专利名称：抗振系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抗振系统，其在与光轴垂直的方向上移动支撑校正透镜的可移动部分或图像拾取装置，以抵消由于手抖动产生的配备抗振系统的仪器(如照相机)振动造成的影响。
背景技术：
最近已经开发出了带有抗振系统的多种类型的数码相机。抗振系统在与成像光学系统的光轴垂直的平面上移动位于成像光学系统中点附近的校正光学系统(如校正透镜)或图像拾取装置，以抵消由于手抖动产生的的图像振动。校正光学系统或图像拾取装置具有自身的固有频率(固有振频)，在该频率处校正光学系统或图像拾取装置与配备抗振系统的仪器的振动产生共振。因此，已经开发出将固有频率设置在高于相机振动(手抖动所导致)频率的范围内的抗振系统，以防止当校正光学系统或图像拾取装置在闭环控制或开环控制下被驱动时，固有频率与相机振频产生共振。这样的发明在下述文献中被
公开日本未审查专利公开H07-098470，2003-344889，2002-139759，H11-109435，H09-230408，H09-080549以及H08-184870。
但是，在这些专利公开的抗振系统中，为了将固有频率设置在高于相机振频的范围内，驱动校正光学系统或图像拾取装置所需的驱动力变得更大，故而增加了抗振系统的能耗，因为必须提高支持校正光学系统或图像拾取装置的弹簧部件(或多个弹簧部件)的弹簧系数(spring rate)。
发明内容
本发明提供一种抗振系统，其耗能较低且不需提高支撑抗振系统的可移动部分的弹簧部件的弹簧系数、或可移动部分的固有振频。
根据本发明的一个方面，提供一种抗振系统，包括光学元件安装于其上的可移动部分；如此支持可移动部分、以使可移动部分在与光轴垂直的方向上自由移动的支承部件；以及在与光轴垂直的方向上驱动可移动部分的驱动系统。源自可移动部分和支承部件的可移动部分的固有振频被设置在配备抗振系统的仪器由于手抖动引起的振动频率的范围内。
优选抗振系统包括闭环控制系统，以驱动基于振动探测信号的驱动系统。
优选支承部件包括至少一个弹性部件，其支持可移动部分、以使可移动部分在与光轴垂直的方向上自由移动。驱动系统在弹性部件的弹力方向上驱动可移动部分。
优选支承部件包括至少一个弹性部件，其在初始位置支持可移动部分，同时允许可移动部分在与光轴垂直的方向上自由移动，光学部件为图像拾取装置；至少一条弹性应变(deformable)信号线和弹性应变供电线从可移动部分的外部连接到图像拾取装置；并且可移动部分的固有振频源自可移动部分、支承部件和弹性应变信号线与弹性应变供电线中的一个。
优选可移动部分的固有振频可通过调节弹性部件的弹簧常数而被设置。
优选可移动部分的固有振频可被设置到低于15Hz(Hz)。
优选可移动部分的固有振频可被设置在3～9Hz之间。
优选支承部件包括分别以特定的X-轴方向和以自由态与X-轴垂直的Y-轴方向延伸的一对X-轴方向的板簧(leaf spring)和一对Y-轴方向的板簧。
优选驱动系统包括X-轴方向的平面驱动线圈和一个Y-轴方向的平面驱动线圈，它们安装在线圈基片上，以分别位于两个固定磁铁(magnet)的磁场中。
配备抗振系统的仪器可以为相机。
优选光学元件被安装于线圈基片上，并且光学元件包括校正光学系统及图像拾取装置之一。
在一个实施例中，提供了相机的抗振系统，包括支撑相机的成像光学系统的光学元件的可移动部分，该可移动部分被支撑为在与成像光学系统的光轴垂直的方向上可自由移动；以及驱动系统，其在与光轴垂直的方向上驱动可移动部分，以抵消手抖动导致的相机振动的影响。可移动部分的固有振频被设置在相机振动频率的范围之内。
优选光学部件包括图像拾取装置和透镜元件之一。
根据本发明，可移动部分的固有振频被设置在相机振动频率的范围之内，导致抗振系统的能耗减少。
此外，由于支持可移动部分的弹性部件的弹簧系数可以制造得很小，所以驱动可移动部分的驱动力也可被减小，导致更少的电力消耗，这样如果电池作为能量来源，在需要被更换前就可使用更长的时间。
