JPH03247014A - 光電スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は出力端子を電源端子としても使用する二線式
の光電スイッチに関する。

〔従来の技術〕

物体の動きを検出してシーケンス制御を行う場合、シー
ケンサに物体の動きを検出するセンサの出力を入力する
必要がある。このようなセンサとして最も一般的なもの
はマイクロスインチである。しかしマイクロスイッチは
物体に接触して検出を行うため、検出対象が極めて限定
され、コンベアの不特定な位置に乗って流れて来る物体
、フィルムや紙等の平面物体上のマーク等、検出不可能
な場合が多くある。

このためマイクロスインチと置き換えてシーケンサの入
力端子に接続することができる二線式の光電スイッチが
考えられている。この光電スイッチは、第４図に示すよ
うに投光素子であるＬＥＤ（１）から光を物体（２）に
照射し、この透過光又は反射光を受光素子であるフォト
ダイオード（３）に受けて物体の有無を検出するもので
、マイクロスイッチと置き換えて使用するため、導通又
は非導通の出力をする出力端子（４）（４）を電源端子
としても共用している。すなわち、この出力端子（４）
（４）に接続された外部負荷（５）の電源（６）により
、この出力端子に供給されている電圧を自己の駆動電源
とするもので、導通出力時にも一定レベルの出力端子間
電圧を確保するため、この出力端子には、ツェナーダイ
オード（７）を、出力用スイッチング素子（８）と直列
に挿入接続している。この出力端子（４）（４）の電圧
は、非導通時（外部負荷の電源電圧、例えば３０Ｖが殆
んどそのまま現れる）と導通時（ツェナーダイオード（
７）のツェナー電圧、例えば３．０■が現れる）とで、
大きく異なるので、この光電スイッチの電源回路に定電
圧回路（９）を用いて、定電圧、例えば２．７■を内部
回路に供給している。

〔発明が解決しようとする課題〕 この光電スイッチの出力端子（４）（４）を外部負荷側
から見た場合、導通出力時には出力端子（４）（４）に
おける電圧降下（残留電圧）ができるだけ小さいことが
スイッチとしての性質から好ましい。

この低電圧化は、ツェナー電圧の低いツェナーダイオー
ド（７）を用い、光電スイッチの内部回路を低電圧で動
作可能にすることにより達成される。

この場合、受光信号の処理回路（１０）は、比較的に低
電圧化が容易である。しかし投光素子の駆動回路（１１
）は、電源電圧が低くなったときでも発光量を一定に保
つという条件を満たす必要があり、低電圧で動作させる
ことが困難である。投光素子であるＬＥＤ　（１）は、
動作温度の変動及び製造時の特性のバラツキにより、定
電圧で駆動しても電流が一様に定まらないため発光量が
変動する。定電流化したパルス電流で駆動すれば発光量
は一定になるが、従来の駆動回路では、回路中の電圧降
下が大きく、低電圧で動作させることが困難である。

この事情を従来の具体的な回路で説明する。第５図に示
す投光素子の駆動回路（１１）は、抵抗Ｒ１とコンデン
サＣ１とからなる平滑回路（１２）を通して、電源を投
光素子であるＬＥＤ　（１）　、電流制限抵抗Ｒ２、ス
イッチングトランジスタ（１３）の直列回路に供給し、
スイッチングトランジスタ（１３）をパルス信号Ｐによ
ってＯＮ　−ＯＦＦさせている。この回路は、電流制御
抵抗Ｒ２における電圧降下が大きいため、低電圧では投
光素子（１）を発光させることができなくなり、またＬ
ＥＤ　（１）の電流ｉが電流制限抵抗Ｒ２と電源電圧Ｖ
によって決まるので、電源電圧の変化（３〜３０■）に
よって投光素子の発光量が直接変動してしまう。

第６図に示す投光素子の駆動回路（１４）は、第５図に
示す回路を改良したもので、電流制限抵抗Ｒ２を、スイ
ッチングトランジスタ（１３）のエミッタとアース間に
配置し、スイッチングトランジスタ（１３）のベースに
波高値Ｐｐが一定のパルス電圧を供給している。この構
成ではスイッチングトランジスタ（１３）のベース−エ
ミッタ間電流ｉＢＥが、パルス電圧ｐｐと電流制限抵抗
Ｒ２によって一定に決まるので、電源変動があっても投
光素子を定電流で駆動することができる。しかし、電流
制限抵抗Ｒ２による電圧降下が大きく、投光素子である
ＬＥＤ　（１）を発光させることができる電源電圧■の
下限値が、この分だけ高くなりツェナーダイオードのツ
ェナー電圧を高く設定しなければならないことから、導
通出力時の残留電圧が高くなる。

