(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用圧電素子と、該駆動用圧電素子と同一材料による検出用圧電素子とを備え、前記駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって駆動する圧電振動子の駆動方法であって、
前記検出用圧電素子の出力から、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動及び圧電素子の圧電定数の変動を算出し、
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動及び圧電素子の圧電定数の変動に応じて補正した交流電圧の印加により、前記圧電振動子への電気入力を補正して該圧電振動子の振動振幅の変動を抑制することを特徴とする圧電振動子の駆動方法。
【請求項２】
前記圧電振動子への電気入力の補正は、前記駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさを変更することによって行なうことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項３】
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後に、前記駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさを、以下の式に基づいて決定することを特徴とする請求項２に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数１】
0005858605.tif 000037
ただし、
Ｖｉｎ１：初期の駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさ
Ｖｉｎ２：機械的抵抗の変動と圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後に、駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさ
ｄ１：初期の圧電定数
ｄ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電定数ｒ１：初期の機械的抵抗
ｒ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の機械的抵抗
【請求項４】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、前記駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の前記検出用圧電素子の電圧を計測することによって、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の前記圧電振動子のＱ値を求め、
前記求められたＱ値により、さらに以下の式に基づいて前記ｄ２／ｄ１と前記ｒ２／ｒ１を求める過程を有することを特徴とする請求項３に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数２】
0005858605.tif 000038
【数３】
0005858605.tif 000039
ただし、
Ｖｓ１：初期における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電圧
Ｖｓ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電圧
Ｑ１：初期の圧電振動子のＱ値
Ｑ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値
【請求項５】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、前記駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の前記検出用圧電素子の電流を計測することによって、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の前記圧電振動子のＱ値を求め、
前記求められたＱ値により、さらに以下の式に基づいて前記ｄ２／ｄ１と前記ｒ２／ｒ１を求める過程を有することを特徴とする請求項３に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数４】
0005858605.tif 000040
【数５】
0005858605.tif 000041
ただし、
Ｉｓ１：初期における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電流
Ｉｓ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電流
Ｑ１：初期の圧電振動子のＱ値
Ｑ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値
【請求項６】
駆動用圧電素子を備え、該駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって駆動する圧電振動子の駆動方法であって、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動及び圧電素子の圧電定数の変動を算出し、これら圧電振動子の機械的抵抗の変動及び圧電素子の圧電定数の変動に応じて補正した交流電圧の印加により、前記圧電振動子への電気入力を補正することを特徴とする圧電振動子の駆動方法。
【請求項７】
前記圧電振動子への電気入力の補正は、前記駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさを変更することによって行なうことを特徴とする請求項６に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項８】
