigating the ecology of animals, there are known attempts to detect the estrus from the location of migratory birds using a GPS terminal and the walking frequency of cattle. In addition, offline biopsy techniques have mainly been developed for conventional animal health management sensing. However, these methods cannot perform inspection quickly, are expensive, and cannot be widely used in general.
そこで、本発明者らは、加速度・傾斜・温度・血流・血圧・脈拍等の物理量測定を行うセンサを管理対象となる動物等の生体に装着し、センサから送信された測定結果のデータに基づいて生体の行動状態を判定することで、生体の健康状態を判定する技術を開発した。
このような技術においては、MEMS技術により、物理センサや通信装置等を超小型のチップに収めることができる。このようなチップを多数の管理生体に装着してデータを逐次的に収集し、コンピュータを用いてデータを解析することで、多数の管理生体を一括して管理することができるのである。
Therefore, the inventors attach a sensor for measuring physical quantities such as acceleration, inclination, temperature, blood flow, blood pressure, and pulse to a living body such as an animal to be managed, and use the measurement result data transmitted from the sensor as data. Based on this, we have developed a technology for determining the health state of a living body by determining the behavioral state of the living body.
In such a technique, a physical sensor, a communication device, and the like can be contained in an ultra-small chip by the MEMS technique. By attaching such a chip to a large number of management organisms, collecting data sequentially, and analyzing the data using a computer, it is possible to manage a large number of management organisms at once.
さらに研究を重ねた過程で、本発明者らは、生体の健康状態を判定するのに生体の体温の変化を監視するのが好ましいことを見出した。
本発明の温度センサは、上記のような用途に用いるのに好適である。
そのような用途の生体の健康管理システムは、生体の健康管理を行うシステムであって、管理を行う生体に装着されて少なくとも温度を含む物理量を測定するとともに、測定の結果をデータとして無線送信するセンサと、センサから送信されたデータに基づき、生体の健康状態に異常が生じているか否かの判定を行う制御装置と、を備える。そして、センサは、線膨張率の互いに異なる2種類の材料を積層してなるバイメタル式のカンチレバーと、カンチレバーの先端部に間隙を隔てて対向する電気接点部材と、カンチレバーまたは電気接点部材に電圧を印加する電圧印加部と、温度変化に応じて変形したカンチレバーが電気接点部材に対して接触または離間したときの電圧変動を検出する検出回路と、を複数組備え、複数組のカンチレバーの長さまたはカンチレバーの先端部と電気接点部材との間隙が、互いに異なるよう形成されていることを特徴とする。
ここで、センサは、無線供給された電力を蓄電する遠隔蓄電部を備えるようにするのが好ましい。
In the course of further research, the present inventors have found that it is preferable to monitor changes in the body temperature of the living body in order to determine the health state of the living body.
The temperature sensor of the present invention is suitable for use as described above.
The living body health management system for such a use is a system for managing the health of the living body, is mounted on the living body to be managed, measures a physical quantity including at least temperature, and wirelessly transmits the measurement result as data. A sensor and a control device that determines whether or not an abnormality has occurred in the health state of the living body based on data transmitted from the sensor. The sensor includes a bimetallic cantilever formed by laminating two kinds of materials having different linear expansion coefficients, an electric contact member facing the tip of the cantilever with a gap, and a voltage applied to the cantilever or the electric contact member. A plurality of sets of voltage applying units to be applied and detection circuits for detecting voltage fluctuations when the cantilever deformed in response to a temperature change comes into contact with or away from the electrical contact member; The gap between the tip of the cantilever and the electrical contact member is formed to be different from each other.
Here, the sensor preferably includes a remote power storage unit that stores the wirelessly supplied power.
