JP4918757B2

JP4918757B2 - 受光装置

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Publication number: JP4918757B2
Application number: JP2005192401A
Authority: JP
Inventors: 秀亮三野宮; 直純脇; 優子木村; 潤一郎田中
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: CN1892186A; JP2007012904A; CN100585339C; US20070008190A1; US7245233B2; TW200700699A

Description

本発明は受光装置に係り、特に、複数の受光素子が搭載される受光装置に関する。

被測定物の直線運動や回転運動等の動きを検出してコンピュータ等のデジタル機器に入力するための装置として、被測定物の動きに応じたパルスを発生するエンコード装置が従来から利用されている。

エンコーダ装置は、開孔が並んだ方向の移動をする部材と、開孔を通過した光を検出する受光素子と、受光素子の各受光部の検出出力から出力パルスを発生する信号処理部を持つ構成とされている（特許文献１参照）。

図６は従来のエンコード装置の一例の構成図を示す。図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図を示す。

エンコード装置１は、光源１０とスリット部材１１と受光装置１２から構成されている。

光源１０と受光装置１２は、離間対向した状態で固定されている。スリット部材１１は、光源１０と集積回路１２の間に挿入された状態で、光源１０と受光装置１２に対し、Ｘ１、Ｘ２方向（図面上、右向き及び左向き）に移動自在とされている。スリット部材１１は被測定物に固定されており、被測定物が動くことによりＸ方向に移動する。

受光装置１２には、フォトダイオードなどからなる受光素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄがＸ方向に隣接して設けられている。受光素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄそれぞれは、Ｘ方向長さがｄx1で、Ｙ方向幅がｄy1に設定されており、各受光素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの受光面積は同一とされている。

スリット部材１１は、Ｘ方向に光透過部１１ａと遮光部１１ｂが隣接して繰り返し設けられている。光透過部１１ａと遮光部１１ｂはＸ方向の長さｄx2が（２×ｄx１）に設定されており、Ｙ方向の幅ｄy2が受光素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの幅よりαだけ大きい、（ｄy１＋α＞ｄy1）に設定されている。

受光素子１２ａ，１２ｃの出力信号はコンパレータ１３で比較され、比較結果が検出信号として端子１４より出力される。また、受光素子１２ｂ，１２ｄの出力信号はコンパレータ１５で比較され、比較結果が検出信号として端子１６より出力される。

スリット部材１１が集積回路１２に対しＸ１方向に移動するときは、コンパレータ１５の出力信号は、コンパレータ１３の出力信号より１／４周期だけ遅れた波形となる。一方、スリット部材１１が集積回路１２に対しＸ２方向に移動するときは、コンパレータ１５の出力信号はコンパレータ１３の出力する検出信号より１／４周期だけ進んだ波形となる。
特開平６−１８２９０号公報

しかるに、従来のエンコード装置１では、受光素子のエッジは、スリット部材１１の透過部及び遮光部のエッジに平行に形成されていたため、受光素子の検出信号は単調増加又は単調減少する波形となる。このため、ジッタが大きくなるという課題があった。

