JP2016138929A - 振れ補正機能付き光学ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】十分なトルクをもって、ピッチングやヨーイングとは独立してローリングの補正を行うことができる振れ補正機能付き光学ユニットを提供すること。【解決手段】光学ユニット300では、レンズ1a等の光学素子を保持する可動体10および揺動用駆動機構を光学モジュール100に設けて、光学モジュール100においてピッチング補正やヨーイング補正を行い、ローリング補正については、ローリング補正用駆動機構70によって光学モジュール100を光軸L周りに回転させて行う。ローリング補正用駆動機構70には、単相モータ70bが用いられており、かかる単相モータ70bでは、ステータコア72の突極720の数がロータ磁石75の磁極数の2倍である。単相モータ70bは、隣り合う2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲内で光学モジュール100を光軸L周りに往復回転させてローリング補正を行う。【選択図】図3

Description

本発明は、カメラ付き携帯電話機等に搭載される振れ補正機能付き光学ユニットに関するものである。
携帯端末、ドライブレコーダ、無人ヘリコプターに搭載される撮像装置等に用いられる光学ユニットにおいて、振れによる撮影画像の乱れを抑制するために、振れ補正を行う必要がある。かかる振れ補正に関しては、撮像ユニットを支持体に対して揺動可能に支持した状態とし、ピッチング(縦揺れ:チルティング)およびヨーイング(横揺れ:パンニング)に対応して、撮像ユニットをピッチング方向およびヨーイング方向に揺動させて振れを補正する技術が提案されている(特許文献1、2参照)。
また、撮像ユニットの光軸周りの振れ(ローリング)についても、補正する技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。かかる特許文献3に記載の光学ユニットでは、ヨークを共通にしてパンニング駆動コイルとローリング駆動コイルとを一体あるいは隣接させ、ヨークを共通にしてチルティング駆動コイルとローリング駆動コイルとを一体あるいは隣接させてある。
特開2010−96805号公報 特開2010−96863号公報 国際公開WO2011/155178
しかしながら、特許文献3に記載の構成のように、ヨークを共通にしてパンニング駆動コイルとローリング駆動コイルとを一体あるいは隣接させ、ヨークを共通にしてチルティング駆動コイルとローリング駆動コイルとを一体あるいは隣接させた場合、各方向への補正の際に磁気的な干渉が発生するため、制御が極めて複雑になるという問題点がある。また、特許文献3に記載の構成では、ローレンツ力を利用するため、十分なトルクを得ることができないという問題点がある。
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、十分なトルクをもって、ピッチングやヨーイングとは独立してローリングの補正を行うことができる振れ補正機能付き光学ユニットを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る振れ補正機能付き光学ユニットは、光学素子を保持する可動体、該可動体を前記光学素子の光軸に対して直交する2つの軸線周りに揺動可能に支持する支持体、および前記可動体を前記支持体に対して前記2つの軸線周りに往復揺動させる揺動用駆動機構を備えた光学モジュールと、前記光学モジュールを前記光軸周りに往復回転させるローリング補正用駆動機構と、を有し、前記ローリング補正用駆動機構は、ステータコアにおいてステータコイルが巻回された突極の数がロータ磁石の磁極数の2倍の単相モータを備えていることを特徴とする。
本発明では、光学モジュールに、光学素子を保持する可動体および揺動用駆動機構を設
けて、光学モジュールにおいてピッチング補正やヨーイング補正を行い、ローリング補正については、ローリング補正用駆動機構によって光学モジュールを光軸周りに回転させて行う。このため、ローリング補正については、ピッチング補正やヨーイング補正とは独立して行うため、振れ補正の制御が容易である。また、ローリング補正が不要な場合には、光学モジュール単独で用いることができる。また、ローリング補正用駆動機構には、単相モータが用いられており、かかる単相モータでは、ロータ磁石による吸引力と反発力とを利用するので、ローレンツ力を利用した場合に比して大きなトルクを得ることができる。その場合でも、ステータコアの突極の数がロータ磁石の磁極数の2倍であるため、突極の周りでのステータコイルの巻回数を減らすことができる。従って、ステータコイルが占める容積が小さいので、単相モータの小型化を図ることができる。
本発明において、前記単相モータは、複数のコギングトルクのピーク点のうち、安定点を中心として隣り合う2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲内で前記光学モジュールを往復回転させることが好ましい。かかる構成によれば、単相モータは、コギングトルクのリップルを超えるトルクを光学モジュールに加える必要がないので、単相モータの省電力化を図ることができる。また、光学モジュールに加わるコギングトルクを、光学モジュールを光軸周りの基準位置に復帰させる磁気バネとして利用することができるので、機械的バネを別途設ける必要がない。
本発明において、前記単相モータは、前記磁極数が4で、前記突極の数が8である構成を採用することができる。かかる構成によれば、ゴギングトルクが45°周期を有する。このため、コギングトルクのピーク点の角度間隔が25°(±11.25°)になるので、ローリング補正に実用的に必要な12°(±6°)というローリング補正角度範囲を十分に得ることができる。
本発明において、前記光学モジュールの前記光軸周りの可動範囲を規制するストッパ機構が設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、外部から加わったトルクで光学モジュールが過度に回転することを防止することができる。
