JP2004029025A - 輝度に依存しない光学位置センサ - Google Patents
輝度に依存しない光学位置センサ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】光源の輝度に依存しない光学位置センサを提供する。
【解決手段】光学位置センサ１００は、第１の光検出器１０１と、第２の光検出器１０２と、エンコード手段１０３と、光比較ユニット１０６とを有する。エンコード手段１０３は第１及び第２の光検出器１０１、１０２に入射する光の経路に干渉して、第１の光検出器１０１によって受信される光が増加したときに、第２の光検出器１０２によって受信される光が、対応して相補的に減少する。光比較器ユニット１０６は、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２から第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５をそれぞれ受信し、第１及び第２の光電流の関数に比例する唯一の出力信号１０７を発生する。
【選択図】 図１
【解決手段】光学位置センサ１００は、第１の光検出器１０１と、第２の光検出器１０２と、エンコード手段１０３と、光比較ユニット１０６とを有する。エンコード手段１０３は第１及び第２の光検出器１０１、１０２に入射する光の経路に干渉して、第１の光検出器１０１によって受信される光が増加したときに、第２の光検出器１０２によって受信される光が、対応して相補的に減少する。光比較器ユニット１０６は、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２から第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５をそれぞれ受信し、第１及び第２の光電流の関数に比例する唯一の出力信号１０７を発生する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの輝度に依存しない光学位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学位置センサは、一般にジョイスティック用途に見出され、その際、光検出器の配置への光の経路を妨害するために、通常ディスクの形のエンコード手段が利用される。ディスクは、ジョイスティックの軸に取付けられ、かつディスクは、光源又は光放出器から光検出器への光経路に干渉するように配置されている。それ故にジョイスティックの動きは、ディスクの位置を動かし、かつしたがって光検出器に入射する光の量に影響を及ぼす。光検出器は、受信された光の量に比例する光電流を発生し、この光電流は、ジョイスティックの位置にも比例している。したがってジョイスティックの位置を判定することができる。
【０００３】
米国特許第５，６２１，２０７号は、方向制御パッド又はジョイスティックのような操作素子を利用して、利用者からの入力を感知するための電気光学素子を開示している。２つの光放出器及び１つの光検出器は、光放出器から光検出器への光の経路が操作素子からのフランジ又は縁によって妨害されるように配置されている。操作素子の動き、かつしたがってフランジ又は縁による光路の妨害は、変化する。光検出器によって受信される光の量に基づいて、操作素子の動きの方向と大きさを検出することができる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５，６２１，２０７号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述の米国特許に記載された光放出器又はフォトエミッタからの光の強さは、一定でないことがあり、かつ装置の老化又はプロセスの変化のような要因のために減少することがある。光放出器の強さにおけるこのような減少は、光検出器によって受信される光のよりわずかな量を生じ、かつわずかな光電流が発生される。これらの状況において発生されるわずかな光電流は、ディスクによる動きの結果と誤認されることがあり、したがってその結果、操作素子又はジョイスティックの位置の誤った解釈が生じる。
【０００６】
それ故に、光源の輝度に依存しない光学位置センサが望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光学位置センサ装置が提供される。この光学位置センサ装置は、第１の光検出器、及び第２の光検出器、エンコード手段、及び光比較ユニットを有し、前記エンコード手段が前記第１及び第２の光検出器に入射する光の経路に干渉するように構成され、前記第１の光検出器によって受信される前記光が前記エンコード手段の動きによって増加したときに、前記第２の光検出器によって受信される前記光が、対応して相補的に減少するようになっており、前記光比較器ユニットが、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器からそれぞれ第１の光電流及び第２の光電流を受信し、前記第１及び第２の光電流の関数に比例する唯一の出力信号を発生する。
【０００８】
本発明による光学位置センサは、エンコード手段の位置に依存するが、センサの光検出器に入射する光の輝度に依存しない唯一の出力信号をセンサが発生することができるという利点を有する。
【０００９】
光は、光源、例えば光放出器によって光検出器上に放出される。エンコード手段が、光検出器に入射する光の経路に干渉するために利用され、かつ干渉の量に依存して、光源から受信される光の量に比例する光電流が、それぞれの光検出器によって発生される。本発明によれば、光電流は、光検出器によって受信される光の量に比例する光電圧又はその他のあらゆる信号であってもよい。
【００１０】
次に、２つの入力光電流は、光比較器において比較され、この光比較器は、望ましくは米国特許第４，２５９，５７０号に開示された方法にしたがって実現されており、ここにおいて２つの入力光電流の関数に比例する独自の出力信号が発生される。出力信号が正の方向に増加したとき、このことは、所定の方向における装置の変位に相当し、この装置は、その変位を検出しようとする光学センサに接続されている。その逆に出力信号が正の方向に減少したとき、又は負の方向に増加したとき、このことは、所定の方向に対して反対の方向における装置の変位に相当する。
【００１１】
光検出器に入射する光の強さが減少したとき、両方の光検出器によって受信される光の量は、同じ量だけ減少し、それにより相応してわずかな光電流を発生する。しかしながら第１及び第２の光電流の関数は、第１及び第２の光電流が同じ量だけ変化したとき、関数の出力値が変化しないように定義されている。それ故に光比較器によって発生される出力信号は、第１及び第２の光検出器によって発生される光電流の関数に比例するので、出力信号も、光源からの光の強さによって影響を受けない。このようにして、光源の輝度に無関係な光学位置センサが達成される。
【００１２】
本発明の好ましい態様において、光電流の関数は次のようにして与えられており：
【００１３】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２）
【００１４】
その際、
ＩＹ１が前記第１の光電流であり、かつ
ＩＹ２が前記第２の光電流である。
【００１５】
光比較器は、米国特許第４，２５９，５７０号における開示にしたがって実現されている。光比較器によって発生される出力信号は、第１及び第２の光電流の関数に直線的に比例しており、かつしたがって光電流によって表わされる変位情報にも直線的に比例している。このような直線的な関係は、出力信号に基づいて変位を判定するために、安定かつ予測可能な結果を発生するので、おおいに望ましい。
【００１６】
他の態様において、前記第１及び第２の光電流の前記関数が、前記第１及び前記第２の光電流の比であるように選択されており、次のようにして与えられている：
【００１７】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝ＩＹ１／ＩＹ２
【００１８】
