JP4756614B2 - 信号検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサから出力される信号を検出する信号検出装置に関する。

光電センサとして代表的な、例えば反射形の近接スイッチは、所定の監視領域に照射した光の物体による反射光を検出することで上記監視領域における物体の存在を検出するように構成される。具体的には、例えば日本国；特開２００７−１８４６８９号公報や特開２００６−８０８９６号公報に詳しく紹介されるように、監視領域に向けて発光素子（例えば発光ダイオード；ＬＥＤ）から光を照射し、上記監視領域からの反射光を受光素子（例えばフォトダイオード；ＰＤ）にて受光する。そして上記受光素子からの出力電流をＩ／Ｖ変換した後、増幅器を用いて所定の電圧レベルに増幅し、これをＡ／Ｄ変換器を介して演算器（例えばＣＰＵ）に取り込んで前記受光素子での受光量を検出し、前記監視領域における物体の存在を検出するように構成される。

尚、上記増幅器は、例えばＩ／Ｖ変換されたセンサ信号をコンデンサを介して入力する反転入力端子（−端子）および基準電圧Ｖrefが加えられる非反転入力端子（＋端子）を備え、出力端子と前記反転入力端子との間に帰還回路を設けた演算増幅器からなる。そして前記反転入力端子に加えられた前記センサ信号のレベル（電圧）Ｖinが前記基準電圧Ｖrefと等しくなるように負帰還を掛けることで前記センサ信号を増幅するように構成される。

ところでこの種の近接スイッチにおいては、近距離から遠距離に至る幅広い距離範囲において物体の存在を検出し得ることが望ましい。ちなみに近距離からの反射光の受光レベル（センサ信号）は或る程度高いが、遠距離からの反射光は光伝播に伴う減衰を受けるので、近距離からの反射光に比較してその受光レベルが低くなることが否めない。そこで従来では、専ら、反射光を受光することのない無信号時（遮光時）におけるＡ／Ｄ変換出力（デジタル値）が零［０］となるように前記増幅器の動作条件を設定し、反射光の受光レベルに応じたＡ／Ｄ変換出力（デジタル値）を得るようにしている。具体的には前記増幅器（演算増幅器の非反転端子）に与える基準電圧Ｖrefとして、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ（フルスケール）を規定する該Ａ／Ｄ変換器の駆動電圧Ｖdrivを与えるようにしている。

ところで前記受光素子が遮光されたとき、一般的には前記受光素子から出力される電流が［０］であると言える。しかし実際にはその受光系を構築する回路には、受光素子のバイアス抵抗やＩ／Ｖ変換器における電圧変換用抵抗に起因する熱雑音が存在する。この熱雑音の出現頻度は一般的には正規分布しており、平均的には正負の分布が相殺して零［０］であると看做し得る。この為、前記増幅器の増幅出力にも上記熱雑音に起因する微弱な雑音成分が重畳する。従って前記受光素子が遮光されて無信号状態となったとしても上記雑音成分がそのままＡ／Ｄ変換器に加えられる。

しかしＡ／Ｄ変換器は、通常［０］レベルを基準として一極性（例えば正極性）を持つ入力信号に対してだけＡ／Ｄ変換動作するように構成される。この為、Ａ／Ｄ変換器に入力された熱雑音のうち一極性（正極性）の雑音成分だけがデジタル変換される。そして図４に斜線を付して示すように、逆極性（負極性）の雑音成分は無視される。この結果、Ａ／Ｄ変換器の出力、特に無信号時のデジタル変換値には図４の右半分に示す雑音の分布特性に依存するレベルシフトが生じる。換言すれば無信号時であっても、Ａ／Ｄ変換器の出力は［０］レベルから偏倚した微小な値を持つことになる。この為、反射光の受光レベルが低いときと、遮光によって形成される無信号状態との区別（弁別）が付き難くなる。具体的には、反射形光電センサにおける遠距離検出特性が悪くなる。

本発明の目的は、熱雑音の影響を減じることができ、例えば反射形光電センサを用いた近接スイッチにおける物体検出距離を十分に長く設定することのできる簡易な構成の信号検出装置を提供することにある。

