JP2009097870A - 光−電気信号変換回路および光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトトランジスタで受けた入力光の波形の特性を劣化させずに光信号を電気信号に変換する。
【解決手段】入力光が入力端子に供給され、該入力光が増幅されて電気信号を発生するフォトトランジスタと、上記フォトトランジスタの出力端子と基準電位間に接続された第１の負荷素子と、上記フォトトランジスタの出力端子が入力端子に接続され、出力の一方の端子と前記基準電位間に第２の負荷素子が接続され、出力の他方の端子が交流的に接地され、上記一方の端子から出力信号が導出された出力トランジスタとを有することにより、入力光のデューティ比を変えずに、高速で動作することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を高速に電気信号に変換する光−電気信号変換回路および光検出装置に関し、特にフォトトランジスタを用いて入射光の特性を劣化させることなく高速に動作する光−電気信号変換回路および光検出装置に関する。

従来、ダーリントン接続のトランジスタを用いたフォトトランジスタがあるが、ＯＮ（オン）動作は高速化されるもののＯＦＦ（オフ）動作が遅いという問題がある。
また、フォトダイオードを用いた光−電気信号変換回路は信号の出力レベルが微弱であるため、スイッチとして使用する場合は更にオペアンプ（演算増幅器）等を用いて信号を増幅する必要があり、回路構成が複雑かつ高価になる。また、フォトダイオードでは所望の形状や性能を持つものを選択できない場合が多い。

図５に、従来の光−電気信号変換回路１００の回路構成を示す。光−電気信号変換回路１００は、発光（フォト）ダイオード１０１のアノードが電源電圧Ｖ_Ｂを供給する電源端子または不図示の信号供給端子に接続され、カソードは抵抗１０２の一方の端子に接続される。この抵抗１０２の他方の端子は基準電位（ＧＮＤ；グランド）に接続される。
フォトトランジスタ１０３のコレクタは電源電圧Ｖｃが供給される電源端子に接続され、エミッタは抵抗１０４の一方の端子とバッファ回路１０５の入力端子に接続される。抵抗１０４の他方の端子はグランド（ＧＮＤ）に接続され、またバッファ回路１０５の出力端子から出力信号が導出される。

次に図６を用いて光−電気信号変換回路１００の動作を説明する。発光ダイオード１０１から照射された入力光がフォトトランジスタ１０３のベースに入射される。時刻ｔ１で入力光の光レベルが“Ｌ”レベル（例えば暗状態）から“Ｈ”レベル（例えば明状態）に遷移し、時刻ｔ３まで“Ｈ”レベルを維持する。
フォトトランジスタ１０３のベースに光が入射されると、フォトトランジスタ１０３はオンし、その結果、、コレクタ（エミッタ）電流Ｉｃが流れ、抵抗１０４に信号電圧が発生する。エミッタと抵抗１０４が接続されるＡ点の電圧波形を図６（ｂ）に示す。Ａ点の電圧波形は例えば０［Ｖ］からＶｃ［Ｖ］に所定の時定数で上昇し一定の電圧（Ｖｃ）に達した後、時刻ｔ３までその電圧を維持する。
Ａ点の電圧が上昇し時刻ｔ２になると、バッファ回路１０５の閾値電圧Ｖｔ以上になりバッファ回路１０５は動作し、出力波形は０［Ｖ］から急激に所定電圧、例えば電源電圧Ｖｃに遷移する。そのバッファ回路１０５の出力波形を図６（ｃ）に示す。時刻ｔ１からｔ２までの期間が出力波形の入力光に対する遅延時間となる。

