図面 (/)

技術 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、および、位置検出方法

出願人 キヤノン株式会社
発明者 塚本卓
出願日 2013年5月2日 (7年7ヶ月経過) 出願番号 2013-097042
公開日 2014年11月20日 (6年1ヶ月経過) 公開番号 2014-219233
状態 未査定
技術分野 光学的変換 レンズ鏡筒
主要キーワード M系列 相対位置検出装置 上位信号 放射状パターン 下位信号 工作装置 CORDICアルゴリズム 工作機器
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年11月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (15)

課題

安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置を提供する。

解決手段

被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、周期的に形成された第1のパターンおよび第2のパターンを有するスケールと、スケールに対して相対移動可能に構成され、第1のパターンから得られた第1および第2の信号と第2のパターンから得られた第3および第4の信号とを出力するセンサユニットと、センサユニットから出力された第1〜第4の信号のうち、第1および第3の信号、または、第2および第4の信号を選択的に出力する切り替え回路と、切り替え回路から出力された第1および第3の信号のA/D変換を同時に行い、切り替え回路から出力された第2および第4の信号のA/D変換を同時に行うA/Dコンバータと、A/DコンバータによるA/D変換後の第1〜第4の信号に基づいて被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段とを有する。

概要

背景

従来から、位置検出装置として、被測定物の相対位置を検出する相対位置検出装置インクリメンタルエンコーダ)および絶対位置を検出する絶対位置検出装置アブソリュートエンコーダ)が知られている。

特許文献1には、絶対位置情報を取得するためのM系列アブソリュートトラック、第1のインクリメンタルトラック、および、第2のインクリメンタルトラックの合計3つのトラックで構成されたアブソリュートエンコーダが開示されている。第1のインクリメンタルトラックと第2のインクリメンタルトラックの周期は、互いに僅かに異なっている。これら2つの周期の位相差演算することにより、バーニア信号が取得される。また、バーニア信号とM系列のアブソリュートトラックの信号とを合成することにより、絶対位置情報が取得される。

概要

安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置を提供する。被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、周期的に形成された第1のパターンおよび第2のパターンを有するスケールと、スケールに対して相対移動可能に構成され、第1のパターンから得られた第1および第2の信号と第2のパターンから得られた第3および第4の信号とを出力するセンサユニットと、センサユニットから出力された第1〜第4の信号のうち、第1および第3の信号、または、第2および第4の信号を選択的に出力する切り替え回路と、切り替え回路から出力された第1および第3の信号のA/D変換を同時に行い、切り替え回路から出力された第2および第4の信号のA/D変換を同時に行うA/Dコンバータと、A/DコンバータによるA/D変換後の第1〜第4の信号に基づいて被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段とを有する。

目的

本発明は、安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置、レンズ装置撮像ステム工作装置、および、位置検出方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、周期的に形成された第1のパターンおよび第2のパターンを有するスケールと、前記スケールに対して相対移動可能に構成され、前記第1のパターンから得られた第1の信号および第2の信号と前記第2のパターンから得られた第3の信号および第4の信号とを出力するセンサユニットと、前記センサユニットから出力された前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号のうち、該第1の信号および該第3の信号、または、該第2の信号および該第4の信号を選択的に出力する切り替え回路と、前記切り替え回路から出力された前記第1の信号および前記第3の信号のA/D変換を同時に行い、該切り替え回路から出力された前記第2の信号および前記第4の信号のA/D変換を同時に行うA/Dコンバータと、前記A/DコンバータによるA/D変換後の前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段と、を有することを特徴とする位置検出装置。

請求項2

前記切り替え回路は、前記第1の信号および前記第3の信号の出力と、前記第2の信号および前記第4の信号の出力とを交互に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。

請求項3

前記制御手段は、前記第1の信号および前記第2の信号に基づいて第5の信号を取得し、前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号に基づいて第6の信号を取得し、前記第3の信号および前記第4の信号に基づいて第7の信号を取得し、前記第5の信号、前記第6の信号、および、前記第7の信号に基づいて前記絶対位置情報を取得する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の位置検出装置。

請求項4

前記第1のパターンは、前記被測定物の移動方向において第1の周期を有し、前記第2のパターンは、前記移動方向において前記第1の周期と異なる第2の周期を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の位置検出装置。

請求項5

前記スケールは、前記センサユニットに含まれる光源からの光を反射する反射スケールまたは該光を透過する透過スケールであ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。

請求項6

前記第2のパターンは、前記被測定物の移動方向において、前記光源からの光の反射光量または透過光量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の位置検出装置。

