振動体の駆動回路
【課題】 従来の振動体の駆動回路は、使用する周波数帯域において、圧電素子に印加する交番電圧の振幅変化が振動体の共振周波数近傍で大きかった為、振動体の共振周波数の変化に対して交番電圧が大きく変動してしまう。
【解決手段】 本発明の振動体の駆動回路は、弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる。そして、前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタとを有し、前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍを満たすことを特徴とする。
【解決手段】 本発明の振動体の駆動回路は、弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる。そして、前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタとを有し、前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍを満たすことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機器としての撮像装置は、撮像素子の分解能が向上するにつれて、使用中に光学系に付着するゴミが撮影画像に影響を及ぼすようになってきた。特に、ビデオカメラ、スチルカメラに用いられる撮像素子の分解能はめざましく向上している。このため、撮像素子の近くに配置されている赤外線カットフィルタ、光学ローパスフィルタ等の光学部材に、外部からの埃や内部の機械的な摺擦面で生じる磨耗粉等の塵埃（粉体）が付着すると、撮像素子面で像のぼけが少ないので、撮影画像に粉体が写り込んでしまうことがあった。
【０００３】
また、光学機器としての複写機、ファクシミリ装置等の撮像部は、ラインセンサを走査（スキャン）することで、あるいはラインセンサに近接させた原稿を走査（スキャン）することで、平面原稿を読み取っている。この場合、ラインセンサへの光線入射部に埃が付着すると、スキャン画像に写り込んでしまう。原稿を走査して読み取る方式のファクシミリ装置の読み取り部や、自動原稿送り装置からの原稿を搬送中に読み取る、いわゆる流し読み方式の複写機の読み取り部では、１つの塵埃が原稿送り方向へ連続する線画像となって写り込み、画像の品質を大きく損ねていた。
【０００４】
特許文献１では、このような塵埃を、光学部材を備えた振動体に進行波を励起することによって、所望の方向に移動させることができる塵埃除去装置が提案されている。図３は、特許文献１に開示された塵埃除去装置の構成を示す模式図である。撮像素子５０３の光入射側に光学部材５０２を備えた振動体５０１が設けられている。電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子１０１ａ及び１０１ｂは、振動体５０１における面外曲げ振動の節線の並ぶ方向に位置をずらして配置されている。圧電素子１０１ａ及び１０１ｂには、各々周波数が同じであり、かつ位相差が９０°となる交番電圧を印加する。
【０００５】
印加される交番電圧の周波数は、振動体５０１の長手方向に沿って面外に変形するｍ次（ｍは自然数）の振動モードの共振周波数と（ｍ＋１）次の振動モードの共振周波数との間の周波数である。振動体５０１には、共振現象の応答を持ったｍ次の振動モードの振動、及び９０°の時間的位相差（ｍ次の面外曲げ振動に対して９０°進んだ位相）を持った（ｍ＋１）次の振動モードの振動が、同じ振幅かつ同じ振動周期で励起される。そして、振動体５０１には、この２つの振動モードの振動が合成された合成振動（進行波）が生成する。この合成振動によって、振動体５０１の表面の塵埃を所望の方向に移動していく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
しかし、従来の塵挨除去装置は、使用する周波数帯域において、圧電素子１０１に印加する交番電圧の振幅変化、即ち、交番電圧の周波数特性における傾きが振動体５０１の共振周波数近傍で大きくなる。この為、振動体５０１の共振周波数が個体差でばらつく場合や、駆動中に発熱等により共振周波数が変化する場合において、交番電圧が大きく変動してしまう。交番電圧が必要以上に大きくなる場合、電流の増加による消費電力の増加や、振動体５０１に励起される振動振幅の増大による光学部材５０１の破損を招いてしまう。また、交番電圧が必要とする電圧を下回る場合、振動体５０１に励起される面外曲げ振動の振動振幅が十分に得られず、塵挨の除去効率が低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、使用する周波数帯域において、振動体の共振周波数がばらつく場合や駆動中に変化する場合においても、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交番電圧の変動が小さく、安定した電圧振幅を出力する駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の振動体の駆動回路は、弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる振動体の駆動回路であって、前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタとを有し、前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍを満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、使用する周波数帯域において、振動体の共振周波数がばらつく場合や駆動中に変化する場合においても、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交番電圧の変動が小さく、安定した電圧振幅を出力する駆動回路を提供する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態における振動体の駆動回路を示す図である。
【図２】本発明が適用できる撮像装置の斜視図である。
【図３】塵埃除去装置が装備されたカメラ本体の撮像部の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明が適用できる塵挨除去装置の制御装置を示すブロック図である。
【図５】従来の駆動回路の構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態における、圧電素子に印加される交番電圧の周波数と圧電素子に生じる各振動の振幅と、その電圧波形とを示すグラフである。
【図７】振動体に励起され、長手方向に沿って面外に変形する１０次の面外曲げ振動の変位、１１次の面外曲げ振動の変位、および圧電素子の配置を示す図である。
【図８】従来の駆動回路を用いた場合における、交番電圧Ｖｏの電圧振幅の周波数特性を示すものである。
【図９】インダクタとキャパシタによる直列共振周波数ｆｓを、振動体の共振周波数ｆｍとほぼ一致させた場合における、電流振幅と交番電圧Ｖｏの周波数特性を示すシミュレーション結果を示す。
【図１０】アドミッタンスの変化による交番電圧Ｖｏの変動の様子を計算によりシミュレーションした結果である。
【図１１】インダクタとキャパシタと圧電素子の固有静電容量のばらつきによる、交番電圧Ｖｏの変動の様子を示すシミュレーション結果である。
【図１２】駆動時間に対する電源電流の変化を測定した結果である。
【図１３】ｆｅ＜２・ｆｄを満たす場合の交番電圧Ｖｏの周波数特性を示す図である。
【図１４】ｆｓ／ｆｍの変化に応じた、従来に対する位相と交番電圧Ｖｏの変動の様子を示すシミュレーション結果である。
【図１５】ｆｓ／ｆｍの変化に応じた、従来に対する位相変化量の割合を示すシミュレーション結果である。
【図１６】ピーク周波数ｆｅに応じたインダクタのインダクタンスＬとキャパシタの静電容量Ｃとの関係を示す図である。
【図１７】第２の実施形態における、トランスを用いた塵挨除去装置の駆動回路を示す図である。
【図１８】第３の実施形態における、定在波駆動時の圧電素子に印加される交番電圧の周波数と圧電素子に生じる各振動の振幅と、その電圧波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明が適用できる振動体の駆動回路の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の振動体の駆動装置は、振動体を振動させることにより、粉体等の対象物を駆動することができる。以下の各実施形態では、粉体である塵埃を除去するための塵埃除去装置とその駆動回路を例として説明するが、本発明は、振動体を振動させることにより振動体上の粉体等の対象物を駆動するものであればどのようなものでも適用可能である。本発明において、粉体とは、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲の物体を示す。
【００１３】
本発明の振動体やその駆動回路を搭載する装置としては、カメラ（撮像装置）、ファクシミリ装置、スキャナ、プロジェクタ、複写機、プリンタ等の光学機器が考えられる。以下の実施形態では、撮像装置に搭載する例を説明する。また、本発明においては、光電変換素子である、カメラ等の撮像装置に用いられるＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子や、コピー機やファクシミリ装置等で用いられるラインセンサ等を、受光素子と称する。
【００１４】
（第１の実施形態）
本実施形態では、振動体に進行波を励起して粉体である塵埃を移動させる塵埃除去装置をカメラに搭載した形態について説明する。
【００１５】
（カメラ本体の構成）
図２（ａ）は、第１の実施形態における、撮像装置であるデジタル一眼レフカメラを被写体側より見た正面側斜視図であり、撮影レンズを外した状態を示す。図２（ｂ）は、カメラを撮影者側より見た背面側斜視図である。カメラ本体２０１内には、不図示の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２０２が設けられており、ミラーボックス２０２内にメインミラー（クイックリターンミラー）２０３が配設されている。塵埃除去装置を備えた撮像部は、不図示の撮影レンズを通過した撮影光軸上に設けられている。メインミラー２０３は、撮影者がファインダ接眼窓２０４から被写体像を観察する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。カメラ背面には、塵埃除去装置である振動体を駆動するためのクリーニング指示スイッチ２０５が設けられている。撮影者がクリーニング指示スイッチ２０５を押すと、塵埃除去装置を駆動するよう指令装置６０４（図４参照）に指示する。
【００１６】
（防塵除去装置の構成）
図３は、振動体である塵埃除去装置が装備されたカメラ本体２０１の撮像部の構造を示す斜視図である。カメラ本体２０１の撮像部では、受光した被写体像を電気信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の受光素子である撮像素子５０３が設けられている。また、撮像素子５０３の表（おもて）面の空間が密封されるように、振動体５０１が取り付けられる。振動体５０１は、弾性体である矩形の板状を有する光学部材５０２と、及びその両端部に接着によって固定された電気−機械エネルギー変換素子である１対の圧電素子１０１ａ（第１の電気−機械エネルギー変換素子）、圧電素子１０１ｂ（第２の電気−機械エネルギー変換素子）と、から少なくとも構成される。光学部材５０２はカバーガラス、赤外線カットフィルタ、あるいは、光学ローパスフィルタ等の透過率の高い光学部材で構成されており、撮像素子５０３には、光学部材５０２を透過した光が入射する。
【００１７】
ここで、光学部材５０２の両端部に配置された圧電素子１０１ａ、１０１ｂの厚み方向（図中、上下方向）の寸法は、振動に対する曲げ変形の発生力が大きくなるように、光学部材５０２の厚み方向（図中、上下方向）の寸法と同じ値である。なお、圧電素子１０１ａ、１０１ｂを特に区別する必要がないときは、単に圧電素子１０１と称する。
【００１８】
（制御装置の構成）
図４は、塵挨除去装置の制御装置を示すものである。制御装置は、指令部６０４と、パルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂと、スイッチング回路６０２ａ及び６０２ｂと、電源回路６０５と、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂと、から構成される。指令部６０４から交番電圧信号のパラメータとなる周波数情報、位相情報、パルス幅情報が、パルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに送られる。パルス発生回路には、例えば一般的なデジタル発振器などが用いられる。周波数は、振動体５０１に発生させる２つの振動モードの振動（面外曲げ振動）の共振周波数の中間値近傍に設定され、同じ周波数がパルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに各々設定される。振動モードについては、図７を用いて後述する。位相は、互いに異なる値をパルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに入力し、出力される各交番電圧信号の位相差が異なるように（例えば位相差が９０°）設定される。パルス幅（パルス・デューティ）は所望の電圧振幅が得られるよう適宜調整され、パルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに個別に設定される。
【００１９】
