振动装置的制作方法

本发明涉及利用压电元件的振动装置、利用向气体空间、液体空间放出的超声波频段的振动的超声波发送器、传声器以及利用空气、液体的粘性的泵装置，该振动装置具有保护内部免受液体、外部空气影响的防滴设计且具有即使在大振幅下压电元件也不易被破坏的构造，并用于摄像机的水滴去除装置等。

背景技术：

作为激励弯曲振动的压电振动产生装置，例如公知作为发声体的将平板压电元件接合于圆板弹性体而成的单层(日文：ユニモルフ；英文：unimorph)构造的振动体。若将弹性体部设为透光体的玻璃材料并接合环状的压电元件，则成为透明的振动体。例如，在专利文献1中，在摄像机的摄像元件的前方配置有透光体盖。提出了各种用于去除附着于该盖的污垢、水滴的装置。在摄像元件的前方配置有圆板状的防尘构件。防尘构件的外周缘被刚度比防尘构件的刚度低的框状的接合构件支承。框状的接合构件的下表面固定并支承于筒状体。在接合构件的下表面固定有由压电元件形成的振动构件。通过使振动构件振动，从而使防尘构件振动，去除附着于表面的污垢、水滴等。并且，在专利文献2中，公开了将压电元件从内侧接合于圆筒形的顶板部而成的超声波换能器。另外，例如，在专利文献3中，示出了利用空气粘性且利用超声波频段的单层振动体的泵机构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4905170号公报

专利文献2：日本特许第3978875号公报

专利文献3：日本特开2009-103111号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

在专利文献1所记载的装置中，有时即使使振动构件振动，也无法可靠地去除附着于防尘构件表面的水滴等。另外，在专利文献2、3中，压电陶瓷接合于振动板的最大振动部的正下方，因此在增大振幅而提高声压或增大流量、输送压力的情况下，除了振动板的材料的破坏极限之外，压电陶瓷的破坏、接合部的破坏也成为决定该极限的主要因素。

本发明的第1目的在于，提供一种高效地放大压电元件所产生的振动且间接地使包含透光体的弹性振动板自身振动的代替以往的单层型振动体的振动装置。并且，第2目的在于，提供一种能够可靠地去除附着于在摄像元件的被摄体侧配置的作为顶板弹性体的透光体表面的水滴等的振动装置。并且，第3目的在于，提供一种能够利用该振动装置以大振幅驱动顶板弹性体的超声波换能装置。并且，第4目的在于，提供一种能够利用该振动装置以大振幅驱动的气体和液体用的泵装置。

用于解决问题的方案

本发明的振动装置包括：顶板弹性体；筒状体，其具有第1端部和与所述第1端部相反的那一侧的第2端部，在所述第1端部侧，以保持所述顶板弹性体的方式连结于所述顶板弹性体；以及压电元件，在所述筒状体的所述第2端部侧设有向所述筒状体的径向外侧延伸的环状凸缘部，该压电元件固定于所述环状凸缘部以使具有所述环状凸缘部的所述筒状体振动。

在本发明的振动装置的一个特定的技术方案中，所述环状凸缘部具有所述顶板弹性体侧的第1面和与所述第1面相反的那一侧的第2面，所述压电元件固定于所述第2面。在该情况下，顶板弹性体能够与压电元件的振动相应地弯曲振动，利用特定的设计并利用压电元件的振动，放大振幅而使顶板弹性体以较大的振幅弯曲振动。

在本发明的振动装置的另一特定的技术方案中，所述顶板弹性体以第1模式振动，在该第1模式中，在驱动所述压电元件时所述筒状体的所述环状凸缘部的振动的相位与连结于所述筒状体的所述顶板弹性体的相位相反。在该情况下，振动的节点位于筒状体的包含第1端部的外侧面，因此能够分离密封比该部分靠下的下表面，保护压电元件免受外部空气影响且更有效地使顶板弹性体振动。

