JP7312482B2 - Natural energy wireless sensor - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリーや電源配線を不要とする無線センサーに関する。 The present invention relates to a wireless sensor that does not require a battery or power wiring.
近年、IoTの機運の高まりから急速にセンサー市場規模が拡大しており、温度、湿度、圧力、振動、加速度、音、光、流速、速度、測距、GPSなど、様々なセンサーを利用し、データの解析・活用をすることがますます求められている。
また、安全確認、自動化などの用途でも、今後の利用は急激に増えていくと考えられる。
In recent years, the sensor market has expanded rapidly due to the growing momentum of IoT, and there is an increasing demand for data analysis and utilization using various sensors such as temperature, humidity, pressure, vibration, acceleration, sound, light, flow velocity, speed, distance measurement, and GPS.
In addition, it is thought that future use will rapidly increase in applications such as safety confirmation and automation.
センサーデバイスとしては、通常、電源配線により給電を行い、マイコンを利用しセンサーの制御及びデータ取得を行った後、信号線でデータを送信するといった、2系統の配線を行った方法が一般的である。
しかし、センサーデバイスへの配線作業は、施工コストがかかる、引き回しや配置換え作業の負担が大きい、クロストーク発生トラブル防止のためシールド線等を用いた対策が必要、といった点が大きな課題となっている。
また、センサー数量が増加した際や、広大なエリアや生産ラインに設置する際などには、上記の課題がさらに大きくなるとともに、配線重量による装置全体の重量化や、断線した際の復旧の困難さや、接触不良・摩耗個所の探索・修正の大変さといった、保全、管理に対する問題も大きくなる。
As a sensor device, it is common to use a two-system wiring method in which power is supplied through a power supply wiring, a microcomputer is used to control the sensor and acquire data, and then data is transmitted through a signal line.
However, wiring to sensor devices poses major challenges, such as high construction costs, a heavy burden of routing and rearranging work, and the need to use shielded wires to prevent crosstalk problems.
In addition, when the number of sensors increases, or when installing in a large area or on a production line, the above problems become even more serious, and maintenance and management problems such as the weight of the entire device due to the weight of the wiring, the difficulty of restoring when the wire is broken, and the difficulty of finding and correcting defective contact and worn points.
また、IoT対応として、老朽化の進んだ設備に対し、センサーを後から付加することで、最新型の設備に近い性能にする場合や、新しい設備を導入し、入れ替え、配置換えをするといった場合にも、同様にセンサー配線の問題がある。
国内の製造設備の多くは、老朽化が進んでいて最新型ではないため、IoT化のためには様々なセンサーを取り付ける必要があるが、有線によるセンサーでは工程替えなどにおける配線の変更などが困難となっている。このため、IoT化が難しいとも言われており、今後ますます大きな課題となることが考えられる。
In addition, as an IoT response, when sensors are added to aging equipment later to make the performance closer to the latest equipment, or when new equipment is introduced and replaced or rearranged, there are similar sensor wiring problems.
Many of the manufacturing facilities in Japan are aging and not the latest model, so it is necessary to install various sensors for IoT, but with wired sensors, it is difficult to change wiring when changing processes. For this reason, it is said that IoT is difficult, and it is conceivable that it will become an increasingly important issue in the future.
なお、センサーデバイスに電源供給用の配線を無くすためにバッテリーを搭載したセンサーデバイスもあるが、多量のバッテリー製造・消費により、交換作業に伴うコスト、廃棄コスト、環境負荷といった新たな問題にも直面している。
また、バッテリー交換が必要なため、交換作業の可能なところにしか設置できない、バッテリーサイズが大きく・重いため、センサーデバイス全体のサイズが小型・軽量化できず、取り付け場所が限定されてしまう、といった用途に対する制限もある。
さらに、バッテリー交換時には、データ取得が中断されるため、連続的にデータ取得が必要な、停止困難な設備類などには利用が難しいといった課題もある。
There are also sensor devices equipped with batteries to eliminate wiring for power supply to sensor devices, but due to the production and consumption of a large amount of batteries, we are facing new problems such as replacement work costs, disposal costs, and environmental impact.
In addition, since the battery needs to be replaced, it can only be installed in places where replacement work is possible, and the size and weight of the battery is large and heavy, so the size and weight of the entire sensor device cannot be reduced, limiting the installation location.
Furthermore, since data acquisition is interrupted when the battery is replaced, there is also the problem that it is difficult to use for facilities that require continuous data acquisition and that are difficult to stop.
電力の無線送信を行う方法も考えられているが、起電力を空間送信する場合の減衰は大きく、センサーデバイスを起動するために、大きな電力を送信する必要がある。そのため、電波障害の恐れがある環境では利用できず、どこでも利用できるといったものにはなっていない。
また、多量のセンサーデバイスを電力の無線送信で起動しようとした場合、空間に電波があふれる状況となり、人体に対する健康被害(電波公害、デジタル毒)といったものも無視できないレベルとなると考えられ、利用上の課題となる。
A method of wirelessly transmitting power has also been considered, but attenuation is large when electromotive force is spatially transmitted, and it is necessary to transmit a large amount of power in order to activate the sensor device. Therefore, it cannot be used in an environment where there is a risk of radio interference, and it cannot be used anywhere.
