JP2009516857A - 光学モジュール、自動フォーカス及びズームモジュール及びバックラッシュ防止方法 - Google Patents

Abstract

光学モジュールは、第１の光学群と、第２の光学群と、イメージセンサとを備え、第１の光学群及び第２の光学群は、フォーカス及び倍率を有する像をイメージセンサに提供する。幾つかの実施の形態においては、第１の光学アセンブリは、第１のリードスクリュの回転によって、第１のリードスクリュの軸に沿って移動するように第１のリードスクリュのねじ部に連結された第１の光学群と、第１のリードスクリュを回転させる第１のアクチュエータと、第１のリードスクリュの回転を検出可能にする第１の感知対象とを備える。幾つかの実施の形態においては、第２の光学アセンブリは、第２のリードスクリュの回転によって、第２のリードスクリュの軸に沿って移動するように第２のリードスクリュのねじ部に連結された第２の光学群と、第２のリードスクリュを回転させる第２のアクチュエータと、第２のリードスクリュの回転を検出する第２の感知手段とを備える。

Description

関連出願

本出願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づき、２００５年９月８日に出願された、係属中の米国仮特許出願第６０／７１５，５３３号、発明の名称「３Ｘズームミニモジュール（3X ZOOM MINI MODULE）」の優先権を主張する。この特許文献は、引用により本願に援用される。

本発明は、カメラの光学素子、特に、自動フォーカス及びズームモジュールに関する。

近年、デジタルカメラ技術は、大きく進歩している。このような進歩の１つとして、光学的及び機械的な部品は、数ミリメートル又はそれ以下の寸法に更に小型化されている。カメラの可動部品の小型化により、現代のデジタルカメラ及び光技術は、より広範囲のデバイスに応用されるようになった。また、これらのデバイスの形状的要素の設計及び構成も、日々、小型化が進んでいる。例えば、市販されている個人用電子機器、例えば、携帯電話機、携帯情報端末（personal digital assistant：ＰＤＡ）、腕時計及び／又は懐中時計に、小型のデジタルカメラが組み込まれている場合がある。更に、より大きい形状的要素を有する機器に、追加的機能が組み込まれていることもある。例えば、一般的なビデオカムコーダには、動画を録画するための機構及び回路と共に、「静止画」すなわち写真を撮影するためのデジタルカメラ全体が組み込まれていることが多い。

しかしながら、現代のデジタルカメラの機構には、様々な制約が課せられている。これらの制約には、コスト、サイズ、機能及び複雑性等が含まれる。例えば、小型化によって、通常、コストが高まり、機能が制限され、及び／又は複雑性が高まる。

本発明は、光学モジュールを提供する。光学モジュールは、第１の光学群と、第２の光学群と、イメージセンサとを備える。第１の光学群及び第２の光学群は、任意のフォーカス及び倍率を有する像をイメージセンサに供給するように構成されている。

本発明の幾つかの実施の形態では、光学モジュールは、第１のリードスクリュのねじ部に連結された第１の光学群を備える。第１のリードスクリュの回転によって、第１の光学群は、第１のリードスクリュの軸に沿って移動する。第１のアクチュエータは、第１のリードスクリュを回転させる。第１の感知対象は、第１のリードスクリュの回転を検出可能にする。本発明の幾つかの実施の形態では、光学モジュールは、第２のリードスクリュのねじ部に連結された第２の光学群を更に備える。第２のリードスクリュの回転によって、第２の光学群は、第１のリードスクリュの軸に沿って移動する。第２のアクチュエータは、第２のリードスクリュを回転させる。第２の感知手段は、第２のリードスクリュの回転を検出する。

本発明に基づく光学モジュールは、ハウジングを備えていてもよい。第１の光学アセンブリ及び第２の光学アセンブリは、ハウジング内に収容される。

第１の感知対象は、第１のリードスクリュの軸又は回転に対して対称であり、交互のパターンとなるように配置された異なる光学的特性の隣接した領域を有する閉曲面を有していてもよい。第２の感知対象は、第２のリードスクリュの軸又は回転に対して対称であり、交互のパターンとなるように配置された異なる光学的特性の隣接した領域を有する閉曲面を有していてもよい。第２の感知対象は、好ましくは、第２のリードスクリュに沿った第２の光学群の移動を測定できるように構成されている。第１の感知対象は、第１のリードスクリュに沿った第１の光学群の移動を測定できるように構成されている。より好ましくは、第１の感知対象は、少なくとも１０ミリメートルの範囲において、１０ミクロン以下の分解能で第１の光学群の移動を測定する。第２の感知対象は、少なくとも２ミリメートルの範囲において、１０ミクロン以下の分解能で第１の光学群の移動を測定する
幾つかの実施の形態では、第１のリードスクリュは、第１のねじ山外径を有するねじ部と、第１の外径を有する非ねじ部と、第１のアクチュエータ位置合わせ要素とを有する。第１の光学群は、第１のリードスクリュの回転によって、第１のリードスクリュの軸に沿って移動するように第１のリードスクリュのねじ部に連結される。第１のギアラッシュ防止ばねは、第１の光学群を第１のリードスクリュの非ねじ部に対して付勢する。第１の筒状の振動アクチュエータは、第１のリードスクリュを回転させる。第１の筒状の振動アクチュエータは、非ねじ部に連結され、ハウジング及び第１のアクチュエータの両方に当接する第１の予圧ばねの復元力によって、第１のリードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素に対して付勢される。第１の筒状の振動アクチュエータは、ハウジングへの柔軟性を有する係合によって、ノードポイントにおいて規制されている。第１の感知手段は、第１のリードスクリュの回転を検出する。

幾つかの実施の形態においては、第１のねじ山外径は、第１の外径より大きい。他の実施の形態では、第１のねじ山外径は、第１の外径より小さい。更に、他の実施の形態では、第１のねじ山外径及び第１の外径は、等しい。

幾つかの実施の形態では、第２のリードスクリュは、第２のねじ山外径を有するねじ部と、第２の外径を有する非ねじ部と、第２のアクチュエータ位置合わせ要素とを有する。第２の光学群は、第２のリードスクリュの回転によって、第２のリードスクリュの軸に沿って移動するように第２のリードスクリュのねじ部に連結される。第２のギアラッシュ防止ばねは、第２の光学群を第２のリードスクリュの非ねじ部に対して付勢する。第２の筒状の振動アクチュエータは、第２のリードスクリュを回転させる。第２の振動アクチュエータは、非ねじ部に連結され、ハウジング及び第２のアクチュエータの両方に当接する第２の予圧ばねの復元力によって、第２のリードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素に対して付勢される。第２の筒状の振動アクチュエータは、ハウジングへの柔軟性を有する係合によって、ノードポイントにおいて規制されている。第２の感知手段は、第２のリードスクリュの回転を検出する。

第１のアクチュエータ位置合わせ要素は、好ましくは、第１のリードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されている。第２のアクチュエータ位置合わせ要素は、好ましくは、第２のリードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されている。

幾つかの実施の形態においては、第２のねじ山外径は、第２の外径より大きい。他の実施の形態では、第２のねじ山外径は、第２の外径より小さい。更に、他の実施の形態では、第２のねじ山外径及び第２の外径は、等しい。

本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールは、定在波パターンで振動し、シャフトを回転運転する筒状の振動アクチュエータを備える。これらの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールは、ハウジングと、光学アセンブリと、イメージセンサとを備え、光学群は、フォーカス及び倍率を有する像をイメージセンサに提供する。光学アセンブリは、ねじ山外径を有するねじ部と、外径を有する非ねじ部と、アクチュエータ位置合わせ要素とを有するリードスクリュを備える。光学群は、リードスクリュの回転によって、リードスクリュの軸に沿って移動するようにリードスクリュのねじ部に連結されている。筒状の振動アクチュエータは、リードスクリュを回転させ、非ねじ部に連結され、ハウジング及びアクチュエータの両方に当接する予圧ばねによってリードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素に対して付勢され、ハウジングへの柔軟性を有する係合によって、好ましい定在波パターンのノードポイントにおいて規制されている。感知手段は、リードスクリュの回転を検出する。アクチュエータ位置合わせ要素は、好ましくは、リードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されている。

本発明の幾つかの実施の形態においては、自動フォーカス及びズームモジュールは、第１のガイドピンと、第２のガイドピンと、第１の光学アセンブリと、第２の光学アセンブリと、イメージセンサとを備え、第１の光学群及び第２の光学群は、イメージセンサにフォーカス及び倍率を有する像を提供する。