在本发明的振动装置的另一特定的技术方案中，在将压电元件的最大位移与顶板弹性体的弯曲振动振幅之比定义为振幅放大率的情况下，所述第1端部与所述第2端部之间的距离比第2模式的振幅放大率与所述第1模式的振幅放大率相同这样的所述筒状体的所述第1端部与所述第2端部之间的距离长，以所述第2模式振动，在该第2模式中，在驱动所述压电元件时所述筒状体的所述环状凸缘部的振动的相位与连结于所述筒状体的所述顶板弹性体的振动的相位相同。

在该情况下，并且，在将压电元件的最大位移与顶板弹性体的振幅比设为振幅放大率时，以如下方式进行设计的选择：在筒状体的高度成为特定的值时第1模式和第2模式成为大致同值，在筒体高度比上述特定的值短的情况下利用第1模式，在比上述特定的值高的情况下利用第2振动模式。其结果，即使压电元件的位移始终较小，也能够维持使顶板弹性体大幅地位移的状态。由此，能够避免大振幅时的压电元件的破损。另外，在筒状体的高度较高的情况下，即使在第2模式中，位于顶板弹性体表面的节点也移动至铰链部、筒状体的正上部。由此，能够确保较大的位移区域，维持与第1模式同样的功能。

在本发明的振动装置的又一特定的技术方案中，所述压电元件沿着所述环状凸缘部的周向呈环状配置。

在本发明的振动装置的又一特定的技术方案中，所述筒状体的所述第1端部与所述第2端部之间的距离与所述环状凸缘部的厚度相同或比所述环状凸缘部的厚度大。

在本发明的振动装置的另一特定的技术方案中，所述环状凸缘部的向径向外侧延伸的尺寸比所述筒状体的所述第1端部与所述第2端部之间的距离长。在该情况下，通过设计压电元件的极化、电极配置，能够有效地使顶板弹性体以高次模式的振动进行振动。

在本发明的振动装置的又一特定的技术方案中，以使所述第1模式的振动的节点的位置位于比所述环状凸缘部的外周缘靠径向内侧的位置的方式选择所述筒状体的所述第1端部与所述第2端部之间的距离。在该情况下，能够更有效地使顶板弹性体振动。

在本发明的振动装置中，也可以是，所述顶板弹性体、所述筒状体以及所述环状凸缘部中的至少一者由相对于其余的构件独立的构件形成。

另外，在本发明中，也可以是，所述顶板弹性体、所述筒状体以及所述环状凸缘部由同一材料一体地形成。

在本发明的振动装置的另一特定的技术方案中，所述压电元件具有被沿着将所述筒状体的所述第1端部、所述第2端部连结的方向极化的环状压电体和设于所述环状压电体的一面和另一面的电极。在该情况下，利用被均匀地进行了极化处理的环状压电体，能够容易地构成压电元件。并且，在激励高次模式的情况下，利用根据模式次数而在周向上被分割的电极或极化的方向反转配置。

本发明的雨滴或污垢去除装置包括根据本发明而构成的振动装置和配置于所述振动装置的所述顶板弹性体的后方的摄像装置，所述顶板弹性体是透光体。

本发明的超声波换能装置包括根据本发明而构成的振动装置和外围器件，所述顶板弹性体的弯曲振动设为声波产生源，所述外围器件保持所述顶板弹性体的节点线。

本发明的泵装置包括根据本发明而构成的振动装置和与所述振动装置的所述顶板弹性体一起构成液体输送部的液体输送构件，在所述液体输送构件设有贯通孔，所述顶板弹性体被用作隔板，流体从所述液体输送构件的贯通孔被压出。

通过利用本发明的振动装置，在以顶板弹性体作为透光体的情况下，能够保护压电元件免受外部空气影响且即使利用低电压激励也能够利用振幅放大效果有效地移动去除雨滴、污垢。另外，作为超声波换能装置，例如，在车的保险杠等暴露于外部空气的环境下，能够在顶板附近部的突出较少的区域保持作为超声波放出部的顶板弹性体的安装，产生压电元件的位移以上的大小的振幅，进行高声压的发送。并且，作为液体、气体的泵装置，能够同样不受压电振幅的制约地产生泵的大压力。

