JP5397043B2 - 光学装置および光学機器 - Google Patents

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、従来のシステムでは、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

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、塵埃を効果的に除去することが可能な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、
第１方向に間隔を隔てて前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記基板（１８）よりも物体側に備えられ光を透過する第１電極（４２ａ）及び第２電極（４２ｂ）と、
前記基板との間に前記第１電極及び前記第２電極を挟むように前記基板よりも物体側に備えられ光を透過する表面層と、
前記第１電極（４２ａ）及び前記第２電極（４２ｂ）に位相の異なる交流電圧を出力することにより前記第１方向に沿って移動する進行波状の電界を生じさせる出力回路（２８）と、
前記基板（１８）に備えられ、前記第１電極（４２ａ）及び前記第２電極（４２ｂ）に重ならない位置に前記第２方向に平行な振動の節が生じるように前記基板（１８）を振動させる振動部材（２０）と、
前記第１方向に沿って移動する進行波状の電界を生じさせるように前記出力回路を制御して前記表面層に付着した塵埃を前記第１方向に移動させる第１塵埃除去制御を行った後、
前記第１電極及び前記第２電極に重ならない位置に前記第２方向に平行な振動の節が生じるように前記振動部材を制御して前記第１電極及び前記第２電極に移動した前記塵埃を除去する第２塵埃除去制御を行う制御部とを含む。

出力回路が第１電極及び第２電極に位相の異なる交流電圧を出力することにより、帯電量の比較的大きい塵埃は除去しやすいが、帯電量の比較的小さい塵埃は、基板上であって、第１電極及び第２電極の各々の短手方向の端部付近に集中しやすい。そこで、振動部材は、第１電極及び第２電極と重ならない位置に振動の節が生じるように基板を振動させる。その結果、第１電極または第２電極の近くに振動の腹が位置するように基板を振動させることができる。振動の腹では、塵埃に加速度が大きく作用するため、基板上の電極の近くに残った塵埃を振動により効果的に除去することができる。したがって、帯電している塵埃や帯電せずに付着している塵埃などを、電気的な力と物理的な振動によって効率的に除去することができる。

前記第１電極（４２ａ）および前記第２電極（４２ｂ）がストライプ状に交互に配置されても良い。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。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。

これにより、帯電量の比較的大きい塵埃を基板から離れる方向に浮かせることが可能で、基板から離れた塵埃を重力により落下させることができる。

前記出力回路（２８）は、前記第１電極（４２ａ）及び前記第２電極（４２ｂ）に出力する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、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。

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、前記交流電圧を出力しても良い。すなわち、前記第１電極（４２ａ）および前記第２電極（４２ｂ）に交流電圧を印加した後に、前記振動部材（２０）が前記基板（１８）を振動させても良い。前記振動部材（２０）は、互いに隣り合う前記第１電極（４２ａ）と前記第２電極（４２ｂ）との間に振動の節が生じるように前記基板（１８）を振動させても良い。前記振動部材（２０）が前記基板（１８）を振動させたときに隣り合う振動の節と節との間に位置する腹の位置が、前記第１電極（４２ａ）および前記第２電極（４２ｂ）の一部とオーバーラップしていても良い。前記振動部材（２０）は、前記第１電極（４２ａ）及び前記第２電極（４２ｂ）の少なくとも一方の近傍に振動の腹が生じるように前記基板（１８）を振動させても良い。前記振動部材（２０）は、前記第１電極（４２ａ）及び前記第２電極（４２ｂ）の少なくとも一方の短手方向の端部の近傍に振動の腹が生じるように前記基板（１８）を振動させても良い。前記第１電極（４２ａ）および前記第２電極（４２ｂ）の各々の短手方向端部の位置が、前記振動の腹と一致していても良い。

第１電極および第２電極の各々の短手方向端部の位置と、加速度が最大となる振動の腹の位置とを略一致させることにより、基板上であって、第１電極および第２電極の各々の短手方向端部に残った塵埃を、物理的な振動により効果的に除去することができる。

前記振動部材（２０）は、前記第１電極（４２ａ）及び前記第２電極（４２ｂ）の少なくとも一方の短手方向の中央の近傍に振動の腹が生じるように前記基板（１８）を振動させても良い。前記振動部材（２０）が前記基板（１８）を振動させたときに振動の節となる位置が、隣り合う前記第１電極（４２ａ）と前記第２電極（４２ｂ）との間に位置していても良い。前記第１電極（４２ａ）および前記第２電極（４２ｂ）の各々の短手方向の中心位置が、前記振動の腹と一致していても良い。

