JP2009162673A - 位置検出装置及び位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
出力信号のオフセットを補正する高精度な位置検出装置を提供する
【解決手段】
本発明は、被測定物の位置の変化に応じて出力される２相の出力信号１ａ、１ｂに基づいて被測定物の位置を検出する位置検出装置１００であって、２相の出力信号１ａ、１ｂをデジタル変換してデジタル信号を出力するアナログデジタル変換手段２ａ、２ｂと、デジタル信号により生成されるリサージュ波形上の点を少なくとも３点用いてリサージュ波形の中心位置を算出することにより、デジタル信号のオフセットを補正する補正手段５０と、補正手段５０により補正された信号を用いて被測定物の位置を演算するデジタル演算手段３とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は位置検出装置に係り、特に、出力信号のオフセットを補正する補正手段を備えた位置検出装置に関する。

従来から、被測定物の位置又は角度の変化に応じて生成される出力信号（周期信号）をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号から出力信号のオフセットを補正する補正方法がある。特開平８−１４５７１９号公報（特許文献１）には、デジタル計算のサンプリング周期に対し十分に遅い速度で被測定物を移動させて出力信号の最大値と最小値を検出し、その幅から振幅を補正し、その中点からオフセットを補正することが開示されている。
特開平８−１４５７１９号公報

しかしながら、アナログデジタル変換及びデジタル計算は、ある一定の時間間隔(サンプリング周期)ごとに実行される。出力信号における真の最大値及び最小値を求めるには、所定のサンプリング周期に対して、被測定物を十分ゆっくり移動させ、アナログデジタル変換値を周期信号の周期に対して細かく取得する必要があった。このような制御を行わない場合には、真の最大値、最小値を検出できなくなり、検出精度が悪化するためである。

このように、従来の技術では、被測定物をゆっくり動かさなくてはならず、時間がかかる。このため、限られた範囲の最大値及び最小値からオフセットの補正値を求め、この補正値を使用範囲全体に摘要していた。この結果、高精度を求められる用途では使用する全範囲において十分な精度が得られないことがあった。

この対策として、使用範囲全体をいくつかの区間に分けて、区間ごとに補正値を持つ方法もある。しかし、この方法では、あらかじめ各区間の補正を測定しておくことと、動作時に現在位置を常時監視し、補正値を切り替えなければならないため、使用上煩雑である。

そこで本発明は、簡易な構成で高精度の位置検出装置及び位置検出方法を提供する。

本発明の一側面としての位置検出装置は、被測定物の位置の変化に応じて出力される２相の出力信号に基づいて該被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、前記２相の出力信号をデジタル変換してデジタル信号を出力するアナログデジタル変換手段と、前記デジタル信号により生成されるリサージュ波形上の点を少なくとも３点用いて該リサージュ波形の中心位置を算出することにより、該デジタル信号のオフセットを補正する補正手段と、前記補正手段により補正された信号を用いて前記被測定物の位置を演算するデジタル演算手段と、を有する。

本発明の他の側面としての位置検出方法は、被測定物の位置の変化に応じて出力される２相の出力信号に基づいて該被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、前記２相の出力信号から、第１の２相出力信号の振幅、第２の２相出力信号の振幅、及び、第３の２相出力信号の振幅を取り込むステップと、前記２相の出力信号のリサージュ波形上において、前記第１の２相出力信号の振幅から得られる第１の位置及び前記第２の２相出力信号の振幅から得られる第２の位置の中点を通り、かつ、該第１の位置と該第２の位置とを結ぶ第１の直線に垂直な第１の垂線を求めるステップと、前記２相の出力信号のリサージュ波形上において、前記第２の２相出力信号の振幅から得られる前記第２の位置及び前記第３の２相出力信号の振幅から得られる第３の位置の中点を通り、かつ、該第２の位置と該第３の位置とを結ぶ第２の直線に垂直な第２の垂線を求めるステップと、前記第１の垂線と前記第２の垂線との交点位置を求めるステップと、前記２相の出力信号から前記交点位置と原点位置との差を減算することにより、該２相の出力信号のオフセットを補正するステップと、前記オフセットを補正した補正値を用いて前記被測定物の位置を検出するステップと、を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、高精度な位置検出装置及び位置検出方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施例は、被測定物の位置の変化に応じて生成される出力信号のオフセットを補正する位置検出装置及び位置検出方法に関する。ここで、位置の変化という場合には、直線的な変位だけでなく、角度の変位など他の変位を含むものとする。

