JPH0835893A

JPH0835893A - 物理量センサ装置及び当該センサ装置を用いた機器

Info

Publication number: JPH0835893A
Application number: JP19219594A
Authority: JP
Inventors: Koichi Furusawa; 光一古澤
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1994-07-21
Publication date: 1996-02-06

Abstract

(57)【要約】【目的】無線送信等のため検出信号を周波数変調信号
に変換する機能を有する物理量センサ装置を小型化す
る。また、物理量センサ装置の回路構成を簡略にする。【構成】回路基板１２上にセンサヘッド１４（１４
Ｃ）が実装されており、周波数変調回路３１や高周波増
幅回路３２も回路基板１２上に一緒に構成されており、
ケーシング１１にはアンテナ１７が設られている。静電
容量型のセンサヘッド１４は高周波変調回路３１のＬＣ
共振回路のＬ要素となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物理量センサ装置及び当
該センサ装置を用いた機器に関する。特に、センサヘッ
ドの出力を無線電波、信号線（有線）、光信号等により
受信機へ送信する機能を有する物理量センサ装置と、そ
の物理量センサ装置を用いた各種機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、センサヘッドで検出した検出
信号を無線電波により受信機へ送信することのできるセ
ンサ装置が提案されている。例えば、図１に示すように
検知対象となる物体１にセンサ装置２が取り付けられて
おり、このセンサ装置２は物体１の加速度等の物理量の
変化等を検知し、内部の無線送信機能により遠隔の受信
機３へ検出信号を無線送信する。

【０００３】しかし、従来のセンサ装置にあっては、セ
ンサヘッドと無線送信回路（周波数変調回路等）とを一
体化してモジュール化したものはなく、必要に応じて、
個別に製作されたセンサヘッドと増幅回路と汎用の周波
数変調回路等とを接続し、センサヘッドに無線送信機能
を付加していた。

【０００４】このようなセンサ装置２Ａの具体例を図２
に示す。これは振動または加速度によって振動信号が発
生するように構成された圧電素子４を備え、振動等によ
り圧電素子４に発生した振動信号を増幅回路５で増幅し
た後、周波数変調回路６の可変容量ダイオード９に印加
し、可変容量ダイオード９の静電容量を変化させること
によって周波数変調回路６の発振周波数ｆを変化させ、
周波数変調信号を高周波増幅回路７で増幅した後、アン
テナ８から無線電波として空中へ放射し、受信機３で受
信するようになっていた。

【０００５】図３はこのセンサ装置２Ａの圧電素子４か
ら周波数変調回路６までの具体回路図であって、増幅回
路５はトランジスタＴｒ₂₁，Ｔｒ₂₂、抵抗Ｒ₂₁〜Ｒ₂₈、
コンデンサＣ₂₁〜Ｃ₂₄によって構成されており、周波数
変調回路６はトランジスタＴｒ₁、可変容量ダイオード
９、抵抗Ｒ₂₉〜Ｒ₃₀，Ｒ₁〜Ｒ₃、コンデンサＣ₁，Ｃ₃〜
Ｃ₅、コイルＬ₁によって構成されている。しかして、振
動等により圧電素子４で発生した振動信号は、増幅回路
５の２つのトランジスタＴｒ₂₁，Ｔｒ₂₂で増幅され、周
波数変調回路６の可変容量ダイオード９に印加され、可
変容量ダイオード９の静電容量Ｃ_Dが変化する。可変容
量ダイオード９は印加される電圧によって静電容量Ｃ_D
が変化するダイオードで、その静電容量Ｃ_Dは次式で表
わされる。Ｃ_D＝Ｃ₀／〔１−（Ｖ／Ｖd）〕ⁿ …… ここで、Ｖは印加電圧、Ｖdは可変容量ダイオードの拡
散電位、Ｃ₀は電圧を印加していない時（Ｖ＝０）の容
量、ｎは定数である。そして、周波数変調回路６では、
直列に接続された可変容量ダイオード９とコンデンサＣ
₁（静電容量もＣ₁で表わす）とコイルＬ₁（インダクタ
ンスもＬ₁で表わす）とで形成されるＬＣ共振回路の発
振が、トランジスタＴｒ₁によって引き起こされるの
で、可変容量ダイオード９の静電容量Ｃ_Dが式のよう
に変化すると、それによって周波数変調回路６で発生す
る発振周波数ｆは、ｆ＝１／｛２π［Ｌ₁〔Ｃ₁Ｃ_D／（Ｃ₁＋Ｃ_D）〕］^1/2｝ …… に従って変化する。

