JP6597204B2 - レンズユニット及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズの光軸方向変位を可能とするレンズユニット及び撮像装置に関する。

近年、CCD（Charge Coupled Device）型イメージセンサあるいはCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いた撮像装置が搭載されたデジタルスチルカメラや携帯端末などの撮像機器が普及している。しかるに、一般的にユーザーのニーズは、これら撮像機器の携帯上の利便性やデザイン性の向上は勿論、更なる高画質化の促進にあるとされる。高画質化を促進させる例としては、被写体のピンぼけを抑えるべく、フォーカシングレンズを光軸方向に変位させるフォーカシング機能を撮像装置に持たせることなどがある。一方で、撮像機器の携帯上の利便性やデザイン性の向上の為には、撮像装置の小型化が必要となる。

ここで、特許文献１に示すように、フォーカシングレンズを光軸方向に変位させるため、回転するカム部材のカム面により、それに当接した被駆動部を介して、フォーカシングレンズを保持する保持枠を駆動する技術が知られている。カム部材の回転角は、被駆動部が当接するカム面の光軸方向位置に精度良く対応するので、フォーカシングレンズを精度良く変位させることができる。しかるに、カム面から被駆動部が離間すると、保持枠の位置が不安定となって、精度良いフォーカシング動作を行えない。そこで、特許文献１では、鏡枠に対して保持枠を光軸方向に付勢することで、カム面と被駆動部とが常時当接し合うようにするコイルバネが設けられている。

特開２００６−１１３６０７号公報 特開２００６−９８６５２号公報

ところで、特許文献１の技術では、鏡枠に設けられた直方体状のガイド体を、一対のガイド片で保持することで、鏡枠に対して保持枠を光軸方向に案内するようになっている。しかるにガイド体の幅よりもガイド片の間隔が狭すぎると競り合いが生じ、保持枠の変位をスムーズに行えない恐れがある。そこで、保持枠の変位をスムーズに行わせるために、ガイド体の幅よりもガイド片の間隔をわずかに大きくすることが好ましいといえる。ところが、ガイド体の幅よりもガイド片の間隔をわずかに大きくすることで両者間にガタが生じ、これが保持枠の光軸回りの回動を生じさせる恐れがある。保持枠の光軸回りの回動が不用意に生じると、カム面上において被駆動部の当接する位置が変動することとなり、これによりフォーカシングレンズの光軸方向位置が不安定になる恐れがある。

一方、特許文献２には、ズーム動作を可能とする光学装置において、ねじりバネを用いることで、軸受部とガイド軸との嵌合ガタに起因する光軸ずれを抑制する技術が開示されている。そこで、特許文献１のコイルバネを用いてカム面と被駆動部とを常時当接させ、特許文献２の捩りバネを用いてガイドのガタを排除することも考えられる。しかしながら、そもそも特許文献２では、コイルバネ（特許文献２の参照符号１８）、ねじりバネ（特許文献２の参照符号２０）、カム筒を鏡枠に付勢するコイルバネ（特許文献２の参照符号１４５）の３つが使われているので、かかる構成を単に転用するのみでは撮像装置の大型化を招くと共に、コストを増大させる恐れがある。

尚、特許文献２にて用いられたコイルバネ（１８）は、２つのレンズ群を光軸方向に近接するように付勢する機能を有するが、かかるコイルバネは、２つの保持枠の被駆動部を、対向するカム面にそれぞれ付勢するためのものである。従って、このコイルバネにより２つの保持枠の光軸間距離は精度良く定まるものの、鏡枠を基準として保持枠を光軸方向に付勢することはできない。更に、かかるコイルバネの付勢により２つのレンズ群に光軸回りに逆方向の付勢力が生じ、これにより偏心などが生じて光学性能を劣化させる恐れがある。

