JP3756533B2 - ２線式光電スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、モジュールの入出力が信号線とグランド線の２つで構成され、信号線を通してモジュールの電力供給と信号出力とを行い、従来よりも端子数が少なくて済む２線式光電スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｓｉ集積化光センサは、Ｓｉ基板内に集積化ホトダイオードとバイポーラ集積回路を同時に同一チップに搭載したデバイスで、次のような特徴があり、これらの特徴が種々の光センサに応用され、今日の発展の基礎となっている。
【０００３】
・ホトダイオードとバイポーラ素子間の接続が内部配線でできる。
【０００４】
・同時に形成された寄生素子のパラメータ値が無視できるほど小さい。
【０００５】
・誘導雑音に強い。
【０００６】
・信号処理回路が同時に搭載されているため、利用方法が簡便である。
【０００７】
・低コスト化に適している。
【０００８】
これまで、Ｓｉ集積化光センサは従来のバイポーラプロセスを利用してＰＮホトダイオードを形成するものとの概念が強く、バイポーラの製造工程で制約されたＰＮホトダイオードが形成されていた。そのため、分光感度特性が悪く、寄生容量も大きく、空乏層の広がりも狭いものになり、その性能は、単体のホトダイオードと比較してもはるかに劣るものになっていた。応用分野もこれらの特性に制限され、発展の障害になっていた。
【０００９】
本件発明者は、上述の従来の光センサの欠点を克服するデバイスとして、独自に集積化ＰＩＮホトダイオードと高速バイポーラ集積回路を一体化した集積化ＰＩＮホトダイオードセンサを開発した（文献「M.Kyoumasu,H.Nakamura,T.Suzuki,K.Kato and M.Sahara:"Integrated High Speed Silicon PIN Photodiode Sensor and Actuators pp.289-292」, 文献「京増幹雄、加藤要、中村浩康、佐原正哲: モノリシック化ＰＩＮホトダイオードとその諸特性 信学論Vol.J74-c-2 No.5
pp.477-487(1991) 」) 。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明者らによるデバイスは、高速応答，高感度特性等の特徴を有し、発明者らはこれを利用し、２線式光電スイッチ用ホトＩＣを開発する事とした。
【００１１】
２線式光電スイッチ用ホトＩＣは、モジュールの入出力が信号線とグランド線の２つで構成され、信号線を通してモジュールの電力供給と信号出力（センサに光が入るとセンサ内部で設定されている電圧までインピーダンスを下げ、信号線の電圧を「Ｌ」レベルにすることで、信号を伝える機能を有している) を同時に行い、従来の３線式光電スイッチと比較し、配線が減少することにより、シーケンサなどとの接続が容易になるという利点が生じる。
【００１２】
そして、物体があるのを検出した場合、スイッチの状態を切り替えうるのが望ましい。図６は、本件発明者による３線式光電スイッチの構成例を示したものである。
【００１３】
この光電スイッチの定電圧源回路620 は、光電スイッチ内の各部に定電圧の電源を与えるものであり、また、バイアス抵抗Rbを介してホトダイオードPDにバイアスを与えるようになっている。発光ダイオードLED は、ＬＥＤドライバ回路631 によってパルス駆動されており、発光ダイオードLED の駆動パルスは、発振器632aで得られる所定の周波数のパルスをタイミングジェネレータ632bで所定のデューティ比にして得られる。タイミングジェネレータ632bはＬＥＤドライバ回路631 に駆動パルスを与えるとともに、サンプルホールド回路634aに駆動パルスと同じタイミングのサンプリングパルスを与える。
【００１４】
発光ダイオードLED から出力され図示せぬ物体で反射された光は、ホトダイオードPDで検出され、プリアンプ633 で増幅された後、サンプルホールド回路634aで波高値がサンプリングされ、コンパレータ634bで波高値が検出される。コンパレータ634bの出力は、ＥＸＯＲと等価的な動作をする反転・非反転切り替え回路635 によって反射光を検出したときに反転・非反転を切り替えるようになっている。そして、出力バッファ636 から物体の有無が検出されて出力されるようになっている。
【００１５】
切替制御回路638 は、反射光が検出されたとき、端子OUT から出力信号として「Ｈ」を出力する「モードＡ」と、端子OUT から出力信号として「Ｌ」を出力する「モードＢ」とを選択するための回路である。これらのモードは、スイッチS1によって切り替えるようになっており、スイッチS1をオープンにしたときはモードＡになる。このモードにおいて、インバータ638bの出力は、「Ｌ」になり、ＡＮＤ回路638aから「Ｌ」が出力されて反転・非反転切り替え回路635 は非反転で動作する。
【００１６】
スイッチS1をショートしたときは、モードＢになる。このモードにおいて、電源投入時にモードＡと同じ状態にするために、抵抗R1とコンデンサC1による時定数回路を設けてコンデンサC1の両端電圧がＡＮＤ回路638aのスレショールドレベルを越えるまで、モードＡと同じ状態にし、この電圧がスレショールドレベルを越えるとＡＮＤ回路638aから「Ｈ」が出力されて反転・非反転切り替え回路635 は反転で動作する。
【００１７】
光電スイッチはＦＡ分野で多く利用され、この分野では雑音耐力を向上させるために、１２Ｖ系や２４Ｖ系の高電圧系がよく使われている。そのため、２線式光電スイッチ用ホトＩＣ内部のセンサ回路は３Ｖから２６．５Ｖで動作し、信号線の「Ｌ」の出力時は３Ｖ以下であることが必要である。したがって、内部回路を定電圧で駆動するとしてもこのような低い電圧で動作するものでなければならない。
【００１８】
また、スイッチとして利用するものであるので、オフの時の電流が０であるのが理想であるが、内部回路を動作させているにしてもできるだけ小さいのが望ましく、平均消費電流はＬＥＤのドライブ電流も含めて 0.8mA以下と小さく、通常のシーケンサなどにも十分接続可能な近接スイッチを構成する必要がある。
【００１９】
そこで、本発明は、物体の有無を検出してスイッチとして動作するとともに、スイッチの状態を切り替えうる２線式光電スイッチ及びこれに用いる切替制御回路を提供することをその目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の２線式光電スイッチは、電源の二端子間に接続されて動作する２線式光電スイッチであって、検出すべき物体へ光パルスを出力する発光素子と、発光素子をパルス駆動するための駆動手段と、光パルスを検出して光電流のパルスに変換する光検出素子と、光電流を増幅するとともに光電流の波高値を検出する検出手段と、波高値の検出出力を反転することなく物体の有無の検出信号として出力するモードと、波高値の検出出力を反転して検出信号として出力するモードとの切り替えが可能な切替回路と、電源の二端子間に接続され、検出信号に応じてオン状態またはオフ状態のいずれかをとり、物体が検出されたとき、切替回路がいずれか一方のモードになっている際オン状態となり、他方のモードになっている際オフ状態となるスイッチ素子と、電源投入時に一定の時間スイッチ素子をオフ状態にするように切替回路の反転・非反転を制御する切替制御回路とを備える。
【００２１】
駆動手段は、所定の周波数のパルスを発振する発振回路と、所定の周波数のパルスにより発光素子をパルス駆動する駆動回路とを含んで構成され、検出手段は、光電流を増幅するプリアンプと、プリアンプの増幅信号をサンプル・ホールドして光電流の波高値を検出するサンプル・ホールド回路とを含んで構成されていることを特徴としても良い。
【００２２】
切替制御回路は、電源に対して直列に接続された定電流源及びコンデンサと、このコンデンサに並列に接続されたスイッチと、コンデンサの端子電圧が所定の第１電圧以下のとき切替回路を第１のモードにするとともに端子電圧が第１の電圧以下であって所定の第２電圧以上のとき検出手段の出力を禁止する回路（例えば、図２の回路）とを含んで構成されていることを特徴としても良い。
【００２３】
電源に接続され、光電スイッチの各部に必要とする定電圧の電源を供給するための基準電圧源回路をさらに有し、駆動手段、光検出素子、検出手段、切替回路、切替制御回路は同一の第１のチップ上に構成され、基準電圧源回路は第１のチップとは別の第２のチップ上に構成されたマルチチップモジュール構成であることを特徴としても良い。
【００２４】
