(57)【要約】【課題】回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供する。【解決手段】センサ回路は、温度、湿度、光強度等の物理量をひずみ量に変換する物理量変換手段１１と、物理量変換手段１１のひずみ量を抵抗値に変換する信号変換手段１２と、信号変換手段１２の抵抗値の変化を検出する抵抗値検出回路とを備える。物理量変換手段１１としては、例えば、金属板、吸水性樹脂、感光性樹脂が用いられる。信号変換手段１２としては、例えば、ひずみゲージが用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量をひずみ量に変換する物理量変換手段と、
前記物理量変換手段のひずみ量を抵抗値に変換する信号変換手段と、
前記信号変換手段の抵抗値の変化を検出する抵抗値検出回路と
を備えることを特徴とするセンサ回路。
【請求項２】
前記物理量変換手段と前記信号変換手段とが一体化され、前記物理量変換手段の膨張又は収縮の変化が前記信号変換手段に直接伝わることを特徴とする請求項１に記載のセンサ回路。
【請求項３】
一体化された前記物理量変換手段と前記信号変換手段の一方端側を固定手段により固定するとともに、他方端側にばね及び錘を備えることを特徴とする請求項２に記載のセンサ回路。
【請求項４】
振動による抵抗成分をハイパスフィルタで取り出し、温度、湿度、又は光強度による抵抗成分をローパスフィルタで取り出すことを特徴とする請求項３に記載のセンサ回路。
【請求項５】
前記信号変換手段は、等価回路が可変抵抗であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ回路。
【請求項６】
前記信号変換手段は、ホイートストンブリッジを構成する１つ又は２つの可変抵抗であることを特徴とする請求項５に記載のセンサ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度、湿度、光強度（照度）、振動等の物理量を検出し、電気信号に変換するセンサ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、センサから出力される電気信号は、センサ回路で増幅、変換、フィルタリング等の処理を施された後、マイコンへ入力される。センサ回路へ接続されるセンサの種類が様々である場合、センサから出力される電気信号も、そのセンサ特性に対応して、電圧、電流、抵抗、容量等、様々である。そのため、センサ毎にカスタマイズしたセンサ回路を用意して、マイコンが受け取れるように、センサから出力される電気信号毎に増幅、変換、フィルタリング等の処理を行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の従来技術では、センサ毎の電気信号に対応した多種多様なセンサ回路を予め実装しておく必要があるため、回路規模が増大し、センサ回路の小型化、低コスト化が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１の態様に係る発明は、センサ回路であって、物理量をひずみ量に変換する物理量変換手段と、前記物理量変換手段のひずみ量を抵抗値に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段の抵抗値の変化を検出する抵抗値検出回路とを備えることを要旨とする。
【０００７】
第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記物理量変換手段と前記信号変換手段とが一体化され、前記物理量変換手段の膨張又は収縮の変化が前記信号変換手段に直接伝わることを要旨とする。
【０００８】
第３の態様に係る発明は、第２の態様に係る発明において、一体化された前記物理量変換手段と前記信号変換手段の一方端側を固定手段により固定するとともに、他方端側にばね及び錘を備えることを要旨とする。
【０００９】
第４の態様に係る発明は、第３の態様に係る発明において、振動による抵抗成分をハイパスフィルタで取り出し、温度、湿度、又は光強度による抵抗成分をローパスフィルタで取り出すことを要旨とする。
【００１０】
第５の態様に係る発明は、第１から第４の態様に係る発明において、前記信号変換手段が、等価回路が可変抵抗であることを要旨とする。
【００１１】
第６の態様に係る発明は、第５の態様に係る発明において、前記信号変換手段が、ホイートストンブリッジを構成する１つ又は２つの可変抵抗であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、様々な物理量を抵抗値に変換し、その抵抗値の変化を一つの抵抗値検出回路で処理することができる。そのため、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態におけるセンサ部の構成を示す図である。
【図３】第１の実施の形態で用いる各材料の線膨張率を示す図である。
【図４】第１の実施の形態で用いる吸水性樹脂の相対湿度と膨張率の関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態で用いる光硬化樹脂の硬化収縮率の変化を示す図である。