本発明は、上述の課題を解決することを目的としたものであり、小型でありながらレンズの高精度な光軸方向変位を実現できるレンズユニット及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明のレンズユニットは、
レンズと、
被駆動部を備え、前記レンズを保持する保持枠と、
前記保持枠を光軸方向に案内するガイド部材を設けた鏡枠と、
前記鏡枠に回転可能に取り付けられており、前記被駆動部に当接するカム面を備え、駆動源からの駆動力で回転するカム部と、
少なくとも前記カム面と前記被駆動部が近接する方向に付勢力を付与する付勢部材と、を有し、
前記カム部が回転することにより、前記カム面に当接する前記被駆動部を介して前記保持枠に駆動力が伝達され、前記ガイド部材に案内されつつ前記保持枠は前記レンズと共に
光軸方向に変位するようになっており、
前記付勢部材の付勢力は、前記レンズの光軸に対して傾いた方向を向いており、
前記カム部と前記鏡枠とは相対移動可能に接触しており、前記カム部と前記鏡枠との間に作用する摩擦力は、前記付勢部材の付勢により前記カム面上における前記被駆動部との接点に付与された法線方向力のうち前記カム部と前記鏡枠との接触面方向の成分より小さいものである。

本発明によれば、小型でありながらレンズの高精度な光軸方向変位を実現できるレンズユニット及びそれを用いた撮像装置を提供することができる。

本実施の形態にかかるレンズユニットを含む撮像装置１００の分解図である。 上蓋及び撮像ユニットを外した撮像装置１００を光軸方向に見た図である。 図２の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 比較例である撮像装置の図２と同様な断面図である。 カム面１０６ｃを平面に展開した状態を，アーム部１２３と共に示す模式図である。 カム部を側方から見た模式図である。 変形例にかかる撮像装置の図２と同様な図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかるレンズユニットを含む撮像装置１００の分解図である。図２は、上蓋及び撮像ユニットを外した撮像装置１００を光軸方向に見た図である。図３は、図２の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。撮像装置１００は、携帯電話等の携帯機器に搭載され、カメラとして機能する。

図１において、上壁のないボックス状の鏡枠１０１の下側に、撮像ユニット１１０が取り付けられている。撮像ユニット１１０は、矩形形状の基板１１１と、基板１１１の上面に形成されたＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサからなる光電変換部１１２とを含む。撮像ユニット１１０は図示しない制御回路に接続されており、光学像を電気信号に変換して外部に出力する機能を有する。

鏡枠１０１は、撮像ユニット１１０が取り付けられる底壁１０１ａと、底壁１０１ａの周縁から上方に向かって延在する側壁１０１ｂ〜１０１ｅとを有する。底壁１０１ａには、光電変換部１１２に対向して開口部１０１ｆが形成され、また開口部１０１ｆを挟んでガイド部材として２本のガイド軸１０２，１０３が植設されている。円筒状のガイド軸１０２，１０３は、後述するレンズＬＳの光軸方向(図１で上下方向)に平行に延在している。

底壁１０１ａにおけるガイド軸１０２の近傍に、半リング状の掛け部１０４が形成され、またガイド軸１０２の近傍における側壁１０１ｃの内側面には、上下方向に延在するスリット溝１０１ｇが形成されている。スリット溝１０１ｇ内には、図示していないが，光センサが配置されている。

更に、底壁１０１ａにおけるガイド軸１０２の近傍に、軸部１０５が上下方向に延在するように植設されており、軸部１０５の周囲には、カムユニット１０６が回転可能に配置されている。カム部としてのカムユニット１０６は、ウォームホイール１０６ａの上面にカム片１０６ｂを接着又は一体成形している。カム片１０６ｂの上面は、周方向に向かうにつれて高さが変化するカム面１０６ｃが形成されている。

底壁１０１ａの設置部１０１ｈに、駆動源としてのモータ１０７が取り付けられている。モータ１０７の回転軸にはウォームギヤ１０７ａが取り付けられており、このウォームギヤ１０７ａは、図２に示すようにウォームホイール１０６ａに噛合している。

