JP2011022539A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学手振れ補正機能を実現しながら構成が簡単で、小型の撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１は、駆動軸７の一端を保持し、それぞれ駆動軸７の軸方向に伸縮可能な複数の伸縮部が並列して設けられた電気機械変換素子６、および、駆動軸７に摺動可能に係合する移動体８を備える振動型駆動装置３と、移動体８に軸方向の位置が拘束された軸移動光学部材１０と、駆動軸７に軸方向に垂直な方向の位置が拘束された垂直移動光学部材９，１１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は撮像装置に関する。

携帯電話用カメラユニット等、小型でありながら、オートフォーカス、光学ズーム、光学手振れ補正といった高度な機能を有する撮像装置へのニーズが高い。これらの機能を実現するためには、レンズ等を移動させる駆動装置が必要である。撮像装置を多機能化すると、複数の駆動装置を設ける必要があり、コスト高となるだけでなく、撮像装置が大型化してしまうという問題がある。

例えば、特許文献１には、電気機械変換素子を用いた振動型駆動装置によってレンズを光軸方向に駆動する撮像装置が記載されている。また、特許文献２には、２つの振動型駆動装置によってレンズを光軸に垂直な面内で駆動する手振れ補正装置が記載されている。これらを組み合わせて、オートフォーカス（またはズーム）機能と光学手振れ補正機能とを実現するには、合計３つのアクチュエータが必要である。

また、特許文献３には、形状記憶合金によって複数のレンズおよび撮像素子を有する光学系を収容した鏡胴全体を傾斜させる手振れ補正システムを備える撮像装置が記載されているが、駆動装置の数を減じることができるものではない。

特開２００６−９１２０８号公報 特開２００７−２８６３１８号公報 特開２００６−１２６７１２号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、光学手振れ補正機能を実現しながら構成が簡単で、小型の撮像装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による撮像装置は、駆動軸、前記駆動軸の一端を保持し、それぞれ前記駆動軸の軸方向に伸縮可能な複数の伸縮部が並列して設けられた電気機械変換素子、および、前記駆動軸に摺動可能に係合する移動体を備える振動型駆動装置と、前記移動体に前記軸方向の位置が拘束された軸移動光学部材と、前記駆動軸に前記軸方向に垂直な方向の位置が拘束された垂直移動光学部材とを有するものとする。

この構成によれば、電気機械変換素子の複数の伸縮部を均等に、伸張方向と収縮方向都で非対称に伸縮させることで、移動体を駆動軸に沿って滑り変位させて、軸移動光学部材を光軸方向に移動させられる。また、電気機械変換素子の複数の伸縮部を不均衡に伸縮させることで、駆動軸を傾斜させて、垂直移動光学部材に光軸に直交する方向の変位を与えられる。これにより、１つの振動型駆動装置だけで、光学ズームまたはオートフォーカスのための軸移動光学部材（レンズ等）と、手振れ補正を行う垂直移動光学部材（レンズや撮像素子等）とを駆動することができる

また、本発明の撮像装置において、前記垂直移動光学部材は、前記駆動軸に保持された鏡胴に固定されており、撮像素子を含んでもよい。

この構成によれば、駆動軸の傾斜によって鏡胴を傾斜させ、撮像光学系全体を傾斜させて手振れ補正を行うことができる。このため、光学系の各要素の相対位置が手振れ補正によって変化せず、画像に歪みを生じない。

また、本発明の撮像装置において、前記鏡胴は、前記駆動軸に、該駆動軸の軸方向の振動を吸収する弾性部材を介して保持されていてもよい。

この構成によれば、ズーミングまたはフォーカシングのために軸移動光学部材を駆動する際、駆動軸の振動が鏡胴を振動させないので、電気機械変換素子が余分なエネルギーを消費しない。

また、本発明の撮像装置において、前記鏡胴は、前記駆動軸に摺動可能に保持され、前記電気機械変換素子を保持するベース部材によって前記軸方向の位置が拘束されていてもよい。

