JP2008539689A - モバイルカメラのための小型ステッピングレンズアクチュエータ - Google Patents

Abstract

ハウジング102、前記ハウジングに対して可動に配置される被駆動部材104、前記ハウジング及び被駆動部材との間に垂直の力Fnを、当該垂直の力から生じる前記ハウジングと被駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと被駆動部材との間の相対運動を始める際に克服されるように提供するために、前記被駆動部材と鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するための、前記被駆動部材に結合した磁石114と前記鉄の部材112、及び前記摩擦力を克服して前記ハウジングに対して前記被駆動部材を駆動するための磁気駆動システム118、120を含むアクチュエータ100。被駆動部材はレンズ106を保持するためのレンズホルダであることができ、この場合前記アクチュエータは、前記レンズを通して画像データを取得するためのイメージセンサ110さらに含むことができる。

Description

本発明は、広くアクチュエータに関し、特にモバイルカメラのための小型で安価なレンズアクチュエータに関する。

小さいモバイルカメラシステムのためのレンズアクチュエータは、公知技術である。例えば、センサのない音声コイルシステムを利用するモバイルカメラシステムが知られる。このようなシステムでは、レンズは固いサスペンションシステムによって導かれ、コイル中の一定の電流が位置変化に結びつく一定の力を発生させる。しかし、そのようなシステムはシステム中の消費電力が比較的大きいという欠点があり、さらにレンズはあまり適切に制御されない。同様に、ボイスコイルシステムはセンサと共に利用される。このようなシステムでは、レンズのサスペンションの剛性を小さくすることができるが、センサによるＰＩＤ制御ループによってシステムを制御する必要がある。そのようなシステムでは消費電力を比較的小さくすることができるが、システムは非常に複雑で高価である。

圧電駆動システムも従来技術において周知である。そのようなシステムは小さいステップを得ることにかなり適しているが、技術的に難しく、高電圧を必要とし、そして高価である。最後に、液体フォーカスシステムも従来技術において周知である。そのようなシステムは、技術的に未発達であり、検証を要する。さらに、そのような液体フォーカスシステムは、おそらく高電圧を必要とし、そして高価だろう。

したがって、従来技術に関するこれらの及び他の不利な点を克服する方法及び双方向システムを提供することが本発明の目的である。

したがって、アクチュエータが提供される。当該アクチュエータは、ハウジング、ハウジングに対して可動に配置される被駆動部材、前記ハウジングと被駆動部材との間に垂直の力を、当該垂直の力から生じる前記ハウジングと被駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと被駆動部材との間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するプリロード手段、及び前記摩擦力を克服して前記ハウジングに対して前記被駆動部材を駆動する駆動手段を有する。

アクチュエータは、前記ハウジングと被駆動部材との間に配置されるベアリングをさらに備えることができ、前記プリロード手段は前記ベアリングに前記垂直の力を提供する。

被駆動部材は、レンズを保持するレンズホルダであることができる。その場合、アクチュエータは、レンズを通して画像データを取得するための撮像センサをさらに備えることができ、レンズホルダの前記相対運動は、フォーカス及びズーム調整のうちの１つをイメージセンサに提供する。

プリロード手段は、被駆動部材に結合する磁石と鉄の部材とを、被駆動部材と鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために有することができ、当該磁気吸引力は前記垂直の力に実質的に等しい。鉄の部材はハウジングに取り付けられる取付板であることができ、取付板は鉄の材料を含む。駆動手段は、磁気駆動システムを有することができ、この場合、磁気駆動システムは、駆動コイル、及び前記摩擦力を克服して被駆動部材の相対運動を生じさせる駆動力を被駆動部材に発生させるために駆動コイル中に駆動電流を発生させる制御手段を有することができ、前記磁石は駆動コイル中に磁場を発生させる。駆動コイルは、ハウジング中に配置されることができる。

同様に、アクチュエータを駆動するための方法が提供される。当該方法は、ハウジングと被駆動部材との間に垂直の力を、当該垂直の力から生じる前記ハウジングと被駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと被駆動部材との間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するステップ、及びハウジングに対して被駆動部材を駆動するために前記摩擦力を克服するステップを有する。

前記提供するステップは、被駆動部材に結合する磁石と鉄の部材とを、被駆動部材と鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために提供するステップを有することができ、前記磁気吸引力は前記垂直の力に実質的に等しい。この場合、前記克服するステップは、前記磁石によって駆動コイル内に磁場を発生させるステップ、及び前記摩擦力を克服して被駆動部材の相対運動を生じさせる駆動力を被駆動部材に発生させるためにコイル内に駆動電流を発生させるステップを有することができる。

