JP2019527130A - 進行波励起を用いる超音波レンズ洗浄 - Google Patents

Abstract

記載される例は、レンズ（２０２）に機械的に結合される４つ又はそれ以上のトランスデューサセグメント（１０２）を用いてレンズを洗浄するための、超音波レンズ洗浄システム（１５０）及びドライバ回路（１００）を含み、ドライバ回路（１００）は、改善された超音波洗浄のため、レンズ（２０２）レンズを振動させるため（２０２）の中央軸の周りを回転する機械的進行波を生成するために、位相シフトされた発振信号（ＡＳ、ＡＣ）をトランスデューサセグメント（１０２）に提供する。

Description

本願は、概してレンズ洗浄システムに関し、更に特定して言えば、電流感知を用いる超音波洗浄システムに関連する。

レンズは、カメラレンズ、光源レンズなどの種々の光学的システムのために用いられる。特に車両ベースのシステムなど、屋外の応用例において、カメラ又は光源レンズは、周囲天候条件、汚れ及びデブリ、並びに、レンズを介する光伝送を遮断し得るか又は干渉し得るその他の汚染物質を免れない。適切なイメージングを促すためのカメラベースのシステム、及び予期されるエリア照射を促すための光源システムには、実質的にクリーンな又はクリアなレンズを介する光学的経路が望ましい。屋外の監視カメラ及び照明システム、及び車両ベースの照明及びカメラシステムは、手動洗浄には不便な位置に配置されていることがあるため、自動レンズ洗浄システムが望ましい。超音波洗浄は、レンズ表面からデブリを除くためレンズを振動させるために、レンズ要素又はレンズカバープレートの底部に取り付けられる圧電性アクチュエータなどの電気機械トランスデューサを用いる。幾つかの場合において、トランスデューサ及びレンズを含む機械的システムは、共振を受け、機械的性質及び境界条件によって決まる定常波として特定の空間的振動パターンを呈する。しかし、汚れたレンズの定常波励起は、空間において固定される波面となり、節点（nodal）領域と呼ばれるレンズの或る部分は振動しない。従って、特に、節点領域において又はその近辺で洗浄効率が阻害される。

記載される例は、レンズに機械的に結合される偶数の４つ又はそれ以上のトランスデューサセグメントを用いてレンズを洗浄するための超音波レンズ洗浄システム及びドライバ回路を含む。ドライバ回路が、改善された超音波洗浄のためにレンズを振動させるためレンズの中央軸の周りを回転する機械的進行波を生成するため、位相シフトされた発振信号をトランスデューサセグメントに提供する。複数のトランスデューサセグメントを用いてレンズを洗浄するための方法が記載されており、この方法は、第１の発振信号を提供すること、第１の発振信号から非ゼロ角、位相シフトされる第２の発振信号を提供すること、第１及び第２の発振信号を増幅させること、第１の増幅された信号をトランスデューサセグメントの第１のセットに提供すること、及びレンズを振動させるため機械的進行波を生成するために第２の増幅された信号をトランスデューサセグメントの第２のセットに提供することを含む。

レンズの中央軸の周りを回転する機械的進行波を生成するため、位相シフトされたトランスデューサ信号を提供するための４セグメントトランスデューサ配置及びドライバＩＣを含む超音波レンズ洗浄システムの概略図である。

図１の超音波レンズ洗浄システムを含むカメラレンズアッセンブリの部分的断面側部立面図である。

図１及び図２のシステムにおいて、レンズの中央軸から放射状に離間され、レンズの周囲の周りで互いから角度的に離間される、４つのトランスデューサ要素を示す部分斜視図である。

図１〜図３のシステムにおける［１、１］モード進行波励起を実装する機械的進行波グラフの斜視図である。

図１〜図３のシステムにおけるレンズの中央軸の周りを回転する進行波の簡略化した上面図である。 図１〜図３のシステムにおけるレンズの中央軸の周りを回転する進行波の簡略化した上面図である。 図１〜図３のシステムにおけるレンズの中央軸の周りを回転する進行波の簡略化した上面図である。 図１〜図３のシステムにおけるレンズの中央軸の周りを回転する進行波の簡略化した上面図である。

４セグメントトランスデューサシステムのための例示の信号配路構成を図示する部分的概略図である。

４セグメントトランスデューサシステムのための別の例信号配路構成を図示する部分的概略図である。

偏向トランスデューサセグメントを備える４セグメントトランスデューサシステムのための更なる例示の信号配路構成を図示する部分的概略図である。

８要素トランスデューサシステムの上面図を示す概略図である。

図１〜図３のシステムにおける［２、１］モード進行波励起を実装する機械的進行波グラフの斜視図である。

図１〜図３のシステムにおけるレンズの中央軸の周りを回転する進行波の簡略化した上面図である。

図１〜図３のシステムにおける［１、２］モード進行波励起を実装する機械的進行波グラフの斜視図である。

図１〜図３及び図１５のシステムにおけるレンズの中央軸の周りを回転する進行波の簡略化した上面図である。

１６セグメントトランスデューサシステムのための例示の信号配路構成を図示する部分的概略図である。

１６セグメントトランスデューサシステムのための別の例信号配路構成を図示する部分的概略図である。

８セグメントトランスデューサシステムのための別の例信号配路構成を図示する部分的概略図である。

図面において、全体を通じて同様の参照番号は同様の要素を指し、様々な特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、用語「結合（couple）」又は「結合する（couples）」は、間接的な又は直接的な電気的又は機械的接続又はそれらの組み合わせを含む。例えば、第１のデバイスが第２のデバイスに結合するか又は第２のデバイスと結合される場合、その接続は、直接的電気接続を介するものであり得、或いは一つ又は複数の介在デバイス及び接続を介する間接的電気接続を介するものであり得る。また、「レンズ」という用語は、カメラレンズシステムの一部であるレンズ、又はカメラレンズシステムを覆うカバーレンズを含む。

