JPH0644007B2 - 焦電形センサを用いた移動物体の移動加速度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は移動物体の移動加速度の検出装置に係り、特に
は、焦電形の光センサを用いて移動物体の移動加速度を
検出する装置に関する。

（従来の技術） 焦電形センサを用いた移動加速度検出装置としては、移
動物体の移動方向に沿って３個の焦電形センサＡ、Ｂ、
Ｃを配置し、移動速度を検出したのち、移動加速度を求
めるものが考えられる。移動物体の移動速度は、３個の
焦電形センサのうちの２個のセンサを用いて次のように
検出される。例えば、焦電形センサＡ、Ｂが、移動物体
からの赤外線を入射することにより、第４図に示すよう
な検出信号Ｓａ、Ｓｂを順に出力する。次に、これらの
検出信号Ｓａ、Ｓｂが、予め定められた設定レベルＶｏ
にそれぞれ達したときの時間差Ｔ１が検出される。この
時間差Ｔ１で、予め知られている両焦電形センサの離隔
距離Ｌを除して、その除算結果(Ｌ／Ｔ１)から移動物体
の速度が検出される。

さらに、移動物体の加速度は、焦電形センサＡ、Ｂ、Ｃ
を用いて、次のように検出される。まず、上述した手順
で、焦電形センサＡ、Ｂの検出信号から移動物体の速度
Ｖ１が検出され、さらに、焦電形センサＢ、Ｃの検出信
号から移動物体の速度Ｖ２が検出される。そして、これ
らの速度変化分Ｖ２−Ｖ１を、時間差ΔＴで除すること
により、移動物体の加速度が検出される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、一般に焦電形の光センサは、その応答速
度が余り速くないことが知られている。このため、この
種の焦電形センサは低速で移動する物体の移動加速度検
出には使用可能であっても、高速で移動する物体につい
ては、移動加速度の検出のために必要なセンサ出力を十
分に得ることができない。そのため、従来の検出装置
は、高速移動物体の移動加速度の検出には適していない
という問題点がある。

また、前述した速度・加速度検出にあたって設定される
レベルＶｏを、十分に大きな検出信号に合わせて、高く
設定しておいた場合に、焦電形センサがその設定値以下
の小さな検出信号を出力すると、これを検知しないとい
う不都合を生じる。逆に、設定レベルＶｏを低く設定し
てしまうと、速度などが検出されるべき移動物体以外か
らの赤外線などでも焦電形センサが応答して誤動作をき
たしてしまうおそれがある。そのため、従来の検出装置
は焦電形センサの検出信号の大きさに応じて、前記レベ
ル設定値を適宜変更しなければならないが、このような
変更は装置の使用面で大変煩わしい。

さらに、各焦電形センサの感度、応答速度にバラツキが
あると、各センサの検出信号の立ち上がり時間が異なっ
てくるために、速度・加速度検出の精度が悪くなるとい
う問題点もある。例えば、センサＡ、Ｂによって速度検
出する場合に、一方のセンサＢの感度が低いために、こ
のセンサＢから第４図(Ｂ)に示すような低レベルの検出
信号Ｓｂ′が出力されたとする。このとき両検出信号Ｓ
ａ、Ｓｂ′が設定レベルＶｏに到達するまでの時間差は
Ｔ２となる。この時間差Ｔ２は、前記した同レベルの検
出信号Ｓａ、Ｓｂが出力されたときの時間差Ｔ１よりも
長くなる。あるいは、この逆の場合もある。そのために
加速度検出の精度が悪くなる。そして、このようなセン
サの特性値のバラツキによる加速度検出への影響を、公
知の技術手段で解決しようとすれば、検出装置の回路構
成が大変複雑なものになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、低速で移動する物体の移動加速度検出のみならず、
高速で移動する物体の移動加速度をも確実に検出するこ
とができるようにすることを目的とする。

