(57)【要約】本発明はセンサ装置に関し、特に外部測定量を検出するセンサシステムを含み、負荷回路を接続する切換えシステムを設けたしきい値センサ装置に関する。現在まで、トランジスタまたはエレクトロメカニカルリレーを用いる切換えシステムの設計は、電子動作容量、回路設計、およびセンサ装置上またはセンサ装置との配置に関して妥協を強いられてきた。本発明に従えば、制御電力が低く、制御回路と出力回路間がガルバーニ絶縁され、センサシステムが負荷回路から独立して構成される切換えシステムを提供することによって、上記の問題点を解決する。
2004510970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ装置、特にしきい値センサ装置であって、
測定した量を検出するセンサシステムと、
前記センサシステムに関連付けられ、負荷回路の切換えを行うスイッチ開閉装置（１）と、
前記センサシステムと作動接続され、制御端子を有し、前記スイッチ開閉装置を駆動する制御回路とを含み、
前記スイッチ開閉装置は、前記制御回路によって切換え可能で、前記制御回路とガルバーニ絶縁され、出力端子が設けられた出力回路を含み、前記出力端子間は少なくとも一方のスイッチ状態でガルバーニ絶縁され、
前記スイッチ開閉装置は、ほぼ無効電流で駆動されるマイクロデバイスとして構成され、
前記センサシステムは物体および／または流体物質の検出用に設計され、
前記センサ装置は前記負荷回路から独立して構成され、
前記負荷回路は、前記スイッチ開閉装置の前記出力回路と直接作動接続されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ装置において、前記センサシステムは近接スイッチ、特定的には誘電、静電、光電子、超音波、または磁場近接スイッチとして構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセンサ装置において、前記センサシステムはレベルセンサとして構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）はマイクロデバイスとしてマイクロリレー、特定的にはシリコンマイクロリレーから構成され、前記マイクロリレーは、マイクロメカニクスおよび／または半導体技術の従来方法および材料に基づいて製造されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロデバイスは最低１つのスイッチ開閉要素（２）を有し、かつ前記最低１つのスイッチ開閉要素（２）はマイクロメカニカル構造をもつことを特徴とするセンサ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉要素（２）は静電または圧電により動作可能であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉要素（２）は、閉塞器（１）または開放器（１４）として構成され、前記スイッチ開閉装置（１）を駆動する別個の制御端子（４）を設けるか、または前記スイッチ開閉装置（１）の電圧供給源（１２，１３）に接続された前記スイッチ開閉装置（１）の駆動装置を設けることを特徴とするセンサ装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）の前記制御端子（４）は、プログラマブルに構成されるか、および／または固定配線で構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）の前記制御回路の前記制御端子（４）と、負荷回路（１５，１６）への出力端子（５，６）とは、前記負荷回路を電位に関係なく切換えるように設計されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）の前記負荷回路（１５）への出力端子（５，６）は、前記スイッチ開閉装置内部で接続可能（２１，２２）か、または供給電圧端子（１２，１３）と外部で接続可能であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記負荷回路（１５）を前記スイッチ開閉装置（１）の供給電圧（１１）への任意の基準電位と切換えるために、前記負荷回路（１５）中に別個の電圧源（１６）を設置可能なことを特徴とするセンサ装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記負荷回路（１５）は、前記スイッチ開閉装置（１）の供給電圧端子（１２，１３）に接続可能なことを特徴とするセンサ装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記出力回路（１０）は、３線端子（５，１２，１３；６，１２，１３）として外部へ出されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のセンサ装置において、前記３線端子の２つの端子（１２，１３）には供給電圧が印可され、前記切換え可能な負荷回路端子（６）には駆動可能な反転スイッチ（２４）が設けられ、前記切換え可能な負荷回路端子（６）は、前記反転スイッチ（２４）によって前記供給電圧端子（１２，１３）の一方と交互に接続できることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４のいずれかに記載のセンサ装置において、前記切換え可能な負荷回路端子（６）は、２つのスイッチ（２６，２７）によって前記供給電圧端子（１２，１３）の一方に接続可能であり、前記スイッチ（２６，２７）は対向する方向に制御可能であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のセンサ装置において、負荷回路の２チャネル制御のため、２つのマイクロリレー（１，１’；１，１４）が前記出力回路（１０）内で駆動装置と並列に駆動され、前記負荷回路の少なくとも出力端子（５，６，５’，６’）が外部に出されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のセンサ装置において、前記２つのマイクロリレー（１，１’；１，１４）は、同一方向（１，１’）または対向方向（１，１４）に切換え可能なことを特徴とするセンサ装置。