JP2003101395A - 光センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 入力光の強さが所定値を越えたとき受光
素子（フォトダイオードＤ１）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（トランジスタ
Ｑ２）を設けたことにより、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、該受光素子に
は多くの電流が流れ、受光素子の両端間の電位差が大き
く変化しようとするが、直ぐに前記電位変化抑制手段に
より該受光素子の両端電位差の変化が抑制される。ま
た、受光素子への電流が供給されることにより、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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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Ｌ
ＥＤ（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、ａ
２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ａ
６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、光を受けたとき
電流が流れる受光素子（フォトダイオード）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受光素子に投光されると、
受光素子に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。

【００１６】また、本発明に係る光センサによれば、前
記検出信号出力手段は、前記受光素子に流れる電流に応
答した電圧を検出信号として出力するように、ベース
（制御電極）が前記受光素子の一方端子に接続された検
出信号出力用のトランジスタを含み構成されるので、前
記受光素子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
位変化抑制手段は、前記受光素子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）が前記受光素子の一方端子に接続された電位変化抑
制用のトランジスタを含み構成されるので、前記受光素
子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
記受光素子に流れる電流が制限される。したがって前記
受光素子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。

【００１８】また、本発明に係る光センサによれば、前
記受光素子に与える光としては所定周期で発生するパル
ス光を用いるので、検出対象を見つけるとパルス光が変
調され、これにより検出対象の検出が可能となる。

【００１９】また、本発明に係る光センサによれば、前
記入力光の強さが所定値を越えたときとは、前記受光素
子が過飽和状態になるときのことを示すので、前記受光
素子が過飽和状態になることを防止でき、正常状態に復
帰する時間が速くなる。

【００２０】また、本発明に係る光センサによれば、前
記電位変化抑制手段は、コレクタ（電源側への電極）が
定電圧源に接続されるとともにエミッタが前記受光素子
を介して接地されたトランジスタと、該トランジスタの
コレクタとベース間に接続された抵抗と、前記トランジ
スタのベースと接地間に順方向に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、過大入光時に前記受光素子に発生する光電変換
電流により該受光素子の一方端子（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。

【００２１】また、本発明に係る光センサによれば、前
記電位変化抑制手段は、コレクタが定電圧源に接続され
るとともにエミッタが前記受光素子を介して接地された
第１のトランジスタと、該第１のトランジスタのコレク
タとベース間に接続された抵抗と、前記第１のトランジ
スタのベースと前記接地間に順方向のダイオード接続さ
れた第２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２のトランジスタとにより前記
第１のトランジスタのベース電位が設定され、また前記
第２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、過大入光時に前記受光素子に発生する光電変換電流
により該受光素子の一方端子（カソード）の電位が低下
し、これにより前記第１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。

【００２２】また、本発明に係る光センサによれば、前
記電位変化抑制手段は、コレクタが定電圧源に接続され
るとともにエミッタが前記受光素子を介して接地された
トランジスタと、該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、過大入光時に前記受光素子に発生する光電変換電流
により該受光素子の一方端子（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。

【００２３】また、本発明に係る光センサによれば、前
記電位変化抑制手段は、コレクタが定電圧源に接続され
るとともにエミッタが前記受光素子を介して接地された
トランジスタと、該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、該ベース定電圧源と前記ト
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、過大入光時に前記受光素子に発生
する光電変換電流により該受光素子の一方端子（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Ｒ
３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Ｄ
１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ａ
６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Ｄ
１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２
１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、Ｖ
１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Ｑ
１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Ｑ
３、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２
１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Ｄ
１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２
６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２
１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０．６
Ｖ〜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Ｄ
１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２
６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Ｄ
１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ＬＥＤ３１，３２，３３，３
４，３５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 (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   たことを特徴とする光センサ。
2. 【請求項２】 前記検出信号出力手段は、前記受光素子
   に流れる電流に応答して電圧を検出信号として出力する
   ように、制御電極が前記受光素子の一方端子に接続され
   た検出信号出力用のトランジスタを含み構成されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 【請求項３】 前記電位変化抑制手段は、前記受光素子
   の一方端子の電位変化が所定値を越えたとき動作するよ
   うに、接地側への電極が前記受光素子の一方端子に接続
   された電位変化抑制用のトランジスタを含み構成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
4. 【請求項４】 前記受光素子に与える光としては所定周
   期で発生するパルス光を用いることを特徴とする請求項
   １に記載の光センサ。
5. 【請求項５】 前記入力光の強さが所定値を越えたとき
   とは前記受光素子が過飽和状態になるときのことを示す
   ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
6. 【請求項６】 前記電位変化抑制手段は、電源側への電
   極が定電圧源に接続されるとともに接地側への電極が前
   記受光素子を介して接地されたトランジスタと、該トラ
   ンジスタの電源側への電極と制御電極間に接続された抵
   抗と、前記トランジスタの制御電極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。
7. 【請求項７】 前記電位変化抑制手段は、電源側への電
   極が定電圧源に接続されるとともに接地側への電極が前
   記受光素子を介して接地された第１のトランジスタと、
   該第１のトランジスタの電源側への電極と制御電極間に
   接続された抵抗と、前記第１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２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。
8. 【請求項８】 前記電位変化抑制手段は、電源側への電
   極が定電圧源に接続されるとともに接地側への電極が前
   記受光素子を介して接地されたトランジスタと、該トラ
   ンジスタの制御電極と接地間に接続された制御電極定電
   圧源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。
9. 【請求項９】 前記電位変化抑制手段は、電源側への電
   極が定電圧源に接続されるとともに接地側への電極が前
   記受光素子を介して接地されたトランジスタと、該トラ
   ンジスタの制御電極と接地間に接続された制御電極定電
   圧源と、該制御電極定電圧源と前記トランジスタの制御
   電極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。