(57)【要約】【課題】振動体に発生する不要な振動を抑制し、振動体に面外振動によって厚さ方向に曲げ変形を起こさせることができ、低電圧での駆動が可能となる振動装置に用いられる圧電素子、振動装置、及び塵埃除去装置を提供する。【解決手段】振動装置に用いられる圧電素子であって、  前記圧電素子は、交流電圧の印加により前記振動装置を構成する板状の振動体を振動させる板状の圧電素子からなり、  該板状の圧電素子は、前記板状の振動体の厚さ方向と直交する方向に分極され、該振動体の厚さ方向に曲げ変形を起こさせる面外振動を発生させる構成を備える。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動装置に用いられる圧電素子であって、
前記圧電素子は、交流電圧の印加により前記振動装置を構成する板状の振動体を振動させる板状の圧電素子からなり、
該板状の圧電素子は、前記板状の振動体の厚さ方向と直交する方向に分極され、該振動体の厚さ方向に曲げ変形を起こさせる面外振動を発生させることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電素子は、圧電セラミックスによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記振動体の厚さ方向と直交する方向に変位を起こす圧電定数をｄ３３とし、該圧電定数ｄ３３の変位の方向と直交する振動体の面内方向に変位を起こす圧電定数をｄ３１とするとき、
これらの比であるｄ３３／ｄ３１が３以上であることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電素子は、チタン酸ビスマスナトリウムを主成分とする前記圧電セラミックスによって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記板状の圧電素子は、ブロック状に形成された前記圧電セラミックスを分極して構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記圧電素子は、前記圧電セラミックスと電極により形成された積層圧電セラミックスを分極して構成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載された圧電素子と板状の振動体とを有することを特徴とする振動装置。
【請求項８】
前記板状の振動体が光学部品によって構成されていることを特徴とする請求項７に記載の板状の振動装置。
【請求項９】
請求項８に記載の振動装置を有し、該振動装置によって所定の方向に塵埃を移動させて除去することを特徴とする塵埃除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動装置に用いられる圧電素子、振動装置、及び振動装置を有する塵埃除去装置に関し、特にデジタルカメラなどの撮像装置及び撮像装置に組み込まれる光学部品の表面に付着する塵埃等の異物を除去する塵埃除去装置に好適な圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像信号を電気信号に変換して撮像するデジタルカメラ等の撮像装置では、撮影光束をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子で受光する。
そして、撮像素子から出力される光電変換信号を画像データに変換して、メモリカード等の記録媒体に記録する。
このような撮像装置では、撮像素子の前方（被写体側）に、光学ローパスフィルタや赤外線カットフィルタが配置される。
この種の撮像装置において、撮像素子のカバーガラスやこれらのフィルタの表面に塵埃等の異物が付着すると、その異物が黒い点となって撮影画像に写り込むことがある。
特に、レンズ交換可能なデジタル一眼レフデジタルカメラでは、レンズ交換時に塵埃等の異物がレンズマウントの開口からデジタルカメラ本体内に入り込み撮像素子のカバーガラスやフィルタの表面に付着することがある。
【０００３】
このようなことから、従来において、例えば特許文献１のように、圧電素子の振動を利用して、表面に付着した塵埃等の異物を除去する塵埃除去装置を備えたデジタルカメラが提案されている。
特許文献１の塵埃除去装置は、図６に示されるように、塵埃除去装置４０は、主要部品である圧電素子４１や赤外線カットフィルタ４２と不図示の保持部材により構成される。
また、圧電素子４１は図７に示されるようにに、圧電素子４１の電極のあるＡ面とＢ面は厚さ方向で対向している。圧電素子４１のＡ面の電極は＋相と、Ｇ相とに分割されて設けられている。圧電素子４１のＢ面の電極はＧ相であり、不図示の導電材によりＡ面のＧ相に電気的に接続されている。
板状の矩形の赤外線カットフィルタ４２の両端に、圧電素子４１のＢ面が接着剤によって固着され、圧電素子４１と赤外線カットフィルタ４２は一体的に振動する。