フォーカシングレンズであるレンズＬＳ(複数枚でも良い)を保持した保持枠１２０は、全体的に円筒状であって、光軸直交方向に突出した２本の突出部１２１，１２２を有する。突出部１２１は、ガイド軸１０２に係合する円形開口１２１ａを有し、突出部１２２は、ガイド軸１０３に係合する開口１２２ａを有する。ここで、開口１２２ａを、光軸直交方向に長い長孔とすることで、組み付け許容難易度を低減できる。かかる場合、組み付け基準をガイド軸１０２と円形開口１２１ａとの嵌合により行うことが好ましい。

又、突出部１２１から、被駆動部である板状のアーム部１２３がカムユニット１０６側に延在しており、その先端は、図３に示すようにカム面１０６ｃに当接している。更に、突出部１２１から、板状のアーム部１２４が、鏡枠１０１の側壁１０１ｃ側に延在しており、その先端は、図２に示すように、スリット溝１０１ｇ内に進入している。

突出部１２１から、アーム部１２４に隣接して、鈎部１２５が突出して設けられている。鈎部１２５と，鏡枠１０１の掛け部１０４には、付勢部材としてのコイルバネ１２６の端部がそれぞれ取り付けられており、鏡枠１０１の底壁１０１ａ側に向かって保持枠１２０を付勢している。又、アーム部１２３を介してカムユニット１０６も底壁１０１ａ側に付勢されており、これによりカムユニット１０６の光軸方向位置も固定されることとなる。図３から明らかなように、コイルバネ１２６の軸線ＡＸは、レンズＬＳの光軸ＯＡに対して傾いており、かかる軸線ＡＸに沿ってコイルバネ１２６の付勢力が発揮されることとなる。鏡枠１０１と、レンズＬＳと、保持枠１２０と、カムユニット１０６と、コイルバネ１２６とで、レンズユニットを構成する。

鏡枠１０１の側壁１０１ｂ〜１０１ｅの上端には、矩形板状の上蓋１３０が取り付けられている。上蓋１３０には開口部１３０ａが形成されている。レンズＬＳ及び保持枠１２０を鏡枠１０１と上蓋１３０の間に組み付けた状態で、底壁１０１ａの開口部１０１ｆが、レンズＬＳの像側を露出し、上蓋１３０の開口部１３０ａがその物体側を露出するようになっている。又、かかる状態で保持枠１２０は光軸方向に変位可能となっている。

次に、本実施の形態にかかる撮像装置の動作を説明する。まず、組み付け時等における原点調整について説明する。モータ１０７は回転角に応じたパルス信号を発生する。不図示の電源から給電することでモータ１０７を回転駆動すると、ウォームギヤ１０７ａ及びウォームホイール１０６ａを介してカムユニット１０６が回転させられる。スリット溝１０１ｇに進入したアーム部１２４の先端位置を，不図示の光センサが検出することで、レンズＬＳの基準となる光軸方向位置が決まる。かかる基準位置に来たときに、モータ１０７の回転を停止する。かかる状態を原点として記憶し、この位置からモータ１０７が逆方向に回転した際に発生するパルス数をカウントすることで、ウォームギヤ１０７ａ及びウォームホイール１０６ａの減速比に応じて、原点からのカムユニット１０６の回転量を演算することができる。

撮影時においては、不図示の撮像機器に搭載された撮像装置１００のレンズＬＳを被写体に向けると、レンズＬＳを介して入射した被写体光は、撮像ユニット１１０の光電変換部１１２に結像する。光電変換部１１２は、被写体の像を電気信号に変化し、図示しない液晶ディスプレイに出力する。これにより、ディスプレイに被写体の画像が表示される。適切なタイミングでユーザーがレリーズ操作を行うと、被写体が撮像され、その画像データが光電変換部１１２から出力され、所定の画像処理が行われた後に不図示のメモリに記録される。

