JP2015105943A - センサ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】システム開発の労力とリスクを低減でき、多種のトランスデューサに対応できるトランスデューサの電源と後段の回路を含めたセンサ回路を提供する。【解決手段】電流モードと電圧モードを切り換えるためのモード切替信号に従って、電流モードのときは、ドライブ信号に従って接続端子２１１（一方端を接地したトランスデューサの他方端）にパルスの電気信号を与えるとともに電気信号を与えたときにトランスデューサに流れる電気信号を検出し、電圧モードのときは、接続端子２１１から発生する信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部２２と、トランスデューサの他方端とドライブ・信号キャプチャ部２２とを接続する接続部２１と、ドライブ信号とモード切替信号を出力する測定制御部２３とを設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、システム開発の労力とリスクを低減でき、多種のトランスデューサに対応できるトランスデューサの電源と後段の回路を含めたセンサ回路に関するものである。

様々な資源の効率的な利用の観点から、遠隔で観測した電力、交通、農業、環境等のデータを収集するシステムが重要視されている。図２６にシステムの概略的な構成例を示す。本システムでは、センサと端末制御・通信部で構成されるセンサ端末においてセンサでセンシングする対象を電気信号に変換した後に端末制御・通信部でデジタル化してデータを生成し、ネットワークを通してサーバーに生成したデータを収集する。センシング対象の電気信号への変換に用いるセンサに関しては、センシングする対象が多岐にわたるため、種々のセンサが必要となる。トランスデューサとセンサ回路で構成されるセンサは、従来では種々のトランスデューサに対してセンサ回路をカスタマイズして端末に組み込んでいた。すなわち、図２７に示すようにトランスデューサがトランスデューサＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと異なると後段に接続するアンプはトランスデューサに合わせた回路構成をとるアンプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを使用する必要がある。

例えばトランスデューサが温度を測定するために用いる測温抵抗体である場合では、温度変化による抵抗変化を電圧変化にするために電流を測温抵抗体に流す。この電圧変化を後段のアンプ（図２８（ａ））で増幅した後、ＡＤコンバータでデジタル化する（非特許文献１参照）。振動センサ等の容量のトランスデューサでは、容量変化を電荷の変化に変えて後段のアンプ（図２８（ｂ））で増幅し、ＡＤコンバータでデジタル化する（非特許文献２参照）。このように抵抗と容量を測定する時では電気信号の印加法が異なる。

光センサなどの電流を出力するトランスデューサでは、フォトダイオード（ＰＤ）で光の強度を電流の大きさに変え、後段の電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプ（図２８（ｃ））で増幅し、ＡＤコンバータでデジタル化する（非特許文献３参照）。焦電素子や圧電素子などの電圧を出力するトランスデューサでは、後段のアンプ（図２８（ｄ））で増幅し、ＡＤコンバータでデジタル化する。

上記のようにトランスデューサの電源とトランスデューサ後段の回路を含めたセンサ回路はトランスデューサの種類によって異なるため、システムで使用するセンサが異なる場合では、センサ回路をシステムごとに変える必要があり、システム毎にセンサ端末のハード開発の労力がかかる。

集積回路でセンサ回路を製作する場合では、トランスデューサとセンサ回路を２個の端子で接続するよりも、トランスデューサの一方の端子とセンサ回路を１個の端子で接続してトランスデューサの他方の端子をセンサ回路と共通のグランドに接続した方がセンサ回路の端子数が少なくなる。特にトランスデューサとセンサ回路をアレイにしてセンサ回路を同一集積回路チップに搭載する場合では、トランスデューサとセンサ回路の接続に２個の端子を要するよりも１個の端子で接続した方が、アレイの個数が多いほど端子数の削減効果は大きい。これによりセンサ回路の集積回路を小型化できる。

センサの活用、「ＰＩＣマイコンの基礎とセンサ活用入門」（ＩＳＢＮ＿４７８９８３４４５Ｘ）、ｐｐ．９７−１０４、ＣＱ出版２００４年１２月 Ｄｅｓｉｇｎ Ｗａｖｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ ２００８ Ｍａｙ、ｐｐ．９７−１００、ＣＱ出版 トランジスタ技術、「光パワー測定のテクニック（後編）」、ＣＱ出版、ｐｐ、２００４年１１月

本発明は、システム開発の労力とリスクを低減でき、多種のトランスデューサに対応できるトランスデューサの電源と後段の回路を含めたセンサ回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、一方端を接地したトランスデューサの出力を検出するためのセンサ回路であって、電流モードと電圧モードを切り換えるためのモード切替信号に従って、前記電流モードのときは、ドライブ信号に従って前記トランスデューサの他方端にパルスの電気信号を与えるとともに前記電気信号を与えたときに前記トランスデューサに流れる電気信号を検出し、前記電圧モードのときは、前記他方端から発生する信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部と、前記他方端と前記ドライブ・信号キャプチャ部とを接続する接続部と、前記ドライブ信号と前記モード切替信号を出力する測定制御部とを備えることを特徴とする。

