JP2005148197A - 撮像装置及び撮像装置を備えた携帯端末 - Google Patents

Abstract

【課題】 外枠部材と撮像素子とを密着させることにより、撮像光学系を摺動自在に支持する光学系支持体ガイド部材の、撮像面に対する垂直度を確保した撮像装置を得ること。
【解決手段】 被写体光を導く撮像光学系と、前記撮像光学系を支持する光学系支持体と、前記撮像光学系に導かれた被写体光を光電変換する撮像素子と、前記光学系支持体を内包する外枠部材と、前記外枠部材に固定され前記光学系支持体を光軸方向に摺動可能に支持する光学系支持体ガイド部材と、を有し、前記外枠部材を前記撮像素子に当接させて組み付けたことを特徴とする撮像装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は撮像装置に関し、特に携帯端末への内蔵に好適な、小型薄型で被写体距離に応じて焦点調節可能な撮像装置に関するものである。

従来より、小型で薄型の撮像装置が携帯電話機やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の小型、薄型の携帯端末に搭載されるようになっており、これにより遠隔地へ音声情報だけでなく画像情報も相互に伝送することが可能となっている。これらの撮像装置に用いられる撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像素子が使用されている。

これらの携帯電話機やＰＤＡに搭載される撮像装置において、ズームレンズを搭載したり、マクロ撮影に対応可能なものが提案されている。

このズーミングやマクロ撮影のためのレンズ群移動の構成として、光軸方向に伸縮する圧電素子をアクチュエータとして用いた技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１０７６１２号公報

上記の携帯端末に内蔵される撮像装置は、使用される撮像素子が小型化されたことに対応し、撮像光学系の焦点距離が非常に短く、またＦｎｏ．が２〜４程度の明るいものであるため、像面側での焦点深度は非常に浅くなり、撮像面に対する撮像光学系の光軸方向の移動量とその設定位置及び撮像素子と光軸の垂直度には厳しい精度が要求される。

これに対し、上述の特許文献１に記載のレンズユニットは、光軸方向を駆動方向として振動する圧電素子を配置し、この圧電素子の端面に接続された軸をレンズ移動のガイド部材であるガイド軸としているため、ガイド軸を固定支持できず、撮像面に対するガイド軸の垂直度を確保することが困難である。

更に、これら携帯端末に内蔵される撮像装置は、薄型化のため、撮像素子をパッケージせずセンサーチップの状態でプリント基板に実装されるのが一般的であり、このプリント基板上にガイド軸が配置されているためプリント基板とガイド軸との垂直が確保されても、プリント基板上で撮像素子が傾いて実装された場合には、撮像素子面とガイド軸との垂直は保たれない、という問題がある。

本発明は上記問題に鑑み、プリント基板上で撮像素子が傾いて実装されても、撮像素子面とガイド軸との垂直度が確保され、これにより撮像素子面と撮像光学系の光軸との垂直度を正確に保つことのできる焦点調節可能な撮像装置を得ることを目的とするものである。

本発明の目的は、下記の構成により達成することが出来る。
（請求項１）
被写体光を導く撮像光学系と、前記撮像光学系を支持する光学系支持体と、前記撮像光学系に導かれた被写体光を光電変換する撮像素子と、前記光学系支持体を内包する外枠部材と、前記外枠部材に固定され前記光学系支持体を光軸方向に摺動可能に支持する光学系支持体ガイド部材と、を有し、
前記外枠部材を前記撮像素子に当接させて組み付けたことを特徴とする撮像装置。
（請求項２）
前記光学系支持体を、前記撮像光学系を構成するレンズのうちのいずれか１枚のレンズで、一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
（請求項３）
請求項１または２に記載の撮像装置を備えたことを特徴とする携帯端末。

請求項１の発明によれば、外枠部材を撮像素子に当接させて組み付けることにより、外枠部材に固定された光学系支持体ガイド部材は、撮像素子面と常に垂直が保たれるようになり、プリント基板上に実装される撮像素子が基板に対し傾いて取り付けられても、撮像素子に対応して同様に傾くことで、撮像素子面と撮像光学系の光軸との垂直度を確保することが可能となる。

また、請求項２の発明によれば、光学系支持体と、撮像光学系を構成するレンズのうちのいずれか１枚のレンズとを一体に形成することにより介在部品を不要とすることで小型化及びコストダウンが可能となると共に、光学系支持体ガイド部材と撮像光学系の光軸との平行度をより正確に合わせることが可能となる。

