JP4773891B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数相の励磁コイルを所定の位相差をもって通電することによって制御するステッピングモータを、レンズを駆動させるアクチュエータとして使用する撮像装置に関する。

ステッピングモータは、以下の特徴を有するため種々の分野で利用されている。
１．回転角度が入力パルス数に比例するため、エンコーダやポテンショメータが不要でオープンループ制御が可能。
２．回転速度が入力パルスの基本周波数に比例するため、広範囲の回転速度制御が可能。
３．低速において十分なトルクの確保が可能。
４．入力パルスの無いときには停止位置が保持されるので、ブレーキやロック機構が不要。

本発明の対象となる撮像装置の分野では、この種のステッピングモータは、主にレンズの駆動系で使用され、具体的には虹彩絞りやフォーカス、ズームなどのレンズの駆動に用いられることが多い。

ステッピングモータの駆動制御の方式には、図５に示すように、（Ａ）の１相励磁や（Ｂ）の２−２相励磁、（Ｃ）の１−２相励磁などの方式が一般的に用いられる。しかし、これらの励磁駆動方式は、１ステップあたりの駆動角度が機械的なステップ角度で決定されるため、緻密な回転角度や低騒音を必要とする装置には不向きである。

そこで、このような要求に応え、機械的に決まるステップ角を電子回路により更に細かく分割して、モータの回転を滑らか、かつ緻密に駆動する方式として、（Ｄ）のマイクロステップ駆動方式が提案されている。

マイクロステップ駆動方式とは、１−２相励磁の１周期を更に細分化し、その細分化されたステップにおいてモータ各相の巻き線電流を段階的に制御する駆動方式である。そのマイクロステップ方式の中でも、パルス幅変調を利用してデューティ比を制御し、コイルに通電する電流の形状を正弦波状に制御するパルス幅変調方式が、公知の技術として知られている。

撮像装置においても、このパルス幅変調方式を用いることが多い。これは、虹彩絞りにおける高精度駆動や、動画対応のために静かなレンズ駆動が要求されるためである。

しかし、マイクロステップ駆動方式として、パルス幅変調方式を実際に適用する場合、以下の問題がある。即ち、モータコイルの電気的特性に個々のばらつきがあるため、あらかじめ設定されたデューティ比データに基づくパルス幅変調方式では、モータ・励磁相によって電流値が異なってしまい、回転ムラが生じ、また、トルクにばらつきが生じる。

また、モータの巻線抵抗は温度によって変化するため、その温度変化によってもばらつきが生じる。この回転ムラやトルクばらつきは、撮像装置としては駆動音の増大や、駆動精度の悪化などの原因となる。

上記問題を解決するために、例えば特許文献１では、リニアな回転が可能となるような補正データをあらかじめ記憶メモリに保存しておき、そのデータに基づいてモータを駆動する技術が提案されている。
特開平９−８４３９１号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の技術では、供給される電源電圧が変化した場合の対応が困難となる。電源電圧が変化した場合、一定の電流を流すためには電圧値に応じてデューティ比を変化させる必要がある。そのため、メモリにデータを保存させる方式では、それぞれの電圧値に応じた複数のデータを確保するメモリが必要となる。

また、事前にメモリに保存された固定の補正データを用いるため、温度変化や経年変化などによる特性の変化には対応も困難という問題もある。また、モータひとつずつの個体ばらつきを補正することを考えると、撮像装置を個々に調整して補正データを求めて保存する必要が生じる。更に、マイクロステップは、高速駆動の際に同じデューティ比であっても電流振幅が小さくなってしまう傾向もあるため、それに対応するためにも多くのメモリが必要となる。

