JP2014202697A - 直進移動体の位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より長い移動距離において、ホール素子の出力変化を確保できる、位置検出精度の高い位置検出装置を得ること。
【解決手段】ＸＹＺの直交３軸座標系のＺ方向に直進移動可能に支持された直進移動体；直進移動体に支持された、巻線中心がＺ方向と平行なコイル、コイル内に相対移動自在に挿通されるコイル内挿通部分を有し、永久磁石と一体化された磁性材料からなるヨーク、及び直進移動体に、永久磁石の磁束を受ける部分に固定したホール素子を備え、永久磁石は、表裏面、長さ方向の両側面及び両端面を有する直方体形状をなしていて、その表裏面をＮＳに着磁していること、永久磁石の表裏面は、ＹＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していること、及び永久磁石の両側面は、ＸＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜している直進移動体の位置検出装置。
【選択図】図７

Description

本発明は、永久磁石とコイルによるリニア駆動機構によって移動される直進移動体の位置検出装置に関する。

例えば撮影レンズのフォーカシングレンズ群（直進移動体）を、回転運動を直線運動に変換する送りねじ機構に代えて、永久磁石とコイルによるボイスコイルモータ（リニア駆動機構）で直進駆動するカメラが知られている。このリニア駆動機構では、この直進移動体にホール素子を搭載し、リニア駆動機構の永久磁石を位置検出用の永久磁石として兼用することで、該直進移動体の位置検出も行うことができる。

特許文献１は、直進移動体に搭載した一対のホール素子の中心を結ぶ線分に対して、直方体形状をした永久磁石の長辺方向を傾斜させて固定配置することにより、直進移動体の単位移動量当たりのホール素子の出力変化を大きくした高精度の位置検出機構を提案している。

国際公開第２００７／０６９６８０号公報

しかし、特許文献１の構成は、直進移動体の移動距離が小さい場合には有効であるが、直進移動体の移動距離が大きくなると、ホール素子の十分な出力変化を得ることができない、つまり、ホール素子が検出する磁束密度変化が不十分で正確な位置検出ができないという問題があった。

本発明は、以上の問題意識に基づき、永久磁石とコイルとを用いたリニア駆動機構によって移動される直進移動体の位置検出機構であって、より長い移動距離において、ホール素子の出力変化を確保できる、位置検出精度の高い位置検出装置を得ることを目的とする。

本発明は、ホール素子の移動方向に対してホール素子と永久磁石の間隔が３次元的に変化すれば、ホール素子が検出する永久磁石の磁束の変化がより大きくなるであろうという点に着眼して完成されたものである。すなわち本発明は、ＸＹＺの直交３軸座標系のＺ方向に直進移動可能に支持された直進移動体；上記直進移動体に支持された、巻線中心をＺ方向と平行な方向としたコイル；上記コイル内に相対移動自在に挿通されるコイル内挿通部分を有し、永久磁石と一体化された磁性材料からなるヨーク；及び上記直進移動体に、上記永久磁石の磁束を受ける部分に固定したホール素子；を備え、上記永久磁石は、表裏面、長さ方向の両側面及び両端面を有する直方体形状をなしていて、その表裏面または両側面をＮＳに着磁していること、上記永久磁石の表裏面は、ＹＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していること、及び上記永久磁石の両側面は、ＸＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していること、を特徴とする。

上記永久磁石は、その表裏面が直進移動体の一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を広げるように傾斜配置され、かつその両側面が直進移動体の上記一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を広げるように傾斜配置される。

上記永久磁石は、その表裏面が直進移動体の一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を縮めるように傾斜配置され、かつその両側面が直進移動体の上記一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を縮めるように傾斜配置される。

上記ヨークのコイル内挿通部分は、永久磁石の上記表裏面と平行であることが好ましい。

上記ヨークのコイル内挿通部分は、Ｚ方向と平行にすることが実際的である。

本発明の直進移動体の位置検出装置は、直進移動体として、レンズ鏡筒のフォーカシングレンズ群に適用することができる。

本発明によれば、永久磁石とコイルとを用いたリニア駆動機構によって移動される直進移動体の位置検出機構であって、リニア駆動機構の永久磁石を、直進移動体に搭載したホール素子と協働する位置検出用永久磁石と共用しながら、直進移動体のより長い移動距離において、ホール素子の出力変化を確保できる、位置検出精度の高い位置検出装置を得ることができる。

