JP2013174486A - 物理量検出モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール機能の融通性と拡張性とを備えることができる物理量検出モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の物理量検出モジュールは、図示しない測定対象物に固定するための基板１５に備えられた４つのネジ穴部１６、及び他のモジュールを支持する支持部１３を備えた本体カバー１２、この本体カバー１２内に収納され測定対象物に係る物理量を検出する少なくとも１つのセンサー、及び本体カバー１２に備えられセンサーの信号を外部に出力する第１コネクタ１４を備えたセンサーユニット１７と、第１コネクタ１４と電気的に断接する第２コネクタ１０、第１コネクタ１４と第２コネクタ１０の位置決めを行い、且つ支持部１３により支持される爪部９を備えたカバー７、及びこのカバー７内に収納されコネクタ１０、１４同士の接続部１４ａを介して受信したセンサーの信号を処理する信号処理回路を備えた信号処理ユニット１１と、を少なくとも備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量検出モジュールに関し、特に、センサーユニットに他のユニットを追加可能なユニット構成を有する物理量検出モジュールに関するものである。

土砂災害等が発生した箇所に応急的に土止め用の防護壁を設けた場合に、防護壁の状態を人間が常時監視することは危険であるため、防護壁に傾斜計を取り付けて、防護壁が危険な角度以上傾斜したことを検出して警報を発するようにしている。
この傾斜計は、長時間に亘って無人で計測するため、傾斜計にバッテリ、信号処理部、及び無線ユニットを備えて、電波で警報機にデータを逐一送信して、警報機がそのデータを監視するように構成されている。また、ビル等の高層の建造物や橋梁に複数の振動計を取り付けて、建造物や橋梁の振動データを収集することにより、各部の振動の強弱分布を把握して、今後の設計の基礎データとすることなどが行なわれている。
しかし、従来の傾斜計や振動計は、センサーとその信号を処理する処理部、及び信号を電波で送信する通信部が一体的に構成されたものが殆どである。従って、通信部が不要で有線により信号を処理する場合は、有線とのインターフェースを備えた別の装置を用意しなければならず、融通性と拡張性に乏しかった。また、センサーは同じものが使用可能であるが、信号処理の方法が異なる場合も、当該信号処理に適用した専用の信号処理部を備えた装置を用意しなければならなかった。

従来技術として特許文献１には、傾斜計、キャリッジ高さ検出器、及び信号処理ユニットにより、ルーパーキャリッジの傾斜を測定する装置について開示されている。
また、特許文献２には、角度センサーの可動部のロスを少なくして、簡単に検出角度の設定が可能な傾斜検出装置について開示されている。

特開２００１−３３０４２４公報 特開平７−４９６３号公報

従来の装置では、センサー部、信号処理部、及び通信部が一体的に構成されているため、測定条件が異なるたびに専用の装置を用意しなければならず、煩わしいばかりでなく、そのような装置が無い場合は新たに開発しなければならず、装置のコストが高くなるといった問題がある。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、信号処理ユニットと傾斜計がワイヤーで接続されているため、夫々を配置するスペースを確保しなければならない。また、場所が狭くて近接して配置できない場合は、信号処理ユニットと傾斜計を接続するケーブルを長く伸ばす必要が生じて、レイアウト上、或いは信号のＳ／Ｎを確保する上で問題があった。
また、特許文献２に開示されている従来技術は、ハウジング内に角度センサーと各回路を収納しているため、一つの部品が故障した場合は、全てを正規なものと交換しなければならず、メンテナンスコストが嵩むといった問題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ユニットを機能ごとに分割して、必要なユニットを組み合わせて１つのモジュールを構成することにより、モジュール機能の融通性と拡張性とを備えることができる物理量検出モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］測定対象物に固定するための固定手段、及び支持部を備えた本体カバー、該本体カバー内に収納され前記測定対象物に係る物理量を検出する少なくとも１つのセンサー、及び前記本体カバーに備えられ前記センサーの信号を出力する第１コネクタを備えたセンサーユニットと、前記第１コネクタと電気的に導通する第２コネクタ、前記支持部により支持される被支持部を備え前記本体カバーに固定されているカバー、及び該カバー内に収納され前記第１コネクタが出力した前記センサーの信号を処理する信号処理回路を備えた信号処理ユニットと、を少なくとも備えていることを特徴とする。

