KR20130009655A

KR20130009655A - 위치 검출 장치용 포토 센서, 이를 이용한 위치 검출 장치 및 위치 검출 방법

Info

Publication number: KR20130009655A
Application number: KR1020120075912A
Authority: KR
Inventors: 후미아키 오노; 카즈히토 후쿠이
Original assignee: 신니혼무센 가부시키가이샤
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2013-01-23
Also published as: JP2013036972A; US20130015336A1; US8941051B2; TWI485368B; CN102879023A; KR101910672B1; JP5993564B2; CN102879023B; TW201307809A

Abstract

반사형 포토 센서를 이용한 소형이며, 저렴하게, 10㎜ 정도 이상의 장거리에서도 검출할 수 있는 위치 검출 장치 및 그 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 반사면(sa)과 비반사면(sb)을 이동물의 이동 방향으로 교대로 나열한 반사판(12)을 이동물에 설치하고, 반사형 포토 센서(9)의 수광 소자(8)에는, 이동물의 이동 방향으로 각각 다른 수광 영역을 갖는데, 예를 들어 2개의 수광부(8a, 8b)를 설치하고, 이 2개의 수광부(8a, 8b)로 얻어지는 출력 신호를 출력하고, 이들 2개의 출력 신호의 가산, 차산, 제산 및 함수 계산의 적어도 1개의 연산 처리를 실시하는 것으로, 이동물의 위치를 검출한다.

Description

위치 검출 장치용 포토 센서, 이를 이용한 위치 검출 장치 및 위치 검출 방법{Photosensor for position detecting device, position detection device using same and position detecting method}

본 발명은, 반사형 포토 센서를 이용하여 카메라 등의 장치 내의 이동물의 위치나 이동량의 검출을 실시하기 위한 센서 및 이를 이용한 위치 검출 장치, 및 위치 검출 방법에 관한 것이다.

종래부터, 예를 들면 디지털 카메라, 캠코더, 감시 카메라 등에서는, 각종 액추에이터를 사용하여 렌즈를 구동하고 있으며, 이 가동 렌즈 등의 포지션 센싱을 실시하기 위하여 위치 검출 장치가 이용된다.

예를 들면, 포커스 렌즈의 위치 및 이동량의 검출 장치로서는, 스테핑 모터 방식과 같이 펄스 발생기를 이용하는 타입이나, 피에조(piezo) 모터 방식에 대해 광센서 또는 자기 센서를 이용하여 아날로그적으로 변화량을 검출하는 타입이 있고, 전자의 예로서는 특허문헌 1 등을 들 수 있으며, 후자의 예로서 특허문헌 2, 특허문헌 3, 특허문헌 4, 특허문헌 5 등을 들 수 있다.

상기 스테핑 모터 방식은, 발생하는 펄스수의 카운트에 대응하는 회전각만큼 회전시키는 것으로, 장거리 위치 검출이 필요한 애플리케이션에 대해서도, 이 스테핑 모터 방식의 채용이 일반적이지만, 모터가 연속 회전이 아니기 때문에 회전시의 소음이 크고, 이 소음이 동영상 촬영시의 음성 노이즈의 발생에 연결되며, 또한, 응답성이 늦다는 문제점이 있다.

예를 들면, 디지털 카메라 등에서는, 지금까지 스테핑 모터 방식이 주류였지만, 동영상 촬영시의 음성 노이즈의 발생 회피나 오토 포커스의 고속화, 또는 이를 이용한 장치의 소형화를 중시하기 때문에, 최근에는 피에조 모터 방식이 이용되며, 이 피에조 모터 방식으로의 위치 검출에는 광센서나 자기 센서가 이용된다.

도 15a도～15b에는, 종래의 일반적인 반사형 포토 센서를 이용한 위치 검출 장치를 나타내며, 도 15a에 나타낸 바와 같이, 반사형 포토 센서(1)는, 차광벽(2)에서 멀어진 한쪽 오목부에 발광소자(3), 다른 쪽 오목부에 수광 소자(4)가 배치된 구성으로 되어 있다. 또, 도 15b와 같이, 포토 센서(1)의 발광/수광면(S_L)측에, 이 발광/수광면(S_L)에 평행하게, 또한, 발광소자(3)와 수광소자(4)를 연결하는 선방향으로 이동하도록, 반사판(5)이 배치된다. 이러한 구성에 의하면, 발광소자(3)로부터의 광은 반사판(5)에서 반사하여 수광 소자(4)에 입력되고, 그 수광량에 의해서 반사판(5; 이 반사판이 장착된 이동물)의 위치나 이동거리가 검출된다.

이와 같은 반사형 포토 센서를 이용한 것으로, 위치 검출이나 이동량 검출의 성능을 향상시킨 예로서 특허문헌 4의 기술이 있고, 또 출력 신호의 직선성을 향상시킨 예로서 특허문헌 5에 나타낸 것이 있다.

JP

1992-9712

A

JP

1993-45179

A

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2002-357762

A

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2006-173306

A

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2009-38321

A

그러나 고배율 또는 고급(high end) 모델의 디지털 카메라, 단일 렌즈 반사 카메라, 캠코더나 감시 카메라 등에서, 줌 기능 및 장거리 검출이 필요하게 되는 카메라 모듈의 렌즈 위치 검출에서는, 5㎛ 이하의 고분해능으로, 10㎜ 이상의 장거리 검출이 필요하게 되는 경우가 있어, 종래의 반사형 포토 센서를 이용한 위치 센싱에서는 검출이 곤란하였다.

한편, 동영상 촬영시의 음성 노이즈의 발생 회피나 오토 포커스의 고속화 또는 애플리케이션의 소형화를 도모하는 피에조 모터 방식의 위치 검출에는, 자기 센서가 사용되고 있으며, 이 자기 센서의 예로서 일본 특허공개 제2006－292396호 공보에 나타낸 것이 있다. 상기 공보의 자기 센서는, S극과 N극을 교대로 배열한 자계 발생 부재(자석)와 2개의 자계 검출 소자(MR소자 또는 홀 소자)를 설치하고, 이 자계 검출 소자의 출력을 증폭하여, 연산 처리하는 것으로, 위치 검출을 하고 있다.

그러나 상기 자기 센서를 사용하는 경우에는, 이하의 문제가 있었다.

1) 시스템 자체가 대형화된다.

2) S극, N극을 많이 배열한 마그넷(자계 발생 부재)을 사용하기 때문에, 전체적으로 시스템 제조비용이 높아진다.

3) 자장을 검지하는 구성 때문에, 신호의 직선성의 개선이 어렵다.

4) 자기 센서 등이 탑재되는 장치 내에 다른 자기를 사용하는 경우에, 자기장 등의 영향을 받아 오동작할 가능성이 있다.

5) 2개의 자계 검출 소자의 출력이 낮기 때문에, 연산 증폭기(coperational amplifier)를 이용하여 증폭할 필요가 있어, 시스템을 구성하기 위한 부품 제조비용이 고가가 된다.

