CN104048598A - 使用了反射型光电传感器的位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置检测装置，其具备：反射体(5)，具有沿着移动体的移动方向交替地排列的反射部(Sa)与非反射部(Sb)，并安装在移动体上；反射型光电传感器(1)，并置有发光元件(3)和利用多个受光部接收由反射体(5)反射的光的受光元件(4)；运算单元(8)，使用受光部的输出信号计算出表示移动体的位置的值。受光元件(4)至少包含输出相位互不相同的信号的第一和第二受光部(4a、4b)，第二受光部(4b)被分割设置为第一和第二受光区域(4b1、4b2)，该第一和第二受光区域分别位于第一受光部(4a)的与发光元件(3)相反一侧和第一受光部(4a)的与发光元件(3)相近一侧，运算单元使用根据第一和第二受光区域(4b1、4b2)的输出信号计算出的一个信号和第一受光部的输出信号，计算出表示移动体的位置的值。

Description

使用了反射型光电传感器的位置检测装置

技术领域

本发明涉及一种使用了反射型光电传感器的位置检测装置，特别是涉及一种用于进行摄影机等装置内的移动体的位置或移动量的检测的装置。

背景技术

以往，在例如数码相机、便携式摄像机、监视摄像机等中，使用各种致动器驱动透镜，为了进行该可动透镜等的位置传感，而使用位置检测装置。

例如，作为焦点透镜的位置以及移动量的检测装置，存在如步进电机方式那样使用脉冲发生器的类型，或者在压电马达方式中使用光传感器或者磁传感器以模拟方式检测变化量的类型，作为前者的例子可举出日本特开平04-9712号公报等，作为后者的例子可举出日本特开平05-45179号公报、日本特开2002-357762号公报、日本特开2006-173306号、日本特开2009-38321号公报等。

上述步进电机方式是根据产生的脉冲数的计数，每次旋转固有的旋转角度的方式，即使对需要长距离位置检测的应用，也一般采用这种步进电机方式。但是，由于为电机不连续旋转的结构，因此，在旋转时产生的声音大，这是拍摄运动图像时的声音噪声的产生源。此外，还存在响应慢的问题。

因此，在数码相机等中，逐渐由使用步进电机方式，进入到使用适于避免在拍摄运动图像时产生的声音噪声、自动聚焦的高速化，或者应用的小型化的压电马达方式。

在图4A～4B中，示出了能够在利用压电马达方式进行的位置检测中使用的使用了反射型光电传感器的位置检测装置。如图4A所示，反射型光电传感器1在用遮挡壁2隔开的一侧的凹部中配置发光元件3，在另一侧的凹部中配置受光元件4。此外，如图4B所示，在光电传感器1的发光／受光面SL侧上，以与该发光／受光面SL平行并且在发光元件3与受光元件4排列的方向移动的方式配置反射板5。当设为这种结构时，从发光元件3发射的光在反射板5反射，向受光元件4入射，根据其受光量检测反射板5(安装该反射板的移动体)的位置或移动距离。

作为使用这样的反射型光电传感器来提高位置检测、移动量检测的性能的例子，有日本特开2006-173306号公报的技术，此外作为提高输出信号的直线性的例子，有日本特开2009-38321号公报中所示的例子。

然而，在高倍率或者高端机型的数码相机、单镜头反光照相机、便携式摄像机以及监视摄像机等中，在需要变焦功能以及长距离检测的相机模型的透镜位置检测中，有时需要以5μm以下的分辨率进行10mm以上的长距离检测，在使用现有的反射型光电传感器的位置传感中难以检测。

另一方面，在实现避免在拍摄运动图像时产生声音噪声、自动聚焦的高速化或者应用的小型化的压电马达方式的位置检测中使用磁传感器，作为该磁传感器的例子，有在日本特开2006-292396号公报中所示的例子。该日本特开2006-292396号公报的磁传感器设有将S极与N极交替地排列而得的磁产生构件(磁铁)与2个磁场检测元件(MR元件或者霍尔元件)，放大该磁场检测元件的输出，进行运算处理，由此，进行位置检测。