そして、圧電素子４１のＡ面には不図示のフレキシブルプリント基板等の導電性連結部材が接着等によって固着され、＋相、Ｇ相とに、所定の電圧を印加できるようになっている。
また、圧電素子４１の振動を利用して、奇数と偶数の次数の、厚さ方向へ曲げ変形させる面外振動モードである二つの振動モードを生じさせることにより、赤外線カットフィルタ４２の表面に付着した塵埃を剥離、除去することができる。
【０００４】
最近は、環境に配慮して鉛を使用しない圧電材料の研究や製品開発に向けての検討が行われている。
これらの圧電材料の中には、例えば特許文献２のように、比較的製造が容易なチタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３）を主成分とする多成分系の固溶体である圧電セラミックスが提案されている。
これは具体的には例えば、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３）とチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の固溶体（（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３）である。さらに第三成分として各種の元素や化合物が添加され、圧電特性を調整することができる。
この圧電セラミックスは鉛を使わないことの他に、チタン酸バリウムよりキュリー温度が高く実用的であり、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスと焼成温度もほぼ同じで従来の設備が利用できるなどの利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２８０７４号公報
【特許文献２】特開２００６−３０６６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の特許文献１のような塵埃除去装置においては、づきのような課題を有している。
赤外線カットフィルタ４２の長手方向に厚さ方向へ曲げ変形させる面外振動モードが生じると、同時に、圧電素子４１は、赤外線カットフィルタ４２の長手方向と直交する方向にも、厚さ方向へ曲げ変形させる面外振動モードを起こしてしまう。
この赤外線カットフィルタ４２の長手方向と直交する方向の振動は、本来は不要な振動であり、本来の赤外線カットフィルタ４２の厚さ方向へ曲げ変形をさせる二つの面外振動モードの阻害要因となる。
このような阻害要因を無くすことができれば、塵埃除去装置の塵埃を剥離する性能をさらに向上させることができることとなるが、上記特許文献１ではこれについて考慮されていない。
また、上記した従来の特許文献２のようなチタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスにおいては、変位を得るために大きな電圧が必要となる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、振動体に発生する不要な振動を抑制し、振動体に面外振動によって厚さ方向に曲げ変形を起こさせることができ、低電圧での駆動が可能となる振動装置に用いられる圧電素子、振動装置、及び塵埃除去装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の圧電素子は、振動装置に用いられる圧電素子であって、
前記圧電素子は、交流電圧の印加により前記振動装置を構成する板状の振動体を振動させる板状の圧電素子からなり、
該板状の圧電素子は、前記板状の振動体の厚さ方向と直交する方向に分極され、該振動体の厚さ方向に曲げ変形を起こさせる面外振動を発生させることを特徴とする。
また、本発明の振動装置は、上記の圧電素子と板状の振動体とを有することを特徴とする。
また、本発明の塵埃除去装置は、上記の振動装置を有し、該振動装置によって所定の方向に塵埃を移動させて除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振動体に発生する不要な振動を抑制し、振動体に面外振動によって厚さ方向に曲げ変形を起こさせることができ、低電圧での駆動が可能となる振動装置に用いられる圧電素子、振動装置、及び塵埃除去装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る塵埃除去装置とその周囲の構成部品を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る塵埃除去装置に用いられる圧電素子を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る塵埃除去装置の板状の振動体に発生する振動を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る塵埃除去装置に用いられる圧電素子の製造を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る塵埃除去装置に用いられる積層圧電素子の製造を示す図である。
