JP2006238185A

JP2006238185A - 光電スイッチ用投光ヘッド

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Publication number: JP2006238185A
Application number: JP2005051450A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tsukiki; 伸一槻木
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】レーザを用いた光電センサの投光量を所定値に制御する投光量制御手段を小型化可能な光電スイッチ用投光ヘッドを提供する。
【解決手段】光電スイッチ用投光ヘッドの投光量制御手段は、投光素子を駆動する電力を入力するための電源入力部と、電源入力部から受けた電力を投光素子に供給する供給量を調整するためのスイッチング素子と、モニタ用受光素子で検出した受光量に基づいてモニタ信号を発生させるモニタ信号生成部と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、モニタ信号生成部で生成されたモニタ信号を、基準電圧生成回路で生成した基準電圧と比較する差動増幅回路ＡＭＰとを内蔵した調整回路とを備えている。調整回路は、モニタ信号を、基準電圧と比較して、スイッチング素子の調整量を制御するよう構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、投光素子からの光を受光素子で受光し、受光量からの検出情報と閾値との比較で検出動作を行う光電スイッチで使用される投光ヘッドに関する。

光電スイッチは、非接触で検出対象を検出可能なセンサであり、工場の生産ライン等で移動する物体の有無を検出するため等に利用されている。一般には、物体の搬送経路に光を投射し、その光の反射光又は透過光を検出することにより、物体の有無を判定するものである。透過型の光電スイッチでは、投光部から投射された光が物体検出領域を通過する物体に遮られることにより受光部の受光量が変化することを利用し、この変化から物体の存在を判定することができる。透過型の光電スイッチは、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の投光素子を有する投光ヘッドと、ＰＤ（フォトダイオード）等の受光素子を有する受光ヘッドを有する。投光ヘッドと受光ヘッドとを互いに対向するように配置し、これら投光ヘッドと受光ヘッドとの間で光電センサを形成する。

この種の光電スイッチには、透過型と拡散反射型と同軸回帰反射型とがある。このうち透過型では、投光ヘッドと受光ヘッドとが別体に構成されているのに対し、同軸回帰反射型と拡散反射型の光電スイッチは、投光ヘッドと受光ヘッドとを一体化して構成されている。一体型では、別体型に比べて配線の取り回しが簡素化されると共に、検出物体を挟んでセンサと反射板とを対向配置することにより検出距離が拡散反射型に比べて長くなるという利点がある。

また光電スイッチの投光ヘッドに使用する投光素子として、ＬＥＤに代わり、ＬＤ（半導体レーザ）を使用したものも開発されている。ＬＤはＬＥＤよりも光学特性に優れており、ＬＤを使用する光電センサは、ＬＥＤに比較して光源が小さいのでスポットが絞れ、スポットの視認性が良くなり、取り付け作業時の作業性を向上できる。また光量密度が大きいため小スポットで大きな光量を得ることができるため、検出性能を向上させることができる等の利点が得られる。

レーザを用いた光電センサでは、ＬＤの発光量を自動制御するためのＡＰＣ（Auto Power Control）回路が投光ヘッドに設けられている。従来、ＡＰＣ回路で差動増幅を実現する回路には、図９に示すようにＯＰアンプ９０１等の差動アンプを使用するか、又は図１０に示すように差動増幅回路９０２をトランジスタ等のディスクリート部品で構成している。またこれらの回路では、基準電圧を得るために、レギュレータやツェナーダイオード等を使用して基準電圧生成回路９０３を構成する必要があった。

しかしながら、ＡＰＣ回路をＯＰアンプで構成した回路を用いて、投光ヘッドでＬＤの高速なパルス点灯を行うには、高速動作が可能なＯＰアンプを使用する必要があり、コスト高となるという問題がある。一方ＡＰＣ回路をディスクリート部品で構成すると、比較的安価に実現できるが、この場合は構成部品が大きいため回路の実装面積が大きくなり、投光ヘッドの小型化の妨げとなる。また高速化に伴って消費電力が増大したり、電源電圧を大きくする必要が生じるという問題もあった。
特開２００３−０８７１０６号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、レーザを用いた光電センサの投光量を所定値に制御する投光量制御手段を小型化可能な光電スイッチ用投光ヘッドを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の光電スイッチ用投光ヘッドは、投光素子からの光を受光素子で受光し、受光量と閾値との比較で検出動作を行う光電スイッチで使用される投光ヘッドであって、投光ヘッドは、検出領域に向けて検出光を投光するための投光素子と、投光素子の発光の一部を受光して受光量を検出するためのモニタ用受光素子と、投光素子を点灯駆動すると共に、モニタ用受光素子で検出された受光量から生成されるモニタ信号に基づいて、投光素子の投光量を所定値に近付けるよう制御を行なうための投光量制御手段とを備えている。投光量制御手段はさらに、投光素子を駆動する電力を入力するための電源入力部と、電源入力部から受けた電力を投光素子に供給する供給量を調整するためのスイッチング素子と、モニタ用受光素子で検出した受光量に基づいてモニタ信号を発生させるモニタ信号生成部と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、モニタ信号生成部で生成されたモニタ信号を、基準電圧生成回路で生成した基準電圧と比較する差動増幅回路とを内蔵した調整回路とを備えている。調整回路は、モニタ信号を、基準電圧と比較して、スイッチング素子の調整量を制御するよう構成されている。この構成により、ＡＰＣ回路等投光量制御手段の実現に必要な基準電圧生成回路及び差動増幅回路を小型化できるので、回路構成を簡素化して、安価に実現できる。

