JP6786913B2

JP6786913B2 - 信号伝達回路及び計装機器

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Publication number: JP6786913B2
Application number: JP2016134139A
Authority: JP
Inventors: 勝田ノ下
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2036-07-06
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Description

本発明は、入出力間を絶縁した状態で信号伝達が可能な信号伝達回路及び計装機器に関する。

一般に計装機器においては、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号が標準信号として用いられている。ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号は、４ｍＡを０％、２０ｍＡを１００％とし、４ｍＡから２０ｍＡ間のリニアな変化から計測値を伝達する方式である。ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号を使用した計装機器は、例えば、ＤＣ電源から電力が供給され、センサ回路で測定した測定値を制御回路からＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号を使用して外部に出力している。この計装機器では、制御回路とセンサ回路がＤＣ電源からのノイズを受けないように絶縁型の信号伝達回路を介して信号伝達されている。

図７に示すように、信号伝達回路４０として入出力間をトランスＴＲで絶縁した状態で信号伝達するものが提案されている。信号伝達回路４０では、電気信号Ｓ０が制限抵抗Ｒ_４１を通じてトランスＴＲの一次巻線に入力され、トランスＴＲの二次巻線から制限抵抗Ｒ_４２を通じて出力される。トランスＴＲの二次巻線側には、トランスＴＲで発生する逆電圧を除去するダイオードＤ_４１が設けられている。トランスＴＲでは、入力側の電気信号の立ち上がりや立ち上がりの高周波成分だけが短パルス信号Ｓ３として出力側に伝達される。短パルス信号Ｓ３のパルス幅がパルス幅変更回路４１で調整されて出力側で電気信号Ｓ０が復元される。

上記した信号伝達回路４０では、トランスＴＲを用いることで絶縁することが可能になるが、トランスＴＲは部品外形が大きく高価であるという問題がある。このため、安価で小型のフォトカプラやフォトＭＯＳリレーを用いた信号伝達回路も提案されている。フォトカプラを用いた信号伝達回路では、入力信号がフォトカプラ内の発光ダイオードで光に変換され、この光がフォトカプラ内のフォトトランジスタに受光されることで、入出力間を絶縁した状態で信号伝達することが可能になっている。なお、フォトカプラを信号伝達回路に適用した構成は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００８−０２８５８９号公報

ところで、フォトカプラやフォトＭＯＳリレー等の絶縁型の信号伝達素子をＯＮにするためには発光ダイオードに０．５〜１０ｍＡの電流を流す必要がある。ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号は電力供給も兼ねているため、発光ダイオードで電流が消費されると、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で伝達される電流値に発光ダイオードで消費される電流値が加えられる。上記したように、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号は４ｍＡから２０ｍＡの電流値を０％から１００％の計測値として表しているため、消費電流が加わると正確な計測値を外部に伝達することができないという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができる信号伝達回路及び計装機器を提供することを目的の１つとする。

本発明の信号伝達回路は、入出力間を絶縁した状態で電気信号を伝達する信号伝達回路であって、発光素子から受光素子に光学的に信号伝達する信号伝達部と、電源から前記発光素子に向かって流れ込む電流を制限する制限抵抗と、前記制限抵抗を介して前記電源から出力された電荷を蓄えるキャパシタとを備え、前記キャパシタに蓄えた電荷によって前記発光素子を発光させ、前記制限抵抗は、第１、第２の制限抵抗を有し、前記信号伝達回路の入力側の電源ラインは、前記第１の制限抵抗と前記キャパシタを介してグラウンドに接地されており、前記第１の制限抵抗と前記キャパシタの接続点は、前記第２の制限抵抗を介して前記発光素子に接続されており、前記第１の制限抵抗が、前記電源から前記発光素子に向かう電流を、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えない大きさに制限し、前記第２の制限抵抗が、前記キャパシタから前記発光素子に流れる電流を、前記発光素子の発光に必要な大きさに制限する、ことを特徴とする。

本発明によれば、キャパシタが内部電源となって信号伝達部の発光素子が発光されて、発光素子と受光素子の間が絶縁された状態で光学的に信号伝達される。発光素子の発光時には電源からの電流が消費されるのではなく、キャパシタに蓄えられた電荷が消費される。このため、電源からの電力供給を兼ねる電流信号に対する発光素子の電流消費の影響を抑えることができる。また、キャパシタの電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路内に流れ込む電流が制限抵抗によって制限されるため、電流信号に対する影響が抑えられている。したがって、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができる。

