JP2004228719A

JP2004228719A - 多光軸光電センサ

Info

Publication number: JP2004228719A
Application number: JP2003011718A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Kudo; 元宏工藤
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】受光素子に入光した過大な光によって受光器が不安定になるのを防止する。
【解決手段】初段増幅回路１２は、受光素子つまりフォトダイオード１１にコンデンサ２０を介して接続されている。初段増幅回路１２の出力段はＰＮＰトランジスタ２４で構成されており、出力段トランジスタ２４の出力は、初段増幅回路１２の出力を制御する出力トランジスタ２５のベースに入力される。この出力トランジスタ２５は光軸選択手段をも兼ねるものであり、この出力トランジスタ２５が光軸選択回路１７からの選択信号を受けると、初段増幅回路１２で増幅した受光信号を信号処理回路（クランプ回路）に出力する。出力段ＰＮＰトランジスタ２４は、そのコレクタが抵抗２６を介してＧＮＤされている。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は多光軸光電センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多光軸光電センサは、複数の投光素子を一列に配列した投光器と、該投光器の各投光素子からの光ビームを受光する複数の受光素子を一列に配列した受光器とを含み、これら投光器と受光器とで、例えば、プレス機の回りにセイフティライトカーテンを作るのに用いられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−４６５０５号公報
【０００４】
この従来公報は受光器の受光回路に関し、この受光回路は、受光器の複数の受光素子つまりフォトダイオードの各々に対応したアナログスイッチを含み、このアナログスイッチを順次オン状態に切り替えることにより受光素子からの出力を検波回路に入力する構成となっている。
【０００５】
現在入手可能な多光軸光電センサの受光器には、様々な形式の受光回路が搭載されている。例えば、各光軸の受光素子が受光した直後に増幅して、これを内部配線で集約して、遮光の有無を検出する比較回路つまり検波回路に入力する形式のものであれば、例えば１メートルを超える長さの受光器ではノイズ面で有利である。
【０００６】
また、各光軸毎に比較回路を設け、各受光素子の受光の有無を比較回路でデジタル化した後に集約すればノイズに対して有利な面があるものの、光軸数に応じた数多くの比較回路つまり検波回路によってコストアップの要因になる。
【０００７】
また、各光軸の受光素子毎に初段増幅回路を設け、この初段増幅回路で受光素子の出力を増幅して、これを内部配線で集約して第２段増幅回路に入力し、この第２段増幅回路で増幅して出力する受光回路も知られている。この２段の増幅の方式によれば、ノイズ面での有利性とコスト面での有利性の両立を図ることができる。
【０００８】
図１は、初段増幅回路の代表的な回路構成を示す。図示の初段増幅回路１はＯＰアンプ２を有し、光をフォトダイオード３で電流に変換した出力信号をコンデンサ４を介してＯＰアンプ２のマイナス側入力端子に入力し、ＯＰアンプ２の出力信号をＯＰアンプ２のマイナス側入力端子に抵抗Ｒ２を介してフィードバックすることにより、電流を電圧に変換するようになっている。
【０００９】
ＯＰアンプ２で増幅した信号は、出力トランジスタ５に例えば光軸選択回路６からの選択信号が入力されると第２段増幅回路に向けて出力される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１に図示のようなＯＰアンプ２を用いた増幅回路を採用したときに、市販のＩＣを用いてＯＰアンプを構成するのが一般的であるが、製品毎のバラツキや故障が発生した場合にどのような挙動を起こすか不明であり、多光軸光電センサのように作業の安全性を確保するための機器では、故障や動作不良が発生した場合でもフェイルセーフを確保し且つ保障できることが求められる。
【００１１】
ＯＰアンプ２を用いた増幅回路は、図２に示すように、通常の光量がフォトダイオード３に入光している限りＯＰアンプ２は比較的整った波形で出力するが、フォトダイオード３のカソード電圧が例えば５．０ｖよりも低下する程に過大な光量が入光するとＯＰアンプ２の出力が電源電圧になってしまう、いわゆる飽和した状態になってしまう。そして、入光が終わり、フォトダイオード３のカソード電圧が５．０ｖの一定電圧に戻るときに、みかけ上、ＯＰアンプ２のマイナス側端子にプラス方向の入力が入り、ＯＰアンプ２の出力の極性が反転してマイナス側にオーバーシュートするという現象（大きなアンダーシュート現象）が現れてしまう。
