特開 2025-11826 センサ制御回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025011826

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】センサ制御回路

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/44 20060101AFI20250117BHJP

   G01J 1/42 20060101ALN20250117BHJP

【ＦＩ】

G01J1/44 Z

G01J1/42 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023114168

(22)【出願日】2023-07-12

(71)【出願人】

【識別番号】520036123

【氏名又は名称】北野 幹夫

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】北野 幹夫

【テーマコード（参考）】

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065AB02

2G065BC01

2G065BC03

2G065BC07

2G065BC08

2G065BC19

2G065BC22

2G065DA15

(57)【要約】

【課題】従来のセンサ制御回路では、受信素子に到達する検出信号が非常に小さくなり検出対象物の測定が正しく行えない問題がある。
【解決手段】本発明にかかるセンサ制御回路１０は、モニタ信号Ｖｒｅｃにより取得される送信素子１０１から受信素子１０２への検出信号の伝達率βｓｅｎの変化量の大きさを、基準信号Ｖ＋の信号レベルとモニタ信号Ｖｒｅｃの信号レベルとの差により検出し、変化量の大きさに応じて伝達率βｓｅｎの変化を打ち消す方向に送信素子制御信号を変化させる送信素子制御回路１１と、送信素子制御信号を、検出信号の送信強度が送信素子制御信号の信号レベルに応じた強度とするように出力端子Ｔｏに伝達する検出モードと、検出信号の送信強度を実質的にゼロに固定する非検出モードと、の間で周期的に切り替える間欠制御回路１４と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被検出物に対して照射する検出信号を送信する送信素子に前記検出信号の送信強度を制御する送信素子制御信号を出力する出力端子と、
前記検出信号を受信する受信素子が前記検出信号の受信強度の大きさに応じて信号レベルを変動させるモニタ信号が入力される入力端子と、
前記モニタ信号により取得される前記送信素子から前記受信素子への前記検出信号の伝達率の変化量の大きさを、基準信号の信号レベルと前記モニタ信号の信号レベルとの差により検出し、前記変化量の大きさに応じて前記伝達率の変化を打ち消す方向に前記送信素子制御信号を変化させる送信素子制御回路と、
前記送信素子制御信号を、前記検出信号の送信強度が前記送信素子制御信号の信号レベルに応じた強度となるように前記出力端子に伝達する検出モードと、前記検出信号の送信強度を実質的にゼロに固定する非検出モードと、の間で周期的に切り替える間欠制御回路と、
を有するセンサ制御回路。

【請求項2】

前記非検出モード寄りの前記検出モードの後半半分の期間において前記送信素子制御信号の信号レベルに対応する伝達率検出電圧をサンプリングして、伝達率検出値を出力する伝達率算出部をさらに有する請求項１に記載のセンサ制御回路。

【請求項3】

前記非検出モード中の前記モニタ信号の信号レベルをサンプリングして環境光レベル計測値を出力する環境光レベル算出部をさらに有する請求項１に記載のセンサ制御回路。

【請求項4】

前記間欠制御回路は、
前記検出モードと前記非検出モードとの切り替わりタイミングを制御するタイミング制御回路をさらに有し、
前記タイミング制御回路は、他の第１の回路から与えられたスタートパルスに応じて動作を開始し、
前記検出モードから前記非検出モードへの切り替わりタイミングを通知する信号を他の第２の回路への前記スタートパルスとして出力する請求項１に記載のセンサ制御回路。

【請求項5】

前記間欠制御回路は、
一端に前記送信素子制御信号が入力されるゲート抵抗と、
前記ゲート抵抗の他端がゲートに接続され、ドレインが前記出力端子に接続される出力トランジスタと、
前記出力トランジスタのゲートを、前記検出モードにおいては前記送信素子制御信号が与え、前記非検出モードにおいてはロウレベルに固定するように切り替える間欠制御部と、
を有する請求項１に記載のセンサ制御回路。

【請求項6】

前記受信素子が前記検出信号を受信する受信面の前面に配置され、前記検出信号を減衰させた状態で前記受信素子に伝達する減衰フィルタをさらに有する請求項１に記載のセンサ制御回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はセンサ制御回路に関し、例えば、検出信号を送信する送信素子と検出信号を受信する受信素子とを有するセンサ制御回路に関する。

【背景技術】

【0002】

送信素子と受信素子との間で検出信号を送受信し、検出信号により設定される検出範囲に被検出物が入ったことを検出するセンサシステムがある。このようなセンサシステムでは、送信素子の出力強度の制御が行われることがある。そこで、センサシステムにおける送信素子の出力強度の制御回路の一例が特許文献１に開示されている。

