JP2012185233A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の移動機構において、光軸に対する撮像面の精度を維持しつつ撮像素子の移動量を大きくすること。
【解決手段】撮像装置は、被写体からの光が結像される撮像素子１の移動機構を備える。板ばね３は撮像素子１のフレーム２に取り付けられ、光軸方向にて撓み変形可能な弾性部材である。板ばね３を撓ませる圧電素子３ａが板ばね３に取り付けられており、支持部４Ｌと４Ｒは板ばね３を支持する。支持押圧部５は板ばね３を支持部４Ｌおよび４Ｒの側にそれぞれ付勢する。支持部４Ｌおよび支持押圧部５は板ばね３を、撮像素子１の撮像面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）と光軸（Ｚ軸）方向にて拘束し、支持部４Ｒおよび支持押圧部５は板ばね３を光軸方向のみで拘束する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スチルカメラやビデオカメラなどの撮像装置に関し、特に撮像素子を撮像光学系の光軸方向に移動しつつ撮像する技術に関するものである。

近年、静止画撮影機能に加えて動画撮影機能をもつ撮像装置が開発されている。動画撮影時のオートフォーカス（ＡＦ）機構としては被写体の動きに追従する為、フォーカスレンズまたは撮像素子を光軸方向に移動させる、いわゆるウォブリング動作を行う撮像装置が提案されている。撮像素子を移動させるアクチュエータには圧電素子などが使用される（特許文献１参照）。

特開平７−７９０２９号公報

ところで、撮像素子の移動機構では、光軸に対する撮像面の直角度について、倒れなどが少なく光軸に対するずれが少ないことが必要である。また、アクチュエータに用いるユニモルフ或いはバイモルフではその撓み変形に対する抵抗に応じて変位が低下する。撮像素子の移動ストロークを十分確保するためには、不要な抵抗を低減する必要がある。しかし、従来の機構では、光軸に対する撮像面の精度を維持しつつウォブリング動作に必要な撮像素子の移動ストロークを十分に確保することが困難である。
本発明の目的は撮像素子の移動機構において、光軸に対する撮像面の精度を維持しつつ撮像素子の移動量を大きくすることである。

上記課題を解決するために本発明に係る装置は、撮像光学系を通して被写体からの光が結像される撮像素子とその移動機構を備えた撮像装置であって、前記撮像素子に取り付けられて当該撮像素子を前記撮像光学系の光軸方向に移動させる弾性部材と、前記弾性部材を前記光軸方向にて撓ませるために当該弾性部材に取り付けられた駆動部材と、前記弾性部材を前記撮像光学系の光軸に直交する面内にて拘束した状態で支持する複数の支持部材と、前記弾性部材を前記複数の支持部材の側に付勢する押圧部材と、前記駆動部材の駆動制御手段を備える。

本発明によれば、光軸に対する撮像面の精度を維持しつつ光軸方向における撮像素子の移動量を大きくすることができる。

図２と併せて本発明の第１実施形態を説明するために、撮像素子の移動機構を例示する上視図（Ａ）、およびＡ−Ａ線に沿う断面図（Ｂ）である。 図１（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態を説明するために、撮像素子の移動機構を例示する上視図（Ａ）、およびＣ−Ｃ線に沿う断面図（Ｂ）である。

以下に、本発明の各実施形態に係る撮像装置を、添付図面を用いて説明する。撮像装置の例はデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、携帯電話に搭載されるカメラなどであり、その種類は限定されない。また撮像装置は、撮像素子１を光軸方向に微小移動させるウォブリング動作によって合焦位置（コントラストのピーク位置）がある方向を判別する、自動焦点調節（ＡＦ）機能を有する。

［第１実施形態］
以下、図１および２を参照して本発明の第１実施形態に係る撮像装置について説明する。図１（Ａ）は撮像装置の要部である撮像素子の移動機構を例示する上視図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、また図２は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。これらの図において撮像素子１は基準位置にある状態を示す。なお、本実施形態において、撮像面方向とは撮像素子１の撮像面と平行な平面内の方向であって、図１（Ｂ）にて左右方向の軸をＸ軸とし、上下方向の軸をＹ軸とする。また光軸方向とは図１（Ａ）にてＺ軸に示す方向、つまり不図示の撮像光学系の光軸方向であり、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸と直交する。以下の説明では、撮像装置を基準として被写体側を前方とし、その反対側を後方とする。

