JP2007033983A - Lens module - Google Patents
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Description
本発明は、所定の方向に移動する光学レンズを備えるレンズモジュールに係り、特に、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラあるいは携帯電話のカメラに用いて好適なレンズモジュールに関し、さらに詳しくは、オートフォーカスおよびズーム機構を有する光学機器に好適なレンズモジュールに関する。 The present invention relates to a lens module including an optical lens that moves in a predetermined direction, and more particularly to a lens module suitable for use in a digital video camera, digital camera, or mobile phone camera, and more particularly, an autofocus and zoom mechanism. The present invention relates to a lens module suitable for an optical apparatus having
カメラにオートフォーカスやズーム機能を持たせるためには、光軸に沿って光学レンズを移動させる機構が必要であり、従来から電磁式のモータを用いた方法が知られている。近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話にみられるように、機器の小型化が急速に進み、それに伴って電磁式のモータから、圧電素子に代表される電気−機械変換素子によるレンズ移動の方法が提案されている。例えば、特許文献1には、圧電素子を用いて光学レンズを保持する円筒状の筐体を回転させることによって、光学レンズを移動させる構造が開示されている。 In order to provide the camera with an autofocus or zoom function, a mechanism for moving the optical lens along the optical axis is necessary, and a method using an electromagnetic motor has been conventionally known. In recent years, as seen in digital cameras and camera-equipped mobile phones, the miniaturization of devices has rapidly progressed. Accordingly, there is a method of moving a lens from an electromagnetic motor to an electro-mechanical conversion element represented by a piezoelectric element. Proposed. For example, Patent Document 1 discloses a structure in which an optical lens is moved by rotating a cylindrical housing that holds the optical lens using a piezoelectric element.
しかし、特許文献1に開示されている方法では、圧電素子を、レンズを保持する筐体の外部に設置し、筐体を回転させる構造をとっているため、レンズモジュールの設置面積(床面積)が大きくなるという問題がある。また、圧電素子による駆動力を伝達する接触部の面積が小さく、駆動トルクを大きくすることが容易でないという問題あるいは機械的衝撃力に対する信頼性を確保するのが容易でないという問題がある。 However, in the method disclosed in Patent Document 1, since the piezoelectric element is installed outside the housing that holds the lens and rotates the housing, the installation area (floor area) of the lens module is adopted. There is a problem that becomes larger. In addition, there is a problem that the area of the contact portion for transmitting the driving force by the piezoelectric element is small and it is not easy to increase the driving torque, or that it is not easy to ensure the reliability against the mechanical impact force.
この状況にあって、本発明の課題は、単純な構造を持ち、設置面積が小さく、駆動トルクが大きく、高信頼性のレンズモジュールを提供することにある。 In this situation, an object of the present invention is to provide a highly reliable lens module having a simple structure, a small installation area, a large driving torque.
上記課題を解決するために本発明のレンズモジュールは、電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子と、前記電極面と略平行に形成された接触面を有し、前記せん断変形により発生する駆動力を前記接触面で受けて回転する筒状または円柱状の回転体と、光学レンズを保持した筒状筐体と、前記回転体の回転運動を所定方向の運動に変換して前記筒状筐体に伝える運動変換伝達機構とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the lens module of the present invention includes an electro-mechanical conversion element having a polarization axis parallel to the electrode surface and shearing in the polarization axis direction according to a driving voltage, and the electrode surface. A cylindrical or cylindrical rotating body that has a contact surface formed substantially in parallel and rotates by receiving the driving force generated by the shear deformation at the contact surface; and a cylindrical housing holding an optical lens; It is provided with a motion conversion transmission mechanism that converts the rotational motion of the rotating body into motion in a predetermined direction and transmits the motion to the cylindrical housing.
前記電気−機械変換素子は、電極面に対し平行方向に分極軸を有し駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子の要素が円周に沿って複数個配置されてなるとよい。 The electro-mechanical conversion element has a plurality of electro-mechanical conversion element elements arranged along a circumference having a polarization axis parallel to the electrode surface and shearing in the polarization axis direction according to a driving voltage. It ’s good.
前記電気−機械変換素子と、前記回転体および筒状筐体とが、前記光学レンズの光軸に沿って、同軸に配設されるとよい。 The electro-mechanical conversion element, the rotating body, and the cylindrical housing may be arranged coaxially along the optical axis of the optical lens.
