JP2014517634A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

光電センサ（２）であって、特に、近距離の検出死角を解消可能でありかつ検出距離を短縮しない光電センサ（２）に関する。該光電センサ（２）は、光信号を電気信号に変換するための、直列接続された電流制限抵抗（Ｒ１）とフォトダイオード（ＰＤ）とを備えた光電センサであって、電流制限抵抗（Ｒ１）の両端に少なくとも１つの分流分岐回路（２０１、２０２、２０３）が並列接続されており、分流分岐回路（２０１、２０２、２０３）は、直列接続されたシャント抵抗（Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）とスイッチング回路（２０１１、２０２１、２０３１）とを含んでおり、スイッチング回路（２０１１、２０２１、２０３１）は、電流制限抵抗（Ｒ１）両端の電圧が、該分流分岐回路（２０１、２０２、２０３）に対応する所定電圧値よりも大きい場合にオンになり、電流制限抵抗（Ｒ１）両端の電圧が該所定電圧値よりも小さい場合にオフになる。

Description

本発明は光電センサに関し、特に、近距離の検出死角を解消可能でありかつ検出距離を短縮しない光電センサに関する。

光電センサは、各種光電検出システムにおいて光電変換を実現する主要部品であり、光信号（赤外線、可視光、紫外線放射）を電気信号に変換するデバイスである。光電検出方法には、精度が高い、反応が速い、非接触である等の長所がある上、検出可能なパラメータが多く、センサの構造が簡単であり、形態が柔軟かつ多様である。このため、光電式センサは検出や制御に非常に幅広く応用されている。フォトダイオードは最も一般的な光電変換デバイスであり、光電流の大きさが光強度と正比例するため、それに直列接続された電流制限抵抗において、光強度の変化に伴って変化する電圧信号を得ることができる。図１は、従来技術の光電センサの構造ブロック図である。図１に示すように、ＰＤはフォトダイオードであり、受信した光信号を光電流に変換するために用いられ、Ｒ１は電流制限抵抗であり、Ｒ１の一端Ｖ１の電圧の変化量は光電流の変化量に対応し、ブロック図の１１は増幅ユニットであり、Ｖ１の電圧信号を増幅するために用いられ、ブロック図の１２はＡＤ変換ユニットであり、増幅ユニット１１が出力したアナログ信号（増幅されたＶ１の電圧信号）をデジタル信号に変換し、ブロック図の１３は信号処理ユニット、例えばＣＰＵであり、ＡＤ変換ユニットが出力したデジタル信号を受信するとともに、該デジタル信号をデジタル信号処理することで、必要な、例えば距離等の情報を得るために用いられる。このような光電センサにおいて、近距離で検出する場合、光度が強すぎて光電流が大きくなることにより、Ｖ１の変化量が大きくなることがある。一方、増幅ユニットは通常、システムの電源から給電されるため、増幅ユニットの入力信号のダイナミックレンジは有限であり、Ｖ１が増幅ユニットの入力信号のダイナミックレンジを超えた場合には飽和や歪みが生じるおそれがある。このとき光電センサが出力する電気信号は、受信した光信号と対応不可能であり、いわゆる近距離の検出死角が出現する。このとき、従来技術では通常、電流制限抵抗Ｒ１を減少させることによりＶ１の変化量を減少させることで飽和や歪みを抑制する。このようなやり方は、近距離時の光電センサの飽和や歪みを抑制しているが、同時に、遠距離測定時に生じる電気信号も減少させることにより、光電センサの検出距離も短縮している。

本発明は、従来の光電センサに存在する上記の問題を解決するために行われたものであり、近距離の検出死角を解消しかつ検出距離を短縮しない光電センサを提供している。

本発明に係る光電センサは、光信号を電気信号に変換するための、直列接続された電流制限抵抗とフォトダイオードとを備えた光電センサであって、前記電流制限抵抗の両端に少なくとも１つの分流分岐回路が並列接続されており、分流分岐回路は、直列接続されたシャント抵抗とスイッチング回路とを含んでおり、スイッチング回路は、前記電流制限抵抗両端の電圧が、該分流分岐回路に対応する所定電圧値よりも大きい場合にオンになり、前記電流制限抵抗両端の電圧が該所定電圧値よりも小さい場合にオフになる。