本発明において、前記単相モータのロータと前記光学ユニットとは、連結部材を介して連結され、前記ストッパ機構では、前記連結部材に形成されたストッパ用凸部が、前記光学モジュールおよび前記単相モータの周りを囲むユニットケースと当接して前記光学モジュールの可動範囲を規制することが好ましい。かかる構成によれば、部材を追加しなくても、ストッパ機構を構成することができる。
本発明において、前記ストッパ機構によって規定される可動範囲は、前記2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲より狭いことが好ましい。
本発明において、前記単相モータは、前記ロータ磁石を回転可能に支持する軸受と、該軸受を保持する軸受ホルダと、前記軸受けホルダを保持する支持部材と、を有し、前記支持部材は、前記単相モータの反出力側で前記軸受けホルダを保持する底板部と、該底板部から出力側に向けて折れ曲がって前記単相モータを径方向外側で保護する側板部と、を有していることが好ましい。かかる構成によれば、支持部材によって単相モータを保護することができる。
本発明では、光学モジュールに、光学素子を保持する可動体および揺動用駆動機構を設けて、光学モジュールにおいてピッチング補正やヨーイング補正を行い、ローリング補正については、ローリング補正用駆動機構によって光学モジュールを光軸周りに回転させて行う。このため、ローリング補正については、ピッチング補正やヨーイング補正とは独立
して行うため、振れ補正の制御が容易である。また、ローリング補正が不要な場合には、光学モジュール単独で用いることができる。また、ローリング補正用駆動機構には、単相モータが用いられており、かかる単相モータでは、ロータ磁石による吸引力と反発力とを利用するので、ローレンツ力を利用した場合に比して大きなトルクを得ることができる。その場合でも、ステータコアの突極の数がロータ磁石の磁極数の2倍であるため、突極の周りでのステータコイルの巻回数を減らすことができる。従って、ステータコイルが占める容積が小さいので、単相モータの小型化を図ることができる。
本発明を適用した光学ユニットを光学機器に搭載した様子を模式的に示す説明図である。 本発明を適用した光学ユニットの説明図である。 本発明を適用した光学ユニットの内部構造を示す分解斜視図である。 本発明を適用した光学ユニットにおいて、光学モジュールとローリング用駆動機構との位置関係等を示す分解斜視図である。 本発明を適用した光学ユニットの光学モジュールを被写体側からみたときの分解斜視図である。 本発明を適用した光学ユニットの断面構成を示す説明図である。 本発明を適用した光学ユニットのローリング補正用駆動機構の説明図である。 本発明を適用した光学ユニットのローリング補正用駆動機構の断面図である。 本発明を適用した光学ユニットの単相モータの動作を示す説明図である。 本発明を適用した光学ユニットの単相モータのコギングトルクを示す説明図である。 本発明を適用した光学ユニットのストッパ機構の説明図である。 本発明を適用した光学ユニットに構成した角度位置検出センサの説明図である。 本発明を適用した光学ユニットのローリング補正用駆動機構の変形例を示す説明図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、撮像用の光学ユニットの振れを防止するための構成を例示する。また、以下の説明では、振れ補正機能付き光学ユニットを単に「光学ユニット」として説明する。また、以下の説明では、互いに直交する3方向を各々X軸方向、Y軸方向、Z軸方向とし、光軸L(レンズ光軸/光学素子の光軸)に沿う方向をZ軸方向とし、Z軸方向に直交する方向をY軸方向とし、Z軸方向およびY軸方向に交差する方向をX軸方向とする。また、以下の説明では、各方向の振れのうち、X軸周りの回転はピッチング(縦揺れ)に相当し、Y軸周りの回転はヨーイング(横揺れ)に相当し、Z軸周りの回転はローリングに相当する。また、X軸方向の一方側には+Xを付し、他方側には−Xを付し、Y軸方向の一方側には+Yを付し、他方側には−Yを付し、Z軸方向の一方側(被写体側とは反対側/光軸方向後側)には+Zを付し、他方側(被写体側/光軸方向前側)には−Zを付して説明する。
(撮影用の光学ユニットの全体構成)
図1は、本発明を適用した光学ユニット300を光学機器1000に搭載した様子を模式的に示す説明図である。
図1に示す光学ユニット300(振れ補正機能付き光学ユニット)は、Z軸方向に沿って光軸Lが延在するレンズ1a等の光学素子を備えた光学モジュール100を有しており、携帯端末、ドライブレコーダ、無人ヘリコプターに搭載される撮像装置等の光学機器1
000に用いられる。かかる光学ユニット300は、光学機器1000のシャーシ2000(機器本体)に支持された状態で搭載される。光学ユニット300では、撮影時に光学機器1000に振れ等が発生すると、撮像画像に乱れが発生する。そこで、光学ユニット300では、ジャイロスコープ等の振れ検出センサによって振れを検出する。そして、光学モジュール100では、振れ検出センサの検出結果に基づいて、後述する揺動用駆動機構(図1では図示せず)によって、レンズ1a等を保持する可動体10(撮像ユニット)を光軸Lに直交する2軸(X軸およびY軸)周りに揺動させてピッチングおよびヨーイングを補正する。本形態では、光学ユニット300に、さらにローリング補正用駆動機構70を設け、ジャイロスコープ等の振れ検出センサの検出結果に基づいて、光学モジュール100をZ軸周り(光軸L周り)に回転させてローリングを補正する。
(光学ユニット300の全体構成)
図2は、本発明を適用した光学ユニット300の説明図であり、図2(a)、(b)は、光学ユニット300の斜視図、および光学ユニット300からユニットケース310を外した状態の分解斜視図である。図3は、本発明を適用した光学ユニット300の内部構造を示す分解斜視図である。図4は、本発明を適用した光学ユニット300において、光学モジュール100とローリング補正用駆動機構70との位置関係等を示す分解斜視図である。