本実施の形態の計装機器のブロック図である。比較例の信号伝達回路の回路図である。比較例のＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号の電流値の変化を示す図である。第１の実施の形態の信号伝達回路の一例を示す図である。第１の実施の形態の短パルス信号とフォトカプラの駆動電圧の関係を示す図である。第２の実施の形態の信号伝達回路の一例を示す図である。従来の信号伝達回路の一例を示す図である。

以下、本実施の形態の信号伝達回路を適用した計装機器について説明する。図１は、本実施の形態の計装機器のブロック図である。図２は、比較例の信号伝達回路の回路図である。

図１に示すように、計装機器１は、ＤＣ電源（電源）２に接続されており、ＤＣ電源２からのＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で電力供給されると共に、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で計測値を外部に出力するように構成されている。計装機器１には、計装機器１を制御する制御回路３と、計測対象を計測するセンサ回路４と、制御回路３−センサ回路４間で信号伝達する信号伝達回路５とが設けられている。信号伝達回路５は、制御回路３及びセンサ回路４がノイズの影響を受けないように、入力側の制御回路３と出力側のセンサ回路４を電気的に絶縁した状態で光学的に信号伝達している。

このように構成された計装機器１では、制御回路３から信号伝達回路５に電気信号が入力され、信号伝達回路５を介して入力された電気信号でセンサ回路４が駆動される。そして、制御回路３によってセンサ回路４から計測値が取得され、電力供給でも使用されるＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で制御回路３から外部に計測値が出力される。なお、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号は計装向けの標準規格の信号であり、４ｍＡを０％とし２０ｍＡを１００％として、４ｍＡから２０ｍＡまでの電流値のリニアの変化を使用して計測値を伝達する伝達用信号である。

ところで、図２の比較例に示すように、一般的な信号伝達回路３０として安価で小型のフォトカプラＦ_３１を使用したものが提案されている。フォトカプラＦ_３１の発光ダイオードＤ_３１のアノードに制限抵抗Ｒ_３１を介して入力側の電源ラインＬ_３１が接続され、発光ダイオードＤ_３１のカソードに電気信号Ｓ０の入力ラインＬ_３２が接続されている。また、フォトカプラＦ_３１のフォトトランジスタＴ_３１のコレクタにプルアップ抵抗Ｒ_３２を介して出力側の電源ラインＬ_３３が接続され、フォトトランジスタＴ_３１のエミッタがグラウンドＧ_３１に接地されている。また、プルアップ抵抗Ｒ_３２とフォトトランジスタＴ_３１のコレクタの接続点Ｐ_３１が電気信号Ｓ０の出力ラインＬ_３４に接続されている。

この信号伝達回路３０では、例えば、入力側の電気信号Ｓ０がＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わると、入力側の電源電圧Ｖ０が制限抵抗Ｒ_３１を介して発光ダイオードＤ_３１に印加されて発光される。発光ダイオードＤ_３１の発光によってフォトトランジスタＴ_３１のベース部分に光が当たると、フォトトランジスタＴ_３１のコレクタ−エミッタ間が導通されて、出力側の電源電圧ＶＥがグラウンドＧ_３１に短絡して出力側の電気信号がＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わる。このように、入力端子からの電気信号Ｓ０に応じて発光ダイオードＤ_３１のＯＮ／ＯＦＦが切り替り、発光ダイオードＤ_３１の発光に応じてフォトトランジスタＴ_３１がスイッチングすることで電気信号Ｓ０が信号伝達される。

図３に示すように、この比較例の信号伝達回路３０では、フォトカプラＦ_３１をＯＮにするためには発光ダイオードＤ_３１に０．５〜１０ｍＡ程度の電流を流す必要がある。このため、発光ダイオードＤ_３１で１０ｍＡが電流消費されると、電力供給を兼ねるＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で伝達される電流値に１０ｍＡが加算された電流が流れてしまう。例えば、４ｍＡの電流信号を出力している状態で発光ダイオードＤ_３１が発光すると、発光ダイオードＤ_３１の発光期間Ｔはベース電流（装置内の他の回路で消費される電流）に加えて１０ｍＡが加算された電流が出力される。このように、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号の電流値が発光ダイオードＤ_３１の消費電流で可変するため、正確な計測値を伝達することができない。

