JP2012239640A - センサノードシステムおよび送信端末 - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極を持つセンサ素子で振動を検出する場合でも、送信端末の小型化を実現する。
【解決手段】センサ素子１４として、接地電位が印加される可動電極１４Ｍと、この可動電極１４Ｍと対向して固定された固定電極１４Ｐ，１４Ｎとを有し、振動に応じた可動電極１４Ｍの揺動により、接地電位ＧＮＤに対して正負に変化する検知信号を固定電極１４Ｐ，１４Ｎから出力する回路素子を用い、この可動電極１４Ｍを、基板Ｐに実装された蓄電素子ＣＶの上端に位置する当該蓄電素子ＣＶの接地電極ＧＮに対して、揺動自在に支持するとともに電気的に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサネットワーク技術に関し、特にナノワット級で動作するセンサ回路を備え、サブ平方センチメートルの領域に設置可能なセンサノード技術に関するものである。

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送信端末が注目されている。

このような送信端末は、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、装置に取り付けた送信端末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。

図１５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、送信端末５０と受信装置６０で構成される。送信端末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。
送信端末５０は、センサ素子５１、センサ回路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。

センサ素子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。

図１６は、センサ素子およびセンサ回路の構成を示す回路図である。センサ素子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。

図１７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。

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。

特開２００４−０２４５５１号公報 特許３８９９１１０号公報

このような従来技術では、外部から与えられた振動を検出するセンサ素子は、微細な櫛歯構造を有するため、ＭＥＭＳプロセスを用いて作製する必要があり、製造コストが上昇するという問題があった。製造コストを抑えるために、エッチングやプレス等の材料加工技術を用いてセンサ素子を作製することが可能である。この場合、センサ素子において、可動電極を揺動自在に支持する構造として、専用の支柱を基板に立設し、この支柱の上端に可動電極を揺動自在に支持する支持構造が必要となる。
しかしながら、このような支持構造では、可動電極を支持するための専用の支柱を基板に立設する必要がある。このため、当該支柱を基板に固定するための専用の領域を基板上に確保する必要があることから、基板面積が増大する要因となり、結果として送信端末を小型化できないという問題点があった。特に、送信端末自体の大きさを、人の爪に装着できるよう、サブ平方センチメートル程度まで縮小する場合、支柱が占める面積の割合は、決して小さいものではない。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、可動電極を持つセンサ素子で振動を検出する場合でも、送信端末の小型化を実現できるセンサノード技術を提供することを目的としている。

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システムは、外部から与えられた振動を検出して無線電波を送信する送信端末と、無線電波の受信により送信端末での振動の検出結果を取得する受信装置とを備えるセンサノードシステムにおいて、送信端末に、接地電位が印加される可動電極と、この可動電極と対向して固定された固定電極とを有し、振動に応じた可動電極の揺動により、接地電位に対して正負に変化する検知信号を固定電極から出力するセンサ素子と、センサ素子からの検知信号に応じて容量素子を充電し、当該充電電圧がしきい値電圧を上回った場合に、振動の検出を示す制御信号を出力するセンサ素子信号検出回路と、動作電力を蓄電する蓄電素子と、センサ素子信号検出回路からの制御信号に応じて、蓄電素子の動作電力により動作して無線電波を送信する無線回路とを設け、可動電極を、基板に実装された蓄電素子の上端に位置する当該蓄電素子の接地電極に対して、揺動自在に支持するとともに電気的に接続するようにしたものである。

この際、基板のうち可動電極の下方の領域に電子回路部品を実装するようにしてもよい。

また、本発明にかかる送信端末は、外部から与えられた振動を検出して無線電波を送信する送信端末と、無線電波の受信により送信端末での振動の検出結果を取得する受信装置とを備えるセンサノードシステムで用いられる送信端末であって、接地電位が印加される可動電極と、この可動電極と対向して固定された固定電極とを有し、振動に応じた可動電極の揺動により、接地電位に対して正負に変化する検知信号を固定電極から出力するセンサ素子と、センサ素子からの検知信号に応じて容量素子を充電し、当該充電電圧がしきい値電圧を上回った場合に、振動の検出を示す制御信号を出力するセンサ素子信号検出回路と、
動作電力を蓄電する蓄電素子と、センサ素子信号検出回路からの制御信号に応じて、蓄電素子の動作電力により動作して無線電波を送信する無線回路とを備え、可動電極を、基板に実装された蓄電素子の上端に位置する当該蓄電素子の接地電極に対して、揺動自在に支持するとともに電気的に接続するようにしたものである。

