(57)【要約】  振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる、振動装置を提供する。  本発明の振動装置１は、第１の開口端面３ａ及び第２の開口端面３ｂを含む筒状の振動体３を有する振動素子２と、振動体３の第１の開口端面３ａ及び第２の開口端面３ｂを結ぶ方向を軸方向としたときに、軸方向に延びており、かつ振動体３を支持している支持体１５と、振動体３と支持体１５とを接続している接続部材１４とを備える。振動素子２の軸方向おいて異なる位置に第１のノード及び第２のノードが生じるように、振動体３が呼吸振動をし、接続部材１４が第１のノード及び第２のノードの間に位置している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口端面及び第２の開口端面を含む筒状の振動体を有する振動素子と、
前記振動体の前記第１の開口端面及び前記第２の開口端面を結ぶ方向を軸方向としたときに、前記軸方向に延びており、かつ前記振動体を支持している支持体と、
前記振動体と前記支持体とを接続している接続部材と、
を備え、
前記振動素子の前記軸方向おいて異なる位置に第１のノード及び第２のノードが生じるように、前記振動体が呼吸振動をし、
前記接続部材が前記第１のノード及び前記第２のノードの間に位置している、振動装置。
【請求項２】
前記第１のノードが前記振動体に位置し、
前記振動体において、前記接続部材が接続されている部分の前記軸方向における振動の変位量が、前記第１のノードが位置する部分の前記軸方向における振動の変位量の４０％以下である、請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記振動素子が、前記振動体を振動させる圧電振動子を有する、請求項１または２に記載の振動装置。
【請求項４】
前記支持体が前記接続部材に接続されている接続部と、底部と、を有し、
前記支持体において、前記底部よりも前記接続部側に位置している部分が、前記底部よりも変形し易い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項５】
前記軸方向に直交する方向に沿う厚みを肉厚としたときに、前記支持体において、前記底部の肉厚が他の部分の肉厚よりも厚く、前記支持体の前記軸方向に沿う断面が略Ｌ字形の形状を有する、請求項４に記載の振動装置。
【請求項６】
前記振動体、前記接続部材及び前記支持体が同じ材料からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項７】
前記振動体、前記接続部材及び前記支持体が金属材料からなる、請求項６に記載の振動装置。
【請求項８】
前記振動素子が、前記振動体の前記第１の開口端面上に設けられている蓋体を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項９】
前記蓋体が透光性を有する、請求項８に記載の振動装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の振動装置と、
前記振動装置が有する蓋体に検出領域が含まれるように配置されている光学検出素子と、
を備える、光学検出装置。
【請求項１１】
前記光学検出素子が撮像素子であり、前記検出領域が視野である、請求項１０に記載の光学検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動装置及び光学検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動装置は、監視装置としての光学検出装置に付着した雨滴などの除去や、音響装置など様々な用途に広く用いられている。振動装置が用いられる際には、振動装置は、例えば外部のデバイスなどに固定される。振動の漏洩やダンピングを抑制するために、振動装置はノードとなる部分において外部に固定されることが多い。【０００３】
下記の特許文献１には、圧電振動子の支持構造の例が示されている。この支持構造においては、呼吸振動をする円筒型圧電振動子の側面に円筒状の支持体が配置されている。支持体の先端がノードとなるように、支持体の長さがλ（２ｎ＋１）／４とされており、支持体の先端が外部に固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２５４６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
振動に際しノードは変位しないため、ノードにおいて振動装置を支持した場合には、振動の漏洩やダンピングは抑制される。しかしながら、実際には、ノードとなる正確な位置において振動装置を支持することは非常に困難である。そのため、振動装置を支持する位置は、実際にはノードとなる位置の近傍となる。振動に際し、ノードから離れるにつれて変位は大きくなる。そのため、振動装置を支持する位置がノードとなる位置からずれた場合には、振動装置を支持する部分からの振動の漏洩や、振動のダンピングを抑制することは困難となる。【０００６】
ここで、呼吸振動に際し、ノードの近傍の部分には、ノードを中心とする回転モーメントが加わる。そのため、特許文献１のように、ノードとなるようにした支持体の先端を外部に接続したとしても、外部にもノードを中心とする回転モーメントが加わることになるため、振動の漏洩及びダンピングを十分に抑制することは困難となる。【０００７】
本発明の目的は、振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる、振動装置及び光学検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る振動装置は、第１の開口端面及び第２の開口端面を含む筒状の振動体を有する振動素子と、前記振動体の前記第１の開口端面及び前記第２の開口端面を結ぶ方向を軸方向としたときに、前記軸方向に延びており、かつ前記振動体を支持している支持体と、前記振動体と前記支持体とを接続している接続部材とを備え、前記振動素子の前記軸方向おいて異なる位置に第１のノード及び第２のノードが生じるように、前記振動体が呼吸振動をし、前記接続部材が前記第１のノード及び前記第２のノードの間に位置している。【０００９】
