JP4689194B2

JP4689194B2 - 光学素子の駆動装置、該駆動装置を用いて構成した光空間伝送装置、レンズ装置

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Publication number: JP4689194B2
Application number: JP2004164130A
Authority: JP
Inventors: 彰横山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: JP2005345665A

Description

本発明は一定の角度内で揺動運動を行う光学素子に関し、例えば光空間伝送装置のトラッキング機構や、撮像レンズの防振機構等に用いられる駆動装置に関するものである。

光学要素等の駆動装置において、これらの光学要素を２軸方向に駆動するため、従来から様々な工夫がなされてきている。
例えば、反射ミラーの駆動機構等においては、特許文献１のように、２軸に回転が可能な光学素子の周りにボイスコイルモーターを配置し、駆動時にはモーターも一緒にのせたままで駆動する構成が提案されている。
また、直線駆動モーターで光学素子を回転させる場合には、モーターと光学素子の接続にユニバーサルジョイントのような複数の部品による構成が知られている。また、レンズ駆動装置等の従来例では、特許文献２のように、駆動部の動力をネジ部やガイド等の複数の部品を介してレンズを駆動する構成が提案されている。
特開平０７−１４３０６６号公報特開平０６−１７５０７７号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、例えばその実施例１のような駆動形態を採る場合、光学素子の他にボイスコイルモーターを一緒に駆動する必要があり、また被駆動部のバランスを採る必要があるため、カウンターウェイトを搭載することになり、駆動質量が大きくなって駆動電流が増加し、モーター自体も大型化し、また部品点数が多くなる等の点で問題を有していた。
また、このような機構の場合、光学素子の回転角度を検出するセンサーはそれぞれの軸上に設けられる場合が多く、また、使用時の回転角度は小さいため、ポテンショメーターやロータリーエンコーダー等を軸上に配置して、角度検出をおこなったとしても、センサーの範囲を有効に使用することができず、検出の精度の点で必ずしも満足の行くものではなかった。

また、上記特許文献２においては、例えばその実施例にあるような複数の部材で駆動部と被駆動部を接続する構成を採る場合には、部品間にガタが発生して駆動精度が低下するという問題が生じ、そのため部品のガタをつめる調整や専用の部品を製作することが必要となり、コスト面でも必ずしも満足の行くものではなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、組立が簡単で、単純な部品構成により２軸の駆動が可能となる光学素子の駆動装置、該駆動装置を用いて構成した光空間伝送装置、レンズ装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、以下のように構成した光学素子の駆動装置、該駆動装置を用いて構成した光空間伝送装置、レンズ装置を提供するものである。
すなわち、本発明の光学素子の駆動装置は、第１の回転軸と該第１の回転軸と直交する第２の回転軸との２軸回りに回転可能とされた光学素子を、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるようにした光学素子の駆動装置であって、
前記光学素子を前記第１の回転軸の回転軸回りに支持する第１のフレームと、
前記光学素子を前記第２の回転軸の回転軸回りに支持する第２のフレームと、
前記第１のフレームを駆動する第１の駆動手段と、
前記第２のフレームを駆動する第２の駆動手段と、
を備え、
前記第１のフレームと前記第１の駆動手段との間および前記第２のフレームと前記第２の駆動手段との間には、
直線方向には剛性を有し、該直線方向以外の方向には撓むことが可能とされている真っ直ぐなバネによる直線部材が構成され、
前記第１のフレームと前記第１の駆動手段との間における前記直線部材の一端は前記第１のフレームと、その他端は前記第１の駆動手段と固定されると共に、
前記第２のフレームと前記第２の駆動手段との間における前記直線部材の一端は前記第２のフレームと、その他端は前記第２の駆動手段と固定されていることを特徴としている。
また、本発明は、見通しがきく離れた２地点をレーザー光を用いて通信する光空間伝送装置において、相手装置との光軸のずれを補正するトラッキング機構を有し、該トラッキング機構の光軸合わせに使用する反射ミラーを、上記した光学素子の駆動装置を用いて、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるように構成したことを特徴としている。
また、本発明は、液体レンズの変形や固体レンズの傾きを変化させることにより撮影時の振動を防止する機能を有するレンズ装置において、第１の回転軸と該第１の回転軸と直交する第２の回転軸との２軸回りに回転可能とされたレンズを搭載したフレームを、上記した光学素子の駆動装置を用いて、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるように構成したことを特徴としている。

