JP2019012888A

JP2019012888A - 光電スイッチ

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Publication number: JP2019012888A
Application number: JP2017127375A
Authority: JP
Inventors: 浩畑中; Hiroshi Hatanaka; 田中　実; Minoru Tanaka; 実田中; 知広高宮; Tomohiro Takamiya
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-24
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JP6884050B2; CN109217866B; CN109217866A

Abstract

【課題】直流外乱光による影響を抑制する。【解決手段】ＯＰアンプＵ１を有するＩＶ回路１と、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端が当該ＯＰアンプＵ１の出力端子に接続された抵抗Ｒ１と、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端が定電圧源Ｖｃｃに接続された抵抗Ｒ２と、基準電圧を生成してＯＰアンプＵ１の非反転入力端子に出力する基準電圧生成回路２と、ＯＰアンプＵ１の出力端子から出力された電圧をモニタする出力電圧モニタ回路３と、出力電圧モニタ回路３によるモニタ結果に基づいて、基準電圧生成回路２を制御する制御ロジック回路４とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、直流外乱光による影響を抑制する光電スイッチに関する。

従来から、光電センサが有する受光回路では、フォトダイオードＰＤで発生した電流をＩＶ回路で電圧に変換している（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−２３２２８３号公報

一方、光電スイッチの動作環境として、太陽光等の直流外乱光（ＤＣ外乱光）が入射される場合がある。そのため、光電スイッチでは、投光信号をパルス変調し、受光回路で復調を行うことで、直流外乱光の影響を受け難くしている。しかしながら、ＩＶ回路では直流増幅を行うため、直流外乱光が入射されると、ＩＶ回路の出力電圧範囲がその分だけ減少する。よって、光電スイッチでは、直流外乱光の分を考慮したダイナミックレンジの設定とする必要があり、感度を下げることになるという課題がある。

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、直流外乱光による影響を抑制できる光電スイッチを提供することを目的としている。

この発明に係る光電スイッチは、ＯＰアンプを有する電流電圧変換回路と、一端がＯＰアンプの反転入力端子に接続され、他端が定電圧源に接続された抵抗と、基準電圧を生成してＯＰアンプの非反転入力端子に出力する基準電圧生成回路と、ＯＰアンプの出力端子から出力された電圧をモニタする出力電圧モニタ回路と、出力電圧モニタ回路によるモニタ結果に基づいて、基準電圧生成回路を制御する制御ロジック回路とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、直流外乱光による影響を抑制できる。

この発明の実施の形態１に係る光電スイッチが有する受光回路の構成例を示す図である。従来の光電スイッチの動作例を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光電スイッチの動作例を示す図である。

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に係る光電スイッチが有する受光回路の構成例を示す図である。
受光回路は、図１に示すように、フォトダイオードＰＤ、ＯＰアンプＵ１、抵抗（第２の抵抗）Ｒ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２、定電圧源Ｖｃｃ、基準電圧生成回路２、出力電圧モニタ回路３及び制御ロジック回路４を備えている。なお図１において、ＯＰアンプＵ１、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１はＩＶ回路１を構成する。

フォトダイオードＰＤは、入射された光に応じた電流Ｉｐｄを発生する。このフォトダイオードＰＤは、カソードがＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、アノードが接地されている。

抵抗Ｒ１は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。
コンデンサＣ１は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。

抵抗Ｒ２は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端が定電圧源Ｖｃｃに接続されている。
基準電圧生成回路２は、基準電圧ＶＲを生成する。この基準電圧生成回路２により生成された基準電圧ＶＲは、ＯＰアンプＵ１の非反転入力端子に出力される。
出力電圧モニタ回路３は、ＯＰアンプＵ１の出力端子から出力された電圧ＩＶｏｕｔをモニタする。