パルス発生回路６０３から出力されたデジタルの交番電圧信号はスイッチング回路６０２ａ及び６０２ｂに入力され、電源回路６０５より供給される電圧に基づいてアナログの交番電圧Ｖｉとして出力される。電源回路には、一般的な直流電源回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路などが用いられる。また、スイッチング回路には、一般的なＨブリッジ回路が用いられる。
【００２０】
交番電圧Ｖｉは、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂに各々入力されて、電圧振幅が昇圧、且つＳＩＮ波形に変換されてから交番電圧Ｖｏとして出力される。出力された交番電圧Ｖｏは、圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加され、振動体５０１に２つの面外曲げ振動が同時に発生する。この合成振動が進行波となり、光学部材５０２の表面の塵埃を所望の方向に移動させることができる。本発明の特徴である、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂの構成については、図１を用いて後述する。
【００２１】
パルス発生回路６０３から出力されたデジタルの交番電圧信号は、スイッチング回路６０２ａ及び６０２ｂに入力され、電源回路６０５より供給される電圧に基づいてアナログの交番電圧Ｖｉとして出力される。電源回路には、一般的な直流電源回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路などが用いられる。また、スイッチング回路には、一般的なＨブリッジ回路が用いられる。
【００２２】
交番電圧Ｖｉは、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂに各々入力されて、電圧振幅が昇圧、且つＳＩＮ波形に変換されてから交番電圧Ｖｏとして出力される。交番電圧Ｖｏは圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加され、振動体５０１に２つの面外曲げ振動が同時に発生する。この合成振動が進行波となり、光学部材５０２の表面の塵埃を所望の方向に移動させることができる。
【００２３】
（駆動周波数の設定）
次に、駆動周波数の設定について説明する。図６（ａ）は、圧電素子１０１に印加される交番電圧の周波数と圧電素子１０１に生じる各振動の振幅を示すグラフである。図６中、ｆ（ｍ）はｍ次の面外曲げ振動の共振周波数であり、ｆ（ｍ＋１）は（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の共振周波数である。圧電素子１０１に印加される交番電圧の周波数ｆｄを、ｆ（ｍ）＜ｆｄ＜ｆ（ｍ＋１）に設定すると、ｍ次の面外曲げ振動と（ｍ＋１）次の面外曲げ振動それぞれの共振現象によって振幅が拡大された、周波数ｆｄの振動が得られる。各振動の時間周期は同じである。一方、圧電素子１０１に印加される交番電圧の周波数ｆｄをｆ（ｍ）より低くするほど、（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の振幅が小さくなり、周波数ｆｄをｆ（ｍ＋１）より高くするほどｍ次の面外曲げ振動の振幅が小さくなる。
【００２４】
（振動モードの説明）
図７は、振動体５０１に励起され、長手方向に沿って面外に変形する１０次の面外曲げ振動の変位、１１次の面外曲げ振動の変位、および圧電素子１０１ａ、１０１ｂの配置を示す模式図である。横軸は、振動体５０１の長手方向の位置である。縦軸は、面外の振動変位である。図７中、１０次の面外曲げ振動を第１の振動モードとして波形Ａ（実線）で示し、１１次の面外曲げ振動を第２の振動モードとして波形Ｂ（破線）で示している。第１の振動モードＡ及び第２の振動モードＢは、振動体５０１を光学部材５０２の厚さ方向へ曲げ変形させる面外曲げ振動モードである。
【００２５】
駆動回路６０１ａ及び６０１ｂが、上述した交番電圧Ｖｏを圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加することにより、第１の振動モードＡ及び第２の振動モードＢの振動が、振動体５０１に同時に発生し、重ね合わされる。尚、本実施形態では、塵埃を除去するための最低限必要な振動モードとして、第１の振動モードとして１０次の曲げ振動モードを、第２の振動モードとして１１次の曲げ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。ここで、撮像素子５０３に対応する光学有効部は図７中に示す範囲とする。第１の振動モードＡの変形形状は、左端と右端で逆相（位相差１８０°）となっている。一方、第２の振動モードＢの変形形状は、左端と右端で同相（位相差０°）となっている。つまり、圧電素子１０１ａと圧電素子１０１ｂに印加する交番電圧の位相差を１８０°とすれば第１の振動モードＡのみが発生し、逆に位相差を０°とすれば第２の振動モードＢのみが発生する。したがって、位相差を９０°とすれば第１の振動モードＡと第２の振動モードＢを同時に発生させることができ、合成振動による進行波が図中右方向に生じる。
【００２６】
図６（ｂ）は、次数の異なる振動モードを同時に励起する際に各圧電素子に印加する交番電圧の例を示す図である。交番電圧Ｖｏ１は、圧電素子１０１ａに印加する電圧波形であり、交番電圧Ｖｏ２は圧電素子１０１ｂに印加する電圧波形を示す。縦軸は電圧振幅であり、横軸は時間を示す。交番電圧Ｖｏ１及びＶｏ２の周波数は前述のｆｄで一定であり、各交番電圧の位相差は９０°である。但し、交番電圧Ｖｏ１とＶｏ２の位相は異なっていれば良く、位相差は９０°に限定されない。
【００２７】
塵埃除去装置では、光学部材５０２の表面に付着した塵埃は、光学部材５０２が塵埃を面外に突き上げる時、光学部材５０２の表面の法線方向の力を受けて弾かれるように移動していく。つまり、駆動周波数周期の各位相で、振動体５０１の合成振動変位の速度が正であるとき塵埃は面外に突き上げられ、この位相における合成振動変位の法線方向の力を受け、塵埃は移動していく。図７では、光学部材５０２の有効部の表面に付着している塵埃に繰り返し振動を与えることで、塵埃を図７の右方向に移動させ、除去することが可能である。
【００２８】
（駆動回路の説明：ＬＣ昇圧）
図１を用いて、本発明の第１の実施形態の駆動回路を説明する。図１（ａ）は第１の実施形態における塵埃除去装置の駆動回路を示す図である。駆動回路の構成として、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とが、圧電素子１０１に直列に接続されている。尚、キャパシタ１０３は、圧電素子１０１の図１の下側に接続されているが、上側（インダクタ１０２と圧電素子１０１との間）に接続しても良い。また、図１（ｃ）に示すように、圧電素子１０１に対して並列に抵抗１０４を接続しても良い。抵抗１０４は電流がほとんど流れない１ＭΩ程度に設定し、抵抗部で消費電力が発生しないようにする。抵抗１０４を設けることで、キャパシタ１０３と圧電素子１０１の接続点の電位が定まり、圧電素子の両端に安定した交番電圧を印加することができる。
【００２９】
ここで、インダクタ１０２としては、コイル等のインダクタンス素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３としてはフィルムコンデンサ等の静電容量素子を用いることができる。本発明の特徴は、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数を、振動体５０１の共振周波数とほぼ一致させる（後述の許容範囲内に設定する）ことにある。
【００３０】
ここで、圧電素子１０１の等価回路について、図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）は、圧電素子１０１を等価回路で表わしたものである。圧電素子１０１の等価回路は、振動体５０１の機械的振動部分のＲＬＣ直列回路（自己インダクタンスＬｍの等価コイル３０１ｂ、静電容量Ｃｍの等価コンデンサ３０１ｃ、抵抗値Ｒｍの等価抵抗３０１ｄ）と、ＲＬＣ直列回路に並列に接続された圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄとしてのコンデンサ３０１ａと、により構成される。
【００３１】
本発明において、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数をｆｓとし、振動体５０１の共振周波数をｆｍと定義する。インダクタ１０２の自己インダクタンスをＬ、キャパシタ１０３の静電容量をＣとすると、
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】
となる。上記ｆｓとｆｍをほぼ一致させることで、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることが可能となる。
【００３４】
ここで、図５を用いて、圧電素子１０１に直列にインダクタ１０２のみを接続した従来の駆動回路の構成について説明する。図５に示すように、圧電素子１０１に直列にインダクタ１０２を接続することによって、圧電素子１０１の固有静電容量とインダクタ１０２とによるＬＣ直列共振回路が形成される。交番電圧Ｖｉの電圧振幅は、ＬＣ直列共振回路によって所望の電圧まで昇圧されて、交番電圧Ｖｏが出力される。
【００３５】
図８に、従来の駆動回路を用いた場合における、交番電圧Ｖｏの電圧振幅の周波数特性を示す。横軸は周波数、縦軸は電圧振幅を示す。各プロットは、インダクタ１０２の値を４０μＨから９０μＨまで変えた場合の特性を示している。図８中、ｆ（ｍ）はｍ次の面外曲げ振動の共振周波数であり、ｆ（ｍ＋１）は（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の共振周波数である。圧電素子１０１に印加される交番電圧Ｖｏの周波数ｆｄは、ｆ（ｍ）＜ｆｄ＜ｆ（ｍ＋１）に設定される。図８より、ｆｍ及びｆ（ｍ＋１）近傍で、交番電圧Ｖｏの振幅変化が生じていることが分かる。また、インダクタ１０２の値を大きくするほど、ｆｍ及びｆ（ｍ＋１）や、ｆｄ近傍の電圧振幅の変動が大きくなっている事がわかる。インダクタ１０２の値を小さくすれば電圧振幅の変動は小さくなるが、昇圧率が低下する為に所望の電圧振幅が出せなくなる。さらに、インダクタ１０２の値を小さくすると、ＬＣ直列共振の電気共振周波数ｆｅが高域にシフトする為、駆動周波数ｆｄの高調波成分が基本波に重畳されて波形が歪んでしまう。波形の歪みが大きい場合、振動体５０１に不要な振動が励起されてしまう。
【００３６】
従来例のように、ｆｍやｆ（ｍ＋１）近傍で交番電圧Ｖｏの振幅変化が生じる原因は、振動体５０１の機械的振動部分の自己インダクタンスＬｍと静電容量Ｃｍによってインピーダンスの変化が生じているためである。これに対して、本発明では、ｆｓとｆｍをほぼ一致させることで、振動体５０１の機械的振動部分のインピーダンスに対してマッチング（整合）を取ることができる。よって、結果として交番電圧Ｖｏの振幅変化を低減することができるものと考えられる。さらに、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることで、アドミッタンス（等価抵抗３０１ｄ）の変化や、インダクタ１０２及びキャパシタ１０３のばらつきによる交番電圧Ｖｏの変動を低減することができる。これは、振動体５０１の機械的振動部分のインピーダンスに対してマッチングを取っているため、ｆｍ近傍では素子のばらつきに対して周波数特性が影響を受けにくくなっているものと考えられる。
【００３７】
（シミュレーション結果：本発明の実施例と従来例との電圧振幅及び電流の比較）
図９に、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数ｆｓを、振動体５０１の共振周波数ｆｍとほぼ一致させた場合における、交番電圧Ｖｏの周波数特性を示すシミュレーション結果を示す。本実施例では、駆動回路は図１（ａ）の構成を用いた。本実施例の振動体５０１は２つの面外曲げ振動を用いており、共振周波数ｆｍはｆ（ｍ）とｆ（ｍ＋１）の２つとなる。本実施例では、直列共振周波数ｆｓは共振周波数ｆ（ｍ）の方に合わせて、ｆｓ＝０．８３・ｆ（ｍ）として設定した。理想的にはｆｓとｆｍを完全に一致させることが望ましいが、電圧振幅の昇圧率を上げることが難しいため、ｆｍより小さい値に設定した。計算によると、ｆｓがｆｍより小さいと昇圧率が大きくなり、ｆｓがｆｍより大きいと昇圧率が小さくなる傾向となる。尚、直列共振周波数ｆｓをｆ（ｍ）に合わせたが、ｆ（ｍ＋１）近傍の周波数においても所望の効果を得る事ができる。
【００３８】
このシミュレーションでは、等価コイル３０１ｂの自己インダクタンスＬｍを０．０４Ｈ、等価コンデンサ３０１ｃの静電容量Ｃｍを４４ｐＦとした。また、ｆ（ｍ）は１２０ｋＨｚ、ｆ（ｍ＋１）は１２８ｋＨｚ、駆動周波数ｆｄ＝１２３ｋＨｚとした。インダクタ１０２の自己インダクタンスＬを８２μＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃを３１ｎＦとして設定した（ｆｓ＝０．８３・ｆｍ）。また、プロットが重なっているが、インダクタ１０２を６８μＨ、キャパシタ１０３を４２ｎＦとして設定したものも示した（ｆｓ＝０．７９・ｆｍ）。さらに、従来例として、図５の駆動回路の構成を用いた場合のインダクタ１０２を６８μＨとして設定したものを比較例として示した。
【００３９】
（電圧の安定化）
図９（ａ）は、駆動回路に流れる電流振幅の周波数特性を示す図である。図９（ｂ）は、交番電圧Ｖｏの電圧振幅の周波数特性を示す図である。図９（ａ）（ｂ）に示されるように、ｆｓとｆｍをほぼ一致させることで、ｆ（ｍ）及びｆ（ｍ＋１）近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることが可能となる。つまり、振動体５０１の共振周波数の変化に対して安定した電圧が印加され、駆動電流の変化も少なくする事ができる。例えば駆動中に共振周波数ｆ（ｍ＋１）が時間の経過に伴って低下していく場合、従来例では交番電圧の振幅が増大し、駆動電流が上昇してしまうが、本発明ではその変化を低減することが可能となる。
