JP2007047502A - Optical system driving unit and driving method for piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学系駆動装置に関するものであって、例えば、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話等のカメラにおける光学系の駆動源として圧電素子を用いた、圧電アクチュエータ方式の光学系駆動装置に関するものである。 The present invention relates to an optical system driving device, for example, to a piezoelectric actuator type optical system driving device using a piezoelectric element as a driving source of an optical system in a camera such as a digital camera or a camera-equipped mobile phone. is there.
圧電素子は電圧を印加すると伸縮し、しかも可逆性であることから、微細位置決め精度が要求される光学系駆動装置への利用が試みられている。 Since the piezoelectric element expands and contracts when a voltage is applied and is reversible, attempts have been made to use it in an optical system driving device that requires fine positioning accuracy.
しかし、圧電素子は、ヒステリシス特性を有していることが一般に知られている。図5は、圧電素子のヒステリシス特性の一例を示すグラフである。この図5のグラフの横軸は圧電素子に印加する電圧Vを示し、縦軸は圧電素子の変位量Xを示している。 However, it is generally known that piezoelectric elements have hysteresis characteristics. FIG. 5 is a graph showing an example of hysteresis characteristics of the piezoelectric element. The horizontal axis of the graph of FIG. 5 indicates the voltage V applied to the piezoelectric element, and the vertical axis indicates the displacement amount X of the piezoelectric element.
図5に示すように、例えば、電圧値がV=0の始状態OからV=V1になるように、未分極の圧電素子に対する印加電圧を増加させると、上記圧電素子は、図中の破線Sに沿って原点Oから点Bまで変化する。つづいて、圧電素子の印加電圧をV=0まで下げると、上記圧電素子は図5に示すように、図中の上側曲線Qに沿って点Bから点Aまで変化する。このとき印加電圧をV=0にしたにも関わらず圧電素子には残留変位量Xaが残ることとなる。 As shown in FIG. 5, for example, when the voltage applied to the unpolarized piezoelectric element is increased so that the voltage value changes from the initial state O of V = 0 to V = V1, the piezoelectric element becomes a broken line in the figure. It changes from origin O to point B along S. Subsequently, when the applied voltage of the piezoelectric element is lowered to V = 0, the piezoelectric element changes from point B to point A along the upper curve Q in the figure as shown in FIG. At this time, although the applied voltage is set to V = 0, the residual displacement amount Xa remains in the piezoelectric element.
さらに、この状態から、再び圧電素子の印加電圧をV=0からV=V1まで上昇させると、圧電素子は図中の下側曲線Pに沿って点Aから点Bまで変化することになる。その後、図中の下側曲線P上の点Cの状態から印加電圧VをV=0にまで下げると、上記圧電素子は曲線Rに沿って点Cから点Aまで変化する。また、圧電素子にV2の電圧を印加する場合も、例えば、点Aの状態に対応する電圧0からV2まで印加電圧Vを上昇させた場合には、圧電素子の変位量はXaからX1に変わる。また、点CからV2まで印加電圧Vを下降させた場合には、圧電素子の変位量はX2となり、点BからV2まで印加電圧Vを下降させた場合には、圧電素子の変位量はX3となる。
Furthermore, when the applied voltage of the piezoelectric element is increased again from V = 0 to V = V1 from this state, the piezoelectric element changes from point A to point B along the lower curve P in the figure. Thereafter, when the applied voltage V is lowered to V = 0 from the state of the point C on the lower curve P in the drawing, the piezoelectric element changes from the point C to the point A along the curve R. Further, when the voltage V2 is applied to the piezoelectric element, for example, when the applied voltage V is increased from the
このように、圧電素子のヒステリシス特性は、圧電素子の変位量Xと圧電素子に印加する印加電圧Vとの関係が1対1に対応せず、それ以前の状態(電圧を印加する直前の状態)によって圧電素子の変位量Xが異なるため、圧電素子を用いた精密な制御を妨げている。 As described above, the hysteresis characteristic of the piezoelectric element is such that the relationship between the displacement amount X of the piezoelectric element and the applied voltage V applied to the piezoelectric element does not correspond one-to-one, and the previous state (the state immediately before the voltage is applied). ) Differs in the displacement amount X of the piezoelectric element, which prevents precise control using the piezoelectric element.
このような圧電素子のヒステリシス特性の影響を避けて、正確に圧電素子を変位させる方法が特許文献1に開示されている。上記特許文献1は、フィードバック制御方式を用いた手振れ補正機能付きカメラの屈曲光学系駆動装置に関するものである。具体的には、位置決め対象となる制御物体に位置検出センサを取り付けることによって、制御物体の現在位置を検出する。次に、制御物体の現在位置と目標位置との間の誤差を検出する。そして、検出された誤差に基づいて、圧電素子を目標位置まで駆動させる。これにより、圧電素子を正確に変位させることができる。
A method of accurately displacing the piezoelectric element while avoiding the influence of the hysteresis characteristics of the piezoelectric element is disclosed in
また、特許文献2には、フォーカス用レンズ駆動に圧電素子を用いて正確に停止させる光学系駆動方法の一例が開示されている。具体的には、圧電素子に、ある電圧を印加する場合に、常に圧電素子の印加電圧をヒステリシス曲線に沿って一旦上昇させた後、印加電圧を初期値に戻す。次に、戻した初期値から再び目的とする電圧まで印加電圧を上昇させる。これにより、ヒステリシスループの下側曲線によって、圧電素子の変位量を決めることができる。
ところが、上記従来の構成では、以下の問題点が生じる。 However, the above-described conventional configuration has the following problems.
具体的には、上記特許文献1に開示されている位置検出センサを用いたフィードバック方式の光学系駆動装置では、位置検出センサを配置するためのスペースが必要となる。これにより、光学系駆動装置の大型化という問題が生ずる。また、専用のフィードバック制御回路を要することにより、コストアップという問題が生ずる。
Specifically, in the feedback-type optical system driving device using the position detection sensor disclosed in
また、特許文献2に開示された光学系駆動方法では、圧電素子の変位量を変化させるたびに、ヒステリシスループの1周相当の変位量の変化を終えた後に、目標位置に位置決めされる。そのため、目標位置が時間経過と共に動的に変化するような追従応答性が要求されるサーボ系には利用できないという問題が生ずる。
Further, in the optical system driving method disclosed in
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、位置検出センサを必要としないオープン制御で、圧電素子のヒステリシスの影響を低減して、追従応答性の高い光学系駆動装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to perform an open control that does not require a position detection sensor, reduce the influence of hysteresis of the piezoelectric element, and drive an optical system with high tracking response. To provide an apparatus.
本発明に係る光学系駆動装置は、電圧を印加することにより歪を生じる圧電素子を備え、当該圧電素子によって光学エレメントを駆動する光学系駆動装置であって、上記圧電素子と上記光学エレメントとからなる光学機構系の機械的共振周波数よりも高く、かつ、上記圧電素子の固有振動数よりも低い周波数である高周波電圧を、上記光学エレメントを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に重畳させて、上記圧電素子に対して印加する電圧印加手段を備えることを特徴としている。 An optical system driving apparatus according to the present invention is an optical system driving apparatus that includes a piezoelectric element that generates distortion upon application of a voltage, and drives the optical element by the piezoelectric element, and includes the piezoelectric element and the optical element. A high frequency voltage that is higher than the mechanical resonance frequency of the optical mechanism system and lower than the natural frequency of the piezoelectric element is superimposed on a DC voltage applied to drive the optical element to a predetermined position. And a voltage applying means for applying the voltage to the piezoelectric element.
また、本発明に係る圧電素子の駆動方法は、上記圧電素子と上記光学エレメントとからなる光学機構系の機械的共振周波数よりも高く、かつ、上記圧電素子の固有振動数よりも低い周波数である高周波電圧を、上記光学エレメントを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に重畳させて、上記圧電素子に対して印加する電圧印加手段を備えることを特徴としている。 The piezoelectric element driving method according to the present invention has a frequency higher than a mechanical resonance frequency of an optical mechanism system including the piezoelectric element and the optical element and lower than a natural frequency of the piezoelectric element. Voltage applying means for applying the high frequency voltage to the piezoelectric element by superimposing the high frequency voltage on a DC voltage applied to drive the optical element to a predetermined position is provided.
