JP2875138B2

JP2875138B2 - 光電変換方法およびその装置

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Publication number: JP2875138B2
Application number: JP19261493A
Authority: JP
Inventors: 育夫西本
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1999-03-24
Anticipated expiration: 2014-03-24
Also published as: JPH0749211A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光の位置を検出する
光電変換方法およびその装置に係り、とくに一次元の光
電変換に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は光位置検出素子の動作原理を説明
する断面図、図１０は図９の光位置検出素子の特性を説
明する特性図、図１１は位置検出用の光電スイッチの基
本的な動作を説明するために単線を以て描いた構成図、
図１２は光電スイッチの被検出物体までの距離Ｘと受光
面上の輝点の位置との関係を示す特性図である。従来、
光の位置を検出するものとして、特公昭５８−４２４１
１号公報に見られるＰＳＤすなわち光位置検出素子（受
光エレメント）１０がある。この光位置検出素子１０は
図９に示すような構成を有し、この光位置検出素子１０
のある位置に光が入射すると光位置検出素子１０より２
つの電流出力Ｉａ、Ｉｂがえられ、光位置検出素子１０
の有効長をＬとすると、光位置検出素子１０の光の入射
位置Ｙは次の関係式より求められる。（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）＝２Ｙ／Ｌ・・・・・・・・・・（１）関係式（１）を図に示すと図１０のようになる。このよ
うに光位置検出素子１０は電気的に光の入射位置Ｙを求
めることができるので広く使用されており、図１１に示
すような、光電スイッチに適用される。

【０００３】すなわち図１１において、光電スイッチ１
はレンズ系２、投光部３、受光部４および信号処理部５
を有している。一般にこの種の光電スイッチは被検出物
体の有無を検出するのに用いられる。例えばコンベアに
近接して設けら、そのコンベアによって搬送されるコン
ピュータ用のモニタ等の有無を検出する。そして投光部
３から発せられた光は被検出物体６、すなわち６Ａ、６
Ｂ上に輝点を作り、さらにこの被検出物体６により反射
された光はレンズ系２を介して受光部４の受光面上に輝
点像を形成する。被検出物体６までの距離Ｘが変わる
と、受光面上の輝点像の位置Ｙが動く。よって、受光面
上の輝点像の位置Ｙを判定することにより、その輝点像
が被検出物体６によるものか、あるいは光電スイッチ１
から見て、この被検出物体６よりも遠い位置にある背景
７によるものかが判定できる。したがって輝点像の位置
Ｙを判定するために図９に示す光位置検出素子１０は受
光部４の受光面上に配設される。そして輝点像の位置Ｙ
が所定値より大きいときに光電スイッチは検出信号を発
する。この方式の光電スイッチは、受光面上の光量を検
出する方式の光電スイッチと比べ、被検出物体６表面反
射率が変わっても検出距離がほとんど変動せず、また反
射率が大きい背景７の手前にある反射率の少ない被検出
物体６の検出が安定して検出できる等極めて優れた特徴
を有するが、反面次のような問題点を有する。

【０００４】被検出物体６までの距離Ｘと受光面上の輝
点像の位置Ｙとの関係は図１２に示すように非線形であ
る。すなわち、被検出物体６までの距離Ｘが小さいとき
には被検出物体６までの距離Ｘに対して受光面上の輝点
像の位置Ｙの変化が大きいので光位置検出素子１０の２
つの出力電流Ｉａ、Ｉｂの変化量が大きいので、受光面
上の輝点像の位置Ｙが精度よく演算でき、被検出物体６
までの距離Ｘを精度良く判定できるが、被検出物体６ま
での距離Ｘが大きいときにはこの被検出物体６までの距
離Ｘに対して受光面上の輝点像の位置Ｙの変化が小さい
ので光位置検出素子１０の２つの出力電流Ｉａ、Ｉｂの
変化量が小さく、このため受光面上の輝点像の位置Ｙが
精度よく演算できず、被検出物体６までの距離Ｘが小さ
いときに比べ、被検出物体６までの距離Ｘを精度良く判
定できない。もっとも投光軸から受光部４までの距離を
大きくすると改善されるが、光電スイッチが大きくなる
欠点がある。さらに受光面上の輝点の明るさは被検出物
体６までの距離Ｘが大きいとそれだけ暗くなり、いきお
いノイズの影響が大きくなり被検出物体６までの距離Ｘ
の判定精度が落ち、光電スイッチ長距離化を図ることが
できない。

【０００５】この問題点を解決するために、ｎ（ｎ＞
２）個の受光エレメント（Ｓ）を所定の方向に配列し、
各受光エレメント１０１、１０２、・・・、１０ｎの各
光電流Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎを所定比率ｋ１と１−
ｋ１、ｋ２と１−ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割し
てそれぞれ第１、第２の光電流出力端に導き、ｋ１＞
０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜
ｎ）なる関係を保って上記所定比率を制御することを特
願平４−１５４０１４号で出願した。