本発明によれば、単純な部品構成により２軸の駆動が可能となる光学素子の駆動装置、該駆動装置を用いて構成した光空間伝送装置、レンズ装置を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、
本発明における第１の回転軸と該第１の回転軸と直交する第２の回転軸との２軸回りに回転可能とされた光学素子を、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるようにした光学素子の駆動装置を適用した、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
本発明における実施例１は、上記した本発明の構成を２軸の駆動を行う光学素子駆動装置に適用したものであり、これらを図を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の駆動手段及び／または前記第２の駆動手段の駆動によって、光学素子を第１の回転軸回り及び／または第２の回転軸回りに、回転駆動させる構成を適用した、本実施例における２軸周りに回転運動を可能とした光学素子の被駆動部の構成を示す。
図２は図１のＹ−Ｙ’断面を示す図であり、図３は図１のＸ−Ｘ’断面を示す図である。

図１において、１は光学素子、２はチルト軸、３はパン軸、４はチルトフレーム、５はパンフレームである。
光学素子１は、チルト軸２及びチルトフレーム４を介してチルト方向に、またパン軸３及びパンフレーム５を介してパン方向に回転可能に構成されている。
図２及び図３において、６はチルトステージ、７はパンステージ、８はチルト連結部材、９はパン連結部材である。
チルトステージ６とパンステージ７には、直線駆動を行うモーターと、ＰＳＤ等の位置センサーが搭載されている。このチルトステージ６におけるモーターによる駆動部と光学素子１とは、チルト連結部材８及びチルトフレーム４を介して連結され、チルト軸２を中心に揺動運動させるように構成されている。また、パンステージ７におけるモーターによる駆動部と光学素子１とは、パン連結部材９及びパンフレーム５を介して連結され、パン軸３を中心に揺動運動させるように構成されている。
ここで、チルト連結部材８とパン連結部材９は、軸方向（真っ直ぐな線状のバネの該線状方向）には剛性を有し、該軸方向（前記線状方向）以外の方向には撓むことが可能とされている真っ直ぐな線状のバネで形成されている。この線状のバネ両端は、光学素子１側のチルトフレーム４・パンフレーム５とチルトステージ６・パンステージ７のモーター側の取り付け部に、強固に固定される。

図４（ａ）と図４（ｂ）は、図１のＹ−Ｙ’断面においてチルトステージ６が駆動したときの光学素子１の傾きの様子を示す。
図４（ａ）または図４（ｂ）に示されるように、チルトステージ６が距離Ａ１またはＡ２駆動すると、チルト連結部材８は撓みながら光学素子１を角度θ１またはθ２傾かせる。
チルト連結部材８は軸方向には上記したように剛性があるから、両端を光学素子１とチルトステージ６に強固に固定されていることにより、光学素子１とチルトステージ６の間の動きにはガタや遅れは発生しない。また、チルト連結部材８は軸方向以外の方向には撓むことが可能であるため、撓んで変位を吸収することができる。このとき、チルト連結部材８は線状のバネであるために、撓みを復元する方向にバネ力が発生するが、長さや線径を調節し、チルトステージ６の駆動力に対してバネ力を小さくすることによりバネ力に逆らってチルトステージ６を駆動することができる。

このときのチルトステージ６の駆動量Ａと光学素子１の傾き角度θとの関係は、チルト中心軸２から光学素子１側のチルト連結部材８の固定位置までの長さをＲ_Ｔとするとき、
θ＝２ｓｉｎ^−１（Ａ／２Ｒ_Ｔ） ……（１）
であらわされる。
ここで、光学素子１のチルト方向の回転角度の制御は、チルトステージ６上の位置センサーで得た値から式（１）を用いて行う。