然而，在使用上述磁传感器的情况下，存在以下问题。

1)系统本身大型化。

2)由于使用排列了多个S极、N极而得的磁场产生构件，因此系统成本变高。

3)由于是磁场检测，因此，难以改善信号的直线性。

4)在装载有磁传感器等的装置内使用其他的磁那样的情况下，受到磁雾等的影响，有误操作的可能性。

5)由于2个磁场检测元件的输出低，因此，需要使用运算放大器进行放大，用于构成系统的部件成本变高。

6)在磁场产生构件的S极、N极的磁化中容易产生误差，难以恒定地保持磁场强度，此外由于氧化而使性能恶化。

为了消除这样的问题，本申请的申请人提出了一种使用了反射型光电传感器的位置检测装置(日本特开2013-36972号公报)。在图5中示出了本申请的申请人提出的使用了反射型光电传感器的位置检测装置。反射型光电传感器1为如下结构，在由外周壁与遮光壁2划分出的一侧的凹部6a配置发光元件(LED)3，在另一侧的凹部6b配置受光元件(光电晶体管)4。在该反射型光电传感器1的发光／受光面侧，以与该发光／受光面平行并且在与发光元件3和受光元件4的排列方向(图的上下方向)大致垂直的方向(箭头方向)移动的方式配置反射板5。该反射板5以与透镜等移动体一体地移动的方式被安装。在反射板5中交替地(呈纵条纹状地)形成、配置有极细条状的反射部sa与非反射部sb。

如图5所示，在反射型光电传感器1的受光元件4中形成有将受光区域在移动体的移动方向上分割为各自不同的区域而得的3个受光部4a、4b、4c。调整反射型光电传感器1、受光元件4以及反射板5的大小、配置等以得到来自此3个受光部的3个输出信号(分别设为A、B、C)，例如，得到相对于基准信号(输出A)相位前进90度的信号(输出B)，并得到进一步相位前进90度的信号(输出C)。

该受光部的输出分别输入缓冲放大器7a、7b、7c，进而，这些输出被输入进行根据相位相差180度的输出A以及输出C求出输出信号的中点电位的运算、以及用于得到具有直线性的值的线性值运算的运算电路(MPU)8。在运算电路8中，根据具有180度相位差的输出A与输出C计算中点电位D＝(A＋C)／2，根据具有90度相位差的输出A与输出B进行(A-B)／(A＋B)[＝b]与(A＋B)／(A-B)[＝a]的运算。

根据该线性值运算，如图6所示，通过计算中点电位D，由于输出A、B的中点电位始终被设定为0V，因此，运算结果为高线性、重复的三角波。另外，在图6中将输出A以及输出B各自的值换算为-1～1的范围来示出输出A以及输出B。此外，运算结果表示使用该换算值进行运算而得的值，在图6中的三角波的右下降部分是使用上述运算式(A＋B)／(A-B)[＝a]运算而得的，右上升部分是使用上述运算式(A-B)／(A＋B)[＝b]运算而得的结果。

此外作为其它的线性值运算的例，也能够通过计算arctan(A／B)来求出信号的相位角θ，检测移动距离。在图7中，示出了如下结构，通过移动合计由反射部sa与非反射部sb构成的反射板5的反射部Sa的宽度与非反射部Sb的宽度而得的距离来得到反射型光电传感器的输出信号的1个周期的量，这样，通过求出arctan(A／B)，能够检测移动体的移动距离。

然而，在本申请申请人提出的使用了反射型光电传感器的位置检测装置中，为了得到相位差90度的信号以进行arctan(A／B)的运算，如图8所示，需要配置为从发光元件3侧观察会产生受光元件4a与4b重叠的部分、受光元件4b与受光元件4c重叠的部分。在图9中示出了在该重叠的部分中在图8上的上下方向切断而得的剖面。在存在重叠部分的情况下，如图9所示，从发光元件3发射的光在反射板反射后到达受光部4a或者4c的光的行进距离(实线箭头)，与从发光元件3发射的光在反射板反射后到达受光部4b的光的行进距离(虚线箭头)并不相同。其结果是，如图10所示，存在每个受光部输出电压各有偏差的问题。在图8所示的受光元件的配置中，在发光元件3侧配置受光元件4b的情况也是相同的。

