JP4823295B2 - センサノードチップおよびセンサノードシステム - Google Patents

Description

本発明は、センサネットワーク技術に関し、特にセンサノードチップの低電力化技術に関する。

各種のデータを検知するセンサに通信機能やデータ処理機能を付加して高機能なセンサノードを構成し、さらにこれらセンサノードでネットワークを構築するセンサネットワーク技術の研究が進んでいる。
このセンサネットワーク技術では、センサノードの小型化・軽量化を目的として、データを検知して受信装置へ送信するための回路構成を半導体チップで実現したセンサノードチップが注目されている。

このようなセンサノードチップは、物や人などの様々な対象に取り付けられることで、その対象の各種状態を示すデータを検知して、無線信号により受信装置へ送信することができる。このため、受信装置で受信したこれら検知データを、インターネットなどのネットワークを介して収集することで、様々なサービスを実現することができ、いわゆるユビキタスネットワークサービスを実現することができる。例えば、装置に取り付けたセンサノードチップでその振動周波数や加速度を検知するとともに、受信装置でこれら検知データを収集して提供することにより、ネットワークを介して遠隔地で装置の動作状態を把握でき、有用な保守・整備サービスを広い範囲で提供することが可能となる。

図１８は、従来のセンサノードシステムの構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１など参照）。センサノードシステム５００は、センサノードチップ５０と受信装置６０で構成される。センサノードチップ５０で検知したデータは無線電波を介して受信装置６０に送信される。無線電波は、比較的微弱な無線信号であり、数十ｃｍから数十ｍ離れた距離を通信できる。
センサノードチップ５０は、センサ素子部５１、センサ回路部５２、Ａ／Ｄ変換部５３、ＣＰＵ５４、メモリ部５５、無線部５６、および電源部５７により構成され、電源部５７から各ブロックへ電力が供給されている。電源部５７は、例えば振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構や２次電池等で構成されており、長時間の動作が実現可能なように工夫されている。

センサ素子部５１から得られた差動の電圧信号は、センサ回路５２の差動増幅器ＡＭＰで増幅された後、後段のＡ／Ｄ変換部５３でＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ５４によりメモリ部５５へ検知データとして保存される。その後、検知データはＣＰＵ５４により所定のタイミングでメモリ部５５から読み出され、無線部５６から無線電波により受信装置６０へ送信される。

図１９は、センサ素子部およびセンサ回路部の構成を示す回路図である。センサ素子部５１は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に逆方向で並列接続された２つの振動センサ５１Ａ，５１Ｂから構成されている。振動センサ５１Ａは、外部振動により互いに逆方向に容量値が変化する２つの可変容量素子ＣＰ１，ＣＮ１の直列接続からなり、振動センサ５１Ｂは、外部振動により互いに逆方向に容量値が変化する２つの可変容量素子ＣＰ２，ＣＮ２からなる。

図２０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

しかしながら、このような従来技術では、２つの振動センサを用いて差動の検知信号を得た後、センサ回路部の差動増幅器で増幅しているため、この差動増幅部での消費電力が大きく、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減できないという問題点があった。
すなわち、差動増幅器はトランジスタをアナログ動作させているため、直流電流を常時消費してしまうことから、センサノードチップ全体での消費電力は、ｍＷ（ミリワット）からμＷ（マイクロワット）レベルとなる。また、上記消費電力を確保するために電源部の発電量を大きくするには発電機構の体積を大きくする必要があり、センサノードチップの小型化が制約される。

その結果、小さな物や人などの対象にセンサノードチップを取り付ける際、センサノードチップの大きさによって取付位置が制約されるため、センサノードシステムの導入を妨げる要因となる。また、このような制約に応じてセンサノードチップの取付位置を変更した場合には、対象の状態を示す所望の検知データを正確に取得することができない場合も考えられる。したがって、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することができない場合もある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、センサノードチップでの消費電力を効果的に削減でき、センサチップノードの小型化を実現できるセンサノードチップおよびセンサノードシステムを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるセンサノードチップは、外部から与えられた外部振動を検知し、その検知結果を無線電波で送信するセンサノードチップであって、外部振動に応じて容量値が変化する可変容量素子を含み、当該容量変化に応じた検知信号を出力するセンサ素子部と、直列接続された第１、第２、および第３のダイオードと、これらダイオードの直列接続からの出力電圧を充電する固定容量素子とを含み、検知信号の変化に応じて各ダイオードが交互に導通することにより固定容量素子を徐々に充電するセンサ回路部と、固定容量素子両端のセンサ出力電圧がしきい値電圧に達した時点で、無線電波の送信を指示する制御信号を出力する制御回路部と、動作電源を供給する電源部と、動作電源で動作して無線電波を送信する無線部と、制御信号に基づいて無線部に対する動作電源の供給を制御する給電制御部と、無線電波の送信時に、センサ出力電圧を初期化する初期化回路部とを備え、無線部は、給電制御部から動作電源の供給に応じて無線電波を送信することにより、外部振動の検知結果に応じた送信タイミングで無線電波を送信する。

この際、給電制御部に、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路を設け、制御信号の出力開始タイミングまたは無線部への動作電源供給開始タイミングからなる制御開始タイミングに基づいて時定数回路の動作を開始させることにより、制御開始タイミングから当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における無線部への動作電源供給を所定回数に制限するようにしてもよい。

具体的には、給電制御部に、制御信号に応じてオンオフ動作することにより無線部への動作電源の供給を制御するスイッチ部と、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路により電源部からの動作電源を徐々に蓄電し、無線部への動作電源供給時に当該時定数回路に蓄電されている動作電源をスイッチ部へ供給する蓄電部と、スイッチ部を介して無線部へ供給される動作電源に基づいて、無線部への当該動作電源供給時には蓄電部に対する電源部からの動作電源の供給を遮断し、無線部への当該動作電源の供給終了に応じて蓄電部に対する電源部からの動作電源の供給を再開する電源遮断部とを設けてもよい。

あるいは、給電制御部に、制御信号に応じてオンオフ動作することにより無線部への動作電源の供給を制御するスイッチ部と、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路で計時した、無線部への動作電源の供給開始直後から振動減衰時間経過までの電源遮断期間を示す遅延信号を出力する遅延部と、遅延信号に基づいて、電源遮断期間にはスイッチ部に対する電源部からの動作電源の供給を遮断し、電源遮断期間の終了に応じてスイッチ部に対する電源部からの動作電源の供給を再開する電源遮断部とを設けてもよい。

あるいは、給電制御部に、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路により制御信号を積分して振動減衰時間以上遅延させた遅延制御信号を出力する遅延部と、遅延制御信号に応じてオンオフ動作することにより無線部への動作電源の供給を制御するスイッチ部とを設けてもよい。

また、初期化回路部に、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路により無線部へ供給された動作電源を積分して振動減衰時間以上遅延させた遅延初期化信号を出力する遅延部と、遅延制御信号に応じてオンオフ動作することによりセンサ回路部の固定容量素子に充電されている電圧を初期化するトランジスタとを設けてもよい。

あるいは、初期化回路部に、固定容量素子の両端に並列接続されて、動作電源の供給時に導通するとともに、当該供給停止時に非導通となる第１のトランジスタと、電源電位と第１のダイオードの入力端子との間に挿入されて、動作電源の供給時に非導通となるとともに、当該供給停止時に導通する第２のトランジスタとを設けてもよい。

