WO2013105298A1

WO2013105298A1 - 振動センサ、外部環境検出装置

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Publication number: WO2013105298A1
Application number: PCT/JP2012/070829
Authority: WO
Inventors: 正木達章; 横山徹; 松浦圭記
Original assignee: オムロン株式会社
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US9134168B2; US20140327337A1; JP2013142594A; KR101585817B1; EP2803958B1; EP2803958A4; KR20140101762A; JP5862310B2; CN103988061A; CN103988061B; EP2803958A1

Abstract

　外部振動による第一基板と第二基板の相対的な位置変化に伴って、エレクトレット群と電極群との位置関係が変化することによって、外部振動の検出信号を出力する振動センサである。そして、電極群は二以上の所定相数に区分されて、相ごとに外部振動に応じた電気信号を生成可能な小電極群が形成され、電極群に、該電極群に含まれる隣接する電極間に、複数の小電極群で生成される電気信号のそれぞれの間に所定の位相差を生じさせる位相差発生間隔が、所定相数に応じて設けられる。そして、外部振動による第一基板と第二基板の相対的な位置変化の結果、複数の小電極群で生成される電気信号を重ね合わせて形成した信号を、外部振動の検出信号として出力する。これにより、エレクトレットを利用して外部振動を検出する、簡便性の高い振動センサを提供する。

Description

振動センサ、外部環境検出装置

　本発明は、外部振動を検出する振動センサ、および外部振動を含む環境パラメータを検出する検出装置に関する。

　昨今の省エネルギーの流れから、化石燃料等に依存しない日常的に存在する環境エネルギーが注目されている。環境エネルギーとして太陽光や風力等による発電エネルギーは広く知られているが、これらに劣らないエネルギー密度を有する環境エネルギーとして、日常周囲に存在する振動エネルギーを挙げることができる。

　そして、この振動エネルギーを利用して発電を行う振動発電装置が開発されており、その発電装置には電荷を半永久的に保持できるエレクトレットが広く利用されている（例えば、特許文献１を参照）。当該技術では、エレクトレットを利用した発電装置において、発電のために往復運動する可動基板の移動方向が二つ以上の異なる方向に設定される。これにより、外部振動を効率的に発電装置に集め、その振動による発電を行うことができる。

特開２００９－２８４２４０号公報

　従来から開発されているエレクトレットを利用した振動発電装置は、一般には、図７に示すように、互いに対向した状態を保ったまま相対移動が可能となるように構成された一対の基板２１、２５を有し、その一方に櫛歯状にエレクトレット２２とガード電極２３を配置し、もう一方に一対の電極２６、２７を配置した構成を有する。そのため外部振動がこの振動発電装置に付与されると、エレクトレット２２が一対の電極２６、２７に対して相対移動することで、エレクトレット２２が複数の対の電極２６、２７を横切ることになる。そのため、図８Ａ、図８Ｂに示すように、外部振動の周期に対応した発電電圧の波形に、横切った電極数に応じたリップル電圧が重畳された出力が、整流器２８後に得られることになる。このように従来技術では、エレクトレットを利用した振動発電装置の開発が行われていた。

　ここで、振動発電装置の出力電圧は、発電出力であるとともに、外部振動の振動情報を含む振動検出信号でもある。しかしながら、上記の通り、エレクトレットを利用した振動発電装置では、外部振動の周期に対応した発電電圧にリップル電圧が重畳された電圧が出力されるが、このリップル電圧の重畳の程度は、外部振動によるエレクトレットと櫛歯電極の相対移動の大きさによって変動する。そのため、リップル電圧が重畳された直接の発電の出力電圧から、外部振動の状況を直ちに把握することはできず、リップル電圧の周波数検出や、発電電圧からリップル電圧の除去等の様々な電気的な処理が必要となる。そのため、外部振動に関する処理を行うためのデバイスや、そのデバイスを駆動するための電力が必要となり、振動発電装置をそのまま振動検出装置として使用するには簡便性が良いとは言えない。

　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、エレクトレットを利用して外部振動を検出する、簡便性の高い振動センサを提供することを目的とする。

　本発明においては、上記課題を解決するために、エレクトレットを利用した振動センサにおいて、外部振動に応じた電気信号を生成する構成を複数設け、その各構成で生成される電気信号間には所定の位相差が含まれるとともに、その所定の位相差を含む各構成からの電気信号を重ね合わせることで、外部振動の検出信号とすることとした。所定の位相差を含む電気信号を重ね合わせることで、エレクトレットが複数の電極を横切ることで生じるリップル電圧の影響を低減することが可能となり、以て、振動センサの簡便性を高めることができる。

　詳細には、本発明は、互いに対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能となるように構成された第一基板および第二基板と、前記第一基板の一方の面側に、前記相対移動方向に並べられた複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と、前記第二基板における前記エレクトレット群と対向する面側に、前記相対移動方向に並べられた複数の電極からなる電極群と、を備え、外部振動による前記第一基板と前記第二基板の相対的な位置変化に伴って、前記エレクトレット群と前記電極群との位置関係が変化することによって、外部振動の検出信号を出力する振動センサである。そして、前記電極群は二以上の所定相数に区分されて、相ごとに外部振動に応じた電気信号を生成可能な小電極群が形成され、前記電極群又は前記エレクトレット群のいずれか一方に、該電極群に含まれる隣接する電極間又は該エレクトレット群に含まれる隣接するエレクトレット間に、前記複数の小電極群で生成される電気信号のそれぞれの間に所定の位相差を生じさせる位相差発生間隔が、前記所定相数に応じて設けられる。そして、本発明に係る振動センサは、外部振動による前記第一基板と前記第二基板の相対的な位置変化の結果、前記複数の小電極群で生成される電気信号を重ね合わせて形成した信号を、外部振動の検出信号として出力する。