第１電極及び第２電極の位置を、振動時に加速度が最大となる振動の腹の位置と近く構成させることで、基板上であって、第１電極および第２電極の近くに残った塵埃を、物理的な振動により効果的に除去することができる。さらに、電極の短手方向の幅が比較的長い場合には、基板上であって、電極の短手方向の中央の近傍に残っている塵埃を、物理的な振動により効果的に除去することができる。

振動の節の位置に、前記基板（１８）を保持する支持部材（１０）が位置しても良い。振動の節の位置に支持部材（１０）を配置することにより、振動の節の位置で基板を保持するため、振動を阻害することがない。

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（ａ）は、図１に示すカメラの撮像素子ユニットの平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ断面図である。 図３（ａ）は、図２に示す撮像素子ユニットに備えられる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、図３（ｂ）は、図３（ａ）のIIIｂ−IIIｂ断面図である。 図４（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４（ｂ）は、図４（ａ）のIV（ｂ）部拡大図である。 図５（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５（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５（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６（ａ）〜図６（ｃ）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７（ａ）は、本実施形態に係る防塵フィルタの平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ断面図である。 図８（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８（ｂ）は、図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ断面図である。 図９（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９（ｂ）は、図９（ａ）のIXｂ−IXｂ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における防塵フィルタ１８に備えられる複数の電極に電圧を出力する。

また、カメラボディ５には、圧電素子駆動回路２９が備えられている。圧電素子駆動回路２９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における防塵フィルタ１８に備えられる圧電素子が有する電極に電圧を出力する。

図２（ａ）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の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、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。図２（ａ）に示すように、防塵フィルタ１８のＺ軸正方向の表面には、圧電素子２０が配置される。図２（ｂ）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。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、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面１２ａが形成されており、取付面１２ａに沿って封止部材１７が配置されている。図２（ａ）に示すように、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いる。防塵フィルタ１８は、防塵フィルタ１８のＸ軸方向両端部を加圧するように配置された加圧部材（支持部材）１０によって押さえられている。加圧部材１０の両端部は、ケース１２に対してネジ止めされている。封止部材１７は、例えば合成樹脂あるいはゴムなどの弾性部材で構成され、防塵フィルタ１８とケース１２の間を封止している。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。防塵フィルタ１８におけるＺ軸正方向側の表面であって、Ｘ軸方向の片方の端部には、圧電素子２０がＹ軸方向に延在するように配置されている。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、圧電素子２０が取付けられる面を除く基材部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、図３（ａ）に示すように、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の影が写り込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３に示すように、圧電素子２０は、防塵フィルタ１８のＺ軸正方向の表面であって、片方のＸ軸方向端部付近に、基材部４０の短辺４０ｃに略平行な方向に延在するように配置されている。したがって、圧電素子２０が延在する方向と電極４２（４２ａ〜４２ｄ）が延在する方向とは、略一致している。圧電素子２０は、圧電素子２０に電圧を印加するための電極等を有しており、配線部３８を介して圧電素子２０に電圧を供給可能になっており、図１に示す圧電素子駆動回路２９によって駆動される。圧電素子駆動回路２９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（詳細は後述する）。

次に、上述した防塵フィルタ１８に進行波状の電界を発生させて除塵動作を行う仕組みについて、図３（ａ）を用いて説明する。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。

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。

帯電量の比較的大きい塵埃は、電界の影響を受けやすく、進行波状の電界の発生により防塵フィルタから離れやすい。電界によって塵埃に与えることのできる力は、塵埃の帯電量に比例するためである。しかし、帯電量の比較的小さい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４（ｂ）である。なお、図４（ａ）は、図３（ａ）の（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４（ｂ）は図４（ａ）のIV（ｂ）部拡大図である。図４（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４（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５（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５（ｂ）および図５（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５（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５（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５（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５（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の端部に帯電量の比較的小さい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６であり、図６（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６（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。なお、図６（ｃ）に示すように、電極幅ｄ３が比較的広い場合には、電極のＸ軸方向中央付近に塵埃が残る場合があるが、これについては第２実施形態にて詳述する。

図６（ａ）および図６（ｂ）から分かるように、強い電界を発生させ、特定の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する。

そこで本実施形態では、まず、電界の発生によって、帯電量の比較的大きい塵埃を除去すると共に、帯電量の比較的小さい塵埃を、各電極のＸ軸方向の端部に集中させる（第１段階）。そして、各電極のＸ軸方向の端部に振動の腹が位置するように圧電素子２０を駆動させることにより、面外方向への強い加速度により塵埃を物理的に除去する（第２段階）。

