JP2013003434A

JP2013003434A - 装置、レンズ鏡筒および撮像装置

Info

Publication number: JP2013003434A
Application number: JP2011136186A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Tanaka; 稔久田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】装置の駆動効率を向上させる。
【解決手段】装置であって、移動体と、移動体を移動可能に支持する支持体と、支持体に設置され、移動体を一方向に移動させるべく同時に駆動される同一の複数のモータとを備える装置であって、複数のモータの個数ｎは、移動体の質量をＭ、複数のモータのそれぞれの可動子の質量をｍとしたときに、Ｍ／ｍに最も近い自然数となるように設定される。上記装置において、複数のモータは、移動体の円周方向に等間隔に配置されてもよい。
【選択図】図７

Description

本発明は、装置、レンズ鏡筒および撮像装置に関する。

互いに同じ方向の推力を発生する複数のリニアモータを備え、大きな推力を発生する装置がある。（特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００８−４３９９３号公報

ひとつの装置に協働する複数のリニアモータを設けた場合、投入した電力に対して発生する推力の効率が低下する場合があった。

上記課題を解決すべく、本発明の第一態様として、移動体と、移動体を移動可能に支持する支持体と、支持体に設置され、移動体を一方向に移動させるべく同時に駆動される同一の複数のモータとを備える装置であって、複数のモータの個数ｎは、移動体の質量をＭ、複数のモータのそれぞれの可動子の質量をｍとしたときに、Ｍ／ｍに最も近い自然数となるように設定される装置が提供される。

また、本発明の第２態様として、上記装置であって、移動体はレンズを保持するレンズ鏡筒が提供される。更に、本発明の第３態様として、上記レンズ鏡筒を備える撮像装置が提供される。

上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

リニアアクチュエータ１００の斜視図である。リニアアクチュエータ１００の垂直断面図である。モータユニット１０１の部分切欠き斜視図である。モータユニット１０１の部分断面図である。モータユニットの電気的構造を示すブロック図である。モータユニット１０１の駆動電流の信号波形を示すグラフである。ドライバユニット４０１の構造を模式的に示すブロック図である。モータユニット１０１の数とリニアアクチュエータ１００の総発熱量Ｗ_Ｔとの関係を示すグラフである。一眼レフカメラ５００の模式的断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、リニアアクチュエータ１００の斜視図である。リニアアクチュエータ１００は、レンズ３１０を、その光軸方向に沿って移動させる装置である。リニアアクチュエータ１００は、それ自体は移動しない固定部２００と、固定部２００に対して移動する可動部３００とを備える。

固定部２００は、基盤２１０および支持壁２２０と、複数のガイドバー２３０とを有する。基盤２１０は長方形であり、長手方向に配された位置センサ２１２を有する。位置センサ２１２は、後述するように移動する可動部３００の位置を検出する場合に用いる。

支持壁２２０は、基盤２１０の長手方向両端から、互いに平行に、垂直に立ち上がる。支持壁２２０は、レンズ３１０に対する入射光および射出光を通過させる開口２２２をそれぞれ有する。一対の支持壁２２０の各々における開口２２２の周囲には、それぞれ複数のレンズ枠ストッパ２２４およびガイドバー２３０が支持される。

複数のガイドバー２３０は、それぞれ両端において支持壁２２０に対して固定される。これにより、ガイドバー２３０は、互いに平行に、また、基盤２１０の長手方向に対してもそれぞれ平行に配される。

レンズ枠ストッパ２２４は、支持壁２２０の互いに対向する面から、ガイドバー２３０と平行に、他方の支持壁２２０に向かって突出する。レンズ枠ストッパ２２４の先端に当接することにより、レンズ枠３２０の移動範囲の一端が規定される。

可動部３００は、レンズ３１０、レンズ枠３２０、被案内部３３０および可動子３４０を有する。レンズ枠３２０は、レンズ３１０の光軸が、ガイドバー２３０と平行になるように、一対の開口２２２の間でレンズ３１０を保持する。

レンズ枠３２０は、その周囲に被案内部３３０を有する。被案内部３３０は、レンズ枠３２０と、複数の可動子３４０とを結合する。複数の可動子３４０は、レンズ枠３２０の周囲に沿って配される。また、可動子３４０の各々は光軸方向に貫通した貫通穴３４２を有する。貫通穴３４２には、ガイドバー２３０が１本ずつ挿通されている。

可動子３４０は、被案内部３３０に対してそれぞれ固定されている。よって、ガイドバー２３０は、被案内部３３０を移動可能に支持する支持体をなす。また、可動部３００全体は、ガイドバー２３０から移動可能に支持されて、レンズ３１０の光軸方向に移動する移動体となる。