【０００６】図５は特願平４−１５４０１４号の発明の
ブロック図、図６は図５における分流部と分流制御部を
より具体的に示す回路図、図７は受光部に配列される受
光エレメントの配列を示す平面図、図８は受光部の光位
置検出感度を説明する特性図である。図５において受光
部４の出力端には分流部１２が接続され、さらにこの分
流部の出力端には差動アンプ部１３が接続される。また
分流部１２にはこの分流部を制御するための分流制御部
１４が接続される。さらに分流制御部１４には設定部２
６が接続される。そしてこの設定部２６の一部には操作
部１５が設けられる。なおこの設定部２６は言うまでも
なく、分流制御部１４とともに、回路的に一体に形成す
ることも可能であるが、理解を容易にするために分流制
御部１４と分離して画かれている。また受光部４の受光
エレメントは例えば、図７に示されるように多数の受光
エレメント１０すなわち１０１、１０２、１０３・・・
１０ｎを特定方向に配列して構成される。各受光エレメ
ント１０１、１０２、１０３・・・１０ｎからの光電流
は分流部１２に供給され、この分流部１２により所定の
比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）
に分けられ、第１、第２、第３、第４の光電流出力端に
接続される。すなわち、多数の受光エレメント１０１、
１０２、１０３・・・１０ｎからの多数の光電流は４つ
の光電流信号Ｉｔ１、Ｉｔ２、Ｉｔ３、Ｉｔ４に変換さ
れる。これ以後の信号処理は例えば、光電流信号Ｉｔ
１、Ｉｔ２を用い距離の演算などを行なう。図６におい
て、ａ点にボルツマン電圧Ｖｔ（＝ｋＴ／ｑ）に比例し
た電圧αＶｔが生じ、トランジスタＱ１とトランジスタ
Ｑ２の大きさの比によりαが決まることが知られてい
る。よってｂ点の電圧は抵抗Ｒｒｅｆの大きさによらず
αＶｔとなる。抵抗Ｒｐと可変抵抗ＶＲ１との合成抵抗
値と抵抗Ｒｒｅｆとの比によりｃ点に電圧が生じる。ｃ
点の電圧は所定値だけシフトされｄ点の電圧となる。こ
の電圧を設定電圧と呼ぶ。可変抵抗ＶＲ１の大きさを変
えると設定電圧はそれに応じて連続的に変化する。抵抗
Ｒ１に流れる電流に比例した電流がｅ点より流れるので
ｆ点、ｇ点、ｈ点の順に電圧が小さくなっていき、その
電圧差は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｊの比とボルツマン電圧Ｖｔ
とで決まる一定値である。この電圧が参照電圧となる。
この図においてＲｊとその前後の計３つの抵抗だけしか
示していないが、受光エレメント１０の数だけこの抵抗
が直列に接続される。多数の受光エレメント１０１、１
０２、１０３・・・１０ｎのうちｊ番目とその前後の計
３つを示して残りの受光エレメントは省略してある。ま
た、分流部１２も同様にｊ番目の差動増幅器１３ｊを１
つの単位とする分流器１２ｊを中心にその前後の１２
（ｊ＋１）、１２（ｊ−１）の計３つだけを示してあ
る。各分流器はエミッタをたがいに接続した一対のトラ
ンジスタを有する。このエミッタに各受光エレメントが
接続され、各トランジスタの一方のコレクタが第１の電
流出力端ｐに接続され、各トランジスタの他方のコレク
タが第２の電流出力端ｑに接続される。これによりｎ個
の受光エレメントのｎ本の光電流信号はｐ、ｑの２つの
信号に変換される。各トランジスタの一方のベースには
参照電圧を他方のベースには設定電圧が与えられる。設
定電圧は各分流器とも同一の電圧であるが、参照電圧は
各分流器で所定の電位差を持っていてその差はボルツマ
ン電圧Ｖｔの定数倍したものである。

【０００７】今、可変抵抗ＶＲ１の値により設定電圧が
ｊ番目の参照電圧Ｖｊに近い場合を考える。隣り合った
分流器１２（ｊ＋１）、１２（ｊ−１）の参照電圧の差
を適当に設計することにより、１番目からｊ−２番目ま
での全ての分流器の参照電圧Ｖｊは設定電圧より十分小
さく受光エレメント１０の光電流のほとんどすべてを第
１の電流出力端ｐに、ｊ＋２番目からｎ番目までの全て
の分流器の参照電圧は設定電圧より十分大きく受光エレ
メント１０の光電流のほとんどすべてを第２の電流出力
端ｑに分流していると見なすことができる。ｊ−１番目
の分流器１２（ｊ−１）の参照電圧Ｖｊ−１は設定電圧
より低いので受光エレメント１０の光電流を第１の電流
出力端ｐに電流の多くを分流し、ｊ＋１番目の分流器１
２（ｊ＋１）の参照電圧Ｖｊ＋１は設定電圧より高いの
で受光エレメント１０の光電流を第２の電流出力端ｑに
電流の多くを分流する。ｊ番目の受光エレメントの光電
流は第１の電流出力端ｐと第２の電流出力端ｑに分流
し、その比率はＶＲ１の値により連続的に設定すること
ができる。このようにすることで第１の電流出力端ｐの
電流をＩａ、第２の電流出力端ｑの電流をＩｂとする
と、図８に示すようにｊ番目近傍の入射光の位置に対し
ては入射光位置の変化に対して敏感な出力特性が得られ
る。すなわち、ｊ番目近傍は受光部全長がＬe に小さく
なった光位置検出素子の特性と等価であり、Ｌ／Ｌe倍
の感度が得られる。