【００１２】
受光器は、増幅回路で増幅した受光信号をクランプ回路で予め定められたレベルにクランプした後に、検波回路で受光の有無の検出が行われる。
【００１３】
図３を参照して、例えば第１光軸の投光素子からの光ビームが、本来的にこれを受ける第１光軸の受光素子だけでなく、第２光軸の受光素子にも入光したような場合、第２光軸の受光素子の増幅回路が、第１光軸の投光素子からの光によって飽和してしまい、第２光軸の増幅回路の出力波形に大きなアンダーシュートが現れて、このアンダーシュートから戻るときの立ち上がり部分６が何らかの原因でクランプ回路で抽出されてしまったときには、本来検出すべき第２光軸が物体Ｓで遮光されていたとしても、クランプ回路から入光を示す信号が出力されてしてしまい、この結果、受光器は遮光物体Ｓによる遮光を検出することができない、という可能性が内在している。
【００１４】
増幅回路が飽和してしまう問題は、投光器と受光器との間の設置距離が使用環境によって例えば１０ｃｍ間隔から１０ｍ間隔まで変化することや、近時、光軸間ピッチの間隔が狭くなる傾向にあること、或いは、投光素子から出射する光量を増大させる傾向にあることから、当然に想定しておくべき問題であり、ライトカーテンに物体が侵入したにも関わらず、これを検出することができない可能性は、この可能性が僅かなものであったとしても、フェールセーフの観点から排除することが望まれる。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、受光器の受光素子に入光した過大な光によって受光器が不安定になるのを防止することできる多光軸光電センサを提供することにある。
【００１６】
本発明の目的は、受光器の受光素子に過大な光が入光しても、この過大な光の影響によりライトカーテンに物体が侵入したにも関わらず、これを検出することができない状況の発生を防止することのできる多光軸光電センサを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
かかる技術的課題は、本発明によれば、
一列に配列した複数の投光素子を備えた投光器と、該投光器の各受光素子からの光を受光する複数の受光素子を備えた受光器とを含み、
前記受光器が、各受光素子毎に設けられた複数の増幅回路と、該増設回路からの受光信号を受け取って、予め定められたレベルにクランプするクランプ回路とを含み、
該クランプ回路で受光信号を処理した後に、各受光素子への入光の有無を検出する多光軸光電センサにおいて、
前記増幅回路の出力段が、入力に対して応答良く動作する能動素子と、入力が終わったときに出力の変化を緩慢にする受動素子とで構成されていることを特徴とする多光軸光電センサを提供することにより達成される。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、増幅回路の出力段が能動素子と受動素子とで構成され、この受動素子で増幅回路への入力が終わったときの出力の変化を緩慢にすることで出力波形のオーバーシュート又はアンダーシュートの発生を抑えることができ、これにより、受光器の受光素子に入光した過大な光によって受光器が不安定になるのを防止することできる。
【００１９】
【実施例】
以下に、図４から図６を参照して本発明の実施例を説明する。図４は、受光器１０のブロック図であり、受光器１０は、例えば２０ｍｍピッチで等間隔に一列に配置されたＮ個の受光素子１１と、各受光素子１１に接続されて受光素子１１の出力を１次増幅するＮ個の初段アンプつまり初段増幅回路１２と、この初段増幅回路１２からの出力信号を信号処理する信号処理回路１３と、この信号処理回路１３からの出力信号を２次増幅する第２段アンプつまり第２段増幅回路１４と、第２段増幅回路１４からの信号により遮光の有無を検出する検波回路１５と、受光器１０の全体制御を行う制御回路１６と、初段増幅回路１２からの出力を投光器の対応する投光素子の投光に応じたタイミングで実行させる光軸選択回路１７と、検波回路１５で遮光を検出したときに、プレス機などの動作を停止させるための遮光信号を出力するための出力回路１８とを含む。
【００２０】
検波回路１５、制御回路１６、出力回路１８は、受光器１０に内蔵させる代わりに、別途、制御器（図示せず）を用意し、この制御器に内蔵させるようにしてもよい。
【００２１】