In addition, when trying to activate a large number of sensor devices by wireless transmission of power, the space will be flooded with radio waves.
前記問題点の改善策として、自己発電機能を持たせることで、半永久的にセンサーデータの書き込みが可能な、RFIDタグのようなものが知られている(例えば、特許文献1:特開2006-52742号公報)。
また、ベルトコンベヤー異常監視のためのセンサーデータの取得・送信を、圧電素子を利用した振動自己発電装置を用いることで、バッテリー交換を無しに無線送信するものが知られている(例えば、特許文献2:特開2021-1075号公報)。
As a solution to the above problem, there is known an RFID tag in which sensor data can be written semi-permanently by providing a self-power generation function (for example, Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-52742).
In addition, it is known that sensor data acquisition and transmission for belt conveyor abnormality monitoring are wirelessly transmitted without battery replacement by using a vibration self-power generation device using a piezoelectric element (for example, Patent Document 2: JP 2021-1075).
しかし、上記特許文献1の技術では、RFIDタグの読取りに、起電力としてリーダーライター設備から、1Wといった大きな電力を無線送信しなければならず、数台~数千台といった大規模な管理を考えた場合に、電波障害の恐れがある環境では利用できないといった課題がある。また、センサー側の受け取る電力は非常に小さいため、長距離の通信が困難で、広い範囲での管理には向かないといった課題や、データ計算など複雑な処理が出来ない、温湿度以外の電力を大きく使うセンサーの利用は困難といったような課題もある。
However, in the technique of
上記特許文献2の技術では、自己発電電力が微弱で、デバイスの消費電力に対して、センサーデータの送信を行うのに6時間といった、 比較的長時間の蓄電が必要で、連続した計測を行うことが出来ない。そのため、事故やトラブルの検知を行うなど、緊急性や迅速な対応を要求される用途には利用できない。 In the technology of Patent Document 2, self-generated power is weak, and it is necessary to store power for a relatively long time, such as 6 hours, to transmit sensor data, compared to the power consumption of the device, and continuous measurement cannot be performed. Therefore, it cannot be used for applications that require urgency and quick response, such as detecting accidents and troubles.
なお、従来知られている環境発電技術として、太陽光発電は光の当たらない環境では利用できない、熱電発電は熱源のある環境でしか利用できない、振動発電は発電量が小さく、大きな電力を得ようとすると比例してサイズが大型化してしまうなどの、利用上の課題を抱えている。 In addition, as energy harvesting technology known in the past, solar power generation cannot be used in an environment without light, thermoelectric power generation can only be used in an environment with a heat source, and vibration power generation has a small amount of power generation, and if you try to obtain a large amount of power, the size will increase proportionally.
本発明者等は、測定対象物の導体金属表面には、センサーデバイスで利用できる十分な電力が自然発生していることを見出し、これに基づいて上記課題を解決できる構成の無線センサーを開発するに至った。 The inventors of the present invention have found that sufficient electric power that can be used by the sensor device is naturally generated on the conductive metal surface of the object to be measured.
すなわち本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、様々な環境で測定対象物のセンサーデータを、バッテリー及び電源配線を必要としない無線センサーの提供を目的とする。 That is, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a wireless sensor that does not require a battery or power supply wiring to obtain sensor data of an object to be measured in various environments.
本発明にかかる自然発電無線センサーによれば、表面が金属等の導体である測定対象物に取り付けられて用いる自然発電無線センサーであって、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集して用いる電源部を具備し、測定対象物への取り付け面の一部には、接着テープ又は接着剤が貼り付け又は塗布されており、接着テープ又は接着剤が存在しない箇所には測定対象物の表面と電気的に接続する電力収集用端子が設けられていることを特徴としている。
また、表面が金属等の導体である測定対象物に取り付けられて用いる自然発電無線センサーであって、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集して用いる電源部を具備し、上面から測定対象物への取り付け面に向けて、測定対象物への固定用のビス又はボルトが貫通する貫通穴が形成され、ビス又はボルトの頭部の下面と接触する位置にビス又はボルトを通じて高周波電力を収集する電力収集用端子が設けられていることを特徴としている。
この構成を採用することによって、測定対象物において自然発生する高周波電力を用いるため、バッテリー及び電源配線を必要としない無線センサーを提供できる。
According to the spontaneously-generated wireless sensor of the present invention, the spontaneously-generated wireless sensor is used by being attached to an object to be measured whose surface is a conductor such as a metal, and is equipped with a power source unit that collects and uses high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric and magnetic fields in a vibrating object whose surface is a conductor such as a metal. It is characterized in that a terminal for
In addition, the self-power generation wireless sensor is used by being attached to an object to be measured whose surface is a conductor such as metal, and is equipped with a power supply unit that collects and uses high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in the vibrating object whose surface is a conductor such as metal. A collection terminal is provided.
By adopting this configuration, it is possible to provide a wireless sensor that does not require a battery and power supply wiring because it uses high-frequency power that is naturally generated in the object to be measured.