また、前記スイッチング回路は、直列接続された少なくとも１つのダイオードからなり、前記ダイオードの個数は、該分流分岐回路に対応する所定電圧値により決定される。

また、前記スイッチング回路は定電圧ダイオードからなり、前記定電圧ダイオードの定電圧値は、該分流分岐回路に対応する所定電圧値により決定される。

また、前記光電センサは、増幅ユニット、ＡＤ変換ユニット、および信号処理ユニットをさらに備えている。そのうち、前記電流制限抵抗の第１端は電源に接続され、第２端は前記フォトダイオードの一端に接続され、前記フォトダイオードの他端は接地され、前記増幅ユニットの入力端は前記電流制限抵抗の第２端に接続され、前記ＡＤ変換ユニットの入力端は前記増幅ユニットの出力端に接続され、前記信号処理ユニットの入力端は前記ＡＤ変換ユニットの出力端に接続される。

また、前記光電センサは、分流分岐回路がオンのときにシャント電流を検出し、このとき、検出されたシャント電流に基づいて制御信号を前記信号処理ユニットに出力することで前記光電変換器の変換係数を調節する、分流分岐回路に直列接続された電流センサをさらに備えている。

従来技術の光電センサの具体的構造例のブロック図である。 本発明の光電センサの具体的構造例のブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の光電センサを実施するための形態について詳しく説明する。以下に示す実施形態は例を挙げて説明するものであるに過ぎず、これにより本発明の保護範囲を制限してはならず、本発明の趣旨から逸脱しないことを前提に、下記実施形態で明示されていない各種の変更や技術の適用等を行ってもよい。

図２は、本発明に係る光電センサの一実施例の構造ブロック図であり、該光電センサ２は、光信号を電気信号に変換するための、直列接続された電流制限抵抗Ｒ１とフォトダイオードＰＤとを備えた光電センサであって、電流制限抵抗Ｒ１の両端に少なくとも１つの分流分岐回路が並列接続されていることを特徴とする。該例において、例えば、分流分岐回路２０１、２０２、２０３が並列接続されている。分流分岐回路は、直列接続されたシャント抵抗とスイッチング回路とを含んでいる。該例において、分流分岐回路２０１はシャント抵抗Ｒ２とスイッチング回路２０１１とを含んでおり、分流分岐回路２０２はシャント抵抗Ｒ３とスイッチング回路２０２１とを含んでおり、分流分岐回路２０３はシャント抵抗Ｒ４とスイッチング回路２０３１とを含んでいる。各スイッチング回路２０１１、２０２１、２０３１はそれぞれ、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧が、各分流分岐回路が対応する所定電圧値よりも大きい場合にオンになり、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧が、対応する所定電圧値よりも小さい場合にオフになる。そのうち、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧がそれぞれ、各分流分岐回路が対応する所定電圧値「と等しい」とき、「よりも大きい」または「よりも小さい」場合に含めることができる。

また、スイッチング回路は、直列接続された少なくとも１つのダイオードからなり（図２参照）、ダイオードの個数は、該分流分岐回路、すなわちダイオードが所在する分岐回路に対応する所定電圧値により決定される。該例において、スイッチング回路２０１１はダイオードＤ１からなり、スイッチング回路２０２１はダイオードＤ２、Ｄ３により直列接続されてなり、スイッチング回路２０３１はダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６により直列接続されてなる。

また、スイッチング回路は、分流分岐回路上に直列接続された定電圧ダイオードからなってもよく（図示せず）、定電圧ダイオードの定電圧値は、該分流分岐回路に対応する所定電圧値により決定される。

また、スイッチング回路は、３端子式のデバイスで構成してもよい。
また、電流制限抵抗Ｒ１の第１端は電源ＶＣＣに接続され、第２端はフォトダイオードＰＤの一端に接続され、フォトダイオードＰＤの他端は接地される。