本実施例では、まず、出力信号のオフセット誤差が位置検出装置の精度に影響を及ぼす理由を説明する。

位置検出装置からの出力信号の誤差には、一般に、振幅誤差及びオフセット誤差がある。位置検出装置において、位相が互いに９０°異なる２つの出力信号を分割して位置又は角度情報を得るには、２つの出力信号の振幅比率を求める必要がある。出力信号の振幅は、検出手段の構成上、２つの出力信号とも同じように検出される。よって、出力信号の振幅は、２つの出力信号とも同じように増減する傾向がある。このため、位置検出装置からの出力信号の変動（誤差）が振幅のみである場合、２つの出力信号の振幅比率を求めるときにこの変動（誤差）はキャンセルされ、出力信号の精度には大きく影響しない。

しかし、位置検出装置からの出力信号にオフセット変動がある場合、振幅変動のようなキャンセル効果がない。このため、オフセット変動は、出力信号の精度に及ぼす影響が大きい。

本実施例では、一例として、ハードディスクのサーボトラックライタに用いられる位置検出装置について説明する。ただし、本発明の位置検出装置はこれに限られず、他の用途に用いられるものであってもよい。

まず、サーボトラックライタの機能について簡単に説明する。図８は、ハードディスクドライブにおけるサーボトラックライタの構造の一例を示したものである。

１０はメディア（ディスク）である。メディア１０の表面には磁性体が塗布されており、製造時において、磁気的に位置信号の基準となるサーボトラック信号１５があらかじめ書き込まれる。メディア１０は、図示しないスピンドルモータによって回転される。

１１はスイングアームである。スイングアーム１１は、図示しないアクチュエータによって、メディア１０の半径方向に移動可能に構成されている。１２は磁気ヘッドである。磁気ヘッド１２は、スイングアーム１１の先端に取り付けられている。スイングアーム１１が移動しながら、磁気ヘッド１２は、メディア１０に記録された情報を読み出し、また、メディア１０へ情報を書き込む。

１３はプッシュピンである。図８に示されるように、スイングアーム１１は、サーボトラックライト時においてプッシュピン１３により押し当てられている。このため、スイングアーム１１は、プッシュピン１３と一体になって移動する。

１４はエンコーダとモータを含む位置決め機構である。高精度の位置決めのために、例えば1回転あたり８１０００周期の信号を出力するエンコーダが使われる。

位置決め機構１４は、被測定物であるスイングアーム１１の回転中心と同軸上を回転可能に構成されている。また、位置決め機構１４は、図示しない制御装置によってエンコーダの出力信号を分割処理し、出力信号より細かい分解能での位置決めが可能となっている。本実施例の位置検出装置が、ハードディスクドライブのサーボトラックライタに用いられる場合には、位置検出装置は位置決め機構１４に含まれる。

ハードディスクドライブのサーボトラックライタは、位置決め機構１４によってスイングアーム１１と磁気ヘッド１２をメディア１０の半径方向に微小ステップでの位置決めを繰り返す。サーボトラックライタは、これを繰り返しながら、サーボトラック信号１５をメディア１０に書き込んでいく。一旦サーボトラック信号１５が書き込まれたハードディスクは、このトラックを基準として位置決めを行い、データの書き込み、及び、読み出しを行う。

ハードディスクの容量を向上させるためには、サーボトラック間の間隔（トラックピッチ）を狭くすることが重要である。さらに、容量向上のためには、トラックピッチ一定であることが要求される。

トラックピッチが狭くなると、エンコーダの１周期の間に数回位置決めを行うようになる。この場合でもトラックピッチを一定するためには、エンコーダの出力信号（周期信号）を分割する際に直線性が求められる。すなわち、モータの回転角度に正確に比例した分割値が要求される。

