JP2013015444A - 信号処理装置、信号処理方法、及び信号処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】時定数を小さくして測定ドリフトを低減し、且つ、チャージコンデンサを小型化しつつも良好な感度と広範な測定範囲で動作可能な信号処理装置、信号処理方法、及び信号処理プログラムを提供することを課題とする。
【解決手段】電荷を信号として出力するセンサ２の信号を処理して計測値を出力する信号処理装置１であって、前記センサ２が出力する電荷をチャージコンデンサＣｆに蓄えて電圧信号にするチャージアンプ回路３と、前記チャージアンプ回路３の電圧信号をデジタル値に変換するＡＤ変換回路９と、前記チャージコンデンサＣｆを定期的に放電させると共に、前記ＡＤ変換回路９のデジタル値に、前記チャージコンデンサＣｆを放電する前に前記信号処理装置１から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサ２の信号の計測値として前記信号処理装置１から出力させる処理部６と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電荷を信号として出力するセンサの信号を処理して計測値を出力する信号処理装置、信号処理方法、及び信号処理プログラムに関する。

近年、電子制御技術の発達に伴い、圧電素子のように、計測した物理量に応じた電荷を出力するセンサが普及している。このようなセンサが出力する電荷をチャージコンデンサに蓄積して電圧信号にするものとして、特許文献１〜４に開示されているようなチャージアンプ回路が考案されている。例えば、特許文献１に開示されている回路は、圧電素子に外力が加わっていない間にチャージコンデンサを放電している。また、特許文献２に開示されている回路は、出力のドリフトが一定レベルを超えると、チャージコンデンサを放電している。

特開平６−１０９５６０号公報 特開２００５−９１２３５号公報 特開２００８−２９４８０７号公報 特開２００９−５８２９０号公報

チャージアンプ回路では、オペアンプの反転入力端のリーク電流によってチャージコンデンサが充電され、また、出力の飽和を防ぐ負帰還抵抗が並列に接続される。ここで、チャージアンプを用いて直流の信号を長時間計測する場合、チャージされた電荷による出力の飽和を防ぐため時定数を大きくする必要があるが、負帰還抵抗の抵抗値を例えば数十ＧΩといったオーダーの大きさにすると、僅かなリーク電流であっても多大な電位差が生じ、測定ドリフト等の影響を受けやすくなる。また、チャージアンプのゲインが小さくなるためＳ／Ｎ比が悪化する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、時定数を小さくして測定ドリフトを低減し、且つ、チャージコンデンサを小型化しつつも良好な感度と広範な測定範囲で動作可能な信号処理装置、信号処理方法、及び信号処理プログラムを提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、チャージコンデンサを定期的に放電させると共に、放電前の計測値を保持して計測値に積算することにした。

詳細には、本発明は、電荷を信号として出力するセンサの信号を処理して計測値を出力する信号処理装置であって、前記センサが出力する電荷をチャージコンデンサに蓄えて電圧信号にするチャージアンプ回路と、前記チャージアンプ回路の電圧信号をデジタル値に変換するＡＤ（Analog-to-Digital）変換回路と、前記チャージコンデンサを定期的に放
電させると共に、前記ＡＤ変換回路のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力させる処理部と、を備える。

チャージコンデンサを定期的に放電させることにすれば、チャージコンデンサに蓄えられる電荷の量が小さくなるため、チャージコンデンサの容量を小さくすることができる。この結果、長時間の計測をする場合であっても回路の時定数を小さくすることができるので、負帰還抵抗を小さくして測定ドリフトを低減することができる。

また、上記信号処理装置は、チャージコンデンサを放電させる際に、センサの信号の計測値として本信号処理装置が出力した計測値を保持しておき、チャージコンデンサを放電させた後、次にチャージコンデンサを放電させる前までの間に本信号処理装置から出力させる計測値に、保持しておいた計測値を上乗せすることにより、チャージコンデンサの放電によって失われる電荷量を補償している。これにより、チャージコンデンサを小型化しつつも良好な感度と広範な測定範囲での動作を可能にしている。

なお、前記処理部は、前記チャージコンデンサの放電を、前記ＡＤ変換回路が前記デジタル値への変換を終えたタイミングで定期的に実行するものであってもよい。このタイミングで放電を行なえば、スイッチング動作の影響をＡＤ変換回路に与えることなく、また、保持しておいた計測値に上乗せする際に不可避的に漏れる電荷量を減らすことができる。