6) 마그넷의 S극, N극의 자기화에서 얻어지는 자력의 오차가 생기기 쉽고, 자장의 강도를 일정하게 유지하는 것도 어려우며, 또 마그넷의 산화에 의해 성능이 열화된다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 대형화하고, 검출 정도 등에도 문제가 발생하는 자기 센서의 사용을 없애고, 소형이면서도 저렴한 제조비용으로, 또 5㎛ 이하의 분해능으로 10㎜ 이상의 장거리 검출이 가능해지는 반사형 포토 센서를 이용한 위치 검출 장치용 센서, 이를 이용한 위치 검출 장치 및 위치 검출 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 위치 검출 장치용 센서는, 반사면과 비반사면을 이동물의 이동 방향으로 교대로 나열한 반사부와, 상기 반사부와 대향하여 설치되며, 상기 반사부의 방향으로 발광하는 발광소자 및 상기 반사부에서 반사한 광을 수광하는 수광 소자를 갖는 반사형 포토 센서를 구비하고, 상기 반사형 포토 센서의 수광 소자는 상기 이동물의 이동 방향으로 각각 다른 수광 영역을 갖는 복수의 수광부가 설치되어 있다.

상기 반사형 포토 센서의 수광 소자의 수광부가, 검출 출력이 상기 이동물의 이동량에 따라 직선적으로 변화하도록, 반사부 이동 방향에 있어서의 상기 수광부의 중심부에서 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 수광 영역의 면적이 넓어지도록 형성되고, 또는 상기 발광소자의 발광부가, 검출 출력이 상기 반사부의 이동량에 따라 직선적으로 변화하도록, 반사부 이동 방향에 있어서의 상기 발광소자의 중심부에서 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 면적이 넓어지도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 위치 검출 장치는, 청구항 1에 기재된 위치 검출용 센서와, 상기 복수의 수광부로부터의 신호에 의해, 가산, 감산, 제산 및 함수 계산의 적어도 1개의 연산을 실시하고, 상기 연산에 의해 얻어지는 값과 상기 반사부의 위치와의 관계를 선형화하는 연산 수단이 있다.

상기 복수의 수광부 중 2개 각각으로부터 얻어지는 출력값과 상기 반사부의 위치와의 관계에서, 상기 반사부의 위치의 변화에 대한 상기 출력값의 변화의 중점 전위가 0이 되도록 상기 출력값을 평행이동시키는 중점 전위 변환 수단을 더욱 가지며, 상기 중점 전위 변환 수단에 의해 변환한 상기 2개의 수광부의 각각 출력값을 A, B로 하고,

상기 연산 수단은, A≥0, B≥0 또는 A＜0, B＜0 일 때, (A－B)/(A＋B), A≥0, B＜0 또는 A＜0, B≥0 일 때, (A＋B)/(A－B)의 연산을 하는 것이, 선형성을 얻기 쉬기 때문에 바람직하다. 즉, 리니어인 상승 경사부 및 하강 경사부가 교대로 나타나는 삼각파형이 되는 연산 출력이 얻어지며, 고정밀도로 장거리의 위치 검출을 할 수 있고, 또 온도 변화에 의해 생기는 반사형 포토 센서의 출력 변동을 취소하는 것이 가능해진다.

상기 연산 수단이, 상기 복수의 수광부 중 2개 각각으로부터 얻어지는 상기 반사부의 위치와 상기 수광부의 각각의 출력값과의 관계를 나타내는 곡선에서, 상기 곡선의 선형성이 얻어지는 한계가 되는 값인, 오른쪽으로 올라가는 곡선의 상한과 오른쪽으로 내려가는 곡선의 하한의 역치를 설정하는 수단과, 상기 상한 및 하한의 역치로의 도달 회수를 카운트하는 카운트 수단을 또한 가지며, 상기 카운트 수단에 의해 얻어지는 카운트 수와 출력에 의해 이동물의 위치 검출을 실시할 수도 있다.

상기 복수의 수광부 중 2개 각각으로부터 얻어지는 출력값과 상기 반사부의 위치와의 관계를, 기준 위치로부터의 거리에 대응하는 위상각θ을 이용하여 각각 sinθ의 커브에 근사하고, 상기 각각의 sinθ의 커브의 중점 전위가 0이 되도록 평행이동시키는 중점 전위 변환 수단을 또한 가지며, 상기 2개의 신호의 위상차이가 90도가 되도록 상기 2개의 수광부가 형성되고, 상기 중점 전위 변환 수단에 의해 평행이동 한 상기 2개의 수광부의 각각의 출력값을 A, B로서 위상이 90도 진행되고 있는 측의 출력값을 A로 하고, 상기 연산 수단이 θ=arctan(B/A)의 연산을 실시하는 것에 의해서도 이동물의 위치를 구할 수 있다.

상기 복수의 수광부가 제3 수광부를 가지며, 상기 제3 수광부의 출력과, 상기 2개의 수광부의 하나의 수광부의 출력이 180도 위상차이가 되도록 상기 제3 수광부가 형성되고, 상기 180도의 위상차이를 갖는 2개의 수광부의 출력이 가산됨으로써, 상기 중점 전위를 산출하는 중점 전위 산출 수단이 형성되고 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 위치 검출 방법은, 이동물에, 반사면과 비반사면이 각각 동일한 폭으로 상기 이동물의 이동 방향을 따라서 교대로 배열된 반사부를 고정하고, 상기 반사부와 대향하여 발광소자와 수광 소자를 갖는 반사형 포토 센서를 설치하며, 상기 반사형 포토 센서의 수광 소자를, 상기 이동물의 이동 방향에 따라서 각각 다른 복수의 수광부를 가지도록 형성하고, 상기 이동물의 이동에 따라 변화하는 상기 복수의 수광부의 출력을 연산 처리함으로써, 상기 이동물의 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성에 의하면, 예를 들면 카메라의 가동 렌즈 등의 이동물에 반사면과 비반사면이 교대로 형성된 반사부를 설치하고, 이 반사부로부터의 광반사의 변화 상태를, 예를 들면 2개의 수광부(각각 다른 수광 영역)에서 수광함으로써, 거리에 따라 사인 곡선(sign curve)에 가까운 출력 신호가 얻어지며, 2개의 수광부에 의해 사인 곡선에 가까운 주기함수의 위상이 다른 2개의 신호가 출력된다. 또한, 이 2개의 신호에 근거하여 리니어값 연산(직선성이 있는 값을 얻기 위한 연산)을 실시함으로써, 또는 2개의 신호 변화의 직선부의 값을 적산하는 것으로, 이동물의 위치 또는 이동량을 검출할 수 있다. 여기서, 리니어값 연산은 이동물의 위치와 수광부에 의해 얻어지는 값과의 관계가 직선에 가깝게 되는 수광부의 값으로 하는 연산을 말하며, 이와 같은 직선관계에 근사한 수광부의 값을 이하에 간단히, 「리니어값」이라고 하며, 이와 같은 리니어값을 얻기 위한 연산을 이하에 간단히, 「리니어값 연산」이라고 한다.

또, 반사형 포토 센서로서 검출 출력이 반사부의 이동량에 따라 직선적으로 변화하도록, 반사부 이동 방향의 중심부로부터 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 면적이 넓어지는 수광 영역 또는 발광 영역을 설치한 것을 이용하는 것으로, 예를 들면 2개의 신호의 직선성을 높일 수 있다.

또한, 예를 들면 3 분할한 수광부에 의해 3개의 신호(출력 A도～C)가 출력되고, 180도 위상차이가 있는 출력 신호 A와 C에 의해 중점 전위가 산출됨과 동시에, 90도 위상차이가 있는 출력 신호 A와 B에 의해 리니어값 연산을 함으로써, 리니어값 연산 시에 중점 전위가 동시에 얻어지며, 온도 변화 등으로 출력 신호가 변동한 경우에서도, 중점 전위를 일정하게 유지한 상태에서 이동물의 위치나 이동량이 정확하게 검출된다.

