JP2018125582A - 微動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載した発熱体の位置決め精度を向上しながら、発熱体との間の熱伝導を効果的に行う。【解決手段】ベース部材２と、ベース部材２に固定される固定部７と、固定部７に対して相対移動可能に配置され、発熱体３を搭載する可動部８と、可動部８と固定部７とを連結する弾性部９と、固定部９に対して可動部８を微小移動させるアクチュエータ１０とを備える微動素子４と、ベース部材２および発熱体３に接触して配置され、発熱体３とベース部材２との間の熱伝導を行う可撓性を有する伝熱部材５と、伝熱部材５と可動部８との間の伝熱を遮断する断熱手段６とを備える微動装置１を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、微動装置に関するものである。

従来、圧電アクチュエータを用いてＣＣＤを微動させて複数回撮像することにより、ＣＣＤの画素数の複数倍の画素数の画像を取得する画素ずらし方式の撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１の撮像装置では、バネステージと呼ばれる微動装置の可動部にＣＣＤが取り付けられ、ＣＣＤの裏面に放熱用のヒートシンクが密着して配置され、ヒートシンクに冷却素子が調整ネジによって密着して固定されている。

特許第４１３７５７２号公報

しかしながら、特許文献１の撮像装置では、冷却素子の放熱を受ける調整ネジがバネステージに直接固定されているため、冷却素子の動作状態によって調整ネジに放熱される熱量が変動すると、バネステージの温度変化が発生し、バネステージを構成している部品の熱変形やアクチュエータの状態変化によって、ＣＣＤの位置変動を生じてしまうと言う不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、搭載した発熱体の位置決め精度を向上しながら、発熱体との間の熱伝導を効果的に行うことができる微動装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、ベース部材と、該ベース部材に固定される固定部と、該固定部に対して相対移動可能に配置され、発熱体を搭載する可動部と、該可動部と前記固定部とを連結する弾性部と、前記固定部に対して前記可動部を微小移動させるアクチュエータとを備える微動素子と、前記ベース部材および前記発熱体に接触して配置され、前記発熱体と前記ベース部材との間の熱伝導を行う可撓性を有する伝熱部材と、該伝熱部材と前記可動部との間の伝熱を遮断する断熱手段とを備える微動装置を提供する。

本態様によれば、アクチュエータの作動によりベース部材に固定された固定部に対して可動部が微小移動させられることにより、可動部に搭載された発熱体がベース部材に対して微小移動させられる。発熱体とベース部材との間に配置された伝熱部材は、ベース部材に対して発熱体が移動させられると変形させられながらベース部および発熱体との接触状態を維持する。

これにより、発熱体とベース部材との間の熱伝導が伝熱部材を介して効果的に行われる。一方、伝熱部材と可動部との間に設けられた断熱部材によって、伝熱部材から可動部への伝熱が遮断される。これにより、ベース部材と発熱体との間の伝熱が行われても、可動部の急激な温度変化が防止され、搭載した発熱体の位置決め精度を向上しながら、発熱体との間の熱伝導を効果的に行うことができる。

上記態様においては、前記発熱体が撮像素子であってもよい。
このようにすることで、撮像素子の位置決め精度を向上しながら微小移動させ、撮像素子において発生した熱を伝熱手段によって効果的にベース部材に逃がすことができる。

また、上記態様においては、前記発熱体が冷却素子であってもよい。
このようにすることで、例えば撮像素子を冷却素子によって効果的に冷却し、冷却素子において発生した熱を伝熱手段によって効果的にベース部材に逃がすことができる。

また、上記態様においては、前記断熱手段が前記伝熱部材を前記可動部に固定する断熱部材であってもよい。
このようにすることで、伝熱部材と可動部とが断熱部材によって確実に断熱されるとともに、伝熱部材が可動部に安定的に保持され、発熱体と伝熱部材とが相対移動しないように固定される。

