(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ（１１）から入力された計測信号をＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄ変換器（１２）と、
このＡ／Ｄ変換器からの計測信号と出力信号との偏差信号を出力する減算器（１４）とこの出力された偏差信号を増幅するループ増幅器（１５）とこの増幅された偏差信号を周波数選択して出力信号として出力するとともにこの出力信号を前記減算器へ帰還させるループフィルタ（１６）とが組込まれた閉ループ回路（１３）と、
この閉ループ回路の出力信号が安定領域に入ったことを判定して判定信号を出力する判定部（２２）と、
この判定部からの判定信号で起動され、前記閉ループ回路の出力信号を周波数変換して直流成分を計測値として出力する高速フーリエ変換器（２３）と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の物理量を測定するセンサから出力された計測信号を信号処理して計測値として出力する信号処理装置に係わり、特に、計測信号自体が有する立上り特性を低下させることなく効果的に雑音成分を除去できる信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、製造工場における製品の検査ラインにおいて、ベルトコンベアから順次搬入されてくる製品の重量を自動計測する重量測定装置においては、被測定体である製品を載せる秤量皿自体が小型の秤量ベルトコンベアで構成されている。そして、上流側のベルトコンベアから製品が重量測定装置の秤量ベルトコンベアへ搬入されて、この秤量ベルトコンベアから下流側のベルトコンベアへ搬出される。そして、製品が秤量ベルトコンベア上を搬送される過程でこの製品に対する重量測定が実施される。
【０００３】
図６は重量測定装置に組込まれている重量を測定するセンサから出力される計測信号の時間経過を示す図である。図示するように、センサの計測信号は、信号成分Ｓに雑音成分Ｎが重畳された混合信号（Ｓ＋Ｎ）となる。信号成分Ｓは、直流信号となる場合が多い。
【０００４】
製品が秤量ベルトコンベアに搬入される前においては、信号成分Ｓはゼロである。時刻ｔ0で製品が秤量ベルトコンベアに搬入されると、信号成分Ｓは時間ｔの経過に伴って変化する過渡応答状態となり（ｔ＝ｔ0〜ｔ1）、安定領域にて安定する（ｔ＝ｔ1〜ｔ2）。そして、時刻ｔ2で製品が秤量ベルトコンベアから下流側のベルトコンベアへ搬出されると、信号成分Ｓは再度過渡応答状態となり（ｔ＝ｔ2〜ｔ3）となり、時刻ｔ3で信号成分Ｓはゼロに戻る。
【０００５】
また、雑音成分Ｎは、多くの場合、センサに物理的に接続される電気的・機械的インピーダンスに関連した電気的・機械的な固有振動周波数帯域に存在し、信号成分Ｓに重畳して混合信号（Ｓ＋Ｎ）を構成する。
【０００６】
すなわち、混合信号（Ｓ＋Ｎ）からなる計測信号は、図７に示すように、センサの弾性特性で定まる固有振動周波数ｆSを有する信号成分Ｓと、この固有振動周波数ｆSとは異なる雑音の発生要因毎に定まる各固有振動周波数ｆ1，ｆ2を有する雑音成分Ｎとからなる周波数特性（振幅特性）を図６の各時間ｔにおいて有している。
【０００７】
一方、必要な計測値は、安定領域（ｔ＝ｔ1〜ｔ2）における混合信号（Ｓ＋Ｎ）のうち、信号成分Ｓのみに対応する。このため、混合信号（Ｓ＋Ｎ）から雑音成分Ｎを除去して信号成分Ｓのみを抽出する必要がある。但し、分離・抽出の際に、間接的に付加的な影響（過渡応答によるリンギング等）を信号成分Ｓに与えないことが要求される。
【０００８】
図８は雑音除去フィルタの一例としてＩＩＲ(infinite impulse response)フィルタを有する信号処理装置の構成を示す模式図である。この信号処理装置は、センサ１からの計測信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２と、Ａ／Ｄ変換器２からの入力信号を周波数選択処理するｋ段のＩＩＲフィルタ３１〜３ｋと、ＩＩＲフィルタ３ｋの処理結果をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器４とを備えている。
【０００９】