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後に、前記駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさを、以下の式に基づいて決定することを特徴とする請求項７に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数６】
0005858605.tif 000042
ただし、
Ｖｉｎ１：初期の駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさ
Ｖｉｎ２：機械的抵抗の変動と圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後に、駆動用圧電素子に印加する交流電圧の大きさ
ｄ１：初期の圧電定数
ｄ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電定数ｒ１：初期の機械的抵抗
ｒ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の機械的抵抗
【請求項９】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の駆動用圧電素子の電流を計測することによって、圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値を求め、
前記求められたＱ値により、さらに以下の式に基づいて前記ｄ２／ｄ１と前記ｒ２／ｒ１を求める過程を有することを特徴とする請求項８に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数７】
0005858605.tif 000043
【数８】
0005858605.tif 000044
ただし、
Ｉｍ１：初期における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、圧電素子の機械腕電流
Ｉｍ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、圧電素子の機械腕電流
Ｑ１：初期の圧電振動子のＱ値
Ｑ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値
【請求項１０】
駆動用圧電素子を備え、該駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって駆動する圧電振動子の駆動方法であって、
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動を算出し、
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動が生じた際に、
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動に基づいて、入力電力を以下の式によって表される大きさに補正し、前記圧電振動子の振動振幅の変動を補正することを特徴とする圧電振動子の駆動方法。
【数９】
0005858605.tif 000045
ただし、
Ｐ１：初期の圧電振動子への入力電力の大きさ
Ｐ２：機械的抵抗の変動が生じた際に、補正される圧電振動子への入力電力の大きさ
ｒ１：初期の機械的抵抗
ｒ２：機械的抵抗の変動が生じた際における機械的抵抗
【請求項１１】
前記駆動用圧電素子と同一材料の検出用圧電素子からの出力に基づいて前記圧電振動子の機械的抵抗の変動を検出することを特徴とする請求項１０に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項１２】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、前記駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の検出用圧電素子の電圧を計測することによって、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動を検出することを特徴とする請求項１１に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項１３】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、前記駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の検出用圧電素子の電圧を計測することによって、圧電振動子の機械的抵抗の変動が生じた後の圧電振動子のＱ値を求め、
前記求められたＱ値により、さらに以下の式に基づいて前記ｒ２／ｒ１を求める過程を有することを特徴とする請求項１２に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数１０】
0005858605.tif 000046
ただし、
Ｑ１：初期の圧電振動子のＱ値
Ｑ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値
【請求項１４】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、前記駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の検出用圧電素子の電流を計測することによって、圧電振動子の機械的抵抗の変動を検出することを特徴とする請求項１１に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項１５】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、前記駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の検出用圧電素子の電流を計測することによって、圧電振動子の機械的抵抗の変動が生じた後の圧電振動子のＱ値を求め、
前記求められたＱ値により、さらに以下の式に基づいて前記ｒ２／ｒ１を求める過程を有することを特徴とする請求項１４に記載の圧電振動子の駆動方法。
【数１１】
0005858605.tif 000047
