(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ単独の光検出素子として機能する複数の素子領域が分割形成された多分割型光検出素子と、前記多分割型光検出素子への入射光により前記分割された複数の素子領域のそれぞれから前記入射光の光量に応じて出力される電流を１対１の関係で増幅する複数の増幅器とを備え、前記多分割型光検出素子への入射光の入射位置変位を、前記複数の増幅器の出力電圧間の相対的な減少増加変化に基づき計測する光学変位センサにおいて、
前記複数の素子領域それぞれの一方の端子は共通に抵抗器を介して第１の電圧が印加され、前記複数の素子領域それぞれの他方の端子はそれぞれ対応する前記増幅器を介して前記第１の電圧よりも値が小さい第２の電圧が印加され、
前記抵抗器の値および前記第１，第２の電圧の値は、前記入射光により前記抵抗器に流れる電流が、前記入射光の光量が増加しても一定値以上には増加しないという制限が加わるような値に設定されている
ことを特徴とする光学変位センサ。
【請求項２】
前記第１の電圧をＶａとし、前記第２の電圧をＶｂとし、前記抵抗器の値をＲａとし、前記複数の増幅器の出力電圧間の相対的な減少増加変化を生じさせる前記素子領域の出力電流における変化成分をΔｉｂとし、前記複数の増幅器がそれぞれ演算増幅器を用いた負帰還増幅器でありその負帰還増幅器の負帰還抵抗器の値をＲｂとし、電圧値Ｖ＋，Ｖ−をそれぞれ設計パラメータとすれば、前記多分割型光検出素子が４分割型光検出素子である場合に、前記抵抗器の値Ｒａおよび前記第１，第２の電圧の値Ｖａ，Ｖｂは、次式
【数１】
0005822776.tif 000011
に基づき決定されることを特徴とする請求項１に記載の光学変位センサ。
【請求項３】
前記複数の素子領域のそれぞれから前記入射光の光量に応じて出力される電流の総和の値を、入射光量を減少させる、または前記抵抗器の値を減らす、もしくは前記第１の電圧と前記第２の電圧との差分を増加させる、のいずれか一つの方法またはそれらを組み合わせた方法によって、入射光が入射した際に本来得られる値まで変化させ、その状態で測定した値を用いて、前記出力電流の総和の値を変化させない状態で測定した入射光の位置変化に対応する出力変化の値を除すことで前記入射光の入射位置変位計測結果を正規化することを特徴とする請求項１または２に記載の光学変位センサ。
【請求項４】
前記多分割型光検出素子の他に、光量測定用光検出素子を設け、光源から前記多分割型光検出素子と前記光量測定用光検出素子とに同じ光を並行して入射させ、前記多分割型光検出素子による入射光の入射位置変位の計測と、前記光量測定用光検出素子による入射光の光量変動の計測とを並行して行い、前記光量測定用光検出素子による入射光の光量変動計測結果を用いて、前記入射光の入射位置変位に対応する出力変化を除すことで前記入射光の入射位置変位計測結果を正規化することを特徴とする請求項１または２に記載の光学変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多分割型光検出素子を用いて微小変位を精度よく計測する光学変位センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多分割型光検出素子は、それぞれ単独の光検出素子として機能する複数の素子領域が分割形成された光検出素子であり、各素子領域は、一方がアノード端子となり他方がカソード端子となる２つの端子を備えている。この種の多分割型光検出素子としては、２分割型や４分割型のフォトダイオードが知られている。
【０００３】
多分割型光検出素子は、入射されるスポット光の位置が変化すると、分割されたそれぞれの素子領域への入射光量が変化するので、各素子領域からは、入射されるスポット光の位置変化に比例した出力が得られる。
【０００４】
このことを利用して多分割型光検出素子を用いる光学変位センサでは、光源からスポット光を多分割型光検出素子に入射させ、その入射するスポット光の位置変化による各素子領域間の出力変化を処理することにより、入射スポット光の位置と各素子領域との相対変位を検知して微小変位の高精度な計測を実現している。
【０００５】
なお、例えば特許文献１では、４分割の光検知素子に入射するスポット光の位置変化によって２次元の変位が得られることが開示されている。また、例えば特許文献２でも同様に、分割式の光検出素子上の光の移動量が検知できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２０１１２９号公報
