JP4471853B2 - デジタルカメラ - Google Patents

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Description

本発明は撮像素子で撮像を行うデジタルカメラに関し、特に手ぶれ補正機構を備えたデジタルカメラに関するものである。
近年のデジタルカメラに用いられる撮像素子は600万画素以上の多画素化が進み、撮像素子の狭ピッチ化とISO感度低下の影響で望遠レンズを装着した場合に手ぶれが起こり易い。このような手ぶれを補正したカメラとして、特許文献1では手ぶれを検出し、検出した手ぶれ量に基づいて撮像素子を垂直、水平等の手ぶれの方向に移動して補正を行う技術が提案されている。特許文献1には、撮像素子を移動するための具体的な構成は開示されていないが、例えば撮像素子をXY方向に移動可能な移動テーブル上に搭載するXY移動テーブル構造が考えられる。あるいは、光ディスク装置の光ヘッドで採用されているように4本の弾性ワイヤで撮像素子を移動可能に支持した平行バネ構造が考えられる。その他、ボイスコイルモータやDCモータ、ステップモータ等の回転駆動源の回転力を利用して撮像素子を移動させるボールネジ構造が考えられる。このボールネジ構造は例えば特許文献2のように、撮像レンズを構成するレンズの一部をXY方向に移動させる構成にも適用されている。
特開2001−245199号公報 特開2003−84328号公報
これらの撮像素子の移動機構では、それぞれ次のような問題がある。XY移動テーブル構造は、複数のガイドバーや移動テーブルが必要であるため小型化が困難であり、カメラの撮像素子と一体に構成するとカメラが大型化してしまう。平行バネ構造では、弾性ワイヤが変形したときに支持している撮像素子が僅かであるが光軸方向に移動してしまうためピントずれが生じてしまい、特にF1.4のような明るいレンズではピントずれが判ってしまう。モータを駆動源としたボールネジ構造では、回転角に対する撮像素子の移動量を大きくとることが難しいため、撮像素子を迅速かつ応答性良く移動することが困難であり、高速の手ぶれ補正を行うことができないという問題がある。
本発明の目的は、これらの問題を解消し、手ぶれの補正に際して高速かつピントずれが生じることがなく、しかも小型に構成することを可能にしたデジタルカメラを提供するものである。
本発明は、カメラに生じるぶれを検出する手段と、検出したぶれに基づいてカメラの光軸に対する撮像素子を位置調整する撮像素子移動機構とを備えるデジタルカメラであって、撮像素子移動機構は、表面が光軸と垂直な方向に向けられた固定基板と、撮像素子を搭載し固定基板の複数箇所に配設された転動支持手段により当該固定基板の表面に沿って移動可能な撮像素子基板と、撮像素子基板を固定基板の表面に沿っていずれかの方向に付勢する付勢手段と、撮像素子基板を付勢手段による付勢力に抗して移動させる移動手段とを備え、付勢手段は固定基板と撮像素子基板のそれぞれに対向配置されて互いに吸引力または排斥力からなる付勢力を生じさせる磁石で構成され、各基板の磁石は互いに付勢方向に偏位されて対向配置される。
本発明によれば、撮像素子基板は転動支持手段によって固定基板の表面に支持されているので、発生したぶれを相殺すべく撮像素子基板を光軸と垂直な面に沿って移動する際には工程基板の表面に沿って平行に移動され、撮像素子の撮像面が光軸方向に変位されることはなくピントずれが生じることはない。また、転動手段においては殆ど抵抗が生じることなく軽快に撮像素子基板を移動させることができ、かつ撮像素子基板を移動させる移動手段は付勢手段によっては予め付勢された方向に対向する方向にのみ移動させればよく、複数の方向に移動させる必要がないので、目的とする移動位置に安定にかつ迅速に位置設定することができる。また、移動手段は単に撮像素子基板を固定基板に対して微細移動させる力を生じさせるだけでよいので小型に構成することができる。