本発明の目的は、電源電圧の変化、個体差及び温度変化や経年変化などによる特性の変化、速度による振幅変化などにも対応し、安定かつ滑らかなマイクロステップ駆動を実現することができる撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の撮像装置は、マイクロステップ駆動を行うステッピングモータと、マイクロステップ駆動波形信号を生成し、当該マイクロステップ駆動波形信号の振幅と前記ステッピングモータの電気角度を設定するマイクロステップ波形生成手段と、前記ステッピングモータの端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出した電圧値と前記マイクロステップ波形生成手段によって生成されたマイクロステップ駆動波形信号による、パルス幅変調された駆動指令信号に応じて前記ステッピングモータを駆動制御するスイッチング制御手段であって、前記ステッピングモータの引き込み励磁通電後に次のマイクロステップの電気角度を設定し、設定された電気角度と前記設定された振幅から前記ステッピングモータの目標となる端子電圧を決定するスイッチング制御手段と、前記ステッピングモータへの通電電流を検出する電流検出手段と、前記ステッピングモータが励磁されている最中に、前記電流検出手段により検出された電流値と目標の電流値とを比較して、検出された電流値が大きい場合は前記ステッピングモータの端子電圧を減少させ、検出された電流値が小さい場合は前記ステッピングモータの端子電圧を増加するように制御することで前記マイクロステップ駆動波形信号の振幅を調整する波形補正手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、検出したステッピングモータの端子電圧値とパルス幅変調された駆動指令信号に応じてステッピングモータを駆動制御し、検出したステッピングモータへの通電電流値に応じてマイクロステップ駆動波形の振幅を調整する。従って、電源電圧の変化、個体差及び温度変化や経年変化などによる特性の変化、速度による振幅変化などにも対応し、安定かつ滑らかなマイクロステップ駆動を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

尚、以下の実施の形態は、本発明を限定するものではなく、また実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置の構成を概略的に示す図である。

図１において、撮像装置１は、光学ブロック２とシステムコントローラ３とを備える。システムコントローラ３は、以下に説明する各ユニットに指令出力し、あるいはデータのやり取りを行っている。

光学ブロック２は、倍率レンズ４、焦点調整レンズ５、シャッタ６、絞り７などによって構成される。撮像素子１１は光学像を電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１２は、撮像素子１１のアナログ信号出力をディジタル信号に変換する。タイミング発生回路１３は、撮像素子１１、Ａ／Ｄ変換器１２、 Ｄ／Ａ変換器１４にクロック信号や制御信号を供給し、後述するメモリ制御回路及びシステムコントローラ３により制御される。

画像処理回路１５は、 Ａ／Ｄ変換器１２からのデータあるいは後述するメモリ制御回路からのデータに対して所定の画素補間処理や色変換処理を行う。また、画像処理回路１５においては、撮像した画像データを用いて所定の演算処理を行う。

システムコントローラ３は、得られた演算結果に基づいて、後述する露光制御手段、フォーカス制御手段に対して、ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のＡＦ（オートフォーカス）処理、ＡＥ（自動露出）処理、ＥＦ（フラッシュプリ発光）処理を行う。更に、画像処理回路１５は、撮像した画像データを用いて所定の演算処理を行い、得られた演算結果に基づいてＴＴＬ方式のＡＷＢ（オートホワイトバランス）処理も行っている。

メモリ制御回路１６は、Ａ／Ｄ変換器１２、タイミング発生回路１３、Ｄ／Ａ変換器１４、画像処理回路１５、画像表示メモリ１７、圧縮伸長回路１８、内部メモリ１９を制御する。Ａ／Ｄ変換器１２のデータが、画像処理回路１５、メモリ制御回路１６を介して、あるいはＡ／Ｄ変換器１２のデータが、直接、メモリ制御回路１６を介して、画像表示メモリ１７あるいは内部メモリ１９に書き込まれる。

画像表示メモリ１７に書き込まれた表示用の画像データは、Ｄ／Ａ変換器１４を介してＴＦＴ，ＬＣＤなどから成る画像表示部２０により表示される。画像表示部２０を用いて撮像した画像データを逐次表示すれば、電子ファインダ機能を実現することが可能である。

圧縮伸長回路１８は、適応離散コサイン変換（ＡＤＣＴ）などにより画像データを圧縮伸長するユニットであり、内部メモリ１９に格納された画像を読み込んで圧縮処理あるいは伸長処理を行い、処理を終えたデータを内部メモリ１９に書き込む。