図２は、リニアアクチュエータ１００の断面図であり、リニアアクチュエータ１００を、長手方向と直交する面により切った垂直断面を示す。図１と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

被案内部３３０の下端には位置指標３２４が配される。位置指標３２４は、基盤２１０の上面に配された位置センサ２１２に対向しつつ、可動部３００と共に、紙面に垂直な方向に移動する。位置センサ２１２は、位置指標３２４の位置を検出することにより、可動部３００の位置を検出する。

位置指標３２４は、例えば磁化された磁性体により形成できる。この場合、位置センサ２１２は、基盤２１０の長手方向に配された複数のホール素子を有するホール素子アレイにより形成できる。位置指標３２４をリニアスケールとし、位置センサ２１２をリニアエンコーダとしてもよい。

複数のガイドバー２３０は、開口２２２の周囲において、円周方向に等間隔に固定されている。よって、ガイドバー２３０を挿通された可動子３４０も、レンズ枠３２０の周囲に、互いに等間隔に円周方向に配される。複数のガイドバー２３０を挿通された可動子３４０は、全てのガイドバー２３０に対して案内拘束構造を有していなくてもよい。

即ち、可動子３４０は、少なくとも１本のガイドバー２３０が嵌合拘束を受け持ち、そのガイドバー２３０から離れた位置にある他のガイドバー２３０が回転止め拘束を受け持つようにすることが望ましい。可動子３４０とそれに挿通されたガイドバー２３０のそれぞれの組は、個別にモータユニット１０１を形成する。

このように、リニアアクチュエータ１００においては、可動部３００の周囲に、円周方向に等間隔に配された複数のモータユニット１０１が設けられる。モータユニット１０１は固定部２００に対して固定され、可動部３００を固定部２００に対して移動させる。

また、モータユニット１０１は、互いに同じ仕様を有する。更に、モータユニット１０１が動作する場合は、お互いに同じ方向の推力を発生して、協働して可動部３００を移動させる。

図３は、モータユニット１０１のひとつを取り出して示す部分切欠き斜視図である。モータユニット１０１は、可動子３４０と、固定子を兼ねるガイドバー２３０とを含む。

ガイドバー２３０は、鞘体２３２、駆動コイル２３４および軸芯部２３６を有する。軸芯部２３６は細い棒状の強磁性体部材であり、磁気回路のヨークの役割を担う。軸芯部２３６は、ガイドバー２３０を組み立てる場合に駆動コイル２３４を支持する。また、軸芯部２３６は、駆動コイル２３４のコアを兼ねてもよい。

駆動コイル２３４は、軸芯部２３６の軸方向に沿って複数配される。複数の駆動コイル２３４は、互いに電気的に独立しており、駆動電流を供給された場合に個別に磁界を発生する。鞘体２３２は、駆動コイル２３４を覆って、ガイドバー２３０の外装を形成する。

可動子３４０は、貫通穴３４２を有する筒体３４４を有する。貫通穴３４２には、ガイドバー２３０が挿通される。筒体３４４の内部構造については、次の図を参照して説明する。

図４は、モータユニット１０１の部分断面図である。図１から図３までと共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

可動子３４０において、筒体３４４の内部には、ガイドバー２３０の長手方向に沿って配された複数の永久磁石３４６が配される。永久磁石３４６の各々は円筒状であり、ガイドバー２３０の周囲をそれぞれ包囲する。よって、ガイドバー２３０に内蔵された駆動コイル２３４に駆動電流が供給された場合、永久磁石３４６および駆動コイル２３４の間には、吸引力または反発力が作用する。

固定子を兼ねるガイドバー２３０において、駆動コイル２３４は、図中に点線で結んで示すように、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相に結線される。図示の例では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相が３組示されるが、三相あるいは３組に限られないことはいうまでもない。即ち、駆動コイル２３４の結線は、三相結線に限られるわけではなく、三相結線以上または２相結線でもよい。また、駆動コイル２３４の組数は、可動子３４０に求められる移動距離に応じて加減される。

図５は、モータユニット１０１の電気的構造を示すブロック図である。モータユニット１０１は、駆動制御部４００の制御の下に動作する。駆動制御部４００は、位置算出部４１０、処理部４２０および三相指令発生部４３０を有する。

位置算出部４１０は、位置指標３２４の移動に伴って位置センサ２１２が検出したパルス信号から可動部３００の位置を算出する。処理部４２０は、目標位置を入力された場合に、位置算出部４１０が算出した可動部３００の位置を参照しつつ、可動部３００の目標位置までの距離および方向に応じた可動子３４０の駆動量を決定する。

