JP4464447B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置変化に対して位相のずれた複数の繰り返し周期波形の信号を発生するエンコーダを用いた位置検出装置に関するものである。

従来、例えばビデオカメラ等の撮像装置では、ズームやフォーカスのために、レンズは所定の速度及び位置精度で動作させなければならない。最近、このためのレンズ駆動制御装置としてリニアモータが用いられるようになり、このリニアモータを制御するためには、レンズの位置を検出する位置検出装置が必要となる。この位置検出装置としては、位置変化に対して位相がずれた複数の繰り返し周期波形の信号を発生する光学式エンコーダが知られており、特許文献１に提案されている。

図７は光学式エンコーダの側面図を示し、発光素子１の下側に集光レンズ２が取り付けられ、集光レンズ２の下方には図示しない例えばレンズ部である被測定物に取り付けられた固定スケール３が配置されている。固定スケール３には平板部から成る光透過部と溝部から成る光遮光部がピッチＰの等間隔で周期的に設けられている。固定スケール３の下側には可動スケール４が対向して配置されている。そして、可動スケール４の下方には、可動スケール４の各領域を透過した光束をそれぞれ受光する受光素子５ａ、５ｂが配置されている。

図８は可動スケール４の斜視図を示し、可動スケール４は平行平板状の透明材料から成り、発光素子１からの光束の入射面上に、固定スケール３の格子ピッチＰと等しい間隔でＶ型溝部６と平面部７が設けられている。このＶ型溝部６の２つの傾斜面６ａ、６ｂは、平面部７に対してそれぞれ４５度の角度とされている。

発光素子１からの平行光束の内、固定スケール３の透過部を通過した光束は可動スケール４に入射し、図９に示すように可動スケール４のＶ型溝部６及び平面部７をそれぞれ屈折及び単に通過して、左右の受光素子５ａ、５ｂ面に入射する。

ここで、例えばＶ型溝部６をピッチＰの１／２の幅とし、２つの傾斜面６ａ、６ｂの幅が等しくそれぞれＰ／４となるようにし、平面部７をピッチＰの１／２の幅になるように設定する。受光素子５ａ、５ｂからの出力信号Sa、Sbは、図１０に示すように可動スケール４の位置変化に対して９０度位相のずれた周期Ｐの繰り返し信号となる。この出力信号はＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換され、所定周期でＣＰＵに入力されて、後述するアルゴリズムにより位置情報に変換される。

図１１はＣＰＵの動作のフローチャート図を示し、先ずステップ１で電源が投入されると、エンコーダの基準位置を設定するリセット動作を行う。次に、ステップ２でＣＰＵに出力信号Sa、Sbを入力する。ステップ３でそれぞれの中心電圧を基準にして出力信号Sa、Sbを反転し、信号Sa'、Sb'を得る。ここで、各信号の位相関係は図１２(a)に示すように９０度相互にずれたものとなる。

次に、ステップ４で図１２(a)に示した各信号の大小関係により分けられるＡ〜Ｄの４つの領域の内、現在どの領域に位置しているかを求め、ステップ５で各領域中の直線性の良い信号を選択して信号Stとする。図１２(b) は信号Stを示し、例えばP1に位置した場合は領域はＢでSt＝Saである。

移動方向及び移動量は、前回の領域判別結果と今回の領域判別結果とを比較することにより検出する。図１０、図１２のスケール位置で右方向を正の方向とすると、ステップ６で領域遷移数をカウントし、更にその下位に信号Stに対する信号の正規化した値Atを付け加える。なお、ステップ６において、図１２(b) 中の領域Ａや領域Ｃのように、信号Stが正方向への変化に伴い減少する場合は、それぞれの中心値を基準に反転する必要がある。例えば、図１２(b) のように前回の位置がP1であり、今回の位置がP2であったとすると、領域は１だけ図中右方向に遷移しており、領域カウンタを１インクリメントし、信号St＝SaのＡ／Ｄ変換値を領域カウンタの下位に付け加える。最後に、ステップ７で今回の領域判別結果を記憶する。

これらのステップ２からステップ７の動作を、リセット動作終了後に所定のサンプリング周期１／fs（fsはサンプリング周波数）で継続して行うことにより、リセット動作で設定した基準位置からの相対位置を検出することができる。
特開平１−１２１７２３号公報

しかしながら、上述の従来例の位置検出装置では、検出可能な速度に制限がある。例えば、図１２(b) に示すように前回の位置が領域ＢのP1であり、今回の位置が領域ＤのP3であったとすると、ステップ４により領域Ｄと判別はできるが、P3の位置する領域ＤであるかP4の位置する領域Ｄであるかを区別することはできない。このために、格子ピッチＰとサンプリング周波数fsにより検出可能な速度Vaは、次式（１）により制限されることになる。
Va＝Ｐ・fs／４ …（１）