この際、基板のうち可動電極の下方の領域に電子回路部品を実装するようにしてもよい。

本発明によれば、基板に対して可動電極を揺動自在に支持する専用の支柱が不要となるため、当該支柱を基板に固定するための専用の領域を削減することができ、結果として送信端末の小型化を実現できる。したがって、送信端末自体の大きさを、サブ平方センチメートル程度まで縮小することができ、送信端末を人の爪に装着することが可能となる。
このため、利用者が送信端末を装着していることを意識することなく、利用者の活動を検出することができる。これにより、この送信端末を用いたセンサノードシステムにより、生活習慣病予防のための活動量をモニタするための健康管理システムや、家電の電源を自動的にオフするなどの電気機器制御システムなどを、極めて容易に実現することが可能となる。

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送信端末の構成を示すブロック図である。 ダイオードの構成例である。 センサ素子およびゼロパワーセンサ回路の構成例を示す回路図である。 ゼロパワーしきい値回路の構成例を示す回路図である。 可動電極の支持構造（側面図）を示す説明図である。 可動電極の支持構造（Ａ−Ａ断面図）を示す説明図である。 可動電極の支持構造（Ｂ−Ｂ断面図）を示す説明図である。 ゼロパワーセンサ回路および制御回路の動作を示す信号波形図である。 ゼロパワーセンサ回路および制御回路の他の動作を示す信号波形図である。 無線部の動作を示す説明図である。 第２の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび受信装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態にかかるセンサノードシステムの動作を示す説明図である。 第３の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび受信装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態にかかるセンサノードシステムの動作を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび受信装置の構成を示すブロック図である。 第４の実施の形態にかかるセンサノードシステムの動作を示す説明図である。 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。 センサ素子およびセンサ回路の構成を示す回路図である。 振動センサの構成例である。

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送信端末について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび送信端末（センサノード）の構成を示すブロック図である。

このセンサノードシステム１００は、送信端末１０と受信装置２０とから構成されており、１つの受信装置２０で複数の送信端末１０からの無線電波を受信するようにしてもよい。
送信端末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、送信端末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。

送信端末１０には、主な機能部として、電源部１１、蓄電回路１２、センサ素子信号検出回路１３、センサ素子１４、および無線回路１５が設けられている。

電源部１１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次電池などの電源回路からなり、発生させた電荷を蓄電回路１２へ出力する機能を有している。
蓄電回路１２は、電源部１１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１５へ動作電源ＶＤＤを供給する機能とを有している。

センサ素子１４は、接地電位ＧＮＤが印加される可動電極１４Ｍと、この可動電極１４Ｍと対向して固定された固定電極１４Ｐ，１４Ｎとを有し、外部から与えられた振動に応じた可動電極１４Ｍの揺動により、可動電極１４Ｍと固定電極１４Ｐ，１４Ｎとの間の容量成分が変化して、接地電位ＧＮＤに対して正負に変化する検知信号ＢＰ，ＢＮを固定電極１４Ｐ，１４Ｎから出力する機能を有している。

センサ素子信号検出回路１３は、センサ素子１４から出力された検知信号ＢＰ，ＢＮに応じて動作電源ＶＤＤからの電荷を順次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。

無線回路１５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、例えば当該送信端末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、センサ素子１４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１５から無線電波が送信される。
この場合、無線回路１５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。

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１５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。

［蓄電回路］
次に、図１を参照して、本実施の形態にかかる送信端末の蓄電回路について詳細に説明する。
蓄電回路１２には、主な回路として、整流回路１２Ａ、蓄電素子ＣＶ、電圧検知回路１２Ｂ、スイッチＳＷ１、およびスイッチＳＷ２が設けられている。