また上記第５国力び第６図に示す従来の投光素子の駆動
回路（１１）　　（１４）は、平滑回路（１２）にコン
デンサＣ１を用いているので、出力端子（４）（４）が
導通状態から非導通状態に変化し、出力端子間電圧が、
例えば３■から３０Ｖに上昇するとき、外部負荷の電源
（６）からコンデンサＣ１に電流が流入し、完全な非導
通状態になるまでに時間遅れが発生するという問題があ
った。

そこで、本発明は導通出力時の出力端子の残留電圧をさ
らに低下させること、及び導通出力から非導通出力への
変化の応答を速くすることができる投光素子の駆動回路
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明が提供する上記課題の解決手段は、投光素子から
パルス光を物体に照射し、その反射光又は透過光を受光
素子で受光することによって物品の有無を検出し、この
検出結果を、出力用スイッチング素子によって出力端子
を導通又は非導通にすることによって出力するとともに
、この出力端子に接続された外部負荷の電源により、こ
の出力端子に供給されている電圧を自己の駆動電源とす
る光電スイッチにおいて、上記投光素子の駆動回路を、
出力端子から給電を受ける定電流源と、投光素子へのパ
ルス電流の通電によっては充電電圧が余り変化しないよ
うな大きな容量を持ち、上記定電流源によって充電され
る平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの充電電圧を
投光素子にデユーティ比の小さいパルス電流で間欠的に
通電させるスイッチング素子によって構成したことを特
徴とする。

〔作用〕

定電流源により平滑コンデンサに充電された電荷をスイ
ッチング素子により、間欠的なパルス電流として通電さ
せるという本発明の構成において、発光量を決定する投
光素子の電流は、直接的には、平滑コンデンサの充電電
圧によって定まる。

この平滑コンデン号の容量は、−回のパルス通電量に比
べて充分に大きく設定され、かつデユーティ比の極めて
小さいパルス電流を流し放電期間に比べて充電期間を極
めて長くしているので、平滑コンデンサの充電電圧は殆
んど変動しない。したがって電源電圧が大きく変動して
も投光素子の発光量は一定に保たれる。

この平滑コンデンサの充電電圧は、具体的には、投光素
子に流れるパルス電流の平均値が定電流源から供給され
る定電流と一致するような値に自動的に定まるものであ
る。

そして投光素子の駆動回路全体における電圧降下は、定
電流源と、投光素子であるＬＥＤと、スイッチング素子
の夫々における電圧降下の合計となるが、定電流源の電
圧降下は、出力端子に現れた電圧が、例えば１．７Ｖ付
近の極小値となったときには、例えば０．１Ｖと小さく
、投光素子であるＬＥＤの順方向電圧降下は、例えば１
．５　Ｖであり、スイッチング素子であるスイッチング
トランジスタの導通時のコレフタルエミッタ間の順方向
電圧降下も、例えば０．１Ｖ程度と小さいので、出力端
子に現れる電圧が従来より小さい値、例えば１．７Ｖま
で低下しても投光素子であるＬＥＤを一定電流でパルス
発光させることができる。

また本発明の投光素子の駆動回路は、出力端子に直接接
続されているのは定電流源であり、平滑コンデンサはこ
れから定電流の供給を受ける構成である。したがって、
導通出力から非導通出力に変化して出力端子電圧が上昇
する際にも定電流源に流入する電流は変化しない。した
がってその出力変化が瞬時になされ、スイッチとして良
好な遮断特性が得られる。

〔実施例〕

本発明を一実施例について説明する。

第１図に示す光電スイッチ（１５）のプロンク図におい
て、（１６）　　（１６）は内部回路の電源端子として
も兼用される出力端子で、外部負荷（１７）〔例えばフ
ォトカプラの一次側〕とその電源（１８）が直列接続さ
れる。（１９）は逆接続から内部回路を保護する逆流防
止用ダイオード、（２ｏ）は出力用スイッチング素子で
ある出力トランジスタ、（２１）はツェナーダイオード
で、これらは出力端子（１６）　　（１６）に直列接続
される。なおツェナーダイオードを用いる理由は、外部
負荷の電源電圧の大きさにかかわらず、導通出力時の出
力端子間電圧を一定に保つためで、一定の電圧降下が得
られる素子であれば使用可能である。（２２）は定電流
源、（２３）は平滑コンデンサ、（２４）は投光素子で
あるＬＥＤ、（２５）はスイッチング素子であるスイッ
チングトランジスタで、これらによって投光素子の駆動
回路（２６）が構成される。（２７）は投受光のタイミ
ングを決定するパルス信号を発生するパルス発生回路で
、このパルス信号のデユーティ比は、例えば１１５００
程度と極めて小さい（２８）は受光素子であるフォトダ
イオード、（２９）は増幅器、（３０）は増幅器（２９
）の出力する受光出力を上記パルス信号の発生時にのみ
通過させる同期検波回路、（３１）は同期検波回路（３
０）の出力が一定の判定基準を満たしたとき物品有りと
して、出力トランジスタ（２０）を導通させる出力回路
である。（３２）は光電スイッチの内部回路に駆動電圧
を供給する定電圧回路である。