撮像素子１は、不図示の撮像光学系を通して被写体からの光が結像されるＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサやＣＣＤ（電荷結合素子）センサなどが使用される。コントラスト検出方式のＡＦ時に、撮像素子１は、その移動機構によって図１の光軸（Ｚ軸）方向に沿って微小移動（ウォブリング）する。その際の駆動周波数は、例えば数ヘルツから数十ヘルツである。
撮像素子１を固定しているフレーム２は、図１（Ａ）に示すように後方に屈曲して延びた形状とされ、その両端部が板ばね３の先端部分と半田付けなどで結合している。板ばね３は光軸方向の前後における撓み変形が可能な弾性部材であり、金属などの薄板部材からなる。本例では、矩形状の板金材料を用いて、その両端を前方に曲げたコ字状断面を有する。板ばね３には、図１（Ｂ）に示すように平面内におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を決める基準穴３ｂと回転止め穴３ｃが形成されている。これらは板ばね３の平面部にて幅方向、つまり短辺方向に所定の間隔で位置し、基準穴３ｂが円形穴として形成され、また回転止め穴３ｃはＹ軸方向の長穴として形成されている。板ばね３の平面部の表裏面には、長方形の圧電素子３ａがそれぞれ貼り付けられてバイモルフを構成している。圧電素子３ａは板ばね３を光軸方向に撓ませる駆動部材であり、図示しない駆動制御部によって制御される。

支持部４はＸ軸方向において所定の間隔で板ばね３を支持する複数の支持部材であり、本例では第１の支持部材（支持部４Ｌ参照）と第２の支持部材（支持部４Ｒ参照）を設けている。支持部４Ｌ、４Ｒは、光軸を挟んで対称的に配置されており、板ばね３の撓み変形の節となるように板ばね３を２箇所で支持する。図１（Ｂ）にて左側の支持部４Ｌには、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置を決める２本の位置決めピン４ａが立設されており、板ばね３の基準穴３ｂと回転止め穴３ｃにそれぞれ挿通される。位置決めピン４ａは板ばね３をＸＹ平面内で拘束するために形成した係合部である。また支持部４Ｌは円滑な円筒面４ｂを有している。図１（Ｂ）にて右側の支持部４Ｒにピンはなく、円滑な円筒面４ｂのみを有する。

支持押圧部５は板ばね３を支持部４側に付勢する押圧部材であり、円筒面５ａと付勢部５ｂを有する。表面が円滑な円筒面５ａは圧電素子３ａに当接する面であり、コイルスプリングを用いた付勢部５ｂが光軸に平行な方向において板ばね３を支持部４側に付勢することにより、板ばね３が支持部４Ｌおよび４Ｒと、支持押圧部５の間で支持される。付勢部５ｂにはウォブリングの駆動周波数を超える共振周波数を有する付勢手段として、硬めのコイルスプリングを使用しているので、板ばね３はその駆動中でも確実に支持部４に押圧された状態で保持できる。
図１（Ｂ）に示す左側の支持部４Ｌに設けられた２本の位置決めピン４ａは、板ばね３の基準穴３ｂ及び回転止め穴３ｃにそれぞれ挿通されているため、板ばね３はＸ軸方向およびＹ軸方向の位置が拘束される。また、板ばね３に取り付けられた圧電素子３ａは支持押圧部５の付勢力によって、支持部４Ｌおよび４Ｒの側に押し付けられるので、板ばね３はＺ軸方向の位置が拘束される。なお、図１（Ｂ）にて板ばね３の右側部分は、ピンの無い支持部４Ｒの円筒面４ｂと支持押圧部５の円筒面５ａによって挟持された状態で、Ｚ軸方向に拘束されている。支持部４Ｌと４Ｒは地板６に固定されており、撮像素子１の移動機構全体が地板６に支持される。