幾つかの実施の形態においては、第１の光学アセンブリは、第１のねじ山外径を有するねじ部と、第１の外径を有する非ねじ部と、第１のアクチュエータ位置合わせ要素とを有する第１のリードスクリュを備える。第１の光学群は、２つのギア歯付きカップリングアームが対向して配設された第１のばねヒンジアセンブリを含み第１のリードスクリュのねじ部に係合されている。第１の光学群は、第１のリードスクリュの回転によって、第１のリードスクリュの軸に沿って移動する。ギア歯付きヒンジアセンブリは、第１のガイドピン及び第２のガイドピンに連結されている。第１のアクチュエータは、第１のリードスクリュを回転させる。第１の感知手段は、第１のリードスクリュの回転を検出する。

幾つかの実施の形態では、第１のねじ山外径は、第１の外径より大きい。他の実施の形態では、第１のねじ山外径は、第１の外径より小さい。更に、他の実施の形態では、第１のねじ山外径及び第１の外径は、等しい。

また、本発明は、幾つかの実施の形態として、ねじ山を有するリードスクリュを駆動素子として使用する装置において、バックラッシュを防止するバックラッシュ防止方法を提供する。バックラッシュ防止方法は、軸と、ねじ深さ及びねじピッチを有するねじ領域を有するリードスクリュを準備する工程を有する。更にバックラッシュ防止方法は、歯の深さがリードスクリュより実質的に浅く、歯のピッチがリードスクリュより大きい複数のギア歯付きカップリングアームが対向して配置され、リードスクリュのねじ部に係合され、リードスクリュの回転によって、リードスクリュの軸に沿って光学群を移動させるばねヒンジアセンブリを準備する工程を有する。

本発明に基づく光学モジュールは、好ましくは、光学群に連結され、光学モジュールの水平面に対する任意の角度で光学素子モジュールに像を向けるプリズム素子を更に備える。

以下では、説明のために、多くの詳細事項及び代替例を開示する。なお、これらの具体的な詳細事項を使用することなく、本発明を実施できることは当業者にとって明らかである。また、本発明の特徴を不明瞭にしないために、ブロック図では、よく知られた構造及び機器の構造を簡潔に示す。

Ａ．構造
図１は、本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュール（以下、単にモジュールという。）１０００を示している。図１に示すように、モジュール１０００は、フロント光学群４００、リア光学群５００及びイメージセンサ１０１０を備える。フロント光学群４００及びリア光学群５００は、通常、例えば、レンズ等の１つ以上の光学的部品を含む。例えば、図４に示すモジュール１０００は、フロント光学群４００及びリア光学群５００の両方に複数の光学レンズを備える。なお、当業者は、より複雑な又はより単純な構成の光学群を想到することができる。

Ｂ．アセンブリの詳細
図１及び図２は、モジュール１０００の詳細を示している。幾つかの実施の形態において、モジュール１０００は、フロントハウジング及びリアハウジングを備え、フロントハウジング及びリアハウジングは、互いに連結され、ガイドピンによってアラインされている。ガイドピンは、更に、バレルの動きを誘導するためにも用いられる。図５Ａは、リアコンポーネント１０５０と、フロントコンポーネント１０６０とを含むハウジングを示しており、このハウジングモジュール１０００の様々なアセンブリの構造的なフレームを提供している。ハウジングには、リードスクリュアセンブリ２００、３００と、ガイドピン６００、７００とが係合されている。この係合によって、各コンポーネントが互いに、及びイメージセンサ１０１０のターゲット領域１０１２に対して位置決めされ、固定され、任意の倍率及びズームを有する像をターゲット領域１０１２に提供できる自動フォーカス及びズームモジュールのシャーシが実現されている。

フロントハウジングには、フロントバレル及びオプションとしてプリズムが取り付けられている。モジュールのハウジングは、好ましくは、ケーシング及びカバーメカニズムを更に備える。カバーメカニズムは、好ましくは、モジュールの内部部品、特にレンズ群及びイメージセンサを光の漏洩及び埃による汚染から保護する。リアハウジングには、イメージセンサと、オプションとして、赤外線（ＩＲ）フィルタ及び／又はローパスフィルタが取り付けられている。

イメージセンサ
図に示すように、イメージセンサ１０１０は、好ましくは、平面を定義する。図１では、この平面は、ｘｙ平面に平行な平面である。モジュール１０００は、通常、ｚ軸に平行なイメージベクトルに沿って、イメージセンサ１０１０に像を提供するように構成される。

ガイドピン
図１は、幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールのガイドピン構成を示している。幾つかの実施の形態は、一対のガイドピンを使用し、幾つかの他の実施の形態では、異なる数のガイドピンを使用する。ガイドピン６００、７００は、その個数にかかわらず、通常、リアバレル５３０及びフロントバレル４３０がイメージセンサ１０１０に対して移動できるように、モジュール１０００の直線的な軸に沿って取り付けられる。モジュール１０００においては、第１のガイドピン６００及び第２のガイドピン７００は、それぞれの軸が互いに及びｚ軸に対して実質的に平行になるようにアラインされている。更に、リードスクリュアセンブリ２００、３００は、互いに、ｚ軸対して、及びガイドピン６００、７００に対して実質的に平行にアラインされている。

ガイドピン６００、７００は、通常、イメージセンサ１０１０のイメージベクトルの反対側で、ハウジングのフロントコンポーネント１０６０及びリアコンポーネント１０５０に連結される。なお、他の構成も可能であることは当業者にとって明らかである。リードスクリュ２００、３００は、通常、イメージセンサ１０１０と同じ側で、ハウジングのフロントコンポーネント１０６０及びリアコンポーネント１０５０に連結される。

幾つかの実施の形態では、ガイドピン６００、７００がリアバレル５３０に提供する動作範囲は、約７ミリメートルである。幾つかの実施の形態では、ガイドピン６００、７００がフロントバレル４３０に提供する動作範囲は、約２ミリメートルである。なお、この動作範囲のために、幾つかの実施の形態において、ガイドピン６００、７００は、モジュール１０００の形状的要素に影響する。したがって、幾つかの実施の形態は、モジュール１０００の形状的要素を変更し及び／又は隠す機構を更に備える。

プリズム
また、オプションとして、プリズムを設けてもよい。プリズムを設けることにより、自動フォーカス及びズームモジュールを様々な向きに配置し及び／又は取り付けることができる。例えば、特定の具体例では、水平方向の幅が制限され、モジュールを筐体の垂直平面に縦に配置することが望ましい場合がある。この向きによって、幅及び／又は深さの形状的要素がより小さいデバイスにおいて、上述のように、ガイドピンに沿ったフロントバレル及びリアバレルの動作範囲を確保できる。

図１及び図５Ｂは、これらのプリズムの幾つかの実施の形態を示している。図１に示すモジュール１０００は、フロントバレル４３０に取り付けられたプリズム１００を備える。プリズム１００は、フロントバレル４３０に対して、任意の角度で像からの光の向きを変更する。上述したように、フロントバレル４３０は、通常、フロントレンズ群を収容する。フロントレンズ群は、例えば、図５Ｂに示すフロントレンズ４４０等、１つ以上のフロント光学部品を備える。したがって、プリズム１００により、通常、撮影又は撮像される被写体に対して、所定の角度に保持されるデバイス内でモジュール１０００を様々な向きで配置できる。

図５Ｂは、幾つかの実施の形態に基づく、モジュール１０００に取り付けられたプリズム１００の小さい形状的要素を示している。これらの実施の形態では、プリズムホルダ及びプリズムブラケットの組合せによって、モジュール１０００のフロントレンズ４４０に隣接させて、プリズムを有利に取り付けることができる。上述したように、プリズム１００は、通常、モジュール１０００のフロントレンズ４４０に対して所定の角度にある被写体の像からの光の向きを変更する。

レンズ系
図に示すように、リア光学群５００及びフロント光学群４００は、予め定義された構造を有する。リア光学群５００は、リアバレル５３０、リアガイドスリーブ５１０及びリアガイドスロット５２０を備える。リアバレル５３０は、通常１つ以上のレンズ又は他の光学的部品を収容する。図に示すように、リアバレル５３０は、リアレンズ５４０を収容する。リアバレル５３０は、実質的に、中心軸を有する円筒体である。リアレンズ５４０は、光をリアバレル５３０の中心軸に沿う方向に向ける。リアガイドスリーブ５１０は、細長い、実質的な円筒体であり、リアバレル５３０の中心軸及びリアガイドスリーブ５１０の軸が実質的に平行となるように、リアバレル５３０に連結されている。リアガイドスロット５２０は、シリンダに係合するように構成されたスロットである。

