JPH0634402A

JPH0634402A - 電圧変換装置及び物理量検出装置

Info

Publication number: JPH0634402A
Application number: JP21077592A
Authority: JP
Inventors: Koichi Imanaka; 行一今仲
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】センサヘッドから出力される電圧、電流、電
力等の種類の異なる電気信号を処理する処理回路を共通
化・汎用化し、低コスト化する。【構成】センサヘッド部２の電気信号を、電圧変換回
路部３によって電圧信号に変換する。この電圧信号を発
振回路部４の微小ギャップコンデンサ８に印加する。電
圧信号は発振回路部４により周波数信号に変換されると
共に、電圧信号に応じて微小ギャップコンデンサ８の静
電容量Ｃが変化し、周波数信号の発振周波数ｆが変化す
る。検出回路部５は、発振回路部４の発振周波数を検出
し、物理量情報を示す信号に変換して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧変換装置及び物理
量検出装置に関する。具体的にいうと、本発明は、光、
圧力、加速度、温度などの物理量を計測・検出するため
の電圧変換装置及び物理量検出装置に関し、産業機器、
情報処理機器、家庭電化製品などの分野に用いることが
できる。

【０００２】

【背景技術とその問題点】従来より、多種多様なセンサ
が開発されており、光、圧力、応力、位置、距離、速
度、加速度、温度、湿度、硬さ、形状、振動量（数）、
重量、流量、ガス量、ガス種、電磁気量（強さ）、匂い
等を代表とする、あらゆる物理量情報が検出可能になっ
ている。しかし、各センサの動作原理に応じて、各セン
サヘッドから出力されるセンサ出力（電気信号）には、
電圧、電流、電力、電荷、電気抵抗、あるいはこれらの
変化率など種々の形態のものがある。このため、従来の
物理量センサでは、各センサ出力を個別の専用回路で処
理し、各物理量情報を計測している。

【０００３】例えば、従来の物理量センサとして、熱電
対を用いた温度センサと、フォトダイオードを用いた光
センサを考える。熱電対を用いた温度センサにおいて
は、温度変化により発生する熱電対の起電力を電気回路
処理することにより温度を検出しており、そのための専
用処理回路が必要である。また、フォトダイオードを用
いた光センサにおいては、入射光によりフォトダイオー
ドに発生した光電流を電気回路処理することにより対象
物体の有無、位置、形状などの物理量情報を検出してお
り、そのための専用処理回路が必要であった。また、光
電流は一般に微弱であるため、光センサには専用の増幅
回路なども必須であった。

【０００４】このように、一般に、センサの種類や測定
物理量情報が異なる毎に専用処理回路が必要であるた
め、各種センサに応じた専用処理回路の設計・製造が必
要となり、製造コストを高くしている。また、専用処理
回路の必要なことにより、複数の物理量情報を検出可能
な複合機能を有するセンサの出現を妨げている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、叙上の従来
例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、検知対象となる物理量情報により異なるセン
サ出力を処理して物理量情報を計測するための処理回路
を共通化・汎用化し、回路設計を簡略化すると共にセン
サシステム、特にその処理回路の製造コストを安価にす
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の電圧変換装置
は、物理量情報を電気信号として検出するセンサヘッド
部、および、前記センサヘッド部の検出信号を電圧もし
くは電圧の変化に変換する電圧変換回路部を備え、前記
物理量情報を電圧もしくは電圧の変化に変換して出力す
ることを特徴としている。

【０００７】また、上記電圧変換装置においては、セン
サヘッド部が複数個あってもよい。

【０００８】本発明の物理量検出装置は、電圧が印加さ
れるとその印加電圧により静電容量が変化する微小ギャ
ップコンデンサと、コイルまたは抵抗のうち少なくとも
一方とで構成される発振回路部、および、前記発振回路
部の発振周波数もしくは発振周波数の変化を検出する検
出回路部を備え、前記発振周波数もしくは発振周波数の
変化に基づいて物理量情報を検出することを特徴として
いる。

