JP2015015580A

JP2015015580A - 投光素子駆動回路及び光電センサ

Info

Publication number: JP2015015580A
Application number: JP2013140739A
Authority: JP
Inventors: 徹矢梶田; Tetsuya Kajita
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-22
Also published as: EP2822179B1; CN104282779A; CN104282779B; KR20150005449A; KR101625282B1; EP2822179A1

Abstract

【課題】温度などの外部変動に対し、安定したＬＥＤ電流を出力する。【解決手段】基準電圧及びフィードバック電圧を基に電圧を発生するオペアンプ１１と、入力電圧に応じた電流を発生するＬＥＤ駆動トランジスタ２と、オペアンプ１１出力と出力端子１８との接続／解除を切替える切断用スイッチ１４と、切断用スイッチ１４より出力端子１８側とオペアンプ１１の反転入力端子側との接続／解除を切替えるバイパススイッチ１５と、切断用スイッチ１４より出力端子１８側をオペアンプ１１出力とは異なる電位へ接続／解除を切替えるオフ用スイッチ１６と、切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１の出力側と反転入力端子側との接続／解除を切替える安定用スイッチ１７と、ＬＥＤ３を発光させる際に切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５を接続状態にさせ、ＬＥＤ３を消灯させる際にオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７を接続状態にさせる投光素子発生回路１２・ＮＯＴ回路１３とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、投光素子を駆動させる電流を出力する投光素子駆動回路及び光電センサに関するものである。

光電センサでは、ＬＥＤを発光させて物体検出を行う際に、ＬＥＤの劣化を抑えるため、ＬＥＤをパルスで発光／消灯させている（例えば特許文献１参照）。具体的には、例えば図６に示す投光ＬＥＤ駆動回路（投光素子駆動回路）のように、投光回路１００にて、投光制御信号発生回路１０１から出力された投光制御信号に従ってＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース電圧をＶｃｃ／ＧＮＤに切替えることで、ＬＥＤ３をパルスで発光／消灯させている。なお実際には、ＬＥＤ３の発光時に、Ｖｃｃ電圧からトランジスタＱ１分のコレクタ−エミッタ間電圧（Ｖｃｅ電圧）を差し引いた電圧がＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース（出力電圧１０２）に印加される。また、ＬＥＤ電流を制限するため、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のエミッタ側にはＬＥＤ電流制限抵抗４が接続されている。

特開平３−２８９７１４号公報

ところで、光電スイッチは、受光信号の信号強度を検出することで検出物体の有無を検出するスイッチである。そのため、例えば半透明の検出物体を検出する際には、当該検出物体による減衰光の微小変化をとらえる必要がある。しかしながら、受光信号のバラツキ変化が大きい場合には、検出物体の有無と受光信号そのものの変動との区別がつかない。この受光信号のバラツキを押さえるためには、まずはＬＥＤ電流を一定にする必要がある。

ここで、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース−エミッタ間電圧（Ｖｂｅ電圧）は、温度によって変化する。しかしながら、その温度特性は約−２ｍＶ／℃として知られており、ある程度の設計予測は可能である。

一方、図６に示す従来回路では、トランジスタＱ１のＶｃｅ電圧が存在するため、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース（出力端子１０２）に印加される電圧は温度変動に大きく影響を受ける。また、Ｖｃｅ電圧は回路毎にばらつきも大きい。よって、ＬＥＤ電流が温度変動によって変動してしまう。

以上のように、トランジスタを用いた駆動回路は一般に知られているが、温度変動によってＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに印加される電圧が大きく影響を受け、安定したＬＥＤ電流を出力することが不可能であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、温度などの外部変動によってＬＥＤ駆動トランジスタのベースに印加される電圧が影響を受けることがなく、安定したＬＥＤ電流を出力することが可能な投光素子駆動回路及び光電センサを提供することを目的としている。