また、本発明の第２の光電スイッチ用投光ヘッドは、調整回路が、シャントレギュレータで構成されている。この構成により、基準電圧生成回路及び差動増幅回路を内蔵したシャントレギュレータを使用して回路構成を簡素化し、ＡＰＣ回路等投光量制御手段を安価に実現できる。

さらに、本発明の第３の光電スイッチ用投光ヘッドは、スイッチング素子がトランジスタであり、モニタ信号生成部が可変抵抗であり、投光量制御手段がさらに、電源入力部とトランジスタのゲート電極との間に接続された第１の抵抗と、シャントレギュレータのカソード端子と、グランドとの間に配置される第１のコンデンサとを備え、シャントレギュレータのアノード端子はグランド側に接続されており、第１の抵抗は、一端を電源入力部と接続され、他端をトランジスタのゲート電極及び、シャントレギュレータのカソード端子と接続されており、可変抵抗が、一端をモニタ用受光素子及びシャントレギュレータのリファレンス端子と接続され、他端を接地されている。この構成によって、投光量制御手段は安定して投光素子を発光させると共に、その投光量を制御できる。可変抵抗は、値が既知であれば固定抵抗でもよい。

さらにまた、本発明の第４の光電スイッチ用投光ヘッドは、電源入力部から入力される投光素子を駆動する電力がパルス状である。また投光量制御手段がさらに、第１の抵抗の他端とシャントレギュレータのカソード端子との間に、第１の抵抗からシャントレギュレータに向かって通電するよう接続される第１のダイオードを備える。この構成によって、第１のコンデンサを充電してスイッチング素子であるトランジスタのＯＮ電圧を生じさせることができ、また第１のダイオードで第１のコンデンサからの逆電流を防止することができる。

さらにまた、本発明の第５の光電スイッチ用投光ヘッドは、投光量制御手段がさらに、トランジスタのエミッタ端子と投光素子との間に接続される第２の抵抗とを備える。この構成によって、投光素子を安定して点灯させることができる。

さらにまた、本発明の第６の光電スイッチ用投光ヘッドは、投光量制御手段がさらに、第１のダイオードとシャントレギュレータのカソード端子との間に接続された第３の抵抗と、シャントレギュレータのカソード端子とグランドとの間に接続された第４の抵抗とを備える。この構成によって、投光素子を安定して点灯させることができる。

さらにまた、本発明の第７の光電スイッチ用投光ヘッドは、さらに、投光素子の連続点灯を検出して投光素子の直流点灯を阻止するためのＤＣ点灯検出回路を備える。この構成によって、投光素子の点灯状態をＤＣ点灯検出回路で監視し、何らかの原因でパルス点灯から直流点灯になったことをＤＣ点灯検出回路が検出すると、投光素子を消灯させるなどの処理を行い、安全を確保できる。

さらにまた、本発明の第８の光電スイッチ用投光ヘッドは、ＤＣ点灯検出回路が、電源入力部と第１の抵抗との間に接続された第２のコンデンサと、第２のコンデンサと第１の抵抗との接点と、グランドとの間に、アノード端子をグランド側として接続された第２のダイオードとで構成されている。この構成によって、ＤＣ点灯検出回路を簡素化できる。

さらにまた、本発明の第９の光電スイッチ用投光ヘッドは、さらに、モニタ信号生成部のモニタ信号を、調整回路の基準電圧に合致させるためのモニタ信号増幅回路を備える。この構成によって、複数の投光ヘッドを使用する場合に、モニタ用受光素子や調整回路に素子毎のばらつきがある場合でも、これらを調整して均一な制御を実現することができる。

本発明の光電スイッチ用投光ヘッドによれば、ＬＤ等の投光素子を使用した光電スイッチの投光量を制御するＡＰＣ回路等の投光量制御手段に必要な基準電圧生成回路や差動増幅回路を小型化できるので、センサヘッドの小型化と回路構成を簡素化、低価格化を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための光電スイッチ用投光ヘッドを例示するものであって、本発明は光電スイッチ用投光ヘッドを以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の光電スイッチ用投光ヘッドは、透過型あるいは反射型等の種々の光電センサに適用できる。例えば受光ヘッドを投光ヘッドやコントローラと別体で構成した透過型光電センサに適用したり、又は投光ヘッドと受光ヘッドを一体とした反射型光電センサの一体型投受光ヘッドとして、コントローラとヘッドケーブルで接続する構成としたり、あるいは受光部を透過型光電センサのコントローラと一体とする構成等が採用できる。以下、本発明を図１の透過型光電センサに適用する例について説明する。なお、検出光の反射光の受光量を検出する反射型の光電センサを構成する場合は、投光ヘッドから投光された光が検出対象物で反射して受光ヘッドに入射するように、投光ヘッド及び受光ヘッドの位置及び方向がセットされる。あるいは、投光ヘッド及び受光ヘッドを一体化した投受光ヘッドとすることもできる。また、センサヘッドとコントローラとの間を接続するヘッドケーブルは電気ケーブルの他、光ファイバ等も利用できる。