本発明の最も特徴的な点は、夫々の機能を独立に備えたユニットを分割して備え、１つのモジュールとして機能させるときに、最適なユニットを組み合わせて実現する点である。例えば、測定対象物を測定するために必要な各種センサーを備えたセンサーユニットと、各種センサーからの信号を処理する信号処理ユニットとを組み合わせることにより、最小限のモジュールとして構成することができる。また、センサーユニットは、測定対象物の態様を正確に測定する必要があるため、測定対象物に対して強固に固定されることが重要である。更に、センサーユニットを機能別に複数用意し、測定対象物により最適なセンサーユニットを選択できるようにする。また、センサーユニットから出力される信号は、そのままではデジタル的に処理できないので、信号のＡ／Ｄ変換、或いは、低速又は高速のカウンタユニットにより信号処理する。これにより、モジュール機能の融通性と拡張性を備えた物理量検出モジュールを提供することができる。

［適用例２］前記本体カバー及び前記信号処理ユニットのカバーは、断熱材により構成されていることを特徴とする。

センサーユニットには、例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸用のセンサー、温度センサー、及びＴＣＸＯ等が備えられている。特に温度センサーにより周囲温度を検知して、ＴＣＸＯを制御する場合、ユニット内の温度が外気温により影響されないことが好ましい。そこで本発明では、カバー類を温度を伝達しにくい断熱材により構成する。これにより、ユニット内の温度が外部の温度により影響される度合いを低減することができる。

［適用例３］前記信号処理ユニットのカバーは、前記信号処理ユニットが処理した信号を出力する第３コネクタを更に備えており、前記第３のコネクタと電気的に導通する第４コネクタ、該第４コネクタを介して前記信号処理ユニットにより処理された信号を変調した信号を送信する無線ユニットを更に備えたことを特徴とする。

モジュールの設置環境は様々である。即ち、鉄塔の上とか、或いは危険な場所等、人間が立ち入ることができない環境に設置されることがある。そのとき、有線により制御部（ＰＣ等）に接続する方法もあるが、距離が長くなる場合は、無線により行なう必要がある。本発明では、そのようなときに、信号処理ユニットにより処理された信号を変調して電波により送信する無線ユニットを備える。これにより、モジュールと制御部が遠距離の場合でも、信号の授受を容易に行なうことができる。

［適用例４］前記センサーは、慣性センサー、又は、重力センサーであることを特徴とする。

慣性センサーには、加速度センサー、速度センサー、距離センサー、振動センサー、及び角速度センサーがあり、重力センサーには、傾斜計及び絶対重力計がある。このようなセンサーを備えたセンサーユニットを本発明に係るモジュール構成とすることにより、あらゆる場面での測定を可能とすることができる。

本発明の実施形態に係る物理量検出モジュールの各ユニットを示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る物理量検出モジュールの構成を示す斜視図、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る物理量検出モジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る物理量検出モジュールの各ユニット内の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るセンサーユニットと信号処理ユニットに備えられた各部の接続状態を示すブロック図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る物理量検出モジュールの各ユニットを示す分解斜視図である。本発明の物理量検出モジュール２０は、図示しない測定対象物に固定するための固定板１５に備えられた４つのネジ穴部（固定手段）１６、及び他のモジュール（本実施形態の場合は、信号処理ユニット１１）を支持する支持部１３を備えた本体カバー１２、この本体カバー１２内に収納され測定対象物に係る物理量を検出する少なくとも１つのセンサー（図示せず）、及び本体カバー１２に備えられセンサーの信号を外部に出力する第１コネクタ１４を備えたセンサーユニット１７と、第１コネクタ１４と電気的に断接できるように第１コネクタ１４と抜き差し可能な第２コネクタ１０、第１コネクタ１４と第２コネクタ１０との位置決めを行い第１コネクタ１４と第２コネクタ１０とを導通させ、且つ支持部１３により支持される爪部（被支持部）９を備えたカバー７、及びこのカバー７内に収納されコネクタ１０、１４同士の接続部１４ａを介して受信したセンサーの信号を処理する信号処理回路（図示せず）を備えた信号処理ユニット１１と、を少なくとも備え、センサーユニット１７の支持部１３に信号処理ユニット１１を支持することにより、第１コネクタ１４から出力したセンサー信号を第２コネクタ１０に伝達するように構成した。

