JP6066851B2 - ステッピングモータの制御装置、および光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダを備えたステッピングモータの制御装置、および光学機器に関する。

ステッピングモータは、コイルへの通電切り替えによって所定の角度毎に回転可能であるため、位置センサを用いることなく容易に位置制御が可能である、という特徴を有している。そのため、決められた時間間隔に従ってコイルへの通電状態を切り替える、オープンループ制御による駆動モードが一般的に用いられている。しかし、モータを高速で駆動させるときや、モータに大きな負荷が掛かるときには、コイルへの通電切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調を起こしやすいという問題がある。

そこで、特許文献１は、ステッピングモータにエンコーダを搭載し、移動量によりオープンループ制御とフィードバック制御（クローズドループ制御）を切り替える方法を提案している。特許文献２は、交換レンズ式撮影装置において、装着される撮影装置に応じて、モータへの励磁方式を切り替える方法を提案している。また、ステッピングモータの位置決めを高精度に行いつつ駆動時の騒音を低減する駆動方法として、モータの駆動波形に正弦波を印加するマイクロステップ駆動は知られている。

特開平１０−１５０７９８号公報 特開２００２−１４８５０２号公報

エンコーダを搭載したステッピングモータを制御する場合、低速から高速までのすべての速度域をフィードバック制御により行うことは、位置決め精度や駆動時の振動・騒音の観点から難しい。また、撮影装置においては静止画撮影や動画撮影といった撮影モード毎にモータに求められる特性が異なるため、撮影モード毎に最適なモータ制御を行う必要がある。また、焦点調節の方式（オートフォーカスやマニュアルフォーカス等）によってもモータに求められる特性が異なる。

本発明は、撮影モードとレンズの操作モードの組み合わせごとに最適な方法でステッピングモータの制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置および光学機器を提供することを例示的な目的とする。

本発明の制御装置は、ステッピングモータの回転位置を検出するエンコーダからの出力を用いてフォーカスレンズの駆動制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置であって、前記フォーカスレンズを含む撮影光学系により形成された像を取得する撮像装置が、静止画撮影時の自動焦点調節を行う場合は、前記ステッピングモータの駆動開始期間および駆動停止期間の少なくとも一方においてオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記駆動開始期間が終了してから前記駆動停止期間が開始されるまでの期間においては、前記エンコーダからの出力を用いたフィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記撮像装置が、動画撮影時の自動焦点調節を行う場合は、オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、撮影モードとレンズの操作モードの組み合わせごとに最適な方法でステッピングモータの制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置および光学機器を提供することができる。

本発明のカメラシステムのブロック図である。（実施例１、２、３） 進角制御の基本概念を示す説明図である。（実施例１、２、３） 進角制御を行った場合の速度変化の一例を示す図である。（実施例１、２、３） オープンループ制御を行った場合の速度変化の一例を示す図である。（実施例１、２、３） 本発明のモータ制御を示すフローチャートである。（実施例１） 本発明のモータ制御を示すフローチャートである。（実施例１） 本発明の撮影モードとレンズの操作モードを組み合わせたモータ制御を示すフローチャートである。（実施例１） 本発明のモータ制御を示すフローチャートである。（実施例２） 本発明のモータ制御を示すフローチャートである。（実施例２） 移動被写体とフォーカスレンズの移動軌跡の関係を示す図である。 交換レンズ式撮影装置でのコントラストＡＦの制御と通信タイミングを示す図である。 本発明のモータ制御を示すフローチャートである。（実施例３）

図１は、本実施形態のカメラシステム（光学機器）のブロック図である。カメラシステムは、交換レンズ（レンズ装置、光学機器）と、交換レンズが装着されたカメラ本体と、から構成される。カメラ本体はレンズ交換式の撮像装置（光学機器）であり、一眼レフカメラでもよいし、ミラーレスカメラでもよい。また、本発明の光学機器は、デジタルカメラなどのレンズ一体型の撮像装置として構成されてもよい。

交換レンズは被写体の光学像を形成する撮影光学系を有し、撮影光学系は焦点距離を変更する変倍機能を備えた変倍光学系である。カメラ本体は、撮影光学系が形成した被写体の光学像を光電変換する、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を有する。カメラシステムは、静止画と動画を撮影（記録）できるように構成されている。

撮影光学系はフォーカスレンズ１００を有する。フォーカスレンズ１００は、一のレンズまたは複数のレンズ群から構成されているが、図１では便宜上一つのレンズで示している。一点鎖線で示す撮影光学系の光軸方向に移動されて焦点調節を行う。フォーカスレンズ１００は、例えば、カム環機構等の移動可能なレンズ保持部１２２によって保持されている。

１０９はモータの駆動制御や様々なセンサからの信号に対して各種処理を行うためのレンズマイコン（マイクロコンピュータ、レンズ制御手段）である。１０３、１０４はギアやリードスクリューなどの駆動伝達ユニット、及びステッピングモータ（以下、単に「モータ」と称する）である。モータ１０４の回転軸１０４ａが回転することで、駆動伝達ユニット１０３を介して、レンズ保持部１２２とフォーカスレンズ１００を一体的に駆動する。

