JP4208428B2

JP4208428B2 - センサの信号処理方法および装置

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Publication number: JP4208428B2
Application number: JP2001102028A
Authority: JP
Inventors: 和彦今川
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002296332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、導電性ケース内に収容したセンサ素子の出力信号を増幅するセンサの信号処理方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動販売機等では紙幣識別装置が組込まれ、投入された紙幣の金種を判別している。この紙幣識別装置では、紙幣に磁気インクで印刷した模様や記号を磁気センサで読取るものがある。
【０００３】
ここで用いる磁気センサとしては、磁気抵抗効果（Magneto Resistive Efect, MRE）を利用した磁気抵抗素子（ＭＲ素子）が広く用いられている。この素子は、素子を流れる電流に対して直角に磁界が与えられるとその電気抵抗値が変化する現象を利用し、この抵抗値の変化を電圧変化として取出すものである。
【０００４】
ここに素子を通る磁界が小さい時は抵抗変化も小さいので、２つの素子をブリッジ接続としてこれらにあらかじめ永久磁石による磁界を与えておき、素子の近くを磁性体が通る時の磁力線の偏り変化によって２つの素子に出力差を発生させるようにしている。また素子に誘導ノイズが生じるのを防ぐために、素子を導電性のある金属ケースに収容している。特に紙幣などの磁性インクを検出するセンサでは、耐摩耗性の高いケースを用いている。
【０００５】
図２は、従来の紙幣識別装置を示す全体構成図であり、このような磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた磁気抵抗センサ（ＭＲセンサ）で紙幣の磁気インク印刷模様を検出するものである。図３はＭＲセンサの等価回路および増幅器を示す図、図４はＭＲセンサの構造を示す図である。
【０００６】
図２において符号１０は電源であり、通常の商用電源を用いる。レギュレータ１２ではこの電源１０から供給される電圧から定電圧を得る。
【０００７】
１４は磁気抵抗センサ（ＭＲセンサ）であり、図３、４に示すように一対の特性が揃ったＭＲ素子１６、１８と、これらを囲む導電性ケースである金属ケース２０と、永久磁石２２とを持つ。ＭＲ素子１６、１８はブリッジ接続されている。すなわちＭＲ素子１６、１８は直列接続され、これらの中点１の電圧が出力電圧とされる。この直列回路の両端２、３間には直流定電圧が印加される。永久磁石２２は両ＭＲ素子１６、１８に均等な磁界を与える。
【０００８】
従ってケース２０の表面近くを磁気インクで印刷した紙幣２４が一定方向（図４で左から右）へ移動すると、磁気インクの部分に磁力線が偏り、２つのＭＲ素子１６、１８の抵抗差が生じる。磁気インク部分の移動に伴ってこの抵抗差は逆転するから、中点１の出力電圧は正から負に（または負から正に）変動する。この出力電圧すなわちＭＲセンサ１４の出力信号は、磁気インクの濃度により変化する交流となる。
【０００９】
このＭＲセンサ１４の出力信号は２つの交流反転増幅器２６、２８で２段階に増幅される。この増幅された出力信号はＡ／Ｄコンバータ（変換器）３０でデジタル信号に変換されてコンピュータ（ＣＰＵ）３２に入力される。ＣＰＵ３２では出力信号の波形などから紙幣２４の金種を識別するものである。
【００１０】
