JP2007114748A - レンズモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 単純な構造を持ち、オートフォーカスやズームに必要な変位が得られ、モジュールの低背化が可能なレンズ駆動機構を用いたレンズモジュールを提供すること。
【解決手段】 中心部に開口を有する金属板１の両側に板状の電気機械変換素子２，３を接合してなるバイモルフ型の駆動素子と、この駆動素子で発生した振動により前記開口の中心部を通る光軸５の方向に振動する筒状筐体６と、この筒状筐体６に設けられたスリット７を含んで形成された摺動部を介して筒状筐体６の振動により発生した駆動力で光軸５の方向に移動可能なレンズホルダー８と、このレンズホルダー８に支持された光学レンズ４とを備えるレンズモジュールとする。
【選択図】 図３

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。

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、被駆動物体もしくは該被駆動物体に連結されている部材に摩擦係合されるとともに、静止部材に移動可能に支持されている駆動部材と、該駆動部材に一端を固定されるとともに他端を動かぬように前記静止部材等に固定された圧電素子と、該圧電素子に伸びの速度と縮みの速度とを異ならせるように電圧を印加する圧電駆動手段と、を有することを特徴とする駆動装置が開示されている。

また、特許文献２には、円環状金属板の両側に円環状圧電素子を同心的に配し、金属板の円形孔に光学レンズを接着し、円環状圧電素子の駆動力により光学レンズを振動させる構造が開示されている。

特許第２６３３０６６号公報 特公平０５−４０２８６号公報

しかし、特許文献１に開示されている方法では、駆動部材を静止部材に移動可能に支持する構造が必要なため、レンズモジュールの構造が複雑になるという問題がある。

また、特許文献２に開示されている方法では、構造が単純で、また、圧電素子の厚さを薄くすることはできるため、レンズモジュールの高さを抑えることが可能であるが、圧電素子の振動変位を直接光学レンズに伝えているため、光学レンズの移動量が著しく小さく、オートフォーカスやズームに必要な変位を得る事ができないという問題がある。

この状況にあって、本発明の課題は、単純な構造を持ち、オートフォーカスやズームに必要な変位が得られ、モジュールの低背化が可能なレンズ駆動機構を用いたレンズモジュールを提供することにある。

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、中心部に開口を有する金属板の片側または両側に、板状の電気機械変換素子を接合してなるユニモルフ型またはバイモルフ型の駆動素子と、前記駆動素子で発生した振動により前記開口の中心部を通る光軸の方向に振動する筒状筐体と、前記筒状筐体との間に設けられた摺動部を介して前記筒状筐体の振動により発生した駆動力で前記光軸の方向に移動可能なレンズホルダーと、前記レンズホルダーに支持または一体化された光学レンズとを備えることを特徴とする。

前記筒状筺体の側面にスリットまたは溝を形成し、前記レンズホルダーの一部に前記スリットまたは溝に係合する部分を設けてもよい。

前記スリットまたは溝は、前記光軸から傾いた方向に形成されていてもよい。

前記スリットまたは溝の少なくとも一部を摺動部としてもよい。

前記摺動部の少なくとも一部は前記筒状筐体と前記レンズホルダーを機械的に結合するバネ材により構成されていてもよい。

前記バネ材は前記筒状筐体と前記レンズホルダーの間に挿入された板バネであってもよい。

前記バネ材は前記筒状筐体と前記レンズホルダーの一方に固定され他方に該バネ材の弾性力によって押し付けられた環状のバネであってもよい。

前記バネ材の材質は金属であり、該バネ材の摺動部分の表面は樹脂加工処理を施してあってもよい。

前記電気機械変換素子が、積層型圧電セラミック素子からなっていてもよい。

前記筒状筺体は同軸に配置された互いに外形の異なる２つの筒状筐体からなり、前記レンズホルダーは前記２つの筒状筺体との間にそれぞれ摺動部を有する２つのレンズホルダーからなり、該２つのレンズホルダーがそれぞれ独立に移動可能であってもよい。

以上の解決手段では、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、その筒状筐体を変調振動させ、この振動を駆動力として光学レンズを所望の一方向に移動させている。

本発明においては、駆動素子として、中心部に開口を有する金属板の片側または両側に、板状の電気機械変換素子を接着したユニモルフまたはバイモルフ型駆動素子からなり、さらに、この電気−機械変換素子の駆動力により筒状筐体を振動させることで光学レンズを光軸に沿って移動させる構造をとっているため、低背のレンズモジュールを形成することができる。