本発明に係る光学検出装置は、本発明に従い構成された振動装置と、前記振動装置が有する蓋体に検出領域が含まれるように配置されている光学検出素子とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる、振動装置及び光学検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の模式的正面断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の模式的分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置を有するイメージングデバイスの模式的正面断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の振動及び接続部材の位置を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の振動を説明するための要素ベクトル図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態における振動体の各位置における径方向及び軸方向の振動の変位量を示す図である。
【図７】図７は、支持体における接続部材の位置と、支持体の底部の変位量との関係を示す図である。
【図８】図８は、ノード間の距離をＬ＋１ｍｍとした場合の振動素子の要素ベクトル図である。
【図９】図９は、ノード間の距離をＬ−０．５ｍｍとした場合の振動素子の要素ベクトル図である。
【図１０】図１０は、ノード間の距離をＬ＋２０ｍｍとした場合の振動素子の要素ベクトル図である。
【図１１】図１１は、ノード間の距離をＬ＋１ｍｍとした場合の、振動体の各位置における軸方向の振動の変位量を示す図である。
【図１２】図１２は、ノード間の距離をＬ−０．５ｍｍとした場合の、振動体の各位置における軸方向の振動の変位量を示す図である。
【図１３】図１３は、ノード間の距離をＬ＋２０ｍｍとした場合の、振動体の各位置における軸方向の振動の変位量を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る振動装置の振動を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る振動装置の模式的正面断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る振動装置の模式的平面図である。
【図１７】図１７は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の模式的正面断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る振動装置の模式的正面断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の第３の実施形態における支持体の模式的斜視図である。
【図２０】図２０は、本発明の第４の実施形態における支持体の模式的斜視図である。
【図２１】図２１は、本発明の第４の実施形態の第１の変形例における支持体の模式的斜視図である。
【図２２】図２２は、本発明の第４の実施形態の第２の変形例における支持体の模式的斜視図である。
【図２３】図２３は、本発明の第５の実施形態における支持体の一部を示す模式的正面断面図である。
【図２４】図２４は、本発明の第６の実施形態における支持体の一部を示す模式的正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の模式的正面断面図である。図２は、第１の実施形態に係る振動装置の模式的分解斜視図である。
【００１５】
図１及び図２に示す振動装置１は、振動により水滴や異物を移動させ、撮像素子の視野内から水滴や異物を除去する振動装置である。もっとも、本発明に係る振動装置は、上記以外の、例えば、超音波センサ、マイク、ブザーなどの、音圧を発生させる用途などにも用いることができる。
【００１６】
振動装置１は、振動素子２と、振動素子２を支持している支持体１５と、振動素子２及び支持体１５を接続している接続部材１４とを有する。より具体的には、振動素子２は略円筒体状の振動体３を有する。振動素子２における振動体３と支持体１５とが接続部材１４により接続されている。振動装置１においては、振動素子２、接続部材１４及び支持体１５により囲まれた内部空間が構成されている。
【００１７】
図３は、第１の実施形態に係る振動装置を有するイメージングデバイスの正面断面図である。
【００１８】
振動素子２、接続部材１４及び支持体１５により囲まれた内部空間内に、一点鎖線で示す撮像素子１０Ａが配置されている。それによって、本発明の一実施形態に係る光学検出装置としてのイメージングデバイス１０が構成されている。イメージングデバイス１０は振動装置１及び撮像素子１０Ａを有する。撮像素子１０Ａ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、ボロメーターやサーモパイルなどを挙げることができる。イメージングデバイス１０としては、例えば、カメラ、ＲａｄａｒやＬＩＤＡＲデバイスなどを挙げることができる。
【００１９】
なお、上記内部空間内には、撮像素子１０Ａ以外の、エネルギー線を光学的に検出する光学検出素子が配置されていてもよい。検出するエネルギー線としては、例えば、電磁波や赤外線などの活性エネルギー線であってもよい。光学検出素子の検出領域は、後述する透光体７に含まれる。図３に示すイメージングデバイス１０においては、撮像素子１０Ａの視野が透光体７に含まれる。本明細書における透光性とは、少なくとも上記光学検出素子が検出する波長のエネルギー線や光が透過する透光性をいう。
【００２０】
以下において、振動装置１の詳細を説明する。
