JP2006189701A - 二次元位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出素子の受光面の縦横の有効長以上の移動距離、領域における移動を検出できる二次元位置検出装置を提供する。
【解決手段】 固定部材に対して相対的に二次元方向に平行移動する移動部材と、前記固定部材および移動部材の一方に固定された光源および他方に固定された、前記光源から発せられた光を受光して受光位置を検出する二次元位置検出素子と、前記光源と二次元位置検出素子との間に配置された、前記光源から発せられた光を前記二次元位置検出素子の受光面に集光させる縮小投影光学系を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次元的に移動する物体の位置を検出する、二次元位置検出装置に関する。

従来、最大移動量が数mm程度の平面領域内を移動する物体の位置検出手段としては、二次元位置検出素子（ＰＳＤ）と光源（ＬＥＤ）を一対一で対峙させて固定側と移動側に配置して、二次元位置検出素子に入射する光源光の位置を検出することで、固定側に対する移動側の相対位置を検出するものが知られている（特許文献１）。
特開2001-117129号公報

しかしながら従来の二次元位置検出素子は、受光面の縦横の有効長は約２mm程度しかない。そのため、従来の光源と二次元位置検出素子の一対一検出では、受光面の縦横の辺長と同範囲の移動範囲内における位置しか検出できない。

本発明は、かかる従来の二次元位置検出装置の問題に鑑みてなされたものであって、位置検出素子の受光面の縦横の有効長以上の移動距離、領域における移動を検出できる二次元位置検出装置を提供することを目的とする。

この目的を達成する本発明は、固定部材に対して相対的に二次元方向に平行移動する移動部材と、前記固定部材および移動部材の一方に固定された光源および他方に固定された二次元位置検出素子と、前記光源と位置検出手段との間に配置された、前記光源から発せられた光を前記位置検出手段の受光面に集光させる縮小投影光学系を備えことに特徴を有する。

前記縮小投影光学系は、前記光源との距離の方が前記二次元位置検出素子の距離よりも長くなる位置に配置された結像レンズを含む。
本発明をデジタルカメラの手ブレ補正ステージ装置に適用した実施形態では、撮像素子が搭載された手ブレ補正ステージ装置のステージを移動部材として、該ステージを固定部材に対して直交する一方の軸方向に移動自在に支持する第１の支持手段と、該第１の支持手段および前記ステージを一体として、前記直交する他方の軸方向に直線移動自在に支持する第２の支持手段とを備える。

好ましい実施形態では、前記縮小投影光学系は、前記光源との距離の方が前記二次元位置検出素子の距離よりも長くなる位置に配置された結像レンズと、該結像レンズをその光軸方向に微動させる微動調節機構を備える。

本発明によれば、光源の移動量に比べて光源の集光点の移動量が小さくなるので、光源の位置検出を二次元位置検出素子の受光面よりも広い範囲で検出することが可能になった。

以下、本発明の実施について、添付の図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用した二次元位置検出装置の側面図である。この実施形態では、固定部材に対して直交する二軸方向に相対的に平行移動する可動部材の固定部材に対する二次元位置を検出するための配置構成を示している。

可動基板２０は、固定基板１０に対して平行に配置され、平行を保って、紙面に沿った矢印方向（Ｘ方向）および紙面と直交する方向（Ｙ方向）にそれぞれ直線移動可能に支持されている。固定基板１０には二次元位置検出素子（ＰＳＤ）１１が、その受光面１２が可動基板２０の移動軌跡面に対して平行になるように固定されている。一方可動基板２０には、二次元位置検出素子１１の受光面１２と対向する位置に光源２１が固定されている。

二次元位置検出素子１１と光源２１との間には、二次元位置検出素子１１の受光面１２から可動基板２０に向かって第１所定距離ａ離反した位置に、縮小投影光学系としてのレンズＬが配置されている。このレンズＬは、二次元位置検出素子１１の周囲を遮光するように囲む筒状のレンズホルダ３１の開口部３２に固定されている。レンズＬは、その光軸Ｏが、受光面１２と垂直に受光面１２の中央を通るように位置決めされる。

