KR20140075004A - 먼지 제거 디바이스 및 촬상 디바이스 - Google Patents

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Abstract

먼지 제거 디바이스(470)와, 먼지 제거 디바이스(470)를 이용하는 촬상 디바이스가 제공된다. 기부(501)에 설치될 먼지 제거 디바이스(470)에서는, 압전 재료(431) 및 한 쌍의 대향하는 전극(432, 433)으로 이루어지는 압전 소자(430)와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하고, 압전 재료(431)의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃로 설정되고, 상기 먼지 제거 디바이스(470)는 적절하게 설계 및 제어될 수 있으며, 저온에서도 높은 먼지 제거 성능이 얻어질 수 있다.

Description

먼지 제거 디바이스 및 촬상 디바이스{DUST REMOVING DEVICE AND IMAGING DEVICE}
본 발명은 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 디바이스 및 촬상 디바이스에 포함되는 광학 부품의 표면에 부착되는 먼지의 제거에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 먼지를 진동의 적용에 의해 제거하는 먼지 제거 디바이스에 관한 것이다.
화상 신호를 전기 신호로 변환해서 촬상하는 디지털 카메라 등의 촬상 디바이스에서는, 촬영 광속을 전하 결합 디바이스(CCD)나 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 등의 촬상 소자에서 수광한다. 그리고, 촬상 소자로부터 출력되는 광전 변환 신호를 화상 데이터로 변환하고, 화상 데이터를 메모리 카드 등의 기록 매체에 기록한다. 이러한 촬상 디바이스에서는, 촬상 소자의 전방(피사체측)에 광학 로우패스 필터 및 적외선 차단 필터가 배치된다.
이러한 종류의 촬상 디바이스에서, 촬상 소자의 커버 글래스나 이들 필터의 표면에 먼지가 부착되면, 그 먼지가 촬영 화상에 검은 점으로 나타난다. 특히, 교환가능한 렌즈를 포함하는 일안 리플렉스 디지털 카메라에서는, 렌즈 교환 시에 먼지가 렌즈 마운트의 개구를 통해 디지털 카메라 본체에 들어가서 촬상 소자의 커버 글래스나 필터의 표면에 부착될 수 있다.
전술한 관점에서, 압전 소자의 진동을 이용하여, 표면에 부착된 먼지를 제거하는 먼지 제거 디바이스를 포함하는 디지털 카메라가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에 개시된 디지털 카메라에 포함되는 먼지 제거 디바이스에서는, 진동 부재(특허문헌 1의 방진 필터)에 고착된 압전 소자에 소정 주파수의 교류 전압을 인가하여 압전 소자를 구동해서, 진동 부재를 광축 방향, 즉 진동 부재의 두께 방향으로 변위시키는 탄성 진동(이하, 굽힘 진동(flexural vibration)으로 정의한다)을 발생시킨다. 특허문헌 1의 먼지 제거 디바이스는 이와 같이 생성된 굽힘 진동의 적용을 통해 진동 부재의 표면에 부착된 먼지를 제거한다.
이러한 구성을 갖는 특허문헌 1의 디지털 카메라에서는, 진동 부재의 전면 측이, 일단부가 나사에 의해 카메라 본체(촬상 디바이스)에 고정된 가압 부재에 의해 보유 지지되고, 진동 부재의 배면 측이, 카메라 본체(촬상 디바이스)에 배치된 시일에 의해 보유 지지된다. 진동 부재의 배면 측에는, 진동 부재와 시일과 카메라 본체에 의해 기밀 상태가 확보되기 때문에(먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간이 형성되어 있기 때문에), 진동 부재의 전면 측의 먼지만 제거할 수 있으면, 촬상 화상에 먼지가 투영되지 않는다.
이 경우에, 진동 부재는 가압 부재로부터의 가압력으로 시일에 대해 가압된다. 스프링용 인 청동이나 스프링용 스테인레스 강의 판재로 형성되는 가압 부재는 굽힘의 강성이 높고, 고무 재료로 형성되는 시일은 굽힘의 강성이 낮으므로, 압력이나 외력(관성력 등)으로 시일이 변형된다.
또한, 가압 부재와 진동 부재의 사이에는 가압 부재에 접착된 수용 부재가 개재되고, 이 수용 부재가 위치 결정 부재를 개재해서 진동 부재를 수용하여 광축에 수직한 면 내에서 진동 부재를 위치 결정한다. 이 수용 부재 및 위치 결정 부재는 고무 및 수지 등의 진동 감쇠성이 있는 재료로 형성된다.
또한, 수용부는 진동 부재의 배면 측에 설치된다. 고무 혹은 연질의 수지 등으로 형성되는 진동 감쇠성이 있는 수용부의 강성은 시일의 강성보다 높으므로, 소정 압력 또는 그 이상의 진동 부재에 대하여 시일의 변형을 억제할 수 있다.
그런데, 이 수용부는 굽힘 진동이 거의 발생하지 않는 진동 부재의 마디(node)를 지지하도록 배치되어 진동 부재의 진동을 저해하지 않는다.
진동 부재에 고착된 압전 소자는, 압전 소자에 소정 주파수의 교류 전압을 인가하기 위한 플렉시블 프린트 기판이 전기적으로 접속되어 있고, 이 접속은 일반적으로 이방성 도전막(ACF)이나 수지에 의한 접착에 의해 행해진다.
이렇게, 먼지 제거 디바이스는 촬상 디바이스 혹은 카메라 본체 등의 기부에 먼지 제거 디바이스를 설치하기 위한 고정 부재가 필요하다. 고정 부재는 기부에 과잉 진동을 전달하지 않도록 제진 성능을 그 기능으로서 요구한다. 한편, 특허문헌 1에서의 일련의 구성에 나타나 있는 바와 같이, 고정 부재는 진동 부재의 진동을 현저하게 저해하여, 먼지 제거 효과를 저하시키는 측면을 갖는다. 이 때문에, 고정 부재에는 고무나 수지 등의 연질의 고분자 화합물 재료가 이용된다.
또한, 먼지 제거 디바이스에서는, 압전 소자와 진동 부재의 고착과, 압전 소자와 플렉시블 프린트 기판의 접착에도 수지 등의 연질 재료가 이용된다.
특허문헌 1의 압전 소자는 링 형상 또는 직사각형 형상의 판 형상이며, 압전 재료와, 서로 대향하는 한 쌍의 전극을 포함한다. 한 쌍의 전극은 압전 재료의 판면에 배치된 제1 전극과 제2 전극을 포함한다. 제1 전극은 하부 전극이라고도 불리며, 제2 전극은 상부 전극이라고도 불린다. 여기에서, 전극 사이에 인가되는 전계에 의해 압전 재료에 신축 왜곡(distortion)이 발생하고, 이는 진동 부재의 광축에 대한 수직 방향, 즉 압전 소자의 두께 방향에 대한 수직 방향(이하, 길이 방향으로 정의한다)에서의 특허문헌 1의 압전 소자의 변위를 야기하는 탄성 진동(이하, 길이 진동으로 정의한다)을 발생시킨다. 이 압전 소자의 길이 진동에 의해, 압전 소자와 압전 소자에 고착된 진동 부재의 사이에 응력이 발생하여, 진동 부재에 굽힘 진동을 발생시킨다.
진동 부재에서는, 압전 소자에 인가되는 전압은 주파수나 위상이 제어되어서, 진동 모드로 지칭되는, 복수의 마디부 및 배부를 갖는 다차(multiple orders)의 정재파, 또는 마디부 및 배부(antinode portion)를 가지며, 시간에 대하여 진동 부재의 길이 방향으로 이동하는 진행파를 진동 부재의 굽힘 진동에 의해 생성할 수 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에 개시된 디지털 카메라에 포함된 먼지 제거 디바이스에서는, 한 쌍의 압전 소자에 인가하는 전압의 위상을 제어함으로써, 복수의 진동 모드를 발생시키고, 복수의 진동 모드를 효과적으로 선택하여 사용하여, 진동 부재의 표면에 부착된 먼지를 효과적으로 제거할 수 있다.
여기에서, 특허문헌 1의 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수를 진동 부재의 공진 주파수 근방으로 함으로써, 압전 소자에 작은 전압을 인가해도 진동 부재에 큰 굽힘 진동을 발생시킬 수 있다.
또한, 특허문헌 1의 먼지 제거 디바이스는, 공진 주파수 근방의 주파수 대역을 스위프(sweep)함으로써, 먼지 제거 디바이스의 개체 변동 및 온도에 대한 주파수의 변동에 대하여도 문제없이 먼지를 제거할 수 있는 구성으로 되어 있다. 특허문헌 1에 따르면, 압전 소자를 진동시키는 주파수는 압전 소자와, 진동 부재로 구성된 진동자의 형상, 치수, 재질 및 지지 상태에 따라서 결정되고, 통상적으로, 온도는 진동자의 탄성률에 영향을 주고, 그 공진 주파수를 변화시키는 하나의 요인이다. 이렇게, 온도는 진동자 및 먼지 제거 디바이스의 공진 주파수를 변화시키는 하나의 요인이다.
압전 소자의 길이 진동의 크기는, 압전 세라믹스의 압전 횡효과에 기인한 압전 변위의 크기와 밀접하게 관련되어서, 압전 특성이 우수한 압전 소자가 선택된다.
한편, 현재 각종 디바이스에 이용되는 압전 소자에는, 납을 함유하는 지르콘산 티탄산 납(PZT: PbZr1 - xTixO3)과 같이 납을 다량으로 함유하는 압전 재료가 많이 이용되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1의 압전 소자는 지르콘산 티탄산 납을 이용한다. 그러나, 납을 다량으로 함유하는 지르콘산 티탄산 납으로 구성되는 그러한 압전 소자는, 예를 들어 압전 소자가 일단 폐기되어 산성 비에 노출되는 경우, 압전 재료 내의 납 성분이 토양에 스며들기 때문에 생태계에 해를 미칠 수 있음이 지적되었다. 이러한 관점에서, 최근, 환경을 배려하기 위해서, 또한, 각종 제품에서의 납의 사용을 규제하는 법령에 대응하기 위해서, 납을 함유하지 않거나, 최소한의 납을 함유하는 압전 재료(비납 압전 재료)와, 그의 제품 개발이 연구되고 검토되고 있다. 그러나, 각종 특성이 지르콘산 티탄산 납에 필적하는 우수한 비납 압전 재료의 실현에는 아직 이르고 있지 않고, 지르콘산 티탄산 납과 동등한 성능을 갖는 비납 압전 재료를 이용한 디바이스가 제품화되어 있는 예는 아직 소수에 불과하다.
일본 특허 제04790056호 공보
이와나미 이화학 사전 제5판(이와나미 서점, 1998년 2월 20일 발행)
전술한 바와 같이, 특허문헌 1의 디지털 카메라에 설치된 먼지 제거 디바이스는 압전 소자에 길이 진동을 발생시킴으로써 진동 부재에 굽힘 진동을 발생시킬 수 있어, 그 굽힘 진동에 의해 진동 부재의 표면에 부착된 먼지를 제거한다.
그러나, 압전 소자에 발생시키는 진동이 길이 진동이기 때문에, 진동 부재 및 압전 소자 전체가 소정의 진동 모드에서 굽힘 진동을 겪게 된다. 이 때문에, 먼지 제거 디바이스를 촬상 디바이스 혹은 카메라 본체 등의 기부에 설치하기 위한 고정 부재가 필요하다. 고정 부재는 기부에 과잉 진동을 전달하지 않도록 제진 성능이 그 기능으로서 필요하다. 한편, 고정 부재는 진동 부재의 진동을 현저하게 저해해서, 먼지의 제거 효과를 저하시키는 측면을 갖는다. 이 때문에, 고정 부재에는 진동 부재의 진동을 현저하게 저해하지 않도록 고무나 수지 등의 고분자 화합물 재료가 이용된다.
또한, 먼지 제거 디바이스에서는, 압전 소자와 진동 부재의 고착과, 압전 소자와 플렉시블 프린트 기판의 접착에도 수지 등의 연질의 고분자 화합물 재료가 이용된다.
일반적으로, 진동 부재의 진동을 저해하지 않고, 촬상 디바이스 혹은 카메라 본체 등의 기부에 과잉 진동을 전달하지 않는 부재, 즉 제진 성능이 가장 뛰어난 부재는 저온 영역에서 글래스 전이 온도를 갖는 고무 형상 수지이다. 그러나, 이러한 재료는 일반적으로 실온 부근에서 글래스 전이 온도를 가지기 때문에, 온도의 저하에 따라 재료가 현저하게 경화하여, 재료의 탄성률이 증대한다. 그러므로, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은 종래의 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 높아져서, 상정된 사용 온도에서 문제없이 먼지 제거할 수 있도록, 먼지 제거 디바이스의 스위핑 주파수 대역을 미리 넓혀 둘 필요가 있다. 또한, 이와 같이 스위핑 주파수 대역을 미리 넓혀 두어야 하는 문제를 회피하기 위해서, 저온 영역에서 다른 탄성 진동을 이용해서 먼지를 제거할 필요가 있다. 따라서, 먼지 제거 디바이스를 적절하게 설계하거나 제어하는 것이 곤란하다.
또한, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은 종래의 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라 재료가 현저하게 경화하여 진동 부재의 진동을 현저하게 저해하기 때문에, 온도의 저하에 따라 진동 부재의 진폭이 작아져서 먼지 제거 성능이 저하하는 과제가 있다.
특히, 직사각형 형상의 먼지 제거 디바이스에서는, 하나의 진동 모드에서 먼지를 제거하는 경우에도, 고정 부재는 진동 부재의 마디 이외의 부위에 접하는 것을 피할 수 없다. 이 때문에, 원형 형상의 먼지 제거 디바이스와 비교해서, 먼지 제거 디바이스를 적절하게 설계 및 제어하고, 저온에서 높은 먼지 제거 성능을 유지하는 것이 더욱 곤란하다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 적절하게 설계하고 제어하는 것이 가능해서, 저온에서도 높은 먼지 제거 성능을 갖는 먼지 제거 디바이스 및 그러한 먼지 제거 디바이스를 이용한 촬상 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 압전 재료 및 한 쌍의 대향하는 전극을 포함하는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하는, 기부 상에 설치되는 먼지 제거 디바이스이며, 상기 압전 재료의 제1 강유전 결정상(ferroelectric crystal phase)으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃인 먼지 제거 디바이스가 제공된다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 촬상 소자 유닛과 기부 상에 설치되는 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 디바이스로서, 상기 먼지 제거 디바이스는, 압전 재료 및 한 쌍의 대향하는 전극을 포함하는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하고, 상기 압전 재료의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃이며, 상기 먼지 제거 디바이스의 진동 부재와, 상기 촬상 소자 유닛의 수광면이 동일 축 상에 순서대로 제공되는 촬상 디바이스 또한 제공된다.
본 발명에 따르면, 적절하게 설계하고 제어하는 것이 가능한 먼지 제거 디바이스 및 그러한 먼지 제거 디바이스를 이용한 촬상 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 저온에서도 높은 먼지 제거 성능을 갖는 먼지 제거 디바이스 및 그러한 먼지 제거 디바이스를 이용한 촬상 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 예시적인 실시형태의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명의 압전 소자의 일례를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 압전 소자의 진동 원리의 일례를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 먼지 제거 디바이스의 일례를 도시하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 먼지 제거 디바이스의 일례를 도시하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 먼지 제거 디바이스의 진동 원리를 나타내는 모식도.
도 6a 및 도 6b는 종래의 압전 재료의 비유전율과 공진 주파수의 예를 각각 도시하는 그래프.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 압전 재료의 비유전율과 공진 주파수의 예를 각각 도시하는 그래프.
도 8은 본 발명의 촬상 디바이스의 일례를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 촬상 디바이스의 일례를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 촬상 디바이스의 촬상 유닛의 구성의 일례를 도시하는 분해 사시도.
도 11은 도 9의 11-11 선을 따른 단면도.
도 12는 본 발명의 먼지 제거 디바이스의 전기적 구성의 일례를 도시하는 블록도
도 13은 본 발명의 촬상 디바이스의 먼지 제거 디바이스의 구성의 일례를 도시하는 분해 사시도.
도 14는 본 발명의 촬상 디바이스의 먼지 제거 디바이스의 일례를 도시하는 도면.
도 15는 실시예 1, 비교예 1 및 2의 압전 소자의 압전 정수 d31의 온도 의존성을 도시하는 도면.
