JP2015232671A - レンズ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動子を用いた振動アクチュエータにおいて、効率的な駆動を可能にしたレンズ駆動制御装置を提供すること。【解決手段】複数の振動子と１つの摩擦材を備えた振動アクチュエータを用いてレンズユニットを駆動するために、各々の振動子に印加する駆動信号を生成するための駆動信号生成手段を有し、前記駆動信号生成手段は少なくとも２つ以上の駆動モードを有し、駆動状況に応じて駆動モードを設定可能な振動アクチュエータであって、前記レンズユニットの位置を検出する位置検出手段と、レンズ位置に応じた負荷トルクデータを記憶した負荷情報手段と、前記駆動信号生成手段は、前記位置検出手段で検出したレンズ位置と前記負荷情報に応じて、複数の振動子それぞれに対する駆動信号の駆動モードを切り替えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラ等に用いられるレンズ駆動制御装置に関し、特に振動アクチュエータの駆動制御に関するものである。

弾性体や高摩擦材に圧電素子（以下振動子と表記）をバネ等により押圧し、複数の駆動信号を印加することにより振動子に振動を励起することで推力を得る振動アクチュエータ及びこれを用いた様々な精密機器・機械装置が知られている。振動アクチュエータを制御する場合、振動子に印加する複数の駆動信号の振幅やデューティ比、周波数あるいは複数の駆動信号間の位相差などを変更することで振動状態を変化させ、推力や速度の制御を行う。振動アクチュエータは、高トルクかつ高応答性でありながら、小型化が可能といった特徴があり、複数の振動アクチュエータを組み合わせて利用することで、さらに大きなトルクを得ることが可能である。複数の振動アクチュエータを用いて１つのレンズユニットを同一方向へ駆動する場合、効率的に駆動を行うためにそれぞれの振動アクチュエータの発生する推力（トルク）が揃うように調整する必要がある。このような調整方法には以下のような方法がある。

１．複数の振動アクチュエータの推力が揃うように振動子の加圧力を調整する調整機能を設ける方法。

２．複数の振動アクチュエータの推力が揃うように振動子の駆動電圧や駆動周波数を制御する方法。

特許文献１では２つの振動アクチュエータの推力が揃うように圧縮バネよりステータとローターの加圧力を調整するメカ的な調整機能を設ける方法が開示されている。

特許文献２では２つ振動アクチュエータの出力差を検知して、一方の振動アクチュエータの推力を基準として、もう片方の振動アクチュエータの推力が合うように駆動電圧と駆動周波数を電気的に調整する方法が開示されている。

特開平０１−２２７６６９号公報 特開平０６−２５３５５９号公報

上述の特許文献に開示された従来技術では、複数の振動アクチュエータの推力が揃うように調整し、疑似的に１つの振動アクチュエータを駆動制御するようにすることで駆動効率を高めることが目的であった。しかしながら、複数の振動子と１つの被駆動体（以下スライダーと表記）からなる振動アクチュエータを効率的に駆動する手法は開示されていない。

そこで、本発明の目的は、複数の振動アクチュエータの推力を調整等により合わせることなく、振動アクチュエータの駆動効率を高めるレンズ駆動制御装置を提供することである。

本発明に係るレンズ駆動制御装置の構成は、
複数の振動子と１つの摩擦材を備えた振動アクチュエータを用いてレンズユニットを駆動するために、各々の振動子に印加する駆動信号を生成するための駆動信号生成手段を有し、前記駆動信号生成手段は少なくとも２つ以上の駆動モードを有し、駆動状況に応じて駆動モードを設定可能な振動アクチュエータであって、前記レンズユニットの位置を検出する位置検出手段と、レンズ位置に応じた負荷トルクデータを記憶した負荷情報手段と、前記駆動信号生成手段は、前記位置検出手段で検出したレンズ位置と前記負荷情報に応じて、複数の振動子それぞれに対する駆動信号の駆動モードを切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、振動子と１つのスライダーからなる振動アクチュエータにおいて、複数の振動アクチュエータの推力を合わせることなく、振動アクチュエータの駆動効率を高め、省電力を図ることが可能である。また、低負荷トルクの際には一部の振動アクチュエータを定在波駆動とするため、振動子とスライダーの接触部の摩耗を低減することもできる。

レンズ駆動装置のブロック構成図。 レンズ駆動鏡筒の構成斜視図。 振動波モータの位相差駆動と周波数駆動原理の概念図。 振動波モータの駆動原理の概念図。 動作フローチャート。 負荷トルク特性図。

以下に本発明の好ましい実施の形態としてレンズ駆動装置を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１のレンズ駆動装置のブロック構成図及び図２のレンズ駆動鏡筒の構成斜視図を参照して、本発明のレンズ駆動装置について説明する。

