JP2006204042A

JP2006204042A - センサモジュール

Info

Publication number: JP2006204042A
Application number: JP2005014560A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Muramoto; 昭一村本; Toshifumi Nakamura; 利文中村; Naoki Takamoto; 直紀高本; Masatoshi Shiotani; 正敏塩谷
Original assignee: Tateyama Kagaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tateyama Kagaku Kogyo Co Ltd
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】センサ側装置と本体を分離しても安定に電力供給が行われ、測定精度が低下せず、センサ側装置を密閉空間等に分離して設置可能であり、安定に動作可能なセンサモジュールを提供する。
【解決手段】所定の周波数を発生する発振回路１９と、発振回路１９に接続された本体側コイル１８とにより構成される電力伝送部２０、及び本体側コイル１８と復調回路２２とにより構成されるデータ復調部２４とから成る本体１２を有する。検知対象を電気的に検知するセンサ３８と、センサ３８側の装置に設けられたセンサ側コイル２８とセンサ側コイル２８に接続された整流回路２９とにより構成される受電部３２と、整流回路２９に接続された充放電回路３１と定電圧回路３３を備えた電源部３４と、センサ３８の出力をデジタル化するマイコン３６と、センサ出力のデジタル情報を変調して出力する変調部４２とから成るセンサ側装置１４を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子機器や情報処理装置、その他の機械装置等に用いられ、センサが検出した測定情報を伝送するセンサモジュールに関する。

従来、一般的に各種測定に用いられるセンサモジュールは、センサ側装置とそのセンサ側装置が検出した測定情報を処理する本体が機械的につながった状態で形成されている。しかし、このような構成においては、本体側の装置が邪魔であったり環境に耐えられないような特殊な環境下では、測定ができないものであった。そこで、センサ側装置と本体が分離され、センサ側装置を測定対象などに埋め込む構造のものもある。

その他、電磁誘導により電圧を供給し非接触状態により情報を伝送する方法として、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）に代表されるＩＣタグなどが一般に知られている。

特開２００３−１２０７０１号公報

上記従来の技術の、センサ側装置を本体と分離して測定対象の装置に埋め込む構成では、センサ側装置への電力供給を配線により行う場合、配線を密閉状態に埋め込むことが難しい。また、電池を内蔵させる場合は、交換のためのメンテナンス性が悪く、さらに、電池交換可能な構造に設計する必要があり、埋込対象の強度低下やコストがかかるという問題があった。

その他、センサを測定対象の装置に埋め込んで測定する方法としては、特許文献１に回転速度を検出するセンサ側装置を軸受けユニットに内蔵し、無線により内蔵したセンサ側装置の測定情報を伝送する方法が開示されている。さらに、特許文献１では、内蔵されたセンサ側装置が動作するために必要な電圧を充電可能な２次電池を、センサ側装置に内蔵し、非接触式電磁結合により電力を供給し２次電池を充電する方法が提案されている。しかし、信号電送は電波を用いた無線送信により行うもので、装置が複雑になるものであった。さらに、充電可能な２次電池にも寿命が尽きると電池の交換が必要になるほか、センサ側装置が安定して動作可能になるほど充電するには、十分な充電時間が必要であり、充電電圧が不十分であるとセンサ側装置の動作が不安定になる恐れがあった。

そのほか、一般にＲＦＩＤなどに使用される電磁誘導による電力供給では、ＩＣカードなどの小電力で動作可能なものが対象であり、センサの駆動からＡ／Ｄ変換処理などを行う際に必要な安定した電力を得るのは難しいものであった。また、センサ側装置が感知した信号を電磁誘導により本体に伝送するにあたり、例えば、センサ側装置の出力値をパルス幅変調（ＰＷＭ）等に変換して伝送すると、本体側のコイルとセンサ側装置のコイルの位置ずれやノイズによりパルス幅が変動し、測定値の精度が落ちてしまう問題がある。

この発明は、上記従来技術の問題に鑑みて成されたもので、センサ側装置と本体を分離しても安定に電力供給が行われ、測定精度が低下せず、センサ側装置を密閉空間等に分離して設置可能であり、安定に動作可能なセンサモジュールを提供することを目的とする。

