JP2015179051A - 位置検出装置及びそれを有するレンズ装置及び光学操作装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 位置検出装置は、固定要素は、可動要素の異周期の複数パターン列を有するスケールを備え、可動要素の位置に応じスケールに基づく周期が異なる複数位相信号を検出するセンサーと、位相信号に基づく変位信号を生成し、変位信号を所定周期で切替えて出力する信号処理手段と、1以上の変位信号に基づき可動要素の移動速度を検出する速度検出手段と、複数の変位信号に基づき可動要素の位置を算出する絶対位置演算手段と、選択された変位信号に基づき所定の位置に対する変位量を算出する相対位置演算手段とを有し、可動要素が基準速度未満では絶対位置演算手段で位置を演算し、基準速度以上の場合は事前に取得した可動要素の絶対位置と相対位置演算手段による変位量に基づき可動要素の位置を演算する。
【選択図】 図10
Description
また、ズームデマンドやフォーカスデマンドなどの操作手段を操作する場合の操作手段の位置検出についても同様である。
図1は、本発明の位置検出装置の実施例1の構成ブロック図である。図1において、ABS算出部102は、ABSセンサー104から出力される信号を元に、固定要素に対する可動要素の(所定の基準位置に対する)変位量である絶対位置Pabsを算出する演算部(絶対位置演算手段)である。スケール切替え部103は、ABSセンサー104から順次出力される2種類のトラックパターンにより発生する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104は、固定要素に対しての可動要素の絶対位置を算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104の内部構成及び出力信号については後述する。AD変換部105は、ABSセンサー104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。ABS信頼性判断部106は、ABS算出部が算出した絶対位置の信頼性を判断する信頼性判断部である。ABS信頼性判断基準データ保持部107は、絶対位置の信頼性を判断するデータを記憶し保持する不揮発メモリであり、例えばEEPROMである。ABS決定部101は、ABS算出部102が算出した絶対位置Pabsを、ABS信頼性判断部の判断結果を元に決定する絶対位置決定部である。ABS決定部101及びABS算出部102及びABS信頼性判断部106は例えば一つのCPU内に構成される。本実施例の位置検出装置は、ABS算出部102、スケール切換え部103、ABSセンサー104、AD変換部105、ABS決定部101、ABS信頼性判定部106、ABS信頼性判断基準データ保持部107、で構成されている。
ABS決定部101は、ABS算出部102に対して、絶対位置Pabsの算出の要求を行う。ABS算出部102は、ABS決定部101からの絶対位置算出要求を受けると、スケール切替え部103に、2種類のトラックパターンの信号をABSセンサー104から順次出力するように指令を出す。スケール切替え部103は、ABSセンサー104に順次2種類のトラックパターンの信号出力指示を行う。ABSセンサー104は、スケール切替え部103の指示に従い、2種類のトラックパターンの信号を順次出力する。ABSセンサーから出力される2種類のトラックパターンの信号は、AD変換部105でデジタル信号に変換され、ABS算出部102に出力される。ABS算出部は、2種類のトラックパターンの信号を元に絶対位置Pabsを算出し、ABS決定部101に出力する。絶対位置算出方法については後述する。一方ABS算出部102は、絶対位置算出情報をABS信頼性判断部106に出力する。ABS信頼性判断部106は、絶対位置算出の情報及びABS信頼性判断基準データ保持部107が保持している信頼性判断基準データから、ABS算出部102が算出した絶対位置Pabsの信頼性判断を行い、その結果をABS決定部101に出力する。絶対位置算出情報及び絶対位置の信頼性判断については後述する。ABS決定部101は、ABS信頼性判断部106から出力された絶対位置Pabsの信頼性の判断結果を元に、ABS算出部102が算出した絶対位置Pabsを決定するか否かを判断し、決定する場合は、ABS算出部102が算出した絶対位置を決定する。決定しない場合は、ABS算出部102に対して、絶対位置Pabsの再算出の要求を行う。ABS算出部102は、ABS決定部101の要求に従い、絶対位置Pabsを再度算出する。以上を絶対位置決定まで実施する。
図2はABSセンサー104の断面図である。図2において、可動要素21は、紙面に垂直方向となるX軸方向に可動な可動部である。固定要素22は、可動要素21の絶対位置の基準となる要素である。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、トラックパターン203a,203bにより反射した光源201から出射し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(信号処理手段)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103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。なお、本実施例においては、可動要素21にスケール部202を備え、固定要素22に光源201及び受光部204a、204bを備える構成を例示したが、これに限定されることはなく、固定要素及び可動要素の内の一方にスケール部202を、他方に光源201及び受光部204a、204bを備える構成とすればよい。後述する実施例においても同様である。