あるいは、初期化回路部に、固定容量素子の両端に並列接続されて、動作電源の供給時に導通するとともに、当該供給停止時に非導通となる第１のトランジスタと、ＭＯＳトランジスタのゲート端子と接地電位との間に接続されて、動作電源の供給時に非導通となるとともに、当該供給停止時に導通する第２のトランジスタと、ＭＯＳトランジスタのゲート端子と電源電位との間に接続されて、動作電源の供給時に導通するとともに、当該供給停止時に非導通となる第３のトランジスタとを設けてもよい。

また、センサ素子部に、外部振動に応じて容量値が互いに差動的に変化する第１および第２の可変容量素子を設け、これら第１および第２の可変容量素子の一端がそれぞれ接地電位に共通接続され、第１の可変容量素子の他端から第１の検知信号を出力し、第２の可変容量素子の他端から第１の検知信号とは差動的に変化する第２の検知信号を出力するようにしてもよい。

また、センサ回路部に、一端が接地電位に接続された固定容量素子と、入力端子が電源電位に接続された第１のダイオードと、出力端子が固定容量素子の他端に接続された第２のダイオードと、第１のダイオードの出力端子と第２のダイオードの入力端子との間に順方向で直列接続された１つ以上の第３のダイオードとを設け、各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが第１の可変容量素子の他端に接続され、他方の接続ノードが第２の可変容量素子の他端に接続されており、第１および第２の検知信号の変化に応じて各ダイオードが交互に導通することにより固定容量素子を徐々に充電するようにしてもよい。

また、本発明にかかるセンサノードシステムは、前述したいずれか１つのセンサノードチップと、センサノードチップから送信された無線電波の受信間隔を計測し、当該受信間隔からセンサノードチップに与えられた外部振動の周波数または加速度を示す検知データを算出する受信装置とを備えている。

本発明によれば、センサ素子部で得られた検知信号を差動増幅器で増幅することなく、外部振動に応じた電圧を示すセンサ出力信号を得ることができる。これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していた差動増幅部が不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。
したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となった差動増幅部に応じて回路規模を削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。

また、外部振動の検知結果に応じた送信間隔で無線電波を送信することができるため、センサ出力電圧をＡ／Ｄ変換し、その変換結果に基づき検知データを生成して無線電波で送信する必要がなくなり、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力をさらに削減することが可能となる。
したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となったＡ／Ｄ変換部やＣＰＵに応じて回路規模をさらに削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。

このように、本発明によれば、センサノードチップの小型化・軽量化が可能となるため、小さな物や人などの対象にセンサノードチップを取り付ける場合でも、センサノードチップの大きさに起因する取付位置の制約を緩和でき、センサノードシステムの導入を推進させることができる。したがって、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよびセンサノードチップについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよびセンサノードチップの構成を示すブロック図である。

このセンサノードシステム１００は、１つ以上のセンサノードチップ１０と受信装置２０とから構成されている。
センサノードチップ１０は、物や人などの様々な対象に取り付けられることで、その対象の状態を検知して、無線電波により外部機器へ送信する。無線電波は、比較的微弱な無線信号であり、数十ｃｍから数十ｍ離れた距離を通信できる。受信装置２０は、センサノードチップ１０から受信した無線電波により、対象の状態を示すデータを収集し、これらデータを通信ネットワーク（図示せず）で提供する。

センサノードチップ１０には、主な機能部として、センサ素子部１１、ゼロパワーセンサ回路部１２、制御回路部１３、無線部１４、電源部１５、および給電制御部１６が設けられている。

センサ素子部１１は、外部振動に応じて容量値が変化する可変容量素子を含み、当該容量変化に応じた検知信号を出力する振動センサである。
ゼロパワーセンサ回路部１２は、直列接続された３つのダイオード（第１、第２、および第３のダイオード）と、これらダイオードの直列接続からの出力電圧を充電する固定容量素子とを含み、センサ素子部１１で得られた検知信号の変化に応じてこれらダイオードが交互に導通して固定容量素子を徐々に充電することにより、対象の振動や加速度に応じた電圧を有するセンサ出力信号を出力する。
初期化回路部１７は、無線部１４からの無線電波の送信時に、ゼロパワーセンサ回路部１２の固定容量素子に充電されているセンサ出力電圧を初期化する。

制御回路部１３は、ゼロパワーセンサ回路部１２で得られたセンサ出力信号の電圧をしきい値電圧と比較し、センサ出力信号がしきい値電圧以下の場合にはスイッチオフを示す制御信号を給電制御部１６へ出力し、しきい値電圧を超過した場合にはスイッチオンを示す制御信号を給電制御部１６へ出力する。制御回路部１３については、例えば特許文献２に記載の比較回路を用いることにより、直流電流を生じることなく電圧を比較することができ、消費電力の削減に繋がる。

給電制御部１６は、制御回路部１３からの制御信号に応じて電源部１５から無線部１４への電源供給をスイッチ素子でオンオフ制御する。スイッチ素子については、ＭＯＳトランジスタで実現してもよく、ＭＥＭＳスイッチを用いてもよい。ＭＥＭＳスイッチを用いると、制御回路部の信号変化が緩やかなときでも、スイッチがOFFからONに変化する過渡状態で、リーク電流を生じることがなくなり、さらなる低電力動作が可能である。

無線部１４は、給電制御部１６を介して電源部１５から電源供給が行われた期間だけ、例えば当該センサノードチップ１０の識別情報などのデータを含む所定の無線電波を送信する。この場合、無線部１４において、ＵＷＢ(Ultra Wide Band)等の高周波パルスそのものを変調して送信する方式を用いてもよく、これにより低電力化無線通信が可能である。無線方式としては、ＵＷＢに限定するものではなく、これと同等またはそれ以下の低電力化が可能な無線方式を用いてもよい。

ゼロパワーセンサ回路部１２からのセンサ出力信号は、対象の振動や加速度の大きさに応じて、その電圧上昇速度が変化する。したがって、センサ出力信号が初期電位からしきい値電圧まで上昇する所要時間、すなわち制御信号の出力間隔が、対象の振動や加速度の大きさに応じて変化することになる。このため、無線部１４から送信する無線電波の間隔で対象の振動や加速度の大きさが受信装置２０へ通知される。

無線電波の送信期間長は、受信装置２０が当該無線電波を正常に受信するために必要な期間長だけ送信すればよい。この際、制御回路部１３から出力する制御信号を無線電波の送信期間長だけ出力することにより、無線電波の送信期間長を制御してもよい。
また、初期化回路部１７は、給電制御部１６から無線部１４へ動作電源が供給されて、無線部１４から無線電波の送信が開始された際に、ゼロパワーセンサ回路部１２の固定容量素子ＣＳに充電されているセンサ出力電圧を、接地電位へ初期化する。これにより、無線部１４からの無線電波の送信直後に、次の検知動作のための初期化が行われる。
なお、無線電波の送信期間長は、無線部１４において管理してもよく、この場合には、無線電波の送信終了の通知に応じて初期化回路部１７で、上記初期化動作を行えばよい。

図２は、センサ素子部、ゼロパワーセンサ回路部、および初期化回路部の構成例を示す回路図である。
センサ素子部１１は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に接続された振動センサ１１Ａから構成されている。振動センサ１１Ａは、外部振動により差動的に容量値が変化する２つの可変容量素子ＣＰ，ＣＮの直列接続からなる。

図３は、振動センサの構成例である。振動センサ１１Ａは、前述した振動センサ５１Ａ，５１Ｂと同様に、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)プロセスによりシリコンチップ上に構成された微細な櫛歯構造からなり、可動電極１１Ｍと２つの固定電極１１Ｐ，１１Ｎとを有している。

