JP6994329B2

JP6994329B2 - 多連式センサ

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Publication number: JP6994329B2
Application number: JP2017173739A
Authority: JP
Inventors: 泰幸片瀬
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: CN111226419B; CN111226419A; US10986424B2; WO2019049742A1; DE112018005040T5; JP2019050502A; US20200267457A1

Description

この発明は、センサユニット、及びそれを用いた多連式センサに関する。

特許文献１には、メインユニット１００と複数の通信モジュール２００とがデイジーチェーン接続された通信システムが開示されている。通信モジュール同士は通信ラインにてバス接続されている。

特開２０１４－１４１８２号公報

しかしながら、特許文献１のようにバス接続の場合、センサユニットとしての各通信モジュール内部では、上位側と下位側の通信線が共通になっており、センサユニットを多連接続することで、通信品質が低下する問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、多連接続しても、従来に比べて、通信品質の低下を抑制することができるセンサユニット、及びそれを用いた多連式センサを提供することを目的とする。

本発明における多連式センサは、基板と、前記基板に配置された風を検知可能なセンサ部と、前記センサ部と電気的に接続され、前記センサ部の検知信号を処理する制御部と、前記センサ部と前記制御部を含む回路機能部の駆動電源を生成する回路電源生成部と、を有するセンサユニットで構成され、前記制御部は、上位装置との間で通信を行う上位通信制御部と、下位装置との間で通信を行う下位通信制御部と、を有し、前記回路電源生成部には、降圧回路が組込まれており、前記制御部及び前記センサ部の電源が前記回路電源生成部から供給される前記センサユニットが、複数、通信ケーブルを介して、接続数を変動自在に接続されることを特徴とする。

本発明では、更に、前記センサ部の検出情報を報知する報知部を有することが好ましい。

本発明によれば、センサユニットを多連接続しても、従来に比べて、通信品質の低下を抑制することができる。

図１Ａは、本実施形態のセンサユニットの平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示すＡ－Ａ線に沿って切断し矢印方向から見たセンサユニットの断面図である。センサ部の回路図である。本実施形態のセンサユニットを複数接続した状態を示す平面図である。本実施形態の多連式センサの一例を示す概念図である。本実施形態の多連式センサの一例を示す概念図である。図６Ａ～図６Ｃは、図１Ａに示すセンサユニットと一部異なる別の実施形態のセンサユニットを示す平面図である。本実施形態のセンサユニットのブロック図である。本実施形態のセンサユニットを複数接続した際の通信線側のブロック図である。比較例の構成を示す通信線側のブロック図である。本実施形態のセンサユニットを複数接続した際の電源配線側のブロック図である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１Ａは、本実施形態のセンサユニットの平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示すＡ－Ａ線に沿って切断し矢印方向から見たセンサユニットの断面図である。

本実施形態におけるセンサユニット１は、例えば、流量センサである。

センサユニット１は、基板２と、基板２の表面２ａに配置されたセンサ部３と、センサ部３と電気的に接続された外部接続端子４、５と、センサ部３の検知情報を外部に報知する報知部６と、を有して構成される。

図１Ａに示すように、センサ部３は、基板２の表面２ａの略中央に配置される。また、外部接続端子４、５は、基板２の表面２ａにて、センサ部３の両側に配置される。従って、センサ部３と、外部接続端子４、５とが、基板２上にて一列に配置されている。図１Ａ、図１Ｂに示す外部接続端子４、５は、形状や開口部４ａ、５ａの大きさが夫々異なる。図１Ａ、図１Ｂに示す外部接続端子４、５は、ＵＳＢ端子であり、例えば、外部接続端子４には、ＵＳＢ－Ａタイプが接続され、外部接続端子５には、ｍｉｃｒｏＵＳＢタイプが接続される。

図１Ａに示すように、複数の報知部６が、基板２の四隅に配置されている（ケース７は図示せず）。なお、報知部６の個数は限定されるものでなく、また、報知部６の配置箇所も限定されない。例えば、報知部６は、センサ部３の表面に重ねて設けられていてもよい。