また、その分解能は、スリット部材１１の透過部１１ａ及び遮光部１１ｂの幅によって、決定されており、スリット部材１１の透過部１１ａ及び遮光部１１ｂの幅に依存していた。スリット部材１１の透過部１１ａ及び遮光部１１ｂの幅を狭くするには、高度な技術が必要となり、スリット部材が高価になり、また、スリット部材１１の透過部１１ａ及び遮光部１１ｂの幅を狭くすることにより、受光素子に十分な光量を供給できなくなり、制度の低下を招くなどの課題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、ジッタを低減し、かつ、分解能を向上できる受光装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源からの光を透過するスリット状の透過部（１１２ａ）と、光源からの光を遮光する遮光部（１１２ｂ）とを有するスリット部材（１１２）を透過した光を検出する複数の受光素子（１３１〜１３８）が搭載された受光装置において、複数の受光素子（１３１〜１３８）は、各々、矩形状の受光領域（Ａ１、Ａ２）を受光領域（Ａ１、Ａ２）の頂点を対角線上で連結し、隣接する受光素子（１３１〜１３８）の受光領域の辺が近接するように配置した構成とされ、矩形状の受光領域の連結方向である第１の方向と、スリット部材（１１２）のスリット状のスリット方向である第２の方向とが、平行に配置され、複数の受光素子（１３１〜１３８）は、第１の受光素子（１３１）と、第１の受光素子（１３１）に隣接する第２の受光素子（１３２）と、第２の受光素子（１３２）に隣接する第３の受光素子（１３３）と、第３の受光素子（１３３）に隣接する第４の受光素子（１３４）と、第４の受光素子（１３４）に隣接する第５の受光素子（１３５）と、第５の受光素子に隣接する第６の受光素子（１３６）と、第６の受光素子（１３６）に隣接する第７の受光素子（１３７）と、第７の受光素子（１３７）に隣接する第８の受光素子（１３８）とを有し、第１の受光素子（１３１）の検出信号と第５の受光素子（１３５）の検出信号との比較結果を出力する第１のコンパレータ（１２２）と、第２の受光素子（１３２）の検出信号と第６の受光素子（１３６）の検出信号との比較結果を出力する第２のコンパレータ（１２３）と、第３の受光素子（１３３）の検出信号と第７の受光素子（１３７）の検出信号との比較結果を出力する第３のコンパレータ（１２４）と、第４の受光素子（１３４）の検出信号と第８の受光素子（１３８）の検出信号との比較結果を出力する第４のコンパレータ（１２５）と、第１のコンパレータ（１２２）の出力と第３のコンパレータ（１２４）の出力との排他的論理和を出力する第１のロジック（１２６）と、第２のコンパレータ（１２３）の出力と第４のコンパレータ（１２５）の出力との排他的論理和を出力する第２のロジック（１２７）とを有することを特徴とする。
また、本発明は、光源からの光を透過するスリット状の透過部（１１２ａ）と、光源からの光を遮光する遮光部（１１２ｂ）とを有するスリット部材（１１２）を透過した光を検出する複数の受光素子（１３１〜１３８）が搭載された受光装置において、複数の受光素子（１３１〜１３８）は、各々、矩形状の受光領域（Ａ１、Ａ２）を受光領域（Ａ１、Ａ２）の頂点を対角線上で連結し、隣接する受光素子（１３１〜１３８）の受光領域の辺が近接するように配置した構成とされ、矩形状の受光領域の連結方向である第１の方向と、スリット部材（１１２）のスリット状のスリット方向である第２の方向とが、平行に配置され、１チップの半導体基板上に搭載されることを特徴とする。
また、複数の受光素子（１３１〜１３８）は、第１の方向と交差するように移動するスリット部材（１１２）を透過した光を検出することを特徴とする。

また、複数の受光素子（１３１〜１３８）は、受光領域が、格子状に配置されていることを特徴とする。

複数の受光素子（１３１〜１３８）は、受光領域（Ａ１、Ａ２）の総面積が略同じに形成されていることを特徴とする。

上記参照符号はあくまでも参考であり、これによって、特許請求の範囲の記載が限定されるものではない。

本発明によれば、上記構成により、ジッタを低減できるとともに、分解能を向上させることができる。

〔構成〕
〔システム構成〕
図１は本発明の一実施例のシステム構成図を示す。

本実施例のエンコード装置１００は、光源１１１、スリット部材１１２、受光装置１１３から構成されている。

光源１１１は、スリット部材１１２を介して受光装置１１３に略対向した位置に設けられている。光源１１１から出射された光は、スリット部材１１２に供給される。

スリット部材１１２は、遮光部１１２ａ及び遮光部１１２ｂを有し、例えば、透明フィルムに黒色のインクによって、遮光部１１２ｂを印刷することにより形成されている。スリット部材１１２は、被測定物に固定されており、被測定物の直線運動や回転運動等の動きによりＸ方向に移動する。

