JP2009145516A - 簡易型ズームレンズ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ズームレンズを搭載する光学機器の中で使用条件によって高度な仕様より、性能を維持した上で機器の小型化と簡便性を求める需要が有り、この要件に応えるべく撮影レンズ鏡筒及びズームレンズ機構の簡略化し、機器の小型化、組立効率向上及びコスト低減を図る。
【解決手段】光軸Ｌと平行に主動軸５と受動軸６を夫々配設し、主動軸５にフォーカシング用移動レンズ群の鏡枠４と一体の主動体８を摺動可能に挿嵌し、受動軸６にズーミング用移動レンズ群３の鏡枠と一体の受動体９を摺動可能に挿嵌し、２つの移動レンズ群のうち、フォーカシング用移動レンズ群を保持する主動体８に主動的機能を持たせ、フォーカシング用移動レンズ群の移動力を受け、ズーミング用移動レンズ群３を保持する受動体９が主動体８に従動させる方法を採り、ズーミング用移動レンズ群３の動力源を省略し、主動体８の動力源に圧電型リニアアクチュエータを適応した。
【選択図】図１

Description

小型光学機器に搭載するズームレンズ鏡筒におけるズーム機構に関し、特に簡単な機構で可能にした簡易型ズームレンズ機構に関する。

ズームレンズ鏡筒を搭載し被写体画像を対象とする一般の光学機器において携帯性を必要とした場合、機器筐体の小型化のみならず搭載するズームレンズのコンパク化と簡易化が要求される。

ズームレンズの構成としては光軸上に複数のレンズ群を配設し、対物側と焦点側に固定レンズ群を配置した中間にズーミング用とフォーカシング用のそれぞれのレンズ群を光軸に沿って移動可能に配置して得られる内焦式ズームレンズが一般的となっている。移動レンズ群のうち、ズーミング用レンズ群は光軸に沿って移動させることによって被写体像の倍率が連続的に可変でき、他方のフォーカシング用レンズ群は所望の画像倍率の位置で被写体距離の焦点を調整して最良像点を求めるもので、光軸に沿って移動させることによって得られるようになっている。

このようなズームレンズの構成では２つの移動レンズ群をそれぞれに移動させるために２つの動力源を用い、別々の移動手段で構成するのが一般的であるが、更なる小型化や簡易性を求める場合には限界があった。

この解決手段として、特許文献１では１個の駆動源でズーミングもフォーカシングも行える方式を提案しているが、駆動源に回転モータを使用し、減速機構と直列のカム環配置やクラッチ機構など大がかりで、コンパクト性やコスト削減に対しては必ずしも最良とは言えないものであった。

一方、動力源として回転モータを用い、レンズのズーム機構等に使用する場合、回転を直進にする変換手段が必要であった。その手段にカムやスクリュー機構を用いることが一般的であるが、実用上、変換効率や占有するスペースの問題が有った。この動力源の問題解決方法として近年、圧電型リニアアクチュエータが注目されていて、その中における動作原理の1つを特許文献２に開示されている。すなわち図７に示す円盤状の金属弾性板１０ａに分極された圧電基板１０ｂを貼り合わせて一体化したものを圧電素子１０とし、圧電基板１０ｂの電極Ａ，Ｂに印加する信号の極性によって膨張と収縮の現象が生じ、金属弾性板１０ａと圧電基板１０ｂの間に歪みが生じる。このため圧電基板１０ｂの電極Ａ、Ｂ間に交番信号を加えれば円盤状圧電素子１０の中心が微少ながら凹凸に変形する歪み動作を繰り返すことになる。すなわちＡ電極に＋、Ｂ電極に−の電圧を加えれば圧電基盤１０ｂが収縮し金属弾性板１０ａがＺ１のように凸状に反り上がり、Ａ電極に−、Ｂ電極に＋の電圧を加えれば圧電基盤１０ｂが膨張し金属弾性板１０ａがＺ２のように凹状に変化するため円盤の中心に振動軸１１を直立状に固着すれば印加する交番信号に合わせて振動軸１１が上下に微小変位Δｘ１とΔｘ２を伴った振動が得られることになる。