上記光学エレメントとは、例えば、レンズ、ミラーおよびプリズム等の少なくとも1つを含む光学系部品を示している。換言すると、上記光学エレメントは、光を、屈折、反射、分離、偏光、集光の少なくとも1つの現象を起こさせるものである。 The optical element indicates an optical system component including at least one of a lens, a mirror, a prism, and the like, for example. In other words, the optical element causes at least one phenomenon of light refraction, reflection, separation, polarization, and light collection.
また、上記光学機構系の機械的共振周波数は、上記「光学機構系」が1つの部材から構成されている場合にはその部材の固有振動数を示し、「光学機構系」が複数の部材から構成されている場合には、例えば、有限要素法等を用いた計算機シミュレーションにより算出される振動数である。 The mechanical resonance frequency of the optical mechanism system indicates the natural frequency of the optical mechanism system when the optical mechanism system is composed of one member, and the optical mechanism system includes a plurality of members. In the case where it is configured, for example, it is a frequency calculated by a computer simulation using a finite element method or the like.
上記の構成によれば、光学エレメントを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に、上記光学機構系の機械的共振周波数よりも大きくかつ圧電素子の固有振動数よりも低い範囲内の周波数を有する交流電圧を重畳させた電圧を、圧電素子に対して印加している。 According to the above configuration, the DC voltage applied to drive the optical element to a predetermined position is set to a frequency within a range higher than the mechanical resonance frequency of the optical mechanism system and lower than the natural frequency of the piezoelectric element. A voltage obtained by superimposing the alternating current voltage is applied to the piezoelectric element.
上記重畳させる高周波電圧の周波数が、光学機構系の機械的共振周波数以下である場合には、上記直流電圧に重畳させた高周波電圧に対して、上記圧電素子が追従して変位を発生させることになる。従って、圧電素子を所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に対して、線形に光学エレメントを駆動できなくなる。その結果、所望の位置に光学エレメントを移動(駆動)させることができない。 When the frequency of the superposed high frequency voltage is equal to or lower than the mechanical resonance frequency of the optical mechanism system, the piezoelectric element follows the high frequency voltage superposed on the direct current voltage to generate a displacement. Become. Accordingly, the optical element cannot be linearly driven with respect to a DC voltage applied to drive the piezoelectric element to a predetermined position. As a result, the optical element cannot be moved (driven) to a desired position.
また、上記重畳させる高周波電圧の周波数が、上記圧電素子の固有振動数以上の周波数である場合には、圧電素子には変位が発生しないこととなる。 Further, when the frequency of the superposed high frequency voltage is equal to or higher than the natural frequency of the piezoelectric element, no displacement occurs in the piezoelectric element.
従って、上記直流電圧に対して、光学機構系の機械的共振周波数よりも大きくかつ圧電素子の固有振動数よりも低い範囲内の周波数を有する高周波電圧(交流電圧)を重畳させることにより、圧電素子のヒステリシス特性の影響を低減させることができるので、光学エレメントを線形に駆動させることができる。 Therefore, by superimposing a high frequency voltage (AC voltage) having a frequency within a range higher than the mechanical resonance frequency of the optical mechanism system and lower than the natural frequency of the piezoelectric element on the DC voltage, the piezoelectric element Since the influence of the hysteresis characteristic can be reduced, the optical element can be driven linearly.
本発明に係る光学系駆動装置は、上記高周波電圧の周波数が可聴周波数以上である構成であってもよい。 The optical system driving apparatus according to the present invention may be configured such that the frequency of the high-frequency voltage is equal to or higher than the audible frequency.
また、本発明に係る圧電素子の駆動方法は、上記高周波電圧の周波数が可聴周波数以上である構成であってもよい。 The piezoelectric element driving method according to the present invention may be configured such that the frequency of the high-frequency voltage is equal to or higher than an audible frequency.
上記の構成によれば、圧電素子に印加する高周波電圧の周波数を可聴周波数以上に設定している。従って、可聴周波数以上とすることで、人には聞こえないので、光学エレメントを駆動させる際に耳ざわりな騒音を発生させることがない。 According to said structure, the frequency of the high frequency voltage applied to a piezoelectric element is set more than the audible frequency. Accordingly, when the frequency is higher than the audible frequency, it cannot be heard by a person, so that no audible noise is generated when the optical element is driven.
本発明に係る光学系駆動装置は、上記光学エレメントの位置を固定するために上記直流電圧を上記圧電素子に印加している場合には、上記高周波電圧の重畳印加を行わないように上記電圧印加手段を制御する制御手段を備えている構成であってもよい。 In the optical system driving device according to the present invention, when the DC voltage is applied to the piezoelectric element in order to fix the position of the optical element, the voltage application is performed so as not to superimpose the high-frequency voltage. The structure provided with the control means which controls a means may be sufficient.
また、本発明に係る圧電素子の駆動方法は、上記光学エレメントの位置を固定するために上記直流電圧を上記圧電素子に印加している場合には、上記高周波電圧の重畳印加を行わないように上記電圧印加手段を制御する制御手段を備えている構成であってもよい。 In the piezoelectric element driving method according to the present invention, when the DC voltage is applied to the piezoelectric element in order to fix the position of the optical element, the high frequency voltage is not superimposed. The structure provided with the control means which controls the said voltage application means may be sufficient.
高周波電圧は、光学エレメントを駆動させる際に、当該光学エレメントを線形に駆動させる目的で印加させており、光学エレメントの位置を固定する場合には、高周波電圧を印加する必要はない。 When the optical element is driven, the high-frequency voltage is applied for the purpose of linearly driving the optical element. When the position of the optical element is fixed, it is not necessary to apply the high-frequency voltage.
上記の構成によれば、上記光学エレメントの位置を固定するために、圧電素子に対して直流電圧を印加している場合には、上記高周波電圧を印加しないように制御している。換言すれば、上記構成とすることにより、光学エレメントを駆動させる場合にのみ、高周波電圧を印加している。これにより、不要な高周波電圧の印加を行わないため、光学系駆動装置の消費電力を低減させることができる。 According to said structure, in order to fix the position of the said optical element, when applying DC voltage with respect to a piezoelectric element, it controls so that the said high frequency voltage is not applied. In other words, with the above configuration, the high frequency voltage is applied only when the optical element is driven. Thereby, since an unnecessary high frequency voltage is not applied, the power consumption of the optical system driving device can be reduced.
従って、本発明にかかる光学系駆動装置は、上記光学エレメントを駆動させるために、当該光学エレメントに対して直流電圧を上記圧電素子に印加する以外の場合には、上記高周波電圧の重畳印加を行わないように上記電圧印加手段を制御する制御手段を備えている構成であってもよい。 Therefore, in order to drive the optical element, the optical system driving device according to the present invention performs the superimposed application of the high-frequency voltage in cases other than applying a DC voltage to the piezoelectric element. It may be configured to include a control means for controlling the voltage application means so as not to exist.
本発明に係る光学系駆動装置は、電圧を印加することにより歪を生じる圧電素子を備え、当該圧電素子によって光学エレメントを駆動する光学系駆動装置であって、
上記圧電素子と上記光学エレメントとからなる光学機構系の機械的共振周波数よりも高く、かつ、上記圧電素子の固有振動数よりも低い周波数である高周波電圧を、上記光学エレメントを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に重畳させて、上記圧電素子に対して印加する電圧印加手段を備えた構成である。
An optical system driving apparatus according to the present invention is an optical system driving apparatus that includes a piezoelectric element that generates distortion by applying a voltage, and drives the optical element by the piezoelectric element,
A high-frequency voltage that is higher than the mechanical resonance frequency of the optical mechanism system including the piezoelectric element and the optical element and lower than the natural frequency of the piezoelectric element is driven to the predetermined position. For this purpose, voltage applying means for applying the voltage to the piezoelectric element is superimposed on the DC voltage to be applied.
