JP2011160612A - Power generation sensor element and sensor node - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to sensor node technology, and more particularly to downsizing of a sensor node that operates with electric power extracted from vibration and detects its own vibration.
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。
Research on sensor network technology for constructing high-performance sensor nodes by adding communication functions and data processing functions to sensors that detect various types of data, and further constructing a network with these sensor nodes is progressing.
In this sensor network technology, for the purpose of reducing the size and weight of a sensor node, a sensor node in which a circuit configuration for detecting data and transmitting it to a receiving device is realized with a semiconductor chip has attracted attention.
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。 By attaching such a sensor node to various objects such as an object or a person, it is possible to detect data indicating various states of the object and transmit the data to the receiving device by a wireless signal. Therefore, by collecting these detection data received by the receiving device via a network such as the Internet, various services can be realized, and so-called ubiquitous network services can be realized. For example, by detecting the vibration frequency and acceleration with a sensor node attached to the device, and collecting and providing these detection data with the receiving device, it is possible to grasp the operating state of the device at a remote location via a network. It is possible to provide a wide range of maintenance and maintenance services.
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。
FIG. 23 is a block diagram illustrating a configuration of a conventional sensor node system (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). The sensor node system 5 includes a
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。
The
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。
The differential voltage signal obtained from the
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。
FIG. 24 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional sensor element section and sensor circuit section. The
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。
FIG. 25 is a configuration example of a conventional vibration sensor (see, for example, Patent Document 2). The
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。
In these
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。
Therefore, when the operating power supply VDD is applied to the
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。
On the other hand, a technology for storing vibration energy given from the outside in a small element (hereinafter referred to as “power generation element”) in electric charge and converting it into electric energy is known as PMPG (Piezoelectric Micro Power Generator) technology. In recent years, research has become active (see Non-Patent Document 1, etc.). FIG. 26 is a circuit unit showing a conventional example of PMPG.
The AC
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)。
The power generation element can be used after changing the structure of the vibration sensor (vibration element) as shown in FIG. That is, both the vibration element that detects vibration and the power generation element that converts vibration energy into electrical energy change the electric capacity when the two electrode plates are directly or indirectly connected by a spring and relatively vibrate. In principle, they are identical in that they have a configuration with capacitors and as a result vibrations are converted into alternating current (or alternating voltage).
A technique has also been proposed in which power is supplied to a subsequent processing circuit after the capacitor stores a predetermined voltage (see, for example, Patent Document 3).
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。
The vibration element that detects vibration and the power generation element that converts vibration energy into electrical energy have the same structure in principle, that is, two electrode plates are directly or indirectly connected by a spring and vibrate relatively. As described above, the configuration includes a capacitor whose electric capacity changes as a result.
Here, when vibration energy is supplied as electric energy to a sensor node that detects vibration, it is necessary to separately provide a capacitor for a vibration element and a capacitor for a power generation element. The reason is that the design parameters of the capacitor are different for the vibration element and the power generation element.
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。
On the other hand, in order to ensure high sensitivity and high linearity for the vibration element, the capacity of the capacitor, the mass of the electrode, and the spring constant are set for the power generation element so that high output of current, voltage, and power is possible. Must be set. However, at this time, the optimum determination method of these parameters is unknown, so it must be determined empirically.
In addition, it is reasonable from the viewpoint of the quality of the obtained signal to optimally design the processing circuit for the vibration element and the power generation element in accordance with the output characteristics of each capacitor.
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。 Therefore, according to the above-described prior art, when vibration energy is supplied as electric energy to the sensor node that detects vibration, a power generation element that extracts vibration energy and vibration that detects vibration corresponding to the operation of a person or thing There is a problem that it is necessary to individually mount elements, and the sensor node cannot be reduced in size.
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。 The present invention is for solving such problems, and an object of the present invention is to provide a technology for downsizing a sensor node that operates with electric power extracted from vibration by a power generation element and detects its own vibration by the vibration element. It is said.