図８に示すようにこの振動軸１１に対して摺動可能であって圧接状態で充分な摩擦を有した移動体１２を嵌入させ、移動体１２の持つ慣性と振動軸１１との摩擦の関係を適宜に設定された状態で圧電素子１０の電極Ａ，Ｂに鋸歯状波のパルス信号を与えれば振動軸１１が緩慢な加速度と急峻な加速度で上下に振られることになる。これに応じて嵌入している移動体１２も振られるが、緩慢な加速度のときは摩擦力によって軸と一緒に変位Δｘ１或いはΔｘ２だけ移動し、急峻な加速度の時は移動体１２の慣性力で振動軸１１の移動に応動出来ずに摺動し、現状位置を保つことになるため、これの振動周期をｎ回繰り返せば移動体がｎΔｘ１又はｎΔｘ２の距離だけ振動軸１１に沿って一方向に移動させることが出来ると言うのが圧電型リニアアクチュエータの動作原理である。

圧電素子１０に印加する信号において振動軸１１が上方移動する加速度を緩慢にし、下方向移動を急峻にすれば移動体１２は上方向に移動し、これとは反対の信号を印加すれば移動体１２は下方向に移動させることが可能となることから、この原理によって駆動可能な圧電型リニアアクチュエータ１個を用い、前記ズーミング用移動レンズ用とフォーカシング用移動レンズを移動させる簡易型のズームレンズ機構を提供しようとするものである。
特開平４−３１７０１５号公報 特表２００７−５１６６８８号公報

ズームレンズを搭載する光学機器のなかで、使用条件によっては高度な仕様よりも、性能を維持した上で機器の小型化と簡便性を求める機器の需要が有り、この要件に応えるべく撮影レンズ鏡筒及びズームレンズ機構の簡略化を果たし、機器の小型化、組立効率の向上及びコスト低減の課題を解決する。

両端に設置する固定レンズ群の間にズーミング用移動レンズ群とフォーカシング用移動レンズ群の２つの移動レンズ群を配設した内焦式ズームレンズの鏡筒で、光軸を中心とした周囲に、光軸と平行な主動軸と受動軸をそれぞれ配設し、主動軸にはフォーカシング用移動レンズ群の鏡枠と一体の主動体が摺動可能に挿嵌され、受動軸にはズーミング用移動レンズ群の鏡枠と一体の受動体が摺動可能に挿嵌されていて、主動体と受動体が光軸に沿って移動可能とし、２つの移動レンズ群のうちで、フォーカシング用移動レンズ群を保持する主動体に主動的機能を持たせてあり、このフォーカシング用移動レンズ群の移動力を受けて、ズーミング用移動レンズ群を保持する受動体が主動体に従動させる方法を採り、ズーミング用移動レンズ群の動力源を省略した。

このためレンズの動作形態としてはフォーカシングの調整限界点である無限位置あるいは至近位置へ移動後、ズーミング動作を開始させると言う作動順序に割り切りを与えていて、被写体が至近と無限位置の間に在る場合は主動体が移動後受動体を合体した状態で移動して所望の撮影倍率に達した時点で、受動体のズーミング用移動レンズ群を到達位置に静止残留させ、フォーカシング用移動レンズ群の主動体が反転移動することによって受動体から分離し、合焦動作を行わせる方法を採った。

主動体の駆動手段として、主動軸を一端が圧電素子の固着した圧電型リニアアクチュエータの振動軸とし、振動軸の振動で主動体を移動させることが可能な圧電型リニアアクチュエータを適応させて解決を図った。

駆動源が１個で可能となる構造で、その駆動源も単純構造の圧電型リニアアクチュエータであるため、機構が極めて簡単となり、部品点数の削減と共に省スペースによる小型化と、コスト低減の効果が大きい。

本発明の実施例について以下図面を参照しながら説明をする。図１は本発明のズームレンズ機構の斜視図で、図２は本機構の主動軸と受動軸側から見た斜視図、図３は主動体と受動体の動作説明図、図４は本機構を搭載する鏡筒の分解図、図５は本機構を作動させるための電子回路の概略図で、図６は動作説明のためのフローチャート、図７は圧電型リニアアクチュエータの圧電素子による振動原理説明図と図８は圧電型リニアアクチュエータ本体図である。