また、筒状筐体にレンズホルダーの一部が係合するスリットまたは溝を形成し、前記スリットまたは溝に沿って光学レンズを光軸方向に移動させる構造をとることで、非常に単純な構造とすることができる。

また、摺動部の少なくとも一部は前記筒状筐体と前記レンズホルダーを機械的に結合するバネ材により構成されることで、光学レンズの停止時の摩擦力を確保できる簡易な摺動部を形成することができる。

また、前記バネ材の材質は金属であり、その表面は樹脂加工処理を施してあることで、安定したレンズ駆動をすることができる。

また、駆動素子を構成する電気機械変換素子を積層型圧電セラミック素子とすることで、低電圧かつ低電力で十分なレンズ駆動力が得られる。

さらに、本発明のレンズモジュールは、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。

以上のように、本発明により単純な構造を持ち、オートフォーカスやズームに必要な変位が得られ、モジュールの低背化が可能なレンズ駆動機構を用いたレンズモジュールが得られる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に用いられる筒状筐体を振動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１００は、中心部に開口を有する金属板１の両側に板状の電気機械変換素子２および３を接着した円環型バイモルフ型振動子からなる。ここで、駆動素子は、金属板の片側にのみ板状の電気機械変換素子が形成されたユニモルフ構造としてもよい。また、ここでは、駆動素子の形状を円形としたが、外形は矩形状などの形状としても構わない。

金属板１の材質は特に限定しないが、ばね性の良好な材質、たとえば、銅合金、ニッケル合金、ステンレスなどを用いることができる。

詳細は後述するが、レンズモジュールの製造の際には、駆動素子の内縁部には筒状筐体を接着し、駆動素子の外縁部をベースに接着するため、他の一例として図２に断面図で示すように、金属板１の内径が電気機械変換素子２，３の内径より小さく、また、金属板１の外径が電気機械変換素子２，３の外径より大きいことが好ましい。

電気機械変換素子２および３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。

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電気機械変換素子２および３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、銀などを用いて外部電極を形成後、厚さ方向に分極処理を施す。その後、金属板１に接着することで、駆動素子を製造する。

電気機械変換素子２および３として、圧電セラミックを用いた場合、圧電セラミックの厚さを薄くすることで電界強度を大きくできる。そのため、積層型圧電セラミックを用いることが駆動電圧の低電圧化に有効である。

積層型圧電セラミックの製造方法は、一般的な方法を用いればよい。たとえば、ドクターブレード法などの方法で所定の厚さのセラミックグリーンシートを製造し、スクリーン印刷法などで所定の形状にＡｇ／ＰｄペーストやＣｕペーストを内部電極として印刷した後、トリミングおよび所定枚数積層する。熱プレス後に所定の形状に打ち抜き、脱バインダー、焼結の工程により製造すればよい。

電気機械変換素子２および３は、上記の方法以外にも、ゾル・ゲル法やスパッタ法などを用いて金属板１上に圧電セラミック膜を形成することで、駆動素子を製造することも可能である。なお、電気機械変換素子として、電歪型の素子を用いることもできる。

図１の駆動素子１００を用いた、本発明の実施の形態１でのレンズモジュールを図３に斜視図で示す。また、図３のレンズモジュールのＡ−Ａ断面図を、図４に示す。さらに、図２の駆動素子２００を用いた、本発明の実施の形態２でのレンズモジュールとして、図５および図６にそれぞれ斜視図とＢ−Ｂ断面図を示す。

図３に示すように、光学レンズ４が光軸５に沿って移動可能に配設された筒状筐体６を、図１に示した駆動素子１００の内側の上部に接着する。また、駆動素子の反対側（下部）の外側にベース１１を接着する。この駆動素子にパルス電圧を印加して振動させると、駆動素子の外側がベース１１に固定されているため、駆動素子の内側が光軸５に沿って振動する。すなわち、筒状筐体６が光軸５に沿って振動する。このとき、駆動素子に加えるパルス電圧を昇圧速度と降圧速度が異なるパルス電圧とし、交流で印加することで、光学レンズ４は光軸５に沿って連続的に移動する。また、昇圧速度と降圧速度を反転することで、光学レンズを逆方向に移動することができる。このような変調振動を駆動素子に発生させることで、光学レンズを所望の方向に連続的に移動させる。

