JP2012242250A

JP2012242250A - Acceleration sensor, oscillator, and avian influenza monitoring system

Info

Publication number: JP2012242250A
Application number: JP2011112952A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 健小林; Hironao Okada; 浩尚岡田; Takeshi Cho; 毅張; Hisahiro Ito; 寿浩伊藤; Ryutaro Maeda; 龍太郎前田; Homare Masuda; 誉増田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: JP5700435B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor, an oscillator, and an avian influenza monitoring system, which allow highly sensitive detection of a low-frequency oscillation while keeping the size of a device compact.SOLUTION: An acceleration sensor 210A includes an oscillator 211 having a characteristic of oscillating in a harmonic wave component caused by applying external force, enabling the oscillator 211 to detect a harmonic wave, detecting an oscillation in a frequency domain lower than a resonance frequency. Further, plural oscillators 211 are provided and arrayed so that the resonance frequencies F are different among the plural oscillators 211, and thereby the oscillation is detected over a frequency band such as 5 through 15 Hz. Preferably, the oscillator 211 has its width w substantially smaller than the width of a weight support part 215a and includes a beam part 215b formed in an S or zigzag shape.

Description

本発明は、加速度を検出する加速度センサ、振動子、それらを用いた鳥インフルエンザ監視システムに関する。 The present invention relates to an acceleration sensor for detecting acceleration, a vibrator, and a bird flu monitoring system using them.

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。このような食用に供する動物の健康管理は、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、かつ高コストであり、一般に普及させることができるものではなかった。そこで、このような動物の健康管理を、動物にセンサを装着し、無線によりセンサからの情報を収集することで行えないか、という検討が行われつつある。 Recently, interest in “food safety” has been rapidly increasing due to the occurrence of BSE and avian influenza epidemic. For the health management of animals used for food, an offline biopsy method has been mainly developed. However, these methods cannot perform inspection quickly, are expensive, and cannot be widely used in general. Therefore, studies are underway to determine whether such animal health management can be performed by attaching a sensor to an animal and collecting information from the sensor wirelessly.

そこで、本発明者らは、加速度・傾斜・温度・血流・血圧・脈拍等、鳥の物理量変化に着目した。これらの物理量測定を行うセンサを管理対象となる鳥に装着し、センサから送信された測定結果のデータに基づいて鳥の行動状態を判定することで、鳥の健康状態を判定するのである（例えば、特許文献１〜４参照）。 Therefore, the present inventors paid attention to changes in physical quantities of birds such as acceleration, inclination, temperature, blood flow, blood pressure, and pulse. A sensor for measuring these physical quantities is attached to a bird to be managed, and the health state of the bird is determined by determining the behavioral state of the bird based on the measurement result data transmitted from the sensor (for example, And Patent Documents 1 to 4).

研究の過程で、本発明者らは、鳥の健康状態を判定するのに鳥の動作時に生じる加速度の変化を監視するのが好ましいことを見出した。
これまでの研究で、鳥（鶏）の主たる動作周波数は５〜１５Ｈｚの範囲にあることが分かっている。したがって、鳥のモニタリングシステムで用いる加速度センサは、５〜１５Ｈｚといった低周波の振動を選択的に検知できる必要がある。 In the course of the study, the inventors have found that it is preferable to monitor changes in acceleration that occur during bird movement to determine bird health.
Previous studies have shown that the main operating frequency of birds (chicken) is in the range of 5-15 Hz. Therefore, the acceleration sensor used in the bird monitoring system needs to be able to selectively detect low-frequency vibrations of 5 to 15 Hz.

鳥にセンサを取り付けるには、センサや通信装置等を、小型・軽量化する必要がある。これに対し、ＭＥＭＳ技術を用いることにより、センサや通信装置等を５ｍｍ角以下といった、超小型のチップに収めることができる。 In order to attach a sensor to a bird, it is necessary to reduce the size and weight of the sensor, the communication device, and the like. On the other hand, by using the MEMS technology, a sensor, a communication device, or the like can be contained in an ultra-small chip such as 5 mm square or less.

特開２００８−１５１５５５号公報JP 2008-151555 A 特開２００８−１５１５６２号公報JP 2008-151562 A 特開２００８−１５２４３２号公報JP 2008-152432 A 特開２０１０−２１７１２０号公報JP 2010-217120 A

しかしながら、５ｍｍ角以下といった、超小型のチップに収められる加速度センサは、自ずとそれ自体の共振周波数が高くなる。その結果、５〜１５Ｈｚといった低周波の振動を選択的に検知するのが困難となっている。
また、加速度センサにより、５〜１５Ｈｚといった帯域の振動を検出しようとすると、その帯域内で互いに異なる共振周波数を有する多数の振動子が必要となる。すると、加速度センサ全体が大型化してしまうという問題もある。
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、小型化を図りつつ、低周波の振動を高い感度で検出することのできる加速度センサ、振動子、鳥インフルエンザ監視システムを提供することを目的とする。 However, an acceleration sensor that can be accommodated in an ultra-small chip of 5 mm square or less naturally has a high resonance frequency. As a result, it is difficult to selectively detect low-frequency vibrations of 5 to 15 Hz.
Further, when an acceleration sensor detects vibrations in a band of 5 to 15 Hz, a large number of vibrators having different resonance frequencies within the band are required. Then, there also exists a problem that the whole acceleration sensor will enlarge.
The present invention has been made based on such a technical problem, and provides an acceleration sensor, a vibrator, and an avian influenza monitoring system capable of detecting low-frequency vibrations with high sensitivity while achieving downsizing. For the purpose.

