JP5192270B2 - 超音波振動子の駆動方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、圧電セラミック振動子のような超音波振動子の駆動方法及び装置に関するものであって、特に、超音波振動子に水平方向と厚み方向の複数の共振周波数を印加することにより、超音波振動子を上下左右方向に振動させるものである。

超音波振動子は、各種の用途に使用されているが、その一つに、その振動特性を利用して物体に付着した水滴、埃などを除去するものがある。例えば、ＣＣＤカメラのレンズをカバーするカバーガラスに水滴や埃が付着すると画像が見難くなるので、撮影に先立ってカバーガラスを振動させることで水滴な埃を除去することが行われている（特許文献１、特許文献２参照）。

また、このような用途に使用する超音波振動子の駆動方法や装置として、超音波振動子の共振周波数に着目して、共振周波数を含む所定周波数範囲の交番電圧を超音波振動子に印加する技術も、たとえば特許文献３に示すように提案されている。
特開２００６-０９８８１７号公報 特開平０７-１５１９４６号公報 特開２００５−２６１５２０号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２には、超音波振動により埃などを除去するという技術は開示されていても、超音波振動子の共振周波数に着目してその振動特性を向上させる点については一切記載がなく、そのため水滴や埃を効果的に除去することはできなかった。

また、前記特許文献３の発明は、超音波振動子の厚み方向の共振周波数を含む範囲の周波数をスイープして印加するというだけのものであり、特許文献３の技術対象とする超音波美容・健康器のように一方向の振動を与えるものには適していても、水滴や埃の除去のような多方向からの振動を与えることが有効な機器には不適当であった。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、超音波振動子をその水平方向及び厚み方向に振動させることで、水滴や埃などを効果的に除去することを可能とした超音波振動子の駆動方法及び装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、超音波振動子に、その共振周波数を含む周波数範囲の電圧を、時間の経過とともに周波数を変化させながら印加する超音波振動子の駆動方法において、前記周波数範囲を、前記超音波振動子の平面方向の寸法によって定まる共振周波数と、厚み方向の寸法によって定まる共振周波数とを含む範囲としたことを特徴とする。

また、次のような構成も、本発明の一態様である。
(1) 前記周波数範囲に対する周波数の変化を１サイクルとしてこのサイクルを複数回実行する。
(2) 前記超音波振動子がリング状の部材でその外形寸法に対する共振周波数が前記周波数範囲に含まれている。
(3) 前記超音波振動子が超音波振動子と共に振動する被振動部材に固定され、この被振動部材の平面方向の寸法によって定まる共振周波数と厚み方向の寸法によって定まる共振周波数が前記周波数範囲に含まれている。
(4) 前記駆動方法を実行するための各機器を備えた超音波振動子の駆動装置。

前記のような構成を有する本発明の超音波振動子の駆動方法及び装置では、周波数を変化させる範囲内に、超音波振動子または超音波振動子と被振動部材の水平方向及び厚み方向の２つの共振周波数が含まれているので、周波数の変化に従い、超音波振動子または超音波振動子と被振動部材をその水平方向及び厚み方向の両方向から振動する。その結果、超音波振動子や被振動部材に付着した水滴や埃を効果的に除去することが可能になる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に従って具体的に説明する。図１は、本実施形態の超音波振動子の模式的な斜視図である。この図１において、符号１はリング状をした超音波振動子で、その寸法は外径Ｌ１、内径Ｌ２、厚みＬ３である。２は、前記超音波振動子１のリングの切り口の一面に固定された矩形の被振動部材で、その一辺の寸法がＬ４、前記超音波振動子１とこの被振動部材２との合計の厚みがＬ５である。

前記超音波振動子１の外径の共振周波数はｆ１、一体化された超音波振動子１と被振動部材２とによって定まる水平方向の共振周波数はｆ２、超音波振動子１の厚さ方向の共振周波数はｆ３、一体化された超音波振動子１と被振動部材２とによって定まる厚さ方向の共振周波数はｆ４である。

前記超音波振動子１には、図示しない電極が設けられ、その電極からリード線が引き出されている。このリード線には、図２に示すような制御信号発生器３、電圧制御型発振器４、電力増幅器５とを備えた駆動回路が接続され、本実施形態の超音波振動子１の駆動装置を構成している。

前記電圧制御型発振器４は制御信号発生器３からの制御信号電圧に比例した発振周波数を出力し、電力増幅器５は前記電圧制御型発振器４の出力周波数の信号を増幅して超音波振動子１を駆動する。制御信号発生器３は、その出力電圧が一定周期で可変する信号発生器であり、前記電圧制御型発振器４に対して、次の４つの周波数を含む範囲の周波数を前記電圧制御型発振器４が出力するように、前記電圧制御型発振器４を制御する。

(1) 超音波振動子１の平面方向の寸法によって定まる共振周波数。
(2) 超音波振動子１の厚み方向の寸法によって定まる共振周波数。
(3) 一体化された超音波振動子１と被振動部材２の平面方向の寸法によって定まる共振周波数。
(4) 一体化された超音波振動子１と被振動部材２のと厚み方向の寸法によって定まる共振周波数。