【図６】従来例に係る塵埃除去装置の構成を示す図である。
【図７】従来例に係る塵埃除去装置に用いられる圧電素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の振動装置を用いた実施形態における塵埃除去装置を、図を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるデジタルカメラの塵埃除去装置１は、圧電素子２と板状の振動体であり光学部品でもある赤外線カットフィルタ３を備えた構成を有している。
そして、前面に光学ローパスフィルタ４を有し、撮像素子部を内部に持つ撮像素子パッケージ５の前面に配置され、枠状の支持部材６及び不図示の、赤外線カットフィルタ３の隅部を保持して位置ずれを防ぐ枠状の保持部材で保護されている。
支持部材６は、撮像素子パッケージ５と赤外線カットフィルタ３との間にそれぞれ粘着材料により固定されている。
支持部材６は、撮像素子パッケージ５と赤外線カットフィルタ３の相対的な位置決めをすると共に、赤外線カットフィルタ３を支持している。
また、図１に示すように、二つの圧電素子２は接着によって赤外線カットフィルタ３の両端に固着され、圧電素子２と赤外線カットフィルタ３は一体的に振動することができる。
【００１２】
圧電素子２は、図２に示すように、圧電素子２の厚さ方向に直交する方向で対向する電極＋相とＧ相が形成されている。
電極＋相とＧ相の間に電圧を印加することで分極されて、分極方向は矢印Ｐで示す方向になっている。すなわち、圧電素子２は板状の赤外線カットフィルタ３の厚さ方向と直交する方向に分極されている。本発明において「直交」とは、厳密に９０°の角度を保って交差する場合だけでなく機能に悪影響を与えない範囲で一定の誤差を含んでいても良い。
そして、圧電素子２の対向する電極＋相とＧ相には、不図示のフレキシブルプリント基板等の導電性連結部材が接着等によって固着され、そして、不図示の駆動電源から２つの圧電素子２の＋相とＧ相とに所定の高周波数の電圧が印加できるようになっている。
【００１３】
つぎに、本実施形態の圧電素子２と従来例の圧電素子４１の相違について説明する。
従来例の圧電素子４１は、図７に示すように２つの対向する電極のＡ面の＋相と、Ｂ面のＧ相の間に電圧を印加することで分極され振動が可能となる。そして、分極方向は矢印Ｐで示す方向になっている。
このため、Ｘ方向の伸縮を起こすＸ方向の圧電定数はｄ３１であり、Ｙ方向の伸縮に関係するＹ方向の圧電定数もｄ３１であり、同等の変位を起こす特性を有している。
これに対し、本発明による圧電素子２は、図２に示すように２つの対向する電極は、＋相と、Ｇ相の間に電圧を印加することで分極され振動が可能となる。そして、分極方向は矢印Ｐで示す方向になっている。
このため、Ｘ方向（振動体の厚さ方向と直交する方向）の伸縮に関係するＸ方向の圧電定数はｄ３３であるのに対し、Ｙ方向（Ｘ方向と直交する振動体の面内方向）の伸縮に関係するＹ方向の圧電定数はｄ３１であり、Ｘ方向とＹ方向で異なる特性を持つ。
【００１４】
ここで、圧電定数ｄとは単位長さ当りの電圧に対するひずみを表している。
また、ｄ３１とは分極方向３（Ｚ方向）と同じ方向への印加電圧に対し、直交する方向１（Ｘ方向とＹ方向、圧電セラミックスではＸ方向とＹ方向は等価の特性である）への圧電定数ｄを意味する。
また、ｄ３３とは分極方向３（Ｚ方向）と同じ方向３（Ｚ方向）への印加電圧に対し、同じ方向３（Ｚ方向）への圧電定数ｄを意味する。通常、ｄ３１は負の符号を付けて表すが、ここでは絶対値で表すこととする。
通常、一般的な圧電セラミックスであるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料やチタン酸バリウムを主成分とする圧電材料では、一般に圧電定数ｄ３３と圧電定数ｄ３１の比ｄ３３／ｄ３１は約２．０〜２．５である。
圧電定数ｄ３３が大きく、同じ寸法で同じ印加電圧であれば分極方向３に沿って変位を起こす方が約２．０〜２．５倍の大きな変位が得られる。
つまり、図２に示すように圧電素子２のＸ方向の変位に対するＹ方向の変位は、この比ｄ３３／ｄ３１の逆数分（０．４〜０．５）だけ、従来例の圧電素子４１より小さくなる。
【００１５】
つぎに、図３を用いて、この圧電素子２と一体になって振動する板状の振動体で光学部品でもある赤外線カットフィルタ３に発生させる振動について説明する。
特許文献１と同様に、圧電素子２に印加する電圧を周期的に正負に切り替えると赤外線カットフィルタ３のＸ方向である長手方向に変位分布を有する、Ｚ方向（赤外線カットフィルタ３の厚さ方向）の曲げ振動が生じる。
すなわち、発生させる振動モードの固有周波数に近い周波数の交流電圧を、２つの圧電素子２の＋相に同位相で印加すると、厚さ方向へ曲げ変形させる奇数の次数の面外モード振動が発生する。
