JP2020148551A - 光検出装置および光学エンコーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号のレベル変動を抑制可能な光検出装置および光学エンコーダ装置を提供する。【解決手段】光検出装置は、複数の光電変換素子を含む受光部１と、受光部において第１の光電変換素子群１０Ａおよび第２の光電変換素子群１０Ｂを選択する選択回路２０と、第１の光電変換素子群における第１の出力信号および第２の光電変換素子群における第２の出力信号の差分に応じた検出信号を出力する差動増幅器２１２と、第１の出力信号および第２の出力信号を用いて検出信号を補正する補正部２２０とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、光検出装置および光学エンコーダ装置に関する。

光学エンコーダ装置は、スケールにおける反射光を検出し、反射光に基づく検出信号を出力する光検出装置を備える。光学エンコーダ装置は、さらに光検出装置からの検出信号を用いて、スケールの位置検出を行うことが可能である。ここで、光検出装置からの検出信号のレベルが変動し、検出信号が不安定になると、位置精度が低下し得る。特許文献１に記載の光学エンコーダ装置は、受光部における光量が一定となるように光源を制御し、安定な検出信号を得ている。

特開２００５−２６５５１２号公報

しかしながら、スケールの反射光以外の迷光が受光部に入射した場合、特許文献１における装置は安定な検出信号を得ることができない。

本発明は、迷光が受光部に入射した場合においても、安定な検出信号を得ることが可能な光検出装置および光学エンコーダ装置を提供することを目的とする。

一実施形態における光検出装置は、複数の光電変換素子を含む受光部と、前記受光部において第１の光電変換素子群および第２の光電変換素子群を選択する選択回路と、前記第１の光電変換素子群かにおける第１の出力信号および前記第２の光電変換素子群における第２の出力信号の差分に応じた検出信号を出力する差動増幅器と、前記第１の出力信号および前記第２の出力信号を用いて前記検出信号を補正する補正部とを備える。

本発明によれば、迷光が受光部に入射した場合においても、安定な検出信号を得ることが可能となる。

第１実施形態における光検出装置の斜視図である。 第１実施形態における光検出装置の側面図である。 第１実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。 第１実施形態における受光部、選択回路を説明するための図である。 第１実施形態における検出信号生成部の回路例である。 第１実施形態における平均化回路の回路例である。 第１実施形態におけるフォトダイオードの出力信号の一例を表す図である。 第１実施形態における検出信号の一例を表す図である。 第１実施形態における光検出装置の動作を説明するための図である。 第１実施形態における光検出装置の動作を説明するための図である。 第２実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。 第２実施形態における補正部の回路例である。 第３実施形態における光源制御回路の図である。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１、図２は本実施形態における光検出装置の外観図である。図１は本実施形態における光検出装置の斜視図であり、図２は本実施形態における光検出装置の側面図である。

本実施形態における光検出装置は例えば光学エンコーダ装置に適用可能であって、受光部１、信号処理部２、光源３、基板４を備え、スケール５における反射光を検出可能である。受光部１、信号処理部２、光源３は基板４のｚ方向の上面に搭載され、透明な樹脂などのパッケージ４０内に形成されている。

光源３は例えば発光ダイオードから構成され、スケール５に向けて光を照射する。スケール５は、基板４に対向して設けられ、基板４に対してｘ方向に相対移動可能となるように構成されている。スケール５は、反射部と非反射部とが繰り返される所定のパターンを備え、例えば反射部はガラス基板上に形成された金属膜などによって形成され得る。複数の反射部はｘ方向において一定の周期で配置され、スケールトラックを形成している。なお、スケールトラックは複数例形成されてもよく、複数列のスケールトラックのそれぞれは互いに異なる周期で配置された反射部を備え得る。

受光部１は複数のフォトダイオード（光電変換素子）を備え、複数のフォトダイオードはｘ方向において一定の周期で配置されている。受光部１には、スケール５における反射光７が照射される。受光部１における反射光７の輝度分布（明暗）はスケール５のパターンに対応したものとなる。スケール５がｘ方向に移動することにより、受光部１における反射光７の輝度分布もｘ方向に移動し、受光部１のフォトダイオードの信号が繰り返し変化する。

信号処理部２は増幅回路、比較回路等を備え、受光部１から出力された信号を処理し、スケール５の位置に応じた検出信号を出力する。検出信号は、スケール５の位置に応じて変化し、エンコーダ信号として用いることが可能である。すなわち、本実施形態における光検出装置を光学エンコーダ装置に適用することで、位置検出が可能となる。

受光部１には、スケール５における反射光７以外に、例えばパッケージ４０において反射した迷光８が到達し得る。後述するように、本実施形態における光検出装置は迷光８が受光部１に入射した場合においても安定した検出信号を得ることができ、高精度の位置検出が可能となる。

さらに、本実施形態における光検出装置において、受光部１、信号処理部２、光源３は共通の基板４に設けられている。このように、受光部１、信号処理部２、光源３を同一パッケージに形成することにより、受光部１および光源３の相対的な位置を高精度に定めることができ、正確な位置検出が可能となる。

図３は本実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。信号処理部２は、選択回路２０、検出信号生成部２１、補正部２２を備える。

選択回路２０は受光部１において光電変換素子群である第１のフォトダイオード群１０Ａ、第２のフォトダイオード群１０Ｂを選択する。第１のフォトダイオード群１０Ａには１または複数のフォトダイオード１０が含まれ、第２のフォトダイオード群１０Ｂには１または複数のフォトダイオード１０が含まれる。

