JP6994862B2 - アクチュエータドライバ及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータドライバ及びこれを用いた撮像装置に関する。

近年、携帯電話やタブレット端末などのモバイル機器では、ほとんどの場合においてカメラが搭載されており、中でもオートフォーカス（ＡＦ）機能を備えたものが圧倒的な数を占めている。ＡＦ機能を有するカメラでは、通常、被写体位置に応じてレンズの繰り出し位置を調整するためのアクチュエータを備えている。アクチュエータについては、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）方式のものが主流であるが、そのほかにも、圧電素子を利用する方式、形状記憶合金を利用する方式など、さまざまな方式が提案され、実用化されている。また、ＶＣＭ方式においても、可動部をバネで支持するタイプのほか、ボールでガイドする構造なども考えられている。いずれの場合も、アクチュエータドライバにより電圧や電流などを印加することで電気的なエネルギを与えて、これを力に変換して可動部を動かす、というのが基本原理となっている。

ＡＦ動作では、コントラスト法や位相差検出法などにより目標となる合焦位置を定め、可動部（撮像レンズ）がこの目標位置に到達するように制御する。しかしながら、所定の電圧あるいは電流の印加で可動部が目標位置にとどまっていたとしても、重力が可動部に作用すると、この外力によって可動部が変位してしまうことが考えられ、何らかの補正が必要となる。

特許文献１には、重力の方向を検出し、重力の方向に基づいてレンズを所定の位置に位置決めするための電流値を補正する技術が開示される。具体的には、重力の方向を検出して、重力の方向に応じて電流値の補正係数を定めて、電流値を補正する技術が開示される。

特開２０１３－３３０１号公報

本発明者は、レンズの位置制御について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。特許文献１の技術は、撮像装置が静止していることを前提とした技術であり、撮像装置が実際に加速度運動を行う場合には、レンズの位置を正しく補正することができない。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、撮像装置が加速度運動を行う場合であっても、レンズを正確に位置決め可能な撮像装置の提供にある。

本発明のある態様は、撮像装置に関する。撮像装置は、撮像素子と、撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、レンズを含む可動部を第１方向に変位させるアクチュエータと、撮像装置に対して第１方向に加わる加速度を示す第１加速度情報を生成する加速度検出手段と、レンズの第１方向の目標位置に応じたベース指令値に第１加速度情報に応じた補正値を重畳し、それにより得られる補正指令値にもとづいてアクチュエータを制御するアクチュエータドライバと、を備える。

この態様によると、撮像装置が静止した状態でレンズに重力が及ぼす力の影響を低減でき、さらには、撮像装置が外力によって加速度運動を行う場合に、慣性力の影響を低減できる。

アクチュエータドライバにおける制御は、オープンループ制御であってもよい。
クローズドループ制御（フィードバック制御）の場合には、位置検出信号が目標値に近づくようにサーボがかかるため、外力に対するレンズの安定性はもともと高いといえる。これに対してオープンループ制御に、第１加速度情報にもとづく補正を組み合わせることで、外力に対するレンズの安定性を高めることが可能となる。

アクチュエータドライバにおける制御は、クローズドループ制御であってもよい。
クローズドループ制御では、外力によるレンズの変化の耐性はもともと高いが、第１加速度情報にもとづく補正との組み合わせを禁ずるものではない。

第１方向は、レンズの光軸方向であってもよい。すなわちオートフォーカスのためのレンズの位置制御に、第１加速度情報にもとづく補正を導入することで、ＡＦの安定性を高めることができる。

加速度検出手段は、撮像装置に対して第１方向と直交する第２方向に加わる加速度を示す第２加速度情報をさらに生成し、アクチュエータドライバは、レンズの第２方向の目標位置に応じたベース指令値に第２加速度情報に応じた補正値を重畳し、それにより得られる補正指令値にもとづいてアクチュエータを制御してもよい。

第１方向および第２方向はそれぞれ、レンズの光軸と垂直であってもよい。すなわち手ブレ補正のためのレンズの位置制御に、第１、第２加速度情報にもとづく補正を導入することで、手ブレ補正の安定性を高めることができる。

本発明の別の態様は、撮像装置に搭載されるアクチュエータドライバに関する。撮像装置は、撮像素子と、撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、レンズを含む可動部を第１方向に変位させるアクチュエータと、撮像装置に対して第１方向に加わる加速度を示す第１加速度情報を生成する加速度検出手段と、を備える。アクチュエータドライバは、レンズの第１方向の目標位置に応じたベース指令値に、第１加速度情報に応じた補正値を重畳し、補正指令値を生成する制御回路と、補正指令値にもとづいてアクチュエータを制御する駆動部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

さらに、この課題を解決するための手段の記載は、すべての欠くべからざる特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

本発明によれば、外力に対するレンズの安定性を高めることが可能となる。

第１の実施の形態に係る撮像装置を示す図である。 図２（ａ）～（ｃ）は、重力がＡＦシステムに及ぼす影響を説明する図である。 重力以外の外力がＡＦシステムに及ぼす影響を説明する図である。 アクチュエータドライバＩＣを備えるレンズ制御装置のブロック図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、重力の影響の補正を説明する図である。 慣性力の影響を説明する図である。 外乱振動が発生する状況の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る撮像装置を示す図である。 第２の実施の形態に係るアクチュエータドライバＩＣを備えるレンズ制御装置のブロック図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、並進ブレを説明する図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、角度ブレと並進ブレを説明する図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
本実施の形態では、撮像装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る撮像装置３００を示す図である。撮像装置３００は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、スマートフォンやタブレット端末に内蔵されるカメラモジュールである。撮像装置３００は、撮像素子３０２、レンズ３０４、プロセッサ３０６、加速度センサ３０８およびレンズ制御装置４００を備える。レンズ３０４は、撮像素子３０２に入射する光の光軸上に配置される。レンズ３０４はオートフォーカス（ＡＦ）用レンズである。レンズ制御装置４００は、プロセッサ３０６からの位置指令値（ターゲットコードとも称する）Ｐ_ＲＥＦ０にもとづいて、レンズ３０４をその光軸方向（Ｚ軸方向)に位置決めする。

