位置検出装置
【課題】被測定物の位置制御のため信号処理回路を改良する。
【解決手段】本位置検出装置１は、被測定物１０が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサ２と、被測定物１０の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサ３と、絶対位置検出センサ２の出力信号である絶対位置検出信号と、相対位置検出センサ３の出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部４と、を有する。位置検出装置１は、複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、被測定物１０の所定位置からの相対距離を検出する。
【解決手段】本位置検出装置１は、被測定物１０が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサ２と、被測定物１０の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサ３と、絶対位置検出センサ２の出力信号である絶対位置検出信号と、相対位置検出センサ３の出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部４と、を有する。位置検出装置１は、複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、被測定物１０の所定位置からの相対距離を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の位置を検出する位置検出センサから出力される位置検出信号を信号処理し、該信号処理後の位置検出信号に基づいて被測定物の位置を測定する位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサやスイッチの検出信号を信号処理する信号処理回路としては、様々なものが提案されている（特許文献１〜８参照）。
【０００３】
このうち特許文献１に記載されている技術は、複数のアナログスイッチを制御し、このアナログスイッチの制御に応じた分圧値（検出信号の一種）を、後段のＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換器を介してマイクロコンピュータに入力し、分圧値を設定値と比較して、その比較結果から上記複数のアナログスイッチのオンとオフの状態を判定するものである。
特許文献２に記載されている技術は、複数のスイッチを制御し、このスイッチの制御による電圧値（検出信号の一種）をマイクロコンピュータ内のＡ／Ｄ変換器に入力するものであり、とくに複数のスイッチの多重操作を精度よく検出するための１つの電圧値を生成する手法に関する。
特許文献３に記載されている技術は、マイクロコンピュータの端子の兼用化に関し、Ａ／Ｄ変換すべき信号（検出信号として使用可能な信号）と、割込信号とを共通の端子から取り込めるようにスイッチで切り換えるものである。
Ａ／Ｄ特許文献４に記載されている技術は、デジタルオシロスコープの信号処理回路に関し、その入力端子に印加された信号（検出信号の一種）を、Ａ／Ｄ変換回路に入力する前に、その交流成分と直流成分に分けて増幅することにより、信号経路の直流特性と広帯域特性とを両立させるものである。
【０００４】
これら特許文献１〜４に記載されている技術は、基本的には１つの検出信号（又は、１つの検出信号に基づく信号）を信号処理するものであり、それによって信号伝送ライン数を削減する他、後段の処理回路の入力端子数を減らし、あるいは、信号処理の精度や特性を向上させるものである。
【０００５】
一方、特許文献５および７に記載されている技術においては２つの検出信号に対し信号処理を行う。
特許文献５に記載されている技術は、２つの検出信号の和信号と差信号の比に比例した信号を得るに際し、後段のＡ／Ｄ変換器の分解能が低くて済むように、２つの検出信号の一方と和信号によって所望の結果が得られるようにしたものである。
特許文献６に記載されている技術は、デジタイザなどの座標入力装置に関し、２つの検出信号、すなわちＸ座標信号とＹ座標信号を切替接続回路により切り替えて差動増幅し、Ｘ座標信号とＹ座標信号を順次Ａ／Ｄ変換するものである。
【０００６】
ところで、２つの検出信号を用いて被測定物の位置制御を行うものとして、カメラ等におけるレンズの位置制御が知られている。
レンズの位置制御部においては、通常、アクチュエータの動作、たとえばＤＣモータ等の回転に応じて相対位置を検出し相対位置検出信号を出力する相対位置センサ、および、レンズの機械的な絶対位置を検出し絶対位置検出信号を出力する絶対位置検出センサを備える。そして、絶対位置検出センサの出力変化を基準に、相対位置検出センサの出力変動をカウントしてレンズを目的の位置まで移動させ、停止させることによりレンズ位置を制御する。
【０００７】
レンズの位置制御などの用途では、とくに小型化および低コストが要求される。
上記のようにＤＣモータ等のアクチュエータの動きに連動した相対位置検出センサとして、一般的に、回転式エンコーダ、あるいは、モアレ干渉縞を利用した光学スケールなどを使用すると、その構造が簡素で安価である。とくに回転式エンコーダは、その回転検出デバイスとして、フォトインタラプタ等のアナログデバイスを使用すると、その構造が簡単で安価である。
また、絶対位置検出センサとしては、機械式スイッチ、非接触の光学センサ、たとえばフォトインタラプタ又はフォトリフレクタを用いると、その構造が簡単で安価である。
【０００８】
これらレンズ位置制御部を簡単で安価とするために採用される相対位置検出センサおよび絶対位置検出センサは、通常、その出力がアナログ信号である。したがって、これらのセンサ出力に基づいて中央演算ユニット（ＣＰＵ）等でレンズ位置を測定し制御するためには、そのセンサ出力を増幅し、アナログ信号を量子化するためのＡ／Ｄ変換器（又は、その機能）が必要となる。この用途では高い量子化精度は不要であることから、通常、ＣＰＵ内のＡ／Ｄ変換機能を利用して相対位置検出信号と絶対位置検出信号をそれぞれＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の信号を基に、アクチュエータとなるモータ等のフィードバック制御を行う。
【特許文献１】特開平０８−２０１８８９号公報
【特許文献２】特開平０９−２７０６８５号公報
【特許文献３】特開平０６−０３６０５６号公報
【特許文献４】特開平０６−１９７０１９号公報
【特許文献５】特開平０３−２６３６１９号公報
【特許文献６】特開平０２−２６００２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように２つの位置検出センサをＣＰＵにてＡ／Ｄ変換する場合、２つの信号伝送ラインを要する他、ＣＰＵ内でＡ／Ｄ変換ポートを２つ確保する必要がある。また、２つのセンサ出力を同時にＡ／Ｄ変換する必要があるためＣＰＵの負荷が重く、駆動源（アクチュエータ）の制御に対して位置検出に遅れが発生する。
【００１０】
また、ＣＰＵのＡ／Ｄ変換ポートを利用して上記の信号を処理する、たとえばカメラの場合、安価のＣＰＵにおいてＡ／Ｄ変換チャンネルは、４チャンネル程度しかないものがある。カメラの場合、システム上ＣＰＵで必要とされるＡ／Ｄ変換ポートは、レンズ位置制御用のほかに、環境温度検出用、バッテリ温度検出用、バッテリ電圧検出用などがある。これらを想定するとＡ／Ｄ変換ポート数が４つではとても十分とは言えず、できる限りレンズ制御等で使用するＡ／Ｄポート数を減らす必要がある。また、Ａ／Ｄ変換ポート数を増やすと、それだけカメラのシステムコストが増大し好ましくない。
【００１１】
なお、このようなレンズ等の位置検出制御の用途に対しては、以下の理由により、前述した２つの検出信号に対する信号処理技術（特許文献５および６）を適用することができない。
特許文献５は２つの検出信号の差信号と和信号の比に比例した信号を得ることから、たとえば光ディスクのサーボ制御に特化したものである。また、特許文献６は、座標入力装置に関するものであり、とくに２つの検出信号（Ｘ座標信号とＹ座標信号）が片方ずつ差動増幅されて順次Ａ／Ｄ変換される。これと同じような方法をレンズ等の位置制御に適用すると、その制御レスポンスを悪くすることから、この方法はカメラなどの用途に使えない。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、被測定物の位置制御のため信号処理回路の改良にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る位置検出装置は、被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、前記複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する。