従って、外部から衝撃が加わって、測定対象物が位置検出装置の検出可能速度Vaを越えた場合には、位置検出の出力は不正確なものとなる。

また、式（１）から分かるように、検出可能速度Vaを大きくするには、格子ピッチＰ又はサンプリング周波数fsを大きくしなければならない。しかし、格子ピッチＰの拡大は信号Stの直線性の影響で検出精度の低下を招き、更にサンプリング周波数fsはＣＰＵの性能に依存するので、その値を単純に大きくすることができない。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、格子ピッチ又はサンプリング周波数を大きくすることなく、移動速度が大きくとも検出可能な位置検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る位置検出装置は、測定対象物の相対位置変化に伴って位相がずれた２つの信号を発生する信号発生手段と、前記２つの信号に基づいて前記測定対象物の位置を判別する判別手段とを有する位置検出装置において、前記測定対象物の移動方向を検出する移動方向検出手段を有し、前記判別手段は、前記２つの信号の出力が前記２つの信号の出力に応じて分けられる複数の領域のうち、どの領域にあるかの領域判別を所定のタイミングで行い、前回のタイミングで得られた前記領域判別の判別結果と、前記前回のタイミングの後の今回のタイミングで得られた前記領域判別の判別結果と、前記移動方向検出手段による移動方向の検出結果とに基づいて前記測定対象物の位置を検出することを特徴とする。

本発明に係る位置検出装置によれば、検出可能な移動速度を大きくすることができる。

本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施例の構成図を示し、測定対象物の移動速度検出手段を併設して、その検出結果により異常を検知してリセット動作を行うようにしたものである。測定対象物であるレンズ１１にはアクチュエータ１２が接続され、レンズ１１には、その位置を検出する例えばボイスコイルモータや超音波モータ等のエンコーダ１３と、レンズ１１の移動速度を検出する速度検出器１４とが取り付けられている。エンコーダ１３及び速度検出器１４の出力は、それぞれの検出回路１５及び１６を介して演算処理を行うＣＰＵ１７に接続されており、検出回路１６とＣＰＵ１７の出力は、それぞれドライバ１８を介してアクチュエータ１２に接続されている。

エンコーダ１３はレンズ１１との相対位置変化に対して、信号発生手段として位相のずれた複数の繰り返し周期波形の信号を発生する。エンコーダ１３には、発光素子や受光素子及び所定ピッチの三角溝を形成したスリットを用いた光学式のもの、又は所定ピッチで多極着磁したマグネットとそれに対向する磁気抵抗素子から成る磁気式のものを用いることができる。また、速度検出器１４は例えばレンズ１１にコイルを取り付け、図示しないレンズ鏡筒の固定部のコイルに対向する位置にマグネットを取り付け、コイルの端子間にその相対移動速度に比例した信号を発生するものが考えられる。

更に、測定対象物であるレンズ１１の初期位置の検出設定には、フォトインタラプタ等を用いた光学的手段やホール素子等を用いた磁気的手段を併設し、その出力変化位置を基準位置とする方式を使用する。或いは、レンズ１１の可動範囲を機械的に制限して機械端を設け、その機械端位置を基準位置とする方式等を使用する。

測定対象物であるレンズ１１の位置変化によって、エンコーダ１３の出力は検出回路１５により検出され、図示しないＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ１７にＡ／Ｄ変換された検出信号Sa、Sbが入力される。また、レンズ１１の移動速度は速度検出器１４で検出され、検出回路１６によりレンズ位置制御の安定化のためにドライバ１８に帰還され、更にレンズ１１の速度検出のために図示しないＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ１７にＡ／Ｄ変換された信号Svが入力される。

図２は速度検出器１４で検出されたレンズ１１の速度検出信号Svの出力特性を示している。レンズ１１の速度が０の場合の速度検出信号SvはSv＝Soとなり、正の方向に速度が発生すると速度検出信号SvはSoを基準にして増加し、負の方向に速度が発生すると速度検出信号SvはSoを基準にして減少する。

図３は位置検出のフローチャート図を示し、エンコーダ１３の位置検出をする際に、移動速度の検出結果から移動方向を検出し、その結果を用いるようにしたものである。エンコーダ１３の構成は従来例の図７と同様であるので、説明は省略する。

先ず、ステップ２１において、所定の周期１／fsでエンコーダ１３による出力信号Sa、Sb及び速度検出器１４による速度検出信号SvをＣＰＵ１７に入力する。ステップ２２で出力信号Sa、Sbをそれぞれの中心電圧を基準に反転して信号Sa'、Sb'を得る。各信号の位相関係は従来例の図１２(a)に示すように９０度相互にずれたものとなる。次に、ステップ２３で図１２(a)の各信号の大小により分離されるＡ〜Ｄの４つの領域の内、現在どの領域に位置しているかの領域判別結果Sr1 を求め、ステップ２４で各領域中直線性の良い信号を選択して信号Stとする。信号Stは従来例の図１２(b)と同様に、例えば位置P1に位置した場合には、領域はＢでありSt＝Saである。

