專利名稱：壓電設(shè)備、灰塵去除裝置及成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件(代表性地，壓電元件)的壓電設(shè)備、粉塵去除裝置以及成像裝置。
背景技術(shù)：
壓電材料是以下物質(zhì)該物質(zhì)具有在施加變形時(shí)出現(xiàn)電極化的正壓電效應(yīng)，以及相反地，在施加電場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)變形的逆壓電效應(yīng)。通過(guò)利用電能與機(jī)械能之間的這種可逆轉(zhuǎn)換是可行的屬性把壓電材料用于壓電設(shè)備，諸如各種類型傳感器、濾波器、以及致動(dòng)器等。已用于常規(guī)設(shè)備的多數(shù)類型的這些壓電材料含有鉛，例如作為代表性的壓電材料，存在通過(guò)具有ABO3類型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PbTiO3和PbZrO3的固溶體獲得的鋯鈦酸鉛。因?yàn)殇嗏佀徙U具有卓越的壓電特性、以及良好的溫度特性，所以它用在各種各樣的領(lǐng)域中。然而，近年來(lái)，存在鉛對(duì)人體的不利影響的越來(lái)越多的關(guān)注。在每個(gè)國(guó)家中，開(kāi)始按照RoHS指令等限制鉛對(duì)于玻璃或高溫焊接的使用。為此，即使在用于各種類型設(shè)備的壓電材料中，也在尋求不使用鉛的非鉛材料作為對(duì)已有材料的替代。如今在發(fā)展的非鉛壓電材料中的一種非鉛壓電材料是鈦酸鋇(BaTiO3X鈦酸鋇在非鉛壓電材料之中具有相對(duì)較高的壓電特性，但是存在如下問(wèn)題晶體結(jié)構(gòu)在接近室溫處經(jīng)歷從斜方晶系向四方晶體的相變，并在產(chǎn)品使用溫度區(qū)域處引起特性的顯著改變。作為用于從接近室溫的溫度降低存在于接近室溫的斜方晶系-四方晶體結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)移溫度(Tr)的措施中的一種措施，采取用于添加微量鈦酸鈣(CaTiO3)的方法。日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2009-215111討論了，當(dāng)添加微量這種CaTiO3時(shí)，相變溫度根據(jù)鈦酸鈣向鈦酸鋇的添加量而向低溫側(cè)順次偏移。然而，上述常規(guī)示例具有以下問(wèn)題。具體地，即使在如上述常規(guī)示例中那樣把微量鈦酸鈣添加到鈦酸鋇時(shí)，相轉(zhuǎn)移溫度仍存在于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)溫度附近。因此，壓電常數(shù)隨溫度的變化與基于鉛的壓電材料相比仍然較大。更具體地，隨著從室溫向低溫的溫度改變，壓電常數(shù)增大。當(dāng)把這種壓電材料應(yīng)用于致動(dòng)器等時(shí)，發(fā)生如下問(wèn)題隨著溫度從室溫向低溫改變，位移增大。因此，常規(guī)地為了校正壓電致動(dòng)器的位移隨溫度的變化，有必要檢測(cè)溫度或位移，并基于驅(qū)動(dòng)頻率或施加的電壓來(lái)控制位移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)提供能夠在不需要檢測(cè)溫度或位移的單元的情況下實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性增強(qiáng)的壓電設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的一方面，壓電設(shè)備包括彈性部件；固定到彈性部件的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件，被配置成使彈性部件產(chǎn)生振動(dòng)；以及支撐彈性部件的支撐部件。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中壓電常數(shù)隨著溫度升高而減小的壓電材料形成。支撐彈性部件的支撐部件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中Q值隨著溫度升高而增大的材料形成。根據(jù)參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的更多特征和方面將會(huì)變得清楚。