フロント光学群４００は、フロントバレル４３０、フロントガイドスリーブ４１０及びフロントガイドスロット４２０を備える。フロントバレルは、通常、フロントレンズ４４０（例えば、図５Ｂ）を収容する。フロントバレル４３０は、実質的に、中心軸を有する円筒体である。フロントレンズ４４０は、光をフロントバレル４３０の中心軸に沿う方向に向ける。フロントガイドスリーブ４１０は、細長い、実質的な円筒体であり、フロントバレル４３０の中心軸及びフロントガイドスリーブ４１０の軸が実質的に平行となるように、フロントバレル４３０に連結されている。フロントガイドスロット４２０は、シリンダに係合するように構成されたスロットである。

レンズ−ガイドピンの係合
図５Ｂに示すように、フロント光学群４００は、第１のガイドピン６００に係合されたフロントガイドスリーブ４１０を備える。この図に示すように、フロントガイドスリーブ４１０は、フロントバレル４３０より実質的に細長い形状を有している。更に、フロントガイドスリーブ４１０は、フロントバレル４３０に固定されている。この構成により、ガイドピン６００がｚ軸に沿って延びているとすると、フロント光学群４００は、第１のガイドピン６００に対して、ｙｚ平面又はｘｚ平面内では回転せず、ｘｙ平面内で回転できる。リア光学群５００は、第１のガイドピン６００に係合されたリアガイドスリーブ５１０を備える。この図に示すように、リアガイドスリーブ５１０は、フロントバレル４３０より実質的に細長い形状を有している。更に、リアガイドスリーブ５１０は、リアバレル５３０に固定されている。この構成により、ガイドピン６００がｚ軸に沿って延びているとすると、リア光学群５００は、第１のガイドピン６００に対して、ｙｚ平面又はｘｚ平面内では回転せず、ｘｙ平面内で回転できる。

また、図１に示すように、フロント光学群４００は、第２のガイドピン７００に係合されたフロントガイドスロット４２０を備える。フロントガイドスロット４２０と第２のガイドピン７００との間の係合により、フロント光学群４００は、ガイドピン６００、７００のいずれかに対して、ｘｙ平面内で回転することができなくなっている。フロント光学群４００と、ガイドピン６００、７００との間の係合によって、フロント光学群４００は、２つのガイドピンで定義される軸（図１のｚ軸）に沿って移動することができると共に、この軸に直交する軸（ｘ軸及びｙ軸）に沿って移動することができなくされている。

また、リア光学群５００は、第２のガイドピン７００に係合されたリアガイドスロット５２０を備える。リアガイドスロット５２０と第２のガイドピン７００との間の係合により、リア光学群５００は、ガイドピン６００、７００のいずれかに対して、ｘｙ平面内で回転することができなくなっている。リア光学群５００と、ガイドピン６００、７００との間の係合によって、リア光学群５００は、２つのガイドピンで定義される軸（図１のｚ軸）に沿って移動することができると共に、この軸に直交する軸（ｘ軸及びｙ軸）に沿って移動することができなくされている。

リードスクリュアセンブリ
図３に示す例示的なリードスクリュアセンブリ３００’は、リアコンポーネント１０５０’と、フロントコンポーネント１０６０’とを含む区分されたハウジングに連結されている。リードスクリュアセンブリ３００’は、リードスクリュ１の周囲に構成されている。リードスクリュアセンブリ３００’は、アクチュエータ２０、カップリングナット３５及び感知対象５０を含む。更に、アセンブリは、予圧ばね１０及びギアラッシュ防止ばね（anti-gearlash spring）４０を含む。リードスクリュ１は、ねじ領域５と、２つの非ねじ領域とを有する。アクチュエータ２０は、第１の非ねじ領域に係合され、感知対象５０は、第２の非ねじ領域に係合されている。リードスクリュアセンブリ３００’は、ハウジングに連結されると、リアコンポーネント１０５０’及びフロントコンポーネント１０６０’の特定の部分に接触する。これらの部分には、リードスクリュ保持ウェル（lead screw retention well）１０５１”、１０６５”及びギアラッシュばね基準部（gearlash spring reference feature）１０６３”が含まれる。これらの部分は、好ましくは、リードスクリュアセンブリ３００’の回転を容易にするベアリングを備える。

図５Ｃは、フロントコンポーネント１０６０及びリアコンポーネント１０５０を含む区分されたハウジングに連結された図３に示すタイプのリードスクリュアセンブリ３００を示している。図に示すように、リードスクリュ３００の軸は、リア光学群５００及びフロント光学群４００のレンズ群を介して形成される光路に対して平行である。

感知対象
本発明の幾つかの実施の形態に基づくリードスクリュアセンブリは、感知対象を備える。図３に示すリードスクリュアセンブリ３００’は、リードスクリュ保持ウェル１０６５”と、ギアラッシュばね基準部１０６３”との間に配設された感知対象５０を備える。感知対象は、通常、リードスクリュの第２の非ねじ領域の位置合わせ要素と係合する特徴的要素を備える。例えば、図５Ａの部分的な断面図に示すように、リードスクリュ２６０は、非ねじ領域内に位置合わせ要素を有する。図に示すように、リードスクリュ２６０の第２の非ねじ領域は、感知対象２５０のための位置合わせ要素２６１を有する。位置合わせ要素２６１は、感知対象２５０の対応する特徴的要素に係合するように構成されている。

アクチュエータ
アクチュエータ２０は、第１の非ねじ領域の一部の上に配設されている。アクチュエータ２０は、通常、リードスクリュ１の第１の非ねじ領域の位置合わせ要素と係合する特徴的要素を備える。例えば、図５Ａに示すように、リードスクリュ２６０は、第１の非ねじ領域内にアクチュエータ位置合わせ要素２６３を備える。アクチュエータ位置合わせ要素２６３及びアクチュエータ２２０の対応する特徴的要素は、互いに係合するように構成されている。

更に、アクチュエータ２０は、通常、複数の手法によって、ハウジングに連結される。リードスクリュアセンブリ３００’において、予圧ばね１０は、アクチュエータ２０をハウジングのリアコンポーネント１０５０に連結し、リードスクリュ１の基準要素（referencing feature）にアクチュエータ２０を押し付けている。他の具体例においては、図５Ａのリードスクリュアセンブリ２００は、予圧ばね２１０を備え、予圧ばね２１０は、ハウジングのリアコンポーネント１０５０とアクチュエータ２２０との両方に復元力を加え、アクチュエータ２２０の特徴的部分を、リードスクリュ２６０のアクチュエータ位置合わせ要素２６３に対して押し付けている。アクチュエータ、予圧ばね及び位置合わせ要素の他の構成については、図１２Ａ〜図１２Ｄを参照して後に説明する。

連結のための他の手法として、アクチュエータがリードスクリュを回転駆動できるように、ハウジングに対してアクチュエータの一部を固定された位置に保つアクチュエータコンタクトパッド（例えば、図１の１０２３、１０２２）を用いてもよい。例えば、アクチュエータコンタクトパッド１０２０は、アクチュエータ２０がハウジングに対して回転することを防いでいる。

アクチュエータ２０をリードスクリュに連結することに加えて、予圧ばね１０は、リードスクリュを回転させるベアリングにも予圧を加えている。ベアリングは、通常、ハウジングに連結され、リードスクリュ保持ウェル１０５１、１０６５に配設されている。幾つかの実施の形態では、ギアラッシュばね基準部１０６３に更なるベアリングを設けてもよい。適切な動作のために、多くのベアリング設計は、ベアリングの様々な部分を一体に保持するために、最小限の規制力を加える。このような力は、通常「予荷重」と呼ばれる。本発明の幾つかの実施の形態では、予圧ばねが、リードスクリュ保持ウェル１０５１、１０６５内に位置しているベアリングに力を加える。

本発明では、アクチュエータとリードスクリュとの間の係合に様々な手法を想定する。例えば、図１２Ａは、本発明に基づく、アクチュエータ２０とリードスクリュ６０との間の好適な係合を示している。アクチュエータ２０は、リードスクリュ６０の非ねじ領域に連結されている。アクチュエータ２０の特徴的要素は、ハウジング１及びアクチュエータ２０に対して力を加える予圧ばね１０によってリードスクリュ６０のアクチュエータ位置合わせ要素６３に押し付けられている。この具体例では、アクチュエータ位置合わせ要素６３は、リードスクリュ６０の非ねじ領域とねじ領域との間に配設され、非ねじ領域は、ねじ領域より外径が小さく、アクチュエータ位置合わせ要素６３とねじ領域との間には、比較的短い第２の非ねじ領域が設けられている。