また、この交流電圧を２つの圧電素子２の＋相に逆位相で印加すると、厚さ方向へ曲げ変形させる偶数の次数の面外モード振動が発生する。
例えば、２つの振動モードは、厚さ方向へ曲げ変形させる面外振動モードで、奇数の次数（例えば、１９次モード）の第１の振動モード１０と偶数の次数（例えば、２０次モード）の第２の振動モード１１が発生する。
第１の振動モード１０と第２の振動モード１１は、赤外線カットフィルタのＸ方向に起こり、波長の異なる（振動モード１０に比べ振動モード１１は波長が短い）定在波の曲げ振動である。
そして、どちらも二つの圧電素子２の内側の支持部材と接触した２ヶ所の個所にほぼ節を有している。
【００１６】
図３には、赤外線カットフィルタ３の長手方向であるＸ方向に発生する第１の振動モード１０と第２の振動モード１１を表しており、圧電素子の内側にある一方の節Ｎと振動の波形の一部を表現している。
また同時に、Ｘ方向の第１振動モード１０、弟２の振動モード１１だけでなく、Ｙ方向に変位分布を有する曲げ振動を生じる。
すなわち、赤外線カットフィルタ３の長手方向と直交する方向で、厚さ方向へ曲げ変形させる面外振動モードである振動モード１２が発生し易い。例えば、振動モード１２は２つの節を持つ曲げ１次の振動モードが起こり易い。
しかし、この振動モード１２は本来は不要な振動であり、赤外線カットフィルタ３の長手方向であるＸ方向の本来の第１の振動モード１０と第２の振動モード１１に振動の節の位置を変化させたり不均一な振動を起こすなどの影響をもたらす。その結果、塵埃除去装置としての塵埃を除去する能力を低下させていた。
この不要な振動モード１２の影響が少なければ少ないほど、振動により異物を除去する効果が大きくなることが分かった。
【００１７】
ここで、前述のように圧電素子２は、従来例の圧電素子４１と同寸法であるが、分極方向と電極の個所が異なる。
つまり、図２に示す圧電素子２は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料では先に説明したように比ｄ３３／ｄ３１の逆数（０．４〜０．５）分だけ、Ｘ方向の変位がＹ方向の変位に比べ、小さくできる。
この結果は、赤外線カットフィルタ３の全表面において、第１の振動モード１０を生じさせることにより、第１の振動モード１０の振動の腹位置に付着した塵埃をより効果的に剥離し飛散させる。
そして、さらに、第２の振動モード１１の振動を生じさせることにより、第１の振動モード１０の振動の節に付着した塵埃をより効果的に剥離し飛散させる。
以上のことから、この塵埃除去装置１０は表面に付着した塵埃等の異物を、圧電素子２の振動を利用して除去することができ、高性能な塵埃除去装置を実現することが可能となる。
【００１８】
鉛を使用しない圧電材料は現在、研究が進んでいるが、その中でもチタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックスは分極後に異方性が生じる。
つまり、振動体の厚さ方向と直交する方向に変位を起こす圧電定数ｄ３３と、該圧電定数ｄ３３の変位の方向と直交する振動体の面内方向に変位を起こす圧電定数ｄ３１との比であるｄ３３／ｄ３１が３以上となる。
この特性は、本発明の圧電素子の圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛系よりも不要な振動を抑制するのに適した材料と言える。
しかし、一般的なチタン酸ジルコン酸鉛系ではｄ３３は少なくとも２００〜３００×１０−１２ｍ／Ｖ以上である。
これに対して、チタン酸ビスマスナトリウム系の圧電セラミックスではｄ３３は現在のところ、高々８０〜１６０×１０−１２ｍ／Ｖ程度の小さな値であり、同じ変位を得るには大きな電圧が必要となる。
そこで、本実施形態では、後述するように、積層化することによって積層方向の層数分だけ変位を大きくし、低電圧の駆動を可能としている。
【００１９】
圧電素子２は、つぎのようにして製造することができる。
まず、図４（ａ）のように、圧電セラミックス粉末をプレス成形し、焼成してブロック状の圧電セラミックスを作り、所定の寸法に研削加工してブロック状圧電セラミックス２０を作る。
その後、対向する電極２１、２２を銀ペーストに焼き付けて形成する。
そして、電極２１、２２間に電圧を印加して分極処理（分極方向Ｐ）を行う。その後、図４（ｂ）のように、ブロック状圧電セラミックス２０を切断機により、所定の厚さに切り出し、圧電素子２を製造する。
このようなブロック状圧電セラミックス２０においては、１回の印刷で電極を設け、分極処理を１回行うだけで多数個の圧電素子２を作ることが可能となる。
したがって、従来の圧電素子４１のように、個々の板状の圧電セラミックスにそれぞれ印刷を行い電極を設け、個々に分極処理を行う作り方に比べ、作業が簡単で短時間で多数個を作り出すことが可能となる。
【００２０】
また、積層圧電素子２’は図５（ａ）に示すようにして製造することができる。
