JP2010232713A

JP2010232713A - 光学装置

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Publication number: JP2010232713A
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Inventors: Toshifumi Uragami; 俊史浦上; Kaishi Ohashi; 海史大橋
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Abstract

【課題】圧電部材により被振動部材を振動させる際に、狙いの位置に節を発生させる周波数を正確に検出できるようにする。
【解決手段】光学ローパスフィルタ４１０の撮影有効領域外の両側に一対の圧電素子４３０ａ及び４３０ｂを固着配置している。狙いの振動モードでは、光学ローパスフィルタ４１０の縦方向（短辺に平行な方向）に節が発生するｍ次振動モードに加え、上下に１つずつ横方向に節が発生するので、例えば下側の横方向の節を軸として対称に、同一形状の振動検出電極Ｓａ及びＳｂを圧電素子４３０ａ及び４３０ｂの少なくともいずれか一方上に配置する。これにより、振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧値がいずれも同電圧で、かつ、所定値以上であり、さらに両者が逆位相であるならば、そのときの周波数は狙いの振動モードを発生させる周波数であると判定することができる。
【選択図】図１４

Description

本発明は、撮像装置等の光学装置において、光軸上に配設された光学部材を振動させて、その表面に付着した塵埃等の異物を除去する技術に関する。

被写体像を電気信号に変換して撮像するデジタルカメラ等の撮像装置では、撮影光束を撮像素子で受光し、その撮像素子から出力される光電変換信号を画像データに変換して、メモリカード等の記録媒体に記録する。撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等が用いられる。

このような撮像装置では、撮像素子の被写体側に、光学ローパスフィルタや赤外吸収フィルタが配置されるが、これらフィルタの表面に塵埃等の異物が付着すると、その付着部分が黒い点となって撮影画像に写り込み、画像の見栄えが低下してしまう。

特にレンズ交換可能なデジタル一眼レフカメラでは、シャッタやクイックリターンミラーといった機械的な作動部が撮像素子の近傍に配置されており、それらの作動部から発生した塵埃等の異物が撮像素子やフィルタの表面に付着することがある。また、レンズ交換時に、レンズマウントの開口から塵埃等の異物がカメラ本体内に入り込み、これが付着することもある。

このような現象を回避するために、特許文献１には、撮像素子の被写体側に撮影光束を透過させる防塵フィルタを設け、これを圧電素子で振動させることにより、防塵フィルタの表面に付着した塵埃等の異物を除去する技術が提案されている。

この際、塵埃等の異物を効率よく除去するためには、圧電素子により防塵フィルタを共振周波数で振動させて、振動の振幅を大きくさせることが望ましい。しかし、共振周波数は防塵フィルタの外形、板厚、物性値等により決定されるため、加工精度や製造工程等のバラツキ発生要因により、各々の防塵フィルタごとに共振周波数は異なる。

そこで、特許文献１に開示されたカメラにおいては、円形の防塵フィルタ（防塵用光学部材）の周縁部に振動を与えるための圧電素子を配置し、光学部材の振動状態を検出するために、圧電素子上に駆動用とは別に検出用の電極を１つ設ける。そして、その電極電圧をモニタしながら共振周波数を探し出し、その共振周波数を用いて光学部材を振動させ、光学部材の表面に付着した塵埃等を除去するようにしている。

特開２００３−３３３３９５号公報

一般的に、防塵フィルタを振動させる周波数を変化させると、様々な振動モードが現れる。そして、各々の振動モードに応じて、振動の節の発生位置は異なる。節は振幅がゼロの箇所であるので、節の発生位置によっては、防塵フィルタの異物除去能力を阻害してしまう。ゆえに、狙いの振動モードの近傍の周波数において、除去能力を阻害してしまう振動モードが発生することがしばしば起こりうる。特に、円形よりも矩形の防塵フィルタを振動させる場合、その現象が顕著である。よって、狙いの振動モードを発生させる周波数を正確に探し出すことが重要である。さらに具体的に言うと、狙いの位置に節が発生する周波数を探し出すことが重要である。

しかしながら、上述した振動検出用の電極を１つ設ける構成では、狙いの位置に節が発生する周波数であるか否かを判断することは困難である。つまり、狙いの振動モードを発生させる周波数を正確に把握することは困難である。

本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、圧電部材により被振動部材を振動させる際に、狙いの位置に節を発生させる周波数を正確に検出できるようにすることを目的とする。

本発明の光学装置は、被振動部材と、前記被振動部材の表面に付着した異物を除去するために前記被振動部材を振動させる圧電部材であって、第一面に設けられた駆動電極、前記第一面に前記駆動電極とは独立して設けられた第一の振動検出電極及び第二の振動検出電極、及び前記第一面の裏面である第二面に設けられたグランド電極を有する圧電部材と、前記駆動電極に接続され、前記圧電部材を駆動する駆動手段と、前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極の信号に基づいて前記被振動部材の振動状態を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段により検出された結果に基づいて前記被振動部材が所定の振動モードで振動しているか否かを判定する判定手段とを備え、前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極は同一形状であり、かつ、前記所定の振動モードにおいて発生する所定の振動の節を軸として対称に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、圧電部材により被振動部材を振動させる際に、狙いの振動モードを発生させる、つまり狙いの位置に節を発生させる周波数を正確に検出することができる。これにより、被振動部材の表面に付着した塵埃等の異物の除去を効果的に行うことが可能になる。

