説明

撮像装置および撮像装置の制御方法

【課題】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を提供する。
【解決手段】撮像素子3を保持するリードフレーム4と、リードフレーム4を弾性支持する板金5と、板金5の平面部5bの複数の支点6に挟まれた領域に設けられた圧電素子7と、平面部5bの複数の支点の位置より外側の領域に設けられた圧電素子8とを備える撮像素子を設ける。そして、圧電素子7、8に電圧を印加して、圧電素子7、8を伸縮させることにより、板金5の平面部5bを光軸に沿って前後に撓ませる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平05−048957号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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。
【発明の効果】
【0010】
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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施例1の撮像装置の構成を示す図(1)である。
【図2】実施例1の撮像装置の構成を示す図(2)である。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】実施例2の撮像装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【符号の説明】
【0046】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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る
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項2】
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
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
【請求項3】
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2に記載の撮像装置。
【請求項4】
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または請求項2に記載の撮像装置。
【請求項5】
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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2012−165155(P2012−165155A)
【公開日】平成24年8月30日(2012.8.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−23527(P2011−23527)
【出願日】平成23年2月7日(2011.2.7)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】