(57)【要約】  カメラの水滴除去装置、超音波トランスデューサー装置、ポンプ装置などに用いられる、圧電素子を利用した振動装置であって、液体や外気から内部が保護される防滴仕様を持ち、大振幅でも圧電素子が破壊されにくい構造を持つ。  天板弾性体２と、第１の端部３ａと、第２の端部３ｂとを有し、第１の端部３ａ側において天板弾性体２を保持するように天板弾性体２に連結されている筒状体３とを備え、筒状体３には、第２の端部３ｂ側に、筒状体３の径方向外側に延ばされたリング状つば部３ｅが設けられており、筒状体３を振動させるようにリング状つば部３ｅに固定された圧電素子４とを備える、振動装置１。
2018207395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
天板弾性体と、
第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１の端部側において、前記天板弾性体を保持するように、前記天板弾性体に連結されている筒状体と、
前記筒状体の前記第２の端部側に、前記筒状体の径方向外側に延ばされたリング状つば部が設けられており、
前記リング状つば部を有する前記筒状体を振動させるように前記リング状つば部に固定された圧電素子とを備える、振動装置。
【請求項２】
前記リング状つば部が、前記天板弾性体側の第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、前記第２の面に前記圧電素子が固定されている、請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記圧電素子を駆動した際に前記筒状体の前記リング状つば部における振動の位相と、前記筒状体に連結されている前記天板弾性体の位相とが逆である第１のモードで前記天板弾性体が振動される、請求項１または２に記載の振動装置。
【請求項４】
圧電素子の最大変位と天板弾性体の屈曲振動振幅の比を振幅拡大率と定義した場合に、前記圧電素子を駆動した際に前記筒状体の前記リング状つば部における振動の位相と、前記筒状体に連結されている前記天板弾性体における振動の位相とが同相である第２のモードにおける振幅拡大率と、前記第１のモードの振幅拡大率とが同値になるような前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離よりも、前記第１の端部と、前記第２の端部との間の距離が長くされており、前記第２のモードで振動される、請求項３に記載の振動装置。
【請求項５】
前記圧電素子は、前記リング状つば部の周方向に沿って環状に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項６】
前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離が、前記リング状つば部の厚みと同等もしくは大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項７】
前記リング状つば部の径方向外側に延びている寸法が、前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離よりも長い、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項８】
前記第１のモードの振動のノードの位置が、前記リング状つば部の外周縁よりも径方向内側に位置するように、前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離が選ばれている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項９】
前記天板弾性体、前記筒状体及び前記リング状つば部の少なくとも１つは、残りの部材と別部材からなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項１０】
前記天板弾性体、前記筒状体及び前記リング状つば部とが同一材料で一体に形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項１１】
前記圧電素子は、前記筒状体の前記第１，第２の端部を結ぶ方向に分極されたリング状圧電体と、前記リング状圧電体の一方面及び他方面に設けられた電極とを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の振動装置と、前記振動装置の前記天板弾性体の後方に配置されたカメラ装置とを備え、前記天板弾性体が透光体である、雨滴またはごみ除去装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の振動装置と、外囲器とを備え、前記天板弾性体の屈曲振動が音波発生源とされており、前記外囲器が、前記天板弾性体のノードラインを保持している、超音波トランスデューサー装