内部メモリ１９は、撮影した静止画像や動画像を格納するためのメモリであり、所定枚数の静止画像や所定時間の動画像を格納するのに十分な記憶量を備えている。これにより、複数枚の静止画像を連続して撮影する連射撮影やパノラマ撮影の場合にも、高速かつ大量の画像書き込みを内部メモリ１９に対して行うことが可能となる。また、内部メモリ１９はシステムコントローラ３の作業領域としても使用することが可能である。

シャッタ制御回路２１はシャッタ６を、絞り制御回路２２は絞り７を制御する制御手段であり、これにより露光制御を行い、後述するストロボと連携することによりフラッシュ調光機能も有するものである。

フォーカス制御回路２３は、焦点調整レンズ５を制御する制御手段、ズーム制御回路２４は、倍率レンズ４によってズーミングを制御する制御手段、バリア制御回路２５は、保護手段であるバリア２６の動作を制御する制御手段である。バリア２６は、光学ブロック２を覆うことにより、光学ブロック２の汚れや破損を防止する。

ストロボ２７は、ＡＦ補助光の投光機能、ストロボ調光機能を有する。メモリ２８は、システムコントローラ３の動作用の定数、変数、プログラムなどを記憶する。不揮発性メモリ２９は、電気的に消去・記録可能なメモリであり、例えばＥＥＰＲＯＭなどが用いられる。

表示部３０は、システムコントローラ３でのプログラムの実行に応じて、文字、画像、音声などを用いて動作状態やメッセージなどを表示する液晶表示装置、スピーカーなどのユニットである。この表示部３０は、撮像装置１の操作部近辺の視認し易い位置に単数あるいは複数個所設置され、その一部の機能が光学ファインダ３１内に設置されていることもある。

画像表示部２０による電子ファインダ機能を使用すること無しに、光学ファインダ３１のみを用いて撮影を行うことが可能である。また、光学ファインダ３１内には、表示部３０の一部の機能、例えば、合焦表示、手振れ警告表示、フラッシュ充電表示、シャッタースピード表示、絞り値表示、露出補正表示などの機能が用意されている。

表示部３０の表示内容のうち、ＬＣＤなどに表示するものとしては、シングルショット／連写撮影表示、セルフタイマー表示、圧縮率表示、記録画素数表示、記録枚数表示、残撮影可能枚数表示、シャッタースピード表示、絞り値表示、露出補正表示がある。同様に、フラッシュ表示、赤目緩和表示、マクロ撮影表示、ブザー設定表示、時計用電池残量表示、電池残量表示、エラー表示、複数桁の数字による情報表示、記録媒体６０の着脱状態表示、通信Ｉ／Ｆ動作表示、日付け・時刻表示、などがある。

また、表示部３０の表示内容のうち、光学ファインダ３１内に表示するものとしては、合焦表示、手振れ警告表示、フラッシュ充電表示、シャッタースピード表示、絞り値表示、露出補正表示、などがある。

システムコントローラ３の各種の動作指示を入力するための操作手段は、単数あるいは複数の組み合わせで構成される。これは、スイッチやダイアル、タッチパネル、視線検知によるポインティング、音声認識装置などで構成される。ここで、これらの操作手段の具体的な説明を行う。

レリーズスイッチ３２は、押し代の途中で、ＡＦ（オートフォーカス）処理、ＡＥ（自動露出）処理、ＡＷＢ（オートホワイトバランス）処理、ＥＦ（フラッシュプリ発光）処理などの動作開始を指示する。

そして、レリーズスイッチ３２は、完全押し代で、撮像素子１１から読み出した信号をＡ／Ｄ変換器１２、メモリ制御回路１６を介して内部メモリ１９に書き込む露光処理、画像処理回路１５やメモリ制御回路１６での演算を用いた現像処理の開始を指示する。