本発明の温度センサによれば、複数組備えられたカンチレバーの電気接点部材への接触を検出回路からの信号で検出することで、温度変化をデジタル的に測定することが可能となる。このとき、各組間における、カンチレバーの長さの差、またはカンチレバーの先端部と電気接点部材との間隙の差を適切に設定することで、広い温度範囲の温度測定を行うことができ、しかも必要以上の最小単位・精度で温度を検出することもなく、消費電力を最小限に抑えた構成とすることができる。また、温度変化量が一定以上とならない限り、カンチレバーは電気接点部材には接触せず、ON信号も出力されないため、信号を出力するための電力も抑えることができる。また、このようにして測定を行う結果、温度変化が少なければ、無線で送出するデータ量も抑えることができ、これも省電力化につながる。
また、カンチレバーが電気接点部材に接触・離間することで生じる電圧変動が、そのまま検出回路からの出力信号となるので、ダイレクトにデジタル信号を出力することができ、ADコンバータも不要となる。
このような温度センサは、MEMS技術によって小型に形成することができ、また消費電力を抑えることでバッテリ等を廃し、軽量化を図ることが可能となる。
また、このような温度センサを備えた生体の健康管理システムにおいては、センサの軽量化を図るとともに、消費電力を抑えることでロングライフ化を図ることができるため、その管理対象となる生体の種類を限定する意図はないが、特に行動のコントロールが困難な動物等を対象として健康管理を行う用途に特に適している。
According to the temperature sensor of the present invention, it is possible to digitally measure the temperature change by detecting the contact of the plurality of cantilevers provided to the electrical contact member with a signal from the detection circuit. At this time, it is possible to perform temperature measurement in a wide temperature range by appropriately setting the difference in cantilever length between each pair or the difference in gap between the tip of the cantilever and the electrical contact member, Without detecting the temperature with the minimum unit / accuracy more than necessary, the power consumption can be minimized. Further, unless the temperature change amount exceeds a certain level, the cantilever does not come into contact with the electrical contact member and the ON signal is not output, so that the power for outputting the signal can be suppressed. As a result of performing the measurement in this manner, if the temperature change is small, the amount of data transmitted wirelessly can be suppressed, which also leads to power saving.
In addition, voltage fluctuations that occur when the cantilever is brought into contact with or separated from the electrical contact member directly becomes an output signal from the detection circuit, so that a digital signal can be directly output, and an AD converter is not required.
Such a temperature sensor can be formed in a small size by the MEMS technology, and by reducing power consumption, it is possible to eliminate the battery and reduce the weight.
In addition, in a living body health management system equipped with such a temperature sensor, the sensor can be reduced in weight and the life can be increased by suppressing power consumption. Although it is not intended to limit the above, it is particularly suitable for the purpose of performing health care particularly on animals and the like whose behavior is difficult to control.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。本実施の形態においては、本発明を、鳥インフルエンザの発生監視に用いる例を挙げる。
図1は、本発明による鳥インフルエンザ監視システム(生体の健康管理システム)100を概念的に描いた図である。
図1に示すように、鳥インフルエンザ監視システム100は、管理区域110内で管理される鳥(生体)に装着されるセンサ120、管理区域110内をカバーするように1つ又は複数個設置される中継局130、管理区域110内に設置される全ての中継局130を集中制御する中継局コントローラ140、送受信装置150、制御装置(判定装置)160などから構成される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings. In the present embodiment, an example will be given in which the present invention is used for monitoring the occurrence of avian influenza.
FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a bird flu monitoring system (biological health management system) 100 according to the present invention.
As shown in FIG. 1, one or more avian
管理区域110は、本実施の形態においては、鳥舎等、鳥を飼育するために設けられたものである。鳥インフルエンザの監視以外に本発明を適用する場合、この管理区域110は、牧場などのような屋外区域である場合もあれば、牛舎などの屋内区域である場合もあり、或いは動物園内の各動物舎としたり、自然公園全体などとすることもできる。さらには、人間を対象とした場合においても、本発明の構成を適用することができる。
管理区域110内においては、センサ120と中継局130との間は無線により通信が行われる。このため、管理区域110は、中継局130がセンサ120からの信号を直接又は間接に取得し得る領域である。従って、管理区域110を広くする場合には、センサ120の無線通信の出力を上げるか、中継局130の数を増やせばよい。1つの中継局130によって、半径数10mの領域をカバーできることが好ましい。このようなセンサ120と中継局130との間における通信方式として、IEEE802.11xの無線LAN、PHS(登録商標)、Bluetooth(登録商標)、ZigBee(登録商標)、UWB等の規格があるが、消費電力と通信距離のバランスを考えると、現在ではZigBee(登録商標)が好適な方式といえる。むろん、他の方式を用いても構わない。
In this embodiment, the management area 110 is provided for raising birds such as a birdhouse. When the present invention is applied in addition to bird flu monitoring, the management area 110 may be an outdoor area such as a ranch, an indoor area such as a cowshed, or each animal in the zoo. It can be a building or a whole natural park. Furthermore, the configuration of the present invention can be applied even to a human subject.