本発明は、例えば反射形光電センサを用いた近接スイッチに適用するに好適なものであって、増幅器を介してセンサ信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器を用いて前記増幅器の出力信号をデジタル変換した出力から前記センサ信号のレベルを検出する信号検出装置に係る。
特に本発明に係る信号検出装置は、無信号時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力に着目してなされており、前記増幅器の出力に所定のオフセットを与えると共に、無信号時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力の平均値を予めメモリに記憶し、通常動作時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力と前記平均値との差を前記センサ信号のレベルとして検出することを特徴としている。

ちなみに前記センサ信号は、例えば受光素子の出力電流をＩ／Ｖ変換した電圧信号であって、前記無信号時は上記受光素子を遮光して設定されるものである。
また前記増幅器は、例えばセンサ信号を入力する反転入力端子および基準電圧が加えられる非反転入力端子を備え、その出力端子と前記反転入力端子との間に帰還回路を設けた演算増幅器からなり、前記反転入力端子の電圧が前記基準電圧と等しくなるように負帰還を掛けて前記センサ信号を増幅するように構成される。そしてこの増幅器の前記非反転入力端子に与える前記基準電圧を、前記Ａ／Ｄ変換器の電源電圧に所定のオフセット電圧を与えた電圧として設定することで、その出力に雑音のレベルに相当するオフセットを与えたものである。尚、所定のオフセット電圧を加えた後の前記基準電圧が［０］以下とならないようにすることが望ましい。

上記構成の信号検出装置によれば、増幅器の出力に所定のオフセットを与えると共に、無信号時におけるＡ／Ｄ変換器の出力の平均値を予めメモリに記憶しておき、通常動作時には前記Ａ／Ｄ変換器の出力と前記メモリに記憶した平均値との差をセンサ信号の検出値として取り扱うので、上記オフセットに拘わることなく入力信号のレベルを精度良く検出することが可能となる。特に雑音の影響を受けることなく入力信号のレベルを精度良く検出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る信号検出装置を採用した光電センサの概略的な構成を示す図。 増幅器からＡ／Ｄ変換器に与えられるセンサ信号と、このセンサ信号にオフセットを与えた場合とを対比して示す図。 センサ信号にオフセットを与えたときの無信号時におけるＡ／Ｄ変換器の出力分布特性を示す図。 センサ信号に重畳した熱雑音に起因する無信号時におけるＡ／Ｄ変換器の出力分布特性を示す図。

符号の説明

１ 受光素子
１０ Ｉ／Ｖ変換器
２０ 増幅器
３０ Ａ／Ｄ変換器
４０ 演算器（ＣＰＵ）
５０ メモリ

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る信号検出装置について、反射形光電センサの受光素子にて検出された反射光のレベルを検出する装置を例に説明する。
図１は本発明に係る信号検出装置を組み込んで構成された光電スイッチの要部概略構成図である。この光電スイッチは、例えば図示しない投光素子から所定の監視領域に周期Ｔのパルス光を照射し、上記監視領域に存在する物体による反射光を受光素子（フォトダイオード）１にて受光する。そして受光素子１による受光量（反射光の受光レベル）から前記監視領域における物体の存在を検出するように構成される。尚、透過形の光電スイッチの場合は、監視領域を挟んで投光素子と受光素子とを対向させて配置し、上記監視領域に進入する物体によって前記投光素子からの光が遮られることから前記受光素子での受光量の変化から上記物体を検出するように構成される。

具体的には上記光電スイッチの受光系は、受光量に応じて前記受光素子１から出力される電流をＩ／Ｖ変換して出力するＩ／Ｖ変換器１０と、このＩ／Ｖ変換器１０から出力された電圧信号（センサ信号）を所定の信号レベルに増幅する増幅器２０とを備える。そしてこの増幅器２０を介して増幅されたセンサ信号をＡ／Ｄ変換器３０を介してデジタル変換した後に演算器（例えばＣＰＵ）４０に取り込んで、その信号レベルを、ひいては前記受光素子１による受光量を検出する。そして反射形の場合には前記受光量が所定の閾値を上回るときに、また透過形の場合には前記受光量が所定の閾値に満たないときに前記監視領域に物体が存在するとして検出するように構成される。