次に、エンコーダの出力信号の分割時における直線性について説明する。

図９は、エンコーダの出力信号（周期信号）と分割結果との関係を示したものである。図９において、エンコーダの出力信号１ａと出力信号１ｂは、互いの位相が９０°異なっている。図９の上方の波形は、出力信号の振幅−時間特性である。出力信号１ａは、破線で示される中心位置に対して、上下対称の波形となっている。一方、出力信号１ｂは、破線で示される中心位置に対して、上方へずれており、上下対称の波形とはなっていない。これは、出力信号１ｂにオフセット成分が含まれているためである。

エンコーダの出力信号１ａ、１ｂを分割して得られる分割結果を図９の下方に示す。線１６はオフセットがないときの結果であり、線１７はオフセットがあるときの結果である。分割結果は、線１６のような直線になることが理想的である。しかし、上述のように、エンコーダの出力信号１ｂにオフセットがあると、線１７は位置の変動に伴って波打つように変動する。つまり、出力信号にオフセット成分が含まれていると、信号の直線性を確保することができない。

分割結果が線１７のように直線にならない場合、サーボライトしたときのトラッピッチ（トラック間の間隔）が一定にならず、ハードディスクの性能を確保することができない。このため、分割結果が線１６に示されるような直線になるように、エンコーダの出力信号におけるオフセットを除去する必要がある。

次に、本実施例における位置検出装置の構成について説明する。図１は、本実施例における位置検出装置１００の概略図である。

図１において、１ａ、１ｂは、図示しない検出手段から出力される２相の出力信号である。検出手段としては、例えばエンコーダが挙げられるが、これに限られない。検出手段から出力される出力信号は周期信号であり、所定の周期をもった信号が繰り返して出力される。この周期信号としての出力信号は、本実施例では正弦波信号であるが、これに限定されるものではない。

２ａ、２ｂは、アナログデジタル変換手段である。アナログデジタル変換手段２ａ、２ｂは、アナログ信号を入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を出力する。本実施例において、アナログデジタル変換手段２ａは、アナログ信号である出力信号１ａをデジタル信号に変換する。同様に、アナログデジタル変換手段２ｂは、アナログ信号である出力信号１ｂをデジタル信号に変換する。

５０は補正手段である。補正手段５０は、デジタル信号により生成されるリサージュ波形上の点を少なくとも３点用いて、リサージュ波形の中心位置を算出することにより、デジタル信号のオフセットを補正する。すなわち、補正手段５０は、２相の出力信号１ａ、１ｂのオフセットを補正するために設けられている。

なお、上述のとおり、本実施例では、エンコーダが１回転する間に、リサージュ波形は８１０００回描かれる。出力信号のオフセットは、エンコーダの回転位置により異なる。このため、上記のリサージュ波形上の３点は、リサージュ波形が1周期する間に取り入れられるのが望ましいが、近傍の周期であってもよい。

エンコーダの位置が変化すれば、出力信号のオフセットも変化する。このため、補正手段５０は、エンコーダが回転するに従い、エンコーダの位置に応じたオフセット補正を繰り返す。

５１はオフセット算出手段である。オフセット算出手段５１は、リサージュ波形上の第１の位置、第２の位置、及び、第３の位置にある３点を用いてリサージュ波形の中心位置を算出する。オフセット算出手段５１は、具体的には、リサージュ波形上の第１の位置と第２の位置とを結ぶ第１の直線の中点を通り、かつ、第１の直線に垂直な第１の垂線を求める。同様に、リサージュ波形上の第２の位置と第３の位置とを結ぶ第２の直線の中点を通り、かつ、第２の直線に垂直な第２の垂線を求める。そして、第１の垂線と第２の垂線との交点位置を中心位置として算出する。

なお、後述のとおり、オフセット算出手段５１は、複数の交点位置を算出し、複数の交点位置の平均値を中心位置として設定することもできる。

５２ａ、５２ｂは減算手段である。減算手段５２ａ、５２ｂは、アナログデジタル変換手段２ａ、２ｂから出力されたデジタル信号から、オフセット算出手段５１にて算出された中心位置と原点位置との差を減算する。ここで、原点位置とは、オフセットのない理想的な出力信号１ａ、１ｂに基づいて生成されたリサージュ波形の中心位置のことである。