当使用这样的输出电压存在偏差的信号进行arctan运算时，会导致图7B所示的三角波间距不相同，无法正确进行移动体的位置检测的问题。

此外，如图10所示，表示受光元件输出的峰值的检测位置不同，特性曲线的曲率大不相同。其结果是，在实际的应用中，有时会产生如下那样的问题。

在相机透镜模块等的应用中，反射板5或反射型光电传感器1固定在致动器壳体的可动部或固定部。对于该固定理想的是，反射板5与反射型光电传感器1正对，其表面为平行。但是，存在壳体的加工精度或可动部的安装精度、反射板的安装精度、反射型光电传感器的安装精度差，或者在应用上反射板5相对于反射型光电传感器1被有倾斜地安装的情况。

例如，图11表示反射板5相对于反射型光电传感器1被倾斜地安装的结构。当这样具有倾斜地安装的反射板5移动时，存在从发光元件3发射的光在反射板5反射，到入射至受光元件4a和4c与入射至受光元件4b的光的移动距离之差进一步变大，位置检测精度降低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决这种问题，即使是必须使受光元件重叠配置的结构的位置检测装置，也能够正确地进行移动体的位置检测的使用了反射型光电传感器的位置检测装置。

为了实现上述目的，本发明的第一方式的使用了反射型光电传感器的位置检测装置，该位置检测装置检测移动体的位置，其特征在于，具有：反射体，其具有沿着上述移动体的移动方向交替地排列的反射部与非反射部，并安装在上述移动体上；反射型光电传感器，其与该反射体相向设置，发光元件以及受光元件并列设置在与上述移动方向正交的方向上，该受光元件利用多个受光部接收由该发光元件发射并在该反射体反射的光；以及运算单元，其使用上述受光部的输出信号，计算出表示上述移动体的位置的值，其中，上述受光元件至少包含第一以及第二受光部，该第一以及第二受光部设置在上述移动体的移动方向上的不同位置，通过接收来自上述反射体的光，从而输出相位互不相同的信号，上述第二受光部被分割设置为第一受光区域和第二受光区域，该第一受光区域和第二受光区域分别位于上述第一受光部的与上述发光元件相反一侧以及上述第一受光部的与上述发光元件相近一侧，上述运算单元根据上述第一以及第二受光区域的输出信号计算出一个信号，使用该计算结果和上述第一受光部的输出信号，计算出表示上述移动体的位置的值。

在本发明的第一方式中，本发明的第二方式的使用了反射型光电传感器的位置检测装置，其特征在于，其构成为：上述运算单元设上述第一受光部的输出信号的大小为A，并且设根据上述第一以及第二受光区域的输出信号计算出的一个信号的大小为B，进行θ＝arctan（A／B）的运算，上述位置检测装置通过该相位角θ检测上述移动体的位置。

在本发明的第一或者第二方式中，本发明的第三方式的使用了反射型光电传感器的位置检测装置，其特征在于，上述运算单元根据从上述多个受光部输出的相位不同的输出信号的电压，计算出该输出信号的中点电位，以该中点电位为基准，进行上述输出信号的运算。

根据本发明的位置检测装置，只要在移动体中具备仅交替地形成了反射部与非反射部的反射板，就能够检测10mm以上的长距离的移动。此外由于不需要像以往那样的磁产生构件，因此，具有还不会受到磁雾等的影响的优点。并且，只要变换受光部的配置，就能够进行比本申请的申请人之前提出的位置检测装置精度更高的长距离位置检测。

此外根据本发明的位置检测装置，具有如下优点：即使在没有平行地安装反射板与反射型光电传感器的情况下也可以进行高精度的长距离位置检测，能够扩大可适用的应用。

附图说明

图1是表示本发明的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的结构的图。

图2是说明本发明的反射型光电传感器中使用的受光元件的输出特性的图。

图3是说明本发明的反射型光电传感器中使用的受光元件的受光部的其它配置例的图。

图4A以及图4B是说明以往的位置检测装置的结构的图。

图5是现有的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的说明图。

图6是重合显示现有的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的仿真数据与线性值运算输出的说明图。