本発明におけるズームレンズは図４に示すように光軸Ｌを中心に対物側の第１固定レンズ群１と焦点側の第２固定レンズ２の間にズーミング用移動レンズ群３とフォーカシング用移動レンズ群４を直列に並べた構成で、移動レンズ群３を光軸Ｌに沿って移動させることにより撮影倍率が連続的に可変でき、移動レンズ群４を光軸Ｌに沿って移動させることにより被写体距離における焦点調整ができるようになっている。本発明はこのズーミング用移動レンズ群３とフォーカシング用移動レンズ群４の移動機構について、簡便な方法を提供するものである。

図１に示すものがそのズーム機構で、光軸Ｌの周囲に３本の軸を光軸Ｌと平行に立設してあり、その１つは能動的に動力を与える側の主動軸５と、１つはその動力を受ける側の受動軸６及びこれら２つの共有する回転防止と案内役のガイド軸７の３本である。主動軸５の下方端には圧電素子１０が固着されていて、圧電素子の振動に合わせて主動軸５が上下に振動するようになっている。すなわち図８に示す圧電素子１０と振動軸１１及び移動体１２で構成する圧電型リニアアクチュエータの振動軸１１が主動軸５で、移動体１２が主動体８と同等になっている。

主動軸５には主動体８が挿嵌されているが、主動体８は中心にフォーカシング用移動レンズ群４を保持する鏡枠８ａと主動軸５を握持する摺動可能な握持部８ｂとガイド軸７をＵ字部で挟持し、滑動可能な挟持部８ｃを一体にしたもので、主動軸５に対して貫通穴８ｅの欠落部に設置した板バネ８ｄによって圧接して摩擦力を与えているため、静止位置で保持力を有している。また主動体８にはマグネットスケーラ２０が固着されていて、近接して固定側に設置している不図示のマグネットセンサー２１があり、このセンサー２１により主動体８の位置、及び移動量が検出できるようになっている。

一方の受動軸６には受動体９が挿嵌されているが、受動体９は中心にズーミング用移動レンズ群３を保持する鏡枠９ａと受動軸６を握持する摺動可能な握持部９ｂとガイド軸７をＵ字部で挟持し、滑動可能な挟持部９ｃを一体にしたもので、受動軸６に対して貫通穴９ｅの欠落部に設置した板バネ９ｄによって圧接して摩擦力を与えているため、静止位置で保持力を有している。

主動軸５と受動軸６は接近した状態で並立していて図２に示すように受動軸６に挿嵌されている受動体９の凹部９ｆに対して主動軸５に挿嵌している受動体８の凸部８ｆが軸方向の遊びをもって噛み合っている。このため主動体８の主動軸５上の移動では凸部８ｆが上昇して受動体の凹部９ｆの上制限９ｆｕに当接すると受動体９が主動体８の推力を受けて合体状態で上昇し、主動体８の下方向移動では凸部８ｆが受動体凹部９ｆの下制限９ｆｄに当接すると受動体９が主動体８の下方向の推力を受けて、合体状態で降下するようになっている。

具体的にはズーミング用移動レンズ群３を保持している受動体９の移動が撮影倍率を可変するもので、フォーカシング用移動レンズ群４を保持する主動体８の移動は各倍率における被写体の焦点調整のためのものであるが、ズーミングするためには主動体８の凸部８ｆを上制限９ｆｕか下制限９ｆｄまで移動しなければならない。言い換えれば主動体８の凸部８ｆに対する受動体９の凹部９ｆの遊び量がその撮影倍率における被写体距離に対する焦点調整範囲となる。図３の（Ａ）に示すＸの範囲である。例えば主動体８の凸部８ｆが受動体９の凹部９ｆの下制限９ｆｄに当接している位置がその倍率における無限位置であり、上制限９ｆｕに当接する位置は至近位置となる。このためズーミングするには被写体に対して一旦、無限位置か至近位置に調整をずらしてから行ない、その後所望のズーム位置で改めて焦点調整をすると言う動作順序の割り切りを行っている。