光比較器は、割算器として実現されており、かつ出力信号は、第１及び第２の光電流の比に比例している。光検出器に入射する光の強さが減少すると、光電流の比に比例する出力信号は、変化しないままであり、したがって輝度に無関係な解決策も生じる。
【００１９】
本発明の別の態様において、さらに第３の光検出器及び第４の光検出器は、次のように配置されており、前記第３の光検出器によって受信される光が増加するときに、前記第４の光検出器によって受信される前記光が相補的に減少するように、前記エンコード手段が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光に干渉することができる。光検出器は、中心位置の回りに配置されており、前記第１及び第２の光検出器は、第１の軸に沿って配置されており、かつ前記第３及び第４の光検出器は、第２の軸に沿って配置されており、その際、前記第１及び第２の軸が、互いに所定の角度をなしている。
【００２０】
それぞれ前記第３及び第４の光検出器によって発生される第３及び第４の光電流は、別の光比較器において比較され、前記第３及び第４の光電流の関数に比例する別の出力信号を発生し、その際、前記第３及び第４の光電流の前記関数が、次の式によって与えられており、：
【００２１】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２）
【００２２】
その際、
ＩＸ１が前記第３の光電流であり、かつ
ＩＸ２が前記第４の光電流である。
【００２３】
光比較器からの出力信号は、第１の軸に対して平行な装置の変位情報を提供し、かつ別の光比較器からの別の出力信号は、第２の軸に対して平行な装置の変位情報を提供する。したがって装置の２次元変位を感知するための輝度に無関係な光学位置センサが達成される。
【００２４】
本発明のさらに好ましい態様によれば、前記第１の軸及び前記第２の軸は、互いに垂直である。それ故に第１及び第２の光検出器は、第３及び第４の光検出器に対して垂直に配置されている。２次元動きを検出する際に、例えばマウスのトラックボールにおいて、変位は、通常Ｘ−Ｙ平面において表わされ、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに垂直である。同じ垂直な様式に配置すべき光検出器を有することによって、光比較器からの出力信号によって表わされる変位情報を、光学センサが判定すべき装置の実際の変位に関連づける際に含まれる計算は、最小になる。
【００２５】
前記エンコード手段が、光の前記経路に干渉するとき、Ｌ形エンコード素子のＬ形陰影が前記光検出器上に落ちるように、前記エンコード手段はＬ形素子からなる。前記Ｌ形エンコード手段の第１の脚が、前記第１及び第２の光検出器に入射する光の前記経路に干渉することができるように、前記第１及び第２の光検出器が配置されており、かつ前記エンコード手段の前記Ｌ形素子の第２の脚が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光の前記経路に干渉することができるように、前記第３及び第４の光検出器が配置されている。
【００２６】
相応する光検出器配置を有するＬ形素子からなるエンコード手段は、さらに空間的に効率的な構成を作り出し、その際、光学センサは、基板の隅に配置することができ、その他の回路のためにそれ以上の空間を可能にする。この配置のその他の利点は、第１の軸に対して平行な第１及び第２の光検出器を第２の軸に対して平行な第３及び第４の光検出器から分離して配置することができることにある。光検出器対の分離した又は分散化された配置は、第１及び第２の軸の光検出器から変位情報を抽出するより、簡単な方法を可能にする。
【００２７】
本発明の他の態様において、前記第３及び第４の光電流の前記関数は、前記第３及び前記第４の光電流の比であるように選択されており、次のようにして与えられている：
【００２８】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝ＩＸ１／ＩＸ２
【００２９】
別の光比較器は、割算器として実現されており、かつ別の出力信号は、第３及び第４の光電流の比に比例している。
【００３０】
本発明の前記及びその他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連して行なわれる次の説明及び添付特許請求の範囲から明らかであり、図面において同様な部品及び素子は、同様な参照符号によって示されている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
今度は本発明の好ましい態様を、添付の図面を引用して説明する。
【００３２】
図１は、本発明による、輝度に無関係な光学位置センサ１００の配置を示している。
【００３３】
第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２は、基板（図示せず）上に配置されており、かつ光は、光源（図示せず）から光検出器１０１、１０２上に放出される。エンコード手段１０３は、光源から光検出器１０１、１０２への経路内に配置されているので、光の経路に干渉することができ、光の一部が光検出器１０１、１０２に達することを防止する。
【００３４】
第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５は、それぞれ第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２によって発生される。第１及び第２の光電流１０４、１０５は、光比較器１０６内に受信され、ここにおいて第１及び第２の光電流１０４、１０５は比較される。出力信号１０７は、光比較器１０６によって発生され、この出力信号は、第１及び第２の光電流１０４、１０５の関数に比例している。
【００３５】
エンコード手段１０３は、光源から光検出器１０１、１０２への光の一部に干渉し、すなわちこれを妨害するように配置されており、その結果、光検出器１０１、１０２は、一層わずかな量の光を受信する。エンコード手段は、自由に動かすことができ、かつ装置の動きが検出される当該装置に直接又は間接的に接続されている。装置が動くと、エンコード手段１０３を動かし、その結果、光検出器１０１、１０２上に入射する光は、相応した様式で変化する。
【００３６】
エンコード手段１０３が上側方向１０８に動くとき、これは、第１の光検出器１０１に入射する光により多く干渉し、かつ、したがってわずかな量の光が第１の光検出器１０１によって受信される。その逆にエンコード手段１０３は、第２の光検出器１０２に入射する光にわずかな干渉又は妨害を提供するように動いているので、より多くの光が、第２の光検出器１０２によって受信することができる。換言すれば、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２は、相補的な様式で光を受信する。
【００３７】
同様にエンコード手段１０３が下側方向１０９に動くとき、第１の光検出器１０１によって受信される光の量は増加するが、一方第２の光検出器１０２によって受信される光の量は、相補的な様式で相応して減少する。
【００３８】
第１の光検出器１０１によって受信される光の量に比例する第１の光電流１０４が、第１の光検出器１０１によって発生される。第２の光検出器１０２によって受信される光の量に比例する第２の光電流１０５はまた、第２の光検出器１０２によって発生される。
【００３９】
第１及び第２の光電流１０４、１０５の両方は、光比較器１０６によって受信され、ここにおいて光比較器１０６は、２つの光電流１０４、１０５を比較し、かつ光電流１０４、１０５の関数に比例するアナログ出力信号１０７を発生する。本発明の好ましい態様において、光比較器１０６は、米国特許第４，２５９，５７０号における開示内容にしたがって実現されており、かつ第１及び第２の光電流は、次の関数による関係を有し：
【００４０】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２） （１）