この構成によっても、ズーミングまたはフォーカシングのために軸移動光学部材を駆動する際、駆動軸の振動が鏡胴を振動させないので、電気機械変換素子が余分なエネルギーを消費しない。

また、本発明の撮像装置において、前記軸移動光学部材は、前記電気機械変換素子を保持するベース部材に、前記駆動軸と平行に保持された案内軸に沿って摺動し、前記駆動軸の軸方向には前記移動体によって位置決めされるが、前記駆動軸と垂直な方向には前記移動体に対して相対移動可能であってもよい。

この構成によれば、軸移動光学部材が、撮像装置の光軸に対して傾斜しないので、ズーミングやフォーカシングによって像が歪まない。

また、本発明の撮像装置において、前記垂直移動光学部材は、前記ベース部材に、前記駆動軸の軸方向に垂直な面内で移動可能に保持され、前記軸方向に垂直な方向には前記駆動軸によって位置決めされるが、前記軸方向には前記駆動軸に対して相対移動可能であってもよい。

この構成によれば、垂直移動光学部材が、撮像装置の光軸に対して傾斜しないので、手振れ補正によって像が歪まない。

また、本発明の撮像装置は、前記電気機械変換素子の前記軸方向の中心軸を挟んで対向位置にある前記伸縮部に、逆極性の直流電圧成分を印加することができ、且つ、全ての前記伸縮部に同位相の周期的な交流成分電圧を印加することができる駆動回路をさらに有してもよい。

この構成によれば、対向位置にある伸縮部に逆極性の直流電圧成分を印加することで、効果的に電気機械変換素子を屈曲させることができる。また、逆極性の直流電圧成分を印加するということは、印加する電圧が同じでよいので、駆動回路の構成を簡単にできる。さらに、伸縮部に同位相の周期的な交流成分電圧を印加することで、電気機械変換素子を軸方向に伸縮させて、移動体の駆動軸に対する滑り変位を発生させられる。

以上のように、本発明によれば、駆動軸を振動させることも傾斜させることもできる１つの振動型駆動装置によって、軸方向に位置決めすべき光学部材と、軸直角方向に位置決めすべき光学部材との両方を駆動できる。このため、撮像装置の構成を簡素化でき、撮像装置の小型化が可能である。

本発明の第１実施形態の撮像装置の概略断面図である。 図１の電気機械変換素子の断面図である。 図１の撮像装置の制御に係る構成図である。 図３の駆動回路の回路図である。 図１の撮像装置の手振れ補正時の概略断面図である。 図４の代案の駆動回路の回路図である。 本発明の第２実施形態の撮像装置の概略断面図である。 本発明の第３実施形態の撮像装置の概略断面図である。 本発明の第４実施形態の撮像装置の概略断面図である。 本発明の第５実施形態の撮像装置の概略断面図である。 図１０の撮像装置の手振れ補正時の撮像装置の概略断面図である。 本発明の第６実施形態の撮像装置の概略断面図である。 図１２の撮像装置の手振れ補正時の撮像装置の概略断面図である。 本発明の第７実施形態の撮像装置の概略断面図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図１に、本発明の第１実施形態の撮像装置１の構成を示す。撮像装置１は、ベース部材（筐体）２の中に、振動型駆動装置３によって駆動される光学系を収容した鏡胴４が収容されている。

振動型駆動装置３は、ベース部材２に固定された錘５と、錘５に一端が固定された電気機械変換素子６と、電気機械変換素子６の他端に固定された駆動軸７と、駆動軸７に摺動可能に摩擦係合する移動体８とからなっている。鏡胴４は、駆動軸７に固定（駆動軸７の軸方向の位置および駆動軸７に垂直な方向に駆動軸７からの距離が固定）されている。

鏡胴４の先端には対物レンズ９が固定され、鏡胴４の内部には振動型駆動装置３の移動体８に保持されたフォーカスレンズ（軸移動光学部材）１０が収容され、鏡胴４の後端には結像した像を電気信号に変換（撮像）する撮像素子１１を有する回路基板１２が固定されている。対物レンズ９およびフォーカスレンズ１０は、撮像素子１１に被写体の像を結像させる光学系を構成する。フォーカスレンズ１０は、移動体８の駆動軸７上での移動にともなって、駆動軸７に平行な光軸Ｚに沿って移動し、焦点距離を調節する。