本発明に係る他の位置検出装置は、被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、前記複合位置検出信号のピークレベル、ボトムレベル又は前記ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する。
【００１４】
好ましくは、前記信号処理部は、前記相対位置検出信号と前記絶対位置検出信号とを差動増幅処理することにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する。
あるいは、好ましくは、前記信号処理部は、前記相対位置検出信号を搬送波として、前記絶対位置検出信号により該搬送波の振幅変調を行うことにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する。
好ましくは、前記複合位置検出信号のダイナミックレンジをＸ（Ｖ）、前記絶対位置検出信号の振幅範囲をＡ（Ｖ）、前記相対位置検出信号の振幅範囲をＢ（Ｖ）、前記相対位置検出信号のノイズレベルをＷｎ（Ｖ）とした場合に、下記（１）及び（２）を満たす。
（１）Ｘ＞Ａ＋Ｂ
（２）Ａ＞Ｂ＋Ｗｎ
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る信号処理装置において、被測定物の位置制御のため信号処理回路を改良することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１に、本発明の実施の形態における位置検出のための位置検出装置の一構成例を示す。
図１に示すように、位置検出装置１は、被測定物１０の位置を測定するために２つの位置検出センサ、すなわち被測定物の絶対位置を検出し絶対位置検出信号Ｓａを出力する絶対位置検出センサ２と、非測定物の相対位置を検出し相対位置検出信号Ｓｒを出力する相対位置検出センサ３とを有する。ここで「絶対位置」とは相対位置の基準あるいは起点を示す位置をいい、絶対位置からの相対位置の変化量で被測定物の位置が確定する。
【００１８】
位置検出装置１は、絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒとから一の信号（以下、複合位置検出信号という）Ｓｄを出力する信号処理回路４と、位置検出信号から被測定物の位置を測定する位置検出部としての中央演算ユニット（ＣＰＵ）５とを有する。ＣＰＵ５はＡ／Ｄ変換の機能（便宜上、図１においてＡ／Ｄ変換部５Ａにより表示）を有し、Ａ／Ｄ変換部５Ａに上記複合位置検出信号Ｓｄが入力され、ここで複合位置検出信号Ｓｄがデジタル信号に変換され、不図示のＣＰＵ内機能により位置検出のためのデジタル信号処理が実行される。
【００１９】
図２（Ａ）に絶対位置検出信号Ｓａの波形を、図２（Ｂ）に相対位置検出信号Ｓｒの波形を示す。これらの図においては横軸が時間ｔ、縦軸が各検出信号のレベルＬを表している。
絶対位置検出信号Ｓａは、図１に示す被測定物１０がある向きに移動することに伴って、図２（Ａ）に示すように、たとえばＬ(Low)レベルからＨ(High)レベルに推移する信号である。なお、これとは逆に、絶対位置検出信号ＳａをＨレベルからＬレベルに推移する信号としてもよい。このような絶対位置検出信号Ｓａを出力する図１に示す絶対位置検出センサ２としては、機械式センサ、たとえば、センサの切片が被測定物１０に接触する状態から非接触の状態、あるいは、逆に非接触の状態から接触する状態で出力レベルが変化するスイッチを用いてもよい。ただし、機械式センサは負荷を発生させ、その駆動系への影響があり、負荷の大きさが経時変化し、さらに機械的トレランスにより検出位置が変動することから、絶対位置検出センサ２としては光学センサが望ましい。光学センサとして、フォトインタラプタあるいはフォトリフレクタを用いることができる。
【００２０】
これに対し、相対位置検出信号Ｓｒは、図２（Ｂ）に示すように、ノイズの大小により多少振幅変動するが、基本的には一定の振幅を有する周期的な信号が望ましい。このような相対位置検出信号Ｓｒ（アナログ波形）を出力する図１に示す相対位置検出センサ３は、たとえばモアレ干渉縞を利用した光学スケールあるいは磁気スケールでもよいが、構造が簡素で安価な回転式のアナログエンコーダが望ましい。なお、アナログエンコーダや上記フォトインタラプタについては後述する。
【００２１】
つぎに、より具体的な構成および動作を説明する。
【００２２】
図３に、振幅変調により絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒとを重畳する信号処理回路４を示す。
図３に示す信号処理回路４は、具体的な回路構成は省略するが、ＡＭラジオで使用される振幅変調による方法により２つのアナログ信号の振幅変調し、増幅する機能（図３においては「Mod.＆Amp.」と表記）を備える。振幅変調され増幅後の信号は、複合位置検出信号ＳｄとしてＣＰＵ５のＤＡ変換ポートＡＤ１に入力される。
【００２３】
図４（Ｃ）に、図３に示す構成で振幅変調と増幅により生成された複合位置検出信号Ｓｄの波形を示す。また、図４（Ａ）に絶対位置検出信号Ｓａの波形を、図４（Ｂ）に相対位置検出信号Ｓｒの波形を示す。これらの図の縦軸および横軸は、前述した図２と同じであり、信号レベルＬおよび時間ｔは３つの図で同じスケールである。
【００２４】
図４（Ｃ）を図４（Ａ）および図４（Ｂ）と比較すれば明らかなように、複合位置検出信号Ｓｄは、相対位置検出センサの出力波形（相対位置検出信号Ｓｒ：図４（Ｂ））を搬送波とし、絶対位置検出センサの出力（絶対位置検出信号Ｓａ：図４（Ａ））を信号波形（信号のpeak-to-peak値）として振幅変調を行ったものである。この複合位置検出信号Ｓｄにおいて、絶対位置検出センサの出力は振幅として現れ、相対位置検出センサの出力の繰り返し周期は、複合位置検出信号Ｓｄにおいてもそのまま維持されている。その結果、１つのアナログ量で２つのアナログ信号の情報を表すことができる。
【００２５】
図５に、差動増幅により相対位置検出信号の直流レベルを変化させて複合位置検出信号Ｓｄを生成する信号処理回路４の他の構成例を示す。
図５に示す信号処理回路４は、一方の差動入力（たとえば「＋」入力）に絶対位置検出信号Ｓａを入力し、他方の差動入力（たとえば「−」入力）に相対位置検出信号Ｓｒを入力し、これらの差を所定のゲインで増幅する差動増幅器(D.Amp)４Ａと、相対位置検出信号Ｓｒを所定のゲインで増幅し、差動増幅器４Ａに出力する増幅器(Amp.)４Ｂとを有する。差動増幅器４Ａの出力から複合位置検出信号Ｓｄが出力され、ＣＰＵ５のＤＡ変換ポートＡＤ１に入力される。
【００２６】
図６（Ｃ）に、図５に示す構成で差動増幅により生成された複合位置検出信号Ｓｄの波形を示す。また、図６（Ａ）に絶対位置検出信号Ｓａの波形を、図６（Ｂ）に相対位置検出信号Ｓｒの波形を示す。これらの図の縦軸および横軸は、前述した図２と同じであり、信号レベルＬおよび時間ｔは３つの図で同じスケールとする。ただし、作図の都合上、図５に示す差動増幅器４Ａのゲイン、増幅器４Ｂのゲインはそれぞれ「１」として図６（Ｃ）の複合位置検出信号Ｓｄを表している。
【００２７】
図６（Ｃ）に示すように、振幅変調に代えて、相対位置検出センサの出力に対し絶対位置検出センサの出力分を直流シフトさせても、図４（Ｃ）の場合と同様に１つのアナログ量で２つのアナログ信号の情報を表すことができる。
【００２８】
ここで図５に示す差動増幅器４Ａのゲイン、増幅器４Ｂのゲインは、以下ように決めることができる。このゲインの決め方は、図３に示す信号処理回路４内で振幅変調前の信号を増幅する場合にも適用できる。
相対位置検出信号Ｓｒは、たとえば回転式のアナログエンコーダの場合、回転体のスリットを通過し、スリット間の回転体部分により遮断される光を受光部で検出することにより得られる。回転体のスリットは周回方向に所定の周期で正確に形成されているが、軸ぶれや回転体の変形により多少なりとも位置検出信号Ｓｒの振幅が変動する。このような微小変動と信号経路の重畳ノイズとにより、相対位置検出信号Ｓｒのノイズレベルは、図４（Ｃ）（又は図６（Ｃ））の絶対位置検出前の波形Ｓｄ１に示すように、ある幅Ｗｎで変動する。