第２の本発明は、一方端を接地したトランスデューサの出力を検出するためのセンサ回路であって、ドライブ信号に従って前記トランスデューサの他方端にパルスの電気信号を与えるとともに前記電気信号を与えたときに前記トランスデューサに流れる電気信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部と、前記他方端と前記ドライブ・信号キャプチャ部を容量で接続する接続部と、前記ドライブ信号を出力する測定制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、システム開発の労力とリスクを低減でき、多種のトランスデューサに対応できるトランスデューサの電源と後段の回路を含めたセンサ回路を提供できる。

本発明の基本コンセプトに係るセンサ端末のブロック図を示す。 センサ回路部の第１の実施形態を示す。 抵抗のトランスデューサを使用した場合のセンサ回路部のブロック図を示す。 図３のブロック図での各部の波形を示す。 容量のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 フォトダイオードのトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 焦電素子または圧電素子のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 電流検出回路の具体例を示す。 第１の実施形態の変化形を示す。 ３状態電圧ドライブ回路の変化形を示す。 ３状態電圧ドライブ回路の第２の変化形を示す。 ３状態電圧ドライブ回路の第２の変化形での電流検出回路の具体例を示す。 ３状態電圧ドライブ回路の第２の変化形での電流検出回路の第２の具体例を示す。 センサ回路部の第２の実施形態を示す。 抵抗のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 容量のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 フォトダイオードのトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 焦電素子または圧電素子のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 センサ回路部の第３の実施形態を示す。 抵抗のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 容量のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 フォトダイオードのトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。 焦電素子または圧電素子のトランスデューサを使用した場合のセンサ回路部のブロック図を示す。 図２３のブロック図での各部の波形を示す。 トランスデューサを含めたダイオードの電流電圧特性を示す。 データ収集システムの模式図を示す。 従来のセンサ回路構成のコンセプトを示す。 従来のセンサ回路構成を示す。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に本発明の基本コンセプトとなるセンサ端末のブロック図を示す。センサ回路部２には２端子を有するトランスデューサ１の一方の端子が接続される。トランスデューサ１の他方の端子はセンサ回路部２と共通のグランドに接続される。トランスデューサ１には抵抗、容量、フォトダイオード、焦電素子または圧電素子のトランスデューサ１を考慮している。接続部２１はトランスデューサ１とドライブ・信号キャプチャ部２２を接続する。ドライブ・信号キャプチャ部２２では、トランスデューサ１の種類や接続部２１の構成に応じてトランスデューサ１にパルスの電圧信号または一定の電圧信号を与える。また、ドライブ・信号キャプチャ部２２では、パルスの電圧信号を与えた時にトランスデューサ１に流れる電流信号またはトランスデューサ１から発生する信号を検出し保持する。ドライブ・信号キャプチャ部２２では、状態制御信号により、トランスデューサ１の種類や接続部２１の構成に応じてドライブ・信号キャプチャ部２２における信号を検出する動作を変更する。測定制御部２３から出力されるドライブ信号と状態制御信号はトランスデューサデータとデータ取得トリガデータに基づいて出力される。

容量のトランスデューサ１でもドライブ信号となる電圧の印加によりトランスデューサ１に電流を流すためには、直流成分だけでなく交流成分も含むパルスの電圧信号を使用する。トランスデューサ１が抵抗や容量の場合では、ドライブ・信号キャプチャ部２２からのパルスの電圧信号に対する電流信号の大きさは、トランスデューサ１のインピーダンスに依存して変わる。したがって、トランスデューサ１にパルスの電圧を印加した時の電流信号を検出し保持することにより、トランスデューサ１の抵抗値または容量値を知ることができる。

ＡＤコンバータ３ではドライブ・信号キャプチャ部２２の出力をデジタル化し、データを記憶するデータ蓄積部４に出力する。制御部５では、測定制御部２３においてドライブ信号、状態制御信号の制御に使用されるトランスデューサデータと、ドライブ・信号キャプチャ部２２を信号キャプチャ状態にするタイミングを示すデータ取得トリガデータを出力する。制御部５は、データ蓄積部４に記憶されているデータを基に通信に使用するデータ列を形成し通信部６に出力する。また、通信部６で受信した情報に含まれるセンサの制御に関する情報を抽出する。

センサ回路部の具体例となる第１の実施形態を図２に示す。本実施形態では接続端子２１１が接続部２１、電流源２２１、電流検出回路２２２、３状態電圧ドライブ回路２２３およびピークホールド回路２２４がドライブ・信号キャプチャ部２２となる。また、モード切替信号とリセット信号が状態制御信号となる。なお、ピークホールド回路２２４や後述の積分器２２５を信号キャプチャ回路という。

接続端子２１１にはトランスデューサ１の一方の端子が接続される。３状態電圧ドライブ回路２２３のスイッチＳＷ１とＳＷ２はモード切替信号により制御され、スイッチＳＷ３とＳＷ４はモード切替信号およびドライブ信号により制御される。また、電流検出回路２２２はＳＷ３がオンの時に流れる電流を検出し電圧として出力する。