それゆえ、圧電素子のヒステリシス特性を低減させることができるので、光学エレメントを線形に駆動させることができる。これにより、位置検出センサを必要としないオープン制御で、圧電素子のヒステリシスの影響を低減して、追従応答性の高い光学系駆動装置を提供することができる。 Therefore, since the hysteresis characteristic of the piezoelectric element can be reduced, the optical element can be driven linearly. As a result, it is possible to provide an optical system driving device with high follow-up response by reducing the influence of hysteresis of the piezoelectric element by open control that does not require a position detection sensor.
また、本発明に係る圧電素子の駆動方法は、上記圧電素子と上記光学エレメントとからなる光学機構系の機械的共振周波数よりも高く、かつ、上記圧電素子の固有振動数よりも低い周波数である高周波電圧を、上記光学エレメントを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に重畳させて、上記圧電素子に対して印加する電圧印加手段を備えた構成である。 The piezoelectric element driving method according to the present invention has a frequency higher than a mechanical resonance frequency of an optical mechanism system including the piezoelectric element and the optical element and lower than a natural frequency of the piezoelectric element. In this configuration, a high-frequency voltage is superimposed on a DC voltage applied to drive the optical element to a predetermined position, and applied to the piezoelectric element.
それゆえ、上記構成の圧電素子の駆動方法によれば、本発明の光学系駆動装置と同様の作用が実現されているので、本発明の光学系駆動装置と同様の作用効果を得ることができる。 Therefore, according to the driving method of the piezoelectric element configured as described above, the same operation as that of the optical system driving device of the present invention is realized, so that the same effect as that of the optical system driving device of the present invention can be obtained. .
本発明の一実施形態について図1〜図4に基づいて説明すると以下の通りである。また、本実施の形態では、光学系駆動装置として、屈曲光学系を備えた手振れ補正機能を有するカメラ本体に適用した例について説明するが、この他、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカムコーダなどの光学系合焦装置にも上記光学系駆動装置を適用することができる。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a camera body having a camera shake correction function including a bending optical system as an optical system driving device will be described. In addition, an optical system such as a digital still camera or a digital video camcorder is used. The optical system driving device can also be applied to the focusing device.
本実施形態におけるカメラ本体は、カメラユニット光学系を含み、当該カメラユニット光学系は、手振れ補正機能を有する光学系駆動装置を備えている。また、光学系駆動装置とは、光学機構系、つまり、ミラー等の光学エレメントを駆動させるための装置である。 The camera body in this embodiment includes a camera unit optical system, and the camera unit optical system includes an optical system driving device having a camera shake correction function. The optical system driving device is a device for driving an optical mechanism system, that is, an optical element such as a mirror.
図3は、本実施の形態にかかるカメラユニット光学系の概略構成を示す斜視図である。まず、カメラ本体に備えられるカメラユニット光学系100について図3を用いて以下に説明する。
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of the camera unit optical system according to the present embodiment. First, the camera unit
カメラユニット光学系100は、前玉レンズ21、反射部材22(光学エレメント、光学機構系)、撮像レンズ群23、撮像素子24、ブレ補正装置30(光学機構系、光学系駆動装置)を備えている。
The camera unit
上記前玉レンズ21は、被写体像の光線が入射されるレンズであり、入射された被写体像の光線を反射部材22に導くものである。
The
反射部材22は、前玉レンズ21から入射された被写体像の光線を反射し、撮像レンズ群23に導くものである。上記反射部材22としては、例えば、プリズム、反射ミラー等が挙げられる。なお、本実施の形態における反射部材22は、断面が直角二等辺三角形の三角柱形状であり、45度の斜面に入射する光線を、入射角と同じ角度で反射する。
The reflecting
撮像レンズ群23は、上記反射部材22によって反射された光線を撮像素子24に導くレンズの集合体である。
The
撮像素子24は、被写体像を光電変換して撮像するものである。つまり、撮像素子24は、画像データを取得するものである。上記撮像素子24としては、例えば、CCD(電荷結合素子)が挙げられる。
The
ブレ補正装置30は、撮像素子24に入光する光路を変化させる光路補正部材である。なお、ブレ補正装置30の詳細については後述する。
The
ここで、カメラユニット光学系100に入射する被写体像の光線が撮像素子24に入光する構成について以下に説明する。ここでは、カメラユニット光学系100に入射する被写体像の光線が撮像素子24の撮像面と平行な方向から入射する場合について説明する。
Here, a configuration in which the light beam of the subject image incident on the camera unit
図3に示すように、図中の光軸A方向(撮像素子24の撮像面と平行な方向)から上記カメラユニット光学系100に入射する被写体像の光線は、上記前玉レンズ21を通過し、プリズム等からなる反射部材22に到達する。次に、反射部材22で直角に反射された光線は、光軸B(撮像素子24の撮像面に対して直交する方向)に沿って配置された撮像レンズ群23を通過して、撮像素子24に到達する。そして、撮像素子24で集光され像が結ばれ、画像データが生成される。
As shown in FIG. 3, the light beam of the subject image incident on the camera unit
なお、カメラユニット光学系100に入射する被写体像の光線が撮像素子24の撮像面に対して平行でない方向から入射した場合においても、上記反射部材22の裏面に取り付けられているブレ補正装置30によって、上記前玉レンズ21から撮像素子24までの光路が調整され、当該撮像素子24には、ブレの低減された被写体像が入射することになる。
Even when the light beam of the subject image incident on the camera unit
このブレ補正装置30は、図中に示す光軸B周りの回転方向であるヨーイング方向と、光軸Aおよび光軸Bに直交する軸周りの回転方向であるピッチング方向との光軸ブレを補正するために設けられている。なお、上記ヨーイング方向とピッチング方向とは、互いに直交する方向である。
This
図4は、ブレ補正装置30の全体構成を示す分解斜視図である。ここで、ブレ補正装置30の構成について図4を用いて詳細に説明する。
FIG. 4 is an exploded perspective view showing the overall configuration of the
ブレ補正装置30は、反射部材ベース31、ブレ補正装置ベース33、圧電素子34a・34b(光学機構系)、圧電素子固定部材36を備えている。
The
反射部材ベース31は、反射部材22の背面、すなわち光線を反射する面とは反対側の面に接着固定されている。また、反射部材ベース31は、カメラ本体の筐体(図示せず)に移動可能な状態で固定されている。この反射部材ベース31には、中心部突起32、押圧部突起35a・35b、予圧部突起37a・37bが設けられている。
The
中心部突起32は、反射部材ベース31の略中央部に、反射部材ベース31が反射部材22に固定される面とは反対側の面から垂直方向に突出するように設けられている。また、中心部突起32の中心を通る、中心部突起32に平行する直線と、図3に示した光軸Aの中心を通る、光軸Aに平行な直線とが交差するように中心部突起32が設けられている。
The
押圧部突起35a・35bは、反射部材ベース31が反射部材22に固定される面とは反対側の面に突出して設けられている。また、それぞれの押圧部突起35a・35bと中心部突起32とを結ぶ直線が直角二等辺三角形をなし、当該中心部突起32が直角部に位置するようにそれぞれが配置されている。
The
ここで、押圧部突起35a・35bの位置について以下に詳述する。
Here, the positions of the
まず、反射部材22が、光軸Aに平行な直線と光軸Bに平行な直線とを有する平面と、反射部材22の反射面とが直交する状態、換言すると、光線がカメラ本体に対して直角に入射し、反射部材により直角に反射される状態にあると仮定する。このとき、押圧部突起35bが設けられている反射部材ベース31面上において、押圧部突起35bの中心点が光軸Aに対するピッチング方向の回転面上に位置するように、押圧部突起35bが設けられている。また、押圧部突起35aは、上述のように、中心部突起32の中心を直角部の頂点とした直角二等辺三角形において、押圧部突起35aと押圧部突起35bとが頂角に位置するように反射部材ベース31面上に設けられている。
First, the reflecting
予圧部突起37a・37bは、反射部材ベース31が反射部材22に固定される面とは反対側の面から垂直方向に突出するように設けられている。また、予圧部突起37aは、当該予圧部突起37aと押圧部突起35aとを通る直線上に中心部突起32が位置するように反射部材ベース31に設けられている。そして、予圧部突起37bは、当該予圧部突起37bと押圧部突起35bとを通る直線上に中心部突起32が位置するように反射部材ベース31に設けられている。
The
