JP5154369B2 - 撮像素子ユニット及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子ユニット及び撮像装置に関する。
近時においては、撮像素子の画素数の増加に伴い、画素ピッチが細かなものとなっている。このため、撮像素子の撮像面の近傍の光学素子面に付着した埃の影が撮像画像に写り込み、画質に影響を及ぼす問題が生じている。このような問題に対処するため、例えば下記の特許文献1には、撮像素子の密閉部を小さく済むように構成し、小型な防塵機構を構成し、カメラの組立後に発生する塵埃に対しても効果のあることを想定した撮像素子の防塵機構が記載されている。
特開2002−204379号公報 特開2003−319222号公報 特開2003−338965号公報
しかしながら、上記従来の技術では、圧電素子によって防塵のためのフィルター、ガラス等の光学部材を振動させる構成としているが、圧電素子による屈曲運動は、基本的に光学素子の表面を2次元的に振動させる往復運動であるため、振動により塵、埃などのゴミに伝わる力の方向によっては、ゴミを完全に除去できないことが想定される。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、光学素子に付着したゴミを確実に除去することが可能な、新規かつ改良された撮像素子ユニット及び撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被写体の光学像が結像される撮像面を有し、前記光学像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子よりも被写体側に配置された光学素子と、前記光学素子の周縁部に装着され、面方向に当接部を有するプレートと、前記プレートに装着され、前記プレート及び前記光学素子を振動させる圧電素子と、前記プレートの前記当接部と当接し、少なくとも前記プレートの面方向で前記プレートを保持する保持枠と、を備える撮像素子ユニットが提供される。
上記構成によれば、撮像素子は被写体の光学像が結像される撮像面を有し、撮像素子により被写体の光学像が電気信号に変換される。光学素子は、撮像素子よりも被写体側に配置される。プレートは光学素子の周縁部に装着され、面方向に当接部を有する。圧電素子はプレートに装着され、圧電素子によりプレート及び光学素子が面直方向へ振動される。保持枠はプレートの当接部と当接し、少なくともプレートの面方向でプレートを保持する。従って、保持枠がプレートの面方向でプレートを保持するため、圧電素子の屈曲運動によりプレートのアーム部が振動した際に、当接部の振動によりプレートが面方向に移動する。従って、プレート及び光学素子を面直方向のみならず面方向にも振動させることが可能となり、3次元的な振動により確実にゴミ、パーティクルを除去することが可能となる。
前記当接部は、前記プレートの面方向と直交する方向に延在するアーム部から構成され、前記保持枠は、前記プレートの前記アーム部と当接する。かかる構成によれば、当接部は、プレートの面方向と直交する方向に延在するアーム部から構成されるため、保持枠によりプレートの面方向を確実に保持することができる。
また、前記アーム部は、前記プレートの外形の対向する2辺にそれぞれ設けられ、前記保持枠は、対向する2つの内壁を有し、前記対向する2辺のアーム部を介して前記プレートが前記2つの内壁の間に挟持される。従って、プレートが保持枠の2つの内壁の間に挟持されるため、面方向でプレートを確実に支持することができ、プレート及び光学素子を面方向に確実に振動させることができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、被写体の光学像を結像する撮像光学系と、前記撮像光学系により被写体の光学像が結像される撮像面を有し、前記光学像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子よりも被写体側に配置された光学素子と、前記光学素子の周縁部に装着され、面方向に当接部を有するプレートと、前記プレートに装着され、前記プレート及び前記光学素子を振動させる圧電素子と、前記プレートの前記当接部と当接し、少なくとも前記プレートの面方向で前記プレートを保持する保持枠と、を備える撮像装置が提供される。
上記構成によれば、撮像光学系は被写体の光学像を結像し、撮像素子は被写体の光学像が結像される撮像面を有し、撮像素子により被写体の光学像が電気信号に変換される。光学素子は、撮像素子よりも被写体側に配置される。プレートは光学素子の周縁部に装着され、面方向に当接部を有する。圧電素子はプレートに装着され、圧電素子によりプレート及び光学素子が面直方向へ振動される。保持枠はプレートの当接部と当接し、少なくともプレートの面方向でプレートを保持する。従って、保持枠がプレートの面方向でプレートを保持するため、圧電素子の屈曲運動によりプレートのアーム部が振動した際に、アーム部の振動によりプレートが面方向に移動する。従って、プレート及び光学素子を面直方向のみならず面方向にも振動させることが可能となり、3次元的な振動により確実にゴミ、パーティクルを除去することが可能となる。