【００４０】
インダクタ１０２と、キャパシタ１０３及び圧電素子１０１の固有静電容量であるコンデンサ３０１ａと、の電気共振を用いて、交番電圧Ｖｏの振幅は、ある周波数でピークを持つように設定される。この交番電圧Ｖｏのピーク周波数をｆｅと定義すると、ｆｅをｆｍより高い周波数に設定することで、ｆｍからｆｅの間の周波数帯域において、振動体５０１の駆動周波数ｆｄを変えても電圧変動の少ない周波数特性を得ることができる。本実施例では、ピーク周波数ｆｅは、いずれも１８０〜２００ｋＨｚに設定した。
【００４１】
（アドミッタンス変化の影響低減）
交番電圧Ｖｏの変動の低減の効果を図１０に示す。図１０は、アドミッタンスの変化による交番電圧Ｖｏの変動の様子を計算によりシミュレーションした結果である。アドミッタンスの変化は、等価抵抗３０１ｄの値を基準値に対して１０％〜１００％まで変化させて計算した。等価抵抗が小さいほど、アドミッタンスは大きくなる。図１０（ａ）は従来例であり、図１０（ｂ）は本実施例である。本実施例は、アドミッタンスの変化の影響を従来例に対して２０％程度に低減していることが分かる。
【００４２】
（ＬとＣ及びＣｄによるばらつきの影響低減）
図１１は、インダクタ１０２とキャパシタ１０３と圧電素子１０１の固有静電容量とのばらつきによる、交番電圧Ｖｏの変動の様子を示すシミュレーション結果である。インダクタ１０２の自己インダクタンスＬのばらつきは±２０％、キャパシタ１０３の静電容量Ｃのばらつきは±１０％、圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄであるコンデンサ３０１ａのばらつきは±１０％として、モンテカルロ法による一様分布の乱数計算を行った。図１１（ａ）は従来例であり、図１１（ｂ）は本実施例である。本実施例は、圧電素子１０１を含む駆動回路全体の素子のばらつきの影響を、従来例に対して７０％程度に低減していることが分かる。
【００４３】
（電流上昇の低減）
実際に本実施例の駆動回路によって振動体５０１を駆動し、電源電流の比較を行った。図１２は、駆動時間に対する電源電流の変化を測定した結果である。電源は１２Ｖ直流電源を使用した。従来例の駆動回路では、２０秒後に、電源電流が初期値に対して約２倍増加したが、本実施例の駆動回路では４０％程度の増加であった。従って、消費電力を低減する事が可能となる。
【００４４】
（ｆｓとｆｍとの関係の許容範囲）
次に、圧電素子１０１に直列に接続されているインダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数ｆｓと、振動体５０１の共振周波数ｆｍと、の関係の許容範囲（ｆｓとｆｍのほぼ一致の範囲）について説明する。上記実施例では、ｆｍとｆｓを完全に一致させているが、本発明は、ｆｓとｆｍを完全に一致させる場合に限定されない。つまりｆｓとｆｍとを、ある範囲内の近い値に設定することで、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることができる。但し、ｆｓはｆｍに近い程、その効果は大きくなる。
【００４５】
本発明では、効果の得られるｆｓの範囲を求める為に、圧電素子１０１の共振周波数ｆｍ近傍における交番電圧Ｖｏの位相変化に着目した。図１４（ａ）は、交番電圧Ｖｏの位相を示すシミュレーション結果である。横軸は周波数であり、共振周波数ｆｍを４４．１４２ｋＨｚとして、４０ｋＨｚから４８ｋＨｚまでのＶｏの位相の変化を示す。このシミュレーションでは、図１（ａ）の駆動回路を用いて、インダクタ１０２とキャパシタ１０３による直列共振周波数ｆｓのｆｍに対する比（ｆｓ／ｆｍとする）を０．７３から１．２の範囲で変化させ、これをプロットした。
【００４６】
ここで、ピーク周波数ｆｅは常に６１．７９８ｋＨｚ（＝１．４・ｆｍ）になるようにＬとＣの値を各々調整して、ｆｓ／ｆｍを変化させた。ピーク周波数ｆｅを一定にする理由は、ｆｅの値によって振動体５０１の共振周波数ｆｍ近傍でのＶｏの振幅が大きく変わってしまう為である。また、比較をする上での基準となる従来の構成としては図５の回路を用いて計算し、この結果をプロットした。この場合のインダクタ１０２の自己インダクタンスＬは１．９７ｍＨとし、交番電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを６１．７９８ｋＨｚ（＝１．４・ｆｍ）になるよう設定した。
【００４７】
図１４（ａ）より、従来例の構成のＶｏは最大で６０°近く位相が遅れてしまうことがわかる。これに対して、ｆｓ／ｆｍ＝１となる場合は、Ｖｏの位相変化はほとんど生じない。なお、ｆｓ／ｆｍ＝１の場合、インダクタ１０２の自己インダクタンスＬは４．１７ｍＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃは３．１２ｎＦである。傾向としては、ｆｓ／ｆｍ＜１となる程、負側に位相の変化が大きくなり、ｆｓ／ｆｍ＞１となる程、正側に位相の変化が大きくなる。
【００４８】
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の交番電圧Ｖｏの位相変化と交番電圧Ｖｏの振幅変動の関係を調べるために、周波数に応じた交番電圧Ｖｏの変化を示すシミュレーションを行った結果である。シミュレーション条件は図１４（ａ）と同様であり、ｆｓ／ｆｍを０．７３から１．２の範囲で変化させたものと、従来例の構成と、を比較し、これをプロットした。図１４（ｂ）で示した位相の変化量と、図１４（ａ）で示す電圧の変動量の傾向は対応している事がわかる。つまり、Ｖｏの位相の変化が大きい程、Ｖｏの振幅変動は大きくなる。
【００４９】
図１５は、ｆｓ／ｆｍの変化に応じた、従来例の構成に対する位相変化量の割合を示すシミュレーション結果である。横軸はｆｓ／ｆｍであり、振動体５０１の共振周波数ｆｍに対するｆｓの比である。縦軸は従来例の構成に対する位相変化量の割合であり、次のように計算した。まず、従来例の構成を用いた場合のＶｏの位相変化量の絶対値を４０ｋＨｚから４８ｋＨｚの範囲で計算し、最大値を検出した。これを「従来の構成の位相最大変化量」とする。続いて、図１（ａ）の構成において、ｆｓ／ｆｍをパラメータとして、Ｖｏの位相変化量の絶対値を４０ｋＨｚから４８ｋＨｚの範囲で計算し、最大値を検出した。これを「ｆｓ／ｆｍに応じた位相最大変化量」とする。従来例の構成に対する位相変化量の割合は、両者の比を計算し、
「ｆｓ／ｆｍに応じた位相最大変化量」／「従来の構成の位相最大変化量」
として、これを縦軸とした。
【００５０】
本発明では、図１５のように従来例の構成に対する位相変化量の割合が半分となる条件を閾値と定義して、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることができる範囲を求めた。この結果、ｆｓ／ｆｍの効果の得られる範囲は、
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
となった。上記範囲は、ピーク周波数ｆｅを６１．７９８ｋＨｚ（＝１．４・ｆｍ）、圧電素子１０１のコンデンサ３０１ａの固有静電容量Ｃｄを３．５ｎＦとして計算したが、ピーク周波数ｆｅや固有静電容量Ｃｄの値を変えても、ほぼ同等の計算結果となる。なお、圧電素子１０１における等価コイル３０１ｂの自己インダクタンスＬｍは０．１Ｈ、等価コンデンサ３０１ｃの静電容量Ｃｍは１３０ｐＦ、等価抵抗３０１ｄの抵抗値Ｒｍは１ｋΩとして計算した。
【００５１】
よって、上記範囲に従って、交番電圧Ｖｏの位相差の変化量を半分以下に抑えることにより、従来と比較してＶｏの変動量も概ね半分以下に抑えることが可能となる。つまり、ｆｓとｆｍとを完全に一致させなくとも、上記ｆｓとｆｍの関係を満たすことにより、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性を従来に比べてなだらかにすることができる。
【００５２】
（インダクタ１０２とキャパシタ１０３の値の決め方）
次に、インダクタ１０２とキャパシタ１０３の値の決め方について説明する。直列共振周波数ｆｓは、インダクタ１０２のインダクタンスＬと、キャパシタ１０３の静電容量Ｃと、の積によって決まるので、同じｆｓでも、組み合わせは多数存在する。これに対しては、交番電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを最初に決めることで、１つの組み合わせを求めることができる。
【００５３】
Ｖｏのピーク周波数ｆｅは、インダクタ１０２のインダクタンスＬと、キャパシタ１０３の静電容量Ｃ、そして圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄと、から算出することができる。ピーク周波数ｆｅの式は、
【００５４】
【数３】
となる。ここで、実際のピーク周波数ｆｅを計算するには、圧電素子１０１を等価的にキャパシタと見なし、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路の影響を考慮したＣｄ’を用いて計算する必要がある。例えば、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路の影響が４４ｐＦの容量変化に相当する場合には、
Ｃｄ’＝Ｃｄ−４４ｐＦ
として計算することが出来る。
【００５５】
ピーク周波数ｆｅの式より、ｆｅの値を決めることによって、各々のＬとＣの関数を求めることができる。図１６は、ピーク周波数ｆｅに応じたインダクタ１０２のインダクタンスＬと、キャパシタ１０３の静電容量Ｃと、の関係を示す図である。横軸がＣの値、縦軸がＬの値である。ｆｅが１．４・ｆｍ、１．５・ｆｍ、２・ｆｍの場合における、（式１−３）より求まるＬとＣの値を各々プロットした。さらに、ＬとＣの積ＬＣがＬｍＣｍとなる場合、即ち、直列共振周波数ｆｓがｆｍと一致する場合のプロットも示した。上述したように、Ｌｍは等価コイル３０１ｂの自己インダクタンス、Ｃｍは等価コンデンサ３０１ｃの静電容量を示す。
【００５６】
図１６より、ｆｅを固定した場合のインダクタとキャパシタの関数は、ＬＣ＝ＬｍＣｍとなる関数と１つの点で交差する。この点が、ｆｓがｆｍと一致する最適なインダクタンスＬと静電容量Ｃの値である。例えば、ｆｅが１．４・ｆｍの場合、Ｌは４．１７ｍＨ、Ｃは３．１２ｎＦである。
【００５７】
次に、ｆｅの値について説明する。本発明において、ピーク周波数ｆｅの条件は、振動体５０１の駆動周波数をｆｄとすると、
ｆｅ＜２・ｆｄ
の関係を満たすように設定することが好ましい。この理由を次に説明する。
【００５８】
図１３は、ｆｅ＜２・ｆｄを満たす場合の交番電圧Ｖｏの周波数特性を示す図である。２・ｆｄは、駆動周波数ｆｄの２次高調波周波数である。交番電圧Ｖｏの波形には、２次高調波成分や３次高調波成分が極力少ないＳＩＮ波形が求められる。実機における交番電圧Ｖｏの駆動波形はパルス・デューティが１０％〜５０％と調整されるので、特に３次高調波成分を落とす必要がある。従って、ピーク周波数ｆｅを２・ｆｄより低い値に設定することで、３次高調波成分の周波数２・ｆｄの交番電圧Ｖｏの振幅を駆動周波数ｆｄより小さくすることができる。例えば、駆動周波数ｆｄを４６ｋＨｚとした場合、２・ｆｄは９２ｋＨｚである。この場合、インダクタ１０２のインダクタンスＬを４ｍＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃを３．２５ｎＦに設定すれば、ピーク周波数ｆｅは６１．３ｋＨｚとなり、上記条件を満たすことができる。
【００５９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態は、トランスを用いて昇圧する点が第１の実施形態と異なる。尚、振動体である塵挨除去装置の構成や、振動モードは第１の実施形態と同一であり、以下では駆動回路のみを説明する。
【００６０】
（駆動回路の説明：トランス昇圧）
図１７（ａ）は本発明の第２の実施形態における、塵挨除去装置の駆動回路を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続されている。また、トランス１次側コイル４０１ａに直列にキャパシタ１０３が接続されている。ここで、キャパシタ１０３にはフィルムコンデンサ等の静電容量素子を用いることができる。また、トランス４０１の結合を弱めることで、トランス１次側コイル４０１ａの漏洩インダクタンスと、トランス２次側コイル４０１ｂの漏洩インダクタンスと、をインダクタとして用いることができる。
【００６１】
この漏洩インダクタンスは、図１７（ａ）においてインダクタ１０２ａ（トランス１次側コイル４０１ａの漏洩インダクタンス）、１０２ｂ（トランス２次側コイル４０１ｂの漏洩インダクタンス）として等価的に示している。この２つの漏洩インダクタンスとキャパシタ１０３とにより、直列共振を形成する。尚、キャパシタ１０３は、トランス１次側コイル４０１ａの下側に図１７（ａ）では接続されているが、上側（インダクタ１０２ａとトランス１次側コイル４０１ａとの間）に接続しても良い。ここで、１次側の漏洩インダクタンス１０２ａと２次側の漏洩インダクタンス１０２ｂとキャパシタ１０３とによる直列共振周波数をｆｓとし、振動体５０１の共振周波数をｆｍと定義する。トランス１次側コイル４０１ａの漏洩インダクタンス１０２ａをＬ１、トランス２次側コイル４０１ｂの漏洩インダクタンス１０２ｂをＬ２、２次側コイル４０１ｂの１次側コイル４０１ａに対する巻線比をＮ、キャパシタ１０３をＣとすると、
【００６２】
【数４】
【００６３】
【数５】
となる。上記したように、Ｌｍ、Ｃｍは圧電素子１０１の機械的な振動の等価回路定数であり、Ｌｍは等価コイル３０１ｂの自己インダクタンス、Ｃｍは等価コンデンサ３０１ｃの静電容量を示す。
【００６４】
直列共振周波数ｆｓは、第１の実施形態と同様に、振動体５０１の共振周波数ｆｍに完全に一致させなくとも、以下の範囲でｆｍに近い値に設定することで、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることが可能となる。