かかる目的のもとになされた本発明の加速度センサは、外部から加わる振動の加速度に応じて振動する振動子と、振動子の表面に形成され、振動子の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部と、圧電材料部で発生した電荷量に応じて得られる電圧が印加され、印加された電圧が予め定めた設定電圧を超えたときに信号を発するスイッチ回路を有した信号処理部と、を備える。そして、振動子に、当該振動子の共振周波数Ｆに対してＦ／ｎ（ｎは１以上の整数）の周波数を含む振動が加わったときに、圧電材料部において、設定電圧以上の電圧を信号処理部に印加することを特徴とする。
ここで、振動子は、外力印加による振動により高調波成分で振動する性質を有するのが好ましい。
このような振動子は、振動子自体の共振周波数Ｆに対してＦ／ｎ（ｎは２以上の整数）となる周波数の振動が加わると、ｎ次の高調波で振動する。この高調波は振動子の共振周波数であるために振幅が大きくなり、圧電材料部では、大きな電圧が出力される。これにより、電圧の閾値を適宜設定することにより、圧電材料部において、予め定めた以上（閾値以上）の電圧を信号処理部に印加することができる。
これにより、振動子の共振周波数よりも低い周波数の振動を検出することが可能となる。 The acceleration sensor according to the present invention based on such an object includes a vibrator that vibrates according to acceleration of vibration applied from the outside, and a piezoelectric element that is formed on the surface of the vibrator and generates electric charges according to deformation of the vibrator. A signal processing unit having a switch circuit that emits a signal when a voltage obtained according to a charge amount generated in the material unit and the piezoelectric material unit is applied, and the applied voltage exceeds a preset voltage; Is provided. When a vibration including a frequency of F / n (n is an integer of 1 or more) with respect to the resonance frequency F of the vibrator is applied to the vibrator, a voltage higher than the set voltage is signaled in the piezoelectric material portion. It applies to a process part, It is characterized by the above-mentioned.
Here, it is preferable that the vibrator has a property of vibrating with a harmonic component due to vibration caused by external force application.
Such a vibrator vibrates with an nth-order harmonic when a vibration having a frequency of F / n (n is an integer of 2 or more) is applied to the resonance frequency F of the vibrator itself. Since this harmonic is the resonance frequency of the vibrator, the amplitude increases, and a large voltage is output from the piezoelectric material portion. Accordingly, by appropriately setting the threshold value of the voltage, a voltage higher than a predetermined value (above the threshold value) can be applied to the signal processing unit in the piezoelectric material portion.
As a result, it is possible to detect vibration having a frequency lower than the resonance frequency of the vibrator.

このような振動子は、いかなる構成としても良いが、例えば、振動子は、一端側が固定端とされ、他端側が自由端とされたカンチレバー型であり、自由端側に錘を搭載する錘支持部が設けられ、固定端と錘支持部との間に、錘支持部の幅よりも細い幅を有し、固定端と錘支持部との間隔よりも長いビーム長を有するよう、Ｓ字状またはジグザグ状に形成されたビーム部が設けられたものとするのが好ましい。 Such a vibrator may have any configuration. For example, the vibrator is a cantilever type in which one end side is a fixed end and the other end side is a free end, and a weight support in which a weight is mounted on the free end side. Is provided with a portion that is narrower than the weight support portion between the fixed end and the weight support portion, and has a longer beam length than the distance between the fixed end and the weight support portion. Alternatively, it is preferable that a beam portion formed in a zigzag shape is provided.

また、振動子を複数本設け、これら複数本の振動子間において、それぞれの共振周波数が互いに異なるよう設定することにより、振動子の共振周波数よりも低い周波数帯域において、様々な周波数を網羅して検出を行うことが可能となる。 In addition, by providing a plurality of vibrators and setting the resonance frequencies of these vibrators to be different from each other, various frequencies can be covered in a frequency band lower than the resonance frequency of the vibrator. Detection can be performed.

また、本発明は、一端側が固定端とされ、他端側が自由端とされたカンチレバーの振動子であって、自由端側に錘を搭載する錘支持部が設けられ、固定端と錘支持部との間に、Ｓ字状またはジグザグ状に形成されたビーム部が設けられていることを特徴とする振動子とすることもできる。
ここで、ビーム部は、錘支持部の幅よりも細い幅を有し、固定端と錘支持部との間隔よりも長いビーム長を有するよう、形成することができる。
このような振動子はｎ次の高調波を出力する。特に、振動子自体の共振周波数Ｆに対してＦ／ｎ（ｎは２以上の整数）となる周波数の振動が加わると、そのｎ次高調波が共振周波数に一致するので振動振幅が大きくなり、振動子の表面に、振動子の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部を形成することにより、圧電材料部では大きな振動振幅に由来した、大きな電圧を出力することができる。
このような振動子は、上記の加速度センサに限らず、他の目的にも適宜用いることができる。 Further, the present invention is a cantilever vibrator in which one end side is a fixed end and the other end side is a free end, and a weight support portion for mounting a weight is provided on the free end side, and the fixed end and the weight support portion A vibrator having a beam portion formed in an S shape or a zigzag shape may be provided between them.
Here, the beam portion can be formed to have a width narrower than that of the weight support portion and to have a beam length longer than the interval between the fixed end and the weight support portion.
Such a vibrator outputs nth-order harmonics. In particular, when a vibration having a frequency of F / n (n is an integer of 2 or more) is applied to the resonance frequency F of the vibrator itself, the vibration amplitude increases because the n-order harmonic coincides with the resonance frequency. By forming a piezoelectric material portion that generates electric charges according to the deformation of the vibrator on the surface of the vibrator, the piezoelectric material portion can output a large voltage derived from a large vibration amplitude.
Such a vibrator is not limited to the acceleration sensor described above, and can be used as appropriate for other purposes.

