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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 コモンズ

国内特許コード P150011992
整理番号 390
掲載日 2015年6月1日
出願番号 特願2012-231755
公開番号 特開2014-085129
登録番号 特許第6076684号
出願日 平成24年10月19日(2012.10.19)
公開日 平成26年5月12日(2014.5.12)
登録日 平成29年1月20日(2017.1.20)
発明者
  • 青柳 誠司
  • 鈴木 昌人
  • 高橋 智一
出願人
  • 学校法人 関西大学
発明の名称 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 コモンズ
発明の概要 【課題】外部からの電力供給を要することなく速度ないし加速度を検出する。
【解決手段】無給電センサ10は、第1電極12及び第2電極16と、第1電極12上に形成されたエレクトレット13と、エレクトレット13と対向して第2電極16上に形成された誘電体15と、外部から印加される振動によってエレクトレット13と誘電体15とのギャップ距離dが変化するように第1電極12及び第2電極16の一方を変位自在に支持する弾性部材17と、を有し、ギャップ距離dの変化に応じて第1電極12と第2電極16との間に流れる電流からセンサ信号を生成して出力する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



マイクロマシンとは、文字の通り、半導体技術の応用としてマイクロメーター領域の高度な機能要素から構成された微小な機械である。マイクロマシン技術を利用した微小でありながら様々な周波数領域に対応し、かつ、高い感度を持つ速度センサは、今までにも数多く作られ、様々な製品に組み込まれて私達の生活をより快適に、便利にする手助けを担っている。しかし、マイクロマシン技術は多くの分野で活躍が期待される技術であるが、まだ発展途上の段階であり、より効果的な製作法、利用法等については、数多くの余地が残されていると言える。





このマイクロマシン技術を用いて作製・実用化された例として、マイクロセンサが挙げられる。これは、微小な機械構造を有する小型センサであり、従来の機械加工技術を用いて製造されたセンサと比較して小型かつ安価に作成可能であるため、現在では広く普及している。マイクロセンサで検出可能なものは、速度、加速度、力といった機械量だけでなく、温度、電磁波、光といった物理量、さらには、イオン濃度や血中のグルコース量といった化学量に至るまで幅広い。





また、近年では、このマイクロセンサを制御システムから切り離して使用したいという要求が高まっている。この場合、センサの検出した情報は、センサに付属する送信回路により無線信号として制御システムに送信される。このような無線センサを用いたシステムを無線センサネットワークと呼称する。この無線センサの効果的な応用先として、例えば車載センサが挙げられる。この場合、各センサへの配線を省略することで、車体の軽量化を実現することが可能である。また、人体内部をセンサでモニタリングするような場合において、体内にはセンサと発信回路のみを埋め込み、その情報を体外の制御システムで検出することにより、患者の身体的負担を軽減することが可能である。これらの例から明らかなように、無線センサネットワークにおいて、センサ及び送信回路は、可能な限り小型かつ軽量である必要がある。また、無線センサネットワークでは、センサと送信回路が動作するための電力を外部から供給することができないので、センサと送信回路は、基本的に、これらと共に搭載されたバッテリの電力のみで動作させる必要がある。多くの無線センサシステムでは、センサに要求される動作時間が非常に長期に亘るので、理想的にはセンサは電力消費なしに動作し、送信回路のみが電力を消費するようなシステムであることが望ましい。





上記のような電力消費なしに動作するセンサの例として、エレクトレットを用いた静電容量型センサが挙げられる。エレクトレットとは、電荷を半永久的に保持可能な物質または素子のことであり、外部からの給電なしに一定の電位を常に保持することができる。従って、エレクトレットと可変容量コンデンサを組み合わせて、容量を変化させるために消費したエネルギの一部が電気エネルギに変換される仕組みを構築すれば、回路に電流を供給することが可能であり、これをセンサの信号として検出することができる。この方式を利用したセンサとしては、エレクトレットマイクロフォン、すなわち、音波センサが挙げられる。これは、音波が空気の振動であることを利用し、この振動でコンデンサの容量を変化させ、上記の仕組みにより電気信号に変換する。また、コンデンサの容量を機械的な振動で変化させれば、その振動の加速度を検出する加速度センサとして利用することが可能である。このようなエレクトレットを用いた静電容量型の加速度センサは、既に種々開示・提案されている(例えば特許文献1や特許文献2を参照)。





また、エレクトレットを用いた振動発電デバイスの一例としては、本願の発明者らによる非特許文献1を挙げることができる。

産業上の利用分野



本発明は、エレクトレットを用いた静電容量型の無給電センサ、及び、これを用いた無線センサネットワークに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
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。

【請求項2】
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。

【請求項3】
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。

【請求項4】
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~請求項のいずれか一項に記載の無給電センサ。

【請求項5】
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に記載の無給電センサ。

【請求項6】
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または請求項に記載の無給電センサ。

【請求項7】
請求項1~請求項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。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2012231755thum.jpg
出願権利状態 登録
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