本发明将结合附图进行详细说明，其中图1为包括根据本发明的相机振动校正装置(抗振系统)的实施例的SLR数码相机的纵向截面图；图2为相机振动校正装置的透视图；图3为相机振动校正装置的前视图；图4为沿直线图3的IV-IV线的截面图；图5为相机振动校正装置的分解透视图；图6为安装在相机振动校正装置中的分级(stage)装置的前视图；图7为沿图6的VII-VII线的截面图；图8为用于相机振动校正装置的控制电路的实施例的方框图；图9为X-轴方向应变体的前视图，示出其操作状态(弹性变形状态)；图10为在X-轴方向上基于传递函数(1/(Ms2+K0))控制相机振动校正装置的可移动部分速度的速度控制电路的实施例的方框图；图11为在X-轴方向上基于传递函数(1/(Ms2+K0))控制相机振动校正装置的可移动部分速度、无反馈控制的速度控制电路的实施例的方框图；图12为固有振频被设置在30Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数F0的振幅特性的波特图；图13A为固有振频被设置为30Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数G0的振幅特性“|V0/Vi|”的波特图；图13B为固有振频被设置为30Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数G0的相位特性的波特图；图14为固有振频被设置为30Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数GC的振幅特性的波特图；图15为固有振频被设置为6Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数F0的振幅特性的波特图；
图16A为固有振频被设置为6Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数G0的振幅特性“|V0/Vi|”的波特图；图16B为固有振频被设置为6Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数G0的相位特性的波特图；图17为固有振频被设置为6Hz左右时，相机振动校正装置中传递函数GC的振幅特性的波特图；图18A为固有振频被设置为30Hz左右、同时微分电路的时间常数K3被设置为小于最佳调节值时，相机振动校正装置中传递函数F0的振幅特性“|V0/Vi|”的波特图；图18B为固有振频被设置为30Hz左右、同时微分电路的时间常数K3被设置为小于最佳调节值时，相机振动校正装置中传递函数F0的相位特性的波特图；图19示出了在相机成像表面上图像振动的频率分布的测量结果的曲线图；以及图20为使用校正透镜的改进的实施例的侧面示意图。
具体实施例方式
根据本发明的相机振动校正装置(抗振系统/图像稳定器)的实施例随后将结合附图1～7进行说明。相机振动校正装置15被安装于数码相机10内(固定体)如图1所示。
如图1所示，数码相机10具有包括多个透镜L1、L2和L3的成像光学系统。透镜L3后具有图像拾取装置11。图像拾取装置11具有与成像光学系统的光轴O相垂直的成像表面(图像形成平面)12。在光轴O的方向上(光轴方向)成像表面12位于成像光学系统的图像平面上的位置。在本实施例中，图像拾取装置11被固定于安装在数码相机10内的相机振动校正装置15上。一般采用如CCD或CMOS图像传感器的固体图像拾取装置作为图像拾取装置11。
相机振动校正装置15具有分级装置(可移动分级)20，其支撑图像拾取装置11，以使图像拾取装置11在与光轴O垂直的方向上相对相机主体(固定体)移动。
分级装置20紧靠透镜L3之后被固定于相机主体。分级装置20由如ABS树脂或聚碳酸酯树脂的人造树脂制成，具有一对沿X-轴方向(数码相机10的水平方向；图3中的箭头X)延伸的隔板(spacer)(上隔板和下隔板)21和22。分级装置20通过分别延伸穿过钻在一对隔板21和22末端的上和下固定孔23和24的两个定位螺钉(未示出)被固定于相机主体。这对隔板21和22的前表面分别具有一对前安装的凹部(recess)25和26，并且在隔板21和22的后表面还具有一对后安装的凹部27和28，其形状与前安装的凹部25和26分别对应(参见图5)。
本文的整个说明书中，在相机振动校正装置15设在数码相机10内的情况下，Z-轴指的是当安装在数码相机10上时成像透镜的光轴O，X-轴(X-轴方向)指的是当相机位于正常位置(如，不倾斜)时与Z-轴方向垂直的水平方向，而Y-轴(Y-轴方向)指的是与Z-轴和X-轴都垂直的垂直方向。
分级装置20具有沿Y-轴方向(数码相机10的垂直方向；图3中的箭头Y；图3所示的垂直方向)延伸的固定支承侧梁(side-member)(固定支承部件/固定支撑板)29，并且一对隔板21和22通过固定支承侧梁29彼此连接。分级装置20具有一对X-轴方向上的板簧(上弹性板簧和下弹性板簧)30和31，其从固定支承侧梁29的上末端和下末端沿X-轴方向向左延伸，如图3所示。分级装置20具有沿Y-轴方向延伸的可移动支承侧梁(可移动支承部件/可移动支撑板)32，并且一对X-轴方向的板簧30和31的左末端如图3所示通过可移动支承侧梁32彼此连接。每个X-轴方向的板簧30和31在Y-轴方向上的厚度小于每个固定支承侧梁29和可移动支承侧梁32在X-轴方向上的厚度，并且固定支承侧梁29和可移动支承侧梁32并非是弹性应变的，而是其中每对X-轴方向的板簧30和31的每个在Y-轴方向上都是弹性应变的。固定支承侧梁29、一对X-轴方向的板簧30和31以及可移动支承侧梁32构成了Y-轴方向上的应变体。