そこで、本実施の形態の信号伝達回路５には、電源から出力された電荷を一次的にキャパシタＣ_１１（図４参照）で蓄えて、キャパシタＣ_１１に蓄えた電荷を用いて発光ダイオードＤ_１１（図４参照）を発光させるようにしている。これにより、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する発光ダイオードＤ_１１の発光による消費電流の影響を抑えている。さらに、キャパシタＣ_１１の電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路５内に流れ込む電流を制限抵抗Ｒ_１１（図４参照）で制限することによって、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する影響を抑えている。

以下、第１の実施の形態の信号伝達回路について説明する。第１の実施の形態の信号伝達回路は、単一のフォトカプラによって入出力間を絶縁した状態で信号伝達する回路である。第１の実施の形態の信号伝達回路は、一定のパルス幅の電気信号を伝達する際に使用される。図４は、第１の実施の形態の信号伝達回路の一例を示す図である。なお、図４は、本実施の形態を説明するために簡略化した回路図であり、信号伝達回路が通常備える構成については備えているものとする。

図４に示すように、信号伝達回路５は、パッケージ内に発光ダイオードＤ_１１とフォトトランジスタＴ_１１を封入したフォトカプラ（信号伝達部）Ｆ_１１を備えており、発光ダイオードＤ_１１とフォトトランジスタＴ_１１の間で入力側と出力側が電気的に絶縁されている。信号伝達回路５の入力側の電源ラインＬ_１１は、制限抵抗（第１の制限抵抗）Ｒ_１１及びキャパシタＣ_１１を介してグラウンドＧ_１１に接地されている。また、制限抵抗（第１の制限抵抗）Ｒ_１１及びキャパシタＣ_１１の接続点Ｐ_１１は、制限抵抗（第２の制限抵抗）Ｒ_１２を介して発光ダイオードＤ_１１のアノードに接続されている。電気信号Ｓ０の入力ラインＬ_１２は、単安定マルチバイブレータ（信号変換部）１１を介して発光ダイオードＤ_１１のカソードに接続されている。

信号伝達回路５の出力側の電源ラインＬ_１３は、プルアップ抵抗Ｒ_１３を介してフォトトランジスタＴ_１１のコレクタに接続され、フォトトランジスタＴ_１１のエミッタはグラウンドＧ_１２に接地されている。また、プルアップ抵抗Ｒ_１３とフォトトランジスタＴ_１１のコレクタの接続点Ｐ_１２は、パルス幅変更回路（信号復元部）１２を介して電気信号Ｓ０の出力ラインＬ_１４に接続されている。信号伝達回路５では、入力ラインＬ_１２からフォトカプラＦ_１１に信号が入力されると、フォトカプラＦ_１１で発光ダイオードＤ_１１からフォトトランジスタＴ_１１に光学的に信号伝達されて出力ラインＬ_１４に信号が出力される。

この信号伝達回路５では、入力側の電源ラインＬ_１１を通じて制限抵抗Ｒ_１１に電流が流れて、制限抵抗Ｒ_１１を介して電源から出力された電荷がキャパシタＣ_１１に蓄えられている。このキャパシタＣ_１１に一時的に蓄えられた電荷によって、発光ダイオードＤ_１１が発光される。これにより、発光ダイオードＤ_１１の発光時にはキャパシタＣ_１１が内部電源として使用され、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号の電流値に発光ダイオードＤ_１１の消費電流が加算されることがない。よって、発光ダイオードＤ_１１の発光時のＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号を用いた計測値の伝達への影響が抑えられている。

また、制限抵抗Ｒ_１１は、電源から発光ダイオードＤ_１１に向かう電流を、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えない大きさに制限している。これにより、キャパシタＣ_１１の充電時や発光ダイオードＤ_１１の発光時に電源ラインＬ_１１を通じて信号伝達回路５内に流れ込む電流が大きくなり過ぎることがなく、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号を用いた計測値の伝達への影響が抑えられている。このときの制限抵抗Ｒ_１１の抵抗値Ｒ_Ｌ１は、入力側の電源電圧をＶ０、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えない電流の最大値をＩ_ａｍａｘとすると、下記式（１）のように表される。Ｖ０＝５Ｖ、Ｉ_ａｍａｘ＝０．１ｍＡの場合にはＲ_Ｌ１≧５０ｋΩになる。
式（１）
Ｒ_Ｌ１≧Ｖ０／Ｉ_ａｍａｘ