図２に、電気機械変換素子６の断面を示す。電気機械変換素子６は、光軸Ｚに直交するＸ−Ｙ方向に４分割されており、それぞれ、圧電材料の層と導電材料の層とを積層してなる伸縮部１３，１４，１５，１６を構成している。伸縮部１３，１４，１５，１６は、それぞれ、その側面に、前記導電材料の層を１つおきに接続する外部電極（１３ａ，１３ｂ），（１４ａ，１４ｂ），（１５ａ，１５ｂ），（１６ａ，１６ｂ）が形成されている。本実施形態において、伸縮部１３，１４，１５，１６の圧電材料の層は、それぞれ、外部電極１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａに正の電圧を印加すると伸張するように分極されている。

図３に、撮像装置１の振動型駆動装置３の駆動制御に係る構成を示す。撮像装置１は、撮像素子１１が撮像した画像信号を処理する画像処理ＩＣ１７と、画像信号を記憶するメモリ１８と、処理された画像信号からピンぼけを検出し、フォーカスレンズ１０を駆動すべき距離を算出するＡＦ処理回路１９と、ＡＦ処理回路１９の出力に応じて振動型駆動装置３を駆動するために電気機械変換素子６に駆動電圧を印加する駆動回路２０と、撮像装置１の姿勢のブレを検出するピッチセンサ２１およびヨーセンサ２２と、ピッチセンサ２１およびヨーセンサ２２の検出信号に基づいて、被写体に対して鏡胴４を正対させ続けるために、鏡胴４を傾斜させるべき角度を逐次算出する手振れ補正回路２３とを有する。駆動回路２０は、手振れ補正回路２３の出力に応じて、振動型駆動装置３を駆動するために電気機械変換素子６に駆動電圧を印加することもできるようになっている。

図４に、駆動回路２０の構成を示す。駆動回路２０は、２つの可変電圧直流電源２４，２５と、４つのブリッジ回路２６，２７，２８，２９とを有する。ブリッジ回路２６，２８は、伸縮部１３，１５の外部電極（１３ａ，１３ｂ），（１５ａ，１５ｂ）をそれぞれ可変電圧直流電源２４またはグランドに接続できる。また、ブリッジ回路２７，２９は、伸縮部１４，１６の外部電極（１４ａ，１４ｂ），（１６，１６ｂ）をそれぞれ可変電圧直流電源２５またはグランドに接続できる。

ブリッジ回路２６，２７，２８，２９は、それぞれ、４つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を有している。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、それぞれ、不図示のマイコンによって開閉が制御される。

ブリッジ回路２６，２７，２８，２９の間で、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の開閉パターンを同じにすれば、伸縮部１３，１４，１５，１６に同位相の電圧を印加することができる。可変電圧直流電源２４，２５の電圧を同じに設定し、スイッチング素子Ｓ１とＳ４またはＳ２とＳ３を閉じることで、伸縮部１３，１４，１５，１６を等しく伸縮させることができる。伸縮部１３，１４，１５，１６に、伸張速度と収縮速度とが異なるような周期的な波形（例えばデューティ比０．３または０．７の矩形波）の交流電圧成分を印加することで、電気機械変換素子６を駆動軸７の軸方向に非対称に振動させ、移動体８を駆動軸７に対して滑り変位させることがきる。