図１〜図３を参照すると、超音波レンズ洗浄システム１５０が図示されており、ドライバ半導体回路（ＩＣ）１００、及びレンズ２０２を洗浄するための偶数のトランスデューサセグメント１０２を含む。例示の実施例は、直接又は間接的に、レンズ２０２に機械的に結合される偶数のＮＳ個のトランスデューサセグメント又は要素１０２を含み、ここで、ＮＳは４より大きいか又は４に等しい偶数の整数である。この例では個々のトランスデューサセグメント１０２は、円形のレンズ１０２の中央軸２０１から放射状に離間され、トランスデューサ１０２は、レンズ２０２の周囲の周りで互いから角度的に離間される。これ以降に更に説明するように、ドライバ回路１００は、改善された超音波洗浄のため、レンズ２０２を振動させるためにレンズ２０２の中央軸２０１の周りを回転する機械的進行波を生成するため、位相シフトされた発振信号ＡＳ及びＡＣをトランスデューサセグメント１０２に提供する。説明されるドライバ回路要素１００、システム１５０、及び方法は、レンズ表面の周りを伝搬する波面をつくるための機械的進行波の生成を介する定常波励起に比して、改善されたレンズ洗浄解決策を提供する。このアーキテクチャは、一層完全なレンズ洗浄を促進する。

図１〜図３において、洗浄システム１５０は、４セグメントトランスデューサ配置（ＮＳ＝４）を含み、トランスデューサセグメント１０２−１、１０２−２、１０２−３、及び１０２−ＮＳ（図３における１０２−４）は、湾曲し、９０度より僅かに小さい個々の角を介して延在する。一例において、トランスデューサセグメント１０２は、レンズ２０２の周囲の周りで角度的に等しく離間されるが、他の例において等しくない間隔を用いることができる。各個々のセグメント１０２は、これ以降に更に説明するように信号源への接続のため半径方向内側及び外側を有する。この例ではドライバ回路１００は、バッテリ又はその他の電源１０４により電力供給されるドライバ半導体回路である。図２は、超音波レンズ洗浄システム１５０及びレンズ２０２を含むカメラレンズアッセンブリを示す。レンズアッセンブリは、レンズ２０２を振動させるように機械的に結合される、円柱状の又は「リング」構成を形成するトランスデューサセグメント１０２−１〜１０２−ＮＳを含む。図２におけるレンズ２０２は、図２に示すように湾曲した上側又は外側表面を有する「魚眼」レンズである。他の例において、平坦なレンズ２０２又は異なるプロファイルを有するレンズを用いることができる。図３は、平坦なレンズ２０２を備える例を示す。図２におけるレンズ２０２は、円筒状の内部スペーサ構造２０６を備える円筒状のハウジング２０４に搭載される。

リング形状の圧電性トランスデューサシステム１０２が、スペーサ２０６とハウジング２０４の外壁との間に配置される。圧電性トランスデューサ、又はレンズ機械的負荷を振動させ得るその他のタイプのトランスデューサなど、任意の適切な電気機械トランスデューサセグメント１０２を用いることができる。例えば、円形、楕円形、矩形の、又はその他の多角形形状など、他の形状及び構成のトランスデューサセグメント１０２及びレンズ２０２を用いることができる。図１〜図３の図示した例において、トランスデューサセグメント１０２は、円形のレンズ１０２の中央軸２０１から放射状に離間され、トランスデューサセグメント１０２は、レンズ２０２の周りで互いから角度的に離間される。円形のレンズアッセンブリは、ハウジング２０４の内部への水又はデブリの進入を防ぐため、レンズ２０２の周辺端部とハウジング２０４の外壁との間に延在するＯリング２０８を用いてシーリングされる。一例において、ハウジング２０４は、後方バックアップカメラとして、又は前方又は横向きカメラとして動作させるため自動車に取り付けられ得る。セキュリティカメラ応用例のためなど、他の例において、このアッセンブリは、建物又は街灯柱に取り付けられ得る。他の例において、このアッセンブリは、商業用又は居住用の建物内など、内部セキュリティモニタリングシステムのために用いることができる。一例において、概して平坦な第２のレンズ２１０が、スペーサ２０６の内部表面内に配置される。図２における第２のレンズ２１０及び魚眼レンズ２０２は、レンズ中央軸２０１に沿ったカメラ２１２によるイメージングのための光学的経路を提供する。個々のトランスデューサセグメント１０２は、第１及び第２のマルチプレクサ出力１４２及び１４４に接続されるリード配線を含む。リード配線１４２及び１４４は、外側及び内側ドライバ信号を受信するためドライバＩＣ１００との接続のためハウジング２０４のベース２１４において開口２１６を介して延在する。図２の断面図は、４セグメント構成における第１及び第３のトランスデューサセグメント１０２−１及び１０２−３、及び、それぞれ、関連するリード配線１４２−１、１４４−１及び１４２−３、１４４−３の部分を示す。概して、ドライバＩＣ１００は、ＮＳ個のトランスデューサセグメント１０２−１、１０２−ＮＳに適応するため、第１及び第２のリード配線の整数のＮＳ個のセット又は対を提供する。

トランスデューサセグメント１０２は、図２及び図３に示すようにレンズ２０２の下側周囲に接するように配置される。他の例において、トランスデューサセグメント１０２は、レンズ２０２と機械的に結合するため任意の介在構造を備えて搭載される。使用の際、特に、屋外の設置の場合、レンズ２０２の上側表面には、汚れ、デブリ、水、及び本明細書において汚染物質と称するその他の光学的障害物が堆積する。ドライバ１００は、一例において接地ノードＧＮＤなどの参照ノードに対するバッテリ電圧信号ＶＢを提供するバッテリなどの電力供給又は電源１０４から入力電力を受信する。例示のドライバＩＣ１００は、電力供給１０４からバッテリ電圧信号ＶＢを受信するための端子１０６（例えば、ＩＣピン又はパッド）、及びＧＮＤへの接続のための接地端子１０８を含む。ドライバＩＣ１００は、バッテリ電圧信号ＶＢを受信し、ドライバ１００の内部回路要素に電力供給するため一つ又は複数の供給電圧（図示せず）を提供する電力管理回路１１０を含む。また、ＩＣ１００は、ドライバ信号をトランスデューサセグメント１０２に搬送するためリード配線１４２−１、１４２−２、１４２−３、．．．、１４２−ＮＳ及び１４４−１、１４４−２、１４４−３、１４４−ＮＳへのマルチプレクサ信号出力の接続のための端子１１２−１、１１２−２、１１２−３、．．．、１１２−ＮＳ及び１１４−１、１１４−２、１１４−３、．．．、１１４−ＮＳを含む。

