JP2011004160A - 光学装置および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】塵埃を好適に除去し得る光学装置および光学機器を提供すること。
【解決手段】光を透過する基板１８と、間隔を隔てて前記基板１８に備えられ光を透過する第１電極４２Ａ，４２ａ及び第２電極４２Ｂ，４２ｂと、前記第１電極４２Ａ，４２ａ及び前記第２電極４２Ｂ，４２ｂに位相の異なる交流電圧を出力する出力回路２８とを含み、前記出力回路２８は、前記第１電極４２Ａ，４２ａ及び前記第２電極４２Ｂ，４２ｂに出力する前記交流電圧の周波数を変化させる。
【選択図】図９

Description

本発明は、光学装置および光学機器に関する。

レンズ交換式デジタルカメラなどでは、撮像素子ユニットの光学ローパスフィルタ表面にゴミが付着し、撮影した映像にゴミが写り込んでしまうことがある。このような状況を解消するために、撮像素子と光学系との間に防塵部材を配置して撮像素子の防塵を図ると共に、防塵部材に付着したゴミなどを物理的な振動により除去するシステムが開発されている（特許文献１参照）。

しかしながら、従来のシステムは、物理的な振動によって塵埃を除去するため、大きな慣性力が発生しにくい質量の小さな塵埃や、帯電による静電気力を介して付着している塵埃については、効率的に除去することが難しかった。

特開２００８−９９３３２号公報

本発明の課題は、塵埃を好適に除去し得る光学装置および光学機器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学装置（３）は、
光を透過する基板（１８）と、
間隔を隔てて前記基板（１８）に備えられ光を透過する第１電極（４２Ａ，４２ａ）及び第２電極（４２Ｂ，４２ｂ）と、
前記第１電極（４２Ａ，４２ａ）及び前記第２電極（４２Ｂ，４２ｂ）に位相の異なる交流電圧を出力する出力回路（２８）とを含み、
前記出力回路（２８）は、前記第１電極（４２Ａ，４２ａ）及び前記第２電極（４２Ｂ，４２ｂ）に出力する前記交流電圧の周波数を変化させることを特徴とする。

出力回路は、第１電極及び第２電極に位相の異なる交流電圧を出力し、交流電圧の周波数を変化させる。これにより、塵埃を基板から離れる方向に浮かせることが可能で、圧電素子等による物理的な振動のみでは除去しきれない塵埃をも有効に除去することができる。

前記出力回路（２８）は、前記基板（１８）の表面の電界が変化するように前記交流電圧を出力しても良い。前記出力回路（２８）は、電界を変化させるように、前記第１電極（４２Ａ，４２ａ）および前記第２電極（４２Ｂ，４２ｂ）に電圧を印加しても良い。前記基板（１８）の表面に進行波状の電界が発生するように前記電界を変化させても良い。

電界を変化させることによって、基板の表面に付着した塵埃を除去することができる。すなわち、電気的な力によって塵埃を除去するため、物理的な振動のみでは除去することが困難であった帯電量の大きい塵埃や、質量の小さい塵埃を除去することができる。

前記出力回路（２８）は、前記周波数をスイープさせて前記交流電圧の周波数を変化させても良い。前記出力回路（２８）は、高周波側から低周波側に前記周波数を変化させても良い。前記出力回路（２８）は、前記周波数を１０００Ｈｚから０Ｈｚへとスイープさせて前記交流電圧の周波数を変化させても良い。

塵埃の重さや大きさ、電極間の距離、塵埃の誘電率などによって、塵埃を基板から離れる方向に浮かせるための最適な周波数は異なる。したがって、周波数をスイープさせて交流電圧の周波数を変化させることにより、最適な周波数で塵埃を効果的に除去することができる。

特に高周波側から低周波側に周波数を変化させることにより、塵埃を効果的に除去することができる。低周波側から周波数を変化させるよりも、高周波側から周波数を変化させた方が、塵埃が基板から離れやすい。

前記出力回路（２８）は、前記基板（１８）の表面の電界が重力方向と交差する方向に変化するように、前記交流電圧を出力しても良い。発生する前記電界の方向が、重力と垂直な方向であっても良い。基板から離れる方向に浮いた塵埃を、塵埃に作用する重力によって落下させることにより、効果的に塵埃を除去することが可能となる。

光学装置（３）は、前記基板（１８）に備えられ前記基板（１８）を振動させる振動部材（２０）を含み、前記出力回路（２８）は、前記振動部材（２０）が前記基板（１８）を振動させる前に、前記交流電圧の周波数を変化させても良い。前記第１電極（４２Ａ，４２ａ）および前記第２電極（４２Ｂ，４２ｂ）がストライプ状に交互に配置されても良い。