また、本発明は、鳥インフルエンザ監視システムであって、管理対象となる鳥に装着され、少なくとも加速度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、鳥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、センサが、上記したような加速度センサを備えることを特徴とすることもできる。 Further, the present invention is a bird flu monitoring system, which is attached to a bird to be managed, measures at least acceleration, and wirelessly transmits a measurement result as data,
A determination device that determines whether or not an abnormality has occurred in the health condition of the bird based on data transmitted from the sensor, and the sensor includes an acceleration sensor as described above. it can.

ところで、鳥に装着されるセンサにおいては、長期間にわたってセンサが使用できるよう、消費電力を抑えることが望まれている。
そこで、センサは、鳥の体温を検出する温度センサをさらに備え、温度センサで検出された鳥の体温が、予め定めた正常範囲から外れたときには、鳥の体温のデータを判定装置に送信し、温度センサで検出された鳥の体温が、予め定めた正常範囲内にあるときには、センサにより検出される鳥の加速度が予め定めた一定以上になった回数をカウントし、そのカウント値が一定値に到達したときに、その時点で温度センサにより検出される温度を出力することもできる。
これにより、鳥の体温が正常範囲内にあるときには、鳥の加速度が予め定めた一定以上になった回数をカウントし、そのカウント値が一定値に到達したときのみ、検出温度を出力することにより、消費電力を抑えるとともに、正常状態が長く続く間においても、加速度センサや温度センサが正常に動作していることを確認することができる。 By the way, in a sensor mounted on a bird, it is desired to reduce power consumption so that the sensor can be used for a long period of time.
Therefore, the sensor further includes a temperature sensor for detecting the bird's body temperature, and when the bird's body temperature detected by the temperature sensor is out of the predetermined normal range, the bird's body temperature data is transmitted to the determination device, When the bird's body temperature detected by the temperature sensor is within a predetermined normal range, the number of times that the bird's acceleration detected by the sensor exceeds a predetermined value is counted, and the count value becomes a constant value. When it reaches, the temperature detected by the temperature sensor at that time can be output.
By this, when the bird's body temperature is within the normal range, the number of times that the bird's acceleration has exceeded a predetermined value is counted, and only when the count value reaches a certain value, the detected temperature is output. In addition to reducing power consumption, it is possible to confirm that the acceleration sensor and the temperature sensor are operating normally even during a normal state that continues for a long time.

本発明によれば、振動子から高調波を出力することにより、振動子の共振周波数よりも低い周波数の振動を検出することが可能となるので、小型化を図りつつ、低周波の振動を高い感度で検出することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to detect vibrations having a frequency lower than the resonance frequency of the vibrator by outputting harmonics from the vibrator. It becomes possible to detect with sensitivity.

また、振動子を複数本設け、これら複数本の振動子間において、それぞれの共振周波数が互いに異なるよう設定することにより、振動子の共振周波数よりも低い周波数帯域において、様々な周波数を網羅して検出を行うことが可能となる。これにより、少ない本数で、広い周波数帯域の振動を検出することが可能となり、この点においても、小型化を図りつつ、低周波の振動を高い感度で検出することが可能となる。 In addition, by providing a plurality of vibrators and setting the resonance frequencies of these vibrators to be different from each other, various frequencies can be covered in a frequency band lower than the resonance frequency of the vibrator. Detection can be performed. As a result, it is possible to detect vibrations in a wide frequency band with a small number, and also in this respect, it is possible to detect low-frequency vibrations with high sensitivity while reducing the size.

本実施の形態における鳥インフルエンザ監視システム１００を概念的に描いた図である。1 is a diagram conceptually depicting an avian influenza monitoring system 100 in the present embodiment. センサの機能的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of a sensor. センサの外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of a sensor. センサにおける鳥の状態を検出するための処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the process for detecting the state of the bird in a sensor. 加速度センサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an acceleration sensor. 加速度センサを０．５ｍ／ｓ^２の加速度で振動させた場合の、出力電圧の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the output voltage when the acceleration sensor is vibrated at an acceleration of 0.5 m / s ² . ４〜１４Ｈｚで加速度センサを振動させた場合の、出力電圧の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the output voltage when the acceleration sensor is vibrated at 4 to 14 Hz. 加速度センサを２ｍ／ｓ^２の加速度で、０〜３０Ｈｚの範囲の加速度で振動させた場合の出力電圧である。This is an output voltage when the acceleration sensor is vibrated at an acceleration in the range of 0 to 30 Hz at an acceleration of ² m / s ² .

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。
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内で管理される鳥に装着される無線センサ端末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.
As shown in FIG. 1, the bird flu monitoring system 100 includes a wireless sensor terminal 120 attached to a bird managed in the management area 110, and one or more relays installed so as to cover the management area 110. The station 130 includes a relay station controller 140 that centrally controls all the relay stations 130 installed in the management area 110, a transmission / reception device 150, a control device (determination device) 160, and the like.

管理区域１１０は、鳥舎等、鳥を飼育するために設けられたものである。
管理区域１１０内においては、無線センサ端末１２０と中継局１３０との間は無線により通信が行われる。 The management area 110 is provided for raising birds such as a birdhouse.
In the management area 110, the wireless sensor terminal 120 and the relay station 130 communicate wirelessly.

無線センサ端末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。
この無線センサ端末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 wireless sensor terminal 120 is a high-density integration of a sensor group that detects a bird's posture, behavior, vital signs, and the like, and a detection processing circuit, a communication circuit, a power supply, and a power management device, for monitoring the health state of the bird. System in package.
The measurement data in the wireless sensor terminal 120 is transmitted wirelessly. The transmitted measurement data is received by the relay station 130 and further transferred to the relay station controller 140.