In the management area 110, the
センサ120は、鳥の姿勢や行動、バイタルサインなどを検出するセンサ群と、検出処理回路、通信回路、電源およびパワーマネージメントデバイスを高密度集積化した、鳥の健康状態をモニタするためのシステムインパッケージである。
このセンサ120における測定データは無線により送信される。送信された測定データは中継局130によって受信され、さらに、中継局コントローラ140に転送される。
The
Measurement data in the
中継局130と中継局コントローラ140とは、無線又は有線のイーサネット(登録商標)で接続されることができる。中継局コントローラ140は、管理区域110に設置される中継局130のみならず、他の管理区域112や114の中継局も制御し、これらの中継局で受信されたセンサ120のデータを集めて送受信装置150へと転送する。さらに、中継局コントローラ140には、中継局130からのデータを集めることの他に、管理区域110に設置される全ての中継局130へIPアドレス等の識別標識を付与したり、制御装置160から個々のセンサ120に与えられる命令の伝達を媒介したりする機能を付加することができる。別の実施態様において、複数の中継局130によってメッシュネットワークを形成する場合には、中継局コントローラ140は、中継局130間のハンドオーバの制御も行うように構成されることができる。
送受信装置150は、イーサネット(登録商標)・インターネット・電話回線・無線電話ネットワーク・などを通じて、センサ120の測定データを制御装置160へと送信する。
The
The transmission /
制御装置160は、ハードウエア的にはコンピュータ装置であり、必要な機能を備えたソフトウエアを汎用のコンピュータにインストールすることで、製造することができる。このため制御装置160の多くの機能は、一般的なコンピュータが備えている、CPUやメモリ、ネットワークアダプタ、モデム等のハードウエアと、ソフトウエアとの協働によって実現されている。
この制御装置160は、センサ120から送信された測定データを判定することで、鳥インフルエンザの発生の有無を監視している。そして、センサ120から送信された測定データが、鳥インフルエンザの発生を示すものであると判定された場合には、その判定結果、すなわち鳥インフルエンザが発生したことを表す情報を、アラームの出力、印刷物のプリントアウト、予めインプットされた送付先への電子メールの送信等によって出力することもできる。制御装置160は管理区域110の近辺に設置されていてもよいが、全く離れた遠隔地に設置されていても良い。
The
The
次に、図2を用いてセンサ120の構成について説明する。
図2はセンサ120の構成を示す図である。
図2に示すように、センサ120は、例えば、薄帯状のフィルム基板上に、所定の物理量を測定する物理量センサ210と、センサ120として所定の動作を行うように各部をコントロールするための回路が構成されたセンサ制御部(給電制御回路、測定制御回路)220と、センサ120の動作に必要な電力を蓄えるコンデンサ部230と、中継局130との間で電波の送受信を行うための通信制御を行うための通信制御部240と、アンテナ250を、薄帯状(フィルム状)の基板上に実装した超小型ネットワークセンサチップである。
このようなセンサ120は、最先端の超高密度実装技術およびMEMS加工技術を駆使すると共に、センサ機能を絞り込むことにより、超小型なものとする。一つの例では、3cm角アンテナFPC上の真ん中1cm角領域に3次元積層チップ(5mm以下)を搭載したシステムインパッケージにより超小型センサチップを製造する。
Next, the configuration of the
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the
As shown in FIG. 2, the
Such a
物理量センサ210は、少なくとも温度を測定するような物理量センシングチップである。本実施の形態においては、物理量センサ210として、加速度センサ210Aと、温度センサ210Tとが備えられている。
The
本実施の形態のセンサ120においては、加速度センサ210Aや温度センサ210Tで検出した加速度情報や温度情報を含むセンサ情報を、逐次中継局130に送信するのではなく、送信頻度、送信データ量を抑えることで消費電力を低減できるような構成とすることができる。
In the
センサ制御部220は、具体的にはICとメモリとから構成されるもので、物理量センサ210から信号を受け取ったときに、所定の処理を行うイベントドリブン回路を備えている。ここで、所定の処理としては、物理量センサ210から受け取った信号の内容をメモリに蓄積する、というものがある。
