(57)【要約】【課題】光学素子を高精度に位置決めできる小型な光学装置を提供する。【解決手段】撮像ユニット１００は、被写体の光学像を形成するレンズ群１４６と、レンズ群１４６を保持する移動鏡枠１４０と、移動鏡枠１４０を移動可能に支持するガイド軸１３１と１３２と、ガイド軸１３１と１３２を保持する固定鏡枠１１０と蓋部材１２０と、移動鏡枠１４０を固定鏡枠１１０に向けて付勢するコイルバネ１４８と、移動鏡枠１４０を蓋部材１２０に向けて移動させる高分子アクチュエーター１５０と、撮像素子１８２と、撮像素子１８２を保持する基板１８０とを備えている。移動鏡枠１４０は、ガイド軸１３１が嵌合するスリーブ部１４１と、ガイド軸１３２を受けるＵ溝１４２と、外側に突出した凸部１４４を有している。移動鏡枠１４０の凸部１４４は、レンズ群１４６を位置決めするための位置決め部１１１と１１２の間に位置している。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体の光学像を形成するための光学素子と、
前記光学素子を所定の方向に案内し移動可能に支持するための支持機構と、
前記光学素子を移動させるための高分子アクチュエーターと、
前記光学素子の移動のストロークを制限するための制限機構とを備えている、光学装置。
【請求項２】
請求項１において、前記高分子アクチュエーターは電圧の印加に応じて変形する高分子部を有し、電圧の印加による前記高分子部の変形により前記光学素子を移動させる、光学装置。
【請求項３】
請求項２において、前記高分子アクチュエーターは、高分子部としての含水したイオン交換膜と、前記イオン交換膜の両側に設けられ、前記イオン交換膜を介して対向する一対の電極とを備えている、光学装置。
【請求項４】
請求項１において、前記支持機構が前記光学素子をその光軸に沿って移動可能に支持している、光学装置。
【請求項５】
請求項１において、前記高分子アクチュエーターによる前記光学素子の移動の方向に対して逆方向に前記光学素子を付勢するための付勢部材をさらに備えている、光学装置。
【請求項６】
請求項５において、前記支持機構は、前記光学素子を保持した移動部材と、前記移動部材を移動可能に支持するガイド軸とを有し、前記制限機構は、前記移動部材と接触して前記移動部材の第一の方向の移動を妨げて前記光学素子を位置決めする第一の位置決め部と、前記移動部材と接触して前記移動部材の第二の方向の移動を妨げて前記光学素子を位置決めする第二の位置決め部とを備えている、光学装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかひとつに記載の光学装置を備えているデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体を撮影するための光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平８−１１４７３６号公報は、長尺状に形成された圧電素子やステッピングモーターにより、撮像素子と光学素子を光軸に沿って相対的に移動させる駆動機構を開示している。
【０００３】
特公平７−４０７５号公報と特許第２７６８８６９号は、イオン交換膜の両面に設けた電極に電位差を与えることにより変形する高分子アクチュエーターを開示している。
【特許文献１】特開平８−１１４７３６号公報
【特許文献２】特公平７−４０７５号公報
【特許文献３】特許第２７６８８６９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電アクチュエーターは、圧電アクチュエーター自身の変形により数ミリといった大きな変位量を得るには数百ボルトといった高電圧が必要となる。このため、携帯用光学機器（例えばデジタルカメラ）においては高電圧を得るための昇圧回路が必要であり、これは小型化の阻害要因となっている。またステッピングモーターは、それ自体の大きさにより小型化の阻害要因となっている。