分级装置20在Y-轴方向上的应变体内具有支承部分(水平支撑板)33，其从可移动支承侧梁32内表面的下末端附近沿X-轴方向向右延伸，如图3所示。因此，支承部分33形似从可移动支承侧梁32延伸出的悬臂。支承部分33的固定端(如图3所示的左端)作为接合部件(支承部分接合部分)33a将支承部分33与可移动支承侧梁32相连接，并且一对Y-轴方向的板簧(右弹性板簧和左弹性板簧)34和35分别从支承部分33除接合部件33a外的上表面的相对末端沿Y-轴方向向上延伸。一对Y-轴方向的板簧34和35的上末端通过在X-轴方向上延伸的连接部件(水平连接板)36彼此连接。每个Y-轴方向的板簧34和35在X-轴方向上的厚度都小于每个支承部分33和连接部件36在Y-轴方向上的厚度。支承部分33和连接部件36并非弹性应变的，而每对Y-轴方向的板簧34和35在X-轴方向上都是弹性应变的。支承部分33、一对Y-轴方向的板簧34和35以及连接部件36构成了X-轴方向上的应变体。
X-轴方向上的应变体在连接部件36的内表面上具有从连接部件36沿Y-轴方向向下延伸、并位于一对Y-轴方向板簧34和35之间的X-轴方向上的应变体内部的上安装部件37。X-轴方向应变体在上安装部件37的下端还具有从上安装部件37沿Y-轴方向向下延伸的支承件(enclosure)38。从分级装置20前方来看，支承件38具有大致正方形的形状。下安装部件39被固定于支承件38的底端。上安装部件37和下安装部件39的后表面位于与X-方向和Y-方向均平行的平面内，也就是说，平行于X-Y轴平面。上安装部件37具有两个固定孔(通孔)40，而下安装部件39具有两个固定孔(通孔)41。支承件38形成为盒子的形状，其后端是完全开放的。支承件38在前壁中心的前壁上具有一个矩形光圈(aperture)42。上安装部件37，支承件38以及下安装部件39与一对Y-轴方向板簧34和35都以预定距离分离放置，以免与其接触，而下安装部件39以预定距离与支承部分33分离放置，以免彼此接触。
X-轴方向的应变体、Y-轴方向的应变体、安装部件37、支承件38以及下安装部件39构成了分级装置20的可移动部分100，其中安装部件37、支承件38以及下安装部件39由X-轴方向的应变体和Y-轴方向的应变体支承，以在与Z-轴垂直的X-Y轴方向上自由移动。整个分级装置20可通过使用模子(未示出)的注塑法被成型为一个整体。
相机振动校正装置15在支承件38内具有从相机振动校正装置15前方来看为矩形的光学低通滤波器45。光学低通滤波器45被装入支承件38内，以从其背后封闭矩形孔42。图像拾取装置11也被装入支承件38内。相机振动校正装置15在紧靠支承件38后部具有与X-Y轴平面平行并且其前表面固定于支承件38(参见图4和5)的线圈基片50。图像拾取装置11固定于线圈基片50前表面的中部。通过分别穿过分级装置20的四个固定孔40和41从而旋入线圈基片50上的四个螺母孔51中的四个定位螺钉(未示出)，线圈基片50和分级装置20被彼此固定为一个整体。也就是说，光学低通滤波器45、图像拾取装置11和线圈基片50由分级装置20支承，以在X-Y轴方向上可移动。
尽管在附图中没有示出，分别连接于电源和数码相机10的控制板的供电线和信号线被连接到线圈基片50。供电线和信号线具有例如弹性(flexible)印刷线路板或聚乙烯涂层电线，以使线圈基片50在X-Y轴方向上移动。
分别从线圈基片50的上端和右端突出上凸起52和右凸起53。X-轴方向的霍尔元件(X-轴方向位置传感器)54被固定于上凸起52的前表面，而Y-轴方向的霍尔元件(Y-轴方向位置传感器)55被固定于右凸起53的前表面。X-轴方向的平面驱动线圈CX被固定于上凸起52的前表面，以围绕Y-轴方向的霍尔元件55。X-轴方向的平面驱动线圈CX例如以印刷线圈形式被印刷在上凸起52的前表面。同样地，Y-轴方向的平面驱动线圈CY被固定于右凸起53的前表面，以围绕X-轴方向的霍尔元件54。Y-轴方向的平面驱动线圈CY例如以印刷线圈形式被印刷在右凸起53的前表面。X-轴方向的平面驱动线圈和Y-轴方向的平面驱动线圈超过100圈，并且位于与X-轴方向和Y-轴方向均平行的平面内，即平行于X-Y轴平面。