さらに、本発明は、各焦電形センサ間の感度、応答速度
のバラツキに起因する加速度検出誤差を容易に小さくす
ることも目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような目的を達成するために、センシン
グ領域内にある移動物体からの光に応答して検出信号を
出力するとともに、該移動物体の移動方向に沿う一列状
として並列配置され、かつ、互いに隣接するもの同士が
一対ずつとされた３対（６個）の焦電形センサと、前記
３対の焦電形センサから出力された３対の検出信号が個
別に与えられ、かつ、各対を構成する検出信号に応答し
た差動信号をそれぞれ出力する第１、第２及び第３の差
動信号出力手段と、前記差動信号出力手段のそれぞれか
ら出力された差動信号相互間の時間差と前記焦電形セン
サの離隔距離とに基づいて移動物体の移動速度のみなら
ず移動加速度をも算出する演算処理手段とを備えたこと
を特徴としている。

（作用） 上記構成によれば、移動物体の移動方向に沿って配置さ
れた一対ずつの焦電形センサそれぞれから出力される検
出信号同士の間に時間的なずれが生じる結果、第１ない
し第３の差動信号出力手段のそれぞれからは差動信号が
出力される。そこで、これら差動信号相互間の時間差
と、予め知られている焦電形センサ間の各離隔距離とに
基づき、演算処理手段によって移動物体の移動速度Ｖ
１，Ｖ２を算出する。

さらに、演算処理手段は、前記移動速度の変化分Ｖ２−
Ｖ１を、時間差ΔＴで除することにより、移動物体の加
速度を算出する。

一方、差動信号出力手段は焦電形センサの検出信号の急
峻な変化部分の差動出力を与えるから、結局、センサ出
力の変化を拡大して取り出すことができる。これによ
り、本検出装置の応答速度が改善され、比較的高速度の
移動物体の移動加速度をも検出することができるととも
に、各焦電形センサの感度や応答時間のバラツキによる
加速度検出の誤差も著しく軽減される。

（実施例） 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。第１図は、本発明の実施例に係る焦電形センサを
用いた、移動物体の移動方向・速度の検出も兼ねた移動
加速度検出装置の構成の概略を示した回路図である。

本実施例の焦電形センサ１ａ〜１ｆは、それぞれ一定の
範囲内からの赤外線を検知するセンシング領域を有して
おり、これら焦電形センサ１ａ〜１ｆのそれぞれは、第
２図で示すようなセンサ素子２０として一体に形成され
ている。すなわち、このセンサ素子２０は、焦電体基板
２１上に赤外線受光部２２ａ〜２２ｆが一定の距離を隔
てつつ、移動物体の移動方向に沿う一列状として並列配
置された構造を有しており、これら赤外線受光部２２ａ
〜２２ｆは焦電形センサ１ａ〜１ｆのそれぞれと対応し
ている。なお、焦電基板２１は、PbZrO₃-PbTiO₃（ＰＺ
Ｔ）系固溶体磁器などの焦電体を用いて作製されたもの
である。また、ここで、各赤外線受光部２２ａ〜２２ｆ
には引出電極２３ａ〜２３ｆの一端がそれぞれ接続され
ている一方、これら引出電極２３ａ〜２３ｆの各他端は
後述するインピーダンス変換回路２ａ〜２ｆの各入力部
に対して接続される外部接続端子２４ａ〜２４ｆで終端
している。