【０００５】
イオン交換膜を用いた高分子アクチュエーターでは、数ボルトの電圧印加で数ミリ程度の変位量が得られ、圧電アクチュエーターに比べて高電圧を得るための昇圧回路は不要である。しかし、電圧に対する変位量の制御が難しく、例えば高精度な位置制御が要求される光学素子の駆動には不向きである。
【０００６】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、光学素子を高精度に位置決めできる小型な光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光学装置は、被写体の光学像を形成するための光学素子と、前記光学素子を所定の方向に案内し移動可能に支持するための支持機構と、前記光学素子を移動させるための高分子アクチュエーターと、前記光学素子の移動のストロークを制限するための制限機構とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光学素子を高精度に位置決めできる小型な光学装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
本実施形態は、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）に着脱自在に組み込まれるデジタルカメラに向けられている。図１は、本実施形態のデジタルカメラが組み込まれたＰＤＡの概略斜視図である。図２は、本実施形態のデジタルカメラがＰＤＡから取り外された状態を示している。図３は、図２のデジタルカメラを被写体側から見た斜視図である。図４は、デジタルカメラの撮像部の撮像ユニットを示している。
【００１１】
図１と図２に示されるように、ＰＤＡ５００は、そのおもて面（図の左面）に、液晶モニター５１０と各種の操作ボタン（操作スイッチ）５２０とを備え、その上面に、カード状記録メディアのなどの周辺機器との交換可能な接続のためのカードスロット５３０が設けられている。図２と図３に示されるように、デジタルカメラ６００は、撮像部６１０と、ＰＤＡ５００に挿入される板状の挿入部６２０とを備えている。挿入部６２０はＰＤＡ５００のカードスロット５３０に挿入され、その底面の接続コネクターを介してＰＤＡ５００と電気的に接続される。図４に示されるように、デジタルカメラ６００の撮像部６１０は撮像ユニット１００を内蔵しており、撮像ユニット１００はＰＤＡ５００の操作によりフォーカス（マクロ切り替え）や撮影などの操作が可能になっている。
【００１２】
図５は、図４に示されたデジタルカメラ６００の撮像ユニット１００の分解斜視図である。
【００１３】
図５に示されるように、撮像ユニット１００は、被写体の光学像を形成するための光学素子であるレンズ群１４６と、レンズ群１４６を保持する移動鏡枠１４０と、移動鏡枠１４０を移動可能に支持する二本のガイド軸１３１と１３２と、ガイド軸１３１と１３２を共働して保持する固定鏡枠１１０と蓋部材１２０と、レンズ群１４６により形成される光学像をデジタル画像データに変換するための撮像素子１８２と、撮像素子１８２を保持する基板１８０とを備えている。
【００１４】
蓋部材１２０は、被写体からの光を通す開口１２１を有し、固定鏡枠１１０の前側にねじ止めによって取り付けられる。また固定鏡枠１１０は、被写体からの光を通す開口１１５を有している。基板１８０は、固定鏡枠１１０の後ろ側にねじ止めによって取り付けられる。撮像素子１８２は、蓋部材１２０の開口１２１と固定鏡枠１１０の開口１１５を介して被写体からの光を受ける。
【００１５】