【００４１】
その際、
ＩＹ１は第１の光電流であり、かつ
ＩＹ２は第２の光電流である。
【００４２】
光比較器１０６によって発生される出力信号１０７は、出力電流１０７であり、この出力電流は、第１及び第２の光電流１０４、１０５に対して次のような関係を有し：
【００４３】
ＩＹｏｕｔ＝ＣＹ×（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２） （２）
【００４４】
その際、
ＩＹｏｕｔは出力電流１０７であり、かつ
ＣＹは定数である。
【００４５】
（２）によれば、エンコード板が中心又は中立位置にあるとき、第１及び第２の光検出器１０１、１０２両方に入射する光の量は等しく、その結果、発生される第１及び第２の光電流１０４、１０５は等しい。この場合、第１の光比較器１０６によって発生される出力電流１０７はゼロであり、エンコード手段１０３に取付けられた装置の動きが検出されないことを表示している。
【００４６】
エンコード手段１０３が上側方向１０８に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１は減少し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２は増加する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、負の値である。出力電流１０７の大きさは、装置の変位の大きさに関する情報を提供し、かつ出力電流１０７の符号は、装置の変位の方向に関する情報を提供する。
【００４７】
エンコード手段１０３が下側方向１０９に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１が増加し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２が減少する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、今度は正の値であり、今度は装置の動きが反対方向にあることを表わしている。
【００４８】
光の強さが一定である場合、（ＩＹ１＋ＩＹ２）が一定のままであることに注意されたい。
【００４９】
光源からの光の強さが、例えば老化効果のために減少した場合、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２両方が、光の量の相応する減少を受取り、かつしたがって第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５の値は、相応して減少する。光電流１０４、１０５が同じ相応した様式で減少するので、（２）による出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは変化しない。それ故に本発明による光学位置センサは、装置の変位を検出するための光源の輝度又は強さに無関係である。
【００５０】
図２は、光比較器の出力信号と検出すべき装置の変位との間の図式的な関係を示している。
【００５１】
変位は水平軸２０１上に表わされ、かつ光比較器からの出力信号は垂直軸２０２上に表わされている。出力信号と変位との間の関係は、グラフ２００によって表わされている。
【００５２】
図２から明らかなように、出力信号が正の方向に増加すると、変位も正の方向に増加し、正の方向に沿って初期位置からの装置のより大きな動きを表示している。出力信号が負の方向に増加すると、変位はさらに負になり、負の方向に沿った初期位置からの装置の動きを表示している。それ故に初期位置からの装置の正確な位置又は動きが、出力信号の値から判定することができる。
【００５３】
出力信号と光電流とを関連づける正確な式（２）が、光比較器を実現するための回路に使用する装置部品に依存して相違することがあることが指摘される。利用される種々の部品の選択も、図２に示した図式的な関係と相違する変位と出力信号との間の図式的な関係を生じることがある。
【００５４】
他の態様において、第１及び第２の光電流は、次の関数による比において関連づけられる：
【００５５】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝ＩＹ１／ＩＹ２ （３）
【００５６】
光比較器１０６によって発生される出力電流１０７は、次のようにして第１及び第２の光電流１０４、１０５に関連づけられ：
【００５７】
ＩＹｏｕｔ＝Ｃ１×（ＩＹ１／ＩＹ２） （４）
【００５８】
その際、
Ｃ１は定数である。
【００５９】
（４）によれば、エンコード板が中心又は中立位置にあるとき、第１及び第２の光検出器１０１、１０２両方に入射する光の量は等しく、その結果、発生される第１及び第２の光電流１０４、１０５は等しい。この場合、第１の光比較器１０６によって発生される出力電流１０７は、定数Ｃ１に等しく、エンコード手段１０３に取付けられた装置の動きが検出されないことを表示している。
【００６０】
エンコード手段１０３が上側方向１０８に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１は減少し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２は増加する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、Ｃ１より小さな値に減少する。値Ｃ１に対する出力電流１０７の大きさは、装置の変位の大きさに関する情報を提供し、かつ装置の変位の方向に関する情報は、出力電流１０７ ＩＹｏｕｔがＣ１より大きいか又は小さいかによって判定される。
【００６１】
エンコード手段１０３が下側方向１０９に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１が増加し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２が減少する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、Ｃ１より大きな値に増加し、今度は装置の動きが反対方向にあることを表わしている。
【００６２】
光源からの光の強さが減少した場合、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２両方が、光の量の相応する減少を受取り、かつしたがって第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５の値は、相応して減少する。光電流１０４、１０５が減少すると、（４）による出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは変化しない。それ故に装置の出力電流１０７及びしたがって変位情報は、輝度に無関係である。
【００６３】
本発明の他の態様において、２次元動きを検出する２次元の輝度に無関係な光学位置センサを実現するために、光学位置センサに、さらに第３及び第４の光検出器を配置することができる。この装置において、光検出器は、中心位置の回りに配置されており、第１及び第２の光検出器は、第１の軸に対して平行に配置され、かつ第３及び第４の光検出器は、第２の軸に対して平行に配置されており、その際、第１の軸及び第２の軸は、互いに所定の角度をなしている。
【００６４】
第３及び第４の光検出器は、エンコード手段が光源から光検出器への光の経路に干渉することができるように配置されており、かつ第３の光検出器によって受信される光が増加するとき、第４の光検出器によって受信される光が、相応して相補的に減少するようになっている。
【００６５】
第３及び第４の光電流は、それぞれ第３及び第４の光検出器によって発生され、これらの光電流は、別の光比較器によって、又は第２の光比較器として周知のものによって受信される。第２の光比較器は、第３及び第４の光電流を比較し、かつ別の出力信号を、又は第２の出力信号として周知のものを出力し、この出力信号は、第３及び第４の光電流の関数に比例している。第２の出力信号は、第２の軸に対して平行な装置の変位情報を提供する。同様に第１及び第２の光検出器によって発生される第１及び第２の光電流は、光比較器において、又は第１の光比較器として周知のものにおいて比較され、出力信号を、又は第１の出力信号として周知のものを出力し、この第１の出力信号は、第１の軸に対して平行な装置の変位情報を提供する。