【０００６】また、図４に示すものは、従来の別なセン
サ装置２Ｂを示す概略図である。このセンサ装置２Ｂ
は、ピエゾ抵抗型の圧力センサ装置であって、図２のセ
ンサ装置２Ａと同様な無線送信機能を有している。すな
わち、ピエゾ抵抗素子１０の抵抗値は検知圧力によって
変化し、ピエゾ抵抗素子１０で発生した検知信号は増幅
回路５で増幅された後、周波数変調回路６の可変容量ダ
イオード９に印加され、可変容量ダイオード９の静電容
量Ｃ_Dを変化させる。可変容量ダイオード９の静電容量
Ｃ_Dが変化すると、周波数変調回路６（または、ＬＣ共
振回路）の発振周波数ｆが変化し、周波数変調信号は高
周波増幅回路７で増幅された後、アンテナ８から無線電
波として空中へ放射され、受信機３で受信される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のセ
ンサ装置にあっては、センサヘッドと増幅回路と周波数
変調回路等とが全く別々に製造され、センサヘッドと増
幅回路と周波数変調回路等とを接続することによって無
線送信できるようにしていたので、センサ装置全体の小
型化が困難であった。また、センサ装置に無線送信機能
を持たせようとする場合には、適当な増幅回路や周波数
変調回路等をその都度設計しなければならず、手間が掛
かっていた。

【０００８】また、センサヘッドと汎用の周波数変調回
路とを組合せていたので、センサヘッドで発生した微弱
な信号を増幅回路で増幅した後、周波数変調回路の可変
容量ダイオードに増幅信号を印加して周波数変調回路の
出力周波数を変化させるようになっており、回路構成が
複雑かつ冗長となっていた。このため、消費電力が大き
く、ノイズにも弱いという問題があった。

【０００９】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、その主な目的とするところは、無線送
信等のための周波数変調機能を有する物理量センサ装置
を小型化し、しかも、検出値に応じて信号を周波数変調
するための回路構成を単純にし、合理化することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の物理量センサ装
置は、圧力、加速度、振動等の物理量を検出するセンサ
ヘッドと、当該センサヘッドの出力を周波数信号に変換
して出力する周波数変調回路とを一体にモジュール化し
たことを特徴としている。

【００１１】この物理量センサ装置にあっては、前記セ
ンサヘッドを前記周波数変調回路中の発振回路の一構成
要素とすることができる。例えば、前記センサヘッドが
可動電極と固定電極の間の静電容量の変化として物理量
を検出する静電容量型センサである場合には、周波数変
調回路中のＬＣ発振回路、ＲＣ発振回路もしくは水晶発
振回路のＣ要素として、当該静電容量型センサを用いる
ことができる。また、前記センサヘッドが歪抵抗素子の
抵抗値の変化として物理量を検出する歪抵抗型センサで
ある場合には、周波数変調回路中のＲＣ発振回路、ＲＬ
Ｃ発振回路もしくは水晶発振回路のＲ要素として、当該
歪抵抗型センサを用いることができる。

【００１２】また、静電容量型のセンサヘッドを用いた
物理量センサ装置の場合には、可動電極と固定電極が接
触すると、発振回路から一定周波数の信号が出力される
ようにしてもよい。また、可動電極と固定電極とのギャ
ップ量を最小値以上に制限する構造としてもよい。

【００１３】さらに、センサヘッドを複数個備え、これ
らのセンサヘッドを直列または並列に接続するようにし
てもよい。

【００１４】また、本発明の物理量センサ装置において
は、前記周波数変調回路から出力される周波数変調信号
は、無線送信手段により無線電波として送信するのが好
ましい。あるいは、周波数変調回路から出力される周波
数変調信号は有線送信手段により信号線を通じて送信す
るようにもできる。あるいは、周波数変調回路から出力
される周波数変調信号は、光信号に変換し、光信号とし
て出力させるようにもできる。

【００１５】振動検出用の上記物理量センサ装置は、防
犯システムや異常振動監視システムに用いることができ
る。

【００１６】また、圧力検出用の上記物理量センサ装置
を、ポンプにより建物の各階に水道水を汲み上げる水道
水汲み上げシステムの各階の水道配管に設け、物理量セ
ンサ装置の出力に応じて前記ポンプを運転させるように
してもよい。

【００１７】あるいは、エア吹出し装置の空気吹出し口
の近傍に圧力検出用の上記物理量センサを設け、フィル
タの目詰りを監視するようにしてもよい。

【００１８】

【作用】本発明の物理量センサ装置にあっては、検出結
果を周波数変調信号として送信することができるので、
受信側における復調も再現性よく行なえ、受信側におけ
る検出精度も高くなる。そして、センサヘッドとその出
力を周波数信号に変換して出力する周波数変調回路とを
一体にモジュール化しているので、物理量センサ装置を
小型化することができる。しかも、センサ装置製造時に
センサヘッドと周波数変調回路とを一体として設計する
ことができるので、センサヘッドと汎用の周波数変調回
路を組み合わせる手間も不要となり、回路構成の冗長度
も大幅に低減することができる。従って、コストを安価
にすることができ、ノイズも少なくできる。

【００１９】特に、センサヘッドを周波数変調回路中の
共振回路の一回路要素とすることにより回路構成を極め
て単純にすることができる。例えば、静電容量型センサ
ヘッドの場合には、センサヘッドを周波数変調回路中の
共振回路のＣ（キャパシタンス）要素とすることができ
る。また、歪抵抗型センサヘッドの場合には、センサヘ
ッドを周波数変調回路中の共振回路のＲ（抵抗）要素と
することができる。これによって、従来例のように周波
数変調回路とセンサヘッドの間の増幅回路が不必要とな
り、また周波数変調回路でも可変容量ダイオード等が不
必要となり、全体の回路構成を極めて単純にすることが
できる。

