JPH0894316A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光電変換素子の電極の出力信号レベルにノイ
ズ成分が大きく影響する場合でも、ノイズにより両電極
の出力信号レベルの相対関係が崩れたことを速やかに検
出して、この大きなノイズ成分を含む出力信号を用いる
ことにより生じる位置検出の誤検出を抑えることを可能
にする。 【構成】 光電変換素子の２個の電極間の表面に入射し
た入射光によって発生する光電流を両電極にて分割出力
し、これらの分割出力信号レベルの比に基づいて入射光
の前記光電変換素子上での位置を算出するに際して、両
電極の出力信号レベルの増減方向を比較し、両出力信号
レベルの増減方向が一致する時に、この時の両電極の出
力信号に基づく位置の算出動作を禁止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光電変換素子から得られ
る光電流を基に、入射光と光電変換素子の相対位置を知
る位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動物体の位置を検出する位置センサの
一種に、ＰＳＤと称されるものがある。このＰＳＤは移
動物体に取り付けた光源からの光、あるいは移動物体に
光を当てて得られる反射光を光電変換素子の表面に入射
し、この入射光によって発生した光電流を２個の電極に
より分割出力し、これに基づいて入射光の入射位置と光
電変換素子の相対位置を検知することにより、移動物体
の位置を検出しようとするものである。このような位置
センサ−は、例えば浜松ホトニクス株式会社から製品番
号Ｓ３２７１として販売されている。

【０００３】このＰＳＤはカメラのオートフォーカスを
はじめとして光学式測距装置等に幅広く使われる。例え
ば、ＣＣＤ（固体撮像素子）を変位させて固定されたレ
ンズとの相対位置関係を制御して合焦動作を実行するオ
ートフォーカスカメラに使用する際に、光軸方向に進退
するＣＣＤの光軸方向の位置を知るために、ＣＣＤの側
面にＬＥＤを取り付けて、カメラのシャーシ内面にＰＳ
Ｄを固着し、ＬＥＤからの光のＰＳＤへの入射位置を検
出することでＣＣＤの位置を知ることが可能になる。

【０００４】以下、この位置センサ−の構造と原理につ
いて説明する。

【０００５】図２にこのセンサーを構成する光電変換素
子の断面構造を示す。本光電変換素子１は平板状シリコ
ンの表面にＰ層、裏面にＮ層、そして中間にあるＩ層の
３層から構成され、素子に入射した光は光電変換され、
光電流としてＰ層に付けられた電極１１、１２から分割
出力される。

【０００６】この光電変換素子１に光スポットが入射す
ると、入射位置Ｑには光エネルギーに比例した電荷が発
生し、これらの電荷は光電流として抵抗層（Ｐ層）を通
り、両電極より出力される。抵抗層は全面に均一な抵抗
値を持つ様に作られているので、光電流は各電極までの
距離（抵抗値）に逆比例して分割され取り出される。

【０００７】ここで図３の様に両電極間の距離をＬ、素
子の中心（中心線Ｍ）から入射光の入射位置Ｑまでの距
離をｘ、電極１１、１２から取り出される電流を夫々Ｉ
１、Ｉ２とすれば、数１が成り立ち、この数１より数２
のように距離ｘが導出される。更に電流Ｉ１、Ｉ２を電
圧値Ｖ１、Ｖ２に共に同一の変換特性で電流−電圧変換
すれば、電圧値Ｖ１、Ｖ２が夫々電流Ｉ１、Ｉ２に比例
することになり、数３が成り立つ。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】