この光電スイッチ（１５）は投光素子であるＬＥＤ（２
４）をパルス発光させ、このパルス光が物体を透過また
は反射して受光素子であるフォトダイオード（２８）に
入射するか否かにより物品有無の判定をし、その判定結
果で出力トランジスタ（２０）を導通又は非導通にして
出力する。

ここでこの光電スイッチ（１５）への電源供給は、非導
通出力時には外部負荷（１７）の電源の電圧、例えば３
０Ｖが殆んどその電圧のまま出力端子（１６）　　（１
６）に現れることにより行われる。また導通出力時には
、ツェナーダイオード（２１）のツェナー電圧、例えば
１．６■が内部への供給電圧を確保する。

本発明の特徴は投光素子の駆動回路（２６）であり、こ
れを第２図について、さらに詳しく説明する。

第２図において、（２２）は定電流源、（２３）は平滑
コンデンサ、（２４）は投光素子であるＬＥＤ（２５）
はスイッチング素子であるスイッチングトランジスタで
ある。定電流源（２２）は、定電圧回路（３２）から定
電圧、例えば１．６Ｖを供給すると、平滑コンデンサ（
２３）に微小な定電流を供給する。平滑コンデンサ（２
３）は、投光素子であるＬＥＤ（２４）に−回分のパル
ス発光電流を供給しても充電電圧が余り変化しないよう
な大容量のものを使用する。（３３）はスイッチング素
子（２５）のスピードアップ回路で、カップリングコン
デンサ（３４）と、ＯＮ動作及びＯＦＦ動作用の第１及
び第２のドライブトランジスタ（３５）　　（３６）と
、小容量のコンデンサ（３７）と、抵抗（３８）　　（
３９）により構成される。

上記投光素子の駆動回路（２６）の動作を、第３図ａ　
−ｆに示す各部分の波形に基づいて説明する。

第２図に示すスピードアップ回路（３３）を用いた場合
、パルス発生回路（２７）からは第３図ａに示すような
波高値が一定（例えば１．７　Ｖ）でデユティ比が極め
て小さい負パルス信号（例えば負パルス幅が１μｓで休
止期間５００μｓ）が供給される。

一方定電流源（２２）は、一定の微小電流（例えば０．
３　ｍＡ）を平滑コンデンサ（２３）に常時充電してい
る。また小容量のコンデンサ（３７）は抵抗（３８）を
通して充電されている。パルス発生回路（２７）の供給
する負パルス信号ａはカップリングコンデンサ（３４）
で微分された波形すとなり第１及び第２のドライブトラ
ンジスタ（３５）　　（３６）の各ベースに供給される
。この波形すの最初の立ち下がりのとき第１のドライブ
トランジスタ（３５）は導通して、小容量のコンデンサ
（３７）の充電電荷を、スイッチング素子であるスイッ
チングトランジスタ（２５）のベースからエミッタに急
速に放電する。またこの波形すの立ち上がりのとき第２
のドライブトランジスタ（３６）を導通させ、スイッチ
ングトランジスタ（２５）のベースの残留キャリアをア
ース側に流す。このスイッチングトランジスタ（２５）
の導通時のベース電圧ｄは、平滑コンデンサ（２３）の
充電電圧と抵抗（３８）の抵抗値によって略定まるもの
である。この結果、スイッチングトランジスタ（２５）
のベースに加れる電圧は第３図ｄに示すように立ち上が
りと立ち下がりが直線状となった略完全な矩形波となる
。このためスイッチングトランジスタ（２５）は、投光
素子であるＬＥＤ（２４）に略完全な矩形波電流を流す
ことができ、パルス幅が非常に短いにもかかわらず、略
完全なパルス発光を可能にする。