도 16은 실시예 1, 비교예 1 및 2의 압전 소자의 탄성 정수 Y11의 온도 의존성을 도시하는 도면.
도 17은 실시예 1, 비교예 1 및 2의 압전 소자의 공진 주파수의 온도 의존성을 도시하는 도면.
도 18은 실시예 31, 비교예 3 및 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 공진 주파수의 온도 의존성을 도시하는 도면.
도 19는 실시예 31, 비교예 3 및 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 기계적 어드미턴스의 온도 의존성을 도시하는 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 실시형태에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 먼지 제거 디바이스는, 기부에 설치하는 먼지 제거 디바이스로서, 압전 재료와 한 쌍의 대향하는 전극에 의해 구성되는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하고, 상기 압전 재료의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃이다.
본 발명에 따른 촬상 디바이스는, 촬상 소자 유닛과, 기부에 설치하는 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 디바이스로서, 상기 먼지 제거 디바이스는, 압전 재료와 한 쌍의 대향하는 전극에 의해 구성되는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하고, 상기 압전 재료의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃이며, 상기 먼지 제거 디바이스의 진동 부재와 상기 촬상 소자 유닛의 수광면을 동일 축 상에 순서대로 마련한다.
우선, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 먼지 제거 디바이스에 대해서 설명한다.
도 1의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 먼지 제거 디바이스의 압전 소자(430)의 일례를 도시하는 도면이다. 압전 소자(430)는 압전 재료(431)와, 제1 전극(432)과, 제2 전극(433)으로 구성되며, 제1 전극(432)과 제2 전극(433)은 압전 재료(431)의 판면에 대향하도록 배치된다. 도 1의 (c)의 전방측에 도시된 제1 전극(432)이 설치된 압전 소자(430)의 면이 제1 전극면(436)이다. 도 1의 (a)의 전방측에 도시된 제2 전극(433)이 설치된 압전 소자(430)의 면이 제2 전극면(437)이다. 이 경우에, 본 발명에서의 전극면은 전극이 설치되어 있는 압전 소자의 면을 가리키고, 예를 들면 도 1의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 전극(432)이 구부려져 제2 전극면(437)을 부분적으로 커버할 수 있다. 또한, 제2 전극면(437)에 센싱용으로 이용되는 제3 전극 등이 있을 수 있다. 이후의 도면에서, 도 1의 (a) 내지 (c)와 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 먼지 제거 디바이스의 압전 소자(430)의 동작 원리의 일례를 도시하는 도면이다. 압전 소자(430)는 압전 재료(431)가 제1 전극면(436)에 수직한 방향으로 미리 분극되는 방식으로 설계되어, 전원으로부터 제1 전극(432) 및 제2 전극(433)으로 고주파수의 전압이 인가된다. 압전 소자(430)에서는, 전계 방향(435)의 화살표가 나타내는 방향에 발생하는 교번 전계에 의해 발생되는 압전 재료(431)의 길이 왜곡에 의해, 압전 소자(430)의 길이 방향으로 길이 진동이 발생한다. 압전 소자의 길이 진동의 크기는 압전 세라믹스의 압전 횡효과에 기인한 압전 변위의 크기와 밀접하게 관련되어 있다. 참조 부호 434는 분극 방향을 나타낸다는 점에 유의한다.
제1 전극(432)과 제2 전극(433)은, 두께 5㎚ 내지 5,000㎚ 정도의 도전층으로 각각 형성된다. 도전층의 재료는 특별히 한정되지 않고, 압전 소자에 통상 이용되어 재료이면 된다. 그러한 재료의 예는, Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, Ni, Pd, Ag, Cu 등의 금속 및 이들의 화합물을 포함한다.
제1 전극(432)과 제2 전극(433)은 각각 상기 재료들 중 하나로 구성되거나, 2 이상을 적층하여 구성될 수도 있다. 제1 전극(432)과 제2 전극(433)은 각각 상이한 재료로 구성될 수도 있다.
도 3과 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)의 일례를 도시한 개략도이다.
먼지 제거 디바이스(470)는 진동 부재(410), 압전 소자에 접속되는 플렉시블 프린트 기판(420), 압전 소자(430), 밀폐 부재(450)로 지칭되는 고정 부재를 포함하고, 기부(501)에 설치된다.
압전 소자(430)와 진동 부재(410)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 압전 소자(430)의 제1 전극면(436)을 통해 진동 부재(410)의 판면에 고착된다. 또한, 압전 소자(430)의 제2 전극면(437)의 일부에는 플렉시블 프린트 기판(420)이 전기적으로 접속되어, 압전 소자(430)에 전원으로부터 교류 전압을 인가할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)의 진동 원리의 일례를 나타내는 모식도이다. 편의상, 도 5a 및 도 5b에는 압전 소자(430)와 진동 부재(410)만 도시하고 있다. 도 5a는 좌우 한 쌍의 압전 소자(430)에 동상(in-phase)의 교류 전압을 인가하여, 진동 부재(410)에 정재파의 굽힘 진동을 발생시킨 상태를 나타내고 있다. 좌우 한 쌍의 압전 소자(430)에서는, 압전 재료(431)의 분극이 압전 소자(430)의 두께 방향과 동일한 방향을 갖고, 먼지 제거 디바이스(470)는 7차의 진동 모드로 구동되고 있다. 여기에서, 본 발명의 진동 모드는 진동 부재의 굽힘 진동에 의해 발생할 수 있는 복수의 마디 및 배를 갖는 다차의 정재파와, 마디부 및 배가 시간에 대하여 진동 부재(410)의 길이 방향으로 이동하는 진행파를 가리킨다.
도 5b는 좌우 한 쌍의 압전 소자(430)에 위상이 180°반대인 역상(reverse phase)의 교류 전압을 플렉시블 프린트 기판(420)을 개재해서 인가하여, 진동 부재(410)에 정재파의 굽힘 진동을 발생시킨 상태를 나타내고 있다. 좌우 한 쌍의 압전 소자(430)에서는, 압전 재료(431)의 분극이 압전 소자(430)의 두께 방향과 동일한 방향을 갖고, 먼지 제거 디바이스(470)는 6차의 진동 모드로 구동되고 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 먼지 제거 디바이스(470)는 적어도 2개의 상이한 진동 모드를 효과적으로 이용하여 진동 부재(410)의 표면에 부착된 먼지를 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
그러나, 본 발명의 먼지 제거 디바이스는 이러한 진동 모드만으로 구동되는 것은 아니다. 본 발명의 먼지 제거 디바이스는, 압전 재료와 한 쌍의 대향하는 전극으로 구성되는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하고 있으면 된다. 예를 들면, 하나의 압전 소자(430)가 진동 부재(410)에 구비되어 있으면 되고, 또한 좌우 한 쌍의 압전 소자(430)에서는, 압전 재료(431)의 분극 방향이 압전 소자(430)의 두께 방향과 동일할 필요는 없다. 또한, 전술한 6차 또는 7차의 진동 모드 대신에, 18차 또는 19차의 진동 모드 등 다른 진동 모드를 이용해도 된다. 또한, 3 종류 이상의 진동 모드를 이용해도 된다. 도 5a 및 도 5b에서는 정재파의 진동 모드를 이용한 진동 원리를 나타냈지만, 임의의 위상 및 임의의 주파수를 제어하고, 정재파 대신에 진행파를 이용한 진동 모드를 이용해도 된다. 그러나, 먼지 제거 디바이스(470)가 불쾌한 소리를 발생시키는 것을 방지하기 위해, 진동 부재(410)에 발생되는 굽힘 진동의 공진 주파수가 가청 영역 이외로 되도록 하는 고유 모드를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 압전 소자(430) 및 진동 부재(410)는 먼지 제거 디바이스(470)의 기계적 품질 계수 Qm을 손상시키지 않는 것을 선택하는 것이 바람직하다. 여기에서, 기계적 품질 계수 Qm은 압전 소자 및 먼지 제거 디바이스를 진동자로서 평가했을 때에 진동에 의한 탄성 손실을 나타내는 계수이며, 기계적 품질 계수의 크기는 임피던스 측정에서의 공진 곡선의 가파름(steepness)으로서 관찰된다. 구체적으로, 기계적 품질 계수의 크기는 압전 소자(430)의 공진의 날카로움(sharpness)을 나타내는 정수이다. 기계적 품질 계수 Qm이 커지면, 공진 주파수 부근에서 진동 부재(410)의 굽힘 진동이 더 커지고, 그 결과, 효과적으로 먼지를 제거할 수 있는 먼지 제거 디바이스(470)를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 진동 부재(410)로서, 진동 부재의 표면에 부착된 먼지를 제거하는 기능을 갖는 한, 어떤 진동 부재라도 이용될 수 있다. 그러나, 가능한 한 기계 품질 계수가 높은 부재를 선택하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 본 발명의 압전 소자(430)로서, 가능한 한 기계 품질 계수가 높은 부재를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 압전 소자(430)의 표면이 먼지가 쉽게 부착되지 않는 물질로 코팅될 수 있거나, 또는 표면을 도전성으로 처리하여, 정전기에 의해 먼지가 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 그러한 처리를 실시하지 않아도 된다는 점에 유의한다.
본 발명의 먼지 제거 디바이스에서는, 압전 소자(430)에 발생되는 진동이 길이 진동이기 때문에, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 진동 부재(410) 및 압전 소자(430) 전체가 소정의 진동 모드에서 굽힘 진동된다. 이 때문에, 촬상 디바이스 혹은 카메라 본체 등의 기부(501)에 먼지 제거 디바이스를 설치하기 위해서는 고정 부재가 필요하다. 고정 부재는, 기부(501)에 과잉 진동을 전달하지 않도록 진동 감쇠성이 그 기능으로서 필요하다. 한편, 고정 부재는 진동 부재(410)의 진동을 저해하여, 먼지의 제거 효과를 저하시키는 측면을 갖는다. 이 때문에, 고정 부재가 진동 부재(410)의 진동을 저해하지 않도록 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 재료를 고정 부재에 이용한다.
여기에서, 본 발명의 고분자 화합물은, 분자량이 약 10,000 이상의 단량체의 반복 구조를 갖는 고형의 중합체이며, 그 중합체의 예는, 천연 고무, 합성 고무, 합성 수지, 합성 섬유를 포함한다. 이들 재료는 금속 및 세라믹보다 탄성률이 작기 때문에 제진 성능에 뛰어나서, 진동 부재(410)의 진동을 현저하게 저해하지 않는다.
고정 부재로서 밀폐 부재(450)만을 제공할 필요는 없지만, 본 발명의 먼지 제거 디바이스에 먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간을 진동 부재(410)와 기부(501)의 사이에 형성하고 있는 것이 바람직하다. 이는, 진동 부재(410)가, 예를 들면 투명한 광학 재료로 구성되는 경우, 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)의 진동 부재(410)의 전면 측의 먼지를 제거하기만 하면, 진동 부재(410)에는 먼지가 부착되지 않기 때문이다. 따라서, 밀폐 부재(450)와 같은 밀폐 공간을 형성할 수 있는 부재를 구비하는 것이 바람직하다. 그러나, 밀폐 부재(450)가 반드시 하나의 부재만으로 형성될 필요는 없다.
압전 소자(430)와 진동 부재(410)는, 수지에 의한 접착, 예를 들면 에폭시 수지계 접착제 등의 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 재료에 의해 서로 고착될 수 있다. 먼지 제거 디바이스(470)의 사용 온도 범위에서의 접착성을 손상하지 않는 접착제를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 진동 부재(410)에 발생하는 굽힘 진동을 손상하지 않는 접착제를 선택하는 것이 바람직하다. 따라서, 먼지 제거 디바이스(470)의 기계적 품질 계수 Qm을 손상하지 않는 접착제를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 압전 소자(430)는 이미 분극되었기 때문에, 접착 온도는 압전 재료(431)의 퀴리 온도 혹은 탈분극 온도 미만인 것이 바람직하다.
압전 소자(430)와 플렉시블 프린트 기판(420)은, 이방성 도전막(ACF)이나 수지에 의한 접착, 예를 들면 도전성 접착제 등의 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 재료에 의해 서로 고착될 수 있다. 먼지 제거 디바이스(470)의 사용 온도 범위에서의 접착성을 손상하지 않는 접착제를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 진동 부재(410)에 발생하는 굽힘 진동을 손상하지 않는 접착제를 선택하는 것이 바람직하다. 따라서, 먼지 제거 디바이스(470)의 기계적 품질 계수 Qm을 손상하지 않는 접착제를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 압전 소자(430)는 이미 분극되었기 때문에, 접착 온도는 압전 재료(431)의 퀴리 온도 혹은 탈분극 온도 미만인 것이 바람직하다.
본 발명의 먼지 제거 디바이스는 압전 재료(431)와 한 쌍의 대향하는 전극으로 구성되는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함한다. 따라서, 압전 소자(430)는 반드시 플렉시블 프린트 기판(420)에 전기적으로 접속될 필요는 없고, 예를 들면, 리드 선을 이용한 은 페이스트 접속 등의 다른 방법으로 전기적으로 접속되어도 된다.
본 발명의 압전 재료(431)는 강유전성 물질이며, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃이다. 강유전성 물질은 외부 전계가 없어도 전기 쌍극자가 자발적으로 정렬되고, 쌍극자의 방향이 전계에 의해 변화할 수 있는 유전성 물질을 가리킨다. 또한, 강유전성 물질은 전계를 인가하면 물질이 변형되는 역압전 효과도 나타낸다.
대표적인 강유전성 물질은, 예를 들면, 수정(SiO2), 니오브산 리튬(LiNbO3), 니오브산 칼륨(KNbO3), 니오브산 칼륨 나트륨(KNaNbO3), 티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산 납(PbTiO3), 지르콘산 티탄산 납(PbZrTiO3), 메타니오브산 납(PbNb2O6), 산화 아연(ZnO) 등을 주성분으로 포함하는 물질이다. 예를 들면, (LaPbZrTiO3), (LiKNaNbO3), (BaCaTiZrO3) 등도 대표적이다.
본 발명의 강유전성 물질은 이들 물질에 한정되는 것은 아니고, 외부 전계가 없어도 전기 쌍극자가 자발적으로 정렬되고, 쌍극자의 방향이 전계에 의해 변화할 수 있는 유전체 물질이기만 하면 된다. 이러한 재료는, 소여 타워 회로(Sawyer-Tower circuit)에 의한 자발 분극과 항전계의 P-E 히스테리시스 평가에 의해 간단하게 평가할 수 있다.
본 발명의 강유전 결정상은 결정 격자로 지칭되는 7종류의 결정계 중, 삼사정(triclinic), 단사정(monoclinic), 사방정(orthorhombic), 육방정(hexagonal), 삼방정(trigonal) 혹은 능방정(rhombohedral) 및 정방정(tetragonal)의 6개의 결정계 중 하나에 속하는 강유전성 물질을 가리킨다.
본 발명의 압전 재료(431)는 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃인 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 압전 재료(431)는, 하나의 강유전 결정상으로부터 다른 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 적어도 -60℃≤T≤-5℃의 범위에 존재하는 재료이다. 여기에서, 제1 강유전 결정상과 제2 강유전 결정상은 7종류의 결정계 중 상이한 2개의 결정계를 가리키고, 제1 강유전 결정상과 제2 강유전 결정상은, 제1 강유전 결정상이 제2 강유전 결정상보다 높은 온도에서 나타나는 결정상으로 정의한다.
상 전이 온도 T는, 예를 들면 미소 교류 전계를 이용해서 측정 온도를 바꾸면서 압전 소자(430)의 유전율을 측정하고, 유전율이 극대를 나타내는 온도를 결정하여 구할 수 있다. 또한, 상 전이 온도 T는 X선 회절이나 라만 분광을 이용해서 측정 온도를 바꾸면서, 압전 소자(430) 혹은 압전 재료(431)의 결정상이 변화하는 온도로부터 구할 수도 있다. 압전 소자(430) 혹은 압전 재료(431)의 온도가, 온도가 측정 환경 온도에 도달하는 충분한 시간 동안 측정 환경 온도로 유지되면, 관측되는 상 전이 온도 T는 상기 언급한 방법 양쪽 모두에서 동일하게 된다. 측정의 간편함과 재현성의 관점에서, 미소 교류 전계를 이용해서 측정 온도를 바꾸면서 압전 소자(430)의 유전율을 측정하는 방법이 바람직하다는 점에 유의한다. 일반적으로, 강유전성 재료에서는, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도)와, 제2 강유전 결정상으로부터 제1 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(승온 시의 상 전이 온도) 사이에 약간의 온도 차이가 있다. 그러나, 본 발명의 상 전이 온도 T는 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도, 즉 강온 시의 상 전이 온도이다.