プロセッサ３０６は、撮像素子３０２が撮像した画像のコントラストが高くなるように、位置指令値Ｐ_ＲＥＦ０を生成する（コントラストＡＦ）。あるいは撮像素子３０２の外部に設けられ、あるいは撮像面に埋め込まれたＡＦセンサからの出力にもとづいて、位置指令値Ｐ_ＲＥＦ０が生成されてもよい（位相差ＡＦ）。

レンズ制御装置４００は、アクチュエータ４０２、アクチュエータドライバＩＣ（Integrated Circuit）５００を備える。アクチュエータ４０２は、たとえばコイル３１４と永久磁石３１６との磁気的作用を利用したボイスコイルモータである。コイル３１４は、レンズ３０４を支持するレンズホルダー３１０に巻回されていてもよい。レンズ３０４、レンズホルダー３１０およびコイル３１４は、ＡＦの可動部３０３を形成する。永久磁石３１６は、ボイスコイルモータの固定部側に、コイル３１４に対向して設けられる。アクチュエータ４０２の固定部は、撮像装置３００の筐体３０１に対して固定されている。なお図１では、筐体３０１の外部に、アクチュエータドライバＩＣ５００が示されるが、アクチュエータドライバＩＣ５００は筐体３０１の内部に設けることができる。

アクチュエータドライバＩＣ５００は、位置指令値Ｐ_ＲＥＦ０にもとづいてアクチュエータ４０２に印加する駆動電流Ｉ_ＤＲＶを制御する。ただし、所定の位置に対する電流値は、所定の姿勢（すなわち所定の重力加速度）において行われたキャリブレーションによって決定される。たとえば、光軸と垂直な方向に重力が作用している姿勢でキャリブレーションが行われたとすると、この条件における位置と電流値の関係が決定されており、姿勢が変化して可動部３０３に光軸方向の重力が作用したり、外乱振動による加速度、すなわち慣性力が作用した場合には、キャリブレーションで決定した位置と電流値の関係が変化してしまう。

撮像装置３００の力学モデルを参照しながら、重力および外力の影響を説明する。
図２（ａ）～（ｃ）は、重力がＡＦシステムに及ぼす影響を説明する図である。可動部３０３はバネ３１２によって支持されている。バネ３１２は光軸方向に撓みやすい構造となっており、光軸に垂直な方向の重力による変形量はごくわずかである。つまり撮像装置３００のＡＦシステムは、弾性モデルとして把握できる。図示しないアクチュエータ４０２は、レンズ３０４を含む可動部３０３を、光軸方向（Ｚ軸方向）に変位させる。なお、図２（ａ）～（ｃ）では、バネ３１２は、Ｚ軸方向にも力を発生させることに留意されたい。バネ３１２がＺ軸方向に発生する弾性力Ｆ_ＥＬＳと表す。また図２（ａ）～（ｃ）では重力以外の外力は働かないものとし、撮像装置３００（ＡＦシステム）は静止状態あるいは等速運動を行っているものとする。

図２（ａ）は、重力方向と可動部３０３の可動方向（Ｚ軸方向）が垂直な場合である。この場合、重力は可動部３０３の変位に影響を与えず、可動部３０３には、アクチュエータ４０２が発生する力Ｆ_ＡＣＴと、バネ３１２の弾性力Ｆ_ＥＬＳが働いており、それらが釣り合う位置に、可動部３０３が静止する。

多くのシステムでは、図２（ａ）の状態を基準として、すなわち重力の影響を受けない状態（標準状態という）を基準としてキャリブレーションされ、目標位置（目標変位量）Ｚ_ＲＥＦに可動部３０３を変位させるために必要な駆動電流Ｉ_ＤＲＶが規定されている。たとえば駆動電流Ｉ_ＤＲＶ＝０で、ピントが無限遠となるように、電流値と駆動電流Ｉ_ＤＲＶの関係が規定される。

そして実動作中は、目標位置Ｚ_ＲＥＦを示すターゲットコードＰ_ＲＥＦ０に応じた駆動電流Ｉ_ＤＲＶをアクチュエータ４０２に供給して、可動部３０３を目標位置Ｚ_ＲＥＦに変位させる。

図２（ｂ）は、重力方向と可動部３０３の可動方向（Ｚ軸方向）が平行な場合である。この場合、可動部３０３には、アクチュエータ４０２が発生する力Ｆ_ＡＣＴおよびバネ３１２の弾性力Ｆ_ＥＬＳに加えて、重力ｍｇが働く。ｍは可動部３０３の質量を、ｇは重力加速度を表す。重力に関して何の補正も行わずに、標準状態を基準として規定された駆動電流Ｉ_ＤＲＶを供給すると、重力ｍｇの項によって、可動部３０３の位置が、目標位置Ｚ_ＲＥＦからΔＺだけずれることとなる。