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記負荷回路（１５）またはそれぞれ異なる複数の負荷回路群（１５）の駆動装置は、動作方向反転装置（２４，２５，２６，２７）をもつように設計されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロリレー（１）の駆動回路中に、前記マイクロリレー（１）の動作を反転させるためのＸＯＲ（排他的ＯＲ）素子、特定的にはブリッジ整流器（４６）が設けられることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２０】
請求項１ないし１９のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロリレー（１）の動作方向を選択するため、閉鎖可能および／または絶縁可能なブリッジセクション（４４，４５）と抵抗器（４１，４２）とが設けられることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロリレー（１）の希望機能、例えば動作方向の反転は、本質的に追加コンポーネントなしで、回路中で前記マイクロリレーを再配置することによって、特定的には前記マイクロリレーの入力構造または適応する電子機器の再配置によって達成できることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２２】
マイクロデバイスの使用であって、前記マイクロデバイスは、
制御端子を有し、前記マイクロデバイスをほぼ無効電流で駆動する制御回路と、
前記制御回路によって切換え可能で、前記制御回路とガルバーニ絶縁され、出力端子を有し、前記出力端子間は少なくとも一方の切換え状態でガルバーニ絶縁された出力回路と、
センサ装置、特定的にはしきい値センサ装置中の負荷回路を切換えるスイッチ開閉装置とを含み、前記センサ装置は、
測定された量を検出するためのセンサシステムを含み、
前記センサシステムは前記マイクロデバイスの制御回路と作動接続され、
前記センサシステムは物体または流体材料の検出用に構成され、
前記センサシステムは前記負荷回路から独立して構成され、
前記負荷回路は前記スイッチ開閉装置の出力回路と直接作動接続していることを特徴とするマイクロデバイスの使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明はセンサ装置に関し、特に、測定した量を検出するセンサシステムと、負荷回路を切換え、センサシステムに関連付けられる切換え回路とを有するリミットまたはしきい値センサ装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
以後、センサシステムという用語は、本質的に対応の測定プローブと、機械設計と、適応または適合する対応の電子機器とを含む任意の種類のセンサシステムを意味すると基本的に理解されたい。この適合する電子機器は対応する出力回路をもち、センサシステムに関連付けられた出力から負荷回路を駆動する。
【０００３】
本明細書で基本として使用するセンサシステムの種類は、ある所定値に達すると１つまたは複数の切換え出力を作動するしきい値センサシステムであり、所定値はアナログ値またはバイナリ値でもよい。このようなしきい値センサシステムは従って、対応のセンサシステム内で、測定プローブまたはピックアップと、評価および出力機能を有する適合する電子機器とを組み合わせたものである。
【０００４】
以後、このようなセンサシステムは、誘導性および容量性近接スイッチ、光電子センサ、超音波近接スイッチ、磁気および磁場センサ、ならびにレベルセンサ等に関すると理解されたい。
【０００５】
かかるセンサ装置の問題点は、出力回路中で負荷回路または対応の負荷を駆動するスイッチ開閉装置が、トランジスタもしくはトランジスタ段、またはエレクトロメカニカルリレーから構成されることである。
【０００６】
スイッチ開閉装置をトランジスタとして構成する方法をとった場合、センサに適合する対応電子機器とともに１つのレイアウト上に構成できるという可能性はたしかにある。しかし構成が単純で安価な場合、制御回路と負荷回路間がガルバーニ絶縁されず、このため電位遅延が発生しうるという重大な問題があった。また、トランジスタが交流電圧を切換えられないとう問題も発生した。
【０００７】
出力回路中でスイッチ開閉装置としてエレクトロメカニカルリレーを使用する場合は、比較的大型であること、同時に駆動電力が２００ｍＷ程度と比較的高いという問題を考慮する必要があった。
【０００８】
近い将来に従来のエレクトロメカニカルリレーの分野で継続的に開発が進んだとしても、消費電力、高周波適応性、規模、および最大切換え動作回数に関してかかるリレーを用いた場合の問題を解決できるとは考えられない。
【０００９】
独国特許発明ＤＥ１９８５４４５０Ａ１号明細書および独国特許発明ＤＥ４２０５０２９Ｃ１号明細書は、シリコンベースのマイクロメカニカルリレーの製造方法を記載している。本質的には、半導体、特にシリコン技術の方法を用いる。マイクロリレーは、静電スイッチング原理、従って非常に低い駆動電力を特徴とする。
【００１０】
独国特許発明ＪＰ０６０６０７８８Ａ号明細書は、エネルギー消費を抑えた圧電マイクロリレーを開示している。
【００１１】