【特許文献２】特開平５−６０５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、多分割型光検出素子を用いて微小変位を測定する場合、スポット光の入射によって各素子領域から定常的に出力されるバイアス成分は問題とせずに、スポット光の入射位置と各素子領域との相対的な変化成分の出力を問題とするが、多分割型光検出素子の出力である各素子領域の出力を１対１の関係で増幅する増幅部（１段目増幅部）は、バイアス成分と、変化成分とを共に増幅する。
【０００８】
このとき、バイアス成分の大きさは、変化成分よりも極めて大きい上に、増幅器は、一般にその電源電圧以上の出力は出せない。そのため、１段目増幅部は、バイアス成分によって出力制限に達してしまい、変化成分を十分に増幅することができないことが起こる。
【０００９】
この問題を解決するため、２段目増幅部以降において、隣接する２つの素子領域の出力信号の差分を取るなどの処理を行うことで、バイアス成分を打ち消してから変化成分の増幅を行う必要があった。その結果、多分割型光検出素子出力の処理回路が大型化するという問題の他に、１段目増幅部において出力信号に載った雑音が２段目増幅部以降において増幅されてしまい、ＳＮ比が悪化してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、多分割型光検出素子出力の処理回路の簡素化とＳＮ比の改善とが図れる光学変位センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、それぞれ単独の光検出素子として機能する複数の素子領域が分割形成された多分割型光検出素子と、前記多分割型光検出素子への入射光により前記分割された複数の素子領域のそれぞれから前記入射光の光量に応じて出力される電流を１対１の関係で増幅する複数の増幅器とを備え、前記多分割型光検出素子への入射光の入射位置変位を、前記複数の増幅器の出力電圧間の相対的な減少増加変化に基づき計測する光学変位センサにおいて、前記複数の素子領域それぞれの一方の端子は共通に抵抗器を介して第１の電圧が印加され、前記複数の素子領域それぞれの他方の端子はそれぞれ対応する前記増幅器を介して前記第１の電圧よりも値が小さい第２の電圧が印加され、前記抵抗器の値および前記第１，第２の電圧の値は、前記入射光により前記抵抗器に流れる電流が、前記入射光の光量が増加しても一定値以上には増加しないという制限が加わるような値に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多分割光検出素子への入射光に入射位置変位が生じた場合に、出力電流のうち変化しないバイアス成分を低く抑え、位置変化に対応する変化成分を大きくすることができるので、位置変化に対応する変化成分のみを増幅することが可能となる。したがって、多分割型光検出素子出力の処理回路を、増幅段数を減らして簡素化したり、ＳＮ比を向上させたりすることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による光学変位センサの外観構成を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す４分割型光検出素子の各素子領域の受光面を示す平面図である。
【図３】図３は、図１に示す４分割型光検出素子を用いた光学変位センサの出力処理回路の一般的な構成例を示す回路図である。
【図４】図４は、図１に示す４分割型光検出素子の各素子領域の受光面全体を４分割型光検出素子が有する一つの受光面とした場合にその受光面の中央にスポット光が入射した場合の各素子領域の出力状態を説明する図である。
【図５】図５は、図１に示す４分割型光検出素子の各素子領域の受光面全体を４分割型光検出素子が有する一つの受光面とした場合にその受光面の中央に入射すべきスポット光が移動変位している場合の各素子領域の出力状態を説明する図である。
【図６】図６は、図３に示す４分割型光検出素子と１段目増幅部との構成例を示す回路図である。
【図７】図７は、比較例として従来技術を適用した場合の、入射光量および入射光位置の変化に対し出力がどのように変化するかを表した図である。
