(57)【要約】【課題】画像センサの検出可能速度を超えた場合でも、可動部の移動量を検出することが可能な駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置（１）は、可動部（１００）と、可動部を保持する固定部（２００）と、固定部に設けられた第１の検出部（２１２）と、可動部に設けられた第２の検出部（１０２）と、固定部に対する可動部の位置を制御する制御部（２０１）とを有し、制御部は、固定部に対する可動部の速度に応じて第１の検出部または第２の検出部の一方を選択し、選択した検出部を用いて可動部の位置を制御する。【選択図】図９
2020092369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と、
前記可動部を保持する固定部と、
前記固定部に設けられた第１の検出部と、
前記可動部に設けられた第２の検出部と、
前記固定部に対する前記可動部の位置を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記固定部に対する前記可動部の速度に応じて前記第１の検出部または前記第２の検出部の一方を選択し、選択した検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記可動部の速度が所定の速度を超えていない場合、前記第１の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御し、
前記可動部の速度が前記所定の速度を超えている場合、前記第２の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御する場合、前記第２の検出部のフレームレートを変更することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第２の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御する場合、前記第２の検出部の前記フレームレートを第１のフレームレートから前記第１のフレームレートよりも高い第２のフレームレートへ変更し、前記第２のフレームレートで前記第２の検出部により取得された画像に基づいて前記可動部の前記位置を制御することを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
焦点距離が可変な光学系を更に有し、
前記制御部は、前記可動部の速度と前記焦点距離とに基づいて、前記フレームレートを変更することを特徴とする請求項３または４に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記可動部の速度と前記焦点距離とに基づいて、露光時間を変更することを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記可動部の速度と前記焦点距離とに基づいて、前記第２の検出部の感度を変更することを特徴とする請求項５または６に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記可動部の外面の少なくとも一部は球面であり、
前記固定部は、
前記可動部の前記球面に加圧接触して前記可動部を駆動する複数の振動体と、
前記可動部に対する前記複数の振動体の加圧接触状態を保持する受圧部と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記可動部の半径をｒ（ｍｍ）、前記可動部の回転速度をω（ｒａｄ／ｓ）、前記第１の検出部のサンプリング周波数をｆｓ（Ｈｚ）とするとき、前記可動部の移動量ｒ×ω／ｆｓ（ｍｍ）が所定の移動量を超えた場合、前記制御部は、前記第２の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の駆動装置を備えた撮像装置であって、
前記第２の検出部は、画像を撮像する撮像部であることを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
可動部と、前記可動部を保持する固定部と、前記固定部に対する前記可動部の位置を制御する制御部とを有する駆動装置の制御方法であって、
前記固定部に対する前記可動部の速度が所定の速度を超えているか否かを判定するステップと、
前記可動部の速度が前記所定の速度を超えていない場合、前記固定部に設けられた第１の検出部を用いて前記可動部の位置を制御するステップと、
前記可動部の速度が前記所定の速度を超えている場合、前記可動部に設けられた第２の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御するステップと、を有することを特徴とする駆動装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定部に対して可動部を駆動する駆動装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
雲台撮影システムは、監視カメラシステム等で用いられ、モータ等のアクチュエータを動作させてカメラを含む可動部をパン動作およびチルト動作させることにより、可動部の向きを変更することができる。通常、雲台撮影システムは、ジンバル構造により実現されるが、構造が複雑であるとともに、サイズが大型になる。そこで、小型の雲台撮影システムを実現するため、球形の可動部の内部にカメラを内蔵した球形構造が提案されている。球形構造によれば、カメラを搭載した可動部（球体）と、アクチュエータを搭載した固定部とを用いることにより、多自由度の駆動を実現することができる。その結果、複雑なジンバル構造が不要となる。