本実施の形態の撮像装置１００は、被写体の距離に応じてレンズユニットを光軸方向に変位させて、フォーカシング動作を行なうことができる。不図示の測距装置により被写体までの距離（被写体距離）の測定を行った後、モータ１０７が正転駆動してウォームギヤ１０７ａを回転させると、ウォームホイール１０６ａが正方向に回転し、カムユニット１０６が同方向に回転する。ここで、カム片１０６ｂのカム面１０６ｃには、コイルバネ１２６の付勢力により、アーム部１２３の先端が圧接しているので、カムユニット１０６の回転に応じてカム面１０６ｃの高さ位置が変化することに応じ、アーム部１２３と共に保持枠１２０がガイド軸１０２，１０３により案内されつつ光軸方向に変位して、レンズＬＳを被写体距離に好適な光軸方向位置へと変位させることができる。

ところで、本実施の形態においては、レンズＬＳの光軸方向変位における分解能を増大させるために、従来技術に比べ、カム片１０６ｂにおけるカム面１０６ｃの斜度を緩やかにしている。このため、カム面１０６ｃとアーム部１２３との間に生じる力の方向に起因した課題が生じている。かかる課題を、比較例を参照して説明する。

図４は、比較例である撮像装置の図２と同様な断面図である。図４の比較例では、コイルバネ１２６の軸線ＡＸが、レンズＬＳの光軸ＯＡと平行である。又、比較例のカム面１０６ｃの斜度は、本実施の形態のカム面１０６ｃの斜度よりきつくなっている。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるものとする。図５は、カム面１０６ｃを平面に展開した状態を，アーム部１２３と共に示す模式図であり、(ａ)は本実施の形態に相当し、（ｂ）は比較例に相当するが、理解しやすいように角度差を誇張している。図５で上下方向が光軸方向であり、左右方向が光軸直交方向になる。

ここで、図５(ｂ)における比較例の場合、カム面１０６ｃの傾き角θ２は比較的大きくなっている。従って、コイルバネ１２の付勢力に基づいて、カム面１０６ｃとアーム部１２３との接点Ｐ２において反力Ｆ２が生じた場合、その光軸直交方向成分はＦ２・ｓｉｎθ２となる。

ここで、ガイド軸１０２は保持枠１２０の円形開口１２１ａに係合し、ガイド軸１０３は保持枠１２０の開口１２２ａに係合しているが、これらの間には本来的に微小なガタが存在する。しかるに、比較例においては、カム面１０６ｃからアーム部１２３に付与される光軸直交方向成分Ｆ２・ｓｉｎθ２が比較的大きいため、かかる光軸直交方向成分によって保持枠１２０が光軸直交方向に付勢されることにより、ガイド軸１０２，１０３に対して一定方向に押圧されることで、ガタ取りが有効に行われることとなる。

これに対し、図４(ａ)における本実施の形態の場合、カム面１０６ｃの傾き角θ１は、比較例の傾き角θ２より小さくなっている。よって、コイルバネ１２６の付勢力に基づいて、カム面１０６ｃとアーム部１２３との接点Ｐ１において反力Ｆ１が生じた場合、その光軸直交方向成分はＦ１・ｓｉｎθ１となるが、Ｆ１＝Ｆ２と仮定すると、θ１＜θ２よりＦ１・ｓｉｎθ１＜Ｆ２・ｓｉｎθ２となる。つまり、カム面１０６ｃの傾き角が小さくなるにつれて、反力の光軸直交方向成分，すなわちアーム部１２３を光軸直交方向に付勢する力が小さくなることとなる。

従って本実施の形態の場合、アーム部１２３を光軸直交方向に付勢する力が比較的小さくなるので、保持枠１２０をガイド軸１０２，１０３に対して押圧する力が弱くなり、何らかの外力によりガタ分だけ、保持枠１２０が鏡枠１０１に対して光軸直交方向に変位してしまう恐れがある。かかる場合、保持枠１２０と共にアーム部１２３も変位することになるので、その先端がカム面１０６ｃに当接する位置が変化し、それによりカム面１０６ｃが回転していないにもかかわらず、レンズＬＳの光軸方向位置が変位してしまうこととなり、ピントのズレを生じさせる恐れがある。