被駆動部材はレンズと結合していることができ、本方法は、被駆動部材とハウジングとの間の相対運動により、レンズとカメラとの間のフォーカス及びズーム調整のうちの一つを提供するステップをさらに備えることができる。

さらにまた、カメラシステムのためのレンズアクチュエータが提供される。当該レンズアクチュエータは、ハウジング、レンズを保持しハウジングに対して可動に配置されるレンズホルダ、レンズと光学的に連通するカメラ、前記ハウジングとレンズホルダとの間に垂直の力を、当該垂直の力から生じる前記ハウジングとレンズアクチュエータとの間の摩擦力が前記ハウジングとレンズホルダとの間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するプリロード手段、及び前記摩擦力を克服して及びハウジングに対してレンズホルダを駆動するための駆動手段を有する。

レンズアクチュエータはハウジングとレンズホルダとの間に配置されるベアリングをさらに備えることができ、前記プリロード手段は前記ベアリングに前記垂直の力を提供する。

プリロード手段は、レンズホルダに結合している磁石と鉄の部材とを、レンズホルダと鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために有することができ、前記磁気吸引力は前記垂直の力に実質的に等しい。鉄の部材は前記ハウジングに取り付けられる取付板であることができ、当該取付板は鉄の材料を含む。

駆動手段は磁気駆動システムを有することができ、この場合、前記磁気駆動システムは、駆動コイル、及び前記摩擦力を克服し前記レンズホルダの相対運動を生じさせる駆動力を前記被駆動部材に発生させるために前記駆動コイル中に駆動電流を発生させる制御手段を有することができ、前記磁石は前記駆動コイル中に磁場を発生させる。駆動コイルは前記ハウジング中に配置されることができる。

本発明の装置及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、特許請求の範囲及び図面に関してより良く理解される。

本発明は多数の及び様々なタイプのアクチュエータに応用できるが、モバイルカメラ用のレンズアクチュエータの環境において特に有用であることが明らかになった。したがって、本発明の応用をモバイルカメラ用のレンズアクチュエータに制限することなく、本発明をそのような環境において説明する。しかし、本発明のアクチュエータが、CD及びDVDシステムのスライド駆動メカニズムのような、比較的小さい物体の比較的安価な信頼できる動作を必要とする他の環境におけるアプリケーションを有することを当業者は認識する。

ここで図1乃至3を参照すると、レンズアクチュエータが示され、当該レンズアクチュエータは参照番号100によって参照される。レンズアクチュエータ100はハウジング102を含む。ハウジング102は、内蔵コンポーネントを収納するためのインナーキャビティ102aを有することができ、又はその上にそのようなコンポーネントを固定するための単なるプレートであることができる。レンズホルダの形の被駆動部材104はハウジング102に可動に配置されている。レンズホルダ104はレンズ106を保持し、+Aと+Aのいずれか又は両方において矢印Aにより示される方向に関してハウジング102に対して可動である。ベアリング108は、ハウジング102とレンズホルダ104との間の相対動作を提供するために用いられる。リニアベアリングのような公知技術の任意のベアリングをそのように利用することができる。そのようなリニアベアリングは、ボールベアリングを利用するか、又は単に摺動関係にある接触面を有するだけでもよい。ハウジング102及びレンズホルダ104は、リベット、ネジ、圧入又は接着剤などの公知技術の任意の手段によって、ベアリング108に取り付けられる。レンズホルダ104は、レンズ106に結合する光軸Bを保護するためのインナーキャビティ104aを有することもできる。しかし、レンズホルダ104はその上にレンズを保持する必要があるだけであり、したがって任意の形状上をとることができる。撮像手段110は、レンズ106からの画像を撮像するためにレンズ106の光軸Bと連通して提供されることができる。レンズホルダ104の外側に示されているが、撮像手段110はインナーキャビティ104a内に配置されることもできる。そのような撮像手段110は、画像を取り込むための公知技術の任意の装置（例えば画像データを取り込むためのCCDカメラ、又は光学像を取り込むためのアナログカメラ）であることができる。撮像手段110は通常レンズホルダ104に対して固定される。しかし、撮像手段110は、それ自体とレンズホルダ102との間に相対動作があるならば、移動することもできる。レンズ106は単レンズ106として図示されるが、所望の光学効果を達成するための一連のレンズ（例えば対物レンズシステム）であることができる。したがって、レンズホルダ104（及びそこへ取り付けられるレンズ106）と撮像手段110との間の相対動作は細かいフォーカス並びに／又はズーム調整を提供することができることを当業者は認識する。また、ハウジング102に固定される取付板112が提供される。取付板112は通常、撮像手段110と同様に、基板又は他の構造体に固定される。したがって、ハウジング102とレンズホルダ104との間の相対動作は、一般的に、レンズ106と撮像手段110との間の相対動作にも結びつく。