透過型光電スイッチは、上述の通り、投光ヘッドと受光ヘッドとをコントローラに接続し、投光ヘッドの投光素子から放出される光を受光ヘッドで受光して検出し、その受光量の変化で対象物の通過等を検出できる。図１に、本発明の一実施の形態に係る光電スイッチとして、投光ヘッド４００と受光ヘッド５００とを、コントローラ２００に接続した光電スイッチのブロック図を示す。この図に示す光電スイッチは、投光ヘッド４００と受光ヘッド５００とが、ヘッドケーブル３００によって接続されている。投光ヘッド４００は投光部１０を、受光ヘッド５００は受光部５０をそれぞれ備える。投光部１０は対象物に対して光を投光し、この光が対象物で遮光されることなく受光部５０で受光するか、あるいは遮光されて受光量が低下するかを検出することで対象物の有無を判定する。コントローラ２００は投光部１０を駆動するために所定のパルスを投光ヘッド４００に出力する。投光素子１２は、制御部４０によって投光電源制御回路２２から発される発振パルスによって駆動されて、パルス光を外部の検出対象に向って発する。受光された光は受光素子にて光電変換され、受光素子増幅回路５６、コントローラ増幅回路６８、Ａ／Ｄ変換器７０を経て制御部４０に送られる。これによって、パルス光に同期した検波が施され、検波信号は更に直流信号等に変換された後、Ｉ／Ｏ回路４２から、検出結果を表わすＯＮ／ＯＦＦ信号として出力される。
（投光部１０）

投光部１０は、投光用の投光素子１２と、投光素子１２を駆動するための投光回路１４とを備える。投光素子１２は、ＬＥＤやＬＤ等が利用できる。特にＬＤはＬＥＤに比べて光量が多く指向性が高いので、スポット径を絞って検出の精度が向上する。また、ＬＤが照射されるスポット径が視認できるので、設置時の作業性にも優れる。よって、本実施の形態では光学特性に優れるＬＤを投光素子１２として利用している。さらにＬＤを駆動する投光回路１４は、投光ＡＰＣ回路１６と、モニタＰＤ等のモニタ用受光素子１８を備える。投光ＡＰＣ回路１６は、ＬＤを駆動する駆動電力をＬＤに供給し、ＬＤの出力すなわち発光量が所定値となるよう制御する。

さらに投光ヘッド４００は、コントローラの発光量や出力状態等を表示するための表示灯２０を備える。これら投光ＡＰＣ回路１６や表示灯２０は、投光電源線を介してコントローラ２００の投光電源制御回路２２、ヘッド表示灯電源制御回路２４から各々駆動電力の供給を受ける。

投光素子１２の発光量は、投光ＡＰＣ回路１６により制御される。投光ＡＰＣ回路１６はモニタＰＤで検出した発光量に基づき、発光量が所定値となるように電流量を調整してＬＤを駆動するというフィードバック制御を行う。図１に示す例では、投光ＡＰＣ回路１６はＬＤ及びモニタ用受光素子１８であるモニタＰＤと接続されており、モニタＰＤはＬＤの漏れ光等を受光できる位置に隣接されている。モニタＰＤは、ＬＤパッケージに内蔵させることもできる。

一方モニタ用受光素子１８の一形態であるモニタＰＤは、モニタ信号増幅回路２６と接続されており、ヘッドケーブル３００に含まれるモニタ線を介してコントローラ２００のＬＤ発光量モニタ回路２８に受光量をモニタ電圧として送出する。モニタ信号増幅回路２６は、モニタ用受光素子１８のばらつきを抑えるための部材であり、トリマ等により構成されている。ＬＤ発光量モニタ回路２８は、Ａ／Ｄ変換器３０でアナログ信号をデジタル信号に変換した後、制御部４０に対し、モニタＰＤで検出したモニタ電圧を出力する。このようにモニタ信号増幅回路２６は、投光素子１２の発光量をモニタ用受光素子１８でモニタするモニタ回路を構成しており、制御部４０はモニタ回路を介してモニタ電圧を監視することで、投光ヘッドの異常を検出できる。モニタ電圧が所定の閾値を越える等の異常が検出されると、制御部４０は投光電源制御回路２２を制限、遮断する等により投光ヘッド４００への電流供給を停止でき、これによって投光素子の障害等に対応できる。このように、投光ヘッド４００により投光量のフィードバック制御を行う一方で、コントローラ２００側では投光ヘッド４００の異常検出を行うという二重のフィードバックを実現している。

なお本明細書において検出情報とは、典型的には受光素子で検出された受光量であり、受光量型光電センサにおいては、受光量の大小に基づいて検出対象の有無等を判別する検出動作を行う。ただ、検出情報は受光量に限られず、他の情報も利用できる。例えば、受光素子として位置検出フォトダイオード（ＰＳＤ）や２分割ＰＤを用いた距離型（位置型）光電センサでは、その受光位置に基づいて検出動作を行うことができる。このような光電センサにも本発明を適用可能である。
（受光部５０）

一方、受光ヘッド５００に含まれる受光部５０は、受光用の受光素子５２と、受光素子５２を駆動するための受光回路５４とを備える。受光回路５４は受光素子増幅回路５６、受光部電源回路５８等を備える。受光素子５２はＰＤ等が利用できる。この受光素子５２は受光素子増幅回路５６と接続されており、受光素子５２で受光した受光量は受光素子増幅回路５６で増幅されて、ヘッドケーブル３００に含まれる信号線を介してコントローラ２００側のコントローラ増幅回路６８に送出される。コントローラ増幅回路６８で増幅されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器７０を介してデジタル信号に変換され、制御部４０に入力される。これによって、受光素子５２の受光量をコントローラ２００側で検出して検出の判定を行い、最終的にＩ／Ｏ回路４２の出力から判定結果を出力する。このＩ／Ｏ回路４２は、２系統の出力１、２と１系統の入力１を備えている。また受光部電源回路５８は、受光ヘッド５００の駆動電力を供給するため部材であり、ヘッドケーブル３００の電源線を介してコントローラ２００のヘッド電源回路６０に接続される。ヘッド電源回路６０は、コントローラ２００の制御部４０によって制御される。

