携帯電話向け超小型ズームユニットの開発
Development of an Ultra-Compact Zoom Lens Unit for Camera Phones

大澤聡＊

Ozawa, Sou湯浅智行＊＊

Yuasa, Tomoyuki

要旨
近年，世界規模でカメラ付携帯電話が急速に普及して

吉田

龍

一＊＊＊

Yoshida, Ryuichi

松坂

慶

二＊

Matsusaka, Keiji

1 はじめにきている。単焦点レンズが主流であるが，ズームレンズ携帯電話向けのカメラユニットはコンパクト化，メガを搭載する動きも広がりつつある。このような市場動向ピクセル化，オートフォーカス化が進行してきた。またを背景として，我々は携帯電話への搭載に適した超小型携帯電話向けレンズユニットに求められる画質も年々向のズームレンズユニットの開発を行ってきた。

上しており，デジタルカメラに近い性能が求められてき

今回，高精度非球面ガラスモールドレンズを複数枚使ている。このような流れの中で，次のステップとして用し，誤差感度低減設計を実施することで量産性が高くズームレンズの搭載が進行中である。携帯電話向けズー

小型のズーム光学系の設計を達成した。また，ズームレムレンズにはデジタルカメラとほぼ同等のズーム比，画ンズの駆動のためにS I D M （S m o o t h I m p a c t D r i v e

質でありながら，携帯電話に搭載可能な超コンパクトMechanism）を用いた超小型アクチュエータを開発し化，高い耐久性，高い量産性が必要である。このようなた。これらの技術により量産性にすぐれた高画素撮像素

ズームレンズユニットを開発するために克服すべき主要子に対応した超小型ズームレンズユニットの開発に成功な課題としては以下の項目がある。

した。

１） 大量生産に適した製造誤差による性能劣化の少な

Abstract

２） ズーム駆動に必要なロングストロークで駆動力のい光学設計
Camera-equipped mobile telephones continue to pro-あるアクチュエータ

liferate today. For the moment, mainstream camera phones

上記課題は本質的にコンパクト化と相反する項目であemploy a single focal lens, but an emerging trend toward

るが，我々は非球面ガラスモールドレンズを多用するこzoom lenses has now intensified the demand for miniatur-とで誤差感度を低減，制御することで大量生産に適した

ized zoom lens units. To meet this demand, we have de-超コンパクトズーム光学系の設計を実施した。また，

veloped an ultra-compact zoom lens unit that has robust

SIDMアクチュエータを用いることでコンパクトでありな

sensitivity to assembly errors and whose design incorpo-

がら，単焦点レンズよりも大きなズームユニットを高精

rates a very small zoom lens system that uses multiple

度かつロングストロークに駆動することが可能となっaspherical glass-mold lenses. The design also employs

た。これらの技術を組み合わせることでメガピクセル以an SIDM (smooth impact drive mechanism), a compact

上の高画素に対応しながら，コンパクトなズームレンズ

piezoelectric linear actuator that reduces overall size. To-ユニットの開発を行った。

gether, these achievements will allow the mass-produc-

本稿ではこれらの技術紹介を行う。

tion of an ultra-compact zoom lens unit for camera phones.

２ 光学系の小型化と誤差感度制御
２．１

非球面多用による光学系のコンパクト化

ここでは非球面多用によるズーム光学系のコンパクト化の例を示す。２メガピクセル以上，ズーム比３倍クラスはデジタルカメラにおいて主流の領域で各種設計が行われている。通常，この仕様のズーム光学系は負正正の3成分ズームで構成される。Fig.１にa非球面を多用した新規なズーム光学系，b典型的なDSC用ズーム光学系を示＊コニカミノルタオプト㈱＊＊コニカミノルタオプト㈱＊＊＊コニカミノルタオプト㈱78

研究開発センター
事業管理部
研究開発センター

基盤技術部

す。いずれのタイプの光学系も負の第１群，正の第２新規事業推進室群，正の第３群より構成されている。第１群はコンペン

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

セータとして，第２群はバリエータとしてズーム時移動

TypeＡ：ガラスモールドを使用し量産に対応して誤差し，第３群は固定群である。Fig.１bのような典型的なデジタルカメラ用光学系においては，６枚から７枚のレン感度を制御した設計
TypeＢ：ガラスモールドを使用し誤差感度を制御しなズを必要とし，レンズ全長やレンズ径が大きく，このままでは携帯電話への搭載は困難であった。我々は非球面

い設計
Fig.２に偏芯誤差感度の低減設計を行ったタイプ（TypeＡ）

を多用した新設計を実施することでFig.１aに示すようにと誤差感度低減設計を行っていないタイプ（TypeＢ）の５枚という少ないレンズ構成で同様のスペックのズーム第２群レンズ形状を示す。Fig.３にレンズ各面，レンズ各光学系を達成した。さらにレンズ枚数を削減することでブロックを0.01mm光軸垂直方向に平行偏芯させた場合のレンズ全長，レンズ径のコンパクト化も達成している。