他の具体例として、図１２Ｂは、本発明に基づく、アクチュエータ２０’と、リードスクリュ６０’との間の係合を示している。アクチュエータ２０’は、リードスクリュ６０’の非ねじ領域に連結されている。アクチュエータ２０’の特徴的要素は、ハウジング１及びアクチュエータ２０’に対して力を加える予圧ばね１０によってリードスクリュ６０’のアクチュエータ位置合わせ要素６３’に押し付けられている。この具体例では、アクチュエータ位置合わせ要素６３’は、リードスクリュ６０の非ねじ領域とねじ領域との間に配設され、非ねじ領域とねじ領域は、外径が略々等しい。

他の具体例として、図１２Ｃは、本発明に基づく、アクチュエータ２０”と、リードスクリュ６０”との間の係合を示している。アクチュエータ２０”は、リードスクリュ６０”の非ねじ領域に連結されている。アクチュエータ２０”の特徴的要素は、ハウジング１及びアクチュエータ２０”に対して力を加える予圧ばね１０によってリードスクリュ６０”のアクチュエータ位置合わせ要素６３”に押し付けられている。この具体例では、アクチュエータ位置合わせ要素６３”は、リードスクリュ６０”の非ねじ領域とねじ領域との間に配設され、非ねじ領域は、ねじ領域より外径が小さく、アクチュエータ位置合わせ要素６３”とねじ領域との間には、比較的長い第２の非ねじ領域が設けられている。

他の具体例として、図１２Ｄは、本発明に基づく、アクチュエータ２０”’と、リードスクリュ６０”’との間の係合を示している。アクチュエータ２０”’は、リードスクリュ６０”’の非ねじ領域に連結されている。アクチュエータ２０”’の特徴的要素は、ハウジング１及びアクチュエータ２０”’に対して力を加える予圧ばね１０によってリードスクリュ６０”’のアクチュエータ位置合わせ要素６３”’に押し付けられている。この具体例では、アクチュエータ位置合わせ要素６３”’は、リードスクリュ６０”’の非ねじ領域とねじ領域との間に配設され、非ねじ領域は、ねじ領域より外径が大きい。また、予圧ばね１０”’及び筐体部分２は、非ねじ領域とねじ領域との間に配置されている。

カップリングナット
リードスクリュアセンブリは、通常、カップリングナットを含む。カップリングナットは、好ましくは、リードスクリュのねじ領域に係合するように構成された歯を有する。カップリングナットの歯は、後述するように、幾つかの機能を有する。典型的な構成では、歯は、リードスクリュが回転すると、カップリングナットがリードスクリュの長軸に沿って移動するように構成される。例えば、図１に示す具体例では、リードスクリュ２００が回転すると、カップリングナット２３０は、リードスクリュのｚ軸に沿って移動する。移動の方向は、回転方向によって決まり、正確には、リードスクリュのねじ山の向きによって決まる。

また、カップリングナットは、通常、カップリングナットの歯をリードスクリュのねじ山に対して付勢する少なくとも１つのスプリングを介してハウジングにも連結される。例えば、図３のリードスクリュアセンブリ３００’は、ギアラッシュ防止ばね４０を備える。ギアラッシュ防止ばねは、アクチュエータ予圧ばねから独立していることが望ましい。図５Ａに示すように、リードスクリュアセンブリ２００は、カップリングナット２３０と、ハウジングのフロントコンポーネント１０６０のギアラッシュばね基準部１０６３との間に配設され、これらのそれぞれに復元力を加えるギアラッシュ防止ばね２４０を備える。また、予圧ばね２１０は、アクチュエータ２２０と、リードスクリュ保持ウェル１０５１に隣接するリアコンポーネント１０５０の面との間に配設され、これらのそれぞれに復元力を加える。

更に、ギアラッシュ防止ばね２４０は、予圧ばね２１０から独立してハウジングに連結されており、２つのスプリングの復元力は、互いに機械的に分離されている。以下に示すリードスクリュアセンブリ構成の幾つかの特徴によって、２つのスプリングの復元力が分離される。（１）ハウジングを形成するリアコンポーネント１０５０及びフロントコンポーネント１０６０は、固定的に連結されている。（２）リードスクリュ２６０は、剛性を有する。（３）リードスクリュ２６０のねじ領域２０５がカップリングナット２３０の軸方向の動きを規制する。（４）アクチュエータ位置合わせ要素２６３が、アクチュエータ２２０の軸方向の動きを規制する。

レンズ−カップリングナット係合
図６に示すように、（例えば、図２に示す）フロント光学群４００及びリア光学群５００のそれぞれの第１のガイドスリーブ４１０、５１０は、カップリングナット２３０、３３０を介してリードスクリュに連結されている。第１のガイドスリーブ４１０、５１０には、いずれも第１のガイドピン６００が挿入されている。リア光学群５００の第１のガイドスリーブ５１０は、カップリングナット３３０の溝に係合する突起要素５１２を有する。図５Ｂは、突起要素５１２と、カップリングナット３３０の溝との間の係合状態の斜視図を示している。溝は、アーム３３５によって形成され、基準面３３６を有する。基準面３３６は、カップリングナット３３０の溝に突出し、突起要素５１２を受け入れられる寸法の間隙を形成する。この間隙と突起要素５１２とは、実質的に２つの部品間に「遊び」がなくなるように、互いに一致する寸法を有することが望ましい。

同様に、フロント光学群４００の第１のガイドスリーブ４１０は、カップリングナット２３０の溝に係合する突起要素４１２を有する。溝は、アーム２３５によって形成され、基準面２３６を有する。基準面２３６は、カップリングナット２３０の溝に突出し、突起要素４１２を受け入れられる寸法の間隙を形成する。この間隙と突起要素４１２とは、実質的に２つの部品間に「遊び」がなくなるように、互いに一致する寸法を有することが望ましい。

この好ましい構成では、リードスクリュの軸に沿ってカップリングナットが移動すると、対応するガイドスリーブがガイドピンに沿って移動する。ガイドスリーブは、光学群のコンポーネントに固定的に連結されているので、カップリングナットが移動すると、連結されている光学群も移動する。なお、カップリングナットとガイドスリーブとの間の連結を固定するだけでも、この機能を実現できる。ここに例示する構成では、カップリングナットの軸方向に沿わない動きからガイドスリーブを分離することによって更なる利益を提供している。基準面と、ガイドスリーブの突起要素との間の接触面積が小さいため、摩擦が最小化され、カップリングナットは、リードスクリュの軸に直交する軸において、ガイドスリーブに対して動くことができる。この構成によって、カップリングナットの機械的な振動又は外乱の大部分を光学群から分離することができる。更に、この分離は、光学群の位置決めについて必要な精度を実現するためには、カップリングナットの移動の自由度だけを制御すればよいことを意味する。

例示的なリードスクリュアセンブリに含まれるねじは、複数の目的に役立つ。例えば、ギアラッシュ防止ばねは、リードスクリュ基準部をカップリングナットに連結する。この連結によって、両方の要素に復元力が加えられ、カップリングナットは、基準部から離れる方向に付勢される。

Ｃ．機能
フロント光学群４００は、第１のリードスクリュアセンブリ２００を含む第１の光学アセンブリの一部である。リア光学群５００は、第２のリードスクリュアセンブリ３００を含む第２の光学アセンブリの一部である。第１及び第２の光学アセンブリは、モジュール１０００の他の要素と共に、イメージセンサ１０１０に対する光学群４００、５００の移動及び位置決めを制御する。

リードスクリュアセンブリ２００は、ねじ領域２０５を有する。カップリングナット２３０は、光学群４００とねじ領域２０５との間を係合させ、リードスクリュ２６０の回転を光学群４００の移動に変換する。カップリングナット２３０は、リードスクリュアセンブリ２００の他の要素と連携して、拘束されることなく移動し、外部の基準に対して、光学群４００を固定的に位置決めすることができる。

また、リードスクリュアセンブリ２００は、リードスクリュ２６０を回転させることによって光学群４００の動きを駆動するように構成されたアクチュエータ２２０を備える。アクチュエータ２２０の構成は、リードスクリュアセンブリ２００の様々なばね要素と連携して、カップリングナット２３０に対する高い摩擦負荷を回避し、アクチュエータからリードスクリュ２６０への効率的なエネルギ伝達を実現する。

リードスクリュアセンブリ３００は、ねじ領域３０５を有する。カップリングナット３３０は、光学群５００とねじ領域３０５との間を係合させ、リードスクリュ３６０の回転を光学群５００の移動に変換する。カップリングナット３３０は、リードスクリュアセンブリ３００の他の要素と連携して、拘束されることなく移動し、外部の基準に対して、光学群５００を固定的に位置決めすることができる。

