(57)【要約】【課題】クランプ回路２を設けた場合でも、ダイナミックレンジを広げる。【解決手段】ＯＰアンプＵ１を有するＩＶ変換回路１と、コレクタ端子がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、エミッタ端子がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されたトランジスタＱ１と、プラス端子がトランジスタＱ１のベース端子に接続され、マイナス端子が接地された定電圧源Ｖ２とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＰアンプを有する電流電圧変換回路と、
コレクタ端子が前記ＯＰアンプの反転入力端子に接続され、エミッタ端子が前記ＯＰアンプの出力端子に接続されたトランジスタと、
プラス端子が前記トランジスタのベース端子に接続され、マイナス端子が接地された定電圧源と
を備えた光電センサ。
【請求項２】
前記ＯＰアンプの出力端子と前記トランジスタのエミッタ端子との間に介在された抵抗を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＶ変換回路（電流電圧変換回路）にクランプ回路が設けられた光電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光電センサが有する受光回路では、フォトダイオードＰＤで発生した電流をＩＶ変換回路で電圧に変換している（例えば特許文献１参照）。
図１０に、一般的な受光回路の構成例を示す。受光回路は、図１０に示すように、フォトダイオードＰＤ、ＯＰアンプＵ１、定電圧源Ｖ１、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１を備えている。なお、ＯＰアンプＵ１、定電圧源Ｖ１、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１はＩＶ変換回路を構成する。
【０００３】
フォトダイオードＰＤは、入射された光に応じた電流を発生する。このフォトダイオードＰＤは、カソードがＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、アノードが接地されている。
定電圧源Ｖ１は、プラス端子がＯＰアンプＵ１の非反転入力端子に接続され、マイナス端子が接地されている。また、抵抗Ｒ１は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。また、コンデンサＣ１は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。
【０００４】
この光電センサでは、通常の使用条件では、入射される光が小さく、図１１Ａに示すように、ＯＰアンプＵ１はダイナミックレンジ（線形領域）で動作する。一方、光電センサに過大な光が入射された場合には、図１１Ｂに示すように、ＯＰアンプＵ１の出力が飽和領域に達し、応答が遅れることがある。すなわち、反転入力端子と非反転入力端子間のバーチャルショートが崩れ電位差が生じることによりバイアスレベルがずれ、信号量（波高値）Ｐが低下又はゼロになる。この場合、光電センサでは、出力判定誤動作（チャタリング又は出力反転）又は応答速度の低下（信号処理のミスカウント）といった問題が生じる。なお、上記過大な光の入射は、太陽光又は照明光（直流光又はインバータ光）、光沢物体（鏡又は金属等）による反射光、近距離での使用等によって生じる。
【０００５】
そこで、図１２に示すように、図１０に示すＩＶ変換回路に対し、帰還ダイオードＤ１から成るクランプ回路を追加した光電センサが知られている。帰還ダイオードＤ１は、カソードがＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、アノードがＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。このクランプ回路により、図１３に示すように、ＯＰアンプＵ１の出力電圧ＶＯＵＴが、帰還ダイオードＤ１間電圧ＶＦでクランプされ、ＯＰアンプＵ１の出力飽和を防止できる。
【０００６】
しかしながら、図１２に示す構成では、帰還ダイオードＤ１間電圧ＶＦの整数倍の刻みでしか出力電圧ＶＯＵＴを調整できず、図１３に示すＶｄ（＜ＶＦ）の分だけダイナミックレンジが狭くなる。製品への影響としては、光電センサの距離設定範囲が狭くなってしまい、設置上の制約となることから使い勝手が悪くなる。