図2、図3および図4に示すように、本形態の光学ユニット300は、Z方向に延在するユニットケース310を有しており、ユニットケース310の内部には、Z方向の一方側+Zから他方側−Zに向かって、制御部350、ローリング補正用駆動機構70および光学モジュール100が順に配置されている。ユニットケース310は、制御部350、ローリング補正用駆動機構70および光学モジュール100をY軸方向の両側から覆う第1ケース部材320と第2ケース部材330とをローリング補正用駆動機構70の支持部材77にねじ340によって固定された構造を有している。
ユニットケース310においてZ軸方向の他方側−Zの端部には、光学モジュール100を覆うようにスペーサ171が保持されており、スペーサ171と光学モジュール100との間にはカバーガラス172が配置されている。
制御部350は、コネクタやIC等が実装された第1基板351と、外部との信号の入出力を行う第2基板352とを有している。また、光学ユニット300は、光学モジュール100と第1基板351とを接続するフレキシブル配線基板353を有している。
また、光学ユニット300は、ローリング補正用駆動機構70の制御回路等が構成された回路基板76と、光学モジュール100のY軸方向の他方側−Yの側面に接続されたフレキシブル配線基板78とを有している。フレキシブル配線基板78において光学モジュール100に接続された一方側端部には、光学モジュール100の光軸L周りの振れ(ローリング)を検出するジャイロスコープ781が実装されており、フレキシブル配線基板78の他方側端部は回路基板76に接続されている。
(光学モジュール100の全体構成)
図5は、本発明を適用した光学ユニット300の光学モジュール100を被写体側からみたときの分解斜視図であり、図5(a)、(b)は、光学モジュール100全体の分解斜視図、および可動体10等の分解斜視図である。図6は、本発明を適用した光学ユニット300の断面構成を示す説明図であり、図6(a)、(b)は、光学ユニット300のYZ断面図、および光学ユニット300のZX断面図である。
図5および図6において、本形態の光学モジュール100は、支持体20と、撮像モジ
ュール1を備えた可動体10と、可動体10が支持体20に対して揺動可能に支持された状態とする支持機構としてのジンバル機構30と、可動体10と支持体20との間に構成された揺動用駆動機構50とを有しており、揺動用駆動機構50は、光軸Lに対して直交する2つの軸線(第1軸線L1および第2軸線L2)周りに可動体10を揺動させる。
支持体20はモジュールケース21を備えている。モジュールケース21は、可動体10の周りを囲む角筒状の胴部211と、胴部211のZ軸方向の他方側−Zの端部から径方向内側に張り出した矩形枠状の端板部212とを備えており、端板部212には矩形の開口部213が形成されている。また、支持体20は、モジュールケース21のZ軸方向の他方側−Zに固定されたカバー22と、カバー22のZ軸方向の他方側−Zに固定されたカバーシート23(図2、図3、図4では図示せず)とを有している。カバー22は、モジュールケース21の端板部212に重なる板状の枠部221と、枠部221の内縁からZ軸方向の一方側+Zに屈曲した角筒状の側板部222とを備えており、側板部222は、モジュールケース21の開口部213からモジュールケース21の内側に差し込まれている。側板部222のZ軸方向の一方側+Zの端部の4つの角部分には、三角形の板状の連結部223が形成されており、連結部223には、後述する固定枠25を固定するための穴224が形成されている。なお、カバーシート23には被写体からの光をレンズ1aに導く窓230が形成されている。
支持体20は、モジュールケース21のZ軸方向の一方側+Zを覆う矩形の第1底板24を有している。第1底板24は、矩形の底板部241と、底板部241の外縁からZ軸方向の他方側−Zに向けて突出した側板部242とを備えている。第1底板24には、光学モジュール100に接続されたフレキシブル配線基板18、19を外部に引き出すための開口部240が形成されており、開口部240は、第1底板24に対してZ軸方向の一方側+Zから重なる第2底板26によって覆われている。また、支持体20は、可動体10の周りを囲むように配置された矩形枠状の板状ストッパ28を有しており、板状ストッパ28は、可動体10のZ軸方向の一方側+Zへの可動範囲を規定している。板状ストッパ28において各辺の外周縁には外側に向けて突出した凸部281が形成されている。このため、第1底板24とモジュールケース21とをZ方向で重ねた際、第1底板24の側板部242とモジュールケース21の胴部211との間に板状ストッパ28の凸部281が挟まった状態となる。従って、第1底板24の側板部242、モジュールケース21の胴部211、および板状ストッパ28の凸部281を溶接等によって接合すれば、第1底板24、板状ストッパ28およびモジュールケース21を一体化することができる。
可動体10は、レンズ1a等の光学素子を備えた撮像モジュール1と、ウエイト15とを有している。撮像モジュール1は、レンズ1aを保持するホルダ14と、ホルダ14を保持するフレーム11とを有しており、フレーム11のX軸方向の両側端部およびY軸方向の両側端部にコイル56が保持されている。ホルダ14には、レンズ1a、フォーカシング駆動用のアクチュエータ(図示せず)、および撮像素子等を備えた撮像用回路モジュール16等が保持されている。ウエイト15は、ホルダ14に固定された非磁性の金属部品であり、可動体10の光軸L方向における重心位置を調整している。
可動体10には、撮像用回路モジュール16で得られた信号を出力するための信号出力用のフレキシブル配線基板18が接続されており、フレキシブル配線基板18のうち、ホルダ14と重なる部分には、ジャイロスコープ187や電子部品188が実装されている。なお、フレキシブル配線基板18は、可動体10から引き出された後、複数個所で湾曲した後、支持体20の外部に引き出されている。フレキシブル配線基板18は、可動体10からの引き出し部分と可動体10との間にスペーサ180が配置されており、フレキシブル配線基板18の引き出し部分は、可動体10からZ軸方向の一方側+Zに離間した位置で延在している。
可動体10には、コイル56に対する給電用のフレキシブル配線基板19が接続されており、フレキシブル配線基板19の先端部は、フレキシブル配線基板18の先端部184に接続されている。かかるフレキシブル配線基板18、19は、フレキシブル配線基板18の先端部184に実装されたコネクタ185を介してフレキシブル配線基板353に接続されている。