【０００８】このように特願平４−１５４０１４号で
は、ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントからの光電流は第
１の光電流出力端と第２の光電流出力端に分流される
が、ｋ１＞０．５であるので１番目の受光エレメントか
らの光電流の多くは第１の光電流出力端に流れ、０．５
＞ｋｎであるのでｎ番目の受光エレメントからの光電流
の多くは第２の光電流出力端に流れる。ｋｍ≦ｋｐ（ｐ
＝ｍ−１；ｍ＝２〜ｎ）であるので１番目とｎ番目の途
中の位置で第１の光電流出力端より第２の光電流出力端
へ分流する比率が多くなるところがあり、この位置で受
光部４を２つに分割し、一方が第１の光電流出力端に光
電流を、他方が第２の光電流出力端に光電流を与える２
分割の受光エレメントと等価となる。分流制御部１４で
決まる比率ｋｊ（ｊ＝１〜ｎ；０≦ｋｊ≦１）により等
価的な分割位置が決められるものである。これは全体と
して光を受けて第１の電流出力端ｐと第２の電流出力端
ｑからの２つの出力を有する受光素子と等価であり、所
定の位置の光位置検出感度が図７および図８からＬ／Ｌ
e 倍になり高感度となる位置ｓを設定器で所望の位置に
設定できる。

【０００９】ところで、図８において光位置検出感度が
高い区間ｓ以外の受光面にある受光エレメント１０はな
くてもよい場合があり、またないほうが良い場合もあ
る。すなわち、投光部３からの光が例えばパルス光であ
れば太陽光などの光の直流成分は電気的に弁別は理論的
には可能だが、実際には直流成分が大きすぎると回路が
飽和するので直流成分の許容限界値がある。また、直流
成分の電流によりショットノイズなどの回路ノイズが生
じる。さらに、投光部３からの光以外の交流光が余分に
光電変換されるのでこれもノイズとなる。受光エレメン
トアレーの全長Ｌを小さくすれば上記問題は軽減される
が、それだけ高感度となる位置の設定範囲が狭くなりこ
の設定範囲が広いことが必要な用途には適用できない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、図
８において光位置検出感度が高い区間ｓの設定範囲を広
くすると不必要に長い受光部となり不要な光がそれだけ
入りやすくなる。

【００１１】この発明は、特願平４−１５４０１４号の
受光エレメントアレーの全長Ｌを短くすることなく、設
定された光位置検出感度の高い点を境にして、この点か
ら特定の距離より近い部分の受光エレメントからの電流
のみを信号として扱うことで等価的に短い受光部を得る
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光電変換
方法およびその装置は、従来の光位置検出素子に代え、
受光エレメントを用いるもので、請求項１における光電
変換方法は、ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメント１０
（ｊ）｛ｊ＝１〜ｎ｝を所定の方向に配列し、各受光エ
レメント１０（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１
（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割
してＩ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４
（ｊ）とし、それぞれ第１、第２、第３、第４の光電流
出力端に導き、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３
（ｊ）とｋ４（ｊ）がｋ１（ｊ）＋ｋ２（ｊ）＋ｋ３
（ｊ）＋ｋ４（ｊ）＝１でありかつｋ３（ｊ）／ｋ１
（ｊ）、ｋ１（ｊ）／ｋ２（ｊ）並びにｋ２（ｊ）／ｋ
４（ｊ）がｊと共に減少し、ｋ１（１）＞ｋ２（１）、
ｋ１（ｎ）＜ｋ２（ｎ）とする。

【００１３】請求項２の光電変換装置は、ｎ（ｎ＞２）
個の受光エレメント１０（ｊ）｛ｊ＝１〜ｎ｝を所定の
方向に配列した受光部と、各受光エレメント１０（ｊ）
の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ
３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割してＩ１（ｊ）、Ｉ２
（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４（ｊ）とするｊ個の分流器
を有する分流部と、上記Ｉ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３
（ｊ）及びＩ４（ｊ）をそれぞれ集めた第１、第２、第
３、第４の光電流出力端と、分流率を設定する設定部
と、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ
４（ｊ）を設定する分流制御部とを備えている。しかも
分流器の上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）
とｋ４（ｊ）はｋ１（ｊ）＋ｋ２（ｊ）＋ｋ３（ｊ）＋
ｋ４（ｊ）＝１でありかつｋ３（ｊ）／ｋ１（ｊ）、ｋ
１（ｊ）／ｋ２（ｊ）並びにｋ２（ｊ）／ｋ４（ｊ）は
ｊと共に減少し、ｋ１（１）＞ｋ２（１）、ｋ１（ｎ）
＜ｋ２（ｎ）である。