本発明においては、転動支持手段は固定基板と撮像素子基板の一方に支持され、他方に対して転動状態に接触されるボールを含むボール軸受で構成する。また、付勢手段は、カメラの垂直方向(Y方向)と水平方向(X方向)のいずれに対しても傾斜した斜め方向に付勢力を生じさせ、移動手段は撮像素子基板をY方向とX方向のそれぞれに駆動させる一対のアクチュエータで構成される。この移動手段の一対のアクチュエータはそれぞれ複数の圧電素子を積層した積層型圧電アクチュエータで構成され、各積層型圧電アクチュエータは固定基板に搭載され、変位拡大リンクを介して各積層型圧電アクチュエータと撮像素子基板とを連結する。この場合、変位拡大リンクは固定基板の一部を切り欠いて形成する。
また、本発明では、固定基板と撮像素子基板との間には撮像素子を内側に囲み、転動支持手段や付勢手段を外側に配設した防振材からなる防塵帯を備えることが好ましい。この防塵帯は撮像素子基板を固定基板に連結支持し、かつ撮像素子基板が固定基板の表面に沿って移動できるように弾性変形可能に構成される。
次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図1は本発明をレンズ交換式のデジタル一眼レフカメラに適用した実施例1を前面側から見た斜視図である。図1においてカメラボディ1の前面にはレンズマウント2が配設されており、このレンズマウント2には図には表れない撮像レンズが装着される。また、前記カメラボディ1の上面には回転レバー式のメインスイッチ3及び押下操作可能なレリーズボタン4と、各種撮影情報を表示するための撮影情報用LCD(液晶表示装置)5と、各種撮影モードを設定するためのモード設定ダイヤル6が配設されている。前記レリーズボタン4は測光スイッチ及びレリーズスイッチとして機能するものであることは言うまでもない。また、前記モード設定ダイヤル6は手ぶれ補正モードを選択することが可能である。
図2は前記カメラの内部構成を示す概念構成図である。レンズマウント2に装着した図には表れない撮像レンズで結像した被写体像を可動ハーフミラー11で反射し、焦点板12に結像する。焦点板12に結像した被写体像はペンタプリズム13で反射され、接眼レンズ14によって撮影者が視認することができる。また、可動ハーフミラー11が焦点板12の方向に上昇回動し、シャッタ装置15が開動作したときに、被写体光はCCD撮像素子、あるいはMOS撮像素子等の撮像素子20の撮像面で受光され、この撮像素子20から撮像信号が出力される。この撮像素子10は詳細を後述する撮像素子移動機構21によって光軸と直交する平面上でX方向及びY方向にそれぞれ移動可能とされている。ここで、X方向とはカメラボディ1の水平方向、Y方向とはカメラボディ1の垂直方向とする。
さらに、前記カメラボディ1内には、カメラボディ1のX方向、Y方向のぶれ量、すなわち撮像レンズの光軸がX方向、Y方向に変化したそれぞれの偏位角度を検出するXY角速度センサ22が内蔵されており、このXY角速度センサ22は検出したぶれ量をCPU23に出力する。CPU23は検出したぶれ量に基づいて当該ぶれ量を相殺するのに必要な撮像素子21の移動量を演算し、この演算した値に基づいて前記撮像素子移動機構20を駆動する駆動回路24を制御し、手ぶれを補正するようになっている。
なお、図2では前記可動ハーフミラー11を透過した被写体光の一部は第2ミラー16で反射され、測距装置としてのAFモジュール17において受光され、測距が行われる。測距された被写体距離に基づいて前記CPU23が図には表れないAF駆動機構により撮像レンズでのAF制御を実行する。また、集光レンズ18を通して被写体光を受光して測光を行う測光素子19が前記接眼レンズ14に近接して配設されている。