モード切替信号が高電圧の時、すなわち、電流モードの時、スイッチＳＷ１がオンでスイッチＳＷ２がオフとなる。高電圧と低電圧の２値を交互にとるドライブ信号により、スイッチＳＷ３とＳＷ４は相補的にオンオフする。電流検出回路２２２は、オンとなったＳＷ３流れる電流を電圧に変換してピークホールド回路２２４に出力する。

モード切替信号が低電圧の時、すなわち、電圧モードの時、スイッチＳＷ１がオフでスイッチＳＷ２がオンとなる。ドライブ信号によらずスイッチＳＷ３とＳＷ４はオフのままとなる。接続端子２１１に生じる電圧がピークホールド回路２２４に入力される。

ピークホールド回路２２４においては、リセット信号が入力されていない時に入力信号のピークを保持して出力し、リセット信号が入力されている時には内部状態を初期化して初期信号を出力する。

各種トランスデューサを接続した時の動作を以下で説明する。

図３に抵抗のトランスデューサを接続した場合のブロック図を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の抵抗が変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。

図４に各部の波形を示す。同図ではトランスデューサ１の抵抗値を一定としている（図４（Ａ））。トランスデューサ１の抵抗値を測定する時にはピークホールド回路２２４を初期状態にするリセット信号を停止して（図４（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図４（Ｂ））。ドライブ信号が出力されると３状態電圧ドライブ回路２２３からパルスの電圧信号が出力される。３状態電圧ドライブ回路２２３は電圧信号がトランスデューサ１である抵抗に印加された時に流れる電流を十分流せる能力を持つ。このときトランスデューサ１の抵抗に基づいた電流Ｉｓ（図４（Ｃ））が流れ電流検出回路２２２で検出される。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、ピークホールド回路２２４においてピーク値が保持され出力される（図４（Ｅ））。ドライブ信号が停止されると図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図４（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の抵抗値で決まる電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データからトランスデューサ１の抵抗値を求めることは可能である。

図５に容量のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の容量が変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図５ではトランスデューサ１の容量値を一定としている（図５（Ａ））。トランスデューサ１の容量値を測定する時にはピークホールド回路２２４を初期状態にするリセット信号を停止して（図５（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図５（Ｂ））。ドライブ信号が出力されると３状態電圧ドライブ回路２２３からパルスの電圧信号が出力される。３状態電圧ドライブ回路２２３は電圧信号がトランスデューサ１である容量に印加された時に流れる電流を十分流せる能力を持つ。このときドライブ信号から出力されるパルスの立上りではトランスデューサ１の容量に過渡的に電流Ｉｓが流れる（図５（Ｃ））。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、ピークホールド回路２２４においてピーク値が保持され出力される（図５（Ｅ））。ドライブ信号が停止されると図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図５（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の容量値に依存する電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データからトランスデューサ１の容量値を求めることは可能である。

図６にフォトダイオード（ＰＤ）のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象である光強度の変化によりトランスデューサ１であるＰＤから生成される電流Ｉｓが変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図６ではトランスデューサ１に入力される光強度を一定としている（図６（Ａ））。トランスデューサ１に入力される光強度を測定する時にはピークホールド回路２２４を初期状態にするリセット信号を停止して（図６（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図６（Ｂ））。スイッチＳＷ３はドライブ信号によりオンとなり、オンの時に電流Ｉｓが流れる（図６（Ｃ））。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、ピークホールド回路２２４においてはピーク値が保持され出力される（図６（Ｅ））。この後、図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図６（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１に入力される光強度に依存する電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データから光強度を求めることは可能である。

図７に焦電素子または圧電素子のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオフとしＳＷ２をオンとする（電圧モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の出力電圧Ｖｓは変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図７ではトランスデューサ１から出力される電圧Ｖｓを一定としている（図７（Ａ））。ピークホールド回路２２４に入力される電圧も一定である（図７（Ｃ））。トランスデューサ１から出力される電圧を測定する時にはピークホールド回路２２４を初期状態にするリセット信号を停止する（図７（Ｄ）。ピークホールド回路２２４においては入力される一定の電圧が保持され出力される（図７（Ｅ））。この後、図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図７（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の出力電圧Ｖｓに依存するため、データからセンシング対象の強度を求めることは可能である。 上記の説明のように、本実施の形態では、抵抗、容量、フォトダイオード（ＰＤ）、焦電素子および圧電素子のトランスデューサに対応したトランスデューサと１つの接続端子で接続できるセンサ回路（２）を提供できる。

図８に電流検出回路の具体例を示す。本具体例では、抵抗ならびに反転入力と非反転入力を有するオペアンプで構成されるトランスインピーダンスアンプを電流検出回路２２２としている。トランスインピーダンスアンプでは、オペアンプの反転入力と非反転入力が同電位となる。すなわちＳＷ３の接続端子に接続されていない端子は電源電圧となる。また、ＳＷ３に流れる電流に依存してトランスインピーダンスアンプの出力が変化するため、ＳＷ３に流れる電流を検出できる。