中継局１３０と中継局コントローラ１４０とは、無線又は有線の各種通信ネットワークを介して接続される。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無線センサ端末１２０のデータを集めて送受信装置１５０へと転送することもできる。
送受信装置１５０は、各種通信ネットワークを介して無線センサ端末１２０の測定データを制御装置１６０へと送信する。 The relay station 130 and the relay station controller 140 are connected via various wireless or wired communication networks. The relay station controller 140 controls not only the relay station 130 installed in the management area 110 but also the relay stations in the other management areas 112 and 114, and collects data of the wireless sensor terminals 120 received by these relay stations. Then, the data can be transferred to the transmission / reception device 150.
The transmission / reception device 150 transmits the measurement data of the wireless sensor terminal 120 to the control device 160 via various communication networks.

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実現することができる。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、無線センサ端末１２０から送信された測定データに基づき、鳥インフルエンザの発生の有無を監視している。そして、無線センサ端末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 control device 160 is a computer device in terms of hardware, and can be realized by installing software having necessary functions in a general-purpose computer. For this reason, many functions of the control device 160 are realized by the cooperation of hardware such as a CPU, memory, network adapter, and modem provided in a general computer and software.
The control device 160 monitors the occurrence of avian influenza based on the measurement data transmitted from the wireless sensor terminal 120. When the measurement data transmitted from the wireless sensor terminal 120 is determined to indicate the occurrence of avian influenza, the determination result, that is, information indicating that avian influenza has occurred is output as an alarm. It is also possible to output by printing out a printed matter, sending an e-mail to a destination input in advance, or the like. The control device 160 may be installed in the vicinity of the management area 110, but may be installed in a remote place that is completely separated.

図２、図３に示すように、無線センサ端末１２０は、例えば、所定の物理量を測定するセンサ部２１０と、無線センサ端末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ＬＳＩ等から構成される回路からなるセンサ制御部２２０と、センサ制御部２２０の動作に必要な電力を蓄えるバッテリやコンデンサ等からなる蓄電部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とを、薄帯状（フィルム状）、薄板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。
このような無線センサ端末１２０は、ＭＥＭＳ加工技術を用いることで、数ｃｍ四方以内の小型なものとすることができる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the wireless sensor terminal 120 includes, for example, a sensor unit 210 that measures a predetermined physical quantity, and an LSI that controls each unit to perform a predetermined operation as the wireless sensor terminal 120. Communication for transmitting and receiving radio waves between the relay station 130 and the sensor control unit 220 composed of configured circuits, the power storage unit 230 composed of a battery, a capacitor, or the like that stores electric power necessary for the operation of the sensor control unit 220 This is an ultra-small network sensor chip in which a communication control unit 240 for performing control and an antenna 250 are mounted on a thin strip (film) or thin plate substrate.
Such a wireless sensor terminal 120 can be made as small as a few cm square by using the MEMS processing technology.

センサ部２１０は、対象物の加速度を測定する加速度センサ２１０Ａと、対象物の温度（体温）を検出する温度センサ２１０Ｔ１、２１０Ｔ２と、を備えている。ここで、温度センサ２１０Ｔ１は、ＭＥＭＳ温度センサで１℃程度の精度で鳥の体温がある範囲内にあるかないかを判定するために用いられる。温度センサ２１０Ｔ２は、例えば半導体温度センサ（サーミスタ）であり、温度センサ２１０Ｔ１よりも高精度なものとされ、鳥の体温の検出値として外部に送信される体温データを測定するために用いられる。
なおここで、本実施形態では、二つの温度センサ２１０Ｔ１、２１０Ｔ２を備える構成としたが、もちろんこれを一つの温度センサにより構成することも可能である。 The sensor unit 210 includes an acceleration sensor 210A that measures the acceleration of the object, and temperature sensors 210T1 and 210T2 that detect the temperature (body temperature) of the object. Here, the temperature sensor 210T1 is a MEMS temperature sensor and is used to determine whether or not the bird's body temperature is within a certain range with an accuracy of about 1 ° C. The temperature sensor 210T2 is, for example, a semiconductor temperature sensor (thermistor), which has higher accuracy than the temperature sensor 210T1, and is used to measure body temperature data transmitted to the outside as a detected value of the body temperature of the bird.
Here, in the present embodiment, the two temperature sensors 210T1 and 210T2 are provided. However, of course, this may be constituted by one temperature sensor.

このような無線センサ端末１２０は、センサ制御部２２０により、予め記憶されたコンピュータプログラムに基づいて、以下に示すような動作を自動的に実行する。
図４に示すように、無線センサ端末１２０は、センサ制御部２２０に備えた図示しないタイマにより、一定時間毎に温度センサ２１０Ｔ１で鳥の体温を検出し、検出された体温の測定結果は、図示しないメモリ等の送信バッファに記憶させる（ステップＳ１０１）。そして、検出された体温が、予め定められた通常体温範囲（例えば３０〜４２℃）外であるか否かを判定し（ステップＳ１０２）、通常体温範囲内であるときには、タイマをリセットし、ステップＳ１０１からの処理を、タイマにより一定時間毎に繰り返す。
一方、ステップＳ１０２において、検出された体温が、予め定められた範囲外であるときには、異常が生じているとして、まず、図示しない異常時タイマを起動させる（ステップＳ１０３）。異常時タイマが起動すると、割り込み処理に移行し、温度センサ２１０Ｔ２により鳥の体温を検出し（ステップＳ１０４）、測定結果を図示しないメモリ等の送信バッファに記憶させる（ステップＳ１０５）。 In such a wireless sensor terminal 120, the sensor controller 220 automatically executes the following operation based on a computer program stored in advance.
As shown in FIG. 4, the wireless sensor terminal 120 detects the body temperature of the bird with a temperature sensor 210T1 at regular intervals by a timer (not shown) provided in the sensor control unit 220, and the measurement result of the detected body temperature is shown in the figure. The data is stored in a transmission buffer such as a memory (step S101). Then, it is determined whether or not the detected body temperature is outside a predetermined normal body temperature range (for example, 30 to 42 ° C.) (step S102). If the detected body temperature is within the normal body temperature range, the timer is reset, The processing from S101 is repeated at regular intervals by a timer.
On the other hand, if the detected body temperature is outside the predetermined range in step S102, an abnormality timer (not shown) is first started, assuming that an abnormality has occurred (step S103). When the abnormal timer is started, the process proceeds to interrupt processing, the temperature of the bird is detected by the temperature sensor 210T2 (step S104), and the measurement result is stored in a transmission buffer such as a memory (not shown) (step S105).