請求項7

前記第2のパターンは、前記移動方向において、パターン面積が異なるように構成されていることを特徴とする請求項6に記載の位置検出装置。

請求項8

前記制御手段は、前記A/D変換後の前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号のそれぞれのオフセット電圧および振幅電圧補正する補正手段を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の位置検出装置。

請求項9

前記補正手段は、更に、前記A/D変換後の前記第3の信号および前記第4の信号の位相ずれ量を補正することを特徴とする請求項8に記載の位置検出装置。

請求項10

前記位置検出装置は、前記被測定物の前記絶対位置情報および相対位置情報を取得可能に構成されており、前記切り替え回路は、前記絶対位置情報を取得する場合、前記第1の信号および前記第3の信号、または、前記第2の信号および前記第4の信号を同時に選択して前記A/Dコンバータに出力し、前記相対位置情報を取得する場合、前記第1の信号および前記第2の信号を選択して前記A/Dコンバータに出力する、ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の位置検出装置。

請求項11

前記制御手段は、前記第1の信号および前記第2の信号に基づいて前記相対位置情報を取得することを特徴とする請求項10に記載の位置検出装置。

請求項12

前記切り替え回路は、前記制御手段からの指令に基づいて、前記被測定物の前記絶対位置情報を取得する動作と前記相対位置情報を取得する動作とを切り替えることを特徴とする請求項10または11に記載の位置検出装置。

請求項13

光軸方向に移動可能なレンズと、前記レンズの位置を検出するように構成された、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とするレンズ装置

請求項14

請求項13に記載のレンズ装置と、前記レンズを介して得られた光学像光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置と、を有することを特徴とする撮像ステム

請求項15

ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とする工作装置

請求項16

被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、周期的に形成された第1のパターンおよび第2のパターンを有するスケールに対して相対移動可能に構成されたセンサユニットを用いて、該第1のパターンから第1の信号および第2の信号を取得し、該第2のパターンから第3の信号および第4の信号を取得するステップと、前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号のうち、該第1の信号および該第3の信号、または、該第2の信号および該第4の信号を選択的に出力するステップと、前記第1の信号および前記第3の信号のA/D変換を同時に行うステップと、前記第2の信号および前記第4の信号のA/D変換を同時に行うステップと、A/D変換後の前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得するステップと、を有することを特徴とする位置検出方法。

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装置に関する。

背景技術

0002

従来から、位置検出装置として、被測定物の相対位置を検出する相対位置検出装置インクリメンタルエンコーダ)および絶対位置を検出する絶対位置検出装置アブソリュートエンコーダ)が知られている。

0003

特許文献1には、絶対位置情報を取得するためのM系列アブソリュートトラック、第1のインクリメンタルトラック、および、第2のインクリメンタルトラックの合計3つのトラックで構成されたアブソリュートエンコーダが開示されている。第1のインクリメンタルトラックと第2のインクリメンタルトラックの周期は、互いに僅かに異なっている。これら2つの周期の位相差演算することにより、バーニア信号が取得される。また、バーニア信号とM系列のアブソリュートトラックの信号とを合成することにより、絶対位置情報が取得される。

先行技術

0004

特開2009−002702号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、特許文献1は、アナログデジタル変換回路(A/Dコンバータ)による信号出力の検出時間のずれを考慮していないため、高精度な絶対位置情報を取得するのは困難である。一方、絶対位置情報を取得するために必要な複数の信号の全てを同時に取り込み可能なA/Dコンバータは、高価である。

0006

そこで本発明は、安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置、レンズ装置撮像ステム工作装置、および、位置検出方法を提供する。

課題を解決するための手段

0007

本発明の一側面としての位置検出装置は、被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、周期的に形成された第1のパターンおよび第2のパターンを有するスケールと、前記スケールに対して相対移動可能に構成され、前記第1のパターンから得られた第1の信号および第2の信号と前記第2のパターンから得られた第3の信号および第4の信号とを出力するセンサユニットと、前記センサユニットから出力された前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号のうち、該第1の信号および該第3の信号、または、該第2の信号および該第4の信号を選択的に出力する切り替え回路と、前記切り替え回路から出力された前記第1の信号および前記第3の信号のA/D変換を同時に行い、該切り替え回路から出力された前記第2の信号および前記第4の信号のA/D変換を同時に行うA/Dコンバータと、前記A/DコンバータによるA/D変換後の前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段とを有する。

0008

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に移動可能なレンズと、前記レンズの位置を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

0009

本発明の他の側面としての撮像システムは、前記レンズ装置と、前記レンズを介して得られた光学像光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置とを有する。

