(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窓から液滴を除去する装置であって、
窓に取り付けられる１つ又は複数のトランスデューサであり、前記１つ又は複数のトランスデューサのそれぞれが、複数の異なる周波数及び波タイプのうちの選択された任意の１つで超音波を生成するように動作可能である、１つ又は複数のトランスデューサと、
前記複数の異なる周波数及び波タイプから選択された任意の周波数及び波タイプを生成するように１つ又は複数の前記トランスデューサに超音波駆動信号を提供するように構成された発生器と、
前記発生器と前記１つ又は複数のトランスデューサとを制御するように構成されたモードコントローラと、
を備え、
前記モードコントローラは、モードセレクタを備え、前記モードセレクタは、前記装置の動作中、前記トランスデューサに利用可能な複数のモードの動作から少なくとも１つのモードの動作を動的に選択するように構成され、各モードの動作は、周波数及び波タイプの特定の組み合わせに対応する装置。
【請求項２】
前記複数の異なる周波数が、１００ｋＨｚよりも高い周波数である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記トランスデューサが、複数の電極を備え、前記モードコントローラが、異なる周波数及び波タイプの超音波を生成するために前記トランスデューサの電極の異なる組を選択するように動作可能である、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記モードセレクタが、周波数及び波タイプを選択するように構成され、前記モードコントローラが、電極の前記異なる組を選択するスイッチング回路を更に備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記モードコントローラが、前記選択された周波数及び波タイプのうちの異なる複数の周波数及び波タイプで連続して動作するように前記発生器及び前記トランスデューサを構成するように動作可能である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記モードコントローラが、前記発生器及び前記トランスデューサを１つの構成から別の構成に、それらの構成間の時間遅延を伴って変更するように動作可能である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記発生器が、前記トランスデューサに超音波駆動信号をパルスで適用するように配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記トランスデューサの１つ又は複数により放出された超音波を検知して前記窓における減衰の量を検出するように配置された検出器を有する制御システムをさらに備え、
前記モードセレクタが、検出された前記減衰の量に依存して前記発生器及び前記トランスデューサの構成を選択するために前記検出器に反応する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
窓をさらに備え、前記１つ又は複数のトランスデューサが、前記窓の外面に固定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記窓が、車両の窓である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記窓が、ガラスの最上位層と最下位層との間に挟まれた積層を備える積層窓である、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記１つ又は複数のトランスデューサに利用可能な複数のモードの動作は、
前記窓の液滴の微粒化を達成する為のモード、前記窓の液滴の推進を達成する為のモード、前記窓の液滴の振動を達成する為のモードを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記モードの動作は、シーケンスの選択に利用可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記窓の液体の量を検出するように構成された検出器を更に備え、前記モードセレクタは、前記検出に基づき、前記１つ又は複数のトランスデューサおよび前記発生器を制御するように構成される、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窓から水を除去する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窓は、窓を通したクリアな視界を維持するために、手動で清浄され得る。車両では、水滴を取り除き、窓を清浄するために、ワイパーが使用される。ワイパーは、一般的にはゴム又はプラスチックから製造され、窓の表面に接触するように配置される、ワイパーブレードを有する。ワイパーブレードは、ワイパーを窓の表面に沿って移動させるように作動するモータにより動かされる機構により駆動される。ブレードは摩耗し、定期的に交換する必要がある。ワイパー機構は重く、高価であり、且つ摩耗する。
【０００３】
窓の清浄を容易にするために、ＲａｉｎＸ（ＲＴＭ）等の市販の製品を、窓の表面に適用することができる。しかし、窓の表面に接触する窓清浄の方法では、窓の表面に適用される製品が使用されている場合、その製品も取り除いてしまい、よって製品をさらに適用することが必要となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によると、窓から水滴を除去する装置であって、窓に取り付けられる１つ又は複数のトランスデューサ（変換器）であり、１つ又は複数のトランスデューサのそれぞれが複数の異なる周波数及び波タイプのうちの選択された任意の１つで超音波を生成するように動作可能である、１つ又は複数のトランスデューサと、複数の異なる周波数のためにトランスデューサに超音波駆動信号を提供する発生器と、複数の異なる周波数及び波タイプから選択された任意の周波数及び波タイプの超音波を生成するように、発生器とトランスデューサとを構成するモードコントローラとを備える装置が提供される。
【０００５】
本発明の別の態様によると、上述した一態様のいずれか１つの装置を使用して窓から水滴を除去する方法であって、超音波の波タイプ及び対応する周波数を選択するステップと、発生器に、選択された周波数の駆動信号を生成させるステップと、選択された周波数で動作し、選択された波タイプを作成するように、１つ又は複数のトランスデューサのそれぞれを構成するステップとを含む方法が提供される。
【０００６】
以下の例示的な説明より、本発明では雨や他の降下物等の水滴だけでなく、土などの不純物で汚れた水滴や、前面窓洗浄液で使用される洗剤等の添加物を含む水も除去できることが理解される。
【０００７】
本発明のさらなる態様によると、１つ又は複数の超音波トランスデューサを構成する駆動回路であって、複数の異なる周波数のためにトランスデューサに超音波駆動信号を提供する発生器と、複数の異なる周波数及び波タイプから選択された任意の周波数及び波タイプの超音波を生成するように発生器及びトランスデューサを構成するモードコントローラとを備える駆動回路が提供される。
【０００８】
複数の電極を備える超音波トランスデューサで使用する駆動回路の実施形態は、発生器を電極に選択的に接続する一連のスイッチと、発生器の動作周波数を制御し、スイッチのスイッチング状態を選択するスイッチ制御信号を作成するモードセレクタとを備える。
