JP3893926B2 - 光センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出対象を光により検出する光センサに関し、特に、光を受けて電気信号に変換するための受光素子の周辺回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1はこの種の光センサを備えて構成されるセンサシステムの電気的構成を示すブロック図である。このセンサシステムは、光を受けて電流が流れる受光素子1、この受光素子1に流れる電流を電圧に変換して検出信号として取り出す検出信号出力手段としての電流/電圧変換回路2、この電流/電圧変換手段2の出力電圧(検出信号)の直流成分を除去して交流成分を取り出すためのカップリング用コンデンサ3、このコンデンサ3からの交流成分の検出信号におけるS/N比を高めるとともに必要とする周波数帯域の信号を強調して増幅するプリアンプ4、このプリアンプ4の出力信号を伝達するためのカップリング用コンデンサ5、このカップリング用コンデンサ5を介して伝達されてきたプリアンプ4の出力信号を更に増幅するメインアンプ6、このメインアンプ6の出力信号を伝達するためのカップリング用コンデンサ7、このカップリング用コンデンサ7を介して伝達されてきたメインアンプ6の出力信号を弁別して、検出対象を検出したことを示すオンレベル信号や、通常の監視を実施しているときの安定レベル信号などの検出を行うコンパレータ8、このコンパレータ8からのオンレベル信号を受けることにより所定の処理を行う信号処理回路9、および信号処理回路9による処理結果を出力する出力回路10を備えている。なお、前記メインアンプ6で目的とする信号が得られる場合は、前記プリアンプ4は設けなくても良い。
【0003】
また、このセンサシステムは、信号処理回路9が所定の周期で信号の取り込みを行うことができるようにクロック信号を発生する発振回路11、図示しない操作装置などからの操作信号により出力モード(光が入光したとき動作がオンになるモードと、光が遮光したとき動作がオンになるモード)を切り替えるための入光/遮光出力切替回路12、電源投入時および電源遮断時に出力の誤ったオン動作やチャタリング防止のための電源リセット回路13、出力の短絡(過電流)状態を検出し出力のオン動作を禁止(オフ)させることにより回路素子を保護するための短絡検出回路14、前記電源リセット回路13および短絡検出回路14の出力の周期性を実現するためのタイマ15、投光用の発光素子であるLED(図示せず)を駆動させる投光LEDドライブ回路16、および検出の情報などを表示させるLED(図示せず)を駆動させる表示LEDドライブ回路17を備えている。
【0004】
図2は図1に示すセンサシステムに備えられる受光素子1と電流/電圧変換回路2に含まれる従来の光センサの回路図である。図2に示すように、定電圧源である電源ライン21には、抵抗R2を介してトランジスタQ1のコレクタが接続されているとともに、抵抗R2および抵抗R1を介してトランジスタQ1のベースと受光素子であるフォトダイオードD1のカソードとが接続されている。トランジスタQ1のエミッタとフォトダイオードD1のアノードは接地ライン22に接続されている。また、トランジスタQ1のコレクタは出力ライン24に接続されている。
【0005】
次に、この従来の光センサの動作について図3に示す信号波形図を参照して説明する。図3(1)において、a1はフォトダイオードD1が受光して正常に動作できる範囲内(所定値以下)の光レベルを有する投光パルスを示し、a6はフォトダイオードD1が正常に動作できる範囲外(所定値を越える)の過大な光レベルを有する投光パルスを示す。図3(2)において、a2はフォトダイオードD1が投光パルスa1を受光したときのトランジスタQ1のベースに与えられる正常時の駆動信号を示す。図3(3)において、a3は駆動信号a2によりトランジスタQ1が駆動されたときの出力ライン24に出力される正常時の検出信号を示す。
【0006】
また、図3(4)において、a4はフォトダイオードD1が過大な光レベルを有する投光パルスa6を受光したときのトランジスタQ1のベースに与えられる異常時の駆動信号を示し、t1は投光パルスa6が無くなってからのフォトダイオードD1が復帰するまでの立ち上がり時間を示す。図3(5)において、a5は駆動信号a4によりトランジスタQ1が駆動されたときの出力ライン24に出力される異常時の検出信号を示す。
【0007】
このように、フォトダイオードD1が所定の光レベル以下の投光パルスa1を受光したときは、正常な駆動信号a2をトランジスタQ1のベースに与え、トランジスタQ1を駆動させる。これにより、トランジスタQ1のコレクタに接続された出力ライン24からは投光パルスa1に対応した正常な検出信号a3が出力されることになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、過大な光レベルを有する投光パルスa6をフォトダイオードD1が受光すると、フォトダイオードD1は動作が過飽和状態となって光電変換電流(受光電流)が多く流れるため、駆動信号a4に示すようにフォトダイオードD1のカソード側がマイナス電位まで落ち込むという状態になる。このようにマイナス電位となった後は、フォトダイオードD1のアノードから電流が供給され、一見動作に関係ないように思われるが、フォトダイオードD1には寄生容量があるため正常状態に復帰するまでに図3(4)に示すように余分に時間t1を要し、検出の応答速度が遅くなる。それは、フォトダイオードD1の容量成分(寄生容量)への充電のための電流が生じ、この容量成分への充電電流は光電変換電流(受光電流)の流れる向きと同じであることによるものである。