制御ロジック回路４は、出力電圧モニタ回路３によるモニタ結果に基づいて、基準電圧生成回路２を制御する。この際、制御ロジック回路４は、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた電圧ＩＶｏｕｔが第１の閾値レベル以上となった場合には、クロック信号ＣＫの入力周期で、基準電圧ＶＲを順次下げるように基準電圧生成回路２を制御する。また、制御ロジック回路４は、基準電圧ＶＲを順次下げるように基準電圧生成回路２を制御している場合において、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた電圧ＩＶｏｕｔが第３の閾値レベル以下となった場合には、当該制御を停止する。なお、第３の閾値レベルは、第１の閾値レベルより低い値である。また、制御ロジック回路４は、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた電圧ＩＶｏｕｔが第２の閾値レベル以下となった場合には、クロック信号ＣＫの入力周期で、基準電圧ＶＲを順次上げるように基準電圧生成回路２を制御する。なお、第２の閾値レベルは、第３の閾値レベルより低い値である。また、制御ロジック回路４は、基準電圧ＶＲを順次上げるように基準電圧生成回路２を制御している場合において、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた電圧ＩＶｏｕｔが第４の閾値レベル以上となった場合には、当該制御を停止する。なお、第４の閾値レベルは、第３の閾値レベルより高く且つ第１の閾値レベルより低い値である。なお、制御ロジック回路４は、システムＬＳＩ等の処理回路や、メモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。

次に、実施の形態１に係る光電スイッチの動作例について説明する。
まず、従来の光電スイッチの動作例について、図２を参照しながら説明する。
従来の光電スイッチでは、通常時には、投光回路がパルス状の光（図２における符号２０１）を検出領域に投光し、受光回路が検出領域からの光を受光してＯＰアンプＵ１及び抵抗Ｒ１等によりＩＶ変換した結果を出力電圧ＩＶｏｕｔとして出力する（図２における符号２０２）。その後、受光回路では、信号のレベルを増幅するとともに、不要なノイズを除去するためのフィルタ処理を行い、弁別回路で入射された光が既定のレベルに達しているか否かを判定する。

ここで、光電スイッチに直流外乱光が入射されると、出力電圧ＩＶｏｕｔの直流電圧レベルが上昇する（図２における符号２０３）。
また、更に強い直流外乱光が入射されると、ＯＰアンプＵ１の出力電圧範囲を超えるようになり、出力電圧ＩＶｏｕｔの振幅が低下する（図２における符号２０４）。なお、ＯＰアンプＵ１の後段にはノイズ除去のためのＨＰＦ（ハイパスフィルタ）が設けられているため、ＯＰアンプＵ１の出力が飽和状態の場合には信号が無いのと同じ状態となる。

これに対し、実施の形態１に係る受光回路では、出力電圧モニタ回路３が、出力電圧ＩＶｏｕｔをモニタしている。そして、制御ロジック回路４は、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた出力電圧ＩＶｏｕｔが第１の閾値レベル以上となった場合には、クロック信号ＣＫの入力周期で、基準電圧生成回路２に対して基準電圧ＶＲの値を下げる旨の信号を順次出力する。これにより、基準電圧生成回路２は基準電圧ＶＲを順次下げていく。その結果、定電圧源ＶｃｃとＯＰアンプＵ１の反転入力端子との間に配置された抵抗Ｒ２に流れる電流がキャンセル電流となる。
なお図３において、符号３０１はクロック信号ＣＫを示し、符号３０２は基準電圧ＶＲを示し、符号３０３は出力電圧ＩＶｏｕｔを示し、符号３０４はフォトダイオードＰＤからの出力電流Ｉｐｄを示している。

なお、抵抗Ｒ２の抵抗値は、下式（１）に従い、光電スイッチに直流外乱光が入射されていないときの基準電圧をＶＲ０とし、その際の出力電圧ＩＶｏｕｔ０が例えば１．０［Ｖ］となるような値に設定される。なお、抵抗Ｒ１は、必要なＩＶ変換ゲインから設定される。
（ＶＲ０−ＩＶｏｕｔ０）／Ｒ１＝（Ｖｃｃ−ＶＲ０）／Ｒ２（１）

