JP2873650B2 - 光学式位置センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一定のラインに沿って
移動する物体の位置を検出する光学式位置センサに関す
る。本発明に係る光学式位置センサは、例えば、カメラ
などのレンズの自動焦点調節やズーム動作時のレンズの
移動におけるレンズ位置を検出する手段として用いられ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の光学式位置センサは光源部と受
光部とを有している。光源部，受光部ともに固定側に設
け、検出物体に向けて光源部から光を出射し、検出物体
で反射してきた光を受光部で検出する方式と、検出物体
に光源部を搭載し、その光源部から出射された光を受光
部で検出する方式とがある。

【０００３】従来例においては、光源部として検出領域
の長さ範囲に匹敵する長さをもつ発光素子アレイを用い
ており、また、受光部として受光素子アレイや半導体光
位置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Detecter)
を用いている。発光素子アレイは、検出領域の全範囲を
均等に照射するため、検出領域の長さ範囲に応じて多数
個の発光ダイオードを列状に並べて基板上に配線し、そ
れら発光ダイオードの上にシリンドリカルレンズを配置
して構成されたものである。受光素子アレイはフォトダ
イオードなどの受光素子を多数個列状に並べたものであ
る。受光部を受光素子アレイとするのは、そのもの自体
で検出領域長手方向位置の識別性（位置検出機能）をも
たせるためである。ＰＳＤは光の入射位置を電流の比と
して出力するものである。なお、光源部を検出物体に搭
載する場合には、光源部としては単一の発光素子でもよ
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来例において、受光
部として用いられている受光素子アレイは、そのもの自
体で検出領域長手方向位置の識別性（位置検出機能）を
有するものでなければならず、検出領域の長さ範囲に応
じて多数の受光素子を必要とするためにコスト高につく
とともに、結線も多いので構造が複雑になっている。一
方、ＰＳＤは受光素子アレイより結線は簡素であるが、
高コストである。また、光源部として用いられている発
光素子アレイは、検出領域の全範囲を均等に照射するた
めに検出領域の長さ範囲に応じた多数の発光ダイオード
を必要とすることになり、やはりコストが高くつくとと
もに、消費電力も多く必要とする。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みて創案さ
れたものであって、結線面での簡素化を図るとともに、
コストダウンと省電力を図ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光学式位置
センサは、光源部およびこの光源部からの出射光を長手
方向に沿って導入し反射により検出領域に向け平行光束
として導出する導光部からなる出射光学系と、前記導光
部からの光を反射する前記検出領域の検出物体からの反
射光を入射して散乱させる光散乱部およびこの光散乱部
に接合された受光部からなる入射光学系とを備え、前記
出射光学系または入射光学系において検出領域の長手方
向に沿って光強度分布を連続的もしくは段階的に変化さ
せる光強度調節素子を設けてあることを特徴とするもの
である。

【０００７】

【作用】光強度調節素子は光強度分布を検出領域の長手
方向に沿って連続的もしくは段階的に変化させるもので
あり、かつ、入射光学系の光散乱部は入射光を散乱させ
て受光部に導くものであるから、光散乱部に入射し受光
部で受光された検出物体からの反射光の強度は検出領域
における検出物体の位置に対応したものとなる。

【０００８】したがって、入射光学系の受光部としては
そのもの自体で検出領域長手方向位置の識別性（位置検
出機能）を有するものでなくてもよく、単一の受光素子
であっても、その受光光強度に基づいて検出物体の位置
が測定されることになる。そして、出射光学系の光源部
としては検出領域の全範囲を均等に照射するものでなく
てよく、数個もしくは１個の発光素子で充分である。