【００２１】
図１に示すように、振動素子２は上記振動体３、蓋体としての透光体７及び圧電振動子８を有する。振動体３は第１の開口端面３ａ及び第２の開口端面３ｂと、第１の開口端面３ａ及び第２の開口端面３ｂを接続する外側面３ｃ及び内側面３ｄとを有する。本明細書においては、振動体３の第１の開口端面３ａ及び第２の開口端面３ｂを結ぶ方向を軸方向とし、軸方向に直交する方向を径方向とする。
【００２２】
振動体３は、円筒状の第１の振動体部４と、円筒状の第２の振動体部５と、第１の振動体部４及び第２の振動体部５を連結する円環状の連結部６とを有する。振動体３は、第１の振動体部４と、連結部６と、第２の振動体部５とが、それぞれの中心軸が同じ位置となるように配置された筒状体である。第１の振動体部４は振動体３の第１の開口端面３ａを含む。第２の振動体部５は振動体３の第２の開口端面３ｂを含む。なお、第１の振動体部４、第２の振動体部５及び連結部６の形状は上記に限定されない。第１の振動体部４、第２の振動体部５及び連結部６の形状が、１つの筒状体となるように連続的に接続される形状であればよい。さらに、振動体３は、第１の振動体部４、第２の振動体部５及び連結部６を有する構成にも限定されず、筒状体であればよい。振動体３は、例えば、略角筒状であってもよい。
【００２３】
ここで、本明細書において、特に断りのない場合には、外周縁及び内周縁は平面視における外周縁及び内周縁をいう。平面視において、連結部６、第１の振動体部４及び第２の振動体部５の外周縁は重なっている。他方、連結部６の内周縁は第１の振動体部４及び第２の振動体部５の内周縁より外側に位置している。軸方向に直交する方向に沿う厚みを肉厚としたときに、連結部６の肉厚は第１の振動体部４の肉厚及び第２の振動体部５の肉厚よりも薄い。振動体３においては、連結部６における内径が、他の部分の内径よりも大きい。
【００２４】
振動体３の外側面３ｃは、第１の振動体部４、連結部６及び第２の振動体部５の各外側面が連結されることにより構成されている。同様に、振動体３の内側面３ｄは、第１の振動体部４、連結部６及び第２の振動体部５の各内側面が連結されることにより構成されている。本実施形態では、内側面３ｄは連結部６の部分において段差部を有する。他方、外側面３ｃは段差部を有しない。
【００２５】
振動体３の第１の開口端面３ａ上に、開口部を覆うように、透光体７が設けられている。透光体７は透光性を有する蓋体である。本実施形態においては、透光体７はドーム状であるが、透光体７は平板状であってもよい。透光体７の材料としては、例えば、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を用いることができる。
【００２６】
振動体３の第２の開口端面３ｂ上には、圧電振動子８が設けられている。なお、圧電振動子８が設けられている部分は上記に限定されない。圧電振動子８は円環状の圧電体８ａを有する。圧電体８ａは、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３や（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３などの適宜の圧電セラミックスまたはＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３などの適宜の圧電単結晶からなる。
【００２７】
圧電振動子８は、圧電体８ａの一方主面上に設けられている第１の電極９ａ及び他方主面上に設けられている第２の電極９ｂを有する。第１の電極９ａ及び第２の電極９ｂは円環状であり、互いに対向するように設けられている。第１の電極９ａ及び第２の電極９ｂはそれぞれ外部に電気的に接続される。本実施形態では円環状の１つの圧電振動子８が設けられているが、これに限定されず、例えば、複数の矩形板状の圧電振動子が外側面３ｃに沿って設けられていてもよい。
【００２８】
圧電振動子８は、第１の電極９ａ側において振動体３に接合されている。圧電振動子８は呼吸振動をし、振動体３を呼吸振動させ、かつ振動体３及び透光体７の連結体を振動させる。ここで、呼吸振動とは、環状の圧電振動子または筒状の振動体の径方向に変位する振動モードをいう。なお、振動素子２は、必ずしも圧電振動子８を有していなくともよく、振動体３を呼吸振動させる振動子を有していればよい。
【００２９】
振動体３の外側面３ｃには、円環状の上記接続部材１４が接続されている。より具体的には、接続部材１４は外側面及び内側面を有する。接続部材１４の内側面が振動体３の外側面３ｃに接続されている。振動装置１においては、接続部材１４は、振動体３の外側面３ｃから径方向外側に延びるように設けられている。なお、振動体３と接続部材１４とは一体として設けられていてもよい。ここで、下記の図４を参照して、接続部材１４の位置をより具体的に示す。
【００３０】
図４は、第１の実施形態に係る振動装置の振動及び接続部材の位置を説明するための図である。図４は、図１に示す断面の径方向における半分に相当する部分を示す。
【００３１】
振動素子２の軸方向において異なる位置に第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２が生じるように、振動体３が呼吸振動をする。より具体的には、本実施形態においては、第１のノードＮ１は振動体３に位置し、第２のノードＮ２は透光体７に位置する。接続部材１４は、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間に位置している。
【００３２】
なお、本実施形態の振動体３は２箇所のノードが生じるように呼吸振動をするが、３箇所以上のノードが生じるように呼吸振動をしてもよい。この場合においても、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２は隣り合うノードである。
【００３３】
図１に戻り、接続部材１４の外側面には、上記支持体１５が接続されている。支持体１５は、接続部材１４に接続されている部分である接続部１５ａを有する。支持体１５は、接続部材１４介して振動体３に接続されており、振動体３を支持している。