【０００３】
ところで、ジンバル構造の場合、複数の駆動軸があるとともにアクチュエータの駆動方向が一方向であるため、ロータリエンコーダやリニアエンコーダにより位置検出を行うことができる。しかしながら、球形構造の場合、多自由度駆動を検出する必要がある。球形構造の位置検出の際には、光学マウス等で使用されている照射用レーザーと画像センサとを組み合わせたセンサを用いる（画像センサ検出方式）。ただし、このセンサを用いた場合、可動部の回転速度が速くなると、画像センサで検出可能な速度を超える場合がある。このとき、２回画像を取得し、２つの画像中の同じ被写体がどの程度雲台の回転と共に移動したかを検出して可動部の移動量を測定する。
【０００４】
特許文献１には、パンチルト機構の角速度に応じて、撮像部の露光時間を調整する撮像装置が開示されている。特許文献１に開示された撮像装置は、パンチルトに起因するブレを抑えるため、角速度に応じて露光時間をブレの許容範囲内になるように調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２５３４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、画像センサ検出方式において可動部の回転速度が速くなると、画像センサで検出可能な速度を超える場合がある。すなわち、回転速度が速すぎると、１回目に取得した画像のパターンが２回目の画像に存在しない場合がある。その結果、位置検出を行うことができず、可動部内の撮像部がどの方向を向いているか把握することができなくなる可能性がある。
【０００７】
そこで本発明は、画像センサの検出可能速度を超えた場合でも、可動部の移動量を検出することが可能な駆動装置、撮像装置、および、駆動装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての駆動装置は、可動部と、前記可動部を保持する固定部と、前記固定部に設けられた第１の検出部と、前記可動部に設けられた第２の検出部と、前記固定部に対する前記可動部の位置を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記固定部に対する前記可動部の速度に応じて前記第１の検出部または前記第２の検出部の一方を選択し、選択した検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御する。
【０００９】
本発明の他の側面としての撮像装置は、前記駆動装置を備えた撮像装置であって、前記第２の検出部は、画像を撮像する撮像部である。
【００１０】
本発明の他の側面としての駆動装置の制御方法は、可動部と、前記可動部を保持する固定部と、前記固定部に対する前記可動部の位置を制御する制御部とを有する駆動装置の制御方法であって、前記固定部に対する前記可動部の速度が所定の速度を超えているか否かを判定するステップと、前記可動部の速度が前記所定の速度を超えていない場合、前記固定部に設けられた第１の検出部を用いて前記可動部の位置を制御するステップと、前記可動部の速度が前記所定の速度を超えている場合、前記可動部に設けられた第２の検出部を用いて前記可動部の前記位置を制御するステップとを有する。
【００１１】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、画像センサの検出可能速度を超えた場合でも、可動部の移動量を検出することが可能な駆動装置、撮像装置、および、駆動装置の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態における撮像装置のブロック図である。
【図２】本実施形態における撮像装置の外観斜視図である。
【図３】本実施形態における振動体の駆動原理の説明図である。
【図４】本実施形態における撮像装置の分解斜視図である。
【図５】本実施形態における撮像装置の説明図である。
【図６】本実施形態における撮像装置をＸ１方向から見た図である。
【図７】本実施形態における画像センサの移動量の説明図である。
【図８】本実施形態における撮影画像から可動部の回転角を算出する方法の説明図である。
【図９】本実施形態における制御方法のフローチャートである。
【図１０】本実施形態における撮影画像から回転角を算出する際の最大露光時間の算出方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
まず、図１を参照して、本実施形態における撮像装置（駆動装置）の内部構成および機能について説明する。図１は、本実施形態における撮像装置１のブロック図である。図１において、１００はレンズユニット１０１と撮像部（第２の検出部）１０２とを備えた可動部、２００は可動部１００を保持する固定部である。固定部２００には、可動部１００の位置を駆動制御するとともに撮像装置１の全体を制御する中央制御部（ＣＰＵ）２０１が設けられている。なお可動部１００は、外面の少なくとも一部が球面（球面形状）ＳＲである。また、圧電素子１７（図３参照）を含む複数の振動体（振動波モータ）１１〜１３が、可動部１００の球面ＳＲに接触（加圧接触）するように、固定部２００上に設けられている。
【００１６】
