JP2019158595A - 反射型フォトセンサを用いた位置検出装置および位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反射型フォトセンサの出力信号の中点補正を、回路規模を縮小するとともに誤差を少なくリアルタイムに行うことが可能である反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を提供する。【解決手段】反射面ｓａと非反射面ｓｂを移動物の移動方向に交互に並べたスケール２を設け、反射型フォトセンサ１の受光素子１２には、移動物の移動方向でそれぞれ異なる受光領域を持つ複数の受光部１２ａ、１２ｂ、１２ｃを設ける。受光部１２ｂ，１２ｃは１２ａを基準として出力信号の位相角がそれぞれ９０度，１８０度進むように形成する。２つの受光部１２ａ，１２ｃの出力電流を電流のままアナログ回路で加算し２分の１したものを中点値として受光部１２ａ，１２ｂから得られた出力信号の中点補正を行う。【選択図】図１

Description

本発明は反射型フォトセンサを用いた位置検出装置および位置検出方法に関し、特にカメラ等の装置内の移動物の位置や移動量の検出を行うための位置検出装置および位置検出方法に関する。

従来から、例えばデジタルスチールカメラ、カムコーダ、監視カメラ等では、各種のアクチュエータを使用してレンズを駆動しており、この可動レンズ等のポジションセンシングを行うために位置検出装置が用いられている。

このような位置検出装置には大別して磁気センサを用いるものと光学素子を用いるものが存在する。両者を比較すると、磁気センサでは消磁の問題や磁気かぶりの問題があり、これらの問題のない光学素子を用いる方が有利な場合がある。

光学素子を用いる位置検出装置は従来から種々提案されている。例えば、光源から放出された光を、繰り返し透光パターンをもつスケールを透過させ、この透過した光を受光素子に受光させ、受光回数を計数することで移動量を検知する例や、発光体から放射される光を複数のスリットを通過させて干渉縞を発生させることによって解像度を上げる例など（特許文献１）が存在する。しかし、後者のような透過型のものは光源と受光素子を別体とし、これらの間に複数のスリットを介して対向させる必要があることから、装置規模が大きくなるとともに実装の不便さを伴う。

一方、反射型のフォトセンサを用いる場合には、光源となる発光素子と受光素子を同一パッケージ内に配置し、繰り返し反射パターンを持つスケールと対向させ、発光素子から放射された光をスケールで反射させて受光素子で受光するため、例えば反射型のフォトセンサを装置内に固定し、このフォトセンサに対向する位置のレンズ鏡胴の移動枠にスケールを貼り付けるだけで簡易に構成することができる。

図５はこのような例を示したカメラモジュールである。鏡胴５１はいわゆる沈胴型であり、ズームレンズ５２は移動枠５３の回転に伴いカム機構（図示せず）により突出可能となっている。移動枠５３はモータ５４の軸の回転に連動して回転する。１は反射型フォトセンサであり、支持体（図示せず）により基板５５に固定されている。この反射型フォトセンサ１に対向するように、反射面ｓａと非反射面ｓｂを縞状に繰り返した反射パターンを持つスケール２が移動枠５３の外壁に被着されている。このスケール２は移動枠５３の外壁表面に塗装により形成してもよいし、金属蒸着で反射パターンを形成したシールを貼付して形成したものでもよい。この種の位置検出装置は、本願出願人による先の出願（特許文献２）により開示されている。

従来の位置検出装置では、反射型フォトセンサの受光素子を複数設け、この複数の受光部から位相差の異なる複数の信号を演算処理して移動量を算出していた。

特許文献２に開示されている位置検出装置では、３つの受光部を設け、位相が１８０度異なる２つのフォトセンサの出力信号を演算処理して中点電位を求め、この中点電位を基準にして位相が９０度異なる２つのフォトセンサの出力信号のオフセット補正を行い、補正後の信号を演算処理して移動量を検出していた。

従来のその他の位置検出装置では、反射型フォトセンサの受光素子を複数設け、この複数の受光部から位相差の異なる複数の信号を演算処理して中点電位を求め、この中点電位と位相差の異なる複数の信号を比較して得られた矩形波を演算回路に出力して、移動の方向と移動量を算出していた。このように演算回路へ入力する前に矩形波に変換することにより、演算回路の処理量を少なくすることが可能となる。