本実施例の補正手段５０は、オフセット算出手段５１及び減算手段５２ａ、５２ｂから構成される。ただし、このような構成に限定されるものではなく、他の構成を用いるものであってもよい。

３はデジタル演算手段である。デジタル演算手段３は、補正手段５０によりオフセット補正されたデジタル信号を用いて、被測定物の位置を演算処理する。なお、デジタル演算手段３は、デジタル変換後の信号から出力信号１ａ、１ｂの周期より細かい周期で、被測定物の位置を演算する。

次に、検出手段から出力される出力信号１ａ、１ｂの波形について説明する。

図２（ａ）は、出力信号１ａ、１ｂの振幅−時間特性である。本図において、出力信号１ａ、１ｂはいずれもオフセットを有しない理想的な周期信号（正弦波信号）となっている。また、出力信号１ａ、１ｂの位相は、互いに９０°異なっている。

図２（ｂ）は、出力信号１ａの振幅（信号強度）を縦軸にとり、出力信号１ｂの振幅（信号強度）を横軸にとったときの波形図である。このような波形はリサージュ波形と呼ばれる。出力信号１ａ、１ｂは、図２（ａ）において１周期変化すると、リサージュ波形４の円周上を１回転することになる。

なお、本実施例において、エンコーダを１回転させると、図２（ａ）の出力信号として、８１０００周期の正弦波が出力される。また、図２（ｂ）のリサージュ波形４として、８１０００回の円が描かれる。

図２（ｂ）に示されるように、出力信号１ａ、１ｂが理想的な波形の場合、リサージュ波形４は、原点位置（０，０）を中心位置とした円を描く。

しかし、出力信号１ａ、１ｂにオフセットがある場合、リサージュ波形４の中心位置はずれて、原点位置（０，０）とは異なる位置（ｘ_０，ｙ_０）を示す。このため、この位置（ｘ_０，ｙ_０）が原点位置になるように補正すれば、出力信号１ａ、１ｂに含まれるオフセットを除去することができるということになる。

次に、本実施例におけるオフセット補正の具体的手順を説明する。図３は、リサージュ波形上の位置（リサージュ波形上の座標）と中心位置（中心点の座標）との関係を示したものである。

本実施例におけるオフセット補正は、リサージュ波形４における円周上の位置を利用してリサージュ波形４の中心位置（ｘ_０，ｙ_０）を求めることにより行われる。以下、中心位置の求め方を説明する。

図３において、リサージュ波形４の円周上に３点の位置が特定されている。これらの３点の位置における座標を、それぞれ、第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）、第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）、第３の位置（ｘ_３，ｙ_３）とする。まず、第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）と第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）とを第１の直線５で結ぶ。そして、第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）と第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）との中点を通り、かつ、第１の直線５に垂直に交わる第１の垂線６を引く。同様に、第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）と第３の位置（ｘ_３，ｙ_３）とを第２の直線７で結ぶ。そして、第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）と第３の位置（ｘ_３，ｙ_３）との中点を通り、かつ、第２の直線７に垂直に交わる第２の垂線８を引く。

図３に示されるように、第１の垂線６と第２の垂線８は、交点（ｘ_０，ｙ_０）において交わる。ここで、リサージュ波形４が理想的な円であると仮定すると、上述のとおり求められた第１の垂線６と第２の垂線８の交点は、リサージュ波形４の中心位置となる。このため、第１の垂線６と第２の垂線８の交点を算出することは、リサージュ波形４の中心位置を算出することになる。

出力信号１ａ、１ｂにオフセットが含まれる場合、第１の垂線６と第２の垂線８との交点位置として求められたリサージュ波形４の中心位置（ｘ_０，ｙ_０）は、原点位置（０，０）とは異なっている。
中心位置（ｘ_０，ｙ_０）と原点位置（０，０）との差が、出力信号１ａ、１ｂのオフセットに相当する。

このため、本実施例では、中心位置（ｘ_０，ｙ_０）と原点位置（０，０）との差からオフセットの補正値を求める。すなわち、２相の出力信号から中心位置（交点位置）と原点位置との差を減算する。このような手法により、リサージュ波形４の中心位置（ｘ_０，ｙ_０）が原点位置（０，０）になるように補正される。本実施例におけるオフセット補正は、リサージュ波形４上の点を少なくとも３点求めることにより実行可能である。