본 발명의 위치 검출 장치에 의하면, 반사부는 반사면과 비반사면을 교대로 형성하는 만큼의 구성으로 이루어져 있으므로, S극과 N극을 다열한 자계 발생 부재와 비교하면, 저비용, 소형으로 센서를 형성할 수 있으며, 또 리니어 특성을 높이는 것도 용이해지며, 반사면과 비반사면의 반복을 많이 형성함으로써, 10㎜ 이상의 장거리에 걸쳐 양호한 위치 센싱이 가능해진다. 또한, 반사면과 비반사면의 폭을 작게 하는 등의 조정을 하여, 출력의 구배를 크게 함으로써, 5㎛ 이하의 고분해능(고정밀도)의 위치 검출을 실현할 수 있다. 예를 들어, 반사면 및 비반사면의 폭을 각각 300㎛로 하고 있으면, 10㎛의 변화를 검출하는데, 180도/30=6도의 위상 변화를 식별해야 하지만, 반사면 및 비반사면의 폭을 각각 100㎛로 하면, 10㎛의 변화를 검출하는데, 180도/10=18도의 위상 변화를 검출하면 좋고, 10도 정도의 변화는 충분히 검출할 수 있기 때문에, 5㎛ 이하의 고분해능도 가능해진다. 이것에 의해, 10㎜ 이상의 위치 검출이 필요한 고배율 또는 고급 모델의 디지털 카메라, 단일 렌즈 반사 카메라, 캠코더나 감시 카메라 등, 줌 기능이 필요한 카메라 모듈로의 적용, 또 고정밀도로 장거리 범위의 위치 검출이 필요한 애플리케이션으로의 적용이 가능해진다는 효과가 있다.

또, 자기 센서를 이용하는 경우의 문제점이 해소된다. 즉, 자기장 등의 영향을 받을 일도 없고, 마그넷에 있어서의 S극, N극의 자기화의 불균형이나 자장 강도의 불균일에 의해서 검출 오차가 생기거나 마그넷의 산화에 의해 성능이 열화 하거나 하는 것도 방지된다.

또, 수광부 중심부의 수광 영역의 일부를 차광하는 것으로, 수광부로부터의 출력 파형의 상승 경사도 및 하강 경사도의 직선성을 향상시켜서, 검출 정도를 높일 수 있다.

또한, 다른 영역에 형성되는 2개의 수광부에 의한 출력의 합과 차이를 구하고, 그 비를 구하는 연산 처리를 실시함으로써, 선형성이 좋은 연산 결과의 커브를 얻을 수 있다.

상술한 180도의 위상차이를 갖는 제3 수광부를 설치하여 중점 전위를 구함으로써, 장거리 위치 검출을 하는데 있어서 필수가 되는 리니어 특성을 얻기 위하여 필요 불가결한 중점 전위를, 검출 시에 동시에 취출할 수 있고, 포토 센서가 온도 의존성을 갖는 경우나, 온도 변화에 의해 포토 센서로부터의 출력 신호에 변동이 생기는 경우에서, 중점 전위 레벨이 변화하여도, 연산식으로 얻어지는 결과(리니어 특성)에 영향을 주지 않게 된다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반사형 포토 센서를 이용한 위치 검출 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 2a～2d는 수광부의 구조 예를 나타내는 도이다.
도 3a～3b는 도 1에 나타낸 제1 실시 예의 위치 검출 장치의 반사부측에서 본 투시의 사시도 및 포토 센서 측에서 본 투시 사시도이다.
도 4a는 제1 실시 예의 위치 검출 장치에 의한 검출 예를 나타낸 도, 도 4b는 수광 소자 출력의 시뮬레이션도로, 중점 전위를 0으로 한 도, 도 4c는 선형성을 얻기 위한 연산 수단(리니어값 연산 출력)의 결과의 일례를 나타내는 도이다.
도 5a～5c는 도 2b에 나타낸 수광부의 구조로, 도 4a～4c와 같은 처리를 실시한 결과를 나타내는 도이다.
도 6은 도 4b와 도 4c를 겹침과 동시에, 수광 소자의 출력도 편의적으로 극값을 ±1으로 표시한 도이다.
도 7은 제1 실시 예에서, 도 2c 및 도 2d와 같이 수광 영역의 일부를 차폐한 경우의 수광부의 출력도이다.
도 8a～8b는 제2 실시 예의 위치 검출 장치의 구성 및 이때의 수광 소자 출력 및 검출 예를 나타낸 설명도이다.
도 9는 제3 실시 예의 위치 검출 장치의 구성을 나타낸 도이다.
도 10a～10b는 제3 실시 예에 있어서의 수광 소자의 구성 예를 나타낸 도이다.
도 11a～11b는 제3 실시 예의 위치 검출 장치의 구성 예 및 수광 소자 출력의 시뮬레이션도이다.
도 12a～12b 제3 실시 예의 위치 검출 장치로의 반사부의 구성 예와 그 반사부와 관련 있는 수광 소자 출력의 시뮬레이션 및 리니어값 연산 출력도이다.
도 13a～13b 제3 실시 예의 위치 검출 장치로의 반사부의 구성 예와 그 반사부의 위치와 위상각 연산을 실시한 경우의 리니어값 연산 출력과의 관계를 나타낸 도이다.
도 14a～14b는 제3 실시 예의 위치 검출 장치로 중점 전위를 산출한 경우의 결과와 중점 전위가 시프트한 경우의 결과를 나타낸 도이다.
도 15a～15b는 종래의 위치 검출 장치의 구성을 나타내며, 15a는 상면도이고, 도 15b는 측면도이다.

도 1 내지 도 3b에는, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반사형 포토 센서를 이용한 위치 검출 장치의 구성을 나타내고 있으며, 이 실시 예에서는, 발광소자(7)와 수광 소자(8)를 갖는 반사형 포토 센서(9)가 설치되어 있다. 즉, 도 3a에도 나타낸 바와 같이, 이 반사형 포토 센서(9)는, 외주벽과 차광벽(9k)으로 나누어진 한쪽의 오목부(9a)에 발광소자(LED; 7), 다른 쪽 오목부(9b)에 수광 소자(포토 트랜지스터; 8)가 배치되어 구성되지만, 이 포토 센서(9)의 발광/수광면측에, 이 발광/수광면에 평행하게 또한, 발광소자(7)와 수광 소자(8)의 배열 방향(도의 세로 방향)으로 대략 수직인 방향 100으로 이동하도록, 반사판(광학 반사부; 12)이 배치되어 있다. 이 반사판(12)은 렌즈 등의 이동물과 일체로 이동하도록 장착되어 있다.

상기 반사판(12)에는, 매우 가는 직사각형상의 반사면(sa)과 비반사면(sb)이 교대로(세로의 줄무늬형태로) 형성되고 있고, 실시 예에서는, 이 반사면(sa)의 폭(w1)과 비반사면(sb)의 폭(w2)을 동일하게(w) 하여, w=300㎛ 정도로 형성되고 있다. 즉, 이 반사면(sa)과 비반사면(sb)은 동일한 폭인 것이 바람직하다. 또, 이 폭은, 검출 정도(감도)를 향상시키는 관점에서는, 가능한 한 좁은 것이 바람직하다. 또한, 이 비반사면(sb)은 슬릿 공간으로 구성해도 된다. 이 반사판(12)은, 일반적인 반도체 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 이용하고, 투명 유리에 금속 증착 또는 스퍼터링함으로써 용이하게 고정밀도로 형성할 수 있다. 또, 기재를 수지로 하는 경우, 금속 도금에 의하는 것 이외에 에칭이나 몰드 성형시의 엠보싱에 의한 표면의 부분적 조면화에서도 형성 가능하다.

