JPH0711529B2 - 焦電形センサアレイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、移動物体の移動方向・移動速度・移動加速度
などの検出に用いられる焦電形センササレイに関する。

（従来の技術） 本発明者は、昭和60年９月30日付けで『焦電形センサを
用いた移動物体の移動方向検出装置』、『焦電形センサ
を用いた移動物体の移動方向検出装置』及び『焦電形セ
ンサを用いた移動物体の移動加速度検出装置』を提案し
ている。

第８図は、前記諸装置における一対の焦電形センサ周辺
部分を取り出して示した回路図である。焦電形センサ1
a、1bの出力は、インピーダンス変換回路2a、2bを介し
て作動増幅回路３に与えられている。この差動増幅回路
３の出力は、直流阻止コンデンサＣを介して取り出され
て、図示しない極性判別回路などに与えられて、移動物
体の移動方向などが検出されるようになっている。

このような回路構成の場合では、波形変化が急峻な差動
出力が得られる。

したがって、移動物体の移動速度が遅くこのため焦電形
センサ1a、1bの各検出信号の立ち上がりが緩慢であった
としても、前記両検出信号の差動出力のピーク部分の急
峻な立ち上がりを利用することにより、焦電形センサの
応答性の改善が図られ、この点において従来の検出装置
と比較して優れた効果を奏している。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記提案した諸装置にも次のような改善
すべき点が指摘される。

即ち、これらの装置に使用される複数の焦電形センサ
は、相互の離隔距離が固定になっているために、移動物
体の移動速度が遅くなっていくと、この遅れに比例し
て、対になった焦電形センサの各出力が現れる時間差が
大きくなってゆく。そのため、コンデンサＣを介して取
り出される差動出力の波形は、第９図（ａ）〜（ｄ）に
示すように、次第にパルス幅が広くなるとともに、負極
性の成分が大きくなって現れるようになる。このような
差動出力波形の状態は、後段で行なわれる極性判別や移
動速度・移動加速度を求めるために行なわれる信号処理
において不都合になる。

一方、移動物体の移動速度が著しく速くなると、対にな
った焦電形センサの各出力が現れる時間朝が短くなりす
ぎるために、第10図（ａ）〜（ｄ）に示すように差動出
力波形のピーク値が次第に小さくなり、ついには移動方
向などの検出が困難になるという問題を生じる。

従って、このような装置によって移動物体の移動方向な
どの検出を行う場合、対になった焦電形センサの出力
は、適当な時間差で取り出される必要があるが、前記提
案された諸装置では対になった焦電形センサの離隔距離
が固定であるために、必ずしも満足すべき状態で移動物
体の検出を行うことができなかった。

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、広い速度範囲にわたって、対になった焦電形センサ
の各出力を適当な時間差で取り出し、後段の信号処理を
容易に行えるようにした焦電形センサアレイを提供する
ことを目的としている。

（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、次のよう
な特徴を備えている。

すなわち、本発明に係る焦電形センサアレイは、センシ
ング領域内にある移動物体からの光に応答するととも
に、その移動物体の移動方向に沿って所定間隔で一列に
配置される少なくとも３個の焦電形センサと、前記一列
配置の焦電形センサのうち何れか一方端部に位置する焦
電形センサを基準とし、残りの焦電形センサを配列順に
順次切り換えてその出力を順次取り出すセンサ切り換え
手段と、前記基準となる焦電形センサからの出力と前記
センサ切り換え手段で取り出されたセンサ出力から差動
出力を得る差動増幅回路と、前記センサ切り換え手段か
らの順次出力に対応する前記差動増幅回路からの前後の
差動出力のピーク値を比較するピーク値比較回路と、前
記ピーク値比較回路からの前記前後のピーク値が略合致
することの信号により、前記センサ切り換え手段に切り
戻しを指令する信号を発生する信号選択回路とを具備し
たことを特徴としている。