本発明に係る光学機器は、上記の光学装置（３）を含む。

なお、上述の説明では、本発明をわかりやすく説明するために、実施形態を示す図面の符号に対応づけて説明したが、本発明は、これに限定されるものでない。後述の実施形態の構成を適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替させてもよい。更に、その配置について特に限定のない構成要件は、実施形態で開示した配置に限らず、その機能を達成できる位置に配置することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学装置を搭載したカメラの全体ブロック図である。 図２は、図１に示すカメラの撮像素子周辺部の断面図である。 図３（ａ）は、図２に示す撮像素子周辺部に備えられる防塵フィルタの平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のIIIｂ−IIIｂ断面図である。 図４は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す防塵フィルタを用いた除塵動作を説明するための模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は、進行波状の電界を発生させて塵埃の除去を行う場合の動作を説明するための模式図である。 図６（ａ）は、防塵フィルタに進行波状の電界を発生させた時にゴミが受ける電気的な力を示す模式図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のVI（ｂ）部拡大図である。 図７（ａ）は、ゴミが防塵フィルタに付着している様子を示す模式図、図７（ｂ）は、電界を発生させた時にゴミに働く帯電力を示すグラフ、図７（ｃ）は、電界を発生させた時にゴミに働く分極力を示すグラフである。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、電極付近に塵埃が付着する様子を示す模式図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は、周波数と塵埃の除去との関係を示す模式図である。 図１０は、防塵フィルタからのゴミの除去率の周波数特性を示すグラフである。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、防塵フィルタからゴミが除去されていく様子を示す模式図である。 図１２（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る防塵フィルタの平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のXIIｂ−XIIｂ断面図である。

第１実施形態
図１は、本発明の一実施形態に係る光学装置を搭載したカメラ３の全体ブロック図である。カメラ３は、カメラボディ５とレンズ鏡筒７を有している。レンズ鏡筒７は、カメラボディ５に対して着脱自在に装着される。なお、カメラ３の説明においては、図１および図２等に示すように、光軸Ｚおよびカメラボディ５の底面５ａと垂直な方向をＹ軸方向、Ｚ軸およびＹ軸に直交する方向をＸ軸方向として説明を行う。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に垂直になっている。

本実施形態に係る光学装置を搭載したカメラとしては、図１に示すようなレンズ交換式カメラに限定されず、レンズ鏡筒７とカメラボディ５とが一体のカメラであってもよく、カメラの種類は特に限定されない。また、本実施形態に係る光学装置は、スチルカメラに限らず、ビデオカメラ、顕微鏡、携帯電話などの光学機器にも適用できる。

カメラボディ５およびレンズ鏡筒７の内部には、光軸Ｚに沿って、複数の光学部品が配置されている。図１に示すカメラボディ５には撮像素子ユニット１５が配置されており、撮像素子ユニット１５の光軸Ｚ方向の前方側（Ｚ軸に沿って被写体側を「Ｚ軸の前方側」または「Ｚ軸の正方向側」と称する）には、シャッタ６８が配置してある。シャッタ６８の光軸Ｚ方向の前方側には、ミラー７０が配置してあり、その前方側には、レンズ鏡筒７に内蔵してある絞り部７８および光学レンズ群２４が配置してある。

カメラボディ５には、ボディＣＰＵ５０が内蔵してあり、レンズ接点６２を介してレンズＣＰＵ８０に接続してある。ボディＣＰＵ５０は、レンズ鏡筒７との通信機能と、カメラボディ５の制御機能を有している。レンズ接点６２は、ボディＣＰＵ５０と、レンズＣＰＵ８０とを電気的に接続する。ボディＣＰＵ５０には、カメラボディ５およびレンズ鏡筒７に備えられた電子部品に電力を供給するための電源５８が接続してある。

ボディＣＰＵ５０には、レリーズスイッチ５２、ストロボ５４、表示部５６、ＥＥＰＲＯＭ（メモリ）２６、画像処理コントローラ６６、ＡＦセンサ６０、電圧信号出力回路２８などが接続してある。画像処理コントローラ６６には、インターフェース回路６４を介して、撮像素子ユニット１５の撮像素子１６が接続してある。画像処理コントローラ６６およびインターフェース回路６４は、ボディＣＰＵ５０からの信号に基づき、撮像素子１６によって撮像された画像の画像処理を制御する。撮像素子１６は、たとえばＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を有する。

表示部５６は、主として液晶表示装置などで構成され、出力結果やメニューなどを表示する。レリーズスイッチ５２は、撮影のタイミングを操作するスイッチである。レリーズスイッチ５２は、ボディＣＰＵ５０に対して、半押し信号および全押し信号を出力する。ボディＣＰＵ５０は、レリーズスイッチ５２から半押し信号が入力されると、ＡＦ制御、ＡＥ制御等の撮影準備動作を制御し、レリーズスイッチ５２から全押し信号が入力されると、ミラーアップ、シャッタ駆動等の露光動作を制御する。

クイックリターンミラー７０は、構図決定の際にファインダーに像を映し出すためのもので、露光中は光路から退避する。クイックリターンミラー７０は、不図示のミラー駆動部（例えばＤＣモータ）により駆動される。

クイックリターンミラー７０には、ＡＦセンサ６０に光を導くサブミラー７０ａが連結してある。このサブミラー７０ａも、露光中は光路から退避する。

シャッタ６８は、露光時間を制御する。シャッタ６８は、ボディＣＰＵ５０からの制御に基づき、不図示のシャッタ駆動部（例えばＤＣモータ）によって駆動される。

ＡＦセンサ６０は、オートフォーカス（ＡＦ）を行うためのセンサである。このＡＦセンサ６０としては、通常ＣＣＤが用いられる。ＥＥＰＲＯＭ２６は、ボディＣＰＵ５０による制御に必要なパラメータ等を記憶しており、必要に応じてボディＣＰＵ５０に出力する。

