JP5006268B2 - センサノードチップ、センサノードシステム、および受信装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
また、センサ回路部に、第2のダイオードのカソード端子と固定容量素子の他端との間に出力バッファ用のトランジスタを設けてもよい。
また、ダイオードとして、MOSダイオードを用いてもよい。
また、スイッチ部として、MEMSスイッチを用いてもよい。
また、無線部で、高周波パルスそのものを変調して送信する無線方式を用いるようにしてもよい。
また、可変容量素子を、MEMSプロセスで製造してもよい。
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。
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。
[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。
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。
センサ素子部11は、対象の振動や加速度に応じた量の電荷を出力する振動センサからなる。ゼロパワーセンサ回路部12は、センサ素子部51で得られた検知信号の電荷を固定容量素子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を出力する。
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。
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。
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4では、検出信号BP,BNを矩形波形で示してある。
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。
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のしきい値に達するまでに、期間ΔT1より長い期間ΔT2を要している。
無線部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。
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の可変容量素子からなるセンサ素子部と、順方向で直列接続した3つ以上のダイオードとその後端部に接続した固定容量素子とからなるセンサ回路部とを設け、センサ素子部で得られた互いに差動的に変化する検知信号で、各ダイオードを交互に導通制御して固定容量素子を徐々に充電することにより、外部振動に応じた電圧を示すセンサ出力信号を得るようにしたので、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。
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の構成例を示す回路図である。
第1の実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部12において、直列接続した3つのダイオードを用いた場合を例として説明した。本実施の形態では、直列接続した5つのダイオードを用いた場合について説明する。
この際、ダイオードの数に応じて固定容量素子CSに充電されるセンサ出力電圧の電圧値が高くなるため、電源電位VDDが低くても高いセンサ出力電圧を得ることが可能となる。
このように、本実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部で用いるダイオードの数を第1の実施の形態より増やしたので、電源電位が低くても高いセンサ出力電圧を得ることが可能となる。これにより、電源電位として低い電圧を用いることができことから、電源部の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。
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ゼロパワーセンサ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、ゼロパワーセンサ回路部12において、最後段のダイオードと固定容量素子CSとを直接接続した場合を例として説明した。本実施の形態では、最後段のダイオードと固定容量素子CSとの間に出力バッファ用のトランジスタQSを設けた場合について説明する。
この際、最後段のダイオードD3のカソード端子から出力された電荷に応じてトランジスタQSが駆動され、その駆動に応じた電荷が電源電位VDDから固定容量素子CSへ充電されるため、固定容量素子CSを充電するための電荷として十分な電荷を用いることができる。したがって、ダイオードD3からの電荷量に制約されることなく、センサ出力電圧の上昇特性を決定する固定容量素子CSの容量値を任意に選択することができ、回路設計の自由度を高くすることが可能となる。
このように、本実施の形態では、ゼロパワーセンサ回路部で用いる最後段のダイオードと固定容量素子との間に出力バッファ用のトランジスタを設けたので、固定容量素子を充電するための電荷として十分な電荷を用いることができる。このため、最後段のダイオードからの電荷量に制約されることなく、センサ出力電圧の上昇特性を決定する固定容量素子の容量値を任意に選択することができ、回路設計の自由度を高くすることが可能となる。
Claims (10)
- 外部から与えられた外部振動を検知期間ごとに検知し、その検知結果を無線電波で順次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の可変容量素子を有し、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センサ素子部と、
一端が前記接地電位に接続された固定容量素子と、アノード端子が電源電位に接続された第1のダイオードと、カソード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ダイオードのカソード端子と前記第2のダイオードのアノード端子との間に順方向で直列接続された1つ以上の第3のダイオードとからなり、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センサ回路部と、
前記検知期間ごとに、前記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、
前記制御信号に応じて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間隔で前記無線電波を送信する無線部と
を備えることを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1に記載のセンサノードチップにおいて、
動作電源を供給する電源部と、前記制御信号に応じて前記無線部に対する前記動作電源の供給を制御するスイッチ部とをさらに備え、
前記無線部は、前記スイッチ部からの前記動作電源の供給開始に応じて前記無線電波の送信を開始する
ことを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1または2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、第3のダイオードを1つ以上の奇数個有していることを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1〜3のいずれか1つ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、前記第2のダイオードのカソード端子と前記固定容量素子の他端との間に出力バッファ用のトランジスタを有することを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記ダイオードは、MOSダイオードからなることを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項2に記載のセンサノードチップにおいて、
前記スイッチ部は、MEMSスイッチからなることを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1〜6のいずれか1つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記無線部は、高周波パルスそのものを変調して送信する無線方式を用いることを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1〜7のいずれか1つに記載のセンサノードチップにおいて、
前記可変容量素子は、MEMSプロセスを用いて製造されていることを特徴とするセンサノードチップ。 - 請求項1〜8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。 - 請求項1〜9のいずれか1つに記載の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検出する受信間隔計測部と、
前記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検知データ算出部と
を備えることを特徴とする受信装置。
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