このノイズレベルの最大変化点から更に外側、すなわち、レベルとしてより小さい側（又はより大きい側）に一定のマージンＷｄ以上離れた位置に絶対位置の検出レベルを設ける必要がある。また、この検出レベルは、図４（Ａ）（又は図６（Ａ））にＬｄで示すように、絶対位置検出信号のＨレベルから十分なマージンだけ離れたレベル変化途中に設定する必要がある。
この検出レベルの波形Ｓｄ１およびＳｄ２に対する各マージンが、必要な値Ｗｄより小さいと、図４（Ｃ）（又は図６（Ｃ））に示す絶対位置検出前の波形Ｓｄ１のノイズレベル、あるいは、絶対位置検出後の波形Ｓｄ２のノイズレベルに検出レベルが重なり、ノイズにより誤って絶対位置が検出されるおそれがある。このような誤動作を防止するために適切に検出レベルを設定する必要があるが、この設定可能な範囲は、絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒとの相対的なゲイン調整で拡大することができる。
図３に示す構成においては、ノイズレベルを相対的に抑圧する目的で差動増幅器４Ａのゲインを１より大きな値に設定することが望ましい。これに対し、増幅器４Ｂのゲインは、上記誤動作防止のための範囲拡大の観点から、１以上又は１未満の適切な値に設定することが望ましい。なお、同じ効果を得るために、図３とは逆に、絶対位置検出信号Ｓａを増幅してもよいし、絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒの双方を異なるゲインで増幅してもよい。
【００２９】
本実施の形態では、複合位置検出信号Ｓｄが所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号Ｓｄのパルス数を計測する方法と、複合位置検出信号Ｓｄのピークレベル、ボトムレベル又は当該ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出した位置を基点に該複合位置検出信号Ｓｄのパルス数を計測する方法とがある。
【００３０】
何れの方法においても、複合位置検出信号ＳｄのダイナミックレンジをＸ（Ｖ）、絶対位置検出信号Ｓａの振幅範囲をＡ（Ｖ）、相対位置検出信号Ｓｒの振幅範囲をＢ（Ｖ）、相対位置検出信号ＳｒのノイズレベルをＷｎ（Ｖ）とした場合に、下記（１）及び（２）を満たすことが望ましい。
（１）Ｘ＞Ａ＋Ｂ
（２）Ａ＞Ｂ＋Ｗｎ
【００３１】
これは、確実な絶対位置の検出を行うための条件例を規定するものである。これにより、図１２（Ｃ）に示すように、ノイズレベルを考慮しながら波形Ｓｄ１とＤｓ２が重ならないレベルでの絶対位置検出が可能である。または、ボトムレベルでシフトしても確実に絶対位置に到達したことを検出することができる。
【００３２】
このようにして生成された検出信号Ｓｄは、図３又は図５に示すＣＰＵ５内でＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ内の比較などを実行する演算機能、レジスタなどのデータ保持機能を活用して、そのレベル変化極点（以下、正極ピークおよび負極ピークを含め単に「ピーク」という）の検出が実行される。
【００３３】
図７に、ピーク検出方法を模式的に示す。なお、実際のピーク検出はデジタルデータに対して行われるが、図７では波形のレベル変化を便宜上、アナログ量で示す。
一般的に、振幅変調された信号は復調処理回路で復調してから処理を行なう必要がある。これに対し、本例では振幅変調後の信号（複合位置検出信号Ｓｄ）が元の相対位置検出信号Ｓｒの周期をそのまま維持していることから、絶対位置検出後に、複合位置検出信号Ｓｄのパルス数を、たとえばピーク数によりカウントすれば、復調処理を行わなくても、図３又は図５に示すＣＰＵ５によって、被測定物１０（図１）の位置検出が可能である。
【００３４】
図７に示すように、位置検出信Ｓｄのピーク値が常に監視され、ピーク検出が実行される。正極ピークは、ピークレベルからノイズキャンセルレベルより大きく信号レベルが低下したことにより検出され、負極ピークは、ピークレベルからノイズキャンセルレベルより大きく信号レベルが上昇したことにより検出される。
図７においては、ピーク検出ごとにＣＰＵ内のカウンタ値が、…, n-1, n, n+1, n+2, …とインクリメントされる。本例では、その途中でカウンタ値がnとなった後に、信号レベルがハイ側の絶対値検出レベルＬｄｈに達し、これにより絶対位置が検出される。絶対位置が検出されるとカウンタ値がリセットされるか、あるいは、別のカウンタ値がピーク検出数をカウントし始め、この絶対位置を起点に新たに計測が開始されたピーク検出数により被測定物１０の位置測定が開始される。
これにより、たとえば所望の位置に対応するカウンタ値に達すると被測定物１０の移動を停止するなどの制御を行うことができる。
【００３５】
以上の位置検出方法では、振幅変動幅が絶対位置検出センサの出力に対応し、相対位置検出センサの出力において波形の周期は変動しない。このため、上記のように相対位置検出センサの出力をピーク検出数で検出すると、振幅変動は相対位置検出に影響を与えない。したがって、信号処理部３の構成が簡素であるにもかかわらず、検出精度が高い位置検出、及び、そのための信号処理が可能である。
また、図８に示すように各検出信号ＳａとＳｒをそれぞれ信号増幅(Amp.)した後にＣＰＵ内の別のＡ／Ｄ変換ポートＡＤ１とＡＤ２に入力する比較例と比べると、上記本実施の形態の位置検出方法では使用するＡ／Ｄ変換ポートが１つであり、その分、安価なＣＰＵが採用できる。
【００３６】
つぎに、以上の位置検出方法を適用してレンズ位置の制御を行う実施例を説明する。
【００３７】
カメラのレンズは、レンズ鏡筒の先端側から撮像素子側に向かって、光軸に沿って順に配列され種々の役割をもったレンズ群で構成される。たとえば、あるレンズ構成によれば、レンズ鏡筒の先端側に配置され焦点合わせのための１群レンズ、変倍を行うための２群レンズ、変倍動作後に焦点を撮像面上で正しく結ばせるための３群レンズ、そして、撮像面に結像させるための４群レンズを備える。この何れのレンズ群を可動とし、何れを固定とするかは様々であるが、一般には、２群レンズと４群レンズを可動とし他を固定するもの、２群レンズと３群レンズを可動とし他を固定するもの、これに加えて１群レンズを可動とするもの、３群レンズを省略し２群レンズと４群レンズのリア（撮像素子側）の一部を可動とするものなどがある。
【００３８】
本実施例では、この可動レンズ群を被測定物（移動ユニット）として一軸移動を行う。
図９に、移動ユニットを移動させる駆動系および位置検出のための構成を図示する。
レンズ群を収容した移動ユニット１１は、内面が雌ネジ加工されたネジ穴を有し、そのネジ穴に駆動軸１２が通されている。駆動軸１２は、その外周に雄ネジが加工され、それが移動ユニットのネジ孔の雌ネジと螺合し、駆動軸１２の回転にともなって移動ユニット１１が図９に示す矢印方向に移動するようになっている。とくに図示しないが、移動ユニット１１はレンズの鏡筒（不図示）にも受けられたガイド機構によってスムーズにスライドが可能になっている。
【００３９】
駆動軸１２の一端部に駆動軸プーリ１２Ａが固定され、駆動軸プーリ１２Ａは、モータ（Ｍ）１３の軸に固定されたモータ側プーリ１３Ａと、ベルト又はギアにより連結されている。モータ１３の回転駆動力は、モータ側プーリ１３Ａ、駆動軸プーリ１２Ａによって伝達され駆動軸１２を軸回転させる。モータ１３は、図１に示すＣＰＵ等による制御下で、モータドライバ１４により駆動される。
【００４０】
駆動軸１２の他端部に、周回方向に切り欠き部（又はスリット穴）を備えるアナログエンコーダの回転盤１５が固定されている。駆動軸１２の軸回転にともなって、この回転盤１５も軸回転し、その切り欠き部（又はスリット穴）が周期的にフォトインタラプタ１６の光を通過させ、周期的に、その光路が回転盤によって遮られることによってフォトインタラプタ１６の出力から周期的な相対位置検出信号Ｓｒが得られる。なお、この回転盤１５は、駆動軸プーリ１２Ａ又はモータ側プーリ１３Ａに切り欠き部やスリット穴を設けることにより代用でき、その場合、フォトインタラプタ１６は、駆動軸プーリ１２Ａ又はモータ側プーリ１３Ａに近接配置される。
【００４１】
図１０に、フォトインタラプタ１６の等価回路を示す。