図３は主動体８と受動体９の移動時における関係動作を示したもので、この図とこの動作を制御する概略の回路ブロックを示す図５及び作動フローチャートの図６と合わせて、具体的な動作形態について説明すると、この方式の動作基準は本機器の不使用持には必ず原点にあることが条件で、動作の開始位置は原点からで、作動終了後は必ず原点に戻る作動条件を課している。先ず図５の回路が立ち上がった状態では図３の（Ａ）に示す主動体８が原点位置に在るか否かの動作から開始される。主動体８の原点位置とは具体的にはフォーカシング用移動レンズ群４とズーミング用移動レンズ群が第２固定レンズ群に近接する位置、例えばこのレンズ仕様における広角位置で無限距離の組み合わせ位置が原点となり、主動体８及び受動体９の可動範囲における下限界に位置する。これが図３の（Ａ）に示す状態にある時である。

回路が起動状態になると図６のフローチャートにあるように、動作のスタート３０から先ず３５で原点確認を行うが、図３及び図５に示す主動体８のマグネットスケーラ２０からマグネットセンサー２１による位置信号３１でＣＰＵ５０によって、主動体８の現在位置を認識し、原点位置にないと判断されると主動体移動３４で主動体８を上下に移動させて原点に戻す動作を最初に行う。このようにズーミング作動は原点からのスタートが初動作の条件となる。

原点位置とはズーム位置がＷｉｄｅで距離は無限位置であるからこの原点位置において、図５の操作ボタン５３から図６の３６で示すズームのＴｅｌｅ信号３２が出ているかどうかの判断をするが、ＮＯならばＷｉｄｅ位置のまま被写体Ｑの測距で合焦判定３７をするが、不合焦ならばＣＰＵ５０からドライバー５４に信号を受け、圧電型リニアアクチュエータの圧電素子１０に上昇方向（＋）の駆動信号が送られて主動体８が上昇して行く。図３の（Ａ）に示すＸの範囲で焦点調整が行われるため、図６の３７で合焦判定が得られるまで上昇移動を継続する。合焦判定は被写体Ｑの投影画像を撮像素子５２で受け、その画像信号をＣＰＵ５０で画像処理され合焦か否かの判断を行う。図６の３７でＹＥＳの判定が得られると、ＣＰＵ５０からの停止信号により圧電型リニアアクチュエータ動力が停止し（図６の３９）、主動体８のフォーカシング用移動レンズ群４の位置が決定（図６のＥＮＤ４０）される。

前記は受動体９が移動しないＷｉｄｅ位置での動作であったが、図５の操作ボタン５３からＴｅｌｅ信号をＣＰＵ５０が受けた場合を説明すると、図６に示す３２のＴｅｌｅ信号の発信により３６ではＹＥＳとなり主動体８が上昇（＋）移動４１となる。上昇移動を継続し図３の（Ｂ）に示す主動体８がＷｉｄｅの焦点調整範囲Ｘだけ移動してしまうと、主動体８の凸部８ｆが受動体９の凹部の上限界９ｆｕに当接し、主動体８と受動体９が合体した形になる。図６の４２であって、４３のように更に主動体８の上昇移動が継続されると、受動体９を押して合体状態で上昇して行き、４４で示すようにズーム停止信号が来るまで継続される。