また、制限抵抗Ｒ_１２は、キャパシタＣ_１１から発光ダイオードＤ_１１に流れる電流を、発光ダイオードＤ_１１の発光に必要な大きさに制限している。このときの制限抵抗Ｒ_１２の抵抗値Ｒ_Ｌ２は、フォトカプラＦ_１１の最大駆動電圧（制限抵抗Ｒ_１１とキャパシタＣ_１１の接続点Ｐ_１１の最大電圧）をＶ１_ｍａｘ、発光ダイオードＤ_１１に流す電流をＩＦとすると、下記式（２）のように表される。Ｖ１＝５Ｖ、ＩＦ＝１０ｍＡの場合にはＲ_Ｌ２＝５００Ωになる。
式（２）
Ｒ_Ｌ２＝Ｖ１_ｍａｘ／ＩＦ

単安定マルチバイブレータ１１は、電気信号Ｓ０を当該電気信号Ｓ０の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号Ｓ１に変換して発光ダイオードＤ_１１のカソードに印加している。短パルス信号Ｓ１の信号レベルがＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わることで、発光ダイオードＤ_１１に順方向電圧が加わって、キャパシタＣ_１１から発光ダイオードＤ_１１に電流が流れて発光ダイオードＤ_１１が発光する。このとき、短パルス信号Ｓ１のパルス幅が、キャパシタＣ_１１に蓄えられた電荷で発光ダイオードＤ_１１を発光可能な期間以下に設定されているため、キャパシタＣ_１１に蓄えられた電荷だけで発光ダイオードＤ_１１を発光させることができる。

フォトカプラＦ_１１では、短パルス信号Ｓ１が発光ダイオードＤ_１１の発光に変換されてフォトトランジスタＴ_１１に伝達される。フォトトランジスタＴ_１１は発光ダイオードＤ_１１からの光を受けることで、ベース電流が流れてコレクタ−エミッタ間を導通する。このとき、フォトトランジスタＴ_１１のコレクタにはプルアップ抵抗Ｒ_１３を介して出力側の電源電圧ＶＥが印加されており、このコレクタ電圧がコレクタ−エミッタ間の導通によって変動する。入力側の短パルス信号Ｓ１に同期してコレクタ電圧が変動することで、コレクタ電圧の変動から出力側の短パルス信号Ｓ１が取り出されて信号伝達される。

パルス幅変更回路１２は、出力側の短パルス信号Ｓ１のパルス幅を調整して、一定のパルス幅の電気信号Ｓ０を復元する。すなわち、短パルス信号Ｓ１が、当該短パルス信号Ｓ１の信号レベルがＨｉｇｈからＬｏｗになるのに同期して立ち下がる一定のパルス幅の電気信号Ｓ０に変換される。上記したように、第１の実施の形態の信号伝達回路５は一定のパルス幅の電気信号の信号伝達に用いられる。このため、電気信号の立ち上がり又は立ち下がりタイミングのいずれかを短パルス信号Ｓ１で伝達することで、入出力間で一定のパルス幅の電気信号Ｓ０を信号伝達することが可能になっている。

このように構成された信号伝達回路５では、入力ラインＬ_１２に電気信号Ｓ０が入力されると、単安定マルチバイブレータ１１によって電気信号Ｓ０が短パルス信号Ｓ１に変換される。短パルス信号Ｓ１の信号レベルがＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わることで、キャパシタＣ_１１に蓄えられた電荷によって発光ダイオードＤ_１１が発光する。発光ダイオードＤ_１１の発光に同期してフォトトランジスタＴ_１１のコレクタ−エミッタ間が導通し、コレクタ電圧の変動が短パルス信号Ｓ１として取り出される。そして、パルス幅変更手段１２で短パルス信号Ｓ１から電気信号Ｓ０が復元されることで、フォトカプラＦ_１１によって入出力間を絶縁した状態で電気信号Ｓ０が信号伝達される。

このとき、キャパシタＣ_１１に蓄えられた電荷だけで発光ダイオードＤ_１１が発光するため、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えることがない。キャパシタＣ_１１の電荷が発光ダイオードＤ_１１の発光に使用されることで、キャパシタＣ_１１の電圧が低下して外部から信号伝達回路５に電流が流れ込むが、制限抵抗Ｒ_１１によって電流が制限されることでＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号への影響を抑えることができる。フォトカプラＦ_１１を用いて入出力間が絶縁されているため、トランスを用いて入出力間を絶縁する構成と比較して、信号伝達回路５を安価かつ小型に形成することができる。

