JP6130628B2

JP6130628B2 - 反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出装置

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Publication number: JP6130628B2
Application number: JP2012138287A
Authority: JP
Inventors: 文昭大野; 和人福井
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: JP2014002077A

Description

本発明は反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出装置、特にデジタルスチールカメラ、レンズ交換型カメラ、カムコーダ、監視カメラ等の装置内の可動体の位置や移動量の検出を行うための装置に関する。

従来から、例えばデジタルスチールカメラ、レンズ交換型カメラ、カムコーダ、監視カメラ等では、各種のアクチュエータを使用してレンズを駆動しており、この可動レンズ等のポジションセンシングを行うために位置検出装置（センサ）が用いられる。

例えば、フォーカスやズームのための可動レンズの位置及び移動量の検出装置としては、ステッピングモータ方式のようにパルス発生器を用いるタイプや、ピエゾモータ方式において光センサ或いは磁気センサを用いてアナログ的に変化量を検出するタイプがあり、前者の例としては特開平０４−９７１２号公報（文献１）等が挙げられ、後者の例として特開平０５−４５１７９号公報（文献２）、特開２００２−３５７７６２号公報（文献３）、特開２００９−３８３２１（文献６）等が挙げられる。

例えば、デジタルスチールカメラ等では、これまでステッピングモータ方式が主流であったが、動画撮影時の音声ノイズの発生回避やオートフォーカスの高速化等を重視するため、近年ではピエゾモータ方式やＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式が利用されるようになっている。このような方式で要求される位置検出の範囲は、アプリケーションの仕様により異なるが、デジタルスチールカメラのハイエンドモデル、一眼レフカメラ、カムコーダや監視カメラ等では、一般に、１０ｍｍ以上の長距離検出が必要とされる。

そして、上記のピエゾモータ方式やＶＣＭ方式のカメラ等での移動物（可動体）の位置検出には、下記特許文献４に示されるように、一般に磁気センサが使用されている。

図９には、従来のデジタルスチールカメラ等の位置検出の構成が示されており、このカメラ等では、図示のように、レンズ１を保持するレンズ筒（鏡胴）２が本体３に対し前後に進退自在に配置される。そして、上記レンズ筒２の側面にマグネット（磁気発生部材）４が取り付けられると共に、上記本体３側に、マグネット４の磁界を感知する磁気センサ（ＭＲ素子又はホール素子）５が配置されており、この磁気センサ５によってマグネット４からの磁界の変化を検出・演算することで、移動するレンズ筒２（マグネット４）の位置が検出される。

特開平０４−９７１２号公報特開平０５−４５１７９号公報特開２００２−３５７７６２号公報特開２００６−２９２３９６号公報特開２００６−１７３３０６号公報特開２００９−３８３２１号公報

ところで、上記デジタルスチールカメラ等のレンズ位置の検出において、移動物の位置を正確に把握し利用するためには、原点（基準）位置を正確に把握することが重要であるが、図９の磁気センサを用いた位置検出では、原点位置を把握することはできない。そこで、上記原点位置、この例では、レンズ可動域の両端位置を検出するため、図９に示されるように、本体３側におけるレンズ筒２の可動域の基部に反射型フォトセンサ６ａ、先端部に同様の反射型フォトセンサ６ｂを配置している。これら反射型フォトセンサ６ａ，６ｂは、レンズ筒２の後端位置を検知することができ、フォトセンサ６ｂによれば、図９（Ｂ）の状態でレンズ筒２の最大繰出し位置（前進端）が検出され、フォトセンサ６ａによれば、図９（Ｃ）の状態でレンズ筒２の原点（基準）位置（収納端）が検出される。なお、上記の反射型フォトセンサとしては、特開２００６−１７３３０６号公報（文献５）、特開２００９−３８３２１号公報（文献６）に示されるものがある。