まず、可動部１００の構成について説明する。レンズユニット（光学系）１０１は、ズームユニット（ズーム光学系）、絞り／シャッタユニット、および、フォーカスユニット（フォーカス光学系）等を備えた撮像光学系である。撮像部１０２は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどの撮像素子を含み、撮像光学系（レンズユニット１０１）を介して形成された光学像（被写体像）を光電変換して電気信号（撮像データ）を出力する。撮像データ記憶部１０３は、撮像部１０２から出力される撮像データを記憶し、記憶した撮像データを可動部データ無線通信部１０４に転送する。可動部データ無線通信部１０４は、送受信アンテナを含み、可動部１００と固定部２００との間のデータ通信を無線通信で実施する。撮像部１０２から出力される撮像データを無線通信により固定部２００に送信する際には、撮像データ記憶部１０３に記憶された撮像データの時系列の順序で送信される。
【００１７】
レンズアクチュエータ制御部１０６は、モータドライバＩＣを含み、レンズユニット１０１のズームユニット、絞り／シャッタユニット、および、フォーカスユニット等の各種アクチュエータを駆動する。各種アクチュエータは、可動部データ無線通信部１０４を介して固定部２００から受信したレンズユニット１０１のアクチュエータ駆動指示信号に基づいて駆動される。無線電力受電部１０５は、固定部２００から電力を受電し、受電した電力を可動部１００の全体（各要素）の電源として用途に応じて供給する。フレームレート制御部１０７は、撮像部１０２のフレームレートを制御する。露光時間制御部１０８は、撮像部１０２の露光時間を制御する。
【００１８】
次に、固定部２００の構成について説明する。中央制御部２０１は、撮像装置１の全体を制御する制御部（ＣＰＵ）である。固定部データ無線通信部２０８は、可動部１００の撮像部１０２の撮像データの受信およびレンズユニット１０１の各種アクチュエータ駆動指示信号の送信等の可動部１００と固定部２００との間のデータ通信を無線通信で実施する。撮像信号処理部２０９は、固定部データ無線通信部２０８から出力された撮像部１０２の電気信号（撮像データ）を映像信号へ変換する。映像信号処理部２１０は、撮像信号処理部２０９から出力された映像信号を用途に応じて加工する。映像信号の加工は、画像切り出しおよび回転加工による電子防振動作を含む。
【００１９】
操作部２０２は、撮像装置１を操作するために設けられている。記憶部２０３は、撮影により得られた映像情報などの種々のデータを記憶する。表示部２０４は、ＬＣＤなどのディスプレイを備え、映像信号処理部２１０から出力された信号に基づいて、必要に応じて画像表示を行う。外部入出力端子部２０５は、外部装置との間で通信信号および映像信号を入出力する。電源部２０６は、撮像装置１の全体（各要素）に用途に応じて電源を供給する。無線電力送信部２０７は、可動部１００へ電力を送信する。位置検出部２１２は、光源（照射用光源）２１６と画像センサ２１７とを備えて構成され、可動部１００の位置を検出する第１の検出部である。光源２１６は、固定部２００の所定の領域に設けられている。
【００２０】
中央制御部２０１は、位置検出部２１２からの情報に基づいて、可動部制御部２１１を用いて複数の振動体１１〜１３を動作させることにより、可動部１００の位置（向き）を制御する。可動部制御部２１１は、可動部１００を移動（変位）させるために振動体１１〜１３のそれぞれの圧電素子に電圧を印加する。可動部制御部２１１により振動体１１〜１３の一部または全てを適宜動作させることで、可動部１００の多自由度駆動を実現することができる。位置補正部２１３は、位置検出部２１２により取得された画像情報に可動部１００の位置情報（位置情報を示すマーク）が含まれている場合、可動部１００の検出位置を補正する。
【００２１】
なお、本実施形態において、固定部２００から可動部１００への電力供給を無線で行っているが、有線で電力を供給してもよい。また、固定部２００と可動部１００との間の制御信号や撮像データ等のデータ送受信を無線通信で行っているが、有線で通信を行ってもよい。
【００２２】
次に、図２を参照して、撮像装置１の外観構成について説明する。図２は、撮像装置１の外観斜視図である。可動部１００は、その内部にレンズユニット１０１（レンズユニット）が組み込まれた球面（球面形状）を有する。可動部１００は、固定部２００に設けられた複数の振動体１１〜１３と、固定部２００に連結されたアーム部２２０の先端に設けられた受圧部２２０ａとの間で挟持されている。本実施形態では、説明の便宜上、固定部２００の底面２００ａは、互いに直交するＸ１軸およびＺ１軸により規定され、Ｘ１軸およびＺ１軸のそれぞれに対して直交する軸をＹ１軸と規定するものとする。
【００２３】
振動体１１〜１３はそれぞれ、可動部１００の球心Ｃに向かって付勢されるように、不図示のバネ部材を介して固定部２００に固定されている。受圧部２２０ａは、バネ部材による可動部１００の付勢力を受けるように構成されている。すなわち、振動体１１〜１３はそれぞれ、可動部１００の球面ＳＲに加圧接触した状態（加圧接触状態）で配置されている。可動部制御部２１１により振動体１１〜１３のそれぞれに駆動力（駆動のための電気信号）を与えると、可動部１００は振動体１１〜１３のそれぞれの接触点（接触部）で摩擦駆動される。そして、その合成力により、可動部１００を球心Ｃを通る任意の軸回りに移動させることができる。このような構成により、撮像装置１は、レンズユニット１０１を有する可動部１００を固定部２００に対して相対的に移動させることができ、その結果、種々の方向および角度の撮影が可能となる。