【０００９】上記物理量検出装置には、上記電圧変換装
置を取り付けて接続するようにすることができる。

【００１０】また、上記物理量検出装置は、物理量情報
を電気信号として検出するセンサヘッド部と、前記セン
サヘッド部の検出信号を電圧もしくは電圧の変化に変換
する電圧変換回路部とを有し、前記物理量情報を電圧も
しくは電圧の変化に変換して出力する電圧変換手段を備
えていても良い。

【００１１】さらに、上記物理量検出装置においても、
前記電圧変換手段のセンサヘッド部が複数個あってもよ
い。

【００１２】さらに、上記微小ギャップコンデンサのギ
ャップは、１００マイクロメータ以下であることが好ま
しい。

【００１３】さらに、上記のセンサヘッド部、電圧変換
回路部、発振回路部もしくは検出回路部のうち少なくと
も１つに、温度補償回路を設けてもよい。

【００１４】さらに、上記物理量検出装置にあっては、
電圧変換手段の出力電圧を増幅・整形する補正回路部を
備えていてもよい。

【００１５】

【作用】本発明の電圧変換装置にあっては、センサヘッ
ド部の電気信号を電圧もしくは電圧の変化に変換する電
圧変換回路部を備えているから、センサヘッド部から出
力される電気信号がどのような形態のものであっても、
全て電圧信号として出力することができる。したがっ
て、種類の異なるセンサヘッド部を複数種類同時に使用
する場合でも、種類の異なるセンサヘッド部を個別に使
用する場合でも、処理回路への出力を電圧信号に統一す
ることができ、電圧変換装置の出力を処理する処理回路
の共用化及び汎用化を図ることができ、処理回路の量産
効果によって処理回路の低コスト化を図ることができ
る。

【００１６】また、本発明の物理量検出装置にあって
は、入力された電圧信号を微小ギャップコンデンサを用
いた発振回路部により周波数信号に変換し、周波数信号
を検出回路部で処理して当該物理量情報を検出している
ので、電圧もしくは電圧の変化を直接検出する場合より
も検出精度を向上させることができる。従って、この物
理量検出装置を上記電圧変換装置に接続することにより
種々の物理量情報を精度良く検出することができる。

【００１７】また、上記電圧変換装置は、上記物理量検
出装置に一体に構成してあっても良い。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の一実施例による物理量検出装
置２１の基本構成を示すブロック図である。この物理量
検出装置２１は、センサヘッド部２及び電圧変換回路部
３からなる検出部（電圧変換装置）１と、発振回路部４
と、検出回路部５とから構成されている。

【００１９】センサヘッド部２は物理量情報を電気信号
に変換して出力するものならどのようなものでも良く、
例えば、光、圧力、応力、位置、距離、速度、加速度、
温度、湿度、硬さ、形状、振動量（数）、重量、流量、
ガス量、ガス種、電磁気量（強さ）、匂い等の物理量情
報を検出可能なものであればよい。また、電圧、電流、
電力、電荷、抵抗、もしくはこれらの変化率等、どのよ
うな形態の電気信号を出力するものであってもよい。電
圧変換回路部３は、センサヘッド部２から出力された種
々の形態の電気信号を電圧信号（電圧または電圧の変
化）に変換するものであって、各センサヘッド２に設け
られている。

【００２０】センサヘッド部２としては種々の原理によ
るものが可能である。例えば、外力が直接または間接的
に加わるように圧電素子に機構部品を付加したセンサを
センサヘッド部２として使用すれば、応力、圧力、加速
度、音波、振動、重量、硬度などを検出するためのセン
サを構成することができる。圧電素子はどのようなもの
でもよいが、薄膜積層型素子を使用すると好適である。

【００２１】これらのうち音波検出用の装置にあって
は、さらに、対象物に対して音波または超音波を投射す
る素子及びその駆動回路を付加し、対象物からの反射波
を超音波センサ（センサヘッド部２）を備えた検出部１
により検出するようにすれば、対象物までの距離や対象
物の有無を検出したり、あるいは対象物の形状を認識し
たりすることができる。