本実施の形態に係るデジタル一眼レフカメラの電気的構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る撮像ユニットまわり保持構造を示すためのカメラ内部の概略構成を示す分解斜視図である。図２における撮像ユニットの構成を示す分解斜視図である。図３における圧電素子の詳細を説明するための図である。本実施の形態における光学ローパスフィルタに励起される２つの振動モードの周波数と振幅の関係を示すグラフである。ｍが奇数の場合のｍ次及びｍ＋１次の振動モード形状、並びに圧電素子に印加される電圧を示す図である。ｍが偶数の場合のｍ次及びｍ＋１次の振動モード形状、並びに圧電素子に印加される電圧を示す図である。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタに対して、９次と１０次の振動モードを同時に励起する場合を説明するための図である。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタにおいて、２つの振動モードを時間位相を９０°ずらして同時に励起した場合の各時間位相での挙動を示すグラフである。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタにおいて、２つの振動モードを時間位相を９０°ずらして同時に励起した場合の各時間位相での挙動を示すグラフである。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタにおいて、２つの振動モードを時間位相を９０°ずらして同時に励起した場合の各時間位相での挙動を示すグラフである。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタにおいて、２つの振動モードを時間位相を９０°ずらして同時に励起した場合の各時間位相での挙動を示すグラフである。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタの振動モードの概略図である。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタの振動モードを圧電素子と共に表した概略図である。本実施の形態に係る圧電素子の振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧波形を示す図である。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタに搬送振動を発生させる周波数を決定する動作を説明するためのフローチャートである。本実施の形態に係る光学ローパスフィルタの表面に付着した塵埃等の異物を除去する動作を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
＜カメラの構成＞
図１は、本実施の形態に係る光学装置としての撮像装置、具体的にはデジタル一眼レフカメラの主要部の電気的構成を示すブロック図である。図１において、カメラ本体に内蔵されたマイクロコンピュータからなる中央処理装置（以下、「ＭＰＵ」という。）１００は、カメラの動作制御を司るものであり、各要素に対して様々な処理や指示を実行する。

ＭＰＵ１００には、ミラー駆動回路１０１、焦点検出回路１０２、シャッタ駆動回路１０３、映像信号処理回路１０４、スイッチセンサ回路１０５、測光回路１０６が接続されている。また、ＬＣＤ駆動回路１０７、バッテリチェック回路１０８、時刻計測回路１０９、電力供給回路１１０、圧電素子駆動回路１１１、振動検出回路１１２が接続されている。これらの回路は、ＭＰＵ１００の制御により動作するものである。

ＭＰＵ１００は、撮影レンズユニット２００ａ内のレンズ制御回路２０１とマウント接点２１を介して通信を行う。マウント接点２１は、撮影レンズユニット２００ａが接続されるとＭＰＵ１００へ信号を送信する機能も有する。これにより、レンズ制御回路２０１は、ＭＰＵ１００との間で通信を行い、ＡＦ駆動回路２０２及び絞り駆動回路２０３を介して撮影レンズユニット２００ａ内の撮影レンズ２００及び絞り２０４の駆動を行う。なお、図１では便宜上１枚の撮影レンズ２００のみを図示しているが、実際は多数のレンズ群によって構成される。

ＡＦ駆動回路２０２は、例えばステッピングモータによって構成され、レンズ制御回路２０１の制御により撮影レンズ２００内のフォーカスレンズ位置を変化させ、撮像素子３３に撮影光束の焦点を合わせるように調整する。絞り駆動回路２０３は、例えばオートアイリス等によって構成され、レンズ制御回路２０１の制御により絞り２０４を変化させ、光学的な絞り値を得る。

メインミラー６は、図１に示す撮影光軸に対して４５°の角度に保持された状態で、撮影レンズ２００を通過する撮影光束をペンタダハミラー２２へ導くと共に、その一部を透過させてサブミラー３０へ導く。サブミラー３０は、メインミラー６を透過した撮影光束を焦点検出センサユニット３１へ導く。

ミラー駆動回路１０１は、例えばＤＣモータとギヤトレイン等によって構成され、メインミラー６を、ファインダにより被写体像を観察可能とする位置と、撮影光束から待避する位置とに駆動する。メインミラー６が駆動すると、同時にサブミラー３０も、焦点検出センサユニット３１へ撮影光束を導く位置と、撮影光束から待避する位置とに移動する。

焦点検出センサユニット３１は、不図示の結像面近傍に配置されたフィールドレンズ、反射ミラー、２次結像レンズ、絞り、複数のＣＣＤからなるラインセンサ等によって構成され、位相差方式の焦点検出を行う。焦点検出センサユニット３１から出力される信号は、焦点検出回路１０２へ供給され、被写体像信号に換算された後、ＭＰＵ１００に送信される。ＭＰＵ１００は、被写体像信号に基づいて位相差検出法による焦点検出演算を行う。そして、デフォーカス量及びデフォーカス方向を求め、これに基づいて、レンズ制御回路２０１及びＡＦ駆動回路２０２を介して撮影レンズ２００内のフォーカスレンズを合焦位置まで駆動する。

ペンタダハミラー２２は、メインミラー６により反射された撮影光束を正立正像に変換反射する。撮影者はファインダ光学系を介してファインダ接眼窓１８から被写体像を観察することができる。ペンタダハミラー２２は、撮影光束の一部を測光センサ２３へも導く。測光回路１０６は、測光センサ２３の出力を得て、観察面上の各エリアの輝度信号に変換し、ＭＰＵ１００に出力する。ＭＰＵ１００は、輝度信号に基づいて露出値を算出する。

シャッタユニット（機械フォーカルプレーンシャッタ）３２は、撮影者がファインダにより被写体像を観察している時には、シャッタ先幕が遮光位置にあると共に、シャッタ後幕が露光位置にある。次いで、撮影時には、シャッタ先幕が遮光位置から露光位置へ移動する露光走行を行って被写体からの光を通過させ、撮像素子３３で撮像を行う。所望のシャッタ秒時の経過後、シャッタ後幕が露光位置から遮光位置へ移動する遮光走行を行って撮影を完了する。機械フォーカルプレーンシャッタ３２は、ＭＰＵ１００の指令を受けたシャッタ駆動回路１０３により制御される。