この発明に係る投光素子駆動回路は、一定の基準電圧及びフィードバック電圧に基づいて、当該フィードバック電圧が当該基準電圧に近づくよう調整した電圧を発生する電圧発生回路と、入力された電圧に応じた電流を発生する電圧電流変換回路と、電圧発生回路の出力と、電圧電流変換回路の入力との接続／解除を切替える切断用スイッチと、切断用スイッチより電圧電流変換回路の入力側と、電圧発生回路のフィードバック電圧の入力との接続／解除を切替えるバイパススイッチと、切断用スイッチより電圧電流変換回路の入力側を、電圧発生回路の出力とは異なる電位へ接続／解除を切替えるオフ用スイッチと、切断用スイッチより電圧発生回路の出力側と、当該電圧発生回路のフィードバック電圧の入力との接続／解除を切替える安定用スイッチと、投光素子を発光させる場合には切断用スイッチ及びバイパススイッチを接続状態にさせ、当該投光素子を消灯させる場合にはオフ用スイッチ及び安定用スイッチを接続状態にさせる制御回路とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、温度などの外部変動によって電圧電流変換回路（ＬＥＤ駆動トランジスタのベース）に印加される電圧が影響を受けることがなく、安定したＬＥＤ電流を出力することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る投光素子駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る投光素子駆動回路の動作を示す各部での波形タイムチャートである。この発明の実施の形態１に係る投光素子駆動回路の動作を示す図であり、（ａ）ＬＥＤの発光時を示す図であり、（ｂ）ＬＥＤの消灯時を示す図である。この発明の実施の形態２における投光素子駆動回路の切断用スイッチの接続時における電圧降下を説明する図である。この発明の実施の形態２に係る投光素子駆動回路の構成を示す図である。従来の投光素子駆動回路の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る投光素子駆動回路の構成を示す図である。
投光素子駆動回路は、ＬＥＤ（投光素子）３を駆動させるＬＥＤ電流を出力するものである。この投光素子駆動回路は、図１に示すように、一定の電圧を出力する投光回路１と、投光回路１からの電圧に応じたＬＥＤ電流を出力するＬＥＤ駆動トランジスタ（電圧電流変換回路）２とから構成されている。なお実施の形態１では、ＬＥＤ駆動トランジスタ２としてＮＰＮトランジスタを用いた場合を示す。また、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のコレクタにはＬＥＤ３が接続され、エミッタにはＬＥＤ駆動電流を制限するためのＬＥＤ電流制限抵抗４が接続されている。

投光回路１は、オペアンプ（電圧発生回路）１１、投光制御信号発生回路１２、ＮＯＴ回路１３、切断用スイッチ１４、バイパススイッチ１５、オフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７を備えている。

オペアンプ１１は、一定のリファレンス電圧（基準電圧）ＶＲＥＦ及びフィードバック電圧に基づいて、フィードバック電圧がリファレンス電圧に近づくよう調整した電圧を発生するものである。このオペアンプ１１の出力は、切断用スイッチ１４を介してＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース（出力端子１８）に接続される。また、オペアンプ１１の非反転入力端子には、リファレンス電圧が入力される。また、反転入力端子には、バイパススイッチ１５を介して、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側の電圧、または安定用スイッチ１７を介して、切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１の出力側の電圧が入力される。

投光制御信号発生回路１２は、各スイッチ１４〜１７の動作を制御するための投光制御信号を発生するものである。この投光制御信号発生回路１２により発生された投光制御信号はＮＯＴ回路１３、切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５に出力される。

ＮＯＴ回路１３は、入力された投光制御信号を論理否定（反転）するものである。すなわち、ＮＯＴ回路１３は、投光制御信号としてＬレベルの信号が入力された場合にはＨレベルの信号を出力し、Ｈレベルの信号が入力された場合にはＬレベルの信号を出力する。このＮＯＴ回路１３により反転された投光制御信号はオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７に出力される。

なお、投光制御信号発生回路１２及びＮＯＴ回路１３は、本発明の「投光素子を発光させる場合には切断用スイッチ及びバイパススイッチを接続状態にさせ、当該投光素子を消灯させる場合にはオフ用スイッチ及び安定用スイッチを接続状態にさせる制御回路」を構成する。

切断用スイッチ１４は、入力された投光制御信号に従い、オペアンプ１１の出力と、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースとの接続／解除を切替えるものである。この切断用スイッチ１４により、ＬＥＤ３を発光させない場合に、オペアンプ１１からの出力電圧がＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに印加されないようにする。

バイパススイッチ１５は、入力された投光制御信号に従い、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側と、オペアンプ１１の反転入力端子との接続／解除を切替えるものである。このバイパススイッチ１５により、切断用スイッチ１４が接続状態において、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側の電圧をオペアンプ１１にフィードバックさせる。