三相指令発生部４３０は、処理部４２０から受けた指示に従って、駆動コイル２３４に供給する、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の駆動電流を発生する。複数の駆動コイル２３４は、個別に巻かれた上で、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相に結線される。三相指令発生部４３０が発生した駆動電流は、駆動コイル２３４に供給される。

なお、図示の例では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相が３組示されるが、三相あるいは３組に限られないことはいうまでもない。また、駆動コイル２３４の結線も三相結線に限られるわけではなく、３相以上または２相の結線でもよい。更に、駆動コイル２３４の各々には、電流制御をする目的、または、過電流を検出する目的で、電流検出抵抗２４５を設けてもよい。

図６は、駆動コイル２３４に駆動力を発生させる駆動電流の波形を示すグラフである。図示のように、三相指令発生部４３０は、駆動コイル２３４に対して、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相の駆動電流を供給する。各相の駆動電流は正弦波状に周期的に変化する。このような駆動電流の位相は、位置算出部４１０が算出した可動部３００の位置に対応する。

また、各相の駆動電流は、相互に１／３周期ずつ位相がずれている。これにより、各々のモータユニット１０１における永久磁石３４６は、可動部３００の進行方向について先行する駆動コイル２３４の発生する磁界と引き付け合い、且つ、進行方向について後方の駆動コイル２３４と反発し合う。よって、可動部３００をガイドバー２３０の軸方向に移動させる推力が発生する。

駆動制御部４００からの駆動電流の供給が絶たれた場合は、推力が消滅するので、摺動摩擦により、可動部３００の移動速度が低下し、停止状態に向かう。なお、駆動コイル２３４には、駆動コイル２３４それぞれの両端を電気的に結合するショートブレーキスイッチを設けてもよい。これにより、可動部３００を停止させる場合に当該スイッチを投入すると、永久磁石３４６に対して移動する駆動コイル２３４に生じた逆起電力が可動部３００を直ちに停止させる。

図７は、リニアアクチュエータ１００のドライバユニット４０１の構造を模式的に示すブロック図である。図６までと共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

既に説明した通り、リニアアクチュエータ１００には、複数のモータユニット１０１が設けられる。また、複数のモータユニット１０１は協働して可動部３００を移動させる。このため、ドライバユニット４０１は、各々がモータユニット１０１を駆動する複数の駆動制御部４００を備える。複数の駆動制御部４００は、共通の電源４４０から電力の供給を受ける。

また、複数の駆動制御部４００は、それぞれが対応するモータユニット１０１を駆動する。ただし、複数の駆動制御部４００は、共通の同期信号を同期信号発生部４５０から供給されて、互いに同期して動作する。これにより、複数のモータユニット１０１は、同じ方向で同じ大きさの推力を同時に発生して、可動部３００をひとつの方向に移動させる。

図８は、リニアアクチュエータ１００において協働するモータユニット１０１の個数と、リニアアクチュエータ１００の総発熱量Ｗ_Ｔとの関係を示すグラフである。なお、図６までには、５個のモータユニット１０１を備えたリニアアクチュエータ１００について説明したが、ここでは広範囲な個数について調べた。

また、ここのモータユニット１０１は、図中に示すモータ定数Ｋｍを有し、可動子３４０の質量を除く可動部３００全体の質量Ｍに対して、可動子３４０の質量ｍが１／５である場合を想定している。なお、モータ定数Ｋ_ｍは、消費電力の平方根に対する発生推力の比を意味する。可動部３００に発生する加速度ａは、重力加速度の９．８ｍ／秒^２とした。

図示のように、上記の条件を有するリニアアクチュエータ１００においては、単数のモータユニット１０１の場合に比較すると、複数のモータユニット１０１を設けることにより総発熱量（Ｗ_Ｔ）がいったんは減少する。しかしながら、モータユニット１０１の個数が更に増えるに連れて、総発熱量Ｗ_Ｔが再び増加することが判った。

ここで、上記のようなリニアアクチュエータ１００において、ひとつのモータユニット１０１にかかる負荷（発熱量）ｗは、可動部２００に発生する加速度をａと表すと、下記の式１の１段目のように表すことができる。更に、式１では、右辺を変形して、負荷ｗが質量比Ｍ／ｍの関数であることを示す。