【００３４】
支持体１５は軸方向に延びる円筒体である。なお、支持体１５の形状は上記に限定されず、例えば角筒状などの、軸方向に伸びる形状であればよい。支持体１５は外側面１５ｃ及び内側面１５ｄを有する。上記接続部１５ａは、支持体１５の内側面１５ｄの図１における上方の端部付近に位置する。なお、支持体１５と接続部材１４とは一体として設けられていてもよい。
【００３５】
支持体１５は、図１における下方の端部を含む底部１５ｂを有する。振動装置１は、支持体１５の底部１５ｂにおいて外部に固定される。あるいは、底部１５ｂに底板が接合され、振動素子２、接続部材１４、支持体１５及び底板により密閉空間が構成されていてもよい。
【００３６】
本実施形態の特徴は、振動素子２の軸方向おいて異なる位置に第１のノード及び第２のノードが生じるように、振動体３が呼吸振動をし、かつ振動体３と支持体１５とを接続する接続部材１４が、第１のノード及び第２のノードの間に位置していることにある。それによって、振動が支持体１５の底部１５ｂにまで漏洩し難い。従って、振動装置１を外部に固定した際に、振動装置１の振動のダンピングが生じ難い。この詳細を以下において説明する。
【００３７】
図５は、第１の実施形態に係る振動装置の振動を説明するための要素ベクトル図である。図５は図４と同様の部分を示す。
【００３８】
図５に示すように、振動素子２の第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の周囲における振動は、回転モーメントを有する。そのため、振動素子２の振動は径方向の成分及び軸方向の成分を有する。本実施形態においては、接続部材１４が、軸方向における振動の変位量が約０μｍの部分に位置している。なお、本明細書において、特に断りがない場合、変位量は絶対値として示す。
【００３９】
図６は、第１の実施形態における振動体の各位置における径方向及び軸方向の振動の変位量を示す図である。図６において、横軸は振動体における軸方向の位置を示す。横軸の０ｍｍは、振動体の第１の開口端面の位置を示す。図６中の実線は軸方向における変位量を示し、破線は径方向における変位量を示す。一点鎖線Ａは接続部材が配置された位置を示し、一点鎖線Ｂは第１のノードの位置を示す。
【００４０】
図６に示すように、接続部材１４が配置された位置においては、軸方向における振動の変位量は約０μｍであり、径方向における振動の変位量は約３．３μｍである。他方、第１のノードの位置においては、径方向における振動の変位量は約０μｍであるが、軸方向における振動の変位量は約０．５μｍである。
【００４１】
ここで、第１の実施形態の構成を有する振動装置と、接続部材を第１のノードの位置に配置した比較例の振動装置とを作製した。次に、第１の実施形態及び比較例の振動装置における、支持体の底部の変位量を比較した。なお、比較した変位量は、径方向の成分及び軸方向の成分を合成した変位量である。
【００４２】
比較例において、支持体の底部の変位量は約２．４μｍであった。これに対して、第１の実施形態において、支持体の底部の変位量は約０．２μｍであった。このように、第１の実施形態においては、振動素子の振動が支持体の底部に漏洩することを抑制することができることがわかる。
【００４３】
振動体の呼吸振動に際し、ノードの近傍にはノードを中心として回転モーメントが加わる。よって、比較例のように、振動体の第１のノードの位置に接続部材を接続しても、接続部材には回転モーメントが加わる。ここで、比較例においては、接続部材の軸方向の位置はノードの軸方向の位置と同じである。そのため、回転モーメントが加わることによって接続部材に漏洩する振動においては、幅方向の変位量は小さいが、軸方向の変位量は大きくなる。接続部材を介して支持体に漏洩した振動において軸方向の変位量が大きい場合には、軸方向に延びる支持体の底部の変位量も大きくなる。よって、振動が支持体の底部にまで漏洩することを抑制することは困難となる。さらに、振動装置を支持体の底部において外部に固定した際には、底部の振動が拘束されるため、振動のダンピングを抑制することも困難となる。
【００４４】
これに対して、図４に示す第１の実施形態においては、接続部材１４は第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間に位置している。第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間においては、両方のノードを中心とする両方の回転モーメントが合成されるため、軸方向の変位量が小さくなる。それによって、接続部材１４の振動における軸方向の変位量を効果的に小さくすることができる。径方向の振動が、軸方向に延びる支持体１５に伝搬しても、支持体１５の底部１５ｂは変位し難い。従って、振動素子２の振動が支持体１５の底部１５ｂにまで漏洩することを抑制することができる。さらに、底部１５ｂの変位量は非常に小さいため、底部１５ｂにおいて外部に固定された場合において、振動のダンピングが生じ難い。
【００４５】
振動体３において、接続部材１４が接続されている部分の軸方向における振動の変位量は、第１のノードＮ１が位置する部分の軸方向における振動の変位量の９０％以下であることが好ましく、４０％以下であることがより好ましい。もっとも、軸方向の変位量が０μｍであることが特に好ましい。それによって、振動の漏洩及びダンピングをより一層抑制することができる。これを、下記の図７により示す。
【００４６】
図７は、支持体における接続部材の位置と、支持体の底部の変位量との関係を示す図である。なお、図７に示す関係を求めるに際し、第１の実施形態の振動素子、接続部材及び支持体を用い、接続部材の位置をそれぞれ異ならせている。図７において、横軸は、振動体において接続部材が配置された軸方向の位置を示す。横軸の０ｍｍは、振動体の第１の開口端面の位置を示す。
【００４７】