モータ１０４を駆動するための制御信号は、レンズマイコン１０９内のモータ制御部１１３で生成される。つまり、レンズマイコン１０９は、ステッピングモータ１０４を制御する制御装置として機能する。但し、後述するカメラマイコン２００がこの機能を有してもよい。また、ステッピングモータの制御方法も本実施形態の一側面を構成する。

モータ制御部１１３は、２相駆動や１−２相駆動、マイクロステップ駆動といった駆動方式に合わせて、モータ１０４の各相への励磁パターンを生成する。生成した制御信号はモータドライバ１０７でモータ駆動に必要な電流・電圧に変換され、モータ１０４に供給される。モータ１０４では、生成する励磁パターンの変化をカウントし、回転量（フォーカスレンズ群の移動量ともいえる）としている。

また、ステッピングモータ１０４の回転位置を検出するエンコーダが設けられている。エンコーダは、フォトインタラプタ１０１ａ、１０１ｂとパルス板１０５から構成される。

モータ１０４の回転軸１０４ａの先には、パルス板１０５が装備されている。パルス板１０５は、所定幅の光透過部と遮光部が円周方向に交互に配列されている。パルス板１０５の遮光部がフォトインタラプタ１０１ａ、１０１ｂを通過することで、フォトインタラプタ１０１ａ、１０１ｂの出力が変化し、回転角を検出することが可能である。複数のフォトインタラプタ１０１ａ、１０１ｂを用いることで回転角の検出精度が上がり、回転方向も検出することができる。本実施形態では２つのフォトインタラプタ１０１ａ、１０１ｂを用い、出力位相をずらすことで回転方向が判別可能な構成としたが、ホール素子とマグネットやメカ的なスイッチ機構を用いても同様の検出が可能である。１０８は２つのフォトインタラプタ１０１ａ、１０１ｂの出力を増幅、レベル変換し、レンズマイコン１０９で検出可能な信号レベルに変換するための信号処理回路である。

１０２はフォーカスレンズ１００の基準位置を検出するためのフォトインタラプタである。フォトインタラプタ１０２の出力は信号処理回路１０６に入力され、レンズマイコン１０９で検出可能な信号レベル（例えば、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗレベル）に変換される。フォトインタラプタ１０２の出力がＨｉｇｈからＬｏｗレベルもしくはＬｏｗからＨｉｇｈレベルに変化する時点での移動量を基準位置として用いることで、フォーカスレンズ１００の位置を絶対位置として扱うことが可能になる。基準位置の検出動作をリセット動作と称する。

１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃは通信ラインにおけるレンズ装置側の接点部であり、それぞれクロック信号ライン、カメラからレンズへのデータライン、レンズからカメラへのデータラインの接点部である。本実施例では３線式のシリアル通信を例としているが、調歩同期通信やＬＶＤＳ（低電圧作動信号）などの通信方式でもよい。

１１６はＥＥＰＲＯＭなどのデータを書き換え可能な記録部であり、交換レンズの使用時間や使用回数、モータ１０４の駆動時間などを記録する。１１７は交換レンズの温度を検出する温度センサ（温度検出部）、１１８は交換レンズに加わる加速度を検出する加速度センサである。加速度センサ１１８を用いて重力の方向も検出することも可能であり、これにより撮影装置が上向きであるか下向きであるか等の姿勢も検出できる。

交換レンズにはズーム操作部１１９が設けられている。ズーム操作部１１９では変倍操作を行う。前玉レンズ固定のインナーフォーカスの場合、変倍操作に伴う生じるピント変化を補正するためにフォーカスレンズ１００を移動する必要がある。このような制御をトラッキング制御と呼び、フォーカスレンズ１００と不図示のズームレンズとの関係はトラッキング曲線によって関係付けされる。ズーミングの際には、トラッキング曲線に基づいてフォーカスレンズ１００を駆動する。

また、交換レンズにはマニュアルフォーカス（ＭＦ）操作部１２０、オートフォーカス（ＡＦ）／ＭＦスイッチ１２１が設けられている。ＭＦ操作部１２０は、フォーカスリングなどとして構成され、ユーザによる手動の焦点調節に使用される。ＡＦ／ＭＦスイッチ１２１は、自動焦点調節の際にはＡＦ側に、手動焦点調節の際にはＭＦ側に設定される。

レンズマイコン１０９において、１１０はカメラ本体との通信を行うためのレンズ通信部である。ここでは、カメラ本体から駆動命令やカメラ識別情報、ステータス、撮影条件等を受信し、レンズ識別情報やステータス、フォーカス・絞り・ズームの位置などの各種情報を送信する。

１１１はモータ１０４を駆動する際、フォーカスレンズ１００の移動量もしくはモータ１０４の回転量を指示する移動量指示部である。移動量はリセット動作を行っているため、フォーカスレンズ１００の絶対位置としても管理することが可能である。１１２はモータ１０４を駆動する際の目標速度（回転速度）を指示する速度指示部である。

