JP6536650B2 - 振動アクチュエータの駆動制御装置及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動アクチュエータの駆動制御装置及び光学機器に関するものである。

従来、カメラ用レンズ内の焦点調節レンズ（被駆動部）の駆動用アクチュエータとして、超音波モータを用い、高速かつ高精度に焦点調節レンズを位置決め駆動する技術が示されている。
これらの技術では、この被駆動部を目標位置に停止させる場合、低速で移動させている状態で目標位置近傍に到達したことを検知後、超音波モータへの電源供給を遮断して停止させる（特許文献１参照）。

特開２００８−７９３９６号公報

近年は、デジタルスチルカメラであっても動画撮影が可能な製品が一般的になりつつある。動画撮影中は、通常、フォーカスを被写体にあわせ続ける機能が働くため、焦点調節レンズが頻繁に駆動される。そのため焦点調節レンズの駆動音が大きいと、動画撮影時その駆動音が不快なノイズとして録音されてしまう。
超音波モータは、可聴音域を越えた領域の周波数を用いて駆動されるため、モータ単体での駆動音は比較的小さい。しかしながら特許文献１で示される従来の駆動制御方式では、モータ駆動開始時および駆動停止時に駆動音が録音されてしまうという問題がある。

本発明の課題は、モータ駆動開始時および駆動停止時における駆動音の発生を抑制しつつ被駆動部を目標位置に正確に位置決めすることが可能な振動アクチュエータの駆動制御装置及び光学機器を提供することにある。

本発明は、振動アクチュエータの駆動制御装置であって、前記振動アクチュエータの駆動速度を検出する速度検出部と、前記振動アクチュエータの目標駆動速度を算出する算出部と、前記振動アクチュエータを駆動する周波数を第１周波数に制御し、前記算出部が算出した目標駆動速度が所定の速度以下となり、前記速度検出部で検出した駆動速度が所定の速度より大きいと、前記算出部の目標駆動速度を算出する制御を停止し、前記振動アクチュエータを駆動する周波数を前記第１周波数と異なる第２周波数に制御する制御部と、を備える駆動制御装置に関する。
また、本発明は、上記駆動制御装置と、前記駆動制御装置によって駆動される振動アクチュエータと、を備える光学機器に関する。

本発明によれば、駆動音の発生を抑制しつつ被駆動部を目標位置に正確に位置決めすることが可能な振動アクチュエータの駆動制御装置及び光学機器を提供することができる。

本実施形態の焦点調節レンズの駆動制御ブロック図である。 本実施形態の超音波モータのｆ−Ｎ特性を示した図である。 本実施形態における駆動制御方法の切り替えタイミングを示した図である。 駆動終了時の判定処理を示した図である。 駆動終了時の判定処理を示した図である。 駆動終了時の判定処理を示した図である。 駆動停止時の切り替え判定処理を示したフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態によるレンズ鏡筒１内の焦点調節レンズ２００の駆動制御ブロック図である。
レンズ鏡筒１は、レンズマイコン（駆動制御装置）１００と、焦点調節レンズ２００と、レンズ駆動機構３００と、レンズ位置検出機構４００とを備えている。

焦点調節レンズ２００は不図示のレンズ保持枠と一体となって光軸方向に駆動される。以下、焦点調節レンズ２００及びレンズ保持枠を合わせてレンズ可動部２００Ａという。

レンズ駆動機構３００は、超音波モータ２２０と、この超音波モータ２２０を駆動する超音波モータ駆動回路２３０と、超音波モータ２２０の回転運動をレンズ可動部２００Ａの光軸方向の直線運動に変換する動力伝達機構２１０を備える。

レンズ位置検出機構４００は、動力伝達機構２１０内の回転機構部の回転方向の変位を検出するロータリーエンコーダ２４０と、レンズ可動部２００Ａの原点位置検出用センサ２５０とを備える。
ロータリーエンコーダ２４０からは、レンズマイコン１００が直接取り込み可能なデジタルパルス列が出力される。

レンズマイコン１００は、位置検出部１０１、速度検出部１０２、超音波モータ２２０の目標回転速度（目標回転速度）を演算する目標速度演算部１０３、速度制御部１０４、駆動周波数掃引部１０６、駆動周波数演算部１０５、駆動周波数選択部１０８、駆動パルス生成部１０９、および速度制御切替判定部１０７を備える。

位置検出部１０１および速度検出部１０２は、レンズマイコン１００に取り込まれたデジタルパルス列から、超音波モータ２２０の回転位置および回転速度をそれぞれ計算する。
なお一般的にはロータリーエンコーダはインクリメンタルタイプであり、原点位置検出用センサ２５０の出力を基に、レンズ可動部２００Ａの絶対位置が計算される。