ここで、図５を参照して短パルス信号に対するフォトカプラの駆動電圧の変化について説明する。図５は、第１の実施の形態の短パルス信号とフォトカプラの駆動電圧との関係を示す図である。ここでは、図４を適宜参照しながら説明する。

図５に示すように、短パルス信号Ｓ１のＬｏｗ期間Ｔｌでは、キャパシタＣ_１１から発光ダイオードＤ_１１に電流が流れてキャパシタＣ_１１に蓄えられた電荷が消費され、キャパシタＣ_１１と制限抵抗Ｒ_１１の接続点Ｐ_１１（図４参照）の駆動電圧Ｖ１が急激に低下する。電源電圧Ｖ０よりも駆動電圧Ｖ１が低下することで信号伝達回路５内に電源から電流が流れ込むが、制限抵抗Ｒ_１１によって電流が制限されている。短パルス信号Ｓ１のＨｉｇｈ期間Ｔ２では、発光ダイオードＤ_１１が消灯して電流が流れることがなく、制限抵抗Ｒ_１１を介して電源から出力された電荷がキャパシタＣ_１１に蓄えられ、後続の短パルス信号がＬｏｗになるまで駆動電圧Ｖ１が徐々に上昇する。

以上のように、第１の実施の形態の信号伝達回路５では、キャパシタＣ_１１が内部電源となってフォトカプラＦ_１１の発光ダイオードＤ_１１が発光されて、発光ダイオードＤ_１１とフォトトランジスタＴ_１１の間が絶縁された状態で光学的に信号伝達される。発光ダイオードＤ_１１の発光時には電源からの電流が消費されるのではなく、キャパシタＣ_１１に蓄えられた電荷が消費される。このため、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する発光ダイオードＤ_１１の電流消費の影響を抑えることができる。また、キャパシタＣ_１１の電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路５内に流れ込む電流が制限抵抗Ｒ_１１によって制限されるため、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する影響が抑えられている。したがって、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁した状態で信号伝達することができる。

次に、第２の実施の形態の信号伝達回路について説明する。第２の実施の形態の信号伝達回路は、複数のフォトカプラによって入出力間を絶縁した状態で信号伝達する回路である。第２の実施の形態の信号伝達回路は、複数のフォトカプラによって電気信号の立ち上がりと立ち下がりを個別に伝達することで、パルス幅が可変する電気信号を伝達することが可能になっている。図６は、第２の実施の形態の信号伝達回路の一例を示す図である。なお、図６は、本実施の形態を説明するために簡略化した回路図であり、信号伝達回路が通常備える構成については備えているものとする。また、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同一の構成については説明を省略する。

図６に示すように、信号伝達回路２０では、第１、第２のフォトカプラＦ_２１、Ｆ_２２を備えており、第１、第２のフォトカプラＦ_２１、Ｆ_２２を介して入力側と出力側が電気的に絶縁されている。信号伝達回路２０の入力側の電源ラインＬ_２１は、制限抵抗（第１の制限抵抗）Ｒ_２１及びキャパシタＣ_２１を介してグラウンドＧ_２１に接地されている。また、制限抵抗（第１の制限抵抗）Ｒ_２１及びキャパシタＣ_２１の接続点Ｐ_２１は、制限抵抗（第２の制限抵抗）Ｒ_２２を介して第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２のアノードに接続されている。電気信号の入力ラインＬ_２２は、第１、第２の単安定マルチバイブレータ（第１、第２の信号変換部）２１、２２を介して第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２のカソードに接続されている。

信号伝達回路２０の出力側の第１の電源ラインＬ_２３は、第１のプルアップ抵抗Ｒ_２３を介して第１のフォトトランジスタＴ_２１のコレクタに接続され、第１のフォトトランジスタＴ_２１のエミッタはグラウンドＧ_２２に接地されている。出力側の第２の電源ラインＬ_２４は、第２のプルアップ抵抗Ｒ_２４を介して第２のフォトトランジスタＴ_２２のコレクタに接続され、第２のフォトトランジスタＴ_２２のエミッタはグラウンドＧ_２３に接地されている。また、第１、第２のプルアップ抵抗Ｒ_２３、Ｒ_２４と第１、第２のフォトトランジスタＴ_２１、Ｔ_２２のコレクタの接続点Ｐ_２１、Ｐ_２２は、それぞれフリップフロップ（信号復元部）２３を介して電気信号の出力ラインＬ_２５に接続されている。

