JP4508103B2

JP4508103B2 - 位置検出方法

Info

Publication number: JP4508103B2
Application number: JP2005371549A
Authority: JP
Inventors: 禎史金田
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP2007171081A

Description

本発明は、光学系レンズの合焦等に適用する磁気抵抗素子（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として、出力の位相が９０度ずれた正弦波信号となるように配置された２つのＭＲ素子を備えたものが知られている。この位置検出器では、２つのＭＲ素子からそれぞれ出力される正弦波信号がアナログ−デジタル変換され、得られた一対のデジタル・データからアークタンジェント演算、または、その位置で直線性が良い方のデータを用いた線形演算によってレンズの位置が算出される。

ここで、２つのＭＲ素子の出力をそれぞれサンプリングする場合に、サンプリングのタイミングのズレがレンズの位置の誤差となるため、サンプリングのタイミングは同時刻であることが求められる。そのため、この処理には２チャンネルのアナログ−デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ変換器」という）を使用するか、または特許文献１に示されるように、１チャンネルのＡ／Ｄ変換器に一対のサンプルホールド回路とマルチプレクサを組み合わせた構成が必要になる。
特許第３１７３５３１号

近年は、制御回路にマイコン（マイクロコンピュータ）を用いる場合が多くなってきている。多くのマイコンは多チャンネルのアナログ入力を切替によって１つのＡ／Ｄ変換器に入力し、デジタル・デ−タ変換を行っている。この場合も制御対象によっては切替えによるサンプリングのタイミングのズレが問題となる。また、サンプリングのタイミングのズレによる検出位置の誤差を先行するデータとの演算によって補正する場合も、演算時間が問題となる場合がある。一方、並列に動作するＡ／Ｄ変換器を複数ユニット装備する（あるいは外付けで配置する）マイコンの場合には機器の特性のバラツキによる誤差の発生、コスト、消費電力などが問題となっている。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、１つのＡ／Ｄ変換器を使用して、正確な位置検出を行うことができる位置検出方法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、複数の磁気抵抗素子が、サイン波信号とコサイン波信号とを出力するように配置された、撮像装置の光学系の位置検出系に適用され、前記磁気抵抗素子から出力されるサイン波信号及びコサイン波信号に基づいて、対象物の位置を求める位置検出方法において、前記サイン波信号及びコサイン波信号を所定サンプリング周期で交互にサンプリングし、前記サイン波信号及びコサイン波信号のうちの一方の信号の２サンプリング周期前のサンプリングデータ及び他方の信号の１サンプリング周期前のサンプリングデータから、前記一方の信号の１サンプリング周期前のデータに対応する推定値を算出し、該算出された推定値及び前記他方の信号の１サンプリング周期前のサンプリングデータから、前記サイン波信号及びコサイン波信号の振幅を算出し、該算出した振幅及び前記一方の信号の今回のサンプリングデータを、対応する逆三角関数に適用することにより、前記対象物の位置を求めることを特徴とする位置検出方法を提供する。

請求項１に記載の発明によれば、サイン波信号とコサイン波信号を出力するように配置された複数の磁気抵抗素子からの出力が所定サンプリング周期で交互にサンプリングされ、一方の信号の２サンプリング周期前のサンプリングデータと他方の１サンプリング周期前のサンプリングデータから一方の信号の１サンプリング周期前のデータに対応する推定値が算出される。この推定値と他方の信号の１サンプリング周期前のサンプリングデータからサイン波とコサイン波の振幅が算出され、この振幅と一方の信号の今回のサンプリングデータが対応する逆三角関数に適用され対象物の位置が求められる。これにより、１つのＡ／Ｄ変換器を使用して対象物の正確な位置を検出することができる。

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、ビデオカメラの駆動装置の構成を示すブロック図である。この装置は、レンズ１０を含む光学系１を備えており、光学系１は、レンズ１０を駆動するリニアモータ３と、レンズ１０の位置を検出するための２つのＭＲ素子を有する位置検出ユニット２とを備えている。位置検出ユニット２からは、２つのＭＲ素子の出力信号ＳＡ及びＳＢが出力され、それぞれ増幅器４、５により増幅されて、制御ユニット６及びコンパレータ１５、１６に供給される。コンパレータ１５、１６は、それぞれ増幅器４、５から出力される信号の符号（正負）の判定を行い、判定結果を示す信号をＣＰＵ１４に供給する。