図3は前記撮像素子21を含む撮像素子移動機構20を背面側から見た斜視図、図4はその部分分解斜視図である。また、図5は図3のA−A線に沿った部分の断面図である。撮像素子移動機構20は本体シャーシとして構成されている垂直な固定基板210に組立てられており、この固定基板210に対して撮像素子21を搭載した撮像素子基板220を支持し、固定基板210の表面、ここでは撮像レンズの光軸と垂直になるようにカメラボディ1内に垂直に向けられた垂直面に沿って撮像素子基板220をX方向及びY方向に移動可能としている。前記撮像素子21は内部に撮像素子チップ21bが内装されて前面がカバーガラス21cによって封止されており、その背面が前記撮像素子基板220の前面に当接されるとともに、そのリード21aは当該撮像素子基板220の上下に開口されたリード挿通溝221を通して後面に向けて挿通され、前記撮像素子基板220に開口された3つの接着剤注入口222から注入された接着剤によって撮像素子基板220と一体に接着されている。
そして、図6に前記撮像素子基板220を前面側から見た斜視図を示すように、前記撮像素子基板220の前面には前記撮像素子21を囲むように矩形をした蛇腹状の防塵帯230が配設されており、ここでは防塵帯230の両端面にそれぞれ複数の微小ボス231を突出形成し、これらの微小ボス231を固定基板210と撮像素子基板220のそれぞれに設けた小孔213,223に嵌入させることによって取着し、かつこのように取着した防塵帯230を介して前記撮像素子基板220と前記固定基板210とを連結するようになっている。この防塵帯230は振動を速やかに吸収することが可能な防振ゴムによって製造されており、この防塵帯230の弾力性によって前記撮像素子基板220は前記固定基板210の表面に沿って所要寸法範囲でX方向及びY方向に移動することが可能とされている。さらに、撮像素子基板220の一側と下側のそれぞれの部位には、後述するY及びXの各積層型圧電アクチュエータ260y,260xの各係合ピン262y,262xに係合する矩形をしたY係合窓224とX係合窓225が開口されている。また、前記撮像素子基板220には、前記撮像素子21の周囲で前記防塵帯230の外側の3箇所にボール軸受240が配設されている。このボール軸受240は詳細を後述するように撮像素子基板220を固定基板210の表面(背面)に沿って平行に移動可能に支持するものであり、本発明の転動支持手段である。さらに、前記撮像素子21の周囲を囲む4箇所に詳細を後述する付勢部(可動付勢部)250が配設されている。
前記固定基板210は、図7に正面図を示すように、前記撮像素子21の撮像面を露呈するための矩形のアパーチャ211が開口されており、その前面には当該アパーチャ211を開閉する前記シャッタ装置15が周囲3箇所に設けたシャッタ支持柱212によって一体的に支持されている。なお、シャッター装置15はフォーカルプレーンシャッタが用いられているが、ここでは詳細な説明は省略する。また、前記固定基板210の前記アパーチャ211の周囲4箇所には前記撮像素子基板220に設けられた付勢部250と同じ構成をした付勢部(固定付勢部)250(構成が同じであるので同一符号を付している)が配設されている。これらの付勢部250はそれぞれ協動して撮像素子基板220を固定基板210の表面に沿ってXY方向に移動可能させるための磁力を付与するものであり、本発明の付勢手段を構成する。
図8は図7のB−B線に沿った部分の拡大断面図であり、前記付勢部250の構成を示している。前記付勢部250は固定基板210と撮像素子基板220とでほぼ同じ構成をしており、ここでは便宜的に固定基板210側の付勢部を固定付勢部と称し、撮像素子基板220側の付勢部を可動付勢部と称している。前記固定基板210と撮像素子基板220の各基板に開口された穴251a,251b内には磁性体からなる短ロッド状のヨーク252a,252bが嵌合されており、各ヨーク252a,252bの外側にはそれぞれ円環状をしたネオジウム磁石等の永久磁石253a,253bが嵌合されている。そして、固定基板210に撮像素子基板220を対向配置させたときには、固定付勢部の永久磁石253aと可動付勢部の永久磁石253bはそれぞれ異なる磁極を対面させており、例えば固定付勢部の永久磁石253aのS極と可動付勢部の永久磁石253bのN極とを対面させている。また、このとき、各付勢部のヨーク252a,252bは両者の対向方向に微小の間隔で対峙されるとともに、各ヨーク252a,252bの各中心軸Oa,Obは平面方向にずれるように位置設定しており、ここではX方向及びY方向のそれぞれに対して45度の角度を有する傾斜方向であるM方向にずらしている。