電圧供給線とＧＮＤレベル間に抵抗Ｒ１を介して発光ダイオードＤｉが接続され、位置検出時に発光ダイオードに電力が供給されると、発光ダイオードＤｉが発光する。その光はフォトディテクタ（トランジスタＴ）で受光される。フォトディテクタは電圧供給線とＧＮＤ線との間に負荷抵抗ＲＬを介して接続され、受光により光電変換された電荷が電位勾配に応じて流れると、フォトディテクタと負荷抵抗ＲＬとの接続中点の電位が変動する。この電位変動は、フォトディテクタと発光ダイオードとの間の空間を上記回転盤１５（図９）が移動し、その回転に応じて光が通過し遮蔽されるたびに、その通過と遮断を１周期として繰り返され、その結果、図１１（Ａ）に示す周期的な相対位置検出信号Ｓｒが、当該フォトインタラプタ１６から出力される。
【００４２】
一方、図９に示す移動ユニット１１には、その移動方向に長い遮蔽尺１１Ａが設けられている。遮蔽尺１１Ａに対し、図１０と同様な等価回路の他のフォトインタラプタ１７が近接配置されている。このため、フォトインタラプタ１７からは、遮蔽尺１１Ａにより発光ダイオードからの光が遮られている間はＬレベルを維持し、遮られなくなるとＨレベルに推移することにより、図１１（Ｂ）に示す波形となる絶対位置検出信号Ｓａが出力される。
【００４３】
この絶対位置検出信号Ｓａおよび上記相対位置検出信号Ｓｒは、図１に示す信号処理回路４に出力され、ここで図３又は図５に示す構成によって１つの複合位置検出信号Ｓｄが生成される。
その後、ＣＰＵ５に入力された複合位置検出信号Ｓｄは、そこでＡ／Ｄ変換される。なお、Ａ／Ｄ変換にもノイズ、あるいは機械的な振動が発生し、ある程度変動が予想されるため、これらによる誤判定をしないように、変化判定値を設け、ノイズキャンセル機能を持たせる処理を行うことが望ましい。
Ａ／Ｄ変換後に、前述したように信号のピークレベル変化に応じて絶対位置が検出され、それ以後のピーク検出数のカウントによって図９に示す移動ユニット１１の位置検出が開始される。制御目標値は、手動による操作、あるいは、オートフォーカス時の測距結果によって予めＣＰＵ５に入力され、その内部で記憶されている。移動ユニット１１が制御目標値に達すると、あるいは、その直前になると、ＣＰＵ５はモータドライバ１４に停止指示を発し、その結果、モータ１３が停止してレンズ位置制御が終了する。
【００４４】
この実施例では、たとえば図１０に等価回路を示す簡単なアクチュエータ１６により絶対位置検出および相対位置検出ができ、レンズ位置制御部の構成がシンプルで安価に製造できるという利点がある。また、前述したように、構成が簡素である割には検出精度が高いレンズ位置検出が可能であり、また、使用するＣＰＵ５のＡ／Ｄ変換ポートが１つであり、その分、安価なＣＰＵが採用できるという利益が得られる。
【００４５】
本実施の形態によれば、前述した信号処理部の構成が簡素であるにもかかわらず、検出精度が高い位置検出、及び、そのための信号処理が可能であること、ＡＤ変換ポートの削減が可能であることに加え、以下の利点が得られる。
複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置により絶対位置を検出する場合、とくに複合位置検出信号のピークレベル、ボトムレベル又は当該ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出する場合においては、この特定される所定のレベルとして複合位置検出信号の中点のレベルで絶対位置の検出が可能である。
上記２つの方法では、さらに前述した（１）および（２）の条件を同時に満足すると、繰り返し波形の影響やノイズの影響がない安定したレベルでの位置検出が可能である。また、ボトムレベルでシフトしても確実に絶対位置に到達したことを検出することができる。このため、さらに検出精度が高い位置検出、そのための信号処理が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、被測定物の位置を検出する位置検出センサから出力される位置検出信号を信号処理し、該信号処理後の位置検出信号に基づいて被測定物の位置を測定する用途に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における位置検出のための信号処理装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図である。
【図３】振幅変調により絶対位置検出信号と相対位置検出信号とを重畳する信号処理部を備えるブロック図である。
【図４】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図、（Ｃ）は、図３に示す構成で振幅変調と増幅により生成された位置検出信号の波形図である。
【図５】差動増幅により相対位置検出信号の直流レベルを変化させて位置検出信号を生成する信号処理回路４の他の構成例を示す回路ブロック図である。
【図６】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図、（Ｃ）は、図５に示す構成で差動増幅により生成された位置検出信号の波形図である。
【図７】ピーク検出方法を模式的に示す図である。
【図８】各検出信号をそれぞれ増幅した後にＣＰＵ内の別のＡ／Ｄ変換ポートに入力する比較例を示すブロック図である。
【図９】実施例において、移動ユニットを移動させる駆動系および位置検出のための構成を示す図である。
【図１０】実施例で用いたフォトインタラプタの等価回路図である。
【図１１】（Ａ）はフォトインタラプタから出力される相対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は絶対位置検出信号の波形図である。
【図１２】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図、（Ｃ）は差動増幅により生成された位置検出信号の他の波形図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…信号処理回路、２…絶対位置検出センサ、３…相対位置検出センサ、４…信号処理部、４Ａ…差動増幅器、４Ｂ…増幅器、５…ＣＰＵ、５Ａ…Ａ／Ｄ変換部、１０…被測定物、１１…移動ユニット、１１Ａ…遮蔽尺、１２…駆動軸、１２Ａ…駆動軸プーリ、１３…モータ、１３Ａ…モータ側プーリ、１４…モータドライバ、１５…回転盤、１６，１７…フォトインタラプタ、Ｓａ…絶対位置検出信号、Ｓｒ…相対位置検出信号、Ｓｄ…複合位置検出信号、Ｌｐ,Ｌｐｈ…検出レベル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の位置を検出する位置検出センサから出力される位置検出信号を信号処理し、該信号処理後の位置検出信号に基づいて被測定物の位置を測定する位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサやスイッチの検出信号を信号処理する信号処理回路としては、様々なものが提案されている（特許文献１〜８参照）。
【０００３】
このうち特許文献１に記載されている技術は、複数のアナログスイッチを制御し、このアナログスイッチの制御に応じた分圧値（検出信号の一種）を、後段のＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換器を介してマイクロコンピュータに入力し、分圧値を設定値と比較して、その比較結果から上記複数のアナログスイッチのオンとオフの状態を判定するものである。
特許文献２に記載されている技術は、複数のスイッチを制御し、このスイッチの制御による電圧値（検出信号の一種）をマイクロコンピュータ内のＡ／Ｄ変換器に入力するものであり、とくに複数のスイッチの多重操作を精度よく検出するための１つの電圧値を生成する手法に関する。
特許文献３に記載されている技術は、マイクロコンピュータの端子の兼用化に関し、Ａ／Ｄ変換すべき信号（検出信号として使用可能な信号）と、割込信号とを共通の端子から取り込めるようにスイッチで切り換えるものである。
Ａ／Ｄ特許文献４に記載されている技術は、デジタルオシロスコープの信号処理回路に関し、その入力端子に印加された信号（検出信号の一種）を、Ａ／Ｄ変換回路に入力する前に、その交流成分と直流成分に分けて増幅することにより、信号経路の直流特性と広帯域特性とを両立させるものである。
【０００４】
これら特許文献１〜４に記載されている技術は、基本的には１つの検出信号（又は、１つの検出信号に基づく信号）を信号処理するものであり、それによって信号伝送ライン数を削減する他、後段の処理回路の入力端子数を減らし、あるいは、信号処理の精度や特性を向上させるものである。
【０００５】
一方、特許文献５および７に記載されている技術においては２つの検出信号に対し信号処理を行う。