しかしながら、位置検出のためのマグネット４及び磁気センサ５に加えて、原点位置等の特定位置を検出するために、上記フォトセンサ６ａ，６ｂを配置するのは、位置検出の構成が複雑になり、コスト高になるという問題がある。また、磁気センサを使用する場合は、磁場検知のため、信号の直線性の改善が難しく、磁気かぶり等の影響で誤動作が生じる等の問題もある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、原点位置等の特定位置の検出を簡単な構成で低コストにて達成することができる反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出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の発明に係る反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出装置は、反射面と非反射面を移動物の移動方向に交互に並べた交互パターン（ストライプパターン）を設けると共に、上記反射面のみ又は非反射面のみからなり特異に変化する特異パターンを持たせた反射部と、この反射部に対し発光する１つの発光素子、及び上記反射部の移動方向でそれぞれ異なる受光領域を持ち、出力位相が９０度ずつ進むように設定された３つの受光部を有し、この３つの受光部で上記反射部からの反射光を受光する受光素子が設けられた反射型フォトセンサと、を備え、上記３つの受光部から９０度位相差のある２つの信号を出力し、この出力をＡ，Ｂとすると、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）及び（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）の演算を行うことにより、上記移動物の位置を検出すると共に、上記３つの受光部から１８０度位相差のある２つの信号を出力し、この出力をＡ，Ｃとすると、（Ａ＋Ｃ）／２の演算を行うことにより中点電位を求め、この中点電位に上記出力Ａ〜Ｃの基準点が一致するように補正し、かつ上記中点電位を基準にして予め設定した判定レベルを上記受光部からの上記特異パターンの出力が超えるとき又は下回るとき、特定位置にあることを検出することを特徴とする。

上記請求項１の構成によれば、カメラの可動レンズ等の移動物に反射面と非反射面が交互に形成された反射部（板）を取り付け、この反射部からの光反射の状態を、３つの受光部（それぞれ異なる受光領域）で受光することにより、位相差の異なる複数の信号が出力され、これら複数の信号から移動物の位置や移動量を検出することができる。また、上記反射部には、片方の端部、両端部、中央部等に特異パターンが形成されており、この特異パターンからの反射光を受光することで、反射部の特定位置、即ち片方端部（原点）、両端部（エンド点、広角端、望遠端）、中央点等の位置が検出される。

例えば、３分割した受光素子により３つの信号（出力Ａ〜Ｃ）が出力され、９０度位相差のある信号出力ＡとＢにより移動位置検出のための演算（リニア値演算）が行われ、１８０度位相差のある信号出力ＡとＣにより中点（中心）電位が算出される。即ち、中点電位が検出の際に同時に得られる。そして、この中点電位から予め決められた判定レベル（閾値）が設定され、この判定レベルを受光部の出力（値）が超えるとき又は下回るとき、上記特定位置が検出されることになり、温度変化等で出力信号が変動した場合でも、中点電圧を一定に保った状態で移動物の位置や移動量が正確に検出される。

本発明の位置検出装置によれば、原点等の特定位置の検出を簡単な構成で低コストにて達成することができ、従来の位置検出装置において原点位置等の検出のために追加されるフォトセンサ等が不要になるという利点がある。
また、位置検出の距離を複数に分離したい用途がある場合にも、反射板の任意の場所に特異パターンを設けることで所望の位置の検出が可能である。

しかも、従来の磁気センサを用いる場合の不都合が解消される。即ち、磁気かぶり等の影響を受けることもなく、検出出力をオペアンプによって増幅する必要もなく、マグネットにおけるＳ極、Ｎ極の着磁のバラツキや磁場強度の不均一によって検出誤差が生じたり、マグネットの酸化により性能が劣化したりすることも防止されるという利点もある。

また、中点電位を一定に保つことができるので、フォトセンサが温度依存性を持つ場合や、温度変化によりフォトセンサからの出力信号に変動が生じるような場合で、中点電圧レベルが変化しても、演算式から得られる結果（リニア特性）に影響を与えなくなり、長距離位置検出を良好に行うことができる。また、リニア特性を得るための中点電位を、検出の際に同時に取り出すことができるという効果もある。

