JP6812188B2

JP6812188B2 - 受光回路及び光電センサ

Info

Publication number: JP6812188B2
Application number: JP2016193910A
Authority: JP
Inventors: 瞬加藤
Original assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018054557A; DE102017122608A1; CN207610707U

Description

本発明は、受光回路及び光電センサに関する。

光電センサは、受光素子が受光した光に基づいて、被検出物を検出する。このような光電センサは、受光素子における受光量に応じた受光信号を出力する受光回路と、受光信号を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力信号に基づいて検出信号を出力する制御回路とを有している（たとえば、特許文献１，２参照）。制御回路は、たとえば中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含む。例えば、制御回路は、受光信号をアナログ−デジタル変換し、変換後のデジタル値に基づいて、被検出物の有無を判定する。また、別の制御回路は、コンパレータ等を用いてアナログの受光信号のまま被検出物の有無を判定する。

特開平１０−１９６７３号公報特開平１１−１３２８４６号公報

ところで、受光素子には、つねに光が入射する。このように入射する光によって、受光素子により得られる信号、つまり受光素子を含む受光回路の出力信号が不安定になる。このため、受光回路の出力信号における安定化が望まれている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、受光素子により得られる信号を安定化することにある。

上記課題を解決する受光回路は、受光素子が接続される入力ノードにおける信号レベルと逆位相の出力信号を生成する信号生成回路と、前記出力信号を前記入力ノードに帰還する帰還回路と、を有する。

この構成によれば、逆位相の出力信号を受光素子が接続される入力ノードに帰還することで、受光素子に入射する光による信号レベルが帰還される出力信号によってキャンセルされ、入力ノードの信号レベルが安定化する。

上記の受光回路において、前記帰還回路は、前記信号生成回路の出力端子と前記入力ノードとの間に接続され、制御信号に応答してオンオフするスイッチ回路を有することが好ましい。

この構成によれば、オンしたスイッチ回路を介して信号生成回路の出力信号が入力ノードに帰還され、出力信号が安定化する。そして、スイッチ回路をオフすることにより受光素子における入射光に応じたレベルの出力信号が出力される。

上記の受光回路において、前記帰還回路は、前記スイッチ回路と入力ノードとの間に接続されたコンデンサを有することが好ましい。
この構成によれば、出力信号の交流成分が入力ノードに帰還されるため、コンデンサまでの経路における直流成分の影響を抑制することができる。

上記の受光回路において、前記信号生成回路は、前記入力ノードに第１端子が接続されたコンデンサと、前記コンデンサの第２端子に入力端子が接続され、入力信号を反転して前記出力信号を生成する反転回路と、を有することが好ましい。

この構成によれば、入力ノードにおける信号レベルの変化において、コンデンサにより直流成分が除去されて交流成分が反転回路に供給される。このため、入力ノードの変動に対して直流成分による影響が抑制された出力信号を生成することができる。

上記課題を解決する光電センサは、投光素子と、前記投光素子を駆動する投光回路と、受光素子と、前記受光素子が接続される受光回路と、を有する。
この構成によれば、受光素子が接続される入力ノードの信号レベルを安定化する受光回路を有する光電センサを得ることができる。

本発明の受光回路及び光電センサによれば、受光素子により得られる信号を安定化することができる。

第１実施形態の光電センサのブロック回路図。受光回路の回路図。（ａ）（ｂ）は受光回路の動作を示す波形図。

以下、一実施形態を説明する。
図１に示すように、光電センサ１０は、投光素子１１と受光素子１２とを有している。この光電センサ１０は、たとえば反射型の光電センサである。投光素子１１から出射された光は、被検出物Ｘにて反射する。受光素子１２は、被検出物Ｘによる反射光を受光する。被検出物Ｘが無い場合、受光素子１２には投光素子１１の投光に応じた光は入射しない。光電センサ１０は、受光素子１２の受光レベルに基づいて、被検出物Ｘの有無を判定し、その判定結果に基づいて検出信号ＳＫを出力する。

