JP2008003041A

JP2008003041A - 位置検出方法及び撮像装置

Info

Publication number: JP2008003041A
Application number: JP2006175242A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Suzuki; 智之鈴木
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】ＭＲ素子から出力される正弦波信号の計測誤差を等しくし、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正弦波信号周期の２のべき乗分の１の所定のサンプリング周期でサンプリングし、そのサンプル値の最大値ＭＡＸＤＳＡ，ＭＡＸＤＳＢと最小値ＭＩＮＤＳＡ，ＭＩＮＤＳＢ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Ｃ，Ｄ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

この正弦波信号の計測には特定の周期でサンプリングされた値が使用される。しかしながら、このサンプリング周期とＭＲ素子が出力する正弦波信号の周期との関係は１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）といった２のべき乗比の関係になるようには設定されていなかった。このため、サンプリングされた信号の最大値と正弦波信号の真の最大値との計測誤差と、計測された信号の最小値と正弦波信号の真の最小値との計測誤差とが異なる値になり、オフセット値の算出精度を低下させる原因となっていた。

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サンプリングをより適切に行い、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、前記周期より短く、前記周期の２のべき乗分の１の所定の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の最大値と最小値に基づいて、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、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、前記周期より短く、前記周期の２のべき乗分の１の所定の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の最大値と最小値に基づいて、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２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、その周期より短く、その周期の２のべき乗分の１の所定の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の最大値と最小値に基づいて、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。正弦波信号の周期とサンプリング周期との比を２のべき乗比にすることによって、サンプリング値の最大値と正弦波信号の最大値との計測誤差と、サンプリング値の最小値と正弦波信号の最小値との計測誤差とが等しくなる。したがって、初期化パラメータの計算過程において、この計測誤差が相殺され、正確な初期化パラメータを得ることができる。その結果、正確な位置検出が可能となる。

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＋Ｃ及びＢｃｏｓθ＋Ｄ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及びＢは正弦波信号の振幅値パラメータであり、Ｃ及びＤは正弦波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、記憶されている振幅値パラメータＡ、Ｂ及びオフセット値Ｃ、Ｄ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、レンズの位置目標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振幅値パラメータＡ、Ｂ及びオフセット値Ｃ、Ｄ（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Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを算出する。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、初期化パラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは次の式（１）〜（４）により求められる。
Ａ＝（ＭＡＸＳＡ−ＭＩＮＳＡ）／２（１）
Ｂ＝（ＭＡＸＳＢ−ＭＩＮＳＢ）／２（２）
Ｃ＝（ＭＡＸＳＡ＋ＭＩＮＳＡ）／２（３）
Ｄ＝（ＭＡＸＳＢ＋ＭＩＮＳＢ）／２（４）

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Ｃ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。しかし、実際の出力信号ＳＡの計測値はＡ／Ｄ変換器９によってデジタル変換された離散化データとなるため、図３に示すように計測値の最大値ＭＡＸＤＳＡと出力信号ＳＡの最大値ＭＡＸＳＡとには計測誤差が生じている。同様に計測値の最小値ＭＩＮＤＳＡと出力信号ＳＡの最小値ＭＩＮＳＡとにも計測誤差が生じている。そして、最大値における計測誤差と最小値における計測誤差の大きさは異なるものとなっている。

次にこの最大値における計測誤差と最小値における計測誤差の大きさの違いとサンプリング周期との関係について説明する。図４は計測値の最大値と出力信号の最大値との計測誤差と計測値の最小値と出力信号の最小値との計測誤差のそれぞれの大きさが、サンプリング周期の決め方の違いにより異なるものになることを説明するための波形図である。図４（ａ）には、出力信号ＳＡの周期とサンプリング周期の関係が１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）で表される２のべき乗比になっているときの出力信号ＳＡ及び計測値の最大値と最小値が描かれている。図４（ｂ）には出力信号ＳＡの周期とサンプリング周期の関係が１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）で表される２のべき乗比とはなっていないときの出力信号ＳＡ及び計測値の最大値と最小値が描かれている。