図１に示すレンズ鏡筒７には、焦点距離エンコーダ７４、距離エンコーダ７２、絞り部７８、絞り部７８を駆動する駆動モータ７６、レンズＣＰＵ８０、レンズ接点６２及び光学レンズ群２４等が具備してある。

レンズＣＰＵ８０は、ボディＣＰＵ５０との通信機能と、レンズ鏡筒７に搭載された電子部品の制御機能とを有している。例えば、レンズＣＰＵ８０は、焦点距離情報、被写体距離情報等を、レンズ接点６２を介してボディＣＰＵ５０に出力する。また、レンズＣＰＵ８０には、ボディＣＰＵ５０から、レリーズ情報、ＡＦ情報が入力される。レンズＣＰＵ８０は、これらの情報に基づき、絞り７８の駆動モータ７６等を制御することができる。

焦点距離エンコーダ７４は、不図示のズームレンズ群の位置情報から、焦点距離を算出し、レンズＣＰＵ８０に出力する。距離エンコーダ７２は、フォーカシングレンズ群の位置情報より被写体距離を算出し、レンズＣＰＵ８０に出力する。

図１に示すように、カメラボディ５には、電圧信号出力回路２８が備えられている。電圧信号出力回路２８は、ボディＣＰＵ５０からの制御信号に基づき、撮像素子ユニット１５におけるフィルタ部１８に備えられる複数の電極に電圧を出力する。

図２は、図１に示すカメラ３に搭載された撮像素子ユニット１５の断面図である。撮像素子ユニット１５は、ユニット固定基板１４と、ケース１２と、防塵フィルタ１８と、撮像素子１６とを有する。防塵フィルタ１８は、後述するように、基材部４０と、透明電極４２と、表面層４４とを有する。また、撮像素子ユニット１５は、基材部４０のＺ軸正方向の面４０ａに配置される透明電極４２（詳細は後述する）に取り付けられた配線部３８を有する。図２に示すように、ユニット固定基板１４のＺ軸正方向側の表面１４ａには、撮像素子１６とケース１２とが設置されている。撮像素子１６は、撮像面１６ａをＺ軸正方向側に向けた状態で配置される。ケース１２は、Ｚ軸方向から見ると額縁形状を有しており、撮像素子１６の周辺を取り囲むように配置される。ケース１２は、例えば合成樹脂またはセラミック等の絶縁性の材料を用いて形成される。

ケース１２の内周面には、防塵フィルタ１８を取り付けるための取付部１２ａが形成されている。防塵フィルタ１８は、Ｚ軸方向から見て矩形平板形状を有しており、防塵フィルタ１８の周辺部が、取付部１２ａに接触するように設計されている。防塵フィルタ１８は、ケース１２に対して、例えば接着剤等によって取り付けられる。撮像素子１６は、防塵フィルタ１８に対向して設けられ、防塵フィルタ１８を透過した光は、撮像素子１６の撮像面１６ａに入射する。

図２に示すように、撮像素子１６の周囲は、ユニット固定基板１４、ケース１２、および防塵フィルタ１８によって封止されており、撮像素子ユニット１５は、撮像素子１６が収納される封止空間に、塵埃等が侵入することを防止している。なお、図２に示す撮像素子ユニット１５は、後述するように、防塵フィルタ１８を振動させることなく、表面層４４に付着した塵埃を除去することができる。したがって、防塵フィルタ１８は、ケース１２に対して非可動的に固定されており、防塵フィルタ１８のケース１２に対する取り付け構造が単純である。また、撮像素子１６が収納される封止空間は、防塵フィルタ１８、ケース１２およびユニット固定基板１４によって、確実に封止される。

図３（ｂ）に示すように、防塵フィルタ１８は、基材部４０と、複数の電極４２と、表面層４４とを有する。基材部４０は、矩形平板状の形状を有しており、Ｚ軸負方向側に設けられた撮像素子１６に向かう光を透過させる。防塵フィルタ１８における基材部４０は、複屈折性を有する複屈折板である。

電極４２及び表面層４４は、基材部４０と同程度の透過率を有することが好ましい。例えば、電極４２、表面層４４及び基材部４０は、入射した可視光の全域（例えば、波長が０．３８μｍ以上、０．７５μｍ以下の光）において、８０％以上１００％以下の透過率を有することが好ましい。透過率が８０％以上１００％以下であれば、静止画、動画等の撮影画像を取得するのに十分な光学特性が得られるからである。更に好ましくは、電極４２、表面層４４及び基材部４０は、入射した可視光の全域において、９０％以上１００％以下の透過率を有することが好ましい。透過率が９０％以上１００％以下であれば、高精細な静止画の撮影画像を取得するのに十分な光学特性が得られるからである。

また、電極４２、表面層４４及び基材部４０を光が透過することにより撮像素子１６に到達する光の光量が低下する場合には、撮像素子１６で得られる信号を処理（アナログ処理又はデジタル処理）して撮影画像の光量を実質的に増加させてもよい。