具体的には、位相が１８０度異なる２つのフォトセンサの出力信号を演算処理して中点電位を求め、この中点電位と位相が９０度異なる２つのフォトセンサの出力信号とをコンパレータで比較して２つの矩形波出力を得て、２つの矩形波出力の位相角から移動の方向を判別し、矩形波出力の“Ｈ”レベルの周期を数えて移動量を算出していた。

このとき、中点電位が正確であれば矩形波出力のデューティ比は５０％となる。しかし、中点電位に誤差があると矩形波のデューティ比は５０％でなくなり、スケール２の移動量と算出した移動量との間に誤差が発生することになる。

また、フォトセンサの感度、発光素子の発光量、スケール２の反射面の距離や材質といった様々な条件によりＤＣオフセットや信号振幅が変動し、フォトセンサの出力信号の中点は変動する。さらに、ＤＣオフセットや信号振幅は環境光や温度特性によっても変動し、フォトセンサの出力信号の中点は動作状態によってリアルタイムに変動する。そのため、正確なデューティ比を得るためには随時中点を補正する必要がある。

そこで本願出願人は、特許文献２において、１８０度の位相差がある受光部を設け、それらの出力電流をオペアンプによりＩ−Ｖ変換し、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル化し、プロセッサ（演算回路）による数値演算により中点電位を算出し、この中点電位を基準にして位相が９０度異なる２つのフォトセンサの出力信号のオフセット補正を行う技術を開示した。

特開平４−００９７１２号公報 特開２０１４−００２０７７号公報

ところで、従来方法ではフォトセンサの出力信号のオフセット補正を行う場合、受光部から得られた電気信号をデジタル化し、デジタル化後の数値を一時的にメモリに格納し、その後変換テーブルから数値を読み出して数値演算により中点電位を算出するため、Ａ／Ｄ変換器、メモリやデジタル信号処理回路が必要となる。そして、算出した中点電位を基準にしてオフセット補正を行うため、Ｄ／Ａ変換器も必要となり、回路規模が大きくなる。また、これらのアナログデジタル変換やデジタルアナログ変換には量子化誤差も生じる。さらには数値演算に時間がかかりオフセット補正に遅延が生じるため、リアルタイムに変動するフォトセンサの出力信号を正確に補正することが難しいという問題があった。

本発明は上記課題を解決するために、回路規模を縮小するとともに、誤差の少ない中点補正をリアルタイムに行うことが可能である反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、反射面と非反射面を移動体の移動方向に交互に並べた反射部と、該反射部に対して光を放射する発光素子と、該発光素子から放射された光の前記反射部からの反射光を入射する受光素子とを有する反射型フォトセンサを備え、前記受光素子の複数の受光部から１８０度位相差のある２つの信号を出力し、これらの信号から中点値を算出し、該中点値に基づき複数の前記受光部の出力信号の中点補正を行う反射型フォトセンサを用いた位置検出装置であって、複数の前記受光部の前記１８０度位相差のある２つの信号の和を算出して加算信号を出力信号として出力するアナログ加算回路と、該加算信号を２分の１して前記中点値として出力するアナログ１／２回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置において、前記アナログ加算回路は、前記受光部からの信号あるいは該信号と１８０度位相差のある信号がそれぞれ印加され、信号の極性を反転させて出力する複数の第１カレントミラー回路と、該複数の第１カレントミラー回路の出力信号を電流合成して出力信号として出力することを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１または請求項２いずれか記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置において、前記アナログ１／２回路は、前記アナログ加算回路の出力信号が印加される第２カレントミラー回路からなり、該第２カレントミラー回路は、前記アナログ加算回路の出力信号値を２分の１とするミラー比を有し、該第２カレントミラー回路の出力値を中心値とすることを特徴とする。

請求項４にかかる発明は、反射面と非反射面を移動体の移動方向に交互に並べた反射部と、該反射部に対して光を放射する発光素子と、該発光素子から放射された光の前記反射部からの反射光を入射する受光素子とを有する反射型フォトセンサを備え、前記受光素子の複数の受光部から１８０度位相差のある２つの信号を出力し、これらの信号から中点値を算出し、該中点値に基づき複数の前記受光部の出力信号の中点補正を行う反射型フォトセンサを用いた位置検出方法であって、前記中点値の算出を、前記複数の受光部のそれぞれの出力電流をアナログ演算により行うことを特徴とする。