モータ制御部１１３では、オープンループ制御に加え、信号処理回路１０８を通して得られるモータ１０４の回転情報を用いてモータ１０４へ印加する駆動波形のタイミング生成を行うフィードバック制御による駆動も行うことができる。１１４は上述した機能やその他の制御プログラムが格納されているＲＯＭエリアである。１１５は上述した機能やその他の制御プログラムで利用する演算結果や保持したいデータを一時保管するためのＲＡＭエリアである。

カメラ本体において、２００は撮影動作や表示、記録装置への映像の記録など様々な制御を行うためのカメラマイコン（マイクロコンピュータ、カメラ制御手段）である。２０１はレンズとの通信を行うためのカメラ通信部である。カメラ通信部２０１は、カメラ本体からレンズ装置へ駆動命令や各種情報を送信したり、レンズの状態を受信したりする。レンズ装置との通信は、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの接点部を介して行われる。

２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃはそれぞれカメラ本体側におけるクロック信号ライン、カメラ本体から交換レンズへのデータライン、レンズからカメラへのデータラインの接点部である。

２０２は、レンズ装置がカメラ本体の要求する動作を行うようにするため、交換レンズに対する指示を生成するレンズ制御部である。例えば、ＡＦを行う場合、合焦位置までの移動量を算出する。この移動量は、カメラ通信部２０１を通じてレンズ装置へ駆動命令として与えられ、レンズ装置は所望のフォーカシングを行い、合焦が完了する。

レンズ制御部２０２は、撮像素子の出力に基づいて、被写体が移動体（動体）である場合にこれを検出する動体検出部を含む。動体検出部による動体検出は対象領域に対して画素単位の隣接フレーム間差分を算出し、対応する画素の差分和が所定の閾値以上であれば動体とする方法や、基準画像と現在の画像の差分から動体の領域を算出する背景差分による方法を使用することができる。動体検出部の検出結果はレンズマイコン１０９に送信される。動体検出部が動体を検出すると被写体の動きを予測してこれに追従する必要が生じる。つまり、動体検出部が動体を検出するとフォーカスレンズ１００の駆動予測が必要となり、動体検出部が動体を検出しないとフォーカスレンズ１００の駆動予測が不要となる。

２０３はＡＦ（自動焦点調節）を行う制御部である。位相差センサを用いて合焦位置を決定する位相差方式のＡＦ（位相差ＡＦ）と、撮像素子から得られるコントラスト値がピークとなるようにフォーカスレンズ１００を駆動することで合焦位置を得るコントラスト方式のＡＦ（コントラストＡＦ）を行う。カメラ本体が一眼レフカメラの場合には位相差センサはサブミラーによって折り曲げられた光束を受光するユニットとして構成される。カメラ本体がミラーレスカメラの場合には位相差センサは撮像素子の撮像面に撮像用画素とは別に設けられ、軸上光を受光する焦点検出用画素として構成される。

２０４、２０５はそれぞれ、レンズ装置と同様に、制御プログラムが格納されているＲＯＭエリア、及び演算結果や保持したいデータを一時保管するためのＲＡＭエリアである。

なお、カメラ本体及びレンズ装置の通信ラインと電源ラインは、マウント部を介して接続されている。通信のタイミングは各種イベントの発生毎に行ったり、固定周期で行ったりする。固定周期とは、例えば、カメラ本体の映像表示で用いる垂直同期信号の周期などである。

２０６は撮影モードの切換えを行うための切換え部である。「撮影モード」は、静止画を撮影する静止画撮影モードや動画を撮影する動画撮影モードであり、合わせてＡＦ方式の切換えも兼ねることになる。つまり、静止画撮影モードでは位相差ＡＦが行われ、動画撮影モードではコントラストＡＦが行われる。

２０７は静止画撮影時に使用するレリーズスイッチ、２０８は動画撮影時に使用する録画スイッチである。２０９は撮影中あるいは撮影しようとする被写体の像や各種の情報を表示するための液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示部である。撮影した静止画像や動画像は記録部２１０に記録される。

図２は略正弦波の励磁波形を印加するマイクロステップ駆動を想定している。ステッピングモータをオープンループ制御する場合、十分にトルクマージンのある速度相当の励磁電圧を生成し、モータドライバを介して駆動を行う。フィードバック制御の場合、エンコーダのＨｉｇｈ／Ｌｏｗ切換りエッジを基準としＡ相のゼロクロス点がエンコーダエッジに近づくような励磁電圧、つまり速度を速くする方向に励磁を行う。

このような操作を、進角を進めると称する。これにより目標速度となるまで進角を進める操作をセンサエッジ毎に繰り返すことで徐々に速度が速くなる。一方、減速する場合にはその逆に目標となるまで進角を遅らせることをエンコーダエッジ毎に繰り返し、速度を所望の速度とする。また、一定速での駆動中は進角の進退を繰り返し行い、所望の速度付近に収束するような制御を行う。このようなフィードバック制御を進角制御と称する。

なお、図２では説明を簡単にするためにセンサエッジとＡ相の１相励磁出力時点を合わせている。実際にはセンサの取り付け位相とモータの励磁位相の関係の合わせこみが必要となるが公知技術であるため説明は省略する。