なお、抵抗Ｒ１の値を切替える（ゲインを切替える）方法もあるが、回路規模が大きくなり、またノイズに弱い回路であるため望ましくはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２９８３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来の光電センサでは、帰還ダイオードＤ１間電圧ＶＦの整数倍の刻みでしか出力電圧ＶＯＵＴを調整できず、ダイナミックレンジが狭くなるという課題があった。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、クランプ回路を設けた場合でも、ダイナミックレンジを広げることができる光電センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る光電センサは、ＯＰアンプを有する電流電圧変換回路と、コレクタ端子がＯＰアンプの反転入力端子に接続され、エミッタ端子がＯＰアンプの出力端子に接続されたトランジスタと、プラス端子がトランジスタのベース端子に接続され、マイナス端子が接地された定電圧源とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、上記のように構成したので、クランプ回路を設けた場合でも、ダイナミックレンジを広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光電センサが有する受光回路の構成例を示す回路図である。
【図２】図１に示すＩＶ変換回路により得られた電圧を示す図（過大な光が入射された場合）である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る光電センサが有する受光回路の別の構成例を示す回路図である。
【図４】図３に示すＩＶ変換回路により得られた電圧を示す図（過大な光が入射された場合）である。
【図５】図１に示す受光回路において、フォトダイオードＰＤの等価回路を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る光電センサが有する受光回路の構成例を示す回路図である。
【図７】図６に示すＩＶ変換回路により得られた電圧を示す図（過大な光が入射された場合）である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る光電センサが有する受光回路の別の構成例を示す回路図である。
【図９】図８に示すＩＶ変換回路により得られた電圧を示す図（過大な光が入射された場合）である。
【図１０】従来の光電センサが有する受光回路の構成例を示す回路図である。
【図１１】図１１Ａ、図１１Ｂは、図１０に示すＩＶ変換回路により得られた電圧を示す図であり、図１１Ａは通常の使用条件の場合を示す図であり、図１１Ｂは過大な光が入射された場合を示す図である。
【図１２】従来の光電センサが有する受光回路の別の構成例を示す回路図である。
【図１３】図１２に示すＩＶ変換回路により得られた電圧を示す図（過大な光が入射された場合）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光電センサが有する受光回路の構成例を示す図である。
受光回路は、図１に示すように、フォトダイオードＰＤ、ＯＰアンプＵ１、定電圧源Ｖ１、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１、トランジスタＱ１及び定電圧源Ｖ２を備えている。なお図１において、ＯＰアンプＵ１、定電圧源Ｖ１、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１はＩＶ変換回路１を構成し、トランジスタＱ１及び定電圧源Ｖ２はクランプ回路２を構成する。
【００１４】
フォトダイオードＰＤは、入射された光に応じた電流を発生する。このフォトダイオードＰＤは、カソードがＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、アノードが接地されている。
【００１５】
定電圧源Ｖ１は、プラス端子がＯＰアンプＵ１の非反転入力端子に接続され、マイナス端子が接地されている。
抵抗Ｒ１は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。