例えば、定電圧源Ｖｃｃ＝５．０［Ｖ］、抵抗Ｒ１＝６０［ｋΩ］、基準電圧ＶＲ０＝４．０［Ｖ］とした場合、抵抗Ｒ２＝２０［ｋΩ］となる。

また、ＯＰアンプＵ１の出力電圧範囲を、３．５［Ｖ］（＝Ｖｃｃ−１．５［Ｖ］）を上限とした場合、ダイナミックレンジは（３．５−ＩＶｏｕｔ０）／Ｒ１＝（３．５−１．０）／６０×１０^３≒４１．７［ｕＡ］となる。

よって、光電スイッチに例えば５０［ｕＡ］の電流Ｉｐｄとなるような直流外乱光が入射されると、ＯＰアンプＵ１は飽和するため、信号光が入射されても反応できない。
そこで、制御ロジック回路４では、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた出力電圧ＩＶｏｕｔが第１の閾値レベル（例えば３．０［Ｖ］）以上となった場合に、基準電圧生成回路２に基準電圧ＶＲを順次下げる動作を取らせる。

ここで、基準電圧ＶＲ、出力電圧ＩＶｏｕｔ及び出力電流Ｉｐｄの関係式は、下式（２）となる。
Ｉｐｄ＝｛（ＶＲ−ＩＶｏｕｔ）／Ｒ１｝−｛（Ｖｃｃ−ＶＲ）／Ｒ２｝（２）

例えば基準電圧ＶＲ＝４．０［Ｖ］とした場合には、出力電圧ＩＶｏｕｔ＝３．５［Ｖ］（飽和）となる。また、基準電圧ＶＲ＝３．８［Ｖ］に下げると、出力電圧ＩＶｏｕｔ＝３．２［Ｖ］となる。また、基準電圧ＶＲ＝３．６［Ｖ］に下げると、出力電圧ＩＶｏｕｔ＝２．４［Ｖ］となる。また、基準電圧ＶＲ＝３．４［Ｖ］に下げると、出力電圧ＩＶｏｕｔ＝１．６［Ｖ］となる。また、基準電圧ＶＲ＝３．２［Ｖ］に下げると、出力電圧ＩＶｏｕｔ＝０．８［Ｖ］（出力Ｌレベルで制限）となる。

よって、５０［ｕＡ］の電流Ｉｐｄとなる直流外乱光が入射された場合でも、基準電圧ＶＲ＝３．４［Ｖ］とすることで、ダイナミックレンジが（３．５−ＩＶｏｕｔ）／Ｒ１＝（３．５−１．６）／６０×１０^３≒３１．７［ｕＡ］となり、このレベルまでの信号光の入射であれば正しく増幅できることになる。

また、制御ロジック回路４では、出力電圧ＩＶｏｕｔが第３の閾値レベル以下となった場合には、基準電圧ＶＲをそれ以上下げないように基準電圧生成回路２を制御する。例えば図３では、制御ロジック回路４が、基準電圧ＶＲを４．０［Ｖ］から３．０［Ｖ］まで５段階の切替えを行う場合を示しており、クロック信号ＣＫが５回入力されている。一方、制御ロジック回路４では、例えば出力電圧ＩＶｏｕｔが２．０［Ｖ］以下となった場合には、基準電圧ＶＲをそれ以上下げないように基準電圧生成回路２を制御している。そのため、基準電圧ＶＲは４．０［Ｖ］から３．４［Ｖ］まで下がった後、一定とされている。
これにより、ＯＰアンプＵ１から出力される出力電圧ＩＶｏｕｔは１．６［Ｖ］となるため、例えば１０［ｕＡ］の電流Ｉｐｄとなる信号光が入射された場合に出力電圧ＩＶｏｕｔは正しくＩＶ変換される。なお、従来構成では、ｔ＝０の状態であり、出力電圧ＩＶｏｕｔは飽和しているため信号が入っても反応しない。