制御ユニット６は、マルチプレクサ１１と、サンプルホールド回路１２と、Ａ／Ｄ変換器１３と、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１４とを備えている。信号ＳＡ、ＳＢは、マルチプレクサ１１により交互に選択されて、サンプルホールド回路１２に入力される。Ａ／Ｄ変換器１３は、サンプルホールド回路１２の出力信号レベルをデジタル値（以下「ＭＲ素子出力値」という）ＭＲＡ及びＭＲＢに変換し、ＣＰＵ１４に入力する。ＣＰＵ１４は、ＭＲ素子出力値ＭＲＡ、ＭＲＢを用いて、光学系１のレンズ位置を検出しつつ、駆動回路７を介してリニアモータ３を駆動し、レンズ１０の位置制御を行う。ＣＰＵ１４はさらにマルチプレクサ１１、サンプルホールド回路１２、及びＡ／Ｄ変換器１３の制御を行う。またＣＰＵ１４は２チャンネルのＤ／Ａ変換器１７を介して増幅器４、５それぞれの直流オフセット電圧の調整を行う。

図２は、レンズ１０を一定速度ｖで駆動したときに、２つのＭＲ素子から出力される信号ＳＡ、ＳＢの例を示す波形図である。ＭＲ素子は信号ＳＡ、ＳＢが、位相が９０度ずれた正弦波信号、すなわちサイン波信号とコサイン波信号になるように配置されている。信号ＳＡ、ＳＢは、直流オフセット電圧に正弦波信号が重畳された信号である。

ここで、信号レベル、すなわちＭＲ素子出力値ＭＲＡ、ＭＲＢが、それぞれ下記式（１）、（２）で表されるものとする。

式（１）、（２）、（３）において、Ａは振幅値、λは図２の波形１周期に対応する距離（波長）、Ｘはレンズ１０の位置座標、ｘは周期内のレンズの相対位置座標、Ｐ及びＱはオフセット値、ｍは「０」以上の整数である。

ビデオカメラが起動またはリセットされると、ＭＲ素子の直流オフセット電圧の測定が行われ、次いでリニアモータ３の駆動コイルが端部まで移動して静止し、２つのＭＲ素子のそれぞれの出力値ＭＲＡ０及びＭＲＢ０が実測される。実測された出力値ＭＲＡ０及びＭＲＢ０はＡ／Ｄ変換器１３によってデジタル値に変換され、ＣＰＵ１４に入力される。

以下の説明では下記式（１ａ）及び（２ａ）で示される直流オフセット電圧Ｐ、Ｑを補正した出力ＭＲＡ’及びＭＲＢ’に基づいて位置検出する手法を説明する。直流オフセット電圧Ｐ、ＱはＣＰＵ１４によりＡ／Ｄ変換器１３の中点電圧レベルに調整される。

図３は、式（１ａ）及び（２ａ）により算出される出力ＭＲＡ’及びＭＲＢ’の波形を示す。実測した端部における出力値ＭＲＡ０及びＭＲＢ０は、図３ではＭＲＡ’０及びＭＲＢ’０として示されている。実際の端部の座標はＸ＝０と必ずしも一致しないためＭＲＡ’０からΔＸを算出し、位置座標の補正を行う。

従来は、同時に実測されたＭＲＡ’及びＭＲＢ’を使い、周期内のレンズの相対位置座標ｘを下記式（４）によって算出していた。

しかし、上述したような課題があるため、本実施形態ではＭＲＡ’及びＭＲＢ’を同時ではなく交互に実測し、下記式（５）、（６）に示すようにＭＲＡ’についてはアークサイン演算、ＭＲＢ’についてはアークコサイン演算を適用し周期内のレンズの相対位置座標ｘを算出する。

ここで振幅値Ａはリニアモータ３の位置によって変動するため、振幅値Ａはあらかじめ実測した値を使わず、サンプリングしたＭＲＡ’、ＭＲＢ’を基にして算出した値を使う。今、ＭＲ素子出力値ＭＲＡ［ｎ］（ｎはサンプリング時刻を示す離散化時刻）をＡ／Ｄ変換してオフセット補正したＭＲＡ’［ｎ］と、１サンプル前に算出された振幅値Ａ［ｎ−１］を用いて、ｘ［ｎ］を表すと下記式（７）となる。

振幅値Ａ［ｎ−１］を算出するに当たり、サンプリングされていないＭＲＡ’［ｎ−１］を下記式（８）により推定する。ただし、レンズが等速で移動し、サンプリング位相間隔θは一定と仮定している。

式（８）のＭＲＡ’［ｎ−２］はサンプリングされているので、以下サンプリングされていないＭＲＢ’［ｎ−２］の算出手法を説明する。サンプリングされているＭＲＢ’［ｎ−１］は下記式（９）で与えられるので、これからＭＲＢ’［ｎ−２］は下記式（１０）で与えられる。

式（１０）の関係を式（８）に適用すると、下記式（１１）が得られる。

式（１１）の右辺のＭＲＡ’［ｎ−２］、ＭＲＢ’［ｎ−１］はサンプリングされた実測値であり、また等位相間隔θの値は等速変位の速度とサンプリング時刻の間隔から得られるので、推定値ＭＲＡ’［ｎ−１］を算出することができる。

