JP2007303845A

JP2007303845A - 位置検出方法及び撮像装置

Info

Publication number: JP2007303845A
Application number: JP2006129736A
Authority: JP
Inventors: Sadafumi Kaneda; 禎史金田; Tomoyuki Suzuki; 智之鈴木
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】ＭＲ素子から出力される正弦波信号の歪みの影響を軽減し、より正確な位置検出を行うことができる位置検出方法及びその位置検出方法を適用した撮像装置を提供する。
【解決手段】ＭＲ素子から出力される、位相角が９０度異なる正弦波信号を所定サンプリング周期でサンプリングし、そのサンプル値に基づいて２つの正弦波信号の変化率を示す変化率パラメータＲＳＡ及びＲＳＢを算出する。変化率パラメータの絶対値の差が所定値より小さくなったときのサンプル値を用いて、２つの正弦波信号のオフセット値を示す初期化パラメータＢ，Ｃを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子（以下「ＭＲ素子」という）の出力信号を使った位置検出方法及びその位置検出方法を適用した撮像装置に関する。

ビデオカメラの光学系のレンズ位置を検出する位置検出器などに用いられるＭＲ素子の出力信号は、直流成分に正弦波信号が重畳されたものであるため、レンズ位置の検出を行うためには、交流成分の振幅値と直流成分の大きさを示すオフセット値を求める必要がある。

特許文献１には、ＭＲ素子から出力される正弦波信号の１周期に対応する距離以上、位置検出の対象物を移動させて、ＭＲ素子から出力される正弦波信号の最大値と最小値を計測し、その最大値と最小値の平均値としてオフセット値を求め、また、最大値と最小値の差として交流成分の振幅値を求める手法が示されている。

特許第３１７３５３１号公報

しかしながら、位置検出器内部の部品間の相対的位置が時間的に変化することにより、位置検出器からの出力には、歪みが生じる可能性がある。この歪みは位置検出器出力の最大値及び最小値に最も大きく影響する。従って、位置検出器出力の最大値と最小値を使用して振幅値及びオフセット値を算出する従来手法では、算出された振幅値及びオフセット値が歪みの影響を大きく受けて、精度が低下している可能性がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、ＭＲ素子から出力される正弦波信号の歪みの影響を軽減し、より正確な位置検出を行うことができる位置検出方法及びその位置検出方法を適用した撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、２つの磁気抵抗素子から出力される、位相角が９０度ずれた２つの正弦波信号に基づいて、磁性体が固定され、直線的に移動する移動部材の位置を検出する位置検出方法において、前記移動部材を前記正弦波信号の１周期に対応する距離以上移動させ、前記周期より十分に短い所定サンプリング周期で前記２つの正弦波信号のレベルをサンプリングし、該サンプリングしたサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号の時間変化率を示す変化率パラメータを算出し、前記２つの変化率パラメータの絶対値の差が所定値より小さくなったときの、前記サンプル値を少なくとも２組取得し、該取得したサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号のオフセット値を示す初期化パラメータを算出し、該初期化パラメータ及び前記２つの正弦波信号に基づいて、前記移動部材の位置を検出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の位置検出方法において、前記初期化パラメータは、２組の前記サンプル値を用いて算出され、該２組のサンプル値は、前記１周期に対応する期間に取得したサンプル値の中から、前記２つの変化率パラメータの互いの符号が同一であるか、もしくは相異なるサンプル値系列の中より、絶対値の差が小さい方から２組選択されたものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、レンズの位置をリニアモータにより移動可能な光学系と、前記レンズの位置を検出する位置検出手段と、検出されたレンズ位置に応じて前記リニアモータの駆動制御を行う制御手段とを備える撮像装置において、前記光学系は、磁性体が固定された、前記レンズの支持部材と、位相角が９０度ずれた２つの正弦波信号を出力するように配置された２つの磁気抵抗素子とを備え、前記制御手段は、前記移動部材を前記正弦波信号の１周期に対応する距離以上移動させる初期化移動手段を備え、前記位置検出手段は、前記周期より十分に短い所定サンプリング周期で前記２つの正弦波信号のレベルをサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリングしたサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号の時間変化率を示す変化率パラメータを算出する変化率パラメータ算出手段と、前記２つの変化率パラメータの絶対値の差が所定値より小さくなったときの、前記サンプル値を少なくとも２組取得するサンプル値取得手段と、該取得したサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号のオフセット値を示す初期化パラメータを算出する初期化パラメータ算出手段とを備え、該初期化パラメータ及び前記２つの正弦波信号に基づいて、前記レンズ位置を検出することを特徴とする。