投光素子１１は投光回路１３を介して制御回路１４に接続されている。また、受光素子１２は、受光回路１５を介して制御回路１４に接続されている。制御回路１４は、投光回路１３を制御し、投光素子１１から間欠的に検出光を出射させる。制御回路１４は、受光回路１５を制御し、受光素子１２における受光量に応じた信号を入力する。例えば、制御回路１４は、受光回路１５の出力信号の電圧レベルと参照電圧とを比較し、比較結果に基づいて、被検出物Ｘの有無を判定する。そして、制御回路１４は、判定結果に応じた検出信号ＳＫを出力する。

図２に示すように、受光素子１２のカソードには高電位電圧ＶＡが供給される電源配線（以下、電源配線ＶＡ）に接続されている。高電位電圧ＶＡは、例えば５ボルト（Ｖ）である。受光素子１２のアノードは、受光回路１５の入力端子となる入力ノードＮ１に接続されている。

受光回路１５は、抵抗Ｒ１、信号生成回路２１、帰還回路２３を有している。
入力ノードＮ１は抵抗Ｒ１の第１端子に接続され、抵抗Ｒ１の第２端子は基準電圧が供給される基準配線に接続されている。従って、受光素子１２のアノードは抵抗Ｒ１を介して基準配線に接続されている。基準電圧はたとえば０Ｖであり、本実施形態ではグランドＧＮＤである。以下の説明において、グランドＧＮＤとして説明する。なお、各図では、符号「ＧＮＤ」が省略されている。

受光素子１２と抵抗Ｒ１の間の接続点である入力ノードＮ１は、信号生成回路２１に接続されている。
信号生成回路２１は、オペアンプ（演算増幅器）２２、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ１，Ｃ２を有している。コンデンサＣ１の第１端子は入力ノードＮ１に接続され、コンデンサＣ１の第２端子はオペアンプ２２の反転入力端子に接続されている。オペアンプ２２の非反転入力端子には、参照電圧ＶＲが供給される。オペアンプ２２の出力端子と反転入力端子の間には、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の並列回路が接続されている。

オペアンプ２２の出力端子は、帰還回路２３に接続されている。
帰還回路２３は、スイッチ回路ＳＷ１とコンデンサＣ３とを含む。スイッチ回路ＳＷ１の第１端子はオペアンプ２２の出力端子に接続され、スイッチ回路ＳＷ１の第２端子はコンデンサＣ３の第１端子に接続され、コンデンサＣ３の第２端子は入力ノードＮ１に接続されている。スイッチ回路ＳＷ１は、例えばＭＯＳＦＥＴにより構成されるアナログスイッチである。スイッチ回路ＳＷ１は、制御信号ＳＣに基づいてオンオフする。

次に、上記の受光回路１５の作用を説明する。
信号生成回路２１に含まれるオペアンプ２２の反転入力端子は、コンデンサＣ１を介して入力ノードＮ１に接続され、その入力ノードＮ１には受光素子１２のアノードに接続されている。従って、入力ノードＮ１における信号レベルは、受光素子１２に入射する光の量に応じて変化する。入力ノードＮ１は、コンデンサＣ１を介してオペアンプ２２の反転入力端子に接続されている。コンデンサＣ１は、交流結合素子である。従って、入力ノードにおける信号レベルのうち、直流成分がコンデンサＣ１によって除去され、交流成分がオペアンプ２２に供給される。

オペアンプ２２の出力端子は抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２の並列回路を介して非反転入力端子に接続されている。従って、このオペアンプ２２と抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２を含む信号生成回路２１は、入力信号に対して逆位相の出力信号ＳＲを出力する。なお、本実施形態において、オペアンプ２２の増幅率は「１」に設定されている。