第２のチップ上に基準電圧源回路からの定電圧を検出するための電圧検出回路をさらに有し、この電圧検出回路の出力は波高値の検出出力に対しワイアードＯＲ接続され、基準電圧源回路からの定電圧が所定の電圧以下である場合に、スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴としても良い。
【００３０】
【作用】
本発明の２線式光電スイッチでは、発光素子から検出すべき物体へ出力された光パルスは、光検出素子によって光電流のパルスに変換され、光電流の波高値が検出される。この波高値の検出出力から物体の有無が検出され、この検出信号に応じてスイッチ素子がオン状態またはオフ状態のいずれかをとることで、電源からみたインピーダンスが変化し、スイッチとして機能する。こうして、物体の有無を検出すると、スイッチとして動作する。
【００３１】
ここで、切替回路で波高値の検出出力の反転・非反転を切り替えることが可能であり、切替制御回路で切替回路の反転・非反転を制御することが可能であることから、物体の有無を検出した場合、電源に対しオン状態またはオフ状態のいずれかを選択することができる。そして、切替回路を電源投入時に一定の時間スイッチ素子をオフ状態にするモードにすることにより、電源投入時のトラブルを抑えることができる。
【００３２】
マルチチップモジュール構成であることにより、電源及び光検出それぞれに対し好適な回路構成をすることができる。
【００３３】
電圧検出回路をさらに有する場合、スイッチ素子をオフ状態にすることで発光素子に十分な電力を供給することができる。
【００３９】
【実施例】
図１は、本発明の実施例に係る２線式スイッチモジュールを示したものである。このモジュールは主としてホトＩＣ110 で構成され、これに若干の周辺外付け回路を付加する構成をとっている。
【００４０】
実施例の詳細な説明に先立ち、本発明にかかる２線式光電スイッチの概要を説明すると次ぎのようになる。
【００４１】
２線式光電スイッチは物体の有無を検出して、信号線Vin とグランド線GND の２本のラインを用いてシーケンサにその情報を伝達する光電スイッチであり、この２線式光電スイッチというモジュールの電力供給と信号伝達を１つの信号線を通して行われる。信号線Vin とＧＮＤ線GND の２本のラインから２線式光電スイッチをみれば、最低電圧（以下Ｌ電圧）となるような低いインピーダンスの状態と、ほぼ電源電圧になるような高いインピーダンスの状態とを物体の有無に応じて、２線式光電スイッチは制御している。これをシーケンサなどで判別して物体の有無に応じた信号が得られるようになっている。
【００４２】
物体の有無の検出はモジュール内に設けられたＬＥＤを同期点灯させ、その反射光をＰＩＮホトダイオードで検出し、この検出信号を用いてモジュールのインピーダンスを制御することによってなされている。
【００４３】
モジュールの消費電流は、ＬＥＤの消費電流を含め、信号線を通して平均消費電流として供給される。したがって、モジュールの消費電流はできるだけ小さく、かつモジュールを遠くまで検出できるようなものにするには、ＬＥＤの瞬時ドライブ電流はできるだけ大きく、平均ドライブ電流は小さなことが必要である。このことから、ＬＥＤの駆動パルス幅はできるだけ短く、同期信号を形成している発振回路のデューティ比を極端に大きくしている。
【００４４】
また、トランジスタにはＰτ積の高いものを用いている。さらに、ドライブ電流の効率を上げるため、ＰＩＮホトダイオードを含めた光電流増幅回路の高利得化も図っている。
【００４５】
次ぎに本発明の実施例を図１を参照して詳細に説明する。
【００４６】
ホトＩＣ110 は、高電圧のかかる定電圧系の回路を構成し従来のバイポーラ集積回路技術で製作された電源回路用のチップ120 と、それ以外のホトダイオードセンサ部分の回路を構成し集積化ＰＩＮホトダイオードセンサ・チップ130 とを用い、これら２チップを１パッケージにハイブリッド化したマルチチップモジュール構成になっている。このような構成にすることにより、マージンを見込んで３〜２６．５Ｖで動作することを可能にしている。２線式光電スイッチは、主にＦＡ分野で応用されるのであるが、このような分野で用いられる電源１２Ｖ或は２４Ｖに適合しうるようにしている。
【００４７】
チップ120 上には、定電流源回路121 、基準電圧源回路122 、電圧検出回路123 が形成され、これらは通常のバイポーラ回路で構成されている。基準電圧源回路122 は、センサ回路部を構成するセンサ・チップ130 への定電圧の電源を与えるためのものであり、約2.4Vの電圧を供給する。この基準電圧源回路122 は、定電圧回路、定電流回路で構成されている。電源電圧が印加された時、定電圧回路の設定電圧2.4Vに達するまでの間、外付け回路へのバイアスを供給する際に、大きな電流が流れると、モジュールの誤動作を招いてしまうのであるが、基準電圧源回路122 を定電圧回路、定電流回路で構成することにより、誤動作を防止している。
【００４８】
ＩＣ110 の端子Vrefは、基準電圧源回路122 の電圧をモニタするためのものであり、これとアースの間にはコンデンサC8を接続しておく。
【００４９】
端子Irc は端子Irefから蓄積容量C7に供給する電流を設定する端子であり、この端子Irc に適度な値の抵抗VRを接続することで温度特性を含めて蓄積容量C7に安定した電流の供給がなされる。
【００５０】
定電流源回路121 は、端子Irefに接続されたコンデンサC7への電荷を供給するための電流源であり、その電流値は外付け抵抗VRで調節できるようになっており、温度によって生じる変化が抑えられたものになっている。
【００５１】
センサ・チップ130 上には、ホトダイオードPD、発振回路132 、ＬＥＤ駆動回路131 、位相シフト回路139 、プリアンプ133 、サンプルホールド回路134 、極性切替回路135 、切替制御回路138 （以下、制御回路138 と略す）、出力バッファ136 、ブロッキング発振器137 が形成されている。
【００５２】
発振回路132 は、同期信号を発生するための回路であり、発光素子である発光ダイオードLED の駆動パルス幅１μｓ、デューティ比1/500 の同期信号を発生する。発振回路132 は、基本的にはよく知られたＲＣ弛張発振器の２段で構成され、１段目の発振器で２段目の発振器の容量への蓄積電流を制御し、電荷蓄積を階段状に動作させることでデューティ比各段の積で決まるように構成しており、この構成でデューティ比1/500 を達成している。２段目の発振器の容量と直列にMOS FET が接続されており、MOS FET の高入力インピーダンスを利用して電荷が保持されるようになっている。
【００５３】
ＬＥＤ駆動回路131 と端子LED を介して外付けのＬＥＤ駆動回路170 がベースに接続されたトランジスタTr10は発光ダイオードLED をパルス駆動するためのものであり、ＬＥＤ駆動回路131 に接続された位相シフト回路139 は、ＬＥＤ駆動回路131 から発光ダイオードLED に与える駆動パルスの位相を調整するためのものである。
【００５４】
端子LED は、外付けされたトランジスタTr10をオンにさせることで、コンデンサC7の電荷を発光ダイオードLED に流して発光させ、物体に投光するための端子である。このコンデンサC7に接続されたトランジスタTr10が上記同期信号により発光ダイオードLED をパルス駆動することによって、発光ダイオードLED は上記パルス幅及びデューティ比で光パルスを図示せぬ物体に投光する。また、消費電力を抑えて十分に強い光を物体に与えることができる。
【００５５】
ホトダイオードPDは、発光ダイオードLED から投光され物体で反射された光パルスを検出するための光検出素子である。
【００５６】
ホトダイオードPDに接続されたプリアンプ133 は、いわゆる電圧電流変換回路で構成されており、シングルエンド型帰還増幅器を変形した回路を用いており、ホトダイオードPDで検出された光電流をＤＣ電圧に変換するものである。このセンサは、外乱光が入射する環境下でも動作することを要するので、電源電圧2.4Vでも飽和しないようにする必要があり、そのため、正転型（非反転型）のＡＣ増幅回路を構成している。このプリアンプ133 からのＤＣ電圧は、物体があるときはホトダイオードPDの光電流が大きいことから波高値が大きくなり、物体がないときはホトダイオードPDの光電流は小さくなるから波高値も小さくなる。
【００５７】