目標速度演算部１０３は、カメラボディから指示された焦点調節レンズの駆動目標位置および位置検出部１０１で演算された現在の回転位置に基づいて、目標回転速度を演算する。

速度制御部１０４は、目標速度演算部１０３で演算された目標回転速度と速度検出部１０２で検出された現在の回転速度に基づいて制御操作量を演算するブロックである。
本実施形態では、目標回転速度と現在の回転速度との差（速度誤差）から演算されるフィードバック演算量と、目標回転速度とのみで決定されるフィードフォワード演算量との和を制御操作量としている。

駆動周波数演算部１０５では、速度制御部１０４における演算結果である制御操作量を基に超音波モータ２２０に印加する駆動周波数を算出する。
駆動周波数演算部１０５は、超音波モータのｆ−Ｎ特性（印加周波数〜回転数特性）に基づいた変換テーブルを有しており、この変換テーブルを用いて制御操作量（制御回転数）に対応した駆動周波数を取得する。

一方、駆動周波数掃引部１０６では、規定の周波数変化率（掃引レート）に基づいて駆動周波数を決定する。すなわち、速度誤差や目標回転速度とは関係なく、一定の変化量で駆動周波数を変化させる処理が行われる。

速度制御切替判定部１０７では、駆動開始時には速度制御演算が無効から有効になるタイミング、駆動停止時には速度制御演算が有効から無効になるタイミングをそれぞれ判定する。
なお、速度制御演算が有効であるとは、駆動周波数演算部１０５において算出された駆動周波数の駆動パルスを用いて超音波モータ２２０を駆動する場合であり、速度制御演算が無効であるとは、駆動周波数掃引部１０６において算出された駆動周波数の駆動パルスを用いて超音波モータ２２０を駆動する場合である。

駆動周波数選択部１０８は、駆動パルス生成部１０９に出力する駆動周波数を、速度制御切替判定部１０７の判定結果に従って選択する。
すなわち、速度制御切替判定部１０７において「速度制御演算を有効にする」と判定された以降は、駆動周波数演算部１０５で計算された駆動周波数を選択し、逆に「速度制御演算を無効にする」と判定された以降は、駆動周波数掃引部１０６で計算された駆動周波数を選択する。速度制御切替判定部１０７の処理の詳細については、後述する。

駆動パルス生成部１０９は、駆動周波数選択部１０８で選択された駆動周波数および駆動方向に基づいて、超音波モータ駆動回路２３０に供給する２相の駆動パルス列を生成する。
超音波モータ駆動回路２３０は、マイコンから出力される２相の駆動パルスに同期した周期信号を生成し、超音波モータ２２０に供給して超音波モータ２２０を回転させる。超音波モータ２２０の回転は、動力伝達機構２１０を介してレンズ可動部２００Ａに伝達され、レンズ可動部２００Ａを光軸方向に駆動する。

次に、速度制御切替判定部１０７の判定処理の詳細について述べる。
なお以下の説明では簡略化のため、回転方向は考慮せず全て正の方向の駆動とする。

［駆動開始時の判定処理］
図２は超音波モータ２２０のｆ−Ｎ特性の例を示したグラフである。図３は本実施形態における駆動制御方法の切り替えタイミングを示した図である。
まず、図３に示す超音波モータ２２０の駆動開始時、速度制御演算は無効の状態であり、速度制御切替判定部１０７は、無効の状態から有効の状態に切り替えるタイミングを判定する。

すなわち、超音波モータ２２０の駆動開始当初は、速度制御演算は無効であるので、選択部１０８は駆動周波数掃引部１０６で決定された駆動周波数を選択し、駆動パルス生成部１０９はその駆動周波数の駆動パルスを生成し、超音波モータ２２０に供給する。
供給される周波数は、最初は超音波モータ２２０が回転しない周波数ｆＤｓｔｏｐから始まり、掃引処理によって徐々に低周波となり、やがて超音波モータが回転し始める周波数ｆＤｓｔａｒｔに到達する。

そして、実施形態において速度制御切替判定部１０７は、超音波モータ２２０が回転し始めたことを検出したタイミングで、駆動周波数演算部１０５の出力を選択するように選択部１０８に指示し、速度制御演算が有効状態に切り替わる。
それ以降は、速度制御部１０４で演算された制御操作量に基づいて駆動周波数を算出し超音波モータ２２０に供給する。

なお、実際に超音波モータ２２０が回転し始める駆動周波数（ｆＤｓｔａｒｔ）は、ｆ−Ｎ特性における回転速度０の駆動周波数ｆＤ０とは必ずしも一致しない。
そのため、単純に切り替えると速度制御演算の切り替え前後で駆動周波数が不連続となってしまう可能性がある。
これを回避するための処理、例えば、ｆＤｓｔａｒｔとｆＤ０との差をオフセット値ｆＤｏｆｓとして記憶しておき、以降、駆動周波数演算部１０５で求めた駆動周波数にｆＤｏｆｓを加算するといった補正処理を行う。