ブレ補正装置ベース33は、ブレ補正装置30をカメラ鏡筒部1に固定するためのものである。ブレ補正装置ベース33には、予圧部突起37と接触する板バネ形状の弾性部材38が設けられている。また、ブレ補正装置ベース33の中央付近には、後述の圧電素子34a・34bを貫通させるための開口部が設けられており、この開口部の周囲には、圧電素子固定部材36をネジ固定するための雌ネジ穴が設けられている。さらに、ブレ補正装置ベース33の中央部には、反射部材ベース31に設けられている中心部突起32を挿入させるための貫通穴が設けられている。なお、この貫通穴は中心部突起32を遊嵌状態に収容できる程度の大きさを有している。
The shake
圧電素子34a・34bは、圧電体に加えられた力を電圧に変換する、あるいは圧電体に印加された電圧を力に変換するという効果を利用した受動素子ある。本実施形態の圧電素子34a・34bは、積層型の構造であり、多数の圧電素子を重ねて棒状にしたものであり、電圧を印加した場合には、当該圧電素子の長手方向、つまり、反射部材22の反射面に直交する方向に変位するものである。なお、圧電素子34a・34bの詳細については、後述する。
The
圧電素子固定部材36は、圧電素子34a・34bの一端を固定するものであり、ネジを介してブレ補正装置ベース33に固定される。
The piezoelectric
ブレ補正装置30は、上述した各構成、すなわち反射部材ベース31、ブレ補正装置ベース33、圧電素子34a・34b、圧電素子固定部材36が反射部材22側から順に設けられている。
The
次に、ブレ補正装置30の構成について図3および図4を用いてさらに詳細に説明する。
Next, the configuration of the
まず、反射部材ベース31は、上述のように反射部材22の背面に接着固定されている。そして、反射部材ベース31に設けられた中心部突起32が、ブレ補正装置ベース33の中央部に設けられた開口部に遊嵌状態に挿入されている。また、反射部材ベース31に設けられた予圧部突起37とブレ補正装置ベース33に設けられた弾性部材38とが接触しており、反射部材ベース31とブレ補正装置ベース33とは付勢力が働いた状態で保持されている。
First, the
また、圧電素子34a・34bの一端は、ブレ補正装置ベース33を貫通し反射部材ベース31に設けられた押圧部突起35a・35bにそれぞれ接触し、他端は、圧電素子固定部材36に接着固定されている。これにより、圧電素子34a・34bと押圧部突起35a・35bとの間には、圧力が加えられた状態となる。
In addition, one end of each of the
これにより、反射部材ベース31とブレ補正装置ベース33とは、両者の間に常に付勢力が働いている状態で保持されている。
Thereby, the
ここで、圧電素子34aに電圧を印加すると、圧電素子34aは上記長手方向(反射部材22の反射面に直交する方向)に伸びる。圧電素子34aが長手方向に伸びると、圧電素子34aと接触している押圧部突起35aが押し込まれる。そして、反射部材ベース31は押圧部突起35aからの圧力を受け反射部材22とともに、中心部突起32を支点として図3に示したヨーイング方向に移動する。このとき、反射部材ベース31に設けられた予圧部突起37aは、圧電素子34aの変位に応じて、ブレ補正装置ベース33に設けられた弾性部材38の予圧部突起37aと接触する部分から付勢力を受けながら付勢力に抗した方向に移動する。
Here, when a voltage is applied to the
また、圧電素子34bに電圧を印加すると、圧電素子34bは長手方向(反射部材22の反射面に直交する方向)に伸びる。圧電素子34bが長手方向に伸びると、圧電素子34bと接触している押圧部突起35bが押し込まれる。そして、反射部材ベース31は押圧部突起35bからの圧力を受け反射部材22とともに、中心部突起32を支点として図3に示したピッチング方向に移動する。このとき、反射部材ベース31に設けられた予圧部突起37bは、圧電素子34bの変位に応じて、ブレ補正装置ベース33に設けられた弾性部材38の予圧部突起37bと接触する部分から付勢力を受けながら付勢力に抗した方向に移動する。
Further, when a voltage is applied to the
ところで、圧電素子34a・34bに印加している電圧を下げた場合には、圧電素子34a・34bは長手方向に縮むことになる。そして、圧電素子34a・34bが長手方向に縮むと、反射部材ベース31は、予圧部突起37a・37bを介して弾性部材38からの付勢力を受けることによって、電圧を印加した場合の移動方向とは逆方向に移動することになる。
By the way, when the voltage applied to the
また、上記圧電素子34a・34bに電圧を印加しない状態では、当該反射部材ベース31は初期の位置に戻っている。
In addition, in a state where no voltage is applied to the
このように、圧電素子34a・34bに電圧を印加、あるいは印加した電圧を下げることにより、反射部材ベース31を移動させることができる。
In this way, the reflecting
ここで、反射部材ベース31は、反射部材22の背面に接着固定されているため、反射部材ベース31と反射部材22とは一体として移動可能な構成である。また、反射部材ベース31は、カメラ本体の筐体に移動可能に固定されている。さらに、反射部材ベース31は、撮像レンズ群23、撮像素子24、ブレ補正装置ベース33等を固定するためのハウジングであるカメラ鏡筒部1には固定されていない構成である。
Here, since the reflecting
上記の構成により、反射部材ベース31と反射部材22とを、カメラ鏡筒部1に対して相対的に移動させることができる。具体的には、反射部材22の反射面の角度を、撮像素子24に対して変化させることができる。
With the above configuration, the reflecting
ここで、例えば、ユーザがカメラで撮影中に、ユーザの操作によりカメラ振れが発生した場合、撮像素子24の受光面に導かれる光路が変化する。その結果、撮像素子24で不鮮明なぼやけた像が撮像されることになる。
Here, for example, when camera shake occurs due to a user operation while the user is shooting with the camera, the optical path guided to the light receiving surface of the
そこで、カメラ振れが発生した場合に、圧電素子34a・34bに電圧を印加することにより得られる圧電素子34a・34bの変位を利用することによって反射部材22を移動させることができる。そして、反射部材22の反射面を移動させることにより、カメラユニット光学系100に入射された光路を変化させて撮像素子24に正確に導くことができる。これにより、カメラ振れにより発生した像振れを補正することができる。
Therefore, when camera shake occurs, the reflecting
ところで、圧電素子34a・34bは、上述のように、ヒステリシス特性を有するため、変位量を正確に制御することが困難である。その結果、所望の位置に反射部材22を移動させることができない。そこで、圧電素子34a・34bのヒステリシス特性を低減するとともに反射部材22を所望の位置に移動させるための構成について以下に説明する。
Incidentally, since the
図1は、ブレ補正装置30が備える各構成の動作を制御するための制御システムの概略構成を示すブロック図である。まず、ブレ補正装置30の制御システムの構成について図1を参照して説明する。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a control system for controlling the operation of each component included in the
ブレ補正装置30の制御システムは、ヨーイング方向角速度センサ10、ピッチング方向角速度センサ11、ブレ角速度検出回路12、A/D変換部13、MPU14(制御手段)、電圧印加部19、ブレ補正装置30、反射部材22を備えている。
The control system of the
ヨーイング方向角速度センサ10およびピッチング方向角速度センサ11は、カメラ鏡筒部1に生じるブレの角速度を検出する検出器であり、カメラ鏡筒部1に設けられる。具体的には、例えば、ヨーイング方向角速度センサ10およびピッチング方向角速度センサ11は、カメラ鏡筒部1がカメラ振れによって移動したときのブレの角速度を検出し、角速度信号を出力する。なお、ヨーイング方向角速度センサ10はカメラ鏡筒部1のヨーイング方向のブレを検出するセンサであり、ピッチング方向角速度センサ11はカメラ鏡筒部1のピッチング方向のブレを検出するセンサである。
The yawing direction
ブレ角速度検出回路12は、信号ノイズ除去処理とドリフトをカットするためのフィルタリング処理とアンプ処理を行い、各処理された信号をA/D変換部13に出力するものである。
The blur angular
A/D変換部13は、アナログ電圧信号をデジタル信号に変換する変換器である。そして、A/D変換部13は、変換されたデジタル信号をMPU14に出力する。
The A /
MPU14は、デジタル信号を積分処理しカメラ鏡筒部1のブレ角度を算出する演算器である。また、MPU14は、ブレ補正装置30内のヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bのブレ角度に応じたそれぞれの目標変位量を決定する。さらに、MPU14は、後述するスイッチ17に対して、直流駆動電圧発生回路15a・15bによって発生する直流電圧に高周波駆動電圧発生回路16によって発生する高周波電圧を供給するか否かの命令を付与する。
The
電圧印加部19は、MPU14からの命令に基づいて、後述のヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bそれぞれに電圧を印加するものである。当該電圧印加部19は、直流駆動電圧発生回路15a・15b、高周波駆動電圧発生回路16、スイッチ17、加算器18a・18bを備えている。
The
直流駆動電圧発生回路15a・15bは、ヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bそれぞれに印加する直流電圧を発生させる回路である。
The DC drive
高周波駆動電圧発生回路16は、高周波電圧を発生させる回路である。
The high frequency drive
スイッチ17は、MPU14からの命令に基づいて直流駆動電圧発生回路15a・15bによって発生する直流電圧に高周波駆動電圧発生回路16によって発生する高周波電圧を供給するか否かの切り換えを行う。
The
そして、MPU14からの命令に基づいてスイッチ17がオンとなる、つまり高周波を供給するタイミングは、手振れ補正動作が開始される直前、すなわち露光開始直前となるように制御されている。また、MPU14からの命令に基づいてスイッチ17がオフとなる、つまり高周波を遮断するタイミングは、手振れ補正動作が終了後、すなわち露光終了後となるように制御されている。
Based on a command from the
なお、上記スイッチ17におけるオン・オフのタイミングは、上記に限らず、例えば、ユーザからの指示に基づくものであってもよい。
The on / off timing of the
加算器18a・18bは、直流駆動電圧発生回路15a・15bから出力された直流電圧に、高周波駆動電圧発生回路16から出力される高周波電圧を加算する。そして、ヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bにそれぞれ上記加算した電圧を印加する。
The
反射部材22は、ブレ補正装置30に設けられる上記各圧電素子34a・34bの変位に基づいて移動するものである。そして、反射部材22に入射する光線の光路を変化させるものである。
The
以上のような構成の制御システムによって、ブレ補正の処理がされる。 The blur correction process is performed by the control system configured as described above.