オフ用スイッチ１６は、ＮＯＴ回路１３を介して入力された投光制御信号に従い、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側を、オペアンプ１１の出力とは異なる電位へ接続／解除を切替えるものである。なお実施の形態１では、オフ用スイッチ１６は、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側と、ＧＮＤとの接続／解除を切替えるよう構成されている。このオフ用スイッチ１６により、切断用スイッチ１４が解除状態において、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側の電圧をＧＮＤ電位にさせる。

安定用スイッチ１７は、ＮＯＴ回路１３を介して入力された投光制御信号に従い、切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１の出力側と、オペアンプ１１の反転入力端子との接続／解除を切替えるものである。この安定用スイッチ１７により、切断用スイッチ１４が解除状態において、切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１の出力側の電圧をオペアンプ１１にフィードバックさせる。

次に、上記のように構成された投光素子駆動回路の動作について、図１〜４を参照しながら説明する。
投光素子駆動回路の動作では、ＬＥＤ３を発光させる場合には、図１，２（ａ）に示すように、投光制御信号発生回路１２は、投光制御信号としてＨレベルの信号を発生し、ＮＯＴ回路１３、切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５に出力する。そして、ＮＯＴ回路１３は、このＨレベルの投光制御信号を反転して、Ｌレベルの信号をオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７に出力する。

これにより、図２（ａ），３（ａ）に示すように、Ｈレベルの投光制御信号が入力された切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５では接続状態（ＯＮ）となり、Ｌレベルの投光制御信号が入力されたオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７では解除状態（ＯＦＦ）となる。

そして、切断用スイッチ１４が接続状態となることで、オペアンプ１１からの電圧がＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに印加される。この際、オペアンプ１１では、リファレンス電圧ＶＲＥＦに基づいて出力電圧を発生しているため、温度など外部環境に対して変化しない安定した電圧をＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに印加することができる。よって、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース電圧が一定になり、ＬＥＤ電流の電流値を一定にすることができる。

一方、切断用スイッチ１４を接続状態とすることで、図４に示すように、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース電流Ｉ_B,ONと、切断用スイッチ１４のオン抵抗Ｒ_ONとによって、切断用スイッチ１４の両端において電圧降下Ｒ_ON・Ｉ_B,ONが発生する。そこで、切断用スイッチ１４が接続状態の場合にバイパススイッチ１５を接続状態とすることで、オペアンプ１１へのフィードバック電圧を切断用スイッチ１４のオン抵抗Ｒ_ONによる誤差を含めた値とする。これにより、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース電流Ｉ_B,ONと切断用スイッチ１４のオン抵抗Ｒ_ONによる電圧降下の影響をなくすことができ、投光回路１の出力電圧の電圧精度を高めることができる。

次に、ＬＥＤ３を消灯させる場合には、図１，２（ｂ）に示すように、投光制御信号発生回路１２は、投光制御信号としてＬレベルの信号を発生し、ＮＯＴ回路１３、切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５に出力する。そして、ＮＯＴ回路１３は、このＬレベルの投光制御信号を反転して、Ｈレベルの信号をオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７に出力する。

これにより、図２（ｂ），３（ｂ）に示すように、Ｌレベルの投光制御信号が入力された切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５では解除状態（ＯＦＦ）となり、Ｈレベルの投光制御信号が入力されたオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７では接続状態（ＯＮ）となる。

そして、切断用スイッチ１４が解除状態となることで、オペアンプ１１からの電圧がＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに印加されなくなり、ＬＥＤ３を消灯させることができる。

一方、切断用スイッチ１４を解除してＬＥＤ駆動トランジスタ２への電圧印加を停止しても、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに発生する寄生容量によってターンオフ時間が長くなってしまい、ＬＥＤ３がなかなか消灯しない。そこで、ＬＥＤ３の消灯させる際にオフ用スイッチ１６を接続状態とすることで、切断用スイッチ１４より出力端子１８側の電圧をＧＮＤ電位にさせる。これにより、ＬＥＤ駆動トランジスタ２を強制的にオフさせることができ、ＬＥＤ３を消灯させる際に遷移時間を早めることができる。

