JP6746643B2 - 位置検出装置、レンズ装置、撮像装置、および指令装置 - Google Patents
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Description
バーニア方式のアブソリュートエンコーダでは、ある1つの周期信号のみを用いて相対位置が算出されるのに対し、絶対位置は複数の周期信号を用いて演算される。しかし、特許文献1では複数の周期信号を取得する場合は、検出する信号を切り替える必要がある構成であるため、信号を切替えている間は相対位置算出のための周期信号を取得することができない。すなわち、絶対位置算出のために複数の周期信号を取得している間は相対位置算出処理を停止させる必要があり、相対位置算出手段は停止している間の位置の変化を検知することができなかった。すなわち、絶対位置の算出と相対位置の算出を併用することができなかった。
また、本発明は、第1要素に対する第2要素の位置の検出を行う位置検出装置であって、前記第1要素及び前記第2要素のうち一方に備えられた、互いに異なる複数の周期をそれぞれ有する複数のパターン列を含み、前記複数のパターン列および前記位置に基づいて変化する、前記複数のパターン列にそれぞれ対応する複数の変位信号を、切替えをして順次出力するセンサと、カウンタと、前記センサにより順次出力された前記複数の変位信号に基づいて、前記複数のパターン列にそれぞれ対応する複数の相対位置信号を得、該複数の相対位置信号に基づいて前記位置としての第1位置を得、前記複数の相対位置信号のうちの第1相対位置信号に基づいて前記第1位置に対する変位を得、前記第1位置と前記変位とに基づいて前記第1位置に対する相対位置を得る処理部と、を有し、前記処理部は、前記複数の変位信号のうち前記第1相対位置信号を得るための変位信号に基づく計数を前記カウンタに行わせ、該計数と前記第1相対位置信号とに基づいて前記相対位置を得、前記処理部は、前記相対位置を得た後に、前記カウンタの行う計数の停止を行い、前記複数の相対位置信号のうちの前記第1相対位置信号とは異なる第2相対位置信号の値としての第1の値および第2の値と、前記第1相対位置信号の値としての第3の値とを、この順に得、前記第2の値と、前記第3の値とに基づいて、前記第1要素に対する前記第2要素の位置としての第2位置を得、前記停止における前記カウンタの計数値と前記第1の値および前記第2の値とに基づいて更新された前記カウンタの計数値と、前記第3の値とに基づいて、前記第2位置に対応する前記相対位置の更新値を得、前記カウンタの行う計数を開始し、前記第2位置と前記更新値とに基づいて、前記第1要素に対する前記第2要素の位置を得る処理を行う、ことを特徴とする。
図1は、本発明の位置検出手段の実施例1の構成ブロック図である。図1において、ABS算出部101は、ABSセンサー103から出力される信号を元に、固定要素に対しての可動要素の(所定の基準位置に対する)変位量である絶対位置Pabsを導出する演算部である。スケール切替え部(切替え手段)102は、ABSセンサー103から順次出力される2種類のトラックパターンに基づいて発生する2種類の信号出力を切替えるスケール切替え部である。ABSセンサー(信号検出手段)103は、固定要素に対しての可動要素の絶対位置を導出するための信号を出力する絶対位置センサーである。ABSセンサー103の内部構成及び出力信号については後述する。AD変換部104は、ABSセンサー103から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換部である。INC算出部105はある基準位置からの変位量をもとに相対位置Pincを導出する演算部である。
ABS算出部101、INC算出部105、移動量算出部106、及び異常判定部107は、例えば一つのCPU内に構成される。
図2はABSセンサー103の断面図である。図2において、可動要素21は、固定要素22に対し、紙面に垂直方向となるX軸方向に移動する可動部である。光源201は発光部であり、例えばLEDである。スケール部202は全長でスリット数の異なる等間隔の2つのトラックパターン203a、203bを有するスケール部である。受光部204a、204bはそれぞれ、光源201より出射しトラックパターン203a、203bにより反射された光を受光するための受光部であり、例えばフォトダイオードアレイで構成される。信号処理回路205は、受光部204a、204bで受光した信号を処理し、スケール切替え部102の切替え信号に応じて、トラックパターン203a、203bの何れかの信号を出力する信号処理回路である。
