JP2009047951A - レンズ位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像レンズの位置検出用ホール素子の出力調整やオフセットを補正する為の抵抗及び可変抵抗などの部品と調整工数が専用に必要となり、回路基板の大型化や部品コストの増大及び調整に要する工数の増加などの課題があった。
【解決手段】磁界を検出するホール素子と、前記ホール素子に電流を供給する電流供給回路と、前記ホール素子の一方の出力が基準電圧と同一になるようにホール素子の電源電圧を制御する第１の差動増幅器と、前記のホール素子の出力を増幅する電圧増幅回路と、前記電圧増幅回路の入力電圧にオフセットを与える電圧補正回路とで構成されるレンズ位置検出装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学機器における光学方式の手振れ補正装置に関するものである。

近年、民生用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラにおいては、機器の小型・軽量化や光学ズ−ムの高倍率化が進んでいる。しかしながら、機器の小型・軽量化や光学ズ−ムの高倍率化は、手振れによる撮影画面のぶれの増大という問題を発生させている。この問題を解決するため、撮像レンズにおいて画面のぶれを低減させる光学式手振れ補正装置を搭載する商品が開発、発売されている。

光学式手振れ補正装置としては、撮像レンズ内部の一部のレンズあるいはレンズ群を駆動する方式がある（例えば特許文献１参照。以下、インナーＯＩＳ方式と称す）。インナーＯＩＳ方式は、角速度センサによるピッチング、ヨ−イング２方向の手振れ情報に基づいて、補正用レンズを光軸に対して垂直面内の水平・垂直２方向に移動制御して像ぶれを補正するものである。

特許文献１の像ぶれ補正装置において、補正レンズと駆動コイルとホール素子は、一体となって動くように構成されている。ホール素子は、マグネットの磁界を検出し電圧で出力する（以下ホール出力と称す）。ホール出力は、磁界の強さに比例するのでホール素子とマグネットの距離が離れるほどホール出力は小さくなる。またマグネットの磁界は、Ｎ極とＳ極の境界位置から遠くなるに従い磁界強度のリニアリティが悪化する。このため特許文献１の像ぶれ補正装置は、マグネットの磁極の境界位置と補正レンズの光学中心とが一致するようにアクチュエータの設計を行う必要がある。

手振れの補正角を一定とした場合には、補正レンズの大きさとその移動距離は、ほぼ撮像素子の大きさに比例している。撮像素子が大きいほど補正レンズも大きくなり、補正レンズの移動距離も長くなる。反対に小型の撮像素子では、補正レンズも小さくその移動距離も短くて済む。

鏡筒に使用される成型部品（樹脂部品）の寸法精度やマグネットの着磁位置精度及びマグネットの取り付け位置精度には一定の限界があり、量産時ホール素子とマグネットの境界位置のずれやホール素子とマグネットの空間距離（ギャップ）にばらつきが発生する。このようなホール素子とマグネットの機械的寸法ばらつきは、ホール出力ばらつきやホール出力オフセットばらつきとなって現れる。特に補正レンズの移動距離が短い場合はホール出力が小さくなるために、機械的な位置誤差によるホール出力のオフセットが相対的に大きくなるという問題があった。

このため補正レンズ用アクチュエータを駆動制御するには、ホール出力及びホール出力オフセットを補正して補正レンズの位置を所定の電気信号に変換する位置検出装置が必要となっている。

以下、従来の手振れ補正レンズ用位置検出装置の一例について、図面を用いて説明する。

図１０は、従来の位置検出装置の内部回路の一例である。補正レンズを駆動する積層基板には、水平、垂直２個のホール素子が配接され、それぞれの位置信号処理回路に接続されるが、回路構成及び回路動作は同一であるので、以下の説明は１個のホール素子とその位置信号処理回路で行う。

図１０において、Ｂ２は位置検出装置の電源である。８はホール素子である。ホール素子８は、電源端子ＶＩ＋、ＶＩ−と出力端子ＶＯ＋、ＶＯ−を有している。電源端子ＶＩ＋は、電源Ｂ１に接続され、ＶＩ−端子は接地されている。Ａ２は差動増幅器で、正転入力端子はホール素子８のＶ０＋端子に接続される。反転入力端子はホール素子のＶＯ−出力から抵抗Ｒ１を介して接続される。差動増幅器Ａ２の出力端子と反転入力端子の間には抵抗Ｒ２と可変抵抗ＶＲ２が接続されている。ホール素子８の出力電圧は、Ｒ２抵抗値と可変抵抗ＶＲ２抵抗値の加算値をＲ１の抵抗値の比で増幅される。よってＶＲ２の抵抗値を可変することで増幅度を可変することができる。差動増幅器Ａ２の変転入力には抵抗Ｒ３が接続され、抵抗Ｒ３の他端には可変抵抗ＶＲ１が接続される。可変抵抗ＶＲ１の入力は電源Ｂ１に接続されている。抵抗Ｒ３を適当な抵抗値に選び可変抵抗ＶＲ２を操作することで、差動増幅器Ａ２の出力ＰＯＳ（以下ＰＯＳ信号と称す）にオフセットを与えることができる。