また、前記電源部は、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を整流する機能を有することを特徴としてもよい。
この構成によれば、測定対象物の表面の導体金属に発生する高周波電力を直流電力に整流して用いることができる。
Further, the power supply unit may have a surface made of a conductor such as a metal, and have a function of rectifying high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating object to be measured.
According to this configuration, it is possible to rectify the high-frequency power generated in the conductive metal on the surface of the object to be measured into direct-current power for use.
また、前記電源部は、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を電圧制御する機能を有することを特徴としてもよい。
この構成によれば、収集した高周波電力を所定の電圧値に制御して用いることができる。
In addition, the power supply unit may have a surface made of a conductor such as a metal, and have a function of voltage-controlling high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with a surrounding electric field and magnetic field in a vibrating object to be measured.
According to this configuration, the collected high-frequency power can be controlled to a predetermined voltage value and used.
また、前記電源部は、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を蓄電する機能を有することを特徴としてもよい。
この構成によれば、測定対象物において自然発生した電力値に変動があったとしても安定した電力供給を行える。
Further, the power supply unit may have a surface made of a conductor such as a metal, and have a function of storing high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with a surrounding electric field and magnetic field in a vibrating object to be measured.
According to this configuration, it is possible to stably supply power even if there is a fluctuation in the power value that naturally occurs in the object to be measured.
また、測定対象物の状態を取得するセンサー部と、前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、を具備し、前記電源部は、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集し、収集した高周波電力を前記センサー部、前記送受信部に供給することを特徴としてもよい。
この構成によれば、バッテリー及び電源配線を必要とせず、半永久的に連続的にセンサーデータを取得し、無線送信することができる。
Further, the power supply unit may include a sensor unit that acquires the state of the object to be measured and a transmission/reception unit that externally communicates the data obtained by the sensor unit, and the power supply unit may be characterized in that the surface of the measurement object is a conductor such as a metal, and in the vibrating object to be measured, high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field is collected, and the collected high-frequency power is supplied to the sensor unit and the transmission/reception unit .
According to this configuration, sensor data can be continuously acquired semipermanently and transmitted wirelessly without requiring a battery and power supply wiring.
また、測定対象物の状態を取得するセンサー部と、前記センサー部によって得られたデータの計算及び全体の動作管理を実行する制御部と、前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、を具備し、前記電源部は、表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集し、収集した高周波電力を前記センサー部、前記送受信部及び前記制御部に供給することを特徴としてもよい。
この構成によれば、バッテリー及び電源配線を必要とせず、半永久的に連続的にセンサーデータを取得し、無線送信することができる。
Further, it may be characterized by comprising a sensor unit that acquires the state of the object to be measured, a control unit that performs calculation of data obtained by the sensor unit and overall operation management, and a transmission/reception unit that externally communicates the data obtained by the sensor unit.
According to this configuration, sensor data can be continuously acquired semipermanently and transmitted wirelessly without requiring a battery and power supply wiring.
また、前記制御部又は前記送受信部は、前記センサー部によって得られたデータを個体識別IDで管理することを特徴としてもよい。
この構成によれば、多数の自然発電無線センサーを利用する場合、混乱せずにセンサーデータの紐付け行うことができる。
Further, the control unit or the transmission/reception unit may be characterized by managing the data obtained by the sensor unit using an individual identification ID.
According to this configuration, when using a large number of naturally-generated wireless sensors, sensor data can be linked without confusion.
また、前記制御部は、前記センサー部によって得られたデータのデジタル化処理を実行することを特徴としてもよい。 Further, the control unit may be characterized by executing digitization processing of data obtained by the sensor unit.
また、測定対象物の表面の導体金属に、接着剤、ビス、ボルト、又は粘着テープで取り付けられることを特徴としてもよい。 Further, it may be attached to the conductive metal on the surface of the object to be measured with an adhesive, a screw, a bolt, or an adhesive tape.
また、測定対象物との間、又は測定対象物上に配置された中間導電体を介在させて取り付けられることを特徴としてもよい。
この構成を採用することによって、測定対象物の表面の導体金属が塗装などされて絶縁されている場合であっても中間導電体により発生する電力を使用して動作させることができる。
It may also be characterized in that it is attached via an intermediate conductor arranged between the object to be measured or on the object to be measured.
By adopting this configuration, even when the conductor metal on the surface of the object to be measured is insulated by painting or the like, the power generated by the intermediate conductor can be used for operation.
また、測定対象物との間に絶縁物と導体金属を組み合わせた構成を介在させて取り付けられることを特徴としてもよい。
この構成を採用することによって、測定対象物の導体金属の表面と無線センサーとの間でコンデンサ作用を構成することができ、導体金属の表面に発生する高周波電力を取り込むことができる。
Moreover, it may be characterized in that it is attached to the object to be measured with a structure in which an insulator and a conductor metal are combined interposed therebetween.
By adopting this configuration, a capacitor action can be formed between the surface of the conductor metal of the object to be measured and the wireless sensor, and high-frequency power generated on the surface of the conductor metal can be captured.