【００２２】また、熱電対、サーモパイル、焦電素子、
白金抵抗のような感温抵抗体などをセンサヘッド部２と
して使用すれば、温度、赤外線、人体の有無を検出する
ことができる。さらに、例えば熱電対の接点を気体や液
体が通過する中空パイプ内に設ければ、熱電対が検出し
た摩擦熱から中空パイプ内を流れる流量や流速を検出す
ることができる。

【００２３】また、ＳｎＯ₂，ＺｎＯ，ＰＺＴ等を焼結
したセラミックに電極を設けたものをセンサヘッド部２
として使用すれば、その電気抵抗の変化からガス濃度や
湿度を検出することができる。

【００２４】また、ホール素子や磁気抵抗素子をセンサ
ヘッド部２として使用すれば、磁気を検出することがで
きる。

【００２５】また、光起電力効果、光導電効果、光電子
放出効果を有する光電素子をセンサヘッド部２として使
用すれば、入射光量、入射位置の変化により、対象物の
有無、対象物あるいはセンサ自身の位置、対象物の形状
を検出することができる。この場合、対象物に対して光
を投射する素子及びその駆動回路を付加し、対象物から
の反射光を検出するようにしても良い。

【００２６】発振回路部４は、微小ギャップコンデンサ
８と、インダクタ及び抵抗のうち少なくとも一方とから
構成されたＬＣ発振回路、ＲＣ発振回路もしくはＬＣＲ
発振回路よりなる。微小ギャップコンデンサ８は、図２
に示すように、電極面積Ｓの固定電極１６及び可動電極
１７を微小距離ｔを隔てて対向させ、片持ち状もしくは
両持ち状に設けられた弾性ビーム等の弾性支持部１８に
支持されたウエイト部１９の下面に可動電極１７を設
け、弾性支持部１８が弾性変形することによって両電極
１６，１７間の対向距離ｔが変化するようにしたもので
ある。電圧変換回路部３から出力された電圧信号は、当
該微小ギャップコンデンサ８の可動電極１７及び固定電
極１６間に印加されている。微小ギャップコンデンサ８
の両電極１６，１７間に電圧信号が入力されると、両電
極１６，１７に電荷が誘導され、両電極１６，１７間に
吸引力が発生するので、入力された電圧信号の大きさに
応じて弾性支持部１８が撓んで両電極１６，１７間の距
離ｔが短くなる。微小ギャップコンデンサ８の静電容量
はＣ＝εＳ／ｔ（但し、εは電極間の誘電率）で表され
るので、電極間距離ｔが微小量ｄｔだけ変化すると、微
小ギャップコンデンサ８の静電容量Ｃは、ｄＣ＝（−εＳ／ｔ²）・ｄｔ … だけ変化する。従って、検出部１から微小ギャップコン
デンサ８へ入力される電圧信号の大きさが変化すると、
発振回路部４を構成する微小ギャップコンデンサ８の静
電容量Ｃが変化するので、電圧信号のレベルに応じて発
振回路部４の発振周波数もしくはその変化率が変化す
る。また、式から分かるように、微小ギャップコンデ
ンサ８の静電容量の変化ｄＣは、両電極１６，１７間の
対向距離（ギャップ）ｔが小さいほど大きくなるので、
対向距離ｔの小さいものが好ましく、１００μｍ以下の
ものが好ましい。