前記当接部は、前記プレートの面方向と直交する方向に延在するアーム部から構成され、前記保持枠は、前記プレートの前記アーム部と当接する。かかる構成によれば、当接部は、プレートの面方向と直交する方向に延在するアーム部から構成されるため、保持枠によりプレートの面方向を確実に保持することができる。
また、前記アーム部は、前記プレートの外形の対向する2辺にそれぞれ設けられ、前記保持枠は、対向する2つの内壁を有し、前記対向する2辺のアーム部を介して前記プレートが前記2つの内壁の間に挟持される。従って、プレートが保持枠の2つの内壁の間に挟持されるため、面方向でプレートを確実に支持することができ、プレート及び光学素子を面方向に確実に振動させることができる。
本発明によれば、光学素子に付着したゴミを確実に除去することが可能な、撮像素子ユニット及び撮像装置を提供することが可能となる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る撮像装置200の主要部を示す断面図であって、水平方向から撮像装置200を見た状態を示している。撮像装置200は、撮像素子の本体200内に配置された結像レンズ202を有し、この結像レンズ202全体、あるいは結像レンズ202を構成する一部のレンズを光軸方向に移動することで結像位置を調節できる、不図示の焦点調節機構を備えている。
一方、結像レンズ202に対して被写体とは反対側には、撮像素子ユニット100が配置されている。撮像素子ユニット100は、光電変換素子であって、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS等のセンサから構成される撮像素子102を備えている。撮像素子102の撮像面には、結像レンズ202によって被写体像が結像される。
また、結像レンズ202と撮像素子ユニット100との間には、撮像素子102への露光量を調整するシャッター204が設けられている。撮像素子ユニット100は、不図示の支持部を本体200に固定されている。
図2は、本発明の一実施形態に係る撮像ユニット100の構成を示す断面図であって、図1中の撮像ユニット100を拡大して示している。図1に示すように、撮像ユニット100は、撮像素子102、保持枠104、ローパスフィルタ(LPF)106、金属プレート108、圧電素子110、フレキシブルプリント基板111、クッション材112、114、内部保持枠116、基板118、を備える。なお、本実施形態では、圧電素子110によって振動される光学素子としてローパスフィルタ106を例示しているが、光学素子はレンズ、またはガラス板などであっても良い。
図2において、撮像素子102は基板118上に実装され、基板118は保持枠104及び内部保持枠116に対して固定されている。撮像素子102は、保持枠104の開口部104a側に撮像面を向けた状態で保持されている。
圧電素子110は、光軸に対して上下2箇所に配置されている。圧電素子110の撮像素子102側の面には、圧電素子110に信号を送るフレキシブルプリント基板111が貼り付けられている。そして、圧電素子110及びフレキシブルプリント基板111は、クッション材114を介して、内側保持枠116に取り付けられている。
また、圧電素子110は、金属プレート108を介してローパスフィルタ106に固定され、金属プレートはクッション材112を介して保持枠に装着されている。図3は、図2に示す構造のうち、保持枠104、ローパスフィルタ106、金属プレート108、及び圧電素子110の配置を示す断面図であって、撮像装置100の上面から見た状態を示している。
図3に示すように、金属プレート108は、ローパスフィルタ106の撮像素子102側の面に装着されている。金属プレート108は、エポキシ系接着材、紫外線硬化型などの接着剤によりローパスフィルタ106に接着されている。
図4は、図3の矢印A1方向から見た状態を示す平面図である。図4に示すように、ローパスフィルタ106は矩形形状とされ、4隅にはR形状が設けられている。ローパスフィルタ106は、保持枠104に設けられた、矩形形状の開口104a内に挿入されている。金属プレート108は、その外形がローパスフィルタ106の外形106aよりも大きい矩形形状とされている。また、金属プレート108には、ローパスフィルタ106の外形106aよりも狭い範囲に開口108aが設けられている。従って、金属プレートは、開口108aとローパスフィルタ106の外形106aの間の領域を接着面として金属プレート108と接着されている。