［駆動終了時の判定処理］
図４から図６は駆動終了時の判定処理を示した図である。
駆動終了時は、速度制御演算が有効の状態から無効となって、速度制御切替判定部１０７は、周波数掃引処理に切り替えるタイミングを判定する。
回転停止する直前は、停止準備速度（制御可能な最小回転速度またはそれに近い速度）まで超音波モータ２２０を減速し、その速度にて現在位置が停止目標位置から既定の距離（停止減速開始位置）範囲内に到達するのを待つ。
現在位置が、停止目標位置から既定の距離範囲内に到達後は、速度制御を有効としたまま目標回転速度を徐々にゼロに減速する。

ここで、図４のように、通常動作、すなわち、超音波モータ２２０の実回転速度が目標回転速度に適切に追従して回転停止した場合、レンズ可動部２００Ａは、停止目標位置にほぼ近い位置で停止することができる（すなわち、超音波モータ２２０が目標駆動位置にほぼ近い位置で停止）。
従って、超音波モータ２２０の目標回転速度がゼロとなったタイミングで速度制御から駆動周波数掃引制御に切り替えて（速度制御有効から無効に切り替えて）、最終的に駆動周波数を停止周波数ｆＤｓｔｏｐとする。

しかしながら、図５及び図６に示すように、超音波モータ２２０は、停止準備速度以下の回転数では回転が不安定であり、例えば、目標回転速度がゼロになる前に回転が停止する、あるいは逆に目標回転速度がゼロになっても未だしばらく回転し続けるといったことが起こりうる。

図５のように目標回転速度がゼロになる前に回転が停止した場合は、速度フィードバック制御により再度モータを回転させようとして操作量が演算されるが、停止した位置が停止目標位置に対して停止許容範囲内であれば、再度回転させる必要は無い。
つまり、この時点で超音波モータ２２０への制御を止めても良い。

しかしながら、単にこの時点での駆動周波数を保持しても超音波モータ２２０が安定して停止し続ける保証はない。従って、速度制御を無効とし駆動周波数掃引制御に切り替えて駆動周波数を停止周波数ｆＤｓｔｏｐまで徐々に上げていく。

一方、図６のように目標回転速度がゼロになってもモータが回転し続けている場合は、速度フィードバック制御によりいずれモータは回転を停止するはずであるが、停止目標範囲を超えてしまう可能性がある。
さらに減速時の速度制御誤差が大きい場合は、目標回転速度がゼロになる前に停止目標位置をオーバーしてしまうことも考えられる。
このような場合も考慮し、停止目標回転速度から既定量離れた位置に速度制御強制終了位置を設ける。そして、目標回転速度減速中に速度制御強制終了位置に達した場合は、目標回転速度がゼロに到達する前であっても強制的に速度制御を終了し、駆動周波数掃引処理に切り替える。

これらの駆動終了時のレンズマイコン１００の処理を図７のフローチャートに示す。
なお、この処理は、レンズマイコン１００において定期的に行われるものであるが、これに限定されず、継続的に繰り返されるものであってもよい。

まず、レンズマイコン１００は、現在、速度制御演算が有効となっているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。有効でない場合（すなわち、すでに速度制御演算が無効の場合）、駆動終了時の処理は終了する。有効の場合は、ステップＳ２０２へ進む。

ステップＳ２０２で目標回転速度がゼロになったか否かを判定する。
目標回転速度がゼロである場合（ステップＳ２０２，ＹＥＳ）、速度制御を無効にして（ステップＳ２０７）終了する。すなわち、上述の図４の場合である。

目標回転速度がゼロでない場合（ステップＳ２０２，ＮＯ）、速度制御強制終了位置を超えたかどうかを判定する（ステップＳ２０３）。速度強制終了位置を超えている場合（ステップＳ２０３，ＹＥＳ）、すなわち、速度強制終了位置よりも停止目標位置に近い場合、速度制御を無効にして（ステップＳ２０７）終了する。すなわち、上述の図６の場合である。

速度強制終了位置を超えていない場合（ステップＳ２０３，ＮＯ）、超音波モータ２２０がすでに停止しているかどうか判定する（ステップＳ２０４）。すでに停止している場合（ステップＳ２０４、ＹＥＳ）、停止している位置が、停止目標位置に対して許容範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。
許容範囲にある場合（ステップＳ２０５，ＹＥＳ）、速度制御を無効にして（ステップＳ２０７）終了する。すなわち、上述の図５の場合である。