外部振動で可動電極１１Ｍが振動することにより、固定電極１１Ｐ，１１Ｎとの距離が変化して、可動電極１１Ｍと固定電極１１Ｐ，１１Ｎと間の容量ＣＰ，ＣＮの大きさが変化する。この際、固定電極１１Ｐと固定電極１１Ｎとの中間に可動電極１１Ｍが配置されているため、これら容量ＣＰ，ＣＮは差動的に変化する。
本実施の形態では、ノードＮ３を介して可動電極１１Ｍへ接地電位ＧＮＤを印加している。これにより、外部振動に応じて正負に電圧が差動で変化する検知信号が、固定電極１１Ｐ，１１ＮからノードＮ１，Ｎ２を介してそれぞれ出力される。

ゼロパワーセンサ回路部１２は、図２に示すように、順方向で直列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ３と固定容量素子ＣＳとからなり、これらが電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に直列接続されている。図２の例では、ＭＯＳトランジスタでダイオードを構成しているが、ＰＮダイオードを用いてもよい。

ゼロパワーセンサ回路部１２において、ダイオードＤ１（第１のダイオード）の入力端子は、電源電位ＶＤＤに接続され、ダイオードＤ１の出力端子とダイオードＤ３の入力端子との間にダイオードＤ２（第３のダイオード）が順方向で直列接続され、ダイオードＤ３（第２のダイオード）の出力端子からセンサ出力信号ＳＯが出力されている。また、ダイオードＤ３の出力端子と接地電位ＧＮＤとの間に固定容量素子ＣＳが接続されている。

また、ゼロパワーセンサ回路部１２では、各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが可変容量素子ＣＰのノードＮ１に接続され、他方の接続ノードが可変容量素子ＣＮのノードＮ２に接続されている。したがって、センサ素子部１１のノードＮ１は、ダイオードＤ１とダイオードＤ２との接続ノードに接続され、センサ素子部１１のノードＮ２は、ダイオードＤ２とダイオードＤ３との接続ノードに接続されている。
これにより、センサ素子部１１のノードＮ１，Ｎ２から出力された逆位相の２つの検知信号ＢＰ，ＢＮによりダイオードＤ１〜Ｄ３が交互に導通制御され、電源電位ＶＤＤにより固定容量素子ＣＳが徐々に充電される。

初期化回路部１７は、図２に示すように、ゼロパワーセンサ回路部１２の固定容量素子ＣＳに対して並列接続されたトランジスタＱ１（第１のトランジスタ）と、電源電位ＶＤＤとダイオードＤ１の入力端子との間に挿入されたトランジスタＱ２（第２のトランジスタ）とから構成されている。

トランジスタＱ１は、ＮＭＯＳトランジスタからなり、ドレイン端子とソース端子が固定容量素子ＣＳの両端にそれぞれ接続され、ゲート端子に給電制御部１６から無線部１４へ供給される動作電源が印加されている。
これにより、トランジスタＱ１は、動作電源の供給時に導通して、固定容量素子ＣＳの電荷を放電して初期化するとともに、当該供給停止時に非導通となる。

トランジスタＱ２は、ＰＭＯＳトランジスタからなり、ソース端子が電源電位ＶＤＤに接続され、ドレイン端子がダイオードＤ１の入力端子に接続され、ゲート端子に給電制御部１６から無線部１４へ供給される動作電源が印加されている。
これにより、トランジスタＱ２は、動作電源の供給時に非導通となって、ゼロパワーセンサ回路部１２への電源電位ＶＤＤの供給を遮断して初期化するとともに、当該供給停止時に導通してゼロパワーセンサ回路部１２への電源電位ＶＤＤの供給を開始する。

図４は、ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の動作を示す信号波形図である。検知動作の開始時点である時刻Ｔ０において、固定容量素子ＣＳの電圧は接地電位ＧＮＤと等しいものとする。その後、一定周波数の外部振動をセンサノードチップ１０に与えた場合、この外部振動に応じてセンサ素子部１１から出力される検知信号ＢＰ，ＢＮの電圧が変化する。この際、１回の振動でセンサ素子部１１の可変容量素子ＣＰ，ＣＮに充電される電荷は一定であることから、電荷Ｑ＝容量Ｃ×電圧Ｖの関係に基づき、容量Ｃと電圧Ｖとが反比例する。

このため、１回の振動で固定電極１１Ｐと可動電極１１Ｍとの距離が大きくなって可変容量素子ＣＰの容量Ｃが小さくなると検知信号ＢＰの電圧が高くなり、上記距離が小さくなって可変容量素子ＣＰの容量Ｃが大きくなると検知信号ＢＰの電圧が低くなる。また、このことは、固定電極１１Ｎと可動電極１１Ｍとから構成される可変容量素子ＣＮと検知信号ＢＮとの関係についても同様である。
ここで、図３に示したように、可変容量素子ＣＰ，ＣＮは対象構造をなすことから、検知信号ＢＰ，ＢＮは、図４に示すように逆位相の信号となる。なお、検知信号ＢＰ，ＢＮの波形については、実際には外部振動の状態に応じて曲線となるが、回路動作の説明を容易とするため、図４では、検知信号ＢＰ，ＢＮを矩形波形で示してある。

ゼロパワーセンサ回路部１２のダイオードＤ１〜Ｄ３は、それぞれの両端電圧差がしきい値電圧Ｖｔ以上になった時点で導通状態となる。このため、検知信号ＢＰの電圧が電源電位ＶＤＤよりＶｔ以上低下した時点でダイオードＤ１が導通し、検知信号ＢＮの電圧が検知信号ＢＰの電圧よりＶｔ以上低下した時点でダイオードＤ２が導通し、検知信号ＢＮの電圧が固定容量素子ＣＳの電位すなわちセンサ出力信号ＳＯの電圧よりＶｔ以上上昇した時点でダイオードＤ３が導通する。

このため、外部振動の繰り返しに応じて、ダイオードＤ１，Ｄ３とダイオードＤ２とが交互に導通することから、電源電位ＶＤＤからの電荷がダイオードＤ１〜Ｄ３を介して固定容量素子ＣＳまで順に伝達されて充電される。
したがって、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間ΔＴ１では、センサ出力信号ＳＯの電圧が制御回路部１３のしきい値電圧に達していないため、制御回路部１３からスイッチオフを示す制御信号ＣＮＴが出力される。一方、時刻Ｔ１に、センサ出力信号ＳＯの電圧が制御回路部１３のしきい値電圧に達した時点で、制御回路部１３からスイッチオンを示す制御信号ＣＮＴが出力される。これにより、時刻Ｔ０の動作開始から期間ΔＴ１経過後に、無線部１４に対して電源供給が行われて、無線電波が送信されることになる。

このように、センサ出力信号ＳＯの電圧は、検知信号ＢＰ，ＢＮの繰り返し回数に依存する。このため、検知信号ＢＰ，ＢＮの繰り返し速度、すなわち外部振動の周波数や加速度の大きさに応じて、センサ出力信号ＳＯの電圧が上昇する速度が変化する。
図５は、ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の他の動作を示す信号波形図である。図５では、図４より低い周波数の外部振動をセンサノードチップ１０へ与えた場合が例として示されている。この場合には、図４より外部振動の周波数が低いため、センサ出力信号ＳＯの電圧が上昇する速度は遅くなり、センサ出力信号ＳＯの電圧が制御回路部１３のしきい値電圧に達するまでに、期間ΔＴ１より長い期間ΔＴ２を要している。

