JP3203829B2 - センサー回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば光信号を投射
し、その反射信号を外乱雑音光中で検出するように授与
信号を授与し、その応答信号を外乱雑音中で検出するセ
ンサー回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】安価な発光ダイオードのような光源より
光を照射し、その反射光を検出するには、従来において
は主として直流分を検出する光チョッピング方式による
構成がよく採用され、回路技術的にも改良されてきてい
る。その一例を図４に示す。パルス発信器１１からのパ
ルスで駆動回路１２を通して、発光ダイオード１３をパ
ルス的に発光させ、そのパルス光をレンズ１４で絞って
物体１５に射照し、その反射光をフォトダイオード１６
で受光し、フォトダイオード１６の出力を差動増幅器１
７で増幅する。容量素子１８と増幅器１９とからなる積
分回路により、光パルスを照射しない時間帯に外乱光だ
けを積分増幅しておき、その外乱光を反射光の受光出力
から差動増幅器１７で差し引く、パルス発信器１１の出
力パルスにより切替え回路２１が制御されて、反射光か
ら外乱光が差し引かれた正味の反射光量信号が出力端子
２２へ出力され、その他の期間は増幅器１７の出力は増
幅器１９の入力側へ供給される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の光チ
ョッピング方式はたとえば外乱雑音（外乱光) が直流分
だけであれば、理論上は雑音を完全に除去できるし、ま
た外乱光が完全な周期性を持つ場合はこの周期に同期し
た時間積分回路を構成して、反射光がある１周期の積分
出力から反射光がない１周期の積分出力を差し引くこと
により外乱光の影響をゼロにすることができる。しかし
不規則あるいは予想外の外乱雑音の除去は難かしい。引
き続いた２つの短時間内の外乱雑音の各積分総量が等し
いと仮定して、周期性雑音と同様に、反射光のある１つ
の短時間と、反射光のない１つの時間との各積分の差を
検出する回路を構成して、雑音除去率を上げようとし
て、その１つの短時間を短くしようとすれば、積分回路
の出力のスイッチングに併う過渡現象の影響が大きくな
ってしまい、高感度のセンサー回路は構成できない。

【０００４】実際にこの従来方式を採用した製品は、最
大数ｃｍ程度の近距離センサー回路として、あるいは動
く物体からの反射光量の変化率だけの検出なら３ｍ程度
まで検知するが静止物体は検知できないセンサー回路と
して、または室内照明を暗くしないと使えないセンサー
回路として使用される場合に限定されている。以上は光
センサー回路について述べたが、その他一般に信号を授
与し、その応答信号を比較的強い外乱雑音が存在する状
態で検出する場合にも同様の問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明によれば授与信
号を時間ｄ秒の間授与し、その授与に対する応答の間、
変換素子からの電気信号を信号積分手段で積分し、また
上記時間ｄ秒の授与信号に対する応答から時間Ｄ秒（Ｄ
≧ｄ) だけ離れた時間ｄ秒の間、変換素子からの電気信
号を雑音積分手段により積分し、信号積分手段の積分中
の中間部の積分出力から、雑音積分手段の積分中の対応
する中間部の積分出力を差し引き、その差出力から応答
信号の有無の判定がなされ、又は応答信号の大きさが求
められる。このセンサー回路の応答周波数の上限ｆ₀ Ｈ
ｚ以上ではｆ₀ ／２での検出感度の１／１０以下の感度
とされてあり、かつ、Ｄ×ｆ₀ が０．０３以下に設定さ
れている。

【０００６】以下、その原理を説明する。周波数をｆ＝
２πω〔Ｈｚ〕、時間をｔ〔ｓ〕として外乱雑音のスペ
クトル分布を ｓ＝∫Ｓ（ω) ・ｅｘｐ（ｉωｔ) ｄω ∫は０〜∞まで と記す。時刻ｔ₁ 〔ｓ〕にｄ〔ｓ〕間、応答信号Ｂを積
分し、このｄ〔ｓ〕間内に授与信号Ａに対する応答の一
部または全部が入るようにする。すなわち雑音がなけれ
ばＢ＝Ｉｄ（Ｉ＝定数) 。雑音を加味すると積分出力Ｂ
は次のようになる。