図２（ｃ）は、重力方向が、可動部３０３の可動方向（Ｚ軸方向）に対してθずれている場合である。この場合、重力の可動部３０３のＺ軸方向の成分は、ｍｇｃｏｓθとなる。重力に関して何の補正も行わずに、標準状態を基準として規定された駆動電流Ｉ_ＤＲＶを供給すると、重力ｍｇｃｏｓの項によって、可動部３０３の位置が、目標位置Ｐ_ＲＥＦからΔＺ’だけずれる。図２（ｂ）は、図２（ｃ）においてθ＝０°とした場合に相当する。

図３は、重力以外の外力がＡＦシステムに及ぼす影響を説明する図である。撮像装置３００がＺ軸方向に加速度α_ＥＸＴで加速度運動しているとき、可動部３０３には、加速度α_ＥＸＴによる慣性力Ｆ_Ｉが働く。この慣性力Ｆ_Ｉによっても、可動部３０３は目標位置Ｚ_ＲＥＦからΔＺ”、ずれることになる。慣性力Ｆ_Ｉは、Ｆ_Ｉ＝ｍα_ＥＸＴで表される。

実施の形態に係る撮像装置３００は、図２（ｂ）、（ｃ）に示す重力の影響のみでなく、図３に示すような撮像装置３００全体の加速度運動にともなう慣性力の影響を補正する機能を備える。以下、この補正機能について説明する。

図２（ｂ）、（ｃ）あるいは図３を参照して説明したように、ＤＣ成分であれ、ＡＣ成分であれ、外部から可動部３０３に加速度が作用すると、可動部３０３は力を受け、変位しようとする。

アクチュエータドライバＩＣ５００は、重力加速度のみでなく、外乱振動等に起因する加速度の影響を打ち消すように、アクチュエータ４０２に印加する電流値を補正する。

可動部３０３のＺ軸方向の運動方程式は以下で表される。
ｍα＝Ｆ_ＡＣＴ＋Ｆ_ＥＬＳ＋ｍ（ｇｃｏｓθ＋α_ＥＸＴ）
＝Ｆ_ＡＣＴ＋Ｆ_ＥＬＳ＋ｍα_Ｚ
αは、可動部３０３自体の加速度であり、撮像装置３００全体の加速度α_ＥＸＴと混同してはならない。右辺第３項のｍ（ｇｃｏｓθ＋α_ＥＸＴ）＝ｍα_Ｚが、重力加速度および外乱振動等の外力の影響に相当する。ただし、α_Ｚ＝（ｇｃｏｓθ＋α_ＥＸＴ）とした。α_Ｚは、撮像装置３００全体がＺ軸方向に受ける加速度である。なお、Ｆ_ＡＣＴ、Ｆ_ＥＬＳ、θ、α_ＥＸＴはそれぞれ、力の向きに応じて正または負を取りえる。

アクチュエータドライバＩＣ５００は、ｍα_Ｚの項の影響が小さくなるように、駆動電流Ｉ_ＤＲＶを補正して、アクチュエータ４０２の発生する力を補正する。標準状態で規定されたターゲットコードＰ_ＲＥＦ０に対応する駆動電流をＩ_ＤＲＶ０とし、そのときにアクチュエータ４０２が発生する力をＦ_ＡＣＴ０とする。アクチュエータドライバＩＣ５００は、アクチュエータ４０２が、Ｆ_ＡＣＴ＝Ｆ_ＡＣＴ０－ｍα_Ｚを発生するように、駆動電流Ｉ_ＤＲＶに、補正成分ΔＩ_ＤＲＶを重畳する。

これにより、重力および外力の影響を低減し、可動部３０３の目標位置Ｚ_ＲＥＦからのズレΔＺを小さくできる。

図１に戻る。加速度センサ３０８は、撮像装置３００に作用する加速度を検出する。加速度センサ３０８は、撮像装置３００に対して、アクチュエータ４０２の可動方向（Ｚ軸方向）に作用する加速度α_Ｚを示す加速度情報ＡＣＣを出力する。

加速度センサ３０８は、撮像装置３００に作用する加速度を検出可能な箇所に設ければよく、たとえば撮像装置３００内に設けてもよいし、撮像装置３００を搭載する電子機器に設置してもよいし、アクチュエータドライバＩＣ５００に内蔵してもよい。ただし、レンズ３０４に作用する力の算出の基になるので、なるべくレンズ３０４近傍に配置することが望ましい。加速度の検出方向は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向であってもよいが、ここでは光軸方向であるＺ軸方向の加速度α_Ｚを検出するものとする。加速度センサ３０８は加速度情報ＡＣＣを出力し、加速度情報ＡＣＣがアクチュエータドライバＩＣ５００に入力される。加速度情報ＡＣＣは、重力のような一定のＤＣ成分だけでなく、外乱振動などによって生じる加速度などのＡＣ成分も含まれており、（ｇｃｏｓθ＋α_ＥＸＴ）を表す。すなわち加速度α_Ｚにもとづく補正を行うことにより、撮像装置３００が静止あるいは等速運動している状況における位置ズレ（図２（ｂ）、（ｃ））が補正でき、また撮像装置３００全体が加速度運動しているときの位置ズレ（図３）も補正でき、さらにそれらの組み合わせ、すなわち撮像装置３００がＺ軸方向に加速度運動を行いながら、Ｚ軸方向に重力が働く場合の位置ズレも補正できる。