【００１４】

【作用】請求項１における光電変換方法は、請求項１に
おける光電変換方法と同様に、受光エレメント１０
（ｊ）｛ｊ＝１〜ｎ｝に入射した光が各受光エレメント
１０（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１（ｊ）とｋ２
（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割して第１、第
２、第３、第４の光電流出力端に集められるが、上記比
率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）が
ｋ１（１）＞ｋ２（１）、ｋ１（ｎ）＜ｋ２（ｎ）であ
るのでｋ１（ｊ）＝ｋ２（ｊ）となる実数ｊ０が１から
ｎの範囲内に存在し、ｋ１（ｊ）／ｋ２（ｊ）がｊと共
に減少するのでｊ０よりｊが小さい受光エレメントの光
電流は第２の光電流出力端より第１の光電流出力端に多
く流れる。さらにｊが減少すると、ｋ３（ｊ）／ｋ１
（ｊ）がｊと共に減少するので光電流は第１の光電流出
力端より第３の光電流出力端に多く流れるようになり、
結果としてｊ０から所定の距離だけのｊが減少する区間
の受光エレメントの光電流が第１の光電流出力端より得
られ、この区間のさらにｊの小さい部分の受光エレメン
トの光電流が第３の光電流出力端より得られる。同様
に、ｊ０から所定の距離だけのｊが増加する区間の受光
エレメントの光電流が第２の光電流出力端より得られ、
この区間のさらにｊの大きい部分の受光エレメントの光
電流が第４の光電流出力端より得られ、ｎ個の受光エレ
メントの光電流は受光面を４分割されたものと等価とな
る。

【００１５】請求項２における光電変換装置は、受光エ
レメント１０（ｊ）｛ｊ＝１〜ｎ｝に入射した光が各受
光エレメント１０（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１
（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割
して第１、第２、第３、第４の光電流出力端に集められ
るが、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）と
ｋ４（ｊ）がｋ１（１）＞ｋ２（１）、ｋ１（ｎ）＜ｋ
２（ｎ）であるのでｋ１（ｊ）＝ｋ２（ｊ）となる実数
ｊ０が１からｎの範囲内に存在し、ｋ１（ｊ）／ｋ２
（ｊ）がｊと共に減少するのでｊ０よりｊが小さい受光
エレメントの光電流は第２の光電流出力端より第１の光
電流出力端に多く流れる。さらにｊが減少すると、ｋ３
（ｊ）／ｋ１（ｊ）がｊと共に減少するので光電流は第
１の光電流出力端より第３の光電流出力端に多く流れる
ようになり、結果としてｊ０から所定の距離だけのｊが
減少する区間の受光エレメントの光電流が第１の光電流
出力端より得られ、この区間のさらにｊの小さい部分の
受光エレメントの光電流が第３の光電流出力端より得ら
れる。同様に、ｊ０から所定の距離だけのｊが増加する
区間の受光エレメントの光電流が第２の光電流出力端よ
り得られ、この区間のさらにｊの大きい部分の受光エレ
メントの光電流が第４の光電流出力端より得られ、ｎ個
の受光エレメントの光電流は受光面を４分割されたもの
と等価となる。

【００１６】

【実施例】以下、図によってこの発明の一実施例を説明
する。図１はこの発明における光電変換方法およびその
装置の一実施例を示す回路図、図２はこの発明における
光電変換方法およびその装置の受光部を構成する受光エ
レメントの配列を示す平面図、図３は図２における受光
部の光位置検出感度を説明する特性図、図４は図１およ
び図２に示す受光部の受光面上の位置と電圧との関係を
示す特性図である。

【００１７】この発明の要部は図５における受光部４、
分流部１２および分流制御部１４であるのでこれについ
てより詳しく説明する。図１はこの発明の要部であるｊ
番目の受光エレメントと、４つのトランジスタＱｊ１、
Ｑｊ２、Ｑｊ３、Ｑｊ４で構成されるｊ番目の分流器１
２ｊと、第１、第２、第３、第４の光電流出力端に接続
された光電流信号線Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４と、分流制
御部１４内で発生させる電圧Ｖ１（１）、Ｖ２（１）、
Ｖ３（１）、Ｖ４（１）、Ｖ１（ｊ）、Ｖ２（ｊ）、Ｖ
３（ｊ）、Ｖ４（ｊ）及びＶ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）、Ｖ
３（ｎ）、Ｖ４（ｎ）が示してある。まず、分流制御電
圧について説明する。ｊ（ｊ＝１、２、・・・・、ｎ）
番目の分流制御電圧をＶ１（ｊ）＝Ｖｒ＋ｇ×ｊＶ２（ｊ）＝Ｖｒ＋Ｖｐｌ１Ｖ３（ｊ）＝（１＋ｈ）×Ｖ１（ｊ）−ｈ×Ｖ２（ｊ）
−ｗ１Ｖ４（ｊ）＝−ｈ×Ｖ１（ｊ）＋（１＋ｈ）×Ｖ２
（ｊ）−ｗ２とする。ここでＶｐｌ１は設定部２６で決まる設定電圧
とする。ｊ＝ηでＶ１（η）＝Ｖ２（η）を満足すると
すると、この時は４つの電圧は次のように書け、Ｖ１（η）＝Ｖｒ＋ｇ×η ＝Ｖ２（η）＝Ｖｒ＋Ｖｐｌ１Ｖ３（η）＝（１＋ｈ）×Ｖ１（η）−ｈ×Ｖ２（η）
＋ｗ１Ｖ４（η）＝−ｈ×Ｖ１（η）＋（１＋ｈ）×Ｖ２
（η）＋ｗ２これらの関係は、Ｖ１（η）＝Ｖ２（η）＝Ｖ３（η）−ｗ１＝Ｖ４（η）−ｗ２となる。