また、上記態様においては、前記断熱手段が、前記伝熱部材を前記可動部に固定する第１断熱部材と、前記発熱体を前記可動部に固定する第２断熱部材とを備えていてもよい。
このようにすることで、発熱体から可動部への伝導も第２断熱部材によって遮断され、発熱体とベース部材との間の伝熱を効果的に行うことができる。

また、上記態様においては、前記第１断熱部材と前記第２断熱部材とが一体的に構成されていてもよい。
このようにすることで、発熱体とベース部材との間の伝熱を効果的に実施しながら、部品点数を削減することができる。

また、上記態様においては、前記固定部と前記ベース部材との間の伝熱を遮断する第３断熱部材を備えていてもよい。
このようにすることで、ベース部材から固定部への伝熱も遮断して、微動素子の温度変化を抑制し、発熱体をさらに精度よく位置決めしながら微動させることができる。

本発明によれば、搭載した発熱体の位置決め精度を向上しながら、発熱体との間の熱伝導を効果的に行うことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る微動装置を内蔵した撮像装置を装着した顕微鏡を示す模式図である。 図１の顕微鏡に備えられる図１の撮像装置の内部構造を示す縦断面図である。 図２の撮像装置に備えられる本実施形態に係る微動装置を示す平面図である。 図２の撮像装置の第１の変形例を示す縦断面図である。 図２の撮像装置の第２の変形例を示す縦断面図である。 図２の撮像装置の第３の変形例を示す縦断面図である。 図２の撮像装置の第４の変形例を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る微動装置を搭載したステージ装置を示す縦断面図である。

本発明の一実施形態に係る微動装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る微動装置１は、図１に示されるように、顕微鏡２００に搭載される撮像装置（カメラ）１００に内蔵され、撮像素子３を水平方向（後述する対物レンズ２０３の光軸に対して垂直方向）に微動させる装置である。顕微鏡２００は、顕微鏡本体２０１と、ステージ２０２と、対物レンズ２０３と、接眼レンズ２０４と、鏡筒２０５と、結像レンズ２０６と、撮像装置１００とを備えている。

本実施形態に係る微動装置１は、図２および図３に示されるように、ベース部材２と、該ベース部材２に固定され撮像素子（発熱体、微動対象部材）３を搭載する微動素子４と、撮像素子３とベース部材２との間に配置される伝熱部材５と、伝熱部材５と微動素子４との間に配置された断熱部材（断熱手段、第１断熱部材）６とを備えている。

微動素子４は、図２および図３に示されるように、ベース部材２に固定される固定部７と、撮像素子３を固定する可動部８と、固定部７と可動部８とを接続し弾性変形可能な弾性部９と、弾性部９を弾性変形させることにより固定部７に対して可動部８を微小移動させるアクチュエータ１０とを備えている。固定部７、弾性部９、後述するアーム部１３および可動部８は、金属製の円板部材に、例えば、ワイヤカット加工等によって板厚方向に貫通する複数の溝を形成することにより構成されている。

固定部７は、円板部材の外周部分に配置され、可動部８は、固定部７の略中央に配置された略正方形に形成されている。可動部８の中心には板厚方向に貫通する貫通孔１１が形成され、該貫通孔１１の内周面には雌ネジが形成されている。可動部８の４隅は、弾性部９としての４つの板バネ部９ａを介して、固定部７に接続されている。

これらの板バネ部９ａはＬ字状の２つの溝を略平行に形成することにより構成されている。各板バネ部９ａの幅は、後述するＸ軸およびＹ軸方向にバネとして作用するように薄く形成されている。

可動部８の中心を通過し相互に直交するＸ軸およびＹ軸の各軸線上に沿って延びるように、弾性部９としての駆動バネ部９ｂが形成されている。これら駆動バネ部９ｂの幅はそれぞれ、Ｘ方向またはＹ方向にバネとして作用するように薄く形成されている。各駆動バネ部９ｂは可動部８の各辺の中央に接続されている。

