镜筒、摄像单元和摄像设备的制作方法

本发明涉及镜筒、摄像单元和摄像设备，并且特别地涉及保持多个透镜组在光轴方向上前后移动的镜筒、包括该镜筒的摄像单元以及包括该摄像单元的摄像设备。

背景技术：

传统地，已知一种摄像设备，其中用于拍摄被摄体的相机单元被诸如圆顶等的壳体覆盖并且绕平摇轴线(panaxis)和俯仰轴线(tiltaxis)可转动地被支撑。通过使用该摄像设备，用户能够将相机单元的方向改变为期望的拍摄方向并且能够拍摄被摄体。对于该摄像设备，需要摄像单元(相机单元)的性能改进和尺寸减小。然而，例如，如果为了优化拍摄镜头和增加变焦倍率而改进构成摄像单元的镜筒的性能，则根据摄像器件的尺寸增加，镜筒的光路长度增加。结果，包括摄像单元和覆盖摄像单元的壳体的整个摄像设备的尺寸增加。作为该问题的解决方案，通过使用凸轮环在光轴方向上线性地移动多个透镜组来执行变焦的镜筒已知为改进摄像单元的性能并实现摄像单元的小型化的镜筒。

例如，在日本特开平6-324252号公报中记载的镜筒中，转动平行于光轴可转动地被支撑的螺杆以在光轴方向上移动设置有螺合入螺杆的套筒的第二组透镜保持环。另外，转动具有与第二组透镜保持环的凸轮从动件接合的凸轮槽的凸轮筒以在光轴方向上移动第三组透镜保持环或光圈保持环。此外，日本特开平7-306351号公报记载了一种镜筒，该镜筒包括：超声波马达，其具有在与光轴不同的轴线上的转动中心；以及凸轮环，其具有与所述超声波马达的转动中心同轴的转动中心，所述凸轮环被直接连接到超声波马达的输出构件并且被凸轮联接(cam-coupled)到移动透镜保持构件。在该镜筒中，通过利用超声波马达转动凸轮环，使移动透镜保持构件在光轴方向上移动。

然而，在现有技术中，在为了改进镜筒的性能而在光轴方向上移动更多透镜组的情况下，凸轮构件转动所需的扭矩增加，使得需要使用被构造成产生大扭矩的驱动源或使用齿轮等来增加扭矩。然而，这些方法导致由于驱动源的尺寸增加和部件数量的增加而使整个镜筒的尺寸增加的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种镜筒、摄像单元和摄像设备，其能够在抑制镜筒尺寸增加的同时有效地使多个透镜组在光轴方向上移动。

因此，本发明提供一种镜筒，其包括：多个保持构件，其分别保持光学部件，分别设置有凸轮从动件，并且以在光轴方向上可移动的方式被支撑；凸轮筒，其具有与所述凸轮从动件接合的凸轮槽，并且绕平行于光轴的轴线可转动地被保持；以及驱动单元，其被构造成在所述光轴方向上驱动所述多个保持构件中的一个保持构件，其特征在于，通过所述驱动单元在所述光轴方向上驱动所述一个保持构件，使所述凸轮筒转动，并且在所述光轴方向上驱动所述多个保持构件中的另一个保持构件，并且所述驱动单元包括振动型线性致动器，所述振动型线性致动器被构造成通过在振动器中产生的椭圆振动来产生推力以驱动所述一个保持构件。

一种摄像单元，其包括：镜筒；以及摄像器件，已通过所述镜筒的光在所述摄像器件上形成像，其特征在于，所述镜筒包括：多个保持构件，其分别保持光学部件，分别设置有凸轮从动件，并且以在光轴方向上可移动的方式被支撑；凸轮筒，其具有与所述凸轮从动件接合的凸轮槽，并且绕平行于光轴的轴线可转动地被保持；以及驱动单元，其被构造成在所述光轴方向上驱动所述多个保持构件中的一个保持构件，通过所述驱动单元在所述光轴方向上驱动所述一个保持构件，使所述凸轮筒转动，并且在所述光轴方向上驱动所述多个保持构件中的另一个保持构件，并且所述驱动单元包括振动型线性致动器，所述振动型线性致动器被构造成通过在振动器中产生的椭圆振动来产生推力以驱动所述一个保持构件。

