JP2012098653A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の駆動時間や位置精度などの機能を損なわずに小型化を達成して操作性を向上し、且つ信頼性も成立させる。
【解決手段】超音波振動子を有する少なくとも３個以上の駆動部で回転円板の回転、直進を同時に駆動し、駆動制止は付勢手段で制止する。光学装置が姿勢変化した時に駆動部にかかる負荷量の変化に応じて駆動制御を変更し、光学ユニットの切替時間の差が抑制されるよう駆動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズや光学フィルターなど光学ユニットを回転円板上に積置し、載置された光学ユニットを適切な位置に回転駆動して光学性能を得る光学装置に関する。

特許文献１では、複数のレンズユニットを回転円板上に載置し、円板中心には回転用の軸が回動自在に取り付けられている。また回転円板を駆動するために円周にはベルトが掛けられ、ベルトの他方はプーリーを介してモーター駆動軸と繋がっている。なお、各レンズユニットの固定位置は、回転円板の円周に設けたＶ溝に、予め付勢された状態のローラが収まることで固定される。

特開２００１−２４２３７０号公報

しかしながら、特許文献１のような従来の光学装置では、以下に述べるような問題点が生じていた。光学装置はパン、チル操作を行うため、取り回しと操作性を考慮して小型、軽量である方が良い。しかしながら従来のように、回転円板上に複数の光学ユニットを載置した光学装置だと、回転円板のみでなくベルトなどの駆動伝達部材や駆動部の配置場所が別途必要で、小型化を妨げていた。さらに、各光学ユニットの光軸は、回転により光学装置の主光軸上に合わせるために、各光学ユニット毎に回転中心からの光軸位置を偏芯調整機構を設けて合わせる必要がある。それぞれの光学ユニットに偏芯調整機構を設けるため、回転円板は大型化し、重量増の要因となっていた。
また従来の光学装置では、メカ機構で位置決めされるため、位置決め後に光学装置に外的な振動や衝撃が加わって光学ユニットがずれてしまうと、適切な光学性能を得ることができなかった。

そこで本発明の例示的な目的は、回転円板上に複数の光学ユニットを有する光学装置において、従来の駆動時間や位置精度などの機能を損なわずに小型化を達成して操作性を向上し、且つ信頼性も成立させる適切な構成を備えた光学装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係わる光学装置では、複数の光学ユニットを載置した回転円板の回転と直進移動を少なくとも３つ以上の駆動源により可能とする駆動手段と、少なくとも３つ以上の位置検出センサーにより回転円板の回転量と直進移動量を検出可能とする検出手段と、回転円板上の光学ユニットの光軸中心を、回転円板の回転と直進移動により光学装置の光軸中心に合致させる制御手段とを有することで従来技術の課題は解決される。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施形態等によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、従来の駆動時間や位置精度などの機能を損なわずに小型化を図ることができ、小型化により操作性も向上して、且つ信頼性も成立する光学装置を提供することができる。

本発明の全ての請求項に係る構成の概要を表した全体概要図である。 本発明の請求項１〜９に係る回転板とその周囲の構成の概要を表した概要図である。 本発明の全ての請求項に係る制御ブロックの構成を表したブロック図である。 本発明の請求項１〜９に係る駆動部の構成のを表した断面図である。 本発明の請求項１〜９に係る駆動部の推力方向を表した概要図である。 本発明の請求項１〜９に係るセンサ部の構成を表した断面図である。 本発明の請求項１〜９に係る原点検出方法の概要を表した概要図である。 本発明の請求項５に係る動作フローを表したフロー図である。 本発明の請求項５に係る光学ユニットの移動軌跡の概要を表した概要図である。 本発明の請求項７、８に係る光学装置の姿勢と駆動部の負荷の関係を表した概要図である。 図１２の説明のため比較用に光学ユニットの移動軌跡の概要を表した概要図である。 本発明の請求項７，８に係る光学ユニットの移動軌跡の概要を表した概要図である。 本発明の請求項７，８に係る動作フローを表したフロー図である。 本発明の請求項１０に係る回転軸とその周囲の構成の概要を表した概要図である。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
図１は、本発明の構成を有する光学装置内の概略を示す概要図で、また図２は複数の光学ユニットを載置する切替光学ユニットの構成を示す概要図である。
図１に示すように、光学装置筐体１００内には、フォーカスレンズ群１、ズームレンズ群２、アイリス機構３、複数の光学レンズ群を有する切替光学ユニット部４、リレーレンズ群５の各光学手段が前方から順次配置されている。フォーカスレンズ群１は、直進駆動機構（図示せず）によってレンズ光軸Ｏ方向に移動して焦点距離を調節する。ズームレンズ群２は前後２群に分かれており、それぞれが直進駆動機構（図示せず）を介して光軸方向に移動して変倍を調節する。アイリス機構３は、複数枚の絞り羽（図示せず）で構成されており、絞り羽で形成された絞り径を駆動機構（図示せず）で調整することにより絞り径が変更される。切替光学ユニット部４は、倍率の異なる変倍レンズ群を後述する回転板上に配置し、それぞれの変倍レンズ群の光軸が光軸Ｏ上に合致する位置に移動し、所定倍に拡大される。

次に図２で切替光学ユニット部４の内部構成について説明する。図２は切替光学ユニット部４を図１の紙面右側から見た図である。回転板６上には、変倍レンズ群７，８，９が回転板６中心に対して略１２０°等分に配置されている。図２では、変倍レンズ群７の光軸中心が光軸Ｏと同軸上に移動した状態となっている。回転板６には中心に回動する回転軸が無く、また変倍レンズ群７，８，９には回転板６中心からの偏芯調整機構は無いため、従来の回転円板に比べて小型、軽量となっている。