なお、ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋは、複数個が従属接続されたこの例に限らず、複数個が並列接続されてもよく、また、１個のみでもよい。また、各ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋは、互いに同一構成のため、ここでは１段目のＩＩＲフィルタ３１を例に挙げて述べる。
【００１０】
ここで、ＩＩＲフィルタ３１は、幾つかの形式のうちの直接標準形と呼ばれるものであり、回路網上において、２次の伝達関数を構成するのに２個のメモリ（遅延器）５ａ，５ｂが使用されている。また、乗算器係数α１，α２，β１，β２が夫々設定された４つの乗算器６ａ〜６ｄと、回路網における各信号線上の信号を加算して出力するための４つの加算器７ａ〜７ｄとが使用されている。すなわち、ＩＩＲフィルタ３１は、メモリ５ａ，５ｂ、乗算器６ａ〜６ｄ及び加算器７ａ〜７ｄの３種類の素子の組合せにより、所望の伝達特性を得ている。
【００１１】
このようなＩＩＲフィルタ３１は、センサ１からＡ／Ｄ変換部２を介して入力された計測信号を図９（ａ）の曲線Ｃに示す実際の低域通過特性によって周波数選択処理し、次のＩＩＲフィルタ３２に出力する（なお、直線Ｌは理想的な低域通過特性を示す）。
【００１２】
次のＩＩＲフィルタ３２は、同様に周波数選択処理を行い、さらに次のＩＩＲフィルタ３３に結果を出力する。以下同様にして順次処理が進行し、出力信号がＤ／Ａ変換部４を介して出力される。但し、この周波数選択処理に伴い、図９（ｂ）の群遅延特性に示すように、遅延時間分だけ出力応答（立上り特性）に遅れを生じさせる。このため、ステップ応答特性は、図１０に実線Ａで示すように、理想的な応答Ｂに比べ、過渡応答状態に遅延が生じている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように従来の信号処理装置では、ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋの如き雑音分離フィルタが有する遅延時間分の遅れに伴い、処理の高速化が阻止されている。
【００１４】
例えば、ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋはディジタルフィルタとして直接設計されるが、このとき、雑音成分Ｎの周波数帯域の必要な減衰量が設定される。しかしながら、この必要な減衰量に比例し、ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋは、自己の群遅延特性により入力応答速度を低下させると共に、雑音成分Ｎにも遅延時間を与えてしまう。
【００１５】
また、急峻な変化のある信号成分Ｓには、ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋ自体の応答特性により新たな雑音成分Ｎ´を発生させる可能性があるので、応答特性の良好なＩＩＲフィルタ３１〜３ｋを選択する必要がある。また、ＩＩＲフィルタ３１〜３ｋは、雑音成分Ｎの量が多大なとき、大きい減衰量を与えるためにフィルタ次数を増加させる必要があり、複雑な構成となる。
【００１６】
さらに、雑音成分Ｎの減衰の際に、信号成分Ｓを劣化させないことが要求される。
また、図６に示すセンサの計測信号波形のうち、安定領域（ｔ＝ｔ1〜ｔ2）における混合信号（Ｓ＋Ｎ）のうち、信号成分Ｓから最終的な測定値を短時間でかつ高い精度で得る必要がある。安定領域（ｔ＝ｔ1〜ｔ2）における混合信号（Ｓ＋Ｎ）から測定値を得るには、低い遮断周波数を有するＬＰＦを用いればよいが、極端に低い遮断周波数を採用すると安定領域に移行してからすぐに測定開始できなく、安定領域期間中に測定が終了しない懸念もある。
【００１７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものあり、計測信号から雑音成分を除去する際に、フィルタの群遅延時間相当分を短縮し、処理の高速化を実現し、かつ短時間で高い精度の計測値を得ることが可能な信号処理装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するために、本発明の信号処理装置においては、センサから入力された計測信号をＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、閉ループ回路と、閉ループ回路の出力信号が安定領域に入ったことを判定して判定信号を出力する判定部と、判定部からの判定信号で起動され、閉ループ回路の出力信号を周波数変換して直流成分を計測値として出力する高速フーリエ変換器とを備えている。