プリアンプ133 の出力が与えられるサンプルホールド回路134 は、正転／反転制御回路138 からの出力によりプリアンプ133 でホトダイオードPDの光電流を変換して得たパルス状のＤＣ電圧をサンプル・ホールドするためのものであり、このサンプル・ホールド動作でプリアンプ133 からのＤＣ電圧の波高値を検出することで、物体があるとき「Ｈ」を出力し、物体がないときは「Ｌ」を出力する。なお、サンプル・ホールドのためのサンプリングパルスには、発光ダイオードLED の駆動パルス即ち光パルスと同期したものを用い、光パルス即ちパルス状の光電流があるときにサンプル・ホールドして光電流の波高値を検出している。
【００５８】
サンプルホールド回路134 の出力が与えられる極性切替回路135 は、物体があるときの端子OUT からの出力を制御回路138 からの出力に応じて物体の有無を示す検出信号として「Ｈ」か「Ｌ」か（物体がないときは逆の極性である）を切り替えるための回路であり、検出信号の極性の切り替えが可能になっている。ブロッキング発振器137 は、電源電圧制御回路160 の短絡保護のための回路である。出力バッファ136 は、極性切替回路135 からの検出信号を増幅して端子OUT に与える。
【００５９】
端子GND はいわゆるグランド端子であり、端子DSP は、ＩＣ110 の動作状態を表示する発光ダイオードD2の駆動信号を出力するためのものである。電源電圧制御回路160 は、信号線Vin からの電圧を制御して発光ダイオードD2に電源を供給するためのものである。
【００６０】
出力バッファ136 の出力端に接続された端子OUT は、物体で反射した発光ダイオードLED からの光を検出した場合にその検出信号を出力するための端子である。この端子からの出力が「Ｈ」のとき出力段回路150 はスイッチ素子であるトランジスタTr3 をオン状態にし、「Ｌ」のときオフ状態にする。出力段回路150 に接続されたトランジスタTr3 はそのエミッタ、コレクタが電源Vin 及びグランド線GND に接続されていることから、上記オンオフ動作によって電源Vin 及びグランド線GND から見たモジュールのインピーダンスを制御している。
【００６１】
制御回路138 に接続された端子INV は、アクティブ「Ｈ」動作とアクティブ 「Ｌ」動作とを選択するためのもので、コンデンサC1およびスイッチS1を接続している。端子INV をグランドに短絡すると、発光ダイオードLED からの光がフォトダイオードPDで検出されると（即ち物体があるのを検出すると）端子OUT からの出力を「Ｈ」にするというアクティブ「Ｈ」動作となり、端子INV にコンデンサC1を接続すると、発光ダイオードLED からの光がフォトダイオードPDで検出されると端子OUT からの出力を「Ｌ」にするというアクティブ「Ｌ」動作となる。スイッチS1にかえてジャンパJ1で端子INV をグランドに短絡するようにすることもできる。
【００６２】
制御回路138 は、極性切り替えの制御のための回路であり、反射光が検出されたとき、端子OUT から出力信号として「Ｈ」を出力する「モードＡ」と、端子OUT から出力信号として「Ｌ」を出力する「モードＢ」とを選択するための回路である。スイッチS1をオン状態にして端子INV をアースに短絡するとモードＡになり、スイッチS1をオフ状態にしてコンデンサC1を接続するとモードＢになる。
【００６３】
２線式光電スイッチである本モジュールは、低消費電力化するために、コンデンサC7に蓄積された電荷を用いて発光ダイオードLED を駆動することから、モードＡのときはモジュールがハイインピーダンスの状態であるため、電源Vin から発光ダイオードLED の駆動電力が得られるので、モードＡのときには問題が生じない。しかし、モードＢのときはモジュールがローインピーダンスの状態であるため、電源Vin から発光ダイオードLED の駆動電力が得られなくなって誤動作が生じるおそれがある。そこで、制御回路138 は、コンデンサC1に十分な電荷が蓄積されるように、信号138a，138b，138cそれぞれを極性切替回路135 、サンプルホールド回路134 、出力バッファ136 に与えてこれらの動作を禁止するようにしている。
【００６４】
図２は制御回路138 の具体的回路構成例を示したもので、簡単な構成で低い電圧でかつ低消費電力でモード切り換えの動作をするようにした回路である。端子INV には、定電流源回路QP38及びトランジスタQN56のベースが接続されている。トランジスタQN56のエミッタは、定電流源回路QN57及びトランジスタQN58，QN59のベースに接続され、トランジスタQN56のエミッタ電圧は、これらのベースに与えられるとともに、この回路の出力（制御回路138 から極性切替回路135 への一方の出力138a）となっている。
【００６５】
トランジスタQN56のコレクタには、トランジスタQP41，QP42とともにカレントミラー回路を構成するトランジスタQP40が接続されており、トランジスタQN56のコレクタ電流に等しいかあるいは比例した電流がトランジスタQP41，QP42のコレクタからサンプルホールド回路134 及び出力バッファ136 への出力138b，138cとなる。
【００６６】
トランジスタQN59のコレクタにはトランジスタQN60，定電流源回路QN44が接続されており、図の出力MODE B即ちトランジスタQN56のエミッタ電圧がトランジスタQN59がオンになる電圧（およそ0.6V以上）であるとき（ハイ状態）、定電流源回路QN44の電流はトランジスタQN59を流れる。そのため、制御回路138 から極性切替回路135 へのもう一方の出力138a（図のMODE A）はほぼグランドレベルになる（ロー状態）。一方、出力MODE Bがグランドレベル（ロー状態）であり、トランジスタQN59がオフ状態のときは、定電流源回路QN44の電流はトランジスタQN60に流れる。このとき、図の出力MODE Aは、トランジスタQN60のエミッタ−ベース間電圧およそ0.6Vに等しくなる（ハイ状態）。
【００６７】
これらトランジスタQN59，定電流源回路QN44，トランジスタQN60によって、図の出力MODE Bに対して反転した状態の出力MODE Aを得るための反転回路が構成されている。
【００６８】
トランジスタQN56のエミッタに接続されたトランジスタQN58とトランジスタQP39とにより、トランジスタQN53，QN59がオンになったときに、トランジスタQP41，QP42，QP40によるカレントミラー回路に流れる電流を制限するための回路が構成されている。
【００６９】
なお、図中の各定電流源回路は、通常のＩＣ上に形成されるものと同様にトランジスタで構成され、そのベースにバイアス源からバイアスを与えるようになっている。
【００７０】
図３は、制御回路138 とサンプルホールド回路134 ，出力バッファ136 との接続関係を等価的に示したものである。制御回路138 からの出力138bがある一定の範囲（これについては後述する）にある場合、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 を経て出力バッファ136 に与えられ、一方、その範囲にある場合、出力138bの電流がある時はサンプルホールド回路134 の出力は禁止される。等価的には、制御回路138 からの出力138bはウィンドウコンパレータ134bに与えられ、ある一定の範囲にある場合、ウィンドウコンパレータ134bからの出力により３ステートバッファ134aでサンプルホールド回路134 の出力が禁止される。また、制御回路138 からの出力138aがローの時（図２のMODE Aがハイ状態、MODE Bはグランドレベル）に、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 で反転されて出力バッファ136 に与えられる。等価的には、極性切替回路135 はＥＸＯＲ回路で示される。
【００７１】
この制御回路138 の動作をモードＡ，モードＢに分けて説明するとつぎのようになる。
【００７２】
まず、モードＡのときは、端子INV はジャンパJ1などでグランドレベルにされている。このとき、トランジスタQN56はオフ状態になるため、トランジスタQN58，QN59のベースはグランドレベルになり、出力MODE Bはグランドレベルになる。トランジスタQN59はオフになるので、出力MODE Aはハイ状態になる。トランジスタQN56のコレクタ電流はほぼ０であることから、トランジスタQP41，QP42は、そのコレクタ電流も非常に小さくなり、ハイインピーダンス状態になる。従って、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 を経て反転されずに出力バッファ136 に与えられる。
【００７３】