回転板６の円周端付近には、回転板６を回転、及び偏芯移動するための駆動部１０，１１，１２が回転板６中心に対して略１２０°等分に配置されている。駆動部１０，１１、１２は、後述する電歪素子で表面進行波を形成して回転板６を回転、偏芯移動させる。図２では、駆動部１０，１１が回転板６中心に対して上方左右対称位置に設けられ、駆動部１２は回転板６の下端に設けられている。さらに、回転板６の円周端付近には、回転板６の水平左右方向の位置を検出する１対のｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂと、垂直上下方向の位置を検出するｙ軸センサ部１４が配置されている。

図２では、ｘ軸センサ部１３ａが回転板６上端の背面側に、ｘ軸センサ部１３ｂが１３ａと対向側に回転板６下端の背面側に設けられ、またｙ軸センサ部１４が回転板６右端の背面側に設けられている。回転板６の下側１対のガイド１５ａ、１５ｂ、及び上側１対のガイド１６ａ、１６ｂは、回転板６の移動範囲を規制するガイドである。各ガイド内であれば、回転板６が駆動部１０、１１，１２の駆動力を得て回転、偏芯移動できる範囲内にあり、また同時にｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂとｙ軸センサ部１４が回転、偏芯の検出ができる範囲内にある。なお、図２では各ガイドを設けているが、光学装置の小型化のため回転板６周囲の筐体が、ガイドを兼ねても良い。

次に図３で回転板６の制御ブロックの構成を説明する。図３において、ＣＰＵ１７は、切替光学ユニット部４の動作をコントロールする制御部で、センサ回路１８を介してｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂとｙ軸センサ部１４の出力値を読み取り、出力値に応じて駆動回路１９を介して駆動部１０，１１，１２を駆動制御する。またＣＰＵ１７には、各変倍レンズ群の選択を行う入力スイッチ２０と、各変倍レンズ群の移動位置を記録したメモリ２１が接続されている。

次に図４で駆動部１０の内部構成について説明する。なお、駆動部１１，１２も駆動部１０と同じ構成のためそれぞれの説明は省略する。図４は、駆動部１０と回転板６の断面図である。（断面位置は図２参照） 固定筐体２２側は、表面進行波を発生させるための電歪素子２３と、表面進行波を形成する振動部材２４と、電歪素子２３、振動部材２４双方を固定筐体２２に保持する振動吸収部材２５で構成されている。振動吸収部材２５は、電歪素子２３で発生した振動が固定筐体２２に伝達することを抑制するため、材質が弾性体となっている。同様に、駆動部１１、１２でも上述の電歪素子２３、振動部材２４、振動吸収部材２５が構成されている。

一方回転板６側は、振動部材２４と接触し、表面進行波により駆動力を付与される環状移動部材２６と、環状移動部材２６に伝達される振動を抑制し、且つ環状移動部材２６を回転板６に保持する振動吸収部材２７で構成されている。環状移動部材２６と振動吸収部材２７は、回転板６の円周端付近に環状に配置されているため、回転板６の回転位置に依存せず常に振動部材２４と環状移動部材２６が向き合い、駆動力を得ることが出来る。

同時に、回転板６が偏芯駆動された時でも駆動力を得るため、ガイド１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂの移動範囲内で常に振動部材２４と環状移動部材２６が向き合えるよう、振動部材２４の幅が設定されている。さらに、固定筐体２２側には永久磁石２８が、また回転板６側には環状磁性体２９がそれぞれ構成されている。永久磁石２８は、図２の駆動部１０の内部に回転板６側に固定されており、環状磁性体２９は回転板６の円周端付近に環状に配置されている。

永久磁石２８と環状磁性体２９の間に発生する磁力により、回転板６は駆動部１０側に常に引き付けられており、その付勢力で振動部材２４と環状移動部材２６の間は常に加圧接触されている。同様に、駆動部１１、１２でもそれぞれに構成された永久磁石２８により加圧接触されている。

次に駆動原理について説明する。振動部材２４は、図４の紙面垂直方向に長尺状の形状を成しており、環状移動部材２６と接触する側は部分的に数箇所溝が彫られた櫛形状を成している。電歪素子２３は、複数枚の圧電素子で形成されており、隣り合う圧電素子にそれぞれ同位相、又は１８０°位相のずれた交流電圧を交互に印加していくと、各圧電素子の伸縮で振動部材２４が振動し、櫛形状の先端表面に進行波が形成される。櫛状の先端表面と加圧接触された環状移動部材２６は、進行波の影響で紙面垂直方向に移動する推力を得る。

与える交流電圧の位相を１８０°逆転することで、逆方向にも移動可能である。また、移動速度を変更する時は、電歪素子２３に与える交流電圧の振幅を変更して行う。振幅を変更することで振動部材に形成される進行波の振動幅も変化し、それに応じて環状移動部材２６の移動する最小移動距離が変化する。ところで、振動部材２４に進行波が形成されない時は、振動部材２４と環状移動部材２６の互いに加圧接触された表面摩擦力で回転板６は保持される。

次に各駆動部の動作について説明する。回転板６には、駆動部１０、１１、１２が３箇所円周周囲に配置されているため、それぞれの駆動部の動作の組み合わせによって、回転板６を回転したり、任意の方向に偏芯することができる。例えば、回転板６を図２の紙面時計周り回転する時は、駆動部１０，１１，１２に円周上同じ方向（この場合は時計周りの方向）に、且つ同じ推力で環状移動部材２６が移動するよう駆動制御する。この時、各駆動部の電歪素子には同じ位相変更タイミングで同じ振幅の交流電圧が印加される。