まず、圧電セラミックス粉末からシート状に成形し、表面に内部電極層３４とするための電極ペーストを印刷塗布し、また同時に各電極層３４の間の導通を図るためにホール３５−１と３５−２を設け、そのホールの中に導電ペーストを充填し導通部とする。
次に、これらのシートを複数枚重ねて、プレス加圧して積層体を作る。そして、この積層体を電極ペーストと同時に焼成し、積層圧電セラミック３０を作る。
積層圧電セラミック３０表面に形成した電極３１と３２に電圧を印加し電極層間の圧電層３３の分極処理を行う。
図５（ｂ）に（ａ）の積層圧電セラミック３０の断面を示す。
内部には電極層３４と電極層３４と導通するホール３５−１と３５−２があり、ホール３５−１と３５−２は端部を表面に露出している。
分極処理により、圧電層３３の分極方向は矢印Ｐに示すようになり、不図示の外部電源から電圧を印加することで振動を起こすことが可能となる。
分極処理後は、図５（ｃ）のように、所定の寸法に研削加工して表面に形成した電極３１と３２を削除し、ブロック状の積層圧電セラミックス３６とする。
その後、切断機により所定の厚さに切り出し、図５（ｄ）のように積層圧電素子２’を作ることができる。
【００２１】
圧電素子２’の対向するホール３５−１と３５−２に、フレキシブルプリント基板等の導電性連結部材が接着等によって固着され、駆動電源から圧電素子２’のホール３５−１と３５−２とに所定の高周波数の電圧が印加できるようになっている。
圧電素子２も積層圧電素子２’も、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料やチタン酸バリウムを主成分とする圧電材料、そしてチタン酸ビスマスナトリウムを主成分とする圧電材料から作ることができる。
積層化すると、積層方向の層数分だけ同じ印加電圧で振動変位を大きくすることが可能である。本例では内部に２層の圧電層３３を有するので、同じ変位を得るにためには、印加電圧は二分の一にすることができる。
チタン酸ビスマスナトリウム系の圧電セラミックスではｄ３３は高々８０〜１６０×１０−１２ｍ／Ｖ程度の小さな値であり、同じ変位を得るには大きな電圧が必要となる。しかし、積層化すれば積層方向の層数分だけ変位を大きくすることが可能であり、低電圧の駆動も可能となるため、積層化は望ましい。
【００２２】
このようなブロック状積層圧電セラミック３０は、分極処理を１回行うだけで多数個の積層圧電素子２’を作ることが可能で、短時間で多数個を作り出すことが可能となる。
なお、本実施の形態では、塵埃を除去するための振動モードとして、第１の振動モードと第２の振動モードの二つの振動モードを用いているが、これに限定されるものではない。さらに、付加的にその他の複数の振動モードを加えてもよい。また、圧電素子２は２個使用したが、振動板が振動の減衰が少ない材料からなる部品であれば大きな振動が得られるので、１個であっても良い。
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、光学部品など表面に付着する塵埃等の異物を振動により除去する際に、板状の圧電素子を板状の振動体の厚さ方向と直交するように分極することで、異物を除去する効果をさらに向上させることが可能となる。
また、このような圧電素子の製造は、１回の電極形成と１回の分極処理で多数個を作り出せるので、圧電素子の低コスト化を図ることが可能となる。
これらにより塵埃除去装置において、振動体に付着した塵埃を振動により従来よりも効果的に移動させて除去でき、デジタルカメラによる撮影画像の品位を向上させることが可能となる。
また、同等の効果をより低い印加電圧で可能にすることができる。これらにより電源回路の低電圧化、すなわち、耐電圧の低い回路素子の利用が可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。
また、以上の説明では、デジタルルデジタルカメラに塵埃除去装置を適用した場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の塵埃除去装置は、ビデオデジタルカメラ、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の各種の画像装置にも適用することがで可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１：塵埃除去装置
２：圧電素子
２’：積層圧電素子
３：振動体
１０：第１の振動モード
１１：第２の振動モード
１２：不要な振動モード
【図１】
2011199206.tif 000003
【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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【図７】
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