ブリッジ・センサー
交流ブリッジ回路は、以前から知られている回路ですが、これを応用した例は、あまり見ることがありません。ここでは、この交流ブリッジ回路を応用したセンサーを考えてみます。
CRブリッジ・センサー
用紙が２枚重なって給紙されてしまうことを防止する「重送検知」には、一般的に透過型フォトセンサーが使われますが、欠点として、印刷された用紙、特にベタ刷りされた用紙の判定が困難な点が上げられます。また、逆に、透き通ったシート材も検出が困難です。一方、超音波を利用するセンサーも近年実用化されつつあるようですが、反応速度の点に問題があり、装置の価格も上がってしまいます。
ＣＲブリッジ・センサーは交流ブリッジ回路により、電極間の誘電率を検出することで、重送検知や、枚数検知をおこなうセンサーです。原理も構造も極めてシンプルです。
図１ ＣＲブリッジ・センサー回路と出力波形
図１はＣＲブリッジ回路センサーの例で、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２がブリッジ回路を形成しています。
ＯＰアンプＵ6周辺は発振回路で、交流ブリッジ回路に約350ＫＨｚの交流を供給しています。周波数は通常、数10ｋ〜数100ｋHzの範囲内で、コンデンサ容量等を考慮して決めます。例ではＯＰアンプを使ったＣＲ位相発振回路を使っていますが、他の発振回路でも構いません。ブリッジ回路は、発振周波数の安定性にはさほど影響されません。
交流ブリッジ回路の平衡条件は、
Ｚc1・Ｒ１ ＝ Ｚｃ２・Ｒ２ （ただし、Zcは、コンデンサcnのインピーダンス）
ですから、抵抗 Ｒ１＝Ｒ２ を使用した場合、C１の値とC2の値に差が生じると、ＯＰアンプU1とU2には、それに応じた差分信号が加わることになります。
ところで、交流ブリッジ回路のコンデンサーのインピーダンスは
Ｚ＝1/（2πfc）
ですから、上の回路のコンデンサーＣ２のインピーダンスは
Ｚ＝1/(2π・250×10＾3 ・10×10^-12) = 63.7k
R1,R2は、この値に一致する必要はありませんが、近い値とします（例では47ｋΩ）
U1、U2、U3はインスツルメーション・アンプ回路を使って交流ブリッジ回路の差分を増幅しています。
U4、U5はピークホールド回路を使い出力波形を得ています。
Ｃ１とＣ２は、共に電極面積が約2400mm２、電極間隔2ｍｍ、静電容量約10ｐＦの電極ですが、極板は３枚で、共通極板を挟んで、基準コンデンサＣ２と、用紙搬送路を形成するＣ１から構成されています。搬送路の極板は用紙詰まりの時、開放できる構造が好ましいのですが、閉じた位置ではしっかりと固定される構造にします。
なお、ブリッジ・バランス微調整のトリマ用コンデンサないしボリュームは図を省略しています。電子ボリューム回路、またはバリキャップ回路を採用すれば、自動バランスをとることもできます。
何れにしても、ブリッジ・センサーの周辺回路は引き回さず、専用回路基板にマウントした方がいいでしょう。
空気の誘電率は、ほぼ１であるのに対して、紙の誘電率は5〜７ですから、電極間の体積比でＣ１の静電容量が増大することになります。
用紙を含む誘電比 = εp ・t /d + (1-t/d)
d=電極間距離 t=用紙厚 εp=用紙誘電比
用紙１枚の厚さを0.08mm、電極間隔２ｍｍ、用紙幅＞電極幅、の場合、用紙が無い電極の容量が10ｐの場合、用紙がある電極は約12ｐとなります。
図２
図２は、電極間の容量が11ｐになった時の出力電圧。
図３
図３は、電極間の容量が1３ｐになった時の出力電圧です。
このように、用紙枚数により出力電圧が変化するので、凡その枚数を検出することが可能です。
超音波センサーでは１枚と２枚の差は検出できますが、２枚以上の枚数を識別することはできません。ブリッジ・センサーをシュレッダーに適用して、過剰給紙によるロックを防止することができるはずです。
無論、電極内の誘電物質の量を検出するのではなく、電極自体の距離ないし、移動距離を検出することを目的とすることもできます。
お断り） 当ブリッジ・センサーは動作原理の確認のみで、実機への組込み、及び市販等はされておりません。
ＬＲブリッジ・センサー
図４ ＬＲブリッジ・センサー回路と出力波形
ＬＲブリッジ・センサーは交流ブリッジ回路でインダクタが使われているだけで、基本的には先のＣＲブリッジセンサーの仲間です。このセンサーは、２組のコイルの透磁比を使って、例えば、コイル近傍の金属などの検出をすることができます。また、コイル内のコアの位置を検出することもできます。
コイルのインピーダンスは
Ｚ＝2πfL
発振回路の周波数は約60KHzを使っていますから、R1,R2は10KΩとしています。
なお、ここで使っているコイルは、直径150mm、長さ10mm、巻き数300回、インダクタンス30mH です。
0.1ｍＨの差により約３.6Ｖの出力が得られています。