次に、ブレ補正装置30の制御システムにおけるブレ補正の処理動作について図1を用いて説明する。以下では、ヨーイング方向とピッチング方向との2方向についてブレ補正を同時に行う場合について説明する。
Next, the blur correction processing operation in the control system of the
まず、ユーザがカメラのシャッターを押すと露光が開始される。この露光が開始される直前に、カメラ鏡筒部1がカメラ振れによって動いた場合、ヨーイング方向角速度センサ10、ピッチング方向角速度センサ11は、カメラ鏡筒部1のヨーイング方向およびピッチング方向のブレの角速度をそれぞれ検出し、この検出結果を示す角速度信号を出力する。なお、このときスイッチ17はMPU14からの命令に基づいてオンに切り替わる。
First, exposure starts when the user presses the shutter of the camera. If the
次に、ブレ角速度検出回路12は、ヨーイング方向角速度センサ10およびピッチング方向角速度センサ11から出力された角速度信号を受信する。そして、ブレ角速度検出回路12は、上記角速度信号に対してノイズ除去処理とドリフトをカットするためのフィルタリング処理とアンプ処理とを行うことにより、アナログ電圧信号を生成する。次に、ブレ角速度検出回路12は、上記アナログ電圧信号をA/D変換部13に出力する。なお、上記ブレ角速度検出回路12は、ヨーイング方向及びピッチング方向のアナログ電圧信号をそれぞれ生成する。
Next, the blur angular
A/D変換部13は、ブレ角速度検出回路12から取得した上記アナログ電圧信号をデジタル信号(デジタル角速度信号)に変換する。そして、A/D変換部13は、変換したデジタル角速度信号をMPU14に出力する。なお、アナログ電圧信号は、上記ブレ角速度検出回路12からA/D変換部13へ一定のサイクルで入力される。
The A /
MPU14は、A/D変換部13から伝送されてきた、上記デジタル角速度信号に対して、積分処理を行い、カメラ鏡筒部1のヨーイング方向およびピッチング方向のそれぞれのブレ角度を算出する。それと同時に、MPU14では、ブレ補正装置30内のヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bのそれぞれの目標変位量を、上記算出したブレ角度に基づいて決定する。そして、MPU14は、決定した目標変位量を直流駆動電圧発生回路15a・15bにそれぞれ出力する。
The
次に、直流駆動電圧発生回路15a・15bは、MPU14によって算出されたヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bのそれぞれの目標変位量に基づいて、図3に示した前玉レンズ21のレンズパワーと、図4に示したプリズム回転中心と各圧電素子34a・34bの押圧位置とから決まる変位角度特性に基づいて、ヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bそれぞれに印加する直流電圧を出力する。
Next, the DC drive
また、高周波駆動電圧発生回路16からは、高周波電圧が出力される。なお、当該高周波電圧は、光学機構系、つまり反射部材22とブレ補正装置30との機械的共振周波数よりも大きく、かつ圧電素子34a・34bの固有振動数よりも低い範囲内の周波数を有する高周波電圧(交流電圧)である。また、上記高周波電圧は、ヒステリシスループを描く微小振幅の正弦波状の交流電圧であり、振幅および周波数は一定である。
A high frequency voltage is output from the high frequency drive
次に、加算器18a・18bは、直流駆動電圧発生回路15a・15bから出力されたそれぞれの直流電圧に、高周波駆動電圧発生回路16から出力される上記高周波電圧を加算する。そして、加算器18a・18bは、直流電圧と上記高周波電圧とを加算したそれぞれの電圧をヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bにそれぞれ印加する。
Next, the
そして、ヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bは、加算器18a・18bにより印加された電圧に応じてそれぞれ変位する。
The yawing direction driving
これにより、ヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bの変位に基づいて、反射部材22がヨーイング方向およびピッチング方向に移動する。
Accordingly, the reflecting
このように、本実施形態のブレ補正装置30は、カメラ振れが発生した場合に、直流駆動電圧発生回路15a・15bから出力された直流電圧に、高周波駆動電圧発生回路16から出力される、反射部材22とブレ補正装置30との機械的共振周波数よりも大きく、かつ圧電素子34a・34bの固有振動数よりも低い範囲内の周波数を有する高周波電圧(交流電圧)を重畳させている。そして、前記重畳させた電圧を圧電素子34a・34bに印加することにより、当該圧電素子34a・34bの変位を利用して反射部材22を移動させる構成である。
As described above, when the camera shake occurs, the
そして、上記の構成によれば、カメラ振れが発生した場合に、圧電素子34a・34bに電圧を印加することにより得られる圧電素子34a・34bの変位を利用することによって反射部材22を移動させることができる。そして、反射部材22の反射面を移動させることにより、カメラユニット光学系100に入射された光路を変化させて撮像素子24に正確に導くことができる。これにより、カメラ振れにより発生した像振れを補正することができる。
And according to said structure, when camera shake generate | occur | produces, the
なお、MPU14による目標変位量の決定方法としては、上記のように、目標変位量を毎回算出する方法に限らず、例えば、以下の方法によって決定してもよい。
The method for determining the target displacement amount by the
上記MPU14には、上記デジタル角速度信号の強度と目標変位量とが対応付けられたテーブル(図示せず)を予め有している。そして、上記A/D変換部13からデジタル角速度信号を取得すると、上記MPU14は、上記テーブルを用いて、目標変位量を決定する。つまり、ブレ角度と目標変位量とは、一定の関係を有しているため、予め上記目標変位量を算出しておき、当該目標変位量と上記デジタル角速度信号の強度とを対応付けたテーブルを用いてもよい。このように、上記MPU14はテーブルを参照して目標変位量を決定してもよい。
The
また、ヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bそれぞれに印加する直流電圧の決定方法としては、上記のように、直流電圧を毎回算出する方法に限らず、例えば、以下の方法によって決定してもよい。
Further, the method for determining the DC voltage applied to each of the
上記直流駆動電圧発生回路15a・15bには、上記目標変位量と直流電圧とが対応付けられたテーブル(図示せず)を予め有している。そして、上記MPU14から目標変位量を取得すると、上記直流駆動電圧発生回路15a・15bは、上記テーブルを用いて、直流電圧を決定する。つまり、目標変位量と直流電圧とは、一定の関係を有しているため、予め上記直流電圧を算出しておき、当該目標変位量と上記直流電圧とを対応付けたテーブルを用いてもよい。このように、上記直流駆動電圧発生回路15a・15bはテーブルを参照して直流電圧を決定してもよい。
The DC drive
図2(a)は、圧電素子34a、34bを駆動させる直流駆動電圧(直流電圧)に高周波電圧(交流電圧)を重畳させた場合のヨーイング方向駆動用圧電素子34aおよびピッチング方向駆動用圧電素子34bの電圧変位特性を示すグラフである。
FIG. 2A shows a yawing direction driving
なお、上記直流電圧に重畳する上記交流電圧は、反射部材22とブレ補正装置30との機械的共振周波数より高く、かつ圧電素子34a、34bの固有振動数よりも低い周波数である高周波電圧であり、また、ヒステリシスループを描く微小振幅の正弦波状の電圧である。したがって、図2(a)に示すように、それぞれの圧電素子34a、34bは直流電圧の変化に対し、微小なヒステリシスループを描きながら変位することになる。
The AC voltage superimposed on the DC voltage is a high-frequency voltage that is higher than the mechanical resonance frequency of the reflecting
このように、上記直流電圧に上記高周波電圧を重畳させた電圧を圧電素子34a、34bに印加することにより、圧電素子34a、34bのヒステリシス特性を低減させることができる。
Thus, the hysteresis characteristic of the
また、図2(b)は、上記直流電圧に上記高周波電圧を重畳させた電圧を圧電素子34a・34bに印加した場合の反射部材22の電圧変位(角度)特性を示すグラフである。
FIG. 2B is a graph showing the voltage displacement (angle) characteristics of the reflecting