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の振動装置と、前記振動装置の前記天板弾性体と送液部を構成している送液部材とを備え、前記送液部材に貫通孔が設けられており、前記天板弾性体がダイヤフラムとして用いられており、前記送液部材の貫通孔が流体に押し出される、ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を利用した振動装置であって、液体や外気から内部が保護される防滴仕様で大振幅でも圧電素子が破壊されにくい構造を持ち、カメラの水滴除去装置などに用いられる振動装置、及び気体空間や液体空間に放出される超音波帯の振動を利用した超音波送信機やマイク、さらに空気や液体の粘性を利用したポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈曲振動を励振する圧電振動発生装置としては、たとえば発音体として円板弾性体に平板圧電素子を接合したユニモルフ構造の振動体が公知である。弾性体部を透光体のガラス素材としリング状の圧電素子を接合すれば透明な振動体になる。たとえば特許文献１ではカメラの撮像素子の前方には透光体カバーが配置されている。このカバーに付着したごみや水滴を除去するための装置が種々提案されている。撮像素子の前方に、円板状の防塵部材が配置されている。防塵部材の外周縁が、防塵部材よりも剛性の低い枠状の接合部材により支持されている。枠状の接合部材の下面が、筒状体に固定され、支持されている。接合部材の下面に、圧電素子からなる振動部材が固定されている。振動部材を振動させることにより、防塵部材を振動させ、表面に付着したごみや水滴などを除去する。さらに特許文献２には円筒形の天板部に内側から圧電素子を接合した超音波トランスデューサーが開示されている。またたとえば特許文献３には空気粘性を利用して超音波周波数体でのユニモルフ振動体を利用したポンプ機構が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４９０５１７０号公報
【特許文献２】特許第３９７８８７５号公報
【特許文献３】特開２００９−１０３１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の装置では、振動部材を振動させたとしても、防塵部材表面に付着した水滴等を確実に除去することができないことがあった。また特許文献２，３では振動板の最大振動部の直下に圧電セラミックが接合されているため、振幅を大きくして音圧を上げたり流量や送付圧力を上げたりする場合には振動板の素材の破壊限界のほかに圧電セラミックの破壊や接合部の破壊がその限界を決める要因になっていた。【０００５】
本発明の第１の目的は、圧電素子の発生する振動を効率よく増幅し、透光体を含む弾性振動板自身を間接的に振動させ、従来のユニモルフ型振動体に代わる振動装置を提供することである。さらに第２の目的は撮像素子の被写体側に配置された天板弾性体としての透光体表面に付着した水滴等を確実に除去することができる、振動装置を提供することにある。さらに第３の目的はこの振動装置を利用して天板弾性体を大振幅で駆動できる超音波トランスデューサー装置を提供することである。さらに第４の目的はこの振動装置を利用して大振幅で駆動できる気体および液体用のポンプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る振動装置は、天板弾性体と、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１の端部側において、前記天板弾性体を保持するように、前記天板弾性体に連結されている筒状体と、前記筒状体の前記第２の端部側に、前記筒状体の径方向外側に延ばされたリング状つば部が設けられており、前記リング状つば部を有する前記筒状体を振動させるように前記リング状つば部に固定された圧電素子とを備える。【０００７】
本発明に係る振動装置のある特定の局面では、前記リング状つば部が、前記天板弾性体側の第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、前記第２の面に前記圧電素子が固定されている。この場合には、天板弾性体は圧電素子の振動に呼応して、屈曲振動し特定の設計により圧電素子の振動により天板弾性体を大きな振幅に拡大し屈曲振動させることができる。【０００８】
本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、前記圧電素子を駆動した際に前記筒状体の前記リング状つば部における振動の位相と、前記筒状体に連結されている前記天板弾性体の位相とが逆である第１のモードで前記天板弾性体が振動される。この場合には、振動のノードが筒状体の第１の端部を含めた外側面に位置するため、天板弾性体をこの部分より下面を分離密封して圧電素子を外気から保護させつつより効果的に振動させることができる。【０００９】