ここに各電気回路は共通のグランドに接地される。すなわちＭＲセンサ１４の端子３はこの共通のグランド３４に接地される。一方金属ケース２０は感電を防ぐために周囲の金属部品（装置の筐体など）と共にアース処理される。ここにアース処理はアース（大地）３６と同電位にすることを意味する。また紙幣識別装置と他の装置（例えば自動販売機内の商品搬出装置など）と電気接続した時に短絡事故が発生するのを防ぐために、ＭＲ素子１６、１８を含む電気回路とアース３６との間は高インピーダンスとする。すなわち図３に示すように、ケース２０と中点１との間には高抵抗値の絶縁抵抗３８が介在すると考える。
【００１１】
この場合に、電気回路のグランド３４とアース３６との間に誘導ノイズによって交流電圧が生じると、このノイズがＭＲセンサ１４の出力信号に混入する。すなわち誘導ノイズと同じ周波数の交流ノイズが混入する。通常はノイズ源は商用交流電源である。一方紙幣識別装置では、ＭＲセンサ１４の出力信号は紙幣２４の走査に同期して周波数が変化するが、その信号成分の周波数は通常商用交流電源と同じ周波数帯域になる。
【００１２】
ノイズ除去のためにはフィルタ回路を用いることがよく知られているが、ノイズ成分と信号成分が同じ周波数帯域であるためフィルタ回路は使用できない。仮にフィルタ回路と用いるとノイズ成分と共に信号成分も除去されてしまうからである。このため紙幣の識別ができなくなったり、識別の精度が低下するという問題があった。
【００１３】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、導電性ケース内にセンサ素子を収容したセンサの出力信号を増幅する場合に、センサ出力に混入する誘導ノイズを除去してセンサによる検出精度を向上させることができるセンサの信号処理方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用するセンサの信号処理装置を提供することを第２の目的とする。
【００１４】
【発明の構成】
この発明によればこの目的は、導電性ケース内にセンサ素子を収容したセンサの出力信号を増幅するセンサの信号処理方法において、前記導電性ケースの電圧から前記センサの出力信号に誘導するノイズ成分を抽出し、この抽出したノイズ成分を前記センサの出力信号に加算または減算して出力信号に含まれるノイズ成分を相殺して除去することを特徴とするセンサの信号処理方法、により達成される。
【００１５】
センサの待機中にセンサ出力信号に加・減算するノイズ成分のレベル調整を行い、センサ出力信号の変動量が最少となるようにすれば、検出精度は一層向上する。例えば待機中のセンサ出力信号をコンピュータで監視し、所定時間（例えば０．１秒間）の最大値と最小値の差（最大振幅）を最少にするようにノイズ成分のレベル調整を自動で行えばよい。
【００１６】
センサ出力信号の周波数帯域がノイズの周波数帯域にほぼ一致する場合に、この発明は特に有効であるが、一致しない場合にも適用することができるのは勿論である。紙幣などの紙葉類で磁気インク印刷したものを一定速度で搬送する場合には、センサ出力信号の周波数帯域が商用交流電源周波数帯域に近くなるので、この発明は特に有効である。
【００１７】
この発明によれば第２の目的は、導電性ケースにセンサ素子を収容したセンサの出力信号を増幅するセンサの信号処理装置において、前記導電性ケースの電圧から前記センサの出力信号に誘導するノイズ成分を抽出するノイズ抽出回路と、前記センサの出力信号に前記ノイズ抽出回路で得たノイズ成分を加算または減算してノイズ成分を相殺して除去する演算回路と、を備えることを特徴とするセンサ信号処理装置、により達成される。
【００１８】
ノイズ抽出回路には、ノイズ成分のレベル調整を行う減衰器を設けておけば、センサの待機中に出力信号の変動量を最少とするように減衰器の調整を行えばよいので調整が便利である。演算回路は、センサ出力信号を反転増幅器と非反転増幅器で２段階に増幅するようにして、ノイズ抽出回路の出力を両増幅器の間に加算するように構成することができる。
【００１９】