【００２７】検出回路部５は、発振回路部４から出力さ
れる発振周波数もしくは発振周波数の変化を検出し、物
理量情報を示す信号（直読値など）に変換して出力す
る。

【００２８】従って、センサヘッド部２が何らかの物理
量情報を検知し、何らかの形態の電気信号として出力さ
れると、その電気信号は電圧変換回路部３で電圧信号に
変換され、検出部１からは検出された物理量情報に応じ
た電圧信号が出力される。発振回路部４から出力されて
いる周波数信号は、検出部１から入力されている電圧信
号に応じて発振周波数もしくは周波数の変化率が変わ
り、発振回路部４から出力された周波数信号は検出回路
部５で所定の処理を施された後、検出された物理量情報
を示す所定の信号に変換されて出力される。ここで、検
出部１は検出しようとする物理量情報の種類に応じてそ
れぞれ専用のものを用いる必要があるが、各検出部１の
出力信号（電圧信号）は共通しているので、発振回路部
４及び検出回路部５は共通のものを用いることができ
る。また、検出部１から出力される電圧信号を直接検出
回路部５へ入力することも可能ではあるが、この実施例
のように発振回路部４を通して一旦周波数信号に変換し
てから処理するほうが、検出回路部５における検出精度
がはるかに向上する。

【００２９】なお、図１の実施例では、検出部１を直接
発振回路部４に接続しているが、検出部１と発振回路部
４との間に検出部１から出力された電圧信号を増幅ある
いは整形するための回路を設けてもよい。

【００３０】図３は本発明の具体的な実施例による物理
量検出装置２２の検出部１及び発振回路部４を示す電気
回路図である。この物理量検出装置２２は、入射光量を
検出する光センサであって、物体の有無や物体までの距
離の検出、あるいは物体の形状の認識などに応用される
装置である。

【００３１】この光センサにあっては、センサヘッド部
２であるフォトダイオード６と並列に電圧変換抵抗７を
接続し、電圧変換抵抗７によって電圧変換回路部３を構
成している。フォトダイオード６に光が入射すると、そ
の光強度に応じた大きさの光電流Ｉが発生し、抵抗値Ｒ
の電圧変換抵抗７に流れる。したがって、電圧変換抵抗
７の両端間には光強度に応じた大きさの電圧−ＩＲが発
生する。この電圧−ＩＲ＝Ｖ_Cは微小ギャップコンデン
サ８の両電極１６，１７間に印加され、微小ギャップコ
ンデンサ８の静電容量Ｃを変化させる。

【００３２】発振回路部４は、微小ギャップコンデンサ
８、オペアンプ９、抵抗値Ｒ_Tの電流制限抵抗１１およ
び分圧抵抗１２，１３によって構成されている。すなわ
ち、一方電極をアースされた微小ギャップコンデンサ８
の他方電極をオペアンプ９の反転入力端子９ａに接続
し、オペアンプ９の出力１０を電流制限抵抗１１を介し
て反転入力端子９ａに接続してオペアンプ９の出力電圧
Ｖ_Oを入力側へ負帰還させている。また、オペアンプ９
の出力電圧Ｖ_Oを分圧抵抗１２，１３により所定の分圧
比で分圧した電圧Ｖ_Rを非反転入力端子９ｂに正帰還さ
せている。

【００３３】これは一般的に用いられている発振回路で
あって、電流制限抵抗１１を介して微小ギャップコンデ
ンサ８が充放電されることによって発振するものであ
り、電流制限抵抗１１の抵抗値Ｒ_Tと微小ギャップコン
デンサ８の静電容量Ｃで決まる時定数Ｒ_T・Ｃに反比例
する周波数ｆ＝１／（Ａ・Ｒ_T・Ｃ）〔ただし、Ａは定
数〕で発振する。

【００３４】したがって、オペアンプ９から出力される
周波数信号（出力Ｖ_O）の周波数ｆは微小ギャップコン
デンサ８の静電容量Ｃによって変化し、微小ギャップコ
ンデンサ８の静電容量Ｃはフォトダイオード６に入射し
た光の強度に応じて変化するので、発振回路部４から出
力された信号の周波数を検出することによって物理量情
報の検出値を知ることができる。この周波数を検出する
ための検出回路部５としては、例えば、周波数カウンタ
等や周波数カウンタによて計測された周波数を検出して
いる物理量の単位に変換するための処理回路等から構成
することができる。