S502では、初期位置取得のための絶対位置取得処理を行い、S503へ進む。初期位置取得のための絶対位置取得処理についての詳細は後述する。
S503では、相対位置取得のための初期化処理を行い、S504へ進む。相対位置取得のための初期化処理についての詳細は後述する。
S504では、異常検出を実施するかを判断し、実施しない場合はS505へ、実施する場合はS506へ進む。異常検出を実施するかは、たとえば不図示のスイッチにより通知されても良いし、一定時間ごとに定期的に実施しても良い。
S506では、異常検出処理を行い、S507へと進む。異常検出処理については後述する。
S507では、異常が検出されたか判断し、異常が検出されなかった場合はS504へ、異常が検出された場合はS508へ進む。
S508では、異常を通知し、S509へと進む。異常の通知は、たとえば不図示のLED等にて行う。
S509は処理の終了である。
S602において、ABS算出部101は、スケール切替え部102に、第二のスケールへと切替える第二の切替え信号を出力し、S603へ進む。第二の切替え信号により、スケール切替え部102は、ABSセンサー103に第二のトラックパターンの信号出力指示を行い、ABSセンサー103は、第二のトラックパターンの信号S2rA、S2rBを出力する。第二のトラックパターンの信号S2rA、S2rBは、AD変換部104でデジタル信号に変換され、ABS算出部101に出力される。
S607は処理の終了である。
以上により、可動要素の初期位置が決定する。
S702では、図6のS605で取得したT2における第一のA相変位信号S1rAの信号レベルであるV2s1rA、及びB相変位信号S1rBの信号レベルであるV2s1rBを補正する。
S1rA:a1×COSθ+s1 …(1)
S1rB:a2×SINθ+s2 …(2)
S1cA:{(a1×COSθ+s1)−s1}×a2=a1×a2×COSθ …(3)
S1cB:{(a2×SINθ+s2)−s2}×a1=a1×a2×SINθ …(4)
S703では、補正後の第一のA相変位信号S1cA及び第一のB相変位信号S1cBを用いて、図8の(a)に示すような、振幅Vmaxでスケール全長に対して40周期となる第一の相対位置信号Inc1を導出し、S704に進む。なお、図8の横軸はスケールの全長Lmaxに対しての位置を示し、縦軸はその時の信号レベルを示す。
S2rA:b1×COSθ+t1 …(5)
S2rB:b2×SIN(θ+α)+t2 …(6)
S2cA´:{(b1×COSθ+t1)−t1}×b2=b1×b2×COSθ …(7)
S2cB´:{(b2×SIN(θ+α)+t2)−t2}×b1=b1×b2×SIN(θ+α) …(8)
式(7)、式(8)の差は及び和は、それぞれ以下の式(9)、式(10)のように表される。
b1×b2×(SIN(θ+α)−COSθ)
=b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} …(9)
b1×b2×(SIN(θ+α)+COSθ)
=b1×b2×2×COS{(α−90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} …(10)
以上により式(9)、式(10)の位相差は90°となる。
第二のA相変位信号S2cA:
b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{(α−90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} …(11)
第二のB相変位信号S2cB:
b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{(α−90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} …(12)
S705では、補正後の第二のA相変位信号S2cA及び第二のB相変位信号S2cBを用いてS703と同様の演算を行い、第二の相対位置信号Inc2を導出する。ここで第二トラックパターン203bは、スケールの全長Lmaxに対して39周期となるパターンである。従って、第二の相対位置信号Inc2は、図8の(b)に示すような、スケールの全長Lmaxに対して39周期ののこぎり波となる。ここで図8の横軸はスケールの全長Lmaxに対しての位置を示し、縦軸はその時の信号レベルを示す。