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。 In order to achieve such an object, a power generation sensor element according to the present invention includes a power generation electrode made of a thin metal plate formed on a substrate, a charged body disposed on the power generation electrode, and a substrate. A supporting portion fixed at a peripheral position of the power generation electrode; an elastic spring having one end fixed to the upper end of the supporting portion; and connected to the other end of the spring, above the charging body, And a movable body made of a thin metal supported so as to be able to vibrate at a position facing horizontally with the metal, and a thin metal that stands on the substrate at a position surrounding the power generation electrode and facing each other across the movable body When the vibrating element composed of the movable body and the electric sensor electrode is displaced in the X direction parallel to the substrate surface according to the vibration applied from the outside, the movable body and Two capacitances generated between the sensor electrodes The detection signals having opposite amplitudes, the amplitude of which changes according to the displacement, are output from the two sensor electrodes, respectively, and the power generation element composed of the movable body, the charging body, and the power generation electrode is subjected to vibration applied from the outside. Accordingly, when the movable body is displaced in the Z direction orthogonal to the substrate surface, the charge induced in the power generation electrode is changed, and a voltage signal whose amplitude is changed according to the displacement is output from the power generation electrode.
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。
At this time, the spring may have a smaller width in the Z direction than the width in the X direction.
The movable body may be supported by a single spring.
Alternatively, the movable body may be supported by two springs that are connected to each other with the movable body interposed therebetween along the Y direction orthogonal to the X direction in parallel with the substrate surface.
Alternatively, the movable body may be supported by four springs that are connected two by two across the movable body along the Y direction orthogonal to the X direction in parallel with the substrate surface.
Alternatively, the movable body may be supported by four springs connected at positions that are symmetric with respect to the plane viewpoint with respect to the center of the movable body.
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。
Moreover, you may use a crooked shape as a spring.
Moreover, you may arrange | position a spring in the notch part provided in the movable body.
Further, a weight for adjusting the resonance frequency of the displacement may be provided on the movable part.
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。 In addition, a wall-like edge higher than the thickness of the movable part is provided on the movable part at a position at least on the periphery of the upper surface or the lower surface and facing the sensor electrode, and the sensor electrode faces the edge. You may arrange in the position to do.
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。 Further, the movable part is provided with a wall-like edge part higher than the thickness of the movable part over the entire circumference of the lower surface, the sensor electrode is disposed at a position facing the edge part, and at least a part of the charged body May be disposed inside a recess formed on the lower surface of the movable portion by the edge.
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。 Further, the movable portion and the spring are integrally formed by processing a thin metal plate, and at least an edge portion facing the sensor electrode of the movable portion is bent to project the plate portion upward or downward. May be formed.
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。 In addition, a printed circuit board is used as a substrate, the power generation electrode is composed of a wiring pattern formed on the substrate, the sensor electrode is bent on a thin plate metal into an L shape, and is erected on the printed circuit board. Alternatively, a thin metal plate may be processed and formed integrally, and at least an end portion of the movable portion facing the sensor electrode may be bent to form an edge protruding upward or downward in a plate shape. .
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。 The sensor node according to the present invention includes any one of the above-described power generation sensor elements, a power storage circuit that generates an operating power supply by storing electric charges output from the power generation electrodes of the power generation sensor elements, and a power supply circuit that supplies the power supply circuit. The sensor output signal is generated by accumulating the electric charge output as the detection signal from the sensor electrode of the power generation sensor element, and the comparison result comparing this sensor output signal with the threshold value is output. A sensor element signal detection circuit that outputs a signal, and a wireless circuit that operates based on an operating power supplied from the power storage circuit in response to the output signal and transmits a radio wave.
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。 At this time, a rectifier circuit that rectifies the electric charge output from the power generation electrode, a capacitor element that accumulates the electric charge rectified by the rectifier circuit and generates an operating power supply, and an upper limit of voltage increase of the operating power supply are stored in the storage circuit. A voltage limiting circuit for limiting the voltage to a value, and voltage detection for supplying the operating power to the sensor element signal detecting circuit by turning on the first switch during the period when the voltage of the operating power is higher than the lower threshold A circuit and a second switch that is turned on in response to the output signal to supply operating power to the sensor element signal detection circuit may be provided.