光源２１は、発光素子としてＬＥＤ２２と、ＬＥＤ２２の発光面には、小孔２４を有するスポットマスク２３が配置されている。スポットマスク２３は、小孔２４がＬＥＤ２２の中心と対向する位置に固定されていて、ＬＥＤ２２から発せられた光は、小孔２４から小孔２４を二次光源として射出する。

この小孔２４とレンズＬとは、第２所定距離ｂ離反している。そうして、この実施例では、ａ＜ｂであり、レンズＬの焦点距離をｆとすると、第１、第２所定距離ａ、ｂと焦点距離ｆとは、レンズの結像公式が成立するように設定されている。したがって小孔２４から射出してレンズＬに入射した光は、レンズＬによって受光面１２に集束、つまり、小孔２４の像である二次光源像２４ｉが受光面１２に投影される。

二次元位置検出素子１１の受光面１２および位置検出回路の構成を、図２に示した。ＬＥＤ２２は、演算制御回路４１により制御される駆動回路４３により点灯される。二次元位置検出素子１１は、ＬＥＤ２２が点灯された状態において、二次光源像２４ｉを受光した位置に応じた検出信号（電流）を、４個の出力端子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄから出力する。各出力端子１３ａ乃至１３ｄから出力された検出信号は、演算制御回路４１に入力される。演算制御回路４１は、これらの４個の出力に基づいて所定の演算によって、受光面１２における二次光源像２４ｉの入射位置を算出し、さらに原点からのＸ方向の距離ｘ0およびＹ方向の距離ｙ0を算出する。

本実施形態では、レンズＬによる横倍率ｍがｂ／ａ倍になる。したがってこの横倍率ｍを、前記演算した距離ｘ0、ｙ0それぞれに乗ずれば、光源２１が原点からＸ方向、Ｙ方向に移動した距離Δｘ、Δｙおよび原点に対する座標（Δｘ、Δｙ）を求めることができる。さらにこれらの距離Δｘ、Δｙから、光源２１の移動方向および移動距離、あるいは座標などの移動情報、位置情報を求めることができる。検出した情報は、例えば表示装置に表示され、あるいは位置制御に利用される。なお、演算制御回路４１には、横倍率ｍなど位置検出に必要なパラメータや演算アルゴリズムが予め内蔵メモリに書き込まれている。

このように本発明の実施形態によれば、光源２１のＸ方向およびＹ方向の移動測定範囲を、受光面１２のＸ方向長およびＹ方向長のｍ倍（ｂ／ａ倍）に拡大できる。
また本発明は、横倍率ｍの変更により移動測定範囲を変更し、移動測定範囲に応じて横倍率ｍを設定できる。

以上の実施形態では、二次元位置検出素子１１を固定基板１０に、光源２１を可動基板２０に配置したが、図示しないが別の実施形態では逆に、光源を固定基板に、二次元位置検出素子を可動基板に配置する。

また、製造誤差、組み立て誤差によって、二次光源像２４ｉが受光面１２上（図３（Ａ））からずれて、受光面１２の前方（図３Ｂ））、または後方（図３（Ｃ））に形成されるおそれがある。

そこで、別の本実施形態では、レンズＬをその光軸に沿って位置調節可能に、つまり焦点調節可能に構成する。例えば、レンズホルダ３１を２本の筒状体からなるテレスコピックパイプ構造として一方を二次元位置検出素子１１に固定し、他方にレンズＬを固定してレンズを固定した筒状体を伸縮させることによりレンズＬを光軸方向に進退動させて焦点調節可能に形成する。あるいは、レンズホルダ３１をヘリコイド結合させた少なくとも２本の円筒で形成し、一方を二次元位置検出素子１１に固定し、他方にレンズＬを固定して、この他方の円筒を回転させることでレンズＬを光軸に沿って進退動させて焦点調節可能に形成する。なお、焦点調節によって横倍率ｍが変動する場合があるので、好ましい実施形態では、横倍率ｍはレンズＬを固定した後に実測してパラメータとして設定する。

次に、本発明の二次元位置検出装置を搭載した実施例について説明する。図４乃至図６は、図１に示した二次元位置検出措置を、デジタルカメラにおいて撮像素子を移動させて手ブレ補正する手ブレ補正ステージ装置に適用した実施例である。