この結果、無線部１４に対して、外部振動の周波数あるいは加速度の大きさに応じた間隔で、電源部１５から給電制御部１６を介して動作電源が供給されることになる。図６は、無線部の動作を示す説明図である。前述した図４および図５の動作で得られた期間ΔＴ１，ΔＴ２をパルス間隔として、無線電波が間欠的に送信される。無線電波の１回あたりの送信期間は、例えば1ｍｓ以下であることが望ましい。これによりさらなるμＷより小さいｎＷ（ナノワット）レベルまで低電力化が可能である。

図７は、受信装置の構成を示すブロック図である。この受信装置２０には、主な機能部として、無線受信部２１、通信部２２、メモリ部２３、およびＣＰＵ２４が設けられている。また、ＣＰＵ２４は、処理部として受信間隔計測部２４Ａ、検知データ算出部２４Ｂ、通信制御部２４Ｃが設けられている。
無線受信部２１は、センサノードチップ１０から送信された無線電波を受信し、無線電波の受信有無を示す受信パルス信号をＣＰＵ２４へ出力する。また、受信した無線電波を復調して、送信元センサノードチップ１０の識別情報などの各種情報をＣＰＵ２４へ出力する。

図８は、受信装置における無線電波受信間隔の計測結果を示す説明図である。受信間隔計測部２４Ａは、無線受信部２１からの受信パルス信号のパルス間隔すなわち無線電波の受信間隔をタイマ機能により計測する。検知データ算出部２４Ｂは、計測された各受信間隔を演算処理することにより、センサノードチップ１０で検出した外部振動の周波数や加速度に応じたデータを検知データとして算出し、メモリ部２３へ保存する。この受信間隔と外部振動の周波数や加速度とは逆比例の関係にある。通信制御部２４Ｃは、定期的あるいは外部装置（図示せず）からの要求に応じて、メモリ部２３から検知データを読み出し、ＬＡＮやインターネットなどの通信ネットワークを介して外部装置へ提供する。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態によれば、外部振動に応じて容量値が変化する可変容量素子を含み、当該容量変化に応じた検知信号を出力するセンサ素子部１１と、直列接続された第１、第２、および第３のダイオードと、これらダイオードの直列接続からの出力電圧を充電する固定容量素子とを含み、検知信号の変化に応じて各ダイオードが交互に導通することにより固定容量素子を徐々に充電するゼロパワーセンサ回路部１２とを設けたので、センサ素子部１１で得られた検知信号を差動増幅器で増幅することなく、外部振動に応じた電圧を示すセンサ出力信号をゼロパワーセンサ回路部１２で得ることができる。

これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していた差動増幅部が不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となった差動増幅部に応じて回路規模を削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。このため、小さな物や人などの対象にセンサノードチップを取り付ける場合でも、センサノードチップの大きさに起因する取付位置の制約を緩和でき、センサノードシステムの導入を推進させることができる。したがって、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することが可能となる。

また、本実施の形態では、固定容量素子両端のセンサ出力電圧が初期電位からしきい値電圧に達した時点で、無線部から無線電波を送信するようにしたので、外部振動の検知結果に応じた受信間隔で無線電波を送信することができる。このため、センサ出力電圧をＡ／Ｄ変換し、その変換結果に基づき検知データを生成して無線電波で送信する必要がなくなり、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力を効果的に削減することが可能となる。

これにより、センサノードチップ内では比較的大きな電力を消費していたＡ／Ｄ変換部やＣＰＵが不要となり、センサノードチップ全体の消費電力をさらに削減することが可能となる。したがって、消費電力の削減に応じて電源部の規模を縮小できるとともに、不要となったＡ／Ｄ変換部やＣＰＵに応じて回路規模をさらに削減でき、結果としてセンサノードチップの小型化・軽量化を図ることが可能となる。このため、前述と同様にセンサノードシステムの導入を推進させることができ、センサノードシステムを用いたユビキタスネットワークサービスで、有用なサービスを容易に提供することが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードチップについて説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードチップにおけるゼロパワーセンサ回路部および初期化回路部の構成例を示す回路図である。
第１の実施の形態では、初期化回路部１７のトランジスタＱ２により、ゼロパワーセンサ回路部１２のダイオードＤ１への電源電位ＶＤＤの供給制御を行う場合を例として説明した。本実施の形態では、初期化回路部１７からダイオードＤ１を制御して電源電位ＶＤＤの供給制御を行う場合について説明する。

図９において、初期化回路部１７は、ゼロパワーセンサ回路部１２の固定容量素子ＣＳに対して並列接続されたトランジスタＱ１（第１のトランジスタ）と、接地電位ＧＮＤとダイオードＤ１のゲート端子との間に挿入されたトランジスタＱ３（第２のトランジスタ）と、電源電位ＶＤＤとダイオードＤ１のゲート端子との間に挿入されたトランジスタＱ４（第２のトランジスタ）とから構成されている。

トランジスタＱ１は、ＮＭＯＳトランジスタからなり、ドレイン端子とソース端子が固定容量素子ＣＳの両端にそれぞれ接続され、ゲート端子に給電制御部１６から無線部１４へ供給される動作電源が印加されている。
これにより、トランジスタＱ１は、動作電源の供給時に導通して、固定容量素子ＣＳの電荷を放電して初期化するとともに、当該供給停止時に非導通となる。

トランジスタＱ３は、ＮＭＯＳトランジスタからなり、ソース端子がダイオードＤ１のゲート端子に接続され、ドレイン端子が接地電位ＧＮＤに接続され、ゲート端子に給電制御部１６から無線部１４へ供給される動作電源が印加されている。
トランジスタＱ４は、ＰＭＯＳトランジスタからなり、ソース端子が電源電位ＶＤＤに接続され、ドレイン端子がダイオードＤ１のゲート端子に接続され、ゲート端子に給電制御部１６から無線部１４へ供給される動作電源が印加されている。

したがって、無線部１４に対する動作電源の供給時には、トランジスタＱ３が導通するとともにトランジスタＱ４が非導通となって、ダイオードＤ１が非導通状態に制御される。これにより、ゼロパワーセンサ回路部１２への電源電位ＶＤＤの供給が遮断して初期化される。
一方、無線部１４に対する動作電源の供給停止時には、トランジスタＱ３が非導通となるともとにトランジスタＱ４が導通して、ダイオードＤ１が導通状態に制御される。これにより、ゼロパワーセンサ回路部１２への電源電位ＶＤＤの供給が再開される。

［第２の実施の形態の効果］
このように本実施の形態によれば、初期化回路部１７により、ゼロパワーセンサ回路部１２のダイオードＤ１を制御して電源電位ＶＤＤの供給制御を行うようにしたので、ダイオードＤ１の入力端子を電源電位ＶＤＤに直接接続することができる。このため、ゼロパワーセンサ回路部１２において、電源電位ＶＤＤから固定容量素子ＣＳへ効率よく電荷を転送することができ、振動検出の感度を向上させることが可能となる。

［第３の実施の形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップについて説明する。図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。

第１の実施の形態では、給電制御部１６がＭＥＭスイッチなどからなり、制御信号に応じて単にオンオフ動作を行う場合を例として説明した。第３の実施の形態と、後述する第４のおよび第５の実施の形態では、センサ素子部１１で検知の対象とする外部振動が、ドアなどの開閉による振動減衰時間を有している場合に適用する給電制御部１６の具体例について説明する。

