JP4968949B2 - レンズ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ駆動装置に関するものである。

ズームレンズにおいて、レンズ操作者（カメラマン）がズーム動作を電動操作から、手動操作に切り換える場合、もしくはその逆に手動操作から電動操作に切り換える場合、カメラ外部、或はレンズ鏡筒の外部に設けてある切り換え操作部を操作する必要があった。

ズームではなくフォーカス動作ではあるが、切り換え操作を要せずに、オートフォーカス動作からマニュアルフォーカス動作にほぼ連続的に行わせることが可能なレンズ鏡筒を、本出願人は特許文献１にて提案している。この提案の機構はズーム動作にも適応可能である。
特開平２−２５３２１０号公報

切り換え操作部をズームレンズに設ける場合、スイッチ、クラッチ等の機構が別途必要なばかりでなく、ズーム動作が不連続になってしまう欠点があった。例えば、素早く手動操作でフレーム決めをした直後、連続に電動でスローズームすることができないので、カメラマンが意図する自在な作画が瞬時に行えないという欠点があった。

また、上記装置においても、切り換え操作なしで、手動で動作させることは可能ではあるが、負荷トルクが非常に重く、かつ変動して、いわゆる操作感が非常に悪かった。

そのため、上記特許文献１に示した提案においては、切り換え操作は不要で、かつ操作感を保つため、いわゆる作動機構を別途設けていた。そのため、レンズ及び操作部の大型化、コストアップにつながっていた。

また、電動から手動に切り換える場合において、上記特許文献１に示した提案において、負荷は可変でなく一定量であり、カメラマンが種々な速度において連続的に操作することは難しかった。

本発明の目的は、特別に追加する機構を必要とせず簡単な機構で、かつ良好な操作感を確保しつつ、レンズの駆動を手動操作及び電動操作に選択的に切り換えることができるレンズ駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によるレンズ駆動装置は、レンズを含む光学手段と、圧電素子、ステータ、および、ロータを有し、前記圧電素子に位相差を有する駆動信号を与えることで前記ステータに進行波を含む振動を発生させて、前記ステータに接する前記ロータを回転させるとともに、前記ロータの回転力を用いて前記光学手段を電動駆動する超音波モータと、前記光学手段を手動で駆動する手動駆動手段と、前記光学手段の駆動が前記超音波モータによるものか又は前記手動駆動手段によるものかを判別する判別手段と、前記判別手段によって前記光学手段の駆動が前記手動駆動手段によるものと判別された場合に、前記手動駆動手段による前記光学手段の移動速度に応じて前記光学手段の加速度を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果である前記加速度にあわせて、前記超音波モータの前記ロータの回転による前記光学手段に対する操作補助力の大きさを変化させるように、前記超音波モータに印加する駆動信号の前記位相差の設定を変更する位相差設定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のレンズ駆動装置は、特別に追加する機構を必要とせず簡単な機構で、かつ良好な操作感を確保しつつ、レンズの駆動を手動操作及び電動操作に選択的に切り換えることができる。

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。

まず始めに、本発明に用いる超音波モータについて説明する。超音波モータの動作原理は、特開平３−２８９３７５号公報等で説明されているので、ここでの説明は省略する。また、この超音波モータの制御に関して特開平７−１９３２９１号公報等で説明されているので省略するが、図１及び図２を用いて超音波モータにおける電気的接続及び駆動概略を説明する。

図１は、超音波モータの制御ブロック図である。

図１において、超音波モータの制御ブロックは、圧電素子１、コントローラ９、駆動回路１０を備える。

後述する超音波モータ内部の圧電素子１は４相（Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ―）に分割され、さらに、Ａ＋相内の一部分に圧電素子１の振動に応じて駆動状況を検出するＳ相２がある。またＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相が９０°（９０度）ずれて配置されている。それぞれの相に、駆動回路１０を構成するスイッチング回路３、４、５、６が接続されている。

駆動回路１０を構成する発振器７は、スイッチング回路３、４にスイッチングの動作をさせるためのものであり、Ａ＋相及びＡ−相の駆動信号を与える。

駆動回路１０を構成する位相器８は、スイッチング回路５、６に発振器７の駆動信号を位相ずらして入力し、スイッチングの動作をさせるためのものであり、Ｂ＋相及びＢ−相の駆動信号を与える。

