JPH0772699B2 - 多機能センサ−装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は工場内に設置された各種製造機器などから出
る振動や、工場内の音声、さらには機器使用中における
機器の温度などを半導体センサーで検出することのでき
る多機能センサー装置に関する。

［従来の技術］ 例えば、工場内に設置された工業用の製造機器から発す
る振動や、そのうちの特殊な周波数領域の振動、さらに
はその製造機器の温度などを計測する場合には、一般に
それぞれの計測目的に応じたセンサーを使用することが
多い。

製造機器から発する振動や、そのうちの特殊な周波数領
域の振動を検出したり、現場の従業員の会話などを集音
するには、コンデンサーマイクが使用され、その場合に
も使用目的に応じた周波数特性のコンデンサーマイクが
使用される。

同様に、製造機器の稼動中における温度を測定する場合
には温度センサーが使用される。

［発明が解決しようとする問題点］ このように、従来では、検出目的に応じたセンサーを個
々に配して、必要とする情報をピックアップしている。
そのため、情報源が多いような場合には情報源の数だけ
センサーを設置する必要があり、その管理も大変であ
る。

また、このような場所で使用するセンサーとして、上述
のようなコンデンサーマイクを使用する場合には、工場
内で発生する塵埃や、製造機器から飛散する油などがコ
ンデンサーマイクに付着することがあるから、これによ
って、マイクの特性が劣化したり、マイクの寿命を著し
く低下させる原因となっている。

そこで、この発明では単一のセンサーで上述した複数の
情報源からの情報を検出できるようにすると共に、塵埃
や、油が付着してもその検出特性に影響のない多機能型
センサー装置を提供するものである。

［問題点を解決するための手段］ 上述の問題点を解決するために、この発明では後述する
半導体歪センサーの特性を巧みに利用して、多機能セン
サー装置が構成される。

すなわち、この発明に係る多機能センサー装置は、一対
の微小な半導体歪センサーが微小面積を薄膜構造とされ
たシリコン基板の薄膜上の所定位置に配置され、外部圧
力による上記シリコン薄膜のたわみに反応して上記半導
体歪センサーの歪量が変化するようになされると共に、
これら一対の半導体歪センサーがブリッジ接続され、そ
のブリッジ回路の２出力端子より、上記半導体歪センサ
ーの歪量に対応したセンサー出力が得られ、このセンサ
ー出力がセンサーアンプを介して出力されるようになさ
れ、上記半導体歪センサーを含む回路系に供給する電流
を補正する回路に生ずる電圧変動より上記半導体歪セン
サーの置かれた場所の雰囲気温度が検出されるようにな
したものである。

［作用］ 半導体歪センサーを微小面積のシリコン薄膜の所定位置
に貼着してこの薄膜を外部圧力に応じてたわませれば、
これに応じて半導体歪センサーの歪量が変化するので、
多機能センサーを圧力センサーとして機能させることが
でき、またこのセンサーは塵埃や、油に強い性質を持
ち、半導体歪センサーや、薄膜上にこれらの微粒子が付
着してもその検出性能は殆ど影響されない。

さらに、この多機能センサーはこれに加わる外圧に比例
したセンサー出力が得られるため、微小振動であっても
静圧から音響領域或はそれ以上の高い周波数の振動ま
で、約８ケタにわたるダイナミックレンジを有して検出
することができ、その後のフィルター処理を適当に行う
ことにより、高範囲の周波数領域の情報から必要な情報
を個々に分離した状態で、単一のセンサーから検出する
ことができことになる。

半導体歪センサーは温度特性を持つので、このセンサー
の抵抗変化をなんらかの手段を用いて検出できれば、こ
のセンサーが置かれた場所の雰囲気温度も、上述の情報
と同時に検出することができることになる。つまり、半
導体歪センサーは温度センサーとしても使用できる。

このようにセンサー出力は多数の情報が重畳した状態で
得られることになるので、このセンサー出力を利用すれ
ば、多機能のセンサー装置を構成できる。

［実施例］ 第１図はこの発明に係る多機能センサー装置に使用して
好適な多機能センサー10の一例を示す要部の断面図であ
って、円板状の取付け基台１上にはスペイサー３を介し
てシリコン基板４が取付け固定される。基板４は第２図
に示すように、この例では直方形状をなし、そのほぼ中
央部に円形状の肉薄部５が形成され、これがスタイラス
として機能するようになされる。そのため、肉薄部５の
厚みは３〜５μ程度の厚さに、肉薄部５の直径は１〜2m
m程度に選定される。

肉薄部５は上面側に位置するようにその取付け位置が選
定される。

肉薄部５の上面の所定の位置には、この例では一対の半
導体歪センサー6a,6bが取着されるが、これらセンサー6
a,6bは肉薄部５の質量に対して無視し得るに十分な質量
に選定される。

基台１の外周にはセンサー6a,6bを保護するために、円
筒状のケース８が挿着され、その上面側にメッシュ状の
カバー９が取り付けられている。

なお、ａ〜ｄはセンサー6a,6bの出力端子ピンを示す。
基台１に設けられた孔２は肉薄部５の内面とケース８の
外部とが空気的に連通するようにするためである。従っ
て、第１図の例は無指向性型に構成した場合である。