図３（ｂ）に示すように、基材部４０のＺ軸正方向側の表面４０ａには、複数の電極４２が形成されている。電極４２は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）やＺｎＯ（酸化亜鉛）等の光を透過する材料を用いて形成される。電極４２は、基材部４０の全体表面に形成されており、後述のように、防塵フィルタ１８の表面に付着する塵埃を除去する電界を発生させる。電極４２は、図３（ａ）に示すように、電極４２ａ〜４２ｄで示され、基材部４０の表面に沿って帯状に形成されている。本実施形態における防塵フィルタ１８において、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）は、基材部４０の短辺４０ｃに略平行な方向に延在するように形成されている。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、複数の電極４２は、基材部４０の長辺４０ｄに沿って、例えば所定ピッチｄ１であって、互いの間隔ｄ２が所定間隔となるように配置される。図３（ａ）に示すように、各電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の一方の端部には、配線部３８が接続してあり、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）は、配線部３８を介して、図１に示す電圧信号出力回路２８に対して電気的に接続されている。本実施形態に係る配線部３８はＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）であるが、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）に電圧信号を伝えるものであれば特に限定されない。

本実施形態における複数の電極４２は、第１の電圧信号が入力される第１グループの電極４２ａと、第２の電圧信号が入力される第２グループの電極４２ｂと、第３の電圧信号が入力される第３グループの電極４２ｃと、第４の電圧信号が入力される第４グループの電極４２ｄによって構成される。

各グループの電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは、複数の電極４２が延在する方向であるＹ軸方向とは垂直なＸ軸方向に沿って、第１グループの電極４２ａ、第２グループの電極４２ｂ、第３グループの電極４２ｃ、第４グループの電極４２ｄの順番に、所定の間隔を隔てて周期的に配置される。すなわち、図３（ａ）に示すように、１つの第１グループの電極４２ａ１と、これと同位相の電圧信号が印加される他の１つの第１グループの電極４２ａ２との間には、第１グループの電極４２ａとは異なる位相の電圧信号が印加される１つの第２グループの電極４２ｂと、１つの第３グループの電極４２ｃと、１つの第４グループの電極４２ｄとが、互いに間隔を隔てて備えられる。第２グループの電極４２ｂ、第３グループの電極４２ｃ、第４グループの電極４２ｄについても、第１グループの電極４２ａ１，４２ａ２と同様である。

本実施形態に係る防塵フィルタ１８は、複数の電極４２の表面を覆うように、防塵フィルタ１８のＺ軸正方向側の表面に設けられた表面層４４を有する（図３（ｂ）参照）。表面層４４は、絶縁性を有し光を透過する材料によって形成される。

表面層４４の屈折率は、電極４２の屈折率と近いことが好ましく、とくに、略等しいことが好ましい。また、表面層４４における光の分散（屈折率の光の波長による変化）は、電極４２における光の分散と近いことが好ましく、とくに、略等しいことが好ましい。このように、電極４２と表面層４４との光学特性を近づけることで、撮像素子１６によって撮像される像に電極４２の影が写りこむことを低減することができる。また、表面層４４は撥水性を有していてもよく、表面層４４が撥水性を有する場合は、防塵フィルタ１８に対する塵埃３７の付着力を低減することができる。また、表面層４４は微細な凹凸を有していてもよく、表面層４４が微細な凹凸を有する場合は、防塵フィルタ１８に対する塵埃３７の付着力（分子間力）を低減することができる。

図４は、防塵フィルタ１８を用いた除塵動作を説明するための模式図である。電圧信号出力回路２８は、信号生成部８２と、位相調整部８４と、増幅部８６とを有する。信号生成部８２は、所定の周期を有する交流電圧信号を生成し、位相調整部に出力する。位相調整部８４は、交流電圧信号の位相を調整し、互いに異なる位相の４つの交流電圧信号を生成し、増幅部８６に出力する。

増幅部８６は、４つの交流電圧信号を、所定の振幅に増幅した後、駆動電圧信号として出力する。増幅部８６は、配線部３８を介して、防塵フィルタ１８に備えられる電極４２（４２ａ〜４２ｄ）に、駆動電圧信号を出力する。したがって、電圧信号出力回路２８は、互いに位相の異なる第１駆動電圧信号ｃｈ１、第２駆動電圧信号ｃｈ２、第３駆動電圧信号ｃｈ３および第４駆動電圧信号ｃｈ４を、防塵フィルタ１８に備えられる電極４２（４２ａ〜４２ｄ）に出力することができる。

配線部３８は、第１駆動電圧信号ｃｈ１を第１グループの電極４２ａに伝える第１配線部３８ａと、第２駆動電圧信号ｃｈ２を第２グループの電極４２ｂに伝える第２配線部３８ｂと、第３駆動電圧信号ｃｈ３を第３グループの電極４２ｃに伝える第３配線部３８ｃと、第４駆動電圧信号ｃｈ４を第４グループの電極４２ｄに伝える第４配線部３８ｄとを有する。

第１〜第４駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４は、互いに位相が４分の１周期ずつずれた方形波の信号であるが、これに限定されず、正弦波や三角波等の信号であってもよい。

