JP2023086969A

JP2023086969A - 光学機器

Info

Publication number: JP2023086969A
Application number: JP2023074614A
Authority: JP
Inventors: 哲平奥山; Teppei Okuyama; 良浩伊藤; Yoshihiro Ito
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2023-04-28
Publication date: 2023-06-22
Also published as: JP2020046693A; JP2021144252A

Abstract

【課題】駆動力の大きい駆動機構を備える。
【解決手段】光学系の光軸と略平行な移動方向に移動して光学系の特性を変化させる移動レンズと、移動レンズを保持する移動レンズ保持枠と、移動レンズ保持枠に対して固定されたボイスコイルと、移動レンズの周方向に沿って互いに離れて３個以上配置され、移動方向と略平行にそれぞれが延在して、ボイスコイルが通電された場合に駆動力を生じさせる永久磁石とを備える。上記光学機器において、ボイスコイルは、光軸の回りを周回して移動レンズを包囲する電流路を有し、永久磁石に対して共通に作用する磁界を発生する。
【選択図】図５

Description

本発明は、光学機器に関する。

ボイスコイルモータにより直進駆動する光学部材を備えた光学機器がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１特開２００６－１４６１３３号公報

鏡筒の寸法を拡大することなく、ボイスコイルモータの駆動力を大きくすることが望まれている。

本発明の一態様によると、光学系の光軸と略平行な移動方向に移動して光学系の特性を変化させる移動レンズと、移動レンズを保持する移動レンズ保持枠と、移動レンズ保持枠に対して固定されたボイスコイルと、移動レンズの周方向に沿って互いに離れて３個以上配置され、移動方向と略平行にそれぞれが延在して、ボイスコイルが通電された場合に駆動力を生じさせる永久磁石とを備える光学機器が提供される。

なお、上記の発明の概要は、この発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

レンズユニット１００の模式的断面図である。移動筒２００の斜視図である。移動筒２００の部分切欠き断面図である。移動筒２００の断面図である。ボイスコイルモータ３００の断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、下記の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、光学機器の一例であるレンズユニット１００の模式的断面図である。レンズユニット１００は、鏡筒１５０に収容された複数のレンズ群により形成された光学系を備える。なお、以降の説明においては、図中左側を前側、図中右側を後側と記載する。また、図中の一点鎖線は、光学系の光軸Ｘを示す。

レンズユニット１００の光学系は、図中左側の前側端から順に、光軸Ｘに沿って配置された第一レンズ群１１０、第二レンズ群１２０、第三レンズ群１３０および第四レンズ群１４０を備える。また、レンズユニット１００の光学系は、絞りユニット１６０および振動補正ユニット４００も備える。

第一レンズ群１１０は、保持枠１１２に保持される。第二レンズ群１２０は、保持枠１２２に保持される。これら第一レンズ群１１０および第二レンズ群１２０は、鏡筒１５０の一部をなす先筒１５８の先端近傍に配されて、先筒１５８と共に鏡筒１５０に対して光軸Ｘ方向に移動する。

第三レンズ群１３０は、保持枠１３２に保持され、鏡筒１５０の内部に収容された移動筒２００の前側寄りに配される。第三レンズ群１３０は、保持枠１３２に保持される。更に、保持枠１３２は、ボイスコイルモータ３００により駆動されて、光軸Ｘと平行な方向に、移動筒２００に対して移動する。これにより、第三レンズ群１３０は、ボイスコイルモータ３００に供給する駆動電力により、電気的な制御の下に移動させることができる移動レンズとなる。

第四レンズ群１４０は、移動筒２００の後側寄りに固定され、移動筒２００と共に一体的に、鏡筒１５０に対して光軸Ｘ方向に移動する。また、第四レンズ群１４０は、光学系において生じる像振れを補正する振動補正レンズ４１０を含む。このため、振動補正レンズ４１０を含む振動補正ユニット４００も、移動筒２００の内部に収容されて、移動筒２００と共に光軸Ｘ方向に移動する。なお、移動筒２００には、絞りユニット１６０も、振動補正ユニット４００に隣接して収容される。

レンズユニット１００において、鏡筒１５０は、固定筒１５２、ズーム環１５４、中継環１５６および先筒１５８を有する。固定筒１５２は、後側端にマウント部１５１を有する。これにより、レンズユニット１００を、カメラボディ、接眼ユニット等に結合して使用することができる。また、固定筒１５２は、三脚座１８０を有する。これにより、望遠レンズとして使用する場合に三脚等に固定して、レンズユニット１００を安定させることができる。

