JP6006682B2 - マルチセンサおよびセンシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、マルチセンサ、およびマルチセンサを用いたセンシングシステムに関する。

インターネットやスマートフォンなどのＩＣＴ（Information and Communication Technology）の普及により、膨大な情報がネットワーク上に集められ、それらを用いた様々なサービスが活発に展開されるようになってきた。近年では、人やモノの状態等をモニターするために、センサを携帯・設置するニーズが増している。

センサについては、例えば特許文献１に、複数の検出素子を選択回路を介してセンサ回路に接続する状態応答検出システムが記載されている。

特許第4936337号公報

従来のセンサは、それ専用に設計され、またはカスタマイズして製造されるため、ある程度の規模の個数を製造しないと、コストを下げることができない。また、きめ細やかなモニタリングを実現するために、複数の異なる種類のセンサを用いる場合に、高コスト化してしまうなどの問題がある。なお、非特許文献１のシステムは、専用設計されたものであって、センサの汎用化については考慮されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、汎用的で低コストなマルチセンサおよび当該マルチセンサを用いたセンシングシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の本発明は、マルチセンサであって、物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、を有し、前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが対向して配置され、電気的に接続される。

第２の本発明は、マルチセンサであって、物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、前記センサ回路と前記トランスデューサとを接続するための第１の接続部と、を有し、前記第１の接続部は、前記トランスデューサの電極と、前記センサ回路の電極とを導電性材料を用いて結合することにより、前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが接続される。

第３の本発明は、マルチセンサであって、物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、前記センサ回路と前記トランスデューサとを接続するための第１の接続部と、を有し、前記第１の接続部は、対向して配置された前記トランスデューサ側の電極と、前記センサ回路側の電極とが容量性結合することにより、前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが接続される。

第４の本発明は、マルチセンサであって、物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、前記センサ回路と前記トランスデューサとを接続するための第１の接続部と、を有し、前記第１の接続部は、対向して配置された前記トランスデューサ側のコイルと、前記センサ回路側のコイルとが誘導性結合することにより、前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが接続される。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ信号処理部は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を有し、前記Ａ／Ｄ変換回路のダイナミックレンジは可変である。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ信号処理部は、前記センサ回路の感度調整またはキャリブレーションを行う調整部を有する。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記第１の接続部を介して前記トランスデューサと接続し、電気信号を印加する駆動回路を有する。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、第２の接続部を介して前記トランスデューサに電気信号を印加する駆動回路を有する。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記トランスデューサと前記第１の接続部を介して直列に接続されるインピーダンス調整回路を有する。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有する。

上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、前記インピーダンス調整回路は、前記第１の接続部および前記第２の接続部を介して、前記トランスデューサと接続する。
上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、前記インピーダンス調整回路は、前記第１の接続部および第３の接続部を介して、前記トランスデューサと接続する。
上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、前記インピーダンス調整回路は、前記第２の接続部および第３の接続部を介して、前記トランスデューサと接続する。
上記マルチセンサにおいて、前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、前記インピーダンス調整回路は、第３の接続部および第４の接続部を介して、前記トランスデューサと接続する。

第５の本発明は、マルチセンサと、前記マルチセンサを制御する制御装置とを備えるセンシングシステムであって、前記制御装置は、前記マルチセンサの任意のセンサ回路を起動させる制御信号を、前記マルチセンサに送信し、前記マルチセンサのセンサ信号処理部は、前記制御信号で指定されたセンサ回路を起動する制御部を有する。

上記センシングシステムにおいて、前記制御装置は、前記マルチセンサのセンサ回路毎に、感度調整またはキャリブレーションを指示する制御信号、またはＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジが指定された制御信号を、前記マルチセンサに送信し、前記マルチセンサの制御部は、前記制御信号に従って、センサ回路毎に感度またはキャリブレーションを調整、またはＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジを変更する。

本発明によれば、汎用的で低コストなマルチセンサおよび当該マルチセンサを用いたセンシングシステムを提供することができる。

本発明に係るマルチセンサの基本構造とコンセプトとを説明するための説明図である。 代表的なセンサにおける物理量とトランスデューサとセンシング量との関係を示す表である。 マルチセンサの具体的な構成例を示す図である。 第１の実施形態のマルチセンサの構成例を示す図である。 第２の実施形態のマルチセンサの構成例を示す図である。 第３の実施形態のマルチセンサの構成例を示す図である。 第４の実施形態のマルチセンサの構成例を示す図である。 第５の実施形態のマルチセンサの構成例を示す図である。 第６の実施形態（その１）のマルチセンサの構成例を示す図である。 第６の実施形態（その２）のマルチセンサの構成例を示す図である。 第６の実施形態（その３）のマルチセンサの構成例を示す図である。 第６の実施形態（その４）のマルチセンサの構成例を示す図である。 第７の実施形態のセンシングシステムの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その１）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その２）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その３）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その４）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その５）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その６）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その７）のマルチセンサの構成例を示す図である。 その他の実施形態（その８）のマルチセンサの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係るマルチセンサの基本構造とコンセプトとを説明する説明図である。図１（ａ）に示すように、マルチセンサは、複数のトランスデューサ１０と、センサ信号処理部２００とを有する。