絶対位置は、ABS算出部102で算出される。図5に絶対位置算出のフローを示す。
S502では、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBの補正を行う。
ここで、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rB、又は第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBは、お互いに信号オフセットや信号振幅が異なっている場合がある。このような信号をそのまま使用して絶対位置算出を行うと、算出した絶対位置Pabsの誤差要因となるため、信号の補正が必要となる。
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)
この結果、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBのオフセットが除去され、信号振幅が同一となった第一のA相変位信号S1cA及び第一のB相変位信号S1cBが得られる。
S504では、第二のA相変位信号S2rA及び第一のB相変位信号S2rBの補正を行う。
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)
この結果、第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBのオフセットt1,t2が除去され、信号振幅が同一となった第二のA相変位信号S2cA´及び第二のB相変位信号S2cB´が得られる。
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)
ここで式(9)、式(10)の振幅は異なっているため、振幅の補正を行い、信号振幅が同一となった第二のA相変位信号S2cA及び第一のB相変位信号S2cBを算出する。式(9)に式(10)の振幅の一部であるCOS{(α-90)/2}を乗じ、式(10)に式(9)の振幅の一部であるSIN{(α-90)/2}を乗ずると、以下の式(11)、式(12)が得られる。
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)
この結果、第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBのオフセットが除去され、信号振幅が同一となった第二のA相変位信号S2cA及び第二のB相変位信号S2cBが得られる。
S506では、第一の相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2の差分を計算し、差分が負の値の時にVmaxを加算する計算を行うことにより、図6の(c)に示すような、バーニア信号Pv1が得られる。ここで、第一の相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2との全長Lmaxに対して周期の差は1であるため、バーニア信号Pv1は全長Lmaxに対して1周期ののこぎり波となる。
S506でバーニア信号Pv1を算出し、S507に進む。
S507では絶対位置Pabsを算出する。
図7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[{Pv1-(Inc1/ N1max)}×(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。
E = {Pv1-(Inc1/N1max)}-Vb・・・(15)
Vabs = Vb + (Inc1/N1max)・・・(16)
Pabs = Vabs×(Lmax/Vmax)・・・(17)
以上により絶対位置Pabsを算出することができる。
図8は図7の(c)の波形を拡大した図である。ここで、Emaxは、式(14)で除去できる誤差成分Eの最大値である。式(14)より、誤差成分Eは四捨五入により除去されるため、Emaxは、Vmax/N1maxの半分となり、式(18)のように表わされる。
Emax = Vmax/(N1max×2)・・・(18)
E < Emax = Vmax/(N1max×2)・・・(19)
E = En + Em・・・(20)
En = En1×N2max/N1max+En2・・・(21)
En1及びEn2は、予め測定することにより算出され、固定値としてABS信頼性判断部基準データ部保持部107に保持される。従って、可変要因となる誤差成分Emは以下の式(22)で表わすことができる。
Em = (N2max×Vmax×ΔPv)/Lmax・・・(22)
なお、N2maxはスケールの全長Lmaxに対する第二トラックパターン203bの最大周期であり、本実施例では39である。
図9は可動要素21が移動している時の、Inc1及びVabsの信号レベルの関係を示している。図9の横軸は時間であり、縦軸は信号レベルである。T1及びT3はS1rA、S1rBの信号を取得した時間であり、T2はS2rA、S2rBの信号を取得した時間である。ここでT1とT2及びT2とT3の時間間隔は信号取得遅延時間Tsであり、同じ時間間隔である。信号取得遅延時間Tsは、S1rA、S1rBとS2rA、S2rBの信号を切替えた後に、それぞれの信号が十分安定する時間が設定される。V1vabs、V2vabs、V3vabsはそれぞれ、T1、T2、T3の時のVabsの信号レベルである。またV1inc1、V2inc1、V3inc1はそれぞれ、T1、T2、T3の時のInc1の信号レベルである。ΔV12inc1はT1からT2におけるInc1の信号レベルの変化量であり、ΔV12vabsはT1からT2におけるVabsの信号レベルの変化量である。
ΔV12inc1 = (V3inc1-V1inc1)/2 ・・・(25)
ここで、V1inc1及びV3inc1は、T1、T3それぞれのタイミングで取得したS1rA、S1rBから図5のS502及びS503の処理により算出することができる。
