JP5071769B2 - 加速度センサ、鳥インフルエンザ監視システム - Google Patents
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Description
近年、このような加速度センサは、MEMS(micro electro mechanical systems)技術を用いて小型化が図られている。
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・軽量化を図ることを可能としつつも、省電力化を図ることのできる加速度センサ等を提供することを目的とする。
このような加速度センサにおいては、加速度が作用すると変形部材が変形し、これにともない圧電材料部がその変形量に応じた電荷を発生する。そして、この圧電材料部は複数が電気的に直列に接続されているので、接地側からの配置(順番)によって、基準電位との間に直列に接続されている圧電材料部の数に応じて生じる電圧が、圧電材料部ごとに異なることになる。信号処理回路に圧電材料部から印加された電圧が設定電圧を超えた場合、信号処理回路は信号を発するが、この信号を発した信号処理回路を認識することで、作用した加速度の程度を得ることができる。つまり、複数の信号処理回路から発する信号に基づいて、加速度をデジタル的に測定することができるのである。
我が国における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。しかし、これらの問題は、「人間にとっての安全」という観点からの個々の感染症などに対する対症療法的な対策だけでは根本的には解決できず、改めて、食とは何か、人間と自然(動植物)との関わりはどうあるべきか、というような大局的な観点から問題を捉えなおす必要性に迫られている。
このような技術においては、MEMS技術により、物理センサや通信装置等を超小型のチップに収めることができる。このようなチップを多数の鳥に装着してデータを逐次的に収集し、コンピュータを用いてデータを解析することで、多数の鳥を一括して管理することができるのである。
すなわち、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、を備えていることを特徴とするのである。
すなわち、前記のセンサは、加速度に応じて変形する変形部材と、変形部材の表面に形成され、変形部材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信号処理回路と、を備え、圧電材料部は互いに電気的に直列に接続されて複数が備えられ、信号処理回路は複数が備えられて、直列に接続された複数の圧電材料部のうち、互いに異なる少なくとも2つの圧電材料部に接続され、複数の信号処理回路のそれぞれにおいては、基準電位との間に直列に接続されている圧電材料部の数に応じて生じる電圧が印加されることを特徴とする。
このとき、センサは、加速度が予め定めた設定値以上又は以下である場合のみ、信号を無線送信するように構成するのが好ましい。
また、センサは、無線供給された電力を蓄電する遠隔蓄電部を備えるようにするのが好ましい。
なお、センサにおいては、鳥インフルエンザの発生の検出精度を高めるため、加速度以外に、鳥の体温等、他のパラーメータについても検出するようにしてもよい。
また、このような加速度センサを備えた鳥インフルエンザ監視システムにおいては、センサの軽量化を図るとともに、消費電力を抑えることでセンサのロングライフ化を図ることができる。
図1は、本発明によ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。
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(生体)に装着されるセンサ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(判定コンピュータ)160などから構成される。
管理区域110内においては、センサ120と中継局130との間は無線により通信が行われる。このため、管理区域110は、中継局130がセンサ120からの信号を直接又は間接に取得し得る領域である。従って、管理区域110を広くする場合には、センサ120の無線通信の出力を上げるか、中継局130の数を増やせばよい。1つの中継局130によって、半径数10mの領域をカバーできることが好ましい。このようなセンサ120と中継局130との間における通信方式として、IEEE802.11xの無線LAN、PHS(登録商標)、Bluetooth(登録商標)、ZigBee(登録商標)、UWB等の規格があるが、消費電力と通信距離のバランスを考えると、現在ではZigBee(登録商標)が好適な方式といえる。むろん、他の方式を用いても構わない。
このセンサ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。
送受信装置150は、イーサネット(登録商標)・インターネット・電話回線・無線電話ネットワーク・などを通じて、センサ120の測定データを制御装置160へと送信する。
この制御装置160は、センサ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、センサ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。