以上、S706でバーニア信号Pv1を導出すると、S707に進む。
S707では絶対位置Pabsを導出する。
図9において横軸はスケールの全長Lmaxに対しての位置を示し、縦軸はその時の信号レベルを示す。また、信号レベルの最大値をVmaxで示す。また、N1はスケール開始点から何周期目の領域であることを示し、全長Lmax内での周期の数(最大のN1)をN1maxと定義する。本実施例では、第一トラックパターン203aは、スケールの全長Lmaxに対して40周期となるため、N1maxは40であり、N1は1から40までの自然数となる。
Vb’=Pv1−(Inc1/N1max) …(13)
Vb=Round[Vb’×(N1max/Vmax)] ×(Vmax/N1max) …(14)
ここでRound[ ]は、小数第1位を四捨五入する関数である。
また、誤差成分Eは、式(15)で表わすことができる。
E=[Pv1−(Inc1/n1max)]−Vb …(15)
この同期演算は、以下の式(16)に表わす演算により実施される。
Vabs=Vb+(Inc1/N1max) …(16)
絶対位置の信号Vabsから、絶対位置Pabsは式(17)で表わされる。
Pabs=Vabs×(Lmax/Vmax) …(17)
以上により絶対位置Pabsを導出することができる。
S1002では、直前に導出した絶対位置Pabsを取得し、相対位置Pincの初期値として、S1003へと進む。
S1003は処理の終了である。
この処理により、相対位置の導出における基準位置が決定される。
S1102では、第一のA相変位信号S1rA、及びB相変位信号S1rBを取得し、S1103へと進む。なお、S1102の処理の詳細は図6のS605と同等である。
S1103では、第一のA相変位信号S1rA、及びB相変位信号S1rBの補正を行い、S1104へと進む。なお、S1103の処理の詳細は図7のS702と同等である。
S1104では、補正後の第一のA相変位信号S1cA及び第一のB相変位信号S1cBを用いて、第一の相対位置信号Inc1を導出し、S1105に進む。なお、S1104の処理の詳細は図7のS703と同等である。
S1105では、S1104で導出した第一の相対位置信号Inc1をもとに相対位置Pincを更新し、S1106へと進む。
Inc1A=(PincA×(Vmax/Lmax)×N1max)mod(N1max) …(18)
なお、演算子modは剰余演算を示す。
但し、この演算を省くために、前回の位置PincAを導出した時のInc1もInc1AとしてPincAとともに記憶しておいても良い。
ΔInc1=Inc1B−Inc1A (−Vmax/2≦Inc1B−Inc1A≦Vmax/2の場合)
ΔInc1=Inc1B−Inc1A+Vmax (Inc1B−Inc1A<−Vmax/2の場合)
ΔInc1=Inc1B−Inc1A−Vmax (Inc1B−Inc1A>Vmax/2の場合) …(19)
Pinc=PincA+((ΔInc1/N1max)×(Lmax/Vmax)) …(20)
そして、S1106は処理の終了である。
ΔPinc1Max=(Lmax/N1max)/2 …(21)
よって、位置がΔPinc1Max以上移動することのないサンプリング間隔ΔTinc1にて相対位置を導出する必要がある。
S1201は処理の開始であり、S1202へと進む。
S1202では、異常検出処理で使用する各種タイミングでの変位信号をそれぞれ取得し、S1203へと進む。信号取得処理についての詳細は後述する。
S1203では、絶対位置の導出を行い、S1204へと進む。絶対位置の導出については後述する。
S1205では、S1203で導出した絶対位置と、S1204で導出した相対位置を比較し、一致していたらS1206へ、一致していなかったらS1207へ進む。
S1206では異常なしと判断し、S1208へ進む。
S1207では異常ありと判断し、S1208へ進む。
S1208は処理の終了である。
S1301は処理の開始であり、S1302へと進む。
S1302は、S605と同様の処理である。すなわち、AD変換部104から出力されたS1302の実行タイミングT11における第一のA相変位信号S1rAの信号レベルであるV11s1rA、及びB相変位信号S1rBの信号レベルであるV11s1rBを取得し、S1303へと進む。