続いて、アクチュエータドライバＩＣ５００を含むレンズ制御装置４００のシステム構成について説明する。図４は、アクチュエータドライバＩＣ５００を備えるレンズ制御装置４００のブロック図である。アクチュエータドライバＩＣ５００は、ひとつの半導体基板に集積化された機能ＩＣである。ここでの「集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を１つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

加速度センサ３０８で検出された加速度情報ＡＣＣはアクチュエータドライバＩＣ５００に入力される。この実施例において加速度情報ＡＣＣはアナログ電圧であり、加速度検出信号ＡＣＣとも称する。加速度検出部５１０は、可動部３０３に作用する加速度α_Ｚを示すデジタルの加速度検出値Ｄ_{ＡＣＣ＿Ｚ}を生成する。加速度検出部５１０は、加速度検出信号ＡＣＣを増幅するアンプ５１２と、アンプ５１２の出力をデジタル値の加速度検出値Ｄ_{ＡＣＣ＿Ｚ}に変換するＡ／Ｄコンバータ５１４を含む。

インタフェース回路５２０は、プロセッサ３０６から、アクチュエータ４０２の可動部の目標位置Ｚ_ＲＥＦを示すターゲットコードＴＣ（図１のＰ_ＲＥＦ０）を受信する。たとえばインタフェース回路５２０が、Ｉ^２Ｃ（Inter IC）などのシリアルインタフェースであってもよい。フィルタ５３０はインタフェース回路５２０が受信したターゲットコードＴＣをフィルタリングし、位置指令値Ｚ_ＲＥＦを生成する。位置指令値Ｚ_ＲＥＦが急激に変化すると、レンズ３０４の位置がリンギングするおそれがある。フィルタ５３０により、このリンギングが抑制される。

制御回路５４０は、キャリブレーションにより決定されたレンズ３０４（可動部３０３）の位置と電流との関係に基づいて、位置指令値Ｚ_ＲＥＦに対応する電流指令値（ベース指令値）Ｉ_０を決定するとともに、加速度検出値Ｄ_{ＡＣＣ＿Ｚ}に基づいて、加速度α_Ｚによって可動部３０３に発生する力（慣性力および重力）を打ち消すような推力を、アクチュエータ４０２に発生させるための電流指令値（補正値）Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を算出する。そしてベース指令値Ｉ_０に補正指令値Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を重畳して得られる電流値（補正指令値）Ｓ_{ＲＥＦ＿Ｚ}をドライバ５５０に入力する。ドライバ５５０は算出された補正指令値Ｓ_{ＲＥＦ＿Ｚ}にもとづいてアクチュエータ４０２を駆動する。

外部からの加速度による慣性力を打ち消すための電流値について説明する。撮像装置３００に働く加速度をα_Ｚ、可動部３０３の質量をｍとすると、この加速度α_Ｚによって発生する力（慣性力）Ｆ_１は、
Ｆ_１＝ｍα_Ｚ ・・・・・（１）
で表される。一方、アクチュエータ４０２をボイスコイルモータとした場合、一般的にその発生推力Ｆ_２は、
Ｆ_２＝ＢＩＬ ・・・・・（２）
で表される。ここで、Ｂは磁束密度、Ｉは印加電流、Ｌはコイルの総有効長である。式（１）および式（２）より、慣性力および重力を打ち消す推力を発生させるための補正電流値は、
Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}＝ｍα_Ｚ／ＢＬ ・・・・・（３）
により求めることができる。ｍ、Ｂ、Ｌは、若干の個体ばらつきはあるものの、基本的に設計によって決まる定数であり、加速度α_Ｚと補正電流Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}との関係が定まることになる。

次に、位置指令値Ｚ_ＲＥＦに対応した位置決めを行うためのベース電流値Ｉ_０の算出について一例を示す。予め、キャリブレーション工程によってアクチュエータのストローク感度Ｓを求めておくとよい。ストローク感度Ｓは印加電流に対する変位の傾きを示す定数であり、ストローク感度Ｓを求めておくことにより、変位量ｘを与えるための電流変化Ｉ_０は、
Ｉ_０＝ｘ／Ｓ ・・・・・（４）
で求めることができる。ストローク感度Ｓを用いる代わりに設計値から電流値を求める場合は、発生推力とバネ力の釣り合いより、
ＢＩ_０Ｌ＝ｋｘ ・・・・・（５）
なので、
Ｉ_０＝ｋｘ／ＢＬ ・・・・・（６）
として求めることもできる。ここで、ｋはバネ定数である。バネ定数ｋは、実測した共振周波数ｆ_０を用いて、
ｋ＝ｍ（２πｆ_０）^２ ・・・・・（７）
として求めることもできる。

以上のような計算により、ベース電流Ｉ_０に補正電流Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を重畳することにより、すなわち加速度α_Ｚの作用する方向によってＩ_０にＩ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を付加したり、Ｉ_０からＩ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を引いたりして補正した電流値Ｓ_{ＲＥＦ＿Ｚ}を算出し、ドライバ５５０に出力する。以上の方法により、外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることが可能となる。

以上が撮像装置３００の構成である。続いてその動作を説明する。

（重力の影響の補正）
重力の影響の補正について、図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、重力の影響の補正を説明する図である。図５（ａ）に示すように、レンズ３０４の光軸に垂直な方向でキャリブレーションが行われているものとする。この状態で、加速度センサ３０８は光軸方向の加速度を検出しない（α_Ｚ＝０である）から、補正電流Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}はゼロであり、アクチュエータ４０２の発生する力Ｆ_ＡＣＴは、Ｆ_ＡＣＴ０と等しい。したがって力学的には図２（ａ）と等価であり、可動部３０３は目標位置Ｚ_ＲＥＦに位置決めされる。