本発明によれば、バッテリー及び電源配線を必要としない無線センサーとすることができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wireless sensor that does not require a battery and power wiring.
(全体構成)
以下、図面に基づいて本実施形態における自然発電無線センサーについて説明する。なお、本発明の自然発電無線センサーは下記の実施形態に限定されるものではない。
図1に自然発電無線センサーの内部構成のブロック図を示し、図2に自然発電無線センサーの測定対象物11への取り付けについて示す。
(overall structure)
The natural power generation wireless sensor in this embodiment will be described below with reference to the drawings. In addition, the spontaneous generation wireless sensor of the present invention is not limited to the following embodiments.
FIG. 1 shows a block diagram of the internal configuration of the naturally-generated wireless sensor, and FIG. 2 shows how the naturally-generated wireless sensor is attached to the object 11 to be measured.
本実施形態における自然発電無線センサー10(以下、単に無線センサーと称する場合がある)は、様々な環境における測定対象物11を測定したセンサーデータを、測定対象物11において自然発生する電力を利用することでバッテリー及び電源配線を必要とせず、半永久的に連続的に取得でき、取得したセンサーデータを無線でデータ送信できるというものである。 The naturally-generated wireless sensor 10 (hereinafter, sometimes simply referred to as a wireless sensor) in the present embodiment can continuously acquire sensor data obtained by measuring the measurement object 11 in various environments by using the power naturally generated in the measurement object 11, semipermanently and continuously without the need for a battery or power supply wiring, and can transmit the acquired sensor data wirelessly.
無線センサー10は、測定対象物11の状態を取得するセンサー部20と、センサー部20によって得られたセンサーデータの計算・記録・デジタル化と、動作管理を行う制御部30と、得られたセンサーデータを外部通信する送受信部40と、センサー部20、制御部30、送受信部40に動作電力を与える電源部50と、を備えている。
ただし、無線センサー10に制御部30を設けない構成であってもよい。この場合において、センサーデータの記憶用メモリなどを設けてもよい。
The
However, the
(センサー部)
センサー部20は、温度変化を計測する温度センサー、加速度変化を計測する加速度センサー、湿度変化を計測する湿度センサー、圧力変化を計測する圧力センサー、磁気変化を計測する磁気センサー、光量変化を計測する光量センサー、音を計測する音量センサー、距離を測定する測距センサー、液体や気体の流量を計測する流量センサー、角速度を計測するジャイロセンサー、赤外線を測定する赤外線センサー、振動を計測する振動センサー等のセンサー類の少なくとも1つ以上とすることができる。ただし、センサー部20の種類としては、これらのセンサーに限定するものではない。
(Sensor part)
The
センサー部20は、無線センサー10の内部に内蔵することで、信頼性を高めた使い方が出来るが、センサーのみ離れた場所から接続したいなどの要望に応じて、外部接続してもよい。
The
(制御部)
制御部30は、センサー部20からのセンサーデータを計算処理する機能と、無線センサー10全体の動作制御を実行する機能を有する。また、制御部30内の記憶領域にセンサー部20からのセンサーデータを記憶させておくこともできる。記憶させるセンサーデータは制御部30内でデジタル化処理したデータである。なお、センサーデータを記憶させる記憶領域としては制御部30内の記憶領域に限定するものではなく、データ送受信部40に記憶領域を設けたり、その他記憶用メモリを設けてもよい。
(control part)
The
制御部30は、センサー部20から入力されたセンサーデータをデジタル処理し、デジタル処理したセンサーデータを送受信部40へ出力する。また制御部30は、センサー部20及び送受信部40それぞれの動作時間を管理し、適切に間欠動作させるように制御することができる。これにより無線センサー10の効率的で省電力な動作を実現できる。これにより、測定対象物に自然発生する電気が微弱であっても、微小電力を利用した連続したセンシング動作が可能となる。
The
無線センサー10は、個体識別用の識別IDを備えている。これにより、数千個といった多量の無線センサー10を利用する場合、混乱せずにセンサーデータの紐付け行うことができる。
識別IDは制御部30、及び/又は送受信部40で保持されるが、それ以外の外部メモリなどを利用して識別IDを保持しても良い。予め識別IDを持つパッシブ通信方式、又はアクティブ通信方式の場合は、それを利用し、その他の通信方式を利用する場合は、別途識別IDを付加することで、個体識別を可能とすることができる。
The
The identification ID is held in the
(送受信部)
送受信部40は、無線通信用の半導体と、外部通信用のアンテナと、設定を記憶するメモリを有している。
送受信部40は、920MHzのUHF帯通信、2.4GHz帯通信を用いることが出来るが、前記以外の周波数帯を用いた通信でもよい。
また、送受信部40の通信の方式として、測定対象物に自然発生する電力が小さい場合にはセミパッシブ通信方式を採用することが好ましく、電力に余裕がある場合にはアクティブ通信方式を採用することができる。これにより、通信距離を延ばすことができ、通信の自由度を高めることも可能となる。
(Transceiver)
The transmitter/
The transmitting/receiving
In addition, as a communication method of the transmitting/receiving
(電源部)
電源部50は、機械、生産ライン、鉄骨等の建築物、モーター、ヒーター、コントロールボックス等の制御設備、乗り物などの測定対象物11において自然発生した電力を効率よく収集し、電力化する。
電源部50は、測定対象物11において自然発生した電力をセンサー部20、制御部30、送受信部40の各構成要素に供給する。ただし、測定対象物11としては上記のものに限定するものではない。
(Power supply part)
The
The
電源部50は、測定対象物11において自然発生した電力を収集し、使用可能な電力化するものであって電源部50自身が発電するものではない。また、電源部50は、電力の安定化と、大きな電力を必要とする用途のために、測定対象物11において自然発生した電力を一時的に蓄電する機能を有する。
このため、バッテリー切れの問題がなく、無線センサー10は測定対象物に取り付けたまま半永久的に使用できるものである。
測定対象物11の表面の導体金属から得られる電力は、交流電力であり、その周波数は、高周波(kHz帯~MHz帯)である。これは、測定対象物の振動の周波数とは一致しない。
The
Therefore, there is no problem of running out of battery, and the
The power obtained from the conductive metal on the surface of the measurement object 11 is AC power, and its frequency is high frequency (kHz band to MHz band). This does not match the frequency of vibration of the measurement object.