また、前記処理部は、前記ＡＤ変換回路のデジタル値が、不感帯として規定した範囲内の場合には、前記センサが物理量を感知しない際の前記ＡＤ変換回路の理論上のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力させるものであってもよい。このような不感帯を設定することにより、保持しておいた計測値に上乗せする際に不可避的に蓄積され、積算的に増大することになる微小ノイズの影響を抑制することができる。

なお、本発明は、方法やプログラムとしての側面から捉えることもできる。例えば、本発明は、電荷を信号として出力するセンサの信号を処理して計測値を出力する信号処理装置が実行する信号処理方法であって、前記センサが出力する電荷をチャージコンデンサに蓄えて電圧信号にするチャージアンプ回路の前記チャージコンデンサを定期的に放電させると共に、前記チャージアンプ回路の電圧信号をデジタル値に変換するＡＤ変換回路のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力するものであってもよい。

時定数を小さくして測定ドリフトを低減し、且つ、チャージコンデンサを小型化しつつも良好な感度と広範な測定範囲で動作が可能となる。

センサ信号処理装置の構成図である。 スイッチＳ１の開閉動作のタイミングとＡＤ変換回路の動作タイミングを示したタイミングチャート図である。 センサ信号処理装置において生成される波形の一例を示した図である。 チャージコンデンサに蓄積される電荷の量を比較して示した図である。 設定した不感帯の一例を示した図である。 圧電素子に一定の荷重を加えた場合の出力を比較して示した図である。 圧電素子に周期的な荷重を加えた場合の出力を比較して示した図である。 圧電素子に荷重を加えた際の圧電素子の出力と計測値とを比較して示した図である。

以下、本願発明の実施形態について説明する。センサ信号処理装置１の構成を図１に示す。センサ信号処理装置１は、各種の物理量（力、応力、トルク、圧力など）を測定する圧電素子２のアナログ信号を処理してデジタル信号を出力する回路であり、圧電素子２の信号を処理するチャージアンプ回路部３や電圧増幅回路部４、マイクロコンピュータ５を備えている。なお、センサ信号処理装置１に適用するセンサは、圧電素子に限定されるものではなく、例えば、フォトダイオードのように、電荷を信号として出力するあらゆる素子を用いることができる。

チャージアンプ回路部３は、抵抗Ｒｉ、スイッチＳ１、チャージコンデンサＣｆ、抵抗Ｒｆ、アンプＯＰ１を備えており、圧力を受ける圧電素子が出す電荷ΔＱをチャージコンデンサＣｆで蓄えてアンプＯＰ１が電圧ΔＱ／Ｃｆに変換する回路である。電圧増幅回路部４は、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、アンプＯＰ２を備えており、チャージアンプ回路部３が出力する信号を、マイクロコンピュータ５のＡＤ変換回路９の入力に適した適当な電圧に増幅する。

ここで、スイッチＳ１は、マイクロコンピュータ５によって開閉されるスイッチであり、チャージコンデンサＣｆに貯まった電荷を放電するためのものである。スイッチＳ１が閉じられると（オンになると）、チャージコンデンサＣｆに積分的に蓄積される電荷が放電され、オペアンプＯＰ１のバイアス電流やプリント基板上のリーク電流、負帰還用の抵抗Ｒｆによる出力電圧のドリフトの影響が低減されて、チャージアンプ回路部３の出力電圧の飽和が防止される。

マイクロコンピュータ５は、プロセッサ６やメモリ７、出力ＩＦ（interface）回路８
、ＡＤ変換回路９を内蔵する数値制御装置であり、メモリ７に展開されたコンピュータプログラムをプロセッサ６がロードして実行すると、出力ＩＦ回路８を介してスイッチＳ１を制御しながら、圧電素子２のアナログ信号をＡＤ変換回路９でデジタル信号に変換する。以下、マイクロコンピュータ５の動作を説明する。

プロセッサ６は、センサ信号処理装置１の電源が入ると、スイッチＳ１を以下のように制御しながら圧電素子２の信号を処理する。スイッチＳ１の開閉動作のタイミングとＡＤ変換回路９の動作タイミングを示したタイミングチャートを図２に示す。