ΔV12vabs = ΔV12inc1/N1max・・・(26)
ΔPv = ΔV12vabs×(Lmax/Vmax)・・・(27)
S1101で開始し、S1102に進む。S1102では第一の基準速度1001と現在のレンズ速度を比較する。レンズが第一の基準速度1001未満で移動している場合はレンズが低速で移動していると判断しS1105に進む。S1105ではレンズの絶対置演算を行い、S1106へ進む。S1106では、S1105での演算結果の信頼性を判断するとともにレンズの現在位置(絶対位置)を算出しS1107へ進む。S1107では、演算された絶対位置と相対位置演算用カウンタ値との対応を保存する。その後、S1108へ進み処理を終了する。
上述したように絶対位置を求めるには粗スケールと密スケールが必要である。この粗スケールおよび密スケールを利用した相対位置演算について図12を用いて説明を行う。
103 スケール切り替え部
104 ABSセンサー
21 可動要素
22 固定要素
Claims (10)
- 固定要素に対する可動要素の位置を検出する位置検出装置であって、
前記固定要素は、前記可動要素の移動方向において互いに異なる周期で形成された複数のパターン列を有するスケールを備え、
前記固定要素に対する前記可動要素の位置に応じ前記スケールに基づく複数の位相信号を検出するセンサーと、
前記センサーで検出された複数の位相信号に基づく複数の変位信号を生成し、生成された複数の変位信号を所定の周期で切替えて順次出力する信号処理手段と、
前記変位信号の少なくとも1つに基づき前記可動要素の移動速度を検出する速度検出手段と、
前記複数の変位信号のうちの少なくとも2つの変位信号に基づき前記可動要素の位置を算出する絶対位置演算手段と、
前記複数の変位信号のうち、選択された変位信号に基づき、所定の位置に対する変位量を算出する相対位置演算手段と、
を有し、
前記可動要素の移動速度が第1の基準速度未満の場合は前記絶対位置演算手段により演算された位置を前記可動要素の位置とし、前記第1の基準速度以上の場合は前記絶対位置演算手段により事前に取得した前記可動要素の位置と、該位置を基準とする前記相対位置演算手段により演算された変位量に基づき前記可動要素の位置を演算する、
ことを特徴とする位置検出装置。 - 前記可動要素の移動速度が第1の基準速度未満の場合は、前記絶対位置演算手段により演算された位置を前記可動要素の位置とし、
前記可動要素の移動速度が前記第1の基準速度以上で該第1の基準速度より大きい第2の基準速度未満の場合は、前記絶対位置演算手段により事前に取得した前記可動要素の位置と、前記複数の変位信号のうちの第1の変位信号に基づいて前記相対位置演算手段により演算された該位置を基準とする変位量に基づいて前記可動要素の位置を演算し、
前記可動要素の移動速度が前記第2の基準速度以上の場合は、前記絶対位置演算手段により事前に取得された前記可動要素の位置と、前記複数の変位信号のうちの前記第1の変位信号より周期が長い第2の変位信号に基づいて前記相対位置演算手段により演算された該位置を基準とする変位量とに基づいて前記可動要素の位置を演算する、
ことを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。 - 前記第1の基準速度は、前記信号処理手段が前記複数の変位信号を切替えて順次出力する周期と、前記複数のパターン列の周期と、に基づいて定義される、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の位置検出装置。
- 前記第1の基準速度は、前記信号処理手段が前記複数の変位信号を切替えて順次出力する周期と、前記移動方向における前記スケールの長さと、前記複数のパターン列それぞれの周期の数と、に基づいて定義される、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の位置検出装置。
- 前記第2の基準速度は、前記信号処理手段が前記複数の変位信号を切替えて順次出力する前記周期のナイキスト周波数と、前記信号処理手段が前記第2の変位信号の生成のために使用する位相信号に対応する前記パターン列の周期とに基づいて定義される、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記絶対位置演算手段は、
前記可動要素の前記固定要素に対する移動速度が第3の基準速度未満の場合は、前記複数の変位信号のうちの第3の変位信号及び該第3の変位信号より周期が短い第4の変位信号に基づいて前記可動要素の位置を演算し、
前記可動要素の前記固定要素に対する移動速度が前記第3の基準速度以上の場合は、前記複数の変位信号のうちの前記第4の変位信号及び該第4の変位信号より周期が短い第5の変位信号に基づいて前記可動要素の位置を演算する、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の位置検出装置。 - 前記可動要素は可動光学要素であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 前記可動光学要素はズームレンズ、フォーカスレンズ、又は、アイリスであることを特徴とする請求項7に記載の位置検出装置を備えるレンズ装置。
- 前記可動要素は前記可動光学要素を駆動するための操作手段である、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の位置検出装置を備える光学操作装置。
- 前記操作手段はズーム操作手段、フォーカス操作手段、フランジバック調整操作手段であることを特徴とする請求項9に記載の光学操作装置。
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