ただし、
Ｑ１：初期の圧電振動子のＱ値
Ｑ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値
【請求項１６】
前記駆動用圧電素子に変動検知用交流電圧を印加した際の電流に基づいて圧電振動子の機械的抵抗の変動を検出することを特徴とする請求項１０に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項１７】
前記圧電振動子の共振周波数近傍の少なくとも３種、または共振周波数を含む共振周波数近傍の少なくとも２種の周波数の変動検知用交流電圧を、駆動用圧電素子に印加し、
前記印加した際の駆動用圧電素子の電流を計測することによって、圧電振動子の機械的抵抗の変動が生じた後の圧電振動子のＱ値を求め、
前記求められたＱ値により、さらに以下の式に基づいて前記ｒ２／ｒ１を求める過程を有することを特徴とする請求項１６の圧電振動子の駆動方法。
【数１２】
0005858605.tif 000048
ただし、
Ｑ１：初期の圧電振動子のＱ値
Ｑ２：機械的抵抗の変動または圧電定数の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子のＱ値
【請求項１８】
前記圧電振動子への入力電力の補正は、駆動用圧電素子に印加する交流電圧の周波数を変更することによって行なうことを特徴とする、請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項１９】
圧電振動子の振動によって対象物上の塵埃を除去する塵埃手段を備えた塵埃除去装置であって、
前記圧電振動子が請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の圧電振動子の駆動方法によって駆動されることを特徴とする塵埃除去装置。
【請求項２０】
圧電振動子と、圧電振動子と摩擦接触し圧電振動子の振動によって移動する移動体からなる超音波モータであって、
前記圧電振動子が、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の圧電振動子の駆動方法によって駆動されることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２１】
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電定数の変動の少なくとも一方は、
第１のタイミングにおける前記検出用圧電素子または前記駆動用圧電素子の電圧、及び第２のタイミングにおける前記検出用圧電素子または前記駆動用圧電素子の電圧から算出されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電振動子の駆動方法。
【請求項２２】
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動は、第１のタイミングにおける前記駆動用圧電素子の電圧、及び第２のタイミングにおける前記検出用圧電素子の電圧から算出されることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の圧電振動子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子の駆動方法に関し、特に一眼レフカメラのオートフォーカス駆動に用いる超音波モータや一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置等に用いる圧電振動子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来圧電素子から構成される圧電振動子を用いた装置としては、超音波洗浄機（特許文献１参照）、塵埃除去装置（特許文献２参照）等が知られている。
これらの装置において圧電振動子は、その機械的振動の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を圧電素子に印加されることによって振動を生じさせ、その振動を他へ作用させることによって装置の機能を達成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５３９００号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているように、圧電振動子は長期間の使用によって劣化するといった特性の変動を生じることが知られている。
しかし、特許文献１に記載の超音波洗浄機では、超音波振動子の劣化を検出するために音圧センサが設けられているため装置が大型化し、製造コストがかさむという課題を有している。
【０００５】
また、特許文献２の塵埃除去装置における圧電振動子においては、駆動用圧電素子の他に同じ圧電材料で構成された振動検出用圧電素子によるセンサがあることから、装置が大型化することや製造コストが大きくかさむことは抑制可能である。
しかし、このような駆動用圧電素子と同じ材料で構成された振動検出用圧電素子を用いて超音波振動子の劣化を検出する場合には、以下のような問題が生ずる。この装置によると、振動検出用圧電素子の単位振幅あたりの出力電圧が圧電振動子の劣化の前後で変わらない（又は小さい）場合には、つぎのように同じ振動振幅を得ることができる。
すなわち、劣化後の振動検出用圧電素子の出力を、劣化前の振動検出用圧電素子の出力と同じとするように入力を補正することによって、劣化後も劣化前と同じ振動振幅を得ることができる。
しかし、圧電振動子の特性の変動は、長期間の使用に伴う圧電振動子の機械的抵抗の増加によって生じるだけでなく、圧電素子の圧電特性の劣化によって生じる場合が考えられる。
上記した従来の補正方法では、圧電振動子の特性の変動の要因によっては、必ずしも精度よく補正することができないものであった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、圧電振動子の使用による劣化によって生じる特性の変動の要因に応じた補正を、装置の大型化および製造コストの増大を伴わずに行うことが可能となる圧電振動子の駆動方法の提供を目的とする。