整流回路１２Ａは、順方向で直列接続されたダイオードＤＰ，ＤＮからなり、ダイオードＤＰのアノード端子とダイオードＤＮのカソード端子との接続点が、電源部１１に接続されている。これにより、電源部１１からの電圧信号ＢＶがダイオードＤＰ，ＤＮで整流され、ダイオードＤＰのカソード端子から出力される。

図２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ＤＰ，ＤＮとしてこのような構成を用いることにより、ダイオードＤＰ，ＤＮでのリーク電流を低減できる。

蓄電素子ＣＶは、ダイオードＤＰ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ＤＰで整流された電圧信号ＢＶが、この蓄電素子ＣＶに動作電源ＶＤＤとして蓄電される。

電圧検知回路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以上に上昇している場合、電圧検知回路１２Ｂ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。

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１５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、センサ素子１４の固定電極１４Ｐ，１４Ｎ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１５へ供給される。

［センサ素子信号検出回路］
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態にかかる送信端末のセンサ素子信号検出回路１３およびセンサ素子１４について詳細に説明する。図３は、センサ素子およびゼロパワーセンサ回路の構成例を示す回路図である。図４は、ゼロパワーしきい値回路の構成例を示す回路図である。

センサ素子１４は、薄板金属などの導電性の板部材から構成された、可動電極１４Ｍと２つの固定電極１４Ｐ，１４Ｎとを有している。
外部振動で可動電極１４Ｍが揺動することにより、固定電極１４Ｐ，１４Ｎとの距離が変化して、可動電極１４Ｍと固定電極１４Ｐ，１４Ｎと間の容量ＣＰ，ＣＮの大きさが変化する。

ここで、固定電極１４Ｐと固定電極１４Ｎとの中間に可動電極１４Ｍ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。したがって、可動電極１４Ｍには、接地電位ＧＮＤが印加されているため、外部振動に応じて電圧が接地電位ＧＮＤに対して正負に逆位相で変化する検知信号ＢＰ，ＢＮが、それぞれ固定電極１４Ｐ，１４Ｎからセンサ素子信号検出回路１３へ出力される。

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。

ゼロパワーセンサ回路１３Ａは、センサ素子１４の固定電極１４Ｐ，１４Ｎで得られた検知信号ＢＰ，ＢＮに応じて、電源電位ＶＤＤからの電荷を容量素子ＣＳで順次蓄積することにより、対象の振動や加速度の大きさ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。

このゼロパワーセンサ回路１３Ａは、図３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３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。

ゼロパワーセンサ回路１３Ａにおいて、ダイオードＤ１のアノード端子は、電源電位ＶＤＤに接続され、ダイオードＤ３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との間に容量素子ＣＳが接続されている。

これらダイオードＤ１〜Ｄ３の接続点には、逆位相をなす２つの検知信号ＢＰ，ＢＮが入力されている。これにより、センサ素子１４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て、電源電位ＶＤＤの電荷が徐々に昇圧され、ダイオードＤ３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。

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４の例では、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。

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の分圧回路など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。

［可動電極の支持構造］
図５Ａ〜図５Ｃは、可動電極の支持構造を示す説明図であり、図５Ａは側面図、図５Ｂは図５ＡのＡ−Ａ断面図、図５Ｃは図５ＡのＢ−Ｂ断面図を示している。
前述したように、センサ素子１４の可動電極１４Ｍは、振動に応じて固定電極１４Ｐ，１４Ｎとの距離が変化するよう、空中に支持する必要がある。通常、このような構造では、基板Ｐに立設した支柱の上端にバネの一端を固定し、このバネの他端に可動電極１４Ｍを接続することが考えられる。