本回路の働きは、補正レンズ１を端から端まで移動させた場合に差動増幅器Ａ２の出力が所定の電圧になるように可変抵抗器ＶＲ１でオフセットを調整し、ＶＲ２で増幅度を調整することで補正レンズ１の位置を電圧信号として出力することである。例えば補正レンズ１が下端にあった場合には１Ｖ、上端にあった場合２Ｖというように補正レンズの位置とそのときの電圧を設定して、駆動コイルに強制的に電流を供給して補正レンズを下端と上端に移動させ、ＶＲ１とＶＲ２でＰＯＳ信号の調整を行う。
特開２００２−２２９０９０号公報（第１図、第２図）

しかしながら、従来の位置信号処理回路では、大きさが違うレンズごとに増幅度の設定とオフセット調整用の抵抗器及び可変抵抗器の選定がそれぞれ専用に必要となり、回路部品コストの増加や調整に要する工数や調整時間が増加するなどの課題があった。

本発明が解決しようとする問題点は、撮像レンズの大きさに関わりなく、外付け部品を必要としないでホール出力の増幅度とオフセット調整の電子制御化が可能な手振れ補正用レンズの位置検出装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のレンズ位置検出装置は、撮像レンズと、前記撮像レンズと一体で可動する角速度センサと、前記角速度センサの出力から前記補正レンズの制御信号を算出する演算回路と、前記撮像レンズ内にあって光軸に対して垂直面内の水平垂直２方向に可動する補正レンズと、前記補正レンズと一体に保持されたホール素子と、前記補正レンズを駆動する駆動コイルと、前記駆動コイルに相対して保持されたマグネットと、前記ホール素子に電流を供給する電流供給回路と、前記ホール素子の一方の出力が基準電圧と同一になるようにホール素子の電源電圧を制御する第１の差動増幅器と、前記ホール素子の出力を増幅する電圧増幅回路と、前記電圧増幅回路の入力電圧にオフセットを与える電圧補正回路とを備える。

上記構成により、撮像レンズの大きさに関わりなく、外付け部品を必要としないでゲイン調整、オフセット調整の電子制御化が可能な手振れ補正用レンズの位置検出装置を提供できる。また本発明は、集積回路化が極めて容易であり、機器への導入が簡単に行える優れた効果を有する。

（実施例１）
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による手振れ補正装置の概略構成図である。撮像レンズ２０の後部に、撮像素子（ＣＣＤ）２１が配設されている。手振れを検出する角速度センサ２２は、撮像レンズ２０と一体化するよう配設されている。撮像レンズ２０の内部には、光軸を補正する補正レンズ１と補正レンズ１を駆動する駆動コイル６及び補正レンズ１の位置を検出するホール素子８が配設されている。ホール素子８は、位置信号処理回路３０に接続される。位置信号処理回路３０は、補正レンズの位置を電圧信号として出力する。角速度センサ２２の出力は、手振れ補正演算回路５０に入力される。手振れ補正演算回路５０は、角速度を角度に変換する積分演算及びパンニング動作などの判定動作を行い、補正レンズの移動量を演算し電圧信号で出力する。位置信号処理回路３０の出力と手振れ補正演算回路５０の出力は、補正レンズ制御回路４０に入力される。位置信号処理回路３０の出力と手振れ補正演算回路５０の出力が一致するように補正レンズ制御回路４０の出力で駆動コイル６を制御駆動する。手振れ補正演算回路５０から位置信号処理回路３０を制御するための制御信号が出力される。

図２は、ホール素子８のホール出力を増幅制御する位置信号処理回路３０の一例である。補正レンズを駆動する積層基板には、水平、垂直２個のホール素子が配接され、それぞれの位置信号処理回路に接続されるが、回路構成及び回路動作は同一であるので、以下の説明は１個のホール素子とその位置信号処理回路で行う。