ズーム環１５４は、鏡筒１５０の外周面に配され、ユーザの操作により、固定筒１５２に対して、光軸Ｘを回転軸として回転させることができる。中継環１５６は、鏡筒１５０の内部に配され、ズーム環１５４の回転運動を、鏡筒１５０の内部に配されたカム筒等に伝達する。これにより、ユーザによるズーム環１５４の回転操作が、先筒１５８および移動筒２００を移動させる駆動力に変換される。

ズーム環１５４が操作された場合、先筒１５８は、鏡筒１５０から前方に繰り出され、あるいは、鏡筒１５０に収容されて、レンズユニット１００の全長を変化させる。また、ズーム環１５４が操作された場合、移動筒２００は、鏡筒１５０内を光軸Ｘと平行に方向に移動する。これにより、第一レンズ群１１０、第二レンズ群１２０、第三レンズ群１３０、第四レンズ群１４０、絞りユニット１６０等が光軸Ｘ方向に移動して、例えば、レンズユニット１００の倍率を変化させる。

なお、先筒１５８の前側端には、フード１７０が装着される。フード１７０は、バヨネットマウント等により先筒１５８に対して着脱できる。先筒１５８に取り付けられたフード１７０は、レンズユニット１００の光学系に対する入射光路の周囲を包囲して、光軸Ｘに対して極端に傾いた入射光を遮断する。これにより、鏡筒１５０内の迷光が抑制され、レンズユニット１００の光学系が形成する像に生じるフレア等が防止される。

また、移動筒２００には、第三レンズ群１３０の保持枠１３２を駆動するボイスコイルモータ３００が配される。ボイスコイルモータ３００は、ボイスコイル３１０、マグネット３２０およびヨーク３３０を含む。

ボイスコイルモータ３００において、ボイスコイル３１０は、第三レンズ群１３０の保持枠１３２に対して固定される。一方、マグネット３２０およびヨーク３３０は、移動筒２００に対して固定される。

図２は、レンズユニット１００における移動筒２００を単独で取り出した様子を示す斜視図である。移動筒２００は、全体として円筒状をなし、外周面に配された、直進キー２１０、駆動ピン２２０、回路基板２３０を有する。また、移動筒２００は、光軸Ｘと平行に配された案内軸２４０を内部に有する。なお、図示の状態においては、移動筒２００の内部に組み込まれた第三レンズ群１３０および保持枠１３２の一部が見えている。

直進キー２１０は、移動筒２００の後側端近傍において、径方向に突出した台座の上に配される。直進キー２１０は、移動筒２００の周方向について互いに離れて複数設けられ、光軸Ｘ方向に長い形状を有する。これら直進キー２１０は、固定筒１５２の内面に形成された直進溝と係合して、鏡筒１５０の内部における移動筒２００の姿勢を安定させると共に、移動筒２００の移動方向を光軸X方向に案内する。

駆動ピン２２０は、移動筒２００の前側端および後側端の中間において、移動筒２００から径方向外側に突出する。駆動ピン２２０は、カム筒等の外部のカム溝から駆動力を受けて、移動筒２００を光軸Ｘと平行な方向に移動させる。駆動ピン２２０は、移動筒２００の周方向に複数設けられているため、駆動力を受けたことにより移動筒２００が光軸Ｘに対して傾くことを防止する。

回路基板２３０は、ボイスコイルモータ３００の駆動回路の他、振動補正ユニット４００の制御回路、第三レンズ群１３０の位置検出回路等を含む。また、回路基板２３０は、他の回路との通信回路を含む。ただし、これら全ての回路が回路基板２３０に集約されているとは限らず、これらの回路の一部が設けられている場合もある。また、更に他の回路が回路基板２３０に実装されている場合もある。

案内軸２４０は、移動筒２００に対して固定され、移動筒２００の内部において、保持枠１３２と嵌合または係合する。これにより、保持枠１３２は、移動筒２００に対する移動方向を案内される。

図３は、移動筒２００の断面図であり、光軸Ｘを含む断面の一部を示す。図２に示した状態の移動筒２００において、ボイスコイルモータ３００のマグネット３２０およびヨーク３３０は、移動筒２００に対して固定される。ここで、矩形状のマグネット３２０は、フェライト磁石等の永久磁石であり、光軸Ｘと並行かつ保持枠１３２の移動範囲に延在するように配される。ヨーク３３０は、マグネット３２０の光軸Ｘと平行な面と光軸Ｘと直交する面とを包囲して、光軸Ｘ方向に延在するする。移動筒２００において、マグネット３２０は３つ配置されており、各マグネット３２０を包囲するヨーク３３０も３つ配置されている（図４、５参照）。