【図６】第２の実施の形態におけるセンサ部の構成を示す図である。
【図７】第２の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。
【図８】第３の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。
【図９】第４の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。
【図１０】第５の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。
【図１１】第６の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。この図に示すように、等価回路が可変抵抗である信号変換手段１２を設け、その信号変換手段１２の前段に物理量変換手段１１を設けている。温度、湿度、光強度等の異なる物理量を物理量変換手段１１でひずみ量（信号変換手段１２が解釈できる２次物理量）に変換し、信号変換手段１２で抵抗値に変換した後、抵抗検出用のブリッジ回路で電気信号に変換する。物理量変換手段１１としては、例えば、金属板、吸水性樹脂、感光性樹脂が用いられる。信号変換手段１２としては、例えば、ひずみゲージが用いられる。ひずみゲージは、ひずみゲージにおけるひずみ量を抵抗値変化へ変換する素子である。
【００１５】
具体的には、図１に示すように、等価回路が可変抵抗Ｒ１で示せる信号変換手段１２と抵抗Ｒ２〜Ｒ４でホイートストンブリッジを構成している。電圧源２０により既知のブリッジ電圧Ｅを印加し、ブリッジ回路で抵抗値を検出する。ブリッジ回路からの出力信号ｅ０は、アンプ３０で所定の増幅率で増幅された後、マイコンへ出力され、マイコンでデジタル値に変換される。信号変換手段１２の抵抗値変化量は、抵抗Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとすれば、式１に従って求めることができる。式１中のΔＲは抵抗値変化である。
【００１６】
【数１】
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図２は、第１の実施の形態におけるセンサ部１０の構成を示す図である。この図に示すように、信号変換手段１２の上に物理量変換手段１１が積層化され、一体化されている。物理量変換手段１１の膨張又は収縮の変化が信号変換手段１２に直接伝わるようになっている。物理量変換手段１１と信号変換手段１２の厚さや面積は適宜調整することが可能である。信号変換手段１２から引き出された信号線Ｌはブリッジ回路に接続されている。
【００１７】
図３は、各材料の線膨張率を示す図である。物理量変換手段１１としては亜鉛板を用いてもよい。亜鉛には、温度が上昇すると膨張する性質があり、その膨張特性は、図３の線膨張率に依存する。すなわち、温度変化が発生すると、亜鉛板が膨張し、その膨張とともにひずみゲージがひずむ。これにより、ひずみ量が抵抗値変化に変換され、この抵抗値変化を検出することにより温度変化を検知することができる。例えば、ｔ℃のときの長さＬｔは、初期値をＬ０、線膨張率をαとすると、Ｌｔ＝Ｌ０（１＋αｔ）となり、ｔ＝４ｅ０Ａ／Ｅαから温度変化を検知することができる。物理量変換手段１１の材料は亜鉛に限定されるものではなく、図３の線膨張率に応じて、アルミ、真鍮、銅、ステンレス鋼、鉄等のその他の金属を適宜選択することが可能である。
【００１８】
図４は、吸水性樹脂の相対湿度と膨張率の関係を示す図である。物理量変換手段１１としては吸水性樹脂板を用いてもよい。吸水性樹脂には、相対湿度が上昇すると膨張する性質があり、その膨張特性は、図４に示すような関係を持っている（膨張率＝４ｅ０Ｂ／Ｅ，Ｂ：係数）。すなわち、湿度変化が発生すると、吸水性樹脂が膨張し、その膨張とともにひずみゲージがひずむ。これにより、ひずみ量が抵抗値変化に変換され、この抵抗値変化を検出することにより湿度変化を検知することができる。
【００１９】
図５は、光硬化樹脂の硬化収縮率の変化を示す図である。物理量変換手段１１としては光硬化樹脂板を用いてもよい。光硬化樹脂には、光を照射すると収縮する性質があり、その収縮特性は、図５に示すような経時変化を持っている（収縮率＝４ｅ０Ｃ／Ｅ，Ｃ：係数）。すなわち、光照射があると、光硬化性樹脂が収縮し、その収縮とともにひずみゲージがひずむ。これにより、ひずみ量が抵抗値変化に変換され、この抵抗値変化を検出することにより光の存在を検知することができる。
【００２０】
なお、物理量変換手段１１は、表面積が大きくなるように表面にエンボス加工を施したり、ハニカム構造にしたりするのが望ましい。これにより、熱伝達、吸水反応、光硬化反応が促進されるため、温度、湿度、光に対する応答速度が向上する。
【００２１】
同種の物理量変換手段１１であっても、特性の異なるものを使えば、同じ物理量に対して様々な感度、精度のセンサを実現することができる。また、当該センサ回路を複数個集積化すれば、更に感度、精度調整の幅を広げることができる。更に、同じ物理量変換手段１１であっても、信号変換手段１２の種類を変えることで、様々な感度、精度のセンサを実現することができる。センサネットワーク用のセンサは、必ずしも高い精度を必要としないため、本実施の形態におけるセンサ回路を適用可能である。