揺動用駆動機構50は、板状の磁石52とコイル56とを利用した磁気駆動機構である。コイル56は可動体10に保持され、磁石52は、モジュールケース21の胴部211のX軸方向の両側の内面、およびY軸方向の両側の内面に保持されている。磁石52は、外面側および内面側が異なる極に着磁されている。また、磁石52は、光軸L方向に2つに分割されており、コイル56の側に位置する磁極が光軸L方向で異なるように着磁されている。このため、コイル56は、上下の長辺部分が有効辺として利用される。モジュールケース21は磁性材料から構成されており、磁石52に対するヨークとして機能する。
(ジンバル機構30等の構成)
光学モジュール100において、ピッチング方向およびヨーイング方向の振れを補正するには、可動体10を光軸L方向に交差する第1軸線L1周りに揺動可能に支持するとともに、可動体10を光軸L方向および第1軸線L1に交差する第2軸線L2周りに揺動可能に支持する必要がある。このため、可動体10と支持体20との間にはジンバル機構30(支持機構)が構成されている。
本形態では、ジンバル機構30を構成するにあたって、カバー22に固定された矩形の固定枠25とフレーム11との間に矩形の可動枠38が配置されている。固定枠25は、4つの角部のうち、第1軸線L1が延在する方向の対角に位置する角部にZ軸方向の一方側+Zに向けて突出した支持板部251が形成されている。また、固定枠25は、4つの角部にZ軸方向の他方側−Zに向けて突出した凸部252が形成されている。
可動枠38は、光軸L周りに4つの角部381、382、383、384を有する矩形形状を有している。4つの角部381、382、383、384のうち、第1軸線L1が延在する方向の対角に位置する2つの角部381、383は、球体(図示せず)等を介して固定枠25の支持板部251に揺動可能に支持され、第2軸線L2が延在する方向の対角に位置する2つの角部382、384は、球体(図示せず)等を介して可動体10のフレーム11を揺動可能に支持している。本形態において、可動枠38は、バネ性を有する金属材料等で構成されており、4つの角部381、382、383、384を繋ぐ4つの連結部385は、各々の延在方向およびZ軸方向に対して直交する方向に湾曲した蛇行部386を有している。従って、可動体10の自重では下方に撓まないが、外部から衝撃が加わった際、衝撃を吸収可能なバネ性を有している。
固定枠25とカバー22との間には、可動体10と支持体20の固定枠25とに接続して、揺動用駆動機構50が停止状態にあるときの可動体10の姿勢を規定する板状バネ40を有している。板状バネ40は、金属板を所定形状に加工したバネ部材であり、矩形枠状の固定体側連結部41と、円環状の可動体側連結部42と、固定体側連結部41と可動体側連結部42とを連結する板バネ部43とを有している。固定体側連結部41は、固定枠25のZ軸方向の他方側−Zの面に重なった状態で固定枠25の角部分に形成された凸部252によって位置決めされて固定される。また、固定枠25は、凸部252がカバー22の穴224に嵌った状態でカバー22に固定される。可動体側連結部42は、フレーム11に溶接や接着等により固定されている。
(ピッチング補正およびヨーイング補正)
光学モジュール100において、図1に示す光学機器1000がピッチング方向およびヨーイング方向に振れると、かかる振れはジャイロスコープ187によって検出され、かかる検出結果に基づいて、揺動用駆動機構50が制御される。すなわち、ジャイロスコープ187で検出した振れを打ち消すような駆動電流をコイル56に供給される結果、可動体10は、第1軸線L1周りに振れとは反対方向に揺動するとともに、第2軸線L2周りに振れとは反対方向に揺動し、ピッチング方向およびヨーイング方向の振れが補正される。
(ローリング補正用駆動機構70の全体構成)
図7は、本発明を適用した光学ユニット300のローリング補正用駆動機構70の説明図であり、図7(a)、(b)は、ローリング補正用駆動機構70を被写体側からみたときの分解斜視図、およびローリング補正用駆動機構70のステータ71の分解斜視図である。図8は、本発明を適用した光学ユニット300のローリング補正用駆動機構70の断面図であり、図8(a)、(b)は、ローリング補正用駆動機構70のYZ断面図、およびローリング補正用駆動機構70のXY断面図である。
図4に示すように、本形態の光学ユニット300において、光学モジュール100は、Z軸方向の一方側+Zに配置されたローリング補正用駆動機構70のロータ74に連結部材80を介して支持されている。ローリング補正用駆動機構70は、図3(a)に示すジャイロスコープ781での検出結果に基づいて、光学モジュール100を所定の角度範囲において光軸L周りの双方向に回転させ、ローリング補正を行う。
図4、図7および図8に示すように、ローリング補正用駆動機構70はモータ70aであり、軸受ホルダ79を介して支持部材77に保持されたステータ71と、光軸L周りに回転するロータ74とを有している。本形態において、ローリング補正用駆動機構70(モータ70a)は単相モータ70bであり、ステータ71は、周方向に複数の突極720を備えたステータコア72と、複数の突極720に巻回されたステータコイル73とを有している。突極720は、径方向外側に突出する腕部721と、腕部721の径方向外側の端部から周方向の両側に突出した先端部722とを備えており、腕部721の周りにステータコイル73が巻回されている。
本形態において、モータ70a(単相モータ70b)は、アウタロータタイプであり、ステータコア72では、円環部725から径方向外側に向けて突極720が突出している。ロータ74は、カップ状のロータケース740と、ロータケース740の端板部742に固定された回転軸745とを有している。ロータ74は、ロータケース740の円筒状の胴部743の内面に保持されたロータ磁石75を有しており、ロータ磁石75は、突極720に対して径方向外側で対向している。ロータ磁石75において、突極720に対向する内周面は、S極とN極とが周方向で交互に等角度間隔に着磁された着磁面751であり、かかる着磁面751は、着磁の際、着磁ヘッドが密接して配置される側の面である。ロータケース740の胴部743は、ロータ磁石75に対するバックヨークである。