ここに用いる減衰器は、コンピュータが送信するシリアル信号によって減衰率を制御できるものとしておき、コンピュータがセンサの待機中に検出したセンサ出力信号の変動量が最少となるように、減衰器の減衰率をフィードバック制御するのがよい。このようにすれば温度変化などによってセンサの特性が変化してもこれに追従して速やかにノイズの影響を抑制することが可能になり、検出精度の向上に適する。センサは磁気抵抗素子を用いた磁気抵抗センサとすることができ、この場合には磁気インクで印刷した紙幣などの紙葉類の識別に好適である。
【００２０】
【実施態様】
図１は本発明の一実施態様である紙幣識別装置の磁気インクセンサ部分を示す回路図である。この図において１２Ａはレギュレータ（電圧調整回路）であり、＋５Ｖの直流定電圧をＭＲセンサ１４Ａの端子２や他の回路に供給する。ＭＲセンサ１４Ａは前記図３、４で示したものと同じ構造のものであり、ＭＲ素子１６Ａ、１８Ａを直列接続し、導電性ケースとしての金属ケース２０Ａで囲ったものである。なお図１では永久磁石は図示されていない。
【００２１】
ケース２０Ａは、このＭＲセンサ１４Ａを基板（図示せず）に取付けるために用いる基板取付穴５０を介してアース（大地）３６Ａに接続されている。ケース２０Ａの電圧は、ノイズ抽出回路５２に導かれ、ここでノイズ成分が抽出される。このノイズ抽出回路５２は、コンデンサＣ１と、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２と、減衰器（アッテネータ）ＡＴＴとで形成される。
【００２２】
分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２はグランド３４Ａとアース３６Ａとの間を高インピーダンスにするためのものである。またこれらコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１、Ｒ２は直流成分をカットするフィルタとして機能する。抵抗Ｒ１、Ｒ２でケース２０Ａの電圧を安全な電圧まで降圧した後、減衰器ＡＴＴでノイズ信号のレベルを調整する。
【００２３】
ＭＲセンサ１４Ａの中点１から取出した出力信号は、反転増幅器２６Ａと非反転増幅器２８Ａに順に入力され、２段階に増幅される。これらの増幅器２６Ａ、２８Ａは演算増幅器で構成され、増幅器２６Ａの非反転入力端および増幅器２８Ａの反転入力端にはレギュレータ５４で調整された一定基準電圧が導かれている。
【００２４】
減衰器ＡＴＴの出力は直流成分カット用のコンデンサＣ２を介して後段の非反転増幅器２８Ａの非反転入力端に導かれる。前段の反転増幅器２６Ａの出力はＭＲセンサ１４Ａの出力信号の極性を反転したものとなるから、この出力に減衰器ＡＴＴの出力を加算することにより、ＭＲセンサ１４Ａの出力信号に含まれていたノイズ成分は、減衰器ＡＴＴの出力と相殺されて減少する。両者が同一のレベルで正負が反転しただけの波形であれば、理論上はノイズ成分は完全に消去され得る。
【００２５】
増幅器２８Ａの出力はコンピュータ（ＣＰＵ）３２Ａに入力される。このＣＰＵ３２ＡはＡＤコンバータを内蔵するものであり、増幅器２８Ａの出力をＡ／Ｄ変換して所定の処理を行う。すなわち紙幣の金種などを識別する。またこのＣＰＵ３２Ａは減衰器ＡＴＴの減衰率を最適にするように制御する。すなわちＭＲセンサ１４Ａの待機中に増幅器２８Ａの出力を監視し、その出力の例えば０．１秒間における最大値と最小値の差を求める。そしてこの差を小さくするようにシリアル通信線５６を介して減衰器ＡＴＴに信号を送り、この差が最小になるまで段階的に減衰率を増・減させる。すなわちフィードバック制御する。
【００２６】
ＣＰＵ３２Ａは紙幣の挿入を検知すると減衰器ＡＴＴへの通信を停止する。減衰器ＡＴＴはこのＣＰＵ３２Ａからの通信が停止すると、最後に指示された減衰率を保持して動作を行う。すなわち金属ケース２０の電圧をこの最後に指示された減衰率で減衰させ、増幅器２８Ａの非反転入力端に加える。この結果ＭＲセンサ１４Ａの出力信号に含まれるノイズ成分は、減衰器ＡＴＴから加えられる出力と相殺されて消える。従って増幅器２８ＡからＣＰＵ３２Ａに入力される信号（ＭＲセンサ１４Ａの出力信号）は誘導ノイズを含まない信号成分だけとなり、紙幣の識別精度を向上させることができる。
【００２７】