【０００７】 Ｂ＝Ｉｄ＋∫ｓｄｔ ∫はｔ₁ からｔ₁ ＋ｄまで ＝Ｉｄ＋∫Ｓ（ω）ｄω・ｅｘｐ（ｉωｔ₁ ) ・（ｅｘｐ（ｉωｄ）−１) ／（ｉω) ∫は０〜∞まで 時刻ｔ₁ からＤ〔ｓ〕間前または後（Ｄ≧ｄ) の時刻ｔ
₂ 〔ｓ〕に、授与信号からの応答なしにｄ〔ｓ〕間外乱
雑音を積分する。この積分出力Ｂ₀ は次のようになる。

【０００８】 Ｂ₀ ＝∫ｓｄｔ ∫はｔ₂ からｔ₂ ＋ｄまで ＝∫Ｓ（ω）ｄω・ｅｘｐ（ｉωｔ₂ ) ・（ｅｘｐ（ｉωｄ）−１) ／（ｉω) ＝∫Ｓ（ω）ｄω・ｅｘｐ（ｉωｔ₁ ) ・〔ｅｘｐ（ｉωｄ）−１〕 ・ｅｘｐ（±ｉωＤ）／（ｉω) ∫は０〜∞まで ここで装置の検出感度の周波数上限をｆ₀ ＝２πω
₀ 〔Ｈｚ〕とし、実用上はｆ ₀ 〔Ｈｚ〕以上での検出感
度をｆ₀ ／２〔Ｈｚ〕での検出感度の１／１０以下とな
るように時間積分回路を構成するか、低周波域通過フィ
ルターを時間積分回路の前または後に挿入する。積分出
力ＢとＢ₀ をそれぞれ一時記憶させておいて、両者の差
ΔＢ＝Ｂ−Ｂ₀ を検出する。各積分の終了する時刻ｔ₁
＋ｄおよびｔ₂＋ｄの直前までに記憶動作を完了させて
しまえば積分終了時点のスイッチングに併う過渡現象に
よる誤差は入らない。記憶時のサンプリングのタイミン
グ誤差等が残ることは考えられるが、これは積分以前の
微弱信号そのもののレベル判定に影響するスイッチング
誤差よりはるかに小さい。積分中の信号の時間変化率が
大きい場合は、積分出力を記憶するサンプリング時点付
近のみなだらかな変化にしてサンプリング誤差を小さく
すればよい。

【０００９】またＤｆ₀ ＜０．０３とすることにより信
号Ｉに対する相対誤差を十分小さくすることができる。
つまり ωｄ≦ω₀ ｄ≦ω₀ Ｄ＝２πｆ₀ Ｄ＜０．２ となる。Ｄｆ₀ が十分小さいから、ωｄ，ωＤも十分小
さく、ｅの指数関数を級数に展開してその２項までの近
似式を用いると積分値差ΔＢは次式のようになる。

【００１０】

【数１】 信号Ｉに対する相対誤差の程度は次式で表わせる。 ｜∫ωＤ・Ｓ（ω）・ｅｘｐ（ｉωｔ₁ ) ／Ｉ・ｄω｜ ≦∫ωＤ・｜Ｓ（ω）／Ｉ｜ｄω≦ω₀ Ｄ∫｜Ｓ（ω）／Ｉ｜・ｄω ≦０．２∫｜Ｓ（ω）／Ｉ｜ｄω つまりＤｆ₀ ＜０．０３とすることにより信号Ｉに対す
る相対誤差を０．２程度以下にまで減少できる。

【００１１】

【実施例】図１にこの発明の実施例を示し、図２にその
各部の動作信号波形を示す。パルス発生器３１で時間幅
ｄ＝８〔μｓ〕のパルスＶ１を発生させ、そのパルスＶ
１で駆動回路３２を働かせて授与信号発生部３３から物
体（被検知体) １５に信号を授与する。一方パルスＶ１
は遅延回路３４に入ってパルスＶ１からＤ＝１２〔μ
ｓ〕遅れたパルス幅ｄ＝８〔μｓ〕のパルスＶ２を形成
し、パルスＶ１とＶ２とは論理和回路３５によって合成
されて一対のパルスＶ３とされる。これらの時間数値
は、雑音のスペクトルの大部分が数ｋＨｚ以下に分布し
ていて、それ以上の高周波成分は測定すべき応答信号よ
りも小さい一般的状況に合わせたものである。

