以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る塵埃除去装置は、振動板と、前記振動板の表面に設けられた一つ以上の圧電素子と、前記圧電素子に交番電圧を印加する電源と、前記交番電圧の周波数を変化させる制御回路とを備えた塵埃除去装置であって、前記圧電素子は、第一の電極、圧電材料、第二の電極を少なくとも有し、前記圧電材料は、第一の結晶相から第二の結晶相への相転移温度Tが−40℃≦T≦85℃の範囲にあり、前記周波数の変化は、第一の周波数から第二の周波数まで周波数を掃引させる動作を繰り返す変化であり、前記掃引動作中に可聴振動が発生する周波数をfns、可聴振動が終了する周波数をfneとし、前記掃引動作中のfnsからfneまでの変化時間をΔtnとしたときに、Δtn≦10msの関係を満たすことを特徴とする。
本発明に係る撮像装置は、上記の塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けたことを特徴とする。
本発明によれば、可聴音が発生する1回あたりの時間を短くした駆動を繰り返し行うことにより、十分な塵埃除去性能で且つ可聴音がない、すなわち人の可聴域の音圧レベルが極めて小さい塵埃除去装置及びそれを用いた撮像装置を提供することができる。
本発明の塵埃除去装置は、振動板と振動板の表面に設けられた一つ以上の圧電素子を有する。
塵埃除去装置はデジタル一眼レフカメラ等の撮像装置に組み込まれて使用される。
図2は、デジタル一眼レフカメラに搭載されている塵埃除去装置を備えた撮像ユニット400の斜視図であり、図のX−X線は撮像素子33aの中心部の横方向を示し、Y−Y線は撮像素子33aの中心部の縦方向を示している。
図4は、撮像ユニット400の構成を示す分解斜視図である。撮像ユニット400は、大きく分けて、振動ユニット470、弾性部材450、撮像素子ユニット500により構成される。詳細は後述するが、振動ユニット470は弾性部材450を挟み込むかたちで撮像素子ユニット500に固定され、弾性部材450が振動ユニット470の振動板410(赤外線カットフィルタと兼用)と撮像素子ユニット500とに挟持される。
撮像素子ユニット500は、撮像素子33及び該撮像素子33を保持する撮像素子保持部材510を含み、さらに回路基板520、シールドケース530、遮光部材540、光学ローパスフィルタ保持部材550、光学ローパスフィルタ420により構成される。
撮像素子保持部材510は、金属等によって形成されており、位置決めピン510a、ビス穴510b、ビス穴510cが設けられている。回路基板520は、撮像系の電気回路が実装されており、ビス用の逃げ穴520aが設けられている。シールドケース530は、金属等によって形成されており、ビス用の逃げ穴530aが設けられている。回路基板520とシールドケース530は、ビス用の逃げ穴520aとビス用の逃げ穴530a、ビス穴510bを用いて撮像素子保持部材510にビスで係止され、シールドケース530は電気回路を静電気等から保護するため回路上の接地電位に接続される。
遮光部材540は、撮像素子33の光電変換面の有効領域に対応した開口を有し、被写体側及び撮影者側に接着層が設けられている。光学ローパスフィルタ保持部材550は、遮光部材540に設けられた接着層を介して撮像素子33のカバーガラス33aに固定される。光学ローパスフィルタ420は、光学ローパスフィルタ保持部材550の開口箇所にて位置決めされ、遮光部材540に接着層を介して固定される。
図3は、圧電素子430を固定した振動板410を、撮像素子ユニット500に固定するための保持部材460を示す斜視図である。振動板410は赤外線カットフィルタの機能を有していてもよい。
保持部材460は、金属等の弾性を有する材料によって単一部品として形成されており、四隅の保持部460c(図4を参照)と、保持部460cをつなぐ左右の腕部460dと、保持部460cをつなぐ上下の梁部460eとを有する。腕部460dは、保持部460cの表面から一段下がった位置(撮像素子ユニット500側の位置)で上下に延伸する細板形状とされている。腕部460dの上下端が保持部460cに一体につながっており、振動板410を撮像素子ユニット500側へ付勢する付勢力を発生する。腕部460dには、位置決め穴460a及びビス用の逃げ穴460bが形成されている。保持部460cは、振動板410に対して振動の節部を含む四隅付近に導電性の接着剤等によって固定される。
圧電素子430は、振動板410に固定する。圧電素子430と振動板410は必ずしも直接的に接触させる必要はなく、接着剤などの樹脂や絶縁材料、金属材料を必要に応じて介しても良い。ただし、接着剤などの厚みが100μmより厚いと圧電素子430の伸縮が振動板410に伝えにくくなるので、100μm以下、より好ましくは10μm以下が良い。
圧電素子430は、撮像素子33へ入射する光を遮らない位置で、振動板410の表面であればどの位置に固定してもよい。また図示しないが、圧電素子430は1枚に限らず、例えば振動板410の左右端部や2枚並べて固定するなど複数であっても良い。圧電素子430を複数設ける場合は、6個以上設けると主要振動の制御が困難になるため、圧電素子430は5個以下であるほうが好ましい。
このようにした振動板410は、保持部材460の位置決め穴460aに撮像素子ユニット500の位置決めピン510aが挿入されることによって位置決めされる。位置決めされた状態で、振動ユニット470は、ビス用の逃げ穴460b及びビス穴510cを用いて、弾性部材450を挟み込むかたちで撮像素子ユニット500にビスで固定される。振動板410は、導電性を有するようにコーティングしても良く、その場合は振動板410の表面の帯電を、保持部材460及び撮像素子保持部材510、シールドケース530を介して回路基板520へ逃がすことができ、異物の静電的付着を防止することができる。
弾性部材450は、ゴム等の軟質材で形成され、振動板410の振動吸収部としての役割を有するとともに、後述するように振動板410と光学ローパスフィルタ420の密閉空間を形成する。なお、弾性部材450は、振動板410の振動吸収性を高めるために、厚い部材、硬度が低い部材で構成すること、更には振動板410の振動の節部に当接することが望ましい。
図5は、撮像ユニット400におけるX−X線に沿う断面図である。遮光部材540の被写体側の面は光学ローパスフィルタ420と当接し、撮影者側の面は撮像素子33のカバーガラス33aと当接する。遮光部材540の被写体側及び撮影者側には接着層が設けられており、光学ローパスフィルタ420は遮光部材540の接着層により撮像素子33のカバーガラス33aに固定、保持される。これにより、光学ローパスフィルタ420と撮像素子33のカバーガラス33aとの間は遮光部材540によって封止される。
すなわち、弾性部材450の一方の面は振動板410と当接し、もう一方の面は光学ローパスフィルタ420と当接する。振動板410は、保持部材460のバネ性によって撮像ユニット500側へと付勢されるので、弾性部材450と振動板410は隙間無く密着し、弾性部材450と光学ローパスフィルタ420も同様に隙間無く密着している。これにより、振動板410と光学ローパスフィルタ420との間は弾性部材450によって封止され、塵埃等の異物の侵入を防ぐ密閉空間が形成される。
図6は圧電素子430と、前記圧電素子に交番電圧を印加するための電源42と、前記交番電圧の周波数を変化させる制御回路10との電気的接続を示す関係図である。
