JP2002190732A

JP2002190732A - カウンタ

Info

Publication number: JP2002190732A
Application number: JP2000386761A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Watanabe; 渡辺　　喜隆
Original assignee: AKITA KAIHATSU CENTER ARD KK; AKITA KAIHATSU CT ARD KK
Current assignee: AKITA KAIHATSU CENTER ARD KK; AKITA KAIHATSU CT ARD KK
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-07-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ノイズに強く、エラーカウントのない電気信号
用カウンタを提供する。【解決手段】入力信号Ｓを検波するダイオード１と、ダ
イオード１の出力を制御信号として動作するカウントス
イッチ３と、を備え、カウントスイッチ３により流れる
スイッチ電流に基づきカウントを行うカウンタにおい
て、ダイオード１のしきい値電圧以下の動作による出力
に反応して電流が流れるピンチオフ電圧をもった電界効
果トランジスタをカウントスイッチ３として使用する。
一般的なダイオードの特性では０．６Ｖをしきい値電圧
として、これを下回るときはオフとされている。つま
り、しきい値電圧以下は不感帯領域であり、オフと考え
るのが常識ということであるが、このしきい値電圧未満
の微小電圧領域であっても、ミクロ的に見ると、順方向
電流（順方向Ｉ／Ｖ特性）と逆方向電流（逆方向Ｉ／Ｖ
特性）の方向性ははっきりと現れている。この領域をカ
ウント動作に使用可能とすることにより、しきい値を微
小電圧とし、ノイズに関係なく正常なカウントを行える
ようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気的パルスをカ
ウントするカウンタに関し、特にその入力回路に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、検出対象の信号に従いＣＴ型な
どのカレントセンサにより発生される感知信号を検波
し、これによりスイッチをオンオフさせてカウントを行
うカウンタの入力回路構成として、図１Ａに示す構造の
ものが知られている。すなわち、感知信号Ｓを検波する
ダイオードＤと、ノイズを除去するための積分器（ロー
パスフィルタ）Ｌと、ダイオードＤの出力を制御信号と
して動作するカウントスイッチとなるバイポーラトラン
ジスタＢと、からなる構造である。感知信号Ｓは、カレ
ントセンサにより検出対象の信号から誘導された電気信
号である。

【０００３】このカウンタでは、ダイオードＤの出力を
ベースに受けるバイポーラトランジスタＢのオンオフに
従うコレクタ電流をスイッチ電流として、その有無をカ
ウントする。つまり、感知信号ＳがダイオードＤのしき
い値電圧（ターンオン電圧）を越える場合にバイポーラ
トランジスタＢがオンすることで、そのオン回数をカウ
ントするようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の回
路では、ダイオードＤのしきい値電圧を境にしたバイポ
ーラトランジスタＢのオンオフによりカウントを行うも
のとなっている。通常、シリコンダイオード及びトラン
ジスタのしきい値電圧は０．６Ｖとされるので、感知信
号ＳがバイポーラトランジスタＢをオンさせるために
は、ダイオードＤのしきい値電圧０．６Ｖにバイポーラ
トランジスタＢのしきい値電圧０．６Ｖを加えた１．２
Ｖが最低限必要となる。つまり、１．２Ｖを下回るレベ
ルは不感帯で当該回路の感度限界ということであり、こ
の点で改善が望まれている。

【０００５】たとえば、弁の開閉回数をカウントするよ
うな用途の場合、弁の開閉を担当するモータへの駆動信
号パルスをカレントセンサで感知し、その感知信号から
カウントが行われる。このような場合、モータ自体が大
きなノイズ源であるため、その影響が駆動信号にも大き
く現れてかなり乱れた波形となるが、上記のようにカウ
ンタの感度レベルが高いとノイズによるエラーカウント
を避けられない。これにつき図１Ｂに示してある。

【０００６】図１Ｂに示してあるのは駆動信号（を感知
した感知信号）の波形であり、弁を開けるためにモータ
の駆動パルスが出され、閉めるために駆動パルスが
出されているとする。すなわち、このパルスとパルス
をカウントすることで、弁開閉１回とみなされる。モ
ータが駆動されているパルス，の区間では、モータ
の動作によりノイズが発生するためそのノイズが駆動信
号にのり、実際は下図に示すごとく平滑な信号ではなく
なっている。