独国特許発明ＤＥ４１００６３４Ａ１号明細書は、マイクロメカニカルリレーの応用を開示している。組立てた印刷回路基板を検査する検査装置中で、複数のマイクロリレーをマトリクス状に相互接続する。
【００１２】
独国特許発明ＤＥ１９８４６６３９Ａ１号明細書は、マイクロメカニカルリレーの他の利用可能性を記載している。非常に高い切換え電圧および電流を得るために、スイッチボード中で複数のマイクロリレーを直列または並列に接続する。他の利用可能な保護方式にくらべて、マイクロリレーを使用した場合は反応時間がかなり短くなる。
【００１３】
本発明の目的は、センサ装置、特に出力領域に小型スイッチ開閉装置を備え、モジュール式の構成が可能で、かつ切換え速度の高速化と切換えサイクル数の増大によってスイッチ開閉装置の駆動力向上が可能な、リミットまたはしきい値センサ装置を提供することである。
【００１４】
本発明に従えば、上記の目的は前掲の請求の範囲１の特徴を有するセンサ装置によって達成される。
【００１５】
本質的な原理は、本質的にマイクロメカニカルなスイッチ開閉装置を使用することである。すなわち、マイクロメカニカルスイッチとも称される最低１つのスイッチ開閉要素を備え、ただし駆動電力が極めて微細かつ例えば静電または圧電原理に従って動作可能なスイッチ開閉装置を提供する。このマイクロデバイスは、半導体チップとしてサンドイッチ構造の場合、必要と考えられる電子機器等のマイクロメカニカルコンポーネントを含むのが好適である。トランジスタによる小型化、低駆動電力、および高速切換え等の利点は、同一レイアウトの枠組み内でセンサ装置の残りの部分の適応電子機器と比較的単純に集積できることと同様に維持される。このスイッチ開閉装置の設計では、エレクトロメカニカルリレーの利点、特にスイッチ開閉装置の制御回路と負荷回路間のガルバーニ絶縁または分離、および負荷回路の端子間のガルバーニ絶縁または分離も維持される。本発明に従うセンサ装置の設計およびスイッチ開閉装置の使用により、スイッチ開閉装置を駆動するためのスイッチ開閉装置の比較的単純な構成、および例えば複数の異なる負荷回路を切換える等、モジュール回路中で容易に拡張可能な出力回路の提供が可能である。
【００１６】
適切には、このスイッチ開閉装置は、従来のマイクロメカニクスおよび／または半導体製造技術等の材料および方法に基づくマイクロリレーＭＲによってマイクロデバイスとして実現される。
【００１７】
この目的のため、シリコンベース等のマイクロリレーを選択するのが有利であり、これは例えば半導体素子の場合と同様の適当なサンドイッチ構造をとることができ、各層はスイッチ開閉用の機械要素が静電または圧電、すなわち負荷の変化によって動作可能となるようにプロセス構造にされる。従って標準的な駆動力は１０ｍＷ程度の範囲となりうる。コンタクト形成またはコンタクト開成に関しては、このシリコンマイクロリレーは、板バネ機能、曲げ板（ベンダーバー）等と同様に動作しうる。米国特許第５６３８９４６号は、曲げ板を有するリレーを例示している。
【００１８】
スイッチ開閉装置をマイクロデバイスとして構成することはまた、センサ装置またはそれに適合する電子機器との集積構造を可能にし、かかる構造は、センサ装置の回路基板上等の素子もしくはサブアセンブリとして、またはＳＭＤとして、またはセンサ装置の他の適合する電子機器を含むチップとして、ならびに別個のチップとして、構成することが可能である。
【００１９】
制御回路と負荷回路間、および負荷回路の端子間のガルバーニ絶縁は、本発明に従ってセンサ装置中にスイッチ開閉装置を使用する場合の重要な利点である。
【００２０】
センサ装置中でマイクロリレーをスイッチ開閉装置として適切に使用することにより、駆動回路と負荷回路への共通電位を排除でき、このため負荷回路の駆動および配線に関して高い柔軟性が達成できる。
【００２１】
また、動作方向反転器を実現することもできる。
【００２２】
マイクロリレーの高入力インピーダンスと制御回路−負荷回路間のガルバーニ絶縁の結果、動作方向の反転は、回路図中の様々な位置にマイクロリレーＭＲを対応して挿入することによって、追加コンポーネントの必要なく、またはこの柔軟性を得るための他の配線構造の必要なく、簡単に行うことができる。従って、得られるセンサ装置のサブアセンブリのレイアウト費用および規模は、特に全コンポーネントをＳＭＤとして構成できることから、最小限に抑えられる。
【００２３】
従来のリレーを使用した場合と比較すると、マイクロリレーを用いた場合、高い耐振動性のために誤動作の確率が減り、かつその用途および応用範囲を大幅に広げられるという重要な利点が得られる。
【００２４】
センサ装置の出力回路中のスイッチ開閉装置をマイクロリレーを用いて設計することにより、先行技術でこれまで使用されてきたコンポーネントおよびサブアセンブリの利点を実現することに加えて、驚くべき方法で新規かつ大幅に駆動および切換え動作を簡素化できる。これはセンサ装置の出力回路を複数チャネル設計にした場合にもあてはまる。
【００２５】
以下に、スイッチ開閉装置およびその内部構造、ならびに外部駆動例、内部および外部切換え構造または回路構造の概略図を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００２６】
（発明を実施するための最良の形態）
センサデバイスは、誘導センサ等の対応するトランスデューサを有し、出力回路を含む対応の適合または適応電子機器が関連付けられるサブアセンブリとして構成されるものと考えてもよい。この出力回路は最低１つの対応するスイッチ開閉装置を有し、これは好適にはマイクロリレーＭＲであり、後段の負荷回路の切換えを行う最低１つのスイッチ要素を有する。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｅ）は、対応するマイクロリレー１の簡略記号図である。マイクロリレーを各種外部配線を含むチップとして構成する可能性もあることにも言及しておく。