検出信号生成部２１はさらに電流電圧変換増幅器（以下、「Ｉ−Ｖ変換回路」と称する）２１０ａ、２１０ｂ、基準電圧回路２１１、差動増幅回路２１２を備える。Ｉ−Ｖ変換回路２１０ａは第１のフォトダイオード群１０Ａにおけるフォトダイオード１０の電流を電圧に変換し、出力信号Ｖｓ１を生成する。同様に、Ｉ−Ｖ変換回路２１０ｂは第２のフォトダイオード群１０Ｂにおけるフォトダイオード１０の電流を電圧に変換し、出力信号Ｖｓ２を生成する。

基準電圧回路２１１は分圧回路および電圧フォロワ回路などを含み、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。差動増幅回路２１２は演算増幅器を含み、差動増幅回路２１２の第１の入力端子には出力信号Ｖｓ１が入力され、第２の入力端子には出力信号Ｖｓ２が入力される。差動増幅回路２１２にはさらにバイアス電圧として基準電圧Ｖｒｅｆが供給され、基準電圧Ｖｒｅｆを基準として変化する検出信号Ｖｄを生成する。
差動増幅回路２１２の増幅率を「Ａ」とした場合、検出信号Ｖｄは次式で表される。
Ｖｄ＝（Ｖｓ１−Ｖｓ２）×Ａ （式１）

補正部２２は補正回路２２０、平均化回路２２１を備え、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２に基づき補正値Ｖｏｆｆを生成する。平均化回路２２１は検出信号Ｖｄの最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎを用いて検出信号Ｖｄの平均電圧Ｖｄａｖｅを生成する。平均電圧Ｖｄａｖｅは次式で表される。
Ｖｄａｖｅ＝（Ｖｄｍａｘ＋Ｖｄｍｉｎ）／２ （式２）

補正回路２２０は平均電圧Ｖｄａｖｅに基づき補正値Ｖｏｆｆを生成する。補正値Ｖｏｆｆは基準電圧回路２１１にフィードバックされる。補正前の基準電圧を「Ｖｒｅｆ１」、補正後の基準電圧を「Ｖｒｅｆ２」とすると、補正値Ｖｏｆｆ、基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２の関係は以下のようになる。
Ｖｏｆｆ＝Ｖｄａｖｅ−Ｖｒｅｆ１ （式３）
Ｖｒｅｆ２＝Ｖｒｅｆ１−Ｖｏｆｆ （式４）

検出信号Ｖｄは、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の差分に応じた信号であるため、検出信号Ｖｄから得られる補正値Ｖｏｆｆも出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の差分に基づく信号である。基準電圧回路２１１は、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２に基づき基準電圧Ｖｒｅｆを変化させることで、検出信号Ｖｄを補正している。

図４は本実施形態における受光部１、選択回路２０を説明するための図である。上述したように、受光部１の複数のフォトダイオード１０はｘ方向に並んで配置されている。選択回路２０はマトリクス回路を備え、マトリクス回路はフォトダイオード１０に接続される複数の配線２０１と、複数の配線２０１に交差する配線２０２ａ、２０２ｂとを互いに接続または非接続とする。配線２０２ａは第１のフォトダイオード群１０Ａに接続され、配線２０２ｂは第２のフォトダイオード群１０Ｂに接続される。選択回路２０は、任意の配線２０１を配線２０２ａ、２０２ｂのいずれかに接続させ、第１のフォトダイオード群１０Ａと第２のフォトダイオード群１０Ｂとを適宜選択することができる。このようにして、第１のフォトダイオード群１０Ａの電流信号は配線２０２ａを介してＩ−Ｖ変換回路２１０ａに出力され、第２のフォトダイオード群１０Ｂの電流信号は配線２０２ｂを介してＩ−Ｖ変換回路２１０ｂに出力される。

図４において、第１のフォトダイオード群１０Ａはｘ方向において距離ｄ１毎の周期で選択されている。第２のフォトダイオード群１０Ｂも同様にｘ方向において距離ｄ１毎の周期で選択されている。但し、第２のフォトダイオード群１０Ｂは第１のフォトダイオード群１０Ａの中間に位置し、第２のフォトダイオード群１０Ｂの配列周期の位相は第１のフォトダイオード群１０Ａの配列周期の位相に対して逆になっている。これにより、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２は時間とともに相補的に変化する。

反射光７はｘ方向において距離ｄ２毎の周期で受光部１に照射される。ここで、距離ｄ２はスケール５の反射部の距離に対応する。反射光７を効率的に検出するため、スケール５の反射部の距離ｄ２はフォトダイオード群１０Ａ、１０Ｂのそれぞれの距離ｄ１に一致していることが望ましい。また、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の波形が対称となるように、第１のフォトダイオード群１０Ａおよび第２のフォトダイオード群１０Ｂはそれぞれ同数のフォトダイオード１０を含むことが望ましい。なお、距離ｄ１、ｄ２、フォトダイオード群１０Ａ、１０Ｂのフォトダイオード１０の数は必ずしも上述の例に限定されない。また、フォトダイオード１０の形状も任意に定め得る。

図５は本実施形態における検出信号生成部２１の回路例である。上述したように、検出信号生成部２１はＩ−Ｖ変換回路２１０ａ、２１０ｂ、基準電圧回路２１１、差動増幅回路２１２を備える。

