JP2006162482A

JP2006162482A - 光変調型フォトインタラプタ

Info

Publication number: JP2006162482A
Application number: JP2004356049A
Authority: JP
Inventors: Akio Nakajima; 明生仲嶋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-22
Also published as: CN1786738A; US20060118695A1; US7382511B2; CN100356195C

Abstract

【課題】低消費電流型で、かつ低コストにできるフォトインタラプタを実現する。
【解決手段】物体の通過領域に対しパルス光を投光する発光部１２を設ける。発光部１２をパルス駆動するための発振ドライブ回路１１を設ける。上記通過領域からのパルス光をパルス電流に変換して出力するフォトダイオード１３ａを設ける。上記パルス電流に基づくパルス信号を積分して出力すると共に、上記パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとでは時定数が互いに相違している積分回路１４を設ける。積分回路１４からの出力により上記通過領域での物体の有無を検出する比較器１５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体を光検出できる光変調型フォトインタラプタに関するものである。

従来、複写機およびプリンターなどのＦＡ（Factory Automation）およびＯＡ（Office Automation）機器、並びに、コインおよび玉検出などのアミューズメント機器などの電子機器では、所定通路においての物体（記録紙、コインおよび玉の検出など）の通過の検出が必要となる場合があり、そのような検出には、物体の検出に光を用いる光検出装置であるフォトインタラプタが、物体に対して非接触型であるので好適に使用される。

第一従来例のフォトインタラプタは、図３に示すように、光を照射しその光を受光検出できる構成で、その発光受光間に物体が光を遮ったか否かにより、物体の有無を検出するものである。発光素子３２としては、通常、赤外光または可視光を発光する発光ダイオ−ドが用いられる。

受光側は、発光素子３２からの光を受光して光電流に変換するフォトダイオード３３ａと、その光電流を光電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路３３ｂ、その光電圧の出力をある基準電圧と比較するヒステリシス付コンパレータ回路３５およびその出力を外部に対し好適な状態で出力するための出力回路３６で構成されている。上記基準電圧は、電源電圧Ｖｃｃにより駆動される定電圧回路３８により生成される。

透過型のフォトインタラプタにおいて、発光素子から受光素子であるフォトダイオードまでの光路である受発光間に物体が無い場合は発光素子からの光を受光している状態、受発光間に物体が有る場合は光を遮った状態となる。反射型のフォトインタラプタの場合は、その逆となる。

上記従来のフォトインタラプタは、発光側は光照射状態すなわち図３のブロック図に示すように電源電圧Ｖｃｃが供給された状態では発光側の発光ダイオードは電流ＩＦが流れたままとなっている。この状態で、受発光間の光路を物体が遮ったか否かを検出する。

通常、発光ダイオードの電流ＩＦは１０ｍＡ〜２０ｍＡ程度流して使用する一方、受光側の消費電流はその１桁程度低いのが通常であり、フォトインタラプタの全体の損失Ｐとしては、下記の式（１）に示すようになる。

Ｐ＝（（Ｖｃｃ−ＶＦ）／Ｒ₁）＊Ｖｃｃ＋Ｖｃｃ＊Ｉｃｃ …（１）
ここで、Ｒ₁：発光ダイオードの電流制限抵抗、Ｖｃｃ：電源電圧、Ｉｃｃ：受光素子（発振器／ドライブ回路を含む）の消費電流である。

例えば、Ｖｃｃ＝５Ｖ、ＩＦ＝２０ｍＡ、Ｉｃｃ＝２ｍＡとすると、発光側での損失Ｐ１は、Ｐ１＝５Ｖ＊２０ｍＡ＝１００ｍＷであり、受光側での損失Ｐ２は、Ｐ２＝５Ｖ＊２ｍＡ＝１０ｍＷとなり、発光側での損失が受光側と比べてかなり大きいことがわかる。

また、図４に光変調型のフォトインタラプタの第二従来例の回路を示す。光変調型はＤＣ光等の外乱光に対して誤動作しないように構成され、パルス信号に応じたパルス光を受光してＩ−Ｖ変換後、ＢＰＦ（ハイパスフィルタ）を通してパルス信号に対応した受光信号のみを増幅・処理することにより物体の検出を行なっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２２５２８２号公報（公開日：１９９５年８月２２日）