0010

本発明の他の側面としての工作装置は、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

0011

本発明の他の側面としての位置検出方法は、被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、周期的に形成された第1のパターンおよび第2のパターンを有するスケールに対して相対移動可能に構成されたセンサユニットを用いて、該第1のパターンから第1の信号および第2の信号を取得し、該第2のパターンから第3の信号および第4の信号を取得するステップと、前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号のうち、該第1の信号および該第3の信号、または、該第2の信号および該第4の信号を選択的に出力するステップと、前記第1の信号および前記第3の信号のA/D変換を同時に行うステップと、前記第2の信号および前記第4の信号のA/D変換を同時に行うステップと、A/D変換後の前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号、および、前記第4の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得するステップとを有する。

0012

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。

発明の効果

0013

本発明によれば、安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、および、位置検出方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0014

実施例1における位置検出装置のブロック図である。
実施例1におけるエンコーダの構成図である。
実施例1におけるスケールの構成図である。
実施例1におけるセンサの構成図である。
実施例1における切り替え回路の動作を示すフローチャートである。
実施例1におけるレンズCPUのブロック図である。
実施例1における第1の補正部による信号補正方法の説明図である。
実施例1における相対位置検出方法の説明図である。
実施例1における第2の補正部による信号補正方法の説明図である。
実施例1における中位信号の演算方法の説明図である。
実施例1における上位信号の演算方法の説明図である。
実施例1における絶対位置検出方法の説明図である。
実施例1におけるA/Dコンバータの同時取り込み信号と中位信号の精度との関係図である。
実施例2における撮像システムの概略構成図である。

0015

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。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

0016

まず、図1を参照して、本発明の実施例1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のブロック図である。位置検出装置100はレンズ装置(レンズ鏡筒)に適用され、レンズ装置に含まれるレンズ101(被測定物)の位置を検出するように構成されているが、本実施例はこれに限定されるものではない。

0017

位置検出装置100は、検出されたレンズ101の位置情報の種類に応じて、A/Dコンバータ106(2chA/D)に入力する信号(エンコーダ信号)を切り替えて使用するように構成される。被測定物であるレンズ101には、超音波モータボイスコイルモータなどのアクチュエータ102、および、エンコーダ103が取り付けられている。

0018

本実施例において、エンコーダ103は、A1相、B1相、A2相、B2相の4つの信号(エンコーダ信号)を出力する。エンコーダ103から出力された4つの信号は、切り替え回路104(切り替え部)に入力される。切り替え回路104は、レンズCPU105(制御手段)からの信号(指令)に基づいて、A/Dコンバータ106に入力される信号(エンコーダ信号)を切り替える。例えば、切り替え回路104は、レンズCPU105からの指令に基づいて、被測定物の絶対位置情報を取得する動作と相対位置情報を取得する動作とを切り替える。本実施例において、切り替え回路104は、4つの信号から2つの信号の組み合わせ(A1相とB1相、A1相とA2相、または、B1相とB2相)を選択し、選択された2組の信号をA/Dコンバータ106に出力する。

0019

レンズCPU105は、A/Dコンバータ106から出力信号を用いて所定の演算を行い、被測定物であるレンズ101の位置検出を行う。レンズCPU105は、レンズ101の検出位置(位置検出結果)に基づいてドライバ107(駆動回路)を制御し、アクチュエータ102を駆動する。このような構成により、レンズCPU105は、レンズ101を現在位置から目標位置に移動させることができる。

0020

次に、図2乃至図4を参照して、エンコーダ103の構成について説明する。図2は、エンコーダ103の構成図であり、エンコーダ103を検出軸方向(X方向)から見た断面を示している。エンコーダ103は、スケール201(反射スケール)およびセンサ202(センサユニット)を備えて構成されている。スケール201には、第1のトラック301および第2のトラック302が設けられている。センサ202は、スケール201に対向するように配置されており、スケール201に対して相対移動可能に構成されている。センサ202は、LEDチップを備えた光源203、および、2つの受光素子204、205を有する。受光素子204、205は、フォトダイオードアレイを備えた受光部206、207、および、後述の信号処理回路を内蔵したフォトICチップ半導体素子)である。なお本実施例において、受光素子204、205は、互いに同一または別々の構成のいずれでもよい。また本実施例において、スケール201は反射スケールであるが、透過スケールであってもよい。反射スケールを用いる場合にはセンサ202は光の反射光量を検出し、透過スケールを用いる場合にはセンサ202は光の透過光量を検出する。

0021

図3は、スケール201の構成図であり、図3(a)はスケール201(スリットパターン)の全体平面図、図3(b)はスケール201の一部の拡大平面図をそれぞれ示している。スケール201には、第1のトラック301および第2のトラック302が設けられている。第1のトラック301には第1のパターン303が周期的に形成され、第2のトラック302には第2のパターン304が周期的に形成されている。