制御回路10は、振動板410に固定された圧電素子430を振動させる圧電素子駆動回路111と、振動板410の振動振幅が所定の値となるように圧電素子430に印加する駆動電圧を指示するマイクロコンピューター100からなる。圧電素子430の駆動方法については後述する。
図7a、及び図7bは、本発明の撮像装置の一例であるデジタル一眼レフカメラの外観図である。図7aは、カメラを前面側(被写体側)から見た斜視図であって、撮影レンズユニットを外した状態を示す。図7bは、カメラを背面側(撮影者側)から見た斜視図である。
図7aに示すように、カメラ本体1には、撮影時に撮影者が安定して握り易いように被写体側に突出したグリップ部1aが設けられている。カメラ本体1のマウント部2には、不図示の撮影レンズユニットが着脱可能に固定される。マウント接点21は、カメラ本体1と撮影レンズユニットとの間で制御信号、状態信号、データ信号等の通信を可能にすると共に、撮影レンズユニット側に電力を供給する。マウント接点21は、電気通信のみならず、光通信、音声通信等が可能なように構成してもよい。マウント部2の横には、撮影レンズユニットを取り外す際に押し込むレンズロック解除ボタン4が配置されている。
カメラ本体1内には、撮影レンズを通過した撮影光束が導かれるミラーボックス5が設けられており、ミラーボックス5内にメインミラー(クイックリターンミラー)6が配設されている。メインミラー6は、撮影光束をペンタダハミラー(不図示)の方向へ導くために撮影光軸に対して45°の角度に保持される状態と、撮像素子33(図5)の方向へ導くために撮影光束から退避した位置に保持される状態とを取り得る。カメラのグリップ1aに対して反対側の側面には、開閉可能な外部端子蓋15が設けられている。外部端子蓋15を開けた内部には、外部インタフェースとしてビデオ信号出力用ジャック16及びUSB出力用コネクタ17が納められている。
図8は、図3における圧電素子430の構成を示す概略図である。前述のように、圧電素子430は複数あっても良いが、図8に示すように一つの圧電素子430を構成する圧電材料431は、一片の圧電材料からなることが好ましい。一片の圧電材料とは、同じ組成の原料から同時に焼成して作られた組成が均一かつ繋ぎ目の無い圧電材料を意味する。繋ぎ目があると、繋ぎ目を起点とした応力集中が発生し、圧電素子430が駆動時に破損する可能性がある。
図8の第1の電極432および第2の電極433は、厚み5nmから2000nm程度の導電層よりなる。その材料は特に限定されず、圧電素子430に通常用いられているものであればよい。例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cuなどの金属およびこれらの化合物を挙げることができる。
第1の電極432および第2の電極433は、これらのうちの1種からなるものであっても、あるいはこれらの2種以上を積層してなるものであってもよい。また、第1の電極432および第2の電極433が、それぞれ異なる材料であっても良い。
電極形状は図8に示した形状に限ったものでなく、撮像素子33の光電変換面の有効領域の大きさ、振動板410の部材や寸法、圧電素子430と撮像素子33の位置関係などを考慮して最適な電極形状を選択すればよい。
圧電素子430は圧電素子駆動回路111と給電用配線(不図示)によって電気的に接続されている。給電用配線には、一般にフレキシブルケーブルとして販売されているものが使用できる。接続はエポキシ系接着剤等を用いて接着することも可能であるが、異方性導電ペースト(ACP)や異方性導電フィルム(ACF)を熱圧着する方法が好ましい。前述の方法は導通不良を軽減でき、プロセス速度が向上するため量産性の点で好ましい。
次に、本発明に用いる圧電材料431について詳細に説明する。
本発明の圧電材料431は、第一の結晶相から第二の結晶相への相転移温度Tが−40℃≦T≦85℃の範囲にある圧電材料である。
さらに前記の圧電材料431の第一の結晶相と第二の結晶相は、いずれも強誘電結晶相であり、強誘電結晶相から別の強誘電結晶相へ相転移する温度(T)を有することが好ましい。
ここで、強誘電結晶相とは、強誘電性を有し、かつ、7種類の晶系のうち、三斜晶(triclinic)、単斜晶(monoclinic)、斜方晶(orthorhombic)、六方晶(hexagonal)、三方晶(trigonal)もしくは菱面体晶(rhombohedral)、正方晶(tetragonal)のいずれかに属する結晶相のことを指す。
相転移温度Tは、例えば微小交流電界を用いて測定温度を変えながら圧電素子430の誘電率を測定し、誘電率が極大を示す温度から求めることができる。一般に、強誘電体は、第一の強誘電結晶相から第二の強誘電結晶相への相転移温度(降温時の相転移温度)と第二の強誘電結晶相から第一の強誘電結晶相への相転移温度(昇温時の相転移温度)に若干の温度差が生じるが、本発明の相転移温度Tは第一の強誘電結晶相から第二の強誘電結晶相への相転移温度、つまり降温時の相転移温度である。
一般に、圧電材料の相転移温度T付近で大きく変化する。例えば、振動板410の振動振幅の大きさと相関関係がある圧電定数d31の絶対値は、相転移温度Tで極大値を示して非常に大きくなる。すなわち、圧電材料の相転移温度Tが本発明の塵埃除去装置の使用温度域である−40℃以上85℃以下の範囲にあることで、塵埃除去の能力の大きい装置を得ることができる。より好ましい相転移温度Tの範囲は−30℃以上50℃以下である。
本発明の圧電材料431は鉛の含有量が1000ppm未満であることが好ましい。従来の圧電素子において、圧電材料はそのほとんどがジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電材料である。このため、例えば圧電素子が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりした際、圧電材料中の鉛成分が土壌に溶け出し生態系に害を成す可能性が指摘されている。しかし、鉛の含有量が1000ppm未満であれば、例えば圧電素子430が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりしても、圧電材料431中の鉛成分が環境に悪影響を及ぼす可能性は低い。
圧電材料431の鉛の含有量は、例えば蛍光X線分析(XRF)、ICP発光分光分析により定量された圧電材料431の総重量に対する鉛の含有量によって評価することができる。
本発明の圧電材料431はチタン酸バリウムを主成分とするペロブスカイト型金属酸化物であることが好ましい。鉛成分を含まない圧電材料の中で、チタン酸バリウムを主成分とする圧電材料は圧電定数の絶対値dが大きい。従って、同じ歪量を得るために必要な電圧が小さくできる。このため、本発明の圧電材料431は、環境面も考慮し、チタン酸バリウムを主成分とする圧電材料であることが好ましい。
本発明において、ペロブスカイト型金属酸化物とは、岩波理化学辞典 第5版(岩波書店 1998年2月20日発行)に記載されているような、理想的には立方晶構造であるペロブスカイト構造(ペロフスカイト構造とも言う)を持つ金属酸化物を指す。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物は一般にABO3の化学式で表現される。ペロブスカイト型金属酸化物において、元素A、Bは各々イオンの形でAサイト、Bサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、A元素は立方体の頂点、B元素は体心に位置する。O元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。