并入說(shuō)明書中并構(gòu)成說(shuō)明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例、特征、以及方面，并與描述一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。圖1A和IB示例了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的灰塵去除裝置的配置示例，圖1A和圖1B分別是平面視圖和側(cè)視圖。圖1C是成像單元的分解視圖。圖2A和2B示例了灰塵去除裝置中的振動(dòng)體的振動(dòng)模式。圖3示例了鈦酸鋇的壓電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系。圖4示例了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的作為在其中向鈦酸鋇添加鈦酸鈣的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的壓電元件的壓電常數(shù)與溫度之間的關(guān)系。圖5示例了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的振動(dòng)體的Q值與溫度之間的關(guān)系。圖6示例了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的振動(dòng)體的Q值與溫度之間的關(guān)系。圖7是本發(fā)明可以被應(yīng)用的成像裝置的示意性視圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例、特征、以及方面。將描述第一示例性實(shí)施例。將參照?qǐng)D1描述使用本發(fā)明被應(yīng)用到的壓電設(shè)備而配置的灰塵去除裝置的配置示例，作`為第一示例性實(shí)施例。根據(jù)示例性實(shí)施例的壓電設(shè)備包括彈性部件、壓電元件以及支撐彈性部件的支撐部件，壓電元件作為固定到彈性部件、并使得彈性部件產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件。根據(jù)本示例性實(shí)施例的灰塵去除裝置被配置成使用這種壓電設(shè)備。具體而言，根據(jù)本示例性實(shí)施例的灰塵去除裝置如圖1A和IB中所示例的那樣包括作為彈性部件的光學(xué)部件1、作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的壓電元件2、支撐部件3、以及驅(qū)動(dòng)電路4。光學(xué)部件I包括具有高透射率的光學(xué)部件(如蓋玻片)、紅外截止濾波器、或者光學(xué)低通濾波器。在光學(xué)部件I在縱向上的端部，接合有壓電元件2，它們與支撐部件3 —起構(gòu)成振動(dòng)體(壓電設(shè)備)
5。通過(guò)粘接材料把支撐部件3固定到光學(xué)部件I。進(jìn)一步地，如圖1C中所示例的那樣，成像單元至少包括振動(dòng)體5、保持部件7、以及圖像傳感器6。支撐部件3執(zhí)行保持部件7與光學(xué)部件I之間的相對(duì)定位，以及把光學(xué)部件I支撐到保持部件7。支撐部件3可以防止外界灰塵侵入到光學(xué)部件I與保持部件7之間的光學(xué)路徑中。進(jìn)一步地，如圖1C中所示例的那樣，在光學(xué)部件I的圖像傳感器6側(cè)，也可以根據(jù)需要提供另一光學(xué)部件11，比如光學(xué)低通濾波器。在光學(xué)部件I的圖像傳感器6上提供另一光學(xué)部件11的情況下，通過(guò)支撐部件3在光學(xué)部件I與另一光學(xué)部件11之間密封可以是有價(jià)值的。保持部件7保持光學(xué)部件1，但是如上所述，在提供與光學(xué)部件I不同的光學(xué)部件11的情況下，保持部件7可以經(jīng)由不同的光學(xué)部件11保持光學(xué)部件I。進(jìn)一步地，成像單元可以包括偏置裝置9。通過(guò)偏置裝置9，可以將光學(xué)部件I推向圖像傳感器6偵彳。具體地，通過(guò)具有彈簧屬性的材料(比如金屬)把偏置裝置9形成為單個(gè)部件，光學(xué)部件I的四個(gè)角牢固地固定到偏置裝置9的四個(gè)角中。 當(dāng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路4向壓電元件2施加交流電壓時(shí)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)弓I起壓電元件2在面內(nèi)方向上膨脹和收縮。因此，與壓電元件2接合的光學(xué)部件I從壓電元件2接收在平面方向上使接合表面膨脹和收縮的力，以在與壓電元件2的接合表面?zhèn)鹊耐蛊鹋c凹陷之間周期性切換的方式產(chǎn)生駐波振動(dòng)。通過(guò)把交流電壓的頻率設(shè)置為緊鄰振動(dòng)體5的自然頻率，即使通過(guò)較小施加的電壓也可以獲得較大振幅，這是高效的。