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
ここで、トランスを用いる構成の場合、インダクタ１０２とキャパシタ１０３をトランスの１次側と２次側のどちらに接続するかによって、ｆｓの算出式におけるＬＣに係る係数が異なる。構成としては、以下の４つに大別される。
（１）トランスの１次側にＬＣが接続される構成。
（２）トランスの２次側にＬＣが接続される構成。
（３）トランスの１次側にＬ、トランスの２次側にＣが接続される構成。
（４）トランスの１次側にＣ、トランスの２次側にＬが接続される構成。
【００６５】
上記、（１）と（２）については、ＬＣに係る係数は１である。これに対して、（３）は、Ｎ２・ＬＣである。これは、１次側のＬは２次側に換算すると、トランスの巻線比Ｎの２乗に相当するからである。また、（４）は、（１／Ｎ２）・ＬＣである。これは、１次側のＣは２次側に換算すると、トランスの巻線比Ｎの２乗分の１に相当するからである。
インダクタ１０２とキャパシタ１０３の値の決め方については、第１の実施形態と同様である。即ち、交番電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを最初に決めることで、１つの組合せを求めることができる。
【００６６】
また、ピーク周波数ｆｅは、振動体５０１の駆動周波数をｆｄとすると、第１の実施形態と同様に、
ｆｅ＜２・ｆｄ
の関係を満たすように設定する。
【００６７】
（第２の実施形態の変形例１）
図１７（ｂ）は、第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例１を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス１次側コイル４０１ａに直列にインダクタ１０２とキャパシタ１０３とが接続されている。尚、インダクタ１０２とキャパシタ１０３は、トランス１次側コイル４０１ａに直列に接続されていれば、図１７（ｂ）に示した構成以外のものであっても良い。インダクタ１０２はトランス４０１の１次側に接続することで、２次側に接続する場合よりもインダクタンス値を１／Ｎ２の小さい素子を用いることができる。ここで、Ｎは巻線比である。また、キャパシタ１０３は、トランス４０１の１次側に接続することで、２次側に接続する場合よりも１／Ｎの耐圧を有する素子を用いることができる。
インダクタ１０２をＬ、キャパシタ１０３をＣとすると、直列共振周波数をｆｓは（式１−１）と同様であり、
【００６８】
【数６】
となる。これを振動体５０１の共振周波数ｆｍと略一致させれば良い。
【００６９】
（第２の実施形態の変形例２）
図１７（ｃ）は、本発明の第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例２を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス１次側コイル４０１ａに直列にキャパシタ１０３が接続され、トランス２次側コイル４０１ｂに直列にインダクタ１０２が接続されている。インダクタ１０２はトランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりも電流許容値を１／Ｎと小さい素子を用いることができる。ここで、Ｎは巻線比である。インダクタ１０２のインダクタンスをＬ、キャパシタ１０３の静電容量をＣとすると、直列共振周波数をｆｓは、
【００７０】
【数７】
となる。これを振動体５０１の共振周波数ｆｍと略一致させれば良い。
【００７１】
（第２の実施形態の変形例３）
図１７（ｄ）は、本発明の第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例３を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス１次側コイル４０１ａに直列にインダクタ１０２が接続され、トランス２次側コイル４０１ｂに直列にキャパシタ１０３が接続されている。インダクタ１０２はトランス４０１の１次側に接続することで、２次側に接続する場合よりもインダクタンスが１／Ｎ２と小さい素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３も、トランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりもキャパシタンスが１／Ｎ２と小さい素子を用いることができる。この場合の直列共振周波数をｆｓは、
【００７２】
【数８】
となる。これを振動体５０１の共振周波数ｆｍと略一致させれば良い。
【００７３】
（第２の実施形態の変形例４）
図１７（ｅ）は、本発明の第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例４を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス２次側コイル４０１ｂに直列にインダクタ１０２とキャパシタ１０３が接続されている。インダクタ１０２はトランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりも電流許容値を１／Ｎと小さい素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３も、トランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりもキャパシタンスが１／Ｎ２と小さい素子を用いることができる。この場合の直列共振周波数をｆｓは、
【００７４】
【数９】
となる。これを圧電素子１０１の共振周波数ｆｍと一致させれば良い。
【００７５】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態は、振動体５０１に２つの振動モードが交互に励起される点が第１の実施形態と異なる。尚、振動体５０１や駆動回路の構成は第１及び第２の実施形態と同一であり、制御装置における指令部の周波数情報と位相情報の設定が第１及び第２の実施形態と異なることで、励起される振動が定在波振動となる。
【００７６】
（定在波振動と駆動方法）
図１８（ａ）は、圧電素子に印加される交番電圧の周波数と圧電素子に生じる各振動の振幅を示すグラフである。ここで、ｆ（ｍ）はｍ次の面外曲げ振動の共振周波数であり、ｆ（ｍ＋１）は（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の共振周波数である。図１８中、ｆ（ｍ）を逆相駆動によって励起される１０次の面外曲げ振動モード（第１の振動モード）、ｆ（ｍ＋１）を同相駆動によって励起される１１次の面外曲げ振動モード（第２の振動モード）とする。本実施形態では、この２つの振動モードの定在波を交互に励起して、弾性体である光学部材の表面に付着した塵埃を除去する。
【００７７】
第１の実施形態において図７を用いて説明したが、本実施形態においても同様に、１０次の面外曲げ振動を第１の振動モード（波形Ａ（実線））とし、１１次の面外曲げ振動を第２の振動モード（波形Ｂ（破線））とする。第１の振動モードＡ及び第２の振動モードＢは、振動体５０１を光学部材５０２の厚さ方向へ曲げ変形させる面外曲げ振動モードである。第１の振動モードＡの変形形状は、左端と右端で逆相（位相差１８０°）となっている。一方、第２の振動モードＢの変形形状は、左端と右端で同相（位相差０°）となっている。つまり、圧電素子１０１ａと圧電素子１０１ｂに印加する交番電圧の位相差を１８０°とすれば第１の振動モードＡのみが共振状態で励起され、逆に位相差を０°とすれば第２の振動モードＢが励起される。
【００７８】
図１８（ｂ）は、次数の異なる２つの定在波振動を交互に励起する際に、各圧電素子に印加する交番電圧の例を示す図である。制御装置は、図４で説明したものを用いる。交番電圧Ｖｏ１は圧電素子１０１ａに印加する電圧波形、交番電圧Ｖｏ２は圧電素子１０１ｂに印加する電圧波形を示す。縦軸は電圧振幅であり、横軸は時間を示す。
【００７９】
上記２つの振動モードの振動を交互に生成するため、まず、振動体５０１の１０次の曲げ振動モードの固有振動数近傍の周波数を有し、位相差が１８０°となる交番電圧を圧電素子１０１ａ、１０１ｂに印加する（逆相駆動）。このような交番電圧を印加することにより、振動体５０１に１０次の曲げ振動モードが励起される。所定の時間、１０次の曲げ振動モードを励起した後、次に、振動体５０１の１１次の振動モードの固有振動数近傍の周波数を有し、位相差が０°となる交番電圧を圧電素子１０１ａ、１０１ｂに印加する（同相駆動）。このような交番電圧を印加することにより、振動体５０１に１１次の曲げ振動モードが励起される。
【００８０】
第１の振動モードを励起する場合、駆動回路の素子ばらつき等の影響により、各交番電圧の位相差が誤差の範囲内で１８０°から少しずれた場合であっても、振動体５０１に発生する振動として、第１の振動モードの振動が支配的な場合は、位相差１８０°であるとする。同じく、第２の振動モードを励起する場合、駆動回路の素子ばらつき等の影響により、各交番電圧の位相差が誤差の範囲内で０°から少しずれた場合であっても、振動体５０１に発生する振動として、第２の振動モードの振動が支配的な場合は、位相差０°であるとする。
【００８１】
以上の駆動（逆相駆動と同相駆動）を繰り返すことにより、１０次と１１次の面外曲げ振動モードの振動が交互に励起される。上記駆動の際の交番電圧Ｖｏ１及びＶｏ２は、図１８（ｂ）に示すように、各固有振動数近傍で、高周波側から徐々に低周波側に掃引していくと良い。交番電圧の周波数は、振動体５０１の固有振動数の近傍とすることで、小さな印加電圧でも大きな振幅を得ることができ、効率を良くすることができる。
【００８２】
このように、振動体５０１に第１の振動モードの振動を生じさせることにより、第１の振動モードの振動の腹位置の光学部材５０２に付着した塵埃を剥離する機能を有する。具体的には、第１の振動モードの振動によって、光学部材５０２に付着した塵埃の付着力以上の加速度が、塵埃に加えられたとき、塵埃は光学部材５０２から剥離される。更に、振動体５０１に第２の振動モードの振動を生じさせることにより、第１の振動モードの振動の節近傍の光学部材５０２に付着した塵埃を剥離する機能を有する。次数の異なる定在波を励起しているのは、２つの定在波の節の位置をずらして、光学部材５０２に振幅が生じない個所を設けないためである。
【００８３】
尚、上記交番電圧を圧電素子１０１ａ、１０１ｂの一方にのみ印加することで、塵埃除去装置の振動体５０１に１つの面外曲げ振動の定在波を励起させても良い。また、本実施形態のように、異なる次数の振動モードの振動を時間的に切替えて発生させる場合、弾性体に設ける圧電素子は上記したような２つの場合に限らず、１つだけでも良い。この場合、位相差の設定は無く、単に圧電素子に印加する交番電圧の周波数をスイープして駆動する。
【符号の説明】
【００８４】
１０１ 圧電素子
１０２ インダクタＬ
１０２ａ トランス１次側コイルの漏洩インダクタンス
１０２ｂ トランス２次側コイルの漏洩インダクタンス
１０３ キャパシタＣ
２０１ カメラ本体
３０１ａ 振動体の固有静電容量Ｃｄ
３０１ｂ 機械的な振動の等価回路定数Ｌｍ
３０１ｃ 機械的な振動の等価回路定数Ｃｍ
３０１ｄ 機械的な振動の等価回路定数Ｒｍ
４０１ トランス
４０１ａ トランス１次側コイル
４０１ｂ トランス２次側コイル
５０１ 振動体
５０２ 光学部材
５０３ 撮像素子
６０１ 駆動回路
６０２ スイッチング回路
６０３ パルス発生回路
６０４ 指令部
６０５ 電源回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機器としての撮像装置は、撮像素子の分解能が向上するにつれて、使用中に光学系に付着するゴミが撮影画像に影響を及ぼすようになってきた。特に、ビデオカメラ、スチルカメラに用いられる撮像素子の分解能はめざましく向上している。このため、撮像素子の近くに配置されている赤外線カットフィルタ、光学ローパスフィルタ等の光学部材に、外部からの埃や内部の機械的な摺擦面で生じる磨耗粉等の塵埃（粉体）が付着すると、撮像素子面で像のぼけが少ないので、撮影画像に粉体が写り込んでしまうことがあった。
【０００３】
また、光学機器としての複写機、ファクシミリ装置等の撮像部は、ラインセンサを走査（スキャン）することで、あるいはラインセンサに近接させた原稿を走査（スキャン）することで、平面原稿を読み取っている。この場合、ラインセンサへの光線入射部に埃が付着すると、スキャン画像に写り込んでしまう。原稿を走査して読み取る方式のファクシミリ装置の読み取り部や、自動原稿送り装置からの原稿を搬送中に読み取る、いわゆる流し読み方式の複写機の読み取り部では、１つの塵埃が原稿送り方向へ連続する線画像となって写り込み、画像の品質を大きく損ねていた。
【０００４】
特許文献１では、このような塵埃を、光学部材を備えた振動体に進行波を励起することによって、所望の方向に移動させることができる塵埃除去装置が提案されている。図３は、特許文献１に開示された塵埃除去装置の構成を示す模式図である。撮像素子５０３の光入射側に光学部材５０２を備えた振動体５０１が設けられている。電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子１０１ａ及び１０１ｂは、振動体５０１における面外曲げ振動の節線の並ぶ方向に位置をずらして配置されている。圧電素子１０１ａ及び１０１ｂには、各々周波数が同じであり、かつ位相差が９０°となる交番電圧を印加する。
【０００５】
印加される交番電圧の周波数は、振動体５０１の長手方向に沿って面外に変形するｍ次（ｍは自然数）の振動モードの共振周波数と（ｍ＋１）次の振動モードの共振周波数との間の周波数である。振動体５０１には、共振現象の応答を持ったｍ次の振動モードの振動、及び９０°の時間的位相差（ｍ次の面外曲げ振動に対して９０°進んだ位相）を持った（ｍ＋１）次の振動モードの振動が、同じ振幅かつ同じ振動周期で励起される。そして、振動体５０１には、この２つの振動モードの振動が合成された合成振動（進行波）が生成する。この合成振動によって、振動体５０１の表面の塵埃を所望の方向に移動していく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