請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置において、複数の前記受光部の１８０度位相差のある２つの電流信号を第１カレントミラー回路に入力し、第１カレントミラー回路にて電流合成して出力信号を第２カレントミラー回路に出力し、第２カレントミラー回路にて前記第１カレントミラー回路の出力信号値を２分の１して前記中点値とすることを特徴とする。

本発明によれば、反射型フォトセンサの出力信号を電流信号のままアナログ回路を用いて中点補正を行うことにより、小さな回路規模で誤差の少ない中点補正をリアルタイムに行うことができる。

本発明の実施例を示す図である。 本発明に使用する反射型フォトセンサの例を示す図である。 本発明の実施例による出力を示す図である。 本発明のアナログ加算回路とアナログ１／２回路を示す図である。 反射型フォトセンサを用いたカメラモジュールを示す図である。

以下、本発明について図を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例である反射型フォトセンサを用いた位置検出装置の構成を示す図であり、発光素子１１と受光素子１２を有する反射型フォトセンサ１と、反射型フォトセンサ１に対向するように設けられたスケール２と、アナログ加算回路３と、アナログ１／２回路４と、コンパレータ５ａ，５ｂと、演算回路（ＭＰＵ）６から構成される。

反射型フォトセンサ１は、ＬＥＤからなる一つの発光素子１１と、フォトダイオードからなる受光素子１２を備えている。図１に示した反射型フォトセンサはスケール２と対向しているため、本来これら受発光素子は見えないが、説明のため図示している。

受光素子１２は、スケール２の移動方向１００でそれぞれ異なる領域となるように分割した３つの受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃが形成される。３つの受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、大きさ、形状、配置とスケール２の反射面ｓａ、非反射面ｓｂの各幅を調整することで、反射型フォトセンサ１からの３つの信号出力が、所望の位相とずれるように設計される。実施例では、受光部１２ａの出力Ａを基準（０度）とすると、受光部１２ｂからの出力Ｂが９０度、受光部１２ｃからの出力Ｃが１８０度の位相角が進む関係となるように設計している。

図２は当該実施例で使用される反射型フォトセンサの受光素子パターンの例を示す図である。図２（Ｂ）には、図１に示す実施例（図２（Ａ））に代わる他の構成例が示されており、スケールの移動方向（紙面横方向）へ細長くした受光領域の３つの受光部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを、その一部が重なる状態で、移動方向１００に垂直な方向に配置したものである。なお、上記受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び受光部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃでは、図２（Ｃ），（Ｄ）に示すように遮光反射膜１３を設けてもよい。この遮光反射膜１３は、受光部の出力信号をより正弦波に近似する働きを持つ。

スケール２は、図５で示したものと同様の繰り返し反射パターンが形成され、本実施例では反射面ｓａと非反射面ｓｂの幅はそれぞれ０．２５ｍｍである。

アナログ加算回路３は、３つの受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃのうち、１８０度の位相差を持つ受光部１２ａ，１２ｃの出力信号が入力され加算した信号を出力する。

アナログ１／２回路４は、アナログ加算回路３で合成された信号が入力されて半値（２分の１）にする。この半値は受光部１２ａ，１２ｃの中点値であり、この中点値がコンパレータ５ａ，５ｂの反転入力端子に出力する。

コンパレータ５ａ，５ｂは、３つの受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃのうち、９０度の位相差を持つ受光部１２ａ，１２ｂの出力信号が正転入力端子に入力され、受光部１２ａ，１２ｃの中点値が反転入力端子に入力されて大小を比較し、それぞれの出力端子から位相が９０度異なる矩形波出力Ａ，矩形波出力Ｂを演算回路（ＭＰＵ）６に出力する。

演算回路（ＭＰＵ）６では、コンパレータ５ａ，５ｂの出力である９０度異なる矩形波出力Ａ，矩形波出力Ｂから移動距離と移動方向を算出する。コンパレータ５ａ，５ｂそれぞれの出力の１周期がスケール２の反射面ｓａと非反射面ｓｂの各幅（０．２５ｍｍ）を加算した距離に相当するため、コンパレータ５ａ，５ｂの出力信号の周期を数えることで移動距離を算出することができる。また、受光部１２ａ，１２ｂの出力信号は位相角が９０度異なり、スケール２の進行方向によって位相角の関係が逆転するため、矩形波の立上りエッジの順序から移動方向を算出することができる。