S1308は処理の終了である。
絶対位置の導出処理では、図13のS1307で取得したV14s1rA、V14s1rB、及び図13のS1305で取得したV13s2rA、V13s2rBを用いて、図7で示した処理フローと同様に絶対位置Pabsを導出する。
S1402では、図13のS1302で取得したV11s1rA、及びV11s1rBから相対位置Pincを更新し、S1403へ進む。相対位置Pincの更新処理については、S1103、S1104及びS1105と同様であるため、説明を省略する。
S1405は処理の終了である。
S1502では、図13のS1304で取得したV12s2rA、V12s2rBに対して補正を行い、S1503へと進む。なお、S1502の処理の詳細は図7のS704と同等である。
ΔInc2=V13Inc2−V12Inc2 (−Vmax/2≦V13Inc2−V12Inc2≦Vmax/2の場合)
ΔInc2=V13Inc2−V12Inc2+Vmax (V13Inc2−V12Inc2<−Vmax/2の場合)
ΔInc2=V13Inc2−V12Inc2−Vmax (V13Inc2−V12Inc2>Vmax/2の場合) …(22)
時間間隔ΔTinc2で移動することが可能な、位置ズレが発生しない最大の変化量ΔPinc2Maxは、以下の式(23)にて得ることができる。
ΔPinc2Max=(Lmax/N2max)/2 …(23)
よって、位置がΔPinc2Max以上移動することのない時間間隔ΔTinc2にて図13のS1304、S1305の処理を行う必要がある。
ΔInc2´=(ΔInc2/ΔTinc2)×(2×Ts+ΔTinc2) …(24)
ΔP=((ΔInc2´/N2max)×(Lmax/Vmax)) …(25)
以上により、移動量ΔPが導出される。
具体的には、次の式(26)により導出する。
Pinc13=Pinc12+ΔP …(26)
S1508は処理の終了である。
ΔPinc2Max=(N1max/N2max)×ΔPinc1Max …(27)
図17は実施例2の構成ブロック図である。図17において、実施例1と同様の構成を持つものは説明を省略する。
ABS算出部101、INC算出部1705、移動量算出部106、異常判定部107、及び位相計数カウンタ1708は、例えば一つのCPU内に構成される。
まず、処理全体の動作フローについては実施例1の図5と同等のため説明を省略する。
また、初期位置取得のための絶対位置取得処理についても実施例1の図6及び図7と同等のため説明を省略する。
S1801は処理の開始であり、S1802へと進む。
S1802は実施例1における図10のS1002と同様の処理を行い、S1803へと進む。
S1803は、位相計数カウンタ1708を初期化し、S1804へと進む。
S1804は処理の終了である。
図19は、ABSセンサー103からの第一のトラックパターンのアナログ信号、コンパレータ等により変換されたデジタル信号、そして位相計数カウンタのカウンタ値Cntを示した図である。また同時に、第一の相対位置信号Inc1、位置Pとの対応も図示している。
Cnt=Pabs×N1max×4/Lmax の整数部分 …(28)
これにより、初期位置として正しくカウンタ値を設定することができる。
その後位相計数カウンタを開始する。なお、位相計数カウンタの機能は例えばCPUに内蔵されている機能であり、詳細については説明を省略する。
S2001は処理の開始であり、S2002へと進む。
S2002では、位相計数カウンタのカウンタ値Cntを取得し、S2003へと進む。
S2003、S2004、S2005はそれぞれS605、S702、S703と同等の処理を行い、S2006へと進む。
S2006では、S2002で取得したカウンタ値Cntと、S2005導出した第一の相対位置信号Inc1をもとに相対位置Pincを導出し、S2007へと進む。
Cnt=Cnt (Cnt mod 4−(Inc1/Vmax×4 の整数部分)=0)
=Cnt−1 (Cnt mod 4−(Inc1/Vmax×4 の整数部分)=1 or −3)
=Cnt+1 (Cnt mod 4−(Inc1/Vmax×4 の整数部分)=3 or −1)
=Cnt (Cnt mod 4−(Inc1/Vmax×4 の整数部分)=2 or −2) …(29)