また、圧電振動子の駆動方法を適用した塵埃除去装置、超音波モータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電振動子の駆動方法は、駆動用圧電素子と、該駆動用圧電素子と同一材料による検出用圧電素子とを備え、前記駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって駆動する圧電振動子の駆動方法であって、前記検出用圧電素子の出力から、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動及び圧電素子の圧電定数の変動を算出し、
前記圧電振動子の機械的抵抗の変動及び圧電素子の圧電定数の変動に応じて補正した交流電圧の印加により、前記圧電振動子への電気入力を補正して該圧電振動子の振動振幅の変動を抑制することを特徴とする。
また、本発明の塵埃除去装置は、圧電振動子の振動によって対象物上の塵埃を除去する塵埃手段を備えた塵埃除去装置であって、
前記圧電振動子が上記した圧電振動子の駆動方法によって駆動されることを特徴とする。
また、本発明の超音波モータは、圧電振動子と、圧電振動子と摩擦接触し圧電振動子の振動によって移動する移動体からなる超音波モータであって、
前記圧電振動子が、上記した圧電振動子の駆動方法によって駆動されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、圧電振動子の使用による劣化によって生じる特性の変動の要因に応じた補正を、装置の大型化および製造コストの増大を伴わずに行うことが可能となる圧電振動子の駆動方法を実現することができる。
また、圧電振動子の駆動方法を適用した塵埃除去装置、超音波モータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１における一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置に用いる圧電振動子の構成例について説明する図。
【図２】本発明の実施例２における一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置に用いる圧電振動子の構成例について説明する図。
【図３】本発明の実施例３における一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置に用いる圧電振動子の構成例について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明における圧電振動子の劣化の要因に応じた補正が可能となる圧電振動子の駆動方法は、圧電振動子の劣化の要因には以下の２つの要因が含まれていることが、本発明者によって見出されたことによるものである。
その一つの要因は、圧電振動子の機械的抵抗の増加、すなわち圧電振動子の内部損失の増加、言い換えると減衰の増加である。
他の一つの要因は、圧電素子の圧電特性の劣化である。
圧電振動子の劣化が圧電振動子の機械的抵抗の増加のみで生じている場合には、振動検出用圧電素子の単位振幅あたりの出力電圧は圧電振動子の劣化の前後で変わらない。
したがって、劣化後の振動検出用圧電素子の出力を、劣化前の振動検出用圧電素子の出力と同じとするように入力を補正することによって、劣化後も劣化前と同じ振動振幅を得ることができる。
しかし、圧電振動子の劣化の要因が圧電素子の圧電特性の劣化である場合には、駆動用圧電素子の圧電特性の劣化のみならず、振動検出用圧電素子の圧電特性の劣化も生じる。
そのため振動検出用圧電素子の単位振幅あたりの出力電圧が変わってしまうので、劣化後の振動検出用圧電素子の出力を、劣化前の振動検出用圧電素子の出力と同じとするように入力を補正する方法では、劣化後に劣化前と同じ振動振幅を得るものとはならない。
そのため、従来の技術では、圧電振動子の特性の変動に応じた補正を、装置の大型化および製造コストの増大を伴わずに正しく行なうことができない。
【００１１】
そこで、本発明は、駆動用圧電素子と、該駆動用圧電素子と同一材料による検出用圧電素子とを備え、前記駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって駆動する圧電振動子の駆動方法として、
前記検出用圧電素子から検出された出力の変動に基づいて、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じていることが検出された際に、つぎのように圧電振動子の振動振幅の変動を抑制するようにしたものである。
すなわち、前記圧電振動子の機械的抵抗の変動及び／又は圧電素子の圧電特性の変動に応じて補正した交流電圧の印加により、前記圧電振動子への電気入力を補正して該圧電振動子の振動振幅の変動を抑制する。この補正方法によれば、圧電振動子の機械的抵抗の変動によって生じた場合、圧電素子の圧電特性の変動で生じた場合、またはその両方が生じた場合のいずれの場合であっても、変動後に所望の振動振幅を得ることが可能となる。
【実施例】
【００１２】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置に用いる圧電振動子の構成例について、図１を用いて説明する。
圧電振動子１は光学素子２と光学素子に接合された圧電素子３から構成されている。
圧電素子３には、光学素子２との接合面の全面に不図示の接地電極がある。
接地電極は、圧電素子３を貫通するバイア電極を介して、反対面の表面の一部に配置された表面接地電極４と電気的接続が為され、さらに駆動回路５の接地端子と配線されている。
表面の大部分には駆動用電圧印加電極６があり、駆動回路５の駆動用電圧印加端子と配線されている。
圧電素子３のうち接地電極と駆動用電圧印加電極６に挟まれた部分が、駆動用圧電素子として機能する。
７は振動検出のための検出用電極であって、駆動回路５の検出用端子と配線されている。圧電素子３のうち接地電極と検出用電極７に挟まれた部分が、検出用圧電素子として機能する。
すなわち、駆動用圧電素子と検出用圧電素子は同一材料で構成されている。
以上の構成において、塵埃除去装置に用いる圧電振動子１の駆動用電圧印加電極６に、圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって、圧電振動子１に振動が生じ、光学部品の対象物上に付着した塵埃を除去する。