发明的效果

采用本发明的振动装置，能够保护压电元件免受外部空气影响且将压电元件的位移有效地利用于顶板弹性体的弯曲振动放大，能够提高雨滴、污垢的去除性能，有助于声压、排出压力的提高。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的振动装置的外观的立体图。

图2是本发明的第1实施方式的振动装置的主视剖视图。

图3是具有本发明的第1实施方式的振动装置并以顶板弹性体作为透光体的摄像机的主视剖视图。

图4的(a)是用于说明环状的压电元件的立体图，图4的(b)是沿着图4的(a)中的x-x线的剖视图。

图5的(a)～图5的(d)是用于说明在输送中产生的各振动模式的示意图。

图6的(a)、图6的(b)是表示环状振动体的呼吸振动与弯曲振动的关系的图。

图7是表示用于说明第1模式的位移分布的示意图。

图8是表示用于说明第2模式的位移分布的示意图。

图9是表示第1模式和第2模式出现的频率位置的图。

图10是表示在第1模式、第2模式中圆筒高度和作为顶板弹性体的透光体与压电元件的振幅比即振幅放大率的关系的图。

图11是表示圆筒高度与第1模式的耦合系数及第2模式的耦合系数的关系的图。

图12是用于说明第2实施方式的振动装置的主视剖视图。

图13的(a)和图13的(b)是表示(0，1)模式中的第1模式和第2模式的位移分布的示意图。

图14的(a)和图14的(b)是表示(0，2)模式中的第1模式和第2模式的位移分布的示意图。

图15是表示在第1模式中(0，1)模式的情况的圆筒高度和压电元件的振幅相对于作为顶板弹性体的透光体的振幅的振幅放大率的图。

图16是表示(0，1)模式的情况的圆筒高度与第1模式及第2模式的耦合系数的关系的图。

图17的(a)、图17的(b)是具有本发明的第1实施方式的振动装置且以顶板弹性体的弯曲振动作为超声波的发声体的超声波换能装置的局部剖视立体图、主视剖视图。

图18的(a)、图18的(b)是具有本发明的第1实施方式的振动装置且利用顶板弹性体的弯曲振动产生压力的泵装置的局部剖视立体图、主视剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的具体实施方式，从而阐明本发明。

另外，本说明书所记载的各实施方式是例示，预先指出的是，在不同的实施方式间，能够进行结构的部分替换或组合。

图1是表示本发明的第1实施方式的振动装置的外观的立体图，图2是本发明的第1实施方式的振动装置的主视剖视图。图3是作为本发明的第1实施方式的振动装置的应用的一例的具有第1实施方式的振动装置且以顶板弹性体作为透光体的摄像机的主视剖视图。

如图1和图2所示，振动装置1具有作为顶板弹性体的透光体2。如图3所示，在摄像机31中，作为顶板弹性体的透光体2配置于摄像元件32的被摄体侧，即前方。在该情况下，透光体2由透光性材料形成。作为透光性材料，能够使用透光性的塑料、玻璃或透光性的陶瓷等。

作为摄像元件32，例如能够列举出能够接收从可见区域到远红外区域的任意波长的光的cmos、ccd、radar、lidar设备等。

筒状体3连结于透光体2。筒状体3具有圆筒状的形状。筒状体3具有第1端部3a和与第1端部3a相反的那一侧的第2端部3b。第2端部3b在圆筒体的轴向上位于与第1端部3a相反的那一侧。

第1端部3a连结于透光体2。即，筒状体3的第1端部3a固定于透光体2的筒状体3侧的面，从而透光体2封闭筒状体3的第1端部3a侧的开口。

在本实施方式中，筒状体3由不锈钢形成。不过，也可以使用其他金属材料来代替不锈钢。优选的是，期望不锈钢等刚度较高的金属。

在筒状体3的侧面设有向筒状体的径向外侧延伸的铰链部3c。铰链部3c用于利用例如以图3中的假想线表示的支承构件5从外部支承振动装置1。在筒状体3的第2端部3b侧设有向径向外侧延伸的环状凸缘部3e。环状凸缘部3e在俯视的情况下具有环状的形状。铰链部3c与环状凸缘部3e之间的部分是筒状体主体3d。上述环状凸缘部3e的外径比筒状体主体3d的外径大。虽未特别限定，但在本实施方式中，筒状体主体3d的外径与透光体2的外径相等。