進(jìn)一步地，存在振動(dòng)體5的多個(gè)自然頻率，當(dāng)在每個(gè)自然頻率施加電壓時(shí)，可以在次數(shù)彼此不同的振動(dòng)模式中使振動(dòng)體5振動(dòng)。圖2A和圖2B示例了由壓電元件2引起的要由振動(dòng)體5產(chǎn)生的振動(dòng)模式中的振動(dòng)的、在與光學(xué)部件I的壓電元件2被接合到的平面相對(duì)側(cè)上的平面的Z方向上的位移分布。通過(guò)第一振動(dòng)模式A或第二振動(dòng)模式B中的振動(dòng)，當(dāng)在灰塵上施加等于或大于向光學(xué)部件I附著的灰塵的附著力的加速度時(shí)，從光學(xué)部件I剝離灰塵。以此方式，通過(guò)在振動(dòng)體5上產(chǎn)生第一振動(dòng)模式A中的振動(dòng)，振動(dòng)體5具有剝離附著到第一振動(dòng)模式A中的振動(dòng)的波腹位置的光學(xué)部件I的灰塵的功能。此外，通過(guò)在振動(dòng)體5上產(chǎn)生第二振動(dòng)模式B中的振動(dòng)，振動(dòng)體5具有剝離附著到緊鄰第一振動(dòng)模式A中的振動(dòng)波節(jié)的光學(xué)部件I的灰塵的功能。如上所述，為了去除附著到光學(xué)部件I的表面的灰塵，有必要施以等于或大于附著力的加速度。在同樣頻率的情況下，加速度取決于振動(dòng)幅度。換言之，在具有類似配置的振動(dòng)體中，可以根據(jù)振動(dòng)幅度來(lái)很好地確定灰塵的去除能力。將參照?qǐng)D3描述本發(fā)明中要使用的壓電元件2的特性。壓電元件2由含有作為非鉛壓電材料的鈦酸鋇作為主要成分的陶瓷形成。鈦酸鋇的相轉(zhuǎn)移溫度固有地接近室溫(約5°C)，在室溫處隨著溫度升高晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從斜方晶系向四方晶體的相轉(zhuǎn)移。在相轉(zhuǎn)移溫度處，壓電常數(shù)變成局部最大值。在高溫側(cè)，隨著鈦酸鋇的溫度較接近居里溫度，壓電常數(shù)隨著溫度升高而開(kāi)始減小(圖3，曲線C)。壓電常數(shù)是表示壓電元件根據(jù)要向壓電元件施加的電場(chǎng)的變形的常數(shù)。換言之，振動(dòng)體5的振動(dòng)幅度在具有較大壓電常數(shù)的壓電元件中變大。因此，在相轉(zhuǎn)移溫度，振動(dòng)體的振動(dòng)幅度變成局部最大值，進(jìn)一步地由于振動(dòng)體在鄰近溫度處展現(xiàn)振動(dòng)幅度的陡變，所以灰塵的去除能力將會(huì)受到顯著改變。為此，在本示例性實(shí)施例中，采用如下配置向鈦酸鋇(作為用作機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的壓電元件的材料的主要成分)添加微量鈦酸鈣，以及使相轉(zhuǎn)移溫度偏移到用于通用電子設(shè)備中的振動(dòng)體5的一 30°C至45°C的使用溫度范圍中的一 30°C以下。通過(guò)該配置，使圖3中示例的相轉(zhuǎn)移溫度偏移到一 30°C以下的區(qū)域，從而在振動(dòng)體5的使用溫度范圍一 30°C至45°C中，壓電常數(shù)隨著溫度的升高而減小，變得可以使相轉(zhuǎn)移溫度不存在(圖4，曲線D)。相應(yīng)地可以消除振動(dòng)體5的灰塵去除能力的陡變。然而，即使在以此方式使相轉(zhuǎn)移溫度偏移到一 30°C以下的區(qū)域，相轉(zhuǎn)移溫度也存在于振動(dòng)體5的使用溫度范圍的低溫側(cè)附近，產(chǎn)生與在描述本發(fā)明旨在解決的問(wèn)題時(shí)的常規(guī)示例類似的問(wèn)題。將把去除灰塵時(shí)的電壓的設(shè)置作為示例，進(jìn)一步描述這種問(wèn)題。在曲線D中，壓電常數(shù)從低溫向高溫緩慢減小。此時(shí)，振動(dòng)體5的振動(dòng)幅度也隨溫度而緩慢減小。為此，假定向壓電元件設(shè)置允許達(dá)到在高溫側(cè)的期望灰塵去除性能的電壓，則將會(huì)相比于圖3中的曲線C (未如圖4中所示那樣偏移)而言在低溫側(cè)消耗額外能量。反之，假定向壓電元件設(shè)置允許低溫側(cè)的期望灰塵去除性能的電壓，則無(wú)法在高溫側(cè)滿足性能。為了處理這些情況，常規(guī)地在振動(dòng)體附近提供了溫度傳感器，需要的是根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)控制施加的電壓或頻率。