アクチュエータ１０は、可動部８の各辺の各駆動バネ部９ｂに並列する位置に配置され、ヒンジ部１２によって固定部７に連結されるとともに、先端が駆動バネ部９ｂの一端に接続されたアーム部１３と、可動部８の２辺に対応する各アーム部１３と固定部７との間に配置されたピエゾ素子１４とを備えている。
ピエゾ素子１４は加えられた電圧信号に応じて一方向に伸縮するように配置されており、伸縮によりアーム部１３の一端に押引力が加えられる結果、アーム部１３がヒンジ部１２を支点として揺動させられ、可動部８が、アクチュエータ１０の伸縮方向に対して直交する方向に押し引きされるようになっている。

撮像素子３は、図２に示されるように、可動部８に支柱（結合部材）１５によって固定された基板１６上に実装され、発熱体としての電源５０を備えている。
伝熱部材５は、例えば、シリコーンゴムやシリコーンゲルに無機熱伝導性フィラーを含有させてなる可撓性を有するシート状に形成され、可動部８の貫通孔１１を貫通して、撮像素子３の電源５０およびベース部材２の表面に密着状態に配置されている。これにより、撮像素子３の電源５０において発生した熱が伝熱部材５を介してベース部材２に伝導されるようになっている。

断熱部材６は、断熱性を有する樹脂からなり、伝熱部材５を嵌合させる中央孔１７を有する円筒状に形成され、外周面に可動部８の雌ネジに締結される雄ネジを有している。断熱性を有する樹脂としては、例えば、ポリカーボネートあるいはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を挙げることができる。

また、断熱部材６には、径方向外方に突出する鍔部１８が設けられている。断熱部材６は、鍔部１８が可動部８に突き当たるまで雄ネジと雌ネジとを締結することにより、可動部８にしっかりと固定されている。

図２中、符号１９は、ベース部材２に固定された第１カバー部材であり、ベース部材２と第１カバー部材１９との間をＯリング２０によって密封することにより、撮像素子３を収容する空間を密封するようになっている。この空間内には乾燥した空気や不活性ガス等が封入されている。

第１カバー部材１９には、撮像素子３の撮像面に対向する位置に光学的に透明な防塵ガラスからなる窓部２１が設けられている。
図中、符号２２は、撮像装置１００を顕微鏡本体２０１に着脱するためのＣマウント等の取付部である。

また、図２中、符号２３は、ベース部材２に固定された第２カバー部材であり、第２カバー部材２３とベース部材２との間の空間には、撮像素子３の出力信号を処理して画像データを取得する回路が形成された基板２４が収容されている。符号２５は、基板２４に接続され、画像データを外部に出力するためのコネクタである。

このように構成された本実施形態に係る微動装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る微動装置１を用いて撮像素子３を微小移動させる場合には、ピエゾ素子１４に電圧信号を供給してピエゾ素子１４を伸縮させる。これにより、ピエゾ素子１４の押引力がアーム部１３および駆動バネ部９ｂを介して可動部８に押引力を加えられる。

微動素子４による撮像素子３の変位を、例えば、撮像素子３の画素ピッチ未満（本実施形態では画素ピッチの１／２）の振幅でＸ軸方向およびＹ方向の２方向に実施することにより、撮像素子３の画素ずらしを実施して、画素ずらしせずに取得した画像よりも高解像の画像を得ることができる。

この場合において、撮像素子３による撮影に伴い電源５０が発熱するが、発生した熱は、電源５０に密着して配置されている伝熱部材５を介してベース部材２に伝導され、第１カバー部材１９および第２カバー部材２３を経由して大気に放散される。これにより電源５０が冷却される。

伝熱部材５と可動部８とが断熱部材６によって断熱されているので、電源５０において発生した熱の大部分が伝熱部材５を経由してベース部材２に伝熱される。したがって、可動部８の急激な温度変化が防止され、熱変形等による急激な位置ズレの発生を効果的に防止することができるという利点がある。

