TW201447239A - 使用反射型光偵知器的位置偵測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明具有反射體5，其具有沿著移動物之移動方向交互排列的反射部sa及非反射部sb，並且安裝於移動物上；本發明具有反射型光偵知器1，與發光元件3及反射體5所反射的光被複數個受光部受光之後的受光元件4並列而設置；本發明具有運算裝置8，其使用受光部的輸出信號算出移動物的位置被顯示出的值；受光元件4至少包含會輸出相位互異之信號的第一及第二受光部4a,4b；第二受光部4b在設置上分割為第一受光區域4b1及第二受光區域4b2，相對於上述第一受光部4a，其設置於發光元件3的相反側及發光元件3的旁邊；運算裝置使用第一及第二受光區域4b1,4b2的輸出信號所算出的1個信號和第一受光部的輸出信號算出移動物的位置被顯示出來的值。

Description

使用反射型光偵知器的位置偵測裝置

本發明是關於一種使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，特別是關於一種用來偵測相機等裝置內之移動物之位置及移動量的裝置。

過去以來，例如在數位相機、攝錄影機、監視攝影機等裝置上，使用各種致動器來驅動鏡頭，為了進行這種可動式鏡頭等的位置偵測，使用位置偵測裝置。

例如，作為對焦鏡頭的位置及移動量的偵測裝置，有像步進馬達那樣使用脈衝產生器的型態、像壓電馬達那樣使用光偵知器或磁感式偵知器以類比方式偵測出變化量的型態，前者的例子揭露於特開平04-9712號公報等，後者的例子揭露於特開平05-45179號公報、特開2002-357762號公報、特開2006-173306號公報、特開2009-38321號公報等。

上述所採用的步進馬達的方式係根據產生的脈衝數的計數旋轉固有的旋轉角度，由於是需要長距離位置偵測的應用，一般還是採用此步進馬達的方式。不過，由於其為馬達不連續旋轉的構造，旋轉時會產生較大的聲音，此為動畫攝影 時所產生的聲音雜訊的來源。又，其也會產生回應較慢的問題。

因此，在數位相機等裝置上，開始從步進馬達的方式改為壓電馬達的方式，其可以迴避動畫攝影時的聲音雜訊且適合自動對焦鏡頭的高速化或應用程式的小型化。

在第4A圖至第4B圖中，表示使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，其可使用於壓電馬達方式的位置偵測中。如第4A圖所示，反射型光偵知器1於以遮蔽壁2隔開的其中一凹部配置發光元件3，於另一凹部配置發光元件4。又，如第4B圖所示，於光偵知器1的發光/受光面SL那一側，配置反射板5，其與此發光/受光面SL平行且可沿著與發光元件3及受光元件4並排的方向移動。當形成此種構造時，發光元件3所放射出來的光被反射板5反射，射入受光元件4，再根據受光量偵測出反射板5(安裝此反射板的移動物)的位置及移動距離。

使用此種反射型光偵知器以提高位置偵測及移動偵測之性能的例子有特開2006-173306號公報的技術，又，提高輸出信號之直線性的例子揭露於特開2009-38321號公報。

然而，在高倍率或高檔機型的數位相機、單眼相機、攝錄影機及監視攝影機等裝置上，關於需要縮放功能及長距離偵測的相機模組之鏡頭位置偵測，有時需要5μm以下的分解性能或10mm以上的長距離偵測，使用習知之反射型光偵知器的位置偵測裝置難以進行偵測。

另一方面，當採用可避免動畫攝影時的聲音雜訊、使自動對焦高速化或應用程式小型化的壓電馬達方式來進 行位置偵測時，會使用磁感式偵知器，此磁感式偵知器的例子揭露於特開2006-292396號公報中。此特開2006-292396號公報的磁感式偵知器設有S極和N極交互配列的磁性產生構件(磁鐵)和2個磁場偵測元件(MR元件或霍爾元件)，其增幅此磁場偵測元件的輸出，進行運算處理，藉此，進行位置偵測。