時刻ｔ３になると、入力光が“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移する。それに伴い、フォトトランジスタ１０３はオフする。フォトトランジスタ１０３は急激にオフすることができないので、エミッタすなわちＡ点における電圧波形はある時定数で徐々に減衰し０［Ｖ］になる。
Ａ点の電圧が減衰し、時刻ｔ４になるとバッファ回路１０５の閾値電圧Ｖｔ以下になり、バッファ回路１０５はオフし、その出力電圧は急激に減衰し０［Ｖ］となる。その時の出力波形を図６（ｃ）に示す。
以後、入力光のＯＮ（“Ｈ”レベル）、ＯＦＦ（“Ｌ”レベル）に応じて同様な動作を繰り返す。

図６に示すように、入力光に対してＡ点における電圧（または電流）波形は、フォトトランジスタ１０３の特性の影響を大きく受ける。通常のトランジスタと比較してフォトトランジスタ１０３のコレクタ電流Ｉｃを大幅に少なく設定する必要があるため応答周波数が低く、数ＫＨｚ（キロヘルツ）程度で一般的な電圧でのフルスイングが厳しくなる。
また、波形のなまり（劣化）によって出力信号のデューティ比が入力光と一致しなくなり、例えばモータの回転速度を検出するための２相エンコーダのようなデューティ比が重要な意味を持ち、かつ高速動作を要求する用途では使用することが難しくなる。
また、下記の引用文献１，２には、デューティ比を劣化することなく、高速動作する技術は開示されていない。

特開昭６２−２５４６８号公報 特開２００４−６９５１７号公報

上述したように、従来の光−電気信号変換回路は、オン動作に比べてオフ動作が遅いために入力光に対して出力波形のデューティ比が変化してしまい、後段の信号処理回路の処理が複雑になり、また高速動作ができなかった。
本発明は、高精度のデューティ比を持ち、かつ高速動作を行う光−電気信号変換回路および光検出装置を提供する。

本発明の光−電気信号変換回路は、入力光が入力端子に供給され、該入力光が増幅されて電気信号を発生するフォトトランジスタと、上記フォトトランジスタの出力端子と基準電位間に接続された第１の負荷素子と、上記フォトトランジスタの出力端子が入力端子に接続され、出力の一方の端子と前記基準電位間に第２の負荷素子が接続され、出力の他方の端子が交流的に接地され、上記一方の端子から出力信号が導出される出力トランジスタとを有する。

本発明の光−電気信号変換回路は、入力光がベースに供給され該供給された入力光を増幅し電気信号を発生する、エミッタ接地のフォトトランジスタと、上記フォトトランジスタの出力の一方の端子と基準電位間に接続された第１の抵抗と、上記フォトトランジスタの出力の他方の端子がベースに接続され、エミッタがグランドに接続された出力トランジスタと、上記出力トランジスタのコレクタと上記基準電位間に接続された第２の抵抗とを有する。

本発明の光検出装置は、光を照射する光源と、上記照射された光の強度を制御する光制御手段と、上記光制御手段かで制御された入力光が入力端子に供給され、該入力光が増幅されて電気信号を発生するフォトトランジスタと、上記フォトトランジスタの出力端子と基準電位間に接続された第１の負荷素子と、上記フォトトランジスタの出力が入力端子に接続され、出力端子と上記基準電位間に第２の負荷素子が接続され、該出力端子から出力信号が導出される出力トランジスタとを有する。

本発明の光−電気信号変換回路および光検出装置は、入力光をフォトトランジスタで増幅し電気信号を発生し、この電気信号をバイポーラトランジスタに供給し、このバイポーラトランジスタでさらに増幅してコレクタから出力信号を導出する。

本発明の光−電気信号変換回路および光検出装置は、電気信号増幅用のトランジスタを用いてオフ動作を速くすることにより、高速でデューティ比が劣化しない波形を得ることが出来る。