　本発明に係る振動センサは、電荷を半永久的に保持できるエレクトレットの性質を利用し、相対移動可能な二つの基板に設けられた電極群とエレクトレット群との間での外部振動に応じた電荷容量の変動が、電極群から電気信号として出力される。ここで、上記振動センサにおいては、電極群が二以上の所定相数に区分されることで小電極群が形成されており、これら所定相数の小電極群で、上記エレクトレットの性質を利用した外部振動に応じた電気信号が生成される。なお、本発明における所定相数は、後述する電気信号の重ね合わせの結果得られる外部振動の検出信号の精度を実用的に高め得る任意の数であってよく、理論的には所定相数は多いほど好ましいが、振動センサの実用的な設計等の観点、例えば、電極からの信号取り出しパッドの大きさ、配置、取り出された信号を整流するための整流器における電力損失等の観点から、３～６相程度が妥当である。もちろん、本発明としては、振動センサとしての機能が損なわれない限りにおいては、更に多い相数も採用し得る。

　ここで、上記振動センサでは、電極群又はエレクトレット群のどちらか一方に、位相差発生間隔が設けられる。この位相差発生間隔は、それが電極群に設けられている場合には、電極群に含まれる一の電極と、当該一の電極に隣接する電極との間に設けられる電極間隔であり、この位相差発生間隔の存在により、小電極群で生成される外部振動に応じた電気信号のそれぞれにおいて、各電気信号が一致しないように所定の位相差を有する電気信号とされる。すなわち、第一の基板と第二の基板が相対移動することで、エレクトレット群が電極群に含まれる複数の電極を順次横切って移動し、この移動が電極群で生成される電気信号に反映されるが、電極群の中に位相差発生間隔がある電極間での電極間隔として設けられることで、それぞれの小電極群で生成される電気信号間に時間的なずれ（すなわち位相差）が生じることになる。この位相差発生間隔の配置による時間的なずれの生成については、位相差発生間隔がエレクトレット群に含まれるエレクトレット同士の間隔として配置されている場合も同様である。肝要であるのは、相対的に移動する電極群とエレクトレット群との間において、小電極群での生成電気信号に位相差を生じさせるべく、電極群とエレクトレット群の何れか一方に位相差発生間隔が配置されればよいということである。

　そして、位相差発生間隔の存在により付与された外部振動が小電極群において相応の位相差を含んだ電気信号を生成する。本発明に係る振動センサでは、この電気信号が重ね合わされて外部振動の検出信号として出力される。各小電極群による電気信号は、外部振動の周波数に則した周波数を基礎として、それにエレクトレット群に含まれるエレクトレットが、電極群に含まれる電極を横切っていくことで発生するリップル電圧信号が重畳されたものである。しかしながら、各電極群による電気信号は、それぞれに位相差発生間隔に起因する位相差が含まれているため、それらの電気信号が重ね合わされても、位相差の存在によってリップル電圧信号の重ね合わせが回避され、もしくは、リップル電圧信号の重ね合わせが部分的なものとされ、結果として、外部振動に則した基礎信号に対するリップル電圧信号の影響度合いを緩和させることができる。したがって、上記の通り、重ね合わされて形成された信号は、エレクトレットを利用した外部振動の検出において従来技術では解決できなかったリップル電圧の影響を緩和するものであり、当該信号を外部振動の検出信号として利用することで、振動センサの簡便性を向上させることができる。

　なお、小電極群による生成電気信号に含まれる所定の位相差は、上述したように、外部振動に則した基礎信号に対するリップル電圧信号の影響度合いを緩和させる要素として重要なものであり、実用的な振動センサにおいては、電極やエレクトレットの具体的な構造や大きさ等に基づいて、上記緩和効果が顕著となるように位相差発生間隔を適宜設定されればよい。ここで、この所定の位相差を生み出す位相差発生間隔の具体的な構成について、一例を挙げる。たとえば、上記の振動センサにおいて、前記エレクトレット群と前記電極群のうち一方が、その群に含まれる電極間の間隔又はエレクトレット間の間隔が一定とされる均等配置群とされ、前記エレクトレット群と前記電極群のうち他方が、その群に含まれる電極又はエレクトレットの配置において前記位相差発生間隔が含まれる非均等配置群とされる。この場合、前記均等配置群における隣接する電極間の間隔又は隣接するエレクトレット間の間隔は、前記非均等配置群における、前記位相差発生間隔以外の、電極間の間隔又は隣接するエレクトレット間の間隔と略同一に設定されてもよい。このように構成される振動センサにおいては、エレクトレット群に含まれるエレクトレット同士の間隔と電極群に含まれる電極同士の間隔の中に、上記位相差発生間隔を存在させることで、小電極群によって生成される所定相数に応じた電気信号に、上述したリップル電圧信号の影響を緩和させるための所定の位相差を含ませることができ、以てそれらの電気信号を重ね合わせて、外部振動の検出信号を形成することができる。

