JP7223955B2 - リニアモータおよびこれを備えたレンズ鏡筒、撮像装置 - Google Patents
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Description
すなわち、近年、撮像装置に用いられる撮像素子は、高画素化、ダイナミックレンジの向上等を目的としてサイズの大型化が進んでいる。
この大型化されたレンズを駆動するために、レンズを駆動するアクチュエータは、従来よりも推力が大きく、ストロークが長いものが要求される。
しかしながら、上記特許文献1記載の技術では、推力を大きくするには限界がある。また、長ストローク化すると、ヨーク部の磁気飽和が無視できなくなり、長ストローク化が難しいという課題がある。
なお、各図は、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
次に、実施の形態1に係るフォーカスユニット(リニアモータ)1の構成について、図1~図11および図17~図20を用いて説明する。
図1は、実施の形態1に係るフォーカスユニット1を示す斜視図である。図2は、実施の形態1に係るフォーカスユニット1の断面図である。図3は、実施の形態1に係るフォーカスユニット1の分解斜視図である。図4は、実施の形態1に係るコイルとマグネットの関係を示す説明図である。
図2および図3に示すように、保持枠2には、主ヨーク7と、副ヨーク8と、駆動用マグネット(磁石)9とを有する界磁部が固定され、レンズ枠3を光軸方向に移動可能に収容する収容空間が形成されている。
副ヨーク8は、平板状の形状をしており、主ヨーク7の端面と接している。
駆動用マグネット9は、主ヨーク7の内周面に沿うように設けられている。駆動用マグネット9は光軸方向に沿って内周側がN極、S極交互になるように多極着磁されている。
ここで、コイル10a,10bにレンズ枠3の位置に応じた電流を通電することにより、コイル10a,10bは、ローレンツ力を受けてY軸方向に力が働く。その結果、レンズ枠3をY軸方向に沿って移動させることができる。
図2および図3に示すように、レンズ枠3は、Y軸方向に沿って移動可能である。レンズ枠3は、フォーカスレンズL1と、MR(Magneto Resistive)素子12(位置検出センサの一例)を有する。また、保持枠2は、MRマグネット13(位置検出部材の一例)を有する。レンズ枠3は、略円筒状に形成され、内径部にフォーカスレンズL1保持する。レンズ枠3には、主ガイドポール4を挿通するポール挿通孔31が形成されている。また、保持枠2には、レンズ枠3がY軸方向に直動するように、副ガイドポール5が固定されている。
なお、本実施の形態では、位置検出部材の一例としてMRマグネット13を用いているが、例えば位置検出部材を反射ミラーとしてもよい。
図4において、角度寸法は全て電気角を示す。
コイル10aおよびコイル10bには、マグネット9(図中破線で示す)との位置に応じて正弦波状の電流を通電して駆動する。
コイル10a,10bの形状は、コイルの巻き幅が電気角で120°、コイルの平均幅が電気角で144°になる様に設計されている。
図5は、コイル10aと駆動用マグネット9との位置関係を示す説明図である。
駆動用マグネット9により発生する磁束の磁束密度がY方向に対して正弦波状に変化すれば、コイル10a,10bに発生する推力は、2相の推力を合計すると完全に一定になる。
磁束密度に高調波成分が含まれていると、一般的に、コイル10aにより発生する推力にも高調波成分が含まれる。
図6Aに示す通り、推力の基本波成分は、コイルの巻き幅Wcが150°をピークとして広い場合も、狭い場合も下がる結果となった。
また、図7Aに示す通り、5次高調波成分に関しては、72°、144°付近でゼロとなる。
この理由について、以下図を用いて詳しく説明する。
図5において、f1はコイルのI部左端1ターン分、fkはコイルの右端1ターン分を示している。全体での推力はf1…fkの推力を合計、言い換えれば積分した値となる。
また、巻き幅Wcを電気角で72°または144°(5次高調波においては360°または720°分に相当)に設定すると、5次高調波は、丁度1周期分、または2周期分積分されることになり、値がゼロになる。
7次高調波においては、51.4°、102.9°、154.3°
9次高調波においては、40°、80°、120°、160°
でゼロになる。
例えば、3次高調波においては、コイルの巻き幅Wcを
112.3°<Wc<127.7°
の関係を満足する様に設定すれば、3次高調波成分を5分の1以下に低減することができ、十分な効果が得られる。
(m×360-23.07)/n<Wc<(m×360+23.07)/n×23.07=asin(0.2)×2