【００１８】そこでｊ番目の制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ
３、Ｖ４をηを使用して表すと、Ｖ１（ｊ）＝Ｖ１（η）＋ｇ×（ｊ−η）Ｖ２（ｊ）＝Ｖ２（η）＝Ｖ１（η）Ｖ３（ｊ）＝Ｖ１（η）＋（１＋ｈ）×ｇ×（ｊ−η）
＋ｗ１Ｖ４（ｊ）＝Ｖ１（η）−ｈ×ｇ×（ｊ−η）＋ｗ２とかくことができる。よって、Ｖ２（ｊ）−Ｖ１（ｊ）＝ｇ×（ｊ−η）Ｖ３（ｊ）−Ｖ１（ｊ）＝ｈ×ｇ×（ｊ−η）＋ｗ１Ｖ４（ｊ）−Ｖ２（ｊ）＝−ｈ×ｇ×（ｊ−η）＋ｗ２となるのでこれらがゼロとなるｊを計算してみると、ｊ＝η の時Ｖ２（ｊ）−Ｖ１
（ｊ）＝０ｊ＝η−ｗ１／（ｈ×ｇ）の時Ｖ３（ｊ）−Ｖ１
（ｊ）＝０ｊ＝η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）の時Ｖ４（ｊ）−Ｖ２
（ｊ）＝０となる。以上を整理すると４つの電圧の大小関係はｊ＜
η−ｗ１／（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＜Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ
４、ｊ＝η−ｗ１／（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＝Ｖ１＜
Ｖ２＜Ｖ４、η−ｗ１／（ｈ×ｇ）＜ｊ＜ηでは、Ｖ３
＞Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ４、ｊ＝ηでは、
Ｖ３＞Ｖ１＝Ｖ２＜Ｖ４、η＜ｊ＜η＋ｗ２／（ｈ
×ｇ）では、Ｖ３＞Ｖ１＞Ｖ２＜Ｖ４、ｊ＝η＋ｗ２／
（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＞Ｖ１＞Ｖ２＝Ｖ４、ｊ＜η
＋ｗ２／（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＞Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ
４、となる。この関係を図で示すと図１８にように書く
ことができる。

