JPH06201974A

JPH06201974A - レンズ駆動制御装置

Info

Publication number: JPH06201974A
Application number: JP36079692A
Authority: JP
Inventors: Hidekage Satou; 秀景佐藤; Hiroyuki Wada; 宏之和田; Junichi Murakami; 村上　　順一; Seiya Ota; 盛也太田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】速応性に優れ、かつシステムの衝撃などによ
る外乱に対して強いレンズ駆動制御装置を得ること。【構成】画角変化を行わせる第１のレンズ群６１ｂ
と、前記画角変化にともなうピント位置変化と被写体距
離によるピント位置変化の機能を合わせて持つ第２のレ
ンズ群６１ｄと、前記各レンズ群を駆動するレンズ駆動
手段１４と、前記各レンズ群の位置を検出するレンズ位
置検出手段１５および自動焦点検出手段１６と、前記各
レンズ位置検出結果および前記自動焦点検出結果をもと
に前記各レンズ群の目標位置を算出する目標位置算出手
段１１と、この算出した目標位置算出結果をもとに前記
レンズ群をディジタル位置制御する制御手段１２を具備
し、前記制御手段１２は少なくとも２つの補償手段を備
えているか、あるいは補償手段の係数が複数存在し、前
記目標位置算出結果により前記補償手段を切り替える
か、あるいは補償手段の係数を切り替えること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラ、ビデオカメ
ラ、あるいはビデオプロジェクタ等の撮影および投影レ
ンズのレンズ駆動制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のレンズ駆動制御装置にお
けるレンズ駆動用アクチュエータとしては、ＤＣモータ
やステッピングモータが多く用いられている。

【０００３】図５は従来のビデオカメラ用ズームレンズ
のレンズ鏡筒を上方より見たときの断面図、図６は図５
のＡ−Ａ線を沿う縦断面図である。図５，図６におい
て、２５ａ〜２５ｄはレンズ群、２６はＤＣモータ、２
７はシャッタユニットを駆動するモータ、２８はステッ
ピングモータであり、画角変化を行わせるためのバリエ
ータレンズ群２５ｂをＤＣモータ２６で駆動し、画角変
化にともなうピント位置変化とフォーカシングの機能を
併せ持つレンズ群２５ｄをステッピングモータ２８で駆
動している。

【０００４】一方、近年カメラ、ビデオカメラにおいて
は、小型化が進み、従来並あるいはそれ以上の機能を保
ちつつ、体積・重量を低減させる必要が生じている。こ
のための一手段として、レンズ群を保持する保持枠の外
周部にマグネットを配し、そのマグネットの外周にコイ
ルとヨークを配設してボイスコイルモータを形成して、
レンズ群を光軸方向に駆動するシステムが例えば特願平
２−２０６５３号公報に記載されている。この公報に記
載されたシステムでは、ボイスコイル中心軸と光軸を略
一致させることにより、コンパクトなレンズ駆動アクチ
ュエータを実現している。

【０００５】図７はボイスコイルモータの適用例を示し
たもので、図８は図７のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図であ
る。図７，図８において３１ａ〜３１ｃはレンズ群、３
２はレンズ群を保持するレンズ保持枠、３３はボビン３
４に巻かれたコイル、３５，３６はマグネット３７に接
着されたヨーク、３８はヨーク３５，３６とマグネット
３７を保持するレンズ鏡筒である。

【０００６】上記レンズ保持枠３２はレンズ鏡筒３８内
に平行に配設された２本の案内棒３９ａ，３９ｂによっ
て光軸方向に移動可能に保持されている。マグネット３
７は図中に示すように着磁されているので、ヨーク３
５，３６の間には半径方向に磁場が形成されている。

【０００７】コイル３３はヨーク３５，３６の間におい
て円周方向に巻かれているので、コイル３３に電流を流
すと、光軸方向に駆動力が発生し、ボビン３４と一体に
構成されているレンズ保持枠３２及びレンズ群３１ａ〜
３１ｃを光軸方向に駆動することになる。

【０００８】上記図８はマグネットが固定され、コイル
が動くタイプであったのに対し、図９はコイルが固定さ
れ、マグネットが移動するタイプである。この図９のマ
グネット移動タイプはレンズ４１を保持するレンズ保持
枠４２の外周部に、半径方向に着磁されたマグネット４
３が接着され、その外周にマグネット４３と適当な空隙
を設けてヨーク４５の内周に接着され円周方向に巻かれ
たコイル４４が設けられている。