レンズ群１４６は接着などにより移動鏡枠１４０に固定されている。ガイド軸１３１とガイド軸１３２は、一端が圧入などによって固定鏡枠１１０に固定され、他端が蓋部材１２０に保持される。ガイド軸１３１とガイド軸１３２は固定鏡枠１１０と蓋部材１２０とによって互いに平行に支持される。移動鏡枠１４０は、ガイド軸１３１が嵌合するスリーブ部１４１と、ガイド軸１３２を受けるＵ溝１４２とを有している。移動鏡枠１４０のＵ溝１４２は、ガイド軸１３２と係合して、ガイド軸１３１周りの移動鏡枠１４０の回転を規制する。移動鏡枠１４０のスリーブ部１４１とＵ溝１４２はそれぞれガイド軸１３１とガイド軸１３２に沿って移動可能であり、移動鏡枠１４０は二本のガイド軸１３１と１３２に平行な一本の軸に沿って移動し得る。つまり、固定鏡枠１１０と蓋部材１２０と二本のガイド軸１３１と１３２と移動鏡枠１４０はレンズ群１４６を所定の方向に案内し移動可能に支持する支持機構を構成している。望ましくは、レンズ群１４６はその光軸が移動鏡枠１４０の移動方向と平行になるように固定されており、レンズ群１４６は移動鏡枠１４０の移動に伴って光軸に沿って移動される。
【００１６】
撮像ユニット１００は、移動鏡枠１４０を固定鏡枠１１０に向けて付勢するコイルバネ１４８と、移動鏡枠１４０をコイルバネ１４８の付勢力に逆らって蓋部材１２０に向けて移動させるための高分子アクチュエーター１５０とを備えている。
【００１７】
コイルバネ１４８は、ガイド軸１３１が通され、蓋部材１２０と移動鏡枠１４０のスリーブ部１４１の間に配置される。蓋部材１２０が固定鏡枠１１０に取り付けられた状態では、コイルバネ１４８は蓋部材１２０と移動鏡枠１４０のスリーブ部１４１によって圧縮され、その結果として、コイルバネ１４８は移動鏡枠１４０を固定鏡枠１１０に向けて付勢する。
【００１８】
高分子アクチュエーター１５０は細長く、移動鏡枠１４０の縁に沿って湾曲しており、一方の端部がピン１５８によって固定鏡枠１１０に固定され、他端は自由端になっている。移動鏡枠１４０は、ピン１５８との接触を避けるため、逃げ部１４３を有している。
【００１９】
高分子アクチュエーター１５０は、例えば特公平７−４０７５号公報や特許第２７６８８６９号に開示されている。高分子アクチュエーター１５０は電圧の印加に応じて変形する高分子部を有している。より詳しくは、図６に示されるように、高分子アクチュエーター１５０は、高分子部としての含水したイオン交換膜１５１と、イオン交換膜１５１の両側に設けられた一対の電極１５２と１５３とを備えている。電極１５２と電極１５３はイオン交換膜１５１を介して対向している。
【００２０】
図６において、高分子アクチュエーター１５０は、上側の端部が固定されていて、下側の端部が自由端になっている。図６に示されるように、高分子アクチュエーター１５０は二枚の電極１５２と１５３の間への電圧印加に応じて撓み、その撓む方向は二枚の電極１５２と１５３の間に印加される電圧の向きに依存している。
【００２１】
図５において、高分子アクチュエーター１５０は電圧印加に応じて撓み、自由端が固定鏡枠１１０から離れ、移動鏡枠１４０を押す。その結果、移動鏡枠１４０がコイルバネ１４８の付勢力に逆らって蓋部材１２０に向けて移動される。
【００２２】
つまり、別の言い方をすれば、高分子アクチュエーター１５０は、電圧の印加に応じて変形する高分子部を有し、電圧の印加による高分子部の変形により移動鏡枠１４０を移動させる。またコイルバネ１４８は、高分子アクチュエーター１５０による移動鏡枠１４０の移動方向に対して逆方向に移動鏡枠１４０を付勢している。
【００２３】
また、固定鏡枠１１０は、レンズ群１４６を位置決めするための位置決め部１１１と位置決め部１１２を有している。また移動鏡枠１４０は、スリーブ部１４１の近くに、外側に突出した凸部１４４を有している。移動鏡枠１４０の凸部１４４は、位置決め部１１１と位置決め部１１２の間に位置している。
【００２４】
図７と図８は、高分子アクチュエーター１５０によって移動鏡枠１４０が移動される様子を模式的に示している。図７は、高分子アクチュエーター１５０に電圧が印加されていない状態での移動鏡枠１４０の位置を示し、図８は、高分子アクチュエーター１５０に電圧が印加されている状態での移動鏡枠１４０の位置を示している。
【００２５】