次に、垂線の求め方について説明する。リサージュ波形４上の第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）及び第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）の２点の情報に基づいて、第１の垂線６は以下のとおり求められる。

図４は、第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）と第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）との中点を通る第１の垂線６の求め方を示す図である。本図は、図３の第１の直線５と第１の垂線６との関係を抜き出したものである。

第１の垂線６上の点を（ｘ，ｙ）とする。第１の垂線６は、第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）及び第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）の２点からの距離が等しい。すなわち、図４に示される点線は、垂線６上のいずれの点（ｘ，ｙ）においても、その長さが等しくなる。

第１の位置（ｘ_１，ｙ_１）から第１の垂線６上の任意の点（ｘ，ｙ）までの距離ｄ_１は、差の2乗和の平方根により、数式（１）で求められる。

ｄ_１ = （（ｘ_１−ｘ）^２＋（ｙ_１−ｙ）^２）^１／２ … （１）
同様に、第２の位置（ｘ_２，ｙ_２）から第１の垂線６上の任意の点（ｘ，ｙ）までの距離ｄ_２は、数式（２）で求められる。

ｄ_２ = （（ｘ_２−ｘ）^２＋（ｙ_２−ｙ）^２）^１／２ … （２）
ここで、距離ｄ_１、ｄ_２は互いに等しい。このため、数式（３）の関係が成り立つ。

（（ｘ_１−ｘ）^２＋（ｙ_１−ｙ）^２）^１／２
＝（（ｘ_２−ｘ）^２＋（ｙ_２−ｙ）^２）^１／２ … （３）
数式（３）より、ｘ、ｙの関係式にすると、数式（４）を導き出すことができる。

２（ｙ_２−ｙ_１）ｙ
＝２（ｘ_１−ｘ_２）ｘ＋ｘ_２ ^２＋ｙ_２ ^２−ｘ_１ ^２−ｙ_１ ^２ … （４）
ここで、ｘ_１、ｙ_１、ｘ_２、ｙ_２は定数である。このため、ｘ、ｙに関する一次方程式すなわち直線の式になる。定数部分をａ_１、ｂ_１で表すと、数式（５）で表される。

ｙ＝ａ_１ｘ＋ｂ_１ … （５）
ここで、ａ_１＝（ｘ_１−ｘ_２）／（ｙ_２−ｙ_１）、
ｂ_１＝ （ｘ_２ ^２＋ｙ_２ ^２−ｘ_１ ^２−ｙ_１ ^２）／２（ｙ_２−ｙ_１）である。

同様に、第２の垂線８も、定数部分をａ_２、ｂ_２とすると、数式（６）のように表される。

ｙ＝ａ_２ｘ＋ｂ_２ … （６）
ここで、ａ_２＝（ｘ_２−ｘ_３）／（ｙ_３−ｙ_２）、
ｂ_２＝ （ｘ_３ ^２＋ｙ_３ ^２−ｘ_２ ^２−ｙ_２ ^２）／２（ｙ_３−ｙ_２）である。

このように、第１の垂線６と第２の垂線８の交点位置（ｘ_０，ｙ_０）は、数式（５）、（６）の２つの一次方程式から、数式（７）、（８）のとおり、一意に求めることができる。

ｘ_０＝（ｂ_２−ｂ_１）／（ａ_１−ａ_２） … （７）
ｙ_０＝ａ_２（ｂ_２−ｂ_１）／（ａ_１−ａ_２）＋ｂ_２ … （８）
同様に、垂線を３本以上用いても、２本の垂線の組合せによって１つの交点が求められる。

リサージュ波形４は、真円に対して誤差を持っている場合がある。また、ノイズによって理想的なリサージュ波形上からずれた値になる場合もある。このため、３本以上の垂線を用いて求められた交点は、必ずしも１点に収束するとは限らない。

そのような場合には、上記手順によって求められた複数の交点位置を算出し、複数の交点位置の平均値をリサージュ波形４の中心位置として設定する。交点の平均化処理を行うことにより中心位置を求めれば、中心位置の誤差による影響を低減させることができる。