相机振动校正装置15具有两个轭部件平面L-形前轭60及位于前轭60后部的平面L-形后轭65。这两个轭部件由例如铁的铁磁物质制成，具有相同的形状和大小，并且平行于X-Y轴平面。相机振动校正装置15在面对后轭65的X-轴方向上板部分66的前轭60的X-轴方向板部分61的后表面上具有固定于X-轴方向板部分61上的永久磁铁(第一板磁铁)63。相机振动校正装置15在面对后轭65的Y-轴方向板部分67的前轭60的Y-轴方向板部分62的后表面上还具有固定于Y-轴方向板部分62上的永久磁铁(第二板磁铁)64。永久磁铁63包括排列在Y-轴方向上的N-极和S-极，并且永久磁铁64包括排列在X-轴方向上的N-极和S-极。采用X-轴方向的霍尔元件54来检测永久磁铁63的N-极与S-极之间边界附近磁通量的变化，以获得线圈基片50在X-轴方向上的位置信息，以及采用Y-轴方向的霍尔元件55来检测永久磁铁64的N-极与S-极之间边界附近磁通量的变化，以获得线圈基片50在Y-轴方向上的位置信息。
X-轴方向的平面驱动线圈CX和永久磁铁64沿Y-轴方向延伸，而Y-轴方向的平面驱动线圈CY和永久磁铁63沿X-轴方向延伸，使得移动在X-Y轴方向上与自身平行的线圈基片50的磁力作用于线圈基片50。
前轭60的Y-轴方向板部分62与分级装置20的一对前安装凹部25和26配合并固定于此，而后轭65的Y-轴方向板部分67与分级装置20的一对后安装凹部27和28固定配合。如图2和3所示，前轭60的X-轴方向的板部分61和后轭65的X-轴方向的板部分66位于分级装置20的X-轴方向的板簧30上部，以沿X-轴方向延伸，并在Z-轴方向上彼此面对，同时线圈基片50的上凸起52位于X轴方向的板部分61和X轴方向的板部分66之间，而Y轴方向的磁路在X轴方向的板部分66与X轴方向的板部分61和永久磁铁63的组合之间形成。X轴方向的板部分61及X轴方向的板部分66的左端通过人造树脂制成的连接件68彼此连接。前轭60的Y轴方向的板部分62和后轭65的Y轴方向的板部分67被放置成在Y轴方向延伸，并在Z-轴方向上彼此面对，并且X轴方向的磁路在Y轴方向的板部分62与Y轴方向的板部分67和永久磁铁64的组合之间形成。
前轭60、永久磁铁64以及后轭65构成了X轴方向的磁力产生器(magnetic power generator)，而前轭60、永久磁铁63以及后轭65构成了Y轴方向的磁力产生器。X轴方向的磁力产生器和X轴方向的平面驱动线圈CX构成了X轴方向的执行器(actuator)，而Y轴方向的磁力产生器和Y轴方向的平面驱动线圈CY构成了Y轴方向的执行器。X轴方向的执行器和Y轴方向的执行器共同构成了驱动系统，以在X轴和Y轴方向上驱动可移动部分100。图2～7示出的如上所述的所有元件以及后面将会讨论的控制器构成了相机振动校正装置15。
后面将参照附图8所示的方框图讨论相机振动校正装置15的运行的实施例。
相机振动校正装置15执行振动校正操作(图像稳定操作)，以抵消摄像者手抖动引起的成像光学系统的光轴O的偏差(角度偏差)造成的图像振动。光轴O的这些偏差分别由数码相机10内的X轴方向的角速度传感器201和Y轴方向的角速度传感器202以两个分离的部分进行检测X轴方向的部分和Y轴方向的部分。
穿过透镜L1再穿过透镜L3的光通过光学低通滤波器45被会聚在图像拾取装置11的成像表面12上，以在成像表面12上形成图像。如果数码相机10的相机振动校正开关(未示出)在成像操作中被打开，则X轴方向的角速度传感器(振动检测传感器)201和Y轴方向的角速度传感器(振动检测传感器)202的输出通过积分电路203和204被积分，以分别转换为光轴O的X轴方向的偏差量和Y轴方向的偏差量(也就是说，转换为数码相机10的偏差量)。积分电路203的输出(数码相机10的偏差量)和X轴方向的霍尔元件54的输出(图像拾取装置的移动量)在误差放大器(控制器的元件)205中进行比较，随后误差放大器205将积分电路203与X轴方向的霍尔元件54之间的输出差所对应的电流施加到X轴方向的平面驱动线圈CX上，从而以减小输出差异的方式驱动图像拾取装置11。类似地，积分电路204的输出(数码相机10的偏差量)和Y轴方向的霍尔元件55的输出(图像拾取装置的移动量)在误差放大器(控制器的元件)206中进行比较，随后误差放大器206将积分电路204与Y轴方向的霍尔元件55之间的输出差所对应的电流施加到Y轴方向的平面驱动线圈CY上，从而以减小输出差异的方式驱动图像拾取装置11。也就是说，图像拾取装置11响应光轴O的偏差(偏差量)在X-Y轴方向被驱动以减小由于手抖动造成的图像拾取装置11上的图像振动(即，用于稳定形成于成像表面12上的目标图像)。
图像拾取装置11在X-Y轴方向以下述方式被驱动。