同様に、レリーズスイッチ３２は、内部メモリ１９から画像データを読み出し、圧縮伸長回路１８で圧縮を行い、記録媒体６０に画像データを書き込む記録処理という一連の処理の動作開始を指示する。

モードダイアルスイッチ３３は、電源オフ、自動撮影モード、撮影モード、パノラマ撮影モード、再生モード、マルチ画面再生・消去モード、ＰＣ接続モードなどの各機能モードを切り替え設定することができる。

操作スイッチ３４は、メニューボタン、セットボタン、マクロボタン、マルチ画面再生改ページボタン、フラッシュ設定ボタン、単写／連写／セルフタイマー切り替えボタン、メニュー移動＋（プラス）ボタンを有する。また同様に、操作スイッチ３４は、メニュー移動−（マイナス）ボタン、再生画像移動＋（プラス）ボタン、再生画像−（マイナス）ボタン、撮影画質選択ボタン、露出補正ボタン、日付／時間設定ボタンを有する。

電源制御回路４１は、電池検出回路、Ｄ／Ｄ変換器、通電するブロックを切り替えるスイッチ回路などにより構成されており、電池の装着の有無、電池の種類、電池残量の検出を行う。そして、検出結果及びシステムコントローラ３の指示に基づいて、Ｄ／Ｄ変換器を制御し、必要な電圧を必要な期間、記録媒体を含む各部へ供給する。

また、撮像装置１は、メモリカードやハードディスクなどの記録媒体６０との間のインターフェース４２、記録媒体６０と接続を行うコネクタ４３、コネクタ４３に記録媒体６０が装着されているか否かを検知する記録媒体着脱検出回路４４を備える。インターフェース及びコネクタとしては、ＰＣＭＣＩＡカードやＳＤカードなどの規格に準拠したものを用いることができる。

また、撮像装置１は、ＲＳ２３２ＣやＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、ＬＡＮ、無線通信、などの各種通信機能を有する通信制御回路４５、通信制御回路４５により撮像装置１を他の機器と接続するコネクタ（あるいは無線通信の場合はアンテナ）４６を備える。更に、撮像装置１は、供給電源ユニット７０と接続するコネクタ４７を備える。

記録媒体６０は、撮像装置１と接続を行うコネクタ６１、撮像装置１との間のインターフェース６２、半導体メモリや磁気ディスクなどから構成される記録部６３を備える。

供給電源ユニット７０は、コネクタ６１と接続されるコネクタ７１、アルカリ電池やリチウム電池などの一次電池やＮｉＣｄ電池やＮｉＭＨ電池、Ｌｉ電池などの二次電池、ＡＣアダプタなどからなる電源手段７２を備える。

図２は、図１の撮像装置におけるステッピングモータ制御部のブロック構成を概略的に示す図である。

このステッピングモータ制御部は、撮像装置１において、倍率レンズ４、焦点調整レンズ５、絞り７の駆動にステッピングモータを用いる場合に、絞り制御回路２２、フォーカス制御回路２３、ズーム制御回路２４に使用する。

図２において、ステッピングモータ制御部は、図１におけるシステムコントローラ３の他、マイクロステップ波形生成回路１００、出力段ドライバ２００を備える。以下の構成はその動作と併せて説明する。

マイクロステップ波形生成回路１００は、所望のマイクロステップの波形を生成するとともに管理を行う。内部にある電気角度管理回路１１０は、マイクロステップ駆動において機械ステップ角を細分化した電気ステップ角（以降、電気角）を管理する。振幅管理回路１２０は、所望のトルクを実現するために、システムコントローラ３から設定される振幅設定値を管理する。

この電気角度管理回路１１０と振幅管理回路１２０によって、マイクロステップ駆動における各電気角の励磁電流を決定する。また、マイクロステップ波形生成回路１００は、後述の電流検出回路３２０によって検出された信号をＡ／Ｄ変換器１４０にて読み取り、振幅などの波形を補正する波形補正回路１３０も備えている。