Ｉ−Ｖ変換回路２１０ａは差動増幅器Ａ１０、抵抗Ｒ１０、容量Ｃ１０を備える。差動増幅器Ａ１０の反転入力端子は第１のフォトダイオード群１０Ａを構成する複数のフォトダイオード１０のアノードに接続され、差動増幅器Ａ１０の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加される。差動増幅器Ａ１０の反転入力端子と出力端子との間には抵抗Ｒ１０、容量Ｃ１０が並列に接続される。差動増幅器Ａ１０は電流電圧回路を構成し、フォトダイオード１０の電流を電圧に変換し、出力信号Ｖｓ１を生成する。同様に、Ｉ−Ｖ変換回路２１０ｂは差動増幅器Ａ１１、抵抗Ｒ１１、容量Ｃ１１を備え、第２のフォトダイオード群１０Ｂを構成する複数のダイオード１０の電流を電圧に変換し、出力信号Ｖｓ２を生成する。なお、図５におけるＩ−Ｖ変換回路２１０ａ、２１０ｂは反転増幅回路を構成しているため、フォトダイオード１０の電流が増えるに従い、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の電圧は基準電圧Ｖｒｅｆ１に対して低下する。以下の説明においては、便宜上、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の振幅を正の電圧変化として表すことがある。

基準電圧回路２１１は差動増幅器Ａ１２、抵抗Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、容量Ｃ１２を備える。図５における基準電圧回路２１１は補正回路２２０としても機能する。抵抗Ｒ１６、Ｒ１７は電源電圧（第１の電源電圧）Ｖｃｃと接地電圧（第２の電源電圧）を分圧し、基準電圧Ｖｒｅｆ１を生成する。抵抗Ｒ１６、Ｒ１７の値は互いに等しく、基準電圧Ｖｒｅｆ１は電源電圧Ｖｃｃと接地電圧との中間電圧Ｖｃｃ／２であることが好ましい。基準電圧Ｖｒｅｆ１は差動増幅器Ａ１２の非反転入力端子に印加される。さらに、基準電圧Ｖｒｅｆ１はＩ−Ｖ変換回路２１０ａ、２１０ｂにおける差動増幅器Ａ１０、Ａ１１の非反転入力端子に印加される。基準電圧Ｖｒｅｆ１をＶｃｃ／２とすることで、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２、検出信号Ｖｄのダイナミックレンジを最大とすることができる。基準電圧回路２１１の差動増幅器Ａ１２の反転入力端子と出力端子との間には抵抗Ｒ１８、容量Ｃ１２が並列に接続される。また、差動増幅器Ａ１２の反転入力端子には抵抗Ｒ１９を介して補正部２２からの平均電圧Ｖｄａｖｅがオフセット電圧として印加される。差動増幅器Ａ１２は、基準電圧Ｖｒｅｆ１を補正値Ｖｏｆｆによって補正した基準電圧Ｖｒｅｆ２を生成する。容量Ｃ１２、抵抗Ｒ１８の値を適宜選択することにより、フィードバックループのゲイン、時定数を設定することができる。例えば、補正値Ｖｏｆｆに対する基準電圧Ｖｒｅｆの応答性を高める場合には、容量Ｃ１２の値を小さくしてもよい。

差動増幅回路２１２は差動増幅器Ａ１３、抵抗Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５を備える。差動増幅器Ａ１３の非反転入力端子には抵抗Ｒ１２を介して出力信号Ｖｓ１が入力され、反転入力端子には抵抗Ｒ１３を介して出力信号Ｖｓ２が入力される。差動増幅器Ａ１３の反転入力端子と出力端子との間には抵抗Ｒ１５が接続されており、出力信号Ｖｓ１と出力信号Ｖｓ２との差分に基づく信号を増幅し、検出信号Ｖｄを出力する。差動増幅器Ａ１３は電源電圧Ｖｃｃ、接地電圧において駆動され、検出信号Ｖｄは接地電圧から電源電圧Ｖｃｃの間におけるダイナミックレンジを有し得る。差動増幅器Ａ１３の非反転入力端子には抵抗Ｒ１４を介して補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２がオフセット電圧として印加される。これにより、差動増幅器Ａ１３は補正された検出信号Ｖｄを出力することができる。

図６は本実施形態における平均化回路２２１の回路例である。平均化回路２２１はピークホールド回路２２１ａ、ボトムホールド回路２２１ｂ、加算回路２２１ｃを備える。

ピークホールド回路２２１ａは差動増幅器Ａ２１、Ａ２２、抵抗Ｒ２３、容量Ｃ２１、ダイオードＤ２１を備える。差動増幅器Ａ２１の非反転入力端子には検出信号Ｖｄが入力される。差動増幅器Ａ２１の出力端子はダイオードＤ２１のアノードに接続され、ダイオードＤ２１のカソードは容量Ｃ２１、抵抗Ｒ２３、差動増幅器Ａ２２の非反転入力端子に接続されている。容量Ｃ２１、抵抗Ｒ２３はダイオードＤ２１のカソードと接地電圧との間に並列に接続されている。差動増幅器Ａ２２の出力端子は差動増幅器Ａ２２の反転入力端子、差動増幅器Ａ２１の反転入力端子に接続されている。

上述のように構成されたピークホールド回路２２１ａにおいて、検出信号ＶｄはダイオードＤ２１を介して容量Ｃ２１に出力され、容量Ｃ２１には検出信号Ｖｄの最大電圧（ピーク電圧）Ｖｄｍａｘが保持される。抵抗Ｒ２３は、抵抗Ｒ２３および容量Ｃ２１によって定められた時定数で、容量Ｃ２１に蓄積された電荷を接地電圧へ放電する。容量Ｃ２１が最大電圧Ｖｄｍａｘを十分に長い時間保持するためには、抵抗Ｒ２３および容量Ｃ２１の時定数は大きいことが好ましい。一方、時定数が大きすぎると、ピークホールド回路２２１ａの応答性が低下し得る。このため、抵抗Ｒ２３および容量Ｃ２１の時定数は、応答性も考慮して定められることが望ましい。なお、抵抗Ｒ２３に代えて放電用のトランジスタスイッチを容量Ｃ２１に並列に設け、所望のタイミングで容量Ｃ２１の電荷を放電させてもよい。本実施形態において、差動増幅器Ａ２２から出力された最大電圧Ｖｄｍａｘは差動増幅器Ａ２１の反転入力端子にフィードバックされている。このため、最大電圧ＶｄｍａｘはダイオードＤ２１における順方向電圧降下の影響を受けず、ピークホールド回路２２１ａにおけるレベルシフトは生じない。