또한, 도 2a에도 나타낸 바와 같이, 상기 포토 센서(9)의 수광 소자(8)에는, 수광 영역을 이동물의 이동 방향으로 각각 다른 영역이 되도록 분할한 2개의 수광부(8a, 8b)가 형성되어 있다. 본 실시 예에서는, 도 2a나 도 2b에 나타낸 바와 같이, 2개의 수광부(8a, 8b), (16a, 16b)의 중심부의 간격(d1)은 2개의 수광부(8a, (8b)의 수광 신호의 위상차이가 90도가 되도록 형성되고, 통상은 w/2로 설정되지만, 수광부(8a, 8b)의 형상 등에 의해, 반드시 w/2가 된다고는 할 수 없다. 또, 2개의 수광부(8a, 8b)는 동일한 면적으로 동일한 형상으로 형성되어 있다. 이것은, 후술하는 바와 같이, 반사판(12)의 이동에 의한 2개의 수광부(8a, 8b)의 출력 변화가 동일하게 변화하고, 그 위상차이가 90도가 되도록 하기 위함이다. 그러나 후술하는 연산 수단을 사용함으로써, 90도가 아니라도, 선형성이 얻어지는 연산을 할 수 있으면, 이러한 한정을 할 필요는 없다.

또한, 제1 실시 예에서는, 수광 소자(8)의 2개의 수광부(8a, 8b)로부터의 출력을 받는 버퍼 앰프(13a, 13b), 이 앰프(13a, 13b)의 출력으로부터 리니어값 연산을 하는 연산 수단(MPU; 14)을 갖는다. 이 연산 수단(14)은, 마이크로 프로세서에 의한 연산이라도 좋고, 유효 증폭기 등의 회로라도 좋다. 또, 반사판(12)이 이동할 때의 2개의 수광부(8a, 8b) 각각의 출력 변화의 중점 전위를 구하는, 도시하지 않은 중점 전위 변환 수단이 있으며, 그 중점전위를 0점으로 한 출력 변화로 환산하고 있다.

이 중점 전위 변환 수단은, 예를 들어 ADC에 의해 디지털 값으로 변환하여, 마이크로 컴퓨터에 의해 중점 전위를 구하고, 수광부(8a, 8b) 등에 의해 얻어진 출력 값으로부터 중점 전위를 공제하는 방법이나, 앰프(13a, 13b)에서 DC레벨을 0으로 하는 오프셋 처리를 하는 등의 중점 전위 변환 수단에 의해서 중점 전위를 0으로 할 수 있다. 이 중점 전위를 0으로 변환한 2개의 수광부(8a, 8b)의 출력값을 A, B로 하고, A≥0, B≥0, 또는 A＜0, B＜0 일 때, b=(A－B)/(A＋B), A≥0, B＜0, 또는 A＜0, B≥0 일 때, a=(A＋B)/(A－B)의 연산을 하는 것으로, 반사판(12)의 이동에 따라 직선적인 상승선과 직선적인 하강선이 반복해지는 삼각파형의 출력이 얻어진다. 또, 이러한 분모 및 분자의 양쪽 모두에 측정치가 동일한 차수로 포함되는 연산을 실시함으로써, 반사형 포토 센서의 온도 특성 등에 의한 변동이 생겨도, 분모자에서 동일한 변화가 되기 때문에 취소된다.

도 2b～2d에는, 수광 소자(8)를 대신하는 다른 구성 예를 나타내고 있다. 또한, 도 1에서는 반사형 포토 센서(9)를 뒤쪽에서 본 투시도로 그려져 있지만, 도 2 a～2d는 표면상으로 그려져 있다. 도 2b의 수광 소자(16)는 이동물의 이동 방향 100에 가늘고 긴 수광 영역의 2개의 수광부(16a, 16b)를, 그 일부가 겹치는 상태에서, 이동 방향 100에 수직인 방향으로 배치하고 있다. 이 경우에서도, 전술과 같이, 2개의 수광부(16a, 16b)의 중심부의 간격(d1)도, 전술과 같이, 그 출력이 90도의 위상차이가 되도록 형성된다. 또, 도 2c의 수광 소자(17)는, 도 2a의 수광부(8 a, 8b)의 수광 영역의 일부를 차광 반사막(19)으로 차광한 수광부(17a, 17b)를 가지며, 도 2d의 수광 소자(18)는 도 2b의 수광부(16a, 16b)의 수광 영역의 일부를 차광 반사막(20)으로 차광한 수광 소자(18a, 18b)를 갖는 것이다. 또한, 상기 차광 반사막(19) 및 (20)은, 각각 윤곽을 다각형으로 했으나 곡선상으로 해도 되며, 요구되는 출력 특성에 근거하여 적절히 선택할 수 있다.

즉, 이들 수광부(17a, 17b, 18a, 18b)는, 상기 특허문헌 5와 같이, 수광부 (8a, 8b, 16a, 16b)의 활성층(수광 영역)을 차광 반사막(Al막 ; 19, 20)으로 덮는 것으로, 반사판(12)의 이동 방향의 중심부로부터 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 면적이 넓어지는 수광 영역이 설치되어 있다. 이것에 의해, 포토 센서(9)의 검출 출력의 직선성(linearity)을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시 예에서는, 1개의 수광 소자(8, 16～18)에 2개의 수광부를 형성했지만, 2개의 수광부(8a,8b), (16a, 16b), (17a, 17b), (18a, 18b)의 각각 수광 소자로서 배치해도 된다.

한편, 발광소자(7)의 발광 영역에도, 상기 수광 소자(17, 18)와 동일하게, 그 일부를 차광막 등으로 가리고, 반사판(12)의 이동 방향의 중심부로부터 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 면적이 넓어지는 발광 영역을 형성하는 것으로, 포토 센서(9)의 검출 출력의 직선성(linearity)을 향상시킬 수 있다.

제1 실시 예는, 이상의 구성으로 이루어지며, 이러한 구성에 의하면, 도 4에 나타낸 결과가 얻어진다. 즉, 도 4a에 나타낸 제1 실시 예의 구성에서는, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 중점 전위를 0으로 변환했을 때의, 수광 소자(8)의 수광부(8a)로부터의 상대 출력(A), 수광부(8b)로부터의 상대 출력(B)을 얻을 수 있고, 이들 출력(A, B)은, 90도의 위상차이(거의 간격 0.15㎜에 상당)가 생긴 파형이 된다. 또한, 이 출력 A와 B에 근거하여, 연산 수단(14)에서, 전술한 A, B의 음양에 따라, b=(A－B)/(A＋B) 및 a=(A＋B)/(A－B)의 연산이 실시되면, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 반사판좌표에 대해 상승 경사부(a)와 하강 경사부(b)가 반복해지는 삼각파형이 얻어진다. 즉, 이 연산에 의해서, 직선성이 유지된 검출 출력이 얻어진다.

이 반사판의 좌표(위치)와 출력 A, B와의 관계는, 반사판(12; 반사부) 및 반사형 포토 센서(9)와의 관계가 정해지면, 일의적으로 정해지기 때문에, 위치 검출 장치가 형성된 시점에서, 도 4c에 나타낸 연산 출력과 반사판 좌표와의 관계는 나눠지고 있고, 메모리에 삼각파의 수와 연산 출력에 대한 반사판 좌표와의 관계를 기록해 둔다. 그 결과, 반사판(12)의 위치가 실제로 어느 위치에 있는지를 검출하는 경우에는, 측정한 수광부(8a, 8b)에 의한 연산 출력과 그 측정 시점에서, a, b의 직선부를 몇 회 통과했는지를 카운트한 값에 근거하여, 메모리에 기억된 대조표로부터 실제의 위치를 검출할 수 있다.