また、光電センサ２は、入力端が前記電流制限抵抗Ｒ１の第２端に接続された増幅ユニット２１と、入力端が増幅ユニット２１の出力端に接続されたＡＤ変換ユニット２２と、入力端がＡＤ変換ユニット２２の出力端に接続された信号処理ユニット２３とをさらに備えている。そのうち、増幅ユニット２１の具体的構造例として、演算増幅器Ａ１、抵抗Ｚ１、抵抗Ｚ２、および参照電圧ＶＦ１が増幅ユニットの第１段を構成し、演算増幅器Ａ２、抵抗Ｚ３、抵抗Ｚ４、および参照電圧ＶＦ２が増幅ユニットの第２段を構成する２段増幅の増幅ユニットであってよい。

また、アナログ光量の大きさを測定する必要がある場合、光電センサ２は、分流分岐回路、例えば、分岐回路２０１中のスイッチング回路２０１１がオンのときにシャント電流を検出し、このとき、検出されたシャント電流に基づいて制御信号ＣＳ１を信号処理ユニット２３に出力することで光電センサ２の変換係数を調節する、分岐回路２０１に直列接続された電流センサ２４１をさらに備えていてもよい。図２において、具体的構造例として、分流分岐回路２０１において、電流センサ２４１が直列接続されており、分流分岐回路２０２において、電流センサ２４２が直列接続されており、分流分岐回路２０３において、電流センサ２４３が直列接続されており、制御信号ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３を生成することで、光電センサ２の３種類の異なる変換係数を調節するためにそれぞれ用いられる。

図２に示すように、本発明の光電センサ２と従来技術の光電センサ１の違いは、本発明の光電センサ２に、分流分岐回路２０１、２０２、２０３と、各分流分岐回路中の電流センサ２４１、２４２、２４３とが追加されているところにある。本発明は、分流分岐回路および電流センサの数を具体的に限定しておらず、実際の状況に応じて分流分岐回路および電流センサの個数を選択することができる。図２の具体的構造例において、３つの分流分岐回路２０１、２０２、２０３によって具体的に説明する。分流分岐回路２０１は、シャント抵抗Ｒ２と、スイッチング回路２０１１を構成するダイオードＤ１とを有し、該シャント抵抗Ｒ２とダイオードＤ１は、直列接続された後、電流制限抵抗Ｒ１の両端に並列接続される。分流分岐回路２０２は、シャント抵抗Ｒ３と、スイッチング回路２０２１を構成するダイオードＤ２、Ｄ３とを有し、該シャント抵抗Ｒ３とダイオードＤ２、Ｄ３は、順に直列接続された後、電流制限抵抗Ｒ１の両端に並列接続される。分流分岐回路２０３は、シャント抵抗Ｒ４と、スイッチング回路２０３１を構成するダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６とを有し、該シャント抵抗Ｒ４とダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６は、順に直列接続された後、電流制限抵抗Ｒ１の両端に並列接続される。電流センサ２４１、２４２、２４３は分流分岐回路２０１、２０２、２０３内にそれぞれ直列接続される。

以下、図２を参照しながら、本発明の光電センサ２の、受光距離が遠い場合と近い場合の動作過程について説明する。

光電センサ２の受光距離が遠い場合、フォトダイオードＰＤが受信する光強度が弱く、発生する光電流が小さいので、電流制限抵抗Ｒ１上の電圧降下が小さく、各分岐回路中のダイオードを導通させるのに足りない場合、分流分岐回路２０１、２０２、２０３はオフ状態にある。次いで、Ｖ１の電圧信号が増幅ユニット２１で増幅された後、ＡＤ変換ユニット２２においてアナログデジタル変換され、最後に、変換されたデジタル信号が信号処理ユニット２３において、Ｒ１に対応する光電変換係数によりデジタル信号処理されることで、必要なパラメータが得られる。