撮像ユニット４００は、光学ローパスフィルタ４１０、圧電素子４３０、撮像素子３３が後述する他の部品と共にユニット化されたものである。撮像素子３３は、被写体の光学像を光電変換して電気信号にするものであり、本実施の形態ではＣＭＯＳセンサが用いられるが、その他にもＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型及びＣＩＤ型等様々な形態があり、いずれの形態の撮像デバイスを採用してもよい。撮像素子３３の前方に配置された光学ローパスフィルタ４１０は、水晶からなる１枚の複屈折板であり、その形状は矩形状である。圧電素子４３０は、単板の圧電素子（ピエゾ素子）であり、ＭＰＵ１００の指示を受けた圧電素子駆動回路１１１により加振され、その振動を光学ローパスフィルタ４１０に伝えるように構成されている。

クランプ／ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路３４は、Ａ／Ｄ変換する前の基本的なアナログ処理を行うものであり、クランプレベルを変更することも可能である。ＡＧＣ（自動利得調整装置）３５は、Ａ／Ｄ変換する前の基本的なアナログ処理を行うものであり、ＡＧＣ基本レベルを変更することも可能である。Ａ／Ｄ変換器３６は、撮像素子３３のアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。

映像信号処理回路１０４は、デジタル化された画像データに対してガンマ／ニー処理、フィルタ処理、モニタ表示用の情報合成処理等、ハードウエアによる画像処理全般を実行する。この映像信号処理回路１０４からのモニタ表示用の画像データは、カラー液晶駆動回路１１３を介してカラー液晶モニタ１９に表示される。また、映像信号処理回路１０４は、ＭＰＵ１００の指示に従って、メモリコントローラ３８を通じてバッファメモリ３７に画像データを保存することもできる。さらに、映像信号処理回路１０４は、ＪＰＥＧ等の画像データ圧縮処理を行うこともできる。連写撮影等、連続して撮影が行われる場合は、一旦バッファメモリ３７に画像データを格納し、メモリコントローラ３８を通して未処理の画像データを順次読み出すこともできる。これにより、映像信号処理回路１０４は、Ａ／Ｄ変換器３６から入力されてくる画像データの速度に関わらず、画像処理や圧縮処理を順次行うことができる。

メモリコントローラ３８は、外部インタフェース４０から入力される画像データをメモリ３９に記憶し、メモリ３９に記憶されている画像データを外部インタフェース４０から出力する機能を有する。メモリ３９としては、カメラ本体に着脱可能なフラッシュメモリ等が用いられる。

スイッチセンサ回路１０５は、各スイッチの操作状態に応じて入力信号をＭＰＵ１００に送信する。スイッチＳＷ１（７ａ）は、レリーズボタンの第１ストローク（半押し）によりＯＮする。スイッチＳＷ２（７ｂ）は、レリーズボタンの第２ストローク（全押し）によりＯＮする。スイッチＳＷ２（７ｂ）がＯＮされると、撮影開始の指示がＭＰＵ１００に送信される。また、スイッチセンサ回路１０５には、メイン操作ダイヤル８、サブ操作ダイヤル２０、撮影モード設定ダイヤル１４、メインスイッチ４３、クリーニング指示操作部材４４が接続されている。クリーニング指示操作部材４４は、光学ローパスフィルタ４１０の表面に付着した塵埃等の異物を手動で除去するための動作を指示するためのものである。

ＬＣＤ駆動回路１０７は、ＭＰＵ１００の指示に従って、ＬＣＤ表示パネル９やファインダ内液晶表示装置４１を駆動する。

バッテリチェック回路１０８は、ＭＰＵ１００の指示に従って、バッテリチェックを行い、その検出結果をＭＰＵ１００に送信する。電源４２は、カメラの各要素に対して電源を供給する。

時刻計測回路１０９は、メインスイッチ４３がＯＦＦされて次にＯＮされるまでの時間や日付を計測し、ＭＰＵ１００からの指示に従って、計測結果をＭＰＵ１００に送信する。

＜異物除去構造＞
次に、本実施の形態における光学ローパスフィルタ４１０を加振する異物除去構造について説明する。図２は、本実施の形態に係る撮像ユニット４００まわり保持構造を示すためのカメラ内部の概略構成を示す分解斜視図である。図３は、図２における撮像ユニット４００の構成を概略的に示す分解斜視図である。

図２において、カメラ本体の骨格となる本体シャーシ３００の被写体側には、被写体側から順に、ミラーボックス５、シャッタユニット３２が配設される。また、本体シャーシ３００の撮影者側には、撮像ユニット４００が配設される。撮像ユニット４００は、撮影レンズユニット２００ａが取り付けられる基準となるマウント部２の取付面に撮像素子３３の撮像面が所定の距離を空けて且つ平行になるように調整されて固定される。

図３において、光学ローパスフィルタ４１０は、水晶からなる１枚の複屈折板であり、その形状は矩形状である。この光学ローパスフィルタ４１０が本発明でいう板状の矩形部材をなす被振動部材であり、撮像素子３３の前方に光軸上に配設された光学部材に相当するものである。光学ローパスフィルタ４１０は、撮影有効領域外の両側に一対の圧電素子４３０ａ及び４３０ｂを配置し、撮影光軸中心に対して直交する方向（カメラ左右方向）は対称である。このようにした光学ローパスフィルタ４１０の表面には、光学的なコーティングが施されている。