通信制御部２４０において、送信フラグがＯＮとなった時点で、送信バッファに記憶させた鳥の体温検出結果を、送信データとして制御装置１６０に送信する（ステップＳ１０６、Ｓ１０７）。
そして、異常時タイマにより、予め定められた設定時間が経過し、タイムアウトとなった時点で、ステップ１０１に戻り、同様の処理を繰り返す（ステップＳ１０８）。
これとともに、送信フラグをＯＦＦとする（ステップＳ１０９）。この送信フラグは、送信イベントの発生を禁止するタイマにおいて、所定時間が経過する毎に、ＯＮとなるよう、通信制御部２４０でコントロールされる。 In the communication control unit 240, when the transmission flag is turned ON, the bird body temperature detection result stored in the transmission buffer is transmitted to the control device 160 as transmission data (steps S106 and S107).
Then, when a predetermined set time elapses and a time-out occurs due to the abnormality timer, the process returns to step 101 and the same processing is repeated (step S108).
At the same time, the transmission flag is turned off (step S109). This transmission flag is controlled by the communication control unit 240 so that the transmission flag is turned on every time a predetermined time elapses in a timer that prohibits the generation of a transmission event.

一方、加速度センサ２１０Ａでは、鳥がその動作に伴って発生する加速度を継続的に検出している。
そして、検出された加速度に応じて出力される電圧が、予め定めた閾値電圧以上であったときには、センサ制御部２２０のカウンタで、そのカウンタ値を１つ加算する。つまり、カウンタでは、閾値電圧を越えた回数をカウントする（ステップＳ１１０〜Ｓ１１１）。
そして、閾値電圧を越えた回数のカウント値が、予め定めた設定値以上となったときには、その時点で温度センサ２１０Ｔ１において測定した鳥の体温データ、あるいはサーミスタ等のより精密な温度センサ２１０Ｔ２で測定した鳥の体温データをメモリ等の送信バッファに送信して記憶させる（ステップＳ１１２、Ｓ１１３、Ｓ１０４）。 On the other hand, the acceleration sensor 210A continuously detects the acceleration generated by the bird as it moves.
When the voltage output according to the detected acceleration is equal to or higher than a predetermined threshold voltage, the counter value of the sensor control unit 220 adds one of the counter values. That is, the counter counts the number of times that the threshold voltage has been exceeded (steps S110 to S111).
When the count value of the number of times exceeding the threshold voltage becomes equal to or higher than a predetermined set value, the temperature data measured by the temperature sensor 210T1 at that time or measured by a more precise temperature sensor 210T2 such as a thermistor. The body temperature data of the bird is transmitted to a transmission buffer such as a memory and stored (steps S112, S113, S104).

このようにして、まず、鳥の体温が、３０〜４２℃といった通常体温範囲内にある正常状態か、その範囲外の異常状態かが判定される。
そして、正常状態のときは、センサ制御部２２０は加速度センサ２１０Ａが振動することにより発生する電圧が、予め設定した閾値電圧を超えた回数をカウントし、その回数が閾値回数を超えたときに、その時点で温度センサ２１０Ｔ１において測定した鳥の体温データ、あるいはより精密な温度センサ２１０Ｔ２で測定した鳥の体温データを送信する。
一方、異常状態のときは、センサ制御部２２０は温度センサ２１０Ｔ１において測定した鳥の体温データ、あるいはより精密な温度センサ２１０Ｔ２で測定した鳥の体温データを一定間隔（例えば１０分程度）で送信する。
このようなシステムとすることで、低消費電力で鳥インフルエンザの発生を判定するには必要十分に鳥の健康モニタリングを行うことができる。また、検出された鳥の体温が通常対応範囲内にある正常状態が長く続く場合においても、無線センサ端末１２０が正常に動作していることを確認することができる。 In this way, first, it is determined whether the bird's body temperature is in a normal state within a normal body temperature range of 30 to 42 ° C. or an abnormal state outside that range.
In the normal state, the sensor control unit 220 counts the number of times that the voltage generated by the vibration of the acceleration sensor 210A exceeds a preset threshold voltage, and when the number exceeds the threshold number, At that time, the body temperature data of the bird measured by the temperature sensor 210T1 or the body temperature data of the bird measured by the more precise temperature sensor 210T2 is transmitted.
On the other hand, in the abnormal state, the sensor control unit 220 transmits the bird body temperature data measured by the temperature sensor 210T1 or the bird body temperature data measured by the more precise temperature sensor 210T2 at regular intervals (for example, about 10 minutes). .
By adopting such a system, it is possible to perform bird health monitoring sufficiently and sufficiently to determine the occurrence of avian influenza with low power consumption. Further, even when the normal state in which the detected body temperature of the bird is within the normal corresponding range continues for a long time, it can be confirmed that the wireless sensor terminal 120 is operating normally.