ボトムホールド回路２２１ｂは差動増幅器Ａ２３、Ａ２４、抵抗Ｒ２４、容量Ｃ２２、ダイオードＤ２２を備える。上述のピークホールド回路２２１ａと異なり、ダイオードＤ２２の極性が逆となっている。すなわち、差動増幅器Ａ２３の出力端子はダイオードＤ２２のカソードに接続され、ダイオードＤ２２のアノードは容量Ｃ２２、抵抗Ｒ２４に接続されている。容量Ｃ２２には検出信号の最小電圧（ボトム電圧）Ｖｄｍｉｎが保持される。容量Ｃ２２、抵抗Ｒ２４の値はそれぞれピークホールド回路２２１ａにおける容量Ｃ２１、抵抗Ｒ２３の値と同等であることが好ましい。差動増幅器Ａ２４の出力端子からは、ダイオードＤ２２の電圧降下分がキャンセルされた最小電圧Ｖｄｍｉｎが出力される。

加算回路２２１ｃは差動増幅器Ａ２５、抵抗Ｒ２５、Ｒ２６を備える。差動増幅器Ａ２５の非反転入力端子は、抵抗Ｒ２５を介して差動増幅器Ａ２２の出力端子に接続され、抵抗Ｒ２６を介して差動増幅器Ａ２４の出力端子に接続されている。また、差動増幅器Ａ２５の出力端子は反転入力端子に接続されている。抵抗Ｒ２５、Ｒ２６の値はそれぞれ等しく、加算回路２２１ｃは最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎの平均電圧Ｖｄａｖｅを生成する。図５において、平均電圧Ｖｄａｖｅは抵抗Ｒ１９を介して差動増幅器Ａ１２の反転入力端子に印加される。差動増幅器Ａ１２は、平均電圧Ｖｄａｖｅと基準電圧Ｖｒｅｆ１との差分である補正値Ｖｏｆｆに応じて基準電圧Ｖｒｅｆ２を出力する。平均電圧Ｖｄａｖｅに基づき基準電圧Ｖｒｅｆを変化させることで、検出信号Ｖｄの平均電圧Ｖｄａｖｅが基準電圧Ｖｒｅｆ１、すなわち中間電圧Ｖｃｃ／２となるように制御される。この例において、基準電圧回路２１１は補正回路２２０の機能を併せ持つ。

図７は本実施形態におけるフォトダイオードの出力信号の一例を表す図である。図７の上段は第１のフォトダイオード群１０Ａの出力信号Ｖｓ１の時間変化を表し、図７の下段は第２のフォトダイオード群１０Ｂの出力信号Ｖｓ２の時間変化を表している。出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２は時間経過とともに、それぞれが正の値で上下に変動を繰り返す。

時刻ｔ１０において、図４に示されたように、スケール５が受光部１に対して相対移動し、受光部１に照射される反射光７がｘ方向に移動し始める。時刻ｔ１０〜ｔ２０において、反射光７が第１のフォトダイオード群１０Ａを横切るに従い、出力信号Ｖｓ１が変化する。時刻ｔ１０〜ｔ１１において、反射光７のうち第１のフォトダイオード群１０Ａに照射される部分が増えるに従い、出力信号Ｖｓ１は上昇する。時刻ｔ１１において、反射光７と第１のフォトダイオード群１０Ａとのｘ方向における位相が一致すると、出力信号Ｖｓ１は最大値になる。時刻ｔ１１〜ｔ２０において、反射光７のうち第１のフォトダイオード群１０Ａに照射される部分が少なくなるに従い、出力信号Ｖｓ１は低下する。時刻ｔ１０〜ｔ２０において、第２のフォトダイオード群１０Ｂには反射光７は照射されないため、出力信号Ｖｓ２は基準電圧のままである。

時刻ｔ２０〜ｔ３０において、反射光７が第２のフォトダイオード群１０Ｂを横切るに従い、出力信号Ｖｓ２がピーク電圧に向かって上昇する。時刻ｔ２１において、反射光７と第２のフォトダイオード群１０Ｂとのｘ方向における位相が一致すると、出力信号Ｖｓ２は最大値になる。時刻ｔ２１〜ｔ３０において、反射光７のうち第２のフォトダイオード群１０Ｂに照射される部分が少なくなるに従い、出力信号Ｖｓ２は低下する。時刻ｔ２０〜ｔ３０において、第１のフォトダイオード群１０Ａには反射光７が照射されないため、出力信号Ｖｓ１は基準電圧のままである。時刻ｔ３０〜ｔ４０において、反射光７が第１のフォトダイオード群１０Ａを横切るに従い、出力信号Ｖｓ１が変化する。以下、同様に、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２が交互に変化する。

図８は本実施形態における検出信号Ｖｄの一例を表す図である。差動増幅回路２１２には図７で示された出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２が入力されるものとする。図５に示されたように、差動増幅回路２１２は基準電圧Ｖｒｅｆ１をバイアス電圧として動作し、検出信号Ｖｄは基準電圧Ｖｒｅｆ１に対して増減を繰り返す。反射光７がフォトダイオード群１０Ａ、１０Ｂに入射されない場合、検出信号Ｖｄは基準電圧Ｖｒｅｆ１となる。