【００２２】
以上のように、第１の実施の形態によれば、様々な物理量を抵抗値に変換し、その抵抗値の変化を一つの抵抗値検出回路で処理することができる。そのため、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
＜第２の実施の形態＞
以下、第２の実施の形態を第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００２３】
図６は、第２の実施の形態におけるセンサ部１０の構成を示す図である。この図に示すように、第２の実施の形態では、振動をひずみ量に変換する機構として、固定手段１３、ばね１４、錘１５を備えている。具体的には、一体化された物理量変換手段１１と信号変換手段１２の一方端側を固定手段１３により固定するとともに、他方端側にばね１４及び錘１５を備えている。ばね１４の振動が大きくなるように、ばね１４の直上に錘１５を配置するのが望ましい。矢印方向（図面中の上下方向）にばね１４が振動すると、信号変換手段１２であるひずみゲージがひずむ。これにより、ひずみ量が抵抗値変化に変換され、この抵抗値変化を検出することにより振動を検知することができる。同時に、物理量変換手段１１からひずみゲージ経由で生じた抵抗成分も出力信号ｅ０に重畳される。一般に、振動が短周期変化であり、温度、湿度、光が長周期変化であることを利用すれば、以下のように、これらの信号を分離可能である。
【００２４】
図７は、第２の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。このセンサ回路は、図６に示されるセンサ部１０を備えているものとする。アンプ３０の後段には、低周波成分をカットオフするハイパスフィルタ４１と、高周波成分をカットするローパスフィルタ４２が設けられている。この場合、図７に示すように、振動による抵抗成分は、ハイパスフィルタ４１で低周波成分をカットオフすることで取り出すことができる。一方、物理量変換手段１１による抵抗成分（すなわち、温度、湿度、又は光強度による抵抗成分）は、ローパスフィルタ４２で高周波成分をカットすることで取り出すことができる。これにより、２種類のセンシングを同時に実施することができる。また、マイコンに取り込んだデジタル値をデジタルフィルタ処理してもよいし、フーリエ変換を行い、各周波数成分を解析してもよい。
【００２５】
以上のように、第２の実施の形態によれば、温度、湿度、又は光強度だけでなく振動も一つの抵抗値検出回路で処理することができる。そのため、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
＜第３の実施の形態＞
以下、第３の実施の形態を第１又は第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００２６】
図８は、第３の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。この図に示すように、第３の実施の形態では、等価回路が可変抵抗Ｒ１，Ｒ３で示せる２つの信号変換手段１２をホイートストンブリッジにおいて対向するように配置している。これら信号変換手段１２の前段には、第１の実施の形態と同様の物理量変換手段１１を設けている。この場合、抵抗値変化は、式２で算出することができる。式２中のΔＲ１〜ΔＲ４は抵抗値変化である。
【００２７】
【数２】
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以上のように、第３の実施の形態によれば、２つのセンサ部１０をホイートストンブリッジにおいて対向するように配置しているため、２倍の大きさの電圧信号が得られる。そのため、第１の実施の形態に比べて感度を上げることが可能である。
【００２８】
もちろん、第２の実施の形態におけるセンサ部１０をホイートストンブリッジにおいて対向するように配置してもよい。この場合、第２の実施の形態に比べて感度を上げることが可能であることは言うまでもない。
＜第４の実施の形態＞
以下、第４の実施の形態を第１〜第３の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００２９】
図９は、第４の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。第４の実施の形態では、ホイートストンブリッジの代わりに電圧検出回路を用いる。具体的には、図９に示すように、信号変換手段１２の両端の電圧値を検出し、電流源５０からの入力電流値で除することで可変抵抗Ｒ１の抵抗値を算出し、その抵抗値から、上記と同様にして温度、湿度、光を検出する。
【００３０】
以上のように、第４の実施の形態では、ホイートストンブリッジの代わりに電圧検出回路を用いる。この場合でも、第１の実施の形態等と同様、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
＜第５の実施の形態＞