（作用） 一列配置の焦電形センサの何れか一方端部に位置する焦
電形センサから基準信号が差動増幅回路に入力され、残
りの焦電形センサは配列順に順次切り換えられてその出
力は差動増幅回路に入力される。順次切り換えは、基準
の焦電形センサに近い焦電形センサから始めるのが普通
であるが、最も遠い焦電形センサから始めても良い。差
動増幅回路からは、焦電形センサが切り換えられるごと
に順次差動種出力が得られる。差動増幅回路から得られ
た差動出力とすぐ後に得られる差動出力とはピーク値比
較回路で比較され、この前後の差動出力のピーク値はほ
ぼ等しいとピーク値比較回路が判断すると、その信号が
信号選択回路に送られる。この信号により、信号選択回
路はセンサ切り換え手段に対して切り換え前の焦電形セ
ンサに切り戻す指令信号を発生する。これにより、セン
サ切り換え手段は焦電形センサの切り換えを停止し、一
つ前の焦電形センサに切り戻しをする。このようにし
て、最も適した対の焦電形センサが定められる。

つまり、移動物体の移動速度が速い場合は、対になる焦
電形センサの離隔距離が長くなる。一方、移動物体の移
動速度が遅い場合には、対となる焦電形センサの離隔距
離が短くなる。このようにして、移動物体の広い範囲に
わたって、対となった焦電形センサの各出力の時間差を
適当に設定することができ、この結果、差動増幅回路か
ら適切な差動出力を得ることができる。

（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。

実施例Ｉ 第１図は、本発明の実施例１に係る焦電形センサアレイ
を用いた移動物体の移動方向検出装置の構成の概略を示
したブロック図であり、第２図は、第１図ではその側面
が示されたセンサ素子の平面図である。

本実施例１に係る装置には、８個の焦電形センサ1a〜1h
が用いられており、各センサは、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いる。
これらの焦電形センサは、第２図に示すように、センサ
素子10として一体に形成されている。このセンサ素子10
は、焦電体基板11上に８個の赤外線受光部12a〜12hが互
いに一定の距離を隔てて、かつ図示しない移動物体の移
動方向に沿って（図面上、第１図では上下方向、第２図
では左右方向）ほぼ平行に配置された構造になってい
る。焦電体基板11は、例えば、PbZrO₃-PbTiO₃（PZT）系
固溶体磁器などの焦電体からなる。そして、各赤外線受
光部12a〜12bには、それぞれ引出電極13a〜13hの各一端
が接続される。引出電極13a〜13hの各他端はそれぞれ、
インピーダンス変換回路20a〜20hの各入力部に接続され
る外部接続端子14a〜14hで終端している。

焦電形センサ1aは、電界効果トランジスタなどから構成
されたインピーダンス変換回路20aを介して、差動増幅
回路30の負（−）の入力端子に直接接続されている。他
の焦電形センサ1b〜1hは、インピーダンス変換回路20b
〜20hを介して、切り換えスイッチ（マルチプレクサ）S
Wの各切り換え接点〜にそれぞれ接続されている。
この切り換えスイッチSWの共通端子は、差動増幅回路
30の正（＋）の入力端子に接続されている。

差動増幅回路30の出力端子は直流阻止コンデンサＣを介
して、移動物体の移動方向を判別する方向判別回路40に
接続されている。この方向判別回路40は、図示しない極
性判別部、移動方向表示器などを含む。また、差動増幅
回路30の差動出力は、コンデンサＣを介してピーク値比
較回路51に与えられる。ピーク値比較回路51の出力は、
信号選択回路52に与えられる。信号選択回路52の出力
は、スイッチ切り換え回路53に与えられる。