【００１３】
以下に、本実施例での圧電振動子の駆動方法を説明する。
圧電振動子の振動速度、力、電圧、および電流の関係は、以下の圧電方程式で表されることが知られている。
0005858605.tif 000002
【００１４】
ただし、
Ｆ：力
Ａ：力係数
Ｖ：電圧
Ｚｍ：機械的インピーダンス
ｖ：振動速度
Ｉ：電流
Ｙｄ：制動容量によるアドミタンス
である。
【００１５】
駆動用電圧印加電極６を介して駆動用圧電素子に共振周波数と同じ周波数でＶｉｎ１なる交流電圧を入力すると、以下の振動速度ｖ１の振動が生ずることが式（１）より明らかである。
0005858605.tif 000003
【００１６】
ただし、
Ａｄｒ１：駆動用圧電素子の力係数
ｒ１：圧電振動子の共振時の機械的インピーダンス、すなわち初期の機械的抵抗
ｄ１：圧電素子の初期の圧電定数
ａ：駆動用圧電素子の力係数と圧電素子の圧電定数との係数
このとき検出用圧電素子は振動に応じた電圧を発生し、その大きさは以下のＶｓ１のように表され、この大きさの電圧が検出用電極７から検出される。
以下のＶｓ１は、式（２）の電流Ｉをゼロとすることによって求まる。
0005858605.tif 000004
【００１７】
ただし、
Ａｓ１：検出用圧電素子の力係数
ｂ：検出用圧電素子の力係数と圧電素子の圧電定数との係数
ｊ：虚数単位
ｆｒ：共振周波数
さらに式（３）と式（４）により、
0005858605.tif 000005
【００１８】
となり、この大きさの検出用圧電素子の電圧が検出用電極７から検出される。圧電振動子１を長期にわたって使用し、圧電素子の圧電定数がｄ１からｄ２（機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電定数）へ変化し、
また、機械的抵抗がｒ１からｒ２（機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後の機械的抵抗）へ変化すると、検出用圧電素子が発生する電圧の大きさは以下のＶｓ２となる。
0005858605.tif 000006
【００１９】
このとき振動速度ｖ２は、次の式（７）となる。
0005858605.tif 000007
【００２０】
すなわち、圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた場合には、振動速度が式（７）で表される大きさに変化する。
その際、本実施例の圧電振動子の駆動方法によれば、以下の方法で圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後も、生じる前と同じ大きさの振動速度を得るものである。
ｉ．圧電振動子の機械的抵抗と圧電素子の圧電特性の変動が生じる前に、Ｖｔｅｓｔなる試験用交流電圧を印加する。
試験用交流電圧の周波数を共振周波数近傍で挿引し、検出用圧電素子の電圧Ｖｓの測定から求めた駆動モードのＱ値Ｑ１と、Ｖｔｅｓｔを印加した共振周波数での検出用圧電素子の電圧Ｖｓｔｅｓｔｆｒ１の値を記憶する。
なお、共振周波数は、試験用交流電圧の周波数を挿引した際に検出用圧電素子の電圧Ｖｓが最大となる周波数である。ここでのＱ値とは共振先鋭度であり、検出用圧電素子の電圧は振動振幅にほぼ比例しているので、検出用圧電素子の電圧振幅が共振周波数での振幅の１／√２となる周波数から求める公知の方法で求める。
すなわち、周波数を挿引しながら試験用交流電圧Ｖｔｅｓｔを印加して、Ｖｓ／  Ｖｓｔｅｓｔｆｒ１が１／√２となる周波数をｆ２、ｆ３とし、次の式から求める。
0005858605.tif 000008
【００２１】
ｉｉ．長期使用後上記ｉと同様に、Ｖｔｅｓｔなる試験用交流電圧を印加する。試験用交流電圧の周波数を共振周波数近傍で挿引し、検出用圧電素子の電圧Ｖｓの測定から求めた駆動モードのＱ値Ｑ２と、Ｖｔｅｓｔを印加した共振周波数での検出用圧電素子の電圧Ｖｓｔｅｓｔｆｒ２の値を求める。
ｉｉｉ．上記ｉとｉｉの測定結果をもとに、圧電振動子の機械的抵抗の変動と、圧電素子の圧電特性の変動を求める。機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１であるが、機械的抵抗とＱ値は逆数の関係であるので、次の式（８）より求める。
0005858605.tif 000009
【００２２】
圧電特性の変動ｄ２／ｄ１であるが、以下のように求める。Ｖｓｔｅｓｔｆｒ１とＶｓｔｅｓｔｆｒ２は式（５）および（６）と同様に、次の式（９）、（１０）と表される。
0005858605.tif 000010
【００２３】
したがって式（８）、（９）、（１０）より、次の式（１１）を導き、圧電特性の変動が求められる。
0005858605.tif 000011
【００２４】
なお、上記式（１１）は、つぎの式に相当するものである。
0005858605.tif 000012
【００２５】
ただし、
Ｖｓ１は初期における共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電圧であり、
Ｖｓ２は機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電圧である。
ｉｖ．Ｖｉｎ１に機械的抵抗の変動と圧電特性の変動に関しての補正をかけた電圧、すなわち次の式（１２）で表されるＶｉｎ２を、新たな駆動電圧とし、駆動用電圧印加電極６を介して駆動用圧電素子に印加する。
0005858605.tif 000013
【００２６】
このとき振動速度は、次の式（１３）となり、このような過程により圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後も、生じる前と同じ大きさの振動速度を決定することができる。
0005858605.tif 000014
【００２７】
以上のように、駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって振動する圧電振動子の駆動方法において、つぎのように圧電振動子の振動振幅の変動を補正し、所望の振動振幅を得ることができる。