또, 상기 연산식을 이용함으로써, 반사형 포토 센서(9)의 온도 특성도 완전하게 취소하는 것이 가능하게 된다. 즉, 예를 들면, 온도의 영향이 없고, A=0.4(V), B=0.1(V)일 때, 상기 연산식(A－B)/(A＋B)에 의한 값은 0.6이 되지만, 이것에 대해, 온도의 영향에 의해 1할의 변동이 있었다고 하면, A=0.44, B=0.11이 되지만, 이 경우도, 연산값은 0.6이 되고, 변동분이 취소되고 있다. 따라서, 장치내 온도를 서미스터(thermistor)로 모니터하여 피드백을 걸은 회로나, 특별한 온도 특성 취소 회로를 설치할 필요가 없다. 또, 2개의 수광부(8a, 8b)의 간격을 90도의 위상차이가 되도록 수광 소자(8)가 형성되고 있기 때문에, 상술한 위상이 늦어지는 출력 B의 중점 보정을 한 출력 신호의 변화를 sinθ의 커브에 근사라고 하면 A의 출력 신호는 sin(θ＋90°)가 되기 때문에, 출력 신호의 비B/A=sin(θ)/cos(θ)=tan(θ)의 역함수θ=arctan(B/A)로부터 θ를 산출하고, 반사판(12)의 반사면(또는 비반사면) 피치와 각도(θ)와의 상관을 취하여 이동거리를 산출하는 방법도 생각할 수 있다. 이 θ를 구하는 연산식을 이용하는 것이 용이하게 이동거리를 산출 가능하다. 특히, a, b를 구하는 연산식에서 선형성이 충분하지 않을 경우, 이 θ를 구하는 연산식을 이용하는 것이 양호한 선형성이 얻어진다.

이 θ를 구하는 경우도, 이 반사판(12)의 좌표와 각도 θ와의 관계는, 전술한 a, b를 구하는 경우와 동일하게, 반사판(12), 반사형 포토 센서(9)와의 관계가 정해지면, 미리 알 수 있는 것으로, 그 관계를 메모리에 기억하도록, 전술한 바와 같이 tanθ의 커브가 몇 회 바뀌었는지(반사부 sa를 몇 회 통과했는지)와 전술한 함수 계산에 의해 얻어지는 θ에 의해, 실제의 반사판(12)의 위치를 구할 수 있다. 또한, θ위치와의 관계를 메모리에 기억하는 것이 아니라, θ를 반사면(sa)의 폭(w)의 함수로 환산한 x=w·θ／π과 위치와의 관계로 메모리에 기억하고, 이 x의 값으로부터 위치를 구할 수도 있다.

도 5a～5c에는, 도 2b의 수광 소자(16)를 이용한 경우의 결과를 나타내고 있으며, 이 경우는, 수광 소자(16)의 수광부(16a)로부터의 출력에서, 중점 전위를 0으로 하였을 때의 출력 A, 수광부(16b)로부터의 출력에서, 중점 전위를 0으로 하였을 때의 출력 B로 나타낸 바와 같이, 양자 사이에, 90도의 위상차이가 생긴 파형의 출력이 얻어진다. 또한, 이 출력 A와 B에 근거하여, 마이크로 컴퓨터에 의한 연산 수단 14(도 1 참조)에 의해, b=(A－B)/(A＋B) 및 a=(A＋B)/(A－B)의 연산이 도 1의 예와 동일하게 실시되면, 도 5c에 나타낸 바와 같이, a, b로 이루어지는 직선성이 유지된 삼각파형을 얻을 수 있다.

도 6은, 제1 실시 예의 수광 소자(8)의 출력과 리니어값 연산 출력을 겹쳐서 표시한 것이며, 연산값(a, b)은 반사판(12)의 이동거리(검출 위치)에 대해 차례대로 반복해지는 삼각파형이 된다. 이 예에서는, 1개의 삼각파형이 0.3㎜의 이동거리에 상당한다.

이 예에서는, 삼각파형은, 0.3㎜의 주기로 반복되므로, 예를 들면 0.15㎜(보텀 D1)에서의 연산값과 0.45㎜(보텀 D2)로의 연산값은 동일한 값이 되고, 이대로는 어느 쪽의 위치에 반사판이 위치하고 있는지 판정할 수 없다. 이 주기성을 위해서 위치 x와 (x＋0.3)㎜의 위치에서는, 연산 결과가 같아진다. 그러나, 0도～0.3㎜에서 연산값 a 또는 b는 반사판의 위치와 1대 1의 대응이 되기 때문에, 피크(peak), 보텀(bottom)의 통과의 회수를 고려함으로써, 연산값으로부터 위치를 판단할 수 있다.

즉, 반사판(12)의 이동중의 신호의 취입 및 연산은 항상 실시되고 있다. 이 때문에, 반사판이 보텀 통과한 회수를 카운트하고, 이를 유지시키는 것으로, 현재 위치=(연산치 a에 대응하는 위치(0.3㎜ 이내))＋(신호 주기(0.3㎜)×카운트 수), 의 식에서 계산하여 판단할 수 있다. 피크 U1, U2···및 보텀 D1, D2···은, 신호 A, B의 정부가 바뀌는 포인트이며, 보텀은 신호 A가 양에서 음 또는 음에서부터 양으로 바뀌는 포인트이며, 피크는, 신호 B가 양에서 음 또는 음에서 양으로 바뀌는 포인트이다. 이 신호의 교체의 판정은, 제로점을 기준으로 한 아날로그 비교 회로로 검출할 수 있고, 디지털 변환 후의 디지털 값으로서 프로세서 내에서 정부의 판정을 하는 것에 의해도 검출할 수 있다.

따라서, 본 실시 예에 의한 위치 검출 장치를, 줌 기능을 갖는 카메라 모듈에 적용한 경우, 사용 종료후 또는 개시시에 렌즈가 원점으로 돌아오는 것(쥼 렌즈가 수납된 상태가 되는 것)과 같이 해 두면, 줌 기능 사용시, 줌 동작에 따라서 렌즈가 이동하는 양을 카운트의 적산값으로 알 수 있고, 줌 동작 종료시의 카운트의 적산값을 메모리 등에 기억시키는 것에 의해서, 현재의 렌즈의 위치를 알 수 있다. 또, 반사판(12)의 반사면(sa)의 형상을 종단부만 넓은 폭으로 하는 등, 사이즈를 변경해 두는 것으로, 종단부만 수광 소자(8), 16～18의 출력 파형을 다른 형태로 하여 렌즈가 최대 이동 가능 위치에 도달한 것을 알 수도 있다.

또, 본 발명에서는, 이동물의 이동거리에 대한 a, b의 변화량(이동 단위당의 변화)을 크게 취할 수 있기 때문에, 매우 고분해능인 위치 검출이 가능해진다. 즉, 보다 고분해능의 검출을 실시할 필요가 있는 경우에는, 도 6의 연산치 파형에서, 연산치 a, b의 변화량이 많아지는 수광 패턴(2개의 수광부의 형상, 치수, 배치 등) 및 반사판(12)의 구성(반사면 및 비반사면의 폭 등)을 최적으로 설계함으로써, 수광부 출력 파형의 상승 경사도 및 하강 경사 각도가 커지도록 하면 좋다. 이 결과, 반사형 포토 센서(9)의 2개의 출력 신호의 연산값 a, b의 구배(이동거리에 대한 a, b의 값의 변화량)가 커져, 높은 분해능이 얻어진다. 또한, 이 도 6에서, 연산값 a, b를 이용할 때, 상하의 역치(c₁, d₁)를 설정하여 이 역치의 c₁와 d₁의 사이의 연산값 a, b를 사용함으로써 검출 정도의 향상을 도모할 수도 있다.