【０００９】

【実施例】以下、本発明に係る光学式位置センサの実施
例を図面に基づいて詳細に説明する。

【００１０】第１実施例 図１は第１実施例の光学式位置センサの外観を示す斜視
図である。この光学式位置センサは、出射光学系Ａと入
射光学系Ｂとから構成されている。出射光学系Ａは光源
部１と導光部２とからなり、入射光学系Ｂは光散乱部３
と受光部４とからなっている。導光部２は図２に示すよ
うに検出領域Ｃの長手方向（Ｚ方向）に沿うものであ
り、導光部２の長さが検出領域Ｃの長さ範囲に匹敵して
いる。導光部２はガラスやアクリル樹脂などの高透光性
材料で直方体状に形成されており、その長手方向の一端
側面に光源部１が取り付けられている。導光部２の底面
には一体成形等によりフレネルミラー５が形成されてい
る。導光部２は、図２に示すように光源部１からの出射
光をその長手方向に沿って導入し、フレネルミラー５に
よって反射し、上面の出射面２ａからその上方の検出領
域Ｃに向けて光を出射するものである。これにより、検
出領域Ｃで移動する検出物体ｍに対して光が照射される
ことになる。光散乱部３は導光部２と同一長さの直方体
状であり、透光性樹脂に散乱剤を混入して白濁させるこ
とにより、図３に示すように検出物体ｍからの反射光を
入射して一様に散乱させるものである。光散乱部３は導
光部２の横側部に位置している。導光部２の側面であっ
て光散乱部３との境界になる面にはアルミニウムや銀な
どの反射率の高い反射膜６がスパッタや蒸着などの方法
によって形成され、導光部２から直接に光散乱部３に光
が導入されるのを防いでいる。光散乱部３の底面の中央
部には受光部４が取り付けられている。光散乱部３はそ
の上面の入射面３ａから入射し内部で散乱させた光を、
その入射位置のいかんにかかわらず確実に受光部４に導
くものである。

【００１１】図４は光源部１の構造を示す一部破断の斜
視図、図５はその垂直断面図、図６は光源部１を裏側か
ら見た斜視図である。液晶ポリマーなどの耐熱性に優れ
た遮光性樹脂製ハウジング７を射出成形する際に、その
一側面側から凹部８を形成してある。その凹部の内底面
にアルミニウムや銀等を蒸着したりメッキしたりして導
電性反射膜９を形成してある。その導電性反射膜９の一
部分をフォトエッチング等の手法を用いて帯状に除去し
電気絶縁帯１０を形成し、この電気絶縁帯１０によって
二分された導電性反射膜９の各々を第１および第２の配
線パターン９ａ，９ｂとしてある。第１の配線パターン
９ａの上面に銀ペーストなどの導電性接着剤１１を介し
て数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子１２
がマウントされその一方の電極が電気的に接続されてい
る。発光素子１２の他方の電極は第２の配線パターン９
ｂに対して金線１３のワイヤボンディングにより接続さ
れている。第１および第２の配線パターン９ａ，９ｂは
それぞれ遮光性樹脂製ハウジング７の外側側面を通り裏
面に至って第１および第２の電極１４ａ，１４ｂとなっ
ており、外部の端子に対して電気的に接続可能となって
いる。配線パターンとして用いられている導電性反射膜
９は、発光素子１２から側面方向に発せられた光を前方
（導光部２）へ向けて反射する反射鏡にもなっている。
数個の発光素子１２や金線１３などはエポキシ樹脂など
の透光性樹脂１５の充填によって一体的に封止されてい
る。発光素子１２が数個であるということは、従来例の
光源部を構成していた発光素子アレイの素子数に比べて
非常に少ないといえる。以上のように構成された光源部
１を、その透光性樹脂１５において導光部２の長手方向
一側面に接合し、出射光学系Ａを構成している。光源部
１は、それに内蔵封止の数個の発光素子１２が縦方向に
並ぶ姿勢で導光部２に接合されている。

【００１２】導光部２におけるほぼ平面的な底面に断面
形状が鋸歯状のフレネルミラー５が一体的に形成されて
いる。このフレネルミラー５の鋸歯の角度は、図７に示
すように、α＝３５〜４５°、β＝３５〜４５°の範囲
内で一定に統一してある。したがって、各鋸歯部から出
射され出射面２ａを介して検出領域Ｃに向かう出射光は
平行光束となる。鋸歯のピッチは１ｍｍ以下に設定して
ある。フレネルミラー５は、鋸歯状断面部に対してアル
ミニウムや銀などの反射率の高い反射膜をスパッタや蒸
着することにより形成されている。このフレネルミラー
５の面と反射膜６の面とを除いて他の面には反射膜は形
成されていない。また、フレネルミラー５の面を除く５
つの面はすべて滑らかな面に形成されている。