特許文献５に記載されている技術は、２つの検出信号の和信号と差信号の比に比例した信号を得るに際し、後段のＡ／Ｄ変換器の分解能が低くて済むように、２つの検出信号の一方と和信号によって所望の結果が得られるようにしたものである。
特許文献６に記載されている技術は、デジタイザなどの座標入力装置に関し、２つの検出信号、すなわちＸ座標信号とＹ座標信号を切替接続回路により切り替えて差動増幅し、Ｘ座標信号とＹ座標信号を順次Ａ／Ｄ変換するものである。
【０００６】
ところで、２つの検出信号を用いて被測定物の位置制御を行うものとして、カメラ等におけるレンズの位置制御が知られている。
レンズの位置制御部においては、通常、アクチュエータの動作、たとえばＤＣモータ等の回転に応じて相対位置を検出し相対位置検出信号を出力する相対位置センサ、および、レンズの機械的な絶対位置を検出し絶対位置検出信号を出力する絶対位置検出センサを備える。そして、絶対位置検出センサの出力変化を基準に、相対位置検出センサの出力変動をカウントしてレンズを目的の位置まで移動させ、停止させることによりレンズ位置を制御する。
【０００７】
レンズの位置制御などの用途では、とくに小型化および低コストが要求される。
上記のようにＤＣモータ等のアクチュエータの動きに連動した相対位置検出センサとして、一般的に、回転式エンコーダ、あるいは、モアレ干渉縞を利用した光学スケールなどを使用すると、その構造が簡素で安価である。とくに回転式エンコーダは、その回転検出デバイスとして、フォトインタラプタ等のアナログデバイスを使用すると、その構造が簡単で安価である。
また、絶対位置検出センサとしては、機械式スイッチ、非接触の光学センサ、たとえばフォトインタラプタ又はフォトリフレクタを用いると、その構造が簡単で安価である。
【０００８】
これらレンズ位置制御部を簡単で安価とするために採用される相対位置検出センサおよび絶対位置検出センサは、通常、その出力がアナログ信号である。したがって、これらのセンサ出力に基づいて中央演算ユニット（ＣＰＵ）等でレンズ位置を測定し制御するためには、そのセンサ出力を増幅し、アナログ信号を量子化するためのＡ／Ｄ変換器（又は、その機能）が必要となる。この用途では高い量子化精度は不要であることから、通常、ＣＰＵ内のＡ／Ｄ変換機能を利用して相対位置検出信号と絶対位置検出信号をそれぞれＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の信号を基に、アクチュエータとなるモータ等のフィードバック制御を行う。
【特許文献１】特開平０８−２０１８８９号公報
【特許文献２】特開平０９−２７０６８５号公報
【特許文献３】特開平０６−０３６０５６号公報
【特許文献４】特開平０６−１９７０１９号公報
【特許文献５】特開平０３−２６３６１９号公報
【特許文献６】特開平０２−２６００２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように２つの位置検出センサをＣＰＵにてＡ／Ｄ変換する場合、２つの信号伝送ラインを要する他、ＣＰＵ内でＡ／Ｄ変換ポートを２つ確保する必要がある。また、２つのセンサ出力を同時にＡ／Ｄ変換する必要があるためＣＰＵの負荷が重く、駆動源（アクチュエータ）の制御に対して位置検出に遅れが発生する。
【００１０】
また、ＣＰＵのＡ／Ｄ変換ポートを利用して上記の信号を処理する、たとえばカメラの場合、安価のＣＰＵにおいてＡ／Ｄ変換チャンネルは、４チャンネル程度しかないものがある。カメラの場合、システム上ＣＰＵで必要とされるＡ／Ｄ変換ポートは、レンズ位置制御用のほかに、環境温度検出用、バッテリ温度検出用、バッテリ電圧検出用などがある。これらを想定するとＡ／Ｄ変換ポート数が４つではとても十分とは言えず、できる限りレンズ制御等で使用するＡ／Ｄポート数を減らす必要がある。また、Ａ／Ｄ変換ポート数を増やすと、それだけカメラのシステムコストが増大し好ましくない。
【００１１】
なお、このようなレンズ等の位置検出制御の用途に対しては、以下の理由により、前述した２つの検出信号に対する信号処理技術（特許文献５および６）を適用することができない。
特許文献５は２つの検出信号の差信号と和信号の比に比例した信号を得ることから、たとえば光ディスクのサーボ制御に特化したものである。また、特許文献６は、座標入力装置に関するものであり、とくに２つの検出信号（Ｘ座標信号とＹ座標信号）が片方ずつ差動増幅されて順次Ａ／Ｄ変換される。これと同じような方法をレンズ等の位置制御に適用すると、その制御レスポンスを悪くすることから、この方法はカメラなどの用途に使えない。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、被測定物の位置制御のため信号処理回路の改良にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る位置検出装置は、被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、前記複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する。
本発明に係る他の位置検出装置は、被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、前記複合位置検出信号のピークレベル、ボトムレベル又は前記ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する。
【００１４】
好ましくは、前記信号処理部は、前記相対位置検出信号と前記絶対位置検出信号とを差動増幅処理することにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する。
あるいは、好ましくは、前記信号処理部は、前記相対位置検出信号を搬送波として、前記絶対位置検出信号により該搬送波の振幅変調を行うことにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する。
好ましくは、前記複合位置検出信号のダイナミックレンジをＸ（Ｖ）、前記絶対位置検出信号の振幅範囲をＡ（Ｖ）、前記相対位置検出信号の振幅範囲をＢ（Ｖ）、前記相対位置検出信号のノイズレベルをＷｎ（Ｖ）とした場合に、下記（１）及び（２）を満たす。
（１）Ｘ＞Ａ＋Ｂ
（２）Ａ＞Ｂ＋Ｗｎ
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る信号処理装置において、被測定物の位置制御のため信号処理回路を改良することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１に、本発明の実施の形態における位置検出のための位置検出装置の一構成例を示す。
図１に示すように、位置検出装置１は、被測定物１０の位置を測定するために２つの位置検出センサ、すなわち被測定物の絶対位置を検出し絶対位置検出信号Ｓａを出力する絶対位置検出センサ２と、非測定物の相対位置を検出し相対位置検出信号Ｓｒを出力する相対位置検出センサ３とを有する。ここで「絶対位置」とは相対位置の基準あるいは起点を示す位置をいい、絶対位置からの相対位置の変化量で被測定物の位置が確定する。
【００１８】
位置検出装置１は、絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒとから一の信号（以下、複合位置検出信号という）Ｓｄを出力する信号処理回路４と、位置検出信号から被測定物の位置を測定する位置検出部としての中央演算ユニット（ＣＰＵ）５とを有する。ＣＰＵ５はＡ／Ｄ変換の機能（便宜上、図１においてＡ／Ｄ変換部５Ａにより表示）を有し、Ａ／Ｄ変換部５Ａに上記複合位置検出信号Ｓｄが入力され、ここで複合位置検出信号Ｓｄがデジタル信号に変換され、不図示のＣＰＵ内機能により位置検出のためのデジタル信号処理が実行される。
【００１９】
図２（Ａ）に絶対位置検出信号Ｓａの波形を、図２（Ｂ）に相対位置検出信号Ｓｒの波形を示す。これらの図においては横軸が時間ｔ、縦軸が各検出信号のレベルＬを表している。
絶対位置検出信号Ｓａは、図１に示す被測定物１０がある向きに移動することに伴って、図２（Ａ）に示すように、たとえばＬ(Low)レベルからＨ(High)レベルに推移する信号である。なお、これとは逆に、絶対位置検出信号ＳａをＨレベルからＬレベルに推移する信号としてもよい。このような絶対位置検出信号Ｓａを出力する図１に示す絶対位置検出センサ２としては、機械式センサ、たとえば、センサの切片が被測定物１０に接触する状態から非接触の状態、あるいは、逆に非接触の状態から接触する状態で出力レベルが変化するスイッチを用いてもよい。ただし、機械式センサは負荷を発生させ、その駆動系への影響があり、負荷の大きさが経時変化し、さらに機械的トレランスにより検出位置が変動することから、絶対位置検出センサ２としては光学センサが望ましい。光学センサとして、フォトインタラプタあるいはフォトリフレクタを用いることができる。