最大倍率であるＴｅｌｅ位置に到達し、図５における操作ボタン５３の操作を止めるか、図３に示す主動体８のマグネットスケーラ２０の位置からマグネットセンサー２１による限界信号によって、ＣＰＵ５０から停止信号がドライバー５４に送られ、圧電素子１０の駆動を止め、合体したまま一旦停止する（図６の４５）。この状態が図３の（Ｃ）状態で、望遠（Ｔｅｌｅ）の位置であって、距離調整は至近の位置であるので、被写体Ｑの像の合焦位置を検出する必要があるので、この位置で合焦判定を行い（図６の４６）、ＮＯならばＣＰＵ５０からドライバー５４に反転信号を送り、圧電型リニアアクチュエータの圧電素子１０に下降（−）の駆動信号が送られ主動体８が下降して行く（図６の４７）。この時、受動体９のズーミング用移動レンズ群３は現位置（Ｔｅｌｅ位置）に置いたまま主動体８だけが受動体９から分離して被写体Ｑの合焦点を求めて下降して行くことになる（図６の４８）。この間合焦判定を繰り返しながら、主動体８のフォーカシング用移動レンズ群４は下降し、合焦判定がＹＥＳとなる位置でＣＰＵ５０から停止信号が送出され、圧電型リニアアクチュエータの駆動が停止し、主動体８が移動を停止する（図６の４９）。この位置が被写体Ｑの合焦点であって所望のズームは望遠（Ｔｅｌｅ）位置で、撮像素子５２の結像面で最良像面が得られたことになる（図６のＥＮＤ５０）。これは図３において（Ｄ）の状態で表している。

この状態は図５のモニター画面５１で被写体Ｑの画像が確認でき、この時点で画像を記録するには操作ボタン５３の中心の決定ボタンを押し、撮影のレリーズ信号をＣＰＵ５０に送信すれば、撮像素子５２で得られた画像信号をＣＰＵ５０で処理された信号に変換されて、記録信号としてメモリー回路５５に送られ、画像が記録される。

図３の（Ｄ）は前述の説明の通り、ズームは望遠（Ｔｅｌｅ）位置で、被写体距離は中間位置の例を示したが、継続して像倍率をその望遠（Ｔｅｌｅ）から広角（Ｗｉｄｅ）方向へ変えようとした場合を以下に説明すると、操作ボタン５３のＷｉｄｅボタンを押すズームＷｉｄｅ信号（図６の３３）によってＣＰＵ５０から送出される信号は圧電型リニアアクチュエータの駆動を更に下降方向に移動する指令となり、主動体８は図３の（Ｄ）の合焦位置から一旦、不合焦の無限位置まで下方に移動して、主動体８の凸部８ｆが静止している受動体９の凹部９ｆの下限界９ｆｄに当接した後、主動体８が受動体９を合体状態で押しながら下方（Ｗｉｄｅ方向）に移動していく。これは図３の（Ｅ）の状態を示している。所望のズーム位置で操作ボタン５３からのＷｉｄｅ信号を断てば、ＣＰＵ５０の停止信号によって、主動体８が停止するが、受動体９をその所望のズーム位置に静止させて、受動体９から分離して主動体８だけが上方向に反転して移動していき、合焦点で停止する。これが図３の（Ｆ）の状態で、前述の（Ａ）から（Ｄ）の動態説明と同じであって、制御のための主動体８の移動方向が反対だけである。

本機器による撮影又はズーミング動作終了後、或いは機器の通電を遮断した場合は必ず主動体８が下方に移動し、途中で受動体９と合体しながら原点である図３の（Ａ）状態に戻すようＣＰＵでプログラムされている。

以上説明のように動作に割り切りを勘案させれば、非常に単純な構成でズームレンズ機構が完成でき、図４の鏡筒ユニットの分解図で示すように地板１５に本発明のズームレンズ機構を構設し、第２固定レンズ群２を保持する鏡枠１６に載設した上に、第１固定レンズを保持する外筒１７を覆設すればズームレンズ鏡筒ユニットが完成すると言う極めて単純で作業効率の良い製品として提供出来る。

本発明のズームレンズ機構図である。 本機構の主動軸と受動軸側からの斜視図である。 主動体と受動体の動作説明図である。 本機構搭載のズームレンズ鏡筒ユニットの分解図である。 本本機構を作動させるための電子回路ブロック図である。 動作説明のためのフローチャートである。 圧電型リニアアクチュエータの圧電素子による振動原理説明図である。 圧電型リニアアクチュエータ本体図である。