なお、複数種のセンサヘッドをコントローラに接続可能とする場合、各センサヘッドを識別する識別機能を備えることができる。図１の例では、コントローラ２００に投光ヘッド４００を識別するための投光ヘッド識別回路６３、受光ヘッド５００を識別するための受光ヘッド識別回路６２をそれぞれ設けている。これらヘッド識別回路を各々信号線に接続して投光ヘッド４００、受光ヘッド５００の識別信号を検出し、Ａ／Ｄ変換器６４、６５を介して制御部４０に送出することで、制御部４０で各センサヘッドを識別している。

コントローラ２００は、上述のように制御部４０に、投光電源制御回路２２、ヘッド表示灯電源制御回路２４、ＬＤ発光量モニタ回路２８、コントローラ増幅回路６８、ヘッド識別回路６２、ヘッド電源回路６０等を接続している。さらに制御部４０は、各種設定値等を記憶するための記憶部４４、コントローラ２００側の情報を表示するための表示回路４６、コントローラ２００に対して各種設定や操作を行うため、設定値調整を受け付けるためのユーザインタフェースである操作部を接続したスイッチ入力回路４８、加えて外部との入出力を行うＩ／Ｏ回路４２等を接続している。またコントローラ２００は、これらの回路を駆動するためのコントローラ電源回路６６も備えている。以上の構成のコントローラ２００にヘッドケーブル３００を介して投光ヘッド４００と受光ヘッド５００の組を一又は複数接続して、投光素子１２で投光した光を受光素子５２で受光し、対象物を検出してその結果を出力する。
（実施例１）

本発明の実施例１に係る光電センサの構成を、図２のブロック図に示す。この図に示す光電センサは、投光ヘッド４００をヘッドケーブル３００を介してコントローラ２００と接続しており、投光ヘッド４００は、投光素子１２であるＬＤ１２ａと、モニタ用受光素子であるモニタＰＤ１８ａと、投光量制御手段を構成する投光ＡＰＣ回路１６を含む投光素子駆動回路であるＬＤ駆動回路４６０と、モニタＰＤ１８ａで検出した受光量に基づいてモニタ信号を生成するモニタ信号生成回路４６２と、モニタ信号生成回路４６２で生成したモニタ信号の初期値を保持するモニタ信号初期値保持部４６４を備える。投光ＡＰＣ回路１６等の制御手段は、ゲートアレーやマイコン等で構成してもよい。一方コントローラ２００は、モニタ信号生成回路４６２で生成したモニタ信号を検出するモニタ信号検出回路２５０と、モニタ信号検出回路２５０で得られた情報に基づき、投光ヘッド４００の異常を判定する異常判定回路２５２と、異常判定回路２５２に基づいて異常出力を行う異常出力部２５４と、投光ヘッド４００への電力を供給するための電源制御回路２５６と、電源制御回路２５６が投光素子駆動回路に対してパルス電力を供給するようタイミングを制御するタイミング制御回路２５８とを備える。なお、図２においては受光ヘッドの図示を省略している。この図に示す投光ヘッド４００は、投光ヘッド４００をコントローラ２００と分離した分離型光電センサにおいて、各種の保護回路を投光ヘッド４００から可能な限り除去し、代わりにコントローラ２００側で異常検出するよう構成しているので、投光ヘッド４００側の投光ＡＰＣ回路１６等による制御と併せて、単一故障に対応した信頼性の高い動作を維持しつつ投光ヘッドの部材を低減して小型化を図ることができる。
（投光回路）

図２に対応する投光ヘッドの回路例を、図３に示す。この図に示す投光ヘッド４００は、ＬＤの駆動電流を入力するための電源入力部として、パルス電源入力端子４９２と、ＬＤ駆動回路４６０として、基準電圧生成回路４６６と差動増幅回路ＡＭＰとを内蔵したシャントレギュレータＡ１と、ＬＤ１２ａとモニタＰＤ１８ａとを組み込んだＬＤモジュール４６８と、パルス電源入力端子４９２から入力されるパルス電流を投光素子に供給するＯＮ／ＯＦＦを切り替えるスイッチング素子であるトランジスタＱ１とを備える。またモニタ信号生成回路４６２として、モニタ信号生成部であるパワー調整トリマを構成する可変抵抗Ｒ５を備える。

ここでシャントレギュレータＡ１の内部ブロック図を、図４に示す。図４において、Ｋ（カソード）、Ａ（アノード）、Ｒ（リファレンス）は、図３のＫ、Ａ、Ｒ端子とそれぞれ対応している。図４に示すようにシャントレギュレータＡ１は、等価回路的に差動増幅器ＡＭＰの出力側にバイポーラトランジスタＱを接続し、トランジスタＱのコレクタをＫ端子、エミッタをＡ端子、差動増幅器ＡＭＰの＋側をＲ端子としている。また差動増幅器ＡＭＰの−側は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆを生成する基準電圧生成回路４６６として直流電源が接続され、直流電源の−側がＡ端子と接続されている。これにより、差動増幅回路ＡＭＰ及び基準電圧生成回路４６６を内蔵したシャントレギュレータＡ１を使用してＡＰＣ回路の構成に必要な部材を簡素化できる。またシャントレギュレータＡ１は電源用ＩＣなどの汎用の素子が使用できるので、安価に利用できる。電源用ＩＣは基準電源を内蔵しており、構成部材が一体化されているので、ＡＰＣ回路をコンパクトに構成して回路実装規模を小型化できる。また回路消費電力も少なくできる。さらに、シャントレギュレータは広い電源電圧範囲に適用でき、また高速動作も可能で、高速なパルス点灯を行うＬＤのＡＰＣ回路を安価に構成できる。

