(57)【要約】第１のカレントミラーを有する第１のデバイスは、第１の光検出器の出力を増幅するために使用される。カレントミラー構造を有する第２のデバイスは、第２の光検出器の出力を増幅するために採用される。それら２つのデバイスの出力は、次いで比較されて、回転部材の位置や、別の部材に対して相対運動する部材の位置決めなどの用途を含め、多くの用途に有用な信号を与える。好ましくは、フィードバック作動が光検出器の内の少なくとも１つの出力を増幅するために何ら使用されていない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器の出力を増幅するための装置において、
第１のトランジスタを有し、前記光検出器からの電流が印加される第１の回路経路と、
第２のトランジスタを有する第２の回路経路であって、前記２つのトランジスタはカレントミラー構造を形成するように接続され、前記２つのトランジスタは光検出器の出力の増幅されたバージョンである信号をカレントミラー構造が与えるようになっている第２の回路経路と、
を備える光検出器の出力を増幅するための装置。
【請求項２】
前記光検出器は、第１の回路経路内にある請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記２つのトランジスタはＭＯＳトランジスタを有し、前記第２のトランジスタは第１のトランジスタのものよりも大きな幅／長さの比率を有する請求項１記載の装置。
【請求項４】
光検出装置において、
第１の光検出器と、
第１のデバイスであって、
（ａ）第１のトランジスタを有し、前記第１の光検出器からの電流が印加される第１の回路経路と、
（ｂ）第２のトランジスタを有する第２の回路経路であって、前記２つのトランジスタはカレントミラー構造を形成するように接続され、前記第１および第２のトランジスタは第１の光検出器の出力の増幅されたバージョンである出力信号をカレントミラー構造が第１のデバイスに与えるようになっている第２の回路経路と、を有する第１のデバイスと、
第２の光検出器と、
第２のデバイスであって、
（ｃ）第３のトランジスタを有し、前記第２の光検出器からの電流が印加される第３の回路経路と、
（ｄ）第４のトランジスタを有する第４の回路経路であって、前記第３および第４のトランジスタはカレントミラー構造を形成するように接続され、前記第３および第４のトランジスタは第２の光検出器の出力の増幅されたバージョンである出力信号をカレントミラー構造が第２のデバイスに与えるようになっている第４の回路経路と、を有する第２のデバイスと、
を備える光検出装置。
【請求項５】
前記第１の光検出器は、第１の回路経路内にある請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記第２の光検出器は、第３の回路経路内にある請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２のトランジスタはＭＯＳトランジスタを有し、前記第２のトランジスタは第１のトランジスタのものよりも大きな幅／長さの比率を有する請求項４記載の装置。
【請求項８】
前記第３および第４のトランジスタはＭＯＳトランジスタを有し、前記第４のトランジスタは第３のトランジスタのものよりも大きな幅／長さの比率を有する請求項４記載の装置。
【請求項９】
前記第１および／または第２の光検出器は、フォトダイオードである請求項４記載の装置。
【請求項１０】
前記装置はスリット板を備えた光エンコーダに使用され、前記板は所定のピッチの複数のスリットを有し、相対運動はスリット板と光検出器との間に惹起され、前記光検出器の内の少なくともいくつかは相対運動の方向に整列されると共にスリットの前記所定のピッチの１／２に相当する間隔で隔置される請求項４記載の装置。
【請求項１１】
光検出装置において、
第１の光検出器と、
第１のトランジスタを有し、前記第１の光検出器からの電流が印加される第１の回路経路と、
第２の光検出器と、
第２のトランジスタを有し、前記第２の光検出器からの電流が印加される第２の回路経路であって、それら２つの回路経路の内の少なくとも一方にはフィードバック経路が存在しない第２の回路経路と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項１２】