これらの付勢部250においては、固定付勢部の永久磁石253aと可動付勢部の永久磁石253bとの間には前述したように磁力による吸引力が作用するため、撮像素子基板220は固定基板210に対して接近する方向に付勢されることになる。また、これと同時に各付勢部250ではそれぞれ可動付勢部のヨーク252bの中心軸Obが固定付勢部のヨーク252aの中心軸Oaに対してX,Y方向にそれぞれ45度をなすM方向にずれているため、両ヨーク間での平面方向の磁力による吸引力によって可動付勢部のヨーク252bが固定付勢部のヨーク252aに引きつけられる方向の付勢力、すなわち撮像素子基板220を固定基板210の背面に沿ってM方向に移動させようとする付勢力を生じさせることになる。
一方、図5に示したように、前記3箇所のボール軸受240は、前記撮像素子基板220に開口された穴241内に円筒座242がかしめ等によって嵌合されており、この円筒座242内に転動可能にボール243が内装されている。また、前記各ボール軸受240に対向する前記固定基板210の3箇所に開口された穴245内には前記ボール243が当接される円形の板材で構成されたボール座244が嵌合されている。そして、撮像素子基板220を固定基板210に対向配置させたときに、円筒座242内のボール243がボール座244の表面に当接される。ボール243はボール座244の表面上で転動可能であるため、撮像素子基板220は固定基板210に対してボール243の径寸法に対応する間隔で対峙した状態を保ったまま固定基板210に対して平行移動することか可能にされている。特に、ボール243やボール座244の表面は精密加工により製造しているので、固定基板210に対する撮像素子基板220の間隔寸法や両者の平行度を高精度に管理することが可能になり、しかもボール243による転がり接触であるため撮像素子基板220の移動を極めて軽快に行うことができる。
さらに、図7に示したように、前記撮像素子基板220の2つの係合窓224,225に対応して固定基板210を背面側から見て下辺と右辺のそれぞれに本発明の移動手段となるY積層型圧電アクチュエータ260yとX積層型圧電アクチュエータ260xが支持されている。前記各積層型圧電アクチュエータ260x,260yは一端部において固定基板210に固定されているが、他端部は各積層型圧電アクチュエータに印加される電圧に応じて伸縮動作されるようになっており、この他端部には固定基板210の一部を切り欠いて形成したX及びYの各変位拡大リンク261x,261yが連結されている。これらの変位拡大リンク261x,261yは、積層型圧電アクチュエータ260x,260yの他端部の近傍において細幅の支点部Cと力点部Pとで連結された細長いクランク状に切り欠き形成されている。そして、変位拡大リンク261x,261yは力点部Pにおいて前記積層型圧電アクチュエータ260x,260yの他端部に連結され、作用点Sとなる反対側の端部に前記撮像素子基板220のX係合窓224、Y係合窓225内にそれぞれ挿通される係合ピン262x,262yが立設されている。また、各係合ピン262x,262yの先端部には大径の係止リング263x,263yが取着されており、各係合窓224,225からそれぞれ係合ピン262x,262yが脱落しないようになっている。
以上の構成の撮像素子移動機構20では、X及びYの各積層型圧電アクチュエータ260x,260yに電圧が印加されていないときには、各積層型圧電アクチュエータ260x,260yは短縮した状態にあり、所要の電圧が印加されると電圧に応じて伸長する。また、撮像素子基板220は前述のようにボール軸受240のボール243がボール座244に転動可能に接しているので、固定基板210に対して所定の間隔をもって当該固定基板210の背面に沿ってXY方向に移動可能な状態にあり、その上で各付勢部において生じる磁力によって固定基板に対してM方向に付勢されている。この状態では、各積層型圧電アクチュエータ260x,260yに連結されている各変位拡大リンク261x,261yの作用点に立設された係合ピン262x,262yは圧電素子基板220のX及びYの各係合窓224,225内においてM方向と反対側の内縁に当接された状態にある。
