JP2807323B2 - 光結合検出装置 - Google Patents

光結合検出装置

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、光結合の有無に応じて物体検出を行うため
の光結合検出装置に係り、特に発光素子および受光素子
に半導体素子を利用した光結合検出装置に関する。
(従来の技術) 従来の光結合検出装置としては、例えば第4図に示す
ような2端子型検出装置が知られている。この2端子型
検出装置は、全体が一体的に形成されており、外部端子
として電源端子1と出力端子2との2端子を有する。こ
の2端子型検出装置において、発光素子3および受光素
子4は、所定の位置における検出対象となる物体(図示
せず)の存否に応じて光結合の有無が定められるように
配設されている。上記発光素子3は、前記電源端子1と
出力端子2との間に抵抗R1と直列に接続されている。上
記受光素子4の光電変換出力信号(例えばフォトダイオ
ードの電流出力)は、電源端子1から動作電源が供給さ
れる増幅回路5に入力され、この増幅回路5の出力によ
りスイッチング制御されるスイッチ素子(例えばNPNト
ランジスタ)6は前記抵抗R1に並列に接続されている。
この場合、スイッチ用トランジスタ6のコレクタは発光
素子3のカソードに接続されており、この発光素子3の
アノードは電源端子1に接続されている。なお、上記受
光素子4、増幅回路5、スイッチ素子6および抵抗R1
受光部7を形成している。
次に、上記2端子型検出装置の使用方法と動作につい
て説明する。出力端子2と外部の接地電位GNDの間に負
荷抵抗(外部抵抗)RLを接続し、電源端子1に電源電圧
Vccを印加する。これにより、受光素子3は駆動電流が
供給されて受光し、受光素子4は発光素子3との光結合
の有無に応じて定まる信号を出力し、この出力信号は増
幅回路5で増幅され、スイッチ用トランジスタ6は発光
素子3と受光素子4との光結合の有無に応じて増幅回路
5の出力によりオン/オフされる。
即ち、発光素子3と受光素子4との間に物体がない場
合(受光素子は入光状態)には、スイッチ用トランジス
タ6はベース電流が十分に供給されてオンし、そのコレ
クタ・エミッタ間は飽和状態に入る。このコレクタ・エ
ミッタ間飽和電圧をVCE(sat)、発光素子3の順方向
電圧をVFで表わすと、出力端子2の出力電圧Voは、 Vo=Vcc−VF−VCE(sat) ……(1) となる。
上記とは逆に、発光素子3と受光素子4との間に物体
がある場合(受光素子4は遮光状態)には、スイッチ用
トランジスタ6がオフになる。従って、発光素子3を流
れる電流IFは抵抗R1から外部の負荷抵抗RLへと流れる
ので、出力電圧Voは、 Vo=(Vcc−VF)/(1+R1/RL) ……(2) となる。ここで、R1>RLとなるよう定数を選ぶと(1)
式>(2)式となり、発光素子・受光素子間の物体の有
無により、出力電圧Voが変化することになり、この出力
電圧Voの変化により物体の有無を検出することができ
る。
しかし、上記したような従来の2端子型検出装置は、
以下に述べるような理由により電源電圧Vccの使用範囲
が限られていた。即ち、発光素子3と受光素子4との間
に物体がある場合に、出力電圧Voは(2)式で与えられ
るが、この時、発光素子3を流れる電流IFは、 IF=(Vcc−VF)/(R1+RL) ……(3) で与えられ、電源電圧Vccの使用範囲が広い場合、発光
素子3の順方向電圧VFはほぼ一定であるが、発光素子
3を流れる電流IFが大きく変化することが分かる。数
値例をあげると、 VF=2V、R1=1kΩ、RL=300Ωとすると、(3)式よ
り、 Vcc=5Vの時、IF=2.31mA Vcc=24Vの時、IF=16.9mA となり、電源電圧Vccが約5倍変化した場合に、発光素
子電流IFが約7倍も変化してしまう。
従って、使用電源電圧によっては発光素子電流IFが
大きくなるので、発光素子3に負荷がかかり過ぎ、その
特性の劣化を起こしたり、逆に、発光素子電流IFが小
さくなる場合には、発光素子・受光素子間の光結合が弱
くなって物体検出の正常動作が難しくなる等の問題があ
った。
(発明が解決しようとする課題) 上記したように従来の光結合検出装置は、電源電圧使
用範囲が広い場合に発光素子電流が大きく変化し、発光
素子電流が大きくなる場合には発光素子に負荷がかかり
過ぎてその特性の劣化を起こし、発光素子電流が小さく
なる場合には発光素子・受光素子間の光結合が弱くなっ
て物体検出の正常動作が難しくなる等の問題があるの
で、電源電圧の使用範囲が限られていた。
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、
その目的は、発光素子に適度で一定の順方向電流を流す
ことが可能になり、電源電圧の大小にかかわらず動作が
可能になり、電源電圧の使用範囲を拡大し得る光結合検
出装置を提供することにある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、電源電圧が供給される電源端子と、出力信
号を出力する出力端子と、一端が上記電源端子に接続さ
れた発光素子と、一端が上記出力端子に接続され、上記
発光素子との光結合の有無に応じて物体を検出するため