また、伸縮部１３，１４，１５，１６に少なくともいずれかの電圧が異なる直流電圧成分を印加すると、伸縮部１３，１４，１５，１６の長さに不均衡が生じるため、電気機械変換素子３は屈曲し、駆動軸７を傾斜させる。ブリッジ回路２６と２８のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４とＳ２，Ｓ３、および、ブリッジ回路２７と２９のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４とＳ２，Ｓ３を、それぞれ、逆の開閉状態にすれば、対向位置にある伸縮部１３，１４，１５，１６に印加される電圧の極性が逆になるため、対向位置にある伸縮部１３，１４，１５，１６伸縮量の差が大きくなる。このような直流電圧成分の印加により、例えば図５に示すように、駆動軸７を鏡胴４とともに傾斜させ、駆動軸７に支持された鏡胴４に固定された垂直移動光学部材（対物レンズ９および撮像素子１１）を含む光学系の光軸Ｚを傾斜させることができる。

ここで、手振れ補正回路２３が算出した駆動軸７のＸ−Ｙ方向の所望の傾斜量（ｘ、ｙ）とする。伸縮部１３，１６に電圧＋Ｖｘ、伸縮部１４，１５に電圧−Ｖｘを印加すればＸ方向に傾斜量ｘが得られ、伸縮部１３，１４に＋Ｖｙ、伸縮部１５，１６に−Ｖｘを印加すればＹ方向に傾斜量ｙが得られるとすると、所望の傾斜量（ｘ、ｙ）を得るためには、伸縮部１３に電圧（Ｖｘ＋Ｖｙ）、伸縮部１４に電圧（−Ｖｘ＋Ｖｙ）、伸縮部１５に電圧（−Ｖｘ−Ｖｙ）、伸縮部１６に電圧（Ｖｘ−Ｖｙ）を印加すればよい。

ここで、可変電圧直流電源２４，２５は、正の電圧しか出力できないので、可変電圧直流電源２４の設定電圧Ｖ１を、（Ｖｘ＋Ｖｙ）の絶対値｜Ｖｘ＋Ｖｙ｜、可変電圧直流電源２４の設定電圧Ｖ２を、（−Ｖｘ＋Ｖｙ）の絶対値｜Ｖｘ−Ｖｙ｜に設定する。そして、各ブリッジ回路２６，２７，２８，２９のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３およびＳ２，Ｓ４のいずれかを個別に選択することによって、伸縮部１３，１４，１５，１６に印加する電圧の極性をそれぞれ適切なものとする。

このように、撮像装置１では、移動体８をＺ方向に滑り変位させてフォーカスレンズ１９を駆動するフォーカシングと、駆動軸７をＸ−Ｙ方向に傾斜させて鏡胴４を駆動する手振れ補正とを１つの振動型駆動装置３によって実現でき、駆動機構が簡素であるため、筐体２を小さくすることが可能である。

図６に、図４の駆動回路２０の代案の駆動回路３０を示す。駆動回路３０は１つの矩形波発振器（ＰＷＭ）３１と、４つの直流電圧装置（Ｄ／Ａコンバータ）３２，３３，３４，３５とを有する。矩形波発振器３１と、直流電圧装置３２，３３，３４，３５とは、ともに不図示のマイコンによって制御される、各直流電圧装置３２，３３，３４，３５の出力には、それぞれ、加算機３６によって、矩形波発振器３１の出力と足し合わされ、直流電圧装置３２，３３，３４，３５の出力と矩形波発振器３１の出力とが重畳された電圧は、さらに、増幅器３７によって増幅されて、それぞれ、伸縮部１３，１４，１５，１６に印加される。

本実施形態では、伸縮部１３，１４，１５，１６に印加する電圧の極性を選択できないので、出力可能電圧の中間電圧を原点とすることで、鏡胴４をＸ−Ｙ方向にそれぞれ正負の駆動を可能とする。本実施形態では、矩形波発振器３１に由来する交流電圧成分と、直流電圧装置３２，３３，３４，３５に由来する直流電圧成分とを重畳して伸縮部１３，１４，１５，１６に印加するので、鏡胴４の傾斜による手振れ補正を行いながら、移動体８を駆動してフォーカシングを行うことができる。

続いて、図７に、本発明の第２実施形態の撮像装置１ａを示す。尚、これ以降の説明において、先に説明した実施形態の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する記述を省略する。