ちなみに前記Ｉ／Ｖ変換器１０は出力端子と反転入力端子（−）との間に帰還回路１１を設けた演算増幅器１２を主体として構成される。受光素子１は、抵抗器を介して電源ＶDDに接続されている。抵抗器と受光素子１の接続点の電圧は、受光により前記受光素子１の出力電流が大きくなると低下する。Ｉ／Ｖ変換器１０は、上記接続点の電圧（受光素子１の出力電流）をコンデンサ１３を介して前記演算増幅器１２の反転入力端子（−）に入力すると共に、該演算増幅器１２の動作点を規定する基準電圧ＶＲ１を前記演算増幅器１２の非反転入力端子（＋）に入力することで、前記演算増幅器１２の出力端子に前記受光素子１の出力電流Ｉを電圧変換したセンサ信号Ｖを得る。このセンサ信号Ｖは、受光素子１の受光量が増大するにつれて増大する。

また増幅器２０は、基本的には前記Ｉ／Ｖ変換器１０から出力されてコンデンサ２１および入力抵抗を介して与えられるセンサ信号Ｖを入力する反転入力端子（−）および基準電圧ＶＲ２が加えられる非反転入力端子（＋）を備え、その出力端子と前記反転入力端子（−）との間に帰還回路２２を設けた演算増幅器２３からなる。この演算増幅器２３は、前記反転入力端子（−）の電圧Ｖが前記基準電圧ＶＲ２と等しくなるように前記帰還回路２２を介して負帰還を掛けて前記センサ信号Ｖを増幅するように構成される。

尚、図２に破線で示すように前記帰還回路２２の回路定数を変えることで前記増幅器２０の増幅利得を可変設定可能に構成する場合もある。増幅器２０の出力信号電圧は、前記受光素子１の受光量が零［０］のときには前記基準電圧ＶＲ２と等しく、受光素子１の受光量が増大するにつれて前記基準電圧ＶＲ２から減少して零［０］に近付く。この増幅器２０の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器３０にてデジタル値に変換された後、演算器（ＣＰＵ）４０に入力される。この演算器（ＣＰＵ）４０は、後述するように予めメモリ５０に記憶されている前記基準電圧ＶＲ２と前記Ａ／Ｄ変換器３０の出力信号との差を前記受光素子１での受光量として求める。

ところで従来においては、前記演算増幅器２３の非反転入力端子（＋）に加える電圧ＶＲ２は、増幅器２０の後段に設けられるＡ／Ｄ変換器３０でのダイナミックレンジを最大限に確保するべく、該Ａ／Ｄ変換器３０の駆動電圧Ｖdrivと等しく設定される。ちなみに前記Ａ／Ｄ変換器３０のレンジは［０〜Ｖdriv］である。即ち、受光素子１の受光量が零［０］のとき増幅器２０の出力信号電圧が［ＶＲ２＝Ｖdriv］となるように設定される。

しかし本発明に係る信号検出装置においては、前述した受光素子１を遮光して無信号状態としたとき、つまり前記センサ信号のレベルを零［０］にしたときのＡ／Ｄ変換器３０の出力が前記受光素子１の熱雑音のレベルに相当するオフセットＶoffを持つように、前記演算増幅器２３の非反転入力端子（＋）に加える電圧ＶＲ２を［Ｖdriv−Ｖoff］として設定される。そして予め無信号状態におけるＡ／Ｄ変換器３０の出力の平均値を、メモリ５０に記憶する。前記演算器（ＣＰＵ）４０は、上記メモリ５０に記憶した上記無信号時の出力平均値を基準値として用いて前記センサ信号のレベルを検出する。換言すれば前記演算器（ＣＰＵ）４０は、通常動作時に求められる前記Ａ／Ｄ変換器３０の出力から前記メモリ５０に記憶した平均値を差し引くことで、その差を前記センサ信号のレベルとして検出する。

より具体的に説明すれば、従来のように増幅器２０に与える基準電圧ＶＲ２（演算増幅器２３の非反転入力端子に印加する電圧）を前記Ａ／Ｄ変換器３０の駆動電圧Ｖdrivと等しい値に設定した場合、パルス状に入力されるセンサ信号に対して前記増幅器２０は、図２に実線で示すように、［Ｖdriv］レベルを基準としたパルス状の増幅出力ＡをＡ／Ｄ変換器３０に出力する。この結果、前記Ａ／Ｄ変換器３０は、センサ信号のレベルが［０］であるときの増幅出力Ａのレベルをデジタル変換値Ｖdrivとし、このレベル［Ｖdriv］を基準として上記増幅出力Ａのパルス高ＷＡ（パルスの振幅）に相当するデジタル変換値を出力する。