相比而言，在本示例性實(shí)施例中，在不需要檢測(cè)溫度或位移的單元的情況下，單元采用使得能夠?qū)崿F(xiàn)溫度穩(wěn)定性增強(qiáng)的配置，如以下所描述的那樣。在本示例性實(shí)施例中，Q值隨溫度而增大的材料被用于支撐部件3。具體地，使用諸如泡沫塑料或橡膠之類的聚合物材料。Q值是表示在引起自然振動(dòng)時(shí)諧振頻率附近的機(jī)械振動(dòng)的銳利性的常數(shù)，諧振頻率中的振動(dòng)幅度變成非諧振狀態(tài)(靜態(tài)位移)中的振動(dòng)幅度的Q倍。作為Q值的測(cè)量方法，例如，存在使用阻抗分析器的方法。當(dāng)通過(guò)阻抗分析器測(cè)得振動(dòng)體5中的壓電元件2的諧振頻率附近的導(dǎo)納、以及電流與電壓之間的相位，并且這些量通過(guò)復(fù)數(shù)表示時(shí)，它的實(shí)部成為電導(dǎo)，它的虛部成為電納。當(dāng)設(shè)電納變成局部最大和局部最小的頻率分別是Π和f2、以及電導(dǎo)變成最大的頻率是fs時(shí)，則fs/ (Π - f2)的值變成Q值。通過(guò)測(cè)量振動(dòng)體5在每個(gè)溫度的Q值，此后，通過(guò)在從振動(dòng)體5排除支撐部件3的狀態(tài)中類似地測(cè)量在每個(gè)溫度的Q值，支撐部件3的Q值對(duì)振動(dòng)體5的影響可以是已知的。如上所述，支撐部件3的Q值隨溫度而增大，進(jìn)一步地把支撐部件3接合到光學(xué)部件1，它們與壓電元件2 —起構(gòu)成振動(dòng)體5。作為結(jié)果，振動(dòng)體5的Q值也隨著溫度升高而增大。另一方面，在本示例性實(shí)施例中，如上所述，因?yàn)閴弘姵?shù)被配置成隨溫度升高而減小，所以振動(dòng)幅度通過(guò)壓電常數(shù)而得的增大部分和振動(dòng)幅度通過(guò)Q值而得的減小部分彼此相抵消。隨后，變得可以減少振動(dòng)體的振動(dòng)幅度的溫度改變。在圖5中示例了 Q值與溫度之間的以上關(guān)系。根據(jù)以上，可以選擇具有Q值隨溫度變化的支撐部件3的材料，這將會(huì)允許通過(guò)把鈦酸鋇的壓電常數(shù)乘以振動(dòng)體5的Q值獲得的值變成總是接近常數(shù)。在本示例性實(shí)施例中，參考了壓電元件2的主要成分是鈦酸鋇的情形。然而，即使從類似地具有室溫附近的相轉(zhuǎn)移溫度、并且使得能夠進(jìn)行相轉(zhuǎn)移溫度調(diào)整的壓電材料，例如，作為含有鈮酸鈉鉀作為主要成分的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的壓電元件，也可以預(yù)期類似益處。進(jìn)一步地，本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于灰塵去除裝置，而且可以應(yīng)用于使用壓電材料并在接近于諧振頻率的頻率被驅(qū)動(dòng)的諸如超聲波電機(jī)之類的致動(dòng)器。此外，上述灰塵去除裝置可以用于成像裝置。圖7是在去除拍攝鏡頭的狀態(tài)中從物側(cè)觀看作為成像裝置的數(shù)碼單鏡頭相機(jī)時(shí)的正面?zhèn)韧敢晥D(上圖)、以及從拍攝者側(cè)觀看相機(jī)時(shí)的背面?zhèn)韧敢晥D(下圖)。在相機(jī)主體21內(nèi)提供的是鏡盒25和設(shè)置在鏡盒25內(nèi)的主鏡面(快速返回鏡面)26，其中通過(guò)鏡盒25引導(dǎo)穿過(guò)了拍攝鏡頭(未示出)的拍攝光通量。在穿過(guò)拍攝鏡頭(未示出)的拍攝光學(xué)軸線上提供具有上述示例性實(shí)施例中描述的灰塵去除裝置的成像單元。主鏡面26可以采取被保持在相對(duì)于拍攝光學(xué)軸線呈45°角度的狀態(tài)以使拍攝者從取景器目鏡窗口 23觀測(cè)物體圖像，以及被保持在相對(duì)于拍攝光通量縮回的位置的狀態(tài)以在圖像傳感器的方向上引導(dǎo)光通量。在相機(jī)的背面，提供用于驅(qū)動(dòng)灰塵去除裝置的清潔指示器開(kāi)關(guān)24，當(dāng)拍攝者按壓清潔指示器開(kāi)關(guān)24時(shí)，它指示驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)灰塵去除裝置。將描述第二示例性實(shí)施例。作為第二示例性實(shí)施例，將描述支撐部件的配置與第一示例性實(shí)施例中不同的配置示例。在本示例性實(shí)施例中，除了具有在作為設(shè)備使用溫度范圍的驅(qū)動(dòng)溫度區(qū)域(一 30°C至45°C)中的玻璃轉(zhuǎn)移溫度Tg的材料被用于支撐部件3以夕卜，光學(xué)部件1、壓電元件2、以及驅(qū)動(dòng)電路4的配置與第一示例性實(shí)施例中類似。圖6示例了本示例性實(shí)施例中振動(dòng)體5的Q值與溫度之間的關(guān)系。玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg是如下溫度在該溫度，具有較低剛性或粘性、以 及較高流動(dòng)性的無(wú)定形固體(比如用于支撐部件3的橡膠或泡沫塑料)轉(zhuǎn)化成在低溫如同晶體一樣堅(jiān)硬和流動(dòng)性小的固體(玻璃態(tài))。在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg以下，Q值隨溫度的降低而升高。為此，在壓電常數(shù)增大的低溫處的振動(dòng)幅度將會(huì)升高。然而，由于即使在這種情況下高溫處的Q值也升高，所以較之支撐部件3的Q值恒定的情形而言，振動(dòng)幅度由于壓電常數(shù)在高溫處的減小所致的減小部分彼此抵消掉。因此，即使在本示例性實(shí)施例的配置中也可以預(yù)期減小振動(dòng)體的振動(dòng)幅度隨溫度變化的益處。雖然參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但要理解，本發(fā)明不限于公開(kāi)的示例性實(shí)施例。所附權(quán)利要求的范圍要被賦予最寬泛的解釋以涵蓋所有修改、等同結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種壓電設(shè)備，包括 彈性部件； 固定到彈性部件的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件，被配置成使彈性部件產(chǎn)生振動(dòng)；以及 支撐彈性部件的支撐部件， 其中，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中壓電常數(shù)隨著溫度升高而減小的壓電材料形成，以及 其中，支撐彈性部件的支撐部件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中Q值隨著溫度升高而增大的材料形成。
2.—種壓電設(shè)備,包括 彈性部件； 固定到彈性部件的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件，被配置成使彈性部件產(chǎn)生振動(dòng)；以及 支撐彈性部件的支撐部件， 其中，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中壓電常數(shù)隨著溫度升高而減小的壓電材料形成，以及 其中，支撐彈性部件的支撐部件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍的低溫側(cè)的區(qū)域中Q值隨著溫度降低而增大的材料形成。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的壓電設(shè)備，其中，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件由主要成分是鈦酸鋇或鈮酸鈉鉀的壓電材料形成。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的壓電設(shè)備，其中，支撐部件由聚合物材料形成。
5.一種灰塵去除裝置，包括 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的壓電設(shè)備；以及 被配置成向機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件施加交流電壓的驅(qū)動(dòng)電路， 其中,通過(guò)由交流電壓的施加在彈性部件上產(chǎn)生的振動(dòng)來(lái)執(zhí)行去除附著到彈性部件的灰塵。
6.一種成像裝置，包括 如權(quán)利要求5所述的灰塵去除裝置；以及 在已穿過(guò)灰塵去除裝置的彈性部件的光通量入射到的位置處提供的圖像傳感器。
全文摘要
一種壓電設(shè)備、灰塵去除裝置及成像裝置，該壓電設(shè)備包括彈性部件；固定到彈性部件的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件，被配置成使彈性部件產(chǎn)生振動(dòng)；以及支撐彈性部件的支撐部件。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中壓電常數(shù)隨著溫度升高而減小的壓電材料形成。支撐彈性部件的支撐部件由在壓電設(shè)備的使用溫度范圍中Q值隨著溫度升高而增大的材料形成。
文檔編號(hào)B08B7/02GK103056098SQ20121039829
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者島田亮, 丸山裕, 伊?？〔?申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社