符号の説明

１ 第１固定レンズ群
２ 第２固定レンズ群
３ ズーミング用移動レンズ群
４ フォーカシング用移動レンズ群鏡枠
５ 主動軸
６ 受動軸
７ ガイド軸
８ 主動体
９ 受動体
１０ 圧電素子
１１ 振動軸
１２ 移動体
１５ 地板
１６ 鏡枠
１７ 外筒
２０ マグネットスケーラ
２１ マグネットセンサー

Claims (8)

1. 光軸に沿って両端に固定レンズ群と当該固定レンズ群の中間に２つの移動レンズ群を配設してなるレンズ鏡筒であって、該移動レンズ群の１つは被写体の撮影倍率が可変可能なズーミング用で、他の１つは焦点調整のためのフォーカシング用として構成する鏡筒の前記2つの移動レンズ群をそれぞれ光軸に沿って移動可能にしたズームレンズ機構において、前記光軸を中心とした周囲に、該光軸と平行な主動軸と受動軸がそれぞれ配設され、前記主動軸には前記フォーカシング用移動レンズ群の鏡枠と一体の主動体が摺動可能に挿嵌され、前記受動軸には前記ズーミング用移動レンズ群の鏡枠と一体の受動体が摺動可能に挿嵌されていて、前記主動軸における主動体の駆動によって、前記受動軸の受動体が従動可能な構成により、前記ズーミング用移動レンズ群とフォーカシング用移動レンズ群が光軸に沿って移動可能にしたことを特徴とする簡易型ズームレンズ機構。
2. 前記ズーミング用移動レンズ群の鏡枠と一体の受動体は受動軸に対して、摩擦力によって静止位置を維持する保持力を有しているが、前記主動軸に沿って前記フォーカシング用移動レンズ群の鏡枠と一体の主動体が移動するときの駆動力が前記受動体に及ぶ場合、当該受動体も受動軸にそって一緒に移動可能な力関係を有していることを特徴とする請求項１記載の簡易型ズームレンズ機構。
3. 前記主動体と受動体はそれぞれ隣接した並列位置にあって、軸方向に遊びをもった係合関係にあり、該主動体の主動軸に沿った移動は遊び分遅れて該受動体と合体し、前記フォーカシング用移動レンズ群の鏡枠と前記ズーミング用移動レンズ群が一体で前記光軸に沿って移動可能な構成であることを特徴とする請求項２記載の簡易型ズームレンズ機構。
4. 前記主動体と受動体はそれぞれ隣接した並列位置にあって、軸方向に遊びをもった係合関係にあり、当該遊びは前記ズーミング用移動レンズ群の移動位置において、焦点調整のために前記フォーカシング用移動レンズ群が最大移動可能な調整幅であることを特徴とする請求項２及び請求項３記載の簡易型ズームレンズ機構。
5. 前記ズーミング用移動レンズ群による被写体に対するズーミング動作は前記主動体が前記受動体との係合遊び部分を移動し、合体後に移動する動作であって、そのズーム位置における前記フォーカシング用移動レンズ群による合焦動作は前記主動体が受動体から反転分離し、前記遊び部分の移動調整で得られることを特徴とする請求項４記載の簡易型ズームレンズ機構。
6. 前記主動体の主動軸及び光軸に沿っての移動範囲おいて、固定側に設けてある原点位置に対する該主動体の位置及び移動量が計測可能で有ることを特徴とする請求項１記載の簡易型ズームレンズ機構。
7. 光軸を中心とした周囲に、配設されている当該光軸と平行な前記主動軸と前記受動軸に対して、該光軸を挟んだほぼ対向位置に前記主動体の直進移動するためのガイドと前記受動体の直進移動するためのガイドを共有する直進ガイド軸を設置したことを特徴とする請求項１記載の簡易型ズームレンズ機構。
8. 前記光軸を中心とした周囲にあって、該光軸と平行な主動軸は一端に圧電素子が固着された圧電型リニアアクチュエータの振動軸であって、当該軸に挿嵌する前記主動体は該圧電型リニアアクチュエータの圧電素子に印加するパルス信号によって振動軸の軸方向の超音波振動で駆動されることを特徴とする請求項１記載及び請求項７記載の簡易型ズームレンズ機構。
   
   

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