【００６６】
それ故にそれぞれ第１及び第２の出力信号から第１及び第２の軸に対して平行な装置の変位情報を取得することによって、装置の２次元変位情報を判定することができる。
【００６７】
図３は、本発明のさらに好ましい態様による２次元光学位置センサの配置を示している。
【００６８】
本発明のさらに好ましい態様において、第１の軸及び第２の軸は互いに垂直である。エンコード手段は、Ｌ形の素子１２０を含み、エンコード手段が光経路に干渉したときに、Ｌ形素子１２０のＬ形の陰影が、光検出器上に落ちるようになっている。Ｌ形素子１２０は、さらに第１の脚１０３及び第２の脚１１３を含む。第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２は、互いに所定の距離のところにあり、かつＬ形素子１２０の第１の脚１０３に対して垂直な方向に第１の軸に対して平行に配置されており、Ｌ形素子１２０の第１の脚１０３が第１及び第２の光検出器１０１、１０２に入射する光に相補的に干渉することができるようになっている。第３の光検出器１１１及び第４の光検出器１１２は、互いの所定の距離のところにあり、かつＬ形素子１２０の第２の脚１１３に対して垂直な方向に第２の軸に対して平行に配置されており、Ｌ形素子１２０の第２の脚１１３が第３及び第４の光検出器１１１、１１２に入射する光に相補的に干渉することができるようになっている。
【００６９】
第１及び第２の光検出器１０１、１０２によって発生される第１及び第２の光電流１０４、１０５は、第１の光比較器１０６によって受信される。第１の光比較器１０６は、第１及び第２の光電流１０４、１０５を比較し、かつ式（２）にしたがって、第１及び第２の光電流１０４、１０５の関数に比例する第１の出力信号１０７を出力する。同様に第３及び第４の光検出器１１１、１１２によって発生される第３及び第４の光電流１１４、１１５は、第２の光比較器１１６によって受信される。第２の光比較器１１６は、第３及び第４の光電流１１４、１１５を比較し、かつ次のようにして与えられる第３及び第４の光電流１１４、１１５の関数に比例する第２の出力信号１１７を出力する：
【００７０】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２） （５）
【００７１】
その際、
ＩＸ１は第３の光電流であり、かつ
ＩＸ２は第４の光電流である。
【００７２】
かつそれ故に出力信号１１７は、次のように関数（５）に関連づけられ：
【００７３】
ＩＸｏｕｔ＝ＣＸ×（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２） （６）
【００７４】
その際、
ＩＸｏｕｔは第２の出力電流１１７であり、かつ
ＣＸは定数である。
【００７５】
エンコード手段のＬ形素子１２０が、第１の軸に対して平行に上側方向１２１に動くと、第１の光検出器１０１によって受信される光の量は減少し、かつ第２の光検出器１０２によって受信される光の量は相応して増加する。したがって第１の光比較器１０６によって発生される第１の出力信号１０７は、式（２）にしたがって、第１及び第２の光電流１０４、１０５の関数にしたがって変化する。第３及び第４の光検出器１１１、１１２の両方によって受信される光の量に変化はなく、かつしたがって光電流は不変のままである。それ故に第３及び第４の光電流の関数は一定なので、第２の出力信号も不変のままである。
【００７６】
エンコード手段のＬ形素子１２０が、第２の軸に対して平行に右側方向１２２に動くと、第３の光検出器１１１によって受信される光の量は増加し、かつ第４の光検出器１１２によって受信される光の量は相応して減少する。したがって第２の光比較器１１６によって発生される第２の出力信号１１７は、式（６）にしたがって、第３及び第４の光電流１１４、１１５の関数にしたがって変化する。第１及び第２の光検出器１０１、１０２よって受信される光の量に変化はないので、第１の出力信号１０７は不変のままである。
【００７７】
エンコード手段１０３が、上右側の方向１２３に動くと、第２及び第３の光検出器１０２、１１１によって受信される光の量は増加し、かつ第１及び第４の光検出器１０１、１１２によって受信される光の量は、相応して減少する。それ故に第１及び第２の出力信号１０７、１１７の値は、式（２）及び（６）にしたがって、光電流１０４、１０５、１１４、１１５の関数における相応する変化を反映するように変化する。
【００７８】
第１及び第２の出力信号１０７、１１７の値を検出することによって、エンコード手段の２次元の動き、かつしたがってエンコード手段に直接又は間接的に接続された装置の２次元の動きは、計算することができる。
【００７９】
本発明のさらに好ましい態様による装置は、光源により光検出器上に放出された光の輝度又は強さに関係なく、２次元の動きを検出するための面積の効率的な光学位置センサである。
【００８０】
他の態様において、第１及び第２の光電流１０４、１０５は式（３）による関数によって関連づけることができ、かつ第１の光比較器１０６からの第１の出力信号１０７は、式（４）によって与えられることに注意する。同様に第３及び第４の光電流１１４、１１５は、次の関数によって関連づけることができ：
【００８１】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝ＩＸ１／ＩＸ２ （７）
【００８２】
かつ第２の光比較器１１６によって発生される第２の出力信号１１７は、次の式によって定義され：
【００８３】
ＩＸｏｕｔ＝Ｃ２×（ＩＸ１／ＩＸ２） （８）
【００８４】
その際、
Ｃ２は定数である。
【００８５】
本発明の種々の態様を説明したが、一方これらは、本発明の基本方式の例示にすぎない。本発明の精神及び添付の特許請求の範囲の権利範囲から外れることなく、その他の態様及び構成を考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学位置センサの配置を示す図である。
【図２】光比較器の出力信号と検出すべき装置の変位との間の関係を示す図である。
【図３】本発明の好ましい態様による光学位置センサの配置を示す図である。
【符号の説明】
１００：光学位置センサ
１０１：第１の光検出器
１０２：第２の光検出器
１０３：エンコード手段
１０４：第１の光電流
１０５：第２の光電流
１０６：光比較器
１０７：出力信号
１１１：第３の光検出器
１１２：第４の光検出器
１１３：第２の脚
１１４：第３の光電流
１１５：第４の光電流
１１６：第２の光比較器
１１７：第２の出力信号
１２０：Ｌ形素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの輝度に依存しない光学位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学位置センサは、一般にジョイスティック用途に見出され、その際、光検出器の配置への光の経路を妨害するために、通常ディスクの形のエンコード手段が利用される。ディスクは、ジョイスティックの軸に取付けられ、かつディスクは、光源又は光放出器から光検出器への光経路に干渉するように配置されている。それ故にジョイスティックの動きは、ディスクの位置を動かし、かつしたがって光検出器に入射する光の量に影響を及ぼす。光検出器は、受信された光の量に比例する光電流を発生し、この光電流は、ジョイスティックの位置にも比例している。したがってジョイスティックの位置を判定することができる。
【０００３】