本発明に係る振動装置の別の特定の局面では、圧電素子の最大変位と天板弾性体の屈曲振動振幅の比を振幅拡大率と定義した場合に、前記圧電素子を駆動した際に前記筒状体の前記リング状つば部における振動の位相と、前記筒状体に連結されている前記天板弾性体における振動の位相とが同相である第２のモードにおける振幅拡大率と、前記第１のモードの振幅拡大率とが同値になるような前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離よりも、前記第１の端部と、前記第２の端部との間の距離が長くされており、前記第２のモードで振動される。【００１０】
その場合には、さらに圧電素子の最大変位と天板弾性体の振幅比を振幅拡大率とした時、筒状体の高さが特定の値になると第１のモードと第２のモードがほぼ同値になるが、筒体高さが上記特定の値より短い場合には第１のモードを利用し、上記特定の値より高い場合は第２の振動モードを利用するように設計の選択をする。その結果、常に圧電素子の変位が小さくても、天板弾性体を大きく変位させる状態が維持される。よって、大振幅時の圧電素子の破損が回避できる。また筒状体の高さが高い場合には、第２のモードであっても天板弾性体表面にあったノードはヒンジ部や筒状体の直上部に移動する。よって、大きな変位領域を確保でき、第１のモードと同様の機能が維持される。【００１１】
本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電素子は、前記リング状つば部の周方向に沿って環状に配置されている。【００１２】
本発明に係る振動装置のさらに別の特定の局面では、前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離が、前記リング状つば部の厚みと同等もしくは大きい。【００１３】
本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、前記リング状つば部の径方向外側に延びている寸法が、前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離よりも長い。この場合には、圧電素子の分極や電極配置に工夫を加えることで高次モードの振動で天板弾性体を効果的に振動させることができる。【００１４】
本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、前記第１のモードの振動のノードの位置が、前記リング状つば部の外周縁よりも径方向内側に位置するように、前記筒状体の前記第１の端部と前記第２の端部との間の距離が選ばれている。この場合には、天板弾性体をより効果的に振動させることができる。【００１５】
本発明に係る振動装置では、前記天板弾性体、前記筒状体及び前記リング状つば部の少なくとも１つは、残りの部材と別部材からなるものであってもよい。【００１６】
また、本発明においては、前記天板弾性体、前記筒状体及び前記リング状つば部とが同一材料で一体に形成されていてもよい。【００１７】
本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、前記圧電素子は、前記筒状体の前記第１，第２の端部を結ぶ方向に分極されたリング状圧電体と、前記リング状圧電体の一方面及び他方面に設けられた電極とを有する。この場合には、一様に分極処理されたリング状圧電体を用いて、圧電素子を容易に構成することができる。さらに高次モードを励振する場合にはモード次数に応じて周方向に分割された電極もしくは分極の方向反転配置が利用される。【００１８】
本発明に係る雨滴またはごみ除去装置は、本発明に従って構成された振動装置と、前記振動装置の前記天板弾性体の後方に配置されたカメラ装置とを備え、前記天板弾性体が透光体である。【００１９】
本発明に係る超音波トランスデューサー装置は、本発明に従って構成された振動装置と、外囲器とを備え、前記天板弾性体の屈曲振動が音波発生源とされており、前記外囲器が、前記天板弾性体のノードラインを保持している。【００２０】
本発明に係るポンプ装置は、本発明に従って構成された振動装置と、前記振動装置の前記天板弾性体と送液部を構成している送液部材とを備え、前記送液部材に貫通孔が設けられており、前記天板弾性体がダイヤフラムとして用いられており、前記送液部材の貫通孔が流体に押し出される。【００２１】
本発明に係る振動装置を利用することによって、天板弾性体を透光体とする場合には圧電素子を外気から保護しながら低電圧で励振しても振幅拡大効果によって雨滴やごみを効果的に移動除去できる。また、超音波トランスデューサー装置としてたとえば車のバンパーなどの外気にさらされる環境で、超音波放出部である天板弾性体の取り付けを、天板近傍部の突き出しの少ない領域で保持し、圧電素子の変位以上に大きな振幅を発生し高音圧の送信が可能になる。さらに液体、気体のポンプ装置として同じく圧電振幅の制約を受けずにポンプとしての大圧力を発生できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る振動装置によれば、圧電素子を外気から保護しながら圧電素子の変位を効果的に天板弾性体の屈曲振動拡大に利用でき、雨滴やごみの除去性能を向上し、音圧や吐出圧力の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の正面断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態の振動装置を有し、天板弾性体を透光体としたカメラの正面断面図である。