【0009】
このような従来の光センサを適用した場合の問題点について更に詳しく説明する。光センサとして過大入光になる状況として以下の場合が考えられる。
【0010】
光センサの検出距離規格よりも遙かに短い距離での検出対象を検出する場合、例えば、検出距離規格が1mの光センサで10cmの位置の検出対象(鏡面体)を検出する場合、この光センサは10cmの位置の検出対象を検出すると、受光量(エネルギー)は距離の2乗に反比例するため一万倍となる。この場合に受光波形のイメージにおける過大入光波形の延び(図3では駆動信号a4のローレベルの期間)が例えば200μS以上に達する場合もある(光センサにより状況は異なる)。
【0011】
光センサの応答時間が1mSの場合、投光周期は約100μSとなり、過大入光のために、前回の受光波形が本来の投光タイミングで今回の受光波形に重畳することになる。この場合、適正な受光レベルに対応する信号レベルを得ることができず、検出動作が不安定になる。したがって、本来の投光時に信号レベルが安定していない場合には、信号レベルが安定するまで投光を中止するように構成されている。
【0012】
そのため、例えば過大入力による応答時間の延びが200μSとすると、応答時間が通常の2倍となり、光センサの規格を満足できない状態が生じる。また、実際には光センサが2台以上併設される場合も多く、その場合には最初に投光された光センサが本来の投光タイミングより受光が遅れると、後になって隣りの光センサへの投光による受光が生じ、更に応答時間が延びるという不具合も生じる。更に安全の監視に用いられるセーフティ用光センサの場合には法的な安全規格によりセンサ本体にボリュームを付けることができないため、上記のようなセンサ規格以下の距離での使用の状況が増え、検出精度が劣るという問題が生じる。
【0013】
【発明の開示】
本発明は上記の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、過大な光レベルを有する投光を受けても、受光素子が過飽和状態になることを防止することにより、検出の応答速度の高速化を図れる光センサを提供することにある。
【0014】
本発明に係る光センサは、定電圧源に第1及び第2の抵抗を介してカソードが接続され、アノードが接地されたフォトダイオードと、検出対象を検出したことを示す検出信号を出力するコレクタが前記第1及び第2の抵抗の接続点に接続され、ベースが前記フォトダイオードのカソードに接続され、エミッタが接地された検出信号出力用のトランジスタとを備えた光センサにおいて、コレクタが前記定電圧源に接続されると共にエミッタが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ベース電位を制御することにより前記ファトダイオードのカソードの電位変化を抑制する電位変化抑制用のトランジスタを設けたことを特徴としている。
【0015】
本発明に係る光センサによれば、所定値を越える過大な光レベルの光がフォトダイオードに投光されると、フォトダイオードには多くの電流が流れ、フォトダイオードの両端間の電位差が高くなろうとするが、直ぐに前記電位変化抑制用のトランジスタによりフォトダイオードの両端間の電位差が下げられ、フォトダイオードの電流は少なくなる。したがって、フォトダイオードが過飽和状態になることが防止できるので、フォトダイオードが飽和後に素早く復帰でき、検出の応答速度の高速化を図れる。
【0016】
また、本発明に係る光センサによれば、前記検出信号出力用のトランジスタは、前記フォトダイオードに流れる電流に応答した電圧を検出信号として出力するように、ベースが前記フォトダイオードの一方端子に接続されているので、前記フォトダイオードは光を受けて電流が流れると、その電流は検出信号出力用のトランジスタを動作させ、これにより、その電流が電圧に変換され、検出信号を得ることができる。
【0017】
また、本発明に係る光センサによれば、電位変化抑制用のトランジスタは、前記フォトダイオードの電位の変化が所定値を越えたとき動作するように、エミッタ(接地側への電極)が前記フォトダイオードの一方端子に接続されているので、前記フォトダイオードの一方端子の電位の変化が所定値を越えたとき、前記電位変化抑制用のトランジスタが動作し、これにより前記フォトダイオードに流れる電流が制限される。したがって前記フォトダイオードは過飽和状態にはならず、正常に動作し、検出の応答速度の高速化を図れる。
【0020】