Pinc=((Cnt/4 の整数部分)×Vmax+Inc1)/N1max×(Lmax/Vmax) …(30)
S2007は処理の終了である。
異常検出処理の全体の流れは図12と同じである。
図12に示す信号取得処理について、図21を用いて説明する。
S2102では、位相計数カウンタを停止させ、S2103へと進む。これは、第1のスケールへと切り替える際の信号の変位がカウントされることを防ぐために必要な処理となる。なお、S2102により位相計数カウンタを停止した実行タイミングをT11とする。
S2109は処理の終了である。
S2202では、図21のS2104で取得したV12s2rA、V12s2rB、及びS2105で取得したV13s2rA、V13s2rBを用いて、時間T11から時間T14までの間の移動量ΔPを導出、カウンタ値Cntの更新を行い、S2203へ進む。カウンタ値Cntの更新処理については後述する。なお、移動量ΔPの導出については実施例1と同様のため説明を省略する。
S2204は処理の終了である。
S2301は処理の開始であり、S2302へと進む。
S2302〜S2306は実施例1の図15、S1502〜S1506の処理と同等であり、S2307へと進む。
S2307では、移動量ΔPを用いてカウンタ値Cntを更新し、S2308へと進む。
Cnt=Cnt+(ΔP×N1max×4/Lmax の整数部分) …(31)
なお、この処理の後S2203にて相対位置Pincを生成するときに、式(29)に示したカウンタ値Cntと第一の相対位置信号Inc1との位相ずれの補正処理が行われる。そのため、式(31)で更新するCntは実際の位置におけるカウンタ値から±1の範囲に収まれば良く、ΔPの導出も高精度に行う必要はない。
S2308は処理の終了である。
また、図24(c)示すように、3つ、又はそれ以上の複数のエンコーダを用いた構成のものでも適用できる。
102 スケール切替え部(切替え手段)
103 ABSセンサー(信号取得手段)
105、1705 INC算出部(位置導出手段)
106 移動量算出部(位置導出手段)
Claims (14)
- 第1要素に対する第2要素の位置の検出を行う位置検出装置であって、
前記第1要素及び前記第2要素のうち一方に備えられた、互いに異なる複数の周期をそれぞれ有する複数のパターン列を含み、前記複数のパターン列および前記位置に基づいて変化する、前記複数のパターン列にそれぞれ対応する複数の変位信号を、切替えをして順次出力するセンサと、
前記センサにより順次出力された前記複数の変位信号に基づいて、前記複数のパターン列にそれぞれ対応する複数の相対位置信号を得、該複数の相対位置信号に基づいて前記位置としての第1位置を得、前記複数の相対位置信号のうちの第1相対位置信号に基づいて前記第1位置に対する変位を得、前記第1位置と前記変位とに基づいて前記第1位置に対する相対位置を得る処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記相対位置を得た後に、前記複数の相対位置信号のうちの前記第1相対位置信号とは異なる第2相対位置信号の値としての第1の値および第2の値と、前記第1相対位置信号の値としての第3の値とを、この順に得、前記第2の値と、前記第3の値とに基づいて、前記第1要素に対する前記第2要素の位置としての第2位置を得、前記相対位置と、前記第1の値および前記第2の値とに基づいて、前記第2位置に対応する前記相対位置の更新値を得、前記第2位置と前記更新値とに基づいて、前記第1要素に対する前記第2要素の位置を得る処理を行う、
ことを特徴とする位置検出装置。 - 第1要素に対する第2要素の位置の検出を行う位置検出装置であって、
前記第1要素及び前記第2要素のうち一方に備えられた、互いに異なる複数の周期をそれぞれ有する複数のパターン列を含み、前記複数のパターン列および前記位置に基づいて変化する、前記複数のパターン列にそれぞれ対応する複数の変位信号を、切替えをして順次出力するセンサと、
カウンタと、
前記センサにより順次出力された前記複数の変位信号に基づいて、前記複数のパターン列にそれぞれ対応する複数の相対位置信号を得、該複数の相対位置信号に基づいて前記位置としての第1位置を得、前記複数の相対位置信号のうちの第1相対位置信号に基づいて前記第1位置に対する変位を得、前記第1位置と前記変位とに基づいて前記第1位置に対する相対位置を得る処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記複数の変位信号のうち前記第1相対位置信号を得るための変位信号に基づく計数を前記カウンタに行わせ、該計数と前記第1相対位置信号とに基づいて前記相対位置を得、