本発明による直進移動体の位置検出装置をレンズ鏡筒のフォーカシングレンズ群の位置検出装置に適用した一実施形態を示す分解斜視図である。 図１のレンズ鏡筒の途中組立状態を示す分解斜視図である。 図２を異なる方向から見た分解斜視図である。 図１ないし図３のレンズ鏡筒からガイド軸、フォーカシングレンズ枠、ヨーク、永久磁石及びホール素子を抜き出して描いた、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は背面図である。 図１ないし図３のレンズ鏡筒からガイド軸、フォーカシングレンズ枠、ヨーク、永久磁石及びホール素子を抜き出して描いた、フォーカシングレンズ枠が光軸方向の最も後方（結像面側）に位置した状態の側面図である。 同フォーカシングレンズ枠が光軸方向の最も前方（被写体側）に位置した状態の側面図である。 （Ａ）は図５、図６からガイド軸、ヨーク、永久磁石及びホール素子を抜き出して描いた側面図、（Ｂ）は一方のヨークを外して描いた平面図である。 図７に示した実施形態と従来例のホール素子位置とホール素子出力との関係をグラフで示した図である。 本発明の第２の実施形態の、（Ａ）は図７（Ａ）に対応する側面図、（Ｂ）は図７（Ｂ）に対応する平面図である。 本発明の第３の実施形態の、（Ａ）は図７（Ａ）に対応する側面図、（Ｂ）は図７（Ｂ）に対応する平面図である。

図１ないし図７は、本発明による直進移動体の位置検出装置をレンズ鏡筒１００のフォーカシングレンズ群Ｌ１の位置検出装置に適用した一実施形態を示している。図示実施形態は、フォーカシングレンズ群Ｌ１の案内機構及び位置検出装置のみを描くことを目的としており、この他の部分の構成を省略している。

レンズ鏡筒１００は、固定部材として、フォーカシングレンズ群Ｌ１を含む撮影レンズ系で形成される被写体像を結像させるイメージセンサ３１等を固定した固定基板３２及び可動のレンズ枠部材を支持する固定環３３を有している。イメージセンサ３１には、光軸Ｏと平行な２本のガイド軸３４、３５の後端部が固定されており、ガイド軸３４、３５の前端部は、固定環３３内に位置するレンズ枠部材（図示せず）に固定されている。

フォーカシングレンズ群Ｌ１を固定した可動レンズ枠（直進移動体）１０は、円筒枠部１０ａと径方向腕部１０ｂを有し、径方向腕部１０ｂの先端部に、ガイド軸３４に摺動自在に嵌まる筒状部１０ｃと、ガイド軸３５に摺動自在に係合する二股部１０ｄが形成されている。また、径方向腕部１０ｂの先端部には、筒状部１０ｃと二股部１０ｄの間に位置させて、リニア駆動機構のコイル１１が固定されている。このコイル１１は、巻線中心を光軸Ｏと平行な方向とした偏平な空芯コイルである。可動レンズ枠１０には、コイル１１と形状を対応させた横長貫通穴１０ｅ（図１、図４）が形成されている。

固定環３３には、コイル１１とともに、リニア駆動機構を構成する磁石ユニット２０が固定されている。磁石ユニット２０は、ホルダ２１と、一対のヨーク２２、２３及び永久磁石２４を備えている。ヨーク２２は、可動レンズ枠１０の横長貫通穴１０ｅとコイル１１内（空芯部）に非接触で挿通されるコイル内挿通部分（長手方向壁）２２ａを有しており（図５、図６）、このコイル内挿通部分２２ａ（永久磁石２４）とコイル１１がリニア駆動機構（ボイスコイルモータ）を構成する。すなわち、コイル１１に正逆に通電することにより、リニア駆動機構によって可動レンズ枠１０（フォーカシングレンズ群Ｌ１）がガイド軸３４、３５に沿って光軸Ｏ方向に移動する。