图7是重合显示现有的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的相位角运算的仿真数据与线性值运算输出的说明图。

图8是说明本申请的申请人之前提出的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的图。

图9是说明图8所示的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的剖面的图。

图10是说明图9所示的位置检测装置的受光元件的输出特性的图。

图11是说明使用了反射板被倾斜安装的反射型光电传感器的位置检测装置的图。

附图标记说明

1：反射型光电传感器；2：遮光壁；3：发光元件；4：受光元件；5：反射板；6a、6b：凹部；7：缓冲放大器；8：运算电路。

具体实施方式

本发明所涉及的使用了反射型光电传感器的位置检测装置的结构为：从发光元件6向将反射部与非反射部排列于移动体的移动方向而得的反射板发射的光，在反射板的反射部反射，入射至多个受光元件的每一个，通过用运算电路8进行规定的计算，从而能够计算出移动体的移动距离。以下对实施例进行详细说明。

实施例1

图1表示本发明的第一实施例的使用了反射型光电传感器的位置检测装置。如图所示，反射型光电传感器1在由外圆周壁与遮光壁2划分出的凹部6a配置发光元件(LED)3，在另一凹部6b配置受光元件(光电晶体管)4。在该反射型光电传感器1的发光／受光面侧，以与该发光／受光面平行并且在与发光元件3和受光元件4的排列方向(图的纵向)大致垂直的方向(箭头方向)移动的方式配置反射板5。该反射板5的结构为：以与透镜等移动体一体地移动的方式进行安装，通过检测反射板5的移动量，来检测移动体的移动量。

在反射板5交替(纵条纹状)地形成有极细条状的反射部sa与非反射部sb，在实施例中，将该反射部sa与非反射部sb的宽度设为300μm左右。另外，该非反射部sb也可以以狭缝状的空间构成。该反射板5一般使用半导体光刻技术，通过在透明玻璃上金属蒸镀或者溅射后，除去为非反射部的部分的金属膜，由此，能够容易地高精度地形成该反射板5。此外，在用树脂替代透明玻璃作为基材的情况下，也可以将表面部分地设为粗糙面来作为非反射部。

并且，在本发明中，在如下方面具有特征：受光元件4包含设置在移动体的移动方向上不同位置的多个受光部，进而，一部分受光部被分割设置为如下两个受光区域，即，配置在其他受光部的发光元件3一侧的受光区域、以及配置在其他受光部的发光元件3的相反一侧的受光区域，该一部分受光部的受光区域分别以与其他受光部在移动体的移动方向上部分重叠的方式配置。

即，在受光部4a的发光元件3一侧设置第二受光区域4b2，在受光部4a的发光元件3相反一侧设置第一受光区域4b1，第一以及第二受光区域4b1、4b2分别以与受光部4a的一部分重叠的方式设置。通过这样构成，第一以及第二受光区域4b1、4b2能够配置在也与受光部4c重叠的位置。

通过调整受光部4a、4c、以及第一和第二受光区域4b1、4b2的大小、配置、反射板5的反射部sa、非反射部sb的宽度，从而从光电传感器1输出的3个信号被设计为例如相对于基准信号(0度：输出A)前进90度(输出B)相位角与前进180度(输出C)相位角的关系。本发明由于将受光部配置在重叠的位置，因此，能够容易地形成直线性优良的90度相位差的信号。

在图2示出这样配置的受光部的相对输出。将来自第一受光区域4b1的输出与来自第二受光区域4b2的输出两者合计作为“4b1＋4b2”示出。如图2所示，从各输出部得到的相对输出几乎相同，当与图10所示的现有例比较时，可知其效果较大。

这样，对于相对输出大致相同的输出信号，来自受光部4a的输出被输出至缓冲放大器7a，来自第一以及第二受光区域4b1、4b2的输出被输出至缓冲放大器7b，来自受光部4c的输出被输出至缓冲放大器7c，由运算电路8进行移动量的运算。