後述の一般式(1)で表わされる金属酸化物は、Aサイトに位置する金属元素がBaとCa、Bサイトに位置する金属元素がTi、Zrであることを意味する。ただし、一部のBaとCaがBサイトに位置してもよい。同様に、一部のTiとZrがAサイトに位置してもよい。
一般式(1)における、Bサイトの元素とO元素のモル比は1対3であるが、モル比が若干ずれた場合(例えば、1.00対2.94〜1.00対3.06)でも、金属酸化物がペロブスカイト構造を主相としていれば、本発明の範囲に含まれる。
金属酸化物がペロブスカイト構造であることは、例えば、X線回折や電子線回折による構造解析から判断することができる。
本発明の圧電材料431は下記一般式(1)
一般式(1) (Ba1−xCax)a(Ti1−yZry)O3 (1.00≦a≦1.02、0.02≦x≦0.30、0.020≦y≦0.095)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とし、前記金属酸化物にMnが含有されており、前記Mnの含有量が前記金属酸化物100重量部に対して金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下であることが好ましい。
一般式(1)において、AサイトにおけるCaのモル比を示すxは、0.02≦x≦0.30の範囲であることが好ましい。xが0.02より小さいと誘電損失(tanδ)が増加する恐れがある。誘電損失が増えると、圧電素子に電圧を印加して駆動させた際に発生する発熱が増え、駆動効率が低下する恐れがある。一方で、xが0.30より大きいと圧電特性が充分でなくなる恐れがある。
一般式(1)において、BサイトにおけるZrのモル比を示すyは、0.020≦y≦0.095の範囲であることが好ましい。yが0.020より小さいと、圧電特性が充分でなくなる恐れがある。一方で、yが0.095より大きいとキュリー温度(Tc)が85℃未満と低くなり、高温において圧電特性が消失する恐れがある。
また、一般式(1)において、AサイトにおけるBaとCaのモル量とBサイトにおけるTi、Zrのモル量との比を示すaは、1.00≦a≦1.02の範囲であることが好ましい。aが1.00より小さいと異常粒成長が生じ易くなり、圧電材料431の機械的強度が低下する恐れがある。一方で、aが1.02より大きくなると粒成長に必要な温度が高くなり過ぎ、一般的な焼成炉では密度が充分に大きくならなかったり、圧電材料431内にポアや欠陥が多数存在してしまったりする恐れがある。
本発明の圧電材料431の組成を測定する手段は特に限定されない。X線蛍光分析、ICP発光分光分析、原子吸光分析などが挙げられる。いずれの手段においても、圧電材料431に含まれる各元素の重量比および組成比を算出できる。
本発明の圧電材料431は、前記一般式(1)で表わされるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とし、前記金属酸化物にMnが含有されており、前記Mnの含有量が前記金属酸化物100重量部に対して金属換算で0.02重量部以上0.40重量部以下であることが好ましい。
前記範囲のMnを含有すると、絶縁性や機械的品質係数Qmが向上する。
ここで、機械的品質係数Qmとは、圧電素子を振動子として評価した際に振動による弾性損失を表す係数であり、機械的品質係数の大きさは、インピーダンス測定における共振曲線の鋭さとして観察される。つまり圧電素子の共振の鋭さを表す定数である。機械的品質係数Qmが大きいと、共振周波数付近で圧電素子の歪量がより大きくなり、効果的に圧電素子430を振動させることができる。
ここで、Mnの含有量を示す金属換算とは、圧電材料431から蛍光X線分析(XRF)、ICP発光分光分析、原子吸光分析などにより測定されたBa、Ca、Ti、ZrおよびMnの各金属の含有量から、一般式(1)で表わされる金属酸化物を構成する元素を酸化物換算し、その総重量を100としたときに対するMn重量との比によって求められた値を表す。
Mnの含有量が0.02重量部未満であると、圧電素子430の駆動に必要な分極処理の効果が充分でなくなる恐れがある。一方、Mnの含有量が0.40重量部より大きくなると、圧電特性が充分でなくなることや、圧電特性に寄与しない六方晶構造の結晶が発現するので好ましくない。
ここで、MnはBサイトに固溶することが好ましい。Bサイトに固溶された場合、AサイトにおけるBaとCaのモル量とBサイトにおけるTi、ZrおよびMnのモル量の比をA/Bとすると、好ましいA/Bの範囲は0.993≦A/B≦0.998である。A/Bがこれらの範囲にある圧電素子30は、圧電素子30の長さ方向に伸縮振動が大きく、また、機械的品質係数が高いため、振動性能に優れ、かつ、耐久性に優れた圧電素子430を得ることができる。
また、前記圧電材料431は、一般式(1)に示す金属酸化物100重量部に対して、Biを金属換算で0.042重量部以上0.850重量部以下含有してもよい。前記金属酸化物に対するBiの含有量は、例えばICP−MS組成分析によって測定可能である。Biはセラミックス状の圧電材料の粒界にあっても良いし、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O3のペロブスカイト型構造中に固溶していても良い。Biが粒界に存在すると、粒子間の摩擦が低減され機械的品質係数が増加する。他方、Biがペロブスカイト構造を形成する固溶体に取り込まれると、相転移温度が低温化することから圧電定数の温度依存性が小さくなり、機械的品質係数がさらに向上する。Biが固溶体に取り込まれた時の位置が、Aサイトである前記Mnとの電荷バランスが良くなるため好ましい。
次に、本発明に用いる圧電材料431の製造方法について説明する。所望の組成に調整した原料粉末に、必要に応じて分散剤、バインダー、可塑剤等と水、もしくは有機溶媒を加えて混合し、高密度の焼結体にするのに必要な圧力でプレス成形して成形体を作製する。ここでプレス成形のみで必要な圧力が得られない場合はCIP(冷間等方圧プレス:Cold Isostatic Press)などにより所望の圧力を加えても良い。また、プレス成形せずに最初からCIP等で成形体インゴットを作製しても良い。また、スラリーの状態で、ドクターブレード法やダイコート法などの手法によりフィルムなどの支持体上に所定の厚みに塗工し、乾燥させてグリーンシート成形体を作製してもよい。
次に、成形体を焼成してセラミックス焼結体状の圧電材料431を作製する。
ここでセラミックスとは、基本成分が金属酸化物であり、熱処理によって焼き固められた結晶粒子の凝集体(バルク体とも言う)、いわゆる多結晶を表す。また、焼結後に加工されたものも含まれる。
焼成条件は所望の圧電材料に最適な方法を選択すればよく、出来るだけ密度は高く、均一な大きさの粒成長をさせることが好ましい。なお、必要であれば成形体を所望の形状に加工してから焼成しても構わない。
次に、本発明に用いる圧電素子の一例である、図8に示す圧電素子430の製造方法について詳細に説明する。