상 전이 온도 T는 압전 소자(430)의 분극 전후 어느 때에 평가해도 되지만, 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)는 분극된 압전 소자(430)를 포함하기 때문에, 압전 소자(430)를 분극한 후에 상 전이 온도 T를 평가하는 것이 바람직하다. 압전 소자(430)의 분극은, 예를 들면 공진-반공진법에 의해 압전 소자(430)의 길이 진동이 발생하는지의 여부를 평가함으로써 확인할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는, 종래의 압전 재료의 일례로서, 대표적인 강유전성 물질인 티탄산 바륨 압전 소자의 1㎑에서의 비유전율과, 길이 방향으로 길이 진동이 발생되는 공진 주파수를 각각 나타낸다. 마찬가지로, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 압전 재료(431)의 1㎑에서의 비유전율과, 길이 방향으로 길이 진동이 발생하는 공진 주파수를 각각 나타낸다. 압전 소자의 치수는 10×2.5×0.5㎜이다. 도 6a, 도 6b, 및 도 7a, 도 7b는 모두 30℃에서 측정을 개시해서 승온, 강온, 30℃까지 승온의 순서로 온도를 변화시키면서 구한 측정한 결과이다. 측정은 항온조 내에서 행하고, 이 항온조를 각각의 온도에서 일정 시간 유지한다. 그 후에, 온도가 안정하게 된 후에 각 온도에서의 유전율, 공진 주파수를 평가한다. 도 6a, 도 6b, 및 도 7a, 도 7b에서는, 온도에 대한 유전율, 공진 주파수의 변화가 승온 시와 강온 시에 상이한 방식으로 변한다. 이는, 강유전성 재료가, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도)와, 제2 강유전 결정상으로부터 제1 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(승온 시의 상 전이 온도) 사이에 약간의 온도 차이가 있기 때문이다. 여기에서, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도)와, 제2 강유전 결정상으로부터 제1 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(승온 시의 상 전이 온도)를 비교하면, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도) 가 낮다.
도 6a, 도 6b, 및 도 7a, 도 7b로부터, 티탄산 바륨은 5℃ 부근에서 상 전이 온도 T를 갖고, 본 발명의 압전 재료(431)는 -25℃ 부근에서 상 전이 온도 T를 갖는 것을 안다. 또한, 압전 소자의 공진 주파수는 상 전이 온도 T 부근에서 극소가 되는 것을 안다. 마찬가지로, 종래의 압전 소자의 일례로서, 지르콘산 티탄산 납을 평가했지만, 적어도 -60℃ 내지 50℃의 범위에는 상 전이 온도 T는 없고, 마찬가지로 공진 주파수가 극소로 되는 온도는 존재하지 않았다.
예의 검토(extensive study)의 결과, 이들 종래의 압전 재료를 포함하는 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라, 후술하는 바와 같이 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 높아져서, 특히, -5℃로부터 -30℃의 온도에서 구동 주파수의 증가가 현저한 것을 알았다. 일반적으로, 먼지 제거 디바이스는 공진 주파수 근방의 주파수 대역을 스위프함으로써, 먼지 제거 디바이스의 개체 변동 및 온도에 대한 주파수의 변동에 대하여도 문제없이 먼지를 제거할 수 있는 구성으로 되어 있다. 그러나, 종래의 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 높아지기 때문에, 먼지 제거 디바이스의 스위핑 주파수 대역을 미리 넓혀 둘 필요가 있다. 또한, 이러한 스위핑 주파수 대역을 미리 넓히는 문제를 회피하기 위해서, 저온 영역에서는 다른 탄성 진동을 이용해서 먼지를 제거하여야 한다.
한편, 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)는, 도 7a 및 도 7b에 나타내는 것 같은 압전 재료(431)를 포함하기 때문에, 저온에서 먼지 제거 디바이스(470)의 구동 주파수가 높아지지 않는다. 이 때문에, 먼지 제거 디바이스(470)의 스위핑 주파수 대역을 종래의 먼지 제거 디바이스보다 더 좁게 할 수 있다. 본 발명의 압전 재료(431)가 도 7a 및 도 7b에 나타내는 것 같은 진동의 공진 주파수를 나타내는 이유는 다음과 같이 생각된다. 본 발명의 압전 재료(431)의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃이고, 상 전이 온도 T 근방에서 재료의 탄성률이 작아진다.
압전 재료의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 T>-5℃이면, -5℃보다 저온 측에서 탄성률이 현저하게 커진다. 따라서, -5℃보다 저온 측에서, 온도의 저하에 따라 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 높아지기 때문에, 결과적으로 먼지 제거 디바이스의 스위핑 주파수 대역을 미리 넓혀 둘 필요가 있다.
압전 재료의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 T<-60℃이면, 일반적으로 압전 재료 및 한 쌍의 대향하는 전극에 의해 구성되는 압전 소자와, 진동 부재와, 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재를 포함하는 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 높아지는 과제를 실질적으로 개선할 수 없어, 먼지 제거 디바이스의 스위핑 주파수 대역을 미리 넓혀 둘 필요가 있다.
또한, 예의 검토의 결과, 압전 재료의 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 T <-60℃인 압전 소자는, 지르콘산 티탄산 납과 같은, 적어도 -60℃ 내지 -5℃의 범위에 상 전이 온도 T가 존재하지 않는 압전 정수 등의 다양한 압전 특성이 큰 압전 재료로 이루어지는 압전 소자와 비교하여, 진동 부재(410)에 종래예와 동일한 굽힘 진동을 발생시킬 수 없는 것을 알았다.
종래의 압전 재료를 포함하는 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 높아지며, 그 이유는 반드시 명확하지는 않다. 그러나, 진동 부재, 압전 소자와 진동 부재의 접착, 압전 소자와 플렉시블 프린트 기판의 접착, 고정 부재 등이 구동 주파수의 증가에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 고정 부재는 25℃에서의 탄성률이 -5℃에서의 탄성률보다 작은 것이 바람직하다. 일반적으로, 진동 부재(410)에 부착된 먼지는 높은 습도의 환경 하에서는 제거하기 어려운 경향이 있다. 이는, 수분을 포함한 먼지가 건조한 먼지보다 제거하기 어려운 것에 기인한다. 높은 습도의 환경은 저온 때보다 고온 때에 발생하기 쉽다. 고정 부재의 탄성률은 먼지 제거 디바이스의 진동 성능에 영향을 주고, 탄성률이 큰 고정 부재는 먼지 제거 디바이스의 진동 성능을 저해한다. 본 발명의 고정 부재는 25℃에서의 탄성률이 -5℃에서의 탄성률보다 작으므로, 본 발명의 고정 부재는 보다 높은 습도의 환경이 발생하기 쉬운 고온에서 먼지 제거 디바이스의 진동 성능이 뛰어나게 한다. 따라서, 고온에서 압전 소자(430)에 인가하는 전압을 종래의 먼지 제거 디바이스보다 낮게 할 수 있다. 한편, 25℃에서의 탄성률이 -5℃에서의 탄성률보다 큰 고정 부재의 일례는, 카본 나노 튜브를 고분자 화합물 중에 분산시켜서 형성한 수지이다. 이 경우에도, 저온과 고온 간에 먼지 제거 디바이스의 진동 성능에 큰 차이는 없지만, 고온에서의 먼지 제거 성능이 저하하므로, 압전 소자(430)에 인가하는 전압을 높게 할 필요가 있다.
본 발명의 고정 부재의 25℃에서의 탄성률과 -5℃에서의 탄성률의 차이는 0.1㎫ 이상 또는 10배 이상인 것이 바람직하다. 0.1㎫ 이상 또는 10배 이상의 차이가 있으면, 보다 높은 습도의 환경이 발생하기 쉬운 고온에서 먼지 제거 디바이스의 진동 성능이 뛰어난 효과를 향상시킨다.
고정 부재의 온도에 대한 탄성률의 차이는, 예를 들면 동적 점탄성 분석(DMA) 등에 의해 저장 탄성률 G'를 비교함으로써 평가할 수 있다.
본 발명의 고정 부재는 엘라스토머인 것이 바람직하다. 본 발명의 엘라스토머는 고무 형상의 탄성체이며, 1 내지 10㎫의 낮은 탄성률을 나타낸다. 일반적으로, 엘라스토머는 분자 구조적으로는 분자 내에 가교점을 갖고, 3차원의 망 구조를 갖는 고무, 즉 분자 내에 가교(결합된 부분)가 없고, 분자 내의 경질층의 분자 그룹에 의해 분자를 구속 상태로 해서 유동하는 것을 방지하는 열가소성 엘라스토머를 가리킨다. 고정 부재에 엘라스토머를 이용하면, 먼지 제거 디바이스의 진동 성능이 전체적으로 더욱 우수해진다. 대표적인 엘라스토머로는, 아크릴 고무, 니트릴 고무, 이소프렌 고무, 우레탄 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 에피클로로히드린 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 불소 고무, 부틸 고무를 포함한다.
본 발명의 고정 부재는 발포 수지인 것이 바람직하다. 본 발명의 발포 수지와 발포성 또는 다공성 고분자 화합물이다. 고정 부재에 발포 수지를 이용하면, 먼지 제거 디바이스의 진동 감쇠성이 더욱 우수해진다. 대표적인 발포 수지의 예는 소위 스펀지, 폼을 포함한다. 이들 각각은 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀(주로 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌), 실리콘, 폴리이미드 등의 합성 수지나 합성 고무로 만들어진다.
본 발명의 고정 부재는 상기 고분자 화합물 성분 중 열가소성을 갖는 고분자인 것이 바람직하다. 본 발명의 열가소성 수지는 가열하면 연해지고, 냉각하면 단단해지는 수지를 가리키며, 고온이 됨에 따라 열가소성 수지의 탄성률은 작아진다. 일반적으로 열가소성 수지는 분자 내에 가교(결합된 부분)가 없고, 분자 내의 경질층의 분자 그룹에 의해 분자를 구속 상태로 해서 유동하는 것을 방지하는 수지이다. 전술한 바와 같이, 고정 부재의 탄성률은 먼지 제거 디바이스의 진동 성능에 영향을 주고, 고정 부재의 탄성률이 클수록 먼지 제거 디바이스의 진동 성능을 더욱 저해한다. 그러나, 고정 부재의 고분자 화합물 성분이 열가소성이면, 고온이 됨에 따라 고정 부재의 탄성률은 작아지기 때문에, 보다 높은 습도의 환경이 발생하기 쉬운 고온에서 먼지 제거 디바이스의 진동 성능이 더욱 뛰어나게 될 수 있다.
이상의 이유로, 본 발명의 가장 바람직한 고정 부재는 열가소성의 발포성 엘라스토머로 구성되며, 예를 들면 고무 탄성을 갖는 폴리우레탄 폼이 가장 바람직한 고정 부재의 하나이다. 이러한 고분자 화합물 성분은 일반적으로 실온 이하의 온도 영역에 글래스 전이 온도(Tg)를 갖는 경우가 많다. 글래스 전이 온도 부근에서는 먼지 제거 디바이스는 진동 성능뿐만 아니라, 진동 감쇠성도 가장 뛰어나다. 따라서, 바람직하게는 실온 이하의 온도 영역에 글래스 전이 온도를 갖는 열가소성의 발포성 엘라스토머를 고정 부재로 선택할 수 있으면, 가장 우수한 먼지 제거 성능이 바람직하게 얻어지는 실온 영역로부터, 보다 높은 습도의 환경이 발생하기 쉬운 고온 영역까지, 특히 우수한 먼지 제거 성능을 갖는 먼지 제거 디바이스를 실현할 수 있다.
한편, 이러한 고분자 화합물 성분을 포함하는 고정 부재를 포함하는 먼지 제거 디바이스는, 온도의 저하에 따라 먼지 제거 디바이스의 구동 주파수가 현저하게 높아지는 특징을 갖는다. 그러나, 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)는, 도 7a 및 도 7b에 나타내는 것 같은 압전 재료(431)를 포함하기 때문에, 저온에서 먼지 제거 디바이스(470)의 구동 주파수가 높아지지 않는다. 이 때문에, 먼지 제거 디바이스(470)의 스위핑 주파수 대역을 종래의 먼지 제거 디바이스보다 좁게 할 수 있다.
여기에서, 본 발명의 글래스 전이 온도는 비정질 고체 재료에 글래스 전이가 발생하는 온도를 가리키며, 통상 Tg라고 표시한다. 글래스 전이 온도보다 저온인 비정질 상태에서는 물질은 글래스 상태로 되고, 글래스 전이 온도보다 고온에서는 물질은 고무 상태로 된다. 글래스 전이 온도는 시차 주사 열량 분석(DSC), 시차 열 분석(DTA), 기계적 열분석(TMA), 동적 기계적 분석(DMA) 등에 의해 평가할 수 있다.
본 발명의 압전 재료(431)의 제1 강유전 결정상은 정방정상인 것이 바람직하다. 본 발명의 강유전 결정상은, 삼사정, 단사정, 사방정, 육방정, 삼방정 혹은 능방정, 정방정의 6개의 결정계 중 어느 하나에 속한다. 물론, 대칭성이 가장 높은 결정계는 정방정상이다. 강유전성 물질은 외부 전계가 없어도 전기 쌍극자가 자발적으로 정렬되고, 쌍극자의 방향이 전계에 의해 변화할 수 있는 유전체 물질을 가리킨다. 실제의 결정에서는, 전기 쌍극자의 방향이 상이한 복수의 영역이 존재한다. 이러한 영역을 강유전 영역이라고 부르며, 이 영역은 대칭성이 낮은 물질에서 더 복잡하다.
그런데, 본 발명의 압전 소자(430)는 기계적 품질 계수 Qm이 큰 것이 바람직하지만, 영역이 복잡해질수록 기계적 품질 계수는 저하한다. 이는 영역 간의 경계부에서 기계적 변위로 얻어지는 에너지가 더 많이 열적으로 소비되기 때문이다. 이 때문에, 제1 강유전 결정상이 정방정상이면, 상 전이 온도 T 이상의 온도에서 먼지 제거 성능에 보다 뛰어난 먼지 제거 디바이스가 용이하게 구현될 수 있다.
또한, 다른 양태로서, 본 발명의 압전 재료(431)의 제2 강유전 결정상이 사방정상인 것이 바람직하다. 사방정상은, 삼방정 혹은 능방정상, 및 육방정상과 비교하여 대칭성이 낮지만, 사방정상은 정방정상으로부터의 작은 결정 격자의 변화에 의해 상 변태될 수 있다. 따라서, 상 전이 온도 T를 넘어서 온도가 변화할 때에, 결정상이 보다 작은 응력으로 변태될 수 있다. 이 때문에, 전극의 박리의 가능성이 적어지고, 온도가 상 전이 온도 T를 넘어 반복적으로 변화하는 온도 신뢰성 평가 시에, 재료 특성의 열화가 적은 압전체 소자(430)를 실현할 수 있다.
본 발명의 제1 강유전 결정상 및 제2 강유전 결정상은, 예를 들면, X선 회절이나 전자선 회절에 의한 구조 해석으로부터 판단할 수 있다는 점에 유의한다.
본 발명의 압전 재료(431)는 납의 함유량이 1000ppm 미만인 것이 바람직하다. 종래의 먼지 제거 디바이스에서, 압전 재료는 그 대부분이 지르콘산 티탄산 납을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹스이다. 이 때문에, 예를 들면 먼지 제거 디바이스가 폐기되어 산성 비에 노출되거나, 가혹한 환경에 방치되면, 압전 재료 중 납성분이 토양에 용해되어 생태계에 해를 줄 가능성이 지적되었다. 그러나, 납의 함유량이 1000ppm 미만이면, 예를 들면 먼지 제거 디바이스(470)가 폐기되어 산성 비에 노출되거나 가혹한 환경에 방치되어도, 압전 재료(431) 중 납성분이 환경에 악영향을 미칠 가능성이 낮다.
압전 재료(431)의 납의 함유량은, 예를 들면 형광 X선 분석(XRF), 또는 ICP 발광 분광 분석에 의해 정량된 압전 재료(431)의 총 중량에 대한 납의 함유량에 기초하여 평가할 수 있다.
본 발명의 압전 재료(431)는 티탄산 바륨을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹스인 것이 바람직하다. 이러한 비납 압전 세라믹스에서는, 현재, 각종 특성이 지르콘산 티탄산 납을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹스에 필적하는 뛰어난 재료의 실현에는 이르지 않고 있다. 그러나, 예를 들면 압전 재료(431)가 티탄산 바륨을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹스인 경우에는 압전 재료(431)의 탄성률이 지르콘산 티탄산 납보다 커진다. 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)는, 압전 소자(430)의 길이 진동에 의해 진동 부재(410)에 굽힘 진동을 발생시키고, 압전 소자(430)의 탄성률이 크면, 압전 정수 등의 각종 압전 특성이 지르콘산 티탄산 납에 다소 미치지 못해도, 압전 소자(430)가 진동 부재(410)에 종래예와 동일한 굽힘 진동을 발생시킬 수 있는 것을 알았다. 이 때문에, 본 발명의 압전 재료(431)는, 환경의 관점으로부터, 티탄산 바륨을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹스인 것이 바람직하다.
본 명세서에서 사용된 세라믹은, 기본 성분으로서 금속 산화물을 포함하며, 열처리에 의해 구울 수 있는 결정 입자의 응집체("벌크체"라고도 한다), 소위 다결정을 가리킨다. 세라믹은 소결 후에 가공된 것도 포함한다.
본 발명의 압전 재료(431)는 하기 화학식 1에 의해 표현되는 페로브스카이트형 금속 산화물을 주성분으로 포함하는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
(Ba1 - xCax)(Ti1 - yZry)O3 (0.02≤x≤0.30, 0.020≤y≤0.095, y≤x)
예의 검토의 결과, 예를 들면 지르콘산 티탄산 납과 같은 압전 특성이 온도에 대하여 변화가 작은 종래의 압전 재료를 포함하는 먼지 제거 디바이스에서는, 온도의 저하에 따라 진동 부재의 진폭이 작아져서, 먼지 제거 성능이 저하될 수 있음을 알았다. 한편, 이러한 압전 재료(431)를 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)에 대해 이용하면, 재료 설계 시에 상 전이 온도 T를 -60℃≤T≤-5℃로 설정하는 것이 대단히 용이하게 되고, 상 전이 온도 T를 극대로 하여 압전 특성이 대단히 향상된다. 따라서, 저온에서도 높은 먼지 제거 성능을 갖는 먼지 제거 디바이스 및 그러한 먼지 제거 디바이스를 이용한 촬상 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명에서, 페로브스카이트형 금속 산화물은, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 것 같은 이상적으로 입방 구조인 페로브스카이트형 구조를 갖는 금속 산화물을 가리킨다. 페로브스카이트형 구조를 갖는 금속 산화물은 일반적으로 ABO3의 화학식으로 표현된다. 페로브스카이트형 금속 산화물에서, 원소 A, B는 각각 이온의 형태로 A 사이트, B 사이트로 지칭되는 단위 격자의 특정한 위치를 차지한다. 예를 들면, 입방 결정의 단위 격자이면, A 원소는 입방체의 정점을 차지하고, B 원소는 입방체의 체심 위치를 차지한다. O 원소는 산소의 음이온으로서 입방체의 면심 위치를 차지한다.
상기 화학식 1로 표현되는 금속 산화물은, A 사이트에 위치하는 금속 원소가 Ba와 Ca이고, B 사이트에 위치하는 금속 원소가 Ti와 Zr인 것을 의미한다. 일부 Ba와 Ca가 B 사이트에 위치될 수 있다는 점에 유의한다. 마찬가지로, 일부 Ti와 Zr이 A 사이트에 위치될 수 있다.
화학식 1에서 B 사이트의 원소와 O 원소의 몰비는 1:3이다. 몰비가 약간 어긋난 경우(예를 들면, 1.00:2.94 내지 1.00:3.06)에도, 금속 산화물이 페로브스카이트형 구조를 주상(main phase)으로 하면, 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
금속 산화물이 페로브스카이트 구조인 것은, 예를 들면, X선 회절이나 전자선 회절에 의한 구조 해석으로부터 판단할 수 있다.
화학식 1에서, A 사이트에서의 Ca의 몰비를 나타내는 "x"는 0.02≤x≤0.30의 범위이다. "x"가 0.02보다 작으면 유전 손실(tanδ)이 증가한다. 유전 손실이 증가하면, 압전 소자(430)에 전압을 인가해서 구동시켰을 때에 발생하는 열이 증가하여, 구동 효율이 저하될 우려가 있다. 한편, "x"가 0.30보다 크면 압전 특성이 충분하지 않을 가능성이 있다.
화학식 1에서, B 사이트에서의 Zr의 몰비를 나타내는 "y"는 0.020≤y≤0.095의 범위이다. "y"가 0.020보다 작으면, 압전 특성이 충분하지 않을 수도 있다. 한편, "y"가 0.095보다 크면 퀴리 온도(Tc)가 85℃ 미만으로 되어, 고온에서 압전 특성이 소실될 우려가 있다.
본 명세서에서 사용된 퀴리 온도는 강유전성이 소실되는 온도를 가리킨다. 강유전성의 소실을 특정하는 방법으로서, 측정 온도를 바꾸면서 강유전성이 소실되는 온도를 직접 측정하는 방법 외에, 미소 교류 전계를 이용해서 측정 온도를 바꾸면서 유전율이 극대를 나타내는 온도로부터 강자성이 소실되는 온도를 결정하는 방법이 있다.
화학식 1에서, Ca의 몰비 x와 Zr의 몰비 y는 y≤x의 범위이다. y>x이면, 유전 손실이 증가하고, 절연성이 충분하지 않게 될 수 있다. 또한, x와 y의 범위를 동시에 충족시키면, 상 전이 온도 T를 실온 부근에서 구동 온도 이하의 온도로 이동시키는 것이 가능해지고, 넓은 온도 영역에서 안정적으로 압전 소자(430)를 구동시키는 것이 가능해 진다.
또한, 화학식 1에서, A 사이트에서의 Ba와 Ca의 몰량과, B 사이트에서의 Ti와 Zr의 몰량의 비를 A/B는 1.00≤A/B≤1.01의 범위인 것이 바람직하다. A/B가 1.00보다 작으면 이상 입자 성장이 용이하여, 압전 재료(431)의 기계적 강도가 저하할 수 있다. 한편, A/B가 1.01보다 커지면 입자 성장에 필요한 온도가 지나치게 높아져, 일반적인 소성로에서는 밀도가 충분히 커지지 않고, 압전 재료(431) 내에 세공이나 결함이 다수 존재할 수 있다.
본 발명의 압전 재료(431)의 조성을 측정하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 그러한 방법의 예는, X선 형광 분석, ICP 발광 분광 분석, 원자 흡광 분석을 포함한다. 어느 방법에서도, 압전 재료(431)에 포함되는 원소의 중량비 및 조성비를 산출할 수 있다.
본 발명의 압전 재료(431)는, 상기 화학식 1에서 나타나는 페로브스카이트형 금속 산화물을 주성분으로 포함하고, 상기 금속 산화물에 Mn이 함유되고, 상기 Mn의 함유량이 상기 금속 산화물 100중량부에 대하여 금속 환산으로 0.02중량부 내지 0.40중량부인 것이 바람직하다.
금속 산화물이 상기 범위의 Mn을 함유하면, 절연성 및 기계적 품질 계수 Qm이 향상된다. Ti 및 Zr과 상이한 원자가를 갖는 Mn에 의한 결함 쌍극자의 도입에 의해 야기되는 내부 전계의 발생으로부터, 절연성과 기계적 품질 계수의 향상이 유도되는 것으로 생각된다. 내부 전계가 존재하면, 압전 소자(430)에 전압을 인가해서 구동시켰을 때에, 압전 소자(430)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
여기에서, Mn의 함유량을 나타내는 금속 환산값은, 압전 재료(431)로부터 형광 X선 분석(XRF), ICP 발광 분광 분석, 원자 흡광 분석 등에 의해 측정된 Ba, Ca, Ti, Zr 및 Mn의 각 금속의 함유량으로부터, 화학식 1로 표현되는 금속 산화물을 구성하는 원소를 산화물 환산하고, 그 원소의 총 중량에 대한(100으로 가정했을 때에) Mn 중량과의 비를 산출하여 구한 값을 가리킨다.
Mn의 함유량이 0.02중량부 미만이면, 압전 소자(430)의 구동에 필요한 분극의 효과가 충분하지 않다. 한편, Mn의 함유량이 0.40중량부보다 크면, 압전 특성이 충분하지 않고, 압전 특성에 기여하지 않는 육방정 구조의 결정이 발현되므로 바람직하지 못하다.
Mn은 금속 Mn에 한정되지 않고, Mn 성분으로서 압전 재료에 포함되어 있으면 되고, Mn의 함유의 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, Mn은 B 사이트에 고용될 수 있거나, 입계에 포함될 수 있다. 대안적으로, 금속, 이온, 산화물, 금속염, 착체 등의 형태로 Mn 성분이 압전 재료(431)에 포함될 수 있다. 보다 바람직한 함유의 형태는, 절연성이나 소결 용이성의 관점으로부터 B 사이트에 Mn이 고용되는 것이다. Mn 성분이 B 사이트에 고용된 경우, A 사이트에서의 Ba와 Ca의 몰량과 B 사이트에서의 Ti, Zr 및 Mn의 몰량의 비를 A/B라고 하면, 바람직한 A/B의 범위는 0.993≤A/B≤0.998이다. A/B가 이 범위에 있는 압전 소자(430)에서는, 압전 소자(430)의 길이 방향에서의 길이 진동이 크고, 기계적 품질 계수가 높다. 따라서, 먼지 제거 성능 및 내구성이 우수한 먼지 제거 디바이스(470)를 얻을 수 있다.
본 발명의 압전 재료(431)는, 상기 화학식 1에 의해 나타내지는 금속 산화물 및 Mn 이외의 성분(이하, "부성분"이라 한다)을, 특성을 변화시키지 않는 범위에서 포함하고 있어도 된다. 부성분은, 화학식 1에 의해 표현되는 금속 산화물 100중량부에 대하여 그 합계가 1.2중량부보다 적은 것이 바람직하다. 부성분의 양이 1.2중량부를 초과하면, 압전 재료(431)의 압전 특성 및 절연 특성이 저하할 가능성이 있다. 또한, 부성분 중, 상기 Ba, Ca, Ti, Zr, Mn이외의 금속 원소의 함유량은, 압전 재료(431)에 대하여 산화물 환산으로 1.0중량부 이하, 또는 금속 환산으로 0.9중량부 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 금속 원소는 Si, Ge, Sb와 같은 반금속 원소도 포함한다. 부성분 중, 상기 Ba, Ca, Ti, Zr, Mn이외의 금속 원소의 함유량이, 압전 재료(431)에 대하여 산화물 환산으로 1.0중량부, 또는 금속 환산으로 0.9중량부를 넘으면, 압전 재료(431)의 압전 특성 및 절연 특성이 현저하게 저하될 가능성이 있다. 부성분 중, Li, Na, Mg, Al 원소의 합계는, 압전 재료(431)에 대하여 금속 환산으로 0.5중량부 이하인 것이 바람직하다. 부성분 중, Li, Na, Mg, Al 원소의 합계가, 압전 재료(431)에 대하여 금속 환산으로 0.5중량부를 초과하면, 소결이 불충분할 가능성이 있다. 부성분 중, Y, V 원소의 합계는, 압전 재료(431)에 대하여 금속 환산으로 0.2중량부 이하인 것이 바람직하다. 부성분 중, Y, V 원소의 합계가 압전 재료(431)에 대하여 금속 환산으로 0.2중량부를 초과하면, 분극이 곤란해질 가능성이 있다.
부성분의 예는 Si, Cu 등의 소결 조제를 포함한다. 또한, Ba 및 Ca의 시판 원료에 불가피한 성분으로서 포함되는 Sr 및 Mg은, 본 발명의 압전 재료에 포함하여도 된다. 마찬가지로, Ti의 시판 원료에 불가피한 성분으로서 포함되는 Nb와, Zr의 시판 원료에 불가피한 성분으로서 포함되는 Hf는, 본 발명의 압전 재료(431)에 포함하여도 된다.
부성분의 중량부를 측정하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 상기 방법의 예는, 형광 X선 분석(XRF), ICP 발광 분광 분석, 원자 흡광 분석을 포함한다
본 발명의 압전 소자(430) 및 진동 부재(410)는 판 형상이며, 압전 소자(430)의 한쪽의 전극면이 진동 부재(410)의 판면에 고착되어, 진동 부재(410)가 고정 부재를 개재해서 기부에 고정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 복수의 압전 소자(430)가 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명의 압전 소자(430)의 두께는, 통상적으로, 0.1㎜ 내지 10㎜이다. 압전 소자(430)에서는, 압전 재료(431)가 미리 제1 전극면(436)에 수직한 방향(434)으로 분극되고 있어, 전원으로부터 제1 전극(432)과 제2 전극(433)에 고주파수의 전압이 인가될 수 있다. 그리고, 압전 소자(430)에서는, 전계 방향(435)의 화살표가 나타내는 방향으로 발생하는 교번 전계에 의해 생기는 압전 재료(431)의 길이 왜곡에 의해, 압전 소자(430)의 길이 방향에 길이 진동이 발생한다. 이 때문에, 압전 소자(430)가 판 형상이기만 하면, 더 낮은 전압으로 더 높은 전계를 압전 소자(430)에 인가할 수 있다.
또한, 압전 소자(430)의 길이 진동에 의해 진동 부재(410)에 굽힘 진동을 발생시키고, 진동 부재(410)가 판 형상이면, 진동 부재(410)에 더 큰 굽힘 진동을 발생시킬 수 있다. 또한, 압전 소자(430)의 한쪽의 전극면이 진동 부재(410)의 판면에 고착되어 있으면, 압전 소자(430)의 길이 진동으로부터, 보다 효율적으로 진동 부재(410)에 굽힘 진동을 유도할 수 있다.
또한, 진동 부재(410)가 고정 부재를 개재해서 기부에 고정되어 있으면, 압전 소자(430)가 고정 부재를 개재해서 기부에 고정되어 있을 경우보다도, 먼지 제거 디바이스(470)의 진동 성능을 저해하지 않는다. 특히, 직사각형 형상의 먼지 제거 디바이스에서는, 하나의 진동 모드로 먼지를 제거하는 경우에도, 고정 부재는 반드시 진동 부재의 마디 이외의 부위에 접한다. 이 때문에, 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470)는 직사각형 형상의 먼지 제거 디바이스로서 특히 바람직하다.
본 발명의 진동 부재(410)는 광학 재료인 것이 바람직하다. 본 발명의 광학 재료는 입사광에 대하여 광학적인 기능을 갖는 재료이다. 광학적인 기능의 예는, 투과, 굴절, 간섭, 반사, 산란을 포함한다. 진동 부재(410)는, 진동 부재로서의 기능뿐만 아니라, 적외선 차단 필터, 자외선 차단 필터, 광학 로우패스 필터 등의 광학적인 기능을 갖고 있어도 된다. 여기에서, 적외선 차단 필터는 가시광을 투과하고 적외광(IR)을 차단하기 위한 광학 부재이며, 예를 들면 글래스로부터 이루어진다. 자외선 차단 필터는, 마찬가지로, 자외광(UV)을 차단하기 위한 광학 부재이다. 또한, 광학 로우패스 필터는 투과도가 높은 공간 주파수 성분을 제거하기 위해서, 광을 상 광선과 이상 광선으로 분리하기 위한 광학 부재이며, 예를 들면 수정으로 이루어지는 복굴절판 및 위상판을 복수 매 포함하는 적층 구조이다. 광학 로우패스 필터는 광학적인 특별한 기능이 구비되지 않은 글래스 등의 부재일 수 있다는 점에 유의한다.
또한, 진동 부재(410)에 전기적으로 먼지가 부착되는 것을 방지하기 위해서, 진동 부재(410)의 표면은 도전성 물질 등으로 코팅될 수 있다. 또한, 진동 부재(410)는 각각 전술한 바와 같은 다른 기능을 갖는 복수의 부재로 형성되어 있어도 된다. 이때, 진동 부재가 필요한 기능을 갖기만 하면, 가능한 한 기계적 품질 계수가 높은 부재를 진동 부재(410)로 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 촬상 디바이스는, 먼지 제거 디바이스와 촬상 소자 유닛을 적어도 포함하는 촬상 디바이스로서, 먼지 제거 디바이스의 진동 부재(410)와 촬상 유닛의 수광면이 동일 축 상에 순서대로 제공되어 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 촬상 디바이스에 대해서 이하에 설명한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 촬상 디바이스인 디지털 일안 리플렉스 카메라를 나타내는 도면이다.