【図８】図８は、本実施の形態を適用した場合の、入射光量および入射光位置の変化に対し出力がどのように変化するかを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる光学変位センサの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光学変位センサの外観構成を示す概略斜視図である。図１において、本実施の形態による光学変位センサ１は、多分割型光検出素子２として例えば４分割型光検出素子を備え、この４分割型光検出素子２に、光源３から、発光ダイオード（ＬＥＤ）とピンホールギャップとを用いて作成されたスポット光４を入射させるように構成される。
【００１６】
図２は、図１に示す４分割型光検出素子の各素子領域の受光面を示す平面図である。図２に示すように、４分割型光検出素子２は、１つの光検出素子を、それぞれ単独の光検出素子（フォトダイオード）として機能する４つの素子領域２ａ〜２ｄに分割したものである。素子領域２ａ〜２ｄの境界は、ギャップと呼ばれる光に対して不感な領域で区切られている。
【００１７】
４分割型光検出素子２では、光源３からスポット光４が入射されると、４つの素子領域２ａ〜２ｄそれぞれへのスポット光４の入射光量割合に応じた出力が得られる。４つの素子領域２ａ〜２ｄの出力比を取ることで、４つの分割受光面全体を４分割型光検出素子２が有する一つの受光面とした場合におけるその受光面の中心位置と、入射光（スポット光）４の中心位置との関係が得られる。このことを利用すれば、入射光（スポット光）４の微小な位置変位も捉えることができ、入射光４と４分割型光検出素子２との間の２次元の位置変化を計測する光学変位センサを構成することが可能になる。
【００１８】
図３は、図１に示す４分割型光検出素子を用いた光学変位センサの出力処理回路の一般的な構成例を示す回路図である。ここで、４分割型光検出素子２を構成する４つの素子領域２ａ〜２ｄのうち、素子領域２ａ，２ｂおよび素子領域２ｃ，２ｄは、それぞれ横方向に隣接する素子領域である。また、素子領域２ａ，２ｄおよび素子領域２ｂ，２ｃは、それぞれ縦方向に隣接する素子領域である。
【００１９】
図３では、素子領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに入射したスポット光４によって生じた電流出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから素子領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに入射したスポット光４の横方向および縦方向への移動量を得る出力処理回路が示されている。この出力処理回路は、４つの増幅器５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄで構成される１段目増幅部５と、２つの差動増幅器６ａ，６ｂで構成される２段目増幅部６と、和演算増幅器７ａおよび差演算増幅器７ｂで構成される３段目増幅部７とを備えている。
【００２０】
１段目増幅部５を構成する４つの増幅器５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、それぞれ、素子領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに入射したスポット光４によって生じた電流出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの対応するものが入力され、電圧への変換処理および増幅処理を行って２段目増幅部６に出力する。
【００２１】
２段目増幅部６では、差動増幅器６ａにて、増幅器５ａの出力Ａと増幅器５ｃの出力Ｃとの差分「Ａ−Ｃ」を求めて増幅する処理が行われ、差動増幅器６ｂにて、増幅器５ｂの出力Ｂと増幅器５ｄの出力Ｄとの差分「Ｂ−Ｄ」を求めて増幅する処理が行われる。
【００２２】
最後の３段目増幅部７では、和演算増幅器７ａにて、差動増幅器６ａの出力「Ａ−Ｃ」と差動増幅器６ｂの出力「Ｂ−Ｄ」との和「Ａ＋Ｂ−Ｃ−Ｄ」を求めて増幅する処理が行われ、差演算増幅器７ｂにて、差動増幅器６ａの出力「Ａ−Ｃ」と差動増幅器６ｂの出力「Ｂ−Ｄ」との差「Ａ−Ｃ−Ｂ＋Ｄ」を求めて増幅する処理が行われる。
【００２３】
ここで、和「Ａ＋Ｂ−Ｃ−Ｄ」は、スポット光４の横方向への移動変位を表し、差「Ａ−Ｃ−Ｂ＋Ｄ」は、スポット光４の縦方向への移動変位を表している。図４、図５を参照して具体的に説明する。図４は、図１に示す４分割型光検出素子の各素子領域の受光面全体を４分割型光検出素子が有する一つの受光面とした場合にその受光面の中央にスポット光が入射した場合の各素子領域の出力状態を説明する図である。図５は、図１に示す４分割型光検出素子の各素子領域の受光面全体を４分割型光検出素子が有する一つの受光面とした場合にその受光面の中央に入射すべきスポット光が移動変位している場合の各素子領域の出力状態を説明する図である。