上記の方法で作製したセラミックス焼結体状の圧電材料431を、所望の寸法に研削加工して、略直方体の圧電材料431を作製する。ここで、略直方体とは、全ての面が長方形からなる六面体に限定されず、基本的に6つの面で構成されたものであり、好ましくは板状である。角の欠けた形状や、角に丸みを持たせた形状であっても良い。次に、図8に示すように、金属ペーストの焼き付け、スパッタ、蒸着法などにより、圧電素子430の第1の電極面に第1の電極432、第2の電極面に第2の電極433を形成する。
前記第1の電極432および第2の電極433は、振動を励起する効率の観点で圧電材料431表面に対して、出来るだけ広くとることが好ましい。第1の電極432と第2の電極433の作製方法は特に限定されず、金属ペーストの焼き付けにより形成しても良いし、スパッタ、蒸着法などにより形成してもよい。また第1の電極432、第2の電極433はともに図8の形状以外の所望の形状にパターニングして用いても良い。
また、圧電素子430に第2の電極面からのみ交番電圧を供給することができるように、第1の電極432が第2の電極面の一部にあっても良い。この場合、まず、圧電素子430の第1の電極面に第1の電極432を、第2の電極面に第2の電極433と電気的に独立した第1の電極432を形成する。次に、第1の電極面に設けた第1の電極432と、第2の電極面に設けた第1の電極432とを電気的に接続する。電気的に接続する方法は特に限定されず、圧電材料431の側面で金属ペーストの焼き付け、スパッタ、蒸着法などにより接続してもよい。ただし、第2の電極面に設けた第1の電極432と第2の電極433の間の距離は後述する分極処理にて電極間で放電しない範囲で出来るだけ狭くすることが好ましい。
次に、圧電素子430を分極処理する。分極処理の温度は、一般的にはキュリー温度Tc以下で行うが、本発明はこれに限らず室温で行ってもよい。処理時間は5分から10時間が好ましい。処理雰囲気は、空気中もしくはシリコーンオイル等の不燃性のオイル中が好ましい。処理電圧は、0.5から5.0kV/mmの電界を印加する。処理電圧の印加は、少なくとも第1の電極432と第2の電極433に対して行えば良い。
分極処理は、圧電素子430を振動板410に固定する前に行う事が好ましいが、固定後に行っても良い。
本発明の圧電材料431のヤング率は、市販のインピーダンスアナライザーを用いて得られる共振周波数及び***振周波数の測定結果から、電子情報技術産業協会規格(JEITA EM−4501)に基づいて、計算により求めたY11である。
次に、振動板410表面の塵埃除去を行うための圧電素子430の駆動方法について説明する。振動板410に固定された圧電素子430にマイクロコンピューター100の制御に従って圧電素子駆動回路111が所定の周波数の電圧を印加すると、圧電素子430は光軸と直角方向(振動板410の平面方向)に伸縮することにより、振動板410は屈曲振動する。
図1は、本発明の塵埃除去装置の一例である圧電素子430に印加する交番電圧の周波数(駆動周波数)と、交番電圧を印加する時間(駆動時間)の関係を示す図であり、第一の周波数から第二の周波数へ所定のステップ幅毎に順次周波数を変化させる動作(掃引動作)を説明している。
圧電素子430に印加する交番電圧の周波数は、振動板410の固有モードの共振周波数近傍とすることで、より小さい電圧で大きな振幅を得ることができる。振動板410の共振周波数は振動板410と圧電素子430の寸法ばらつき、または温度によって変化する。そのため、交番電圧は一定の周波数ではなく、十分に幅を持たせた周波数帯域で印加する。具体的には、振動板410の共振周波数から高周波側または低周波側に離れた周波数(第一の周波数)から印加を開始し、所定の周波数帯域を所定のステップ数で分割したステップ幅ごとに徐々に主要振動を生じる共振周波数の方向へ掃引駆動を行い、振動板410の主要振動を発生させる共振周波数から第一の周波数と反対側に離れた周波数(第二の周波数)で終了する。図1は第一の周波数f1が第二の周波数f2より高い場合にあたる。第一の周波数と第二の周波数の間には、振動板410の主要振動を発生させる共振周波数は少なくとも一つ以上あれば良い。ステップ幅は狭いほど交番電圧が共振周波数と合致するため好ましく、100Hz以下のステップ幅であればより好ましい。また、分割したステップ幅は一定である必要はなく、第一の周波数から第二の周波数へ至る掃引動作の間に変更しても良い。振動板410は保持部材460や弾性部材450等の周辺部材の影響で、交番電圧の周波数が低い周波数から掃引を始めたとき、振動板410の応答が悪く、共振周波数へ向かう掃引動作中における振動板410の振動振幅が小さい場合がある。そのため高い周波数から低い周波数へ向かう掃引動作の方が好ましい。すなわち、第一の周波数は第二の周波数より高いと、より好ましい。
塵埃除去を行うための圧電素子430に印加する交番電圧は、第一の周波数から第二の周波数へ近づく方向で任意の時間で周波数を変化させ、第二の周波数に達した後、再び第一の周波数から第二の周波数に変化させる駆動を繰り返すことで行う。第二の周波数から第一の周波数に至る間に0V電位を印加する時間(休止時間)を設けても良い。繰り返し動作は、少なくとも2回以上であれば効果はあり、回数が多いほど良好な塵埃除去が行われる。しかし、回数が多いほど塵埃除去動作を行う時間が長くなるため、塵埃除去装置を搭載する製品仕様に合わせて回数を決めれば良い。
次に、デジタル一眼レフカメラに用いた場合の振動板410の動作方法について具体的に説明する。本発明では前述の塵埃除去のための動作を行うための、デジタル一眼レフカメラ内部の一連の処理を塵埃除去モードと呼ぶ。振動板410は、デジタル一眼レフカメラのマイクロコンピューター100からの指示で、塵埃除去モードに入る。塵埃除去モードの実行は、撮影者がデジタル一眼レフカメラの電源ON操作を行ってシステムが立ち上がった直後や、電源OFF操作でシステムをシャットダウンする直前のタイミングで自動的に行うことが塵埃を除去する上で効果的であるが、撮影者が意図したタイミングで行ってもよい。
塵埃除去モード開始の信号はマイクロコンピューター100が受け取り、圧電素子430の駆動回路に駆動信号を送る。圧電素子駆動回路111は、振動板410に面外振動を発生させる交番電圧を生成し、給電用配線を通して圧電素子430に交番電圧を印加する。なお、交番電圧の波形は矩形波、正弦波、三角波、のこぎり波等、何れの波形であってもよい。
塵埃除去装置を駆動させた時の発生音(可聴域外も含む)の計測は、一般的な周波数分析器(例えばリオン株式会社のSA−02M)や、デジタル一眼レフカメラ等に外部マイクを接続して記録したデータを解析することで音圧レベルを求めることができる。特に本発明においては、図2に示す撮像ユニットの状態で計測用のマイクを振動板410の平面から鉛直方向に数cm離れた位置に設置した測定を標準方法とする。
圧電素子430に印加する交番電圧の周波数変化の速度の平均の絶対値が1×105Hz/秒以下の条件で駆動したとき、人の可聴域である20Hzから20kHzの周波数範囲において、普通騒音計の日本工業規格(JIS C 1502−1990)に定められているA特性補正を施した音圧レベル(A特性音圧レベル)を本発明の音圧レベルとして測定する。ここでA特性音圧レベルとは、前記の日本工業規格で定められたもので、物理的に同じ音圧であっても周波数によって人間が感じる音の大きさが異なるという、人間の聴覚特性を考慮した周波数重み付け特性のことである。A特性音圧レベルで−10dB以上の可聴音が検出されたときの交番電圧の周波数を前記掃引動作中に可聴振動が発生する周波数(可聴振動開始周波数)をfnsとし、可聴音が検出されなくなったときの交番電圧の周波数を前記掃引動作中に可聴振動が終了する周波数(可聴振動終了周波数)をfneとする。fnsからfneまでの変化時間をΔtnとする。Δtnは駆動する周波数の変化の速度によって変わるが、fnsとfneは変化しない。第一の周波数から第二の周波数までの交番電圧を繰り返し印加するとき、Δtnの終了時から次に周波数がfnsになるまでの時間をΔtniとする。