時刻ｔ１０〜ｔ２０において、反射光７が第１のフォトダイオード群１０Ａを横切るに従い、出力信号Ｖｓ１は基準電圧Ｖｒｅｆ１を基準として振幅Ｖａで変化する。このとき、第２のフォトダイオード群１０Ｂの出力信号Ｖｓ２は基準電圧Ｖｒｅｆ１のままであるため、差動増幅回路２１２からの検出信号Ｖｄは出力信号Ｖｓ１に従って変化する。また、時刻ｔ１１において、検出信号Ｖｄは最大電圧Ｖｄｍａｘとなる。

時刻ｔ２０〜ｔ３０において、反射光７が第２のフォトダイオード群１０Ｂを横切るに従い、出力信号Ｖｓ２は基準電圧Ｖｒｅｆ１を基準として振幅Ｖａで変化する。このとき、第１のフォトダイオード群１０Ａの出力信号Ｖｓ１は基準電圧Ｖｒｅｆ１のままであるため、差動増幅回路２１２からの検出信号Ｖｄは出力信号Ｖｓ２に従って変化する。また、時刻ｔ２１において、検出信号Ｖｄは最小電圧Ｖｄｍｉｎとなる。

図８に示されたように、基準電圧Ｖｒｅｆ１は電源電圧Ｖｃｃと接地電圧との１／２の電圧に設定されている。また、図４において述べたように、第１のフォトダイオード群１０Ａ、第２のフォトダイオード群１０Ｂのそれぞれを構成するフォトダイオードの個数は等しい。このため、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の波形は互いに対称となり、検出信号Ｖｄは広いダイナミックレンジを有し得る。検出信号Ｖｄの平均電圧Ｖｄａｖｅは基準電圧Ｖｒｅｆ１に等しくなり、補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２は補正前の基準電圧Ｖｒｅｆ１と一致している。

図９、図１０は本実施形態における光検出装置の動作を説明するための図である。図９は、受光部１に迷光８が照射された状態を表し、図１０は迷光８が照射された場合における検出信号Ｖｄを表している。

上述したように、受光部１にはスケール５における反射光７以外に迷光８が照射され得る。迷光８はハウジング、パッケージなどの部材における反射光、または外乱光であって、反射光７のように必ずしもフォトダイオード群１０Ａ、１０Ｂに均等に照射されない。例えば、図９に示されたように、第１のフォトダイオード群１０Ａにのみ迷光８が入射された場合、第１のフォトダイオード群１０Ａにおける出力信号Ｖｓ１は第２のフォトダイオード群１０Ｂの出力信号Ｖｓ２よりも大きくなり、出力信号Ｖｓ１と出力信号Ｖｓ２は対称ではなくなる。例えば、図１０に示されるように、検出信号Ｖｄにおいて、出力信号Ｖｓ１に対応する信号部分の電圧が上昇し、電源電圧Ｖｃｃにおいて飽和してしまう。光学エンコーダがこのような検出信号Ｖｄを用いて位置検出を行った場合、特に飽和した信号部分において位相を正確に検出することが困難となる。また、検出信号Ｖｄにおいて、出力信号Ｖｓ１に対応する信号部分と出力信号Ｖｓ２に対応する信号部分の対称性が損なわれると、位置検出精度は悪化し得る。本実施形態における光検出装置は、検出信号Ｖｄにおける平均電圧Ｖｄａｖｅを基準電圧回路２１１にフィードバックすることにより、安定した検出信号Ｖｄを出力している。以下、本実施形態における光検出装置の動作を詳述する。

図１０において、検出信号Ｖｄの最大電圧Ｖｄｍａｘは迷光８の影響を受け、最大電圧Ｖｄｍａｘは電源電圧Ｖｃｃで飽和している。一方、検出信号Ｖｄの最小電圧Ｖｄｍｉｎは迷光８の影響を受けていないため、接地電圧に対して十分なマージンを有している。この場合、最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎの平均電圧Ｖｄａｖｅは、電源電圧Ｖｃｃ／２、すなわち基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高くなる。基準電圧回路２１１は平均電圧Ｖｄａｖｅと基準電圧Ｖｒｅｆ１との差分である補正値Ｖｏｆｆに基づき補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２を生成する。基準電圧Ｖｒｅｆ２は、式（４）で表されるように基準電圧Ｖｒｅｆ１から補正値Ｖｏｆｆを減算した電圧で表される。図１０の例においては、補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２は基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも低くなる。差動増幅回路２１２は低下した基準電圧Ｖｒｅｆ２をバイアス電圧として検出信号Ｖｄを出力し、検出信号Ｖｄの信号波形は低電圧側にシフトする。このため、最大電圧Ｖｄｍａｘも低くなり、電源電圧Ｖｃｃで飽和されなくなる。さらに、平均電圧Ｖｄａｖｅは次第に基準電圧Ｖｒｅｆ１に近づき、基準電圧Ｖｒｅｆ１に対して最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎのそれぞれの電圧振幅は対称となる。

迷光８が第２のフォトダイオード群１０Ｂに入射した場合においても本実施形態における効果が同様に得られる。この場合、最小電圧Ｖｄｍｉｎが低くなり、接地電圧でクリップされ得る。平均電圧Ｖｄａｖｅは図１０の場合とは逆に低下し、補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２は基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高くなる。差動増幅回路２１２から出力された検出信号Ｖｄの電圧レベルは電源電圧側にシフトし、平均電圧Ｖｄａｖｅは基準電圧Ｖｒｅｆ１に近づく。基準電圧Ｖｒｅｆ１に対して最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎのそれぞれの電圧振幅は対称となる。また、検出信号Ｖｄの信号波形が電源電圧側にシフトすることで、最小電圧Ｖｄｍｉｎの接地電圧における飽和が解消または低減される。