另外，通过调整受光部4a、4c、以及第一和第二受光区域4b1、4b2的大小、配置、反射板5的反射部sa、非反射部sb的宽度，从而从光电传感器1输出的3个信号被设计为例如相对于基准信号(0度：输出A)相位角前进90度(输出B)与相位角前进180度(输出C)的关系。本发明由于也可以将受光部配置在重叠的位置，因此，能够容易形成直线性优秀的90度相位差的信号。

具体地说，例如在由0.3mm的反射部sa与0.3mm的非反射部sb构成的反射板5的0.6mm的移动中，预先调整受光部的重叠尺寸或间隔以得到反射型光电传感器1的1周期的输出信号波形。对于信号的相位角θ通过将受光部4a的输出的大小设为A，将合计第一以及第二受光区域4b1、4b2的输出而得的值设为B，利用运算电路8运算θ＝arctan(A／B)，由此，能够得到图7B所示的计算结果，进行位置检测。

在本发明中如图2所示，由于从各受光部输出的相对输出大致一致，因此，能够输出间距一致的三角波，进行正确的位置检测。

另外，本发明的位置检测装置当然也可以利用运算电路8进行图6所示的运算。具体地说，通过利用运算电路8，将受光部4a的输出的大小设为A，将合计第一以及第二受光区域4b1、4b2的输出而得的值设为B，进行(A―B)／(A＋B)以及(A＋B)／(A-B)的运算，由此，能够伴随反射板5的移动得到重复直线的上升线与直线的下降线的三角波的输出。此外，基于来自受光部4a的输出与来自受光部4c的输出，根据D＝(A＋C)／2计算出中间电位D，通过始终将输出A、B的中间电位设定为0V，由此，能够得到如图6所示的高线性、重复的三角波。

在这种情况下也由于从各受光部输出的相对输出大致一致，因此，能够输出间距一致的三角波，进行正确的位置检测。

此外，本发明的受光部的配置并不限定于图1所示配置，也可以为例如如图3所示那样的钥匙形状的交错的构造。

以上，对反射型光电传感器1与反射板5平行地正对的情况进行了说明，但是，本发明在相对于反射型光电传感器1斜向倾斜配置反射板5的情况下，由于将设置在从发光元件3起的距离互不相同的位置的受光部发出的输出作为一个输出信号进行运算处理，因此，也能够进行正确的位置检测。

Claims (3)

1.一种使用了反射型光电传感器的位置检测装置，该位置检测装置检测移动体的位置，其具有：

反射体，其具有沿着上述移动体的移动方向交替地排列的反射部与非反射部，并安装在上述移动体上；

反射型光电传感器，其与该反射体相向设置，发光元件以及受光元件并列设置在与上述移动方向正交的方向上，该受光元件利用多个受光部接收由该发光元件发射并在该反射体反射的光；以及

运算单元，其使用上述受光部的输出信号，计算出表示上述移动体的位置的值，

上述受光元件至少包含第一以及第二受光部，该第一以及第二受光部设置在上述移动体的移动方向上的不同位置，通过接收来自上述反射体的光，从而输出相位互不相同的信号，

上述第二受光部被分割设置为第一受光区域和第二受光区域，该第一受光区域和第二受光区域分别位于上述第一受光部的与上述发光元件相反一侧以及上述第一受光部的与上述发光元件相近一侧，

上述运算单元根据上述第一以及第二受光区域的输出信号计算出一个信号，使用该计算结果和上述第一受光部的输出信号，计算出表示上述移动体的位置的值。

2.根据权利要求1所述的使用了反射型光电传感器的位置检测装置，其构成为：

上述运算单元设上述第一受光部的输出信号的大小为A，并且设根据上述第一以及第二受光区域的输出信号计算出的一个信号的大小为B，进行θ＝arctan（A／B）的运算，

上述位置检测装置通过该相位角θ检测上述移动体的位置。

3.根据权利要求1或者2所述的使用了反射型光电传感器的位置检测装置，其中，

上述运算单元根据从上述多个受光部输出的相位不同的输出信号的电压，计算出该输出信号的中点电位，以该中点电位为基准，进行上述输出信号的运算。