図３は、進角制御を行った場合の速度変化の特性図である。モータの駆動し始めはオープンループ制御により駆動を行う。これはエンコーダの出力が安定するまでの期間は、速度Ｓｓでオープンループ制御により駆動を行い、出力安定後に進角制御に切り替わるようにするためである。エンコーダの検出分解能が細かく、さらにモータの速度追従性も十分良い場合には、オープンループ制御で駆動する期間を設けなくてもよい。オープンループ制御から進角制御に切換ったわった後、徐々に加速し、目標とする速度Ｓｔに到達する。目標とする移動量（回転角）に到達する前に進角制御により減速を行い、オープンループ制御に切換え、目標とする移動量で停止する。ここでは進角制御とオープンループ制御の切換えを行う制御方法としたが、進角制御のみでの駆動も可能である。なお、図４は、目標とする移動量を駆動するために、全ての駆動領域においてオープンループ制御で駆動した場合の速度特性を示している。

本実施形態は、モータ１０４の駆動開始期間と駆動停止期間の少なくとも一方（好ましくは両方）においてエンコーダが生成する信号のフィードバックを用いずに制御信号を変化させるオープンループ制御によってステッピングモータ１０４を制御している。駆動開始時はエンコーダの出力が検出され、モータ１０４の回転が安定するまで待機して脱調を防止するためである。駆動停止時には、停止分解能を細かくするため、オープンループ制御によってステッピングモータ１０４を制御している。

本実施例では、撮影装置の撮影モードに基づいて、オープンループ制御による駆動を行うか、進角制御による駆動を行うかを決定する。以下、その動作の詳細について説明する。

図５は実施例１のレンズマイコン１０９の動作（制御方法）を示すフローチャートであり、「Ｓ」はステップを表している。図５に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実現させるためのプログラムとして具現化が可能であり、これは他のフローチャートにも当てはまる。なお、図５に示す動作をカメラマイコン２００が行ってもよい。

Ｓ５０１にて、モータ１０４の駆動開始を指示する。この指示にてモータ１０４の移動量と速度が決定する。フォーカス機構の場合、ユーザのＭＦ操作やＡＦ駆動がこの駆動開始指示に相当する。Ｓ５０２にて、撮影モードの判別を行う。本実施例では静止画撮影モードと動画撮影モードの２種類のモードを想定している。

静止画撮影モードの場合にはＳ５０３に進み、進角制御による駆動もしくは進角制御とオープンループ制御の組み合わせによる駆動を行う。静止画撮影時にはフォーカスレンズが素早く目標とする移動量だけ駆動することが求められるため、フォーカスレンズを高速で駆動させる必要があるからである。

動画撮影モードではＳ５０４に進み、オープンループ制御による駆動を行う。動画撮影時には静音性が求められるため、フォーカスレンズを低速で駆動させる。また、動画撮影時に用いるＡＦ方式はコントラスト方式であり、コントラスト方式のＡＦでは、フォーカスレンズの駆動、停止、反転を繰り返すのでオープンループ制御による駆動制御を行うことが好ましい。

図６では交換レンズ式の撮影装置に本実施例の制御を適用した際の、カメラ本体の制御とレンズ装置の制御のそれぞれの動作を示している。図６では、カメラマイコン２００が進角制御を必要とするか否かを判断している。

カメラマイコン２００は、Ｓ６０１にて撮影モードの検出を行い、Ｓ６０２にてモータ１０４の駆動制御を、進角制御もしくは進角制御とオープンループ制御の組み合わせとするか、オープンループ制御とするかを決定する。カメラマイコン２００は、図５と同様に、静止画撮影モードの場合には進角制御、動画撮影モードの場合にはオープンループ制御を選択する。Ｓ６０３では、Ｓ６０２で決定した制御方式をカメラ・レンズ間通信によりレンズ装置へ通知する。ここでは進角制御を許可するか否かの情報としている。

レンズマイコン１０９は、Ｓ７０１にてＳ６０３で送信された進角制御の許可情報を受信し、７０２にて進角制御が許可されているか否かを判断する。許可されていればＳ７０３にて制御方式を進角制御に設定し、許可されていなければＳ７０４にてオープンループ制御に設定する。

表１は、カメラ本体の撮影モードと交換レンズの操作モードとを組み合わせに対するモータ制御方法を示している。

撮影モードを、静止画撮影モード、ライブビューモード、動画記録モードの３種類に分類している。「オープン」はオープンループ制御、「進角」は進角制御を表している。「ライブビューモード（ライブビュー動作時）」とは動画や静止画の記録は行っていないが、画角合わせや撮影準備をするために被写体の像を表示部２０９に逐次表示するプレビュー状態のことである。

フォーカス駆動に関連するレンズの操作モードとしては、ＡＦとＭＦ、さらにズーミングに伴うピント移動を補正するためのトラッキング制御（図中はズームと表記）に分類している。