以上述べたように、本実施形態によれば、受光部１に迷光８が入射した場合において、検出信号Ｖｄのバイアス電圧を制御することで、安定した検出信号を出力することが可能となる。また、本実施形態における光検出装置を光学エンコーダに適用することで、より高精度な位置検出が可能となる。

特に、光検出装置が光学エンコーダに用いられ、光源と受光部とが同一パッケージ内に配される場合、パッケージ内において迷光が発生しやすい。本実施形態における光検出装置は、光源とともにパッケージ内に配される場合に特に有用である。

また、本実施形態における光検出装置において、受光部１、信号処理部２、光源３は共通の基板４に設けられている。このように、受光部１、信号処理部２、光源３を同一パッケージに形成することにより、受光部１および光源３の相対位置を高精度に定めることができ、正確な位置検出が可能となる。

なお、本実施形態における光検出装置は、差動増幅回路２１２の基準電圧Ｖｒｅｆを補正することで検出信号Ｖｄのバイアス電圧を制御しているが、補正の対象となる信号、回路は上述の例に限定されない。例えば、Ｉ−Ｖ変換回路２１０ａ、２１０ｂのゲインまたはオフセット電圧を補正してもよい。すなわち、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２のうち、迷光８の影響を受けた一方のゲインまたはオフセット電圧を低く補正することで、差動増幅回路２１２に入力される出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の対称性を改善することも可能である。

［第２実施形態］
続いて、本実施形態における光検出装置について第１実施形態と異なる構成を中心に説明する。図１１は本実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。信号処理部２は、選択回路２０、検出信号生成部２１、補正部２２を備える。

第１のフォトダイオード群１０Ａ、第２のフォトダイオード群１０Ｂ、選択回路２０、検出信号生成部２１は、第１実施形態と略同様に構成されている。検出信号生成部２１はＩ−Ｖ変換回路２１０ａ、２１０ｂ、基準電圧回路２１１、差動増幅回路２１２を備える。Ｉ−Ｖ変換回路２１０ａは第１のフォトダイオード群１０Ａにおけるフォトダイオード１０の電流を電圧に変換し、出力信号Ｖｓ１を生成する。同様に、Ｉ−Ｖ変換回路２１０ｂは第２のフォトダイオード群１０Ｂにおけるフォトダイオード１０の電流を電圧に変換し、出力信号Ｖｓ２を生成する。

補正部２２は補正回路２２０、ピークホールド回路２２２を備える。本実施形態においては、第１実施形態の平均化回路２２１に代えてピークホールド回路２２２が設けられている。ピークホールド回路２２２は出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２のそれぞれの最大電圧Ｖｓｍａｘ１、Ｖｓｍａｘ２を検出する。補正回路２２０は差動増幅回路を備え、最大電圧Ｖｓｍａｘ１、Ｖｓｍａｘ２の差分に基づく補正値Ｖｏｆｆを生成する。補正回路２２０におけるゲインを「Ａ」とすると、補正値Ｖｏｆｆは次式で表される。
Ｖｏｆｆ＝Ａ×（Ｖｓｍａｘ１−Ｖｓｍａｘ２）／２ （式５）

補正値Ｖｏｆｆは基準電圧回路２１１にフィードバックされる。補正前の基準電圧を「Ｖｒｅｆ１」、補正後の基準電圧を「Ｖｒｅｆ２」とすると、補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２は次式で表される。
Ｖｒｅｆ２＝Ｖｒｅｆ１−Ｖｏｆｆ （式６）

基準電圧回路２１１は、補正値Ｖｏｆｆに基づき基準電圧Ｖｒｅｆを変化させることで、検出信号Ｖｄを補正している。

図１２は本実施形態における補正部２２の回路例である。補正部２２はピークホールド回路２２２ａ、２２２ｂ、補正回路２２０を含む。なお、図５の検出信号生成部２１における出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２はフォトダイオード１０の光電流変化に対して反転した電圧変化を有するが、以下の説明では出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２は光電流変化と同様に正の振幅を有するものとする。

ピークホールド回路２２２ａは差動増幅器Ａ３０、Ａ３１、抵抗Ｒ３１、容量Ｃ３１、ダイオードＤ３１を備える。差動増幅器Ａ３０の非反転入力端子には第１のフォトダイオード群１０Ａの出力信号Ｖｓ１が入力される。差動増幅器Ａ３０の出力端子はダイオードＤ３１のアノードに接続され、ダイオードＤ３１のカソードは容量Ｃ３１、抵抗Ｒ３１、差動増幅器Ａ３１の非反転入力端子に接続されている。容量Ｃ３１、抵抗Ｒ３１はダイオードＤ３１のカソードと接地電圧との間に並列に接続されている。差動増幅器Ａ３１の出力端子は差動増幅器Ａ３０の反転入力端子、差動増幅器Ａ３１の反転入力端子に接続されている。

上述のように構成されたピークホールド回路２２２ａにおいて、出力信号Ｖｓ１はダイオードＤ３１を介して容量Ｃ３１に出力され、容量Ｃ３１には出力信号Ｖｓ１の最大電圧Ｖｓｍａｘ１が保持される。抵抗Ｒ３１は、抵抗Ｒ３１および容量Ｃ３１によって定められ時定数で、容量Ｃ３１に蓄積された電荷を接地電圧へ放電する。抵抗Ｒ３１および容量Ｃ３１の時定数は、出力信号Ｖｓ１の１周期の時間よりも長いことが望ましい。なお、抵抗Ｒ３１に代えて放電用のトランジスタスイッチを容量Ｃ３１に並列に設けてもよい。