一种摄像设备，其包括：摄像单元，其包括镜筒和摄像器件，已通过所述镜筒的光在所述摄像器件上形成像；两个第一驱动单元，其被构造成使所述摄像单元绕各自的与所述镜筒的光轴正交并且彼此正交的两个轴线转动；以及半球形盖，其被构造成覆盖所述摄像单元，其特征在于，所述镜筒包括：多个保持构件，其分别保持光学部件，分别设置有凸轮从动件，并且以在光轴方向上可移动的方式被支撑；凸轮筒，其具有与所述凸轮从动件接合的凸轮槽，并且绕平行于光轴的轴线可转动地被保持；以及第二驱动单元，其被构造成在所述光轴方向上驱动所述多个保持构件中的一个保持构件，通过所述第二驱动单元在所述光轴方向上驱动所述一个保持构件，使所述凸轮筒转动，并且在所述光轴方向上驱动所述多个保持构件中的另一个保持构件，并且所述第二驱动单元包括振动型线性致动器，所述振动型线性致动器被构造成通过在振动器中产生的椭圆振动来产生推力以驱动所述一个保持构件。

根据本发明，能够在抑制镜筒尺寸以及摄像单元的尺寸增加的同时有效地使多个透镜组在光轴方向上移动。

本发明的其它特征将从示例性实施方式的以下说明(参照附图)中变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的摄像单元的外部立体图。

图2是摄像单元在包括光轴的平面中的截面图。

图3是摄像单元的分解立体图。

图4是示出包括在摄像单元中的凸轮筒的凸轮槽的展开图。

图5是包括在摄像单元中的滤光器驱动机构的分解立体图。

图6是摄像单元在正交于光轴的平面中的截面图。

图7是包括摄像单元的监控相机在正交于光轴的平面中的截面图。

图8是示出包括在摄像单元中的凸轮从动件的周边结构的主视图。

图9是示出包括在摄像单元中的透镜组等的移动轨迹的图。

具体实施方式

以下将参照示出本发明的实施方式的附图详细说明本发明。

图1是根据本发明的实施方式的摄像单元1的外部立体图。为了便于说明，如图1所示，定义了彼此正交的x轴、y轴和z轴。将与摄像单元1的拍摄光轴o(以下称为“光轴o”)平行的轴线定义为x轴。定义x轴平行于处于图1所示的姿势的水平方向，其中将平行于竖直方向的轴线定义为z轴，并且将正交于x轴和z轴且平行于水平方向的轴线定义为y轴。

图2是示出摄像单元1的沿着包括光轴o并且平行于z轴的平面截取的截面图。图3是摄像单元1的分解立体图。摄像单元1包括从被摄体侧顺序布置以形成镜筒(拍摄光学系统)的光学部件，即，第一组透镜l1、第二组透镜l2、第三组透镜l3、第四组透镜l4、第五组透镜l5和滤光器l6。摄像单元1还包括摄像器件l7。已通过镜筒的光在摄像器件l7上形成像。

第一组透镜l1被固定从而不能在光轴方向上移动。第二组透镜l2、第三组透镜l3和第四组透镜l4中的每一组透镜均在光轴方向上移动从而执行变焦操作(变焦)。第五组透镜l5在光轴方向上移动从而执行聚焦操作(聚焦)。滤光器l6是例如ir截止滤光器或带通滤光器。滤光器l6在正交于光轴o的平面中移动，并且相对于光路被插入或拔出，从而透射或阻挡特定波长区域的光。摄像器件l7是将成像的光学像转换为由电信号组成的图像信号的诸如ccd传感器和cmos传感器的光电转换装置。