しかし、従来の塵挨除去装置は、使用する周波数帯域において、圧電素子１０１に印加する交番電圧の振幅変化、即ち、交番電圧の周波数特性における傾きが振動体５０１の共振周波数近傍で大きくなる。この為、振動体５０１の共振周波数が個体差でばらつく場合や、駆動中に発熱等により共振周波数が変化する場合において、交番電圧が大きく変動してしまう。交番電圧が必要以上に大きくなる場合、電流の増加による消費電力の増加や、振動体５０１に励起される振動振幅の増大による光学部材５０１の破損を招いてしまう。また、交番電圧が必要とする電圧を下回る場合、振動体５０１に励起される面外曲げ振動の振動振幅が十分に得られず、塵挨の除去効率が低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、使用する周波数帯域において、振動体の共振周波数がばらつく場合や駆動中に変化する場合においても、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交番電圧の変動が小さく、安定した電圧振幅を出力する駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の振動体の駆動回路は、弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる振動体の駆動回路であって、前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタとを有し、前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍを満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、使用する周波数帯域において、振動体の共振周波数がばらつく場合や駆動中に変化する場合においても、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交番電圧の変動が小さく、安定した電圧振幅を出力する駆動回路を提供する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態における振動体の駆動回路を示す図である。
【図２】本発明が適用できる撮像装置の斜視図である。
【図３】塵埃除去装置が装備されたカメラ本体の撮像部の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明が適用できる塵挨除去装置の制御装置を示すブロック図である。
【図５】従来の駆動回路の構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態における、圧電素子に印加される交番電圧の周波数と圧電素子に生じる各振動の振幅と、その電圧波形とを示すグラフである。
【図７】振動体に励起され、長手方向に沿って面外に変形する１０次の面外曲げ振動の変位、１１次の面外曲げ振動の変位、および圧電素子の配置を示す図である。
【図８】従来の駆動回路を用いた場合における、交番電圧Ｖｏの電圧振幅の周波数特性を示すものである。
【図９】インダクタとキャパシタによる直列共振周波数ｆｓを、振動体の共振周波数ｆｍとほぼ一致させた場合における、電流振幅と交番電圧Ｖｏの周波数特性を示すシミュレーション結果を示す。
【図１０】アドミッタンスの変化による交番電圧Ｖｏの変動の様子を計算によりシミュレーションした結果である。
【図１１】インダクタとキャパシタと圧電素子の固有静電容量のばらつきによる、交番電圧Ｖｏの変動の様子を示すシミュレーション結果である。
【図１２】駆動時間に対する電源電流の変化を測定した結果である。
【図１３】ｆｅ＜２・ｆｄを満たす場合の交番電圧Ｖｏの周波数特性を示す図である。
【図１４】ｆｓ／ｆｍの変化に応じた、従来に対する位相と交番電圧Ｖｏの変動の様子を示すシミュレーション結果である。
【図１５】ｆｓ／ｆｍの変化に応じた、従来に対する位相変化量の割合を示すシミュレーション結果である。
【図１６】ピーク周波数ｆｅに応じたインダクタのインダクタンスＬとキャパシタの静電容量Ｃとの関係を示す図である。
【図１７】第２の実施形態における、トランスを用いた塵挨除去装置の駆動回路を示す図である。
【図１８】第３の実施形態における、定在波駆動時の圧電素子に印加される交番電圧の周波数と圧電素子に生じる各振動の振幅と、その電圧波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明が適用できる振動体の駆動回路の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の振動体の駆動装置は、振動体を振動させることにより、粉体等の対象物を駆動することができる。以下の各実施形態では、粉体である塵埃を除去するための塵埃除去装置とその駆動回路を例として説明するが、本発明は、振動体を振動させることにより振動体上の粉体等の対象物を駆動するものであればどのようなものでも適用可能である。本発明において、粉体とは、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲の物体を示す。
【００１３】
本発明の振動体やその駆動回路を搭載する装置としては、カメラ（撮像装置）、ファクシミリ装置、スキャナ、プロジェクタ、複写機、プリンタ等の光学機器が考えられる。以下の実施形態では、撮像装置に搭載する例を説明する。また、本発明においては、光電変換素子である、カメラ等の撮像装置に用いられるＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子や、コピー機やファクシミリ装置等で用いられるラインセンサ等を、受光素子と称する。
【００１４】
（第１の実施形態）
本実施形態では、振動体に進行波を励起して粉体である塵埃を移動させる塵埃除去装置をカメラに搭載した形態について説明する。
【００１５】
（カメラ本体の構成）
図２（ａ）は、第１の実施形態における、撮像装置であるデジタル一眼レフカメラを被写体側より見た正面側斜視図であり、撮影レンズを外した状態を示す。図２（ｂ）は、カメラを撮影者側より見た背面側斜視図である。カメラ本体２０１内には、不図示の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２０２が設けられており、ミラーボックス２０２内にメインミラー（クイックリターンミラー）２０３が配設されている。塵埃除去装置を備えた撮像部は、不図示の撮影レンズを通過した撮影光軸上に設けられている。メインミラー２０３は、撮影者がファインダ接眼窓２０４から被写体像を観察する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。カメラ背面には、塵埃除去装置である振動体を駆動するためのクリーニング指示スイッチ２０５が設けられている。撮影者がクリーニング指示スイッチ２０５を押すと、塵埃除去装置を駆動するよう指令装置６０４（図４参照）に指示する。
【００１６】
（防塵除去装置の構成）
図３は、振動体である塵埃除去装置が装備されたカメラ本体２０１の撮像部の構造を示す斜視図である。カメラ本体２０１の撮像部では、受光した被写体像を電気信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の受光素子である撮像素子５０３が設けられている。また、撮像素子５０３の表（おもて）面の空間が密封されるように、振動体５０１が取り付けられる。振動体５０１は、弾性体である矩形の板状を有する光学部材５０２と、及びその両端部に接着によって固定された電気−機械エネルギー変換素子である１対の圧電素子１０１ａ（第１の電気−機械エネルギー変換素子）、圧電素子１０１ｂ（第２の電気−機械エネルギー変換素子）と、から少なくとも構成される。光学部材５０２はカバーガラス、赤外線カットフィルタ、あるいは、光学ローパスフィルタ等の透過率の高い光学部材で構成されており、撮像素子５０３には、光学部材５０２を透過した光が入射する。
【００１７】
ここで、光学部材５０２の両端部に配置された圧電素子１０１ａ、１０１ｂの厚み方向（図中、上下方向）の寸法は、振動に対する曲げ変形の発生力が大きくなるように、光学部材５０２の厚み方向（図中、上下方向）の寸法と同じ値である。なお、圧電素子１０１ａ、１０１ｂを特に区別する必要がないときは、単に圧電素子１０１と称する。
【００１８】
（制御装置の構成）
図４は、塵挨除去装置の制御装置を示すものである。制御装置は、指令部６０４と、パルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂと、スイッチング回路６０２ａ及び６０２ｂと、電源回路６０５と、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂと、から構成される。指令部６０４から交番電圧信号のパラメータとなる周波数情報、位相情報、パルス幅情報が、パルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに送られる。パルス発生回路には、例えば一般的なデジタル発振器などが用いられる。周波数は、振動体５０１に発生させる２つの振動モードの振動（面外曲げ振動）の共振周波数の中間値近傍に設定され、同じ周波数がパルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに各々設定される。振動モードについては、図７を用いて後述する。位相は、互いに異なる値をパルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに入力し、出力される各交番電圧信号の位相差が異なるように（例えば位相差が９０°）設定される。パルス幅（パルス・デューティ）は所望の電圧振幅が得られるよう適宜調整され、パルス発生回路６０３ａ及び６０３ｂに個別に設定される。
【００１９】
パルス発生回路６０３から出力されたデジタルの交番電圧信号はスイッチング回路６０２ａ及び６０２ｂに入力され、電源回路６０５より供給される電圧に基づいてアナログの交番電圧Ｖｉとして出力される。電源回路には、一般的な直流電源回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路などが用いられる。また、スイッチング回路には、一般的なＨブリッジ回路が用いられる。
【００２０】
交番電圧Ｖｉは、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂに各々入力されて、電圧振幅が昇圧、且つＳＩＮ波形に変換されてから交番電圧Ｖｏとして出力される。出力された交番電圧Ｖｏは、圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加され、振動体５０１に２つの面外曲げ振動が同時に発生する。この合成振動が進行波となり、光学部材５０２の表面の塵埃を所望の方向に移動させることができる。本発明の特徴である、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂの構成については、図１を用いて後述する。
【００２１】
パルス発生回路６０３から出力されたデジタルの交番電圧信号は、スイッチング回路６０２ａ及び６０２ｂに入力され、電源回路６０５より供給される電圧に基づいてアナログの交番電圧Ｖｉとして出力される。電源回路には、一般的な直流電源回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路などが用いられる。また、スイッチング回路には、一般的なＨブリッジ回路が用いられる。
【００２２】
交番電圧Ｖｉは、駆動回路６０１ａ及び６０１ｂに各々入力されて、電圧振幅が昇圧、且つＳＩＮ波形に変換されてから交番電圧Ｖｏとして出力される。交番電圧Ｖｏは圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加され、振動体５０１に２つの面外曲げ振動が同時に発生する。この合成振動が進行波となり、光学部材５０２の表面の塵埃を所望の方向に移動させることができる。
【００２３】
（駆動周波数の設定）
次に、駆動周波数の設定について説明する。図６（ａ）は、圧電素子１０１に印加される交番電圧の周波数と圧電素子１０１に生じる各振動の振幅を示すグラフである。図６中、ｆ（ｍ）はｍ次の面外曲げ振動の共振周波数であり、ｆ（ｍ＋１）は（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の共振周波数である。圧電素子１０１に印加される交番電圧の周波数ｆｄを、ｆ（ｍ）＜ｆｄ＜ｆ（ｍ＋１）に設定すると、ｍ次の面外曲げ振動と（ｍ＋１）次の面外曲げ振動それぞれの共振現象によって振幅が拡大された、周波数ｆｄの振動が得られる。各振動の時間周期は同じである。一方、圧電素子１０１に印加される交番電圧の周波数ｆｄをｆ（ｍ）より低くするほど、（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の振幅が小さくなり、周波数ｆｄをｆ（ｍ＋１）より高くするほどｍ次の面外曲げ振動の振幅が小さくなる。
【００２４】
（振動モードの説明）
図７は、振動体５０１に励起され、長手方向に沿って面外に変形する１０次の面外曲げ振動の変位、１１次の面外曲げ振動の変位、および圧電素子１０１ａ、１０１ｂの配置を示す模式図である。横軸は、振動体５０１の長手方向の位置である。縦軸は、面外の振動変位である。図７中、１０次の面外曲げ振動を第１の振動モードとして波形Ａ（実線）で示し、１１次の面外曲げ振動を第２の振動モードとして波形Ｂ（破線）で示している。第１の振動モードＡ及び第２の振動モードＢは、振動体５０１を光学部材５０２の厚さ方向へ曲げ変形させる面外曲げ振動モードである。
【００２５】