帰還回路２３は、スイッチ回路ＳＷ１とコンデンサＣ３とを含む。帰還回路２３においてスイッチ回路ＳＷ１をオフしたとき、信号生成回路２１の出力信号ＳＲは入力ノードＮ１に帰還されない。コンデンサＣ１は、入力ノードＮ１の信号レベルの変動のうち、直流成分を除去する。従って、信号生成回路２１は、入力ノードＮ１の信号レベルのうち、交流成分に応じた出力信号ＳＲを出力する。

スイッチ回路ＳＷ１が制御信号ＳＣに基づいてオンしたとき、信号生成回路２１の出力信号ＳＲは、帰還回路２３を介して入力ノードＮ１に帰還される。コンデンサＣ３は、出力信号ＳＲにおける直流成分を除去し、交流成分を通過させる。

このように入力ノードＮ１に帰還される信号は、信号生成回路２１の出力信号ＳＲの交流成分である。そして、出力信号ＳＲは、入力ノードＮ１からコンデンサＣ１を介して信号生成回路２１に供給信号に対して逆位相である。従って、入力ノードＮ１には、逆位相の帰還信号が供給される。この帰還信号により入力ノードＮ１の信号レベルのうち、交流成分がキャンセルされる。

入力ノードＮ１における信号レベルは、受光素子１２に入射する外乱光や受光素子１２から入力ノードＮ１までの信号ラインに混入する電磁波等のノイズの影響により変動する。この変動のうち、直流成分は、コンデンサＣ１によって除去される。つまり、コンデンサＣ１は、ノイズの直流成分の影響を抑制する。

信号生成回路２１は、入力信号に対して逆位相の出力信号ＳＲを生成する。この出力信号ＳＲが帰還回路２３により入力ノードＮ１に帰還される。そして、出力信号ＳＲにより、入力ノードＮ１における交流成分がキャンセルされる。この結果、出力信号ＳＲの信号レベルが安定化する。

図３（ａ）は、帰還回路２３におけるスイッチ回路ＳＷ１をオフしたときの、受光素子１２に対する入射と、出力信号ＳＲの変化を示す。パルス状の光が図２に示す受光素子１２に入射すると、入力ノードＮ１の信号レベルは受光素子１２の入射光に応じて変動する。その入力ノードＮ１の信号レベルに基づいて、逆位相の出力信号ＳＲが生成される。

図３（ｂ）は、帰還回路２３におけるスイッチ回路ＳＷ１をオンしたときの、受光素子１２に対する入射と、出力信号ＳＲの変化を示す。パルス状の光が図２に示す受光素子１２に入射すると、入力ノードＮ１の信号レベルは受光素子１２の入射光に応じて変動する。しかし、帰還回路によって出力信号ＳＲが入力ノードＮ１に帰還されてその入力ノードＮ１の交流成分がキャンセルされるため、安定したレベルの出力信号ＳＲが生成される。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）受光回路１５は、受光素子１２が接続される入力ノードＮ１における信号レベルと逆位相の出力信号ＳＲを生成する信号生成回路２１と、出力信号ＳＲを入力ノードＮ１に帰還する帰還回路２３と、を有する。逆位相の出力信号ＳＲを受光素子１２が接続される入力ノードＮ１に帰還することで、受光素子１２に入射する光による信号レベルが帰還される出力信号ＳＲによってキャンセルされる。このため、入力ノードＮ１の信号レベルを安定化する、つまり出力信号ＳＲを安定化することができる。

（２）帰還回路２３は、信号生成回路２１の出力信号ＳＲが供給されるスイッチ回路ＳＷ１を有している。スイッチ回路ＳＷ１は、制御信号ＳＣに基づいてオンオフする。オンしたスイッチ回路ＳＷ１を介して信号生成回路２１の出力信号ＳＲが入力ノードＮ１に帰還され、出力信号ＳＲが安定化する。そして、スイッチ回路ＳＷ１をオフすることにより受光素子１２における入射光に応じたレベルの出力信号ＳＲが出力される。従って、必要とする期間（入射光を検出する期間）において、スイッチ回路ＳＷ１をオフすることで、入射光に応じた出力信号ＳＲを得ることができる。そして、必要としない期間（入射光を検出しない期間）において、スイッチ回路ＳＷ１をオンすることで、出力信号ＳＲを安定化することができる。