前記第１の光検出器は、第１の回路経路内にある請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の光検出器は、第３の回路経路内にある請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記第１および／または第２の光検出器は、フォトダイオードである請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記装置はスリット板を備えた光エンコーダに使用され、前記板は所定のピッチの複数のスリットを有し、相対運動はスリット板と光検出器との間に惹起され、前記光検出器の内の少なくともいくつかは相対運動の方向に整列されると共にスリットの前記所定のピッチの１／２に相当する間隔で隔置される請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出システムは、いくつかの異なった応用分野で広く使用されている。例えば、そのようなシステムは、計量秤に使用されている。光検出システムは、さらに、回転中に回転部材の位置を決めるためにモータと共に光エンコーダとして使用されている。
【０００３】
上述した応用分野で使用されている従来の光検出システムの１つの形式は、米国特許第４，６５４，５２５号（特許文献１）に記載されている。この特許によれば、光ロータリエンコーダは、板の周囲にいくつかのスリットを配置した円形のスリット板を有し、その場合、スリットはピッチＰを有する。フォトダイオードは、光をスリット板の一方側に向かって放射し、また４個のフォトダイオードは、スリットを通して発光ダイオードによって放射された光を検出するためにスリット板の他方側に設置される。４個のフォトダイオードからの出力信号は、回転しているスリット板の角度位置と速度を決めるための検出回路に印加される。このようにして、スリット板を回転するのに使用される回転軸の角度位置と速度は、計測される。
【特許文献１】米国特許第４，６５４，５２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フォトダイオードによって検出される光量は、発光ダイオードから光を受けるフォトダイオードの表面積に比例している。かくして、フォトダイオードによって検出される信号の強さを高めるために、大きな面積のフォトダイオードを採用したり、またはより小さな光検出器を多数組み採用することが好ましい。しかし、このことは、フォトダイオードを収容した光ヘッドの寸法を大きくし、多くの応用分野で実用的でなくなるであろう。具体的には、このことは、人気が高まっている携帯可能な電子デバイスの場合に当てはまり、近年の電子デバイスの小型化傾向も当てはまる。さらに、より大きな面積の光検出器は、暗電流を増大させ、これによって信号−対−ノイズの比率を減らし、またキャパシタンスを増大させ、これによってデバイスの速度を遅くする。
【０００５】
検出される信号の強度を高めるための別の技術は、米国特許第４，６５４，５２５号（特許文献１）の図６に示す方式におけるような光検出器の出力を増幅するものである。米国特許第４，６５４，５２５号（特許文献１）の図６に示されているように、負フィードバックを備えたオペアンプが、各フォトダイオードの出力を増幅するために採用される。しかし、フィードバックを使用すると、検出回路の安定性を減少させる。従って、上述した短所が回避されたり、または軽減される改良された光検出システムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
検出回路における安定性は、光検出器の少なくとも１つの出力を処理するためにフィードバック経路を単に使用しないことで改良される。かくして、１つの光検出器によって発生される電流は、トランジスタを有する第１の回路経路によって電圧に変換される。第２の光検出器によって発生される電流は、同様に、第２の回路経路のトランジスタによって第２の電圧に変換される。そのように発生された２つの電圧は、次に比較器によって比較され、多くの用途に対して有用な出力を与える。例えば、回転されている部材、または他に別の部材に対して相対運動させられている部材の位置を決めるための光エンコーダに応用される。この検出装置は、光検出器の少なくとも１つの出力を処理するためのフィードバック経路を何ら有しておらず、従って全ての光検出器の出力を処理するためにフィードバックを備えたオペアンプを採用したものとは違ってより安定している。