次に、撮像素子１の移動機構の動作を説明する。
図示しない駆動制御部から圧電素子３ａへの電圧印加により、板ばね３は支持部４Ｌと４Ｒを節として光軸方向において撓み変形する。その際、図１（Ｂ）に示す左側の支持部４Ｌでは、板ばね３がＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向において拘束されているので、板ばね３の位置は確定される。この支持部４Ｌの位置を節として板ばね３の中央部が光軸方向において略円弧状に撓むので、計算上、撮像素子１にはわずかにＸ軸方向の揺動が生じる。しかし、その量は、系全体からみて非常に小さい量である。例えば、支持部４Ｌと４Ｒの間隔を３０ｍｍとし、板ばね３の撓み量を前後方向にそれぞれ０．２ｍｍ程度とする場合、Ｘ軸方向の揺動量は数μ（マイクロメートル）である。これは板ばね３が完全に拘束される場合には、撓み変形に対して十分な負荷抵抗となる。図１（Ｂ）に示す右側の支持部４Ｒでは、板ばね３がＸ軸方向に負荷無く移動できるので、板ばね３が光軸方向において前後に撓む際の負荷はかからない。
圧電素子３ａへの印加電圧の向きを制御することにより、撮像素子１を光軸方向に沿って前進させ、或いは進退させることができ、印加電圧の大きさを制御することにより、光軸方向における撮像素子１の移動ストロークを制御できる。そして駆動周波数の制御に従ってウォブリング動作が実行される。なお、本実施形態では、板ばね３の表裏面に圧電素子３ａをそれぞれ取り付けたバイモルフを用いているが、その一面のみに圧電素子を取り付けたユニモルフ構成でもよい。また、板ばね３の位置決め機構については、穴３ｂ、３ｃを被係合部とし、これらにピン４ａを係合させた例を示したが、これに限らず、球体と半球状部、あるいは円錐とすり鉢状部などを組み合せた構成を用いてもよい。

第１実施形態では、板ばね３、圧電素子３ａ、支持部４Ｌおよび４Ｒ、支持押圧部５を用いて撮像素子１の移動機構を構成する。支持部４Ｌに設けた位置決めピン４ａと、板ばね３に形成した穴３ｂ、３ｃによって板ばね３の撮像面方向の位置が拘束され、支持押圧部５により光軸方向の位置が拘束される。支持部４Ｒでは支持押圧部５によって光軸方向の位置のみが拘束される。これにより、板ばね３と結合した撮像素子１は、撮像面のＹ軸方向およびＺ軸（光軸）方向の位置を確実に保持され、Ｘ軸方向には抵抗なく微小移動可能となる。すなわち、支持部４Ｌ、４Ｒにおける板ばね３の撓み変形の抵抗が最小となることで、板ばね３及び圧電素子３ａの撓み変形ロスが最小となる。従って光軸方向における撮像素子１の移動量を大きくすることができる。

［第２の実施形態］
以下、図３を参照して本発明の第２実施形態に係る撮像装置について説明する。
図３（Ａ）は撮像装置の要部である、撮像素子の移動機構を示す上視図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。図には撮像素子１が基準位置にある状態を示す。尚、第１実施形態にて説明した構成要素と同様の部分については既に使用した符号を用いることで、それらの詳細な説明を省略する。

板ばね１３は、Ｚ軸（光軸）方向において前後に撓み変形が可能であり、弾性を有する金属などの薄板部材により形成される。図３（Ａ）に示すように板ばね１３は、矩形状の板金部材の両端を前方に曲げたコ字形状を有しており、撮像素子１のフレーム２に取り付けられている。板ばね１３には、図３（Ｂ）に示すようＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を決めるスライド穴部１３ａと回転止め穴部１３ｂが形成されている。これらの穴部は、板ばね１３の中心部から短辺方向において所定の間隔をおいて圧電素子３ａの両脇に形成されている。本例ではスライド穴部１３ａを円形穴で形成し、これにガイド軸１６を貫通させた構成とされる。また、回転止め穴部１３ｂを矩形穴で形成し、これにガイド軸１６を貫通させている。スライド穴部１３ａ及び回転止め穴部１３ｂはいずれもガタ無くガイド軸１６とそれぞれ嵌合しつつ、光軸方向に沿って円滑に板ばね１３が前後移動できるように、内径部が円滑な形状或いは仕上げで加工されている。本例では、内径部が曲面とされてガイド軸１６に接触する構成となっている。なお、板ばね１３を光軸に平行な方向に案内するガイド軸１６はその表面が円滑に仕上げられており、地板６から垂直に延びている。

