JP5458757B2 - リニアモータ及びレンズユニット - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータ及びレンズユニットに関する。

従来、リニアモータ可動体の位置検出機構としてワイヤとロータリーエンコーダを利用した機構が知られている。当該機構は可動部である走行テーブルとレールの固定側との間に張られたワイヤとの相対的変位量をロータリーエンコーダで検出することにより位置検出を実現している（特許文献１参照）。

特開平９−２２２３１８号公報

しかしながら上記機構では、ロータリーエンコーダに加えてワイヤに所定の張力を付与するワイヤ巻取機を用いることになるので、装置が大型化してしまうという課題を有する。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様におけるリニアモータは、駆動用の磁気パターンが着磁された第１領域と位置検出用の磁気パターンが着磁された第２領域とが直線状の駆動方向に沿って設けられたマグネットと、第１領域に対向して配置され、マグネットに対して駆動方向に駆動力を発生させる駆動コイルと、第２領域に対向して配置される磁気センサと、駆動コイルおよび磁気センサと、マグネットとが、駆動方向に沿って相対的に移動できるようにマグネット、駆動コイルおよび磁気センサを支持するベース部材とを備える。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様におけるレンズユニットは、上記リニアモータを備える。

なお、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。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

リニアモータの全体構造を模式的に示す斜視図である。 リニアモータの構造を概略的に示す断面図である。 被駆動体を固定する固定部を概略的に示す図である。 ムービングコイル型リニアモータの構造を概略的に示す断面図である。 撮像装置の全体構造を模式的に示す概略図である。 レンズユニットの駆動部の構造を模式的に示す概略図である。

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、本実施形態に係るリニアモータ１００の全体構造を模式的に示す斜視図である。リニアモータ１００は、可動子１１０、固定子１２０、ホール素子１３１、１３２、ベース部材１４０及び演算部１５０を有する。可動子１１０は円柱形状のマグネットであり、固定子１２０は円筒形状の駆動コイルを備える。

可動子１１０は、ベース部材１４０の支持部１４２に設けられた直動ベアリング１４４を介して支持されている。また固定子１２０もベース部材１４０に支持されており、可動子１１０の外径よりも大きな内径を有していて、固定子１２０の内面は可動子１１０から離間している。この構成により可動子１１０は、固定子１２０に沿って、その長手方向に円滑に移動することができる。以下この長手方向をＸ軸方向、リニアモータ１００の載置面に直交する方向をＺ軸方向、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸方向として説明する。

図２は、リニアモータ１００の構造を概略的に示す断面図である。可動子１１０は駆動用の磁気パターンが着磁された駆動用領域１１２、位置検出用の磁気パターンが着磁された位置検出用領域１１４及び中間領域１１６の３つの領域を有している。

中間領域１１６は、可動子１１０がベース部材１４０に対して移動する場合に、被駆動体を固定することのできる固定部を有している。ここで、中間領域１１６を着磁されない領域とすることで駆動用領域１１２及び位置検出用領域１１４それぞれの磁界が相互に与える影響を軽減することができる。なお、被駆動体の固定部を有さず単に着磁されない領域とするだけでも、当該効果を得ることができる。また、この中間領域１１６を設けず、駆動用領域１１２と位置検出用領域１１４が隣接する構成としてもかまわない。

続いて、リニアモータ１００の駆動部及び位置検出部の構成について説明する。図２に示す通り、可動子１１０の駆動用領域１１２の磁気パターンはＸ軸方向に磁極が配列するように着磁されている。これに対し位置検出用領域１１４の磁気パターンは、位置検出に適した向きである、Ｘ軸方向に直交する方向に磁極が配列するように着磁されている。

固定子１２０の駆動コイル１２２はＵ相、Ｖ相及びＷ相を構成するコイル列であり、Ｘ軸方向に沿って配列されている。各コイルのＸ軸方向の幅は同じであり、ここでは可動子１１０の駆動用領域１１２の１磁極幅の１／３となっている。