本発明では、可聴音が検出されている時間内で平均したA特性音圧レベルを可聴音の音圧レベルとする。本発明者の検討により、Δtnが10ms以下のとき、デジタル一眼レフカメラに撮像ユニット400を設置した状態で発生する可聴音は許容限以下になり、可聴音の無い塵埃除去装置を提供することができることが分かっている。前記掃引動作中のfnsからfneまでの変化時間Δtnは好ましくはΔtn≦3msである。
fnsからfneの交番電圧が印加される間に発生する可聴音の音波の振動周波数(音波の周波数)をfhとし、fhが例えば500Hz以下の周波数である場合、Δtnが10ms以下であってもわずかな可聴音が検出されるおそれがあるため、Δtnがfhの1周期以下の短い時間、つまりΔtn≦1/fhの関係を満たすことがさらに好ましい。Δtnが1/fh以下であると、可聴音が発生している時間が可聴音の周期(可聴音の周波数の逆数)以下の時間になるため、音圧レベルを更に抑制できる。実際に計測される可聴音は、周波数が異なる複数の音が混ざることがあるが、本発明では可聴周波数範囲において最大の音圧レベルが検知される周波数をfhとする。
fnsとfneの間には塵埃を除去するための振動を発生する周波数も含まれるため、単にΔtnが短くなる駆動をすると、塵埃除去の振動が発生している時間が短くなるため、塵埃除去の能力が低くなる。塵埃除去能力を維持しつつ騒音を抑制するためには、前記Δtnを得る駆動を複数回(二回以上)繰り返すことを行うことで、可聴音が小さく、且つ良好な塵埃除去能力を有す塵埃除去装置が得られる。可聴音が小さく、且つ良好な塵埃除去が可能な塵埃除去装置を得るために、前記周波数を変化させる速度の平均の絶対値、すなわちΔtnにおける掃引動作中の可聴振動の変化速度Vfは|fns−fne|/Δtnで表され、前記可聴振動の変化速度Vfは5×105Hz/秒以上3×106Hz/秒以下にすることが好ましい。
前記fneを印加する時間(Δtnの終了時)から、次に周波数がfnsになるまでの時間Δtniを設けることにより、可聴音は断続的な音となり、可聴音の音圧レベルを小さくなるため好ましい。第一の周波数とfns、第二の周波数とfneが十分離れている場合は、振動を発生させる周波数の掃引動作自体は不連続である必要はなく、第二の周波数から時間を空けずに第一の周波数に戻しても良い。すなわち、圧電素子430を駆動した初めてのfneから次のfnsまでが時間的に近いとき、一回目の第一の周波数から第二の周波数の駆動で可聴音を発生させる振動が減衰するまでの時間と、二回目の同様の駆動で発生する可聴音とが重なる。そのため、音圧レベルの最大値は前述の一回目、二回目の駆動で変わらなくても、一回目と二回目の可聴音の重なりの影響で平均した音圧レベルは、一回目と二回目が重ならない駆動の場合より音圧レベルは大きくなる。本発明者らが検討したところ、発生した可聴音を発生させる振動の減衰を考慮して、Δtni≧2Δtnの関係を満たすとき、音圧レベルを小さくすることが出来るため、さらに好ましい。
また、fnsとfneは、第一の周波数から第二の周波数まで一回掃引する間に複数あってもよく、その場合は其々の周波数範囲で前記Δtn、fns、fneの関係を満たせばよい。
本発明の塵埃除去装置において、第一の周波数と第二の周波数の値の関係は、いずれが高くても低くてもよい。
具体的には、図1は、本発明の塵埃除去装置の実施形態として、第一の周波数は第二の周波数より高い駆動周波数と駆動時間の関係を示す図である。図1において、前記第一の周波数f1と、前記第二の周波数f2と、可聴振動が発生する周波数fnsと、可聴振動が終了する周波数をfneとしたときに、f1≧fns>fne≧f2の関係を満たしていればよい。
図9は、本発明の塵埃除去装置の他の実施形態として、第一の周波数は第二の周波数より低い駆動周波数と駆動時間の関係を示す図である。図9において、前記第一の周波数f11と、前記第二の周波数f22と、可聴振動が発生する周波数fnsと、可聴振動が終了する周波数をfneとしたときに、f11≦fns<fne≦f22の関係を満たしていればよい。
以上、本発明の撮像装置の一例として、デジタル一眼レフカメラに用いられる塵埃除去装置を説明したが、必ずしもデジタルカメラに用いられる撮像装置に限ったものではなく、デジタルビデオカメラ、複写機、ファクシミリ、スキャナの各種の撮像装置や画像読取装置、およびその内部の部材や部品であってもよい。
以下に実施例を挙げて本発明の塵埃除去装置を具体的に説明する。実施例および比較例は図2に示す撮像ユニット400に制御回路(不図示)と電源(不図示)を付けた塵埃除去装置で行ったが、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。
振動板410の被写体側の表面に付着したゴミを振動によって除去する能力を塵埃除去率と呼ぶ。例えばデジタル一眼レフカメラで付着するゴミには、様々な大きさ、様々な材料が考えられるが、本発明では代表的な粒子を用いて、以下のように測定を行った。
塵埃除去率は撮像ユニット400に、制御回路10と電源42を接続した状態で測定した。塵埃除去率は、室温、湿度50%rhの環境で、水平に置いた振動板410の全体にポリスチレン製ビーズ(粒径20乃至80μm)を凡そ500個まいて1分間放置した後、振動板410の平面が垂直になるように設置した。この状態で振動板410の表面のポリスチレン製ビーズの付着状態を光学顕微鏡により撮影し、写真Pとして記録した。
次に、写真Pを記録した際と同様、振動板410の表面のポリスチレン製ビーズの付着状態を光学顕微鏡により撮影し、写真Qとして記録した。
次に、写真Pと写真Qに写ったポリスチレン製ビーズで撮像素子33へ入射する光を遮る範囲のビーズ数を数え、其々ビーズ数P’とビーズ数Q’として、[(ビーズ数P’−ビーズ数Q’)÷ビーズ数P’]×100を塵埃除去率(%単位)とした。本発明の評価方法で塵埃除去率が95%以上であれば、デジタル一眼レフカメラに設置した際の一般的な使用状況において、撮影した画像に塵埃の写り込みがない高品質の画像を得ることが可能である。
可聴音の測定は、計測用の録音マイクを振動板410の表面から垂直方向に2cm離して設置して、録音されたデータを解析ソフトで処理して求めた。
(実施例1)
実施例1の塵埃除去装置の振動板410は、27.0×38.0×0.6mmの水晶からなる透明の直方体の複屈折板である。
以下に実施例1の圧電素子430の作製方法を示す。原料となる平均粒径100nmのチタン酸バリウム(堺化学工業製:BT−01)、平均粒径300nmのチタン酸カルシウム(堺化学工業製:CT−03)、平均粒径300nmのジルコン酸カルシウム(堺化学工業製:CZ−03)をモル比で92.0対2.0対6.0になるように秤量した。
次に、これらの秤量粉を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合した。得られた混合粉を造粒するために、混合粉に対してMn重量が金属換算で0.12重量部となる酢酸マンガン(II)と、混合粉に対して3重量部となるPVAバインダーを、それぞれスプレードライヤー装置を用いて、混合粉表面に付着させた。