ドライバ１００は、レンズ軸２０１の周りを回転する機械的進行波の提供を介してトランスデューサセグメント１０２にレンズ２０２の洗浄を促す又は促進するためレンズ２０２を振動させるため、位相シフトされた発振信号のセットを提供する。一例において、ドライバ１００は、トランスデューサセグメント１０２を作動させ、トランスデューサ１０２に、レンズ２０２の表面から汚れ及び／又は水を除くため超音波を用いてレンズ２０２を機械的に振動させる位相シフトされた正弦波超音波駆動信号を提供する。矩形波、三角波形、又はその他の波形形状などの非正弦波形発振信号が提供され得る。システム共振周波数又はその近辺での周波数の超音波での機械的発振又はレンズ２０２の動きは、レンズ２０２からの、水、汚れ、及び／又はデブリのエネルギー効率のよい除去を助け得る。一例において、ドライバ回路１００は、機械的アッセンブリの共振周波数又はその近辺で、位相シフトされた発振駆動信号をトランスデューサセグメント１０２に搬送する。固定ドライバ信号周波数を用いることもでき、周波数は、時間と共に変化に適応するためドライバ回路１００により適合され得、又は、レンズ２０２から異なるタイプのデブリを洗浄するために異なる周波数を用いることもできる。一例においてドライバＩＣ１００は、関連するレンズシステムの共振機械的周波数の変化を追跡し、時間の経過と共に及び変化する環境条件において洗浄性能を維持するためこの情報を用いるために閉ループシステムを提供する。

ドライバＩＣ１００は、レンズ２０２の中央軸２０１の周りを回転する機械的進行波を生成するため、位相シフトされた発振信号ＡＳ及びＡＣを生成して、トランスデューサセグメント１０２に提供するため、第１及び第２の増幅器１３４−１（ＡＭＰ１）及び１３４−２（ＡＭＰ２）と共に、信号生成器１３０及び位相シフト回路１３２を含む。信号生成器１３０により提供される信号ＶＳの周波数帯幅及び所与のトランスデューサセグメント１０２を適切に駆動するための出力信号要件に適応するように設計された電力オペアンプ回路など、任意の適切な増幅器回路要素１３４を用いることができる。信号生成器回路１３０は、非ゼロ周波数ωで発振する第１の出力信号ＶＳを生成する。幾つかの例において、周波数ωは、これらの記載される例の全ての実装の厳密な用件ではないが、約２０ｋＨｚ又はそれ以上などの超音波である。或る例において、信号生成器１３０は、１ｋＨｚ〜３ＭＨｚの周波数の範囲任意の適切な波形形状の発振出力信号ＶＳを提供することが可能なアナログ回路であり、同時に複数周波数で駆動されたトランスデューサ１０２を励起するために同時に複数の周波数成分を含む信号ＶＳを提供し得る。一例において、信号生成器回路１３０は、矩形波出力信号電圧波形ＶＳを提供するためのパルス幅変調された回路である。他の例において、信号生成器１１６は、正弦波出力電圧信号を提供する。他の例において、三角、鋸歯、又はその他の波形、又はそれらの組み合わせが信号生成器１３０によって提供され得る。

位相シフト回路１３２は、第１の出力信号ＶＳを受信し、非ゼロ周波数ωで発振する第２の出力信号ＶＣを生成する。第２の出力信号ＶＣは、第１の出力信号ＶＳから非ゼロ角、位相シフトされている。一例において、信号生成器回路１３０は、ＶＳ＝Ｋ×ｓｉｎ（ωｔ）として表される正弦波第１の出力信号ＶＳを生成し、位相シフト回路１３２は、第１の出力信号ＶＳから９０度シフトされた第２の出力信号ＶＣ＝Ｋ×ｃｏｓ（ωｔ）を提供する。第１の増幅器１３４−１は、第１の出力信号ＶＳを受信するための入力、及び、第１の出力信号ＶＳに基づいて第１の増幅器出力１３６を生成するための第１の増幅された信号ＡＳを含む。第２の増幅器１３４−２は、第２の出力信号ＶＣを受信するための入力、及び、第１の出力信号ＶＣに基づいて第２の増幅器出力１３８を生成するための第２の増幅された信号ＡＣを含む。

ドライバＩＣ１００は、トランスデューサセグメント１０２の対応するものに個々に関連付けられるドライバ信号出力端子対１１２、１１４としてグループ化されるＩＣ端子への接続によりトランスデューサセグメントとインタフェースする。個々のドライバ信号出力端子対は、対応するトランスデューサセグメント１０２第１の側（例えば、外側側）に接続され得る第１の出力端子１１２、及び対応するトランスデューサセグメント１０２の第２の側（例えば、内側）に接続され得る第２の出力端子１１４を含む。ＩＣ１００は、例えば、ＮＳ＝２、４、８、１６など、異なる応用例に対する異なる数のトランスデューサセグメント１０２を駆動するためのＩＣの構成を可能にするため、追加の出力端子対１１２、１１４を含み得る、また、ドライバ回路１００は、レンズ２０２を振動させるための機械的進行波を生成するため、第１の増幅された信号ＡＳを出力端子１１２、１１４の第１のセットに搬送し、出力端子１１２、１１４の第２のセットに第２の増幅された信号ＡＣを搬送する配路回路１４０を含む。