本発明の第１実施例に係る反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出装置の構成を示し、図（Ａ）は主に反射部（反射板）の第１例の構成図、図（Ｂ）は反射型フォトセンサを含む検出演算回路の全体図である。第１実施例の受光素子からの出力波形を示す図である。第１実施例の位置検出装置をカメラ用レンズモジュールに適用したときの構成を示し、図（Ａ）は通常の動作時の図、図（Ｂ）はレンズ筒を先端まで移動させた時の図、図（Ｃ）はレンズ筒を後端まで移動させたときの図、図（Ｄ）は図（Ａ）のＤ部分の検出部の拡大図である。実施例における反射板の第２例の構成［図（Ａ）］と、そのときの受光素子からの出力波形［図（Ｂ）］を示す図である。実施例における反射板の第３例の構成［図（Ａ）］と、そのときの受光素子からの出力波形［図（Ｂ）］を示す図である。第２実施例の位置検出装置（検出演算回路）の構成を示す図である。第１，第２実施例におけるセンサ位置（移動位置）の演算値を示す波形図である。第１，第２実施例において算出される中点電位と判定レベルを示す図である。従来の磁気センサを用いた位置検出装置をカメラ用レンズモジュールに適用したときの構成を示す図である。

図１乃至図３には、本発明の第１実施例に係る反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出装置の構成（デジタルスチールカメラのレンズ駆動部等に適用したもの）が示されており、図１（Ａ）に示されるように、反射板（光学反射部）１０と、この反射板１０に対し発光し、その反射光を受光する反射型フォトセンサ１２が設けられる。上記反射板１０は、例えば数百μｍ程度の極細短冊形状の反射面（ミラー面）ｓａと非反射面ｓｂが交互に（縦縞状に）並べられたストライプパターンが形成されたものとされる。そして、実施例では、この反射板１０の両端部に、特異パターンとして、反射面ｓａの幅よりも広い幅の幅広反射面Ｔ_ｓａを設けており、この幅広反射面Ｔ_ｓａの存在によって、反射板１０、即ち移動物（可動体）の端部位置（エンド点）が検出される。なお、上記非反射面ｓｂは、スリット空間で構成してもよい。

図１（Ｂ）に示されるように、反射型フォトセンサ１２は、発光素子１３と３つの受光部１４ａ，１４ｂ，１４ｃを持つ受光素子１４を備えており、このフォトセンサ１２の発光／受光面側に、この発光／受光面に平行でかつ発光素子１３と受光素子１４の配列方向（図の縦方向）に略垂直な方向１００に移動するように、上記反射板１０が配置される。この反射板１０は、レンズ筒等の移動物（可動体）と一体に移動するように取り付けられる。即ち、上記受光素子１４の受光部１４ａ〜１４ｃは、受光領域を移動方向１００においてそれぞれ異なる領域となるように分割したものであり、上記反射板１０の反射面ｓａ、非反射面ｓｂの各幅と、３つの受光部１４ａ〜１４ｃの大きさ、形状や配置を調整することで、フォトセンサ１２からの３つの出力が所望の位相ずれるように設計される。実施例では、例えば受光部１４ａからの出力Ａを基準（０度）とすると、受光部１４ｂからの出力Ｂが９０度、受光部１４ｃからの出力Ｃが１８０度の位相角が進む関係となるように設計している。