【００２０】よって、本発明の物理量センサ装置を用い
れば、周波数変調の機能を有する簡単な構成の物理量セ
ンサ装置を安価に製作することができ、通信用配線が邪
魔になるような環境では、周波数変調信号をアンテナか
ら無線送信することができる。また、出力信号は周波数
変調を掛けられているので、通信用配線を通して有線通
信する場合でも、Ｓ／Ｎ比が向上してノイズに強くな
る。また、この出力信号を光信号に変換し、光通信によ
って受信側へ送るようにしても、邪魔な通信用配線をな
くすことができる。

【００２１】また、静電容量型のセンサヘッドを用いた
物理量センサ装置の場合には、可動電極と固定電極が接
触すると、周波数変調回路から一定周波数の信号が出力
されるようにでき、可動電極と固定電極が短絡した時の
異常信号として受信側へ送信させることができる。ま
た、可動電極と固定電極とのギャップ量を最小値以上に
制限する構造とすれば、周波数変調信号の出力周波数帯
域を制限することができ、可動電極と固定電極の短絡も
防止できる。

【００２２】

【実施例】図５は本発明の一実施例による加速度センサ
装置２Ｃを示す斜視図であって、ケーシング１１内にセ
ンサモジュール１２が納められている。センサモジュー
ル１２は、回路基板１３上に加速度センサヘッド１４Ａ
やボタン電池１５、コイル、コンデンサ、抵抗、トラン
ジスタ等の電子部品１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，…などが
実装されており、後述のような周波数変調回路３１や高
周波増幅回路３２が同一回路基板１３上に構成されてい
る。また、ケーシング１１の外部にはアンテナ１７を備
え、センサモジュール１２とアンテナ１７とはコード１
８で結ばれている。

【００２３】また、図６は本発明の別な実施例による振
動センサ装置２Ｄを示す断面図であって、図５の加速度
センサ装置２Ｃと同様な構成を有しているが、振動セン
サヘッド１４Ｂは回路基板１３上になく、外部からの振
動を感知し易いようにケーシング１１底面に配置されて
いる。この振動センサ装置２Ｄにあっても、回路基板１
３上に実装された電子部品１６ｂ，１６ｃ，…と振動セ
ンサヘッド１４Ｂによって周波数変調回路３１や高周波
増幅回路３２が構成されている。

【００２４】図７に示すものは、上記加速度センサ装置
２Ｃや振動センサ装置２Ｄの加速度センサヘッド１４Ａ
や振動センサヘッド１４Ｂとして用いられる静電容量型
のセンサヘッド１４である。このセンサヘッド１４にあ
っては、シリコン基板２０とガラス基板２５の一方端部
同志がガラス等の絶縁性材料からなるスペーサ２４を介
して接合されており、シリコン基板２０では重り部２２
が弾性を有するビーム２１によって支持されており、重
り部２２の上面に形成された可動電極２３とガラス基板
２５の下面に設けられた固定電極２６が対向して検出用
コンデンサが形成され、可動電極２３及び固定電極２６
はリード線２７によって外部へ引き出されている。しか
して、振動や加速度によって重り部２２が上下に変位す
ると、可動電極２３と固定電極２６の間のギャップ量が
変化するので、その静電容量Ｃ_Vが変化し、振動や加速
度の変化が静電容量変化として出力される。なお、この
センサヘッド１４は、シリコンウエハ等に対して半導体
製造プロセスで用いられるマイクロマシニング技術（す
なわち、イオン・インプランテーション、拡散、フォト
リソグラフィ、エッチング、スパッタ、蒸着等）により
作製されるので、超小型のセンサヘッド１４を実現する
ことができる。

【００２５】図８は静電容量型のセンサヘッド１４を用
いた加速度センサ装置２Ｃ（図５）又は振動センサ装置
２Ｄ（図６）の回路構成を示すブロック図であって、静
電容量型のセンサヘッド１４と周波数変調回路３１と高
周波増幅回路３２とから構成されており、周波数変調回
路３１はセンサヘッド１４の静電容量Ｃ_VをＬＣ共振回
路のＣ（キャパシタンス）要素としている。つまり、セ
ンサヘッド１４は周波数変調回路３１のＬＣ共振回路の
一部となっている。

【００２６】図９は上記周波数変調回路３１の具体回路
を示す図であって、センサヘッド１４の静電容量Ｃ_Vと
コンデンサＣ₁とコイルＬ₁を直列に接続してＬＣ共振回
路が構成されている。トランジスタＴｒ₁は抵抗Ｒ₃を介
してエミッタ接地されており、直流電圧Ｖccを分圧抵抗
Ｒ₁，Ｒ₂で分圧した直流バイアス電圧Ｒ₂Ｖcc／（Ｒ₁＋
Ｒ₂）をベースに印加されている。ＬＣ共振回路は、セ
ンサヘッド１４の一端をアースされ、コイルＬ₁の端を
トランジスタＴｒ₁のベースに接続されており、ＬＣ共
振回路の出力電圧をトランジスタＴｒ₁のベースに入力
している。そして、トランジスタＴｒ₁のベースとアー
スの間に直列に挿入されたコンデンサＣ₃，Ｃ4の中点と
トランジスタＴｒ₁のエミッタを接続し、直流成分カッ
ト用のコンデンサＣ₅を介して高周波増幅回路３２へ出
力している。