また、図５（ａ）と図５（ｂ）は、図１のＸ−Ｘ’断面においてパンステージ７が駆動したときの光学素子１の傾きの様子を示す。
図５（ａ）または図５（ｂ）に示すように、パンステージ７が距離Ｂ１またはＢ２駆動すると、パン連結部材９は撓みながら光学素子１を角度δ１またはδ２傾かせる。
パン連結部材９は軸方向には上記したように剛性があるから、両端を光学素子１とパンステージ７に強固に固定されていることにより、光学素子１とパンステージ７の間の動きにはガタや遅れは発生しない。また、パン連結部材９は軸方向以外の方向には撓むことが可能であるため、撓んで変位を吸収することができる。このとき、パン連結部材９は線状のバネであるために、撓みを復元する方向にバネ力が発生するが、長さや線径を調節し、パンステージ７の駆動力に対してバネ力を小さくすることによりバネ力に逆らってパンステージ７を駆動することができる。

このときのパンステージ７の駆動量Ｂと光学素子１の傾き角度δとの関係は、パン中心軸３から光学素子１側のパン連結部材９の固定位置までの長さをＲ_Ｐとするとき、
δ＝２ｓｉｎ^−１（Ｂ／２Ｒ_Ｐ） ……（２）
であらわされる。
ここで、光学素子１のパン方向の回転角度の制御は、パンステージ７上の位置センサーで得た値から式（２）を用いて行う。

つぎに、本実施例の光学素子駆動装置が使用可能な駆動範囲の判断方法を説明する。
パン駆動、チルト駆動を単独または同時に行う場合、パン駆動はチルト側の位置に、チルト駆動はパン側の位置に多少の影響を与える。
パンステージ７を駆動させる場合、パン駆動角をｄδ、チルト連結部材８の光学素子１側の固定位置からチルト回転中心までの距離をＬ_Ｔとしたとき、パン駆動によって影響を受けて移動するチルトステージ移動量ｄＡは、
ｄＡ＝（Ｌ_Ｔ／２）ｓｉｎ（ｄδ／２） ……（３）
であらわすことができ、ステージの最小駆動量や最小検出量に対してｄＡが十分に小さくなるようにｄδやＬ_Ｔを調節する必要がある。

同様に、チルトステージ６を駆動させる場合においても、チルト駆動角ｄθ、パン連結部材９の光学素子１側の固定位置からパン回転中心までの距離をＬ_Ｐとした時、チルト駆動によって影響を受けて移動するパンステージ移動量ｄＢは、ｄＢ＝（Ｌ_Ｐ／２）ｓｉｎ（ｄθ／２） ……（４）
であらわすことができ、ステージの最小駆動量や最小検出量に対してｄＢが十分に小さくなるようにｄθやＬ_Ｐを調節する必要がある。

しかしながら、トラッキング機構や防振機構は多くの場合において、全駆動範囲の一部で往復運動するため、ｄＡとｄＢの値が極度に大きいとき以外は実使用時に問題になるような動きは起こることはない。
例えば、光空間伝送装置の場合、伝送距離１０００ｍ、レンズ径１００ｍｍ、トラッキング精度２０ｍｍ、Ｌ_ＰとＬ_Ｔ共に１５ｍｍである場合、トラッキングの駆動角はｄθ＝０．００１°とｄδ＝０．００１６°である。このときのｄＡとｄＢは、
ｄＡ＝（１５／２）ｓｉｎ（０．００１６／２）＝０．０００１ｍｍ
ｄＢ＝（１５／２）ｓｉｎ（０．００１／２）＝０．００００７ｍｍ
回転中心から連結部材の固定位置までの長さＲ_Ｔ、Ｒ_Ｐはどちらも２５ｍｍであり、ステージが上記の値移動した時の、チルト方向、パン方向の角度変化は、式１・２よりそれぞれ、
θ＝２ｓｉｎ^−１（０．０００１／２×２５）＝０．０００２°
δ＝２ｓｉｎ^−１（０．００００７／２×２５）＝０．０００１６°
となる。
このときの相手装置側での光軸のずれ量は、チルト側：３．５ｍｍ、パン側：２．８ｍｍであり、トラッキング精度２０ｍｍに対して小さく、性能にはほとんど影響することはない。