さて、このように構成された多機能センサー10におい
て、薄膜５に対して外部から圧力が加わると、外部圧力
に対応して薄膜５がたわむ。薄膜５がたわむと、これに
貼着されたセンサー6a,6bがそのたわみ量に応じて伸縮
し、それに伴なってセンサー6a,6bの抵抗値が変化する
ことになる。この変化分を検出すれば、多機能センサー
10に加わる外圧の大きさが分かる。

第３図はセンサー出力を得るためのブリッジ回路11の一
例を示す。

この例では、端子a,c間及びb,c間に上述したセンサー6
a,6bが接続され、端子a,d間及びb,d間にはそれぞれ固定
の抵抗器Ra,Rbが接続され、外圧が印加されない状態で
平衡するように予め調整されている。

このブリッジ構成では、例えば、センサー6aが正圧を検
出した場合には、他方のセンサー6bは負圧を検出するよ
うに、第１図のセンサー取付け位置が選定される。端子
a.b間には第６図に示すような定電流回路50が接続され
る。

第４図は多機能センサー10の使用した多機能センサー装
置20の一例を示す。

ブリッジ回路11の出力端子c,dに得られるセンサー出力
はそれぞれ第１の正転アンプ21、22を介して第２のセン
サーアンプ23に供給される。

センサーアンプ23は図示するように、縦続接続された一
対の比較器24、25で構成され、終段のアンプ25にはオフ
セット調整用のボリュウムVRが設けられる。

センサーアンプ23の出力端子25には多機能センサー10に
加わる外圧に対応した交流電圧Vdが出力される。この交
流電圧は微小外圧から許容外圧までに対応する出力とな
っており、上述したように、工場内に設置された製造機
械にこのセンサーが設けられている場合には、この製造
機械から発する振動を始めとして、もろもろの圧力音に
対応した信号が検出されることになる。

従って、この交流電圧Vdを目的に応じてフィルタリング
処理すれば、目的の信号のみを容易に検出することがで
きることになる。

例えば、製造機械の振動周波数が数10Hz以下である場合
には、そのような周波数領域を通過させるフィルタを接
続すれば、その領域の信号のみをピックアップできる
し、製造機械周辺の音声をピックアップしたい場合に
は、50Hz〜3KHz程度のフィルタを使用すれば、音声信号
のみを選択的に検出することができる。

ある特定の狭い周波数領域の信号を検出したい場合には
それなりのフィルタを使用すれば、目的の信号を検出で
きることは容易に理解できる。

このような場合には、検出すべき周波数領域が狭いため
に、得られる交流電圧の変動も小さくなり、このままで
は分解能が低下する。分解能を高めるためには、第５図
に示すような回路を付加すればよい。

第５図において、37は差動アンプで、その−端子には上
述した交流電圧Vdと共に、所定の基準電圧（負の電圧）
Vrが供給される。

そのために、基準電圧源31が設けられる。これは、抵抗
器31Aとツェナーダイオード31Bで構成され、これより得
られた電圧はフィルタ32、調整用の抵抗器33及びリレー
式のスイッチ回路35を介して上述の−端子に供給され
る。

スイッチ回路35は高い分解能を必要とするときに、手動
若しくは自動的にオン側に制御される。端子36にはその
ための制御電圧が供給される。

その結果、差動アンプ37の−端子には、（Vd−Vr）の差
電圧が供給され、従ってこの差電圧が差動増幅され、そ
の出力がフィルタ38にて帯域制限される。制限すべき周
波数領域は目的に応じて定められる。

このように差電圧を使用すれば、交流電圧Vdと基準電圧
Vrとの差が増幅されるので、必要な周波数領域内で変化
する微小変動を拡大して検出することができるから、分
解能を高くすることができる。

フィルタ38の出力は必要に応じてインバータ39にて位相
反転され、この位相反転出力とフィルタ38の出力とがス
イッチ40にて選択されて出力端子41に出力される。スイ
ッチ40は手動でも、自動でもよい。

なお、第３図に示すブリッジ回路11において、センサー
6a若しくは6bは抵抗器Rb若しくはRaと入れ換えてもよ
い。その場合には、センサー6a,6bのいづれも正圧若し
くは負圧を検出できるように、第１図のセンサー取付け
位置が選定される。

第６図は定電流回路50の一例を示す構成図である。定電
流回路50を設けるのは次のような理由に基く。

半導体歪センサーは周知のように、温度特性をもち、温
度によってセンサーの歪特性、従ってセンサーの抵抗値
が変化するから、温度補償しない限り、温度依存性のな
いセンサー出力を得ることができない。

そのため、ブリッジ回路11に定電流回路50を接続して、
温度によってセンサーの抵抗値が変化しても端子c,dか
ら得られるセンサー出力（電圧）が変化しないように工
夫されている。