【００３５】図４は本発明の別な実施例による物理量検
出装置２３の概略構成を示すブロック図である。この物
理量検出装置２３は、検出部１として種類の異なる複数
個の検出部Ｓ₁，Ｓ₂，…を備えており、各検出部Ｓ₁，
Ｓ₂，…がリレー部１４を介して共通の発振回路部４に
接続されている。

【００３６】リレー部１４は検出部Ｓ₁，Ｓ₂，…と同数
の入力用端子１４ａと１つの出力用端子１４ｂとクロッ
ク端子１４ｃを備え、各検出部Ｓ₁，Ｓ₂，…がリレー部
１４の入力用端子１４ａに接続され、出力用端子１４ｂ
は発振回路部４に接続されている。また、リレー部１４
及び検出回路部５は一定の時間間隔で時間制御するタイ
ミング回路部１５によって時分割制御されている。すな
わち、リレー部１４の入力端子１４ａは常に１つだけ出
力端子１４ｂと接続しており、タイミング回路部１５か
らタイミング端子１４ｃに入力されるタイミングクロッ
ク信号２０によって出力用端子１４ｂと接続される入力
端子１４ａが順次一定時間ΔＴ毎に切り替えられてい
る。従って、検出回路部５へ入力される周波数信号も、
検出部Ｓ₁で検出された物理量情報を示すもの、検出部
Ｓ₂で検出された物理量情報を示すもの、…、と一定時
間ΔＴ毎に順次変化している。検出回路部５は、タイミ
ング回路部１５からのタイミングクロック信号２０によ
って現在受信している周波数信号がいずれの検出部
Ｓ₁，Ｓ₂，…で検出された物理量情報を表わすものであ
るかを判断し、物理量情報の種類に応じた処理を施して
検出信号を出力する。

【００３７】従って、この物理量検出装置２３によれ
ば、異なる物理量情報を検出する複数個の検出部Ｓ₁，
Ｓ₂，…から出力された信号を１つの発振回路部４及び
検出回路部５によって同時に処理することができ、複合
機能センサを実現することができる。

【００３８】本発明は上記実施例以外にも種々設計変更
可能であって、特に図示はしないものの以下のような実
施例も可能である。例えば、微小ギャップコンデンサと
しては、弾性絶縁板を挟んでその両面に２枚の電極板を
貼り合わせたものでも良い。また、単結晶シリコン（固
定電極）上に弾性を有する有機または無機絶縁膜を形成
し、さらにその上に単結晶または多結晶シリコン（可動
電極）を形成したものでも良い。

【００３９】また、センサヘッド部、電圧変換回路部、
発振回路部、または検出回路部には、温度補償回路を設
け、周囲温度が検出値に与える影響を小さくするように
しても良い。この温度補償回路は、市販品あるいは従来
より公知のもので足りる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の電圧変換装置にあっては、セン
サヘッド部から出力される電気信号がどのような形態の
ものであっても、全て電圧信号として出力することがで
きるから、種類の異なるセンサヘッド部を複数種類同時
に使用する場合でも、種類の異なるセンサヘッド部を個
別に使用する場合でも、処理回路への出力を電圧信号に
統一することができる。したがって、電圧変換装置の出
力を処理する処理回路の共用化及び汎用化を図ることが
でき、処理回路の量産効果によって処理回路の低コスト
化を図ることができる。

【００４１】また、本発明の物理量検出装置にあって
は、入力された電圧信号を微小ギャップコンデンサを用
いた発振回路部により周波数信号に変換し、周波数信号
を検出回路部で処理して当該物理量情報を検出している
ので、電圧もしくは電圧の変化を直接検出する場合より
も検出精度を向上させることができる。従って、この物
理量検出装置を上記電圧変換装置に接続することにより
種々の物理量情報を精度良く検出することができる。

【００４２】また、上記電圧変換装置と上記物理量検出
装置を一体に構成すれば、１もしくは２個以上のセンサ
ヘッド部で検出した物理量情報を電圧信号に統一して共
通の発振回路部及び検出回路部で一括して処理すること
ができる。従って、各種センサのコストを安価にするこ
とができると共に複合機能センサの実現も可能になる。