また、上記受光素子１４が接続される検出制御回路（ＬＳＩ）１５には、上記３つの受光部１４ａ〜１４ｃからの出力を受けるバッファアンプ１６ａ〜１６ｃ、このアンプ１６ａ〜１６ｃの出力をアナログデジタル変換するＡ/Ｄ変換器１７、このＡ/Ｄ変換器１７の出力に基づきリニアな検出のため演算等を行うことで移動位置を求めるプロセッサ（演算回路）１８、このプロセッサ１８から出力されたオフセット補正信号や制御用信号をデジタルアナログ変換するＤ/Ａ変換器１９、アクチュエータドライバ２０が設けられる。このアクチュエータドライバ２０は、カメラ等において、レンズ筒を駆動するためのアクチュエータ２１に対し駆動信号を出力する。なお、上記Ｄ/Ａ変換器１９は、出力Ａ〜Ｃの振幅や基準レベルを補正するためのオフセット補正信号をバッファアンプ１６ａ〜１６ｃへ供給する。

図３には、デジタルスチールカメラ用レンズモジュール等に適用する場合の構成が示されており、実施例では、レンズ１を保持するレンズ筒２の側に反射板１０が設けられ、レンズ筒２が前後移動可能となる本体３の側に反射型フォトセンサ１２が取り付けられる。

第１実施例は以上の構成からなり、実施例では、反射型フォトセンサ１２の発光素子１３からの発光に基づき、反射面ｓａから周期的に光が反射されることで、受光素子１４を３分割した受光部１４ａ〜１４ｃにて出力Ａ，Ｂ，Ｃが得られる。この出力Ａ，Ｂ，Ｃは、図２に示されるように、正弦波（sin）又は余弦波（cos）状の信号で、出力Ａに対し出力Ｂは位相角が９０度ずれ、出力Ｂに対し出力Ｃは位相角が９０度ずれたものとなる。

上記出力Ａ〜Ｃの信号は、バッファアンプ１６ａ〜１６ｃ、Ａ/Ｄ変換器１７を介してプロセッサ１８へ供給され、このプロセッサ１８にてエンド点（原点等）と移動位置の検出、演算、判定が行われる。例えば、図２に示されるように、電位判定レベル（閾値）をＥａに設定した場合は、出力ＡとＣ（ＢとＣ等でもよい）の両方がこのＥａレベルを超えたとき［ハイ（High）レベルになったとき］、反射板１０の両端のエンド点、即ち移動動作の始点と終点が判定される。図３の構成の場合、図３（Ｂ）に示されるように、レンズ筒２が最大まで繰り出された状態の位置（例えば望遠端）や図３（Ｃ）に示されるように、レンズ筒２が原点（基準）位置まで戻された状態の位置（例えば広角端）が検出される。

また、詳細は後述するが、出力ＡとＢの信号に基づいて、プロセッサ１８では、位置検出のための演算等が行われ、これによって、反射板１０及びレンズ筒２の移動位置が検出される。そして、プロセッサ１８は、検出されたエンド点信号及び移動位置信号に基づき、レンズ筒２を駆動のための制御信号をアクチュエータドライバ２０へ供給することで、アクチュエータ２１によるレンズ筒２の駆動が実行される。

図４には、反射板の第２例を用いたときの構成及び出力波形が示されており、図４（Ａ）に示されるように、この例では、反射面ｓａと非反射面ｓｂの配置位置を図１の場合とは逆にし、反射板２４の両端部に、特異パターンとして、非反射面ｓｂの幅よりも広い幅の幅広非反射面Ｔ_ｓｂを設けたものである。

この第２例の反射板２４によれば、反射型フォトセンサ１２の受光部１４ａ〜１４ｃからの出力Ａ〜Ｃは、図４（Ｂ）に示されるようになり、判定レベルをＥｂに設定した場合、例えばＡ，Ｂ，Ｃの中のいずれか２つの信号がこのＥｂレベルを下回ったとき［ロウ（Low）レベルになったとき］、反射板２４の両端のエンド点（移動動作の始点と終点）が判定される。