以上の説明では線状のバネを用いたが、本実施例においてはこのような線状のバネに限らず、棒状のバネてあっても良い。

［参考例］
本発明における参考例は、上記した本発明の構成を２軸の駆動を行う光学素子駆動装置に適用したものであるが、チルト連結部材８およびパン連結部材９をワイヤーで構成したこと以外は実施例１と同じであるから、重複する部分の説明は省略する。

本参考例においては、チルト連結部材８およびパン連結部材９をワイヤーで構成したことにより、光学素子１の駆動時にチルト連結部材８およびパン連結部材９は撓むが、バネ力は発生しない。したがって、ワイヤーが長手方向に伸縮せずに駆動するように、光学素子の質量、駆動速度、ワイヤーの編み込み硬さ、ワイヤーの長さ、ワイヤーの太さ等を十分に考慮する必要がある。

以上に説明したように、本発明の上記実施例によれば、単純な部品構成により２軸の光学素子の駆動が可能になり、光学素子にモーター等が搭載されない分、駆動に使用するモーターは小型で駆動力が小さいものが使用可能となる。
また、連結に使用する可撓性のある直線部材は単部品であるため、連結部のガタや遅れが生じることはない。さらに、部品の取り付け誤差を部品自体が吸収するために組立が簡単になる。
さらに、回転角度の検出を直線駆動のステージ上に設けた位置センサーにより行うために、ＰＳＤ等の一般的な１次元センサーを使用して簡単に取り付けることができ、さらに高精度の検出が可能になる。

本発明の実施例１における２軸周りに回転運動を可能とした光学素子の被駆動部の構成を示す図である。図１のＹ−Ｙ’断面を示す図である。図１のＸ−Ｘ’断面を示す図である。。図２に示すチルトステージが距離Ａ駆動したときの光学素子の傾き角θを示す図である。図３のパンステージが距離Ｂ駆動したときの光学素子の傾き角δを示す図である。

符号の説明

１：光学素子
２：チルト軸
３：パン軸
４：チルトフレーム
５：パンフレーム
６：チルトステージ
７：パンステージ
８：チルト連結部材
９：パン連結部材

Claims

第１の回転軸と該第１の回転軸と直交する第２の回転軸との２軸回りに回転可能とされた光学素子を、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるようにした光学素子の駆動装置であって、
前記光学素子を前記第１の回転軸の回転軸回りに支持する第１のフレームと、
前記光学素子を前記第２の回転軸の回転軸回りに支持する第２のフレームと、
前記第１のフレームを駆動する第１の駆動手段と、
前記第２のフレームを駆動する第２の駆動手段と、
を備え、
前記第１のフレームと前記第１の駆動手段との間および前記第２のフレームと前記第２の駆動手段との間には、
直線方向には剛性を有し、該直線方向以外の方向には撓むことが可能とされている真っ直ぐな線状または棒状のバネによる直線部材が構成され、
前記第１のフレームと前記第１の駆動手段との間における前記直線部材の一端は前記第１のフレームと、その他端は前記第１の駆動手段と固定されると共に、
前記第２のフレームと前記第２の駆動手段との間における前記直線部材の一端は前記第２のフレームと、その他端は前記第２の駆動手段と固定されていることを特徴とする光学素子の駆動装置。
前記光学素子の回転角度は、駆動手段が設けられているステージ内の位置センサーによる検出値と、前記第１または第２の回転軸の中心軸から前記第１または第２の駆動手段と連結された光学素子側の前記直線部材の固定部までの距離に基づいて、制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の駆動装置。
見通しがきく離れた２地点をレーザー光を用いて通信する光空間伝送装置において、
相手装置との光軸のずれを補正するトラッキング機構を有し、該トラッキング機構の光軸合わせに使用する反射ミラーを、請求項１または請求項２の光学素子の駆動装置を用いて、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるように構成したことを特徴とする光空間伝送装置。
液体レンズの変形や固体レンズの傾きを変化させることにより撮影時の振動を防止する機能を有するレンズ装置において、
第１の回転軸と該第１の回転軸と直交する第２の回転軸との２軸回りに回転可能とされたレンズを搭載したフレームを、請求項１または請求項２の光学素子の駆動装置を用いて、前記２軸回りに駆動して一定の角度内で揺動運動ができるように構成したことを特徴とするレンズ装置。