なお、本実施形態では、制御信号発生器３は、前記４つの周波数を含む範囲で電圧制御型発振器４を制御したが、前記電圧制御型発振器４の出力周波数を前記(1) (2) の２つの周波数を含む範囲で制御することも可能である。

この制御信号発生器３による制御は、超音波振動子１または一体化された超音波振動子１と被振動部材２の共振周波数を含んだ一定範囲の周波数を一定時間でスイープするものであるが、この一定範囲のスイープを数サイクル繰り返すものとする。また、一定範囲のスタート及びストップ周波数としては、その周波数に固定された場合に、超音波振動子１がほとんど発熱しない周波数を選択することが、エネルギー損失及び機器の発熱の観点から好ましい。

この一定範囲としては、一例として、外径が１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのリング状超音波振動子１と、一辺が２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス製被振動部材２を一体化した場合、５０〜６００ｋＨｚ程度の範囲で、できるだけ狭い範囲が良い。また、１サイクルのスイープ時間は、超音波振動子１や制御回路の応答時間の制限を考慮してできるだけ短い時間、即ち、一定周波数範囲で、超音波振動子１や被振動部材２の振動速度の最高値が得られる時間が好ましく、前記寸法の振動子の場合、例えば３００ｍｓｅｃ程度である。

図３の(a) (b) は、周波数の変化と時間の関係の一例を示すグラフで、グラフ中の一山が周波数スイープの１サイクルを示しており、本実施形態では、グラフのピークと谷との間に前記(1) から(4) の周波数がすべて含まれ、て前記１サイクルが３００ｍｓｅｃで実行されている。

このような構成を有する本実施形態では、周波数のスイープに伴い電圧制御型発振器４から水平方向の共振周波数ｆ１，ｆ２が印加されると、図４(a) の周波数変位分布と振動方向を示す図に見られるように、超音波振動子１や被振動部材２はその水平方向に振動する。一方、周波数のスイープに伴い電圧制御型発振器４から厚さ方向の共振周波数ｆ３，ｆ４が印加されると、図４(b) に見られるように、超音波振動子１や被振動部材２はその厚さ方向に振動する。

その結果、このようなスイープを数サイクル繰り返すことにより、超音波振動子１や被振動部材２には水平方向及び厚み方向の２つの振動が繰り返し加わることになり、これらに付着した水滴や埃などを効果的に除去することができる。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、次のような他の実施の形態も包含する。
(1) 超音波振動子１の形状がリング状でなく、板状、ブロック状のもの。
(2) 被振動部材２がカメラのカバーガラスなどの水滴や埃を除去するもの以外に、撹拌、振動を要求される用途全般に使用されるもの。
(3) スイープするパターン（図３のグラフ）を、振動対象に応じて変化させたもの。
(4) 超音波振動子１と被振動部材２の共振周波数を決定するにあたり、被振動部材２に付着した水滴や埃の位置、重量などを考慮したもの。

本発明の超音波振動子と被振動部材の一例を示す斜視図。 本発明の超音波振動子の駆動装置の一例を示すブロック図。 本発明において、スイープする周波数のパターンを示すグラフ。 本発明における超音波振動子及び被振動部材に加わる周波数の変位分布と振動方向を示す図。

符号の説明

１…超音波振動子
２…被振動部材
３…制御信号発生器
４…電圧制御型発振器
５…電力増幅器

Claims (3)

1. 超音波振動子と共に振動する被振動部材に、その共振周波数を含む周波数範囲の電圧を、時間の経過とともに周波数を変化させながら印加する超音波振動子の駆動方法において、
   前記超音波振動子がリング状の部材であり、前記被振動部材に固定され、
   前記周波数範囲を、前記超音波振動子と被振動部材の平面方向の寸法によって定まる水平方向の縦振動の共振周波数と、厚み方向の寸法によって定まる厚さ方向の縦振動の共振周波数とを含む範囲としたことを特徴とする超音波振動子の駆動方法。
2. 前記周波数範囲に対する周波数の変化を１サイクルとして、このサイクルを複数回実行することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動方法。
3. 超音波振動子と共に振動する被振動部材に、その共振周波数を含む周波数範囲の電圧を、時間の経過とともに周波数を変化させながら印加する超音波振動子の駆動装置において、
   前記超音波振動子がリング状の部材であり、前記被振動部材に固定され、
   前記超音波振動子及び前記被振動部材に対して周波数範囲の周波数を印加する電圧制御型発振器と、
   この電圧制御型発振器に対して、前記超音波振動子と被振動部材の平面方向の寸法によって定まる水平方向の縦振動の共振周波数と、厚み方向の寸法によって定まる厚さ方向の縦振動の共振周波数とを含む周波数を出力させる制御信号発生器とを有することを特徴とする超音波振動子の駆動装置。

Images