前記電気−機械変換素子の中心部には開口が設けられるとよい。 An opening may be provided at the center of the electromechanical conversion element.
前記電気−機械変換素子の2種類が同軸に配設され、各々、前記光学レンズを保持した筒状筐体を互いに独立に移動させるとよい。 Two types of the electro-mechanical conversion elements are coaxially arranged, and each of the cylindrical housings holding the optical lens may be moved independently of each other.
前記電気−機械変換素子に、昇圧速度と降圧速度が異なるパルス電圧を印加することで、前記回転体を回転させるとよい。 The rotating body may be rotated by applying to the electro-mechanical conversion element a pulse voltage having a different step-up speed and step-down speed.
前記運動変換伝達機構はリードスクリューであり、前記回転体および筒状筐体は前記リードスクリューによって機械的に結合されるとよい。 The motion conversion transmission mechanism may be a lead screw, and the rotating body and the cylindrical housing may be mechanically coupled by the lead screw.
本発明においては、駆動素子として、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子を用いており、さらに、電気−機械変換素子と、この電気−機械変換素子の駆動力により回転可能な筐体とが光学レンズの光軸上に同軸に配列してなる構造をとっているため、回転可能な筐体とほぼ同じ面積の床面積でレンズモジュールを形成することができる。また、複数のレンズを独立で移動させることが可能なため、オートフォーカスとズーム機能が求められる小型カメラのアクチュエータとして利用できる。 In the present invention, an electro-mechanical conversion element that shears and deforms in the direction of the polarization axis in accordance with the drive voltage is used as the drive element. Furthermore, the electro-mechanical conversion element and the driving force of the electro-mechanical conversion element Since the rotatable casing and the optical axis of the optical lens are arranged coaxially, the lens module can be formed with a floor area substantially the same as the rotatable casing. In addition, since a plurality of lenses can be moved independently, they can be used as actuators for small cameras that require autofocus and zoom functions.
さらに、本発明のレンズモジュールは、電気−機械変換素子とレンズの光軸を同軸に配置しない場合にも、構造が単純で部品点数も少なく面接触により電気−機械変換素子の回転駆動力を伝達するので、低コストで製造が可能であるだけでなく、高トルクであり、機械的衝撃力に対して高信頼である。 Furthermore, the lens module of the present invention transmits the rotational driving force of the electro-mechanical conversion element by surface contact even when the electro-mechanical conversion element and the optical axis of the lens are not arranged coaxially with a simple structure and a small number of parts. Therefore, not only can it be manufactured at low cost, but also high torque and high reliability against mechanical impact force.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図4は、筒状筐体を回転させる駆動素子の構造の一例を斜視図で示している。この駆動素子は、複数の圧電素子12を基板13に接着し、また、駆動面15を有する駆動板14が圧電素子12に接着している。なお、図4においては、圧電素子12の連接構造が分かりやすいように、駆動板14の接着前の状態を示している。基板13と駆動板14の材質は、特に限定しないが、圧電素子12の電極としての機能を有することが望ましいため、ステンレスやアルミなどの金属材料が好適である。この圧電素子12は、図5に斜視図で示すように、あらかじめ分極処理が施されている。その圧電素子12の、分極方向11と垂直方向に電圧を印加すると、図6に断面図で示すように、印加する電圧の大きさに比例してせん断変形が発生する。ここで、図6は、圧電素子12の断面図である。また、電圧の極性を反転すると、せん断変形の方向は逆方向になる。この関係は、(1)式で表すことができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 4 is a perspective view showing an example of the structure of the drive element that rotates the cylindrical housing. In this driving element, a plurality of
δ=d15×V ・・・・・(1)
ここで、δはせん断変形の変位、Vは印加電圧、d15は圧電素子12の圧電定数である。(1)式から、δは圧電素子12の寸法には依存せず、材料定数と印加電圧のみで決定されることが分かる。
δ = d 15 × V (1)