キャパシタＣ_２１には電源から出力された電荷が蓄えられており、このキャパシタＣ_２１に一時的に蓄えられた電荷によって第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２が発光される。これにより、第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２の発光時にはキャパシタＣ_２１が内部電源として使用される。また、制限抵抗Ｒ_２１はキャパシタＣ_２１の充電時や第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２の発光時に電源ラインＬ_２１を通じて信号伝達回路２０内に流れ込む電流を制限している。このため、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２の消費電流の影響が抑えられている。

このように構成された信号伝達回路２０では、入力ラインＬ_２２に電気信号が入力されると、第１、第２の単安定マルチバイブレータ２１、２２に電気信号Ｓ０が入力される。第１の単安定マルチバイブレータ２１では、電気信号Ｓ０が当該電気信号Ｓ０の立ち下がりに同期した第１の短パルス信号Ｓ１に変換され、第２の単安定マルチバイブレータ２２では、電気信号Ｓ０が当該電気信号Ｓ０の立ち上がりに同期した第２の短パルス信号Ｓ２に変換される。短パルス信号Ｓ１、Ｓ２のパルス幅は、キャパシタＣ_２１に蓄えられた電荷で第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２を発光可能な期間以下に設定されている。

第１の短パルス信号Ｓ１がＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わることで、キャパシタＣ_２１に蓄えられた電荷によって第１の発光ダイオードＤ_２１が発光し、第１の発光ダイオードＤ_２１から第１のフォトトランジスタＴ_２１に第１の短パルス信号Ｓ１が伝達される。同様に、第２の短パルス信号Ｓ２がＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わることで、キャパシタＣ_２１に蓄えられた電荷によって第２の発光ダイオードＤ_２２が発光し、第２の発光ダイオードＤ_２２から第２のフォトトランジスタＴ_２２に第２の短パルス信号Ｓ２が伝達される。そして、フリップフロップ２３にて第１、第２の短パルス信号Ｓ１、Ｓ２から電気信号Ｓ０が復元される。

この場合、フリップフロップ２３では、第１の短パルス信号Ｓ１で信号レベルが立ち下げられ、第２の短パルス信号Ｓ２で信号レベルが立ち上げられて電気信号Ｓ０が復元される。すなわち、第１の短パルス信号Ｓ１の信号レベルがＬｏｗになると電気信号がクリアされ、第２の短パルス信号Ｓ２の信号レベルがＬｏｗになると電気信号がセットされる。このように、電気信号Ｓ０の立ち下がりと立ち上がりのタイミングが伝達されることで、電気信号Ｓ０のパルス幅が不定であっても、入出力間を絶縁した状態で電気信号Ｓ０を信号伝達することが可能になっている。

以上のように、第２の実施の形態の信号伝達回路２０においても、第１の実施の形態と同様に第１、第２の発光ダイオードＤ_２１、Ｄ_２２の発光によるＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する影響が抑えられている。また、電気信号Ｓ０のパルス幅が可変しても、入出力間を絶縁した状態で信号伝達することができる。

なお、上記した第１、第２の実施の形態では、信号伝達部としてフォトカプラＦ_１１、Ｆ_２１、Ｆ_２２を例示しているが、この構成に限定されない。信号伝達部は、電気信号を発光素子から受光素子に光学的に伝達する構成であればよく、例えば、発光ダイオードとＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）から成るフォトＭＯＳリレーが使用されてもよい。

また、上記した第１、第２の実施の形態では、信号変換部として単安定マルチバイブレータ１１、２１、２２を例示しているが、この構成に限定されない。信号変換部は、電気信号を当該電気信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号に変換する構成であればよく、例えば、微分回路等でも短パルス信号に変換可能である。

また、上記した第１の実施の形態では、信号復元部としてパルス幅変更回路１２を例示し、上記した第２の実施の形態では、信号復元部としてフリップフロップ２３を例示しているが、この構成に限定されない。信号復元部は、発光素子から受光素子に伝達された短パルス信号から電気信号を復元する構成であれよい。