　ここで、上記の振動センサにおいて、前記位相差発生間隔Ａ１は、前記電極の幅又は前記エレクトレットの幅をＷ、前記非均等配置群における、該位相差発生間隔以外の、電極間の間隔又は隣接するエレクトレット間の間隔をＡ、前記所定相数をＮとした場合、Ａ１＝Ａ±（Ｗ＋Ａ）／Ｎの式で表わされてもよい。この場合、小電極群によって生成される電気信号のそれぞれに、平均的に所定の位相差を含ませることができ、重ね合わせて形成される外部振動の検出信号において、特定の小電極群による生成電気信号の影響を受けにくくすることができる。

　ここで、上述までの振動センサにおける位相差発生間隔の配置について、より詳細に説明する。当該配置の一例として、上述までの振動センサで、前記第二基板において、前記所定相数の小電極群のそれぞれは、該小電極群ごとに前記相対移動方向に順次並べられ、隣接する該小電極群の間の電極間隔が前記位相差発生間隔に設定される構成を採用してもよい。このような構成では、エレクトレット群側には位相差発生間隔は設けられず、一の小電極群とそれに隣接する小電極群との間の電極間隔が位相差発生間隔とされ、これにより、それぞれの小電極群で生成される電気信号に所定の位相差が含まれることとなる。

　また、電極群側に位相差発生間隔を配置する他の例としては、上述までの振動センサで、前記第二基板において、前記所定相数の小電極群のそれぞれは、該小電極群ごとに前記相対移動方向と異なる方向に、且つ小電極群同士が重ならないように並べられ、そして、前記所定相数の小電極群の並べられた方向において隣接する該小電極群の、前記相対移動方向における電極間隔が前記位相差発生間隔に設定される構成を採用してもよい。すなわち、所定相数の小電極群を、相対移動方向とは異なる方向に並べることでも、相対移動方向に沿って小電極群同士の電極間隔を位相差発生間隔に設定することができれば、上述までの例と同じように、外部振動により小電極群で生成される電気信号に所定の位相差が含まれ、それぞれの生成電気信号を重ね合わせることで、リップル電圧の影響を緩和させることが可能となる。なお、上記相対移動方向とは異なる方向として、各小電極群が配置でき、且つ位相差発生間隔が設定可能な限りにおいては、相対移動方向に重ならない任意の方向（例えば、相対移動方向に垂直な方向など）を採用できる。

　電極群側での位相差発生間隔の配置については、上述までの構成が採用できるが、これらの構成以外の構成も採用可能である。すなわち、振動センサの実用性等を考慮して、所定相数に区分された電極群において、所定の位相差を含む、外部振動に応じた電気信号を生成する限りにおいて、様々な位相差発生間隔の配置構成を採用することができる。

　次に、エレクトレット群側に位相差発生間隔を配置する例について説明する。例えば、上述までの振動センサにて、前記エレクトレット群が前記所定相数に区分されて、小エレクトレット群が形成され、そして、前記第一基板において、前記小エレクトレット群のそれぞれは、該小エレクトレット群ごとに前記相対移動方向に順次並べられ、隣接する該小エレクトレット群の間のエレクトレット間隔が前記位相差発生間隔に設定される構成を採用することができる。このような構成に係る小エレクトレット群は、上記の通り、位相差発生間隔によって、構造的に区別できるエレクトレットのまとまりとして観念されるものである。そして、当該構成を採用する振動センサでは、エレクトレット群において、位相差発生間隔を挟んで小エレクトレット群が順次相対移動方向に沿って並べられることにより、エレクトレット群に対向して配置されている小電極群による電気信号に、所定の位相差が含まれることとなる。

　ここで、本発明を、上述までの振動センサとは異なる側面から捉えることができる。すなわち、上述までの振動センサでは、電極群もしくはエレクトレット群のいずれかに位相差発生間隔を配置させることで、小電極群による生成電気信号に所定の位相差を含めることとしたが、それに代えて、振動センサを、電極群とエレクトレット群とを備える振動検出ユニットを所定相数備える構成とし、そして、各振動検出ユニットからの出力信号が所定の位相差を含むように、各振動検出ユニットでの電極群とエレクトレット群との相対位置関係が調整される。このようにすることで、各振動検出ユニットからの出力信号を重ね合わせることで、外部振動の検出信号を形成することができ、当該構成は、振動センサの簡便性の向上に資するものである。

　より詳細には、本発明に係る振動センサは、互いに対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能となるように構成された第一基板および第二基板と、前記第一基板の一方の面側に、前記相対移動方向に並べられた複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と、前記第二基板における前記エレクトレット群と対向する面側に、前記相対移動方向に並べられた複数の電極からなる電極群と、を備え、外部振動による前記第一基板と前記第二基板の相対的な位置変化に伴って、前記エレクトレット群と前記電極群との位置関係が変化することによって、外部振動に応じた電気信号を出力する振動検出ユニットを、所定相数含んでなる振動センサである。そして、前記所定相数の振動検出ユニットに対して同一の外部振動が付与されたとき、該所定相数の振動検出ユニットのそれぞれから出力される電気信号の間に所定の位相差が生じるように、該振動検出ユニット間で、各振動検出ユニットが有する前記エレクトレット群と前記電極群の相対位置関係において前記相対移動方向に沿った所定の位置ずれが設定され、前記振動センサに外部振動が付与された結果、前記所定相数の振動検出ユニットのそれぞれから出力される電気信号を重ね合わせて形成した信号を、外部振動の検出信号として出力する。