コントローラ９から発振器７に駆動信号を送ると、Ａ＋相、Ａ−相は１８０°位相がずれた振動をする。またそのとき、位相器８を通してＢ＋相には９０°位相がずれ、かつＢ−相には１８０°位相がずれた駆動信号が与えられ、圧電素子１が振動する。

そのＡ相、及びＢ相の振動に応じてＳ相２から駆動信号が出力され、そのＳ相２からの駆動信号はコントローラ９に接続（入力）されている。その駆動信号によってコントローラ９において超音波モータを制御する。

尚超音波モータの通常駆動時、Ａ相とＢ相の位相ずれ９０°は回転方向によって、＋、−が存在し、ここでは、Ａ相を基準にＢ相が遅れる場合を９０°の位相差、Ｂ相が早まるのを２７０°（２７０度）の位相差と称す。

ここで、コントローラ９の指令によって、位相器８から９０°以外の位相差の駆動信号も供給可能である。その際、位相差を９０°から０°（位相差０度）まで変化させると、この位相差によって構築される進行波成分は漸減し、その結果ロータの回転は遅くなる。位相差が０°になると進行波成分はなくなり定在波駆動となり、その位置でロータは静止する。

しかし、振動はあるので、負荷トルクはほぼ０になる。また、回転方向によっては２７０°の位相差の場合は２７０°から３６０°（０°）まで変化させると同様の効果がある。

また、９０°もしくは２７０°位相差で超音波モータを駆動するときの駆動電圧（これを最大値と規定しコントローラ９に格納する）を下げてくると、負荷トルクは漸増し、ある量以下になると、負荷トルク最大値を維持したまま変わらなくなる。この駆動電圧を最低値とし、同様にコントローラ９に格納する。

図２は、超音波モータの構成図である。

超音波モータ１１は、駆動回路１０と、速度検出器２１に接続されている。

超音波モータ１１において、ロータ１２およびエンコーダ板１５は、超音波モータ１１の軸１６に固定されており、エンコーダ板１５は、ロータ１２と共に回転する。

また、外筒１７は、軸受１８、１９を固定していると共に、軸受１８、１９を介して軸１６を回転可能に固定する。尚、外筒１７は説明のために断面にしている。

インターラプタ２０は、エンコーダ板１５の回転を検出する。エンコーダ板１５は２相持っており、互いに略１／４周期ずれて配置してある。１相単体だけだと、回転方向がわからないばかりでなく、ギア等のバックラッシュで起こる駆動信号のチャタリングは検出不可能であるが、２相であると回転方向、チャタリングどちらも検出可能である。

速度検出器２１は、インターラプタ２０の駆動信号検出し、超音波モータ１１の回転速度を演算処理する。軸１６に圧入固定されている出力ギア２２は超音波モータ１１の軸１６から動力（駆動力）を取り出す。

与圧バネ２３は、ロータ１２をステータ１３に押し付ける。この押し付け力によって摩擦力を生じさせ、圧電素子１による進行波を含む振動によって回転力を得る。駆動回路１０は圧電素子１に振動を起こす。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係るレンズ駆動装置の制御ブロック図である。

図３において、ズームレンズを含む光学手段５０と同軸の操作リング３１の外周面にはかみ合い歯３２が円周方向に形成されている。上述したように、超音波モータ１１の軸１６には出力ギア２２が固定され、超音波モータ１１の駆動と共に回転する。

超音波モータ１１及び駆動回路１０は、光学手段５０を電動駆動する電動駆動手段として機能する。また、操作リング３１は、光学手段５０を手動で駆動する手動駆動手段として機能する。

また、コントローラ９及び速度検出器２１は、光学手段５０の駆動が電動駆動手段によるものか手動駆動手段によるものかを判別する判別手段として機能する。また、コントローラ９及び駆動回路１０は、判別手段の判別結果に基づいて、少なくとも電動駆動手段に印加する駆動信号の位相差または駆動電圧の一方を変更する駆動制御手段として機能する。

中間ギア３３は、中間軸３４に対して回転自在に取り付けられていると共に、摺動ワッシャ３５がおさえバネ３６により押圧されている。また、中間軸３４にはスリーブ３７、３８が固定されており、摺動ワッシャ３５、おさえバネ３６を同軸に挟み込み、位置を規定する。また、中間軸３４には、伝達ギア３９が固定されており、伝達ギア３９は出力ギア２２とかみ合っている。

