JP5677114B2 - 撮像装置および撮像装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。

一眼レフタイプのレンズ交換式デジタルカメラに関し、静止画撮影機能に加えて動画撮影機能を有する製品が提案されている。そして、動画撮影時に有利なコントラスト検出方式のオートフォーカス機構（以下ではコントラストＡＦと記述）を備える撮像装置の開発がなされている。

コントラストＡＦを備える撮像装置として、交換レンズ内のフォーカスレンズ移動機構に加えて、カメラ本体内の撮像素子の移動機構を備える撮像装置が提案されている。この撮像装置は、撮像素子を撮影光軸方向にウォブリング動作させることを通じてレンズの合焦方向を判定し、その判定結果に基づいてフォーカスレンズを走査して合焦動作を実行する。

なお、特許文献１は、バイモルフ素子で構成された圧電アクチュエータを用いて撮像素子を移動するビデオカメラを開示している。このビデオカメラにおいては、同じ変位方向を有するＳ字駆動のバイモルフ素子が積層された構成を有するバイモルフ素子群２つを撮像素子の裏面に互い違いに設置し、このバイモルフ素子群に電圧印加して変位させることを通じて、撮像素子を移動する。

特開平０５−０４８９５７号公報

圧電素子をアクチュエータとして用いて撮像素子を移動する撮像装置では、一般に、撮像素子の大きな移動変位を得ることができないという問題がある。従って、このような撮像装置では、圧電素子の配置を工夫して、撮像素子の移動変位をより大きくする必要がある。また、このような撮像装置では、撮像素子を高精度に移動させる必要がある。

バイモルフ素子群２つを撮像素子の裏面に互い違いに設置し、このバイモルフ素子群への電圧印加を通じて撮像素子を移動させる特許文献１の技術では、撮像素子の大きな移動変位を得ることができない。また、特許文献１の技術では、高精度に撮像素子を移動させることが困難である。

本発明は、撮像素子の移動変位を大きくし、かつ、高精度に撮像素子を移動させる撮像装置の提供を目的とする。

本発明の一実施形態の撮像装置は、撮像手段と、前記撮像手段を保持する保持手段と、前記保持手段を弾性支持する弾性手段と、前記弾性手段を支持する複数の支持手段と、前記弾性手段の前記複数の支持手段に挟まれた領域に設けられ、電圧印加によって伸縮する第一の圧電素子と、前記弾性手段の、前記複数の支持手段の位置より外側の領域に設けられ、電圧印加によって伸縮する第二の圧電素子とを備える。前記保持手段は、前記撮像手段から該撮像手段の長手方向に沿って延伸する第１の平面部と、該第１の平面部と予め決められた角度をなす第１の屈曲部とを備える。前記弾性手段は、第２の平面部と、該第２の平面部と予め決められた角度をなす第２の屈曲部とを備える。前記第１の屈曲部と前記第２の屈曲部とは、前記第１の平面部と前記第２の平面部とが平行となるように接続されている。前記第２の平面部は、前記電圧印加によって前記第一、第二の圧電素子が伸縮することによって光軸に沿って前後に撓む弾性部材を備える。

本発明の撮像装置によれば、撮像素子の大きな移動変位が得られ、かつ、高精度に撮像素子を移動させることができる。

実施例１の撮像装置の構成を示す図（１）である。 実施例１の撮像装置の構成を示す図（２）である。 第一の圧電素子の駆動による撮像素子の移動機構の動作例である。 第一の圧電素子と第二の圧電素子の駆動による撮像素子の移動機構の動作例である。 第一、第二の圧電素子を電圧制御することによる板金の変位を説明する図である。 実施例２の撮像装置の構成を示す図である。

図１乃至４は、本発明の実施例１の撮像装置の構成を示す図である。図１は、撮影レンズの内部構成例を示す。図１（Ａ）は、撮像装置の要部の水平断面上視図である。図１（Ｂ）は、撮像装置の要部の垂直断面図である。また、図２は、撮像装置の要部の外観斜視図である。図２（Ａ）は、撮像装置の要部の正面から見た外観斜視図を示す。図２（Ｂ）は、撮像装置の要部の背面方向から見た外観斜視図を示す。