【０００９】
駆動回路の実施形態では、周波数発生器は、異なる周波数の同相信号と、同じ周波数の１８０度位相シフトした信号とを生成するように構成され、モードコントローラは、選択された周波数の信号と、１８０度位相シフトした同じ信号とを作成するように発生器を構成するように動作可能であり、且つ電極の１つの組が１８０度位相シフトした信号を受信し、別の組の電極が同相信号を受信するようにトランスデューサの電極を構成するように動作可能である。
【００１０】
いくつかの例の多様な特徴及び利点が、以下の説明を添付の図面を参照しながら読むことにより明らかとなる。これらの説明及び図面は、複数の特徴を、あくまでも例として示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】窓を清掃する方法の例を示す流れ図である。
【図２Ａ】トランスデューサの例の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのトランスデューサの概略側面図である。
【図３Ａ】窓の水滴に向けて超音波を放出するトランスデューサの概略図である。
【図３Ｂ】窓の水滴に向けて超音波を放出するトランスデューサの概略図である。
【図３Ｃ】窓の水滴に向けて超音波を放出するトランスデューサの概略図である。
【図４Ａ】電極の構成の例を示す、トランスデューサの側面の概略図である。
【図４Ｂ】トランスデューサの電極の構成の別の例を示す、トランスデューサの側面の概略図である。
【図４Ｃ】モード変換のために窓の表面に沿って窓の水滴に向けて超音波を放出するトランスデューサを例として示す概略図である。
【図４Ｄ】水滴の微粒化を介して窓の表面から水滴を除去するために、窓の表面に沿って超音波を放出するトランスデューサを例として示す概略図である。
【図４Ｅ】積層窓の表面に沿って超音波を放出し、超音波が窓の表面の水滴を通過してモード変換及び微粒化を介して窓の表面から水滴を除去するトランスデューサを例として示す概略図である。
【図４Ｆ】加熱素子を含む窓の表面に沿って超音波を放出し、超音波が窓の表面の水滴を通過してモード変換及び微粒化を介して窓の面から水滴を除去するトランスデューサを例として示す概略図である。
【図５Ａ】トランスデューサの電極の構成の他の例を示すトランスデューサの概略側面図である。
【図５Ｂ】トランスデューサの電極の構成の他の例を示すトランスデューサの概略側面図である。
【図５Ｃ】モード変換のために窓の水滴を通して超音波を放出するトランスデューサを例として示す概略図である。
【図５Ｄ】モード変換のために窓の水滴を通して超音波を放出して、窓の表面に沿って水滴を進ませるトランスデューサを例として示す概略図である。
【図６Ａ】トランスデューサの電極の構成のさらなる例を示すトランスデューサの概略側面図である。
【図６Ｂ】トランスデューサの電極の構成のさらなる例を示すトランスデューサの概略側面図である。
【図６Ｃ】例に応じて、窓の水滴に向けて超音波を放出して、水滴が窓の表面との表面張力を克服し、窓の表面を離れるようにさせるトランスデューサを示す概略図である。
【図６Ｄ】窓の水滴に向けて超音波を放出して、水滴を窓の表面から離れさせ、水滴と窓の表面との間を通る空気により取り除くトランスデューサを例として示す概略図である。
【図７】降下物を検知及び除去する例示的な方法の流れ図である。
【図８】例に応じて、ガラス基板での超音波の異なる位相速度の分散特性を示すグラフである。
【図９Ａ】トランスデューサ並びにトランスデューサを制御及び操作する関連回路の例の概略図である。
【図９Ｂ】トランスデューサ並びにトランスデューサを制御及び操作する関連回路の別の例の概略図である。
【図１０Ａ】トランスデューサが取り付けられた前面窓を備える車両の概略図である。
【図１０Ｂ】トランスデューサが取り付けられた前面窓を備える車両の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で説明されるいくつかの例は、窓を清掃する方法及び装置に関する。装置は、窓の表面に沿って又は窓を通って伝搬する超音波を放出するように配置されたトランスデューサを備える。本明細書で説明されるいくつかの例は、窓から降下物を超音波で除去することに関する。「降下物」という用語は、雨、みぞれ、雪、氷、霧雨、霧、もや、ひょう、又はその他の種類の降下物を含むことが意図されている。超音波は、窓から降下物を除去する。トランスデューサは、窓の表面に結合され得る。
【００１３】
説明を簡単にするため、以下の記述は、水滴に関する。水滴の除去は、超音波を使用して、窓の表面の水滴を振動させること、進ませること、及び／又は微粒化することの１つ又は複数を含み得る。しかし、本発明の例は、他の液体、たとえば水と他の物質又は油の混合物又は溶液などの液体堆積物を窓から除去するために使用され得る。固体堆積物は、水又は水と洗剤等の添加物の混合物を噴霧するか、又はそれらで洗浄した後、窓を超音波で清掃することにより、窓から取り除かれ得る。
【００１４】
窓は、加熱素子をオプションで備え得る。いくつかの例では、窓は、建造物の窓又は車両の窓であり得る。たとえば、窓が車両の窓である場合、その窓は自動車用ガラスから製造され得る。窓は、前面窓、後部窓、サンルーフ、側部窓等の車両の窓であり得る。窓は、ガラスの最上位層と最下位層との間に挟まれた積層を備え得る。たとえば、積層は、焼鈍しガラスの２つの層の間で圧縮されたポリビニルブチラール（ＰＶＢ）積層であり得る。
【００１５】
本明細書で説明されるいくつかの例は、車両の積層前面窓又は積層後部窓から水を除去することに関する。水は、積層前面窓又は積層後部窓から超音波で除去される。
【００１６】
「超音波」又は「超音波で」という用語は、超音波周波数を有する波を示すために使用される。超音波周波数は、概ね１００キロヘルツ（ｋＨｚ）〜５０メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲内又はそれよりも高い周波数を有すると考えられる。超音波は、信号発生器に取り付けられたトランスデューサから放出される。発生器は、超音波周波数の電気信号をトランスデューサに提供するように構成された信号発生器であり得る。トランスデューサは、発生器からの超音波信号に基づいて超音波を生成するために駆動されるように配置される。
【００１７】
本明細書で説明されるいくつかの例では、トランスデューサは、１００ｋＨｚ〜４ＭＨｚの周波数範囲内の周波数又はそれより高い周波数を放出することができるように構成される。窓の清掃は、１つ又は複数のトランスデューサを使用して実現される。
【００１８】
本明細書で説明される１つ又は複数のトランスデューサのそれぞれは、複数の電極を備える。各トランスデューサの電極は、各電極が他の電極から独立して操作され得るように構成される。よって、トランスデューサは、実現可能な超音波周波数の範囲内の周波数で動作するように構成され得る。周波数の選択は、信号発生器でその周波数の電気信号を生成し、その信号をその固有周波数に対応する間隔を有する電極の「組」に適用することにより、実現される。本説明を通じて頻繁に使用される「１つの」又は「単一の」周波数という用語は、トランスデューサから放出される中心周波数又は主周波数に関するものとして解釈されるべきである。なぜなら、中心周波数の周囲の帯域幅を有する周波数帯域が放出されるからである。
【００１９】