【０００９】そして、上記レンズ保持枠４２は２本の案
内棒４６ａ，４６ｂで光軸方向に移動可能に保持されて
いるので、コイル４４に電流を流すことにより、レンズ
保持枠４２は光軸方向に駆動力を受けて移動する。

【００１０】図１０はボイスコイルモータを駆動し、目
標位置にレンズ群を整定させるためのレンズ位置制御手
段としての制御回路８０のブロック線図を示している。

【００１１】レンズ群が駆動され、位置すべき目標値が
入力されると、入力された電圧は位相補償フィルタ８１
を通り、電圧／電流変換回路８２でボイスコイルによっ
て決まる抵抗Ｒにより電流ｉに変換され、更に電流／推
力変換回路８３でマグネットの磁束密度とコイル有効長
によって決る推力ｆに変換される。

【００１２】この電流／推力変換回路８３の出力に応じ
てボイスコイルモータ８４が作動し、その出力ｘに従っ
てレンズを光軸方向に駆動する。この駆動したレンズ位
置があるサンプリング周期に従ってエンコーダ（セン
サ）８５により測定され、その測定結果に対応する電圧
Ｖが出力される。

【００１３】この電圧出力は乗算器８６でループゲイン
が乗じられた後、前記目標値と加減算器８７で比較さ
れ、その差分の電圧を前記位相補償フィルタ８１に加え
ることになる。

【００１４】以上はボイスコイルモータの駆動に、目標
値からのズレ量に応じた電圧を用いるが、電圧は一定と
し、目標値からのズレ量に応じて周期的は矩形波のデュ
ーティを切り替えるＰＷＭ制御によってもよい。図１１
は目標値が現在位置よりも遠いＴ３の場合には、矩形波
のデューティ（Ｌ₁ ／Ｌ₂ ）は大きくなり、目標値が現
在位置に近いＴ１の場合には、矩形波のデューティ（Ｌ
₁ ／Ｌ₂ ）は小さくなる。すなわち、図１１において、
目標値と現在値の差分によりデューティ比を可変とし
て、ボイスコイルモータによりレンズを駆動することも
可能である。

【００１５】図１２は、以上説明したボイスコイルモー
タを用いて、マグネットが移動するタイプのビデオレン
ズシステムを構成した例を示すもので、本図では、変倍
用のバリエータレンズ群６１ｂとフォーカスレンズ群６
１ｄをボイスコイルモータにより駆動する。

【００１６】図１２に示したビデオレンズは、バリエー
タレンズ群６１ｂよりも像面側のレンズ群によりフォー
カスを行ういわゆるリアフォーカスレンズであるため、
被写体距離によって、バリエータレンズ群６１ｂとフォ
ーカスレンズ群６１ｄのとるべき位置関係が変化する。
その様子を示したのが図１３である。

【００１７】図１３において、縦軸がフォーカスレンズ
群６１ｄの位置、横軸がバリエータレンズ群６１ｂの位
置であり、被写体距離をパラメータとし、それぞれのレ
ンズ群６１ｂ，６１ｄがたどるべきカム軌跡が示してい
る。従って、各ボイスコイルモータはシステムに設けら
れた各々の情報を基にレンズ群６１ｂ，６１ｄの動くべ
き速度・方向を決め、合焦状態を保つ必要がある。以下
に、これ等のシステムにつき詳述する。

【００１８】図１２において、バリエータレンズ群６１
ｂと、フォーカスレンズ群６１ｄには、それぞれ絶体位
置を検出するエンコーダ５１，５２が取り付けられてい
る。このエンコーダ５１，５２はリニアタイプのボリュ
ームや、グレーコードパターンが形成された電極をブラ
シでなぞるタイプのものや、ＩＲＥＤ等の発光素子がレ
ンズ保持枠と共に動き、ＰＳＤ等の光電変換素子を用い
て位置検出を行うタイプのものなどが考えられる。

【００１９】エンコーダ５１，５２からの出力は、それ
ぞれの読み取り回路５４，５５で読み取られてＣＰＵ５
６に送られる。また、ＣＣＤ６６からのビデオ信号は、
ピーク検出回路５３内で処理され、輝度信号のピーク値
が抽出され、現在の合焦状態に関する情報としてＣＰＵ
５６に送られる。