この構造において、中間ギア３３と伝達ギア３９は、中間軸３４を介して一体に回転するが、負荷トルクが過大の時には、中間ギア３３が中間軸３４に対して滑り、かみ合い歯３２もしくは出力ギア２２の面に作用する力を緩和する。即ち、中間ギア３３と中間軸３４は、かみ合い歯３２及び出力ギア２２の歯車の欠損を防止するトルクリミッタの役目を果たしている。

但し、通常、操作リング３１を手で回した場合や、操作リング３１を手で押さえたまま超音波モータ１１を起動した場合はトルクリミッタとしては動作しない。超音波モータ１１が焼き付き固着した場合のような、異常ロック停止時のみトルクリミッタとして動作するように、おさえバネ３６の圧力を設定してある。

このような、動力伝達機構のもとで、カメラマンが駆動ユニットに設けた所定の電動スイッチ４０を操作すると、その操作命令信号はコントローラ９に送られ、駆動回路１０で駆動信号を作成し、超音波モータ１１が動作する。

この超音波モータ１１から発生した回転力が出力ギア２２、伝達ギア３９、中間軸３４、中間ギア３３、かみ合い歯３２を介して操作リング３１へと伝達され、ズーム電動駆動する。

この操作命令信号は、コントローラ９で超音波モータ１１を駆動するための発信源であると同時に、ズームレンズが電動駆動か否かを判別する判別要素としても利用している。

即ち、操作命令信号によるレンズ駆動命令がないにも関わらず、超音波モータ１１内部のエンコーダ板１５の回転からインターラプタ２０を経由して速度に応じた信号が速度検出器２１から得られる場合は、以下のように判別することができる。即ち、コントローラ９内部にある駆動判別手段にて、ズームレンズが手動で操作されていると判別可能である。

電動スイッチ４０は、所定の位置を基準にプラス方向とマイナス方向の両方向に操作できるシーソーボタン４１により構成され、図４に示すように、シーソーボタン４１の操作量（横軸）に応じて出力信号（縦軸）が変化する。

シーソーボタン４１を操作していないときは基準出力値の出力信号が出力される。図４において、中央部に微少のシーソーボタン操作量では出力信号が変化しない不感帯（手動帯域）を設けているのは、操作上の遊びを持たせるためである。

これにより、出力信号が基準出力値及び基準出力値近傍にあるとき、ズームレンズは電動駆動でないと判別する。この状態を手動モードと称す。出力信号が基準駆動信号近傍以外の場合は、ズームレンズは電動駆動と判別している。この状態を電動モードと称す。

また、電動スイッチ４０が操作され、電動モードと認知されるが、そのシーソーボタン４１の押し込み量によって電動速度（ズーム速度）は決定される。また、その速度は図３における超音波モータ１１の速度検出器２１によって検出している。

電動モード中、一定速度で操作リング３１が動いているとき、手動によって割り込み処理（例えば、スローズーム中 画角を急激に変える）するために、操作リング３１を回した場合、手動に切り換わったことを以下のようにしてコントローラ９が認知する。

即ち、一定速度の指令をコントローラ９から受けているにも関わらず、より速く回ろうとしていることを速度検出器２１が検出し、手動に切り換わったことをコントローラ９が認知する。

そのとき、超音波モータ１１の位相差を０°として、駆動回路１０が超音波モータ１１を駆動することで、モータ駆動力は最小になるが、負荷トルクはほぼ０となり、軽微な力で操作リング３１を動かすことができる。また、カメラマンの好みに応じて駆動電圧を下げることで、負荷トルクを与えることもできる。

図５は、図３のレンズ駆動装置によって実行されるレンズ駆動処理の手順を示すフローチャートである。

本処理は、コントローラ９の制御の下で実行される。

図５において、ステップＳ５０で、速度検出器２１にて検出された操作リング３１が動かされた信号（エンコーダ信号）のありなしを判別する。このとき、速度検出器２１にて信号が検出されない場合は、ズームレンズは停止していると判別され、次の信号が来るまで待つ。

ステップＳ５１で、カメラマンによる明示的な駆動命令のありなしを判別するため、図３におけるシーソーボタン４１の＋もしくは−が押されたかを判別する。

ステップＳ５１は、光学手段５０の駆動が電動駆動手段によるものか手動駆動手段によるものかを判別する判別手段として機能する。

駆動命令ありの場合、ステップＳ５３で、シーソーボタン４１の押込み量より動作速度を算出し、その算出量に基づいて超音波モータ１１に駆動命令を送る。操作リング３１が動かされた速度信号があり、駆動命令がない場合は手動モードと判別される。