【００４３】さらには、発振回路部における微小ギャッ
プコンデンサのギャップを１００マイクロメータ以下に
すれば、印加された電圧信号に対する静電容量の変化が
大きくなり、物理量情報をより精度良く検出することが
できる。

【００４４】さらには、センサヘッド部、電圧変換回路
部、発振回路部または検出回路部に温度補償回路を備え
れば、周囲温度の影響を受けにくくなり、温度安定性の
高い物理量検出装置を製作でき、温度の影響を受けるこ
となく正確なデータを得ることができる。

【００４５】さらには、電圧変換手段の出力電圧を増幅
・整形する補正回路部を設ければ、信号のＳ／Ｎ比を良
好にし、物体検出装置の感度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による物理量検出装置の基本的な構成を
示すブロック図である。

【図２】微小ギャップコンデンサの構成を示す概略正面
図である。

【図３】本発明の具体的な実施例による物理量検出装置
（光センサ）の検出部及び発振回路部を示す電気回路図
である。

【図４】本発明の別な実施例による物理量検出装置の概
略構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１検出部（電圧変換装置）２センサヘッド部３電圧変換回路部４発振回路部５検出回路部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物理量情報を電気信号として検出するセ
ンサヘッド部、および、前記センサヘッド部の検出信号を電圧もしくは
電圧の変化に変換する電圧変換回路部を備え、前記物理量情報を電圧もしくは電圧の変化に変換して出
力する電圧変換装置。
【請求項２】物理量情報を電気信号として検出する複
数のセンサヘッド部、および、前記複数のセンサヘッド部の検出信号をそれぞ
れ電圧もしくは電圧の変化に変換する電圧変換回路部を
備え、前記物理量情報を電圧もしくは電圧の変化に変換して出
力する電圧変換装置。
【請求項３】電圧が印加されるとその印加電圧により
静電容量が変化する微小ギャップコンデンサと、コイル
または抵抗のうち少なくとも一方とで構成される発振回
路部、および、前記発振回路部の発振周波数もしくは発振周波
数の変化を検出する検出回路部を備え、前記発振周波数もしくは発振周波数の変化に基づいて物
理量情報を検出する物理量検出装置。
【請求項４】請求項１又は２に記載の電圧変換装置を
取り付け可能であることを特徴とする請求項３に記載の
物理量検出装置。
【請求項５】物理量情報を電気信号として検出するセ
ンサヘッド部と、前記センサヘッド部の検出信号を電圧
もしくは電圧の変化に変換する電圧変換回路部とを有
し、前記物理量情報を電圧もしくは電圧の変化に変換し
て出力する電圧変換手段、前記電圧変換手段の出力電圧が印加されその印加電圧に
より静電容量が変化する微小ギャップコンデンサと、コ
イルまたは抵抗のうち少なくとも一方とで構成される発
振回路部、および、前記発振回路部の発振周波数または発振周波数
の変化を検出する検出回路部を備え、前記発振周波数または発振周波数の変化に基づいて物理
量情報を検出する物理量検出装置。
【請求項６】前記電圧変換手段が、物理量情報を電気
信号として検出する複数のセンサヘッド部と、前記複数
のセンサヘッド部の検出信号をそれぞれ電圧もしくは電
圧の変化に変換する電圧変換回路部を備えたことを特徴
とする物理量検出装置。
【請求項７】前記微小ギャップコンデンサのギャップ
は、１００マイクロメータ以下であることを特徴とする
請求項３，４，５又は６に記載の物理量検出装置。
【請求項８】前記センサヘッド部、前記電圧変換回路
部、前記発振回路部もしくは前記検出回路部のうち少な
くとも１つに、温度補償回路を備えたことを特徴とする
請求項３，４，５，６又は７に記載の物理量検出装置。
【請求項９】前記電圧変換手段の出力電圧を増幅・整
形する補正回路部を備えたことを特徴とする請求項３，
４，５，６，７又は８に記載の物理量検出装置。