【００２７】しかして、この周波数変調回路３１におい
て、トランジスタＴｒ₁によって引き起こされるＬＣ共
振回路の発振周波数ｆは、ｆ＝１／〔２π（Ｌ₁Ｃ_S）^1/2〕 …… であるので〔但し、Ｃ_Sは合成容量であって、１／Ｃ_S＝
１／Ｃ₁＋１／Ｃ_Vである〕、振動や加速度によってセン
サヘッド１４の静電容量Ｃ_Vが変化すると、それに応じ
て周波数変調回路３１から出力される信号の周波数が変
化する。こうして周波数変調回路３１から出力された周
波数変調信号は高周波増幅回路３２で増幅された後、ア
ンテナ１７から無線電波として空中に放射され、受信機
（図示せず）で受信される。

【００２８】このように本発明にあっては、センサヘッ
ド１４と無線送信機能とが一体となっているので、セン
サヘッド１４を周波数変調回路３１の一部として用いる
ようにでき、簡略で合理的な回路を構成することができ
る。特に、従来のセンサ装置のようにセンサヘッドと周
波数変調回路の間の増幅回路が必要無くなるので、全体
の回路を簡単にでき、コストを安価にできると共にノイ
ズを低減できる。また、センサ装置自体もモジュール化
することによって小型化することができる。

【００２９】また、図示しないが、図９の周波数変調回
路３１において、コイルＬ₁を抵抗Ｒ₄（図示せず）に置
き換えてもよい。この場合には、共振回路はＲＣ共振回
路となり、その発振周波数ｆは、ｆ＝１／（２πＲ₄Ｃ_S） …… となり、やはりセンサヘッド１４の静電容量Ｃ_Vの変化
によって周波数が変化する。

【００３０】図１０は本発明のさらに別な実施例におけ
る周波数変調回路３１を示す具体回路図である。この周
波数変調回路３１は水晶振動子Ｃxを用いた水晶発振回
路となっており、静電容量型のセンサヘッド１４と水晶
振動子Ｃxの各静電容量の合成容量とコイルＬ₁のインダ
クタンスによって決まる周波数ｆの発振がトランジスタ
Ｔｒ₁によって引き起こされる。

【００３１】図１１に示すものは本発明のさらに別な実
施例における周波数変調回路３１であって、それぞれの
静電容量がＣ_V1，Ｃ_V2，…，Ｃ_Vnである複数個のセンサ
ヘッド１４，１４，…を並列に接続したものを周波数変
調回路３１のＬＣ共振回路のＣ要素としている。このよ
うに複数個のセンサヘッド１４，１４，…を並列に接続
すると、合成容量Ｃ_S＝Ｃ_V1＋Ｃ_V2＋…＋Ｃ_Vnが大きく
なるので、各センサヘッド１４，１４，…が同位相で振
動する場合には、その振動が強調されて変調が深く掛か
る。よって、当該センサ装置の検出感度を向上させるこ
とができる。

【００３２】図１２に示すものは本発明のさらに別な実
施例における周波数変調回路３１であって、それぞれの
静電容量がＣ_V1，Ｃ_V2，…，Ｃ_Vnである複数個のセンサ
ヘッド１４，１４，…を直列に接続したものを周波数変
調回路３１のＬＣ共振回路のＣ要素としている。このよ
うに複数個のセンサヘッド１４，１４，…を直列に接続
すると、合成容量Ｃ_Sは１／Ｃ_S＝１／Ｃ_V1＋１／Ｃ_V2＋…＋１／Ｃ_Vn …… となるので、周波数の変調は最大の振動をしているセン
サヘッド１４（最小の静電容量）に左右され、センサヘ
ッド設置箇所のうち最大の振動を検出することができ
る。

【００３３】なお、上記のような静電容量型のセンサヘ
ッドを用いた振動センサ装置２Ｄや加速度センサ装置２
Ｃに大きな振動や加速度が加わると、可動電極２３と固
定電極２６が接触して短絡した状態となる。この場合に
は、周波数変調回路３１から一定周波数の信号が出力さ
れるので、当該周波数の信号を監視することにより、固
定電極２６と可動電極２３の短絡事故を検知することが
できる。例えば、図７のような構造のセンサヘッド１４
に大きな加速度もしくは振動が加わり、図１３に示すよ
うに可動電極２３と固定電極２６が接触したとすると、
センサヘッド１４の静電容量Ｃ_Vは∞となるので、図１
４（ａ）の周波数変調回路３１は図１４（ｂ）に示すよ
うな状態となり、周波数変調回路３１からは、ｆ₀＝１／〔２π（Ｌ₁Ｃ₁）^1/2〕 …… の周波数の信号が出力される。従って、受信機へ異常信
号の出力を行なえ、受信機が特定周波数ｆ₀の信号を受
信した場合には、センサヘッド１４が異常であると受信
機側で判定することができる。