【０００７】点線で示すしきい値ｔｈが不感帯境界の
１．２Ｖであったとした場合、それより下の波形は従来
のカウンタでは検出されないことになる。すなわち、従
来のカウンタでバイポーラトランジスタＢがオンとなる
のは、しきい値ｔｈよりも上の部分の波形である。した
がって、回路が敏感であるとノイズｎ１〜ｎ７のそれぞ
れでバイポーラトランジスタＢがオンしてカウントが行
われてしまい、本来ならカウント２回のところが７回も
カウントされることになる。そこで、ＣＲフィルタの積
分器Ｌを入れることにより波形を平滑化し、ノイズを拾
わないようにする。

【０００８】しかし、積分器Ｌを入れることにより回路
が鈍感になると、今度はパルスととの区別がつかな
くなり（との間のギャップも平滑化される）、２回
カウントするはずが１回のカウントとなってしまう可能
性がある。また、中間程度にレスポンスを調整したとし
ても、ノイズｎ２とｎ３との間のように不感期間が長い
部分がギャップとして拾われる可能性があり、この場
合、ｎ１とｎ２で１パルス、ｎ３とｎ４とで１パルスと
カウントされ、合計３回のカウントが行われる可能性が
ある。

【０００９】このように、従来のカウンタのノイズ調整
は非常に難しく、エラーカウントしないものをつくるこ
とはほぼ不可能に近い状況にある。本発明はこの点に着
目したものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従来回路の不具合の原因
を考えた結果、本発明の発明者は、しきい値電圧の高さ
が問題となっていることに気がついた。すなわち、図１
Ｂの一点鎖線に示すようにしきい値が低ければ、回路を
少し敏感にしてもノイズに関係なく正常なカウントを行
えるのである。そこで本発明によれば、入力信号を検波
するダイオードと、該ダイオードの出力を制御信号とし
て動作するカウントスイッチと、を備え、そのカウント
スイッチにより流れるスイッチ電流に基づきカウントを
行うカウンタにおいて、ダイオードのしきい値電圧以下
の動作による出力に反応して電流が流れるピンチオフ電
圧をもった電界効果トランジスタをカウントスイッチと
して使用することを特徴とする。

【００１１】図２に示すように、一般的なダイオードの
特性では、通常０．６Ｖのしきい値電圧がターンオン電
圧として扱われ、それ以上がオン、それを下回るときは
オフとされている。つまり、しきい値電圧以下は不感帯
領域であり、オフと考えるのが常識ということである。
ところが、このしきい値電圧未満の微小電圧領域であっ
ても、ミクロ的に見ると、順方向電流（順方向Ｉ／Ｖ特
性）と逆方向電流（逆方向Ｉ／Ｖ特性）の方向性ははっ
きりと現れていることが見出された。これにつき図３に
示している。

【００１２】図３は、図２中の−０．１Ｖ〜０．１Ｖの
範囲を拡大してプロットしたグラフで、縦軸（電流）を
対数スケールとしてある。図３Ａがシリコンダイオー
ド、図３Ｂがシリコンショットキーダイオードである。
±０．１Ｖの印加時における順方向電流（ＦＯＷ）ｖｓ
逆方向電流（ＲＥＶ）について見てみると、図３Ａのシ
リコンダイオードの場合、順方向電圧＋０．１Ｖで順方
向電流３０ｎＡなので順方向インピーダンス｜Ｚ｜≒
３．３ＭΩ、一方、逆方向電圧−０．１Ｖで逆方向電流
−１ｎＡなので逆方向インピーダンス｜Ｚ｜＝１００Ｍ
Ωとなり、３０倍ほどの方向性が存在することがわか
る。また、図３Ｂのシリコンショットキーダイオードの
場合、順方向電圧＋０．１Ｖで順方向電流３０μＡなの
で順方向インピーダンス｜Ｚ｜≒３．３ＫΩ、一方、逆
方向電圧−０．１Ｖで逆方向電流−５００ｎＡなので逆
方向インピーダンス｜Ｚ｜＝２００ＫΩとなり、６０倍
ほどの方向性が存在することがわかる。つまり、十分な
整流作用を得られるということである。なお、これは代
表的な市販デバイスを測定した結果得られたものであ
る。

【００１３】この結果を考えれば、市販ダイオードでも
０．１Ｖ程度の微小電圧範囲で十分な検波作用をもつと
いうことであり、従来の常識的しきい値電圧よりも下の
入力信号（感知信号）に十分反応できるということであ
る。したがって、この範囲で出力されるダイオードの電
流・電圧に反応してスイッチ電流を流すカウントスイッ
チを組み込めば、カウンタとして機能させることができ
る。そこで本発明では、ピンチオフ電圧が負であるジャ
ンクションやデプレッション型の電界効果トランジスタ
をカウントスイッチとして使用する。