【００１２】物体１５からの応答信号は変換素子（セン
サー素子) ３６で感受されて電気信号に変換される。そ
の電気信号はスイッチング回路３７、容量素子３８、増
幅器３９からなる積分回路４１にて積分される。スイッ
チング回路３７はパルス対Ｖ３によりそのパルスの間だ
けオフに駆動されるため、積分回路４１の出力Ｖ４とし
て積分出力Ｂと、Ｂ₀ とがパルスＶ１、Ｖ２と対応して
生じる。積分出力Ｂは応答信号と雑音との和、積分出力
Ｂ₀ は雑音のみに対応する。

【００１３】積分出力Ｖ₄ を低域通過フィルタのような
波形整形回路４２によって１００ｋＨｚ以上の残存成分
を減少させ、かつ、平坦化を行って出力Ｖ５を得る。こ
の各波形の平坦部（中間部) における最高周波数成分は
ｆ₀ ＝１ｋＨｚ以下となり、Ｄｆ₀ ＝１２〔μｓ〕×１
〔ｋＨｚ〕＝０．０１２＜０．０３の条件が満足され
る。この出力Ｖ５は可変抵抗器４３にて分割されてサン
プル・ホールド回路４４，４５に入力する。パルスＶ
１，Ｖ２が遅延パルス発生器４６，４７にそれぞれ入力
されて、その各前縁からそれぞれｄ₁ （＜ｄ) だけ遅れ
たサンプリングパルスＶ６，Ｖ７が発生され、これらサ
ンプリングパルスＶ６，Ｖ７でサンプル・ホールド回路
４４，４５がそれぞれ駆動されて、サンプリングパルス
Ｖ６，Ｖ７の各立ち下りの時の回路４４，４５の各入力
値が、それぞれ一時記憶される。これらの記憶値は差動
増幅器４８で差をとられ出力Ｖ８を得る。差出力Ｖ８の
サンプリングパルスＶ６の立ち下り時刻ｔ₃ 以前の値
は、前回試行の値または不定である。時刻ｔ₃ からサン
プリングパルスＶ７の立ち下り時刻ｔ₄ までの間の値ｖ
₁は積分出力Ｂの記憶値に対応し、時刻ｔ₄ 以後の値ｖ
₁ −ｖ₂ はｖ₁ と、積分出力Ｂ₀ の記憶値に対応するｖ
₂ との差である。

【００１４】出力回路４９でｖ₁ −ｖ₂ の出力値だけが
取り出される。出力回路４９は例えばサンプリングパル
スＶ７が遅延回路５１で遅延されたパルスによりサンプ
ルホールドされる回路である。この回路４９の出力が外
乱雑音の影響を減少させたセンサー回路の応答出力であ
る。この例では更に抵抗器５２（４７０Ω) と容量素子
５３（０．３３μＦ) よりなる平滑回路を追加して、図
２に示したような動作を繰り返して行った場合に各動作
の間に生ずる出力電圧の凹凸を平滑化して出力端子５４
に出力している。この出力端子５４の出力が所定値以上
で物体１５が有ってその性質を検知した信号であると、
所定値以下で物体１５が無しと判定する。

【００１５】積分出力Ｂの始めと終りの各付近Ｐ１，Ｑ
１、積分出力Ｂ₀ の始めと終りの各付近Ｐ２，Ｑ２はス
イッチング回路３７のスイッチング時の非線形応答（過
渡現象) であって、乱れている。従ってアナログ的に積
分出力Ｂから積分出力Ｂ₀ を単に差し引いただけでは前
記非線形応答は消えない。この非線形応答はスイッチン
グ速度を速くする程、従ってｄが短いほど激しくなり、
これの少い理想的な回路要素で構成された積分回路４１
は存在しなくなる。Ｐ１，Ｑ１，Ｐ２，Ｑ２付近の波形
はそれぞれ波形整形出力Ｖ５にもＰ１′，Ｑ１′，Ｐ
２′，Ｑ２′付近の波形に残存的影響を与えている。