【０００７】
採用された光検出器の表面積を減らすために、カレントミラー構造が光検出器の出力を増幅するための回路に採用される。かくして、光検出器からの電流は、第１のトランジスタを有する第１の回路経路に印加される。第２の回路経路は、第２のトランジスタを有する。第１および第２の回路経路は、カレントミラー構造を形成するように接続される。それら２つのトランジスタは、光検出器の出力の増幅されたバージョンである信号をカレントミラー構造が与えるようになっている。
【０００８】
このため、光検出器の出力を増幅するための上述した装置は、光検出装置に使用される。かくして、第１のカレントミラーを有する第１のデバイスは、第１の光検出器の出力を増幅するために使用される。カレントミラー構造を有する第２のデバイスは、第２の光検出器の出力を増幅するために採用される。それら２つのデバイスの出力は、次いで比較されて、回転部材の位置や、別の部材に対して相対運動する部材の位置決めなどの用途を含め、多くの用途に有用な信号を与える。好ましくは、フィードバック作動が光検出器内のの少なくとも１つの出力を増幅するために何ら使用されていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
説明を簡略化するために、同じ構成要素は、本願明細書では同じ番号で同定される。
【００１０】
図１は、本発明を示すのに有用なスリット板および４つの光検出器の概略図である。図１に示されているように、相対運動がスリット板１０と４つの光検出器ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４との間で惹起される。この相対運動は、矢印１２に沿ってスリット板１０を動かしたり、矢印１２に対して反対方向に光検出器を動かしたり、またはそれら両方を行うことで起こされる。このような相対運動は、モータ（図示せず）または他の回転装置などのいくつかの機構によって起こされる。スリット板１０は、ピッチＰで隔置されているいくつかのスリット（例えば、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を形成し、その場合、各スリットは、図１に示すＰの約２分の１（１／２）の幅を有する。４つの光検出器の各々は、スリットの幅、または換言すれば、ほぼ１／２Ｐとほぼ同じ幅を有する。例えば、図１に示されているように、ＰＤ１およびＰＤ３は、ほぼ相対運動の方向（例えば、矢印１２の方向）に整列され、かつほぼ１／２Ｐに相当する間隔で隔置される。同様に、ＰＤ２およびＰＤ４は、ほぼ相対運動の方向（例えば、矢印１２の方向）に整列され、かつほぼ１／４Ｐに相当する間隔で隔置される。従って、相対運動がスリット板１０と４つの光検出器との間で惹起されると、４つの光検出器とそれらの別々の部分とがスリットを通過してくる放射に晒される。かくして、図１に示す構成では、光検出器ＰＤ１のほぼ全体の面積がスリット１０ａを通して晒され、他方で光検出器ＰＤ２のほんの約半分が同じスリットを通して晒される。ほぼ全体の検出器ＰＤ３が板１０によって遮蔽される。検出器ＰＤ４の左半分は、板１０によって遮蔽され、他方でその検出器の右半分は、スリット１０ｂを通して晒される。４つの光検出器の出力を検出することで、光検出器に対するスリット板１０の正確な位置を決めることができる。このことは、図３Ａおよび３Ｂの検出回路によって、また代わりに図４の検出回路によって実施される。
【００１１】
図２は、図１のものとは若干異なった状態で配列された４つの光検出器の概略図である。かくして、図１の光検出器ＰＤ４の右半分は、図２において代わりにＰＤ３の左に配置される。しかし、このことは、以下の説明から明らかなように、他の３つの光検出器のものに対するＰＤ４の出力間の相対位相関係を変えることはない。明らかに、４つの光検出器の寸法と配列とは図１および２に示すものに制限されることはなく、他の寸法と配列も可能である。
【００１２】
