JP2020148551A - 光検出装置および光学エンコーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】検出信号のレベル変動を抑制可能な光検出装置および光学エンコーダ装置を提供する。【解決手段】光検出装置は、複数の光電変換素子を含む受光部1と、受光部において第1の光電変換素子群10Aおよび第2の光電変換素子群10Bを選択する選択回路20と、第1の光電変換素子群における第1の出力信号および第2の光電変換素子群における第2の出力信号の差分に応じた検出信号を出力する差動増幅器212と、第1の出力信号および第2の出力信号を用いて検出信号を補正する補正部220とを備える。【選択図】図3
Description
本発明は、光検出装置および光学エンコーダ装置に関する。
光学エンコーダ装置は、スケールにおける反射光を検出し、反射光に基づく検出信号を出力する光検出装置を備える。光学エンコーダ装置は、さらに光検出装置からの検出信号を用いて、スケールの位置検出を行うことが可能である。ここで、光検出装置からの検出信号のレベルが変動し、検出信号が不安定になると、位置精度が低下し得る。特許文献1に記載の光学エンコーダ装置は、受光部における光量が一定となるように光源を制御し、安定な検出信号を得ている。
しかしながら、スケールの反射光以外の迷光が受光部に入射した場合、特許文献1における装置は安定な検出信号を得ることができない。
本発明は、迷光が受光部に入射した場合においても、安定な検出信号を得ることが可能な光検出装置および光学エンコーダ装置を提供することを目的とする。
一実施形態における光検出装置は、複数の光電変換素子を含む受光部と、前記受光部において第1の光電変換素子群および第2の光電変換素子群を選択する選択回路と、前記第1の光電変換素子群かにおける第1の出力信号および前記第2の光電変換素子群における第2の出力信号の差分に応じた検出信号を出力する差動増幅器と、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて前記検出信号を補正する補正部とを備える。
本発明によれば、迷光が受光部に入射した場合においても、安定な検出信号を得ることが可能となる。
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
図1、図2は本実施形態における光検出装置の外観図である。図1は本実施形態における光検出装置の斜視図であり、図2は本実施形態における光検出装置の側面図である。
[第1実施形態]
図1、図2は本実施形態における光検出装置の外観図である。図1は本実施形態における光検出装置の斜視図であり、図2は本実施形態における光検出装置の側面図である。
本実施形態における光検出装置は例えば光学エンコーダ装置に適用可能であって、受光部1、信号処理部2、光源3、基板4を備え、スケール5における反射光を検出可能である。受光部1、信号処理部2、光源3は基板4のz方向の上面に搭載され、透明な樹脂などのパッケージ40内に形成されている。
光源3は例えば発光ダイオードから構成され、スケール5に向けて光を照射する。スケール5は、基板4に対向して設けられ、基板4に対してx方向に相対移動可能となるように構成されている。スケール5は、反射部と非反射部とが繰り返される所定のパターンを備え、例えば反射部はガラス基板上に形成された金属膜などによって形成され得る。複数の反射部はx方向において一定の周期で配置され、スケールトラックを形成している。なお、スケールトラックは複数例形成されてもよく、複数列のスケールトラックのそれぞれは互いに異なる周期で配置された反射部を備え得る。
受光部1は複数のフォトダイオード(光電変換素子)を備え、複数のフォトダイオードはx方向において一定の周期で配置されている。受光部1には、スケール5における反射光7が照射される。受光部1における反射光7の輝度分布(明暗)はスケール5のパターンに対応したものとなる。スケール5がx方向に移動することにより、受光部1における反射光7の輝度分布もx方向に移動し、受光部1のフォトダイオードの信号が繰り返し変化する。
信号処理部2は増幅回路、比較回路等を備え、受光部1から出力された信号を処理し、スケール5の位置に応じた検出信号を出力する。検出信号は、スケール5の位置に応じて変化し、エンコーダ信号として用いることが可能である。すなわち、本実施形態における光検出装置を光学エンコーダ装置に適用することで、位置検出が可能となる。
受光部1には、スケール5における反射光7以外に、例えばパッケージ40において反射した迷光8が到達し得る。後述するように、本実施形態における光検出装置は迷光8が受光部1に入射した場合においても安定した検出信号を得ることができ、高精度の位置検出が可能となる。
さらに、本実施形態における光検出装置において、受光部1、信号処理部2、光源3は共通の基板4に設けられている。このように、受光部1、信号処理部2、光源3を同一パッケージに形成することにより、受光部1および光源3の相対的な位置を高精度に定めることができ、正確な位置検出が可能となる。
図3は本実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。信号処理部2は、選択回路20、検出信号生成部21、補正部22を備える。