図3に示すように、金属プレート108の撮像素子102側の面には、圧電素子110が接着されている。図4に示すように、圧電素子110は、金属プレート108の上下に2つ装着されている。また、各圧電素子110にはフレキシブルプリント基板111から周期電圧が印加される。各圧電素子110は圧電素子の板厚方向(結像レンズ102の光軸方向)で同じ向きに分極され、圧電体表面側の面に周期信号を発生する発振器により周期的な電圧が印加される。前記周期信号は矩形波でもサイン波でもかまわない。なお、2つの圧電素子には同相の周期的な電圧を印加しても良いし、逆相の周期的な電圧を印加しても良い。圧電素子110に電圧が印加されると、圧電素子110はその長さ方向への伸縮振動モードにて運動する。この際、圧電素子110に接着されている金属プレート108は、圧電素子110の伸び方向に対して殆ど伸びないために、その伸び率の差により圧電素子110と金属プレート108及びローパスフィルタ106の複合部材に屈曲振動が引き起こされる。これにより、圧電素子110の屈曲振動の腹の部分の質点は光軸方向に振動し、最大の振動巾を持つ。また、屈曲振動の節の位置では、質点の振動巾は零で回転振動のみ行なう。屈曲振動の腹と節との間では、質点は該質点から近い側の節を中心とした円弧状の振動をする。
このように、圧電素子110の伸縮運動に伴い、圧電素子110に対して接着された金属プレート108が屈曲運動を行い、金属プレート108に接着されたローパスフィルタ106は金属プレート108とともに屈曲運動を行う。これにより、ローパスフィルタ106が屈曲運動を行うことにより、ローパスフィルタ106の被写体側の面に付着した塵、埃などのゴミ、パーティクル等を除去することができる。
金属プレート108は、保持枠104に対してクッション材112を介して取り付けられている。また、圧電素子110は、内側保持枠116に対してクッション材114を介して取り付けられている。従って、屈曲運動の保持枠104、内側保持枠116への伝播が抑止される。
また、クッション材112は、金属プレート108の周縁の全周に設けられている。従って、図2に示すように、保持枠104、クッション材112、金属プレート108、ローパスフィルタ106、基板118を組付けた状態では、ローパスフィルタ106と撮像素子102の間の空間が密閉される。従って、撮像素子102の撮像面、ローパスフィルタ106の撮像素子102側の面にゴミが付着することを確実に抑止できる。
そして、本実施形態では、金属プレート108の外形をガラスの外形106aよりも大きくしたことにより、ローパスフィルタ106の周辺には、金属プレート108の撮像素子102側と反対の面に所定の領域が確保される。これにより、保持枠104の撮像素子102側の面と密着される領域を確保することができ、保持枠104に対して金属プレート108を密着させることで、ローパスフィルタ106及び圧電素子110を保持することができる。
ここで、保持枠104に対してローパスフィルタ106を直接密着させた場合、密着させた領域には、光軸方向に保持枠104とローパスフィルタ106の双方の部材が配置されるため、光軸方向により大きなスペースが必要となる。
図5は、比較例として、保持枠104に対して、クッション材112を介してローパスフィルタ106を密着させた例を示している。ここで、一点鎖線I−I’に沿った位置では、保持枠104、クッション材112、ローパスフィルタ106、圧電素子110が光軸方向に重なって配置されるため、保持枠104の被写体側の面からローパスフィルタ106の被写体側の面までの距離t10が大きくなる。
一方、図3に示す本実施形態の例では、ローパスフィルタ106の輪郭の外側に保持枠104が配置され、保持枠104とローパスフィルタ106は光軸方向に重ならないため、保持枠104の被写体側の面からローパスフィルタ106の被写体側の面までの距離t1を十分に小さくすることができる。これにより、撮像素子ユニット100の厚さを最小限に抑えることが可能となり、撮像素子ユニット100の更なる小型化を達成することができる。
また、図5に示す比較例の構成では、圧電素子110をローパスフィルタ106に固定するためには、ローパスフィルタ106の外形106aを保持枠104の開口104aよりも十分に大きくして、光軸方向でローパスフィルタ106と保持枠104が重なる領域を広く確保する必要がある。このため、ローパスフィルタ106の外形106aが大きくなり、この結果、保持枠104の外形が大きくなるため、撮像素子ユニット100の大型化を招来する問題がある。
本実施形態では、保持枠104に対して金属プレート108が固定されるため、ローパスフィルタ106の周縁に密着のための領域を設ける必要がない。従って、ローパスフィルタ106の大きさを最小限に抑えることができ、光軸と直交する方向においても、撮像素子ユニット100の更なる小型化を達成できる。また、ローパスフィルタ106を縮小できるため、製造コストを大幅に低減することも可能となる。
図3に示すように、金属プレート108の外形において、対向する2辺にはアーム部108bが設けられている。アーム部108bは、金属プレート108の主面に対して、撮像素子102側に折り曲げられて形成されている。そして、保持枠104に金属プレート108を装着した状態では、アーム部108bが内側(光軸側)に撓み、保持枠104の内壁104bに当接するように構成されている。これにより、図3に示すように、金属プレート108は、対向する2辺のアーム部108bが内側に撓んだ状態で、保持枠104の内壁104bに嵌合して固定される。換言すれば、金属プレート108は、アーム部108bが内側に撓んだ状態で左右の内壁104bの間に挟持される。