トランスデューサ１０は、光子、振動、圧力、熱、分子量などの物理量を検出し、電圧、電流、電荷などの電気量に変換して出力する。トランスデューサ１０には、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子等が用いられる。本実施形態のマルチセンサでは、当該マルチセンサの用途、目的に応じて、所望の種類のトランスデューサ１０を用いるものとする。すなわち、異なる複数の種類のトランスデューサ１０を、必要な数だけ組み合わせて用いることができる。なお、同じ種類の複数のトランスデューサを、必要な数だけ用いることとしてもよい。

センサ信号処理部２００は、複数のセンサ回路（センサセル）が、例えば半導体ウエハ、半導体チップなどの同一平面上にアレイ状に配置された基盤である。センサ回路２０は、トランスデューサ１０と接続される。センサ信号処理部２００は、各トランスデューサ１０から出力される電気量を、電子機器などが取り扱い可能な電気信号（アナログ信号、デジタル信号など）に変換し、センシング信号として出力する。センサ回路２０は、例えばＣＭＯＳ ＬＳＩなどの半導体技術を用いて製造することができる。

本実施形態では、センサ回路２０として、電圧検出用のセンサ回路、電荷検出用のセンサ回路、電流検出用のセンサ回路などの複数の種類のセンサ回路２０が、センサ信号処理部２００の同一平面上に配置されている。センサ信号処理部２００を、半導体チップ（または半導体ウエハ）として共通汎用化し、外部からの設定で様々なセンサデバイスとして機能するように設計しておく。このようにすることで、本実施形態のセンサ信号処理部２００は、ＬＳＩを用いた半導体製造技術により大幅なコストダウンを図ることができる。

また、このような汎用化されたセンサ信号処理部２００の各センサ回路２０上に、複数の任意の種類のトランスデューサ１０を接続（アドオン）することで、図１（ｂ）に示すように、所望のマルチセンサを容易に低コストで実現ことができる。具体的には、複数の種類のトランスデューサ１０を用いることで様々な物理量（光子、振動、圧力、熱など）を検出できる。また、各トランスデューサ１０を、当該トランスデューサ１０の種類に応じて、対応する所望の種類のセンサ回路２０に接続することで、様々な種類のセンシング信号を出力できる。

すなわち、複数の種類のトランスデューサ１０と、複数の種類のセンサ回路２０とを、用途に応じてそれぞれ組み合わせることで、様々なマルチセンサを容易に実現することができ、また、サービスの仕様に応じてマルチセンサを柔軟にカスタマイズすることができる。なお、複数のトランスデューサ１０を、複数のセンサ回路２０上に接続する方法については、後述する。

次に、センサ信号処理部２００の共通汎用化が可能な背景を以下に説明する。

図２は、代表的なセンサにおける、トランスデューサが検出する物理量と、トランスデューサの種類と、センシング量との関係を示す表である。図２に示すように、トランスデューサと、それに適したセンサ回路とを組み合わせることで、様々なセンサが実現できることが分かる。

図２の表を見ると、トランスデューサは、光検出用のフォトディテクタ（ＰＤ半導体）、圧電素子、可変容量（または容量素子）などの数種類である。また、センシング量は、電圧、電荷および電流の３種類である。このように、いずれかの種類のトランスデューサと、いずれかの種類のセンサ回路とを組み合わせることで、様々な種類のセンサを実現していることが見て取れる。したがって、センサ信号処理部２００が、複数種類のセンシング量をそれぞれ検出する複数種類のセンサ回路２０を備えることで、センサ信号処理部２００を共有汎用化することが原理的に可能である。従来では、センサ毎に、センサ信号処理部２００を、それ専用に設計し、またはカスタマイズを行っているため、コストが高くならざるをえない。

図３に、具体的なマルチセンサの構成例を示す。

図示するマルチセンサは、トランスデューサ１０と、センサアレイ２０１と、Ａ／Ｄ変換回路３０と、出力回路４０と、センサ選択回路５１と、カウントコントローラ５２と、出力選択回路５３とを備える。なお、図３において、トランスデューサ１０を除いた部分が、図２に示すセンサ信号処理部２００に相当する。

