JP2004258111A

JP2004258111A - レンズ駆動装置

Info

Publication number: JP2004258111A
Application number: JP2003046010A
Authority: JP
Inventors: Shinya Yamauchi; 慎也山内; Kazuyuki Watanabe; 和幸渡辺; Nobuyuki Sueyoshi; 伸行末吉; Haruhiro Yukimura; 治洋幸村; Masatoshi Kajimoto; 雅俊梶本; Tetsutaka Yamamoto; 鉄隆山本
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】１つのアクチュエータにより光学ズーム，マクロ，フォーカスの動作が行えて外形を超小型化することができ、薄厚化，小型化を進める携帯電話機などにも好ましく組み込めるレンズ駆動装置を提供すること
【解決手段】前群レンズ１，後群レンズ２，ＣＣＤ等の撮像素子６を光軸Ｌに順に配列し、図示しない駆動手段により後群レンズ２のみをガイドピン５の方向（光軸方向）に動かす。この駆動では後群レンズ２は２つの定位置Ａ，Ｂに停止させ、ズーム倍率はそれぞれＡ倍，Ｂ倍となり２値をとる。後群レンズ２の駆動については、停止させた定位置Ａ，Ｂにおいてそれぞれ微少距離を動かす駆動を行う。後群レンズ２を微少に移動させるのでフォーカス動作が行える。また微少距離を動かすことから、やがて無限遠でのズーム焦点が外れていき、ごく接近した位置に存在する焦点にピントが合うようになりマクロ動作が行える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学ズーム，マクロ，フォーカスの動作を行うためにレンズを可動するレンズ駆動装置に関するもので、より具体的には、超小型カメラに適用するためレンズ構成を簡素化したものにおける駆動動作の改良に関する。
【０００２】
【発明の背景】
近年、超小型カメラを組み込んだ携帯電話機が普及している。係る超小型カメラは、寸法形状の制限から一般に固定焦点のものが用いられている。携帯電話機を購入する場合の機種を選定する際の一因として係る超小型カメラの有無は大きなウエートを占めている。そして、ユーザの心理としても、携帯電話機に超小型カメラが付いているか否かが大きなポイントであり、超小型カメラの性能・機能まではあまり気にしていないのが実情である。
【０００３】
しかし、現在の固定焦点式の超小型カメラ付きの携帯電話機が普及するにつれ、既に係る携帯電話機を使用しているユーザは、他者との差別化等から通常ある程度の期間にわたって使用すると、さらなる高機能化を望むことが予測される。高機能化の１つの態様として、スチールカメラやビデオカメラなどで一般に採用されている光学ズーム機能がある。
【０００４】
係る光学ズーム機能は、通常、２枚もしくは２つ以上のレンズ群をそれぞれ光軸方向に適宜移動させることにより、所望のズームを得るとともに、そのズームに応じてピント合わせ（フォーカス）を行うようになる。そして、係る処理を行うための具体的な機構としては、例えば特許文献１に示すように、２つのレンズをそれぞれ独立したアクチュエータ（ステッピングモータ）で動かすようにしたものがある。また、別の方法としては、特許文献２に示すように、１つのアクチュエータやモータに対して、カムを用いることにより２つのレンズ（レンズ群）の位置関係を制御し、ズームを実現するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３３６９３８号（第３頁から第４頁，図１）
【特許文献２】
特開平１１−５２２０９号（第３頁から第４頁，図１から図４）
【特許文献３】
特開２００２−２９０５２３号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光学ズームを実現するためのレンズの動きは複雑で、一方向の動きだけでなく、往復を含む非線形の曲線を描く。特に、携帯電話機に実装するためには、レンズの寸法がφ７ｍｍ以下、好ましくはφ５ｍｍ以下が要求され、そのように超小型なレンズを用いた場合、レンズの位置精度も厳しくなり、高精度な位置決めと高度な制御が必要となる。
【０００７】