【００２８】
図１（ａ）〜（ｅ）は、通常は開状態のコンタクトすなわち閉塞器としてのマイクロリレー１に関して例示する。
【００２９】
図１（ａ）は、マイクロリレー１と各端子とを概略的に示し、三角のブロック部分は、端子ＶＤＤ−ＶＳＳ間の供給電圧が継続的に供給される増幅器３を示す。増幅器３は入力信号４を受信し、出力側では図１（ａ）では開状態で示すスイッチ２に作用する。
【００３０】
以後の説明では、マイクロリレー１は、記号上、図１（ｂ）に示すように閉塞器として使用するものとして示す。
【００３１】
図１（ｃ）は、閉塞器としてのマイクロリレー１の他の実施形態を示し、ここでは別個の制御入力を省略し、対応の供給電圧の印可または対応の電圧差への到達によって切換え機能を実現する。
【００３２】
図１（ｄ）および（ｅ）は、マイクロリレーおよびその外部配線をチップ内に配置した場合の２つの実施形態を例示する。
【００３３】
図１（ｄ）の例では、アンプ３の入力を端子ＶＤＤに接続する。図１（ｅ）の他の実施形態では、アンプ入力は端子ＶＳＳにおいてインバータとして構成される。他方の供給電圧端子ＶＤＤは、ダイオード８経由でインバータに印可され、極の混同を防ぐ。図１（ｅ）の例では、ダイオード８を省略してもよい。
【００３４】
上記と同様に、マイクロリレー１を通常は閉状態のコンタクトすなわち開放器として構成することもでき、これを図２（ａ）および（ｂ）に示す。図２（ａ）に示す実施形態では、マイクロリレー１には別個の信号入力４を設け、ＶＤＤ−ＶＳＳ間に継続的に電圧を供給する。図２（ｂ）では、この別個の信号入力を削除して対応の供給電圧によって制御を行い、例えばマイクロリレーの入力端子に制御電圧をかけると、スイッチが開駆動される。
【００３５】
チップ内構成も、図１（ｄ）および（ｅ）に示すマイクロリレーを閉塞器として構成した場合と同じく、開放器として用いても実現できる。
【００３６】
図３（ａ）および（ｂ）は、動作方向が一定のセンサ装置またはセンサ装置出力回路１０の１チャネルの場合の概略図である。
【００３７】
装置回路ＧＫとも称される出力回路１０は、その一方側に図１（ｂ）に対応するマイクロリレー１を有する。このマイクロリレーには、直流電圧源１１から接続端子１２，１３を介して継続して直流電圧が供給される。負荷回路は負荷１５と直流電圧源１６とで概略的に示し、これはマイクロリレー１の出力端子５および６を介して切換えることができる。マイクロリレー１のスイッチ２がガルバーニ絶縁しているため、負荷回路はマイクロリレー１の絶縁耐力内の任意の電位に設定できる。
【００３８】
図３（ｂ）は図３（ａ）と同じ構成だが、負荷回路ＬＫが交流電圧源１７をもつ構成を示す。この図から、マイクロリレー１の制御回路のガルバーニ絶縁により、負荷回路ＬＫには交流電圧も供給可能なことが明らかである。従って、負荷回路ＬＫには、時間によって変化する任意の電圧、および／または任意の極性の電圧を供給でき、このためデータ線またはインターフェースの接続にも適している。
【００３９】
このように、図３（ａ）および（ｂ）は、出力回路１０すなわち装置回路ＧＫと負荷回路ＬＫとの配線に関して、マイクロリレー１が非常に高い自由度で適用できることを概略的に示す。ただし、応用によっては広範囲な外部配線費用が必要となる場合もある。
【００４０】
図３（ａ）および（ｂ）に従う回路に基づき、次のような回路または切換え方式、および配線が実現できる。図示するように、出力回路１０すなわち装置回路ＧＫと負荷回路ＬＫとはガルバーニ接続していない。出力回路１０と負荷回路ＬＫとは、センサ装置もしくは出力回路１０の外部で、または出力回路１０内部でガルバーニ接続し、例えば同一基準電位をもつか、もしくは基準電位が不均一な場合は電圧の和をとる。ガルバーニ接続の場合、自由なままの出力５または６は、ｐ型またはｎ型スイッチング方式に設計できる。ｐ型スイッチングとは正電位についての切換えであり、ｎ型スイッチングとは負電位についての切換えである。
【００４１】
出力回路１０または負荷回路は、異なる電圧値または振幅をもちうる。出力回路および負荷回路は、同一または対向する極性をもちうる。また負荷回路が出力回路に対して極性が変化するようにしてもよい。
【００４２】
図３（ａ）および（ｂ）に示す負荷回路と電圧源の外部配線の汎用の接続可能性を、図４（ａ）および（ｂ）に示すように大幅に簡略化して、かつ図５（ａ）および（ｂ）のようにさらに簡略化して、出力回路１０すなわち装置回路ＧＫと負荷回路ＬＫ間をガルバーニ接続するようにしてもよい。
【００４３】
センサ装置の出力回路１０と負荷回路ＬＫ間にガルバーニ接続が必要な場合、センサ装置または出力回路１０内部でマイクロリレー１のスイッチ２と電位ＶＳＳに関する接続端子１３との間をガルバーニ接続２１するのが有利である。その先の負荷回路すなわち負荷１５の配線は、接続端子５と接続端子１３の電位に接続する。図４（ａ）の例では、このため負荷回路ＬＫ中の直流電圧源１６に交流電圧源１７の交流電圧を重畳する。
【００４４】
添付図面中、同一参照番号は同じサブアセンブリおよびコンポーネントを指すので、簡略化のため対応図面中ですべてのサブアセンブリを示す必要はないことを注記しておく。図３（ａ）では、簡略化および接続端子６−１３間の内部接続のため、一般的な非整合接続の３線センサまたは図４（ａ）に示す端子タイプをもつことが可能である。
【００４５】
図４（ｂ）に示す変形例と図４（ａ）との相違点は、出力回路１０内部のガルバーニ接続２２が正の接続端子１２へ延びることである。従って負荷回路ＬＫは、出力端子６と、直流電圧源ＶＤＣ１１からの正電位をもつ接続端子１２とに接続する。
【００４６】
図４（ａ）および（ｂ）に示す実施形態では、負荷回路ＬＫに印可される電位は、図示する配線では直流供給電圧１１未満またはそれより上回ってもよい。
【００４７】