圧電素子４３０ａ及び４３０ｂは、電圧の印加により光軸と直交する方向に主として伸縮振動し、光学ローパスフィルタ４１０を振動させる。圧電素子４３０ａ及び４３０ｂは、光学ローパスフィルタ４１０の向かい合う二辺近傍にそれぞれ接着される（貼着される）。より詳しくは、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂは、単板の矩形の短冊形状を呈し、光学ローパスフィルタ４１０の周縁部において、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂの長辺が光学ローパスフィルタ４１０の短辺（側辺）に平行になるように配置されて接着保持される。すなわち、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂは、光学ローパスフィルタ４１０のカメラ左右方向の辺の付近に平行に貼着され、辺に平行な複数の節部を有するように光学ローパスフィルタ４１０を波状に振動させる。この圧電素子４３０ａ及び４３０ｂが本発明でいう圧電部材に相当するものである。

光学ローパスフィルタ保持部材４２０は、樹脂製又は金属製であり、光学ローパスフィルタ４１０を保持し、撮像素子保持部材５１０にビス固定される。

付勢部材４４０は、光学ローパスフィルタ４１０及び不図示の遮光マスクを撮像素子３３の方向に付勢し、光学ローパスフィルタ保持部材４２０に係止される。付勢部材４４０は、カメラ本体のグランドに接地され、光学ローパスフィルタ４１０の表面（光学的なコーティングが施された面）もカメラ本体のグランドに接地される。これにより、光学ローパスフィルタ４１０の表面への塵埃等の静電気的な付着を抑制することができる。

弾性部材４５０は、断面が略円形の枠状を呈し、光学ローパスフィルタ４１０と光学ローパスフィルタ保持部材４２０とで挟まれて密着保持される。この密着力は、付勢部材４４０の撮像素子３３方向への付勢力により決定される。なお、弾性部材４５０はゴムでもよいし、弾性体であれば、ポロンやプラスチック等の高分子重合体を用いてもよい。

光学部材４６０は、位相板（偏光解消板）と赤外カットフィルタと光学ローパスフィルタ４１０に対して屈折方向が９０°異なる複屈折板とを貼り合わせた光学部材であり、光学ローパスフィルタ保持部材４２０に接着固定される。

撮像素子保持部材５１０は、矩形の開口部を有する板状を呈し、その開口部に撮像素子３３を露出させるように撮像素子３３が固着する。撮像素子保持部材５１０の周囲には、ミラーボックス５に３ヵ所でビス固定するための腕部が設けられている。

マスク５２０は、撮像素子３３に撮影光路外からの余計な光が入射することを防ぐためのものであり、光学ローパスフィルタ保持部材４２０と撮像素子３３とで挟まれて密着保持される。

左右一対の撮像素子付勢部材５３０は、板バネ状であり、撮像素子保持部材５１０にビス固定され、撮像素子３３を撮像素子保持部材５１０に押し付ける。

以上の構成をとることにより、光学ローパスフィルタ４１０は、付勢部材４４０と弾性部材４５０とで挟み込まれて振動自在に支持される。

＜圧電素子の電極配置＞
図４は、図３における圧電素子４３０ａ及び４３０ｂの詳細を説明するための図である。図４に示すように、圧電素子４３０上には電極が配置されている。圧電素子４３０のＢ面（本発明でいう第一面）は、光学ローパスフィルタ４１０に振動を励起するための＋相と、振動検出のためのＳａ相及びＳｂ相と、Ｇ相とに分割されている。これらの＋相、Ｓａ相、Ｓｂ相、Ｇ相が、それぞれ本発明でいう駆動電極、第一の振動検出電極、第二の振動検出電極、グランド電極に相当するものである。また、圧電素子４３０のＣ面（本発明でいう第一面の裏面である第二面）は、不図示の導電材等により電気的に接続されてＢ面のＧ相と同電位に保たれている。

Ｂ面には不図示の圧電素子用フレキシブルプリント基板が接着等により固着され、それぞれの電極に接続される。＋相は制御回路である圧電素子駆動回路１１１が接続され、回路から周期的な電圧が印加されることにより圧電素子４３０は伸縮運動する。また、Ｇ相はグランドに接続される。また、Ｓａ相、Ｓｂ相はそれぞれ独立して振動検出回路１１２に接続される。圧電素子駆動回路１１１が本発明でいう駆動手段、振動検出回路１１２が本発明でいう振動検出手段に相当するものである。

Ｓａ相及びＳｂ相は振動検出相であり、圧電素子４３０が伸縮することにより発生する分極電荷（圧電効果）を取り出すための相である。このＳａ相及びＳｂ相は同一形状であり、詳しくは後述するが、光学ローパスフィルタ４１０を狙いの振動モードで振動させた際に発生する振動の節を軸として対称に配置されている。

このように電極配置された圧電素子４３０のＣ面が光学ローパスフィルタ４１０に接着等により固着され、圧電素子４３０と光学ローパスフィルタ４１０とが一体的に運動するように構成されている。よって、圧電素子４３０に周期的な電圧を印加することで、光学ローパスフィルタ４１０を振動させることができる。

＜振動の説明＞
次に、図５〜図１２を用いて、本実施の形態における光学ローパスフィルタ４１０の振動の説明を行う。本実施の形態では、塵埃等の異物を搬送することのできる振動を光学ローパスフィルタ４１０に発生させ、異物を除去している。具体的に言うと、光学ローパスフィルタ４１０に接着された圧電素子４３０ａ及び４３０ｂを、次数の１つ異なる二つの曲げ振動を、時間位相をずらして励起することによって異物の搬送を行っている。なお、搬送動作の原理の説明に目的を絞るため、必要最小限の構成である、光学ローパスフィルタ４１０、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂの構成で説明を行う。