更に、請求項３の発明によれば、上記のいずれかの撮像装置を備えた携帯端末を用いることにより、上述の効果を有する撮像装置を備えた携帯端末を得ることができる。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の撮像装置を備えた携帯端末の一例である携帯電話機Ｔの外観図である。

同図に示す携帯電話機Ｔは、表示画面Ｄを備えたケースとしての上筐体７１と、操作ボタンＰを備えた下筐体７２とがヒンジ７３を介して連結されている。撮像装置Ｓは、同図において、上筐体７１内の表示画面Ｄの下方に内蔵されており、上筐体７１の外表面側から被写体光を取り込めるよう配置されている。

なお、この撮像装置Ｓの位置は上筐体７１内の表示画面Ｄの上方（外表面側）に配置してもよい。また携帯電話機は折りたたみ式に限るものではない。

図２は、本発明に係る撮像装置１００の斜視図である。この撮像装置１００が図１に示す撮像装置Ｓの位置に内蔵される。

同図に示すように撮像装置１００は、撮像素子の実装されたプリント基板１１、撮像素子を支持する外枠部材１２、この外枠部材１２の上面に組み込まれ、被写体光が入射するための開口部１３を有する蓋部材１４、撮像装置１００を携帯端末の他の基板に接続のためのコネクト部１７、及び、このプリント基板１１とコネクト部１７とを接続するフレキシブルプリント基板ＦＰＣ、で構成されている。

フレキシブルプリント基板ＦＰＣは、撮像装置１００の裏面側を通りフォトインタラプタＰＩと、アクチュエータであるステッピングモータ（以下、ＳＴＭと称す）３１とも接続されている。また、フォトインタラプタＰＩと、ＳＴＭ３１を駆動するドライバ（図示せず）が実装されている。

更に同図に示すように、この撮像装置１００は、厚み８ｍｍ程度、短辺方向１０ｍｍ程度、長辺方向１５ｍｍ程度の大きさの、極めて小型のものである。

以下、撮像装置１００の内部について説明する。なお、以下の図においては、同部材には同符号を付与し説明の重複を避けて説明する。撮像装置１００は、撮像光学系部と、アクチュエータと、このアクチュエータと撮像光学系とを機械的に連動させる機構部と、で構成されている。

図３は、撮像装置１００の撮像光学系部の断面図である。同図において、Ｏは光軸、１は第１レンズ、２は第２レンズ、３は第３レンズ、７は赤外光を遮断する赤外カットフィルタ、８は撮像素子、２１は光学系支持体、２２及び２３は光学系支持体２１の光軸方向への移動時の案内部材である光学系支持体ガイド部材（以下、ガイド軸ともいう）である。

同図に示すように、光学系支持体２１は第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、開口絞り４、固定絞り５で構成される撮像光学系５０を、その内側で支持している。更に、光学系支持体２１は、ガイド軸２２と嵌合するガイド筒２１ｇ及びガイド軸２３と係合するＵ字状の係合部２１ｋが一体で形成されている。これにより、撮像光学系５０を支持した光学系支持体２１は、ガイド軸２２、２３に沿って、光軸Ｏ方向に直進移動可能に構成されている。

外枠部材１２は取付部１２ｄを備え、プリント基板１１上に実装（接着及び電気的接続）された撮像素子８に取付部１２ｄが当接するよう組み付けられ、外周部ではプリント基板１１と僅かな隙間ｄを有するように構成されている。取付部１２ｄは撮像素子８の光電変換面（基準面）８ａ側の光電変換を行う面以外の部位で当接する。ガイド軸２２、２３は、この外枠部材１２と蓋部材１４により支持され、蓋部材１４の上面の皿モミ部１４ａ、１４ｂで固定される。次いで、外周部の隙間ｄを埋めるように、プリント基板１１が接着剤Ｂにより固定される。

図４は、撮像素子８とプリント基板１１とが傾いて接着された場合の状態を示す撮像装置１００の撮像光学系部の断面図である。図３と同一の符番を用いており同一の構成であるため、説明は異なる点についてのみ行う。