図８では電流源２２１からスイッチＳＷ３の間に電流検出回路２２２を挿入し電流源２２１からＳＷ３に流れる電流を検出したが、図９に示すようにスイッチＳＷ４とグランドの間に電流検出回路２２２を挿入しＳＷ４からグランドに流れる電流を検出してもよい。

図１０に３状態電圧ドライブ回路の変化形を示す。スイッチＳＷ１とＳＷ５がオンでスイッチＳＷ２がオフの時（電流モード）では、ＳＷ３がオンの時に流れる電流を電流検出回路２２２により電圧に変換してピークホールド回路２２４に出力する。高電圧と低電圧の２値を交互にとるドライブ信号により、スイッチＳＷ３とＳＷ４は相補的にオンオフする。

スイッチＳＷ１とＳＷ５がオフでスイッチＳＷ２がオンの時（電圧モード）では、接続端子２１１に生じる電圧がピークホールド回路２２４に入力される。この時、ドライブ信号によらずスイッチＳＷ３がオフとＳＷ４はオンのままとなる。

図２の構成では、ＳＷ３がオンの時に流れる電流を電流検出回路２２２で検出する際において、スイッチＳＷ２とグランド間の寄生容量に流れる電流がオフセットとしてトランスデューサ１に流れる電流と合わせて電流検出回路で検出される。このため検出したい信号の精度が低下する。

図１０の構成では、電流モードの時、スイッチＳＷ４がオフとなるので、接続端子２１１にはスイッチＳＷ２が接続されず、よって、スイッチＳＷ２とグランド間の寄生容量によるオフセット電流の影響はない。

すなわち、３状態電圧ドライブ回路２２３は、電圧モードのときに接続部２１と信号キャプチャ回路（２２４）を接続するスイッチＳＷ２と、電流モードにおいてパルスの電気信号に対応するドライブ信号のパルスが生じている期間に当該スイッチＳＷ２を接続部２１（接続端子２１１）から切り離す回路（ＳＷ４）とを備えるので、スイッチＳＷ２とグランド間の寄生容量によるオフセット電流の影響を防止できる。

図１１に３状態電圧ドライブ回路の第２の変化形を示す。本変化形では波形生成回路２２１１とオペアンプ２２１２でその出力電圧を制御された電流源２２１（可変電流源）により、トランスデューサ１にドライブ電圧の立上りを与え、電流源２２１から流れる電流を電流検出回路２２２により検出する。電流源２２１の出力は接続端子２１１に接続されている。図１１では電流源２２１に与える制御電圧に基づいてから電流源２２１流れる電流を検出している。また、図１１では制御電圧が大きくなると出力される電流が大きくなる電流源２２１を使用している。波形生成回路２２１１では、モード切替信号により、ドライブ信号に基づいた信号をオペアンプ２２１２に出力するか、電流源２２１から出力される電流をゼロにする信号をオペアンプ２２１２に出力するか、が制御される。

スイッチＳＷ１とＳＷ５がオンでスイッチＳＷ２がオフの時（電流モード）では、波形生成回路２２１１はドライブ信号に基づいた信号をオペアンプ２２１２に出力する。ドライブ信号の立上りのとき、オペアンプ２２１２で出力電圧を制御された電流源２２１は、接続端子２１１の電圧と波形生成回路２２１１からオペアンプ２２１２に出力される電圧とが等しくなるように電流を出力する。ドライブ信号の立下りの時では電流源２２１から流れる電流をゼロにしスイッチＳＷ４をオンにする。

スイッチＳＷ１とＳＷ５がオフでスイッチＳＷ２がオンの時（電圧モード）では、接続端子２１１に生じる電圧がピークホールド回路２２４に入力される。この時、電流源２２１から出力される電流をゼロにする信号を波形生成回路２２１１からオペアンプ２２１２に出力しスイッチＳＷ４をオンにする。

図１２に３状態電圧ドライブ回路の第２の変化形での電流源と電流検出回路の具体例を示す。本具体例では、定電流源とＰＭＯＳトランジスタにより電流源２２１（可変電流源）を構成し、ＰＭＯＳトランジスタとトランスインピーダンスアンプと反転増幅回路で電流検出回路２２２を構成している。ＰＭＯＳトランジスタではグランドを基準としたゲート端子の電圧が小さいほど電流が流れるため、ＰＭＯＳトランジスタのゲート端子の電圧を制御するオペアンプ２２１２の非反転入力に接続端子２１１を接続し、反転入力に波形生成回路２２１１の出力を接続する。