駆動回路６０１ａ及び６０１ｂが、上述した交番電圧Ｖｏを圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加することにより、第１の振動モードＡ及び第２の振動モードＢの振動が、振動体５０１に同時に発生し、重ね合わされる。尚、本実施形態では、塵埃を除去するための最低限必要な振動モードとして、第１の振動モードとして１０次の曲げ振動モードを、第２の振動モードとして１１次の曲げ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。ここで、撮像素子５０３に対応する光学有効部は図７中に示す範囲とする。第１の振動モードＡの変形形状は、左端と右端で逆相（位相差１８０°）となっている。一方、第２の振動モードＢの変形形状は、左端と右端で同相（位相差０°）となっている。つまり、圧電素子１０１ａと圧電素子１０１ｂに印加する交番電圧の位相差を１８０°とすれば第１の振動モードＡのみが発生し、逆に位相差を０°とすれば第２の振動モードＢのみが発生する。したがって、位相差を９０°とすれば第１の振動モードＡと第２の振動モードＢを同時に発生させることができ、合成振動による進行波が図中右方向に生じる。
【００２６】
図６（ｂ）は、次数の異なる振動モードを同時に励起する際に各圧電素子に印加する交番電圧の例を示す図である。交番電圧Ｖｏ１は、圧電素子１０１ａに印加する電圧波形であり、交番電圧Ｖｏ２は圧電素子１０１ｂに印加する電圧波形を示す。縦軸は電圧振幅であり、横軸は時間を示す。交番電圧Ｖｏ１及びＶｏ２の周波数は前述のｆｄで一定であり、各交番電圧の位相差は９０°である。但し、交番電圧Ｖｏ１とＶｏ２の位相は異なっていれば良く、位相差は９０°に限定されない。
【００２７】
塵埃除去装置では、光学部材５０２の表面に付着した塵埃は、光学部材５０２が塵埃を面外に突き上げる時、光学部材５０２の表面の法線方向の力を受けて弾かれるように移動していく。つまり、駆動周波数周期の各位相で、振動体５０１の合成振動変位の速度が正であるとき塵埃は面外に突き上げられ、この位相における合成振動変位の法線方向の力を受け、塵埃は移動していく。図７では、光学部材５０２の有効部の表面に付着している塵埃に繰り返し振動を与えることで、塵埃を図７の右方向に移動させ、除去することが可能である。
【００２８】
（駆動回路の説明：ＬＣ昇圧）
図１を用いて、本発明の第１の実施形態の駆動回路を説明する。図１（ａ）は第１の実施形態における塵埃除去装置の駆動回路を示す図である。駆動回路の構成として、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とが、圧電素子１０１に直列に接続されている。尚、キャパシタ１０３は、圧電素子１０１の図１の下側に接続されているが、上側（インダクタ１０２と圧電素子１０１との間）に接続しても良い。また、図１（ｃ）に示すように、圧電素子１０１に対して並列に抵抗１０４を接続しても良い。抵抗１０４は電流がほとんど流れない１ＭΩ程度に設定し、抵抗部で消費電力が発生しないようにする。抵抗１０４を設けることで、キャパシタ１０３と圧電素子１０１の接続点の電位が定まり、圧電素子の両端に安定した交番電圧を印加することができる。
【００２９】
ここで、インダクタ１０２としては、コイル等のインダクタンス素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３としてはフィルムコンデンサ等の静電容量素子を用いることができる。本発明の特徴は、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数を、振動体５０１の共振周波数とほぼ一致させる（後述の許容範囲内に設定する）ことにある。
【００３０】
ここで、圧電素子１０１の等価回路について、図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）は、圧電素子１０１を等価回路で表わしたものである。圧電素子１０１の等価回路は、振動体５０１の機械的振動部分のＲＬＣ直列回路（自己インダクタンスＬｍの等価コイル３０１ｂ、静電容量Ｃｍの等価コンデンサ３０１ｃ、抵抗値Ｒｍの等価抵抗３０１ｄ）と、ＲＬＣ直列回路に並列に接続された圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄとしてのコンデンサ３０１ａと、により構成される。
【００３１】
本発明において、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数をｆｓとし、振動体５０１の共振周波数をｆｍと定義する。インダクタ１０２の自己インダクタンスをＬ、キャパシタ１０３の静電容量をＣとすると、
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】
となる。上記ｆｓとｆｍをほぼ一致させることで、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることが可能となる。
【００３４】
ここで、図５を用いて、圧電素子１０１に直列にインダクタ１０２のみを接続した従来の駆動回路の構成について説明する。図５に示すように、圧電素子１０１に直列にインダクタ１０２を接続することによって、圧電素子１０１の固有静電容量とインダクタ１０２とによるＬＣ直列共振回路が形成される。交番電圧Ｖｉの電圧振幅は、ＬＣ直列共振回路によって所望の電圧まで昇圧されて、交番電圧Ｖｏが出力される。
【００３５】
図８に、従来の駆動回路を用いた場合における、交番電圧Ｖｏの電圧振幅の周波数特性を示す。横軸は周波数、縦軸は電圧振幅を示す。各プロットは、インダクタ１０２の値を４０μＨから９０μＨまで変えた場合の特性を示している。図８中、ｆ（ｍ）はｍ次の面外曲げ振動の共振周波数であり、ｆ（ｍ＋１）は（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の共振周波数である。圧電素子１０１に印加される交番電圧Ｖｏの周波数ｆｄは、ｆ（ｍ）＜ｆｄ＜ｆ（ｍ＋１）に設定される。図８より、ｆｍ及びｆ（ｍ＋１）近傍で、交番電圧Ｖｏの振幅変化が生じていることが分かる。また、インダクタ１０２の値を大きくするほど、ｆｍ及びｆ（ｍ＋１）や、ｆｄ近傍の電圧振幅の変動が大きくなっている事がわかる。インダクタ１０２の値を小さくすれば電圧振幅の変動は小さくなるが、昇圧率が低下する為に所望の電圧振幅が出せなくなる。さらに、インダクタ１０２の値を小さくすると、ＬＣ直列共振の電気共振周波数ｆｅが高域にシフトする為、駆動周波数ｆｄの高調波成分が基本波に重畳されて波形が歪んでしまう。波形の歪みが大きい場合、振動体５０１に不要な振動が励起されてしまう。
【００３６】
従来例のように、ｆｍやｆ（ｍ＋１）近傍で交番電圧Ｖｏの振幅変化が生じる原因は、振動体５０１の機械的振動部分の自己インダクタンスＬｍと静電容量Ｃｍによってインピーダンスの変化が生じているためである。これに対して、本発明では、ｆｓとｆｍをほぼ一致させることで、振動体５０１の機械的振動部分のインピーダンスに対してマッチング（整合）を取ることができる。よって、結果として交番電圧Ｖｏの振幅変化を低減することができるものと考えられる。さらに、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることで、アドミッタンス（等価抵抗３０１ｄ）の変化や、インダクタ１０２及びキャパシタ１０３のばらつきによる交番電圧Ｖｏの変動を低減することができる。これは、振動体５０１の機械的振動部分のインピーダンスに対してマッチングを取っているため、ｆｍ近傍では素子のばらつきに対して周波数特性が影響を受けにくくなっているものと考えられる。
【００３７】
（シミュレーション結果：本発明の実施例と従来例との電圧振幅及び電流の比較）
図９に、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数ｆｓを、振動体５０１の共振周波数ｆｍとほぼ一致させた場合における、交番電圧Ｖｏの周波数特性を示すシミュレーション結果を示す。本実施例では、駆動回路は図１（ａ）の構成を用いた。本実施例の振動体５０１は２つの面外曲げ振動を用いており、共振周波数ｆｍはｆ（ｍ）とｆ（ｍ＋１）の２つとなる。本実施例では、直列共振周波数ｆｓは共振周波数ｆ（ｍ）の方に合わせて、ｆｓ＝０．８３・ｆ（ｍ）として設定した。理想的にはｆｓとｆｍを完全に一致させることが望ましいが、電圧振幅の昇圧率を上げることが難しいため、ｆｍより小さい値に設定した。計算によると、ｆｓがｆｍより小さいと昇圧率が大きくなり、ｆｓがｆｍより大きいと昇圧率が小さくなる傾向となる。尚、直列共振周波数ｆｓをｆ（ｍ）に合わせたが、ｆ（ｍ＋１）近傍の周波数においても所望の効果を得る事ができる。
【００３８】
このシミュレーションでは、等価コイル３０１ｂの自己インダクタンスＬｍを０．０４Ｈ、等価コンデンサ３０１ｃの静電容量Ｃｍを４４ｐＦとした。また、ｆ（ｍ）は１２０ｋＨｚ、ｆ（ｍ＋１）は１２８ｋＨｚ、駆動周波数ｆｄ＝１２３ｋＨｚとした。インダクタ１０２の自己インダクタンスＬを８２μＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃを３１ｎＦとして設定した（ｆｓ＝０．８３・ｆｍ）。また、プロットが重なっているが、インダクタ１０２を６８μＨ、キャパシタ１０３を４２ｎＦとして設定したものも示した（ｆｓ＝０．７９・ｆｍ）。さらに、従来例として、図５の駆動回路の構成を用いた場合のインダクタ１０２を６８μＨとして設定したものを比較例として示した。
【００３９】
（電圧の安定化）
図９（ａ）は、駆動回路に流れる電流振幅の周波数特性を示す図である。図９（ｂ）は、交番電圧Ｖｏの電圧振幅の周波数特性を示す図である。図９（ａ）（ｂ）に示されるように、ｆｓとｆｍをほぼ一致させることで、ｆ（ｍ）及びｆ（ｍ＋１）近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることが可能となる。つまり、振動体５０１の共振周波数の変化に対して安定した電圧が印加され、駆動電流の変化も少なくする事ができる。例えば駆動中に共振周波数ｆ（ｍ＋１）が時間の経過に伴って低下していく場合、従来例では交番電圧の振幅が増大し、駆動電流が上昇してしまうが、本発明ではその変化を低減することが可能となる。
【００４０】
インダクタ１０２と、キャパシタ１０３及び圧電素子１０１の固有静電容量であるコンデンサ３０１ａと、の電気共振を用いて、交番電圧Ｖｏの振幅は、ある周波数でピークを持つように設定される。この交番電圧Ｖｏのピーク周波数をｆｅと定義すると、ｆｅをｆｍより高い周波数に設定することで、ｆｍからｆｅの間の周波数帯域において、振動体５０１の駆動周波数ｆｄを変えても電圧変動の少ない周波数特性を得ることができる。本実施例では、ピーク周波数ｆｅは、いずれも１８０〜２００ｋＨｚに設定した。
【００４１】
（アドミッタンス変化の影響低減）
交番電圧Ｖｏの変動の低減の効果を図１０に示す。図１０は、アドミッタンスの変化による交番電圧Ｖｏの変動の様子を計算によりシミュレーションした結果である。アドミッタンスの変化は、等価抵抗３０１ｄの値を基準値に対して１０％〜１００％まで変化させて計算した。等価抵抗が小さいほど、アドミッタンスは大きくなる。図１０（ａ）は従来例であり、図１０（ｂ）は本実施例である。本実施例は、アドミッタンスの変化の影響を従来例に対して２０％程度に低減していることが分かる。
【００４２】
（ＬとＣ及びＣｄによるばらつきの影響低減）
図１１は、インダクタ１０２とキャパシタ１０３と圧電素子１０１の固有静電容量とのばらつきによる、交番電圧Ｖｏの変動の様子を示すシミュレーション結果である。インダクタ１０２の自己インダクタンスＬのばらつきは±２０％、キャパシタ１０３の静電容量Ｃのばらつきは±１０％、圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄであるコンデンサ３０１ａのばらつきは±１０％として、モンテカルロ法による一様分布の乱数計算を行った。図１１（ａ）は従来例であり、図１１（ｂ）は本実施例である。本実施例は、圧電素子１０１を含む駆動回路全体の素子のばらつきの影響を、従来例に対して７０％程度に低減していることが分かる。
【００４３】
（電流上昇の低減）
実際に本実施例の駆動回路によって振動体５０１を駆動し、電源電流の比較を行った。図１２は、駆動時間に対する電源電流の変化を測定した結果である。電源は１２Ｖ直流電源を使用した。従来例の駆動回路では、２０秒後に、電源電流が初期値に対して約２倍増加したが、本実施例の駆動回路では４０％程度の増加であった。従って、消費電力を低減する事が可能となる。
【００４４】
（ｆｓとｆｍとの関係の許容範囲）
次に、圧電素子１０１に直列に接続されているインダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数ｆｓと、振動体５０１の共振周波数ｆｍと、の関係の許容範囲（ｆｓとｆｍのほぼ一致の範囲）について説明する。上記実施例では、ｆｍとｆｓを完全に一致させているが、本発明は、ｆｓとｆｍを完全に一致させる場合に限定されない。つまりｆｓとｆｍとを、ある範囲内の近い値に設定することで、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることができる。但し、ｆｓはｆｍに近い程、その効果は大きくなる。
【００４５】
本発明では、効果の得られるｆｓの範囲を求める為に、圧電素子１０１の共振周波数ｆｍ近傍における交番電圧Ｖｏの位相変化に着目した。図１４（ａ）は、交番電圧Ｖｏの位相を示すシミュレーション結果である。横軸は周波数であり、共振周波数ｆｍを４４．１４２ｋＨｚとして、４０ｋＨｚから４８ｋＨｚまでのＶｏの位相の変化を示す。このシミュレーションでは、図１（ａ）の駆動回路を用いて、インダクタ１０２とキャパシタ１０３による直列共振周波数ｆｓのｆｍに対する比（ｆｓ／ｆｍとする）を０．７３から１．２の範囲で変化させ、これをプロットした。
【００４６】
