(57)【要約】【課題】  受光素子をオーバーラップして配置しなければならない構成の位置検出装置であっても、正確に移動物の位置検出を行うことができる反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を提供する。【解決手段】  発光素子３から放射された光が反射板５に反射して入射する受光素子４の受光部を移動物の移動方向で複数の領域に分割するとともに、一部の受光部を発光素子３に近づけて配置する受光部と、発光素子３から遠ざけて配置する受光部とに分割し、他の受光部とオーバーラップするように配置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面と非反射面を移動物の移動方向に交互に並べた反射部と、この反射部に対し発光／受光する発光素子及び受光素子を有し、この受光素子には上記移動物の移動方向でそれぞれ異なる受光領域を持つ複数の受光部が設けられた反射型フォトセンサとを備え、上記複数の受光部から位相差の異なる信号を出力し、これらの出力信号から上記移動物の位置を検出する反射型フォトセンサを用いた位置検出装置において、
上記複数の受光部の第１の受光部と上記発光素子との間で、上記発光素子から放射された光が上記反射部の所定の反射位置に反射し、上記第１の受光部に入射する光の第１の走行距離が、上記複数の受光部の第２の受光部と上記発光素子との間で、上記発光素子から放射された光が上記反射部の所定の反射位置に反射し、上記第２の受光部に入射する光の第２の走行距離より長いとき、
上記発光素子から放射された光が上記反射部の所定の反射位置に反射し、上記第２の走行距離より短い走行距離となる位置に第３の受光部を備え、
上記第１の受光部からの出力信号と上記第３の受光部からの出力信号を１つの出力信号として出力し、上記移動物の位置を検出することを特徴とする反射型フォトセンサを用いた位置検出装置。
【請求項２】
上記第２の受光部、および上記第１及び第３の受光部からの出力値をＡ、Ｂとし、信号の位相角をθとすると、
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ）の演算を行い、
この位相角θにより上記移動物の位置を検出することを特徴とする請求項１記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置。
【請求項３】
上記複数の受光部から出力された位相差の異なる信号の電圧からそれらの信号の中点電位を算出し、この中点電位を基準にした上記出力信号の演算により上記移動物の位置を検出することを特徴とする請求項１又は２いずれか記載の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型フォトセンサを用いた位置検出装置に関し、特にカメラ等の装置内の移動物の位置や移動量の検出を行うための装置に関する。
に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えばデジタルスチールカメラ、カムコーダ、監視カメラ等では、各種のアクチュエータを使用してレンズを駆動しており、この可動レンズ等のポジションセンシングを行うために位置検出装置が用いられている。
【０００３】
例えば、フォーカスレンズの位置及び移動量の検出装置として、ステッピングモータ方式のようにパルス発生器を用いるタイプや、ピエゾモータ方式において光センサあるいは磁気センサを用いてアナログ的に変化量を検出するタイプがあり、前者の例として特開平０４−９７１２号公報（文献１）等が挙げられ、後者の例として特願平０５−４５１７９号公報（文献２）、特開２００２−３５７７６２号公報（文献３）、特開２００６−１７３３０６号（文献４）、特開２００９−３８３２１号公報（文献５）等が挙げられる。
【０００４】
上記ステッピングモータ方式は、発生するパルス数のカウントに応じて固有の回転角ずつ回転させるもので、長距離位置検出が必要なアプリケーションについても、このステッピングモータ方式の採用が一般的である。しかし、モータが不連続回転する構成となっているため、回転時に大きな音が発生し、これが動画撮影時の音声ノイズの発生源となっていた。また、応答性が遅いという問題もあった。
【０００５】
そのため、デジタルスチールカメラ等では、ステッピングモータ方式から、動画撮影時の音声ノイズの発生回避やオートフォーカスの高速化、或いはアプリケーションの小型化に好適なピエゾモータ方式が利用されるようになってきている。
【０００６】