【００１４】従来のバイポーラトランジスタ単体による
カウントスイッチの場合、スイッチオンに０．６Ｖかか
り、またベースの駆動電流がμＡオーダーで必要となっ
てしまうため、負荷が重く感度が悪い。これに対して電
界効果トランジスタの場合、入力インピーダンスが非常
に高くゲート駆動電流を要しないので、ダイオードの出
力に負荷がかからずにすむ。そして、ピンチオフ電圧を
低いものとしておけば、図３に示すような範囲のダイオ
ードの動作に応じて電流を流せる感度のよいスイッチと
することができる。特に、Ｎチャネルのジャンクション
型を用い、そのソース側に電圧源を挿入してカウントス
イッチを構成すれば、その電圧源によりピンチオフ電圧
とゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）との関係を調整する
ことができ、上記のようなダイオードの出力に対する適
切な感度を容易に得られる。

【００１５】また一方、カウントスイッチ以降の計数回
路にとっては、スイッチ電流、すなわちカウントスイッ
チをなす電界効果トランジスタのドレイン電流Ｉｄが多
いほうが好ましいといえる。そこで、電界効果トランジ
スタを並列接続して使用し、ダイオード出力に負荷をか
けることなくスイッチ電流を増やす構成とするとよい。
このような複数の電界効果トランジスタは、特性のそろ
った素子としておくと好ましい。本発明のカウンタに
は、ピンチオフ電圧が低く且つ飽和ドレイン電流（Ｉｄ
ｓｓ）の多い素子が好ましいが、一般に、Ｉｄｓｓの多
い素子はピンチオフ電圧が高くなる。そこで、ピンチオ
フ電圧を低く保ったままでＩｄｓｓを増やす手法として
並列接続を採用する。これによると、各素子のピンチオ
フ電圧はそのままでありながら、Ｉｄｓｓを接続個数倍
に増やすことができ、見かけ上、相互コンダクタンス
（ｇｍ）が大きくなったのと同じ作用を得られる。

【００１６】本発明では以上の他にも、入力信号を検波
するダイオードと、該ダイオードの出力を制御信号とし
て動作するカウントスイッチと、を備え、カウントスイ
ッチにより流れるスイッチ電流に基づきカウントを行う
カウンタにおいて、そのダイオードのしきい値電圧以下
の動作による出力に反応して電流が流れるピンチオフ電
圧をもった電界効果トランジスタと、この電界効果トラ
ンジスタの流す電流をベース電流とするバイポーラトラ
ンジスタと、からなるダーリントン接続をカウントスイ
ッチとして使用することを特徴としたカウンタや、ある
いは、ダイオードのしきい値電圧以下の動作による出力
に反応して電流が流れるようにダーリントン接続の構成
としたバイポーラトランジスタをカウントスイッチとし
て使用することを特徴としたカウンタが提供される。

【００１７】前者の場合は、上記のような電界効果トラ
ンジスタの特性を利用した上でなおかつバイポーラの増
幅率（ｈFE）だけスイッチ電流を増やせる構成である。
また、後者の場合は、バイポーラをダーリントン接続す
ることにより入力インピーダンスを極力高める手法でダ
イオード出力に対する対応を図った構成である。これら
の場合も、カウントスイッチの低電位側に電圧源を設け
てレベルシフトさせておくことができる。

【００１８】以上の本発明に係るカウンタにおいては、
ダイオードの出力を積分器に通してからカウントスイッ
チへ提供して耐ノイズ特性を調整することができ、この
場合の積分器は、ダイオードの出力端に一電極を接続し
たキャパシタとすることができる。ダイオード自体がそ
の動作範囲からして高抵抗動作するものとなるので、積
分器用に別途抵抗を入れる必要はなく、また、キャパシ
タも容量の小さなもので十分機能する。したがって、キ
ャパシタも含めてワンチップ化することも可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】図４に、本発明に係るカウンタの
入力回路について回路例を示してある。