Here, δ is a displacement of shear deformation, V is an applied voltage, and d 15 is a piezoelectric constant of the
この変形を図4の駆動素子で考えると、基板13を電気的にグランドとして、駆動板14に電圧を印加すると、駆動面15が基板13に対して、(1)式できまる量だけ回転することが分かる。この駆動素子の駆動面15上に、図7で概念的斜視図で示すように回転可能なロータ16を設置し、電圧を急速に印加するとロータ16は回転せず、電圧を低速で印加するとロータ16が回転する。すなわち、電圧を急速に印加し、ゆっくりと落とすというパルス電圧を交流で印加すると、ロータ16は連続的に回転する。また、電圧の極性を反転する、あるいは、電圧をゆっくり印加し、急速に落とすことで逆回転が可能である。
Considering this deformation in the drive element of FIG. 4, when a voltage is applied to the
圧電素子12の材質はジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr・Ti)O3)を主成分とする圧電セラミクスであることが好適であるが、他に、ビスマス層状セラミクス、ニオブ酸カリウムあるいはニオブ酸ナトリウムを主成分とするセラミクスなどの、非鉛材料なども使用可能である。また、ニオブ酸リチウムなどの単結晶材料も使用可能である。
The material of the
ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr・Ti)O3)を主成分とする圧電セラミクスによる圧電素子の作製については、一般的な圧電セラミクスの製法により、焼結体を製造し、機械加工などにより所定の形状とした後、銀などを用いて仮電極を形成後、図5に示す方向に分極処理を施す。その後、仮電極を機械的に取り除き、基板13と駆動板14に接着する面にスパッタなどで外部電極を形成し、基板13および駆動板14を接着することで、駆動素子を製造する。このようにして、電極面に対し平行方向に分極軸を有し駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子を製造する。
For the production of piezoelectric elements using piezoelectric ceramics containing lead zirconate titanate (Pb (Zr · Ti) O 3 ) as the main component, a sintered body is manufactured by a general method of manufacturing piezoelectric ceramics, and is processed by machining. After forming a predetermined shape, a temporary electrode is formed using silver or the like, and then a polarization treatment is performed in the direction shown in FIG. Thereafter, the temporary electrode is mechanically removed, an external electrode is formed on the surface to be bonded to the
前述のように圧電素子12の変形は、圧電素子12の形状によらないため、圧電素子12の寸法は自由に設定することができる。例えば、圧電素子12として、矩形形状のものを用い、分極方向を周方向にそろえて同心円状に配列しても良い。ただし、ロータ16を円滑に回転させるためには、図4に示したように、円筒形状の圧電セラミクスを複数に切断し、周方向に沿って分極することが好適であり、また、圧電素子12の個数を減らすこともできる。
Since the deformation of the
この駆動素子を用いた、本発明の一実施の形態でのレンズモジュールを図1に斜視図で示す。また、図2にその断面図を示す。本実施の形態のレンズモジュールは、圧電素子12、基板13、駆動板14からなる駆動素子と、ベース28と、光軸27を中心軸として回転可能な筐体(回転体)22、光学レンズ26を保持する筐体(筒状筐体)23、回転可能な筐体22に押圧力を加えるガイド24、筐体23の移動を光軸27方向に拘束するロッド25、および光学レンズ26からなる。ここで、筐体22に作用するガイド24は、筐体22の水平方向に対するガイドが目的であって、筐体22の回転を抑制しない程度の押さえ力で、駆動素子の駆動面15(図4参照)に筐体22を押し付けている。
A lens module according to an embodiment of the present invention using this driving element is shown in a perspective view in FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional view thereof. The lens module according to the present embodiment includes a driving element including a
回転可能な筐体22と、光学レンズ26を保持する筐体23の材質は特に限定されないが、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話のカメラモジュールとして考えた場合、プラスチックなどの樹脂を用いるのが一般的である。また、これらの寸法は、光学レンズ26の寸法に依存するが、大略、外形8〜15mm、高さ7〜20mm程度である。
The material of the
光学レンズの種類と枚数、および、位置関係は、レンズモジュールの使用目的によって異なるため、図1および図2においては、オートフォーカスやズームに用いられる光学レンズ26のみを載せ、他の固定レンズについては省略した。また、複数のレンズを独立で移動させることも容易であるが、簡略化のために、1個の可動レンズの場合について示した。
Since the type and number of optical lenses and the positional relationship differ depending on the purpose of use of the lens module, only the
回転可能な筐体22と、光学レンズ26を保持する筐体23とは、図示しないリードスクリュー(たとえば、雄ねじの山または雌ねじの谷に相当するらせん状の部位と略直線方向に運動方向を拘束された部位とが組み合わされ、らせん状の部位の回転運動を略直線方向の運動に変換して伝えるスクリュー)によって機械的に結合しており、光学レンズ26を保持する筐体23は回転しないようにロッド25によって保持されている。
The