超音波の周波数及び／又は波タイプは、動的に選択され得る。周波数と波タイプとの組み合わせは、本明細書で、動作モードと呼ばれる。異なる表面音響波タイプの例として、レイリー波、ラム波、及び板波がある。特定の周波数範囲は好ましい波タイプを有し得、その逆も然りである。たとえば、レイリー波は、約２．５ＭＨｚを超える高い周波数で生成され得る。ラム波は、約１〜２．５ＭＨｚの中間的な周波数で生成され得る。板波は、約１ＭＨｚ未満の低い周波数で生成され得る。
【００２０】
本明細書で説明される１つ又は複数のトランスデューサは、１つ又は複数のトランスデューサから放出される超音波の周波数及び／又は波タイプを選択する機能を提供する。よって、各トランスデューサの動作モードは、各トランスデューサの動作条件が動的に選択され得るため、動的である。したがって、各トランスデューサは、トランスデューサごとに利用可能な複数の動作モードが存在するため、「マルチモード」トランスデューサである。
【００２１】
いくつかの例について、添付の図面を参照しながら以下に説明する。図面の組で特定の特徴について使用されている同じ参照番号は、同じ特徴を示す。
【００２２】
窓を清掃する例示的な方法が図１の流れ図に示されている。ブロック１００で、動作モードが選択される。動作モードは、トランスデューサの動作に関し、トランスデューサの電極の特定の組の動作に基づいて選択され得る。トランスデューサの各電極は、各電極の独立した動作を実現するために、信号発生器に個別に接続され得る。信号発生器に接続される電極を独立して選択することで、トランスデューサの選択された動作周波数を動的に制御する機能が与えられる。たとえば、電極は、個別に接続されるか、連続する群で接続されるか、又は一部の電極がまったく接続されないことがあり得る。たとえば、トランスデューサの電極が１つおきに接続され、それらの電極が操作され、よってアクティブである一方、他の電極が操作されず、よって非アクティブであることがあり得る。よって、トランスデューサの所望の動作周波数は、トランスデューサの動作モードの選択に基づいて、すなわち、動作のために選択された電極の組と発生器からの信号周波数とに基づいて、実現され得る。ブロック１５０で、選択された動作モードに基づいて、窓が清掃される。窓は、選択された動作モードでトランスデューサから放出される超音波により、すなわち、その動作モードの所望の周波数若しくは複数の周波数及び／又は波タイプで、清掃される。
【００２３】
図２Ａは、複数の電極２１０を有するトランスデューサ２００を示す。各電極は、後ほど図９Ａ及び図９Ｂを参照して説明するように、周波数発生器及びスイッチング回路への電気接続を提供する独自のコネクタを有する。遮蔽帯板２３０は、電極２１０を接地板２５０から電気的に分離する。トランスデューサの圧電材料２４０は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）材料、又は水晶結晶等の他の任意の適切な圧電材料であり得る。電極２１０は、圧電層に沿って延びる電極「指」の物理的外観を有し得る。圧電層の電極指と反対の側にある、さらなる電極は、接地２５０に電気的に接続される。このさらなる電極は、電極「指」の物理的外観を有することも、そうでないこともある。なぜなら、この追加の電極は、圧電層の個別の電極と反対の側にある電極「シート」であり得るからである。
【００２４】
図２Ｂは、図２Ａを参照して説明したトランスデューサの側面図を示す。さらなる電極２６０が、接地２５０に電気的に接続されたものとして示されている。トランスデューサが操作されると、信号発生器が要求された周波数の信号を、その周波数に対して選択された電極の組に適用し、電極が圧電層に取り付けられることで、トランスデューサが超音波を放出する。超音波は、電極指に対して垂直な方向、たとえば、矢印２７０により示される方向で放出される。
【００２５】
トランスデューサは、トランスデューサを窓の表面に取り付けることにより、窓に取り付けられ得る。窓の表面へのトランスデューサの取り付けは、トランスデューサを窓の表面に化学結合させるか、又は物理的に固定することにより、実現され得る。エポキシ樹脂等の適切な結合剤が市販されている可能性がある。結合剤を使用すると、トランスデューサと窓の表面との間に結合層が形成される。この結合層は、たとえば真空下で用意されることで、薄く、厚さが均一で、気泡を含まないようになり得る。トランスデューサは、その電極「指」２１０が窓の表面を向く状態で窓に取り付けられ得るか、又は代替で、その電極「指」２１０が窓の表面から離れる方向を向くように取り付けられ得る。電極２１０が窓を向くようにすると、窓に適用される波エネルギーは増加するが、たとえば電極コネクタを介して、電極への電気的な接続を設けることが難しくなる。
【００２６】
トランスデューサの動作モードの例について以下に説明する。本明細書で説明される例では、トランスデューサは、１００ｋＨｚ〜４ＭＨｚの範囲又はそれ以上より選択される任意の周波数で動作するように構成され得、特定の物理的特性を有するガラスで使用するのに適している。この例では、ガラスは、自動車の前面窓のガラスである。周波数は、信号発生器により作成される電気信号の選択された周波数と、トランスデューサの電極の特定の組の選択とに基づいて、選択することができる。たとえば、いくつかの例では、約２２０ｋＨｚ、約５７０ｋＨｚ、約１．３９ＭＨｚ、約２ＭＨｚ、又は約３．１ＭＨｚのいずれか１つの周波数より選択される周波数に対して、電極の組が構成され得る。
【００２７】
これらの値の前後の周波数、たとえば、２２０ｋＨｚのプラスマイナス５０ｋＨｚ、５７０ｋＨｚのプラスマイナス５０ｋＨｚ、１．３９ＭＨｚのプラスマイナス１００ｋＨｚ、２ＭＨｚのプラスマイナス１００ｋＨｚ、及び３．１ＭＨｚのプラスマイナス１００ｋＨｚが使用され得る。
【００２８】
これらの例示的周波数のそれぞれの選択について、後ほど図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂを参照しながら説明する。本明細書で説明される、電極の異なる組の使用に基づいて選択され得る周波数は、いかなる意味でも限定的と考えられるべきではないことに留意する必要がある。なぜなら、任意の周波数を選択可能にすることが想定されるからである。周波数の範囲内の任意の１つの周波数を選択することは、所定の周波数選択に対して製作及び構成されたトランスデューサに基づいて、可能とされるべきである。これにより、電極の異なる組の動作により、本明細書に記載された方法に基づいて動作周波数を選択することが可能となる。ただし、本発明は、本明細書に記載された選択可能な周波数のみに限定されるわけではない。
【００２９】
図３Ａ〜図３Ｃは、動作時に１つ又は複数のトランスデューサから超音波で放出され得る、異なる波タイプの例を示している。
【００３０】
図３Ａの例では、トランスデューサ３００は、エポキシ樹脂等の結合層３２０により、窓３１０の表面に結合されている。水滴３３０は、窓の表面に存在し得る。トランスデューサは、窓の表面のみを通って伝搬する超音波を放出するように駆動され得る。この例の超音波は、レイリー波３４０等の表面音響波である。トランスデューサから放出されるレイリー波は、約２．５ＭＨｚを超える高い周波数で生成され得る。レイリー波は、窓の表面に沿って、水滴に向かって伝搬する。この超音波は窓の表面に結合されているため、窓の表面の水滴に遭遇し得る。超音波は特定の周波数（よって特定の波長）を有するため、水滴（複数可）に到達したときに、超音波が水滴を「発見」し、超音波から水滴にエネルギーが伝達されて窓の表面から水滴を除去する。超音波の高いエネルギーを水滴（複数可）に効率的に伝達することで、窓の表面の水滴（複数可）の微粒化が実現される。この例では、水滴は、微粒化又は推進の過程により除去され得る。水滴は、微粒化されて窓の表面から部分的又は完全に取り除かれ得る。部分的に微粒化された場合、残りの水滴は、推進又は振動のさらなる過程により除去され得る。たとえば、水滴を窓の表面に沿って進ませて、窓を通じたクリアな視界を邪魔する位置から水滴を移動させることができる。