すると、回転板６は３箇所の駆動部で環状移動部材２６が同じ推力を得るため、回転板６の中心を回転中心として回転する。反時計周りに回転する時は、与える位相を全ての電歪素子で１８０°逆転すれば良い。偏芯駆動は図５を用いて説明する。図５ａにおいて、１０ａは駆動部１０で得られる推力の方向を、１１ａは駆動部１１で得られる推力の方向を表している。１０ａ、１１ａのそれぞれの方向は、駆動部１０、１１の相対位置が定められているため角度は変更することができないが、正逆方向と長さの大小、つまり推力の増減は変更可能である。

例えば図５ａでは、１０ａ、１１ａはそれぞれ上方右側と上方左側へ向かい、長さは同じため同じ推力に設定されている。このとき回転板６には、１０ａ、１１ａの合力として垂直上方向の移動力が発生する。この時、回転板６を上方へ移動させるためには、駆動部１２の振動部材２４と環状移動部材２６の間で加圧接触されて得られる摩擦力を抑制する必要がある。そこで、駆動部１２の電歪素子２３に微小な振幅の交流電圧を印加し、摩擦力がほぼ０となる進行波（定常波）を与えておく。すると駆動部１２の負荷が無くなり、駆動部１０と１１の推力の合力で垂直上方へ回転板６が移動する。

図５ｂでは、駆動部１０と駆動部１２で得られる推力の方向を表しており、１０ａは図５ａと同じく駆動部１０で得られる推力の方向を、１２ａは駆動部１２で得られる推力の方向を表している。図５ａと同様に、１２ａも角度は変更することができないが、正逆方向と長さの大小、つまり推力の増減は変更可能である。図５ｂでは、１０ａは図５ａと同様に上方右側に向かうが、１２ａは紙面水平方向右側へ向かう。なお、１０ａ、１２ａは同じ推力に設定されている。このとき回転板６には、１０ａ、１２ａの合力としての移動力が発生する。

この状態の時、図５ｂでは駆動部１１に定常波を流して摩擦力を抑制しておく。すると駆動部１０と１２の推力の合力で上方右側へ回転板６が移動する。図５ｃでは、図５ａと異なり駆動部１０の推力が駆動部１１の推力より低い場合を表している。１０ａより小さい１０ｂと１１ａの組み合わせでは、合力は１１ａの方へ引っ張られて上方左側に合力が発生する。つまり、それぞれの推力設定を変更することで、合力の方向を変更することができる。この状態の時、図５ａと同様に駆動部１２は定常波駆動を行い、摩擦力は抑制しておく。

以上のような駆動制御を、駆動回路１９を介して３箇所の駆動部１０，１１，１２で行うことで、回転板６の回転移動と方向自在の偏芯移動を行うことができる。また、回転時でも各駆動部の推力に差を設けることで、偏芯しながら回転することも可能である。

次に図６で、ｘ軸センサ部１３ａの内部構成について説明する。なお、ｘ軸センサ部１３ｂ、ｙ軸センサ部１４はｘ軸センサ部１３ａと同じ構成のため説明は省略する。
図６は、ｘ軸センサ部１３ａと回転板６の断面図である。（断面位置は図２参照） ｘ軸センサ部１３ａは、センサ部の基台２９と、基台２９に搭載された発光素子３０とフォトセンサ３１で構成されている。基台２９は、固定筐体２２側とは回転板６を挟んで対向側にある固定筐体３２に固定されている。

同様に、ｘ軸センサ部１３ｂ、ｙ軸センサ部１４でも上述の基台２９、発光素子３０、フォトセンサ３１が構成されている。一方回転板６側には、発光素子３０、及びフォトセンサ３１と向き合う側に環状反射板３３が構成されている。発光素子３０は、発光ダイオード等を使用した発光素子で、センサ回路１８により駆動されて発光し、その投影光が環状反射板３３で反射してフォトセンサ３１に到達する。環状反射板３３の反射面は、山谷の傾斜面が形成されており、発光素子３０との相対位置によって反射角が変化し、それに応じてフォトセンサ３１に到達する光量が変化する。

フォトセンサ３１は受光した光量変化量を光電変換して電圧値に置き換え、その後電圧値はＡ／Ｄ変換器（図示せず）でパルス矩形波に変換される。そしてセンサ制御部１８は、パルス矩形波をサンプリングして移動量を積算する。ところで、環状反射板３３には、図６のように、他の形状と異なる傾斜面３３ａが一部形成されている。また３３ａと類似形状の３３ｂ、３３ｃも３３ａと同様に環状反射板３３上に設けられている。３３ａ、３３ｂ、３３ｃのそれぞれの配置位置は、ちょうどｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂ、ｙ軸センサ部１４の配置位置に相当する。

また３３ａ、３３ｂ、３３ｃの形状は、各センサ部１３ａ、１３ｂ、１４でのみ検出されるよう僅かに形状が異なっており、各センサ部１３ａ、１３ｂ、１４は形状差からどの形状か識別する。３３ａの反射光をフォトセンサ３１が受光すると、他の反射光とは区別され、ｘ軸センサ部１３ａで３３ａの位置を検出する。また同様に３３ｂをｘ軸センサ部１３ｂで、３３ｃをｙ軸センサ部１４で検出する。このように、３箇所のセンサ部で検出した時が、回転板６の回転、偏芯移動の原点位置となる。