ドアなどの開閉により発生する外部振動は、その振動が緩やかに減衰するため、センサ素子部１１での検知信号の振幅変化が収まるまで、ある程度の振動時間を必要とする。このような振動時間の長い外部振動が入力された場合、前述した第１の実施の形態では、無線送信直後に初期化回路部１７において、ゼロパワーセンサ回路部１２を初期化しているため、同一イベントにおける振動時間内に、ゼロパワーセンサ回路部１２で同一外部振動を再び検出して無線送信する可能性があり、誤検出の原因となる。したがって、振動時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制する必要がある。

第３〜第５の実施の形態では、給電制御部１６が、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路を含み、制御信号の出力開始タイミングまたは無線部への動作電源供給開始タイミングからなる制御開始タイミングに基づいて時定数回路の動作を開始させることにより、制御開始タイミングから当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における無線部への動作電源供給を所定回数に制限することを特徴としている。
これにより、振動減衰時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制することが可能となる。

次に、図１０を参照して、第３の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップは、図１０のような給電制御部１６を備えている。なお、その他の構成については、前述した第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

この給電制御部１６は、電源遮断部１６Ａ、蓄電部１６Ｂ、およびスイッチ部１６Ｃから構成されている。
電源遮断部１６Ａは、インバータ回路ＩＮＶとスイッチＳＷＣとからなり、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ供給される出力電源ＰＳの論理がインバータ回路ＩＮＶで反転され、スイッチＳＷＣをオンオフ制御することにより、蓄電部１６Ｂに対する電源部１５からの動作電源ＰＷの出力制御を行う。スイッチＳＷＣは、スイッチＳＷＰと同等のスイッチ素子である。

蓄電部１６Ｂは、抵抗素子Ｒｃと蓄電容量素子Ｃｃの時定数回路（積分回路）からなり、電源遮断部１６Ａから供給された動作電源ＰＷを、抵抗素子Ｒｃと蓄電容量素子Ｃｃの時定数に基づいて蓄電容量素子Ｃｃに蓄電し、給電電源ＰＣとしてスイッチ部１６Ｃへ供給する。
スイッチ部１６Ｃは、制御信号ＣＮＴに基づいてスイッチ素子であるスイッチＳＷＰをオンオフ制御することにより、無線部１４に対する蓄電部１６Ｂからの給電電源ＰＣの供給制御を行う。

したがって、無線電波の送信を指示する制御信号ＣＮＴが制御回路部１３から出力された場合、スイッチ部１６ＣのスイッチＳＷＰがオン状態となって、蓄電部１６Ｂに蓄積されている給電電源ＰＣが無線部１４へ出力電源ＰＳとして供給される。その後、制御信号ＣＮＴの出力が停止した時点で、スイッチＳＷＰがオフ状態となって、無線部１４への出力電源ＰＳの供給が停止される。

一方、スイッチ部１６Ｃから出力電源ＰＳが供給されている期間では、電源遮断部１６ＡのスイッチＳＷＣがオフ状態となって、蓄電部１６Ｂに対する動作電源ＰＷの供給が遮断される。また、スイッチ部１６Ｃからの出力電源ＰＳの供給が停止されている期間では、電源遮断部１６ＡのスイッチＳＷＣがオン状態となって、蓄電部１６Ｂに対する動作電源ＰＷの供給が再開される。

これにより、蓄電部１６Ｂからスイッチ部１６Ｃへ供給される給電電源ＰＣは、蓄電容量素子Ｃｃに蓄電される大きさのみとなる。これにより、無線部１４における無線電波の送信期間は、給電電源ＰＣの大きさ分の送信可能期間に制限される。
したがって、蓄電容量素子Ｃｃの容量を、無線部１４における無線電波の送信に要する所定回分の電力を蓄電可能な容量とし、抵抗素子Ｒｃと蓄電容量素子Ｃｃの時定数を振動減衰時間以上とすることにより、制御信号ＣＮＴの出力開始（制御開始タイミング）から当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における無線部１４への動作電源供給を所定回数に制限することが可能となる。これにより、センサノードの電力消費をさらに抑制できる。

図１１は、本発明の第３の実施の形態にかかる給電制御部の動作を示すタイミングチャートである。
振動の入力に応じて制御回路部１３から制御信号ＣＮＴが出力され、給電制御部１６のスイッチＳＷＰがオン状態となる。これにより、蓄電容量素子Ｃｃに蓄積されている給電電源ＰＣが出力電源ＰＳとして無線部１４へ供給され、給電電源ＰＣの電圧が低下する。出力電源ＰＳの出力期間中、スイッチＳＷＣがオフ状態となり、蓄電容量素子Ｃｃへの動作電源ＰＷの蓄電が遮断される。

この後、出力電源ＰＳの供給に応じて初期化回路部１７によりゼロパワーセンサ回路部１２が初期化されて制御信号ＣＮＴの出力が停止される。また、出力電源ＰＳの出力停止期間中、スイッチＳＷＣがオン状態となり、動作電源ＰＷが蓄電容量素子Ｃｃへ蓄電される。

この際、蓄電容量素子Ｃｃへの蓄電は、抵抗素子Ｒｃと蓄電容量素子Ｃｃの時定数に基づいて行われるため、無線部１４での無線送信に要する送信可能電圧まで給電電源ＰＣが上昇するのに、当該時定数に応じた時間を要する。また、蓄電容量素子Ｃｃの容量として、無線部１４における無線電波の送信に要する１回分の電力を蓄電可能な容量を用いることにより、送信終了時点で、給電電源ＰＣの電圧はほぼゼロまで低下する。

したがって、蓄電部１６Ｂの時定数を振動減衰時間以上に設定しておくことにより、振動開始から振動減衰時間が経過するまでの間に、給電電源ＰＣが無線部１４での無線送信可能電圧まで上昇することはない。

このため、振動減衰時間内に制御信号ＣＮＴが繰り返し出力された場合でも、無線送信可能電圧を下回る給電電源ＰＣが出力電源ＰＳとして無線部１４へ供給されることになり、結果として振動減衰時間内に無線電波が繰り返し送信されることはない。これにより、振動減衰時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制することができ、センサノードの電力消費をさらに抑制できる。

［第４の実施の形態］
次に、図１２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チップについて説明する。図１２は、本発明の第４の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。

本発明の第４の実施の形態にかかるセンサノードチップは、図１２に示すような給電制御部１６を備えている。なお、その他の構成については、前述した第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

この給電制御部１６は、電源遮断部１６Ａ、スイッチ部１６Ｃ、および遅延部１６Ｄから構成されている。
なお、電源遮断部１６Ａとスイッチ部１６Ｃは、前述した第３の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

遅延部１６Ｄは、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数回路（積分回路）と、シュミットトリガ回路Ｕｄとからなり、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ供給される出力電源ＰＳを時定数回路で積分し、その積分電圧とシュミットトリガ回路Ｕｄのしきい値電圧との比較結果を遅延信号ＤＬＰとして、電源遮断部１６Ａのインバータ回路ＩＮＶへ入力する。

したがって、無線電波の送信を指示する制御信号ＣＮＴが制御回路部１３から出力された場合、スイッチ部１６ＣのスイッチＳＷＰがオン状態となって、電源遮断部１６Ａから出力されている給電電源ＰＣが無線部１４へ出力電源ＰＳとして供給される。その後、制御信号ＣＮＴの出力が停止した時点で、スイッチＳＷＰがオフ状態となって、無線部１４への出力電源ＰＳの供給が停止される。

