JP7716472B2 - 可変絞り装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変絞り装置に関する。

円周方向に沿って配置された複数のフィンを回動することにより、撮像素子の受光面に結像する被写体光束を制限する可変絞り装置が知られている。例えば、スマートフォンに組み込まれるカメラユニットに適用される可変絞り装置としては、複数のフィンのそれぞれとギアを介して互いに噛み合うギアリングをモータで回動させることにより、当該複数のフィンによって形成される絞り開口の大きさを変化させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０２２－５１１４１９号公報

例えばステッピングモータやボイスコイルモータに複数のフィンを同時に回動させることができる出力トルクを求めると、必然的にある程度大型のものを選択せざるを得ない。そのような大型のモータを駆動するには、多くの電力も必要となる。スマートフォンなどの小型端末機器にそのような大型のモータを採用することは、設計上の大きな制約となっている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、少ない電力で絞り開口の大きさを変化させることのできる、小型の可変絞り装置を提供するものである。

本発明の一態様における可変絞り装置は、光束を制限する開口を形成するように円周方向に沿って配置された複数のフィンと、回動することにより複数のフィンを連動して変位させ、開口の大きさを変化させるカムと、カムを回動させるスムーズインパクト駆動機構とを備える。

本発明により、少ない電力で絞り開口の大きさを変化させることのできる、小型の可変絞り装置を提供することができる。

本実施形態に係る可変絞り装置の部分的な組立て斜視図である。 可変絞り装置の主な構成要素の分解斜視図である。 フィンによって形成される絞り開口が変化する様子を示す図である。 スムーズインパクト駆動機構とカムの接続構造を示す斜視図である。 押圧バネの斜視図である。 スムーズインパクト駆動機構によるカムの回動動作を説明する模式図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。また、各図において、同一又は同様の構成を有する構造物が複数存在する場合には、煩雑となることを回避するため、一部に符号を付し、他に同一符号を付すことを省く場合がある。

図１は、本実施形態に係る可変絞り装置１００を部分的に組立てた状態の斜視図である。
可変絞り装置１００は、撮像素子の受光面に被写体像を結像させるレンズ群の中ほどに配置され、その絞り開口の大きさを変化させることにより受光面に到達する光束を制限する装置である。

可変絞り装置１００は、図示するように、複数のフィン１１０、ベース部材１２０、カム１３０、スムーズインパクト駆動機構（Smooth Impact Drive Mechanism、以下「ＳＩＤＭ」と称する）１５０を含む。各々のフィン１１０は、他のフィン１１０と共に絞り開口ＩＨを形成する先端部分が円弧上に湾曲した形状を有する樹脂製の平面プレートである。本実施形態においては６つのフィン１１０がそれぞれ、ベース部材１２０の円環部上に円周方向に沿って配置されている。なお、フィン１１０の数は、多くすればより円形に近い絞り開口を実現することができるが、可変絞り装置１００に対して要求される性能やコスト等に応じて適宜決定される。

具体的には後述するが、それぞれのフィン１１０は、円環状のカム１３０にリンク結合されており、ＳＩＤＭ１５０によって回動されるカム１３０の動作に連動して変位する。ＳＩＤＭ１５０は、圧電素子の急峻な伸縮と、駆動対象物の慣性と摩擦力を利用した、直進型のアクチュエータである。ＳＩＤＭ１５０は、カム１３０を時計回りおよび反時計回りに回動させる。外部の制御回路によってＳＩＤＭ１５０が駆動されると、可変絞り装置１００は、絞り開口ＩＨの大きさを変化させる。

なお、図示するようにｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を定める。すなわち、複数のフィン１１０によって形成される絞り開口ＩＨの開口平面に直交する方向がｚ軸方向であり、当該開口平面と平行であって後述するＳＩＤＭ１５０の駆動軸が延在する方向がｘ軸方向であり、ｚ軸およびｘ軸に直交する方向がｙ軸方向である。以後のいくつかの図面においても図１のように組み付けられた状態を基準として同様の座標軸を併記することにより、それぞれの図面が表す構成要素の向きを示す。

図２は、可変絞り装置１００の主な構成要素の分解斜視図であり、併せてレンズバレル２００を示す。レンズバレル２００は、撮像素子の受光面に被写体像を結像させるレンズ群の少なくとも一部であるレンズ２１０を保持している。可変絞り装置１００は、レンズ群の光軸方向でもあるｚ軸方向に沿って、レンズバレル２００に組み付けられる。