【００２４】
次に、図３を参照して、振動体（振動波モータ）１１〜１３の駆動原理について説明する。図３は、振動体１１〜１３の駆動原理の説明図である。本実施例において、振動体１１〜１３はそれぞれ、振動板１８と、振動板１８の裏面に貼り付けられた電気機械エネルギー変換素子としての圧電素子１７とを備えて構成される。
【００２５】
図３（ａ）は、振動板１８の裏面に貼り付けられた圧電素子１７の電極パターンを示す図であり、長手方向（ａ方向）において２等分された電極領域１７−１、１７−２が形成されている。また、電極領域１７−１、１７−２のそれぞれにおける分極方向は、同一方向（「＋」）となっている。圧電素子１７の２つの電極領域１７−１、１７−２のうち、図３（ａ）中の右側に位置する電極領域１７−１には、交流電圧Ｖ１が印加される。また、図３（ａ）中の左側に位置する電極領域１７−２には、交流電圧Ｖ２が印加される。図３（ａ）において、交流電圧Ｖ１、Ｖ２を、Ａモードの共振周波数付近の周波数であって、かつ位相が１８０°互いにずれた交流電圧であるとする。このとき、ある瞬間において、圧電素子１７の右側の電極領域１７−１が縮むとともに、左側の電極領域１７−２が伸びる。また、別の瞬間には、逆の関係となる。その結果、振動板１８には、図３（ｂ）に示されるようなＡモードの振動が発生する。Ａモードとは、矢印ａの方向の２次の曲げモードであり、ｃ方向の変位が小さい節部を３つ有し、逆にｃ方向の変位が大きい腹部を２つ有するモードである。このような振動が発生すると、振動板１８の中心部に設けられた突起部１９の先端は、図３（ｂ）の左右方向に変位する。突起部１９は、図３（ａ）の裏側に存在し、可動部１００に接触する接触部である。
【００２６】
一方、交流電圧Ｖ１、Ｖ２をＢモードの共振周波数付近の周波数であって、かつ同位相の交流電圧であるとすると、圧電素子１７の全体（２つの電極領域１７−１、１７−２）がある瞬間には伸び、また別の瞬間には縮む。その結果、振動板１８には、図３（ｃ）に示されるようなＢモードの振動が発生する。Ｂモードとは、ｂ方向の１次の曲げモードであり、ｃ方向の変位の小さい節部を２つ有し、逆にｃ方向の変位が大きい腹部を１つ有するモードである。このとき、「Ａモードの共振周波数」と「Ｂモードの共振周波数」は、略一致した周波数に設定される。ここで、略一致とは、厳密に一致する場合だけでなく、一致していると評価される程度に一致する（実質的に一致する）場合を含む意味である。
【００２７】
このようなそれぞれの振動をある時間的位相関係で合成することにより、可動部１００と接触している突起部１９の先端には、ａ方向およびｃ方向を径とする楕円状の運動が発生する。そして、この楕円運動を可動部１００が振動体１１〜１３の摩擦力として受け、図３（ｂ）中の矢印方向に駆動される。また、ＡモードとＢモードとの発生比を圧電素子１７の２等分された電極領域１７−１、１７−２へ入力する電圧の位相差を変えることにより変化させることが可能であり、楕円の縦横比もＡモードとＢモードとの発生比に応じて変化する。振動体１１〜１３において、ＡモードとＢモードとの発生比を変えることにより、接触部の駆動力が変えられるため可動部の速度をコントロールすることが可能となる。
【００２８】
次に、図４を参照して、撮像装置１の構成について説明する。図４は、撮像装置１の分解斜視図である。撮像装置１は、主に、レンズユニット１０１を備えた可動部１００と、アーム部２２０、ベースカバー２３０、シャーシ２４０、内部構造体２５０、および、ボトムカバー２６０を備えた固定部２００とから構成される。内部構造体２５０は、制御基板２５０ａを有する。制御基板２５０ａは、中央制御部（ＣＰＵ）２０１、記憶部（メモリ）２０３、および、可動部１００の駆動制御を行う可動部制御部２１１を有し、撮像装置１の全体の制御を司る。内部構造体２５０は、シャーシ２４０を介してベースカバー２３０の内部に固設された後、ベースカバー２３０の下部にボトムカバー２６０が固定されることでケーシングされる。
【００２９】
振動体１１〜１３は、超音波振動を利用して、被駆動体を摩擦駆動する方式の、所謂、超音波モータと呼ばれるアクチュエータである。振動体１１〜１３はそれぞれ、シャーシ２４０に設けられた開口２４０ａから可動部１００側に露出するように配置され、可動部１００の球心Ｃに向かって付勢力が作用するように、不図示のバネ部材を介してシャーシ２４０に固定されている。振動体１１〜１３から延出するＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）１１ａ、１２ａ、１３ａはそれぞれ、制御基板２５０ａと電気的に接続されている。ＦＰＣ１１ａ、１２ａ、１３ａは、可動部制御部２１１からの制御信号を受けて、振動体１１〜１３のそれぞれの圧電素子１７（電気機械エネルギー変換素子）に任意の高周波電圧を印加することができる。
【００３０】
アーム部２２０は、その先端に設けられた受圧部２２０ａが、可動部１００の球面ＳＲに接触するようにシャーシ２４０にビス等の締結部材により固定される。これにより、受圧部２２０ａが振動体１１〜１３のそれぞれの付勢力を受けることで、可動部１００に対する振動体１１〜１３の加圧接触状態を維持することができる。受圧部２２０ａは、可動部１００の回転駆動時の摩擦を小さくするため、低摩擦で摺動性に優れる樹脂（例えば、ポリアセタール等）や転動部材等で構成され、接触箇所を複数設けてもかまわない。
【００３１】