回転軸745には、Z軸方向で離間する位置でベアリング軸受からなる軸受701、702に回転可能に支持されており、軸受701、702は、軸受ホルダ79の円筒部791の内側に保持されている。軸受ホルダ79は、ステータコア72を保持するコアホルダとしても用いられており、円筒部791の径方向外側にステータコア72の円環部725が嵌っている。なお、回転軸745のZ軸方向の一方側+Zの端部には、止め輪703が装着されている。
軸受ホルダ79は、円筒部791に対してZ軸方向の一方側+Zで隣り合う位置に円板状のフランジ部792を有しており、フランジ部792は、支持部材77にねじ779に
よって固定されている。支持部材77は、軸受ホルダ79のフランジ部792が固定された矩形の底板部771と、底板部771のX軸方向の両側の端部からZ軸方向の他方側−Zに向けて折れ曲がった一対の側板部772、773と、底板部771のY軸方向の一方側+Yの端部からZ軸方向の他方側−Zに向けて折れ曲がった側板部774とを有している。側板部772、773、774は、ロータケース740の胴部743に径方向外側で対向し、モータ70aの保護板になっている。
(ローリング補正用駆動機構70の詳細構成)
図9は、本発明を適用した光学ユニット300の単相モータ70bの動作を示す説明図であり、図9(a)、(b)は、ロータ74が反時計周りCCWに回転する様子を示す説明図、および、ロータ74が時計周りCWに回転する様子を示す説明図である。図10は、本発明を適用した光学ユニット300の単相モータ70bのコギングトルクを示す説明図である。図10において、図10(a)は、ロータ74の角度θとコギングトルクとの関係を示すグラフであり、図10(b)は、図10(a)に示すグラフにおける方向の定義を示す説明図である。図10(a)に示すゴギングトルクは、図10(b)に示すように、ロータ74を角度θ、回転させた位置で保持したときにロータ74に作用するトルクであり、θについては、ロータ74を反時計周りの方向に回転させたときを+とし、ロータ74を時計周りに回転させたときを−とし、ゴギングトルクについては、ロータ74を反時計周りに回転させる方向を+とし、ロータ74を時計周りに回転させる方向を−としてある。従って、図10(a)において、コギングトルクが0となる点のうち、ロータ74を反時計周りの方向(θが+の方向)に移動させた際にコギングトルクがロータ74を時計周りに回転させる方向(−の方向)に作用し、ロータ74を時計周りの方向(θが−の方向)に移動させた際にコギングトルクがロータ74を反時計周りに回転させる方向(+の方向)に作用する点が、周方向のいずれの方向にもロータ74が回転することを妨げるトルクが発生する「安定点」に相当する。これに対して、コギングトルクが0となる点のうち、ロータ74を反時計周りの方向(θが+の方向)に移動させた際にコギングトルクがロータ74を反時計周りに回転させる方向(+の方向)に作用し、ロータ74を時計周りの方向(θが−の方向)に移動させた際にコギングトルクがロータ74を時計周りに回転させる方向(−の方向)に作用する点が、周方向のいずれの方向にもロータ74を回転させようとするトルクが発生する「不安定点」に相当する。
本形態の単相モータ70bは、ステータコア72においてステータコイル73が巻回された突極720の数がロータ磁石75の磁極数(S極の数とN極の数の和)の2倍である。本形態において、ロータ磁石75の磁極数は4であり、突極720の数は8である。また、突極720は周方向に等角度間隔に設けられている。ステータコイル73は、1本のコイル線730を、図8(b)に矢印Cで示すように、複数の突極720に巻回した構成になっており、2つの端部731、732が引き出されている。
また、コイル線730は、隣り合う2つの突極720の対では同一方向に巻回され、かかる突極720の対に対して時計周りCWで隣り合う2つの突極720の対では、巻回方向が逆である。また、ロータ磁石75の1つの極に対向する2つの突極720では、コイル線730の巻回方向が逆である。このため、コイル線730に通電した際、ロータ磁石75の1つの極に対向する2つの突極720は、互いに逆の極となる。
図9(a)に示すように、ロータ74を反時計周りCCWに回転させる際、矢印Iaで示す電流をステータコイル73に印加する。その結果、ロータ磁石75の1つの極には、2つの突極720の一方との間に、実線の矢印Faで示す反時計周りCCWの吸引力が作用する一方、他方との間には、点線の矢印Fbで示す反時計周りCCWの反発力が作用する。従って、ロータ74は、反時計周りCCWに回転し、光学モジュール100を反時計周りCCWに回転させる。
また、図9(b)に示すように、ロータ74を時計周りCWに回転させる際、矢印Ibで示す電流をステータコイル73に印加する。その結果、ロータ磁石75の1つの極には、2つの突極720の一方との間に、実線の矢印Fcで示す時計周りCWの吸引力が作用する一方、他方との間には、点線の矢印Fdで示す時計周りCWの反発力が作用する。従って、ロータ74は、時計周りCWに回転し、光学モジュール100を時計周りCWに回転させる。
このように構成した単相モータ70bは、光学モジュール100のローリング補正を行う際、複数のコギングトルクのピーク点のうち、安定点を中心として隣り合う2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲内でロータ74を回転させ、光学モジュール100を往復回転させる。本形態では、ロータ磁石75の磁極数は4であり、突極720の数は8であるため、単相モータ70bは、図10にコギングトルク特性を示すように、ゴギングトルクが45°周期を有する。このため、ゴギングトルクが最大値となる位置は、22.5°周期で出現することになるが、光学モジュール100のローリング補正を行うには、実用的には、光学モジュール100を約12°(±6°)の範囲で回転させればよい。従って、本形態の単相モータ70bによれば、光学モジュール100のローリング補正を行う際、安定点を中心として隣り合う2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲内でロータ74を回転させ、光学モジュール100を往復回転させることができる。