上述のように、重畳させる高周波電圧の周波数を上記機械的共振周波数より高く設定しているため、上記機械的共振周波数より高い成分に反射部材22が追従することはない。これにより、圧電素子34a、34bのヒステリシス特性を低減させることができるとともに、図2(b)に示すように、直流電圧の変化方向に依存することなく、反射部材22を線形に駆動させることができる。
As described above, since the frequency of the superimposed high-frequency voltage is set higher than the mechanical resonance frequency, the reflecting
したがって、上記の構成によれば、位置検出センサを必要としないオープン制御で、圧電素子34a、34bのヒステリシスの影響を低減して、追従応答性の高い光学系駆動装置を提供することができる。
Therefore, according to the above configuration, it is possible to provide an optical system driving device with high follow-up response by reducing the influence of hysteresis of the
以上のように、本実施形態の構成によれば、反射部材22を所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に、ブレ補正装置30と反射部材22との機械的共振周波数よりも大きく、かつ圧電素子34a・34bの固有振動数よりも低い周波数の範囲内の電圧を重畳させた電圧を、圧電素子34a・34bに対して印加している。なお、ブレ補正装置30と反射部材22との機械的共振周波数は、例えば、有限要素法等を用いた計算機シミュレーションにより算出される振動数である。
As described above, according to the configuration of the present embodiment, the DC voltage applied to drive the reflecting
ここで、圧電素子34a・34bに重畳させる高周波電圧の周波数が、ブレ補正装置30と反射部材22との機械的共振周波数以下である場合には、上記直流電圧に重畳させた高周波電圧に対して、圧電素子34a・34bが追従して変位を発生させることになる。従って、圧電素子34a・34bを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に対して、線形に反射部材22を駆動できなくなる。その結果、所望の位置に反射部材22を移動(駆動)させることができない。
Here, when the frequency of the high frequency voltage to be superimposed on the
また、上記重畳させる高周波電圧の周波数が、圧電素子34a・34bの固有振動数以上の周波数である場合には、圧電素子34a・34bには変位が発生しないこととなる。圧電素子34a・34bに変位が発生しないとヒステリシス特性を低減させることができないため、線形に反射部材22を駆動させることができない。
Further, when the frequency of the superposed high frequency voltage is equal to or higher than the natural frequency of the
従って、上記直流電圧に対して、ブレ補正装置30と反射部材22との機械的共振周波数よりも大きくかつ圧電素子34a・34bの固有振動数よりも低い周波数の範囲内の電圧を重畳させることにより、圧電素子34a・34bのヒステリシス特性を低減させることができるので、反射部材22を線形に駆動させることができる。
Therefore, by superimposing a voltage within a frequency range that is higher than the mechanical resonance frequency of the
また、高周波駆動電圧発生回路16の周波数を、可聴周波数以上に設定することで、光学エレメントを駆動させる際の耳ざわりな騒音を低減することが可能となる。
Further, by setting the frequency of the high-frequency drive
また、反射部材22の停止時や待機時には、スイッチ17をオフにすることで、高周波駆動電圧発生回路16からの高周波電圧の供給を遮断し、圧電素子34a、34bは、直流電圧のみにより変位が保持される。
Further, when the reflecting
また、高周波電圧は、反射部材22を駆動させる際に、反射部材22を線形に駆動させる目的で印加させており、反射部材22の位置を固定する場合には、高周波電圧を印加する必要はない。
Further, the high frequency voltage is applied for the purpose of linearly driving the reflecting
上記の構成によれば、反射部材22の位置を固定するために、圧電素子34a、34bに対して直流電圧を印加している場合には、上記高周波電圧を印加しないように制御している。換言すれば、上記構成とすることにより、反射部材22を駆動させる場合にのみ、高周波電圧を印加している。これにより、不要な高周波電圧の印加を行わないため、光学系駆動装置の消費電力を低減させることができる。
According to said structure, in order to fix the position of the
なお、圧電素子34a、34bのヒステリシス特性が、図2(a)に示すように最小(微小)化される理由は、重畳する高周波交流電圧の高周波の振幅を単純に微小化することで得られるのではなく、実際の系において重畳する高周波交流電圧の周波数と振幅の組み合わせの最適化によって決定される。
The reason why the hysteresis characteristics of the
また、高周波電圧を重畳することによりヒステリシス特性の影響を低減することができるが、重畳した高周波電圧の周波数が機械的共振周波数より低い場合は、高周波電圧成分に反射部材22が追従して変位を発生してしまうため、直流電圧の変化に対する線形性がなくなり、ギクシャクした動きになり手振れ補正には利用できなくなる。
In addition, the influence of the hysteresis characteristic can be reduced by superimposing the high frequency voltage. However, when the frequency of the superposed high frequency voltage is lower than the mechanical resonance frequency, the reflecting
したがって、ヒステリシス特性の影響を低減するとともに線形性の良いスムーズな光学系の動作を行うことが可能となる圧電素子34a、34bの駆動回路(駆動方法)を実現するためには、直流電圧に重畳する高周波電圧の周波数を、ブレ補正装置30と反射部材22との機械的共振周波数よりも大きくかつ圧電素子34a・34bの固有振動数よりも低い範囲とすることが最適である。
Therefore, in order to realize a driving circuit (driving method) for the
さらに、高周波電圧の周波数は、駆動時の騒音を低減するために可聴域より高い周波数である20KHz以上とすることが好ましい。また、高周波電圧の周波数は、これに限定されるものではなく、段階的に周波数を上げながらヒステリシス低減効果をチェックし、また、振幅変化によるヒステリシス低減効果もチェックし、ヒステリシス低減効果が光学系駆動装置の要求仕様を満足する高周波電圧の周波数と振幅の組み合わせの中で最も消費電力が最小となる組み合わせを選択することが好ましい。 Furthermore, the frequency of the high-frequency voltage is preferably 20 KHz or higher, which is a frequency higher than the audible range, in order to reduce noise during driving. The frequency of the high-frequency voltage is not limited to this. Check the hysteresis reduction effect while increasing the frequency step by step, check the hysteresis reduction effect due to amplitude change, and the hysteresis reduction effect is driven by the optical system. It is preferable to select the combination that minimizes the power consumption among the combinations of the frequency and amplitude of the high-frequency voltage that satisfies the required specifications of the apparatus.