　ここで、本発明は、上述までの振動センサを含む外部環境検出装置として捉えることもできる。当該外部環境検出装置は、少なくとも外部振動を含む外部環境に関するパラメータを検出するための装置であり、詳細には、上述までの振動センサを含む外部環境検出装置であって、前記振動センサは、前記外部振動の検出信号を発電出力として発電する振動発電装置としても機能し、前記振動センサによる発電電力を蓄電する蓄電部と、前記振動センサによって出力された前記外部振動の検出信号に関する信号処理を行う処理部と、を備える。すなわち、本発明に係る振動センサは、外部振動の検出の他に、蓄電部に蓄電され、処理部による信号処理のために使用される電力を発電する発電装置としても機能する。このような構成を有する外部環境検出装置は、外部振動の検出に加えて、検出された外部信号の信号処理に要する電力の供給を、装置自身で賄うことが可能となる。そのため、外部からの電力供給を必要とせず、広い用途で外部環境検出装置が使用できる。

　更には、上記外部環境検出装置において、外部振動以外の、所定の環境パラメータを検出する環境パラメータセンサを、更に備え、前記処理部は、前記蓄電部に蓄電された電力を利用して、前記環境パラメータセンサの駆動および／または該環境パラメータセンサによる検出信号に関する信号処理を行ってもよい。このような構成により、外部振動以外の環境パラメータについても、その検出および／またはその信号処理を外部からの供給電力に頼ることなく実現することができる。

　エレクトレットを利用して外部振動を検出する、簡便性の高い振動センサを提供することが可能となる。

本発明の第一の実施例に係る振動センサの概略構成を示す図である。図１に示す振動センサの各小電極群で生成される電気信号を比較して示す図である。図２Ａで示す電気信号を重ね合わせた信号を示す図である。本発明の第二の実施例に係る振動センサの概略構成を示す図である。本発明の第三の実施例に係る振動センサの概略構成を示す第一の図である。本発明の第三の実施例に係る振動センサの概略構成を示す第二の図である。本発明に係る振動センサを含み、振動等の環境パラメータを検出する外部環境検出装置を利用した、情報収集を可能とするシステムの概略構成を示す図である。図５に示す外部環境検出装置で発揮される機能をイメージ化した機能ブロック図である。従来例に係る振動センサの概略構成を示す図である。図７に示す振動センサによる、外部振動の検出信号を示す第一の図である。図７に示す振動センサによる、外部振動の検出信号を示す第二の図である。

　以下に、図面を参照して本発明の振動センサ１０について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。

　図１は、本発明に係る振動センサ１０の概略構成を示す。なお、図１は振動センサ１０を縦断面、すなわちＺＸ平面で切断したときの断面図である。振動センサ１０は、不図示の筐体の内部に収納される第一基板１及び第二基板５とを備えている。第一基板１と、第二基板５は、互いに対向した状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されている。そして、本実施例においては、第二基板５は筐体に固定されている。これに対して、第一基板１は、その両端がそれぞれバネによって筺体につながれているため、第一基板１そのものは、外部振動によって筐体に対して移動（振動）するように構成されている。

　なお、第一基板１と第二基板５は、互いに対向した状態で、かつ互いに平行な状態を保ったまま、つまり対向する面の間隔が一定の状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されている。これにより、後述するように第一基板１側のエレクトレット２の作用によって第二基板５側の一対の電極６、７で電気信号を生成することが可能となる。この電気信号の生成原理については従来技術であることから、本明細書ではその詳細な説明は割愛する。また、第一基板１と第二基板５との間の間隔を保持する構成、すなわち両者の円滑な相対移動を維持するための構成は、上記電気信号の生成性能を高めるために重要ではあるが、本願発明の核心から外れるものであるから、本明細書では言及は控えることとする。

　ここで、第一基板１側の構造について説明する。第一基板１における第二基板５との対向面側には、それぞれ導電体上に形成された複数のエレクトレット２と、いずれも接地されていない複数のガード電極４が、第一基板１と第二基板５との相対的な移動方向（図中の振動方向）に沿って交互に並ぶように配置されている。この複数のエレクトレット２が、本発明に係るエレクトレット群に相当する。この複数のエレクトレット２と複数のガード電極４はそれぞれ櫛状に形成され、それぞれのエレクトレット２と、それぞれのガード電極４が入れ子状に配置されているが、上記のとおり、図１はＺＸ断面図であるため、エレクトレット２とガード電極４が交互に配置されているように図示される。本実施形態においては、エレクトレット２はマイナスの電荷を半永久的に保持するように構成されている。このようにエレクトレット２とガード電極４が交互に並ぶ配置において、相対移動方向におけるエレクトレット２の幅（以下、単に「エレクトレット２の幅」という）と、同じように相対移動方向におけるガード電極４の幅（以下、単に「ガード電極４の幅」という）は共にｗとされ、隣接するエレクトレット２とガード電極４との相対移動方向における間隔（以下、単に「エレクトレット２とガード電極４との間隔」という）はａとされる。

　なお、ガード電極４については、本実施例では上記の通り接地させない構成を採用しているが、それに代えて接地させる構成を採用してもよい。ガード電極４を接地させることで、後述する第一電極６と第二電極７によって外部振動に応じた電気信号を０Ｖを中心とした安定した信号として取り出せることから、安定した外部振動の検出のためには有用である。