また、無線センサー10を取り付ける測定対象物の表面は金属等の導体である。測定対象物11の表面の導体には高周波が自然発生している。測定対象物11の表面の導体金属を流れる高周波電力は、1秒あたり0.数μW~数万μWのオーダーであり、電源部50は、この高周波電力を収集して使用できるように、入力端子が測定対象物11の表面の導体に接触可能となるように設けられている。ただし、電源部50における電力の収集は、測定対象物11の表面の導体に接触していることが効率的に好ましいが、非接触であってもよい。
The surface of the object to be measured to which the
測定対象物11において高周波が自然発生する原理に関しては、測定対象物11における振動する導体金属と、測定対象物11の周囲の電界(電場)及び磁界(磁場)との電磁誘導により発生していると考えられる。金属は振動の伝搬速度が速く、振動が伝わりやすいため、反射や共振などで複雑な振動が生まれる。その結果、振動により電界(電場)、磁界(磁場)の中で導体金属が運動することになり、高周波が発生するものと考えられる。
また、発生する高周波電力は、周波数が高いため、電力の大部分は導体表面を複雑に伝搬していると考えられる。
Regarding the principle of spontaneous generation of high frequency in the object 11 to be measured, it is considered that it is generated by electromagnetic induction between the vibrating conductor metal in the object 11 to be measured and the electric field (electric field) and magnetic field (magnetic field) around the object 11 to be measured. Metal has a high vibration propagation speed and is easily transmitted, so complex vibrations such as reflection and resonance are generated. As a result, the vibration causes the conductor metal to move in the electric field (electric field) and magnetic field (magnetic field), and it is thought that high frequency is generated.
Moreover, since the generated high-frequency power has a high frequency, most of the power is considered to propagate in a complicated manner on the conductor surface.
測定対象物11の周囲の電界(電場)及び磁界(磁場)の発生は、測定対象物11を動作させた際に生じるものであることも考慮すると、機械、設備、生産ライン、モーターなど電源を入れて駆動する測定対象物11に対して電源をオンにして振動が大きくなり、且つ電界(電場)及び磁界(磁場)が発生することで、より大きな電力を収集できると考えられる。
また、測定対象物11として、ヒーター若しくはコントロールボックス等の制御設備、又は鉄骨の建造物などの静止状態のものであっても、測定対象物11の周囲に電界(電場)及び磁界(磁場)が存在していれば、この電界(電場)及び磁界(磁場)に基づいて発生する電力を利用することができる。この場合、振動している測定対象物11と比較すると得られる電力は小さくなるが、後述する蓄電部56において蓄電することで利用可能である。また、静止状態の測定対象物11の周囲に到達する電波によっても電力が発生するが、この場合に発生する電力は極めて微小である。
Considering that the electric field (electric field) and magnetic field (magnetic field) around the object 11 to be measured is generated when the object 11 to be measured is operated, it is conceivable that a larger amount of electric power can be collected by turning on the power to the object 11 to be driven, such as a machine, equipment, production line, motor, etc., and the vibration increases and the electric field (electric field) and magnetic field (magnetic field) are generated.
In addition, even if the measurement object 11 is a control facility such as a heater or a control box, or a stationary object such as a steel frame building, if an electric field (electric field) and a magnetic field (magnetic field) exist around the measurement object 11, the electric power generated based on this electric field (electric field) and magnetic field (magnetic field) can be used. In this case, the power obtained is smaller than that of the vibrating measurement object 11, but it can be used by storing power in the power storage unit 56, which will be described later. Electric power is also generated by radio waves reaching the surroundings of the measurement object 11 in a stationary state, but the electric power generated in this case is extremely small.