保持枠１３２は、樹脂材料などにより黒色の略円環状に形成されている。保持枠１３２は、第三レンズ群１３０の外周を保持する保持部１３３を有する。保持枠１３２は、ヨーク３３０の一部、即ち、マグネット３２０の光軸Ｘと平行な内周側面を覆う部分を光軸Ｘ方向に貫通させる開口部１３４を有する。

保持枠１３２の背面には、第三レンズ群１３０の外周を周回するように配置されたボイスコイル３１０が固定されている。ボイスコイル３１０は、予め指定された筒型の外周に複数回巻きつけて筒状に形成しておいたものを型から取り外し、保持枠１３２の背面に固定して用いている。ボイスコイル３１０の保持枠１３２に対する位置決めは、保持枠１３２の背面に設けた位置決め用の突起部１３５と、ボイスコイル３１０の内周面とを接着剤などで固定している。

なお、ボイスコイル３１０と保持枠１３２との位置決めには、ボイスコイル３１０の内周面を用いることが好ましい。その理由は、上記のようにボイスコイル３１０は筒型に巻きつけて形成するので、ボイスコイル３１０の外周面よりも内周面の方が寸法および形状の精度が高いからである。

ボイスコイル３１０は、円形の断面を有するコイルを複数巻回して形成することにより、筒状の内周側にコイルの凹凸が形成される。よって、筒状のボイスコイル３１０の少なくとも内周面を黒色にすることにより、レンズユニット１００の外側から視認困難になると共に、レンズユニット１００の内側で発生するゴーストやフレアの原因となる不要な光線の反射防止部材としても機能する。

ボイスコイル３１０の一部は、図示の断面において環状をなすヨーク３３０の内側において、マグネット３２０の近傍に配される。ボイスコイル３１０に駆動電流が供給された場合は、マグネット３２０およびヨーク３３０により形成された磁界との相互作用により、光軸Ｘと平行な方向に作用する駆動力が生じる。よって、ボイスコイルモータ３００は、ボイスコイル３１０に供給する駆動電流を変化させることにより、電気的な制御の下に第三レンズ群１３０を移動させることができる。

また、移動筒２００の内部において、保持枠１３２は、一部に形成された係合部１３６において、案内軸２４０と係合する。案内軸２４０は、ステンレス鋼等により形成され、光軸Ｘと平行な直線をなし、平滑な表面を有する。

係合部１３６は、第三レンズ群１３０の保持枠１３２に、略径方向に延在する長穴またはスリットとして形成される。このような係合部１３６を案内軸２４０に係合させることにより、保持枠１３２は、光軸Ｘと平行な方向の移動を許容されつつ、周方向の変位を規制される。

図４は、移動筒２００の断面図であり、光軸Ｘと直交するひとつの断面を示す。なお、図２および図３において９時の位置にあった案内軸２４０が、図４においては図中上側に位置していることから判るように、図４に示す移動筒２００の断面は、図２および図３に示した移動筒を図中時計回りに約９０°回した状態を示す。また、図４においては、第三レンズ群１３０および保持枠１３２は除かれている。

移動筒２００は、ボイスコイルモータ３００におけるマグネット３２０およびヨーク３３０を含む３組の組立体３０１、３０２、３０３を有する。また、移動筒２００は、一対の案内軸２４０、２５０および位置検出用の磁気センサ２６０を有する。

図４に示す状態において、３組の組立体３０１、３０２、３０３は、第三レンズ群１３０の外周の接線方向に延在してそれぞれ配置される。また、３組の組立体３０１、３０２、３０３は、互いに離れて配され、３つの組立体３０１、３０２、３０３相互の間には３つの空間Ａ、Ｂ、Ｃが形成される。

移動筒２００において、一方の案内軸２４０は、図２および図３にも現れており、第三レンズ群１３０の保持枠１３２と係合部１３６において係合して副案内軸を形成する。図２および図３に現れていなかった他方の案内軸２５０は、移動筒２００に対して光軸Ｘと平行に固定される。この案内軸２５０は、第三レンズ群１３０の保持枠１３２と嵌合して、保持枠１３２を光軸Ｘと平行な方向に案内する主案内軸を形成する。

一方の案内軸２４０は、組立体３０１、３０２により挟まれた空間Ａに配される。他方の案内軸２５０は、組立体３０１、３０３により挟まれた空間Ｃに配される。これにより、案内軸２４０と案内軸２５０との間隔を広くすることができるので、保持枠１３２の傾きを効率よく抑制できる。