ここで、求められた推定値ＭＲＡ’［ｎ−１］及び実測値ＭＲＢ’［ｎ−１］と、振幅値Ａ［ｎ−１］とは、下記式（１２）の関係を有するので、下記式（１３）により振幅値Ａ［ｎ−１］が得られる。

式（１３）により求められた振幅値Ａ［ｎ−１］と実測値であるＭＲＡ’［ｎ］を式（７）に適用し、周期内の相対位置座標ｘ［ｎ］が求められる。

ＭＲＢ’についても振幅値Ａ［ｎ−１］を求めたときと同じ方法で２つの実測値から必要とする振幅値を求めることができ、周期内の相対位置座標を求めることができる。

次に、１周期内に２つ存在する逆三角関数の解のうちどちらを選択するかについてはＭＲＡ’とＭＲＢ’の符号の組合せによって判定する。ＭＲＡ’とＭＲＢ’の符号はコンパレータ１５、１６の出力をＣＰＵ１４で読みとり、判定する。今、逆三角関数の演算結果をφとし、求めるべき周期内の相対位置座標をｘとすると、ＭＲＡ’≧０且つＭＲＢ’≧０のときアークサイン演算結果及びアークコサイン演算結果は共にｘ＝λφ／２πとする。ＭＲＡ’≧０且つＭＲＢ’＜０のときアークサイン演算結果はｘ＝λ（π−φ）／２πとし、アークコサイン演算結果はｘ＝λφ／２πとする。ＭＲＡ’＜０且つＭＲＢ’＜０のときアークサイン演算結果はｘ＝λφ／２πとし、アークコサイン演算結果はｘ＝λ（２π−φ）／２πとする。ＭＲＡ’＜０且つＭＲＢ’≧０のときアークサイン演算結果はｘ＝λ（３π−φ）／２πとし、アークコサイン演算結果はｘ＝λ（２π−φ）／２πとする。

以上のように、本実施形態では、２つのＭＲ素子から出力される正弦波信号が交互に所定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換（サンプリング）され、逆三角関数によって位置座標が算出されるので、サンプリングのタイミングのズレを考慮する必要が無く、１つのＡ／Ｄ変換器を使用して正確な位置検出を行うことができる。

次に、算出される位置座標の精度を高めるための他の検出手法を説明する。正弦波を例にとると、９０度付近と２７０度付近では変化率が小さく逆三角関数演算の精度が低下する。そこで本手法では位相角０度〜４５度、１３５度〜２２５度、３１５度〜３６０度に対応する区間ではＭＲＡ’をサンプリングし、位相角４５度〜１３５度、２２５度〜３１５度に対応する区間ではＭＲＢ’をサンプリングする。具体的には｜ＭＲＡ’｜≦｜ＭＲＢ’｜となる区間でＭＲＡ’をサンプリングし、｜ＭＲＡ’｜＞｜ＭＲＢ’｜となる区間でＭＲＢ’をサンプリングする。

この手法を採用すると、前記式（８）のＭＲＢ’［ｎ−２］が実測値でＭＲＡ’［ｎ−２］を求めることが必要となる場合がある。この場合には前記式（９）を変形すると下記式（１４）が得られるので、２つの実測値ＭＲＢ’［ｎ−２］及びＭＲＢ’［ｎ−１］からＭＲＡ’［ｎ−２］を算出することができる。

この手法により、逆三角関数演算の精度が低下する位相角に対応する区間のサンプリングデータを使用しなくても位置座標を算出することができ、算出する位置座標の精度を高めることができる。

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。直流オフセット成分を補正した後のＭＲ素子出力信号の波形図である。

符号の説明

１光学系
２ＭＲ素子ユニット
３リニアモータ
６制御ユニット
１０レンズ
１４ＣＰＵ

Claims

複数の磁気抵抗素子が、サイン波信号とコサイン波信号とを出力するように配置された、撮像装置の光学系の位置検出系に適用され、前記磁気抵抗素子から出力されるサイン波信号及びコサイン波信号に基づいて、対象物の位置を求める位置検出方法において、
前記サイン波信号及びコサイン波信号を所定サンプリング周期で交互にサンプリングし、
前記サイン波信号及びコサイン波信号のうちの一方の信号の２サンプリング周期前のサンプリングデータ及び他方の信号の１サンプリング周期前のサンプリングデータから、前記一方の信号の１サンプリング周期前のデータに対応する推定値を算出し、
該算出された推定値及び前記他方の信号の１サンプリング周期前のサンプリングデータから、前記サイン波信号及びコサイン波信号の振幅を算出し、
該算出した振幅及び前記一方の信号の今回のサンプリングデータを、対応する逆三角関数に適用することにより、前記対象物の位置を求めることを特徴とする位置検出方法。