一方、前記受光素子１が遮光されたときには、理想的には前記受光素子１から出力される電流が［０］であると共に前記増幅器２０からの出力が［０］となる。しかし実際にはその受光系を構築する回路における前記受光素子１のバイアス抵抗やＩ／Ｖ変換器１０の電圧変換用抵抗などに熱雑音が生じるので、受光素子１が受光していない状態にあっても前記増幅器２０からは熱雑音に起因する微弱な信号が出力される。尚、図３に示すように、この熱雑音は一般的には零［０］を中心としてその発生頻度が正負に正規分布しており、平均的には零［０］とみなし得る。この為、前記増幅器２０の増幅出力Ａにも上記熱雑音に起因する微弱な雑音成分が重畳し、前記受光素子１を遮光して無信号状態としても上記雑音成分がそのままＡ／Ｄ変換器３０に加えられる。即ち、Ａ／Ｄ変換器３０には受光素子１での受光量が［０］であっても［Ｖdriv］を中心として正負方向に正規分布した雑音成分が入力される。

しかしＡ／Ｄ変換３０はＶdrivレベルを基準として一極性（例えば負極性）に対してだけＡ／Ｄ変換動作するように構成されるので、図４に示したように一極性の雑音成分（斜線部分）だけがデジタル変換され、逆極性（正極性）の雑音成分（斜線なしの部分）は無視される。この結果、Ａ／Ｄ変換器３０の出力、特に無信号時のデジタル変換値には雑音の分布特性に依存するレベルシフトが生じる。換言すれば無信号時であっても、Ａ／Ｄ変換器３０の出力はＶdrivレベルから負側に偏倚した微小な値を持つことになる。この為、反射光の受光信号ＷＡが小さいと、遮光によって形成される無信号状態との区別（弁別）が付き難くなり、反射形光電センサにおける遠距離検出特性が悪くなる。

この点、本願発明においては前述したように増幅器２０に所定のオフセットＶoffを与えることで、図２に示すようにＶdrivレベルから所定のオフセットを与えた増幅出力Ｂを得、この増幅出力ＢをＡ／Ｄ変換器３０に入力するようにしている。この結果、Ａ／Ｄ変換器３０は、図３に示すように上記オフセットレベル［Ｖdriv−Ｖoff］を中心として変化する熱雑音成分の全てを増幅することになる。そして受光素子１の遮光時における該受光素子１の熱雑音成分によって生じるＡ／Ｄ変換器３０の微小な出力変化分は平均的には［０］となるので、無信号時におけるＡ／Ｄ変換出力のレベルは実質的には［Ｖdriv−Ｖoff］だけとなる。

一方、予め受光素子１を遮光状態にして、この遮光状態（無信号時）におけるＡ／Ｄ変換器３０の出力を複数回採取する。そしてこの出力の平均値を前記受光素子１の熱雑音の大きさの平均値Ｖoffとしてメモリ５０に記憶しておく。その後の通常動作時には、前記演算器４０において前記Ａ／Ｄ変換器３０の出力Ｂから上記メモリ５０に記憶した平均値Ｖoffを差し引き、その差を前記センサ信号のレベルＷＢとして算出する。このようにしてセンサ信号のレベルを検出する本装置によれば、熱雑音の影響を受けることなしに前記センサ信号のレベル（受光量）を高精度に求めることが可能となる。従って反射形光電センサにおける遠距離検出特性が劣化する等の問題を招来することがなくなる。

特に上述した如くして求められるセンサ信号のレベル（受光量）は、上記オフセットＶoffが与えられた前記増幅器２０の駆動電圧Ｖdrivのレベル、即ち無信号時のレベルである［Ｖdriv−Ｖoff］レベルと、同様に上記オフセットＶoffが与えられたセンサ信号Ｂのパルス高との差であるので、前述したオフセットＶoffがセンサ信号のレベル検出に支障を招くことがない。従って本信号検出装置を反射形光電センサ（近接センサ）に適用した場合、近距離から遠距離に至る幅広い距離範囲において、監視対象領域における物体検出を精度良く行うことが可能となる。