センサアレイ２０１は、同一平面上にアレイ状に配置された複数の種類のセンサ回路２０を有する。センサ回路２０と、トランスデューサ１０とは、インタフェース部７０を介して接続される。図２に示す例では、トランスデューサ１０とセンサ回路２０とは、両者の平面電極を介して容量性結合により電気的に接続されている。

図２に示すセンサ回路２０は、センシング回路２１を有する。センシング回路２１は、トランスデューサ１０からインタフェース部７０を介して出力される電気量を所望の電気信号に変換する。具体的には、トランスデューサ１０から出力される電気量を増幅するとともに、必要に応じて増幅した電気量をモード変換（例えば、電流を電圧に変換、または、電圧を電流に変換）して、所望の電気信号に変換する。

図３に示す構成例では、センシング回路２１は、増幅、モード変換などを行った電圧信号を、その電圧に応じたパルス幅を有するＰＷＭ（パルス幅変調）信号に変換して、センサアレイ２０１に配置されたデータ線（ＤＬ０、ＤＬ１、ＤＬｑ）に出力する。ＰＷＭ信号は、パルス幅がアナログ情報をもつ電気信号である。

センサ選択回路５１は、外部の制御装置（不図示）からの制御信号を受け付け、当該制御信号に従って複数のセンサ回路２０の中から、指示されたセンサ回路２０を選択して起動し、当該センサ回路２０に接続されたトランスデューサ１０から出力される電気量をセンシングする。

ＡＤ変換回路３０は、ＰＷＭ信号（アナログ信号）を、デジタル信号に変換する。具体的には、グレイコードを発生するグレイカウンタの出力が、各データ線に配置されたレジスタに入力され、ＰＷＭ信号のパルス幅に対応した信号の変化タイミングでグレイコードがレジスタにラッチされる。これにより、Ａ／Ｄ変換回路３０は、入力されるＰＭＷ信号を、当該ＰＭＷ信号のパルス幅に対応したデジタル信号に変換する。

出力回路４０は、変換されたデジタル信号の値を出力レジスタに転送し、出力選択回路５３により選択されたレジスタのデータを読み出し、出力データとして出力する。その際、グレイデコーダは、出力データを通常のカウンタ値に変換して出力する。

このようなマルチセンサとすることで、任意のセンサ回路２０に接続されたトランスデューサ１０が検知した物理量を、センシング信号として出力することができる。

なお、図３に示す構成は、マルチセンサの１つの構成例であって、図示する構成に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
図４に、本発明の第１の実施形態に係るマルチセンサの構成例を示す。図４の構成要素は、図３に示す構成例の要素を抜き出し、電気的な接続関係を示したものである。具体的には、図４では、センサ選択回路５１により選択された１つのセンサ回路２０（センサセル）と、当該センサ回路２０に接続されるトランスデューサ１０とを示している。

図４に示すマルチセンサは、トランスデューサ１０と、センサ回路２０と、Ａ／Ｄ変換回路３０と、出力回路４０と、制御部５０と、キャリブレーション・感度調整部６０と、トランスデューサ１０とセンサ回路２０とを接続するためのインタフェース部（接続部）７０とを有する。

トランスデューサ１０は、光子、振動、圧力、熱、分子量などの物理量を検出し、電圧、電流、電荷などの電気量に変換して出力する。第１の実施形態のセンサ回路２０は、センシング回路２１を有する。センシング回路２１は、トランスデューサ１０から出力される電気量を所望の電気信号に変換する。具体的には、センシング回路２１は、トランスデューサ１０から出力される電気量を増幅し、また、電流を電圧にまたは電圧を電流に変換するモード変換を行い、所望の電気信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換回路３０は、センシング回路２１から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。出力回路４０は、Ａ／Ｄ変換回路３０から出力されるデジタル信号を、外部に接続された当該マルチセンサを用いる電子機器（不図示）の仕様に基づいた信号に変換し、センシング信号として出力する。

制御部５０は、外部の制御装置からの制御信号に基づいて、センサ回路２０、Ａ／Ｄ変換回路３０および出力回路４０の動作を制御する。なお、図３に示すセンサ選択回路５１、カウントコントローラ５２および出力選択回路５３は、制御部５０に含まれる。

キャリブレーション・感度調整部６０は、各センサ回路２０（センシング回路２１）の特性のキャリブレーション、感度調整などを行う。すなわち、本実施形態のマルチセンサは、様々な種類のトランスデューサ１０を接続可能であるため、各トランスデューサ１０の種類（特性）に対応して、接続するセンサ回路２０の特性のキャリブレーションおよび／または感度を調整する必要がある。