図４は、本発明の二次元位置検出装置を搭載した手ブレ（像ブレ）補正ステージ装置を内蔵したデジタルカメラの縦断側面図である。デジタルカメラ（ボディ）１０１は、複数のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３からなる撮影光学系を備えた撮影レンズ１０３を備え、最後端のレンズＬ３の後方に撮像素子１０５が配設され、撮像素子１０５の撮像面１０５ａに、撮影レンズ１０３によって被写体像が投影される。撮像素子１０５は、手ブレ補正ステージ装置に保持されて、撮影レンズ１０３の光軸Ｏ１が撮像面１０５ａの中心を直交して通り、かつ撮影レンズ１０３の設計上の結像面と一致する状態で配置されている。

手ブレ補正ステージ装置は、デジタルカメラ１０１に固定される固定基板１１０に対して、直交軸に沿って平行移動自在に支持された移動ステージ（可動基板）としてのプリント基板１２０を備えている。撮像素子１０５は、このプリント基板１２０に装着されている。そうして、この撮像素子１０５の光軸と直交する方向の二次元位置検出装置として、プリント基板１２０に光源２１が固定され、固定基板１１０に二次元位置検出素子１１が固定されている。

デジタルカメラ１０１にはさらに、撮影レンズ１０３の光軸Ｏ１のブレを検出する、図示しない縦、横（垂直、水平）角速度センサが搭載されている。手ブレ補正ステージ装置は、縦、横角速度センサが検出した撮影レンズ１０３の光軸Ｏ１のブレに係わらず撮像面１０５ａ上の被写体像が撮像面１０５ａに対して移動しないように、プリント基板１２０と共に撮像素子１０５を移動させる。

本実施形態の二次元位置検出素子１１および光源２１を含む二次元位置検出装置は、この手ブレ補正動作に際して、縦、横角速度センサの検出結果に基づいて演算された撮像素子１０５の移動方向および移動量を検出するために使用される。

本実施形態の手ブレ補正ステージ装置の構成について、さらに図５および図６を参照して詳細に説明する。
固定基板１１０上には、Ｙ方向に移動自在に支持されたＹ方向ガイド軸１１２と、Ｙ方向ガイド軸１１２の両端部から直交するＸ方向に延びた互いに平行な２本のＸ方向ガイド軸１１３、１１３からなるＸＹ方向ガイド軸１１１が、Ｙ方向ガイド軸１１２に沿ってＹ方向に移動自在に支持されている。ＸＹ方向ガイド軸１１１は、Ｙ方向ガイド軸１１２が、固定基板１１０上にＹ方方向に所定長離反させて固定された軸受１１４、１１４の軸穴にＹ方向摺動自在に支持され、２本のＸ方向ガイド軸１１３、１１３はそれぞれ先端部が、固定基板１１０上に固定された軸受１１５、１１５のＹ方向に延びる長孔１１５ａにＹ方向摺動自在に支持されている。

２本のＸ方向ガイド軸１１３には、Ｙ方向にはＸ方向ガイド軸１１３と一体に移動し、かつＸ方向にはＸ方向ガイド軸１１３に沿って相対移動自在にベース板１３０が支持されている。つまりこのベース板１３０は、Ｘ方向ガイド軸１１３に支持されてＸ方向ガイド軸１１３に沿ってＸ方向に移動自在に支持され、かつＸ方向ガイド軸１１３、Ｙ方向ガイド軸１１２と一緒に軸受１１４、１１４、長孔１１５ａにガイドされてＹ方向に自由に移動する。つまりこの実施形態では、Ｘ方向ガイド軸１１３が第１の支持手段を構成し、Ｙ方向ガイド軸１１２が第２の支持手段を構成している。

プリント基板１２０の前面（被写体側面）に、ベース板１３０を介して撮像素子１０５が固定されている。ベース板１３０の前面には角筒状のホルダ１３１が、撮像素子１０５を囲むように固着されている。このホルダ１３１の前端には、長方形の開口１３１ａが形成されている。この開口１３１ａは、撮影レンズによって撮像素子１０５の撮像面１０５ａに投影される被写体像光がケラレない形状、大きさに形成されている。

