WO2024084743A1 - 光学装置、および光学装置を備える撮像ユニット - Google Patents

光学装置、および光学装置を備える撮像ユニット Download PDF

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WO2024084743A1
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piezoelectric element
optical device
drives
drive circuit
vibration mode
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宣孝 岸
仁志 坂口
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株式会社村田製作所
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/52—Elements optimising image sensor operation, e.g. for electromagnetic interference [EMI] protection or temperature control by heat transfer or cooling elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/57—Mechanical or electrical details of cameras or camera modules specially adapted for being embedded in other devices

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical device and an imaging unit equipped with an optical device.
  • Imaging units are installed at the front or rear of a vehicle, and images obtained by the imaging units are used to control safety devices and drive assistance controls. Such imaging units are often installed outside the vehicle, so foreign matter such as raindrops (water droplets), mud, and dust can adhere to the transparent body (protective cover and lens) that covers the exterior. Also, in cold weather, ice and frost can adhere to the surface of the transparent body of an imaging unit installed outside the vehicle, making it difficult to obtain clear images.
  • the lens cleaning system described in Patent Document 1 vibrates the light-transmitting body using multiple drive sequences, such as a dehydration sequence and a heating sequence, to remove foreign matter adhering to the surface of the light-transmitting body.
  • the voltage applied to the transducer, the period and frequency for vibrating the light-transmitting body, etc. are changed depending on the type of drive sequence.
  • the objective of this disclosure is to provide an optical device that can remove foreign matter adhering to the surface of a light-transmitting body without complicating the configuration, and an imaging unit equipped with the optical device.
  • the optical device includes a translucent body that transmits light of a predetermined wavelength, a housing that holds the translucent body, a vibrator that contacts the translucent body held in the housing, a piezoelectric element that is provided on the vibrator and vibrates the vibrator, and a drive circuit that drives the piezoelectric element.
  • the vibrator is a cylindrical body that contacts the translucent body at a first end, and a piezoelectric element is provided at a second end opposite the first end.
  • the drive circuit drives the piezoelectric element by making the voltage Vp-p_1 of an AC signal that drives the piezoelectric element in a first vibration mode out of a plurality of vibration modes that vibrate the translucent body equal to the voltage Vp-p_(underscore)2 of an AC signal that drives the piezoelectric element in a second vibration mode, so that the effective voltage Veff_1 applied to the piezoelectric element in a predetermined period of the first vibration mode and the effective voltage Veff_2 applied to the piezoelectric element in a predetermined period of the second vibration mode are different.
  • An imaging unit includes the optical device described above and an imaging element arranged so that the light-transmitting body is in the field of view.
  • the voltage of the AC signal that drives the piezoelectric element is the same in the first vibration mode and the second vibration mode, and the piezoelectric element is driven so that the effective voltage Veff_1 in the first vibration mode and the effective voltage Veff_2 in the second vibration mode are different. This makes it possible to vibrate the translucent body at different frequencies and remove foreign matter that adheres to the surface of the translucent body without complicating the configuration.
  • FIG. 2 is a half cross-sectional view of an imaging unit according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining a configuration of a drive circuit according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between frequency and impedance when the optical device according to the first embodiment is vibrated.
  • 5 is a diagram for explaining a drive signal that drives a piezoelectric element in the drive circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a graph for explaining the relationship between the displacement amount of a light-transmitting body and the duty ratio of a drive signal.
  • 11 is a graph for explaining a change in the maximum displacement amount of a light-transmitting body due to a change in the duty ratio of a drive signal.
  • FIG. 11 is a graph for explaining a transient response of vibration when a transparent body is excited by a drive signal.
  • FIG. 11 is a circuit diagram for explaining a configuration of a drive circuit according to a second embodiment.
  • 13 is a diagram for explaining a drive signal that drives a piezoelectric element in a drive circuit according to embodiment 3.
  • FIG. 13 is a circuit diagram for explaining the configuration of a drive circuit according to a fourth embodiment. 13 is a graph for explaining the characteristics of a filter circuit provided in a drive circuit according to embodiment 4.
  • optical device according to an embodiment and an imaging unit including the optical device will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same reference numerals in the drawings indicate the same or corresponding parts.
  • the optical device described below is applied to, for example, an imaging unit for vehicle mounting, and can vibrate a transparent body (for example, the outermost lens) in order to remove foreign matter adhering to the surface of the transparent body.
  • the optical device is not limited to applications as an imaging unit for vehicle mounting.
  • the optical device can also be applied to surveillance cameras for security, imaging units for drones, etc.
  • Fig. 1 is a half cross-sectional view of an imaging unit 100 according to the first embodiment.
  • the X and Z directions in the figure indicate the horizontal and height directions of the imaging unit 100, respectively.
  • the dashed line in Fig. 1 is a portion passing through the central axis of the imaging unit 100.
  • the imaging unit 100 has an optical device 10 and an imaging element 20 arranged so that an outermost lens 1 and an inner lens 4 are in the viewing direction.
  • the imaging element 20 is an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) sensor, and is mounted on a circuit board (not shown).
  • CCD Charge Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
  • the optical device 10 has an outermost lens 1, a housing 2, a vibrating body 3, an inner lens 4, a piezoelectric element 5, and a drive circuit 6.
  • the optical device 10 only needs to include at least the outermost lens 1, the housing 2, the vibrating body 3, the piezoelectric element 5, and the drive circuit 6, and the inner lens 4 may be included in the imaging unit 100. After adjusting the alignment between the outermost lens 1 and the inner lens 4, the optical device 10 becomes the imaging unit 100 by attaching a case including an imaging element 20.