図５は、本実施の形態における光学ローパスフィルタ４１０に励起される２つの振動モードの周波数と振幅の関係を示すグラフである。図５に示すように、ｆ（ｍ）で示される周波数でｍ次の振動モードが励起され、ｆ（ｍ＋１）で示される周波数でｍ＋１次の振動モードが励起される。ここで、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂに印加する電圧の周波数ｆをｆ（ｍ）＜ｆ＜ｆ（ｍ＋１）に設定すると、ｍ次のモードとｍ＋１次のモード両方の共振を利用することができる。ｆをｆ＜ｆ（ｍ）に設定すると、ｍ次の共振を利用することはできるが、ｆ（ｍ＋１）次の共振点から離れるため、ｍ＋１次モードの振幅を大きくすることは困難となる。また、ｆ（ｍ＋１）＜ｆとした場合は、ｍ＋１次のモードのみ振幅が大きくなってしまう。本実施の形態では、両方の振動モードを利用するため、周波数ｆはｆ（ｍ）＜ｆ＜ｆ（ｍ＋１）となる範囲で設定する。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、ｍが奇数の場合のｍ次及びｍ＋１次の振動モード形状、並びに圧電素子４３０ａ及び４３０ｂに印加される電圧を示す図である。また、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、ｍが偶数の場合のｍ次及びｍ＋１次の振動モード形状、並びに圧電素子４３０ａ及び４３０ｂに印加される電圧を示す図である。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、ｍが奇数のときの例としてｍ＝９の場合を示す。図６（Ａ）に示すように、それぞれのモードで圧電素子４３０の長手方向に平行な向きに（同一方向に）複数の節が等間隔で現れる。図６（Ｂ）には、それぞれのモードで圧電素子４３０ａ及び４３０ｂに印加される交流電圧の振幅と時間的位相が、実数成分と虚数成分で表されている。（１）はｍ次の振動モードの、（２）はｍ＋１次の振動モードの、（３）はｍ＋１次の振動モードを９０°時間位相をずらしたものの、交流電圧を示している。なお、ここでは、ある周波数の交流電圧に対するｍ次振動モードとｍ＋１次振動モードの振幅比をＡ：１として、２つのモードで同じ振幅を出すために、各モードの電圧をｍ次の振動モードの振幅で規格化している。光学ローパスフィルタ４１０にｍ次の振動モードと、時間位相が９０°異なるｍ＋１次の振動モードを同時に励起させるためには、（１）と（３）の交流電圧を足せばよい。すなわち、（４）に示すような、交流電圧を印加すればよい。

同様にして、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）には、ｍが偶数のときの例としてｍ＝１０の場合において、振動モード形状と、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂに印加される交流電圧とを示す。

なお、本実施の形態では、ｍ次とｍ＋１次の振動モードの位相差を９０°としたが、交流電圧の振幅、位相、及び周波数を制御することで２つのモードの重ね合わせ方は任意に制御することが可能である。

次に、上記の制御方法によって、２つの振動モードを同時に励起した場合の光学ローパスフィルタ４１０の挙動について説明する。図８に示すように、光学ローパスフィルタ４１０に対して、９次と１０次の振動モードを同時に励起する場合を考える。図中Ａ，Ｂで示されているのが、９次、１０次の振動モード形状である。光学ローパスフィルタ４１０の左端から右端までを０〜３６０の数値で表している。また、図中に示すように、光学ローパスフィルタ４１０の長辺方向をＸ、短辺方向をＹ、面の法線方向をＺとする。

上記の２つのモードを時間位相を９０°ずらして、同時に励起した場合の光学ローパスフィルタ４１０の各時間位相での挙動を図９〜図１２に示す。図９〜図１２における各時間位相において、図中Ｃは９次の振動モード波形、Ｄは１０次の振動モード波形を表している。また、Ｅが２つのモードが合成された波形、つまり実際の光学ローパスフィルタ４１０の振幅を表している。Ｆは光学ローパスフィルタ４１０のＺ方向の加速度である。

光学ローパスフィルタ４１０の表面に付着した異物は、光学ローパスフィルタ４１０が変形することによって、法線方向の力を受けて移動して行く。つまり、Ｚ方向の加速度を示す曲線Ｆが正の値をとるとき、異物は面外に突き上げられ、この時間位相における光学ローパスフィルタ４１０の変位を示す曲線Ｅの法線方向の力を受ける。図中ｒｎ（ｎ＝１、２、３、…）で示した区間では、異物は右方向（Ｘ方向の正の向き）に力を受ける。図中ｌｎ（ｎ＝１、２、３、…）で示した区間では、異物は左方向（Ｘ方向負の向き）に力を受ける。結果として、Ｘｎ（ｎ＝１、２、３、…）で示す場所に異物は移動する。本実施の形態では、このＸｎ（ｎ＝１、２、３、…）が時間位相が進むにつれてＸ方向正の向きに移動して行くことによって、異物がＸ方向正の向きに移動して行く。

本実施の形態では、２つのモードの時間位相差を９０°としたが、これに限らず、０°より大きく１８０°より小さく設定してもよい。この場合でも、上記Ｘｎにあたる箇所がＸ方向正の向きに移動して行くので、異物をＸ方向正の向きに搬送することが可能である。また、２つのモードの時間位相差を−１８０°より大きく０°より小さくする場合は、上記Ｘｎに相当する箇所がＸ方向負の向きに移動して行くので、上記の例とは反対方向に異物を搬送することが可能である。

また、異物の搬送力は光学ローパスフィルタ４１０の加速度によって決定される。光学ローパスフィルタ４１０の加速度ａは、駆動周波数をｆ、振幅をＰ、駆動電圧をＶ、ｋ１、ｋ２を比例定数として、以下の式で表される。
ａ＝ｋ₁Ｐ（２πｆ）²＝ｋ₂Ｖ（２πｆ）²
つまり、異物の搬送力は光学ローパスフィルタ４１０の振幅及び駆動周波数の二乗に比例する。よって、圧電素子４３０に印加する交流電圧Ｖと周波数ｆを上げることで、搬送力を上げることができる。