次に、図１に本発明の実施形態である光−電気信号変換回路および光検出装置１０の回路構成を示す。
光−電気信号変換回路（および光検出装置）１０は、発光ダイオード１１のアノードが電源電圧Ｖ_Ｂを供給する電源端子または不図示の信号電圧（または電流）を供給する端子に接続され、カソードは抵抗１２の一方の端子に接続される。この抵抗１２の他方の端子は基準電位（ＧＮＤ；グランド）に接続される。
フォトトランジスタ１３のベースはオープン状態にされ、コレクタは電源電圧Ｖｃを供給する電源端子に接続され、エミッタは抵抗（Ｒｓ）１４の一方の端子とＮＰＮトランジスタ１６のベースに接続される。抵抗１４の他方の端子はグランドに接続される。またＮＰＮトランジスタ１６のコレクタは抵抗１５の一方の端子に接続され、エミッタはグランドに接続される。また、抵抗１５の他方の端子は電源電圧Ｖｃを供給する電源端子に接続される。

次に図２を用いて光−電気信号変換回路（および光検出装置）１０の動作を説明する。
発光ダイオード１１に一定の電源電圧Ｖ_Ｂが供給される場合、この発光ダイオード１１とフォトトランジスタ１３の間に、発光ダイオード１１から放射される光を開（通過）または遮断する手段を設けて、フォトトランジスタ１３に入力される入力光を明または暗状態（“Ｈ”レベル、“Ｌ”レベルと表す）に設定する。
発光ダイオード１１から照射された入力光がフォトトランジスタ１３のベースに入射される。時刻ｔ１で入力光の光レベルが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移し、時刻ｔ２まで“Ｈ”レベルを維持する（図２（ａ）参照）。
フォトトランジスタ１３のベースに発光（フォト）ダイオード１１から放射された“Ｈ”レベルの光が供給されると、フォトトランジスタ１３はオンし、コレクタ（エミッタ）電流Ｉｃが流れる。その時のエミッタと抵抗１４が接続されるＡ点の電圧波形を図２（ｂ）に示す。Ａ点の電圧波形は例えば０［Ｖ］から約０．６［Ｖ］に遷移し、時刻ｔ２まで一定の電圧（約０．６［Ｖ］）を維持する。
図２（ｂ）に示すように、入力光に対してＡ点における電圧波形はＮＰＮトランジスタ１６のＶｂｅ（ベース−エミッタ順方向電圧；約０．６［Ｖ］）でクリップされる。
Ａ点の電圧が上昇し、時刻ｔ１においてＶｂｅ以上になるとＮＰＮトランジスタ１６はオンしコレクタ電流Ｉｃが流れ、その結果、コレクタ出力電圧（出力波形）は、例えば電源電圧Ｖｃから０［Ｖ］に遷移する（図２（ｃ）参照）。

抵抗Ｒｓ（１４）に流れる電流をＩｒｓとすると、フォトトランジスタ１３に流れるコレクタ電流Ｉｃから減じたＩｃ−Ｉｒｓの値がＮＰＮトランジスタ１６のベースに流れ込み、このＮＰＮトランジスタ１６をオンさせる。
また、電流Ｉｒｓは抵抗１４とＮＰＮトランジスタ１６のベースーエミッタ順方向電圧Ｖｂｅにより、Ｉｒｓ＝Ｖｂｅ／Ｒｓと設定できる。
電流Ｉｒｓは誤動作を防ぐために暗電流より大きく、フォトトランジスタ１３のコレクタ電流Ｉｃの最大値より小さい値にする必要がある。

次に、時刻ｔ２になると、入力光は“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移し、それに伴いフォトトランジスタ１３はオフ動作を開始する。
フォトトランジスタ１３がオフの時、Ａ点の電圧は徐々に減少するもののＮＰＮトランジスタ１６のベースに流れ込む電流はマイナスに転じており、急速にターンオフすることができる。その結果、ＮＰＮトランジスタ１６はオフし、コレクタ電圧は“Ｈ”レベル、例えば電源電圧Ｖｃ［Ｖ］に遷移する。このときのＡ点における電圧波形を図２（ｂ）に示し、またＮＰＮトランジスタ１６の出力波形を図２（ｃ）に示す。以後、入力光の“Ｈ”、“Ｌ”レベルに応じて同様な動作が繰り返される。