不過，當使用上述磁感偵知器時，會有以下的問題。

1)會使系統本身大型化。

2)由於使用了排列有很多S極、N極的磁性產生元件，系統成本會升高。

3)由於是磁感偵測的關係，難以改善信號的直線性。

4)若在搭載有磁感偵知器的裝置內使用其他的磁性效應，會受到磁場覆蓋的影響，有錯誤動作發生的可能性。

5)2個磁場偵測元件的輸出較小，所以需要使用運算放大器來增幅，用來構成系統的零件成本因此提高。

6)當進行磁性產生元件的S極、N極的充磁時，容易產生誤差，磁場強度難以保持固定，又，氧化會導致性能惡化。

為了消解此種問題，本案申請人提出一種使用反射型光偵知器之位置偵測裝置(特開2013-36972號公報)。本案申請人所提出的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置如第5圖所示。反射型光偵知器1的構造為，於以遮光壁2與外周壁隔開的其中一凹部6a配置發光元件(LED)3，在另一凹部6b配置受光元件(光電晶體)4，在此反射型光偵知器1的發光/受光面那一側，配置有反射板5，其與此發光/受光面平行且可沿著發 光元件3及受光元件4的配列方向(圖的上下方向)朝向約略垂直的方向(箭頭方向)移動。此反射板5以可一體移動的方式安裝於鏡頭等移動物上。在反射板5上，以交互形成(直條紋狀)的狀態形成.配置有極細短柵形狀的反射部sa和非反射部sb。

如第5圖所示，在反射型光偵知器1的受光元件4上，形成3個受光部4a,4b,4c，其沿著移動物的移動方向將受光區域分割成彼此互異的區域。此3個受光部所輸出的3個輸出信號(分別設為A,B,C)可為了得到從基準信號(輸出A)前進90度相位的信號(輸出B)及再前進90度相位的信號(輸出C)，調整反射型光偵知器1、受光元件4及反射板5的大小及配置。

此受光部的輸出分別輸入至緩衝放大器7a,7b,7c，然後，這些輸出再輸入至運算電路(MPU)8，其進行從相位相差180度之輸出A及輸出B求出輸出信號之中點電位的運算以及得到直線性之某值的線性值運算。在運算電路8中，從相位相差180度的輸出A和輸出C算出中點電位D=(A+C)/2，從相位相差90度的輸出A和輸出B進行(A-B)/(A+B)〔=b〕(A+B)/(A-B)〔=a〕的運算。

根據此線性值運算，如第6圖所示，算出中點電位D，藉此，輸出A,B的中點電位經常設定為0V，所以，運算結果有高度的線性，為連續的三角波。此外，在第6圖中，表示出將輸出A及輸出B將各值換算成-1~1的範圍。又，運算結果顯示出使用此換算值來運算的結果，第6圖中的三角波 的右下部分使用前述之運算式(A+B)/(A-B)〔=a〕來運算，右上部分使用前述之運算式(A-B)/(A+B)〔=b〕來運算。

又，其他線性值運算的例子還包括，可藉由計算arctan(A/B)來求出信號的相位角θ，進而偵測出移動距離。在第7圖中顯示出的構造為，藉由移動反射部sa和非反射部sb所組成的反射板5的反射部Sa的寬度和非反射部Sb的寬度加起來的距離，可得到反射型光偵知器1個週期的輸出信號，藉由求出arctan(A/B)，可偵測出移動物的移動距離。

然而，在本案申請人所提出的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置中，為了進行arctan(A/B)的運算而得到相位差90度的信號，如第8圖所示，需要進行一種配置，亦即，從發光元件3那側看來，受光元件4a和4b重疊的部分以及受光元件4b和受光元件4c重疊的部分。在第9圖中，在此重疊部分顯示出沿著第8圖上之上下方向切割的剖面。當有重疊部分時，如第9圖所示，發光元件3所放射的光被反射板反射再到達受光部4a或4c的光行進距離(實線箭頭)和發光元件3所放射的光被反射板反射再到達受光部4b的光行進距離(虛線箭頭)並非同一個距離。結果，如第10圖所示，在每個受光部會出現輸出電壓不穩定的問題。在第8圖所示的受光元件的配置中，在發光元件3那側配置受光元件4b的情 況亦相同。