米国特許第５，６２１，２０７号は、方向制御パッド又はジョイスティックのような操作素子を利用して、利用者からの入力を感知するための電気光学素子を開示している。２つの光放出器及び１つの光検出器は、光放出器から光検出器への光の経路が操作素子からのフランジ又は縁によって妨害されるように配置されている。操作素子の動き、かつしたがってフランジ又は縁による光路の妨害は、変化する。光検出器によって受信される光の量に基づいて、操作素子の動きの方向と大きさを検出することができる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５，６２１，２０７号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述の米国特許に記載された光放出器又はフォトエミッタからの光の強さは、一定でないことがあり、かつ装置の老化又はプロセスの変化のような要因のために減少することがある。光放出器の強さにおけるこのような減少は、光検出器によって受信される光のよりわずかな量を生じ、かつわずかな光電流が発生される。これらの状況において発生されるわずかな光電流は、ディスクによる動きの結果と誤認されることがあり、したがってその結果、操作素子又はジョイスティックの位置の誤った解釈が生じる。
【０００６】
それ故に、光源の輝度に依存しない光学位置センサが望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光学位置センサ装置が提供される。この光学位置センサ装置は、第１の光検出器、及び第２の光検出器、エンコード手段、及び光比較ユニットを有し、前記エンコード手段が前記第１及び第２の光検出器に入射する光の経路に干渉するように構成され、前記第１の光検出器によって受信される前記光が前記エンコード手段の動きによって増加したときに、前記第２の光検出器によって受信される前記光が、対応して相補的に減少するようになっており、前記光比較器ユニットが、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器からそれぞれ第１の光電流及び第２の光電流を受信し、前記第１及び第２の光電流の関数に比例する唯一の出力信号を発生する。
【０００８】
本発明による光学位置センサは、エンコード手段の位置に依存するが、センサの光検出器に入射する光の輝度に依存しない唯一の出力信号をセンサが発生することができるという利点を有する。
【０００９】
光は、光源、例えば光放出器によって光検出器上に放出される。エンコード手段が、光検出器に入射する光の経路に干渉するために利用され、かつ干渉の量に依存して、光源から受信される光の量に比例する光電流が、それぞれの光検出器によって発生される。本発明によれば、光電流は、光検出器によって受信される光の量に比例する光電圧又はその他のあらゆる信号であってもよい。
【００１０】
次に、２つの入力光電流は、光比較器において比較され、この光比較器は、望ましくは米国特許第４，２５９，５７０号に開示された方法にしたがって実現されており、ここにおいて２つの入力光電流の関数に比例する独自の出力信号が発生される。出力信号が正の方向に増加したとき、このことは、所定の方向における装置の変位に相当し、この装置は、その変位を検出しようとする光学センサに接続されている。その逆に出力信号が正の方向に減少したとき、又は負の方向に増加したとき、このことは、所定の方向に対して反対の方向における装置の変位に相当する。
【００１１】
光検出器に入射する光の強さが減少したとき、両方の光検出器によって受信される光の量は、同じ量だけ減少し、それにより相応してわずかな光電流を発生する。しかしながら第１及び第２の光電流の関数は、第１及び第２の光電流が同じ量だけ変化したとき、関数の出力値が変化しないように定義されている。それ故に光比較器によって発生される出力信号は、第１及び第２の光検出器によって発生される光電流の関数に比例するので、出力信号も、光源からの光の強さによって影響を受けない。このようにして、光源の輝度に無関係な光学位置センサが達成される。
【００１２】
本発明の好ましい態様において、光電流の関数は次のようにして与えられており：
【００１３】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２）
【００１４】
その際、
ＩＹ１が前記第１の光電流であり、かつ
ＩＹ２が前記第２の光電流である。
【００１５】
光比較器は、米国特許第４，２５９，５７０号における開示にしたがって実現されている。光比較器によって発生される出力信号は、第１及び第２の光電流の関数に直線的に比例しており、かつしたがって光電流によって表わされる変位情報にも直線的に比例している。このような直線的な関係は、出力信号に基づいて変位を判定するために、安定かつ予測可能な結果を発生するので、おおいに望ましい。
【００１６】
他の態様において、前記第１及び第２の光電流の前記関数が、前記第１及び前記第２の光電流の比であるように選択されており、次のようにして与えられている：
【００１７】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝ＩＹ１／ＩＹ２
【００１８】
光比較器は、割算器として実現されており、かつ出力信号は、第１及び第２の光電流の比に比例している。光検出器に入射する光の強さが減少すると、光電流の比に比例する出力信号は、変化しないままであり、したがって輝度に無関係な解決策も生じる。
【００１９】
本発明の別の態様において、さらに第３の光検出器及び第４の光検出器は、次のように配置されており、前記第３の光検出器によって受信される光が増加するときに、前記第４の光検出器によって受信される前記光が相補的に減少するように、前記エンコード手段が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光に干渉することができる。光検出器は、中心位置の回りに配置されており、前記第１及び第２の光検出器は、第１の軸に沿って配置されており、かつ前記第３及び第４の光検出器は、第２の軸に沿って配置されており、その際、前記第１及び第２の軸が、互いに所定の角度をなしている。
【００２０】
それぞれ前記第３及び第４の光検出器によって発生される第３及び第４の光電流は、別の光比較器において比較され、前記第３及び第４の光電流の関数に比例する別の出力信号を発生し、その際、前記第３及び第４の光電流の前記関数が、次の式によって与えられており、：
【００２１】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２）
【００２２】
その際、
ＩＸ１が前記第３の光電流であり、かつ
ＩＸ２が前記第４の光電流である。
【００２３】
光比較器からの出力信号は、第１の軸に対して平行な装置の変位情報を提供し、かつ別の光比較器からの別の出力信号は、第２の軸に対して平行な装置の変位情報を提供する。したがって装置の２次元変位を感知するための輝度に無関係な光学位置センサが達成される。
【００２４】
本発明のさらに好ましい態様によれば、前記第１の軸及び前記第２の軸は、互いに垂直である。それ故に第１及び第２の光検出器は、第３及び第４の光検出器に対して垂直に配置されている。２次元動きを検出する際に、例えばマウスのトラックボールにおいて、変位は、通常Ｘ−Ｙ平面において表わされ、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに垂直である。同じ垂直な様式に配置すべき光検出器を有することによって、光比較器からの出力信号によって表わされる変位情報を、光学センサが判定すべき装置の実際の変位に関連づける際に含まれる計算は、最小になる。
【００２５】
前記エンコード手段が、光の前記経路に干渉するとき、Ｌ形エンコード素子のＬ形陰影が前記光検出器上に落ちるように、前記エンコード手段はＬ形素子からなる。前記Ｌ形エンコード手段の第１の脚が、前記第１及び第２の光検出器に入射する光の前記経路に干渉することができるように、前記第１及び第２の光検出器が配置されており、かつ前記エンコード手段の前記Ｌ形素子の第２の脚が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光の前記経路に干渉することができるように、前記第３及び第４の光検出器が配置されている。