また、本発明に係る光センサのある実施態様によれば、前記電位変化抑制用のトランジスタのコレクタとベースの間に接続された抵抗と、前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと前記接地間に順方向接続されたダイオードとを備えている。この構成において、前記抵抗と前記ダイオードとにより前記トランジスタのベース電位が設定され、また前記ダイオードは接地からの逆流の電流を防ぐとともに前記ベース電位を0V以上に保つ。ここで、例えば、過大入光時に前記フォトダイオードに発生する光電変換電流により該フォトダイオードの一方端子(カソード)の電位が低下し、これにより前記トランジスタのベース・エミッタ間に電位差が生じて該トランジスタがオンする。該トランジスタがオンすると、該トランジスタのエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、それ以上エミッタ電位が下がることはなくなる。このように、エミッタ電位(フォトダイオードのカソード電位)の低下を抑制することにより、光電変換電流が無くなった後のフォトダイオードの立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。
【0021】
また、本発明に係る光センサの別な実施態様によれば、前記電位変化抑制用のトランジスタのコレクタとベースの間に接続された抵抗と、前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと接地間に順方向のダイオード接続された第3のトランジスタとを備えている。この構成において、前記抵抗と前記第3のトランジスタとにより前記電位変化抑制用のトランジスタのベース電位が設定され、また前記第3のトランジスタは接地からの逆流の電流を防ぐとともに前記ベース電位を0V以上に保つ。ここで、例えば、過大入光時に前記フォトダイオードに発生する光電変換電流により該フォトダイオードの一方端子(カソード)の電位が低下し、これにより前記電位変化抑制用のトランジスタのベース・エミッタ間に電位差が生じて該トランジスタがオンする。該トランジスタがオンすると、該トランジスタのエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、それ以上エミッタ電位が下がることはなくなる。このように、エミッタ電位(受光素子のカソード電位)の低下を抑制することにより、光電変換電流が無くなった後のフォトダイオードの立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。
【0022】
また、本発明に係る光センサのさらに別な実施態様によれば、前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと接地間に接続されたベース定電圧源を備えている。この構成によれば、前記ベース定電圧源により前記電位変化抑制用のトランジスタのベース電位が設定され、接地からの逆流の電流を防ぐとともに前記ベース電位を0V以上に保つ。また、前記定電圧源の電圧設定を変えれば、前記電位変化抑制用のトランジスタがオンするエミッタ電位を変更することができる。ここで、例えば、過大入光時に前記フォトダイオードに発生する光電変換電流により該フォトダイオードの一方端子(カソード)の電位が低下し、これにより前記トランジスタのベース・エミッタ間に電位差が生じて該トランジスタがオンする。該トランジスタがオンすると、該トランジスタのエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、それ以上エミッタ電位が下がることはなくなる。このように、エミッタ電位(フォトダイオードのカソード電位)の低下を抑制することにより、光電変換電流が無くなった後のフォトダイオードの立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。
【0023】
また、本発明に係る光センサのさらに別な実施態様によれば、前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと接地間に接続されたベース定電圧源と、該制ベース電圧源と前記トランジスタのベース間に接続されたバッファとを備えている。この構成によれば、前記ベース定電圧源により前記電位変化抑制用のトランジスタのベース電位が設定され、接地からの逆流の電流を防ぐとともに前記ベース電位を0V以上に保つ。また、前記定電圧源の電圧設定を変えれば、前記電位変化抑制用のトランジスタがオンするエミッタ電位を変更することができる。更に、前記バッファを備えることにより、前記ベース定電圧源から前記トランジスタのベースに与えられる電圧が安定し、該トランジスタの動作の精度が高まる。ここで、例えば、過大入光時に前記フォトダイオードに発生する光電変換電流により該フォトダイオードの一方端子(カソード)の電位が低下し、これにより前記トランジスタのベース・エミッタ間に電位差が生じて該トランジスタがオンする。該トランジスタがオンすると、該トランジスタのエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、それ以上エミッタ電位が下がることはなくなる。このように、エミッタ電位(受光素子のカソード電位)の低下を抑制することにより、光電変換電流が無くなった後の受光素子の立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。