ここで、メモリ２１には、予め３箇所のセンサ部１３ａ、１３ｂ、１４の原点位置検出時の光軸Ｏと、各光学ユニット７，８，９の各光軸中心との位置関係が記憶されている。したがって、各センサ部１３ａ、１３ｂ、１４の原点位置を検出することで、光軸Ｏに各光学ユニット７，８，９の各光軸中心を合致させる駆動が可能となる。

以上のような構成における実施形態１の動作の流れを、図７ａ〜７ｄ、図８、図９を用いて説明する。図７ａ〜７ｄは、回転板６の回転、偏芯移動時における環状反射板３３と、ｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂ、ｙ軸センサ部１４の測定ポイントとの位置関係を表した概要図である。また図８は、実施形態１の動作フローを示すフロー図で、図９は変倍レンズ群の光軸の移動軌跡のを表した概要図である。

先ず、光学装置１００に電源投入されていない状態の時は、回転板６は駆動部１０，１１，１２それぞれの永久磁石２８と環状磁性体２９の間に発生する磁力により摩擦力が発生して、径方向、及び光軸Ｏ方向にガタつきが無い状態となっている。したがって光学装置１００が電源停止にある状態、例えば搬送途中等で、外的な振動や衝撃を受けても回転板６が移動規制されているためガタつきによる破損を防ぐことができる。

図８において、光学装置１００に電源投入すると、ＣＰＵ１７は、最初に原点探索のため駆動回路１９を介して駆動部１０、１１、１２に回転駆動を指示する（Ｓ１）。すると駆動回路１９では、駆動部１０、１１、１２が回転板６の円周上同じ方向に、且つ同じ推力で環状移動部材２６が移動するよう駆動制御し、回転板６が回転板６中心に回転する。回転駆動時、ｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂ、ｙ軸センサ部１４で検出されるそれぞれの移動量は等しくなる。

そこでＣＰＵ１７は、それぞれの移動量が等しくなるように、回転中は各センサ出力値の誤差をフィードバックしながら駆動回路１９に駆動指示を行っている。但し、この状態での回転位置は、各センサ部で未だ後述する原点位置が検出されていないため、各センサ部の測定ポイントとの相対位置は不明である。回転駆動を継続すると、ｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂのどちらかで原点３３ａ、又は３３ｂが検出される（Ｓ２）。図７ａでは、ｘ軸センサ部１３ａの検出ポイントａで３３ａが検出されている。

この時ＣＰＵ１７は、検出ポイントａで検出された回転位置を起点として、ｘ軸センサ部１３ａのカウンタ量を一時的にリセットする。回転駆動をそのまま継続すると、次は図７ｂのように、ｘ軸センサ部１３ｂの検出ポイントｂで３３ｂが検出される（Ｓ３）。この時、先の検出ポイントａでの検出位置から検出ポイントｂでの検出位置の間に、回転板６はθｘ回転する。そしてＣＰＵ１７は、θｘに相当するｘ軸センサ部１３ａのカウンタ量を算出する（Ｓ４）。

次に、θｘ／２に相当するカウンタ量になるまで回転板６を先の回転と逆方向（図７ｂでは時計方向）に回転する（Ｓ５）。θｘ／２回転して補正することで、ｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂの各測定ポイントで検出された３３ａ，３３ｂが垂直方向に並び、回転板６の回転方向の初期角度が規定される。但しこの状態の時、一度はｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂで３３ａ，３３ｂがそれぞれ検出されたが、回転補正により各測定ポイントの中心と回転板６の中心が偏芯しているため各センサ部１３ａ、１３ｂでは３３ａ，３３ｂは検出されていない。

またこの時、３３ｃは水平方向にあるが、ｘ軸と同様に測定ポイント中心とｙ軸の回転板６中心の位置が偏芯しているためｙ軸センサ部１４では検出されていない。次にＣＰＵ１７は、回転板６をｘ軸水平方向に駆動するよう駆動回路１９に指示する。すると駆動回路１９は、駆動部１０、１１を定常波駆動とし、駆動部１２を用いて水平方向に回転板６を偏芯移動する（Ｓ６）。そしてｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂの各測定ポイントａ、ｂで３３ａと３３ｂが再び検出されるまで移動を繰り返す（Ｓ７）。

図７ｃは、回転方向が規定された後に、紙面右方向に移動して、各測定ポイント中心とｘ軸方向の回転中心が合致した状態である。次にＣＰＵ１７は、ｙ軸垂直方向に駆動するよう駆動回路１９に指示する。すると駆動回路１９は、駆動部１２を定常波駆動とし、駆動部１０，１１を用いて垂直方向に回転板６を偏芯移動する（Ｓ８）。そしてｙ軸センサ部１４の測定ポイントで３３ｃが検出されるまで移動を繰り返す（Ｓ９）。

図７ｄは、紙面下方向に移動して、測定ポイント中心とｘ軸、ｙ軸双方の回転板６中心が合致した状態である。ｙ軸センサ部１４の測定ポイントで３３ｃが検出されると、ＣＰＵ１７は駆動回路１９に駆動停止指示を行い、回転板６の偏芯移動が停止して各駆動部の摩擦力で保持される（Ｓ１０）。そして、ＣＰＵ１７は各センサ部１３ａ、１３ｂ、１４の出力値から換算していたカウンタ量をリセットし、ｘ軸、ｙ軸の原点位置が規定される。

ところで、図２と図７ａ〜７ｄでは、ｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂ、及び測定ポイント部ａ、ｂの位置は垂直方向に配置されているが、ｙ軸センサ部１４と重ならない範囲の角度位置であれば特に限定されない。