電圧信号出力回路２８は、防塵フィルタ１８の表面に備えられた複数の電極４２に電圧を印加することによって、防塵フィルタ１８の表面の電界を変化させることができる。本実施形態に係る防塵フィルタ１８は、光を透過する電極４２（４２ａ〜４２ｄ）が縞状に配置されており、電極４２に４相の交流電圧が印加されるため、進行波状の電界を防塵フィルタ１８の表面に発生させることができる。

すなわち、防塵フィルタ１８の表面には、各グループの電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが、Ｘ軸方向に沿って周期的に配置されており、各グループの電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄに対して、それぞれに対応する駆動電圧信号ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３，ｃｈ４が印加される。これによって防塵フィルタ１８の表面には、Ｘ軸方向に沿って移動する進行波状の電界が発生し、防塵フィルタ１８の表面に存在する塵埃３７は、電界から与えられる静電気力によって移動させられる。例えば、防塵フィルタ１８の表面に付着した塵埃３７は、例えば矢印３９で示すように、進行波状の電界が移動する方向に沿う方向に移動させられる。

本実施形態に係る電極４２（４２ａ〜４２ｄ）には、４相の駆動電圧信号が印加されるが、本実施形態に係る電極４２に印加される駆動電圧信号は、単相であってもよく、２相であってもよい。単相の場合であっても、防塵フィルタ１８の表面の電界を変化させて、防塵フィルタ１８の表面に存在する塵埃を移動させることができる。また、２相以上であれば、防塵フィルタ１８の表面の電界を移動させて、防塵フィルタ１８の表面に存在する塵埃を移動させることができる。

しかし、複数の電極４２に印加させる駆動電圧信号は、３相以上であることが好ましい。周期的に配置された３以上のグループによって構成される電極４２に、各グループに対応する交流電圧信号を印加することによって、防塵フィルタ１８の表面に、進行波状の電界を容易に発生させることができる。なお、図示の実施例では、４グループの電極を用いた場合を例にして説明したが、電極グループは、２グループでもよいし、３グループでもよいし、５グループ以上であってもよい。

ここで、進行波状の電界を発生させた除塵動作の理想的な例を、図５に示す防塵フィルタ１８の断面模式図を用いて説明する。なお、図４に示す駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４のタイミング（ａ）における電界の発生状態を図５（ａ）に示し、タイミング（ｂ）における電界の発生状態を図５（ｂ）に示し、タイミング（ｃ）における電界の発生状態を図５（ｃ）に示し、タイミング（ｄ）における電界の発生状態を図５（ｄ）に示す。図５（ａ）に示すように、電極４２ａには負の駆動電圧信号ｃｈ１、電極４２ｂには負の駆動電圧信号ｃｈ２、電極４２ｃには正の駆動電圧信号ｃｈ３、電極４２ｄには正の駆動電圧信号ｃｈ４が印加される。図５（ａ）に示すように、＋に帯電した塵埃３７ａは、＋同士の反発力によりＸ軸正方向に移動すると共に、−に帯電した塵埃３７ｂも、−同士の反発力によりＸ軸正方向に移動する。図５（ｂ）〜（ｄ）に示す電界の発生状態においても、図５（ａ）と同様にして、塵埃３７ａ，３７ｂはＸ軸正方向に移動し、最終的には、防塵フィルタ１８の撮像領域（撮影光が透過する領域）の外に移動する。

このようにして塵埃が防塵フィルタから離れるのは、電界から受ける静電気力において、塵埃に働く帯電力が分極力よりも大きい場合である。これを説明するために、塵埃に働く帯電力と分極力との関係を模式的に示したのが、図６（ｂ）である。なお、図６（ａ）は、図５（ａ）に示すタイミングで電界が塵埃に作用する様子について模式的に示しており、図６（ｂ）は図６（ａ）のVI（ｂ）部拡大図である。図６（ｂ）に示すように、＋に帯電している塵埃３７ａには、分極力よりも帯電力の方が大きく作用しているので、塵埃３７ａは防塵フィルタ１８から離れる方向に移動しようとする。−に帯電している塵埃３７ｂにも、分極力よりも帯電力の方が大きく働いているので、塵埃３７ｂは防塵フィルタ１８から離れる方向に移動しようとする。図６（ｂ）に示す塵埃３７ｃ〜３７ｅについては、電極４２の端部に近い位置ほど分極力が強く働くことを模式的に示している。以上のことから、塵埃に働く分極力よりも帯電力を大きくすれば、塵埃は防塵フィルタから離れる力を受けることが分かる。

そこで、図７（ａ）に示す所定の大きさの塵埃３７に強い帯電力を作用させることにより、塵埃３７を防塵フィルタ１８から引き離すことを目的として、たとえば図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように表面層４４の厚みを薄くして、電界を強くすることが考えられる。図７（ｂ）に示すように、Ｚ軸正方向への帯電力Ｆｃｚは、電極の端部４２ｅ付近においてＦｃｚの絶対値が約５００ｎＮである。しかし、図７（ｃ）に示すように、塵埃３７を防塵フィルタ１８に近づける分極力Ｆｐｚは、電極の端部４２ｅ付近においてＦｐｚの絶対値が約２０００ｎＮであり、帯電力よりも強い分極力が塵埃３７に働いていることが分かる。なお、塵埃３７をＸ軸方向へ動かそうとする帯電力Ｆｃｘは、図７（ｂ）に示すように、電極４２，４２同士の中間点において最大値Ｆｃｘの絶対値が約７００ｎＮであり、図７（ｃ）に示すように、電極４２，４２同士の中間点においてＸ軸方向への分極力Ｆｐｘ＝０となっている。しかし、上述した分極力Ｆｐｚは、電極４２，４２同士の中間点であっても、Ｆｐｚの絶対値が約１４００ｎＮであり、やはり帯電力よりも強い分極力が塵埃３７に働いていることが分かる。なお、本実施形態で述べる帯電力とは、塵埃の粒子の中心に電荷があると仮定して計算した静電気力である。