請求項１または３に記載の発明によれば、移動部材を正弦波信号の１周期に対応する距離以上移動させ、その周期より十分に短い所定サンプリング周期で２つの正弦波信号のレベルがサンプリングされ、サンプリングされたサンプル値に基づいて、２つの正弦波信号の時間変化率を示す変化率パラメータが算出される。この２つの変化率パラメータの絶対値の差が所定値より小さくなったときの、サンプル値が少なくとも２組取得され、取得されたサンプル値に基づいて、２つの正弦波信号のオフセット値を示す初期化パラメータが算出される。初期化パラメータ及び２つの正弦波信号に基づいて、移動部材の位置が検出される。２つの変化率パラメータの絶対値の差が小さくなるのは、正弦波信号の最大値または最小値に対応する位相角から約４５度ずれた位相であり、この位相のサンプル値は最大値または最小値より、波形歪みの影響を受け難い。したがって、ＭＲ素子から出力される正弦波信号の歪みの影響を軽減し、より正確な位置検出を行うことができる。

、
請求項２に記載の発明によれば、初期化パラメータは、２組のサンプル値を用いて算出され、その２組のサンプル値は、正弦波信号の１周期に対応する期間に取得されたサンプル値の中から、前記２つの変化率パラメータの互いの符号が同一であるか、もしくは相異なるサンプル値系列の中より、絶対値の差が小さい方から２組選択されたものである。この２組のサンプル値が前記正弦波信号の最大値または最小値に対応する位相角から約４５度ずれた位相のサンプル値となり、正確な位置検出を行うことができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる位置検出方法を適用した、ビデオカメラ（撮像装置）の要部の構成を示すブロック図である。このビデオカメラは、レンズ鏡筒（光学系）１と、制御用メインマイコン８と、増幅器６、７、１３とを備えている。レンズ鏡筒１はレンズ（図示せず）と、該レンズを支持する支持部材（図示せず）と、支持部材を駆動するリニアモータ部２を備えている。リニアモータ部２は、可動コイル３と、該可動コイル３とともに移動する位置検出マグネット（磁性体）４と該位置検出マグネット４と常に一定の距離を隔てて対峙するように固定された２つのＭＲ素子からなる位置センサ５とを備えている。前記支持部材は、可動コイル３に固定されており、前記支持部材（移動部材）は、可動コイル３とともに移動する。

位置センサ５の２つのＭＲ素子は、位置検出マグネット４からの磁界を受けることにより、この磁界の変化に応じて変化する信号を出力する。位置検出マグネット４は、一定距離間隔で磁極のＮとＳが交互に並ぶように着磁されている。そのため、リニアモータ部２が動作したとき、２つのＭＲ素子はそれぞれ正弦波信号を出力し、同時刻における２つのＭＲ素子の出力信号ＳＡ及びＳＢはＡｓｉｎθ＋Ｂ及びＡｃｏｓθ＋Ｃとなるように、２つのＭＲ素子の間隔が調整されている。ここでＡは正弦波信号の振幅値パラメータであり、Ｂ及びＣは正弦波信号に重畳されている直流成分を示すオフセット値である。出力信号ＳＡ、ＳＢはそれぞれ増幅器６、７により増幅されて、制御用メインマイコン８に供給される。

制御用メインマイコン８は、２チャンネルのＡ／Ｄ変換器９と、波形補正部１０と、位置計算部１１と、位置制御部１２とを備えている。波形補正部１０、位置計算部１１、位置制御部１２は、実際にはＣＰＵで実行されるソフトウェア処理で実現される。増幅器６、７で増幅された出力信号ＳＡ及びＳＢは２チャンネルのＡ／Ｄ変換器９に入力され、それぞれデジタル値ＤＳＡ及びＤＳＢに変換され、波形補正部１０に入力される。波形補正部１０では、あらかじめビデオカメラの起動時及びリセット時に行う初期化動作において検出し、記憶されているオフセット値Ｂ、Ｃを使い出力信号ＤＳＡ及びＤＳＢの補正を行う。位置計算部１１は、補正出力信号ＤＳＡ及びＤＳＢからレンズの位置を算出し、算出結果を位置制御部１２に出力する。位置制御部１２は、レンズの位置情報と、レンズの目標位置とに応じて可動コイル３の駆動信号を出力する。位置制御部１２から出力された駆動信号は増幅器１３にて増幅され、可動コイル３に入力される。このようにして、フィードバック制御によるレンズの位置制御が行われる。