の受光素子と、上記発光素子の他端と上記出力端子との
間に接続され、上記発光素子との光結合の有無に応じた
受光素子の光電変換出力信号に基づいてスイッチング制
御されるスイッチ素子と、上記発光素子の他端と上記出
力端子との間で上記スイッチ素子に対して並列に接続さ
れた定電流回路とを具備し、上記定電流回路は、エミッ
タが上記電源端子に接続され、ベース・コレクタ相互が
接続された第1極性の第1のトランジスタと、エミッタ
が上記電源端子に接続され、ベースが上記第1のトラン
ジスタのベースに共通接続された第1極性の第2のトラ
ンジスタと、一端が上記第1のトランジスタのコレクタ
に接続され、他端が上記発光素子の他端に接続された抵
抗と、エミッタが上記出力端子に接続され、ベース・コ
レクタ相互が接続され、コレクタが上記第2のトランジ
スタのコレクタに共通接続された第2極性の第3のトラ
ンジスタと、エミッタが上記出力端子に接続され、ベー
スが上記第3のトランジスタのベースに共通接続され、
コレクタが上記発光素子の他端に接続された第2極性の
第4のトランジスタとを有して構成されていることを特
徴とする。
(作 用) 発光素子に適度で一定の順方向電流を流すことが可能
になり、電源電圧の大小に拘らずに正常な動作が可能に
なり、電源電圧の使用範囲を拡大することが可能にな
る。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
第1図は、本発明の光結合検出装置の第1実施例に係
る2端子型検出装置10を示しており、第4図を参照して
前述した従来の2端子型検出装置と比べて、抵抗R1に代
えて定電流回路20が接続されている点が異なり、その他
の回路構成とか、全体が一体的に形成された外部端子と
して電源端子1と出力端子2との2端子を有する点は同
じであるので、第4図中と同一部分には同一符号を付し
てその説明を省略する。
上記2端子型検出装置10の使用方法は従来例と同様で
あり、その動作も従来例とほぼ同様であるが、定電流回
路20を接続したことにより、電源電圧Vccの大きさに依
存せず(但し、Vcc≧VF+VCE(sat)とする。)、発
光素子3に適度で一定の電流IFを流すことが可能にな
り、電源電圧Vccの大小に拘らずに正常な動作が可能に
なる。
第2図は、第1図中の電源端子1、出力端子2、発光
素子3、スイッチ用トランジスタ6と共に定電流回路20
の一具体例を示している。定電流回路20は、エミッタが
電源端子1に接続され、ベース・コレクタ相互が接続さ
れたPNPトランジスタQ1と、エミッタおよびベースが上
記トランジスタQ1と共通接続されたPNPトランジスタQ2
と、上記トランジスタQ1のコレクタと前記発光素子3の
カソードとの間に接続された抵抗R2と、上記トランジス
タQ2とコレクタ同士が接続され、コレクタ・ベース相互
が接続され、エミッタが出力端子2に接続されたNPNト
ランジスタQ3と、ベースおよびエミッタが上記トランジ
スタQ3と接続され、コレクタが前記発光素子3のカソー
ドに接続されたNPNトランジスタQ4とからなる。
ここで、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧を
VBEで表わすと、トランジスタQ1を流れる電流I1は、 I1=(VF−VRE)/R2 ……(4) で与えられる。この電流I1が基準電流であり、この電流
I1は発光素子3の順方向電圧VFにより決定される。一
方、トランジスタQ1とQ2、トランジスタQ3とQ4はそれぞ
れカレントミラー回路を形成しており、トランジスタQ1
とQ2のエミッタ面積比を1:m、トランジスタQ3とQ4のエ
ミッタ面積比を1:nとし、それぞれのトランジスタの電
流増幅率hFEがエミッタ面積比m、nに比べて十分大き
いとすると、トランジスタQ4を流れる電流I4は、 I4=m×n×I1 =m・n・(VF−VBE)/R2 ……(5) であり、これにより発光素子3に一定の電流I4を流すこ
とができる。
上記した定電流回路20のように、定電流回路20の基準
電流I1を決定させるための基準電圧源に発光素子3の順
方向電圧VFを用いることにより、回路の簡素化、消費
電流の低減化が可能になる。
第3図は、本発明の途中で考えられた4端子型検出装
置30を示しており、第1図を参照して前述した2端子型
検出装置10と比べて、電源端子1と出力端子2との間の
発光素子3に代えて少なくとも1個以上のダイオードD
が接続され、発光素子3の両端側にそれぞれ接続された
一対の駆動電流印加端子8、9を有し、外部端子とし
て、電源端子1と出力端子2と上記一対の駆動電流印加
端子8、9との4端子を有する点が異なり、その他は同
じであるので、第1図中と同一部分には同一符号を付し
てその説明を省略する。
この4端子型検出装置30の使用方法および動作は、基
本的には、前述した2端子型検出装置10と同様である
が、発光素子3を独立に駆動することができ、出力電圧
Voの取り得る最大値は、ダイオードD部の順方向電圧を
VF′で表わすと、 Vo=Vcc−VF′−VCE(sat) ……(6) である。即ち、前述した2端子型検出装置10の出力電圧
Voは発光素子3の順方向電圧VFにより一義的に決定さ