次に、本発明の光−電気信号変換回路１０と従来例の光−電気信号変換回路１００で得られたデューティ比について比較する。図６に示した従来例の光−電気信号変換回路１００の出力波形のデューティ比は、
［数１］
Ｄｕｔｙ＝（ｔ４−ｔ２）／（ｔ６−ｔ２）
である。例えばｔ３−ｔ１＝ｔ５−ｔ３の場合、入力光のデューティ比は、Ｄｕｔｙ＝１／２である。一方、出力波形のデューティ比は、図６（ｃ）から明らかなように、
［数２］
Ｄｕｔｙ＝（ｔ４−ｔ２）／（ｔ６−ｔ２）＞１／２
である。
このように、光−電気信号変換回路１００において入力光に対する出力波形はデューティ比が変化してしまう。

これに対して、本発明の光−電気信号変換回路１０は、図２に示すように、入力光に対する出力波形は、
［数３］
Ｄｕｔｙ＝（ｔ４−ｔ２）／（ｔ４−ｔ１）
である。例えばｔ２−ｔ１＝ｔ４−ｔ２の場合、入力光のデューティ比は、Ｄｕｔｙ＝１／２である。一方、出力波形のデューティ比は、図２（ｃ）から明らかなように、
［数４］
Ｄｕｔｙ＝（ｔ４−ｔ２）／（ｔ４−ｔ１）＝１／２
であるので、入力光に対する出力波形のデューティ比は変化しない。

以上述べたように、本発明の光−電気信号変換回路１０のデューティ比は変化しないので、フォトトランジスタ１３の特性をはるかに超えたスイッチング動作が可能となる。また出力信号（波形）のデューティ比も入力光と良く一致するため、例えばモータの回転速度を検出するための２相エンコーダに用いられるデューティ比が重要な意味を持ち、かつ高速動作が要求される用途に適する。

次に、図３に本発明の変形例である光−電気信号変換回路および光検出装置５０の回路構成を示す。
この光−電気信号変換回路および光検出装置５０は、フォトトランジスタ５４の接続構成と出力トランジスタがＰＮＰトランジスタ５５で構成されていることが前述の光−電気信号変換回路１０と異なる。

光−電気信号変換回路および光検出装置５０は、発光ダイオード５１のアノードが電源電圧Ｖ_Ｂを供給する電源端子または信号が供給される不図示の端子に接続され、カソードは抵抗５２の一方の端子に接続される。この抵抗５２の他方の端子は基準電位（ＧＮＤ；グランド）に接続される。
抵抗５３の一方の端子は電源電圧Ｖｃが供給される電源端子に接続され、他方の端子はフォトトランジスタ５４のコレクタとＰＮＰトランジスタ５５のベースに接続される。このフォトトランジスタ５４のエミッタはグランドに接続される。
ＰＮＰトランジスタ５５のエミッタは電源端子に接続され、コレクタは抵抗５６の一方の端子に接続され、この抵抗５６の他方の端子はグランドに接続される。

次に、図４を用いて、光−電気信号変換回路５０の動作を説明する。
発光ダイオード５１から照射された入力光がフォトトランジスタ１３のベースに入射される。時刻ｔ１で入力光の光レベルが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移し、時刻ｔ２まで“Ｈ”レベルを維持する（図４（ａ）参照）。
フォトトランジスタ５４のベースに発光（フォト）ダイオード５１から放射された光が入射されると、フォトトランジスタ５４はオンし、その結果、コレクタ（エミッタ）電流Ｉｃが流れる。図４（ｂ）にコレクタと抵抗５３が接続されるＡ点の電圧波形を示す。Ａ点の電圧波形は例えばＶｃ［Ｖ］からＶｃ−０．６［Ｖ］に遷移し、その後、時刻ｔ２までその電圧を維持する。
図４（ｂ）に示すように、入力光に対してＡ点における電圧波形はＰＮＰトランジスタ５５のＶｂｅ（ベース−エミッタ順方向電圧；約０．６［Ｖ］）でクリップされる。
Ａ点の電圧が減少し、Ｖｃ−０．６［Ｖ］以下になると、ＰＮＰトランジスタ５５がオンしコレクタ電流Ｉｃが流れる。
その結果、コレクタ出力電圧（出力波形）は、例えば０［Ｖ］から電源電圧Ｖｃ［Ｖ］に遷移する（図４（ｃ）参照）。