【数３】

【００１１】そこで、図４に示す距離検出回路１３を作
成し、この検出回路１３に各電極より取り出される電流
Ｉ１、Ｉ２を入力すれば、距離ｘが算出されることにな
る。この図４の検出回路を説明すると、検出回路は同一
特性の電流−電圧変換器２、３、増幅率が等しい増幅器
４、５、減算器６、加算器７、除算器８、及び乗算器９
より構成され、電流Ｉ１、Ｉ２は電流−電圧変換器２、
３にて電圧値に変換され、これらの変換器２、３出力は
増幅器４、５にて増幅される。これにより電流Ｉ１は電
流−電圧変換器２及び増幅器４を経て電圧値Ｖ１に電流
−電圧変換され、同様に電流Ｉ２は電流−電圧変換器３
及び増幅器５を経て電圧値Ｖ２に電流−電圧変換される
ことになり、各電圧値は対応する電流値に比例する。
尚、電圧値Ｖ１、Ｖ２は、入射光の入射位置に応じて変
化するので、以降の説明において位置電圧と称する。

【００１２】こうして得られた位置電圧Ｖ１、Ｖ２は共
に、後段の除算器８及び乗算器９と共に距離算出部４０
を構成する減算器６及び加算器７に入力され、減算器６
にてＶ１−Ｖ２の減算が為され、加算器７にてＶ１＋Ｖ
２の加算が為される。次に、減算器６及び加算器７出力
は後段の除算器８に入力されて（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ１
＋Ｖ２）の除算が為され、更に乗算器９にてこの除算値
に両電極間の距離Ｌの１／２の値を乗算し、この乗算値
を最終的な出力とするもので、換言すると、電流Ｉ１、
Ｉ２をこの検出回路に入力して電圧に変換して数３によ
り素子１の中心から入射光の入射位置までの距離ｘを算
出するものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述の位置センサーで
は、光電変換素子から取り出される電流は極めて微弱な
電流であり、これを図４の様な演算回路で処理するため
にはかなり増幅してやらなければならない。とりわけ演
算をマイコン等のデジタル演算器で行おうとすると、通
常数ボルトの入力信号が必要であり、増幅回路での増幅
率を極めて大きくする必要がある。

【００１４】その結果、図５に示す様に実際に入射位置
が変化した場合だけでなく、入射位置に変化がない時で
も、検出信号中のノイズ成分によって、演算結果には変
化が現れて誤検出を招くことになる。ここで、図５は横
軸に時間、縦軸には位置電圧Ｖ１、Ｖ２のレベル及び検
出回路の演算による距離ｘの算出値を示し、期間Ａ及び
Ｃでは実際の入射位置に変化がなく、また期間ＢではＬ
１からＬ２に入射位置に変化が生じた場合を示してい
る。期間Ａ及びＣでは位置に変化がないにもかかわら
ず、高い増幅率による増幅により生じるノイズ成分の影
響により電圧値に変動が生じ、この為に演算上の距離ｘ
にも変動が生じていることが明白である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１及び第２
電極間の表面に入射した入射光によって発生する光電流
を両電極にて分割出力する光電変換素子と、両電極の出
力信号レベルの比に基づいて入射光の光電変換素子上で
の入射位置を算出する位置検出手段と、第１電極の出力
信号レベルの増減方向を検出する第１増減検出手段と、
第２電極の出力信号レベルの増減方向を検出する第２増
減検出手段と、両出力信号レベルの増減方向を比較する
比較手段と、両出力信号レベルの増減方向が一致する時
に、位置検出手段での入射位置の算出動作を禁止する禁
止手段を備えることを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明は上述の如く構成したので、電極からの
出力信号に対するノイズの影響が大きい場合でも、ノイ
ズによる位置情報の誤検出を少なくすることができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面に従い本発明の一実施例について
説明する。

【００１８】図１は本実施例の回路ブロック図である。
尚、図１において従来例の図４と同一部分には同一符号
を付して説明を割愛する。

【００１９】図１において、３０は、増幅器４から出力
される位置電圧Ｖ１の後段の回路への供給を制御するス
イッチ２１及び増幅器５から出力される位置電圧Ｖ２の
後段の回路への供給を制御するスイッチ２２から成る第
１切換回路であり、タイミングパルス発生器３１から出
力されるタイミングパルスによりスイッチ２１、２２は
同時に開閉の制御が為され、タイミングパルスがＨ（ハ
イ）レベル期間でのみ共に閉状態となり、Ｌ（ロー）レ
ベル期間では共に解放状態となる。尚、タイミングパル
スのあるＨレベル期間でのスイッチ２１、２２を経た位
置電圧Ｖ１、Ｖ２を、以後の説明の都合上、Ｖ１
（ｎ）、Ｖ２（ｎ）と示す。尚、ｎは整数である。