【0003】

特許文献１に記載のセンサ制御回路は、被検出物に対して照射する検出信号を送信する送信素子に前記検出信号の送信強度を制御する送信素子制御信号を出力する出力端子と、前記検出信号を受信する受信素子が前記検出信号の受信強度の大きさに応じて信号レベルを変動させるモニタ信号が入力される入力端子と、前記モニタ信号により取得される前記送信素子から前記受信素子への前記検出信号の伝達率の変化量に基づき前記送信素子制御信号を生成する送信素子制御回路と、を有し、前記送信素子制御回路は、前記伝達率の変化を打ち消す方向に前記送信素子制御信号を変化させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１１７２００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載のセンサ制御回路では、環境光が強い状況において検出光に環境光が近くなる程環境光が検出誤差となり正しく検出出来ない問題が有る。また、特許文献１に記載のセンサ制御回路では、送信素子と受信素子との間の伝達率が極端に低い環境においては受信素子に届く検出信号を極端に小さくしないと伝達率測定が正しく行えない問題がある。この場合、環境光がそれほど大きくなくても検出誤差になるからである。つまり、特許文献１に記載のセンサ制御回路では、受信素子に到達する検出信号を非常に小さくしなくてはいけない時には、検出対象物の測定を正しく行えない問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明にかかるセンサ制御回路の一態様は、被検出物に対して照射する検出信号を送信する送信素子に前記検出信号の送信強度を制御する送信素子制御信号を出力する出力端子と、前記検出信号を受信する受信素子が前記検出信号の受信強度の大きさに応じて信号レベルを変動させるモニタ信号が入力される入力端子と、前記モニタ信号により取得される前記送信素子から前記受信素子への前記検出信号の伝達率の変化量の大きさを、基準信号の信号レベルと前記モニタ信号の信号レベルとの差により検出し、前記変化量の大きさに応じて前記伝達率の変化を打ち消す方向に前記送信素子制御信号を変化させる送信素子制御回路と、前記送信素子制御信号を、前記検出信号の送信強度が前記送信素子制御信号の信号レベルに応じた強度とするように前記出力端子に伝達する検出モードと、前記検出信号の送信強度を実質的にゼロに固定する非検出モードと、の間で周期的に切り替える間欠制御回路と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明にかかるセンサ制御回路によれば、送信素子を間欠駆動する送信素子駆動制御信号を生成することで送信素子の最大駆動電流を高めることで、受信素子に到達する検出信号の最大信号レベルを高めて、検出対象物の測定精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】赤外線発光ダイオードの駆動特性を説明するグラフである。

【図2】実施の形態１にかかるセンサ制御回路が適用されるセンサシステムのブロック図である。

【図3】実施の形態１にかかるドライバ回路及び間欠制御回路の一例を説明する図である。

【図4】実施の形態１にかかるセンサ制御回路の動作を説明するタイミングチャートである。

【図5】実施の形態１の第１の変形例にかかるセンサシステムのブロック図である。

【図6】実施の形態１の第２の変形例にかかるセンサシステムのブロック図である。

【図7】実施の形態２にかかるセンサ制御回路が適用されるセンサシステムのブロック図である。

【図8】実施の形態３にかかるセンサ制御回路が適用されるセンサシステムのブロック図である。

【図9】実施の形態３にかかるセンサ制御回路を複数個利用したセンサシステムのブロック図である。

【図10】実施の形態３にかかるセンサ制御回路を複数個利用した連動計測システムの動作を説明するタイミングチャートである。

【図11】実施の形態４にかかるセンサ制御回路が適用されるセンサシステムのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施の形態１
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、又は、それらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

【0010】

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

【0011】

以下の説明では、センサ制御回路と、センサ制御回路により制御されるセンサ素子である送信素子と受信素子を含むセンサシステム、当該センサシステムの出力信号を用いて様々な制御を行うセンサ組み込み機器について説明する。なお、センサ制御回路で利用するセンサ素子を構成する送信素子及び受信素子としては、空間を伝搬する媒体を検出信号として送受信する素子を利用する。空間を伝搬する媒体としては、可視光、非可視光、音、超音波、熱、水圧、電波等が考えられる。以下では、送信素子及び受信素子として、非可視光信号を送受信する発光部及び受光部を用いたセンサシステムの例について説明する。

【0012】

実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０は、送信素子を間欠駆動することで送信素子が出力する検出信号の最大信号レベルを、送信素子を連続駆動（以降、定常駆動と呼ぶ）するときよりも高くする。そこで、検出信号として赤外線を利用する際に用いる赤外線発光ダイオードの駆動特性について説明する為、図１に赤外線発光ダイオードの駆動特性を説明するグラフを示す。

【0013】

図１に示すグラフは、定常駆動では、駆動電流となる順方向電流ＩＦの最大値が１００ｍＡとなる赤外線発光ダイオードを、間欠駆動した際の点灯時間と消灯時間の長さによって許容される順方向電流ＩＦの最大値がどのように変化するかを示すグラフである。図１に示す例では、発光期間となるパルス長さ（Pulse Duration）ｔｐを５ｍｓｅｃ、パルス周期Ｔを５０ｍｓｅｃとした場合（ｔｐ／Ｔ＝０．１）、順方向電流ＩＦの最大値は、定常駆動した場合の２．４倍の２４０ｍＡまで高める事ができる。また、発光期間となるパルス長さｔｐを１００μｓｅｃ、パルス周期Ｔを５ｍｓｅｃとした場合（ｔｐ／Ｔ＝０．０２）、順方向電流ＩＦの最大値は、定常駆動した場合の１０倍の１Ａまで高める事ができる。