３つの端子をもち、図４（ａ）および（ｂ）に示し、内部ガルバーニ接続２１または２２を考慮して３線センサと称することもできるセンサ装置出力回路１０は、図３（ａ）および（ｂ）に関して説明したのと同じ利点が得られる。特に、自由なままの出力をｐ型またはｎ型スイッチング方式に設計できる。負荷回路ＬＫと出力回路１０とは、異なる電圧値および振幅をとることができ、および／または同極性または逆極性でもよい。出力回路１０に対して負荷回路ＬＫの極性は可変であり、かつ負荷回路ＬＫには時間によって変化する任意の電圧および／または任意の極性の電圧を供給できる。
【００４８】
図５（ａ）および（ｂ）はさらに簡略化した例を示す。図５（ａ）では、負荷回路の負荷１５を、出力端子５と、直流電圧源１１の正電位をもつ接続端子１２とに接続する。図５（ｂ）の場合は、負荷回路１５は、出力端子６と、接続端子１３すなわち直流電圧源１１の負電位との間に位置する。
【００４９】
従って、この簡略化した変形例では、ｎ型スイッチング方式、ｐ型スイッチング方式、開放器、および閉塞器を任意に組み合わせた標準的な各種接続タイプに対応する、もっとも標準的な実施形態を実現できる。
【００５０】
図６（ａ）は、図４（ａ）および（ｂ）に従う出力回路１０の他の発展例を示す。図６（ａ）の実施形態では、負荷回路への基準電位を反転できる。この目的のため、供給電位ＶＤＤの接続端子１２と電位ＶＳＳの接続端子１３との間に反転スイッチ２４を設け、このスイッチはＷＲＵ端子２５の動作方向反転器ＷＲＵによって反転できる。マイクロリレー１を駆動してスイッチ２を閉じると、図６（ａ）に示す位置では、負荷回路への出力端子６は電位ＶＤＤへつながる。動作方向反転器を作動させて反転スイッチ２４を切換えると、出力端子６には電位ＶＳＳが印可される。
【００５１】
このように、マイクロリレー１の対応出力６には、希望に応じて一方極または他方極の供給電圧が印可でき、すなわちｐ型およびｎ型スイッチング方式に設計できる。反転スイッチ２４は、内部ブリッジ、スイッチングロジック、または他の内部配線プログラミング等の任意の適当な形式で構成できる。
【００５２】
図６（ａ）の反転スイッチ２４の代わりに、図６（ｂ）に示す内部配線で２つの簡単なスイッチ２６，２７を使用した場合も同じ機能性が得られ、これらスイッチは別個のマイクロリレーとしても構成可能である。
【００５３】
このように図４（ａ）および（ｂ）のところで説明した利点および配線可能性を維持しながら、同時にｐ型またはｎ型スイッチング方式に関してさらに拡張することが可能である。
【００５４】
図７（ａ）に示す実施形態では、プッシュプル出力２９を有する３線センサを設計するために、センサ装置出力回路１０に開放器としての第２のマイクロリレー１４を設ける。上側のマイクロリレー１は図４（ｂ）の内部配線に対応し、下側の第２のマイクロリレー１４は図４（ａ）に従う内部配線を有し、このマイクロリレーは開放器として構成される。２つのマイクロリレーの対応する端子５および６は、プッシュプル出力２９へ延ばされる。信号端子４を介して同一の駆動信号がマイクロリレー１，１４両方に印可される。
【００５５】
図７（ａ）では、一方のスイッチ切換え状態では、接続端子１３からの電位ＶＳＳがプッシュプル出力２９に印可される。他方のスイッチ切換え状態では、マイクロリレー１４がマイクロリレー１を開放かつ閉鎖し、これによりプッシュプル出力２９は端子１２から電位ＶＤＤを受ける。
【００５６】
負荷をＶＤＤ−出力間またはＶＳＳ−出力間で切換えられるため、この内部構成では動作方向の選択ができる。従って、プッシュプル出力２９はｐ型とｎ型のいずれかのスイッチング方式で動作できる。この動作モードのため、誘導負荷をもつ回復ダイオードは必要ない。特に、高周波を切換える場合、センサ装置中の電力損失を抑える。
【００５７】
図７（ａ）の回路の機能性は、制御可能な動作方向反転器ＷＲＵを端子２５に付加することによりさらに改善される。図７（ｂ）の例では、個々のマイクロリレー１，１４を駆動するロジック２８にＷＲＵ端子２５と信号端子とを設ける。図７（ｂ）の配線では、制御用のＷＲＵと、おそらくは追加ロジックとを設けることにより、センサまたはその出力回路１０内部でｎ型スイッチング方式、ｐ型スイッチング方式、開放器、および閉塞器を任意に組み合わせた様々な出力が可能となる。
【００５８】
制御ロジックは、例えば同一の複数のマイクロリレーの使用が可能で、このため例えば両マイクロリレーを希望に応じて閉塞器または開放器として設計してもよい。図７（ｂ）の構成の代わりに、ＷＲＵを内部または外部ブリッジとして構成してもよい。
【００５９】
図７（ａ）および（ｂ）に示す回路は、比較的簡単な方法で２チャネルの自由電位形式に拡張可能できるという利点がある。この目的のため、例えば図８（ａ）では、図７（ａ）に示すマイクロリレー１，１４の２つの出力端子を外部へ出す。従って図８（ａ）の例では、２組の独立したガルバーニ絶縁出力５，６または５’、６’が存在し、ロジック回路２８は信号端子４とＷＲＵ端子２５とを有するため、２つのマイクロリレー１，１’を同一方向または逆方向に駆動可能である。
【００６０】
２チャネルセンサ装置を同方向に駆動して簡単に反対の値の出力を得るには、図８（ｂ）の下側のマイクロリレー１４で示すように、単に図８（ａ）のマイクロリレー１’を開放器として設計しロジック回路を省略すればよい。
【００６１】
図３（ａ）および（ｂ）に示す１チャネルの場合の特徴および利点は、図８（ａ）の実施形態の個々のチャネルにも同様にあてはまる。また、この２チャネル形式の出力段１０では、２つの負荷回路ＬＫを図３（ａ）および（ｂ）の出力回路１０と負荷回路との場合に関して説明したのと同じように、自由に配線接続できることを注記しておく。
【００６２】