かかる問題を、本実施の形態では以下のように解決している。本実施の形態では、コイルバネ１２６の軸線ＡＸを、レンズＬＳの光軸ＯＡに対して傾けている。つまり、コイルバネ１２６の付勢力は光軸方向に対して傾いた方向に向いている。このため、コイルバネ１２６の一端を取り付けた鈎部１２５には、図２，３に示すように、光軸直交方向に向かう分力Ｆｈが生じている。従って、カム面１０６ｃの斜度が緩い場合でも、分力Ｆｈにより保持枠１２０が光軸直交方向に付勢されることにより、ガイド軸１０２，１０３に対して一方向に押圧されることができる。これにより、例えば円形開口１２１ａとガイド軸１０２との間に嵌合ガタが生じた場合にも、円形開口１２１ａに対してガイド軸１０２を相対的に片寄せすることでガタ取りが行われ，安定した案内を行うことができるのである。

本実施の形態によれば、保持枠１２０を光軸直交方向に付勢する付勢手段を別個に設けることなく、単一のコイルバネ１２６のみを用いて、保持枠１２０を光軸方向及び光軸直交方向に付勢することができるから、カム面１０６ｃとアーム部１２３との当接を安定して行うことが出来，更に保持枠１２０とガイド軸１０２，１０３のガタを排除でき、レンズＬＳを高精度に合焦位置に位置決めすることができる。

更に、カム面１０６ｃの斜度を緩くすることで、別な課題も生じうる。カム面１０６ｃの斜度が緩いと、アーム部１２３からカム面１０６ｃに付与される力のうち、カムユニット１０６を回転方向へ付勢する力の成分が小さくなる。これにより、カム片１０６ｂを駆動するウォームホイール１０６ａとウォームギヤ１０７ａ間のバックラッシュに起因したガタを排除しきれず、カム面１０６ｃ上におけるアーム部１２３の当接する位置が不安定になる恐れがある。本実施の形態では、かかる課題を解決できる。

図６は、本実施の形態のカムユニットを側方から見た模式図である。カム片１０６ｂとウォームホイール１０６ａとは一体であるが、カムユニット１０６は、鏡枠１０１の底壁１０１ａに対して回転摺動するようになっている。

作用反作用の法則に従い、接点Ｐ１における反力Ｆ１(図５参照)に等しい押圧力Ｆ１が、アーム部１２３からカム面１０６ｃに付与される。カム面１０６ｃの底壁１０１ａに対する傾き角をθ１とすると、押圧力Ｆ１は、底壁１０１ａに直交する成分Ｆ１・ｃｏｓθ１と、底壁１０１ａに平行な成分（ここでは、カム面１０６ｃ上におけるアーム部１２３との接点Ｐ１に付与された法線方向力のうち、底壁１０１ａとウォームホイール１０６ａとの接触面方向の成分）Ｆ１・ｓｉｎθ１とに分解できる。かかる場合、底壁１０１ａとウォームホイール１０６ａとの間における摩擦係数をμとすると、底壁１０１ａとウォームホイール１０６ａとの間に作用する摩擦力はμＦ１・ｃｏｓθ１で表される。このとき、μＦ１・ｃｏｓθ１＜Ｆ１・ｓｉｎθ１、すなわちμ＜ｔａｎθ１となるようにすれば、底壁１０１ａとの間の摩擦力に打ち勝って、カムユニット１０６を回転させることができるから、ウォームホイール１０６ａのギヤ歯を、ウォームギヤ１０７ａのギヤ歯に対して一方向に押圧することで、ギヤ歯間のガタを排除できるのである。

図７は、変形例にかかる撮像装置の図２と同様な図である。本変形例においては、鏡枠１０１の掛け部１０４が、上述した実施の形態に対して保持枠１２０側にシフトしている。従って、コイルバネ１２６の軸線は、光軸ＯＡ(図７で紙面垂直方向に延在)に対して、図で上下方向及び左右方向に傾斜しており、従ってコイルバネ１２６の付勢力により鈎部１２５において生じる光軸直交方向に向かう分力Ｆｈは、上側に向かう成分Ｆｈｘと、左側に向かう成分Ｆｈｙとに分けられることとなる。