  • the outermost lens 1 is a translucent body that transmits light of a specific wavelength (e.g., a visible light wavelength, a wavelength that can be captured by an imaging element, etc.), and is, for example, a convex meniscus lens.
  • a specific wavelength e.g., a visible light wavelength, a wavelength that can be captured by an imaging element, etc.
  • the optical device 10 may use a transparent member such as a protective cover instead of the outermost lens 1.
  • the protective cover is made of glass or a resin such as transparent plastic.
  • the end of the outermost lens 1 is held by the end of a leaf spring 2a extending from the housing 2.
  • Adhesive 2c is filled between the outermost lens 1 and the retainer 2b, which is the end of the leaf spring 2a.
  • the housing 2 may hold the outermost lens 1 directly or indirectly.
  • the optical device 10 has a vibrator 3 provided at a position in contact with the outermost lens 1 to vibrate the outermost lens 1 held by the housing 2.
  • the vibrating body 3 is a cylindrical body that is in contact with the outermost lens 1 at one end 31 (first end) and has a piezoelectric element 5 provided at the other end 32 (second end) opposite the one end.
  • the vibrating body 3 is configured such that one end 31 and the other end 32 are connected by a support portion 33.
  • the cross-sectional shape of the support portion 33 is S-shaped.
  • An inner lens 4 is arranged inside the cylinder of the vibrating body 3 as shown in FIG. 1.
  • One end 31 has a shape that is extended in the radial direction (X and Y directions) of the cylindrical body, and can be stably connected to the peripheral portion of the outermost lens 1.
  • the other end 32 is a portion that vibrates together with the vibration of the piezoelectric element 5, and has a plate thickness greater than other portions. This makes it easier to transmit the vibration of the piezoelectric element 5 to the outermost lens 1 more efficiently.
  • the support portion 33 supports the one end 31 and transmits the vibration of the other end 32 to the one end 31. Note that the one end 31, the other end 32, and the support portion 33 may be formed integrally or separately. Also, as shown in FIG.
  • the maximum outer dimension of the support portion 33 is larger than the maximum outer dimension of the one end 31, and the maximum outer dimension of the other end 32 is larger than the maximum outer dimension of the support portion 33. This makes it possible to efficiently transmit the vibration of the other end 32 (i.e., the vibration of the piezoelectric element 5) to the outermost lens 1 (translucent body).
  • the piezoelectric element 5 is provided at the other end 32.
  • the piezoelectric element 5 is hollow and circular, and vibrates, for example, by polarization in the thickness direction.
  • the piezoelectric element 5 is made of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics. However, other piezoelectric ceramics such as (K,Na) NbO3 may also be used. Furthermore, a piezoelectric single crystal such as LiTaO3 may also be used.
  • the piezoelectric element 5 is connected to a drive circuit 6, and vibrates the outermost lens 1 based on a signal from the circuit.
  • the drive circuit 6 can drive the piezoelectric element 5 in an atomization mode in which the outermost lens 1 is vibrated at the resonant frequency of the vibrator 3 in order to remove foreign matter such as raindrops, mud, and dust adhering to the outermost lens 1.
  • the drive circuit 6 can also drive the piezoelectric element 5 in a heating mode in which the outermost lens 1 is vibrated at the natural vibration frequency of the outermost lens 1 in order to remove foreign matter such as ice and frost adhering to the outermost lens 1.
  • the drive circuit 6 can drive the piezoelectric element 5 by switching between multiple vibration modes including the atomization mode and the heating mode.
  • the drive circuit 6 is also a switching unit that switches the mode in which the outermost lens 1 is vibrated from among multiple vibration modes.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining the configuration of the drive circuit 6 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 illustrates an example in which the piezoelectric element 5 is connected to the drive circuit 6 at a single end, but this connection method is merely an example and is not limited to this.
  • the reference potential of the piezoelectric element 5 may be, for example, ground or a body earth connected to the negative terminal of the battery.
  • the drive circuit 6 includes a control circuit 61 and an output circuit 62.
  • the control circuit 61 controls the output circuit 62 to convert the voltage Vout supplied from the drive power supply circuit 7 into a drive voltage Vdrv and output it to the piezoelectric element 5.
  • the drive circuit 6 adjusts the drive voltage Vdrv output to the piezoelectric element 5 to switch between multiple vibration modes including an atomization mode and a heating mode to drive the piezoelectric element 5.
  • the drive power supply circuit 7 has been described as not being included in the drive circuit 6, the drive circuit 6 may include the drive power supply circuit 7.
  • the control circuit 61 adjusts the frequency of the drive signal by controlling the switching frequency of the multiple switches included in the output circuit 62.
  • the control circuit 61 includes a general-purpose processor such as a CPU or MPU that executes a program to achieve a specific function.
  • the control circuit 61 is configured to be able to communicate with a storage device, and by calling and executing an arithmetic program or the like stored in the storage device, various processes in the control circuit 61, such as switching processes of multiple switches, are realized.
  • the control circuit 61 is not limited to a form in which hardware resources and software work together to achieve a specific function, and may be a hardware circuit designed specifically to achieve a specific function.
  • control circuit 61 can be realized by various processors such as a GPU, FPGA, DSP, ASIC, etc., in addition to a CPU or MPU.
  • processors such as a GPU, FPGA, DSP, ASIC, etc.
  • Such a control circuit 61 can be composed of, for example, a signal processing circuit that is a semiconductor integrated circuit.
  • FIG 3 is a graph showing the relationship between frequency and impedance when the optical device 10 according to embodiment 1 is vibrated.
  • the piezoelectric element 5 has a plurality of frequencies at which the impedance is locally reduced. These frequencies correspond to the resonant frequencies of the vibrating body 3.
  • the resonant frequencies are, for example, approximately 30 kHz (arrow I) and approximately 550 kHz (arrow II).