以下、第５の実施の形態を第１〜第４の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００３１】
図１０は、第５の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。第５の実施の形態では、ホイートストンブリッジの代わりに抵抗分圧回路を用いる。具体的には、図１０に示すように、信号変換手段１２の両端の電圧値をｅ０検出し、Ｒ１＝ｅ０（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｖｄｄの式に従い可変抵抗Ｒ１の抵抗値を算出し、その抵抗値から、上記と同様にして温度、湿度、光を検出する。
【００３２】
以上のように、第５の実施の形態では、ホイートストンブリッジの代わりに抵抗分圧回路を用いる。この場合でも、第１の実施の形態等と同様、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
＜第６の実施の形態＞
以下、第６の実施の形態を第１〜第５の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００３３】
図１１は、第６の実施の形態におけるセンサ回路の構成を示す図である。第６の実施の形態では、ホイートストンブリッジの代わりに電流検出回路を用いる。具体的には、図１１に示すように、可変抵抗Ｒ１に流れる電流を電流検出回路６０で検出し、電圧源２０により印加した電圧をこの電流値で除することで可変抵抗Ｒ１の抵抗値を算出し、その抵抗値から、上記と同様にして温度、湿度、光を検出する。
【００３４】
以上のように、第６の実施の形態では、ホイートストンブリッジの代わりに電流検出回路を用いる。この場合でも、第１の実施の形態等と同様、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、多種多様な物理量を１つのセンサ回路で検出することができるため、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
【００３６】
すなわち、本発明の実施の形態におけるセンサ回路は、物理量をひずみ量に変換する物理量変換手段１１と、物理量変換手段１１のひずみ量を抵抗値に変換する信号変換手段１２と、信号変換手段１２の抵抗値の変化を検出する抵抗値検出回路（例えば、ホイートストンブリッジ、電圧検出回路、抵抗分圧回路、電流検出回路）とを備える。これにより、様々な物理量を抵抗値に変換し、その抵抗値の変化を一つの抵抗値検出回路で処理することができる。そのため、回路規模を削減した小型で低コストのセンサ回路を提供することが可能である。
【００３７】
また、物理量変換手段１１と信号変換手段１２とが一体化され、物理量変換手段１１の膨張又は収縮の変化が信号変換手段１２に直接伝わるようにしてもよい。これにより、信号変換手段１２の上に物理量変換手段１１を積層化する等の簡易な方法で、物理量変換手段１１の膨張又は収縮の変化を信号変換手段１２に直接伝えることが可能である。
【００３８】
また、一体化された物理量変換手段１１と信号変換手段１２の一方端側を固定手段１３により固定するとともに、他方端側にばね１４及び錘１５を備えてもよい。これにより、物理量変換手段１１の振動を精度よくひずみ量に変換することが可能である。
【００３９】
また、振動による抵抗成分をハイパスフィルタ４１で取り出し、温度、湿度、又は光強度による抵抗成分をローパスフィルタ４２で取り出してもよい。これにより、温度、湿度、又は光強度だけでなく振動も一つの抵抗値検出回路で処理することが可能である。
【００４０】
また、信号変換手段１２は、等価回路が可変抵抗であってもよい。例えば、信号変換手段１２としてひずみゲージを用いれば、ひずみゲージにおけるひずみ量を容易に抵抗値変化へ変換することが可能である。
【００４１】
また、信号変換手段１２は、ホイートストンブリッジを構成する１つ又は２つの可変抵抗であってもよい。これにより、精度のよい抵抗値検出回路を容易に実現することが可能である。
【００４２】
以上のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【符号の説明】
【００４３】
１１…物理量変換手段
１２…信号変換手段
１３…固定手段
１４…ばね
１５…錘
４１…ハイパスフィルタ
４２…ローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
2015232494.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015232494.tif 000009
【図６】
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【図７】
2015232494.tif 000011
【図８】
2015232494.tif 000012
【図９】
2015232494.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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