図6は、金属プレート108が3つの節を有する振動モードにより振動している様子を示す模式図である。図6に示すように、金属プレート108に定常波が生じて振動すると、アーム部108bの内壁104bとの当接部は、光軸と垂直な方向に微小量dだけ移動する。
このため、金属プレート108を保持枠104の内壁104bに挟持した状態で振動させると、アーム部108bの内壁104bとの当接部が光軸と垂直な方向に移動することにより、金属プレート108の全体を光軸と垂直な方向に振動させることができる。これにより、図7に示すように、3つの節を有する振動モードで金属プレート108を振動させた状態で、金属プレート108を光軸と垂直な方向(矢印A2方向)に振動させることが可能となる。なお、図6及び図7では、3つの節を有する振動モードで金属プレート108を振動させているが、節の数はこれに限定されるものではなく、2つの節を有する振動モード、または4つ以上の節を有する振動モードで振動させても良い。
ローパスフィルタ106に付着したゴミ、パーティクルは、光軸方向にローパスフィルタ106が振動することにより、基本的には除去することができるが、付着力が強い場合、光軸方向の振動のみでは除去できない場合がある。
本実施形態では、圧電素子110の振動により定常波を発生させて光軸方向にローパスフィルタ106の表面を振動させるとともに、アーム部108bの作用によりローパスフィルタ106を光軸と垂直方向に振動させることができる。これにより、ローパスフィルタ106の表面を2次元の往復運動ではなく、3次元的に振動させることができる。従って、ローパスフィルタ106表面に付着した塵、埃に対して様々な方向からの剥離力を作用させることができ、塵、埃などのゴミ、パーティクルの除去性能を向上することができる。従って、強い付着力で付着したゴミ、パーティクルであっても、確実に除去することが可能となる。
次に、金属プレート108を3次元的に振動させる具体例について説明する。図4に示すように、アーム部108bは、金属プレート108の外形の対向する2辺において、各辺に2箇所設けられている。そして、図8は、2つの節を有する振動モードにより、上下の圧電素子110の屈曲運動の位相を反転させて振動させた例を示しており、図8(a)は振動モードを、図8(b)は金属プレート108が振動する様子を模式的に示している。この場合、図9に示すように、1の対角方向に配置された2つのアーム部108b(A),108b(D)が、金属プレート108の輪郭からの長さが短くなる方向に変形すると、他の対角方向に配置された2つのアーム部108b(B),108b(C)は、金属プレート108の輪郭からの長さが長くなる方向に変形する。また、図10に示すように、アーム部108b(A),108b(D)が、金属プレート108の輪郭からの長さが長くなる方向に変形すると、アーム部108b(B),108b(C)は、金属プレート108の輪郭からの長さは短くなる方向に変形する。このように、2つの節を有する振動モードにより上下の圧電素子110を逆位相で振動させると、左右の屈曲に上下の屈曲が混合されて、アーム部108b(A)とアーム部108b(D)の間の相互の伸びに対してアーム部108b(B)とアーム部108b(C)の間が相互に縮むモードが出現する。
従って、図9と図10の状態が繰り返されることになり、保持枠104の内壁104bに挟持された金属プレート108は、図9及び図10に示す矢印A3の円弧方向に振動を繰り返す。これにより、金属プレート108が3次元的に振動し、ローパスフィルタ106に付着したパーティクルを確実に除去することが可能である。
図11は、3つの節を有する振動モードにより2つの圧電素子110を同じ位相で振動させた場合を示しており、図11(a)は振動モードを、図11(b)は金属プレート108が振動する様子を模式的に示している。この場合、図12に示すように、1辺に配置された2つのアーム部108b(B),108b(D)が、金属プレート108の輪郭からの長さが短くなる方向に変形すると、他の辺に配置された2つのアーム部108b(A),108b(C)は金属プレート108の輪郭からの長さが長くなる方向に変形する。また、図13に示すように、2つのアーム部108b(B),108b(D)が、金属プレート108の輪郭からの長さが長くなる方向に変形すると、2つのアーム部108b(A),108b(C)は、金属プレート108の輪郭からの短くなる方向に変形する。
従って、図12と図13の状態が繰り返されることになり、保持枠104の内壁104bに挟持された金属プレート108は、図12及び図13に示す矢印A4の方向に往復運動を繰り返す。これにより、金属プレート108が3次元的に振動し、ローパスフィルタ106に付着したパーティクルを確実に除去することが可能である。