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。 A sensor circuit that operates in response to the operating power supplied via the first switch in the sensor element signal detection circuit and generates a sensor output signal by accumulating the charge output as the detection signal; And a threshold circuit that operates according to the operating power supplied through one switch and outputs a comparison result obtained by comparing the sensor output signal with the threshold value as an output signal.
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。 According to the present invention, the power generation sensor element can detect vibration, that is, movement of a person or thing, and is generated on a floor or a wall by a displacement in the X direction caused by a large vibration caused by movement of a person or thing. Electric power used for operation of the sensor node can be generated by displacement in the Z direction due to relatively weak environmental vibration, and the sensor node can be downsized.
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。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a sensor node according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a sensor node according to the first embodiment.
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。
The
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。
This embodiment is characterized in that a vibration element that detects vibration and a power generation element that extracts vibration energy and generates power required by the
[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。
[Sensor node]
With reference to FIG. 1, the structure of the
The
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。
The power
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。
The
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。
The sensor element
At this time, the sensor output signal SO changes its voltage increase speed according to the magnitude of vibration or acceleration of the object. Therefore, the time required for the sensor output signal SO to rise from the initial voltage to the threshold voltage, that is, the output interval of the control signal OUT changes in accordance with the magnitude of the target vibration or acceleration.
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。
The
In this case, the
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。
As for the transmission period length of the radio wave, the sensor element
[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。
[Power generation sensor element]
Next, the configuration of the power generation sensor element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 3A, 3B, and 3C. FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the power generation sensor element according to the first embodiment. 3A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. FIG. 3C is an external view showing a spring.
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。
The power
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。
The
The
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。
The
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。
When a vibration is applied from the outside to the power
Therefore, the capacitance CP generated between the
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。
On the other hand, when the
For this reason, charge is induced in the
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。
According to the power
Accordingly, vibration, that is, movement of a person or a thing can be detected by a displacement in the horizontal direction X caused by a large vibration caused by movement of a person or a thing with a single element, and relatively generated on a floor or a wall. The electric power used for the operation of the sensor node can be generated by the displacement in the vertical direction Z due to the weak environmental vibration.
[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。
[Storage circuit]
Next, the power storage circuit of the sensor node according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 is a circuit diagram showing the storage circuit of the sensor node and the sensor element signal detection circuit.
The
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。
The
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。 FIG. 5 is a configuration example of a diode. Here, by connecting the source terminal of the nMOS transistor to the source terminal of the pMOS transistor, connecting the gate terminal of the nMOS transistor to the drain terminal of the pMOS transistor, and connecting the gate terminal of the pMOS transistor to the drain terminal of the nMOS transistor, A diode is constructed in which the drain terminal of the nMOS transistor is the cathode terminal and the drain terminal of the pMOS transistor is the anode terminal. By using such a configuration as the diodes D1 and D2, the leakage current in the diodes D1 and D2 can be reduced.
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。 The capacitive element CV includes a capacitor connected between the cathode terminal of the diode D1 and the ground potential GND, and the voltage signal BV rectified by the diode D1 is stored in the capacitive element CV as the operation power supply VDD.
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。
The
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。
The
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。
The switch SW2 is a switch element that controls the supply of the operating power supply VDD to the
[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。
[Sensor element signal detection circuit]
Next, the sensor element signal detection circuit of the sensor node according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.
The sensor element
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。
The zero
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。
FIG. 7 is a configuration example of a zero power sensor circuit. Here, the detection signals BP and BN are input to the connection points of the diodes D11 to D13 connected in series in the forward direction, and the voltage signal output from the cathode terminal of the diode D13 is supplied to the capacitive element CS as the sensor output signal SO. Charged. In the example of FIG. 7, a diode is formed by a MOS transistor, but a PN diode may be used. The configuration of the zero
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。
The zero
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。
Further, the sensor output signal SO from the zero
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。
Therefore, at time T0, when the sensor output signal SO is at the ground potential GND that is the initial voltage, the transistor Q1 is in the on state, and the source-drain current of the transistor Q1 becomes larger than that of the transistor Q2. For this reason, the charge from the operating power supply VDD is charged in the capacitive element CV, and the low-level control signal OUT is output.