【００３４】図１５は、可動電極２３の先端部と固定電
極２６の先端部のうち少なくとも一方に耐摩耗性の接点
３３を設け、当該接点３３と固定電極２６、あるいは接
点３３と可動電極２３、あるいは接点３３同志が接触し
た時に異常信号（周波数ｆ₀の信号）を出力するように
したものである。この実施例によれば、接点３３の高さ
によって異常信号を出力する状態を調整することができ
る。

【００３５】また、センサヘッド１４の可動電極２３と
固定電極２６間のギャップ量を制限する構造とすること
が考えられる。電波法では、それぞれ電波の占有周波数
帯幅が規定されているので、可動電極２３と固定電極２
６のギャップ量を制限する構造とすることにより、周波
数変調回路３１の発振周波数偏移が、占有周波数帯域幅
を越えないようにすることができる。例えば、図１６に
示すように可動電極２３の先端を重り部２２の先端より
も引っ込めて重り部２２の先端をストッパ２２ａとし、
固定電極２６の先端もガラス基板２５の先端から引っ込
めてガラス基板２５の先端をストッパ２５ａとし、重り
部２２のストッパ２２ａとガラス基板２５のストッパ２
５ａが当接することにより、可動電極２３と固定電極２
６のギャップ最小値が制限されるようにする。あるい
は、図１７に示すように、可動電極２３もしくは固定電
極２６のいずれか一方を重り部２２の先端もしくはガラ
ス基板２５の先端から引っ込めてストッパ２２ａもしく
は２５ａを形成してもよい。あるいは、図１８に示すよ
うに固定電極２６の先端部下面（あるいは、可動電極２
３の先端部上面）にＳｉＯや誘電体のような絶縁被膜２
５ｂを設け、可動電極２３と固定電極２６とが接触しな
いようにしてもよい。

【００３６】図１９は本発明のさらに別な実施例による
圧力センサ装置２Ｅを示す概略断面図である。この圧力
センサ装置２Ｅにあっては、電子部品１６ａ，１６ｂ，
…と共に図２０（ａ）に示すような構造の静電容量型の
圧力センサヘッド１４Ｃが回路基板１３上に実装されて
いる。この圧力センサヘッド１４Ｃは、薄膜状のダイア
フラム３６を有するシリコン基板３５とガラス基板４５
を絶縁層３４を介して接合したものである。ダイアフラ
ム３６は可動電極を兼ねており、ダイアフラム３６と対
向させてガラス基板４５の上面には固定電極４６が設け
られ、ダイアフラム３６（可動電極）と固定電極４６に
よって圧力検出用のコンデンサが形成されている。すな
わち、ガラス基板４５に設けられた流体導入路４１と流
体導入路４１に接続された流体導入管４２を通じてダイ
アフラム３６と固定電極４６の間のギャップ４０に圧力
が加わると、大気圧との差圧に応じて図２０（ｂ）に示
すようにダイアフラム３６が撓み、ダイアフラム３６と
固定電極４６の間のギャップ量が変化し、ダイアフラム
３６と固定電極４６の間の静電容量が変化する。この圧
力センサヘッド１４Ｃはケーシング４３，４４内に納め
られ、ダイアフラム３６（可動電極）は電極パッド３７
を通してリード３９に接続され、固定電極４６はリード
３８に接続されている。

【００３７】この圧力センサヘッド１４Ｃの静電容量Ｃ
_VもＬＣ共振回路のＣ要素として回路基板１３上に周波
数変調回路３１が構成されている。また、回路基板１３
上には高周波増幅回路３２も構成されており、図８及び
図９と同様な回路構成となっている。よって、この圧力
センサヘッド１４Ｃは図９のような周波数変調回路３１
の一部として構成されているので、圧力変化によって発
振周波数ｆが変化し、周波数変化から圧力変動を知るこ
とができる。しかも、周波数変調回路３１の前に増幅回
路等を必要としないので、回路構成を簡単にすることが
できる。なお、このような圧力センサヘッド１４Ｃもマ
イクロマシニング技術を用いて超小型化することができ
る。

【００３８】また、上記いずれの実施例でも、周波数変
調された信号を無線電波としてアンテナから送信した
が、図２１に示すセンサ装置２Ｆのように周波数変調回
路３１で周波数変調され、高周波増幅回路３２で増幅さ
れた信号を通信用配線４７を通じて受信機へ有線で送信
するようにしてもよい。有線の場合であっても、検出信
号を周波数変調信号として送信することにより、ノイズ
を低減することができる。