初段増幅回路１２は、受光素子つまりフォトダイオード１１にコンデンサ２０を介して接続された増幅回路入力段２１を有する。この入力段２１は、２個のＮＰＮトランジスタ２２、２３のエミッタ同士を接続した従来から既知の差動増幅回路で構成され、第２トランジスタ２３のコレクタは、増幅回路出力段のＰＮＰトランジスタ２４のベースに接続されている。
【００２２】
出力段ＰＮＰトランジスタ２４の出力は、初段増幅回路１２の出力を制御する出力トランジスタつまりＮＰＮトランジスタ２５のベースに入力される。この出力トランジスタ２５は光軸選択手段をも兼ねるものであり、この出力トランジスタ２５のコレクタに光軸選択回路１７からの選択信号が入力されると、初段増幅回路１２で増幅した受光信号を出力する。
【００２３】
上記の初段増幅回路１２は、先に図１を参照して説明したＯＰアンプ２と実質的に等価であるが、出力段ＰＮＰトランジスタ２４のコレクタが抵抗２６を介してＧＮＤされている点でＯＰアンプ２とは異なる。
【００２４】
図６に示す差動増幅回路２１の出力波形と、先に説明したＯＰアンプ２の出力波形（図２）とを比較する分かるように、ＯＰアンプ２のときと異なり、差動増幅回路２１の出力波形は比較的整った波形であり、下方へのオーバーシュードつまりアンダーシュートが見られない。これは、一義的には出力段ＰＮＰトランジスタ２４に接続した抵抗２６による効果である。すなわち、出力段ＰＮＰトランジスタ２４は、信号の入力に対して応答良く増幅機能を発揮することから能動素子と呼べるのに対して、ＧＮＤに接続された抵抗２６は受動素子と呼ぶことができ、この抵抗２６により、入力が終わったときの出力段ＰＮＰトランジスタ２４の出力の変化を緩慢にさせ、これにより大きなアンダーシュートの発生を抑えた出力波形を得るのに成功している。
【００２５】
そして、この出力波形の立ち下がりを緩慢にさせる効果は、フォトダイオード１１と差動増幅回路２１との間にコネクタ２０を介装することにより一層確実なものになっている。
【００２６】
上述した初段増幅回路１２によれば、フォトダイオード１１のカソード側電圧が低下するほど過大な光が入光して初段増幅回路１２が飽和してしまい、抵抗２７によるフィードバックが機能しなくなって、初段増幅回路１２の出力がプラス側で張り付くオーバードライブの状態になったとしても、出力波形にアンダーシュートが現れてしまうことが抑えられることから、ＯＰアンプ２の場合のようにアンダーシュートからの戻るときの立ち上がりによる誤動作の可能性（実際は遮光されているにも関わらず入光と検出してしまう可能性）を排除することができる。
【００２７】
図７は、受光器１０に含まれる信号処理回路１３及び第２段増幅回路１４の具体的な回路構成を示す。信号処理回路１３は、１倍増幅のＯＰアンプ３０とコンデンサ３１とからなるバッファ回路と、アナログスイッチ３２などからなるクランプ回路とで構成されている。アナログスイッチ３２には、投光タイミングに関連した図外の制御器からのタイミング信号により開閉され、これにより、従来と同様に初段増幅回路１２からの受光信号が予め設定されたレベルにクランプされる。
【００２８】
第２段増幅回路１４はＯＰアンプ３３で構成され、ＯＰアンプ３３の増幅倍率は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とによって決定される。第２段増幅回路１４の出力は、コネクタ３４を介して制御器３９（図８）に含まれる検波回路１５に供給されて従来と同様に遮光の有無が検出される。
【００２９】
受光器１０に含まれる信号処理回路１３及び第２段増幅回路１４の上述の構成には、バッファ回路とＯＰアンプ３３との間と、コネクタ３４とを接続する故障診断信号入力ライン３５が付加されている。この故障診断信号入力ライン３５には、例えば受光器１０の１回の遮光検出サイクルが終わる毎に、制御器３９（図８）から故障診断テストパルスが供給されて、所定の期間、アナログスイッチ３２を含むクランプ回路及び第２段増幅回路１４の故障診断を行い、この故障診断が完了すると、次の遮光検出サイクルに戻る。
【００３０】
図８及び図１０は、例示として故障診断テストパルスによる故障診断を説明するための図である。先ず、図８を参照して、制御器３９が検波回路１５として２つのコンパレータＡ、Ｂを含んでいるとして、図９に示すテストパルスが制御器３９から故障診断信号入力ライン３５に供給される。テストパルスは、アナログスイッチ３２のＯＦＦ期間にタイミングを合わせた２つのレベルの異なるテストパルスＰ１、Ｐ２を含み、また、アナログスイッチ３２のＯＮ期間に立ち上がる追加のテストパルスＰ３を含む。
【００３１】
今、アナログスイッチ３２を含むクランプ回路が正常に動作しているとすると、テストパルスＰ１、Ｐ２による第２段増幅回路１４の出力の立ち上がりを受けた第１コンパレータＡ（基準電圧Ｖ２）と第２コンパレータＢ（基準電圧Ｖ１）の出力は、図９に示すとおりである。ここに、Ｖ１＜Ｖ２である。