駆動コイル１２２には、駆動用領域１１２の磁極ピッチ（Ｎ−Ｓ間）を位相１８０度とした場合に１２０度の位相差をもつ位置に応じた三相電流を供給することで、駆動用領域１１２の磁気パターンとの関係によりＸ方向に推力が発生する。そして、可動子１１０の位置に応じてコイルに供給する電流を制御することで、可動子１１０のＸ軸方向への移動を制御することができる。

可動子１１０の位置は、位置検出用領域１１４と、位置検出用領域１１４に対向する位置に配置されたホール素子１３１、１３２により検出する。ホール素子１３１、１３２は、それがある位置の磁場の強度及び極性に対応する電圧を出力するので、可動子１１０の移動に伴って出力電圧が変化する。演算部１５０がこの出力電圧を用いて演算することで可動子１１０の位置情報が出力される。

例えば、位置検出用領域１１４の端部のホール素子１３１に対抗する面がＳ極であって、可動子１１０の初期位置が、その端部の対向する位置にホール素子１３１が来る位置である場合を想定する。可動子１１０が移動して、ホール素子１３１の対向する位置を、位置検出用領域１１４のＮ極、Ｓ極の順で２磁極幅分移動して停止した場合、ホール素子１３１の対向する位置にＳ極が来た状態となる。このとき、ホール素子１３１の出力電圧はＳ極から、Ｎ極、Ｓ極の磁界を順に検出した正弦波状の信号（Ａ信号）となる。ホール素子１３２は、磁界の位相が９０度ずれていてホール素子１３１がＳ極のときはＮ−Ｓ極の境界で磁界出力が０となる９０度ずれの正弦波状信号（Ｂ信号）となる。

９０度の位相差のある正弦波信号を演算部１５０で分周し所定の分解能をもった位置パルスを生成することができる。原点センサ位置あるいは可動子１１０が所定のメカストッパ位置に止まった場合にパルスのカウントをリセットすることで、任意の位置をカウント数により検出できる。その結果、可動子１１０のより精確な位置を検出することができる。

図３は、可動子１１０における中間領域１１６の固定部を概略的に示す図である。中央の開口部に拘束具を連結することで被駆動体を固定することができる。中間領域１１６を無着磁領域とすることで、駆動用領域１１２と位置検出用領域１１４の磁界が相互に与える影響を軽減できるが、ここで更に、無着磁領域である中間領域１１６を被駆動体の固定部にもすることによって、可動子１１０の領域を有効活用することができる。

本実施形態では上述したように、一つの部材に対する駆動用領域１１２及び位置検出用領域１１４の着磁と、磁気センサの設置という構成によって位置検出を実現することができる。すなわち、位置検出に用いる別体としての構造物を追加的に付与しなくても済むので、リニアモータの小型化を図れる。また、一回の着磁工程において駆動用領域１１２と位置検出用領域１１４の両方を着磁することができるので、製造工程を削減することができる。したがって、製造面でのコスト削減にも貢献することができる。

なお図２及び図３に示す通り、上記実施形態では駆動用領域１１２の磁気パターンのピッチが、位置検出用領域１１４の磁気パターンのピッチよりも大きくなるように構成している。このような構成とすることで、駆動用領域の磁気パターンピッチよりも細かい位置制御が実現できる。

例えば上記実施形態のように３相コイルで、１つのコイルの幅を駆動用領域１１２の１磁極幅の１／３とした場合において、位置検出用領域１１４のピッチをこのコイルと同じピッチに構成することにより、各コイルに対向する位置の駆動用領域１１２の磁極を把握することができる。また、より細かなピッチに構成して１−２相励磁等のより細かな制御をすることにより、さらなる高精度な位置制御を実現できる。なお、３相コイルに限らず２相または４相以上としてもよく、また単相として構成してもよいことは言うまでもない。