また、信号処理ユニット１１のカバー７に設けた第３コネクタ６と電気的に断接できるように第３コネクタ６と抜き差し可能な第４コネクタ５（カバー２の下部に備える）を備え、この第４コネクタ５を介して信号処理ユニット１１により処理された信号を変調して電波により送信する無線ユニット１を更に備えた。尚、無線ユニット１には、アンテナ３と爪部４を備える。また、爪部４、９は図では見えないが、それぞれ対向位置に１つずつ備えられている。また、各支持部８、１３には、爪部４、９の先端部４ａ、９ａが挿入する開口部８ａ、１３ａが設けられている。
本実施形態に係る物理量検出モジュール２０の最も特徴的な点は、夫々の機能を独立に備えたユニット（１、１１、１７）を分割（着脱）可能な構成とし、１つのモジュールとして機能させるときに、それらのユニットを任意に組み合わせるようにした点である。例えば、測定対象物を測定するために必要な各種センサーを備えたセンサーユニット１７と、各種センサーからの信号を処理する信号処理ユニット１１とを組み合わせることにより、最小限のモジュールとして構成することができる。また、センサーユニット１７は、測定対象物の状態を正確に測定する必要があるため、測定対象物に対して強固に固定されることが重要である。更に、センサーユニット１７を機能別に複数用意し、測定対象物により最適なセンサーユニットを選択できるようにする。また、センサーユニット１７から出力される信号は、そのままではデジタル的に処理できないので、信号のＡ／Ｄ変換、或いは、低速又は高速のカウンタユニットにより信号処理する。これにより、モジュール機能の融通性と拡張性を備えた物理量検出モジュール２０を提供することができる。

また、モジュールの設置環境は様々である。即ち、鉄塔の上とか、或いは危険な場所等、人間が立ち入ることができない環境に設置されることがある。そのとき、有線により制御部（パーソナルコンピューター等の計算装置）に接続する方法もあるが、距離が長くなる場合は、無線により行なう必要がある。本実施形態では、そのようなときに、信号処理ユニット１１により処理された信号を変調して電波により送信する無線ユニット１を備える。これにより、モジュールと制御部が遠距離の場合でも、信号の授受を容易に行なうことができる。
また、本体カバー１２及びカバー７、２は、金属性でも構わないが、直射日光やその他の熱衝撃からセンサーや信号処理回路を保護するために金属よりも断熱性に優れる樹脂などの断熱材により構成されるのが好ましい。即ち、センサーユニット１７には、例えば図３に示すＸ、Ｙ、Ｚ軸用のセンサー２４、２５、２６、温度センサー２７、及びＴＣＸＯ（temperature compensated crystal oscillator、温度補償水晶発振器）２８等が備えられている。特に温度センサー２７により周囲温度を検知して、ＴＣＸＯ２８を制御する場合、ユニット内の温度が外気温により影響されないことが好ましい。そこで本実施形態では、カバー類を温度が伝達しにくい断熱材により構成する。これにより、センサーユニット１７内の温度が外部の温度により影響される度合いを低減することができる。