一方、スイッチ部１６Ｃから出力電源ＰＳの供給が開始された場合、遅延部１６Ｄの積分容量素子Ｃｄの積分電圧が、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて徐々に上昇し、スイッチ部１６Ｃから出力電源ＰＳの供給停止に応じて、遅延部１６Ｄの積分容量素子Ｃｄの積分電圧が、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて徐々に低下する。

したがって、振動減衰時間に合わせて抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数を選択しておくことにより、制御信号ＣＮＴの出力開始から振動減衰時間以上経過するまでの電源遮断期間において、シュミットトリガ回路Ｕｄからの遅延信号の出力が停止されて、電源遮断部１６Ａからスイッチ部１６Ｃに対する動作電源ＰＷの出力が遮断され、この電源遮断期間において、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ出力電源ＰＳが再び出力されることはない。
したがって、制御信号ＣＮＴの出力開始（制御開始タイミング）から当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの電源遮断期間内における無線部１４への動作電源供給を１回に制限することが可能となる。

図１３は、本発明の第４の実施の形態にかかる給電制御部の動作を示すタイミングチャートである。
振動の入力に応じて制御回路部１３から制御信号ＣＮＴが出力され、給電制御部１６のスイッチＳＷＰがオン状態となる。この時点では、出力電源ＰＳにより遅延部１６Ｄの積分電圧が十分充電されておらず、シュミットトリガ回路Ｕｄの上側しきい値電圧を下回っている。

このため、遅延信号ＤＬＰは出力されておらず、電源遮断部１６ＡのスイッチＳＷＣがオン状態に制御されて、電源部１５の動作電源ＰＷが給電電源ＰＣとしてスイッチ部１６Ｃへ供給されている。

無線部１４での無線電波送信後、出力電源ＰＳにより遅延部１６Ｄの積分電圧が充電されて、シュミットトリガ回路Ｕｄの上側しきい値電圧を越えた時点で、遅延信号ＤＬＰの出力が開始されてスイッチＳＷＣがオフ状態となる。これにより、スイッチ部１６Ｃに対する給電電源ＰＣの出力が遮断され、スイッチ部１６Ｃから無線部１４に対する出力電源ＰＳの供給も停止される。

この後、出力電源ＰＳの供給停止に応じて、遅延部１６Ｄの積分電圧が抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて放電されて、シュミットトリガ回路Ｕｄの下側しきい値電圧を下回った時点で、遅延信号ＤＬＰの出力が停止されてスイッチＳＷＣがオン状態となる。
これにより、スイッチ部１６Ｃに対する電源部１５からの動作電源ＰＷの出力が再開され、制御信号ＣＮＴの出力された場合、スイッチ部１６Ｃから無線部１４への出力電源ＰＳの供給が可能となる。

したがって、シュミットトリガ回路Ｕｄのしきい値電圧に対して、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数を振動減衰時間以上に設定しておくことにより、制御信号ＣＮＴの出力開始から振動減衰時間以上経過するまでの電源遮断期間において、電源遮断部１６Ａからスイッチ部１６Ｃに対する動作電源ＰＷの出力が遮断され、この電源遮断期間において、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ出力電源ＰＳが再び出力されることはない。

このため、振動減衰時間内に制御信号ＣＮＴが繰り返し出力された場合でも、動作電源ＰＷが出力電源ＰＳとして無線部１４へ供給されなくなり、結果として振動減衰時間内に無線電波が繰り返し送信されることはない。
これにより、振動減衰時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制することができ、センサノードの電力消費をさらに抑制できる。

［第５の実施の形態］
次に、図１４を参照して、本発明の第５の実施の形態にかかるセンサノードチップについて説明する。図１４は、本発明の第５の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。

本発明の第５の実施の形態にかかるセンサノードチップは、図１４に示すような給電制御部１６を備えている。なお、その他の構成については、前述した第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

この給電制御部１６は、遅延部１６Ｅとスイッチ部１６Ｃとから構成されている。
遅延部１６Ｅは、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数回路（積分回路）と、シュミットトリガ回路Ｕｄとからなり、制御回路部１３からの出力される制御信号ＣＮＴを時定数回路で積分し、その積分電圧とシュミットトリガ回路Ｕｄのしきい値電圧との比較結果を遅延制御信号ＤＬＣとして出力する。
スイッチ部１６Ｃは、遅延制御信号ＤＬＣに基づいてスイッチＳＷＰをオンオフ制御することにより、無線部１４に対する電源部１５からの動作電源ＰＷの供給制御を行う。

無線電波の送信を指示する制御信号ＣＮＴが制御回路部１３から出力された場合、遅延部１６Ｅの積分容量素子Ｃｄの積分電圧が、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて徐々に上昇する。
また、制御信号ＣＮＴの出力が停止された場合、遅延部１６Ｅの積分容量素子Ｃｄの積分電圧が、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて徐々に低下する。

したがって、振動減衰時間に合わせて抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数を選択しておくことにより、制御信号ＣＮＴの出力開始から振動減衰時間以上経過するまでの期間において、シュミットトリガ回路Ｕｄからの遅延制御信号ＤＬＣの出力が停止されて、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ出力電源ＰＳが再び出力されることはない。
これにより、制御信号ＣＮＴの出力開始（制御開始タイミング）から当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における無線部１４への動作電源供給を１回に制限することが可能となる。

図１５は、本発明の第５の実施の形態にかかる給電制御部の動作を示すタイミングチャートである。
振動の入力に応じて制御回路部１３から制御信号ＣＮＴの出力が開始される。この時点では、制御信号ＣＮＴにより遅延部１６Ｅの積分電圧が十分充電されておらず、シュミットトリガ回路Ｕｄの上側しきい値電圧を下回っている。
このため、遅延制御信号ＤＬＣは出力されておらず、スイッチ部１６ＣのスイッチＳＷＰがオフ状態に制御されて、電源部１５の動作電源ＰＷが出力電源ＰＳとして無線部１４へ供給されることはない。

この後、制御信号ＣＮＴによりにより遅延部１６Ｅの積分電圧が充電されて、シュミットトリガ回路Ｕｄの上側しきい値電圧を越えた時点で、遅延信号ＤＬＰの出力が開始されてスイッチＳＷＰがオン状態となる。これにより、スイッチ部１６Ｃから無線部１４に対する出力電源ＰＳの供給が開始される。

したがって、シュミットトリガ回路Ｕｄのしきい値電圧に対して、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数を振動減衰時間以上に設定しておくことにより、制御信号ＣＮＴの出力開始から振動減衰時間以上経過するまでの期間において、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ出力電源ＰＳが再び出力されることはない。

このため、振動減衰時間内に制御信号ＣＮＴが繰り返し出力された場合でも、動作電源ＰＷが出力電源ＰＳとして無線部１４へ供給されなくなり、結果として振動減衰時間内に無線電波が繰り返し送信されることはない。
これにより、振動減衰時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制することができ、センサノードの電力消費をさらに抑制できる。また、前述した第３および第５の実施の形態と比較して、電源遮断部１６Ａが不要となって、遅延部１６Ｅという簡素な回路構成の追加だけで実現でき、チップ面積を削減できる。

［第６の実施の形態］
次に、図１６を参照して、本発明の第６の実施の形態にかかるセンサノードチップについて説明する。図１６は、本発明の第６の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。

第１の実施の形態では、初期化回路部１６が複数のトランジスタからなり、無線部１４へ供給される出力電源に応じて単にゼロパワーセンサ回路部１２を制御する場合を例として説明した。第６の実施の形態では、センサ素子部１１で検知の対象とする外部振動が、ドアなどの開閉による振動減衰時間を有している場合に適用する初期化回路部１７の具体例について説明する。