出力段ドライバ２００は、電圧帰還によって端子の電圧を一定に保つよう構成されている。例として、Ｄ級アンプなどがこのような構成をもつ出力アンプとして用いることができる。ここでは、その一例としての構成を示している。

マイクロステップ波形生成回路１００によって管理された励磁電流をパルス幅変調波形（以降、ＰＷＭパルス）にて実現するために、入力信号としてＤ／Ａ変換器２１０にてアナログ電圧を出力する。そして、三角波生成回路２２０は、ある決まった周波数の三角波を生成する。この周波数はパルス幅変調の搬送周波数となり、例えば人間の耳の可聴領域より高い２０ｋＨｚ以上の周波数を用いることが多い。

この三角波とＤ／Ａ変換器２１０より出力されたアナログ信号とを比較することで、ＰＷＭパルスを生成する。この生成されたパルス信号と後述する電圧検出回路２５０が検出した電圧値がスイッチング制御回路２３０に入力される。そして、スイッチング制御回路２３０によって、ドライバブリッジ回路２４０の内部スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることで、駆動電源３１０を供給電源とする駆動電流がステッピングモータコイル３００に通電される。

この際に、この出力段ドライバ２００は、電圧検出回路２５０によって端子電圧を検知する。検知された端子電圧をＤ／Ａ変換器２１０の出力アナログ信号にフィードバックすることで、出力端子の電圧が設定電圧となるようにＰＷＭ制御を行う。この際、必要に応じてローパスフィルタ２６０や位相補償回路２７０などを設ける。

電流検出回路３２０は、ステッピングモータコイル３００に通電している電流を検知してアナログ信号として出力する。図では、電流検知信号を平滑化するためにローパスフィルタ３３０や検知による位相遅れを補償する位相補償回路３４０も設けている。

尚、ここではマイクロステップ波形生成回路１００はシステムコントローラ３の外部に設けているが、システムコントローラ３の内部に構成されていても構わない。また、Ｄ／Ａ変換器２１０についてもマイクロステップ波形生成回路１００の内部に設けても構わない。

図３は、図２のステッピングモータ制御部によって実行されるモータ駆動制御処理の第１の手順を示すフローチャートである。

図３において、まず、実現したいマイクロステップ波形の電流振幅を設定する（ステップＳ１）。次に、ステッピングモータの励磁電気角（励磁角度）が不定か否か判定する（ステップＳ３０２）。励磁角度が不定の状態であれば、初期の励磁角度を設定してから駆動を開始する（ステップＳ３０３）。

ステッピングモータは駆動開始時に、無通電状態の位置から駆動開始の励磁位置へと引き込み動作を行う必要がある。そのため、まず、マイクロステップ駆動前の引き込み励磁通電を行う（ステップＳ３０４）。引き込み励磁通電後、次のマイクロステップの励磁角度を設定し（ステップＳ３０５）、この励磁角度とマイクロステップ振幅から、モータ端子間で実現したい電圧を決定する（ステップＳ３０６）。

このマイクロステップ角度を励磁している最中に、電流検出回路３２０においてステッピングモータへの通電電流値を検出し（ステップＳ３０７）、目標の電流値と実際の電流値とを比較する（ステップＳ３０８）。

この比較において、実際の電流値が大きかった場合は、端子間の電圧を減少させ（ステップＳ３０９）、小さかった場合は、端子間の電圧を増加させる（ステップＳ３１０）。このような制御を励磁駆動中に繰り返し実現することで補正をかけ、励磁電流値を所望の値に近づける。

そして、所望のパルス数を進行させる（ステップＳ３１１とステップＳ３１２でＹＥＳ）。この際、駆動によって生じる振動を抑えるための保持励磁を行って（ステップＳ３１３）この処理を終了する。