次に、波形補正部１０で使われる正弦波のオフセット値Ｂ、Ｃ（以下これらを「初期化パラメータ」という）の算出について説明する。この初期化パラメータの算出はビデオカメラの電源投入時またはリセット時に行われる。まず、モータを一方方向に一定速度で動作させ、２つのＭＲ素子の出力信号ＳＡ、ＳＢを１周期以上観測する。この時の観測データから初期化パラメータＢ、Ｃを算出する。従来の算出方法では、出力信号ＳＡの最大値と最小値をそれぞれＭＡＸＳＡ、ＭＩＮＳＡとし、出力信号ＳＢの最大値と最小値をそれぞれＭＡＸＳＢ、ＭＩＮＳＢとすると、振幅値パラメータＡ及び初期化パラメーＢ、Ｃは次の式（２）、（３）により求められる。
Ｂ＝（ＭＡＸＳＡ＋ＭＩＮＳＡ）／２（２）
Ｃ＝（ＭＡＸＳＢ＋ＭＩＮＳＢ）／２（３）

図２は出力信号ＳＡの最大値ＭＡＸＳＡ、最小値ＭＩＮＳＡ、振幅値パラメータＡ、及びオフセット値Ｂの関係を説明するための波形図である。なお、図示しない出力信号ＳＢについても同様の関係が成り立つ。図２に示す出力信号ＳＡの波形は理想的な状態を示したものである。リニアモータ部２内に設置されているＭＲ素子は、位置検出マグネット４と常に一定距離を隔てて対峠するように固定されており、前述したように、この位置検出マグネット４からの磁界を受ける事により、この磁界の変化に応じて変化する信号がＭＲ素子から出力される。理想的には、ＭＲ素子は位置検出マグネット４と常に一定距離を隔てて対峙するように固定されるべきであるが、実際には工作精度などの原因により、ＭＲ素子と位置検出マグネット４との距離ＤＭＭは常に一定になっているわけではない。ＭＲ素子と位置検出マグネット４との距離ＤＭＭの変動は出力信号ＳＡ、ＳＢの波形Ａｓｉｎθ＋Ｂ、Ａｃｏｓθ＋Ｃの振幅値パラメータＡの変動として現われる。

図３はＭＲ素子と位置検出マグネット４との距離ＤＭＭの変動が出力信号ＳＡに与える影響について説明するための波形図である。図３に示す破線の正弦波は理想的な波形を表し、実線の正弦波は距離ＤＭＭが変化し、歪みが発生した出力信号ＳＡを表している。出力信号ＳＡは理想的な正弦波に対して、歪みの影響で振幅が減少しているようすが示されており、出力信号ＳＡの最大値及び最小値が歪みの影響を最も大きく受ける。従来の手法では初期化パラメータＢ、Ｃの算出に出力信号ＳＡの最大値及び最小値を用いているため、算出した数値は求めたい本来の数値からずれる。これに対して、以下に説明する本実施形態の手法によれば、ＭＲ素子と位置検出マグネットとの距離ＤＭＭに変動が発生し、出力信号ＳＡ、ＳＢに距離ＤＭＭの変動による歪みが発生しても初期化パラメータＢ、Ｃの算出値に生じる誤差を低減することが可能である。

本実施形態では、歪みの影響を最も大きく受ける可能性がある正弦波信号の最大値と最小値を使用せず、歪みの影響をより受けにくい波形の肩の部分（最大値または最小値に対応する位相角から４５度ずれた位置）の測定値を使用して初期化パラメータＢ、Ｃを算出する。これにより歪みの影響による初期化パラメータＢ、Ｃの算出精度の低下を減少させる事ができる。図４は理想的な正弦波と歪みの影響を受けた正弦波の違いについて説明するための波形図であり、破線が歪みのない理想的な正弦波信号の波形を示し、実線が歪みが発生した出力信号ＳＡの波形を示す。図４に示すように歪みの絶対量は正弦波信号が最大値をとる時刻（位相）において最大になっており、正弦波信号が減少するにしたがって歪みの絶対量は減少し、最大値と最小値の中間で「０」になり、その後歪みの絶対量はふたたび増大してゆく。