しかしながら、上記特許文献１に記載の回路構成では、消費電流面では発光側の損失を低減できるが、ロジックが混在して回路規模が大きくなり、コストアップを招来するという問題を生じている。

本発明のフォトインタラプタは、上記課題を解決するために、物体の通過領域に対しパルス光を投光する発光源と、発光源をパルス駆動するためのドライブ回路と、上記通過領域からのパルス光をパルス電流に変換して出力する受光素子と、上記パルス電流に基づくパルス信号を積分して出力すると共に、上記パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとでは時定数が互いに相違している積分回路と、積分回路からの出力により上記通過領域での物体の有無を検出する検出回路とを具備していることを特徴としている。

上記構成によれば、発光部をパルス駆動し、そのパルス光を受光素子にて受光し出力するパルス電流に基づくパルス信号を、パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとでは時定数が互いに相違しているという簡素な積分回路を通すことにより物体検出を比較器にて可能となる。

よって、上記構成は、発光源をパルス駆動できるので、発光側の損失を軽減できて消費電流を低減でき、かつ、簡素な構成の積分回路を用いて、物体を検出できるので、低コスト化できる。

上記光変調型フォトインタラプタでは、さらに、受光素子からのパルス電流をパルス電圧に電流−電圧変換して出力するための電流−電圧変換回路を具備していてもよい。

上記光変調型フォトインタラプタにおいては、前記パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとが、パルス光のオフ時からオン時とパルス光のオン時からオフ時とにそれぞれ対応していることが好ましい。

上記光変調型フォトインタラプタでは、前記積分回路の大きい方の時定数が、パルス光のパルス周期の２倍以上であることが望ましい。

上記光変調型フォトインタラプタにおいては、前記積分回路の小さい方の時定数がパルス光のパルス周期より短くいことが好ましい。

上記光変調型フォトインタラプタでは、前記積分回路の小さい方の時定数がパルス光のパルス幅より小さくてもよい。

上記光変調型フォトインタラプタにおいては、前記積分回路の大きい方の時定数を抵抗と容量で、小さい時定数はダイオードおよび抵抗と容量で構成してもよい。

上記光変調型フォトインタラプタでは、前記ダイオードは、ダイオードのアノードとカソードとが抵抗の入力側と出力側とにそれぞれ接続されていることが望ましい。

上記光変調型フォトインタラプタにおいては、前記ダイオードは、ダイオードのアノードとカソードとが入れ換え可能に取り付けられていてもよい。

上記構成によれば、ダイオードの接続を変更することにより、検出遅れを小さくしたいタイミング（パルス光がオン時からオフ時あるいはパルス光がオフ時からオン時）を選択できる。

本発明に係るフォトインタラプタは、以上のように、パルス光を物体の通過領域に対し投光して、受光素子にて受光したパルス光をパルス電流に変換し、上記パルス電流に基づくパルス信号を積分して出力する積分回路と、積分回路からの出力により上記通過領域での物体の有無を検出する検出回路とを具備しており、上記積分回路は、上記パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとでは時定数が互いに相違している構成である。

それゆえ、上記構成は、発光源をパルス駆動できるので、発光側の損失を軽減できて消費電流を低減でき、かつ、簡素な構成の積分回路を用いて、物体を検出できるので、低コスト化できるという効果を奏する。

本発明に係る実施の一形態のフォトインタラプタは、図１の回路ブロック図に示すように、発光部（発光源）１２と、受光部１３と、積分回路１４と、比較器１５と、出力回路１６とを有している。

発光部１２としては、赤外光、可視光、紫外光の何れを発光するものでもよいが、本実施の形態では、赤外光を発光する、例えばガリウム砒素赤外発光ダイオードが使用されている。よって、発光部１２に対し、直列に制限抵抗２３が接続されている。また、発光部１２をパルス発光させるために、発光部１２に対し、直列に、発振ドライブ回路１１が接続されている。発振ドライブ回路１１では、パルス発光のためのパルス信号が生成されている。さらに、発振ドライブ回路１１においては、発光部１２を定電流駆動できるようになっていることが好ましい。

受光部１３には、用いる発光部１２の発光スペクトルに応じて、つまり発光スペクトルの発光強度の大きい極大波長またはその極大波長の近傍に、分光感度特性のピークを有するものであればよいが、フォトダイオードまたはフォトトランジスタを使用でき、本実施の形態では、直線性に優れたフォトダイオード（受光素子）１３ａが取り付けられている。フォトダイオード１３ａの受光面上においては、図示しないが、外部から受光面に向かって入射してくる光を受光面に集光するレンズ部が設けられている。