また、図３は、撮像装置の要部の水平断面の上視図であって、後述する第一の圧電素子の駆動による撮像素子の移動機構の動作例を示す。図３（Ａ）は、撮像素子３が基準位置にある撮像装置の状態の例を示す。この例では、撮像素子３の撮像面が撮影レンズ（図示を省略）の予定結合面Ｐにある位置が撮像素子３の基準位置である。図３（Ｂ）は、撮像素子３が前進した状態の例である。図３（Ｃ）は、撮像素子３が後退した状態の例である。

図４は、撮像素子の要部の水平断面の上視図であって、後述する第一の圧電素子と第二の圧電素子の駆動による撮像素子の移動機構の動作例を示す。

図１乃至図４に示す撮像装置は、例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子により被写体像を光電変換して画像情報を生成し、任意のメモリ等の電子的記録媒体にその画像情報を記録するデジタル撮像装置である。この撮像装置は、撮像素子を撮像光学系（撮像レンズ）の光軸に沿って移動して撮像する。なお、ＣＣＤは、Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅの略称である。ＣＭＯＳは、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒの略称である。

１は撮像装置の本体である。１ａは、本体１のレンズ取り付け面（マウント部）である。２はセンサ地板であって、撮像素子３を移動させる機構（以下、撮像素子移動機構と記述）を備える。

センサ地板２は、例えば所定の箇所に調整ワッシャ２ａを挟みこむことにより、その高さ調整が可能なように本体１に取り付けられている。これにより、センサ地板２が、マウント部１ａから所定の距離の位置に保たれるとともに、撮像レンズの光軸に直交する平面性を有する。

撮像素子３は、被写体からの光束が結像される撮像手段として機能する。撮像素子３は、セラミック材などの外形パッケージを有し、撮像素子内部の撮像面に投影された画像を電気信号に変換する。この撮像面がレンズの予定結像面にあることで、ピントの合った画像が撮像される。なお、撮像素子がパッケージされたものを以下では撮像素子パッケージと記述する。

撮像素子３は、いわゆる電子シャッタの機能を備えており、画像信号取り込み開始となる電子シャッタとしての電子先幕、及び取り込み中止を行う電子後幕の機能を有している。すなわち、電子先幕の動作により画像の電荷の蓄積を開始し、電子後幕の動作により所定の時間後に蓄積を終了することが可能である。その後、撮像素子３は、蓄積した画像の電荷の読み出し動作を行い、不図示の信号処理回路に画像信号を伝達する。

撮像素子３からは、リードフレーム４が引き伸ばされている。リードフレーム４は、撮像素子３を保持する保持手段として機能する。リードフレーム４は、撮像素子パッケージに一体成型されており、撮像信号を外部に出力する端子（リード）をその一部とする金属板である。リードフレーム４は、略コの字形状を有する。具体的には、リードフレーム４は、平面部４ｂと、略直径に曲げられた腕部４ａとを有する。平面部４ｂは、撮像素子３から撮像素子３の長手方向に沿って延伸する第１の平面部である。

腕部４ａは、第１の平面部（平面部４ｂ）と予め決められた角度（この例では略直角）をなす第１の屈曲部である。腕部４ａの先端は、板金５の平面部５ｂとリードフレーム４の平面部４ｂとが平行となるように、つまり、平面部５ｂと撮像素子３の撮像面とが平行となるように、板金５の腕部５ａと精度良く半田付け固定されている。これにより、撮像素子３の撮像面が傾かないようにし、後述する板金５の平面部５ｂの撓み変形に伴って撮像素子３が光軸Ｌに沿って移動することができるようになる。