選択回路20は受光部1において光電変換素子群である第1のフォトダイオード群10A、第2のフォトダイオード群10Bを選択する。第1のフォトダイオード群10Aには1または複数のフォトダイオード10が含まれ、第2のフォトダイオード群10Bには1または複数のフォトダイオード10が含まれる。
検出信号生成部21はさらに電流電圧変換増幅器(以下、「I−V変換回路」と称する)210a、210b、基準電圧回路211、差動増幅回路212を備える。I−V変換回路210aは第1のフォトダイオード群10Aにおけるフォトダイオード10の電流を電圧に変換し、出力信号Vs1を生成する。同様に、I−V変換回路210bは第2のフォトダイオード群10Bにおけるフォトダイオード10の電流を電圧に変換し、出力信号Vs2を生成する。
基準電圧回路211は分圧回路および電圧フォロワ回路などを含み、基準電圧Vrefを出力する。差動増幅回路212は演算増幅器を含み、差動増幅回路212の第1の入力端子には出力信号Vs1が入力され、第2の入力端子には出力信号Vs2が入力される。差動増幅回路212にはさらにバイアス電圧として基準電圧Vrefが供給され、基準電圧Vrefを基準として変化する検出信号Vdを生成する。
差動増幅回路212の増幅率を「A」とした場合、検出信号Vdは次式で表される。
Vd=(Vs1−Vs2)×A (式1)
差動増幅回路212の増幅率を「A」とした場合、検出信号Vdは次式で表される。
Vd=(Vs1−Vs2)×A (式1)
補正部22は補正回路220、平均化回路221を備え、出力信号Vs1、Vs2に基づき補正値Voffを生成する。平均化回路221は検出信号Vdの最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminを用いて検出信号Vdの平均電圧Vdaveを生成する。平均電圧Vdaveは次式で表される。
Vdave=(Vdmax+Vdmin)/2 (式2)
Vdave=(Vdmax+Vdmin)/2 (式2)
補正回路220は平均電圧Vdaveに基づき補正値Voffを生成する。補正値Voffは基準電圧回路211にフィードバックされる。補正前の基準電圧を「Vref1」、補正後の基準電圧を「Vref2」とすると、補正値Voff、基準電圧Vref1、Vref2の関係は以下のようになる。
Voff=Vdave−Vref1 (式3)
Vref2=Vref1−Voff (式4)
Voff=Vdave−Vref1 (式3)
Vref2=Vref1−Voff (式4)
検出信号Vdは、出力信号Vs1、Vs2の差分に応じた信号であるため、検出信号Vdから得られる補正値Voffも出力信号Vs1、Vs2の差分に基づく信号である。基準電圧回路211は、出力信号Vs1、Vs2に基づき基準電圧Vrefを変化させることで、検出信号Vdを補正している。
図4は本実施形態における受光部1、選択回路20を説明するための図である。上述したように、受光部1の複数のフォトダイオード10はx方向に並んで配置されている。選択回路20はマトリクス回路を備え、マトリクス回路はフォトダイオード10に接続される複数の配線201と、複数の配線201に交差する配線202a、202bとを互いに接続または非接続とする。配線202aは第1のフォトダイオード群10Aに接続され、配線202bは第2のフォトダイオード群10Bに接続される。選択回路20は、任意の配線201を配線202a、202bのいずれかに接続させ、第1のフォトダイオード群10Aと第2のフォトダイオード群10Bとを適宜選択することができる。このようにして、第1のフォトダイオード群10Aの電流信号は配線202aを介してI−V変換回路210aに出力され、第2のフォトダイオード群10Bの電流信号は配線202bを介してI−V変換回路210bに出力される。
図4において、第1のフォトダイオード群10Aはx方向において距離d1毎の周期で選択されている。第2のフォトダイオード群10Bも同様にx方向において距離d1毎の周期で選択されている。但し、第2のフォトダイオード群10Bは第1のフォトダイオード群10Aの中間に位置し、第2のフォトダイオード群10Bの配列周期の位相は第1のフォトダイオード群10Aの配列周期の位相に対して逆になっている。これにより、出力信号Vs1、Vs2は時間とともに相補的に変化する。
反射光7はx方向において距離d2毎の周期で受光部1に照射される。ここで、距離d2はスケール5の反射部の距離に対応する。反射光7を効率的に検出するため、スケール5の反射部の距離d2はフォトダイオード群10A、10Bのそれぞれの距離d1に一致していることが望ましい。また、出力信号Vs1、Vs2の波形が対称となるように、第1のフォトダイオード群10Aおよび第2のフォトダイオード群10Bはそれぞれ同数のフォトダイオード10を含むことが望ましい。なお、距離d1、d2、フォトダイオード群10A、10Bのフォトダイオード10の数は必ずしも上述の例に限定されない。また、フォトダイオード10の形状も任意に定め得る。
図5は本実施形態における検出信号生成部21の回路例である。上述したように、検出信号生成部21はI−V変換回路210a、210b、基準電圧回路211、差動増幅回路212を備える。