　次に、第二基板５側の構造について説明する。第二基板５おける第一基板１との対向面側には、一対の電極（第１電極６と第一電極７と称する）を一組とする一又は複数組の電極で構成される各相ごとの小電極群が形成されている。なお、本実施例では、小電極群の数を決定する相数は３とし、それぞれをＡ相、Ｂ相、Ｃ相と称するとともに、第一電極６と第二電極７については、それらが属する相を明示する場合には、参照番号（６、７）に続いて、相を示すＡ、Ｂ、Ｃを添えることとする（このように相を伴う参照番号の記載については、後述する整流器１１等についても同じである）。また、図１においては説明を簡便にするために、一つの小電極群に含まれる第一電極６と第二電極７の組数は１とし、相対移動方向に沿って、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の順に、繰り返し小電極群が配置される。

　本実施例においては、複数のエレクトレット２を有する第一基板１の第二基板５に対する相対的な位置変動に起因して、小電極群ごとに、当該相対的位置変動（振動）に応じた電気信号が生成され、それぞれが独立して整流器によって整流される。具体的には、Ａ相に属する小電極群（第一電極６Ａと第二電極７Ａ）で生成された電気信号は、整流器１１Ａに渡される。また、それに並行して、Ｂ相に属する小電極群（第一電極６Ｂと第二電極７Ｂ）で生成された電気信号は、整流器１１Ｂに渡され、Ｃ相に属する小電極群（第一電極６Ｃと第二電極７Ｃ）で生成された電気信号は、整流器１１Ｃに渡される。そして、各整流器を通った後の電気信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、重ね合わされて出力Ｐとなる。

　このように第二基板５において各相に応じた小電極群が順次並ぶ配置において、相対移動方向における第一電極６および第二電極７の幅（以下、単に「電極幅」という）は、上記エレクトレット２の幅と同じようにｗとされる。また、各相に応じた一つの小電極群内での第一電極６と第二電極７との相対移動方向における間隔（以下、単に「小電極群内の電極間隔」という）は、上記エレクトレット２とガード電極４との間隔と同じようにａとされる。一方で、一の相に応じた小電極群とそれに隣接する小電極群との間の相対移動方向における電極間隔（例えば、Ａ相に対応する小電極群の第二電極７Ａと、Ｂ相に対応する小電極群の第一電極６Ｂとの間の電極間隔であり、当該電極間隔は、以下、「小電極群同士の電極間隔」という）は、上記小電極群内の電極間隔ａとは異なり、ａ＋Δとされる。すなわち、相と相との間の電極は、相内の電極間隔と異なるように設定されていることになる。

　そして、上記小電極群同士の電極間隔ａ＋Δにおいて、Δは、以下の式で決定される。
　Δ＝（ｗ＋ａ）／ｎ
　ｎ：相数（本実施例の場合は３）

　このように小電極群同士の電極間隔を設定することで、外部振動により第一基板１が第二基板５に対して相対移動を行ったとき、各小電極群で生成される電気信号間に、所定の位相差（時間遅れ）を含ませることが可能である。すなわち、第一基板１側では、小電極群の属する相に関係なく、いずれのエレクトレット２とガード電極４との間隔は、一定のａであるが、第二基板側では、小電極群内の電極間隔と、小電極群同士の電極間隔とが異なることで、エレクトレット２がこの小電極群同士の電極間隔ａ＋Δを横切るときに、ａ＋Δとａの差分であるΔに応じた位相差が各小電極群で生成される電気信号に反映され、その一例を、図２Ａに示す。図２Ａの上段はＡ相に対応する第一電極６Ａと第二電極７Ａ間の生成電気信号Ｐ１であり、中段はＢ相に対応する第一電極６Ｂと第二電極７Ｂ間の生成電気信号Ｐ２であり、上段はＣ相に対応する第一電極６Ｃと第二電極７Ｃ間の生成電気信号Ｐ３である。Δを上記のように決定することで、Ａ相の生成電気信号とＢ相の生成電気信号との位相差と、Ｂ相の生成電気信号とＣ相の生成電気信号との位相差を概ね等しくすることができる。

　そして、本発明に係る振動センサ１０は、図１に示すように、生成電気信号Ｐ１～Ｐ３が重ね合わされて、外部振動の検出信号としての出力Ｐとなる。この重ね合わされて生成された検出信号Ｐを図２Ｂに示す。図２Ａに示す状態ではリップル電圧の影響が比較的大きいが、このようにそれぞれ位相差を含むように調整された各小電極群での生成電気信号を重ね合わせることで、そのリップル電圧の影響を緩和させて、外部振動の動きに極めて近い基本的な振動を示す検出信号を形成することができる。このように外部振動の動きに極めて近い信号を出力することにより、リップル電圧に関する信号処理を経なくても、いわば直接的に外部振動を検出することができるようになるため、外部振動を検出する振動センサとしての簡便性を高めることができる。