さらに、受光部１３では、フォトダイオード１３ａからの、パルス状の光電流を増幅すると共にパルス状の光電圧に変換して出力するオペアンプ（電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）変換回路）１３ｂが用いられている。フォトダイオード１３ａが取り付けられているので、オペアンプ１３ｂの非反転側入力（＋）と、反転側入力（−）とに対し、それぞれ、フォトダイオード１３ａにおけるアノードとカソードとが接続されている。なお、オペアンプ１３ｂでは、オペアンプ１３ｂの出力から反転側入力（−）にフィードバックする、１００ｋΩ〜１ＭΩ程度の帰還抵抗（図示せず）を設けてもよい。

前記積分回路１４は、パルス状の光電圧を、そのパルスの立ち上がりのときにおける時定数と、上記パルスの立ち下がりのときにおける時定数とが互いに相違して積分し出力するものである。本実施の形態では、上記パルスの立ち上がりのときは、パルス光がオフからオンの状態に変化するときに対応し、上記パルスの立ち下がりのときはパルス光がオンからオフの状態に変化するときに対応しているが、それらの対応を逆となるように設定することも可能である。

このような積分回路１４においては、オペアンプ１３ｂの出力に接続された抵抗１４ａと、抵抗１４ａに並列に接続されたダイオード１４ｂと、抵抗１４ａの出力側に接続されたコンデンサ１４ｃとが設けられている。ダイオード１４ｂのアノードは、オペアンプ１３ｂの出力、つまり抵抗１４ａの入力側に接続され、ダイオード１４ｂのアノードは、抵抗１４ａの出力側に接続されている。抵抗１４ａの出力側に一端が接続されたコンデンサ１４ｃの他端は接地（ＧＮＤ）されている。

前記比較器１５は、積分回路１４からの出力電圧が入力され、その出力電圧を基準電圧（しきい値）と比較して基準電圧より上記出力電圧が高くなるとハイレベル（０．５Ｖ〜３Ｖ程度）の検出信号を出力し、基準電圧より上記出力電圧以下のときには、ローレベル（０Ｖ）の検出信号を出力するようになっている。比較器１５に対しては、上記出力電圧の立ち上がりと、立ち下がりとでは比較結果が相違するヒステリシス特性を付与してもよい。また、比較器１５に対し基準電圧を供給するための定電圧回路２１が設けられている。定電圧回路２１には、電源電圧Ｖｃｃが供給されている。定電圧回路２１は、また、オペアンプ１３ｂに駆動用電圧を供給するようになっている。

前記出力回路１６は、上記検出信号を外部に出力するのに好適となるように設定するためのものであり、例えばＮＰＮ型でバイポーラ型の出力トランジスタである。上記出力トランジスタのベースに比較器１５からの検出信号が入力されている。上記出力トランジスタのコレクタは、出力抵抗２５を介して電源電圧Ｖｃｃに接続されている。上記出力トランジスタのエミッタは接地されている。よって、上記出力トランジスタのコレクタ電圧が検出出力電圧（Ｖｏ）となる。なお、上記出力トランジスタとしては、ＰＮＰ型でも、また、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）も用いることができる。

以下に、本発明のフォトインタラプタの動作について説明する。上記フォトインタラプタでは、パルス光の発光のためのパルス信号を生成して発光部１２を発光駆動する発振ドライブ回路１１を具備することにより発光源である発光部１２がパルス駆動される。受光素子であるフォトダイオード１３ａは、発光部１２からのパルス光を受光して、オペアンプ１３ｂにてＩ−Ｖ変換後、積分回路１４を通すことにより、発光部１２からフォトダイオード１３ａまでのパルス光の光路上に物体が存在するか否か（物体の有無）を比較器１５において検出する。

Ｉ−Ｖ変換後の積分回路１４の各時定数は、Ｉ−Ｖ変換出力であるパルス状の光電圧が、Low（ロー）からHigh（ハイ）への時（立ち上がり時）にはダイオード１４ｂが電気の導通状態となって低抵抗のダイオード１４ｂと容量であるコンデンサ１４ｃとで構成される小さな第一時定数となり、HighからLowへの時（立ち下がり時）には、ダイオード１４ｂが電気の不通状態となって導通状態のダイオード１４ｂより高抵抗となる抵抗１４ａと容量であるコンデンサ１４ｃとで構成される、上記第一時定数より大きな第二時定数となる。