続いて原点検出後の動作フローを説明する。光学装置１００を望む倍率に変更するため、変倍レンズ群の切替を入力スイッチ２０より行う。ＣＰＵ１７は、入力スイッチ２０で入力された変倍レンズ群のステータス情報を読み取る（Ｓ１１）。ここでは一例として、図２の変倍レンズ群８が選択されたと仮定する。ステータス情報に基づき、ＣＰＵ１７は選択された変倍レンズ群８の位置情報をメモリ２１より読み出す（Ｓ１２）。位置情報は、予め各変倍レンズ群毎にメモリ２１に記録されており、具体的には原点検出位置から変倍レンズ群の光軸が光軸Ｏ上に到達するまでのカウンタ量として記録されている。

次にＣＰＵ１７は、読み込んだカウンタ量から目標位置まで移動するための後述するの式の係数を決定し（Ｓ１３）、駆動回路１９を介して目標位置に向けて回転板６の回転と偏芯移動の同時駆動の指示を行う（Ｓ１４）。ここで図９を用いて、回転と偏芯移動の駆動方法について説明する。図９は、変倍レンズ群８の光軸が回転と同時に偏芯移動する時の軌跡を表している。原点位置が規定された回転板６上の変倍レンズ群８の光軸は、図中ｘ０、ｙ０の位置にあり、一方光学装置の光軸Ｏは、図中ｘ１、ｙ１の位置にある。

ｘ０、ｙ０からｘ１、ｙ１に向けて移動する時、ｘ軸方向の移動は回転移動で行い、ｙ軸方向の移動は回転移動と同時に偏芯移動を行う。回転移動のみの場合、変倍レンズ群８の光軸は図中２点鎖線の回転軌跡で移動するだけなので、光軸Ｏに対しｘ軸方向の位置は決まるが、ｙ軸方向のずれが生じる。代わりにｙ軸方向に偏芯を伴いながら回転すると、図中実線の軌跡で移動しながらｘ軸方向、ｙ軸方向共に光軸Ｏに到達する。

光軸Ｏ周囲の円形は、変倍レンズ群８の光軸が光軸Ｏに移動した時の許容誤差範囲で、この範囲内に変倍レンズ群８の光軸位置が収まれば光学性能を満足する。
以下の式は、上述の回転、偏芯同時駆動における関係を表している。
ｘ１の位置は、ｘ０の位置からの回転角で規定されるため、回転移動の最小分解能Δθ１に回転角の係数ｋｘ１を掛ける。

ｘ１＝ｋｘ１×Δθ１ −−−（１）
ｙ１の位置は、回転のみの移動の場合の仮想位置ｙ２からの偏芯量で規定されるため、偏芯量の最小分解能ΔＹ１に偏芯量の係数ｋｙ１を掛けて、それにｙ０からｙ２までの回転角、つまり（１）式を足せば位置が決まる。

ｙ１＝ｋｙ１×ΔＹ１＋ ｋｘ１×Δθ１ −−−（２）
実際には、偏芯は回転しながら行われるため、Δθ１当りの偏芯量ΔＹ１／Δθ１に係数ｋｙ２（ｋｙ１にΔθ１を掛けた係数）で表される。
ｙ１＝ｋｙ２×ΔＹ１／Δθ１＋ ｋｘ１×Δθ１ −−−（３）
上述の（１）式と（３）式の係数を、Ｓ１３でＣＰＵ１７が決定し、駆動回路１９を介して目標位置ｘ１、ｙ１に向けて回転板６の回転と偏芯移動の同時駆動の指示を行う。そして目標位置に相当するカウンタ量に到達するまで移動を繰り返す（Ｓ１５）。目標位置に到達すると、ＣＰＵ１７は駆動回路１９に駆動停止指示を行い、回転板６の偏芯移動が停止して各駆動部の摩擦力で保持される（Ｓ１６）。次に、保持された位置でのセンサ出力値を検出し、目標位置ｘ１、ｙ１との差分を比較する（Ｓ１７）。

差分量が許容誤差範囲内であれば、動作を終了し、範囲外であればＳ１４に戻り駆動を繰り返す（Ｓ１８）。動作終了後に、他の変倍レンズ群が再び入力スイッチ２０で選択された場合は、動作をＳ１１から始めて、上述の動作フローにより変倍レンズ群の目標位置を設定して回転と偏芯移動の駆動制御を行い、回転板６を移動させる。この時、光軸Ｏ上には変倍レンズ群８が既に移動しているため、目標位置の設定は原点位置から変倍レンズ群８が移動した移動量の差分を取って設定される。

以上のような動作手順により、小型化、軽量化された回転板と、それに載置された変倍レンズ群で光学装置の切替レンズ部の切替機能を満たすことができる。また回転と同時に偏芯移動も行うため、切替にかかる時間が従来の回転移動のみの切替時間と同等にすることが可能である。したがって、従来の切替時間を損なわずに小型、軽量化で装置の操作性を向上させることができる。なお、図２では、駆動部に超音波振動子を使用しているが、直進駆動可能なアクチュエータであればこれに限定されない。

また回転板上のレンズ群は、図２では変倍レンズ群を載置しているが、光学機能はこれに限定するものでなく、回転板上の光学ユニットで個々に偏芯位置精度が必要なユニットにも適用される。