さらに、これら焦電形センサ１ａ〜１ｆの各々は、第１
図で示すように、電界効果トランジスタなどを用いて構
成されたインピーダンス変換回路２ａ〜２ｆを介したう
えで第１ないし第３の差動増幅回路３ａ〜３ｃそれぞれ
の負（−）・正（＋）の各入力端子に接続されており、
互いに隣接配置された焦電形センサ１ａと１ｂ、１ｃと
１ｄ、１ｅと１ｆのそれぞれ同士は一対ずつとして接続
されている。すなわち、これら６個の焦電形センサ１ａ
〜１ｆは互いに隣接するもの同士を一対ずつとして３対
に構成されたうえ、一対ずつの焦電形センサ１ａと１
ｂ、１ｃと１ｄ、１ｅと１ｆのそれぞれが各差動増幅回
路３ａ〜３ｃに対して接続されているのである。一方、
これら差動増幅回路３ａ〜３ｃの各出力端子は直流阻止
コンデンサＣ１〜Ｃ３のそれぞれを介したうえで単一の
混合器４に対して接続されており、この混合器４は極性
判別回路５および波形整形回路６に対して接続されてい
る。波形整形回路６はトリガ回路７に接続され、さらに
このトリガ回路７は計数回路８の一方の入力端子に接続
されている。計数回路８の他方の入力端子には発振回路
９が接続されている。この計数回路８の出力側は演算処
理回路１０に接続されている。演算処理回路１０は、移
動方向・速度・加速度表示器１２を駆動する駆動回路１
１に接続されている。また、この駆動回路１１には前記
極性判別回路５の出力側が接続されている。なお、極性
判別回路５及び演算処理回路１０の出力そのものでも移
動物体の移動方向及び速度・加速度を検知することがで
きるので、駆動回路１１及び表示器１２は必ずしも本発
明の必須要素とはならない。

すなわち、本実施例においては、混合器４，極性判別回
路５，波形整形回路６，トリガ回路７，計数回路８，発
振回路９および演算処理回路１０が演算処理手段を構成
しているのである。

また、焦電形センサ１ａ〜１ｆの前面に、第５図(Ａ)に
示すように、結像用レンズ１００を取り付けたり、同図
(Ｂ)のように凹面鏡１０１による反射により結像するな
どの方法をとれば、センサから離れた位置にある物体の
移動方向・速度・加速度を検知することができる。な
お、第５図において、１０２はセンサ受光面を示してい
る。

次に、この実施例の作用について説明する。

例えば、移動物体が焦電形センサ１ａから焦電形センサ
１ｄの方向に向かって移動しているとする。移動物体か
ら照射された赤外線が各焦電形センサのセンシング領域
に順に入射すると、各焦電形センサ１ａ〜１ｆは、第３
図(Ａ)に示すように、入射赤外線の移動速度に応じた時
間遅れを伴った検出信号Ｓ１〜Ｓ６を、前記赤外線が入
射した順に出力する。

そして、一対となった焦電形センサ１ａ，１ｂから出力
された検出信号Ｓ１，Ｓ２は、インピーダンス変換回路
２ａ，２ｂをそれぞれ介したうえで第１の差動増幅回路
３ａに与えられる。その結果、第１の差動増幅回路３ａ
は、第３図（Ｂ）で示すような差動信号Ｓ７を出力す
る。また、一対の焦電形センサ１ｃ，１ｄから出力され
た検出信号Ｓ３，Ｓ４はインピーダンス変換回路２ｃ，
２ｄを介したうえで第２の差動増幅回路３ｂに与えられ
る一方、一対となった焦電形センサ１ｅ，１ｆから出力
された検出信号Ｓ５，Ｓ６はインピーダンス変換回路２
ｅ，２ｆを介したうえで第３の差動増幅回路３ｃに与え
られる。したがって、第２の差動増幅回路３ｂは、第３
図（ｃ）で示すように、前記差動信号Ｓ７よりも若干時
間的に遅れた差動信号Ｓ８を出力する。また、第３の差
動増幅回路３ｃは、前記差動信号Ｓ８よりもさらに時間
的な時間遅れをともなった差動信号Ｓ９を出力する。こ
れらの差動信号Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９は、直流阻止コンデン
サＣ１、Ｃ２、Ｃ３を介して混合器４に、それぞれ個別
に与えられる。混合器４は、前記差動信号Ｓ７、Ｓ８、
Ｓ９を合成して、同図(Ｅ)または(Ｆ)に示すような極性
が正または負の合成信号Ｓ１０を出力する。この合成信
号Ｓ１０は、次段の極性判別回路５および波形整形回路
６に与えられる。