プロセッサ６は、センサ信号処理装置１の電源が入ると、スイッチＳ１を一定時間（Ｔｏｎ）だけオンにする。スイッチＳ１をオンにする時間（Ｔｏｎ）は、チャージコンデンサＣｆに蓄積されている電荷を十分に放電できる時間であり、チャージコンデンサＣｆの容量や回路特性に応じて予め設定した時間である。

プロセッサ６は、センサ信号処理装置１の電源が入ってスイッチＳ１を一定時間（Ｔｏｎ）だけオンにしてから一定時間（Ｔｓ）経過後、ＡＤ変換回路９に電圧増幅回路部４の信号のサンプリングを実行させる。ここで、スイッチＳ１をオンにしてから、ＡＤ変換回路９に電圧増幅回路部４の信号をサンプリングさせるまでの時間（Ｔｓ）は、ＡＤ変換回路９に規定のサンプリング周期であり、ＡＤ変換回路９の仕様に基づいて予め定まっている時間である。サンプリング周期の時間（Ｔｓ）は、スイッチＳ１をオンにする時間（Ｔｏｎ）よりも長いため、スイッチＳ１がオンの状態でＡＤ変換回路９が電圧増幅回路部４の信号のサンプリングを実行することは無い。このため、スイッチＳ１のスイッチング動作に起因するＡＤ変換回路９の変換結果に影響を与えることも無い。

プロセッサ６は、ＡＤ変換回路９が規定のサンプリング周期（Ｔｓ）で電圧増幅回路部
４の信号を４回サンプリングした後、チャージコンデンサＣｆに貯まった電荷を放電する。すなわち、プロセッサ６は、ＡＤ変換回路９が４回目のサンプリングを終えた後、スイッチＳ１を一定時間（Ｔｏｎ）だけオンにする。以降、プロセッサ６は、センサ信号処理装置１の電源が切れるまで、ＡＤ変換回路９がサンプリングを４回行なう毎にスイッチＳ１を一定時間（Ｔｏｎ）だけオンにする処理を繰り返し実行する。ＡＤ変換回路９が４回目のサンプリングを終えた後、スイッチＳ１をただちにオンにしているため、この間にチャージコンデンサＣｆに貯まった電荷の量を最低限に抑制できる。なお、スイッチＳ１をオンにする頻度は、ＡＤ変換回路９がサンプリングを４回行ったタイミングである必要に限定されるものではなく、サンプリングの回数が３回以下、或いは５回以上のタイミングであってもよい。スイッチＳ１をオンにする頻度は、ＡＤ変換回路９やチャージコンデンサＣｆ、抵抗Ｒｆ、圧電素子２の仕様等に応じて適宜決定する。

プロセッサ６は、ＡＤ変換回路９によるサンプリングが規定のサンプリング周期（Ｔｓ）で繰り返し実行され、サンプリングに合わせてスイッチＳ１を一定周期で動作させている間、ＡＤ変換回路９がＡＤ変換した計測値のデータ（以下、計測データという）を以下のように処理する。すなわち、プロセッサ６は、スイッチＳ１をオンにする直前の計測データを記憶しておき、次にスイッチＳ１をオンにするまでの間にＡＤ変換回路９が新たにサンプリングした計測データに、記憶しておいた計測データを加算処理し、その演算結果の値を、圧電素子２が検知した物理量の計測データとして出力ＩＦ回路８から外部へ出力する。

例えば、図２に示すように、各サンプリング点におけるＡＤ変換回路９の計測データをＸ（１〜９）で表し、プロセッサ６が出力ＩＦ回路８から外部へ出力する計測データをＹ（１〜９）で表す。この場合、図２に示すように、第１回目から第４回目までのサンプリング時には、スイッチＳ１がオンになる前の計測データがメモリ７に記憶されていないため、ＡＤ変換回路９の計測データがそのまま出力ＩＦ回路８から外部へ出力される。また、第５回目から第８回目までのサンプリング時には、ＡＤ変換回路９の計測データに、スイッチＳ１がオンになる前の直近の計測データＹ（４）を加算した値が、圧電素子２が検知した物理量の計測データとして出力ＩＦ回路８から外部へ出力される。また、第９回目のサンプリング時には、ＡＤ変換回路９の計測データに、スイッチＳ１がオンになる前の直近の計測データＹ（８）を加算した値が、圧電素子２が検知した物理量の計測データとして出力ＩＦ回路８から外部へ出力される。