【0024】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図4は本発明の第1の実施形態に係る光センサの回路図である。図4に示すように、定電圧源としての電源ライン21には、抵抗R2を介して検出信号出力手段としてのトランジスタQ1のコレクタが接続されているとともに、抵抗R2および抵抗R1を介してトランジスタQ1のベースとフォトダイオードD1のカソードが接続されている。トランジスタQ1のエミッタとフォトダイオードD1のアノードは接地ライン22に接続されている。また、トランジスタQ1のコレクタは出力ライン24に接続されている。また、電源ライン21には、電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2のコレクタおよび抵抗R3の一端が接続されている。トランジスタQ2のベースと抵抗R3の他端とは接続されている。トランジスタQ2のベースは順方向に接続されたダイオードD2を介して接地ライン22に接続されている。本実施形態の特徴である電位変化抑制回路A1は、トランジスタQ2と抵抗R3とダイオードD2を備えている。
【0025】
次に、この第1の実施形態の光センサの動作について図5に示す信号波形図を参照して説明する。図5(1)において、a1はフォトダイオードD1が受光して正常に動作できる範囲内の光レベルを有する投光パルスを示し、a6はフォトダイオードD1が正常に動作できる範囲外の過大な光レベルを有する投光パルスを示す。図5(2)において、a2はフォトダイオードD1が投光パルスa1を受光したときのトランジスタQ1のベースに与えられる正常時の駆動信号を示す。図5(3)において、a3は駆動信号a2によりトランジスタQ1が駆動されたときの出力ライン24に出力される正常時の検出信号を示す。
【0026】
また、図5(4)において、a7はフォトダイオードD1が過大な光レベルを有する投光パルスa6を受光したときのトランジスタQ1のベースに与えられる駆動信号を示す。図5(5)において、a8は駆動信号a4によりトランジスタQ1が駆動されたときの出力ライン24に出力される検出信号を示す。
【0027】
このように、フォトダイオードD1が所定の光レベル以下の投光パルスa1を受光したときは、通常動作であるのでトランジスタQ2はベース・エミッタ間の電位差が0Vに近いためオフしており、正常な駆動信号a2をトランジスタQ1のベースに与え、トランジスタQ1を駆動させる。これにより、トランジスタQ1のコレクタに接続された出力ライン24からは投光パルスa1に対応した正常な検出信号a3が出力されることになる。
【0028】
一方、フォトダイオードD1が所定の光レベルを越える投光パルスa6を受光したときは、フォトダイオードD1に発生する光電変換電流により、そのカソード電位が低下し、トランジスタQ2のベース・エミッタ間の電位差が大きくなる。これにより、トランジスタQ2がオンし、このエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、フォトダイオードD1のカソード電位がこれ以上下がらなくなる。即ち、フォトダイオードD1のカソード電位(図5の駆動信号a7)の低下(例えば図3の駆動信号a4のように電位反転)が抑えられるため、光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。したがって、駆動信号a7を受けたトランジスタQ1は駆動され、出力ライン24からは投光パルスa6に対応した検出信号a8が高速で出力されることになる。
【0029】
このように第1の実施形態によれば、従来の回路に電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2、抵抗R3、およびダイオードD2を追加するだけで済むのでICの回路規模に影響せずに、フォトダイオードD1の電位変化を極力抑え、フォトダイオードD1の過飽和を防止でき、また、飽和後に素早く復帰でき、これにより光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間が短縮され、したがって、検出信号を高速で出力することができる。
【0030】
(第2の実施形態)