移動筒２００において、磁気センサ２６０は、後述する位置検出用のマグネット１３９に対向するように、移動筒２００に対して固定される。また、移動筒２００の周方向について、磁気センサ２６０は、組立体３０１、３０３のいずれからも離れた空間Ｃに配される。

図５は、ボイスコイルモータ３００の断面図であり、図４に示した移動筒２００の断面に、第三レンズ群１３０、保持枠１３２およびボイスコイル３１０を加えた状態を示す。ただし、ボイスコイル３１０の引き回しを示す目的で、保持枠１３２は、断面の一部が現れる位置にある。

移動筒２００において、保持枠１３２は、案内軸２５０に対して丸穴状の嵌合部１３８により嵌合する。既に説明した通り、保持枠１３２は、係合部１３６において案内軸２４０に係合する。これにより、保持枠１３２は、光軸Ｘ方向の移動可能な状態を維持しつつ、光軸Ｘに対して交差する方向について精度よく位置決めされる。

また、保持枠１３２は、嵌合部１３８の近傍に配された位置検出センサ用のマグネット１３９を有する。マグネット１３９は、長手方向を光軸Ｘと平行に、紙面に対して垂直に延在するように配置される。これにより、マグネット１３９と嵌合部１３８に嵌合する案内軸２５０とを近づけることができる。さらに、案内軸２５０は保持枠１３２を光軸方向に案内する主軸であるので、マグネット１３９は、保持枠１３２の光軸Ｘに対する傾きの影響を殆ど受けることなく、磁気センサ２６０を使用して、保持枠１３２の光軸Ｘ方向の位置を精度よく検出できる。

また、マグネット１３９は、組立体３０１、３０３のいずれからも離れた空間Ｃに配置されており、マグネット１３９の組立体３０１、３０３から受ける磁場の影響を小さくすることができる。さらに、マグネットが、位置検出用の磁場を生じさせるとともに位置検出用とは異なる用途（検出を安定させる等）に用いるための磁場を生じさせる場合、後者の磁場と外部磁場とが互いに打ち消しあわないように角度を考慮して配置するのが好ましい。本実施形態において、マグネット１３９は、位置検出用の磁場を光軸Ｘ方向に沿って生じさせるとともに、位置検出を安定させるための磁場をマグネット１３９の長手方向を軸中心とした軸回りに生じさせる。

したがって、マグネット１３９は、組立体３０１、３０３から離れた位置であって、組立体３０１、３０３から漏れる磁場が位置検出を安定させるための磁場と打ち消しあわないような角度に配置されるのが好ましい。このようなマグネット１３９を用いることにより、位置検出の精度をあげることができる。

更に、保持枠１３２は、ボイスコイル３１０を有する。ボイスコイル３１０は、光軸Ｘの周囲を周回して、３組の組立体３０１、３０２、３０３のヨーク３３０の内側を全て通過する単一の環を形成する。これにより、ボイスコイル３１０が発生した磁界は、３組の組立体３０１、３０２、３０３に共通に作用する。よって、ボイスコイル３１０の全周のうち、いずれの組立体３０１、３０２、３０３の磁気回路にも作用しない漏れ磁束が発生する割合が少なく、ボイスコイル３１０に投入した駆動電流を効率よく保持枠１３２の駆動力に変換できる。

また、保持枠１３２に対する駆動力は、第三レンズ群１３０の周方向について、組立体３０１、３０２、３０３の位置に対応する３箇所で発生するので、駆動力が大きく、かつ、保持枠１３２の光軸に対する傾きが安定する。よって、組立体３０１、３０２、３０３の数は３個に限定されず、４個以上であってもよいが、案内軸や位置検出センサも配置する場合、３個であることが好ましい。

なお、図示の例において、ボイスコイル３１０は、組立体３０１、３０２、３０３相互の間において直線をなし、全体として六角形の筒状である。これにより、ボイスコイル３１０の移動筒２００の内側における実装効率も改善される。更に、ボイスコイル３１０を形成する場合に用いる線材の長さも節約できる。

ただし、ボイスコイル３１０の形状が六角形に限られるわけではなく、五角形、七角形、円形等の他の形状であってもよい。また、直線と曲線とを組み合わせた形状であってもよい。更に、移動筒２００内の他の部品等を避ける目的で、より複雑に折れ曲がった部分を有してもよい。