0022

第1のパターン303の第1の周期305、および、第2のパターン304の第2の周期306(移動方向における周期)は、互いに僅かに異なっている。すなわちスケール201は、等ピッチで形成された第1のパターン303および等ピッチで形成された第2のパターン304の全体のスリット数が互いに異なるように構成されている。

0023

また第2のトラック302は、第2のパターン304(各々の反射パターン)の面積がスケール201の測長方向(X方向)に沿って変化するように構成されている。例えば図3(b)に示されるように、第2のパターン304は、互いに面積の異なる複数のパターン304a、304b、304cを備えて構成される。パターン304a、304b、304cの順に、パターン面積は小さくなっていく。なお本実施例では、第2のパターン304の分割数(Y方向における分割数)を変化させることにより、第2のパターン304の面積(パターン面積)を変化させているが、これに限定されるものではない。例えば、第2のパターン304の反射率(または透過率)をX方向(移動方向)において変更するように構成し、X方向において反射光量(または透過光量)を変化させてもよい。

0024

図4は、センサ202の構成図(平面図)である。光源203の近傍には、(光源203を挟み込むように)受光素子204、205が配置されている。受光素子204は、光源203の近傍に配置された受光部206および信号処理回路401を備えている。受光素子205は、光源203の近傍に配置された受光部207および信号処理回路402を備えている。受光部206には、水平方向(X方向)に16個のフォトダイオードPDが等間隔に配列されている。

0025

受光素子204(受光部206)において、図4中の左端から1、5、9、13番目のフォトダイオードPDは電気的に接続されており、この組をa相のフォトダイオード群とする。また、左端から2、6、10、14番目の組をb相、以下同様にしてc相、d相とする。a相、b相、c相、d相の各フォトダイオード群は、受光した光量に応じた光電流を出力する。a相、b相、c相、d相の各フォトダイオード群は、a相を基準として、b相は90度、c相は180度、d相は270度の位相関係を有して変化する電流が出力される。

0026

受光素子204の信号処理回路401は、各フォトダイオード群から出力された電流を電流電圧変換器電圧に変換する。そして、信号処理回路401(差動増幅回路)は、a相とc相との差動成分、および、b相とd相の差動成分を求め、90度位相のずれた変位信号であるA1相信号(第1の信号)およびB1相信号(第2の信号)を出力する。受光素子205も受光素子204と同じ構成であり、90度位相のずれた変位信号であるA2相信号(第3の信号)およびB2相信号(第4の信号)を出力する。

0027

ここで、A1相信号およびB1相信号は、第1のパターン303からの反射光に基づいて生成される。また、A2相信号およびB2相信号は、第2のパターン304からの反射光に基づいて生成される。このため、A1相、B1相信号とA2相、B2相信号との信号周期(第1の周期305、第2の周期306)は、互いに僅かに異なっている。また、第2のパターン304は、パターン面積がスケール201の移動方向(X方向)に応じて変化するように構成されている。このため、A2相、B2相信号の振幅は、スケール201のX方向の位置に応じて変化する。

0028

このように本実施例において、センサ202は、第1のパターン303から得られた第1の信号(A1相信号)および第2の信号(B1相信号)と、第2のパターン304から得られた第3の信号(A2相信号)および第4の信号(B2相信号)とを出力する。

0029

次に、図5を参照して、切り替え回路104(切り替え部)の動作について説明する。図5は、切り替え回路104の動作を示すフローチャートである。切り替え回路104は、レンズCPU105からの信号(指令)に基づいて、A/Dコンバータ106に出力する信号(すなわちA/Dコンバータ106による変換の対象となる信号)を切り替える。このように図5の各ステップは、レンズCPU105の指令に基づいて、切り替え回路104により実行される。

0030

まずステップS501において、切り替え回路104は、レンズCPU105からの信号(指令)を受け取り、その信号処理を行う。そしてステップS502において、切り替え回路104は、ステップS501にてレンズCPU105から受け取った信号が相対位置検出を示す信号であるか否かを判定する。レンズCPU105からの信号が相対位置検出を示す信号である場合、ステップS503に進む。一方、レンズCPU105からの信号が相対位置検出を示す信号でない場合、すなわち絶対位置検出を示す信号である場合、ステップS504に進む。

0031

相対位置検出の場合(相対位置情報を取得する場合)、ステップS503において、切り替え回路104は、A/Dコンバータ106がA1相、B1相信号の2つの信号を読み込むように設定する。すなわち切り替え回路104は、A/Dコンバータ106に対してA1相、B1相信号を出力する。