図７中の一点鎖線Ａは、第１の実施形態において接続部材が配置された位置を示す。一点鎖線Ｃに示す位置は、振動体の軸方向における変位量が、第１のノードが位置する部分の軸方向における振動の変位量の９０％の位置である。一点鎖線Ｄに示す位置は、振動体の軸方向における変位量が、第１のノードが位置する部分の軸方向における振動の変位量の４０％の位置である。二点鎖線Ｅは、第１のノードの部分に接続部材が配置された場合における支持体の底部の変位量を示す。二点鎖線Ｆは、一点鎖線Ｄに示す位置に接続部材が配置された場合における支持体の底部の変位量を示す。
【００４８】
図７に示すように、一点鎖線Ｃに示す位置に接続部材１４が配置された場合には、支持体１５の底部１５ｂの変位量をより一層確実に小さくすることができることがわかる。このように、底部１５ｂに振動が漏洩することをより一層確実に抑制することができる。さらに、一点鎖線Ｄに示す位置に接続部材１４が配置された場合には、二点鎖線Ｅ及び二点鎖線Ｆに示すように、底部１５ｂの変位量は、第１のノードＮ１の部分に接続部材１４が位置する場合の約５０％となっていることがわかる。このように、底部１５ｂに振動が漏洩することを効果的に抑制することができる。もっとも、本実施形態のように、軸方向の変位量が約０である部分に接続部材１４が位置する場合には、底部１５ｂに振動が漏洩することをより一層抑制することができる。
【００４９】
上述したように、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間においては、軸方向における振動の変位量は小さくなる。さらに、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間に、振動の変位量が０となる部分が位置する。これらが第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との距離によらないことを、以下において示す。なお、本明細書において、特に断りのない場合には、ノード間の距離とは第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との距離をいうものとする。
【００５０】
ノード間の距離を第１の実施形態と異ならせた複数の振動素子を作製した。より具体的には、第１の実施形態におけるノード間の距離をＬとしたときに、上記距離がＬ＋１ｍｍ、Ｌ−０．５ｍｍ及びＬ＋２０ｍｍである振動素子をそれぞれ作製した。なお、振動体の連結部の軸方向に沿う長さを異ならせることにより、ノード間の距離を異ならせた。次に、各振動素子の振動の変位量を測定した。
【００５１】
図８は、ノード間の距離をＬ＋１ｍｍとした場合の振動素子の要素ベクトル図である。図９は、ノード間の距離をＬ−０．５ｍｍとした場合の振動素子の要素ベクトル図である。図１０は、ノード間の距離をＬ＋２０ｍｍとした場合の振動素子の要素ベクトル図である。
【００５２】
図８〜図１０に示すように、ノード間の距離を異ならせた場合においても、第１のノードＮ１は振動体３に位置し、第２のノードＮ２は透光体７に位置する。透光体７における振動の変位量は、ノード間の距離によらず、振動体３の第１の開口端面３ａと第１のノードＮ１との間における振動の変位量よりも大きいことがわかる。これは、透光体を共振領域で励振させた場合の変位量は、振動体の変位量と透光体のＱｍとの積で表されるからである。ここで、Ｑｍは弾性損失係数の逆数である。より詳細には、圧電振動子において発生した振動が振動体に伝搬し、振動体が共振周波数で振動すると、圧電振動子において発生した振動の変位は振動体のＱｍ倍だけ増幅される。圧電振動子から発生した振動の振幅を１とし、振動体のＱｍをＱｍ１としたときに、振動体の固有振動モードの振幅は１×Ｑｍ１となる。圧電振動子において発生した振動が振動体を介して透光体に伝搬し、透光体が共振周波数で振動すると、圧電振動子において発生した振動の変位は、さらに透光体のＱｍ倍だけ増幅される。透光体のＱｍをＱｍ２としたときに、透光体における固有振動モードの振幅は１×Ｑｍ１×Ｑｍ２となる。よって、共振時における振動体における振動の変位は、透光体における振動の変位よりも小さい。なお、上記の関係は、透光体としての蓋体及び透光性を有しない蓋体の材料によらず成立する。
【００５３】
図１１は、ノード間の距離をＬ＋１ｍｍとした場合の、振動体の各位置における軸方向の振動の変位量を示す図である。図１２は、ノード間の距離をＬ−０．５ｍｍとした場合の、振動体の各位置における軸方向の振動の変位量を示す図である。図１３は、ノード間の距離をＬ＋２０ｍｍとした場合の、振動体の各位置における軸方向の振動の変位量を示す図である。図１１〜図１３において、横軸の０ｍｍは、振動体の第１の開口端面の位置を示す。
【００５４】
図１１に示すように、ノード間の距離をＬ＋１ｍｍとした場合においても、第１の実施形態と同様に、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間に、軸方向における振動の変位量が０となる部分が位置することがわかる。さらに、横軸に示す振動体３の位置が、軸方向における振動の変位量が０となる部分の位置に近づくほど、軸方向における振動の変位量が０に近づいている。よって、横軸の値が０ｍｍである第１の開口端面３ａと第１のノードＮ１との間において、軸方向における振動の変位量が小さいことがわかる。同様に、図１２及び図１３に示すように、ノード間の距離をＬ−０．５ｍｍとした場合及びＬ＋２０ｍｍとした場合においても、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間に、軸方向における振動の変位量が０となる部分が位置することがわかる。さらに、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間において、軸方向における変位量が小さくなることがわかる。このように、ノード間の距離によらず、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間に、軸方向における振動の変位量が０となる部分が位置し、第１の開口端面３ａと第１のノードＮ１との間において、軸方向における変位量が小さくなることがわかる。