次に、図５を参照して、固定部２００、可動部１００、振動体１１〜１３、および、受圧部２２０ａの関係を説明する。図５は、撮像装置１の説明図である。図５（ａ）は、撮像装置１から、固定部２００の底面２００ａ、可動部１００、振動体１１〜１３、および、受圧部２２０ａのみを取り出して示している。ここで、説明の便宜上、可動部１００の球心Ｃにおいて、第一座標系（Ｘ１軸、Ｙ１軸、Ｚ１軸）をＸ１軸回りに角度θだけ回転させた座標系を第二座標系（Ｘ２軸、Ｙ２軸、Ｚ２軸）とする。
【００３２】
図５（ｂ）〜（ｄ）は、Ｙ２軸方向から見た図である。図５に示されるように、振動体１１〜１３は、Ｙ２軸に垂直な平面（Ｘ２軸およびＺ２軸により規定される平面）のうち、球心Ｃから距離Ｌだけ離れた平面と球面ＳＲとの交円（小円）Ｓの周上に１２０°間隔で配置されている。なお、振動体１１〜１３はそれぞれ、不図示のバネ部材を介して可動部１００の球心Ｃに向かって付勢されている。可動部１００の球面ＳＲの球心Ｃは、複数の振動体１１〜１３のそれぞれを通る円（交円（小円）Ｓ）の円周上の各点と受圧部２２０ａとを結んで形成される領域Ａの内部に位置する。言い換えると、可動部１００の球面ＳＲの球心Ｃは、複数の振動体１１〜１３を通る平面と受圧部２２０ａとの間に位置する。前述の複数の振動体を通る平面は、振動体が４つ以上の場合、複数の振動体のいずれか３つを通る平面を含む。ここでは、受圧部２２０ａと交円（小円）Ｓの中心Ｃｓとを結ぶ仮想直線ＳＬは、可動部１００の球心Ｃを通り、交円（小円）Ｓに対して垂直（Ｙ２軸と平行）である。このような構成により、可動部１００に対する振動体１１〜１３の加圧接触状態を効果的に維持することが可能となるとともに、可動部１００を確実に保持して可動部１００の不用意な脱落を阻止することが可能となる。
【００３３】
次に、可動部１００の回転動作について説明する。図５（ｂ）は、実際に可動部１００をＺ２軸中心に回転させるときの状態を示す図である。図５に示されるように、振動体１１〜１３は、１２０°間隔でＹ２軸から距離ｄの位置に配置されている。時計周り方向の力を正とすると、それぞれが正方向の力を発生しているとき、振動体１１の力の向きはＸ２軸方向を基準として０°、振動体１２の力の向きは２４０°、振動体１３の力の向きは１２０°となる。振動体１１〜１３上にはそれぞれ突起部（接触部）１９が設けられており、可動部１００が有する球面ＳＲとは振動体１１〜１３のそれぞれの突起部１９の３点で接触するようになっている。３つの突起部１９を用いた３点接触の構成により、振動体１１〜１３はそれぞれ、球面ＳＲと安定して接触することが可能となっている。
【００３４】
図５（ｂ）において、可動部１００をＺ２軸中心に回転させるために振動体１１に加える力をｆ１、振動体１２に加える力をｆ２、振動体１３に加える力をｆ３とすると、所定の力をｆとして、ｆ１＝２×ｆ  ｆ２＝−ｆ、ｆ３＝−ｆとなる。ここで、ＦｘをＸ２方向への力、ＦｚをＹ２方向への力、Ｆｙを回転方向への力、ｄをＹ２軸から振動体１１〜１３のそれぞれとの距離とすると、Ｆｘ、Ｆｚ、Ｆｘはそれぞれ、以下の式（１）〜（３）のように表される。
【００３５】
Ｆｘ＝ｆ１＊ｃｏｓ（０）＋ｆ２＊ｃｏｓ（４π／３）＋ｆ３＊ｃｏｓ（２π／３）＝（２×ｆ×１）＋（−ｆ×−０．５）＋（−ｆ×−０．５）＝３×ｆ  …  （１）
Ｆｚ＝ｆ１＊ｓｉｎ（０）＋ｆ２＊ｓｉｎ（４π／３）＋ｆ３＊ｓｉｎ（２π／３）＝（２×ｆ×０）＋（−ｆ×−０．８６）＋（−ｆ×０．８６）＝０×ｆ  …  （２）
Ｆｙ＝ｆ１＊ｄ＋ｆ２＊ｄ＋ｆ３＊ｄ＝（２×ｆ×ｄ）＋（−ｆ×ｄ）＋（−ｆ×ｄ）＝０×ｆ  …  （３）
このため、ｆ１〜ｆ３を入力すると、交円（小円）Ｓの中心点Ｃｓに合成力としてＸ２方向の力Ｆｘのみが発生する。すなわち、Ｘ２方向のみの駆動力が可動部１００に加えられる。従って、振動体１１〜１３の合成力Ｆｘは、可動部１００をＺ２軸中心に回転させることができる。
【００３６】
図５（ｃ）は、実際に可動部１００をＸ２軸中心に回転させるときの状態を示す図である。図５（ｃ）において、可動部１００をＸ２軸中心に回転させるために振動体１１に加える力をｆ１、振動体１２に加える力をｆ２、振動体１３に加える力をｆ３とすると、所定の力をｆとして、ｆ１＝０×ｆ、ｆ２＝−ｆ、ｆ３＝＋ｆとなる。Ｚ２軸中心に回転させたときと同様に、可動部１００への力の入力を考えると、Ｆｘ、Ｆｚ、Ｆｙはそれぞれ、以下の式（１ａ）〜（３ａ）のように表される。
【００３７】
Ｆｘ＝ｆ１＊ｃｏｓ（０）＋ｆ２＊ｃｏｓ（４π／３）＋ｆ３＊ｃｏｓ（２π／３）＝（０×ｆ×１）＋（−ｆ×−０．５）＋（ｆ×−０．５）＝０×ｆ  …  （１ａ）
Ｆｚ＝ｆ１＊ｓｉｎ（０）＋ｆ２＊ｓｉｎ（４π／３）＋ｆ３＊ｓｉｎ（２π／３）＝（０×ｆ×０）＋（−ｆ×−０．８６）＋（ｆ×０．８６）＝１．７３×ｆ  …  （２ａ）
Ｆｙ＝ｆ１＊ｄ＋ｆ２＊ｄ＋ｆ３＊ｄ＝（０×ｆ×ｄ）＋（−ｆ×ｄ）＋（ｆ×ｄ）＝０×ｆ  …  （３ａ）
このため、ｆ１〜ｆ３を入力すると、交円（小円）Ｓの中心点Ｃｓに合成力として−Ｚ２方向の力Ｆｚのみが発生する。すなわち、−Ｚ２方向のみの駆動力が可動部１００に加えられる。従って、振動体１１〜１３の合成力Ｆｚは、可動部１００をＸ２軸中心に回転させることができる。
【００３８】
図５（ｄ）は、実際に可動部１００をＹ２軸中心に回転させるときの状態を示す図である。図５（ｄ）において、可動部１００をＹ２軸中心に回転させるために振動体１１に加える力をｆ１、振動体１２に加える力をｆ２、振動体１３に加える力をｆ３とすると、所定の力をｆとして、ｆ１＝−ｆ、ｆ２＝−ｆ、ｆ３＝−ｆとなる。このとき、可動部１００への力の入力を考えると、Ｆｘ、Ｆｚ、Ｆｙはそれぞれ、以下の式（１ｂ）〜（３ｂ）のように表される。