この発明は、所定の周波数を発生する発振回路とこの発振回路に接続された本体側コイルとにより構成される電力伝送部と、前記本体側コイルと復調回路とにより構成されるデータ復調部とから成る本体とを有し、検知対象を電気的に検知するセンサと、前記センサ側の装置に設けられたセンサ側コイルとこのセンサ側コイルに接続された整流回路とにより構成される受電部と、前記整流回路に接続された充放電回路と定電圧回路を備えた電源部と、前記センサの出力をデジタル化するマイコン等の処理装置と、前記センサ出力のデジタル情報を変調して出力する変調部とから成るセンサ側装置を備え、前記本体と前記センサ側装置とが機械的に分離された状態であるセンサモジュールである。

さらに、前記本体から前記センサ側装置に、前記本体側コイルと前記センサ側コイルを介して、電磁誘導により電力供給するとともに、前記センサ側装置から前記本体に、前記センサ側コイルから前記本体側コイルへ、電磁誘導により前記デジタル情報を伝送するものである。

前記電源部は遅延回路を備え、この遅延回路により前記充放電回路が所定電圧以上に充電された後、前記定電圧回路の出力がなされるものである。また、前記処理装置は、前記センサ出力のデジタル情報を、シリアルデータに変換して出力するものである。

この発明のセンサモジュールによれば、センサ側装置と本体が機械的に分離されるため、センサ側装置を密閉空間等に分離して埋込等の設置が可能であり、電源配線も不要である。また、本体とセンサ側装置を分離しても、センサの測定情報が、センサ側装置から本体にノイズの影響なく電磁誘導により伝送可能であり、測定精度が悪化しないものである。さらに、電力供給と測定情報の伝送を一対のコイルにより共用しているため、装置が簡素化され小型化が可能なものである。

また、センサ側装置に設けられた電源部の遅延回路により、センサ側装置の処理装置等の回路が正常動作可能な起動電圧に達するまで、電力供給が行われず、センサ側装置が安定に動作可能なものである。

以下、この発明のセンサモジュールの一実施形態について、図１〜図４を基にして説明する。この実施形態のセンサモジュール１０は、例えば温度センサ３８が測定対象物１１に直接取り付けられたり密閉状態に埋め込まれ、または近接して設置され、測定対象物１１や周囲の温度の測定に使用されるものである。この実施形態のセンサモジュール１０は、図２に示すように、本体１２と、この本体１２に対して適宜な隙間を空けて設けられたセンサ側装置１４とにより構成されている。本体１２は制御装置や測定装置等の計測部１３内に設けられ、本体１２の基板１６ａ上には、図１に示すように、本体側コイル１８と、本体側コイル１８に交流電力を供給する発振回路１９とから構成された電力伝送部２０が設けられている。さらに基板１６ａには、本体側コイル１８と、本体側コイル１８からの信号を検知して復調する復調回路２２とから構成されたデータ復調部２４が取り付けられている。そして基板１６ａには、図２に示すように、シリアルデータ出力用及びＤＣ電源の配線２６ａが取り付けられている。

復調回路２２は、本体側コイル１８の電圧を検知する検出用素子２１と、検出用素子２１で検知した電圧を検波する検波回路２３と、検波回路２３の出力を増幅するアンプ２５、及びアンプ２５の出力を波形成形してシリアルデータとして出力する波形整形回路２７とから成る。

基板１６ａ上に設けられた本体側コイル１８と対向する位置には、センサ側装置１４が配置される。センサ側装置１４には、基板１６ｂ上に設けられたセンサ側コイル２８が設けられ、本体側コイル１８と所定間間隔離れて対向して設置される。互いに対向する本体側コイル１８とセンサ側コイル２８の間は、例えば約５ｍｍの隙間に設定される。また、この本体側コイル１８及びセンサ側コイル２８のコアは、例えばフェライト材で形成され、本体側コイル１８とセンサ側コイル２８の巻数比は、測定環境や各コイル間の間隔により適宜設定されるもので、例えば１：２０の比率で巻線される。