また、リードスクリュアセンブリ３００は、リードスクリュ３６０を回転させることによって光学群５００の動きを駆動するように構成されたアクチュエータ３２０を備える。アクチュエータ３２０の構成は、リードスクリュアセンブリ３００の様々なばね要素と連携して、カップリングナット３３０に対する高い摩擦負荷を回避し、アクチュエータからリードスクリュ３６０への効率的なエネルギ伝達を実現する。

第１のガイドピン６００及び第２のガイドピン７００は、光学群４００、５００及びカップリングナット２３０、３３０と連携して、拘束なしで、光学群の光学的部品のアラインメントを、これらの動作範囲に亘って維持する。

モジュール１０００の位置センサ１０３０と共に、位置感知対象２５０、３５０をリードスクリュアセンブリ２００、３００内に設けることによって、非線形アクチュエータ、例えば、アクチュエータ２２０、３２０を用いて、リードスクリュ２６０、３６０を駆動することができる。

Ｄ．動作の詳細
ガイドピン構成
図５Ｂに示すように、フロント光学群４００のフロントガイドスリーブ４１０は、フロントバレル４３０（図５Ａ）より細長い形状を有している。同様に、リア光学群５００は、第１のガイドピン６００が挿入された細長いリアガイドスリーブ５１０を備える。この構成により、ガイドピン６００がｚ軸に沿って延びているとすると、フロント光学群４００及びリア光学群５００は、第１のガイドピン６００に対して、ｙｚ平面又はｘｚ平面内では回転せず、ｘｙ平面内で回転できる。更に、ガイドスリーブは、バレルに固定的に連結されている。この構成により、ガイドピン６００がｚ軸に沿って延びているとすると、光学群は、第１のガイドピン６００に対して、ｙｚ平面又はｘｚ平面内では回転せず、ｘｙ平面内で回転できる。

また、図１に示すように、フロント光学群４００は、第２のガイドピン７００に係合されたフロントガイドスロット４２０を備える。同様に、リア光学群５００は、リアガイドスロット５２０を備える。これらのガイドスロットと第２のガイドピン７００との間の係合により、フロント光学群４００及びリア光学群５００は、ガイドピン６００、７００のいずれかに対して、ｘｙ平面内で回転することができなくなっている。フロント光学群４００及びリア光学群５００と、ガイドピン６００、７００との間の係合によって、フロント光学群４００及びリア光学群５００は、２つのガイドピンで定義される軸（図１のｚ軸）に沿って移動することができると共に、この軸に直交する軸（ｘ軸及びｙ軸）に沿って移動することができなくされている。

ねじ−レンズ係合
図４、図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の幾つかの実施の形態に基づくカップリングナットとリードスクリュとの間の係合の詳細を示している。幾つかの実施の形態では、図４に示すように、リードスクリュ２６０の雄ねじは、カップリングナット２３０の歯と噛合する。なお、幾つかの実施の形態では、他の構成が使用される。例えば、図７Ａに示す具体例では、カップリングナット２２３０は、第１のカップリングアーム２２３１及び第２のカップリングアーム２２３２を備え、これらは、それぞれ、ばね２２３３によって、リードスクリュ２２６０に対して付勢されている。更に、カップリングナット２２３０は、ガイドスリーブ２５１０に係合している。好ましくは、ガイドスリーブ２５１０と、カップリングナット２２３０とは、「非固定的に」係合され、ガイドスリーブ２５１０と、カップリングナット２２３０との間では、ガイドスクリュ／ガイドピン軸に沿った動きだけが伝達される。

図７Ｂは、カップリングアーム２２３１、２２３２のそれぞれのカップリング歯２２３１’、２２３２’と、リードスクリュ２２６０のねじ山２２６１との間の噛合を示している。カップリング歯２２３１’、２２３２’の角度は、ねじ山２２６１の角度より鈍く形成されている。換言すれば、ねじ山２２６１の（径方向に測定した）高さは、カップリング歯２２３１’、２２３２’の高さより高い。この構成では、歯のピッチとスレッドのピッチとが異なる。図７Ｂに示すように、カップリング歯２２３１’、２２３２’のピッチは、好ましくは、ねじ山２２６１のねじピッチより大きい。ねじ山２２６１のピッチは、好ましくは、リードスクリュ２２６０に沿って一定である。したがって、カップリングナット２２３０がリードに沿って移動する間、カップリング歯２２３１’、２２３２’のピッチと、これらに噛合するねじ山との間の比は、一定に維持される。

カップリング歯２２３１’、２２３２’と、ねじ山２２６１の角度の傾斜と、スプリング２２３３によるカップリングアーム２２３１、２２３２の付勢との連携によって、カップリングナット２２３０の機械的ハードストップを介する光学群の照合が可能になる。雄ねじ−雌ねじの係合を用いた場合、リードスクリュを回転させると、カップリングナットの機械的ハードストップによって、拘束（binding）及びねじの破損が生じることがある。一方、ここに例示したシステムでは、カップリングナット２２３０の機械的ハードストップの間にリードスクリュ２２６０が駆動されると、角度が鋭いねじ山２２６１は、角度が鈍いカップリング歯２２３１’、２２３２’に対するくさびとして機能し、スプリング２２３３を広げ、カップリングアーム２２３１、２２３２を引き離す。このように、回転の間のカップリングナット２２３０の機械的ハードストップは、カップリング歯２２３１’、２２３２’をねじ山２２６１から解放し、拘束（binding）を防止する。これにより、照合の間、リードスクリュアクチュエータの正確なスイッチングなしで、機械的ハードストップを介してカップリングナットに連結された光学群の位置照合が可能になる。

更に、傾斜及び復元力によって、カップリング歯が係合する２つのねじ部の間で各カップリング歯の自然なセンタリングが実現する。ばねが各カップリング歯に均等に力を加える限り、カップリング歯は、ねじ部に対して所定の位置に自然に止まる。このセンタリングによって、ピッチ及び角度が一致するねじ山を有するナットとボルトとの間に起こる「バックラッシュ」の発生を減少させることができる。バックラッシュとは、ナットのねじ山がボルトのねじ溝内で動く余地がある場合に生じるボルトに対するナットのジッタリングである。

また、図３に示すように、ギアラッシュ防止ばね４０もバックラッシュの防止に役立つ。ギアラッシュ防止ばね４０は、カップリングナット３０をギアラッシュばね基準部１０６３”から引き離す復元力を発生する。カップリングナット３０の歯は、通常、リードスクリュのねじ領域５のねじ山に係合し、したがって、上述した復元力によって、ギアラッシュばね基準部１０６３”の基部に近いねじ山の面に向けてカップリングナット３０の歯が押し付けられる。

アクチュエータ構成
図４に示すように、本発明の幾つかの実施の形態は、リードスクリュ２６０を回転させるアクチュエータ２２０を備える。好ましくは、本発明の実施の形態は、アクチュエータの効率的な動作を確実にするための特徴的要素を備える。

例えば、本発明の幾つかの実施の形態は、非ねじシャフトの回転を駆動する筒状の振動アクチュエータを備える。この種の例示的なアクチュエータは、摩擦を介して非ねじシャフトと係合し、移動なしでシャフトを回転させる圧電―超音波モータである。好ましくは、筒状のアクチュエータは、共振モードで励起されると、筒状のアクチュエータ内に位置するシャフトを回転させる。これらのアクチュエータは、好ましくは、これらのアクチュエータに作用する実質的に一定の一組の力によって、定義された空間内で動作する。

図４及び図６は、本発明に基づくアクチュエータ２２０、３２０の好ましい構成を示している。上述のように、振動アクチュエータ２２０、３２０は、実質的に一定の力で定義された空間に係合された場合、より効率的に動作する。例えば、図４に示すように、予圧ばね２１０は、アクチュエータ２２０をリードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素２６３に押し付ける。この連結により、アクチュエータ２２０とアクチュエータ位置合わせ要素２６３との間で垂直力が生じ、アクチュエータ２２０とリードスクリュ２６０との間の潜在的な摩擦力が増加する。アクチュエータ２２０は、摩擦を介してリードスクリュ２６０の回転を駆動するので、予圧ばね２１０は、アクチュエータ２２０の潜在的な駆動力を高める。なお、アクチュエータ２２０とリードスクリュ２６０との間の摩擦力が強すぎると、リードスクリュの回転速度が減少することがある。予圧ばね２１０の強さは、回転速度を十分に速く保ちながら、効率を最適化するように選択することが望ましい。