除塵動作の第１段階において、図３（ａ）において説明したように、電圧信号出力回路２８が電極４２（４２ａ〜４２ｄ）に電圧を印加することにより、進行波状の電界を防塵フィルタ１８の表面に発生させる。塵埃の粒径や重さ、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。したがって、好ましくは、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、図３（ａ）に示す第１〜第４駆動電圧信号ｃｈ１〜ｃｈ４の駆動周波数を変化させる。

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。

なお、塵埃によっては、上述したように、強い分極力により電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸方向端部に集中しやすい。したがって、この特定箇所に集中させた塵埃を、以下に述べる第２段階で除去する。

図７に基づいて、除塵動作の第２段階について説明する。図７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７（ａ））および断面図（図７（ｂ））である。第２段階では、図１に示す圧電素子駆動回路２９が、図７に示す圧電素子２０に電圧を印加することにより、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸方向端部に振動の腹の少なくとも一部が略一致するように防塵フィルタ１８を物理的に振動させる。なお、図７（ｂ）および後述する実施形態で説明を行う図８（ｂ），図９（ｂ）では、振動の腹の位置で除塵される様子を分かりやすく示すために、Ｚ軸方向への振動を誇張して描いてある。

より好ましくは、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸方向端部に振動の腹のピークが略一致するように防塵フィルタ１８を振動させる。振動の腹のピークにおいて、振動時に加速度が最大となるからである。図７に示すような電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の配置である場合には、２４次の屈曲振動モードで振動させることが好ましい。振動モードの次数はこれに限定されず、目的に応じて最適な設定にすることができる。

また、図３（ａ）に示す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との間隔は、圧電素子２０に電圧を印加した時の防塵フィルタ１８の振動波長（または振動波長の整数倍）と略等しいことが好ましい。この場合、第１グループの電極４２ａ１が振動の腹とオーバーラップしている時に、第１グループの他の電極も振動の腹とオーバーラップすることになるためである。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。

なお、第２段階における電圧の印加によって生じる振動の節の位置に一致するように図２（ａ）に示す加圧部材（支持部材）１０が防塵フィルタ１８に接触するようにすることが好ましい。

本実施形態では、第２段階で圧電素子２０に電圧を印加することにより、第１段階において電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸方向端部に集中させた塵埃３７を防塵フィルタ１８から、物理的な振動によって引き剥がして効果的に除去することができる。

また、電圧信号出力回路２８が、例えば第１グループの電極４２ａ、第２グループの電極４２ｂに位相の異なる交流電圧を出力することにより、帯電量の比較的大きい塵埃を除去する。帯電量の比較的小さい塵埃は、防塵フィルタ１８上であって、電極４２ａ、電極４２ｂの各々の短手方向の端部付近に集中しやすい。そこで、圧電素子２０は、電極４２ａ、電極４２ｂの少なくとも一方と重ならない位置に振動の節が生じるように防塵フィルタ１８を振動させる。これにより、防塵フィルタ１８に残った塵埃を振動により効果的に除去することができる。したがって、帯電している塵埃や帯電せずに付着している塵埃などを、電気的な力と物理的な振動によって除去することができる。

進行波状の電界を発生させることにより、帯電量の比較的大きい塵埃を防塵フィルタ１８から離れる方向に浮かせることが可能で、防塵フィルタ１８から離れた塵埃を重力により落下させることができる。

また、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、塵埃を防塵フィルタ１８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、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。

さらに、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の各々の短手方向端部の位置と、加速度が最大となる振動の腹の位置とを略一致させることにより、防塵フィルタ１８上であって、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の各々の短手方向端部に残った塵埃を、物理的な振動により効果的に除去することができる。

また、振動の節の位置に、防塵フィルタ１８を保持する加圧部材（支持部材）１０を配置して接触させることにより、振動の節の位置で基板を保持するため、振動を阻害することがない。

第２実施形態
第２実施形態では、図８（ａ）〜図９（ｂ）に示すように、屈曲振動させた時の振動の腹のピークと電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸中央部の位置とが重なるように構成される以外は、図１〜図７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８（ａ）および図８（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。複数の電極４２は、図８（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、Ｙ軸に略平行な方向に延在するように形成されている。

圧電素子２０は、防塵フィルタ１８のＺ軸正方向の表面であって、片方のＸ軸方向端部付近に、Ｙ軸に略平行な方向に延在するように配置されている。したがって、圧電素子２０が延在する方向と電極４２（４２ａ〜４２ｄ）が延在する方向とは、略一致している。しかも、本実施形態では、各電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸中央部の位置と、振動時に加速度が最大となる振動の腹のピークの位置とが重なるように構成される。