静止画撮影のＡＦでは、高速な合焦動作が求められるため、進角制御を用いることでフォーカスレンズを高速で駆動するが、ステッピングモータの駆動開始期間および駆動停止期間の少なくとも一方においてオープン制御を用いる。この場合、駆動開始期間は、モータ１０４の駆動開始時から所定の時間を表し、予め所定の時間を定めておいてもよいし、所定の速度に到達するまでの時間として定めてもよい。即ち、速度指示部１１２が指示する目標速度が閾値よりも大きければフィードバック制御を用い、目標速度が閾値以下であればオープンループ制御を用いる。次に、ＭＦの場合には操作時の追従性が求められる。進角制御を用いた場合には、加速時間が必要になるため、オープンループ制御でフォーカス駆動を行うことで追従性を確保する。また、トラッキング制御中のフォーカス駆動でも同様に追従性と停止精度が求められる。したがって、この場合もオープンループ制御とする。

図７は、表１の動作を行うためのフローチャートである。ここではレンズマイコン１０９が進角制御を行うか否かを決定する場合を説明する。カメラマイコン２００は、Ｓ８０１にて撮影モードの判別を行う。判別には撮影モード切換え部２０６の状態や録画スイッチ２０８の状態を用いる。これらの状態を検出することで、静止画撮影モード、ライブビューモード、動画記録モードのどのモードであるかを決定する。カメラマイコン２００は、Ｓ８０２にて、得られた判別結果（モード）をレンズ装置に送信する。Ｓ８０２のカメラ・レンズ間通信では判定結果のみでなく、各種カメラの状態やフォーカスや絞りの駆動命令なども含んでいる。

レンズマイコン１０９は、Ｓ９０１にてフォーカスや絞り、カメラの状態などの各種情報、及び撮影モードの情報をカメラマイコン２００から受信し、Ｓ９０２にてレンズの操作状態を検出する。レンズの操作状態は、ズーム操作部１１９やＡＦ／ＭＦスイッチ１２１の状態により検出可能である。レンズマイコン１０９は、Ｓ９０３にて受信したカメラ本体の撮影モードとレンズ装置の操作状態に基づいて、進角制御が可能か否かを決定する。

レンズマイコン１０９は、Ｓ９０４にて、モータ駆動開始が必要であるかを判定する。モータ駆動開始の指示はＳ９０１で受信したカメラからの駆動命令や、ＭＦ操作部１２０からの駆動命令である。駆動開始が必要な場合には次のステップに進み、必要がない場合にはＳ９０１に戻る。

レンズマイコン１０９は、Ｓ９０５にてＳ９０３で決定したモータの制御方式が進角制御であるか否かを判別し、進角制御（Ｓ９０６）またはオープンループ制御（Ｓ９０７）によるモータ１０４の駆動を行う。

次に、表１及び図７で示した進角制御とオープンループ制御の切換えに関する例外について説明する。脱調を回避するため、オープンループ制御中に駆動方向を反転する場合や撮影装置の性能限界を超える環境下で駆動する場合は、オープンループ制御を選択していても進角制御による駆動を行う。また、このときの駆動は、図３に示したようなオープンループ制御と進角制御を組み合わせた制御ではなく、進角制御のみの駆動を行うことが好ましい。

こうした例外が適用される条件として、モータ１０４の駆動中に反転駆動をする場合が挙げられる。モータ１０４が反転駆動したときに、オープンループ制御による駆動を続けると、脱調を起こす可能性が高くなる。そこで、モータ１０４が反転駆動したときは、例外的に進角制御による駆動が行われる。他の条件としては、低温環境下における負荷の増加を想定している。性能限界を超えた環境下でも撮像装置を動作させるため、温度センサ１１７により検出した温度が所定温度以下の場合には、例外的にオープンループ制御ではなく進角制御による駆動を行う。これにより、撮像装置が動作不能になる事態を回避することができる。

実施例２では、レンズマイコン１０９が、撮影装置のＡＦ方式に基づいて、オープンループ制御による駆動を行うか、進角制御による駆動を行うかを決定する。図８は、レンズマイコン１０９が撮影装置のＡＦ方式に適したモータ制御を行うフローチャートである。

まず、レンズマイコン１０９は、Ｓ１００１にてモータ駆動指示を得る。駆動指示は交換レンズの場合、通信によりカメラ本体から受信する。次に、レンズマイコン１０９は、Ｓ１００２にてＡＦ方式を検出する。モータ駆動指示と同様、交換レンズの場合には通信によりカメラ本体から受信する。レンズマイコン１０９は、Ｓ１００３にて、撮影の際のＡＦが位相差ＡＦとコントラストＡＦのどちらであるかを判別する。

位相差ＡＦは、一対の被写体像の像信号の位相差を検出することによって焦点検出をする。コントラストＡＦは、撮影光学系によって形成される焦点位置と撮像素子の相対位置を変化させるスキャンを行いながら撮像素子が形成した被写体像のコントラストのピーク位置を検出することによって焦点検出をする。

レンズマイコン１０９は、位相差ＡＦである場合にはＳ１００４にて目標速度Ｓｔを決定し、Ｓ１００５にて速度閾値ＳｏよりもＳｔが大きいか否かを判別し、Ｓｔが大きい場合にはＳ１００６にて進角制御による駆動を行う。一方、レンズマイコン１０９は、Ｓ１００３においてコントラストＡＦの場合、あるいは、ＳｔがＳｏ以下であれば、Ｓ１００７にてオープンループ制御による駆動を行う。