【００２０】まず、図４Ａに示すのは、１個の電界効果
トランジスタからカウンタスイッチを構成した例であ
る。感知信号Ｓを入力するダイオード１は、図３のよう
なしきい値電圧以下の微小電圧領域でも動作し、その出
力が積分器２を通してカウンタスイッチ３の制御信号と
なる。カウンタスイッチ３は電界効果トランジスタから
なり、本例ではＮチャネルのＪＦＥＴである。

【００２１】電界効果トランジスタ３の低電位側つまり
ソース側には、ダイオードからなる電圧源４が挿入され
ており、ソース電位が嵩上げされている。したがって、
ダイオード１の出力がない場合における電界効果トラン
ジスタ３のゲート-ソース間電圧Ｖｇｓをマイナスの設
定としてピンチオフ電圧以下とすることができ、ドレイ
ン電流Ｉｄが流れない電圧関係をつくりだしてある。一
方、図１のようなパルスに従い感知信号のレベルがあが
り、図３に示したように＋０．１Ｖほどにもなると、十
分な順方向電流が流れ始める。少しでも電流が流れ出せ
ば、電界効果トランジスタ３は入力インピーダンスが非
常に高いのでゲート電圧が発生することになり、Ｖｇｓ
がピンチオフ電圧を上回ることでＩｄが発生し、この電
流に基づきカウントを行うことができる。

【００２２】このように、ダイオード１におけるしきい
値電圧以下の０．１Ｖを検波に用いることが可能となる
ので、ピンチオフ電圧の最適な電界効果トランジスタ３
を使用すれば、０．１Ｖ程度という微小レベルの感知信
号判定を行えることになる。

【００２３】以上の回路で、電界効果トランジスタ３を
複数涸、電源と電圧源４との間に並列接続してあれば、
ダイオード１の出力負荷を増やすことなく、ドレイン電
流を増やすことが可能である（電圧源４も並列にする構
成も可）。また、その他に、ダーリントン接続を利用し
てスイッチ電流を増やすようにした応用例も可能であ
り、これにつき図４Ｂ，Ｃに示してある。

【００２４】図４Ｂに示すカウントスイッチ５は、ダイ
オード１の出力をゲートに受ける電界効果トランジスタ
５１と、この電界効果トランジスタ５１のチャネル電流
をベース電流とするバイポーラトランジスタ５２と、の
ダーリントン接続とした例である。この入力回路のスイ
ッチ電流は、トランジスタ５１のＩｄ及びトランジスタ
５２のコレクタ-エミッタ電流（Ｉｃｅ）ということに
なる一方で、ダイオード１の出力は電界効果トランジス
タ５１のゲート入力なので、図４Ａ同等の効果が得られ
る。

【００２５】図４Ｃに示すカウントスイッチ６は、２つ
のバイポーラトランジスタ６１，６２のダーリントン接
続とした例である。この構成とすることでトランジスタ
６１に提供するベース電流は非常に少なくてすむことに
なり、ダイオード１の出力負荷を低減して動作させるこ
とができる。

【００２６】図５には、積分器２の回路例を示している
（図５Ｂは等価図）。本例のダイオード１はその動作状
況からハイインピーダンスの状態にあるので、それ自体
大きな抵抗１Ｒである。したがって、積分器２として
は、ダイオード１の出力に一電極を接続したキャパシタ
２を設けるだけでよく、抵抗１Ｒとキャパシタ２とでＣ
Ｒフィルタが形成され、積分機能が発揮される。そのキ
ャパシタ２は、従来回路に比べ非常に小容量ですむの
で、ダイオード１、積分器２、カウントスイッチ３をワ
ンチップ化することも可能である。

【００２７】以上の他に、入力部分に微小電圧用の高感
度回路を構成した例を図６に示す。図示の構成は、ＣＴ
型カレントセンサのリード線にヒューズＦ１，Ｆ２をつ
なぐとともにサージなどからの入力保護回路６を設け、
これに抵抗器Ｒ１，Ｒ２を接続してその先にクランプ回
路７を設けている。そして、これに抵抗器Ｒ３，Ｒ４及
びキャパシタＣを接続し、図４のようなダイオード１の
入力端子へ入力信号を送り出すようになっている。入力
保護回路６及びクランプ回路７は入力信号Ｓの両極（＋
電位と−電位）間に接続され、ヒューズＦ１，Ｆ２及び
抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は入力信号Ｓの両極につき同数ずつ設
けられている。