如果误差放大器205只为特定方向仅上的X轴方向平面驱动线圈CX供应电流，则由于位于Y轴方向的板部分67与Y轴方向的板部分62和永久磁铁64的组合之间的X轴方向上的磁路产生的磁力，在X轴方向的平面驱动线圈CX上产生X轴方向上向右的线性力。因此，一对Y轴方向的板簧34和35中的每个从Z-轴方向来看都以字母S的形状弹性应变，使得连接部件36在X轴方向上相对于支承部分33在连接部件36不与固定支承侧梁29或可移动支承侧梁32相接触的移动范围内大致向右线性移动，因此，线圈基片50和图像拾取装置11大致向右线性移动。出于参考的目的，图9示出X轴方向的应变体的操作状态(弹性应变状态)，其中一对Y轴方向的板簧34和35的每个都以字母S的形状弹性应变(每个Y轴方向的板簧34和35的变形量都在图9中被放大以进行说明)。
另一方面，如果误差放大器205以与前述特定方向相反的方向仅为X轴方向的平面驱动线圈CX供应电流，则由于X轴方向上的磁路产生的磁力，在X轴方向的平面驱动线圈CX上产生X轴方向上向左的线性力。因此，一对Y轴方向的板簧34和35的每个从Z-轴方向来看都以字母S的形状弹性应变，使得连接部件36在X轴方向上相对支承部分33在连接部件36不与固定支承侧梁29或可移动支承侧梁32相接触的移动范围内大致向左线性移动，因此，线圈基片50和图像拾取装置11大致向左线性移动。
尽管一对Y轴方向的板簧34和35中的每一个都以字母S形状弹性应变如图9所示，但是这对Y轴方向的板簧34和35可以桶状或管状弹性应变。类似地，一对X轴方向的板簧30和31可以桶状或管状(bobbin)弹性应变。
尽管当误差放大器205如上所述仅给X轴方向的平面驱动线圈CX供应电流时，连接部件36沿X轴方向不是完全线性移动而是在Y轴方向以小位移大致线性移动，但是实际上图像振动已被适当地校正了，这是因为这种Y轴方向的位移通过如图8所示的控制电路使用Y轴方向的霍尔元件55进行检测，使得Y轴方向的平面驱动线圈CY也被供以电流，以抵消这种Y轴方向上这样的位移。
类似于当误差放大器205仅给X轴方向的平面驱动线圈CX供应电流的情形，如果误差放大器206仅给特定方向的Y轴方向平面驱动线圈CY供应电流，则由于位于X轴方向的板部分66与Y轴方向的板部分61和永久磁铁63的组合物之间的Y轴方向上的磁路产生的磁力，在Y轴方向的平面驱动线圈CY上产生Y轴方向上向上的线性力。因此，一对X轴方向的板簧30和31中的每个从Z-轴方向来看都以字母S的形状弹性应变，使得可移动支承侧梁32在Y轴方向上相对于固定支承侧梁29在可移动支承侧梁32不与相机主体相接触的移动范围内大致向上线性移动，因此，线圈基片50和图像拾取装置11大致向上线性移动。另一方面，如果误差放大器206以与前述特定方向相反的方向仅给Y轴方向的平面驱动线圈CY供应电流，则由于Y轴方向上的磁路产生的磁力，在Y轴方向的平面驱动线圈CY上产生Y轴方向上向下的线性力。因此，一对X轴方向的板簧30和31中的每个从Z-轴方向来看都以字母S的形状弹性应变，使得可移动支承侧梁32在Y轴方向上相对于固定支承侧梁29在可移动支承侧梁32不与相机主体相接触的移动范围内大致向上线性移动，因此，线圈基片50和图像拾取装置11大致向下线性移动。
尽管如上所述当误差放大器206仅给Y轴方向的平面驱动线圈CY供应电流时，连接部件36沿Y轴方向不是完全线性移动，而是在X轴方向有小位移的大致线性移动，但是实际上图像振动已被适当地校正了，这是因为这种X轴方向的位移通过如图8所示的控制电路使用X轴方向的霍尔元件54进行检测，使得X轴方向的平面驱动线圈CX也被供以电流，以抵消X轴方向上的这种位移。
因此，手抖动引起的图像振动通过图像拾取装置11在X-Y轴方向上按照线圈基片50在X-Y轴方向上移动的位置变化被校正。尽管在X轴方向的振动校正操作(图像稳定操作)和在Y轴方向的振动校正操作(图像稳定操作)已在上面彼此独立地进行了描述，但是这两个振动校正操作在正常情形下是同时执行的，在X-Y轴平面内任何方向上(从0～360度的任意角度)，数码相机10的任何偏差的影响都能够被抵消。
在前述的实施例中，为使图像拾取装置11在与光轴O垂直的X-Y轴平面内平行于自身而移动，一对X轴方向的板簧30和31以及一对Y轴方向的板簧34和35支持图像拾取装置11，以使图像拾取装置11在一对X轴方向的板簧30和31在Y轴方向的弹力的方向上、以及一对Y轴方向的板簧34和35在X轴方向的弹力的方向上移动。因此，图像拾取装置11具有由包括除21、22、29外的分级装置20的可移动部分100的质量、图像拾取装置11(光学低通滤波器45、50，X轴方向的平面驱动线圈CX，以及Y轴方向的平面驱动线圈CYY)、一对X轴方向的板簧30和31的弹性、一对Y轴方向的板簧34和35的弹性以及前述的供电线和信号线的弹性决定的固有振频(在Y轴方向和X轴方向的固有振频)。