さらに、本実施の形態において、センサ120は、中継局130から送信される電波をアンテナ250で受信することで誘導起電力により電力を発生し、この電力をコンデンサ部230に蓄えるようになっている。このため、センサ制御部220は、アンテナ250で受信した電波を直流電流に変換するRF−DC変換回路と、RF−DC変換回路で変換した直流電流によって電力をコンデンサ部230に蓄える充電回路と、を備えている。このように、センサ120が電源を搭載して自らの電力で通信を行うアクティブセンサであるため、RF−IDのようにリーダによるスキャンを必要とせず、その行動を制御することが決して容易ではない鳥の管理に適している。
Specifically, the
Further, in the present embodiment,
通信制御を担う通信制御部240は、物理量センサ210による測定データを送信するための超小型の無線通信機としての機能を発揮するものであり、通信制御回路を有した制御チップと、送受信する電波のインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路とを有する。ここで、制御チップは、独自の識別子を持つように構成され、物理量センサ210によるセンサ情報を送信する際には、当該識別子を共に送信するように構成される。
The
図3は、物理量センサ210において、温度を検出するための温度センサ210Tの構成を示す図である。
この図3に示すように、温度センサ210Tは、複数のバイメタルカンチレバーセンサ211を備えている。
バイメタルカンチレバーセンサ211は、高線膨張率材料212aと低線膨張率材料212bとが接合あるいは積層された状態のバイメタル材からなるレバー(カンチレバー)212が、その基端部212cのみがベース213に固定されて片持ち梁状に支持された構成となっている。このレバー212と対向するように、導電材料からなる電気接点部材214が、予め定めたギャップを有して配置されている。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a
As shown in FIG. 3, the
In the
レバー212を構成する高線膨張率材料212aとしては、例えば、Al(α=23.1E−6/℃)、Au(α=14.2E−6/℃)、Ni(α=13.4E−6/℃)などが利用できる。低線膨張率材料212bとしては、例えば、W(α=4.5E−6/℃)、Mo(α=5.5E−6/℃)、インバー合金(α=0.1E−6/℃)、シリコン(α=2.5E−6/℃)、シリコン酸化物(α=0.5E−6/℃)、シリコン窒化物(α=3E−6/℃)等を用いることができる。
このようなバイメタル材からなるレバー212は、高線膨張率材料212aと低線膨張率材料212bの線膨張率の違いから、温度の変化に応じて基端部212cを中心として撓み変形し、その先端部212dが電気接点部材214に対し接近・離間する方向に移動し、所定の温度に達すると、先端部212dが電気接点部材214に接触するようになっている。
ここで、室温より高い温度の測定では通常、低線膨張率材料212bが、電気接点部材214に対向するように設けられ、電気接点部材214に対する電気接点を構成する。このため、低線膨張率材料212bは、導電性を有する材料で形成する必要がある。低線膨張率材料212bとして金属以外の材料を使う場合は、レバー212の低線膨張率材料212b側の表面に、導電性材料からなる配線等の導通部材を付加する必要がある。
Examples of the high linear
The
Here, in the measurement at a temperature higher than room temperature, the low linear
複数備えられたバイメタルカンチレバーセンサ211においては、レバー212の長さが互いに異なるように形成されている。各バイメタルカンチレバーセンサ211間において、レバー212を構成する高線膨張率材料212a、低線膨張率材料212bの材質が共通であれば、レバー212は、基端部212cからの距離が同じ位置であれば、温度変化に応じて同一の曲率半径で撓み変形する。このとき、各バイメタルカンチレバーセンサ211間において、レバー212の長さが互いに異なるので、長いレバー212ほど、その先端部212dの変位が大きい。したがって、レバー212の長いバイメタルカンチレバーセンサ211ほど、先端部212dが電気接点部材214に早いタイミングで接触する。つまり、各バイメタルカンチレバーセンサ211においては、レバー212の長さに応じて、先端部212dが電気接点部材214に接触するタイミング、すなわち温度が決まっている。
ここで、後に詳述するが、各バイメタルカンチレバーセンサ211間におけるレバー212の長さの差は、温度をデジタル的に測定する際の測定ピッチ、言い換えれば測定最小単位によって定まる。これに伴い、各バイメタルカンチレバーセンサ211間におけるレバー212の長さは、一定寸法ピッチで設けるのが好ましい。ここで、レバー212の長さは一定にし、レバー212と電気接点部材214の間隙を、複数のバイメタルカンチレバーセンサ211間で異ならせるようにすることも可能である。