【図４】図４（ａ）は、リング状の圧電素子を説明するための斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、伝搬において生じる各振動モードを説明するための模式図である。
【図６】図６（ａ），図６（ｂ）は、リング状振動体の呼吸振動と屈曲振動の関係を示す図である。
【図７】図７は、第１のモードを説明するための変位分布を示す模式図である。
【図８】図８は、第２のモードを説明するための変位分布を示す模式図である。
【図９】図９は、第１のモード及び第２のモードが現れる周波数位置を示す図である。
【図１０】図１０は、円筒高さと、天板弾性体としての透光体と圧電素子との振幅比すなわち振幅拡大率について第１のモード、第２のモードに対する関係を示す図である。
【図１１】図１１は、円筒高さと、第１のモードの結合係数及び第２のモードの結合係数との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態の振動装置を説明するための正面断面図である。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、（０，１）モードにおける第１のモード及び第２のモードの変位分布を示す模式図である。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、（０，２）モードにおける第１のモード及び第２のモードの変位分布を示す模式図である。
【図１５】図１５は、（０，１）モードの場合の円筒高さと、圧電素子の振幅の天板弾性体としての透光体の振幅への振幅拡大率を第１のモードについて示した図である。
【図１６】図１６は、（０，１）モードの場合の円筒高さと、第１のモード及び第２のモードの結合係数との関係を示す図である。
【図１７】図１７（ａ），図１７（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の振動装置を有し、天板弾性体の屈曲振動を超音波の発音体とした超音波トランスデューサー装置の部分断面斜視図及び正面断面図である。
【図１８】図１８（ａ），図１８（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の振動装置を有し、天板弾性体の屈曲振動で圧力を発生させるポンプ装置の部分断面斜視図及び正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２５】
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の外観を示す斜視図であり、図２はその正面断面図である。図３はその応用の一例として第１の実施形態の振動装置を有し、天板弾性体を透光体としたカメラの正面断面図である。
【００２７】
図１及び図２に示すように、振動装置１は、天板弾性体としての透光体２を有する。図３に示すように、カメラ３１では、天板弾性体としての透光体２は、撮像素子３２の被写体側、すなわち前方に配置されている。この場合、透光体２は、透光性材料からなる。透光性材料としては、透光性のプラスチック、ガラスまたは透光性のセラミックスなどが用いられ得る。
【００２８】
撮像素子３２としては、例えば、可視領域から遠赤外領域のいずれかの波長の光を受光する、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ、ＲａｄａｒやＬＩＤＡＲデバイスなどを挙げることができる。
【００２９】
透光体２に、筒状体３が連結されている。筒状体３は、円筒状の形状を有する。筒状体３は、第１の端部３ａと、第１の端部３ａとは反対側の第２の端部３ｂとを有する。第２の端部３ｂは、円筒体の軸方向において、第１の端部３ａと反対側に位置している。
【００３０】
第１の端部３ａが、透光体２に連結されている。すなわち、透光体２が、筒状体３の第１の端部３ａ側の開口を閉成するように、筒状体３の第１の端部３ａが、透光体２の筒状体３側の面に固定されている。
【００３１】
筒状体３は本実施形態では、ステンレスからなる。もっとも、ステンレスに代えて、他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、ステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。