位相差ＡＦの場合、現在のフォーカスレンズ１００の位置から合焦状態となるフォーカスレンズ１００の位置までの移動量を駆動前に知ることができるので、高速なＡＦを実現することができる。一方、コントラストＡＦは、フォーカスレンズ１００を移動させながらコントラストがピークとなる位置を検出するため、フォーカスレンズ１００が合焦方向とは反対方向に駆動する場合や、合焦位置を通り過ぎる場合がある。その際には反転駆動が必要となり、進角制御による駆動では減速するまでに多くの時間を要する。そこで、コントラストＡＦにより、焦点調節を行う場合、オープンループ制御による駆動を行うことで、駆動停止（減速）から反転駆動をするまでに要する時間を減らすことが可能となり、焦点調節をすばやく実現できる。

コントラストＡＦの場合、主に２種類の駆動方法を使用する。１つは合焦位置の方向（合焦方向）を判別したり、合焦位置近傍での合焦位置の探索を行うため、微小量の往復駆動を連続的に行うウォブリング駆動である。もう１つは、合焦方向の判別後に、合焦方向への駆動を行うために比較的大きな駆動量を駆動する山登り駆動である。

図９は、山登り駆動の際に、進角制御で高速な駆動を行う場合のフローチャートである。まず、レンズマイコン１０９は、Ｓ１１０１にてモータ１０４の駆動指示を得る。図８の場合と同様に駆動指示は交換レンズの場合、通信によりカメラ本体から受信する。次に、レンズマイコン１０９は、Ｓ１１０２にてコントラストＡＦの際の駆動方式がウォブリング駆動であるか、山登り駆動であるかの検出を行う。交換レンズの場合には通信によりカメラ本体から受信することで検出可能である。レンズマイコン１０９は、Ｓ１１０３にて山登り駆動である場合にはＳ１１０４に進み、ウォブリング駆動の場合にはＳ１１０７に進む。

レンズマイコン１０９は、Ｓ１１０４にて目標速度Ｓｔを決定する。交換レンズの場合、目標速度は通信によりカメラ本体から指示される。レンズマイコン１０９は、Ｓ１１０５にて速度閾値ＳｏよりもＳｔが大きいか否かを判別する。Ｓｔが大きい場合にはＳ１１０６で進角制御による駆動を行い、目標速度が閾値以下の場合にはＳ１００７にてオープンループ制御による駆動を行う。

ウォブリング駆動は微小な駆動かつ往復動作となるため、進角制御による加速や減速を行うよりもプルイントルクとなる速度で駆動を行う方が、駆動時間を短縮することができる。一方、位相差ＡＦでの駆動や山登り駆動の場合には、前述したように比較的速い速度で大きな駆動量を移動する必要があるため、進角制御による駆動を行うメリットがある。このように、進角制御による駆動をオープンループ制御による駆動を使い分けることで、すばやく、かつ精度よく焦点調節を行うことができる。

実施例３では、フォーカスレンズ１０４を駆動する際に、駆動位置あるいは駆動速度などの予測が必要か否かを基準に、オープンループ制御による駆動を行うか、進角制御による駆動を行うかを決定する。上述したように、被写体が動体であれば予測が必要であり、動体でなければ予測は不要である。

移動している被写体に対してＡＦを行いながら撮影する場合、フォーカスレンズ１００の移動軌跡と被写体の移動軌跡を合わせなければ、合焦状態での撮影ができない。これは、位相差ＡＦによって焦点検出を行うタイミングとフォーカス駆動後に撮影をするタイミングにタイムラグがあるためである。図１０は位相差ＡＦにおいて、移動している被写体に追従しながらＡＦを行う一例である。実線をフォーカスレンズ１００の移動軌跡、点線を被写体の移動軌跡とし、これらの交点となるＳ１及びＳ２が撮影タイミングである。ここではＳ２におけるフォーカス位置の推定方法について説明する。Ｄ１はフォーカスの移動方向を変更する折れ点位置であり、Ｄ１からＳ２の方向に向かってフォーカスレンズを駆動する際、Ｐ１ａ及びＰ１ｂでのフォーカス位置を取得する。このときの時差はｔＰである。さらにＭ１ａ及びＭ１ｂが被写体距離の結果をフォーカス位置に換算した位置であり、このときの時差をｔＭとしている。フォーカスレンズの単位時間当たりの移動量（傾き）は次式で表される。

αＰ = （Ｐ１ｂ―Ｐ２ｂ）／ｔＰ （１）
また、被写体の単位時間当たりの移動量（傾き）は近似的に次式となる。

αＭ＝（Ｍ１ｂ―Ｍ２ｂ）／ｔＭ （２）
これらの傾きと、前回の撮影タイミングのフォーカス位置Ｓ１から折れ点位置Ｄ１までの時間ｔＤを用いて、次の撮影タイミングのフォーカス位置Ｓ２と時間ｔＳは次式で表すことができる。

ｔＳ＝ （αＭ×ｔＤ＋Ｓ１−Ｄ１）／（αＰ−αＭ） （３）
Ｓ２＝ αＰ×（αＭ×ｔＤ＋Ｓ１−Ｄ１）／（αＰ−αＭ）＋Ｄ１ （４）
つまり、上記のような撮影タイミングの予測計算を行う場合、フォーカスレンズの移動軌跡は直線的になることが望ましい。しかし、進角制御を行った場合、加速の際の位置予測が困難であるという課題がある。