Thereafter, when the vibration continues and the voltage of the sensor output signal SO increases and the gate terminal voltage of the transistor Q1 of the zero
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。
On the other hand, since the drain-source current of the transistor Q2 is set to about sub-microamperes, the source of the transistor Q1 is reached when the voltage of the sensor output signal SO, that is, the gate terminal voltage of the transistor Q1 reaches the threshold value Vth. The drain-to-drain current becomes smaller than that of the transistor Q2, and the charge charged in the capacitive element CV starts to flow to the transistor Q2.
As a result, the voltage across the capacitive element CV decreases, and after the discharge time determined by the capacitance value of the capacitive element CV and the drain-source current value of the transistor Q2, it becomes the ground potential GND, and the control signal output from the inverter INV OUT is inverted to High level.
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。
In this way, the threshold power operation using the differential voltage Vd as the logical threshold is performed in the zero
[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。
[Operation of First Embodiment]
Next, the operation of the sensor node according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a signal waveform diagram showing the operation of the sensor node.
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。
When the
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。
The voltage signal BV is rectified by the
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。
On the other hand, when the
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。
As shown in FIG. 9, it is assumed that the voltage of the capacitive element CS is equal to the ground potential GND at time T0, which is the start time of the detection period. Thereafter, when external vibration having a constant frequency is applied to the
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。
For this reason, when the distance between the
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。 At this time, since the variable capacitance elements CP and CN have a target structure, the detection signals BP and BN are signals having opposite phases as shown in FIG. Note that the waveforms of the detection signals BP and BN are actually curved according to the state of the external vibration, but in order to facilitate the explanation of the circuit operation, the detection signals BP and BN are rectangular waveforms in FIG. It is shown.
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。
The detection signals BP and BN thus generated are output from the power
The diodes D11 to D13 of the zero
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。
For this reason, the diodes D11, D13 and the diode D12 are alternately conducted in accordance with the repetition of the external vibration, so that charges from the operating power supply VDD are sequentially transmitted to the capacitive element CS via the diodes D11 to D13 and charged. Is done.
Therefore, in the period ΔT1 from time T0 to time T1, the voltage of the sensor output signal SO has not reached the threshold voltage Vth of the zero
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。
On the other hand, at time T1, when the voltage of the sensor output signal SO reaches the threshold voltage Vth of the zero
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。 Further, the voltage of the sensor output signal SO depends on the number of repetitions of the detection signals BP and BN. For this reason, the speed at which the voltage of the sensor output signal SO rises changes according to the repetition speed of the detection signals BP and BN, that is, the frequency of external vibration and the magnitude of acceleration.
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。
FIG. 10 is a signal waveform diagram showing another operation of the sensor node. FIG. 10 shows an example in which external vibration having a frequency lower than that in FIG. 9 is applied to the
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。
As a result, the operating power supply VDD is supplied from the
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the operation of the radio circuit. The
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。
The transmission period length of one
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。
Further, in the zero
[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。
[Effect of the first embodiment]
As described above, in this embodiment, the
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。
Further, since the height H along the vertical direction Z is made smaller than the width W along the horizontal direction X for the rod-shaped
[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。
[Second Embodiment]
Next, a power generation sensor element according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a plan view showing a power generation sensor element according to the second embodiment.
In the first embodiment, one end of the
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。
In the present embodiment, as shown in FIG. 12, one end of the
Accordingly, the
[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。
[Third Embodiment]
Next, a power generation sensor element according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a plan view showing a power generation sensor element according to the third embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, one end of two sets of
Accordingly, the
[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。
[Fourth Embodiment]
Next, a power generation sensor element according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a plan view showing a power generation sensor element according to the fourth embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 14, each of the four side surfaces of the
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。
In addition, two sets of
Thereby, the displacement of the
[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。
[Fifth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 15, a power generation sensor element according to the fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a plan view showing a spring according to the fifth embodiment.