駆動用圧電素子と同一材料の検出用圧電素子からの出力電圧に基づいて圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動を検出する。
そして、圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた場合に、検出した圧電振動子の機械的抵抗の変動および圧電素子の圧電特性の変動に基づいて補正した交流電圧の印加により、振動子への電気入力を補正する。これによって、圧電振動子の振動振幅の変動を補正し、所望の振動振幅を得る。
なお、上記実施例では、共振周波数とＶｓ／  Ｖｓｆｒ１が１／√２となる周波数から圧電振動子のＱ値を求めさらに圧電特性の変動ｄ２／ｄ１と機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１を求めているが、これに限るものではない。
なぜなら、圧電振動子における振動は、質量・ばね・減衰からなる振動である。したがって、圧電特性の変動ｄ２／ｄ１と機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１を求めるためにその振動の質量・ばね・減衰といったパラメータを特定するには、
共振周波数を含む２種以上の周波数での振幅またはその位相の情報、もしくは３種以上の周波数での振幅またはその位相の情報があればよいからである。
すなわち、例えば以下のいずれから圧電特性の変動ｄ２／ｄ１と機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１を求めるのであっても良い。
【００２８】
共振周波数と、駆動周波数が共振周波数における検出用圧電素子の電圧、共振周波数と異なる駆動周波数における検出用圧電素子の電圧とその駆動周波数
共振周波数と、駆動周波数が共振周波数における検出用圧電素子の電圧の駆動用電圧に対する位相、共振周波数と異なる駆動周波数における検出用圧電素子の電圧の駆動用電圧との位相とその駆動周波数
３種の周波数と、駆動周波数がその周波数における各々の検出用圧電素子の電圧
３種の周波数と、駆動周波数がそれらの周波数における検出用圧電素子の電圧の駆動用電圧との位相
また、上述の実施形態では、異なる２種以上の周波数の変動検知用交流電圧を、駆動用圧電素子に逐次印加した際の検出用圧電素子の電圧を計測することによって、
圧電振動子のＱ値を求めさらに圧電特性の変動ｄ２／ｄ１と機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１を求めている。
しかし、公知の他の方法、例えば振動の減衰特性からＱ値を求めるのでもよい。
【００２９】
上記実施例では、圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた場合に、大きさを補正した交流電圧の印加によって振動子への電気入力を補正している。
駆動用圧電素子へ印加される駆動電圧がパルス状電圧や矩形波状電圧である場合は、駆動電圧の振幅値を変更することによって補正を行なうのみならず、駆動電圧のパルス幅や矩形波のデューティーを変更することによって補正を行なうのでもよい。
すなわち、矩形波状電圧において、圧電振動子の駆動に寄与する周波数成分は、パルス幅や矩形波のデューティーの変更によって大きさが変わるものであるので、このような変更によって補正した交流電圧の印加によって振動子への電気入力を補正するのでもよい。
【００３０】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置に用いる圧電振動子の構成例について、図２を用いて説明する。
本実施例は実施例１の変形例であり、図２における圧電振動子も図１の圧電素子の変形であるので、ここでは実施例１および図１と異なる点を主に説明し、図２において図１と同じ符号の部材は図１の場合と同様の機能を有するものとする。図２において、検出用電極７の出力は例えばカレントプローブといった電流検出手段８を介して表面接地電極４に接続されている。
電流検出手段８の内部インピーダンスはきわめて小さいため、検出用電極７は表面接地電極４と短絡している状態とほぼ同じ状態である。電流検出手段８の出力は、駆動回路５の検出用端子と配線されている。
【００３１】
以下に、本実施例での圧電振動子の駆動方法を説明する。
駆動用電圧印加電極６を介して駆動用圧電素子に共振周波数と同じ周波数でＶｉｎ１なる交流電圧を入力すると、前述の式（３）で示した以下の振動速度ｖ１の振動が生ずる。
0005858605.tif 000015
【００３２】
ただし、
Ａｄｒ１：駆動用圧電素子の力係数
ｒ１：圧電振動子の共振時の機械的インピーダンス、すなわち機械的抵抗
ｄ１：圧電素子の圧電定数
ａ：駆動用圧電素子の力係数と圧電素子の圧電定数との係数
このとき検出用圧電素子は振動に応じた電荷を発生し、そのため検出用電極７から表面接地電極４へ電流が生じる。その大きさは以下のＩｓ１のように表され、この電流が電流検出手段８によって検出され、その電流検出手段８の出力値は駆動回路５の検出用端子を介して駆動回路５に入力される。
以下の式（１３）は、式（２）の電圧Ｖをゼロとすることによって求まる。
0005858605.tif 000016
【００３３】
ただし、
Ａｓ１：検出用圧電素子の力係数
ｂ：検出用圧電素子の力係数と圧電素子の圧電定数との係数
ｄ１：圧電素子の圧電定数
さらに式（３）と式（１３）により、次の式（１４）が導かれ、この式（１４）で表される電流が検出用電極７から表面接地電極４へ流れる。
0005858605.tif 000017
【００３４】
圧電振動子１を長期にわたって使用し、圧電素子の圧電定数がｄ１からｄ２へ変化し、また、機械的抵抗がｒ１からｒ２へ変化すると、機械腕電流の大きさは以下の式（１５）で表される大きさとなる。
0005858605.tif 000018
【００３５】
このとき振動速度ｖ２は、前述した式（７）で表される。
0005858605.tif 000019
【００３６】
本実施例の駆動方法は、以下の方法で圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後も、生じる前と同じ大きさの振動速度を得るものである。