図１Ｂに示すように、センサ部３の表面はケース７に覆われている。ケース７は透明であっても非透明であってもよい。ケース７には貫通孔７ａが設けられている。貫通孔７ａは、センサ部３に、例えば、風を送るための穴であり、貫通孔７ａを通じて、風検知を行うことが可能である。なお、ケース７は無くてもよい。或いは、センサ部３の表面を封止樹脂で覆う等の構成であってもよい。

次に、センサ部３の構成について説明する。図２は、センサ部３の回路図である。図２に示すように、流量検知用抵抗素子１３と、温度補償用抵抗素子１４と、抵抗器１６、１７とでブリッジ回路１８を構成している。図２に示すように、流量検知用抵抗素子１３と抵抗器１６とで第１の直列回路１９を構成し、温度補償用抵抗素子１４と抵抗器１７とで第２の直列回路２０を構成している。そして、第１の直列回路１９と第２の直列回路２０とが、並列に接続されてブリッジ回路１８を構成している。

図２に示すように、第１の直列回路１９の出力部２１と、第２の直列回路２０の出力部２２とが、夫々、差動増幅器（アンプ）２３に接続されている。ブリッジ回路１８には、差動増幅器２３を含めたフィードバック回路２４が接続されている。フィードバック回路２４には、トランジスタ（図示せず）等が含まれる。

抵抗器１６、１７は、流量検知用抵抗素子１３、及び温度補償用抵抗素子１４よりも抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さい。流量検知用抵抗素子１３は、例えば、所定の周囲温度よりも所定値だけ高くなるように制御された加熱状態で、所定の抵抗値Ｒｓ１を有し、また、温度補償用抵抗素子１４は、例えば、前記の周囲温度にて、所定の抵抗値Ｒｓ２を有するように制御されている。なお、抵抗値Ｒｓ１は、抵抗値Ｒｓ２よりも小さい。流量検知用抵抗素子１３と第１の直列回路１９を構成する抵抗器１６は、例えば、流量検知用抵抗素子１３の抵抗値Ｒｓ１と同様の抵抗値Ｒ１を有する固定抵抗器である。また、温度補償用抵抗素子１４と第２の直列回路２０を構成する抵抗器１７は、例えば、温度補償用抵抗素子１４の抵抗値Ｒｓ２と同様の抵抗値Ｒ２を有する固定抵抗器である。

図２に示す流量検知用抵抗素子１３は、図１Ｂに示すセンサ部３のケース７側に配置され、温度補償用抵抗素子１４は、図１Ｂに示す基板２側に配置される。

風は、図１Ｂに示す貫通孔７ａを通って検知面に配置された流量検知用抵抗素子１３に到達する。このとき、発熱抵抗である流量検知用抵抗素子１３の温度は低下するため、流量検知用抵抗素子１３が接続された第１の直列回路１９の出力部２１の電位が変動する。これにより、差動増幅器２３により差動出力が得られる。そして、フィードバック回路２４では、差動出力に基づいて、流量検知用抵抗素子１３に駆動電圧を印加する。そして、流量検知用抵抗素子１３の加熱に要する電圧の変化に基づき、後述するマイコンにて風速を換算し出力することができる。

なお、図２に示すセンサ部３の回路構成は、一例であり、これに限定されるものではない。

図３に示すように、本実施形態では、複数のセンサユニット１を、通信ケーブル８を介して接続することができる。図３に示すように、通信ケーブル８の一方の端部が、例えば、ｍｉｃｒｏＵＳＢプラグ９であり、他方の端部が、例えば、ＵＳＢ－Ａプラグ１０である。そして、ｍｉｃｒｏＵＳＢプラグ９が、センサユニット１に設けられた小開口側の外部接続端子５に接続され、ＵＳＢ－Ａプラグ１０が、センサユニット１に設けられた大開口側の外部接続端子４に接続される。