ところで、実施形態１では回転しながら偏芯移動を行ったが、双方を分けて、例えば（２）式を用いて回転後に偏芯移動を行っても良い。その時の切替時間は、同時に移動するより多くなるが、利点としてそれぞれ移動位置を確認してから位置が決められるため、移動精度が向上して変倍レンズ群の光軸移動の許容誤差範囲を狭めることができる、例えば、許容誤差範囲の狭い光軸敏感度の高いレンズ群の切替には好適である。また、図８の動作フローでは、光軸が許容誤差範囲内に収まった時点で終了しているが、その後センサ部から出力値を常時検出することで、移動後に位置ずれが起きていないか監視することが可能である。

もし光学装置１００が外的な振動や衝撃を受けて許容誤差範囲から光軸位置が外れた時には、動作フローのＳ１４に戻って再駆動することで、再度許容誤差範囲内に収めることができる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、光学装置１００がチルト操作を受けて傾斜した時の切替光学ユニット部４の動作について説明する。図１０は、光学装置１００が水平状態から傾斜した時に駆動部１０，１１，１２が受ける回転盤６とそれに載置された各変倍レンズ群の負荷量の変化を表している。光学装置１００が水平状態の時は、各駆動部は回転板６とその上に載置された変倍レンズ群の構成ユニットの自重を直接負荷として受ける。しかし光学装置１００がチルト操作で姿勢が傾くと、傾斜角に応じて各駆動部が受ける負荷が減少する。

各駆動部のｙ軸方向の移動量は、推力と負荷、及び摩擦力で定まるため、推力と摩擦力が同じ場合は負荷が減少すると移動量が増加する。図１１は、変倍レンズ群８の光軸が回転と同時に偏芯移動する時の軌跡を表している。実施形態１の（１）、（３）式における係数が、光学装置１００の水平状態の時に予め設定されていた場合は、図中実線のような軌跡でｘ１、ｙ１の位置に向けて移動する。しかし傾斜すると、ｙ軸方向偏芯量の最小分解能ΔＹ１がΔＹｎに変化し、ｘ１、ｙ１の位置より上方にあるｘ１、ｙ３に移動する。

ｘ１、ｙ３に移動しても、ｘ１、ｙ３の位置を検出してその位置からｘ１、ｙ１の位置に偏芯移動で補正することは可能である。ただ最後に補正すると、位置ずれ量によっては水平時と傾斜時で補正時間分の切替時間の差が大きくなるため、チルト操作と変倍レンズ群の切替操作が多用される環境では、姿勢変化に切替時間の差が依存しない方が望ましい。そこで実施形態２では、実施形態１の構成を元に、光学装置の姿勢変化時でも変倍レンズ群の切替時間の差を抑制できる動作を行う。以下図１２、１３を用いて動作内容を説明する。

図１２は、図９と同様に変倍レンズ群８の光軸が回転と同時に偏芯移動する時の軌跡を表している。図９の軌跡と異なる点は、移動する途中で補正ポイントａ、ｂ、ｃが導入されている点で、他の記号や記載文は図９と同じため説明は省略する。
ｘ０、ｙ０からｘ１、ｙ１に向けて変倍レンズ群８の光軸が移動する時は、図９の移動と同様にｘ軸方向の移動は回転移動で行い、ｙ軸方向の移動は回転と偏芯移動を同時に行う。移動途中の補正ポイントａ、ｂ、ｃでは、ｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂ、ｙ軸センサ部１４の出力値を検出する。

光学装置１００が傾斜していると、補正ポイントａでは本来通過する位置ｘａ１、ｙａ１でなく、垂直方向にずれが生じたｘａ１、ｙａ２の位置となる。ここで、元の初期位置から目標位置までに設定されていた変位の式を、ずれた位置から目標位置までの変位の式に補正する。先ずｘ１の位置は、ｘａ１の位置からの回転角で規定されるため、ｘ０からｘａ１まで移動した係数をｋｘａとすると、（１）式で回転角の係数ｋｘ１からｋｘａを差し引いた式で表される。

ｘ１＝ｋｘ１×Δθ１−ｋｘａ＊×Δθ１ −−−（４）
ｙ軸方向の位置ずれは、負荷変化で偏芯量の最小分解能ΔＹ１がΔＹａに変化したことにより起こるため、ｙ０からｙａ１までの偏芯移動分の移動量がｙ０からｙａ２までの移動量に変化した変化率ΔＹａ／ΔＹ１より偏芯量の補正係数Ａｙを求める。またｙ０からｙａ２までの偏芯移動分の係数をｋｙａとすると、（２）式にＡｙを導入した次式で表される。
ｙ１＝Ａｙ×ｋｙ１×ΔＹａ ＋ ｋｘ１×Δθ１−ｋｘａ×Δθ１−ｋｙａ×ΔＹａ −−−（５）
実際には、偏芯は回転しながら行われるため、Δθ１当りの偏芯量ΔＹａ／Δθ１に係数ｋｙ２で表される。
ｙ１＝ Ａｙ×ｋｙ２×ΔＹａ／Δθ１＋ ｋｘ１×Δθ１−ｋｘａ×Δθ１−ｋｙａ×ΔＹａ −−−（６）
上述の（４）式と（６）式に基づいて移動途中で移動量を補正することで、補正するずれ量を抑制することができ、光学装置１００が水平状態から姿勢変化しても変倍レンズ群の切替時間差を抑制することができる。

上述の（４）式と（６）式に基づいて移動していくと、移動途中で次の補正ポイントｂに到達する。補正ポイントｂでも補正ポイントａと同様の動作を行い、検出したｙ軸方向の位置が本来の通過位置でない場合は、ずれた位置から目標位置までの変位の補正式に変更する。補正式は、補正ポイントａの各係数に相当する係数に置換すれば得られるため、説明は省略する。係数確定後は、補正式に基づいて移動し、移動途中で次の補正ポイントｃに到達する。補正ポイントｃでも補正ポイントａ、ｂと同様の動作を行い、補正式に基づいて移動して、最後にｘ１、ｙ１の位置に到達する。