【００３９】図２２に示すものは本発明のさらに別な実
施例によるセンサ装置２Ｇを示すブロック図であって、
周波数変調信号により光変調した信号として送信するよ
うにしている。すなわち、５１は上記振動センサヘッド
や加速度センサヘッド、圧力センサヘッド等の静電容量
型のセンサヘッドであって、センサヘッド５１の静電容
量Ｃ_VはＣ／Ｆ（容量／周波数）変換回路５２によって
周波数信号に変換され、発光素子ドライバ回路５３は周
波数信号に応じて発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素
子５４を発光させ、周波数変調された光信号を出力す
る。この光信号は受信機のフォトダイオードやフォトト
ランジスタ等の受光素子５５で受光され、受光素子５５
で発生した周波数信号（電気信号）はＦ／Ｖ（周波数／
電圧）変換回路５６によって電圧信号に変換され、信号
処理回路５７により所定の信号処理を施されて出力され
る。

【００４０】図２３はこの送信側のセンサ装置２Ｇの具
体回路を示す図であって、センサヘッド５１の静電容量
Ｃ_Vと３つのインバータ５８，５９，６０と２つの抵抗
Ｒ₃₁，Ｒ₃₂からなる３インバータ形無安定マルチバイブ
レータとインバータ６１とコンデンサ６２によってＣ／
Ｆ変換回路５２が構成されている。センサヘッド５１の
静電容量Ｃ_Vが変化すると、Ｃ／Ｆ変換回路５２の時定
数τ＝Ｒ₃₂Ｃ_Vが変化するので、発振周波数ｆが変化す
る。発光素子ドライバ回路５３は、ダイオード６３、抵
抗Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅、インバータ６４、トランジスタＴ
ｒ₂、発光素子５４から構成されており、Ｃ／Ｆ変換回
路５２の出力によってトランジスタＴｒ₂がオンになる
と、発光素子５４に電流が流れて発光素子５４が発光す
るので、Ｃ／Ｆ変換回路５２の出力が光信号に変換され
る。

【００４１】このような実施例においても、センサヘッ
ド５１はＣ／Ｆ変換回路５２中の共振回路（無安定マル
チバイブレータ）のＣ要素として構成されているので、
センサ装置２Ｇの回路構成を簡単にすることができる。

【００４２】図２４（ａ）は本発明のさらに別な実施例
によるセンサ装置におけるセンサヘッド７１の構造を示
す側面図、図２４（ｂ）はその周波数変調回路３１を示
す回路図である。このセンサヘッド７１はビーム７３に
よって支持部７２に支持された重り部７４が振動又は加
速度によって変位したとき、重り部７４の変位によって
撓まされたビーム７３の歪をビーム７３に設けた歪検出
素子（ピエゾ抵抗素子）７５で検出するものであって、
振動又は加速度の変化に応じて歪検出素子７５の抵抗値
Ｒ_Vが変化する。この歪検出素子７５は、ＲＣ共振回路
のＲ（抵抗）要素として周波数変調回路３１の一部を構
成しているので、その発振周波数ｆはｆ＝１／〔２π（Ｒ_V＋Ｒ₀）Ｃ₁〕となり、歪抵抗素子７５の抵抗値Ｒ_Vによって変化す
る。すなわち、振動や加速度に応じた発振周波数ｆの信
号が出力され、高周波増幅回路３２で増幅された後、例
えばアンテナ１７から放射される。ここでは、振動セン
サや加速度センサの場合について述べたが、歪検出素子
を用いた圧力センサヘッドなどの場合にも同様に構成す
ることができる。

【００４３】つぎに、上記のような各種センサ装置、特
に無線送信機能を備えたセンサ装置の応用例を説明す
る。まず、図２５に示すものは、複数のファン８１にそ
れぞれ振動センサ装置８２を取り付けておき、複数の振
動センサ装置８２からの無線電波を１台の受信機８３に
よって受信できるようにした異常振動監視システムであ
る。このように無線送信機能を有する振動センサ装置８
２を用いれば、複数のファン８１の異常振動を検知し、
遠隔の受信機８３へ知らせることができ、配線の困難な
場所に適している。また、有線で振動センサ装置８２と
受信機８３をつないでもよいが、周波数変調信号として
伝送するので、工場内のようにノイズの多い環境でもＳ
／Ｎ比の高い信号を送信できる。

【００４４】図２６は工場内の無人搬送車８４に振動セ
ンサ装置８２を取り付けた異常振動監視システムであっ
て、無人搬送車８４の脱線やレール８５のつなぎ目の異
常等による振動を検知し、異常振動の発生を無線で受信
機８３へ知らせることができる。

【００４５】図２７は工場内の無人搬送車８４に加速度
センサ装置８６を取り付けたものであって、無人搬送車
８４の異常加速や衝突等を検知し、無線で受信機８３へ
知らせることができる。

【００４６】図２８は工場内のクレーン８７に加速度セ
ンサ装置８６を取り付けたものであって、クレーン８７
で荷物８８を運ぶ時の荷物８８の揺れを加速度センサ装
置８６で検知し、加速度センサ装置８６からクレーン８
７の制御部に設けられた受信機８３へ信号を送り、荷物
８８を落下させないようクレーン８７の動きを制御す
る。この場合、加速度センサ装置８６の信号は有線で送
信してもよく、有線が困難な場合には無線で行なっても
よい。