コンデンサＣ１は、一端がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、他端がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。
【００１６】
トランジスタＱ１は、コレクタ端子がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、エミッタ端子がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されている。なお、トランジスタＱ１としてＰＮＰ型トランジスタを用いる。
定電圧源Ｖ２は、プラス端子がトランジスタＱ１のベース端子に接続され、マイナス端子が接地されている。
【００１７】
実施の形態１における受光回路では、クランプ回路２により、図２に示すように、ＯＰアンプＵ１の出力電圧ＶＯＵＴが、定電圧源Ｖ２＋トランジスタＱ１のベース−エミッタ間電圧ＶＢＥでクランプされ、ＯＰアンプＵ１の出力飽和を防止できる。
また、定電圧源Ｖ２を調整することで、ダイナミックレンジを飽和領域の境界直前まで調整可能となる。
【００１８】
なお上記では、フォトダイオードＰＤ（のアノード）が接地された場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば図３に示すように、フォトダイオードＰＤが定電圧源Ｖ３に接続されてもよい。この場合、フォトダイオードＰＤは、アノードがＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、カソードが定電圧源Ｖ３に接続される。また、クランプ回路２におけるトランジスタＱ１としてＮＰＮ型トランジスタを用いる。この場合、図４に示すように、ＯＰアンプＵ１の出力電圧ＶＯＵＴが、定電圧源Ｖ２−トランジスタＱ１のベース−エミッタ間電圧ＶＢＥでクランプされ、ＯＰアンプＵ１の出力飽和を防止できる。
【００１９】
以上のように、この実施の形態１によれば、ＯＰアンプＵ１を有するＩＶ変換回路１と、コレクタ端子がＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、エミッタ端子がＯＰアンプＵ１の出力端子に接続されたトランジスタＱ１と、プラス端子がトランジスタＱ１のベース端子に接続され、マイナス端子が接地された定電圧源Ｖ２とを備えたので、クランプ回路２を設けた場合でも、ダイナミックレンジを広げることができる。
【００２０】
実施の形態２．
実施の形態１では、図１に示すように、トランジスタＱ１及び定電圧源Ｖ２から成るクランプ回路２を用いた場合を示した。しかしながら、図１に示す構成のようにＶ２＋ＶＢＥでクランプすると、ゲインが増加してしまうという課題がある。
【００２１】
図１に示す構成でのクランプ時のゲインＧは下式（１）で表される。式（１）において、ＡＶはＯＰアンプＵ１のオープンループゲインであり、ＲｐｄはフォトダイオードＰＤの等価抵抗であり、ｒｅはトランジスタＱ１のエミッタ抵抗である。なお、図１におけるフォトダイオードＰＤの等価回路３を図５に示す。
Ｇ＝ＡＶ×Ｒｐｄ／ｒｅ    （１）
【００２２】
また、エミッタ抵抗ｒｅは下式（２）で表される。式（２）において、Ｖｔは熱電圧であり、ＩｃはトランジスタＱ１のコレクタ電流である。
ｒｅ＝Ｖｔ／Ｉｃ      （２）
【００２３】
また、熱電圧Ｖｔは下式（３）で表される。式（３）において、ｑは電子の電荷であり、ｋはボルツマン係数であり、Ｔは絶対温度である。
Ｖｔ＝ｋＴ／ｑ        （３）
【００２４】
ここで、ｑ＝１．６０２×１０−１９［Ｃ］であり、ｋ＝１．３８０５×１０−２３［Ｊ／Ｋ］であり、Ｔ＝３００［Ｋ］とした場合、Ｖｔ≒２６［ｍＶ］となる。
また、フォトダイオードＰＤに過大な光が入射され、トランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｃが１［ｍＡ］流れた場合には、ｒｅ≒２６［Ω］となる。
【００２５】
図１に示す構成の場合、ＯＰアンプＵ１の反転入力端子での電圧変化がオープンループゲインＡＶで増幅され、また、トランジスタＱ１のベース電圧は定電圧源Ｖ２により固定である。そのため、ＯＰアンプＵ１の出力端子での電圧変化が、トランジスタＱ１のエミッタ抵抗ｒｅによって電流に変換されてしまう。その電流が、フォトダイオードＰＤの等価抵抗Ｒｐｄによって電圧に変換される。例えば、トランジスタＱ１のコレクタ電流が１［ｍＡ］である場合、エミッタ抵抗ｒｅは２６［Ω］と小さく、上記のような理由により、ゲインＧが増幅してしまう。