合成信号Ｓ１０を与えられた極性判別回路５は、この信
号の正・負の極性を判別することにより、移動物体の移
動方向を判定する。例えば、上述したように、移動物体
が焦電形センサ１ａから焦電形センサ１ｂへ向かう方向
に移動した場合に、合成信号Ｓ１０の極性が正になるよ
うにする。そうすると、移動物体が前記方向とは逆の方
向に移動したときは、検出信号Ｓ２が検出信号Ｓ１より
も先に出力されるから、これらの差動信号を合成した信
号Ｓ１０の極性は、同図(Ｆ)に示すように負になる。こ
のように、合成信号Ｓ１０の極性によって移動物体の移
動方向を知ることができる。そして、この極性判別回路
５がその判別結果を駆動回路１１に出力することによ
り、移動物体の移動方向が表示器１２に表示される。

一方、混合器４から合成信号Ｓ１０を与えられた波形整
形回路６は、これを同図(Ｇ)に示すような矩形パルスＳ
１１に波形整形する。この矩形パルスＳ１１は、トリガ
回路７に与えられ、同図(Ｈ)に示すようなパルス信号Ｓ
１２ａ、１２ｂに変換される。このパルス信号Ｓ１２ａ
のパルス幅は、合成信号Ｓ１０に含まれる二つの差動信
号Ｓ７、Ｓ８の時間差、即ち、一対の焦電形センサ１
ａ、１ｂからもう一対の焦電形センサ１ｃ、１ｄまでの
距離(第２図に示した受光部の配列ピッチの２ピッチ分
の距離に相当する)を、入射赤外線が移行する時間に対
応している。同様に、パルス信号Ｓ１２ｂのパルス幅
は、合成信号Ｓ１０に含まれる二つの差動信号Ｓ８、Ｓ
９の時間差、即ち、一対の焦電形センサ１ｃ、１ｄから
もう一対の焦電形センサ１ｅ、１ｆまでの距離を、入射
赤外線が移行する時間に対応している。そして、この入
射赤外線の移行時間は、移動物体の移動時間に対応して
いる。

このようなパルス信号Ｓ１２ａ、１２ｂは、計数回路８
の一方入力として与えられる。そして、計数回路８の他
方入力として発振回路９から同図(Ｉ)に示すようなクロ
ックパルスＳ１３が与えられているから、信号Ｓ１２
ａ、１２ｂと、Ｓ１３との各論理積信号に含まれるパル
スの数がそれぞれ計数されることによって、移動物体の
移動時間に対応した計数値が得られる。

そこで、演算処理回路１０は、前記各計数値にクロック
パルスの一個当たりの周期を乗じて、パルス信号Ｓ１２
ａ、Ｓ１２ｂのパルス幅Ｔａ、Ｔｂをそれぞれ算出す
る。そして、前述した受光部の配列ピッチの２ピッチ分
の距離Ｌを前記パルス幅Ｔａ及びＴｂでそれぞれ除する
ことによって、焦電形センサ１ａ〜１ｄを通過する入射
赤外線の移動速度Ｖ１と、焦電形センサ１ｃ〜１ｆを通
過する入射赤外線の移動速度Ｖ２とが求められる。そこ
で、これら入射赤外線の移動速度Ｖ１，Ｖ２とから、前
記各センサ区間における移動物体の移動速度が求められ
る。そして、例えば、このうちの速度算出結果Ｖ１が、
駆動回路１１に与えられることにより、表示器１２に移
動物体の速度表示がされる。なお、第５図に示すような
レンズや凹面鏡を用いた場合は、光学系により移動物体
の実際の速度・加速度とセンサ受光部上での速度・加速
度とが異なるため、さらに演算処理を施すとよい。

さらに、演算処理回路１０は、算出された移動速度Ｖ
１、Ｖ２の変化量Ｖ２−Ｖ１を算出し、この変化量を、
同図(Ｈ)に示すパルス信号Ｓ１２ａ、Ｓ１２ｂの立ち上
がりの時間差ｔ２−ｔ１で除算することにより、移動物
体の加速度を算出する。この加速度の算出結果は、駆動
回路１１に与えられることにより、表示器１２に移動物
体の加速度表示がされる。