なお、第３図（ａ）に示すようにセンサ素子10を遮光ケ
ース100内にセットする。この遮光ケース100の開口部10
1に結像用の凸レンズ102を取り付ける。この凸レンズ10
2の後方焦点位置にセンサ素子10を、その受光部12a〜12
hを凸レンズ102側に向けて配置する。そして、このよう
な構成により凸レンズ102による光学像をそのセンサ素
子10上に結像させる。あるいは第３図（ｂ）に示すよう
に凹面鏡103を遮光ケース100の奥内壁に固定する。この
凹面鏡103の前方焦点位置にセンサ素子10を配置する。
その凹面鏡104の反射光をそのセンサ素子10上に結像す
るなどの方法により、センサから離れた位置にある物体
の移動方向を検知する構造にする。

次に、この実施例１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のセンシング領域か
ら隣りに配置された焦電形センサ1bのセンシング領域の
方向に向かって移動していると仮定する。このとき焦電
形センサ1aは、それのセンシング領域に入った移動物体
からの赤外線に応答して検出信号を出力する。この検出
信号は、インピーダンス変換回路20aを介して差動増幅
回路30の一方の入力端子に与えられる。

続いて焦電形センサ1bは、それのセンシング領域に入っ
た移動物体からの赤外線に応答して検出信号を出力す
る。このとき、切り換えスイッチSWは、接点の接続さ
れているので、この検出信号は、インピーダンス変換回
路20b及び切り換えスイッチSWを介して差動増幅回路30
の他方の入力端子に与えられる。

前記移動物体の移動速度が比較的に遅いために、このと
きの作動増幅回路30の作動出力の波形が、例えば第９図
（ａ）に示すようなものになったと仮定する。この差動
出力は、ピーク値比較回路51に与えられる。ピーク値比
較回路51は、この入力信号を記憶する。第１番目の差動
出力が記憶されると、信号選択回路52はスイッチ切り換
え回路53に制御信号を与える。スイッチ切り換え回路53
はこれに応答して、切り換えスイッチSWの共通端子を
接点から接点に切り換え接続させる。

そうすると、今度は、焦電形センサセンサ1bの隣に配置
されている焦電形センサ1cの検出信号が切り換えスイッ
チSWの接点と共通端子とを介して作動増幅回路30の
他方の入力端子に与えられる。この場合に対になる焦電
形センサ1a及び1cの離隔距離は、前に対になった焦電形
センサ1a及び1bの離隔距離よりも長くなる。このように
して離隔距離が長くなるときの差動出力の波形は、例え
ば、第９図（ｂ）に示すようなものとなる。この第２番
目の差動出力は、ピーク値比較回路51に与えられる。ピ
ーク値比較回路51は、記憶している第１番目の差動出力
と、新たに入力された差動出力それぞれの互いのピーク
値を比較する。その結果、第２番目の差動出力のピーク
値が、第１番目の差動出力のピーク値と殆ど同じである
とピーク値比較回路51で判断された場合、それを示す判
断信号がこのピーク値比較回路51から信号選択回路52に
与えられる。この判断信号により、信号選択回路52は、
切り換えスイッチSWの共通端子を接点に接続させる
ための制御信号を、スイッチ切り換え回路53に与える。

このように移動物体の移動速度が遅い場合には、焦電形
センサ1aからの離隔距離が最も短くなる焦電形センサか
らの検出信号が作動増幅回路30の他方の入力端子に与え
られるように切り換えスイッチSWの共通端子の切り換
えが制御される。

次に、移動物体の移動速度が速い場合を例に採って説明
しよう。

この場合に、第１番目に対にする焦電形センサ1a、1bそ
れぞれの各検出信号の差動出力の波形が、例えば、第10
図（ｄ）に示すようになったとする。この第１番目の差
動出力は、前述したと同様に、ピーク値比較回路51に記
憶される。次に対になる焦電形センサ1a、1cそれぞれの
各検出信号の差動出力の波形が、例えば、第10図（ｃ）
に示すようになったとする。ピーク値比較回路51は、こ
の第２番目の差動出力と、第１番目の差動出力それぞれ
の各ピーク値を比較する。その結果、ピーク値比較回路
51は、第２番目の差動出力のピーク値の方が大きいこと
を示す判断信号を信号選択回路52に与える。これによ
り、信号選択回路52は、切り換えスイッチSWの共通端子
を接点から接点に切り換え接続するように、スイ
ッチ切り換え回路53に制御信号を与える。