平滑コンデンサ（２３）の容量は、このパルス電流に比
べて充分に大きいので、殆んどその充電電圧ｆは低下し
ない。なお第３図ｆにおける電圧低下は平滑コンデンサ
（２３）内の抵抗、インピーダンス成分のためで、良質
の平滑コンデンサ（２３）を使用すれば、この低下分を
最小にできる。

上記構成で投光素子であるＬＥＤ（２４）に流れる電流
は、直接的には平滑コンデンサ（２３）の充電電圧によ
って定まるが、これは一定周期でＬＥＤ（２４）に放電
されるので、ＬＥＤ（２４）に通電するパルス電流の平
均値と定電流源（２２）の供給電流が等しくなるような
関係に自然に定まる。

上記投光素子の駆動回路（２６）の動作可能な電源電圧
の下限は、投光素子であるＬＥＤ（２４）の通電回路に
、第５図又は第６図に示す従来回路のように電流制限抵
抗Ｒ２が挿入されていないため、従来より低くすること
ができる。

すなわち、動作可能な電圧の下限は、例えば前述したよ
うに定電流＃　（２２）の電圧降下０．１■、ＬＥＤ（
２４）の電圧降下１．５■、スイッチングトランジスタ
（２５）の電圧降下０．１■を合計した１、７Ｖである
。したがって、出力端子（１６）　　（１６）に、この
最小電圧を確保できるようなツェナー電圧を持つツェナ
ーダイオード（２１）を接続すれば、出力端子に接続さ
れた外部負荷の電源（例えば３０■）により、出力端子
の出力状態にかかわらず常に動作させることができる。

第１図に示す回路では、出力トランジスタ（２０）の電
圧降下の０．１■を考慮にいれて、ツェナー電圧が１．
６■のツェナーダイオード（Ｒ１）を使用すればよい。

なおこの回路では逆流防止用ダイオード（１９）が挿入
されているので、出力端子（１６）　　（１６）の残留
電圧はこの順方向電圧降下の０．５■を加えて約２．２
Ｖとなる。

このようにして出力端子（１６）　　（１６）が導通し
たときの残留電圧を従来より低くすることができる。

また出力端子（１６）　　（１６）が導通から非導通に
変化したときを考えると、出力端子（１６）　　（１６
）に直接接続されたコンデンサがないため、出力端子の
電圧が急上昇するＯＦＦ動作が迅速に行える。

〔発明の効果〕

本発明によれば、出力端子を電源端子としても使用する
二線式の光電スイッチにおいて、その導通出力時の出力
端子の残留電圧を従来より小さくし、かつ導通出力から
非導通出力への切換えを、迅速に行ってスイッチとして
良好な特性のものを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光電スイッチの全体構成を
示すブロック図、第２図は第１図に示す光電スイッチ中
の投光素子の駆動回路の具体例を示す回路図、第３図は
、第２図の回路の各部分の波形を示す図である。 第４図〜第６図は従来例を示し、第４図はシーケンサに
接続された光電スイッチのブロック図、第５図および第
６図は夫々光電スイッチ内の投光素子の駆動回路の異な
る従来構成を示す回路図である。 （１５）　−・光電スイッチ、（１６）　−出力端子、
（１７）−・−外部負荷、　　　（１８）　−外部負荷
の電源、（２０）　−出力トランジスタ、 （２１）　−ツェナーダイオード、 （２２）　一定電流源、　　　（２３）　−平滑コンデ
ンサ、（２４）・−投光素子（ＬＥＤ）、 （２５）・−・スイッチング素子（スイッチングトラン
ジスタ）、 （２６） ・−投光素子の駆動回路、 （２７） パルス発生回路、 （２Ｂ）　−受光素子。 特 許 出 願 人 北陽電機株式会社 代 理 人 江 原 省 第３図 第５図 第４図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）投光素子からパルス光を物体に照射し、その反射
   光又は透過光を受光素子で受光することによって物品の
   有無を検出し、この検出結果を、出力用スイッチング素
   子によって出力端子を導通又は非導通にすることによっ
   て出力するとともに、この出力端子に接続された外部負
   荷の電源により、この出力端子に供給されている電圧を
   自己の駆動電源とする光電スイッチにおいて、 上記投光素子の駆動回路を、出力端子から給電を受ける
   定電流源と、投光素子へのパルス電流の通電によっては
   充電電圧が余り変化しないような大きな容量を持ち、上
   記定電流源によって充電される平滑コンデンサと、この
   平滑コンデンサの充電電圧を投光素子にデューティ比の
   小さいパルス電流で間欠的に通電させるスイッチング素
   子によって構成したことを特徴とする光電スイッチ。