電源部50は、高周波電力を整流し利用可能な直流電力に変えるAC/DCコンバーター52を備えている。
また、電源部50は、AC/DCコンバーター52によって変換された直流電力の電圧変換するDC/DCコンバーター54を備えることもできる。DC/DCコンバーター54は、測定対象物に自然発生した電力を、センサー部20、制御部30、送受信部40のそれぞれに利用可能な電圧に昇圧可能である。
また、電源部50は、収集した電力を、蓄電する蓄電部56を備える。このため、測定対象物11において自然発生した電力値に変動があったとしても安定した電力供給を行える。
The
The
The
AC/DCコンバーター52を通し得られる電力量は、取り付ける設備の大きさや、設備で使用される電力量によって大きく変動し、1秒あたり0.数μW~数万μWとなり、100μW以上と大きく取れる場合が多い。
そのため、無線センサー10は、センシングから、データ計算・記録、デジタル化処理、無線送受信といった複雑な複数の動作が可能な電力を得ることができる。また、無線センサー10に表示機能としてのLEDを設け、LEDを点灯させるようなことも出来る。さらに、無線センサー10に、例えば警報を出す機能を持たせることもできる。さらに、GNSS受信装置を設けて位置の特定ができるようにすることもできる。
The amount of electric power that can be obtained through the AC/
Therefore, the
(測定対象物への取り付け)
なお、無線センサー10を取り付ける測定対象物11としては、電界(電場)及び磁界(磁場)の発生が多い機械、設備、生産ライン、モーターなどの設備に限定するものではなく、ヒーター、コントロールボックス等の制御設備、あるいは鉄骨の建造物などでも利用することができる。
(Attachment to object to be measured)
The measurement object 11 to which the
測定対象物11における無線センサー10を取り付ける対象の導体金属は、銅、アルミ、チタン、ステンレス、鉄といった材質を用いることが出来るが、これらの材質に限定するものではない。また、測定対象物11における導体金属は、サイズが大きい方が電力発生面で効率が良いが、小さいサイズのものも用いることが出来る。
また、測定対象物11における導体金属の形状は、板状、円柱形、円筒形、ブロック状、棒状のものを用いることが出来るが、これらの形状に限定するものではない。
The conductor metal to which the
Also, the shape of the conductor metal in the object 11 to be measured can be plate-like, cylinder-like, cylindrical, block-like, or bar-like, but is not limited to these shapes.
無線センサー10を測定対象物11の表面の導体金属に取り付ける場合には、電源部50の入力端子が測定対象物の表面の導体金属と導通するように取り付けるが、取り付け方法としては接着テープのようなものを用いることもできるし、接着剤、ビス、ボルト等の固定手段を用いることもできる。
When the
図3に、接着テープ又は接着剤により無線センサーを測定対象物に取り付けた例を示す。
この例では、接着テープ又は接着剤25を、無線センサー10の測定対象物11の表面に対向する面である取り付け面全体に貼り付け又は塗布して、無線センサー10を測定対象物11の表面の導体金属に取り付けている。
接着テープ又は接着剤25は、絶縁材料で構成されており、無線センサー10は、絶縁材料を介して測定対象物11の表面の導体金属に取り付けられることとなる。
このため、測定対象物11の導体金属と無線センサー10との間でコンデンサ作用を構成することができ、測定対象物11の導体金属の表面に発生する高周波電力を取り込むことができる。
FIG. 3 shows an example in which a wireless sensor is attached to an object to be measured using adhesive tape or adhesive.
In this example, the adhesive tape or adhesive 25 is attached or applied to the entire mounting surface of the
The adhesive tape or adhesive 25 is made of an insulating material, and the
Therefore, a capacitor action can be formed between the conductor metal of the measurement object 11 and the
図4に、接着テープ又は接着剤により無線センサーを測定対象物に取り付けた他の例を示す。
この例では、接着テープ又は接着剤25を、無線センサー10の測定対象物11の表面に対向する面である取り付け面の一部に貼り付け又は塗布しており、接着テープ又は接着剤25が存在しない箇所には電力収集用端子26が設けられている。
電力収集用端子26は、接着テープ又は接着剤25の厚さ分だけ無線センサー10の取り付け面において突出するように形成されて、測定対象物11の表面の導体金属と電気的に接続する。これにより、電力収集用端子26が測定対象物11の導体金属の表面に発生する高周波電力を取り込むことができる。
なお、電力収集用端子26の位置としては、図4に示した位置に限定するものではなく、測定対象物11の表面の導体金属と電気的に接続できればどのような位置に設けてもよい。
FIG. 4 shows another example in which a wireless sensor is attached to an object to be measured using an adhesive tape or adhesive.
In this example, an adhesive tape or adhesive 25 is attached or applied to a portion of the mounting surface of the
The
The position of the
図5に、ビス又はボルトにより無線センサーを測定対象物に取り付けた例を示す。
測定対象物11の表面の導体金属には、予め固定用のビス又はボルト28と螺合するようなネジ溝を形成しておく。また、無線センサー10にも、ビス又はボルト28が挿通可能な径の貫通孔35を上面から取り付け面に向けて貫通するように形成する。
図5の例では、ビス又はボルト28の頭部33の下面と接触する位置に電力収集用端子34を設けており、測定対象物11の表面の導体金属に自然発生した高周波電力を、ビス又はボルト28を通じて電力収集用端子34から収集している。
なお、ビス又はボルト28の位置は、図5に示した位置に限定するものではなく、測定対象物11の表面の金属導体に取り付けできればどのような位置に設けてもよい。
FIG. 5 shows an example in which a wireless sensor is attached to an object to be measured using screws or bolts.