次に、交換レンズ式の撮影装置のコントラストＡＦにおける位置予測の一例について図１１を用いて説明する。コントラストＡＦでは、焦点評価値信号（コントラスト情報）を取得するタイミングとフォーカスレンズ１００の位置の対応関係を定める必要がある。しかしながら、交換レンズ式の場合には、画像処理や絞り制御などの各種制御も行いつつ、撮像装置から交換レンズ装置に対してフォーカスレンズ１００の駆動開始指示やフォーカスレンズ１００の位置の取得をリアルタイムで行うことは困難である。そこでフォーカスレンズ１００の位置の予測を行って、焦点評価値信号の取得タイミングとフォーカスレンズ１００の位置の対応関係を定める方法がある。

ＶＤは垂直同期信号であり、ＶＤをトリガとして撮像素子（ここではＣＭＯＳセンサ）からの画像信号の読み出しが行われる。カメラマイコン２００は、レンズ制御情報送信Ｎ＋１にて、タイミング情報であるフォーカスレンズの駆動開始タイミングＮ＋１と焦点評価値信号の取得開始タイミングである焦点評価値取得開始タイミングＮ＋１を、レンズマイコン１０９に送信する。また、カメラマイコン２００は、目標フォーカス位置（取得目標位置）の情報である目標位置Ｎ＋１も、レンズマイコンに送信する。

レンズマイコン１０９はレンズ制御情報を受信し、一時保存し、その後、駆動開始タイミングでフォーカスレンズの駆動を開始できるように、タイマをクリアし、さらにタイマ割り込みを設定する。

次に、レンズマイコン１０９は、位置予測演算Ｎ＋１を行う。ここで得られる予測フォーカス位置を、予測位置Ｎ＋１とする。位置予測演算では、フォーカスレンズ１０９が、カメラマイコン２００から指示された目標位置Ｎ＋１に焦点評価値取得開始タイミングＮ＋１までに到達可能か否かの判定を行うとともに、焦点評価値取得開始タイミングＮ＋１での位置を予測する。位置予測演算が終了すると、レンズマイコン１０９は、設定したタイマ割り込みの発生まで待ち、タイマ割り込みが発生するとともにフォーカスレンズ１００の駆動を開始する。

レンズマイコン１０９は、予測位置送信Ｎ＋１のタイミングで位置予測演算の結果をカメラマイコン２００に送信する。カメラマイコン２００は、レンズマイコン１０９の位置予測演算の結果を受信し、現在のフォーカス駆動状態が次のフォーカスレンズの駆動を行うべきモード（駆動モード）か焦点評価値を取得するモード（停止モード）であるかを判定する。そして、カメラマイコン５３は、受信した予測フォーカス位置に基づいて次の目標フォーカス位置（目標位置）を決定する。さらに、フォーカスレンズ１００の次の駆動開始タイミングを決定する。

予測位置Ｎ＋１が目標位置Ｎ＋１に一致せず、焦点評価値取得開始タイミングＮ＋１までにフォーカス位置が目標フォーカス位置に到達しない場合、カメラマイコン５３は、図１１に示すように、撮像信号Ｎ＋１からの焦点評価値信号Ｎ＋１の取得を行わない。そして、次の撮像信号Ｎ＋２から焦点評価値信号Ｎ＋２を取得して保存する。こうして保存した焦点評価値信号とフォーカス位置とを用いて、カメラマイコン５３は、過去の焦点評価値信号の大小関係を判別し、合焦位置へフォーカスレンズ１００を駆動する。

このような場合にも、前述した移動被写体へのＡＦと同様に、進角制御の際には加速や減速の際の位置予測が困難であるという課題がある。図１２はこれらの位置予測の際の課題を解決するための動作フローを示している。まずＳ１２０１にてモータ駆動指示を得る。駆動指示は交換レンズの場合、通信によりカメラ本体から受信する。次にＳ１２０２にてオートフォーカスの方式を検出する。モータ駆動指示と同様、交換レンズの場合には通信によりカメラ本体から受信する。そしてＳ１２０３ではフォーカスレンズ１００の駆動予測が必要であるか否かの判定を行う。予測が必要な駆動の場合にはＳ１２０７に進み、オープンループ制御による駆動を実行する。予測が必要ない場合にはＳ１２０４に進み、目標速度Ｓｔを決定する。その後Ｓ１２０５にてオープンループ制御と進角制御の速度閾値ＳｏよりもＳｔが大きいか否かを判別し、Ｓｔが大きい場合にはＳ１２０６で進角制御による駆動を行い、ＳｔがＳｏ以下の場合にはＳ１２０７にてオープンループ制御による駆動が行われる。

以上のようにフォーカスレンズ１００の位置の予測が必要な場合には、進角制御を行わず、オープンループ制御による駆動とすることで、予測の計算が簡略化されるとともに予測精度が向上する。