但し、振動等の外力によってエンコーダ板１５のガタからチャタリングが出てしまう場合があるので、ステップＳ５２で、回転方向を演算すると同時にチャタリングも除去する。その後、ステップＳ５４で、速度信号から加速度を演算する。

ステップＳ５４は、判別手段によって光学手段５０の駆動が手動駆動手段によるものと判別された場合に光学手段５０の加速度を演算する演算手段として機能する。

ステップＳ５５は加速度判別処理である。即ち、ズームレンズの移動速度が加速しているか等速か減速しているかの判別処理である。

ステップＳ５６において、加速度が０の場合（一定速度で動かされている）は、位相差９０°とする。図中９０°と記入されているが、ステップＳ５２の回転方向演算処理の結果によっては２７０°となる。但し、以下の動作は同じなので説明は省略する。

その後、ステップＳ５７で、所定の電圧を設定し、ステップＳ５８で、駆動回路１０に駆動命令を出す。その後、回転させる方向に超音波モータ１１（の軸１６）が回転する。そして、図３における出力ギア２２、伝達ギア３９、中間軸３４、中間ギア３３、かみ合い歯３２を介して操作リング３１にその力が伝わり、カメラマンの必要とされる駆動力を低減できる。

ステップＳ５９において、加速度＋の場合で位相差が９０°以下の場合は９０°に漸増する。逆回転の場合で２７０°以上の場合は２７０°に漸減させる。位相差が９０°もしくは２７０°近づくほど、超音波モータ１１の進行波成分が強まり、駆動力も増加する。

その後、ステップＳ５７で所定の電圧を設定し、ステップＳ５８で、超音波モータ１１に駆動命令を出す。このことで、カメラマンは速度が速まっても負荷を増加させずにズームレンズの操作ができる。尚、漸増の量をカメラマンが可変できるようにすることで、自分に合うように操作補助力を調整することが可能となる。

ステップＳ６０において、加速度−の場合で位相差を９０°までの場合は位相差を漸減させ、２７０°の場合は漸増させる。さらに、ステップＳ６１で電圧も漸減させ、ステップＳ５８で、超音波モータ１１に駆動命令を出す。

ステップＳ５６、５９、６０は、演算手段の演算結果に基づいて電動駆動手段に印加する駆動信号の位相差を設定する位相差設定手段として機能する。

ステップＳ５７は、位相差設定手段により位相差を設定した後に電動駆動手段に印加する電圧を設定する電圧設定手段として機能する。

このことで、操作補助力が速度に応じて弱まり、かつ負荷トルクも弱まることで、カメラマンは意図したところにズームレンズを停止することができる。

尚、電圧の最小値は予め決めておきコントローラ９内に記憶しておく。また漸減、漸増する位相の差分はカメラマンが個別に変更可能である。その後、速度検出器２１による速度検出駆動信号がなくなるまで本処理をループする。

尚、電動モードから手動モードに切り換わった場合は、速度の初期値が０でないことを除けば同じシーケンスで実行可能になる。また本処理のループ中、手動モードから電動モードに切り換わった場合は、ステップＳ５１の駆動命令判別でＮＯとなる。

ステップ５３で、手動モードでの最終速度になるように速度を算出し、超音波モータ１１に与える周波数を設定し、位相差９０°とし、所定電圧を戻して電動モードに引き継がれる。

但し、手動モードに固定したいにも関わらず、誤って電動スイッチ４０を押してしまうのを防ぐために、電動スイッチ４０をキャンセルするスイッチを設けてもよい。また省電力のため、いわゆる操作感は劣化するが、手動モードにおいて明示的に超音波モータ１１の駆動を止めるスイッチを設けてもよい。

尚、これまでに説明したレンズ駆動装置は、ズームレンズの他、フォーカスレンズ、アイリスレンズ等に適用できるものである。

また、本実施の形態におけるコントローラ９はズームレンズ本体内にあるが、外部にあってもよい。また外部にある場合、汎用のコンピュータであってもよい。その際、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施の形態の機能が実現される。また、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

また、本発明におけるプログラム（シーケンス）の記憶媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係るレンズ駆動装置の制御ブロック図である。

図３に示す第１の実施の形態と異なるところのみ説明する。

第２の実施の形態は、超音波モータ１１の回転方向とズームレンズの回転方向が第１の実施の形態と反対なので、シーソーボタン４２の＋、−を入れ換えてある。

この場合においても、図５で述べたシーケンスプログラムに変更はなく、かつ効果も同じである。また、かみ合い歯３２や出力ギア２２のギアの欠損を防ぐために、超音波モータ１１の保持トルクをギア欠損する負荷トルクより小さく設定することで、リミッタとして機能することができる。