0032

一方、絶対位置検出の場合(絶対位置情報を取得する場合)、ステップS504において、切り替え回路104は、A/Dコンバータ106がA1相、A2相信号の2つの信号を読み込むように設定する。すなわち切り替え回路104は、A/Dコンバータ106に対してA1相、A2相信号を出力する。続いてステップS505において、切り替え回路104は、A/Dコンバータ106が信号の読み込みを完了するまで待機する。続いてステップS506において、切り替え回路104は、A/Dコンバータ106がB1相、B2相信号の2つの信号を読み込むように設定する。すなわち切り替え回路104は、A/Dコンバータ106に対してB1相、B2相信号を出力する。

0033

このように本実施例では、レンズCPU105から入力された信号(指令)が相対位置検出を示す信号である場合、切り替え回路104は、A/Dコンバータ106に入力される信号がA1相、B1相信号になるように設定する(切り替える)。すなわち相対位置情報を取得する場合、切り替え回路104は、A1相信号およびB1相信号を選択してA/Dコンバータ106に出力する。

0034

一方、レンズCPU105から入力された信号(指令)が絶対位置検出を示す信号である場合、切り替え回路104は、まず、A/Dコンバータ106に入力される信号がA1相、A2-相信号になるように設定する。続いて、切り替え回路104は、A/Dコンバータ106に入力される信号がB1相、B2相信号になるように設定する。すなわち切り替え回路104は、センサ202から出力されたA1相信号、B1相信号、A2相信号、および、B2相信号のうち、A1相信号およびA2相信号、または、B1相信号およびB2相信号を選択的に出力する。そしてA/Dコンバータ106は、切り替え回路104から出力されたA1相信号およびA2相信号のA/D変換を同時に行い、また、切り替え回路104から出力されたB1相信号およびB2相信号のA/D変換を同時に行う。このように切り替え回路104は、A1相信号およびA2相信号の出力と、B1相信号およびB2相信号の出力とを交互に切り替える。

0035

本実施例において、相対位置を検出する際に、A1相、B1相信号のみをA/Dコンバータ106に出力してA/D変換を行うのは、A1相、B1相信号に基づいて相対位置が求められるためである。すなわちレンズCPU105は、A1相信号およびB1相信号に基づいて相対位置情報を取得する。一方、絶対位置を検出する際に、先にA1相、A2相信号をA/D変換し、次にB1相、B2相信号をA/D変換するのは、後述する中位信号の精度を保つためである。この詳細については後述する。

0036

次に、図6乃至図8を参照して、レンズCPU105による相対位置の検出方法について説明する。図6は、レンズCPU105により実行される信号処理のブロック図である。図7は、レンズCPU105の第1の補正部601により実行される信号補正方法の説明図である。図7(a)は補正前の振幅(Amplitude)と位置(Position)との関係を示し、図7(b)は補正後の振幅と位置との関係を示している。図8は、相対位置検出方法の説明図である。図8(a)は、Arctan演算部602により得られた角度(Degree)と位置(Position)との関係を示す。図8(b)は、Arctan演算部602により求められた信号の切り替わりつなぎ合わせて生成された信号(角度と位置との関係)を示す。

0037

図6において、A/Dコンバータ106から出力されたA1相、B1相信号(第1のトラック301からの出力信号)は、レンズCPU105の第1の補正部601に出力される。第1のトラック301から得られたA1相、B1相信号には、図7(a)に示されるように、互いに異なるオフセット電圧(A1相オフセット、B1相オフセット)または信号振幅(A1相振幅、B1相振幅)が含まれる場合がある。このようなオフセット電圧や信号振幅のまま位置検出演算を行うと、位置検出の誤差要因となる。このため、A1相、B1相信号のそれぞれに対して信号補正オフセット補正振幅補正)を行う必要がある。

0038

そこでまず、各信号のオフセット電圧の補正方法オフセット補正方法)について説明する。以下の説明では、受光素子204、205として同じ特性を有する素子を用い、受光素子204、205のフォトダイオードの間隔が第1の周期305の2倍に設定されれている場合について説明する。

0039

A1相信号およびB1相信号は、以下の式(1)、(2)でそれぞれ表わされる。

0040

A1相信号:a1×COSθ+s1 …(1)
B1相信号:a2×SINθ+s2 …(2)
式(1)において、a1、s1は、それぞれ、A1相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。式(2)において、a2、s2は、それぞれ、B1相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。式(1)、(2)において、θは各信号の位相である。ここで、A1相信号の最大値はa1+s1、最小値はa1−s1、信号振幅はa1、平均値はs1である。同様に、B1相信号において、最大値はa2+s2、最小値はa2−s2、信号振幅はa2、平均値はs2である。これらの値を用いて、第1の補正部601は、以下の式(3)、(4)で表されるように、A1相信号およびB1相信号のオフセット電圧および信号振幅を補正し、補正A1相信号および補正B1相信号を求める。