そのため、アクチュエータを動かす駆動回路に加え、物体との距離を測定したり、位置を確認するためのセンサや画像からのデータを処理し、駆動回路にフィードバックをかける回路が必要となる。つまり、高度なセンサやデータ処理，制御が必要な分、開発，設計工数が必要となる。さらに、部品点数の増加に伴い高価，消費電力の増大，大型化となり、携帯電話機等に実装するのが困難となる。特に、特許文献１のように、各レンズ毎に駆動系を設けた場合には、上記問題がより顕著に生じる。
【０００８】
一方、特許文献２のようにカムを用いた場合は、１つのアクチュエータでズームは実現可能であるが、非線形の動きをさせるために複数の曲率を持つカムやガイドが必要となる。そのため、動きもメカ機構も複雑になる。さらに、レンズの挙動は、カメラ仕様により大きく異なるため、その度にカムを開発／設計しなければならない。
【０００９】
また、携帯電話に実装するズーム機能を備えた駆動装置としては、特許文献３などに見られるように、１つのアクチュエータ（モータ）に対して、カムを用いることにより前後２つのレンズ（群レンズ）の位置関係を制御し、ズームを実現している。しかし、上記した公報のものは、レンズの回りに直進案内のスロット用の固定筒を配置し、その外側に駆動力を伝えるカム筒を配置する２重筒のカム機構であり、これらを筒状本体に収納することであるため、外形サイズが太くなる問題がある。
【００１０】
さらに、マクロ動作を実現するためには、前後２つの群レンズをやはりそれぞれ光軸方向に適宜移動させることで所望のマクロ焦点を得られるものの、この場合は前後の群レンズおよび撮像素子の相対的な位置関係がズーム動作と相違するため、これらを両立させるには各群レンズをそれぞれ独立に動かしたい。しかし、２つのアクチュエータで各群レンズを独立に動かす構成では本体が大きくなってしまい、超小型化が困難になる。また、カム機構ではズームとマクロの動作を得るには構成が複雑化し、やはり超小型化にとって阻害が大きい。
【００１１】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、１つのアクチュエータにより光学ズーム，マクロ，フォーカスの動作が行えて外形を超小型化することができ、薄厚化，小型化を進める携帯電話機などにも好ましく組み込めるレンズ駆動装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係るレンズ駆動装置は、直径が７ｍｍ以下のレンズを用いる超小型カメラ用の光学ズーム機能を有するレンズユニットにおけるレンズを移動させるためのレンズ駆動装置であって、前後に配置された第１，第２レンズ支持部材を備え、前記第１，第２レンズ支持部材は、それぞれ所定枚数のレンズを保持する。そして、前記第１レンズ支持部材は固定し、前記第２レンズ支持部材は、前後方向に移動可能とするとともに、前後方向の２つの定位置で停止するとともに、該当定位置で微少距離を動かす駆動を行うように構成することにより、光学ズーム並びにフォーカス動作を行うことができるように構成した。
【００１３】
ここで、第１レンズ支持部材は、実施の形態では、前レンズ群を支持する部材（枠体３，前群支持体４０）に対応し、第２レンズ支持部材は、実施の形態では、後群レンズを支持する部材（枠体４，後群可動体３０）に対応するが、本発明はこれに限ることはなく、ズーム倍率とレンズ位置の相関を示す動作特性によっては、逆の適用もあり得る。
【００１４】
本発明では、停止箇所を２箇所の定位置と、その定位置を基準に微少距離移動させた位置に限定するようにした。これにより、簡易で小型な機構でもって、位置決めが容易に行えるようになり、停止位置を動作特性に応じて適宜に設定することにより、異なるズーム倍率を発揮させることができる。このため単に一方の第２レンズ支持部材だけを駆動する構成でも２値のズーム動作が行える。
【００１５】
そして、各定位置において後レンズを微少に移動させるので、ピントを合わせることができ、フォーカス動作が行える。また、微少距離を動かすことから、やがてズーム焦点が外れていき、ごく接近した位置に存在する焦点にピントが合うようになりマクロ動作が行える。
【００１６】
実験により確認したところ、前記定位置での微少移動は少なくとも前後５００μｍの区間について５０μｍ以下の送りピッチ毎に移動を行うようにすれば、ごく接近した位置に存在するマクロ焦点を容易に利用できる。そして、前記微少移動の送りピッチを、数μｍ以下にすると、フォーカス動作が容易になる。
【００１７】
また、前記駆動手段は駆動源をステッピングモータとし、当該出力軸にリードスクリューを設けるとともに、前記後レンズの支持部材の対応位置にリードナットを設けて、両者の連係により直線動作を行う。この場合、ステッピングモータを使うことからオープンループで駆動でき、位置検出センサ等が不要で構成がシンプルになり駆動制御が容易になる。