ステップＳ２０４において、超音波モータ２２０がまだ停止していない場合（ステップＳ２０４，ＮＯ）、または許容範囲外にある場合（ステップＳ２０５，ＮＯ）、速度制御有効状態を維持して（ステップＳ２０６）、終了する。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
上述のように本実施形態においては、レンズ可動部２００Ａが停止状態から動き出すまでは駆動周波数掃引部１０６による周波数掃引制御を行う。そして、レンズ可動部２００Ａが動き出した後、制御方式を、周波数掃引制御から駆動周波数演算部１０５による速度フィードバック制御方式に切り替えて加速および減速も含めて速度制御を実施する。
停止時においては、レンズ可動部２００Ａが十分に減速した状態から停止目標位置近辺で移動速度がゼロとなるように減速し、目標回転速度がゼロとなった時点、あるいは、停止目標位置の許容範囲に到達したと判定された時点で駆動制御方式を速度フィードバック制御方式から再び周波数掃引制御方式に切り替える。
さらに、レンズ可動部２００Ａが停止した後も駆動周波数が既定の周波数に達するまで周波数掃引処理を継続する。
上記のような制御方法によれば、加速度および減速度を、騒音の発生しない値以下に制御が可能で、超音波モータ駆動開始時および駆動停止時における衝撃音の発生が抑制される。
また、停止目標位置近傍に到達する直前まで速度フィードバック制御をかけた状態で停止減速処理を行い、周波数掃引処理への切り替え条件も複数準備することで、位置決め精度も確保できる。
このように、本実施形態によれば、駆動音の発生を抑制しつつ目標位置に正確に位置決めすることが可能な振動アクチュエータ駆動制御装置を実現できる。

（変形形態）
以上、説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
（１）たとえば、上述の図４から図６のように複数の速度制御終了条件がある場合には、成立した終了条件によって後続の駆動周波数の掃引レートを変えても良い。
例えば、図６の場合のように強制速度制御終了位置に達して速度制御を終了した場合は、他の条件で終了した場合に比較してより早く確実に停止させる必要があるため、他の場合に比べて掃引レートを大きくしても良い。すなわち、図６の駆動周波数のグラフにおける、一点鎖線のように、駆動周波数と時間とのグラフにおける傾きを大きくしても良い。

（２）また、動作モードが複数存在するようなカメラシステムでは、動作モードごとに掃引レートを変更しても良い。すなわち、静止画撮影モードのときには音の発生は問題にならないため、掃引レートを動画撮影モードよりも大きくする。

（３）また、本実施形態では、駆動停止完了までは超音波モータ２２０に電源を供給し続ける制御方法について記述したが、駆動停止完了後は、そのまま電源を供給し続けても良いし、突発音の生じない方法（例えば振幅掃引処理等）で電源の供給を停止して駆動時に再度投入してもどちらでもよい。
なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。

１：レンズ鏡筒、１００：レンズマイコン、１００：駆動制御装置、１０１：位置検出部、１０２：速度検出部、１０３：目標速度演算部、１０４：速度制御部、１０５：駆動周波数演算部、１０６：駆動周波数掃引部、１０７：速度制御切替判定部、１０８：駆動周波数選択部、１０９：駆動パルス生成部、２００：焦点調節レンズ、２００Ａ：レンズ可動部、２１０：動力伝達機構、２２０：超音波モータ、２３０：超音波モータ駆動回路、２４０：ロータリーエンコーダ、２５０：原点位置検出用センサ、３００：レンズ駆動機構、４００：レンズ位置検出機構

Claims (5)

1. 振動アクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記振動アクチュエータの駆動速度を検出する速度検出部と、
   前記振動アクチュエータの目標駆動速度を算出する算出部と、
   前記振動アクチュエータを駆動する周波数を第１周波数に制御し、前記算出部が算出した目標駆動速度が所定の速度以下となり、前記速度検出部で検出した駆動速度が所定の速度より大きいと、前記算出部の目標駆動速度を算出する制御を停止し、前記振動アクチュエータを駆動する周波数を前記第１周波数と異なる第２周波数に制御する制御部と、
   を備える駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記目標駆動速度がゼロとなり、前記駆動速度がゼロより大きい場合に前記第１周波数から前記第２周波数に制御する駆動制御装置。
3. 請求項１から請求項２までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置において、
   前記制御部は、前記振動アクチュエータの周波数を一定の変化率で変化させる駆動制御装置。
4. 請求項３に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置において、
   前記駆動制御装置は、複数の動作モードを備え、前記動作モードによって前記変化率が異なること、
   を特徴とする振動アクチュエータ駆動制御装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の駆動制御装置と、
   前記駆動制御装置によって駆動される振動アクチュエータと、
   を備える光学機器。

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