本実施の形態では、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、蓄電回路１２の蓄電素子ＣＶが、比較的大きな容量が必要となるため、ある程度の高さを有していることに着目し、基板Ｐに実装された蓄電素子ＣＶを支柱として兼用するようにしたものである。また、本実施の形態では、可動電極１４Ｍに接地電位ＧＮＤを印加する必要があるため、接地電極が上端に設けられている構造の容量素子を蓄電素子ＣＶとして選択し、このような蓄電素子ＣＶの接地電極ＧＮで、可動電極１４Ｍを支持するようにしたものである。これにより、可動電極１４Ｍを支持する専用の支柱を基板Ｐに立設する必要がなくなるため、基板Ｐの面積を削減することができ、送信端末１０の小型化を実現できる。また、可動電極１４Ｍを接地電位ＧＮＤに接続するための工程も省くことができ、製造コストの削減にも繋がる。

具体的には、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、接地電極ＧＮに支持板１４Ａの一端を固定し、その先端にバネ１４Ｂの一端を接続し、バネ１４Ｂの他端に可動電極１４Ｍが接続されている。支持板１４Ａは、薄板金属などの導電性の板部材から構成されている。
バネ１４Ｂは、水平方向に沿って折れ曲がった葛折り状のバネから構成されており、例えば支持板１４Ａや可動電極１４Ｍともに、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すればよい。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。また、棒状など、葛折り状以外の形状のバネを用いてもよい。

また、可動電極１４Ｍの両側位置には、固定電極１４Ｐ，１４Ｎがそれぞれ基板Ｐに立設されている。固定電極１４Ｐ，１４Ｎは、例えば薄板金属などの導電性の板部材から構成されている。この固定電極１４Ｐ，１４Ｎは、図５Ｃの例では、その下部が可動電極１４Ｍ側に曲げ加工されて、基板Ｐに固定され、半田付け等により基板Ｐの配線パターンと電気的に接続されている。この固定電極１４Ｐ，１４Ｎは、可動電極１４Ｍの高さ位置と同じ程度の高さを有している。

一方、可動電極１４Ｍは、金属板などの導電性の板部材から構成されている。可動電極１４Ｍのうち、固定電極１４Ｐ，１４Ｎと対向する側部には、基板Ｐ側に折り曲げられており、断面コの字形状をなしている。これにより、可動電極１４Ｍと固定電極１４Ｐ，１４Ｎの側部との対向面積を増やすことができ、振動を検出する感度を高める効果が得られる。

また、基板Ｐのうち可動電極１４Ｍの下方の領域に、送信端末１０の各種の電子回路部品ＰＴを実装してもよい。具体的には、蓄電回路１２、センサ素子信号検出回路１３、および無線回路１５のうち、半導体素子などの小型の電子回路部品をＬＳＩチップで実現し、可動電極１４Ｍの下方領域に実装すればよい。これにより、基板Ｐの実装領域を有効に利用することができるため、基板Ｐの面積を削減することができ、送信端末１０の小型化を実現できる。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図６を参照して、本実施の形態にかかる送信端末の動作について説明する。図６は、ゼロパワーセンサ回路および制御回路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、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送信端末１０に与えた場合、この外部振動に応じてセンサ素子１４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１４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。

このため、１回の振動で固定電極１４Ｐと可動電極１４Ｍ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１４Ｎと可動電極１４Ｍ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は可動電極１４Ｍに対して対象構造をなすことから、検知信号ＢＰ，ＢＮは、図６に示すように、電圧が接地電位ＧＮＤに対して正負に変化する、差動的な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６では、検出信号ＢＰ，ＢＮを矩形波形で示してある。

ゼロパワーセンサ回路１３Ａ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。

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からスイッチオフを示す制御信号ＯＵＴが出力される。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からスイッチオンを示す制御信号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、無線回路１５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。

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７は、ゼロパワーセンサ回路および制御回路の他の動作を示す信号波形図である。図７では、図６より低い周波数の外部振動を送信端末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６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の電圧がゼロパワーしきい値回路１３Ｂ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。