以上の磁石ユニット２０の永久磁石２４は、可動レンズ枠１０に搭載したホール素子（ホールセンサ）２５とともに、位置検出装置を構成する。図７は、ヨーク２２、２３、永久磁石２４及びホール素子２５を取り出して描いたものである。図７（Ａ）、（Ｂ）においては、ＸＹＺの直交三軸座標系を採用する。Ｚ方向は、光軸Ｏ方向と同一（平行）である。Ｚ方向と直交する面と永久磁石２４の表面２４ａが交わる交線の方向がＸ方向であり、ＸＹＺの方向は、図１ないし図６に示したＸＹＺ軸に対応する。以下の図７ないし図１０において、左側が後方（後方移動端）結像面側であり、右側が被写体側、前方（前方移動端）である。図７、図９及び図１０は、ホール素子２５が後方移動端位置と前方移動端位置にある状態を示している。

ヨーク２２と２３は、対称形のＬ字形断面を有している。すなわち、ヨーク２２と２３は、Ｚ方向に対して僅かに傾斜したコイル内挿通部分２２ａ、長手方向壁２３ａと、コイル内挿通部分２２ａ、長手方向壁２３ａに直交する短手方向壁２２ｂ、２３ｂを有しており、コイル内挿通部分２２ａと長手方向壁２３ａが互いに平行をなすように（つまり、ヨーク２２と２３で閉断面を描くように）結合されている。可動レンズ枠１０の横長貫通穴１０ｅとコイル１１内に挿入されるコイル内挿通部分２２ａは、Ｚ方向と非平行であるが、横長貫通穴１０ｅとコイル１１の内径は、可動レンズ枠１０のＺ方向への全移動領域において、コイル内挿通部分２２ａと非接触であるように定められている。また、ホール素子２５は、可動レンズ枠１０のＺ方向への全移動領域において、永久磁石２４の磁束を受ける部分（磁束を検出可能な位置）に配置されており、ヨーク２２と２３による閉断面の中を移動する。

永久磁石２４は、ヨーク２３の長手方向壁２３ａ上（コイル内挿通部分２２ａとの対向面）に固定されている。永久磁石２４は、互いに平行をなす表面２４ａと裏面２４ｂ、互いに平行をなす長さ方向の両側面２４ｃと２４ｄ及び互いに平行をなす両端面２４ｅと２４ｆを有する直方体形状をなしていて、その表裏方向に着磁（表面２４ａと裏面２４ｂをＮＳに着磁）している。着磁方向は、可動レンズ枠１０の移動方向に対して直交方向であれば両側面２４ｃと２４ｄでもよく、ヨークと接触する面をＮＳに着磁する。

そして、この永久磁石２４は、次のようにＺ方向に対して傾斜している。
永久磁石２４の表面２４ａと裏面２４ｂは、図５ないし図７（Ａ）に示すように、ＹＺ断面において、ホール素子２５（可動レンズ枠１０）の移動方向（Ｚ方向）に対して非平行をなしている。永久磁石２４は、Ｚ方向に対して、後方移動端（結像面側、図の左側）から前方移動端（被写体側、図の右側）に向かって、表裏面２４ａ、２４ｂとホール素子２５との距離を徐々に広げる方向に角度αで傾斜している。
また、永久磁石２４の両側面２４ｃと２４ｄは、図７（Ｂ）に示すように、ＸＺ断面において、ホール素子２５（可動レンズ枠１０）の移動方向に対して非平行をなしている。永久磁石２４は、Ｚ方向に対して、後方移動端（図の左側）から前方移動端（図の右側）に向かって、側面２４ｃとホール素子２５との距離を徐々に広げる方向に角度βで傾斜している。図示実施形態における角度βは、略１２゜である。
角度α及び角度βは、可動レンズ枠１０が後方から前方に向かって移動するとき、ホール素子２５が検出する磁束密度が徐々に小さくなる傾斜なので、可動レンズ枠１０が後方移動端から前方移動端方向に移動するに従って、ホール素子２５の出力が徐々（ほぼ直線的）に小さくなる。角度α、βは、ホール素子２５が後方から前方に向かって移動するとき、ホール素子２５が受ける磁束密度が小さくなる角度を正、同大きくなる角度を負とする。この場合第１の実施形態の角度α、βは、正である。

以上の第１の実施形態において、ホール素子２５の移動位置とホール素子２５の出力との関係を測定したグラフを図８に示した。同グラフにおいて、横軸はホール素子２５の移動（Ｚ方向）位置、縦軸はホール素子２５の出力値であり、実線が本発明（第１の実施形態）のホール素子出力値、破線は従来装置のホール素子出力値である。ホール素子２５の移動方向は、図８において、左方向が後方、右方向が前方である。