(連結部材80の構成)
図11は、本発明を適用した光学ユニット300のストッパ機構110の説明図であり、連結部材80を通る位置で光学ユニット300を切断したときのXY断面図である。
本形態では、モータ70aの回転軸745のZ軸方向の他方側−Zの端部には、連結部材80を介して光学モジュール100が連結される。本形態において、連結部材80は、光学モジュール100を支持する矩形の板部81と、板部81のX軸方向の両側の端部からZ軸方向の他方側−Zに向けて折れ曲がった板状の位置決め凸部82、83と、板部81のY軸方向の他方側−Yの端部でZ軸方向の他方側−Zに向けて折れ曲がった一対の位置決め凸部84とを有しており、光学モジュール100は、位置決め凸部82、83、84によって位置決めされた状態で板部81に固定される。従って、光学モジュール100は、モータ70aの回転軸745(ロータ74)と一体に回転する。なお、連結部材80は、板部81からZ軸方向の一方側に突出した円筒部(図示せず)を有しており、円筒部に回転軸745が嵌った状態でねじ等により回転軸745に固定される。
ここで、連結部材80は、板部81のX軸方向の一方側+Xの端部からさらにX軸方向の一方側+Xに突出したストッパ用凸部86と、板部81のX軸方向の他方側−Xの端部からさらにX軸方向の他方側−Xに突出したストッパ用凸部87とを有している。
図11に示すように、ストッパ用凸部86、87はいずれも、Y軸方向の他方側−Yに先端部860、870を向けている。また、ユニットケース310の第1ケース部材320の内面には、ストッパ用凸部86の先端部860に対してY軸方向の他方側−Yで対向する受け部326と、ストッパ用凸部87の先端部870に対してY軸方向の他方側−Yで対向する受け部327とが形成されている。従って、連結部材80、光学モジュール100および回転軸745が光軸L周りに時計周りCWの方向に回転した際、ストッパ用凸部86の先端部860が受け部326に当接し、光学モジュール100の時計周りCWの方向の可動範囲が規制されている。また、連結部材80、光学モジュール100および回転軸745が光軸L周りに反時計周りCCWの方向に回転した際、ストッパ用凸部87の先端部870が受け部327に当接し、光学モジュール100の反時計周りCCWの方向の可動範囲が規制されている。
このようにして、本形態では、連結部材80のストッパ用凸部86、87と、ユニットケース310の受け部326、327とによって、光学モジュール100の光軸L周りの可動範囲を規制するストッパ機構110が構成されており、ストッパ機構110によって規制された光学モジュール100の可動範囲は、図10に示すように、ローリング補正範囲より広く、かつ、隣り合うコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲より狭い。このため、外部から加わったトルクで光学モジュール100が過度に回転することを防止することができる。また、ストッパ機構110では、連結部材80に形成されたストッパ用凸部86、87が、ユニットケース310の受け部326、327と当接して光学モジュール100の可動範囲を規制する。このため、部材を追加しなくても、ストッパ機構110を構成することができる。
(回路基板76の構成)
再び図3、図4および図8において、支持部材77は、Y軸方向の他方側−Yに側板部を有しておらず、底板部771のY軸方向の他方側−Yの端部では、X軸方向の両側の端部からZ軸方向の一方側+Zに向けて折れ曲がった一対の連結板部775を有している。従って、支持部材77は、ロータケース740の胴部743のY軸方向の他方側−Yでは開放状態にある。ここで、支持部材77のY軸方向の他方側−Yには、連結板部775によって回路基板76が固定されており、回路基板76は、支持部材77の底板部771の端部および側板部772、773の端部に接する状態にある。この状態で、Y軸方向の他方側−Yでは、回路基板76がロータケース740の胴部743に径方向外側で対向し、モータ70aの保護板を構成している。従って、回路基板76によって、単相モータ70bを保護することができる。また、支持部材77は、Y軸方向の他方側−Yに側板部を有していないため、Y軸方向の他方側−Yでは、ステータコイル73の端部731、732を回路基板76に容易に接続することができる。
(角度位置検出用センサ760等の構成)
図12は、本発明を適当した光学ユニット300に構成した角度位置検出センサ760の説明図であり、図12(a)、(b)、(c)は、角度位置検出センサ760の出力特性を示す説明図、ロータ磁石75の内周側の磁束密度の説明図、およびロータ磁石75の外周側の磁束密度の説明図である。
回路基板76において、ロータケース740の胴部743の側に向く基板面76aには、ロータ74(光学モジュール100)の角度位置を検出する角度位置検出センサ760が実装されている。角度位置検出センサ760は、磁気検出素子760aであり、ロータ磁石75に対してステータコア72とは反対側で対向している。本形態において、磁気検出素子760aは、ホール素子760bであり、ローリング補正用駆動機構70の休止時、すなわちローリング方向の振れが検出されない時、ロータ磁石75のN極とS極との磁極境界線75aに対して対向している。
図8(a)に示すように、ロータ74は、ロータ磁石75の径方向外側にロータケース740の胴部743(バックヨーク)を有しているが、径方向外側からみたとき、ロータ磁石75は、胴部743のZ軸方向の一方側+Zの端部から露出しており、かかる露出部分750に径方向外側で磁気検出素子760a(ホール素子760b)が対向している。また、磁気検出素子760a(ホール素子760b)は、胴部743の径方向外側の面より径方向外側に配置されており、ロータ磁石75とは胴部743の厚さ以上の距離を隔てて配置されている。ロータ磁石75の露出部分750のZ軸方向の寸法dは、ロータ磁石75の厚さt以下である。
このように、本形態では、磁気検出素子760aが、ロータ磁石75の着磁面751と