シャントレギュレータＡ１のＡ端子は、グランド側に接続されている。さらにパルス電源入力端子４９２は、直列に接続された第１の抵抗Ｒ１、第１のダイオードＤ１、第３の抵抗Ｒ３を介して、シャントレギュレータＡ１のＫ端子と接続される。またＫ端子からは、第１のコンデンサＣ１及び第４の抵抗Ｒ４が並列に接続されて接地されている。第３の抵抗Ｒ３、第４の抵抗Ｒ４を設けることで、投光素子の投光量制御を安定させることができる。ここで、第１の抵抗Ｒ１、第１のダイオードＤ１を流れる電流をＩ_１、第１の抵抗Ｒ１と第１のダイオードＤ１と間の接点における電圧をＶ_１、第１のコンデンサＣ１に流れる電流をＩ_２、シャントレギュレータＡ１のＫ−Ａ端子間を流れる電流をＩ_３とする。

一方、第１の抵抗Ｒ１、第１のダイオードＤ１との間には、トランジスタＱ１のベースが接続される。トランジスタＱ１のコレクタ側はパルス電源入力端子４９２と接続されており、エミッタ側は第２の抵抗Ｒ２を介してＬＤのアノード側と接続される。第２の抵抗Ｒ２によって、ＬＤの点灯が安定する。またモニタＰＤのアノード側は、可変抵抗Ｒ５を介して接地される。これにより、可変抵抗Ｒ５はモニタＰＤの受光量に応じたモニタ電流に基づいて、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎを発生させる。さらに可変抵抗Ｒ５とモニタＰＤのアノード側との接点であるモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎ（モニタ信号出力端子）は、シャントレギュレータＡ１のＲ端子と接続されている。これにより、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎでシャントレギュレータＡ１をＯＮ／ＯＦＦできる。つまりモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎが基準電圧以下ではシャントレギュレータＡ１はＯＦＦでありＫ−Ａ端子間は導通せず、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎが基準電圧以上になるとシャントレギュレータＡ１がＯＮしてＫ−Ａ端子間を導通する。

この投光ヘッド４００は、コントローラ２００の電源制御回路２５６から、タイミング制御回路２５８で規定されたタイミングでＬＤ駆動パルス入力を入力され、これに応じてＬＤ駆動回路４６０でＬＤ１２ａを駆動する。またモニタＰＤ１８ａの受光量に応じて、パワー調整トリマで調整された所定のモニタ電圧を生成し、これをＬＤ駆動回路４６０側に返して制御を行う。さらに図３に図示しないが、モニタ信号線を外部に出力するモニタ信号出力端子を設け、コントローラ２００側にモニタ信号出力Ｖ_ｍｏｎを送出してコントローラ２００側で投光ヘッド４００内の故障など異常を監視することもできる。
（パワー調整トリマ）

パワー調整トリマは、ＬＤモジュール４６８毎に存在するモニタＰＤ１８ａのばらつきを補正する。すなわち、一定の入力に対してモニタＰＤ１８ａが検出する受光量が一定値となるように、パワー調整トリマを調整する。図２等に示すコントローラ２００は、モニタ信号出力をモニタ信号検出回路２５０でＡ／Ｄ変換して異常判定回路２５２に送出し、投光ヘッド４００の異常判定を行う。これにより、コントローラ２００側で投光ヘッド４００の異常を検出できるので、必要に応じて異常判定回路２５２に接続された異常出力部２５４でアラーム等の警告信号を出力し、エラー報知を実現できる。このように、コントローラ２００側でも投光ヘッド４００の異常を検知しているため、異常出力部２５４で外部への異常発生出力が可能となる。またコントローラ２００に表示回路４６等の表示手段を備え、異常時には表示手段で異常表示を行うこともできる。
（ＡＰＣ回路の動作）

以下に図３のＡＰＣ回路の動作を、図５の波形図に基づいて説明する。図５は、（ａ）パルス電源投入時、（ｂ）ＬＤの発光開始時点、（ｃ）安定状態におけるパルス電圧、Ｖ_ｏｎ、Ｖ_１、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎの波形を、それぞれ示している。まずパルス電源入力端子４９２からパルス電源が入力されると、投入時点では未だＬＤが投光していないため、図５（ａ）に示すように、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎは０Ｖであり、シャントレギュレータＡ１のＫ端子はＯＦＦとなる。ここで図３の回路においてＬＤが点灯するためには、Ｖ_１の電圧値が、ＬＤのＯＮ電圧Ｖ_ＬＤとトランジスタＱ１のベース−エミッタ間電圧Ｖ_ｂｅとの和Ｖ_ｏｎ以上である必要がある。したがって、この状態ではＬＤはＯＦＦであるため、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎも生じず、シャントレギュレータＡ１もＯＦＦである。このため、パルス電源投入時はＩ_１＝Ｉ_２となり、パルス電源入力端子４９２から入力された電流は、すべて第１のコンデンサＣ１に流れて充電される。第１のコンデンサＣ１が充電されるにつれて、Ｖ_１は上昇していく。