図５は歪みの影響が少ないサンプリング時刻について説明するための図である。サンプリング周期ＴＳで離散化した時刻を「ｋ」としている。図５には歪みの影響が少なくなる正弦波の肩の部分をサンプリングするときのサンプリング時刻ｋ１〜ｋ４が示されている。時刻ｋ１〜ｋ４は出力信号ＳＡ、ＳＢそれぞれの時間変化率の絶対値が等しくなる時刻である。実際には、信号ＳＡ、ＳＢの時間変化率を示す変化率パラメータＲＳＡ、ＲＳＢを下記式（４）、（５）により算出し、これらの変化率パラメータＲＳＡ、ＲＳＢの絶対値の差を比較して、初期化パラメータＢ、Ｃの算出に使用するサンプリング値を決定する。
ＲＳＡ＝ＳＡ［ｋ］−ＳＡ［ｋ−１］（４）
ＲＳＢ＝ＳＢ［ｋ］−ＳＢ［ｋ−１］（５）
変化率パラメータＲＳＡ、ＲＳＢが、信号ＳＡ、ＳＢの時間変化率を精度良く近似するためには、サンプリング周期ＴＳを信号ＳＡ、ＳＢの周期より十分に短く設定する必要がある。

図６には図５に示した出力信号ＳＡ（Ａｓｉｎθ＋Ｂ）及び出力信号ＳＢ（Ａｃｏｓθ＋Ｃ）から作られるリサージュ図形が描かれている。図６に示すグラフは縦軸に出力信号ＳＡ、横軸に出力信号ＳＢをとっている。リサージュ図形は２つの出力信号の振幅値、周波数比、位相差によってさまざまな形に変化するが、本実施形態の場合、２つの信号ＳＡ、ＳＢの振幅及び周波数比が等しく、位相差が９０度のためリサージュ図形は円となる。そして、図６に示すように振幅値パラメータＡはこの円の半径となり、出力信号ＳＡ、ＳＢのそれぞれのオフセット値Ｂ、Ｃは円の中心Ｐ０における信号ＳＡの値と信号ＳＢの値となる。図６には図５に示す時刻ｋ１〜ｋ４に対応するリサージュ図形上の４つの点Ｐ１〜Ｐ４が示されている。図６に示される点Ｐ１〜Ｐ４は、図５に示す時刻ｋ１〜ｋ４に対応する座標点を示し、円の中心Ｐ０は、２つのサンプル点Ｐ１，Ｐ３またはＰ２，Ｐ４の重心として求められる。

初期化パラメータの算出に使う時刻ｋ１における信号ＳＡの値をＳＡ[ｋ１]としたとき、ＳＡ［ｋ１］は式（４）で使用した２つのサンプル値の相加平均とし、下記式（６）で求められる値とする。また、時刻ｋ２〜ｋ４における信号ＳＡの値ＳＡ［ｋ２］〜ＳＡ［ｋ４］についても同様に下記式（７）〜（９）で求められる値とする。
ＳＡ［ｋ１］＝（ＳＡ［ｋｉ］＋ＳＡ［ｋｉ−１］）／２（６）
ＳＡ［ｋ２］＝（ＳＡ［ｋｊ］＋ＳＡ［ｋｊ−１］）／２（７）
ＳＡ［ｋ３］＝（ＳＡ［ｋｍ］＋ＳＡ［ｋｍ−１］）／２（８）
ＳＡ［ｋ４］＝（ＳＡ［ｋｎ］＋ＳＡ［ｋｎ−１］）／２（９）

信号ＳＢについても初期化パラメータ算出に使う値ＳＢ［ｋ１］〜ＳＢ［ｋ４］は信号ＳＡの場合と同様に式（５）で使用した２つのサンプル値の相加平均とし、下記式（１０）〜（１３）により算出する。
ＳＢ［ｋ１］＝（ＳＢ［ｋｉ］＋ＳＢ［ｋｉ−１］）／２（１０）
ＳＢ［ｋ２］＝（ＳＢ［ｋｊ］＋ＳＢ［ｋｊ−１］）／２（１１）
ＳＢ［ｋ３］＝（ＳＢ［ｋｍ］＋ＳＢ［ｋｍ−１］）／２（１２）
ＳＢ［ｋ４］＝（ＳＢ［ｋｎ］＋ＳＢ［ｋｎ−１］）／２（１３）

初期化パラメータＢ、Ｃは下記式（１４）、（１５）で算出することができる。

また、くり返し述べるが、時刻ｋ１〜ｋ４におけるサンプルデー夕は正弦波の最大値と最小値よりも歪みの影響が小さくなる波形の肩の部分でのデータである。従って、これらのサンプルデータを使って初期化パラメータＢ、Ｃを算出することにより、正弦波の最大値と最小値を使って初期化パラメータＢ、Ｃを算出する場合よりも、歪みの影響を小さくすることができる。