次に、得られた造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて最大200MPaの成形圧をかけて3.3g/cm3の成形体を作製した。この成形体は冷間等方加圧成型機を用いて、更に加圧しても構わない。
得られた成形体を空気雰囲気中にて昇温速度を1.0℃/分で加熱して、600℃で3時間保持した後に1350℃で5時間保持する条件にて焼成を行った。これにより、式(1)の化学式で表わすことができる組成の圧電材料431を作製した。次に、圧電材料431の蛍光X線分析を行ったところ、(Ba0.92Ca0.08)(Ti0.94Zr0.06)O3 100重量部に対してMnが金属換算で0.12重量部含有されている組成であることが確認できた。また、Ba、Ca、Ti、ZrおよびMn以外の元素は検出限界以下の量であり、1重量部以下であった。
次に、焼成した圧電材料431を厚み0.25mmで略均一に研削、及び研磨加工した後、26.0×4.0mmの寸法に切断した。そのあと、圧電材料431の両面に銀ペーストをスクリーン印刷によって、図8に示すように第1の電極432および第2の電極433を形成した。
次に、作製した圧電素子430を恒温槽中で温度を上昇させながら誘電率の変化を測定することで、誘電率が極大となる温度Tcを測定した。その結果、Tcは110℃であった。また、圧電素子430をホットプレートで100℃に加熱しながら1kV/mmの電界強度になるように、電極433に直流電源によって電圧を10分間にわたり印加して分極処理を行い、圧電素子430を作製した。
本実施例の圧電素子430に対して、微小交流電界を印加することで、85℃から徐々に温度を下げながら−40℃までの誘電率を測定したところ、相転移温度Tを示す誘電率の極大値は20℃であった。
また、同様の温度制御を行いながら圧電素子のヤング率Y11を測定したところ、極小値は20℃であり、−30℃から50℃の温度範囲でY11が38%変化していた。
次に、作製した圧電素子430にフレキシブルケーブルよりなる交番電圧の給電用配線をACFによって接続した。ACFを接続する際の熱圧着装置の条件は150℃、10秒間、2MPaの圧力とした。
次に、振動板410と圧電素子430の第1の電極面を、エポキシ樹脂系の接着剤で接着した。
作製した塵埃除去装置を用いて本発明の撮像ユニット400を作製した。
矩形波の交番電圧は100Hz毎に周波数を変更するものであり、時間当たりの周波数変化を一定にして、190kHzから90kHzまでを掃引した。
圧電素子430に、フレキシブルケーブルを介して50Vppの矩形波の交番電圧を印加した。
まず、可聴振動の騒音が発生する駆動周波数を調べるため、第一の周波数から第二の周波数までを緩やかに周波数掃引しながら、発生する可聴域の騒音を計測した。
本実施例では第一の周波数を190kHz、第二の周波数を90kHzとし、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、可聴振動が発生し始める周波数fnsは135kHz、可聴振動が終了する周波数fneは125kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは、3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は190kHzから90kHzまでを100msの時間で掃引し、100ms経過後に再び190kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計10回繰り返す駆動とした。このときΔtnは10ms、Δtniは190ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は1.0×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは3dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例2)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が34.0×55.0×0.8mm、圧電材料431の寸法が32.0×3.5mmで、厚み0.20mmである塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を190kHz、第二の周波数を90kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは124kHz、fneは123kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは500Hzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、190kHzから90kHzまでを50msの時間で掃引し、100ms経過後に再び190kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計16回繰り返す駆動とした。このときΔtnは0.5ms、Δtniは149.5ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は2.0×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは2dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例3)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が27.0×38.0×0.6mm、圧電材料431の寸法が26.0×4.0mmで、厚み0.25mmである塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を125kHz、第二の周波数を115kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは121kHz、fneは116kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、125kHzから115kHzまでを10msの時間で掃引し、5ms経過後に再び125kHzから115kHzまでの周波数掃引を行い、合計20回繰り返す駆動とした。このときΔtnは5ms、Δtniは10ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は1.0×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは3dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例4)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が27.0×38.0×0.6mm、圧電材料431の寸法が26.0×4.0mmで、厚み0.25mmである塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を190kHz、第二の周波数を70kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは100kHz、fneは90kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、190kHzから70kHzまでを40msの時間で掃引し、100ms経過後に再び190kHzから70kHzまでの周波数掃引を行い、合計25回繰り返す駆動とした。このときΔtnは3.3ms、Δtniは137ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は3.0×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは2dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例5)