図４に示すように、複数のセンサユニット１が、通信ケーブル８により一列に接続され、その先端がホスト１１に接続されている。ホスト１１とは、通信を制御する装置であり、通信においてマスターとなる装置のことを意味する。ホスト１１は、ノートパソコンなどコンピュータ機器、そのような機能を備えた携帯端末であって、特に形式を問わない。

本実施形態では、複数のセンサユニット１を、デイジーチェーン型に多連に接続した多連式センサ１２を構成することができる。

また、図５に示すように、ホスト１１に設けられた複数のチャンネル１１ａに夫々、図４に示した多連式センサ１２を接続することができる。図５の接続構造とすることで、多数のセンサユニット１をマトリクス状に配置することができる。

本実施形態では、センサユニット１の接続数を限定するものでないが、センサユニット１を数個から数百個程度、接続して多連式センサ１２を構成することができる。本実施形態では、各センサユニット１を通信ケーブル８を介して接続するだけでよいため、多連式センサ１２のセンサ数を簡単且つ自由に増やすことができ、多連式センサ１２を用いて様々なアプリケーションに適用することができる。

多連式センサ１２においては、例えば、風速を広範にわたって検知することができる。そして、各センサユニット１の風速の検知情報に基づいて、各センサユニット１の報知部６から外部に発信される態様を適宜変えることができる。例えば、報知部６は、ＬＥＤである。これにより、多連式センサ１２の先端から末端にかけて風速に基づいて発光色が変化するように制御することができる。よって、多連式センサ１２を、イルミネーションとして、或いは、流体の分析用等として利用者の視覚に訴えることが可能になる。

また、本実施形態では、図１Ａに示したように、外部接続端子４、５の形状や大きさが異なるため、誤接続を防止することができる。例えば、外部接続端子５が、上位に位置するホスト１１側との通信側で、外部接続端子４が、下位に位置するセンサユニット１との通信側であると定められている場合に、逆に接続するといった誤った接続を防止することができる。

ただし、本実施形態では、図６Ａに示すように、センサユニット１に設けられる外部接続端子３０、３１が同一コネクタであってもよい。係る場合、誤接続を防止するためには、例えば、少なくとも一方の外部接続端子３０に接続の方向を示すマーク３２を設けておけばよい。例えば、マーク３２が設けられた側がホスト１１側（上位側）であると認識でき、誤接続を防止することが可能になる。

なお、本実施形態では、外部接続端子３０、３１の接続の方向が識別可能とされていればよく、上記した外部接続端子３０、３１の形状や大きさを異ならせたり、マーク３２を付与する以外の構成にて誤接続を防止することも可能である。

また、図１Ａでは、センサ部３、及び外部接続端子４、５が一列に並んで配置されているが、例えば、図６Ｂに示すように、各外部接続端子４、５を、センサ部３を挟んで略９０°の方向に配置してもよい。図６Ｂに示すセンサユニット１を、多連式センサ１２の少なくとも一部に用いると、センサユニット１の並び方向を９０°曲げることができる。当然のことながら、センサ部３を介した外部接続端子４、５の間の角度に応じて、センサユニット１の並び方向の変曲角度を変えることができる。

また、図６Ｃに示すように、各外部接続端子３３、３４が、センサ部３から見て同じ側に配置されていてもよい。図６Ｃに示すセンサユニット１を多連式センサ１２の少なくとも一部に用いることで、センサユニット１の並び方向を１８０°曲げることができる。よって、図１Ａに示す外部接続端子４、５が一列に並んだセンサユニット１と、図６Ｃに示す外部接続端子３３、３４が同じ側に配置されたセンサユニット１とを用いることで、例えば、ホスト１１のチャンネル１１ａが一つでも、センサユニット１がミアンダ状に並んだ多連式センサ１２を構成することができる。