I−V変換回路210aは差動増幅器A10、抵抗R10、容量C10を備える。差動増幅器A10の反転入力端子は第1のフォトダイオード群10Aを構成する複数のフォトダイオード10のアノードに接続され、差動増幅器A10の非反転入力端子には基準電圧Vref1が印加される。差動増幅器A10の反転入力端子と出力端子との間には抵抗R10、容量C10が並列に接続される。差動増幅器A10は電流電圧回路を構成し、フォトダイオード10の電流を電圧に変換し、出力信号Vs1を生成する。同様に、I−V変換回路210bは差動増幅器A11、抵抗R11、容量C11を備え、第2のフォトダイオード群10Bを構成する複数のダイオード10の電流を電圧に変換し、出力信号Vs2を生成する。なお、図5におけるI−V変換回路210a、210bは反転増幅回路を構成しているため、フォトダイオード10の電流が増えるに従い、出力信号Vs1、Vs2の電圧は基準電圧Vref1に対して低下する。以下の説明においては、便宜上、出力信号Vs1、Vs2の振幅を正の電圧変化として表すことがある。
基準電圧回路211は差動増幅器A12、抵抗R16、R17、R18、R19、容量C12を備える。図5における基準電圧回路211は補正回路220としても機能する。抵抗R16、R17は電源電圧(第1の電源電圧)Vccと接地電圧(第2の電源電圧)を分圧し、基準電圧Vref1を生成する。抵抗R16、R17の値は互いに等しく、基準電圧Vref1は電源電圧Vccと接地電圧との中間電圧Vcc/2であることが好ましい。基準電圧Vref1は差動増幅器A12の非反転入力端子に印加される。さらに、基準電圧Vref1はI−V変換回路210a、210bにおける差動増幅器A10、A11の非反転入力端子に印加される。基準電圧Vref1をVcc/2とすることで、出力信号Vs1、Vs2、検出信号Vdのダイナミックレンジを最大とすることができる。基準電圧回路211の差動増幅器A12の反転入力端子と出力端子との間には抵抗R18、容量C12が並列に接続される。また、差動増幅器A12の反転入力端子には抵抗R19を介して補正部22からの平均電圧Vdaveがオフセット電圧として印加される。差動増幅器A12は、基準電圧Vref1を補正値Voffによって補正した基準電圧Vref2を生成する。容量C12、抵抗R18の値を適宜選択することにより、フィードバックループのゲイン、時定数を設定することができる。例えば、補正値Voffに対する基準電圧Vrefの応答性を高める場合には、容量C12の値を小さくしてもよい。
差動増幅回路212は差動増幅器A13、抵抗R12、R13、R14、R15を備える。差動増幅器A13の非反転入力端子には抵抗R12を介して出力信号Vs1が入力され、反転入力端子には抵抗R13を介して出力信号Vs2が入力される。差動増幅器A13の反転入力端子と出力端子との間には抵抗R15が接続されており、出力信号Vs1と出力信号Vs2との差分に基づく信号を増幅し、検出信号Vdを出力する。差動増幅器A13は電源電圧Vcc、接地電圧において駆動され、検出信号Vdは接地電圧から電源電圧Vccの間におけるダイナミックレンジを有し得る。差動増幅器A13の非反転入力端子には抵抗R14を介して補正後の基準電圧Vref2がオフセット電圧として印加される。これにより、差動増幅器A13は補正された検出信号Vdを出力することができる。
図6は本実施形態における平均化回路221の回路例である。平均化回路221はピークホールド回路221a、ボトムホールド回路221b、加算回路221cを備える。
ピークホールド回路221aは差動増幅器A21、A22、抵抗R23、容量C21、ダイオードD21を備える。差動増幅器A21の非反転入力端子には検出信号Vdが入力される。差動増幅器A21の出力端子はダイオードD21のアノードに接続され、ダイオードD21のカソードは容量C21、抵抗R23、差動増幅器A22の非反転入力端子に接続されている。容量C21、抵抗R23はダイオードD21のカソードと接地電圧との間に並列に接続されている。差動増幅器A22の出力端子は差動増幅器A22の反転入力端子、差動増幅器A21の反転入力端子に接続されている。
上述のように構成されたピークホールド回路221aにおいて、検出信号VdはダイオードD21を介して容量C21に出力され、容量C21には検出信号Vdの最大電圧(ピーク電圧)Vdmaxが保持される。抵抗R23は、抵抗R23および容量C21によって定められた時定数で、容量C21に蓄積された電荷を接地電圧へ放電する。容量C21が最大電圧Vdmaxを十分に長い時間保持するためには、抵抗R23および容量C21の時定数は大きいことが好ましい。一方、時定数が大きすぎると、ピークホールド回路221aの応答性が低下し得る。このため、抵抗R23および容量C21の時定数は、応答性も考慮して定められることが望ましい。なお、抵抗R23に代えて放電用のトランジスタスイッチを容量C21に並列に設け、所望のタイミングで容量C21の電荷を放電させてもよい。本実施形態において、差動増幅器A22から出力された最大電圧Vdmaxは差動増幅器A21の反転入力端子にフィードバックされている。このため、最大電圧VdmaxはダイオードD21における順方向電圧降下の影響を受けず、ピークホールド回路221aにおけるレベルシフトは生じない。