また、本実施の形態の計装機器１は、本発明の信号伝達回路を備えた計装機器であればよく、例えば駐車場内の車両の有無やゲートへの車両の進入を検知する車両検知器に使用されてもよい。

また、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記各実施の形態を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

また、本発明の実施の形態では、本発明を計装機器の信号伝達回路に適用した構成について説明したが、その他の機器の信号伝達回路に適用することも可能である。

下記に、上記の実施形態における特徴点を整理する。
上記実施形態に記載の信号伝達回路は、入出力間を絶縁した状態で電気信号を伝達する信号伝達回路であって、発光素子から受光素子に光学的に信号伝達する信号伝達部と、電源から前記発光素子に向かって流れ込む電流を制限する制限抵抗と、前記制限抵抗を介して前記電源から出力された電荷を蓄えるキャパシタとを備え、前記キャパシタに蓄えた電荷によって前記発光素子を発光させることを特徴とする。

この構成によれば、キャパシタが内部電源となって信号伝達部の発光素子が発光されて、発光素子と受光素子の間が絶縁された状態で光学的に信号伝達される。発光素子の発光時には電源からの電流が消費されるのではなく、キャパシタに蓄えられた電荷が消費される。このため、電源からの電力供給を兼ねる電流信号に対する発光素子の電流消費の影響を抑えることができる。また、キャパシタの電荷の消費によって電圧が低下しても、電源から信号伝達回路内に流れ込む電流が制限抵抗によって制限されるため、電流信号に対する影響が抑えられている。したがって、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができる。

また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、電気信号を当該電気信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号に変換して前記発光素子に入力する信号変換部と、前記発光素子から前記受光素子に伝達された短パルス信号から電気信号を復元する信号復元部とを備え、短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記発光素子を発光可能な期間以下である。この構成によれば、キャパシタに蓄えられた電荷だけで発光素子を発光できるため、電流信号に対する発光素子の発光による影響を抑えることができる。

また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記信号復元部が、短パルス信号のパルス幅を調整して電気信号を復元する。この構成によれば、短パルス信号から一定のパルス幅の電気信号を復元することで、入出力間で一定のパルス幅の電気信号を信号伝達することができる。

また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記信号伝達部が、第１の発光素子から第１の受光素子に光学的に信号伝達する第１の信号伝達部と、第２の発光素子から第２の受光素子に光学的に信号伝達する第２の信号伝達部とを有し、前記信号変換部が、電気信号を当該電気信号の立ち下がりに同期した第１の短パルス信号に変換する第１の信号変換部と、電気信号を当該電気信号の立ち上がりに同期した第２の短パルス信号に変換する第２の信号変換部とを有し、前記信号復元部が、前記第１の発光素子から前記第１の受光素子に伝達された第１の短パルス信号で信号レベルを立ち下げ、前記第２の発光素子から前記第２の受光素子に伝達された第２の短パルス信号で信号レベルを立ち上げることで電気信号を復元し、第１の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第１の発光素子を発光可能な期間以下であり、第２の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第２の発光素子を発光可能な期間以下である。この構成によれば、電気信号の立下りを第１の短パルス信号、電気信号の立ち上がりを第２の短パルス信号で個別に伝達することで、パルス幅が可変する電気信号を伝達することができる。

また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記信号伝達部が、前記発光素子としての発光ダイオードと前記受光素子としてのフォトトランジスタとから成るフォトカプラである。この構成によれば、安価で小型なフォトカプラを用いて信号伝達回路を形成することができる。

また、上記実施形態に記載の信号伝達回路において、前記制限抵抗が、前記キャパシタに供給される電流を、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えない大きさに制限する。この構成によれば、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に対する発光素子での消費電流の影響を確実に抑えることができる。

また、上記実施形態に記載の計装機器は、上記に記載された信号伝達回路と、前記信号伝達回路に電気信号を入力する制御回路と、前記信号伝達回路を介して入力された電気信号で駆動するセンサ回路とを備え、前記センサ回路の計測値をＤＣ４〜２０ｍＡの電気信号を使用して出力する。この構成によれば、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で伝達される計測値を精度よく外部に伝達することができる。

以上説明したように、本発明は、電流信号に影響を与えることなく、入出力間を絶縁状態で信号伝達することができるという効果を有し、特に、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号で限力供給及び信号伝達する信号伝達回路及び計装機器に有用である。