図２において、８はホール素子である。ホール素子８は、２個の電源供給用端子ＶＩ＋、ＶＩ−を有しており、電源電流あるいは電源電圧が印加されると、検出する磁界の大きさと極性に比例した電圧を２個の出力端子ＶＯ＋とＶＯ−から出力する。Ｂ１は基準電圧源で電圧は位置信号処理回路３０の電源電圧ＶＣＣの１／２である。Ａ１は差動増幅器で正転入力端子に基準電圧源、反転入力端子にホール素子のＶＯ−出力が接続されている。Ａ１の出力はホール素子８の電源端子ＶＩ＋に接続されている。この接続によりホール素子のＶＯ−端子の電圧は、常に基準電圧１／２ＶＣＣになるようにＶＩ＋端子の電圧が制御される。ＶＯ＋端子は、磁界の極性により、例えばＮ極の場合は１／２ＶＣＣより高く、Ｓ極の場合は１／２ＶＣＣより低くというように出力する。

ＤＡ１とＤＡ２は、ＤＡコンバータであり、マイクロコンピュータ等のシリアル信号線群Ｓ０によって出力電圧が制御される。ＤＡ１の出力はＨＧとして、またＤＡ２の出力はＨＢとして以下説明する。

Ａ３は差動増幅器である。Ｒ４とＲ５は抵抗でＤＡコンバータからの信号ＨＧを分圧した信号を差動増幅器Ａ３の正転入力端子に接続している。Ｒ４と並列に抵抗Ｒ４１とスイッチＳＷ１が接続されている。ＳＷ１は、手振れ補正演算回路５０からの制御信号Ｓ１によって開閉が制御される。

Ｔ１はＮ型ＭＯＳトランジスタであり、ゲート端子は差動増幅器Ａ３の出力端子に接続される。Ｔ１のソース端子は抵抗Ｒ６及び差動増幅器Ａ３の反転入力端子に接続される。Ｔ１のドレイン端子はホール素子８のＶＩ−端子に接続されている。この接続により、信号ＨＧの分圧電圧と抵抗Ｒ６に発生する電圧を等しくなるよう差動増幅器Ａ３がＮ型ＭＯＳトランジスタＴ１を制御するので、信号ＨＧの電圧にしてホール素子の電源電流ＩＨが変化する。なおＴ１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタでも構成可能であり、この場合はゲート端子がベース端子、ソース端子がエミッタ端子、ドレイン端子がコレクタ端子に相当する。使用する半導体デバイスのプロセスにより適宜選択が可能である。

Ａ２は差動増幅器であり、正転入力端子にホール素子８のＶＯ＋端子が接続され、反転入力端子に抵抗Ｒ１が接続される。抵抗Ｒ１の他端はホール素子のＶＯ−端子が接続される。反転入力端子と出力端子の間には抵抗Ｒ２が接続され、ホール出力ＶＯ＋を入力とする非反転増幅器を構成している。抵抗Ｒ２には、並列に抵抗Ｒ２１とＳＷ２が接続される。ＳＷ２は、手振れ補正演算回路５０からの制御信号Ｓ２によって開閉が制御される。

差動増幅器Ａ２の反転入力端子とＤＡコンバータＤＡ２の出力の間には、抵抗Ｒ３が接続される。抵抗Ｒ３には、並列に抵抗Ｒ３１とＳＷ３が接続される。ＳＷ３は、手振れ補正演算回路５０からの制御信号Ｓ３によって開閉が制御される。

この接続によって、ＶＯ＋の出力を入力とする増幅度＝（１＋Ｒ２／Ｒ１）の正転増幅器を構成している。またＨＢの電圧によって、ＰＯＳ出力のＤＣオフセットを制御出来る。

このように構成された位置信号処理回路３０の動作について図面を用いて説明する。図３はＨＧ信号と位置信号出力ＰＯＳとの関係を示した特性図である。このときＨＢ信号は１／２ＶＣＣに、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は接続状態（ＯＮ）になっているものとする。図３の中で実線の特性は、ホール素子がマグネットの中心位置にある場合の特性である。マグネット中心では、磁界の強さは０であるためホール出力は発生せず、ＨＧ信号を大きくしてホール素子に電流を流してもＰＯＳ出力は、１／２ＶＣＣのままである。