電流検出回路２２２では、電流源２２１のＰＭＯＳトランジスタのゲート端子に入力される電圧を電流検出回路２２２のＰＭＯＳトランジスタのゲート端子に入力し、電流源２２１の出力電流Ｉｓを複製してトランスインピーダンスアンプに入力する。トランスインピーダンスアンプにおいてＩｓは電圧に変換されるがＩｓの変化の極性が反転しているため、反転増幅回路においてさらに反転させてＩｓの変化の極性と同じ変化の極性の電圧信号を生成する。この処理により電流源２２１の出力電流Ｉｓの検出が可能となる。

図１３に３状態電圧ドライブ回路の第２の変化形での電流源と電流検出回路の第２の具体例を示す。本具体例では、接続端子２１１に接続されたＰＭＯＳトランジスタのソース−ドレイン間に流れる電流をＰＭＯＳトランジスタのカレントミラーにより複製し、トランスインピーダンスアンプと反転増幅回路により電流を電圧に変換している。

図１４に本発明にかかる第２の実施形態のセンサ回路部を示す。本実施形態では、３状態電圧ドライブ回路２２３と電流検出回路２２２と積分器２２５がドライブ・信号キャプチャ部２２となる。

接続端子２１１にはトランスデューサ１の一方の端子が接続される。３状態電圧ドライブ回路２２３のスイッチＳＷ１とＳＷ２はモード切替信号により制御され、スイッチＳＷ３とＳＷ４はモード切替信号およびドライブ信号により制御される。また、電流検出回路２２２はＳＷ３がオンの時に流れる電流を検出し電圧として出力する。

スイッチＳＷ１がオンでスイッチＳＷ２がオフの時（電流モード）では、ＳＷ３がオンの時に流れる電流を電流検出回路２２２により電圧に変換して積分器２２５に出力する。高電圧と低電圧の２値を交互にとるドライブ信号により、スイッチＳＷ３とＳＷ４は相補的にオンオフする。

スイッチＳＷ１がオフでスイッチＳＷ２がオンの時（電圧モード）では、接続端子２１１に生じる電圧が積分器２２５に入力される。この時、ドライブ信号によらずスイッチＳＷ３はオフとなり、ＳＷ４はドライブ信号を反転した信号に基づいてオン・オフする。

積分器２２５においては、リセット信号が入力されていない時に入力信号を積分して出力し、リセット信号が入力されている時には内部状態を初期化して初期信号を出力する。 各種トランスデューサを接続した時の動作を以下で説明する。

図１５に抵抗のトランスデューサを接続した場合のブロック図を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の抵抗が変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図１５ではトランスデューサ１の抵抗値を一定としている（図１５（Ａ））。トランスデューサ１の抵抗値を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図１５（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図１５（Ｂ））。ドライブ信号が出力されると３状態電圧ドライブ回路２２３からパルスの電圧信号が出力される。３状態電圧ドライブ回路２２３は電圧信号がトランスデューサ１である抵抗に印加された時に流れる電流を十分流せる能力を持つ。このときトランスデューサ１の抵抗に基づいた電流Ｉｓ（図１５（Ｃ））が流れ電流検出回路２２２で検出される。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、積分器２２５においてパルス波形が積分され出力される（図１５（Ｅ））。ドライブ信号が停止されると図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図１５（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の抵抗値で決まる電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データからトランスデューサ１の抵抗値を求めることは可能である。

図１６に容量のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の容量が変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図１６ではトランスデューサ１の容量値を一定としている（図１６（Ａ））。トランスデューサ１の容量値を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図１６（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図１６（Ｂ））。ドライブ信号が出力されると３状態電圧ドライブ回路２２３からパルスの電圧信号が出力される。

３状態電圧ドライブ回路２２３は、電圧信号がトランスデューサ１である容量に印加された時に流れる電流を十分流せる能力を持つ。このときドライブ信号から出力されるパルスの立上りではトランスデューサ１の容量に過渡的に電流Ｉｓが流れる（図１５（Ｃ））。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、積分器２２５においてパルス波形が積分され出力される（図１５（Ｅ））。ドライブ信号が停止されると図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図１５（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部２４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサの容量値に依存する電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データからトランスデューサの容量値を求めることは可能である。

図１７にフォトダイオード（ＰＤ）のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象である光強度の変化によりトランスデューサ１であるＰＤから生成される電流Ｉｓが変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図１７ではトランスデューサ１に入力される光強度を一定としている（図１７（Ａ））。トランスデューサ１に入力される光強度を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図１７（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図１７（Ｂ））。スイッチＳＷ３はドライブ信号によりオンとなり、オンの時に電流Ｉｓが流れる（図１７（Ｃ））。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され積分器２２５においてはパルス波形が積分され出力される（図１７（Ｅ））。この後、図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図１７（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１に入力される光強度に依存する電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データから光強度を求めることは可能である。

図１８に焦電素子または圧電素子のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオフとしＳＷ２をオンとする（電圧モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１に何も接続されていない時の出力電圧Ｖｓは変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図１８ではトランスデューサ１から出力される電圧Ｖｓを一定としている。トランスデューサ１から出力される電圧を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図１８（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図１８（Ｂ））。ドライブ信号が高電位状態のときスイッチＳＷ４はオフとなり、ドライブ信号が低電位状態のときＳＷ４はオンとなるため積分器２２５には図１８（Ｃ）のようなパルス信号が入力される。積分器２２５においてはパルス波形が積分され出力される（図１８（Ｅ））。この後、図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図１８（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の出力電圧Ｖｓに依存するため、データからセンシング対象の強度を求めることは可能である。