実施例1と同様のチタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウムをモル比で86.0対8.0対6.0になるように秤量した。さらに、これらの混合粉100重量部に対し、Bi重量が金属換算で0.18重量部となるように酸化ビスマス(高純度化学社製、純度99.9%以上)を秤量し、これらの秤量粉を、ボールミルを用いて24時間の乾式混合によって混合した。得られた混合粉を造粒するために、混合粉に対してMn重量が金属換算で0.14重量部となる酢酸マンガン(II)と混合粉に対して3重量部となるPVAバインダーを、それぞれスプレードライヤー装置を用いて、混合粉表面に付着させた。
次に、得られた造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて最大200MPaの成形圧をかけて3.3g/cm3の成形体を作製した。この成形体は冷間等方加圧成型機を用いて、更に加圧しても構わない。
得られた成形体を空気雰囲気中にて昇温速度を1.0℃/分で加熱して、600℃で3時間保持した後に1340℃で5時間保持する条件にて焼成を行った。蛍光X線分析を行ったところ、(Ba0.86Ca0.14)(Ti0.94Zr0.06)O3が100重量部に対してMnが金属換算で0.14重量部、Biが金属換算で0.18重量部含まれていた。
また、Ba、Ca、Ti、ZrおよびMn、Bi以外の元素は検出限界以下の量であり、1重量部以下であった。
本実施例の圧電素子430に対して、微小交流電界を印加することで、85℃から徐徐に温度を下げながら−40℃までの誘電率を測定したところ、相転移温度Trを示す誘電率の極大値は−15℃であった。
また、同様の温度制御を行いながら圧電素子のヤング率Y11を測定したところ、極小値は−15℃であり、−30℃から50℃の温度範囲でY11が30%変化していた。
次に、前述の焼結体から実施例1と同様の手順により塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を190kHz、第二の周波数を90kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が−20℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは115kHz、fneは110kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、190kHzから90kHzまでを200msの時間で掃引し、50ms経過後に再び190kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計5回繰り返す駆動とした。このときΔtnは10ms、Δtniは240ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は5.0×105Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは3dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例6)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が27.5×40.0×0.6mm、圧電材料431の寸法が27.0×5.6mmで、厚み0.25mmである塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を122kHz、第二の周波数を120kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは122kHz、fneは120kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、60Vppの矩形波の交番電圧であり、122kHzから120kHzまでを10msの時間で掃引し、10ms経過後に再び122kHzから120kHzまでの周波数掃引を行い、合計20回繰り返す駆動とした。このときΔtnは10ms、Δtniは10ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は2.0×105Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは3dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例7)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が27.0×40.0×0.6mm、圧電材料431の寸法が26.0×5.6mmで、厚み0.25mmである塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を120kHz、第二の周波数を122kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは120kHz、fneは122kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、60Vppの矩形波の交番電圧であり、120kHzから122kHzまでを10msの時間で掃引し、10ms経過後に再び120kHzから122kHzまでの周波数掃引を行い、合計20回繰り返す駆動とした。このときΔtnは10ms、Δtniは10ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は2.0×105Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは3dB、塵埃除去率は99.8%であった。
(実施例8)
実施例1の塵埃除去装置を作製し、図7のデジタル一眼レフカメラに搭載した撮像装置を作製した。可聴音計測用の録音マイクを振動板410の表面から垂直方向に5cm離して設置して評価した。
まず、可聴振動の騒音が発生する駆動周波数を調べるため、第一の周波数から第二の周波数までを緩やかに周波数掃引しながら、発生する可聴域の騒音を計測した。