図５は、リサージュ波形の中心位置と原点位置との関係を示す図である。リサージュ波形が理想的な波形の場合、リサージュ波形の中心位置は、原点（０，０）であるとする。また、上記手順により求められたリサージュ波形の中心位置の座標は（ｘ_０，ｙ_０）であるとする。このとき、出力信号１ａの振幅（信号強度）を横軸にとり、出力信号１ｂの振幅（信号強度）を縦軸にとった場合、図５のように表される。

実際に測定したリサージュ波形から、リサージュ波形の中心位置が図５のように求められた場合、出力信号１ａ、１ｂの振幅−時間特性は、図６のように示される。図６において、出力信号１ａのオフセットが９ａ、出力信号１ｂのオフセットが９ｂである。出力信号１ａ、１ｂから中心位置の座標に相当するｘ_０，ｙ_０をそれぞれ減ずることにより、リサージュ波形の中心位置の座標を原点（０，０）に補正することができる。

図７は、オフセット補正後の出力信号の波形である。補正後の出力信号１ａ’、１ｂ’には、オフセット成分が除去されている。上記手順による補正により、図７に示されるようなオフセットのない出力信号１ａ’、１ｂ’を得ることが可能である。

次に、本実施例における出力信号のオフセット補正について、フローチャートを参照しながら詳細に説明する。図１０は、オフセットの補正値を求める手順を示すフローチャートである。

まず、位置検出装置１００は、被測定物が微小移動したときに出力される２相の出力信号を検出し（Ｓ１０１）、この２相の出力信号を補正手段５０に取り込む（Ｓ１０２）。取り込まれた２相の出力信号は、位置（ｘ，ｙ）のように、リサージュ波形上のＸ座標及びＹ座標としてそれぞれ表される。

補正手段５０は、出力信号を取り込む実行回数が、あらかじめ設定された回数Ｎに達しているか否かを判断する（Ｓ１０３）。ここで、回数Ｎは３以上（Ｎ≧３）に設定されている。実行回数が回数Ｎに達していない場合には、回数Ｎに１を加えて、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２を繰り返す。これらのステップは、実行回数が回数Ｎに到達するまで実行される。実行回数が回数Ｎに達すると、リサージュ波形上におけるＮ点（Ｎ≧３）の位置（座標）（ｘ，ｙ）（（ｘ_１，ｙ_１）（ｘ_２，ｙ_２）…（ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ））が得られたことになる。

このように、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３においては、２相の出力信号から、リサージュ波形上の点を少なくとも３点取り込む。すなわち、少なくとも、第１の２相出力信号の振幅、第２の２相出力信号の振幅、及び、第３の２相出力信号の振幅を取り込むということになる。

リサージュ波形上の複数の位置（ｘ，ｙ）が得られると、次に、これらの位置のうち２点を選択し、これら２点の位置の中点を通るようにして、２点の位置を結ぶ直線の垂線を引く（Ｓ１０４）。例えば、隣り合うＮについての位置である、位置（ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ）と位置（ｘ_Ｎ−１，ｙ_Ｎ−１）の２点に基づいて、上記垂線を引く。ただし、複数の位置のうちの２点の選択方法については、上記方法に限定されるものではなく、他の方法を用いてもよい。

ステップＳ１０４では、少なくとも、第１の垂線及び第２の垂線の２つの垂線を求めるステップを実行する。第１の垂線は、第１の２相出力信号の振幅から得られる第１の位置及び第２の２相出力信号の振幅から得られる第２の位置の中点を通り、第１の位置と第２の位置とを結ぶ直線に垂直な線である。また、第２の垂線は、第２の２相出力信号の振幅から得られる第２の位置及び第３の２相出力信号の振幅から得られる第３の位置の中点を通り、第２の位置と第３の位置とを結ぶ直線に垂直な線である。

ステップＳ１０４において複数の垂線が引かれると、２つの垂線に基づいて、この２つの垂線の交点（ｘ_０，ｙ_０）を求める（Ｓ１０５）。すなわち、第１の垂線と第２の垂線との交点が求められることになる。