〔受光装置１１３〕
図２は受光装置１１３のブロック構成図を示す。

受光装置１１３は、１チップ半導体装置であり、受光部１２１、コンパレータ１２２〜１２５、ロジック１２６、１２７から構成されている。

〔受光部１２１〕
図３は受光部１２１の断面図、図４は受光部１２１の平面図を示す。

受光部１２１は、８つの受光素子１３１〜１３８から構成されている。受光素子１３１〜１３８は、各々、スリット部材１１２の透過部１１２ａを透過した光に応じた検出信号を出力する。

受光素子１３１〜１３８は、Ｐ型半導体基板１４１に埋め込み拡散領域１４２を介して形成されたｎ型エピタキシャル領域１４３上にｐ型拡散領域１４４を形成することにより、ｎ型エピタキシャル領域１４３とｐ型拡散領域１４４とで構成されるｐｎ接合により構成されている。なお、受光部１２１は、分離領域１４５によって周囲の領域とは分離されている。また、ｐ型拡散領域１４４は、受光素子１３１〜１３８の出力として外部に接続されている。さらに、ｎ型エピタキシャル領域１４３は、高濃度ｎ型拡散領域１４６を介して外部に接続されている。このとき、ｎ型エピタキシャル領域１４３の厚さを厚くすることにより、受光素子１３１〜１３８の感度を上げることが可能となる。

受光素子１３１、１３３、１３５、１３７は、各々、ｎ個の受光領域Ａ１から構成されている。ｎ個の受光領域Ａ１は、各々同じサイズの矩形状、例えば、略正方形状をなし、その対角線上の頂点で連結され、矢印Ｙ方向に配列された形状とされている。

受光素子１３２、１３４、１３６、１３８は、（ｎ−１）個の矩形状の受光領域Ａ１、及び、三角形状の２個の受光領域Ａ２から構成されている。（ｎ−１）個の矩形状の受光領域Ａ１は、各々同じサイズの矩形状、例えば、略正方形状をなし、その対角線上の頂点で連結され、矢印Ｙ方向に配列された形状とされている。２個の受光領域Ａ２は、矩形状の受光領域Ａ１を対角線で切断して得られる三角形状をなす。受光領域Ａ２は、略直角をなす頂点が受光領域Ａ１の両端部に連結される。

受光素子１３１〜１３８は、隣接する受光素子１３１〜１３８の受光領域Ａ１、Ａ２の辺が互いに近接するように配置されている。これによって、小さい面積に受光素子１３１〜１３８を配置できる。なお、受光素子１３１〜１３８は、上記形状によって略同じ受光面積が確保している。

受光素子１３１は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２２の反転入力端子に接続されている。受光素子１３２は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２３の反転入力端子に接続されている。

受光素子１３３は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２４の反転入力端子に接続されている。受光素子１３４は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２５の反転入力端子に接続されている。

受光素子１３５は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２２の非反転入力端子に接続されている。受光素子１３６は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２３の非反転入力端子に接続されている。

受光素子１３７は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２４の非反転入力端子に接続されている。受光素子１３８は、ｐ型拡散領域１４４がコンパレータ１２５の非反転入力端子に接続されている。

受光素子１３１の検出信号はコンパレータ１２２の反転入力端子に供給される。受光素子１３２の検出信号は、コンパレータ１２３の反転入力端子に供給される。受光素子１３３の検出信号は、コンパレータ１２４に反転入力端子に供給される。受光素子１３４の検出信号は、コンパレータ１２５の反転入力端子に供給される。

受光素子１３５の検出信号はコンパレータ１２２の非反転入力端子に供給される。受光素子１３６の検出信号は、コンパレータ１２３の非反転入力端子に供給される。受光素子１３７の検出信号は、コンパレータ１２４に非反転入力端子に供給される。受光素子１３８の検出信号は、コンパレータ１２５の非反転入力端子に供給される。