【００２４】
例えば、初期状態では、光源３からのスポット光４は、図４に示すように、４分割型光検出素子の各素子領域の受光面全体を４分割型光検出素子が有する一つの受光面とした場合にその受光面の中央に入射するように設定されている。この状態では、素子領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからの電流出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、図４に示すように、互いに等しくなるため、２段目増幅部６での差分を取った結果は、いずれも出力ゼロとなる。
【００２５】
この状態から、光源３からのスポット光４が、図５に示すように、横方向右へ移動して入射したとすると、素子領域２ａ，２ｄの各電流出力Ａ，Ｄは、光量の増加分だけ増加し逆に、素子領域２ｂ，２ｃの各電流出力Ｂ，Ｃは、光量の減少分だけ減少する。そのため２段目増幅部６において、差分「Ａ−Ｃ」を求める差動増幅器６ａの出力は、０レベルから正レベルへ変化し、また、差分「Ｄ−Ｂ」を求める差動増幅器６ｂの出力も、０レベルから正レベルへ変化する。よって、３段目増幅部７では、差演算増幅器７ｂの出力「（Ａ−Ｃ）＋（Ｄ−Ｂ）」は正値となり、和演算増幅器７ａの出力「（Ａ−Ｃ）−（Ｄ−Ｂ）」はゼロであるから、入射したスポット光４が右方向へ移動したことを検知することができる。
【００２６】
以下、本実施の形態により実現できる多分割型光検出素子出力の処理回路の簡素化とＳＮ比の改善とについて説明する。
まず、４分割型光検出素子を用いて微小な移動を検知しようとする場合、一般に図３に例示する処理回路が使用されているが、その問題点について簡単に説明する。入射するスポット光の位置と各素子領域との相対変位による出力は、微小であるから、増幅部において大きな増幅率を設定する必要がある。この場合、増幅段数は、後段では前段の雑音も増幅してしまうので、できるだけ少ない方が望ましい。
【００２７】
そのために、１段目増幅部の増幅率Ｇをできる限り大きく取ることを考える。増幅率Ｇは、出力信号をＶｏｕｔ、入力信号Ｉｉｎとすれば、Ｇ＝｜Ｖｏｕｔ／Ｉｉｎ｜と表される。なお、Ｉｉｎ＝０のときは、Ｖｏｕｔ＝０であるとしている。
【００２８】
そして、増幅器は、その電源電圧以上の出力は出せないので、出力が範囲外とならない最大の増幅率Ｇｍａｘは、電源電圧をＶｓｕｐｐｌｙ、入力信号Ｉｉｎの想定される最大値をＩｍａｘとすれば、Ｇ≦Ｇｍａｘ＝｜Ｖｓｕｐｐｌｙ／Ｉｍａｘ｜と表される。
【００２９】
しかし、入力信号Ｉｉｎをスポット光の入射によって４分割型光検出素子から定常的に出力されるバイアス成分とし、微小変位Δｄだけ入射光が移動した場合の４分割型光検出素子の出力をΔＩとすると、微小変位Δｄによる出力ΔＩは、バイアス成分Ｉｉｎよりも極めて小さいので、変化後における４分割型光検出素子の出力は、殆ど元々の出力成分であるバイアス成分Ｉｉｎが占めることになる。
【００３０】
この場合、４分割型光検出素子の出力信号として意味があるのは、微小変位Δｄによる出力ΔＩであるので、この出力ΔＩを増幅することが重要となるが、１段目増幅部では、バイアス成分Ｉｉｎが増幅された成分によって出力が電源電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを超えないようにすることが必要になるので、増幅率Ｇｍａｘを高めることができない。
【００３１】
そのため、図３に例示した回路では、２段目増幅部において差分を取ってバイアス成分Ｉｉｎの増幅成分を相殺し、３段目増幅部において微小変位Δｄによる出力ΔＩの成分のみを増幅している。一方、入射光量自体を増やせば、微小変位Δｄによる出力ΔＩを大きく取り出すことができるので、１段目増幅部の増幅率を増やす必要性は少ないが、バイアス成分Ｉｉｎも増加するので、入射光量の増加措置にも限界がある。
【００３２】