この状態から、例えばY積層型圧電アクチュエータ260yに所要の電圧が印加されると、Y積層型圧電アクチュエータ260yは伸長し、図9に模式的に示すようにY変位拡大リンク261yを支点Cを中心にして力点Pを同図の右方向に微小変位させるため、Y変位拡大リンク261yの作用点Sはてこの原理によってY方向に拡大された状態で上方に変位される。これにより、Y変位拡大リンク261yの作用点Sに立設された係合ピン262yがY係合窓224の内縁をY方向に押圧し、撮像素子基板220を各付勢部250でのM方向の付勢力のY方向成分に抗してY方向に沿って上方に移動させる。この作用はX積層型圧電アクチュエータ260xについても同様であり、X積層型圧電アクチュエータ260xに所要の電圧を印加することで撮像素子基板220をX方向に沿って左方に移動させる。したがって、X及びYの各積層型圧電アクチュエータ260x,260yにそれぞれ所望の電圧を印加することで、撮像素子21をX方向及びY方向に任意に移動させることが可能である。また、この移動に際しての駆動力は各積層型圧電アクチュエータ260x,260yの伸縮動作であるため、早い応答性が得られる。
以上のような撮像素子移動機構20を備えた実施例のデジタルカメラでは、図2に示したように、撮影時に手ぶれが生じるとXY角速度センサ22がX方向、Y方向の各ぶれを検出し、検出したぶれ量をCPU23に出力する。CPU23はこのぶれ量に基づいて、当該ぶれ量を相殺するべく撮像素子21をX方向、Y方向のいずれの方向にいずれの寸法だけ移動したらよいかを演算し、さらにこの演算値に基づいてX積層型圧電アクチュエータ260xとY積層型圧電アクチュエータ260yにそれぞれ供給する電圧を演算する。その上でCPU23は駆動回路24を制御し、各積層型圧電アクチュエータに適切な電圧を印加する。電圧が印加された各積層型圧電アクチュエータ260x,260yは、当該電圧にしたがって伸長し、各変位拡大リンク261x,261yを介して係合ピン262x,262yをX1方向あるいはY1方向に移動させる。これにより、撮像素子基板220は付勢部250により付勢されるM方向に対してX方向、Y方向に移動され、これに伴って撮像素子21は撮像レンズの光軸に対してX方向、Y方向に移動され、手ぶれを相殺する。
このとき、撮像素子基板220はボール軸受240によって固定基板210の背面に沿って平行に移動されるので、撮像素子21の撮像面が光軸方向に変位されることはなくピントずれが生じることはない。また、撮像素子基板220を移動させる積層型圧電アクチュエータ260x,260yはそれぞれ付勢されたM方向に対向する方向にのみX方向及びY方向に移動力を生じさせればよく、反対方向は移動力を解除すればよいので、複雑な制御は必要がない。しかも、ボール軸受240での転がり接触により撮像素子基板220を軽快に移動することができるため、目的とする移動位置に安定にかつ迅速に位置設定することができる。これに加えて撮像素子基板220は防振ゴムからなる防塵帯230によって固定基板210に連結されているので、撮像素子基板220の移動に伴って生じる振動は防塵帯230によって吸収されるため撮像素子21を制御しようとする位置に迅速に停止させることが可能になる。また、撮像素子21は防塵帯230によって周囲が囲まれているので、その外周に配置したボール軸受240や付勢部250、さらには積層型圧電アクチュエータ260x,260yと変位拡大リンク261x,261y等において生じる塵埃が撮像面に付着するようなこともない。このように実施例の撮像素子移動機構20では、手ぶれの補正に際して高速かつピントずれが生じることがなく、しかも小型に構成することが可能になる。