また、この場合において、伝熱部材５は、断熱部材６によって可動部８に固定されているとともに、ベース部材２に密着させられているが、可撓性を有しているので、ベース部材２に対して可動部８が相対的に変位させられても、変形させられることにより、可動部８への固定状態とベース部材２への密着状態とを維持することができる。これにより、伝熱部材５を介した撮像素子３からベース部材２への効果的な伝熱と、可動部８への伝熱の遮断とを行うことができる。

ここで、ベース部材２は、第１カバー部材１９および第２カバー部材２３に固定されていて、移動しないため、材質を鉄や銅で構成したり、体積を微動素子４よりも大きくしたりすることが可能である。

これにより、可動部８の質量を増やすことなく、伝熱部材５の伝熱先であるベース部材２の熱容量を大きくすることができる。すなわち、可動部８の動特性を劣化させることなく、可動部８の急激な温度変化が防止され、撮像素子３から伝熱部材５を介した伝熱部材５への伝熱をより効果的に行うことができる。

なお、本実施形態においては、撮像素子３からの熱をシート状の伝熱部材５に直接伝熱させることとしたが、これに代えて、図４に示されるように、撮像素子３を冷却するための基板１６の裏面に取り付けられたヒートシンク２６およびペルチェ素子（冷却素子、発熱体）２７を装備し、ペルチェ素子２７をヒートシンク２６に押し付ける調整ネジ２８および調整ネジ２８とベース部材２との間に配置した熱伝導グリス２９によって、伝熱部材５を構成してもよい。

調整ネジ２８は、円板状の外周面に断熱部材６の内面に形成した雌ネジに締結される雄ネジを有している。
撮像素子３は、基板１６上に実装されており、伝熱部材５とは別の支柱１５によって可動部８に固定されている。

これにより、ペルチェ素子２７は、ヒートシンク２６、基板１６および支柱１５を介して可動部８に固定されることとなる。
また、ヒートシンク２６とペルチェ素子２７との界面やペルチェ素子２７と調整ネジ２８との界面に、熱伝導グリスを塗布してもよい。

ヒートシンク２６および調整ネジ２８は、銅あるいはアルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料により構成されている。
熱伝導グリス２９としては、例えば、シリコーンオイルに高熱伝導無機粉末を配合した材料を挙げることができる。熱伝導グリス２９は粘性を有し、可動部８が移動した場合には変形して可動部８の移動を阻害せず、撮像装置１００が傾斜しても調整ネジ２８とベース部材２との隙間から流出しないようになっている。

このように構成することにより、ペルチェ素子２７を使用することで撮像素子３を例えば室温以下に冷却することができる。
また、撮像素子３を急速に冷却するために、ペルチェ素子２７に流す電流を急増させて、ペルチェ素子２７の発熱量が急増した場合であっても、伝熱部材５と可動部８との間の断熱部材６の断熱作用によって、ペルチェ素子２７で発生した熱の大部分が伝熱部材５を介してベース部材２に伝熱されるようになっている。

したがって、撮像素子３の画素ずらしを実施する際に、可動部８の急激な温度変化が防止され、熱変形等による急激な位置ズレの発生を効果的に防止し、熱ノイズの少ない高精細な画像を得ることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、図５に示されるように、基板１６を可動部８に固定する支柱（第２断熱部材、結合部材）３０も断熱材料により構成することにしてもよい。これにより、撮像素子３からの発熱が支柱３０を経由して可動部８に伝導することも防止することができ、微動素子４の急激な温度変化による急激な位置ズレの発生をより効果的に防止することができるという利点がある。

また、断熱部材６を可動部８の貫通孔１１の雌ネジに締結することに代えて、図６に示されるように、断熱材料からなる支柱３１によって固定することにしてもよい。図６に示す例では、円筒状の断熱部材６の鍔部１８を径方向に延ばし、基板１６および可動部８に断熱材料からなる支柱３１を介して固定している。その結果、円筒状の断熱部材６および支柱３１を一体的に構成することができ、部品点数を削減して安価に構成することができるという利点がある。