また上記実施形態では可動子１１０の形状が円柱形状である場合を例に挙げて説明した。円柱形状とすることで、例えば四角柱形状とするよりも、スペースの有効利用、直動ベアリングへの適応等の面で有利になるという効果が得られる。これに対して、用途、実装環境等によっては四角柱形状、扁平形状等の形状とした方が適している場合もあるので、四角柱形状、扁平形状等の形状で構成してもかまわない。

また上記実施形態では、磁気センサとしてホール素子を用いる例を挙げて説明したが、これに限られない。マグネットダイオード、磁気抵抗効果素子等を用いる構成としてもよい。

また上記実施形態では、固定子１２０の駆動コイル１２２を可動子１１０の外側に配置する例を挙げて説明したが、これに限られない。中心軸を固定子としてベース部材に固定して、その周りに円筒形状のマグネットを可動子として配置する構成としてもかまわない。この場合、中間領域１１６の固定部は中心軸を避けた構成にすることが望ましいが、中間領域１１６を失くして駆動用領域１１２と位置検出用領域１１４を隣接させてもかまわない。またホール素子１３１、１３２をベース部材上ではなく、固定子に設置するよう構成してもかまわない。

また上記実施態様では可動子１１０がマグネットであるムービングマグネット型のリニアモータを例に挙げて説明したが、これに限られない。コイルが可動子として作用するムービングコイル型のリニアモータにも適用することができる。

図４は、上記実施形態とは別の実施形態であるムービングコイル型リニアモータの概略を示す断面図である。リニアモータ２００は、固定子２１０、可動子２２０、可動子２２０に設置されたホール素子２２４、２２５、ベース部材２３０及び演算部２４０を有する。

固定子２１０はベース部材２３０に支持されており、円柱形状の可動子２２０の外径よりも大きな内径を有する円筒形状をしている。固定子２１０の内面は可動子２２０から離間している。可動子２２０は、ベース部材２３０の支持部に設けられた直動ベアリングを介して支持されている。この構成により可動子２２０は固定子２１０に沿ってＸ軸方向に円滑に移動する。

固定子２１０はマグネット２１２を備えており、マグネット２１２は駆動用領域２１４、位置検出用領域２１６および中間領域２１８の３つの領域を有する。駆動用領域２１４には、Ｘ軸方向に磁極が配列する駆動用の磁気パターンが着磁されている。また位置検出用領域２１６には、Ｘ軸方向に直交する方向に磁極が配列した位置検出用の磁気パターンが着磁されている。中間領域２１８は、駆動用領域２１４、位置検出用領域２１６それぞれの磁界が相互に与える影響を軽減するために、未着磁領域となっている。

可動子２２０は、中心軸と、中心軸の周囲に装着された複数のコイルを備える駆動コイル２２２を備える。駆動コイル２２２はＵ相、Ｖ相およびＷ相を構成するコイル列であり、可動子２２０の長手方向に沿って配列されている。各コイルの長手方向の幅は同じであり、駆動用領域２１４の１磁極の幅のおよそ１／３となっている。

この駆動コイル２２２には、駆動用領域２１４の磁極ピッチ（Ｎ−Ｓ間）を位相１８０度とした場合に１２０度の位相差をもつ位置に応じた三相電流を供給することで、駆動用領域２１４の磁気パターンとの関係によりＸ軸方向に推力が発生する。そして、可動子２２０の位置に応じてコイルに印加する電流を制御することで、可動子２２０のＸ軸方向への移動を制御することができる。

可動子２２０の位置は、位置検出用領域２１６と、位置検出用領域２１６に対向する位置に配置されたホール素子２２４、２２５により検出する。ホール素子２２４、２２５は、それぞれがある位置の磁場の大きさ及び極性に対応する電圧を出力するので、可動子２２０の移動に伴ってホール素子２２４、２２５は互いに９０度位相のずれた正弦波状電圧を出力する。演算部２４０がこの出力電圧を用いて演算とカウントすることで可動子１１０の位置情報が出力される。