弾性手段５は、リードフレーム４を弾性支持する。弾性手段５は、弾性部材（例えば板金）である。以下では、弾性手段５を板金５とも記述する。この例では、板金５は、弾性を有するニッケルと鉄の合金である４２アロイ材からなる矩形の板材を曲げて加工して形成されている。板金５は、略コの字形状を有する。具体的には、板金５は、中央の平面部５ｂと、両端の略直角に曲げられた腕部５ａとを備える。平面部５ｂは、後述するカウンタウェイト９が設けられた第２の平面部である。腕部５ａは、該第２の平面部（平面部５ｂ）と予め決められた角度（この例では略直角）をなす第２の屈曲部である。

板金５は、その腕部５ａの先端において、撮像素子３の撮像面と板金５の平面部５ｂが略平行となる状態で、リードフレームの腕部４ａと精度良く半田付け固定されている。板金５は、圧電素子７および８の伸縮に伴って、その中心部を中心に前後の厚板方向（光軸に沿った方向）に撓み変形する。板金５が撓み変形することにより、撮像素子３が、光軸Ｌに沿って移動する。

また、撮像素子のリードフレーム４が直接板金５と接続されることで、専用の放熱部材を撮像素子に接続しなくとも、効率的に放熱パスを確保することが可能となる。撮影時など撮像素子３が動作中に発生する熱は、リードフレーム４を伝わり、板金５に伝わる。

撮像素子３の背面には、撮像素子３の信号出力をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換するＡ／Ｄ変換ＩＣが設けられている。Ａ／Ｄ変換ＩＣで発生する熱は、撮像素子パッケージからリードフレーム４を介して板金５に伝達する。これにより、撮像素子３周辺で発生する熱が効率的に放熱される。

板金５は、所定の接合部において支点６と接合し、固定される。支点６は、板金５を図中の上下から挟む、一対の支持部材である。各々の支点６は、板金５の中央部から略等距離の位置に配置される。支点６は、４箇所の支点調整板６ａを挟んで、センサ地板２に対して調整可能に取り付けられる。これにより、図３（Ａ）に示すように、撮像素子３の撮像面の位置が、撮影レンズの予定結合面Ｐの位置に調整される。すなわち、支点６は、平面部５ｂを予め決められた支持点（支点６）において支持し、撮像素子３の基準位置を調整する支持手段として機能する。支点調整板６ａは、板金５の短手方向において、支点６の端部のそれぞれに２つ（合計４つ）設けられている。

圧電素子７（圧電素子７ａおよび７ｂ）は、板金５の平面部５ｂの、複数の支点に挟まれた領域に設けられ、電圧印加によって伸縮する第一の圧電素子として機能する。圧電素子７ａは、平面部５ｂの表面に貼り付けられており、圧電素子７ｂは、平面部５ｂの裏面に貼り付けられている。

圧電素子７ａ、７ｂは、板金５の平面部５ｂを弾性変形させることによって撮像素子３を光軸に沿った方向に移動させる。この例では、圧電素子７ａ，７ｂは、ＰＺＴなどを材料とした薄板状の圧電セラミック素子である。撮像装置が備える不図示の回路が、圧電素子７ａ、７ｂに対して印加する電圧の大きさと電流の流れる方向を制御する。これにより、圧電素子の伸縮方向と伸縮量とが制御される。この例では、パラレル型という接続方法により、一定の電圧を上下の圧電素子に印加し、上下の圧電素子が互いに逆方向に伸縮する。

例えば、プラス電圧の印加により、圧電素子７ａは伸縮し、圧電素子７ｂは伸長する。従って、図３（Ｂ）に示すように、一体となって接着された板金５は、前側が凹むように変形し、撮像素子３が前進する。また、マイナス電圧の印加により、圧電素子７ａは伸長し、圧電素子７ｂは収縮する。従って、図３（Ｃ）に示すように、一体となって接着された板金５は、前側が突出するように変形し、撮像素子３は後退する。つまり、圧電素子に対する電圧の印加により、支点６を支点として、板金５の平面部５ｂの中央部と腕部５ａの先端部分との間に変位が生じ、撮像素子が光軸Ｌに沿って移動する。なお、圧電素子７および後述する圧電素子８の伸長または収縮の変位量は、印加する電圧の大きさを調整することによって制御可能である。このために、撮像装置は、圧電素子７と圧電素子８とに対して印加する電圧を制御する電圧制御手段（不図示）を備える。