図2はセンサ120の構成を示す図である。
図2に示すように、センサ120は、例えば、薄帯状のフィルム基板上に、所定の物理量を測定する物理量センサ210と、センサ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回路が構成されたセンサ制御部220と、センサ120の動作に必要な電力を蓄えるコンデンサ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を、薄帯状(フィルム状)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。
このようなセンサ120は、最先端の超高密度実装技術およびMEMS加工技術を駆使すると共に、センサ機能を絞り込むことにより、超小型なものとする。一つの例では、3cm角アンテナFPC上の真ん中1cm角領域に3次元積層チップ(5mm以下)を搭載したシステムインパッケージにより超小型センサチップを製造する。
さらに、本実施の形態において、センサ120は、中継局130から送信される電波をアンテナ250で受信することで誘導起電力により電力を発生し、この電力をコンデンサ230に蓄えるようになっている。このため、センサ制御部220は、アンテナ250で受信した電波を直流電流に変換するRF−DC変換回路と、RF−DC変換回路で変換した直流電流によって電力をコンデンサ230に蓄える充電回路と、を備えている。このように、センサ120が電源を搭載して自らの電力で通信を行うアクティブセンサであるため、RF−IDのようにリーダによるスキャンを必要とせず、その行動を制御することが決して容易ではない鳥の管理に適している。
この図3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変形する変形部材211と、変形部材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る信号処理回路213とを備えている。
ここで、圧電材料部212は、カンチレバー211aを例えばSi系材料等で形成するのであれば、その表面に所定の圧電材料からなる薄膜を形成すればよいし、また、カンチレバー211a自体を圧電材料で形成し、カンチレバー211aそのものを圧電材料部212とすることも可能である。
このような信号処理回路213は、図3に示すように、直列に接続された変形部材211に対し、複数が、互いに異なる変形部材211に接続されている。ここで、信号処理回路213は、直列に接続された変形部材211の数よりも少なくても良いし、全ての変形部材211に接続するようにしても良い。本実施の形態においては、例えば40個の変形部材211を直列接続して設け、このうち予め抽出・選定された位置の4個の変形部材211に信号処理回路213が接続されている。
ここで、各信号処理回路213においては、トランジスタがONに切り替わる電圧は予め設定されている。つまり印加された電圧が設定電圧を上回れば信号処理回路213はONとなる。
信号処理回路213が接続されたセンサ制御部220においては、信号処理回路213からの信号がOFFからON、あるいはONからOFFに切り替わると、OFFからON、あるいはONからOFFに切り替わったこと、およびその時刻情報をメモリに記憶させ、所定のタイミングで、記憶したそれらの情報を、中継局130を介して制御装置160に送信するようになっている。
変形部材211に設けられた圧電材料部212における感度を例えば1.1mV/gとすると、センサ120を鳥に取り付けた場合、前記のそれぞれの動作によって、個々の変形部材211の圧電材料部212での電圧の出力は、表1に示すように、0.055mV、0.22mV、0.55mV、1.1mVとなる。
それぞれの信号処理回路213においてONとなる電圧を2mVに設定すると、鳥の動作に応じてONとなる信号処理回路213は、表1の通りとなる。すなわち、睡眠時にはn=40番目の変形部材211に取り付けられた信号処理回路213(n=40)のみがONとなる。徘徊時にはn=15、40番目の変形部材211に取り付けられた信号処理回路213(n=15)、213(n=40)がONとなり、食事時にはn=10、15、40番目の変形部材211に取り付けられた信号処理回路213(n=10)、213(n=15)、213(n=40)がONとなる。そして、身震い時には、n=3、10、15、40番目の変形部材211に取り付けられた全ての信号処理回路213(n=3)、213(n=10)、213(n=15)、213(n=40)がONとなる。
センサ120においては、温度センサ210Tで検出した温度が、予め設定した範囲から逸脱し、鳥の状態に異常が発生していると判断できる値であったときにセンサ情報を送信するようになっている。つまり、センサ制御部220において加速度レベルがレベル4であったときに、センサ120では、検出された加速度レベルがレベル4であることを示す信号を送信する。
制御装置160においては、センサ120から、加速度レベルがレベル4であることを示す信号を受け取ると、管理区域110内において、鳥の体調に異常が生じたと判定することが可能となる。