このグラフから分かるように、本発明の第１の実施形態は、ホール素子２５の移動方向を、ＸＺ断面及びＹＺ断面においてＺ方向から傾斜角α、βで傾斜させたので、ホール素子出力値の最大値が従来例のホール素子出力値より大きい。第１の実施形態によれば、従来例よりも、ホール素子２５が受ける磁束密度の変化が大きくなり、ホール素子２５の出力値（電圧）の差が大きくなって、位置検出精度の一層の向上を図ることができる。第１の実施形態は、ホール素子２５の移動範囲、つまりホール素子の後方移動端位置と前方移動端位置を、ホール素子出力値のリニア性が確保できる範囲に設定してある。

第１の実施形態は、ホール素子１５を、平面視、永久磁石２４の一方の側面２４ｄ側に配置した（図７（Ｂ））。これに対して、第２の実施形態は、ホール素子１５を、平面視、永久磁石２４の他方の側面２４ｃ側に配置した（図９（Ｂ））。第１の実施形態及び第２の実施形態は、平面視において永久磁石２４（の両側面２４c、２４ｄ）とＺ方向とが成す角度は同一である。この第２の実施形態ではＸＺ断面において、永久磁石２４の側面２４ｃとホール素子２５との距離が、可動レンズ枠１０の後方移動端（図の左側）から前方移動端（図の右側）にかけて徐々に縮まる。従ってホール素子２５の出力は、可動レンズ枠１０が後方移動端（図の左側）から前方移動端（図の右側）に移動するに従って徐々に大きくなる。そこでこの第２の実施形態ではＹＺ断面において、永久磁石２４の表面２４ａとホール素子２５との距離が徐々に縮むように、つまり可動レンズ枠１０が後方移動端（図の左側）から前方移動端（図の右側）に移動するに従ってホール素子２５の出力が徐々に大きくなるように、永久磁石２４をＺ方向に対して傾斜配置してある（図９（Ａ））。この第２の実施形態は、ＹＺ断面においてホール素子２５の移動方向（Ｚ方向）と永久磁石２４の表面２４ａとが成す角度をα′、ＸＺ断面においてホール素子２５の移動方向（Ｚ方向）と永久磁石２４の側面２４ｃとが成す角度をβ′とすると、角度α′、β′は負である。この第２の実施形態によれば、可動レンズ枠１０が後方移動端から前方移動端に移動するに従って、ホール素子２５の出力が徐々（ほぼ直線的）に大きくなる。

このように永久磁石２４をＹＺ断面において可動レンズ枠１０の移動方向に対して非平行であり、Ｚ方向に対して傾斜させるだけでなく、ＸＺ断面においても可動レンズ枠１０の移動方向に対して非平行であり、Ｚ方向に対して傾斜させることにより、ホール素子２５（可動レンズ枠１０）の全移動域において、ホール素子２５の出力にリニアリティを確保しつつ、出力の変化を大きくすることができる。

第１、第２の実施形態のヨーク２２のコイル内挿通部分２２ａは、永久磁石２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂと平行であって、コイル１１の移動方向（Ｚ方向）に対して平行ではない（Ｚ方向に対して角度α、α′で傾斜している）。これに対して、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示した第３の実施形態は、ヨーク２２′のコイル内挿通部分２２ａ′を、コイル１１の移動方向（Ｚ方向）と平行に形成した。ＹＺ断面においてホール素子２５の移動方向（Ｚ方向）と永久磁石２４の表面２４ａとが成す角度をα″とする。ＸＺ断面においてホール素子２５の移動方向（Ｚ方向）と永久磁石２４の表面２４ａとが成す角度はβであって、第１の実施形態と同一である（図１０（Ｂ））。この第３の実施形態において、角度α″及び角度βは正である。ヨーク２２′のコイル内挿通部分２２ａ′をＺ方向と平行に形成すれば、コイル内挿通部分２２ａ′とコイル１１の空芯部とのクリアランスを減らせるので、第１、第２の実施形態よりも、コイル１１とコイル内挿通部分２２ａ′の小型化が可能になる。