【００３２】
筒状体３の側面には、筒状体の径方向外側に延ばされたヒンジ部３ｃが設けられている。ヒンジ部３ｃは、たとえば図３に仮想線で示す支持部材５により、振動装置１を外部から支持するために用いられる。筒状体３の第２の端部３ｂ側においては、径方向外側に延ばされたリング状つば部３ｅが設けられている。リング状つば部３ｅは、平面視した場合、ドーナツ状の形状を有している。ヒンジ部３ｃと、リング状つば部３ｅとの間の部分が、筒状体本体３ｄである。上記リング状つば部３ｅの外径は、筒状体本体３ｄの外径よりも大きくなっている。特に限定されないが、本実施形態では、筒状体本体３ｄの外径は、透光体２の外径と等しくされている。
【００３３】
上記リング状つば部３ｅは、筒状体本体３ｄと同じ材料により一体に構成されていてもよい。もっとも、本実施形態では、筒状体本体３ｄに、別部材としてのリング状つば部３ｅが筒状体本体３ｄの透光体２とは反対側の端面に接合されている。このように、リング状つば部３ｅは、筒状体本体３ｄと別部材で構成されていてもよい。
【００３４】
リング状つば部３ｅの透光体２側に位置している側とは反対側の面に、リング状の圧電素子４が固定されている。
【００３５】
図４（ａ），図４（ｂ）は、リング状の圧電素子４を説明するための斜視図及び図４（ａ）中のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。リング状の圧電素子４は、リング状圧電体４ａと、リング状圧電体４ａの両面に設けられた電極４ｂ，４ｃとを有する。リング状圧電体４ａは、厚み方向に、すなわち筒状体３の第１の端部３ａと第２の端部３ｂとを結ぶ方向に分極されている。リング状圧電体４ａは、圧電セラミックスなどの圧電体からなる。上記リング状の圧電素子４がリング状つば部３ｅに接合されている構造により、屈曲振動する振動体が構成されている。振動装置１の特徴は、この振動体における屈曲モードの振動が、筒状体３を介して透光体２に伝わり、振動装置１全体が後述する第１のモード及び第２のモードで振動され得ることにある。本実施形態では、後述の第１のモードが用いられる。
【００３６】
ところで、円板状の透光体２が振動する場合、振動モードを、（ｍ，ｎ）モードで表すことができる。ここで、ｍ及びｎは整数である。ｍは円板の径方向において存在する振動のノードの数であり、ｎは円板の周方向において存在する振動のノードの数である。図５（ａ）は、（０，０）モードの振動を示し、図５（ｂ）は、（１，０）モードを示し、図５（ｃ）は、（０，１）モードを示し、図５（ｄ）は、（０，２）モードを示す。
【００３７】
図５（ａ）〜図５（ｄ）において、ハッチングを付した点Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５〜Ｂ８は、最大変位点を示す。また、図５（ｂ）〜図５（ｄ）において、斜線のハッチングを付した領域と、白抜きの部分とは、逆相で変動している部分を示す。従って、図５（ｂ）において、円Ｃ１が、振動のノードであり、この円Ｃ１が、径方向に存在する唯一のノードであり、周方向にはノードが存在しない。従って、図５（ｂ）の振動モードは、（１，０）モードで表され得る。
【００３８】
特に高次モードに特別なメリットがあるカメラにおける応用では、天板弾性体としての透光体２の被写体側の面に水滴が付着した場合、上記透光体２を（０，０）モードや、（１，０）モードで振動させる。そうすると、最大変位点付近において大きな変位が生じ、付着していた水滴を霧化させることができる。
【００３９】
また、（０，１）モードや（０，２）モードでは、透光体の表面において、領域間において、逆相で振動する部分が生じる。従って、振動のノードにまたがって付着している水滴を利用させたり、カメラの視野外にまで移動させたりすることができる。カメラ３１では、透光体２をこのような様々なモードで振動させることにより水滴を除去する。（０，１）モードや（０，２）モードのように周方向にノードラインが形成される振動モードについてはリング状の圧電素子も２分割、４分割され隣り合う分極を反転させるか、印加電圧の極性を反転させるための電極分割が必要なことは言うまでもない。
【００４０】
ところで、図６（ａ）は、筒状体に天板弾性体が連結されている比較例の振動装置を振動させた場合の変位分布を示す模式図である。図６（ａ）に示す振動装置１０１では、天板弾性体１０２に筒状体１０３及びリング状の圧電素子１０４が連結されている。なお、図６（ａ）では、振動装置１０１の半断面図が示されている。すなわち一点鎖線Ｄは、筒状体１０３の中心軸を通る部分である。
【００４１】
また、図６（ａ）において、半断面図の右側には、半断面図中のハッチングで付した部分の変位の大きさを示すスケールが図示されている。筒状体１０３では、リング状つば部は設けられていない。その他の構成は、振動装置１０１は、振動装置１と同様とされている。
【００４２】