の関係を満足する様に設計すれば、n次高調波成分を5分の1以下に低減することができ、十分な効果が得られる。また更に
(m×360-11.48)/n<Wc<(m×360+11.48)/n×11.48=asin(0.1)×2
の関係を満足する様に設計すれば、n次高調波成分を10分の1以下に低減することができ、更に高い効果が得られる。
図8Aに示すように、推力の基本波成分は、コイルの平均幅が170°をピークとして広い場合も、狭い場合も下がる結果となった。
また、図9Aに示す通り、5次高調波成分に関しては、72°、144°付近でゼロとなる。
この理由について、以下図を用いて詳しく説明する。
I部とII部とは繋がっているため、コイルに通電した際に流れる電流の向きは、I部とII部とで正反対になる。
ここで、コイルの平均幅Waを電気角で120°(180°から60°ずれ=3次高調波においては180°ずれに相当)にすると、3次高調波は、I部とII部とで逆位相の推力を発生する状態となり、全体としてはキャンセルされてゼロになる。
7次高調波においては、51.4°、102.9°、154.3°
9次高調波においては、40°、80°、120°、160°
でゼロになる。
例えば、5次高調波においては、コイルの平均幅Waを
139.4°<Wa<148.6°
の関係を満足する様に設定すれば、5次高調波成分を5分の1以下に低減することができ、十分な効果が得られる。
(m×360-23.07)/n<Wa<(m×360+23.07)/n×23.07=asin(0.2)×2
の関係を満足する様に設計すれば、n次高調波成分を5分の1以下に低減することができ、十分な効果が得られる。また更に
(m×360-11.48)/n<Wa<(m×360+11.48)/n×11.48=asin(0.1)×2
の関係を満足する様に設計すれば、n次高調波成分を10分の1以下に低減することができ、更に高い効果が得られる。
図10Aの比較例の構成では、コイルの平均幅Waを180°とし、巻き幅Wcは、隣のコイルと重ならない範囲で最大の値である90°で設計されている。
図11に示すように、図4に示す構成と、図10Bに示す別の構成では、3次および5次高調波は、ほぼ完全に消滅した。
具体的には、リニアモータは、図17に示すように、2相駆動方式の駆動回路において、A相側のコイル10aを駆動する回路20aと、B相側のコイル10bを駆動する回路20bと、コイル10a,10bに近接する位置に配置された駆動用マグネット9とを備えている。
B相側の回路20bは、プラス側のトランジスタ23a,23bと、マイナス側のトランジスタ24a,24bと、を有している。
そして、位相に対する電流波形は、図18(b)に示すような波形となる。
なお、本実施の形態1では、コイル2個を使用して2相駆動する方式を示したが、コイル3個を使用して3相駆動する方式も可能である。
上記実施の形態1は、コイルの形状を工夫することにより、性能を改善する方法について説明したが、本実施の形態2では、マグネットを含む界磁部の構成を工夫することにより更に性能を改善する例を示す。
上記実施の形態1では、単一のマグネット9を多極着磁して構成したが、本実施の形態2ではマグネット9を磁極毎に分割して構成する。
図12において、界磁部は、主ヨーク7と6個の大マグネット9aと、大マグネットの半分の幅の小マグネット9b2個により構成される。
図13において、主ヨーク7にはプレス加工にて複数の突起7aが形成されている。
組み立て時には、大マグネット9aを突起aの間に挿入していくことにより、大マグネット9aを規則正しく配置することが可能である。
磁気回路の構成については、磁気飽和が発生しない領域では、重ね合わせで計算可能なことが知られている。
Wg=180×(1+2j)/k
の関係を満足する様に設計すれば、k次高調波成分を完全にキャンセルすることができる。
一般的には、隣り合う磁石隙間をWg、低減したい高調波成分をk次、jを任意の整数とした場合、
{180×(1+2j)-23.07}/k<Wg<{180×(1+2j)+23.07}/k×23.07=asin(0.2)×2
の関係を満足する様に設計すれば、k次高調波成分を5分の1以下に低減することができ、十分な効果が得られる。また更に、隣り合う磁石隙間をWg、低減したい高調波成分をk次、jを任意の整数とした場合、
{180×(1+2j)-11.48}/k<Wg<{180×(1+2j)+11.48}/k×11.48=asin(0.1)×2
の関係を満足する様に設計すれば、k次高調波成分を10分の1以下に低減することができ、更に高い効果が得られる。
なお、上記実施の形態2は、界磁部の構成で推力の高調波成分を低減する方法を示したが、上記実施の形態1に示したコイル形状を組み合わせることで、更に性能を高めることができる。