１０１は複数のレンズ群が収納されているカム環である。カム環には各レンズ群の駆動軌跡であるカム溝１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃがあり、カム環内のローター部が回転駆動することにより、カム溝１０９に沿って各レンズ群が光軸方向に駆動する。１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは振動子１０３である。スライダー１０２は高摩擦係数と摩擦耐久性を兼ね備えた材料で形成されている。このスライダー１０２と振動子１０３が加圧状態にて接触することで１つの振動アクチュエータを形成している。ここでは必要十分な推力を均一に得るために、３つの振動子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃが略１２０°等分に配置されている。

１０６はカム環の回転位置を検出することにより、レンズ群の位置を間接的に検出する位置検出センサである。位置検出センサとしては、例えばカム環内のローター部と一体となって取り付けられた光学式スケールに対して、固定鏡筒側に配置された発光部と受光部により、光学式スケールに刻まれたパターンを光学的に検出する位置センサがある。また、所定ピッチで着磁された磁気パターンを磁気抵抗素子の変化を検出することで位置を検出するセンサや、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗの繰り返しパターンが位相をずらして複数出力するパルスエンコーダ等がある。１０５は各振動子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに対して駆動信号を印加することにより、振動アクチュエータの駆動制御を行なう制御ＣＰＵである。

位置検出センサ１０６の信号は制御ＣＰＵ１０５に内蔵されたＡＤ変換器１１０によりアナログ信号からデジタル信号に変換される。１１１は位置演算部であり、位置検出センサからＡＤ変換器を介して得られた信号を回転位置と等価の位置データに変換する信号処理部である。１１３は目標位置発生部である。ここで言う目標位置とは回転位置の目標位置でも、光軸方向のレンズ位置に換算した目標位置でもよい。１１２はＡＤ変換器と位置演算部を介して位置検出センサ１０６から得られた回転位置と、目標位置発生部で得られた目標位置の差分である偏差信号を演算するための減算器である。減算器で得られた偏差信号は駆動信号生成部１２０に入力される。制御ＣＰＵ１０５内には振動子１０３の各駆動モードと振動周波数の関連情報を格納する駆動情報記憶部１２３がある。

駆動モードには例えば、定在波駆動モード、位相差制御モード、周波数制御モードがある。定在波駆動モードは、振動子１０３に位相差０°で、かつ所定振動周波数を印加して振動が励振されているにも関わらず推力を与えない駆動状態である。位相差制御モードとは、振動子１０３に負荷トルクに応じて進行波の位相差０°〜＋９０°あるいは０°〜−９０°の範囲内で可変させ、所定振動周波数を印加して楕円運動により推力を与える駆動状態である。また、周波数制御モードは、振動子１０３に位相差±９０°で、負荷トルクに応じた振動周波数を可変印加して円運動により推力を与える周波数駆動モードがある。位相差制御モード及び周波数制御モードで印加される駆動信号は定在波に対し、進行波と呼ばれる。駆動情報記憶部１２３には、それぞれの駆動モードで、個々の振動子に対して必要となる振動周波数のや位相差の情報、印加する駆動信号の振幅やデューティー比の情報などが記憶されている。

１２２はカム環１０１を回転駆動する際に必要とするトルクデータを記憶する負荷トルクデータ記憶部である。負荷トルクデータ記憶部１２２には、最高速度から最低速度までの速度毎の負荷トルクデータや、姿勢差による負荷トルクデータ、あるいは温度毎の負荷トルクデータなどが格納されている。このような負荷トルクデータの値は、設計値を用いたシミュレーションや実測により得ることが可能である。負荷トルクデータのデータ形式は、テーブルデータのようなマトリックス化されたデータや、演算により求められる計算式と係数データである。

駆動信号演算部１２０は減算器１１２から生成された偏差信号を用いて目標位置まで駆動する際の目標速度を決定し、負荷トルクデータから各振動子１０３に対して効率の良い駆動モードを決定する。また、姿勢差センサ１１４や温度センサ１１５の情報を鑑みることで、利用する負荷トルクデータを状況時応じて選択、あるいは演算することも可能である。印加する駆動信号の振動周波数や位相差、デューティ比などの情報は、駆動情報記憶部１２３から得ることになる。駆動信号発生回路１２１は、決定された駆動信号を発生するためのタイマカウンタを内蔵したロジック回路部である。必要とする駆動信号を駆動信号演算部が決定すると、各駆動信号発生回路１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを介し、各駆動回路によって、振動子を駆動できる所定の駆動信号となるように増幅、信号変換され、それぞれの振動子に個別に印加されることで駆動制御が行われる。