お、撮像素子基板をXY方向に駆動する駆動手段としての圧電アクチュエータは、変位拡大リンクとの併用によって単一の圧電素子でも十分な伸縮長さが得られるのであれば、単一の圧電アクチュエータで構成することも可能である。
また、実施例1では本発明を一眼レフ方式のデジタルカメラに適用したが、撮像素子を移動制御してぶれを相殺する構成のカメラであれば本発明を適用することができる。
本発明の実施例1のカメラを前面方向から見た斜視図である。 実施例1のカメラの内部構成を示す概略断面図である。 撮像素子移動機構を背面側から見た斜視図である。 撮像素子移動機構を背面側から見た分解斜視図である。 図3のA−A線に沿う断面図である。 撮像素子基板を前面側下方から見た斜視図である。 固定基板を背面側からみた正面図である。 付勢部を示す図7のB−B線に沿う拡大断面図である。 積層圧電アクチュエータの変位拡大作用を示す模式図である。
符号の説明
1 カメラボディ
2 レンズマウント
20 撮像素子移動機構
21 撮像素子
22 XY角速度センサ
23 CPU
24 制御回路
210 固定基板
220 撮像素子基板
230 防塵帯
240 ボール軸受
243 ボール
244 ボール座
250 付勢部
252a,252b ヨーク
253a,253b 永久磁石
260x,260y 積層型圧電アクチュエータ
261x,261y 変位拡大リンク

Claims (7)

  1. カメラに生じるぶれを検出する手段と、検出したぶれに基づいてカメラの光軸に対する撮像素子の位置調整を行う撮像素子移動機構とを備えるデジタルカメラであって、前記撮像素子移動機構は、表面が光軸と垂直な方向に向けられた固定基板と、撮像素子を搭載し前記固定基板の複数箇所に配設された転動支持手段により当該固定基板の表面に沿って移動可能な撮像素子基板と、前記撮像素子基板を前記固定基板の表面に沿っていずれかの方向に付勢する付勢手段と、前記撮像素子基板を前記付勢手段による付勢力に抗して移動させる移動手段とを備え、前記付勢手段は、前記固定基板と前記撮像素子基板のそれぞれに対向配置されて互いに吸引力または排斥力からなる付勢力を生じさせる磁石で構成され、各基板の磁石は互いに前記付勢方向に偏位されて対向配置されていることを特徴とするデジタルカメラ。
  2. 前記転動支持手段は、前記固定基板と前記撮像素子基板の一方に支持され、他方に対して転動状態に接触されるボールを含むボール軸受で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のデジタルカメラ。
  3. 前記付勢手段は、カメラの垂直方向(Y方向)と水平方向(X方向)のいずれに対しても傾斜した斜め方向に前記付勢力を生じさせ、前記移動手段は前記撮像素子基板を前記Y方向とX方向のそれぞれに駆動させる一対のアクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のデジタルカメラ。
  4. 前記移動手段の一対のアクチュエータはそれぞれ複数の圧電素子を積層した積層型圧電アクチュエータで構成され、各積層型圧電アクチュエータは前記固定基板に搭載され、変位拡大リンクを介して前記各積層型圧電アクチュエータと前記撮像素子基板とを連結したことを特徴とする請求項に記載のデジタルカメラ。
  5. 前記変位拡大リンクは前記固定基板の一部を切り欠いて形成していることを特徴とする請求項に記載のデジタルカメラ。
  6. 前記固定基板と前記撮像素子基板との間には前記撮像素子を内側に囲み、前記転動支持手段や付勢手段を外側に配設した防振材からなる防塵帯を備えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のデジタルカメラ。
  7. 前記防塵帯は前記撮像素子基板を前記固定基板に連結支持し、かつ前記撮像素子基板が前記固定基板の表面に沿って移動できるように弾性変形可能に構成されていることを特徴とする請求項に記載のデジタルカメラ。
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