ｉ．圧電振動子の機械的抵抗と圧電素子の圧電特性の変動が生じる前に、Ｖｔｅｓｔなる試験用交流電圧を印加する。
試験用交流電圧の周波数を共振周波数近傍で挿引し、検出用圧電素子の電流Ｉｓの測定から求めた駆動モードのＱ値Ｑ１と、Ｖｔｅｓｔを印加した共振周波数での検出用圧電素子の電流Ｉｓｔｅｓｔｆｒ１の値を記憶する。
なお、共振周波数は、試験用交流電圧の周波数を挿引した際に検出用圧電素子の電流Ｉｓが最大となる周波数である。
ここでのＱ値とは共振先鋭度であり、検出用圧電素子の電流は振動振幅にほぼ比例しているので、検出用圧電素子の電流振幅が共振周波数での振幅の１／√２となる周波数から求める公知の方法で求める。
すなわち、周波数を挿引しながら試験用交流電圧Ｖｔｅｓｔを印加して、Ｉｓ／  Ｉｓｔｅｓｔｆｒ１が１／√２となる周波数をｆ２、ｆ３とし、次の式から求める。
0005858605.tif 000020
【００３７】
ここでｆｒは共振周波数である。
ｉｉ．長期使用後上記ｉと同様に、Ｖｔｅｓｔなる試験用交流電圧を印加する。試験用交流電圧の周波数を共振周波数近傍で挿引し、検出用圧電素子の電圧Ｉｓの測定から求めた駆動モードのＱ値Ｑ２と、Ｖｔｅｓｔを印加した共振周波数での検出用圧電素子の電圧Ｉｓｔｅｓｔｆｒ２の値を求める。
ｉｉｉ．上記ｉとｉｉの測定結果をもとに、圧電振動子の機械的抵抗の変動と、圧電素子の圧電特性の変動を求める。
機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１であるが、機械的抵抗とＱ値は逆数の関係であるので、次の式（８）より求める。
0005858605.tif 000021
【００３８】
圧電特性の変動ｄ２／ｄ１であるが、以下のように求める。Ｉｓｔｅｓｔｆｒ１とＩｓｔｅｓｔｆｒ２は式（１４）および（１５）と同様に、次の式（１６）、（１７）と表される。
0005858605.tif 000022
【００３９】
したがって式（８）、（１６）、（１７）より、次の式（１８）として圧電特性の変動が求められる。
0005858605.tif 000023
【００４０】
なお、上記式（１８）は、つぎの式に相当するものである。
0005858605.tif 000024
【００４１】
ただし、
Ｉｓ１は初期における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電流であり、
Ｉｓ２は機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後における、共振周波数に一致した周波数の変動検知用交流電圧を印加した際の、検出用圧電素子の電流である。
機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１および圧電特性の変動ｄ２／ｄ１が求まり、実施例１と同様の方法によって、圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後も、生じる前と同じ大きさの振動速度を得ることができる。
すなわち、以上のように、駆動用圧電素子に圧電振動子の共振周波数近傍の周波数を有する交流電圧を印加することによって振動する圧電振動子の駆動方法において、つぎのように圧電振動子の振動振幅の変動を補正し、所望の振動振幅を得ることができる。
駆動用圧電素子と同一材料の検出用圧電素子からの出力電流に基づいて圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動を検出する。
そして、圧電振動子の機械的抵抗の変動または圧電素子の圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた場合に、検出した圧電振動子の機械的抵抗の変動および圧電素子の圧電特性の変動に基づいて補正した交流電圧の印加により、振動子への電気入力を補正する。
これによって、圧電振動子の振動振幅の変動を補正し、所望の振動振幅を得る。
【００４２】
［実施例３］
実施例３として、上記各実施例とは異なる形態の一眼レフカメラの光学素子に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置に用いる圧電振動子の構成例について、図３を用いて説明する。
実施例１乃至２においては、駆動用圧電素子とは別に設けられた検出用圧電素子の出力に基づいて圧電振動子の機械的抵抗の変動および圧電素子の圧電特性の変動を検出した。
本実施例は実施例１乃至２とは異なり、駆動用圧電素子に交流電圧を印加した際の駆動用圧電素子の電流に基づいて圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動を検出するものである。
つまり本実施例は、駆動用圧電素子を検出用圧電素子として兼用した、実施例２の変形例であり、圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動を検出する方法が異なる。
【００４３】
以下に、本実施例での圧電振動子の駆動方法を説明する。
図３における圧電素子も図２の圧電素子の変形であるので、ここでは実施例２および図２と異なる点を説明し、図３において図２と同じ符号の部材は図２の場合と同様の機能を有するものとする。
図３において、駆動回路５と駆動用電圧印加電極６の間に設けられた電流検出手段９により駆動用圧電素子の電流が検出され、電流検出手段８の出力は駆動回路５の検出用端子と配線されている。
駆動用電圧印加電極６を介して駆動用圧電素子に共振周波数と同じ周波数でＶｉｎ１なる交流電圧を入力すると、前述の式（３）で示した以下の振動速度ｖ１の振動が生ずる。
0005858605.tif 000025
【００４４】
ただし、
Ａｄｒ１：駆動用圧電素子の力係数
ｒ１：圧電振動子の共振時の機械的インピーダンス、すなわち機械的抵抗
ｄ１：圧電素子の圧電定数
ａ：駆動用圧電素子の力係数と圧電素子の圧電定数との係数
公知の圧電方程式である式（２）にしたがい、検出されたこのときの駆動用圧電素子の電流から、あらかじめ測定した駆動用圧電素子の制動容量から算出された制動容量電流分を減算する。これによって、機械腕電流と呼ばれる振動振幅に比例した大きさの電流を求める。
すなわち、式（２）、（３）から以下の式（１９）で表される機械腕電流Ｉｍ１を求める。