次に、ステップ２５で速度検出信号Svを、予め記憶しておいた速度０のときの出力レベルである速度リファレンスと比較し、測定対象物であるレンズ１１の移動方向を判別する。その結果が図１２(b) のＤ方向であればSd＝１、そうでなければSd＝０とする。なお、速度検出信号SvをＣＰＵ１７に取り込み方向判別をする方式ではなく、比較器により速度検出信号Svと速度リファレンス信号Svr1、Svr2を比較し、その結果をＣＰＵ１７に取り込むようにしてもよい。

次に、ステップ２６で前回のタイミングによる領域判別結果Sr2と今回のタイミングによる領域判別結果Sr1及び方向判別結果Sdにより相対移動量Ｘを求める。最後に、ステップ２７で今回の領域判別結果Sr1を記憶する。

このように、ステップ２１〜ステップ２７の動作を原点を求める位置リセット動作終了後に、所定のサンプリング周期１／fsで継続して行うことにより、原点であるリセット位置からの相対位置を検出することができる。

図４は図３のステップ２６で相対移動量Ｘを求めるフローチャート図である。ここでは、現在位置を図１２(b)中の今回の領域判別結果Sr1 ＝Ｂ(P1)として、ステップ２６を説明するが、Sr1 ＝Ａ、Ｃ、Ｄにおいても同様のアルゴリズムで検出可能である。先ず、ステップ３１で今回の領域判別結果Sr1 を参照し、次にステップ３２で前回の領域判別結果Sr2 を参照する。ステップ３２において、Sr2 ＝Ｂであれば領域カウント値Xhはそのままでステップ３８に進む。また、ステップ３２において、Sr2 ＝Ａであればステップ３３で領域カウント値Xhを１インクリメントし、ステップ３８に進む。

また、ステップ３２において、Sr2 ＝Ｃであればステップ３４で領域カウント値Xhを１デクリメントし、ステップ３８に進む。更にステップ３２において、Sr2 ＝Ｄであればステップ３５で方向判別結果Sdを参照する。ステップ３５でSd＝１であればステップ３６で領域カウント値Xhを２インクリメントし、Sd＝０であればステップ３７で領域カウント値Xhを２デクリメントし、ステップ３８に進む。

ステップ３８においては、領域カウント値Xhの下位に信号Stに対する信号の正規化した値Xkを付け加え、図１２(b) 中の領域Ａや領域Ｃのように、信号Stが正方向への変化に伴って減少する場合は、それぞれの中心値を基準に反転する必要がある。

このようにして、格子ピッチＰとサンプリング周波数fsから検出可能な速度Vaは次式のようになる。
Va＝２・Ｐ・fs／４ …（２）

従って、格子ピッチＰ又はサンプリング周波数fsを大きくすることなく、検出可能な速度を向上させることができる。

図５は第２の実施例の位置検出のフローチャート図を示し、移動速度検出手段の検出結果と、この速度検出結果から求めた移動方向検出結果との両方を用いるようにしたものである。本実施例の構成も第１の実施例と同様なので説明は省略する。

先ず、ステップ４１において、所定の周期１／fsでエンコーダ出力信号Sa、Sb及び速度検出信号SvをＣＰＵ１７に入力する。ステップ４２で出力信号Sa、Sbをそれぞれの中心電圧を基準にして反転し、信号Sa'、Sb'を得る。次に、ステップ４３で現在どの領域に位置しているかの領域判別結果Sr1 を求め、ステップ４４で各領域中で直線性の良い信号を選択して信号Stとする。

次に、ステップ４５で速度検出信号Svと、予め記憶しておいた速度０のときの出力レベルである速度リファレンス信号Svr1とを比較し、測定対象物であるレンズ１１の移動方向を判別する。その結果が、図１２(b) のＤ方向であればSd＝１、そうでなければSd＝０とする。次に、速度検出信号Svと速度リファレンス信号Svr1の差の速度絶対値Sva を求め、予め記憶しておいた所定のリファレンス信号Svr2と比較し、ステップ４６で移動速度の大きさを判別する。Sva ＞Svr2であればSw＝１、Sva ＜Svr2であればSw＝０とする。ここで、所定のリファレンス信号Svr2はレンズ１１がサンプリング周期１／fsで、スリットピッチＰの１／２だけ移動するときに発生する速度絶対値Sva とする。