In the plurality of
Here, as will be described in detail later, the difference in the length of the
各バイメタルカンチレバーセンサ211は、電気接点部材214に電圧が印加され、レバー212側は接地されている。
各バイメタルカンチレバーセンサ211には、信号処理回路215が接続されている。この信号処理回路215においては、電気接点部材214に、コンデンサ(電圧印加部)215aで蓄電している電圧を印加する。バイメタルカンチレバーセンサ211において、温度変化によってレバー212が変形して電気接点部材214に接触して導通が図られると、電圧が変化するので、これをF/F(Flip Flop)回路からなる検出回路215bで検出する。検出回路215bで検出される電圧が変動すると、検出回路215bからの出力信号は、OFFからON、あるいはONからOFFに切り替わる。
また、センサ制御部220においては、検出回路215bからの出力信号がOFFからONに切り替わったことを検出したとき、一定の待ち時間を経過した後、レバー212と電気接点部材214の導通によって放電したコンデンサ215aに対し、電源からの給電を一定時間だけ行うための給電制御信号を電源に出力する。
このような信号処理回路215は、センサ制御部220を構成するIC中に形成することができる。
In each
A
In the
Such a
このような構成の温度センサ210Tにおいては、バイメタルカンチレバーセンサ211を複数組備え、レバー212の長さが複数段階に異なる長さとされている。これにより、温度が例えば上昇し、それぞれのバイメタルカンチレバーセンサ211のレバー212の長さによって決まる所定の温度に到達すると、レバー212が電気接点部材214に接触して信号処理回路215において検出回路215bからの出力信号がONとなる。これにより、センサ制御部220においては、例えば温度が連続的に上昇していくと、各組の信号処理回路215からは、レバー212の長い順にONの出力信号が順次出力されてくる。逆に、温度が低下していけば、電気接点部材214に接触していたレバー212が電気接点部材214から離れて、検出回路215bからの出力信号はOFFとなる。このため、センサ制御部220においては、例えば温度が連続的に下降していくと、各組の信号処理回路215からは、レバー212の短い順に、OFFの出力信号が順次出力されてくる。
ここで、センサ制御部220においては、検出回路215bからの信号がOFFからON、あるいはONからOFFに切り替わると、OFFからON、あるいはONからOFFに切り替わったこと、およびその時刻情報をメモリに記憶させ、所定のタイミングで、記憶したそれらの情報を、中継局130を介して制御装置160に送信するようになっている。
In the
Here, in the
このような構成により、互いに長さの異なる複数のバイメタル式のレバー212の電気接点部材214への接触を、検出回路215bからの信号で検出することで、温度変化をデジタル的に測定することが可能となる。このとき、複数本のレバー212間におけるレバー212の長さの差を適切に設定することで、必要以上の最小単位・精度で温度を検出することもなく、消費電力を最小限に抑えた構成とすることができる。また、温度変化量が一定以上とならない限り、レバー212は電気接点部材214には接触せず、ON信号も出力されない。これにより、当然、信号を出力するための電力も抑えることができる。また、このようにして測定を行う結果、得られるデータは、温度変化が生じたときの温度と時刻情報である。つまり、温度変化が少なければ、無線で送出するデータ量も抑えることができ、これも省電力化につながる。
また、待機中においても、コンデンサ215aに蓄電しておき、レバー212が電気接点部材214に接触して放電した場合にコンデンサ215aへの給電を行うようになっているので、この点においても消費電力を抑えることができる。さらに、レバー212が電気接点部材214に接触・離間することで生じる電圧変動が、そのまま検出回路215bからの出力信号となるので、ダイレクトにデジタル信号を出力することができ、ADコンバータも不要である。
With such a configuration, the temperature change can be measured digitally by detecting the contact of the plurality of
Even during standby, power is stored in the
このような温度センサ210Tは、MEMS技術によって形成することができる。