【００２６】
相応する光検出器配置を有するＬ形素子からなるエンコード手段は、さらに空間的に効率的な構成を作り出し、その際、光学センサは、基板の隅に配置することができ、その他の回路のためにそれ以上の空間を可能にする。この配置のその他の利点は、第１の軸に対して平行な第１及び第２の光検出器を第２の軸に対して平行な第３及び第４の光検出器から分離して配置することができることにある。光検出器対の分離した又は分散化された配置は、第１及び第２の軸の光検出器から変位情報を抽出するより、簡単な方法を可能にする。
【００２７】
本発明の他の態様において、前記第３及び第４の光電流の前記関数は、前記第３及び前記第４の光電流の比であるように選択されており、次のようにして与えられている：
【００２８】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝ＩＸ１／ＩＸ２
【００２９】
別の光比較器は、割算器として実現されており、かつ別の出力信号は、第３及び第４の光電流の比に比例している。
【００３０】
本発明の前記及びその他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連して行なわれる次の説明及び添付特許請求の範囲から明らかであり、図面において同様な部品及び素子は、同様な参照符号によって示されている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
今度は本発明の好ましい態様を、添付の図面を引用して説明する。
【００３２】
図１は、本発明による、輝度に無関係な光学位置センサ１００の配置を示している。
【００３３】
第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２は、基板（図示せず）上に配置されており、かつ光は、光源（図示せず）から光検出器１０１、１０２上に放出される。エンコード手段１０３は、光源から光検出器１０１、１０２への経路内に配置されているので、光の経路に干渉することができ、光の一部が光検出器１０１、１０２に達することを防止する。
【００３４】
第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５は、それぞれ第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２によって発生される。第１及び第２の光電流１０４、１０５は、光比較器１０６内に受信され、ここにおいて第１及び第２の光電流１０４、１０５は比較される。出力信号１０７は、光比較器１０６によって発生され、この出力信号は、第１及び第２の光電流１０４、１０５の関数に比例している。
【００３５】
エンコード手段１０３は、光源から光検出器１０１、１０２への光の一部に干渉し、すなわちこれを妨害するように配置されており、その結果、光検出器１０１、１０２は、一層わずかな量の光を受信する。エンコード手段は、自由に動かすことができ、かつ装置の動きが検出される当該装置に直接又は間接的に接続されている。装置が動くと、エンコード手段１０３を動かし、その結果、光検出器１０１、１０２上に入射する光は、相応した様式で変化する。
【００３６】
エンコード手段１０３が上側方向１０８に動くとき、これは、第１の光検出器１０１に入射する光により多く干渉し、かつ、したがってわずかな量の光が第１の光検出器１０１によって受信される。その逆にエンコード手段１０３は、第２の光検出器１０２に入射する光にわずかな干渉又は妨害を提供するように動いているので、より多くの光が、第２の光検出器１０２によって受信することができる。換言すれば、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２は、相補的な様式で光を受信する。
【００３７】
同様にエンコード手段１０３が下側方向１０９に動くとき、第１の光検出器１０１によって受信される光の量は増加するが、一方第２の光検出器１０２によって受信される光の量は、相補的な様式で相応して減少する。
【００３８】
第１の光検出器１０１によって受信される光の量に比例する第１の光電流１０４が、第１の光検出器１０１によって発生される。第２の光検出器１０２によって受信される光の量に比例する第２の光電流１０５はまた、第２の光検出器１０２によって発生される。
【００３９】
第１及び第２の光電流１０４、１０５の両方は、光比較器１０６によって受信され、ここにおいて光比較器１０６は、２つの光電流１０４、１０５を比較し、かつ光電流１０４、１０５の関数に比例するアナログ出力信号１０７を発生する。本発明の好ましい態様において、光比較器１０６は、米国特許第４，２５９，５７０号における開示内容にしたがって実現されており、かつ第１及び第２の光電流は、次の関数による関係を有し：
【００４０】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２） （１）
【００４１】
その際、
ＩＹ１は第１の光電流であり、かつ
ＩＹ２は第２の光電流である。
【００４２】
光比較器１０６によって発生される出力信号１０７は、出力電流１０７であり、この出力電流は、第１及び第２の光電流１０４、１０５に対して次のような関係を有し：
【００４３】
ＩＹｏｕｔ＝ＣＹ×（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２） （２）
【００４４】
その際、
ＩＹｏｕｔは出力電流１０７であり、かつ
ＣＹは定数である。
【００４５】
（２）によれば、エンコード板が中心又は中立位置にあるとき、第１及び第２の光検出器１０１、１０２両方に入射する光の量は等しく、その結果、発生される第１及び第２の光電流１０４、１０５は等しい。この場合、第１の光比較器１０６によって発生される出力電流１０７はゼロであり、エンコード手段１０３に取付けられた装置の動きが検出されないことを表示している。
【００４６】
エンコード手段１０３が上側方向１０８に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１は減少し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２は増加する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、負の値である。出力電流１０７の大きさは、装置の変位の大きさに関する情報を提供し、かつ出力電流１０７の符号は、装置の変位の方向に関する情報を提供する。
【００４７】
エンコード手段１０３が下側方向１０９に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１が増加し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２が減少する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、今度は正の値であり、今度は装置の動きが反対方向にあることを表わしている。
【００４８】
光の強さが一定である場合、（ＩＹ１＋ＩＹ２）が一定のままであることに注意されたい。
【００４９】
光源からの光の強さが、例えば老化効果のために減少した場合、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２両方が、光の量の相応する減少を受取り、かつしたがって第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５の値は、相応して減少する。光電流１０４、１０５が同じ相応した様式で減少するので、（２）による出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは変化しない。それ故に本発明による光学位置センサは、装置の変位を検出するための光源の輝度又は強さに無関係である。
【００５０】
図２は、光比較器の出力信号と検出すべき装置の変位との間の図式的な関係を示している。