プロセッサ６が上記のような処理を行うことにより、ＡＤ変換回路９は、第１回目から第４回目までのサンプリング時には、ＡＤ変換回路９の計測データＸ（１〜４）を、圧電素子２が検知した物理量の計測データＹ（１〜４）としてそのまま出力ＩＦ回路８から外部へ出力する。また、第５回目から第８回目までのサンプリング時には、ＡＤ変換回路９の計測データＸ（５〜８）に、スイッチＳ１がオンになる前の計測データＹ（４）をそれぞれ加算した計測データを、圧電素子２が検知した物理量の計測データＹ（５〜８）として出力ＩＦ回路８から外部へ出力する。また、第９回目までのサンプリング時には、ＡＤ変換回路９の計測データＸ（９）に、スイッチＳ１がオンになる前の計測データＹ（８）をそれぞれ加算した計測データを、圧電素子２が検知した物理量の計測データＹ（９）として出力ＩＦ回路８から外部へ出力する。

上記センサ信号処理装置１において生成される波形の一例を図３に示す。上記センサ信号処理装置１では、スイッチＳ１が定期的にオンになることで、チャージコンデンサＣｆに貯まった電荷が放電されている。この結果、ＡＤ変換回路９の計測データの値Ｘは、図３に示すように、スイッチＳ１がオンになってチャージコンデンサＣｆに貯まった電荷が放電される度に初期化されることになる。しかしながら、上記センサ信号処理装置１では、スイッチＳ１をオンにする直前の計測データＹをメモリ７に記憶しておき、次にスイッ
チＳ１をオンにするまでの間にＡＤ変換回路９が新たにサンプリングした計測データに、記憶しておいた計測データを加算処理しているため、圧電素子２が検知した物理量として出力ＩＦ回路８から外部へ出力する計測データＹの値が重畳的に積算されていくことになる。

上記センサ信号処理装置１によれば、チャージコンデンサＣｆの容量を小さくすることができる。圧電素子２が検知した物理量の計測データを出力する際、チャージコンデンサＣｆに蓄積される電荷の量を、スイッチＳ１をスイッチング動作させながら積算して出力する場合と、スイッチＳ１をスイッチング動作させないで出力する場合とを比べたグラフを図４に示す。

スイッチＳ１をスイッチングしない場合の出力電圧は、例えば図４に示すように、スイッチＳ１をスイッチングする場合の出力電圧の約５倍に達することもあるため、チャージコンデンサＣｆの容量は、そのような出力電圧によっても電荷が飽和しない程度の大きさが必要である。しかし、圧電素子２が検知した物理量の計測データを出力する際、スイッチＳ１をスイッチング動作させながら積算して出力すると、チャージコンデンサＣｆに蓄積される電荷が頻繁に放電されるので、スイッチＳ１をスイッチング動作させないで出力する場合に比べて、チャージコンデンサＣｆの容量を大幅に小さくすることができる。この結果、回路の時定数を小さくすることができるので、抵抗Ｒｆの抵抗値を従来のように数十ＧΩから、例えば、数十から数百ＭΩにして、測定ドリフトを低減することができる。チャージアンプ回路部３が電圧増幅回路部４へ送る信号の電圧は、圧電素子２から出てチャージコンデンサＣｆに積分的に蓄積される電荷の量に正比例し、チャージコンデンサＣｆの容量に反比例するため、チャージコンデンサＣｆの容量が小さくなると、少ない電荷でも大きな出力電圧が得られ、Ｓ／Ｎ比が向上することになる。すなわち、チャージコンデンサＣｆの容量が大きいと、測定レンジを広くできるものの出力電圧が小さくなるのでＳ／Ｎ比が悪くなるのに対し、チャージコンデンサＣｆの容量が小さいと、出力電圧が大きくなるのでＳ／Ｎ比が良くなるものの測定レンジが狭くなるので、本実施形態では、スイッチＳ１をスイッチング動作させながら積算処理することにより、測定レンジが狭くなる問題を解決している。

なお、圧電素子２や回路のノイズによる出力のドリフトを低減するため、上記センサ信号処理装置１を以下のように変形してもよい。すなわち、圧電素子２や回路のノイズは、圧電素子２に物理量が入力されていない場合であっても発生し続け、圧電素子２が検知した物理量として出力ＩＦ回路８から外部へ出力する計測データＹの値に重畳的に加算されていくことになる。