これには、図4に示すように、シリコン基板260上に、犠牲層となるシリコン酸化膜261を堆積し、その上に高線膨張率材料222aとして厚さ0.5μmのNi(ヤング率200GPa、線膨張率13.4E−6/℃)膜262をスパッタあるいは蒸着によって作製する。さらにその上に低線膨張率材料222bとしてスパッタあるいは蒸着によって厚さ0.5μmのW(ヤング率345GPa、線膨張率4.5E−6/℃)膜263を形成し、バイメタル構造のレバー222を形成する。これらの膜はフォトリソグラフィー法とエッチングを使用して、μmレベルの精度で加工を行うことができる。長さ195μmから215μmのレバー222を、長さを1μmづつ変えて21個作製する。フォトリソグラフィーとエッチングを使うことで、これらの長さの異なる複数のレバー222は同時に製作できる。
次にHF水溶液によりエッチングすることで、バイメタル構造のレバー222の下方の部分のシリコン酸化膜261を除去し、レバー222が自由に動作できるようにする。WとNiはHFに溶解しないため、レバー222を選択的に残すことができる。
このレバー222の上面に深さ5μmの凹部264aを有したガラス板264を接合し、その内部には電気接点部材224を接合する。ガラス板264と電気接点部材224は、5μmの厚さの絶縁性のスペーサと電極を形成した基板の2層からなる構造を接合したものであっても良い。
このバイメタル式のレバー222は、低線膨張率材料222bからなるW膜263が電気接点部材224に対向しているため、温度が上昇すると電気接点部材224に向かって屈曲していく。ここで、2層の材料A(厚さta、ヤング率Ea、線膨張率αa)および材料B(厚さtb、ヤング率Eb、線膨張率αb)を重ね合わせて作製したバイメタルの一端を固定して長さLのカンチレバー構造とした場合、もう一端の温度変化ΔTによる変位yは、次式で表される。この式から、レバー222の先端部222dにおいて5μmの変位を作り出す温度差が計算できる。
Such a
As shown in FIG. 4, a
Next, etching is performed with an HF aqueous solution to remove the
A
The
数1を用い、上記した構成の温度センサ210Tにおいて、レバー212を長さ195〜215μmとしたときの計算結果を図5に示す。
室温(20℃)で曲がりのないレバー212が製造される場合、図5で示した温度差が発生すると、レバー212と電気接点部材214が接触してスイッチがONになる。例えば、長さ215μmのレバー212は室温に対して温度差16.51℃(実温度36.51℃)でスイッチがONとなる。長さの違う21本のレバー21で、実温度36.51℃〜40.07℃の温度範囲を、約0.2℃おきにカバーできる。この温度センサ210Tを用いることで、体温を0.2℃の精度(測定ピッチ)で測定することが可能となる。
このセンサ120を他の生体に使用する場合は、その生体の種類に応じた測定温度範囲で同様な設計を行えばよい。
FIG. 5 shows a calculation result when the
When the
When the
このようにして、MEMS技術で温度センサ210Tを形成することで、温度センサ210Tを小型・軽量化することができる。しかも、長さが異なるレバー212等についても、一括で形成できるので、低コストで量産が可能である。このような温度センサ210Tを備えたセンサ120は、小型・軽量化を図ることを可能としつつも、省電力化を図ることが可能となる。
Thus, the
以上、本願発明の好適な実施態様について例を挙げて説明してきたが、本願発明は、その範囲を逸脱することなく、ここで説明した実施態様の他にも様々な実施態様を取りうることは言うまでもない。
例えば、センサ120は、養鳥用・牧畜用・野生動物用等、その用途に応じて大きさ・センサの種類・通信機の出力等を専用設計されてもよい。
また、センサ120を、鳥インフルエンザの発生監視以外の用途に用いることも可能である。また、その動作の制御が困難な動物ではなく、他の用途に用いるのであれば、電波による電力供給を行うのではなく、センサ120にバッテリを備えるような構成とすることもできる。もちろん、このバッテリには、適宜タイミングで充電が行えるようにすることも可能である。
また、本願発明は、養鳥業に応用できるのみならず、その他の牧畜業や、野生動物の健康状態モニタリングにも応用が可能であり、野生動物を経由した感染症の伝搬を防止する大規模なネットワークの構築などのためにも利用が可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
The preferred embodiments of the present invention have been described above by way of examples. However, the present invention can take various embodiments in addition to the embodiments described herein without departing from the scope thereof. Needless to say.