这里，可移动支承部分100沿X-Y轴方向被移动时的弹簧常数记为“K0”。如果可移动部分100的质量此处称为“M”，则可移动部分100的固有振频由下述公式表示
(K0/M)1/2/2π。
此外，由现有技术可知，当具有质量M的可移动部分被具有弹簧常数K0的弹性部件在水平方向上进行驱动(移动)时，代表驱动可移动部分100的驱动力和可移动部分100的位移之间关系的转移函数由下面的公式表示1/(Ms2+K0)。
图10为在X轴方向上基于该转移函数控制可移动部分100的速度的速度控制电路的实施例的方框图。因为实际的相机振动校正装置是二维驱动的，所以实际上需要两对速度控制电路(共4个速度控制电路)。在图10中，“Vi”表示通过积分电路203对X轴方向加速度传感器201的输出进行积分得到的积分(积分值)。该积分被输入到速度控制电路作为具有相机振动检测信号电压Vi的相机振动检测信号(振动检测信号)。
对应于用来检测可移动部分100位移的霍尔传感器(X轴方向的霍尔元件54)输出的相机振动检测信号电压Vi与霍尔传感器输出电压V0之间的差异被误差放大器(A)放大作为驱动线圈施加的电压VC被输出。驱动线圈施加的电压VC被施加于驱动线圈(X轴方向的平面驱动线圈CX)。驱动线圈施加的电压VC的实施导致该驱动线圈产生驱动可移动部分100的驱动力，同时可移动部分100的位移在霍尔传感器(X轴方向的霍尔元件54)上被转换为霍尔传感器输出电压V0。也就是说，驱动线圈施加的电压VC通过线圈电压—至—力转换系数(K1)转换为驱动力，该驱动力转换的驱动量由转移函数(1/(Ms2+K0))表示，并且该驱动量通过位移传感器位移—至—电压转换系数(K2)被转换为霍尔传感器输出电压V0。
微分电路(K3S)对霍尔传感器输出电压V0进行微分，以转换为与可移动部分100的移动速度成比例的电压，并从相机振动检测信号电压Vi与霍尔传感器输出电压V0之差中减掉该电压值，以检测可移动部分100的位移。实际上，这样通过微分电路(K3S)得到的电压的差值(电压差)成为误差放大器(A)的输入。微分电路(K3S)工作，以使可移动部分的位移速度不会过高，并且因此对于稳定可移动部分的操作是有用的。
由于速度控制电路的上述控制，可移动部分100以相对于相机振动速度的速度下在减少电压差异的方向上被驱动，并由此减小(补偿)手抖动引起的图像振动。
转移函数G0和转移函数GC可通过图10所示的速度控制电路被设定。转移函数G0和GC分别由下面的两个公式表示(公式1和公式2)。由公式1表示的转移函数G0示出抗振系统(相机振动校正装置)的工作特性，即位移振幅(霍尔传感器输出电压)V0与相机振动检测信号电压Vi之比。由公式2表示的转移函数GC示出驱动线圈施加的电压VC与相机振动检测信号电压Vi之比。
公式1G0=V0Vi=AK1K2Ms2+AK1K2K3s+K0+AK1K2]]>公式2GC=VCVi=A(Ms2+K0)Ms2+AK1K2K3s+K0+AK1K2]]>其中“VC”表示驱动线圈施加的电压，“A”表示误差放大因子，“M”表示可移动部分的质量，“K1”表示线圈电压—至—力转换系数，“K2”表示位移传感器位移—至—电压转换系数，“K3”表示微分电路的时间常数，以及“K0”表示弹簧常数。
图11为基于前述转移函数1/(Ms2+K0)无反馈控制在X轴方向上控制可移动部分100的速度的速度控制电路的另一个实施例的方框图。下面用公式3表示的转移函数表示位移振幅(霍尔传感器输出电压)V0与输入信号(相机振动检测信号电压)Vi之间的比值。
公式3F0=V0Vi=K1K2Ms2+K0]]>
由公式1和2给出的控制电路的控制特性将参照附图12～18在下面进行讨论。
图12、13A、13B和14为分别示出当通过调节例如一对X轴方向的板簧30和31中每个的厚度来调节弹簧常数，以将可移动部分100的固有振频设置在30Hz左右，高于15Hz相机振频的上限时，转移函数F0、G0、G0、GC的振幅特性的波特图，。
图12为转移函数F0的振幅特性的波特图。在该图中，垂直轴和水平轴分别表示位移振幅(db)和输入频率(Hz)。此时可以看出，直到输入信号频率为10Hz时位移振幅都维持在恒定的水平；但是在固有频率30Hz附近时，由于发生共振，位移振幅急剧增加并随后在高频时降低。
图13A为转移函数G0的振幅特性“|V0/Vi|”的波特图，而图13B为转移函数G0的相位特性的波特图。在图13A所示的波特图中，垂直轴和水平轴分别表示位移振幅(db)和输入频率(Hz)。在图13B所示的波特图中，垂直轴和水平轴分别表示相位延迟(°)和输入频率(Hz)。振幅特性已被调节为系数K3，以使位移振幅直至到达高频前尽可能维持在0db。从这些波特图中可清楚看出，在相机的上限振频(15Hz)处，振幅特性被维持在0db，并且相位延迟保持在10°之内。