以上説明したように本実施形態によれば、ローパスフィルタ106の周縁に金属プレート108を装着し、金属プレート108のアーム部108bを保持枠104の内壁104bで挟持するようにしたため、圧電素子110の屈曲運動によりローパスフィルタ106の表面を光軸方向に振動させた際に、ローパスフィルタ106を光軸と垂直方向に振動させることができる。従って、3次元的な振動によりローパスフィルタ106に付着したゴミ、パーティクルを確実に除去することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、本実施形態では保持枠104の対向する内壁104bで金属プレート108のアーム部108bを挟持する構成としたが、一方の辺に設けられたアーム部108bを内壁104bに対して接着等により固定し、他方の辺に設けられたアーム部108bを内壁104bに当接させずにフリーな状態にしても良い。この場合においても、図6で説明したように、圧電素子110の屈曲運動により金属プレート108は光軸と垂直な方向に振動するため、一方の辺で固定された内壁104bに対して振動することができる。
本発明の各実施形態に係る撮像装置の主要部を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る撮像ユニットの構成を示す断面図である。 保持枠、ローパスフィルタ、金属プレート、及び圧電素子の配置を示す断面図であって、撮像装置の上面から見た状態を示す模式図である。 図3の矢印A方向から見た状態を示す平面図である。 比較例として、保持枠に対して、クッション材を介してローパスフィルタを密着させた例を示す模式図である。 金属プレートが2つの節を有する振動モードにより振動している様子を示す模式図である。 2つの節を有する振動モードで金属プレートを振動させた状態で、金属プレートを光軸と垂直な方向に振動させた状態を示す模式図である。 上下の圧電素子の屈曲運動の位相を反転させて振動させた例を示す模式図である。 上下の圧電素子の屈曲運動の位相を反転させて振動させた例を示す模式図である。 上下の圧電素子の屈曲運動の位相を反転させて振動させた例を示す模式図である。 3つの節を有する振動モードにより2つの圧電素子を同じ位相で振動させた場合を示す模式図である。 3つの節を有する振動モードにより2つの圧電素子を同じ位相で振動させた場合を示す模式図である。 3つの節を有する振動モードにより2つの圧電素子を同じ位相で振動させた場合を示す模式図である。
符号の説明
100 撮像素子ユニット
102 撮像素子
104 保持枠
104b 内壁
106 ローパスフィルタ
108 金属プレート
108b アーム部
110 圧電素子
200 撮像装置
202 結像レンズ

Claims (6)

  1. 被写体の光学像が結像される撮像面を有し、前記光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
    前記撮像素子よりも被写体側に配置された光学素子と、
    前記光学素子の周縁部に装着され、面方向に当接部を有するプレートと、
    前記プレートに装着され、前記プレート及び前記光学素子を振動させる圧電素子と、
    前記プレートの前記当接部と当接し、少なくとも前記プレートの面方向で前記プレートを保持する保持枠と、
    を備える撮像素子ユニット。
  2. 前記当接部は、前記プレートの面方向と直交する方向に延在するアーム部から構成され、
    前記保持枠は、前記プレートの前記アーム部と当接する、請求項1に記載の撮像素子ユニット。
  3. 前記アーム部は、前記プレートの外形の対向する2辺にそれぞれ設けられ、
    前記保持枠は、対向する2つの内壁を有し、
    前記対向する2辺のアーム部を介して前記プレートが前記2つの内壁の間に挟持された、請求項2に記載の撮像素子ユニット。
  4. 被写体の光学像を結像する撮像光学系と、
    前記撮像光学系により被写体の光学像が結像される撮像面を有し、前記光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
    前記撮像素子よりも被写体側に配置された光学素子と、
    前記光学素子の周縁部に装着され、面方向に当接部を有するプレートと、
    前記プレートに装着され、前記プレート及び前記光学素子を振動させる圧電素子と、
    前記プレートの前記当接部と当接し、少なくとも前記プレートの面方向で前記プレートを保持する保持枠と、
    を備える撮像装置。
  5. 前記当接部は、前記プレートの面方向と直交する方向に延在するアーム部から構成され、
    前記保持枠は、前記プレートの前記アーム部と当接する、請求項4に記載の撮像装置。
  6. 前記アーム部は、前記プレートの外形の対向する2辺にそれぞれ設けられ、
    前記保持枠は、対向する2つの内壁を有し、
    前記対向する2辺のアーム部を介して前記プレートが前記2つの内壁の間に挟持された、請求項5に記載の撮像装置。
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