【0014】

実施の形態１にかかるセンサ駆動回路では、発光部を間欠駆動することで、検出信号となる検出光が環境光に埋没しやすい状況、或いは、発光部と受光部との間の透過率（検出信号の伝達率であり、以下単に伝達率βｓｅｎと称す）が低く受光部に検出信号が十分に届かない状況においても検出光の強度を高めて検出光の検出精度を高めることが可能になる。

【0015】

以下では、間欠駆動動作を行うための構成について詳細に説明する。図２に実施の形態１にかかるセンサ制御回路が適用されるセンサシステム１のブロック図を示す。センサシステム１は、センサ制御回路１０、サンプリング回路８０、発光部１０１、受光部１０２を有する。なお、サンプリング回路８０は、センサ制御回路１０と別体の装置として設けることも出来るし、センサ制御回路１０と一体に構成することもできる。

【0016】

センサ制御回路１０は、出力端子Ｔｏ、入力端子Ｔｉ、送信素子制御回路１１、ドライバ回路１３、間欠制御回路１４を有する。送信素子制御回路１１は、被検出物ＯＢＪに対して照射する検出信号を送信する送信素子（例えば、発光部１０１）に検出信号の送信強度を制御する送信素子制御信号Ｖｏを出力する。なお、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０では、ドライバ回路１３が送信素子制御回路１１から出力される送信素子制御信号Ｖｏの電圧レベルに応じて電流値が変化する駆動電流を出力端子Ｔｏを介して発光部１０１に与える。

【0017】

入力端子Ｔｉは、検出信号を受信する受信素子（例えば、受光部１０２）が検出信号の受信強度の大きさに応じて信号レベルを変動させるモニタ信号Ｖｒｅｃが入力される。

【0018】

送信素子制御回路１１は、モニタ信号Ｖｒｅｃにより取得される発光部１０１から受光部１０２への検出信号の伝達率βｓｅｎの変化量の大きさを、基準信号Ｖ＋の信号レベルとモニタ信号Ｖｒｅｃの信号レベルとの差により検出し、変化量の大きさに応じて伝達率βｓｅｎの変化を打ち消す方向に送信素子制御信号Ｖｏを変化させる。

【0019】

図２では、送信素子制御回路１１の一例として、増幅器１２、第１のインピーダンス素子Ｚｓ及び第２のインピーダンス素子Ｚｆにより構成される反転増幅器を示した。具体的には、第１のインピーダンス素子Ｚｓは、入力端子Ｔｉと増幅器１２の反転入力端子との間に設けられる。第２のインピーダンス素子Ｚｆは、増幅器１２の出力端子と反転入力端子との間に設けられる。増幅器１２の正転入力端子には、基準信号Ｖ＋が入力される。なお、図２に示す例では、基準信号Ｖ＋として直流電圧を利用することを示したが、基準信号Ｖ＋としては発光部１０１の発光と消灯の周期に同期させたパルス信号を利用することもできる。

【0020】

ドライバ回路１３は、送信素子制御信号Ｖｏの電圧レベルに応じた大きさの電流値を有する駆動電流を発光部１０１に出力する。また、図２に示す例では、センサ制御回路１０が検出した伝達率βｓｅｎの大きさを示す伝達率検出電圧Ｖｋをドライバ回路１３が出力する構成とした。この伝達率検出電圧Ｖｋとしては、送信素子制御信号Ｖｏを利用することもできるが、ドライバ回路１３が出力する駆動電流の大きさに比例した電圧値となる伝達率検出電圧Ｖｋとすることで、サンプリング回路８０の動作レンジに合わせやすくなる。

【0021】

間欠制御回路１４は、送信素子制御信号Ｖｏを、検出信号の送信強度が送信素子制御信号Ｖｏの信号レベルに応じた強度となるように出力端子Ｔｏに伝達する検出モードと、検出信号の送信強度を実質的にゼロに固定する非検出モードと、の間で周期的に切り替える。より具体的には、間欠制御回路１４は、ドライバ回路１３が駆動電流の大きさを送信素子制御信号Ｖｏの信号レベルに応じた大きさにする検出モードと、ドライバ回路１３に駆動電流の出力を停止させる非検出モード（言い換えるとミュートモード）とするかを切り替える。

【0022】

サンプリング回路８０は、伝達率検出電圧Ｖｋの大きさに対応したデジタル値を出力する。また、サンプリング回路８０では、検出モード時の伝達率検出電圧Ｖｋの大きさをデジタル値である伝達率検出値Ｄｋに変換するために、間欠制御回路１４から検出モードと非検出モードとの切り替えを指示する検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを取得し、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎが検出モードを示している期間に伝達率検出電圧Ｖｋを伝達率検出値Ｄｋに変換する。