The conductive metal on the surface of the measurement object 11 is preliminarily formed with screw grooves to be screwed with fixing screws or
In the example of FIG. 5, a
The position of the screw or
また、図6に示すように、測定対象物11の表面の導体金属と、無線センサー10との間には、中間導電体15を介在させてもよい。中間導電体15としては、板状の形状が効率が良いため好適であるが、形状は板状には限定しない。
中間導電体15の材質としては、銅、アルミ、チタン、ステンレス、鉄といった材質を採用することができる。ただし、中間導電体15としてはこれらの材質に限定するものではない。また、中間導電体15は、測定対象物11の表面の導体金属との間に両面テープによって固定することができる。なお、中間導電体15の固定方法としては、両面テープに限定するものではなく、例えば無線センサー10と、測定対象物11の表面の導体金属との間をボルト等で固定し、その間に挟み込むようにして固定してもよい。
また、図7に示すように、中間導電体15は、無線センサー10と離れた位置に設置し、電気的な接続ができる導線38を介して中間導電体15と電力収集用端子26とを接続しても良い。これにより、振動が大きいなどの電力収集効率が良い場所に、中間導電体15を設置し、電力収集することができる。
中間導電体15を設けることにより、測定対象物11の表面の導体金属が塗装されて絶縁されているような場合であっても、中間導電体15において電力の発生が考えられ、これにより、電気的に絶縁された金属柱のような構造体からも電力を得ることが可能となる。
このため、中間導電体15のサイズはある程度大きい方が効率的に好ましいが、小さいものを用いることもできる。
Further, as shown in FIG. 6, an intermediate conductor 15 may be interposed between the conductive metal on the surface of the measurement object 11 and the
Materials such as copper, aluminum, titanium, stainless steel, and iron can be used as the material of the intermediate conductor 15 . However, the intermediate conductor 15 is not limited to these materials. Also, the intermediate conductor 15 can be fixed between the conductor metal on the surface of the object 11 to be measured and a double-faced tape. The method of fixing the intermediate conductor 15 is not limited to double-sided tape. For example, the
Further, as shown in FIG. 7, the intermediate conductor 15 may be installed at a position away from the
By providing the intermediate conductor 15, even if the conductive metal on the surface of the measurement object 11 is coated and insulated, power can be generated in the intermediate conductor 15. This makes it possible to obtain power even from an electrically insulated structure such as a metal column.
For this reason, it is preferable that the size of the intermediate conductor 15 is relatively large in terms of efficiency, but a smaller size can also be used.
また、図8に示すように、測定対象物11の表面の導体金属と、無線センサー10との間には、絶縁物22と導体金属24を貼り合わせて構成した中間部材18を配置してもよい。中間部材18を設けることによって、測定対象物11の表面の導体金属と無線センサー10との間、及び/又は、測定対象物11の表面の導体金属と、中間部材18の導体金属24との間にコンデンサ作用を構成し、導体金属の表面に発生する高周波電力を取り込むことができる。
導体金属24としては、銅、アルミ、チタン、ステンレス、鉄等の材質を採用することができる。
絶縁物22としては、プリント配線板材料であるフェノール樹脂、エポキシ樹脂等を採用することができるが、これらに限定するものではなく、その他の樹脂又は樹脂以外の絶縁材料を採用してもよい。
中間部材18のサイズはある程度大きい方が効率的に好ましいが、小さいものを用いることもできる。
Further, as shown in FIG. 8, an
Materials such as copper, aluminum, titanium, stainless steel, and iron can be used as the
As the
It is preferable that the size of the
本発明の無線センサー10では、十分な電力量が得られる結果、利用可能なセンサーの種類と数量を増やすといったことも可能となる。
また、自然発電する電力を利用することにより、リーダー設備から大きな起電力送信を必要とせずに、無線センサーの起動が可能となる。これにより、工場内で数千個のような多量のセンサーを、複数のリーダー設備で管理する際も、電波障害を起こす可能性があるといった従来の課題を解決しながら、安全に利用することができる。
With the
In addition, by using naturally generated power, the wireless sensor can be activated without requiring large electromotive force transmission from the reader equipment. As a result, even when a large number of sensors, such as several thousand, are managed by multiple reader equipment in a factory, they can be used safely while solving the conventional problem of the possibility of radio interference.