センサ側装置１４の基板上１６ｂには、図１に示すように、センサ側コイル２８と、センサ側コイル２８の出力を全波整流する全波整流回路２９とにより構成された受電部３２が設けられている。さらに、全波整流回路２９の出力を充電するコンデンサ等の充放電回路３１と、充放電回路３１の出力を定電圧で出力する定電圧回路３３、及び定電圧回路３３の出力を遅延させるためのコンデンサなどの遅延回路３５とにより構成される電源部３４が設けられている。

また、Ａ／Ｄ変換やシリアルデータ変換を処理する処理装置であるマイコン３６と、温度センサ３８とにより構成されるセンサ検出部４０が設けられる。さらに、マイコン３６から出力されたシリアルデータをＡＭ変調する変調回路３７が設けられ、センサ側コイル２８と変調回路３７により変調部４２が構成されている。そして、図２に示すように、基板１６ｂには、温度センサ３８と基板１６ｂを接続する配線２６ｂが取り付けられている。

次に、この実施形態のセンサモジュール１０の動作について説明する。まず、図１に示すように本体１２に、例えば３ＶのＤＣ電源を接続すると、電力伝送部２０の本体側コイル１８に発振回路１９から例えば約４ＭＨｚの交流電力が供給される。すると、本体側コイル１８に電力発生用磁界Ｅが発生し、この磁界Ｅの変化をセンサ側装置１４のセンサ側コイル２８が受けると、電磁誘導である相互誘導作用により、センサ側コイル２８に誘導起電力による交流電流が発生する。そして、発生した交流電流による電力は、電源部３４の全波整流回路２９により直流に変換される。

次に、直流に変換された電力は、電源部３４の充放電回路３１を経て定電圧回路３３に入力し、所定の電圧、例えばマイコン３６の駆動電圧である２．５Ｖに設定されて、電源部３４から出力される。ここで、定電圧回路３３は、遅延回路３５により、センサ検出部４０のマイコン３６などの起動に必要な一定電圧（例えば２．５Ｖ）まで充電された後、出力される。定電圧回路３３の出力は、センサ検出部４０のマイコン３６及び温度センサ３８に供給される。

電力が供給された温度センサ３８は、検出温度情報を電圧として出力する。この出力電圧は、マイコン３６により例えば１０ｂｉｔ精度のデジタルデータにＡ／Ｄ変換され、さらにシリアルデータに変換されて出力される。温度情報のシリアルデータは、例えばＲＳ２３２Ｃ規格に準じて３００ｂｐｓの転送レートで変調部４２へ伝送される。変調部４２に伝送された温度情報のシリアルデータは、変調回路３７を経て、変調部４２の構成を兼ねるセンサ側コイル２８にその電圧が印加され、電力伝送を行っているキャリア波がＡＭ変調される。即ち、模式的に図３に示すように、電力伝送を行っている本体側コイル１８とセンサ側コイル２８に、温度情報のシリアルデータ電圧が重畳されると、キャリア波がＡＭ変調されて、本体側コイル１８に温度情報データＤが伝送されることになる。この実施形態では、電力伝送は４ＭＨｚのキャリア周波数で行われており、シリアルデータの周波数は、キャリア周波数よりも十分に小さく、シリアルデータの電圧波形により、センサ側コイル２８のインピーダンスが低くなると、電磁誘導によるキャリア周波数の波形の包絡線がシリアルデータの電圧により変化する。さらに、本体側コイル１８も同様にインピーダンスが低くなり、キャリア周波数の波形の包絡線がシリアルデータの電圧により変化し、結果としてシリアルデータ化された温度情報データＤが、本体側コイル１８に伝送される。

本体側コイル１８はデータ復調部２４を兼ねており、本体側コイル１８のキャリア周波数に重畳されたシリアルデータの温度情報データＤの電圧波形は、図４に示すように、復調回路２２の検出用素子２１と検波回路２３を介して復調される。そして、検波回路２３にて検波後、アンプ２５により増幅され、波形整形回路２７で整形されて、温度情報のシリアルデータとして出力される。このシリアルデータは、図示しないドライバ回路などにより変換され、計測部１３の図示しない処理装置などに伝送される。