【0023】

ここで、ドライバ回路１３及び間欠制御回路１４は、デジタル回路、アナログ回路等、様々な形態で構成することが可能であるが、アナログ回路とデジタル回路を組み合わせて構成することもできる。そこで、ドライバ回路１３及び間欠制御回路１４の具体的な構成の一例について説明する。図３に実施の形態１にかかるドライバ回路１３及び間欠制御回路１４の一例を説明する図を示す。

【0024】

図３に示す例では、ドライバ回路１３を一石アンプで構成し、間欠制御回路１４を例えばプログラムを実行可能な演算部を含むＭＣＵ（Micro Controller Unit）により検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを生成する例を示した。

【0025】

図３に示す例では、ドライバ回路１３は、ゲート抵抗Ｒｇ、ソース抵抗Ｒｋ、出力トランジスタＰＴを有する。出力トランジスタＰＴとしては、例えば、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistors）を利用することができる。出力トランジスタＰＴのゲートには、ゲート抵抗Ｒｇを介して送信素子制御信号Ｖｏが入力される。出力トランジスタＰＴのソースは、ソース抵抗Ｒｋを介して接地端子に接続される。出力トランジスタＰＴのドレインは、出力端子Ｔｏに接続される。そして、ドライバ回路１３では、出力トランジスタＰＴのソースとソース抵抗Ｒｋとの間から伝達率検出電圧Ｖｋを出力する。図３に示す例では、出力トランジスタＰＴが出力する駆動電流とソース抵抗Ｒｋとの積により導出される電圧値が伝達率検出電圧Ｖｋとなる。

【0026】

間欠制御回路１４は、タイミング制御回路１５、トランジスタＱを有する。タイミング制御回路１５は、例えば、プログラムを実行可能な演算部を含むＭＣＵである。タイミング制御回路１５は、センサ制御回路１０の仕様に合わせて設定された周期でハイレベルとロウレベルが切り替わる検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを出力する。この検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎは、ロウレベルの期間にセンサ制御回路１０を検出モードとし、ハイレベルの期間にセンサ制御回路１０を非検出モードとする信号である。トランジスタＱは、例えばバイポーラトランジスタである。トランジスタＱのベースには、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎが与えられる。トランジスタのエミッタは接地端子に接続され、トランジスタＱのコレクタは、出力トランジスタＰＴのゲートに接続される。

【0027】

そして、図３に示す例では、タイミング制御回路１５が検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎをハイレベルとしている期間は、トランジスタＱがオン状態となり、出力トランジスタＰＴのゲートを送信素子制御信号Ｖｏの大きさに関わらずにロウレベル（出力トランジスタＰＴの閾値電圧以下）にすることで、ドライバ回路１３が駆動電流を出力することを停止させる。一方、タイミング制御回路１５が検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎをロウレベルとしている期間は、トランジスタＱがオフ状態となり、出力トランジスタＰＴのゲートに送信素子制御信号Ｖｏが伝達される状態となるため、ドライバ回路１３が送信素子制御信号Ｖｏの電圧レベルに応じた大きさの駆動電流を出力する。実施の形態１にかかるセンサシステム１では、ドライバ回路１３及び間欠制御回路１４を用いて、発光部１０１を間欠駆動することで、発光部１０１を定常駆動した場合よりも大きな駆動電流を流すことが出来、発光部１０１をより明るく発光出来るので、環境光が強くても、或いは、伝達率βｓｅｎが低くても十分に大きな受信信号として受光部１０２が検出光を検出可能になる。

【0028】

ここで、発光部１０１を間欠駆動する場合、検出光の大きさに対応した伝達率検出電圧Ｖｋをサンプリング回路８０で精度良くサンプリングするには、タイミングが重要になる。そこで、実施の形態１におけるセンサ制御回路の動作とサンプリングタイミングについて説明する。

【0029】

図４に実施の形態１にかかるセンサ制御回路の動作を説明するタイミングチャートを示す。図４に示す例では、タイミングＴ１以前、及び、タイミングＴ２以降がセンサ制御回路１０が非検出モードに制御される期間であり、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの期間がセンサ制御回路１０が検出モードに制御される期間である。非検出モードでは、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎはハイレベルに維持される。そのため、間欠制御回路１４のトランジスタＱがオン状態となり、ドライバ回路１３の出力トランジスタＰＴのゲート電圧Ｖｇがロウレベルに維持されるため出力トランジスタＰＴがオフ状態となる。そのため、非検出モードでは、発光部１０１に対する駆動電流の供給が停止され、伝達率検出電圧Ｖｋがロウレベルに維持される。また、非検出モードでは、発光部１０１が非発光状態であるため、モニタ信号Ｖｒｅｃの値が小さくなり、送信素子制御回路１１は送信素子制御信号Ｖｏを高い電圧レベルに維持する。

【0030】

一方、検出モードでは、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎはロウレベルに維持される。そのため、間欠制御回路１４のトランジスタＱがオフ状態となり、ドライバ回路１３の出力トランジスタＰＴのゲート電圧Ｖｇとして送信素子制御信号Ｖｏが伝達され、出力トランジスタＰＴがオン状態となる。そのため、検出モードでは、発光部１０１に対して駆動電流が供給され、伝達率検出電圧Ｖｋがロウレベルから伝達率βｓｅｎに応じた値になる。