【００１３】図８は入射光学系Ｂの分解状態の斜視図、
図９は受光部４を裏側から見た斜視図である。エポキシ
樹脂などの透光性樹脂にＳｉＯ₂ の粉末などの散乱剤を
混入して白濁させた光散乱部３は、入射面３ａと受光部
ハウジング１７の接合面部３ｂとを除いた外周面全体に
アルミニウムや銀などの反射膜１６（図３参照）が形成
され、外部への光の漏れを防止している。受光部ハウジ
ング１７は液晶ポリマーなどの耐熱性に優れた遮光性樹
脂から射出成形する際に、その一側面側から凹部１８を
形成し、その凹部１８の内底面にアルミニウムや銀等を
蒸着したりメッキしたりして導電性反射膜１９ａ，１９
ｂを形成し、これらの導電性反射膜を配線パターンとし
て受光素子２０を電気的に接続してある（図３参照）。
受光素子２０としては、位置検出機能（検出領域長手方
向位置の識別性）をもたず、単に光量に応じて電気量が
可変するフォトダイオードやフォトトランジスタなどが
用いられる。一対の導電性反射膜１９ａ，１９ｂはそれ
ぞれ受光部ハウジング１７の外側側面を通り裏面に至っ
て第１および第２の電極２１ａ，２１ｂとなっており、
外部の端子に対し電気的に接続可能となっている。受光
部ハウジング１７は光散乱部３の透明なままの接合面部
３ｂに接合され受光部４を構成している。

【００１４】次に、動作を説明する。出射光学系Ａにお
ける光源部１に内蔵されている数個の発光素子１２から
出射された光は透光性樹脂１５を介して導光部２に対し
その長手方向に沿って導入される。図２に示すように、
導光部２に導入された光は、直接的にフレネルミラー５
に入射し、また、各面で全反射または反射されて、すな
わち、発光素子１２から入射した光が不要領域へ発散す
ることを極力抑える状態でフレネルミラー５に入射す
る。フレネルミラー５に入射した光は、フレネルミラー
５によって出射面２ａに垂直な方向に反射され、出射面
２ａを通して検出領域Ｃへと出射される。不要領域への
発散が抑制されているから、照明に寄与する光量が大き
く、発光素子１２の１個当たりの出射光の利用効率が高
いものとなっている。フレネルミラー５における各鋸歯
部からの反射光の光束密度は、図示のとおり光源部１に
近いほど高く、光源部１から離れるに従って低くなって
いく。すなわち、図１０に示すように、出射される光強
度分布が検出領域Ｃの長手方向（Ｚ方向）に沿って連続
的に変化（減少）していくような出射状態となる。した
がって、この実施例の場合においては、平面上に形成さ
れたフレネルミラー５が光強度調節素子を構成している
といえる。

【００１５】検出領域ＣにおいてＺ方向に移動する検出
物体ｍがあると（検出物体ｍは静止していてもよい）、
出射面２ａからの出射光は検出物体ｍによって反射され
る。

【００１６】図１０のような光強度分布であるから、検
出物体ｍがＺ方向において光源部１に近い場合ほど反射
光の強度は強くなる。その反射光は入射光学系Ｂにおけ
る光散乱部３に対してその入射面３ａから入射され、内
部で一様に散乱される。光散乱部３の内部は、入射され
た光量に比例した明るさとなる。そして、その散乱光は
受光部ハウジング１７内の受光素子２０に入射する。受
光素子２０に入射する光強度は、検出物体ｍがＺ方向に
おいて光源部１に近いほど強く、光源部１から遠ざかる
につれて次第に弱くなっていく。受光素子２０における
受光強度とＺ方向における検出物体ｍの位置Ｌｚとの関
係は図１１のようになる。この場合において検出物体ｍ
の位置Ｌｚの定め方としては、図１２に示すように導光
部２における光源部１側の端面を原点Ｏとし、検出物体
ｍが右側へ移動するに従ってＬｚの値が大きくなるよう
に定めるものとする。

【００１７】以上のようにして、受光素子２０が受光素
子アレイやＰＳＤ（半導体光位置検出素子）などと違っ
て、検出領域長手方向位置の識別性（位置検出機能）を
有していない単一のフォトダイオードやフォトトランジ
スタであるにもかかわらず、受光素子２０において発生
する電気量の大きさにより、検出物体ｍが検出領域Ｃに
おいてＺ方向でどの位置にあるかを測定することができ
るのである。

【００１８】そして、光源部１としては、発光素子アレ
イのように検出領域の全範囲を均等に照射するものであ
る必要はなく、数個の発光素子１２で充分であり、検出
領域Ｃの長さ範囲に連続的にわたる必要はないのであ
る。発光素子１２は数個であり、受光素子２０は１個で
あるため、結線がきわめて簡素化され、また、コストダ
ウンおよび省電力も大いに促進される。