図８（ｂ）に示す実施形態では、上側のマイクロリレー１を閉塞器として設計し、下側のマイクロリレー１４は開放器として設計し、各リレー１，１４は共通の信号線４によって制御可能であり、従って反対の価に切換え可能である。マイクロリレーの両出力線５，６または５’，６’は、本例では外部に出す。
【００６３】
図６（ａ）で１チャネルで基準電位と任意に配線できるのとほぼ同様に、図８（ｃ）に示すような２チャネル構成でもかかる配線が実現できる。図８（ｂ）の構成に加えて、内部スイッチ２４によって接続端子１２または接続端子１３のいずれかと接続することにより、対応する基準電位ＶＤＤまたはＶＳＳと任意に配線できる（図８（ｃ））。
【００６４】
動作方向反転器によって駆動される反転スイッチ２４の代わりに、図６（ｂ）に示すような個々のスイッチ２６，２７を用いた構成にすることも可能である。
【００６５】
１つまたは複数のマイクロリレーを使用した場合、対応する半導体ベースのマイクロリレーは通常は高いオーム入力をもち、同時に制御回路と負荷回路間がガルバーニ絶縁されるため、センサ装置の制御および出力回路の駆動が簡素化できるという重要な利点がある。従来のエレクトロメカニカルリレーでは、駆動電流が非常に高いためこのような駆動は想定できない。
【００６６】
図９（ａ）は、従来のエレクトロメカニカルリレー用の入力の構成を簡略化したものである。給電端子３２−３３間に負荷抵抗器３４とトランジスタ３５とを直列に設け、トランジスタ３５のエミッタは端子３３に接続する。ベース端子３７の駆動により、端子３６で対応の信号が得られる。この構成で従来のエレクトロメカニカルリレーを使用する場合は、負荷抵抗器３４の位置に挿入できる。しかし、端子３６および３３を介して従来型のリレーを挿入する際、抵抗器３４を非常に低くしなければならず、シャント電流が高くなりすぎるのでこのモードは不可能となりうる。また他の実施例においても、例えば対応するオペアンプ、比較器の出力段を介して、またはロジックによってエレクトロメカニカルリレーを駆動する場合などは、高駆動電流を発生するように設計しなければならない。他の問題としては、対応するリレーに動作方向反転器を希望する場合は、どの場合も追加コンポーネントが必要で費用が増大する。
【００６７】
しかし、マイクロリレー１を使用する場合は、入力の配線を比較的簡単かつ安価に行うことができる。
【００６８】
図９（ａ）に示すような一般的なスイッチ段では、図９（ｂ）に示すようにマイクロリレー１を正端子３２とトランジスタ３５のコレクタ側に位置する端子３６との間に接続できる。
【００６９】
ただし図９（ｃ）に示す例では、マイクロリレー１は負の供給電圧３３側に位置する。追加コンポーネントなしで、従って非常に安価に、マイクロリレー１の入力配線をこのように自由に選択できるため、希望する動作方向の反転を行うことができる。マイクロリレー１の入力抵抗は常に負荷抵抗器３４の抵抗値よりかなり高くなるようにできるので、負荷抵抗器の大きさに関する問題は生じない。
【００７０】
図９（ｂ）および（ｃ）に示す回路に基づいて、回路図中でマイクロリレー１の位置を変更するだけでどのように動作方向を反転するかを示す。マイクロリレー１は、負荷抵抗器３４およびトランジスタ３５のどちらにも並列に配置できる。これはマイクロリレー１が閉塞器、開放器のどちらに構成されるかにはまったく関係なく適用できる。
【００７１】
特に、オートメーション産業で標準的な制約、例えばセンサ出力が必ず所定の切換え位置となる停電時などを考慮すると、これら変形例はどれも実際に使用可能であることは明白である。
【００７２】
センサ装置に適合または適応する電子機器について、この電子機器に対応する基板レイアウトを用いた場合、他のコンポーネントを設ける必要なく、対応するマイクロリレーをこの対応レイアウトの適切な位置のコンタクト面上に単に配置するだけで、動作方向およびスイッチタイプ、ｎ型スイッチング等のあらゆる組み合わせを実現できる。従って、対応のマイクロリレーを出力回路の電子機器の回路サポートまたはキャリア上に配置するだけで、希望の機能を得ることができる。
【００７３】
図１０（ａ）および（ｂ）に、マイクロリレー１の動作方向反転器を設ける他の有利な変形例を示す。図１０（ａ）では、マイクロリレー１の入力は、抵抗器４１等の電流制限要素に配線し、抵抗器４１の一方側は供給電圧ＶＤＤ３２に接続し、他方側はマイクロリレー１およびマイクロリレー１と並列に設置したブリッジ４４に接続する。ブリッジ４４は他方極とともに信号端子４に接続する。端子３３からの他方の供給電圧ＶＳＳは、抵抗器４２等の他の電流制限要素を介して、マイクロリレー１および別ブリッジ４５に印可される。この別ブリッジ４５の他方極も信号端子４に接続する。従って、これらブリッジ４４，４５によって、マイクロリレー１の動作方向をプログラマブルにできる。これは例えば、対応するブリッジの絶縁、または対応するブリッジの追加もしくは閉鎖によって行われる。かかる端子変更は、センサ製造時に固定形式で行うか、または希望に応じてユーザが使用時に行ってもよい。これらブリッジ４４，４５は端子ボックス等の外部からアクセス可能である。
【００７４】
図１０（ｂ）は、マイクロリレー１の動作方向を制御可能に反転する様子を示し、ここではブリッジ整流器がマイクロリレーの上流に接続される。
【００７５】
マイクロリレー１の特殊な特性、例えば制御入力での電位自由度、入力側と出力側間のガルバーニ絶縁、および高い入力インピーダンス等のため、ＷＲＵ機能は、整流器ブリッジ、特定的にはブリッジ整流器４６を用いて非常に簡単に実現できる。
【００７６】
これに対応する構成を図１０（ｂ）に示す。整流器ブリッジ４６の直流電圧端子はマイクロリレー１に接続される。整流器ブリッジには、信号端子４と、反転スイッチ４７を介して反転可能な供給電圧３２または３３の対応端子が接続される。
【００７７】
従来のエレクトロメカニカルリレーを用いた場合は、リレーを駆動する適切な回路技術の構成は無理と考えられる。
【００７８】