レンズアクチュエータ100は、ハウジング102とレンズホルダ104との間に垂直の力(Fn)を、当該垂直(Fn)の力から生じるハウジングと被駆動部材との間の摩擦力がハウジング102とレンズホルダ104との間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するプリロード手段を有する。そのようなプリロード手段は、ハウジング102に対してレンズアクチュエータ104を保持するためにベアリング108に垂直の力（Fn）を提供する。実際上は、垂直の力（Fn）は、ハウジング102に対してレンズホルダ104を「固定する」。換言すると、ベアリング108における摩擦レベル（それは垂直の力Fn及び摩擦係数の関数である）は、一定の外乱レベル（例えば2-3 g）によってレンズホルダ104が動かないようなレベルである。したがって、ベアリング108の摩擦係数とプリロード手段は数グラムオーダーの摩擦を発生させる。したがって、力がレンズアクチュエータ100に作用しない場合、レンズホルダ104は「固定され」、したがってハウジング102に対して一定の位置で安定する。摩擦力は、通常A方向（前記垂直の力の方向に対して垂直）である。したがって、レンズホルダ104を動かすための駆動力は、少なくともA方向の成分を有しなければならない。そのような成分が摩擦力を上回るとレンズホルダ104の相対運動が生じる。一般的に、モバイルカメラにおける一定の外乱レベルは1g未満であるので、2-3gの摩擦レベルはレンズホルダ104を一定の位置に固定し続ける。摩擦レベルが駆動力によって克服される場合、ハウジング102とレンズホルダ104との間の相対運動が始まる。レンズアクチュエータ100は、摩擦力を克服してハウジング102（及び撮像手段110）に対してレンズホルダ104を駆動するためのそのような駆動力を発生させる駆動手段も含む。

プリロード手段は、レンズホルダ104に結合する１つ以上の磁石と鉄の部材とを、レンズホルダ104と鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために有することができ、当該磁気吸引力は前記垂直の力（Fn）に実質的に等しい。磁石114は、レンズホルダ104の外側の面（例えば、レンズホルダ104の外側の面に形成されるウィンドウ116の中）に固定されることができる。磁石114は、任意の公知技術の手段によって（例えば接着材によって）、ウィンドウ116の中に固定されることができる。磁石114は、その一部がレンズホルダ104から突き出てハウジング102のキャビティ102a中に配置されるように、ウィンドウ116中に配置されることができる。鉄の部材は、磁石114に対する吸引力を提供する別々に供給された部材であることができ、又はそのような鉄の部材はハウジング102に取り付けられた取付板112であることができる。鉄の部材又は取付板は全面的に鉄の材料から成ることができ、又は鉄の材料（例えば鉄）を含むことができる。例えば取付板112は、例えばネジによって取付板に配置されて磁石114の近傍でキャビティ102aの中に突き出る鉄のプレートを含むことができる。レンズホルダ104に向けてハウジング102をバイアスするバネ素子（図示せず）のような、他のプリロード手段も可能である。

駆動手段は磁気駆動システムを有することができる。磁気駆動システムは、磁石114が駆動コイル118内に磁場を発生させることができるように、磁石114の近傍（例えばハウジング102のキャビティ102a中）に配置される駆動コイル118を有することができる。駆動コイル118は、任意の公知技術の手段によって（例えば接着材によって）ハウジング102中に保持されることができる。駆動手段は、摩擦力を克服してレンズホルダ104の相対運動を発生させる正の駆動力(F_D+)(+A方向)又は負の駆動力(F_D-)(-A方向)のいずれかをレンズホルダ104に発生させるために駆動コイルに駆動電流を発生させる制御手段（例えば制御回路120）を含むこともできる。制御回路120は、駆動コイル118内にそのような駆動電流を選択的に発生させるために電源122に動作可能に接続される。制御回路120は、駆動コイル118を選択的に駆動するためのフィードバックループを確立するために撮像手段110に動作可能に接続されることもできる。例えば制御回路120は、画像の適切なフォーカスを検出するためのソフトウェア（例えばシャープネス検出）を含むことができ、そのような適切なフォーカスを達成するためにステップインクリメントで駆動コイル118を駆動することができる。