【００５５】
加えて、上述したように、第２のノードＮ２が位置する透光体７における変位量は、振動体３の第１の開口端面３ａと第１のノードＮ１との間における振動の変位量よりも大きい。よって、ノード間の距離によらず、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間において、軸方向における変位量が小さくなることがわかる。
【００５６】
図１に戻り、支持体１５の材料は、例えば、金属材料などのバネ性を有する材料であることが好ましい。この場合には、支持体１５が変形し易くなる。これにより、振動素子２の振動が接続部材１４を介して支持体１５に伝搬した際、支持体１５の接続部１５ａ付近が変形し易い。よって、支持体１５全体が一体的に変位することを抑制することができ、支持体１５の底部１５ｂが変位することを抑制することができる。従って、底部１５ｂにまで振動が漏洩することを効果的に抑制することができ、振動のダンピングも効果的に抑制することができる。なお、支持体１５の材料が金属材料である場合には、剛性も高めることができるため、上記効果を得られることに加えて破損し難い。振動体３が金属材料からなる場合には、圧電振動子８と振動体３との間に絶縁膜が設けられていることが好ましい。
【００５７】
振動体３、接続部材１４及び支持体１５は、同じ材料からなることが好ましい。この場合には、振動の反射などを抑制することができ、振動装置１の振動が減衰し難い。振動体３、接続部材１４及び支持体１５は、金属材料からなることがより好ましい。それによって、上記のように、振動の漏洩及びダンピングを効果的に抑制することができる。なお、振動体３、接続部材１４及び支持体１５は、セラミック材料などからなっていてもよい。
【００５８】
以下において、第１の実施形態の第１〜第３の変形例を示す。第１〜第３の変形例においても、第１の実施形態と同様に振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる。
【００５９】
図１４に示す第１の変形例においては、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の両方が振動体３に位置しており、かつ接続部材１４が第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間に位置している。
【００６０】
図１５に示す第２の変形例においては、振動体３の第１の開口端面３ａ上に透光性を有しない円板状の蓋体２７が設けられている。蓋体２７は、例えば、金属材料やセラミック材料などからなる。本変形例の振動装置は、例えば、超音波センサ、マイク、ブザーなどの、音圧を発生させる用途などに用いることができる。
【００６１】
図１６に示す第３の変形例においては、振動体３と支持体１５とは、軸方向を回転軸とする周方向に分散して配置された複数の接続部材２４により接続されている。なお、図１６においては、接続部材２４をハッチングにより示す。各接続部材２４は円環の弧の形状を有する。第１の実施形態と同様に、複数の接続部材２４は、第１のノードＮ１及び第２のノードＮ２の間に位置している。
【００６２】
図１７は、第２の実施形態に係る振動装置の模式的正面断面図である。
【００６３】
本実施形態は、支持体３５の底部３５ｂの肉厚が他の部分の肉厚よりも厚い点において、第１の実施形態と異なる。より具体的には、支持体３５では、底部３５ｂ以外の部分おいては肉厚は同じである。底部３５ｂは径方向外側に延びており、支持体３５の軸方向に沿う断面は略Ｌ字形の形状を有する。上記の点以外においては、本実施形態の振動装置は第１の実施形態の振動装置１と同様の構成を有する。
【００６４】
支持体３５においては、底部３５ｂ以外の部分の肉厚は底部３５ｂの肉厚よりも薄いため、底部３５ｂよりも接続部１５ａ側に位置している部分は、底部３５ｂよりも変形し易い。これにより、振動素子２の振動が接続部材１４を介して支持体３５に伝搬した際、接続部１５ａ側の部分を、底部３５ｂよりもより一層変形し易くすることができる。よって、支持体３５全体が一体的に変位することをより一層抑制することができる。加えて、底部３５ｂの肉厚が厚いため、底部３５ｂが変位することをより一層抑制することができる。従って、底部３５ｂにまで振動が漏洩することをより一層抑制することができ、振動のダンピングもより一層抑制することができる。
【００６５】
支持体３５の底部３５ｂが延びている方向は径方向外側に限定されない。図１８に示す第２の実施形態の変形例においては、支持体４５の底部４５ｂは径方向内側に延びており、支持体４５の軸方向に沿う断面は略Ｌ字形の形状を有する。この場合においても、振動の漏洩及びダンピングをより一層抑制することができる。加えて、振動装置を小型にすることができる。
【００６６】
図１９は、第３の実施形態における支持体の模式的斜視図である。
【００６７】
本実施形態は、支持体５５が略角筒状であり、かつ外側面５５ｃが軸方向に対して傾斜している点において、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の振動装置は第１の実施形態の振動装置１と同様の構成を有する。
【００６８】
平面視における支持体５５の外周縁の形状は正方形である。支持体５５の外側面５５ｃは、４つの台形状の面が連結された形状を有する。他方、内側面５５ｄは第１の実施形態と同様に円柱状である。
【００６９】
支持体５５の外側面５５ｃは、底部５５ｂ側から接続部１５ａ側に向かうにつれて肉厚が薄くなるように、軸方向に対して傾斜している。これにより、底部５５ｂよりも接続部１５ａ側に位置している部分は、底部５５ｂよりも変形し易い。それによって、第２の実施形態と同様に、支持体５５の底部５５ｂにまで振動が漏洩することを効果的に抑制することができ、振動のダンピングも効果的に抑制することができる。なお、平面視における支持体５５の外周縁の形状は、例えば、正方形以外の多角形や略多角形であってもよく、あるいは円形や略円形であってもよい。
【００７０】