図３Ａに示されているように、光検出器ＰＤ１の出力は、２つの回路経路を有するカレントミラー構造によって増幅される。光検出器ＰＤ１からの出力電流は、トランジスタ２２を有する２つの回路経路の内の第１のものに供給される。好ましくは、光検出器ＰＤ１は、図３Ａに示されているように、第１の回路経路内に存在する。かくして、この第１の回路経路では、トランジスタ２２のドレインとソースは、基準電圧ＶｃｃとフォトダイオードＰＤ１の一方の端子にそれぞれ接続され、ＰＤ１の他方の端子は接地に接続される。第２の回路経路は、第２のトランジスタ２４を有し、そのトランジスタのドレインとソースは、Ｖｃｃと抵抗器Ｒ１とにそれぞれ接続され、Ｒ１の他方の端子は接地に接続される。２つのトランジスタ２２、２４のゲートは、互いに接続され、その場合、それらゲートは、カレントミラー構造を形成するように、さらにトランジスタ２２のソースに接続される。回路２０におけるカレントミラー構造は、フォトダイオードＰＤ１によって与えられる電流に比例している。かくして、当業者に知られているように、トランジスタ２２、２４がＭＯＳＦＥＴである回路２０のようなカレントミラー構造において、その構造の（トランジスタ２４と抵抗器Ｒ１とを有する）第２の回路経路に流れる電流は、その構造の（トランジスタ２２とＰＤ１とを有する）第１の回路経路に流れる電流に対して、トランジスタ２２の幅／長さの比率に対するトランジスタ２４の幅／長さの比率の割合を示している。従って、もしトランジスタ２４の幅／長さの比率がトランジスタ２２のもののＭ倍であれば、トランジスタ２４のドレインとソースとの間に流れる電流は、トランジスタ２２のドレインとソースの間に流れるもののほぼＭ倍である。抵抗器Ｒ１は、この電流をノード２６と接地との間での電圧降下に変換するので、ノード２６での電圧は、ＰＤ１の出力電流の増幅されたバージョンである。
【００１３】
第２のカレントミラー構造と光検出器ＰＤ３とを有する回路３０は、回路２０と同じ構造を有する。かくして、回路３０の第１の回路経路は、トランジスタ３２とフォトダイオードＰＤ３とを有し、また第２の回路経路は、トランジスタ３４と抵抗器Ｒ３とを有している。２つの回路経路は、一緒に接続され、２つのトランジスタのゲートを一緒に接続すると共にカレントミラー構造におけるトランジスタ３２のソースに接続する。回路３０におけるこのカレントミラー構造は、さらに、ＰＤ３によって与えられる電流の増幅されたバージョンである出力電圧をノード３６において与えるが、その場合、増幅係数はトランジスタ３２の幅／長さの比率に対するトランジスタ３４の幅／長さの比率の割合によって与えられる。好ましくは、２つの回路２０、３０は、ほぼ同じ増幅率、この場合はＭを光検出器ＰＤ１、ＰＤ３の出力に与える。端子またはノード２６、３６における２つの出力電圧は、比較器４０によって比較され、図３Ａに示されているように、出力Ａｏｕｔを与える。
【００１４】
図１から、スリット板１０と２つの検出器ＰＤ１、ＰＤ３との間に矢印１２に沿った相対運動があると、これら２つの検出器の出力は反対位相になることが観察されるであろう。従って、比較器４０の出力は、矩形波の形となり、その矩形波ではノード２６における電圧がノード３６における電圧を越えている場合に出力は高い値になり、その反対が正しい場合には低い値になり、高い値と低い値との間の推移はそれら２つのノードにおける電圧がほぼ同じになっている点で起きる。
【００１５】
回路５０、６０におけるカレントミラー構造は、回路２０、３０のものとほぼ同じである。このため、回路５０は光検出器ＰＤ２の出力を増幅し、回路６０は光検出器ＰＤ４の出力を増幅してノード５６、６６で出力を与える。従って、比較器７０の出力は、さらに上述したＡｏｕｔと同じ形の矩形波である出力Ｂｏｕｔを与える。しかし、図１および２を参照すると、ＰＤ２とＰＤ４とは、それぞれＰＤ１とＰＤ３に対して矢印１２に沿って約１／４だけ変位されているために、相対運動がスリット板１０と４つの光検出器との間で矢印１２に沿って惹起されると、光検出器ＰＤ２の出力は、光検出器ＰＤ１の出力とほぼ９０度位相が外れ、光検出器ＰＤ４の出力は、光検出器ＰＤ３の出力とほぼ９０度位相が外れているのが観察されるであろう。従って、比較器７０の出力Ｂｏｕｔは、矩形波出力Ａｏｕｔとほぼ９０度位相が外れることになる。これら２つの出力は、光検出器に対するスリット板１０の相対位置に関する情報を得るために使用される。