そして図５（ｂ）に示すように、Ｖ_１がＶ_ｏｎに達した時点で、トランジスタＱ１がＯＮされ、ＬＤの投光が開始される。このとき、Ｖ_１がＶ_ｏｎより大きい程、ＬＤの投光量は大きくなる。第１のコンデンサＣ１が充電され続けると、Ｖ_１の上昇に従ってＬＤの投光量は大きくなり、それにつれてモニタＰＤの受光量も大きくなる。このため、モニタ電流Ｉ_ｍｏｎも増大し、可変抵抗Ｒ５を通電する結果モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎ（＝Ｉ_ｍｏｎ×Ｒ５）も上昇していく。そしてモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎがシャントレギュレータＡ１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆを超えると、シャントレギュレータＡ１がＯＮし、Ｉ_３が流れ始める。この結果、Ｉ_１はＩ_２のみならずＩ_３にも分岐して、相対的にＩ_２の電流量が低下し、第１のコンデンサＣ１の充電量及びＶ_１の上昇が抑制される。シャントレギュレータＡ１は、図５（ｃ）に示すように、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ＝モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎとなるように電流Ｉ_３を制御する。これによって、第１のコンデンサＣ１の充電量が一定となり、Ｖ_１も一定値となるので、ＬＤの投光量を一定値に制御することができる。このように、シャントレギュレータＡ１を調整回路に使用して、ＡＰＣ回路の機能を実現できる。このようにシャントレギュレータを用いてＡＰＣ回路を構成することで、必要な基準電源や差動増幅の実装面積を小さくでき、また低消費電力で広い電源範囲に適用できるので、回路構成をコンパクトにして投光ヘッドを小型化できる。
（実施例２）

次に、本発明の実施例２として、ＤＣ点灯検出回路４９４を備える投光回路の例を、図６に基づいて説明する。なお図６において、上述した図３で説明した部材と同じ部材については、図６においても同様の部材を使用できるため、その詳細説明を省略する。この図に示す投光回路は、パルス電源入力端子４９２と第１の抵抗Ｒ１との間にＤＣ点灯検出回路４９４として、第２のコンデンサＣ２と、第２のダイオードＤ２とを接続している。第２のコンデンサＣ２は、パルス電源入力端子４９２と第１の抵抗Ｒ１との間に接続され、第２のダイオードＤ２は、第２のコンデンサＣ２と第３の抵抗Ｒ３との接点と、グランドとの間に配置している。第２のコンデンサＣ２は、パルス電源入力端子４９２から入力されるパルス電源のＤＣ成分をカットする。また第２のダイオードＤ２は、第２のコンデンサＣ２に溜まった電荷を抜くためのものである。

光電センサの投光ヘッドに使用する投光素子は、ＬＤのパルス点灯を行うことが多い。ＬＤなど、レーザのクラスは平均化した光出力で規定されるため、連続点灯でなくパルス点灯とすることで１パルスあたりの投光量を大きくして、光電センサの精度を向上させることができる。ただ、投光量を増やすと、回路の故障などの異常によりパルス点灯が直流電源となった場合に、クラスの規格を超えてしまうおそれがある。そこで、パルス入力信号が直流電源となった場合でも、ＬＤが直流点灯しないような保護回路として、ＤＣ点灯検出回路４９４を追加する。

このＤＣ点灯検出回路４９４は、以下のようにして動作する。まず、パルス電源が何らかの異常によりＤＣ電源となった場合、第２のコンデンサＣ２が充電される。またＩ_１が遮断される結果、Ｖ_１の電位が上昇しなくなり、Ｖ_１がＶ_ｏｎを超えることができないので、ＬＤが点灯しない。このようにして、ＬＤのＤＣ点灯を防止でき、ＬＤを使用した光電センサの安全基準を満たすことが可能となる。

一方、正常動作時においては、パルス電源がＨＩＧＨのとき第２のコンデンサＣ２に溜まった電荷は、パルス電源がＬＯＷのとき第２のダイオードＤ２経由で放電される。この結果、Ｉ_１は継続的に通電されるので、実施例１と同様に第１のコンデンサＣ１を充電してＬＤを点灯することができる。

なおＤＣ点灯検出回路４９４は、投光ヘッドのＬＤをパルス点灯させる際に好適に使用できる。逆に、ＬＤをＤＣ点灯させる投光ヘッドにおいては、ＤＣ点灯検出回路を省略できることはいうまでもない。
（実施例３）

さらに、本発明の実施例３として、モニタ信号増幅回路の一形態としてモニタ信号増幅回路２６を設けた投光回路の例を、図７に示す。この図においても、上述した図３等で説明した部材と同じ部材については、図７においても同様の部材を使用できるため、その詳細説明を省略する。この図に示す投光回路は、可変抵抗Ｒ５のモニタ信号出力端子と、シャントレギュレータＡ１のＲ端子との間に、モニタ信号増幅回路２６として、アンプＡＭＰ２を配置している。アンプＡＭＰ２の＋側入力は、モニタ信号出力端子に接続されており、−側入力は抵抗Ｒ１１を介して接地すると共に、抵抗１２を介してアンプＡＭＰ２の出力側と接続されている。このモニタ信号増幅回路２６は、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎをシャントレギュレータＡ１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆに合致させるように調整する。モニタＰＤを内蔵したＬＤモジュールを使用する場合、ＬＤの正常点灯時におけるモニタＰＤの電圧降下Ｖｆは、一般に約０．６Ｖである。このため、図７の回路においては、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎが０．６Ｖを超えることができない。一方、市販されているシャントレギュレータの多くは、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが１．２６Ｖ程度である。したがって、このままではモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎを基準電圧Ｖ_ｒｅｆとすることができない。このため、モニタ信号増幅回路２６でモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎを増幅して、基準電圧Ｖ_ｒｅｆと合致するように調整する。これによって、市販の安価なＬＤモジュールやシャントレギュレータを利用できるので、投光回路を安価に組み上げることが可能となる。