図１０（ｂ）の構成では、希望に応じて、外部からアクセス可能なブリッジを挿入するか、または対応の制御入力３１の制御ロジックによって、動作方向を反転できる。対応の初期設定では、この制御はまた、センサ装置の継続動作中の動作方向の反転にも影響しうる。制御入力と基準電位とを固定配線することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】別個の信号入力をもつマイクロリレーを短縮した記号図で表わした概略構造図である。
【図１ｂ】別個の信号入力をもつマイクロリレーを短縮した記号図で表わした概略構造図である。
【図１ｃ】別個の信号入力をもたず、供給電圧によって駆動されるマイクロリレーの記号図である。
【図１ｄ】スイッチ開閉要素が通常は開状態のコンタクトすなわち閉塞器である場合のチップ上のマイクロリレーの設計可能性を示す図である。
【図１ｅ】スイッチ開閉要素が通常は開状態のコンタクトすなわち閉塞器である場合のチップ上のマイクロリレーの設計可能性を示す図である。
【図２ａ】それぞれ別個の信号入力をもつ場合ともたない場合の、通常閉状態のコンタクトすなわち開放器としてのマイクロリレーの記号図である。
【図２ｂ】それぞれ別個の信号入力をもつ場合ともたない場合の、通常閉状態のコンタクトすなわち開放器としてのマイクロリレーの記号図である。
【図３ａ】マイクロリレーの基本的な外部配線の可能性を示す図である。
【図３ｂ】マイクロリレーの基本的な外部配線の可能性を示す図である。
【図４ａ】３点端子をもち内部ガルバーニ接続を有するマイクロリレーの出力端子群と、外部配線の可能性との簡略図である。
【図４ｂ】３点端子をもち内部ガルバーニ接続を有するマイクロリレーの出力端子群と、外部配線の可能性との簡略図である。
【図５ａ】図４と同様の実施形態であるが、負荷回路を簡略化した図である。
【図５ｂ】図４と同様の実施形態であるが、負荷回路を簡略化した図である。
【図６ａ】内部ガルバーニ接続および動作方向反転器を有するマイクロリレーの実施形態を示す図である。
【図６ｂ】内部ガルバーニ接続および動作方向反転器を有するマイクロリレーの実施形態を示す図である。
【図７ａ】２つのマイクロリレーに基づく３点センサとしてのセンサ装置のプッシュプル出力の実施例を示す図である。
【図７ｂ】２つのマイクロリレーに基づく３点センサとしてのセンサ装置のプッシュプル出力の実施例を示す図である。
【図８ａ】２つの実質的に並列接続されたマイクロリレーによるセンサ装置の２チャネル実施例を示し、動作方向反転器を有する図である。
【図８ｂ】２つの実質的に並列接続されたマイクロリレーによるセンサ装置の２チャネル実施例を示し、動作方向反転器を有する図である。
【図８ｃ】２つの実質的に並列接続されたマイクロリレーによるセンサ装置の２チャネル実施例を示す図である。
【図９ａ】一般的な切換え段を示す図である。
【図９ｂ】異なる動作方向についてのマイクロリレーの接続可能性を示す図である。
【図９ｃ】異なる動作方向についてのマイクロリレーの接続可能性を示す図である。
【図１０ａ】ブリッジセクションすなわち整流ブリッジによるマイクロリレーのプログラマブルな動作方向反転の可能性を示す図である。
【図１０ｂ】ブリッジセクションすなわち整流ブリッジによるマイクロリレーのプログラマブルな動作方向反転の可能性を示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年11月8日(2002.11.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ装置、特にしきい値センサ装置であって、
測定した量を検出するセンサシステムと、
前記センサシステムに関連付けられ、負荷回路の切換えを行うスイッチ開閉装置（１）と、
前記センサシステムと作動接続され、制御端子を有し、前記スイッチ開閉装置を駆動する制御回路とを含み、
前記スイッチ開閉装置は、前記制御回路によって切換え可能で、前記制御回路とガルバーニ絶縁され、出力端子が設けられた出力回路を含み、前記出力端子間は少なくとも一方のスイッチ状態でガルバーニ絶縁され、
前記スイッチ開閉装置は、ほぼ無効電流での駆動を目的として、マイクロメカニクスおよび／または半導体技術で従来利用される材料および方法に基づいて製造されるマイクロリレーとして構成され、前記マイクロリレーは、マイクロメカニカル構造をもつ少なくとも１つの可動および／または変形可能なスイッチ開閉要素（２）を含み、
前記センサシステムは物体および／または流体物質の検出用に設計され、
前記センサ装置は前記負荷回路から独立して構成され、
前記負荷回路は、前記スイッチ開閉装置の前記出力回路と直接作動接続されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ装置において、前記センサシステムは近接スイッチ、特定的には誘電、静電、光電子、超音波、または磁場近接スイッチとして構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセンサ装置において、前記センサシステムはレベルセンサとして構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）はシリコンマイクロリレーとして構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉要素（２）は静電または圧電により動作可能であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉要素（２）は、閉塞器（１）または開放器（１４）として構成され、前記スイッチ開閉装置（１）を駆動する別個の制御端子（４）を設けるか、または前記スイッチ開閉装置（１）の電圧供給源（１２，１３）に接続された前記スイッチ開閉装置（１）の駆動装置を設けることを特徴とするセンサ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）の前記制御端子（４）は、プログラマブルに構成されるか、および／または固定配線で構成されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）の前記制御回路の前記制御端子（４）と、負荷回路（１５，１６）への出力端子（５，６）とは、前記負荷回路を電位に関係なく切換えるように設計されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記スイッチ開閉装置（１）の前記負荷回路（１５）への出力端子（５，６）は、前記スイッチ開閉装置内部で接続可能（２１，２２）か、または供給電圧端子（１２，１３）と外部で接続可能であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記負荷回路（１５）を前記スイッチ開閉装置（１）の供給電圧（１１）への任意の基準電位と切換えるために、前記負荷回路（１５）中に別個の電圧源（１６）を設置可能なことを特徴とするセンサ装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記負荷回路（１５）は、前記スイッチ開閉装置（１）の供給電圧端子（１２，１３）に接続可能なことを特徴とするセンサ装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記出力回路（１０）は、３線端子（５，１２，１３；６，１２，１３）として外部へ出されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のセンサ装置において、前記３線端子の２つの端子（１２，１３）には供給電圧が印可され、前記切換え可能な負荷回路端子（６）には駆動可能な反転スイッチ（２４）が設けられ、前記切換え可能な負荷回路端子（６）は、前記反転スイッチ（２４）によって前記供給電圧端子（１２，１３）の一方と交互に接続できることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１４】
請求項１２または１３のいずれかに記載のセンサ装置において、前記切換え可能な負荷回路端子（６）は、２つのスイッチ（２６，２７）によって前記供給電圧端子（１２，１３）の一方に接続可能であり、前記スイッチ（２６，２７）は対向する方向に制御可能であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のセンサ装置において、負荷回路の２チャネル制御のため、２つのマイクロリレー（１，１’；１，１４）が前記出力回路（１０）内で駆動装置と並列に駆動され、前記負荷回路の少なくとも出力端子（５，６，５’，６’）が外部に出されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のセンサ装置において、前記２つのマイクロリレー（１，１’；１，１４）は、同一方向（１，１’）または対向方向（１，１４）に切換え可能なことを特徴とするセンサ装置。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記負荷回路（１５）またはそれぞれ異なる複数の負荷回路群（１５）の駆動装置は、動作方向反転装置（２４，２５，２６，２７）をもつように設計されることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロリレー（１）の駆動回路中に、前記マイクロリレー（１）の動作を反転させるためのＸＯＲ（排他的ＯＲ）素子、特定的にはブリッジ整流器（４６）が設けられることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロリレー（１）の動作方向を選択するため、閉鎖可能および／または絶縁可能なブリッジセクション（４４，４５）と抵抗器（４１，４２）とが設けられることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２０】
請求項１ないし１９のいずれか１項に記載のセンサ装置において、前記マイクロリレー（１）の希望機能、例えば動作方向の反転は、本質的に追加コンポーネントなしで、回路中で前記マイクロリレーを再配置することによって、特定的には前記マイクロリレーの入力構造または適応する電子機器の再配置によって達成できることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２１】
マイクロメカニクスおよび／または半導体技術で従来利用される材料および方法に基づいて製造され、マイクロメカニカル構造をもつ少なくとも１つの可動および／または変形可能なスイッチ開閉要素（２）を有するマイクロリレーの使用であって、前記マイクロリレーは、
制御端子を有し、前記マイクロリレーをほぼ無効電流で駆動する制御回路と、
前記制御回路によって切換え可能で、前記制御回路とガルバーニ絶縁され、出力端子を有し、前記出力端子間は少なくとも一方の切換え状態でガルバーニ絶縁された出力回路と、
センサ装置、特定的にはしきい値センサ装置中の負荷回路を切換えるスイッチ開閉装置とを含み、前記センサ装置は、
測定された量を検出するためのセンサシステムを含み、
前記センサシステムは前記マイクロリレーの制御回路と作動接続され、
前記センサシステムは物体または流体材料の検出用に構成され、
前記センサシステムは前記負荷回路から独立して構成され、
前記負荷回路は前記スイッチ開閉装置の出力回路と直接作動接続していることを特徴とするマイクロデバイスの使用。
【国際調査報告】
2004510970.tif 000057
2004510970.tif 000058
2004510970.tif 000059
2004510970.tif 000060