圧電素子８（圧電素子８ａおよび８ｂ）は、板金５の平面部５ｂの、複数の支点６の位置より外側の領域に設けられ、電圧印加によって伸縮する第二の圧電素子として機能する。支点６の位置より外側の領域とは、板金５の腕部５ａに近い側の領域である。圧電素子８ａは、平面部５ｂの表面に貼り付けられており、圧電素子８ｂは、平面部５ｂの裏面に貼り付けられている。この例では、圧電素子８ａ，８ｂは、ＰＺＴなどを材料とした薄板状の圧電セラミック素子である。圧電素子８ａ、８ｂは、前述したパラレル型という接続方法で接続され、圧電素子７とは独立して制御される。すなわち、撮像素子が備える電圧制御手段は、圧電素子７と圧電素子８とに印加する電圧を制御することにより、圧電素子７と圧電素子８とが互いに独立して伸縮するようにする。圧電素子８ａ、８ｂへの電圧印加により、板金５の平面部５ｂは、撮像素子３を前進させる方向または後退させる方向に撓み変形する。

以下に、図４と図５を参照して、第一の圧電素子と第二の圧電素子の駆動による撮像装置の移動について説明する。図４（Ａ）は、圧電素子７への電圧印加によって撮像素子３を前進させる方向に平面部５ｂを撓ませ、さらに圧電素子８への電圧印加によって撮像素子３を前進させる方向に平面部５ｂを撓ませた状態を示す。

図５は、第一、第二の圧電素子を電圧制御することによる板金の変位を説明する図である。まず、板金５の平面部５ｂに圧電素子８が配置されておらず、支点６で挟まれた領域に圧電素子８が配置されている場合（第１のケース）を考える。実線Ａは、第１のケースにおいて圧電素子に電圧印加した時の板金５の撓み形状を示す。支点６の外側（図５中では右側）の領域においては平面部５ｂを撓ませる駆動源がない。従って、実線Ａは、支点６における撓み角に対応する直線となる。

次に、支点６の外側の領域に、圧電素子７が延長して貼られた場合（第２のケース）を考える。一点鎖線Ｂは、第２のケースにおいて圧電素子に電圧印加した時の平面部５ｂの撓み形状を示す。第２のケースでは、支点６を跨いで圧電素子７が連続して貼られているので、支点６の左右の領域を通じて連続した形状で平面部５ｂが撓む。これにより第１のケースに比べて、平面部５ｂの変位を拡大することができる。

次に、平面部５ｂの支点６で挟まれた領域に圧電素子７が配置され、かつ、支点６の外側の領域に圧電素子８が配置された場合（第３のケース）を考える。第３のケースは、実施例１に対応する。破線Ｃは、第３のケースにおいて各々の圧電素子に電圧印加した時の平面部５ｂの撓み形状を示す。この時の撮像装置３の移動状態が、上述した図４（Ａ）に示す状態である。第３のケースすなわち実施例１では、支点６の左右の領域で、圧電素子が分割されている。従って、破線Ｃで示すように、平面部５ｂは、支点６を境に、ケース１、２の場合と比べて、より角度の大きい不連続な形状で撓む。これにより、ケース１、２の場合と比べて、平面部５ｂの変位を拡大することができ、その結果、撮像装置３の大きな移動変位を得ることができる。また、実施例１では、圧電素子８を圧電素子７と独立して電圧制御、調整できるので、圧電素子８のみを電圧制御する場合と比べて、板金５を精度良く変位させることができる。

図５を参照して説明したことから、圧電素子を所定の数に分割して平面部５ｂに貼り付けることによって、板金５の変位拡大が得られることがわかる。従って、本実施例の撮像装置は、板金５の平面部５ｂに圧電素子７と圧電素子８とが設けられた構成をとるが、必要に応じて、圧電素子を所定の数に分割し、分割された各々の圧電素子を板金５の平面部５ｂに設けるようにしてもよい。