ボトムホールド回路221bは差動増幅器A23、A24、抵抗R24、容量C22、ダイオードD22を備える。上述のピークホールド回路221aと異なり、ダイオードD22の極性が逆となっている。すなわち、差動増幅器A23の出力端子はダイオードD22のカソードに接続され、ダイオードD22のアノードは容量C22、抵抗R24に接続されている。容量C22には検出信号の最小電圧(ボトム電圧)Vdminが保持される。容量C22、抵抗R24の値はそれぞれピークホールド回路221aにおける容量C21、抵抗R23の値と同等であることが好ましい。差動増幅器A24の出力端子からは、ダイオードD22の電圧降下分がキャンセルされた最小電圧Vdminが出力される。
加算回路221cは差動増幅器A25、抵抗R25、R26を備える。差動増幅器A25の非反転入力端子は、抵抗R25を介して差動増幅器A22の出力端子に接続され、抵抗R26を介して差動増幅器A24の出力端子に接続されている。また、差動増幅器A25の出力端子は反転入力端子に接続されている。抵抗R25、R26の値はそれぞれ等しく、加算回路221cは最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminの平均電圧Vdaveを生成する。図5において、平均電圧Vdaveは抵抗R19を介して差動増幅器A12の反転入力端子に印加される。差動増幅器A12は、平均電圧Vdaveと基準電圧Vref1との差分である補正値Voffに応じて基準電圧Vref2を出力する。平均電圧Vdaveに基づき基準電圧Vrefを変化させることで、検出信号Vdの平均電圧Vdaveが基準電圧Vref1、すなわち中間電圧Vcc/2となるように制御される。この例において、基準電圧回路211は補正回路220の機能を併せ持つ。
図7は本実施形態におけるフォトダイオードの出力信号の一例を表す図である。図7の上段は第1のフォトダイオード群10Aの出力信号Vs1の時間変化を表し、図7の下段は第2のフォトダイオード群10Bの出力信号Vs2の時間変化を表している。出力信号Vs1、Vs2は時間経過とともに、それぞれが正の値で上下に変動を繰り返す。
時刻t10において、図4に示されたように、スケール5が受光部1に対して相対移動し、受光部1に照射される反射光7がx方向に移動し始める。時刻t10〜t20において、反射光7が第1のフォトダイオード群10Aを横切るに従い、出力信号Vs1が変化する。時刻t10〜t11において、反射光7のうち第1のフォトダイオード群10Aに照射される部分が増えるに従い、出力信号Vs1は上昇する。時刻t11において、反射光7と第1のフォトダイオード群10Aとのx方向における位相が一致すると、出力信号Vs1は最大値になる。時刻t11〜t20において、反射光7のうち第1のフォトダイオード群10Aに照射される部分が少なくなるに従い、出力信号Vs1は低下する。時刻t10〜t20において、第2のフォトダイオード群10Bには反射光7は照射されないため、出力信号Vs2は基準電圧のままである。
時刻t20〜t30において、反射光7が第2のフォトダイオード群10Bを横切るに従い、出力信号Vs2がピーク電圧に向かって上昇する。時刻t21において、反射光7と第2のフォトダイオード群10Bとのx方向における位相が一致すると、出力信号Vs2は最大値になる。時刻t21〜t30において、反射光7のうち第2のフォトダイオード群10Bに照射される部分が少なくなるに従い、出力信号Vs2は低下する。時刻t20〜t30において、第1のフォトダイオード群10Aには反射光7が照射されないため、出力信号Vs1は基準電圧のままである。時刻t30〜t40において、反射光7が第1のフォトダイオード群10Aを横切るに従い、出力信号Vs1が変化する。以下、同様に、出力信号Vs1、Vs2が交互に変化する。
図8は本実施形態における検出信号Vdの一例を表す図である。差動増幅回路212には図7で示された出力信号Vs1、Vs2が入力されるものとする。図5に示されたように、差動増幅回路212は基準電圧Vref1をバイアス電圧として動作し、検出信号Vdは基準電圧Vref1に対して増減を繰り返す。反射光7がフォトダイオード群10A、10Bに入射されない場合、検出信号Vdは基準電圧Vref1となる。
時刻t10〜t20において、反射光7が第1のフォトダイオード群10Aを横切るに従い、出力信号Vs1は基準電圧Vref1を基準として振幅Vaで変化する。このとき、第2のフォトダイオード群10Bの出力信号Vs2は基準電圧Vref1のままであるため、差動増幅回路212からの検出信号Vdは出力信号Vs1に従って変化する。また、時刻t11において、検出信号Vdは最大電圧Vdmaxとなる。
時刻t20〜t30において、反射光7が第2のフォトダイオード群10Bを横切るに従い、出力信号Vs2は基準電圧Vref1を基準として振幅Vaで変化する。このとき、第1のフォトダイオード群10Aの出力信号Vs1は基準電圧Vref1のままであるため、差動増幅回路212からの検出信号Vdは出力信号Vs2に従って変化する。また、時刻t21において、検出信号Vdは最小電圧Vdminとなる。
図8に示されたように、基準電圧Vref1は電源電圧Vccと接地電圧との1/2の電圧に設定されている。また、図4において述べたように、第1のフォトダイオード群10A、第2のフォトダイオード群10Bのそれぞれを構成するフォトダイオードの個数は等しい。このため、出力信号Vs1、Vs2の波形は互いに対称となり、検出信号Vdは広いダイナミックレンジを有し得る。検出信号Vdの平均電圧Vdaveは基準電圧Vref1に等しくなり、補正後の基準電圧Vref2は補正前の基準電圧Vref1と一致している。
図9、図10は本実施形態における光検出装置の動作を説明するための図である。図9は、受光部1に迷光8が照射された状態を表し、図10は迷光8が照射された場合における検出信号Vdを表している。
上述したように、受光部1にはスケール5における反射光7以外に迷光8が照射され得る。迷光8はハウジング、パッケージなどの部材における反射光、または外乱光であって、反射光7のように必ずしもフォトダイオード群10A、10Bに均等に照射されない。例えば、図9に示されたように、第1のフォトダイオード群10Aにのみ迷光8が入射された場合、第1のフォトダイオード群10Aにおける出力信号Vs1は第2のフォトダイオード群10Bの出力信号Vs2よりも大きくなり、出力信号Vs1と出力信号Vs2は対称ではなくなる。例えば、図10に示されるように、検出信号Vdにおいて、出力信号Vs1に対応する信号部分の電圧が上昇し、電源電圧Vccにおいて飽和してしまう。光学エンコーダがこのような検出信号Vdを用いて位置検出を行った場合、特に飽和した信号部分において位相を正確に検出することが困難となる。また、検出信号Vdにおいて、出力信号Vs1に対応する信号部分と出力信号Vs2に対応する信号部分の対称性が損なわれると、位置検出精度は悪化し得る。本実施形態における光検出装置は、検出信号Vdにおける平均電圧Vdaveを基準電圧回路211にフィードバックすることにより、安定した検出信号Vdを出力している。以下、本実施形態における光検出装置の動作を詳述する。
図10において、検出信号Vdの最大電圧Vdmaxは迷光8の影響を受け、最大電圧Vdmaxは電源電圧Vccで飽和している。一方、検出信号Vdの最小電圧Vdminは迷光8の影響を受けていないため、接地電圧に対して十分なマージンを有している。この場合、最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminの平均電圧Vdaveは、電源電圧Vcc/2、すなわち基準電圧Vref1よりも高くなる。基準電圧回路211は平均電圧Vdaveと基準電圧Vref1との差分である補正値Voffに基づき補正後の基準電圧Vref2を生成する。基準電圧Vref2は、式(4)で表されるように基準電圧Vref1から補正値Voffを減算した電圧で表される。図10の例においては、補正後の基準電圧Vref2は基準電圧Vref1よりも低くなる。差動増幅回路212は低下した基準電圧Vref2をバイアス電圧として検出信号Vdを出力し、検出信号Vdの信号波形は低電圧側にシフトする。このため、最大電圧Vdmaxも低くなり、電源電圧Vccで飽和されなくなる。さらに、平均電圧Vdaveは次第に基準電圧Vref1に近づき、基準電圧Vref1に対して最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminのそれぞれの電圧振幅は対称となる。
迷光8が第2のフォトダイオード群10Bに入射した場合においても本実施形態における効果が同様に得られる。この場合、最小電圧Vdminが低くなり、接地電圧でクリップされ得る。平均電圧Vdaveは図10の場合とは逆に低下し、補正後の基準電圧Vref2は基準電圧Vref1よりも高くなる。差動増幅回路212から出力された検出信号Vdの電圧レベルは電源電圧側にシフトし、平均電圧Vdaveは基準電圧Vref1に近づく。基準電圧Vref1に対して最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminのそれぞれの電圧振幅は対称となる。また、検出信号Vdの信号波形が電源電圧側にシフトすることで、最小電圧Vdminの接地電圧における飽和が解消または低減される。
以上述べたように、本実施形態によれば、受光部1に迷光8が入射した場合において、検出信号Vdのバイアス電圧を制御することで、安定した検出信号を出力することが可能となる。また、本実施形態における光検出装置を光学エンコーダに適用することで、より高精度な位置検出が可能となる。
特に、光検出装置が光学エンコーダに用いられ、光源と受光部とが同一パッケージ内に配される場合、パッケージ内において迷光が発生しやすい。本実施形態における光検出装置は、光源とともにパッケージ内に配される場合に特に有用である。
また、本実施形態における光検出装置において、受光部1、信号処理部2、光源3は共通の基板4に設けられている。このように、受光部1、信号処理部2、光源3を同一パッケージに形成することにより、受光部1および光源3の相対位置を高精度に定めることができ、正確な位置検出が可能となる。
なお、本実施形態における光検出装置は、差動増幅回路212の基準電圧Vrefを補正することで検出信号Vdのバイアス電圧を制御しているが、補正の対象となる信号、回路は上述の例に限定されない。例えば、I−V変換回路210a、210bのゲインまたはオフセット電圧を補正してもよい。すなわち、出力信号Vs1、Vs2のうち、迷光8の影響を受けた一方のゲインまたはオフセット電圧を低く補正することで、差動増幅回路212に入力される出力信号Vs1、Vs2の対称性を改善することも可能である。