超音波モータの制御ブロック図である。 超音波モータの構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るレンズ駆動装置の制御ブロック図である。 図３のレンズ駆動装置における電動操作の操作量と出力電圧との関係を示すグラフ図である。 図３のレンズ駆動装置によって実行されるレンズ駆動処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係るレンズ駆動装置の制御ブロック図である。

符号の説明

１ 圧電素子
９ コントローラ
１０ 駆動回路
１１ 超音波モータ
２１ 速度検出器
２２ 出力ギア
３１ 操作リング
４０ 電動スイッチ
５０ 光学手段

Claims (6)

1. レンズを含む光学手段と、
   圧電素子、ステータ、および、ロータを有し、前記圧電素子に位相差を有する駆動信号を与えることで前記ステータに進行波を含む振動を発生させて、前記ステータに接する前記ロータを回転させるとともに、前記ロータの回転力を用いて前記光学手段を電動駆動する超音波モータと、
   前記光学手段を手動で駆動する手動駆動手段と、
   前記光学手段の駆動が前記超音波モータによるものか又は前記手動駆動手段によるものかを判別する判別手段と、
   前記判別手段によって前記光学手段の駆動が前記手動駆動手段によるものと判別された場合に、前記手動駆動手段による前記光学手段の移動速度に応じて前記光学手段の加速度を演算する演算手段と、
   前記演算手段の演算結果である前記加速度にあわせて、前記超音波モータの前記ロータの回転による前記光学手段に対する操作補助力の大きさを変化させるように、前記超音波モータに印加する駆動信号の前記位相差の設定を変更する位相差設定手段と、
   を備えることを特徴とするレンズ駆動装置。
2. 前記圧電素子は、位相が９０度ずれて配置された２相の圧電素子からなり、
   前記駆動信号は、一方の相の圧電素子に与える駆動信号と他方の相の圧電素子に与える駆動信号との間に位相差を有するものであって、
   前記判別手段によって前記光学手段の駆動が前記手動駆動手段によるものと判別され、かつ前記演算手段によって前記光学手段の加速度がゼロであると演算された場合には、
   前記位相差設定手段は、前記駆動信号の位相差を９０度もしくは２７０度に設定することを特徴とする請求項１に記載のレンズ駆動装置。
3. 前記圧電素子は、位相が９０度ずれて配置された２相の圧電素子からなり、
   前記駆動信号は、一方の相の圧電素子に与える駆動信号と他方の相の圧電素子に与える駆動信号との間に位相差を有するものであって、
   前記判別手段によって前記光学手段の駆動が前記手動駆動手段によるものと判別され、かつ、前記演算手段によって前記光学手段の加速度がプラスであると演算された場合に、
   前記位相差設定手段は、前記駆動信号の位相差が９０度以下であれば、前記位相差を９０度に漸増させ、前記駆動信号の位相差が２７０度以上であれば、前記位相差を２７０度に漸減させることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ駆動装置。
4. 前記圧電素子は、位相が９０度ずれて配置された２相の圧電素子からなり、
   前記駆動信号は、一方の相の圧電素子に与える駆動信号と他方の相の圧電素子に与える駆動信号との間に位相差を有するものであって、
   前記判別手段によって前記光学手段の駆動が前記手動駆動手段によるものと判別され、かつ、前記演算手段によって前記光学手段の加速度がマイナスであると演算された場合に、
   前記位相差設定手段は、前記駆動信号の位相差が９０度以下であれば、前記位相差を所定の規定値に漸減させ、前記駆動信号の位相差が２７０度以上であれば、前記位相差を予め定められた規定値に漸増させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレンズ駆動装置。
5. 前記位相差設定手段によって前記駆動信号の位相差を規定値に漸減あるいは漸増させた後に、前記駆動信号の電圧を所定の電圧に漸減させる電圧設定手段を有することを特徴とする請求項４に記載のレンズ駆動装置。
6. 前記超音波モータに前記光学手段を一定速度で駆動するための駆動信号が印加されている際、前記判別手段が前記手動駆動手段によって前記光学手段が前記一定速度よりも高い速度で駆動されることを検出した場合には、
   前記位相差設定手段は前記駆動信号の位相差を０度とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズ駆動装置。

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