筒状筐体６に光学レンズ４を光軸５に沿って移動可能に配設する構造としては、実施の形態１では、図３に示すように筒状筐体６にスリット７を形成し、レンズホルダー８の一部にスリット７に係合する部分を設け、スリット７の内面を摺動面として光学レンズ４を保持するレンズホルダー８をスライドさせる構造を用いている。実施の形態２では、図５に示すように、実施の形態１と同様に筒状筐体６にスリットを形成し、レンズホルダー９の一部にスリットに係合する部分を設けているが、レンズホルダー９は筒状筐体６の外周にも係合する構造体とし、筒状筐体６の外周面とレンズホルダー９のその外周面に係合する面とを摺動面としてレンズホルダー９を移動させる構造としている。

また、実施の形態３として図７に断面図で示すように、筒状筐体６の内面あるいは外面を摺動面とし、その外面または内面が筒状筐体６の摺動面に係合する可動筒状体１３を光軸に沿って移動させる構造として、可動筒状体１３にレンズホルダー８を固定してもよい。

以上の実施の形態では、光学レンズ４とレンズホルダー８，９は別個の部材として示したが、これらが一体であっても構わない。

図３のスリット７はレンズホルダー８をスライドさせる際のガイドとなるが、筒状筐体の内側に溝を形成してその溝に係合する部分をレンズホルダーに設け、その溝に沿ってスライドさせても構わない。また、図５、図７においては、スリットまたは溝を必ずしも形成する必要はない。

本発明の実施の形態４のレンズモジュールを図８に示す。図８（ａ）はその光軸を含む面の断面図、図８（ｂ）はその要素である可動筒状体とばね部材を示す斜視図である。レンズホルダー１４に可動筒状体１６を固定し、この可動筒状体１６と筒状筐体１５との間にばね部材１７を配置することによって筒状筐体１５とレンズホルダー１４を機械的に結合し、ばね部材１７と筒状筐体１５の接する部分を摺動部として、可動筒状体１６を移動することで、光学レンズ４とレンズホルダー１４を光軸５に沿って移動させる構造としている。ここで、ばね部材１７は、半球殻形状のものを少なくとも１個以上配置すれば良い。ばね部材１７の材質は、弾性体であれば特に限定されず、金属あるいはプラスチックなどとすればよい。図８の構造においては、スリットまたは溝を必ずしも形成する必要はない。また、図８の構造の変形例として、可動筒状体１６の径を小さくし、その外周面に半球殻状のばね部材を配設し、筒状筐体１５の内周面との間で摺動部を形成するようにしてもよい。また、可動筒状体１６はレンズホルダー１４と一体に形成されていてもよい。

本発明の実施の形態５のレンズモジュールを図９に示す。図９（ａ）はレンズを含む平面の断面図、図９（ｂ）は光軸を含む面の断面図である。本実施の形態ではレンズホルダー２４は筒状筐体２５の内側および外側に筒状部を有する形状であり、その外側筒状部と筒状筐体２５の間の３箇所に板バネ２７が挿入されてレンズホルダー２４と筒状筐体２５が機械的に結合され、その板バネ２７と筒状筐体２５の接触部を摺動部としている。

図１０は上記実施の形態５の変形例を示し、図１０（ａ）はレンズを含む平面の断面図、図１０（ｂ）は光軸を含む面の断面図である。本変形例ではレンズホルダー３４と筒状筐体２５の間に挿入されている板バネは１個であるが、レンズホルダー３４の外側筒状部の内壁には筒状筐体２５と接触し摺動する２つの摺動部分２８を設けている。なお、図９および図１０の実施の形態のレンズホルダー２４、３４の外側筒状部は実施の形態４と同様な別構造の可動筒状体としてもよい。

図１１は本発明の実施の形態６のレンズモジュールを示し、図１１（ａ）はレンズを含む平面の断面図、図１１（ｂ）は光軸を含む面の断面図、図１１（ｃ）は本レンズモジュールの一部である筒状筐体とそれに押し付けられた環状のバネを示す斜視図である。図１１に示すようにレンズホルダー４４に環状のバネ４７が固定され、その環状のバネ４７がばねの弾性力によって筒状筐体４５の外周に押し付けられることによってレンズホルダー４４と筒状筐体４５が機械的に結合され、その環状のバネ４７と筒状筐体４５の外周の接触部を摺動部としている。

上記の各実施の形態において、筒状筐体と可動筒状体の材質は、特に限定されないが、ポリカーボネートやポリアセタールなどの樹脂材料、また、ステンレスやアルミなどの金属材料を用いることができる。