【００１８】
また、前記ステッピングモータはステータをロータの左右に配置した扁平タイプである。この場合、駆動源が扁平になるのでレンズ駆動装置の厚みを大幅に低くでき、超小型化の面で有利性がある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態における概念を説明する側面図である。本実施の形態において、レンズ駆動装置は、前群レンズ１と後群レンズ２を光軸Ｌの前後に配列し、前群レンズ１は定位置に固定し、後述する駆動手段により後群レンズ２を光軸方向に動かす構成になっている。
【００２０】
前後の群レンズ１，２は同様に、環状の枠体３，４にレンズ群を嵌め込んで支持する構成であり、各レンズ群は直径が５ｍｍ程度のものになる。そして、光軸Ｌに沿って複数のガイドピン５，５を配置し、前後の枠体３，４は外周に設けた孔部をそれらガイドピン５，５に嵌め合わせて光軸方向に整列する。
【００２１】
超小型カメラのレンズユニットとして機能させるには、後群レンズ２の背側にＣＣＤ等の撮像素子６を配置する。したがって、撮像素子６では光軸Ｌに整列した３つの光学要素の位置関係に応じて結像の倍率が変化し、このズーム倍率の変化は一般的に図２に示すような特性になる。
【００２２】
つまり、前後２組のレンズ構成における一般的な光学特性としては、ズーム倍率を広角（ＷＩＤＥ）から望遠（ＴＥＬＥ）まで適宜に得るには前群レンズ１も動かす必要があり、これには後群レンズ２を被写体側へ直線状（特性ｂ）に動かすとともに、前群レンズ１は撮像素子６側へ一旦動かした後に被写体側へ戻していくような曲線状（特性ｆ）に動かす駆動が必要になる。
【００２３】
しかしそれでは前群レンズ１を動かす駆動手段が別に必要になって小型化できなくなるため、本実施の形態では前群レンズ１は定位置に固定し（特性ｃ）、後群レンズ２だけを光軸方向に動かすようにし、さらに、後群レンズ２は２つの定位置Ａ，Ｂに停止させるようにした。これにより、定位置Ａではズーム倍率をＡ倍にし、定位置Ｂではズーム倍率をＢ倍にすることができ、２値のズーム倍率をとるレンズ駆動装置を実現できる。
【００２４】
具体的な一例を示すと、撮像素子６から前群レンズ１間での距離を１１．２５９ｍｍで固定した場合、撮像素子６から後群レンズ２までの距離が２．３６７ｍｍの時はズーム倍率が１となり、４．１８４ｍｍの時はズーム倍率が２倍となる。
【００２５】
さらに本発明では、後群レンズ２は、停止させた定位置Ａ，Ｂにおいてそれぞれ微少距離を動かす駆動を行う。この各定位置Ａ，Ｂでの微少移動は、少なくとも前後６００μｍの区間について５０μｍ以下の送りピッチ毎に移動を行うように設定している。これらの数値は光学系の設計値に応じて最適値が違ってくるが実験により確認してある。具体的には図３に示すように、撮像素子６に接近した側の定位置Ａでは、被写体側へ向けて３００μｍ程度移動することにより、対物距離が５ｃｍのマクロ焦点が得られた。このとき、結像倍率はＡ＋０．１倍程度に変化するが、当該定位置Ａで微少距離を動かす駆動によってマクロ動作が行える。また、前群レンズ１に接近した側の定位置Ｂでは、撮像素子６側へ向けて数１００μｍ程度移動することにより、対物距離が５ｃｍのマクロ焦点が得られた。このとき、結像倍率はＢ−０．１倍程度に変化するが、当該定位置Ｂで微少距離を動かす駆動によってマクロ動作が行える。
【００２６】
また、実験により確認したところ、各定位置Ａ，Ｂでの微少移動の距離が数１０μｍでは焦点が３０ｃｍの位置で合い、１０μｍ程度では焦点が１ｍの位置で合った。
【００２７】
そして、後群レンズ２の駆動については、微少移動の送りピッチを数μｍ以下にする設定もとるようにした。このように、送りピッチをより微少にすることにより、当該定位置についてピントを合わせることができ、フォーカス動作が容易になる。
【００２８】
したがって、１つのアクチュエータにより単に後群レンズ２だけを駆動する構成でも２値のズーム動作と所定距離のマクロ動作が行えるとともに、フォーカス動作も容易に行える。そして、後群レンズ２を２つの定位置Ａ，Ｂの間で往復移動させるためには、アクチュエータとしてはステッピングモータを用いることができる。
【００２９】