つぎに、モードＢのときは、端子INV とグランドとの間にはコンデンサC1が接続される。電源投入時、コンデンサC1には電荷が蓄積されていないことから、端子INV はグランドレベルになっている。定電流源回路QP38の電流により、図４に示すように、コンデンサC1に電荷が蓄積されはじめその両端電位が上昇する（図４のMODE Aの領域）。トランジスタQN53のエミッタ−ベース間電圧Vbe （およそ0.6V）を越えるとトランジスタQN56のベースに電流が流れはじめ、トランジスタQN56のコレクタ電流が増加しはじめる。
【００７４】
こうしてトランジスタQP41，QP42のコレクタ電流が増加しはじめる。しかし、トランジスタQN56のエミッタはほぼグランドレベルになっているので、ノーマルモードであるモードＡのままである（この状態を無効状態invalid religionとよぶ）。この無効状態にあるときにサンプルホールド回路134 の出力が禁止される。無効状態にある範囲がウィンドウコンパレータ134bからの出力により３ステートバッファ134aでサンプルホールド回路134 の出力が禁止される範囲になる。
【００７５】
コンデンサC1の両端電圧がトランジスタQN53のエミッタ−ベース間電圧Vbe の２倍（およそ1.2V）を越えるとトランジスタQN56のベースには十分な電流が流れ、コレクタ電流も十分大きくなり、トランジスタQN53もオン状態になる。この状態になると、トランジスタQP41，QP42のコレクタ電流も十分であり、トランジスタQN56のエミッタ電圧は高くなる。出力MODE Bはハイ状態になり、トランジスタQN59はオンになって出力MODE Aはグランドレベルになる。これによって、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 で反転されて出力バッファ136 に与えられるようになる。
【００７６】
また、トランジスタQN53がオン状態になると定電流源回路QP38の電流はトランジスタQN53に流れるようになるため、トランジスタQN56のベースに電流が制限されるので、トランジスタQN56のコレクタ電流が制限される。この状態では、トランジスタQN58もオン、トランジスタQP39もオンになり、トランジスタQP39を介してトランジスタQN53のコレクタに電流が流れるようになる。トランジスタQP40に流れる電流がトランジスタQP39によって制限されるため、トランジスタQP41，QP42のコレクタ電流の増加が止まる（図４のMODE Bの領域）。
【００７７】
発光ダイオードLED から出力されたパルス光は、物体がある場合に、この物体で反射され、その反射光をホトダイオードPDで受光する。この反射光を受光したホトダイオードPDで発生した光電流は、プリアンプ133 で増幅され、サンプルホールド回路134 でプリアンプ133 からの波高値が検出される。端子INV の設定に応じて極性切替回路135 は、物体があると検出出力として「Ｈ」（モードＢのとき）又は「Ｌ」（モードＡのとき）を出力し、出力バッファ136 を介して端子OUT から出力される。この出力により150 はトランジスタTr3 をオン（モードＡのとき）又はオフ（モードＢのとき）にする。これによって電源Vin 及びグランド線GND から見たモジュールのインピーダンスをモードＡのときは下げ、モードＢのときは上げている。
【００７８】
こうして、光電スイッチは物体があるのを検出するとモジュールのインピーダンスを下げ、信号線の電圧を下げて物体の有無を信号として伝達する。そして、信号線の電圧を下げている時には、モジュールの消費電流は同じ信号線から供給され、モジュールの動作は正常に保つようになっている。正常に保つために、信号線の電圧をモジュール側で検出し、内部で設定した電圧2.4V以下には下がらないようにインピーダンスを制御している。
【００７９】
ここで、電源投入時において、モードＡのときは物体がないときの検出出力は「Ｌ」であるため、端子OUT をグランドレベルにしてモジュールのインピーダンスを高くしておけば良いので、発光ダイオードLED を駆動するための電流を確保することができる。また、モードＢのときであっても、電源投入時において、始めはモードＡと同様に端子INV をグランドレベルとし、図４のように電圧が無効状態にある範囲を越えるまで、コンデンサC1と定電流源回路QP38とできまる一定の時間、サンプルホールド回路134 、極性切替回路135 、出力バッファ136 の動作を禁止するようにして、発光ダイオードLED を駆動するための電流を確保し、正常な動作になるようにしている。
【００８０】
こうして、切替回路138aを電源投入時に一定の時間スイッチ素子Tr3 をオフ状態にするモードにすることにより、電源投入時のトラブルを抑えることができる。
【００８１】
さらに、図５に示すように端子OUT は、電圧検出回路123 の出力と出力バッファ136 の出力とがワイヤードＯＲになるように接続されており、チップ120 への電源電圧Vcc が所定の電圧2.4Vよりも小さいときは、端子OUT をグランドレベルにすることでトランジスタTr3 をオフ状態にしてモジュールのインピーダンスが高くなるようにしている。コンパレータ123bは、基準電圧源回路123aで電圧降下させて得た基準電圧Vrefと電源電圧Vcc を抵抗で分圧した電圧とを比較するものであり、チップ120 への電源電圧Vcc が所定の電圧2.4Vよりも大きいときは、トランジスタ123bをオン、小さいときは、トランジスタ123bをオフにするようにしている。
【００８２】
出力バッファ136 は、出力回路136aの出力に定電流源回路136bが接続されるようになっており、コンパレータ123bがオンになったときは端子OUT をグランドレベルにしている。こうして、電源電圧Vcc が小さいときは、端子OUT をグランドレベルにしてモジュールのインピーダンスが高くなるようにして発光ダイオードLED を駆動するための電流を確保し、正常な動作になるようにしている。
【００８３】
【発明の効果】
以上の通り本発明によれば、物体の有無を検出すると、スイッチとして動作する２線式光電スイッチを構成することができ、物体の有無を検出した場合、電源に対しオン状態またはオフ状態のいずれかを選択することができる。そして、切替回路を電源投入時に一定の時間スイッチ素子をオフ状態にするモードにすることにより、電源投入時のトラブルを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電スイッチの構成例を示す図。
【図２】切替制御回路の回路図。
【図３】制御回路138 とサンプルホールド回路134 ，出力バッファ136 との接続関係を等価的に示した図。
【図４】電源投入時においてコンデンサC1の両端電圧を示す図。
【図５】端子OUT の接続を示す図。
【図６】３線式光電スイッチの構成例を示す図。
【符号の説明】
120 …電源回路用のチップ、130 …集積化ＰＩＮホトダイオードセンサ・チップ、122 …基準電圧源回路、132 …発振回路、131 ，170 …ＬＥＤ駆動回路、133 …プリアンプ、134 …サンプルホールド回路、135 …極性切替回路、138 …正転・反転制御回路、Tr3 …トランジスタ、C1…コンデンサ，S1…スイッチ，QN56，QN53，QP40，QN58，QN59，QN60，QP41…トランジスタ、QP38，QP44，QN57…定電流源回路
【産業上の利用分野】
本発明は、モジュールの入出力が信号線とグランド線の２つで構成され、信号線を通してモジュールの電力供給と信号出力とを行い、従来よりも端子数が少なくて済む２線式光電スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｓｉ集積化光センサは、Ｓｉ基板内に集積化ホトダイオードとバイポーラ集積回路を同時に同一チップに搭載したデバイスで、次のような特徴があり、これらの特徴が種々の光センサに応用され、今日の発展の基礎となっている。
【０００３】
・ホトダイオードとバイポーラ素子間の接続が内部配線でできる。
【０００４】
・同時に形成された寄生素子のパラメータ値が無視できるほど小さい。
【０００５】
・誘導雑音に強い。
【０００６】
・信号処理回路が同時に搭載されているため、利用方法が簡便である。
【０００７】
・低コスト化に適している。
【０００８】
これまで、Ｓｉ集積化光センサは従来のバイポーラプロセスを利用してＰＮホトダイオードを形成するものとの概念が強く、バイポーラの製造工程で制約されたＰＮホトダイオードが形成されていた。そのため、分光感度特性が悪く、寄生容量も大きく、空乏層の広がりも狭いものになり、その性能は、単体のホトダイオードと比較してもはるかに劣るものになっていた。応用分野もこれらの特性に制限され、発展の障害になっていた。