【0031】

ここで、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０では、非検出モードから検出モードに切り替わるタイミングＴ１において、高い電圧レベルの送信素子制御信号Ｖｏが出力トランジスタＰＴのゲートに与えられるため、タイミングＴ１直後においてゲート電圧Ｖｇ及び伝達率検出電圧Ｖｋがいったん大きく跳ね上がる。その後、センサ制御回路１０では、送信素子制御信号Ｖｏ及び伝達率検出電圧Ｖｋが伝達率βｓｅｎの大きさに対応した値に収束する。ここで、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０では、非検出モード期間中は出力トランジスタＰＴのゲート電圧が０Ｖなので出力電流が流れない飽和領域で動作し、検出モード期間中は開始時に出力トランジスタＰＴのゲート電圧のミュートが解除され、出力トランジスタＰＴのゲート電圧には送信制御信号Ｖｏが加わり、その電圧レベルに追従して出力電流の大きさが変化する。そして、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０では、非検出モードから検出モードに切り替わるタイミングでは、まず送信素子制御信号Ｖｏが電源電圧近くの飽和領域に切り替わり、その後、送信素子制御回路１１が能動領域に徐々に移行するので、センサ制御回路１０、発光部１０１及び受光部１０２により構成されるフィードバックループが安定し、かつ、出力トランジスタＰＴが飽和領域から能動領域の動作に切り替わって安定するまでに多少の時間を要する。図４に示す例では、ゲート電圧Ｖｇ及び伝達率検出電圧Ｖｋの波形にオーバーシュートが生じているように見える期間がその期間である。

【0032】

そして、センサ制御回路１０では、伝達率検出電圧Ｖｋの電圧変動が所定の範囲内に安定するタイミングでサンプリング回路８０により伝達率検出電圧Ｖｋをサンプリングする。このサンプリングタイミングは、事前の検証において十分に安定するタイミングを検証して決定することができる。伝達率検出電圧Ｖｋの電圧変動が収束に要する時間は、パルス幅の長さｔｐ、パルス周期Ｔ及び基準信号Ｖ＋の電圧レベルによって変動する。そこで、サンプリングタイムは、これらパラメータに応じて事前の検証で十分に伝達率検出電圧Ｖｋが安定する時間の範囲を決定し、決定した時間の範囲内に設定することが好ましい。非検出モード寄りの検出モードの後半半分の期間で、伝達率検出電圧Ｖｋの電圧変動が所定の範囲内に安定するようにパラメータを調整することが一例として考えられる。

【0033】

上記説明より、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０は、発光部１０１を間欠駆動することで、発光部１０１を定常駆動した場合に比べて高い最大発光量で発光させることができる。このように最大発光量を高めることで、受光部１０２で受信される検出信号を高める事が出来、検出光が環境光により埋没したり、低い伝達率βｓｅｎに起因して極端に小さくなったりして、センサ制御回路１０における伝達率βｓｅｎの検出精度が低下することを防止することができる。

【0034】

また、センサ制御回路１０では、受光部１０２が出力するモニタ信号Ｖｒｅｃが一定の電圧レベルになるように発光部１０１を発光させるフィードバックループを有する。このようなセンサ制御回路１０において、間欠制御回路１４を用いることなく基準信号Ｖ＋にパルス信号を適用するなどして間欠駆動をした場合、非検出モードにおいて増幅器１２の非反転入力端子に与えられる基準信号Ｖ＋の電圧レベルと、増幅器１２の反転入力端子の反転入力電圧Ｖ－の電圧レベルとの差が増幅器１２の入力端子間に生じる不感帯の範囲内となり、フィードバックループが不安定になる問題が生じる。しかしながら、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０では、間欠制御回路１４により、ドライバ回路１３をミュート状態にするものであり、増幅器１２の不感帯に起因するフィードバックループの不安定さを生じさせることなく、安定したフィードバックループにより安定した動作を実現することができる。

【0035】

上記実施の形態では、送信素子制御回路１１の入力側で不安定期間が生じても、出力側に間欠制御回路１４を設ける事で、センサシステム１を確実に非検出モードとなるように制御したが、センサシステム１を非検出モードとする方法としては、送信素子制御回路１１の入力側で不安定期間が生じない様にモニタ信号から増幅器１２の反転入力端子へ伝達される信号を間欠制御する方法もある。そこで、この方法を使用する１つの変形例について説明する。図５に実施の形態１の第１の変形例にかかるセンサシステム１ａのブロック図を示す。