本発明の光学機器は、レンズ装置、およびレンズ装置と一体のカメラ本体に適用することができる。

１００…フォーカスレンズ、１０４…ステッピングモータ、１０９…レンズマイコン（レンズ制御手段）、２００…カメラマイコン（カメラ制御手段）

Claims (13)

1. ステッピングモータの回転位置を検出するエンコーダからの出力を用いてフォーカスレンズの駆動制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置であって、
   前記フォーカスレンズを含む撮影光学系により形成された像を取得する撮像装置が、静止画撮影時の自動焦点調節を行う場合は、前記ステッピングモータの駆動開始期間および駆動停止期間の少なくとも一方においてオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記駆動開始期間が終了してから前記駆動停止期間が開始されるまでの期間においては、前記エンコーダからの出力を用いたフィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、
   前記撮像装置が、動画撮影時の自動焦点調節を行う場合は、オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
2. 前記撮像装置は、前記撮影光学系により形成された像を表示する表示部を更に有し、
   前記撮影光学系により形成された像を前記表示部に逐次表示するライブビュー動作時には、前記制御装置はオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータの制御装置。
3. ユーザの操作によるマニュアルフォーカス方式により前記フォーカスレンズが駆動される場合、前記制御装置は、オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータの制御装置。
4. 前記撮影光学系は変倍光学系であり、変倍に伴う焦点調節のために前記フォーカスレンズを駆動する場合、前記制御装置はオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置。
5. オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行っている間に、前記ステッピングモータの駆動方向が反転したことに応じて、前記制御装置は、前記フィードバック制御に切り替えて前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置。
6. 前記撮像装置は、温度を検出する温度検出部を更に有し、
   オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行っている間に、前記温度検出部が検出した温度が所定の温度以下になったことに応じて、前記制御装置は、前記フィードバック制御に切り替えて前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置。
7. 前記撮像装置は前記ステッピングモータの目標速度を指示する速度指示部を更に有し、
   前記制御装置は、
   前記撮像装置が、静止画撮影時の自動焦点調節を行う場合、前記ステッピングモータの駆動開始期間が終了してから駆動停止期間が開始されるまでの期間において、前記速度指示部が指示する目標速度が閾値よりも大きければ前記フィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記目標速度が前記閾値以下であればオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置。
8. ステッピングモータの回転位置を検出するエンコーダからの出力を用いてフォーカスレンズの駆動制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置であって、
   前記フォーカスレンズを含む撮影光学系により形成された像を取得し、前記ステッピングモータの目標速度を指示する速度指示部を有する撮像装置が、位相差方式により自動焦点調節を行う場合、前記制御装置は、前記速度指示部が指示する目標速度が閾値よりも大きければ前記エンコーダからの出力を用いたフィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記目標速度が前記閾値以下であればオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、
   前記撮像装置がコントラスト方式により自動焦点調節を行う場合、前記制御装置は、オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
9. ステッピングモータの回転位置を検出するエンコーダからの出力を用いてフォーカスレンズの駆動制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置であって、
   前記フォーカスレンズを含む撮影光学系により形成された像を取得する撮像装置が位相差方式により自動焦点調節を行う場合、前記制御装置は、前記エンコーダからの出力を用いたフィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、
   前記撮像装置がコントラスト方式により自動焦点調節を行う際に、前記フォーカスレンズを往復駆動させるウォブリング駆動を行うときは、オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記フォーカスレンズを前記ウォブリング駆動よりも大きな駆動量で駆動させる山登り駆動を行うときは、前記フィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
10. ステッピングモータの回転位置を検出するエンコーダからの出力を用いてフォーカスレンズの駆動制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置であって、
    前記フォーカスレンズを含む撮影光学系により形成された像を取得し、前記ステッピングモータの目標速度を指示する速度指示部を有する撮像装置が、位相差方式により自動焦点調節を行う場合、前記制御装置は、前記エンコーダからの出力を用いたフィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、
    前記撮像装置がコントラスト方式により自動焦点調節を行う際に、前記フォーカスレンズを往復駆動させるウォブリング駆動させる場合、前記制御装置は、前記速度指示部が指示する目標速度が閾値よりも大きければ前記フィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記目標速度が前記閾値以下であればオープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
11. ステッピングモータの回転位置を検出するエンコーダからの出力を用いてフォーカスレンズの駆動制御を行うことが可能なステッピングモータの制御装置であって、
    前記フォーカスレンズを含む撮影光学系により形成された像を取得し、被写体が動体であるか否かの判定を行う撮像装置が、動体に対して自動焦点調節を行う場合は、オープンループ制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、静止体に対して自動焦点調節を行う場合は、前記エンコーダからの出力を用いたフィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とするステッピングモータの制御装置。
12. 前記撮像装置は前記ステッピングモータの目標速度を指示する速度指示部を更に有し、
    前記制御装置は、静止体に対して自動焦点調節を行う場合、前記速度指示部が指示する目標速度が閾値よりも大きければ前記フィードバック制御によって前記ステッピングモータの駆動制御を行い、前記目標速度が前記閾値以下であればオープンループ制御に切り替えて前記ステッピングモータの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載のステッピングモータの制御装置。
13. 請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置と、ステッピングモータを有することを特徴とする光学機器。