＜振動状態の検出＞
上述したように周波数ｆ（ｆ（ｍ）＜ｆ＜ｆ（ｍ＋１））で光学ローパスフィルタ４１０を振動させ、異物を搬送させる。このとき、周波数ｆは、ｆ（ｍ）からｆ（ｍ＋１）の間で、最も搬送に適した振動モードが励起される周波数でなければならない。

図１３は光学ローパスフィルタ４１０の振動モードの概略図であり、図１３（Ａ）は周波数ｆにおける振動モード、図１３（Ｂ）は周波数ｆの近傍のある１つの周波数における振動モードを表している。図中の点線は、振動の節を表している。

図１３（Ａ）の振動モードが搬送能力を最大限発揮できるモードであり、狙いの振動モード（所定の振動モード）である。このモードでは、縦方向（光学ローパスフィルタ４１０の短辺に平行な方向、換言すれば、異物の搬送方向に直交する方向）に節が発生する（ｍ次振動モード（図中ではｍ＝１０））。それに加え、上下に１つずつ横方向（光学ローパスフィルタ４１０の長辺に平行な方向、換言すれば、異物の搬送方向に平行な方向）に節が発生する。この横方向の節は、異物の搬送を阻害するものであるが、異物を除去すべき有効光束（撮影エリア）の外部にあるため、有効光束内の異物除去能力は確保される。

一方、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に加えてさらに上下に１つずつ横方向の節が多く発生する振動モードであり、周波数ｆの近傍に存在するものである。このモードは、有効光束内に異物搬送能力を阻害する横方向の節が存在しており、異物搬送の振動を起こす上で、使用を避けるべきモードである。また、横方向の節が増えるにつれて、縦方向の振幅は小さくなってしまい、その結果さらに搬送能力は落ちることになる。

本説明では一例として、図１３（Ｂ）に示す振動モードを取り上げたが、周波数ｆの近傍には他にも様々な振動モードが存在し、その多くが横方向の節を数多く含むものである。そのような振動モードを使用すると、搬送能力は大きく損なわれてしまう。よって、振動モードが図１３（Ａ）に示すようになる、言い換えると、横方向の節の発生箇所が有効光束の外部で上下に１つずつとなる周波数ｆを正確に検出し、その周波数ｆを使用することが異物を搬送させる振動を発生させる上で非常に重要になってくる。

以下では、図１４及び図１５を参照して、周波数ｆの検出方法について説明する。図１４は、周波数ｆにおける振動モードを光学ローパスフィルタ４１０、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂの構成で表している。図中の点線は、振動の節を表している。縦方向の節はｍ次（図中ではｍ＝１０）、横方向の節は１次の振動モードである。図１４に示すように、横方向の節は光学ローパスフィルタ４１０の中心軸（異物の搬送方向に平行な中心軸）を対称に上下に１つずつ（上下に一対）発生する。その「下側」の横方向の節を軸として対称に、同一形状の振動検出電極Ｓａ及びＳｂを圧電素子４３０ａ、４３０ｂ上に配置する。ここで、振動検出電極Ｓａ及びＳｂの電圧出力は、圧電素子４３０ａ、４３０ｂのいずれにおいても同じであるので、圧電素子４３０ａ、４３０ｂのいずれか一方に振動検出電極Ｓａ及びＳｂを配置しても良い。また、「下側」ではなく、「上側」の横方向の節を軸として対称に振動検出電極Ｓａ及びＳｂを配置するようにしても良い。

ここで、振動検出電極Ｓａ及びＳｂは光学ローパスフィルタ４１０の中心軸に対して「上側」もしくは「下側」のいずれか一方のみに配置されることが望ましい。なぜなら、横節は中心軸対称であるので「上側」と「下側」の振動検出電極Ｓａ及びＳｂによる出力波形の関係は同じであり、いずれか一方を見れば十分であるからである。さらに、「上側」と「下側」の両方に振動検出電極を配置してしまうと、駆動相である＋相の面積が小さくなり、光学ローパスフィルタ４１０を振動させる能力そのものが阻害されてしまうからである。

図１５は、上記のように配置された振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧の波形を表している。圧電素子４３０の振動に伴って、圧電効果により電極Ｓａ及びＳｂには正弦波の電圧が発生する。このとき、電極Ｇは常にグランド（０[Ｖ]）に保たれており、振動検出回路１１２により、図１５に示される正弦波形が得られる。ここで検出される電位差は、圧電素子４３０の、ひいては光学ローパスフィルタ４１０の振動振幅に比例するものである。したがって、出力電圧波形をモニタすることで、圧電素子４３０の、ひいては光学ローパスフィルタ４１０の振動状態を検出することが可能となる。

図１５（Ａ）に、周波数ｆにおける振動モード時の出力を示す。振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧値Ｖｓａ及びＶｓｂはいずれも同電圧Ｖａであり、かつ、逆位相（位相が１８０°異なる）となる。これは、圧電素子４３０の伸縮は振動の節を境として１８０°位相が異なることを利用している。逆に言うと、図１５（Ａ）のような出力が得られるということは、振動検出電極Ｓａ及びＳｂが軸対称形状であるとき、その対称軸上に横節が発生していることを意味している。