は反対側で十分な隙間を隔ててロータ磁石75に対して対向している。このため、図12(a)に示すように、ローリング補正用駆動機構70の休止時、磁気検出素子760aは、ロータ磁石75のN極とS極との磁極境界線75aに対して対向しているため、出力が0Vであるが、回転軸745が回転してロータ磁石75が周方向に移動すると、磁気検出素子760aからの出力は、ロータ磁石75の角度位置に対して略直線的に変化する。
すなわち、図12(b)に示すように、ロータ磁石75は、内周面が着磁面751であるため、径方向内側では、磁束密度が周方向で複雑に、かつ磁極の切り替わり位置では急峻に変化する。これに対して、図12(c)に示すように、ロータ磁石75の径方向外側(着磁面751とは反対側)では、ロータ磁石75から1mm離間した位置での磁束密度は、周方向において略正弦波状に変化し、磁束密度が周方向で略直線的に変化する領域が存在する。従って、本形態のように、磁気検出素子760aが、ロータ磁石75の着磁面751とは反対側で十分な隙間を隔ててロータ磁石75に対して対向していれば、図12(a)に示すような出力を得ることができる。
また、本形態では、磁気検出素子760aがホール素子760bであるため、ロータ磁石75の移動によって、出力の極性が反転する。このため、ロータ磁石75の角度位置を検出することができる。
(ローリング補正)
光学モジュール100において、図1に示す光学機器1000がローリング方向に振れると、かかる振れはジャイロスコープ781によって検出され、かかる検出結果に基づいて、ローリング補正用駆動機構70が制御される。すなわち、ジャイロスコープ781で検出した振れを打ち消すような駆動電流がステータコイル73に供給される結果、ロータ74が光軸L周りに振れとは逆方向に駆動される。従って、光学モジュール100は、光軸L周りに振れとは逆方向に回転する。その際、角度位置検出用センサ760(磁気検出素子760a、ホール素子760b)がロータ74の角度位置を検出し、かかる検出結果に基づいて、ローリング補正用駆動機構70が制御される。それ故、ロータ74および光学モジュール100は、基準位置に戻され、ローリング方向の振れが補正される。
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態の光学ユニット300では、レンズ1a等の光学素子を保持する可動体10および揺動用駆動機構50を光学モジュール100に設けて、光学モジュール100においてピッチング補正やヨーイング補正を行い、ローリング補正については、ローリング補正用駆動機構70によって光学モジュール100を光軸L周りに回転させて行う。このため、ローリング補正については、ピッチング補正やヨーイング補正とは独立して行うため、振れ補正の制御が容易である。また、ローリング補正が不要な場合には、光学モジュール100単独で用いることができる。
また、ローリング補正用駆動機構70には、単相モータ70b(モータ70a)が用いられており、かかる単相モータでは、ロータ磁石75による吸引力と反発力とを利用するので、ローレンツ力を利用した場合に比して大きなトルクを得ることができる。
特に、本形態では、ステータコア72の突極720の数がロータ磁石75の磁極数の2倍であるため、突極720の数が多い分、突極720の周りでのステータコイル73の巻回数を減らすことができる。従って、ステータコイル73が占める容積が小さいので、単相モータ70bを光軸L方向において小型化することができる。それ故、光軸L方向における光学ユニット300の小型化を図ることができる。
また、単相モータ70bは、安定点を中心として隣り合う2つのコギングトルクのピー
ク点により挟まれた角度範囲内で光学モジュール100を往復回転させるため、単相モータ70bは、コギングトルクのリップルを超えるトルクを光学モジュール100に加える必要がない。従って、単相モータ70bの省電力化を図ることができる。また、光学モジュール100に加わるコギングトルクを、光学モジュール100を光軸L周りの基準位置に復帰させる磁気バネとして利用することができるので、機械的バネを別途設ける必要がない。
また、本形態では、ローリング補正用駆動機構70に用いた単相モータ70b(モータ70a)のロータ磁石75に対向する磁気検出素子760aによって光学モジュール100の光軸L周りの角度位置を検出する角度位置検出センサ760が構成されている。このため、簡素な構成で光学モジュール100の光軸L周りの角度位置を検出することができる。その場合でも、磁気検出素子760aは、ロータ磁石75に対してステータコア72とは反対側で対向しているため、磁気検出素子760aは、ステータコア72の影響を受けずに光学モジュール100の光軸L周りの角度位置を検出することができる。また、磁気検出素子760aは、ロータ磁石75において着磁されている側の面(ステータコア72と対向している面)とは反対側で対向しており、ロータ磁石75において着磁されている側の面とは反対側では、周方向における磁束密度の分布が連続して穏やかに変化する。このため、磁気検出素子760aからの出力のリニアリティが高い。
また、本形態では、単相モータ70bがアウターロータタイプであるため、ロータ磁石75の周方向の寸法が長い。それ故、磁気検出素子760aの検出結果の分解能が高い。
また、単相モータ70bでは、ロータ磁石75の径方向外側にロータケース740の胴部743(バックヨーク)が設けられているが、磁気検出素子760aは、径方向外側からみたとき、ロータ磁石75が胴部743からの露出部分750に対して対向している。このため、ロータ磁石75の径方向外側にバックヨーク(胴部743)を配置した場合でも、磁気検出素子760aの検出結果にバックヨークが影響を及ぼしにくい。この場合でも、露出部分750の寸法は、ロータ磁石75の厚さ以下であるため、ロータ磁石75の露出部分750の強度低下を抑制することができる。
また、磁気検出素子760aは、胴部743(バックヨーク)の径方向外側の面より径方向外側に配置されているため、磁気検出素子760aとロータ磁石75とが十分に離間している。従って、周方向における磁束密度の分布が連続して穏やかに変化するので、磁気検出素子760aからの出力のリニアリティが高い。