第３の実施形態は、ヨーク２２′のコイル内挿通部分２２ａ′と永久磁石２４の表面２４ａが非平行であるから、ヨーク２２のコイル内挿通部分２２ａが永久磁石２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂと平行な図示実施形態とは、コイル内挿通部分２２ａと表面２４ａ及び両側面２４ｃ、２４ｄ間のＺ方向の磁束密度の分布が異なる。そのため、ヨーク２２′のコイル内挿通部分２２ａ′が永久磁石２４の表面２４ａと平行な第１、第２の実施形態と、非平行な第３の実施形態とで、最適な角度α、α′、α″、角度β、β′が異なるので、最適な角度α、α′、α″、角度β、β′はそれぞれシミュレートして設定する。

本発明者のシミュレーションによれば、図示第１の実施形態の場合、角度βが略１２゜のとき、角度αは、１゜ないし２゜の範囲が好ましいことが分かった。最適な角度α′、β′、角度α″は、永久磁石２４、ヨーク２２、２３のサイズ、形状、永久磁石２４とホール素子２５との間隔等によって異なるので、シミュレーションによって決定することが好ましい。
本発明は、永久磁石の表裏面は、ＹＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していること、及び永久磁石の両側面は、ＸＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していることが必須であるが、ＹＺ断面、ＸＺ断面におけるＺ方向に対する傾斜角は、個別に設定される。

以上、本発明の直進移動体の位置検出装置を撮影レンズのリニア駆動機構によって移動するフォーカシングレンズ群の位置検出装置に適用した実施形態について説明したが、本発明は、永久磁石とコイルによるリニア駆動機構によって移動される直進移動体の位置検出装置について適用することができる。

１０ 可動レンズ枠（直進移動体）
１０ａ 円筒枠部
１０ｂ 径方向腕部
１０ｃ 筒状部
１０ｄ 二股部
１０ｅ 横長貫通穴
１１ コイル
２０ 磁石ユニット
２１ ホルダ
２２ ２３ ヨーク
２２ａ コイル内挿通部分（長手方向壁）
２２ｂ 短手方向壁
２３ａ 長手方向壁
２３ｂ 短手方向壁
２４ 永久磁石
２４ａ 表面
２４ｂ 裏面
２４ｃ ２４ｄ 側面
２４ｅ ２４ｆ 端面
２５ ホール素子
３１ イメージセンサ
３２ 固定基板
３３ 固定環
３４ ３５ ガイド軸

Claims (6)

1. ＸＹＺの直交３軸座標系のＺ方向に直進移動可能に支持された直進移動体；
   上記直進移動体に支持された、巻線中心をＺ方向と平行な方向としたコイル；
   上記コイル内に相対移動自在に挿通されるコイル内挿通部分を有し、永久磁石と一体化された磁性材料からなるヨーク；及び
   上記直進移動体に、上記永久磁石の磁束を受ける部分に固定したホール素子；
   を備え、
   上記永久磁石は、表裏面、長さ方向の両側面及び両端面を有する直方体形状をなしていて、その表裏面または両側面をＮＳに着磁していること、
   上記永久磁石の表裏面は、ＹＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していること、及び
   上記永久磁石の両側面は、ＸＺ断面において、ホール素子の移動方向に対して非平行をなし、Ｚ方向に対して傾斜していること、
   を特徴とする直進移動体の位置検出装置。
2. 請求項１記載の直進移動体の位置検出装置において、上記永久磁石は、その表裏面が直進移動体の一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を広げるように傾斜配置され、かつその両側面が直進移動体の上記一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を広げるように傾斜配置されている直進移動体の位置検出装置。
3. 請求項１記載の直進移動体の位置検出装置において、上記永久磁石は、その表裏面が直進移動体の一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を縮めるように傾斜配置され、かつその両側面が直進移動体の上記一方の移動端から他方の移動端にかけてホール素子との距離を縮めるように傾斜配置されている直進移動体の位置検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の直進移動体の位置検出装置において、上記ヨークのコイル内挿通部分は、永久磁石の上記表裏面と平行である直進移動体の位置検出装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の直進移動体の位置検出装置において、上記ヨークのコイル内挿通部分は、Ｚ方向と平行である直進移動体の位置検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の直進移動体の位置検出装置において、上記直進移動体は、レンズ鏡筒のフォーカシングレンズ群である直進移動体の位置検出装置。

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