ホルダ１３１内には、オプティカルローパスフィルタ１３４が、ホルダ１３１の開口１３１ａを規制する枠部の内周面に当接する状態で配設されている。オプティカルローパスフィルタ１３４と撮像素子１０５の撮像面１０５ａの外方周縁部との間には、オプティカルローパスフィルタ１３４と撮像面１０５ａとの間の空間を密閉する押さえ部材１３３が設けられている。

このホルダ１３１は、固定基板１１０に形成された開口１１０ａを、非接触状態で貫通している。開口１１０ａは、ホルダ１３１の像ブレ補正動作の際の移動範囲を規制する大きさ、またはホルダ１３１が像ブレ補正動作において移動する範囲よりも広く形成されている。

図６において、ホルダ１３１の上端部および下端部には、Ｘ方向案内部１３５、１３６が突設されている。一対のＸ方向ガイド軸１１３は、Ｘ方向案内部１３５、１３６の軸穴をＸ方向に貫通し、Ｘ方向摺動自在に支持されている。

ベース板１３０の背面にはプリント基板１２０が固着されている。このプリント基板１２０には図示を省略した導線が多数形成されており、この導線に撮像素子１０５の端子が電気的に接続されている。プリント基板１２０には、ベース板１３０および撮像素子１０５が装着された中央部から３方向に突出する突出舌片１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが形成されている。このうち、２つの突出舌片１２０ａ、１２０ｂの背面にはそれぞれ、プリント基板１２０と平行な平面上に、Ｘ方向駆動用コイル（駆動用コイル）ＣＸとＹ方向駆動用コイル（駆動用コイル）ＣＹが形成されている。

１つの突出舌片１２０ｃの前面には光源２１が装着されている。固定基板１１０には、光源２１と対向する位置に二次元位置検出素子１１が固定されている。光源２１と二次元位置検出素子１１の構造および位置関係は、図１に示した実施形態と同様である。光源２１のリード線は、プリント基板１２０の対応する導線と導通され、さらに各導線は、プリント基板１２０の移動、回動を妨げないように、図示しないフレキシブルプリント基板を介して引き出され、対応するデジタルカメラ１０１のボディ内の回路基板に接続されている。これらの接続を介して、光源２１のＬＥＤ２２の点灯が制御され、さらにＸ方向駆動用コイルＣＸとＹ方向駆動用コイルＣＹに通電される。

図５に示すように、Ｘ方向駆動用コイルＣＸ、Ｙ方向駆動用コイルＣＹは、各辺が直線状をなす四角形の渦巻き状をなしている。各駆動用コイルＣＸ、ＣＹは、便宜上導線を数回巻いたものとして図示しているが、実際は数十回巻かれている。Ｘ方向駆動用コイルＣＸとＹ方向駆動用コイルＣＹの両端はそれぞれ独立した、図示しないコイル駆動回路に接続されている。

固定基板１１０の背面の２カ所には、鉄板等の磁性体からなる断面コ字形のヨークＹＸ、ＹＹが固着されている。各ヨークＹＸ、ＹＹの先端部の内面には永久磁石ＭＸ、ＭＹが吸着されている。ヨークＹＸの永久磁石ＭＸは、Ｎ極とＳ極がＹ方向に並んでおり、ヨークＹＹの永久磁石ＭＹは、Ｎ極とＳ極がＸ方向に並んでいる。ヨークＹＹの先端部は永久磁石ＭＹと対向しており、両者の間に磁力線が集中する磁気回路を形成している。同様に、ヨークＹＸの先端部と永久磁石ＭＸとの間に磁力線が集中する磁気回路を形成している。ヨークＹＹの先端部と永久磁石ＭＹの中間に突出舌片１２０ａが、ヨークＹＸの先端部と永久磁石ＭＸの中間に突出舌片１２０ｂがそれぞれ非接触で、Ｘ方向、Ｙ方向移動自在に位置している。

ＸＹ方向ガイド軸１１１、プリント基板１２０、ベース板１３０、ホルダ１３１、オプティカルローパスフィルタ１３４、押さえ部材１３３及び撮像素子１０５を含む移動体および図示しないフレキシブルプリント基板は、駆動用コイルＣＸ、ＣＹに通電されていないニュートラル状態（初期状態）において、撮像素子１０５の撮像面１０５ａの中心が光軸Ｏと一致するように設定されている。