上述したように、固定子２１０のマグネット２１２への駆動用領域２１４及び位置検出用領域２１６の着磁と、磁気センサの設置という構成によって位置検出を実現することができる。すなわち、位置検出に用いる別体としての構造物を追加的に付与しなくて済むので、リニアモータの小型化に貢献することができる。

図５は、上記実施態様に係るリニアモータの応用例であるレンズユニット３００を備えた撮像装置５００を概略的に示す図である。撮像装置５００は、レンズユニット３００と撮像部４００とを組み合わせて形成される。

レンズユニット３００は、鏡筒３１０、可動子３２０、固定子３３０、ホール素子３４１、３４２、レンズ保持枠３５０、ガイド軸３６０、摺動部３７０及びレンズ群３８０を備える。レンズ群３８０に含まれるフォーカスレンズ３８２、３８４は、共通の光軸Ｃに沿って配列される。レンズユニット３００は、後述する撮像部４００のマウント部４６０に結合されて撮像部４００と一体になる。

可動子３２０は円柱形状のマグネットであり、駆動用の磁気パターンが着磁されている。固定子３３０は鏡筒３１０に対して固定されており、円筒形状の駆動コイルを備える。また固定子３３０は、可動子３２０の外径よりも大きな内径を有しており、その内面は可動子３２０から離間している。

ホール素子３４１、３４２は鏡筒３１０に固定されており、可動子３２０の移動に伴う磁場の変化を検出する。ホール素子３４１、３４２が検出した磁場の変化を用いて可動子３２０の位置が検出されるが、詳細については後述する。レンズ保持枠３５０は可動子３２０と連結しており、可動子３２０の移動に伴って移動する。摺動部３７０はガイド軸３６０の外径よりも若干大きな内径の円筒部を有しており、その内面はガイド軸３６０の表面からと遊嵌している。このような構成により、固定子３３０の駆動コイルに電流を供給して可動子３２０を移動させることで、レンズ保持枠３５０に保持されたフォーカスレンズ３８２を駆動させることができる。

撮像部４００は、メインミラー４４０、サブミラー４４２、ペンタプリズム４７０、ファインダ光学系４９０を含む光学系と、焦点検出部４３０、制御部４５０、演算部４５２、測光部４８０等を含む制御系とを備える。なお、メインミラー４４０が撮影位置に移動した場合は、サブミラー４４２も入射光の光路から退避する。

また、待機位置にあるメインミラー４４０は、入射光に対して傾斜して配され、入射光の一部を、上方に配置されたフォーカシングスクリーン４７２へ反射する。フォーカシングスクリーン４７２は、光学系の結像面と共役の位置に配され、光学系からの被写体像が結像される。フォーカシングスクリーン４７２に結像された被写体像は、ペンタプリズム４７０を介してファインダ光学系４９０から観察される。メインミラー４４０で透過した入射光はサブミラー４４２で反射され、焦点検出部４３０へ入射する。そして、焦点検出部４３０は、レンズユニット３００からの被写体像の合焦状態を検出する。

撮像部４００において、レンズユニット３００からの入射光に対してメインミラー４４０の後方には、シャッタ４２０、光学フィルタ４１２及び撮像素子４１０が光軸Ｃに沿って配される。撮像部４００のレリーズスイッチが押された場合は、まず、メインミラー４４０が撮影位置に移動して、入射光の光路から退避する。これにより、入射光はシャッタ４２０に向かって入射する。更に、シャッタ４２０が開放されると、入射光は直進して撮像素子４１０に到達して、被写体像が撮像素子４１０の受光面に形成される。受光面で形成された被写体像は、撮像素子４１０により光電変換される。