図５（ｂ）は、光軸方向に重力が作用するような姿勢に変化した場合を示す。破線は、補正を無効にしたときの状態を示す。可動部３０３は重力ｍｇを受ける。可動部３０３は、重力とバネの反力が釣り合う位置まで変位し、変位量をΔＺとすると、
ΔＺ＝ｍｇ／ｋ ・・・・・（８）
となる。すなわち、姿勢が変化してもベース電流Ｉ_０しか印加していないと、ΔＺの位置ずれを生むことになる。式（８）に式（７）を代入して、
ΔＺ＝ｇ／（２πｆ_０）^２ ・・・・・（９）
と表してもよい。

実施の形態に係る撮像装置３００では、重力ｍｇを打ち消すような推力Ｆ_ＡＣＴ’を与えることで実線で示すように位置補正が可能となる。すなわち、加速度センサ３０８は重力加速度ｇを検出しているはずであり、式（３）のαをｇで置き換えたときの電流Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を付加してやることで、位置補正ができる。

図５（ａ）、（ｂ）では極端な姿勢のみで説明したが、これらの中間の姿勢であっても、もちろん位置補正は可能である。中間の姿勢では、加速度センサ３０８が検出する加速度もｇと０の中間の値となるので、加速度センサ３０８が検出する加速度α_Ｚの値に応じて式（３）にしたがって電流値を補正してやればよい。

（慣性力の影響の補正）
続いて慣性力の影響の補正を説明する。図６は、慣性力の影響を説明する図である。破線は、補正を無効にしたときの状態を示す。撮像装置３００全体が加速度α_ＥＸＴで運動するとき、可動部３０３は慣性力ｍα_ＥＸＴを受け、補正がない場合、可動部３０３の位置は目標位置Ｚ_ＲＥＦからΔＺ”ずれる。

実施の形態に係る撮像装置３００では、慣性力ｍα_ＥＸＴを打ち消すような推力Ｆ_ＡＣＴ’を与えることで実線で示すように位置補正が可能となる。すなわち、加速度センサ３０８が検出する加速度α_Ｚは、加速度α_ＥＸＴと一致しているから、式（３）のαをα_Ｚで置き換えたときの電流Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｚ}を付加してやることで、位置補正ができる。

図７は、外乱振動が発生する状況の一例を示す図である。一例として撮像装置を三脚に固定し、設置した地面から振動を受ける場合の図である。

図７は、スマートフォンのような電子機器６００を三脚６０２に固定した状態を示している。三脚自体の剛性にもよるが、三脚６０２は３本の脚の中心軸６０４の回りに回転振動する場合がある。振動源は、交通量の多い地面や運転中の電車の車体などで、三脚を設置した場所からの振動を受ける。図７のように、電子機器６００が中心軸６０４の回りの回転運動をすると、中心軸６０４から偏心した位置にある撮像装置３００は円弧運動をすることになる。円弧運動によって、レンズ３０４に光軸方向の加速度が発生する場合がある。加速度センサ３０８は、なるべく撮像装置３００の近傍に設置することが望ましい。こうすることで、円弧運動による光軸方向の加速度を検出することができる。中心軸６０４の近傍に加速度センサを設置したのでは、光軸方向の加速度はほとんど検出できない。

以上のようなシチュエーションにおいて、加速度センサ３０８が外乱振動による加速度を検出すると、その慣性力によってレンズ３０４を含む可動部３０３は変位しようとする。実際にレンズ３０４が変位してしまうと、焦点ボケが発生してしまう可能性がある。これを防ぐために、検出した加速度による慣性力を打ち消すような推力を発生させ、レンズ３０４が振動するのを抑制する。このような補正をリアルタイムで行うことにより、高周波の外乱振動に対してもレンズの変位を防止できる。

以上は、撮像装置を三脚に固定した場合を例に説明したが、他にも外乱振動による加速度を受けるケースがいくつか考えられる。たとえば、加振機のような振動体に撮像装置を搭載し、加速度がほとんど発生しないようにゆっくりと振動させる場合でも、加振機の高調波成分が大きな加速度を生む場合があり、慣性力を打ち消すようにしてレンズの変位を防止することが望ましい。また、一定の速度で移動するベルトコンベアのようなものに撮像装置を固定した場合にも、突発的なひっかかりや振動の高調波成分によって加速度を受ける場合がある。このような場合にも、慣性力を打ち消すようにしてレンズの変位を防止することが望ましい。

以上、２つの実施形態で説明したように、本願発明の技術を用いることにより、重力の方向の変化（姿勢の変化）によってレンズの位置が変化するのを防ぐだけでなく、外乱振動による加速度によってレンズに作用する慣性力でレンズが変位するのを防ぐことができ、外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることが可能となる。

なお、実施の形態では、アクチュエータドライバＩＣ５００の内部において、加速度α_Ｚの影響を低減するための補正を行ったがその限りではない。加速度センサ３０８で検出された加速度検出信号ＡＣＣをアクチュエータドライバＩＣ５００に入力する代わりに、プロセッサ３０６に入力し、プロセッサ３０６の中で、慣性力を補正するための推力発生の条件（必要電流値等）を算出してもかまわない。