[第2実施形態]
続いて、本実施形態における光検出装置について第1実施形態と異なる構成を中心に説明する。図11は本実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。信号処理部2は、選択回路20、検出信号生成部21、補正部22を備える。
続いて、本実施形態における光検出装置について第1実施形態と異なる構成を中心に説明する。図11は本実施形態における受光部および信号処理部のブロック図である。信号処理部2は、選択回路20、検出信号生成部21、補正部22を備える。
第1のフォトダイオード群10A、第2のフォトダイオード群10B、選択回路20、検出信号生成部21は、第1実施形態と略同様に構成されている。検出信号生成部21はI−V変換回路210a、210b、基準電圧回路211、差動増幅回路212を備える。I−V変換回路210aは第1のフォトダイオード群10Aにおけるフォトダイオード10の電流を電圧に変換し、出力信号Vs1を生成する。同様に、I−V変換回路210bは第2のフォトダイオード群10Bにおけるフォトダイオード10の電流を電圧に変換し、出力信号Vs2を生成する。
補正部22は補正回路220、ピークホールド回路222を備える。本実施形態においては、第1実施形態の平均化回路221に代えてピークホールド回路222が設けられている。ピークホールド回路222は出力信号Vs1、Vs2のそれぞれの最大電圧Vsmax1、Vsmax2を検出する。補正回路220は差動増幅回路を備え、最大電圧Vsmax1、Vsmax2の差分に基づく補正値Voffを生成する。補正回路220におけるゲインを「A」とすると、補正値Voffは次式で表される。
Voff=A×(Vsmax1−Vsmax2)/2 (式5)
Voff=A×(Vsmax1−Vsmax2)/2 (式5)
補正値Voffは基準電圧回路211にフィードバックされる。補正前の基準電圧を「Vref1」、補正後の基準電圧を「Vref2」とすると、補正後の基準電圧Vref2は次式で表される。
Vref2=Vref1−Voff (式6)
Vref2=Vref1−Voff (式6)
基準電圧回路211は、補正値Voffに基づき基準電圧Vrefを変化させることで、検出信号Vdを補正している。
図12は本実施形態における補正部22の回路例である。補正部22はピークホールド回路222a、222b、補正回路220を含む。なお、図5の検出信号生成部21における出力信号Vs1、Vs2はフォトダイオード10の光電流変化に対して反転した電圧変化を有するが、以下の説明では出力信号Vs1、Vs2は光電流変化と同様に正の振幅を有するものとする。
ピークホールド回路222aは差動増幅器A30、A31、抵抗R31、容量C31、ダイオードD31を備える。差動増幅器A30の非反転入力端子には第1のフォトダイオード群10Aの出力信号Vs1が入力される。差動増幅器A30の出力端子はダイオードD31のアノードに接続され、ダイオードD31のカソードは容量C31、抵抗R31、差動増幅器A31の非反転入力端子に接続されている。容量C31、抵抗R31はダイオードD31のカソードと接地電圧との間に並列に接続されている。差動増幅器A31の出力端子は差動増幅器A30の反転入力端子、差動増幅器A31の反転入力端子に接続されている。
上述のように構成されたピークホールド回路222aにおいて、出力信号Vs1はダイオードD31を介して容量C31に出力され、容量C31には出力信号Vs1の最大電圧Vsmax1が保持される。抵抗R31は、抵抗R31および容量C31によって定められ時定数で、容量C31に蓄積された電荷を接地電圧へ放電する。抵抗R31および容量C31の時定数は、出力信号Vs1の1周期の時間よりも長いことが望ましい。なお、抵抗R31に代えて放電用のトランジスタスイッチを容量C31に並列に設けてもよい。
同様にピークホールド回路222bは差動増幅器A32、A33、抵抗R32、容量C32、ダイオードD32を備え、出力信号Vs2の最大電圧Vsmax2を出力する。
補正回路220は差動増幅器A34、抵抗R33、R34、R35を備える。差動増幅器A34の非反転入力端子には抵抗R33を介して最大電圧Vsmax1が入力され、反転入力端子には抵抗R34を介して最大電圧Vsmax2が入力される。抵抗R35は差動増幅器A34の出力端子と反転入力端子に接続されている。差動増幅器A34は最大電圧Vsmax1、Vsmax2の差分に応じた補正値Voffを出力する。
補正値Voffは基準電圧回路211に入力される。図5において、補正値Voffは抵抗R19を介して差動増幅器A12の反転入力端子に印加される。差動増幅器A12は補正値Voffに応じて基準電圧Vref2を出力し、差動増幅回路212は補正後の基準電圧Vref2を用いて検出信号Vdを生成する。
本実施形態においても、第1実施形態と同様に効果を奏することができる。すなわち、受光部1に迷光8が入射した場合において、検出信号Vdのバイアス電圧を制御することで、安定した検出信号Vdを出力することが可能となる。また、本実施形態における光検出装置を光学エンコーダに適用することで、より高精度な位置検出が可能となる。