例えば、センサ回路２０毎にトランスデューサ１０が接続されるが、その際に本来不要な寄生素子（寄生容量や寄生抵抗）も実際にはセンサ回路２０に接続されてしまう。これらの寄生素子はセンサ回路２０毎にばらつくため、結果としてセンサ回路２０の特性がばらついてしまう。キャリブレーション・感度調整部６０は、この特性のばらつきを補正し、均一な特性を得るためにキャリブレーションを行う。また、キャリブレーション・感度調整部６０を備えることで、マルチセンサを長期間使用することによる継時変化への対応や、出荷後のテスト機能として用いることもできる。

インタフェース部７０は、トランスデューサ１０とセンサ回路２０（センシング回路２１）とを、電気的に結合・接続するためのものであって、本実施形態では、導電性結合、容量性結合、誘導性結合のいずれかの方法で接続する。

導電性結合（抵抗性結合）は、トランスデューサ１０に接続している電極と、センサ回路２０に接続している電極とをそれぞれ露出しておき、これらの電極をバンプまたはＴＳＶ技術などの導電性材料により接合することで、トランスデューサ１０とセンサ回路２０とを接続する。バンプおよびＴＳＶ技術は、対向して配置された複数の電極を一括して接合する技術であり、複数のトランスデューサ１０と、センサアレイの同一平面上に配置された複数のセンサ回路２０とを、低コストで接続することができる。なお、ＴＳＶ技術は、シリコン貫通電極（Through silicon via）を用いた実装技術である。

容量性結合は、対向して配置された前記トランスデューサ１０側の電極と、センサ回路２０側の電極とが容量性結合することで、トランスデューサ１０とセンサ回路２０とを接続する。具体的には、トランスデューサ１０に絶縁体で被覆した平面電極を接続し、また、センサ回路２０にも絶縁体で被覆した平面電極を接続する。そしてこの２つの平面電極を対向して配置する。これにより、２つの平面電極は電気的に容量性結合する。なお、図３に示すインタフェース部７０は、容量性結合のイメージを示している。この場合、２つの平面電極は物理的には導体などで接合されていないため、接合にともなう加熱等が不要になり、トランスデューサ１０およびセンサ回路２０への加熱による特性劣化等を回避することができるとともに、低コストでトランスデューサ１０とセンサ回路２０とを一括して接続することができる。

誘導性結合は、対向して配置された前記トランスデューサ１０側のコイルと、センサ回路２０側のコイルとが誘導性結合することで、トランスデューサ１０とセンサ回路２０とを接続する。具体的には、トランスデューサ１０に絶縁体で被覆した導電性のコイルを接続し、また、センサ回路２０にも絶縁体で被覆した導電性のコイル極を接続する。そしてこの２つのコイルを対向して配置する。これにより、２つのコイルは電気的に導電性結合する。この場合、２つのコイルは物理的には導体などで接合されていないため、接合にともなう加熱等が不要になり、トランスデューサ１０およびセンサ回路２０への加熱による特性劣化等を回避することができるとともに、低コストでトランスデューサ１０とセンサ回路２０とを一括して接続することができる。

以上により、図４に示す第１の実施形態では、汎用的なセンサ信号処理部２００を用いることで、低コストでマルチセンサを実現することができる。

＜第２の実施形態＞
図５に、本発明の第２の実施形態に係るマルチセンサの構成例を示す。

第２の実施形態のマルチセンサは、可変式のＡ／Ｄ変換回路３０を用いる点において、第１の実施形態のマルチセンサと異なり、その他については第１の実施形態のマルチセンサと同様である。本実施形態の可変式Ａ／Ｄ変換回路３０は、Ａ／Ｄ変換の入力ダイナミックレンジを可変に調整できるようにしたものである。

具体的には、図３に示すように、外部の制御装置からダイナミックレンジが指定されたＡ／Ｄ変更パラメータ（制御信号）が、カウントコントローラ５２（制御部５０）に入力され、カウントコントローラ５２は、指定されたダイナミックレンジにＡ／Ｄ変換回路３０を変更する。

このように、本実施形態では、トランスデューサ１０の種類・特性に合わせて、Ａ／Ｄ変換のダイナミックレンジを変更することで、様々な種類のトランスデューサ１０との接続が容易になる。

＜第３の実施形態＞
図６に、本発明の第３の実施形態に係るマルチセンサの構成例を示す。

第３の実施形態のマルチセンサは、センサ回路２０が駆動回路２２を有する点において、第２の実施形態のマルチセンサと異なり、その他については第２の実施形態のマルチセンサと同様である。