前記処理部は、前記相対位置を得た後に、前記カウンタの行う計数の停止を行い、前記複数の相対位置信号のうちの前記第1相対位置信号とは異なる第2相対位置信号の値としての第1の値および第2の値と、前記第1相対位置信号の値としての第3の値とを、この順に得、前記第2の値と、前記第3の値とに基づいて、前記第1要素に対する前記第2要素の位置としての第2位置を得、前記停止における前記カウンタの計数値と前記第1の値および前記第2の値とに基づいて更新された前記カウンタの計数値と、前記第3の値とに基づいて、前記第2位置に対応する前記相対位置の更新値を得、前記カウンタの行う計数を開始し、前記第2位置と前記更新値とに基づいて、前記第1要素に対する前記第2要素の位置を得る処理を行う、
ことを特徴とする位置検出装置。 - 前記第1相対位置信号の、前記位置に基づく変化の周期は、前記第2相対位置信号の、前記位置に基づく変化の周期より短いことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の位置検出装置。
- 前記第1相対位置信号の、前記位置に基づく変化の周期は、前記複数の相対位置信号それぞれの、前記位置に基づく変化の周期の中で最も短いことを特徴とする請求項1ないし請求項3のうちいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記第2相対位置信号の、前記位置に基づく変化の周期は、前記複数の相対位置信号それぞれの、前記位置に基づく変化の周期の中で最も長いことを特徴とする請求項1ないし請求項4のうちいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記センサは、前記第1要素及び前記第2要素のうち他方に備えられた、前記複数のパターン列で反射された光を受光する受光部を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のうちいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記第2相対位置信号を得るための、前記複数の変位信号のうちの変位信号は、前記位置に応じて単調増加又は単調減少する信号を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項6のうちいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記センサが前記複数の変位信号を、前記切替えをして順次出力するように、切替え信号を出力する切替え部を有することを特徴とする請求項1ないし請求項7のうちいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記処理部は、前記第1の値および前記第2の値に基づく、前記相対位置に対する変位量に基づいて、前記更新値を得ることを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。
- 前記処理部は、前記第2位置と前記更新値とに基づいて、異常を検出することを特徴とする請求項1ないし請求項9のうちいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記処理部は、前記異常を検出するのに、前記第2位置と前記更新値とを比較することを特徴とする請求項10に記載の位置検出装置。
- 可動の光学部材と、該光学部材の位置を検出する請求項1ないし請求項11のうちいずれか1項に記載の位置検出装置と、を備えることを特徴とするレンズ装置。
- 請求項12に記載のレンズ装置と、該レンズ装置からの光を受光する撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
- 可動の光学部材を有するレンズ装置の該光学部材を駆動操作するための指令装置であって、請求項1ないし請求項11のうちいずれか1項に記載の位置検出装置を備えることを特徴とする指令装置。
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