【００２０】メモリ３２及びメモリ３３は、タイミング
パルスが前回にＨレベルとなった時の増幅器４及び５の
出力電圧の値をＶ１（ｎ−１）、Ｖ２（ｎ−１）として
格納する。

【００２１】３４は、メモリ３２から出力される位置電
圧Ｖ１（ｎ−１）の後段の演算器３５への供給を制御す
るスイッチ２５及びメモリ３３から出力される位置電圧
Ｖ２（ｎ−１）の後段の演算器３６への供給を制御する
スイッチ２６から成る第２切換回路であり、スイッチ２
５、２６はスイッチ２１、２２と同様にタイミングパル
スにより同時に開閉の制御が為され、タイミングパルス
がＨ（ハイ）レベル期間でのみ共に閉状態となり、Ｌ
（ロー）レベル期間では共に解放状態となる。

【００２２】従って、メモリ３２及びメモリ３３の内容
は、タイミングパルス発生器３１からＨレベルのタイミ
ング信号が出力される度に、最新の位置電圧Ｖ１
（ｎ）、Ｖ２（ｎ）に置き変わり、これまで格納されて
いた前回の位置電圧Ｖ１（ｎ−１）、Ｖ２（ｎ−１）
は、夫々減算器３５及び減算器３６へ移されることにな
る。

【００２３】減算器３５では、入力された最新の位置電
圧Ｖ１（ｎ）と前回の位置電圧Ｖ１（ｎ−１）の差、即
ちＶ１（ｎ）−Ｖ１（ｎ−１）をＶＤ１（ｎ）として、
また減算器３６では、入力された最新の位置電圧Ｖ２
（ｎ）と前回の位置電圧Ｖ２（ｎ−１）の差、即ちＶ２
（ｎ）−Ｖ２（ｎ−１）をＶＤ２（ｎ）として後段の乗
算器３７に入力される。

【００２４】乗算器３７では入力された夫々の差ＶＤ１
（ｎ）及びＶＤ２（ｎ）の積ＶＤ（ｎ）＝ＶＤ１（ｎ）
×ＶＤ２（ｎ）を算出し、符号判定回路３８へ出力す
る。

【００２５】符号判定回路３８では入力されたＶＤ
（ｎ）の符号を判別し、負の場合のみＨレベルの制御信
号Ｓを出力し、他の場合すなわち正若しくは零の場合に
はＬレベルの制御信号Ｓを第３切換回路３９へ出力す
る。従って、符号判定回路３８は、減算器３５及び減算
器３６での演算結果ＶＤ１（ｎ）及びＶＤ２（ｎ）が異
符号の場合、即ち位置電圧Ｖ１、Ｖ２の変化方向が互い
に逆の場合のみ、Ｈレベルの制御信号Ｓを出力すること
になる。

【００２６】３９は、スイッチ２１から出力される位置
電圧Ｖ１（ｎ）の後段の減算器６、加算器７への供給を
制御するスイッチ２３と、スイッチ２２から出力される
位置電圧Ｖ２（ｎ）の後段の減算器６、加算器７への供
給を制御するスイッチ２４から成る第３切換回路であ
り、両スイッチ２３、２４は符号判定回路３８から出力
される制御信号ＳがＬレベルの期間には共に解放状態と
なり、Ｈレベルの期間にのみ共に閉状態となり、減算器
６、加算器７への位置電圧Ｖ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）の通
過を許容する。