更に、例示した実施の形態では、アクチュエータ位置合わせ要素２６３とアクチュエータ２２０との間の垂直力は、予圧ばね２１０のみによって決まる。ギアラッシュ防止ばね２０５は、リードスクリュアセンブリ２００に沿った他の位置に力を加えるが、これらの力は、アクチュエータ２２０から分離される。アクチュエータ２２０は、リードスクリュ２６０に沿って移動しないため、アクチュエータ２２０とハウジング１０５０との間の間隔は、一定のままである。このように、アクチュエータ２２０及びハウジング１０５０の両方に予圧ばね２１０が加える力は、これらの間の間隔に比例するため、アクチュエータ２２０の動作の間、この力は、実質的に一定に保たれる。

図６に示すように、予圧ばね３１０は、リードスクリュアセンブリ３００内でアクチュエータ３２０に同様の機能を提供する。更に、図６は、アクチュエータコンタクトパッド１０２３を介する、アクチュエータ３２０上の選択された点のハウジング１０５０への係合を示している。

上述のように、アクチュエータ３２０は、定義された空間で動作することが有利である。予圧ばね３１０は、リードスクリュ３６０の長手方向の領域内でアクチュエータ３２０を維持するのに役立つ。なお、例示した実施の形態で採用されている好適なタイプのアクチュエータは、回転力をリードスクリュに加えるために更なる安定化を必要とする。アクチュエータとリードスクリュとの相互作用によって、一方が他方に対して回転する。モジュール１０００は、ハウジング１０５０に対してリードスクリュ３６０が回転することを要求するので、アクチュエータ３２０は、アクチュエータコンタクトパッド１０２３を介して、ハウジング１０５０に回転方向に固定されている。

アクチュエータコンタクトパッド１０２３の位置及び構成は、アクチュエータ３２０の効率に対する悪影響を最小にするように適応化されている。アクチュエータコンタクトパッド１０２３は、アクチュエータ３２０の動作の間、好適な一組の共振において実質的に静止しているアクチュエータ３２０上のノードポイントと呼ばれる位置に位置する。更に、アクチュエータコンタクトパッド１０２３は、好ましくは、伸縮及び回復する弾性を有する材料から形成され、ノードポイントの位置からの限定的な動きを可能にする。

図６には、２個のアクチュエータコンタクトパッド１０２３を示しているが、他の実施の形態として、アクチュエータコンタクトパッド１０２３の数は、これより多くても少なくてもよい。更に、アクチュエータコンタクトパッド１０２２は、アクチュエータ２２０をハウジング１０５０に連結し、リードスクリュ２６０の回転を可能にする同様の機能を有する。

本発明の実施の形態では、好ましくは、アクチュエータを制御するために、位置感知システムからフィードバック情報を受け取る。このようなフィードバック機構を用いることにより、本発明の実施の形態において、非線形アクチュエータを使用することができ、反復性を容易にすることができる。

照合
本発明の幾つかの実施の形態は、好ましくは、システムを機械的に拘束することなく、レンズ群の機械的なハードストップを実現するように適応化された特徴的要素を有する。このような機械的な固定（stoppage）は、好ましくは、レンズ群の位置を制御する際の基準として用いられる。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、カップリング歯２２３１’、２２３２’と、ねじ山２２６１の角度の傾斜と、スプリング２２３３によるカップリングアーム２２３１、２２３２の付勢との連携によって、カップリングナット２２３０の機械的ハードストップを介する光学群の照合が可能になる。雄ねじ−雌ねじの係合を用いた場合、リードスクリュを回転させると、カップリングナットの機械的ハードストップによって、拘束（binding）及びねじの破損が生じることがある。一方、ここに例示したシステムでは、カップリングナット２２３０の機械的ハードストップの間にリードスクリュ２２６０が駆動されると、角度が鋭いねじ山２２６１は、角度が鈍いカップリング歯２２３１’、２２３２’に対するくさびとして機能し、スプリング２２３３を広げ、カップリングアーム２２３１、２２３２を引き離す。このように、回転の間のカップリングナット２２３０の機械的ハードストップは、カップリング歯２２３１’、２２３２’をねじ山２２６１から解放し、拘束（binding）を防止する。これにより、照合の間、リードスクリュアクチュエータの正確なスイッチングなしで、機械的ハードストップを介してカップリングナットに連結された光学群の位置照合が可能になる。

位置感知
上述のように、本発明の幾つかの実施の形態は、アクチュエータ制御システムにフィードバックを提供し、非線形アクチュエータモータを使用していても、正確な位置決めを実現する位置感知機能を有する。例示的な位置感知システムは、位置センサ１０３０と、位置感知対象２５０及び図１のモジュール１０００の３５０とを備える。

位置感知システムは、レンズ群の動作範囲に亘る位置データを提供する。本発明の幾つかの実施の形態では、位置感知システムは、１０ｍｍの範囲に亘って、１０ミクロン以内の精度で光学群の相対的位置を追跡する。

幾つかの実施の形態では、筒状の感知対象に連結された反射符号化センサ（reflection encoding sensor）を用いて、リードスクリュの回転を測定する。光学群は、ねじピッチが既知のリードスクリュに連結されているので、リードスクリュの回転距離は、リードスクリュの軸に沿った光学群の移動距離に正比例する。

本発明の幾つかの実施の形態において採用される位置感知システムの詳細を図１０に示す。エミッタ／検出器３０３０は、第１のセンサ３０３４Ａ、第２のセンサ３０３４Ｂ及びエミッタ３０３２を備える。マスク構造３０３０’は、エミッタウィンドウ３０３２’と、４個のセンサウィンドウ３０３４Ａ’、３０３４Ａ”、３０３４Ｂ’、３０３４Ｂ”とを備える。幾つかの実施の形態では、エミッタ／検出器３０３０は、フォトリフレクタである。幾つかの実施の形態では、エミッタは、ＬＥＤである。

感知対象３３５０の暗いバンドは、エミッタから出射された光を吸収し、感知対象の明るいバンドは、エミッタから出射された光を反射する。センサは、センサウィンドウに対するバンドの移動に伴う吸収及び反射の遷移を検出する。第１のセンサ３０３４Ａ及び第２のセンサ３０３４Ｂは、いずれもこの遷移を検出する。第２のセンサ３０３４Ｂは、好ましくは、第１のセンサ３０３４Ａの位相外の遷移を検出する。このようにして、２つのセンサからの位相が異なるデータを結合することによって、制御システムは、動きの方向と大きさの両方を検出することができる。この感知装置は、筒状の走査ターゲットを使用しているが、本発明の幾つかの実施の形態では、直線的なターゲットを用いる同様のシステムを用いてもよい。

伝統的な反射符号化（reflection encoding）では、使用される光は、感知対象に到達するまで、過度に拡散できない。図８Ｂは、一連の吸収バンド及び反射バンド（右側）に向かって光を出射する一連の光源（左側の白い正方形）からのビームの最適な最大拡散幅を示している。図８Ｃの詳細図は、幅２０ミクロンの光源を示している。この場合、最大の拡散幅は、１０ミクロンである。通常の状況では、これは、間隔「ｄ」が５６．７ミクロン未満であるべきであることを意味する。このように、図１０の装置に示すような比較的狭い要素の場合、必要とされる公差は、かなり小さくなる。

一方、本発明の実施の形態は、これらの公差を緩和し、又は反射符号化で用いられる光の拡散によって生じる問題を低減する様々な特徴及び構成を有する。

幾つかの技術では、ハードウェア又はソフトウェア測定を行い、低分解能ターゲットの使用を可能にする。幾つかの実施の形態では、更なるハードウェア及び／又はファームウェア（例えば、タイミング及び分析のためのクロック）を使用し、検出された遷移の間で線形補間を実行する。しかしながら、アクチュエータの非線形性が高い場合、補間によって位置誤差が導入されることもある。

幾つかの実施の形態では、繰り返しパターンを有する低分解能ターゲットを採用し、センサデータの更なる処理によって実効分解能を高める。幾つかの具体例では、アナログ回路によってセンサデータ内に記録された遷移の間の複数の閾値を検出し、出力をデジタルデータに変換する。なお、このような実施の形態では、アナログ回路と、センシングの間のアナログ／デジタル変換器の追加的な較正とが必要である。これらの幾つかの実施の形態では、較正は、電源投入時に自動的に実行される。

幾つかの実施の形態では、低分解能ターゲットの使用を可能にするために、一次補間と、アナログ−デジタル変換器回路との組合せを採用する。これらの及び他の技術を用いることによって、本発明の実施の形態は、低分解能ターゲットを使用できる。