0041

補正A1相信号:{(a1×COSθ+s1)−s1}×a2
=a1×a2×COSθ …(3)
補正B1相信号:{(a2×SINθ+s2)−s2}×a1
=a1×a2×SINθ …(4)
式(3)、(4)で表される演算を行うことにより、図7(b)に示されるように、A1相、B1相信号のそれぞれからオフセット電圧が取り除かれ、同一の信号振幅を有する補正A1相信号および補正B1相信号が得られる。

0042

第1の補正部601で得られた補正A1相信号および補正B1相信号は、Arctan演算部602に出力される。Arctan演算部602は、補正A1相信号および補正B1相信号を用いて、図8(a)に示されるように被測定物(レンズ101)の角度を求める。なお、Arctanの演算は、公知のCORDICアルゴリズムなどで実現可能である。

0043

Arctan演算部602により求められた信号は、相対位置演算部603、中位信号演算部606、および、絶対位置演算部608に出力される。相対位置演算部603は、Arctan演算部602により求められた信号の切り替わりをつなぎ合わせて、図8(b)に示されるように仮想的にリニアな信号を生成する。この信号は、相対位置の検出に用いられる。

0044

次に、図6および図9乃至図12を参照して、レンズCPU105による絶対位置の検出方法について説明する。図9は、レンズCPU105の第2の補正部604による信号補正方法の説明図である。図9(a)は補正前の振幅(Amplitude)と位置(Position)との関係を示し、図9(b)は補正後の振幅と位置との関係を示している。図9(c)は位相ずれ量の補正後の信号を示し、図9(d)は図9(c)の信号に対して振幅補正を行った後の信号を示している。図10は、中位信号の演算方法の説明図である。図10(a)は、Arctan演算部605により得られた角度(Degree)と位置(Position)との関係を示している。図10(b)は、バーニア処理により求められた中位信号を示している。図11は、上位信号の演算方法の説明図である。図12は、絶対位置検出方法の説明図である。

0045

図6において、A/Dコンバータ106から出力されたA2相、B2相信号(第2のトラック302からの出力信号)は、レンズCPU105の第2の補正部604に出力される。第2のトラック302から得られたA2相、B2相信号には、A1相、B1相信号と同様に、図9(a)に示されるように互いに異なるオフセット電圧(A2相オフセット、B2相オフセット)または信号振幅(A2相振幅、B2相振幅)が含まれる場合がある。また、図3に示されるように、第1の周期305と第2の周期306は、後述するバーニア信号を取得するため、互いに僅かに異なるように構成されている。このため、受光素子205のフォトダイオード群の間隔は、第2の周期306の2倍とならず、第2のトラック302から得られるA2相、B2相信号は90度からずれた位相関係となる。

0046

このようなオフセット電圧や信号振幅、および、位相関係の状態で位置検出演算を行うと、位置検出の誤差要因となる。このため、A2相、B2相信号のそれぞれに対して信号補正(オフセット補正、振幅補正、位相ずれ補正)を行う必要となる。第2のトラック302から得られるA2相、B2相信号は、以下の式(5)、(6)でそれぞれ表わされる。

0047

A2相信号:b1×COSθ+t1 …(5)
B2相信号:b2×SIN(θ+α)+t2 …(6)
ここで、b1、t1は、それぞれ、A2相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。b2、t2は、それぞれ、B2相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。θは各信号の位相、αは位相ずれ量である。

0048

第2の補正部604は、まず、第1の補正部601と同様に、オフセット電圧および信号振幅の補正を行う。

0049

A2相信号(補正途中):{(b1×COSθ+t1)−t1}×b2
=b1×b2×COSθ …(7)
B2相信号(補正途中):{(b2×SIN(θ+α)+t2)−t2}×b1
=b1×b2×SIN(θ+α) …(8)
式(7)、(8)により、A2相、B2相信号のそれぞれからオフセット電圧が取り除かれ、互いに同一の信号振幅を有する補正A2相信号および補正B2相信号が得られる。図9(b)は、補正A2相、補正B2相信号を示している。ただし、このときの信号には、位相ずれ量αがまだ含まれている。

0050

続いて、式(7)、(8)を用いて、補正A2相、補正B2相信号に含まれる位相ずれ(位相差)を90度に補正する処理について説明する。式(7)、(8)の差を取ると、以下の式(9)が得られる。

0051

b1×b2×(SIN(θ+α)−COSθ)
=b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} …(9)
また、式(7)、(8)の和を取ると、以下の式(10)が得られる。