【0036】

図５に示すように、変形例にかかるセンサシステム１ａでは、センサシステム１の間欠制御回路１４に代えて間欠制御回路１４ａを有する。間欠制御回路１４ａは、入力端子Ｔｉから第１のインピーダンス素子Ｚｓへの経路を切り替える。検出モードでは第１のインピーダンス素子Ｚｓにモニタ信号Ｖｒｅｃの電圧を供給し、非検出モード時に第１のインピーダンス素子Ｚｓに電圧Ｖｕｐを与えることで、センサシステム１ａの検出モードと非検出モードとを切り替える。つまり、変形例にかかるセンサシステム１ａでは、間欠制御回路１４ａにより、検出信号の送信強度が送信素子制御信号Ｖｏの信号レベルに応じた強度となるように出力端子に伝達する検出モードと、検出信号の送信強度を実質的にゼロに固定する非検出モードと、を周期的に切り替える。

【0037】

間欠制御回路１４ａは、タイミング制御回路１５ａ、スイッチＳＷを有する。スイッチＳＷは、電圧Ｖｕｐを増幅器１２に与えるのか、モニタ信号Ｖｒｅｃを増幅器１２に与えるのかをタイミング制御回路１５ａが出力する検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎに基づき切り替える。具体的には、間欠制御回路１４ａでは、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎがロウレベル（検出モードを指示レベル）である場合にはスイッチＳＷを入力端子Ｔｉに接続し、増幅器１２にモニタ信号Ｖｒｅｃが与えられる状態とする。一方、間欠制御回路１４ａでは、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎがハイレベル（非検出モードを指示レベル）である場合にはスイッチＳＷを電圧Ｖｕｐが与えられる側の端子に接続し、増幅器１２に電圧Ｖｕｐが与えられる状態とする。ここで、電圧Ｖｕｐは、例えば、増幅器１２に供給される電源電圧、モニタ信号Ｖｒｅｃに想定される最大電圧等の受光部１０２が最大受光量である場合に想定されるモニタ信号Ｖｒｅｃの電圧レベル以上であることが好ましい。また、電圧Ｖｕｐは、基準信号Ｖ＋の信号レベルよりも大きな電圧値を有することが好ましい。

【0038】

変形例にかかるセンサシステム１ａでは、増幅器１２の反転入力を高い電圧で維持することで、増幅器１２が出力する送信素子制御信号Ｖｏが受光部１０２の受光量に関わらずロウレベルに維持されるため、発光部１０１が消灯する非検出モードとすることが可能になる。また、変形例にかかるセンサシステム１ａでは、モニタ信号Ｖｒｅｃをそのまま増幅器１２に与えることで、増幅器１２が出力する送信素子制御信号Ｖｏが受光部１０２の受光量に応じて変動する状態となるため、発光部１０１の発光量が伝達率βｓｅｎの大きさに対応して変化する検出モードとすることが可能になる。つまり、変形例にかかるセンサシステム１ａにおいても実施の形態１にかかるセンサシステム１と同じ機能を実現可能である。

【0039】

また、センサシステム１を非検出モードとする別の方法を開示するセンサシステム１ｂついて説明する。センサシステム１ｂでは、送信素子制御回路１１の入力側で不安定期間が生じない様にモニタ信号Ｖｒｅｃから増幅器１２の反転入力端子へ第３のインピーダンス素子Ｚｕを介して電圧Ｖｕｐを反転入力端子に与えることで反転入力電圧Ｖ－にオフセットをつけた上で、増幅器１２の正転入力端子を間欠制御する方法である。そこで、この方法を実現する１つの変形例について説明する。図６に実施の形態１の第２の変形例にかかるセンサシステム１ｂのブロック図を示す。

【0040】

図６に示すように、第２の変形例にかかるセンサシステム１ｂでは、センサシステム１の間欠制御回路１４に代えて間欠制御回路１４ｂを有する。間欠制御回路１４ｂは、増幅器１２の正転入力端子への入力信号の経路を切り替えるスイッチＳＷを有する。スイッチＳＷ及びタイミング制御回路１５ａは、検出モードでは検出動作の基準となる基準電圧Ｖｒｅｆの電圧を供給し、非検出モードでは０Ｖを与えることで、センサシステム１ｂの検出モードと非検出モードとを切り替える。非検出モード時に増幅器１２の正転入力端子が０Ｖになった時でも増幅器１２の反転入力端子には第３のインピーダンス素子Ｚｕを経由して電圧Ｖｕｐが直流バイアス電圧として供給されるため、増幅器１２の出力はロウレベルに固定される。この場合、第３のインピーダンス素子Ｚｕを経由して供給される電圧Ｖｕｐは、増幅器１２のオフセット電圧等の個体バラツキが最大値であっても増幅器１２の出力はロウレベルに固定出来る程度の電圧値を設定する必要が有る事に留意が必要である。

【0041】

実施の形態２
実施の形態２では、実施の形態１にかかるセンサ制御回路１０の変形例について説明する。なお、実施の形態２の説明では、実施の形態１で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

【0042】

図７に実施の形態２にかかるセンサ制御回路２０が適用されるセンサシステム２のブロック図を示す。図７に示すように、センサシステム２では、実施の形態１にかかるセンサシステム１に対してサンプリング回路８１が追加されている。また、センサ制御回路２０においては、間欠制御回路１４が間欠制御回路２４に置き換えられている。間欠制御回路２４は、タイミング制御回路１５を測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎを出力する機能を追加したタイミング制御回路２５に置き換えられている。