若在此種輸出電壓中使用不穩定的信號再進行arctan運算，第7B圖所示的三角波就不會有相同間距，導致無法正確偵測出移動物位置的課題。

又，如第10圖所示，受光元件輸出的峰值被顯示出來的偵測位置不同，特性曲線的曲率也有很大的不同。結果，在實際的應用中，有時會產生以下的問題。

在相機鏡頭模組等應用中，反射板5及反射型光偵知器1固定於致動器框體的可動部及固定部。此固定使反射板5和反射型光偵知器1正對著，理想上最好使其表面呈平行狀態。不過，框體的加工精度、可動部的安裝精度、反射板的安裝精度、反射型光偵知器的安裝精度較差，或者，在應用上，反射板5以相對於反射型光偵知器1的傾斜狀態被安裝上去。

例如，在第11圖中，顯示反射板5以相對於反射型光偵知器1的傾斜狀態被安裝上去的構造。當此種以傾斜狀態被安裝上去的反射板5移動時，發光元件3所放射出的光被反射板5反射再射入受光元件4a及4c、受光元件4b的光行進距離的差進一步變大，出現位置偵測精度下降的問題。

本發明的目的在提供一種使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，其為可消解此種課題且在構造上必須重疊配置受光元件的位置偵測裝置，其可正確地進行移動物的位置偵測。

為了達成上述目的，本發明第1實施型態，亦即， 用來偵測移動物之位置的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，其特徵為，具有：反射體，具有沿著上述移動物之移動方向交互排列的反射部與非反射部且安裝於上述移動物上；反射型光偵知器，與該反射體相向設置，發光元件及該發光元件所放射出且被該反射體所反射的光被複數個受光部受光之後，沿著與擁有該受光部的受光元件垂直相交的方向並列而設置；及運算裝置，使用上述受光部的輸出信號算出上述移動物的位置被顯示出的值；上述受光元件至少包含第一及第二受光部，其沿著與上述移動物的移動方向不同的方向而設置，藉由受光於來自上述反射體的光輸出相位互異的信號；上述第二受光部在設置上分割為第一受光區域及第二受光區域，相對於上述第一受光部，其設置於上述發光元件的相反側及上述發光元件的旁邊；上述運算裝置從上述第一及第二受光區域的輸出信號算出1個信號，使用該運算結果和上述第一受光部的輸出信號算出上述移動物的位置被顯示出來的值。

本發明第2實施型態之使用反射型光偵知器之位置偵測裝置如同本發明之第1實施型態，其中，上述運算裝置將上述第一受光部的輸出信號的大小設為A，並將上述第一及第二受光區域的輸出信號所算出的1個信號的大小設為B，進行θ=arctan(A/B)的運算，構成為藉由該相位角θ偵測出上述移動物的位置。

本發明第3實施型態之使用反射型光偵知器之位置偵測裝置如同本發明第1或第2實施型態，其中，上述運算裝置從上述複數個受光部所輸出的相位相異的輸出信號的電 壓算出該輸出信號的中點電位，以該中點電位為基準進行上述輸出信號的運算。

根據本發明之位置偵測裝置，在移動物上具備反射部和非反射部交互形成的反射板，僅藉此就可偵測出10mm以上的長距離移動。又，由於不需要習知之磁性產生元件，具有不會受到磁性覆蓋等影響的優點。再者，僅藉由改變受光部的配置，即可使用本案申請人先前所提出的位置偵測裝置進行高精度的長距離位置偵測。