In the first embodiment, the case where a rod-like spring is used as the
In the present embodiment, as shown in FIG. 15, a
Thereby, necessary elasticity can be obtained with a small size, and the
[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。
[Sixth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 16A-FIG. 16D, the electric power generation sensor element concerning the 6th Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 16A is a plan view showing a power generation sensor element according to the sixth embodiment. FIG. 16B is a plan view showing another power generation sensor element according to the sixth exemplary embodiment. FIG. 16C is a plan view showing another power generation sensor element according to the sixth exemplary embodiment. FIG. 16D is a plan view showing another power generation sensor element according to the sixth embodiment.
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。
In the first embodiment, the case where the
In the present embodiment, as shown in FIGS. 16A to 16D, a
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。
For example, in the case of FIG. 16A, the central portion is cut out in a rectangular shape from one side surface of the
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。
Further, in the case of FIG. 16B, a rectangular shape is cut out from two opposing side surfaces of the
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。
Further, in the case of FIG. 16C, four portions from two opposing side surfaces of the
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。
In the case of FIG. 16D, the four corners of the
[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。
[Seventh Embodiment]
Next, a power generation sensor element according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17A and 17B. FIG. 17A is a plan view showing a power generation sensor element according to a seventh embodiment. 17B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 17A.
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。
In the first embodiment, the case where the
In the present embodiment, a weight 11J is disposed on the upper surface of the
[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。
[Eighth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 18A and FIG. 18B, the electric power generation sensor element concerning the 8th Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 18A is a plan view showing a power generation sensor element according to the eighth embodiment. 18B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 18A.
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。
In 1st Embodiment, the case where the plate-shaped rectangular parallelepiped
In the present embodiment, a wall-
[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。
[Ninth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 19A and FIG. 19B, the electric power generation sensor element concerning the 9th Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 19A is a plan view showing a power generation sensor element according to the ninth embodiment. 19B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 19A.
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。
In the present embodiment, a wall-
[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。
[Tenth embodiment]
Next, with reference to FIG. 20A-FIG. 20C, the electric power generation sensor element concerning the 10th Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 20A is a plan view showing a power generation sensor element according to the tenth embodiment. 20B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 20A. 20C is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 20A.
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。
In the present embodiment, the power
Glass, Teflon (registered trademark), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) film, acetate film (trade name: mending tape, etc.) as the charging
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。
The
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。
In addition, the
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。
As described above, in the present embodiment, the power
[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。
[Eleventh embodiment]
Next, a power generation sensor element according to the eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a sectional view showing a power generation sensor element according to the eleventh embodiment.
In the present embodiment, the power
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。
By laminating the metal plating film, the
[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。
[Twelfth embodiment]
Next, a power generation sensor element according to the twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 22 is a sectional view showing a power generation sensor element according to the twelfth embodiment.
In the present embodiment, the power
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。
A
In the eleventh embodiment, since it is necessary to form the charged
[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。
[Extended embodiment]
The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. In particular, the configurations of the power
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。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
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。 A power generation electrode made of a thin metal plate formed on a substrate;
A charged body disposed on the power generation electrode;
A support portion fixed on a peripheral position of the power generation electrode on the substrate;
An elastic spring having one end fixed to the upper end of the support;
A movable body made of a thin metal, connected to the other end of the spring, and supported above the charged body so as to vibrate at a position horizontally facing the charged body;
Two sensor electrodes made of a thin metal plate standing on the substrate at a position around the power generation electrode and facing each other across the movable body,
When the vibrating element composed of the movable body and the electric sensor electrode is displaced in the X direction parallel to the substrate surface in accordance with vibration applied from the outside, the movable element and the sensor electrode are disposed between the movable body and the sensor electrode. The two capacitances generated in the two are changed, and the detection signals having opposite phases to each other whose amplitude changes according to the displacement are output from the two sensor electrodes, respectively.
A power generation element composed of the movable body, the charged body, and the power generation electrode is induced in the power generation electrode when the movable body is displaced in the Z direction perpendicular to the substrate surface in response to externally applied vibration. The power generation sensor element, wherein the generated electric charge is changed and a voltage signal whose amplitude is changed according to the displacement is output from the power generation electrode.
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。 The power generation sensor element according to claim 1,
The power generation sensor element, wherein the spring has a width in the Z direction smaller than a width in the X direction.