【００３９】
Ｆｘ＝ｆ１＊ｃｏｓ（０）＋ｆ２＊ｃｏｓ（４π／３）＋ｆ３＊ｃｏｓ（２π／３）＝（−ｆ×１）＋（−ｆ×−０．５）＋（−ｆ×−０．５）＝０×ｆ  …  （１ｂ）
Ｆｚ＝ｆ１＊ｓｉｎ（０）＋ｆ２＊ｓｉｎ（４π／３）＋ｆ３＊ｓｉｎ（２π／３）＝（−ｆ×０）＋（−ｆ×−０．８６）＋（−ｆ×０．８６）＝０×ｆ  …  （２ｂ）
Ｆｙ＝ｆ１＊ｄ＋ｆ２＊ｄ＋ｆ３＊ｄ＝（−ｆ×ｄ）＋（−ｆ×ｄ）＋（−ｆ×ｄ）＝−３×ｆ  …  （３ｂ）
このため、ｆ１〜ｆ３を入力すると、交円（小円）Ｓの中心点Ｃｓに合成力としてＹ２軸中心の回転方向の力Ｆｙのみが発生する。すなわち、Ｙ２軸中心の回転方向のみの駆動力が可動部１００に加えられる。従って、振動体１１〜１３の合成力Ｆｙは、可動部１００をＹ２軸中心に反時計周りに回転させることができる。
【００４０】
また、前述の回転運動を適宜組み合わせることにより、球心Ｃを通る任意の軸を中心に可動部１００を回転させることができる（すなわち、任意の方向にレンズユニット１０１を振ることができる）。これにより、あらゆる方向の撮影が可能になるだけでなく、手振れなどによるレンズユニット１０１の光軸ずれを補正するための動作が可能となる。
【００４１】
図６は、撮像装置１をＸ１軸方向から見た図である。図６において、撮像装置１の可動部１００は、レンズユニット１０１の光軸Ｏが底面２００ａに対して直交する位置に移動している。αは、レンズユニット１０１の撮影範囲（レンズユニット１０１の画角）である。図６に示されるように、受圧部２２０ａは、レンズユニット１０１の撮影範囲αよりも外側の位置にある。このような角度θを設定することにより、撮像装置１は、底面２００ａに対して直交する方向の撮影が可能となる。例えば、撮像装置１の底面２００ａを天井に取り付けた場合、天井に対して真下の撮影が可能になる。
【００４２】
次に、図７を参照して、撮像装置１における画像センサ２１７の移動量について説明する。図７は、画像センサ２１７の移動量の説明図である。本実施形態では、可動部１００の移動量を検出するため、位置検出部２１２は画像センサ２１７を有する。
【００４３】
可動部１００の回転速度が速くなると、可動部１００は、画像センサ２１７が検出可能な速度を超える場合がある。撮像装置１は、２回画像を取得し、同形状の画像がどの程度移動したかを検出して、可動部１００の移動量を測定する。しかし、可動部１００の回転速度が速すぎると、１回目に取得した画像のパターンが２回目の画像に存在しない場合がある。このように位置検出を行うことができないと、球体（球面）である可動部１００がどの方向を向いているかを把握することができない。
【００４４】
例えば、ユーザから指令を受けた中央制御部２０１が、角速度ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）で回転するように可動部制御部２１１を制御したと仮定する。可動部１００の球面の半径をｒ（ｍｍ）、画像センサ２１７のサンプリング周波数をｆｓ（Ｈｚ）とするとき、１回目の画像取得から２回目の画像取得までの間の可動部１００の移動量はｒ×ω／ｆｓ（ｍｍ）となる。この移動量が画像センサ２１７の測定限界（移動量測定限界）を超えた場合、画像センサ２１７から正確な移動量を検出することができない。そこで撮像装置１は、図８に示されるように、撮像部１０２で取得した画像から回転角を算出する。
【００４５】
次に、図８を参照して、撮像部（第２の検出部）１０２で取得した画像（撮影画像）から可動部１００の回転角（移動量）を算出する方法について説明する。図８は、撮影画像から可動部１００の回転角を算出する方法の説明図である。
【００４６】
前述のように、可動部１００の移動量ｒ×ω／ｆｓ（ｍｍ）が画像センサ２１７の測定限界を超えた場合、撮像装置１は、画像センサ２１７で測定した移動量から可動部１００の回転角（移動量）を算出しない。代わりに、撮像装置１は、撮影画像から可動部１００の回転角（移動量）を算出する。図８に示されるように、例えば、レンズユニット１０１に対して、１回目に取得した画像において点Ａに存在した被写体が、可動部１００の移動により、２回目に取得した画像では点Ｂに存在すると仮定する。このとき、１回目に取得した画像では、撮像部１０２の位置Ａ′で光が結像する。また、２回目に取得した画像では、撮像部１０２の位置Ｂ′で光が結像する。
【００４７】
このとき、被写体からレンズユニット１０１までの距離をｄ、パンチルトカメラ（可動部１００）の移動による被写体の見かけの移動量をｈ１、可動部１００の回転角（移動量）をθとする。また、レンズユニット１０１の焦点距離をｆ、可動部１００の移動による被写体の撮像面上の移動量をｈ２とする。レンズユニット１０１の光軸と移動量ｈ１とが直角で交差する位置にある点Ｏを中心として、移動量ｈ１を距離ｈ１１と距離ｈ１２とに分割している。距離ｈ１１は点Ａから点Ｏまでの距離、距離ｈ１２は点Ｏから点Ｂまでの距離である。
【００４８】
同様に、レンズユニット１０１の光軸と移動量ｈ２とが直角で交差する位置にある点Ｏ′を中心として、移動量ｈ２を距離ｈ２１と距離ｈ２２とに分割している。距離ｈ２１は点Ａ′から点Ｏ′までの距離、距離ｈ２２は点Ｏ′から点Ｂ′までの距離である。距離ｈ２１は、撮像部１０２の画面中心から１枚目の被写体を結像した箇所までの距離に相当する。距離ｈ２２は、撮像部１０２の画面中心から２枚目の被写体を結像した箇所までの距離に相当する。
【００４９】