配路回路１４０は、信号ＡＳ及びＡＣを特定の出力端子１１２、１１４に配路するための固定相互接続システムであり得る。他の例において、構成可能な配路回路１４０が、異なる応用例のためのドライバＩＣ１００の再構成を可能にするために用いられ得る。図１の例において、配路回路１４０は、整数のＮＳ個のマルチプレクサ１４１−１、１４１−２、１４１−３、．．．、１４１−ＮＳを含む。個々のマルチプレクサ１４１は、トランスデューサセグメント１０２の一つに対応する。種々の例において、個々のマルチプレクサ１４１は、二つ又はそれ以上のマルチプレクサ入力を含む。図１の例において、個々のマルチプレクサ１４１の第１のマルチプレクサ入力は、信号ＡＳを受信するため第１の増幅器出力１３６と結合され、第２のマルチプレクサ入力が、第２の増幅された信号ＡＣを受信するため第２の増幅器出力１３６と結合される。個々のマルチプレクサ１４１は、第１及び第２の出力を有し、第１のマルチプレクサ出力信号ＳＯを対応するトランスデューサセグメント１０２の第１の（例えば、外側）側に搬送するように結合される第１のマルチプレクサ出力１４２を含む。第２のマルチプレクサ出力１４４が、第２のマルチプレクサ出力信号ＳＩを対応するトランスデューサセグメント１０２の第２の側（例えば、内側）に搬送するように結合される。マルチプレクサ１４１−１〜１４１−ＮＳは、図１に示すように、対応する外側及び内側信号ＳＯ−１、ＳＯ−２、ＳＯ−３、．．．、ＳＯ−ＮＳ、及びＳＩ−１、ＳＩ−２、ＳＩ−３、．．．、ＳＩ−ＮＳを、それぞれのトランスデューサセグメント１０２−１、１０２−２、１０２−３、．．．、１０２−ＮＳに提供する。

個々のマルチプレクサ１４１の選択入力が、入力の中から選択するため選択信号を受信する。図１において、２つの選択入力が、それぞれ、選択信号Ｐ及びＳＣを受信する。この例では、Ｐ入力信号Ｐ−１、Ｐ−２、Ｐ−３、．．．、Ｐ−ＮＳが、対応するトランスデューサセグメント１０２−１、１０２−２、Ｐ−３、．．．、１０２−ＮＳのための極性を選択するために用いられ、ＳＣ入力ＳＣ−１、ＳＣ−２、ＳＣ−３、．．．、ＳＣ−ＮＳが、増幅されたサイン信号ＡＳと位相シフトされ増幅されたコサイン信号ＡＣとの間で選択する。個々のマルチプレクサ１４１は、選択された発振信号ＡＳ又はＡＣを対応するトランスデューサセグメント１０２第１及び第２の側の一方に提供するように、対応する受信された選択信号Ｐ及びＳＣに従って動作する。関連するトランスデューサセグメントの他の側は、定電圧信号ＧＮＤなどの基準電圧に、又は他の発振信号に結合され得る。

図１における配路回路１４０は、一つ又は複数の構成入力に従って選択信号Ｐ及びＳＣをマルチプレクサ１４１に提供するためのルックアップテーブル１２６（ＬＵＴ）を含む。或る例において、ドライバＩＣは、ホスト回路１２０などの外部回路による構成を可能にするため、少なくとも一つの構成入力端子１１６、１１８を含む。図１におけるＩＣ１００は、ＮＳトランスデューサセグメント１０２を駆動するために用いられるべき出力マルチプレクサの数を特定するためバイナリ符号化された入力ＮＳを受信するため４つの端子１１６を含む。３つの入力端子１１８が、結果の進行波のための節点直径の数を示すバイナリ符号化されたＮＤ個の信号を受信するように提供される。ＮＳ個の入力は、ＮＳ個の信号をライン１２２を介してルックアップテーブル１２６に提供し、ＮＤ個の入力は、ＮＤ個の信号をライン１２４を介してルックアップテーブル１２６に提供する。

一例においてＬＵＴ１２６は、レンズ２０２を洗浄するために進行波を生成するため、トランスデューサセグメント１０２を動作させるためホスト特定ＮＳ及びＮＤ値に従ってマルチプレクサ１４０を構築するためＰ及びＳＣ信号を提供するため符号化される。図１におけるマルチプレクサ１４１は、ルックアップテーブル１２６からのＰ及びＳＣ信号に基づいて、正弦波ＡＳ又は余弦波ＡＣからの選択を可能にする。他の例（例えば、これ以降に記載される図９及び図１１）において、個々のマルチプレクサ１４１は、ＧＮＤなどの基準電圧と結合される第３のマルチプレクサ入力を含む。これにより、レンズ２０２の機械的進行波励起を確立するため、Ｐ及びＳＣ信号に従って、外側及び／又は内側トランスデューサセグメント側の特定の方の、増幅された正弦波信号ＡＳ、増幅されたコサイン信号ＡＣ又は基準電圧ＧＮＤとの選択的相互接続が可能となる。この点で、ドライバＩＣ１００は、トランスデューサセグメント（ＮＳ）の数及び節点直径（ＮＤ）の数に基づいて種々の異なる構成を実装するようにホスト回路１２０により構成可能である。マルチプレクサ１４１の構成は、
トランスデューサセグメント１０２の各側お電極又は電気的接続のための正弦波又は余弦波形の極性及び選択を提供する。圧電性トランスデューサセグメント１０２の場合、セグメント１０２は、機械的に結合されたレンズ２０２からデブリを分離するために、周期的電気的信号が印加されるとき振動する。レンズアッセンブリ全体は、通常、全ての構成要素及び境界条件の機械的性質によって決まる一つ又は複数の共振周波数を有し得、或る例において信号生成器回路１３０は、効果的で効率的な洗浄のための共振点の一つ又はその近辺で周波数ωで正弦波ＶＳを提供する。

一例において、ルックアップテーブル１２６は、個々のマルチプレクサ１４１により提供される極性（Ｐ）及びサイン／コサイン信号（ＳＣ）を構築するためマルチプレクサ選択信号を提供する。下記表１は、これらの制御信号の一例を示し、ここで、ＡＳ及びＡＣは、サイン及びコサイン振幅入力であり、Ｐ及びＳＣは制御信号ビットである。ＳＯ及びＳＩは、マルチプレクサ１４１からの内側及び出力信号出力であり、これらは、レンズ洗浄のために励起されるべき進行波パターンによって決まる。この例は、図１及び図５〜図１１に示されるものなどの４セグメントシステムのために用いることができる。