一方、図１５（Ｂ）及び図１５（Ｃ）に、周波数ｆの近傍の周波数における振動モード時の出力を示す。図１５（Ｂ）は、図１３（Ｂ）で示すような振動モード時の出力を表している。振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧値Ｖｓａ及びＶｓｂはいずれも同電圧Ｖｂであり、かつ、逆位相（位相が１８０°異なる）となる。ただし、図１５（Ａ）と比較すると、Ｖｂ＜Ｖａとなっている。これは、図１３（Ｂ）のように、振動検出電極Ｓａ及びＳｂの対称軸上に横節がありつつ、さらにその対称軸上以外の箇所にも横節が発生すると、圧電素子４３０の伸縮量が小さくなり、その結果出力が小さくなるからである。よって、Ｖｂ＜Ｖａとなる。

また、図１５（Ｃ）は、振動検出電極Ｓａ及びＳｂの対称軸上に横節がなく、振動検出電極Ｓａ及びＳｂが共に横節に対して同一側にある場合の振動モード時の出力を表している。振動検出電極Ｓａの出力電圧値ＶｓａはＶｃａ、振動検出電極Ｓｂの出力電圧値ＶｓｂはＶｃｂであり、両者の出力電圧波形は同位相となる。

以上のことから、ある周波数で圧電素子４３０を駆動し、図１５（Ａ）に示される出力波形とは異なる図１５（Ｂ）又は図１５（Ｃ）の出力波形が検出された場合は、その周波数は狙いの位置に節が発生していない、つまり狙いの振動モードではないことが分かる。よって、振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧波形から異物の搬送能力を最大限発揮できる周波数を正確に特定することができる。

次に、図１６に、搬送振動を発生させる周波数ｆを決定する動作を示す。ステップＳ１０１において、ＭＰＵ１００の指示により周波数ｆの検出を開始する。ステップＳ１０２において、圧電素子駆動回路１１１によりｆ（ｍ）＜ｆ＜ｆ（ｍ＋１）において、ある周波数ｆで圧電素子４３０を振動させる。ステップＳ１０３において、その時の振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧波形を振動検出回路１１２にて読み取る。そして、ステップＳ１０４において、振動検出電極Ｓａ及びＳｂの出力電圧値Ｖｓａ及びＶｓｂがいずれも同電圧（同じ大きさ）で、かつ、所定値Ｖconst以上であり、さらに両者が逆位相（位相が１８０°異なる）であるか否かをＭＰＵ１００にて判断する。このＭＰＵ１００が本発明でいう判定手段に相当する。なお、所定値Ｖconstは、図１５（Ａ）の出力Ｖａに係数をかけて決定される値である。そして、条件を満たさない場合は、狙いの位置に横節が発生していない、つまり狙いの振動モードではないと判断し、周波数ｆを異なる値に変えて、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０５を繰り返し実行する。つまり、条件を満たすまで、周波数ｆを漸次変化させながら、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０５を繰り返し実行する。そして、ステップＳ１０４において条件を満たすと、ステップＳ１０５において周波数ｆを搬送振動を発生させる周波数ｆとして決定する。その後、ステップＳ１０７に移行し、周波数ｆの検出を終了する。

この周波数ｆの検出動作は、工場での量産工程内で行うことはもとより、ユーザ使用時においても行うことが可能である。これは、カメラの使用環境（例えば使用温度や圧電素子の長時間使用による経時変化）によって、異物の搬送に適した周波数ｆの値が変化するからである。ユーザが異物除去のためのクリーニング動作を行うたびに、毎回最適な周波数ｆを決定し、その周波数ｆを用いることで、その使用環境中で最大の異物搬送能力を発揮することができる。

また、この周波数ｆの検出動作を、故障検知もしくは異常検知として利用することも可能である。上記の周波数の検出動作時において、検出される振幅が想定される振幅を大幅に下回る場合や、振動検出波形が異常な形を示す場合、この異物除去ユニットが異常であると認識でき、異物除去ユニットの動作停止及び交換等の対処を施すことができる。

＜異物除去動作＞
次に、図１７を参照して、光学ローパスフィルタ４１０の表面に付着した塵埃等の異物を除去する動作について説明する。ステップＳ１で、メインスイッチ４３により電源がＯＮされたか否かを判定する。電源がＯＮされると、ステップＳ２で、カメラシステムを起動させるための処理を行い、電力供給回路１１０を制御して各回路へ電力を供給し、システムを初期設定し、カメラとして撮影動作可能にするためのカメラシステムＯＮ動作を行う。

次に、ステップＳ３で、撮影者によりクリーニング指示操作部材４４が操作されたか否かを判定し、操作されている場合はステップＳ４に進み、操作されていない場合はステップＳ５へ進む。なお、本実施の形態ではクリーニング指示操作部材４４を設けたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、クリーニングモードへの移行を指示するための操作部材は、機械的なボタンに限らず、カラー液晶モニタ１９に表示されたメニューから、カーソルキーや指示ボタン等を用いて指示するものであっても良い。

ステップＳ４では、クリーニングモード開始の指令を受けて、カメラ本体をクリーニングモードの状態に移行させる。まず電力供給回路１１０は、クリーニングモードに必要な電力をカメラ本体の各部へ供給する。また、これに並行して電源４２の電池残量を検出して、その結果をＭＰＵ１００へ送信する。ＭＰＵ１００は、クリーニングモード開始の信号を受け取ると、まず搬送振動を発生させる周波数ｆを検出するモードを実行し、周波数ｆを決定する（図１６を参照）。そして、圧電素子駆動回路１１１はＭＰＵ１００より指示を受けて、決定された周波数ｆの周期電圧を生成し、圧電素子４３０ａ及び４３０ｂを、次数の１つ異なる二つの曲げ振動を、時間位相をずらして励起させる。これによって光学ローパスフィルタ４１０に搬送波を発生させ、異物を搬送により除去する。クリーニングモードが終了するとステップＳ５に進む。