なお、制御ロジック回路４で用いられるクロック信号ＣＫの入力周期は、ＩＶ回路１の応答速度に応じて設定される。ＩＶ回路１の応答速度は、抵抗Ｒ１の抵抗値及びコンデンサＣ１の容量に基づく時定数により決まる。

また図１において、直流外乱光をキャンセルためのキャンセル電流を生成する方法として、抵抗Ｒ２ではなく可変電流源を用いる方法もある。しかしながら、可変電流源はノイズ源となるため、キャンセル電流を流すとノイズが増えるという課題がある。一方、図１に示す構成では、基準電圧ＶＲの値を変えるだけでよいため、この動作によりノイズレベルは変わらないという効果がある。

また上記では、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた出力電圧ＩＶｏｕｔが第１の閾値レベル以上となった場合に、制御ロジック回路４が、クロック信号ＣＫの入力周期で、基準電圧ＶＲを順次下げるように基準電圧生成回路２を制御する場合を示した。一方、出力電圧モニタ回路３によりモニタされた出力電圧ＩＶｏｕｔが第２の閾値レベル以下となった場合に、制御ロジック回路４が、クロック信号ＣＫの入力周期で、基準電圧ＶＲを順次上げるように基準電圧生成回路２を制御する場合についても同様の動作となり、その説明を省略する。

以上のように、この実施の形態１によれば、ＯＰアンプＵ１を有するＩＶ回路１と、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端が当該ＯＰアンプＵ１の出力端子に接続された抵抗Ｒ１と、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端が定電圧源Ｖｃｃに接続された抵抗Ｒ２と、基準電圧ＶＲを生成してＯＰアンプＵ１の非反転入力端子に出力する基準電圧生成回路２と、ＯＰアンプＵ１の出力端子から出力された電圧ＩＶｏｕｔをモニタする出力電圧モニタ回路３と、出力電圧モニタ回路３によるモニタ結果に基づいて、基準電圧生成回路２を制御する制御ロジック回路４とを備えたので、直流外乱光による影響を抑制できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ＩＶ回路
２基準電圧生成回路
３出力電圧モニタ回路
４制御ロジック回路

Claims

ＯＰアンプを有する電流電圧変換回路と、
一端が前記ＯＰアンプの反転入力端子に接続され、他端が定電圧源に接続された抵抗と、
基準電圧を生成して前記ＯＰアンプの非反転入力端子に出力する基準電圧生成回路と、
前記ＯＰアンプの出力端子から出力された電圧をモニタする出力電圧モニタ回路と、
前記出力電圧モニタ回路によるモニタ結果に基づいて、前記基準電圧生成回路を制御する制御ロジック回路と
を備えた光電スイッチ。
前記制御ロジック回路は、前記出力電圧モニタ回路によりモニタされた電圧が第１の閾値レベル以上となった場合に、クロック信号の入力周期で、基準電圧を順次下げるように前記基準電圧生成回路を制御し、当該電圧が前記第１の閾値レベルより低い第２の閾値レベル以下となった場合に、クロック信号の入力周期で、基準電圧を順次上げるように前記基準電圧生成回路を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の光電スイッチ。
前記電流電圧変換回路は、
一端が前記ＯＰアンプの反転入力端子に接続され、他端が当該ＯＰアンプの出力端子に接続された第２の抵抗と、
一端が前記ＯＰアンプの反転入力端子に接続され、他端が当該ＯＰアンプの出力端子に接続されたコンデンサとを有し、
前記クロック信号の入力周期は、前記第２の抵抗の抵抗値及び前記コンデンサの容量に基づく時定数に応じて設定される
ことを特徴とする請求項２記載の光電スイッチ。