このように、従来では、スポット光の入射によって４分割型光検出素子から定常的に出力されるバイアス成分の大きさよりも、微小変位だけ入射光が移動した場合の４分割型光検出素子が出力する信号成分の大きさは極めて微小であること、および増幅器の最大出力に制限があることによって、４分割型光検出素子が出力する変化成分を１段目増幅部にて十分に増幅できないため、増幅段数の増加によりＳＮ比が悪化したり、回路構成が大型化したりするという問題があった。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、このような問題を解決するために、４分割型光検出素子と１段目増幅部との関係を例えば図６に示すように定めた。図６は、図３に示す４分割型光検出素子と１段目増幅部との構成例を示す回路図である。
【００３４】
図６において、４分割光検出素子２では、分割された４個の素子領域２ａ〜２ｄの各アノード端子が共通に接続され、その共通接続端が、抵抗値Ｒａの抵抗器９を介して出力電圧がＶａである電源１０の正極端に接続されている。そして、分割された４個の素子領域２ａ〜２ｄの各カソード端子は、１段目増幅部５を構成する４個の増幅器５ａ〜５ｄの対応する入力端に接続されている。
【００３５】
１段目増幅部５を構成する４個の増幅器５ａ〜５ｄは、それぞれ、出力電圧がＶｂである電源１１を共通の基準電圧源とする演算増幅器による負帰還増幅器として構成されている。すなわち、増幅器５ａは、演算増幅器１２のマイナス端子に素子領域２ａのアノード端子と抵抗値Ｒｂ１の帰還抵抗器１３の一端とが接続されている。増幅器５ｂは、演算増幅器１４のマイナス端子に素子領域２ｂのアノード端子と抵抗値Ｒｂ２の帰還抵抗器１５の一端とが接続されている。増幅器５ｃは、演算増幅器１６のマイナス端子に素子領域２ｃのアノード端子と抵抗値Ｒｂ３の帰還抵抗器１７の一端とが接続されている。増幅器５ｄは、演算増幅器１８のマイナス端子に素子領域２ｄのアノード端子と抵抗値Ｒｂ４の帰還抵抗器１９の一端とが接続されている。そして、演算増幅器１２，１４，１６，１８の各プラス端子は共通に電源１１の正極端が接続されている。各帰還増幅器の増幅率は、帰還抵抗値Ｒｂｋ（ｋ＝１，２，３，４）で決められる。
【００３６】
なお、分割された４個の素子領域２ａ〜２ｄでは、定常的に、アノード端子に電圧Ｖｂが印加され、カソード端子に電圧Ｖａが印加されているので、この状態で不要な電流が流れないように、電源１０，１１の出力電圧の関係は、Ｖａ≧Ｖｂとなっている。
【００３７】
ここで、単独のフォトダイオードとして機能する４個の素子領域２ａ〜２ｄにスポット光が入射したときにそれぞれのカソード端子から１段目増幅部５へ出力される電流をｉｂｋ（ｋ＝１，２，３，４）とし、そのときに電源１０から抵抗器９を介して４個の素子領域２ａ〜２ｄに流れ込む電流（総電流）をｉａとし、総電流ｉａ，出力電流ｉｂｋの他に電流の漏れは無いと仮定すれば、総電流ｉａと出力電流ｉｂｋとの間には式（１）で示す関係が成り立つ。なお、以降では、ｋ＝１，２，３，４の表記は省略する。
【００３８】
【数１】
0005822776.tif 000002
【００３９】
一方、電源１０，１１の電圧Ｖａ，Ｖｂの差と抵抗器９の抵抗値Ｒａとの比と、総電流ｉａの最大値ｉｍａｘとの間には、式（２）で示す関係が成り立つ。
【００４０】
【数２】
0005822776.tif 000003
【００４１】
なお、式（２）において、等号＝を用いないのは、単独のフォトダイオードとして機能する４個の素子領域２ａ〜２ｄに直列抵抗成分が含まれるため、厳密に等号のみの関係は成り立たないことによる。但し、その直列抵抗成分の値は、一般には小さいので、大きな値の相違は生じない。
【００４２】
式（１）、式（２）から、入射するスポット光によって４個の素子領域２ａ〜２ｄに出力電流ｉｂｋが流れるためには、電圧差「Ｖａ−Ｖｂ」が十分大きいか、抵抗値Ｒａが十分小さいかの何れかが必要である。逆に、入射光量の増加に伴い４個の素子領域２ａ〜２ｄから１段目増幅部５への出力電流ｉｂｋが増加しても、最大値ｉａｍａｘを超える電流は回路構成上流れないため、４個の素子領域２ａ〜２ｄの出力電流は、最大値ｉａｍａｘ以上には増加しない。
【００４３】
次に、４個の素子領域２ａ〜２ｄから１段目増幅部５への出力電流ｉｂｋを、入射光の入射位置が予め設定された場合のバイアス成分ｉ−ｂｋと、その入射位置を基準として入射位置が変化した場合の変化成分Δｉｂｋとに分けて、式（３）のように表す。
【００４４】
【数３】
0005822776.tif 000004
【００４５】
このとき、入射するスポット光は全てが当該４分割型光検出素子に入射し、素子の外へ漏れ出ないという条件下では、或る素子領域から移動したスポット光は必ず他の素子領域に入射するため、素子領域の間に存在するギャップの影響を無視し、各素子領域の入射光に対する感度が全く同一であるとすれば、式（４）が示す「変化成分の総和はゼロとなる」関係が成り立つ。