したがって、高周波電圧の周波数の範囲については、可聴域を超えた20KHz程度から、圧電素子34a・34bに変位発生を可能とする上限周波数、つまり圧電素子34a・34bの固有振動数までであることが好ましい。
Therefore, the frequency range of the high-frequency voltage may be from about 20 KHz beyond the audible range to the upper limit frequency that allows the
また、高周波電圧の周波数を変動させながら直流電圧に重畳させる構成とした場合は、変動(スイープ)回路を追加する必要がありコストアップになる。したがって、重畳する高周波電圧の周波数は、常に一定の数値に設定することが好ましい。 In addition, in the case of a configuration in which the frequency of the high-frequency voltage is varied and superimposed on the DC voltage, a fluctuation (sweep) circuit needs to be added, resulting in an increase in cost. Therefore, it is preferable to always set the frequency of the superimposed high-frequency voltage to a constant numerical value.
本実施形態における光学系駆動装置は、電圧印加により圧電素子に生じる歪を駆動力源として、光学系エレメントを駆動する光学系駆動装置において、前記光学系エレメントを含む光学機構系の機械的共振周波数以上の高周波電圧を重畳させた直流電圧を、前記圧電素子に印加する電圧印加手段を備えた構成であってもよい。 The optical system driving apparatus according to the present embodiment is a mechanical resonance frequency of an optical mechanism system including the optical system element in the optical system driving apparatus that drives the optical system element using a distortion generated in the piezoelectric element by voltage application as a driving force source. A configuration including voltage applying means for applying a DC voltage on which the above high-frequency voltage is superimposed to the piezoelectric element may be employed.
また、上記光学系駆動装置は、前記高周波電圧の周波数が、可聴周波数以上である構成であってもよい
また、上記光学系駆動装置は、前記光学系エレメントが停止している際には、前記高周波電圧の重畳を行わない切換手段を設けた構成であってもよい
また、圧電素子の駆動方法は、圧電素子に印加する直流駆動電圧に、高周波電圧を重畳させる構成であってもよい。
The optical system driving device may be configured such that a frequency of the high-frequency voltage is equal to or higher than an audible frequency. Further, the optical system driving device is configured so that the optical system element is stopped when the optical system element is stopped. A switching unit that does not superimpose the high-frequency voltage may be provided. The driving method of the piezoelectric element may be a configuration in which the high-frequency voltage is superimposed on the DC driving voltage applied to the piezoelectric element.
また、圧電素子の駆動方法は、前記高周波電圧の周波数は、圧電素子に生じる歪を駆動力源とする駆動機構の機械的共振周波数以上である構成であってもよい。 Further, the piezoelectric element driving method may be configured such that the frequency of the high-frequency voltage is equal to or higher than a mechanical resonance frequency of a driving mechanism using a strain generated in the piezoelectric element as a driving force source.
また、圧電素子の駆動方法は、前記高周波電圧の周波数は、可聴周波数以上である構成であってもよい。 The piezoelectric element driving method may be configured such that the frequency of the high-frequency voltage is equal to or higher than an audible frequency.
また、圧電素子の駆動方法は、前記駆動機構が停止している際には、前記高周波電圧の重畳を行わない切換手段を設けた構成であってもよい。 Further, the piezoelectric element driving method may be provided with a switching unit that does not superimpose the high-frequency voltage when the driving mechanism is stopped.
上記実施形態のブレ補正装置30に設けられる圧電素子34a・34bに印加する電圧の最適条件を求めるための実験を行った。これについて以下に説明する。
An experiment was performed to determine the optimum condition of the voltage applied to the
まず、圧電素子34a・34bに直流電圧を印加した場合の反射部材22の変位角度を測定する実験を行った。なお、上記実験において、直流電源としてkikusui社製PMC350-0.2Aを用い、チルト量を測定するための機器としてオートコリメータ(キーエンス社製LA2400)を用いている。その結果に表1に示す。
First, an experiment was performed to measure the displacement angle of the reflecting
表1は、圧電素子34bに直流電圧を印加した場合の反射部材22のピッチング方向の変位角度(チルト量)を測定した結果である。また、図6(a)は、表1の結果をグラフに示したものである。
Table 1 shows the results of measuring the displacement angle (tilt amount) of the reflecting
次に、圧電素子34aに直流電圧を印加した場合の反射部材22のヨーイング方向の変位角度(チルト量)を測定した。その結果を表2に示す。また、図6(b)は、表2の結果をグラフに示したものである。
Next, the displacement angle (tilt amount) of the reflecting
表1・2および図6(a)・6(b)の結果より、圧電素子34a・34bに40Vの直流電圧を印加すると、反射部材22のチルト量をピッチング方向およびヨーイング方向にそれぞれ10′以上変位させることができることが分かった。また、圧電素子に対する電圧の印加方向、すなわち昇圧方向および降圧方向によって変位角度が異なることが分かる。この現象は、圧電素子が有するヒステリシス特性によるものである。なお、圧電素子34a・34bのヒステリシス特性の低減方法については後述する。
From the results shown in Tables 1 and 2 and FIGS. 6A and 6B, when a DC voltage of 40 V is applied to the
次に、FFTサーボアナライザ(アドバンテスト社製R9211C)を用い、周波数特性(周波数応答特性)を調べる実験を行った。 Next, an experiment for examining frequency characteristics (frequency response characteristics) was performed using an FFT servo analyzer (R9211C manufactured by Advantest Corporation).
図10(a)は、周波数を1Hz〜100Hzまでの範囲における、周波数とゲインと位相との関係を示したグラフであり、図10(b)は、周波数を100Hz〜500Hzまでの範囲における、周波数とゲインと位相との関係を示したグラフである。 FIG. 10A is a graph showing the relationship between frequency, gain, and phase in the frequency range from 1 Hz to 100 Hz, and FIG. 10B is the frequency in the frequency range from 100 Hz to 500 Hz. It is the graph which showed the relationship between a gain and a phase.
図10(a)より手振れ周波数域である20Hz以下の範囲では、ゲイン、位相の変化はなくフラットであることが分かる。また、図10(b)より500Hz以下の範囲においても本機構の一時共振周波数(機械的共振周波数)である180Hzにピークがあるが、手振れの周波数域に比べて十分高いため問題にならない。 From FIG. 10 (a), it can be seen that there is no change in gain and phase in the range of 20 Hz or less, which is the camera shake frequency range, and it is flat. 10B, there is a peak at 180 Hz, which is the temporary resonance frequency (mechanical resonance frequency) of this mechanism even in the range of 500 Hz or less, but this is not a problem because it is sufficiently higher than the frequency range of camera shake.
次に、圧電素子34a・34bを駆動させる方法について以下の実験を行った。
Next, the following experiment was conducted on the method of driving the
まず、直流駆動電圧に交流電圧を重畳した場合のヒステリシスを測定した。 First, hysteresis was measured when an AC voltage was superimposed on a DC drive voltage.