ここで、ピーク周波数ｆｅは常に６１．７９８ｋＨｚ（＝１．４・ｆｍ）になるようにＬとＣの値を各々調整して、ｆｓ／ｆｍを変化させた。ピーク周波数ｆｅを一定にする理由は、ｆｅの値によって振動体５０１の共振周波数ｆｍ近傍でのＶｏの振幅が大きく変わってしまう為である。また、比較をする上での基準となる従来の構成としては図５の回路を用いて計算し、この結果をプロットした。この場合のインダクタ１０２の自己インダクタンスＬは１．９７ｍＨとし、交番電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを６１．７９８ｋＨｚ（＝１．４・ｆｍ）になるよう設定した。
【００４７】
図１４（ａ）より、従来例の構成のＶｏは最大で６０°近く位相が遅れてしまうことがわかる。これに対して、ｆｓ／ｆｍ＝１となる場合は、Ｖｏの位相変化はほとんど生じない。なお、ｆｓ／ｆｍ＝１の場合、インダクタ１０２の自己インダクタンスＬは４．１７ｍＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃは３．１２ｎＦである。傾向としては、ｆｓ／ｆｍ＜１となる程、負側に位相の変化が大きくなり、ｆｓ／ｆｍ＞１となる程、正側に位相の変化が大きくなる。
【００４８】
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の交番電圧Ｖｏの位相変化と交番電圧Ｖｏの振幅変動の関係を調べるために、周波数に応じた交番電圧Ｖｏの変化を示すシミュレーションを行った結果である。シミュレーション条件は図１４（ａ）と同様であり、ｆｓ／ｆｍを０．７３から１．２の範囲で変化させたものと、従来例の構成と、を比較し、これをプロットした。図１４（ｂ）で示した位相の変化量と、図１４（ａ）で示す電圧の変動量の傾向は対応している事がわかる。つまり、Ｖｏの位相の変化が大きい程、Ｖｏの振幅変動は大きくなる。
【００４９】
図１５は、ｆｓ／ｆｍの変化に応じた、従来例の構成に対する位相変化量の割合を示すシミュレーション結果である。横軸はｆｓ／ｆｍであり、振動体５０１の共振周波数ｆｍに対するｆｓの比である。縦軸は従来例の構成に対する位相変化量の割合であり、次のように計算した。まず、従来例の構成を用いた場合のＶｏの位相変化量の絶対値を４０ｋＨｚから４８ｋＨｚの範囲で計算し、最大値を検出した。これを「従来の構成の位相最大変化量」とする。続いて、図１（ａ）の構成において、ｆｓ／ｆｍをパラメータとして、Ｖｏの位相変化量の絶対値を４０ｋＨｚから４８ｋＨｚの範囲で計算し、最大値を検出した。これを「ｆｓ／ｆｍに応じた位相最大変化量」とする。従来例の構成に対する位相変化量の割合は、両者の比を計算し、
「ｆｓ／ｆｍに応じた位相最大変化量」／「従来の構成の位相最大変化量」
として、これを縦軸とした。
【００５０】
本発明では、図１５のように従来例の構成に対する位相変化量の割合が半分となる条件を閾値と定義して、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることができる範囲を求めた。この結果、ｆｓ／ｆｍの効果の得られる範囲は、
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
となった。上記範囲は、ピーク周波数ｆｅを６１．７９８ｋＨｚ（＝１．４・ｆｍ）、圧電素子１０１のコンデンサ３０１ａの固有静電容量Ｃｄを３．５ｎＦとして計算したが、ピーク周波数ｆｅや固有静電容量Ｃｄの値を変えても、ほぼ同等の計算結果となる。なお、圧電素子１０１における等価コイル３０１ｂの自己インダクタンスＬｍは０．１Ｈ、等価コンデンサ３０１ｃの静電容量Ｃｍは１３０ｐＦ、等価抵抗３０１ｄの抵抗値Ｒｍは１ｋΩとして計算した。
【００５１】
よって、上記範囲に従って、交番電圧Ｖｏの位相差の変化量を半分以下に抑えることにより、従来と比較してＶｏの変動量も概ね半分以下に抑えることが可能となる。つまり、ｆｓとｆｍとを完全に一致させなくとも、上記ｆｓとｆｍの関係を満たすことにより、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性を従来に比べてなだらかにすることができる。
【００５２】
（インダクタ１０２とキャパシタ１０３の値の決め方）
次に、インダクタ１０２とキャパシタ１０３の値の決め方について説明する。直列共振周波数ｆｓは、インダクタ１０２のインダクタンスＬと、キャパシタ１０３の静電容量Ｃと、の積によって決まるので、同じｆｓでも、組み合わせは多数存在する。これに対しては、交番電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを最初に決めることで、１つの組み合わせを求めることができる。
【００５３】
Ｖｏのピーク周波数ｆｅは、インダクタ１０２のインダクタンスＬと、キャパシタ１０３の静電容量Ｃ、そして圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄと、から算出することができる。ピーク周波数ｆｅの式は、
【００５４】
【数３】
となる。ここで、実際のピーク周波数ｆｅを計算するには、圧電素子１０１を等価的にキャパシタと見なし、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路の影響を考慮したＣｄ’を用いて計算する必要がある。例えば、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路の影響が４４ｐＦの容量変化に相当する場合には、
Ｃｄ’＝Ｃｄ−４４ｐＦ
として計算することが出来る。
【００５５】
ピーク周波数ｆｅの式より、ｆｅの値を決めることによって、各々のＬとＣの関数を求めることができる。図１６は、ピーク周波数ｆｅに応じたインダクタ１０２のインダクタンスＬと、キャパシタ１０３の静電容量Ｃと、の関係を示す図である。横軸がＣの値、縦軸がＬの値である。ｆｅが１．４・ｆｍ、１．５・ｆｍ、２・ｆｍの場合における、（式１−３）より求まるＬとＣの値を各々プロットした。さらに、ＬとＣの積ＬＣがＬｍＣｍとなる場合、即ち、直列共振周波数ｆｓがｆｍと一致する場合のプロットも示した。上述したように、Ｌｍは等価コイル３０１ｂの自己インダクタンス、Ｃｍは等価コンデンサ３０１ｃの静電容量を示す。
【００５６】
図１６より、ｆｅを固定した場合のインダクタとキャパシタの関数は、ＬＣ＝ＬｍＣｍとなる関数と１つの点で交差する。この点が、ｆｓがｆｍと一致する最適なインダクタンスＬと静電容量Ｃの値である。例えば、ｆｅが１．４・ｆｍの場合、Ｌは４．１７ｍＨ、Ｃは３．１２ｎＦである。
【００５７】
次に、ｆｅの値について説明する。本発明において、ピーク周波数ｆｅの条件は、振動体５０１の駆動周波数をｆｄとすると、
ｆｅ＜２・ｆｄ
の関係を満たすように設定することが好ましい。この理由を次に説明する。
【００５８】
図１３は、ｆｅ＜２・ｆｄを満たす場合の交番電圧Ｖｏの周波数特性を示す図である。２・ｆｄは、駆動周波数ｆｄの２次高調波周波数である。交番電圧Ｖｏの波形には、２次高調波成分や３次高調波成分が極力少ないＳＩＮ波形が求められる。実機における交番電圧Ｖｏの駆動波形はパルス・デューティが１０％〜５０％と調整されるので、特に３次高調波成分を落とす必要がある。従って、ピーク周波数ｆｅを２・ｆｄより低い値に設定することで、３次高調波成分の周波数２・ｆｄの交番電圧Ｖｏの振幅を駆動周波数ｆｄより小さくすることができる。例えば、駆動周波数ｆｄを４６ｋＨｚとした場合、２・ｆｄは９２ｋＨｚである。この場合、インダクタ１０２のインダクタンスＬを４ｍＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃを３．２５ｎＦに設定すれば、ピーク周波数ｆｅは６１．３ｋＨｚとなり、上記条件を満たすことができる。
【００５９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態は、トランスを用いて昇圧する点が第１の実施形態と異なる。尚、振動体である塵挨除去装置の構成や、振動モードは第１の実施形態と同一であり、以下では駆動回路のみを説明する。
【００６０】
（駆動回路の説明：トランス昇圧）
図１７（ａ）は本発明の第２の実施形態における、塵挨除去装置の駆動回路を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続されている。また、トランス１次側コイル４０１ａに直列にキャパシタ１０３が接続されている。ここで、キャパシタ１０３にはフィルムコンデンサ等の静電容量素子を用いることができる。また、トランス４０１の結合を弱めることで、トランス１次側コイル４０１ａの漏洩インダクタンスと、トランス２次側コイル４０１ｂの漏洩インダクタンスと、をインダクタとして用いることができる。
【００６１】
この漏洩インダクタンスは、図１７（ａ）においてインダクタ１０２ａ（トランス１次側コイル４０１ａの漏洩インダクタンス）、１０２ｂ（トランス２次側コイル４０１ｂの漏洩インダクタンス）として等価的に示している。この２つの漏洩インダクタンスとキャパシタ１０３とにより、直列共振を形成する。尚、キャパシタ１０３は、トランス１次側コイル４０１ａの下側に図１７（ａ）では接続されているが、上側（インダクタ１０２ａとトランス１次側コイル４０１ａとの間）に接続しても良い。ここで、１次側の漏洩インダクタンス１０２ａと２次側の漏洩インダクタンス１０２ｂとキャパシタ１０３とによる直列共振周波数をｆｓとし、振動体５０１の共振周波数をｆｍと定義する。トランス１次側コイル４０１ａの漏洩インダクタンス１０２ａをＬ１、トランス２次側コイル４０１ｂの漏洩インダクタンス１０２ｂをＬ２、２次側コイル４０１ｂの１次側コイル４０１ａに対する巻線比をＮ、キャパシタ１０３をＣとすると、
【００６２】
【数４】
【００６３】
【数５】
となる。上記したように、Ｌｍ、Ｃｍは圧電素子１０１の機械的な振動の等価回路定数であり、Ｌｍは等価コイル３０１ｂの自己インダクタンス、Ｃｍは等価コンデンサ３０１ｃの静電容量を示す。
【００６４】
直列共振周波数ｆｓは、第１の実施形態と同様に、振動体５０１の共振周波数ｆｍに完全に一致させなくとも、以下の範囲でｆｍに近い値に設定することで、ｆｍ近傍での交番電圧Ｖｏの周波数特性をなだらかにすることが可能となる。
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
ここで、トランスを用いる構成の場合、インダクタ１０２とキャパシタ１０３をトランスの１次側と２次側のどちらに接続するかによって、ｆｓの算出式におけるＬＣに係る係数が異なる。構成としては、以下の４つに大別される。
（１）トランスの１次側にＬＣが接続される構成。
（２）トランスの２次側にＬＣが接続される構成。
（３）トランスの１次側にＬ、トランスの２次側にＣが接続される構成。
（４）トランスの１次側にＣ、トランスの２次側にＬが接続される構成。
【００６５】
上記、（１）と（２）については、ＬＣに係る係数は１である。これに対して、（３）は、Ｎ２・ＬＣである。これは、１次側のＬは２次側に換算すると、トランスの巻線比Ｎの２乗に相当するからである。また、（４）は、（１／Ｎ２）・ＬＣである。これは、１次側のＣは２次側に換算すると、トランスの巻線比Ｎの２乗分の１に相当するからである。
インダクタ１０２とキャパシタ１０３の値の決め方については、第１の実施形態と同様である。即ち、交番電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを最初に決めることで、１つの組合せを求めることができる。
【００６６】
また、ピーク周波数ｆｅは、振動体５０１の駆動周波数をｆｄとすると、第１の実施形態と同様に、
ｆｅ＜２・ｆｄ
の関係を満たすように設定する。
【００６７】
（第２の実施形態の変形例１）
図１７（ｂ）は、第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例１を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス１次側コイル４０１ａに直列にインダクタ１０２とキャパシタ１０３とが接続されている。尚、インダクタ１０２とキャパシタ１０３は、トランス１次側コイル４０１ａに直列に接続されていれば、図１７（ｂ）に示した構成以外のものであっても良い。インダクタ１０２はトランス４０１の１次側に接続することで、２次側に接続する場合よりもインダクタンス値を１／Ｎ２の小さい素子を用いることができる。ここで、Ｎは巻線比である。また、キャパシタ１０３は、トランス４０１の１次側に接続することで、２次側に接続する場合よりも１／Ｎの耐圧を有する素子を用いることができる。
インダクタ１０２をＬ、キャパシタ１０３をＣとすると、直列共振周波数をｆｓは（式１−１）と同様であり、
【００６８】
【数６】
となる。これを振動体５０１の共振周波数ｆｍと略一致させれば良い。
【００６９】
（第２の実施形態の変形例２）
図１７（ｃ）は、本発明の第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例２を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス１次側コイル４０１ａに直列にキャパシタ１０３が接続され、トランス２次側コイル４０１ｂに直列にインダクタ１０２が接続されている。インダクタ１０２はトランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりも電流許容値を１／Ｎと小さい素子を用いることができる。ここで、Ｎは巻線比である。インダクタ１０２のインダクタンスをＬ、キャパシタ１０３の静電容量をＣとすると、直列共振周波数をｆｓは、
【００７０】
【数７】
となる。これを振動体５０１の共振周波数ｆｍと略一致させれば良い。
【００７１】
（第２の実施形態の変形例３）