撮像素子８が接着剤Ｃによりプリント基板１１に対して傾いて（傾き角度：α）接着された場合でも、取付部１２ｄが撮像素子８に当接して組み付けられているため、外枠部材１２は撮像素子８の傾きに対応して傾くことになり、外枠部材１２に支持されたガイド軸２２、２３は、撮像素子８の光電変換面８ａと常に垂直を保つことができ、このガイド軸２２、２３に沿って移動する光学系支持体２１及び撮像光学系５０も、常に撮像素子８の光電変換面８ａと垂直を保つことができることになる。

このように、外枠部材１２の取付部１２ｄと撮像素子８の光電変換面８ａとが当接するように構成され組み付けられることにより、撮像素子８とプリント基板１１とが傾いて接着されても外枠部材１２と撮像素子８とが取付部１２ｄで当接されているため、外枠部材１２に支持されたガイド軸２２、２３と撮像素子８の光電変換面８ａとは常に垂直を保つことが可能となる。

なお、赤外カットフィルタ７は、撮像素子８の光電変換面８ａに相対して外枠部材１２に接着固定されている。

図５は、本発明に係る撮像装置１００の内部を示す概略正面図である。同図は、図２に示す撮像装置１００から蓋部材１４及びフレキシブルプリント基板ＦＰＣを取り外し、光軸方向から見たものである。

同図に示すように、外枠部材１２は略矩形状であり、上述のガイド軸２２、２３は外枠部材１２の対角位置に配設され、光学系支持体に一体で形成されたガイド筒２１ｇ及びＵ字状の係合部２１ｋもこれに伴い、対角位置に配設されている。また他の対角位置には、光学系支持体２１の位置検出用のフォトインタラプタＰＩが配設され、、光学系支持体２１に一体で形成された遮蔽部２１ｐが、光学系支持体２１の移動に伴い、フォトインタラプタＰＩの投受光部の間に挿脱可能となっている。この遮蔽部２１ｐは、撮像光学系５０が撮像素子８側にあるときフォトインタラプタＰＩの投受光部の間に入り込み、被写体側に移動してフォトインタラプタＰＩの投受光部の間から離脱する位置に設けられている。また、ガイド筒２１ｇには突起部２１ｆが形成され、外枠部材の切り欠き部からＳＴＭ３１側に露出している。

ＳＴＭ３１は、図示のように、その回転軸を撮像光学系の光軸に対してねじれの位置となるように配置されている。更に、ＳＴＭ３１は、その回転軸と同方向に駆動軸としてリードスクリュー３１ｒが設けられ、アクチュエータとしてのＳＴＭ３１と駆動軸が直結したものとなっている。なお、ＳＴＭ３１の回転軸とリードスクリュー３１ｒの駆動軸を同方向に配置し、歯車等で連結した構成でもよい。このリードスクリュー３１ｒには、ナット３２が螺合している。このナット３２は図示しない回転止めとも係合しており、ＳＴＭ３１の回転即ちリードスクリュー３１ｒの回転により、光軸とねじれの位置関係となる図示矢印方向に移動するようになっている。

更に、ナット３２には、係合部３２ｆが形成されており、係合部３２ｆは駆動方向変換機構である係合板２４に係合し、係合板２４は同時にガイド筒２１ｇの突起部２１ｆとも係合している。この駆動方向変換機構である係合板２４は、ピン３３により外枠部材１２の壁面に回動可能に取り付けられている。

なお、同図において、破線で示す矩形は図３で説明した撮像素子８の位置を示し、破線で示す円形は図３で説明した外枠部材１２に形成された撮像素子８との取付部１２ｄの位置を示している。

図６は、駆動方向変換機構である係合板２４の平面図である。同図は図５に示す係合板２４をＳＴＭ３１側から見た図である。位置関係をわかりやすくするためプリント基板１１の位置及び光軸Ｏを付加してある。

同図に示すように係合板２４は、ピン３３により回動可能に軸止されており、長穴部２５は突起部２１ｆと、長穴部２６は係合部３２ｆとそれぞれ係合している。同図を用いて、アクチュエータであるＳＴＭ３１により駆動される係合部３２ｆと係合板２４とガイド筒２１ｇに形成された突起部２１ｆの動作について説明する。