【００３２】
クランプ回路に含まれる例えばアナログスイッチ３２が何らかの原因でＯＦＦのままであったとすると、図９に示すように、第１コンパレータＡから追加のテストパルスＰ３に対応する出力が出る。
【００３３】
制御器３９に内蔵された制御回路１６は、第１、第２のコンパレータＡ、Ｂの出力からアナログスイッチ３２の故障を診断するための故障診断回路を含み、この故障診断回路で第１、第２のコンパレータＡ、Ｂの出力を監視することにより、アナログスイッチ３２を含むクランプ回路の故障を検出することができ、故障を検出したときには、例えば図外の警報手段により作業者に「異常発生」を知らせると共に必要に応じて故障箇所を指摘することができる。
【００３４】
図１０は、上述したテストパルス（追加のテストパルス無しでもよい）により、第２段増幅回路１４の故障を診断できることを説明するための図である。図１０の故障１の例では、高レベルのテストパルスＰ１に対応したパルスが第１、第２コンパレータＡ、Ｂから出力されないときには、第２段増幅回路１４の故障であることが分かる（図１０の故障１）。同様に、低レベルのテストパルスＰ２に対応したパルスが第２コンパレータＢからも出力されるときにも、１４の故障であることが分かる（図１０の故障２）。
【００３５】
上述したクランプ回路故障診断システムによれば、単に、故障診断信号入力ライン３５を追加するだけで、受光器１０（制御器３９）が備えている検波回路１５を流用してクランプ回路や第２段増幅回路１４の故障診断を行うことができる。
【００３６】
以上、本発明の実施例を各受光素子毎に設けた初段増幅回路１２と、これを集結して受光信号を増幅する第２段増幅回路１４とを備えた受光器を例に説明したが、各受光素子毎に設けた増設回路からの受光信号をクランプ回路でクランプした後に検波（受光の有無を検出）するようにしたものに、本発明を適用することが可能であり、また、上記の実施例で第２段増幅器１４の後にクランプ回路で受光信号のクランプを行うようにしたものにも本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＯＰアンプを用いた従来の初段増幅回路の回路構成図である。
【図２】図１に図示した初段増幅回路の出力波形を示す図である。
【図３】従来の問題点を説明するための図である。
【図４】受光器のブロック図である。
【図５】実施例の初段増幅回路の回路構成図である。
【図６】実施例の初段増幅回路の出力波形を示す図である。
【図７】実施例の受光器に内蔵された信号処理回路及び第２段増幅回路の回路構成図である。
【図８】受光器に内蔵された検波回路を使って、信号処理回路に含まれるクランプ回路及び第２段増幅回路の故障診断システムを構築したシステム図である。
【図９】故障診断の例として、クランプ回路に含まれるアナログスイッチが故障している場合を説明するための図である。
【図１０】故障診断の他の例として、第２段増幅回路が故障している場合を説明するための図である。
【符号の説明】
１１受光素子（フォトダイオード）
１２初段増幅回路
１４第２段増幅回路
２４初段増幅回路の出力段を構成するＮＰＮダイオード

Claims

一列に配列した複数の投光素子を備えた投光器と、該投光器の各受光素子からの光を受光する複数の受光素子を備えた受光器とを含み、
前記受光器が、各受光素子毎に設けられた複数の増幅回路と、該増設回路からの受光信号を受け取って、予め定められたレベルにクランプするクランプ回路とを含み、
該クランプ回路で受光信号を処理した後に、各受光素子への入光の有無を検出する多光軸光電センサにおいて、
前記増幅回路の出力段が、入力に対して応答良く動作する能動素子と、入力が終わったときに出力の変化を緩慢にする受動素子とで構成されていることを特徴とする多光軸光電センサ。
前記能動素子がＰＮＰトランジスタで構成されている、請求項１に記載の多光軸光電センサ。
前記受動素子が、ＧＮＤに接続された抵抗で構成されている、請求項１又は２に記載の多光軸光電センサ。
前記増幅回路が出力トランジスタを有し、該出力トランジスタが、前記出力段からの信号をベースで受けるＮＰＮ出力トランジスタからなり、該ＮＰＮ出力トランジスタのコレクタに光軸選択信号が入力されると、該光軸選択信号の入力により前記ＮＰＮ出力トランジスタが前記増幅回路で増幅した信号を前記クランプ回路に向けて出力する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の多光軸光電センサ。
前記クランプ回路の故障を検出する故障検出回路を更に有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の多光軸光電センサ。