図３は振動子に加える振動周波数と駆動速度の関係を示している。実線Ｐｈ１、Ｐｈ２、Ｐｈ３は振動子に印加する複数の周期駆動信号のそれぞれの位相差での振動周波数と駆動速度の関係を示している。Ｐｈ１を位相差９０°としたと仮定すると、Ｐｈ１＞Ｐｈ２＞Ｐｈ３とすることで駆動速度を制御することが可能である。ｆｒ０は振動子の共振周波数である。振動アクチュエータの場合、共振周波数よりも高い振動周波数を用いて制御することが一般的である。速度制御を行う場合、位相差を固定し振動周波数を変更する方法（周波数制御モード）と、振動周波数を固定し位相差を変更する方法（位相差制御モード）、あるいは振動周波数と位相差の双方を変更する方法がある。図４にこの原理を簡単に示す。２０１は振動子であり、点Ｐでの振動子の動きを概念的に示している。振動子に印加する複数の駆動信号の位相差を変更すると点Ｐの軌跡は円運動から楕円運動へと変化することになる。また、振動子に印加する駆動信号の周波数を変更すると点Ｐの軌跡は徐々に小さくなっていく。従って、周波数及び位相差を制御することによって点Ｐの蹴り出し方向（進行方向と逆）の力を制御することが可能であり、速度を変更することが可能である。本実施例では周波数制御モードと位相差制御モード、さらには定在波駆動モードを用いてそれぞれの振動子を駆動することになる。

次に図５、図６を用いて制御ＣＰＵ１０５及び駆動信号演算部１２０の動作について説明する。図５は駆動信号演算部１２０における動作フローチャートであり、図６は負荷トルクデータの一例である。説明のため、図６の負荷トルクデータは連続的な曲線として表現しているが、実際には離散的なテーブルデータや計算式として負荷トルクデータ記憶部１２２に記憶されている。
（Ｓ３０１）
目標位置を取得する。目標位置が取得できないあるいは変化がない場合には、現状を保持し、停止状態となる。撮影者が撮影装置を操作するなど、レンズ駆動を行う必要が生じたことをトリガとしてＳ３０２に進む。
（Ｓ３０２）
位置検出センサを用いて現在位置を取得する。
（Ｓ３０３）
負荷トルクデータの読み出しあるいは計算を行う。
（Ｓ３０４）
Ｓ３０１で得られた現在位置とＳ３０２で得られた負荷トルクデータから定在波を行う振動子を選択する。例えば図６でＬ１あるいはＬ４の範囲にカム環が位置している場合、３つある振動子のうちいずれか２つは定在波を印加し、残りの１つに進行波を印加する。また、Ｌ２の範囲にカム環が位置している場合には３つの振動子のうちいずれか１つに定在波を印加し、残りの２つには進行波を印加する。さらに、Ｌ３の範囲にカム環が位置している場合には３つすべての振動子に対して進行波を印加する。つまり、負荷トルクが大きくなるに従って、複数の振動子のうち、進行波を印加する振動子を多くしていくことになる。また、振動子個々の推力特性が既知である場合、さらに細かく、どの振動子を定在波で駆動とするか進行波で駆動するかを選択的に決定することもできる。このようにすることで、より効率的な駆動も可能である。なお、図６は速度を一定とした場合の負荷トルクのデータである。負荷トルクは速度が速いと小さく、遅いと大きくなる傾向があり、また停止状態では静摩擦が作用するため大きくなる。実際の駆動ではこれらの負荷トルク変化を考慮する必要がある。Ｓ３０４の状態では停止状態から駆動となるため、図６に対して静摩擦係数を考慮することで、正確なトルク配分を行うことが可能である。

また、負荷トルクは姿勢差や温度によっても変化するため、これらの情報によって進行波を印加する振動子を決定してもよい。例えば、上向きや下向きの場合、重力に逆らう方向にレンズ群を移動させる場合には負荷トルクが通常よりも大きくなり、重力方向に移動させる場合には通常よりも少ない負荷トルクとなる。また、低温ではカム溝に塗布されているグリスの粘性が高くなるため、負荷トルクが通常よりも大きくなり、逆に高温では負荷トルクが通常よりも小さくなる傾向にある。