また、ＬＥＤ３を消灯している際に、オペアンプ１１の出力をリファレンス電圧ＶＲＥＦから大きく変動させると、次にＬＥＤ３を発光させる際に遷移時間が長くなってしまう。そこで、ＬＥＤ３を消灯させている間に安定用スイッチ１７を接続状態とすることで、切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１の出力側の電圧をオペアンプ１１にフィードバックさせる。これにより、ＬＥＤ３の消灯時にも切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１出力側の電圧をリファレンス電圧付近に固定させることができ、ＬＥＤ３を発光させる際に、切断用スイッチ１４のオン抵抗による誤差分の電位差の変動だけで印加状態に遷移させることができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、一定のリファレンス電圧及びフィードバック電圧に基づいて、フィードバック電圧がリファレンス電圧に近づくよう調整した電圧を発生するオペアンプ１１と、入力された電圧に応じたＬＥＤ電流を発生するＬＥＤ駆動トランジスタ２と、オペアンプ１１の出力と、ＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースとの接続／解除を切替える切断用スイッチ１４と、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側と、オペアンプ１１の反転入力端子側との接続／解除を切替えるバイパススイッチ１５と、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側と、ＧＮＤとの接続／解除を切替えるオフ用スイッチ１６と、切断用スイッチ１４よりオペアンプ１１の出力側と、当該オペアンプ１１の反転入力端子側との接続／解除を切替える安定用スイッチ１７と、ＬＥＤ３を発光させる場合には切断用スイッチ１４及びバイパススイッチ１５を接続状態にさせ、当該ＬＥＤ３を消灯させる場合にはオフ用スイッチ１６及び安定用スイッチ１７を接続状態にさせる投光素子発生回路１２・ＮＯＴ回路１３とを備えたので、温度などの外部変動によってＬＥＤ駆動トランジスタ２のベースに印加される電圧が影響を受けることがなく、安定したＬＥＤ電流を出力することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１ではＬＥＤ駆動トランジスタ２としてＮＰＮトランジスタを用いた場合について示した。それに対して、実施の形態２では、ＬＥＤ駆動トランジスタ２ｂとしてＰＮＰトランジスタを用い、回路構成をＧＮＤ基準から電源Ｖｃｃ基準に変更した場合について示す。
図５はこの発明の実施の形態２に係る投光素子駆動回路の構成を示す図である。図５に示す実施の形態２における投光回路１は、図１に示す実施の形態１における投光回路１のオフ用スイッチ１６をオフ用スイッチ１６ｂに変更したものである。

オフ用スイッチ１６ｂは、ＮＯＴ回路１３を介して入力された投光制御信号に従い、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側を、オペアンプ１１の出力とは異なる電位へ接続／解除を切替えるものである。なお実施の形態２では、オフ用スイッチ１６ｂは、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側と、電源Ｖｃｃとの接続／解除を切替えるよう構成されている。このオフ用スイッチ１６ｂにより、切断用スイッチ１４が解除状態において、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側の電圧をＶｃｃ電位にさせる。
また、オペアンプ１１の非反転入力端子に入力されるリファレンス電圧もＶｃｃ基準で発生させる。
その他の構成・動作は実施の形態１における構成・動作と同様であり、その説明を省略する。

以上のように、この実施の形態２によれば、ＮＰＮトランジスタに代えてＰＮＰトランジスタを用いるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお実施の形態１，２では、ＬＥＤ駆動トランジスタ２，２ｂとしてバイポーラトランジスタを用いた場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、ＬＥＤ駆動トランジスタ２としてＭＯＳトランジスタなどの電界型トランジスタを用いるようにしてもよい。