　なお、図１に示す小電極群同士の電極間隔ａ＋Δは、本発明に係る位相差発生間隔に相当するが、当該間隔は、第二基板５側ではなく第一基板１側に設けられてもよい。この場合、第二基板５においては、すべての電極間隔を等しくａに設定するとともに、第一基板１においては、相数に応じて、上記小電極群に相当するエレクトレット２の小群を区分する間隔を、位相差発生間隔として設け、その間隔の大きさをａ＋Δとすればよい。また、上記の例では、位相差発生間隔としての小電極群同士の電極間隔をａ＋Δと設定したが、それに代えてａ－Δとしてもよい。このように設定しても、図２Ａに示すように、相間の生成電気信号の位相差を概ね等しくすることができる。

　本発明に係る振動センサ１０の第二の実施例について、図３に基づいて説明する。なお、図３は振動センサ１０の第二基板５側の小電極群（第一電極６および第二電極７）の、ＸＹ平面における配置を示す図である（なお、図３では第一基板１側の構成は省略している）。したがって、図３においては、各小電極群に含まれる第一電極６と第二電極７の櫛状の形状が確認できる。ここで、上記第一の実施例では、図１に示すように、第一基板１と第二基板５の相対移動方向に沿って、小電極群が、相ごとに順次配置され、そして、小電極群と小電極群との間の電極間隔が、本発明に係る位相差発生間隔に設定されている。このように第一実施例は、小電極群を相対移動方向に沿って配置する構成を採用したが、この第二実施例は、小電極群を、当該相対移動方向とは異なる方向、具体的には、それに対して垂直となる方向（Ｙ方向）に並べる構成を採用する。

　具体的には、図３に示すように、Ａ相に対応する第一電極６Ａと第二電極７Ａは交互にＸ方向に並べられ、Ｂ相に対応する第一電極６Ｂと第二電極７Ｂは交互にＸ方向に並べられ、Ｃ相に対応する第一電極６Ｃと第二電極７Ｃは交互にＸ方向に並べられている。そして、各相の第一電極６と第二電極７からなら小電極群は、Ｙ方向に並べられる。なお、各小電極群において、電極の大きさ、形状、電極間隔（相対移動方向の間隔）は同一である。いわば、第二実施例では、第二基板５側の電極配置は二次元的に展開されている。このような電極配置がなされる第二基板５に対して、第一基板１のエレクトレット２等の配置は、基本的には図１に示す構成と同じであり、第二基板５側の三相分の小電極群を覆うように配置される。

　ここで、Ａ相に対応する小電極群と、Ｂ相に対応する小電極群との間には、相対移動方向に沿ってΔのずれが設定されており、また、Ｂ相に対応する小電極群と、Ｃ相に対応する小電極群との間には、相対移動方向に沿ってΔのずれが設定されている。当該Δの定義は、第一の実施例で示した通りである。このような構成を採用することで、外部振動によって第一基板１が第二基板５に対して相対移動を行ったときは、Δのずれの存在により、各相に対応する小電極群で生成された電気信号に、所定の位相差を含ませることができる（図２Ａを参照）。そして、図２Ｂに示すように、各小電極群で生成された電気信号を重ね合わせることで、リップル電圧の影響を緩和させた、外部振動の検出信号を出力することができる。このように第二実施例に示す振動センサ１０の構成も、本発明の位相差発生間隔に相当するΔのずれを有し、この構成は、第一実施例と同様に、振動センサの簡便性の向上に資するものである。

　本発明に係る振動センサ１０の第三の実施例について、図４Ａおよび図４Ｂに基づいて説明する。図４Ａは、本発明に係る振動センサ１５の概略構成を示す図であり、振動センサ１５は、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相に対応する振動検出ユニット１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃからの生成信号を重ね合わせることで、外部振動の検出信号を出力するものである。なお、本実施例においては、各相にそれぞれ４個の振動検出ユニット１６が配置されている。

　ここで、本実施例に係る振動検出ユニット１６自体は、基本的には、図７に示す従来技術と同じエレクトレット２の配置と第一電極６、第二電極７の配置構成を有している（図４Ｂを参照。ただし、図４Ｂは、相ごとの振動検出ユニットの違いが理解できるように、第一基板１を基準として、第二基板５を相ごとに比較した図である）。したがって、単一の振動検出ユニット１６では、エレクトレット２の幅、ガード電極４の幅、第一電極６および第二電極７の幅は、いずれも同じｗとされる。更に、エレクトレット２とガード電極４の間隔、第一電極６と第二電極７の電極間隔は、いずれも同じａとされる。

　しかしながら、本実施例では、振動検出ユニット間で、各振動検出ユニットが有する前記エレクトレット２と第一、第二電極６、７の相対位置関係において、相対移動方向に沿って所定の位置ずれが設定されている。すなわち、図４Ｂに示すように、Ａ相に対応する振動検出ユニット１６Ａにおける第一基板１上のエレクトレット２と第二基板５上の第一、第二電極６、７の相対位置関係を基準とすると、Ｂ相に対応する振動検出ユニット１６Ｂでは、第一基板１上のエレクトレット２に対して、第二基板５上の第一、第二電極６、７が相対移動方向にΔだけ位置ずれしており、Ｃ相に対応する振動検出ユニット１６Ｃでは、第一基板１上のエレクトレット２に対して、第二基板５上の第一、第二電極６、７が相対移動方向に２Δだけ位置ずれしている。なお、当該Δの定義は、第一の実施例で示した通りである。