【００２０】
これに対し、相対位置検出信号Ｓｒは、図２（Ｂ）に示すように、ノイズの大小により多少振幅変動するが、基本的には一定の振幅を有する周期的な信号が望ましい。このような相対位置検出信号Ｓｒ（アナログ波形）を出力する図１に示す相対位置検出センサ３は、たとえばモアレ干渉縞を利用した光学スケールあるいは磁気スケールでもよいが、構造が簡素で安価な回転式のアナログエンコーダが望ましい。なお、アナログエンコーダや上記フォトインタラプタについては後述する。
【００２１】
つぎに、より具体的な構成および動作を説明する。
【００２２】
図３に、振幅変調により絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒとを重畳する信号処理回路４を示す。
図３に示す信号処理回路４は、具体的な回路構成は省略するが、ＡＭラジオで使用される振幅変調による方法により２つのアナログ信号の振幅変調し、増幅する機能（図３においては「Mod.＆Amp.」と表記）を備える。振幅変調され増幅後の信号は、複合位置検出信号ＳｄとしてＣＰＵ５のＤＡ変換ポートＡＤ１に入力される。
【００２３】
図４（Ｃ）に、図３に示す構成で振幅変調と増幅により生成された複合位置検出信号Ｓｄの波形を示す。また、図４（Ａ）に絶対位置検出信号Ｓａの波形を、図４（Ｂ）に相対位置検出信号Ｓｒの波形を示す。これらの図の縦軸および横軸は、前述した図２と同じであり、信号レベルＬおよび時間ｔは３つの図で同じスケールである。
【００２４】
図４（Ｃ）を図４（Ａ）および図４（Ｂ）と比較すれば明らかなように、複合位置検出信号Ｓｄは、相対位置検出センサの出力波形（相対位置検出信号Ｓｒ：図４（Ｂ））を搬送波とし、絶対位置検出センサの出力（絶対位置検出信号Ｓａ：図４（Ａ））を信号波形（信号のpeak-to-peak値）として振幅変調を行ったものである。この複合位置検出信号Ｓｄにおいて、絶対位置検出センサの出力は振幅として現れ、相対位置検出センサの出力の繰り返し周期は、複合位置検出信号Ｓｄにおいてもそのまま維持されている。その結果、１つのアナログ量で２つのアナログ信号の情報を表すことができる。
【００２５】
図５に、差動増幅により相対位置検出信号の直流レベルを変化させて複合位置検出信号Ｓｄを生成する信号処理回路４の他の構成例を示す。
図５に示す信号処理回路４は、一方の差動入力（たとえば「＋」入力）に絶対位置検出信号Ｓａを入力し、他方の差動入力（たとえば「−」入力）に相対位置検出信号Ｓｒを入力し、これらの差を所定のゲインで増幅する差動増幅器(D.Amp)４Ａと、相対位置検出信号Ｓｒを所定のゲインで増幅し、差動増幅器４Ａに出力する増幅器(Amp.)４Ｂとを有する。差動増幅器４Ａの出力から複合位置検出信号Ｓｄが出力され、ＣＰＵ５のＤＡ変換ポートＡＤ１に入力される。
【００２６】
図６（Ｃ）に、図５に示す構成で差動増幅により生成された複合位置検出信号Ｓｄの波形を示す。また、図６（Ａ）に絶対位置検出信号Ｓａの波形を、図６（Ｂ）に相対位置検出信号Ｓｒの波形を示す。これらの図の縦軸および横軸は、前述した図２と同じであり、信号レベルＬおよび時間ｔは３つの図で同じスケールとする。ただし、作図の都合上、図５に示す差動増幅器４Ａのゲイン、増幅器４Ｂのゲインはそれぞれ「１」として図６（Ｃ）の複合位置検出信号Ｓｄを表している。
【００２７】
図６（Ｃ）に示すように、振幅変調に代えて、相対位置検出センサの出力に対し絶対位置検出センサの出力分を直流シフトさせても、図４（Ｃ）の場合と同様に１つのアナログ量で２つのアナログ信号の情報を表すことができる。
【００２８】
ここで図５に示す差動増幅器４Ａのゲイン、増幅器４Ｂのゲインは、以下ように決めることができる。このゲインの決め方は、図３に示す信号処理回路４内で振幅変調前の信号を増幅する場合にも適用できる。
相対位置検出信号Ｓｒは、たとえば回転式のアナログエンコーダの場合、回転体のスリットを通過し、スリット間の回転体部分により遮断される光を受光部で検出することにより得られる。回転体のスリットは周回方向に所定の周期で正確に形成されているが、軸ぶれや回転体の変形により多少なりとも位置検出信号Ｓｒの振幅が変動する。このような微小変動と信号経路の重畳ノイズとにより、相対位置検出信号Ｓｒのノイズレベルは、図４（Ｃ）（又は図６（Ｃ））の絶対位置検出前の波形Ｓｄ１に示すように、ある幅Ｗｎで変動する。
このノイズレベルの最大変化点から更に外側、すなわち、レベルとしてより小さい側（又はより大きい側）に一定のマージンＷｄ以上離れた位置に絶対位置の検出レベルを設ける必要がある。また、この検出レベルは、図４（Ａ）（又は図６（Ａ））にＬｄで示すように、絶対位置検出信号のＨレベルから十分なマージンだけ離れたレベル変化途中に設定する必要がある。
この検出レベルの波形Ｓｄ１およびＳｄ２に対する各マージンが、必要な値Ｗｄより小さいと、図４（Ｃ）（又は図６（Ｃ））に示す絶対位置検出前の波形Ｓｄ１のノイズレベル、あるいは、絶対位置検出後の波形Ｓｄ２のノイズレベルに検出レベルが重なり、ノイズにより誤って絶対位置が検出されるおそれがある。このような誤動作を防止するために適切に検出レベルを設定する必要があるが、この設定可能な範囲は、絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒとの相対的なゲイン調整で拡大することができる。
図３に示す構成においては、ノイズレベルを相対的に抑圧する目的で差動増幅器４Ａのゲインを１より大きな値に設定することが望ましい。これに対し、増幅器４Ｂのゲインは、上記誤動作防止のための範囲拡大の観点から、１以上又は１未満の適切な値に設定することが望ましい。なお、同じ効果を得るために、図３とは逆に、絶対位置検出信号Ｓａを増幅してもよいし、絶対位置検出信号Ｓａと相対位置検出信号Ｓｒの双方を異なるゲインで増幅してもよい。
【００２９】
本実施の形態では、複合位置検出信号Ｓｄが所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号Ｓｄのパルス数を計測する方法と、複合位置検出信号Ｓｄのピークレベル、ボトムレベル又は当該ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出した位置を基点に該複合位置検出信号Ｓｄのパルス数を計測する方法とがある。
【００３０】
何れの方法においても、複合位置検出信号ＳｄのダイナミックレンジをＸ（Ｖ）、絶対位置検出信号Ｓａの振幅範囲をＡ（Ｖ）、相対位置検出信号Ｓｒの振幅範囲をＢ（Ｖ）、相対位置検出信号ＳｒのノイズレベルをＷｎ（Ｖ）とした場合に、下記（１）及び（２）を満たすことが望ましい。
（１）Ｘ＞Ａ＋Ｂ
（２）Ａ＞Ｂ＋Ｗｎ
【００３１】
これは、確実な絶対位置の検出を行うための条件例を規定するものである。これにより、図１２（Ｃ）に示すように、ノイズレベルを考慮しながら波形Ｓｄ１とＤｓ２が重ならないレベルでの絶対位置検出が可能である。または、ボトムレベルでシフトしても確実に絶対位置に到達したことを検出することができる。
【００３２】
このようにして生成された検出信号Ｓｄは、図３又は図５に示すＣＰＵ５内でＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ内の比較などを実行する演算機能、レジスタなどのデータ保持機能を活用して、そのレベル変化極点（以下、正極ピークおよび負極ピークを含め単に「ピーク」という）の検出が実行される。
【００３３】
図７に、ピーク検出方法を模式的に示す。なお、実際のピーク検出はデジタルデータに対して行われるが、図７では波形のレベル変化を便宜上、アナログ量で示す。
一般的に、振幅変調された信号は復調処理回路で復調してから処理を行なう必要がある。これに対し、本例では振幅変調後の信号（複合位置検出信号Ｓｄ）が元の相対位置検出信号Ｓｒの周期をそのまま維持していることから、絶対位置検出後に、複合位置検出信号Ｓｄのパルス数を、たとえばピーク数によりカウントすれば、復調処理を行わなくても、図３又は図５に示すＣＰＵ５によって、被測定物１０（図１）の位置検出が可能である。
【００３４】