【００１９】
なお、閉ループ回路内には、Ａ／Ｄ変換器からの計測信号と出力信号との偏差信号を出力する減算器と、この出力された偏差信号を増幅するループ増幅器と、この増幅された偏差信号を周波数選択して出力信号として出力するとともにこの出力信号を減算器へ帰還させるループフィルタとが組込まれている。
【００２０】
このように構成された信号処理装置においては、計測信号を処理する閉ループ回路としては、減算器が入力されたＡ／Ｄ変換後の計測信号から出力信号を減算して得られた偏差信号を出力し、ループ増幅器がこの偏差信号を増幅し、ループフィルタが、この増幅された偏差信号を周波数選択処理して出力信号としてこの閉ループ回路から出力すると共に、この出力信号を減算器へ帰還させる。
【００２１】
このように、閉ループ回路を用い、減算処理後の偏差信号を信号成分に追従させる簡易な処理としたので、計測信号から雑音成分を分離する際に、ループフィルタの群遅延時間相当分を短縮し、処理の高速化を実現することができる。また、これに加え、良好な応答特性を有し、簡易な構成により、信号成分の劣化を阻止することができる。
【００２２】
さらに、閉ループ回路の出力信号が安定領域に入ると、高速フーリエ変換器で出力信号を周波数変換して直流成分を計測値として出力する。
【００２３】
前述したように、最終的に求める計測値は、安定領域に入った計測信号の直流成分であると見なせるので、この直流成分を高速フーリエ変換器を用いて求めている。この高速フーリエ変換器においては、閉ループ回路の出力信号をほぼ実時間で周波数変換するので、結果として、ほぼ実時間で直流成分を得ることができる。
よって、短時間で高い精度の計測値を得ることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る信号処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【００２５】
例えば、工場の製品検査ラインに組込まれた重量測定装置内に組込まれたセンサ１１から出力された計測信号ａはＡ／Ｄ変換器１２でＡ／Ｄ変換されてデジタルの計測信号ａ1として、閉ループ回路１３へ入力される。センサ１１から出力された計測信号ａは、図６に示す信号成分（Ｓ）に雑音成分（Ｎ）が重畳した混合信号（Ｓ＋Ｎ）となり、時間軸（ｔ）に対してほぼ台形形状となる。
【００２６】
閉ループ回路１３は、減算器１４とループ増幅器１５とループフィルタ１６と帰還回路１７とで構成されている。閉ループ回路１３へ入力されたデジタルの計測信号ａ1は減算器１４へ入力される。この減算器１４は、計測信号ａ1からループフィルタ１６の出力信号ｃを減算した偏差信号ｂをループ増幅器１５へ送出する。
【００２７】
ループ増幅器１５は、減算器１４から出力された偏差信号ｂをゲイン乗数に基づいて増幅処理し、増幅後の偏差信号ｂ1をループフィルタ１６へ送出する。なお、ゲイン乗数は、信号成分Ｓの減衰を阻止する観点から、信号成分Ｓの追従特性に基づいて予め設定されている。また、ゲイン乗数は、増幅度による振幅の調整に加え、ゲイン乗数を高くすると通過帯域が広がり、ゲイン乗数を低くすると通過帯域が狭まるという傾向から信号成分Ｓの通過周波数帯域をも調整可能としている。
【００２８】
ループフィルタ１６は、ループ増幅器１６から出力された増幅後の偏差信号ｂ1を周波数選択処理し、この処理結果を出力信号ｃとして、次のゲート回路２１へ出力すると共に、帰還回路１７を介して減算器１４へ帰還させる。
【００２９】
具体的には、ループフィルタ１６は、図示するように、加算器１８とメモリ１９と乗算器２０とで構成されている。加算器１８は、ループ増幅器１５から入力された増幅後の偏差信号ｂ1と乗算器２０から出力された乗算信号ｄとを加算して出力信号ｃとしてこのループフィルタ１６から出力するとともに、メモリ１９へ記憶保持する。このメモリ１９は加算器１８から出力された出力信号ｃの信号値を１計算周期だけ記憶保持した後、次の乗算器２０へ送出する。
【００３０】
乗算器２０は、メモリ１９に記憶された１計算周期前の出力信号ｃの信号値に対してフィルタ特性を示す係数を乗算して乗算信号ｄとして、加算器１８へ送出する。
【００３１】