なお、２つの垂線の交点（ｘ_０，ｙ_０）は、少なくとも１つ求められていればよい。ただし、精度を高めるために、複数の交点を求めることもできる。この場合、ステップＳ１０２において取り込まれるリサージュ波形上の点を増加させ、ステップＳ１０４において、必要に応じた数の垂線を引いておく。そして、ステップＳ１０５において、複数の垂線の組についてｋ個（ｋ≧２）の交点（ｘ_０ｋ，ｙ_０ｋ）を算出する。

複数の交点（ｘ_０ｋ，ｙ_０ｋ）が求められると、これらの複数の交点の値が一致するか否かを判定する（Ｓ１０６）。ここで、複数の交点が一致するとは、デジタル信号上、交点の位置が完全に一致することをいう。ただし、交点の位置が完全には一致しないが実質的に一致する場合に、交点が一致すると判定するものであってもよい。実質的一致の範囲は、位置検出装置の検出精度などを考慮して適宜設定することができる。

ステップＳ１０６において、複数の交点（ｘ_０ｋ，ｙ_０ｋ）の値が一致すれば、この値がリサージュ波形の中心位置ということになる。出力信号のオフセットは、リサージュ波形の中心位置と原点（０，０）との差異である。したがって、この中心位置を原点に移動させる値がオフセットの補正値となり、これでオフセットの補正値を求める手順は終了する。また、交点を１つのみ求める構成の場合にも、この時点で、オフセットの補正値を求める手順は終了する。

複数の交点の値が一致しない場合、これら複数の交点を平均化し、交点の平均値を求める（Ｓ１０７）。複数の交点の平均値は、複数の交点の値の和から交点の個数で除すことにより容易に求めることができる。求めた交点の平均値を、リサージュ波形の中心位置であると設定する。出力信号のオフセットは、リサージュ波形の中心位置と原点（０，０）との差異である。したがって、この中心位置を原点に移動させる値がオフセットの補正値となり、これでオフセットの補正値を求める手順は終了する。

図１０に示される手順により補正が完了すると、位置検出装置１００は、オフセットの補正値を利用して被測定物の位置を検出するように動作する。このとき、位置検出装置１００は、２相の出力信号から交点位置と原点位置との差（オフセット補正値）を減算することにより２相の出力信号のオフセットを補正して、被測定物の位置を検出する。

被測定物の位置は、オフセット補正後の２相の出力信号の振幅比のアークタンジェントを計算することにより求められる。このとき、出力信号の振幅比とアークタンジェントの計算結果との関係を示す表をあらかじめ作成しておくことが望ましい。出力信号の振幅比が算出された場合、あらかじめ作成された表を参照することで、被測定物の位置を簡易な処理で検出することができる。

以上、本実施例によれば、高精度な位置検出装置及び位置検出方法を提供することができる。特に、本実施例によれば、出力信号のリサージュ波形の少なくとも３点からリサージュ波形の中心位置を求め、この中心位置と原点位置との差に基づくオフセットを補正することにより、オフセットの高精度な補正可能である。

オフセットの補正は、中心位置が理想的な位置である原点位置になるように、中心位置と原点位置との差を出力信号から減算することにより行われる。

特に、場所によるオフセット変動を問題にするような用途では、微少な位置決めが要求される。すなわち、ハードディスクのサーボトラックライトのように、リサージュ波形の１回転あたり数点の位置決めを行うような用途である。このような場合、１つのリサージュ波形上又は近傍のリサージュ波形上に位置決めされる。よって、リサージュ波形上の３点以上を用いて計算することによって、ある周期近傍におけるオフセットが求められる。

通常、オフセットが急激に変動することはない。このため、サーボトラックライトのようにステップ状の位置決めを繰り返す用途では、次に使う領域のオフセットは、現在位置のオフセットとほぼ等しいとみなすことができる。このようなステップ状の位置決めは、通常の使用状態において行われる。このため、オフセット補正のために特別な動作は必要とされない。動作する領域が徐々に変動した場合でも、自動的にオフセット補正量が調整される。