図５には、反射板の第３例を用いたときの構成及び出力波形が示されており、図５（Ａ）に示されるように、この例では、特異パターンとして、反射板２６の中央部に反射面ｓａの幅よりも広い幅の幅広反射面Ｃ_ｓａを設けたものである。なお、上記反射板２６の反射面ｓａと非反射面ｓｂを逆にし、中央部に非反射面ｓｂの幅よりも広い幅の幅広非反射面を設けてもよい。

この第３例の反射板２６によれば、反射型フォトセンサ１２の受光部１４ａ〜１４ｃからの出力Ａ〜Ｃは、図５（Ｂ）に示されるようになり、中央部に信号レベルが最大となる状態の検出領域が現れることになる。この場合は、例えばＡ，Ｂ，Ｃの中のいずれか２つの信号が判定レベルＥｃを超えたとき（ハイレベルになったとき）、反射板２６の中央点（移動範囲の中央点）が判定される。なお、中央部に幅広非反射面を設けた場合は、中央部に信号レベルが最小となる状態の検出領域が現れる。

上記反射板の第３例では、反射板２６（或いは移動物）の中央点だけでなく、任意に設定した特定点を検出する場合に用いることができ、また位置検出の距離を複数に分離した場合の分離点を検出する場合、或いは単一の移動物に対し２つの駆動系を接続し、この２つの駆動系の切換え点等を検出する場合等に適用することが可能である。

図６には、第２実施例の位置検出装置の回路構成が示されており、この第２実施例はエンド点を検出する場合（第１例と第２例の反射板）の構成で、その検出速度が図１の構成よりも速くなるようにしたものである。
図６に示されるように、受光部１４ａからの出力Ａを入力するコンパレータ３１、受光部１４ｃからの出力Ｃを入力するコンパレータ３２、アンド回路３３、エンド点制御回路（又はシャットダウン回路）３４を設けると共に、プロセッサ３５では、上記コンパレータ３１，３２の判定（基準）レベル信号をＤ/Ａ変換器１９を介して出力する。

この第２実施例によれば、コンパレータ３１と３２により出力ＡとＣが判定レベル以上であるか否かが判定され、両方の出力Ａ，Ｃが判定レベル以上となり、アンド回路３３からハイレベルが出力されることで、反射板１０，２４（レンズ筒２等の移動物）がエンド点にあることが検出される。このエンド点の検出信号は、エンド点制御回路（又はシャットダウン回路）３４へ供給され、このエンド点に基づいたレンズ筒２等のアクチュエータ制御等が行われる。また、３４をシャットダウン回路とした場合は、このエンド点信号をフェィルセーフのシステムのトリガー信号として用いることができ、これによって、電源制御、異常表示等が行われる。

このような検出処理によれば、図１のようにＬＳＩからなる制御回路によらないので、検出・判定にかかる時間が速くなるという利点がある。なお、この第２実施例の構成は、反射板２６を用いて中央点を検出する場合にも適用できる。

図１及び図６において、プロセッサ１８，３５では、位置検出のための演算が行われるが、この演算として、２つの受光部１４ａ，１４ｂから出力された９０度の位相差のある出力（値）Ａ，Ｂを用い、図７に示されるように、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）及び（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）の演算が行われる。

図７には、第１，第２実施例でのセンサ位置（移動位置）の演算値が示されており、プロセッサ１８，３５では、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）［＝ｂ］及び（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）［＝ａ］の演算を行うことで、図７に示されるように、反射板座標に対し上り傾斜部ａと下り傾斜部ｂを繰り返す三角波形が求められる。この演算によって、フォトセンサ１２の検出出力の直線性（リニアリティ）を向上させた上で、移動位置の検出が可能となる。

上記の演算式によれば、反射型フォトセンサ１２の温度特性も完全にキャンセルすることができる。例えば、温度の影響がなく、Ａ＝０．４（Ｖ）、Ｂ＝０．１（Ｖ）であるとき、上記演算式（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）による値は０．６となり、これに対し、温度の影響により１割の変動があったとすると、Ａ＝０．４４、Ｂ＝０．１１となるが、この場合も、演算値は０．６となり、変動分がキャンセルされる。従って、装置内温度をサーミスタでモニタしフィードバックをかける回路や、特別な温度特性キャンセル回路を設ける必要がない。