摄像单元1包括第一组筒10、第二组筒20、引导杆21和22、凸轮从动件23、齿条构件24、位置检测标尺25、第三组筒30、引导杆31、凸轮从动件33、光圈单元36、第四组筒40和引导杆41。摄像单元1还包括凸轮从动件43、第五组筒50、引导杆51和52、齿条构件54、滤光器保持架60和凸轮从动件63。摄像单元1还包括摄像器件保持架70、引导杆71和72、齿条构件74、位置检测标尺75、传感器基板76。

第一组筒10是保持第一组透镜l1的透镜保持构件。第二组筒20是保持第二组透镜l2的透镜保持构件。第二组筒20的套筒部与引导杆21接合以在光轴方向上引导第二组筒20，并且第二组筒20的u形槽与引导杆22接合以限制第二组筒20绕引导杆21的转动。凸轮从动件23、齿条构件24和位置检测标尺25安装于第二组筒20。第三组筒30是保持第三组透镜l3的透镜保持构件。第三组筒30的套筒部与引导杆31接合以在光轴方向上引导第三组筒30，并且第三组筒30的u形槽与引导杆22接合以限制第三组筒30绕引导杆31的转动。凸轮从动件33可转动地安装于第三组筒30。光圈单元36被固定到第三组筒30并驱动光圈叶片以改变孔径。

第四组筒40是保持第四组透镜l4的透镜保持构件。第四组筒40的套筒部与引导杆41接合以在光轴方向上引导第四组筒40，并且第四组筒40的u形槽与引导杆22接合以限制第四组筒40绕引导杆41的转动。凸轮从动件43可转动地安装于第四组筒40。第五组筒50是保持第五组透镜l5的透镜保持构件。第五组筒50的套筒部与引导杆51接合以在光轴方向上引导第五组筒50，并且第五组筒50的u形槽与引导杆52接合以限制第五组筒50绕引导杆51的转动。齿条构件54安装于第五组筒50。

滤光器保持架60是保持滤光器l6的保持构件。滤光器保持架60的套筒部与引导杆52接合以在光轴方向上引导滤光器保持架60，并且滤光器保持架60的u形槽与引导杆51接合以限制滤光器保持架60绕引导杆52的转动。凸轮从动件63可转动地安装于滤光器保持架60。摄像器件保持架70保持摄像器件l7。传感器基板76安装于摄像器件保持架70。摄像器件保持架70的套筒部与引导杆71接合以在光轴方向上引导摄像器件保持架70，并且摄像器件保持架70的u形槽与引导杆72接合以限制摄像器件保持架70绕引导杆71的转动。齿条构件74和位置检测标尺75安装于摄像器件保持架70。

摄像单元1包括凸轮筒80。图4是示出形成于凸轮筒80的凸轮槽的展开图。凸轮筒80设置有第二组凸轮槽82、第三组凸轮槽83、第四组凸轮槽84和滤光器凸轮槽86。第二组凸轮槽82与第二组筒20的凸轮从动件23接合。第三组凸轮槽83与第三组筒30的凸轮从动件33接合。第四组凸轮槽84与第四组筒40的凸轮从动件43接合。滤光器凸轮槽86与滤光器保持架60的凸轮从动件63接合。

摄像单元1包括固定筒101、后部筒102、引导杆保持构件103、滤光器插拔马达保持构件107、凸轮筒施力构件81、线性致动器111和112、光学传感器113和114以及步进马达115。

将第一组筒10、引导杆保持构件103和滤光器插拔马达保持构件107固定到固定筒101。将引导杆21、22、51、52、71和72夹持在固定筒101和后部筒102之间。将引导杆31和41夹持在固定筒101和引导杆保持构件103之间。凸轮筒施力构件81在光轴方向上对凸轮筒80施力。凸轮筒80通过凸轮筒施力构件81可转动地夹持在固定筒101和后部筒102之间，并且凸轮筒80的转动中心轴线平行于光轴o。

光学传感器113固定到固定筒101，光学传感器114固定到后部筒102。光学传感器113和114具有相同的结构。具有发光部和受光部的光学传感器113将在安装于第二组筒20的位置检测标尺25上反射的周期性亮/暗图案的光转换成电信号，并检测第二组筒20的位置。类似地，具有发光部和受光部的光学传感器114将在安装于摄像器件保持架70的位置检测标尺75上反射的周期性亮/暗图案的光转换成电信号，并检测摄像器件保持架70的位置。