图14为转移函数GC的振幅特性的波特图。图中示出输入信号频率下降并且驱动线圈施加的电压在30Hz的固有频率附近急剧变低。
图18A为转移函数F0的振幅特性“|V0/Vi|”的波特图，此时固有频率被设置在30Hz左右，同时微分电路的时间常数K3被设置为小于最佳调节值，并且图18B为转移函数F0的相位特性的波特图，此时固有频率被设置在30Hz左右，同时微分电路的时间常数K3被设置为小于最佳调节值。如果微分电路的时间常数K3被设定为小于最佳调节值，则振幅的峰值出现在控制系统的共振点(频率100Hz左右)处，使得系统趋于振荡，这是不希望的。
图15、16A、16B和17分别为示出转移函数F0、G0、G0、GC的振幅特性的波特图，当通过调节例如一对X轴方向的板簧30和31中每个的厚度来调节弹簧常数、以将可移动部分100的固有振频设置在6Hz左右。
图15为转移函数F0的振幅特性的波特图。在图15所示的波特图中，垂直轴和水平轴分别表示位移振幅(db)和输入频率(Hz)。此时可以看出，直到输入信号频率为4Hz时位移振幅都维持在相同的水平；但是，在固有频率6Hz左右时，由于发生共振位移振幅急剧增加并随后在高频时降低。
图16A为转移函数G0的振幅特性“|V0/Vi|”的波特图，而图16B为转移函数G0的相位特性的波特图。在图16A所示的波特图中，垂直轴和水平轴分别表示位移振幅(db)和输入频率(Hz)。在图16B所示的波特图中，垂直轴和水平轴分别表示相位延迟(°)和输入频率(Hz)。振幅特性已被调节为系数K3，以使位移振幅直至到达高频前尽可能维持在0db。从这些波特图中可清楚看出，在相机的上限振频(15Hz)处，振幅特性被维持在0db并且相位延迟保持在10°之内，类似于图13A和13B示出的实施例，并且可以理解图13A和13B示出的实施例与图16A和16B示出的实施例之间的性能特征没有显著差异。即，根据本发明提供的实施例，即使固有频率变化了，性能特征也没有差别。
图17为转移函数GC的振幅特性的波特图。该波特图示出固有频率在6Hz附近时输入信号的频率降低并且驱动线圈施加的电压变得极低。
从图14和17示出的振幅特性的波特图中可以理解，当输入信号频率在固有频率附近时，驱动线圈施加的电压可以极低。也就是说，如果固有频率被设定在相机振频的范围内，则施加给驱动线圈的、用以抵消手抖动造成的图像振动的电压平均变小，这对于降低能量需求是有效的。
当图14示出的实施例(固有频率30Hz)和图17示出的实施例(固有频率6Hz)相互比较时，可以看出，图14和图17示出的实施例的振幅特性分别为大约2.5db(|V0/Vi|＝1.3)和约-25db(|V0/Vi|＝1.3)，其中相机振频的范围远远低于固有频率。也就是说，可以理解，即使输入具有相同振幅的相机振动信号，图17示出的实施例中只需要图14示出的实施例中驱动线圈所需的电压的1/23(0.056/1.3＝1/23)。这是因为驱动线圈产生的驱动可移动部分克服弹簧的弹力的磁力可以很小(不需要太大)，因为若固有频率被设定为低频时弹簧常数K0降低，因此，将固有频率设定为低频、甚至是相机振动的整个频率范围时可以节约能量。相反地，如果固有频率被设定为高频，则相机振动校正控制必需的能耗增加。
此外，如果固有频率经常被设定为在相机振频的范围内，就确保了节约能量的高效率。图19示出在相机成像表面上图像振动的频率分布的FFT(快速傅氏变换算法)测量结果。在成像表面上的图像振动中，小于等于3Hz时的偏差是由于摄像者身体的摆动造成的，而其它大于3Hz时的偏差是由于手抖动造成的。手抖动造成的偏差因人而异，并且根据以下因素而变化照相时摄像者的姿势，拿相机的方式，摄像者的体重，相机的形状，以及其它因素。但是，从图19可以看出，大于等于15Hz频率时几乎不存在手抖动，并且频率约在3～9Hz时有明显的手抖动频率。因此，将固有频率设定为3～9Hz范围内对于降低能量需要是非常有效的。注意，固有频率被设定为处于摄像者身体摆动的频率范围内的1.5Hz左右是不希望的，这是因为用以支持可移动部分的弹性部件的弹簧常数是如此之小，以至于图像拾取装置在光轴方向上的位置变得不稳定。
根据本发明的抗振系统不局限于图1～7和9所示的分级装置20，还可应用于通过弹簧部件(或多个弹簧部件)支持校正透镜或图像拾取装置的驱动装置，并且在弹簧部件的弹力方向上驱动校正透镜或图像拾取装置。例如，本发明也可应用于相机振动校正装置中，其中例如图像拾取装置11的图像拾取装置被固定，并且位于成像光学系统中的校正透镜(校正光学系统)在与成像光学系统的光轴垂直的方向上被驱动，以抵消手抖动引起的图像振动。