また、上記の例では、一対の組立体３０２、３０３の間隔は、組立体３０１、３０２、３０３の他の間隔よりも狭い。これにより、移動筒２００に保持枠１３２を組み付ける場合に向きを誤ることを防止できる。図示のボイスコイル３１０は、光軸Ｘを通過する水平線に対して対称な形状を有するが、非対称の形状のボイスコイル３１０を配置してもよい。一方、移動筒２００の周方向について、複数の組立体３０１、３０２、３０３を等間隔に配置してもよい。

更に、上記の例では、複数の組立体３０１、３０２、３０３に対して単一のボイスコイル３１０を組み合わせてボイスコイルモータ３００を形成した。しかしながら、複数の組立体３０１、３０２、３０３の各々に対して個別のボイスコイル３１０を組み合わせてもよい。また更に、レンズ交換式撮像装置に用いられるレンズユニット１００を例にあげて説明したが、上記ボイスコイルモータ３００の構造は、望遠鏡、測量器、顕微鏡、測距計等の他の光学機器にも適用できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００レンズユニット、１１０第一レンズ群、１１２、１２２、１３２保持枠、１２０第二レンズ群、１３０第三レンズ群、１３３保持部、１３４開口部、１３５突起部、１３６係合部、１３８嵌合部、１３９マグネット、１４０第四レンズ群、１５０鏡筒、１５１マウント部、１５２固定筒、１５４ズーム環、１５６中継環、１５８先筒、１６０絞りユニット、１７０フード、１８０三脚座、２００移動筒、２１０直進キー、２２０駆動ピン、２３０回路基板、２４０、２５０案内軸、２６０磁気センサ、３００ボイスコイルモータ、３０１、３０２、３０３組立体、３１０ボイスコイル、３２０マグネット、３３０ヨーク、４００振動補正ユニット、４１０振動補正レンズ

Claims

光学系の光軸と略平行な移動方向に移動して前記光学系の特性を変化させる移動レンズと、
前記移動レンズを保持する移動レンズ保持枠と、
移動レンズ保持枠の周方向に対して固定されたボイスコイルと、
前記移動レンズの周方向に沿って互いに離れて３個以上配置され、前記移動方向と略平行にそれぞれが延在して、前記ボイスコイルが通電された場合に駆動力を生じさせる永久磁石と
を備える光学機器。
前記ボイスコイルは、前記光軸の回りを周回して前記移動レンズを包囲する電流路を有し、前記永久磁石に対して共通に作用する磁界を発生する請求項１に記載の光学機器。
前記電流路は、前記移動レンズの周方向について、前記永久磁石のひとつと隣り合う他の永久磁石との間で直線をなす請求項２に記載の光学機器。
前記ボイスコイルが通電された場合、一つのレンズ保持枠に対して駆動力が生じる請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光学機器。
前記移動レンズの周方向に沿って配置される前記永久磁石により形成される磁界は、一つのレンズ保持枠に対して作用する請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光学機器。
前記移動レンズの周方向について、前記永久磁石の相互の間隔の少なくともひとつが、他のひとつと異なる請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光学機器。
前記移動レンズの周方向について、前記永久磁石のいずれからも離れた位置に配され、前記移動レンズ保持枠の前記光軸方向の位置を検出する位置センサを更に備える請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の光学機器。
前記移動レンズ保持枠は第１永久磁石、第２永久磁石、第３永久磁石を有し、
光軸を中心とする周方向について、前記光軸と略平行な方向に延在し、前記移動レンズ保持枠と嵌合して、前記移動方向に前記移動レンズ保持枠を案内する案内軸をさらに少なくとも２つ以上備える請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の光学機器。
前記移動レンズの周方向について、前記永久磁石のいずれからも離れた位置に、前記光軸と略平行な方向に延在し、前記移動レンズ保持枠と嵌合して、前記移動方向に前記移動レンズ保持枠を案内する主案内軸を更に備える請求項８に記載の光学機器。
前記移動レンズの周方向について、前記永久磁石のひとつと隣り合う他の永久磁石との間に形成される空間のうち前記主案内軸が配された空間と同じ空間に配され、前記移動レンズ保持枠の前記光軸方向の位置を検出する位置センサを更に備える請求項９に記載の光学機器。
前記移動レンズの周方向について、前記永久磁石のひとつと隣り合う他の永久磁石との間に形成される空間のうち前記主案内軸が配された空間とは別の空間に配され、前記光軸と略平行な方向に延在して前記移動レンズ保持枠と係合し、前記移動レンズ保持枠の前記案内軸に対する回転を規制する副案内軸を更に備える請求項９または請求項１０に記載の光学機器。