在本实施方式中，各线性致动器111和112均为使用压电元件(电致伸缩元件)的振动型线性致动器，并且包括在光轴方向上可相对移动的滑块(滑动材料)和振动器(图中未示出)。然而，应注意，各线性致动器111和112不限于使用压电元件的振动型线性致动器。在振动型线性致动器中，如果具有预定频率的交流电压信号经由柔性印刷板(未示出)输入到振动器，则在振动器中产生大致椭圆形的运动(大致椭圆形的振动)。结果，能够在滑块和振动器之间的压力接触面上产生推力(驱动力)。通过该推力，在滑块和振动器中产生相对移动。

线性致动器111被固定到固定筒101，并且滑块和振动器中的在光轴方向上可移动的构件与齿条构件24接合。如果在线性致动器111中产生光轴方向上的推力，则第二组筒20经由齿条构件24在光轴方向上前后移动。如果第二组筒20在光轴方向上前后移动，则与第二组筒的凸轮从动件23接合的凸轮筒80转动。如果凸轮筒80转动，则第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60分别经由与凸轮筒80接合的凸轮从动件33、43和63在光轴方向上前后移动。即，能够通过一个线性致动器111在光轴方向上驱动多个光学部件(第二组透镜l2、第三组透镜l3、第四组透镜l4和滤光器l6)。

线性致动器112被固定到后部筒102，并且滑块和振动器中的在光轴方向上可移动的构件与齿条构件74接合。如果在线性致动器112中产生光轴方向上的推力，则摄像器件保持架70经由齿条构件74在光轴方向上前后移动。即，通过被驱动的线性致动器111和112，第二组筒20、第三组筒30、第四组筒40、滤光器保持架60和摄像器件保持架70在光轴上前后移动，使得能够执行变焦操作。

步进马达115被固定到固定筒101并与齿条构件54接合。如果步进马达115被驱动，则产生光轴方向的推力，从而经由齿条构件54在光轴方向上前后移动第五组筒50，使得能够执行聚焦操作。

摄像单元1包括滤光器插拔马达116和117、电气配线104、透镜基板105和导热构件106。滤光器插拔马达116和117被固定到滤光器插拔马达保持构件107。滤光器插拔马达116和117是形成滤光器驱动机构的一部分部件。图5是滤光器驱动机构的分解立体图。滤光器驱动机构还包括ir截止滤光器64、滤光器保持架65和67、带通滤光器66、盖构件68和接合臂118和119。

ir截止滤光器64具有截至红外光的光学特性。滤光器保持架65保持ir截止滤光器64。带通滤光器66具有透射特定波长区域的光的光学特性。滤光器保持架67保持带通滤光器66。滤光器保持架65和67在盖构件68和滤光器保持架60之间被可移动地保持在正交于光轴o的平面中。接合臂118和119分别联接到滤光器插拔马达116和117。另外，接合臂118和119分别与设置于滤光器保持架65和67的接合孔65a和67a接合。

通过驱动滤光器插拔马达116和117并由此使其输出轴绕平行于光轴o的轴线转动，使接合臂118和119转动并由此使滤光器保持架65和67转动。通过控制滤光器插拔马达116和117的转动方向，能够相对于光路插入和拔出滤光器保持架65和67。在滤光器保持架65(ir截止滤光器64)被插入光路的情况下，已经被截止红外光的光入射到摄像器件l7。结果，获得了适于产生正常彩色像的光。在滤光器保持架67(带通滤光器66)被插入光路的情况下，只有诸如近红外光的特定波长区域的光入射到摄像器件l7，使得能够产生具有较高对比度的像。在从光路拔出滤光器保持架65和67的情况下，包括红外光的光入射到摄像器件l7，从而获得了较大量的光，因此，例如，即使在诸如夜间的低照明环境下也能够进行拍摄。