本実施形態では、図１に示す位置センサ５からの出力信号ＳＡ、ＳＢはＡ／Ｄ変換器９で時系列の離散化データとして採り込まれ、演算処理される。そのため、実際には信号ＳＡ及びＳＢの時間変化率の絶対値が完全に等しくなることは保証されていない。従って、２つの出力信号のサンプル値系列の変化率の絶対値の差が所定の値より小さくなったときの各センサ出力のサンプル値を用いて初期化パラメータＢ、Ｃを算出する。これにより、波形の歪みの影響を減少させ、初期化パラメータＢ、Ｃを正確に求めることができる。

より具体的には、正弦波信号の１周期に対応する期間に取得したサンプル値の中から、前記２つ変化率の互いの符号が同一であるか、もしくは相異なるサンプル値系列の中より、絶対値の差が最小となるものから２組のサンプル値を用いて初期化パラメータＢ、Ｃを算出する。これにより、図６に示した２つの点Ｐ１，Ｐ３もしくはＰ２，Ｐ４に対応するサンプル値を用いて、初期化パラメータＢ、Ｃを正確に求めることができる。

本発明の一実施形態にかかる位置検出方法を適用した、ビデオカメラのレンズ駆動装置の構成を示すブロック図である。ＭＲ素子から出力される信号の波形図である。ＭＲ素子の出力信号の歪みの影響について説明するための波形図である。ＭＲ素子の出力信号の歪みの大きさについて説明するための波形図である。歪みの影響が少ないサンプリング時刻について説明するための波形図である。２つのＭＲ素子の出力信号からなるリサージュ図形について説明するための図である。

符号の説明

１レンズ鏡筒
２リニアモータ部
３可動コイル
４位置検出マグネット
５位置センサ
６，７，１３増幅器
８制御用メインマイコン（初期化手段）
９Ａ／Ｄ変換器（サンプリング手段）
１０波形補正部
１１位置計算部（位置検出手段、変化率パラメータ算出手段、サンプル値取得手段、初期化パラメータ算出手段）
１２位置制御部（制御手段）

Claims

２つの磁気抵抗素子から出力される、位相角が９０度ずれた２つの正弦波信号に基づいて、磁性体が固定され、直線的に移動する移動部材の位置を検出する位置検出方法において、
前記移動部材を前記正弦波信号の１周期に対応する距離以上移動させ、
前記周期より十分に短い所定サンプリング周期で前記２つの正弦波信号のレベルをサンプリングし、
該サンプリングしたサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号の時間変化率を示す変化率パラメータを算出し、
前記２つの変化率パラメータの絶対値の差が所定値より小さくなったときの、前記サンプル値を少なくとも２組取得し、
該取得したサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号のオフセット値を示す初期化パラメータを算出し、
該初期化パラメータ及び前記２つの正弦波信号に基づいて、前記移動部材の位置を検出することを特徴とする位置検出方法。
前記初期化パラメータは、２組の前記サンプル値を用いて算出され、該２組のサンプル値は、前記１周期に対応する期間に取得したサンプル値の中から、前記２つの変化率パラメータの互いの符号が同一であるか、もしくは相異なるサンプル値系列の中より、絶対値の差が小さい方から２組選択されたものであることを特徴とする位置検出方法。
レンズの位置をリニアモータにより移動可能な光学系と、前記レンズの位置を検出する位置検出手段と、検出されたレンズ位置に応じて前記リニアモータの駆動制御を行う制御手段とを備える撮像装置において、
前記光学系は、磁性体が固定された、前記レンズの支持部材と、位相角が９０度ずれた２つの正弦波信号を出力するように配置された２つの磁気抵抗素子とを備え、
前記制御手段は、前記移動部材を前記正弦波信号の１周期に対応する距離以上移動させる初期化移動手段を備え、
前記位置検出手段は、
前記周期より十分に短い所定サンプリング周期で前記２つの正弦波信号のレベルをサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリングしたサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号の時間変化率を示す変化率パラメータを算出する変化率パラメータ算出手段と、
前記２つの変化率パラメータの絶対値の差が所定値より小さくなったときの、前記サンプル値を少なくとも２組取得するサンプル値取得手段と、
該取得したサンプル値に基づいて、前記２つの正弦波信号のオフセット値を示す初期化パラメータを算出する初期化パラメータ算出手段とを備え、
該初期化パラメータ及び前記２つの正弦波信号に基づいて、前記レンズ位置を検出することを特徴とする撮像装置。