図４には、ピエゾモータ方式での位置検出に利用することができる反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を示している。図４（Ａ）に示すように、反射型フォトセンサ１は、遮蔽壁２で隔てられた一方の凹部に発光素子３、他方の凹部に受光素子４が配置されている。また、図４（Ｂ）に示すように、フォトセンサ１の発光／受光面ＳL側に、この発光／受光面ＳLに平行で、かつ発光素子３と受光素子４を結ぶ線方向に移動するように、反射板５が配置されている。このような構成にすると、発光素子３から放射された光は、反射板５で反射して受光素子４へ入射し、その受光量によって反射板５（この反射板が取り付けられた移動体）の位置や移動距離が検出される。
【０００７】
このような反射型フォトセンサを用いて、位置検出や移動量検出の性能を向上させた例として、特開２００６−１７３３０６号公報（文献４）の技術があり、また出力信号の直線性を向上させた例として、特開２００９−３８３２１号公報（文献５）に示されたものがある。
【０００８】
ところで、高倍率又はハイエンドモデルのデジタルスチールカメラ、一眼レフカメラ、カムコーダや監視カメラ等で、ズーム機能及び長距離検出が必要とされるカメラモジュールのレンズ位置検出では、５μｍ以下の分解性能で、１０ｍｍ以上の長距離検出が必要とされる場合があり、従来の反射型フォトセンサを用いた位置センシングでは、検出が困難であった。
【０００９】
一方、動画撮影時の音声ノイズの発生回避やオートフォーカスの高速化或いはアプリケーションの小型化を図るピエゾモータ方式の位置検出には、磁気センサが使用されており、この磁気センサの例として、特開２００６−２９２３９６号公報（文献６）に示されるものがある。この文献６の磁気センサは、Ｓ極とＮ極を交互に配列した磁気発生部材（磁石）と２つの磁界検出素子（ＭＲ素子又はホール素子）を設け、この磁界検出素子の出力を増幅し、演算処理することで、位置検出が行われている。
【００１０】
しかしながら、上記磁気センサを使用する場合には、以下の問題があった。
１）システム自体が大型化する。
２）Ｓ極、Ｎ極を多く配列した磁界発生部材を使用するため、システムコストが高くなる。
３）磁場検知のため、信号の直線性の改善が難しい。
４）磁気センサ等が搭載される装置内に他の磁気を使用するような場合に、磁気かぶり等の影響を受け、誤動作する可能性がある。
５）２つの磁界検出素子の出力が低いため、オペアンプを用いて増幅する必要があり、システムを構成するための部品コストが高くなる。
６）磁界発生部材のＳ極、Ｎ極の着磁において誤差が生じ易く、磁場の強度を一定に保つことが難しく、また酸化により性能が劣化する。
【００１１】
このような問題を解消するため、本願出願人は、反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を提案している（特願２０１１−２３８３０１号）。本願出願人が提案した反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を図５に示す。反射型フォトセンサ１は、外周壁と遮光壁２で区画された一方の凹部６に発光素子（ＬＥＤ）３、他方の凹部６ｂに受光素子（フォトトランジスタ）４が配置された構成となっており、この反射型フォトセンサ１の発光／受光面側に、この発光／受光面に平行でかつ発光素子３と受光素子４の配列方向（図の上下方向）に略垂直な方向（矢印方向）に移動するように、反射板５が配置されている。この反射板５は、レンズ等の移動体と一体に移動するように取り付けられている。反射板５には、極細短冊形状の反射面ｓａと非反射面ｓｂが交互に（縦縞状に）形成・配置されている。
【００１２】
図５に示すように、反射型フォトセンサ１の受光素子４には、受光領域を移動体の移動方向でそれぞれ異なる領域となるように分割した３つの受光部４ａ、４ｂ、４ｃが形成されている。この３つの受光部からの３つの出力信号（それぞれＡ、Ｂ、Ｃとする）は、例えば、基準信号（出力Ａ）に対して９０度位相角が進んだ信号（出力Ｂ）、更に９０度位相角が進んだ信号（出力Ｃ）が得られるように、反射型フォトセンサ１、受光素子４及び反射板１２の大きさや配置等が調整されている。
【００１３】
この受光部の出力は、それぞれバッファアンプ７ａ、７ｂ、７ｃに入力し、さらにこれらの出力は、中点電位を求めると共に、リニア値演算を行う演算回路（ＭＰＵ）８に入力する。演算回路８では、１８０度位相差のある出力Ａと出力Ｃから、中点電位Ｄ＝（Ａ＋Ｃ）／２が演算され、９０度位相差のある信号Ａと出力Ｂから、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）［＝ｂ］と（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）［＝ａ］の演算が行われる。
【００１４】
このリニア値演算によれば、図６に示すように、中間電位Ｄを算出することより、出力Ａ、Ｂの中点電位が０Ｖに常に設定されるので、演算結果は、リニアリティの高い、繰り返しの三角波となる。
【００１５】