例えば、本実施形態の光電センサ１０と他の光電センサとが近接して配置されている場合、他の光電センサの出射光が外乱光（干渉光）として入射することがある。このような場合、スイッチ回路ＳＷ１をオンすることで、外乱光（干渉光）の影響を抑制することができる。

（３）帰還回路２３は、スイッチ回路ＳＷ１と入力ノードＮ１との間に接続されたコンデンサＣ３を有している。コンデンサＣ３は、直流成分を除去し、交流成分を通過する。例えば、オペアンプ２２におけるオフセットはコンデンサＣ３により除去される。このように、出力信号ＳＲの交流成分が入力ノードＮ１に帰還されるため、コンデンサＣ３までの経路における直流成分の影響を抑制することができる。

（４）信号生成回路２１は、入力ノードＮ１に第１端子が接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１の第２端子に入力端子が接続され、入力信号を反転して出力信号ＳＲを生成するオペアンプ２２とを有している。従って、入力ノードＮ１における信号レベルの変化において、コンデンサＣ１により直流成分が除去されて交流成分がオペアンプ２２に供給される。このため、入力ノードＮ１の変動に対して直流成分による影響が抑制された出力信号ＳＲを生成することができる。

尚、上記各実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態では、オペアンプ２２を含む信号生成回路２１により入力ノードＮ１の信号レベルの変化に対して逆位相の出力信号ＳＲを生成したが、信号生成回路２１の構成を適宜変更してもよい。

また、オペアンプ２２を用いて逆位相の出力信号ＳＲを生成する反転回路を構成したが、反転回路の構成を適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、受光素子１２のカソードに高電位電圧ＶＡを印加し、アノードに抵抗Ｒ１を接続したが、受光素子１２から信号を取得することが出来ればよく、回路構成を適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、スイッチ回路ＳＷ１をアナログスイッチとしたが、出力信号ＳＲの帰還する／しないを制御することが出来ればよく、回路構成やデバイスを適宜変更してもよい。例えば、トランジスタやリレー等により帰還を制御するようにしてもよい。

・上記実施形態では、反射型の光電センサにおける受光回路１５としたが、透過型の光電センサに適用してもよい。
・上記実施形態に対し、出力信号ＳＲを増幅する増幅回路を含む構成としてもよい。

１２…受光素子、１５…受光回路、２１…信号生成回路、２２…オペアンプ（反転回路）、２３…帰還回路、Ｃ１，Ｃ３…コンデンサ、Ｎ１…入力ノード（入力端子）、ＳＷ１…スイッチ回路、ＳＣ…制御信号、ＳＲ…出力信号。

Claims

受光素子が接続される入力ノードにおける信号レベルと逆位相の出力信号を生成する信号生成回路と、
前記出力信号を前記入力ノードに帰還する帰還回路と、
を有する受光回路において、
前記帰還回路は、前記信号生成回路の出力端子と前記入力ノードとの間に接続され、制御信号に応答してオンオフするスイッチ回路を有するとともに、前記スイッチ回路と入力ノードとの間に接続されたコンデンサを有すること、を特徴とする受光回路。
前記信号生成回路は、
前記入力ノードに第１端子が接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの第２端子に入力端子が接続され、入力信号を反転して前記出力信号を生成する反転回路と、を有することを特徴とする請求項１に記載の受光回路。
投光素子と、
前記投光素子を駆動する投光回路と、
受光素子と、
前記受光素子が接続される請求項１または２に記載の受光回路と、
を有する光電センサ。