撮像部４００はオートフォーカス処理をする場合、制御部４５０によって、レンズユニット３００の駆動コイルに駆動パターン電流を印加することでフォーカスレンズ３８２を駆動させる。本実施形態では位相差ＡＦ方式を採用しており、レンズユニット３００からの入射光に対して、セパレータレンズで２つの像を生成して、その像間隔をラインセンサで計測してピントのずれ量を検出する。そしてフォーカスレンズ３８２の合焦位置が決定され、合焦位置に駆動するべく、駆動コイルに駆動パターン電流が印加される。なお、本実施形態では位相差ＡＦ方式を用いたが、特に動画撮影をメインとする場合等は、コントラストＡＦ方式を用いる構成としても良い。

図６は、レンズユニット３００の構造を模式的に示す概略図である。可動子３２０は円柱形状のマグネットであり、駆動用の磁気パターンが着磁された駆動用領域３２２、位置検出用の磁気パターンが着磁された位置検出用領域３２４及び固定部３２６を有する。固定子３３０は、円筒形状の駆動コイル３３２及び直動ベアリング３３４を備える。

可動子３２０の駆動用領域３２２の磁気パターンはＸ軸方向に磁極が配列するように着磁されている。また位置検出用領域３２４の磁気パターンは、Ｘ軸方向に直交する方向に磁極が配列するように着磁されている。固定部３２６は着磁されない領域となっており、レンズ保持枠３５０と連結している。

可動子３２０は、直動ベアリング３３４を介して支持されている。また、摺動部３７０の内側両端には直動ベアリング３７２が配され、摺動部３７０は、直動ベアリング３７２を介してガイド軸３６０から支持される。このような構成により、フォーカスレンズ３８２は、光軸方向に対して円滑に移動することができる。

上述のように、摺動部３７０は、ガイド軸３６０に対して遊嵌する。すなわち、互いの嵌合に余裕を持たせてある。これに対して、直動ベアリング３３４の嵌合公差は、ガイド軸３６０の嵌合公差よりも小さく設定されている。すなわち可動子３２０の方が、ガイド軸３６０よりも自由度が低く、拘束される度合いが高い構成となっている。

これにより、可動子３２０の方がガイド軸３６０よりも拘束度が低い構成とするのに比べて、可動子３２０を安定して駆動することができる。このようにリニアモータをガイド軸として用いる場合、複数のガイド軸のうち最も拘束度が高いガイド軸として用いることで、リニアモータの駆動を安定させることができる。

固定子３３０の駆動コイル３３２はＵ相、Ｖ相及びＷ相を構成するコイル列であり、Ｘ軸方向に沿って配列されている。各コイルの幅は同じであり、可動子３２０の駆動用領域３２２の１磁極の幅のおよそ１／３としている。

この駆動コイル３３２には、駆動用領域３２２の磁極ピッチ（Ｎ−Ｓ間）を位相１８０度とした場合に１２０度の位相差をもつ位置に応じた三相電流を供給することで、駆動用領域３２２の磁気パターンとの関係によりＸ軸方向に推力が発生する。そして、可動子３２０の位置に応じてコイルに印加する電流を制御することで、可動子３２０のＸ方向への移動を制御することができる。

可動子３２０の位置は、位置検出用領域３２４と、位置検出用領域３２４に対向する位置に配置されたホール素子３４１、３４２により検出する。ホール素子３４１、３４２は、それぞれがある位置の磁場の強度及び極性に対応する電圧を出力するので、可動子３２０の移動に伴ってホール素子３４１、３４２は互いに９０度位相のずれた正弦波状電圧を出力する。演算部４５２がこの出力電圧を用いて演算とカウントすることで可動子３２０の位置情報が出力される。

以上のような構成をとることで、可動子３２０に連結されたフォーカスレンズ３８２を、可動子の駆動方向と平行な光軸方向に沿って移動することができる。なお上記実施形態では、撮像部４００が演算部４５２を有する場合を例に挙げて説明したが、レンズユニット３００が演算部４５２を有する構成としてもかまわない。この場合、演算部４５２が算出した可動子３２０の位置情報は、マウント部４６０を介して撮像部４００の制御部４５０に送信される。