本実施形態では支持体５５の外側面５５ｃは軸方向に対して傾斜しているが、外側面５５ｃが階段状となっていることにより、底部５５ｂ側から接続部１５ａ側に向かうにつれて肉厚が薄くなっていてもよい。この場合においても、振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる。
【００７１】
図２０は、第４の実施形態における支持体の模式的斜視図である。
【００７２】
本実施形態は、支持体６５の形状が第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の振動装置は第１の実施形態の振動装置１と同様の構成を有する。
【００７３】
より具体的には、支持体６５は、内周縁及び外周縁が正方形である枠状の底部６５ｂを有する。底部６５ｂの各コーナー部上には、それぞれ柱部６５ｅの一方端が接続されている。柱部６５ｅは軸方向に延びている。本実施形態では、支持体６５の柱部６５ｅにおける肉厚は一定であり、かつ底部６５ｂにおける肉厚と同じである。各柱部６５ｅの他方端は枠状部６５ｆに接続されている。より具体的には、枠状部６５ｆの外周縁は正方形であり、内周縁は円形である。各柱部６５ｅは枠状部６５ｆの各コーナー部上に接続されている。枠状部６５ｆの内周縁が、上記接続部材１４に接続される接続部１５ａである。
【００７４】
支持体６５においては、枠状の底部６５ｂよりも柱部６５ｅの方が軸方向に直交する方向に変形し易い。それによって、第２の実施形態と同様に、支持体６５の底部６５ｂにまで振動が漏洩することを効果的に抑制することができ、振動のダンピングも効果的に抑制することができる。なお、平面視における底部６５ｂ及び枠状部６５ｆの外周縁の形状は、例えば、正方形以外の多角形や略多角形であってもよく、あるいは円形や略円形であってもよい。
【００７５】
ここで、支持体６５の柱部６５ｅにおける肉厚と底部６５ｂにおける肉厚とは同じではなくともよい。図２１に示す第４の実施形態の第１の変形例における支持体７５においては、底部７５ｂの肉厚は柱部６５ｅの肉厚よりも厚い。それによって、底部７５ｂが変位することをより一層抑制することができる。従って、底部７５ｂにまで振動が漏洩することをより一層抑制することができ、振動のダンピングもより一層抑制することができる。なお、本変形例においては底部７５ｂは軸方向に直交する方向外側に延びているが、底部７５ｂは軸方向に直交する方向内側に延びていてもよい。
【００７６】
図２０に示す支持体６５においては、柱部６５ｅにおける肉厚は一定であるが、これに限られない。図２２に示す第４の実施形態の第２の変形例では、支持体７６の柱部７６ｅの軸方向に沿う断面は略直角三角形状の形状を有する。柱部７６ｅにおける肉厚は、底部７６ｂ側から接続部１５ａ側に向かうにつれて薄くなっている。これにより、底部７６ｂよりも接続部１５ａ側に位置している部分は、底部７６ｂよりも変形し易い。それによって、第３の実施形態と同様に、支持体７６の底部７６ｂにまで振動が漏洩することを効果的に抑制することができ、振動のダンピングも効果的に抑制することができる。
【００７７】
図２３は、第５の実施形態における支持体の一部を示す模式的正面断面図である。
【００７８】
本実施形態は、支持体８５の外側面８５ｃ及び内側面８５ｄが波状の形状を有する点において、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の振動装置は第１の実施形態の振動装置１と同様の構成を有する。
【００７９】
支持体８５の外側面８５ｃ及び内側面８５ｄは、曲線状であり、かつ波状の形状を有する。より具体的には、外側面８５ｃは、外径が底部側から接続部側に向かうにつれて大きくなった後、底部側から接続部側に向かうにつれて小さくなることを繰り返すように波状となっている。内側面８５ｄは、内径が底部側から接続部側に向かうにつれて大きくなった後、底部側から接続部側に向かうにつれて小さくなることを繰り返すように波状となっている。支持体８５は、底部側から接続部側に向かうにつれて肉厚が厚くなるように変化した後、底部側から接続部側につれて肉厚が薄くなる用に変化することを繰り返す形状である。
【００８０】
支持体８５の外側面８５ｃ及び内側面８５ｄが波状の形状を有することにより、支持体８５における底部よりも接続部側の部分のバネ性を高めることができる。それによって、支持体８５全体が一体的に変位することを抑制することができ、支持体８５の底部が変位することを抑制することができる。従って、底部にまで振動が漏洩することを効果的に抑制することができ、振動のダンピングも効果的に抑制することができる。
【００８１】
ここで、支持体８５の外側面８５ｃにおいて、支持体８５の外径が底部側から接続部側に向かうにつれて大きくなった後、小さくなり始める点を山の部分とする。外径が底部側から接続部側に向かうにつれて小さくなった後、大きくなり始める点を谷の部分とする。他方、支持体８５の内側面８５ｄにおいて、支持体８５の内径が底部側から接続部側に向かうにつれて小さくなった後、大きくなり始める点を山の部分とする。内径が底部側から接続部側に向かうにつれて大きくなった後、小さくなり始める点を谷の部分とする。外側面８５ｃの山の部分及び内側面８５ｄの山の部分が、軸方向において同じであることが好ましい。同様に、外側面８５ｃの谷の部分及び内側面８５ｄの谷の部分が、軸方向において同じであることが好ましい。それによって、支持体８５におけるバネ性を好適に高めることができる。
【００８２】
支持体８５の軸方向に沿う断面の形状が、軸方向に延びる対称軸に対して線対称であることがより好ましい。それによって、バネ性を効果的に高めることができる。
【００８３】
なお、支持体８５の外側面８５ｃ及び内側面８５ｄは、直線状であり、かつ波状の形状を有していてもよい。この場合においても、バネ性を高めることができ、振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる。
【００８４】
図２４は、第６の実施形態における支持体の一部を示す模式的正面断面図である。