도 7에는, 제1 실시 예에 대해 2개의 수광부의 수광 영역의 일부를 차폐한 경우［도 2c, 2d］의 수광부 17a, 17b, 18a, 18b를 대표로 하여 수광부(17a)로부터의 출력(D)을 나타내고 있으며, 이 경우는, 도시된 바와 같이, 도 2a의 예 A＇와 비교하면, 피크나 보텀측에서 출력 파형의 직선성의 개선을 확인할 수 있다. 즉, 도 2c, 2d와 같이, 수광부(17a, 17b, 18a, 18b)의 수광 영역의 일부를 차광 반사막(19, 20)으로 차광하고, 수광부의 반사부 이동 방향의 중심부로부터 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 면적이 넓어지는 수광 영역으로 하는 것으로, 출력 파형의 극값 근방에서의 기울기의 직선성을 향상시킬 수 있다.

도 8a～8b에는, 제2 실시 예의 구성을 나타내고 있으며, 이 제2 실시 예는, 리니어값 연산을 하지 않고, 장거리 검출을 실시하는 것이다. 즉, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 출력 파형의 극값 근방(피크·보텀 부분)의 파선으로 타원 형태로 마크 한 부분에서는, 출력 신호의 변화가 작고, 정확한 위치 검출을 할 수 없지만, 그 부분을 제외하면 직선성이 있기 때문에, 그 직선 부분을 이용하여 위치를 검출하는 것이다. 즉, 1개의 수광부의 신호만으로는, 연속적인 위치 검출을 할 수 없지만, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 2개의 수광부(8a, 8b)를 설치하여 신호(S1)와 위상이 다른 신호(S2)를, 위상차이가 예를 들면 90도 정도, 벗어나서 얻어지도록 배치함으로써, 양신호(S1, S2)의 직선 부분을 교대로 이용하는 것으로, 위치를 검출할 수 있다. 이 경우, 양 수광부(8a, 8b)의 위상차이는, 90도로 할 필요는 없지만, 양쪽 모두의 신호(S1, S2)의 극값 부분이 겹치지 않고, 한쪽의 신호 S1의 극값 부분이 다른 쪽 신호(S2)의 직선 부분에서 커버 되도록 위상을 빗나가게 한다.

이 예의 위치 검출의 방법에 대해서, 도 8b를 참조하면서 설명한다. 신호 (S1, S2)로 직선성이 얻어지는 범위를 나타내는 반응을 역치d2(하한), c2(상한)를 미리 설정해 둔다. 그리고 도 8b에 나타낸 e1의 변화에서는, 신호(S1)로 위치 검출을 하고, 신호(S1)가 상한 역치(c2)에 이르면 신호(S2)에 의해 위치 검출을 실시한다(e2). 동일하게 신호(S2)의 출력이 상한 역치(c2)에 이르면, 신호(S1)의 출력에 의해 위치 검출을 실시한다(e3). 동일하게 신호(S1)가 하한 역치(d2)에 이르면, 신호(S2)의 출력으로 전환하여 위치 검출을 하고, 동일하게 반복하는 것으로, 긴 거리에서도 정확하게 검출할 수 있다. 이 예에서도, 2개의 수광부(8a, 8b)의 위치가 정해지면, 이 검출 위치와 신호의 출력값과의 관계는 항상 일정하고, 미리 2개의 신호의 출력값과 거리와의 관계를 기억해 두고, 2개의 신호(S1, S2)가 상한 역치(c2) 및 하한 역치(d2)를 몇 회 통과했는지를 가산 회로(22)에 의해 카운트해 두는 것으로, 긴 거리에서도 확실히 검출할 수 있다. 또한, 역치를 넘는지 아닌지는 역치를 기준으로 한 비교 회로 또는 프로세서 내에서의 디지털 값의 비교에 의한 검출 수단으로 검출할 수 있다. 이것에 의하면, 리니어값 연산을 위한 연산 수단이 불필요해져서, 간단한 구성으로 위치 검출을 실시하는 것이 가능해진다.

상기 실시 예에서는, 수광 소자(8, 16～18)의 수광 영역을 2개로 분할한 예를 설명했지만, 이들 수광 소자의 수광 영역을 3개 이상으로 분할하여, 제1 실시 예에서는, 3이상의 출력에 근거하는 리니어값 연산을 실시하고, 제2 실시 예에서는, 3이상의 출력을 적산함으로써, 고분해능으로 장거리의 위치 검출을 하도록 해도 된다.

이어서, 제3 실시 예에 대해 설명한다.

상기 실시 예에 대해 리니어값 연산을 하는 경우, 수광부로부터의 출력 신호의 중점 전위를 기준으로 한 연산 처리가 필요하지만, 포토 센서(9)의 출력전압이 온도 의존성을 갖기 때문에, 온도 변화 등에 의해 중점 전위의 레벨이 변화해 버려, 중점 전위에 오프셋(변동)이 생긴 상태로 연산 처리를 하면, 연산 결과에 의해 얻어지는 값과 거리와의 관계의 직선성이 무너지게 된다.

또, 상기 중점 전위는, 포토 센서(9)의 2개의 수광부(8a)와 (8b) 각각의 출력 A와 출력 B에 대해 각각의 피크값과 보텀값을 서로 더한 값의 1/2을 산출하는 것으로, 출력 A, 출력 B 각각의 중점 전위를 구하고, 그 중점전위를 각각의 출력의 오프셋 값(DC레벨의 변화량)에 사용하여, 각각 중점 전위를 보정하는 것에 의해서, 정상적인 직선성을 얻기 위한 조건은 성립된다. 그러나 주위 온도의 급격한 변화 등의 요인으로 반사형 포토 센서(9)의 출력 신호에 급변이 생겼을 때에는, 타이밍에 따라서는, 연산식으로서 본래 주어져야 할 중점 전위(예를 들면 0)가 정상적인 값으로 해서 받아들여지지 않는 일이 생기고, 결과적으로 직선성이 파탄할 가능성이 있다. 따라서, 제3 실시 예에서는, 중점 전위를 산출하여, 이것에 근거하여 리니어값 연산을 하도록 하고 있다.

도 9 및 도 10a～10b에는, 제3 실시 예의 위치 검출 장치의 구성을 나타내고 있으며, 이 실시 예에서는, 제1 실시 예와 같은 반사판(12; w1=w2=w)이 배치되어 발광소자(7)에서 수광 소자(24)를 갖는 반사형 포토 센서(9)가 설치되고 있다. 즉, 이 반사형 포토 센서(9)는, 제1 실시 예와 같은 구조로 이루어지며, 수광 소자(8) 대신에, 수광 소자(24)가 배치되어 있다. 이 수광 소자(24)에서는, 도 10a에도 나타낸 바와 같이, 수광 영역을 이동물의 이동 방향 100으로 각각 다른 영역이 되도록 분할한 3개의 수광부(24a, 24b, 24c)가 형성되어 이 3개의 수광부(24a, 24b, 24c)의 각각의 중심부의 간격이, 각각의 출력이 90도의 위상차이가 되도록 하는 것으로, 포토 센서(9)로부터의 3개의 출력 신호(A～C)는, 예를 들면 기준 신호(0도：출력 A)에 대해 90도(출력 B)와 180도(출력 C)의 위상각이 늦어지는 관계가 되도록 설계되어 있다.

