JP6076684B2 - 無給電センサ及びこれを用いた無線センサネットワーク - Google Patents
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Description
図1は、無給電センサの第1実施形態を示す模式図(横方向から見た断面図)である。第1実施形態の無給電センサ10は、MEMS[micro electromechanical system]技術を用いて製造される静電容量型の速度センサ(ないしは加速度センサ)であり、基板11と、下部電極12と、エレクトレット13と、空隙層14と、誘電体15と、上部電極16と、弾性部材17と、パッケージ18と、抵抗19と、を有する。
図2は、無給電センサ10のセンシング原理を説明するための模式図である。なお、図2の上段には、無給電センサ10の第1状態(エレクトレット13と誘電体15とが離間した状態)が描写されており、図2の下段には、無給電センサ10の第2状態(エレクトレット13と誘電体15とが接近した状態)が描写されている。
エレクトレットを用いた従来の加速度センサでは、エレクトレットと上部電極が空隙層を挟んで直接対向していたので、万一エレクトレットが上部電極と接触すると、エレクトレット内部の電荷が放電現象によって散逸し、センサとしての機能が低下してしまう。そのため、従来の加速度センサでは、エレクトレットと上部電極との接触を避けるために、両者を隔てるギャップ距離が大きく設計されていた。ただし、ギャップ距離を広げた代償として、従来の加速度センサでは、センサ信号の強度が相対的に小さくなるので、信号増幅用に外部給電が必要とされていた。
以下では、無給電センサ10のセンサ信号(出力電圧V)から、無給電センサ10に与えられた振動の速度や加速度を得るための算出原理について詳細に説明する。
図6は、上記原理の実証実験に用いた試料と測定系の概略図である。実験に用いた試料は、基本的に、先の図1で示した無給電センサ10と同様の構成から成り、抵抗19(1MΩ)の両端間に現れる出力電圧Vは、アンプ22による増幅処理(利得:25倍)と、フィルタ23によるノイズ除去処理(BEF:60Hz、LP−PL:10f)を介してオシロスコープ24に入力されている。オシロスコープ24は、出力電圧Vの波形(電気信号の時間的変化)をグラフとして表示する。オシロスコープ24に表示されるグラフでは、縦軸が電圧値となり、横軸が時間となる。今回の実証実験では、試料を任意の周波数fで振動させて、出力電圧Vをオシロスコープ24で確認した。
図9は、センサ用途に特化した初期ギャップd0と振幅Aの最適化を説明するための波形図である。なお、本図の左側にはd0>>Aである場合のギャップ距離dと出力電圧Vとの関係が描写されており、本図の右側にはd0≒Aである場合のギャップ距離dと出力電圧Vとの関係が描写されている。
図10は、無給電センサの第2実施形態を示す模式図である。第2実施形態は、先の第1実施形態をさらに発展させたものであり、エレクトレットを用いた静電容量型の無給電センサに加えて、これと同一の原理で発電を行う振動発電デバイスを複合させた構成とされている。
図11は、無線センサネットワークの一構成例を示すブロック図である。本構成例の無線センサネットワーク100は、センサユニット110と制御ユニット120を有する。センサユニット110は、速度や加速度の測定対象となる振動源(機械や生物など)に組み込まれるユニットであり、無給電センサ111と、無給電センサ111で得られたセンサ信号を無線送信する送信回路112と、送信回路112に電力供給を行うバッテリ113と、を含む。一方、制御ユニット120は、センサユニット110から無線送信されるセンサ信号を処理するユニットであり、センサ信号を受信する受信回路121と、受信されたセンサ信号を処理するマイコン122と、を含む。
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
11 基板
12 下部電極
12a 下部電極(センサ用)
12b 下部電極(発電用)
13 エレクトレット
14 空隙層
15 誘電体
16 上部電極
16a 上部電極(センサ用)
16b 上部電極(発電用)
17 弾性部材
18 パッケージ
19 抵抗
19a 抵抗(センサ用)
19b 抵抗(発電用)
20 アクリル板
21 接着層(SU−8層)
22 アンプ
23 フィルタ
24 オシロスコープ
100 無線センサネットワーク
110 センサユニット
111 無給電センサ
112 送信回路
113 バッテリ
120 制御ユニット
121 受信回路
122 マイコン
X 振動系
X1 基礎
X2 プルーフマス
X3 バネ
X4 ダンパー
Claims (7)
- 第1電極及び第2電極と、
前記第1電極上に形成されたエレクトレットと、
前記エレクトレットと対向して前記第2電極上に形成された誘電体と、
外部から印加される振動によって前記エレクトレットと前記誘電体とのギャップ距離が変化するように前記第1電極及び前記第2電極の一方を変位自在に支持する弾性部材と、
を有し、
前記第1電極は、負荷を介して接地されており、
前記第2電極は、直接接地されており、
前記ギャップ距離の変化に応じて前記負荷に流れる電流を前記負荷の両端間電圧として取り出し、これをセンサ信号として出力することを特徴とする無給電センサ。 - 前記ギャップ距離の初期値は、前記ギャップ距離の振幅よりも大きい値に設計されていることを特徴とする請求項1に記載の無給電センサ。
- 前記ギャップ距離の初期値は、前記ギャップ距離の振幅に対して10〜40倍に設計されていることを特徴とする請求項2に記載の無給電センサ。
- 前記第1電極及び前記第2電極として、それぞれ、センサ用電極と発電用電極を並列に含み、
前記第1電極のセンサ用電極は、センサ用負荷を介して接地されており、
前記第1電極の発電用電極は、発電用負荷を介して接地されており、
前記第2電極のセンサ用電極及び発電用電極は、それぞれ直接接地されており、
前記ギャップ距離の変化に応じて前記センサ用負荷に流れる電流を前記センサ用負荷の両端間電圧として取り出し、これを前記センサ信号として出力する一方、
前記ギャップ距離の変化に応じて前記発電用負荷に流れる電流を前記発電用負荷の両端間電圧として取り出し、これを発電電圧として出力することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の無給電センサ。 - 前記誘電体は、前記センサ用電極上よりも前記発電用電極上の方が厚く設計されていることを特徴とする請求項4に記載の無給電センサ。
- 前記センサ用電極と前記発電用電極は、相互干渉を生じないように所定の間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の無給電センサ。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の無給電センサを備えたセンサユニットと、
前記センサユニットから無線送信されるセンサ信号を処理する制御ユニットと、
を有することを特徴とする無線センサネットワーク。
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