【００１６】
スリット板１０と光検出器との間の相対運動がモータによって制御される場合は、例えば出力Ａｏｕｔ、Ｂｏｕｔは、一方のスリット板または他方の光検出器がモータの作動結果として移動されるとスリット板または光検出器の位置を監視するために使用され、また図３Ａおよび３Ｂにおける回路は、光エンコーダを形成する。モータまたは他の回転装置における応用に加えて、本発明はさらに他の機器や産業の自動化に有用である。
【００１７】
回路２０、３０、５０、６０は、それらが何らフィードバック作動を採用していな点で有利である。フィードバックを使用すると回路を不安定にする。増幅率Ｍを大きな数値となるように選択することで、４つの光検出器の寸法を小さくすることができる。光検出器の寸法をより小さくすると、暗電流も減少され、それによって信号−対−ノイズの比率を改善する。光検出器の寸法をより小さくすると、さらに回路全体の寸法を小さくし、それによってコストを削減する。半導体ダイにおける光検出器の表面積が縮小されると、それはさらに回路のキャパシタンスを小さくし、それによって回路の速度を改善する。２２、２４、３２、３４などのｐ−チャンネルのトランジスタが図３Ａ、３Ｂに示されているが、ｎ−チャンネルのトランジスタが代わりに使用され、かつ本発明の技術範囲内であることが理解されるであろう。ｎ−チャンネルのトランジスタが代わりに使用されると、カレントミラー構造は、図３Ａ、３Ｂに示されているものとは幾分異なるが、本発明の技術範囲内である。
【００１８】
図４は、本発明の代替の実施形態１００を示す概略回路線図である。図４に示されているように、光検出器ＰＤ１は、基準電圧Ｖｃｃと接地との間の回路経路にあり、抵抗器Ｒ１が光検出器ＰＤ１をＶｃｃに接続する。ノード１０６における電圧は、Ｖｃｃ−Ｉ1 Ｒ1 に等しく、その場合、Ｉ1 は光検出器ＰＤ１によって与えられる電流である。同様に、ノード１１６における電圧は、Ｖｃｃ−Ｉ3 Ｒ3 に等しく、その場合、Ｉ3 は光検出器ＰＤ３によって与えられる電流である。かくして、比較器１１０の出力ＯＵＴは、（Ｉ3 Ｒ3 −Ｉ1 Ｒ1 ）であり、そこからＰＤ１とＰＤ３に対するスリット板の位置を決めることができる。同様な回路が、ＰＤ２とＰＤ４の出力を処理するために使用される。このような回路構成では、４つの光検出器の出力を処理するのに何らフィードバック作動を採用していない。
【００１９】
本発明は、種々の実施形態を参照して説明してきたが、添付された特許請求の範囲や、それらの等価構成によってのみ定義される本発明の技術的範囲から逸脱しない限り改造変更が行われ得ることが理解されるであろう。本願明細書において参照された全ての参考文献は、その全体が参照により援用されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の態様を示すのに有用な４つの光検出器ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４におけるスリット板の概略図である。
【図２】図１に示されているように、別の部材に対して相対運動する部材の位置を決めるための光ヘッドの４つの光検出器の概略図であるが、それら光検出器は、図１のものとは若干異なって構成されている。
【図３Ａ】光検出器の処理回路の一実施形態を示し、別の部材に対して相対運動する部材の位置を示すのに有用な図２の４つの光検出器の内の２つの出力部からの出力を与える回路の概略図である。
【図３Ｂ】光検出器の処理回路の一実施形態を示し、別の部材に対して相対運動する部材の位置を示すのに有用な出力をさらに与えるために、図２の残りの２つの光検出器の出力を処理するための図３Ａのものに類似した回路の概略図である。
【図４】本発明の代替の実施形態を示し、図２の光検出器の内の２つの出力を処理するための検出回路の概略図である。
【図１】
2005525708.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2005525708.tif 000006
【図４】
2005525708.tif 000007
【国際調査報告】
2005525708.tif 000008
2005525708.tif 000009