以上述べたような原理により、強い電界を発生させて塵埃を除去しようとすると、電極４２の端部に塵埃が集まることが判明した。この様子を実験的に確認したのが図８であり、図８（ａ）は、電極幅ｄ３＝０．２ｍｍ、電極間の間隔ｄ２＝０．２ｍｍ、表面層４４の厚さ４μｍを有する防塵フィルタ１８ａに対し、防塵フィルタ１８ａが有する電極群にある特定の周波数の駆動電圧信号を印加して電界を発生させた結果を、防塵フィルタ１８ａのＺ軸正方向から見た平面図である。図８（ｂ）は、電極幅ｄ３＝０．２ｍｍ、電極間の間隔ｄ２＝１．０ｍｍ、表面層４４の厚さ４μｍを有する防塵フィルタ１８ｂに対し、防塵フィルタ１８ｂが有する電極群にある特定の周波数の駆動電圧信号を印加して電界を発生させた結果を、防塵フィルタ１８ｂのＺ軸正方向から見た平面図である。防塵フィルタ１８ａ，１８ｂ上の白い点状で示しているのが塵埃である。

図８（ａ）および図８（ｂ）から分かるように、強い電界を発生させ、特定の周波数（不適切な周波数）で駆動電圧信号を印加すると、電極群を構成する各電極のＸ軸方向の端部に塵埃が集中してしまう。

そこで、本実施形態では、図４に示す複数の電極４２に出力される第１〜第４駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４の駆動周波数に着目する。

図９（ａ）〜（ｃ）に、塵埃の周波数特性を模式的に示す。まず、＋に帯電している塵埃を例にして、塵埃に対する周波数特性について述べる。図９（ｃ）に示すように、交流電圧の周波数が高い場合、図４に示す電圧信号出力回路２８が図９（ｃ）に示す第１電極４２Ａに正の電圧を印加し第２電極４２Ｂに負の電圧を印加すると、電界の発生によって第１電極４２Ａ付近の＋に帯電した塵埃３７は反発力により防塵フィルタ１８から一時的に離れる。しかし、塵埃３７が隣の第２電極４２Ｂに移動する前に、早いタイミングで、第１電極４２Ａに負の電圧が印加され第２電極４２Ｂに正の電圧が印加されるので、塵埃３７は第１電極４２Ａの端部に引き戻されてしまう。このように交流電圧の周波数が高い場合には、塵埃３７は防塵フィルタ１８から離れ、次のタイミングで引き戻されることを繰り返す。

一方で図９（ａ）に示すように周波数が低い場合には、図４に示す電圧信号出力回路２８が図９（ａ）に示す第１電極４２Ａに正の電圧を印加し第２電極４２Ｂに負の電圧を印加すると、第１電極４２Ａ付近の＋に帯電した塵埃３７が、隣の第２電極４２Ｂ端部に移動し防塵フィルタ１８に付着する。その後に遅いタイミングで第１電極４２Ａに負の電圧が印加され第２電極４２Ｂに正の電圧が印加されても、電極の端部に位置する塵埃３７には上述したように分極力が強く働くため、塵埃３７は第２電極４２Ｂ端部にとどまり続ける。

図９（ｂ）に示すように最適な周波数の場合、図４に示す電圧信号出力回路２８が図９（ｂ）に示す第１電極４２Ａに正の電圧を印加し第２電極４２Ｂに負の電圧を印加すると、第１電極４２Ａ付近の＋に帯電した塵埃３７が反発力により防塵フィルタ１８から離れる。そして塵埃３７が第２電極４２Ｂに達する前に、ちょうどよいタイミングで第１電極４２Ａに負の電圧が印加され第２電極４２Ｂに正の電圧が印加されるので、塵埃３７と第２電極４２Ｂ同士の間で反発力が働き、塵埃３７は防塵フィルタ１８から離れる方向に浮く。このようにして防塵フィルタ１８から離れる方向に浮いた塵埃３７には重力が働き、塵埃３７は重力方向（＝Ｙ軸正方向）に落下する。同様の理由により、−に帯電した塵埃も、防塵フィルタ１８から離れる方向に浮き、重力方向に落下する。

図１０に、塵埃の粒径による除去率の周波数特性について示す。グラフ３７ｃは、塵埃の粒径が６０μｍの場合、グラフ３７ｄは、塵埃の粒径が４０μｍの場合、グラフ３７ｅは、塵埃の粒径が３０μｍの場合の各周波数における塵埃の除去率を示す。いずれの粒径の場合にも、周波数１０００Ｈｚよりも５００Ｈｚ付近において良好な塵埃除去率を達成しており、低周波になるに従い（特に０Ｈｚに近づくに従い）急激に塵埃除去率が悪化している。このように、塵埃の粒径によって周波数特性が異なることが分かる。さらに、塵埃の粒径だけでなく、塵埃の重さ、電極間の距離、塵埃の誘電率などによって、塵埃を除去するために適切な周波数は異なる。