ここで、点Ａとレンズユニット１０１の中心と点Ｂとで構成される回転角をθとすると、点Ａ′とレンズユニット１０１の中心と点Ｂ′とで構成される回転角も同様にθである。ここで、回転角θを、回転角θ１と回転角θ２に分割している。回転角θ１は、点Ａとレンズユニット１０１の中心と点Ｏとで構成される角度である。回転角θ２は、点Ｂとレンズユニット１０１の中心と点Ｏとで構成される角度である。回転角θ１は、撮像部１０２の画面中心から１枚目の被写体が結像した箇所までの回転角に相当する。回転角θ２は、撮像部１０２の画面中心から２枚目の被写体が結像した箇所までの回転角に相当する。このとき回転角θ１は、撮影画像から得られる距離ｈ２１に基づいて、以下の式（１）を用いて求めることができる。
【００５０】
θ１＝ｔａｎ（ｈ２１／ｆ）  …  （１）
また、回転角θ２は、撮影画像から得られる距離ｈ２２に基づいて、以下の式（２）を用いて求めることができる。
【００５１】
θ２＝ｔａｎ（ｈ２２／ｆ）  …  （２）
また、θ＝θ１＋θ２であることから、撮影画像から得られる距離ｈ２１と距離ｈ２２とに基づいて、以下の式（３）を用いて回転角θを求めることができる。
【００５２】
θ＝θ１＋θ２
＝ｔａｎ（ｈ２１／ｆ）＋ｔａｎ（ｈ２２／ｆ）  …  （３）
次に、図９を参照して、本実施形態における撮像装置１の制御方法（画像センサ２１７または撮像部１０２で取得した画像（撮影画像）のいずれを用いて可動部１００の回転速度を検出するか否かを判定する方法）について説明する。図９は、本実施形態における制御方法のフローチャートである。図９の各ステップは、主に、中央制御部２０１の指令に基づいて、位置検出部２１２（画像センサ２１７）または撮像部１０２により実行される。
【００５３】
本実施形態において、中央制御部２０１は、可動部１００を回転動作させる前に、角速度ωの大きさに応じて、位置検出部２１２の画像センサ２１７を用いて回転角θを算出するか、または、撮像部１０２で得られる撮影画像から回転角θを算出するかを選択する。図９のフローチャートのスタートは、パンチルト回転動作前の状態を表している。本実施形態の撮像装置１は、図９のフローチャートに従うことにより、角速度ωに応じて回転角θの検出方法を変更することができる。
【００５４】
まずステップＳ９０１において、中央制御部２０１は、可動部１００を角速度ω、回転角θｐで回転する指令をユーザの操作等から受ける。続いてステップＳ９０２において、中央制御部２０１は、可動部１００の移動量ｒω／ｆｓが位置検出部２１２（画像センサ２１７）の移動量測定限界を超えているか否か（可動部１００の速度が画像センサ２１７の検出可能速度を超えているか否か）を判定する。可動部１００の移動量ｒω／ｆｓが画像センサ２１７の移動量測定限界を超えていない場合、ステップＳ９１１に進む。一方、可動部１００の移動量ｒω／ｆｓが画像センサ２１７の移動量測定限界を超えている場合、ステップＳ９０３に進む。
【００５５】
ステップＳ９０３において、中央制御部２０１は、可動部１００の回転前に可動部１００の撮像部１０２を用いて撮影を行い、撮影画像を取得する。続いてステップＳ９０４において、中央制御部２０１は、パターンマッチングのため、撮影画像の対応点抽出の処理を行う。続いてステップＳ９０５において、中央制御部２０１は、可動部１００の撮像部１０２のフレームレートを上げる。すなわち中央制御部２０１は、撮像部１０２のフレームレートを、第１のフレームレートから第１のフレームレートよりも高い第２のフレームレートへ変更する。フレームレートを上げる理由は、高速で動作させることによりサンプリング数を増やし、回転動作停止時のオーバーランを避けるためである。
【００５６】
続いてステップＳ９０６において、中央制御部２０１は、可動部１００の回転動作を開始する。続いてステップＳ９０７において、中央制御部２０１は、ステップＳ９０４にて抽出した対応点を用いてパターンマッチングを行うことにより、撮影画像から回転角θを算出する。続いてステップＳ９０８において、中央制御部２０１は、回転角θが回転角θｐである（θ＝θｐ）か否かを判定する。θ＝θｐの場合、ステップＳ９０９へ進む。一方、θ＝θｐでない場合、ステップＳ９０７に戻り、中央制御部２０１は、再度ステップＳ９０７にて撮影画像から回転角θを算出する。ステップＳ９０９において、中央制御部２０１は、可動部１００の回転動作を停止する。続いてステップＳ９１０において、中央制御部２０１は、撮像部１０２のフレームレートを元に戻す。
【００５７】
ステップＳ９０２にて可動部１００の移動量ｒω／ｆｓが画像センサ２１７の移動量測定限界を超えていない場合、ステップＳ９１１へ進む。ステップＳ９１１において、ステップＳ９０６と同様に、中央制御部２０１は可動部１００の回転動作を開始する。続いてステップＳ９１２において、中央制御部２０１は、画像センサ２１７（すなわち、画像センサ２１７により取得された画像）から回転角θを算出する。続いてステップＳ９１３において、中央制御部２０１は、回転角θが回転角θｐである（θ＝θｐ）か否かを判定する。θ＝θｐの場合、ステップＳ９１４へ進む。一方、θ＝θｐでない場合、ステップＳ９１２に戻り、中央制御部２０１は、再度ステップＳ９１２にて画像センサ２１７により取得された画像から回転角θを算出する。ステップＳ９１４において、中央制御部２０１は、可動部１００の回転動作を停止する。
【００５８】
本実施形態の制御方法によれば、可動部１００の速度が画像センサ２１７の検出可能速度を超えた場合でも、球形構造の可動部１００の移動量を検出することができる。
【００５９】