光電センサ２の受光距離が近くなった場合、光強度が増大し、光電流が多くなり、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧降下が増大し、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧降下がダイオードＤ１の導通電圧よりも大きい場合、ダイオードＤ１は導通し、すなわち、分流分岐回路２０１がオンになって分流を行う。このとき、Ｖ１点の電圧降下は実質的に、電流制限抵抗Ｒ１とシャント抵抗Ｒ２が並列接続された後の抵抗により生じるものであり、Ｒ１とＲ２が並列接続された後の抵抗値はＲ１よりも小さい。このため、Ｖ１点の電圧信号が減少することにより、Ｖ１点の電圧信号が過大なため増幅ユニットの入力信号のダイナミックレンジを超えて引き起こされる飽和や歪みを抑制している。続いて、Ｖ１の電圧信号が増幅ユニット２１において増幅された後、ＡＤ変換ユニット２２においてアナログデジタル変換され、最後に、変換されたデジタル信号が信号処理ユニット２３においてデジタル信号処理されることで、必要なパラメータが得られる。これと同時に、分流分岐回路２０１に直列接続された電流センサ２４１がシャント電流Ｉ２０１を検出すると同時に、シャント電流Ｉ２０１に対応する制御信号ＣＳ１を生成して信号処理ユニット２３に出力し、信号処理ユニット２３は制御信号ＣＳ１に基づいて光電センサ２の変換係数を調整し、Ｒ１とＲ２の並列接続関係に対応させる。

光電センサ２の受光距離がさらに近い場合、光強度はさらに強く、光電流はさらに大きくなる。このようになれば、シャント抵抗Ｒ１両端の電圧降下はさらに大きくなる。シャント抵抗Ｒ１両端の電圧降下がダイオードＤ２およびＤ３の導通電圧の和よりも大きい場合には、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３がいずれも導通し、すなわち、分流分岐回路２０１および２０２がいずれもオンになって分流を行う。このとき、Ｖ１点の電圧降下は実質的に、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ３が並列接続された後の抵抗により生じるものであり、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３が並列接続された後の抵抗値は、Ｒ１とＲ２が並列接続された後の抵抗値よりも小さくなるため、Ｖ１点の電圧信号が減少することにより、Ｖ１点の電圧信号が過大なためＶ１点の電圧信号が増幅ユニット２１の入力信号のダイナミックレンジを超えることになって引き起こされる飽和や歪みを抑制している。続いて、Ｖ１点の電圧信号が増幅ユニット２１において増幅された後、ＡＤ変換ユニット２２においてアナログデジタル変換され、最後に、変換されたデジタル信号が信号処理ユニット２３においてデジタル信号処理されることで、必要なパラメータが得られる。これと同時に、分流分岐回路２０１に直列接続された電流センサ２４１がシャント電流Ｉ２０１を検出し、分流分岐回路２０２に直列接続された電流センサ２４２がシャント電流Ｉ２０２を検出すると同時に、シャント電流Ｉ２０１およびシャント電流Ｉ２０２にそれぞれ対応する制御信号ＣＳ１、ＣＳ２を生成して信号処理ユニット２３に出力し、信号処理ユニット２３はＣＳ１、ＣＳ２に基づいて光電センサ２の変換係数を調整し、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ３の並列接続関係に対応させる。

以上、光電変換係数は信号処理ユニット２３により制御信号ＣＳ１、ＣＳ２およびＣＳ３に基づいて調整されることを記述した。変換例として、該光電変換係数は、ＡＤ変換ユニットにおいて制御信号ＣＳ１、ＣＳ２およびＣＳ３に基づいて調整することもできる（図示せず）。

ここで、本発明において、スイッチング素子としてのダイオードは、同じ一方向導通閾値電圧を有するダイオードであってよく、異なる一方向導通閾値電圧を有するダイオードであってもよい。

光電センサ２の受光距離がさらに近い場合に、分流分岐回路２０１、２０２、２０３が同時に導通した状態は、上記分流分岐回路２０１および２０２が同時に導通した状態に相似しており、ここでさらに詳しい記述は行わない。