【００２７】減算器６、加算器７、除算器８、及び乗算
器９から成る位置算出部４０では、前記従来技術と同様
に数３の演算式に基づいて演算が為され、素子１の中心
から入射光までの距離ｘが算出され、この距離ｘを示す
値がバッファ１０に保持される。尚、ここでの演算は、
数３のＶ１、Ｖ２を夫々Ｖ１（ｎ）、Ｖ２（ｎ）として
実行される。

【００２８】次に図６を参考にして図１の位置検出装置
の動作を説明する。尚、図６において従来例の図５と位
置電圧Ｖ１、Ｖ２の時間的な変化は全く同一であり、ま
た期間Ａ及びＣにおいては実際に入射光の入射位置の変
化はなく、期間ＢにおいてＬ１からＬ２に実際の位置変
化があるものとする。

【００２９】図６の（ａ）はタイミングパルス発生器３
１からのタイミングパルスを示し、（ｂ）は位置電圧Ｖ
１のタイミングパルスの１周期当りの増減状況を示し、
（ｃ）は位置電圧Ｖ２のタイミングパルスの１周期当り
の増減状況を示す。尚、（ｂ）（ｃ）において、上向き
の矢印は増加したことを、下向きの矢印は減少したこと
を、更に右方向の矢印は増減がなかったことを示してい
る。更に（ｄ）は符号判定回路３８から出力される制御
信号Ｓのレベルを示す。

【００３０】タイミングパルスが例えば図４の４番目の
パルスＰ４の時点（ｎ＝４とする）を例にとると、この
時点でスイッチ２１、２２は閉じて、この時点での位置
電圧Ｖ１、Ｖ２を減算器３５、３６にＶ１（４）、Ｖ２
（４）として供給する。スイッチ２５、２６もこのパル
スＰ４に同期して閉じ、メモリ３２、３３に記憶されて
いた１個前のタイミングパルスＰ３発生時点での位置電
圧Ｖ１、Ｖ２をＶ１（３）、Ｖ２（３）として減算器３
５、３６に供給する。

【００３１】減算器３５はＶＤ１（４）＝Ｖ１（４）−
Ｖ１（３）を、減算器３６はＶＤ２（４）＝Ｖ２（４）
−Ｖ２（３）を夫々算出する。ここで、図６から明らか
なようにＶ１（４）＞Ｖ１（３）であるためにＶＤ１
（４）＞０となり、このことを図４の（ｂ）の上向きの
矢印が表現している。また、Ｖ２（４）＞Ｖ２（３）で
あるためにＶＤ２（４）＞０となり、このことを図４の
（ｃ）の上向きの矢印が表現している。

【００３２】乗算器３７はＶＤ（４）＝ＶＤ１（４）×
ＶＤ２（４）を算出し、符号判定回路３８はこのＶＤ
（４）の符号を判定するが、前述のようにＶＤ１（４）
及びＶＤ２（４）共に正であるため、ＶＤ（４）＞０と
なり、これを基づき制御信号ＳはＬレベルとなりスイッ
チ２３、２４は共に解放されて、Ｖ１（４）、Ｖ２
（４）の減算器６及び加算器７への入力が阻止され、減
算器６、加算器７、除算器８、及び乗算器９での距離算
出動作は為されず、距離ｘとしてバッファ１０に保持さ
れている前の値が維持されることになる。

【００３３】また、タイミングパルスＰ８発生時点で
は、図６（ｂ）の矢印が上向き、即ちＶＤ１（８）＝Ｖ
１（８）−Ｖ１（７）＞０となり、（ｃ）の矢印が下向
き、即ちＶＤ２（８）＝Ｖ２（８）−Ｖ２（７）＜０と
なり、ＶＤ（８）＜０となることにより制御信号ＳはＨ
レベルとなり、位置電圧Ｖ１（８）、Ｖ２（８）は共に
減算器６、加算器７に入力されて、Ｖ１（８）をＶ１と
し、Ｖ２（８）をＶ２として数３より、これらの位置電
圧に基づいて新たな距離ｘの算出が実行され、距離ｘの
値がＬ２に変更される。