ルックアップテーブル１２６の内容の一例を１６セグメントシステムのための表２に示し、ここで、ＮＳはセグメントの数を表し、ＮＤは節点直径の数を表す。

更に図４〜図８を参照すると、レンズ表面の振動は特定の空間的波パターンを形成し、位相シフトされた信号及びＡＣ及びＡＳ（これらのみ又はＧＮＤ接続との更に組み合わせ）のトランスデューサセグメント電極への選択的印加により、レンズ２０２の軸２０１の周りを回転する進行波が始まる。図４は、図１〜図３のシステムにおける［１、１］モード進行波励起を実装する例示の機械的進行波グラフ４００を示し、図５〜図８は、レンズ２０２の中央軸２０１の周りを回転する進行波を図示する。これらの例におけるモード指定は、円形の進行波のためのものであり、［ＮＤ、Ｍ］モードは、ＮＤ個の節点直径及びＭ個の節点円（境界を含む）を有し、ここで、ＮＤ及びＭはゼロより大きい。ノードは、瞬間的に停止しているレンズ構造上の点又は線であるが、進行波励起は、ノードにレンズ軸２０１の周りを回転させる。図４の例において、進行波は、４０２を上から見たとき、軸２０１の周りを時計回りに回転する。また、この［１、１］モード例において、図示するＸ−Ｙ平面において単一のノード直径４０８がＺ方向軸２０１の周りを延在する。図４は、Ｘ−Ｙ平面にある（例えば、図３に示すような）プラナーレンズ２０２の進行波励起を図示し、この励起は、正のＺ方向変位極大値４０４及び負のＺ方向変位極小値４０６を有する、レンズ２０２のＺ方向の動きを生じさせる。図５〜図８は、時間的に異なる点での方向４０２に回転する進行波の簡略化した図を提供し、図５は、極大値４０４及び極小値４０６の初期の例示の位置を図示し、介在する単一ノード直径４０８が、極大及び極小値点４０４及び４０６に関連する正及び負のローブ間にＹ＝０でＸ方向に延在する。図６に表される時間に、トランスデューサセグメント１０２−１〜１０２−４による機械的作動で、ローブ及び点４０４、４０６の位置が約３０度時計回り方向４０２に回転される。図７及び図８は、それぞれ、付加的な３０度の増分の方向４０２の更なる回転を図示し、ここで、ノード直径４０８は、Ｘ＝０で図８においてＹ方向に位置する。オペレーションにおいて、トランスデューサセグメント１０２の位相シフトされた正弦波励起は、Ｚ方向レンズ軸２０１の周りの進行波パターンの継続的な回転を生じさせる。図５〜図８に示すように、ノード直径４０８は、ノード直径が停止したままである定常波励起手法とは対照的に、回転又は進む。従って、ドライバ回路１００は有利なことに、ノード直径４０８に沿ったレンズ２０２の表面エリアが振動され、そのため洗浄される、進行波励起を提供する。

進行波励起は、数学的に表すことができる。クランプ円形のレンズ２０２又はその他の円形プレートの変位は、下記数式（１）によって表され得る。

ここで、Ｊ_ｎはｎ番目のベッセル関数であり、Ｉ_ｎは、第１の種類の改変されたベッセル関数であり、ｎ及びｍはモード指数であり、ｎ＝０、１、２、．．．、ｍ＝Ｌ、２、３、．．．である。自然モード周波数は、下記数式（２）により与えられる。

ここで、Ｒは円形プレートの半径であり、Ｔはその厚みであり、λ_ｎｍはベッセル関数式に対するルート（ｒｏｏｔ）であり、Ｄはであるレンズ材料堅さ（ポアソン比などヤング率によって決まる）、及びρはレンズ材料密度である。下記のように定義すると、

式（１）は、下記数式（３）に示すように簡略化され得る。

共振周波数ωでの強制応答に対する解Ｗは、下記により与えられる。

Ｗ_３を再編成すると下記となる。

α＝０、及びＡ＝Ｂと設定すると、式は下記数式（４）のように書き換えることができる。

数式（４）は、正の方向θに角速度ω／ｎを有する進行波を定義する。Ａ＝−Ｂとすることにより、方向は負のθ方向に反転される。この例では、トランスデューサセグメント１０２は、光が軸２０１の方向に沿って中央にレンズ２０２を通過し得るように、円形リング形状を形成する。この場合の円形トランスデューサ構造又はシステムはＬ個の独立チャネル又はセグメント（Ｌ−ＮＳ）に分割される。この分割は、トランスデューサを物理的に分割すること又は電極を単に分割することによりなされ得、個々に作動され得る部分が、トランスデューサセグメント１０２を定義する。この構成において、個々のチャネルは、Ｓ_１（Ｌ＝１、２、．．．、Ｌ）で示される入力により駆動される。ＮＤ個の節点直径及び１つの節点円（例えば、境界）を有する［ＮＤ、１］モードの定常波に対して、角波長は２π／ΝＤである。一つ波長のスパン内で、偶数の二つ又はそれ以上のチャネルが、波を励起ために用いられ得る、全円は、ＮＤ波長を含み、最小の２ＮＤ個のチャネルが用いられる。トランスデューサを等しい弧長の２ＮＤ個のチャネルに分割し、下記に従って入力を設定することによって［ＮＤ、１］の定常波モードが生成され得る。

ここで、ω_０は［ＮＤ、１］モードの共振周波数である。

図９は、４セグメントトランスデューサシステム１０２−１〜１０２−４のための例示の信号配路構成を示す。この場合、対応するマルチプレクサ（便宜上、一つのみを図示する）が各々、増幅されたサイン及びコサイン信号ＡＳ及びＡＣを受信するための入力１３６及び１３８、及び基準電圧信号（例えば、ＧＮＤ）を受信する第３の入力を含む。対応する外側信号（ＳＯ）が、対応するトランスデューサセグメント１０２の外側側電極に提供され、対応する内部信号（ＳＩ）が、トランスデューサセグメント１０２の内側電極に提供される。図９の例において、全ての内部信号ＳＩが、基準電圧ＧＮＤとして提供される。ＳＯとしての外側信号は、セグメント１０２−１に対するＡＳ、セグメント１０２−２に対するＡＣ、セグメント１０２−３に対するＡＳ、及びセグメント１０２−４に対するＡＣとして提供される。この構成は、上述した図４〜図８に図示される［１、１］モード進行波を実装するために用いることができる。