【００２０】図１４（ａ）は、ピーク検出回路５３の出
力値（Ｓ₀ ）を縦軸にとり、横軸にフォーカスレンズ群
６１ｄの位置をとった図である。図に示すようにピーク
検出回路５３の出力値（Ｓ₀ ）により、およそのデフォ
ーカス量が検出されることになる。

【００２１】これらの情報と図１３に示したカム軌跡に
関する情報とをデータとして有するＲＯＭ５９からの情
報を基に、ＣＰＵ５６内で各ボイスコイルモータに流す
べき電流値、あるいはその波形が決定され、各々のドラ
イバー５７，５８を経てボイスコイルモータのコイル６
２，６３に電流を流す。

【００２２】以上のシステムによってバリエータレンズ
群６１ｂとフォーカスレンズ群６１ｄは、常に合焦状態
となるような位置関係を保持できる。

【００２３】次にバリエータレンズ群６１ｂが固定さ
れ、ピントが合っていない非合焦状態から合焦状態に至
るまでのシステムすなわちオートフォーカス（ＡＦ）シ
ステムについて説明する。

【００２４】図１２において、発振器６９により一定周
期の駆動信号がフォーカスモータドライバ５７に与えら
れ、フォーカスレンズ群６１ｄは光軸方向に微小振動す
るように駆動される。すると、ピーク検出回路５３から
の出力もそれに同期して振動する。

【００２５】図１４において、フォーカスレンズが合焦
位置よりも近距離側に位置していると、レンズの駆動と
ビデオ信号の位相は合致し、遠距離側に位置している
と、レンズの駆動とビデオ信号の位相は１８０°ずれる
ことになる。従って、図１２において、ピーク検出回路
５３からの出力を周波数検出器６７を介して位相比較器
６８に入力し、発振器６９からの出力の位相と比較する
ことにより、前ピン、後ピンの判断を下すことができ
る。

【００２６】また、前ピン側、後ピン側にフォーカスレ
ンズ群６１ｄが位置している際の出力の振幅は図１４か
ら明らかなように、それぞれＡ_N ，Ａ_F となり、又、合
焦時にはＡ_M ≒０となる。そこで、発振器６９の出力を
基準タイミングとして、これらの信号を同期検波する
と、図１４（ｂ）で示す同期検波出力Ｓ₁ となる。つま
り近距離時の信号は基準タイミングと同相であるので、
同期検波出力Ｓ₁ は正の信号が出力され、遠距離時の信
号は基準タイミングと逆相であるので、同期検波出力Ｓ
₁ は負の信号が出力される。

【００２７】これらの振幅は、先に述べたように合焦時
に０となり、デフォーカス量が大きくなるに従って振幅
も大きくなるので、同期検波出力Ｓ₁ の絶対値もこれと
共に変化する。従って、この同期検波出力Ｓ₁ に比例し
た電流をボイスコイルモータに流すと、レンズを合焦に
至らせることができる。

【００２８】ところが、同期検波出力Ｓ₁ は大ボケにな
ると小さくなるために、ボイスコイルモータに加える電
流も小さくなる。従って、ピーク検出回路５３の出力値
Ｓ₀がしきい値Ｖ_H よりも小さいときは、同期検波出力
Ｓ₁ を用いず図１４（ｃ）に示した１Ｖ（ビデオ同期信
号）前の出力値Ｓ₀ と現在の出力値Ｓ₀ を比較した比較
信号Ｓ₂ を用いる。この比較信号Ｓ₂ は比較器出力なの
で、一定値で、かつレンズ群を駆動すべき符号のみを持
った信号である。

【００２９】即ち、大ボケ時には、上記比較信号Ｓ₂ に
基づいてボイスコイルモータに電流を流すことにより、
高速で合焦方向にレンズを駆動させ、合焦に近づくと同
期検波出力Ｓ₁ の速度で該同期検波出力が０になる合焦
点に収束する動作を行うことで、自動焦点調節動作が行
われる。また、上記同期検波出力Ｓ₁ に基づくモータ速
度は、大きすぎると合焦位置の行き過ぎ量が大きくなり
ハンチングの原因になるし、小さすぎると合焦に到るま
でに時間がかかってしまうという問題が生じるため、あ
る適正なゲインまたは補償をもたせる必要がある。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示す従来の制御回路のように、単一補償制御方法では
誤動作後の対処として、目標位置の大幅な修正・変更に
対する制御を行う場合、ボイスコイルモータは目標位置
の遠近によって図１５に示すように周波数特性〔入力
（電流）と出力（変位）の比：図１５（ａ）のゲイン、
図１５（ｂ）の位相〕が変化する為（近い場合、遠
い場合）、様々な目標位置に対して最適な制御を行うこ
とが出来ないという問題点があった。