そこで、本変形例では、プロセッサ６がＡＤ変換回路９の計測データを処理するにあたり、図５に示すような不感帯を設定する。不感帯は、例えば、ノイズに起因する計測データの変動範囲内である、変動幅の上限値と下限値との間（例えば、ＡＤ変換回路９の分解能で数段階から数十段階程度の範囲内）に設定する。不感帯をこのように設定した場合、不感帯の中心は変動幅の上限値と下限値との間の中間値に位置することになるため、図５に示すように、不感帯がゼロよりも上側の値にシフトすることがある。

マイクロコンピュータ５がＡＤ変換回路９の計測データを処理する際、計測データの値がこの不感帯の範囲内であればこの値を無視する。そして、圧電素子２が検知した物理量として出力ＩＦ回路８から外部へ出力する計測データＹを算出する際には、ＡＤ変換回路９の計測データが不感帯の中間値であるものとして取り扱う。

これにより、圧電素子２に物理量が入力されていないにも関わらず、圧電素子２や回路のノイズが計測データＹの値に重畳的に加算されていくことがなくなり、出力のドリフト
が解消する。不感帯を設けた場合の出力と不感帯を設けない場合の出力とを比較したグラフであって、圧電素子２に一定の荷重を加えた場合のグラフを図６に、圧電素子２に周期的な荷重を加えた場合のグラフを図７に示す。図６や図７のグラフから判るように、不感帯を設けた場合、不感帯を設けない場合に比べて出力が安定する。

圧電素子２の場合、ＡＤ変換回路９の入力電圧は、圧電素子２に加わっている力が変化した際にしか変化しない。よって、出力データは、本来であれば、図８で「不感帯あり」として示すように、荷重が変化していない間、一定の値を保つことになる。しかしながら、不感帯を設定しないことにより、ノイズが計測データＹの値に重畳的に加算されていく場合、図８で「不感帯なし」として示すように、荷重が変化していない間、出力データが一定に保たれないことになる。

１・・センサ信号処理装置，２・・圧電素子，３・・チャージアンプ回路部，４・・電圧増幅回路部，５・・マイクロコンピュータ，６・・プロセッサ，７・・メモリ，８・・出力ＩＦ回路，９・・ＡＤ変換回路

Claims (5)

1. 電荷を信号として出力するセンサの信号を処理して計測値を出力する信号処理装置であって、
   前記センサが出力する電荷をチャージコンデンサに蓄えて電圧信号にするチャージアンプ回路と、
   前記チャージアンプ回路の電圧信号をデジタル値に変換するＡＤ変換回路と、
   前記チャージコンデンサを定期的に放電させると共に、前記ＡＤ変換回路のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力させる処理部と、を備える、
   信号処理装置。
2. 前記処理部は、前記チャージコンデンサの放電を、前記ＡＤ変換回路が前記デジタル値への変換を終えたタイミングで定期的に実行する、
   請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記処理部は、前記ＡＤ変換回路のデジタル値が、不感帯として規定した範囲内の場合には、前記センサが物理量を感知しない際の前記ＡＤ変換回路の理論上のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力させる、
   請求項１または２に記載の信号処理装置。
4. 電荷を信号として出力するセンサの信号を処理して計測値を出力する信号処理装置が実行する信号処理方法であって、
   前記センサが出力する電荷をチャージコンデンサに蓄えて電圧信号にするチャージアンプ回路の前記チャージコンデンサを定期的に放電させると共に、前記チャージアンプ回路の電圧信号をデジタル値に変換するＡＤ変換回路のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力する、
   信号処理方法。
5. 電荷を信号として出力するセンサの信号を処理して計測値を出力する信号処理装置が実行する信号処理プログラムであって、
   前記信号処理装置に、前記センサが出力する電荷をチャージコンデンサに蓄えて電圧信号にするチャージアンプ回路の前記チャージコンデンサを定期的に放電させると共に、前記チャージアンプ回路の電圧信号をデジタル値に変換するＡＤ変換回路のデジタル値に、前記チャージコンデンサを放電する前に前記信号処理装置から出力した直近の計測値を加算した値を、前記センサの信号の計測値として前記信号処理装置から出力する処理を実行させる、
   信号処理プログラム。

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