上記した動作原理を実現するためのより具体的な構成を説明する。図４，図５は本発明の第１の実施の形態を示し、駆動源としてステッピングモータを用いている。図４は各部を分離して示す斜視図であり、図５（ａ）はズーム倍率がＡ倍（基本姿勢）の状態を示し、図５（ｂ）はズーム倍率がＢ倍の状態を示す斜視図である。
【００３０】
このレンズ駆動装置にあっては、平面矩形状のベース１０は、その前面に、１つの角部を含む約１／４の領域を一段高くした高段部１１と、残りの領域の低段部１２を形成している。そして、高段部１１の四隅の内の３箇所には小径の孔部１３を設けるとともに、中央に大径の貫通孔１４を形成している。この貫通孔１４の中心が光軸となっており、図示は省略するがこの貫通孔１４の背側の所定位置にＣＣＤ等の撮像素子を配置する。
【００３１】
また、低段部１２の上面には小型のステッピングモータ２０を設置する。このステッピングモータ２０は、低段部１２の平面形状に沿うように略弧状の湾曲したケース本体２１を有し、その中央部に外部に突出する出力軸２２を設けている。ケース本体２１の内部には図示は省略するが中央にロータを配置し、出力軸２２はロータの中心に挿入して一体化している。さらに、ケース本体２１内の左右に広がった両側部にステータを配置する。
【００３２】
なお、このような構成のステッピングモータとしては、例えば特開平６−１０５５８２８，特開平６−２９６３５８などに開示されたものを用いることができる。もちろん、小型のステッピングモータとしては、こうした構成のものに限らず各種のものを利用できることは言うまでもない。さらに、出力軸２２の先端部分にはねじ山を切りリードスクリューにしている。
【００３３】
一方、高段部１１に設けた孔部１３には、それぞれガイドピン１５の一端を挿入して固着している。そして、このガイドピン１５に対して、後群可動体３０を移動可能に挿入している。この後群可動体３０は、平面形状がベース１０と略同一とし、ベース１０の孔部１３に対向する位置に、貫通するガイド孔３１を有するとともに、ベース１０の貫通孔１４に対向する位置に貫通孔３２を設けている。そして、このガイド孔３１内にガイドピン１５を挿入させて配置し、このため３つのガイドピン１５によって支持した後群可動体３０は安定した姿勢でガイドピン１５に沿って前後に移動可能となる。さらに、貫通孔３２内には、図示は省略するが後群レンズ（１枚の場合もある）を装着する。したがって、後群可動体３０の前後への移動に伴い、後群レンズも前後に移動する。また、この後群可動体３０をガイドピン１５に装着した状態では、ベース１０との間でステッピングモータ２０を挟み込む状態となる。
【００３４】
また、ステッピングモータ２０の出力軸２２に対向する後群可動体３０の部分には、貫通孔３４を形成するとともに、後群可動体３０の前面側における貫通孔３４の周囲には、矩形状の凹部３５を形成している。そして、この凹部３５内にリードナット３６を挿入して固着している。このリードナット３６は、ステッピングモータ２０の出力軸２２に設けたリードスクリューと噛み合い、出力軸２２の正逆回転に伴いリードナット３６つまり後群可動体３０が前後に移動する。
【００３５】
さらに、各ガイドピン１５の先端には、前群レンズを支持する前群支持体４０を装着している。この前群支持体４０は、各ガイドピン１５の先端に固定しているため、ベース１０との相対位置、つまり図示を省略した撮像素子との相対的な位置関係は不変である。そして、この前群支持体４０の中央部位、つまりベース１０並びに後群可動体３０に設けた貫通孔１４，３２に対向する位置に貫通孔４１を設けており、この貫通孔４１内に前群レンズを挿入して配置する。
また、各ガイドピン１５には、スペーサ４３を挿入して配置している。このスペーサ４３は厚さを調整してある。
【００３６】
ステッピングモータ２０の駆動では、ステップ数に応じて後群可動体３０の移動位置を精度よく位置決めでき、出力軸２２を逆回転することにより後群可動体３０を後退させ、図５（ａ）に示すようにベース１０の前面に接近する定位置Ａに停止し、ここを基本姿勢としてズーム倍率はＡ倍に設定する。この状態から出力軸２２を正回転することにより後群可動体３０を前進させ、図５（ｂ）に示すようにスペーサ４３に接近する定位置Ｂに停止し、ここではズーム倍率はＢ倍に設定する。
【００３７】
そして、各定位置Ａ，Ｂにおいてそれぞれ微少距離を動かす駆動を行う。ここで、ステッピングモータ２０を例えば２相タイプで１２ステップのものとし、０．５ｍｍピッチのリードスクリューを使用することで、２相励磁で１ステップ当たり約４２μｍの送りが実現でき、数ステップ送りでマクロ動作への切り替えが行える。