上述环状凸缘部3e也可以与筒状体主体3d由相同的材料一体地构成。不过，在本实施方式中，对于筒状体主体3d，作为独立构件的环状凸缘部3e接合于筒状体主体3d的与透光体2相反的那一侧的端面。这样，环状凸缘部3e也可以由相对于筒状体主体3d独立的构件构成。

在环状凸缘部3e的与位于透光体2侧的一侧相反的那一侧的面固定有环状的压电元件4。

图4的(a)是用于说明环状的压电元件4的立体图，图4的(b)是沿着图4的(a)中的x-x线的剖视图。环状的压电元件4具有环状压电体4a和设于环状压电体4a的两面的电极4b、4c。环状压电体4a被沿着厚度方向即将筒状体3的第1端部3a和第2端部3b连结的方向极化。环状压电体4a由压电陶瓷等的压电体形成。利用上述环状的压电元件4接合于环状凸缘部3e的构造，构成弯曲振动的振动体。振动装置1的特征在于，该振动体的弯曲模式的振动经由筒状体3向透光体2传递，振动装置1整体能够以后述的第1模式和第2模式振动。在本实施方式中，使用后述的第1模式。

另外，在圆板状的透光体2振动的情况下，能够以(m，n)模式表示振动模式。在此，m和n是整数。m是在圆板的径向上存在的振动的节点的数量，n是在圆板的周向上存在的振动的节点的数量。图5的(a)表示(0，0)模式的振动，图5的(b)表示(1，0)模式，图5的(c)表示(0，1)模式，图5的(d)表示(0，2)模式。

在图5的(a)～图5的(d)中，带有阴影的点b1、b2、b3、b4、b5～b8表示最大位移点。另外，在图5的(b)～图5的(d)中，带有斜线的阴影的区域和空白的部分表示以相反相位变动的部分。因而，在图5的(b)中，圆c1是振动的节点，该圆c1是在径向上存在的唯一的节点，在周向上不存在节点。因而，图5的(b)的振动模式能够以(1，0)模式表示。

在特别是在高次模式中具有特别的优势的摄像机的应用中，在水滴附着于作为顶板弹性体的透光体2的被摄体侧的面的情况下，使上述透光体2以(0，0)模式、(1，0)模式振动。这样，能够在最大位移点附近产生较大的位移，使附着的水滴雾化。

另外，在(0，1)模式、(0，2)模式中，在透光体的表面的区域间产生以相反相位振动的部分。因而，能够利用横跨地附着于振动的节点的水滴，或者使其移动至摄像机的视野外。在摄像机31中，使透光体2以这样的各种模式振动而去除水滴。对于如(0，1)模式、(0，2)模式这样在周向上形成有节点线的振动模式而言，环状的压电元件也被分割为两部分、四部分，使相邻的极化反转，或需要用于使施加电压的极性反转的电极分割，这是不言而喻的。

另外，图6的(a)是表示使顶板弹性体连结于筒状体的比较例的振动装置振动的情况的位移分布的示意图。在图6的(a)所示的振动装置101中，筒状体103和环状的压电元件104连结于顶板弹性体102。另外，在图6的(a)中，示出了振动装置101的半剖视图。即，单点划线d是穿过筒状体103的中心轴线的部分。

另外，在图6的(a)中，在半剖视图的右侧，图示了表示半剖视图中的以阴影标注的部分的位移的大小的标度。在筒状体103中，未设置环状凸缘部。关于其他结构，振动装置101与振动装置1相同。