【００４６】
【数４】
0005822776.tif 000005
【００４７】
次に、１段目増幅部５が出力できる電圧の範囲を、Ｖｓ−〜Ｖｓ＋（Ｖｓ−＜Ｖｓ＋）とおくと、図６に示す１段目増幅部（電流／電圧変換回路）５の構成から、増幅後の出力が出力可能な範囲を超えないための、４個の素子領域２ａ〜２ｄから１段目増幅部５への出力条件は、式（５）、式（６）となる。
【００４８】
【数５】
0005822776.tif 000006
【００４９】
入射するスポット光の変位が微小で、Δｉｂｋ≪ｉｂｋである場合は、１段目増幅部５の出力可能な範囲を超えないよう、バイアス成分ｉ−ｂｋを制限するためには総電流ｉａを発生させる入射光量を制限する必要がある。或いは１段目増幅部５の増幅率を決める帰還抵抗値Ｒｂｋを調整する必要がある。
【００５０】
次に、式（２）で示した４個の素子領域２ａ〜２ｄに発生する出力電流ｉｂｋを１段目増幅部５に出力することができる条件から、式（７）が導かれる。
【００５１】
【数６】
0005822776.tif 000007
【００５２】
一般に、フォトダイオードに対する逆電圧の付与は、周波数応答性の向上を目的として行う。また、フォトダイオードを用いた計測においては、入射する光量に比例した出力を得たり、微小な光量に対してできるだけ感度よく測定したりすることを目的とするのが一般的である。このような用途から考えると、回路設計時に想定する総電流ｉａに対し電源１０，１１の電圧Ｖａ，Ｖｂおよび抵抗器９の抵抗値Ｒａから導かれる最大電流値ｉａｍａｘは、十分大きく設定し、入射光に対して得られる出力が妨げられないよう配慮する必要がある。
【００５３】
一方、フォトダイオードの使用目的として、入射光量をフォトダイオードの出力電流から測定することを想定している場合には、式（７）の条件を満たさない回路構成は、出力が入力に対して不感となるため許容されない。しかし、使用目的が複数のフォトダイオード間の入射光量の変化計測である場合は、式（７）の条件を満たさなくとも、変化電流Δｉｂｋは影響を受けないため問題は無い。この点に着目して、本実施の形態では、比「（Ｖａ−Ｖｂ）／Ｒｂ」の値をあえて小さく設定し、４つの素子領域それぞれから出力される電流の総和（＝総電流ｉａ）を制限することを考える。つまり、スポット光を受光することにより抵抗器９を流れる電流ｉａに制限値「ｉａ＝（Ｖａ−Ｖｂ）／Ｒｂ」を設定するようにした。
【００５４】
要するに、一般には、式（７）の条件を満たすように構成するが、本実施の形態では、式（７）の条件を満たない構成を考えた。その差異を図７と図８とを参照して説明する。なお、図７は、比較例として従来技術を適用した場合の、入射光量および入射光位置の変化に対し出力がどのように変化するかを表した図である。図８は、本実施の形態を適用した場合の、入射光量および入射光位置の変化に対し出力がどのように変化するかを表した図である。図７と図８では、（１）入射光量の変化に対する出力変化と、（２）入射光位置の変化に対する出力変化とが示されている。
【００５５】
図７において、４つの素子領域に供給される総電流ｉａが式（７）を満たす条件下にある場合は、図７（１）に示すように、入射光量の変化に対し、総電流ｉａは比例して変化し、また各素子領域に発生する出力電流ｉｂｋの変化成分Δｉｂｋも比例して変化する。
【００５６】
これに対し、４つの素子領域に供給される総電流ｉａが式（７）を満たさない条件下にある場合は、図８（１）に示すように、総電流ｉａは入射光量が増加しても一定の値「（Ｖａ−Ｖｂ）／Ｒｂ」を超えて増加せず、その一定の値「（Ｖａ−Ｖｂ）／Ｒｂ」で安定する。しかし、この場合においても、各素子領域に発生する出力電流ｉｂｋの変化成分Δｉｂｋは、式（４）の関係から総量としてはゼロであるので、一定値になることはない。
【００５７】
また、４つの素子領域に供給される総電流ｉａが式（７）を満たす条件下にある場合には、総電流ｉａに対し電源１０，１１の電圧Ｖａ，Ｖｂおよび抵抗器９の抵抗値Ｒａから導かれる最大電流値ｉａｍａｘは、十分大きく設定されるので、入射光の位置変化により各素子領域に生ずる出力電流ｉｂｋにおける変化成分Δｉｂｋは、微小な位置変化に対してはバイアス成分ｉ−ｂｋよりも非常に小さい。そのため、図７（２）に示すように、入射光の位置変化により各素子領域から１段目増幅部５へ出力される電流は、バイアス成分２５が多くを占め、変化成分２６は僅かになる。それ故、従来においては、後段の増幅部において、バイアス成分を取り除き変化成分のみを抽出して増幅するという処理が必要であった。