次に、時刻ｔ２になると、入力光は“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移し、それに伴いフォトトランジスタ５４はオフ動作を開始する。
フォトトランジスタ５４がオフすると、Ａ点の電圧はＶｃ−０．６［Ｖ］から徐々に上昇し、時刻ｔ３で電源電圧Ｖｃになる。このとき、ＰＮＰトランジスタ５５のベースに流れ込む電流はマイナスに転じており、急速にターンオフすることができる。その結果、出力トランジスタ５５はオフし、コレクタ電圧は“Ｌ”レベル例えば０［Ｖ］に遷移する。このときのＡ点における電圧波形を図４（ｂ）に示す。以下、時刻ｔ４以後、入力光の“Ｈ”、“Ｌ”レベルに応じて同様な動作が繰り返される。

このように、図３に示す光−電気信号変換回路および光検出装置５０においても図１に示す光−電気信号変換回路および光検出装置１０と同様に、高速でかつデューティ比が入力光に対して不変の出力波形を得ることができる。

本発明の光−電気信号変換回路１０，５０は、上述したように、例えば発光ダイオード１１，５１に一定の電源電圧Ｖ_Ｂを供給して、この発光ダイオード１１，５１とフォトトランジスタ１３，５４の間に、発光ダイオード１１，５１から放射される光を開（通過）または遮断する光制御手段を設けて、この光制御手段により制御された光を検出する光検出装置に適用することができる。この例として、パルスセンサーがあり、具体的にはロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等がある。さらに、本発明の光−電気信号変換回路１０，５０は出力信号（波形）のデューティ比も入力光と良く一致するため、例えばモータの回転速度を検出するための２相エンコーダに用いることができる。

従って、本発明の光−電気信号変換回路および光検出装置により、高速な動作を検出するパルスセンサー（ロータリーエンコーダ、リニアエンコーダ等）を、一般的なフォトトランジスタ／フォトインタラプタを用いて安価に構成することができる。
また、回転検出エンコーダを装着できない一般的な安価なモータに対して、一般的なフォトトランジスタ／フォトインタラプタを用いて回転検出エンコーダを構成することができる。
さらに、高精度なデューティ比を要求する複相のエンコーダを、一般的なフォトトランジスタ／フォトインタラプタを用いて安価に構成することができる。

光−電気信号変換回路および光検出装置において、入力光が入力端子に供給され、該入力光が増幅されて電気信号を発生するフォトトランジスタは、フォトトランジスタ１３，５４に対応し、上記フォトトランジスタの出力端子と基準電位間に接続された第１の負荷素子は、抵抗１４，５３に対応し、上記フォトトランジスタの出力端子が入力端子に接続され、出力の一方の端子と前記基準電位間に第２の負荷素子が接続され、出力の他方の端子が交流的に接地され、上記一方の端子から出力信号が導出された出力トランジスタは、ＮＰＮトランジスタ１６またはＰＮＰトランジスタ５５に対応する。また、第２の負荷素子は、抵抗１５，５６に対応する。

光−電気信号変換回路および光検出装置の回路構成例を示す図である。 図１に示した光−電気信号変換回路および光検出装置の各ノードの波形を示す図である。 他の光−電気信号変換回路および光検出装置の回路構成例を示す図である。 図３に示した光−電気信号変換回路および光検出装置の各ノードの波形を示す図である。 従来の光−電気信号変換回路の回路構成図である。 図５に示した光−電気信号変換回路の各ノードの波形を示す図である。