ステップＳ５で、スイッチＳＷ１（７ａ）、スイッチＳＷ２（７ｂ）、メイン操作ダイヤル８、サブ操作ダイヤル２０、撮影モード設定ダイヤル１４、他のスイッチ等の信号を受け、カメラ動作を行う。カメラ動作は、一般的に知られるカメラの撮影／設定等を行うモードで、ここでは詳細な説明は省略する。

次に、ステップＳ６で、カメラが待機状態においてメインスイッチ４３にて電源がＯＦＦされたか否かを判定し、ＯＦＦされるとステップＳ７に進み、ＯＦＦされていなければステップＳ３に戻る。

ステップＳ７では、ステップＳ４と同様のクリーニングモードを実行後、ステップＳ８に進む。ここで、ステップＳ７におけるクリーニングモードでは、カメラの消費電力、動作時間等を考慮して、圧電素子４３０の駆動周波数、駆動時間、制御法等のパラメータをステップＳ４と異ならしめても良いことは言うまでも無い。

ステップＳ８では、ＭＰＵ１００の制御により各回路を終了させるための制御を行い、必要な情報等をＥＥＰＲＯＭ１００ａに格納し、電力供給回路１１０を制御して各回路への電源供給を遮断する電源ＯＦＦ動作を行う。このように、撮影者が意図した任意のタイミングだけではなく、電源ＯＦＦのタイミングでもクリーニングモードが実行される。すなわち、光学ローパスフィルタ４１０の表面に付着した異物を除去する動作を行ってから、カメラシステムＯＦＦ動作を行うようにしている。

ここで、光学ローパスフィルタ４１０の表面に付着した異物には様々なものが存在するが、一般的に異物が付着した状態で長期間放置すると、クリーニングモードで振動をかけても除去しにくいことが実験的に解明した。これは、環境（温度や湿度）の変化で結露することにより液架橋力等の付着力が増大したり、環境の変化で塵埃が膨潤、乾燥を繰り返すことにより粘着したりすることによるものと考えられる。また、ゴム等の弾性材では、自身に含まれる油脂等が時間と共にブリードして粘着する。そのため、電源ＯＦＦ操作のタイミングでクリーニングモードを実行することが、異物を除去しにくい状態になっている可能性の高い長期間未使用状態後の電源ＯＮ操作のタイミングで行うよりも、より効率的・効果的である。

以上詳述したように、本実施の形態では、光学ローパスフィルタ４１０を搬送振動させる際、搬送に最も適した狙いの振動モードを発生させる周波数を正確に検出することができる。したがって、その周波数を用いることにより、光学ローパスフィルタ４１０上の異物を効率よく搬送し、除去することができる。

なお、本発明でいう光学部材は光学ローパスフィルタ４１０に限定されるものではない。上述した実施の形態では水晶複屈折板に振動を励起する構成としたが、複屈折板の材質は水晶ではなくニオブ酸リチウムを用いてもよい。また、複屈折板と位相板と赤外吸収フィルタとの貼り合わせによって構成される光学ローパスフィルタや赤外吸収フィルタ単体に振動を励起する構成にしてもよい。また、複屈折板の前に配置したガラス板単体に振動を励起する構成にしてもよい。

以上、本発明を実施する場合の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を実現する範囲内で適宜変更可能である。例えば、本実施の形態ではデジタルカメラに本発明を適用した例を説明したが、液晶プロジェクタ等の光学装置にも本発明を適用することが可能である。液晶プロジェクタのような光学装置においても、投影光学系の光学部材の表面に塵埃等の異物が付着した場合、異物の影が投影されてしまうため、本実施の形態と同様の構成を取り得る。

１００：ＭＰＵ、１１１：圧電素子駆動回路、１１２：振動検出回路、４００：撮像ユニット、４１０：光学ローパスフィルタ、４３０：圧電素子

Claims

被振動部材と、
前記被振動部材の表面に付着した異物を除去するために前記被振動部材を振動させる圧電部材であって、第一面に設けられた駆動電極、前記第一面に前記駆動電極とは独立して設けられた第一の振動検出電極及び第二の振動検出電極、及び前記第一面の裏面である第二面に設けられたグランド電極を有する圧電部材と、
前記駆動電極に接続され、前記圧電部材を駆動する駆動手段と、
前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極の信号に基づいて前記被振動部材の振動状態を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段により検出された結果に基づいて前記被振動部材が所定の振動モードで振動しているか否かを判定する判定手段とを備え、
前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極は同一形状であり、かつ、前記所定の振動モードにおいて発生する所定の振動の節を軸として対称に配置されていることを特徴とする光学装置。
前記被振動部材は板状の矩形部材であり、
前記被振動部材の向かい合う二辺近傍にそれぞれ接着された一対の圧電部材を備えると共に、この一対の圧電部材のうち少なくともいずれか一方が前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極を具備し、前記駆動手段により次数の１つ異なる二つの曲げ振動が時間位相をずらして励起されることにより、前記被振動部材に振動を発生させることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極の対称軸となる所定の振動の節は、前記被振動部材の振動による異物の搬送方向に平行な方向に発生することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極は、前記被振動部材の振動による異物の搬送方向に平行な中心軸に対していずれか一方のみに配置されることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学装置。
前記被振動部材は、被写体像を光電変換する撮像素子の前方に光軸上に配設された光学部材であり、
前記圧電部材は、前記被写体像の有効光束の外部において前記光学部材に接着されており、
前記第一の振動検出電極及び前記第二の振動検出電極の対称軸となる所定の振動の節は、前記被写体像の有効光束の外部にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。
前記判定手段は、前記振動検出手段により得られる前記第一の振動検出電極及び第二の振動検出電極からの出力電圧値がいずれも同電圧で、かつ、所定値以上であり、さらに両者が逆位相であるとき、前記所定の振動モードであると判定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。