さらにモニタ信号増幅回路２６に、モニタＰＤのばらつきを抑える機能を付加することもできる。一般にＬＤモジュールに内蔵されるモニタＰＤは、特性のばらつきがあるため電圧降下Ｖｆ値も素子毎にばらつきがみられる。このような場合に、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎを一定値に調整してシャントレギュレータＡ１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆに入力させることで、複数の投光ヘッド間で均一な制御を実現できる。またこの構成であれば、シャントレギュレータＡ１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆにばらつきがある場合も、同様に調整することが可能となる。このような調整機能は、モニタ信号増幅回路２６に可変抵抗などを付加することで容易に実現できる。

なお、異常を監視するためのモニタ信号は、電流値、電圧値のいずれも利用できる。モニタ電流をモニタ電圧に変換するには、例えば抵抗を用いてＩ−Ｖ変換することで実現できる。本実施の形態では、モニタＰＤで得られた電流を増幅後、パワー調整トリマで生成されるモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎをモニタ信号として主に使用している。
（モニタ電流）

また、コントローラ側で投光ヘッドの異常を監視するために、モニタ電流のみを用いることもできる。モニタ電流のみで異常を監視するには、単にモニタＰＤのモニタ電流をＩ−Ｖ変換したモニタ電圧Ｖ_ｍｏｎが所定の閾値よりも大きくなった場合、すなわち投光出力の超過やモニタＰＤ等の部品の故障のみを判定するのでは不十分となる。パワー調整トリマ等、他の部品の故障をも検知するためには、閾値を２つ用いて、モニタ電流のＩ−Ｖ変換値がＧＮＤ側に落ちたことも検知することで、実現することが可能となる。具体的には、ウィンドウコンパレータ等の比較器を用いて上限閾値及び下限閾値を設定し、この範囲内を正常閾値として、モニタ電流を監視し、上限閾値以上又は下限閾値以下となったときに異常と判定する。これにより、投光出力の超過と、投光素子のＤＣ点灯や断線等による未点灯の両方を監視できる。またこの構成によって、モニタＰＤ以外の故障を検知しその状態を伝えるためのヘッドケーブルの信号線が不要となり、投光ヘッドの更なる小型化に寄与する。

また、モニタ信号出力にＨＰＦ（ハイパスフィルタ）等のフィルタを適用して、直流成分をカットし交流化してからコントローラ側に送信することもできる。これにより、故障してＤＣ点灯状態になった場合には、モニタ出力の信号がＧＮＤレベルのため、コントローラ側でパルス電源に同期した点灯タイミングのみでモニタ出力を監視することで、直流点灯異常であると判定でき、異常監視の処理負担を軽減できる。一方、モニタ信号出力にＨＰＦ等のフィルタがない場合、消灯時にもモニタ出力を監視しないとＤＣ点灯していることが検出できないため、異常監視の処理負担が大きくなる。
（異常検出手順）

以上のように、コントローラがモニタ電流を正常閾値と比較して異常を検出する手順を、図８のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ１でモニタ電流を取得し、ステップＳ２でＡ／Ｄ変換してモニタ信号を生成する。次にステップＳ３で、投光ヘッドへの出力制御を行う。ここではモニタ信号を所定の基準値（閾値）と比較し、上限閾値よりも高い場合は投光出力が上限を超えていると判断して、ステップＳ３−１に進み投光素子の出力を停止させる、あるいは出力量を制限する等の投光制限処理を行う。また上限閾値より低い場合はステップＳ４に進み、下限閾値よりも高いかどうかを判定し、低い場合は投光素子が連続点灯している、あるいは断線等により未点灯であると判断してステップＳ４−１に進み、所定の投光制限処理を行う。

なお、本明細書において投光制限処理とは、投光信号を停止したり、供給する電源を遮断する等してＬＤの点灯を停止する場合の他、電流量を制限して一定光量に低下させる制御も含む。あるいはＬＤ１２Ｃと並列にスイッチＳＷを配置し、ＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御することでＬＤ１２Ｃへの電流供給をバイパスさせて点灯を抑える方式でもよい。このように、投光信号や電源供給を停止せずとも、投光を停止又は抑制することで安全が確保できるので、これらの処理も投光制限処理に含む。また異常が一旦発生すると、出力を落とす、あるいはリセット等の処理があるまで、投光素子の出力を０に維持することもできる。

本発明の光電スイッチ用投光ヘッドは、工場の生産ライン等で対象物の有無を検出する光電センサ等に好適に利用でき、透過型、反射型のいずれの光電センサにも適用できる。さらに、光ファイバを用いた光電センサにも本発明を適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る投光ヘッドを使用した光電センサを示すブロック図である。本発明の実施例１に係る投光ヘッドを使用した光電センサの構成を示すブロック図である。図２に対応する投光ヘッドの回路例を示す回路図である。シャントレギュレータの内部ブロックを示す等価回路図である。図３のＡＰＣ回路の動作状態を示すグラフであり、図５（ａ）はパルス電源投入時、（ｂ）はＬＤの発光開始時点、（ｃ）は安定状態におけるパルス電圧、Ｖ_ｏｎ、Ｖ_１、モニタ電圧Ｖ_ｍｏｎを、それぞれ示す波形図である。本発明の実施例２に係る投光ヘッドの構成を示す回路図である。本発明の実施例３に係る投光ヘッドの構成を示す回路図である。コントローラがモニタ電流を正常閾値と比較して異常を検出する手順を示すフローチャートである。ＯＰアンプを使用したＡＰＣ回路の一例を示す回路図である。ディスクリート部品で構成したＡＰＣ回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