これにより、レンズ１１がサンプリング周期１／fsで移動した領域数２よりも大きければSw＝１、小さければSw＝０となる。次に、ステップ４７で前回の領域判別結果Sr2 、今回の領域判別結果Sr1 、方向判別結果Sd、速度絶対値Sva により相対移動量Ｘを求める。最後に、ステップ４８で今回の領域判別結果Sr1 をストアする。

このように、ステップ４１からステップ４８までの動作を、所定の位置リセット動作終了後に、所定のサンプリング周期１／fsで継続して行うことにより、リセット位置からの相対位置を検出することができる。

図６は図５のステップ４７で相対移動量Ｘを求めるフローチャート図を示す。なお、現在位置を図１２(b) 中の今回の領域判別結果Sr1 ＝Ｂ(P1)としてステップ４７を説明するが、Sr1 ＝Ａ、Ｃ、Ｄにおいても同様のアルゴリズムで検出可能である。

先ず、ステップ５１で今回の領域判別結果Sr1 を参照し、次にステップ５２で前回の領域判別結果Sr2 を参照する。ステップ５２において、Sr2 ＝Ｂであればステップ５３でSwを参照し、Sw＝０であれば領域カウント値Xhはそのままでステップ６６に進む。また、Sw＝１であればステップ５４で更に方向判別信号Sdを参照し、Sd＝１であればステップ５５で領域カウント値Xhを４インクリメントし、Sd＝０であればステップ５６で領域カウント値Xhを４デクリメントし、ステップ６６に進む。

ステップ５２において、Sr2 ＝Ａであればステップ５７でSwを参照し、Sw＝１であればステップ５８で領域カウント値Xhを３デクリメントする。ステップ５７でSw＝０であればステップ５９で領域カウント値Xhを１インクリメントし、ステップ６６に進む。

ステップ５２において、Sr2 ＝Ｃであればステップ６０でSwを参照し、Sw＝１であればステップ６１で領域カウント値Xhを３インクリメントする。ステップ６０でSw＝０であればステップ６２で領域カウント値Xhを１デクリメントし、ステップ６６に進む。

ステップ５２において、Sr2 ＝Ｄであればステップ６３で方向判別信号Sdを参照し、Sd＝１であればステップ６４で領域カウント値Xhを２インクリメントする。ステップ６３でSd＝０であればステップ６５で領域カウント値Xhを２デクリメントし、ステップ６６に進む。

また、ステップ６６においては、値Xhの下位に信号Stに対する信号の正規化した値Xkを付け加え、図１２(b) 中の領域Ａや領域Ｃのように、信号Stが正方向への変化に伴い減少する場合は、それぞれの中心値を基準に反転する必要がある。

このようにして、格子ピッチＰとサンプリング周波数fsで検出可能な速度Vaは次式となる。
Va＝４・Ｐ・fs／４ …（３）

従って、格子ピッチＰ又はサンプリング周波数fsを大きくすることなく、検出可能な速度を向上させることができる。

第１の実施例の位置検出装置の構成図である。 速度検出器の出力特性のグラフ図である。 位置検出のフローチャート図である。 移動量検出のフローチャート図である。 第２の実施例の位置検出のフローチャート図である。 移動量検出のフローチャート図である。 従来例のエンコーダの構成図である。 可動スケールの斜視図である。 透過光束の説明図である。 エンコーダの出力電圧のグラフ図である。 位置検出のフローチャート図である。 出力波形の位相関係のグラフ図である。

符号の説明

１１ レンズ
１２ アクチュエータ
１３ エンコーダ
１４ 速度検出器
１５、１６ 検出回路
１７ ＣＰＵ
１８ ドライバ

Claims (3)

1. 測定対象物の相対位置変化に伴って位相がずれた２つの信号を発生する信号発生手段と、
   前記２つの信号に基づいて前記測定対象物の位置を判別する判別手段とを有する位置検出装置において、
   前記測定対象物の移動方向を検出する移動方向検出手段を有し、
   前記判別手段は、前記２つの信号の出力が前記２つの信号の出力に応じて分けられる複数の領域のうち、どの領域にあるかの領域判別を所定のタイミングで行い、
   前回のタイミングで得られた前記領域判別の判別結果と、前記前回のタイミングの後の今回のタイミングで得られた前記領域判別の判別結果と、前記移動方向検出手段による移動方向の検出結果とに基づいて前記測定対象物の位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記判別手段は、前記前回のタイミングで得られた前記領域判別の判別結果と、前記今回のタイミングで得られた前記領域判別の判別結果とから、前記測定対象物の前記今回のタイミングでの複数の位置に検出し、前記移動方向検出手段による移動方向の検出結果に基づいて前記複数の位置から１つの位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記判別手段はレンズの位置を判別する請求項１又は２に記載の位置検出装置を備えた撮像装置。

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