次に、本実施形態のセンサユニット１の制御構造について説明する。図７は、本実施形態のセンサユニット１のブロック図を示す。

図７に示すように、センサユニット１は、センサ部３と、センサ部３と電気的に接続され、センサ部３の検知信号を処理する制御部としてのマイコン４０と、を有して構成される。

図７に示すように、マイコン４０は、ＣＰＵ４１と、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）４２と、入出力ポート（Ｉ／Ｏｐｏｒｔ）４３と、上位通信制御部４４と、下位通信制御部４５と、を有して構成される。

このように、マイコン４０には、ＣＰＵ４１、ＡＤ変換器４２、入出力ポート４３、及び、通信制御部４４、４５等がワンチップにて構成されている。

センサ部３からの検知信号は、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）４２にてＡＤ変換され、ＣＰＵ４１にて処理される。ＣＰＵ４１は、センサ出力に基づいて、報知部としてのＬＥＤ４７の点灯制御を行なったり、センサ出力によるデータをホスト送信用メモリに書き込む等の処理を行う。その他、ＣＰＵ４１は、ホスト１１からのコマンドに基づく処理等、各種処理を行う。

図７に示すように、本実施形態では、通信制御部が、上位通信制御部４４と下位通信制御部４５とに分けられている。上位通信制御部４４は、上位装置であるホスト１１側のセンサユニット１、或いは、ホスト１１との間で送受制御を行なう。また、下位通信制御部４５は、下位装置であるセンサユニット１との間で送受制御を行なう。ここで、上位通信制御部４４及び下位通信制御部４５に接続される符号４６の線は、通信ケーブル８（図３参照）内の通信線４６を示す。図１Ａに示す外部接続端子４、５との関係でいえば、外部接続端子５側が上位通信制御部４４側であり、外部接続端子４側が下位通信制御部４５側に該当する。

本実施形態のように、上位通信制御部４４と下位通信制御部４５とを分ける。これにより、図８に示すように、複数のセンサユニット１を接続して多連式センサ１２を構成したときでも、隣り合うセンサユニット１間でのみ（或いは、隣接するホスト１１とセンサユニット１でのみ）、コマンド送信やデータの送受信を行うことが可能になる。なお、図８には、制御部の一部のみ図示した。また、上位装置に位置するホスト１１側との通信か、下位装置に位置するセンサユニット１との通信かを認識することができる。このため、例えば、図８に示す真ん中のセンサユニット１から上位装置側である図示左側のセンサユニット１へコマンドを送信する際に、上位通信制御部４４を介して適切に、上位装置であるセンサユニット１側へコマンドを送信することが可能になる。

このように、本実施形態では、隣接するセンサユニット１間、或いは、ホスト１１とセンサユニット１間での通信になるため、通信品質を高品質に適切に保つことができる。

また、センサユニット１が複数接続された多連式センサ１２において、例えば、ホスト－流量センサＡ－流量センサＢ－流量センサＣ－流量センサＤ－流量センサＥと接続されている場合、各センサ間や、ホスト－流量センサＡ間にて個々に通信が可能である。例えば、ホスト－流量センサＡ間で通信している場合に、流量センサＡ－流量センサＢ間や、流量センサＢ－流量センサＣ間でも個別に通信が可能である。よって、データの送受信に係る自由度を向上させることができる。

一方、図９は比較例（従来例）である。図９に示すように、各センサユニット１に通信制御部４８を一つとして、各センサユニット１をバス接続した構成では、ホストからのコマンド送信は、意図しないセンサユニット１を含めた全てのセンサユニット１に対して送信される。すなわち、ホストからのコマンド送信が、例えば、図９に示す真ん中のセンサユニット１に対してのものであった場合でも、全てのセンサユニット１にコマンドが送信される。このため、通信が行われている間、他のコマンド通信をセンサユニット１間や、ホストとセンサユニット１間で行うことができない。また、センサユニット１の接続数が増えていくことで、末端（ホストから遠い側）のセンサユニット１に向けて、徐々にデータ信号の減衰が生じて、通信品質の悪化を招きやすい。