또, 상기 3개의 수광부(24a, 24b, 24c)로부터의 출력을 받는 버퍼 앰프(25 a, 25b, 25c), 이 앰프(25a, 25b, 25c)의 출력으로부터 검출 신호의 중점 전위를 구함과 동시에, 리니어값 연산을 실시하는 연산 수단(MPU; 26)을 갖고 있다. 이 연산 수단(26)으로의 리니어값 연산으로서는, b=(A－B)/(A＋B) 및 a=(A＋B)/(A－B)의 연산, 또는 이들 출력을 정현파의 커브에 근사하여, 신호의 위상각 θ를, θ=arctan(B/A)로 구하는 연산 등을 적용할 수 있는 것은, 제1 실시 예와 동일하다. 이때, 중점 전위는, 앰프(25a)와 앰프(25c)를 가산하여 얻어지는 값을 0으로 오프셋 함으로써 구하고 있다.

도 10b에는, 상기 수광 소자(24)를 대신하는 다른 구성 예를 나타내고 있으며, 도 10b의 수광 소자(28)는 이동물의 이동 방향 100에 가늘고 긴 수광 영역의 3개의 수광부(28a, 28b, 28c)를, 그 일부가 겹치는 상태로, 이동 방향 100에 수직인 방향으로 배치한 것이다. 또한, 상기 수광부(24a, 24b, 24c) 및 수광부(28a, 28b, 28c)에서는, 도 2c, 2d에서 설명한 차광 반사막(19)을 설치할 수도 있다.

제3 실시 예는, 이상의 구성으로 이루어지며, 이러한 구성에 의하면, 도 11 a, 11b, 도 12a, 12b에 나타낸 결과가 얻어진다. 즉, 도 11a에 나타낸 제3 실시 예의 구성에서는, 도 11b에 나타낸 바와 같이, 수광 소자(24)의 수광부(24a)로부터 출력 A＇, 수광부(24b)로부터 출력 B＇, 수광부(24c)로부터 출력 C＇가 얻어지며, 이들은, 그 위상각에 대해 출력 A＇(0도)에 대해 출력 B＇가 90도 늦고 출력 C＇가 180도 늦은 파형이 된다. 그리고 이 출력 A＇～C＇에 근거하여, 중점 전위를 0으로 한 출력을, 각각 A, B, C로서 연산 수단(26)에서 전술과 같은 리니어값 연산을 한다. 즉, 180도 위상차이가 있는 상기 출력 A＇와 C＇에 근거하여, 중점 전위 D가 D=(A＇＋C＇)/2에 의해 산출됨과 동시에, 중점 전위를 0으로 했을 때의 출력 A와 B에 근거하여, 제1 실시 예와 동일하게, b=(A－B)/(A＋B) 및 a=(A＋B)/(A－B)의 연산이 실시된다.

이 리니어값 연산에 의하면, 도 12a에 나타낸 바와 같이, 선형성이 있는 상승 경사부(a)와 하강 경사부(b)가 반복해지는 삼각파형이 얻어진다. 그리고 제3 실시 예에서는, 상기의 중점 전위(D)가 산출되므로, 자세한 것은 후술하지만, 온도 변화가 있었을 경우에서도, 리니어값 연산에 있어서의 중점 전위(실시 예에서는 0 V)가 변동하지 않고 일정하게 되어, 정확한 연산값을 얻을 수 있다는 이점이 있다. 또한, 상기의 연산식에 의하면, 제1 실시 예에서도 설명한 것처럼, 포토 센서(9)의 온도 특성도 완전하게 취소 가능해지기 때문에, 장치 내 온도를 서미스터 등으로 감시하여, 피드백을 걸은 회로나, 특별한 온도 특성 취소 회로를 설치할 필요가 없다.

또, 도 12a에 나타낸 바와 같이, 제3 실시 예에서는, 반사판(12)에서, 반사면(sa)의 폭을 0.3㎜, 비반사면(sb)의 폭을 0.3㎜로 하고, 양쪽 모두의 0.6㎜의 이동으로, 반사형 포토 센서(9)의 출력 신호 파형의 1 주기분이 얻어지도록 설계되고 있다. 즉, 신호 파형의 1 주기분에 0.6㎜의 이동을 검출할 수 있게 된다.

도 13a～13b에는, 제3 실시 예에서, 다른 리니어값 연산으로서 신호의 위상각(θ)을 arctan(B/A)로 구하는 연산식을 이용했을 때의 결과를 나타내고 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 리니어값을 구하는 연산에서는, θ=arctan(B/A)를 이용하는 방법도 있고, 출력 신호의 위상각을 θ로 했을 경우, 이 θ와 반사판(12)의 위치(좌표)와의 상관을 취하는 것으로, 포토 센서(9)의 발광/수광면측을 이동하는 반사판(12)의 이동거리를 검출할 수 있다.

이 θ와 반사판(12)의 좌표와의 관계가, 도 13b에 나타나고 있다. 이 예에서도, 예를 들면, 0.3㎜의 반사면(sa)과 0.3㎜의 비반사면(sb)으로 이루어지는 반사판(12)의 0.6㎜의 이동으로, 포토 센서(9)의 출력 신호 1 주기분이 얻어지도록 되어 있으며, 이 경우에는, 반사판(12)의 이동 0.6㎜=출력 신호의 위상각 360도의 관계식이 성립되므로, 이 위상각(θ)을 산출함으로써 이동물의 위치 검출이 가능해진다.

이어서, 중점 전위를 산출했을 경우의 효과를 도 14a～14b에 의해 설명한다.

제3 실시 예의 연산에서는, 출력 신호 A, B의 연산으로부터 리니어값을 얻고 있지만, 각 연산식에서 이용하는 출력 신호 A, B의 값은 절대값이 아니고, 상술한 중점 전위 D에 대해서의 상대값이 된다. 즉, 상기 리니어값 연산에 의해 위치 검출을 실시하기 위해서는, 각 출력전압을 얻는데 동기시켜서, 항상 출력 신호의 중점 전위를 0으로 하여 연산을 하지 않으면, 위치 검출에 필요한 직선성은 무너져 버린다.

일반적으로, 반사형 포토 센서(9)의 출력전압은, 제품에 의해 개체차이가 있고, 포토 센서의 바이어스 조건에 의해서도 변화한다. 또, 포토 센서가 온도 의존성을 갖기 때문에, 출력 신호의 중점 전위 D의 값은 항상 일정값이 되지 않는다. 이 중점 전위 D를 항상 정확하게 얻기 위해서는, 외부의 LSI 등으로 출력 신호 A＇, B＇의 진폭을 모니터하고, 이 모니터치를 이용한 연산식 A＇/2=B＇/2=D에 의해 중점 전위 D의 값을 구하여 A=A＇－D, 및 B=B＇－D의 계산을 실시하면 되지만, 어떠한 요인에 의해, 급격한 온도 변화나 장치 내에서 바이어스 변동 등이 생겼을 경우에는, 타이밍에 따라서는 정확한 중점 전위 D가 주어지지 않고, 순간적으로 연산값으로부터 얻어진 결과가, 도 14b의 E와 같이 직선성이 무너진 파형이 될 가능성이 있다.