コイル駆動回路を介してＸ方向駆動用コイルＣＸに通電されると、撮像素子１０５、プリント基板１２０、ベース板１３０がＹ方向ガイド軸１１２に沿ってＸ方向に移動し、コイル駆動回路を介してＹ方向駆動用コイルＣＹに通電されると、撮像素子１０５、プリント基板１２０、ベース板１３０およびＸＹ方向ガイド軸１１１がＹ方向に移動する。

かかる手ブレ補正ステージ装置において、演算制御回路４１は、角速度センサが検出した垂直、水平角速度に基づいて、Ｘ方向、Ｙ方向の駆動速度および駆動距離を演算し、駆動速度、駆動距離に応じて駆動用コイルＣＸ、ＣＹに通電して、プリント基板１２０をＸ方向、Ｙ方向に移動させる。プリント基板１２０が移動すると、二次元位置検出素子１１の受光面上に投影された二次光源像２４ｉが移動し、二次元位置検出素子１１から出力される検出信号が変化する。演算制御回路４１は、これらの検出信号に基づいてプリント基板１２０の位置を検出して、駆動用コイルＣＸ、ＣＹへの通電を制御する。

この実施形態は、ステージの位置を検出する位置検出装置の光学系を縮小投影光学系としたので、位置検出できるステージの移動領域が受光素子の受光領域／倍率に拡大される。したがって、受光面の拡大が困難な二次元位置検出素子を使用して、受光面より広い二次元移動領域について位置検出することができる。

本発明を適用した二次元位置検出装置の実施形態の主要部を示す縦断面図である。 同実施形態の回路構成をブロックで示す図である。 本発明の別の実施形態の主要構成を示す縦断面図である。 本発明を適用したデジタルカメラの手ブレ補正用ステージ装置を備えたデジタルカメラの実施形態を示す縦断面図である。 同手ブレ補正用ステージ装置の要部を示す背面図である。 図５の切断線VI-VIに沿う断面図である。

符号の説明

１０ 固定基板
１１ 二次元位置検出素子（ＰＳＤ）
１２ 受光面
１３ａ １３ｂ １３ｃ １３ｄ 出力端子
２０ 可動基板
２１ 光源
２２ ＬＥＤ
２３ スポットマスク
２４ 小孔
２４ｉ 二次光源像
３１ レンズホルダ
３２ 開口部
４１ 演算制御回路
１０１ デジタルカメラ
１０３ 撮影レンズ
１０５ 撮像素子
１１０ 固定基板
１１１ ＸＹ方向ガイド軸
１１２ Ｙ方向ガイド軸
１１３ Ｘ方向ガイド軸
１１４ 軸受
１１５ａ 長孔
１２０ プリント基板
１３０ ベース板
１３１ ホルダ
１３１ａ 開口
１３３ 押さえ部材
１３４ オプティカルローパスフィルタ
１３５ １３６ Ｘ方向案内部

Claims (4)

1. 固定部材に対して相対的に二次元方向に平行移動する移動部材と、
   前記固定部材および移動部材の一方に固定された光源および他方に固定された、前記光源から発せられた光を受光して受光位置を検出する二次元位置検出素子と、
   前記光源と二次元位置検出素子との間に配置された、前記光源から発せられた光を前記二次元位置検出素子の受光面に集光させる縮小投影光学系を備えたこと、を特徴をする二次元位置検出装置。
2. 請求項１記載の二次元位置検出装置において、前記縮小投影光学系は、前記光源との距離の方が前記二次元位置検出素子の距離よりも長くなる位置に配置された結像レンズを含むこと、を特徴とする二次元位置検出装置。
3. 請求項１または２記載の二次元位置検出装置において、前記移動部材は、撮像素子が搭載された手ブレ補正ステージ装置のステージであって、該ステージを固定部材に対して直交する一方の軸方向に移動自在に支持する第１の支持手段と、該第１の支持手段および前記ステージを一体として、前記直交する他方の軸方向に直線移動自在に支持する第２の支持手段とを備えた二次元位置検出装置。
4. 請求項１記載の二次元位置検出装置において、前記縮小投影光学系は、結像レンズと、該結像レンズをその光軸方向に微動させて焦点調節する微動機構を備えた二次元位置検出装置。
   
   

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