駆動回路２２は、トランスデューサ１０とインタフェース部７０を介して接続され、トランスデューサ１０に電気信号を印加する。例えば、ダイオード特性のようなトランスデューサ１０を接続する場合には、駆動回路２２によりインタフェース部７０を介して電圧を印加することで、その閾値電圧に適したバイアスを印加することができ、その結果、トランスデューサ１０の動作を可能とすることができる。すなわち、トランスデューサ１０の電気特性に合わせて、駆動回路２２により電気信号を印加することで、トランスデューサ１０に適した動作が可能になる。

これにより、第３の実施形態では、トランスデューサの特性合わせて動作（例えば、高い電圧を入れたり、低い電圧をいれること）が可能になり、様々なトランスデューサ１０との接続が容易になる。すなわち、駆動回路２２がない場合は、ダイオード特性のようなトランスデューサ１０を接続してもセンシングすることができない事態が発生する可能性があり、接続できるトランスデューサの種類が限定されてしまう。これに対し、本実施形態では、センサ回路２０が駆動回路２２を備えることで、１つのセンサ信号処理部２００が接続できるトランスデューサの種類を増やすことができる。

＜第４の実施形態＞
図７に、本発明の第４の実施形態に係るマルチセンサの構成例を示す。

第４の実施形態のマルチセンサは、駆動回路２２がインタフェース部７０（以下、「第１のインタフェース部７０」）とは別の第２のインタフェース部７１を介してトランスデューサ１０と接続される点において、第３の実施形態のマルチセンサと異なり、その他については第３の実施形態のマルチセンサと同様である。なお、第２のインタフェース部７１の接続方法は、第１の実施形態で説明した導電性結合、容量性結合、誘導性結合のいずれであってもよい。本実施形態では、図１に示す各センサ回路２０（センサセル）の上面に２つのインタフェース部７０、７１が形成される。

第４の実施形態では、トランスデューサ１０の特性に合わせて、第１のインタフェース部７０または第２のインタフェース部７１のいずれかの接続方法を選べるため、第１のインタフェース部７０と第２のインタフェース部７１とが異なる接続方法で接続されている場合、より多数の種類のトランスデューサ１０と接続することが第３の実施形態と比較して容易になる。

具体的には、図６の第３の実施形態では、センシング回路２１と駆動回路２２とが同一の第１のインタフェース部７０を介してトランスデューサ１０に接続されているため、インタフェース部の接続種類は、導電性結合、容量性結合、誘導性結合の中の１つに限定される。例えば、トランスデューサ１０と駆動回路２２とを、導電性結合のインタフェースで接続したい場合であっても、センサ回路２０の都合により容量性結合のインタフェースで接続する必要がある場合は、トランスデューサ１０と駆動回路２２とは容量性結合の第１のインタフェース部７０で接続せざるを得ない。

これに対し、図７に示す本実施形態では、トランスデューサ１０と駆動回路２２とは、導電性結合の第２のインタフェース部７１で接続しつつ、トランスデューサ１０とセンシング回路２１とは容量性結合の第２のインタフェース部７１で接続することができる。すなわち、トランスデューサ１０の特性に合わせて、センシング回路２１と駆動回路２２とで、それぞれに最適な接続方法を選択し、接続することができる。

また、トランスデューサ１０は、通常２つの端子を有し、一方の端子（端子ａ）に固定電圧（バイアス電圧）を与え、他方の端子（端子ｂ）をセンサ回路２０に接続する。図７に示す本実施形態では、トランスデューサ１０の一方の端子ａに駆動回路２２を接続し、他方の端子ｂにセンシング回路２１を接続することで、任意のバイアス電圧を動的（時間的に変化）に印加できるため、センシング回路２１の動作に影響を与えることなく、トランスデューサの特性（受信感度等）を向上させることが可能になる。

＜第５の実施形態＞
図８に、本発明の第５の実施形態に係るマルチセンサの構成例を示す。

第５の実施形態のマルチセンサは、センサ回路２０がインピーダンス調整回路２３をさらに備える点において、第４の実施形態のマルチセンサと異なり、その他については第４の実施形態のマルチセンサと同様である。

本実施形態のインピーダンス調整回路２３は、トランスデューサ１０と第１のインタフェース部７０を介して直列に接続される。すなわち、インピーダンス調整回路２３は、インタフェース部７０とセンシング回路２１との間に直列に接続される。インピーダンス調整回路２３は、例えば、可変抵抗、可変容量、可変インダクタ等を有し、トランスデューサ１０側の出力インピーダンスと、センシング回路２１側の入力インピーダンスとを調整する。

本実施形態では、インピーダンス調整回路２３を備えることで、トランスデューサ１０のインピーダンス特性合わせてセンシング回路２１の入力から見えるインピーダンスを調整することが可能になるため、様々な種類のトランスデューサ１０と、より容易に接続することできる。