図１０は、４セグメントトランスデューサシステムを用いる図４〜図８の進行波を実装するための別の例信号配路構成を図示する。この場合、セグメント１０２−２及び１０２−３内側は、基準電圧ＧＮＤ信号を用いて提供され、セグメント１０２−１及び１０２−４の外側も、ＧＮＤに接続される。セグメント１０２−１の内側及びセグメント１０２−３の外側はＡＳに接続され、一方、セグメント１０２−４の内側及び信号１０２−２の外側はＡＣに接続される。この構成により、図４〜図８の［１、１］モード進行波が得られる。

図１１は、偏向トランスデューサセグメントを備える４セグメントトランスデューサシステムのための更なる例示の信号配路構成を示す。この構成も、図４〜図８の［１、１］モード進行波を実装する。この例では圧電性トランスデューサセグメント１０２−１〜１０２−４は、高電圧分極を受け、セグメント１０２−１及び１０２−４は負の（−）方向に分極される及びセグメント１０２−２及び１０２−３が正（＋）に分極される。この例では、時計回りに回転する進行波が、内側セグメント電極をＧＮＤ信号に接続し、ＡＣ信号をセグメント１０２−２及び１０２−４の外側に接続し、ＡＳ信号をセグメント１０２−１及び１０２−３の外側に接続することによりマルチプレクサ１４１により実装される。

図１２は、円形レンズ２０２（図示せず）の周囲の周りに配置されるセグメント１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、１０２−５、１０２−６、１０２−７、及び１０２−８を有する８要素トランスデューサシステムの上面図を図示する図を示す。この例ではトランスデューサセグメント１０２は、４５度の角間隔角度θを有するレンズ周囲の周りに延在する。

図１３及び図１４を参照すると、図１３は、図１〜図３の４セグメントシステムにおける［２、１］モード進行波励起を実装する機械的進行波グラフ１３００の斜視図であり、図１４は、レンズ２０２の中央軸２０１の周りを回転する結果の進行波を示す。［２、１］モード進行波が、トランスデューサセグメント１０２を用いてつくられ得、ここで、近隣チャネルを相対する方向に振動させるために、入力がＳ１＝Ｓ３＝−Ｓ２＝−Ｓ４として特定され、そのため、進行波がつくられる。図１３及び図１４に示すように、［２、１］モード進行波は、第１及び第２の正のピーク又は極大値４０４−１及び４０４−２、及び一対の極小値４０６−１及び４０６−２を含む。また、励起パターンは、Ｘ−Ｙ平面において互いから９０度オフセットされる、第１及び第２のノード直径４０８−１及び４０８−２を含む。他の例において、図１３に示すような［２、１］モード進行波が、図１２において示されるような８セグメント構成を用いて実装され得る。

配線変形の代わりに、又はワイヤリング変形に加えて、［Ｄ、１］モード定常波を生成するため全てのチャネルに対して同じ入力信号を用いる一方で、近隣チャネルのポーリング極性が変更され得る。［ＮＤ、１］モードに対して進行波を生成するため、２つの直交する［Ｄ、１］定常波が同時に生成され、直交する定常波の相互作用が、進行波となる。［Ｄ、１］モードの定常波が２π／ＮＤの角波長を有し、２つの直交するモードは互いに対して、π／２ＮＤである４分の一波長、回転される。２つの直交するモードを生成するために２セットのチャネルが用いられ、各個々のサイトが直交するモードの一方を生成する。一つのセットに対するトランスデューサチャネルの空間的分布は、互いに対してπ／２ＮＤの角度、回転される。２つのセットへの入力は、上述した数式（３）に従って、それぞれ、ｓｉｎ（ω_０ｔ）及びｃｏｓ（ω_０ｔ）である。個々のセットは、［ＮＤ、１］定常波を効率的に生成するために少なくとも２ＮＤチャネルを用いる。チャネルの総数は４ＮＤである。円形リングが、この例では等しい弧長の４Ｎ個のチャネルに分割される。４つの近隣チャネルのセグメントを任意の数の２ＮＤセグメント１０２と共に用いることができ、交互の励起の同様のパターンが、レンズ２０２の円の周りに延在する。個々の第１のセットが正弦波により駆動され、第２のセットが余弦波により駆動される。個々のセット内で、２つの近隣チャネル（π／ＮＤだけ角度的に離間される）への入力の極性は、下記式により説明されるように変更される。

この例は、波面が方向４０２の軸の周りを回転し得る［Ｄ、１］モードのための進行波を生成する。回転方向は、任意の一つのセットにおいて入力の極性を逆にし、他のセットを変更しないままとすることにより逆にされてもよい。

上述した手法は、Ｍ＞１である、一層高い［ＮＤ、Ｍ］モードに拡張され得る。また、あり得る例示のは、円形リングトランスデューサを、又は［Ｄ、１］モードを励起させるため円形様式に配置される複数の小さなトランスデューサチャネルを用いる、［ＮＤ、Ｍ］モード定常波をまず励起することで始まる。Ｍ個の同心円リングトランスデューサが、［Ｄ、Ｍ］モードを励起するために用いることができ、単一リング［ＮＤ、１］モードに対して提示された設計がその後、［Ｄ、Ｍ］進行波励起させるためにＭリングの各々に対して反復され得る。レンズ洗浄応用例では、光伝送及びこの制約のため透明なレンズの中心は、通常、特に小さな直径レンズ２０２上に、一つのリングを設置するために充分な空間のみを残している。一つの選択肢は、トランスペアレントトランスデューサ１０２を用いることである。例えば、圧電性ポリマーである。非トランスペアレントセラミックトランスデューサ１０２の場合、単一のリング構造を用いることができる。効率は低減され得るが、入力周波数が［ＮＤ、２］共振周波数又はその近辺である場合、単一のリングトランスデューサセグメントが［ＮＤ、２］モードなどのモードを励起し得る。