図５に示すように、加速度センサ２１０Ａは、加速度センサ２１０Ａに作用した加速度に応じて振動・変形する振動子２１１と、振動子２１１の表面に形成され、振動子２１１の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部２１２と、圧電材料部２１２で発生した電荷量に応じて得られる電圧が印加され、印加された電圧が予め定めた設定電圧を越えたときに信号を発するスイッチ回路を有したＬＳＩ等からなる信号処理回路（信号処理部）２１３とを備えている。 As shown in FIG. 5, the acceleration sensor 210 </ b> A is formed on the surface of the vibrator 211 that vibrates and deforms according to the acceleration acting on the acceleration sensor 210 </ b> A, and charges according to the deformation of the vibrator 211. The piezoelectric material unit 212 to be generated and a switch circuit that generates a signal when a voltage obtained according to the amount of electric charge generated in the piezoelectric material unit 212 is applied and the applied voltage exceeds a preset voltage are provided. And a signal processing circuit (signal processing unit) 213 made of an LSI or the like.

ここで振動子２１１としては、シリコン基板２１５をＭＥＭＳ技術により所定形状に形成することで形成された、一端が固定端とされ、他端が自由端とされたカンチレバー式のものを用いる。
この振動子２１１は、錘２１６を支持する自由端側の錘支持部２１５ａと、錘支持部２１５ａとシリコン基板２１５側の固定端との間に設けられたビーム部２１５ｂとから形成されている。
ビーム部２１５ｂは、錘支持部２１５ａよりも幅寸法ｗが大幅に小さく、Ｓ字状、あるいはジグザグ状に形成されており、これにより、錘支持部２１５ａとシリコン基板２１５との間隔ｄよりも、ビーム部２１５ｂの中心軸線の長さの方が大きくなっている。
このような振動子２１１においては、加速度が作用すると、錘支持部２１５ａに錘２１６の質量が加わっている振動子２１１が、作用した加速度に応じた変形量で撓み変形する。
このとき、振動子２１１は、Ｆ＝ｋｘ＋ＮＬ（ＮＬは非線形成分）で表される、外力印加による振動により高調波成分で振動する性質を有している。 Here, as the vibrator 211, a cantilever type formed by forming the silicon substrate 215 in a predetermined shape by a MEMS technique and having one end as a fixed end and the other end as a free end is used.
The vibrator 211 is formed of a free-end-side weight support portion 215a that supports the weight 216, and a beam portion 215b provided between the weight support portion 215a and the fixed end on the silicon substrate 215 side.
The beam part 215b has a width dimension w that is significantly smaller than that of the weight support part 215a, and is formed in an S shape or zigzag shape. Thus, the distance d between the weight support part 215a and the silicon substrate 215 is The length of the central axis of the beam portion 215b is larger.
In such a vibrator 211, when acceleration is applied, the vibrator 211 in which the mass of the weight 216 is added to the weight support portion 215a is bent and deformed by a deformation amount corresponding to the applied acceleration.
At this time, the vibrator 211 has a property of being oscillated with a harmonic component by vibration due to external force application, which is expressed by F = kx + NL (NL is a non-linear component).

上記のような振動子２１１を備える加速度センサ２１０Ａは、その共振周波数Ｆと等しい周波数の振動が入力されると、出力電圧が大きくなる。図６は、加速度センサ２１０Ａを０．５ｍ／ｓ^２の加速度で振動させた場合の、出力電圧の周波数特性である。振動子２１１の共振周波数は２４Ｈｚであり、Ｑ値は２５程度と極めて低いが、それでも共振周波数から０．５Ｈｚずれただけで出力電圧は半分以下になってしまう。 When the acceleration sensor 210A including the vibrator 211 as described above receives vibration having a frequency equal to the resonance frequency F, the output voltage increases. FIG. 6 shows the frequency characteristics of the output voltage when the acceleration sensor 210A is vibrated at an acceleration of 0.5 m / s ² . The resonance frequency of the vibrator 211 is 24 Hz, and the Q value is as low as about 25. However, the output voltage becomes half or less even when the resonance frequency is shifted by 0.5 Hz.