なお、このとき、受光素子１３１〜１３８の受光領域Ａ１、Ａ２のＸ方向の幅ｄxは、スリット部材１１２の透過部１１２ａ及び遮光部１１２ｂのＸ軸方向の幅の半分に設定されている。すなわち、スリット部材１１２の透過部１１２ａ及び遮光部１１２ｂのＸ軸方向の幅が（２×ｄx）に設定されている。また、スリット部材１１２の透過部１１２ａ及び遮光部１１２ｂのＹ軸方向の幅は、受光部１２１のＹ軸方向の幅をｄyとしたとき、それよりわずかな幅αだけ大きい幅（ｄy＋α）に設定されている。なお、このとき、受光部１２１のＹ軸方向の幅ｄyは、従来の受光素子１２ａのＹ方向の幅ｄy1の２倍の幅（２×ｄy1）に設定されている。これによって、スリット部材１１２のＸ方向の幅に関係なく、受光素子１３１〜１３８の検出信号を十分に大きくとることができ、ジッタなどの影響を小さくできる。

〔コンパレータ１２２〜１２５〕
コンパレータ１２２は、受光素子１３１の検出信号が受光素子１３５の検出信号より大きいときにローレベル、受光素子１３１の検出信号が受光素子１３５の検出信号より小さいときにハイレベルとなる出力信号を出力する。コンパレータ１２２の出力信号は、ロジック１２６に供給される。

コンパレータ１２３は、受光素子１３２の検出信号が受光素子１３６の検出信号より大きいときにローレベル、受光素子１３２の検出信号が受光素子１３６の検出信号より小さいときにハイレベルとなる出力信号を出力する。コンパレータ１２３の出力信号は、ロジック１２７に供給される。

コンパレータ１２４は、受光素子１３３の検出信号が受光素子１３７の検出信号より大きいときにローレベル、受光素子１３３の検出信号が受光素子１３７の検出信号より小さいときにハイレベルとなる出力信号を出力する。コンパレータ１２４の出力信号は、ロジック１２６に供給される。

コンパレータ１２５は、受光素子１３４の検出信号が受光素子１３８の検出信号より大きいときにローレベル、受光素子１３４の検出信号が受光素子１３８の検出信号より小さいときにハイレベルとなる出力信号を出力する。コンパレータ１２５の出力信号は、ロジック１２７に供給される。

〔ロジック１２６、１２７〕
ロジック１２６は、例えば、排他的論理和ゲートから構成されており、コンパレータ１２２の出力信号とコンパレータ１２４の出力信号との排他的論理和を出力する。ロジック１２６の出力信号は、出力端子ＴoutAから出力される。

ロジック１２７は、例えば、排他的論理和ゲートから構成されており、コンパレータ１２３の出力信号とコンパレータ１２５の出力信号との排他的論理和を出力する。ロジック１２７の出力は、出力端子ＴoutBから出力される。

〔動作〕
図５は本発明の一実施例の動作説明図を示す。図５（Ａ）は受光素子１３１の検出信号、図５（Ｂ）は受光素子１３２の検出信号、図５（Ｃ）は受光素子１３３の検出信号、図５（Ｄ）は受光素子１３４の検出信号、図５（Ｅ）は受光素子１３５の検出信号、図５（Ｆ）は受光素子１３６の検出信号、図５（Ｇ）は受光素子１３７の検出信号、図５（Ｈ）は受光素子１３８の検出信号、図５（Ｉ）はコンパレータ１２２の出力信号、図５（Ｊ）はコンパレータ１２３の出力信号、図５（Ｋ）はコンパレータ１２４の出力信号、図５（Ｌ）はコンパレータ１２５の出力信号、図５（Ｍ）はロジック１２６の出力、図５（Ｎ）はロジック１２７の出力を示す。

図５（Ａ）〜図５（Ｈ）に示すように、受光領域Ａ１の形状を矩形状、受光領域Ａ２の形状を三角形状とすることにより、受光素子１３１〜１３８の検出信号の立ち上がり及び立下りを急峻にできる。これによって、スリット部材１１２の透過部１１２ａと遮光部１１２ｂとの境を精度よく検出でき、よって、ジッタを低減できる。

図５（Ａ）〜図５（Ｈ）に示す受光素子１３１〜１３８の検出信号からコンパレータ１２２〜１２５により図５（Ｉ）〜図５（Ｌ）に示すような出力信号を取得し、図５（Ｉ）〜図５（Ｌ）に示すような出力信号からロジック１２６、１２７により、図５（Ｍ）、図５（Ｎ）に示すような出力信号を得る。