도 8은 카메라 본체(1)를 피사체 측에서 본 정면측 사시도이며, 촬영 렌즈 유닛을 제거한 상태를 나타낸다. 도 9는 본 발명의 먼지 제거 디바이스와 촬상 유닛(400)의 주변 구조에 대해서 설명하기 위한 카메라 내부의 개략 구성을 나타내는 분해 사시도이다.
카메라 본체(1) 내에는, 촬영 렌즈를 통과한 촬영 광속이 가이드되는 미러 박스(5)가 설치되어 있고, 미러 박스(5) 내에 메인 미러(퀵 리턴 미러)(6)가 배치되어 있다. 메인 미러(6)는, 메인 미러(6)가 촬영 광속을 펜타 다치 미러(penta-Dach mirror)(22)(도시 생략)로 가이드하기 위해서 촬영 광축에 대하여 45°의 각도로 보유 지지되는 상태와, 메인 미러(6)가 촬영 광속을 촬상 소자(570)(도 10 참조)로 가이드하기 위해서 촬영 광속으로부터 퇴피한 위치에 보유 지지되는 상태를 가질 수 있다.
카메라 본체의 골격이 되는 본체 섀시(300)의 피사체 측에는, 피사체 측으로부터 순서대로 미러 박스(5), 셔터 유닛(200)이 배치된다. 또한, 본체 섀시(300)의 촬영자 측에는, 촬상 유닛(400)이 배치된다. 촬상 유닛(400)은, 촬영 렌즈 유닛을 탑재하는 기준으로 되는 마운트부(2)의 부착면에 촬상 소자(570)의 촬상면이 소정의 거리를 두고 평행해지도록 조정되어서 설치된다.
여기에서, 본 발명의 촬상 디바이스로서, 디지털 일안 리플렉스 카메라에 대해서 설명했지만, 예를 들면 미러 박스(5)를 포함하지 않는 미러리스형의 디지털 일안 리플렉스 카메라와 같은 촬영 렌즈 유닛 교환식 카메라가 사용되어도 된다. 또한, 본 발명은 촬영 렌즈 유닛 교환식의 비디오 카메라, 복사기, 팩시밀리, 스캐너 등의 각종 촬상 디바이스, 혹은 촬상 디바이스를 포함하는 전기 및 전자 기기 중, 특히 광학 부품의 표면에 부착되는 먼지의 제거가 필요한 기기에도 적용할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 촬상 디바이스인 디지털 일안 리플렉스 카메라의 촬상 유닛(400)의 구성을 나타내는 분해 사시도이다. 도 11은, 도 9의 11-11 선에 따르는 단면도이다(회로 기판(520)과 실드 케이스(530)는 도시되지 않는다는 점에 유의한다).
촬상 유닛(400)은 크게 먼지 제거 디바이스(470)와, 촬상 소자(570)를 포함하는 촬상 소자 유닛(500)을 포함한다. 촬상 소자 유닛(500)은, 촬상 소자(570), 촬상 소자(570)를 보유 지지하는 촬상 소자 보유 지지 부재(510), 회로 기판(520), 실드 케이스(530), 차광 부재(540), 광학 로우패스 필터(560), 광학 로우패스 필터 보유 지지 부재(550)를 포함한다.
촬상 소자 보유 지지 부재(510)는 금속 등에 의해 형성되고, 먼지 제거 디바이스(470)의 가압 부재(460)를 위치 결정하기 위한 좌우의 위치 결정 핀(510a)과, 회로 기판(520) 및 실드 케이스(530)를 나사로 고정하기 위한 나사 구멍(510b)과, 먼지 제거 디바이스(470)의 가압 부재(460)를 나사로 고정하기 위한 좌우의 나사 구멍(510c)을 포함한다.
회로 기판(520)에는 촬상계의 전기 회로가 설치되고, 회로 기판(520)에는 나사용의 클리어런스 구멍(520a)이 마련되어진다. 실드 케이스(530)는 금속 등에 의해 형성되고, 나사 구멍(530a)을 포함한다. 회로 기판(520)과 실드 케이스(530)는, 나사용의 클리어런스 구멍(520a), 나사 구멍(530a), 나사 구멍(510b)을 이용하여, 촬상 소자 보유 지지 부재(510)에 나사로 고정된다. 실드 케이스(530)는 전기 회로를 정전기 등으로부터 보호하기 위해서 회로 상의 접지 전위에 접속된다.
차광 부재(540)는, 촬상 소자(570)의 광전 변환면의 유효 영역에 대응하는 개구를 갖고, 피사체측 및 촬영자 측에 양면 테이프를 포함한다. 광학 로우패스 필터 보유 지지 부재(550)는, 차광 부재(540)의 피사체 측의 양면 테이프에 의해 촬상 소자(570)의 커버 글래스(570a)에 의해 고정 및 보유 지지된다. 광학 로우패스 필터(560)는, 광학 로우패스 필터 보유 지지 부재(550)의 개구부에서 위치 결정되어, 차광 부재(540)의 피사체 측의 양면 테이프에 의해 고정 및 보유 지지된다.
한편, 차광 부재(540)의 촬영자 측의 면은, 차광 부재(540)의 촬영자 측의 양면 테이프에 의해 촬상 소자(570)의 커버 글래스(570a)에 고정 및 보유 지지된다. 이에 의해, 광학 로우패스 필터(560)와 촬상 소자(570)의 커버 글래스(570a)의 사이의 영역이 차광 부재(540)에 의해 밀봉되어, 먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간이 형성된다.
본 실시형태에서는, 광학 로우패스 필터(560)와 촬상 소자(570)의 커버 글래스(570a)의 사이의 영역은 차광 부재(540)에 의해 밀봉되어, 그 영역에 먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간이 형성된다. 그러나, 본 발명에서는 광학 로우패스 필터(560) 및 차광 부재(540)가 반드시 필요한 것은 아니고, 먼지 제거 디바이스(470)가 촬상 소자(570)의 커버 글래스(570a)를 개재해서 (후술하는) 진동판(410) 및 밀폐 부재(450)를 개재하도록 촬상 소자 유닛(500)에 설치되어도 된다. 이 경우, 커버 글래스(570a)와 먼지 제거 디바이스(470)의 사이의 영역은 밀폐 부재(450)에 의해 밀봉되어, 그 영역에 먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간이 형성된다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 촬상 디바이스인 디지털 일안 리플렉스 카메라의 먼지 제거 디바이스(470)의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다. 본 발명의 먼지 제거 디바이스는 점선으로 둘러싸인 제어 회로, 전원 및 구동되는 압전 소자로 구성된다. 제어 회로는, 압전 효과에 의해 압전 소자(430)의 센싱용 전극에 발생하는 전압을 판독하고, 진동의 진폭 및 위상을 검지하고, 전원에 의해 발생되는 교류 전압의 진폭, 주파수 및 시간적 위상을 제어한다. 본 실시형태에서, 진동 디바이스의 제어 회로에는, 자세 센서와, 촬상 소자 유닛(500)에 접속된 (후술하는) 화상 처리부가 접속되어 있다. 자세 센서는, 먼지 제거 디바이스(470)의 자세를 검지한다. 화상 처리부는, 진동 부재(410)의 어느 위치에 먼지가 부착되고 있는지를, 촬상 소자 유닛(500)에 의해 촬상된 화상을 이용해서 연산한다. 전원은 압전 소자(430)에 소정의 주파수 범위의 교류 전압을 인가한다.
압전 소자(430)는, 도 12에 도시한 바와 같이 제어 회로의 지시를 받는 전원으로부터의 전력 공급에 의해 구동된다. 그리고, 압전 소자(430)의 구동에 의해 압전 소자(430)와 진동 부재(410)의 사이에 응력이 발생하여, 진동 부재(410)에 굽힘 진동을 발생시킨다. 본 실시형태의 먼지 제거 디바이스(470)는, 이 진동 부재(410)의 굽힘 진동에 의해 진동 부재(410)의 표면에 부착된 먼지를 제거한다. 굽힘 진동은 진동 부재(410)를 광축 방향, 즉 진동 부재(410)의 두께 방향으로 변위시키는 탄성 진동을 가리킨다.
도 13은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 촬상 디바이스인 디지털 일안 리플렉스 카메라의 먼지 제거 디바이스(470)의 구성을 나타내는 분해 사시도이다(압전 소자에 접속되는 플렉시블 프린트 기판(420), 압전 소자(430) 및 고정 부재는 도시되지 않는다는 점에 유의한다). 도 14는 도 13의 먼지 제거 디바이스(470)를 도 13과 반대 측으로부터 본 도면이다(압전 소자에 접속되는 플렉시블 프린트 기판(420), 접착 부재(440) 및 고정 부재는 도시되지 않는다는 점에 유의한다).
먼지 제거 디바이스(470)는, 진동 부재(410), 압전 소자에 접속되는 플렉시블 프린트 기판(420), 압전 소자(430), 각각 접착 부재(440), 밀폐 부재(450), 가압 부재(460)로 지칭되는 복수의 고정 부재를 포함한다.
진동 부재(410)는, 적외선 차단 필터로 지칭되는 높은 공간 주파수를 제거하는 광학 부재이며, 압전 소자(430)의 구동에 의해 진동 부재(410)에 굽힘 진동을 발생시키는 것이 가능한 진동 부재이다. 진동 부재(410)의 표면은 이물의 부착을 방지하기 위해 도전성 물질로 코팅되어 있다. 본 실시형태에서는, 이 진동 부재(410)와, 촬상 소자 유닛(500)의 촬상 소자(570)의 수광면이 동일 축 상에 순서대로 배치되어 있다.
그러나, 본 발명의 촬상 디바이스에 구비된 먼지 제거 디바이스의 진동 부재(410)는 반드시 이러한 부재에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 진동 부재는, 진동 부재에 발생하는 굽힘 진동에 의해 표면에 부착된 먼지를 제거하기만 하면 되고, 예를 들면, 자외선 차단 필터, 적외선/자외선 차단 필터, 본 실시형태의 광학 로우패스 필터(560)(수정이나 니오브산 리튬 단결정 등의 복굴절판 및 위상판을 복수 매 적층한 부재)이어도 되고, 광학적인 다른 기능이 구비되지 않고 있는 글래스 등의 부재이어도 된다. 또한, 진동 부재(410)의 표면에는 도전성 물질 외에 먼지가 용이하게 부착되지 않는 물질이 코팅되어 있어도 되고, 그러한 처리를 실시하지 않고 있어도 된다.
도 14에 도시한 바와 같이, 압전 소자(430)는 직사각형의 진동 부재(410)의 단부에 고착된다. 본 실시형태에서는, 진동 부재(410)의 양단에 합계 2매의 판 형상의 압전 소자(430)를 고착하고 있다. 그러나, 본 발명은 반드시 이러한 구성일 필요는 없고, 예를 들면, 1개의 압전 소자(430)가 진동 부재(410)에 구비되어 있으면 된다.
가압 부재(460)는, 진동 부재(410)를 고정 및 보유 지지해서 진동 부재(410)에 가압력을 주는 기능을 갖는 틀 형상의 고정 부재이다. 먼지 제거 디바이스(470)는 가압 부재(460)의 위치 결정 구멍(460a)과 촬상 소자 보유 지지 부재(510)의 위치 결정 핀(510a)을 이용하여, 촬상 소자 유닛(500)에 대하여 위치 결정된다. 그 상태로, 먼지 제거 디바이스(470)는, 가압 부재(460)의 나사 구멍(460b)과 나사 구멍(510c)을 이용하여, 진동 부재(410) 및 밀폐 부재(450)를 개재하도록 촬상 소자 유닛(500)에 나사로 고정된다.
도 13에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 진동 부재(410)는, 진동 부재(410)의 네 구석 부근에서 접착 부재(440)를 개재해서 가압 부재(460)에 의해 고정 및 보유 지지된다. 진동 부재(410)에서 먼지를 제거할 수 있는 범위는, 촬상 소자(570)의 광학 유효 범위 내에 입사되는 광속이 통과하는 범위이면 된다. 따라서, 진동 부재(410)의 네 구석 부근에서 가압 부재(460)에 의해 진동 부재(410)를 고정 및 보유 지지하면, 디지털 카메라의 광학 유효 범위 내의 진동을 저해하지 않고, 효율적으로 먼지를 제거할 수 있다. 또한, 가압 부재(460)는, 진동 시에 가압 부재(460)와 진동 부재(410)가 서로 직접 접촉해서 음을 발생시키지 않도록, 접착 부재(440) 이외의 부재와 접촉하지 않도록 가공된다.
접착 부재(440)로서 도전성의 접착제를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 도전성 물질로 코팅된 진동 부재(410)의 표면 상에 대전된 전기를, 가압 부재(410)로부터 촬상 소자 보유 지지 부재(510), 실드 케이스(530)를 개재해서 회로 기판(520)에 놓아줄 수 있다. 이에 의해, 진동 부재(410)에의 먼지의 부착을 효과적으로 예방할 수 있다. 또한, 접착 부재(440)로서 도전성 양면 테이프를 이용하는 것이 바람직하다. 도전성 양면 테이프는 진동 흡수로서의 기능을 갖고, 가압 부재(460)에 진동을 전달하지 않는 효과가 있다. 즉, 도전성 양면 테이프는 진동 부재(410)의 굽힘 진동을 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
본 실시형태에서는, 진동 부재(410)는, 진동 부재(410)의 네 구석 부근에서 접착 부재(440)를 개재해서 가압 부재(460)에 의해 고정 및 보유 지지된다. 그러나, 접착 부재(440)는 반드시 네 구석 부근에 구비될 필요는 없고, 광학 유효 범위 내의 진동을 저해하지 않고, 효과적으로 먼지를 제거할 수 있으면, 어느 위치에, 몇 개가 구비되어도 된다. 바람직하게는, 진동 부재(410)의 굽힘 진동의 마디에 접착 부재(440)의 보다 많은 부분이 접촉하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서는, 진동 부재(410)는, 4개의 접착 부재(440)를 개재해서 가압 부재(460)에 의해 고정 및 보유 지지되지만, 모든 접착 부재(440)가 반드시 도전성 물질일 필요는 없고, 비도전성 물질이어도 된다. 바람직하게는, 적어도 1개의 접착 부재(440)가 도전성 물질이면, 전술의 이유로, 진동 부재(410)에의 먼지의 부착을 효과적으로 예방할 수 있다.
본 실시형태에서는, 가압 부재(460)는 금속 등의 스프링성(탄성)을 갖는 재료(도전성 부재)에 의해 단일 부품으로서 형성되어 있다. 그러나, 가압 부재(460)는 반드시 이러한 구성을 가질 필요는 없고, 예를 들면, 복수의 부재로 형성될 수 있다. 또한, 금속 등을 대신하여, 유기 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 부재에 의해 가압력이 가해질 수 있다. 이 경우, 접착 부재(440)를 포함하지 않고 먼지 제거 디바이스(470)가 구성될 수 있다.
밀폐 부재(450)는, 수지나 엘라스토머로 형성되고, 진동 부재(410)의 진동 흡수재로서 제공되고, 진동 부재(410)와 광학 로우패스 필터(560)의 사이에 먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간을 형성한다. 밀폐 부재(450)는, 진동 부재(410)의 진동 흡수성을 높이기 위해서, 두터운 부재 혹은 탄성률이 작은 부재로 구성하고, 진동 부재(410)의 굽힘 진동의 마디에 밀폐 부재(450)의 가능한 많은 부분이 접촉하는 것이 바람직하다.
밀폐 부재(450)의 피사체 측의 면은 진동 부재(410)와 접촉하고, 밀폐 부재(450)의 촬영자 측의 면은 광학 로우패스 필터(560)와 접촉한다. 진동 부재(410)는, 가압 부재(460)의 스프링성에 의해 촬상 소자 유닛(500) 측에 가압되므로, 진동 부재(410)는 밀폐 부재(450)와 간극없이 밀착된다. 또한, 밀폐 부재(450)와 광학 로우패스 필터(560)도 마찬가지로 간극없이 서로 밀착한다. 이에 의해, 진동 부재(410)와 광학 로우패스 필터(560)의 사이의 영역은 밀폐 부재(450)에 의해 밀봉되어, 먼지 등의 이물의 침입을 막는 밀폐 공간이 형성된다.