また、ゲインの増加は、回路シミュレーションでも確認することが可能である。
【００２６】
このように、図１に示す構成では、クランプ回路２によりゲインが増加し、ＯＰアンプＵ１の位相余裕及びゲイン余裕が小さくなり、温度変化、電圧変動又はノイズをトリガにして発振してしまう可能性があり、不安定となる。製品への影響としては、近距離に検出体が有る場合又は光沢物体を検出する場合等に、誤動作してしまう恐れがある。また、太陽光又は照明光が入射される環境下では、検出ができない恐れがある。
【００２７】
そこで、実施の形態２では、クランプの際でのゲインの増加を抑制する構成について示す。図６はこの発明の実施の形態２に係る光電センサが有する受光回路の構成例を示す図である。この図６に示す実施の形態２に係る光電センサでは、図１に示す実施の形態１に係る光電センサに対し、抵抗Ｒ２を追加している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。なお実施の形態２では、トランジスタＱ１、定電圧源Ｖ２及び抵抗Ｒ２によりクランプ回路２が構成される。
【００２８】
抵抗Ｒ２は、ＯＰアンプＵ１の出力端子とトランジスタＱ１のエミッタ端子との間に介在して配置されている。
【００２９】
なお、抵抗Ｒ２の抵抗値が大きい場合には、受光回路の安定性は向上するが、クランプ回路２のクランプ性能は低下する。逆に、抵抗Ｒ２の抵抗値が低い場合には、受光回路の安定性は低下するが、クランプ回路２のクランプ性能は向上する。そのため、抵抗Ｒ２の抵抗値は、受光回路の安定性とクランプ回路２のクランプ性能との関係を考慮して設計される。抵抗Ｒ２の抵抗値としては、例えば数１００［Ω］程度のものを用いることができる。
【００３０】
このトランジスタＱ１、定電圧源Ｖ２及び抵抗Ｒ２から成るクランプ回路２により、図７に示すように、ＯＰアンプＵ１の出力電圧ＶＯＵＴが、Ｖ２＋ＶＢＥ＋（Ｉｃ×Ｒ２）でクランプされ、ＯＰアンプＵ１の出力飽和を防止できる。
【００３１】
また、実施の形態１に係る受光回路では、図１に示す構成に対し、ＯＰアンプＵ１の帰還部分にあるトランジスタＱ１のエミッタ端子に抵抗Ｒ２が接続されることで、クランプ時のみのゲインを抑えることができる。
実施の形態２に係る受光回路でのクランプ時のゲインＧは下式（５）で表される。
Ｇ＝ＡＶ×Ｒｐｄ／（ｒｅ＋Ｒ２）            （５）
式（５）に示されるように、トランジスタＱ１のエミッタ抵抗ｒｅに外付けの抵抗Ｒ２が加算されるため、例えばＲ２＝２００［Ω］である場合、ゲインＧを約１／１０に抑制することが可能となる。
また、ゲインの抑制効果は、回路シミュレーションでも確認することが可能である。
【００３２】
このように、クランプ時のみのゲインを下げることができるため、ＯＰアンプＵ１の帯域幅及びオープンループゲイン等を変えることなく、簡単に安定性を確保することが可能である。近距離に検出体がある場合や、光沢物（金属等）を検出時、太陽光又は照明光が入射される環境下でも、発振することなく安定した検出が可能となる。
【００３３】
なお上記では、フォトダイオードＰＤ（のアノード）が接地された場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば図８に示すように、フォトダイオードＰＤが定電圧源Ｖ３に接続されてもよい。この場合、フォトダイオードＰＤは、アノードがＯＰアンプＵ１の反転入力端子に接続され、カソードが定電圧源Ｖ３に接続される。また、クランプ回路２におけるトランジスタＱ１としてＮＰＮ型トランジスタを用いる。この場合、図９に示すように、ＯＰアンプＵ１の出力電圧ＶＯＵＴが、Ｖ２−ＶＢＥ−（Ｉｃ×Ｒ２）でクランプされ、ＯＰアンプＵ１の出力飽和を防止できる。
【００３４】
以上のように、この実施の形態２によれば、ＯＰアンプＵ１の出力端子とトランジスタＱ１のエミッタ端子との間に介在された抵抗Ｒ２を備えたので、実施の形態１における効果に加え、クランプの際でのゲインの増大を抑制でき、安定性が改善される。
【００３５】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ＩＶ変換回路
２  クランプ回路
３  等価回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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