上記の説明のように本発明により抵抗、容量、フォトダイオード（ＰＤ）、焦電素子および圧電素子のトランスデューサに対応したトランスデューサと１つの接続端子で接続できるセンサ回路（２）を提供できる。

図１９に本発明にかかる第３の実施形態のセンサ回路部を示す。接続部２１が接続端子２１１と容量Ｃで構成されることが第２の実施形態と異なる。ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４と電流検出回路、積分器２２５のドライブ信号とモード切替信号に対する動作は第２の実施形態と同じであるため割愛する。例えば、積分器２２５はピークホールド回路２２４に代えてもよい。

各種トランスデューサを接続した時の動作を以下で説明する。

図２０に抵抗のトランスデューサを使用した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の抵抗が変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図２０ではトランスデューサ１の抵抗値を一定としている（図２０（Ａ））。トランスデューサ１の抵抗値を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図２０（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図２０（Ｂ））。ドライブ信号が出力されると３状態電圧ドライブ回路２２３からパルスの電圧信号が出力される。３状態電圧ドライブ回路２２３は電圧信号がトランスデューサ１である抵抗に印加された時に流れる電流を十分流せる能力を持つ。このときドライブ信号から出力されるパルスの立上りでは接続部２１の容量Ｃとトランスデューサ１の抵抗により過渡的に電流Ｉｓが流れる（図２０（Ｃ））。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、積分器２２５においてパルス波形が積分され出力される（図２０（Ｅ））。ドライブ信号が停止されると図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図２０（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の抵抗値で決まる電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データからトランスデューサ１の抵抗値を求めることは可能である。

図２１に容量のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象の変化によりトランスデューサ１の容量が変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図２１ではトランスデューサ１の容量値を一定としている（図２１（Ａ））。トランスデューサ１の容量値を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図２１（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図２１（Ｂ））。ドライブ信号が出力されると３状態電圧ドライブ回路２２３からパルスの電圧信号が出力される。３状態電圧ドライブ回路２２３は電圧信号がトランスデューサ１である容量に印加された時に流れる電流を十分流せる能力を持つ。このときドライブ信号から出力されるパルスの立上りではトランスデューサの容量に過渡的に電流Ｉｓが流れる（図２１（Ｃ））。電流検出回路２２２において電流Ｉｓが電圧に変換され、積分器２２５においてパルス波形が積分され出力される（図２１（Ｅ））。ドライブ信号が停止されると図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図２１（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の容量値に依存する電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データからトランスデューサ１の容量値を求めることは可能である。

図２２にフォトダイオード（ＰＤ）のトランスデューサを接続した場合の各部の波形を示す。この場合ではモード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。センシング対象である光強度の変化によりトランスデューサ１であるＰＤから生成される電流Ｉｓが変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図２２ではトランスデューサ１に入力される光強度を一定としている（図２２（Ａ））。トランスデューサ１に入力される光強度を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図２２（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図２２（Ｂ））。スイッチＳＷ３はドライブ信号によりオンとなり、オンの時に電流Ｉｓが流れる（図２２（Ｃ））。電流検出回路において電流Ｉｓが電圧に変換され積分器２２５においてはパルス波形が積分され出力される（図２２（Ｅ））。この後、図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図２２（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１に入力される光強度に依存する電流Ｉｓに基づいて決定されるため、データから光強度を求めることは可能である。

図２３に焦電素子または圧電素子のトランスデューサを接続した場合のブロック図を示す。この場合ではトランスデューサ１と並列にダイオードＤを接続する。モード切替信号によりＳＷ１をオンとしＳＷ２をオフとする（電流モード）。

図２４にこの場合の各部の波形を示す。センシング対象の変化によりトランスデューサ１に何も接続されていない時の出力電圧Ｖｓは変化するが、本説明ではその変化はセンサ回路部２の動作に対し緩慢であるとする。図２４ではトランスデューサ１から出力される電圧Ｖｓを一定としている（図２４（Ａ））。トランスデューサ１から出力される電圧を測定する時には積分器２２５を初期状態にするリセット信号を停止し（図２４（Ｄ））、パルスのドライブ信号が出力される（図２４（Ｂ））。ドライブ信号が高電位状態のときスイッチＳＷ４はオフとなり、ドライブ信号が低電位状態の時ＳＷ４はオンとなるため積分器２２５には図２４（Ｃ）のようなパルス信号が入力される。