【００３８】
フォーカス動作には送りピッチをより細かくする必要があり、ステッピングモータ２０を例えば２０ステップで０．２５μｍピッチのものを使うと、１ステップ当たり１２．５μｍの送りが行える。さらに１−２相励磁の駆動にすれば１ステップ当たり６．２５μｍの送りが行えることから、フォーカス動作をより精密に行える。
【００３９】
このように、ステッピングモータ２０の駆動により後群可動体３０つまり後群レンズを定位置Ａ，Ｂに移動でき、各定位置Ａ，Ｂにおいて微少移動が行える。したがって、１つのアクチュエータにより２値のズーム動作と所定距離のマクロ動作が行えるとともに、微少移動の送りピッチを数μｍ以下にすることにより、当該定位置についてピントを合わせることができ、フォーカス動作も容易に行える。
【００４０】
なお、上記した構成のレンズ駆動装置にあっては、寸法形状の一例では、ベース１０は１１ｍｍ角とし、貫通孔３２，４１の内径つまり後群レンズ，前群レンズの直径は５ｍｍとし、装置全体の高さ（ベース１０の底面から前群支持体４０の前面までの距離）は、約１１ｍｍとしている。これにより、携帯電話機に充分実装可能となる。
【００４１】
また、携帯電話機の寸法形状を考慮すると、カメラモジュールの面積は固定焦点でも１３ｍｍ角以内のサイズになっている。このレベルが採用の上限になっているとすると、さらに一回り大きいものでも可能となり、レンズ径が７ｍｍ程度のものまでは、トータル的サイズ（ベース１０の平面形状）が１３ｍｍ角以下に抑えることができる。もちろん、より小さなレンズを用い、全体的にさらなる小型化を図るのを妨げない。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るレンズ駆動装置では、前レンズは固定し、駆動手段に連係した後レンズだけの移動を行い、２つの定位置に停止させる一方それら定位置で微少距離を動かすことから、２値のズーム動作と所定距離のマクロ動作が行える。さらに微少移動の送りピッチを数μｍ以下にすることにより、当該定位置についてピントを合わせることができ、フォーカス動作も容易に行える。その結果、外形を超小型化することができ、薄厚化，小型化を進める携帯電話機などにも好ましく組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における概念を説明する側面図である。
【図２】ズーム倍率に対するレンズ位置を示す特性図である。
【図３】マクロ動作となるレンズ位置を示す特性図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を分解して示す斜視図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は後群レンズの移動状態を示し、それぞれ定位置Ａ，Ｂに位置した斜視図である。
【符号の説明】
１前群レンズ
２後群レンズ
３，４枠体
５ガイドピン
６撮像素子
１０ベース
２０ステッピングモータ
３０後群可動体
４０前群支持体

Claims

直径が７ｍｍ以下のレンズを用いる超小型カメラ用の光学ズーム機能を有するレンズユニットにおけるレンズを移動させるためのレンズ駆動装置であって、
前後に配置された第１，第２レンズ支持部材を備え、
前記第１，第２レンズ支持部材は、それぞれ所定枚数のレンズを保持し、
前記第１レンズ支持部材は固定し、
前記第２レンズ支持部材は、前後方向に移動可能とするとともに、前後方向の２つの定位置で停止するとともに、該当定位置で微少距離を動かす駆動を行うように構成し、
光学ズーム並びにフォーカスを変える動作を行うことができるようにしたことを特徴とするレンズ駆動装置。
前記定位置での微少移動は少なくとも前後６００μｍの区間について５０μｍ以下の送りピッチ毎に移動を行うことを特徴とする請求項１に記載のレンズ駆動装置。
前記微少移動の送りピッチを、数μｍ以下にすることを特徴とする請求項２に記載のレンズ駆動装置。
前記第２レンズ支持部材を動かすための駆動手段は、駆動源をステッピングモータとし、
そのステッピングモータの出力軸にリードスクリューを設けるとともに、前記第２レンズ支持部材の対応位置にリードナットを設けて、両者の連係により直線動作を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズ駆動装置。
前記ステッピングモータはステータをロータの左右に配置した扁平タイプであることを特徴とする請求項４に記載のレンズ駆動装置。