도 14b는, 출력 신호의 진폭이 본래의 -1～＋1에서 0.5～2.5로 변동하고, 중점 전위가 1.5V로 시프트 했음에도, 상기 (A－B)/(A＋B), (A＋B)/(A－B)의 연산을 실시한 것이며, 그 결과, 파형 E의 연산값이 출력되고 있다. 이 결과로부터도, 시스템 파탄을 발생시키지 않고, 항상 안정된 직선성을 얻기 위해서는, 출력 신호 A, B의 검출과 동기하여, 중점 전장 D의 값을 항상 모니터할 수 있으면 좋다는 것을 알 수 있다.

도 14a는, 중점 전위 D를 산출한 결과이며, 이 중점 전위 D의 산출에 의해, 출력 A, B의 중점 전위가 0V로 항상 설정되므로, 연산 결과는 선형성이 높은, 반복의 삼각파형이 된다. 또, 실시 예에서는, 출력(신호) C는 A에 대해, 180도 위상각이 진행되도록 설계되어 있기 때문에, A와 C의 합의 반값인 D=(A＋C)/2는, 출력 A, B, C의 변동에 관련되지 않고, 항상 각 출력 신호의 중점 전위 D를 나타내게 된다. 즉, 이 중점 전위 D의 산출은, 위에서 설명한 바와 같이, D=(Amax－Amin)/2=(Bmax－Bmin)/2의 연산식에서 실시할 수도 있지만, 180도 위상차이가 있는 A와 C를 이용하는 것이, 중점 전위 D의 산출이 정확하게 실시된다. 또한, 이 D=(A＋C)/2의 연산을, 동시에 얻어진 출력 A, B, C에 근거하여, 연산 수단(26)에서 실시하는 것으로, 리니어값 연산에 대해 항상 직선성을 확보하는 것이 가능해진다.

상기 제3 실시 예에 의하면, 포토 센서(9)가 온도 의존성을 갖는 경우, 급격한 온도 변화에 의해 포토 센서(9)로부터의 출력 신호에 변동이 생기는 경우 등으로, 중점 전위 레벨이 변화해도, 연산식으로 얻어지는 직선성 특성에 영향을 주지 않는다는 이점이 있다.

(산업상 이용 가능성)

본 발명은, 장거리 검출을 고분해능으로 실시하는 위치 검출 장치 등으로서 예를 들면 고배율 줌이 필요한 디지털 카메라, 단일 렌즈 반사 카메라, 캠코더, CCTV 등의 장거리 검출용 액추에이터 등에 적용할 수 있다.

1, 9; 반사형 포토 센서,
3, 7; 발광소자,
4, 8, 16, 17, 18, 24, 28; 수광 소자,
5, 12; 반사판(반사부),
8a, 8b, 16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 24a～24c, 28a～28c; 수광부,
14, 26; 연산 수단(마이크로 프로세서 유닛),
19, 20; 차광 반사막,
22; 가산 수단,
sa; 반사면,
sb; 비반사면.

Claims

반사면과 비반사면을 이동물의 이동 방향으로 교대로 나열한 반사부와,
상기 반사부와 대향하여 설치되며, 상기 반사부의 방향으로 발광하는 발광소자 및 상기 반사부에서 반사한 광을 수광하는 수광 소자를 갖는 반사형 포토 센서를 구비하고,
상기 반사형 포토 센서의 수광 소자는 상기 이동물의 이동 방향으로 각각 다른 수광 영역을 갖는 복수의 수광부가 설치되는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치용 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 반사형 포토 센서의 수광 소자의 수광부가, 검출 출력이 상기 이동물의 이동량에 따라 직선적으로 변화하도록, 반사부 이동 방향에 있어서의 상기 수광부의 중심부에서 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 수광 영역의 면적이 넓어지도록 형성되고, 또는 상기 발광소자의 발광부가, 검출 출력이 상기 반사부의 이동량에 따라 직선적으로 변화하도록, 반사부 이동 방향에 있어서의 상기 발광소자의 중심부로부터 양단으로 향하는 만큼, 단위길이당 면적이 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치용 센서.
청구항 1 기재된 위치 검출용 센서와, 상기 복수의 수광부로부터의 신호에 의해, 가산, 감산, 제산 및 함수 계산의 적어도 1개의 연산을 실시하고, 상기 연산에 의해 얻어지는 값과 상기 반사부의 위치와의 관계를 선형화하는 연산 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 복수의 수광부 중 2개 각각에서 얻어지는 출력값과 상기 반사부의 위치와의 관계에서, 상기 반사부의 위치의 변화에 대한 상기 출력값의 변화의 중점 전위가 0이 되도록 상기 출력값을 평행이동 하는 중점 전위 변환 수단을 더욱 가지며, 상기 중점 전위 변환 수단에 의해 변환한 상기 2개의 수광부의 각각 출력값을 A, B로 하고, 상기 연산 수단은,
A≥0, B≥0 또는 A＜0, B＜0 때, (A－B)/(A＋B),
A≥0, B＜0 또는 A＜0, B≥0 때, (A＋B)/(A－B)
의 연산을 실시하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 연산 수단이, 상기 복수의 수광부 중 2개 각각으로부터 얻어지는 상기 반사부의 위치와 상기 수광부의 각각의 출력값과의 관계를 나타내는 곡선에서, 상기 곡선의 선형성이 얻어지는 한계인, 오른쪽 상승 곡선의 상한과 오른쪽 하강 곡선의 하한의 역치를 설정하는 수단과 상기 상한 및 하한의 역치의 도달 회수를 카운트하는 카운트 수단을 더욱 가지며, 상기 카운트 수단에 의해 얻어지는 카운트 수와 출력에 의해 이동물의 위치 검출을 실시하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 복수의 수광부 중 2개 각각으로부터 얻어지는 출력값과 상기 반사부의 위치와의 관계를, 기준 위치에서부터의 거리에 대응하는 위상각 θ을 이용하여 각각 sinθ의 커브에 근사하고, 상기 각각의 sinθ의 커브의 중점 전위가 0이 되도록 평행이동 하는 중점 전위 변환 수단을 더욱 가지며, 상기 2개의 신호의 위상차이가 90도가 되도록 상기 2개의 수광부가 형성되며, 상기 중점 전위 변환 수단에 의해 평행이동 한 상기 2개의 수광부의 각각의 출력값을 A, B로서 위상이 90도 진행되고 있는 측의 출력값을 A로 하고, 상기 연산 수단이 θ=arctan(B/A)의 연산을 실시하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
청구항 3 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 수광부가 제3 수광부를 가지며, 상기 제3 수광부의 출력과, 상기 2개의 수광부의 하나의 수광부의 출력이 180도 위상차이가 되도록 상기 제3 수광부가 형성되고, 상기 180도의 위상차이를 갖는 2개의 수광부의 출력이 가산됨으로써, 상기 중점 전위를 산출하는 중점 전위 산출 수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
이동물에, 반사면과 비반사면이 각각 같은 폭으로 상기 이동물의 이동 방향에 따라 교대로 배열된 반사부를 고정하고, 상기 반사부와 대향하여 발광소자와 수광 소자를 갖는 반사형 포토 센서를 설치하며, 상기 반사형 포토 센서의 수광 소자를, 상기 이동물의 이동 방향에 따라 각각 다른 복수의 수광부를 갖도록 형성하며, 상기 이동물의 이동에 따라 변화하는 상기 복수의 수광부의 출력을 연산 처리함으로써 상기 이동물의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.