図４（Ｂ）は、圧電素子７への電圧印加によって撮像素子３を前進させる方向に平面部５ｂを撓ませ、さらに圧電素子８への電圧印加によって、圧電素子７への電圧印加による撓み方向と逆方向に平面部５ｂを撓ませた状態を示す。図４（Ｂ）に示す状態では、板金５の端部における撓み角が小さくなる。従って、撮像素子３が傾きにくくなる。従って、圧電素子８への電圧印加によって、圧電素子７への電圧印加による撓み方向と逆方向に平面部５ｂを撓ませることによって、撮像素子３を、その撮像面を傾かせることなく変位させることができる。

なお、本実施例の変形例として、圧電素子７が駆動していない状態（図３（Ａ）に示す状態）や、圧電素子７の駆動によって撮像素子３が後退した状態（図３（Ｃ）に示す状態）から、さらに圧電素子８を駆動させて、変位の拡大や高精度駆動を行ってもよい。

撮像装置が備える構成についてさらに説明する。カウンタウェイト９は、放熱手段として機能する。この例では、カウンタウェイト９は、真鍮などの、比重が大きく、かつ、放熱の良好な材料からなる。また、カウンタウェイト９は、複数の放熱フィンを備える。撮像素子３周辺で発生した熱は、最終的にカウンタウェイト９が備える放熱フィンのヒートシンク効果により効率良く放熱される。なお、カウンタウェイト９の質量は、撮像素子３の質量とストロークの積をカウンタウェイト９のストロークで割って得られる質量である。つまり、カウンタウェイト９の質量は、撮像素子の移動による振動を打ち消すことができる質量である。

カウンタウェイト９は、平面部５ｂの裏面の、圧電素子７ｂが設けられた領域よりも該裏面の延伸方向外側に設けられている。具体的には、図１（Ｂ）に示すように、カウンタウェイト９は、平面部５ｂの裏面の中央の上下２点のみを取り付け位置として、カウンタウェイト取り付け位置１０において板金５に固定されている。従って、カウンタウェイト９の板金５の取り付けは、圧電素子による板金５の撓み変形に影響しない。

上述した板金５、支点６、圧電素子７、圧電素子８は、撮像素子３を光軸に沿った方向に移動させる撮像素子移動機構を構成する。この撮像素子移動機構において、電圧印加により圧電素子７、８が伸縮すると、板金５の平面部５ｂが撓み変形するが、腕部５ａは前後に移動する。そのため、撮像素子３は、光軸Ｌに直交する撮像面を維持したまま、フランジバック位置から光軸Ｌに沿って前進或いは後退する。同時に、カウンタウェイト９は後退或いは前進し、撮像素子３とカウンタウェイト９は互いに逆方向に移動する。

また、撮像素子移動機構のストロークは、電圧制御によって制御可能である。圧電素子７、８に対する電圧制御によって、板金５の撓み変形量が変化することによって、撮像素子３が前後するストロークが変化する。すなわち、本発明の撮像装置の制御方法は、撮像装置が備える電圧制御手段が、圧電素子７、８に電圧を印加して伸縮させることにより、板金５を光軸に沿って前後に撓ませることによって実現される。

一方、２箇所の支点６の、板金５の長手方向の間隔を調整することで、撮像素子３が移動するストロークとカウンタウェイト９が移動するストロークの比を調整することができる。また、板金５の短手方向において、支点調整板６ａにより支点６の光軸に沿った方向の高さを変化させて板金５を捻ることで、撮像素子３の撮像面の倒れ方が変化する。このように、支点６の位置を前後、左右、或いは傾けて微調整することによって、部品の製造ばらつきがあっても、撮像素子３の撮像面が、光軸に対して傾くことなく、フランジバック距離の基準位置に位置するように調整することができる。

図６は、実施例２の撮像装置の構成例である。この撮像装置が備える撮像素子３１は、その外形部が、接続部材１１によりプレート１２に押し付けられている。撮像素子３１の外形部は、例えばセラミック等からなる。プレート１２は、撮像素子３の長手方向に沿って延伸する平面部１２ｂと、平面部１２ｂと予め決められた角度（この例では略直角）をなす腕部１２ａとを備える。接続部材１１は、撮像素子３と平面部１２ｂとを接続する接続部材である。