同様にピークホールド回路２２２ｂは差動増幅器Ａ３２、Ａ３３、抵抗Ｒ３２、容量Ｃ３２、ダイオードＤ３２を備え、出力信号Ｖｓ２の最大電圧Ｖｓｍａｘ２を出力する。

補正回路２２０は差動増幅器Ａ３４、抵抗Ｒ３３、Ｒ３４、Ｒ３５を備える。差動増幅器Ａ３４の非反転入力端子には抵抗Ｒ３３を介して最大電圧Ｖｓｍａｘ１が入力され、反転入力端子には抵抗Ｒ３４を介して最大電圧Ｖｓｍａｘ２が入力される。抵抗Ｒ３５は差動増幅器Ａ３４の出力端子と反転入力端子に接続されている。差動増幅器Ａ３４は最大電圧Ｖｓｍａｘ１、Ｖｓｍａｘ２の差分に応じた補正値Ｖｏｆｆを出力する。

補正値Ｖｏｆｆは基準電圧回路２１１に入力される。図５において、補正値Ｖｏｆｆは抵抗Ｒ１９を介して差動増幅器Ａ１２の反転入力端子に印加される。差動増幅器Ａ１２は補正値Ｖｏｆｆに応じて基準電圧Ｖｒｅｆ２を出力し、差動増幅回路２１２は補正後の基準電圧Ｖｒｅｆ２を用いて検出信号Ｖｄを生成する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に効果を奏することができる。すなわち、受光部１に迷光８が入射した場合において、検出信号Ｖｄのバイアス電圧を制御することで、安定した検出信号Ｖｄを出力することが可能となる。また、本実施形態における光検出装置を光学エンコーダに適用することで、より高精度な位置検出が可能となる。

本実施形態における光検出装置は、受光部１、信号処理部２、光源３は共通の基板４に設けられている。このように、受光部１、信号処理部２、光源３を同一パッケージに形成することにより、受光部１および光源３の相対位置を高精度に定めることができ、正確な位置検出が可能となる。

本実施形態における補正部２２は差動増幅回路２１２に入力される前の出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２を用いて補正値Ｖｏｆｆを生成している。このため、検出信号Ｖｄが飽和している場合、差動増幅回路２１２から出力された検出信号Ｖｄを用いて補正値Ｖｏｆｆを生成する第１実施形態に比べて補正に要する時間を短くすることができる。

［第３実施形態］
続いて、本実施形態における光検出装置を説明する。本実施形態における光検出装置は、検出信号Ｖｄの補正に加えて、光源３の光量を補正することが可能である。図１３は本実施形態における光源制御回路の図である。光源制御回路３０は、差動増幅器Ａ３０１、トランジスタＴ３０１、容量Ｃ３０１、抵抗Ｒ３０１、Ｒ３０２、Ｒ３０３、Ｒ３０４、Ｒ３０５、Ｒ３０６を備え、光源３の光量を制御可能である。

差動増幅器Ａ３０１の非反転入力端子には、抵抗Ｒ３０１を介して第１のフォトダイオード群１０Ａの出力信号Ｖｓ１が入力され、また抵抗Ｒ３０２を介して第２のフォトダイオード群１０Ｂの出力信号Ｖｓ２が入力される。また、差動増幅器Ａ３０１の反転入力端子には抵抗Ｒ３０４、Ｒ３０５によって分圧された基準電圧が入力される。差動増幅器Ａ３０１の出力端子と反転入力端子との間には抵抗Ｒ３０３、容量Ｃ３０１が並列に接続されている。差動増幅器Ａ３０１の出力端子はトランジスタＴ３０１のベースに接続され、トランジスタＴ３０１のエミッタは抵抗Ｒ３０６を介して接地されている。トランジスタのコレクタと電源電圧との間には光源３が接続されている。

差動増幅器Ａ３０１は出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の加算値を抵抗Ｒ３０３、容量Ｃ３０１の時定数で積分し、トランジスタＴ３０１のベース電圧を変化させる。トランジスタＴ３０１はベース電圧に応じた電流を光源３に流し、光源３の光量を制御する。出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２が検出光量に対して反転して変化する場合、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の振幅が大きくなるに従い、ベース電圧は低下し、光源３の光量は低減される。例えば、図１０に示されるように、検出信号Ｖｄが飽和する場合、光源３の光量は低減される。スケール５による反射光７も弱まり、検出信号Ｖｄの振幅も小さくなる。このため、検出信号Ｖｄの飽和が解消または低減され、安定した検出信号Ｖｄを出力することが可能となる。第１、第２実施形態における検出信号Ｖｄの補正に加えて、光源３の光量を補正することにより、検出信号Ｖｄのダイナミックレンジを効果的に改善することができる。

なお、光源３の光量を小さい値から次第に大きな値へと変化させ、検出信号Ｖｄが飽和する直前の光量を維持してもよい。これにより、検出信号Ｖｄの飽和を避けながら、ダイナミックレンジを最大にすることが可能となる。ここで、検出信号Ｖｄが飽和したか否かは、平均電圧Ｖｄａｖｅと基準電圧Ｖｒｅｆ１との電圧差によって判断し得る。例えば、最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎのいずれかが飽和した場合、平均電圧Ｖｄａｖｅは基準電圧Ｖｒｅｆ１から離れてしまう。このように、光検出装置は平均電圧Ｖｄａｖｅを監視することで、検出信号Ｖｄの飽和を検出し得る。