また、磁気検出素子760aは、ステータコイル73への給電を行う回路基板76に実装されているため、簡素な構成で磁気検出素子760aを配置することができる。
また、磁気検出素子760aは、ホール素子760bであるため、ホール素子760bからの出力に基づいて、ロータ磁石75が周方向のいずれの方向に移動しているかを検出することができる。
[他の実施の形態]
図13は、本発明を適用した光学ユニット300のローリング補正用駆動機構70の変形例を示す説明図であり、図13(a)、(b)は、変形例1の説明図、および変形例2の説明図である。
図8(b)および図9に示す形態では、複数の突極720の全てが周方向で等角度間隔に形成されていたが、図13(a)に示すように、ロータ磁石75の同一の磁極に対向する2つの突極720の間隔と、ロータ磁石75の別の磁極に対向する2つの突極720の
間隔とが相違している構成であってもよい。
また、図8(b)および図9に示す形態では、複数の突極720に対して1対1の対応をもってステータコイル73が巻回されていたが、図13(b)に示すように、周方向で隣り合う突極720のうち、ステータコイル73が同一方向に巻回される2つの突極720に跨るように共通のステータコイル73が巻回された構成を採用してもよい。
なお、上記実施の形態では、突極720に対して径方向外側でロータ磁石が対向するアウターロータタイプのモータ70aをローリング補正用駆動機構70に用いたが、突極720に対して径方向内側でロータ磁石が対向するインナーロータタイプのモータや、突極720に対してZ軸方法でロータ磁石が対向する面対向タイプのモータをローリング補正用駆動機構70に用いてもよい。
また、上記実施の形態では、ローリング方向の振れを感知するジャイロスコープ781と、ピッチ方向やヨーイング方向の振れを感知するジャイロスコープ187を別々に配置したが、ピッチ方向やヨーイング方向の振れを感知するジャイロスコープ187にローリング方向の振れも感知できるようなセンサを使用してもよい。
[光学ユニット300の使用例]
本発明を適用した光学ユニット300は、携帯用や車載用の投射表示装置や直視型表示装置等、光を出射する光学機器の振れ補正に適用してもよい。また、天体望遠鏡システムあるいは双眼鏡システム等、高倍率での観察において三脚等の補助固定装置を用いることなく観察するのに用いてもよい。また、狙撃用のライフル、あるいは戦車等の砲筒とすることで、トリガ時の振動に対して姿勢の安定化が図れるので、命中精度を高めることができる。
1・・撮像モジュール、10・・可動体、16・・撮像用回路モジュール、1a・・レンズ(光学素子)、20・・支持体、21・・モジュールケース、30・・ジンバル機構、50・・揺動用駆動機構、70・・ローリング補正用駆動機構、70a・・モータ、70b・・単相モータ、71・・ステータ、72・・ステータコア、73・・ステータコイル、74・・ロータ、75・・ロータ磁石、75a・・磁極境界線、76・・回路基板、77・・支持部材、79・・軸受ホルダ、80・・連結部材、86、87・・ストッパ用凸部、100・・光学モジュール、110・・ストッパ機構、300・・光学ユニット、310・・ユニットケース、320・・第1ケース部材、326、327・・受け部、330・・第2ケース部材、701、702・・軸受、720・・複数の突極、730・・コイル線、740・・ロータケース、743・・胴部(バックヨーク)、745・・回転軸、750・・露出部分、751・・着磁面、760・・角度位置検出センサ、760a・・磁気検出素子、760b・・ホール素子、771・・底板部、772〜774・・側板部、781・・ジャイロスコープ、1000・・光学機器、L・・光軸、L1・・第1軸線、L2・・第2軸線

Claims (7)

  1. 光学素子を保持する可動体、該可動体を前記光学素子の光軸に対して直交する2つの軸線周りに揺動可能に支持する支持体、および前記可動体を前記支持体に対して前記2つの軸線周りに往復揺動させる揺動用駆動機構を備えた光学モジュールと、
    前記光学モジュールを前記光軸周りに往復回転させるローリング補正用駆動機構と、
    を有し、
    前記ローリング補正用駆動機構は、ステータコアにおいてステータコイルが巻回された突極の数がロータ磁石の磁極数の2倍の単相モータを備えていることを特徴とする振れ補正機能付き光学ユニット。
  2. 前記単相モータは、複数のコギングトルクのピーク点のうち、安定点を中心として隣り合う2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲内で前記光学モジュールを往復回転させることを特徴とする請求項1に記載の振れ補正機能付き光学ユニット。
  3. 前記単相モータは、前記磁極数が4で、前記突極の数が8であることを特徴とする請求項2に記載の振れ補正機能付き光学ユニット。
  4. 前記光学モジュールの前記光軸周りの可動範囲を規制するストッパ機構が設けられていることを特徴とする請求項2または3に記載の振れ補正機能付き光学ユニット。
  5. 前記単相モータのロータと前記光学ユニットとは、連結部材を介して連結され、
    前記ストッパ機構では、前記連結部材に形成されたストッパ用凸部が、前記光学モジュールおよび前記単相モータの周りを囲むユニットケースと当接して前記光学モジュールの可動範囲を規制することを特徴とする請求項4に記載の振れ補正機能付き光学ユニット。
  6. 前記ストッパ機構によって規定される可動範囲は、前記2つのコギングトルクのピーク点により挟まれた角度範囲より狭いことを特徴とする請求項4または5に記載の振れ補正機能付き光学ユニット。
  7. 前記単相モータは、前記ロータ磁石を回転可能に支持する軸受と、該軸受を保持する軸受ホルダと、前記軸受けホルダを保持する支持部材と、を有し、
    前記支持部材は、前記単相モータの反出力側で前記軸受けホルダを保持する底板部と、該底板部から出力側に向けて折れ曲がって前記単相モータを径方向外側で保護する側板部と、を有していることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の振れ補正機能付き光学ユニット。
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