また別のリニア値演算の例として、信号の位相角θをａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ）を求め、移動距離を検出することもできる。図７には、反射面ｓａと非反射面ｓｂからなる反射板５の反射面の幅と非反射面の幅を合わせた寸法の移動で、反射型フォトセンサの出力信号１周期分が得られるようにしてａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ）を求めることで、移動物の移動距離を検出することができる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平０４−９７１２号公報
【特許文献２】特開平０５−４５１７９号公報
【特許文献３】特開２００２−３５７７６２号公報
【特許文献４】特開２００６−１７３３０６号公報
【特許文献５】特開２００９−３８３２１号公報
【特許文献６】特開２００６−２９２３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、本願出願人が提案した反射型フォトセンサを用いた位置検出装置において、ａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ）の演算を行うためには、位相差９０度の信号を得るためには、図８に示すように、発光素子３側からみて受光素子４ａと４ｂがオーバーラップする部分４ｅと、受光素子４ｂと受光素子４ｃがオーバーラップする部分４ｄが生じるように配置する必要があった。図９は、図８の図面縦方向から見た断面図である。オーバーラップ部分４ｅ、４ｄがある場合、図９に示すように、発光素子３から放射された光が、反射板に反射して受光部４ａあるいは４ｃに到達する光の走行距離（実線矢印）と、発光素子３から放射された光が、反射板に反射して受光部４ｂに到達する光の走行距離（破線矢印）が同一とはならない。その結果、図１０に示すように、受光部毎に出力電圧がばらついてしまうという問題があった。図８に示す受光素子の配置が、発光素子３側に受光素子４ｂが配置されている場合も同様である。
【００１８】
このような出力電圧にばらつきがある信号を用いてａｒｃｔａｎ演算を行うと、図７Ｂに示す三角波が同一ピッチにならず、移動物の位置検出が正確にできないという課題を招くことになる。
【００１９】
また図１０に示すように、受光素子出力のピーク値を示す検出位置が異なっており、特性カーブの曲率が大きく異なってしまうことになる。その結果、実際のアプリケーションにおいて、次のような問題を生じてしまう場合がある。
【００２０】
カメラレンズモジュールなどのアプリケーションでは、反射板５や反射型フォトセンサ１は、アクチュエータ筺体の可動部や固定部に固定される。この固定は、反射板５と反射型フォトセンサ１が正対し、その表面が平行になっていることが理想である。しかし、筐体の加工精度や可動部の取り付け精度、反射板の取り付け精度、反射型フォトセンサの取り付け精度が悪く、あるいはアプリケーション上、反射板５が反射型フォトセンサ１に対して傾きを持って取り付けられる場合がある。
【００２１】
例えば、図１１に反射板５が反射型フォトセンサ１に対して傾いて取り付けられた構造を示す。このように傾きを持って取り付けられた反射板５が移動すると、発光素子３から放射された光が反射板５に反射し、受光素子４ａおよび４ｃと、受光素子４ｂに入射するまでの光の走行距離の差がさらに大きくなり、位置検出精度が低下するという問題があった。
【００２２】
本発明は、このような課題を解消し、受光素子をオーバーラップして配置しなければならない構成の位置検出装置であっても、正確に移動物の位置検出を行うことができる反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、反射面と非反射面を移動物の移動方向に交互に並べた反射部と、この反射部に対し発光／受光する発光素子及び受光素子を有し、この受光素子には上記移動物の移動方向でそれぞれ異なる受光領域を持つ複数の受光部が設けられた反射型フォトセンサとを備え、上記複数の受光部から位相差の異なる信号を出力し、これらの出力信号から上記移動物の位置を検出する反射型フォトセンサを用いた位置検出装置において、上記複数の受光部の第１の受光部と上記発光素子との間で、上記発光素子から放射された光が上記反射部の所定の反射位置に反射し、上記第１の受光部に入射する光の第１の走行距離が、上記複数の受光部の第２の受光部と上記発光素子との間で、上記発光素子から放射された光が上記反射部の所定の反射位置に反射し、上記第２の受光部に入射する光の第２の走行距離より長いとき、上記発光素子から放射された光が上記反射部の所定の反射位置に反射し、上記第２の走行距離より短い走行距離となる位置に第３の受光部を備え上記第１の受光部からの出力信号と上記第３の受光部からの出力信号を１つの出力信号として出力し、上記移動物の位置を検出することを特徴とする。