具体的には、図３で示す結果が得られる。スケール２が図３（Ａ）の矢印の方向に移動すると、反射型フォトセンサ１の受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃから電流信号である出力Ａ，出力Ｂ，出力Ｃが得られる。この出力Ａ，出力Ｂ，出力Ｃは図３（Ｂ）に示されるように、正弦波（ｓｉｎ）又は余弦波（ｃｏｓ）状の信号で、出力Ａに対し出力Ｂは位相角が９０度ずれ、出力Ｂに対し出力Ｃは位相角が９０度ずれたものとなる。

次に、受光部１２ａ，１２ｃの出力Ａ，出力Ｃを加算して半値にした中点値を求める具体例を説明する。図４は出力Ａ，出力Ｃの中点値を求めるための回路構成例であり、受光部１２ａ，１２ｃの出力電流を加算し、その値を半値にするアナログ加算回路３とアナログ１／２回路４の機能を具体的に実現するものである。ｎｐｎ型バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ５とＱ３，Ｑ４，Ｑ６はそれぞれ第１カレントミラー回路を構成し、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタＱ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０は第２カレントミラー回路を構成する。なお、Ｑ５，Ｑ６およびＱ１０は、ベース電流補償用のトランジスタである。

端子４１に入力された受光部１２ａの出力信号Ａは、Ｑ１のコレクタ電流として入力され、カレントミラー接続されたＱ２のコレクタ電流として出力する。同様に端子４２に入力された受光部１２ｃの出力信号Ｃは、Ｑ３のコレクタ電流として入力され、カレントミラー接続されたＱ４のコレクタ電流として出力する。ここで、Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４のエミッタ面積比を共に１：１と設定することで、入力した受光部の信号レベルを変化させることなくノード４３に極性のみ変えて出力することができる。

次に、Ｑ２およびＱ４のコレクタ電流はノード４３で加算され、第２カレントミラー回路を構成するＱ７にコレクタ電流として入力する。このＱ７のコレクタ電流はカレントミラー接続されたＱ８およびＱ９のコレクタ電流として出力する。Ｑ８を経て端子４４に至った信号はコンパレータ５ａの反転入力端子に、Ｑ９を経て端子４５に至った信号はコンパレータ５ｂの反転入力端子に出力する。ここで、Ｑ７とＱ８，Ｑ７とＱ９エミッタ面積比を共に２：１と設定することで、ノード４３で合成された電流の大きさを２分の１として端子４４，４５からそれぞれ次段のコンパレータ５ａ，５ｂに出力することができる。このようにしてアナログ加算回路３とアナログ１／２回路４が実現できる。

コンパレータ５ａ，５ｂでは、受光部１２ａ，１２ｂの出力Ａ，出力Ｂと、アナログ加算回路３とアナログ１／２回路４により得られた受光部１２ａ，１２ｃの出力Ａ，出力Ｃの中点値とがそれぞれ比較され、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）に示されるように矩形波出力Ａ，矩形波出力Ｂが演算回路（ＭＰＵ）６に出力される。

演算回路（ＭＰＵ）６では、コンパレータ５ａ，５ｂの出力である矩形波出力Ａ，矩形波出力Ｂから移動距離と移動方向を算出する。図３（Ｃ），図３（Ｄ）の矩形波出力Ａ，矩形波出力Ｂの周期は２周期半であり、本実施例では１周期が０．５ｍｍ（ｓａ＋ｓｂ＝０．２５＋０．２５）であるため、移動距離は１．２５ｍｍと算出される。また、図３（Ｄ）の矩形波出力Ｂは図３（Ｃ）の矩形波出力Ａに対し９０度進んだ波形となり、立ち上がりエッジの順序からスケール２の移動方向が図３（Ａ）の矢印の向きであることを判別することができる。

ここで、上記の構成において、反射型フォトセンサ１の出力からアナログ１／２回路４の出力までは電圧に変換せずに電流で信号処理される。矩形波出力を行うコンパレータ５ａ，５ｂは電圧信号で処理するため、アナログ１／２回路４とコンパレータ５ａ，５ｂとの間にＩ−Ｖ変換回路が必要となるが、公知の回路が流用できるため説明を省く。