図6は本発明の第2の実施形態に係る光センサの回路図である。図6に示すように、電源ライン21には、抵抗R2を介して検出信号出力手段としてのトランジスタQ1のコレクタが接続されているとともに、抵抗R2および抵抗R1を介してトランジスタQ1のベースとフォトダイオードD1のカソードが接続されている。トランジスタQ1のエミッタとフォトダイオードD1のアノードは接地ライン22に接続されている。また、トランジスタQ1のコレクタは出力ライン24を介してバッファ26の入力端子に接続されている。バッファ26の出力端子は出力ライン25に接続されている。また、バッファ26には電源ライン21と接地ライン22が接続され、電源電圧が与えられる。電源ライン12には、電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2のコレクタおよび抵抗R3の一端が接続されている。トランジスタQ2のベースと抵抗R3の他端とは接続されている。トランジスタQ2のベースは順方向にダイオード接続されたトランジスタQ3を介して接地ライン22に接続されている。本実施形態の特徴である電位変化抑制回路A2は、トランジスタQ2と抵抗R3とトランジスタQ3を備えている。
【0031】
次に図6に示す回路の動作について下記の回路式を参照して説明する。下記の回路式において、V1はバッファ26へ与えられる出力電圧(検出信号)、VbeはトランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧、Vccは電源ライン21と接地ライン22による電源電圧、IDはフォトダイオードD1の光電変換電流、βはトランジスタQ1のエミッタ接地の電流増幅率、r1は抵抗R1の抵抗値、r2は抵抗R2の抵抗値を示す。
【0032】
まず、定常動作時において、フォトダイオードD1への入力光がない状態では出力電圧V1は次の(1)式で示される。
【0033】
V1=Vbe+r1×(Vcc−Vbe)/{r1+r2(1+β)}・・・・・(1)
【0034】
次に、定常動作時において、フォトダイオードD1に光が入った状態では、出力電圧V1は次の(2)式で示される。
【0035】
V1=Vbe+r1×(Vcc−Vbe)/{r1+r2(1+β)}+r1×DI・・・・・(2)
【0036】
この(2)式に示すようにフォトダイオードD1に光が入った場合は、光電変換電流IDに応じて抵抗R1に流れる電流が増加し、出力電圧V1が変化することが分かる。したがって、例えばパルス状の光がフォトダイオードD1に与えられた場合、トランジスタQ1のベース電位が変化し、これに伴って出力電圧V1もパルス状に変化することになる。
【0037】
次に図6においてトランジスタQ2、トランジスタQ3、および抵抗R3が無いと仮定した場合で過大入光時の動作を下記の回路式を参照にして説明する。過大入光時の出力電圧V1は次の(3)式で示される。
【0038】
V1<(Vcc−Vbe)×r1/(r1+r2)+Vbe・・・・・(3)
【0039】
この(3)式の不等号が等号であると仮定した場合にトランジスタQ1のコレクタ電流が零であり、トランジスタQ1に電流が流れなくなる点を表す。
【0040】
上記(3)式の条件より定常動作が可能である光電変換電流IDは次の(4)式で示される。
【0041】
ID<(Vcc−Vbe)/(r1+r2)・・・・・(4)
【0042】
光電変換電流IDが(4)式で示す電流を越えた場合、トランジスタQ1のベース電位V2が低下して、トランジスタQ1が動作しなくなる。これはフォトダイオードD1に過飽和状態の光電変換電流IDが流れ、このアノード側の電位が低下することによるものである。このときのベース電位V2は次の(5)式で示される。
【0043】
V2=Vcc−(r1+r2)×ID・・・・・(5)
【0044】
但し、ベース電位V2が接地電位以下になった場合はフォトダイオードD1が順方向に動作することになり、フォトダイオードD1の順方向に対する電位差が例えばVF≒0.7になった場合に、光電変換電流IDの一部が順方向電圧として作用し、ベース電位V2が約−0.7Vで固定される。
【0045】
ここで、ベース電位V2の固定自体は特に問題がないが、フォトダイオードD1の動作状態が逆バイアス状態でのダイオードとして否アクティブ状態からアクティブ状態になることが問題となる。一旦、フォトダイオードD1がアクティブ状態になることで、この後、受ける光が無くなり、光電変換電流IDが低下して本来の定常動作状態になる電流値に復帰した場合にもフォトダイオードD1への電圧が逆バイアスになるまでに時間を要する。フォトダイオードD1が順方向に動作した後の逆バイアスへの復帰時間は、通常のトランジスタが飽和した場合と同様に電流値が大きく飽和が深いほど復帰時間が長くなる傾向がある。復帰時間が長くなったときの問題として高速応答の光センサでは、投光周期が短いため、本来の動作状態に復帰していない場合に、投光しても正確に受光できないことになる。
【0046】
次に、トランジスタQ2、トランジスタQ3、および抵抗R3が有る場合に、過大入光があった場合の動作について説明する。定常動作時にはトランジスタQ2、トランジスタQ3、および抵抗R3は動作に関与せず、トランジスタQ2のベース・エミッタ間電圧がほぼ0Vであるため、トランジスタQ1の動作へは全く影響を与えない。そして、過大入光時には上記(5)式で示したようにベース電位V2が低下し、接地電位付近になると、トランジスタQ2が動作し、フォトダイオードD1に生じる電流の一部を供給する。
【0047】
仮にベース電位V2が接地電位で固定されるとした場合、トランジスタQ2が供給する電流IQ2は次の(6)式で示すようになる。
【0048】
IQ2=ID1−Vcc/(r1+r2)・・・・・(6)