【００３１】
図３Ｂの例では、トランスデューサから放出される超音波は、ラム波である。ラム波は、窓の表面に沿って伝搬する。この例でトランスデューサから放出されるラム波は、約１〜２．５ＭＨｚの周波数を有し得る。トランスデューサが取り付けられた窓の表面に沿って伝搬するラム波３５０は、窓の反対側の表面に沿って伝搬するラム波３６０よりも大きい振幅を有し得る。窓の両表面で伝搬するラム波３５０、３６０は、同相であるか、又は位相が異なる可能性がある。たとえば、これらのラム波は、それぞれ対称波又は非対称波であり得る。トランスデューサが設けられた表面のラム波３５０は、窓の反対側の表面のラム波３６０よりも高い変位を有し得る。よって、トランスデューサから放出された超音波エネルギーのほとんどは、窓の水滴が存在し得る表面を通じて伝搬し得る。この例では、水滴は、窓の表面に沿って水滴を進ませることにより取り除かれ得る。たとえばモード変換を介して、ラム波３５０から水滴に十分なエネルギーが伝達された場合、水滴の微粒化を介して水滴を除去することが可能であり得る。
【００３２】
レイリー波とラム波は、さまざまな周波数で共存する。たとえば１ＭＨｚの周波数では、ほとんどがラム波であり、たとえば３．１ＭＨｚでは、ほとんどがレイリー波である。周波数が増えるにつれ、波のタイプがラム波からレイリー波に漸進的に変化する。すなわち、低い周波数ではラム波が主流であり得るが、周波数が増えるにつれ、高い周波数ではレイリー波が主流となる。
【００３３】
図３Ｃの例では、トランスデューサから放出される超音波は板波３７０である。この例でトランスデューサから放出される板波の周波数は、約１ＭＨｚ未満の比較的低い周波数を有し得る。板波３７０は、主に窓の本体を通って移動する。板波は、周波数が低くて波長が大きく、よって窓の表面の水滴を振動させるだけであり得る。窓の表面の水滴の振動により、個別の水滴が合併して組み合わされ、比較的大きい水滴を形成し得る。
【００３４】
図３Ａ〜図３Ｃの例は、窓の表面に取り付けられた１つのトランスデューサのみを示しているが、任意の数のトランスデューサが窓の表面に取り付けられ得る。１つ又は複数のトランスデューサが、窓の縁の近傍又は窓の周辺領域に結合され得る。１つ又は複数のトランスデューサは、視界から隠され得る。
【００３５】
しきい値周波数又はカットオフ周波数が存在し、周波数がそれ以上高くなると超音波のエネルギーが高くなるために微粒化を実現できることを理解する必要がある。カットオフ周波数よりも下では、超音波は水滴の微粒化を発生させるための十分なエネルギーを持っていない可能性があるが、水滴（複数可）を窓の表面に沿って進めるための十分なエネルギーは持っている可能性がある。また、それ以下では水滴（複数可）の推進が実現できないが、水滴（複数可）の振動は可能であり得るという、別のカットオフ周波数も存在する。微粒化、推進、又は振動のカットオフ周波数は、水滴（複数可）のサイズ及び／又は構成に依存し得る。例として、窓の表面の水滴について考える。水滴が小さいほど、（表面積対体積の比率が小さくなる大きい水滴に比べて）表面積対体積の比率が大きくなり、よって水滴が小さくなるほど、表面張力は大きくなる。したがって、小さい水滴ほど、表面張力を克服して推進又は微粒化を発生させるために、（高い超音波周波数による）多くのエネルギーを必要とする。すなわち、小さい水滴を微粒化及び取り除くには、微粒化を発生させるためのエネルギーが少なくて済む大きい水滴に比べて、高い超音波周波数が必要となり得る。
【００３６】
窓の表面は、たとえば水滴と窓の表面との間の表面張力を変更させ得るオプションの被覆を適用することにより、処理され得る。たとえば、オプションの被覆が窓の表面に適用された場合、窓の表面は疎水性又は親水性となり、それぞれ水滴と窓の表面との間の表面張力を減少又は増加させ得る。たとえば、ＲａｉｎＸ（ＲＴＭ）を窓の表面に適用することで、水滴の接触角が変更され得る。よって、窓に対するオプションの被覆又は表面処理により、微粒化、推進、及び／又は振動を発生させるために必要なカットオフ周波数が変更され得る。
【００３７】
説明したように、各トランスデューサの電極は、各電極が他の電極から独立して操作され得るように構成される。周波数及び／又は波タイプの選択は、電極の異なる「組」の動作により実現される。たとえば、電極の異なる組み合わせが選択的に操作され得、一部の電極が、異なる位相で動作するか、又は動作しないように、オプションで選択され得る。動作しないように選択された電極は、電気的に浮遊し得る。電極が動作用に選択された場合、選択された電極（複数可）と接地との間に、周波数発生器により信号電圧が適用される。これに対し、オプションで動作しない電極は、電圧が適用されない浮遊電極である。例として、電極の半分のみが操作される場合、「組」は、利用可能な全電極のうちの動作している半分のみを含む。
【００３８】
図４Ａ〜図４Ｂは、窓の表面の水滴の微粒化を実現するための、トランスデューサの電極の組の例示的な動作モード又は構成を示す。これらの例では、構成により、トランスデューサが約２．５ＭＨｚを超える周波数を有し得る超音波を放出する。これらの超音波の波タイプは、主としてレイリー波である。
【００３９】
図４Ａの例では、トランスデューサ４００は、複数の電極４０５、４１０を備える。これらの電極は、ＰＴＺ材料等の圧電層４１５に隣接する。圧電層の電極４０５、４１０の反対側は、接地４２５に電気的に接続される、さらなる電極４２０である。動作中に、一部の電極４０５は浮遊電極であり、信号発生器に接続されないが、他の電極４１０は、信号発生器にアクティブに接続される。接続されている電極４１０の組は、２．５ＭＨｚを超える周波数を有する超音波を生成するように操作され得る。
【００４０】
トランスデューサ内の特定の物理パラメータは、所定の属性を有するように選択的に製造又は製作され得る。たとえば、電極は、トランスデューサが所定又は選択された周波数で動作するように設計され得る。たとえば、各電極の幅と、連続する電極間の間隙又は空間は、特定の周波数が依存し得る設計パラメータである。トランスデューサの電極は、電極の異なる組の動作により、トランスデューサが所定の周波数で超音波を放出するように設計され得る。たとえば、図４Ａに示されているトランスデューサは、２８個の独立した電極を備えている。図４Ａに示されている２８個の電極４０５、４１０のそれぞれは、０．４ミリメートル（ｍｍ）の幅と、電極間の０．１ｍｍの電極間隙又は間隔とを有し得る。約３．１ＭＨｚの周波数を有する波を生成するために、２８個の電極４１０のうち、１つおきの１４個の電極４１０の組が信号発生器に接続されて約３．１ＭＨｚの周波数を有する信号を受信し、介在する電極４０５が浮遊状態となる。隣接するアクティブ又は動作中の電極４１０の間隔は、その周波数で生成される波の波長に比例する。動作中の電極４１０と接地電極４２０との間に電場が設定されて、圧電層が超音波を放出するトランスデューサの変位に対してアクティブになり得る。
【００４１】