図１５及び図１６を参照すると、図１５は、単一の節点直径４０８、及び２節点円を含む、例示の［１、２］モード進行波グラフ１５００を図示する。同じトランスデューサ構造及び励起設計を、周波数を［１、２］モードの一層高い共振周波数に変えることにより［１、２］モードで進行波を励起するために［１、１］モードのために用いることができる。図１６は、図１５に示される［１、２］モード進行波を生成するためにセグメント１０２−１〜１０２−４
４セグメントを用いた実装の簡略化した上面図を示す。進行波のこの形態は、図１４及び図１５に示す内部ローブ極小値４０６−１及び局地極小値４０６−２に加えて、狭いローブピーク又は極大値４０４−１及び局地極大値４０４−２を含む。一層高い周波数を有する図示される［１、２］モードを用いる進行波励起の一例は、増大された加速度となり（例えば、振動の速度が増大され得る）、これは、励起されたレンズ２０２からの或るタイプのデブリの除去を促進するために有益である。

更に図１７〜１９を参照すると、図１７は、セグメント１０２−１〜１０２−１６を備える１６セグメントトランスデューサシステムを用いる別の例信号配路構成を図示し、個々のセグメントは、角度θ＝２２．５度オフセットされる。この例では、左側のトランスデューサセグメント１０２の内部電極、及び右側のセグメント１０２の外側電極は、ＧＮＤに接続される。また、下側左象限におけるトランスデューサの外側接続、及び右上象限のトランスデューサ上の内部接続は、増幅されたコサイン信号ＡＣに接続され、一方、増幅されたサイン信号ＡＳは、左上象限において外側トランスデューサ接続及び下側右象限における相互接続に接続される。この構成は、ＮＳ＝１６及びＮＤ＝１に対する進行波構成を提供する。図１８は、ＮＳ＝１６及びＮＤ＝４である別の１６セグメント例を示す。図１９における構成は、ＮＳ＝８及びＮＤ＝２に対する８セグメントトランスデューサ配置１０２−１〜１０２−８を用いる。この場合、セグメント１０２−１、１０２−８、１０２−４、及び１０２−５の正反対の対は、ＧＮＤに接続される内側、及び、同じく接地される、残りのセグメント１０２−２、１０２−３、１０２−６、及び１０２−７の外側を有する。増幅されたサイン信号ＡＳは、トランスデューサセグメント１０２−１及び１０２−５の外側電極に、及びセグメント１０２−３及び１０２−７の内部電極に接続される。増幅されたコサイン信号ＡＣは、セグメント１０２−２及び１０２−６の内部電極に、及び図示されるようにセグメント１０２−４及び１０２−８の外側電極に接続される。種々の異なる相互接続方式が、回路１４０の固定配路回路ハードウェアにおいて、又は図１〜３図のシステム１５０におけるルックアップテーブル１２６の構成を介して、実装され得る。

説明されるシステム及び方法は、実質的に全てのレンズ表面にわたるレンズ洗浄のための振動を促し、振動ピークは、ドライバ回路１００により確立される進行波に従って回転する。この進行波回転は、レンズ２０２の表面に付いた任意のデブリに対する遠心力を導入し、これは、デブリを、カメラ２１２への外部光の光伝送のために洗浄表面が最も有益である中央から離れるように進むことを助ける。また、波面の動きは、角方向に沿ったせん断力をつくる。この力は、レンズ材料２０２における局地湾曲によりつくられる任意のせん断力に付加されるものである。増大されたせん断力も、或るタイプのデブリの除去を促進する。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (22)