以上のとおり、実施例に基づいて本発明を具体的に説明した。ただし、本発明は、上記実施例において説明した事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本発明の適用対象は、エンコーダに限定されることなく、例えば、露光装置のステージ位置を計測するレーザ干渉計など他の装置にも適用することができる。

本実施例における位置検出装置の概略図である。 （ａ）出力信号の振幅−時間特性である。（ｂ）出力信号のリサージュ波形である。 リサージュ波形上の位置と中心位置との関係を示す図である。 第１の位置と第２の位置との中点を通る垂線の求め方を示す図である。 中心位置と原点位置との関係を示す図である。 出力信号のオフセットを示す図である。 オフセット補正後の出力信号を示す図である。 ハードディスクドライブにおけるサーボトラックライタの構造の一例を示した図である。 オフセットと分割信号の誤差の関係を示す図である。 本実施例におけるオフセットの補正値を求める手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ、１ｂ：出力信号
２ａ、２ｂ：アナログデジタル変換手段
３：デジタル演算手段
４：リサージュ波形
５：第１の直線
７：第２の直線
６：第１の垂線
８：第２の垂線
９ａ：出力信号１ａのオフセット
９ｂ：出力信号１ｂのオフセット
１０：メディア
１１：スイングアーム
１２：磁気ヘッド
１３：プッシュピン
１４：位置決め機構
１５：サーボトラック信号
５０：補正手段
５１：オフセット算出手段
５２ａ、５２ｂ：減算手段
１００：位置検出装置

Claims (4)

1. 被測定物の位置の変化に応じて出力される２相の出力信号に基づいて該被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、
   前記２相の出力信号をデジタル変換してデジタル信号を出力するアナログデジタル変換手段と、
   前記デジタル信号により生成されるリサージュ波形上の点を少なくとも３点用いて該リサージュ波形の中心位置を算出することにより、該デジタル信号のオフセットを補正する補正手段と、
   前記補正手段により補正された信号を用いて前記被測定物の位置を演算するデジタル演算手段と、を有することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記補正手段は、
   前記リサージュ波形上の第１の位置、第２の位置、及び、第３の位置にある３点を用いて前記リサージュ波形の中心位置を算出するオフセット算出手段と、
   前記アナログデジタル変換手段から出力された前記デジタル信号から、前記オフセット算出手段にて算出された前記中心位置と原点位置との差を減算する減算手段と、を有し、
   前記オフセット算出手段は、
   前記リサージュ波形上の前記第１の位置と前記第２の位置とを結ぶ第１の直線の中点を通り、かつ、該第１の直線に垂直な第１の垂線を求め、
   前記リサージュ波形上の前記第２の位置と前記第３の位置とを結ぶ第２の直線の中点を通り、かつ、該第２の直線に垂直な第２の垂線を求め、
   前記第１の垂線と前記第２の垂線との交点位置を前記中心位置として算出することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記オフセット算出手段は、複数の交点位置を算出し、該複数の交点位置の平均値を前記中心位置として設定することを特徴とする請求項２記載の位置検出装置。
4. 被測定物の位置の変化に応じて出力される２相の出力信号に基づいて該被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、
   前記２相の出力信号から、第１の２相出力信号の振幅、第２の２相出力信号の振幅、及び、第３の２相出力信号の振幅を取り込むステップと、
   前記２相の出力信号のリサージュ波形上において、前記第１の２相出力信号の振幅から得られる第１の位置及び前記第２の２相出力信号の振幅から得られる第２の位置の中点を通り、かつ、該第１の位置と該第２の位置とを結ぶ第１の直線に垂直な第１の垂線を求めるステップと、
   前記２相の出力信号のリサージュ波形上において、前記第２の２相出力信号の振幅から得られる前記第２の位置及び前記第３の２相出力信号の振幅から得られる第３の位置の中点を通り、かつ、該第２の位置と該第３の位置とを結ぶ第２の直線に垂直な第２の垂線を求めるステップと、
   前記第１の垂線と前記第２の垂線との交点位置を求めるステップと、
   前記２相の出力信号から前記交点位置と原点位置との差を減算することにより、該２相の出力信号のオフセットを補正するステップと、
   前記オフセットを補正した補正値を用いて前記被測定物の位置を検出するステップと、を有することを特徴とする位置検出方法。