２００…コントローラ
３００…ヘッドケーブル
４００…投光ヘッド
５００…受光ヘッド
１０…投光部
１２…投光素子；１２ａ…ＬＤ
１４…投光回路
１６…投光ＡＰＣ回路
１８…モニタ用受光素子；１８ａ…モニタＰＤ
２０…表示灯
２２…投光電源制御回路
２４…ヘッド表示灯電源制御回路
２６…モニタ信号増幅回路
２８…ＬＤ発光量モニタ回路
３０…Ａ／Ｄ変換器
４０…制御部
４２…Ｉ／Ｏ回路
４４…記憶部
４６…表示回路
４８…スイッチ入力回路
５０、９５０…受光部
５２…受光素子
５４…受光回路
５６…受光素子増幅回路
５８…受光部電源回路
６０…ヘッド電源回路
６２…受光ヘッド識別回路
６３…投光ヘッド識別回路
６４、６５、７０…Ａ／Ｄ変換器
６６…コントローラ電源回路；６８…コントローラ増幅回路
２５０…モニタ信号検出回路
２５２…異常判定回路
２５４…異常出力部
２５６…電源制御回路
２５８…タイミング制御回路
４６０…ＬＤ駆動回路
４６２…モニタ信号生成回路
４６４…モニタ信号初期値保持部
４６６…基準電圧生成回路
４６８…ＬＤモジュール
４９２…パルス電源入力端子
４９４…ＤＣ点灯検出回路
９０１…ＯＰアンプ
９０２…差動増幅回路
９０３…基準電圧生成回路

Claims

投光素子からの光を受光素子で受光し、受光量と閾値との比較で検出動作を行う光電スイッチで使用される投光ヘッドであって、
前記投光ヘッドは、
検出領域に向けて検出光を投光するための投光素子と、
前記投光素子の発光の一部を受光して受光量を検出するためのモニタ用受光素子と、
前記投光素子を点灯駆動すると共に、前記モニタ用受光素子で検出された受光量から生成されるモニタ信号に基づいて、前記投光素子の投光量を所定値に近付けるよう制御を行なうための投光量制御手段と、
を備えており、
前記投光量制御手段はさらに、
前記投光素子を駆動する電力を入力するための電源入力部と、
前記電源入力部から受けた電力を前記投光素子に供給する供給量を調整するためのスイッチング素子と、
前記モニタ用受光素子で検出した受光量に基づいてモニタ信号を発生させるモニタ信号生成部と、
基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、前記モニタ信号生成部で生成されたモニタ信号を、前記基準電圧生成回路で生成した基準電圧と比較する差動増幅回路とを内蔵した調整回路と、
を備えており、
前記調整回路は、前記モニタ信号を、前記基準電圧と比較して、前記スイッチング素子の調整量を制御するよう構成されてなることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項１に記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、
前記調整回路は、シャントレギュレータで構成されてなることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項２に記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、
前記スイッチング素子がトランジスタであり、
前記モニタ信号生成部が可変抵抗であり、
前記投光量制御手段がさらに、
前記電源入力部と前記トランジスタのゲート電極との間に接続された第１の抵抗と、
前記シャントレギュレータのカソード端子と、グランドとの間に配置される第１のコンデンサと、
を備え、
前記シャントレギュレータのアノード端子はグランド側に接続されており、
前記第１の抵抗は、一端を前記電源入力部と接続され、他端を前記トランジスタのゲート電極及び、前記シャントレギュレータのカソード端子と接続されており、
前記可変抵抗が、一端を前記モニタ用受光素子及び前記シャントレギュレータのリファレンス端子と接続され、他端を接地されてなることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項３に記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、さらに、
前記電源入力部から入力される投光素子を駆動する電力がパルス状であり、
前記投光量制御手段がさらに、
前記第１の抵抗の他端と前記シャントレギュレータのカソード端子との間に、前記第１の抵抗から前記シャントレギュレータに向かって通電するよう接続される第１のダイオードを備えることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項４に記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、
前記投光量制御手段がさらに、
前記トランジスタのエミッタ端子と前記投光素子との間に接続される第２の抵抗と、
を備えることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項５に記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、
前記投光量制御手段がさらに、
前記第１のダイオードと前記シャントレギュレータのカソード端子との間に接続された第３の抵抗と、
前記シャントレギュレータのカソード端子とグランドとの間に接続された第４の抵抗と、
を備えることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項３から６のいずれかに記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、さらに、
前記投光素子の連続点灯を検出して投光素子の直流点灯を阻止するためのＤＣ点灯検出回路を備えることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項７に記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、
前記ＤＣ点灯検出回路が、
前記電源入力部と前記第１の抵抗との間に接続された第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサと前記第１の抵抗との接点と、グランドとの間に、アノード端子をグランド側として接続された第２のダイオードと、
で構成されてなることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。
請求項１から８のいずれかに記載の光電スイッチ用投光ヘッドであって、さらに、
前記モニタ信号生成部のモニタ信号を、前記調整回路の基準電圧に合致させるためのモニタ信号増幅回路を備えることを特徴とする光電スイッチ用投光ヘッド。