【００１６】従って積分出力Ｂ，Ｂ₀ のそれぞれの各始
め、終り部分を除いた中間部でサンプル・ホールドする
が、サンプル・ホールド回路４４，４５も実際には各時
刻ｔ ₃ ，ｔ₄ から一定時間（本例では約１μｓ) かかっ
て記憶保持動作を完了するので、サンプリングパルスＶ
６，Ｖ７のタイミングは図２に示すように、できるだけ
パルスＶ１，Ｖ２の各立ち上りから遠ざけて、各立ち下
りの近くで、かつＱ１′，Ｑ２′付近の非線形応答波形
が始まる直前に記憶保持動作が完了するように選ぶとよ
い。この発明ではこのようにｄ，Ｄを小さくして、外乱
雑音を除去し、かつ各積分出力の時間的中間部を取り出
すことにより出力Ｖ４の高調波成分やスイッチングの非
線形応答の大部分を除去した、高精度・高感度のセンサ
ー回路が構成できる。

【００１７】図１の実施例を光信号を用いる場合につい
て図３Ａに一部を示す。物体１５として人や動物、物体
１５′が授与信号発生部３３として赤外発光ダイオード
３３′が、変換素子３６としてフォトダイオード３６′
が用いられ、その他は図１の場合と同様である。赤外発
光ダイオード３３′とフォトダイオード３６′との間に
光及び電波の遮蔽板５５が設けられ、またフォトダイオ
ード３６′の前面に赤外光透過フィルタ５６が設けられ
てフォトダイオード３６′に可視光等が入射して増幅器
３９（図１) のダイナミックレンジを狭くするのを防止
している。

【００１８】赤外発光ダイオード３３′からの赤外光ビ
ーム５７の広がりは図示の程度のものとし、レンズや鏡
等の集光系は特に使用していない。物体１５′として青
服を着て静止している大人の場合、天井に４０Ｗの蛍光
灯２４個を点灯した広さ６ｍ×６ｍ，高さ２．４ｍの室
内でこのセンサー回路を実験してみると、最大感知距離
は１．２ｍであった。フォトダイオード３６′の前面に
レンズなどの集光器を取りつけると、最大感知距離は２
ｍ以上に向上した。日昼の戸外でも、赤外光透過フィル
タ５６を厚めにして太陽スペクトルの赤外光分の入射量
を押さえ、増幅器３９のダイナミックレンジ内におさめ
ることによって、同程度の感度が得られた。このような
成果は、安価な発光ダイオードを使用した民生品の分野
としては、従来技術では前述したように最大感知距離が
数ｃｍ程度であったことと比較すると、この発明によれ
ば従来よりも著しく高感度の赤外光反射センサー回路を
構成できることがわかる。

【００１９】図１中のパルス発生器３１の発生パルス幅
ｄを可変できるようにしたり、遅延回路３４の遅延定数
を可変できるようにし、ｄ、Ｄを個別又は同時に変更し
て、外乱雑音環境が様々に変動する場合に有効にするこ
とができる。同様の目的に、容量素子３８，５３の各容
量値を可変にして調整したり、サンプリングパルスＶ
５，Ｖ６の幅を可変にして信号対雑音比を最適値に調整
できるように構成することが有効であることも確認され
た。例えば応答信号なしの状態で差動増幅器４８の出力
がゼロになるように各部を調整する。これらの可変量
は、いくつかの試験値を自動的に断続して与え、最適な
出力結果のみ出力端子５４からの出力として採用して他
を捨てれば、測定精度は更に向上する。この場合、Ｂお
よび／またはＢ₀ の検出動作の複数回に１回、最適出力
を得ることになる。

【００２０】このような処置が複雑化した場合は、図１
中の出力回路４９の部分を図３Ｂに示すように変えて、
信号Ｖ８を一時記憶後、統計処理するようにした方が部
品点数が少くてすむ。パルスＶ３が遅延パルス発生回路
５８に入力され、その立ち下りからＤ＋ｄより大きい遅
延が与えられたサンプリングパルスが作られ、そのパル
スでサンプル・ホールド回路５９が駆動され、差出力Ｖ
８がサンプル・ホールドされ、更にＡ／Ｄ変換器６１で
ディジタル化される。そのディジタル値はＩＣメモリ回
路を含む記憶部６２に記憶される。制御回路６３で記憶
部６２を制御して、最適と判断された値のみを出力す
る。図には記してないが、制御回路６３は必要に応じて
当然、前述した各種可変手段の制御も行う。また制御回
路６３は記憶したディジタル値を平均化したり統計処理
して出力してもよい。