又，根據本發明的位置偵測裝置，即使在反射板和反射型光偵知器不是平行安裝的情況下，也可進行高精度的長距離位置偵測，具備可擴大應用範圍的優點。

1‧‧‧反射型光偵知器

2‧‧‧遮光壁

3‧‧‧發光元件

4‧‧‧受光元件

4a,4c‧‧‧受光部

4b1‧‧‧第一受光區域

4b2‧‧‧第二受光區域

5‧‧‧反射板

6a,6b‧‧‧凹部

7,7a,7b,7c‧‧‧緩衝放大器

8‧‧‧運算電路

sa‧‧‧反射部

sb‧‧‧非反射部

第1圖表示本發明的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置的構造。

第2圖說明本發明之反射型光偵知器所使用的受光元件的輸出特性。

第3圖說明本發明之反射型光偵知器所使用的受光元件的受光部的另一配置例。

第4A圖及第4B圖說明習知之位置偵測裝置的構造。

第5圖為使用習知之反射型光偵知器的位置偵測裝置的說明圖。

第6圖為說明圖，重疊表示使用習知之反射型光偵知器的 位置偵測裝置的模擬資料及線性值運算輸出。

第7圖為說明圖，重疊表示使用習知之反射型光偵知器的位置偵測裝置的相位角運算的模擬資料及線性值運算輸出。

第8圖說明本案申請人之前所提出的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置。

第9圖說明第8圖所示的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置的剖面。

第10圖說明第9圖所示之位置偵測裝置的受光元件的輸出特性。

第11圖說明使用有反射板傾斜安裝於其上的反射型光偵知器的位置偵測裝置。

本發明的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置的構造為，面對反射部與非反射部沿著移動物之移動方向排列的反射板，發光元件6所放射的光被反射板的反射部反射，射入各個受光元件，在運算電路8中進行既定的運算，藉此，可算出移動物的移動距離。以下將詳細說明實施例。

[第1實施例]

第1圖表示本發明第1實施例的使用反射型光偵知器之位置偵測裝置的構造。如圖所示，反射型光偵知器1的構造為，於以外周壁與遮光壁2隔開的其中一凹部6a配置發光元件(LED)3，在另一凹部6b配置受光元件(光電晶體)4。在此反射型光偵知器1的發光/受光面那一側，配置有反射板5，其與此發光/受光面平行且可沿著發光元件3及受光元件4的 配列方向(圖的上下方向)朝向約略垂直的方向(箭頭方向)移動。此反射板5以可一體移動的方式安裝於鏡頭等移動物上，藉由偵測反射板5的移動量，偵測出移動物的移動量。

在反射板5上，以交互形成(直條紋狀)的狀態配置有極細短柵形狀的反射部sa和非反射部sb，在實施例中，該反射部sa和非反射部sb的寬度設為300μm。此外，該非反射部sb可以狹縫狀的空間構成。該反射板5一般使用半導體微影技術，在透明玻璃上進行金屬蒸鍍或濺鍍後，去除非反射部部分的金屬膜，藉此，可輕易獲得高精度。又，當使用基材取代透明玻璃作為樹脂時，亦可將表面的一部分作為粗面來形成非反射部。

另外，在本發明中，受光元件4包含複數個受光部，其沿著移動物的移動方向設置於不同的位置上，再者，一部分的受光部在設置上分割為配置於其他受光部之發光元件3那側的受光區域和配置於其他受光部之發光元件3之相反側的受光區域，此一部分的受光部的受光區域具有的特徵為，分別沿著其他受光部及移動物的移動方向作部分性的重疊配置。

亦即，受光部4a的發光元件3那側設有第二受光區域4b2，受光部4a的發光元件3的相反側設有第一受光區域4b1，第一及第二受光區域4b1,4b2分別設置為和受光部4a的一部分重疊。藉由此種構造，第一及第二受光區域4b1,4b2可配置於和受光部4c重疊的位置。

藉由調整受光部4a,4c及第一及第二受光區域4b1,4b2大小、配置、反射板5的反射部sa、非反射部sb的寬度， 光偵知器1所輸出的3個信號可設計為對基準信號(0度：輸出A)前進90度(輸出B)及180度(輸出C)之相位角的關係。本發明配置於於受光部重疊的位置，所以，可輕易形成直線性優良的90度相位差的信號。

此種配置的受光部的相對輸出表示於圖2。第一受光區域4b1的輸出和第二受光區域4b2的輸出被合併在一起，以「4b1+4b2」來表示。如第2圖所示，從各輸出部所得到的相對輸出近乎相同，由此可知，相較於第10圖所示的習知例，其效果較大。

如此，相對輸出近乎相同的輸出信號有3個，受光部4a的輸出信號輸出至緩衝放大器7a，第一及第二受光區域4b1,4b2的輸出信號輸出至緩衝放大器7b，受光部4c的輸出信號輸出至緩衝放大器7c，由運算電路8進行移動量的運算。

此外，藉由調整受光部4a,4c及第一及第二受光區域4b1,4b2的大小、配置、反射板5的反射部sa、非反射部sb的寬度，光偵知器1所輸出的3個信號可設計為對基準信號(0度：輸出A)前進90度(輸出B)及180度(輸出C)之相位角的關係。本發明配置於於受光部重疊的位置，所以，可輕易形成直線性優良的90度相位差的信號。