第６図において、51は基準電圧源であって、この基準電
圧V₀がフィルタ52を介して電圧比較器53の＋端子に供給
され、その−端子には負電源−Ｂが抵抗器54を介して供
給される。そして、この−端子が第３図に示すブリッジ
回路11のｂ端子に接続される。

また、電圧比較器53の出力はバッファ用のトランジスタ
ーＱに供給され、そのエミッタ出力がブリッジ回路11の
ａ端子に供給される。

この構成において、温度が変化してセンサー6a,6bの抵
抗値が変化すると、ブリッジ回路11のｂ端子に流れる電
流が変動する。この電流変化分が抵抗器54によって電圧
変動分に変換され、これが基準電圧と比較されて、その
差分に比例してトランジスターＱのエミッタ電圧が変動
する。

例えば、センサーの抵抗値が小さくなると、比較器53の
比較出力が大きくなって、エミッタ電圧が高くなり、こ
れに伴なってａ端子の供給電圧を上昇させるから、端子
a,b間に流れる電流が一定となり、端子c,dには温度変化
に影響されないセンサー出力を得ることができる。

ところで、第６図に示す定電流回路50において、比較器
53の−端子に得られる電圧はセンサー6a,6bの温度変化
に対応したものであるから、この電圧変動はセンサー6
a,6bの置かれた場所の雰囲気温度を正確に反映したもの
となっている。

そこで、比較器53の−端子に得られる電圧を検出すれ
ば、センサー6a,6bの置かれた場所の雰囲気温度を測定
することができることになる。具体的には、比較器53の
−端子に得られる電圧を、電圧−温度変換用の変換器
（特に、図示せず）に供給し、その出力で温度表示用の
メーター等を駆動すれば、センサー6a,6bの置かれた場
所の雰囲気温度も同時に測定できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明の構成によれば外部圧力
の検出素子として、半導体歪センサーを使用したので、
次のような特徴を有する。

まず、半導体歪センサーは塵埃や、油に強い性質を持
ち、半導体歪センサーや薄膜に微粒子が付着してもその
検出性能は殆ど影響されない。これに対し、周知のよう
にコンデンサーマイクを使用する場合には、工場内で発
生する塵埃や、製造機器から飛散する油などがコンデン
サーマイクに付着すると、これによって、マイクの特性
が劣化したり、マイクの寿命を著しく低下させる原因と
なっている。

このようなことから使用環境条件の悪い場所での使用に
十分耐えることができる特徴を有する。

さらに、このセンサーはこれを微小面積の半導体である
シリコンの薄膜に貼着することによって、多機能センサ
ーが圧力センサーとして機能し、これに加わる外圧に比
例したセンサー出力が得られるため、超低周波の微小振
動である圧力変化から音響領域の振動、若しくはそれ以
上の周波数の振動領域まで、広い範囲に亙って検出する
ことができ、そのためフィルター処理を適当に行うこと
により、高範囲の周波数領域の情報から必要な情報を個
々に分離した状態で、単一のセンサーから検出すること
ができことになる。

従って、周波数帯域の異なるフィルターを接続すること
により、振動検出用のピックアップ装置として使用でき
ると共に、通常のマイクロフォンとしても使用できる。

さらに、半導体歪センサーは温度特性を持つので、この
センサーの抵抗変化をなんらかの手段を用いて検出する
ことによって、このセンサーが置かれた場所の雰囲気温
度を、上述の情報と同時に検出することができることに
なる。つまり、半導体歪センサーを温度センサーとして
も使用できる。

このようにセンサー出力は多数の情報が重畳した状態で
得られることになるので、このセンサー出力を使用目的
に応じた回路を接続して処理すれば、単一のセンサーを
使用して、種々の情報を検出できる多機能のセンサー装
置を構成できる特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は多機能センサーの一例を示す要部の断面図、第
２図はその平面図、第３図は多機能センサーを使用した
ブリッジ回路の接続図、第４図及び第５図はそれぞれ多
機能センサー装置の一例を示す接続部、第６図は定電流
回路の一例を示す接続図である。 Vd……センサー出力、４……シリコン基板 6a,6b……半導体歪センサー 10……多機能センサー、11……ブリッジ回路 20……多機能センサー装置 23……センサーアンプ、50……定電流回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の微小半導体歪センサーが直径2mm程
   度の微小面積を薄膜構造としたシリコン基板における薄
   膜部分の所定位置にそれぞれ配置され、音、振動等の外
   部圧力による上記シリコン薄膜のたわみに対応して上記
   半導体歪センサーの抵抗が変化するようになされ、これ
   ら一対の半導体歪センサーがブリッジ接続され、そのブ
   リッジ回路の２出力端子より、上記半導体歪センサーの
   歪量によって生じる抵抗変化に対応したセンサー出力が
   得られ、このセンサー出力がセンサーアンプを介して外
   部圧力の変化として出力されると共に、上記半導体歪セ
   ンサーの温度の変化に伴なう抵抗変化を検出して前記ブ
   リッジ回路に供給する電源を補正する回路系に生ずる電
   圧変動より上記半導体歪センサーの置かれた場所の雰囲
   気温度も検出されるようにしたことを特徴とする多機能
   センサー装置。