밀폐 부재(450)는, 가압 부재(460)의 스프링성에 의해 촬상 소자 유닛(500) 측에 가압되므로, 밀폐 부재(450)를 접착제, 양면 테이프 등을 이용하여 진동 부재(410)와 광학 로우패스 필터(560)에 대해 고정 및 보유 지지할 필요는 없다. 그러나, 실제로 조립을 행할 때에, 밀폐 부재(450)를 간이하게 고정 및 보유 지지하는 것이 바람직하면, 밀폐 부재(450)가 접착제, 양면 테이프 등을 이용하여 진동 부재(410) 및 광학 로우패스 필터(560)에 의해 고정 및 보유 지지될 수 있다. 반대로, 본 발명의 먼지 제거 디바이스는, 가압 부재(460)를 구비하지 않고, 밀폐 부재(450)를 접착제, 양면 테이프 등을 이용하여 진동 부재(410) 및 광학 로우패스 필터(560)에 의해 고정 및 보유 지지되는 방식으로 구성될 수 있다.
본 발명의 먼지 제거 디바이스는 기부에 설치하며, 본 실시형태에서의 기부는 촬상 소자 유닛(500)을 가리킨다. 먼지 제거 디바이스(470)는, 가압 부재(460)의 나사 구멍(460b)과 나사 구멍(510c)을 이용하여 진동 부재(410) 및 밀폐 부재(450)를 개재하도록 기부인 촬상 소자 유닛(500)에 나사로 고정된다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태의 촬상 디바이스는, 먼지 제거 디바이스와 촬상 소자 유닛을 적어도 포함하는 촬상 디바이스로서, 먼지 제거 디바이스의 진동 부재(410)와 촬상 소자 유닛의 수광면이 동일 축 상에 순서대로 배치되어 있다. 그 결과, 먼지 제거 디바이스의 한쪽 면의 먼지만 제거할 수 있으면, 촬상 소자에 먼지가 투영되지 않는다. 또한, 일반적으로 카메라의 촬영 시에는 먼지 제거 디바이스가 중력과 평행하게 배치되므로, 한번 제거한 먼지가 먼지 제거 디바이스에 재부착하는 빈도는 대단히 적다.
그러나, 본 발명의 기부는 반드시 촬상 소자 유닛(500)일 필요는 없고, 다른 부재나 부품일 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 기부는 디지털 카메라 본체, 디지털 비디오 카메라, 복사기, 팩시밀리, 스캐너 등의 각종의 촬상 디바이스 및 화상 판독 디바이스, 및 그 부재 및 부품이면 된다.
또한, 본 실시형태에서의 고분자 화합물 성분을 적어도 포함하는 고정 부재는 접착 부재(440) 및 밀폐 부재(450)이다. 그러나, 본 발명의 고정 부재는 반드시 접착 부재(440)나 밀폐 부재(450)일 필요는 없고, 다른 부재일 수 있다. 예를 들면, 고정 부재는, 그 부재가 적어도 고분자 화합물 성분을 함유하는 한, 가압 부재(460)일 수 있고, 특허문헌 1에서 시일로 지칭되는 부재일 수 있다. 또한, 예를 들면, 압전 소자(430)의 탄성 진동 및 진동 부재(410)의 굽힘 진동을 저해하지 않는 스펀지 형상의 부재를 개재하여 압전 소자(430)와 기부를 직접 고정 및 보유 지지하도록 먼지 제거 디바이스(470)를 설치하고 있을 경우, 그 스펀지 형상의 부재 및 압전 소자(430)와 진동 부재(410)를 고착하고 있는 접착제 등이 고정 부재로서 제공된다. 또한, 예를 들면 플렉시블 프린트 기판(420)을 이용해서 기부 측에 가압되고 있을 경우에는, 플렉시블 프린트 기판(420) 및 압전 소자(430)와 플렉시블 프린트 기판(420)을 접착하는 부재가 고정 부재로서 제공된다.
다음으로, 본 발명의 먼지 제거 디바이스(470) 중, 특히 압전 소자(430)의 제작 방법을 중심으로, 도 1의 (a) 내지 (c)에 나타나는 것과 같은 직방체의 판 형상 압전 소자를 이용해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 압전 소자(430)에서의 압전 재료(431)의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 구성 원소를 포함한 산화물, 탄산염, 질산염, 수산염 등의 고체 분말을 상압 하에서 소결하는 것을 포함하는 압전 세라믹스의 일반적인 방법을 채용할 수 있다.
또한, 예를 들면, 본 발명의 압전 재료(431)가 주성분으로서 하기 화학식 1로 표현되는 페로브스카이트형 금속 산화물을 함유하고, 상기 금속 산화물에 Mn이 함유되고 있고, 상기 Mn의 함유량이 상기 금속 산화물 100중량부에 대하여 금속 환산으로 0.02중량부 이상 0.40중량부 이하일 경우, 원료는 Ba 화합물, Ca 화합물, Ti 화합물, Zr 화합물 및 Mn 화합물 등의 금속 화합물로부터 구성된다.
[화학식 1]
(Ba1 - xCax)(Ti1 - yZry)O3 (0.02≤x≤0.30, 0.020≤y≤0.095, y≤x)
사용가능한 Ba 화합물의 예는, 산화바륨, 탄산바륨, 수산바륨, 아세트산 바륨, 질산 바륨, 티탄산 바륨, 지르콘산 바륨, 티탄산 지르콘산 바륨을 포함한다.
사용가능한 Ca 화합물의 예는, 산화칼슘, 탄산칼슘, 수산칼슘, 아세트산 칼슘, 티탄산 칼슘, 지르콘산을 포함한다.
사용가능한 Ti 화합물의 예는, 산화 티탄, 티탄산 바륨, 티탄산 지르콘산 바륨, 티탄산 칼슘을 포함한다.
사용가능한 Zr 화합물의 예는, 산화 지르코늄, 지르콘산 바륨, 티탄산 지르콘산 바륨, 지르콘산 칼슘을 포함한다.
사용가능한 Mn 화합물의 예는, 탄산 망간, 산화 망간, 이산화 망간, 아세트산 망간을 포함한다.
또한, 본 발명의 압전 재료(431)의 A 사이트에서의 Ba와 Ca의 몰량과, B 사이트에서의 Ti와 Zr의 몰량의 비를 나타내는 "a"를 조정하기 위한 원료는 특별히 한정되지 않는다. Ba 화합물, Ca 화합물, Ti 화합물, Zr 화합물의 어느 것을 이용해도 효과는 동일하다
또한, 본 발명의 압전 재료(431)는 반드시 티탄산 바륨을 주성분으로 함유하는 압전 세라믹스일 필요는 없다는 점에 유의한다. 따라서, 구성 원소에 맞춰서 가장 바람직한 원료나 제작 방법이 선택될 수 있다.
본 발명의 압전 재료(431)의 전구체분(precursor powder)을 조립하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 이 방법은, Ba 화합물, Ca 화합물, Ti 화합물, Zr 화합물 및 Mn 화합물을 기계적으로 혼합해서 얻어지는 혼합분을 조립하는 것을 포함해도 된다. 대안적으로, 이 방법은, 이들 화합물을 800 내지 1,300℃ 정도로 하소한 후에 조립하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 이 방법은 Ba 화합물, Ca 화합물, Ti 화합물 및 Zr 화합물을 하소한 후에, 이들 화합물에 망간 화합물을 바인더와 동시에 첨가시킬 수 있다. 조립분의 입자 직경을 보다 균일하게 할 수 있다고 하는 관점에서, 가장 바람직한 조립 방법은 스프레이 드라이법이다.
조립에 사용가능한 바인더의 예는, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐부티랄(PVB), 아크릴계 수지를 포함한다. 첨가하는 바인더의 양은 1질량% 내지 10질량%가 바람직하고, 형성체의 밀도가 증가한다는 관점에서 2질량% 내지 5질량%가 보다 바람직하다.
본 발명의 압전 재료(431)의 소결 방법은 특별히 한정되지 않는다. 소결 방법의 예는, 전기로에 의한 소결, 가스로에 의한 소결, 통전 가열법, 마이크로파 소결법, 미리파 소결법, 열간 등방압 프레스(HIP)를 포함한다. 전기로에 의한 소결 및 가스에 의한 소결은 연속로 또는 배치로(batch furnace)에서 행해질 수 있다.
압전 재료(431)의 소결 온도는 특별히 한정되지 않지만, 소결 온도는 각 화합물이 반응하고, 충분히 결정 성장하는 온도인 것이 바람직하다. 바람직한 소결 온도는, 세라믹의 입자 직경을 1㎛ 내지 10㎛의 범위로 하는 관점에서, 1,200℃ 이상 1,550℃ 이하이며, 보다 바람직하게는 1,300℃ 이상 1,480℃ 이하이다. 상기 온도 범위에서 소결한 압전 재료(431)는 양호한 압전 성능을 나타낸다.
소결 처리에 의해 얻어진 압전 재료(431)의 특성을 재현성 좋게 안정화하기 위해, 압전 재료(431)는 소결 온도를 상기 범위 내에서 일정하게 해서 2시간 이상 24시간 이하 동안 소결 처리를 행하면 된다. 또한, 2단계 소결법 등의 소결 방법을 이용해도 좋지만, 생산성을 고려하면 급격한 온도 변화는 포함하지 않는 방법이 바람직하다.
압전 재료(431)의 연마 가공한 후에, 압전 재료(431)를 1,000℃ 이상의 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다. 압전 재료(431)가 기계적으로 연마 가공되면, 압전 재료(431)의 내부에는 잔류 응력이 발생한다. 그러나, 압전 재료(431)를 1,000℃ 이상의 온도에서 열처리함으로써, 잔류 응력이 완화되고, 압전 재료(431)의 압전 특성이 더욱 양호해진다. 또한, 열 처리는 입계 부분에 석출되는 탄산 바륨 등의 전구체분을 배제하는 효과도 있다. 열처리의 시간은 특별히 한정되지 않지만, 1시간 이상이 바람직하다.
본 발명의 압전 소자(430)의 분극 방법은 특별히 한정되지 않는다. 압전 소자(430)의 분극 처리는 대기 중에서 행해도 되고, 실리콘 오일 중에서 행해도 된다. 분극을 할 때의 온도는 60℃ 내지 100℃의 온도가 바람직하지만, 압전 소자(430)를 구성하는 압전 재료(431)의 조성에 의해 최적의 조건은 다소 변한다. 분극 처리를 하기 위해서 인가하는 전계는 800V/㎜ 내지 2.0kV/㎜가 바람직하다.
압전 소자(430)의 압전 정수, 기계적 품질 계수 Qm, 탄성률은, 시판의 임피던스 애널라이저를 이용해서 얻어지는 공진 주파수 및 반공진 주파수의 측정 결과로부터, 니혼 덴시 재료 공업회 표준 규격(EMAS-6100)에 기초하여, 계산에 의해 구할 수 있다. 이 방법은 일반적으로 공진-반공진법이라고 불린다.
이하에 실시예를 참조하여 본 발명의 먼지 제거 디바이스를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 압전 소자에 이용하는 압전 재료를 제작했다.
(제조예 1)
평균 입자 직경 100㎚의 티탄산 바륨(사카이 화학 공업 제조의 BT-01), 평균 입자 직경 300㎚의 티탄산 칼슘(사카이 화학 공업 제조의 CT-03), 평균 입자 직경 300㎚의 지르콘산 칼슘(사카이 화학 공업 제조의 CZ-03)을 몰비로 83.0:10.5:6.5로 되도록 칭량했다.
다음으로, 이들의 칭량분을 볼 밀을 이용해서 24 시간의 건식 혼합에 의해 혼합했다. 얻어진 혼합분을 조립하기 위해서, 혼합분에 대하여 Mn 중량이 금속 환산으로 0.18중량부가 되는 아세트산 망간(II)과, 혼합분에 대하여 3중량부가 되는 PVA 바인더를, 각각 스프레이 드라이어를 이용하여 혼합분 표면에 부착되게 했다.
다음으로, 얻어진 조립분을 금형 내에 충전하고, 프레스 성형기를 이용해서 200㎫의 형성압을 가해서 원반 형상의 형성체를 제작했다. 이 형성체는 냉간 등방 가압 성형기를 이용하여 더욱 가압해도 된다.
얻어진 형성체를 전기로에 넣고, 1,340℃의 최고 온도에서 5시간 유지하고, 합계 24시간에 걸쳐 대기 분위기에서 소결했다.
다음으로, 형광 X선 분석에 의해 형성체의 조성을 평가했다. 그 결과, (Ba0.830Ca0.170)(Ti0.935Zr0.065)O3의 화학식으로 나타나는 조성에 Mn이 0.18중량부 함유되어 있는 것을 알았다. 이는 칭량한 조성과 소결 후의 조성이 일치하고 있는 것을 의미한다. 또한, Ba, Ca, Ti, Zr 및 Mn이외의 원소는 검출 한계 이하의 양이며, 1중량부 이하이었다.
또한, 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해 형성체의 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 결정 구조가 25℃에서는 정방정의 결정상, -70℃에서는 사방정의 결정상인 것을 알았다.
(비교용 제조예 1)
평균 입자 직경 100㎚의 티탄산 바륨(사카이 화학 공업 제조의 BT-01)을 조립하기 위해서, 혼합분에 대하여 Mn중량이 금속 환산으로 0.12중량부가 되는 아세트산 망간(II)과, 혼합분에 대하여 3중량부가 되는 PVA 바인더를, 각각 스프레이 드라이어를 이용하여 혼합분 표면에 부착되게 했다.
다음으로, 얻어진 조립분을 금형 내에 충전하고, 프레스 성형기를 이용해서 200㎫의 형성압을 가해서 원반 형상의 형성체를 제작했다. 얻어진 형성체를 전기로에 넣고, 1,380℃의 최고 온도에서 5시간 유지하고, 합계 24시간에 걸쳐 대기 분위기에서 소결했다.
다음으로, 형광 X선 분석에 의해 조성을 평가했다. 그 결과, BaTiO3의 화학식으로 나타나는 조성에 Mn이 0.12중량부 함유되어 있는 것을 알았다. 또한, Ba, Ca, Ti, Zr 및 Mn 이외의 원소는 검출 한계 이하의 양이며, 1중량부 이하이었다.
또한, 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 결정 구조가 25℃에서는 정방정의 결정상, -70℃에서는 사방정의 결정상인 것을 알았다.
(비교용 제조예 2)
지르콘산 티탄산 납의 소결체를 준비했다. 또한, 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해 소결체의 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 25℃에서는 정방정의 결정상이고, -70℃에서도 정방정의 결정상인 것을 알았다.
(실시예 1 및 비교예 1)
제조예 1 및 비교용 제조예 1의 압전 재료를 이용해서 실시예 1 및 비교예 1의 압전 소자를 제작했다.
압전 재료를 두께 0.5㎜로 연마 가공하고, 상기 재료의 2개의 면에 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au를 순서대로 각각 30㎚, 380㎚ 두께로 형성하여, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압전 소자를 얻었다.
다음으로, 이들 압전 소자를 10.0㎜×2.5㎜×0.5㎜의 치수로 절단 가공한 후, 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 온도는 100℃, 인가 전계는 1kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다. 이 경우에, 압전 소자의 분극축 방향은 막 두께 방향과 평행하였다.
또한, 실시예 1, 비교예 1의 압전 소자에 측정 온도를 바꾸면서 미소 교류 전계를 인가해서 유전율을 측정하고, 상 전이 온도 T를 평가했다. 그 결과, 상 전이 온도 T는 실시예 1, 비교예 1에서 제각기 -32℃, 6℃이었다.
(비교예 2)
비교용 제조예 2의 압전 재료를 이용해서 비교예 2의 압전 소자를 제작했다.
압전 재료를 두께 0.25㎜로 연마 가공하고, 상기 재료의 2개의 면에 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au를 순서대로 각각 30㎚, 380㎚ 두께로 형성하여, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압전 소자를 얻었다.
다음으로, 이 압전 소자를 10.0㎜×2.5㎜×0.5㎜의 치수로 절단 가공한 후, 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 온도는 200℃, 인가 전계는 1.7kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다. 이 경우에, 압전 소자의 분극축 방향은 막 두께 방향과 평행하였다.