【0049】
この場合の動作として、フォトダイオードD1はアノード・カソード間電圧が0Vであるためにダイオードとしての動作は否アクティブ状態を維持する。このため、フォトダイオードD1が定常値に復帰した後に速やかに定常動作点に復帰できる。
【0050】
なお、この第2の実施形態ではトランジスタQ3を用いてダイオードの動作を行うようにしたが、これはダイオードをそのまま用いても良い。
【0051】
このように第2の実施形態によれば、従来の回路に電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2、抵抗R3、およびトランジスタQ3を追加するだけで済むのでICの回路規模に影響せずに、フォトダイオードD1の電位変化を極力抑え、フォトダイオードD1の過飽和を防止でき、また、飽和後に素早く復帰でき、これにより光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間が短縮され、したがって、検出信号を高速で出力することができる。また、この第2の実施形態ではバッファ26を介して検出信号が出力されるので、第1の実施形態に比べ検出信号を精度よく、次段の回路に伝達することができる。
【0052】
(第3の実施形態)
図7は本発明の第3の実施形態に係る光センサの回路図である。図7に示すように、電源ライン21には、抵抗R2を介して検出信号出力手段としてのトランジスタQ1のコレクタが接続されているとともに、抵抗R2および抵抗R1を介してトランジスタQ1のベースとフォトダイオードD1のカソードが接続されている。トランジスタQ1のエミッタとフォトダイオードD1のアノードは接地ライン22に接続されている。また、トランジスタQ1のコレクタは出力ライン24を介してバッファ26の入力端子に接続されている。バッファ26の出力端子は出力ライン25に接続されている。また、バッファ26には電源ライン21と接地ライン22が接続され、電源電圧が与えられる。電源ライン12には、電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2のコレクタが接続されている。トランジスタQ2のベースは例えば電圧0.6V〜1.2Vのベース定電圧源27の正極に接続され、このベース定電圧源27の負極は接地ライン22に接続されている。本実施形態の特徴である電位変化抑制回路A3は、トランジスタQ2とベース定電圧源27を備えている。
【0053】
次に、この第3の実施形態に係る光センサの動作について図5に示す信号波形図を参照して説明する。フォトダイオードD1が所定の光レベル以下の投光パルスa1を受光したときは、通常動作であるのでトランジスタQ2はベース・エミッタ間の電位差が0Vに近いためオフしており、正常な駆動信号a2をトランジスタQ1のベースに与え、トランジスタQ1を駆動させる。これにより、トランジスタQ1のコレクタに接続された出力ライン24からは投光パルスa1に対応した正常な検出信号a3が出力され、更に検出信号a3はバッファ26を介して出力ライン25に出力されることになる。
【0054】
一方、フォトダイオードD1が所定の光レベルを越える投光パルスa1を受光したときは、フォトダイオードD1に発生する光電変換電流により、そのカソード電位が低下し、トランジスタQ2のベース・エミッタ間の電位差が大きくなる。これにより、トランジスタQ2がオンし、このエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、フォトダイオードD1のカソード電位がこれ以上下がらない。即ち、フォトダイオードD1のカソード電位(図5の駆動信号a7)の低下(例えば図2の駆動信号a4のような電位反転)が抑えられるため、光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。したがって、駆動信号a7を受けたトランジスタQ1は駆動され、出力ライン24からは投光パルスa6に対応した検出信号a8が高速で出力され、更に検出信号a8はバッファ26を介して出力ライン25に出力されることになる。
【0055】
なお、この第3の実施形態では、トランジスタQ2のベース電位はベース定電圧源27の電圧を変えることにより、変えることができ、したがってフォトダイオードD1のカソード電位に関連してトランジスタQ2がオン/オフするベース電位を設定することができる。ベース定電圧源27としては光センサの主電源の電圧を所定レベルに変圧したものを用いても良く、あるいは電池などを用いても良い。
【0056】
このように第3の実施形態によれば、従来の回路に電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2およびベース定電圧源27を追加するだけで済むのでICの回路規模に影響せずに、フォトダイオードD1に電位変化を極力抑え、フォトダイオードD1の過飽和を防止でき、また、飽和後に素早く復帰でき、これにより光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間が短縮され、したがって、検出信号を高速で出力することができる。