この結果、無線回路１５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１１からスイッチＳＷ２を介して動作電源が供給されることになる。図８は、無線回路の動作を示す説明図である。前述した図６および図７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。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、センサ素子１４として、接地電位が印加される可動電極１４Ｍと、この可動電極１４Ｍと対向して固定された固定電極１４Ｐ，１４Ｎとを有し、振動に応じた可動電極１４Ｍの揺動により、接地電位ＧＮＤに対して正負に変化する検知信号を固定電極１４Ｐ，１４Ｎから出力する回路素子を用い、この可動電極１４Ｍを、基板Ｐに実装された蓄電素子ＣＶの上端に位置する当該蓄電素子ＣＶの接地電極ＧＮに対して、揺動自在に支持するとともに電気的に接続するようにしたものである。

これにより、基板Ｐに対して可動電極１４Ｍを揺動自在に支持する専用の支柱が不要となるため、当該支柱を基板Ｐに固定するための専用の領域を削減することができ、結果として送信端末１０の小型化を実現できる。したがって、送信端末１０自体の大きさを、サブ平方センチメートル程度まで容易に縮小することができ、送信端末１０を人の爪に装着することが可能となる。
このため、利用者が送信端末１０を装着していることを意識することなく、利用者の活動を検出することができる。これにより、この送信端末１０を用いたセンサノードシステム１００により、生活習慣病予防のための活動量をモニタするための健康管理システムや、後述するような、家電の電源を自動的にオフするなどの電気機器制御システムなどを、極めて容易に実現することが可能となる。

［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システム１００について説明する。図９は、第２の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび受信装置の構成を示すブロック図である。
ここでは、送信端末１０を利用者の足の爪に装着し、利用者の歩行などに応じて発生した振動を検出し、この検出結果を受信装置２０で取得する場合を例として説明する。

本実施の形態において、受信装置２０は、小型の無線端末装置からなり、主な機能部として、無線受信部２１、データ処理部２２、表示部２３、および操作部２４が設けられている。

無線受信部２１は、送信端末１０から送信された無線電波を受信し、受信パルスＲＤに変換して出力する機能を有している。送信端末１０から送信される無線電波は、前述の図７に示したように、送信端末１０で検出された振動の周波数や加速度の大きさに応じて、その送信間隔が変化する。

データ処理部２２は、無線受信部２１から受信パルスＲＤが出力された時刻を含むログデータを生成して記憶する機能を有している。
このデータ処理部２２には、主な機能部として、時計部２２Ａ、データ生成部２２Ｂ、および記憶部２２Ｃが設けられている。

時計部２２Ａは、タイマ回路からなり、計時した時刻データＴＭをデータ生成部２２Ｂへ出力する機能を有している。
データ生成部２２Ｂは、無線受信部２１からの受信パルスＲＤに応じて、時計部２２Ａからの時刻データＴＭを取得し、この時刻データＴＭを含むログデータＤＴを生成する機能を有している。
記憶部２２Ｃは、半導体メモリからなり、データ生成部２２Ｂで生成されたログデータＤＴを記憶する機能と、操作部２４からの出力指示信号ＤＯＵＴに応じて記憶しているログデータを表示部２３へ出力する機能とを有している。

表示部２３は、ＬＣＤなどの表示回路からなり、記憶部２２Ｃから出力されたログデータを表示する機能を有している。
操作部２４は、押下ボタンやスイッチなどの操作入力装置からなり、管理者の操作を検出して記憶部２２Ｃへ出力指示信号ＤＯＵＴを出力する機能を有している。

［第２の実施の形態の動作］
次に、図１０を参照して、本実施の形態にかかるセンサノードシステム１００の動作について説明する。図１０は、第２の実施の形態にかかるセンサノードシステムの動作を示す説明図である。

図１０に示すように、送信端末１０は、利用者の足の爪に装着されており、利用者が歩行した場合、その振動を検出して無線電波を送信する。
受信装置２０では、無線受信部２１により、送信端末１０からの無線電波を受信し、受信パルスＲＤを出力する。
データ生成部２２Ｂは、無線受信部２１からの受信パルスＲＤに応じて、時計部２２Ａからの時刻データＴＭを取得し、この時刻データＴＭを含むログデータＤＴを生成し、記憶部２２Ｃに保存する。

この後、管理者により操作部２４が操作された場合、操作部２４からの出力指示信号ＤＯＵＴに応じて、記憶部２２ＣからログデータＤＴが読み出され、表示部２３で表示される。図１０の表示例では、時刻データＴＭの時刻と、振動を検出した旨を示すメッセージとが、文字情報として表示されている。
この際、ログデータＤＴが記憶部２２Ｃに保存された際、当該ログデータＤＴを表示部２３で自動的に表示するようにしてもよい。また、表示部２３での表示は、一定期間表示した後に自動的に表示を終了してもよい。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、受信装置２０において、送信端末１０からの無線電波の受信に応じて、当該受信時刻を含むログデータを記憶して表示するようにしたので、送信端末１０を装着している利用者の活動を、管理者が確認することができる。
この際、ログデータにより利用者の活動有無のみを確認する場合には、データ生成部２２Ｂにおいて、時刻データＴＭのみからログデータＤＴを生成すればよい。また、ログデータにより利用者の活動量を確認する場合には、単位時間当たりで受信した受信パルスＲＤの数や受信間隔を含むログデータをデータ生成部２２Ｂで生成すればよい。

［第３の実施の形態］
次に、図１１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システム１００について説明する。図１１は、第３の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび受信装置の構成を示すブロック図である。
ここでは、送信端末１０を利用者の足の爪に装着し、利用者の歩行などに応じて発生した振動を検出し、この検出結果を受信装置２０で取得して携帯端末３０へ通知する場合を例として説明する。

本実施の形態において、受信装置２０は、小型の無線端末装置からなり、主な機能部として、無線受信部２１、データ処理部２２、操作部２４、および無線送信部２５が設けられている。
無線送信部２５は、記憶部２２Ｃから出力されたログデータを、赤外線通信などの無線通信により携帯端末３０へ通知する機能を有している。
なお、無線受信部２１、データ処理部２２、操作部２４は、前述した第２の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態の動作］
次に、図１２を参照して、本実施の形態にかかるセンサノードシステム１００の動作について説明する。図１２は、第３の実施の形態にかかるセンサノードシステムの動作を示す説明図である。

図１２に示すように、送信端末１０は、利用者の足の爪に装着されており、利用者が歩行した場合、その振動を検出して無線電波を送信する。
受信装置２０では、無線受信部２１により、送信端末１０からの無線電波を受信し、受信パルスＲＤを出力する。
データ生成部２２Ｂは、無線受信部２１からの受信パルスＲＤに応じて、時計部２２Ａからの時刻データＴＭを取得し、この時刻データＴＭを含むログデータＤＴを生成し、記憶部２２Ｃに保存する。

この後、管理者により操作部２４が操作された場合、操作部２４からの出力指示信号ＤＯＵＴに応じて、記憶部２２ＣからログデータＤＴが読み出され、無線送信部２５へ出力される。
この際、出力指示信号ＤＯＵＴと並行して、無線送信部２５へ動作電力を供給するスイッチＳＷに対して、操作部２４から供給指示信号ＰＯＮが出力され、無線送信部２５が起動される。これにより、ログデータＤＴが無線送信部２５から携帯端末３０へ通知される。
携帯端末３０は、受信装置２０から通知されたログデータを受信して、画面表示する。

［第３の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、受信装置２０で生成したログデータを携帯端末３０へ通知するようにしたので、管理者は携帯端末３０でログデータを確認できる。これにより、受信装置２０に表示部を設ける必要がなくなり、受信装置２０の小型化や低コスト化を実現できる。

なお、携帯端末３０へ通知するログデータは、記憶部２２Ｃで記憶しているすべてのものを通知するものとし、通知したログデータは自動消去するようにしてもよい。また、ログデータＤＴが記憶部２２Ｃに保存された際、当該ログデータＤＴを自動的に携帯端末３０へ通知するようにしてもよい。
また、本実施の形態にかかる受信装置２０のうち、無線受信部２１およびデータ処理部２２を携帯端末３０に搭載してもよい。