또한, 비교예 2의 압전 소자에 측정 온도를 바꾸면서 미소 교류 전계를 인가 해서 유전율을 측정하고, 상 전이 온도 T를 평가했다. 그 결과, 적어도 -60℃ 내지 50℃의 범위에는 상 전이 온도 T는 존재하지 않았다.
(실시예 1 및 비교예 1, 비교예 2의 압전 소자의 평가)
다음으로, 공진-반공진법에 의해, 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 각각의 압전 소자의 압전 정수 d31, 탄성 정수 Y11, 공진 주파수를 구했다. 결과를 각각 도 15, 도 16, 도 17에 나타낸다. 여기에서, 실선은 실시예 1의 압전 소자의 결과, 점선은 비교예 1의 압전 소자의 결과, 1점 쇄선은 비교예 2의 압전 소자의 결과이다. 도 15, 도 16, 도 17은, 측정은 30℃에서 개시해서 승온, 강온, 30℃까지 승온으로 하는 순서로 온도를 변화시키면서 측정한 결과이다. 측정은 항온조 내에서 행하였다. 각각의 온도에서 항온조를 일정 시간 유지하고, 온도가 안정된 후에 각 온도에서의 압전 정수 d31, 탄성 정수 Y11, 공진 주파수를 평가하였다. 도 15, 도 16, 도 17에서는, 실시예 1, 비교예 1의 압전 소자에서, 온도에 대한 압전 정수 d31, 탄성 정수 Y11, 공진 주파수의 변화가 승온 시와 강온 시에 상이하다. 이 원인은, 강유전체가 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도)와, 제2 강유전 결정상으로부터 제1 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(승온 시의 상 전이 온도) 간에 약간의 온도 차이가 생기기 때문이다. 여기에서, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도)는, 제2 강유전 결정상으로부터 제1 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(승온 시의 상 전이 온도)와 비교할 때에, 제1 강유전 결정상으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도(강온 시의 상 전이 온도) 쪽이 낮다. 한편, 비교예 2의 압전 소자는, 적어도 -60℃ 내지 50℃의 범위에는 상 전이 온도 T는 존재하지 않는다. 따라서, 온도에 대한 압전 정수 d31, 탄성 정수 Y11, 공진 주파수의 변화가 승온 시와 강온 시에 극단적으로 되지 않고, 대부분의 온도에 대해 승온 시와 강온 시의 압전 정수 d31, 탄성 정수 Y11, 공진 주파수는 거의 동일한 값을 나타낸다.
이 경우에, 실시예 1의 압전 소자는 온도의 저하에 따라, 압전 정수가 커지고, 탄성 정수가 작아지고, 공진 주파수가 낮아졌다. 한편, 비교예 1의 압전 소자는, 5℃ 부근에 특성의 변극점이 존재하고, 5℃ 부근에서 압전 정수는 가장 커지고, 탄성 정수는 가장 작아지고, 공진 주파수는 가장 낮아졌다. 또한, 비교예 2의 압전 소자는, 각각의 물성이 온도에 의존하지 않고 거의 일정해졌다.
(제조예 2 내지 27)
평균 입자 직경 100㎚의 티탄산 바륨(사카이 화학 공업 제조의 BT-01), 평균 입자 직경 300㎚의 티탄산 칼슘(사카이 화학 공업 제조의 CT-03), 평균 입자 직경 300㎚의 지르콘산 칼슘(사카이 화학 공업 제조의 CZ-03)을 칭량하여 표 1에 나타내는 몰비가 얻어졌다.
다음으로, 이들의 칭량분을, 볼 밀을 이용해서 24시간의 건식 혼합에 의해 혼합했다. 얻어진 혼합분을 조립하기 위해서, 혼합분에 대하여 Mn중량이 금속 환산으로 표 1의 중량부가 되는 아세트산 망간(II)과, 혼합분에 대하여 3중량부가 되는 PVA 바인더를, 각각 스프레이 드라이어를 이용하여 혼합분 표면에 부착되게 했다.
다음으로, 얻어진 조립분을 금형 내에 충전하고, 프레스 성형기를 이용해서 200㎫의 형성압을 가하여 원반 형상의 형성체를 제작했다. 이 형성체는 냉간 등방 가압 성형기를 이용하여 더욱 가압될 수 있다.
얻어진 형성체를 전기로에 넣고, 1,330℃ 내지 1,480℃의 최고 온도에서 5시간 유지하고, 합계 24시간에 걸쳐 대기 분위기에서 소결했다. 제조예 10의 최고 온도는 1,330℃로 설정되었고, 제조예 11의 최고 온도는 1,440℃로 설정되었으며, 제조예 12의 최고 온도는 1,400℃로 설정되었다는 점에 유의한다.
다음으로, 형광 X선 분석에 의해 조성을 평가했다. 그 결과, 화학식 1, 즉 (Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3로 나타나는 조성(x, y는 표 2에 기재)에 표 1에 도시된 Mn의 중량부가 함유되어 있는 것을 알았다. 또한, Ba, Ca, Ti, Zr 및 Mn 이외의 원소는 검출 한계 이하의 양이며, 1중량부 이하이었다.
또한, 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 모든 실시예에서 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 모든 실시예에서 결정 구조가 25℃에서는 정방정의 결정상, -70℃에서는 사방정의 결정상인 것을 알았다.
(실시예 2 내지 27)
제조예 2 내지 27의 압전 재료를 이용해서 실시예 2 내지 27의 압전 소자를 제작했다.
각각의 압전 재료를 두께 0.5㎜로 연마 가공하고, 상기 재료의 2개의 면에 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au를 순서대로 각각 30㎚, 380㎚ 두께로 형성하여, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압전 소자를 얻었다.
다음으로, 이들 압전 소자를 10.0㎜×2.5㎜×0.5㎜의 치수로 절단 가공한 후, 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 온도는 100℃, 인가된 전계는 1kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다. 이 경우에, 이들 압전 소자의 분극축 방향은 막 두께 방향과 평행하였다.
또한, 실시예 2 내지 27의 압전 소자에 측정 온도를 바꾸면서 미소 교류 전계 인가해서 유전율을 측정하고, 상 전이 온도 T를 평가했다. 그 결과, 상 전이 온도 T는 표 2로 나타난 것과 같다. 표 2에는 실시예 1 및 비교예 1의 각각의 압전 소자의 상 전이 온도 T의 결과도 기재하고 있다. 상 전이 온도 T의 평가는, 실시예 2 내지 27과 마찬가지로, 압전 소자에 측정 온도를 변하게 하면서 미소 교류 전계를 인가해서 유전율을 측정하여 행하였다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
[표 2](계속)
(제조예 28)
각각 순도 99.9%인 탄산 칼륨(키시다 화학사 제조), 탄산 나트륨(키시다 화학사 제조), 탄산 리튬(키시다 화학사 제조) 및 산화 니오븀(고순도 화학사 제조)을 화학식 (K0 .46Na0 .46Li0 .08)NbO3로 나타나는 조성으로 되도록 칭량했다.
다음으로, 이들의 칭량분을, 볼 밀을 이용해서 24시간 알코올 중에서 습식 혼합에 의해 혼합했다. 얻어진 혼합분을 건조한 후, 800℃에서 4시간 하소하였다. 얻어진 하소분은, 마노 막자 사발을 이용해서 분쇄한 후, 하소분과 3중량부가 되는 PVB 바인더를 혼합하였다. 그 후에, 24시간 동안 볼 밀을 이용해서 습식 분쇄를 행하였다. 얻어진 분쇄분을 80℃에서 12시간 건조시킨 뒤에, 40 메쉬의 체를 통과시켜서 조립분을 얻었다.
다음으로, 얻어진 조립분을 금형 내에 충전하고, 프레스 성형기를 이용해서 200㎫의 형성압을 가하여 원반 형상의 형성체를 제작했다.
얻어진 형성체를 전기로에 넣고, 1,120℃의 최고 온도에서 5시간 유지하고, 합계 24시간에 걸쳐 대기 분위기에서 소결했다.
다음으로, ICP 발광 분광 분석에 의해 조성을 평가했다. 조성의 평가는 조성 평가용의 소결체를 이용하여 행하였다. 그 결과, (K0 .46Na0 .46Li0 .08)NbO3로 나타나는 조성인 것을 알았다. 이는 칭량한 조성과 소결 후의 조성이 일치하고 있는 것을 의미한다.
또한, 소결체를 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 결정 구조가 25℃에서는 사방정의 결정상, -70℃에서는 능방정의 결정상인 것을 알았다.
(실시예 28)
제조예 28의 압전 재료를 이용해서 실시예 28의 압전 소자를 제작했다.
실시예 1과 같은 순서로 압전 소자에 10.0㎜×2.5㎜×0.5㎜의 치수의 절단 가공까지 행하여, 실시예 28의 압전 소자를 얻었다.
다음으로, 이 압전 소자에 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 압전 소자를 실리콘 오일 중에 배치하고, 온도는 120℃, 인가된 전계는 4kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다. 이 경우에, 이들 압전 소자의 분극축 방향은 막 두께 방향과 평행하였다.
또한, 실시예 28의 압전 소자에 측정 온도를 바꾸면서 미소 교류 전계를 인가해서 유전율을 측정하고, 상 전이 온도 T를 평가했다. 그 결과, 상 전이 온도 T는 -35℃이었다.
(제조예 29)
각각 순도 99.9%인 탄산 칼륨(키시다 화학사 제조), 탄산 나트륨(키시다 화학사 제조), 탄산 리튬(키시다 화학사 제조) 및 산화 니오븀(고순도 화학사 제조)을 화학식(K0 .455Na0 .455Li0 .09)NbO3로 나타나는 조성으로 되도록 칭량했다.
다음으로, 제조예 28과 마찬가지의 순서로 소결까지 행하여 소결체를 얻었다.
다음으로, ICP 발광 분광 분석에 의해 조성을 평가했다. 조성의 평가는 조성 평가용의 소결체를 이용해 행하였다. 그 결과, (K0 .455Na0 .455Li0 .09)NbO3로 나타나는 조성인 것을 알았다. 이는 칭량한 조성과 소결 후의 조성이 일치하고 있는 것을 의미한다.
또한, 소결체를 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 결정 구조는 25℃에서는 사방정의 결정상, -70℃에서는 능방정의 결정상인 것을 알았다.
(실시예 29)
제조예 29의 압전 재료를 이용해서 실시예 29의 압전 소자를 제작했다.
실시예 1과 같은 순서로 압전 소자를 10.0㎜×2.5㎜×0.5㎜의 절단 가공까지 행하여, 실시예 29의 압전 소자를 얻었다.
다음으로, 이 압전 소자에 실시예 28과 같은 순서로 분극 처리를 행하였다.
또한, 실시예 29의 압전 소자에 측정 온도를 바꾸면서 미소 교류 전계를 인가해서 유전율을 측정하고, 상 전이 온도 T를 평가했다. 그 결과, 상 전이 온도 T는 -65℃이었다.
(제조예 30)
평균 입자 직경 100㎚의 티탄산 바륨(사카이 화학 공업 제조의 BT-01), 평균 입자 직경 300㎚의 지르콘산 바륨(일본 화학 공업 제조)을 몰비로 97.0:3.0으로 되도록 칭량했다.
다음으로, 이들의 칭량분을, 볼 밀을 이용해서 24시간의 건식 혼합에 의해 혼합했다. 얻어진 혼합분을 조립하기 위해서, 혼합분에 대하여 Mn중량이 금속 환산으로 0.12중량부가 되는 아세트산 망간(II)과, 혼합분에 대하여 3중량부가 되는 PVA 바인더를, 각각 스프레이 드라이어를 이용하여 혼합분 표면에 부착되게 했다.
다음으로, 실시예 1과 마찬가지인 순서로 형성체를 제작하고, 대기 분위기에서 소결했다.
다음으로, 형광 X선 분석에 의해 소결체의 조성을 평가했다. 그 결과, Ba(Ti0.970Zr0.030)의 화학식으로 나타나는 조성에 Mn이 0.12중량부 함유되어 있는 것을 알았다. 이는 칭량한 조성과 소결 후의 조성이 일치하고 있는 것을 의미한다. 또한, Ba, Ti, Zr 및 Mn 이외의 원소는 검출 한계 이하의 양이며, 1중량부 이하이었다.
또한, 25℃ 및 -70℃에서 X선 회절에 의해, 소결체의 결정 구조를 해석했다. 그 결과, 페로브스카이트형 구조에 상당하는 피크만이 관찰되었다. 또한, X선 회절의 결과를 리드벨트 해석한 결과, 결정 구조는 25℃에서는 사방정의 결정상, -70℃에서는 능방정의 결정상인 것을 알았다.
(실시예 30)
제조예 30의 압전 재료를 이용해서 실시예 30의 압전 소자를 제작했다.
실시예 1과 같은 순서로 압전 소자를 10.0㎜×2.5㎜×0.5㎜의 절단 가공까지 행하여, 실시예 30의 압전 소자를 얻었다.
다음으로, 이 압전 소자에 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 온도는 110℃, 인가된 전계는 1kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다. 이 경우에, 이들 압전 소자의 분극축 방향은 막 두께 방향과 평행하였다.
또한, 압전 소자에 측정 온도를 바꾸면서 미소 교류 전계를 인가해서 유전율을 측정하고, 상 전이 온도 T를 평가했다. 그 결과, 상 전이 온도 T는 -55℃이었다.
(실시예 31 및 비교예 3)
제조예 1 및 비교용 제조예 1의 압전 재료를 이용해서 도 10에 나타내는 것과 같은 실시예 31 및 비교예 3의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
압전 재료를 두께 0.25㎜로 연마 가공하고, 상기 재료의 2개의 면에 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au를 순서대로 각각 30㎚, 380㎚ 두께로 패턴 형성하여, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압전 소자를 얻었다. 또한, 이 압전 소자를 33.3㎜×4.0㎜×0.25㎜의 치수로 절단 가공한 후, 전술한 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au의 순서대로 회전 전극을 패턴 형성함으로써, 제1 전극면의 제1 전극과 제2 전극면의 제1 전극을 압전 재료의 4.0×0.25㎜의 한쪽의 면을 개재해서 단락시켰다. 이때, 제1 전극과 제2 전극은 단락하지 않고 있는 것을 확인함으로써, 도 1의 (a) 내지 (c)에 나타내는 것과 같은 압전 소자를 제작했다.
다음으로, 이들의 압전 소자에 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 온도는 100℃, 인가 전계는 1kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다.
다음으로, 제조예 1 및 비교용 제조예 1로부터 제작한 압전 소자 2개를, 적외선 차단 필터로서 제공되는 50.8×33.7×0.3㎜의 치수의 글래스판의 33.7㎜의 변을 따라 에폭시 수지계 접착제를 이용해서 접착했다. 압전 소자의 접착면은 제1 전극면이었다.
다음으로, 플렉시블 프린트 기판을 각각의 압전 소자의 제2 전극면의 제1 전극과 제2 전극이 있는 부분에 도전성 접착제를 이용해서 접착했다. 각각의 압전 소자의 제1 전극 및 제2 전극은, 플렉시블 프린트 기판을 개재해서 카메라 본체와 전기적으로 접속되어, 전원으로부터 압전 소자에 교류 전압이 인가되도록 하였다.
다음으로, CMOS 센서를 구비하고, 피사체 측의 전면이 광학 로우패스 필터인 도 10에 나타내는 촬상 소자 유닛에, 상술한 압전 소자를 구비한 적외선 차단 필터를, 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 밀폐 부재, 스테인레스 강으로 이루어지는 가압 부재, (1개가 도전성 양면 테이프이고, 3개가 양면 테이프인)접착 부재를 이용하여, 도 10에 도시한 바와 같이 나사로 고정하여, 실시예 31 및 비교예 3의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
여기에서, 동적 점탄성 분석(DMA)에 의해 평가한 폴리우레탄 폼의 저장 탄성률 G'는 -5℃에서 10㎫, 25℃에서 0.1㎫이었다.
(비교예 4)
비교용 제조예 1의 압전 재료를 이용해서 도 10에 나타내는 것과 같은 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
압전 재료를 두께 0.25㎜로 연마 가공하고, 상기 재료의 2개의 면에 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au을 순서대로 각각 30㎚, 380㎚ 두께로 패턴 형성하여, 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 압전 소자를 얻었다. 또한, 이 압전 소자를 33.3㎜×4.0㎜×0.25㎜의 치수로 절단 가공한 후, 전술한 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 Ti 및 Au의 순서대로 회전 전극을 패턴 형성함으로써, 제1 전극면의 제1 전극과 제2 전극면의 제1 전극을 압전 재료의 4.0×0.25㎜의 한쪽의 면을 개재해서 단락시켰다. 이때, 제1 전극과 제2 전극은 단락하지 않고 있는 것을 확인함으로써, 도 1의 (a) 내지 (c)에 나타내는 것과 같은 압전 소자를 제작했다.