【０００９】
本件発明者は、上述の従来の光センサの欠点を克服するデバイスとして、独自に集積化ＰＩＮホトダイオードと高速バイポーラ集積回路を一体化した集積化ＰＩＮホトダイオードセンサを開発した（文献「M.Kyoumasu,H.Nakamura,T.Suzuki,K.Kato and M.Sahara:"Integrated High Speed Silicon PIN Photodiode Sensor and Actuators pp.289-292」, 文献「京増幹雄、加藤要、中村浩康、佐原正哲: モノリシック化ＰＩＮホトダイオードとその諸特性 信学論Vol.J74-c-2 No.5
pp.477-487(1991) 」) 。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明者らによるデバイスは、高速応答，高感度特性等の特徴を有し、発明者らはこれを利用し、２線式光電スイッチ用ホトＩＣを開発する事とした。
【００１１】
２線式光電スイッチ用ホトＩＣは、モジュールの入出力が信号線とグランド線の２つで構成され、信号線を通してモジュールの電力供給と信号出力（センサに光が入るとセンサ内部で設定されている電圧までインピーダンスを下げ、信号線の電圧を「Ｌ」レベルにすることで、信号を伝える機能を有している) を同時に行い、従来の３線式光電スイッチと比較し、配線が減少することにより、シーケンサなどとの接続が容易になるという利点が生じる。
【００１２】
そして、物体があるのを検出した場合、スイッチの状態を切り替えうるのが望ましい。図６は、本件発明者による３線式光電スイッチの構成例を示したものである。
【００１３】
この光電スイッチの定電圧源回路620 は、光電スイッチ内の各部に定電圧の電源を与えるものであり、また、バイアス抵抗Rbを介してホトダイオードPDにバイアスを与えるようになっている。発光ダイオードLED は、ＬＥＤドライバ回路631 によってパルス駆動されており、発光ダイオードLED の駆動パルスは、発振器632aで得られる所定の周波数のパルスをタイミングジェネレータ632bで所定のデューティ比にして得られる。タイミングジェネレータ632bはＬＥＤドライバ回路631 に駆動パルスを与えるとともに、サンプルホールド回路634aに駆動パルスと同じタイミングのサンプリングパルスを与える。
【００１４】
発光ダイオードLED から出力され図示せぬ物体で反射された光は、ホトダイオードPDで検出され、プリアンプ633 で増幅された後、サンプルホールド回路634aで波高値がサンプリングされ、コンパレータ634bで波高値が検出される。コンパレータ634bの出力は、ＥＸＯＲと等価的な動作をする反転・非反転切り替え回路635 によって反射光を検出したときに反転・非反転を切り替えるようになっている。そして、出力バッファ636 から物体の有無が検出されて出力されるようになっている。
【００１５】
切替制御回路638 は、反射光が検出されたとき、端子OUT から出力信号として「Ｈ」を出力する「モードＡ」と、端子OUT から出力信号として「Ｌ」を出力する「モードＢ」とを選択するための回路である。これらのモードは、スイッチS1によって切り替えるようになっており、スイッチS1をオープンにしたときはモードＡになる。このモードにおいて、インバータ638bの出力は、「Ｌ」になり、ＡＮＤ回路638aから「Ｌ」が出力されて反転・非反転切り替え回路635 は非反転で動作する。
【００１６】
スイッチS1をショートしたときは、モードＢになる。このモードにおいて、電源投入時にモードＡと同じ状態にするために、抵抗R1とコンデンサC1による時定数回路を設けてコンデンサC1の両端電圧がＡＮＤ回路638aのスレショールドレベルを越えるまで、モードＡと同じ状態にし、この電圧がスレショールドレベルを越えるとＡＮＤ回路638aから「Ｈ」が出力されて反転・非反転切り替え回路635 は反転で動作する。
【００１７】
光電スイッチはＦＡ分野で多く利用され、この分野では雑音耐力を向上させるために、１２Ｖ系や２４Ｖ系の高電圧系がよく使われている。そのため、２線式光電スイッチ用ホトＩＣ内部のセンサ回路は３Ｖから２６．５Ｖで動作し、信号線の「Ｌ」の出力時は３Ｖ以下であることが必要である。したがって、内部回路を定電圧で駆動するとしてもこのような低い電圧で動作するものでなければならない。
【００１８】
また、スイッチとして利用するものであるので、オフの時の電流が０であるのが理想であるが、内部回路を動作させているにしてもできるだけ小さいのが望ましく、平均消費電流はＬＥＤのドライブ電流も含めて 0.8mA以下と小さく、通常のシーケンサなどにも十分接続可能な近接スイッチを構成する必要がある。
【００１９】
そこで、本発明は、物体の有無を検出してスイッチとして動作するとともに、スイッチの状態を切り替えうる２線式光電スイッチ及びこれに用いる切替制御回路を提供することをその目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の２線式光電スイッチは、電源の二端子間に接続されて動作する２線式光電スイッチであって、検出すべき物体へ光パルスを出力する発光素子と、発光素子をパルス駆動するための駆動手段と、光パルスを検出して光電流のパルスに変換する光検出素子と、光電流を増幅するとともに光電流の波高値を検出する検出手段と、波高値の検出出力を反転することなく物体の有無の検出信号として出力するモードと、波高値の検出出力を反転して検出信号として出力するモードとの切り替えが可能な切替回路と、電源の二端子間に接続され、検出信号に応じてオン状態またはオフ状態のいずれかをとり、物体が検出されたとき、切替回路がいずれか一方のモードになっている際オン状態となり、他方のモードになっている際オフ状態となるスイッチ素子と、電源投入時に一定の時間スイッチ素子をオフ状態にするように切替回路の反転・非反転を制御する切替制御回路とを備える。
【００２１】
駆動手段は、所定の周波数のパルスを発振する発振回路と、所定の周波数のパルスにより発光素子をパルス駆動する駆動回路とを含んで構成され、検出手段は、光電流を増幅するプリアンプと、プリアンプの増幅信号をサンプル・ホールドして光電流の波高値を検出するサンプル・ホールド回路とを含んで構成されていることを特徴としても良い。
【００２２】
切替制御回路は、電源に対して直列に接続された定電流源及びコンデンサと、このコンデンサに並列に接続されたスイッチと、コンデンサの端子電圧が所定の第１電圧以下のとき切替回路を第１のモードにするとともに端子電圧が第１の電圧以下であって所定の第２電圧以上のとき検出手段の出力を禁止する回路（例えば、図２の回路）とを含んで構成されていることを特徴としても良い。
【００２３】
電源に接続され、光電スイッチの各部に必要とする定電圧の電源を供給するための基準電圧源回路をさらに有し、駆動手段、光検出素子、検出手段、切替回路、切替制御回路は同一の第１のチップ上に構成され、基準電圧源回路は第１のチップとは別の第２のチップ上に構成されたマルチチップモジュール構成であることを特徴としても良い。
【００２４】
第２のチップ上に基準電圧源回路からの定電圧を検出するための電圧検出回路をさらに有し、この電圧検出回路の出力は波高値の検出出力に対しワイアードＯＲ接続され、基準電圧源回路からの定電圧が所定の電圧以下である場合に、スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴としても良い。
【００３０】
【作用】
本発明の２線式光電スイッチでは、発光素子から検出すべき物体へ出力された光パルスは、光検出素子によって光電流のパルスに変換され、光電流の波高値が検出される。この波高値の検出出力から物体の有無が検出され、この検出信号に応じてスイッチ素子がオン状態またはオフ状態のいずれかをとることで、電源からみたインピーダンスが変化し、スイッチとして機能する。こうして、物体の有無を検出すると、スイッチとして動作する。
【００３１】
ここで、切替回路で波高値の検出出力の反転・非反転を切り替えることが可能であり、切替制御回路で切替回路の反転・非反転を制御することが可能であることから、物体の有無を検出した場合、電源に対しオン状態またはオフ状態のいずれかを選択することができる。そして、切替回路を電源投入時に一定の時間スイッチ素子をオフ状態にするモードにすることにより、電源投入時のトラブルを抑えることができる。
【００３２】
マルチチップモジュール構成であることにより、電源及び光検出それぞれに対し好適な回路構成をすることができる。
【００３３】
電圧検出回路をさらに有する場合、スイッチ素子をオフ状態にすることで発光素子に十分な電力を供給することができる。