ここで、３つの分岐回路がいずれもオフ状態にある場合、変換係数はＲ１に応じて決まり、分流分岐回路２０１だけがオンのとき、変換係数はＲ１とＲ２の並列接続関係に応じて決まり、分流分岐回路２０１および２０１がオンのとき、変換係数はＲ１、Ｒ２およびＲ３の並列接続関係に応じて決まり、分流分岐回路２０１、２０２および２０３がいずれもオンのとき、変換係数はＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の並列接続関係に応じて決まる。光電センサ２の受光距離が徐々に遠くなる場合、光強度が減少し、光電流が小さくなる。このようになれば、シャント抵抗Ｒ１両端の電圧降下が減少し、シャント抵抗Ｒ１両端の電圧降下が、ダイオードＤ２およびＤ３の導通電圧の和よりも小さくかつダイオードＤ１の導通電圧よりも大きい場合には分流分岐回路２０２がオフになり、分流分岐回路２０１だけがオンになって分流を行い、光電センサ２の受光距離がさらに遠くなった場合、光強度がさらに減少し、光電流がさらに小さくなり、シャント抵抗Ｒ１両端の電圧降下がダイオードＤ１の導通電圧よりも小さい場合には分流分岐回路２０１がオフになる。

ここで、スイッチング素子としてのダイオードは、定電圧ダイオードで置き換えることもできる。定電圧ダイオードは、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧が所定電圧値よりも大きい場合にオンになり、電流制限抵抗Ｒ１両端の電圧が所定電圧値よりも小さい場合にオフになる。そのうち、「と等しい」は、「よりも大きい」または「よりも小さい」場合に含めることができる。その動作原理は上記ダイオードに相似しており、ここでさらに詳しい記述は行わない。

ここで、スイッチング回路がオンになればすなわち、対応する分流分岐回路がオンになり、スイッチング回路がオフになればすなわち、対応する分流分岐回路がオフになる。以上、実施形態を参照しながら本発明について説明したが、上記の内容は例を挙げて説明したものであるに過ぎず、本発明は先に紹介した実施例に限定されず、本発明の範囲を逸脱しないことを前提に各種の変更や組み合わせを行うことも可能である。

Claims (5)

1. 光信号を電気信号に変換するための、直列接続された電流制限抵抗とフォトダイオードとを備えた光電センサであって、
   前記電流制限抵抗の両端に少なくとも１つの分流分岐回路が並列接続されており、分流分岐回路は、直列接続されたシャント抵抗とスイッチング回路とを含んでおり、前記スイッチング回路は、前記電流制限抵抗両端の電圧が、該分流分岐回路に対応する所定電圧値よりも大きい場合にオンになり、前記電流制限抵抗両端の電圧が該所定電圧値よりも小さい場合にオフになることを特徴とする光電センサ。
2. 前記スイッチング回路は、直列接続された少なくとも１つのダイオードからなり、前記ダイオードの個数は、該分流分岐回路に対応する所定電圧値により決定されることを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
3. 前記スイッチング回路は、分流分岐回路内に直列接続された定電圧ダイオードからなり、前記定電圧ダイオードの定電圧値は、該分流分岐回路に対応する所定電圧値により決定されることを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
4. 前記光電センサは、
   増幅ユニット、ＡＤ変換ユニット、および信号処理ユニットをさらに備え、
   前記電流制限抵抗の第１端は電源に接続され、第２端は前記フォトダイオードの一端に接続され、前記フォトダイオードの他端は接地され、
   前記増幅ユニットの入力端は前記電流制限抵抗の第２端に接続され、
   前記ＡＤ変換ユニットの入力端は前記増幅ユニットの出力端に接続され、
   前記信号処理ユニットの入力端は前記ＡＤ変換ユニットの出力端に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電センサ。
5. 分流分岐回路中のスイッチング回路がオンのときにシャント電流を検出し、このとき、検出されたシャント電流に基づいて制御信号を前記信号処理ユニットに出力することで前記光電変換器の変換係数を調節する、分流分岐回路に直列接続された電流センサをさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載の光電センサ。

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