【００５８】
これに対し、本実施の形態では、電源１０，１１の電圧Ｖａ，Ｖｂおよび抵抗器９の抵抗値Ｒａを調整して最大電流値ｉａｍａｘを低く抑え、４つの素子領域の出力が、１段目増幅部５の出力可能範囲を超える入力となることを防ぐ。加えて、入射光量を増加させて変位に対する出力変化Δｉｂｋを増大させるようにした。これによって、図８（２）に示すように、入射光の位置変化により各素子領域から１段目増幅部５へ出力される電流の成分割合を、バイアス成分２７を減少させ、変化成分２８を増加させた割合とすることができる。
【００５９】
具体的に説明する。理解を容易にするため、例えば、ｋ＝１，２，３，４の全てにおいて、バイアス成分ｉ−ｂｋと変化成分Δｉｂｋとが等しいとし、その共通のバイアス値をｉ−ｂと置き、変化成分値をΔｉｂと置く。このとき、総電流ｉａと４つの素子領域の出力電流に含まれるバイアス値ｉ−ｂとの関係は、式（８）で示される。
【００６０】
【数７】
0005822776.tif 000008
【００６１】
また、帰還抵抗値Ｒｂｋについても同様にＲｂと置くと、式（６）と式（８）とから式（９）が得られる。
【００６２】
【数８】
0005822776.tif 000009
【００６３】
このとき、総電流ｉａが電圧Ｖａ，Ｖｂおよび抵抗値Ｒａによる制限を受ける場合、式１０で示される条件が導かれる。
【００６４】
【数９】
0005822776.tif 000010
【００６５】
なお、式（１０）において、光量に応じて変化するのは、変化成分Δｉｂのみであり、残りの変数は全て設計パラメータである。入射光量の移動量に対する電流変化量が予め分かっていれば、式（１０）を用いることによって、電圧、抵抗などのパラメータを適切に設定し、１段目増幅部において変位に対し高い感度の出力を得ることができる。
【００６６】
以上のように、実施の形態１によれば、多分割光検出素子の多分割された受光面に入射するスポット光に入射位置変位が生じた場合に、出力電流のうち変化しないバイアス成分を低く抑え、位置変化に対応する変化成分を大きくすることができるので、位置変化に対応する変化成分のみを増幅することが可能となる。したがって、多分割型光検出素子出力の処理回路を、増幅段数を減らして簡素化したり、ＳＮ比を向上させたりすることが可能になる。
【００６７】
なお、実施の形態１では、多分割光検出素子として４分割型光検出素子を使用した光学変位センサへの適用例を示したが、２分割型光検出素子を使用した光学変位センサにも同様に適用することができる。
【００６８】
また、光検出素子としてフォトダイオードを示したが、フォトダイオードと同様に光の入射によって電流出力が得られる光検出素子であって、その光検出素子の端子に電圧を印加しても問題の無いものであれば、同様に使用することができ、同様の効果を得ることができる。
【００６９】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２として、経年劣化により生ずる、多分割型光検出素子２への入射光自体の光量減少や、多分割型光検出素子２の感度低下の影響を除去する方法について説明する。
【００７０】
光源３のＬＥＤは、発光に伴う発熱の影響で年月の経過とともに次第に劣化していく結果、多分割型光検出素子２への入射光自体の光量が減少していくことが起こる。また、多分割型光検出素子２の感度も年月の経過とともに低下していくことが起こる。このように、経年劣化により多分割型光検出素子２への入射光自体の光量減少や多分割型光検出素子２の感度低下が生ずると、同一変位に対する出力が低下するので、見かけ上変位量が減ったような出力結果となる。そのため、対策が必要である。
【００７１】
対策の一つとして、入射光の位置変位に対して得られた出力電流ｉｂｋを、入射光量に対する総電流ｉａで除して正規化することで、経年劣化の影響を取り除くという方法がある。しかし、実施の形態１にて説明した総電流ｉａに制限値を設ける手法では、入射光量と総電流ｉａとの比例関係が無くなっているので、上記した対策では経年劣化に依る影響を除去することはできない。
【００７２】
総電流ｉａに制限値を設け、入射光量との比例関係を無くする実施の形態１による手法に対しては、以下に説明する対策を取ることにより、経年劣化に依る影響を除去することが可能になる。
【００７３】