For example, the
The
The present invention can be applied not only to the aquaculture industry, but also to other livestock farming and health monitoring of wild animals, and prevents large-scale transmission of infectious diseases via wild animals. It can also be used to construct a simple network.
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
100…鳥インフルエンザ監視システム(生体の健康管理システム)、120…センサ、130…中継局、150…送受信装置、160…制御装置(判定装置)、210…物理量センサ、210A…加速度センサ、210T…温度センサ、211…バイメタルカンチレバーセンサ、212…レバー(カンチレバー)、212a…高線膨張率材料、212b…低線膨張率材料、212c…基端部、212d…先端部、214…電気接点部材、215…信号処理回路、215a…コンデンサ(電圧印加部)、215b…検出回路、220…センサ制御部(給電制御回路、測定制御回路)、240…通信制御部、250…アンテナ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記カンチレバーの先端部に間隙を隔てて対向する電気接点部材と、
前記カンチレバーまたは前記電気接点部材に電圧を印加する電圧印加部と、
温度変化に応じて変形した前記カンチレバーが前記電気接点部材に対して接触または離間したときの電圧変動を検出する検出回路と、を複数組備え、
複数組の前記カンチレバーの長さまたは前記カンチレバーの先端部と前記電気接点部材との間隙が、互いに異なるよう形成されていることを特徴とする温度センサ。 A bimetallic cantilever formed by laminating two kinds of materials having different linear expansion coefficients;
An electrical contact member facing the tip of the cantilever with a gap therebetween,
A voltage application unit that applies a voltage to the cantilever or the electrical contact member;
A plurality of detection circuits that detect voltage fluctuations when the cantilever deformed in response to a temperature change comes into contact with or separates from the electrical contact member;
A temperature sensor characterized in that a plurality of sets of cantilevers have different lengths or gaps between the cantilever tips and the electrical contact members.
前記カンチレバーが前記電気接点部材に接触して前記コンデンサが放電したときに、前記コンデンサへの前記電源からの給電が行われる給電制御回路をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の温度センサ。 The voltage application unit is a capacitor fed from a power source,
4. The power supply control circuit according to claim 1, further comprising a power supply control circuit configured to supply power from the power source to the capacitor when the cantilever comes into contact with the electrical contact member and the capacitor is discharged. 5. The temperature sensor described in 1.
前記生体に装着されて少なくとも温度を含む物理量を測定するとともに、前記測定の結果をデータとして無線送信するセンサと、
前記センサから送信された前記データに基づき、前記生体の健康状態に異常が生じているか否かの判定を行う判定装置と、を備え、
前記センサは、
線膨張率の互いに異なる2種類の材料を積層してなるバイメタル式のカンチレバーと、
前記カンチレバーの先端部に間隙を隔てて対向する電気接点部材と、
前記カンチレバーまたは前記電気接点部材に電圧を印加する電圧印加部と、
温度変化に応じて変形した前記カンチレバーが前記電気接点部材に対して接触または離間したときの電圧変動を検出する検出回路と、を複数組備え、
複数組の前記カンチレバーの長さまたは前記カンチレバーの先端部と前記電気接点部材との間隙が、互いに異なるよう形成されていることを特徴とする生体の健康管理システム。 A system for managing the health of a living body,
A sensor that is mounted on the living body and measures a physical quantity including at least temperature, and wirelessly transmits a result of the measurement as data;
A determination device that determines whether an abnormality has occurred in the health condition of the living body based on the data transmitted from the sensor;
The sensor is
A bimetallic cantilever formed by laminating two kinds of materials having different linear expansion coefficients;
An electrical contact member facing the tip of the cantilever with a gap therebetween,
A voltage application unit that applies a voltage to the cantilever or the electrical contact member;
A plurality of detection circuits that detect voltage fluctuations when the cantilever deformed in response to a temperature change comes into contact with or separates from the electrical contact member;
A living body health management system, wherein a plurality of sets of the cantilevers have different lengths or gaps between the cantilever tips and the electrical contact members.
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