在图6的(b)中，示出了在使环状的压电元件104在无凸缘的状态下振动时出现的两个模式。两个模式是指被称为所谓的呼吸振动的以筒状体的沿着周向的位移作为中心的振动模式和如截面旋转那样振动的弯曲振动。一目了然，在后者中存在节点。即，在图6的(a)所示的构造的振动体中，该弯曲振动与顶板弹性体共振。通过在外周侧设置环状凸缘部并变更其外径、厚度，能够大幅地变更该弯曲振动的频率。另一方面，呼吸振动由所谓的平均直径决定，所谓的平均直径由外径和内径、台阶形状决定，特别是在内径确定的情况下，频率的下限也由内径决定。其结果，在不使用凸缘的设计中，在顶板弹性体的弯曲共振频率较低的情况，即较薄且内径较大的情况下，需要设法使用如箭头f1所示那样的所谓的“檐”构造而使厚度相对较厚，使共振频率上升，提高共振效果。但是，期望在(0，0)模式中，顶板弹性体的直到外周部为止的部分都振动。在摄像机的使用中，由于该檐，视野被遮挡，除此之外，存在无法移动去除周边部的雨滴、污垢这样的缺点。另外，不期望声压、产生压力也相对降低。

接着，说明上述实施方式的振动装置1的驱动方法。驱动环状的压电元件4。即，在电极4b、4c间施加交流电场。环状的压电元件4与环状凸缘部3e的层叠体以弯曲模式振动。该弯曲振动的位移经由筒状体3的筒状体主体3d向透光体2传递。其结果，在透光体2中，产生(0，0)模式的振动。在该情况下，产生图7所示的第1模式和图8所示的第2模式这两个振动模式。与图6的(a)同样，图7和图8是利用筒状体3的半剖视图示意性地表示位移分布的图。

在图7所示的第1模式中，如箭头g和箭头－g所示，环状凸缘部3e的外周侧部分和透光体2的中央部分以相反相位位移。另一方面，在图8所示的第2模式中，如箭头g、g所示，环状凸缘部3e的外周侧部分和透光体2的中央部分以相同相位振动。

另外，在第1模式中，节点出现在h1、h2所示的点附近。另一方面，在第2模式中，节点出现在图8所示的点i1附近。因而，若利用第1模式，则能够使透光体2的被摄体侧中的较大的范围位移。由此，在摄像机31中，不易妨碍摄像元件32的视野。另外，在透光体2的较大的面积的区域中，能够利用(0，0)模式的振动可靠地雾化并去除附着的水滴。

图17的(a)和图17的(b)是具有根据本发明而构成的振动装置的超声波换能装置的局部剖视立体图和主视剖视图。超声波换能装置51具有振动装置1。该振动装置1的顶板弹性体2a的弯曲振动被用作超声波的发声体。在超声波换能装置51中，使用上述振动装置1，因此能够提高声压。

图18的(a)和图18的(b)是表示具有根据本发明而构成的振动装置的泵装置的局部剖视立体图和主视剖视图。泵装置61具有振动装置1，该振动装置1的顶板弹性体2a被用作隔板。因而，能够得到液体输送力较高的泵装置61。

为了选择性地利用上述第1模式和第2模式，调整施加于环状的压电元件4的交流电场的频率即可。图9是表示驱动环状的压电元件4的情况的共振特性的图。如图9所示，第2模式的响应出现在比第1模式的响应靠高频率侧的位置。在此，第1模式的共振频率出现在36.1khz附近，第2模式的共振频率出现在42.3khz附近。

图10是表示在上述第1模式和第2模式中筒状体3的高度即圆筒高度和环状的压电元件4的最大位移与透光体2的最大振幅之比即所谓的振幅放大率的关系的图。在此，以下，圆筒高度设为筒状体3的轴向尺寸，即第1端部3a与第2端部3b之间的距离。图11是表示上述圆筒高度与第1模式的耦合系数及第2模式的耦合系数的关系的图。在此，在筒状体3中，开口直径设为16mm，筒状体主体3d的外径设为18mm，环状凸缘部3e的外径设为26mm。其中，外径全部是圆的直径。另外，透光体2的外径设为18mm，厚度设为1.3mm。铰链部3c的外径设为20mm，厚度设为0.5mm。环状凸缘部3e的厚度设为1.00mm，筒状体3整体由sus304不锈钢形成。并且，使筒状体3的圆筒高度变化。