0052

b1×b2×(SIN(θ+α)+COSθ)
=b1×b2×2×COS{(α−90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} …(10)
このような演算により、位相ずれ量が補正され、式(9)、(10)により求められた信号の位相差は90度となる。この状態を図9(c)に示す。ここで、式(9)、(10)により求められた2つの信号の振幅は互いに異なるため、振幅の補正を行う。まず、式(9)に、式(10)の振幅の一部であるSIN{(α−90)/2}を乗じることにより、以下の式(11)が得られる。また、式(10)に式(9)の振幅の一部であるCOS{(α−90)/2}を乗ずることにより、以下の式(12)が得られる。

0053

b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{(α−90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} …(11)
b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{(α−90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} …(12)
これにより、振幅の補正が行われ、補正A2相信号および補正B2相信号が得られる。図9(d)は、振幅補正後の信号(補正A2相信号および補正B2相信号)を示している。

0054

補正A2相、補正B2相信号は、Arctan演算部605および上位信号演算部607に出力される。Arctan演算部605は、Arctan演算部602と同様の演算が行われ、図10(a)に示されるように、補正A2相、補正B2相信号を用いて角度が求められる。Arctan演算部605の出力信号は、Arctan演算部602の出力信号とともに、中位信号演算部606に入力される。中位信号演算部606は、公知のバーニア処理により中位信号(図10(b))を求める。すなわち中位信号演算部606は、Arctan演算部602の出力信号(図8(a))とArctan演算部605の出力信号(図10(a))とを用いて、中位信号を求める。

0055

上位信号演算部607は、第2の補正部604の出力信号を二乗平均することにより、図11に示される上位信号を求める。上位信号演算部607の出力信号(上位信号)は、前述の下位信号および中位信号とともに、絶対位置演算部608に入力される。絶対位置演算部608は、入力された上位信号、中位信号、および、下位信号の同期をとることにより、図12に示されるように、スケール201(レンズ101)の絶対位置情報を算出する。

0056

このように、レンズCPU105は、A/Dコンバータ106によるA/D変換後のA1相信号、B1相信号、A2相信号、および、B2相信号に基づいて、レンズ101(被測定物)の絶対位置情報を取得する。より具体的には、レンズCPU105(Arctan演算部602)は、A1相信号およびB1相信号に基づいて下位信号(第5の信号)を取得する。またレンズCPU105(中位信号演算部606)は、A1相信号、B1相信号、A2相信号、および、B2相信号に基づいてバーニア信号としての中位信号(第6の信号)を取得する。またレンズCPU105(上位信号演算部607)は、A2相信号およびB2相信号に基づいて上位信号(第7の信号)を取得する。そしてレンズCPU105(絶対位置演算部608)は、下位信号(第5の信号)、中位信号(第6の信号)、および、上位信号(第7の信号)に基づいて絶対位置情報を取得する。

0057

本実施例において、レンズCPU105(第1の補正部601、第2の補正部604)は、A/D変換後のA1相信号、B1相信号、A2相信号、および、B2相信号のそれぞれのオフセット電圧および振幅電圧を補正する補正手段である。また第2の補正部604(補正手段)は、A/D変換後のA2相信号およびB2相信号の位相ずれ量を補正する。

0058

続いて図13を参照して、絶対位置の検出の際に、最初にA1相、A2相信号に対してA/D変換を行う理由について説明する。図13は、A/Dコンバータ106による同時取り込み信号と中位信号の精度との関係図である。図13において、A1B1相と示されている信号は、A1相、B1相信号を同時に取り込んだ後にA2相、B2相信号を同時に取り込んでA/D変換を行うことにより得られた中位信号である。また、A1A2相と示されている信号は、A1相、A2相信号を同時に取り込んだ後にB1相、B2相信号を同時に取り込んでA/D変換を行うことにより得られた中位信号である。

0059

図13(a)は、スケール201の全体から得られる中位信号を示し、図13(b)は図13(a)の中位信号の一部の拡大図である。図13(b)に示されるように、A1A2相と示されている信号(A1相、A2相信号を同時に取り込んだ後にB1相、B2相信号を同時に取り込んで算出された中位信号)は、本来の中位信号の間隔(周期)である0.6mmと一致する間隔を有する。一方、A1B1相と示されている信号(A1相、B1相信号を同時に取り込んだ後にA2相、B2相信号を同時に取り込んで算出された中位信号)は、本来の中位信号の間隔(周期)である0.6mmからずれている。これは、A/Dコンバータ106の処理時間に起因するずれが生じているためである。このように中位信号の間隔(周期)が本来の値からずれると、絶対位置の検出精度が低下する。このため本実施例の位置検出装置は、A相同士(A1相、A2相信号の同時読み込み)およびB相同士(B1相、B2相信号の同時読み込み)をA/D変換して絶対位置を検出するように構成される。