その駆動素子の電極に駆動パルス電圧を印加することで回転可能な筐体22が回転し、リードスクリューを介して、光学レンズ26を保持する筐体23が光軸27に沿って直進移動する。この直進移動により、光学レンズ26が光軸27に沿って移動する。光学レンズ26を保持する筐体23の移動量と移動速度は、オートフォーカスやズームなどの使用目的に適合するよう適宜決定し、リードスクリューの構造や駆動電圧と駆動周波数を選定する。
By applying a drive pulse voltage to the electrode of the drive element, the
以上説明したように、本発明においては、電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子からなる駆動素子と、その駆動力により回転可能な筐体22とが、光学レンズ26の光軸27に沿って同軸に配列されているため、回転可能な筐体22とほぼ同じ面積の床面積(設置面積)でレンズモジュールを形成することができた。
As described above, in the present invention, a driving element comprising an electro-mechanical conversion element having a polarization axis parallel to the electrode surface and shearing in the polarization axis direction according to the driving voltage, and its driving force Since the
以上、1個の可動レンズを制御する場合について説明したが、たとえば、オートフォーカスとズームのために、複数の可動レンズを制御する場合についても、図4のような中心部に開口を有する電気−機械変換素子を2種類用いると、第1の電気−機械変換素子の開口に合わせて第2の電気−機械変換素子を同軸に配置し、各々、光学レンズを保持した筒状筐体を互いに独立に移動させることができ、さらに実用性が高められる。 The case where one movable lens is controlled has been described above. However, for example, in the case where a plurality of movable lenses are controlled for autofocusing and zooming, an electric circuit having an opening at the center as shown in FIG. When two types of mechanical conversion elements are used, the second electro-mechanical conversion elements are arranged coaxially in accordance with the openings of the first electro-mechanical conversion elements, and the cylindrical housings holding the optical lenses are independent of each other. It can be moved to the position and the practicality is further improved.
図3に、本発明の他の実施の形態でのレンズモジュールを部分断面図で示す。ハッチングで指示した部分は切断面であり、リードスクリュー32はねじ類の慣例に従い断面図とはせず、それを回転駆動する駆動素子についても断面図ではなく正面図で描いた。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a lens module according to another embodiment of the present invention. The portion indicated by hatching is a cut surface, and the
図4で説明したものと同じ構造の駆動素子を用いて、リードスクリュー32を回転させる。光学レンズ33は2本のロッド35によって保持されるとともに、リードスクリュー32の回転によって光軸36に沿って直進移動する。図3に示した、本実施の形態では、駆動素子が光軸36と同軸には配置されていないため、図1の実施の形態に比較すると床面積は増加するものの、構造をさらに単純化し、薄型とすることができる。
The
以上のように、本発明では、電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子(圧電素子)を用いたので、電力損失が少なく、また面接触により回転駆動力を伝達するので、強いトルクが得られる。さらに、同軸構造または単純な薄型構造を採用したので、機械的衝撃に対して高信頼性のレンズモジュールが得られる。 As described above, in the present invention, since an electro-mechanical conversion element (piezoelectric element) having a polarization axis parallel to the electrode surface and shearing deformed in the polarization axis direction according to the drive voltage is used, power loss Since the rotational driving force is transmitted by surface contact, a strong torque can be obtained. Furthermore, since a coaxial structure or a simple thin structure is adopted, a lens module with high reliability against mechanical impact can be obtained.
11 分極方向
12 圧電素子
13 基板
14 駆動板
15 駆動面
16 ロータ
22 筐体(回転体)
23 筐体(筒状筐体)
24 ガイド
25,35 ロッド
26,33 光学レンズ
27,36 光軸
28,37 ベース
32 リードスクリュー
δ せん断変形の変位
11
23 Housing (tubular housing)
24
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- 2005-07-28 JP JP2005218557A patent/JP2007033983A/en active Pending
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