上記実施の形態1および実施の形態2は、コイルの形状および界磁部の構成を工夫することにより、推力の高調波成分を削減する方法を説明したが、本実施の形態3では更に性能を改善する例を示す。
上記実施の形態1では、コイル10a,10bの外周側のみにマグネット9を配置する構成を示したが、本実施の形態3では、コイルの内周側および外周側の両方にマグネット9を配置する構成となっている。
図16Aは、本実施の形態3の界磁部の磁力線図、図16Bは、比較例の界磁部の磁力線図である。
図16Bに示す通り、コイル部の磁束は方向が斜めを向いていることが分かる。
図16Aは、コイルの両側にマグネット9を配置した状態の磁力線図を示す。
また、図16Aと図16Bとを比較すると、コイル部の磁力線の密度が高くなっていることが分かる。磁力線の密度(=磁束密度)が高いと言うことは、推力が高くなることを示している。本実施例の磁界解析を行った結果、マグネット9をコイルの両側に配置することにより、推力はおよそ1.5倍に向上することが確認できた。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
2 保持枠
3 レンズ枠
4 主ガイドポール
5 副ガイドポール
6 ガイドカバー
7 主ヨーク
8 副ヨーク
9 駆動用マグネット(磁石)
9a 大マグネット
9b 小マグネット
10a,10b コイル
11 フレキシブル基板
12 MR素子(位置検出センサ)
13 MRマグネット(位置検出部材)
20a,20b 回路
21a,21b トランジスタ
22a,22b トランジスタ
23a,23b トランジスタ
24a,24b トランジスタ
31 ポール挿通孔
40 レンズ鏡筒
50 カメラ(撮像装置)
51 カメラ本体(本体部)
Claims (6)
- 2相駆動されるリニアモータであって、
2相のコイルと、
前記2相のコイルに対向する位置に、駆動方向に沿って配置された磁石と、
を備え、
前記磁石と対向する部分における前記コイルの巻幅を、電気角で120°±7.7°の範囲、
前記磁石と対向する部分における前記コイルの平均幅を、電気角で144°±4.6°の範囲、
前記2相のコイル間のピッチを、電気角で90°+180°×n(nは0以上の整数)とした、
リニアモータ。
(ただし、コイルの巻幅とは、巻線が巻回されたコイルの磁石と対向する略直線部分の前記駆動方向における幅寸法を意味する。コイルの平均幅とは、巻線が巻回されたコイルの磁石と対向する略直線部分の前記駆動方向における中心間の距離を意味する。) - 単極着磁された複数の前記磁石を、N極・S極交互に並べた界磁部を、さらに備え、
隣り合う前記磁石間の隙間をWg、低減したい高調波次数をk次、jを任意の整数とした場合、
{180°×(1+2j)-23.07°}/k<Wg<{180°×(1+2j)+23.07°}/k
の関係を満たす、
請求項1に記載のリニアモータ。 - 前記コイルを挟み込むように、前記コイルの両側に前記磁石が配置された界磁部を、さらに備えている、
請求項1に記載のリニアモータ。 - 光軸方向に進退可能なレンズ枠と、
前記レンズ枠に固定され、光軸と略垂直な方向に巻線軸を有し、光軸方向に沿って並ぶ2相のコイルと、
前記2相のコイルを挟み込むように、前記2相のコイルの両側に対向する位置に、光軸方向に沿って配置された磁石と、
を備え、
前記磁石を配置することにより、駆動時に前記コイルが、光軸と垂直方向に発生する推力を抑制するとともに、
前記磁石と対向する部分における前記コイルの巻幅を、電気角で120°±7.7°の範囲、
前記磁石と対向する部分における前記コイルの平均幅を、電気角で144°±4.6°の範囲、
前記2相のコイル間のピッチを、電気角で90°+180°×n(nは0以上の整数)とした、
レンズ鏡筒。
(ただし、コイルの巻幅とは、巻線が巻回されたコイルの磁石と対向する略直線部分の前記駆動方向における幅寸法を意味する。コイルの平均幅とは、巻線が巻回されたコイルの磁石と対向する略直線部分の前記駆動軸方向における中心間の距離を意味する。) - 単極着磁された複数の前記磁石を、N極・S極交互に並べた界磁部を、さらに備え、
隣り合う前記磁石間の隙間をWg、低減したい高調波次数をk次、jを任意の整数とした場合、
{180°×(1+2j)-23.07°}/k<Wg<{180°×(1+2j)+23.07°}/k
の関係を満たす、
請求項4に記載のレンズ鏡筒。 - 請求項4または5に記載のレンズ鏡筒と、
前記レンズ鏡筒が装着される本体部と、
を備えた撮像装置。
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