ベース部材１２０は、およそ円環形状を成す樹脂部材である。ベース部材１２０の端面には、ｚ軸方向へ短く突出した円柱状の支軸１２１が、円環形状の円周方向に沿って等間隔に、フィン１１０の数（本実施形態においては６つ）に合わせて設けられている。また、円環形状の一部は切り欠かれて切欠部１２３が設けられており、ＳＩＤＭ１５０は、当該切欠部１２３に収容されるように、ベース部材１２０に固定される。

カム１３０も、およそ円環形状を成す樹脂部材である。カム１３０の端面には、ｚ軸方向へ短く突出した円柱状の牽引軸１３２が、円環形状の円周方向に沿って等間隔に、フィン１１０の数（本実施形態においては６つ）に合わせて設けられている。また、円環形状の一部はＤ字状にカットされており、当該部分には押圧バネ１４０を挿し込んで固定するための挿込孔１３３が設けられている。押圧バネ１４０は、具体的には後述するが、ＳＩＤＭ１５０と接してその駆動力を伝達するための部材であり、挿込孔１３３に挿し込まれることによりカム１３０に固定され、カム１３０と一体的に回動する。

カム１３０は、径方向の最外周に円環外周壁１３５を有する。カム１３０は、円環外周壁１３５がベース部材１２０の円環形状の内側に沿って形成されるガイド内周壁１２５と遊嵌するように、ベース部材１２０の内部に収容される。カム１３０の円環外周壁１３５がベース部材１２０のガイド内周壁１２５に案内されることにより、カム１３０は、ベース部材１２０の内部でｚ軸周りに回動することができる。

カム１３０がベース部材１２０に収容されると、それぞれの端面は同一平面上に略一致する。それぞれのフィン１１０は、支軸１２１を遊嵌状態に挿通させる支軸孔１１１と、牽引軸１３２を遊嵌状態に挿通させる牽引軸孔１１２を有する。それぞれのフィン１１０は、支軸孔１１１を支軸１２１へ牽引軸孔１１２を牽引軸１３２へ各々挿通させて、ベース部材１２０とカム１３０の端面に接して配置される。

カバー１６０は、中心部に円形のカバー開口１６３が設けられた、ベース部材１２０の外径と略同径の円形平板の樹脂部材である。カバー開口１６３は、最大開口時の絞り開口ＩＨに入射する光束を妨げない大きさを有する。カバー１６０は、円周方向に沿って等間隔に、支軸１２１と嵌合する嵌合孔１６１が支軸１２１の数（本実施形態においては６つ）に合わせて設けられている。また、円周方向に沿って等間隔に、牽引軸１３２の変位を案内するガイド孔１６２が牽引軸１３２の数（本実施形態においては６つ）に合わせて設けられている。牽引軸１３２は、カム１３０が回動されたときに円周方向に沿って回動するので、ガイド孔１６２は、牽引軸１３２の回動範囲に合わせた円弧状のスリットとして形成されている。

嵌合孔１６１を介してカバー１６０がベース部材１２０へ装着されると、それぞれのフィン１１０は、ベース部材１２０およびカム１３０のそれぞれの端面と、カバー１６０の装着側の一面との間に介在することになる。そして、それぞれのフィン１１０は、カム１３０がｚ軸周りに回動されると、カム１３０上に設けられた牽引軸１３２に牽引されて支軸１２１周りに回動する。このように、それぞれのフィン１１０がそれぞれの支軸１２１周りに回動することにより、絞り開口ＩＨの大きさが大きくなったり小さくなったりする。

変位センサ１７０は、例えばマグネットとホール素子によって構成される磁気センサであり、マグネットとホール素子は、互いに対向するようにベース部材１２０とカム１３０のそれぞれの側壁に跨いで設けられる。変位センサ１７０は、磁気センサに限らずレーザ反射型のセンサなどであってもよい。

図３は、フィン１１０によって形成される絞り開口ＩＨが変化する様子を示す図である。特に、図３（Ａ）は、絞り開口ＩＨの大きさが最大となる様子を示し、図３（Ｃ）は、最小となる様子を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）と（Ｃ）の中間の大きさとなる様子を示す。絞り開口ＩＨの大きさは光学系のＦ値を規定するが、例えば本実施形態において図３（Ａ）はＦ１．５の開口状態であり、図３（Ｂ）はＦ２．５の開口状態であり、図３（Ｃ）は、Ｆ５．８の開口状態を示す。