図1乃至3のレンズアクチュエータ100の動作は、次に図4A及び4Bを参照して説明される。図4Aは、時間に対する駆動コイル118に印加される電流パルスを示すグラフを示す。例えば5〜50μm刻みの間の既定のインクリメントで、ハウジング102（及び撮像手段110）に対してレンズホルダ104を段階的に駆動するために、（制御回路120の制御の下で）電流パルスが駆動コイル118に印加される。最初に、対応する力レベル（所望のステップ方向に応じてF_D+又はF_D-のいずれか）がシステム中の（垂直の力Fnの関数である）摩擦レベルを上回るように、加速パルス124が駆動コイル118に印加される。レンズホルダ104は加速パルスから動き始める。加速パルス124が印加されたあと、レンズホルダ104の運動を停止するために減速パルス126が印加される。減速パルス126が停止したあと、（破線127間の範囲として示される）摩擦力が再び優位に立ち、レンズホルダ104は（+又は-A方向の）異なる位置で停止する。+若しくは-A方向のいずれか又は両方に任意の数のステップを発生させるために、繰返し時間（t_R）の後、加速及び減速パルス124,126の同じパターンを繰り返すことができる。約5〜50μmのオーダーのステップを達成するためのパルス継続時間は、数分の１ミリ秒から数ミリ秒の間のオーダーであることができる。レンズアクチュエータ100の動作は加速及び減速パルス124,126の両方を利用するが、正の加速パルス124だけを使用することができる。但し精度は低い。図4Bを参照して、加速及び減速パルス124,126、並びにそこから生じた結果のステップ128がグラフで表示される。安定期130は繰返し時間（t_R）の間のレンズホルダ104の「固定」を表す。図4Bは同じ方向に発生しているステップ128を示すが、それらは反対方向又は往復方向に発生することもできる。

上記したレンズアクチュエータは比較的安価かつ単純であり、レンズが動く必要が無い場合は電力を消費しないことを当業者は認識する。さらに、上記したレンズアクチュエータは壊れやすいヒンジ又は他の可動部を持たないので非常に頑丈であり、大きなgの衝撃レベル（例えば2000gの衝撃レベル）を乗り切ることができることを当業者は認識する。

典型的なモバイルカメラに関して説明したが、数μmオーダーのステッピングが必要な、及び／又はセンサシステムがあまりに高価な他のタイプの装置が上述のアクチュエータを利用することができる。上で開示したレベルよりも大きな一定の外乱レベルの下で安定なシステムを提供するために、垂直の力及び／又はベアリングにおける摩擦レベルを増加することによって、摩擦レベルの量を増加することもできる。

単一のコイル及び磁石に関して説明したが、上記したアクチュエータは２つ以上のコイル及び／又は磁石を利用することができる。例えば、２つ以上のコイルをハウジングに提供することができ、２つ以上の磁石を被駆動部材に提供することができる。さらに、１つ又は２つ以上のコイルを被駆動部材に提供することができ、１つ又は２つ以上の磁石をハウジングに提供することができる。またさらに、２つ以上の磁石は単一の多重極磁石によって置き換えられることができる。１つ以上の磁石がハウジングに提供される場合は、鉄の部材は被駆動部材に提供されることができる。最後に、それが必要な垂直の力を提供する限り、磁石をプリロードするための鉄の部材は磁石であることもできる。この場合、ハウジングに結合する磁石及び被駆動部材に結合する磁石の両方がある。したがって、本願明細書で使用される用語「鉄の部材」は磁石も意図する。

本発明の好ましい実施形態であると考えられるものが図と共に記載されたが、もちろん、様々な修正、及び形態又は詳細の変更が、発明の精神から逸脱することなく、容易に得ることができることが理解される。したがって、本発明は、説明され図示された形態そのものに限定されず、特許請求の範囲に含まれる全ての修正をカバーするように構成されるべきであることが意図される。

アクチュエータ装置の斜視図。 図1のアクチュエータ装置の分解立体図。 制御回路及び撮像手段を有する図1のアクチュエータ装置の概略図。 図1のアクチュエータ装置の駆動を示すグラフ。 図1のアクチュエータ装置の駆動を示すグラフ。

Claims (26)