【００３９】
【実施例】
図１は、本発明の実施例に係る２線式スイッチモジュールを示したものである。このモジュールは主としてホトＩＣ110 で構成され、これに若干の周辺外付け回路を付加する構成をとっている。
【００４０】
実施例の詳細な説明に先立ち、本発明にかかる２線式光電スイッチの概要を説明すると次ぎのようになる。
【００４１】
２線式光電スイッチは物体の有無を検出して、信号線Vin とグランド線GND の２本のラインを用いてシーケンサにその情報を伝達する光電スイッチであり、この２線式光電スイッチというモジュールの電力供給と信号伝達を１つの信号線を通して行われる。信号線Vin とＧＮＤ線GND の２本のラインから２線式光電スイッチをみれば、最低電圧（以下Ｌ電圧）となるような低いインピーダンスの状態と、ほぼ電源電圧になるような高いインピーダンスの状態とを物体の有無に応じて、２線式光電スイッチは制御している。これをシーケンサなどで判別して物体の有無に応じた信号が得られるようになっている。
【００４２】
物体の有無の検出はモジュール内に設けられたＬＥＤを同期点灯させ、その反射光をＰＩＮホトダイオードで検出し、この検出信号を用いてモジュールのインピーダンスを制御することによってなされている。
【００４３】
モジュールの消費電流は、ＬＥＤの消費電流を含め、信号線を通して平均消費電流として供給される。したがって、モジュールの消費電流はできるだけ小さく、かつモジュールを遠くまで検出できるようなものにするには、ＬＥＤの瞬時ドライブ電流はできるだけ大きく、平均ドライブ電流は小さなことが必要である。このことから、ＬＥＤの駆動パルス幅はできるだけ短く、同期信号を形成している発振回路のデューティ比を極端に大きくしている。
【００４４】
また、トランジスタにはＰτ積の高いものを用いている。さらに、ドライブ電流の効率を上げるため、ＰＩＮホトダイオードを含めた光電流増幅回路の高利得化も図っている。
【００４５】
次ぎに本発明の実施例を図１を参照して詳細に説明する。
【００４６】
ホトＩＣ110 は、高電圧のかかる定電圧系の回路を構成し従来のバイポーラ集積回路技術で製作された電源回路用のチップ120 と、それ以外のホトダイオードセンサ部分の回路を構成し集積化ＰＩＮホトダイオードセンサ・チップ130 とを用い、これら２チップを１パッケージにハイブリッド化したマルチチップモジュール構成になっている。このような構成にすることにより、マージンを見込んで３〜２６．５Ｖで動作することを可能にしている。２線式光電スイッチは、主にＦＡ分野で応用されるのであるが、このような分野で用いられる電源１２Ｖ或は２４Ｖに適合しうるようにしている。
【００４７】
チップ120 上には、定電流源回路121 、基準電圧源回路122 、電圧検出回路123 が形成され、これらは通常のバイポーラ回路で構成されている。基準電圧源回路122 は、センサ回路部を構成するセンサ・チップ130 への定電圧の電源を与えるためのものであり、約2.4Vの電圧を供給する。この基準電圧源回路122 は、定電圧回路、定電流回路で構成されている。電源電圧が印加された時、定電圧回路の設定電圧2.4Vに達するまでの間、外付け回路へのバイアスを供給する際に、大きな電流が流れると、モジュールの誤動作を招いてしまうのであるが、基準電圧源回路122 を定電圧回路、定電流回路で構成することにより、誤動作を防止している。
【００４８】
ＩＣ110 の端子Vrefは、基準電圧源回路122 の電圧をモニタするためのものであり、これとアースの間にはコンデンサC8を接続しておく。
【００４９】
端子Irc は端子Irefから蓄積容量C7に供給する電流を設定する端子であり、この端子Irc に適度な値の抵抗VRを接続することで温度特性を含めて蓄積容量C7に安定した電流の供給がなされる。
【００５０】
定電流源回路121 は、端子Irefに接続されたコンデンサC7への電荷を供給するための電流源であり、その電流値は外付け抵抗VRで調節できるようになっており、温度によって生じる変化が抑えられたものになっている。
【００５１】
センサ・チップ130 上には、ホトダイオードPD、発振回路132 、ＬＥＤ駆動回路131 、位相シフト回路139 、プリアンプ133 、サンプルホールド回路134 、極性切替回路135 、切替制御回路138 （以下、制御回路138 と略す）、出力バッファ136 、ブロッキング発振器137 が形成されている。
【００５２】
発振回路132 は、同期信号を発生するための回路であり、発光素子である発光ダイオードLED の駆動パルス幅１μｓ、デューティ比1/500 の同期信号を発生する。発振回路132 は、基本的にはよく知られたＲＣ弛張発振器の２段で構成され、１段目の発振器で２段目の発振器の容量への蓄積電流を制御し、電荷蓄積を階段状に動作させることでデューティ比各段の積で決まるように構成しており、この構成でデューティ比1/500 を達成している。２段目の発振器の容量と直列にMOS FET が接続されており、MOS FET の高入力インピーダンスを利用して電荷が保持されるようになっている。
【００５３】
ＬＥＤ駆動回路131 と端子LED を介して外付けのＬＥＤ駆動回路170 がベースに接続されたトランジスタTr10は発光ダイオードLED をパルス駆動するためのものであり、ＬＥＤ駆動回路131 に接続された位相シフト回路139 は、ＬＥＤ駆動回路131 から発光ダイオードLED に与える駆動パルスの位相を調整するためのものである。
【００５４】
端子LED は、外付けされたトランジスタTr10をオンにさせることで、コンデンサC7の電荷を発光ダイオードLED に流して発光させ、物体に投光するための端子である。このコンデンサC7に接続されたトランジスタTr10が上記同期信号により発光ダイオードLED をパルス駆動することによって、発光ダイオードLED は上記パルス幅及びデューティ比で光パルスを図示せぬ物体に投光する。また、消費電力を抑えて十分に強い光を物体に与えることができる。
【００５５】
ホトダイオードPDは、発光ダイオードLED から投光され物体で反射された光パルスを検出するための光検出素子である。
【００５６】
ホトダイオードPDに接続されたプリアンプ133 は、いわゆる電圧電流変換回路で構成されており、シングルエンド型帰還増幅器を変形した回路を用いており、ホトダイオードPDで検出された光電流をＤＣ電圧に変換するものである。このセンサは、外乱光が入射する環境下でも動作することを要するので、電源電圧2.4Vでも飽和しないようにする必要があり、そのため、正転型（非反転型）のＡＣ増幅回路を構成している。このプリアンプ133 からのＤＣ電圧は、物体があるときはホトダイオードPDの光電流が大きいことから波高値が大きくなり、物体がないときはホトダイオードPDの光電流は小さくなるから波高値も小さくなる。
【００５７】
プリアンプ133 の出力が与えられるサンプルホールド回路134 は、正転／反転制御回路138 からの出力によりプリアンプ133 でホトダイオードPDの光電流を変換して得たパルス状のＤＣ電圧をサンプル・ホールドするためのものであり、このサンプル・ホールド動作でプリアンプ133 からのＤＣ電圧の波高値を検出することで、物体があるとき「Ｈ」を出力し、物体がないときは「Ｌ」を出力する。なお、サンプル・ホールドのためのサンプリングパルスには、発光ダイオードLED の駆動パルス即ち光パルスと同期したものを用い、光パルス即ちパルス状の光電流があるときにサンプル・ホールドして光電流の波高値を検出している。
【００５８】
サンプルホールド回路134 の出力が与えられる極性切替回路135 は、物体があるときの端子OUT からの出力を制御回路138 からの出力に応じて物体の有無を示す検出信号として「Ｈ」か「Ｌ」か（物体がないときは逆の極性である）を切り替えるための回路であり、検出信号の極性の切り替えが可能になっている。ブロッキング発振器137 は、電源電圧制御回路160 の短絡保護のための回路である。出力バッファ136 は、極性切替回路135 からの検出信号を増幅して端子OUT に与える。
【００５９】
端子GND はいわゆるグランド端子であり、端子DSP は、ＩＣ110 の動作状態を表示する発光ダイオードD2の駆動信号を出力するためのものである。電源電圧制御回路160 は、信号線Vin からの電圧を制御して発光ダイオードD2に電源を供給するためのものである。
【００６０】