点線は補正レンズが可動範囲の一方の端（Ａ端とする）でマグネットの磁界がＮ極、もう一方の端（Ｂ端とする）でマグネットの磁界がＳ極にある場合の特性である。この場合、ＨＧが最大の時にＰＯＳ出力も最大になるとして記載している。前述のようにＨＧ信号でホール素子の電源電流を可変させるので、Ａ端からＢ端での位置信号出力の振幅は、ＨＧ信号と比例する。従来の位置信号処理回路で説明したように、あらかじめ設定すべきＰＯＳ出力の振幅を決定しておき、Ａ端とＢ端でのＰＯＳ出力をＨＧ信号で所定の値にゲイン調整する。例えばＡ端でのＰＯＳ電圧を１／４ＶＣＣ、Ｂ端でのＰＯＳ電圧を３／４ＶＣＣに設定する場合は、ＨＧ電圧は１／２ＶＣＣとすればよい。この調整は、ＰＯＳ信号をＡＤコンバータで読み込み、マイクロコンピュータ等でＨＧの電圧を演算で求めることで簡単に実現出来る。このように補正レンズの可動範囲でＰＯＳ電圧の振幅が所定の電圧となるよう、また補正レンズが光学中心位置にあるときＰＯＳ出力が１／２ＶＣＣになるよう調整すれば手振れ補正動作を正確に行うことが出来る。

前述の説明のように、レンズ鏡筒の量産においてはホール素子とマグネットの空間距離（ギャップ）にばらつきが発生し、ホール出力の大きさがばらつくためＨＧ信号によるホール電流調整が必要となる。

図４は、補正レンズの可動範囲が図３の場合より大きく、同一のホール電流でホール出力が２倍になった場合の特性図を点線で示す。この場合、レンズのホール出力の個体ばらつきをＨＧだけで調整するのは困難である。図４においてＲ４とＲ４１を同一抵抗値にし、ＳＷ１をＯＦＦした場合の特性を実線で示す。図３の特性と同じになり、ホール出力ばらつきをＨＧの調整で行えるようになる。このようにＳＷ１を設けることにより大きさの異なるレンズに対して、可変抵抗器など部品の変更や追加をすることなくゲイン調整が対応可能となる。

さらにＳＷ２により、Ａ２における増幅度を２段階に切り替えることが出来る。図５は、図４の条件でＲ２とＲ２１を同一抵抗値にして、ＳＷ２がＯＦＦの場合を点線で、ＳＷ２がＯＮの場合を実線で示す。このように増幅度がほぼ２倍（６ｄＢ）違う増幅器として使用出来る。このＳＷ２を設置することにより、前述のＳＷ１の使用と合わせてより広範囲の大きさのレンズ即ちホール出力の異なるレンズに対応することが可能となる。

一方ホール素子は、使用する材料により入力抵抗値が異なる。入力抵抗値が大きいホール素子の場合、あるホール電流以上で電源電圧に当ってしまう問題が発生する。ホール入力抵抗が大きい場合にＳＷ１を開放（ＯＦＦ）し、ホール入力抵抗が小さい場合にＳＷ１設定を短絡（ＯＮ）すれば、ホール素子の入力抵抗値で最適なホール電流を選択することが可能となり、実用上非常に有用である。

図６と図７は、図３の条件でホール素子とマグネットとの位置ずれが発生している場合のＨＧ信号とＰＯＳ出力との関係を示した特性図である。図６では、ホール素子の位置ずれがＮ極の方向にずれている。図７では、ホール素子の位置ずれがＳ極の方向にずれている場合を示している。前述のように補正レンズの中心位置では、ＰＯＳ出力は１／２ＶＣＣになっていなければならない。図６や図７のように補正レンズ即ちホール素子とマグネットとの位置ずれがあると、制御回路からの補正レンズ指令位置に対し、実際の補正レンズの位置がずれてしまい、補正レンズが端に当たり易くなり、正常な手振れの補正が出来ない。またズームレンズの場合、ズーミングによって画面中心の被写体がずれていく問題が発生する。このＰＯＳ出力のずれ（オフセット）を図３の状態になるようにＨＢ信号で調整する必要がある。

前述の図２の抵抗Ｒ３とＤＡコンバータＤＡ２により、反転入力端子にオフセットを付けることで、ＨＢの電圧によって正負両方向にＰＯＳ出力のオフセット補正を行なうことが出来る。図６のようなオフセットに対してはＨＢを１／２ＶＣＣより小さく、図７のようなオフセットに対してはＨＢを１／２ＶＣＣより大きくするように調整すればよい。オフセット補正は、前述のＨＧの調整と同様にＡＤコンバータとマイクロコンピュータ等を使用し、ＨＢの値を演算することで実現出来る。