すなわち、実施例２においては、プレート１２と接続部材１１とが、撮像素子３を保持する保持手段として機能する。そして、プレート１２の腕部１２ａが、図１に示すリードフレーム４の腕部４ａと同様に、腕部５ａと半田付け固定される。圧電素子７、８への電圧印加による板金５の撓み変形によって、撮像素子３が、光軸に沿った方向に移動する。撮像素子３が移動しても、撮像装置３の撮像面は、光軸に対して垂直である状態のままである。

複数の支点６は、板金５と、平面部５ｂの表面と裏面とに貼られた圧電素子７とを一体として、上下から挟み込み支持する。支点６が、圧電素子７ごと板金５を挟み込み支持することで、板金５の撓み変形に伴って変位する撮像素子３の倒れ方向に対する剛性を増すことができる。実施例２の撮像装置によれば、撮像素子の大きな移動変位を得ることができるとともに、撮像素子の移動に伴う撮像素子の撮像面の倒れを抑制することができる。なお、前述した実施例１の撮像装置に、支点６が、板金５と、平面部５ｂの表面と裏面とに貼られた圧電素子７とを一体として、上下から挟み込み支持する構成を適用してもよい。

１ 本体
２ センサ地板
３ 撮像素子
４ リードフレーム
５ 板金
６ 支点
７、８ 圧電素子
９ カウンタウェイト

Claims (4)

1. 撮像手段と、
   前記撮像手段を保持する保持手段と、
   前記保持手段を弾性支持する弾性手段と、
   前記弾性手段を支持する複数の支持手段と、
   前記弾性手段の前記複数の支持手段に挟まれた領域に設けられ、電圧印加によって伸縮する第一の圧電素子と、
   前記弾性手段の、前記複数の支持手段の位置より外側の領域に設けられ、電圧印加によって伸縮する第二の圧電素子とを備え、
   前記保持手段は、前記撮像手段から該撮像手段の長手方向に沿って延伸する第１の平面部と、該第１の平面部と予め決められた角度をなす第１の屈曲部とを備え、
   前記弾性手段は、第２の平面部と、該第２の平面部と予め決められた角度をなす第２の屈曲部とを備え、
   前記第１の屈曲部と前記第２の屈曲部とは、前記第１の平面部と前記第２の平面部とが平行となるように接続されており、
   前記第２の平面部は、前記電圧印加によって前記第一、第二の圧電素子が伸縮することによって光軸に沿って前後に撓む弾性部材を備える
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の支持手段は、前記弾性手段が備える前記第２の平面部と前記第一の圧電素子とを挟み込み支持する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素子とに対して印加する電圧を制御する電圧制御手段を備え、
   前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素子とは、前記印加される電圧の制御により、互いに独立して伸縮する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 撮像手段と、前記撮像手段を保持する保持手段と、前記保持手段を弾性支持する弾性手段と、前記弾性手段を支持する複数の支持手段と、前記弾性手段の前記複数の支持手段に挟まれた領域に設けられた第一の圧電素子と、前記弾性手段の、前記複数の支持手段の位置より外側の領域に設けられた第二の圧電素子とを備える撮像装置の制御方法であって、
   前記保持手段は、前記撮像手段から該撮像手段の長手方向に沿って延伸する第１の平面部と、該第１の平面部と予め決められた角度をなす第１の屈曲部とを備え、
   前記弾性手段は、第２の平面部と、該第２の平面部と予め決められた角度をなす第２の屈曲部とを備え、
   前記第１の屈曲部と前記第２の屈曲部とは、前記第１の平面部と前記第２の平面部とが平行となるように接続されており、
   前記制御方法は、前記第一、第二の圧電素子に電圧を印加して、前記第一、第二の圧電素子を伸縮させることにより、前記弾性手段を光軸に沿って前後に撓ませる工程を有する
   ことを特徴とする撮像装置の制御方法。

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