本発明のレンズモジュールは、摺動部を介して可動筒状体やレンズホルダーを駆動させるため、摺動面の摩擦力の制御が重要となる。摩擦力が大きいと駆動させるのが困難となるため、摺動面の摩擦係数は小さい方が好適である。一般に、金属と樹脂との間の摩擦係数は、樹脂と樹脂との間の摩擦係数に比較して大きいため、摩擦係数を下げるために、金属を材料として筒状筐体や可動筒状体を形成した場合には、それらには樹脂による表面コーティングを施すのが好ましい。

本発明に用いるバネ材の材質は、燐青銅やステンレスなどの、通常ばね材として使用されているものであれば良い。また、ばね部材と筒状筐体との間の摩擦係数を小さくするために、ばね部材の表面に樹脂による表面コーティングを施すのが好ましい。

表面コーティングの樹脂材料は、フッ素樹脂であることが好ましい。また、表面コーティングのコーティング厚さは、摺動部の部品寸法によって適宜設定すればよいが、１〜２０μｍ程度が好適である。

上記実施の形態で、筒状筐体とレンズホルダー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、筒状筐体の寸法は、光学レンズ４の寸法や移動量に依存するが、大略、外径５〜１５ｍｍ、高さ２〜２０ｍｍ程度である。

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３から図８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４のみを載せ、他の固定レンズについては省略した。また、後で詳述するように複数のレンズを独立で移動させることも容易であるが、１個の可動レンズの場合について示した。

本発明によるレンズモジュールにおいては、駆動素子としてユニモルフまたはバイモルフ構造をとっているため発生変位が大きく、共振から外れた周波数においても十分にレンズを駆動させることができる。また、駆動素子として積層圧電セラミックを用いることで低電圧においても十分に変位を発生させることができる。光学レンズ４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、駆動電圧と駆動周波数を選定すればよい。

以上説明したように、本発明においては、ユニモルフまたはバイモルフ型の電気機械変換素子を駆動素子とし、その駆動力により筒状筐体６を振動させることで、光学レンズ４の光軸５に沿って光学レンズ４を移動させる構造としているため、レンズモジュールの低背化が可能であり、非常に単純な構造のレンズモジュールを形成することができる。

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本発明を用いることができる。一例として２つの光学レンズを駆動するには、図１２に断面図で示すように、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外形が異なる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。図１２の詳細について説明すると、ベース１１には駆動素子３１，３２が同軸に接続され、駆動素子３１によって振動する外径が大きな筒状筐体６１にはスリット７１が設けられ、これにレンズホルダー９１が係合し摺動部が形成され、このレンズホルダー９１によって支えられた光学レンズ４１は光軸方向に移動可能であり、他方、駆動素子３２によって振動する外径の小さい筒状筐体６２にはスリット７２が設けられ、これにレンズホルダー９２が係合し摺動部が形成され、このレンズホルダー９２によって支えられた光学レンズ４２は光軸方向に移動可能である。

図１３に、本発明の実施の形態１および２の変形例に用いる筒状筐体を斜視図で示す。図５で説明したものと同じ構造の駆動素子とベースを用いて、筒状筐体１０を振動させる。ここで、筒状筐体１０には光軸５から傾いた角度（９０度−θ）を有するスリット１２が少なくとも１個形成されている。図１０においては、スリット１２が２個形成されている場合を示している。

図１３においても、図３、図５と同様に、スリット１２はレンズホルダー８をスライドさせる際のガイドとなるが、筒状筐体の内側に溝を形成して、溝に沿ってスライドさせても構わない。

角度θが９０°の場合は、図３に示したものと同等となるが、θが９０°未満の場合、光学レンズとレンズホルダーは回転しながら光軸５に沿って移動する。角度θは、５〜８０°の範囲が好適である。８０°以上では、角度θの効果が小さく、また、５°未満ではレンズホルダーが回転しながら光軸５に沿って移動することが困難となる。

ここで、筒状筐体１０に対してレンズホルダーのみを回転するようにし、光学レンズは回転させずに、光学レンズを光軸に沿って移動させることも可能である。

図３、図５の実施の形態１、実施の形態２においては、筒状筐体６とレンズホルダー９との摺動面に、光学レンズ４を保持可能な摩擦力が必要である。摩擦力が小さい場合には、駆動電圧が印加されていない時には、光学レンズ４は重力方向に沿って移動してしまう。一方、図１３に示す筒状筐体１０を用いることで、摩擦力が小さい場合においても光学レンズの位置は、駆動電圧なしでも保持されるため、レンズモジュールの構造や組み立て精度をさらに簡略・単純化することができる。