図８はＨＢ信号とＰＯＳ出力との関係を示した特性図である。図８ではＨＢ信号が１／２ＶＣＣの時、ＰＯＳ出力が１／２ＶＣＣの場合を示している。図２の抵抗Ｒ３、Ｒ３１及びＲ２は、同一抵抗値に設定している。図８の実線がＳＷ３を開放した場合、点線がＳＷ３を短絡した場合の特性である。図８から分かるようにオフセット調整のゲインをＳＷ３で切り替えることが可能であり、ホール出力オフセットのばらつき量に差があるレンズ、すなわち大きさの異なるレンズに対して、可変抵抗器など部品の変更や追加をすることなくオフセット調整が実現出来る。

（実施例２）
図９は、ホール電流切り替え用スイッチＳＷ１と並列にスイッチＳＷ１１を、差動増幅器Ａ２の増幅度切り替え用スイッチＳＷ２と並列にスイッチＳＷ２１を、オフセット切り替え用スイッチＳＷ３と並列にスイッチＳＷ３１を、それぞれ設けた構成例を示す。回路動作は、前述の通りであるので省略するが、図２の構成例では、各スイッチでの抵抗値の選択は２値であったが、図９の例では抵抗値４の値の選択が可能となり、より広範囲なレンズサイズに対応することが可能となる。また図２、図９では各スイッチの開閉制御を直接手振れ補正演算回路からの制御信号に接続しているが、シリアル制御信号線群によるレジスタ制御で行ってもよい。この場合、制御信号の本数を削減出来る利点がある。

このように本発明によれば、大きさの異なるレンズや入力抵抗値の異なるホール素子を使用したレンズに対して、外付け部品や調整工数を掛けることなくゲイン調整及びオフセット調整の電子制御化が可能となる。さらにホール素子を用いた他のアクチュエータ、例えばアイリスメータの制御回路にも容易に展開が可能である。また本構成は、集積回路化が容易で機器への導入が簡単に実現出来るなどの優れた特徴を有する。

本発明の実施の形態に於ける全体構成ブロック図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の構成を示す回路図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の特性図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の特性図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の特性図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の特性図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の特性図 本発明の実施の形態に於ける位置信号処理回路の特性図 本発明の第２の実施の形態に於ける位置信号処理回路の構成を示す回路図 従来の位置信号処理回路の一例を示す回路図

符号の説明

２０ 撮像レンズ
２１ 撮像素子
２２ 角速度センサ
１ 補正レンズ
６ 駆動コイル
８ ホール素子
ＤＡ１、ＤＡ２ ＤＡコンバータ
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 差動増幅器
Ｔ１ トランジスタ
Ｂ１ 基準電圧源
Ｂ２ 電圧源
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ１１、ＳＷ２１、ＳＷ３１ スイッチ

Claims (4)

1. 撮像レンズと、
   前記撮像レンズと一体で可動する角速度センサと、
   前記角速度センサの出力から前記補正レンズの制御信号を算出する演算回路と、
   前記撮像レンズ内にあって光軸に対して垂直面内の水平垂直２方向に可動する補正レンズと、
   前記補正レンズと一体に保持されたホール素子と、
   前記補正レンズを駆動する駆動コイルと、
   前記駆動コイルに相対して保持されたマグネットと、
   前記ホール素子に電流を供給する電流供給回路と、
   前記ホール素子の一方の出力が基準電圧と同一になるようにホール素子の電源電圧を制御する第１の差動増幅器と、
   前記ホール素子の出力を増幅する電圧増幅回路と、
   前記電圧増幅回路の入力電圧にオフセットを与える電圧補正回路と、
   を備えたレンズ位置検出装置。
2. 前記電流供給回路は、第１のデジタル−アナログ変換器と、前記第１のデジタル−アナログ変換器の出力電圧を分圧する複数個の抵抗器と、前記抵抗器の接続を切り替える１個以上のスイッチと、前記分圧した電圧を電流に変換する電圧−電流変換回路と、を備えた請求項１に記載のレンズ位置検出装置。
3. 前記電圧増幅回路は、第２の差動増幅器と、前記第２の差動増幅器の増幅度を決定する複数個の抵抗器と、前記抵抗器の接続を切り替える１個以上のスイッチと、を備えた請求項１に記載のレンズ位置検出装置。
4. 前記電圧補正回路は、第２のデジタル−アナログ変換器と、前記第２のデジタル−アナログ変換器の出力と、前記電圧増幅回路の入力に接続された複数個の抵抗器と、前記抵抗器の接続を切り替える１個以上のスイッチと、を備えた請求項１に記載のレンズ位置検出装置。

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