【００３４】こうして算出された距離ｘを図５と図６で
比較すれば明らかなように、図５では実際に入射位置に
変化がない期間でも距離ｘはノイズの影響により変動し
ているが、図６では期間Ａ、Ｃのほとんどの期間で変動
は見られない。

【００３５】このことから判るように、理想的な状態、
即ち位置電圧にノイズ成分が含まれない状態では、ある
位置から入射光の入射位置が変化し、一方の電極から離
れて他方の電極に接近した場合、離れる方の電極と入射
位置間の距離が大きくなり実質的に抵抗値が大きくなっ
て出力電流値は小さくなり、逆に接近する方の電極と入
射位置間の距離が小さくなり実質的に抵抗値が小さくな
って出力電流値は大きくなる。

【００３６】このように入射位置が変化すると、両電極
の電流値、即ち位置電圧Ｖ１、Ｖ２は必ず一方が上昇
し、他方が下降するため、図６（ｂ）、（ｃ）の位置電
圧Ｖ１、Ｖ２の夫々のタイミングパルスの１周期当りの
増減方向が同一もしくは増減がない場合には、位置電圧
の変化は実際の入射位置の変化に起因するものではな
く、ノイズ成分に起因するものとして算出動作を禁止す
ることにより、ノイズの影響による距離の誤検出が防止
できることになる。換言すると、本実施例によれば、図
６に示す様に検出信号中のノイズ成分では演算結果に変
化が現れにくく、実際に位置が変化した場合には速やか
に新たな位置の算出が行われることになる。

【００３７】ところで、図１の第１切換回路３０からバ
ッファ１０に至る一連のブロックの機能をマイクロコン
ピュータ（マイコン）を用いてソフトウェア的に処理可
能であることは言うまでもない。図７はこの場合のフロ
ーチャートであり、ステップ５１が減算器３５、３６で
の演算に、ステップ５２がメモリ３２、３３での記憶デ
ータの更新動作に、ステップ５３が乗算器３７での演算
に、ステップ５４が符号判定回路３８及び第３切換回路
３９での位置電圧の通過制御に、ステップ５５が距離検
出部４０での距離ｘの算出動作に夫々該当する。

【００３８】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、光電変換素
子の電極の出力信号レベルにノイズ成分が大きく影響す
る場合でも、ノイズにより両電極の出力信号レベルの相
対関係が崩れたことを速やかに検出でき、この大きなノ
イズ成分を含む出力信号を用いることにより生じる位置
検出の誤検出を抑えることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図である。

【図２】本発明の一実施例の光位置センサーの構造を説
明する図である。

【図３】本発明の一実施例の光位置センサーを説明する
図である。

【図４】本発明の従来例のブロック図である。

【図５】本発明の従来例のタイミングチャートである。

【図６】本発明の一実施例のタイミングチャートであ
る。

【図７】本発明の一実施例のフローチャートである。

【符号の説明】

１１ 第１電極 １２ 第２電極 １ 光電変換素子 ４０ 距離算出部 ３５ 減算器 ３６ 減算器 ３７ 乗算器 ３８ 符号判定回路 ３９ 第３切換回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１及び第２電極間の表面に入射した入
   射光によって発生する光電流を前記両電極にて分割出力
   する光電変換素子と、 前記両電極の出力信号レベルの比に基づいて該入射光の
   前記光電変換素子上での入射位置を算出する入射位置検
   出手段と、 前記第１電極の出力信号レベルの増減方向を検出する第
   １増減検出手段と、 前記第２電極の出力信号レベルの増減方向を検出する第
   ２増減検出手段と、 前記両出力信号レベルの増減方向を比較する比較手段
   と、 前記両出力信号レベルの増減方向が一致する時に、前記
   入射位置検出手段での入射位置の算出動作を禁止する禁
   止手段を備える位置検出装置。