【００２８】すなわち、ＣＴセンサの自己インダクタン
ス：Ｌ（通過交流電流周波数における）に対し、入力保
護回路６、クランプ回路７、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４などの抵
抗成分を直列に使用して、検波ダイオード１の直前に配
置したキャパシタＣの容量成分とで共振回路を形成（Ｌ
極を得る）している（図６Ｂ参照）。大きな電圧がかか
ってクランプ回路７が動作するクランプ時の等価図は図
６Ｃのようになり、抵抗器Ｒ３＋Ｒ４とキャパシタＣと
で積分回路（ＬＰＦ）として動作する。これにより実効
入力インピーダンスを高め、高感度とノイズ除去を両立
させ、微小電圧感知時における高感度を得られるように
なっている。この構成は、ＣＴセンサの出力抵抗が高い
場合においても非常に有効である。

【００２９】このような無電源の回路手法は、電流検知
に限らず、電圧出力のセンサなどからの微小電圧も高感
度で検知、検出できるようにするものである。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、不感帯レベルを０．１
Ｖ以下にまで下げることが可能となり、正確、精密なカ
ウンタの動作を実現可能とする。そしてさらに、ダイオ
ードが非常にハイインピーダンスの動作を行うことから
電流がほとんど消費されないので、検出対象の信号自体
による電力だけで動くことが可能となっている。つま
り、外部電源を要しない無電源ユニットであり、本回路
を使用したカウンタは、液晶表示板などのための電池だ
けで格段に長時間動作し続けることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のカウンタの入力回路図と、感知信号の波
形図。

【図２】ダイオード特性を示したグラフ。

【図３】図２中の±０．１Ｖ部分を拡大して示すグラ
フ。

【図４】本発明に係るカウンタの回路図。

【図５】積分器の構成例を示した回路図。

【図６】共振回路を形成した例を示す回路図。

【符号の説明】

Ｓ感知信号（入力信号）１ダイオード２積分器３，５，６カウントスイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力信号を検波するダイオードと、該ダ
イオードの出力を制御信号として動作するカウントスイ
ッチと、を備え、前記カウントスイッチにより流れるス
イッチ電流に基づきカウントを行うカウンタにおいて、前記ダイオードのしきい値電圧以下の動作による出力に
反応して電流が流れるピンチオフ電圧をもった電界効果
トランジスタを前記カウントスイッチとして使用するよ
うにしたことを特徴とするカウンタ。
【請求項２】電界効果トランジスタがＮチャネルのジ
ャンクション型で、そのソース側に電圧源を挿入して使
用する請求項１記載のカウンタ。
【請求項３】電界効果トランジスタを並列接続して使
用する請求項１又は請求項２記載のカウンタ。
【請求項４】入力信号を検波するダイオードと、該ダ
イオードの出力を制御信号として動作するカウントスイ
ッチと、を備え、前記カウントスイッチにより流れるス
イッチ電流に基づきカウントを行うカウンタにおいて、前記ダイオードのしきい値電圧以下の動作による出力に
反応して電流が流れるピンチオフ電圧をもった電界効果
トランジスタと、該電界効果トランジスタの流す電流を
ベース電流とするバイポーラトランジスタと、からなる
ダーリントン接続を前記カウントスイッチとして使用す
るようにしたことを特徴とするカウンタ。
【請求項５】入力信号を検波するダイオードと、該ダ
イオードの出力を制御信号として動作するカウントスイ
ッチと、を備え、前記カウントスイッチにより流れるス
イッチ電流に基づきカウントを行うカウンタにおいて、前記ダイオードのしきい値電圧以下の動作による出力に
反応して電流が流れるようにダーリントン接続の構成と
したバイポーラトランジスタを前記カウントスイッチと
して使用するようにしたことを特徴とするカウンタ。
【請求項６】ダイオードの出力を積分器に通してから
カウントスイッチへ提供する請求項１〜５のいずれか１
項に記載のカウンタ。
【請求項７】積分器がダイオードの出力端に一電極を
接続したキャパシタである請求項６記載のカウンタ。
【請求項８】入力信号を発生させるカレントセンサの
自己インダクタンスに対し抵抗成分及び容量成分を直列
に接続して共振回路を形成し、該共振回路の出力をダイ
オードへ入力するようにしてある請求項１〜７のいずれ
か１項に記載のカウンタ。
【請求項９】入力信号の両極間に接続したクランプ回
路と、該クランプ回路とダイオードとの間に接続した抵
抗器と、該抵抗器よりも前記ダイオード側で前記入力信
号の両極間に接続したキャパシタと、を備える請求項８
記載のカウンタ。