このように、補正ポイントを複数箇所設けておけば、光学装置１００のチルト操作と変倍レンズ群の切替操作を同時に行っても、補正を繰り返すことで目標位置に効率よく到達することができ、光学装置１００の姿勢変化時における変倍レンズ群の切替時間差を抑制することができる。なお。図１２では補正ポイントを３箇所設けているが、測定数はこれに限定されず、チルト操作と切替操作の使用頻度に応じて定めればよい。

図１３は、図８の動作フローに上述の補正動作を組み込んだ動作フローである。ここで図８と同様の動作ステップには、同じステップ番号を付している。Ｓ１４までは図８と同じ動作ステップのため説明は省略する。Ｓ１４で、目標設定された位置に向けて回転と偏芯移動を同時に行いながら回転板６を移動し、図１２の補正ポイントａでｘ軸センサ部１３ａ、１３ｂ、ｙ軸センサ部１４の出力値を検出する（Ｓ１９）。本来の通過位置と異なる場合（Ｓ２０）は、ＣＰＵ１７は上述の（４）式と（６）式に基づいて補正ポイントａから目標位置までの移動量を補正する（Ｓ２１）。

続いて駆動回路１９を介して目標位置ｘ１、ｙ１に向けて回転板６の回転と偏芯移動の同時駆動の指示を再度行う（Ｓ２２）。ここで、Ｓ１９からＳ２２までの動作は補正ポイントａの検出結果に基づいて行っているが、補正ポイントｂ、ｃでも動作フローは同じである。補正ポイントｂ、ｃ、でも補正が必要な場合は、Ｓ１９からＳ２２までの動作を追加すればよい。Ｓ２２の動作後、ＣＰＵ１７は目標位置に相当するカウンタ量に到達するまで移動を繰り返す（Ｓ２３）。

目標位置に到達すると、ＣＰＵ１７は駆動回路１９に駆動停止指示を行い、回転板６の偏芯移動が停止して各駆動部の摩擦力で保持される（Ｓ２４）。次に、停止位置でのセンサ出力値を検出し、目標位置ｘ１、ｙ１との差分を比較する（Ｓ２５）。差分量が許容誤差範囲内であれば、動作を終了し、範囲外であればＳ２２に戻り駆動を繰り返す（Ｓ２６）。

以上のような動作により、光学装置１００が姿勢変化しても変倍レンズ群の切替時間差を抑制することができる。

《第３の実施形態》
ところで、図１２、１３では、偏芯量の最小分解能の変化に応じて偏芯量の係数を変更したが、光学装置１００の姿勢変化に応じて推力を変更し、最小分解能を一定に保つことで補正することも可能である。ｙ軸方向の偏芯量の最小分解能ΔＹ１は、ｙ軸方向の推力をＰｙ１、負荷をＷｙ、摩擦力をＦｙ１とすると、次式の関数で表される。

ΔＹｎ＝ｆ１（Ｐｙ１，Ｆｙ１，Ｗｙ） −−−（７）
ｆ１はＷｙを変数とする関数で、Ｗｙの変化量に応じてΔＹ１が変化し、変数ΔＹｎとなる。例えば、図１２の補正ポイントａでは、ΔＹ１がΔＹａに変化していた。ここでＰｙ１を定数でなく変数Ｐｙとし、ΔＹ１を変化しない定数としてＷｙとの関係を関数化すると、次式とで表される。

Ｐｙ＝ｆ２（ΔＹ１，Ｆｙ１，Ｗｙ） −−−（８）
ｆ２はＷｙを変数とする関数で、Ｗｙの変化量に応じてＰｙが変化する。（８）式の関数内の係数は、例えば図１２でｙ０からｙａ１までの偏芯移動分の移動量がｙ０からｙａ２までの移動量に変化した時の変化率ΔＹａ／ΔＹ１より求める。すると、（８）式を導入した時の（６）式に相当する式は次のようになる。
ｙ１＝ ｋｙ２×ΔＹ１／Δθ１＋ ｋｘ１×Δθ１−ｋｘａ×Δθ１−ｋｙａ×ΔＹａ −−−（９）
上述の（９）式と（４）式に基づいて移動途中で駆動部の推力を補正することで、補正するずれ量を抑制することができ、光学装置１００が水平状態から姿勢変化しても変倍レンズ群の切替時間差を抑制することができる。

《第４の実施形態》
次に、図２に示した実施形態１、２，３の切替光学ユニット部と異なる構成の切替光学ユニット部について説明する。図１４は、切替光学ユニット部の回転軸受部を図２と同様に図１の紙面右側から見た図で、図２と異なる点は、回転板に回転軸を設けて、回転軸の回転と偏芯動作を行う構成を成している点である。回転軸３４は、回転板３５と紙面下側方向に直結して回転板３５と同時に回転する。回転軸３４の紙面後方には、軸受部３６が配置されており、回転軸３４とはころがり軸受（図示せず）を介して連結されている。

ギア３７は、回転軸３４と同軸に固定されており、モーター３８と中間ギア３９を介して螺合結合している。なお、モーター３８、中間ギア３９は、共に軸受部３６に固定されている。軸受部３６の周囲には、水平方向下側に駆動部４０が、そして垂直方向左側に駆動部４１が配置されている。駆動部４０、４１は、図４の駆動部１０とほぼ同じ構成を成しており、図示は省略するが駆動部側に電歪素子、振動部材、振動吸収部材が構成されている。