　このように各相に対応する振動検出ユニット間で、第一基板１上のエレクトレット２に対する、第二基板５上の第一、第二電極６、７の相対移動方向での位置をずらすことで、外部振動が付与されたときに各相に対応する振動検出ユニットで生成される電気信号に図２Ａに示すような位相差を含ませることができる。外部振動が付与されると、各相に対応する振動検出ユニットの第一基板１を、相の区別なく一様に振動させる。しかし、相ごとに上記位置ずれが設定されていることから、結果的には、図２Ａに示すような位相差を含む電気信号が、各相に対応する振動検出ユニットで生成されることになる。そして、図４Ａに示すように、各相の電気信号を重ね合わせることで、リップル電圧の影響を緩和させた、外部振動の検出信号を出力することができる。このように第三実施例に示す振動センサ１５の構成も、第一実施例と同様に、振動センサの簡便性の向上に資するものである。

　ここで、上述までの本発明に係る振動センサは、外部振動の検出を的確に行い得る構成を有するものであるが、一方で、外部振動で発生した電気信号を発電出力として利用する、すなわち当該振動センサを外部振動による発電装置として利用することも可能である。なお、エレクトレットを利用して外部振動によって発電を行う技術は、従来から開発されていることから、当該発電に関する詳細な記載は割愛する。

　ここで、図５に、本発明に係る振動センサを含む外部環境検出装置１００を利用した、橋梁５０の管理システムの概略構成を示す。橋梁は使用年月の経過とともに、強度等の性能が劣化していくため、適時、橋梁５０の性能変化を把握しておく必要がある。例えば、地震や度重なる大型車両の通行等によって生じる橋梁５０の劣化の進行に応じて、橋梁５０の振動に関する振幅（振動変位）や振動周波数が変化していく。そこで、橋梁５０に上記振動センサを含む外部環境装置１００が数個、設置される。この外部環境検出装置１００は、振動センサ１０、１５によって橋梁５０の振動に関する情報を検出するとともに、その他の環境パラメータとして橋梁５０の加速度を検出するための加速度センサを備えている。そして、振動センサ１０等で検出された環境パラメータは、無線で基地局１５０に送信される。この基地局１５０はインターネット１６０に接続されており、受信した環境パラメータに関する情報は、インターネット１６０を経由してサーバ２００に届けられる。

　このサーバ２００は、取得した環境パラメータを利用して橋梁５０の性能に関する処理を行い、橋梁５０がどのような状態に置かれているか（たとえば、強度の低下の程度など）について判断などを行う。また、サーバ２００は、当該判断に必要なその他の情報（橋梁５０が存在している地域の気象データや橋梁５０の交通荷重データ等）を、インターネット１６０に接続されているデータサーバ１７０、１８０等から取得することも可能である。

　ここで、外部環境検出装置１００が発揮する機能をイメージ化して表した機能ブロックを図６に示す。もちろん、外部環境検出装置１００は、図６に示す機能部以外の機能部を有していても構わない。外部環境検出装置１００は、大別して、振動センサ、加速度センサ、送信ユニットを有している。そして、振動センサ内には、蓄電部１０１、振動検出部１０２、処理部１０３が形成される。蓄電部１０１は、振動センサが発電装置として機能したときに得られる発電電力を蓄電する。振動検出部１０２は、上述までのように振動センサ１０、１５が外部振動を検出する装置として機能したときの、その外部振動を検出を行う機能部である。処理部１０３は、必要に応じて振動検出部１０２によって検出された外部振動の情報の処理を行う機能部である。なお、この処理部１０３の駆動には、蓄電部１０１に蓄電されている電力が使用される。

　次に、加速度センサ内には、加速度検出部１１１と処理部１１２が形成される。加速度検出部１１１は、橋梁５０に関する加速度の情報を検出する機能部である。加速度の検出については従来から広く知られているので、本明細書では説明を割愛する。処理部１１２は、必要に応じて加速度検出部１１１によって検出された加速度の情報の処理を行う機能部である。なお、加速度検出部１１１の駆動および処理部１１２の駆動には、蓄電部１０１に蓄電されている電力が使用できる。

　次に、送信ユニット内には、送信部１２１が形成され、またユニット内には送信用電池１２２が設けられている。送信部１２１は、振動検出部１０２や加速度検出部１１１の検出データ、処理部１０３や処理部１１２による処理結果を一時的に格納するとともに、基地局１５０に送信する機能部である。なお、データを無線で基地局１５０に送信するには、相応の電力が必要となるため、送信電力は、蓄電部１０１による蓄電電力ではなく、送信用電池１２２から供給を受ける。

　このように外部環境検出装置１００では、本発明に係る振動センサを利用することで、橋梁５０の振動検出、加速度検出およびそれに関連するデータ処理を、振動センサ自身の発電電力で賄うことになるため、環境パラメータの検出に関しては、実質的に、無電源で実現していると言える。この結果、橋梁５０の振動を簡便に検出できるとともに、環境パラメータ検出のための電池交換の頻度を低減することができる。

　なお、上記実施例では、送信部１２１の送信電力は送信用電池１２２から供給を受けているが、振動センサが発電装置として機能したときに得られる発電電力、すなわち蓄電部１０１に蓄電されている電力を利用して、データを無線で基地局１５０に送信するようにしてもよい。この場合、蓄電部１０１における蓄電量が十分であれば、送信用電池１２２そのものを省略でき、また別法として、送信用電池１２２を設置しながら蓄電部１０１をその補助電源として利用してもよい。