【００３１】本発明は上記のような問題点を解消したレ
ンズ駆動制御装置を得ることを目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明は画角変化を行わ
せる第１のレンズ群と、前記画角変化にともなうピント
位置変化と被写体距離にピント位置変化の機能を合わせ
持つ第２のレンズ群と、前記各レンズ群を駆動する駆動
手段と、前記各レンズ群の位置を検出するレンズ位置検
出手段とおよび自動焦点検出手段と、前記各レンズ位置
検出結果および前記自動焦点検出結果をもとに前記各レ
ンズ群の目標位置を算出する目標位置算出手段と、この
算出した目標位置算出結果をもとにレンズ群位置を制御
する制御手段とを具備し、前記制御手段は、少なくとも
２つの補償手段を備えているか、あるいは補償手段の係
数が複数存在し、前記目標位置算出結果により、前記補
償手段を切り替えるか、あるいは補償手段の係数を切り
替えることにより、各レンズ群の目標位置の大幅な変化
に対する最適な補償を行い、速応性に優れ、かつシステ
ムの衝撃などの外乱に対して強いレンズ駆動制御装置を
得ることができる。

【００３３】

【実施例】図１は本発明の一実施例としてビデオレンズ
のフォーカス用モータの制御回路１０を示すブロック図
である。同図において、１１はビデオレンズシステムを
総合的に総括するＣＰＵ、１２は制御量を算出するディ
ジタル信号処理部である。このディジタル信号処理部１
２は速応性補償プログラム部１２１と、制御量を決める
複数の速応性補償係数部１２２と、速応性補償撰択部１
２３とで構成されている。

【００３４】１３はディジタル信号処理部１２から出力
された演算結果であるディジタル制御量をアナログ量に
変換するＤ／Ａ変換器、１４は制御対象であるレンズ駆
動用モータであり、制御量に応じてフォーカスレンズ群
６１ｄを動かす。１５はフォーカスレンズ群６１ｄの位
置を検出してアナログ位置信号を出力する位置センサで
ある。

【００３５】１６は位置センサ１５から出力されたアナ
ログ位置信号をディジタル位置信号１７に変換するＡ／
Ｄ変換器であり、このディジタル位置信号１７とＣＰＵ
１１から出力された目標位置信号１８の差をとって位置
偏差信号１９とし、この位置偏差信号１９が０となるよ
うにフォーカスレンズ群６１ｄの位置が制御されてい
る。

【００３６】また、上記位置偏差信号１９がＣＰＵ１１
に取り込まれ、この位置偏差信号量に応じて、速応性補
償撰択部１２３の切り替えが行われるようになってい
る。

【００３７】以下、図２に示すフローチャート図を用い
て動作を説明する。バリエータレンズ群６１ｂの位置情
報、フォーカスレンズ群６１ｄの位置情報と、合焦情報
により、次なる目標位置の値がＣＰＵ１１によって決定
され、目標位置信号として減算器であるディジタル制御
部２０へ入力される（ステップ１００１）。

【００３８】位置センサ１５から出力された現在のアナ
ログ位置信号がＡ／Ｄ変換器１６によってディジタル位
置信号化１７され、ディジタル制御部２０へ入力される
（ステップ１００２）。ＣＰＵ１１はディジタル制御部
２０から出力された出力された双方の差、つまり位置偏
差信号１９の量を判断する（ステップ１００３）。

【００３９】そして、ＣＰＵ１１は判断した位置偏差信
号１９の量に最適な速応性補償係数を速応性補償撰択部
１２３を作動させて撰択し（ステップ１００４）、その
最適な補償係数を使用して速応性補償プログラム１２１
を実行する（ステップ１００５）。