  • the piezoelectric element 5 vibrates the outermost lens 1 in a vibration mode that differs for each frequency. For example, when a drive signal having a frequency of approximately 30 kHz is input, the piezoelectric element 5 vibrates the outermost lens 1 via the vibrating body 3 in a first vibration mode that vibrates the outermost lens 1 as a whole.
  • the first vibration mode is an atomization mode that can atomize and remove foreign matter such as liquid droplets adhering to the outermost lens 1.
  • the piezoelectric element 5 vibrates the outermost lens 1 via the vibrator 3 in a second vibration mode (heating mode) in which the outermost lens 1 is likely to heat up. Vibrations around approximately 550 kHz vibrate the outermost lens 1 in a higher-order vibration mode that has a greater number of nodes than vibrations at approximately 30 kHz.
  • the impedance of the piezoelectric element 5 is small, so a large amount of power is applied to the piezoelectric element 5, allowing the outermost lens 1 to heat up quickly.
  • the piezoelectric element 5 vibrates the center of the outermost lens 1 more strongly than the peripheral portion via the vibrating body 3.
  • the piezoelectric element 5 may be configured to impart vibrations to the outermost lens 1 other than the vibration modes described above.
  • the above resonant frequency is an example, and can be changed depending on the shape and material of the optical device 10.
  • the drive circuit 6 drives the piezoelectric element 5 by switching between a plurality of vibration modes as described above, the voltage applied to the piezoelectric element 5 was adjusted according to the switched vibration mode.
  • the conditions such as the vibration acceleration required for the vibration to be excited are different between the atomization mode and the heating mode.
  • the frequency of the vibration to be excited is several tens of kHz and the vibration acceleration is greater than 8.0 x 105 m/ s2 .
  • the heating mode it is necessary to supply the piezoelectric element 5 with power that is sufficient to melt the ice and prevent overheating, with the frequency of the vibration to be excited being several hundred kHz.
  • the optimal vibration amount differs between the atomization mode and the heating mode, and the voltage applied to the piezoelectric element 5 to achieve this also differs.
  • the resonance resistance in the heating mode is significantly smaller than the resonance resistance in the atomization mode, and applying the same voltage to the piezoelectric element 5 will result in damage due to overheating and increased power consumption.
  • a boost circuit is required to adjust the voltage applied to the piezoelectric element 5, which increases the manufacturing costs of the drive circuit.
  • the vibration mode can be switched without changing the voltage applied from the drive circuit 6 to the piezoelectric element 5 by adjusting the waveform of the input drive signal itself.
  • Figure 4 is a diagram for explaining the drive signal that drives the piezoelectric element 5 by the drive circuit 6 according to the first embodiment.
  • the drive circuit 6 outputs a rectangular wave as a drive signal to the piezoelectric element 5, with one cycle consisting of a high period th where the voltage is a positive value and a low period tl where the voltage is a negative value, as shown by waveform a in Figure 4.
  • the drive circuit 6 adjusts the length of the high period th and the length of the low period tl according to the vibration mode without changing the voltage value of the high period th and the voltage value of the low period tl.
  • the drive circuit 6 drives the piezoelectric element 5 so that the effective voltage Veff_1 applied to the piezoelectric element 5 during a specified period in the atomization mode is different from the effective voltage Veff_2 applied to the piezoelectric element 5 during a specified period in the heating mode (Veff_1 ⁇ Veff_2).
  • the voltage Vpp-p is the difference (peak-to-peak value) between the maximum value (+Vpp) and the minimum value (-Vpp) of the drive signal (AC signal).
  • the effective voltage Veff indicates the voltage value supplied as vibration of the outermost lens 1 when the piezoelectric element 5 is driven by a drive signal of voltage Vpp-p.
  • the drive circuit 6 changes the effective voltage Veff by adjusting the length of the high period th and the length of the low period tl, and switches between the atomization mode and the heating mode.
  • the effective voltage Veff_1 applied to the piezoelectric element 5 during a specified period in the atomization mode is greater than the effective voltage Veff_2 applied to the piezoelectric element 5 during a specified period in the heating mode (Veff_1>Veff_2).
  • the magnitude of displacement when the outermost lens 1 is vibrated is defined as the vibration amplitude Av
  • the power input to excite the outermost lens 1 is defined as the power Pv.
  • the resonance resistance is lower when driving the piezoelectric element 5 in the heating mode as shown in FIG. 3 compared to when driving the piezoelectric element 5 in the atomization mode
  • the power Pv input is larger.
  • the power Pv_1 input by the drive circuit 6 in the atomization mode is smaller than the power Pv_2 input in the heating mode (Pv_1 ⁇ Pv_2). This allows the drive circuit 6 to efficiently drive the piezoelectric element 5 in each of the vibration modes of the atomization mode and the heating mode.
  • the high period th_1, low period tl_1, and active period ta_1 in the atomization mode, and the high period th_2, low period tl_2, and active period ta_2 in the heating mode when the drive circuit 6 drives the piezoelectric element 5 for a predetermined period dt, it is preferable that the first integral value obtained by integrating the duty ratio of the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the atomization mode over the predetermined period dt in the drive circuit 6 is greater than the second integral value obtained by integrating the duty ratio of the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the heating mode over the predetermined period dt. This allows the drive circuit 6 to arbitrarily adjust the effective voltage Veff by changing the duty ratio of the drive signal.
  • the drive circuit 6 therefore generates a drive signal that alternates between periods in which the low period tl is longer and periods in which the high period th is longer, as shown by waveform c in FIG. 4, so that within a predetermined period dt, there are the same number of periods in which the low period tl is longer and periods in which the high period th is longer.