【００１９】第２実施例 図１３は第２実施例の光学式位置センサの外観を示す斜
視図である。出射光学系Ａは、第１実施例と同様の光源
部１と、底面のフレネルミラーが光源部１から遠ざかる
ほど上位となる滑らかな湾曲面上に形成された湾曲フレ
ネルミラー５ａとして構成されている導光部２と、光源
部１から遠ざかるほど厚みが大きくなりしたがって光の
透過率が連続的に低下する可変透過率フィルター３０と
からなり、可変透過率フィルター３０は導光部２の上面
に接合されている。すなわち、可変透過率フィルター３
０が出射光学系Ａにおける光強度調節素子を構成してい
る。入射光学系Ｂは第１実施例と同様の光散乱部３と受
光部４とから構成されている。

【００２０】導光部２の底面に形成された湾曲フレネル
ミラー５ａは、図１４，図１５に示すように、光源部１
から入射した光を導光部２の長手方向（Ｚ方向）で一様
で均一な光強度分布とするように構成されている。湾曲
フレネルミラー５ａの各鋸歯部から反射された光は導光
部２の出射面２ａに垂直な平行光束となっている。導光
部２がガラスやアクリル樹脂などの高透光性材料から作
られている点は第１実施例と同様である。

【００２１】そして、そのような均一分布の出射状態を
呈する導光部２の出射面２ａに上記したようにまた図１
６にも示すように厚みが光源部１から遠ざかるにつれて
大きくなる結果、光の透過率が連続的に減少する可変透
過率フィルター３０を接合してあるので、この可変透過
率フィルター３０を透過して検出領域Ｃに出射される光
の強度分布は最終的に図１６に示すように光源部１から
遠ざかるにつれて連続的に減少する傾向をもった分布と
なる。可変透過率フィルター３０としては比較的透過率
の低い材料を用いる。機能面では、原理的に第１実施例
と同様であるので説明を省略する。

【００２２】第３実施例 図１８は第３実施例の光学式位置センサの外観を示す斜
視図、図１９はその垂直断面図である。出射光学系Ａ
は、第１実施例と同様の光源部１と、第２実施例と同様
の底面が湾曲フレネルミラー５ａとして構成されている
導光部２とから構成されている。また、入射光学系Ｂ
は、第１実施例と同様の光散乱部３および受光部４と、
光源部１から遠ざかるほど厚みが大きくなりしたがって
光の透過率が連続的に低下する可変透過率フィルター３
０とから構成されている。可変透過率フィルター３０は
光散乱部３の入射面３ａに接合されている。すなわち、
可変透過率フィルター３０が入射光学系Ｂにおける光強
度調節素子を構成している。

【００２３】導光部２の底面に形成された湾曲フレネル
ミラー５ａは、第２実施例の場合の図１４と同様に、光
源部１から入射した光を導光部２の長手方向（Ｚ方向）
で一様で均一な光強度分布とするように構成されてい
る。湾曲フレネルミラー５ａの各鋸歯部から反射された
光は導光部２の出射面２ａに垂直な平行光束となってい
る。

【００２４】Ｚ方向に均一分布の状態で検出領域Ｃに出
射され、検出領域Ｃにある検出物体ｍによって反射され
た光の分布もＺ方向で均一となる。しかし、その反射光
が可変透過率フィルター３０を透過する際に、検出物体
ｍのＺ方向位置に応じた光の減衰を受ける。そのときの
光強度分布は図１７に示すのと同様となる。すなわち、
光源部１から遠ざかるにつれて連続的に減少する傾向を
もった分布となる。そのあとは、第１実施例と同様であ
り、光散乱部３に入射して一様に散乱されたときの光散
乱部３の内部の明るさは、可変透過率フィルター３０の
厚み（透過率）の影響を受ける。すなわち、検出物体ｍ
のＺ方向位置の影響を受ける。受光部ハウジング１７内
の受光素子２０に入射する光強度は、検出物体ｍがＺ方
向において光源部１に近いほど強く、光源部１から遠ざ
かるについて次第に弱くなっていく。受光素子２０にお
ける受光強度とＺ方向における検出物体ｍの位置Ｌｚと
の関係は第１実施例の図１１，図１２と同様である。機
能面では、原理的に第１実施例と同様であるので説明を
省略する。