この実施形態のセンサモジュール１０によれば、本体１２とセンサ側装置１４が機械的に分離されているため、センサ側装置１４を密閉空間や隔離された位置に設置可能である。また、センサ側装置１４の動作電源は、電磁誘導により電力供給されるため、電池交換が不要であり、電源用の配線も不要なものである。さらに、温度センサ３８の温度情報は、電力供給を行うセンサ側コイル２８と本体側コイル１８を利用して送られ、データ送信用の回路や素子を必要とせず、装置の簡素化及び小型化を図ることができる。また、温度情報をデジタル化して伝送するので、本体１２とセンサ側装置１４を分離しても、温度センサ３８の測定情報がセンサ側装置１４から本体１２に、ノイズの影響なく伝送可能であり、測定精度が悪化しないものである。さらに、センサ側装置１４に設けられた電源部３４の遅延回路３５により、定電圧回路３３の出力が、センサ側装置１４に設けられたセンサ検出部４０が正常動作可能な起動電圧に達した後、出力が供給される。そのため、センサ検出部４０のマイコン３６は安定して動作可能にあり、温度センサ３８の測定情報を本体１２に正確に伝送可能なものである。

なお、この発明のセンサモジュールは上記実施形態に限定されるものではなく、本体とセンサ側装置のそれぞれのコイルが対向する状態に配置されればよいため、窓硝子や板等を隔てた外部の温度測定や、調理器具の内部の温度測定など適宜設置可能なものである。その際、電磁誘導により電力供給及びデータ伝送を行うため、本体とセンサ側装置の隙間は、磁界に影響を及ぼさないように、強磁性体ではない物体で隔離されれば良い。

また、温度センサのほかに、計測情報が電気的に出力されるセンサであれば、各種センサが適用可能なものである。その他、本体側コイルとセンサ側コイルの隙間の間隔及び、各コイルの巻線数、本体側コイルに供給するキャリア信号の周波数は、適宜設定可能なものである。

この発明の一実施形態のセンサモジュールの回路を示すブロック図である。この実施形態のセンサモジュールを示す概略側面図である。この実施形態のセンサモジュールによるデータ伝送を示す模式図である。この実施形態のセンサモジュールによるデータ信号の復調を示す模式図である。

符号の説明

１０センサモジュール
１１測定対象物
１２本体
１３計測部
１４センサ側装置
１８本体側コイル
１９発振回路
２０電力伝送部
２２復調回路
２４データ復調部
２８センサ側コイル
２９全波整流回路
３１充放電回路
３２受電部
３３定電圧回路
３４電源部
３５遅延回路
３６マイコン
３７変調回路
３８温度センサ
４０センサ検出部
４２変調部

Claims

所定の周波数を発生する発振回路とこの発振回路に接続された本体側コイルとにより構成される電力伝送部と、前記本体側コイルと復調回路とにより構成されるデータ復調部とから成る本体と、
検知対象を電気的に検知するセンサと、前記センサ側の装置に設けられたセンサ側コイルとこのセンサ側コイルに接続された整流回路とにより構成される受電部と、前記整流回路に接続された充放電回路と定電圧回路を備えた電源部と、前記センサの出力をデジタル化する処理装置と、前記センサ出力のデジタル情報を変調して出力する変調部とから成るセンサ側装置を備え、
前記本体と前記センサ側装置とが機械的に分離された状態であることを特徴とするセンサモジュール。
前記本体から前記センサ側装置に、前記本体側コイルと前記センサ側コイルを介して、電磁誘導により電力供給するとともに、前記センサ側装置から前記本体に、前記センサ側コイルから前記本体側コイルへ、電磁誘導により前記デジタル情報を伝送することを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール。
前記電源部は遅延回路を備え、この遅延回路により前記充放電回路が所定電圧以上に充電された後、前記定電圧回路の出力がなされることを特徴とする請求項１または２請求項２記載のセンサモジュール。
前記処理装置は、前記センサ出力のデジタル情報を、シリアルデータに変換して出力することを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール。