CN104155831A - 振动部件驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了振动部件驱动电路。一种振动部件驱动电路在至少包含电气机械能量转换元件和弹性体的振动部件中通过向固定于所述弹性体上的所述电气机械能量转换元件施加交流电压而导致振动。振动部件驱动电路包含与电气机械能量转换元件串联连接的电感器和电容器。满足0.73*fm<fs<1.2*fm，这里，fs是电感器和电容器的串联共振频率，并且，fm是振动部件的共振频率。

Description

振动部件驱动电路

本申请是基于申请号为201210019884.6，申请日为2012年1月21日，发明名称为“振动部件驱动电路”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的实施例涉及振动部件驱动电路。

背景技术

近年来，伴随图像拾取元件的分辨率的提高，粘附于使用中的光学系统上的灰尘影响作为光学设备的图像拾取设备中的捕获图像。特别地，用于视频照相机或静物照相机中的图像拾取元件的分辨率已显著提高。因此，当外部灰尘和/或诸如在内部机械摩擦表面上导致的磨损碎屑的灰尘(粉末)粘附于图像拾取元件附近的诸如红外切割滤波器和光学低通滤波器的光学部件时，由于图像拾取元件表面上的较少模糊的图像，因此会在捕获的图像上出现粉末。

作为光学设备的复印机或传真机的图像拾取单元扫描线传感器，或者扫描较接近线传感器放置的原稿以读取平面原稿。在这种情况下，当灰尘粘附于光束入射区域时，在扫描图像上出现灰尘。在扫描和读取原稿的传真机的读取单元或在从自动原稿馈送器传送的过程中读取(即浏览)原稿的复印机的读取单元中，一粒灰尘会表现为沿原稿馈送方向连续并使图像质量劣化的线图像。

日本专利公开No.2008-207170提出了除尘装置，该除尘装置可通过向包含光学部件的振动部件激励自由行进波来沿希望的方向移动这种灰尘。图3是示出在日本专利公开No.2008-207170中公开的除尘装置的配置的示意图。具有光学部件502的振动部件501被设置在图像拾取元件503的光入射侧。作为电气机械能量转换元件的压电元件101a和101b被放置在振动部件501中面外弯曲振动的节点线对齐的方向上的不同的位置。向压电元件101a和101b施加具有相等的频率和90°的相位差的交流电压。

要施加的交流电压的频率处于沿振动部件501的纵向面外弯曲的m次(m是自然数)振动模式中的共振频率与(m+1)次振动模式中的共振频率之间。在振动部件501中，具有共振现象的响应的m次振动模式中的振动与具有90°时间相位差(从m次面外弯曲振动前进90°的相位)的(m+1)次振动模式中的振动以相等的振幅和相等的振动周期被激励。然后，在振动部件501中，产生合成两个振动模式的振动的合成振动(自由行进波)。合成振动沿希望的方向在振动部件501的表面上移动灰尘。

但是，在过去的除尘装置中，在要使用的一些频率带中，要向压电元件101施加的交流电压的振幅改变(即交流电压的频率特性的梯度)可能在振动部件501的共振频率附近增加。出于这种原因，当振动部件501的共振频率由于个体差异而变化或者在装置被驱动的同时热改变共振频率时，交流电压大大改变。多于必要地增加的交流电压可能由于电流增加而增加功耗，或者由于在振动部件501中激励的振动振幅的增加而损伤振动部件501。当交流电压低于必要的电压时，不能获取要在振动部件501中激励的面外弯曲振动的足够的振动振幅，并且，除尘效率会降低。

发明内容

实施例的一个公开的方面提供了如下这样的驱动电路，即使当振动部件的共振频率在装置被驱动的过程中变化或改变时，该驱动电路仍在使用的频带中输出稳定的电压振幅，且要施加到电气机械能量转换元件的交流电压具有小的改变。

一个实施例的一种在至少包含电气机械能量转换元件和弹性体的振动部件中通过向固定于弹性体上的电气机械能量转换元件施加交流电压而导致振动的振动部件驱动电路包含与电气机械能量转换元件串联连接的电感器和电容器，其中，满足0.73*fm<fs<1.2*fm，这里，fs是电感器和电容器的串联共振频率，并且，fm是振动部件的共振频率。

根据该实施例的一个公开的方面，可提供如下这样的驱动电路，即使当振动部件的共振频率在装置被驱动的过程中变化或改变时，该驱动电路仍在使用的频带中输出稳定的电压振幅，且要施加到电气机械能量转换元件的交流电压具有小的改变。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1A～1C示出根据第一实施例的振动部件驱动电路。

图2A和图2B是可应用一个实施例的图像拾取设备的透视图。

图3是示出具有除尘装置的照相机体的图像拾取单元的结构的透视图。

图4示出可应用一个实施例的除尘装置的控制设备。

图5示出过去的驱动电路的配置。

图6A和图6B是示出根据第一实施例的施加到压电元件的交流电压的频率、在压电元件中产生的振动的振幅以及它们的波形的曲线图。

图7示出在振动部件中激励并且沿纵向面外弯曲的10次面外弯曲振动的位移和11次面外弯曲振动的位移，并且示出压电元件的配置。

图8示出使用过去的驱动电路时的交流电压Vo的电压振幅的频率特性。

图9A和图9B示出当电感器和电容器的串联共振频率fs基本上与振动部件的共振频率fm匹配时的电流振幅和交流电压Vo的频率特性的仿真结果。

图10A和图10B示出交流电压Vo如何根据导纳的改变而改变的计算的仿真结果。

图11A和图11B示出交流电压Vo如何根据电感器、电容器和压电元件的固有电容的变化而改变的仿真结果。

图12示出电源电流相对于驱动时间的改变的测量结果。

图13示出满足关系fe<2*fd时的交流电压Vo的频率特性。

图14A和图14B示出描述根据fs/fm的改变的与过去相比的相位和交流电压Vo的改变的仿真结果。

图15示出根据fs/fm的改变的相位改变量与过去的例子的配置的比例的仿真结果。

图16示出根据峰值频率fe的电感器的电感L与电容器的电容C之间的关系。

图17A～17E示出根据第二实施例的具有变压器的除尘装置的驱动电路。

图18A和图18B是示出根据第三实施例的要施加到驻波驱动的压电元件的交流电压的频率、在压电元件中产生的振动的振幅和电压波形的示图。

具体实施方式

将参照附图描述本发明适用的振动部件驱动电路的实施例。一个实施例的振动部件驱动电路可通过使振动部件振动来驱动诸如粉末的对象物。虽然根据以下的实施例将描述用于去除作为粉末的灰尘的除尘装置及其驱动电路，但是，如果振动部件被振动以驱动振动部件上的诸如粉末的对象物，则一个实施例是适用的。根据实施例，粉末指的是大于等于1μm且小于等于100μm的对象物。

实施例的具有振动部件和/或其驱动电路的设备可包括诸如照相机(图像拾取装置)、传真机、扫描仪、投影仪、复印机和打印机的光学设备。例如，在以下的实施例中，实施例的振动部件和/或其驱动电路被设置在图像拾取设备中。根据实施例的一个公开的方面，作为光电转换元件的复印机或传真机中所使用的诸如CCD和CMOS传感器或线传感器的图像拾取元件被称为光接收元件。

(第一实施例)

根据第一实施例，在照相机中安装在振动部件中激励行进波以移动作为粉末的灰尘的除尘装置。

(照相机体的配置)

图2A是作为根据第一实施例的图像拾取设备的数字单镜头反光式照相机的从被照体侧的正面透视图，并且示出没有成像透镜的状态。图2B是从摄影者侧的照相机的背面透视图。在照相机体201内，设置镜箱202，通过未示出的成像透镜的成像光束被引导至该镜箱202。主反射镜(快返反射镜)203被设置在镜箱202内。具有除尘装置的图像拾取单元被设置在通过未示出的成像透镜的成像光轴上。主反射镜203可保持为关于成像光轴成45°的角度，使得摄影者可通过取景器接眼窗口(eye window)204观察被照体图像，或者可保持在避开朝图像拾取元件引导的成像光束的位置。清洁指令开关205被设置在照相机的背面，并且，可用于驱动作为除尘装置的振动部件。如果摄影者按压清洁指令开关205，则指令单元604(参见图4)被指示驱动除尘装置。

(除尘装置的配置)

图3是示出具有作为振动部件的除尘装置的照相机体201的图像拾取单元的结构的透视图。图像拾取元件503被设置在照相机体201的图像拾取单元中。图像拾取元件503是将接收的被照体图像转换成电信号的诸如CCD和CMOS传感器的光接收元件。振动部件501被附接为紧密地密封图像拾取元件503的前表面上的空间。振动部件501至少包含作为弹性体的矩形平面光学部件502，和粘附于光学部件502的两端的作为电气机械能量转换元件的一对压电元件101a(第一电气机械能量转换元件)和压电元件101b(第二电气机械能量转换元件)。光学部件502是诸如覆盖玻璃、红外切割滤波器或光学低通滤波器的具有高的透射率的光学部件。通过光学部件502的光进入到图像拾取元件503。

在光学部件502的两端的压电元件101a和101b的沿厚度方向(图中的垂直方向)的尺寸等于光学部件502的沿厚度方向(图中的垂直方向)的尺寸，以增大对于振动的弯曲变形的产生力。当不需要特别地区别时，压电元件101a和101b将被简称为压电元件101。

(控制设备的配置)

图4示出除尘装置的控制设备。控制设备包含指令单元604、脉冲产生电路603a和603b、开关电路602a和602b、电源电路605和驱动电路601a和601b。来自指令单元604，作为交流电压信号的参数的频率信息、相位信息和脉冲宽度信息被传送到脉冲产生电路603a和603b。例如，脉冲产生电路一般可以是数字振荡器。在振动部件501中产生的两个振动模式中的振动(面外弯曲振动)的共振频率的中间值附近设定频率，并且，对于脉冲产生电路603a和603b设定相等的频率。以下将参照图7描述振动模式。相互不同的相位值被输入到脉冲产生电路603a和603b，并被设定为使得可以输出交流电压信号的不同的相位差(诸如90°的相位差)。脉冲宽度(脉冲占空比)被适当地调整以获取希望的电压振幅，并且被分别设定给脉冲产生电路603a和603b。

从脉冲产生电路603输出的数字交流电压信号被输入到开关电路602a和602b，并且，基于从电源电路605供给的电压作为模拟交流电压Vi被输出。电源电路可以是一般的DC电源电路或DC-DC转换器电路等。开关电路可以是一般的H桥电路。

交流电压Vi被输入到驱动电路601a和601b，并且在其电压振幅被升高并被转换成SIN波形之后作为交流电压Vo被输出。输出的交流电压Vo被施加到压电元件101a和101b，并且，在振动部件501中同时出现两个面外弯曲振动。合成的振动变为行进波，并且，可沿希望的方向移动光学部件502的表面上的灰尘。以下将参照图1描述作为实施例的特征的驱动电路601a和601b的配置。

从脉冲产生电路603输出的数字交流电压信号被输入到开关电路602a和602b，并且，基于从电源电路605供给的电压作为模拟交流电压Vi被输出。电源电路可以是一般的DC电源电路或DC-DC转换器电路等。开关电路可以是一般的H桥电路。

交流电压Vi被输入到驱动电路601a和601b，并且在其电压振幅升高并被转换成SIN波形之后作为交流电压Vo被输出。交流电压Vo被施加到压电元件101a和101b，并且，在振动部件501中同时出现两个面外弯曲振动。合成的振动变为行进波，并且，可沿希望的方向移动光学部件502的表面上的灰尘。

(驱动频率的设定)

以下将描述驱动频率的设定。图6A是示出施加到压电元件101的交流电压的频率和在压电元件101中出现的振动的振幅的曲线图。在图6A中，f(m)是m次面外弯曲振动的共振频率，并且，f(m+1)是(m+1)次面外弯曲振动的共振频率。如果要施加到压电元件101上的交流电压的频率fd被设为f(m)<fd<f(m+1)，则获取频率fd处的振动，该振动具有通过m次面外弯曲振动和(m+1)次面外弯曲振动的共振现象而扩大的振幅。振动的时间周期相等。另一方面，当要被施加到压电元件101上的交流电压的频率fd被设为低于f(m)时，(m+1)次面外弯曲振动的振幅较低。当频率fd被设为高于f(m+1)时，m次面外弯曲振动的振幅较低。

(振动模式的描述)

图7是示出在振动部件501中激励的并且沿纵向面外弯曲的10次面外弯曲振动的位移和11次面外弯曲振动的位移并且示出压电元件101a和101b的部置的示意图。横轴表示振动部件501的纵向位置。纵轴表示面外振动位移。在图7中，10次面外弯曲振动作为第一振动模式由波形A(实线)表示，并且，11次面外弯曲振动作为第二振动模式由波形B(虚线)表示。第一振动模式A和第二振动模式B是使振动部件501沿光学部件502的厚度方向弯曲变形的面外弯曲振动模式。

当驱动电路601a和601b向压电元件101a和101b施加交流电压Vo时，第一振动模式A和第二振动模式B中的振动由此在振动部件501中同时出现并且被重叠。根据本实施例，最低限度的除灰所需要的振动模式是作为第一振动模式的10次弯曲振动模式和作为第二振动模式的11次弯曲振动模式。但是，振动模式不限于此。与图像拾取元件503对应的光学有效区域是图7所示的范围。第一振动模式A中的变形形状在左端和右端具有相反的相位(相位差为180°)。另一方面，第二振动模式B中的变形形状在左端和右端之间同相(相位差为0°)。换句话说，如果施加到压电元件101a和压电元件101b的交流电压之间的相位差被设为180°，则仅出现第一振动模式A。另一方面，如果相位差被设为0°，则仅出现第二振动模式B。因此，如果相位差被设为90°，则可同时导致第一振动模式A和第二振动模式B，并且，沿图7的向右方向可出现得自合成的振动的行进波。

图6B示出了用于同时激励不同阶次的振动模式的要向压电元件施加的交流电压的例子。交流电压Vo 1是向压电元件101a施加的电压波形，并且，交流电压Vo 2是要向压电元件101b施加的电压波形。纵轴表示电压振幅，并且，横轴表示时间。交流电压Vo 1和Vo 2的频率在上述的fd处是恒定的，并且，交流电压之间的相位差是90°。但是，可仅要求交流电压Vo 1和Vo 2具有不同的相位，并且，相位差不限于90°。

在除尘装置中，当光学部件502将粘附于光学部件502的表面上的灰尘上推出面外时，灰尘如同它在沿光学部件502的表面的法线方向的力的作用下弹起一样移动。换句话说，当驱动频率周期的各相位中的振动部件501的合成振动位移的速度为正时，灰尘被上推出面外，并且，灰尘在该相位中的合成振动位移的法线方向的力的作用下移动。参照图7，通过向粘附于光学部件502的有效区域的表面的灰尘重复施加振动，灰尘可沿图7的向右方向移动并被去除。

(关于驱动电路的描述：LC升压)

参照图1A～1C，将描述第一实施例的驱动电路。图1A示出根据第一实施例的除尘装置的驱动电路。驱动电路包含与压电元件101串联连接的电感器102和电容器103。虽然电容器103在图1中与压电元件101的下侧连接，但是，它可与上侧连接(连接在电感器102和压电元件101之间)。如图1C所示，电阻104可与压电元件101并联连接。电阻104可被设为使得电流几乎不流动以防止电阻部分中的功耗的1MΩ。设置电阻104可限定电容器103和压电元件101之间的连接点处的电势，从而可在压电元件两端施加稳定的交流电压。

电感器102可以是诸如线圈的电感元件。电容器103可以是诸如膜电容器的电容元件。实施例的一个公开的方面的特征在于，电感器102和电容器103的串联共振频率基本上与振动部件501的共振频率匹配(被设定于将在后面描述的容限内)。

将参照图1B描述压电元件101的等效电路。图1B示出压电元件101的等效电路。压电元件101的等效电路包含振动部件501的机械振动部分的RLC串联电路(自感Lm的等效线圈301b、电容Cm的等效电容器301c和电阻值Rm的等效电阻301d)和与该RLC串联电路并联连接的用作压电元件101的固有电容Cd的电容器301a。

根据实施例，电感器102和电容器103的串联共振频率被定义为fs，并且，振动部件501的共振频率被定义为fm。当电感器102的自感为L并且电容器103的电容为C时，

$(1-1)---\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)$

$(1-2)---\mathrm{fm}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LmC}m}\right)$

基本上匹配的fs和fm允许fm附近的交流电压Vo的平缓频率特性。

参照图5，将描述电感器102仅与压电元件101串联连接的过去的驱动电路的配置。如图5所示，将电感器102与压电元件101串联连接可通过压电元件101的固有电容和电感器102形成LC串联共振电路。交流电压Vi的电压振幅通过LC串联共振电路升压到希望的电压，并且，交流电压Vo被输出。

图8示出使用过去的驱动电路时的交流电压Vo的电压振幅的频率特性。横轴表示频率，并且，纵轴表示电压振幅。曲线图表示当电感器102的值从40μH向90μH变化时导致的特性。在图8中，f(m)是m次面外弯曲振动的共振频率，并且，f(m+1)是(m+1)次面外弯曲振动的共振频率。要被施加到压电元件101的交流电压Vo的频率fd被设为f(m)<fd<f(m+1)。图8示出在fm和f(m+1)附近出现交流电压Vo的振幅改变。随着电感器102的值增加，电压振幅的改变在fm、f(m+1)和fd附近增大。随着电感器102的值减小，电压振幅的改变减小。但是，由于减小的电压升压率，可能不能获取希望的电压振幅。随着电感器102的值减小，LC串联电路的电气共振频率fe向更高的频率偏移。因此，在基波上重叠驱动频率fd的谐波成分，从而使波形畸变。大的波形畸变可在振动部件501中激励不必要的振动。

与过去的例子类似，在fm或f(m+1)附近出现交流电压Vo的振幅改变的原因在于，振动部件501的机械振动部分的自感Lm和电容Cm导致阻抗改变。另一方面，根据实施例，对于振动部件501的机械振动部分中的阻抗匹配，fs和fm基本上匹配。作为结果，交流电压Vo的振幅改变可减小。并且，fm附近的交流电压Vo的平缓频率特性会减小导纳(等效电阻301d)的改变和/或由于电感器102和电容器103的变化导致的交流电压Vo的改变。由于振动部件501的机械振动部分的阻抗匹配，因此，频率特性几乎不受fm附近的元素的振动影响。

(仿真结果：实施例和过去的例子之间的电压振幅和电流的比较)

图9A和图9B示出描述当电感器102和电容器103的串联共振频率fs基本上与振动部件501的共振频率fm匹配时的交流电压Vo的频率特性的仿真结果。根据本实施例，驱动电路具有图1A中的配置。本实施例的振动部件501具有两个面外弯曲振动，并且共振频率fm包含f(m)和f(m+1)两者。根据本实施例，串联共振频率fs根据共振频率f(m)被设为fs＝0.83*f(m)。在理想情况下，fs和fm完全匹配。但是，由于升高电压振幅的电压升压率是困难的，因此，fs被设为比fm低的值。基于计算，当fs比fm低时，电压升压率趋于增加。当fs高于fm时，电压升压率趋于减小。虽然串联共振频率fs与f(m)匹配，但是，当它是f(m+1)附近的频率时，可获取希望的效果。

在此仿真中，等效线圈301b的自感Lm被设为0.04H，并且，等效电容器301c的电容Cm被设为44pF。f(m)被设为120kHz，并且，f(m+1)被设为128kHz，并且，驱动频率fd被设为123kHz。电感器102的自感L被设为82μH，并且，电容器103的电容C被设为31nF(fs＝0.83*fm)。对于被设为68μH的电感器102和被设为42nF(fs＝0.79*fm)的电容器103的曲线也被示出，尽管它们重叠。作为比较例，还示出过去的例子，其中，当使用图5中的驱动电路的配置时，电感器102被设为68μH。

(稳定化电压)

图9A示出要馈送到驱动电路的电流振幅的频率特性。图9B示出交流电压Vo的电压振幅的频率特性。如图9A和图9B所示，fs和fm之间的基本匹配可提供f(m)和f(m+1)附近的交流电压Vo的平缓频率特性。换句话说，稳定的电压被应用于振动部件501的共振频率的改变，这会减少驱动电流的改变。例如，当在驱动期间共振频率f(m+1)随着时间减小时，在过去的例子中，交流电压的振幅增加，并且驱动电流增加。根据一个实施例，改变可被减小。

可以使用电感器102与作为电容器103和压电元件101的固有电容的电容器301a的电气共振，以将交流电压Vo的振幅设为在一定的频率下具有峰值。将交流电压Vo的峰值频率定义为fe并将fe设为比fm高的频率可即使当振动部件501的驱动频率fd在fm到fe的频带中改变时仍提供具有较小的电压改变的频率特性。根据本实施例，所有的峰值频率fe被设为180到200kHz的范围。

(减少导纳改变的影响)

图10A和图10B示出交流电压Vo的改变的减小的效果。图10A和图10B示出交流电压Vo根据导纳的改变如何改变的计算的仿真结果。通过将等效电阻301d的值从基准值的10％改变到基准值的100％，计算导纳的改变。随着等效电阻减小，导纳增大。图10A示出过去的例子，图10B示出本实施例。图10A和图10B示出，本实施例将导纳的改变的影响减小至过去的例子的约20％。

(减少归因于L和C和Cd的变化的影响)

图11A和图11B示出交流电压Vo如何根据电感器102、电容器103和压电元件101的固有电容的变化而改变的仿真结果。当电感器102的自感L的变化为±20％、电容器103的电容C的变化为±10％并且作为压电元件101的固有电容Cd的电容器301a的变化为±10％时，通过蒙特卡洛(Monte Carlo)方法在均匀的分布上执行随机数计算。图11A示出过去的例子，并且，图11B示出本实施例。根据本实施例，包含压电元件101的整个驱动电路的元件的变化的影响被减小到过去的例子的约70％。

(减小电流增加)

实际通过本实施例的驱动电路驱动振动部件501，并且，比较电源电流。图12示出电源电流相对于驱动时间的改变的测量结果。使用的电源为12VDC电源。在过去的例子的驱动电路中，在20秒之后，电源电流增加为初始值的约两倍。在本实施例的驱动电路中，增加为约40％。因此，功耗可减小。

(fs和fm之间的关系的可接受范围)

下面，将描述与压电元件101串联连接的电感器102和电容器103的串联共振频率fs与振动部件501的共振频率fm之间的关系的可接受范围(fs和fm之间的基本上匹配的范围)。根据本实施例，fm和fs完全匹配。但是，实施例不限于fs和fm完全匹配的情况。换句话说，对于fm附近的交流电压Vo的平缓频率特性，fs和fm可被设为在一定某范围内的接近的值。但是，随着fs和fm之间的差减小，效果增加。

根据实施例，为了获取fs的有效范围，关注压电元件101的共振频率fm附近的交流电压Vo的相位改变。图14A示出说明交流电压Vo的相位的仿真结果。横轴表示频率。图14A示出40kHz到48kHz的Vo的相位的改变，这里，共振频率fm为44.142kHz。在这种仿真中，使用图1A的驱动电路。电感器102和电容器103的串联共振频率fs与fm(fs/fm)之比在0.73～1.2的范围中改变，并且，绘制出改变的比。

这里，L和C的值被调整为使得峰值频率fe可总是为61.798kHz(＝1.4*fm)，并且，fs/fm改变。由于Vo的振幅根据fe的值在振动部件501的共振频率fm附近大大改变，因此，峰值频率fe被保持恒定。对于过去的比较基准配置，对于计算使用图5中的电路，并且，绘制出计算结果。这种情况下的电感器102的自感L为1.97mH，并且，交流电压Vo的峰值频率fe被设为61.798kHz(＝1.4*fm)。

图14A示出，过去的例子的配置的Vo具有延迟多达60°的相位。另一方面，如果fs/fm＝1，则Vo几乎不具有相位改变。如果fs/fm＝1，则电感器102的自感L为4.17mH，并且，电容器103的电容C为3.12nF。存在随着fs/fm<1的满足程度增加向负侧的相位改变增加的趋势。随着fs/fm>1的满足程度增加，向正侧的相位改变增加。

为了检查图14A中的交流电压Vo的相位改变和交流电压Vo的振幅改变之间的关系，图14B示出描述根据频率的交流电压Vo的改变的仿真结果。仿真条件与图14A相同，并且，比较并绘制出对于在0.73～1.2的范围中改变的fs/fm的和过去的例子的配置的仿真结果。图14B所示的相位的改变量和图14A所示的电压的改变量的趋势对应。换句话说，随着Vo的相位的改变增加，Vo的振幅的改变增加。

图15示出根据fs/fm的改变的相位改变量与过去的例子的配置的比例的仿真结果。横轴表示作为fs与振动部件501的共振频率fm的比的fs/fm。纵轴表示相位改变量与过去的例子的配置的比并且被计算如下。首先，在40kHz～48kHz的范围中计算在使用过去的例子的配置时的Vo的相位改变量的绝对值，并且，检测最大值。这被称为“过去的配置的相位的最大改变量”。然后，基于图1A中的配置，通过使用fs/fm作为参数在40kHz～48kHz的范围中计算Vo的相位的改变量的绝对值，并且，检测最大值。这被称为“根据fs/fm的最大改变量”。相位改变量与过去的例子的配置的比可通过由如下计算它们之间的比所获取的纵轴被表达：

“根据fs/fm的最大改变量”/“过去的配置的相位的最大改变量”。

根据实施例，如图15所示，相位改变量为过去的例子的配置的一半的条件被定义为阈值，并且，获取可获取fm附近的交流电压Vo的平缓频率特性的范围。作为结果，可获取fs/fm的效果的范围为：

0.73*fm<fs<1.2*fm

在峰值频率fe为61.798kHz(＝1.4*fm)、压电元件101的电容器301a的固有电容Cd为3.5nF的情况下计算出该范围。但是，即使当峰值频率fe和/或固有电容Cd的值改变时，也可获取基本上等同的计算结果。也在压电元件101中的等效线圈301b的自感Lm为0.1H、等效电容器301c的电容Cm为130pF并且等效电阻301d的电阻Rm的值为1kΩ的情况下计算出该范围。

基于该范围，与过去相比，交流电压Vo的相位差的改变量可减小为一半或更小，使得Vo的改变量可基本上减小到一半或更小。换句话说，即使在fs和fm之间不存在完全匹配，与以前相比，满足上述的fs和fm之间的关系也可提供fm附近的交流电压Vo的更平缓的频率特性。

(如何确定电感器102和电容器103的值)

下面，将描述如何确定电感器102和电容器103的值。由于串联共振频率fs依赖于电感器102的电感L和电容器103的电容C的积，因此，许多组合可定义相同的fs。另一方面，交流电压Vo的峰值频率fe可首先被确定以获取一个组合。

可从电感器102的电感L、电容器103的电容C和压电元件101的固有电容Cd计算Vo的峰值频率fe。峰值频率fe可被表达式1-3表达：

$(1-3)---\mathrm{fe}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L\&CenterDot;\frac{C\&CenterDot;{\mathrm{Cd}}^{\&prime;}}{C+C{d}^{\&prime;}}}\right)$

为了计算实际的峰值频率fe，压电元件101被等效地视为电容器，并且，使用考虑了机械振动部分的RLC串联电路的影响的Cd′。例如，当机械振动部分的RLC串联电路的影响与44pF的电容量改变对应时，对于计算可以使用下式：

Cd′＝Cd-44pF

可通过从峰值频率fe的表达式确定fe的值来获取L和C的函数。图16示出根据峰值频率fe的电感器102的电感L与电容器103的电容C之间的关系。横轴表示C的值，并且，纵轴表示L的值。绘制在fe为1.4*fm、1.5*fm和2*fm的情况下从(表达式1-3)获取的L和C的值。还示出L和C的积LC为LmCm时、即串联共振频率fs与fm匹配时的曲线。如上所述，Lm表示等效线圈301d的自感，并且Cm表示等效电容器301c的电容。

参照图16，固定fe时的电感器和电容器的函数在一个点与LC＝LmCm的函数相交。该点表示在fs与fm匹配的情况下电感L和电容C的最佳值。例如，fe为1.4*fm，L为4.17mH，并且，C为3.12nF。

下面将描述fe的值。根据实施例，峰值频率fe的条件优选被设定以满足以下的关系：

fe<2*fd

这里，振动部件501的驱动频率为fd。下面将描述原因。

图13示出满足fe<2*fd时的交流电压Vo的频率特性。2*fd为驱动频率fd的二次谐波频率。交流电压Vo的波形优选为具有尽可能小的二次谐波成分和/或三次谐波成分的SIN波形。由于实际装置中的交流电压Vo的驱动波形被调整为具有10％～50％的脉冲占空比，因此，可能特别地需要减小三次谐波成分。峰值频率fe可被设为小于2*fd的值，以减小三次谐波成分的频率2*fd的交流电压Vo的振幅以低于驱动频率fd。例如，当驱动频率fd为46kHz时，2*fd为92kHz。在这种情况下，当电感器102的电感L被设为4mH并且电容器103的电容C被设为3.25nF时，峰值频率fe为61.3kHz，这可满足该条件。

(第二实施例)

以下将描述第二实施例。本实施例与第一实施例的不同在于，对于电压升压使用变压器。作为振动部件的除尘装置的配置以及振动模式与第一实施例相同，并且，以下将仅描述驱动电路。

(驱动电路的描述/变压器电压升压)

图17A示出根据第二实施例的除尘装置的驱动电路。在驱动电路的配置中，变压器401的二次线圈401b与压电元件101并联连接。电容器103与变压器401的变压器一次线圈401a串联连接。电容器103可以是诸如膜电容器的电容元件。弱化变压器401的耦合使得能够使用变压器一次线圈401a的泄漏电感和变压器二次线圈401b的泄漏电感作为电感器。

图17A等效地将泄漏电感示为电感器102a(变压器一次线圈401a的泄漏电感)和102b(变压器二次线圈401b的泄漏电感)。两个泄漏电感和电容器103形成串联共振。虽然电容器103在图17A中与变压器一次线圈401a的下侧连接，但是，它可与上侧连接(连接在电感器102a和变压器一次线圈401a之间)。一次侧的泄漏电感102a、二次侧的泄漏电感102b和电容器103的串联共振频率被定义为fs，并且振动部件501的共振频率被定义fm，它们可由表达式2-1和2-2表达。

$(2-1)---\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\{L_1+(L_2/N^2)\}C}\right)$

$(2-2)---\mathrm{fm}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LmCm}}\right)$

这里，变压器一次线圈401a的泄漏电感102a为L₁，变压器二次线圈401b的泄漏电感102b为L₂，二次线圈401b与一次线圈401a的匝数比为N，并且，电容器103为C。

如上所述，Lm和Cm是压电元件101的机械振动的等效电路常数。Lm是等效线圈301b的自感，并且Cm是等效电容器301c的电容。

与第一实施例类似，在串联共振频率fs与振动部件501的共振频率fm之间不存在完全的匹配的情况下，通过将fs设为在以下的范围中接近fm的值，可在fm附近获取交流电压Vo的平缓频率特性：

0.73*fm<fs<1.2*fm

在使用变压器的配置中，fs的计算表达式中的关于LC的系数根据电感器102和电容器103与变压器的一次侧和二次侧中的哪一侧连接而不同。配置可大致分成以下的四种类型。

(1)LC与变压器的一次侧连接的配置

(2)LC与变压器的二次侧连接的配置

(3)L和C分别与变压器的一次侧和变压器的二次侧连接的配置

(4)C和L分别与变压器的一次侧和变压器的二次侧连接的配置

在(1)和(2)中，涉及LC的系数为1。另一方面，系数在(3)中为N²*LC。这是由于，一次侧的L在被换算到二次侧时与变压器的匝数比N的平方对应。系数在(4)中为(1/N²)*LC。这是由于，一次侧的C在被换算到二次侧时与匝数比N的平方的倒数对应。如何确定电感器102和电容器103的值与第一实施例相同。换句话说，通过首先确定交流电压Vo的峰值频率fe，可以获取一个组合。

峰值频率fe被设为满足以下的关系：

fe<2*fd

这里，与第一实施例类似，振动部件501的驱动频率为fd。

(第二实施例的第一变型例子)

图17B示出第二实施例中的除尘装置的驱动电路的第一变型例子。在驱动电路的配置中，变压器401的二次线圈401b与压电元件101并联连接，并且，电感器102和电容器103与变压器一次线圈401a串联连接。在电感器102和电容器103与变压器一次线圈401a串联连接的情况下，可以实现除图17B所示的配置以外的其它配置。电感器102可与变压器401的一次侧连接，使得与电感器与二次侧连接的情况相比，可以使用具有小至1/N²的电感值的元件。在这种情况下，N是匝数比。电容器103可与变压器401的一次侧连接，使得与电容器与二次侧连接的情况相比，可以使用具有1/N的耐受电压的元件。串联共振频率fs可由表达式2-3表达：

$(2-3)---\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)$

这与表达式1-1相同，这里，电感器102的电感为L并且电容器103的电容为C。

fs可基本上与振动部件501的共振频率fm匹配。

(第二实施例的第二变型例子)

图17C示出第二实施例中的除尘装置的驱动电路的第二变型例子。在驱动电路的配置中，变压器401的二次线圈401b与压电元件101并联连接，并且，电容器103与变压器一次线圈401a串联连接，并且，电感器102与变压器二次线圈401b串联连接。电感器102可与变压器401的二次侧连接，使得与电感器与一次侧连接的情况相比，可以使用具有小至1/N的电流容许值的元件。在这种情况下，N是匝数比。串联共振频率fs可由表达式2-4表达：

$(2-4)---\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}/N^2}\right)$

这里，电感器102的电感是L并且电容器103的电容是C。

fs可基本上与振动部件501的共振频率fm匹配。

(第二实施例的第三变型例子)

图17D示出第二实施例中的除尘装置的驱动电路的第三变型例子。在驱动电路的配置中，变压器401的二次线圈401b与压电元件101并联连接，电感器102与变压器一次线圈401a串联连接，并且，电容器103与变压器二次线圈401b串联连接。电感器102可与变压器401的一次侧连接，使得与电感器与二次侧连接的情况相比，可以使用具有小至1/N²的电感的元件。电容器103可与变压器401的二次侧连接，使得与电容器与一次侧连接的情况相比，可以使用具有1/N²的电容的元件。这种情况下的串联共振频率fs可由表达式2-5表达：

$(2-5)---\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}\&CenterDot;N^2}\right)$

fs可基本上与振动部件501的共振频率fm匹配。

(第二实施例的第四变型例子)

图17E示出第二实施例中的除尘装置的驱动电路的第四变型例子。在驱动电路的配置中，变压器401的二次线圈401b与压电元件101并联连接，并且，电感器102和电容器103与变压器二次线圈401b串联连接。电感器102可与变压器401的二次侧连接，使得与电感器与一次侧连接的情况相比，可以使用具有小至1/N的电流容许值的元件。电容器103可与变压器401的二次侧连接，使得与电容器与一次侧连接的情况相比，可以使用具有1/N²的电容的元件。这种情况下的串联共振频率fs可由表达式2-6表达：

$(2-6)---\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)$

fs可与压电元件101的共振频率fm匹配。

(第三实施例)

以下将描述第三实施例。本实施例与第一实施例的不同在于在振动部件501中交替激励两个振动模式。振动部件501和驱动电路的配置与第一和第二实施例相同。控制设备中的指令单元中的频率信息和相位信息的设定与第一和第二实施例的不同，从而要被激励的振动可以是驻波振动。

(驻波振动和驱动方法)

图18A是示出要被施加到压电元件的交流电压的频率和在压电元件中出现的振动的振幅的示图。在这种情况下，f(m)是m次面外弯曲振动的共振频率，并且，f(m+1)是(m+1)次面外弯曲振动的共振频率。在图18A和图18B中，f(m)是将通过反相驱动激励的10次面外弯曲振动模式(第一振动模式)，并且，f(m+1)是将通过同相驱动激励的11次面外弯曲振动模式(第二振动模式)。根据本实施例，两个振动模式的驻波被交替激励，以去除粘附于作为弹性体的光学部件的表面上的灰尘。

尽管参照图7根据第一实施例进行描述，在本实施例中，同样，10次面外弯曲振动是第一振动模式(波形A(实线))，并且，11次面外弯曲振动是第二振动模式(波形B(虚线))。第一振动模式A和第二振动模式B是使振动部件501沿光学部件502的厚度方向弯曲变形的面外弯曲振动模式。第一振动模式A中的变形形状在左端和右端具有相反的相位(相位差为180°)。另一方面，第二振动模式B中的变形形状在左端和右端之间同相(相位差为0°)。换句话说，如果施加到压电元件101a和压电元件101b的交流电压之间的相位差被设为180°，则仅在共振状态下激励第一振动模式A。另一方面，如果相位差被设为0°，则第二振动模式B被激励。

图18B示出为了交替激励不同阶次的两个驻波振动而向压电元件施加的交流电压的例子。控制设备可以是图4所示的设备。交流电压Vo 1是向压电元件101a施加的电压波形，并且，交流电压Vo 2是向压电元件101b施加的电压波形。纵轴表示电压振幅，并且，横轴表示时间。

为了交替产生两个振动模式的振动，向压电元件101a和101b施加具有振动部件501的10次弯曲振动模式的固有频率附近的频率并具有180°的相位差的交流电压(反相驱动)。该交流电压的施加在振动部件501中激励10次弯曲振动模式。在将10次弯曲振动模式激励预定的时间段之后，接下来向压电元件101a和101b施加具有振动部件501的11次弯曲振动模式的固有频率附近的频率并具有0°的相位差的交流电压(同相驱动)。该交流电压的施加在振动部件501中激励11次弯曲振动模式。

当第一振动模式要被激励但交流电压之间的相位差由于诸如驱动电路的元件变化的影响而在误差容限内偏离180°时，如果第一振动模式振动在振动部件501中出现的振动中是支配性的，则相位差被视为180°。类似地，当第二振动模式要被激励但交流电压之间的相位差由于诸如驱动电路的元件变化的影响而在误差容限内偏离0°时，如果第二振动模式振动在振动部件501中出现的振动中是支配性的，则相位差被视为0°。

重复该驱动(反相驱动和同相驱动)可交替激励10次和11次面外弯曲振动模式中的振动。如图18B所示，用于驱动的交流电压Vo 1和Vo 2可在固有频率附近从高频率侧逐渐扫掠到低频率侧。振动部件501中的固有频率附近的交流电压的频率即使对于小的施加的电压仍可提供大的振幅，从而提高效率。

以这种方式，在振动部件501中产生第一振动模式中的振动可分离在第一振动模式中的振动的波腹位置处粘附于光学部件502上的灰尘。具体而言，当第一振动模式中的振动向灰尘施加大于等于粘附于光学部件502上的灰尘的粘附力的加速度时，灰尘与光学部件502分离。并且，在振动部件501中产生第二振动模式中的振动可分离在第一振动模式中的振动的节点附近粘附于光学部件502上的灰尘。不同阶次的驻波被激励，以通过导致两个驻波的节点在不同的位置处来防止在光学部件502中存在没有振幅的位置。

交流电压可仅被施加到压电元件101a和101b中的一个，以在除尘装置的振动部件501中激励面外弯曲振动的一个驻波。与本实施例类似，当要在不同阶次的振动模式中产生的振动以时间间隔偏移时，要在弹性体中设置的压电元件的数量不限于上述的两个，而可以为一个。在这种情况下，要被施加到压电元件上的交流电压的频率可在不设定相位差的情况下被扫掠以驱动。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这样的变更方式、等同的结构和功能。

Claims (36)

1.一种振动设备，包括：

振动部件，包括电气机械能量转换元件；以及

驱动电路，包括与电气机械能量转换元件串联连接的电容器和电感器；

其中驱动电路的参数被设置为使得：当电感器和电容器的串联共振频率由fs表示并且振动部件的共振频率由fm表示时，满足条件：0.73*fm<fs<1.2*fm。

2.根据权利要求1的设备，其中，如果fe表示施加到所述电气机械能量转换元件的交流电压的峰值频率，并且，fd表示所述振动部件的驱动频率，则满足条件fe<2*fd。

3.根据权利要求1的设备，其中，所述振动部件具有弹性体以及固定于弹性体的第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，并且，

带有具有如下这样的频率和不同的相位的波形的交流电压被施加到第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，具有该频率的交流电压在所述振动部件中产生重叠不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动的振动。

4.根据权利要求1的设备，其中，要在所述振动部件中产生的不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动以时间间隔偏移。

5.根据权利要求1的设备，其中，要施加到电气机械能量转换元件的交流电压的峰值频率fe不等于振动部件的共振频率fm。

6.根据权利要求1的设备，其中，当电感器的自电感和电容器的电容由L和C表示时，

7.根据权利要求1的设备，其中，当振动部件的等效线圈的自电感和振动部件的等效电容器的电容由Lm和Cm表示时， $\mathrm{fm}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LmCm}}\right).$

8.根据权利要求1的设备，其中，在所述振动部件中产生振动使所述振动部件上的粉末移动。

9.一种光学设备，包括根据权利要求1的振动设备、要由所述驱动电路驱动的振动部件、和设置在穿过所述振动部件的所述弹性体的光的入射位置处的光接收元件。

10.一种振动设备，包括：

振动部件，包括电气机械能量转换元件；以及

驱动电路，包括变压器、电感器和电容器；

其中，变压器包括一次线圈和二次线圈，并且与所述电气机械能量转换元件并联连接，其中交流电压被配置为施加到一次线圈；以及

其中电感器和电容器位于所述变压器的一次侧和二次侧中的至少一侧，以使得电感器和电容器与所述电气机械能量转换元件串联连接，

其中，驱动电路的参数被设置为使得：当电感器和电容器的串联共振频率由fs表示并且振动部件的共振频率由fm表示时，满足条件0.73*fm<fs<1.2*fm。

11.根据权利要求10的设备，其中，如果fe表示施加到所述电气机械能量转换元件的交流电压的峰值频率，并且，fd表示所述振动部件的驱动频率，则满足条件fe<2*fd。

12.根据权利要求10的设备，其中，所述振动部件具有弹性体以及固定于弹性体的第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，并且，

带有具有如下这样的频率和不同的相位的波形的交流电压被施加到第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，具有该频率的交流电压在所述振动部件中产生重叠不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动的振动。

13.根据权利要求10的设备，其中，要在所述振动部件中产生的不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动以时间间隔偏移。

14.根据权利要求10的设备，其中，要施加到电气机械能量转换元件的交流电压的峰值频率fe不等于振动部件的共振频率fm。

15.根据权利要求10的设备，其中，电感器包括一次线圈的泄漏电感和二次线圈的泄漏电感，以及

其中当一次线圈的泄漏电感、二次线圈的泄漏电感、二次线圈与一次线圈的匝数比率、以及电容器的电容由L1、L2、N和C表示时， $\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\{L_1+(L_2/N^2)\}C}\right),$ 以及

其中当振动部件的等效线圈的自电感和振动部件的等效电容器的电容由Lm和Cm表示时，

16.根据权利要求10的设备，其中，电感器和电容器连接到变压器的一次侧，

其中当电感器的电感和电容器的电容由L和C表示时， $\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}\right).$

17.根据权利要求10的设备，其中，电感器和电容器连接到变压器的二次侧，

其中当电感器的电感和电容器的电容由L和C表示时， $\mathrm{fs}=1/\left(2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}\right).$

18.根据权利要求10的设备，其中，电感器连接到变压器的一次侧并且电容器连接到变压器的二次侧，

其中当电感器的电感、电容器的电容、以及二次线圈与一次线圈的匝数比率由L、C和N表示时，

19.根据权利要求10的设备，其中，电感器连接到变压器的二次侧并且电容器连接到变压器的一次侧，

其中当电感器的电感、电容器的电容、以及二次线圈与一次线圈的匝数比率由L、C和N表示时，

20.根据权利要求10所述的设备，其中，在所述振动部件中产生振动使所述振动部件上的粉末移动。

21.一种光学设备，包括根据权利要求10的振动设备、要由所述驱动电路驱动的振动部件、和设置在穿过所述振动部件的所述弹性体的光的入射位置处的光接收元件。

22.一种驱动电路，被配置为驱动包括电气机械能量转换元件的振动部件，该驱动电路包括：

变压器，与所述电气机械能量转换元件并联连接，并且包括：

一次线圈，被配置为使得交流电压施加到该一次线圈；

二次线圈，与所述电气机械能量转换元件并联连接；以及

电感器，与一次线圈串联连接，以及

其中，驱动电路的参数被设置为使得当fe表示施加到所述电气机械能量转换元件的峰值电压的频率并且fd表示所述振动部件的驱动频率时，满足条件fe<2*fd。

23.根据权利要求22所述的驱动电路，还包括与所述电气机械能量转换元件并联连接的电阻器。

24.根据权利要求22所述的驱动电路，还包括与所述电气机械能量转换元件并联连接的电感器和电阻器。

25.根据权利要求22所述的驱动电路，其中，所述振动部件具有弹性体以及固定于弹性体的第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，并且，

带有具有如下这样的频率和不同的相位的波形的交流电压被施加到第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，具有该频率的交流电压在所述振动部件中产生重叠不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动的振动。

26.根据权利要求22所述的驱动电路，其中，要在所述振动部件中产生的不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动以时间间隔偏移。

27.根据权利要求22所述的驱动电路，其中，在所述振动部件中产生振动使所述振动部件上的粉末移动。

28.一种光学设备，包括根据权利要求22所述的驱动电路、要由所述驱动电路驱动的振动部件、和设置在穿过所述振动部件的所述弹性体的光的入射位置处的光接收元件。

29.一种振动设备，包括：

振动部件，包括电气机械能量转换元件；以及

驱动电路，包括：

变压器，与所述电气机械能量转换元件并联连接，并且包括：

一次线圈，被配置为使得交流电压施加到该一次线圈；

二次线圈，与所述电气机械能量转换元件并联连接；及

电感器，与一次线圈串联连接，以及

其中，驱动电路的参数被设置为使得当fe表示施加到所述电气机械能量转换元件的峰值电压的频率并且fd表示所述振动部件的驱动频率时，满足条件fe<2*fd。

30.根据权利要求29所述的设备，其中，电感器是变压器的泄漏电感。

31.根据权利要求29所述的设备，还包括与电气机械能量转换元件并联连接的电阻器。

32.根据权利要求29所述的设备，还包括与所述电气机械能量转换元件并联连接的电感器和电阻器。

33.根据权利要求29所述的设备，其中所述振动部件具有弹性体以及固定于弹性体的第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，并且，

带有具有如下这样的频率和不同的相位的波形的交流电压被施加到第一电气机械能量转换元件和第二电气机械能量转换元件，具有该频率的交流电压在所述振动部件中产生重叠不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动的振动。

34.根据权利要求29所述的设备，其中，要在所述振动部件中产生的不同阶次的第一振动模式的振动和第二振动模式的振动以时间间隔偏移。

35.根据权利要求29所述的设备，其中，在所述振动部件中产生振动使所述振动部件上的粉末移动。

36.一种光学设备，包括根据权利要求29所述的振动设备、要由所述驱动电路驱动的振动部件、和设置在穿过所述振动部件的所述弹性体的光的入射位置处的光接收元件。