さらに、図9に示すように、無線センサー10を測定対象物11の表面の導体金属に取り付ける場合、1つの導体金属上に複数個取り付けることもできる。
このように、測定対象物11の1つの導体金属上に複数個の無線センサー10を取り付けることによって、特に大型の装置、設備、生産ライン等において細かくセンシングすることが可能となる。
Furthermore, as shown in FIG. 9, when the
By attaching a plurality of
10 自然発電無線センサー(無線センサー)
11 測定対象物
15 中間導電体
18 中間部材
20 センサー部
22 絶縁物
24 導体金属
25 接着テープ又は接着剤
26 電力収集用端子
28 ビス又はボルト
30 制御部
33 ビス又はボルトの頭部
34 電力収集用端子
35 貫通孔
38 導線
40 送受信部
50 電源部
52 AC/DCコンバーター
54 DC/DCコンバーター
56 蓄電部
10 Naturally-generated wireless sensor (wireless sensor)
11 Measurement object 15
Claims (10)
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集して用いる電源部を具備し、
測定対象物への取り付け面の一部には、接着テープ又は接着剤が貼り付け又は塗布されており、接着テープ又は接着剤が存在しない箇所には測定対象物の表面と電気的に接続する電力収集用端子が設けられていることを特徴とする自然発電無線センサー。 A self-powered wireless sensor attached to an object to be measured whose surface is a conductor such as metal,
Equipped with a power supply unit that collects and uses high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating measurement object whose surface is a conductor such as metal,
An adhesive tape or adhesive is attached or applied to a part of the surface to be attached to the object to be measured, and a power collecting terminal electrically connected to the surface of the object to be measured is provided in a part where the adhesive tape or adhesive is not present.
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集して用いる電源部を具備し、
上面から測定対象物への取り付け面に向けて、測定対象物への固定用のビス又はボルトが貫通する貫通穴が形成され、ビス又はボルトの頭部の下面と接触する位置にビス又はボルトを通じて高周波電力を収集する電力収集用端子が設けられていることを特徴とする自然発電無線センサー。 A self-powered wireless sensor attached to an object to be measured whose surface is a conductor such as metal,
Equipped with a power supply unit that collects and uses high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating measurement object whose surface is a conductor such as metal,
A self-powered wireless sensor characterized by having a through hole through which a screw or bolt for fixing to the object to be measured penetrates from the upper surface toward the mounting surface to the object to be measured, and a power collecting terminal for collecting high-frequency power through the screw or bolt at a position in contact with the lower surface of the head of the screw or bolt.
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を整流する機能を有することを特徴とする請求項1~請求項3のうちのいずれか1項記載の自然発電無線センサー。 The power supply unit
The naturally occurring wireless sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface is a conductor such as a metal, and has a function of rectifying high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating measurement object.
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を電圧制御する機能を有することを特徴とする請求項1~請求項4のうちのいずれか1項記載の自然発電無線センサー。 The power supply unit
The spontaneously generated wireless sensor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the surface is a conductor such as a metal, and has a function of voltage-controlling high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating object to be measured.
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を蓄電する機能を有することを特徴とする請求項1~請求項5のうちのいずれか1項記載の自然発電無線センサー。 The power supply unit
The naturally occurring wireless sensor according to any one of claims 1 to 5 , wherein the surface is a conductor such as a metal, and has a function of storing high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating measurement object.
前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、を具備し、
前記電源部は、
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集し、収集した高周波電力を前記センサー部、前記送受信部に供給することを特徴とする請求項1~請求項6のうちのいずれか1項記載の自然発電無線センサー。 a sensor unit that acquires the state of an object to be measured;
a transmitting/receiving unit that externally communicates data obtained by the sensor unit;
The power supply unit
The spontaneously-generated wireless sensor according to any one of claims 1 to 6 , wherein the surface of the object to be measured is a conductor such as a metal, and in which high-frequency power that is naturally generated by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field is collected in a vibrating object to be measured, and the collected high-frequency power is supplied to the sensor unit and the transmitting/receiving unit.
前記センサー部によって得られたデータの計算及び全体の動作管理を実行する制御部と、
前記センサー部によって得られたデータを外部通信する送受信部と、を具備し、
前記電源部は、
表面が金属等の導体であり、振動する測定対象物において、周囲の電界及び磁界との電磁誘導により自然発生する高周波電力を収集し、収集した高周波電力を前記センサー部、前記送受信部及び前記制御部に供給することを特徴とする請求項1~請求項7のうちのいずれか1項記載の自然発電無線センサー。 a sensor unit that acquires the state of the object to be measured;
a control unit that performs calculation of data obtained by the sensor unit and overall operation management;
a transmitting/receiving unit that externally communicates data obtained by the sensor unit;
The power supply unit
The spontaneously-generated wireless sensor according to any one of claims 1 to 7 , wherein the surface of the object to be measured is a conductor such as a metal, and the naturally generated high-frequency power is collected by electromagnetic induction with the surrounding electric field and magnetic field in a vibrating measurement object, and the collected high-frequency power is supplied to the sensor unit, the transmitting/receiving unit, and the control unit.
前記センサー部によって得られたデータを個体識別IDで管理することを特徴とする請求項8記載の自然発電無線センサー。 The control unit or the transmission/reception unit,
9. The natural power generation wireless sensor according to claim 8, wherein the data obtained by said sensor unit is managed by an individual identification ID.
前記センサー部によって得られたデータのデジタル化処理を実行することを特徴とする請求項8又は請求項9記載の自然発電無線センサー。 The control unit
10. The naturally-generated wireless sensor according to claim 8, wherein data obtained by said sensor unit is digitized.
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