【００２１】他の実施例の一部を図３Ｃに示す。物体１
５として高透磁率磁性体を含む電子部品等の物体１５″
が、授与信号発生部３３として空芯コイル３３″が変換
素子３６としてホール素子３６″がそれぞれ用いられた
場合であり、その他は図１と同一構成とされる。赤外光
や電波等の激しい劣悪な環境下ではこれら外乱雑音によ
りホール素子３６″が影響されるが、この発明によれば
これら外乱雑音に影響されずに対象物１５″の検知や磁
気的な性能等の検査ができる。単なる電磁場シールドは
磁場の交流分もシールドしてしまうし、薄くて赤外光を
通さないシールドは、検知すべき磁場が微弱な場合、や
はり検知特性を劣化させる。また、ホール素子を単に交
流法やパルス法で使用するだけでは、素子が激しい外乱
で非線形動作をしてしまえば役立たない。

【００２２】この実施例の動作は空芯コイル３３″によ
って授与されるパルス状の磁場に対する対象物１５″の
応答をホール素子３６″で検知する。あるいは、空芯コ
イル３３″と対象物１５″との組みで発生する磁束密度
を授与信号と考えて、たとえば空芯コイル３３″だけで
対象物１５″がないときを「授与信号を与えない場合」
と考えて、時間差差動をとってもよい。いずれにせよ、
ホール素子３６″が線形動作をする範囲内では、それ以
後の動作は、赤外発光ダイオード３３′とフォトダイオ
ード３６′を用いた具体例の時と同様である。

【００２３】今、赤外光パルスによる瞬間的な加熱や電
波等によってホール素子３６″が非線形動作をした場合
は、制御回路６３（図３Ｂ) で不適値と判断して統計処
理前に排除してしまう。大きな外乱磁場が入ってホール
素子３６″の出力が増幅器３９のダイナミックレンジか
らはずれてしまうと、一般には差動出力が異常に小さい
状態が続く。この場合も制御回路６３で判断して、異常
が回復するまで、測定を中断する等の処置がとれる。非
線形動作が小さい場合は、図３Ｂに示したような判断機
能を特に付加せずに、前述したｄ，Ｄや回路定数の変更
などだけで線形動作範囲内に戻すことも可能である。

【００２４】この図３Ｃに示した構成によって、モータ
ー近辺に固定されたフェライト磁芯の検査や、埋没金属
片の磁気的な高感度検知が可能になる。上述におい波形
整形回路４２は省略してもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば授与
信号を時間ｄだけ与えた時の応答信号の積分と、授与信
号からＤ時間離れた時間ｄの外乱雑音の積分との各対応
中間時点での差をとり、かつ最高応答周波数ｆ₀ とＤと
の積を０．０３未満とすることにより、非周期性外乱雑
音も除去でき、かつスイッチングにもとづく非線形応答
（過渡現象) の影響を受けずに高精度、高感度に物体の
有、無の検出や特性を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】図１の中の各部の動作信号波形の例を示す図。

【図３】Ａ及びＣはそれぞれ授与信号発生部３３及び変
換素子３６の具体例を示す図、Ｂは図１中の出力回路４
９の変形例を示すブロック図である。

【図４】従来の光反射センサー回路を示すブロック図。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 授与信号を与え、その応答信号を変換素
   子で電気信号に変換し、その電気信号から応答信号を検
   出するセンサー回路において、 授与信号を時間ｄ秒の間授与する手段と、 その授与に対する応答の間、上記変換素子からの電気信
   号を積分する信号積分手段と、 上記時間ｄ秒間の授与信号に対する応答から時間Ｄ秒
   （Ｄ≧ｄ) だけ離れた時間ｄ秒の間、上記変換素子から
   の電気信号を積分する雑音積分手段と、 上記信号積分手段の積分中の中間部の積分出力から、上
   記雑音積分手段の積分中の対応する中間部の積分出力を
   差し引く引算手段とを具備し、 上記センサー回路の応答周波数の上限ｆ₀ Ｈｚ以上では
   ｆ₀ ／２での検出感度の１／１０以下の感度であり、か
   つＤ×ｆ₀ が０．０３より小さい値に設定されている、 ことを特徴とするセンサー回路。
2. 【請求項２】 上記時間ｄ及び／又は時間Ｄを変更する
   手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の
   センサー回路。