0005858605.tif 000026
【００４５】
ただし、
Ｉ１：駆動用圧電素子の電流
また、機械腕電流は振動振幅にほぼ比例しているので、実施例１における検出用圧電素子の電圧や電流と同様にＱ値を求めるのに利用できる。すなわち、駆動用圧電素子に印加する電圧Ｖｉｎ１の周波数を挿引し、機械腕電流がＩｍ１の１／√２となる周波数をｆ２、ｆ３とし、次の式からこの時のＱ値であるＱ１を求める。
0005858605.tif 000027
【００４６】
ここでｆｒは共振周波数であり、既知でない場合は駆動用圧電素子に試験用交流電圧を印加し、その周波数を挿引した際の機械腕電流が最大となる周波数とする。圧電素子の圧電定数がｄ１からｄ２へ変化し、また、機械的抵抗がｒ１からｒ２へ変化すると、駆動用圧電素子に共振周波数と同じ周波数でＶｉｎ１なる交流電圧を入力した時の振動速度と機械腕電流は、それぞれ以下の式で表されるｖ２およびＩｍ２となる。
0005858605.tif 000028
0005858605.tif 000029
【００４７】
ただし、
Ｉ２：駆動用圧電素子の電流
また、上述のＱ１と同様の方法で、圧電素子の圧電定数がｄ１からｄ２へ変化し、また、機械的抵抗がｒ１からｒ２へ変化した後のＱ値であるＱ２を求める。圧電振動子の機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１は、前記Ｑ１、Ｑ２から、次の式（２２）として求める。
0005858605.tif 000030
【００４８】
また、圧電素子の圧電特性の変動ｄ２／ｄ１は、式（１９）、（２１）、（２２）より、次の式（２３）から求める。
0005858605.tif 000031
【００４９】
以上の方法で圧電振動子の機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１と圧電素子の圧電特性の変動ｄ２／ｄ１が求まり、さらに実施例１と同様の方法で機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後も、生じる前と同じ大きさの振動速度を得ることができる。
【００５０】
［実施例４］
実施例４における圧電振動子の駆動方法について説明する。
圧電振動子に印加する交流電圧の周波数を変更することによって、電気入力を変更できることが知られている。
本実施例の圧電振動子の駆動方法では、圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動の少なくともどちらかが生じた後の圧電振動子への入力電力を、後述の式（２４）で表すＰ２となるように、圧電振動子に印加する駆動用交流電圧の周波数を変更する。
【００５１】
以下に、本実施例の圧電振動子の駆動方法について具体的に説明する。
圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動の少なくともどちらかが生じた後の、圧電振動子の機械的抵抗の変動ｒ２／ｒ１を、例えば実施例１乃至３で述べた方法により求める。
次に、圧電振動子の機械的抵抗の変動と圧電素子の圧電特性の変動の少なくともどちらかが生じた後の圧電振動子への入力電力が、以下に示す式（２４）で表すＰ２となるように、圧電振動子に印加する駆動用交流電圧の周波数を変更する。
0005858605.tif 000032
【００５２】
ただし、
Ｐ１：初期の圧電振動子に入力する電力の大きさ
Ｐ２：機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後の圧電振動子に入力する電力の大きさ
ｒ１：初期の機械的抵抗
ｒ２：機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後の機械的抵抗
上記のＰ１、Ｐ２は、公知の電力検出手段、例えば圧電振動子と駆動回路間に設けられた電力計で検出する。圧電振動子の消費電力は、一般に以下の式（２５）で表される。
0005858605.tif 000033
【００５３】
ただし、
Ｐ：消費電力
ｒ：機械的抵抗
ｖ：振動速度
したがって、初期の振動速度ｖ１と機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後の振動速度ｖ２は以下のように表される。
0005858605.tif 000034
0005858605.tif 000035
【００５４】
ただし、
Ｐ１：初期の消費電力
Ｐ２：機械的抵抗の変動が生じた後の消費電力
ｒ１：初期の機械的抵抗
ｒ２：機械的抵抗の変動が生じた後の機械的抵抗
したがって、初期の振動速度ｖ１と機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後、入力電力を式（２４）で表す入力電力にすることによって、振動速度ｖ２は次の式（２８）となる。
0005858605.tif 000036
【００５５】
つまり機械的抵抗の変動または圧電特性の変動の少なくとも一方が生じた後の振動速度を、初期の振動速度と同じとすることができる。
以上述べたように、式（２４）で表される入力電力となるように、駆動用圧電素子に印加する交流電圧の周波数の変更で圧電振動子への電気入力を補正することによって、圧電振動子の振動振幅の変動を補正することができる。
また、式（２４）で表される入力電力となるように、駆動用圧電素子に印加する交流電圧の変更で圧電振動子への電気入力を補正するのでもよい。
なお、上記実施例では本発明の圧電振動子の駆動方法を塵埃除去装置に適用した例について説明したが、このような例に限られるものではない。
例えば、本発明の圧電振動子の駆動方法は、圧電振動子と、圧電振動子と摩擦接触し圧電振動子の振動によって移動する移動体からなる超音波モータ等にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１：圧電振動子
２：光学素子
３：圧電素子
４：表面接地電極
５：駆動回路
６：駆動用電圧印加電極
７：検出用電極
８：電流検出手段
９：電流検出手段
【図１】
0005858605.tif 000049
【図２】
0005858605.tif 000050
【図３】
0005858605.tif 000051