【0057】
(第4の実施形態)
図8は本発明の第4の実施形態に係る光センサの回路図である。図8に示すように、電源ライン21には、抵抗R2を介して検出信号出力手段としてのトランジスタQ1のコレクタが接続されているとともに、抵抗R2および抵抗R1を介してトランジスタQ1のベースとフォトダイオードD1のカソードが接続されている。トランジスタQ1のエミッタとフォトダイオードD1のアノードは接地ライン22に接続されている。また、トランジスタQ1のコレクタは出力ライン24を介してバッファ26の入力端子に接続されている。バッファ26の出力端子は出力ライン25に接続されている。また、バッファ26には電源ライン21と接地ライン22が接続され、電源電圧が与えられる。電源ライン12には、電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2のコレクタが接続されている。トランジスタQ2のベースはバッファ28の出力端子に接続されている。バッファ28の入力端子は、例えば電圧0.6V〜1.2Vのベース定電圧源27の正極に接続され、ベース定電圧源27の負極は接地ライン22に接続されている。本実施形態の特徴である電位変化抑制回路A4は、トランジスタQ2とバッファ28とベース定電圧源27とを備えている。
【0058】
次に、この第4の実施形態に係る光センサの動作について図5に示す信号波形図を参照して説明する。フォトダイオードD1が所定の光レベル以下の投光パルスa1を受光したときは、通常動作であるのでトランジスタQ2はベース・エミッタ間の電位差が0Vに近いためオフしており、正常な駆動信号a2をトランジスタQ1のベースに与え、トランジスタQ1を駆動させる。これにより、トランジスタQ1のコレクタに接続された出力ライン24からは投光パルスa1に対応した正常な検出信号a3が出力され、更に検出信号a3はバッファ26を介して出力ライン25に出力されることになる。
【0059】
一方、フォトダイオードD1が所定の光レベルを越える投光パルスa1を受光したときは、フォトダイオードD1に発生する光電変換電流により、そのアノード電位が低下し、トランジスタQ2のベース・エミッタ間の電位差が大きくなる。これにより、トランジスタQ2がオンし、このエミッタが0V付近で十分に電流の供給を受けるため、フォトダイオードD1のカソード電位がこれ以上下がらない。即ち、フォトダイオードD1のカソード電位(図5の駆動信号a7)の低下(例えば図3の駆動信号a4のような電位反転)が抑えられるため、光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間(正常動作への復帰時間)が短縮される。したがって、駆動信号a7を受けたトランジスタQ1は駆動され、出力ライン24からは投光パルスa6に対応した検出信号a8が高速で出力され、更に検出信号a8はバッファ26を介して出力ライン25に出力されることになる。
【0060】
なお、この第4の実施形態では、トランジスタQ2のベース電位はベース定電圧源27の電圧を変えることにより、変えることができ、したがってフォトダイオードD1のカソード電位に関連してトランジスタQ2がオン/オフするベース電位を設定することができる。また、電源27からの電圧はバッファ28を介してトランジスタQ2のベースに与えられるので、精度の高いベース電位を供給できる。ベース定電圧源27としてはこの光センサの主電源の電圧を所定レベルに変圧したものを用いても良く、あるいは電池などを用いても良い。
【0061】
このように第4の実施形態によれば、従来の回路に電位変化抑制手段としてのトランジスタQ2、バッファ28、およびベース定電圧源27を追加するだけで済むので、ICの回路規模に影響せずにフォトダイオードD1の電位変化を極力抑え、フォトダイオードD1の過飽和を防止でき、また、飽和後に素早く復帰でき、これにより光電変換電流が無くなった後の立ち上がり時間が短縮され、したがって、検出信号を高速で出力することができる。
【0062】
(第5の実施形態)
図9は光センサを用いたカーテンセンサ(ラインセンサ)の構成を示すブロック図である。図9において、発光側ラインボード30には複数の発光素子であるLED31,32,33,34,35などが配置され、受光側ラインボード40には光センサ41,42,43,44,45などが配置されている。LED31,32,33,34,35などは図示しない発振回路からの例えばパルス信号によりパルス光を一定周期で出力する。光センサ41,42,43,44,45などは図4、図6、図7、図8の何れかの回路で実現され、LED31,32,33,34,35などからの光をそれぞれ受け、検出信号を出力する。
【0063】
このようなカーテンセンサは、例えば工場において生産された部品などの出荷管理でのピッキング検出に用いたり、成型機や自動機周りのセーフティーセンサとして用いることが考えられる。
【0064】
なお、各実施形態では、受光素子としてフォトダイオードを用いた例を示したが、それに限らず、フォトトランジスタを用いても良い。また、各実施形態の光センサは防犯装置などに用いるに限らず、光ファイバケーブルを介して伝送されてきた光信号をフォトダイオードで電気信号に変換して所定の信号処理に用いることもできる。