【００２４】
本願第２の発明は、請求項１記載の発明において、上記第２の受光部、および上記第１及び第３の受光部からの出力値をＡ、Ｂとし、信号の位相角をθとすると、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ）の演算を行い、この位相角θにより上記移動物の位置を検出することを特徴とする。
【００２５】
本願請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、上記複数の受光部から出力された位相差の異なる信号の電圧からそれらの信号の中点電位を算出し、この中点電位を基準にした上記出力信号の演算により上記移動物の位置を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の位置検出装置によれば、反射面と非反射面を交互に形成しただけの反射板を移動物に備えるだけで、１０ｍｍ以上の長距離の移動を検出することが可能となる。また従来のような磁気発生部材を必要としないため、磁気かぶり等の影響を受けることもないという利点がある。さらにまた、受光部の配置を換えるだけで、本願出願人が先に提案した位置検出装置より、高精度の長距離位置検出が可能となった。
【００２７】
また本発明の位置検出装置によれば、反射板と反射型フォトセンサが平行に実装されていない場合であっても、高精度の長距離位置検出が可能となり、適用可能なアプリケーションを拡大することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の反射型フォトセンサに用いる受光素子の出力特性を説明する図である。
【図３】本発明の反射型フォトセンサに用いる受光素子の受光部の別の配置例を説明する図である。
【図４】従来の位置検出装置の構成を説明する図である。
【図５】反射型フォトセンサを用いた位置検出装置の説明図である。
【図６】反射型フォトセンサを用いた位置検出装置のシミュレーションデータとリニア値演算出力を重ねて表示した説明図である。
【図７】反射型フォトセンサを用いた位置検出装置の位相角演算のシミュレーションデータとリニア値演算出力を重ねて表示した説明図である。
【図８】先に本願出願人が提案した反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を説明する図である。
【図９】図８に示す反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を説明する図である。
【図１０】先に本願出願人が提案した位置検出装置に用いる受光素子の出力特性を説明する図である。
【図１１】反射板が斜めに取り付けられた反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係る反射型フォトセンサを用いた位置検出装置は、本願出願人が先に提案した反射型フォトセンサを用いた位置検出装置同様、反射面と非反射面を移動方向に並べた反射板に対して、発光素子６から放射された光が、反射板の反射面で反射し、複数の受光素子のそれぞれに入射し、演算回路１２で所定の演算を行うことによって、移動体の移動距離を算出できる構成となっている。以下実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は本発明の第１の実施例の反射型フォトセンサを用いた位置検出装置を示す。図に示すように反射型フォトセンサ１は、外周壁と遮光壁２で区切られた凹部６ａに発光素子（ＬＥＤ）３、他方の凹部６ｂに受光素子（フォトトランジスタ）４が配置されている。この反射型フォトセンサ１の発光／受光面側には、この発光／受光面に平行で、かつ発光素子３と受光素子４の配列方向（図の縦方向）に略垂直な方向（矢印方向）に移動するように、反射板５が配置される。この反射板５は、レンズ等の移動物と一体に移動するように取り付けられ、反射板５の移動量を検出することによって、移動物の移動量を検出する構成となる。
【００３１】
反射板５には、極細短冊形状の反射面ｓａと非反射面ｓｂが交互（縦縞状）に形成されており、実施例では、この反射面ｓａと非反射面ｓｂの幅を、３００μｍ程度としている。なお、この非反射面ｓｂは、スリット空間で構成してもよい。この反射板５は、一般的には半導体フォトリソグラフィ技術を用いて、透明ガラスに金属蒸着又はスパッタリングした後、非反射面となる部分の金属膜を除去することで、容易に高精度に形成することができる。また、基材を透明ガラスの代わりに樹脂とする場合、表面を部分的に粗面として非反射面とすることも可能である。
【００３２】
そして本発明では、受光素子４の受光部を移動物の移動方向で複数の領域に分割するとともに、一部の受光部を発光素子３に近づけて配置する受光部と、発光素子３から遠ざけて配置する受光部とに分割し、他の受光部とオーバーラップするように配置しているところに特徴を有している。