したがって、加算器１８から出力される出力信号ｃは、乗算器２０に設定される各係数で定まる周波数特性で周波数選択される。この実施形態においては、各係数で定まる周波数特性は低域通過特性に設定されている。すなわち、このループフィルタ１６は時間応答性の優れたＬＰＦとして動作する。
【００３２】
なお、ループフィルタ１６は、低域通過特性に限らず任意の周波数選択処理を設定可能であるが、応答時にリンギング雑音の発生を阻止する観点から、低次数のもので構成されることが好ましい。また、ループフィルタ１６の周波数選択特性は、雑音成分Ｎの周波数帯域に関し、ループ増幅器１５の増幅量よりも大きい減衰量をもつ減衰特性を有する。
【００３３】
ループフィルタ１６、すなわち閉ループ回路１３の出力信号ｃ及び減算器１４から出力された偏差信号ｂは判定部２２へ入力される。
判定部２２は、閉ループ回路１３の出力信号ｃと減算器１４から出力される偏差信号ｂとを利用する。閉ループ回路１３の出力信号ｃの信号レベルが、図３に示すように時刻ｔSとその後の時刻ｔS+1とのレベル差が２〜４％等の予め定められたしきい値以下に低下すると、出力信号ｃは安定領域に入ったと判定して、判定信号ｅをゲート回路２１へ送出する。
【００３４】
なお、図３に示すように時刻ｔEにて、時刻ｔE+1とのレベル差が増大して、前記しきい値を超えると、判定部２２は、出力信号ｃは安定領域を外れたと判断して判定信号ｅを解除する。
【００３５】
なお、偏差信号ｂの前記時刻ｔSと時刻ｔS+1の間の変動、及び偏差信号ｂの前記時刻ｔEと時刻ｔE+1の間の変動とを継続的に計算して、偏差が予め定められたしきい値以下になる状態を継続的に検知して、前記出力信号ｃの信号レベルによる判定とのＡＮＤ条件で安定領域に入ったと判定すれば、安定領域の判定をさらに確実にできる。
【００３６】
ゲート回路２１は通常状態においては閉じており、判定部２２から判定信号ｅが出力されている期間、閉ループ回路１３から出力されている出力信号ｃを通過させて、次の高速フーリエ変換器２３へ入力させる。
【００３７】
高速フーリエ変換器２３は、メモリ２４と、窓関数２５と、ＦＦＴ処理部２６とで構成されている。
メモリ２４は、順次入力される安定領域に入った出力信号ｃにおける１計算周期Ｔｃ分のＮ個のデータを次の計算周期まで記憶保持する。また、窓関数２５は、図２に示すように、時間軸に対して山形波形を有し、入力された１計算周期Ｔｃに含まれるＮ個のデータのうち、先頭部分と終端部分の信号レベルを低減させて、周波数変換処理において不要な高周波成分が発生することを未然に防止する。
【００３８】
ＦＦＴ処理部２６は、窓関数２５を通過した１計算周期Ｔｃに含まれるＮ個のデータに対して周波数変換して各周波数成分を得る。そして、得られた各周波数成分のうち、直流成分を計測値ｄとして出力する。
【００３９】
ＦＦＴ処理部部２６は、有効データ取込のために１計算周期Ｔｃが経過した後から、１サンプル時系列データが到来する毎に、Ｎ個のデータを１つ更新しながら、上記計算を繰り返し、かつ１サンプル時間は数ｍｓ以下と通常は非常に短いので、この高速フーリエ変換器２３は、閉ループ回路１３の出力信号ｃを１サンプル時間で周波数変換し、結果として、実時間で直流成分である１サンプル毎の計測値ｄを出力する。
【００４０】
この高速フーリエ変換器２３は、図５に示すように、判定部２２から判定信号ｅの出力開始時刻ｔS+1から、判定信号ｅの出力終了時刻ｔE+1までの安定領域の期間中計測値ｄを継続して出力する。
【００４１】
この高速フーリエ変換器２３から出力されたデジタルの計測値ｄは表示器２８等に表示出力される。また、表示器によっては、Ｄ／Ａ変換器２７でアナログの計測値ｄ1に変換される場合もある。
【００４２】
さらに、高速フーリエ変換器２３から出力されたデジタルの計測値ｄはそのままコンピユータからなるデータ処理部２９へ入力される。データ処理部２９は順次入力される各測定対象の計測値ｄに対して各種の統計処理を実施する。
【００４３】
次に、このように構成された信号処理装置の特徴を説明する。
先ず、ＬＰＦの機能を有すループフィルタ１６とループ増幅器１５と減算器１４から構成された閉ループ回路１３を採用している。この閉ループ回路１３においては、減算器１４にてセンサ１１からの測定信号ａ1と前回の出力信号ｃとの偏差信号ｂを得て、この偏差信号ｂに対してループフィルタ１６にて低周波数成分を通す周波数選択処理を行って、次回の出力信号ｃを得ている。
【００４４】