低分解能の感知対象を使用することによって、任意の如何なる時刻においても、センサの視野内にターゲットの特徴的要素が少ない構成を用いることができる。この種の構成を図８Ａに示す。図８Ａの横断面図に示すように、位置感知システムは、エミッタ／検出器３０３０から距離ｄ離間して配設された筒状の感知対象３３５０を備える。エミッタ／検出器３０３０の視野は、最大で２つの遷移を含む感知対象３３５０の領域に広がっている。幾つかの実施の形態では、エミッタ／検出器は、フォトリフレクタである。単一の特徴的要素（例えば、縞）が視野を占めていることが好ましい。これにより、遷移検出におけるアーティファクト又は誤差の可能性が最小化される。通常、ターゲットの特徴的要素のサイズは、視野に基づいて選択される。なお、必要とされる分解能も特徴的要素のサイズを決定する因子となることがある。

図１１は、本発明の好ましい実施の形態を含む幾つかの実施の形態内で使用される位置感知システムの詳細図である。エミッタ／検出器４０３０は、センサ４０３４と、エミッタ４０３２とを備える。マスク構造４０３０’は、エミッタウィンドウ４０３２’と、２個のセンサウィンドウ４０３４’、４０３４”とを備える。幾つかの実施の形態では、エミッタは、ＬＥＤである。

感知対象４３５０の暗いバンドは、エミッタから出射された光を吸収し、感知対象の明るいバンドは、エミッタから出射された光を反射する。センサは、センサウィンドウに対するバンドの移動に伴う吸収及び反射の遷移を検出する。センサ４０３４は、センサウィンドウ４０３４’、４０３４”の両方において、個別に遷移を検出することが好ましい。幾つかの実施の形態では、エミッタ／検出器４０３０は、フォトリフレクタである。

幾つかの実施の形態では、センサ４０３４は、２つのウィンドウ間で位相が異なる遷移を検出できる。これらの実施の形態では、２つのセンサからの位相が異なるデータを結合することによって、制御システムは、動きの方向と大きさの両方を検出することができる。この感知装置は、筒状の走査ターゲットを使用しているが、本発明の幾つかの実施の形態では、直線的なターゲットを用いる同様のシステムを用いてもよい。

幾つかの実施の形態では、各特徴的要素は、筒状のターゲットの円周の６０°の円弧を覆っている。すなわち、一実施の形態として、１２ｍｍの円周を有する筒状のターゲットは、合計６個の各２ｍｍの反射性パターン／吸収性パターンが交互に配置された縞模様を有する。なお、感知対象の円周に６個パターン以上の分解能が要求される場合、上述したような更なる処理ステップを用いることが望ましい。

更に、幾つかの実施の形態では、ＬＥＤから出射された光が感知対象に到達する前に、光に対して更なる処理を実行する。図１０に示す手法は、直接結像と呼ばれる。図９Ａは、直接結像の他の具体例を示している。エミッタ（白い長方形）からの光は、ターゲットから検出器（ハッチング付きの長方形）に反射する。直接結像では、ターゲットとセンサとを互いに非常に近く配置する必要がある。

図９Ｂは、検出器からの光をコリメートするためのレンズを使用したシステムを示している。コリメートによって、ターゲット−センサ間の距離を長くすることができる。最大距離及び公差は、光の拡散によって決まる。

図９Ｃは、隣接する領域からの「漏洩（bleed over）」によって遷移が検出されてしまうことを防止するために、ピンホールを使用したシステムを示している。この場合、反射光は、検出器に達する前に、ターゲット表面近傍の中心に穿設されたピンホールを通過しなくてはならない。このシステムでは、ピンホールを通る光の量が少ないため、発光量が多いＬＥＤが必要となる場合がある。

Ｅ．利点
これまで具体例を用いて説明したように、幾つかの実施の形態においては、モジュールは、電気機械的制御によって、異なる光学的位置を連続的に設定することができる。これらの異なる光学的位置の制御は、様々な撮像装置にとって好適である。再現性を有するポジショニング及びソフトウェア制御を介して、様々な位置及び／又は撮像モードを、モジュールの固定フォーカス構成に最適にプリセットできる。したがって、幾つかの上述した実施の形態は、小さな形状的要素における様々な固定焦点長を提供する。これらの実施の形態によって、通常、マルチフォーカス及び／又はカメラメカニズムの能力が限定された小型機器をより高機能に実現することができる。例えば、幾つかの実施の形態は、単純な小型機器に複数の焦点及びズーム位置を提供する。上述した実施の形態は、動きの範囲が限られており、要求される空間が小さいため、超小型携帯型機器、例えば、携帯電話機及び他の民生用機器に様々に応用することができる。本発明は、等の特定の医療機器にも適用できる。

更に上述した実施の形態は、マルチフォーカス機能を実現しながら、占有空間が小さく、動きの範囲も限定的であり、低コストに実現できる。

上述したように、幾つかの実施の形態においては、光学的部品は、２つの光学群に分割され、一方の光学群は、フロントバレルに収容され、他方の光学群は、リアバレルに収容される。例えば、図４に示すように、フロントバレルの光学群は、レンズ４４０、４４２、４４４、４４６を含み、リアバレルの光学群は、レンズ５４０、５４２、５４４、５４６を含む。閉じられた空間内でのこれらの光学群の正確な動きは、上述したメカニズムを使用することによって達成される。

ある実施の形態の形態においては、自動フォーカス及びズームモジュールの形状的要素は、プリズムなしの場合、約１０×１４×２２ｍｍであり、プリズムありの場合、約１０×１４×３０ｍｍである。

以上、多くの具体的詳細事項を用いて本発明を説明したが、他の特定の形式によっても、本発明の精神から逸脱することなく本発明を実施できることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、上述した詳細な説明に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義されることは当業者にとって明らかである。

本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールのリードスクリュアセンブリの側面図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの断面図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの部分斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの部分斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの部分斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールの側面図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく自動フォーカス及びズームモジュールで採用されるカップリング機構を部分的に示す図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づくピッチが異なるスレッドを用いた噛合を示す図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく距離センサを示す図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく距離検出の間に生じるビーム拡散を説明する図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく距離検出の間に生じるビーム拡散を説明する図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく距離検出の間に生じるビーム拡散の具体例における距離検出のための直接結像法を説明する図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく距離検出のためのレンズを用いた結像法を説明する図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく距離検出のためのピンホールを用いた結像法を説明する図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく位置検出のためのアセンブリの分解斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づく位置検出のためのアセンブリの分解斜視図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づくアクチュエータが取り付けられたアセンブリの一部の断面図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づくアクチュエータが取り付けられたアセンブリの一部の断面図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づくアクチュエータが取り付けられたアセンブリの一部の断面図である。 本発明の幾つかの実施の形態に基づくアクチュエータが取り付けられたアセンブリの一部の断面図である。

Claims (42)