1. 超音波洗浄システムであって、
   レンズに機械的に結合される整数のＮＳ個のトランスデューサセグメントであって、ＮＳが４より大きいか又は４に等しい偶数の整数であり、個々の前記トランスデューサセグメントが、前記レンズの中央軸から放射状に離間され、及び前記レンズの周囲の周りで互いから角度的に離間され、及び
   前記レンズを振動させるため前記中央軸の周りを回転する機械的進行波を生成するために、位相シフトされた発振信号を前記トランスデューサセグメントに提供するためのドライバ回路、
   を含む、超音波洗浄システム。
2. 請求項１に記載の超音波洗浄システムであって、前記トランスデューサセグメントが、前記レンズの前記周囲の周りで等しく角度離間される、超音波洗浄システム。
3. 請求項１に記載の超音波洗浄システムであって、前記ドライバ回路が、
   非ゼロ周波数で発振する第１の出力信号を生成するための信号生成器回路、
   前記非ゼロ周波数で発振する第２の出力信号を生成するための位相シフト回路であって、前記第２の出力信号が、前記第１の出力信号から非ゼロ角、位相シフトされる、前記位相シフト回路、
   前記第１の出力信号を受信するための入力と、前記第１の出力信号に基づいて第１の増幅された信号を生成するための第１の増幅器出力とを含む、第１の増幅器、
   前記第２の出力信号を受信するための入力と、前記第１の出力信号に基づいて第２の増幅された信号を生成するための第２の増幅器出力とを含む、第２の増幅器、
   前記レンズを振動させるため前記機械的進行波を生成するために、前記第１の増幅された信号を前記トランスデューサセグメントの第１のセットに搬送し、前記第２の増幅された信号を前記トランスデューサセグメントの第２のセットに搬送するための配路回路、
   を含む、超音波洗浄システム。
4. 請求項３に記載の超音波洗浄システムであって、前記信号生成器回路が、前記第１の出力信号を前記非ゼロ周波数で発振する正弦波信号として生成する、超音波洗浄システム。
5. 請求項４に記載の超音波洗浄システムであって、前記配路回路が、整数のＮＳ個のマルチプレクサを含み、前記個々のマルチプレクサが、前記トランスデューサセグメントの一つに対応し、前記個々のマルチプレクサが、
   前記第１の増幅器出力と結合される第１のマルチプレクサ入力、前記第２の増幅器出力と結合される第２のマルチプレクサ入力、第１のマルチプレクサ出力信号を前記対応するトランスデューサセグメントの第１の側に搬送するように結合される第１のマルチプレクサ出力、第２のマルチプレクサ出力信号を前記対応するトランスデューサセグメントの第２の側に搬送するように結合される第２のマルチプレクサ出力、及び選択信号を受信するための選択入力を含み、
   前記個々のマルチプレクサが、受信した選択信号に従って、選択された発振信号を前記対応するトランスデューサセグメントの前記第１及び第２の側の一方に提供するように動作し得る、
   超音波洗浄システム。
6. 請求項５に記載の超音波洗浄システムであって、前記配路回路が、構成入力信号に従って、前記選択信号を前記マルチプレクサに提供するためのルックアップテーブルを含む、超音波洗浄システム。
7. 請求項５に記載の超音波洗浄システムであって、前記個々のマルチプレクサが、基準電圧と結合される第３のマルチプレクサ入力を含み、前記個々のマルチプレクサが、前記受信した選択信号に従って、選択された発振信号を前記対応するトランスデューサセグメントの前記第１及び第２の側の一方に提供するように、及び前記対応するトランスデューサセグメントの前記第１及び第２の側の他方を前記基準電圧に結合するように動作し得る、超音波洗浄システム。
8. 請求項３に記載の超音波洗浄システムであって、前記第２の出力信号が前記第１の出力信号から９０度位相シフトされる、超音波洗浄システム。
9. 超音波レンズクリーナーを駆動するための半導体回路（ＩＣ）であって、
   非ゼロ周波数で発振する第１の出力信号を生成するための信号生成器回路、
   前記非ゼロ周波数で発振し、前記第１の出力信号から非ゼロ角、位相シフトされた第２の出力信号を生成するための位相シフト回路、
   前記第１の出力信号を受信するための入力と、前記第１の出力信号に基づいて第１の増幅された信号を生成するための第１の増幅器出力とを含む第１の増幅器、
   前記第２の出力信号を受信するための入力と、前記第１の出力信号に基づいて第２の増幅された信号を生成するための第２の増幅器出力とを含む第２の増幅器、
   複数のドライバ信号出力端子対であって、前記ドライバ信号出力端子対のそれぞれが、
   レンズに機械的に結合される複数のトランスデューサセグメントの対応する一つのトランスデューサセグメントの第１の側に接続され得る第１の出力端子と、前記対応するトランスデューサセグメントの第２の側に接続され得る第２の出力端子とを含む、前記ドライバ信号出力端子対、及び
   前記レンズを振動させるため機械的進行波を生成するため、前記第１の増幅された信号を前記出力端子第１のセットに搬送し、前記第２の増幅された信号を前記出力端子の第２のセットに搬送するための配路回路、
   を含む、ＩＣ。
10. 請求項９に記載のＩＣであって、前記信号生成器回路が、前記第１の出力信号を前記非ゼロ周波数で発振する正弦波信号として生成する、ＩＣ。
11. 請求項９に記載のＩＣであって、前記配路回路が、整数のＮＳ個のマルチプレクサを含み、前記個々のマルチプレクサが、前記ドライバ信号出力端子対の一つに対応し、前記個々のマルチプレクサが、
    前記第１の増幅器出力と結合される第１のマルチプレクサ入力、
    前記第２の増幅器出力と結合される第２のマルチプレクサ入力、
    第１のマルチプレクサ出力信号を前記対応するドライバ信号出力端子対の前記第１の出力端子に搬送するように結合される第１のマルチプレクサ出力、
    第２のマルチプレクサ出力信号を前記対応するドライバ信号出力端子対の前記第２の出力端子に搬送するように結合される第２のマルチプレクサ出力、及び
    選択信号を受信するための選択入力、
    を含み、
    前記個々のマルチプレクサが、受信した選択信号に従って、選択された発振信号を、前記対応するドライバ信号出力端子対の前記第１及び第２の出力端子の一方に提供するように動作し得る、
    ＩＣ。
12. 請求項１１に記載のＩＣであって、前記配路回路が、構成入力信号に従って前記選択信号を前記マルチプレクサに提供するためのルックアップテーブルを含む、ＩＣ。
13. 請求項１２に記載のＩＣであって、更に、前記構成入力信号を外部回路から前記ルックアップテーブルに提供するための少なくとも一つの構成入力端子を含む、ＩＣ。
14. 請求項１１に記載のＩＣであって、
    前記個々のマルチプレクサが、基準電圧と結合される第３のマルチプレクサ入力を含み、
    前記個々のマルチプレクサが、前記受信した選択信号に従って、選択された発振信号を前記対応するドライバ信号出力端子対の前記第１及び第２の出力端子の一方に提供し、前記対応するドライバ信号出力端子対の前記第１及び第２の出力端子の他方を前記基準電圧に結合するように動作し得る、
    ＩＣ。
15. 請求項１４に記載のＩＣであって、前記配路回路が、構成入力信号に従って前記選択信号を前記マルチプレクサに提供するためルックアップテーブルを含む、ＩＣ。
16. 請求項１５に記載のＩＣであって、更に、前記構成入力信号を外部回路から前記ルックアップテーブルに提供するための少なくとも一つの構成入力端子を含む、ＩＣ。
17. 請求項９に記載のＩＣであって、前記第２の出力信号が前記第１の出力信号から９０度位相シフトされる、ＩＣ。
18. レンズに機械的に結合される複数のトランスデューサセグメントを用いて前記レンズを洗浄するための方法であって、前記方法が、
    非ゼロ周波数で発振する第１の信号を提供すること、
    前記非ゼロ周波数で発振する第２の信号を提供することであって、前記第２の出力信号が前記第１の出力信号から非ゼロ角、位相シフトされること、
    第１の増幅された信号を生成するため前記第１の信号を増幅させること、
    第２の増幅された信号を生成するため前記第２の信号を増幅させること、
    前記第１の増幅された信号を前記トランスデューサセグメントの第１のセットに提供すること、及び
    前記レンズを振動させるため機械的進行波を生成するため、前記第２の増幅された信号を前記トランスデューサセグメントの第２のセットに提供すること、
    を含む、方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、前記第１及び第２の信号が正弦波である、方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、更に、基準電圧を前記トランスデューサセグメントの第３のセットに提供することを含む、方法。
21. 請求項１８に記載の方法であって、更に、基準電圧を前記トランスデューサセグメントの第３のセットに提供することを含む、方法。
22. 請求項１８に記載の方法であって、前記第２の出力信号が前記第１の出力信号から９０度位相シフトされる、方法。

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