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。 The power generation sensor element according to claim 1 or 2,
The power generation sensor element, wherein the movable body is supported by one spring.
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。 The power generation sensor element according to claim 1 or 2,
The power generation sensor element characterized in that the movable body is supported by two springs connected across the movable body along a Y direction perpendicular to the X direction in parallel with the substrate surface. .
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。 The power generation sensor element according to claim 1 or 2,
The movable body is supported by four springs that are connected two by two across the movable body along a Y direction orthogonal to the X direction in parallel with the substrate surface. Power generation sensor element.
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。 The power generation sensor element according to claim 1 or 2,
The power generation sensor element, wherein the movable body is supported by the four springs connected to a position that is symmetrical with respect to a plane view with respect to the center of the movable body.
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。 In the electric power generation sensor element as described in any one of Claims 1-6,
The power generation sensor element according to claim 1, wherein the spring has a folded shape.
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。 The power generation sensor element according to claim 7,
The power generation sensor element, wherein the spring is disposed in a notch provided in the movable body.
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。 In the electric power generation sensor element as described in any one of Claims 1-8,
The power generation sensor element, wherein the movable part has a weight for adjusting a resonance frequency of the displacement.
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。 In the electric power generation sensor element as described in any one of Claims 1-9,
The movable portion is a peripheral portion of the upper surface or the lower surface, and has a wall-shaped edge portion higher than the thickness of the movable portion at least at a position facing the sensor electrode,
The power generation sensor element, wherein the sensor electrode is disposed at a position facing the edge.
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。 In the electric power generation sensor element as described in any one of Claims 1-9,
The movable part has a wall-like edge that is higher than the thickness of the movable part over the entire circumference of the lower surface.
The sensor electrode is disposed at a position facing the edge,
At least a part of the charged body is disposed inside a concave portion formed on the lower surface of the movable portion by the edge portion.
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。 In the electric power generation sensor element as described in any one of Claims 1-9,
The movable portion and the spring are integrally formed by processing a thin plate metal, and projecting upward or downward in a plate shape by bending at least an end portion of the movable portion facing the sensor electrode. A power generation sensor element characterized in that an edge is formed.
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。 In the electric power generation sensor element as described in any one of Claims 1-9,
The substrate is a printed circuit board,
The power generation electrode consists of a wiring pattern formed on the substrate,
The sensor electrode is erected on the printed board by bending a sheet metal into an L shape,
The movable portion and the spring are integrally formed by processing a thin plate metal, and projecting upward or downward in a plate shape by bending at least an end portion of the movable portion facing the sensor electrode. A power generation sensor element characterized in that an edge is formed.
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。 The power generation sensor element according to any one of claims 1 to 13,
A power storage circuit that generates an operating power source by storing electric charges output from the power generation electrode of the power generation sensor element;
The sensor is activated by the operating power supplied from the power storage circuit, and a sensor output signal is generated by accumulating charges output as the detection signal from the sensor electrode of the power generation sensor element. A sensor element signal detection circuit that outputs a comparison result compared with a threshold value as an output signal;
A sensor node, comprising: a radio circuit that operates based on the operation power supplied from the power storage circuit according to the output signal and transmits radio waves.
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。 The sensor node according to claim 14, wherein
The storage circuit is
A rectifier circuit for rectifying the electric charge output from the power generation electrode;
A capacitor element that stores the electric charge rectified by the rectifier circuit and generates the operation power supply;
A voltage limiting circuit for limiting the voltage rise of the operating power supply to an upper threshold,
A voltage detection circuit that turns on a first switch and supplies the operation power supply to the sensor element signal detection circuit during a period in which the voltage of the operation power supply rises above a lower threshold;
A sensor node comprising: a second switch that supplies the operation power to the sensor element signal detection circuit by turning on in response to the output signal.
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。 The sensor node according to claim 14, wherein
The sensor element signal detection circuit includes:
A sensor circuit that operates according to the operating power supplied via the first switch and generates the sensor output signal by accumulating the charge output as the detection signal;
A threshold circuit that operates according to the operating power supplied via the first switch and outputs a comparison result obtained by comparing the sensor output signal with a threshold value as an output signal. Sensor node to perform.
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