固定到固定筒101的透镜基板105经由柔性印刷板(未示出)向需要供电的部件供电并在所述部件之间输入和输出电信号。应注意，需要经由柔性印刷板供电的部件是线性致动器111和112、步进马达115、滤光器插拔马达116和117、光学传感器113和114等。电气配线104弯曲成u字形。电气配线104的一端连接到传感器基板76并固定，电气配线104的另一端连接到透镜基板105并固定。电气配线104对由传感器基板76保持的摄像器件l7输入和输出电信号。电气配线104的曲率被设计成使得线性致动器112的使摄像器件保持架70在光轴方向上移动所必须的推力不会过度增加。

导热构件106由诸如石墨片的具有高导热性的柔性片构件制成。导热构件106的一端固定到传感器基板76，导热构件106的另一端固定到散热器(未示出)。导热构件106通过将由传感器基板76产生的热传导到散热器来抑制摄像器件l7的温度升高。导热构件106沿着光轴o在摄像器件保持架70的后侧(目镜侧)折叠成波纹管(bellows)状，使得线性致动器112的使摄像器件保持架70在光轴方向上移动所必须的推力不会过度增加。

图6是当从摄像单元1的前侧观察时摄像单元1的沿着与光轴o正交的平面(yz平面)截取的横截面的截面图。线性致动器111和112相对于光轴o布置于摄像单元1的+y方向侧面(第一侧面)。步进马达115布置于摄像单元1的-y方向侧面。凸轮筒80布置于摄像单元1的+z方向侧面(第二侧面)附近。+y方向侧面的与光轴o正交的边的长度比+z方向侧面的与光轴o正交的边的长度长。电气配线104在大致平行于xy平面的平面中弯曲的同时布置于摄像单元1的-z方向侧面。

图7是作为包括摄像单元1的摄像设备的示例的监控相机200的沿着与光轴o正交的平面截取的截面图。监控相机200包括圆顶201、壳体202、内盖203、相机壳体204、俯仰单元205和平摇单元206。摄像单元1被保持在相机壳体204中。俯仰单元205具有由步进马达等(未示出)形成的俯仰驱动部，并且绕俯仰轴线t可转动地支撑相机壳体204。通过驱动俯仰单元205并沿俯仰方向电驱动相机壳体204，使容纳在相机壳体204中的摄像单元1被俯仰驱动。

内盖203由平摇单元206支撑，同时内盖203覆盖相机壳体204和俯仰单元205。另外，俯仰单元205由平摇单元206支撑。平摇单元206具有由步进马达等(未示出)形成的平摇驱动部并绕平摇轴线p可转动地支撑俯仰单元205。通过驱动平摇单元206并沿平摇方向电驱动俯仰单元205，使容纳在相机壳体204中的摄像单元1被平摇驱动。以这种方式，在监控相机200中，使摄像单元1能够绕平摇轴线p和俯仰轴线t两个轴线中的各个轴线转动。壳体202将平摇单元206保持在其中，容纳内盖203，并保持圆顶201。圆顶201是例如由透明或半透明塑料形成的半球形构件并且覆盖内盖203。

图8是示出凸轮从动件23的周边结构的主视图。凸轮从动件23以绕包括在与光轴o正交的yz平面中的转动轴线26可转动的方式安装于第二组筒20。在线性致动器111的振动器中产生的振动的方向是±y方向(xy平面内的大致椭圆形振动)，并且该方向是相对于第二组凸轮槽82插入或拔出凸轮从动件23的方向。因此，能够防止线性致动器111中产生的振动传递到凸轮筒80。

如上所述，在摄像单元1中，通过利用线性致动器111的推力在光轴方向上驱动第二组筒20来使凸轮筒80转动，并且使第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60在光轴方向上前后移动。通过该构造，能够由一个线性致动器111驱动多个透镜组而不需要增加驱动部的尺寸或使用齿轮等的减速。也就是，能够在不增加摄像单元1的尺寸的情况下驱动许多透镜组。