本実施形態における光検出装置は、受光部1、信号処理部2、光源3は共通の基板4に設けられている。このように、受光部1、信号処理部2、光源3を同一パッケージに形成することにより、受光部1および光源3の相対位置を高精度に定めることができ、正確な位置検出が可能となる。
本実施形態における補正部22は差動増幅回路212に入力される前の出力信号Vs1、Vs2を用いて補正値Voffを生成している。このため、検出信号Vdが飽和している場合、差動増幅回路212から出力された検出信号Vdを用いて補正値Voffを生成する第1実施形態に比べて補正に要する時間を短くすることができる。
[第3実施形態]
続いて、本実施形態における光検出装置を説明する。本実施形態における光検出装置は、検出信号Vdの補正に加えて、光源3の光量を補正することが可能である。図13は本実施形態における光源制御回路の図である。光源制御回路30は、差動増幅器A301、トランジスタT301、容量C301、抵抗R301、R302、R303、R304、R305、R306を備え、光源3の光量を制御可能である。
続いて、本実施形態における光検出装置を説明する。本実施形態における光検出装置は、検出信号Vdの補正に加えて、光源3の光量を補正することが可能である。図13は本実施形態における光源制御回路の図である。光源制御回路30は、差動増幅器A301、トランジスタT301、容量C301、抵抗R301、R302、R303、R304、R305、R306を備え、光源3の光量を制御可能である。
差動増幅器A301の非反転入力端子には、抵抗R301を介して第1のフォトダイオード群10Aの出力信号Vs1が入力され、また抵抗R302を介して第2のフォトダイオード群10Bの出力信号Vs2が入力される。また、差動増幅器A301の反転入力端子には抵抗R304、R305によって分圧された基準電圧が入力される。差動増幅器A301の出力端子と反転入力端子との間には抵抗R303、容量C301が並列に接続されている。差動増幅器A301の出力端子はトランジスタT301のベースに接続され、トランジスタT301のエミッタは抵抗R306を介して接地されている。トランジスタのコレクタと電源電圧との間には光源3が接続されている。
差動増幅器A301は出力信号Vs1、Vs2の加算値を抵抗R303、容量C301の時定数で積分し、トランジスタT301のベース電圧を変化させる。トランジスタT301はベース電圧に応じた電流を光源3に流し、光源3の光量を制御する。出力信号Vs1、Vs2が検出光量に対して反転して変化する場合、出力信号Vs1、Vs2の振幅が大きくなるに従い、ベース電圧は低下し、光源3の光量は低減される。例えば、図10に示されるように、検出信号Vdが飽和する場合、光源3の光量は低減される。スケール5による反射光7も弱まり、検出信号Vdの振幅も小さくなる。このため、検出信号Vdの飽和が解消または低減され、安定した検出信号Vdを出力することが可能となる。第1、第2実施形態における検出信号Vdの補正に加えて、光源3の光量を補正することにより、検出信号Vdのダイナミックレンジを効果的に改善することができる。
なお、光源3の光量を小さい値から次第に大きな値へと変化させ、検出信号Vdが飽和する直前の光量を維持してもよい。これにより、検出信号Vdの飽和を避けながら、ダイナミックレンジを最大にすることが可能となる。ここで、検出信号Vdが飽和したか否かは、平均電圧Vdaveと基準電圧Vref1との電圧差によって判断し得る。例えば、最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminのいずれかが飽和した場合、平均電圧Vdaveは基準電圧Vref1から離れてしまう。このように、光検出装置は平均電圧Vdaveを監視することで、検出信号Vdの飽和を検出し得る。
従って、本実施形態によれば、検出信号のバイアス電圧の補正に加えて、光源の光量を制御することで、さらに効果的に安定した検出信号を生成することが可能となる。
[他の実施形態]
本実施形態における光検出装置は様々な機器および装置に適用可能である。光検出装置は特に光学エンコーダ装置に好適に適用可能であって、光学エンコーダ装置はリニアエンコーダ、回転エンコーダなどその種類を問わない。さらに、光学エンコーダ装置は、撮像装置の光学レンズ、電子写真装置、搬送装置など可動機構を有する装置に適用可能である。
本実施形態における光検出装置は様々な機器および装置に適用可能である。光検出装置は特に光学エンコーダ装置に好適に適用可能であって、光学エンコーダ装置はリニアエンコーダ、回転エンコーダなどその種類を問わない。さらに、光学エンコーダ装置は、撮像装置の光学レンズ、電子写真装置、搬送装置など可動機構を有する装置に適用可能である。
第1実施形態においては、検出信号Vdの最大電圧Vdmax、最小電圧Vdminに基づき平均電圧Vdaveを生成しているが、抵抗素子および容量素子を含む積分回路を用いて検出信号Vdの平均電圧Vdaveを生成してもよい。また、検出信号Vdを所定時間および所定回数サンプリングし、積分された検出信号Vdをサンプリング回数で除算し、平均電圧Vdaveを生成してもよい。さらに、出力信号Vs1、Vs2をアナログデジタル変換した後にデジタルデータを演算し、検出信号Vd、平均電圧Vdave、補正値Voffを算出してもよい。