【0043】

サンプリング回路８１は、非検出モード中のモニタ信号Ｖｒｅｃの信号レベルをサンプリングして環境光測定値Ｄｅｎｖを出力する環境光測定部として機能する。また、実施の形態２では、タイミング制御回路２５が出力する測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎに基づき発光部１０１が消灯している期間に受光部１０２に入ってくるモニタ信号Ｖｒｅｃは環境光の成分だけになる為、この期間のモニタ信号Ｖｒｅｃをサンプリング回路８１で環境光測定値Ｄｅｎｖに変換する。

【0044】

なお、サンプリング回路８１とサンプリング回路８０との動作タイミングを制御するためには必ずしも検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎと測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎの両方を用いる必要はない。例えば、タイミング制御回路２５、サンプリング回路８０及びサンプリング回路８１が１つのプロセッサに入っている場合は、プロセッサ内で実行されるプログラムにより動作シーケンスを組み、この動作シーケンスに従ってサンプリング回路８０及びサンプリング回路８１を順次動作させることも可能である。図７に示す例では、サンプリング回路８０とサンプリング回路８１との動作タイミングを説明するために検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎと測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎと示したに過ぎず、サンプリング回路８０とサンプリング回路８１の動作タイミングの制御方法は様々あることに留意されたい。

【0045】

例えば、センサシステム２が設置される環境では、季節、時間、天候により窓の方角から受光部１０２に入ってくる太陽光のレベルが変化する。そこで、サンプリング回路８１を用いて測定される環境光測定値Ｄｅｎｖが予め設定した大きさを超えた場合には、例えば、アラームを鳴らすとか、環境光測定値Ｄｅｎｖを周囲にいる作業者に提示することが考えられる。このような通知を行うことで、作業者は建屋のカーテンを閉めるとか、窓の内側に遮光壁を設置する等の環境光レベルを低減する措置をとることができる。

【0046】

このように、環境光の測定値Ｄｅｎｖを可視化したりアラームを発報したりすることで、環境光レベルを一定の範囲を超えないように制御することが出来、実施の形態２にかかるセンサシステムでは、検出光が環境光に埋没してしまい、正しく計測を行うことが出来ない問題を解決する。

【0047】

実施の形態３
実施の形態３では、実施の形態２にかかるセンサ制御回路２０をさらに変形させた例について説明する。なお、実施の形態３の説明では、実施の形態２で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態２と同じ符号を付して説明を省略する。

【0048】

図８に実施の形態３にかかるセンサ制御回路３０が適用されるセンサシステム３のブロック図を示す。図８に示すように、実施の形態３にかかるセンサシステム３では、実施の形態２にかかるセンサシステム２のセンサ制御回路２０をセンサ制御回路３０に置き換えた。センサ制御回路３０は、センサ制御回路２０の間欠制御回路２４を間欠制御回路３４に置き換えたものである。また、間欠制御回路３４は、間欠制御回路２４のタイミング制御回路２５をタイミング制御回路３５に置き換えたものである。タイミング制御回路３５は、タイミング制御回路２５にトリガ端子ＴＲＧを追加し、他の回路から与えられるスタートパルスに応じて動作を開始する機能を追加したものである。また、タイミング制御回路３５は、動作を開始すると、測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎ及び検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを順次出力する。また、センサ制御回路３０では、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを他の回路に出力するトリガ出力端子ＴＸ＿ｏｕｔを追加した。このような間欠制御回路３４を用いる事で、実施の形態３にかかるセンサシステム３をディジーチェーンなどで複数個連結して、連動動作を行うことが可能になる。

【0049】

そこで、図９に実施の形態３にかかるセンサ制御回路３０を複数個利用した連動計測システムのブロック図を示す。図９に示した連動計測システムは、ｎ個のセンサシステム３を有する。そして、初段に配置されるセンサシステム３のトリガ端子ＴＲＧには、他の回路からスタートパルスＳＴが入力される。また、２段目以降に配置されるセンサシステム３のトリガ端子ＴＲＧには、前段に配置されるセンサシステム３の検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎが入力される。図９に示す例では、最終段に配置されるセンサシステム３については、検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを出力しない構成としたが、最終段に配置されるセンサシステム３の検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを初段のセンサシステム３に戻しても良い。

【0050】

スタートパルスＳＴをどのように生成するかについては、センサシステム３が用いられるシステムの要求に基づき適宜設定することができる。例えば、スタートパルスＳＴは、初段に配置したセンサシステム３のタイミング制御回路３５が自ら生成するものでも良く、連動計測システムの全体を統合するシステムから与えられるものでも良い。また、最終段に配置されるセンサシステム３の検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを初段のセンサシステム３に戻して連動動作が繰り返される仕様とし、伝達率検出値Ｄｋを取得するタイミングを連動計測システムの全体を統合するシステムで調整することも考えられる。