図５（Ｍ）、図５（Ｎ）に示す出力信号は、その周期が従来の出力信号の周期の１／２となっている。したがって、従来の２倍の分解能が得られる。

〔効果〕
本実施例によれば、スリット部材１１２の透過部１１２ａ、遮光部１１２ｂのＸ方向の幅を変えることなく、また、受光部１２１の面積を大きくすることなく、従来方式の２倍の分解能を得ることができる。

また、受光領域Ａ１を矩形状、受光領域Ａ２を三角形状とすることにより各受光素子１３１〜１３８の検出信号の立ち上がり及び立下りを急峻にできるため、透過部１１２ａと遮光部１１２ｂとの境を精度よく検出でき、よって、ジッタを低減できる。

〔その他〕
なお、スリット部材１１２は、金属板にエッチングなどによって、スリットを形成し、透過部１１２ａとしたものであってもよい。

また、受光領域Ａ２は三角形状ではなく、矩形状の領域Ａ１の半分を遮光材によって遮光することにより形成してもよい。

本発明の一実施例のシステム構成図である。受光装置１１３のブロック構成図である。受光部１２１の断面図である。受光部１２１の平面図である。本発明の一実施例の動作説明図である。従来の一例の構成図である。

符号の説明

１００エンコード装置
１１１光源、１１２スリット部材、１１３受光装置
１２１受光部、１２２〜１２５コンパレータ、１２６、１２７ロジック
１３１〜１３８受光素子
１４１基板
Ａ１、Ａ２受光領域

Claims

光源からの光を透過するスリット状の透過部と、該光源からの光を遮光する遮光部とを有するスリット部材を透過した光を検出する複数の受光素子が搭載された受光装置において、
前記複数の受光素子は、各々、矩形状の受光領域を該受光領域の頂点を対角線上で連結し、隣接する受光素子の受光領域の辺が近接するように配置した構成とされ、
前記矩形状の受光領域の連結方向である第１の方向と、前記スリット部材の前記スリット状のスリット方向である第２の方向とが、平行に配置され、
前記複数の受光素子は、第１の受光素子と、前記第１の受光素子に隣接する第２の受光素子と、前記第２の受光素子に隣接する第３の受光素子と、前記第３の受光素子に隣接する第４の受光素子と、前記第４の受光素子に隣接する第５の受光素子と、前記第５の受光素子に隣接する第６の受光素子と、前記第６の受光素子に隣接する第７の受光素子と、前記第７の受光素子に隣接する第８の受光素子とを有し、
前記第１の受光素子の検出信号と前記第５の受光素子の検出信号との比較結果を出力する第１のコンパレータと、
前記第２の受光素子の検出信号と前記第６の受光素子の検出信号との比較結果を出力する第２のコンパレータと、
前記第３の受光素子の検出信号と前記第７の受光素子の検出信号との比較結果を出力する第３のコンパレータと、
前記第４の受光素子の検出信号と前記第８の受光素子の検出信号との比較結果を出力する第４のコンパレータと、
前記第１のコンパレータの出力と前記第３のコンパレータの出力との排他的論理和を出力する第１のロジックと、
前記第２のコンパレータの出力と前記第４のコンパレータの出力との排他的論理和を出力する第２のロジックとを有することを特徴とする受光装置。
光源からの光を透過するスリット状の透過部と、該光源からの光を遮光する遮光部とを有するスリット部材を透過した光を検出する複数の受光素子が搭載された受光装置において、
前記複数の受光素子は、各々、矩形状の受光領域を該受光領域の頂点を対角線上で連結し、隣接する受光素子の受光領域の辺が近接するように配置した構成とされ、
前記矩形状の受光領域の連結方向である第１の方向と、前記スリット部材の前記スリット状のスリット方向である第２の方向とが、平行に配置され、
１チップの半導体基板上に搭載されることを特徴とする受光装置。
前記複数の受光素子は、前記第１の方向と交差するように移動する前記スリット部材を透過した光を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の受光装置。
前記複数の受光素子は、前記受光領域が格子状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の受光装置。
前記複数の受光素子は、前記受光領域の総面積が略同じに形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の受光装置。