다음으로, 압전 소자에 직류 전원을 이용해서 분극 처리를 행하였다. 온도는 200℃, 인가된 전계는 1.7kV/㎜, 전압 인가 시간은 30분으로 했다.
다음으로, 압전 소자 2개를 적외선 차단 필터로서 제공되는 50.8×33.7×0.3㎜의 치수의 글래스판의 33.7㎜의 변을 따라 에폭시 수지계 접착제를 이용해서 접착했다. 압전 소자의 접착면은 제1 전극면이었다.
다음으로, 플렉시블 프린트 기판을 각각의 압전 소자의 제2 전극면의 제1 전극과 제2 전극이 있는 부분에 도전성 접착제를 이용해서 접착했다. 각각의 압전 소자의 제1 전극 및 제2 전극은, 플렉시블 프린트 기판을 개재해서 카메라 본체에 전기적으로 접속되어, 전원으로부터 압전 소자에 교류 전압이 인가되도록 하였다.
다음으로, CMOS 센서를 포함하고, 피사체 측의 전면이 광학 로우패스 필터인 도 10에 나타내는 촬상 소자 유닛에, 전술한 압전 소자를 구비한 적외선 차단 필터를, 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 밀폐 부재, 스테인레스 강으로 이루어지는 가압 부재, (1개가 도전성 양면 테이프, 3개가 양면 테이프인)접착 부재를 이용하여 도 10에 도시한 바와 같이 나사고 고정하여, 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
(실시예 31 및 비교예 3 및 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 먼지 제거 성능의 평가)
다음으로, 실시예 31, 비교예 3, 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 기계적 어드미턴스와 공진 주파수를 측정했다. 측정은 온도를 자유롭게 변화시킬 수 있는 환경 상자 중에 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 두고, 에질런트 테크놀로지사 제조의 프리시즌 임피던스 애널라이저 4294A를 이용해서 평가했다. 측정 주파수는 105 내지 120㎑의 범위로 하고, 측정은 -30℃ 내지 50℃의 범위에서 25℃→50℃→-30℃→25℃의 순서대로 5℃ 증가시켜 행하였다. 실시예 31, 비교예 3, 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛과 함께, 좌우의 압전 소자에는 동상의 교번 전계를 인가하고, 상기 주파수 범위에서는 19차의 정재파 진동 모드를 진동판 위로 형성하였다.
기계적 어드미턴스는 니혼 덴시 재료 공업회 표준 규격(EMAS-6100)에 기재되어 있는 압전 진동자의 등가 회로로부터, 등가 회로의 병렬 용량 성분(전기적 용량 성분)을 제거해서 얻어지는 어드미턴스의 절대값을 가리킨다. 기계 시스템의 동역학 특성을 기계 회로로 바꿔서 전기적으로 해석하는 것이 일반적이라는 사실로부터 알 수 있는 바와 같이, 기계적 어드미턴스의 크기는 먼지 제거 디바이스의 진동 모드의 진폭의 크기에 비례한다. 즉, 예를 들면, 기계적 어드미턴스의 크기는 먼지 제거 디바이스의 진동판의 표면을 레이저 도플러 진동계로 측정하여 얻어지는 결과에 비례하는 값이다.
기계적 어드미턴스는, 구체적으로는, 측정에서 얻어진 각 주파수에서의 어드미턴스를, 각 주파수에서의 위상을 이용해서 실수부와 허수부로 분해하고, 1㎑에서의 압전 소자의 비유전율로부터 산출한 압전 소자의 전기 용량과 각 주파수에서의 각속도를 곱하여 얻어지는 값을 상기 허수부로부터 감산하여 얻어지는 결과의 제곱과, 상기 실수부의 제곱의 합의 평방근으로서 얻어지는 값이다.
또한, 공진 주파수는, 105 내지 120㎑의 범위에서 기계적 어드미턴스가 최대의 값을 나타내는 주파수 수로 설정되었다.
도 18과 도 19는 각각 실시예 31, 비교예 3, 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 공진 주파수 및 기계적 어드미턴스의 온도에 대한 변동을 나타내는 그래프이다. 실선으로 연결된 검은 원은 실시예 31의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 결과를 나타내고, 점선으로 연결된 다이아몬드 표시는 비교예 3의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 결과를 나타내고, 1점 쇄선으로 연결된 삼각형은 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 결과를 나타낸다. 도 18, 도 19는 모두 30℃에서 측정을 개시해서 승온, 강온, 30℃까지 승온의 순서로 온도를 변화시키면서 구한 측정 결과를 도시한다. 측정은 항온조 내에서 행하였다. 항온조를 각각의 온도에서 일정 시간 보유 지지하고, 온도가 안정된 후에 각 온도에서의 공진 주파수 및 기계적 어드미턴스를 평가하였다.
도 18에서 알 수 있는 바와 같이, 실제로 촬상 유닛에 구비되는 먼지 제거 디바이스가 높은 먼지 제거 성능을 적어도 가질 필요가 있는 -30℃ 내지 50℃의 온도 범위에서, 비교예 3의 먼지 제거 디바이스에서의 공진 주파수의 변화는 6.5㎑이었고, 비교예 4의 먼지 제거 디바이스에서의 공진 주파수의 변화는 적어도 10.5㎑ 이상인 반면, 본 발명의 실시예 31의 먼지 제거 디바이스에서는 1.5㎑의 주파수 변동 내에서 먼지 제거 디바이스를 공진시켰다. 1점 쇄선으로 연결된 삼각형으로 표시되는 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛에서는, 0℃ 이하에서는 0℃ 이상과 다른 진동 모드를 이용해서 먼지를 제거함으로써, 실제로는 7.5㎑의 주파수 변동 내에서 먼지 제거 디바이스를 공진시켜, 먼지를 제거하였다.
또한, 도 19로부터 알 수 있는 바와 같이, 실제로 촬상 유닛에 구비되는 먼지 제거 디바이스가 높은 먼지 제거 성능을 적어도 갖도록 할 필요가 있는 -30℃ 내지 50℃의 온도 범위에서, 비교예 3 및 비교예 4의 먼지 제거 디바이스에서는, 약 1.0mS가 상기 온도 범위에서의 가장 작은 기계적 어드미턴스이었던 것에 반해, 본 발명의 실시예 31의 먼지 제거 디바이스에서는, 약 3.0mS가 상기 온도 범위에서의 가장 작은 기계적 어드미턴스이었다.
또한, 비교예의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛에서는, 0℃ 이하에서 기계적 어드미턴스가 가장 작아졌지만, 본 발명의 실시예 31의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛에서는 0℃ 이하에서 기계적 어드미턴스가 가장 작아지지 않았다.
(실시예 32 내지 57)
실시예 31과 마찬가지인 방법으로, 제조예 2 내지 27의 압전 재료를 이용해서 도 10에 나타내는 것과 같은 실시예 32 내지 57의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
(실시예 58 및 59)
압전 소자를 실리콘 오일 중에 배치하고, 온도 120℃, 인가 전계 4kV/㎜, 전압 인가 시간 30분으로 하여 분극 처리를 한 것 이외에는, 실시예 31과 마찬가지의 방법으로, 제조예 28 및 29의 압전 재료를 이용해서 도 10에 나타내는 것과 같은 실시예 58 및 59의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
(실시예 60)
온도 100℃, 인가 전계 1kV/㎜, 전압 인가 시간 30분으로 하여 분극 처리를 한 것 이외에는, 실시예 31과 마찬가지의 방법으로, 제조예 30의 압전 재료를 이용해서 도 10에 나타내는 것과 같은 실시예 60의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다.
(실시예 32 내지 60의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 먼지 제거 성능의 평가)
다음으로, 실시예 32 내지 60의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 기계적 어드미턴스와 공진 주파수를 측정했다. 그 결과, 기계적 어드미턴스와 공진 주파수는 표 3로 나타내지는 값이었다. 실시예 58 내지 60의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛은, 비교예와 비교하여 공진 주파수의 변동이 작아서 양호한 특성을 가졌다.
[표 3]
Figure pct00004
(실시예 61 및 62)
밀폐 부재의 재질이 상이한 것 이외에는, 실시예 31과 마찬가지인 방법으로, 제조예 1의 압전 재료를 이용해서 도 10에 나타내는 것과 같은 실시예 61 및 실시예 62의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛을 제작했다. 실시예 61의 밀폐 부재로는 실리콘 고무 시트가 사용되었고, 실시예 62의 밀폐 부재로는 스티렌 부타디엔 고무 시트가 사용되었다. 여기에서, 동적 점탄성 분석(DMA)에 의해 평가한 실리콘 고무 시트의 저장 탄성률 G'는, -5℃에서 4㎫, 25℃에서 3㎫이었다. 또한, 스티렌 부타디엔 고무 시트의 저장 탄성률 G'는 -5℃에서 6㎫, 25℃에서 4㎫이었다.
(실시예 61 및 62의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 먼지 제거 성능의 평가)
다음으로, 실시예 61 및 62의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 기계적 어드미턴스와 공진 주파수를 측정했다. 측정 주파수는 105 내지 120㎑의 범위로 해서, 측정은 -30℃ 내지 50℃의 범위에서 25℃→50℃→-30℃→25℃의 순서대로 5℃ 증가시켜 행하였다. 실시예 61 및 62의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛 과 함께, 좌우의 압전 소자에 동상의 교번 전계를 인가하고, 상기 주파수 범위에서 19차의 정재파 진동 모드를 진동판 위에 형성하였다.
실시예 61 및 62의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 공진 주파수의 변동폭은, 양쪽 모두 4㎑ 미만이었다. 또한, 촬상 유닛의 기계적 어드미턴스는 온도의 저하에 따라 커지는 경향을 나타내었고, 가장 작은 기계적 어드미턴스의 값은 2mS 이상이었다.
(먼지 제거 성능의 평가)
실시예 31 및 비교예 4의 먼지 제거 디바이스를 포함하는 촬상 유닛의 먼지 제거 성능을 평가했다. 먼지 제거 디바이스를 포함하는 각 촬상 유닛의 진동판 표면에 먼지 제거율 평가용의 각종 플라스틱제 비드를 살포하고, 일정 시간 경과 후의 진동판 상의 먼지 제거율을 평가했다. 좌우의 압전 소자에 동상의 30 Vp-p의 교번 전계를 인가하면서 105 내지 120㎑의 주파수 범위를 0.5초간 스위프하고, 그 후에, 역상의 30 Vp-p의 교번 전계를 인가하면서 100 내지 115㎑의 주파수 범위를 0.5초간 스위프했다. 상기 주파수 범위에서는 19차 및 18차의 정재파 진동 모드를 진동판 상에 순차적으로 형성하였다. 평가는 진동판 표면의 온도를 -30℃, -5℃, 25℃, 50℃로 하여 행하였다.
실시예 31의 먼지 제거 성능 평가 결과를 표 4에 나타내고, 비교예 4의 먼지 제거 성능 평가 결과를 표 5에 나타낸다. 본 발명의 먼지 제거 디바이스는, 예를 들면 디지털 카메라 본체에 포함된 전원으로부터 전압을 인가해도 충분히 높은 먼지 제거율을 나타내는 것을 증명하였다.
[표 4]
Figure pct00005
[표 5]
Figure pct00006
(주)
비드 1: 폴리스티렌 입자 직경 10 내지 100㎛
비드 2: 폴리메타크릴산메틸 입자 직경 10 내지 100㎛
비드 3: 실리카 입자 직경 10 내지 100㎛
비드 4: 비드 1, 비드 2, 비드 3의 혼합물
[산업상 이용가능성]
본 발명의 먼지 제거 디바이스는, 표면에 부착된 먼지를 양호하게 제거할 수 있으므로, 촬상 소자, 디지털 카메라 본체, 디지털 비디오 카메라, 복사기, 팩시밀리, 스캐너와 같은 각종 촬상 디바이스, 혹은 촬상 디바이스를 포함하는 전기 및 전자 기기, 특히 광학 부품의 표면에 부착되는 먼지의 제거가 필요한 기기에도 적용할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 예시적인 실시형태에 한정되지 않음을 이해하여야 할 것이다. 아래의 특허청구범위의 범위는 모든 변경 및 등가 구조와 기능을 포함하도록 가장 넓은 해석과 일치하여야 한다.
본 출원은, 2012년 3월 16일에 출원된 일본 특허 출원 제2012-060202호, 2011년 10월 20일에 출원된 일본 특허 출원 제2011-230368호, 2012년 8월 9일 출원된 일본 특허 출원 제2012-177562호, 및 2012년 8월 29일에 출원된 일본 특허 출원 제2012-188984호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 원용된다.
1: 카메라 본체
2: 마운트부
5: 미러 박스
6: 메인 미러
200: 셔터 유닛
300: 본체 섀시
400: 촬상 유닛
410: 진동판
420: 플렉시블 프린트 기판
430: 압전 소자
431: 압전 재료
432: 제1 전극
433: 제2 전극
434: 분극 방향
435: 전계 방향
436: 제1 전극면
437: 제2 전극면
440: 접착 부재
450: 밀폐 부재
460: 가압 부재
470: 먼지 제거 디바이스
500: 촬상 소자 유닛
501: 기부
510: 촬상 소자 보유 지지 부재
520: 회로 기판
530: 실드 케이스
540: 차광 부재
550: 광학 로우패스 필터 보유 지지 부재
560: 광학 로우패스 필터
570: 촬상 소자

Claims (14)

  1. 압전 재료 및 한 쌍의 대향하는 전극을 포함하는 압전 소자와, 진동 부재와, 적어도 고분자 화합물 성분을 함유하는 고정 부재를 포함하는, 기부 상에 설치되는 먼지 제거 디바이스이며,
    상기 압전 재료의 제1 강유전 결정상(ferroelectric crystal phase)으로부터 제2 강유전 결정상으로의 상 전이 온도 T가 -60℃≤T≤-5℃이고,
    상기 고정 부재의 25℃에서의 탄성률이 상기 고정 부재의 -5℃에서의 탄성률보다 작은, 먼지 제거 디바이스.
  2. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정 부재는 엘라스토머를 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정 부재는 발포 수지를 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  4. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 부재는 열가소성인, 먼지 제거 디바이스.
  5. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료의 제1 강유전 결정상은 정방정상(tetragonal phase)을 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  6. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료의 제2 강유전 결정상은 사방정상(orthorhombic phase)을 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  7. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료는 1,000ppm 미만의 납 함유량을 갖는, 먼지 제거 디바이스.
  8. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료는 티탄산 바륨을 주성분으로 함유하는 압전 세라믹스를 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  9. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료는 하기 화학식 1에 의해 나타내지는 페로브스카이트형 금속 산화물을 주성분으로 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
    [화학식 1]
    (Ba1 - xCax)(Ti1 - yZry)O3
    (여기서, 0.02≤x≤0.30, 0.020≤y≤0.095, y≤x)
  10. 제10항에 있어서,
    상기 압전 재료는 상기 화학식 1에 의해 나타내지는 페로브스카이트형 금속 산화물을 주성분으로 포함하고, 상기 페로브스카이트형 금속 산화물은 Mn을 포함하며, 상기 Mn의 함유량은 상기 페로브스카이트형 금속 산화물 100중량부에 대하여 0.02중량부 이상 0.40중량부 이하인, 먼지 제거 디바이스.
  11. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자 및 상기 진동 부재는 판 형상이고, 상기 압전 소자의 한쪽의 전극면은 상기 진동 부재의 판면(plate surface)에 고착되며, 상기 진동 부재는 상기 고정 부재를 개재해서 상기 기부에 고정되는, 먼지 제거 디바이스.
  12. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 압전 소자를 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  13. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 부재는 광학 재료를 포함하는, 먼지 제거 디바이스.
  14. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 먼지 제거 디바이스와 촬상 소자 유닛을 포함하는 촬상 디바이스이며,
    상기 먼지 제거 디바이스의 진동 부재와, 상기 촬상 소자 유닛의 수광면은 동일 축 상에 순서대로 제공되는, 촬상 디바이스.
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