【００８５】
本実施形態は、支持体９５の外側面９５ｃ及び内側面９５ｄが両方とも階段状の形状を有する点において、第２の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の振動装置は第２の実施形態の振動装置と同様の構成を有する。
【００８６】
支持体９５は、複数の部分において階段状に屈曲している。より具体的には、支持体９５においては、軸方向に延びる部分と、径方向に延びる部分とが交互に接続されている。それによって、支持体９５のバネ性を高めることができる。従って、第５の実施形態と同様に、振動の漏洩及びダンピングを抑制することができる。
【００８７】
さらに、支持体９５においては、底部９５ｂの肉厚は軸方向に延びる部分の肉厚よりも厚い。よって、第２の実施形態と同様に、底部９５ｂが変位することをより一層抑制することができる。従って、底部９５ｂにまで振動が漏洩することをより一層抑制することができ、振動のダンピングもより一層抑制することができる。
【符号の説明】
【００８８】
１…振動装置
２…振動素子
３…振動体
３ａ…第１の開口端面
３ｂ…第２の開口端面
３ｃ…外側面
３ｄ…内側面
４…第１の振動体部
５…第２の振動体部
６…連結部
７…透光体
８…圧電振動子
８ａ…圧電体
９ａ…第１の電極
９ｂ…第２の電極
１０…イメージングデバイス
１０Ａ…撮像素子
１４…接続部材
１５…支持体
１５ａ…接続部
１５ｂ…底部
１５ｃ…外側面
１５ｄ…内側面
２４…接続部材
２７…蓋体
３５…支持体
３５ｂ…底部
４５…支持体
４５ｂ…底部
５５…支持体
５５ｂ…底部
５５ｃ…外側面
５５ｄ…内側面
６５…支持体
６５ｂ…底部
６５ｅ…柱部
６５ｆ…枠状部
７５…支持体
７５ｂ…底部
７６…支持体
７６ｂ…底部
７６ｅ…柱部
８５…支持体
８５ｃ…外側面
８５ｄ…内側面
９５…支持体
９５ｂ…底部
９５ｃ…外側面
９５ｄ…内側面
【図１】
2020066088.tif 000003
【図２】
2020066088.tif 000004
【図３】
2020066088.tif 000005
【図４】
2020066088.tif 000006
【図５】
2020066088.tif 000007
【図６】
2020066088.tif 000008
【図７】
2020066088.tif 000009
【図８】
2020066088.tif 000010
【図９】
2020066088.tif 000011
【図１０】
2020066088.tif 000012
【図１１】
2020066088.tif 000013
【図１２】
2020066088.tif 000014
【図１３】
2020066088.tif 000015
【図１４】
2020066088.tif 000016
【図１５】
2020066088.tif 000017
【図１６】
2020066088.tif 000018
【図１７】
2020066088.tif 000019
【図１８】
2020066088.tif 000020
【図１９】
2020066088.tif 000021
【図２０】
2020066088.tif 000022
【図２１】
2020066088.tif 000023
【図２２】
2020066088.tif 000024
【図２３】
2020066088.tif 000025
【図２４】
2020066088.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】令和2年10月1日(2020.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口端面及び第２の開口端面を含む筒状の振動体を有する振動素子と、
前記振動体の前記第１の開口端面及び前記第２の開口端面を結ぶ方向を軸方向としたときに、前記軸方向に延びており、かつ前記振動体を支持している支持体と、
前記振動体と前記支持体とを接続している接続部材と、
を備え、
前記振動素子の前記軸方向おいて異なる位置に第１のノード及び第２のノードが生じるように、前記振動体が呼吸振動をし、
前記接続部材が前記第１のノード及び前記第２のノードの間に位置しており、
前記支持体が前記接続部材に接続されている接続部と、底部と、を有し、
前記軸方向に直交する方向に沿う厚みを肉厚としたときに、前記支持体において、前記底部の肉厚が他の部分の肉厚よりも厚く、
前記振動体、前記接続部材及び前記支持体が金属材料からなる、振動装置。
【請求項２】
前記振動体、前記接続部材及び前記支持体が同じ材料からなる、請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記第１のノードが前記振動体に位置し、
前記振動体において、前記接続部材が接続されている部分の前記軸方向における振動の変位量が、前記第１のノードが位置する部分の前記軸方向における振動の変位量の４０％以下である、請求項１または２に記載の振動装置。
【請求項４】
前記振動素子が、前記振動体を振動させる圧電振動子を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項５】
前記支持体の前記軸方向に沿う断面が略Ｌ字形の形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項６】
前記振動素子が、前記振動体の前記第１の開口端面上に設けられている蓋体を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項７】
前記蓋体が透光性を有する、請求項６に記載の振動装置。
【請求項８】
請求項７に記載の振動装置と、
前記振動装置が有する前記蓋体に検出領域が含まれるように配置されている光学検出素子と、
を備える、光学検出装置。
【請求項９】
前記光学検出素子が撮像素子であり、前記検出領域が視野である、請求項８に記載の光学検出装置。
【国際調査報告】
2020066088.tif 000027
2020066088.tif 000028