図７に示すように、位置検出信Ｓｄのピーク値が常に監視され、ピーク検出が実行される。正極ピークは、ピークレベルからノイズキャンセルレベルより大きく信号レベルが低下したことにより検出され、負極ピークは、ピークレベルからノイズキャンセルレベルより大きく信号レベルが上昇したことにより検出される。
図７においては、ピーク検出ごとにＣＰＵ内のカウンタ値が、…, n-1, n, n+1, n+2, …とインクリメントされる。本例では、その途中でカウンタ値がnとなった後に、信号レベルがハイ側の絶対値検出レベルＬｄｈに達し、これにより絶対位置が検出される。絶対位置が検出されるとカウンタ値がリセットされるか、あるいは、別のカウンタ値がピーク検出数をカウントし始め、この絶対位置を起点に新たに計測が開始されたピーク検出数により被測定物１０の位置測定が開始される。
これにより、たとえば所望の位置に対応するカウンタ値に達すると被測定物１０の移動を停止するなどの制御を行うことができる。
【００３５】
以上の位置検出方法では、振幅変動幅が絶対位置検出センサの出力に対応し、相対位置検出センサの出力において波形の周期は変動しない。このため、上記のように相対位置検出センサの出力をピーク検出数で検出すると、振幅変動は相対位置検出に影響を与えない。したがって、信号処理部３の構成が簡素であるにもかかわらず、検出精度が高い位置検出、及び、そのための信号処理が可能である。
また、図８に示すように各検出信号ＳａとＳｒをそれぞれ信号増幅(Amp.)した後にＣＰＵ内の別のＡ／Ｄ変換ポートＡＤ１とＡＤ２に入力する比較例と比べると、上記本実施の形態の位置検出方法では使用するＡ／Ｄ変換ポートが１つであり、その分、安価なＣＰＵが採用できる。
【００３６】
つぎに、以上の位置検出方法を適用してレンズ位置の制御を行う実施例を説明する。
【００３７】
カメラのレンズは、レンズ鏡筒の先端側から撮像素子側に向かって、光軸に沿って順に配列され種々の役割をもったレンズ群で構成される。たとえば、あるレンズ構成によれば、レンズ鏡筒の先端側に配置され焦点合わせのための１群レンズ、変倍を行うための２群レンズ、変倍動作後に焦点を撮像面上で正しく結ばせるための３群レンズ、そして、撮像面に結像させるための４群レンズを備える。この何れのレンズ群を可動とし、何れを固定とするかは様々であるが、一般には、２群レンズと４群レンズを可動とし他を固定するもの、２群レンズと３群レンズを可動とし他を固定するもの、これに加えて１群レンズを可動とするもの、３群レンズを省略し２群レンズと４群レンズのリア（撮像素子側）の一部を可動とするものなどがある。
【００３８】
本実施例では、この可動レンズ群を被測定物（移動ユニット）として一軸移動を行う。
図９に、移動ユニットを移動させる駆動系および位置検出のための構成を図示する。
レンズ群を収容した移動ユニット１１は、内面が雌ネジ加工されたネジ穴を有し、そのネジ穴に駆動軸１２が通されている。駆動軸１２は、その外周に雄ネジが加工され、それが移動ユニットのネジ孔の雌ネジと螺合し、駆動軸１２の回転にともなって移動ユニット１１が図９に示す矢印方向に移動するようになっている。とくに図示しないが、移動ユニット１１はレンズの鏡筒（不図示）にも受けられたガイド機構によってスムーズにスライドが可能になっている。
【００３９】
駆動軸１２の一端部に駆動軸プーリ１２Ａが固定され、駆動軸プーリ１２Ａは、モータ（Ｍ）１３の軸に固定されたモータ側プーリ１３Ａと、ベルト又はギアにより連結されている。モータ１３の回転駆動力は、モータ側プーリ１３Ａ、駆動軸プーリ１２Ａによって伝達され駆動軸１２を軸回転させる。モータ１３は、図１に示すＣＰＵ等による制御下で、モータドライバ１４により駆動される。
【００４０】
駆動軸１２の他端部に、周回方向に切り欠き部（又はスリット穴）を備えるアナログエンコーダの回転盤１５が固定されている。駆動軸１２の軸回転にともなって、この回転盤１５も軸回転し、その切り欠き部（又はスリット穴）が周期的にフォトインタラプタ１６の光を通過させ、周期的に、その光路が回転盤によって遮られることによってフォトインタラプタ１６の出力から周期的な相対位置検出信号Ｓｒが得られる。なお、この回転盤１５は、駆動軸プーリ１２Ａ又はモータ側プーリ１３Ａに切り欠き部やスリット穴を設けることにより代用でき、その場合、フォトインタラプタ１６は、駆動軸プーリ１２Ａ又はモータ側プーリ１３Ａに近接配置される。
【００４１】
図１０に、フォトインタラプタ１６の等価回路を示す。
電圧供給線とＧＮＤレベル間に抵抗Ｒ１を介して発光ダイオードＤｉが接続され、位置検出時に発光ダイオードに電力が供給されると、発光ダイオードＤｉが発光する。その光はフォトディテクタ（トランジスタＴ）で受光される。フォトディテクタは電圧供給線とＧＮＤ線との間に負荷抵抗ＲＬを介して接続され、受光により光電変換された電荷が電位勾配に応じて流れると、フォトディテクタと負荷抵抗ＲＬとの接続中点の電位が変動する。この電位変動は、フォトディテクタと発光ダイオードとの間の空間を上記回転盤１５（図９）が移動し、その回転に応じて光が通過し遮蔽されるたびに、その通過と遮断を１周期として繰り返され、その結果、図１１（Ａ）に示す周期的な相対位置検出信号Ｓｒが、当該フォトインタラプタ１６から出力される。
【００４２】
一方、図９に示す移動ユニット１１には、その移動方向に長い遮蔽尺１１Ａが設けられている。遮蔽尺１１Ａに対し、図１０と同様な等価回路の他のフォトインタラプタ１７が近接配置されている。このため、フォトインタラプタ１７からは、遮蔽尺１１Ａにより発光ダイオードからの光が遮られている間はＬレベルを維持し、遮られなくなるとＨレベルに推移することにより、図１１（Ｂ）に示す波形となる絶対位置検出信号Ｓａが出力される。
【００４３】
この絶対位置検出信号Ｓａおよび上記相対位置検出信号Ｓｒは、図１に示す信号処理回路４に出力され、ここで図３又は図５に示す構成によって１つの複合位置検出信号Ｓｄが生成される。
その後、ＣＰＵ５に入力された複合位置検出信号Ｓｄは、そこでＡ／Ｄ変換される。なお、Ａ／Ｄ変換にもノイズ、あるいは機械的な振動が発生し、ある程度変動が予想されるため、これらによる誤判定をしないように、変化判定値を設け、ノイズキャンセル機能を持たせる処理を行うことが望ましい。
Ａ／Ｄ変換後に、前述したように信号のピークレベル変化に応じて絶対位置が検出され、それ以後のピーク検出数のカウントによって図９に示す移動ユニット１１の位置検出が開始される。制御目標値は、手動による操作、あるいは、オートフォーカス時の測距結果によって予めＣＰＵ５に入力され、その内部で記憶されている。移動ユニット１１が制御目標値に達すると、あるいは、その直前になると、ＣＰＵ５はモータドライバ１４に停止指示を発し、その結果、モータ１３が停止してレンズ位置制御が終了する。
【００４４】
この実施例では、たとえば図１０に等価回路を示す簡単なアクチュエータ１６により絶対位置検出および相対位置検出ができ、レンズ位置制御部の構成がシンプルで安価に製造できるという利点がある。また、前述したように、構成が簡素である割には検出精度が高いレンズ位置検出が可能であり、また、使用するＣＰＵ５のＡ／Ｄ変換ポートが１つであり、その分、安価なＣＰＵが採用できるという利益が得られる。
【００４５】
本実施の形態によれば、前述した信号処理部の構成が簡素であるにもかかわらず、検出精度が高い位置検出、及び、そのための信号処理が可能であること、ＡＤ変換ポートの削減が可能であることに加え、以下の利点が得られる。
複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置により絶対位置を検出する場合、とくに複合位置検出信号のピークレベル、ボトムレベル又は当該ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出する場合においては、この特定される所定のレベルとして複合位置検出信号の中点のレベルで絶対位置の検出が可能である。
上記２つの方法では、さらに前述した（１）および（２）の条件を同時に満足すると、繰り返し波形の影響やノイズの影響がない安定したレベルでの位置検出が可能である。また、ボトムレベルでシフトしても確実に絶対位置に到達したことを検出することができる。このため、さらに検出精度が高い位置検出、そのための信号処理が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、被測定物の位置を検出する位置検出センサから出力される位置検出信号を信号処理し、該信号処理後の位置検出信号に基づいて被測定物の位置を測定する用途に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における位置検出のための信号処理装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図である。