また、加速度センサ２１０Ａは、振動子２１１の共振周波数に対し、１／ｎ（ｎは１以上の整数）の周波数の振動が入力された場合も、出力電圧が大きくなる。図７は、４〜１４Ｈｚで加速度センサ２１０Ａを振動させた場合の、出力電圧の周波数特性である。振動子２１１の共振周波数Ｆの１／２、１／３、１／４、１／６である４、６、８、１２Ｈｚで振動させた場合、振動周波数の高調波が共振周波数Ｆに一致するので共振が起こり、結果として大きな出力電圧が得られている。図８は加速度センサ２１０Ａを２ｍ／ｓ^２の加速度で、０〜３０Ｈｚの範囲の加速度で振動させた場合の出力電圧である。振動子２１１の共振周波数Ｆである２４Ｈｚでの出力電圧が最も大きいが、信号処理回路２１３の閾値電圧を適切に設定（図中では５０ｍＶｐｐ）することで、鶏の動作周波数領域（５〜１５Ｈｚ）内である４、６、８、１２Ｈｚにおいて、閾値以上の大きな出力電圧が得られている。
つまり、加速度センサ２１０Ａに、鳥の動作によって加速度が入力された場合、その動作の振動周波数が、振動子２１１の共振周波数Ｆの高調波に一致すれば、振動子２１１から高い出力電圧を得ることが可能となっている。したがって、信号処理回路２１３では、閾値を、高調波が生じたときの出力電圧よりも低くなるよう適宜設定することで、印加された出力電圧が、予め定めた設定電圧を越えたときに信号を発する。 The acceleration sensor 210 </ b> A also has a large output voltage when vibration having a frequency of 1 / n (n is an integer equal to or greater than 1) is input to the resonance frequency of the vibrator 211. FIG. 7 shows the frequency characteristics of the output voltage when the acceleration sensor 210A is vibrated at 4 to 14 Hz. When the vibrator 211 is vibrated at 4, 6, 8, and 12 Hz which are 1/2, 1/3, 1/4, and 1/6 of the resonance frequency F of the vibrator 211, harmonics of the vibration frequency coincide with the resonance frequency F. Therefore, resonance occurs, and as a result, a large output voltage is obtained. FIG. 8 shows an output voltage when the acceleration sensor 210A is vibrated at an acceleration in the range of 0 to 30 Hz at an acceleration of ² m / s ² . The output voltage at 24 Hz, which is the resonance frequency F of the vibrator 211, is the largest, but by setting the threshold voltage of the signal processing circuit 213 appropriately (50 mVpp in the figure), the operating frequency range of the chicken (5-15 Hz) A large output voltage equal to or higher than the threshold is obtained at 4, 6, 8, and 12 Hz.
That is, when acceleration is input to the acceleration sensor 210A by a bird's movement, a high output voltage is obtained from the vibrator 211 if the vibration frequency of the movement matches the harmonic of the resonance frequency F of the vibrator 211. Is possible. Therefore, the signal processing circuit 213 appropriately sets the threshold value to be lower than the output voltage when the harmonics are generated, so that the signal is output when the applied output voltage exceeds a predetermined set voltage. To emit.

なお、振動子２１１は、Ｓ字状またはジグザグ状に形成されたビーム部２１５ｂを有しているので、振動子２１１の見かけの大きさを小さく押えつつ、振動子２１１の固定端から自由端までの実質的な長さを大きく確保し、振動子２１１の周波数を低く押えることができる。 The vibrator 211 has a beam portion 215b formed in an S shape or a zigzag shape, so that the apparent size of the vibrator 211 is kept small, and from the fixed end to the free end of the vibrator 211. The substantial length can be secured, and the frequency of the vibrator 211 can be kept low.

そこで、加速度センサ２１０Ａには、例えば複数本の振動子２１１を設け、これら複数本の振動子２１１間において、その共振周波数Ｆが互い異なるようにしてアレイ化するのが好ましい。
例えば、振動子２１１を、共振周波数Ｆが２４、２７、３０Ｈｚの３本を備えるようにすると、これらの高調波の周波数は、ｎ＝２〜６とすると、
共振周波数Ｆ＝２４Ｈｚ：高調波周波数＝１２、８、６、４．８、４Ｈｚ、
共振周波数Ｆ＝２７Ｈｚ：高調波周波数＝１３.５、９、６．７５、５．４、４．５Ｈｚ、
共振周波数Ｆ＝３０Ｈｚ：高調波周波数＝１５、１０、７．５、６、５Ｈｚ、
となる。
これにより、鳥（鶏）の５〜１５Ｈｚといった低周波帯域の振動を選択的に検出することが可能となっている。 Therefore, it is preferable that the acceleration sensor 210A is provided with, for example, a plurality of vibrators 211 and arrayed so that the resonance frequencies F are different between the plurality of vibrators 211.
For example, when the resonator 211 is provided with three resonance frequencies F of 24, 27, and 30 Hz, the frequency of these harmonics is n = 2 to 6,
Resonance frequency F = 24 Hz: harmonic frequency = 12, 8, 6, 4.8, 4 Hz,
Resonance frequency F = 27 Hz: Harmonic frequency = 13.5, 9, 6.75, 5.4, 4.5 Hz,
Resonance frequency F = 30 Hz: harmonic frequency = 15, 10, 7.5, 6, 5 Hz,
It becomes.
Thereby, it is possible to selectively detect vibrations of a low frequency band such as 5 to 15 Hz of a bird (chicken).

上述した加速度センサ２１０Ａによれば、複数本の振動子２１１を設け、これら複数本の振動子２１１間において、その共振周波数Ｆが互い異なるようにしてアレイ化することによって、５〜１５Ｈｚといった帯域の振動を検出することが可能となる。しかも、１本の振動子２１１において、２次、３次、…といった複数の次数ｎの高調波を検出することができるので、少ない本数の振動子２１１で前記のような低周波の帯域の振動を検出することができる。
さらに、振動子２１１の共振周波数Ｆは、５〜１５Ｈｚといった帯域よりも高い周波数に設定することができるため、振動子２１１の長さを抑えることができる。
このようにして、加速度センサ２１０Ａ全体が大型化してしまうのを防ぐことができる。 According to the acceleration sensor 210A described above, a plurality of vibrators 211 are provided, and the resonance frequency F is arrayed between the plurality of vibrators 211 so as to have a different band of 5 to 15 Hz. Vibration can be detected. In addition, since one vibrator 211 can detect a plurality of harmonics of order n such as second order, third order,..., Vibrations in a low frequency band as described above can be obtained with a small number of vibrators 211. Can be detected.
Furthermore, since the resonance frequency F of the vibrator 211 can be set to a frequency higher than a band of 5 to 15 Hz, the length of the vibrator 211 can be suppressed.
In this way, it is possible to prevent the entire acceleration sensor 210A from becoming large.