なお、アクチュエータ４０２をボイスコイルモータとして説明したが、これに限定される訳ではなく、圧電アクチュエータや形状記憶合金アクチュエータなどに適用してもかまわない。ただし、圧電アクチュエータではガイド構造における摩擦が大きくて、多少の加速度では変位しなかったり、形状記憶合金アクチュエータでは抵抗値検出を利用したフィードバック制御が可能であったりして、本願発明の技術を適用しなくても外力によるレンズ位置変化への耐性が高いケースが多い。本願発明はボイスコイルモータに適用するのが最も効果的である。

また、アクチュエータ４０２は位置検出手段をもたず、アクチュエータドライバＩＣ５００はフィードフォワード制御を行うことで説明したが、これに限定される訳ではなく、位置検出手段を有していてフィードバック制御を行う場合に適用してもかまわない。ただし、フィードバック制御の場合は位置の変化を誤差信号として抑圧できるシステムになっており、本願発明の技術を適用しなくても外力によるレンズ位置変化への耐性を高めることができるケースが多い。本願発明はフィードフォワード制御の場合に適用するのが最も効果的である。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、オートフォーカス制御における外力の補正を説明したが、手振れ補正のシステムに適用することも可能である。

図８は、第２の実施の形態に係る撮像装置３００Ａを示す図である。撮像装置３００Ａの構成について、図１の撮像装置３００との相違点を中心に説明する。撮像装置３００Ａは、オートフォーカスに加えて、手ブレ補正機能を備える。アクチュエータ４０２Ａは、可動部３０３を、光軸方向（Ｚ軸方向）に加えて、それと垂直な２方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）に独立して位置決め可能に構成される。アクチュエータ４０２Ａは、具体的には、ＯＩＳ用のＸ軸方向のコイルと、Ｙ軸方向のコイル（不図示）を含む。

撮像装置３００Ａは、図１の撮像装置３００に加えて、ジャイロセンサ３１８をさらに備える。ジャイロセンサ３１８は、ピッチ軸周り（Ｘ軸周り）の角速度ω_Ｐと、ヨー軸周り（Ｙ軸周りの）角速度ω_Ｙを検出する。角速度ω_Ｐおよびω_Ｙを示す角速度情報ＧＹＲＯは、アクチュエータドライバＩＣ５００Ａに送信される。

アクチュエータドライバＩＣ５００Ａは、角速度ω_Ｐ，ω_Ｙそれぞれを積分し、ブレ角度情報θ_Ｐ、θ_Ｙに変換する。そしてブレ角度情報θ_Ｐが相殺されるように、可動部３０３をＹ軸方向に変位させ、ブレ角度情報θ_Ｙが相殺されるように、可動部３０３をＸ軸方向に変位させる。なお、ここではアクチュエータドライバＩＣ５００Ａは、Ｘ軸、Ｙ軸方向に関しても、オープンループ制御を行うものとする。

加速度センサ３０８は、Ｚ軸方向のみでなく、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の加速度α_Ｘ，α_Ｙを検出する。アクチュエータドライバＩＣ５００Ａは、加速度α_Ｙにもとづいて、Ｙ軸方向の重力あるいは慣性力の影響が低減されるように、Ｙ軸の駆動電流を補正する。同様にアクチュエータドライバＩＣ５００Ａは、加速度α_Ｘにもとづいて、Ｘ軸方向の重力あるいは慣性力の影響が低減されるように、Ｘ軸の駆動電流を補正する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の駆動電流（すなわちアクチュエータの発生する力）の補正については、オートフォーカスに関連して第１の実施の形態で説明した通りである。

図９は、第２の実施の形態に係るアクチュエータドライバＩＣ５００Ａを備えるレンズ制御装置４００Ａのブロック図である。図９には、Ｙ軸の手ブレ補正に関する構成のみが示される。ジャイロセンサ３１８からは、ピッチ軸（Ｘ軸）周りの角速度ω_Ｐを示す信号が入力される。インタフェース回路５２０はこの信号を受信する。ジャイロＤＳＰ（Digital Signal Processor）５３５は、角速度ω_Ｐを積分してブレ角度情報θ_Ｐに変換する。ブレ角度θ_Ｐが求まると、それを相殺するのに必要なＹ軸方向の可動部３０３の目標位置Ｙ_ＲＥＦ０が求まる。

加速度検出部５１０は、Ｙ軸方向の加速度α_Ｙを示すアナログ信号をデジタル値Ｄ_{ＡＣＣ＿Ｙ}に変換する。ジャイロＤＳＰ５３５は、デジタル値Ｄ_{ＡＣＣ＿Ｙ}を受け、それを２回積分して、Ｙ軸方向の位置情報ΔＹに変換する。ΔＹは、基準となる位置からのズレ量（並進ブレ）を表す。ジャイロＤＳＰ５３５は、角速度ω_Ｐにもとづく目標値Ｙ_ＲＥＦ０に、ズレ量ΔＹを加算して、可動部３０３の目標位置Ｙ_ＲＥＦを決定する。

制御回路５４０は、目標位置Ｙ_ＲＥＦにもとづくベース電流Ｉ_０を算出するとともに、加速度α_Ｙによって可動部３０３に発生する力（慣性力および重力）を打ち消すような推力を、アクチュエータ４０２に発生させるための電流値（補正電流値）Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｙ}を算出する。そしてベース電流値Ｉ_０に補正電流Ｉ_{ＣＭＰ＿Ｙ}を重畳して得られる電流値Ｓ_{ＲＥＦ＿Ｙ}をドライバ５５０に入力する。ドライバ５５０は算出された電流値Ｓ_{ＲＥＦ＿Ｙ}にもとづいてアクチュエータ４０２を駆動する。Ｘ軸方向の手ブレ補正についても同様の処理が行われる。