具體地說，配合0.3mm的反射部sa和0.3mm的非反射部sb所組成的反射板5的0.6mm的移動，為了得到反射型光偵知器1的1個週期的輸出信號波形，要事先調整受光部的重疊尺寸及間隔。關於信號的相位角θ，可將受光部4a的輸 出的大小設為A，將第一及第二受光區域4b1,4b2的輸出加起來的值設為B，透過運算電路8運算θ=arctan(A/B)，得到第7B圖所示的運算結果，如此進行位置偵測。

在本發明中，如第2圖所示，各受光部所輸出的相對輸出近乎一致，所以可輸出間距一致的三角波，進行正確的位置偵測。

此外，本發明的位置偵測裝置可藉由運算電路8進行第6圖所示的運算。具體地說，藉由運算電路8，將受光部4a的輸出的大小設為A，將第一及第二受光區域4b1,4b2的輸出加起來的值設為B，再進行(A-B)/(A+B)及(A+B)/(A-B)的運算，藉此，可得到伴隨反射板5的移動而使直線上升線和直線下降線交替的三角波輸出。又，根據受光部4a的輸出和受光部4c的輸出，中間電位D藉由D=(A+C)/2算出，輸出A,B的中間電位恆常設定為0V，藉此，可得到第6圖所示的高線性之連續三角波。

在此情況下也是一樣，各受光部所輸出的相對輸出近乎一致，可輸出間距一致的三角波，進行正確的位置偵測。

又，本發明的受光部的配置不受第1圖所示的配置限定，亦可如第3圖所示，為鍵形組合構造。

以上說明了反射型光偵知器1和反射板5平行正對的情況，本發明在反射板5相對於反射型光偵知器1傾斜配置的情況下，受光部設置於與發光元件3的距離互異的位置，將這些發光部的輸出作為1個輸出信號來進行運算處理，所以，亦可進行正確的位置偵測。

1‧‧‧反射型光偵知器

2‧‧‧遮光壁

3‧‧‧發光元件

4‧‧‧受光元件

4a,4c‧‧‧受光部

4b1‧‧‧第一受光區域

4b2‧‧‧第二受光區域

5‧‧‧反射板

6a,6b‧‧‧凹部

7a,7b,7c‧‧‧緩衝放大器

8‧‧‧運算電路

sa‧‧‧反射部

sb‧‧‧非反射部

Claims (3)

1. 一種使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，其為一種使用反射型光偵知器偵測移動物之位置的位置偵測裝置，具有：反射體，具有沿著上述移動物之移動方向交互排列的反射部且安裝於上述移動物上；反射型光偵知器，與該反射體相向設置，發光元件及該發光元件所放射出且被該反射體所反射的光被複數個受光部受光之後，沿著與擁有該受光部的受光元件垂直相交的方向並列而設置；及運算裝置，使用上述受光部的輸出信號算出上述移動物的位置被顯示出的值；上述受光元件至少包含第一及第二受光部，其沿著與上述移動物的移動方向不同的方向而設置，藉由受光於來自上述反射體的光輸出相位互異的信號；上述第二受光部在設置上分割為第一受光區域及第二受光區域，相對於上述第一受光部，其設置於上述發光元件的相反側及上述發光元件的旁邊；上述運算裝置從上述第一及第二受光區域的輸出信號算出1個信號，使用該運算結果和上述第一受光部的輸出信號算出上述移動物的位置被顯示出來的值。
2. 如申請專利範圍第1項之使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，其中，上述運算裝置將上述第一受光部的輸出信號的大小設為A，並將上述第一及第二受光區域的輸出信號所算出的1個信號的大小設為B，進行θ=arctan(A/B)的運算，構成為藉由該相位角θ偵測出上述移動物的位置。
3. 如申請專利範圍第1或2項之使用反射型光偵知器之位置偵測裝置，其中，上述運算裝置從上述複數個受光部所輸出的相位相異的輸出信號的電壓算出該輸出信號的中點電位，以該中點電位為基準進行上述輸出信號的運算。