【００１９】図１においてｊ番目の受光エレメントの光
電流Ｉ（ｊ）の経路を述べる。全てのエミッタが結合さ
れた４つのトランジスタＱｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ３、Ｑｊ
４でｊ番目の分流器を構成しており、これら４つのトラ
ンジスタのベース電位により分流比率を制御する。これ
ら４つのトランジスタの４つの分流比をｋ１（ｊ）、ｋ
２（ｊ）、ｋ３（ｊ）及びｋ４（ｊ）とする。各トラン
ジスタのベース電圧間の差の大きさの指数関数が４つの
トランジスタの分流比率ｋ１（ｊ）、ｋ２（ｊ）、ｋ３
（ｊ）及びｋ４（ｊ）を律することが知られているの
で、前述のＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の関係により説明す
る。ｊ＜η−ｗ１／（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＜Ｖ１＜
Ｖ２＜Ｖ４、であるので、ｋ３（ｊ）＞ｋ１（ｊ）＞ｋ
２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）となり、Ｑｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ
３、Ｑｊ４に分流される電流Ｉ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、
Ｉ３（ｊ）、Ｉ４（ｊ）は、Ｉ３（ｊ）＞Ｉ１（ｊ）＞
Ｉ２（ｊ）＞Ｉ４（ｊ）となる。すなわちＩ（ｊ）の多
くはＱｊ３を通り、第３の光電流端経の線Ｔ３に流れ
る。ｊ＝η−ｗ１／（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＝Ｖ１＜
Ｖ２＜Ｖ４、であるので、ｋ３（ｊ）＝ｋ１（ｊ）＞ｋ
２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）となり、Ｑｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ
３、Ｑｊ４に分流される電流Ｉ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、
Ｉ３（ｊ）、Ｉ４（ｊ）は、Ｉ３（ｊ）＝Ｉ１（ｊ）＞
Ｉ２（ｊ）＞Ｉ４（ｊ）となる。すなわちＩ（ｊ）の多
くはＱｊ１とＱｊ３とに等分割されて通り、第１と第３
の光電流端への線Ｔ１、Ｔ３に流れる。η−ｗ１／（ｈ
×ｇ）＜ｊ＜ηでは、Ｖ３＞Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ４、である
ので、ｋ３（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＞ｋ２（ｊ）＞ｋ４
（ｊ）となり、Ｑｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ３、Ｑｊ４に分流
される電流Ｉ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）、Ｉ４
（ｊ）は、Ｉ３（ｊ）＜Ｉ１（ｊ）＞Ｉ２（ｊ）＞Ｉ４
（ｊ）となる。すなわちＩ（ｊ）の多くはＱｊ１を通
り、第１の光電流端経の線Ｔ１に流れる。ｊ＝ηでは、
Ｖ３＞Ｖ１＝Ｖ２＜Ｖ４、であ
るので、ｋ３（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＝ｋ２（ｊ）＞ｋ４
（ｊ）となり、Ｑｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ３、Ｑｊ４に分流
される電流Ｉ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）、Ｉ４
（ｊ）は、Ｉ３（ｊ）＜Ｉ１（ｊ）＝Ｉ２（ｊ）＞Ｉ４
（ｊ）となる。すなわちＩ（ｊ）の多くはＱｊ１とＱｊ
２とに等分割されて通り、第１と第２の光電流端への線
Ｔ１、Ｔ２に流れる。η＜ｊ＜η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）で
は、Ｖ３＞Ｖ１＞Ｖ２＜Ｖ４、であるので、ｋ３（ｊ）
＜ｋ１（ｊ）＜ｋ２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）となり、Ｑｊ
１、Ｑｊ２、Ｑｊ３、Ｑｊ４に分流される電流Ｉ１
（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）、Ｉ４（ｊ）は、Ｉ３
（ｊ）＜Ｉ１（ｊ）＜Ｉ２（ｊ）＞Ｉ４（ｊ）となる。
すなわちＩ（ｊ）の多くはＱｊ２を通り、第２の光電流
端経の線Ｔ２に流れる。ｊ＝η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）で
は、Ｖ３＞Ｖ１＞Ｖ２＝Ｖ４、であるので、ｋ３
（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＜ｋ２（ｊ）＝ｋ４（ｊ）となり、
Ｑｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ３、Ｑｊ４に分流される電流Ｉ１
（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）、Ｉ４（ｊ）は、Ｉ３
（ｊ）＜Ｉ１（ｊ）＜Ｉ２（ｊ）＝Ｉ４（ｊ）となる。
すなわちＩ（ｊ）の多くはＱｊ２とＱｊ４とに等分割さ
れて通り、第２と第４の光電流端経の線Ｔ２、Ｔ４に流
れる。ｊ＜η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）では、Ｖ３＞Ｖ１
＞Ｖ２＞Ｖ４、であるので、ｋ３（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＜
ｋ２（ｊ）＜ｋ４（ｊ）となり、Ｑｊ１、Ｑｊ２、Ｑｊ
３、Ｑｊ４に分流される電流Ｉ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、
Ｉ３（ｊ）、Ｉ４（ｊ）は、Ｉ３（ｊ）＜Ｉ１（ｊ）＜
Ｉ２（ｊ）＜Ｉ４（ｊ）となる。すなわちＩ（ｊ）の多
くはＱｊ４を通り、第１の光電流端経の線Ｔ４に流れ
る。よって、受光面上のｎ受光エレメントアレーに光が
入射したときの入射光位置と４つの出力端の電流の関係
は図３のようになることがわかる。

【００２０】以上説明したようにｊ（ｊ＝１、２、・・
・・、ｎ）番目の分流制御電圧をＶ１（ｊ）＝Ｖｒ＋ｇ×ｊＶ２（ｊ）＝Ｖｒ＋Ｖｐｌ１Ｖ３（ｊ）＝（１＋ｈ）×Ｖ１（ｊ）−ｈ×Ｖ２（ｊ）
−ｗ１Ｖ４（ｊ）＝−ｈ×Ｖ１（ｊ）＋（１＋ｈ）×Ｖ２
（ｊ）−ｗ２とすると図３に示すように４分割された受光素子と等価
の動作が得られる。Ｖｐｌ１は設定部２６で決まる設定
電圧であるので操作部１５の操作量に応じてＶｐｌ１を
変えると上記ηの値を任意に変えることができる。すな
わち等価的な分割位置が操作部１５の操作量に応じて変
わることになる。

【００２１】以上の説明においてｊは正の整数で成立す
る。実際には入射光は点でなくある大きさを有してお
り、図７に示すように受光エレメントのピッチより入射
光の径が大きい場合、上述の関係式はｊ＝１より大きい
実数として扱うことができ、図３に示すように光の入射
位置と４つの光電流出力の関係は入射位置に対して滑ら
かな関係が得られる。逆に受光エレメント１０のピッチ
より入射光の径が小さい場合、ｊ＝１より大きい実数と
して扱うことは現実との誤差が大きくなり望ましくな
い。具体的には図３の滑らかな線上に受光エレメントピ
ッチの波が重畳する。すなわちこの発明の受光装置は受
光エレメント１０の配列ピッチより大きな径の光の位置
検出で特に有効となる。Ｔ１、Ｔ２に流れる電流を２つ
の光位置検出信号として使用すればこの特性は図３にお
いて長さＬｆの受光部を有しＳ部で２つに分割された２
分割受光素子と等価の特性となる。

【００２２】Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の関数を上述した
が実際にこの電圧を分流制御部１４で発生させる手段に
ついて述べる。分流部はｎ個の分流器を有し、各分流器
は個別の制御電圧を与える必要がある。すなわち（４×
ｎ）種類の電圧があることになる。上記例ではＶ２はｊ
の値に依存しないので（３×ｎ＋１）種類の電圧がある
ことになる。ｎが大きくなると実際の配線数がそれだけ
必要となり現実的でない数となりｎの上限を制約する。