第一の周波数を190kHz、第二の周波数を90kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは135kHz、fneは125kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは3kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は190kHzから90kHzまでを100msの時間で掃引し、100ms経過後に再び190kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計10回繰り返す駆動とした。このときΔtnは10ms、Δtniは190ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は1.0×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは3dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例9)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が34.0×55.0×0.5mm、圧電材料431の寸法が32.0×3.5mmで、厚み0.25mmである塵埃除去装置を作製した。
まず、可聴振動の騒音が発生する駆動周波数を調べるため、第一の周波数から第二の周波数までを緩やかに周波数掃引しながら、発生する可聴域の騒音を計測した。
第一の周波数を160kHz、第二の周波数を90kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは100kHz、fneは98kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは0.5kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は160kHzから90kHzまでを50msの時間で掃引し、10ms経過後に再び160kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計4回繰り返す駆動とした。このときΔtnは1.4ms、Δtniは58.6ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は1.4×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは2dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例10)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が34.0×55.0×0.7mm、圧電材料431の寸法が32.0×3.8mmで、厚み0.22mmである塵埃除去装置を作製した。
まず、可聴振動の騒音が発生する駆動周波数を調べるため、第一の周波数から第二の周波数までを緩やかに周波数掃引しながら、発生する可聴域の騒音を計測した。
第一の周波数を130kHz、第二の周波数を90kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは94kHz、fneは92kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは0.5kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は130kHzから90kHzまでを100msの時間で掃引し、100ms経過後に再び130kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計4回繰り返す駆動とした。このときΔtnは5.0ms、Δtniは195.0ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は4.0×105Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは2dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例11)
実施例1と同様の材料、製造方法によって、振動板410が34.0×55.0×0.8mm、圧電材料431の寸法が32.0×4.2mmで、厚み0.22mmである塵埃除去装置を作製した。
まず、可聴振動の騒音が発生する駆動周波数を調べるため、第一の周波数から第二の周波数までを緩やかに周波数掃引しながら、発生する可聴域の騒音を計測した。
第一の周波数を160kHz、第二の周波数を90kHzとして、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。しかし、室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、fnsは142kHz、fneは141kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは0.5kHzであった。
そこで塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は160kHzから90kHzまでを100msの時間で掃引し、100ms経過後に再び160kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計4回繰り返す駆動とした。このときΔtnは1.4ms、Δtniは198.6ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は7.0×105Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは2dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(実施例12)
実施例1の圧電材料の組成に鉛2000ppmを添加した材料を準備し、実施例1と同様の製造方法によって、振動板410が34.0×55.0×0.8mm、圧電材料431の寸法が32.0×4.2mmで、厚み0.22mmである塵埃除去装置を作製した。
第一の周波数を190kHz、第二の周波数を90kHzとし、第一の周波数から第二の周波数まで5秒間で周波数掃引したとき、環境温度が40℃では可聴域の騒音は測定限界以下であった。
室温(25℃)環境において同様の駆動を行ったところ、可聴振動が発生し始める周波数fnsは135kHz、可聴振動が終了する周波数fneは125kHzであった。また、測定される可聴域の騒音fhは、3kHzであった。
塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は190kHzから90kHzまでを100msの時間で掃引し、100ms経過後に再び190kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計10回繰り返す駆動とした。このときΔtnは10ms、Δtniは190ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は1.0×106Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは5dB、塵埃除去率は99.9%であった。
(比較例1)
実施例1の構成の塵埃除去装置において、塵埃除去するための駆動は、50Vppの矩形波の交番電圧であり、周波数は190kHzから90kHzまでを1000msの時間で掃引し、100ms経過後に再び190kHzから90kHzまでの周波数掃引を行い、合計4回繰り返す駆動とした。このときΔtnは100ms、Δtniは1000ms、Δtnにおける平均速度の絶対値は1.0×105Hz/秒である。
このとき測定される音圧レベルは22dB、塵埃除去率は99.9%であった。