  • the drive signal is such that the first high period th1 and the second low period tl2 are the same length, and the first low period tl1 and the second high period th2 are the same length.
  • FIG 5 is a graph for explaining the relationship between the displacement amount of the translucent body (outermost lens 1) and the duty ratio of the drive signal.
  • Figure 6 is a graph for explaining the change in the maximum displacement amount of the translucent body (outermost lens 1) due to a change in the duty ratio of the drive signal.
  • the horizontal axis represents frequency (kHz) and the vertical axis represents the displacement ( ⁇ m) of the outermost lens 1, and the displacement of the outermost lens 1 is plotted when the duty ratio of the drive signal is changed from 10% to 50%.
  • the horizontal axis represents the duty ratio (%) of the drive signal and the vertical axis represents the maximum displacement ( ⁇ m) of the outermost lens 1, and the maximum displacement of the outermost lens 1 is plotted when the voltage Vp-p is 30V and 50V.
  • the displacement of the outermost lens 1 can be measured using, for example, a laser Doppler displacement meter.
  • the drive circuit 6 when driving the piezoelectric element 5 in the atomization mode, can increase the maximum displacement of the outermost lens 1 by changing the duty ratio of the drive signal from 10% to 50%. Therefore, the drive circuit 6 can adjust the maximum displacement (vibration level) of the outermost lens 1 by the duty ratio of the drive signal in the atomization mode. Similarly, the drive circuit 6 can change the maximum displacement of the outermost lens 1 by the duty ratio of the drive signal in the heating mode, so the amount of heat generated by the outermost lens 1 can be adjusted with high precision. In particular, when driving the piezoelectric element 5 in the heating mode, the drive circuit 6 can prevent overheating of the outermost lens 1 and insufficient defrosting performance by adjusting the amount of heat generated by the duty ratio of the drive signal.
  • FIG. 7 is a graph for explaining the transient response of vibration when the translucent body (outermost lens 1) is excited by a drive signal.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the amount of displacement of the outermost lens 1.
  • an optical device 10 has been described that can change the effective voltage Veff by adjusting the duty ratio of the drive signal, and can switch between the atomization mode and the heating mode without changing the voltage Vp-p. Whether the frequency of the voltage applied to the piezoelectric element 5 is the resonant frequency can be determined by detecting the value of the current flowing through the piezoelectric element 5. Therefore, in the second embodiment, an optical device that adjusts the vibration level according to the value of the current flowing through the piezoelectric element will be described.
  • FIG. 8 is a circuit diagram for explaining the configuration of the drive circuit 6A according to the second embodiment.
  • the drive circuit 6A includes a control circuit 61, an output circuit 62, a current detection circuit 63, a capacitor 64, and a resistor 65.
  • the output circuit 62 is connected to the drive power supply circuit.
  • the output circuit 62 includes a series circuit of a first switch 62a to which a voltage Vout from the drive power supply circuit is input, and a second switch 62b.
  • a connection point C1 between the first switch 62a and the second switch 62b is connected to the piezoelectric element 5 via a capacitor 64.
  • the first switch 62a and the second switch 62b are, for example, but are not limited to, metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs).
  • the current detection circuit 63 detects at least one of the current flowing through the first switch 62a and the current flowing through the second switch 62b, and can output a detection signal indicating the magnitude of the detected current to the control circuit 61.
  • the current detection circuit 63 has a current-voltage conversion element 63a, a low-pass filter 63b, and an analog/digital conversion circuit (AD conversion circuit) 63c.
  • the current-voltage conversion element 63a can convert the current flowing through the current-voltage conversion element 63a into a voltage that corresponds to the magnitude of the current flowing through the current-voltage conversion element 63a.
  • the current-voltage conversion element 63a is a resistor (shunt resistor) that has a predetermined resistance value.
  • the current-voltage conversion element 63a is not limited to a shunt resistor, and may be a Hall element.
  • the low-pass filter 63b is a filter circuit that removes signals having frequency components higher than the cutoff frequency.
  • the low-pass filter 63b is connected to the connection point between the current-voltage conversion element 63a and the second switch 62b.
  • the low-pass filter 63b smoothes the voltage input from the current-voltage conversion element 63a and outputs it to the AD conversion circuit 45.
  • the AD conversion circuit 63c is a circuit that converts the voltage (analog signal) smoothed by the low-pass filter 63b into a digital signal that can be input to the control circuit 61.
  • the AD conversion circuit 63c outputs the digital signal to the control circuit 61 as a detection signal.
  • the current detection circuit 63 may be configured not to include the AD conversion circuit 63c, and to output the voltage smoothed by the low-pass filter 63b to the control circuit 61 as a detection signal.
  • the current detection circuit 63 outputs a detection signal, which is a digital signal generated based on the magnitude of the current flowing through the second switch 62b, to the control circuit 61, but is not limited to this.
  • the current detection circuit 63 may be configured to include only a current-voltage conversion element 63a and a low-pass filter 63b, and to output a detection signal, which is an analog signal rather than a digital signal, to the control circuit 61.
  • the capacitor 64 can store charge based on the voltage Vout applied by the drive power supply circuit. In a second state described below, the capacitor 64 can release the stored charge to the ground potential via the second switch 62b. This allows the drive circuit 6A to pass currents I1 and I2 through the piezoelectric element 5 by the control circuit 61 controlling the switching process of the first switch 62a and the second switch 62b.
  • the resistor 65 is connected between the connection point between the piezoelectric element 5 and the capacitor 64 and the ground potential.
  • the control circuit 61 of the drive circuit 6A executes a switching process that switches the first switch 62a and the second switch 62b in a complementary manner at a switching frequency. That is, the control circuit 61 controls the first switch 62a and the second switch 62b so that the second switch 62b is in an off state (first state) when the first switch 62a is on. The control circuit 61 also controls the first switch 62a and the second switch 62b so that the second switch 62b is in an on state (second state) when the first switch 62a is off.
  • the control circuit 61 switches the first switch 62a and the second switch 62b in a complementary manner, and applies a drive voltage Vdrv having a frequency corresponding to the switching frequency to the piezoelectric element 5 as a drive signal based on the voltage Vout from the drive power supply circuit.
  • a current I1 flows through the drive circuit 6A via the first switch 62a.
  • the current I1 is indicated by a dashed arrow in FIG. 8.
  • the current I1 flows from the drive power supply circuit through the first switch 62a to the piezoelectric element 5. Therefore, a voltage that makes the drive circuit 6A side a high potential is applied to the piezoelectric element 5.
  • the drive circuit 6A when a voltage is applied to the piezoelectric element 5 in the first state, a positive charge accumulates on the output circuit 62 side and a negative charge accumulates on the ground potential side in the capacitor 64 interposed between the output circuit 62 and the piezoelectric element 5.
  • the control circuit 61 changes the output circuit 62 from the first state to the second state, the capacitor 64 and the piezoelectric element 5 release the charge.
  • the released charge flows as a current I2 through the second switch 62b in the drive circuit 6A.
  • the current I2 is indicated by a dashed arrow in FIG. 8. As shown in FIG. 8, the current I2 flows from the piezoelectric element 5 to the ground potential through the second switch 62b.
  • the drive circuit 6A can output a drive signal with inverted polarity at a predetermined frequency to the piezoelectric element 5 by switching the first switch 62a and the second switch 62b. Therefore, the drive circuit 6A can adjust the frequency of the drive signal by controlling the switching frequency at which the first switch 62a and the second switch 62b are switched.
  • the drive circuit 6A can also determine the resonant frequency of the vibrator 3 by changing the switching frequency within a predetermined frequency range. Specifically, the drive circuit 6A changes the switching frequency by a predetermined increase (or decrease) within the predetermined frequency range, and determines the switching frequency at which the current value detected by the current detection circuit 63 is the largest as the resonant frequency. Therefore, the drive circuit 6A can determine the vibration level from the current value detected by the current detection circuit 63, and can change the duty ratio of the drive signal according to the determined vibration level. In other words, the drive circuit 6A can change the duty ratio of the drive signal according to the current value detected by the current detection circuit 63, so it can adjust performance differences due to individual differences in devices and temperature characteristics.
  • the optical device 10 capable of changing the effective voltage Veff by adjusting the duty ratio of the drive signal has been described.
  • the method of changing the effective voltage Veff is not limited to this, and there is also a method of thinning out some pulse signals from the drive signal, which is a pulse signal that repeats high periods and low periods.
  • an optical device capable of reducing the effective voltage by thinning out pulse signals at regular intervals from the drive signal will be described. Note that the optical device according to the third embodiment has the same configuration as the optical device 10 according to the first embodiment, and therefore the same configuration will be described using the same reference numerals, and detailed description will not be repeated.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the drive circuit 6 according to the third embodiment.
  • the drive circuit 6 outputs a rectangular wave, with one cycle consisting of a high period th where the voltage is a positive value and a low period tl where the voltage is a negative value, as the drive signal to the piezoelectric element 5, as shown by waveform a in FIG. 9.
  • the drive circuit 6 fixes the voltage during the thinning period tz to a low level (-Vpp) as shown in waveform b of Figure 9.
  • the thinning period tz is two cycles, and the pulse signal is thinned out every two cycles. Note that although it has been explained that the voltage during the thinning period tz is fixed to a low level (-Vpp) in waveform b of Figure 9, the voltage during the thinning period tz may also be fixed to a high level (+Vpp).
  • the average voltage over multiple cycles will not be 0 (zero) V but will be a negative value, as shown by waveform b in Figure 9 (if fixed to a high level (+Vpp), the average voltage will be a positive value). If the average voltage of the drive signal is not 0 (zero) V, an offset DC voltage will be applied to the piezoelectric element 5, and migration may occur between both electrodes of the piezoelectric element 5.
  • the drive circuit 6 therefore fixes the voltage during the thinning-out period tz to 0 (zero) V (GND) rather than to a low level (-Vpp) or high level (+Vpp) as shown in waveform c of Figure 9. Specifically, if the output circuit 62 is a half-bridge circuit of the first switch 62a and the second switch 62b shown in Figure 8, the voltage during the thinning-out period tz can be fixed to 0 (zero) V (GND) by turning the first switch 62a and the second switch 62b to the OFF state.
  • the effective voltage Veff is changed by providing a thinning period tz in the drive signal.
  • this may be combined with the method of changing the effective voltage Veff by adjusting the duty ratio of the drive signal as described in the first embodiment.
  • Equation 2 If the relationship between the drive signal in the atomization mode and the drive signal in the heating mode is generalized using the thinning period tz and the duty ratio of the drive signal, the relationship becomes as shown in Equation 2.
  • the thinning period in both the atomization mode and the heating mode is thinning period tz.
  • the drive signal shown in Equation 2 adjusts the high period th_1 and low period tl_1 in the atomization mode, and the high period th_2 and low period tl_2 in the heating mode so that the average value of the voltage in the specified period dt is 0 (zero) V.
  • the optical device 10 is described in which the effective voltage Veff can be changed by adjusting the duty ratio of the drive signal.
  • the method of changing the effective voltage Veff is not limited to this, and there is also a method of changing the load of the drive circuit.
  • an optical device is described in which the load of the drive circuit can be changed by inserting a filter circuit between the drive circuit and the piezoelectric element to reduce the effective voltage. Note that the optical device according to the fourth embodiment has the same configuration as the optical device 10 according to the first embodiment, and therefore the same configuration will be described using the same reference numerals, and detailed description will not be repeated.
  • FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the configuration of a drive circuit 6B according to embodiment 4.
  • Drive circuit 6B includes a control circuit 61, an output circuit 62, a current detection circuit 63, a capacitor 64, a resistor 65, and a filter circuit 66.
  • the filter circuit 66 may not be included in the drive circuit, and may be inserted between the drive circuit 6 and the piezoelectric element 5 shown in FIG. 2, or between the drive circuit 6A and the piezoelectric element 5 shown in FIG. 8. Note that in drive circuit 6B shown in FIG. 10, the same components as drive circuit 6A shown in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions will not be repeated.
  • the filter circuit 66 is a low-pass filter (LPF) including a resistor 66a and a capacitor 66b.
  • the filter circuit 66 can output a rectangular wave drive signal obtained by switching the first switch 62a and the second switch 62b at a switching frequency that is significantly faster (for example, about 1/10) than the time constant (RC) as a signal close to a triangular wave.
  • Figure 11 is a graph for explaining the characteristics of the filter circuit 66 provided in the drive circuit 6B according to the fourth embodiment. In Figure 11, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents response.
  • the filter circuit 66 can reduce the effective voltage of the drive signal by outputting the input rectangular wave drive signal as a signal close to a triangular wave as shown in FIG. 11.
  • the effective voltage of the signal close to a triangular wave is about 1/2 of the effective voltage of the drive signal. In the case of a signal close to a triangular wave as shown in FIG.
  • a single filter circuit 66 is inserted between the output circuit 62 and the piezoelectric element 5, but the present invention is not limited to this and multiple filter circuits 66 may be inserted.
  • the drive circuit 6B can also output a sine wave drive signal by inserting multiple filter circuits 66 between the output circuit 62 and the piezoelectric element 5.
  • the frequency of the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the atomization mode is smaller than the frequency of the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the heating mode, as shown in FIG. 3. Therefore, in the drive circuit 6B, by setting the time constant (RC) to be smaller than the half cycle of the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the atomization mode and larger than the half cycle of the drive signal that drives the piezoelectric element 5 in the heating mode, it is possible to make the effective voltage Veff_1 in the atomization mode larger than the effective voltage Veff_2 in the heating mode (Veff_1>Veff_2).
  • the drive circuit 6B may also change the resistor 66a and the capacitor 66b in the filter circuit 66 to a variable resistor and a variable capacitance, respectively, and change the resistance value of the resistor 66a and the capacitance value of the capacitor 66b according to the value of the current detected by the current detection circuit 63.
  • the drive circuit 6B can adjust for performance differences due to individual differences and temperature characteristics of devices.
  • the configuration of the drive circuit 6B according to the fourth embodiment can be combined with the optical devices according to the other embodiments.
  • the cross-sectional shape of the support portion 33 is described as being S-shaped.
  • the cross-sectional shape of the support portion is not limited to an S-shape as long as the shape does not cause stress concentration in the vibrating body.
  • the cross-sectional shape of the support portion 33 may be a shape formed by connecting multiple S-shapes.
  • the cross-sectional shape may be a curved shape that is half of an S-shape.
  • the imaging unit 100 may include a camera, LiDAR, radar, etc. Also, multiple imaging units 100 may be arranged side by side.
  • the imaging unit 100 is not limited to imaging units installed in vehicles, but can be similarly applied to any imaging unit that includes an optical device and an imaging element arranged so that the light-transmitting body is in the field of view, and that requires the removal of foreign objects from the light-transmitting body.
  • An optical device A light-transmitting body that transmits light of a predetermined wavelength; A housing for holding a light-transmitting body; a vibrator in contact with a light-transmitting body held in a housing; A piezoelectric element is provided on the vibrating body and vibrates the vibrating body; A drive circuit for driving the piezoelectric element, the vibrator is a cylindrical body, the first end of the vibrator is in contact with the light-transmitting body, and the piezoelectric element is provided at a second end opposite to the first end; The drive circuit is A voltage Vp-p_1 of an AC signal for driving the piezoelectric element in a first vibration mode among a plurality of vibration modes for vibrating the transparent body is set to be equal to a voltage Vp-p_(underscore)2 of an AC signal for driving the piezoelectric element in a second vibration mode, The piezoelectric element is driven so that an effective voltage Veff_1 applied to the piezo
  • the drive circuit drives the piezoelectric element so that the effective voltage Veff_1 applied to the piezoelectric element during a predetermined period in the first vibration mode is greater than the effective voltage Veff_2 applied to the piezoelectric element during a predetermined period in the second vibration mode.
  • the drive circuit drives the piezoelectric element so that the vibration amplitude Av_1 of the translucent body in the first vibration mode is greater than the vibration amplitude Av_2 of the translucent body in the second vibration mode, and the power Pv_1 input in the first vibration mode is less than the power Pv_2 input in the second vibration mode.
  • the drive circuit drives the piezoelectric element so that a first integral value obtained by integrating, over a predetermined period, the duty ratio of an AC signal that drives the piezoelectric element in a first vibration mode is greater than a second integral value obtained by integrating, over a predetermined period, the duty ratio of an AC signal that drives the piezoelectric element in a second vibration mode.
  • the drive circuit drives the piezoelectric element so that the average value of the voltage applied to the piezoelectric element during a specified period is 0 (zero) V.
  • the drive circuit provides a period during which the voltage value of the AC signal that drives the piezoelectric element is 0 (zero), and drives the piezoelectric element so that the first integral value is greater than the second integral value.