＜第６の実施形態＞
図９から図１２に本発明の第６の実施形態に係るマルチセンサの構成例を示す。

第６の実施形態のマルチセンサは、インピーダンス調整回路２３がトランスデューサ１０と並列に接続している点において、第５の実施形態のマルチセンサと異なり、その他については第５の実施形態のマルチセンサと同様である。なお、インピーダンス調整回路２３を直列に接続するか、または並列に接続するかについては、接続するトランスデューサ１０の種類・特性に応じて使い分ける。図９から図１２では、インピーダンス調整回路２３を並列に接続する際の接続方法が異なる。

図９は、第１のインタフェース部７０および第２のインタフェース部７１とは別の第３のインタフェース部７２および第４のインタフェース部７３を介して、インピーダンス調整回路２３と、トランスデューサ１０とが並列に接続される。第３のインタフェース部７２および第４のインタフェース部７３の接続方法は、第１の実施形態で説明した導電性結合、容量性結合、誘導性結合のいずれであってもよい。

図１０は、第１のインタフェース部７０と、第３のインタフェース部７２とを介して、インピーダンス調整回路２３と、トランスデューサ１０とが並列に接続される。第３のインタフェース部７２は、トランスデューサ１０とインピーダンス調整回路２３とを接続するためのインタフェースである。

図１１は、第２のインタフェース部７１と、第３のインタフェース部７２とを介して、インピーダンス調整回路２３と、トランスデューサ１０とが並列に接続される。第３のインタフェース部７２は、トランスデューサ１０とインピーダンス調整回路２３とを接続するためのインタフェースである。

図１２は、第１のインタフェース部７０と、第２のインタフェース部７１とを介して、インピーダンス調整回路２３と、トランスデューサ１０とが並列に接続される。

図９の場合、センシング回路２１、駆動回路２２およびインピーダンス調整回路２３のそれぞれに、最適なインタフェース部７０〜７３を選択することができるという利点がある。すなわち、図９では、トランスデューサの特性合わせてインタフェース部の接続方法を任意に選べるため、様々なトランスデューサと接続することが容易になる。

一方、図１２の場合、インタフェース部の数を少くすることができるため、マルチセンサの低コスト化を実現することができる。具体的には、インタフェース部の不良による製造歩留りを考慮すると、インタフェース部の数が少ない方が歩留りが高くなり、結果としてマルチセンサの低コスト化を実現することができる。また、インタフェース部の数が少ないことから製造工程を簡略化でき、低コスト化を実現することができる。また、図１２では、インタフェース部の数が少ないため、インタフェース部による寄生容量の低減を防止し、マルチセンサの感度の劣化を防止（すなわち、高感度を維持）することができる。

このように、インタフェース部７０の数（トランスデューサ１０との接続方法の多様性・柔軟性）と、コストおよび感度についてはトレードオフの関係にある。

＜第７の実施形態＞
図１３に、本発明の第７の実施形態に係るセンシングシステムの構成例を示す。

本実施形態のセンシングシステムは、上記説明した第１から第６のいずれかのマルチセンサ１と、制御装置８とを有する。マルチセンサ１と制御装置８とは、通信ネットワークを介して接続される。なお、図１３のマルチセンサ１は、図９のマルチセンサを例として示している。なお、制御装置８は、１つのマルチセンサ１を制御するものであっても、複数のマルチセンサ１を制御するものであってもよい。

制御装置８は、マルチセンサ１を制御する装置であって、通信ネットワークを介してマルチセンサが出力するセンシング信号（出力信号）を受信するとともに、通信ネットワークを介してマルチセンサ１を制御するための制御信号を送信する。

具体的には、制御装置８は、マルチセンサ１の任意のセンサ回路２０を起動させる制御信号を、マルチセンサ１に送信する。マルチセンサ１の制御部５０は、制御信号を受信し、当該制御信号で指定されたセンサ回路２０を起動する。

また、制御装置８は、マルチセンサ１の出力回路４０の任意のレジスタを選択する制御信号を、マルチセンサ１に送信する。マルチセンサ１の制御部５０は、制御信号を受信し、当該制御信号で選択されたレジスタのデータを読み出し、出力データとして出力する。

また、制御装置８は、マルチセンサ１のセンサ回路２０毎に、感度調整またはキャリブレーションを指示する制御信号をマルチセンサ１に送信する。マルチセンサ１の制御部５０は、制御信号を受信し、当該制御信号に従って、センサ回路２０毎に感度またはキャリブレーションを調整する。

また、制御装置８は、マルチセンサ１のＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジが指定された制御信号を、マルチセンサ１に送信する。マルチセンサ１の制御部５０は、制御信号を受信し、当該制御信号に従って、Ａ／Ｄ変換のダイナミックレンジを変更する。