図４Ｂは、（図４Ａと同様に記載された）トランスデューサ４００を示す。このトランスデューサ４００では、電極４１０が第１の周波数及び位相の信号を受信し、介在する電極４０５が、同周波数だが電極４１０と比べて１８０°位相シフトした信号を受信する。この構成により、隣接する電極４１０、４０５の間に追加の電界４３０を設定することができる。この構成により、追加の電界でトランスデューサの圧電層をより「アクティブ」にし、トランスデューサの変位を高める、すなわち、振幅がより大きい超音波を発生させることができる。この構成により、トランスデューサの動作効率が向上し得、及び／又は窓の表面の水滴に伝達されるエネルギーが向上し得る。
【００４２】
図４Ｃ〜図４Ｆの例は、図３Ａを参照しながら説明した例に対応する。トランスデューサ４００は、結合層４３５を介して、窓４４０の表面に結合される。トランスデューサは、図４Ａ及び図４Ｂに記載されたトランスデューサであり得、２．５ＭＨｚを超える周波数を有する超音波を放出し得る。図４Ｃ〜図４Ｆに示された例で動作時にトランスデューサから放出される超音波は、レイリー波等の表面音響波である。トランスデューサから放出された超音波４４５は、窓の表面に取り付けられ、窓の表面に沿って伝搬する。窓の表面に存在する水滴４５０に、窓の表面に沿って伝搬する超音波が遭遇し得る。水滴に当たると、超音波のエネルギーが水滴に伝達される。このエネルギー伝達は、モード変換に基づき得る。モード変換は、低い周波数よりも高い周波数のほうが強力であり得る。モード変換は、超音波等の機械的な波が、窓の表面の水滴等の液体に結び付き、縦波４５５が液体に伝えられる、エネルギー伝達過程である。そのため、水滴に入射する超音波の振幅は、エネルギーが伝達されるにつれ低下し、「漏洩」波などと呼ばれ得る。そのため、水滴を超えた超音波の振幅は、水滴に入射する前の振幅に比べて、小さくなり得る。水滴に伝えられた縦波は、水滴の内面に圧力４６０を加えて、水滴をその水滴が存在する窓の表面に沿って進ませるか、又は水滴を微粒化させる効果を有する。
【００４３】
図４Ｄは、窓の表面の水滴が微粒化４６５された例を示している。したがって、窓は清掃される。窓は、水滴の微粒化によって清掃される。
【００４４】
図４Ｅは、トランスデューサが積層窓に取り付けられた例を示している。たとえば、積層窓は、車両の前面窓であり得る。トランスデューサは、窓の周辺領域又は縁で窓に取り付けられ得る。トランスデューサは、窓を囲むゴム製シールの下で、視界から隠され得る。積層窓は、ガラスの最上位層４４０と最下位層４７５との間に挟まれた積層４７０を備え得る。窓の表面に取り付けられた１つ又は複数のトランスデューサの動作時に、各トランスデューサは、ガラスの最上位層４４０の表面４８０のみを通って伝搬する超音波を放出するように構成され得る。この例では、超音波は実質的にガラスの最上位層のみを通って伝搬するため、積層を通って伝搬しない。これは、超音波の大幅な吸収及び制振を生じさせ得る積層に対して超音波のエネルギーが「失われる」ことがなくなるため、有益である。表面音響波のみを放出するようにトランスデューサを構成すると、積層での減衰が防止されるために窓の清掃効率が向上するという利点がある。すべての超音波エネルギーが窓の表面に限定されて、超音波から水滴へのエネルギー伝達が最大化され、窓の清掃が効率化される。
【００４５】
図４Ｆは、加熱素子４８５をオプションで備える窓にトランスデューサが取り付けられた例を示す。たとえば、加熱素子を備える窓は、車両の後部窓であり得る。図示されているように、トランスデューサは、窓の加熱素子を備える表面と反対側の表面に取り付けられ得る。窓の表面に取り付けられた１つ又は複数のトランスデューサの動作時に、トランスデューサは、窓の表面４８０のみを通って伝搬する超音波を放出するように構成され得る。よって、超音波は加熱素子を通って伝搬しない。図４Ｅの積層に関する例と同様に、波エネルギーが加熱素子に対して失われることはない。代わりに、利用可能なすべての波エネルギーが、窓を清掃するために窓の表面の水滴に向けられる。後述するように、トランスデューサ４００は、窓の効率的な清掃のために、ラム波や板波など、他の波タイプを放出するようにも構成され得る。
【００４６】
上述した図４Ｃ〜図４Ｆは、約２．５ＭＨｚよりも高い周波数を放出することができるトランスデューサに関連して説明されている。放出される高い周波数は、モード変換及び窓の表面の水滴の微粒化を介して窓を清掃するレイリー波などの表面音響波を生成し得る。以下では、異なる電極構成のための、トランスデューサの他の例示的な動作モードについて説明する。本明細書で説明されるすべての電極構成は、シート状のガラスのみからなる単純な窓、積層又は加熱素子を備える窓、その他のタイプの窓など、あらゆるタイプの窓を清掃するために使用され得る。
【００４７】
図５Ａ及び図５Ｂは、窓の表面の水滴の推進を実現するためのトランスデューサの電極の組の例示的な動作モード又は構成を示す。これらの例では、電極構成により、トランスデューサが約１〜２．５ＭＨｚの範囲の周波数を有し得る放射能を放出し得る。放出される超音波は、主としてラム波であり得る。
【００４８】
図５Ａ及び図５Ｂは、トランスデューサ５００の異なる例示的動作モードを示す。図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、異なる電極構成に関する。トランスデューサ５００は、複数の電極５０５、５１０を備える。電極は、圧電層５１５上にある。圧電層の電極５０５、５１０と反対の側は、接地電極５２０である。動作中に、一部の電極５０５は、信号発生器に接続されないため電気的に浮遊する。一方、他の電極５１０は、信号発生器に接続されて、選択された周波数の信号を受信する。接続された電極５１０の組は、約１〜２．５ＭＨｚの範囲の周波数の信号を受信し、同周波数の超音波を生成するように操作される。図５Ａ及び図５Ｂのアクティブな電極５１０は、概ねこの範囲の固有周波数を提供するように離間されている。
【００４９】
図５Ａ及び図５Ｂの例に示されたトランスデューサは、２８個の独立した電極を備える。２８個の電極５０５、５１０のそれぞれは、０．４ｍｍの幅と、電極間の０．１ｍｍの電極間隙又は間隔とを有し得る。図５Ａの例では、信号発生器に接続された電極５１０の組は、１０個の電極を備え、接続された各電極の間の浮遊電極が接続されないままとなる。この電極構成又は動作モードの具体的な例は、約２ＭＨｚの周波数を有する超音波を生成するために使用され得る。図５Ｂの例に示されたトランスデューサも、２８個の独立した電極を同様に備える。＋でマークされた、隣接する対の電極が、図示されているように信号発生器に接続される（ただし、圧電層の各端部にある単一の電極は、単一の電極対として接続される）。この電極構成又は動作モードは、約１．３９ＭＨｚの周波数を有する超音波を生成するために使用され得る。図５Ａ及び図５Ｂで浮遊している電極５０５は、選択された周波数ではあるが電極５１０に比べて１８０°位相シフトした信号を代替で受信し得る。
【００５０】
図５Ｃ及び図５Ｄの例は、図３Ｂを参照しながら説明した例に対応する。トランスデューサ５００は、結合層５３０を介して、窓５３５の表面に結合される。１つ又は複数のトランスデューサは、図５Ａ及び図５Ｂに記載されたトランスデューサであり得、約１〜２．５ＭＨｚの範囲の周波数を有する超音波を放出し得る。図５Ｃ及び図５Ｄに示された例で動作中にトランスデューサから放出される超音波は、主としてラム波である。トランスデューサから放出された超音波５４０、５４５は、窓の上面及び下面に沿って伝搬する。超音波は、窓の表面に取り付けられる。窓の表面に存在する水滴５５０に、トランスデューサが取り付けられた窓の上面に沿って伝搬する超音波が遭遇し得る。図５Ｃは、水滴を通って伝搬する超音波を示している。水滴内で、超音波のエネルギーが、たとえばモード変換を介して、水滴に伝達される。縦波５５５が、水滴に伝えられる。物質に伝えられた縦波は、圧力５６０を水滴の内面に与える効果を有する。