  • the driving circuit is a current detection circuit for detecting a current value flowing through the piezoelectric element; and a control circuit that changes the duty ratio of the AC signal that drives the piezoelectric element in accordance with the current value detected by the current detection circuit, thereby controlling the effective voltage Veff_1 to be greater than the effective voltage Veff_2.
  • the drive circuit outputs an AC signal to the piezoelectric element via a filter circuit;
  • the time constant of the filter circuit is smaller than a half period of the AC signal that drives the piezoelectric element in the first vibration mode and is larger than a half period of the AC signal that drives the piezoelectric element in the second vibration mode.
  • the first vibration mode is an atomization mode in which the transparent body is vibrated to atomize foreign matter adhering to the transparent body
  • the second vibration mode is a heating mode in which the light-transmitting body is vibrated to heat the light-transmitting body.
  • a switching unit is further provided for switching a mode in which the light-transmitting body is vibrated from among a plurality of vibration modes, The switching unit switches between the atomization mode and the heating mode based on the image obtained by the imaging element.
  • Another optical device includes: A light-transmitting body that transmits light of a predetermined wavelength; A housing for holding the light-transmitting body; a vibrator in contact with the light-transmitting body held by the housing; a piezoelectric element provided on the vibrating body and vibrating the vibrating body; A drive circuit for driving the piezoelectric element,
  • the vibrator is a cylindrical body, contacting the light-transmitting body at a first end, and the piezoelectric element is provided at a second end opposite to the first end
  • the drive circuit includes: a driving power supply circuit; and an output circuit that converts a DC voltage output from the driving power supply circuit into an AC signal,
  • the DC voltage Vout_1 for generating an AC signal for driving the piezoelectric element in a first vibration mode among a plurality of vibration modes for vibrating the transparent body is set to be equal to the DC voltage Vout_(underscore)2 for generating an AC signal for driving the piezoelectric element in a second vibration mode,
  • the imaging unit according to the present disclosure includes an optical device according to any one of (1) to (11) and an imaging element arranged so that the light-transmitting body is in the field of view.

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Abstract

本開示は、構成を複雑化させることなく、透光体の表面に付着し異物を除去することができる光学装置、および光学装置を備える撮像ユニットを提供する。光学装置（１０）は、最外層レンズ（１）（透光体）、筐体（２）、振動体（３）、圧電素子（５）、駆動回路（６）を備えている。駆動回路（６）は、最外層レンズ（１）を振動させる複数の振動モードのうち霧化モード（第１振動モード）で圧電素子（５）を駆動する駆動信号の電圧（Ｖｐ－ｐ＿１）と、加熱モード（第２振動モード）で圧電素子（５）を駆動する駆動信号の電圧（Ｖｐ－ｐ＿（アンダーバー）２）とを同じにする。駆動回路（６）は、霧化モードの所定期間内において圧電素子（５）に印加される実効電圧（Ｖｅｆｆ＿１）と、加熱モードの所定期間内において圧電素子（５）に印加される実効電圧（Ｖｅｆｆ＿２）とが異なるように圧電素子（５）を駆動する。

Description

光学装置、および光学装置を備える撮像ユニット
　本開示は、光学装置、および光学装置を備える撮像ユニットに関する。
　車両の前部や後部に撮像ユニットを設け、当該撮像ユニットで得た画像を利用して安全装置を制御したり、運転支援制御を行ったりすることが行われている。このような撮像ユニットは、車外に設けられることが多いため、外部を覆う透光体（保護カバーやレンズ）に雨滴（水滴）、泥、塵埃等の異物が付着することがある。また、寒冷時において、車外に設けた撮像ユニットは、透光体の表面に氷や霜が付着して鮮明な画像が得られなくなることがある。
　そこで、特許文献１に記載のレンズ洗浄システムでは、脱水シーケンス、加熱シーケンスなどの複数の駆動シーケンスで透光体を振動させて、透光体の表面に付着した異物を除去している。当該レンズ洗浄システムでは、駆動シーケンスの種類に応じて、トランスデューサに印加する電圧、透光体を振動させる期間や周波数などを変更している。
米国特許出願公開第２０２０／０２８２４３５号明細書