それぞれのフィン１１０は、牽引軸１３２に牽引されることにより支軸１２１周りに回動する。絞り開口ＩＨは、それぞれのフィン１１０が支軸１２１に対して時計回り（ＣＷ）に回動すれば大きくなり、反時計回り（ＣＣＷ）に回動すれば小さくなる。このように、被写体や光源の状態に応じて絞り開口ＩＨの大きさを変化させることができれば、撮像素子へ入射する光量を調整する場合に限らず、被写体像のボケをコントロールすることもできる。なお、図３においてはＦ１．５、Ｆ２．５、Ｆ５．８の３つの開口状態を示すが、本実施形態における可変絞り装置１００は、これらのＦ値に対応する開口状態に限らず、最大開口状態と最小開口状態の間で実質的に連続するＦ値に対応する開口状態を実現することができる。ただし、カメラユニットの仕様に従って設定された離散的な複数のＦ値に対応する開口状態を実現するように可変絞り装置１００を制御してもよい。例えば、Ｆ１．４、Ｆ２、Ｆ２．８、Ｆ４、Ｆ５．６のように、５つのＦ値に対応する開口状態を実現するように可変絞り装置１００を制御してもよい。

図４は、ＳＩＤＭ１５０とカム１３０の接続構造を示す斜視図である。ＳＩＤＭ１５０は、主に、駆動軸１５１、本体部１５２、錘１５３によって構成されている。本体部１５２は、高周波電圧の印加により急峻に伸縮する圧電素子を含む。駆動軸１５１は、本体部１５２から一方向へ延在する円柱部材であり、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）により形成されている。錘１５３は、本体部１５２のうち駆動軸１５１が延在する側とは反対側に固定された高質量部材であり、例えばタングステン合金によって形成されている。

カム１３０に固定された押圧バネ１４０は、駆動軸１５１を押圧して挟み込んでいる。すなわち、押圧バネ１４０と一体化されたカム１３０は、ＳＩＤＭ１５０の駆動対象物である。

図５は、押圧バネ１４０の斜視図である。なお、挟み込まれた駆動軸１５１を点線で示している。押圧バネ１４０は、本実施形態においては一枚の金属板が折り曲げられて形成されている。金属板の素材は、例えばＳＵＳ３０４である。

押圧バネ１４０は、互いに対向する第１平面板部１４２と第２平面板部１４３を有する。第１平面板部１４２と第２平面板部１４３は、ｘ軸方向へ沿って延在する駆動軸１５１をｚ軸プラス側およびｚ軸マイナス側の両側から押圧して挟み込む。したがって、第１平面板部１４２と第２平面板部１４３のそれぞれは、駆動軸１５１に対して一本の直線で線接触する。

押圧バネ１４０は、カム１３０の挿込孔１３３へ挿込固定部１４１を有する。また、挿込固定部１４１から連続し、駆動軸１５１側へ向かって張り出す第１張出部１４４、第１張出部１４４と第１平面板部１４２を接続する第１折曲部１４６を有する。また、第１張出部１４４と同様に挿込固定部１４１側から駆動軸１５１側へ向かって張り出す第２張出部１４５、第２張出部１４５と第２平面板部１４３を接続する第３折曲部１４８を有する。また、第１平面板部１４２のうち第１折曲部１４６と接続されていない端側と、第２平面板部１４３のうち第３折曲部１４８と接続されていない端側とを互いに接続する第２折曲部１４７を有する。このような折曲構造を採用することにより、駆動軸１５１を挟み込む第１平面板部１４２と第２平面板部１４３による押圧力を、駆動軸１５１との接触位置が変化しても、より一定に保つことができる。

図６は、ＳＩＤＭ１５０によるカム１３０の回動動作を説明する模式図である。具体的には、図３で示した３つの開口状態に対応して、ＳＩＤＭ１５０とカム１３０の位置関係を模式的に表す図である。なお、斜線領域は主にフィン１１０によって遮光される領域である。

図６中央図は図３（Ｂ）に対応する状態を表し、押圧バネ１４０は、駆動軸１５１の延在方向であるｘ軸に直交するｙ軸方向に沿ってカム１３０から延在して駆動軸１５１を挟み込んでいる。この状態から押圧バネ１４０を駆動軸１５１の先端方向（ｘ軸プラス方向）へ押し出すようにＳＩＤＭ１５０を駆動すると、図３（Ａ）に対応する図６左図の状態へ推移する。すなわち、カム１３０はベース部材１２０に収容されてｚ軸周りに回動するように案内されているので、押圧バネ１４０がｘ軸プラス方向へ押し出されるとカム１３０はｚ軸に対して反時計回り（ＣＣＷ）に回動される。このとき、図５に示したように押圧バネ１４０は２つの平面板部で駆動軸１５１を挟み込んでいるので、それぞれの平面板部と駆動軸１５１の接触線はそれぞれの平面内においてｚ軸周りに相対的に回動することが可能であり、その結果、押圧バネ１４０の延在方向は反時計回りに回動し、駆動軸１５１の延在方向（ｘ軸方向）と斜交する。