れるのに対して、上記4端子型検出装置30では、接続す
るダイオードDの個数により順方向電圧VF′を変更し
て出力電圧Voの取り得る最大値を変更することができ
る。但し、VF′−VCE(sat)の電圧で増幅回路5が動
作することが前提である。
このことを数値例をあげて説明すると、前述した2端
子型検出装置10では、発光素子3の順方向電圧VFを2
V、コレクタ・エミッタ間飽和電圧VCE(sat)を仮に0V
とした場合、電源電圧Vcc=5Vの時、出力電圧Voの最大
値は3Vと一義的に決まるのに対して、出力4端子型検出
装置30では、1個のダイオードDの順方向電圧を0.7V
(シリコン・ダイオードの場合)とすると、ダイオード
Dを1つ接続した場合には出力電圧Voの最大値は4.3Vで
あり、ダイオードDを2つ接続した場合には出力電圧Vo
の最大値は3.6Vとなる。
なお、第3図中の定電流回路20の一具体例としては、
第2図に示した定電流回路20中の発光素子3に代えて、
ダイオードDを例えば2個直列に接続すればよい。
また、上記実施例のトランジスタの極性(NPN、PNP)
を逆にすると共に電源極性を逆にするように変更した
り、あるいは、バイポーラトランジスタに代えて電界効
果トランジスタを使用して構成してもよい。
さらに、上記実施例の光結合検出装置10、30の使用方
法として、外部抵抗RLを電源端子1側に接続すると共に
出力端子2を接地するように変更して、出力電圧Voの論
理レベルを反転させることが可能である。
[発明の効果] 上述したように本発明の光結合検出装置によれば、発
光素子に適度で一定の順方向電流を流すことが可能にな
り、電源電圧の大小に拘らずに正常な動作が可能にな
り、電源電圧の使用範囲を拡大することができる。
即ち、2端子型検出装置では、スイッチ素子に並列に
定電流回路を接続することにより、電源電圧の使用範囲
が広い場合にも発光素子に一定の電流を流すことができ
るので、従来の2端子型検出装置のような発光素子電流
の過不足による動作不具合を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る2端子型光結合検出装
置の一例を示す回路図、第2図は第1図中の定電流回路
の一具体例を示す回路図、第3図は本発明の途中で考え
られた4端子型光結合検出装置の一例を示す回路図、第
4図は従来の2端子型の光結合検出装置を示す回路図で
ある。 1……電源端子、2……出力端子、3……発光素子、4
……受光素子、5……増幅回路、6……スイッチ用トラ
ンジスタ、8、9……駆動電流印加端子、10……2端子
型検出装置、20……定電流回路、30……4端子型検出装
置、D……ダイオード。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電源電圧が供給される電源端子と、 出力信号を出力する出力端子と、 一端が上記電源端子に接続された発光素子と、 一端が上記出力端子に接続され、上記発光素子との光結
    合の有無に応じて物体を検出するための受光素子と、 上記発光素子の他端と上記出力端子との間に接続され、
    上記発光素子との光結合の有無に応じた受光素子の光電
    変換出力信号に基づいてスイッチング制御されるスイッ
    チ素子と、 上記発光素子の他端と上記出力端子との間で上記スイッ
    チ素子に対して並列に接続された定電流回路とを具備
    し、 上記定電流回路は、 エミッタが上記電源端子に接続され、ベース・コレクタ
    相互が接続された第1極性の第1のトランジスタと、 エミッタが上記電源端子に接続され、ベースが上記第1
    のトランジスタのベースに共通接続された第1極性の第
    2のトランジスタと、 一端が上記第1のトランジスタのコレクタに接続され、
    他端が上記発光素子の他端に接続された抵抗と、 エミッタが上記出力端子に接続され、ベース・コレクタ
    相互が接続され、コレクタが上記第2のトランジスタの
    コレクタに共通接続された第2極性の第3のトランジス
    タと、 エミッタが上記出力端子に接続され、ベースが上記第3
    のトランジスタのベースに共通接続され、コレクタが上
    記発光素子の他端に接続された第2極性の第4のトラン
    ジスタとを有して構成されていることを特徴とする光結
    合検出装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の光結合検出装置は、全体が
    一体的に形成されており、外部端子として前記電源端子
    と出力端子との2端子を有することを特徴とする光結合
    検出装置。
  3. 【請求項3】請求項2記載の光結合検出装置において、
    前記出力端子と接地電位との間に接続された負荷抵抗を
    さらに具備することを特徴とする光結合検出装置。
  4. 【請求項4】請求項1記載の光結合検出装置において、
    前記発光素子との光結合の有無に応じた前記受光素子の
    光電変換出力信号を増幅して前記スイッチ素子に供給す
    る増幅回路をさらに具備することを特徴とする光結合検
    出装置。
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