この実施態様はＭＲセンサを用いて紙幣の識別を行うものであるが、本発明はＭＲセンサ以外のセンサであっても導電性ケースに収容したものであれば適用でき、所期の効果が得られる。導電性ケースは金属ケースが一般的であるが、樹脂に導電性を付与したものや導電性を有するセラミックスなどであってもよい。またこの発明は、紙幣識別装置以外の装置にも適用できるのは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１〜５の発明によれば、導電性ケースのアースと電気回路のグランドとの間に誘導ノイズによる交流電圧が生じる場合に、導電性ケースの電圧からノイズ成分を検出し、これをセンサの出力信号に加算または減算することにより、センサの出力信号からノイズ成分を除去するものであるから、センサの検出精度が向上する。
【００２９】
また請求項６〜１１の発明によれば、この方法の実施に直接使用するセンサの信号処理装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様を示す回路図
【図２】従来装置の構成を示す概念図
【図３】磁気抵抗センサの等価回路および増幅器を示す概念図
【図４】磁気抵抗素子の構造を示す図
【符号の説明】
１４、１４Ａセンサ（磁気抵抗センサ）
１６Ａ、１８Ａセンサ素子（磁気抵抗素子）
２０、２０Ａ金属ケース（導電性ケース）
２４紙幣
２６、２８交流増幅器（演算回路）
２６Ａ反転増幅器
２８Ａ非反転増幅器
３２、３２Ａコンピュータ（ＣＰＵ）
３４、３４Ａグランド
３６、３６Ａアース（大地）
５２レベル調整回路
ＡＴＴ減衰器（アッテネータ）

Claims

導電性ケース内にセンサ素子を収容したセンサの出力信号を増幅するセンサの信号処理方法において、
前記導電性ケースの電圧から前記センサの出力信号に誘導するノイズ成分を抽出し、この抽出したノイズ成分を前記センサの出力信号に加算または減算して出力信号に含まれるノイズ成分を相殺して除去することを特徴とするセンサの信号処理方法。
センサが検出対象を検出していない待機時に、出力信号変動量が最少となるように導電性ケースの電圧から抽出したノイズ成分のレベル調整を行う請求項１のセンサの信号処理方法。
待機中のセンサの出力信号をコンピュータで監視し、コンピュータはこの出力信号の所定時間内の最大値と最小値の差が最少になるように出力信号に加算または減算するノイズ成分のレベル調整を行う請求項２のセンサの信号処理方法。
センサは印刷した磁気インクの印刷模様を検出する磁気センサであり、センサの出力信号の信号成分が商用周波数とほぼ同じ周波数帯域である請求項１または２のセンサの信号処理方法。
センサは、磁気インクを印刷した一定速度で搬送される紙葉類に対向配置されて紙葉類を走査する請求項４のセンサの信号処理方法。
導電性ケースにセンサ素子を収容したセンサの出力信号を増幅するセンサの信号処理装置において、
前記導電性ケースの電圧から前記センサの出力信号に誘導するノイズ成分を抽出するノイズ抽出回路と、前記センサの出力信号に前記ノイズ抽出回路で得たノイズ成分を加算または減算してノイズ成分を相殺し除去する演算回路と、を備えることを特徴とするセンサの信号処理装置。
請求項６において、ノイズ抽出回路は検出したノイズ成分のレベル調整を行う減衰器を有するセンサの信号処理装置。
演算回路は、センサの出力信号を増幅する反転増幅器と、この反転増幅器の出力を増幅する非反転増幅器とを備え、ノイズ抽出回路の出力は非反転増幅器の入力に加算される請求項６または７のセンサの信号処理装置。
センサが検出対象を検出していない待機時にセンサの出力信号を検出してこの出力の変動量が最少となるように減衰器のレベル調整を行うコンピュータを有する請求項７または８のセンサの信号処理装置。
センサは金属ケースに収容された磁気抵抗素子を用いた磁気センサである請求項６〜９のいずれかのセンサ信号処理装置。
検出対象は磁気インクで印刷され一定速度で搬送される紙葉類であり、センサは搬送中の紙葉類に印刷された磁気インキの模様を検出する磁気抵抗センサである請求項６〜９のいずれかのセンサの信号処理装置。