上記のようなモータユニット１０１をｎ個備えたリニアアクチュエータ１００の総合負荷（総発熱量）Ｗは、下記の式２のように表すことができる。

上記式２の変形結果において、［（ｍａ／Ｋ_ｍ）^２］を定数として無視して、総合負荷（総発熱量）Ｗをモータユニット１０１の個数ｎで微分すると下記の式３のようになる。式３において、ｄＷ／ｄｎの値が零になる場合が、図８に示した曲線において総発熱量Ｗ_Ｔが最小になる条件を意味する。

そこで、上記式３の値が零になった場合を考えると、下記の式４が導かれる。

更に、式４を変形させると、下記の式５が得られる。このように、リニアアクチュエータ１００の総発熱量Ｗ_Ｔが最小になる条件は、質量比（Ｍ／ｍ）が、モータユニット１０１の個数ｎと等しい場合であることが判る。

なお、モータユニット１０１の個数ｎが自然数に限られることはもちろんである。よって、質量比Ｍ／ｍが自然数ではない場合は、質量比Ｍ／ｍに最も近い自然数が、モータユニット１０１の望ましい個数ｎとして選択される。また、モータユニット１０１は主に３相モータとして説明したが、モータとしては電磁式モータ一般を広く適用できる。

このように、リニアアクチュエータ１００においては、可動部３００の質量をＭ、複数のモータユニット１０１のそれぞれの可動子３４０の質量をｍとしたときに、複数のモータユニット１０１の個数ｎは、Ｍ／ｍに最も近い自然数に設定する。これにより、リニアアクチュエータ１００の総発熱量Ｗ_Ｔは最小になり、投入された電力を効率よく推力に変換できる。

図９は、一眼レフカメラ５００の模式的断面図である。一眼レフカメラ５００は、レンズ鏡筒６００およびカメラボディ７００を備える。

レンズ鏡筒６００は、固定筒６１０と、レンズ６２０、６３０、６４０とを有する。固定筒６１０の後端は、レンズマウント６５０を介して、カメラボディ７００のボディマウント７５０に結合される。レンズマウント６５０およびボディマウント７５０の結合は、特定の操作により解除できる。これにより、カメラボディ７００には、同じ規格のレンズマウント６５０を有する他のレンズ鏡筒６００を装着できる。

レンズ鏡筒６００において、カメラボディ７００から遠くに位置するレンズ６２０は、固定筒６１０から直接に支持される。これに対して、他のレンズ６３０，６４０は、固定筒６１０対して移動するレンズ枠３２０により支持される。

レンズ６３０、６４０は、それぞれ独立したレンズ枠３２０に保持される。レンズ枠３２０の各々は、その外周に被案内部３３０を装着される。更に、被案内部３３０には、それぞれ複数の可動子３４０が配される。

また、レンズ鏡筒６００は、固定筒６１０に対して固定された複数のガイドバー２３０を備える。ガイドバー２３０の各々は駆動コイル２３４を内蔵して固定子を形成する。また、ガイドバー２３０は、それぞれ可動子３４０に挿通されて、個別にモータユニット１０１を形成する。

これにより、レンズ６３０を保持したレンズ枠３２０を含む第一のリニアアクチュエータ１０２と、レンズ６３０を保持したレンズ枠３２０を含む第二のリニアアクチュエータ１０４とが、レンズ鏡筒６００に形成される。以下、図７までに示したリニアアクチュエータ１００と共通な要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

被案内部３３０の各々の底部には、位置指標３２４が個別に装着される。また、固定筒６１０の底面には、位置センサ２１２が配される。よって、位置算出部４１０は、第一の可動部３０１および第二の可動部３０２の位置を個別に算出できる。また、三相指令発生部４３０は、算出された位置情報に基づいて、それぞれが第一の推力を発生させる２組の三相駆動電流を含む軸方向駆動電流を発生することにより、第一の可動部３０１および第二の可動部３０２を個別に移動させる。

なお、レンズ６３０は、レンズ鏡筒６００の倍率を変化させる場合に移動するズームレンズのひとつであり得る。また、レンズ６４０は、レンズ鏡筒６００の焦点位置を変化させる場合に移動するフォーカシングレンズのひとつであり得る。

カメラボディ７００は、レンズ鏡筒６００に対してボディマウント７５０の背後において、筐体７１０の内部に、メインミラー７２０およびサブミラー７２２を備える。また、メインミラー７２０の下方に合焦光学系７３０を、メインミラー７２０の上方にピント板７４２を、それぞれ備える。ピント板７４２の更に上方には、ペンタプリズム７４４およびファインダ光学系７４６が配される。

更に、メインミラー７２０の後方には、フォーカルプレンシャッタ７９０、ローパスフィルタ７８２および撮像素子７８０が順次配される。撮像素子７８０の背後には、システム制御部７７２、画像処理部７７４等が実装された主基板７７０が配される。