尽管图像拾取装置11在所述实施例中被固定于线圈基片50，也可使图像拾取装置11被固定于相机主体，圆形安装孔56形成于线圈基片50内，使得前视为圆形的校正透镜CL被安装并固定在圆形安装孔56内，并且位于透镜L1和透镜L2之间(或透镜L2和透镜L3之间)，如图20所示。在这种布置中，图像移动(图像旋转)可通过在参考平面移动校正透镜CL进行校正。此外，使用校正透镜CL的图像移动校正装置可用于卤化银胶片照相机，而不需配备图像拾取装置11。
可对本发明的特定实施例进行明显的改动，但这些改进也在所附的本发明的权利要求的精神与范围内。可见这里包括的所有内容为描述性的，并且不限制本发明的保护范围。
权利要求
1.一种抗振系统，包括可移动部分，光学元件安装于其上；支承部件，其以允许所述可移动部分在与光轴垂直的方向上自由移动的方式支持所述可移动部分；以及驱动系统，其在与所述光轴垂直的所述方向上驱动所述可移动部分，其中，源自所述可移动部分和所述支承部件的所述可移动部分的固有频率被设定在配备有所述抗振系统的仪器由于手抖动引起的振频的范围内。
2.如权利要求1所述的抗振系统，还包括用于基于振动检测信号而驱动所述驱动系统的闭环控制系统。
3.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述支承部件包括至少一个弹性部件，其以允许所述可移动部分在与所述光轴垂直的方向上自由移动的方式支持所述可移动部分，并且其中，所述驱动系统在所述弹性部件的弹力方向上驱动所述可移动部分。
4.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述支承部分包括至少一个弹性部件，其在初始位置支持所述可移动部分，同时允许所述可移动部分在与所述光轴垂直的所述方向上自由移动，其中，所述光学元件包括图像拾取装置；其中，至少弹性应变信号线和弹性应变供电线的其中之一从所述可移动部分的外侧被连接到所述图像拾取装置，并且其中，所述可移动部分的所述固有频率源自所述可移动部分、所述支承部件、以及所述弹性应变信号线和弹性应变供电线所述其中之一。
5.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述可移动部分的所述固有频率通过调节所述弹性部件的弹簧常数被设定。
6.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述可移动部分的所述固有频率被设定为低于15Hz。
7.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述可移动部分的所述固有频率被设定在3～9Hz的范围内。
8.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述支承部件包括一对所述X轴方向板簧和一对所述Y轴方向板簧，其分别以自由状态沿特定的X轴方向和与所述X轴方向垂直的Y轴方向延伸。
9.如权利要求1所述的抗振系统，其中，所述驱动系统包括X轴方向平面驱动线圈和Y轴方向平面驱动线圈，它们被安装到线圈基片上，以分别位于两个固定磁铁的磁场中。
10.如权利要求1所述的抗振系统，其中，配备有所述抗振系统的所述仪器包括照相机。
11.如权利要求9所述的抗振系统，其中，所述光学元件被安装在所述线圈基片上，并且其中，所述光学元件包括校正光学系统和图像拾取装置的其中之一。
12.一种照相机的抗振系统，包括可移动部分，其支承所述照相机的成像光学系统的光学元件，所述可移动部分被支承成在与所述成像光学系统的光轴垂直的方向上自由移动；以及驱动系统，其在与所述光轴垂直的所述方向上驱动所述可移动部分，以抵消手抖动引起的照相机振动，其中，所述可移动部分的固有频率被设定在所述照相机振动的频率范围之内。
13.如权利要求12所述的照相机的抗振系统，其中，所述光学元件包括图像拾取装置和透镜元件的其中之一。
全文摘要
一种抗振系统，包括光学元件安装于其上的可移动部分；以使可移动部分在与光轴垂直的方向上自由移动的方式支持可移动部分的支承部件；以及在与所述光轴垂直的方向上驱动所述可移动部分的驱动系统。源自可移动部分和支承部件的可移动部分的固有频率被设定在配备有抗振系统的仪器由于手抖动引起的振频的范围内。
文档编号G02B27/64GK1932586SQ20061015149
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月15日
发明者榎本茂男 申请人:宾得株式会社