また、実施の形態１，２の構成の違いは、オフ用スイッチ１６，１６ｂの接続形態とリファレンス電圧の印加方法だけである。そのため、ＮＰＮ，ＰＮＰの両駆動モードを搭載し、どちらかの駆動モードを用いるかを選択可能に構成することもできる。
この場合には、ＬＥＤ駆動トランジスタ２として、ＮＰＮトランジスタ又はＰＮＰトランジスタ、もしくはその両方を備え、オフ用スイッチ１６として、切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側とＧＮＤとの接続／解除を切替えるスイッチ、及び切断用スイッチ１４よりＬＥＤ駆動トランジスタ２のベース側と電源Ｖｃｃとの接続／解除を切替えるスイッチを備える。また、リファレンス電圧として、ＧＮＤ基準の電圧と電源Ｖｃｃ基準の電圧を切替え可能に構成する。そして、ＮＰＮトランジスタ又はＰＮＰトランジスタのうち一方を選択する選択部と、選択部による選択に応じて、使用するリファレンス電圧及びオフ用スイッチ１６を切替える切替え制御部とを備える。なお、リファレンス電圧は、Ｖｃｃ−ＧＮＤ間の抵抗分圧でＮＰＮトランジスタ／ＰＮＰトランジスタの選択に応じて分圧点を切替えることで容易に実現可能である。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１投光回路
２，２ｂＬＥＤ駆動トランジスタ（電圧電流変換回路）
３ＬＥＤ（投光素子）
４ＬＥＤ電流制限抵抗
１１オペアンプ（電圧発生回路）
１２投光制御信号発生回路（制御回路）
１３ＮＯＴ回路（制御回路）
１４切断用スイッチ
１５バイパススイッチ
１６，１６ｂオフ用スイッチ
１７安定用スイッチ
１８出力端子

Claims

投光素子を駆動させる電流を出力する投光素子駆動回路において、
一定の基準電圧及びフィードバック電圧に基づいて、当該フィードバック電圧が当該基準電圧に近づくよう調整した電圧を発生する電圧発生回路と、
入力された電圧に応じた前記電流を発生する電圧電流変換回路と、
前記電圧発生回路の出力と、前記電圧電流変換回路の入力との接続／解除を切替える切断用スイッチと、
前記切断用スイッチより前記電圧電流変換回路の入力側と、前記電圧発生回路のフィードバック電圧の入力との接続／解除を切替えるバイパススイッチと、
前記切断用スイッチより前記電圧電流変換回路の入力側を、前記電圧発生回路の出力とは異なる電位へ接続／解除を切替えるオフ用スイッチと、
前記切断用スイッチより前記電圧発生回路の出力側と、当該電圧発生回路のフィードバック電圧の入力との接続／解除を切替える安定用スイッチと、
前記投光素子を発光させる場合には前記切断用スイッチ及び前記バイパススイッチを接続状態にさせ、当該投光素子を消灯させる場合には前記オフ用スイッチ及び前記安定用スイッチを接続状態にさせる制御回路と
を備えたことを特徴とする投光素子駆動回路。
前記電圧電流変換回路として、ＮＰＮトランジスタ又はＰＮＰトランジスタのどちらか、もしくは両方を備え、
前記電圧発生回路に入力される前記基準電圧は、ＧＮＤを基準にして発生された電圧又は所定の電源を基準にして発生された電圧であり、
前記オフ用スイッチとして、前記切断用スイッチより前記電圧電流変換回路の入力側と、前記ＧＮＤとの接続／解除を切替えるスイッチ、及び前記切断用スイッチより前記電圧電流変換回路の入力側と、前記電源との接続／解除を切替えるスイッチを備え、
前記ＮＰＮトランジスタ又は前記ＰＮＰトランジスタのうちどちらか一方を選択する選択部と、
前記選択部による選択に応じて、使用する前記基準電圧及び前記オフ用スイッチを切替える切替え制御部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の投光素子駆動回路。
前記電圧電流変換回路はＮＰＮトランジスタであり、
前記電圧発生回路に入力される前記基準電圧は、ＧＮＤを基準にして発生された電圧であり、
前記オフ用スイッチは、前記切断用スイッチより前記電圧電流変換回路の入力側と、前記ＧＮＤとの接続／解除を切替える
ことを特徴とする請求項１記載の投光素子駆動回路。
前記電圧電流変換回路はＰＮＰトランジスタであり、
前記電圧発生回路に入力される前記基準電圧は、所定の電源を基準にして発生された電圧であり、
前記オフ用スイッチは、前記切断用スイッチより前記電圧電流変換回路の入力側と、前記電源との接続／解除を切替える
ことを特徴とする請求項１記載の投光素子駆動回路。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の投光素子駆動回路と、
前記投光素子駆動回路から出力された前記電流に応じて発光を行う投光素子と
を備えたことを特徴とする光電センサ。