次に対になる焦電形センサ1a及び1dの各検出信号による
第３番目の差動出力のピーク値が、第２番目の差動出力
のそれよりも大きければ、切り換えスイッチSWの共通端
子は接点から接点に切り換えられる。

そして、次に対になる焦電形センサ1a及び1eの各検出信
号による第４番目の差動出力のピーク値が、第３番目の
差動出力のそれとほぼ同じ大きさになると、前述したよ
うに、信号選択回路51はピーク値比較回路51からの判断
信号に基づき、切り換えスイッチSWの共通端子の切り
換え位置を接点から接点に戻すように、スイッチ切
り換え回路53を制御する。

このように移動物体の移動速度が速い場合には、対にな
る焦電形センサの離隔距離が、長くなるように切り換え
スイッチの接点がスキャンされ、差動出力が最適の状
態、即ち、ピーク値が高くて、かつ負極性の成分が少な
い状態になるような一対の焦電形センサが選択される。

このように移動物体の移動速度に応じた最適の離隔距離
を持った一対の焦電形センサが選択されると、方向判別
回路40は、このときの差動出力の極性を判別することに
よって移動物体の移動方向を確実に検出する。

実施例II 第４図は、実施例IIに係る焦電形センサアレイを使用し
た移動物体の移動速度検出装置のブロック図を示してい
る。同図において、第１図と同一部分は同一符号で示し
ている。

この実施例IIでは、一定の間隔で配列された16個の焦電
形センサが用いられる。これらの焦電形センサは、実施
例Ｉで説明したと同様に、センサ素子10′に一体に形成
されている。第１番目の焦電形センサは、インピーダン
ス変換回路20を介して、差動増幅回路30aの負入力端子
に接続されている。第２番目から第８番目の焦電形セン
サは、インピーダンス変換回路20を介して切り換えてス
イッチSW1の各接点〜にそれぞれ接続されている。
切り換えスイッチSW1の共通端子は、差動増幅回路30a
の正入力端子に接続されている。また、第９番目の焦電
形センサは、インピーダンス変換回路20を介して、もう
１つの差動増幅回路30bの負入力端子に接続されてい
る。第10番目〜第16番目の焦電形センサは、インピーダ
ンス変換回路20を介して切り換えスイッチSW2の各接点
〜に接続されている。そして、切り換えスイッチSW
2の共通端子は、差動増幅回路30bの正入力端子に接続
されている。

差動増幅回路30a、30bそれぞれの出力は、直流素子コン
デンサC1、C2を介して混合器41に与えられるとともに、
ここで合成される。この混合器41の出力は、速度検出回
路42に与えられる。一方、差動増幅回路30aの出力は、
コンデンサC1を介してピーク値比較回路51にも与えられ
るようになっている。また、スイッチ切換回路53は、切
り換えスイッチSW1及びSW2の各接点〜を同一符号の
接点に切り換えるように構成されている。

次に、この実施例IIの作用について説明する。

第１番目の焦電形センサから順に、移動物体からの赤外
線が入射したとすると、前述した実施例Ｉと同様に、ピ
ーク値比較回路51、信号選択回路52及びスイッチ切り換
え回路53が動作する。その結果、移動物体の移動速度に
応じた最適の離隔距離となる１対の焦電形センサが切り
換えスイッチSW1によって選択される。さらに、もう一
対の焦電形センサが、切り換えスイッチSW2によって選
択される。これにより、差動増幅回路30a及び30bから時
間的にずれた二つの差動出力が得られる。これらの差動
出力は、混合器41に与えられて合成される結果、第５図
に示すような合成信号が出力される。そして、速度検出
回路42は、二ついの差動信号のピークの時間的なずれを
検出する。さらに、速度検出回路42は、信号選択回路52
からの信号に基づき、選択された２対の焦電形センサの
離隔距離を算出する。この離隔距離を前記ピーク値の時
間差で除することにより、移動物体の移動速度が算出さ
れる。