また、本実施形態のセンサユニット１は、図７に示すように、センサ部３、マイコン４０、及びＬＥＤ４７（報知部）を含めた回路機能部５０の駆動電源を生成する回路電源生成部５１を有する。回路電源生成部５１は、通信ケーブル８（図３参照）内の電源配線４９に接続される。

回路電源生成部５１には、降圧回路が組込まれており、回路機能部５０の駆動電源を生成する。例えば、ホスト側では、ＡＣ１００ＶをＤＣ２４ＶにＡＣ／ＤＣコンバータで変換してセンサユニット１に供給する。そして、センサユニット１では、降圧回路を有する回路電源生成部５１により所定の電圧まで降圧して回路を駆動させる。このとき、搭載されるＩＣに合わせて、例えば、５Ｖと３Ｖとに降圧する。

一方、本実施形態の回路電源生成部５１を有さない構成では、ホスト側で所定の電圧まで降圧して、例えば、センサユニット１の駆動電圧である５Ｖに降圧してセンサユニット１に供給する。このような構成では、多数のセンサユニット１を多連に接続すると、ホストから離れるほど電圧降下を生じ、センサユニット１の接続数を増やし過ぎたり、通信ケーブルが長すぎると、末端側のセンサユニット１を適切に駆動させることができない場合がある。

これに対して、図１０に示すように、各センサユニット１に回路電源生成部５１を設けることで、ホストから供給される電圧を十分高くしたうえで、各センサユニット１にて回路機能部５０の駆動電源を個別に生成することができる。本実施形態では、回路機能部５０の構成するマイコン４０やセンサ部３の電源を全て回路電源生成部５１から供給することができる。これにより、多連式センサ１２において、電圧降下を抑制でき、各センサユニット１を適切に駆動させることができる。なお、図１０では、制御部の一部のみを図示した。

本実施形態の特徴的構成について説明する。本実施形態のセンサユニット１は、図７に示すように、センサ部３と、センサ部３と電気的に接続され、センサ部３の検知信号を処理するマイコン４０（制御部）と、を有する。そして、マイコン４０は、上位装置との間で通信を行う上位通信制御部４４と、下位装置との間で通信を行う下位通信制御部４５と、を有することを特徴とする。これにより、複数のセンサユニット１を多連接続しても、従来に比べて、通信品質の低下を抑制することができる。すなわち、本実施形態では、隣接するセンサユニット１間、或いは、ホスト１１とセンサユニット１間での通信になるため、通信品質を適切に保つことができる。

また、本実施形態では、図７に示すように、更に、センサ部３とマイコン４０を含む回路機能部５０の駆動電源を生成する回路電源生成部５１を有することが好ましい。これにより、ホスト１１から供給される電圧を十分高くしたうえで、各センサユニット１にて回路機能部５０の駆動電源を個別に生成することができる。本実施形態では、回路機能部５０の構成するマイコン４０やセンサ部３の電源を全て回路電源生成部５１から供給することができる。これにより、多連式センサ１２において、電圧降下を抑制でき、各センサユニット１を適切に駆動させることができる。

また、本実施形態では、更に、センサ部３の検出情報を報知する報知部６を有することが好ましい。本実施形態では、報知部６としてＬＥＤを例示したが、ＬＥＤに限定されるものでなく、他の発光装置であってもよい。或いは、発光するもの以外に、音声や振動等の動作にて物理量変化を報知する形態であってもよい。

報知部６が発光する装置である場合、例えば、風速に応じて、光の強度や色を変えることができる。或いは、報知部６が音声装置である場合、例えば、風速に応じて、音声の大きさやトーンを変えたり、また、報知部６が振動装置である場合、例えば、風速に応じて、振動の大きさや振動のリズムを変えることができる。

また、センサユニット１としては、上記ではセンサユニット１を例示したが、センサユニット１に限定するものでなく、外部の変化を捉えて電気信号に変換するものであれば、全て含まれる。温度変化、湿度変化、及び、圧力変化等の物理量変化を検出可能なセンサユニット１であることが好ましい。