1. （１）第１のリードスクリュの回転によって、該第１のリードスクリュの軸に沿って移動するように該第１のリードスクリュのねじ部に連結された第１の光学群と、
   （２）上記第１のリードスクリュを回転させる第１のアクチュエータと、
   （３）上記第１のリードスクリュの回転を検出可能にする第１の感知対象と、
   （４）第２のリードスクリュの回転によって、該第２のリードスクリュの軸に沿って移動するように該第２のリードスクリュのねじ部に連結された第２の光学群と、
   （５）上記第２のリードスクリュを回転させる第２のアクチュエータと、
   （６）上記第２のリードスクリュの回転を検出可能にする第２の感知対象と、
   （７）イメージセンサとを備える光学モジュール。
2. 上記第１の光学群及び第２の光学群は、フォーカス及び倍率を有する像を上記イメージセンサに提供することを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
3. 上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）及び電荷結合素子（ＣＣＤ）からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
4. 上記第１の光学群に連結され、当該光学モジュールの水平面に対する任意の角度で該第１の光学素子モジュールに像を向けるプリズム素子を更に備える請求項１記載の光学モジュール。
5. 上記第１の感知対象及び第２の感知対象のうちの少なくとも１つは、上記第２のリードスクリュの軸又は回転に対して対称であり、交互のパターンとなるように配置された異なる光学的特性の隣接した領域を有する閉曲面を有することを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
6. 信号を出射し、該出射した信号の反射率の変化に基づいて、上記第１の感知対象及び第２の感知対象の少なくとも１つの動きを検出する能動センサアレーを更に備える請求項５記載の光学モジュール。
7. 上記能動センサアレーは、視野を有することを特徴とする請求項６記載の光学モジュール。
8. 上記感知対象の領域は、該領域が上記能動センサアレーの視野の略全てに広がるような大きさを有し、該能動センサアレーに対して配置されていることを特徴とする請求項７記載の光学モジュール。
9. 上記第１の感知対象は、上記第１のリードスクリュに沿った上記第１の光学群の移動を測定できるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の光学モジュール。
10. 上記第１の感知対象は、少なくとも１０ミリメートルの範囲において、１０ミクロン以下の分解能で上記第１の光学群の移動を測定することを特徴とする請求項９記載の光学モジュール。
11. 上記第２の感知対象は、上記第２のリードスクリュに沿った上記第２の光学群の移動を測定できるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の光学モジュール。
12. 上記第２の感知対象は、少なくとも２ミリメートルの範囲において、１０ミクロン以下の分解能で上記第２の光学群の移動を測定することを特徴とする請求項１１記載の光学モジュール。
13. （ａ）ハウジングと、
    （ｂ）第１の光学アセンブリと、
    （ｃ）第２の光学アセンブリと、
    （ｄ）イメージセンサとを備え、
    上記第１の光学アセンブリは、
    （１）第１のねじ山外径を有するねじ部と、第１の外径を有する非ねじ部と、第１のアクチュエータ位置合わせ要素とを有する第１のリードスクリュと、
    （２）上記第１のリードスクリュの回転によって、該第１のリードスクリュの軸に沿って移動するように該第１のリードスクリュのねじ部に連結された第１の光学群と、
    （３）上記第１の光学群を上記第１のリードスクリュの非ねじ部に向けて付勢する第１のばねと、
    （４）上記非ねじ部に連結され、第１の予圧ばねの復元力によって、上記第１のリードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素に対して付勢され、該第１のリードスクリュを回転させる第１のアクチュエータと、
    （５）上記第１のリードスクリュの回転を検出する第１の感知手段とを備え、
    上記第２の光学アセンブリは、
    （１）第２のねじ山外径を有するねじ部と、第２の外径を有する非ねじ部と、第２のアクチュエータ位置合わせ要素とを有する第２のリードスクリュと、
    （２）上記第２のリードスクリュの回転によって、該第２のリードスクリュの軸に沿って移動するように該第２のリードスクリュのねじ部に連結された第２の光学群と、
    （３）上記第２の光学群を上記第２のリードスクリュの非ねじ部に向けて付勢する第２のばねと、
    （４）上記非ねじ部に連結され、第２の予圧ばねの復元力によって、上記第２のリードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素に対して付勢され、該第２のリードスクリュを回転させる第２のアクチュエータと、
    （５）上記第２のリードスクリュの回転を検出する第２の感知手段とを備える自動フォーカス及びズームモジュール。
14. 上記第１のばねと第２のばねの少なくとも１つは、ギアラッシュを防止することを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
15. 上記第１のばねは、上記第１の予圧ばねより実質的に低いばね定数を有することを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
16. 上記第２のばねは、上記第２の予圧ばねより実質的に低いばね定数を有することを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
17. 上記第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータの少なくとも１つは、筒状の振動アクチュエータであることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
18. 上記第１の予圧ばねは、上記ハウジング及び上記第１のアクチュエータの両方に当接することを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
19. 上記第２の予圧ばねは、上記ハウジング及び上記第２のアクチュエータの両方に当接することを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
20. 上記第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータの少なくとも１つは、上記ハウジングへの柔軟性を有する係合によって、ノードポイントにおいて規制されていることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
21. 上記第１の光学群及び第２の光学群は、フォーカス及び倍率を有する像を上記イメージセンサに提供することを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
22. 上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）及び電荷結合素子（ＣＣＤ）からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
23. 上記第１のねじ山外径は、上記第１の外径より大きいことを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
24. 上記第１のアクチュエータ位置合わせ要素は、上記第１のリードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
25. 上記第２のアクチュエータ位置合わせ要素は、上記第２のリードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
26. 上記第２のリードスクリュの非ねじ部は、上記第２のアクチュエータ位置合わせ要素とねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
27. 上記第１のリードスクリュの非ねじ部は、上記第２のアクチュエータ位置合わせ要素とねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
28. （ａ）第１のガイドピンと、
    （ｂ）第２のガイドピンと、
    （ｃ）第１の光学アセンブリと、
    （ｄ）第２の光学アセンブリと、
    （ｅ）イメージセンサとを備え、
    上記第１の光学アセンブリは、
    （１）第１のねじ山外径を有するねじ部と、第１の外径を有する非ねじ部とを有する第１のリードスクリュと、
    （２）第１及び第２の２つのギア歯付きカップリングアームが対向して配置され、上記第１のリードスクリュの回転によって、該第１のリードスクリュの軸に沿って移動するように該第１のリードスクリュのねじ部に係合し、上記第１のガイドピン及び第２のガイドピンに連結された第１のばねヒンジアセンブリを有する第１の光学群と、
    （３）上記第１のリードスクリュを回転させる第１のアクチュエータと、
    （４）上記第１のリードスクリュの回転を検出する第１の感知手段とを備え、
    上記第２の光学アセンブリは、
    （１）第２のねじ山外径を有するねじ部と、第２の外径を有する非ねじ部とを有する第２のリードスクリュと、
    （２）第１及び第２の２つのギア歯付きカップリングアームが対向して配置され、上記第２のリードスクリュの回転によって、該第２のリードスクリュの軸に沿って移動するように該第２のリードスクリュのねじ部に係合し、上記第１のガイドピン及び第２のガイドピンに連結された第２のばねヒンジアセンブリを有する第２の光学群と、
    （３）上記第２のリードスクリュを回転させる第２のアクチュエータと、
    （４）上記第２のリードスクリュの回転を検出する第２の感知手段とを備えることを特徴とする自動フォーカス及びズームモジュール。
29. 上記第１の光学群及び第２の光学群は、フォーカス及び倍率を有する像を上記イメージセンサに提供することを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
30. 上記第１のギア歯付きカップリングアームの歯は、上記第１のリードスクリュのねじ部のねじ山より実質的に浅く形成されていることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
31. 上記第２のギア歯付きカップリングアームの歯は、上記第２のリードスクリュのねじ部のねじ山より実質的に浅く形成されていることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
32. 上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）及び電荷結合素子（ＣＣＤ）からなるグループから選択されることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
33. 上記第１のねじ山外径は、上記第１の外径より大きいことを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
34. 上記第２のねじ山外径は、上記第２の外径より大きいことを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
35. 上記第１のアクチュエータ位置合わせ要素は、上記第１のリードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
36. 上記第２のアクチュエータ位置合わせ要素は、上記第２のリードスクリュのねじ部と非ねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
37. 上記第２のリードスクリュの非ねじ部は、上記第２のアクチュエータ位置合わせ要素とねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
38. 上記第１のリードスクリュの非ねじ部は、上記第２のアクチュエータ位置合わせ要素とねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項２８記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
39. （ａ）ハウジングと、
    （ｂ）光学アセンブリと、
    （ｃ）イメージセンサとを備え、
    上記光学アセンブリは、
    （１）ねじ山外径を有するねじ部と、外径を有する非ねじ部と、アクチュエータ位置合わせ要素とを有するリードスクリュと、
    （２）上記リードスクリュの回転によって、該リードスクリュの軸に沿って移動するように該リードスクリュのねじ部に連結された光学群と、
    （３）定在波パターンで振動し、シャフトを回転駆動して、上記リードスクリュを回転させ、上記非ねじ部に連結され、上記ハウジング及びアクチュエータの両方に当接する予圧ばねによって上記リードスクリュのアクチュエータ位置合わせ要素に対して付勢された上記ハウジングへの柔軟性を有する係合によって、好ましい定在波パターンのノードポイントにおいて規制されている筒状の振動アクチュエータと、
    （４）上記リードスクリュの回転を検出する感知手段とを備え、
    上記光学群は、フォーカス及び倍率を有する像を上記イメージセンサに提供する自動フォーカス及びズームモジュール。
40. 上記ねじ山外径は、上記外径より大きいことを特徴とする請求項３９記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
41. 上記アクチュエータ位置合わせ要素は、上記ねじ部と非ねじ部との間に配置されていることを特徴とする請求項３９記載の自動フォーカス及びズームモジュール。
42. ねじ山を有するリードスクリュを駆動素子として使用する装置において、バックラッシュを防止するバックラッシュ防止方法において、
    （ａ）軸と、ねじ深さ及びねじピッチを有するねじ領域を有するリードスクリュを準備する工程と、
    （ｂ）歯の深さが上記リードスクリュより実質的に浅く、歯のピッチが上記リードスクリュより大きい複数のギア歯付きカップリングアームが対向して配置され、上記リードスクリュのねじ部に係合され、該リードスクリュの回転によって、該リードスクリュの軸に沿って光学群を移動させるばねヒンジアセンブリを準備する工程とを有するバックラッシュ防止方法。

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