【００２５】なお、第２実施例と第３実施例において、
可変透過率フィルター３０として厚み（透過率）が連続
的に変化するものに代えて、段階的に変化するものを用
いてもよい。第１実施例において、フレネルミラー５と
して光強度分布を段階的に変化させるものを用いてもよ
い。また、各種の用途に応じて、可変透過率フィルター
３０の形状もしくは透過率を適当に変更調節することに
より光強度分布の曲線を任意の形状にすることも可能で
ある。

【００２６】また、光強度分布の変化が連続的にしろ段
階的にしろ、Ｚ方向に向かって減少させる代わりに増加
させるように構成してもよい。さらに、上記各実施例で
は固定側に光学式位置センサを設けることを前提とした
が、移動する検出物体側に設けてもよいものである。ま
たは導光部２の形状を適切に定めることにより、任意の
検出領域に対して光源部１からの光を分配することも可
能である。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光源部
としては検出領域の長さ範囲に匹敵する長さおよび個数
をもつものである必要はなく、少数または単一の発光素
子ですむ。また、受光部としても受光素子アレイのよう
に検出領域長手方向位置の識別性（位置検出機能）を有
する必要はなく、単に受光光強度を検出できる受光素子
が１つあればよい。もちろんＰＳＤなどを用いる必要は
ない。したがって、結線面での簡素化を図ることができ
るとともにコストダウンおよび省電力を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光学式位置センサの
外観を示す斜視図である。

【図２】第１実施例において導光部内での光の進み方を
示す側面図である。

【図３】第１実施例ないし第３実施例における光散乱部
内での光の進み方を示す断面図である。

【図４】第１実施例ないし第３実施例における光源部の
構造を示す一部破断の斜視図である。

【図５】上記光源部の構造を示す垂直断面図である。

【図６】上記光源部を裏側から見た斜視図である。

【図７】フレネルミラーの拡大図である。

【図８】第１実施例ないし第３実施例における光散乱部
と受光部との分解状態の斜視図である。

【図９】受光部を裏側から見た斜視図である。

【図１０】第１実施例において出射光学系から出射され
る光強度分布の特性図である。

【図１１】第１実施例ないし第３実施例において受光素
子において受光強度と検出物体の位置との関係を示す特
性図である。

【図１２】検出物体の位置の定め方の説明図である。

【図１３】第２実施例に係る光学式位置センサの外観を
示す斜視図である。

【図１４】第２実施例および第３実施例において導光部
内での光の進み方を示す側面図である。

【図１５】第２実施例および第３実施例において導光部
の出射面から出射される光強度分布の特性図である。

【図１６】第２実施例および第３実施例で用いられる可
変透過率フィルターの側面図である。

【図１７】第２実施例において可変透過率フィルターか
ら出射される光強度分布を示す特性図であるとともに、
第３実施例において可変透過率フィルターに入射した光
強度分布を示す特性図である。

【図１８】第３実施例に係る光学式位置センサの外観を
示す斜視図である。

【図１９】第３実施例の光学式位置センサにおける入射
光学系の垂直断面図である。

【符号の説明】

Ａ……出射光学系、Ｂ……入射光学系、Ｃ……検出領
域、ｍ……検出物体、１……光源部、２……導光部、３
……光散乱部、４……受光部、５……フレネルミラー、
５ａ……湾曲フレネルミラー、６……反射膜、７……遮
光性樹脂製ハウジング、９……導電性反射膜、１０……
電気絶縁帯、１１……導電性接着剤、１２……発光素
子、１５……透光性樹脂、１６……反射膜、１７……受
光部ハウジング、２０……受光素子、３０……可変透過
率フィルター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−18217（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−258705（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−134716（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/00 - 3/32

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源部およびこの光源部からの出射光を
   長手方向に沿って導入し反射により検出領域に向け平行
   光束として導出する導光部からなる出射光学系と、前記
   導光部からの光を反射する前記検出領域の検出物体から
   の反射光を入射して散乱させる光散乱部およびこの光散
   乱部に接合された受光部からなる入射光学系とを備え、
   前記出射光学系または入射光学系において検出領域の長
   手方向に沿って光強度分布を連続的もしくは段階的に変
   化させる光強度調節素子を設けてあることを特徴とする
   光学式位置センサ。