まず、前提として経年劣化は、入射位置変位の測定において求められる計測周期よりも遙かに長い周期で発生すると仮定する。この仮定は、４分割型光検出素子（４分割型フォトダイオード）２への入射光量の減少が、光源３のＬＥＤが発光に伴う発熱の影響で年月の経過とともに次第に劣化していく結果生ずることに場合に相当する。このような仮定が成り立つ場合は、入射光が４分割型光検出素子２の外へ漏れたり、外部からノイズが入ったりしない限り、少なくとも数秒以内の短い期間内では、総電流ｉａに設けた制限値は安定して変化しないと考えられる。
【００７４】
そこで、この総電流ｉａに設けた制限値の安定性を利用して次のような措置を採る。すなわち、制限値を有する総電流ｉａを、一時的にそのような制限値が無く入射光量に対して比例関係にある別の任意電流ｉａ’に変更してからその任意電流ｉａ’の値を測定し記憶しておき、変位測定時には元の状態に戻す方法を取る。総電流ｉａを任意電流ｉａ’に変更する条件設定を再現性のある方法で行うことができれば、制限値を有する総電流ｉａでの変位に対する出力測定を複数回行い、その合間に一度任意電流ｉａ’の値を測定し、変位に対する出力測定結果の正規化は、記憶した任意電流ｉａ’の値を用いて行うことにより、長期間の入射光量の減少や素子感度変動に対する影響を取り除くことができる。なお、変位に対する出力の測定と任意電流ｉａ’の値測定とを交互に毎回行うなどの測定回数は任意でよいが、総電流ｉａと任意電流ｉａ’との切替時に電流等の立ち上がりの影響を受けないよう注意する必要がある。
【００７５】
総電流ｉａに設ける制限値を変更する方法としては、入射光量を変更可能にし、式（７）の条件を満たすまで光量を減少させる方法がある。これは、光源３への供給エネルギーを絞ったり、光源３と４分割型光検出素子２の受光面との間に絞りを設けたりすることで実現可能である。徐々に光量を減少させていったときに、一定であった総電流ｉａが減り始めれば式（７）が成立する領域に入ったことが分かる。
【００７６】
また、総電流ｉａに設ける制限値を変更する他の方法として、入射光量はそのままで、比「（Ｖａ−Ｖｂ）／Ｒａ」の値を変更して総電流ｉａが式（７）の条件を満たす状態にしてから総電流ｉａを測定するという方法がある。この場合は、電源１０の電圧Ｖａを徐々に増やしていって、或いは、電源１１の電圧Ｖｂ、抵抗器９の抵抗値Ｒａを徐々に減らしていった場合に、それ以上総電流ｉａが増加しなければ、式（７）の条件を満たしたことが分かる。但し、こちらの方法では、総電流ｉａが増加してしまうので、１段目増幅部５で出力可能範囲を超える可能性がある。勿論、２つの方法を組み合わせもよい。
【００７７】
さらに、入射光量を測定するために別の光検出素子、増幅部を設けてもよい。光源３からのスポット光を、変位測定用の４分割型光検出素子２とは別に設けた光検出素子に導き測定することにより、入射位置変位に伴う出力変動の測定と並行して、入射光変位量の測定が可能となる。
【００７８】
以上の方法を用いることにより、総電流ｉａに制限値を設けた場合でも、経年劣化による入射光自体の光量減少や多分割型光検出素子の感度低下の影響を受けずに、入射光の位置変位量が測定可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかる光学変位センサは、多分割型光検出素子出力の処理回路の簡素化とＳＮ比の改善とが図れる光学変位センサとして有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１  光学変位センサ
２  ４分割型光検出素子（４分割フォトダイオード）
２ａ〜２ｄ  分割された素子領域（フォトダイオード）
３  光源
４  入射光（スッポト光）
５  １段目増幅部
５ａ〜５ｄ  増幅器
６  ２段目増幅部
６ａ，６ｂ  差動増幅器
７  ３段目増幅部
７ａ  和演算増幅器
７ｂ  差演算増幅器
９  抵抗器
１０，１１  電源
１２，１４，１６，１８  演算増幅器
１３，１５，１７，１９  帰還抵抗器
【図１】
0005822776.tif 000012
【図２】
0005822776.tif 000013
【図３】
0005822776.tif 000014
【図４】
0005822776.tif 000015
【図５】
0005822776.tif 000016
【図６】
0005822776.tif 000017
【図７】
0005822776.tif 000018
【図８】
0005822776.tif 000019