本発明に係る、筒状筐体を振動させる駆動素子の構造の一例を示す斜視図。 本発明に係る、筒状筐体を振動させる駆動素子の構造の他の一例を示す断面図。 本発明の実施の形態１でのレンズモジュールを示す斜視図。 本発明の実施の形態１でのレンズモジュールを示すＡ−Ａ断面図。 本発明の実施の形態２でのレンズモジュールを示す斜視図。 本発明の実施の形態２でのレンズモジュールを示すＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施の形態３でのレンズモジュールを示す断面図。 本発明の実施の形態４でのレンズモジュールを示す図。図８（ａ）は光軸を含む面でのレンズモジュールの断面図、図８（ｂ）はその構成要素である可動筒状体とばね部材を示す斜視図。 本発明の実施の形態５のレンズモジュールを示し、図９（ａ）はレンズを含む平面の断面図、図９（ｂ）は光軸を含む面の断面図。 本発明の実施の形態５の変形例を示し、図１０（ａ）はレンズを含む平面の断面図、図１０（ｂ）は光軸を含む面の断面図。 本発明の実施の形態６のレンズモジュールを示し、図１１（ａ）はレンズを含む平面の断面図、図１１（ｂ）は光軸を含む面の断面図、図１１（ｃ）は筒状筐体と環状のバネを示す斜視図。 本発明による複数の可動レンズを独立に駆動させる場合のレンズモジュールを示す断面図。 本発明に係る筒状筐体の変形例を示す斜視図。

符号の説明

１ 金属板
２，３ 電気機械変換素子
４，４１，４２ 光学レンズ
５ 光軸
６，１０，１５，２５，４５，６１，６２ 筒状筐体
７，１２，７１，７２ スリット
８，９，１４，２４，３４，４４，９１，９２ レンズホルダー
１１ ベース
１３，１６ 可動筒状体
１７ ばね部材
２７ 板バネ
４７ 環状のバネ
２８ 摺動部分
３１，３２，１００，２００ 駆動素子

Claims (10)

1. 中心部に開口を有する金属板の片側または両側に、板状の電気機械変換素子を接合してなるユニモルフ型またはバイモルフ型の駆動素子と、
   前記駆動素子で発生した振動により前記開口の中心部を通る光軸の方向に振動する筒状筐体と、
   前記筒状筐体との間に設けられた摺動部を介して前記筒状筐体の振動により発生した駆動力で前記光軸の方向に移動可能なレンズホルダーと、
   前記レンズホルダーに支持または一体化された光学レンズとを備えることを特徴とするレンズモジュール。
2. 前記筒状筺体の側面にスリットまたは溝を形成し、前記レンズホルダーの一部に前記スリットまたは溝に係合する部分を設けたことを特徴とする、請求項１記載のレンズモジュール。
3. 前記スリットまたは溝は、前記光軸から傾いた方向に形成されていることを特徴とする、請求項２記載のレンズモジュール。
4. 前記スリットまたは溝の少なくとも一部を摺動部としたことを特徴とする請求項２または３記載のレンズモジュール。
5. 前記摺動部の少なくとも一部は前記筒状筐体と前記レンズホルダーを機械的に結合するバネ材により構成されていることを特徴する請求項１から３のいずれか１項に記載のレンズモジュール。
6. 前記バネ材は前記筒状筐体と前記レンズホルダーの間に挿入された板バネであることを特徴とする請求項５記載のレンズモジュール。
7. 前記バネ材は前記筒状筐体と前記レンズホルダーの一方に固定され他方に該バネ材の弾性力によって押し付けられた環状のバネであることを特徴とする請求項５記載のレンズモジュール。
8. 前記バネ材の材質は金属であり、該バネ材の摺動部分の表面は樹脂加工処理を施してあることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のレンズモジュール。
9. 前記電気機械変換素子が、積層型圧電セラミック素子からなることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のレンズモジュール。
10. 前記筒状筺体は同軸に配置された互いに外形の異なる２つの筒状筐体からなり、前記レンズホルダーは前記２つの筒状筺体との間にそれぞれ摺動部を有する２つのレンズホルダーからなり、該２つのレンズホルダーはそれぞれ独立に移動可能であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のレンズモジュール。

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