如图10所示，两个模式的振幅放大率在特定的圆筒高度处交叉。即，在某一高度以上时，第1模式的耦合系数较大，较易于大幅地振动。不过，放大率降低，压电元件破坏的极限值降低。另一方面，虽未图示，但图8所示的第2模式的节点i1随着圆筒高度变长而向透光体2的外周侧移动。节点存在于筒状体的外周、正上部的透光体2，因此如第1模式那样实现大口径的振幅，并且也大幅地改善振幅放大率。但是，若筒状体的长度变长，则金属部的重量也变大，因此也出现耦合系数降低这样的缺点。

考虑到这些方面，能够进行如下设计的选择：以在第1模式和第2模式中振幅放大率一致的高度作为分界，在较短的一侧利用第1模式，在较长的一侧利用第2模式。其结果，在任一模式中，都能够实现振幅放大率为一定以上且开口面积较大的振动。

图12是本发明的第2实施方式的振动装置21的主视剖视图。在振动装置21中，支承用的铰链部3c、3f设于筒状体主体3d的两端。使用任一铰链部3c、3f从外部支承即可。在此，在例如将筒状体主体3d的轴向尺寸设为7.0mm、将筒状体主体3d的外径设为18mm、将铰链部3c、3f的外径设为19mm且将厚度设为0.5mm、将环状凸缘部3e的外径设为26mm且将厚度设为1.0mm的情况下，能够使透光体2以(0，1)模式或(0，2)模式振动。该模式适合于摄像机的雨滴、污垢的移动去除，但对于超声波换能装置和泵装置而言是不需要的。

另外，在上述的振动装置1中，在关于(0，0)模式的第1模式和第2模式中，根据筒状体的长度条件而分别使用第1模式、第2模式，但在(0，1)模式和(0，2)模式中也存在同样的两个模式。图13的(a)和图13的(b)是表示(0，1)模式中的第1模式和第2模式的位移分布的示意图。在此，从俯视透光体的那一侧表示振动装置的位移分布。在透光体中，大致椭圆形状的实线所示的区域j和大致椭圆形状的虚线所示的区域k是以相反相位位移的部分。在图13的(a)中，区域j和区域k位于穿过透光体的中心的中心线的两侧。另外，环状的压电元件被分割为两部分，两部分的极化反转。

另一方面，在图13的(b)所示的第2模式中，区域j和区域k也位于中心线的两侧。不过，在第2模式中，透光体以与第1模式相反的相位位移。图14的(a)和图14的(b)是表示(0，2)模式中的第1模式和第2模式的透光体的位移分布的图。在此，实线所示的区域j和虚线所示的区域k也以相反相位位移。在该情况下，环状的压电元件被分割为四部分，相邻的1/4元件的极化反转。

图15是表示在第1模式中(0，1)模式中的环状的压电元件4的最大振幅与透光体2的最大位移值之比，即振幅放大率的图。

图16是表示利用(0，1)模式的情况的圆筒高度与第1模式及第2模式的耦合系数的关系的图。

可知，在利用(0，1)模式的情况下，也能够通过调整圆筒高度而改变耦合系数、振幅放大率。但是，与(0，0)模式相比，耦合系数本身较低，因此在评价振幅放大率以前，压电激励效率较差，因此无论筒状体的高度如何，都期望以第1模式激励。通常，期望以具有1％以上的耦合系数的振动激励。因此，未示出第2模式的振幅放大率。在第1模式中，振幅放大率成为3.3的值的8mm左右的长度最佳。

另外，在振动装置1中，透光体2呈平板状，但也可以呈圆顶状等其他形状。另外，也可以是，摄像元件32还包括配置于摄像元件的透光体侧的镜头模块。

附图标记说明

1、振动装置；2、透光体；2a、顶板弹性体；3、筒状体；3a、第1端部；3b、第2端部；3c、3f、铰链部；3d、筒状体主体；3e、环状凸缘部；4、压电元件；4a、环状压电体；4b、4c、电极；5、支承构件；21、振动装置；31、摄像机；32、摄像元件；51、超声波换能装置；61、泵装置。