　１・・・・第一基板
　２・・・・エレクトレット
　４・・・・ガード電極
　５・・・・第二基板
　６・・・・第一電極
　７・・・・第二電極
　１０・・・・振動センサ
　１１・・・・整流器
　１５・・・・振動センサ
　１６・・・・振動検出ユニット

Claims

　互いに対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能となるように構成された第一基板および第二基板と、
　前記第一基板の一方の面側に、前記相対移動方向に並べられた複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と、
　前記第二基板における前記エレクトレット群と対向する面側に、前記相対移動方向に並べられた複数の電極からなる電極群と、を備え、
　外部振動による前記第一基板と前記第二基板の相対的な位置変化に伴って、前記エレクトレット群と前記電極群との位置関係が変化することによって、外部振動の検出信号を出力する振動センサであって、
　前記電極群は二以上の所定相数に区分されて、相ごとに外部振動に応じた電気信号を生成可能な小電極群が形成され、
　前記電極群又は前記エレクトレット群のいずれか一方に、該電極群に含まれる隣接する電極間又は該エレクトレット群に含まれる隣接するエレクトレット間に、前記複数の小電極群で生成される電気信号のそれぞれの間に所定の位相差を生じさせる位相差発生間隔が、前記所定相数に応じて設けられ、
　外部振動による前記第一基板と前記第二基板の相対的な位置変化の結果、前記複数の小電極群で生成される電気信号を重ね合わせて形成した信号を、外部振動の検出信号として出力する、
　振動センサ。
　前記エレクトレット群と前記電極群のうち一方が、その群に含まれる電極間の間隔又はエレクトレット間の間隔が一定とされる均等配置群とされ、
　前記エレクトレット群と前記電極群のうち他方が、その群に含まれる電極又はエレクトレットの配置において前記位相差発生間隔が含まれる非均等配置群とされ、
　前記均等配置群における隣接する電極間の間隔又は隣接するエレクトレット間の間隔は、前記非均等配置群における、前記位相差発生間隔以外の、電極間の間隔又は隣接するエレクトレット間の間隔と略同一に設定される、
　請求項１に記載の振動センサ。
　前記位相差発生間隔Ａ１は、前記電極の幅又は前記エレクトレットの幅をＷ、前記非均等配置群における、該位相差発生間隔以外の、電極間の間隔又は隣接するエレクトレット間の間隔をＡ、前記所定相数をＮとした場合、
　Ａ１＝Ａ±（Ｗ＋Ａ）／Ｎ
　で表わされる、請求項２に記載の振動センサ。
　前記第二基板において、前記所定相数の小電極群のそれぞれは、該小電極群ごとに前記相対移動方向に順次並べられ、隣接する該小電極群の間の電極間隔が前記位相差発生間隔に設定される、
　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の振動センサ。
　前記第二基板において、前記所定相数の小電極群のそれぞれは、該小電極群ごとに前記相対移動方向と異なる方向に、且つ小電極群同士が重ならないように並べられ、
　前記所定相数の小電極群の並べられた方向において隣接する該小電極群の、前記相対移動方向における電極間隔が前記位相差発生間隔に設定される、
　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の振動センサ。
　前記エレクトレット群が前記所定相数に区分されて、小エレクトレット群が形成され、
　前記第一基板において、前記小エレクトレット群のそれぞれは、該小エレクトレット群ごとに前記相対移動方向に順次並べられ、隣接する該小エレクトレット群の間のエレクトレット間隔が前記位相差発生間隔に設定される、
　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の振動センサ。
　互いに対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能となるように構成された第一基板および第二基板と、
　前記第一基板の一方の面側に、前記相対移動方向に並べられた複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と、
　前記第二基板における前記エレクトレット群と対向する面側に、前記相対移動方向に並べられた複数の電極からなる電極群と、を備え、
　外部振動による前記第一基板と前記第二基板の相対的な位置変化に伴って、前記エレクトレット群と前記電極群との位置関係が変化することによって、外部振動に応じた電気信号を出力する振動検出ユニットを、所定相数含んでなる振動センサであって、
　前記所定相数の振動検出ユニットに対して同一の外部振動が付与されたとき、該所定相数の振動検出ユニットのそれぞれから出力される電気信号の間に所定の位相差が生じるように、該振動検出ユニット間で、各振動検出ユニットが有する前記エレクトレット群と前記電極群の相対位置関係において前記相対移動方向に沿った所定の位置ずれが設定され、
　前記振動センサに外部振動が付与された結果、前記所定相数の振動検出ユニットのそれぞれから出力される電気信号を重ね合わせて形成した信号を、外部振動の検出信号として出力する、
　振動センサ。
　請求項１から請求項７の何れか１項に記載の振動センサを含む外部環境検出装置であって、
　前記振動センサは、前記外部振動の検出信号を発電出力として発電する振動発電装置として機能し、
　前記振動センサによる発電電力を蓄電する蓄電部と、
　前記振動センサによって出力された前記外部振動の検出信号に関する信号処理を行う処理部と、
　を備える、外部環境検出装置。
　外部振動以外の、所定の環境パラメータを検出する環境パラメータセンサを、更に備え、
　前記処理部は、前記蓄電部に蓄電された電力を利用して、前記環境パラメータセンサの駆動および／または該環境パラメータセンサによる検出信号に関する信号処理を行う、
　請求項８に記載の外部環境検出装置。