図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る物理量検出モジュールの構成を示す斜視図である。
最下部にセンサーユニット１７があり、図示しない測定対象物に対してネジ１８により固定板１５が固定される。固定板１５はカバー１２に一体的に構成される。その上に信号処理ユニット１１が、センサーユニット１７の支持部１３に爪部９を係着することにより、センサーユニット１７の第１のコネクタ１４と信号処理ユニット１１の第２のコネクタ１０が接続される。即ち、支持部１３に爪部９を係着することは、第１のコネクタ１４と第２のコネクタ１０を接続するための位置決めも兼ねている。そして信号処理ユニット１１の上部に無線ユニット１を実装するために、無線ユニット１が、信号処理ユニット１１の支持部８に爪部４を係着することにより、信号処理ユニット１１の第３のコネクタ６と無線ユニット１の第４のコネクタ５が接続される。即ち、支持部８に爪部４を係着することは、第３のコネクタ６と第４のコネクタ５を接続するための位置決めも兼ねている。
尚、このような構成は、センサーユニット１７が非測定対象物に対して最も近い位置に配置して非測定対象物との位置に対して変位し難い構造であるのでセンサーの検出軸の狂いなどが生じ難く使用環境の変化に耐えて高い検出精度を維持することができる。すなわち、支持部８、１３と爪部４、９との間の嵌合状態は緩みがあることがあるので、このような固定部材が各デバイスと非測定対象物との間に介在する数が増す程、デバイスの位置は非測定対象物との位置に対して変位し易い。本実施形態では、センサーユニット１７が他のデバイスよりも非測定対象物に近いので非測定対象物との間に介在する固定部材の数が少ない。従って、センサーユニット１７の位置は非測定対象物の位置に対して変位し難い。
また、無線ユニット１により図示しない制御部と信号の授受を行なうために、信号処理ユニット１１内にバッテリを備えるのが好ましい。或いは、信号処理ユニット１１の上部にバッテリユニットを備えるようにしても良い。

図２（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る物理量検出モジュールの構成を示す斜視図である。第２の実施形態の物理量検出モジュール２０Ａが第１の実施形態と異なる点は、最上部の無線ユニット１の代わりに、第３のコネクタ６から第５のコネクタ２１を接続して、ケーブル２９により外部のＰＣ２２と接続した点である。即ち、無線ユニット１を外すと、第３のコネクタ６が上面に現れるので、その第３のコネクタ６にケーブル２９を接続した第５のコネクタ２１を接続し、ケーブル２９の他端には第６のコネクタ３０を備えて、ＰＣ２２のコネクタに接続する。これにより、センサーユニット１７から受信したデータは、信号処理ユニット１１により処理されて、ケーブル２９を介してＰＣ２２と接続される。尚、センサーユニット１７及び信号処理ユニット１１への電源は、ＰＣ２２から供給される。
尚、以上の説明では、各ユニットを縦積みにした実施形態について説明したが、その形態に限らず、各ユニットを横並びに接続する形態でも構わない。即ち、各コネクタをカバーの側面に備えて、横並びにコネクタ同士を接続する。これにより、高さが規制される場所に設置する場合に有効である。また、縦積みと横並びが任意に可能なように、コネクタをカバーの上下と左右に備えても良い。

図３は本発明の第２の実施形態に係る物理量検出モジュールの各ユニット内の機能構成を示すブロック図である。本発明では、センサーユニット１７内には、センサーユニット１７内の温度を検知する温度センサー２７と、周波数の安定度を高めるために、温度センサー２７のデータに基づいて温度補償を行なうＴＣＸＯ２８と、３軸方向の傾きを検知するＸ軸センサー２４、Ｙ軸センサー２５、及びＺ軸センサー２６とを備えている。これらの信号は、コネクタ１４の接続端子１４ａに１対１で接続されている。尚、コネクタ１４は、センサーユニット１７のカバーの凹部に備えられ、一般的にメス型のコネクタである。