また、振動子２１１は、錘支持部２１５ａよりも幅寸法ｗが大幅に小さく、Ｓ字状、あるいはジグザグ状に形成されたビーム部２１５ｂを備えているので、振動子２１１の見かけの大きさを大きくすることなく、その共振周波数Ｆを低くすることができる。
さらに、ビーム部２１５ｂを構成するＳ字部、あるいはジグザグ部が連続する数を増やせば、共振周波数Ｆを一層低くすることができる。
これによっても、振動子２１１の見かけの大きさが大きくなるのを防いで、加速度センサ２１０Ａ全体が大型化してしまうのを防ぐことができる。 In addition, the vibrator 211 has a beam portion 215b having a width dimension w that is significantly smaller than the weight support portion 215a and formed in an S shape or a zigzag shape, so that the apparent size of the vibrator 211 can be increased. The resonance frequency F can be lowered without increasing it.
Furthermore, the resonance frequency F can be further lowered by increasing the number of consecutive S-shaped portions or zigzag portions constituting the beam portion 215b.
This also prevents an increase in the apparent size of the vibrator 211 and prevents the entire acceleration sensor 210A from becoming large.

なお、上記実施の形態では、振動子２１１を複数本備える場合において、その共振周波数Ｆを複数例示したが、これはあくまでも例に過ぎず、もちろん他の共振周波数Ｆとすることも可能である。
また、このような加速度センサ２１０Ａは、鳥インフルエンザ監視システム１００に限らず、他の様々な用途に用いることが可能である。その場合、上記したような構成を備えることで、加速度センサ２１０Ａは、低周波の振動を高感度に検出することができる。
さらに、上記したような振動子２１１は、加速度を検出する以外にも、例えば、外部から加えられる振動によって発電するような用途にも用いることが可能である。
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。 In the above-described embodiment, when a plurality of vibrators 211 are provided, a plurality of resonance frequencies F are illustrated, but this is only an example, and other resonance frequencies F can be used as a matter of course.
Such an acceleration sensor 210A is not limited to the bird flu monitoring system 100, and can be used for various other purposes. In that case, the acceleration sensor 210A can detect low-frequency vibration with high sensitivity by providing the above-described configuration.
Furthermore, the vibrator 211 as described above can be used not only for detecting acceleration but also for applications such as generating power by vibration applied from the outside.
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
１１０管理区域
１１２管理区域
１２０無線センサ端末
１３０中継局
１４０中継局コントローラ
１５０送受信装置
１６０制御装置（判定装置）
２１０センサ部
２１０Ａ加速度センサ
２１０Ｔ１温度センサ
２１０Ｔ２温度センサ
２１１振動子
２１２圧電材料部
２１３信号処理回路（信号処理部）
２１５シリコン基板
２１５ａ錘支持部
２１５ｂビーム部
２１６錘
２２０センサ制御部
２３０蓄電部
２４０通信制御部
２５０アンテナ 100 Bird Influenza Monitoring System 110 Management Area 112 Management Area 120 Wireless Sensor Terminal 130 Relay Station 140 Relay Station Controller 150 Transmitting / Receiving Device 160 Control Device (Determination Device)
210 sensor unit 210A acceleration sensor 210T1 temperature sensor 210T2 temperature sensor 211 vibrator 212 piezoelectric material unit 213 signal processing circuit (signal processing unit)
215 Silicon substrate 215a Weight support portion 215b Beam portion 216 Weight 220 Sensor control portion 230 Power storage portion 240 Communication control portion 250 Antenna

Claims

A vibrator that vibrates according to the acceleration of vibration applied from the outside;
A piezoelectric material portion that is formed on the surface of the vibrator and generates a charge according to deformation of the vibrator;
A signal processing unit having a switch circuit that emits a signal when a voltage obtained according to the amount of charge generated in the piezoelectric material unit is applied and the applied voltage exceeds a predetermined set voltage; ,
When a vibration including a frequency that is F / n (n is an integer of 1 or more) with respect to the resonance frequency F of the vibrator is applied to the vibrator, a voltage equal to or higher than the set voltage in the piezoelectric material portion. Is applied to the signal processing unit.

The acceleration sensor according to claim 1, wherein the vibrator has a property of vibrating with a harmonic component by vibration caused by application of an external force.

The vibrator is a cantilever type in which one end side is a fixed end and the other end side is a free end,
A weight support portion for mounting a weight on the free end side is provided,
The acceleration sensor according to claim 1, wherein a beam portion formed in an S shape or a zigzag shape is provided between the fixed end and the weight support portion.

4. The acceleration according to claim 1, wherein a plurality of the vibrators are provided, and the resonance frequencies of the plurality of vibrators are different from each other. 5. Sensor.

A cantilever type vibrator having one end side as a fixed end and the other end side as a free end,
A weight support portion for mounting a weight on the free end side is provided,
An S-shape is formed between the fixed end and the weight support portion so as to have a beam width that is smaller than the width of the weight support portion and longer than the distance between the fixed end and the weight support portion. Alternatively, a vibrator having a beam portion formed in a zigzag shape.

A bird flu monitoring system,
A sensor that is mounted on a bird to be managed, measures at least acceleration, and wirelessly transmits the result of the measurement as data;
A determination device that determines whether or not an abnormality has occurred in the health state of the bird based on the data transmitted from the sensor;
The avian influenza monitoring system, wherein the sensor includes the acceleration sensor according to any one of claims 1 to 4.

The sensor further comprises a temperature sensor for detecting the temperature of the bird,
When the body temperature of the bird detected by the temperature sensor is out of a predetermined normal range, the bird body temperature data is transmitted to the determination device,
When the body temperature of the bird detected by the temperature sensor is within a predetermined normal range, the number of times that the acceleration of the bird detected by the sensor exceeds a predetermined value is counted, and the count value The avian influenza monitoring system according to claim 6, wherein when the temperature reaches a certain value, a temperature detected by the temperature sensor at that time is output.