同図において、係合部３２ｆがリードスクリュー３１ｒ（図５参照）の回転により実線の位置から破線の位置へプリント基板１１と平行な方向に移動させられる。これに伴い係合板２４は、実線の状態から破線で示す状態へ回動する。このため、長穴部２５も実線の位置から破線で示す位置へ回動し、この長穴部２５に係合する突起部２１ｆは、ガイド軸２２（図３、図５参照）に規制され、図示のように光軸Ｏと平行な方向（プリント基板１１に直交する方向）に移動する。この動作により、光学系支持体２１即ち撮像光学系５０は、被写体側へ移動する。また、リードスクリュー３１ｒを逆回転させると、破線で示す状態から実線で示す状態へ戻るという、逆の動作が可能となる。即ちリードスクリュー３１ｒの回転量及び回転方向を制御することにより、任意の位置に撮像光学系を停止させることができる。

また、長穴部２６の回動半径を大きく、長穴部２５の回動半径を小さく設定するか、或いは、長穴部２６の長手方向の傾きをピン３３の中心と長穴部２６の中心とを結ぶ直線Ｎ１の傾きに近い値とし、長穴部２５の長手方向の傾きをピン３３の中心と長穴部２５の中心とを結ぶ直線Ｎ２の傾きより傾いた値とすることで、駆動軸による駆動量を縮小して撮像光学系に伝達することができ、駆動軸側の駆動の刻み量より細かい刻みで撮像光学系を駆動することができ、より正確な撮像光学系の位置設定ができるようになる。

以上説明したように、撮像光学系の光軸とアクチュエータにより駆動される駆動軸を、ねじれの位置に配置することにより、撮像装置の光軸方向を特に薄くした撮像装置を得ることが可能となる。

また、アクチュエータと駆動軸の全長が撮像装置の光軸方向の長さよりやや長くても、ねじれの位置に横置きにし、アクチュエータと駆動軸を同方向に配置することで薄型化でき、所望の形状内に収納できるようになる。更に、アクチュエータと撮像光学系の間に駆動方向を変換する駆動方向変換機構を配置し、駆動方向変換機構でアクチュエータの駆動量を縮小して撮像光学系を細かく移動させることが可能となり、より正確な撮像光学系の位置設定ができるようになる。更にまた、撮像素子と撮像光学系を内包する略矩形の外枠部材の対角位置に撮像光学系の移動を案内するガイド軸を配置することで、容積効率を向上させ、異形の外形とならずに所望の形状内に収納できるようになる。

以上のように構成された撮像装置が、携帯端末に搭載された場合の概略の動作を説明する。

図７は、撮像装置１００が搭載された携帯端末Ｔの機能のうち、カメラモードに設定したときの動作概略のフローチャートである。

同フローチャートにおいて、まずカメラモードにセットされたかどうか判断（Ｓ１０１）し、カメラモードにセットされたと判断した場合には、撮像光学系を過焦点距離へ移動させる（Ｓ１０２）。

この撮像光学系の過焦点位置への移動は、以下のようにおこなわれる。

撮像装置１００の非使用時は、光学系支持体２１に形成された遮蔽部２１ｐはフォトインタラプタＰＩの投受光を遮蔽している。まず、ＳＴＭ３１を駆動し、撮像光学系５０即ち光学系支持体２１を被写体側へ移動させる。これに応じて、フォトインタラプタＰＩは、遮蔽部２１ｐが投受光部からの離脱を検知する。この遮蔽部２１ｐが投受光部から離脱する位置を起点として、ＳＴＭ３１を所定のステップ数だけ移動させることで撮像光学系を過焦点距離へ設定する。この所定のステップ数は、予め製造工程で撮像装置個々に測定して決められた個々に異なる数値が用いられる。（図４、図５参照）
この後、撮像素子を駆動し、得られた画像を順次表示画面Ｄ（図１参照）にスルー画像として表示する（Ｓ１０３）。次いで、再度カメラモードか確認し（Ｓ１０４）、カメラモードであれば、Ｓ１０５へ移行し撮影に備えて撮影時の露光量を決定する。この後、レリーズ機能を付与された釦（例えば、図１に示す操作ボタンＰのいずれかでよい）がＯＮされるのを待機する（Ｓ１０６）。レリーズ機能を付与された釦がＯＮされるまでは、Ｓ１０４〜Ｓ１０６を繰り返し、絶えず撮影時の露光量を更新する。これは、撮影されるまでに被写体条件が種々変化するのに対応するためである。