このような複数の時定数を備えた積分回路１４を用いることにより、パルス光に基づくパルス状の各光電圧の信号の有無を上記第一および第二時定数の差により積分回路１４の出力が、それぞれHigh／Lowレベルとなり、通過領域での物体の有無の検出が比較器１５において可能となる。

このとき、積分回路１４の小さい方の第一時定数を発光するパルス光の周期より十分短く、上記パルス光のパルス幅より小さく設定することにより、そのタイミングでの物体の検出に対して、遅れを最小にできる。そのタイミングがパルス光がオン時からオフ時あるいはパルス光がオフ時からオン時であるかはダイオード１４ｂの接続を逆転可能に取り付けることで、ダイオード１４ｂのアノードとカソードとの接続を変更（つまり逆に接続）することにより変更できる。

また、積分回路１４の大きい方の第二時定数は、パルス光のオフ期間より必要以上に長くすると、そのタイミングでの物体の検出に対して大きく遅れを生じるため、検出遅れを考慮して設定すればよい。

以上説明したように本発明においては、フォトインタラプタの発光側におけるパルス光のデューティー（duty）比を０．５とすると、発光側での損失は、
Ｐ１＝（Ｖｃｃ−ＶＦ）／Ｒ＊０．５＊Ｖｃｃ
となり、上記デューティー比の設定により大幅に発光側での損失を低減できる。

このように、パルス光がLow→High時とHigh→Low時とのときの各時定数を互いに異ならせるという簡素な構成の積分回路１４を付設することにより、光変調型のフォトインタラプタを簡素化できるので、パルス光を用いることによる低消費電流型のフォトインタラプタを低コストにて提供できる。

本発明のフォトインタラプタは、低消費電流型で、かつ低コストにできることによって、所定通路においての物体（記録紙、コインおよび玉の検出など）の通過の検出が必要となる、複写機およびプリンターなどのＦＡ機器およびＯＡ機器、並びに、コインおよび玉検出などのアミューズメント機器などに係る電子機器の分野に好適に利用できる。

本発明に係る実施の形態におけるフォトインタラプタのブロック図である。上記フォトインタラプタの動作説明のための各波形図である。第一従来例のフォトインタラプタのブロック図である。第二従来例のフォトインタラプタのブロック図である。

符号の説明

１１発振ドライブ回路
１２発光部
１３ａフォトダイオード（受光素子）
１３ｂオペアンプ（Ｉ−Ｖ変換回路）
１４積分回路
１５比較器（検出回路）
１６出力回路

Claims

物体の通過領域に対しパルス光を投光する発光源と、
発光源をパルス駆動するためのドライブ回路と、
上記通過領域からのパルス光をパルス電流に変換して出力する受光素子と、
上記パルス電流に基づくパルス信号を積分して出力すると共に、上記パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとでは時定数が互いに相違している積分回路と、
積分回路からの出力により上記通過領域での物体の有無を検出する検出回路とを具備していることを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項１に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
さらに、受光素子からのパルス電流をパルス電圧に電流−電圧変換して出力するための電流−電圧変換回路を具備していることを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項１または２に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記パルス信号の立ち上がりと立ち下がりとが、パルス光のオフ時からオン時とパルス光のオン時からオフ時とにそれぞれ対応していることを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項１ないし３の何れか１項に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記積分回路の大きい方の時定数が、パルス光のパルス周期の２倍以上であることを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項１ないし４の何れか１項に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記積分回路の小さい方の時定数がパルス光のパルス周期より短いことを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項１ないし５の何れか１項に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記積分回路の小さい方の時定数がパルス光のパルス幅より小さいことを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項１ないし６の何れか１項に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記積分回路の大きい方の時定数を抵抗と容量で、小さい時定数はダイオードおよび抵抗と容量で構成したことを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項７に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記ダイオードは、ダイオードのアノードとカソードとが抵抗の入力側と出力側とにそれぞれ接続されていることを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。
請求項７に記載の光変調型フォトインタラプタにおいて、
前記ダイオードは、ダイオードのアノードとカソードとが入れ換え可能に取り付けられていることを特徴とする光変調型フォトインタラプタ。