また、信号処理ユニット１１内には、ＴＣＸＯ２８の信号を基準クロックとして、クロックを分周するカウンタユニット２３が備えられている。カウンタユニット２３は、各センサー２４〜２６のデータをＡ／Ｄ変換してカウンタユニット２３により分周された信号によりサンプリングされる。そのため、長時間計測する信号（例えば、土圧による壁の傾き等）については変化量が微小なので、分周比が大きなクロック（低周波）によりサンプリングする。また、短時間で高速で変化する信号（例えば、振動等）は、分周比が小さなクロック（高周波）によりサンプリングする。入力信号は、コネクタ１０の接続端子１０ａに１対１で接続され、出力信号は、コネクタ６の接続端子６ａに１対１で接続されている。尚、コネクタ１０は、信号処理ユニット１１のカバーから突出するように備えられ、一般的にオス型のコネクタである。また、コネクタ６は、信号処理ユニット１１のカバー凹部に備えられ、一般的にメス型のコネクタである。
また、コネクタ６には、コネクタ２１が接続される。即ち、コネクタ２１はオス型のコネクタであり、メス型のコネクタ６に嵌合することにより、各信号がケーブル２９を介して外部の制御部（ＰＣ）に接続される。このように、各コネクタ内の信号線は、バス構成に配置され、各ユニットはその中から必要な信号を使用して入出力する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るセンサーユニットと信号処理ユニットに備えられた各部の接続状態を示すブロック図である。
センサーユニット１７内には、センサーユニット１７内の温度を検知する温度センサー２７と、周波数の安定度を高めるために、温度センサー２７のデータに基づいて温度補償を行なう温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）２８と、３軸方向の傾きを検知するＸ軸センサー２４、Ｙ軸センサー２５、及びＺ軸センサー２６とを備えている。また、信号処理ユニット１１内には、ＴＣＸＯ２８の信号を基準クロックとして、クロックを分周するカウンタユニット２３が備えられている。カウンタユニット２３は、各センサー２４〜２６のデータをＡ／Ｄ変換してカウンタユニット２３により分周された信号によりサンプリングされる。そのため、長時間計測する信号（例えば、土圧による壁の傾き等）については変化量が微小なので、分周比が大きなクロック（低周波）によりサンプリングする。また、短時間で高速で変化する信号（例えば、振動等）は、分周比が小さなクロック（高周波）によりサンプリングする。サンプリングされた出力信号は、ケーブル２９を介して外部の制御部（ＰＣ）２２に接続される。

以上説明したとおり、本発明の物理量検出モジュールによれば、モジュール機能の融通性と拡張性を備えた物理量検出モジュールを提供することができる。
また、カバー類を温度を伝達しにくい断熱材により構成するので、ユニット内の温度が外部の温度により影響される度合いを低減することができる。
また、信号処理ユニットにより処理された信号を変調して電波により送信する無線ユニットを備えるので、モジュールと制御部が遠距離の場合でも、信号の授受を容易に行なうことができる。
また、慣性センサーには、加速度センサー、速度センサー、距離センサー、振動センサー、及び角速度センサーがあり、重力センサーには、傾斜計及び絶対重力計がある。このようなセンサーを備えたセンサーユニットを本発明に係るモジュール構成とすることにより、あらゆる場面での測定を可能とすることができる。

１ 無線ユニット、２ カバー、３ アンテナ、４ 爪部、５ 第４コネクタ、６ 第３コネクタ、７ カバー、８ 支持部、９ 爪部、１０ 第２コネクタ、１１ 信号処理ユニット、１２ 本体カバー、１３ 支持部、１４ 第１コネクタ、１５ 固定板、１６ ネジ穴部、１７ センサーユニット、１８ ネジ、２０ 物理量検出モジュール、２１ 第５コネクタ、２２ ＰＣ、２３ カウンタユニット、２４ Ｘ軸センサー、２５ Ｙ軸センサー、２６ Ｚ軸センサー、２７ 温度センサー、２８ ＴＣＸＯ、２９ ケーブル、３０ 第６コネクタ

Claims (4)

1. 測定対象物に固定するための固定手段、及び支持部を備えた本体カバー、該本体カバー内に収納され前記測定対象物に係る物理量を検出する少なくとも１つのセンサー、及び前記本体カバーに備えられ前記センサーの信号を出力する第１コネクタを備えたセンサーユニットと、
   前記第１コネクタと電気的に導通する第２コネクタ、前記支持部により支持される被支持部を備え前記本体カバーに固定されているカバー、及び該カバー内に収納され前記第１コネクタが出力した前記センサーの信号を処理する信号処理回路を備えた信号処理ユニットと、を少なくとも備えていることを特徴とする物理量検出モジュール。
2. 前記本体カバー及び前記信号処理ユニットのカバーは、断熱材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出モジュール。
3. 前記信号処理ユニットのカバーは、前記信号処理ユニットが処理した信号を出力する第３コネクタを更に備えており、
   前記第３のコネクタと電気的に導通する第４コネクタ、該第４コネクタを介して前記信号処理ユニットにより処理された信号を変調した信号を送信する無線ユニットを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量検出モジュール。
4. 前記センサーは、慣性センサー、又は、重力センサーであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の物理量検出モジュール。

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