【００４７】図２９は家屋の窓８９に振動センサ装置８
２を取り付けた防犯システムである。振動センサ装置８
２は複数の窓８９にそれぞれ取り付けられており、窓８
９が壊されたりした時の異常振動を検出すると、振動セ
ンサ装置８９から受信機（コントローラ）８３へ信号が
送信される。

【００４８】図３０は自動販売機９０に振動センサ装置
８２を取り付けた防犯システムである。この場合も各自
動販売機９０に取り付けられた振動センサ装置８２の信
号を１台の受信機８３で受信している。特に、無線方式
とすれば、複数台の自動販売機９０からの信号を店内で
モニターすることができ、自動販売機９０の損傷事故等
を検知することができる。

【００４９】図３１はポンプ９１により配管９２を通じ
てビル９３の各階に給水する水道水汲み上げシステムで
あって、各階の配管９２に圧力センサ装置９４が取り付
けられている。しかして、各配管９２内の水道水圧を各
圧力センサ装置９４でモニターし、それに応じてポンプ
９１の制御を行なうことができる。この場合、無線方式
とすれば、省配線とすることができる。また、有線方式
とすれば、ポンプモータ等のノイズにも強い伝送方式と
することができる。

【００５０】図３２は家屋天井９５等に設けられたエア
ーコンディショニングシステムのエアー吹出し口９６で
あって、フィルタ９７を備えたエアー吹出し口９６の内
部に圧力センサ装置９４が取り付けられている。しかし
て、圧力センサ装置９４によってエア吹出し口９６内部
の圧力変動を検知することによってフィルタ９７の目詰
りを検知している。この場合も、コントローラ（受信機
８３）へは無線送信することができるが、有線送信すれ
ばノイズに強くなる。

【００５１】

【発明の効果】本発明の物理量センサ装置にあっては、
センサヘッドと周波数変調回路とを一体にモジュール化
しているので、小型化することができる。しかも、セン
サ装置製造時にセンサヘッドと周波数変調回路とを一体
として設計することができるので、センサヘッドと汎用
の周波数変調回路を組み合わせる手間も不要となり、回
路構成の冗長度も大幅に低減することができる。従っ
て、コストを安価にすることができ、消費電力も小さく
なり、ノイズも少なくできる。

【００５２】特に、センサヘッドを周波数変調回路中の
共振回路の一回路要素とすることにより回路構成を極め
て単純にすることができるので、従来例のように周波数
変調回路とセンサヘッドの間の増幅回路が不必要とな
り、また周波数変調回路でも可変容量ダイオード等が不
必要となり、全体の回路構成を極めて単純にすることが
できる。

【００５３】よって、本発明の物理量センサ装置を用い
れば、周波数変調の機能を有する簡単な構成の物理量セ
ンサ装置を安価に製作することができ、通信用配線が邪
魔になるような環境では、周波数変調信号をアンテナか
ら無線送信することができる。また、出力信号は周波数
変調を掛けられているので、歪の少ない振動波形の変調
を行なえ、通信用配線を通して有線通信する場合でも、
Ｓ／Ｎ比が向上してノイズに強くなる。また、この出力
信号を光信号に変換し、光通信によって受信側へ送るよ
うにしても、邪魔な通信用配線をなくすことができる。

【００５４】また、静電容量型のセンサヘッドを用いた
物理量センサ装置の場合には、可動電極と固定電極が接
触すると、周波数変調回路から一定周波数の信号が出力
されるようにでき、可動電極と固定電極が短絡した時の
異常信号として受信側へ送信させることができる。ま
た、可動電極と固定電極とのギャップ量を最小値以上に
制限する構造とすれば、周波数変調信号の出力周波数帯
域を制限することができ、可動電極と固定電極の短絡も
防止できる。

【００５５】さらに、複数のセンサヘッドを直列または
並列に接続することにより、検出信号を強め合って感度
が高くなるようにしたり、もっとも大きな変動を検出で
きるようにしたりすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（物理量）センサ装置の概略図である。

【図２】従来のセンサ装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図３】同上の周波数変調回路を示す具体回路図であ
る。

【図４】従来の別なセンサ装置の構成を示すブロック図
である。

【図５】本発明による加速度センサ装置を示す斜視図で
ある。

【図６】本発明による振動センサ装置を示す断面図であ
る。

【図７】同上のセンサヘッドを示す側面図である。

【図８】同上のセンサ装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図９】同上の周波数変調回路を示す具体回路図であ
る。