另外，第二组凸轮槽82具有大致线性的形状。也就是，第二组凸轮槽82的交叉角的方向是恒定的。另外，如图4所示，第二组凸轮槽82的凸轮交叉角82a的角度大致恒定在约50°。以这种方式，通过将凸轮交叉角82a的角度设定为相对较大的值并使凸轮交叉角82a大致恒定，能够将线性致动器111的推力有效地转换为凸轮筒80的转动力。应注意，尽管凸轮交叉角82a的角度被描述为约50°以上，但凸轮交叉角82a的角度不限于此并且能够设定为例如大于45°的角度。根据通过凸轮筒80的转动使透镜组在光轴方向上移动所需的移动距离来确定凸轮交叉角82a的角度的上限值。

图9是示出构成摄像单元1的摄像光学系统的第一组透镜l1至第五组透镜l5、滤光器l6和摄像器件l7的移动轨迹的图。图9所示的角度θ2(zm)表示第二组凸轮槽82的在变焦位置zm(在第二组凸轮槽82中的凸轮从动件的接合位置)处的凸轮交叉角。应注意，变焦位置zm是在能够改变拍摄场角度的范围内的任意变焦位置，即，在tele侧(远摄侧)和wide侧(广角侧)之间的范围内的任意变焦位置。角度θ3(zm)表示第三组凸轮槽83的在变焦位置zm处的凸轮交叉角。角度θ4(zm)表示第四组凸轮槽84的这变焦位置zm处的凸轮交叉角。角度θ6(zm)表示滤光器凸轮槽86的在变焦位置zm处的凸轮交叉角。

如上所述，第二组筒20、第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60通过线性致动器111的推力在光轴方向上移动。此时，期望实现满足|θ2(zm)|>|θn(zm)|(其中n＝3、4、6)的移动轨迹。以这种方式，能够通过线性致动器111的推力有效地驱动第二组筒20、第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60。另外，考虑到在第二组筒20、第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60以及与它们接合的引导杆之间的各自的滑动载荷，期望采用以下构造。也就是，第二组筒20、第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60以及与它们接合的引导杆之间的滑动部的摩擦系数被定义为μn(其中n＝2、3、4、6)。此时，期望的是选择满足cot(θ2(zm))+μ2<cot(θn(zm))-μn(n＝3、4、6)的移动轨迹和摩擦系数。这样，能够通过线性致动器111的推力更有效地驱动第二组筒20、第三组筒30、第四组筒40和滤光器保持架60。

如上所述，在根据本发明的摄像单元中，能够在光轴方向上有效地移动需要在光轴方向上移动的诸如透镜组的多个部件。因此，例如，即使在拍摄光学系统中布置更多的透镜组以增加变焦倍率的情况下，也不需要构造用于产生较大扭矩的马达(驱动源)或速度转换齿轮。另外，例如，即使在需要增加各种透镜的尺寸以使用具有宽广的光接收区域的摄像器件的情况下，也能够抑制马达的尺寸增大。也就是，利用根据本发明的摄像单元，能够在抑制整个摄像单元的尺寸增加的同时改善摄像单元的性能。

尽管已经基于优选的实施方式详细说明了本发明，但本发明不限于这些特定的实施方式，并且在不脱离本发明的主旨的范围内的各种实施方式也包括在本发明中。例如，在上述摄像单元1中，通过步进马达115驱动第五组筒50，并通过线性致动器112驱动摄像器件保持架70。相反，摄像器件保持架70可以由步进马达115驱动，并且第五组筒50可以由线性致动器112驱动，而不需要改变线性致动器112和步进马达115的配置位置。另外，在上述实施方式中，说明的是摄像器件保持架70在光轴方向上可移动。然而，摄像器件保持架70可以固定到光轴o上的预定位置。在该情况下，能够通过减少驱动机构来实现摄像单元的尺寸小型化、轻量化和省电化。

其它实施方式

虽然已经参考示例性实施方式说明了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以包含所有这些修改以及等同的结构和功能。

本申请要求2017年11月8日提交的日本专利申请no.2017-215594的优先权，其全部内容通过引用并入本文。