そこで、本実施形態では、除塵動作の第２段階において、図１に示す圧電素子駆動回路２９が、図８（ａ）に示す配線部３８を介して圧電素子２０に電圧を印加し、隣り合う電極４２同士の間に振動の節が生じるように基材部４０を屈曲振動させる。しかも、各電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸中央部の位置と、振動時に加速度が最大となる振動の腹のピークの位置とが略一致するように基材部４０を屈曲振動させる。図８に示すように、電極間の間隔ｄ２１が比較的狭い場合には、例えば１２次の屈曲振動モードで振動させることで、隣り合う電極間に振動の節が生じ、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸中央部の位置と、振動の腹のピークの位置とが略一致する。また、図９に示すように、電極間の間隔ｄ２２が比較的広い場合には、例えば７次の屈曲振動モードで振動させることで、隣り合う電極間に振動の節が生じ、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）のＸ軸中央部の位置と、振動の腹のピークの位置とが略一致する。なお、屈曲振動モードの次数は特に限定されず、電極４２の配置数やピッチなどに応じて変化させれば良い。

このように、本実施形態においても第１実施形態と同様に、除塵動作の第１段階において電界を発生させて塵埃を特定箇所に集中させておき、第２段階において圧電素子２０が防塵フィルタ１８に物理的な振動を発生させることにより、集まった塵埃を除去する。

なお、図６（ｃ）に示すように、電極幅ｄ３が比較的広い場合には、電極の端部だけでなく、電極のＸ軸中央付近にも塵埃が残る場合がある。電極幅ｄ３が比較的広い場合には、電極中央付近では、帯電力・分極力が共にゼロに近いためと考えられる。この様子を実験的に示したのが、図６（ｃ）である。図６（ｃ）は、電極幅ｄ３＝１．０mm、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１８ｃに対し、防塵フィルタ１８ｃ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１８ｃのＺ軸正方向から見た平面図である。防塵フィルタ１８ｃ上の白い点状で示しているのが塵埃である。

図６（ｃ）から分かるように、電極幅ｄ３が比較的広い場合には、強い電界を発生させ、特定の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すると共に、電極のＸ軸中央付近にも塵埃が残りやすい。本実施形態では、各電極のＸ軸方向中央部と振動の腹のピークの位置とを略一致させるので、このような塵埃を除去することができる。

このように、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の位置を、振動時に加速度が最大となる振動の腹の位置と近く構成させることで、防塵フィルタ１８上であって、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の近くに残った塵埃を、物理的な振動により効果的に除去することができる。さらに、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の短手方向の幅が比較的長い場合には、防塵フィルタ１８上であって、電極４２（４２ａ〜４２ｄ）の短手方向の中央の近傍に残っている塵埃を、物理的な振動により効果的に除去することができる。

なお、上述した実施形態では、図２（ｂ）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、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。

なお、配線部３８について、圧電素子２０への配線と電極４２（４２ａ〜４２ｄ）への配線は別であっても良い。

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。

なお、本実施形態では、図３に示すように１個の圧電素子２０が防塵フィルタ１８のＸ軸方向の片方の端部付近に配置される例を示したが、これに限定されない。２個以上の圧電素子をＸ軸方向の両端部付近に配置してもよい。

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
２９…圧電素子駆動回路
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
４４…表面層
５０…ボディＣＰＵ

Claims (7)

1. 光を透過する基板と、
   第１方向に間隔を隔てて前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記基板よりも物体側に備えられ光を透過する第１電極及び第２電極と、
   前記基板との間に前記第１電極及び前記第２電極を挟むように前記基板よりも物体側に備えられ光を透過する表面層と、
   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ことにより前記第１方向に沿って移動する進行波状の電界を生じさせる出力回路と、
   前記基板に備えられ、前記第１電極及び前記第２電極に重ならない位置に前記第２方向に平行な振動の節が生じるように前記基板を振動させる振動部材と、
   前記第１方向に沿って移動する進行波状の電界を生じさせるように前記出力回路を制御して前記表面層に付着した塵埃を前記第１方向に移動させる第１塵埃除去制御を行った後、
   前記第１電極及び前記第２電極に重ならない位置に前記第２方向に平行な振動の節が生じるように前記振動部材を制御して前記第１電極及び前記第２電極に移動した前記塵埃を除去する第２塵埃除去制御を行う制御部とを含む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、
   前記表面層には撥水処理が施されていることを特徴とする光学装置。
3. 請求項１に記載された光学装置であって、
   前記表面層は表面に凹凸が施されてい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、
   前記第１電極、前記第２電極及び前記表面層は、光の分散特性が略等しい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、
   前記基板を保持する支持部材は、前記振動の節の位置に備えられていることを特徴とする光学装置。
6. 請求項１から請求項５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、前記第１塵埃除去制御において前記第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。
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を含むことを特徴とする光学機器。

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