片ボケの発生量を示す。
TypeＡ，TypeＢのレンズ構成や形状はほとんど同じである。しかしFig.３で示すようにそれぞれのタイプがもつFirst lens group
Second lens group

Third lens group
image sensor

誤差感度は大きく異なりTypeAでは片ボケの発生が低く抑えられていることが分かる。また，一般的に，レンズブロックの製造誤差はレンズ面単独の製造誤差よりは大きいので，レンズブロックの誤差感度はレンズ面単独の誤差感度より小さくする必要がある。TypeＡはTypeＢと比較してレンズブロックの誤差感度が低く制御され，またレンズ面の誤差感度も低く，量産に適した設計となっ(a) New all aspherical surface zoom objective lensていることが分かる。
Type AFirst lens group
Second lens group

Third lens group

Surf. 1Aspherical surface

Type Blens1

lens2

Surf. 2

Surf. 3

Surf. 4

Type A: Sensitivity-controlled zoom lens system
Type B: Non-sensitivity-controlled zoom lens system(b) Typical digital still camera zoom objective lensFig.2 Second lens group: Type A and Type B

Fig.1 Megapixel Class 3x zoom objective lens

MTF field tilt by parallel decenter

しかし，一般的にズーム光学系の小型化を達成するにSurface sensitivity

は，レンズ間の距離とズーム移動量を減少させる必要がBlock sensitivityある。そのためズームレンズ群やレンズ各面のパワーが強くなってしまう。その結果として製造誤差による光学

Surf. 2

性能劣化が大きくなる課題が生じる。このような誤差感

Surf. 1

Surf. 3

Surf. 4

Lens 2
Lens 1

Type A
Type B

度増大によって量産時の歩留まりの悪化や製品の性能バラツキによる市場品質の低下が発生する。我々は非球面を用いた誤差感度制御，ガラスモールドレンズ使用による誤差感度低減設計によってコンパクトでありながら，Fig.3 MTF field tilt sensitivity to decenter [1]

この課題を克服した光学設計を達成した。
２．２

非球面による誤差感度低減設計

２．３

ガラスモールド使用による誤差感度低減設計

ここでは，非球面による誤差感度制御が可能であるこ

次に，非球面レンズにはガラスとプラスチックの２つとを，Fig.１aで示した全レンズ非球面のレンズ枚数５枚の素材が用いられる。両者の違いとしては，ガラスモーのズーム光学の第２群を例に示す。この光学系においてルドレンズの素材は高い屈折率から低い屈折率，高分散

我々は以下の２つの設計を実施した。

から低分散まで存在するのに対して，プラスチックレン

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

79

MTF field tilt by parallel decenter

ズの素材は低い屈折率のみであり分散も中間領域しか存在しない。我々はFig.１(a)で示した全レンズ非球面のレン

Surface sensitivity

Block sensitivity

ズ枚数５枚のズーム光学系の第２群にガラスモールドを使用したタイプ（TypeＡ）とプラスチックモールドを使用したタイプ（TypeＣ）の２つのタイプで誤差感度低減

Surf. 2

設計を行った。

Surf. 4

Surf. 1

Type A

Lens 1 Lens 2

Type C

Surf. 3

TypeＡ：ガラスモールドを使用し量産に対応して誤差感度を制御した設計
TypeＣ：プラスチックモールドを使用し量産に対応して誤差感度を制御した設計。

Fig.5 MTF field tilt sensitivity to decenter:glass-mold vs. plastic-mold [1]Fig.４に設計を実施した２つのタイプの第２群の形状を示す。またFig.５にTypeＡ，TypeＣ，２つのタイプのレンズ各面，レンズ各ブロックを0.01mm光軸垂直方向に平行偏芯させた場合の片ボケの発生量を示す。

２．４

光学系設計例

上記に示した技術を用いて，ガラスモールド非球面レ

Fig.５から分かるようにガラスモールドを用いたTypeＡ

ンズを多用して設計した携帯電話向けズーム光学系をFig.６

はレンズブロックの誤差感度，レンズ面の誤差感度ともに示す。４枚のガラスモールド非球面レンズと１枚のプ良好に抑えられている。しかしプラスチックモールドをラスチックモールド非球面レンズの５枚で構成し，第１用いたTypeＣはレンズブロックの誤差感度は良好に抑え群がコンペンセータ及びフォーカス群，第２群がバリられているが，レンズ面単独の誤差感度は高い。ガラス

エータとして移動，第３群は固定の群である。複数のガモールドを用いることでより量産に適した光学系の設計ラスモールド非球面レンズを使用することで誤差感度をが可能となることがわかる。これは，ガラスモールドを低減し量産に適した1/3型３Ｍ撮像素子に対応した約３倍用いたTypeＡにおいては正レンズと負レンズの分散の差ズーム光学系を全長20mm程度で達成している。

が大きいガラスを選択出来るため，色収差補正のためにThird lens group (5th lens PM)必要な各レンズのパワーを弱くすることができるからである。また屈折率も高くできるため各レンズ面の曲率を小さくすることができる。このことにより誤差感度の低First lens group (1st, 2nd lens GM)減が可能となる。逆にプラスチックモールドレンズを用
いたTypeＣでは正レンズと負レンズの分散の差を大きくできないため，色収差補正のために必要な各レンズのパワーが強くなり，さらに屈折率も低い材料しか選べないため，各レンズ面の曲率が大きくなってしまう。このこ