【００３３】
即ち、受光部４ａの一部とオーバーラップするように受光部４ｂを形成する際、発光素子３側に配置する受光部４ｂ２と、発光素子３から離れた位置に配置する受光部４ｂ１とに分割した構成としている。このように構成することによって、受光部４ｂ１、４ｂ２は、受光部４ｃともオーバーラップした位置に配置することができる。
【００３４】
受光部４ａ、４ｂ１、４ｂ２、４ｃの大きさ、配置、反射板５の反射面ｓａ、非反射面ｓｂの幅を調整することで、フォトセンサ１から出力される３つの信号は、例えば基準信号（０度：出力Ａ）に対し９０度（出力Ｂ）と１８０度（出力Ｃ）の位相角が進む関係となるように設計される。本発明は、受光部をオーバーラップした位置に配置しているので、９０度位相差の信号を容易に形成することができる。
【００３５】
このように配置された受光部の相対出力を図２に示す。受光部４ｂ１からの出力と受光部４ｂ２からの出力は、合算した出力を示している。図２に示すように、各出力部から得られる相対出力は、ほぼ同一となり、図１０に示す従来例と比較すると、その効果が大きいことがわかる。
【００３６】
このように相対出力がほぼ同一となった出力信号は、受光部４ａからの出力はバッファアンプ７ａに、受光部４ｂ１及び受光部４ｂ２からの出力はバッファアンプ７ｂに、受光部４ｃからの出力はバッファアンプ７ｃに、それぞれ出力され、従来例同様、演算回路８によって移動量の演算を行うことになる。
【００３７】
なお、受光部４ａ、４ｂ１、４ｂ２、４ｃの大きさ、配置、反射板５の反射面ｓａ、非反射面ｓｂの幅を調整することで、フォトセンサ１から出力される３つの信号は、例えば基準信号（０度：出力Ａ）に対し９０度（出力Ｂ）と１８０度（出力Ｃ）の位相角が進む関係となるように設計される。本発明は、受光部をオーバーラップした位置に配置することも可能としているので、９０度位相差の信号を容易に形成することができる。
【００３８】
具体的には、例えば０．３ｍｍの反射面ｓａと０．３ｍｍに非反射面ｓｂからなる反射板５の０．６ｍｍの移動で、反射型フォトセンサ１の出力信号波形が得られるように受光部のオーバーラップ寸法や間隔を調整しておく。信号の位相角θは、演算回路８によりθ＝ａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ）を演算することで、従来例同様、図７Ｂに示す演算結果が得られ、位置検出を行うことができる。
【００３９】
本発明では図２に示すように、各受光部から出力される相対出力は、ほぼ一致しているため、ピッチの揃った三角波が出力され、正確な位置検出を行うことができる。
【００４０】
なお、本発明の位置検出装置は、演算回路８によって図６に示す演算を行うことも当然可能である。具体的には、演算回路８により、受光部４ａからの出力と、受光部４ｂ１と受光部４ｂ２の合算出力から、（Ａ―Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）及び（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）の演算を行うことで、反射板５の移動に伴って直線的な上昇線と直線的な下降線が繰り返される三角波の出力を得ることができる。また、受光部４ａからの出力と受光部４ｃからの出力に基づき、中間電位ＤをＤ＝（Ａ＋Ｃ）／２により算出し、出力Ａ、Ｂの中間電位を常に０Ｖに設定することで、図６に示すようなリニアリティの高い、繰り返し三角波を得ることができる。
【００４１】
この場合も、各受光部から出力される相対出力は、ほぼ一致しているため、ピッチの揃った三角波が出力され、正確な位置検出を行うことができる。
【００４２】
また本発明の受光部の配置は、図１に示す配置に限定されるものではなく、例えば図３に示すように、鍵型状に入り組んだ構造とすることも可能である。
【００４３】
以上、反射型フォトセンサ１と反射板５が平行に正対した場合について説明したが、本発明は、反射型フォトセンサ１に対して反射板５が斜めに傾いて配置された場合であっても、発光素子３に近づけて配置する受光部と、発光素子３から遠ざけて配置する受光部からの出力を１つの出力信号として演算処理するため、正確な位置検出を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００４４】
１：反射型フォトセンサ、２：遮光壁、３：発光素子、４：受光素子、５：反射板、６：凹部、７：バッファアンプ、８：演算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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