［第４の実施の形態］
次に、図１３を参照して、本発明の第４の実施の形態にかかるセンサノードシステム１００について説明する。図１３は、第４の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよび受信装置の構成を示すブロック図である。
ここでは、送信端末１０を利用者の足の爪に装着し、利用者の歩行などに応じて発生した振動を検出し、この検出結果を受信装置２０で取得して、電気機器を制御する場合を例として説明する。

本実施の形態において、受信装置２０は、小型の無線端末装置からなり、主な機能部として、無線受信部２１、無線送信部２５、計時部２６、および機器制御部２７が設けられている。

計時部２６は、無線受信部２１からの受信パルスＲＤの受信間隔の時間を計時し、計時結果ＣＮＴを出力する機能を有している。この計時部２６には、主な機能部として、発振部２６Ａとカウンタ２６Ｂが設けられている。
発振部２６Ａは、一定周波数のクロックＣＫを出力する機能を有している。カウンタ２６Ｂは、発振部２６ＡからのクロックＣＫをカウントし、そのカウント値を計時結果ＣＮＴとして出力する機能と、無線受信部２１からの受信パルスＲＤに応じて、カウント値をリセットする機能とを有している。

機器制御部２７は、計時部２６からの計時結果ＣＮＴに基づいて、電気機器４０を制御するための制御信号を生成して出力する機能を有している。この機器制御部２７には、主な機能部として、設定部２７Ａ、比較部２７Ｂ、および信号生成部２７Ｃが設けられている。なお、無線受信部２１および無線送信部２５は、前述した第３の実施の形態と同様である。

設定部２７Ａは、予め設定された基準時間を示す基準値ＴＳを出力する機能を有している。比較部２７Ｂは、計時部２６からの計時結果ＣＮＴを設定部２７Ａからの基準値ＴＳと比較し、比較結果ＣＭＰを出力する機能を有している。信号生成部２７Ｃは、比較部２７Ｂからの比較結果ＣＭＰに対応する制御信号ＣＳを生成して無線送信部２５へ出力する機能を有している。

［第４の実施の形態の動作］
次に、図１４を参照して、本実施の形態にかかるセンサノードシステム１００の動作について説明する。図１４は、第４の実施の形態にかかるセンサノードシステムの動作を示す説明図である。

図１４に示すように、送信端末１０は、利用者の足の爪に装着されており、利用者が歩行した場合、その振動を検出して無線電波を送信する。
受信装置２０では、無線受信部２１により、送信端末１０からの無線電波を受信し、受信パルスＲＤを出力する。
計時部２６は、発振部２６ＡからのクロックＣＫをカウンタ２６Ｂでカウントして、カウント値を計時結果ＣＮＴとして機器制御部２７へ出力する。また、無線受信部２１からの受信パルスＲＤに応じてカウント値をリセットする。したがって、無線電波を受信するたびに計時結果ＣＮＴがリセットされ、無線電波の受信間隔が長くなれば計時結果ＣＮＴが大きくなる。

機器制御部２７の信号生成部２７Ｃは、比較部２７Ｂから、計時結果ＣＮＴが基準値ＴＳを越えたことを示す比較結果ＣＭＰが出力された場合、電気機器４０の動作を停止させるための制御信号ＣＳを生成する。この制御信号ＣＳは、無線送信部２５から電気機器４０へ通知され、照明器具４１、エアコン４２、テレビ４３、扇風機４４などの電気機器４０の動作が停止する。
これにより、利用者の活動が基準時間以上検出されなくなった時点で、電気機器４０の動作が自動的に停止される。

［第４の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、送信端末１０からの振動検出結果を受信装置２０で取得して、電気機器４０を制御するようにしたので、利用者の活動に応じて、電気機器４０の動作を自動制御することができる。また、利用者の活動が基準時間以上にわたり検出されなくなった時点で、電気機器４０の動作を自動停止させるようにしたので、利用者が部屋からいなくなった場合には、当該部屋にある家電製品の動作を停止させることができ、電気使用量を節約することができる。