図６（ｂ）にはリング状の圧電素子１０４をつばのない状態で振動させたときに出現する２つのモードを示している。２つのモードとは、いわゆる呼吸振動と呼ばれる筒状体の周方向への変位を中心とする振動モードと、あたかも断面が回転するかのように振動する屈曲振動である。一見してわかるように後者にはノードが存在する。つまり図６（ａ）に示す構造の振動体ではこの屈曲振動と天板弾性体が共鳴している。この屈曲振動はリング状つば部を外周側に設け、その外径や厚みを変更することで周波数を大きく変更できる。一方呼吸振動は外径と内径や段差形状で決まるいわゆる平均径で決まってしまい、特に内径が決まっている場合は周波数の下限もそれにより決まってしまう。その結果つばを使わない設計では、天板弾性体の屈曲共振周波数が低い場合、すなわち薄く内径が大きい場合には、矢印Ｆ１のようないわゆる“ひさし”構造を使って厚みを相対的に厚くし共振周波数を上昇させ共鳴効果を高める工夫が必要になった。しかし（０，０）モードでは天板弾性体は外周部ぎりぎりまで振動するほうが望ましい。カメラ用ではこのひさしのために視野が遮られるほか周辺部の雨滴やごみは移動除去できないという欠点がある。また音圧や発生圧力も相対的に低下することは望ましくない。
【００４３】
次に、上記実施形態の振動装置１の駆動方法を説明する。リング状の圧電素子４を駆動する。すなわち、電極４ｂ，４ｃ間に交流電界を印加する。リング状の圧電素子４とリング状つば部３ｅとの積層体が、屈曲モードで振動する。この屈曲振動の変位が、筒状体３の筒状体本体３ｄを介して透光体２に伝搬する。その結果、透光体２において、（０，０）モードの振動が生じる。この場合、図７に示す第１のモード及び図８に示す第２のモードの２つの振動モードが生じる。図７及び図８は、図６（ａ）と同様に、筒状体３の半断面図で、変位分布を模式的に示している図である。
【００４４】
図７に示す第１のモードでは、矢印Ｇ及び矢印−Ｇで示すように、リング状つば部３ｅの外周側部分と、透光体２の中央部分とは、逆相で変位する。他方、図８に示す第２のモードでは、矢印Ｇ，Ｇで示すように、リング状つば部３ｅの外周側部分と、透光体２の中央部分とは同相で振動する。
【００４５】
また、第１のモードでは、ノードはＨ１，Ｈ２で示す点の付近に現れる。他方、第２のモードでは、図８に示す点Ｉ１の辺りにノードが現れている。従って、第１のモードを利用すれば、透光体２の被写体側の内、広い範囲を変位させることができる。よって、カメラ３１において、撮像素子３２の視野が妨げられ難い。また、透光体２の大きな面積の領域において、付着した水滴を（０，０）モードの振動で確実に霧化し、除去することができる。
【００４６】
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、本発明に従って構成された振動装置を有する超音波トランスデューサー装置の部分断面斜視図及び正面断面図である。超音波トランスデューサー装置５１は、振動装置１を有する。この振動装置１の天板弾性体２Ａの屈曲振動が超音波の発音体として用いられている。超音波トランスデューサー装置５１では、上記振動装置１を用いているため、音圧を高めることができる。
【００４７】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、本発明に従って構成された振動装置を有するポンプ装置を示す部分断面斜視図及び正面断面図である。ポンプ装置６１は、振動装置１を有し、この振動装置１の天板弾性体２Ａがダイヤフラムとして用いられている。従って、送液力の高いポンプ装置６１を得ることができる。
【００４８】
上記第１のモード及び第２のモードを選択的に利用するには、リング状の圧電素子４に加える交流電界の周波数を調整すればよい。図９は、リング状の圧電素子４を駆動した場合の共振特性を示す図である。図９に示すように、第１のモードの応答よりも高周波数側に第２のモードの応答が現れている。ここでは、第１のモードの共振周波数は３６．１ｋＨｚ付近に現れており、第２のモードの共振周波数は４２．３ｋＨｚ付近に現れている。
【００４９】
図１０は、筒状体３の高さである円筒高さと、リング状の圧電素子４の最大変位と透光体２の最大振幅の比、いわゆる振幅拡大率を上記第１のモード及び第２のモードについて、その関係を示す図である。ここで、以下、円筒高さとは、筒状体３の軸方向寸法、すなわち第１の端部３ａと第２の端部３ｂとの間の距離をいうものとする。図１１は、上記円筒高さと、第１のモードの結合係数及び第２のモードの結合係数との関係を示す図である。ここでは、筒状体３において、開口径は１６ｍｍとし、筒状体本体３ｄの外径は１８ｍｍ、リング状つば部３ｅの外径は２６ｍｍとした。なお、外径は、全て円の直径である。また、透光体２の外径は１８ｍｍであり、厚みは１．３ｍｍとした。ヒンジ部３ｃの外径は２０ｍｍ、厚みは０．５ｍｍとした。リング状つば部３ｅの厚みは１．００ｍｍとし、筒状体３全体はＳＵＳ３０４のステンレスで形成した。そして、筒状体３の円筒高さを変化させた。
【００５０】