実施例III 第６図は、実施例IIIに係る焦電形センサアレイを使用
した移動物体の移動加速度検出装置の構成の概略を示し
たブロック図である。同図において、第１図および第４
図と同一部分は同一符号で示している。

この実施例IIIでは、一列に等間隔に配列された24個の
焦電形センサが用いられる。これらの焦電形センサは、
第２図において証明したと同様に、センサ素子10″とし
て一体に形成されている。第１番目、第９番目及び第17
番目の焦電形センサは、インピーダンス変換回路20を介
して、差動増幅回路30a、30b、30cの負入力端子にそれ
ぞれ個別に接続されている。また、インピーダンス変換
回路20をそれぞれ介して第２番目〜第８番目の焦電形セ
ンサは切り換えスイッチSW1の各接点〜に、第10番
目〜第16番目の焦電形センサは切り換えスイッチSW2の
各接点〜に、第18番目〜第24番目の焦電形センサは
切り換えスイッチSW3の各接点〜にそれぞれ接続さ
れている。そして、各切り換えスイッチSW1、SW2、SW3
の各共通端子は、前記差動増幅回路30a、30b、30cの
各正入力端子にそれぞれ個別に接続されている。

一方、各差動増幅回路30a、30b、30cの出力は、直流阻
止コンデンサC1、C2、C3を介して混合器41に与えられ、
混合器41の出力は加速度検出回路43に与えられるように
構成されている。また、差動増幅回路30aの出力はコン
デンサC1を介してピーク値比較回路51に与えられ、スイ
ッチ切り換え回路53は前記切り換えスイッチSW1、SW2、
SW3を同一符号の接点に切り換えるように構成されてい
る。

次に、この実施例IIIの作用について説明する。

移動物体からの赤外線が入射すると、前述した実施例
Ｉ、実施例IIと同様にピーク値比較回路51、信号選択回
路52、スイッチ切り換え回路53が動作する。これによ
り、本実施例では、移動物体の移動速度に応じた最適の
離隔距離となる３対の焦電形センサが切り換えスイッチ
SW1、SW2、SW3の切換によって選択される。これによ
り、差動増幅回路30a、30b、30cから時間差のある３個
の差動出力S1〜S3が得られる。これらの差動出力S1〜S3
は、混合器41で合成される結果、第７図に示したような
合成信号が、次段の加速度検出回路43に与えられる。加
速度検出回路43は、前記実施例IIと同様にして、差動出
力S1、S2から移動物体の移動速度V1を算出する。また、
差動出力S2、S3から移動物体の変化した移動速度V2が算
出される。これらの移動速度V1、V2の変化分を、所要時
間で除算することにより移動加速度が求められる。

なお、各実施例Ｉ、II、IIIでは、電子回路により自動
的に最適受光面間隔が選択されるようになっているが、
この選択をマニュアル操作的に行ってもよい。マニュア
ル操作を行う場合には、実施例で示した自動選択に優先
して、各対の組み合わせが決定できるようにすればよ
い。それによって、単一入力の場合、予め予想される物
体速度に適した組み合わせにセットしておくことが可能
となる。さらに、マニュアル操作のみで切り換えるよう
にしてもよい。

なお、各実施例では、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、二つの焦電形
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、差動増幅回路の代わりに
加算回路を設けて、これらの差動信号を得るようにする
とよい。