ドアなどの開閉により発生する外部振動は、その振動が緩やかに減衰するため、センサ素子部１１での検知信号の振幅変化が収まるまで、ある程度の振動時間を必要とする。このような振動時間の長い外部振動が入力された場合、前述した第１の実施の形態では、無線送信直後に初期化回路部１７において、ゼロパワーセンサ回路部１２を初期化しているため、同一イベントにおける振動時間内に、ゼロパワーセンサ回路部１２で同一外部振動を再び検出して無線送信する可能性があり、誤検出の原因となる。したがって、振動時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制する必要がある。

本実施の形態では、初期化回路部１７が、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路を含み、制御信号の出力開始タイミングまたは無線部への動作電源供給開始タイミングからなる制御開始タイミングに基づいて時定数回路の動作を開始させることにより、制御開始タイミングから当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における無線部への動作電源供給を１回に制限することを特徴としている。
これにより、振動減衰時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制することが可能となる。

次に、図１６を参照して、第６の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の第６の実施の形態にかかるセンサノードチップは、図１６のような初期化回路部１７を備えている。なお、その他の構成については、前述した第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

この初期化回路部１７には、第１の実施の形態で説明したトランジスタＱ１，Ｑ２に加え、遅延部１７Ａが設けられている。
遅延部１７Ａは、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数回路（積分回路）と、シュミットトリガ回路Ｕｄとからなり、無線部１４へ供給される出力電源ＰＳを時定数回路で積分し、その積分電圧とシュミットトリガ回路Ｕｄのしきい値電圧との比較結果を遅延初期化信号ＤＬＲとして、トランジスタＱ１，Ｑ２へ入力する。

一方、スイッチ部１６Ｃから出力電源ＰＳの供給が開始された場合、遅延部１７Ａの積分容量素子Ｃｄの積分電圧が、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて徐々に上昇し、スイッチ部１６Ｃから出力電源ＰＳの供給停止に応じて、遅延部１７Ａの積分容量素子Ｃｄの積分電圧が、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数に応じて徐々に低下する。

したがって、振動減衰時間に合わせて抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数を選択しておくことにより、制御信号ＣＮＴの出力開始から振動減衰時間以上経過するまでの期間において、シュミットトリガ回路Ｕｄからの遅延初期化信号の出力が停止されて、ゼロパワーセンサ回路部１２の初期化が遅延され、この期間において、ゼロパワーセンサ回路部１２により再び振動が検出されて出力されることはない。
したがって、制御信号ＣＮＴの出力開始（制御開始タイミング）から当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における無線部１４への動作電源供給を１回に制限することが可能となる。

図１７は、本発明の第６の実施の形態にかかる初期化回路部の動作を示すタイミングチャートである。
振動の入力に応じてゼロパワーセンサ回路部１２の固定容量素子ＣＳが充電され、しきい値に達した時点で制御回路部１３から制御信号ＣＮＴが出力されて、給電制御部１６のスイッチＳＷＰがオン状態となり、給電制御部１６から無線部１４に対して出力電源ＰＳの出力が開始される。

この時点では、出力電源ＰＳにより遅延部１７Ａの積分電圧が十分充電されておらず、センサ出力信号ＳＯの電圧がシュミットトリガ回路Ｕｄの上側しきい値電圧を下回っている。このため、遅延初期化信号ＤＬＲは出力されておらず、トランジスタＱ１，Ｑ２によりゼロパワーセンサ回路部１２は初期化されてない。これにより、ゼロパワーセンサ回路部１２では、その後の振動減衰期間において振動入力があっても、固定容量素子ＣＳがさらに充電されてセンサ出力信号ＳＯの電圧が電源電位ＶＤＤまで到達する。

このため、制御回路部１３から制御信号ＣＮＴが継続出力されることになり、制御回路部１３から制御信号ＣＮＴが再度出力されることはなく、無線電波が再度送信されることもない。なお、制御信号ＣＮＴの出力停止タイミングは、制御回路部１３におけるセンサ出力信号ＳＯとしきい値との比較結果に応じて決定してもよいが、制御信号ＣＮＴの出力開始から所定期間経過時点を制御信号ＣＮＴの出力停止タイミングとしてもよい。

この後、出力電源ＰＳにより遅延部１７Ａの積分電圧が十分充電されて、シュミットトリガ回路Ｕｄの上側しきい値電圧を越えた時点で、トランジスタＱ１，Ｑ２によりゼロパワーセンサ回路部１２は初期化される。したがってゼロパワーセンサ回路部１２では、固定容量素子ＣＳのセンサ出力信号ＳＯの電圧がゼロに初期化され、制御回路部１３からの制御信号ＣＮＴの出力が停止する。これにより、新たな振動に応じて無線電波を送信するための準備が整うことになる。

したがって、シュミットトリガ回路Ｕｄのしきい値電圧に対して、抵抗素子Ｒｄと積分容量素子Ｃｄの時定数を振動減衰時間以上に設定しておくことにより、制御信号ＣＮＴの出力開始から振動減衰時間以上経過するまでの期間において、ゼロパワーセンサ回路部１２の初期化が遅延され、この期間において、制御回路部１３から制御信号ＣＮＴが出力されて、スイッチ部１６Ｃから無線部１４へ出力電源ＰＳが再び出力されることはない。

このため、振動減衰時間内に振動が繰り返し入力された場合でも、動作電源ＰＷが出力電源ＰＳとして無線部１４へ供給されなくなり、結果として振動減衰時間内に無線電波が繰り返し送信されることはない。
これにより、振動減衰時間が終了するまで、同一外部振動に関する無線再送信を抑制することができ、センサノードの電力消費をさらに抑制できる。また、前述した第３および第５の実施の形態と比較して、電源遮断部１６Ａが不要となって、遅延部１７Ａという簡素な回路構成の追加だけで実現でき、チップ面積を削減できる。

本発明の第１の実施の形態にかかるセンサノードシステムおよびセンサノードチップの構成を示すブロック図である。 センサ素子部、ゼロパワーセンサ回路部、および初期化回路部の構成例を示す回路図である。 振動センサの構成例である。 ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の動作を示す信号波形図である。 ゼロパワーセンサ回路部および制御回路部の他の動作を示す信号波形図である。 無線部の動作を示す説明図である。 受信装置の構成を示すブロック図である。 受信装置における無線電波受信間隔の計測結果を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるセンサノードチップにおけるゼロパワーセンサ回路部および初期化回路部の構成例を示す回路図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる給電制御部の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第４の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる給電制御部の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第５の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける給電制御部の構成例を示す回路図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる給電制御部の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第６の実施の形態にかかるセンサノードチップにおける初期化回路部の構成例を示す回路図である。 本発明の第６の実施の形態にかかる初期化回路部の動作を示すタイミングチャートである。 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。 従来のセンサノードチップにおけるセンサ素子部およびセンサ回路部の構成を示す回路図である。 従来のセンサノードチップにおける振動センサの構成例である。