図４（ａ）に示すように、最大値ＭＡＸＤＳＡを計測した時刻は出力信号ＳＡが最大値ＭＡＸＳＡとなる時刻からずれており、その偏差はＤＭＸ１となっている。また、最小値ＭＩＮＤＳＡを計測した時刻も出力信号ＳＡが最小値ＭＩＮＳＡとなる時刻からずれており、その偏差はＤＮＸ１となっている。出力信号ＳＡの周期とサンプリング周期とが１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）で表せる２のべき乗比の関係のとき、偏差ＤＭＸ１とＤＮＸ１は等しい値となり、計測値の最大値ＭＡＸＤＳＡと出力信号ＳＡの最大値ＭＡＸＳＡとの計測誤差ＤＭＹ１と、計測値の最小値ＭＩＮＤＳＡと出力信号ＳＡの最小値ＭＩＮＳＡとの計測誤差ＤＮＹ１とは等しい値となる。この関係を式で表すと次式（５）〜（７）となる。
ＭＡＸＳＡ＝ＭＡＸＤＳＡ＋ＤＭＹ１（５）
ＭＩＮＳＡ＝ＭＩＮＤＳＡ−ＤＮＹ１（６）
ＤＭＹ１＝ＤＮＹ１（７）
式（５）〜（７）を前記式（３）に適用すると
Ｃ＝（ＭＡＸＳＡ＋ＭＩＮＳＡ）／２
＝（ＭＡＸＤＳＡ＋ＤＭＹ１＋ＭＩＮＤＳＡ−ＤＮＹ１）／２
＝（ＭＡＸＤＳＡ＋ＭＩＮＤＳＡ）／２（８）
となり、計測値を使ったオフセット値算出において計測誤差が相殺され真のオフセット値を得ることができる。

一方、図４（ｂ）に示すように出力信号ＳＡの周期とサンプリング周期との関係が１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）で表される２のべき乗比とはなっていない場合は、最大値ＭＡＸＤＳＡを計測したときの時刻と出力信号ＳＡが最大値ＭＡＸＳＡとなる時刻との偏差ＤＭＸ２と最小値ＭＩＮＤＳＡを計測したときの時刻と出力信号ＳＡが最小値ＭＩＮＳＡとなる時刻との偏差ＤＮＸ２は異なる値になり、計測値の最大値ＭＡＸＤＳＡと出力信号ＳＡの最大値ＭＡＸＳＡとの計測誤差ＤＭＹ２と計測値の最小値ＭＩＮＤＳＡと出力信号ＳＡの最小値ＭＩＮＳＡとの計測誤差ＤＮＹ２は異なる値となる。このため、計測値を使用したオフセット値算出において計測誤差は相殺されることがなく、真のオフセット値を得ることはできない。

このように出力信号ＳＡの周期とサンプリング周期とが１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）で表せる２のべき乗比の関係である場合、オフセット値Ｃの算出において計測誤差が相殺され、正確なオフセット値を得ることができる。

これまで出力信号ＳＡを例にとって説明をしてきたが、同時に計測される出力信号ＳＢについても同様に、出力信号ＳＢの周期とサンプリング周期とが１：２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）の２のべき乗比となるため正確なオフセット値を得ることができる。

次に、ＭＲ素子の出力信号周期とサンプル周期との関係を定義する整数ｎをどの程度の値に設定する必要があるかを検討する。移動部材位置のスペック上の最小分解能をΔ［m］、移動部材のスペック上の最高速度をＶ_ｍ［m/s］、移動部材の位置検出マグネットの着磁間隔をλ［m］、移動部材がＶ_ｍで移動する場合のＭＲ素子の出力信号の周期をＴ_ｍ［sec］、及びサンプリング周期の最大値をＴ_ｓ［sec］としたとき、ＭＲ素子の出力信号の周期Ｔ_ｍと位置検出マグネットの着磁間隔λ、移動部材のスペック上の最高速度Ｖ_ｍとの関係は、次式（９）となる。
Ｔ_ｍ＝λ／Ｖ_ｍ（９）
ゆえに、サンプリング周期の最大値Ｔ_ｓは次式（１０）で表せる。
Ｔ_ｓ＝Ｔ_ｍ／（λ／Δ）（１０）
ゆえに、出力信号の周期Ｔ_ｍとサンプリング周期Ｔ_ｓの比である２^ｎ（ｎは十分に大きい整数）は次式（１１）で与えられる。
２^ｎ＝（λ／Δ）（１１）
したがって、整数ｎは次式（１２）を満たす十分に大きい整数とする必要がある。
ｎ≧ｌｏｇ_２（λ／Δ）（１２）

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。計測誤差を説明するための波形図である。サンプリング周期と計測誤差について説明するための波形図である。

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波形補正回路
１１位置計算回路（位置検出手段、初期化パラメータ算出手段）
１２位置制御回路（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、
前記周期より短く、前記周期の２のべき乗分の１の所定の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の最大値と最小値に基づいて、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。
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、
前記周期より短く、前記周期の２のべき乗分の１の所定の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の最大値と最小値に基づいて、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。