この場合、信号処理回路213(n=3)、213(n=10)、213(n=15)、213(n=40)の全てを監視しても良いが、センサ制御部220においては、身震いの場合のみにONとなる信号処理回路213(n=3)を監視するようにしても良い。
また、変形部材211に備えた圧電材料部212を直列に備えることで、加速度が作用したときの発電量を高めることができるので、この加速度センサ210Aを高感度なものとすることができる。
また、このようなセンサ120を鳥に装着して無線で監視することにより、鳥の行動を妨げることなく、多数の鳥の行動を低コスト且つオンラインでモニタリングすることが可能となる。これによって鳥の健康状態を容易に把握し、感染症の発生などの非常事態も迅速に発見することができる。さらに、このような加速度センサ210Aは、MEMS技術によって小型に形成することができ、また消費電力を抑えることでバッテリ等を廃し、軽量化を図ることが可能となる。
ここで、もちろん、上記に挙げた圧電材料部212における感度や変形部材211の数、信号処理回路213においてONとなる設定電圧等は一例に過ぎず、適宜変更することが可能である。直列に接続して設ける圧電材料部212を備えた変形部材211の数、信号処理回路213の接続位置、信号処理回路213における設定電圧等を変更することで、鳥以外にも、様々な加速度を測定することが可能となる。このときも個々の変形部材211、圧電材料部212、信号処理回路213自体は共通に用いることができるので、用途に応じて設計変更を行うのみでよく、汎用性、応用性の高いデバイス構成であると言える。
例えば、センサ120は、鳥インフルエンザの発生の監視以外の用途にも用いることが可能である。例えば、養鳥用・牧畜用・野生動物用等、その用途に応じて大きさ・センサの種類・通信機の出力等を専用設計されてもよい。また、センサ120を、動物ではなく、他の用途での加速度の測定に用いることもできる。その場合、センサ120の装着対象が、その動作の制御が困難なものではない場合、電波による電力供給を行うのではなく、センサ120にバッテリを備えるような構成とすることもできる。もちろん、このバッテリには、適宜タイミングで充電が行えるようにすることも可能である。
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。
Claims (5)
- 加速度に応じて変形する変形部材と、
前記変形部材の表面に形成され、前記変形部材の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部と、
前記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、印加された前記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信号処理回路と、を備え、
前記圧電材料部は互いに電気的に直列に接続されて複数が備えられ、
前記信号処理回路は複数が備えられて、直列に接続された複数の前記圧電材料部のうち、互いに異なる少なくとも2つの前記圧電材料部に接続され、複数の前記信号処理回路のそれぞれにおいては、前記信号処理回路が接続された前記圧電材料部から、基準電位との間に直列に接続されている前記圧電材料部の数に応じて生じる電圧が印加されることを特徴とする加速度センサ。 - 複数の前記信号処理回路から発する前記信号に基づいて、加速度をデジタル的に測定することを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
- 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、前記測定の結果をデータとして無線送信するセンサと、
前記センサから送信された前記データに基づき、前記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、
前記センサは、
加速度に応じて変形する変形部材と、
前記変形部材の表面に形成され、前記変形部材の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部と、
前記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、印加された前記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信号処理回路と、を備え、
前記圧電材料部は互いに電気的に直列に接続されて複数が備えられ、
前記信号処理回路は複数が備えられて、直列に接続された複数の前記圧電材料部のうち、互いに異なる少なくとも2つの前記圧電材料部に接続され、複数の前記信号処理回路のそれぞれにおいては、基準電位との間に直列に接続されている前記圧電材料部の数に応じて生じる電圧が印加されることを特徴とする鳥インフルエンザ監視システム。 - 前記センサは、前記加速度が予め定めた設定値以上又は以下である場合のみ、信号を無線送信するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の鳥インフルエンザ監視システム。
- 前記センサは、無線供給された電力を蓄電する遠隔蓄電部を備えることを特徴とする請求項3または4に記載の鳥インフルエンザ監視システム。
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