従って、本実施形態によれば、検出信号のバイアス電圧の補正に加えて、光源の光量を制御することで、さらに効果的に安定した検出信号を生成することが可能となる。

［他の実施形態］
本実施形態における光検出装置は様々な機器および装置に適用可能である。光検出装置は特に光学エンコーダ装置に好適に適用可能であって、光学エンコーダ装置はリニアエンコーダ、回転エンコーダなどその種類を問わない。さらに、光学エンコーダ装置は、撮像装置の光学レンズ、電子写真装置、搬送装置など可動機構を有する装置に適用可能である。

第１実施形態においては、検出信号Ｖｄの最大電圧Ｖｄｍａｘ、最小電圧Ｖｄｍｉｎに基づき平均電圧Ｖｄａｖｅを生成しているが、抵抗素子および容量素子を含む積分回路を用いて検出信号Ｖｄの平均電圧Ｖｄａｖｅを生成してもよい。また、検出信号Ｖｄを所定時間および所定回数サンプリングし、積分された検出信号Ｖｄをサンプリング回数で除算し、平均電圧Ｖｄａｖｅを生成してもよい。さらに、出力信号Ｖｓ１、Ｖｓ２をアナログデジタル変換した後にデジタルデータを演算し、検出信号Ｖｄ、平均電圧Ｖｄａｖｅ、補正値Ｖｏｆｆを算出してもよい。

また、上述の実施形態における光検出装置、光学エンコーダ装置は半導体基板上に形成された半導体装置であってもよい。すなわち、半導体ウエハ上にフォトダイオード、トランジスタ、抵抗、容量などの素子を形成し、光検出装置を半導体装置として構成してもよい。

１ 受光部
１０Ａ 第１のフォトダイオード群
１０Ｂ 第２のフォトダイオード群
２ 信号処理部
３ 光源
４ 基板
５ スケール
２０ 選択回路
２１ 検出信号生成部
２１０ Ｉ−Ｖ変換回路
２１１ 基準電圧回路
２１２ 差動増幅回路
２２ 補正部
２２０ 補正回路
２２１ 平均化回路
２２２ ピークホールド回路

Claims (17)

1. 複数の光電変換素子を含む受光部と、
   前記受光部において第１の光電変換素子群および第２の光電変換素子群を選択する選択回路と、
   前記第１の光電変換素子群における第１の出力信号および前記第２の光電変換素子群における第２の出力信号の差分に応じた検出信号を出力する差動増幅器と、
   前記第１の出力信号および前記第２の出力信号に基づいて前記検出信号を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする光検出装置。
2. 前記補正部は前記第１の出力信号および前記第２の出力信号の前記差分に基づき前記検出信号を補正することを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記補正部は、前記差分に応じた前記検出信号を用いて前記検出信号を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
4. 前記補正部は、前記検出信号の平均電圧を用いて前記検出信号を補正することを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
5. 前記補正部は、前記検出信号の最大電圧および最小電圧から前記平均電圧を求めることを特徴とする請求項４に記載の光検出装置。
6. 前記最大電圧は、前記検出信号において前記第１の出力信号に対応する信号部分の電圧であり、
   前記最小電圧は、前記検出信号において前記第２の出力信号に対応する信号部分の電圧であることを特徴とする請求項５に記載の光検出装置。
7. 前記補正部は、前記検出信号の前記最大電圧を検出するピークホールド回路と、前記検出信号の前記最小電圧を検出するボトムホールド回路とを備え、前記最大電圧および前記最小電圧を加算することで前記平均電圧に基づく補正値を生成することを特徴とする請求項５または６に記載の光検出装置。
8. 前記補正部は、前記検出信号を所定時間において積分することにより前記平均電圧を求めることを特徴とする請求項４に記載の光検出装置。
9. 前記補正部は、前記差動増幅器に入力される前における前記第１の出力信号の第１の最大電圧および前記第２の出力信号の第２の最大電圧を検出するピークホールド回路を備え、前記第１の最大電圧および前記第２の最大電圧の差分に基づく補正値を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
10. 前記差動増幅器にバイアス電圧を供給する基準電圧回路を備え、
    基準電圧回路は前記補正値に基づき前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする請求項９に記載の光検出装置。
11. 前記差動増幅器は、前記第１の出力信号が入力される第１の入力端子と、前記第２の出力信号が入力される第２の入力端子とを備え、
    前記基準電圧回路は、前記第１の入力端子または前記第２の入力端子のいずれかに前記バイアス電圧を供給することを特徴とする請求項１０に記載の光検出装置。
12. 前記差動増幅器は第１の電源電圧および第２の電源電圧によって駆動され、
    前記基準電圧回路は前記第１の電源電圧および第２の電源電圧の中間電圧を基準として前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の光検出装置。
13. 前記第１の光電変換素子群および前記第２の光電変換素子群はそれぞれ同数の前記光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光検出装置。
14. 前記複数の光電変換素子は、所定のパターンを有するスケールにおける反射光を受光するように配列されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光検出装置。
15. 前記スケールに光を照射する光源をさらに備え、前記光源、前記受光部、前記選択回路、前記差動増幅器、および前記補正部は同一のパッケージに設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の光検出装置。
16. 前記スケールに光を照射する光源と、
    前記第１の出力信号および前記第２の出力信号に基づき前記光源の光量を制御可能な光源制御回路とをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の光検出装置。
17. 請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の光検出装置を備え、前記スケールと前記受光部との相対的な位置の変化を検出可能な光学エンコーダ装置。

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