出力バッファ136 の出力端に接続された端子OUT は、物体で反射した発光ダイオードLED からの光を検出した場合にその検出信号を出力するための端子である。この端子からの出力が「Ｈ」のとき出力段回路150 はスイッチ素子であるトランジスタTr3 をオン状態にし、「Ｌ」のときオフ状態にする。出力段回路150 に接続されたトランジスタTr3 はそのエミッタ、コレクタが電源Vin 及びグランド線GND に接続されていることから、上記オンオフ動作によって電源Vin 及びグランド線GND から見たモジュールのインピーダンスを制御している。
【００６１】
制御回路138 に接続された端子INV は、アクティブ「Ｈ」動作とアクティブ 「Ｌ」動作とを選択するためのもので、コンデンサC1およびスイッチS1を接続している。端子INV をグランドに短絡すると、発光ダイオードLED からの光がフォトダイオードPDで検出されると（即ち物体があるのを検出すると）端子OUT からの出力を「Ｈ」にするというアクティブ「Ｈ」動作となり、端子INV にコンデンサC1を接続すると、発光ダイオードLED からの光がフォトダイオードPDで検出されると端子OUT からの出力を「Ｌ」にするというアクティブ「Ｌ」動作となる。スイッチS1にかえてジャンパJ1で端子INV をグランドに短絡するようにすることもできる。
【００６２】
制御回路138 は、極性切り替えの制御のための回路であり、反射光が検出されたとき、端子OUT から出力信号として「Ｈ」を出力する「モードＡ」と、端子OUT から出力信号として「Ｌ」を出力する「モードＢ」とを選択するための回路である。スイッチS1をオン状態にして端子INV をアースに短絡するとモードＡになり、スイッチS1をオフ状態にしてコンデンサC1を接続するとモードＢになる。
【００６３】
２線式光電スイッチである本モジュールは、低消費電力化するために、コンデンサC7に蓄積された電荷を用いて発光ダイオードLED を駆動することから、モードＡのときはモジュールがハイインピーダンスの状態であるため、電源Vin から発光ダイオードLED の駆動電力が得られるので、モードＡのときには問題が生じない。しかし、モードＢのときはモジュールがローインピーダンスの状態であるため、電源Vin から発光ダイオードLED の駆動電力が得られなくなって誤動作が生じるおそれがある。そこで、制御回路138 は、コンデンサC1に十分な電荷が蓄積されるように、信号138a，138b，138cそれぞれを極性切替回路135 、サンプルホールド回路134 、出力バッファ136 に与えてこれらの動作を禁止するようにしている。
【００６４】
図２は制御回路138 の具体的回路構成例を示したもので、簡単な構成で低い電圧でかつ低消費電力でモード切り換えの動作をするようにした回路である。端子INV には、定電流源回路QP38及びトランジスタQN56のベースが接続されている。トランジスタQN56のエミッタは、定電流源回路QN57及びトランジスタQN58，QN59のベースに接続され、トランジスタQN56のエミッタ電圧は、これらのベースに与えられるとともに、この回路の出力（制御回路138 から極性切替回路135 への一方の出力138a）となっている。
【００６５】
トランジスタQN56のコレクタには、トランジスタQP41，QP42とともにカレントミラー回路を構成するトランジスタQP40が接続されており、トランジスタQN56のコレクタ電流に等しいかあるいは比例した電流がトランジスタQP41，QP42のコレクタからサンプルホールド回路134 及び出力バッファ136 への出力138b，138cとなる。
【００６６】
トランジスタQN59のコレクタにはトランジスタQN60，定電流源回路QN44が接続されており、図の出力MODE B即ちトランジスタQN56のエミッタ電圧がトランジスタQN59がオンになる電圧（およそ0.6V以上）であるとき（ハイ状態）、定電流源回路QN44の電流はトランジスタQN59を流れる。そのため、制御回路138 から極性切替回路135 へのもう一方の出力138a（図のMODE A）はほぼグランドレベルになる（ロー状態）。一方、出力MODE Bがグランドレベル（ロー状態）であり、トランジスタQN59がオフ状態のときは、定電流源回路QN44の電流はトランジスタQN60に流れる。このとき、図の出力MODE Aは、トランジスタQN60のエミッタ−ベース間電圧およそ0.6Vに等しくなる（ハイ状態）。
【００６７】
これらトランジスタQN59，定電流源回路QN44，トランジスタQN60によって、図の出力MODE Bに対して反転した状態の出力MODE Aを得るための反転回路が構成されている。
【００６８】
トランジスタQN56のエミッタに接続されたトランジスタQN58とトランジスタQP39とにより、トランジスタQN53，QN59がオンになったときに、トランジスタQP41，QP42，QP40によるカレントミラー回路に流れる電流を制限するための回路が構成されている。
【００６９】
なお、図中の各定電流源回路は、通常のＩＣ上に形成されるものと同様にトランジスタで構成され、そのベースにバイアス源からバイアスを与えるようになっている。
【００７０】
図３は、制御回路138 とサンプルホールド回路134 ，出力バッファ136 との接続関係を等価的に示したものである。制御回路138 からの出力138bがある一定の範囲（これについては後述する）にある場合、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 を経て出力バッファ136 に与えられ、一方、その範囲にある場合、出力138bの電流がある時はサンプルホールド回路134 の出力は禁止される。等価的には、制御回路138 からの出力138bはウィンドウコンパレータ134bに与えられ、ある一定の範囲にある場合、ウィンドウコンパレータ134bからの出力により３ステートバッファ134aでサンプルホールド回路134 の出力が禁止される。また、制御回路138 からの出力138aがローの時（図２のMODE Aがハイ状態、MODE Bはグランドレベル）に、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 で反転されて出力バッファ136 に与えられる。等価的には、極性切替回路135 はＥＸＯＲ回路で示される。
【００７１】
この制御回路138 の動作をモードＡ，モードＢに分けて説明するとつぎのようになる。
【００７２】
まず、モードＡのときは、端子INV はジャンパJ1などでグランドレベルにされている。このとき、トランジスタQN56はオフ状態になるため、トランジスタQN58，QN59のベースはグランドレベルになり、出力MODE Bはグランドレベルになる。トランジスタQN59はオフになるので、出力MODE Aはハイ状態になる。トランジスタQN56のコレクタ電流はほぼ０であることから、トランジスタQP41，QP42は、そのコレクタ電流も非常に小さくなり、ハイインピーダンス状態になる。従って、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 を経て反転されずに出力バッファ136 に与えられる。
【００７３】
つぎに、モードＢのときは、端子INV とグランドとの間にはコンデンサC1が接続される。電源投入時、コンデンサC1には電荷が蓄積されていないことから、端子INV はグランドレベルになっている。定電流源回路QP38の電流により、図４に示すように、コンデンサC1に電荷が蓄積されはじめその両端電位が上昇する（図４のMODE Aの領域）。トランジスタQN53のエミッタ−ベース間電圧Vbe （およそ0.6V）を越えるとトランジスタQN56のベースに電流が流れはじめ、トランジスタQN56のコレクタ電流が増加しはじめる。
【００７４】
こうしてトランジスタQP41，QP42のコレクタ電流が増加しはじめる。しかし、トランジスタQN56のエミッタはほぼグランドレベルになっているので、ノーマルモードであるモードＡのままである（この状態を無効状態invalid religionとよぶ）。この無効状態にあるときにサンプルホールド回路134 の出力が禁止される。無効状態にある範囲がウィンドウコンパレータ134bからの出力により３ステートバッファ134aでサンプルホールド回路134 の出力が禁止される範囲になる。
【００７５】
コンデンサC1の両端電圧がトランジスタQN53のエミッタ−ベース間電圧Vbe の２倍（およそ1.2V）を越えるとトランジスタQN56のベースには十分な電流が流れ、コレクタ電流も十分大きくなり、トランジスタQN53もオン状態になる。この状態になると、トランジスタQP41，QP42のコレクタ電流も十分であり、トランジスタQN56のエミッタ電圧は高くなる。出力MODE Bはハイ状態になり、トランジスタQN59はオンになって出力MODE Aはグランドレベルになる。これによって、サンプルホールド回路134 の出力は極性切替回路135 で反転されて出力バッファ136 に与えられるようになる。