【図１０】別な周波数変調回路を示す具体回路図であ
る。

【図１１】さらに別な周波数変調回路を示す具体回路図
である。

【図１２】さらに別な周波数変調回路を示す具体回路図
である。

【図１３】静電容量型のセンサヘッドが短絡した状態を
示す側面図である。

【図１４】（ａ）は正常時の周波数変調回路を示す図、
（ｂ）はセンサヘッド短絡時の周波数変調回路の等価回
路を示す図である。

【図１５】別な構造のセンサヘッドを示す側面図であ
る。

【図１６】さらに別な構造のセンサヘッドを示す側面図
である。

【図１７】さらに別な構造のセンサヘッドを示す側面図
である。

【図１８】さらに別な構造のセンサヘッドを示す側面図
である。

【図１９】本発明による圧力センサ装置を示す断面図で
ある。

【図２０】（ａ）は同上の圧力センサヘッドを示す断面
図、（ｂ）はダイアフラムが変形した状態を示す断面図
である。

【図２１】本発明による有線のセンサ装置を示す断面図
である。

【図２２】本発明によるさらに別なセンサ装置を示すブ
ロック図である。

【図２３】同上の周波数変調回路を示す具体回路図であ
る。

【図２４】本発明のさらに別な実施例であって、（ａ）
はセンサヘッドを示す側面図、（ｂ）は周波数変調回路
を示す具体回路図である。

【図２５】本発明にかかるセンサ装置の応用例を示す概
略図である。

【図２６】本発明にかかるセンサ装置の別な応用例を示
す概略図である。

【図２７】本発明にかかるセンサ装置のさらに別な応用
例を示す概略図である。

【図２８】本発明にかかるセンサ装置のさらに別な応用
例を示す概略図である。

【図２９】本発明にかかるセンサ装置のさらに別な応用
例を示す概略図である。

【図３０】本発明にかかるセンサ装置のさらに別な応用
例を示す概略図である。

【図３１】本発明にかかるセンサ装置のさらに別な応用
例を示す概略図である。

【図３２】本発明にかかるセンサ装置のさらに別な応用
例を示す概略図である。

【符号の説明】

２Ｃ加速度センサ装置２Ｄ振動センサ装置１４センサヘッド１７アンテナ３１周波数変調回路３２高周波増幅回路２Ｆ有線型のセンサ装置２Ｇ光変調型のセンサ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力、加速度、振動等の物理量を検出す
るセンサヘッドと、当該センサヘッドの出力を周波数信
号に変換して出力する周波数変調回路とを一体にモジュ
ール化した物理量センサ装置。
【請求項２】前記センサヘッドが前記周波数変調回路
中の発振回路の一構成要素となっていることを特徴とす
る請求項１に記載の物理量センサ装置。
【請求項３】前記センサヘッドが可動電極と固定電極
の間の静電容量の変化として物理量を検出する静電容量
型センサであって、周波数変調回路中のＬＣ発振回路、
ＲＣ発振回路もしくは水晶発振回路のＣ要素として、当
該静電容量型センサを用いていることを特徴とする請求
項２に記載の物理量センサ装置。
【請求項４】前記可動電極と固定電極とが接触した場
合には、発振回路から一定周波数の信号が出力されるよ
うにした請求項３に記載の物理量センサ装置。
【請求項５】前記センサヘッドが可動電極と固定電極
の間の静電容量の変化として物理量を検出する静電容量
型センサであって、可動電極と固定電極とのギャップ量
を最小値以上に制限する構造としたことを特徴とする請
求項１，２又は３に記載の物理量センサ装置。
【請求項６】前記センサヘッドが歪抵抗素子の抵抗値
の変化として物理量を検出する歪抵抗型センサであっ
て、周波数変調回路中のＲＣ発振回路、ＲＬＣ発振回路
もしくは水晶発振回路のＲ要素として、当該歪抵抗型セ
ンサを用いていることを特徴とする請求項２に記載の物
理量センサ装置。
【請求項７】前記センサヘッドを複数個備え、これら
のセンサヘッドを直列または並列に接続したことを特徴
とする請求項１，２，３，４，５又は６に記載の物理量
センサ装置。
【請求項８】前記周波数変調回路から出力される周波
数変調信号を無線電波として送信する無線送信手段を備
えた請求項１，２，３，４，５，６又は７に記載の物理
量センサ装置。
【請求項９】前記周波数変調回路から出力される周波
数変調信号を信号線を通じて送信する有線送信手段を備
えた請求項１，２，３，４，５，６又は７に記載の物理
量センサ装置。
【請求項１０】前記周波数変調回路から出力される周
波数変調信号を光信号に変換する手段を備えた請求項
１，２，３，４，５，６又は７に記載の物理量センサ装
置。
【請求項１１】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９又は１０に記載の振動検出用の物理量センサ装置
を備えた防犯システム。
【請求項１２】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９又は１０に記載の振動検出用の物理量センサ装置
を備えた異常振動監視システム。
【請求項１３】ポンプにより建物の各階に水道水を汲
み上げる水道水汲み上げシステムにおいて、請求項１，
２，３，４，５，６，７，８，９又は１０に記載の圧力
検出用の物理量センサ装置を各階の水道配管に設け、物
理量センサ装置の出力に応じて前記ポンプを運転させる
ようにした水道水汲み上げシステム。
【請求項１４】空気吹出し口の近傍に、請求項１，
２，３，４，５，６，７，８，９又は１０に記載の圧力
検出用の物理量センサ装置を設け、フィルタの目詰りを
監視するようにしたエア吹出し装置。