高分子アクチュエーター１５０に電圧が印加されていない状態では、図７に示されるように、移動鏡枠１４０はコイルバネ１４８によって固定鏡枠１１０の位置決め部１１１に押し付けられている。その結果として、固定鏡枠１１０の裏面（図中右側）から距離Ｌの位置にレンズ群１４６が位置決めされる。
【００２６】
高分子アクチュエーター１５０に電圧が印加されると、高分子アクチュエーター１５０が蓋部材１２０の側に撓み、移動鏡枠１４０は蓋部材１２０に近づく向きに移動される。移動鏡枠１４０の移動は、移動鏡枠１４０の凸部１４４が固定鏡枠１１０の位置決め部１１２に接触して終了する。
【００２７】
つまり、高分子アクチュエーター１５０に電圧が印加されている状態では、図８に示されるように、移動鏡枠１４０は高分子アクチュエーター１５０によって凸部１４４が固定鏡枠１１０の位置決め部１１２に押し付けられている。その結果として、固定鏡枠１１０の裏面（図中右側）から距離Ｌ＋ｌ−ｔの位置にレンズ群１４６が位置決めされる。ここで、ｌは位置決め部１１１と位置決め部１１２の間隔であり、ｔは移動鏡枠１４０の板状部分（スリーブ部１４１を除いた部分）の厚さである。
【００２８】
高分子アクチュエーター１５０への電圧印加が解除されると、移動鏡枠１４０はコイルバネ１４８によって蓋部材１２０から離れる向きに移動され、図７の状態に戻る。
【００２９】
つまり、位置決め部１１１は、移動鏡枠１４０と接触してコイルバネ１４８による蓋部材１２０から離れる向きの移動鏡枠１４０の移動を妨げてレンズ群１４６を被写体から比較的遠い第一の位置に位置決めする。また位置決め部１１２は、移動鏡枠１４０の凸部１４４と接触して高分子アクチュエーター１５０による蓋部材１２０に近づく方向の移動鏡枠１４０の移動を妨げてレンズ群１４６を被写体から比較的近い第二の位置に位置決めする。すなわち、固定鏡枠１１０の位置決め部１１１と位置決め部１１２と移動鏡枠１４０の凸部１４４は、高分子アクチュエーター１５０によるレンズ群１４６の移動のストロークを制限する制限機構を構成している。
【００３０】
この制限機構により、移動鏡枠１４０の位置は、高分子アクチュエーター１５０の変形量によってではなく、位置決め部１１１と位置決め部１１２によって決まる。従って、レンズ群１４６を高精度に位置決めできる。
【００３１】
図９は、図５に示された移動鏡枠１４０を撮像素子１８２の側から見た斜視図であり、図１０は、図５に示された移動鏡枠１４０を撮像素子１８２の側から見た平面図である。
【００３２】
図９と図１０において、高分子アクチュエーター１５０は一方の端部が支持点Ｐ１を中心として固定鏡枠１１０に固定されており、他方の端部は、電圧印加による変形すなわち撓みにより、作用点Ｐ２を中心として移動鏡枠１４０を押す。図９と図１０に示されるように、高分子アクチュエーター１５０の作用点Ｐ２は、高分子アクチュエーター１５０の支持点Ｐ１よりもガイド軸１３１の近くに位置している。
【００３３】
また図１０に示すように、高分子アクチュエーター１５０は、レンズ群１４６の光軸に直交する平面への投影において、レンズ群１４６を通過する光の光路を避けて、例えば光軸を中心とする円周に沿って延びている。また、レンズ群１４６の光軸に直交する平面への投影において、支持点Ｐ１と作用点Ｐ２は共に光軸を中心としガイド軸１３１の中心を通る円Ｃの内側に位置している。従って、高分子アクチュエーター１５０の少なくとも内周部は光軸を中心としガイド軸１３１の中心を通る円Ｃの内側に位置している。これにより、撮像ユニット１００は小型化されている。
【００３４】
より好ましくは、高分子アクチュエーター１５０の全体が、光軸を中心としガイド軸１３１の中心を通る円Ｃの内側に位置しているとよい。この場合、撮像ユニット１００をさらに小型化できる。
【００３５】
また、移動鏡枠１４０がコイルバネ１４８によって付勢される部位はスリーブ部１４１であり、ガイド軸１３１との接触部の近くに位置し、支持点Ｐ１よりも作用点Ｐ２の近くに位置している。