即ち、本発明によれば、例えば反射形光電センサの出力を判定する場合であっても、入力信号レベルの小さい遠距離からの反射光を確実に検出することが可能となり、その検出ダイナミックレンジを十分に広く設定することができる。具体的には増幅器の出力に所定のオフセットを与え、その零レベル自体をシフトするので、負の値を取ることのないＡ／Ｄ変換器の出力として、一般的には正規分布する熱雑音を含む信号の全てをＡ／Ｄ変換することができる。この結果、無信号入力時（遮光時）には受光系で生じた熱雑音の全てをＡ／Ｄ変換することができるので、前述した熱雑音を含む信号の平均値を求めることで無信号時の受光系の出力レベルを正確に求めることができる。

そしてこの熱雑音を含む遮光時の出力信号の平均値を基準値としてメモリ５０に記憶しておき、通常動作時にはＡ／Ｄ変換器３０の出力から上記基準値を差し引いた値を受光素子１での受光量として求めるので、一般的には正規分布する熱雑音を上記Ａ／Ｄ変換器の出力を平均化処理することで打ち消すことができる。従って熱雑音の影響を受けることなしに受光量（受光レベル）を正確に検出することが可能となる。換言すればＡ／Ｄ変換器の出力が負の値を取ることがないことに起因して、その出力が熱雑音の影響を受けてシフトすると言う不具合を解消して受光素子での受光量を正確に検出することができる。この結果、例えば反射形光電センサにおける遠距離検出特性を犠牲にすることなく、広範囲に亘って物体検出することが可能となる等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば無信号時におけるＡ／Ｄ変換器３０の出力の平均値の検出については光電センサの出荷時における校正時に行い、その検出値をプリセットすれば良い。しかし光電センサの使用環境において遮光状態を形成し、該光電センサに組み込んだプリセットスイッチを操作することで検出するようにしても良い。この際、遮光状態での前記Ａ／Ｄ変換器３０の出力の平均値に応じて前述したオフセットを適宜調整可能としておくことも可能である。

またここでは反射形近接スイッチを例に説明したが、透過形の光電センサにおける受光素子の出力を検出する場合でも同様に適用することができる。更には受光素子１の出力を検出する場合を例に説明したが、その他のセンシング素子の出力レベルを検出する場合にも同様に適用可能である。また実施形態では反転型増幅器を用いることでＶdrivレベルからマイナス（−）方向に振れる信号をＡ／Ｄ変換する例について示したが、非反転型増幅器を用い、Ｖdrivレベルからプラス（＋）方向に振れる信号をＡ／Ｄ変換して演算器（ＣＰＵ）４０に取り込む場合にも同様にして実施可能なことは言うまでもない。また前記メモリ５０については、演算器（ＣＰＵ）４０が内蔵したメモリ機能であっても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

Claims (5)

1. 物理量を電気信号に変換するセンサと、このセンサから出力された電気信号を増幅する増幅器と、この増幅器から出力された電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号から物理量を算出する演算器とを備える信号検出装置において、
   前記増幅器の出力に、前記センサの熱雑音に相当するオフセットを与えるオフセット手段と、予め無信号時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力の平均値を記憶するメモリとを有し、前記演算器は、通常動作時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力と前記メモリに記憶した前記平均値との差を物理量として算出することを特徴とする信号検出装置。
2. 前記センサ信号は、受光素子の出力電流をＩ／Ｖ変換した電圧信号であって、前記無信号時は上記受光素子を遮光して設定されるものである請求項１に記載の信号検出装置。
3. 前記増幅器は、センサ信号を入力する反転入力端子および基準電圧が加えられる非反転入力端子を備え、その出力端子と前記反転入力端子との間に帰還回路を設けた演算増幅器からなり、前記反転入力端子の電圧が前記基準電圧と等しくなるように負帰還を掛けて前記センサ信号を増幅するものであって、
   前記オフセット手段は、前記非反転入力端子に与える前記基準電圧を、前記Ａ／Ｄ変換器の電源電圧に所定のオフセット電圧を与えた電圧として設定することで、前記増幅器の出力にオフセットを与えるものである請求項１に記載の信号検出装置。
4. 前記オフセットは、無信号時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力の平均値として設定されるものである請求項１に記載の信号検出装置。
5. 前記無信号時における前記Ａ／Ｄ変換器の出力の平均値の検出は、その校正時に実施されるものである請求項１に記載の信号検出装置。

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