図６中央図の状態から押圧バネ１４０を駆動軸１５１の基端方向（ｘ軸マイナス方向）へ引き戻すようにＳＩＤＭ１５０を駆動すると、図３（Ｃ）に対応する図６右図の状態へ推移する。すなわち、押圧バネ１４０がｘ軸マイナス方向へ引き戻されるとカム１３０はｚ軸に対して時計回り（ＣＷ）に回動される。このとき、押圧バネ１４０の２つの平面板部のそれぞれと駆動軸１５１の接触線はそれぞれの平面内においてｚ軸周りに相対的に回動することが可能であり、その結果、押圧バネ１４０の延在方向は時計回りに回動し、駆動軸１５１の延在方向（ｘ軸方向）と斜交する。

なお、図６左図の状態から押圧バネ１４０を駆動軸１５１の基端方向へ引き戻すようにＳＩＤＭ１５０を駆動すれば図６中央図の状態へ推移する。また、図６右図の状態から押圧バネ１４０を駆動軸１５１の先端方向へ押し出すようにＳＩＤＭ１５０を駆動すれば図６中央図の状態へ推移する。本実施形態においては、押圧バネ１４０に駆動軸１５１を挟み込む２つの平面板部を設けることにより、一般的には駆動対象物を駆動軸方向へ直線的に変位させるＳＩＤＭを用いてカム１３０の回動を実現している。ＳＩＤＭは小型でありながら大きな駆動力を比較的小さな消費電力で発揮すると共に、駆動音も小さいという特徴を有するので、撮像ユニットに組み込まれる可変絞り装置１００には好適である。

なお、それぞれの平面板部と駆動軸１５１の接触線はそれぞれの平面内においてｚ軸周りに相対的に回動するので、接触部の摩擦力等の条件によってはＳＩＤＭ１５０への指令信号に対するカム１３０の回動量が安定しない場合もある。そのような場合には、変位センサ１７０の出力を監視しカム１３０の回動量を検出して、指令に対する回動量の偏差を漸減させるようにフィードバック制御を行えばよい。

以上説明した本実施形態においては、一枚の金属板を折り曲げた押圧バネ１４０を採用したが、駆動軸１５１を押圧して挟み込む互いに対向する２つの平面板を備えるのであれば、押圧バネはいかなる態様でも構わない。また、押圧バネは、本実施形態のように挿し込んで固定する別体の部材ではなく、例えば二色成形によりカム１３０に一体的に形成されていてもよい。

１００…可変絞り装置、１１０…フィン、１１１…支軸孔、１１２…牽引軸孔、１２０…ベース部材、１２１…支軸、１２３…切欠部、１２５…ガイド内周壁、１３０…カム、１３２…牽引軸、１３３…挿込孔、１３５…円環外周壁、１４０…押圧バネ、１４１…挿込固定部、１４２…第１平面板部、１４３…第２平面板部、１４４…第１張出部、１４５…第２張出部、１４６…第１折曲部、１４７…第２折曲部、１４８…第３折曲部、１５０…スムーズインパクト駆動機構（ＳＩＤＭ）、１５１…駆動軸、１５２…本体部、１５３…錘、１６０…カバー、１６１…嵌合孔、１６２…ガイド孔、１６３…カバー開口、１７０…変位センサ、２００…レンズバレル、２１０…レンズ

Claims (5)

1. 光束を制限する開口を形成するように円周方向に沿って配置された複数のフィンと、
   回動することにより前記複数のフィンを連動して変位させ、前記開口の大きさを変化させるカムと、
   前記カムを回動させるスムーズインパクト駆動機構と
   を備え、
   前記カムは、前記スムーズインパクト駆動機構の駆動軸を押圧して挟み込む、互いに対向する２つの平面板を備え、
   前記スムーズインパクト駆動機構は、前記２つの平面板を変位させることにより前記カムを回動させる可変絞り装置。
2. 前記２つの平面板は、一枚の金属板が折り曲げられて形成されている請求項１に記載の可変絞り装置。
3. 前記カムの側部と、前記スムーズインパクト駆動機構を支持するベース部材とに跨設された、前記カムの回動量を検出する変位センサを備える請求項１に記載の可変絞り装置。
4. 前記２つの平面板のそれぞれは、前記駆動軸に対して一本の直線で線接触し、
   前記２つの平面板のそれぞれと前記駆動軸の接触線は、それぞれの平面内において、前記複数のフィンによって形成される絞り開口の開口平面に直交するｚ軸周りに相対的に回動することが可能である請求項１に記載の可変絞り装置。
5. バレルであって、前記バレル内に少なくとも一つのレンズが設置されるバレルと、
   前記バレルに設置される請求項１から４のいずれか１項に記載の可変絞り装置制御装置と、を含む、
   撮像モジュール。