また軸受部３６側には、直線移動部材４２、４３がそれぞれ駆動部４０、４１と対峙して配置され、振動吸収部材（図示せず）を介して軸受部３６に固定されている。さらに図示は省略するが、駆動部４０、４１の振動部材と、軸受部３６の直線移動部材４２、４３は、バネや図４の永久磁石等の付勢力で常に加圧接触されて摩擦力が発生している。したがって回転板３５と回転軸３４を支える軸受部３６の自重は、駆動部４０、４１の摩擦力で保持されている。

ガイド４４ａ、４４ｂ、４４ｃは、軸受部３６の移動範囲を規制するガイドで、各ガイド内であれば、回転軸３４と直結された回転板３５がモーター３８、及び駆動部４０、４１の駆動力を得て回転、偏芯移動が可能な範囲にある。

駆動部４０、４１の電歪素子に交流電圧が印加されると、駆動部４０では水平左右方向に、駆動部４１では垂直上下方向に軸受部３６を移動する。またモーター３８を駆動すると、中間ギア３９、ギア３７を介して回転軸３４が回転し、同時に直結された回転板３５も回転する。なお、移動後の回転軸３４の回転制止は、回転軸３４と同軸上に設けた既知の電磁ブレーキ（図示せず）で行い、水平、垂直方向の制止は駆動部４０、４１の摩擦力により行う。

また図１４ではセンサ部は図示していないが、回転検出は回転軸に既知のエンコーダーを設けて、また偏芯検出は軸受部３６に図２のｘ軸センサ部１３ａやｙ軸センサ部１４のようなｘ軸、ｙ軸検出のセンサを設ければ、回転と偏芯移動の位置を検出可能である。以上の構成により、図１４の構成で図２と同様に回転板の回転、偏芯移動が可能である。

上述のように、図１４の構成では回転軸と軸受部の周囲に駆動部を配置しているため、従来のように回転板の周囲に光学装置に駆動部のためのスペースを確保する必要がなく、光学装置の小型化が可能である。なお、偏芯移動も可能なので、回転板上の各変倍光学ユニットに偏芯調整機構が無いのは図２と同様である。

４ 切替光学ユニット部
６ 回転板
７ 変倍レンズ群
８ 変倍レンズ群
９ 変倍レンズ群
１０ 駆動部
１１ 駆動部
１２ 駆動部
１３ａ ｘ軸センサ部
１３ｂ ｘ軸センサ部
１４ ｙ軸センサ部
１７ ＣＰＵ
１８ センサ回路
１９ 駆動回路
２０ 入力スイッチ
２１ メモリ
３４ 回転軸
３５ 軸受部
３８ モーター
４０ 駆動部
４１ 駆動部

Claims (10)

1. 回転円板上に少なくとも２つ以上の光学ユニットを載置する光学装置において、
   少なくとも３つ以上の駆動源により前記回転円板の回転と直進移動を可能とする駆動手段と、少なくとも３つ以上の位置検出センサーにより前記回転円板の回転量と直進移動量を検出可能とする検出手段と、前記回転円板上の前記光学ユニットの光軸中心を、回転円板の回転と直進移動により前記光学装置の光軸中心に合致させる制御手段とを有することを特徴とする光学装置。
2. 前記光学装置は、前記光学ユニットの切替操作を行う入力手段と、前記回転円板の回転と直進移動を制止する制止手段と、前記検出手段か出力された回転量と直進移動量により前記光学ユニットの移動位置を記憶するメモリを有し、
   前記入力部で希望する前記光学ユニットが選択されると、前記制御手段は予め前記メモリに記憶された前記光学ユニットの移動位置に向けて前記回転円板を前記駆動手段により回転、直進移動し、前記移動位置に到達後は前記静止手段により前記回転円板の移動を制止することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記制御手段は、前記光学ユニットが前記光学装置の性能上の適正範囲内に収まった時に、前記制止手段により前記回転円板の回転と直進移動を制止することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
4. 前記駆動手段は、前記回転円板に加圧接触された、少なくとも３つ以上の超音波振動子を有し、該超音波振動子は前記回転円板の円周端部の周囲に配置され、前記回転円板の回転は前記超音波振動子に回転方向の進行振動波を与えることで円板中心に回転し、直進移動は前記超音波振動子に直進方向の進行振動波を与えることで直進し、また前記制止手段は前記超音波振動子側と前記回転円板側が加圧接触される付勢力で制止することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 前記制御手段は、前記駆動手段により前記回転円板を回転すると同時に前記回転円板中心が偏芯するよう直進移動する制御を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の光学装置。
6. 前記制御手段は、前記駆動手段により前記回転円板を回転した後に円板中心が偏芯するよう直進移動することを特徴とする請求項３又は４に記載の光学装置。
7. 前記制御手段は、前記駆動手段にかかる負荷量の変化に応じて、駆動制御方法を変更することを特徴とする請求項５又は６に記載の光学装置。
8. 前記制御手段は、前記光学装置が姿勢変化した時に、前記光学ユニットの切替時間の差が抑制されるよう駆動制御方法を変更することを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
9. 前記制御手段は、前記検出手段により出力される前記回転円板の回転量と直進移動量を常時検出し、前記光学ユニットが光学性能上適正範囲内に収まった後、前記検出部が適正範囲外の出力値を検出した時に、再度前記光学ユニットを前記駆動手段により光学性能上適正範囲内に収まるよう駆動制御を行うことを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記光学装置は、前記回転円板に軸受部を有し、該軸受部に前記駆動手段を載置することを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載の光学装置。