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 リニアモータ、１１０ 可動子、１１２ 駆動用領域、１１４ 位置検出用領域、１１６ 中間領域、１２０ 固定子、１２２ 駆動コイル、１３１、１３２ ホール素子、１４０ ベース部材、１４２ 支持部、１４４ 直動ベアリング、１５０ 演算部、２００ リニアモータ、２１０ 固定子、２１２ マグネット、２１４ 駆動用領域、２１６ 位置検出用領域、２１８ 中間領域、２２０ 可動子、２２２ 駆動コイル、２２４、２２５ ホール素子、２３０ ベース部材、２４０ 演算部、３００ レンズユニット、３１０ 鏡筒、３２０ 可動子、３２２ 駆動用領域、３２４ 位置検出用領域、３２６ 固定部、３３０ 固定子、３３２ 駆動コイル、３３４ 直動ベアリング、３４１、３４２ ホール素子、３５０ レンズ保持枠、３６０ ガイド軸、３７０ 摺動部、３７２ 直動ベアリング、３８０ レンズ群、３８２ フォーカスレンズ、３８４ フォーカスレンズ、４００ 撮像部、４１０ 撮像素子、４１２ 光学フィルタ、４２０ シャッタ、４３０ 焦点検出部、４４０ メインミラー、４４２ サブミラー、４５０ 制御部、４５２ 演算部、４６０ マウント部、４７０ ペンタプリズム、４７２ フォーカシングスクリーン、４８０ 測光部、４９０ ファインダ光学系、５００ 撮像装置

Claims (7)

1. 駆動用の磁気パターンが着磁された第１領域と位置検出用の磁気パターンが着磁された第２領域とが直線状の駆動方向に沿って設けられたマグネットと、
   前記第１領域に対向して配置され、前記マグネットに対して前記駆動方向に駆動力を発生させる駆動コイルと、
   前記第２領域に対向して配置される磁気センサと、
   前記駆動コイルおよび前記磁気センサと、前記マグネットとが、前記駆動方向に沿って相対的に移動できるように前記マグネット、前記駆動コイルおよび前記磁気センサを支持するベース部材とを備え、
   前記第１領域の磁気パターンは前記駆動方向に磁極が配列するように着磁され、前記第２領域の磁気パターンは前記駆動方向に直交する方向に磁極が配列するように着磁されるリニアモータ。
2. 駆動用の磁気パターンが着磁された第１領域と位置検出用の磁気パターンが着磁された第２領域とが直線状の駆動方向に沿って設けられたマグネットと、
   前記第１領域に対向して配置され、前記マグネットに対して前記駆動方向に駆動力を発生させる駆動コイルと、
   前記第２領域に対向して配置される磁気センサと、
   前記駆動コイルおよび前記磁気センサと、前記マグネットとが、前記駆動方向に沿って相対的に移動できるように前記マグネット、前記駆動コイルおよび前記磁気センサを支持するベース部材とを備え、
   前記マグネットは前記ベース部材に対して移動可能であり、前記第１領域と前記第２領域の間に着磁されない第３領域を有し、前記第３領域に被駆動体の固定部を有するリニアモータ。
3. 前記駆動用の磁気パターンのピッチは、前記位置検出用の磁気パターンのピッチより大きい請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記マグネットは円柱形状である請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
5. 前記駆動コイルは複数の相を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
6. 前記磁気センサの出力に基づいて、前記マグネットの位置を出力する演算部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のリニアモータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のリニアモータとレンズを備えるレンズユニットであって、
   前記レンズは、前記駆動方向と平行な光軸方向に沿って移動できるように、前記駆動方向と平行な方向に複数のガイド軸を有するレンズ保持枠に保持され、
   前記複数のガイド軸のうち最も拘束度が高いガイド軸として、前記リニアモータを用いるレンズユニット。

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