また、偏差を信号成分に追従させることにより、ループフィルタ１６の群遅延時間相当分を短縮させている。さらに、良好な応答特性を有し、簡易な構成により、信号成分の劣化を阻止することができる。また、低次数のループフィルタ１６を使用したので、立上り応答時にリンギング雑音の発生を阻止することができる。
【００４５】
これにより、閉ループ回路１３の出力信号ｃのうち、固有振動周波数ｆSとは異なる固有振動周波数ｆ1，ｆ2を有する雑音成分Ｎは、図４（ａ）の雑音振幅特性に示すように、大幅に抑制される。また、図４（ｂ）に示すように、出力信号ｃの立上り特性Ｄが、図８に示す従来の信号処理装置における出力信号の立上り特性Ａに比較して大幅に改良される。
【００４６】
したがって、図３に示すように、出力信号ｃが、時刻ｔ0から安定領域に入る時刻ｔS+1までの所要時間Ｔ1が従来の信号処理装置に比較して大幅に短縮される。その結果、被測定物である一つの製品に対する重量の測定時間を短縮できる。このことは、製品の搬送速度を上昇させたり、秤量ベルトコンベアの長さを短くすることによって、検査ラインにおける製品の重量測定処理能率を向上できる。
【００４７】
次に、実施形態の信号処理装置においては、閉ループ回路１３の出力信号ｃから計測値ｄを得るために高速フーリエ変換器２３を用いている。前述したように、例えば工場の検査ラインに組込まれた重量測定装置で最終的に求める計測値ｄは、安定領域に入った計測信号の直流成分であると見なせるので、図５に示すように、閉ループ回路１３の出力信号ｃが安定領域に入った時点で、この出力信号ｃから、この直流成分を高速フーリエ変換器２３を用いて求めている。
【００４８】
この高速フーリエ変換器２３においては、最初の一つの計測値ｄを得るために、１計算周期Ｔｃだけ遅延するが、この１計算周期ＴｃはＦＦＴのサイズにもよるが、予め定めたサイズで正確に時間を定めることができ、サンプル周波数の大きさにより短くできる。
【００４９】
また、閉ループ回路１３の出力信号ｃをほぼ実時間で周波数変換するので、結果として、１サンプル毎に定時間で直流成分を得ることができる。よって、図８に示す従来の信号処理処理装置に比較して、短時間でかつ高い精度の計測値ｄを得ることが可能となる。
【００５０】
また、判定部２２の判定信号ｅにより安定領域で高速フーリエ変換器２３を動作させることができ、装置全体の消費電力を低減できる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の信号処理装置においては、計測信号から雑音成分を除去する際に、ループフィルタとループ増幅器と減算器とから構成された閉ループ回路を用いている。さらに、この閉ループ回路の出力信吾を高速フーリエ変換器を用いて直流成分である計測値を得ている。
【００５２】
したがって、フィルタの群遅延時間相当分を短縮し、雑音成分の除去処理の高速化を実現した上で出力信号の立上り特性を向上でき、かつ短時間で高い精度の計測値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる信号処理装置の概略構成を示すブロック図
【図２】同信号処理装置の高速フーリエ変換器に組込まれた窓関数の特性を説明するための図
【図３】同信号処理装置に組込まれた閉ループ回路の出力信号の時間特性図
【図４】同信号処理装置に組込まれた閉ループ回路の出力信号に含まれる雑音成分の周波数特性及び出力信号の立上がり特性を示す図
【図５】同信号処理装置に組込まれた高速フーリエ変換器から出力される計測値の時間特性を示す図
【図６】センサから出力される信号成分に雑音成分が重畳した状態の計測信号の時間特性を示す図
【図７】同計測信号の周波数特性を示す図
【図８】従来のＩＩＲフィルタを用いた信号処理装置の概略構成を示すブロック図
【図９】同ＩＩＲフィルタの周波数特性を示す模式図
【図１０】同従来の信号処理装置における出力信号の立上り特性図
【符号の説明】
１１…センサ
１２…Ａ／Ｄ変換器
１３…閉ループ回路
１４…減算器
１５…ループ増幅器
１６…ループフィルタ
１７…帰還回路
１８…加算器
１９，２４…メモリ
２０…乗算器
２１…ゲート回路
２２…判定部
２３…高速フーリエ変換器
２５…窓関数
２６…ＦＦＴ処理部
２７…Ｄ／Ａ変換器
２８…表示器
２９…データ処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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