Second lens group (3rd, 4th lens GM)とによりガラスモールドを使用した場合より誤差感度が大きくなる。このようにガラスモールド非球面レンズを用いることでコンパクトな光学系でありながら製造誤差Fig.6 Schematic of 3x zoom objectiveによる性能劣化の少ない量産性に優れたズーム光学系の設計が達成できた。

Type A

Type C

３ ズーム駆動用 SIDM アクチュエータ
次にコンパクトなズームレンズユニットを達成する為に重要なもう一つの要素技術である超小型のアクチュエータを紹介する。
３．１

SIDMアクチュエータ原理

我々は超小型ズームユニットに自社開発の圧電素子をType A: Sensitivity-controlled zoom lens system using
glass-mold lenses
Type C: Sensitivity-controlled zoom lens system using
plastic-mold lenses

用いた小型リニアアクチュエータであるSIDM（Smooth

Fig.4 Second lens group: Type A and Type C [1]（Fixed component）と圧電素子（Piezoelectric element）
及Impact Drive Mechanism）方式を採用した。SIDMの特徴として超小型，自己保持，静音，高精度が挙げられる。その駆動原理をFig.７に示す。SIDMの構成は固定部

80

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

び駆動軸（Friction shaft）の３部品を接合した本体と駆SIDMアクチュエータの駆動軸に各ズームレンズ群ユニッ

動軸に摩擦係合された移動体（Movable body）よりなるトが直結され駆動される。

（Fig.７−ａ）。圧電素子をゆっくりと伸ばすと駆動軸及び駆 動 軸 に 摩 擦 係 合 さ れ た 移 動 体 も 連 動 し て 移 動する（Fig.７−ｂ）。次に圧電素子を急速に縮めると駆動軸も急速に動く，この時駆動軸と移動体の間に滑りが生じ，移動体はほぼbの状態に留まる（Fig.７−ｃ）。a〜cの動きを繰り返すことで，移動体は駆動軸上を右側へ進んでいく。左側へ移動体を進める場合は，圧電素子の伸縮の速度を逆にすることで行なえる。

Above: SIDM for first lens group
Below: SIDM for second lens group
Fig.8 SIDMs for zoom lens unit

Fig.7 SIDM driving principle [2]４ まとめ

SIDMアクチュエータは上記のような簡単な機構で駆動

我々はガラスモールド非球面レンズを多用することできるため小型化が可能となる。またSIDMでは移動体がで，誤差感度を抑制し量産に適したレンズ枚数の少ない摩擦部材に摩擦力により固定されるため，精度良く移動コンパクトなズーム光学系の設計を達成した。さらに体を固定でき，そのためズームレンズ群が精度良く保持

SIDMを用いたコンパクトなアクチュエータの開発も行っされ，ズームレンズ群の位置誤差による光学性能の劣化た。これらの技術により，携帯電話に搭載可能な大きさを抑制することができる。

で高い信頼性と量産性をもったズームレンズユニットのさらに，ステッピングモーターの様な一般的な回転式開発に成功した。のアクチュエータでズーム駆動を行うためには，回転運

現在，屈曲光学系による薄型化光学設計，低コストで動を直進運動に変換する機構が別途必要になる。しかし高精度なガラスモールドレンズ製造方法，高精度レンズ

SIDMはリニアアクチュエータでありズームレンズ群を直組み立て方法等の開発を行っており，これらの技術開発

接，直線的に駆動できるため追加のメカ機構が必要無によって，ズームレンズユニットのさらなる高スペック

い。このためズームレンズユニットのコンパクト化と，化，小型化，低コスト化の達成をめざしている。

携帯電話の厳しい衝撃試験に耐えることが出来るレンズ●参考文献

ユニットを実現できる。

１）S.Ozawa, K.Matsusaka, R.Yoshida, T.Yuasa

３．２

ズームレンズ向けSIDMクチュエータ

我々はすでに，携帯電話向けの単焦点レンズにおいてUltra compact

zoom lens unit which uses glass-mold lenses
ICIS’06 proceedings p23− 24（2006）
２）R.Yoshida,Y.Okamoto and H.Okada,Development of Smooth

SIDMアクチュエータを用いたオートフォーカス機構を組Impact Drive Mechanism（2nd Report）− Optimization of wave-

み込んだレンズユニットを量産している。

form of driving voltate− ,今回メガピクセル以上のズームレンズ群駆動のため長J.Jpn.Soc.Precis.Eng.,68（4）,536 − 541（2002）

い駆動ストロークと，十分なトルクを持つSIDMを新たに開発した。Fig.８に今回開発したSIDMアクチュエータ（固定部，圧電素子，駆動軸）を示す。一つは第１レンズ群駆動用，もう一つは第２レンズ群駆動用のSIDMである。このSIDMの全長は約12mmと約17mmである。このKONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

81