１計装機器
３制御回路
４センサ回路
５、２０信号伝達回路
１１単安定マルチバイブレータ（信号変換部）
１２パルス幅変更回路（信号復元部）
２１第１の単安定マルチバイブレータ（第１の信号変換部）
２２第２の単安定マルチバイブレータ（第２の信号変換部）
２３フリップフロップ（信号復元部）
Ｃ_１１、Ｃ_２１キャパシタ
Ｄ_１１発光ダイオード（発光素子）
Ｄ_２１第１の発光ダイオード（第１の発光素子）
Ｄ_２２第２の発光ダイオード（第２の発光素子）
Ｆ_１１フォトカプラ（信号伝達部）
Ｆ_２１第１のフォトカプラ（第１の信号伝達部）
Ｆ_２２第２のフォトカプラ（第２の信号伝達部）
Ｒ_１１、Ｒ_２１第１の制限抵抗
Ｒ _１２、Ｒ _２２第２の制限抵抗
Ｔ_１１フォトトランジスタ（受光素子）
Ｔ_２１第１のフォトトランジスタ（第１の受光素子）
Ｔ_２２第２のフォトトランジスタ（第２の受光素子）

Claims

入出力間を絶縁した状態で電気信号を伝達する信号伝達回路であって、
発光素子から受光素子に光学的に信号伝達する信号伝達部と、
電源から前記発光素子に向かって流れ込む電流を制限する制限抵抗と、
前記制限抵抗を介して前記電源から出力された電荷を蓄えるキャパシタとを備え、
前記キャパシタに蓄えた電荷によって前記発光素子を発光させ、
前記制限抵抗は、第１、第２の制限抵抗を有し、
前記信号伝達回路の入力側の電源ラインは、前記第１の制限抵抗と前記キャパシタを介してグラウンドに接地されており、
前記第１の制限抵抗と前記キャパシタの接続点は、前記第２の制限抵抗を介して前記発光素子に接続されており、
前記第１の制限抵抗が、前記電源から前記発光素子に向かう電流を、ＤＣ４〜２０ｍＡ電流信号に影響を与えない大きさに制限し、
前記第２の制限抵抗が、前記キャパシタから前記発光素子に流れる電流を、前記発光素子の発光に必要な大きさに制限する、
ことを特徴とする信号伝達回路。
電気信号を当該電気信号の立ち上がり又は立ち下がりに同期した短パルス信号に変換して前記発光素子に入力する信号変換部と、
前記発光素子から前記受光素子に伝達された短パルス信号から電気信号を復元する信号復元部とを備え、
短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記発光素子を発光可能な期間以下であることを特徴とする請求項１に記載の信号伝達回路。
前記信号復元部が、短パルス信号のパルス幅を調整して電気信号を復元することを特徴とする請求項２に記載の信号伝達回路。
前記信号伝達部が、第１の発光素子から第１の受光素子に光学的に信号伝達する第１の信号伝達部と、第２の発光素子から第２の受光素子に光学的に信号伝達する第２の信号伝達部とを有し、
前記信号変換部が、電気信号を当該電気信号の立ち下がりに同期した第１の短パルス信号に変換する第１の信号変換部と、電気信号を当該電気信号の立ち上がりに同期した第２の短パルス信号に変換する第２の信号変換部とを有し、
前記信号復元部が、前記第１の発光素子から前記第１の受光素子に伝達された第１の短パルス信号で信号レベルを立ち下げ、前記第２の発光素子から前記第２の受光素子に伝達された第２の短パルス信号で信号レベルを立ち上げることで電気信号を復元し、
第１の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第１の発光素子を発光可能な期間以下であり、第２の短パルス信号のパルス幅が、前記キャパシタに蓄えられた電荷で前記第２の発光素子を発光可能な期間以下であることを特徴とする請求項２に記載の信号伝達回路。
前記信号伝達部が、前記発光素子としての発光ダイオードと前記受光素子としてのフォトトランジスタとから成るフォトカプラであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の信号伝達回路。
請求項１から請求項５のいずれかに記載された信号伝達回路と、
前記信号伝達回路に電気信号を入力する制御回路と、
前記信号伝達回路を介して入力された電気信号で駆動するセンサ回路とを備え、
前記センサ回路の計測値をＤＣ４〜２０ｍＡの電気信号を使用して出力することを特徴とする計装機器。