定在波を行う場合、選択された振動子に対して定在波駆動信号の印加を行う。
（Ｓ３０５）
進行波を行う振動子に対して駆動モードの選択を行う。駆動モードは目標位置と現在位置の偏差信号から必要とする速度を演算し、その速度が所定閾値よりも大きな場合には周波数制御モードを選択し、小さな場合には位相差制御モードを選択する。また、偏差信号から直接、駆動モードを選択してもよい。
（Ｓ３０６）
振動周波数を固定し、位相差によって速度を変更しながら駆動を行う。
（Ｓ３０７）
位相差を＋９０°あるいは−９０°に固定し、振動周波数を変更しながら駆動を行う。なお、位相差の＋と−は駆動方向によって決定される。
（Ｓ３０８）
目標位置に到達したか否かを判定する。到達していればＳ３１０に進み、到達していなければ引き続き駆動を行う。
（Ｓ３０９）
駆動中での負荷トルクデータ参照のため、現在位置を取得する。
（Ｓ３１０）
目標位置に到達したため、駆動停止を行う。すべての振動子への駆動信号の印加を行わない。あるいはすべての振動子に定在波を印加するといった方法で停止することができる。停止後は再びＳ３０１に戻る。
（Ｓ３１１）
負荷トルクデータの読み出しあるいは計算を行う。
（Ｓ３１２）
Ｓ３０９で得られた現在位置とＳ３１０で得られた負荷トルクデータから定在波を行う振動子を選択する。図６のようにＬ１〜Ｌ４の範囲毎に進行波を印加する振動子を変更するため、駆動中も常にＳ３０４と同様の処理を繰り返す。なお、Ｓ３０４で説明したように負荷トルクは速度や姿勢差、温度で変化するため、実際にはこれらを考慮する必要がある。例えば、Ｓ３１２では振動アクチュエータは駆動しているため、負荷トルクには動摩擦が作用している。
（Ｓ３１３）
進行波を行う振動子に対して駆動モードの選択を行う。駆動モードは目標位置と現在位置の偏差信号から必要とする速度を演算し、その速度が所定閾値よりも大きな場合には周波数制御モードを選択し、小さな場合には位相差制御モードを選択する。また、偏差信号から直接、駆動モードを選択してもよい。
（Ｓ３１４）
振動周波数を固定し、位相差によって速度を変更しながら駆動を行い、再びＳ３０８に戻る。
（Ｓ３１５）
位相差を＋９０°あるいは−９０°に固定し、振動周波数を変更しながら駆動を行い、再びＳ３０８に戻る。

上述したように、負荷の少ない状態では少ない数の振動子を用いて駆動を行い、負荷の大きな状態では多くの振動子を用いて駆動を行う。負荷トルクは速度や姿勢差、温度で異なるため、これらを加味して進行波を印加する振動子の数を決定することでより省電力な駆動を実現することが可能である。さらに、振動子の推力特性が既知である場合、従来のように推力調整を行うことなく、選択的に定在波と進行波の印加する振動子を決定することで効率的な駆動を行うことが可能である。

また、低負荷トルクの際には一部の振動アクチュエータを定在波駆動とするため、振動子とスライダーの接触部の摩耗を低減することもできる。このような場合、定在波駆動する振動子を１つに固定せず、ローテーションで選択するとなお効果的である。

本実施例ではスライダーが回転駆動する機構としているが、振動子をローターとして回転駆動させ、スライダーをステーターとして固定させる機構でも本発明の方法は実現可能である。

１０１，２０１ カム環、１０２ スライダー、
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ 振動子、
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ 駆動回路、１０５ 制御ＣＰＵ、
１０６ 位置検出センサ、１１０ ＡＤ変換器、１１１ 位置演算部、１１２ 減算器、１１３ 目標位置発生部、１１４ 姿勢差センサ、１１５ 温度センサ、
１２０ 駆動信号演算部、１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ 駆動信号発生回路、
１２２ 負荷トルクデータ記憶部、１２３ 駆動情報記憶部

Claims (3)

1. 複数の振動子と１つの摩擦材を備えた振動アクチュエータを用いてレンズユニットを駆動するために、
   各々の振動子に印加する駆動信号を生成するための駆動信号生成手段を有し、
   前記駆動信号生成手段は少なくとも２つ以上の駆動モードを有し、駆動状況に応じて駆動モードを設定可能な振動アクチュエータであって、
   前記レンズユニットの位置を検出する位置検出手段と、
   レンズ位置に応じた負荷トルクデータを記憶した負荷情報手段と、
   前記駆動信号生成手段は、前記位置検出手段で検出したレンズ位置と前記負荷情報に応じて、複数の振動子それぞれに対する駆動信号の駆動モードを切り替えることを特徴とするレンズ駆動制御装置。
2. 複数の振動子と１つの摩擦材を備えた振動アクチュエータを用いてレンズユニットを駆動するために、
   各々の振動子に印加する駆動信号を生成するための駆動信号生成手段を有し、
   前記駆動信号生成手段は、周波数駆動モード、位相差駆動モード、定在波駆動モードを有することを特徴とする請求項１に記載のレンズ駆動制御装置。
3. 前記位置検出手段で検出したレンズ位置と前記負荷情報に応じて、前記駆動信号生成手段は、複数の振動子の少なくとも１つに対して、定在波駆動モードとすることを特徴とする請求項２に記載のレンズ駆動制御装置。