符号の説明

１０，５０，１００…光−電気信号変換回路、１１，５１，１０１…発光（フォト）ダイオード、１２，１４，１５，５２，５３，５６，１０２，１０４…抵抗、１３，５４，１０３…フォトトランジスタ、１６ＮＰＮトランジスタ、５５…ＰＮＰトランジスタ、１０５…バッファ回路。

Claims (10)

1. 入力光が入力端子に供給され、該入力光が増幅されて電気信号を発生するフォトトランジスタと、
   上記フォトトランジスタの出力端子と基準電位間に接続された第１の負荷素子と、
   上記フォトトランジスタの出力端子が入力端子に接続され、出力の一方の端子と前記基準電位間に第２の負荷素子が接続され、出力の他方の端子が交流的に接地され、上記一方の端子から出力信号が導出される出力トランジスタと
   を有する
   光−電気信号変換回路。
2. 前記出力トランジスタはＮＰＮトランジスタを有し、コレクタと上記基準電位間に抵抗を有する上記第２の負荷素子が接続され、上記コレクタから上記出力信号が導出される
   請求項１記載の光−電気信号変換回路。
3. 前記出力トランジスタはＰＮＰトランジスタを有し、コレクタとグランド間に抵抗を有する上記第２の負荷素子が接続され、上記コレクタから出力信号が導出される
   請求項１記載の光−電気信号変換回路。
4. 入力光がベースに供給され該供給された入力光を増幅し電気信号を発生する、エミッタ接地のフォトトランジスタと、
   上記フォトトランジスタの出力の一方の端子と基準電位間に接続された第１の抵抗と、
   上記フォトトランジスタの出力の他方の端子がベースに接続され、エミッタがグランドに接続された出力トランジスタと、
   上記出力トランジスタのコレクタと上記基準電位間に接続された第２の抵抗と
   を有する
   光−電気信号変換回路。
5. 前記出力トランジスタはＮＰＮトランジスタまたはＰＮＰトランジスタを有し、該トランジスタのコレクタから上記出力信号が導出される
   請求項４記載の光−電気信号変換回路。
6. 上記フォトトランジスタに流れるコレクタ電流をＩｃ、上記出力トランジスタのベース−エミッタ間の順方向電圧をＶｂｅとし、上記第１の抵抗（Ｒｓ）に流れる電流をＩｒｓとするとき、上記Ｉｒｓは、
   Ｉｒｓ＝Ｖｂｅ／Ｒｓ
   である
   請求項５記載の光−電気信号変換回路。
7. 上記第１の抵抗に流れる電流Ｉｒｓは、上記フォトトランジスタの暗電流より大きく、かつコレクタ電流Ｉｃの最大値より小さい
   請求項６記載の光−電気信号変換回路。
8. 光を照射する光源と、
   上記照射された光の強度を制御する光制御手段と、
   上記光制御手段で制御された入力光が入力端子に供給され、該入力光が増幅されて電気信号を発生するフォトトランジスタと、
   上記フォトトランジスタの出力端子と基準電位間に接続された第１の負荷素子と、
   上記フォトトランジスタの出力が入力端子に接続され、出力端子と上記基準電位間に第２の負荷素子が接続され、該出力端子から出力信号が導出される出力トランジスタと
   を有する
   光検出装置。
9. 前記出力トランジスタはＮＰＮトランジスタを有し、コレクタと上記基準電位間に抵抗を有する上記第２の負荷素子が接続され、上記コレクタから上記出力信号が導出される
   請求項８記載の光検出装置。
10. 前記出力トランジスタはＰＮＰトランジスタを有し、コレクタとグランド間に抵抗を有する上記第２の負荷素子が接続され、上記コレクタから上記出力信号が導出される
    請求項８記載の光検出装置。

Images