【図３】振幅変調により絶対位置検出信号と相対位置検出信号とを重畳する信号処理部を備えるブロック図である。
【図４】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図、（Ｃ）は、図３に示す構成で振幅変調と増幅により生成された位置検出信号の波形図である。
【図５】差動増幅により相対位置検出信号の直流レベルを変化させて位置検出信号を生成する信号処理回路４の他の構成例を示す回路ブロック図である。
【図６】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図、（Ｃ）は、図５に示す構成で差動増幅により生成された位置検出信号の波形図である。
【図７】ピーク検出方法を模式的に示す図である。
【図８】各検出信号をそれぞれ増幅した後にＣＰＵ内の別のＡ／Ｄ変換ポートに入力する比較例を示すブロック図である。
【図９】実施例において、移動ユニットを移動させる駆動系および位置検出のための構成を示す図である。
【図１０】実施例で用いたフォトインタラプタの等価回路図である。
【図１１】（Ａ）はフォトインタラプタから出力される相対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は絶対位置検出信号の波形図である。
【図１２】（Ａ）は絶対位置検出信号の波形図、（Ｂ）は相対位置検出信号の波形図、（Ｃ）は差動増幅により生成された位置検出信号の他の波形図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…信号処理回路、２…絶対位置検出センサ、３…相対位置検出センサ、４…信号処理部、４Ａ…差動増幅器、４Ｂ…増幅器、５…ＣＰＵ、５Ａ…Ａ／Ｄ変換部、１０…被測定物、１１…移動ユニット、１１Ａ…遮蔽尺、１２…駆動軸、１２Ａ…駆動軸プーリ、１３…モータ、１３Ａ…モータ側プーリ、１４…モータドライバ、１５…回転盤、１６，１７…フォトインタラプタ、Ｓａ…絶対位置検出信号、Ｓｒ…相対位置検出信号、Ｓｄ…複合位置検出信号、Ｌｐ,Ｌｐｈ…検出レベル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、
被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、
前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、
前記複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する
位置検出装置。
【請求項２】
被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、
被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、
前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、
前記複合位置検出信号のピークレベル、ボトムレベル又は前記ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する
位置検出装置。
【請求項３】
前記複合位置検出信号はアナログ信号であり、
前記複合位置検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部を有し、
前記Ａ／Ｄ変換部により変換されたデジタル信号に基づいて、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する
請求項１又は２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記相対位置検出信号と前記絶対位置検出信号とを差動増幅処理することにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する
請求項１〜３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記相対位置検出信号を搬送波として、前記絶対位置検出信号により該搬送波の振幅変調を行うことにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する
請求項１〜３に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記複合位置検出信号のダイナミックレンジをＸ（Ｖ）、
前記絶対位置検出信号の振幅範囲をＡ（Ｖ）、
前記相対位置検出信号の振幅範囲をＢ（Ｖ）、
前記相対位置検出信号のノイズレベルをＷｎ（Ｖ）とした場合に、
下記（１）及び（２）を満たす、
（１）Ｘ＞Ａ＋Ｂ
（２）Ａ＞Ｂ＋Ｗｎ
請求項１〜５に記載の位置検出装置。
【請求項１】
被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、
被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、
前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、
前記複合位置検出信号が所定レベル以上又は以下に変化した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する
位置検出装置。
【請求項２】
被測定物が所定位置に移動したことを出力信号のレベルの変化として出力する絶対位置検出センサと、
被測定物の移動量を出力信号のパルス数で出力する相対位置検出センサと、
前記絶対位置検出センサの出力信号である絶対位置検出信号と、前記相対位置検出センサの出力信号である相対位置検出信号とから一の出力信号を複合位置検出信号として生成する信号処理部と、を有し、
前記複合位置検出信号のピークレベル、ボトムレベル又は前記ピークレベル及びボトムレベルにより特定される所定のレベルの変化を検出した位置を基点に該複合位置検出信号のパルス数を計測することにより、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する
位置検出装置。
【請求項３】
前記複合位置検出信号はアナログ信号であり、
前記複合位置検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部を有し、
前記Ａ／Ｄ変換部により変換されたデジタル信号に基づいて、前記被測定物の前記所定位置からの相対距離を検出する
請求項１又は２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記相対位置検出信号と前記絶対位置検出信号とを差動増幅処理することにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する
請求項１〜３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記相対位置検出信号を搬送波として、前記絶対位置検出信号により該搬送波の振幅変調を行うことにより前記一の信号である前記複合位置検出信号を生成する
請求項１〜３に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記複合位置検出信号のダイナミックレンジをＸ（Ｖ）、
前記絶対位置検出信号の振幅範囲をＡ（Ｖ）、
前記相対位置検出信号の振幅範囲をＢ（Ｖ）、
前記相対位置検出信号のノイズレベルをＷｎ（Ｖ）とした場合に、
下記（１）及び（２）を満たす、
（１）Ｘ＞Ａ＋Ｂ
（２）Ａ＞Ｂ＋Ｗｎ
請求項１〜５に記載の位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２３４６９７（Ｐ２００６−２３４６９７Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５２１４８（Ｐ２００５−５２１４８）
【出願日】平成１７年２月２５日（２００５．２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２５日（２００５．２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]