【0065】
以上説明した各実施形態によれば、過大な入光があった場合にフォトダイオードに対しての電流パスが生じるためにフォトダイオード自体が動作反転しダイオードとして動作する状態に陥ることがなくなり、これにより受光信号が延長(信号波形でいえば、波形の延長)するなどの異常を防止できる。このような受信信号の異常を回避することで、光センサとしては、規格値より遙かに短い検出距離でも正規の検出距離で検出が可能となり、また併設された光センサからの過大な入光に対しても正規の動作を損なわずに検出が可能となる。また、セーフティセンサなどの規格以下の距離における正常動作を確保することができる。
【0066】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光を受けたとき電流が流れる受光素子と、この受光素子に電流が流れたとき又は変化したとき検出対象を検出したことを示す検出信号を出力する検出信号出力手段とを備えた光センサにおいて、入力光の強さが所定値を越えたとき前記受光素子の一方端子の電位変化を抑えるように作用する電位変化抑制手段を設けたので、所定値を越える過大な光レベルの光が前記受光素子に投光されると、該受光素子は多くの電流が流れ、受光素子の両端間の電位差が高くなろうとするが、直ぐに前記電位変化抑制手段により該受光素子の両端間の電位差が下げられ、受光素子の電流は少なくなる。したがって、受光素子が過飽和状態になることが防止できるので、受光素子が飽和後に素早く復帰でき、検出の応答速度の高速化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光センサまたは本発明の光センサが採用されたセンサシステムの構成を示すブロック図である。
【図2】従来の光センサの回路図である。
【図3】従来の光センサの動作を説明するための信号波形図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る光センサの回路図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係る光センサの動作を説明するための信号波形図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る光センサの回路図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る光センサの回路図である。
【図8】本発明の第4の実施形態に係る光センサの回路図である。
【図9】本発明の実施形態に係る光センサを用いたカーテンセンサの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
A1,A2,A3,A4 電位変化抑制回路(電位変化抑制手段)
D1 フォトダイオード(発光素子)
D2 ダイオード
Q1 検出信号出力用のトランジスタ
Q2 電位変化抑制用のトランジスタ
R3 抵抗
27 ベース定電圧源(制御電極定電圧源)
28 バッファ
Claims (5)
- 定電圧源に第1及び第2の抵抗を介してカソードが接続され、アノードが接地されたフォトダイオードと、
検出対象を検出したことを示す検出信号を出力するコレクタが前記第1及び第2の抵抗の接続点に接続され、ベースが前記フォトダイオードのカソードに接続され、エミッタが接地された検出信号出力用のトランジスタとを備えた光センサにおいて、
コレクタが前記定電圧源に接続されると共にエミッタが前記フォトダイオードのカソードに接続され、ベース電位を制御することにより前記ファトダイオードのカソードの電位変化を抑制する電位変化抑制用のトランジスタを設けたことを特徴とする光センサ。 - 前記電位変化抑制用のトランジスタのコレクタとベースの間に接続された抵抗と、前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと前記接地間に順方向接続されたダイオードとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 前記電位変化抑制用のトランジスタのコレクタとベースの間に接続された抵抗と、前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと接地間に順方向のダイオード接続された第3のトランジスタとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと接地間に接続されたベース定電圧源を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 前記電位変化抑制用のトランジスタのベースと接地間に接続されたベース定電圧源と、該制ベース電圧源と前記トランジスタのベース間に接続されたバッファとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
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