トランスデューサ１を含めたダイオードＤの電流電圧特性は、図２５に示すように印加されていない時の初期値Ａがトランスデューサ１の出力電圧Ｖｔに依存する。パルスの電圧信号の立上りでは、立上りの交流成分に対して容量Ｃのインピーダンスが低いためダイオードＤのアノードの電位が大きくなり、ダイオードＤの電流と電圧は点Ａから点Ｂに向かって遷移する。このとき生じる電流は電流検出回路２２２に流れる電流Ｉｓとなる。点ＢはＶｔに依存して変化するため、パルスの電圧信号の立上りで生じる電流Ｉｓのピーク値もＶｔに依存する。

パルスの電圧信号の立上り後の一定の状態では、容量Ｃとの過渡現象によりダイオードＤの電流と電圧は再び点Ａに戻り、これに伴い電流もゼロとなる。パルスの電圧信号の立下りでは、立下りの交流成分に対して容量Ｃのインピーダンスが低いためダイオードＤのアノードの電位が小さくなり、ダイオードＤの電流と電圧は点Ａから点Ｃに向かって遷移する。パルスの電圧信号の立下り後の一定の状態では、容量Ｃとの過渡現象によりダイオードＤの電流と電圧は再び点Ａに戻る。パルスの立下り以後の電流はスイッチＳＷ４を介してグランドに流れる。

以上の動作により電流検出回路２２２を流れる電流Ｉｓは図２４（Ｃ）のようになる。積分器２２５においてはパルス波形が積分され出力される（図２４（Ｅ））。この後、図１でのＡＤコンバータ３でデジタル化処理が行われ（図２４（Ｆ））、図１でのデータ蓄積部４にデータが蓄積される。このデータはトランスデューサ１の出力電圧Ｖｓに依存するため、データからセンシング対象の強度を求めることは可能である。

上記の説明のように本発明により抵抗、容量、フォトダイオード（ＰＤ）、焦電素子および圧電素子のトランスデューサ１に対応し、トランスデューサ１と１つの接続端子２１１で接続できるセンサ回路部２を提供できる。

上記の説明では計測の時に積分を１回行っていたがリセットを行わずに複数回積分を行ってもよい。リセットを行わずに複数回積分行うことにより信号が積算され積分器２２５の出力信号は大きくなる。

以上のように、センサ回路部２は、一方端を接地したトランスデューサ１の出力を検出するためのセンサ回路を構成する。

特に第１、第２の実施形態のセンサ回路（２）は、抵抗、容量、フォトダイオードなどのトランスデューサを使用する時の電流モードと焦電素子や圧電素子のトランスデューサを使用するときの電圧モードを切り換えるためのモード切替信号に従って、電流モードのときは、ドライブ信号に従ってトランスデューサ１の他方端にパルスの電気信号を与えるとともに電気信号を与えたときにトランスデューサ１に流れる電気信号を検出し、電圧モードのときは、他方端から発生する信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部２２と、他方端とドライブ・信号キャプチャ部２２とを接続する接続部２１と、ドライブ信号とモード切替信号を出力する測定制御部２３とを備える。

したがって、センサ回路（２）は、１つの接続端子２１１に多種のトランスデューサを切り替えながら接続でき、多種のトランスデューサの出力を検出できる。また、センサ回路（２）をアレイ化した場合に接続端子２１１の数を少なくできる。

具体的には、ドライブ・信号キャプチャ部２２、電流源２２１から出力される電流に応じた電圧を出力する電流検出回路２２２と、電流モードのときは、電流源２２１から出力される電流をパルスの電流に変換し接続部２１に与えるとともに、電流検出回路２２２の電圧をピークホールド回路２２４などに出力する一方、電圧モードのときは、接続部２１の電圧をピークホールド回路２２４などに出力する３状態電圧ドライブ回路２２３と、３状態電圧ドライブ回路２２３から出力された電圧を検出する信号キャプチャ回路（ピークホールド回路２２４や積分器２２５）とを備える。

一方、第３の実施形態のセンサ回路（２）は、ドライブ信号に従ってトランスデューサ１の他方端にパルスの電気信号を与えるとともに電気信号を与えたときにトランスデューサ１に流れる電気信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部２２と、他方端とドライブ・信号キャプチャ部２２を容量Ｃで接続する接続部２１と、ドライブ信号を出力する測定制御部２３とを備える。

したがって、センサ回路（２）は、１つの接続端子２１１に多種のトランスデューサを切り替えながら接続でき、多種のトランスデューサの出力を検出できる。また、センサ回路（２）をアレイ化した場合に接続端子２１１の数を少なくできる。

具体的には、ドライブ・信号キャプチャ部２２は、電流源２２１から出力される電流に応じた電圧を出力する電流検出回路２２２と、電流源２２１から出力される電流をパルスの電流に変換し容量Ｃのドライブ・信号キャプチャ部２２側の端子に与えるとともに、電流検出回路２２２で変換された電圧を出力する３状態電圧ドライブ回路２２３と、３状態電圧ドライブ回路２２３から出力された電圧を検出する信号キャプチャ回路（ピークホールド回路２２４や積分器２２５）とを備える。