圧電素子34a・34bの持つヒステリシスを低減するため、圧電素子34a・34bに印加する駆動電圧に、反射部材22とブレ補正装置30との機械的共振周波数よりも大きくかつ圧電素子34a・34bの固有振動数よりも低い範囲内の周波数、具体的には、10KHz〜40KHzまでの高周波交流電圧を重畳させた状態で駆動電圧を可変し評価を行った。上記機械的共振周波数は、有限要素法等を用いた計算機シミュレーションにより算出した結果、180Hzであった。また、圧電素子の固有振動数は、100kHzである。
In order to reduce the hysteresis of the
そこで、駆動条件は、重畳する周波数を10KHz、20KHz、30KHz、40KHzとし、重畳電圧および波形をp−p4V、p−p8V、p−p12の正弦波形とする。また、本実施の形態における圧電素子34a・34bに印加する直流電圧に重畳させる高周波電圧の周波数は上記周波数、つまり、10KHz〜40KHzまでの範囲内である。
Therefore, the driving conditions are such that the superposed frequency is 10 KHz, 20 KHz, 30 KHz, and 40 KHz, and the superposed voltage and waveform are sine waveforms of p-p4V, p-p8V, and p-p12. In addition, the frequency of the high frequency voltage to be superimposed on the DC voltage applied to the
図13(a)〜図13(d)の結果より圧電素子34a・34bに上記高周波交流電圧を重畳する手法は、ヒステリシス低減に効果的であり、高周波交流電圧を重畳することによりヒステリシス特性による画素ずれの影響を0.5画素以下にすることが可能となる。
From the results shown in FIGS. 13A to 13D, the method of superimposing the high-frequency AC voltage on the
次に、交流駆動電圧に上記高周波交流電圧を重畳した場合の、反射部材22の変位角度を測定する実験を行った。
Next, an experiment was conducted to measure the displacement angle of the reflecting
上記高周波交流電圧の重畳を行った場合においても、反射部材22は20Hzまでの指令信号に対して、高周波交流電圧の重畳波形の影響を受けることなく相似形で追従している様子が確認できる。また、後述の高周波交流電圧の重畳を行わなかった場合の図8(a)〜図9(b)と高周波交流電圧の重畳を行った場合の図14(a)〜図15(b)とのリサージュ波形を比較して、圧電素子34a・34bのヒステリシス特性の影響が低減されていることが分かる。
Even when superposition of the high-frequency AC voltage is performed, it can be confirmed that the reflecting
なお、本実験では、反射部材22のヒステリシス特性による影響を比較するために、交流駆動電圧に上記高周波交流電圧を重畳させているが、当該交流駆動電圧の周波数は、上記比較に影響しない程度に上記高周波交流電圧の周波数に比べて低く設定している。つまり、当該交流電圧は機械的共振周波数より低い手振れ周波数を意味しており、さらに詳しくは、圧電素子34a・34bの変位を決定する直流電圧が手振れの周波数で変動することを想定して交流駆動電圧を使用し動的な特性を測定している。したがって、圧電素子34a・34bに印加する駆動電圧を交流駆動電圧として実験を行っても直流駆動電圧(直流電圧)を印加した場合と同様の効果を得ることができる。
In this experiment, in order to compare the influence of the hysteresis characteristics of the reflecting
次に、図11に示す評価系を用いて、ブレ抑制特性を評価した。評価方法としては、まず自動回転ステージ上にプリズムを取り付けたブレ補正装置30を固定する。次に、ブレ補正装置30を駆動させず、回転ステージを揺動させPSD出力振幅を測定する。この測定結果を図12(a)に示す。
Next, the blur suppression characteristic was evaluated using the evaluation system shown in FIG. As an evaluation method, first, the
次に、回転ステージの揺動状態を変位センサにより測定し、その信号を用いてブレ補正装置30を駆動させ、そのときのPSD出力振幅を測定する。この測定結果を図12(b)に示す。そして、それぞれ測定したPSD出力振幅を比較する。
Next, the swinging state of the rotary stage is measured by a displacement sensor, the
図12(a)・12(b)より、ブレ補正装置30を回転ステージの動きと同期させることによって、プリズムの振れ量を1/4以下に抑制することができることが分かる。
〔比較例〕
ここで、圧電素子34a・34bに印加する交流駆動電圧に上記高周波交流電圧を重畳しない場合の反射部材22の変位角度を測定する実験を行った。
12 (a) and 12 (b), it is understood that the shake amount of the prism can be suppressed to ¼ or less by synchronizing the
[Comparative example]
Here, an experiment was conducted to measure the displacement angle of the reflecting
なお、高周波交流電圧を重畳した場合のブレ補正装置30の変位角度特性については、オートコリメータの周波数帯域が低く、先と同様の方法では測定できないため、図7に示す評価系を構成し測定した。この評価系は、図7に示すように、ブレ補正装置30にプリズムを取り付け、光源(平行光)からの入射光を反射させる。そして、この反射光をPSD(Position Sensitive Detector)にて受光することによりプリズムの変位角度量を算出することができる構成である。
Note that the displacement angle characteristic of the
図8(a)〜図9(b)から分かるように、0.5Hzから20Hzの周波数域において、圧電素子に印加する駆動電圧(CH2)に対するプリズムチルトを表すPSD出力(CH1)に不要なノイズ等がのることなく相似形となっていることが分かる。これにより、ブレ補正装置30が手振れ補正範囲である20Hzまでの範囲で良好に動作していることが分かる。
As can be seen from FIGS. 8A to 9B, noise unnecessary for the PSD output (CH1) representing the prism tilt with respect to the drive voltage (CH2) applied to the piezoelectric element in the frequency range of 0.5 Hz to 20 Hz. It can be seen that it has a similar shape without any signs. Thereby, it can be seen that the
なお、図8(a)〜図9(b)のリサージュ波形(C1/C2)に示すように、駆動電圧昇圧時と降圧時で軌跡が異なる現象が確認できる。これは圧電素子34a・34bのヒステリシス特性に起因すると思われる。
In addition, as shown in the Lissajous waveform (C1 / C2) in FIGS. 8A to 9B, a phenomenon in which the locus is different between when the drive voltage is increased and when the voltage is decreased can be confirmed. This seems to be due to the hysteresis characteristics of the
このように、圧電素子34a・34bに印加する交流駆動電圧に上記高周波交流電圧を重畳しない場合には、ヒステリシスの影響を低減することができないことが分かる。
Thus, it can be seen that the effect of hysteresis cannot be reduced when the high-frequency AC voltage is not superimposed on the AC drive voltage applied to the
圧電素子を駆動源とする光学系駆動装置全般に適用でき、特に、小型化によって、携帯型撮影機器の光学系駆動装置に適用できる。また、圧電素子による微小変位を得るものであれば良く、オープン制御でも、圧電素子のヒステリシスの影響がなく、位置検出素子が不要で、かつ回路構成が容易にできるので、例えば、STM(走査型トンネル顕微鏡)、半導体製造装置、X−Y精密ステージ、磁気記録装置のトラッキング機構等の微小位置決め装置などにも適用できる。 The present invention can be applied to all optical system driving devices using a piezoelectric element as a driving source, and in particular, it can be applied to an optical system driving device of a portable photographing apparatus by downsizing. Also, it is only necessary to obtain a minute displacement by the piezoelectric element, and even with open control, there is no influence of the hysteresis of the piezoelectric element, the position detecting element is unnecessary, and the circuit configuration can be easily made. (Tunneling microscope), semiconductor manufacturing apparatus, XY precision stage, and micropositioning apparatus such as a magnetic recording apparatus tracking mechanism.
1 カメラ鏡筒部
10 ヨーイング方向角速度センサ
11 ピッチング方向角速度センサ
14 MPU(制御手段)
15a・15b 直流駆動電圧発生回路
16 高周波駆動電圧発生回路
17 スイッチ
18a・18b 加算器
19 電圧印加部(電圧印加手段)
22 反射部材(光学エレメント、光学機構系)
30 ブレ補正装置(光学機構系)
34a、34b 圧電素子(光学機構系)
100 カメラユニット光学系
DESCRIPTION OF
15a and 15b DC drive
22 Reflective member (optical element, optical mechanism system)
30 Shake correction device (optical mechanism system)
34a, 34b Piezoelectric element (optical mechanism system)
100 Camera unit optical system
Claims (6)
上記圧電素子と上記光学エレメントとからなる光学機構系の機械的共振周波数よりも高く、かつ、上記圧電素子の固有振動数よりも低い周波数である高周波電圧を、上記光学エレメントを所定位置に駆動させるために印加する直流電圧に重畳させて、上記圧電素子に対して印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする光学系駆動装置。 An optical system driving device including a piezoelectric element that generates distortion by applying a voltage, and driving an optical element by the piezoelectric element,
A high-frequency voltage that is higher than the mechanical resonance frequency of the optical mechanism system including the piezoelectric element and the optical element and lower than the natural frequency of the piezoelectric element is driven to the predetermined position. An optical system driving device comprising voltage applying means for applying to the piezoelectric element while being superimposed on a DC voltage to be applied.
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