符号の説明

１００…センサノードシステム、１０…センサノードチップ、１１…センサ素子部、１１Ｍ…可動電極、１１Ｐ，１１Ｎ…固定電極、１２…ゼロパワーセンサ回路部、１３…制御回路部、１４…無線部、１５…電源部、１６…給電制御部、１６Ａ…電源遮断部、１６Ｂ…蓄電部、１６Ｃ…スイッチ部、１６Ｄ，１６Ｅ，１７Ａ…遅延部、１７…初期化回路部、２０…受信装置、２１…無線受信部、２２…通信部、２３…メモリ部、２４…ＣＰＵ、２４Ａ…受信間隔計測部、２４Ｂ…検知データ算出部、２４Ｃ…通信制御部、ＣＰ，ＣＮ…可変容量素子、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３…ノード、ＢＰ，ＢＮ…検知信号、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…ダイオード、ＣＳ…固定容量素子、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…トランジスタ、ＶＤＤ…電源電位、ＧＮＤ…接地電位、ＳＯ…センサ出力信号、ＣＮＴ…制御信号、ＰＷ…動作電源、ＩＮＶ…インバータ回路、ＳＷＣ…スイッチ、Ｒｃ…抵抗素子、Ｃｃ…蓄電容量素子、ＰＳ…給電電源、ＳＷＰ…スイッチ、ＰＳ…出力電源、Ｒｄ…抵抗素子、Ｃｄ…積分容量素子、Ｕｄ…シュミットトリガ回路、ＤＬＰ…遅延信号、ＤＬＣ…遅延制御信号，ＤＬＲ…遅延初期化信号。

Claims (11)

1. 外部から与えられた外部振動を検知し、その検知結果を無線電波で送信するセンサノードチップであって、
   外部振動に応じて容量値が変化する可変容量素子を含み、当該容量変化に応じた検知信号を出力するセンサ素子部と、
   直列接続された第１、第２、および第３のダイオードと、これらダイオードの直列接続からの出力電圧を充電する固定容量素子とを含み、前記検知信号の変化に応じて前記各ダイオードが交互に導通することにより前記固定容量素子を徐々に充電するセンサ回路部と、
   前記固定容量素子両端のセンサ出力電圧がしきい値電圧に達した時点で、無線電波の送信を指示する制御信号を出力する制御回路部と、
   動作電源を供給する電源部と、
   前記動作電源で動作して前記無線電波を送信する無線部と、
   前記制御信号に基づいて前記無線部に対する前記動作電源の供給を制御する給電制御部と、
   前記無線電波の送信時に、前記センサ出力電圧を初期化する初期化回路部と
   を備え、
   前記無線部は、前記給電制御部から動作電源の供給に応じて前記無線電波を送信することにより、前記外部振動の検知結果に応じた送信タイミングで前記無線電波を送信する
   ことを特徴とするセンサノードチップ。
2. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記給電制御部は、予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路を含み、前記制御信号の出力開始タイミングまたは前記無線部への動作電源供給開始タイミングからなる制御開始タイミングに基づいて前記時定数回路の動作を開始させることにより、前記制御開始タイミングから当該外部振動の振動減衰時間が経過するまでの期間内における前記無線部への動作電源供給を所定回数に制限することを特徴とするセンサノードチップ。
3. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記給電制御部は、
   前記制御信号に応じてオンオフ動作することにより前記無線部への動作電源の供給を制御するスイッチ部と、
   予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路により前記電源部からの動作電源を徐々に蓄電し、前記無線部への動作電源供給時に当該時定数回路に蓄電されている前記動作電源を前記スイッチ部へ供給する蓄電部と、
   前記スイッチ部を介して前記無線部へ供給される動作電源に基づいて、前記無線部への当該動作電源供給時には前記蓄電部に対する前記電源部からの動作電源の供給を遮断し、前記無線部への当該動作電源の供給終了に応じて前記蓄電部に対する前記電源部からの動作電源の供給を再開する電源遮断部と
   を含むことを特徴とするセンサノードチップ。
4. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記給電制御部は、
   前記制御信号に応じてオンオフ動作することにより前記無線部への動作電源の供給を制御するスイッチ部と、
   予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路で計時した、前記無線部への動作電源の供給開始直後から前記振動減衰時間経過までの電源遮断期間を示す遅延信号を出力する遅延部と、
   前記遅延信号に基づいて、前記電源遮断期間には前記スイッチ部に対する前記電源部からの動作電源の供給を遮断し、前記電源遮断期間の終了に応じて前記スイッチ部に対する前記電源部からの動作電源の供給を再開する電源遮断部と
   を含むことを特徴とするセンサノードチップ。
5. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記給電制御部は、
   予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路により前記制御信号を積分して前記振動減衰時間以上遅延させた遅延制御信号を出力する遅延部と、
   前記遅延制御信号に応じてオンオフ動作することにより前記無線部への動作電源の供給を制御するスイッチ部と
   を含むことを特徴とするセンサノードチップ。
6. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記初期化回路部は、
   予め設定された時定数に基づき動作する時定数回路により前記無線部へ供給された動作電源を積分して前記振動減衰時間以上遅延させた遅延初期化信号を出力する遅延部と、
   前記遅延制御信号に応じてオンオフ動作することにより前記センサ回路部の固定容量素子に充電されている電圧を初期化するトランジスタと
   を含むことを特徴とするセンサノードチップ。
7. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記初期化回路部は、
   前記固定容量素子の両端に並列接続されて、前記動作電源の供給時に導通するとともに、当該供給停止時に非導通となる第１のトランジスタと、
   電源電位と第１のダイオードの入力端子との間に挿入されて、前記動作電源の供給時に非導通となるとともに、当該供給停止時に導通する第２のトランジスタと
   を備えることを特徴とするセンサノードチップ。
8. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記第１のダイオードはＭＯＳトランジスタからなり、
   前記初期化回路部は、
   前記固定容量素子の両端に並列接続されて、前記動作電源の供給時に導通するとともに、当該供給停止時に非導通となる第１のトランジスタと、
   前記ＭＯＳトランジスタのゲート端子と前記接地電位との間に接続されて、前記動作電源の供給時に非導通となるとともに、当該供給停止時に導通する第２のトランジスタと、
   前記ＭＯＳトランジスタのゲート端子と前記電源電位との間に接続されて、前記動作電源の供給時に導通するとともに、当該供給停止時に非導通となる第３のトランジスタと
   を備えることを特徴とするセンサノードチップ。
9. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
   前記センサ素子部は、外部振動に応じて容量値が互いに差動的に変化する第１および第２の可変容量素子を含み、これら第１および第２の可変容量素子の一端がそれぞれ接地電位に共通接続され、前記第１の可変容量素子の他端から第１の検知信号を出力し、前記第２の可変容量素子の他端から第１の検知信号とは差動的に変化する第２の検知信号を出力する
   ことを特徴とするセンサノードチップ。
10. 請求項１に記載のセンサノードチップにおいて、
    前記センサ回路部は、
    一端が接地電位に接続された固定容量素子と、入力端子が電源電位に接続された第１のダイオードと、出力端子が前記固定容量素子の他端に接続された第２のダイオードと、前記第１のダイオードの出力端子と前記第２のダイオードの入力端子との間に順方向で直列接続された１つ以上の第３のダイオードとを含み、
    前記各ダイオード間を接続する接続ノードのうち隣り合う２つの接続ノードごとに、一方の接続ノードが前記第１の可変容量素子の他端に接続され、他方の接続ノードが前記第２の可変容量素子の他端に接続されており、前記第１および第２の検知信号の変化に応じて前記各ダイオードが交互に導通することにより前記固定容量素子を徐々に充電する
    ことを特徴とするセンサノードチップ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載のセンサノードチップと、
    前記センサノードチップから送信された無線電波の受信間隔を計測し、当該受信間隔から前記センサノードチップに与えられた外部振動の周波数または加速度を示す検知データを算出する受信装置と
    を備えることを特徴とするセンサノードシステム。

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