以上のように、本発明よれば、受光素子の受光部の信号の中点値を算出する際に、受光部からの信号をＩ−Ｖ変換せずに電流信号のまま簡易なアナログ回路で処理することにより、Ａ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器やメモリやデジタル信号処理回路が不要となるため、反射型フォトセンサの出力信号の中点補正を、小さな回路規模で、誤差も少なく、リアルタイムに行うことが可能となる。特に、環境光や温度など動作状態によってリアルタイムに変動する要因による影響が極めて小さくなる。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限らず種々の変更が可能である、例えば、上記した実施例では、反射型のフォトセンサ１の光源としてＬＥＤを例示したが、単に散乱光を放つものでなく、ＬＥＤ表面に微細な遮光スリットパターンを設けたものであってもよい。また、ＬＥＤの代わりにレーザーダイオードを用いてもよい。これらはコヒーレントな光を放つ光源となるので、スケール２に反射型回折格子を用い、発生する干渉縞が各受光部に結像するよう多数個の受光部を設ければ、高解像度が得られる。なお、このような干渉縞を利用するものは、光源とスケール間距離の組立誤差や使用温度範囲などに留意する必要がある。上記のカメラなどは、工作機械等精密位置制御を必要とする産業機器と異なり、量産化を前提とした生産効率が求められる家電製品と位置付けられる場合が多く、その場合ＬＥＤを点光源とし、その散乱光を利用する方が適する。

また、スケール２は縞状（ゼブラパターンともいう）でなく、上記したように反射型回折格子でもよく、立体的彫刻により受光素子方向へ光の反射する部分を繰り返し断続して形成したものであってもよい。

１：反射型フォトセンサ
２：スケール
３：アナログ加算回路
４：アナログ１／２回路
５ａ，５ｂ：コンパレータ
６：演算回路（ＭＰＵ）
１１：発光素子
１２：受光素子
１２ａ〜１２ｃ：受光部
ｓａ：反射面
ｓｂ：非反射面

Claims (5)

1. 反射面と非反射面を移動体の移動方向に交互に並べた反射部と、該反射部に対して光を放射する発光素子と、該発光素子から放射された光の前記反射部からの反射光を入射する受光素子とを有する反射型フォトセンサを備え、前記受光素子の複数の受光部から１８０度位相差のある２つの信号を出力し、これらの信号から中点値を算出し、該中点値に基づき複数の前記受光部の出力信号の中点補正を行う反射型フォトセンサを用いた位置検出装置であって、
   複数の前記受光部の前記１８０度位相差のある２つの信号の和を算出して加算信号を出力信号として出力するアナログ加算回路と、該加算信号を２分の１して前記中点値として出力するアナログ１／２回路とを備えたことを特徴とする反射型フォトセンサを用いた位置検出装置。
2. 前記アナログ加算回路は、前記受光部からの信号あるいは該信号と１８０度位相差のある信号がそれぞれ印加され、信号の極性を反転させて出力する複数の第１カレントミラー回路と、該複数の第１カレントミラー回路の出力信号を電流合成して出力信号として出力することを特徴とする請求項１記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置。
3. 前記アナログ１／２回路は、前記アナログ加算回路の出力信号が印加される第２カレントミラー回路からなり、該第２カレントミラー回路は、前記アナログ加算回路の出力信号値を２分の１とするミラー比を有し、該第２カレントミラー回路の出力値を中心値とする請求項１または請求項２いずれか記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置。
4. 反射面と非反射面を移動体の移動方向に交互に並べた反射部と、該反射部に対して光を放射する発光素子と、該発光素子から放射された光の前記反射部からの反射光を入射する受光素子とを有する反射型フォトセンサを備え、前記受光素子の複数の受光部から１８０度位相差のある２つの信号を出力し、これらの信号から中点値を算出し、該中点値に基づき複数の前記受光部の出力信号の中点補正を行う反射型フォトセンサを用いた位置検出方法であって、
   前記中点値の算出を、複数の前記受光部のそれぞれの出力電流をアナログ演算により行うことを特徴とする反射型フォトセンサを用いた位置検出方法。
5. 前記中点値の算出は、複数の前記受光部の１８０度位相差のある２つの電流信号を第１カレントミラー回路に入力し、第１カレントミラー回路にて電流合成して出力信号を第２カレントミラー回路に出力し、第２カレントミラー回路にて前記第１カレントミラー回路の出力信号値を２分の１して前記中点値とすることを特徴とする請求項４記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出方法。

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