図１０（ａ）、（ｂ）は、並進ブレを説明する図である。図１０（ａ）は並進ブレの無い状態を、図１０（ｂ）は並進ブレによって、撮像装置３００Ａ全体がＹ軸負方向にΔＹ、ずれた状態を示す。図１０（ａ）と（ｂ）とでは、被写体ＯＢＪは、撮像素子３０２の異なる位置に結像することになる。図８の撮像装置３００Ａによれば、Ｙ軸方向の並進ブレΔＹを考慮して、目標位置Ｙ_ＲＥＦが生成されるため、並進ブレを好適に抑制できる。

図１１（ａ）、（ｂ）は、角度ブレ（回転ブレ）と並進ブレを説明する図である。図１１（ａ）は、ピッチ軸（Ｘ軸）周りの回転ブレを示し、図１１（ｂ）は、Ｙ軸方向の並進ブレが示される。被写体ＯＢＪまでの距離が遠い状況では、角度ブレの影響が顕著となる。一方被写体ＯＢＪまでの距離が近い状況では、並進ブレの影響が顕著となる。

被写体ＯＢＪに合焦しているとき、Ｚ軸方向の目標位置Ｚ_ＲＥＦ（言い換えれば焦点距離）は、被写体ＯＢＪまでの距離と相関を有する。そこで、焦点距離に応じて、並進ブレの補正と、角度ブレの補正の重み付けを可変とするとよい。

なお通常、手振れ補正のシステムは位置検出手段を備えたフィードバック制御が用いられる場合が多く、この場合には本願発明の技術を適用しなくても外力によるレンズ位置変化への耐性を高めることができるケースが多い。一方、手振れ補正システムの中にもオープンループ制御を行う例もあり、このような場合には手振れ補正システムに本願発明を適用すると効果的である。

本明細書には以下の技術が開示される。

本発明のある態様は、撮像装置に関する。撮像装置は、撮像素子と、前記撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、前記レンズを含む可動部を変位させるアクチュエータと、撮像装置に加わる加速度を検出する加速度検出手段と、前記アクチュエータを制御するアクチュエータドライバと、を備え、前記アクチュエータドライバは、前記加速度検出手段により検出される加速度情報に基づいて、前記加速度によって前記可動部に生じる慣性力、あるいは重力の影響を打ち消すように、前記アクチュエータを制御することを特徴としている。

以上の構成によれば、重力の方向の変化（姿勢の変化）によってレンズの位置が変化するのを防ぐだけでなく、外乱振動による加速度によってレンズに作用する慣性力でレンズが変位するのを防ぐことができ、外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることが可能となる。

また、本発明に係る撮像装置は、前記可動部の位置検出手段を有しておらず、前記アクチュエータドライバにおける制御は、オープンループで可動部の位置を制御するフィードフォワード制御であってもよい。

位置検出手段を有するフィードバック制御の場合には、検出される位置信号が変化しないように制御することで、外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることも可能であるのに対して、位置検出手段を有していないフィードフォワード制御の場合でも、以上の構成によれば、外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることが可能となり、特段の効果を有する。

また、本発明に係る撮像装置は、前記アクチュエータは、前記レンズを光軸方向に駆動することが可能であり、前記アクチュエータドライバは、前記加速度検出手段により検出される加速度の光軸方向の成分に基づいて、前記加速度によって前記可動部に生じる光軸方向の慣性力を打ち消すように、前記アクチュエータを制御してもよい。

アクチュエータは手振れ補正に対応できる場合もあるが、手振れ補正のためにレンズを位置制御する場合は、主にフィードバック制御が用いられるのに対し、オートフォーカスのためにレンズを位置制御する場合は、フィードフォワード制御を用いている例も多く、光軸方向のレンズの位置検出手段を持たない場合でも、以上の構成によれば、光軸方向の外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることが可能となる。

本発明の別の態様は、アクチュエータドライバに関する。レンズを含む可動部を変位させるアクチュエータを有する撮像装置に搭載され、前記アクチュエータを制御するアクチュエータドライバであって、前記撮像装置は、撮像装置に加わる加速度を検出する加速度検出手段を備え、前記アクチュエータドライバは、前記加速度検出手段により検出される加速度情報に基づいて、前記加速度によって前記可動部に生じる慣性力を打ち消すように、前記アクチュエータを制御することを特徴としている。

この態様によれば、重力の方向の変化（姿勢の変化）によってレンズの位置が変化するのを防ぐだけでなく、外乱振動による加速度によってレンズに作用する慣性力でレンズが変位するのを防ぐことができ、外力によるレンズの位置変化への耐性を高めることが可能となる。

撮像装置は前記可動部の位置検出手段を有しておらず、前記アクチュエータドライバにおける制御は、オープンループで可動部の位置を制御するフィードフォワード制御であってもよい。

前記アクチュエータは、前記レンズを光軸方向に駆動することが可能であり、前記アクチュエータドライバは、前記加速度検出手段により検出される加速度の光軸方向の成分に基づいて、前記加速度によって前記可動部に生じる光軸方向の慣性力を打ち消すように、前記アクチュエータを制御してもよい。