図１７（ｄ）は、本発明の第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例３を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス１次側コイル４０１ａに直列にインダクタ１０２が接続され、トランス２次側コイル４０１ｂに直列にキャパシタ１０３が接続されている。インダクタ１０２はトランス４０１の１次側に接続することで、２次側に接続する場合よりもインダクタンスが１／Ｎ２と小さい素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３も、トランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりもキャパシタンスが１／Ｎ２と小さい素子を用いることができる。この場合の直列共振周波数をｆｓは、
【００７２】
【数８】
となる。これを振動体５０１の共振周波数ｆｍと略一致させれば良い。
【００７３】
（第２の実施形態の変形例４）
図１７（ｅ）は、本発明の第２の実施形態における塵挨除去装置の駆動回路の変形例４を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１にトランス４０１の２次側コイル４０１ｂが並列に接続され、トランス２次側コイル４０１ｂに直列にインダクタ１０２とキャパシタ１０３が接続されている。インダクタ１０２はトランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりも電流許容値を１／Ｎと小さい素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３も、トランス４０１の２次側に接続することで、１次側に接続する場合よりもキャパシタンスが１／Ｎ２と小さい素子を用いることができる。この場合の直列共振周波数をｆｓは、
【００７４】
【数９】
となる。これを圧電素子１０１の共振周波数ｆｍと一致させれば良い。
【００７５】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態は、振動体５０１に２つの振動モードが交互に励起される点が第１の実施形態と異なる。尚、振動体５０１や駆動回路の構成は第１及び第２の実施形態と同一であり、制御装置における指令部の周波数情報と位相情報の設定が第１及び第２の実施形態と異なることで、励起される振動が定在波振動となる。
【００７６】
（定在波振動と駆動方法）
図１８（ａ）は、圧電素子に印加される交番電圧の周波数と圧電素子に生じる各振動の振幅を示すグラフである。ここで、ｆ（ｍ）はｍ次の面外曲げ振動の共振周波数であり、ｆ（ｍ＋１）は（ｍ＋１）次の面外曲げ振動の共振周波数である。図１８中、ｆ（ｍ）を逆相駆動によって励起される１０次の面外曲げ振動モード（第１の振動モード）、ｆ（ｍ＋１）を同相駆動によって励起される１１次の面外曲げ振動モード（第２の振動モード）とする。本実施形態では、この２つの振動モードの定在波を交互に励起して、弾性体である光学部材の表面に付着した塵埃を除去する。
【００７７】
第１の実施形態において図７を用いて説明したが、本実施形態においても同様に、１０次の面外曲げ振動を第１の振動モード（波形Ａ（実線））とし、１１次の面外曲げ振動を第２の振動モード（波形Ｂ（破線））とする。第１の振動モードＡ及び第２の振動モードＢは、振動体５０１を光学部材５０２の厚さ方向へ曲げ変形させる面外曲げ振動モードである。第１の振動モードＡの変形形状は、左端と右端で逆相（位相差１８０°）となっている。一方、第２の振動モードＢの変形形状は、左端と右端で同相（位相差０°）となっている。つまり、圧電素子１０１ａと圧電素子１０１ｂに印加する交番電圧の位相差を１８０°とすれば第１の振動モードＡのみが共振状態で励起され、逆に位相差を０°とすれば第２の振動モードＢが励起される。
【００７８】
図１８（ｂ）は、次数の異なる２つの定在波振動を交互に励起する際に、各圧電素子に印加する交番電圧の例を示す図である。制御装置は、図４で説明したものを用いる。交番電圧Ｖｏ１は圧電素子１０１ａに印加する電圧波形、交番電圧Ｖｏ２は圧電素子１０１ｂに印加する電圧波形を示す。縦軸は電圧振幅であり、横軸は時間を示す。
【００７９】
上記２つの振動モードの振動を交互に生成するため、まず、振動体５０１の１０次の曲げ振動モードの固有振動数近傍の周波数を有し、位相差が１８０°となる交番電圧を圧電素子１０１ａ、１０１ｂに印加する（逆相駆動）。このような交番電圧を印加することにより、振動体５０１に１０次の曲げ振動モードが励起される。所定の時間、１０次の曲げ振動モードを励起した後、次に、振動体５０１の１１次の振動モードの固有振動数近傍の周波数を有し、位相差が０°となる交番電圧を圧電素子１０１ａ、１０１ｂに印加する（同相駆動）。このような交番電圧を印加することにより、振動体５０１に１１次の曲げ振動モードが励起される。
【００８０】
第１の振動モードを励起する場合、駆動回路の素子ばらつき等の影響により、各交番電圧の位相差が誤差の範囲内で１８０°から少しずれた場合であっても、振動体５０１に発生する振動として、第１の振動モードの振動が支配的な場合は、位相差１８０°であるとする。同じく、第２の振動モードを励起する場合、駆動回路の素子ばらつき等の影響により、各交番電圧の位相差が誤差の範囲内で０°から少しずれた場合であっても、振動体５０１に発生する振動として、第２の振動モードの振動が支配的な場合は、位相差０°であるとする。
【００８１】
以上の駆動（逆相駆動と同相駆動）を繰り返すことにより、１０次と１１次の面外曲げ振動モードの振動が交互に励起される。上記駆動の際の交番電圧Ｖｏ１及びＶｏ２は、図１８（ｂ）に示すように、各固有振動数近傍で、高周波側から徐々に低周波側に掃引していくと良い。交番電圧の周波数は、振動体５０１の固有振動数の近傍とすることで、小さな印加電圧でも大きな振幅を得ることができ、効率を良くすることができる。
【００８２】
このように、振動体５０１に第１の振動モードの振動を生じさせることにより、第１の振動モードの振動の腹位置の光学部材５０２に付着した塵埃を剥離する機能を有する。具体的には、第１の振動モードの振動によって、光学部材５０２に付着した塵埃の付着力以上の加速度が、塵埃に加えられたとき、塵埃は光学部材５０２から剥離される。更に、振動体５０１に第２の振動モードの振動を生じさせることにより、第１の振動モードの振動の節近傍の光学部材５０２に付着した塵埃を剥離する機能を有する。次数の異なる定在波を励起しているのは、２つの定在波の節の位置をずらして、光学部材５０２に振幅が生じない個所を設けないためである。
【００８３】
尚、上記交番電圧を圧電素子１０１ａ、１０１ｂの一方にのみ印加することで、塵埃除去装置の振動体５０１に１つの面外曲げ振動の定在波を励起させても良い。また、本実施形態のように、異なる次数の振動モードの振動を時間的に切替えて発生させる場合、弾性体に設ける圧電素子は上記したような２つの場合に限らず、１つだけでも良い。この場合、位相差の設定は無く、単に圧電素子に印加する交番電圧の周波数をスイープして駆動する。
【符号の説明】
【００８４】
１０１ 圧電素子
１０２ インダクタＬ
１０２ａ トランス１次側コイルの漏洩インダクタンス
１０２ｂ トランス２次側コイルの漏洩インダクタンス
１０３ キャパシタＣ
２０１ カメラ本体
３０１ａ 振動体の固有静電容量Ｃｄ
３０１ｂ 機械的な振動の等価回路定数Ｌｍ
３０１ｃ 機械的な振動の等価回路定数Ｃｍ
３０１ｄ 機械的な振動の等価回路定数Ｒｍ
４０１ トランス
４０１ａ トランス１次側コイル
４０１ｂ トランス２次側コイル
５０１ 振動体
５０２ 光学部材
５０３ 撮像素子
６０１ 駆動回路
６０２ スイッチング回路
６０３ パルス発生回路
６０４ 指令部
６０５ 電源回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる振動体の駆動回路であって、
前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタとを有し、
前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
を満たすことを特徴とする振動体の駆動回路。
【請求項２】
弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる振動体の駆動回路であって、
交番電圧が印加される１次側のコイルと、前記電気−機械エネルギー変換素子に並列に接続された２次側のコイルと、からなるトランスと、
前記トランスの１次側及び２次側のうち少なくとも一方に、前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタと、を有し、
前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
を満たすことを特徴とする振動体の駆動回路。
【請求項３】
前記インダクタは、前記トランスの漏洩インダクタンスであることを特徴とする請求項２に記載の振動体の駆動回路。
【請求項４】
前記電気−機械エネルギー変換素子に印加される交番電圧のピーク周波数をｆｅ、前記振動体の駆動周波数をｆｄとした場合に、
ｆｅ＜２・ｆｄ
を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
【請求項５】
前記振動体は、弾性体と、前記弾性体に固定された第１の電気−機械エネルギー変換素子及び第２の電気−機械エネルギー変換素子と、を備え、
前記振動体に次数の異なる第１の振動モードの振動及び第２の振動モードの振動を重ね合わせた振動を発生させる周波数と、異なる位相と、を持つ波形の交番電圧を前記第１及び第２の電気−機械エネルギー変換素子の夫々に印加することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
【請求項６】
前記振動体に次数の異なる第１の振動モードの振動と第２の振動モードの振動とを時間的に切替えて発生させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体の駆動装置。
【請求項７】
前記振動体に振動を発生させることにより、前記振動体上の粉体を駆動することを特徴とする請求項１乃至６にいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
【請求項８】
前記粉体は塵埃であり、前記振動体上の塵埃を駆動して除去することを特徴とする請求項７に記載の振動体の駆動回路。
【請求項９】
請求項８に記載の駆動回路と、前記駆動回路により駆動される振動体と、前記振動体の前記弾性体を透過した光が入射する位置に設けられた受光素子と、を備えることを特徴とする光学機器。
【請求項１】
弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる振動体の駆動回路であって、
前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタとを有し、
前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
を満たすことを特徴とする振動体の駆動回路。
【請求項２】
弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性体とから少なくとも構成される振動体に振動を発生させる振動体の駆動回路であって、
交番電圧が印加される１次側のコイルと、前記電気−機械エネルギー変換素子に並列に接続された２次側のコイルと、からなるトランスと、
前記トランスの１次側及び２次側のうち少なくとも一方に、前記電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されたインダクタとキャパシタと、を有し、
前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、
０．７３・ｆｍ＜ｆｓ＜１．２・ｆｍ
を満たすことを特徴とする振動体の駆動回路。
【請求項３】
前記インダクタは、前記トランスの漏洩インダクタンスであることを特徴とする請求項２に記載の振動体の駆動回路。
【請求項４】
前記電気−機械エネルギー変換素子に印加される交番電圧のピーク周波数をｆｅ、前記振動体の駆動周波数をｆｄとした場合に、
ｆｅ＜２・ｆｄ
を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
【請求項５】
前記振動体は、弾性体と、前記弾性体に固定された第１の電気−機械エネルギー変換素子及び第２の電気−機械エネルギー変換素子と、を備え、
前記振動体に次数の異なる第１の振動モードの振動及び第２の振動モードの振動を重ね合わせた振動を発生させる周波数と、異なる位相と、を持つ波形の交番電圧を前記第１及び第２の電気−機械エネルギー変換素子の夫々に印加することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
【請求項６】
前記振動体に次数の異なる第１の振動モードの振動と第２の振動モードの振動とを時間的に切替えて発生させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体の駆動装置。
【請求項７】
前記振動体に振動を発生させることにより、前記振動体上の粉体を駆動することを特徴とする請求項１乃至６にいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
【請求項８】
前記粉体は塵埃であり、前記振動体上の塵埃を駆動して除去することを特徴とする請求項７に記載の振動体の駆動回路。
【請求項９】
請求項８に記載の駆動回路と、前記駆動回路により駆動される振動体と、前記振動体の前記弾性体を透過した光が入射する位置に設けられた受光素子と、を備えることを特徴とする光学機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−１５２７１９（Ｐ２０１２−１５２７１９Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３４８（Ｐ２０１１−１６３４８）
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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