また、上述の実施形態における光検出装置、光学エンコーダ装置は半導体基板上に形成された半導体装置であってもよい。すなわち、半導体ウエハ上にフォトダイオード、トランジスタ、抵抗、容量などの素子を形成し、光検出装置を半導体装置として構成してもよい。
1 受光部
10A 第1のフォトダイオード群
10B 第2のフォトダイオード群
2 信号処理部
3 光源
4 基板
5 スケール
20 選択回路
21 検出信号生成部
210 I−V変換回路
211 基準電圧回路
212 差動増幅回路
22 補正部
220 補正回路
221 平均化回路
222 ピークホールド回路
10A 第1のフォトダイオード群
10B 第2のフォトダイオード群
2 信号処理部
3 光源
4 基板
5 スケール
20 選択回路
21 検出信号生成部
210 I−V変換回路
211 基準電圧回路
212 差動増幅回路
22 補正部
220 補正回路
221 平均化回路
222 ピークホールド回路
Claims (17)
- 複数の光電変換素子を含む受光部と、
前記受光部において第1の光電変換素子群および第2の光電変換素子群を選択する選択回路と、
前記第1の光電変換素子群における第1の出力信号および前記第2の光電変換素子群における第2の出力信号の差分に応じた検出信号を出力する差動増幅器と、
前記第1の出力信号および前記第2の出力信号に基づいて前記検出信号を補正する補正部と
を備えることを特徴とする光検出装置。 - 前記補正部は前記第1の出力信号および前記第2の出力信号の前記差分に基づき前記検出信号を補正することを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。
- 前記補正部は、前記差分に応じた前記検出信号を用いて前記検出信号を補正することを特徴とする請求項1または2に記載の光検出装置。
- 前記補正部は、前記検出信号の平均電圧を用いて前記検出信号を補正することを特徴とする請求項3に記載の光検出装置。
- 前記補正部は、前記検出信号の最大電圧および最小電圧から前記平均電圧を求めることを特徴とする請求項4に記載の光検出装置。
- 前記最大電圧は、前記検出信号において前記第1の出力信号に対応する信号部分の電圧であり、
前記最小電圧は、前記検出信号において前記第2の出力信号に対応する信号部分の電圧であることを特徴とする請求項5に記載の光検出装置。 - 前記補正部は、前記検出信号の前記最大電圧を検出するピークホールド回路と、前記検出信号の前記最小電圧を検出するボトムホールド回路とを備え、前記最大電圧および前記最小電圧を加算することで前記平均電圧に基づく補正値を生成することを特徴とする請求項5または6に記載の光検出装置。
- 前記補正部は、前記検出信号を所定時間において積分することにより前記平均電圧を求めることを特徴とする請求項4に記載の光検出装置。
- 前記補正部は、前記差動増幅器に入力される前における前記第1の出力信号の第1の最大電圧および前記第2の出力信号の第2の最大電圧を検出するピークホールド回路を備え、前記第1の最大電圧および前記第2の最大電圧の差分に基づく補正値を生成することを特徴とする請求項1または2に記載の光検出装置。
- 前記差動増幅器にバイアス電圧を供給する基準電圧回路を備え、
基準電圧回路は前記補正値に基づき前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする請求項9に記載の光検出装置。 - 前記差動増幅器は、前記第1の出力信号が入力される第1の入力端子と、前記第2の出力信号が入力される第2の入力端子とを備え、
前記基準電圧回路は、前記第1の入力端子または前記第2の入力端子のいずれかに前記バイアス電圧を供給することを特徴とする請求項10に記載の光検出装置。 - 前記差動増幅器は第1の電源電圧および第2の電源電圧によって駆動され、
前記基準電圧回路は前記第1の電源電圧および第2の電源電圧の中間電圧を基準として前記バイアス電圧を変化させることを特徴とする請求項10に記載の光検出装置。 - 前記第1の光電変換素子群および前記第2の光電変換素子群はそれぞれ同数の前記光電変換素子を含むことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記複数の光電変換素子は、所定のパターンを有するスケールにおける反射光を受光するように配列されることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記スケールに光を照射する光源をさらに備え、前記光源、前記受光部、前記選択回路、前記差動増幅器、および前記補正部は同一のパッケージに設けられていることを特徴とする請求項14に記載の光検出装置。
- 前記スケールに光を照射する光源と、
前記第1の出力信号および前記第2の出力信号に基づき前記光源の光量を制御可能な光源制御回路とをさらに備えることを特徴とする請求項14に記載の光検出装置。 - 請求項14乃至16のいずれか1項に記載の光検出装置を備え、前記スケールと前記受光部との相対的な位置の変化を検出可能な光学エンコーダ装置。
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