【0051】

ここで、複数のセンサシステムを連動させるセンサシステム３による連動計測システムの動作を例に、連動計測システムの動作を説明する。図１０に実施の形態３にかかるセンサシステム３を複数個（例えば、３個）利用しディジーチェーンシステムを構成した場合の動作を説明するタイミングチャートを示す。図１０に示す例では、１つ前の動作の完了を待って次の動作を開始するために、各動作は、各段の２つのパルス信号の後から出力されるパルス信号（図１０の例ではＴｘ＿ｏｎ）の立ち下がりエッジをトリガに開始されるものとした。

【0052】

図１０に示す複数のセンサシステム３を使用した連動計測システムの例では、まず外部からスタートパルスＳＴを入力する。そして初段のセンサシステム３は、スタートパルスＳＴの立ち下がりエッジが入力されたことをトリガに、測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎと検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを順次出力する。次いで、２段目のセンサシステム３は、初段の検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎの立ち下がりエッジが入力されたことをトリガに、測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎと検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを順次出力する。次いで、３段目のセンサシステム３は、２段目の検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎの立ち下がりエッジが入力されたことをトリガに、測定タイミング制御信号ＲＸ＿ｏｎと検出タイミング制御信号ＴＸ＿ｏｎを順次出力する。

【0053】

このように、ディジーチェーン接続で複数のセンサシステム３を順次動作させることで、１つのセンサシステムでは対応出来ない広さの検出範囲に対して伝達率βｓｅｎを検出することが可能になる。また、ディジーチェーン接続で複数のセンサシステム３を順次動作させた場合、複数のセンサシステム３のうち発光部１０１が発する検出光が届く範囲に他のセンサシステム３の受光部１０２を配置した場合においてもセンサシステム３の間の干渉を防止して、伝達率βｓｅｎの測定精度が悪化することを防止することができる。

【0054】

なお、ディジーチェーン接続するセンサシステムとして、サンプリング回路８１を有さないセンサシステム１を用いても良い。この場合、タイミング制御回路１５にスタートパルスＳＴに対応して動作を開始する機能を追加すれば良い。

【0055】

実施の形態４
実施の形態４では、実施の形態１にかかるセンサシステム１の変形例について説明する。なお、実施の形態４の説明では、実施の形態１で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

【0056】

図１１に実施の形態４にかかるセンサ制御回路が適用されるセンサシステム４のブロック図を示す。図１１に示すように、実施の形態４にかかるセンサシステム４は、実施の形態１にかかるセンサシステム１に減衰フィルタ（例えば、減光フィルタ８２）を追加したものである。減光フィルタ８２は、受信素子（例えば、受光部１０２）が検出信号（例えば、検出光）を受信する受信面の前面に配置され、検出光を減衰させた状態で受光部１０２に伝達する。検出光を減衰させる減光フィルタ８２としては、丸穴や角穴など光を透過する範囲を狭める通過領域を持つ遮光物や、光を減衰する材質の透過物等が利用出来る。なお、検出信号が光、音、振動等の種類に応じて減衰フィルタの種類は変更される。

【0057】

このように、減光フィルタ８２を受光部１０２の受信面の前面に設けることで、モニタ信号に含まれる環境光の信号レベルだけを低減して、受光部１０２の入力ダイナミックレンジを実質的に拡大することができる。センサシステム４では、減光フィルタ８２が有っても受光部１０２における受光量が一定を保つように発光部１０１の出力を調整するようなフィードバックループが構成されるが、環境光に関しては減光フィルタ８２による減衰が生じるからである。また、センサシステム４では、発光部１０１を間欠駆動させた場合の最大発光時に、受光部１０２の受光量が受光部１０２の入力ダイナミックレンジの最大値とするように減光フィルタ８２の減光度を設定することで、受光部１０２の入力ダイナミックレンジを最大限活用することができる。

【0058】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0059】

１～４ センサシステム
１０、２０、３０ センサ制御回路
１１ 送信素子制御回路
１２ 増幅器
１３ ドライバ回路
１４、２４、３４ 間欠制御回路
１５、２５、３５ タイミング制御回路
８０、８１ サンプリング回路
８２ 減光フィルタ
１０１ 発光部
１０２ 受光部
Ｚｓ 第１のインピーダンス素子
Ｚｆ 第２のインピーダンス素子
Ｚｕ 第３のインピーダンス素子
ＳＷ スイッチ
ＯＢＪ 非検出物
Ｖｋ 伝達率検出電圧
Ｖ＋ 基準信号
Ｖｒｅｆ 基準電圧
Ｖ－ 反転入力電圧
Ｖｒｅｃ モニタ信号
Ｖｏ 送信素子制御信号
Ｒｇ ゲート抵抗
Ｔｉ 入力端子
Ｔｏ 出力端子
ＴＸ＿ｏｎ 検出タイミング制御信号
ＲＸ＿ｏｎ 測定タイミング制御信号
ＴＲＧ トリガ入力端子
ＴＸ＿ｏｕｔ トリガ出力端子
Ｄｋ 伝達率検出値
Ｄｅｎｖ 環境光測定値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】