【００５１】
変位は水平軸２０１上に表わされ、かつ光比較器からの出力信号は垂直軸２０２上に表わされている。出力信号と変位との間の関係は、グラフ２００によって表わされている。
【００５２】
図２から明らかなように、出力信号が正の方向に増加すると、変位も正の方向に増加し、正の方向に沿って初期位置からの装置のより大きな動きを表示している。出力信号が負の方向に増加すると、変位はさらに負になり、負の方向に沿った初期位置からの装置の動きを表示している。それ故に初期位置からの装置の正確な位置又は動きが、出力信号の値から判定することができる。
【００５３】
出力信号と光電流とを関連づける正確な式（２）が、光比較器を実現するための回路に使用する装置部品に依存して相違することがあることが指摘される。利用される種々の部品の選択も、図２に示した図式的な関係と相違する変位と出力信号との間の図式的な関係を生じることがある。
【００５４】
他の態様において、第１及び第２の光電流は、次の関数による比において関連づけられる：
【００５５】
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝ＩＹ１／ＩＹ２ （３）
【００５６】
光比較器１０６によって発生される出力電流１０７は、次のようにして第１及び第２の光電流１０４、１０５に関連づけられ：
【００５７】
ＩＹｏｕｔ＝Ｃ１×（ＩＹ１／ＩＹ２） （４）
【００５８】
その際、
Ｃ１は定数である。
【００５９】
（４）によれば、エンコード板が中心又は中立位置にあるとき、第１及び第２の光検出器１０１、１０２両方に入射する光の量は等しく、その結果、発生される第１及び第２の光電流１０４、１０５は等しい。この場合、第１の光比較器１０６によって発生される出力電流１０７は、定数Ｃ１に等しく、エンコード手段１０３に取付けられた装置の動きが検出されないことを表示している。
【００６０】
エンコード手段１０３が上側方向１０８に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１は減少し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２は増加する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、Ｃ１より小さな値に減少する。値Ｃ１に対する出力電流１０７の大きさは、装置の変位の大きさに関する情報を提供し、かつ装置の変位の方向に関する情報は、出力電流１０７ ＩＹｏｕｔがＣ１より大きいか又は小さいかによって判定される。
【００６１】
エンコード手段１０３が下側方向１０９に動くと、第１の光電流１０４ ＩＹ１が増加し、かつ第２の光電流１０５ ＩＹ２が減少する。それ故に出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは、Ｃ１より大きな値に増加し、今度は装置の動きが反対方向にあることを表わしている。
【００６２】
光源からの光の強さが減少した場合、第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２両方が、光の量の相応する減少を受取り、かつしたがって第１の光電流１０４及び第２の光電流１０５の値は、相応して減少する。光電流１０４、１０５が減少すると、（４）による出力電流１０７ ＩＹｏｕｔは変化しない。それ故に装置の出力電流１０７及びしたがって変位情報は、輝度に無関係である。
【００６３】
本発明の他の態様において、２次元動きを検出する２次元の輝度に無関係な光学位置センサを実現するために、光学位置センサに、さらに第３及び第４の光検出器を配置することができる。この装置において、光検出器は、中心位置の回りに配置されており、第１及び第２の光検出器は、第１の軸に対して平行に配置され、かつ第３及び第４の光検出器は、第２の軸に対して平行に配置されており、その際、第１の軸及び第２の軸は、互いに所定の角度をなしている。
【００６４】
第３及び第４の光検出器は、エンコード手段が光源から光検出器への光の経路に干渉することができるように配置されており、かつ第３の光検出器によって受信される光が増加するとき、第４の光検出器によって受信される光が、相応して相補的に減少するようになっている。
【００６５】
第３及び第４の光電流は、それぞれ第３及び第４の光検出器によって発生され、これらの光電流は、別の光比較器によって、又は第２の光比較器として周知のものによって受信される。第２の光比較器は、第３及び第４の光電流を比較し、かつ別の出力信号を、又は第２の出力信号として周知のものを出力し、この出力信号は、第３及び第４の光電流の関数に比例している。第２の出力信号は、第２の軸に対して平行な装置の変位情報を提供する。同様に第１及び第２の光検出器によって発生される第１及び第２の光電流は、光比較器において、又は第１の光比較器として周知のものにおいて比較され、出力信号を、又は第１の出力信号として周知のものを出力し、この第１の出力信号は、第１の軸に対して平行な装置の変位情報を提供する。
【００６６】
それ故にそれぞれ第１及び第２の出力信号から第１及び第２の軸に対して平行な装置の変位情報を取得することによって、装置の２次元変位情報を判定することができる。
【００６７】
図３は、本発明のさらに好ましい態様による２次元光学位置センサの配置を示している。
【００６８】
本発明のさらに好ましい態様において、第１の軸及び第２の軸は互いに垂直である。エンコード手段は、Ｌ形の素子１２０を含み、エンコード手段が光経路に干渉したときに、Ｌ形素子１２０のＬ形の陰影が、光検出器上に落ちるようになっている。Ｌ形素子１２０は、さらに第１の脚１０３及び第２の脚１１３を含む。第１の光検出器１０１及び第２の光検出器１０２は、互いに所定の距離のところにあり、かつＬ形素子１２０の第１の脚１０３に対して垂直な方向に第１の軸に対して平行に配置されており、Ｌ形素子１２０の第１の脚１０３が第１及び第２の光検出器１０１、１０２に入射する光に相補的に干渉することができるようになっている。第３の光検出器１１１及び第４の光検出器１１２は、互いの所定の距離のところにあり、かつＬ形素子１２０の第２の脚１１３に対して垂直な方向に第２の軸に対して平行に配置されており、Ｌ形素子１２０の第２の脚１１３が第３及び第４の光検出器１１１、１１２に入射する光に相補的に干渉することができるようになっている。
【００６９】
第１及び第２の光検出器１０１、１０２によって発生される第１及び第２の光電流１０４、１０５は、第１の光比較器１０６によって受信される。第１の光比較器１０６は、第１及び第２の光電流１０４、１０５を比較し、かつ式（２）にしたがって、第１及び第２の光電流１０４、１０５の関数に比例する第１の出力信号１０７を出力する。同様に第３及び第４の光検出器１１１、１１２によって発生される第３及び第４の光電流１１４、１１５は、第２の光比較器１１６によって受信される。第２の光比較器１１６は、第３及び第４の光電流１１４、１１５を比較し、かつ次のようにして与えられる第３及び第４の光電流１１４、１１５の関数に比例する第２の出力信号１１７を出力する：
【００７０】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２） （５）
【００７１】
その際、
ＩＸ１は第３の光電流であり、かつ
ＩＸ２は第４の光電流である。
【００７２】
かつそれ故に出力信号１１７は、次のように関数（５）に関連づけられ：
【００７３】
ＩＸｏｕｔ＝ＣＸ×（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２） （６）
【００７４】
その際、
ＩＸｏｕｔは第２の出力電流１１７であり、かつ
ＣＸは定数である。
【００７５】