本実施形態では、上述した塵埃の周波数特性を利用して、図４に示す第１〜第４駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４の駆動周波数をスイープさせる。また、上述した理由により、好ましくは、図４に示す第１〜第４駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４の駆動周波数を高周波側から低周波側に変化させる。図４に示す信号生成部８２は、生成する交流電圧信号の周期を、短い周期から長い周期へと徐々に変化させることにより、周波数を高周波側から低周波側に徐々に変化させる。または、図４に示す信号生成部８２は、生成する交流電圧信号の周期を段階的に変化させることにより、周波数を高周波側から低周波側に段階的に変化させてもよい。本実施形態では、図４に示す信号生成部８２が生成する交流電圧信号の周期を変化させることにより、第１〜第４駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４の駆動周波数を、１０００Ｈｚ〜０ｈｚへとスイープさせることが好ましい。

なお、図９（ｂ）に示すように周波数が最適な場合に、防塵フィルタ１８から離れる方向に浮いた塵埃３７は、粒子によっては複数の電極４２が延在するＹ軸方向と垂直な方向に電界による拘束力を受けるが、複数の電極４２が延在するＹ軸と平行な方向には、電界による力は働かない。したがって、発生する電界の方向が、重力と垂直な方向になるように、図３に示すように複数の電極４２を防塵フィルタ１７の基材部４０の短辺４０ｃに略平行な方向に延在するように形成する。これにより、図１に示すカメラ３が正位置の時に除塵動作を行うことで、防塵フィルタ１８から浮かせた塵埃３７を重力方向へ落下させることができる。

図１１は、本実施形態により除塵動作を行った場合に塵埃が防塵フィルタから除去されていく様子を模式的に示している。図１１（ａ）は、図４に示す電圧信号出力回路２８が複数の電極４２に電圧を印加する前のタイミングｔ１における防塵フィルタ１８をＺ軸正方向から見た平面図である。タイミングｔ１において、防塵フィルタ１８には、多数の塵埃が付着している。図４に示す電圧信号出力回路２８が複数の電極４２に電圧を印加し、周波数をスイープさせている途中の様子（たとえば時刻ｔ２において周波数８００Ｈｚである時）を示している。本実施形態により除塵動作を行うことにより、塵埃３７の大半が防塵フィルタ１８から除去されている。この時、塵埃によって最適な周波数が異なるので、時刻ｔ２においては、複数の電極４２のＸ軸方向端部に引きつけられ除去されない塵埃３７もあるが、最適な周波数（たとえば５００Ｈｚ）に近いタイミングｔ３では、これらの塵埃３７は、防塵フィルタ１８表面から満遍なく除去されている。

このように、本実施形態では、電界を変化させることによって、基板の表面に付着した塵埃を除去することができる。すなわち、電気的な力によって塵埃を除去するため、物理的な振動のみでは除去することが困難であった帯電量の大きい塵埃や、質量の小さい塵埃を除去することができる。

塵埃の重さや大きさ、電極間の距離、塵埃の誘電率などによって、塵埃を基板から離れる方向に浮かせるための最適な周波数は異なる。したがって、周波数をスイープさせて交流電圧の周波数を変化させることにより、最適な周波数で塵埃を効果的に除去することができる。特に高周波側から低周波側に周波数を変化させることにより、塵埃を効果的に除去することができる。上述したように、低周波側では電極端部に付着した塵埃が容易には剥がれ難くなる傾向にあるので、高周波側から低周波側に周波数を変化させた方が、その逆よりも、基板の表面から種々の塵埃を容易に除去しやすい。

また、発生する電界の方向が、重力と垂直な方向になるようにすることにより、基板から離れる方向に浮いた塵埃を、塵埃に作用する重力によって落下させることができ、効果的に塵埃を除去することが可能となる。

第２実施形態
第２実施形態では、図１２に示すように、圧電素子２０が防塵フィルタ１８に配置されること以外は、図１〜図１１に示す第１実施形態と同様であり、重複する説明は省略する。

図１２は、図２に示す撮像素子ユニット１５に備えられる防塵フィルタ１８の平面図（図１２（ａ））および断面図（図１２（ｂ））である。図１２（ｂ）に示すように、防塵フィルタ１８は、基材部４０と、複数の電極４２と、表面層４４とを有する。また、防塵フィルタ１８におけるＺ軸正方向側の表面には、圧電素子２０が取り付けられている。

圧電素子２０は、基材部４０のＺ軸正方向側の表面であって、Ｘ軸方向端部付近に、基材部４０の短辺４０ｃに沿って備えられている。圧電素子２０は、圧電素子２０に電圧を印加するための電極を有しており、電気的に接続された圧電素子駆動回路（不図示）によって駆動される。圧電素子駆動回路は、防塵フィルタ１８に振動の節および振動の腹が生じるように、振動素子２０を駆動することができる。本実施形態に係る圧電素子駆動回路は、例えば防塵フィルタ１８が３次の屈曲振動を起こすように振動素子２０を駆動することができるが、振動の次数は特に限定されない。たとえば、印加する電圧の周波数を変化させることにより、防塵フィルタ１８に異なる次数の振動を発生させることができる。