この処理では、各電気角において補正動作を行っているが、正弦波のピークや、４５度位置などの決められた電気角でのみ補正を行っても構わない。

図４は、図２のステッピングモータ制御部によって実行されるモータ駆動制御処理の第２の手順を示すフローチャートである。

図３のモータ駆動制御処理の第１の手順では、駆動中に随時補正を行う場合について説明したが、中にはＡ／Ｄ変換器の処理速度が遅かったり、位相遅れが生じることによって、マイクロステップ駆動中にリアルタイムで補正を行えない場合も考えられる。そのような場合には、前述の引き込み励磁通電時にのみ補正を行い、その時の補正値を用いて駆動を行う。

図４において、ステップＳ４０１乃至ステップＳ４０３の処理は、図３のモータ駆動制御処理の第１の手順と同時であるため説明は省略する。

ステップＳ４０４にて引き込み励磁を開始した後、現在の電流値を読み込み（ステップＳ４０５）、端子電圧に補正をかける（ステップＳ４０６乃至ステップＳ４０８）。そして引き込み励磁を終えるまで補正を行い、そのマイクロステップ駆動における補正値を決定する（ステップＳ４０９乃至ステップＳ４１１）。

そして実際にマイクロステップ波形を出力する際には、ステップＳ４１０にて決定した補正値を使用して端子間の電圧を設定し（ステップＳ４１２乃至ステップＳ４１６）この処理を終了する。

図４の処理において、引き込み励磁ではマイクロステップ電気角が進行することがないため、Ａ／Ｄ変換器の処理速度や位相遅れなどの影響が少ない。また、温度変化や個体差による影響を軽減することができる。

本発明の実施の形態に係る撮像装置の構成を概略的に示す図である。 図１の撮像装置におけるステッピングモータ制御部のブロック構成を概略的に示す図である。 図２のステッピングモータ制御部によって実行されるモータ駆動制御処理の第１の手順を示すフローチャートである。 図２のステッピングモータ制御部によって実行されるモータ駆動制御処理の第２の手順を示すフローチャートである。 ステッピングモータの一般的な駆動方式を示す図である。

符号の説明

３ システムコントローラ
１００ マイクロステップ波形生成回路（マイクロステップ波形生成手段）
１１０ 電気角度管理回路
１２０ 振幅管理回路
１３０ 波形補正回路（波形補正手段）
２００ 出力段ドライバ
２２０ 三角波生成回路
２３０ スイッチング制御回路（スイッチング制御手段）
２５０ 電圧検出回路（電圧検出手段）
２７０ 位相補償回路
３００ ステッピングモータコイル
３１０ 駆動電源
３２０ 電流検出回路（電流検出手段）
３４０ 位相補償回路

Claims (4)

1. マイクロステップ駆動を行うステッピングモータと、
   マイクロステップ駆動波形信号を生成し、当該マイクロステップ駆動波形信号の振幅と前記ステッピングモータの電気角度を設定するマイクロステップ波形生成手段と、
   前記ステッピングモータの端子電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段によって検出した電圧値と前記マイクロステップ波形生成手段によって生成されたマイクロステップ駆動波形信号による、パルス幅変調された駆動指令信号に応じて前記ステッピングモータを駆動制御するスイッチング制御手段であって、前記ステッピングモータの引き込み励磁通電後に次のマイクロステップの電気角度を設定し、設定された電気角度と前記設定された振幅から前記ステッピングモータの目標となる端子電圧を決定するスイッチング制御手段と、
   前記ステッピングモータへの通電電流を検出する電流検出手段と、
   前記ステッピングモータが励磁されている最中に、前記電流検出手段により検出された電流値と目標の電流値とを比較して、検出された電流値が大きい場合は前記ステッピングモータの端子電圧を減少させ、検出された電流値が小さい場合は前記ステッピングモータの端子電圧を増加するように制御することで前記マイクロステップ駆動波形信号の振幅を調整する波形補正手段と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記波形補正手段は、マイクロステップの各ステップ、もしくは決められた電気角でのみ波形補正を行うことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記波形補正手段は、引き込み励磁通電時にのみ波形補正を行うことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記波形補正手段は、前記マイクロステップ波形生成手段の一部に組み込まれていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。

Images