【００５１】
図５Ｄは、水滴に入射した超音波が水滴自体に対して有する効果を示す。水滴に入射した超音波は、窓の表面に沿って水滴を進ませる。推進方向５６５は、超音波が伝搬する方向と同じであり得る。水滴が窓の表面に沿って進められると、水滴の形状が変化し得る。たとえば、水滴は、窓の表面に対して異なる接触角を有する後端５７０及び前縁５７５を有し得る。たとえば、後端５７０は、前縁５７５に比べて、窓の表面に対する接触角が大きくなり得る。水滴を窓の表面に沿って進ませる機能により、窓を清掃する５８０ことができる。
【００５２】
水滴が窓の表面に沿って進むと、窓の表面に対する後端の接触角の変化により、水滴に対する超音波のカップリング効果が変化し得る。したがって、推進が始まったら、水滴の推進を維持するために、トランスデューサの動作モードを変更して放出される超音波の周波数を修正することが必要になり得る。よって、窓の清掃は、動作モード、すなわち、放出される超音波の異なる周波数及び／又は波タイプを切り替えることにより、動的に実現され得る。
【００５３】
図５Ｃ及び図５Ｄの例では、トランスデューサが取り付けられた窓の表面に沿って伝搬するラム波５４０、３５０は、窓の反対側の表面に沿って伝搬するラム波５４５、３６０よりも大きい振幅を有し得る。これは、図４Ｅ及び／又は図４Ｆの例の各トランスデューサ４００がラム波を放出して窓を清掃するように構成されている場合は、有利であり得る。なぜなら、モード変換を引き起こすラム波５４０、３５０のほうが振幅が大きく、積層又は加熱素子に影響されないため、エネルギーが小さく、積層４７０又は加熱素子３８５の近傍を伝搬するラム波５４５、３６０が、窓から水滴を除去するための推進（又は微粒化）の効率に影響を与えないからである。
【００５４】
以下では、異なる電極構成についてのトランスデューサの他の例示的な動作モードについて説明する。
【００５５】
図６Ａ及び図６Ｂは、窓の表面の水滴を振動させるための、トランスデューサの電極の組の例示的な動作モード又は構成を示している。これらの例では、電極構成により、トランスデューサが約１ＭＨｚ未満又は約２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数を有し得る超音波を放出し得る。放出される超音波は、板波又は振動波であり得る。
【００５６】
図６Ａ及び図６Ｂは、トランスデューサ６００の異なる動作モードを示している。図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、異なる電極構成に関する。トランスデューサ６００は、複数の電極６０５、６１０を備える。電極は、圧電層６１５に位置する。圧電層の電極６０５、６１０と反対の側は、接地６２５に電気的に接続された接地電極６２０である。動作中に、一部の電極６０５は信号発生器に接続され得ず、他の電極６１０は、信号発生器に接続され得る。この例の電極６１０の組は、約２００ｋＨｚ〜約１ＭＨｚの範囲の周波数の信号を受信し、同周波数の超音波を生成するように接続される。図５Ａの単一のアクティブ電極５１０と、図５Ｂの対になったアクティブ電極とは、概ねこの範囲の固有周波数を提供するように構成されている。
【００５７】
図６Ａ及び図６Ｂの例に示されたトランスデューサは、２８個の独立した電極を備える。２８個の電極６０５、６１０のそれぞれは、０．４ミリメートル（ｍｍ）の幅と、電極間の０．１ｍｍの電極間隙又は間隔とを有し得る。図６Ａの例では、信号発生器に接続された電極６１０の組は、１８個の電極を備える。これらは、６３０、６３５、６４０、６４５、６５０、６５５、６６０でそれぞれ示されているように、「接続４個／ミス４個／接続５個／ミス２個／接続５個／ミス４個／接続４個」の電極の電極群で接続される。この電極構成又は動作モードは、約５７０ｋＨｚの周波数を有する超音波を生成するために使用され得る。図６Ａ及び図６Ｂで浮遊している電極６０５は、選択された周波数ではあるが電極６１０に比べて１８０°位相シフトした信号を代替で受信し得る。
【００５８】
同様に、図６Ｂの例に示されたトランスデューサは、２８個の独立した電極を備え、信号発生器に接続された電極６１０の組が、１８個の電極を備える。図示された電極は、６６５、６７０、６７５でそれぞれ示されているように、圧電層に沿って「接続８個／ミス１２個／接続８個」の電極の電極群で接続される。この電極構成又は動作モードは、約２２０ｋＨｚの周波数を有する超音波を生成するために使用され得る。
【００５９】
図６Ｃ及び図６Ｄの例は、図３Ｃを参照しながら説明した例に対応する。トランスデューサ６００は、結合層を介して、窓の表面に結合される。トランスデューサは、図６Ａ及び図６Ｂに記載されたトランスデューサであり得、約２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲の周波数を有する超音波を放出するように駆動され得る。図６Ｃ及び図６Ｄに示された例で動作時にトランスデューサから放出される超音波は、板波である。トランスデューサから放出された超音波６８０は、窓の本体を通って伝搬する。超音波は、窓の共振周波数又は振動周波数（共振条件）に一致する周波数を有し得る。窓の本体を通って伝搬する超音波は、窓を振動させる。
【００６０】
図６Ｃの例では、水滴６８５が窓の表面に存在するものとして示されている。窓の振動により、水滴と窓の表面との間の表面張力を克服することが可能となる。振動している窓の表面の水滴は、符号６９０に示すように、窓の表面から「撥ね飛ばされる」か、又は「はじかれる」。したがって、水滴（複数可）は窓の表面を離れ、超音波が窓を清掃する。さらに、窓の表面の上の気流６９５が、窓の清掃を補助し得る。これは、水滴（複数可）を窓の表面からさらに遠くへ移動させ、それによって水滴（複数可）が振動する表面に戻る可能性を減らすことにより実現され得る。
【００６１】
たとえば、図４Ｅ及び／又は図４Ｆの例の各トランスデューサ４００は、図６Ｃ及び図６Ｄを参照して説明した振動する板波を放出して窓を清掃するように構成され得る。これには、積層窓又は加熱素子を含む窓を効率的に清掃できるという利点があり得る。なぜなら、板波は周波数が低く（よって波長が長く）、そのために板波の波長よりもはるかに小さい加熱素子を「発見」しないからである。
【００６２】
図４〜図６で説明した例示的な動作モードは、信号発生器に電気的に接続されている電極の異なる構成に基づいて、発生器により作成される信号の異なる周波数により、トランスデューサ（複数可）から放出される超音波の周波数及び波タイプを制御するために使用され得る。トランスデューサの１つ又は複数の動作モードを使用して窓を清掃する例示的な方法を次に説明する。
【００６３】
図７は、トランスデューサの１つ又は複数の選択された動作モードを使用して窓を清掃する方法７００を概説する例示的な流れ図である。ブロック７６０で、水滴の存在が窓で検出される。ブロック７７０で、動作モード又は動作モードのシーケンスが選択される。窓を清掃するために、１つの動作モードを選択するか、又は複数の動作モードのシーケンスを選択することが可能である。トランスデューサの動作モードはトランスデューサの信号発生器にアクティブに接続されている電極の構成に基づくため、システムの例では、単一のトランスデューサについて、一度に１つの動作モードのみが操作され得る。したがって、窓の清掃７８０のために複数の動作モードが必要な場合、動作モードを逐次的に選択しなければならない。