図１２（ｂ）に示すように、第２実施形態に係る基材部４０のＺ軸正方向側の表面には、図３（ｂ）に示す防塵フィルタ１８と同様に、複数の電極４２が形成されている。電極４２は、図１２（ａ）に示すように、基材部４０の表面に沿って帯状に形成されている。本実施形態における防塵フィルタ１８では、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）は、基材部４０の短辺４０ｂに略平行な方向に延在するように形成されている。

本実施形態における一連の除塵動作について説明する。まず、図４に示す電圧信号出力回路２８が、図１２に示す防塵フィルタ１８の表面に備えられた複数の電極４２に電圧を印加することによって、防塵フィルタ１８の表面の電界を変化させて、帯電量の大きい塵埃や、質量の小さい塵埃を除去する（第１段階）。次に、圧電素子駆動回路は、防塵フィルタ１８に振動の節および振動の腹が生じるように、圧電素子２０を駆動する（第２段階）。第２段階において生じる振動の節および振動の腹の方向は、図１２に示す電極４２（４２ａ〜４２ｄ）が延在するＹ軸方向と一致する。このような振動の節および振動の腹は、防塵フィルタ１８の全面にわたって交互に発生するので、第２段階では、振動の腹の近傍に付着している質量の大きい塵埃３７などを除去することができる。

なお、防塵フィルタ１８における圧電素子２０の位置は特に限定されないので、配置される圧電素子２０の位置に応じて、Ｘ−Ｙ平面上の様々な方向に振動の節および振動の腹を発生させることができる。たとえば、圧電素子２０を基材部４０の長辺４０ｄに沿って配置すれば、防塵フィルタ１８の全面にわたってＸ軸方向に振動の節および振動の腹を交互に発生させることができる。

このように、本実施形態では、第１段階では除去しきれなかった塵埃を、第２段階の物理的な振動によって満遍なく除去することができる。

なお、上述した実施形態では、図２に示すように、防塵フィルタ１８の基材部４０のＺ軸正方向の面４０ａに複数の電極４２が配置される例を示したが、これに限定されるものではない。たとえば、基材部４０のＺ軸負方向の面４０ｂに、撮像素子１６の撮像面１６ａと対向するように複数の電極４２が配置されてもよい。また、第２実施形態における圧電素子２０も、基材部４０のＺ軸負方向の面４０ｂに配置されてもよい。さらに、圧電素子２０と複数の電極４０とが、基材部４０のそれぞれ反対側の面４０ａ，４０ｂに配置されてもよい。また、本実施形態では、防塵フィルタ１８を矩形として説明を行ったが、これに限定されず、たとえば円形でもよい。

また、本実施形態に係る光学装置を搭載した光学機器としては、上述したスチルカメラ、ビデオカメラ、顕微鏡、携帯電話などの他に、太陽電池パネル等にも応用することができる。

１５…撮像素子ユニット
１６…撮像素子
１８…防塵フィルタ
２０…圧電素子
２８…電圧信号出力回路
３７…塵埃
４０…基材部
４２…電極
４２ａ…第１グループの電極
４２ｂ…第２グループの電極
４２ｃ…第３グループの電極
４２ｄ…第４グループの電極
４２Ａ…第１電極
４２Ｂ…第２電極
４４…表面層
５０…ボディＣＰＵ

Claims (8)

1. 光を透過する基板と、
   間隔を隔てて前記基板に備えられ光を透過する第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極に位相の異なる交流電圧を出力する出力回路とを含み、
   前記出力回路は、前記第１電極及び前記第２電極に出力する前記交流電圧の周波数を変化させることを特徴とする光学装置。
2. 請求項１に記載された光学装置であって、
   前記出力回路は、前記周波数をスイープさせて前記交流電圧の周波数を変化させることを特徴とする光学装置。
3. 請求項１または２に記載された光学装置であって、
   前記出力回路は、高周波側から低周波側に前記周波数を変化させることを特徴とする光学装置。
4. 請求項１から請求項３までの何れか１項に記載された光学装置であって、
   前記出力回路は、前記周波数を１０００Ｈｚから０Ｈｚへとスイープさせて前記交流電圧の周波数を変化させることを特徴とする光学装置。
5. 請求項１から請求項４までの何れか１項に記載された光学装置であって、
   前記出力回路は、前記基板の表面の電界が変化するように前記交流電圧を出力することを特徴とする光学装置。
6. 請求項５に記載された光学装置であって、
   前記出力回路は、前記基板の表面の電界が重力方向と交差する方向に変化するように、前記交流電圧を出力することを特徴とする光学装置。
7. 請求項１から請求項６までの何れか１項に記載された光学装置であって、
   前記基板に備えられ前記基板を振動させる振動部材を含み、
   前記出力回路は、前記振動部材が前記基板を振動させる前に、前記交流電圧の周波数を変化させることを特徴とする光学装置。
8. 請求項１から請求項７までの何れか１項に記載された光学装置を含むことを特徴とする光学機器。

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