３００…撮像装置、３０２…撮像素子、３０４…レンズ、３０６…プロセッサ、３０８…加速度検出手段（加速度センサ）、３１０…レンズホルダー、３１２…バネ、４００…レンズ制御装置、４０２…アクチュエータ、５００…アクチュエータドライバＩＣ、５１０…加速度検出部、５１２…アンプ、５１４…Ａ／Ｄコンバータ、５２０…インタフェース回路、５３０…フィルタ、５４０…制御回路、５５０…ドライバ、６００…電子機器、６０２…三脚、６０４…中心軸。

Claims (11)

1. 撮像装置であって、
   撮像素子と、
   前記撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、
   前記レンズを含む可動部を第１方向に変位させるアクチュエータと、
   前記撮像装置に対して前記第１方向に加わる加速度を示す第１加速度情報を生成する加速度検出手段と、
   前記レンズの前記第１方向の目標位置に応じたベース指令値に前記第１加速度情報に応じた補正値を重畳し、それにより得られる補正指令値にもとづいて前記アクチュエータを制御するアクチュエータドライバと、
   を備え、
   前記第１加速度情報は、重力加速度情報と、外乱振動による加速度情報と、を含み、
   前記アクチュエータドライバは、前記第１加速度情報を変位情報に換算することなく、前記補正値として利用することを特徴とする撮像装置。
2. 前記アクチュエータドライバにおける制御は、オープンループ制御であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１方向は、前記レンズの光軸方向であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記アクチュエータは、前記可動部を、前記第１方向に加えて、前記第１方向と直交する第２方向ならびに、前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に変位可能であり、
   前記加速度検出手段は、前記撮像装置に対して前記第２方向に加わる加速度を示す第２加速度情報と、前記撮像装置に対して前記第３方向に加わる加速度を示す第３加速度情報と、をさらに生成し、
   前記アクチュエータドライバは、前記レンズの前記第２方向の目標位置に応じたベース指令値に前記第２加速度情報に応じた補正値を重畳し、それにより得られる補正指令値にもとづいて前記アクチュエータを制御し、前記レンズの前記第３方向の目標位置に応じたベース指令値に前記第３加速度情報に応じた補正値を重畳し、それにより得られる補正指令値にもとづいて前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記アクチュエータは、前記可動部を、前記第１方向に加えて、前記第１方向と直交する第２方向に変位可能であり、
   前記加速度検出手段は、前記撮像装置に対して前記第１方向と直交する第２方向に加わる加速度を示す第２加速度情報をさらに生成し、
   前記アクチュエータドライバは、前記レンズの前記第２方向の目標位置に応じたベース指令値に前記第２加速度情報に応じた補正値を重畳し、それにより得られる補正指令値にもとづいて前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
6. 前記第１方向および前記第２方向は直交しており、かつ前記レンズの光軸と垂直であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 撮像装置であって、
   撮像素子と、
   前記撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、
   前記レンズを含む可動部を第１方向に変位させるアクチュエータと、
   前記撮像装置に対して前記第１方向に加わる加速度を示す第１加速度情報を生成する加速度検出手段と、
   前記アクチュエータを制御するアクチュエータドライバと、
   を備え、
   前記第１加速度情報は、重力加速度情報と、外乱振動による加速度情報と、を含み、
   前記アクチュエータドライバは、前記第１加速度情報を変位情報に換算することなく、前記第１加速度情報にもとづいて、前記加速度によって前記可動部に生じる慣性力、および重力の影響を打ち消すように、前記アクチュエータを制御することを特徴とする撮像装置。
8. 撮像装置に搭載されるアクチュエータドライバであって、
   前記撮像装置は、
   撮像素子と、
   前記撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、
   前記レンズを含む可動部を第１方向に変位させるアクチュエータと、
   前記撮像装置に対して前記第１方向に加わる加速度を示す第１加速度情報を生成する加速度検出手段と、
   を備え、
   前記第１加速度情報は、重力加速度情報と、外乱振動による加速度情報と、を含み、
   前記アクチュエータドライバは、
   前記レンズの前記第１方向の目標位置に応じたベース指令値に、前記第１加速度情報に応じた補正値を重畳し、補正指令値を生成する制御回路と、
   前記補正指令値にもとづいて前記アクチュエータを制御する駆動部と、
   を備え、前記補正値は、前記第１加速度情報を変位情報に換算することなく生成されることを特徴とするアクチュエータドライバ。
9. 前記ベース指令値は、オープンループ制御により生成されることを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータドライバ。
10. 前記第１方向は、前記レンズの光軸方向であることを特徴とする請求項８または９に記載のアクチュエータドライバ。
11. 撮像装置に搭載されるアクチュエータドライバであって、
    前記撮像装置は、
    撮像素子と、
    前記撮像素子への入射光路上に設けられたレンズと、
    前記レンズを含む可動部を第１方向に変位させるアクチュエータと、
    前記撮像装置に対して前記第１方向に加わる加速度を示す第１加速度情報を生成する加速度検出手段と、
    を備え、
    前記第１加速度情報は、重力加速度情報と、外乱振動による加速度情報と、を含み、
    前記アクチュエータドライバは、
    前記第１加速度情報を変位情報に換算することなく、前記第１加速度情報に基づいて、前記加速度によって前記可動部に生じる慣性力および重力の影響を打ち消すように、補正指令値を生成する制御回路と、
    前記補正指令値にもとづいて前記アクチュエータを制御する駆動部と、
    を備えることを特徴とするアクチュエータドライバ。

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