ここでカム面１０６ｃは、図７の方向に見て、軸部１０５の周囲にて時計回りに向かうにつれて低くなる(底壁１０１ａに近づく)形状となっている。つまり、アーム部１２３が当接する位置では、カム面１０６ｃは図で左から右に向かうにつれて低くなるように傾いているから、カム面１０６ｃにおけるアーム部１２３の接点での法線は、図７の紙面垂直方向に対して左右方向に傾いていることとなる。

本変形例の場合、上述したようにコイルバネ１２６の軸線が傾いているために、図２の実施の形態に対し、鈎部１２５を介して左側に向かう成分Ｆｈｙが生じることとなるので、上述の実施の形態と同様に円形開口１２１ａに対してガイド軸１０２を相対的に片寄せすることでガタ取りが行われることに加え、カム面１０６ｃに対してアーム部１２３から付与される力は、その接点から光軸に平行に延在する方向に対して、カム面１０６ｃの法線方向に近づくようになる。つまり、図６に示す力Ｆ１の値が増加することとなる。これにより、コイルバネ１２６の付勢力が同じ場合でも、上述した実施の形態に比べてカム片１０６ｂの回転方向への付勢力が高まり、ウォームホイール１０６ａのギヤ歯を、ウォームギヤ１０７ａのギヤ歯に対して一方向に押圧することで、ギヤ歯間のガタを排除しやすくなる。

１００ 撮像装置
１０１ 鏡枠
１０１ａ 底壁
１０１ｂ-１０１ｅ 側壁
１０１ｆ 開口部
１０１ｇ スリット溝
１０１ｈ 設置部
１０２ ガイド軸
１０３ ガイド軸
１０４ 掛け部
１０５ 軸部
１０６ カムユニット
１０６ａ ウォームホイール
１０６ｂ カム片
１０６ｃ カム面
１０７ モータ
１０７ａ ウォームギヤ
１１０ 撮像ユニット
１１１ 基板
１１２ 光電変換部
１２０ 保持枠
１２１ 突出部
１２１ａ 円形開口
１２２ 突出部
１２２ａ 開口
１２３ アーム部
１２４ アーム部
１２５ 鈎部
１２６ コイルバネ
１３０ 上蓋
１３０ａ 開口部
ＬＳ レンズ
ＯＡ 光軸

Claims (3)

1. レンズと、
   被駆動部を備え、前記レンズを保持する保持枠と、
   前記保持枠を光軸方向に案内するガイド部材を設けた鏡枠と、
   前記鏡枠に回転可能に取り付けられており、前記被駆動部に当接するカム面を備え、駆動源からの駆動力で回転するカム部と、
   少なくとも前記カム面と前記被駆動部が近接する方向に付勢力を付与する付勢部材と、を有し、
   前記カム部が回転することにより、前記カム面に当接する前記被駆動部を介して前記保持枠に駆動力が伝達され、前記ガイド部材に案内されつつ前記保持枠は前記レンズと共に光軸方向に変位するようになっており、
   前記付勢部材の付勢力は、前記レンズの光軸に対して傾いた方向を向いており、
   前記カム部と前記鏡枠とは相対移動可能に接触しており、前記カム部と前記鏡枠との間に作用する摩擦力は、前記付勢部材の付勢により前記カム面上における前記被駆動部との接点に付与された法線方向力のうち前記カム部と前記鏡枠との接触面方向の成分より小さいレンズユニット。
2. 前記付勢部材により前記被駆動部から前記カム面に付勢される力は、光軸方向に対して前記カム面における前記被駆動部の接点を通る法線に近づく方向であって、かつ前記保持枠を光軸方向に案内する為の前記ガイド部材と、前記保持枠との間の嵌合ガタを片寄せ出来る方向に傾いている請求項１に記載のレンズユニット。
3. 被写体像を光電変換する撮像素子と、請求項１または２に記載のレンズユニットとを有することを特徴とする撮像装置。

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