エンコード手段のＬ形素子１２０が、第１の軸に対して平行に上側方向１２１に動くと、第１の光検出器１０１によって受信される光の量は減少し、かつ第２の光検出器１０２によって受信される光の量は相応して増加する。したがって第１の光比較器１０６によって発生される第１の出力信号１０７は、式（２）にしたがって、第１及び第２の光電流１０４、１０５の関数にしたがって変化する。第３及び第４の光検出器１１１、１１２の両方によって受信される光の量に変化はなく、かつしたがって光電流は不変のままである。それ故に第３及び第４の光電流の関数は一定なので、第２の出力信号も不変のままである。
【００７６】
エンコード手段のＬ形素子１２０が、第２の軸に対して平行に右側方向１２２に動くと、第３の光検出器１１１によって受信される光の量は増加し、かつ第４の光検出器１１２によって受信される光の量は相応して減少する。したがって第２の光比較器１１６によって発生される第２の出力信号１１７は、式（６）にしたがって、第３及び第４の光電流１１４、１１５の関数にしたがって変化する。第１及び第２の光検出器１０１、１０２よって受信される光の量に変化はないので、第１の出力信号１０７は不変のままである。
【００７７】
エンコード手段１０３が、上右側の方向１２３に動くと、第２及び第３の光検出器１０２、１１１によって受信される光の量は増加し、かつ第１及び第４の光検出器１０１、１１２によって受信される光の量は、相応して減少する。それ故に第１及び第２の出力信号１０７、１１７の値は、式（２）及び（６）にしたがって、光電流１０４、１０５、１１４、１１５の関数における相応する変化を反映するように変化する。
【００７８】
第１及び第２の出力信号１０７、１１７の値を検出することによって、エンコード手段の２次元の動き、かつしたがってエンコード手段に直接又は間接的に接続された装置の２次元の動きは、計算することができる。
【００７９】
本発明のさらに好ましい態様による装置は、光源により光検出器上に放出された光の輝度又は強さに関係なく、２次元の動きを検出するための面積の効率的な光学位置センサである。
【００８０】
他の態様において、第１及び第２の光電流１０４、１０５は式（３）による関数によって関連づけることができ、かつ第１の光比較器１０６からの第１の出力信号１０７は、式（４）によって与えられることに注意する。同様に第３及び第４の光電流１１４、１１５は、次の関数によって関連づけることができ：
【００８１】
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝ＩＸ１／ＩＸ２ （７）
【００８２】
かつ第２の光比較器１１６によって発生される第２の出力信号１１７は、次の式によって定義され：
【００８３】
ＩＸｏｕｔ＝Ｃ２×（ＩＸ１／ＩＸ２） （８）
【００８４】
その際、
Ｃ２は定数である。
【００８５】
本発明の種々の態様を説明したが、一方これらは、本発明の基本方式の例示にすぎない。本発明の精神及び添付の特許請求の範囲の権利範囲から外れることなく、その他の態様及び構成を考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学位置センサの配置を示す図である。
【図２】光比較器の出力信号と検出すべき装置の変位との間の関係を示す図である。
【図３】本発明の好ましい態様による光学位置センサの配置を示す図である。
【符号の説明】
１００：光学位置センサ
１０１：第１の光検出器
１０２：第２の光検出器
１０３：エンコード手段
１０４：第１の光電流
１０５：第２の光電流
１０６：光比較器
１０７：出力信号
１１１：第３の光検出器
１１２：第４の光検出器
１１３：第２の脚
１１４：第３の光電流
１１５：第４の光電流
１１６：第２の光比較器
１１７：第２の出力信号
１２０：Ｌ形素子
Claims (9)
- 第１の光検出器及び第２の光検出器と、
前記第１及び第２の光検出器に入射する光の経路に干渉するよう構成されたエンコード手段であって、前記第１の光検出器によって受信される光が前記エンコード手段の動きによって増加したとき、前記第２の光検出器によって受信される光が、対応して相補的に減少する、エンコード手段と、
前記第１の光検出器から第１の光電流を受信し、前記第２の光検出器から第２の光電流を受信して、前記第１及び第２の光電流の関数に比例する出力信号を発生する光比較器ユニットと、
を備えている、輝度に依存しない光学位置センサ。 - 前記第１及び第２の光電流の前記関数が、次の式によって定義される、請求項１に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝（ＩＹ１−ＩＹ２）／（ＩＹ１＋ＩＹ２）
ここで、
ＩＹ１は前記第１の光電流であり、かつ
ＩＹ２は前記第２の光電流である。 - 前記第１及び第２の光電流の前記関数が、次の式によって定義される、請求項１に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。
ｆ（ＩＹ１， ＩＹ２）＝ＩＹ１／ＩＹ２
ここで、
ＩＹ１は前記第１の光電流であり、かつ
ＩＹ２は前記第２の光電流である。 - 第３の光検出器によって受信される光が増加するとき、第４の光検出器によって受信される光が対応して相補的に減少するように、前記エンコード手段が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光の経路に干渉することができるように配置された、前記第３の光検出器及び前記第４の光検出器と、
前記第３の光検出器から第３の光電流を受信し、前記第４の光検出器から第４の光電流を受信して、前記第３及び第４の光電流の関数に比例する別の出力信号を発生する別の光比較器ユニットと、
をさらに備え、
前記第１及び第２の光検出器は、第１の軸に対して平行に配置され、前記第３及び第４の光検出器は、第２の軸に対して平行に配置されており、
前記第１及び第２の軸が、互いに所定の角度をなしている、
請求項１に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。 - 前記第３及び第４の光電流の前記関数が、次の式によって定義される、請求項４に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝（ＩＸ１−ＩＸ２）／（ＩＸ１＋ＩＸ２）
ここで、
ＩＸ１は前記第３の光電流であり、かつ
ＩＸ２は前記第４の光電流である。 - 前記第３及び第４の光電流の前記関数が、次の式によって定義される、請求項４に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。
ｆ（ＩＸ１， ＩＸ２）＝ＩＸ１／ＩＸ２
ここで、
ＩＸ１は前記第３の光電流であり、かつ
ＩＸ２は前記第４の光電流である。 - 前記第１の軸及び前記第２の軸が、互いに垂直である、請求項４に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。
- 前記エンコード手段が光の前記経路に干渉するとき、Ｌ形素子のＬ形陰影が前記光検出器上に落ちるように、前記エンコード手段が前記Ｌ形素子を備え、
前記エンコード手段の前記Ｌ形素子の第１の脚が、前記第１及び第２の光検出器に入射する光の前記経路に相補的に干渉することができるように、かつ、前記エンコード手段の前記Ｌ形素子の第２の脚が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光の前記経路に相補的に干渉することができるように、前記光検出器が配置されている、
請求項４に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。 - 前記エンコード手段が光の前記経路に干渉するとき、Ｌ形素子のＬ形陰影が前記光検出器上に落ちるように、前記エンコード手段が前記Ｌ形素子を備え、
前記エンコード手段の前記Ｌ形素子の第１の脚が、前記第１及び第２の光検出器に入射する光の前記経路に相補的に干渉することができるように、かつ、前記エンコード手段の前記Ｌ形素子の第２の脚が、前記第３及び第４の光検出器に入射する光の前記経路に相補的に干渉することができるように、前記光検出器が配置されている、
請求項７に記載の、輝度に依存しない光学位置センサ。
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