【００３６】
本実施形態ではＰＤＡに着脱可能なデジタルカメラの例を示したが、撮像ユニット１００はデジタルカメラや携帯電話などにももちろん応用できる。デジタルカメラや携帯電話の使用状況としてスキー場や登山などがあげられる。このような状況では撮影時に氷点下になることがあり、高分子アクチュエーター１５０の応答性が低下する、さらには凍結により高分子アクチュエーター１５０が動作しなくなるという不具合が生じるおそれがある。
【００３７】
このような不具合を避けるために、高分子アクチュエーター１５０が低温にならないようにヒーターを内蔵する手法が考えられる。しかし、この手法は装置の大型化やバッテリー消費の増大などを招く。
【００３８】
本実施形態の撮像ユニット１００では、高分子アクチュエーター１５０が、外部環境の影響を受けにくい移動鏡枠１４０よりも撮像素子１８２の側に配置されている。撮像素子１８２は駆動時に熱を発し、高分子アクチュエーター１５０は、撮像素子１８２が発した熱によって暖められる。このため、低温環境においても高分子アクチュエーター１５０が低温になることが避けられる。
【００３９】
これにより、撮像ユニット１００は、ヒーターを別途設けることなく、低温環境でも安定に動作する。
【００４０】
本実施形態では、高分子アクチュエーター１５０を暖めるために、撮像素子１８２の発熱を利用しているが、撮像素子１８２に関与して比較的多くの熱を発する電気回路、例えば電源回路やＣＰＵなどの発熱を利用してもよい。
【００４１】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００４２】
上述した実施形態では、合焦位置の制御のためにレンズ群１４６をその光軸に沿って移動させているが、焦点距離の制御（ズーム）のためにレンズ群を光軸に沿って移動させる構成にも応用できる。また手ぶれや撮影方向の補正のために、光軸と異なる方向、例えば光軸に直交する方向に移動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態のデジタルカメラが組み込まれたＰＤＡの概略斜視図である。
【図２】本発明の実施形態のデジタルカメラがＰＤＡから取り外された状態を示している。
【図３】図２に示されたデジタルカメラを被写体側から見た斜視図である。
【図４】図３に示されたデジタルカメラの撮像部の撮像ユニットを示している。
【図５】図４に示されたデジタルカメラの撮像ユニットの分解斜視図である。
【図６】図５に示された高分子アクチュエーターの構成を模式的に示している。
【図７】図５に示された高分子アクチュエーターに電圧が印加されていない状態での移動鏡枠の位置を示している。
【図８】図５に示された高分子アクチュエーターに電圧が印加されている状態での移動鏡枠の位置を示している。
【図９】図５に示された移動鏡枠を撮像素子の側から見た斜視図である。
【図１０】図５に示された移動鏡枠を撮像素子の側から見た平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００…撮像ユニット、１１０…固定鏡枠、１１１…位置決め部、１１２…位置決め部、１１５…開口、１２０…蓋部材、１２１…開口、１３１…ガイド軸、１３２…ガイド軸、１４０…移動鏡枠、１４１…スリーブ部、１４２…Ｕ溝、１４３…逃げ部、１４４…凸部、１４６…レンズ群、１４８…コイルバネ、１５０…高分子アクチュエーター、１５１…イオン交換膜、１５２…電極、１５３…電極、１５８…ピン、１８０…基板、１８２…撮像素子、５００…ＰＤＡ、５１０…液晶モニター、５２０…操作ボタン、５３０…カードスロット、６００…デジタルカメラ、６１０…撮像部、６２０…挿入部、Ｐ１…支持点、Ｐ２…作用点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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