本実施形態の撮像装置１ａにおいて、鏡胴４は、駆動軸７に固定された固定体３８に、駆動軸７の軸方向に屈曲可能な弾性部材３９を介して保持されている。本実施形態では、オートフォーカスのために、電気機械変換素子６の伸縮部１３，１４，１５，１６を同位相で伸縮させ、駆動軸７を軸方向に振動させて移動体８を滑り変位させる際、駆動軸７の振動が弾性部材３９によって吸収されるので鏡胴４が軸方向に振動しない。このため、電気機械変換素子６は、鏡胴４を駆動するためのトルクを発生する必要がなく、消費電力が小さくて済む。

このように、駆動軸７の傾斜によって駆動軸７に垂直な方向の位置が拘束される垂直移動光学系（本実施形態では対物レンズ９および撮像素子１１）は、駆動軸７の軸方向には、駆動軸７に位置が拘束されないことが好ましい。

図８に、本発明の第３実施形態の撮像装置１ｂを示す。撮像装置１ｂにおいて、鏡胴４は、駆動軸７上で摺動可能であり、ベース部材２対して、Ｕ字型のばね部材４０によって係留されている。ばね部材４０は、鏡胴４のＺ方向の移動を規制するが、電気機械変換素子６の屈曲による駆動軸７の傾斜にともなう鏡胴４の傾斜に対しては大きな抵抗を示さない。この構成によっても、垂直移動光学系を保持する鏡胴４を、駆動軸７の軸方向の振動から切り離すことができる。

また、図９に示す本発明の第４実施形態の撮像装置１ｃのように、第３実施形態の撮像装置１ｂばね部材４０に代えて、電気機械変換素子６が屈曲する際に鏡胴４が駆動軸７に対して滑り変位しないように、鏡胴４に設けたピン４１を保持するカム溝４２をベース部材２に設けてもよい。

さらに、図１０に、本発明の第５実施形態の撮像装置１ｄを示す。本実施形態の撮像装置１ｄでは、ベース部材２が鏡胴の役目を果たす。撮像装置１ｄにおいて、撮像素子１１を有する回路基板１２は、ベース部材２の内壁２ａに固定されている。つまり、本実施形態における垂直移動光学部材は、対物レンズ９のみである。また、本実施形態のフォーカスレンズ（軸移動光学部材）１０は、ベース部材２の内壁２ａおよびリブ２ｂに光軸Ｚと平行に保持された案内軸４３に沿って摺動可能な玉枠４４に保持されている。

玉枠４４は、振動型駆動装置３の移動体８に形成した嵌合溝８ａに嵌合する嵌合部４４ａを有し、これによって、駆動軸７の軸方向に、移動体８により位置決めされる。嵌合部４４ａは嵌合溝８ａ内で、駆動軸７の軸に垂直な方向に摺動可能であるため、駆動軸７は、図１１に示すように、電気機械変換素子６の屈曲によって傾斜したとき、フォーカスレンズ１０の光学中心を光軸Ｚからずらさないように、フォーカスレンズ１０に対して接近／離間できる。逆に言うと、フォーカスレンズ１０は、駆動軸７に対して略垂直方向に相対移動可能である。

さらに、本実施形態において、対物レンズ９は、駆動軸７の先端に固定された固定体４５に保持されている。このため、対物レンズ９は、駆動軸７の傾斜によって移動させられ、撮像装置１ｄの光学系の光軸Ｚをずらせて、撮像素子１１に結像する被写体の画像位置をＸ−Ｙ方向に移動させる。つまり、対物レンズ９は、ベース部材２の傾斜による被写体の撮像素子１１上の結像位置のずれを相殺するように、光学系の光軸をずらす手振れ補正レンズとして機能する。

尚、対物レンズ９は、単純な形状として図示されているが、例えば複合レンズを用いて、駆動軸７とともに姿勢が傾斜することによって撮像素子１１上の結像が片ボケしないような構成とする必要がある。さらに、以下の実施形態においても、このような光学部材の姿勢変化等の違いによって、対物レンズ９やフォーカスレンズ１０等の設計条件が異なるが、当業者であれば適当な光学設計をなし得るため、本願では詳述しない。