図１０に示すように２つのモードの振幅拡大率は特定の円筒高さで交差する。すなわちある高さ以上では第１のモードの結合係数が大きくなり、より大きく振動しやすくなる。もっとも、拡大率は低下して、圧電素子破壊の限界値が下がる。一方、図示はしないが、図８に示す第２のモードのノードＩ１は、円筒高さが長くなるにつれて透光体２の外周側に移動する。筒状体の外周や直上部の透光体２にノードが存在するため、あたかも第１のモードのように大口径の振幅が実現され、さらに振幅拡大率も大きく改善される。ただし、筒状体の長さが長くなると、金属部の重量も大きくなるため、結合係数が下がるという欠点も出てくる。
【００５１】
こうした点を勘案して振幅拡大率が第１のモードと第２のモードで一致する高さを境に、短い側では第１のモードを、長い側では第２のモードを利用するという設計の選択が可能になってくる。その結果、どちらのモードでも振幅拡大率が一定以上でかつ大きな開口面積での振動が実現できる。
【００５２】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置２１の正面断面図である。振動装置２１では、支持用のヒンジ部３ｃ，３ｆが筒状体本体３ｄの両端に設けられている。いずれかのヒンジ部３ｃ，３ｆを用いて外部から支持すればよい。ここでは、例えば筒状体本体３ｄの軸方向寸法を７．０ｍｍ、筒状体本体３ｄの外径を１８ｍｍ、ヒンジ部３ｃ，３ｆの外径を１９ｍｍ及び厚みを０．５ｍｍ、リング状つば部３ｅの外径を２６ｍｍ及び厚みを１．０ｍｍとした場合、透光体２を（０，１）モードあるいは（０，２）モードで振動させることができる。このモードはカメラの雨滴やごみの移動除去に好都合ではあるが、超音波トランスデューサー装置とポンプ装置に対しては不要である。
【００５３】
なお、前述した振動装置１では、（０，０）モードについての第１のモード及び第２のモードのうち筒状体の長さ条件に応じて第１、第２のモードを使い分けたが、（０，１）モード及び（０，２）モードにおいても同様の２つのモードが存在する。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、（０，１）モードにおける第１のモード及び第２のモードの変位分布を示す模式図である。ここでは、透光体を平面視した側から、振動装置の変位分布が示されている。透光体において、実線の略楕円形状で示されている領域Ｊと、破線の略楕円形状で示す領域Ｋとが逆相で変位している部分である。図１３（ａ）では、領域Ｊと領域Ｋとが、透光体の中心を通る中心線の両側に位置している。なおリング状の圧電素子は２分割され分極は反転されている。
【００５４】
他方、図１３（ｂ）に示す第２のモードにおいても、領域Ｊと領域Ｋとが中心線の両側に位置している。もっとも、第２のモードでは、第１のモードと、逆相で透光体が変位している。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、（０，２）モードにおける第１のモード及び第２のモードの透光体の変位分布を示す図である。ここでも、実線で示す領域Ｊと、破線で示す領域Ｋとが逆相で変位している。この場合リング状の圧電素子は４分割され隣り合う１／４素子が分極反転されている。
【００５５】
図１５は、（０，１）モードにおけるリング状の圧電素子４の最大振幅と透光体２の最大変位値の比、すなわち振幅拡大率を第１のモードにおいて示したものである。
【００５６】
図１６は、（０，１）モードを利用した場合の円筒高さと、第１のモード及び第２のモードの結合係数との関係を示す図である。
【００５７】
（０，１）モードを利用した場合においても、円筒高さを調整することにより、結合係数や振幅拡大率を変えられることがわかる。しかし（０，０）モードよりも結合係数そのものが低いため振幅拡大率以前に圧電励振効率が悪いので、筒状体のどの高さでも第１のモードで励振するのが望ましい。通常は１％以上結合係数を持った振動で励振することが望ましい。そのため第２のモードの振幅拡大率を示していない。第１のモードでは振幅拡大率が３．３の値になる８ｍｍくらいの長さが最適である。
【００５８】
なお、振動装置１では、透光体２は、平板状であったが、ドーム状などの他の形状であってもよい。また、撮像素子３２は撮像素子の透光体側に配置されたレンズモジュールをさらに備えていてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…振動装置
２…透光体
２Ａ…天板弾性体
３…筒状体
３ａ，３ｂ…第１，第２の端部
３ｃ，３ｆ…ヒンジ部
３ｄ…筒状体本体
３ｅ…リング状つば部
４…圧電素子
４ａ…リング状圧電体
４ｂ，４ｃ…電極
５…支持部材
２１…振動装置
３１…カメラ
３２…撮像素子
５１…超音波トランスデューサー装置
６１…ポンプ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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