また、第１，第２実施例では、１８０度位相差のある出力（値）ＡとＣに基づき、図８に示されるように、中点電位を（Ａ＋Ｃ）／２により算出し、中点電位（電圧）を補正するようにしている。即ち、上記の位置検出演算では、受光素子１４からの出力信号の中点電位を基準とした演算処理が必要であるが、反射型フォトセンサ１２の温度依存性により、中点電位のレベルが変化した場合には、演算結果のリニアリティが崩れてしまう。そこで、実施例では、出力ＡとＣから中点電位を求め、それぞれの中点電位を補正することで、センサ位置及び特定位置の検出が確実に行われる。

図８には、第１例の反射板１０，第３例の反射板２６に対応する中点電位及び判定レベル（閾値）が示されており（出力についてはＡのみを表示）、図示されるように、（Ａ＋Ｃ）／２によって中点電位が算出されると、この中点電位に出力Ａ〜Ｃの中点（基準点）が一致するように補正されると共に、この算出された中点電位に基づいて判定レベル（中点電位＋予め決められた所定電位）Ｅａ，Ｅｃが設定される。そして、反射板１０の場合は、判定レベルＥａを出力Ａ〜Ｃ（この中の少なくとも１つ）が超えたとき、両端のエンド点にあることが判定され、反射板２６の場合は、移動範囲の中央点が検出される。なお、第２例の反射板２４の場合は、算出された中点電位に基づいて判定レベル（中点電位−予め決められた所定電位）Ｅｂが設定され、この判定レベルＥｂを下回ったとき、両端のエンド点が検出される。

本発明は、長距離検出を高分解能で行う位置検出装置等として、例えば高倍率ズームが必要なデジタルスチールカメラ、一眼レフ、カムコーダ、ＣＣＴＶ等の長距離検出用アクチュエータ等に適用することができる。

２…レンズ筒、６ａ，６ｂ，１２…反射型フォトセンサ、
１０，２４，２６…反射板（反射部）、
１３…発光素子、１４…受光素子、
１４ａ〜１４ｃ…受光部、１５…検出制御回路（ＬＳＩ）、
１６ａ〜１６ｃ…バッファアンプ、
１８，３５…プロセッサ、３１，３２…コンパレータ、
３３…アンド回路、３４…エンド点制御回路、
ｓａ…反射面、ｓｂ…非反射面、
Ｔ_ｓａ，Ｃ_ｓａ…幅広反射面、Ｔ_ｓｂ…幅広非反射面。

Claims

反射面と非反射面を移動物の移動方向に交互に並べた交互パターンを設けると共に、上記反射面のみ又は非反射面のみからなり特異に変化する特異パターンを持たせた反射部と、
この反射部に対し発光する１つの発光素子、及び上記反射部の移動方向でそれぞれ異なる受光領域を持ち、出力位相が９０度ずつ進むように設定された３つの受光部を有し、この３つの受光部で上記反射部からの反射光を受光する受光素子が設けられた反射型フォトセンサと、を備え、
上記３つの受光部から９０度位相差のある２つの信号を出力し、この出力をＡ，Ｂとすると、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）及び（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）の演算を行うことにより、上記移動物の位置を検出すると共に、
上記３つの受光部から１８０度位相差のある２つの信号を出力し、この出力をＡ，Ｃとすると、（Ａ＋Ｃ）／２の演算を行うことにより中点電位を求め、この中点電位に上記出力Ａ〜Ｃの基準点が一致するように補正し、かつ
上記中点電位を基準にして予め設定した判定レベルを上記受光部からの上記特異パターンの出力が超えるとき又は下回るとき、特定位置にあることを検出する反射型フォトセンサを用いたカメラのレンズ位置検出装置。