【００２３】この問題に対し以下の方法が有効である。
すなわち、４つの制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の両
端の電圧Ｖ１（１）、Ｖ２（１）、Ｖ３（１）、Ｖ４
（１）及びＶ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）、Ｖ３（ｎ）、Ｖ４
（ｎ）を発生さる。（ｎ−１）本の抵抗を直列に接続し
てこの両端にＶｉ（１）、Ｖｉ（ｎ）｛ｉ＝１〜４｝を
与え抵抗分割することで途中の抵抗分割点の電圧をＶｉ
（ｊ）とする。受光エレメント１０、分流器を構成する
４つのトランジスタおよび上記抵抗のｊ番目をｊ番目の
ブロックの部品として配置する。このようにすること
で、｛ｊ−１番目｝｛ｊ＋１｝番目とのブロック間を接
続することで済む配線部分が大半となり分流制御からこ
のブロックから必要な配線数を大幅に減らすことがで
き、かつｎの値に関係なくなるのでｎを制約することが
なくなる。このように配線本数を減らすことはこの発明
の光位置検出装置をＩＣ化する際に特に有効な場合があ
る。ＩＣ内部での直列抵抗による上記方法はＩＣ配線層
とＩＣ抵抗層とで立体交差が可能となる。尚、図１にお
いてＶ２の線上にも直列に抵抗が示してあるがＶ２
（１）とＶ２（ｎ）は等しいので配線の立体交差が必要
ないならば、この抵抗はなくてもよい。（ＩＣ内部で配
線が交錯し立体交差が必要となると抵抗をわざわざ設
け、これにより立体交差を行なうことがある。この方法
をダック−アンダー（Ｄｕｃｋ−Ｕｎｄｅｒ）と呼ぶこ
とがある。）この場合のＶｉ（１）、Ｖｉ（ｎ）｛ｉ＝
１〜４｝は、Ｖ１（１）＝Ｖｒ＋ｇＶ１（ｎ）＝Ｖｒ＋ｇ×ｎＶ２（１）＝Ｖｒ＋Ｖｐｌ１Ｖ２（ｎ）＝Ｖｒ＋Ｖｐｌ１Ｖ３（１）＝（１＋ｈ）×Ｖ１（１）−ｈ×Ｖ２（１）
−ｗ１Ｖ３（ｎ）＝（１＋ｈ）×Ｖ１（ｎ）−ｈ×Ｖ２（ｎ）
−ｗ１Ｖ４（１）＝−ｈ×Ｖ１（１）＋（１＋ｈ）×Ｖ２
（１）−ｗ２Ｖ４（ｎ）＝−ｈ×Ｖ１（ｎ）＋（１＋ｈ）×Ｖ２
（ｎ）−ｗ２となる。

【００２４】Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の関数の例を上述
したがこの関数に限られるわけでなく、要は４つのトラ
ンジスタで得られている電流の分流比ｋ１（ｊ）、ｋ２
（ｊ）、ｋ３（ｊ）、ｋ４（ｊ）の関係が、ｊ＜η−ｗ
１／（ｈ×ｇ）では、ｋ３（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＜ｋ２
（ｊ）＜ｋ４（ｊ）、ｊ＝η−ｗ１／（ｈ×ｇ）では、
ｋ３（ｊ）＝ｋ１（ｊ）＞ｋ２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）、η
−ｗ１／（ｈ×ｇ）＜ｊ＜ηでは、ｋ３（ｊ）＜ｋ１
（ｊ）＞ｋ２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）、ｊ＝ηでは、ｋ３
（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＝ｋ２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）、η＜ｊ
＜η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）では、ｋ３（ｊ）＜ｋ１（ｊ）
＜ｋ２（ｊ）＞ｋ４（ｊ）、ｊ＝η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）
では、ｋ３（ｊ）＜ｋ１（ｊ）＜ｋ２（ｊ）＝ｋ４
（ｊ）、ｊ＜η＋ｗ２／（ｈ×ｇ）では、ｋ３（ｊ）＜
ｋ１（ｊ）＜ｋ２（ｊ）＜ｋ４（ｊ）、を満たすもので
あれば実質的に同様の動作が得られる。

【００２５】パルス光を投光し受光部４で検出する入射
光が交流成分の場合は、図６に示すように分流器に光電
流と並列に直流バイアス電流源９９を設けてもよい。こ
れにより、分流器の応答速度を向上させることができ
る。