1. ハウジング、
   前記ハウジングに対して可動に配置される被駆動部材、
   前記ハウジングと被駆動部材との間に垂直な力を、当該垂直な力から生じる前記ハウジングと被駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと被駆動部材との間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するプリロード手段、及び
   前記摩擦力を克服して前記ハウジングに対して前記被駆動部材を駆動する駆動手段、
   を有するアクチュエータ。
2. 前記ハウジングと被駆動部材との間に配置されるベアリングをさらに有し、前記プリロード手段が前記ベアリングに前記垂直な力を提供する請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記被駆動部材がレンズを保持するレンズホルダである請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記レンズを通して画像データを取得する撮像センサをさらに有し、前記レンズホルダの前記相対運動が前記撮像センサに対するフォーカス及びズーム調整のうちの１つを提供する請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記プリロード手段が、前記被駆動部材に結合した磁石と鉄の部材とを、前記被駆動部材と前記鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために有し、前記磁気吸引力が前記垂直な力に実質的に等しい請求項１に記載のアクチュエータ。
6. 前記プリロード手段が２つ以上の磁石を有する請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記磁石が多重極磁石である請求項５に記載のアクチュエータ。
8. 前記鉄の部材が前記ハウジングに取り付けられた取付板であり、当該取付板が鉄の材料を含む請求項５に記載のアクチュエータ。
9. 前記駆動手段が磁気駆動システムを有する請求項４に記載のアクチュエータ。
10. 前記磁気駆動システムが、駆動コイル、及び前記摩擦力を克服して前記被駆動部材の相対運動を生じさせる駆動力を前記被駆動部材に発生させるために前記駆動コイル内に駆動電流を発生させる制御手段を有し、前記磁石が前記駆動コイル内に磁場を発生させる請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記駆動コイルが前記ハウジング内に配置される請求項１０に記載のアクチュエータ。
12. 2つ以上の駆動コイルを有する請求項１０に記載のアクチュエータ。
13. アクチュエータを駆動する方法であって、
    ハウジングと被駆動部材との間に垂直な力を、当該垂直な力から生じる前記ハウジングと被駆動部材との間の摩擦力が前記ハウジングと被駆動部材との間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するステップ、及び
    前記ハウジングに対して前記被駆動部材を駆動するために前記摩擦力を克服するステップ、
    を有する方法。
14. 前記提供するステップが、前記被駆動部材に結合する磁石と鉄の部材とを、前記被駆動部材と前記鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために提供するステップを有し、前記磁気吸引力は前記垂直な力に実質的に等しい請求項１３に記載の方法。
15. 前記克服するステップが、
    前記磁石によって駆動コイル内に磁場を発生させるステップ、
    前記摩擦力を克服して前記被駆動部材の相対運動を生じさせる駆動力を前記被駆動部材に発生させるために前記コイル内に駆動電流を発生させるステップ、
    を有する請求項１４に記載の方法。
16. 前記被駆動部材がレンズと結合し、前記被駆動部材とハウジングとの間の相対運動により、前記レンズとカメラとの間のフォーカス及びズーム調整のうちの１つを提供するステップをさらに備える請求項１３に記載の方法。
17. カメラシステムのためのレンズアクチュエータであって、
    ハウジング、
    レンズを保持して前記ハウジングに対して可動に配置されるレンズホルダ、
    前記レンズと光学的に連通するカメラ、
    前記ハウジングとレンズホルダとの間に垂直の力を、当該垂直の力から生じる前記ハウジングとレンズホルダとの間の摩擦力が前記ハウジングとレンズホルダとの間の相対運動を開始する際に克服されるように提供するプリロード手段、及び
    前記摩擦力を克服して前記ハウジングに対して前記レンズホルダを駆動する駆動手段、
    を有するレンズアクチュエータ。
18. 前記ハウジングとレンズホルダとの間に配置されるベアリングをさらに有し、前記プリロード手段が当該ベアリングに前記垂直な力を提供する請求項１７に記載のレンズアクチュエータ。
19. 前記プリロード手段が、前記レンズホルダに結合する磁石と鉄の部材とを、前記レンズホルダと前記鉄の部材との間に磁気吸引力を提供するために有し、前記磁気吸引力は前記垂直の力に実質的に等しい請求項１７に記載のレンズアクチュエータ。
20. 2つ以上の磁石を有する請求項１９に記載のレンズアクチュエータ。
21. 前記磁石が多重極磁石である請求項１９に記載のレンズアクチュエータ。
22. 前記鉄の部材が前記ハウジングに取り付けられた取付板であり、当該取付板が鉄の材料を含む請求項１９に記載のレンズアクチュエータ。
23. 前記駆動手段が磁気駆動システムを有する請求項１７に記載のレンズアクチュエータ。
24. 前記磁気駆動システムが、駆動コイル、及び前記摩擦力を克服して前記レンズホルダの相対運動を生じさせる駆動力を前記被駆動部材に発生させるために前記駆動コイル内に駆動電流を発生させる制御手段を有し、前記磁石が前記駆動コイル内に磁場を発生させる請求項２３に記載のレンズアクチュエータ。
25. 前記駆動コイルが前記ハウジング内に配置されている請求項２４に記載のレンズアクチュエータ。
26. ２つ以上の駆動コイルを有する請求項２４に記載のレンズアクチュエータ。

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