メインミラー７２０はメインミラー保持枠７２１に保持される。メインミラー保持枠７２１は、メインミラー揺動軸７２３を介して、筐体７１０から軸支される。サブミラー７２２はサブミラー保持枠７２７に保持される。サブミラー保持枠７２７は、サブミラー揺動軸７２９を介して、メインミラー保持枠７２１の下面側に軸支される。

メインミラー７２０は、レンズ鏡筒６００から入射した被写体光束の光路上に傾斜して配置される斜設状態と、被写体光束を避けて上昇する退避位置との間を揺動する。斜設状態にあるメインミラー７２０は、入射光の大半をピント板７４２に向かって反射する。ピント板７４２は、レンズ鏡筒６００のレンズ６２０、６３０、６４０が合焦した場合に像を結ぶ位置に配されて当該像を可視化する。

ピント板７４２に結像された画像は、ペンタプリズム７４４を介してファインダ光学系７４６から観察される。ペンタプリズム７４４を通すことにより、ファインダ光学系７４６では、ピント板７４２上の像を正立正像として見ることができる。

メインミラー７２０は、入射光の一部を透過するハーフミラー領域を有する。これにより、サブミラー７２２は被写体光束の一部を受けて、合焦光学系７３０に向かって反射する。合焦光学系７３０は、入射した被写体光束の一部を合焦センサに導く。これにより、カメラボディ７００は、レンズ鏡筒６００を合焦させる場合の、可動部３０１の目標位置を決定できる。

なお、メインミラー７２０が上昇して退避状態になった場合は、サブミラー７２２も被写体光束の光路から退避する。よって、入射した被写体光束は、フォーカルプレンシャッタ７９０に直接に入射する。更に、フォーカルプレンシャッタ７９０が開いている場合、被写体光束は、ローパスフィルタ７８２を通過した後、撮像素子７８０に入射する。

撮像素子７８０は、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサなどの光電変換素子により形成される。撮像素子７８０は、受光した被写体像を電気信号に変換して出力する。撮像素子７８０から出力された電気信号は、画像処理部７７４において画像データに変換される。こうして、被写体光束に対応した画像データが獲得される。画像処理部７７４と共に主基板７７０に実装されたシステム制御部７７２は、メインミラー７２０、サブミラー７２２、フォーカルプレンシャッタ７９０等の動作シーケンスを制御する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００、１０２、１０４リニアアクチュエータ、１０１モータユニット、２００固定部、２１０基盤、２１２位置センサ、２２０支持壁、２２２開口、２２４レンズ枠ストッパ、２３０ガイドバー、２３２鞘体、２３４駆動コイル、２３６軸芯部、２４５電流検出抵抗、３００、３０１、３０２可動部、３１０レンズ、３２０レンズ枠、３２４位置指標、３３０被案内部、３４０可動子、３４２貫通穴、３４４筒体、３４６永久磁石、４００駆動制御部、４０１ドライバユニット、４１０位置算出部、４２０処理部、４３０三相指令発生部、４４０電源、４５０同期信号発生部、５００一眼レフカメラ、６００レンズ鏡筒、６１０固定筒、６２０、６３０、６４０レンズ、６５０レンズマウント、７００カメラボディ、７１０筐体、７２０メインミラー、７２１メインミラー保持枠、７２２サブミラー、７２３、７２９揺動軸、７２７サブミラー保持枠、７３０合焦光学系、７４２ピント板、７４４ペンタプリズム、７４６ファインダ光学系、７５０ボディマウント、７７０主基板、７７２制御部、７７４画像処理部、７８０撮像素子、７８２ローパスフィルタ、７９０フォーカルプレンシャッタ

Claims

移動体と、
前記移動体を移動可能に支持する支持体と、
前記支持体に設置され、前記移動体を一方向に移動させるべく同時に駆動される同一の複数のモータとを備える装置であって、
前記複数のモータの個数ｎは、前記移動体の質量をＭ、前記複数のモータのそれぞれの可動子の質量をｍとしたときに、Ｍ／ｍに最も近い自然数となるように設定される装置。
前記複数のモータは、前記移動体の円周方向に等間隔に配置される請求項１に記載の装置。
前記複数のモータのそれぞれは、同一のリニアモータである請求項１または２に記載の装置。
前記リニアモータの固定子は、前記移動体の前記一方向におけるガイドバーを兼ねる請求項３に記載の装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の装置はレンズ鏡筒であって、
前記移動体は、レンズを保持するレンズ鏡筒。
請求項５に記載のレンズ鏡筒を備える撮像装置。