【００４０】ここで、速応性補償プログラム１２１とは
ディジタルフィルタプログラムであり、公知のディジタ
ル信号処理技術であるため詳細な説明を省略する。位置
偏差信号量に対して速応性を挙げる手段としては、ゲイ
ンの値を大きくする方法（ゲイン補償）がある。つま
り、図３のようなステップ状の目標に対して、曲線の
通常ゲイン値よりも振動的になるようにゲインを上げる
と、曲線のようになり、曲線の応答に比べて速応性
が向上する。従って、位置偏差信号量によって適当なゲ
イン値を与える（切り替える）ことで速応性が向上す
る。また、曲線の応答と曲線の応答を時間的に組み
合わせて、図４のような応答を行ってもよい。

【００４１】他の速応性を向上させる手段としては位相
進み補償がある。この場合、目標位置信号の周波数成分
によって補償係数が異なるため、それぞれの周波数に対
して補償係数を求めておき、目標位置信号量とその周波
数から適当な補償係数に切り替え、速応性の向上を図っ
てもよい。

【００４２】速応性補償プログラム１２１の実行後、デ
ィジタル制御量をＤ／Ａ変換器１３でアナログ量に変換
する（ステップ１００６）。そして、変換されたアナロ
グ制御量に応じた電流をレンズ駆動用モータ１４に流
し、レンズを駆動する（ステップ１００７）。この後、
ステップ１００１へ戻り、新しい目標位置信号に対して
逐次この動作を繰り返しながら速応性のよい制御を行う
ものである。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レンズ駆動モータの制御にディジタル信号処理を行い、
目標位置の変化に対する速応性補償係数をソフト的に切
り替えるように構成したので、速応性に優れ、かつシス
テムの衝撃などによる外乱に対して強いレンズ駆動制御
装置を得ることができる。従って、本発明のレンズ駆動
制御装置を組み込んだ撮像装置を使用すれば、外乱入力
後の複帰に対して常に最短時間で位置制御されるため、
画像の揺れを気にすることなく撮影することができるな
どの効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としてのビデオレンズの制御
回路を示すブロック図。

【図２】その実施例の動作を説明するフローチャート
図。

【図３】速応性向上の説明図。

【図４】速応性向上の説明図。

【図５】従来のビデオカメラ用ズームレンズのレンズ鏡
筒を上方より見た縦断面図。

【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う縦断面図。

【図７】コイル移動型のボイスコイルモータの説明図。

【図８】図７のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図。

【図９】マグネット移動型のボイスコイルモータの説明
図。

【図１０】ボイスコイルモータを駆動する制御回路のブ
ロック図。

【図１１】ボイスコイルモータを駆動した際の整定時間
に対する目標値の関係図。

【図１２】ボイスコイルモータを用いたビデオレンズシ
ステムの構成図。

【図１３】合焦のためのフォーカスレンズ群とバリエー
タレンズ群の位置関係図。

【図１４】オートフォーカスシステムの説明図。

【図１５】ボイスコイルモータの周波数特性図。

【符号の説明】

１１ＣＰＵ１２ディジタル信号処理部１４レンズ駆動用モータ１５位置センサ６１ｂバリエータレンズ群（第１のレンズ群）６１ｄフォーカスレンズ群（第２のレンズ群）１２１速応性補償プログラム１２２速応性補償係数１２３速応性補償撰択部

フロントページの続き (72)発明者太田盛也東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画角変化を行わせる第１のレンズ群と、
前記画角変化にともなうピント位置変化と被写体距離に
よるピント位置変化の機能を合わせ持つ第２のレンズ群
と、前記各レンズ群を駆動するレンズ駆動手段と、前記
各レンズ群の位置を検出するレンズ位置検出手段および
自動焦点検出手段と、前記各レンズ位置検出結果および
前記自動焦点検出結果をもとに前記各レンズ群の目標位
置を算出する目標位置算出手段と、この算出した目標位
置算出結果をもとに前記レンズ群をディジタル位置制御
する制御手段を具備し、前記制御手段は少なくとも２つ
の補償手段を備えているか、あるいは補償手段の係数が
複数存在し、前記目標位置算出結果により前記補償手段
を切り替えるか、あるいは補償手段の係数を切り替える
ことを特徴とするレンズ駆動制御装置。
【請求項２】前記レンズ駆動手段としてボイスコイル
モータを用いたことを特徴とする請求項１のレンズ駆動
制御装置。