次に、図１０を参照して、撮像装置１の撮影画像から回転角θを算出する際の最大露光時間を算出する方法について説明する。図１０は、撮影画像から回転角θを算出する際の最大露光時間の算出方法の説明図である。
【００６０】
例えば、１回目に取得した画像では、レンズユニット１０１に対して、撮像部１０２の位置Ａ′で光が結像する。２回目に取得した画像では、可動部１００の移動により、撮像部１０２の位置Ｂ′で光が結像する。このとき、レンズユニット１０１の焦点距離をｆ、可動部１００の移動による被写体の撮像面上の移動量をｈ２とする。レンズユニット１０１の光軸と撮像部１０２とが直角で交差する位置にある点Ｏ′を中心として、移動量ｈ２を距離ｈ２１と距離ｈ２２とに分割している。距離ｈ２１は撮像部１０２の画面中心から１枚目の被写体を結像した箇所までの距離、距離ｈ２２は撮像部１０２の画面中心から２枚目の被写体を結像した箇所までの距離である。
【００６１】
ここで、点Ａ′とレンズユニット１０１の中心と点Ｂ′とで構成される回転角をθとする。また、回転角θを、回転角θ１と回転角θ２に分割している。回転角θ１は、点Ａ′とレンズユニット１０１の中心と点Ｏ′とで構成される角度である。回転角θ２は、θ１、点Ｂ′とレンズユニット１０１の中心と点Ｏ′とで構成される角度である。
【００６２】
時間ｔＡＯ間で点Ａ′から点Ｏ′に被写体が移動し、時間ｔＯＢ間で、点Ｏ′から点Ｂ′に被写体が移動したとすると、θ１＝ω×ｔＡＯ、θ２＝ω×ｔＯＢ、と表すことができる。したがって回転角θ１、θ２は、図１０より、以下の式（４−１）、（４−２）を用いて表すことができる。
【００６３】
ｔａｎ（ω×ｔＡＯ）＝ｈ２１／ｆ  …  （４−１）
ｔａｎ（ω×ｔＯＢ）＝ｈ２２／ｆ  …  （４−２）
許容可能なブレの長さ（移動量）をｈ２＝ｈ２１＋ｈ２２とすると、ブレの許容が可能な最大露光時間ｔｐは、以下の式（５）で表すことができる。
【００６４】
ｔｐ＝ｔＡＯ＋ｔＯＢ
＝ａｒｃｔａｎ（ｈ２１／ｆ）／ω  ＋  ａｒｃｔａｎ（ｈ２２／ｆ）／ω  …  （５）
本実施形態によれば、撮影画像を用いて、撮像装置（パンチルトカメラ）１の可動部１００の移動量を検出する際に許容可能な最大露光時間を決定することができる。
【００６５】
このように本実施形態において、駆動装置（撮像装置１）は、可動部１００、可動部を保持する固定部２００、固定部に設けられた第１の検出部（位置検出部２１２（画像センサ２１７））、および、可動部に設けられた第２の検出部（撮像部１０２）を有する。また駆動装置は、固定部に対する可動部の位置を制御する制御部（中央制御部２０１、フレームレート制御部１０７、露光時間制御部１０８）を有する。制御部は、固定部に対する可動部の速度に応じて第１の検出部または第２の検出部の一方を選択し、選択した検出部を用いて可動部の位置を制御する。
【００６６】
好ましくは、制御部は、可動部の速度が所定の速度（第１の検出部の測定限界）を超えていない場合、第１の検出部を用いて可動部の位置を制御し、一方、制御部は、可動部の速度が所定の速度を超えている場合、第２の検出部を用いて可動部の位置を制御する。また好ましくは、制御部は、第２の検出部を用いて可動部の位置を制御する場合、第２の検出部のフレームレートを変更する。より好ましくは、制御部は、第２の検出部のフレームレートを第１のフレームレートから第１のフレームレートよりも高い第２のフレームレートへ変更し、第２のフレームレートで第２の検出部により取得された画像（撮影画像）に基づいて可動部の位置を制御する。
【００６７】
好ましくは、駆動装置は、焦点距離が可変な光学系（レンズユニット１０１）を有し、制御部は、可動部の速度と焦点距離とに基づいてフレームレートを変更する。より好ましくは、制御装置は、可動部の速度と焦点距離とに基づいて、露光時間を変更する（許容可能な最大露光時間内の露光時間に変更する）。また好ましくは、制御装置は、可動部の速度と焦点距離とに基づいて撮像部１０２の感度を変更する。
【００６８】
好ましくは、可動部の外面の少なくとも一部は球面であり、固定部は、可動部の球面に加圧接触して可動部を駆動する複数の振動体と、可動部に対する複数の振動体の加圧接触状態を保持する受圧部とを有する。また好ましくは、可動部の移動量ｒ×ω／ｆｓ（ｍｍ）が所定の移動量（第１の検出部の測定限界）を超えた場合、制御部は、第２の検出部を用いて可動部の位置を制御する。
【００６９】
本実施形態によれば、画像センサの検出可能速度を超えた場合でも、可動部の移動量を検出することが可能な駆動装置、撮像装置、および、駆動装置の制御方法を提供することができる。
【００７０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  撮像装置（駆動装置）
１１、１２、１３  振動体
１００  可動部
１０２  撮像部（第２の検出部）
２００  固定部
２１７  画像センサ（第１の検出部）
２０１  中央制御部（制御部）
【図１】
2020092369.tif 000003
【図２】
2020092369.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020092369.tif 000008
【図７】
2020092369.tif 000009
【図８】
2020092369.tif 000010
【図９】
2020092369.tif 000011
【図１０】
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