なお、本実施の形態では、利用者の活動が基準時間以上にわたり検出されなくなった時点で、電気機器４０の動作を自動停止させる場合を例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、比較部２７Ｂにおいて、計時部２６からの計時結果ＣＮＴが、基準値ＴＳより小さくなった時点で、信号生成部２７Ｃにおいて、予め設定されている電気機器４０の動作を開始させる制御信号ＣＳを生成し、無線送信部２５を介して電気機器４０へ通知するようにしてもよい。これにより、利用者が部屋に戻った時点で、自動的に家電製品の動作を開始させることができる。

［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。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１００…センサノードシステム、１０…送信端末、１１…電源部、１２…蓄電回路、１２Ａ…整流回路、１２Ｂ…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…センサ素子、１４Ａ…支持板、１４Ｂ…バネ、１４Ｍ…可動電極、１４Ｐ，１４Ｎ…固定電極、１５…無線回路、２０…受信装置、２１…無線受信部、２２…データ処理部、２２Ａ…時計部、２２Ｂ…データ生成部、２２Ｃ…記憶部、２３…表示部、２４…操作部、２５…無線送信部、２６…計時部、２６Ａ…発振部、２６Ｂ…カウンタ、２７…機器制御部、２７Ａ…設定部、２７Ｂ…比較部、２７Ｃ…信号生成部、３０…携帯端末、４０…電気機器、ＣＶ…蓄電素子、ＧＮ…接地電極、Ｐ…基板、ＰＴ…電子回路部品。

Claims (4)

1. 外部から与えられた振動を検出して無線電波を送信する送信端末と、前記無線電波の受信により前記送信端末での振動の検出結果を取得する受信装置とを備えるセンサノードシステムにおいて、
   前記送信端末は、
   接地電位が印加される可動電極と、この可動電極と対向して固定された固定電極とを有し、前記振動に応じた前記可動電極の揺動により、前記接地電位に対して正負に変化する検知信号を前記固定電極から出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子からの検知信号に応じて容量素子を充電し、当該充電電圧がしきい値電圧を上回った場合に、前記振動の検出を示す制御信号を出力するセンサ素子信号検出回路と、
   動作電力を蓄電する蓄電素子と、
   前記センサ素子信号検出回路からの制御信号に応じて、前記蓄電素子の動作電力により動作して前記無線電波を送信する無線回路と
   を備え、
   前記可動電極は、基板に実装された前記蓄電素子の上端に位置する当該蓄電素子の接地電極に対して、揺動自在に支持されているとともに電気的に接続されている
   ことを特徴とするセンサノードシステム。
2. 請求項２に記載のセンサノードシステムにおいて、
   前記基板のうち前記可動電極の下方の領域に電子回路部品が実装されていることを特徴とするセンサノードシステム。
3. 外部から与えられた振動を検出して無線電波を送信する送信端末と、前記無線電波の受信により前記送信端末での振動の検出結果を取得する受信装置とを備えるセンサノードシステムで用いられる前記送信端末であって、
   接地電位が印加される可動電極と、この可動電極と対向して固定された固定電極とを有し、前記振動に応じた前記可動電極の揺動により、前記接地電位に対して正負に変化する検知信号を前記固定電極から出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子からの検知信号に応じて容量素子を充電し、当該充電電圧がしきい値電圧を上回った場合に、前記振動の検出を示す制御信号を出力するセンサ素子信号検出回路と、
   動作電力を蓄電する蓄電素子と、
   前記センサ素子信号検出回路からの制御信号に応じて、前記蓄電素子の動作電力により動作して前記無線電波を送信する無線回路と
   を備え、
   前記可動電極は、基板に実装された前記蓄電素子の上端に位置する当該蓄電素子の接地電極に対して、揺動自在に支持されているとともに電気的に接続されている
   ことを特徴とする送信端末。
4. 請求項３に記載の送信端末において、
   前記基板のうち前記可動電極の下方の領域に電子回路部品が実装されていることを特徴とする送信端末。

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