また、図１１などに示すように、電流源２２１は、ドライブ信号に基づく電圧を出力する波形生成回路２２１１と、波形生成回路２２１１の出力電圧と接続部２１の電圧とを入力するオペアンプ２２１２とともに用いられ、電流源２２１は、オペアンプ２２１２の出力電圧に応じた電流を出力し、かつ、波形生成回路２２１１の出力電圧と電流源２２１の出力電圧が等しくなるように動作するものであり、電流検出回路２２２は、オペアンプ２２１２の出力電圧に応じた電圧を出力するように構成される。

また、図１３に示すように、電流検出回路２２２は、電流源２２１から出力される電流を複製するカレントミラーと、カレントミラーで複製された電流に応じた電圧を出力する回路（トランスインピーダンスアンプと反転増幅回路）とを備えるように構成される。

１…トランスデューサ
２…センサ回路部
３…ＡＤコンバータ
４…データ蓄積部
５…制御部
６…通信部
２１…接続部
２２…ドライブ・信号キャプチャ部
２３…測定制御部
２４…データ蓄積部
２１１…接続端子
２２１…電流源
２２２…電流検出回路
２２３…３状態電圧ドライブ回路
２２４…ピークホールド回路（信号キャプチャ回路）
２２５…積分器（信号キャプチャ回路）
２２１１…波形生成回路
２２１２…オペアンプ

Claims (8)

1. 一方端を接地したトランスデューサの出力を検出するためのセンサ回路であって、
   電流モードと電圧モードを切り換えるためのモード切替信号に従って、前記電流モードのときは、ドライブ信号に従って前記トランスデューサの他方端にパルスの電気信号を与えるとともに前記電気信号を与えたときに前記トランスデューサに流れる電気信号を検出し、前記電圧モードのときは、前記他方端から発生する信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部と、
   前記他方端と前記ドライブ・信号キャプチャ部とを接続する接続部と、
   前記ドライブ信号と前記モード切替信号を出力する測定制御部と
   を備えることを特徴とするセンサ回路。
2. 請求項１記載のセンサ回路において、
   前記ドライブ・信号キャプチャ部は、
   電流源から出力される電流に応じた電圧を出力する電流検出回路と、
   前記電流モードのときは、前記電流源から出力される電流をパルスの電流に変換し前記接続部に与えるとともに、前記電流検出回路の電圧を出力する一方、前記電圧モードのときは、前記接続部の電圧を出力する３状態電圧ドライブ回路と、
   前記３状態電圧ドライブ回路から出力された電圧を検出する信号キャプチャ回路と
   を備えることを特徴とするセンサ回路。
3. 請求項２記載のセンサ回路において、
   前記３状態電圧ドライブ回路は、
   前記電圧モードのときに前記接続部と前記信号キャプチャ回路を接続するスイッチと、前記電流モードにおいて前記パルスの電気信号に対応する前記ドライブ信号のパルスが生じている期間に当該スイッチを前記接続部から切り離す回路とを備えることを特徴とするセンサ回路。
4. 一方端を接地したトランスデューサの出力を検出するためのセンサ回路であって、
   ドライブ信号に従って前記トランスデューサの他方端にパルスの電気信号を与えるとともに前記電気信号を与えたときに前記トランスデューサに流れる電気信号を検出するドライブ・信号キャプチャ部と、
   前記他方端と前記ドライブ・信号キャプチャ部を容量で接続する接続部と、
   前記ドライブ信号を出力する測定制御部と
   を備えることを特徴とするセンサ回路。
5. 請求項４記載のセンサ回路において、
   前記ドライブ・信号キャプチャ部は、
   電流源から出力される電流に応じた電圧を出力する電流検出回路と、
   前記電流源から出力される電流をパルスの電流に変換し前記容量の前記ドライブ・信号キャプチャ部側の端子に与えるとともに、前記電流検出回路で変換された電圧を出力する３状態電圧ドライブ回路と、
   前記３状態電圧ドライブ回路から出力された電圧を検出する信号キャプチャ回路と
   を備えることを特徴とするセンサ回路。
6. 請求項２または請求項５記載のセンサ回路において、
   前記電流源は、前記ドライブ信号に基づく電圧を出力する波形生成回路と、前記波形生成回路の出力電圧と前記接続部の電圧とを入力するオペアンプとともに用いられ、前記電流源は、前記オペアンプの出力電圧に応じた電流を出力し、かつ、前記波形生成回路の出力電圧と前記電流源の出力電圧が等しくなるように動作するものであり、
   前記電流検出回路は、前記オペアンプの出力電圧に応じた電圧を出力することを特徴とするセンサ回路。
7. 請求項２または請求項５記載のセンサ回路において、
   前記電流検出回路は、
   前記電流源から出力される電流を複製するカレントミラーと、前記カレントミラーで複製された電流に応じた電圧を出力する回路とを備えることを特徴とするセンサ回路。
8. 請求項２または請求項５記載のセンサ回路において、
   前記信号キャプチャ回路は、ピークホールド回路または積分器であることを特徴とするセンサ回路。

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