【００６４】
たとえば、２つの動作モードを使用して窓の表面から水滴を除去する場合、選択される第１の動作モードは、トランスデューサが約３．１ＭＨｚの周波数を有する超音波を放出するように構成されるものであり得、選択される第２の動作モードは、約２ＭＨｚの周波数を有する超音波を放出するようにトランスデューサを構成するものであり得る。この例で、トランスデューサの２つの動作モードは、最初に約３．１ＭＨｚで超音波を放出し、次に約２ＭＨｚで超音波を放出するようにトランスデューサを構成するために、動的に切り替えられ得る。もちろん、放出される周波数の選択は、窓の表面に存在する水滴の数又は水滴のサイズに依存し得る。他の例示的な周波数を使用して、低い周波数で水滴の振動を開始し、その後高い周波数で水滴を推進又は微粒化させることもできる。
【００６５】
図７に記載された窓の清掃方法では、トランスデューサから放出される超音波の周波数及び波タイプ（すなわち、動作モード）を動的に制御又は選択することができる。これは、たとえば、車両の窓から氷又は泥を除去するために有利であり得る。最初のモードは、窓を振動させて表面の氷を割るように選択され得、２番目のモードは、窓の表面に散らばった氷の破片を移動して窓を清掃するように選択され得る。さらに、溶けた氷又は水滴を微粒化により除去するために、さらなるモードが選出又は選択され得る。トランスデューサの動作周波数の動的な選択により、異なる周波数の超音波を制御された態様でトランスデューサから放出して、窓の表面全体に、又はオプションで窓の本体を通って、伝搬させることができる。本明細書で上述した電極構成の多数の異なる組み合わせに基づいて、単一のトランスデューサで複数の動作モードを利用することができる。
【００６６】
動作モードは、各動作モードの選択の間に設定時間遅延を置いて、逐次的に選択され得る。たとえば、連続する動作モード間の時間遅延は、５マイクロ秒であり得る。すなわち、トランスデューサ（複数可）から放出される超音波の周波数と、電極の組とは、５マイクロ秒ごとに変更され得る。時間遅延は、等価で固定されるか、又は動作時に動的に変更され得る。５マイクロ秒の時間遅延は一例に過ぎない。たとえば、１〜１０マイクロ秒など、数マイクロ秒単位の他の遅延も使用され得る。遅延は、水滴に対する１つのモードの結果が、次のモードが水滴に適用されたときに依然として有効であるようにするために、選択され得る。検出７６０と、動作モード（複数可）の選択７７０とは、手動又は自動であり得る。たとえば、車両の運転者は、窓の表面の水滴又は他の降下物の視覚的な観察に基づいて、トランスデューサの動作モードを手動で選択することができる。代替で、降下物の存在を自動的に検出するように、検出システムを構成することができる。検出が自動的に行われる場合、送信機として機能する第１のトランスデューサと、受信機として機能する第２のトランスデューサの、少なくとも２つのトランスデューサが必要である。信号発生器と、降下物の除去に使用される１つ又は複数のトランスデューサとが、検出システムの送信機として使用され得る。代替で、追加の独立したトランスデューサを送信機として使用することもできる。降下物の検出は、受信機で検出される、送信機が放出した超音波に基づき得る。この超音波は、窓の表面に水滴又は他の降下物が存在しない状態に対応する、「既定の」振幅又は信号強度を有する。第２のトランスデューサで受信された信号の強度が、既定の信号強度から変化している場合、窓の表面に水又は他の降下物が存在することを示している可能性がある。水又は他の降下物が窓の表面に存在する場合、伝搬する超音波から水又は他の降下物にエネルギーが伝達され得る。そのため、超音波は減衰する可能性があり、超音波が第２のトランスデューサである受信機に到達したときに、信号強度が既定の値よりも下がる。これにより、窓の表面に水滴又は他の降下物が存在することが検出される。減衰のレベルは、窓の表面の降下物（又は水滴）の量、又は降下物のタイプ（たとえば、みぞれ）を示し得る。検出された水又は他の降下物の量は、上述したように窓を清掃するための動作モードを自動的に選択するために使用され得る。
【００６７】
図８は、分散８１０を、ガラス基板（すなわち、窓）での超音波の位相速度８２０の関数としてモデル化したグラフ８００である。この情報は、各波タイプが窓の表面に存在する水滴に与える影響を判断するのに有益である。縦軸は、位相速度を毎秒メートル、ｍ／ｓの単位で表す。横軸は、厚さ３ｍｍのシート状ガラスでの周波数をＭＨｚ単位で表し、Ｈｚ単位で測定される分散（周波数）に対応する。
【００６８】
図８の例では、モデル化された超音波は表面音響波である。モデル化されたガラス基板は、厚さ３ｍｍである。これは、概ね車両の窓、又は積層前面窓のガラスの最上位層の厚さである。反対称ラム波及び対称ラム波についての、バルクガラスを通って伝搬する超音波の位相速度が、曲線８３０及び８３５により与えられている。窓などの薄いシート状ガラス又はガラス基板の場合、波はバルクガラスの場合と異なる動作をする可能性があり、表面結合又は板波動作を示す可能性がある。超音波の位相速度は、毎秒メートル（ｍ／ｓ）単位で示されており、分散はヘルツ（Ｈｚ）、すなわち、厚さ３ｍｍのガラス基板での周波数の単位で示されている。グラフは、ガラス基板を通って伝搬する際に超音波の位相速度又は速さが周波数とともにどのように変化するのかを表している。
【００６９】
図８は、放出される超音波が、一次波（第１モード）８３０、８３５、二次波（第２モード）８４０、８４５、三次波（第３モード）８５０、８５５、又はそれ以上の高次波であり得ることを示している。図８に示されているように、超音波は、ラム波であり、反対称波又は対称波、すなわち、異なる位相又は同相であり得る。反対称波の位相速度は、８３０、８４０、及び８５０により示されている。対称波の位相速度は、８３５、８４５、及び８５５により示されている。本明細書に記載されたトランスデューサ（複数可）の異なる構成について放出される超音波の周波数が、反対称波の一次モード（８３０）についての位相速度対分散の関係で、８６０Ａ、８６５Ａ、８７０、及び８７５により示されている。５７０ｋＨｚの「板」波の位相速度は、８６０Ａにより示されている。約１．５ＭＨｚのラム波の位相速度は、８６５Ａにより示されている。それよりも高い周波数の「レイリー」波の位相速度は、８７０及び８７５により示されている。分散の値が小さい場合、すなわち、板波の場合では、トランスデューサの変位は大きくなり得る。なぜなら、小さい分散値のために放出される超音波は、長い波長を有するからである。放出された超音波のグラフの点線８８０、８８５、８９０、８９５を横切る部分の波長（λ）は、それぞれλ＝１０ｍｍ、λ＝４．９ｍｍ、λ＝２．１６ｍｍ、λ＝１．５５ｍｍである。
【００７０】
たとえば、第１モード反対称波８６０Ａについての５７０ｋＨｚの「板」波は、波長が１０ｍｍであり、二次反対称波８６０Ｂ（周波数がわずかに高くシフト）も波長が１０ｍｍである。見てわかるように、一次波８６０Ａの約２０００ｍ／ｓという位相速度は、二次波の約８０００ｍ／ｓという位相速度よりも遅い。
【００７１】