板ばね１３は、その平面部の表裏面にそれぞれ長方形の圧電素子３ａを貼り合わせることでバイモルフ構成を有する。支持部１４は、板ばね１３の平面部の中央に関してＸ軸方向にて対称的に配置されて地板６に固定されている。支持部１４は、板ばね１３の撓み変形の節となるように板ばね１３を２箇所で支持しており、円滑に回転可能なローラ１４ａをそれぞれ備えている。
支持押圧部１５は、Ｚ軸方向において支持部１４とは反対側に位置して、板ばね１３を支持部１４側に付勢する。本例では円滑に回転可能なローラ１５ａと付勢部１５ｂが設けられている。コイルスプリングを用いた付勢部１５ｂの力によって、ローラ１５ａは圧電素子３ａに当接した状態で、板ばね１３を支持部１４に押し付けている。

次に、撮像素子１の移動機構の動作を説明する。
図示しない駆動制御部から圧電素子３ａへの電圧印加により、板ばね１３は各支持部１４の位置を節として光軸方向において撓み変形する。その際、ガイド軸１６およびそれらの軸受け部であるスライド穴部１３ａ及び回転止め穴部１３ｂを用いた機構では、板ばね１３のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置が拘束され、ＸＹ面内の位置は確定されている。またＺ軸方向においては、負荷無く板ばね１３が前後に移動可能である。つまり、各ガイド軸１６に対して、スライド穴部１３ａ及び回転止め穴部１３ｂは円滑に移動することができる。従って、撮像素子１は光軸方向に沿って前後に移動可能である。一方、支持部１４のローラ１４ａ及び支持押圧部１５のローラ１５ａを用いた機構では、板ばね１３がＸ軸方向にて負荷無く移動可能であるが、付勢部１５ｂの力によってＺ軸方向にて拘束される。よって、板ばね１３が光軸に沿って前後に撓む際の負荷は無い。

第２実施形態では、撮像素子１の移動機構において、板ばね１３の中央に設けた穴部１３ａ、１３ｂおよびガイド軸１６により、板ばね１３の撮像面方向の位置が拘束され、支持押圧部１５により光軸方向の位置が拘束される。これにより、板ばね１３に結合した撮像素子１は撮像面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において確実に拘束され、光軸方向（Ｚ軸方向）には抵抗なく移動可能である。その際、２つの支持部１４による板ばね１３の支持については、Ｘ軸方向の僅かなずれ量を許容しつつＺ軸方向にて板ばね１３が支持されるので、圧電素子３ａの撓み変形ロスが最小となる。従って光軸方向における撮像素子１の移動量を大きくすることができる。

１ 撮像素子
３，１３ 板ばね
３ａ 圧電素子
４Ｌ，４Ｒ，１４ 支持部
５，１５ 支持押圧部
５ｂ，１５ｂ 付勢部
１６ ガイド軸

Claims (6)

1. 撮像光学系を通して被写体からの光が結像される撮像素子とその移動機構を備えた撮像装置であって、
   前記撮像素子に取り付けられて当該撮像素子を前記撮像光学系の光軸方向に移動させる弾性部材と、
   前記弾性部材を前記光軸方向にて撓ませるために当該弾性部材に取り付けられた駆動部材と、
   前記弾性部材を前記撮像光学系の光軸に直交する面内にて拘束した状態で支持する複数の支持部材と、
   前記弾性部材を前記複数の支持部材の側に付勢する押圧部材と、
   前記駆動部材の駆動制御手段を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の支持部材のうち、第１の支持部材は前記弾性部材を前記光軸に直交する面内で拘束しつつ前記押圧部材との間で前記弾性部材を支持し、第２の支持部材は前記弾性部材を前記光軸に直交する面内で拘束することなく前記押圧部材との間で前記弾性部材を支持することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記弾性部材を前記光軸に直交する面内で拘束するために前記第１の支持部材に形成した係合部、および前記弾性部材に形成した被係合部を備えることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記弾性部材を前記光軸に直交する面内にて拘束した状態で前記光軸に平行な方向に案内するガイド軸を備え、
   前記複数の支持部材は前記押圧部材との間に前記弾性部材を挟持した状態で前記光軸に平行な方向にて拘束することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
5. 前記駆動部材は前記弾性部材に取り付けられた圧電素子であり、
   前記押圧部材は前記弾性部材を前記光軸に平行な方向に付勢する付勢部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の撮像装置。
6. 前記付勢部は、前記圧電素子の駆動周波数を超える共振周波数をもつ付勢手段を備えることを特徴とする請求項５記載の撮像装置。

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