0060

以上のとおり、本実施例の位置検出装置は、位置検出方法に応じて、すなわち相対位置検出または絶対位置検出のいずれかに応じて、A/Dコンバータにより同時に取り込む信号を切り替える。これにより、高精度かつ安価な位置検出が可能な位置検出装置を提供することができる。

0061

次に、図14を参照して、本発明の実施例2について説明する。図14は、本実施例における撮像システム20の概略構成図である。撮像システム20は、実施例1における位置検出装置100(エンコーダ103)をレンズ装置に搭載した撮像システムである。撮像システム20は、撮像装置20a(撮像装置本体)と、撮像装置20aに着脱可能なレンズ装置20b(エンコーダ103を備えたレンズ鏡筒)とで構成されている。ただし本実施例は、撮像装置とレンズ装置とが一体化して構成された撮像システムにも適用可能である。

0062

図14において、センサ202およびスケール201によりエンコーダが構成される。51はレンズユニットであり、レンズ101を備えている。55は撮像素子、50は円筒体である。レンズ101は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸OAの方向(光軸方向)であるY方向に移動可能である。レンズ101は、ズーム調整レンズなど、駆動されるレンズであればその他のレンズでもよい。本実施例における円筒体50は、レンズ101を駆動するアクチュエータ(図1中のアクチュエータ102)と連結されている。撮像素子55は、撮像装置20aに設けられており、レンズユニット51(レンズ101)を介して得られた光学像(被写体像)を光電変換する。

0063

本実施例のレンズ装置20bは、光軸方向に移動可能なレンズ101と、レンズ101の移動を検出するように構成されたエンコーダ103(位置検出装置100)とを有する。スケール201は、円筒体50に取り付けられている。このような構成において、エンコーダ103(位置検出装置100)は、円筒体50の光軸方向(Y方向)の周りにおける回転量(変位)を取得することで、レンズ101の光軸方向の移動(位置)を検出する。

0064

スケール201は、フィルム状基材上に格子パターンを形成して構成されたリニア型スケールである。スケール201は、円筒体50の回転方向に沿って円筒面に貼り付けられている。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、スケール201は、ドーナツ状の円盤面上に形成された放射状パターンを形成して構成されたロータリー型スケールであってもよい。この場合、スケール201とセンサ202とが光軸方向において互いに対向するように配置される。

0065

アクチュエータまたは手動により、円筒体50を、光軸OAを中心として回転させると、スケール201はセンサ202に対して相対的に移動する。スケール201の移動に伴い、レンズ101は、光軸方向であるY方向(矢印方向)に駆動される。そして、エンコーダ103のセンサ202から得られるレンズ101の移動(位置)に応じた信号は、レンズCPU105に出力される。レンズCPU105は、レンズ101を所望の位置へ移動するための駆動信号を生成する。レンズ101は、その駆動信号に基づいて駆動される。

0066

また、実施例1における位置検出装置は、レンズ装置や撮像装置以外の種々の装置にも適用可能である。例えば、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、工作機器の位置または姿勢を検出する位置検出装置とを有する工作装置を構成することができる。これにより、ロボットアームまたは搬送体の位置を高精度に検出して、高精度な加工が可能となる。

0067

各実施例によれば、安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、および、位置検出方法を提供することができる。

0068

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

0069

例えば、上記各実施例の位置検出装置は、相対位置情報および絶対位置情報を取得可能に構成されているが、これに限定されるものではない。各実施例は、絶対位置情報のみを取得可能に構成された位置検出装置にも適用可能である。このとき切り替え回路は、A1相信号およびA2相信号、または、B1相信号およびB2相信号を選択的に切り替えてA/Dコンバータに出力するように構成されていればよい。

実施例

0070

また各実施例では、位置検出装置として光学式エンコーダを用いているが、これに限定されるものではない。位置検出装置として、磁気式エンコーダ静電容量式エンコーダなどを用いても、同様な効果を得ることができる。磁気式エンコーダの場合、スケール201(パターン)に磁性体を用い、磁性の極性分布を本実施例のスケール201の反射パターンと同様の形状で形成する。そして、このスケールに近接してアレイ状に並べた磁界検出素子を用いて位置を検出する。また、静電容量式エンコーダの場合、本実施例のスケール201の反射パターンと同様の形状に導電性電極パターンを形成し、別のアレイ状の電極パターンを近接対向させて位置を検出する。

0071

100位置検出装置
101レンズ
104切り替え回路
105 レンズCPU
106 A/Dコンバータ
201スケール
202センサ
303 第1のパターン
304 第2のパターン

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