また、各実施例では、切り換えスイッチによって７個の
焦電形センサのうちから１個の焦電形センサを選択する
ようにしているが、これらは２個以上の任意個数の焦電
形センサから選択するものであってもよいことは勿論で
ある。

さらに、各実施例では、各焦電形センサを等間隔で一列
に配列したが、これらは異なる間隔で配列されるもので
あってもよい。

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） 本願発明は、上述のように構成したので、次のような効
果がある。

（１） 対となる２つの焦電形センサの出力を差動増幅
回路に入力して差動出力として取り出すから、２つの焦
電形センサ間の距離を適切に定めることにより、移動物
体の移動速度が極端に遅くても立ち上がりの急峻な信号
を得ることができ、また、移動物体の移動速度が速い場
合でも適切なピーク値の信号を得ることができる。

（２） 差動増幅回路から順次出力される前後の差動出
力をピーク値比較回路で比較し、そのピーク値が略合致
する場合は、センサ切り換え手段により１つ前の焦電形
センサに切り戻して停止し、対となる焦電形センサの距
離を定めるもので、移動物体の移動速度が速い場合は対
となる焦電形センサ間の離隔距離が長くなり、移動物体
の移動速度が遅い場合は対となる焦電形センサ間の離隔
距離が短くなる。

したがって、移動物体の広い速度範囲にわたって対とな
った焦電形センサの各出力の時間差を最適に設定するこ
とができ、広範にわたる移動物体の移動方向・移動速度
・移動加速度を容易かつ確実に得ることができる。

（３） 前後の位置出力のピーク値が略合致すると、そ
れ以上の焦電形センサ切り換え作業が行わないので、焦
電形センサの切り換え作業が必要最低限になり、その
分、移動物体の測定時間が短縮される効果がある。

（４） 前後の差動出力のピーク値を比較し、移動物体
の移動状態に最も適した焦電形センサを定めるので、差
動増幅回路から得る差動出力の信号波形を適切に形成す
ることができ、移動物体の移動方向・移動速度・移動加
速度を検出する際の信号処理が確実になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例Ｉに係る移動物体の移動方向検出装置の
概略を示したブロック図、第２図は第１図に示した装置
に使用されるセンサ素子の平面図、第３図（ａ）（ｂ）
は焦電形センサの受光部の前面に凸レンズあるいは凹面
鏡を設けた実施例の説明図、第４図は実施例IIに係る移
動物体の移動速度検出装置の概略を示したブロック図、
第５図は第３図に示した装置の動作説明図、第６図は実
施例IIIに係る移動物体の移動加速度検出装置の概略を
示したブロック、第７図は第５図に示した装置の動作説
明図、第８図は先に提案されている装置の要部を示した
回路図、第９図及び第10図は移動物体の移動速度が変化
したときの差動増幅回路の出力波形の変化を示した説明
図である。 1a〜1h……焦電形センサ、10、10′、10″……センサ素
子本体 SW1、SW2、SW3……切り換えスイッチ 20a〜20h……インピーダンス変換回路 30……差動増幅回路。

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
   に応答するとともに、その移動物体の移動方向に沿って
   所定間隔で一列に配置される少なくとも３個の焦電形セ
   ンサと、 前記一列配置の焦電形センサのうち何れか一方端部に位
   置する焦電形センサを基準とし、残りの焦電形センサを
   配列順に順次切り換えてその出力を順次取り出すセンサ
   切り換え手段と、 前記基準となる焦電形センサからの出力と前記センサ切
   り換え手段で取り出されたセンサ出力から差動出力を得
   る差動増幅回路と、 前記センサ切り換え手段からの順次出力に対応する前記
   差動増幅回路からの前後の差動出力のピーク値を比較す
   るピーク値比較回路と、 前記ピーク値比較回路からの前記前後のピーク値が略合
   致することの信号により、前記センサ切り換え手段に切
   り戻しを指令する信号を発生する信号選択回路と、 を具備したことを特徴とする焦電形センサアレイ。