また、図７に示されるように、固定部７とベース部材２との間に断熱部材（第３断熱部材）３２を配置してもよい。これにより、伝熱部材５を介してベース部材２に移動した熱が、固定部７との接続部を経由して微動素子４に戻ることを防止して、微動素子４の急激な温度変化による急激な位置ズレの発生をより効果的に防止することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、撮像装置１００内に備えられ、発熱体として撮像素子３、あるいは撮像素子３および撮像素子３を冷却するペルチェ素子２７を微小移動する微動装置１について説明したが、これに代えて、図８に示されるように、標本Ｘを搭載するステージ（微動対象部材）２０２を微小移動させる場合に本発明の微動装置１を適用してもよい。この場合、ステージ２０２を冷却するペルチェ素子２７が発熱体となる。

この場合においても、ペルチェ素子２７を使用することでステージ２０２を冷却して、ステージ２０２に搭載した標本Ｘを冷却しても、ペルチェ素子２７で発生した熱が微動素子４の可動部８に伝熱してしまうことが防止され、標本Ｘを精度よく微動させることができるという利点がある。図中、符号３３はベース部材２に伝わった熱を放出するためのフィン３４を備えた放熱器である。

また、本実施形態においては、断熱手段として円筒状の断熱部材６を例示したが、伝熱部材５と微動素子４の可動部８との間に円筒状の隙間を形成することにより、隙間を断熱手段としてもよい。これによっても、可動部８に搭載された発熱体の熱を伝導する伝熱部材５から可動部８への伝熱を防止することができる。

また、本実施形態においては、発熱体からの熱をベース部材２に伝熱する伝熱部材５を例示したが、ペルチェ素子２７に流す電流の極性を反転させてベース部材２側からステージ２０２に熱を供給する伝熱部材を備える場合に適用してもよい。

なお、本実施形態においては、伝熱部材５と発熱体とを直接接触させているが、これに限られるものではない。例えば、伝熱部材５と発熱体との間に他の部材を介在させ、伝熱部材５と発熱体とを間接的に接触させるようにしてもよい。

１ 微動装置
２ ベース部材
３ 撮像素子（発熱体、微動対象部材）
４ 微動素子
５ 伝熱部材
６ 断熱部材（断熱手段、第１断熱部材）
７ 固定部
８ 可動部
９ 弾性部
１０ アクチュエータ
２７ ペルチェ素子（発熱体、冷却素子）
３０ 支柱（第２断熱部材、結合部材）
３２ 断熱部材（第３断熱部材）

Claims (7)

1. ベース部材と、
   該ベース部材に固定される固定部と、該固定部に対して相対移動可能に配置され、発熱体を搭載する可動部と、該可動部と前記固定部とを連結する弾性部と、前記固定部に対して前記可動部を微小移動させるアクチュエータとを備える微動素子と、
   前記ベース部材および前記発熱体に接触して配置され、前記発熱体と前記ベース部材との間の熱伝導を行う可撓性を有する伝熱部材と、
   該伝熱部材と前記可動部との間の伝熱を遮断する断熱手段とを備える微動装置。
2. 前記発熱体が撮像素子である請求項１に記載の微動装置。
3. 前記発熱体が冷却素子である請求項１に記載の微動装置。
4. 前記断熱手段が前記伝熱部材を前記可動部に固定する断熱部材である請求項１から請求項３のいずれかに記載の微動装置。
5. 前記断熱手段が、前記伝熱部材を前記可動部に固定する第１断熱部材と、前記発熱体を前記可動部に固定する第２断熱部材とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の微動装置。
6. 前記第１断熱部材と前記第２断熱部材とが一体的に構成されている請求項５に記載の微動装置。
7. 前記固定部と前記ベース部材との間の伝熱を遮断する第３断熱部材を備える請求項１から請求項６のいずれかに記載の微動装置。

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