ところで、第２図(Ａ)〜(Ｄ)で示した波形図から理解さ
れるように、差動信号Ｓ７、Ｓ８及びＳ９は、焦電形セ
ンサ１ａ〜１ｆの各検出信号の急峻な変化部分の差動を
とるために、前記各検出信号Ｓ１〜Ｓ６の立ち上がりが
緩慢であったとしても、その差動出力のピーク部分の立
ち上がりは極めて遠くなっている。このため、高速度の
移動物体を検出する場合においても、充分大きな差動出
力を得ることができるので、低速度の移動物体の方向・
速度・加速度検出のみならず、高速度の移動物体の方向
・速度・加速度の検出も確実に行なわれる。また、各焦
電形センサの感度や応答速度にバラツキがあっても、二
つの差動信号の立ち上がりの時間差には、ほとんど影響
を与えないので、移動物体の速度及び加速度を精度よく
検出することができる。

なお、実施例では極性判別回路５からの正の電圧信号
は、焦電形センサ１ａから焦電形センサ１ｆの方向へ移
動物体が移動することを意味し、負の電圧信号はその逆
の方向へ移動物体が移動することを意味したが、これは
逆の関係であってもよい。

また、実施例では、合成信号Ｓ１０の極性によって移動
物体の移動方向を検出しているが、これは前記差動信号
Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９のうちの少なくともいずれか一方の極
性を判別することによって、検出することができること
は勿論である。

さらに、実施例では、入射赤外線に対して、同極性の電
圧が発生する焦電形センサを用いており、そのために、
各焦電形センサの検出信号の差動信号を得る手段とし
て、差動増幅回路を設けている。しかし、一対の焦電形
センサが入射赤外線に対して、それぞれ逆極性の電圧を
発生するものである場合には、差動増幅回路３ａ、３
ｂ、３ｃの代わりに、加算回路をそれぞれ設けて、これ
らの差動信号Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９を得るようにするとよ
い。

さらにまた、実施例では、６個(３対)のセンサを配置し
ているが、センサをさらに追加して、即ち、７個以上の
センサを配置した場合には、速度・加速度の平均値も求
めることができ、検出精度の向上をはかることができ
る。

また、本発明に係る焦電形センサは、通常、赤外線セン
サとして用いられているが、可視光線に対しても感度を
もつので、例えば、移動物体に可視光を照射して、その
反射光を検出するようにしてもよい。

（効果） 以上のように、本発明に係る装置は、３対(６個)の焦電
形センサを用いて得られる３個の差動信号によって、移
動物体の加速度検出を行っているから、比較的簡単な構
成によって装置の応答性が改善され、高速移動物体の加
速度検出が可能となるとともに、各焦電形センサの感度
や応答速度のバラツキによる加速度検出の誤差を小さく
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る焦電形センサを用いた移
動物体の移動加速度検出装置の構成の概略を示した回路
図、第２図は本実施例で用いられるセンサ素子の説明
図、第３図は第１図に示した装置の動作説明図、第４図
は従来の検出装置による速度検出の説明図、第５図は本
発明のその他の実施例の説明図である。 １ａ〜１ｆ……焦電形センサ、２ａ〜２ｆ……インピー
ダンス変換回路、３ａ〜３ｃ……差動増幅回路、４……
混合器、５……極性判別回路、６……波形整形回路、７
……トリガ回路、８……計数回路、９……発振回路、１
０……演算処理回路、１１……駆動回路、１２……移動
方向・速度・加速度表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】センシング領域内にある移動物体からの光
   に応答して検出信号を出力するとともに、該移動物体の
   移動方向に沿う一列状として並列配置され、かつ、互い
   に隣接するもの同士が一対ずつとされた３対（６個）の
   焦電形センサと、 前記３対の焦電形センサから出力された３対の検出信号
   が個別に与えられ、かつ、各対を構成する検出信号に応
   答した差動信号をそれぞれ出力する第１、第２及び第３
   の差動信号出力手段と、 前記差動信号出力手段のそれぞれから出力された差動信
   号相互間の時間差と前記焦電形センサの離隔距離とに基
   づいて移動物体の移動加速度を算出する演算処理手段と
   を備えたことを特徴とする焦電形センサを用いた移動物
   体の移動加速度検出装置。