【００７６】
また、トランジスタQN53がオン状態になると定電流源回路QP38の電流はトランジスタQN53に流れるようになるため、トランジスタQN56のベースに電流が制限されるので、トランジスタQN56のコレクタ電流が制限される。この状態では、トランジスタQN58もオン、トランジスタQP39もオンになり、トランジスタQP39を介してトランジスタQN53のコレクタに電流が流れるようになる。トランジスタQP40に流れる電流がトランジスタQP39によって制限されるため、トランジスタQP41，QP42のコレクタ電流の増加が止まる（図４のMODE Bの領域）。
【００７７】
発光ダイオードLED から出力されたパルス光は、物体がある場合に、この物体で反射され、その反射光をホトダイオードPDで受光する。この反射光を受光したホトダイオードPDで発生した光電流は、プリアンプ133 で増幅され、サンプルホールド回路134 でプリアンプ133 からの波高値が検出される。端子INV の設定に応じて極性切替回路135 は、物体があると検出出力として「Ｈ」（モードＢのとき）又は「Ｌ」（モードＡのとき）を出力し、出力バッファ136 を介して端子OUT から出力される。この出力により150 はトランジスタTr3 をオン（モードＡのとき）又はオフ（モードＢのとき）にする。これによって電源Vin 及びグランド線GND から見たモジュールのインピーダンスをモードＡのときは下げ、モードＢのときは上げている。
【００７８】
こうして、光電スイッチは物体があるのを検出するとモジュールのインピーダンスを下げ、信号線の電圧を下げて物体の有無を信号として伝達する。そして、信号線の電圧を下げている時には、モジュールの消費電流は同じ信号線から供給され、モジュールの動作は正常に保つようになっている。正常に保つために、信号線の電圧をモジュール側で検出し、内部で設定した電圧2.4V以下には下がらないようにインピーダンスを制御している。
【００７９】
ここで、電源投入時において、モードＡのときは物体がないときの検出出力は「Ｌ」であるため、端子OUT をグランドレベルにしてモジュールのインピーダンスを高くしておけば良いので、発光ダイオードLED を駆動するための電流を確保することができる。また、モードＢのときであっても、電源投入時において、始めはモードＡと同様に端子INV をグランドレベルとし、図４のように電圧が無効状態にある範囲を越えるまで、コンデンサC1と定電流源回路QP38とできまる一定の時間、サンプルホールド回路134 、極性切替回路135 、出力バッファ136 の動作を禁止するようにして、発光ダイオードLED を駆動するための電流を確保し、正常な動作になるようにしている。
【００８０】
こうして、切替回路138aを電源投入時に一定の時間スイッチ素子Tr3 をオフ状態にするモードにすることにより、電源投入時のトラブルを抑えることができる。
【００８１】
さらに、図５に示すように端子OUT は、電圧検出回路123 の出力と出力バッファ136 の出力とがワイヤードＯＲになるように接続されており、チップ120 への電源電圧Vcc が所定の電圧2.4Vよりも小さいときは、端子OUT をグランドレベルにすることでトランジスタTr3 をオフ状態にしてモジュールのインピーダンスが高くなるようにしている。コンパレータ123bは、基準電圧源回路123aで電圧降下させて得た基準電圧Vrefと電源電圧Vcc を抵抗で分圧した電圧とを比較するものであり、チップ120 への電源電圧Vcc が所定の電圧2.4Vよりも大きいときは、トランジスタ123bをオン、小さいときは、トランジスタ123bをオフにするようにしている。
【００８２】
出力バッファ136 は、出力回路136aの出力に定電流源回路136bが接続されるようになっており、コンパレータ123bがオンになったときは端子OUT をグランドレベルにしている。こうして、電源電圧Vcc が小さいときは、端子OUT をグランドレベルにしてモジュールのインピーダンスが高くなるようにして発光ダイオードLED を駆動するための電流を確保し、正常な動作になるようにしている。
【００８３】
【発明の効果】
以上の通り本発明によれば、物体の有無を検出すると、スイッチとして動作する２線式光電スイッチを構成することができ、物体の有無を検出した場合、電源に対しオン状態またはオフ状態のいずれかを選択することができる。そして、切替回路を電源投入時に一定の時間スイッチ素子をオフ状態にするモードにすることにより、電源投入時のトラブルを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電スイッチの構成例を示す図。
【図２】切替制御回路の回路図。
【図３】制御回路138 とサンプルホールド回路134 ，出力バッファ136 との接続関係を等価的に示した図。
【図４】電源投入時においてコンデンサC1の両端電圧を示す図。
【図５】端子OUT の接続を示す図。
【図６】３線式光電スイッチの構成例を示す図。
【符号の説明】
120 …電源回路用のチップ、130 …集積化ＰＩＮホトダイオードセンサ・チップ、122 …基準電圧源回路、132 …発振回路、131 ，170 …ＬＥＤ駆動回路、133 …プリアンプ、134 …サンプルホールド回路、135 …極性切替回路、138 …正転・反転制御回路、Tr3 …トランジスタ、C1…コンデンサ，S1…スイッチ，QN56，QN53，QP40，QN58，QN59，QN60，QP41…トランジスタ、QP38，QP44，QN57…定電流源回路
Claims (5)
- 電源の二端子間に接続されて動作する２線式光電スイッチであって、
検出すべき物体へ光パルスを出力する発光素子と、
前記発光素子をパルス駆動するための駆動手段と、
前記光パルスを検出して光電流のパルスに変換する光検出素子と、
前記光電流を増幅するとともに前記光電流の波高値を検出する検出手段と、
前記波高値の検出出力を反転することなく前記物体の有無の検出信号として出力するモードと、前記波高値の検出出力を反転して前記検出信号として出力するモードとの切り替えが可能な切替回路と、
前記電源の二端子間に接続され、前記検出信号に応じてオン状態またはオフ状態のいずれかをとり、前記物体が検出されたときに、前記切替回路がいずれか一方の前記モードになっている際オン状態となり、他方の前記モードになっている際オフ状態となるスイッチ素子と、
前記電源投入時に一定の時間前記スイッチ素子をオフ状態にするように前記切替回路の反転・非反転を制御する切替制御回路と
を備える２線式光電スイッチ。 - 前記駆動手段は、所定の周波数のパルスを発振する発振回路と、所定の周波数のパルスにより発光素子をパルス駆動する駆動回路とを含んで構成され、
前記検出手段は、前記光電流を増幅するプリアンプと、前記プリアンプの増幅信号をサンプル・ホールドして前記光電流の波高値を検出するサンプル・ホールド回路とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１記載の２線式光電スイッチ。 - 前記切替制御回路は、電源に対して直列に接続された定電流源及びコンデンサと、このコンデンサに並列に接続されたスイッチと、前記コンデンサの端子電圧が所定の第１の電圧以下のとき前記スイッチ素子をオフ状態にするように前記切替回路のモードに切り替えるとともに端子電圧が前記第１の電圧以下であって所定の第２電圧以上のとき検出手段の出力を禁止する回路とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１記載の２線式光電スイッチ。
- 前記電源に接続され、前記光電スイッチの各部に必要とする定電圧の電源を供給するための基準電圧源回路をさらに有し、
前記駆動手段、前記光検出素子、前記検出手段、前記切替回路、前記切替制御回路は同一の第１のチップ上に構成され、前記基準電圧源回路は前記第１のチップとは別の第２のチップ上に構成されたマルチチップモジュール構成であることを特徴とする請求項１記載の２線式光電スイッチ。 - 前記第２のチップ上に前記定電圧を検出するための電圧検出回路をさらに有し、この電圧検出回路の出力は前記波高値の検出出力に対しワイアードＯＲ接続され、前記定電圧が所定の電圧以下である場合に、前記スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項４記載の２線式光電スイッチ。
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