レリーズ機能を付与された釦がＯＮされると、過焦点距離の画像取り込み及び更に撮像光学系を繰り出して近距離に焦点を合わせた位置で画像取り込みをおこない、それぞれの位置での画像を評価し、最もピントのよい画像が得られた位置へ撮像光学系を移動させる（Ｓ１０７）。これによりＡＦ動作が完了する。この後、撮像素子内の電荷をクリアした後、撮影のための電荷蓄積をおこなう（Ｓ１０８）。この時の露光条件にＳ１０５で決められた露光量が用いられる。

この後、撮像素子の蓄積された電荷、即ち撮像信号を読み出し（Ｓ１０９）、この撮像信号をＡ／Ｄ変換し（Ｓ１１０）、このＡ／Ｄ変換後のデータを画像処理した後、画像データの圧縮処理をおこなう（Ｓ１１１）。次いで、記録用メモリに圧縮された画像データを格納する（Ｓ１１２）。以上で１枚の撮影が終了する。

この後、Ｓ１０１へ戻り、再度カメラモードか確認し、カメラモードであればＳ１０２へ移行し、カメラモードが解除された場合には、Ｓ１２１へ移行し撮像光学系を初期位置即ち、光学系支持体２１に形成された遮蔽部２１ｐがフォトインタラプタＰＩの投受光を遮蔽する位置まで撮像素子側へ移動させる。次いで、撮像装置内の、例えば撮像素子等のカメラモード終了動作をおこない（Ｓ１２２）、所定の他のモードへ移行する。

以上が、本発明の撮像装置が搭載された携帯端末がカメラモードに設定されたときの動作概略である。

図８は、撮像装置１００の撮像光学系部の他の例を示す断面図である。同図は、図３に示す光学系支持体２１の機能を、第２レンズ２に一体で形成したものであり、図３と異なる部分についてのみ説明する。

同図に示すように、第２レンズ２は、ガイド軸２２に嵌合するガイド筒２ｇと、係合板２４に係合する突起部２ｆと、ガイド軸２３に係合するＵ字状の係合部２ｋが一体で形成されている。即ち、第２レンズ２に一体で形成されたガイド筒２ｇが、撮像光学系全体を支持する光学系支持体となったものである。

また、図示しないが第２レンズ２には、遮光性の塗装或いは遮光性部材が接着された遮蔽部が、フォトインタラプタの投受光部に挿脱可能に配設されている。また、絞り４１が第１レンズ１に接着固定される。

このように撮像光学系を構成するレンズに、ガイド筒２ｇと、係合部２ｋを一体で形成することにより、介在部品を無くすことができ、小型化のみならず、ガイド軸と撮像光学系の光軸の平行度をより容易に合わせることが可能となる。

本発明の撮像装置を備えた携帯端末の一例である携帯電話機の外観図である。 本発明に係る撮像装置の斜視図である。 撮像装置の撮像光学系部の断面図である。 撮像素子とプリント基板とが傾いて接着された場合の状態を示す撮像装置の撮像光学系部の断面図である。 本発明に係る撮像装置の内部を示す概略正面図である。 駆動方向変換機構である係合板の平面図である。 撮像装置が搭載された携帯端末の機能のうち、カメラモードに設定したときの動作概略のフローチャートである。 撮像装置の撮像光学系部の他の例を示す断面図である。

符号の説明

８ 撮像素子
８ａ 光電変換面（基準面）
１１ プリント基板
１２ 外枠部材
１２ｄ 取付部
１４ 蓋部材
２１ 光学系支持体
２２、２３ ガイド軸（光学系支持体ガイド部材）
５０ 撮像光学系
１００（Ｓ） 撮像装置
Ｏ 光軸
Ｔ 携帯電話機
ｄ 隙間

Claims (3)

1. 被写体光を導く撮像光学系と、前記撮像光学系を支持する光学系支持体と、前記撮像光学系に導かれた被写体光を光電変換する撮像素子と、前記光学系支持体を内包する外枠部材と、前記外枠部材に固定され前記光学系支持体を光軸方向に摺動可能に支持する光学系支持体ガイド部材と、を有し、
   前記外枠部材を前記撮像素子に当接させて組み付けたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記光学系支持体を、前記撮像光学系を構成するレンズのうちのいずれか１枚のレンズで、一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の撮像装置を備えたことを特徴とする携帯端末。

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