例として、波長がそれぞれ２．１６ｍｍ及び１．５５ｍｍと短い高周波数の超音波８７０、８７５は、典型的な水滴の直径（数ｍｍ）に近い波長を有する。よって、これらの波は、強いモード変換に起因して水滴を微粒化するのにより適している。これに対し、波長が１０ｍｍと長い低周波数の超音波８６０Ａは、きわめて弱いモード変換（存在する場合）を有し、水滴を微粒化するのには適していないが、水滴を振動させるには適している可能性がある。もちろん、微粒化と振動との間に位置する、周波数の「中間的な」組も存在する。これらの周波数は、低周波数のきわめて弱いモード変換と、高周波数の強力なモード変換との間の、一定のレベルのモード変換を生み出す。このグラフは、窓から水滴を除去するのに最も適した周波数を特定するのに役立つ。マルチモードトランスデューサ（複数可）と関連する回路の例示的な実装を、図９Ａ及び図９Ｂを参照しながら本明細書で説明する。
【００７２】
図９Ａを参照すると、複数のうちの１つであり得るトランスデューサが、たとえば図２に示されているように、圧電基板上の複数の電極２１０を備えている。各電極２１０は、コネクタ９６０を介して、スイッチ回路９４０の複数のバイナリスイッチ９４１の対応する１つに接続されている。すべてのスイッチは、周波数発生器９２５の出力９２６に接続されている。モードコントローラ９３０は、周波数発生器と、スイッチ回路とを制御する。モードコントローラは、スイッチ９４１に適用される出力信号の周波数を制御する。また、モードコントローラは、導電性のあるスイッチと、導電性のないスイッチとを選択し、それによって出力信号を受信する電極２１０の組を選択する。この例で、他の電極は、電気的に浮遊している。モードコントローラは、たとえば、スイッチの制御入力９４２にバイナリ信号を適用することにより、スイッチを制御する。周波数と、出力信号を受信するように選択された電極の組との組み合わせにより、交換機の選択された動作モードが上述したように画定される。
【００７３】
周波数発生器は、パルス発生器９５０をさらに含み得る。パルス発生器９５０は、所望のマーク対スペース比で出力信号９２６をオン及びオフでパルス化して、トランスデューサの加熱を軽減する。出力信号９２６のパルス化は、コントローラ９３０により制御され得る。パルス化は、センサＴにより測定されるトランスデューサの温度に依存して制御され得る。
【００７４】
図９Ｂは、図９Ａで浮遊している電極２１１が、周波数発生器の１８０度位相シフトされた出力信号９２６を受信する点で、図９Ａと異なる。この目的のために、周波数発生器は、さらなる出力９２６＋１８０と、追加のスイッチ回路９４０−とを有する。追加のスイッチ回路９４０−は、モードコントローラ９３０の制御の下で、他の電極２１１を選択する。モードコントローラ９３０は、追加のスイッチ回路９４０−を制御するための追加の制御ポート９４３を有する。よって、図９Ｂのシステムは、トランスデューサの任意の電極を選択して、信号９２６又は１８０度シフトした信号９２６を受信することができる。
【００７５】
モードの選択は、図７を参照しながら上述したように、車両の運転者等の操作者により手動で行われ得る。モードの選択は、図７を参照しながら上述したように、窓にある水の量を検出する検出器９７０を使用して自動で行われ得る。
【００７６】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、車両に設置された本発明の清掃装置を概略的に示している。
【００７７】
図１０Ａの例は、車両の窓１０１０に取り付けられた清掃装置１０００を示している。清掃装置は、本明細書で説明されている１つ又は複数のマルチモードトランスデューサ１０２０を備える。この場合、車両の窓は、積層窓であり得る前面窓である。複数のトランスデューサ１０２０が、窓の周辺領域に取り付けられ、オプションで、ゴム製シールの下で視界から隠され得る。トランスデューサは、窓の表面に取り付けられ窓の表面全体に伝搬する超音波１０３０を放出するように駆動される。この例での伝搬方向は、トランスデューサの電極に対して垂直な方向である。窓の表面の降下物１０４０は、本明細書に記載された方法、たとえば、振動、推進、及び／又は微粒化に応じて、除去され得る。トランスデューサは、超音波が窓の表面全体に伝搬し得るように、窓の縁に沿って線形の態様で配置され得る。トランスデューサの取り付け位置により、窓の表面の任意の領域から降下物を除去することができる。トランスデューサは、車両の運転者にとって、及び好ましくは助手席の乗員にとっても、窓を通した視界を遮らないように、窓に取り付けられる。図示された例では、トランスデューサは、窓の最上部に取り付けられる。トランスデューサは、窓の周辺の別の位置にも配置され得る。清掃装置１０００は、側部窓１０５０及び／又は後部窓など、車両の他の窓にもオプションで取り付けられ得る。
【００７８】
図１０Ｂは、車両の窓の降下物を検出及び除去する例示的な装置１０６０を示す。この例では、図７を参照しながら上述したように、窓に取り付けられた複数のトランスデューサ１０２０の１つ又は複数が送信機として機能し得、別の１つ又は複数のトランスデューサ１０７０が受信機として機能し得る。窓に沿って伝搬する超音波１０８０が、トランスデューサ（複数可）１０７０により送信及び受信される。これにより、降下物の存在が検出され得る。よって、本明細書で上述したように、水滴が窓から自動的に除去される。
【００７９】
本明細書で上述した例は、窓の表面から水滴（複数可）を除去する堅牢な方法を提供する。複数の電極を有するトランスデューサと、電極及び動作周波数の異なる組み合わせの選択とを組み合わせることで、幅広い動作モードを選択することが可能となる。モードは、自動的に選択され得る。本明細書に記載された例では、単一のトランスデューサが、電極の異なる構成のための５つの異なる周波数等の複数の異なる周波数で超音波を個別に放出するように、動的に構成され得る。ただし、ほかにも多くの周波数が追加で選択され得ることが理解される。
【００８０】
例として上述した本発明は、一度に１つの選択された周波数でトランスデューサを操作する。しかし、トランスデューサは、基本周波数と、その周波数の１つ又は複数の調波とで、同時に動作するように設計され得る。
【００８１】
動作モードの選択により、トランスデューサから放出される超音波エネルギーのほとんどが、水滴が存在している可能性がある窓の表面を通って伝搬するモードを選択することが可能となる。これにより、窓の表面を清掃するために水滴を効率的に取り除くことが可能となる。
【００８２】
本発明は、例として、詳細には車両の窓である窓に関して説明されているが、オートバイ等の前面窓を持たない車両の運転者により使用されるバイザーから降下物を除去するために使用され得る。他の使用例には、車両の外部ミラーが含まれる。
【００８３】
本発明は、例として、特に水滴である降下物を除去することに関して説明されているが、前面窓に適用される洗浄液など、窓を洗浄するために使用される洗剤及び／又は解氷剤等の添加物を含み得る他の水滴を除去するために使用され得る。土又は他の汚染物質は、水又は洗剤を含む水により洗浄した後、本発明を使用して汚染水を除去することにより、窓から取り除かれ得る。
【００８４】
以上の説明は、説明される原則の例を明示及び説明するために提示された。この説明は、開示された任意の形式そのものに対して網羅的であること、又はそのような形式にこれらの原則を限定することを意図されたものではない。上記の教示に鑑み、多数の変更及び変形が可能である。特定の例を参照して説明された特徴は、その特定の例に限定されると考えられるべきではなく、むしろ本明細書で説明された例のいずれかと組み合わせ又は統合され得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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