このように、本実施形態では、マルチセンサ１の制御部５０は、制御装置８から送信される制御信号を用いて、マルチセンサの任意のセンサ回路２０だけを起動し、それに接続されたトランスデューサ１０からの信号だけをセンシングすることができる。また、センサ回路２０の感度調整またはキャリブレーション、Ａ／Ｄ変換回路３０の入力ダイナミックレンジを調整することができる。

したがって、外部の制御装置８からマルチセンサ１の動作や特性等を変更することができため、マルチセンサ１を設置した後に、追加コスト不要で、サービスメニューに応じたセンシングサービスシステムを柔軟に容易に実現することができる。また、継時変化による特性変動への対応や、マルチセンサの初期設定時のテストを、遠隔で容易に実施することができる。

以上説明した上記実施形態では、複数の種類のセンサ回路２０を有する汎用的なセンサ信号処理部２００を用いることで、低コストでマルチセンサを実現することができる。すなわち、多種・複数のセンサを一体化したマルチセンサの低コスト化を実現することができる。

具体的には、複数の種類のセンサ回路２０が配置されたセンサ信号処理部２００を、半導体ウエハに製造し、半導体チップとして汎用共通部品として用いることで、専用のマルチセンサを個別に製造する場合に必要な専用設計工程またはカスタマイズ工程が不要となり、マルとセンサを低コスト化することができる。また、センサ信号処理部２００を１つのパッケージ部品とすることで、製造工程の簡略化を実現することができる。

また、複数の種類のトランスデューサ１０と、複数の種類のセンサ回路２０とを、用途に応じてそれぞれ組み合わせることで、様々なマルチセンサを容易に実現することができ、また、サービスの仕様に応じてマルチセンサを柔軟にカスタマイズすることができる。

また、本実施形態では、トランスデューサ１０とセンサ回路２０とを、導電性結合、容量性結合、誘導性結合のいずれかのインタフェース部７０を介して接続することで、複数のトランスデューサ１０を、低コストで一括してセンサ回路２０に接続することができる。

また、本実施形態のマルチセンサは制御部５０を備え、外部の制御装置からセンサ特性等を変更することができため、サービスメニューに応じてネットワークを介して設定変更可能なモニタリングサービスシステムを簡易に実現できる。そのため、いままでコストの制約で利用することができなかった物や人にセンサを搭載することができる。また、マルチセンサの設置後もセンサの起動や特性を外部の制御装置から変更できるため、追加の設置コストなく、適用するサービスに合わせて、設置後に柔軟にセンサの特性等を変更し、新たなセンシングシステム実現することができる。これにより、ユーザの利便性を高めるサービスを継続的に提供することができるという効果がある。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。

例えば、図１４に示すマルチセンサは、図６に示す第３の実施形態（駆動回路２２が第１のインタフェース部７０を介してトランスデューサ１０と接続される実施形態）において、インピーダンス調整回路２３が直列に接続される変形例である。

また、図１５に示すマルチセンサは、図６に示す第３の実施形態において、インピーダンス調整回路２３が、第３のインタフェース部７２および第４のインタフェース部７３を介して、並列に接続される変形例である。

また、図１６に示すマルチセンサは、図６に示す第３の実施形態において、インピーダンス調整回路２３が、第１のインタフェース部７０および第３のインタフェース部７２を介して、並列に接続される変形例である。

また、図１７に示すマルチセンサは、図７に示す第４の実施形態において、駆動回路２２が第２のインタフェース部７１を介してトランスデューサ１０と接続される場合の変形例である。図１７に示す変形例では、図７に示す第４の実施形態とは異なり、駆動回路を接続する第２のインタフェース部７１を、トランスデューサ１０の端子ａではなく、第１のインタフェース部７０が接続しているトランスデューサ１０の端子ｂに接続する。

また、図１８に示すマルチセンサは、図１７に示す変形例において、インピーダンス調整回路２３が直列に接続される変形例である。

また、図１９に示すマルチセンサは、図１７に示す変形例において、インピーダンス調整回路２３が、第３のインタフェース部７２および第４のインタフェース部７３を介して、並列に接続される変形例である。

また、図２０に示すマルチセンサは、図１７に示す変形例において、インピーダンス調整回路２３が、第１のインタフェース部７０および第３のインタフェース部７２を介して、並列に接続される変形例である。

また、図２１に示すマルチセンサは、図１７に示す変形例において、インピーダンス調整回路２３が、第２のインタフェース部７１および第３のインタフェース部７２を介して、並列に接続される変形例である。