図１２に、本発明の第６実施形態の撮像装置１ｅを示す。本実施形態の撮像装置１ｅでは、第５実施形態の撮像装置１ｄの対物レンズ（手振れ補正レンズ）９は、ベース部材２のリブ２ｃ，２ｄに摺動可能に挟み込まれ、初期状態の駆動軸７に垂直なＸ−Ｙ方向にのみ移動可能な玉枠４６に保持されている。そして、玉枠４６は嵌合部４６ａが突設されており、嵌合部４６ａが駆動軸７に固定された固定体４５の嵌合溝４５ａに嵌合することで、図１３に示すように、駆動軸７の傾斜角度に応じて、Ｚ方向に移動することなく、Ｘ−Ｙ方向に位置決めされる。

本実施形態では、対物レンズ９の姿勢が傾斜しないので、手振れ補正レンズとして従来のレンズ形状を採用できる。

さらに、図１４に、本発明の第７実施形態の撮像装置１ｆを示す。本実施形態において、対物レンズ９は、ベース部材１ｅのリブ２ｂに固定され、撮像素子１１が駆動軸７に固定された固定体４５に保持されている。本実施形態が示すように、本発明では、手振れ補正のために対物レンズ９ではなく、撮像素子１１を垂直移動光学部材として駆動し、常に被写体に正対させるように構成してもよい。

また、本実施形態において、撮像素子１１を、第６実施形態の対物レンズ９のように、ベース部材２に対してＸ−Ｙ方向に摺動可能に保持することによって、駆動軸７の傾斜により、撮像面を傾斜させることなく撮像素子１１をＸ−Ｙ方向に位置決めするようにしてもよい。

本実施形態が示すように、本発明において、軸移動光学部材および垂直移動光学部材は、レンズに限らず、撮像素子を含めて、撮像のための光学系を構成するいかなる光学部材であってもよい。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…撮像装置
２…ベース部材
３…振動型駆動装置
４…鏡胴
５…錘
６…電気機械変換素子
７…駆動軸
８…移動体
９…対物レンズ（垂直移動光学部材）
１０…フォーカスレンズ（軸移動光学部材）
１１…撮像素子（垂直移動光学部材）
１２…回路基板
１３，１４，１５，１６…伸縮部
２０…駆動回路
３９…弾性部材

Claims (7)

1. 駆動軸、前記駆動軸の一端を保持し、それぞれ前記駆動軸の軸方向に伸縮可能な複数の伸縮部が並列して設けられた電気機械変換素子、および、前記駆動軸に摺動可能に係合する移動体を備える振動型駆動装置と、
   前記移動体に前記軸方向の位置が拘束された軸移動光学部材と、
   前記駆動軸に前記軸方向に垂直な方向の位置が拘束された垂直移動光学部材とを有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記垂直移動光学部材は、前記駆動軸に保持された鏡胴に固定されており、撮像素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記鏡胴は、前記駆動軸に、該駆動軸の軸方向の振動を吸収する弾性部材を介して保持されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記鏡胴は、前記駆動軸に摺動可能に保持され、前記電気機械変換素子を保持するベース部材によって前記軸方向の位置が拘束されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記軸移動光学部材は、前記電気機械変換素子を保持するベース部材に、前記駆動軸と平行に保持された案内軸に沿って摺動し、前記駆動軸の軸方向には前記移動体によって位置決めされるが、前記駆動軸と垂直な方向には前記移動体に対して相対移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記垂直移動光学部材は、前記ベース部材に、前記駆動軸の軸方向に垂直な面内で移動可能に保持され、前記軸方向に垂直な方向には前記駆動軸によって位置決めされるが、前記軸方向には前記駆動軸に対して相対移動可能であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記電気機械変換素子の前記軸方向の中心軸を挟んで対向位置にある前記伸縮部に、逆極性の直流電圧成分を印加することができ、且つ、全ての前記伸縮部に同位相の周期的な交流成分電圧を印加することができる駆動回路をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。

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