また、上記では、外部接続端子４、５としてＵＳＢ端子を例示したが、センサユニット１間で通信が可能な端子であればＵＳＢ端子に限定するものではない。

本実施形態では、図３、図４及び図５に示すように、センサユニット１を複数、外部接続端子４、５間に通信ケーブル８を介して接続した多連式センサ１２を構成することができる。上記したように、本実施形態では、図９のバス接続通信でなく、通信制御部を上位と下位の二つに分けた図８に示す接続通信を用いるため、通信品質を高品質に適切に保つことができる。更に、本実施形態では、図１０に示す回路電源生成部５１を用いて駆動電源を生成することで、電圧降下を抑制でき、先端から末端まで全てのセンサユニット１を適切に駆動させることができる。

また、本実施形態では、多連式センサ１２を用いて様々なアプリケーションに適用することができる。例えば、屋内や屋外のイルミネーションとして用いたり、風速の分析用等として用いることができる。例えば、建物や移動体に本実施形態の多連式センサ１２を装着することで、広範な流体状態を簡単に分析することが可能になる。

また、図５のように、多連式センサ１２を複数用いて、マトリクス状となるように並べることができる。これにより、風が強く当たる場所から離れるに従って徐々に風が弱まる様子や風の吹いている方向などをマトリクスの発光変化等で視覚的に捉えることが可能になる。

本発明では、センサユニットの通信制御部を上位と下位とに分けることで、通信品質を良好な状態に適切に保つことができる。また、センサユニットに回路電源生成部を設けることで、多数のセンサユニットを多連に接続しても電圧降下を抑制でき、各センサユニットを適切に駆動させることができる。この結果、データ通信を、センサユニット間及び、センサユニットとホスト間や、上位及び下位への方向性を定めて適切に行うことができる。これにより、各センサユニットの検知情報をホストにて適切に処理でき、あるいは、ホストからコマンドを送信することができる。従って、多連式センサの用途に応じて、例えば、多連式センサの発光状態を変えてみたり、検知精度のレンジを変更したり、制御の自由度を上げることができる。以上により本発明の多連式センサを用いて様々なアプリケーションに適用することができる。

１：センサユニット
２：基板
２ａ：表面
３：センサ部
４、５、３０、３１、３３、３４：外部接続端子
４ａ、５ａ：開口部
６：報知部
７：ケース
７ａ：貫通孔
８：通信ケーブル
９：ＵＳＢプラグ
１０：ＵＳＢ－Ａプラグ
１１：ホスト
１１ａ：チャンネル
１２：多連式センサ
１３：流量検知用抵抗素子
１４：温度補償用抵抗素子
２３：差動増幅器
３２：マーク
４０：マイコン
４１：ＣＰＵ
４２：ＡＤ変換器
４３：入出力ポート
４４：上位通信制御部
４５：下位通信制御部
４６：通信線
４７：ＬＥＤ
４８：通信制御部
４９：電源配線
５０：回路機能部
５１：回路電源生成部

Claims

基板と、前記基板に配置された風を検知可能なセンサ部と、前記センサ部と電気的に接続され、前記センサ部の検知信号を処理する制御部と、前記センサ部と前記制御部を含む回路機能部の駆動電源を生成する回路電源生成部と、を有するセンサユニットで構成され、
前記制御部は、上位装置との間で通信を行う上位通信制御部と、下位装置との間で通信を行う下位通信制御部と、を有し、
前記回路電源生成部には、降圧回路が組込まれており、前記制御部及び前記センサ部の電源が前記回路電源生成部から供給される前記センサユニットが、複数、通信ケーブルを介して、接続数を変動自在に接続されることを特徴とする多連式センサ。
更に、前記センサ部の検出情報を報知する報知部を有することを特徴とする請求項１に記載の多連式センサ。