１０：トランスデューサ
２００：センサ信号処理部
２０１：センサアレイ
２０：センサ回路（センサセル）
２１：センシング回路
２２：駆動回路
２３：インピーダンス調整回路
３０：Ａ／Ｄ変換回路
４０：出力回路
５０：制御部
６０：キャリブレーション・感度調整部
７０〜７３：インタフェース部

Claims (16)

1. マルチセンサであって、
   物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、
   前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、を有し、
   前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが対向して配置され、電気的に接続されること
   を特徴とするマルチセンサ。
2. マルチセンサであって、
   物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、
   前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、
   前記センサ回路と前記トランスデューサとを接続するための第１の接続部と、を有し、
   前記第１の接続部は、前記トランスデューサの電極と、前記センサ回路の電極とを導電性材料を用いて結合することにより、
   前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが接続されること
   を特徴とするマルチセンサ。
3. マルチセンサであって、
   物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、
   前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、
   前記センサ回路と前記トランスデューサとを接続するための第１の接続部と、を有し、
   前記第１の接続部は、対向して配置された前記トランスデューサ側の電極と、前記センサ回路側の電極とが容量性結合することにより、
   前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが接続されること
   を特徴とするマルチセンサ。
4. マルチセンサであって、
   物理量を電気量に変換する複数の種類のトランスデューサと、
   前記電気量を電気信号に変換する複数の種類のセンサ回路が、同一平面上に配置されたセンサ信号処理部と、
   前記センサ回路と前記トランスデューサとを接続するための第１の接続部と、を有し、
   前記第１の接続部は、対向して配置された前記トランスデューサ側のコイルと、前記センサ回路側のコイルとが誘導性結合することにより、
   前記複数のセンサ回路のそれぞれに、前記トランスデューサが接続されること
   を特徴とするマルチセンサ。
5. 請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のマルチセンサであって、
   前記センサ回路は、前記第１の接続部を介して前記トランスデューサと接続し、電気信号を印加する駆動回路を有すること
   を特徴とするマルチセンサ。
6. 請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のマルチセンサであって、
   前記センサ回路は、第２の接続部を介して前記トランスデューサに電気信号を印加する駆動回路を有すること
   を特徴とするマルチセンサ。
7. 請求項２から請求項６のいずれか一項に記載のマルチセンサであって、
   前記センサ回路は、前記トランスデューサと前記第１の接続部を介して直列に接続されるインピーダンス調整回路を有すること
   を特徴とするマルチセンサ。
8. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のマルチセンサであって、
   前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有すること
   を特徴とするマルチセンサ。
9. 請求項６記載のマルチセンサであって、
   前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、
   前記インピーダンス調整回路は、前記第１の接続部および前記第２の接続部を介して、前記トランスデューサと接続すること
   を特徴とするマルチセンサ。
10. 請求項６記載のマルチセンサであって、
    前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、
    前記インピーダンス調整回路は、前記第１の接続部および第３の接続部を介して、前記トランスデューサと接続すること
    を特徴とするマルチセンサ。
11. 請求項６記載のマルチセンサであって、
    前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、
    前記インピーダンス調整回路は、前記第２の接続部および第３の接続部を介して、前記トランスデューサと接続すること
    を特徴とするマルチセンサ。
12. 請求項６記載のマルチセンサであって、
    前記センサ回路は、前記トランスデューサと並列に接続されるインピーダンス調整回路を有し、
    前記インピーダンス調整回路は、第３の接続部および第４の接続部を介して、前記トランスデューサと接続すること
    を特徴とするマルチセンサ。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のマルチセンサであって、
    前記センサ信号処理部は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を有し、前記Ａ／Ｄ変換回路のダイナミックレンジは可変であること
    を特徴とするマルチセンサ。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のマルチセンサであって、
    前記センサ信号処理部は、前記センサ回路の感度調整またはキャリブレーションを行う調整部を有すること
    を特徴とするマルチセンサ。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のマルチセンサと、前記マルチセンサを制御する制御装置とを備えるセンシングシステムであって、
    前記制御装置は、前記マルチセンサの任意のセンサ回路を起動させる制御信号を、前記マルチセンサに送信し、
    前記マルチセンサのセンサ信号処理部は、前記制御信号で指定されたセンサ回路を起動する制御部を有すること
    を特徴とするセンシングシステム。
16. 請求項１５記載のセンシングシステムであって、
    前記制御装置は、前記マルチセンサのセンサ回路毎に、感度調整またはキャリブレーションを指示する制御信号、またはＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジが指定された制御信号を、前記マルチセンサに送信し、
    前記マルチセンサの制御部は、前記制御信号に従って、センサ回路毎に感度またはキャリブレーションを調整、またはＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジを変更すること
    を特徴とするセンシングシステム。

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