【００２６】受光部４、分流部１２、分流制御部１４等
を全て１つの基板上に集積することが容易であり、工業
的に有効な方法である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメント１０（ｊ）
｛ｊ＝１〜ｎ｝を所定の方向に配列し、各受光エレメン
ト１０（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１（ｊ）とｋ
２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割してＩ１
（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４（ｊ）とし、
それぞれ第１、第２、第３、第４の光電流出力端に導
き、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ
４（ｊ）がｋ１（ｊ）＋ｋ２（ｊ）＋ｋ３（ｊ）＋ｋ４
（ｊ）＝１でありかつｋ３（ｊ）／ｋ１（ｊ）、ｋ１
（ｊ）／ｋ２（ｊ）並びにｋ２（ｊ）／ｋ４（ｊ）がｊ
と共に減少し、ｋ１（１）＞ｋ２（１）、ｋ１（ｎ）＜
ｋ２（ｎ）であるので、受光面上の特定の位置の入射光
位置感度が光位置検出素子（ＰＳＤ）に比べて高感度に
することができ、受光面上の任意の位置を高感度に設定
でき、高感度位置から所定の長さだけの光電流をとりだ
すことができ、また受光部、分流部、分流制御部の全て
をシリコン基板上に集積することが容易となるという効
果がある。

【００２８】また請求項２の発明によれば、ｎ（ｎ＞
２）個の受光エレメント１０（ｊ）｛ｊ＝１〜ｎ｝を所
定の方向に配列した受光部と、各受光エレメント１０
（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１（ｊ）とｋ２
（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割してＩ１
（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４（ｊ）とする
ｊ個の分流器を有する分流部と、上記Ｉ１（ｊ）、Ｉ２
（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４（ｊ）をそれぞれ集めた第
１、第２、第３、第４の光電流出力端と、分流率を設定
する設定部と、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３
（ｊ）とｋ４（ｊ）を設定する分流制御部とを備えてい
るので、請求項１の発明と同様に、受光面上の特定の位
置の入射光位置感度が光位置検出素子（ＰＳＤ）に比べ
て高感度にすることができ、受光面上の任意の位置を高
感度に設定でき、高感度位置から所定の長さだけの光電
流をとりだすことができ、また受光部、分流部、分流制
御部の全てをシリコン基板上に集積することが容易とな
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における光電変換方法およびその装置
の一実施例を示す回路図である。

【図２】この発明における光電変換方法およびその装置
の受光部を構成する受光エレメントの配列を示す平面図
である。

【図３】図２における受光部の光位置検出感度を説明す
る特性図である。

【図４】図１および図２に示す受光部の受光面上の位置
と電圧との関係を示す特性図である。

【図５】この発明ならびに特願平４−１５４０１４号に
おける光電変換方法およびその装置の一実施例を示すブ
ロック図である。

【図６】図５における分流部と分流制御部をより具体的
に示す回路図である。

【図７】図５ならびに図６の受光部を構成する受光エレ
メントの配列を示す平面図である。

【図８】図５ならびに図６における受光部の光位置検出
感度を説明する特性図である。

【図９】光位置検出素子の動作原理を説明する断面図で
ある。

【図１０】図９における光位置検出素子の特性を説明す
る特性図である。

【図１１】位置検出用の光電スイッチの基本的な動作を
説明するために単線をもって画いた構成図である。

【図１２】光電スイッチの被検出物体までの距離Ｘと受
光面上の輝点の位置との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

４受光部１０受光エレメント１２分流部１４分流制御部２６設定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０３Ｋ 17/78 Ｈ０３Ｋ 17/78 Ｓ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメント（ｊ）
｛ｊ＝１〜ｎ｝を所定の方向に配列し、各受光エレメン
ト（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１（ｊ）とｋ２
（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割してＩ１
（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４（ｊ）とし、
それぞれ第１、第２、第３、第４の光電流出力端に導
き、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ
４（ｊ）がｋ１（ｊ）＋ｋ２（ｊ）＋ｋ３（ｊ）＋ｋ４
（ｊ）＝１でありかつｋ３（ｊ）／ｋ１（ｊ）、ｋ１
（ｊ）／ｋ２（ｊ）並びにｋ２（ｊ）／ｋ４（ｊ）がｊ
と共に減少し、ｋ１（１）＞ｋ２（１）、ｋ１（ｎ）＜
ｋ２（ｎ）である光電変換方法。
【請求項２】ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメント（ｊ）
｛ｊ＝１〜ｎ｝を所定の方向に配列した受光部と、各受
光エレメント（ｊ）の各光電流Ｉ（ｊ）を比率ｋ１
（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）に４分割
してＩ１（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４
（ｊ）とするｊ個の分流器を有する分流部と、上記Ｉ１
（ｊ）、Ｉ２（ｊ）、Ｉ３（ｊ）及びＩ４（ｊ）をそれ
ぞれ集めた第１、第２、第３、第４の光電流出力端と、
分流率を設定する設定部と、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２
（ｊ）とｋ３（ｊ）とｋ４（ｊ）を設定する分流制御部
とを備え、上記比率ｋ１（ｊ）とｋ２（ｊ）とｋ３
（ｊ）とｋ４（ｊ）はｋ１（ｊ）＋ｋ２（ｊ）＋ｋ３
（ｊ）＋ｋ４（ｊ）＝１であり、かつｋ３（ｊ）／ｋ１
（ｊ）、ｋ１（ｊ）／ｋ２（ｊ）並びにｋ２（ｊ）／ｋ
４（ｊ）はｊと共に減少し、ｋ１（１）＞ｋ２（１）、
ｋ１（ｎ）＜ｋ２（ｎ）である光電変換装置。