　しかし、特許文献１に係るシステムでは、トランスデューサに印加する電圧を変更するための昇圧回路を駆動回路に設ける必要があり、駆動回路の製造コストが増加する。また、特許文献１に係るシステムでは、透光体を振動させる期間、最大電力で駆動することになるので、当該最大電力に堪える回路、配線が必要となり、システムの複雑化を招く虞があった。
　そこで、本開示の目的は、構成を複雑化させることなく、透光体の表面に付着し異物を除去することができる光学装置、および光学装置を備える撮像ユニットを提供することである。
　本開示の一形態に係る光学装置は、所定の波長の光を透過する透光体と、透光体を保持する筐体と、筐体に保持された透光体と接する振動体と、振動体に設けられ、振動体を振動させる圧電素子と、圧電素子を駆動する駆動回路と、を備える。振動体は、筒状体であって、透光体と第１端で接し、第１端の反対側の第２端に圧電素子が設けられる。駆動回路は、透光体を振動させる複数の振動モードのうち第１振動モードで圧電素子を駆動する交流信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿１と、第２振動モードで圧電素子を駆動する交流信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿（アンダーバー）２とを同じにして、第１振動モードの所定期間内において圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と、第２振動モードの所定期間内において圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なるように圧電素子を駆動する。
　本開示の一形態に係る撮像ユニットは、上記に記載の光学装置と、透光体が視野方向となるように配置された撮像素子と、を備える。
　本開示によれば、第１振動モードと第２振動モードとで圧電素子を駆動する交流信号の電圧を同じにして、第１振動モードでの実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と第２振動モードでの実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なるように圧電素子を駆動するので、構成を複雑化させることなく、透光体を異なる周波数で振動させて透光体の表面に付着し異物を除去することができる。
実施の形態１に係る撮像ユニットの半断面図である。 実施の形態１に係る駆動回路の構成を説明するためのブロック図である。 実施の形態１に係る光学装置を振動させた場合の周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る駆動回路で圧電素子を駆動する駆動信号を説明するための図である。 透光体の変位量と駆動信号のデューティ比との関係を説明するためのグラフである。 駆動信号のデューティ比の変更による透光体の最大変位量の変化を説明するためのグラフである。 駆動信号で透光体を励振するときの振動の過渡応答を説明するためのグラフである。 実施の形態２に係る駆動回路の構成を説明するための回路図である。 実施の形態３に係る駆動回路で圧電素子を駆動する駆動信号を説明するための図である。 実施の形態４に係る駆動回路の構成を説明するための回路図である。 実施の形態４に係る駆動回路に設けたフィルタ回路の特性を説明するためのグラフである。
　以下に、実施の形態に係る光学装置、および光学装置を備える撮像ユニットについて図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。以下に説明する光学装置は、例えば、車載用の撮像ユニットに適用され、透光体（例えば最外層レンズ）の表面に付着した異物を除去するために透光体を振動させることができる。光学装置は、車載用の撮像ユニットの用途に限定されない。例えば、光学装置は、セキュリティ向けの監視カメラ、ドローン用の撮像ユニット等にも適用することができる。
　（実施の形態１）
　図１は、実施の形態１に係る撮像ユニット１００の半断面図である。なお、図中のＸ，Ｚ方向は、それぞれ、撮像ユニット１００の横方向、高さ方向を示す。図１に示す一点鎖線は、撮像ユニット１００の中心軸を通る部分である。撮像ユニット１００は、光学装置１０と、最外層レンズ１および内層レンズ４が視野方向となるように配置された撮像素子２０と、を有している。撮像素子２０は、例えばＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）やＣＭＯＳ（Complementary　Metal-Oxide-Semiconductor）センサなどのイメージセンサであり、図示していない回路基板に実装されている。
　光学装置１０は、最外層レンズ１、筐体２、振動体３、内層レンズ４、圧電素子５、駆動回路６を有している。なお、本開示において、光学装置１０は、少なくとも最外層レンズ１、筐体２、振動体３、圧電素子５、駆動回路６を含んでいればよく、内層レンズ４を撮像ユニット１００に含める構成であってもよい。光学装置１０は、最外層レンズ１と内層レンズ４とのアライメント調整を行った後、撮像素子２０を含むケースを取り付けられることで撮像ユニット１００となる。
　最外層レンズ１は、所定の波長（例えば、可視光の波長、撮像素子で撮像可能な波長など）の光を透過する透光体であり、例えば、凸メニスカスレンズである。なお、光学装置１０は、最外層レンズ１に代えて保護カバーのような透明部材を用いてもよい。保護カバーは、ガラスや透明なプラスチックスなどの樹脂により構成される。
　最外層レンズ１の端部は、筐体２から延びる板バネ２ａの端部で保持される。なお、最外層レンズ１と板バネ２ａの端部であるリテーナ２ｂとの間には接着剤２ｃが充填されている。また、最外層レンズ１を板バネ２ａの端部で保持しているが、筐体２は、最外層レンズ１を直接的に保持しても、間接的に保持してもよい。さらに、光学装置１０は、筐体２に保持された最外層レンズ１を振動させるため、最外層レンズ１に接する位置に振動体３が設けられている。
　振動体３は、筒状体であり、最外層レンズ１と一方の端部３１（第１端）で接し、一方の端部の反対側の他方の端部３２（第２端）に圧電素子５が設けられている。振動体３は、一方の端部３１と他方の端部３２とを支持部３３で繋ぐ構成である。なお、支持部３３の断面形状はＳ字形状である。振動体３の筒内には、図１に示すように内層レンズ４が配置される。
　一方の端部３１は、筒状体の半径方向（Ｘ，Ｙ方向）に延伸させた形状であり、安定して最外層レンズ１の周縁部と接続することができる。他方の端部３２は、圧電素子５の振動とともに振動する部分であり、他の部分に比べて板厚が厚い。これにより、圧電素子５の振動を最外層レンズ１により効率的に伝えやすくなる。支持部３３は、一方の端部３１を支持するとともに、他方の端部３２の振動を一方の端部３１に伝える部分である。なお、一方の端部３１、他方の端部３２および支持部３３は一体で形成しても、個別に形成してもよい。また、図１に示すように、支持部３３の最大外形寸法は一方の端部３１の最大外形寸法よりも大きく、他方の端部３２の最大外形寸法は支持部３３の最大外形寸法よりも大きい。これにより、他方の端部３２の振動（つまり圧電素子５の振動）を、最外層レンズ１（透光体）に効率よく伝えることができる。
　圧電素子５は、他方の端部３２に設けられている。圧電素子５は、中空円状であり、例えば、厚み方向において分極することで振動する。圧電素子５は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる。もっとも、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３などの他の圧電セラミックスが用いられてもよい。さらにＬｉＴａＯ３などの圧電単結晶が用いられてもよい。圧電素子５は、駆動回路６に接続され、当該回路からの信号に基づいて最外層レンズ１を振動させる。
　駆動回路６は、最外層レンズ１に付着した雨滴、泥、塵埃等の異物を除去するために振動体３の共振周波数で最外層レンズ１を振動させる霧化モードで圧電素子５を駆動することができる。また、駆動回路６は、最外層レンズ１に付着した氷や霜の異物を除去するために最外層レンズ１の固有振動周波数で最外層レンズ１を振動させる加熱モードで圧電素子５を駆動することができる。駆動回路６は、霧化モード、加熱モードを含む複数の振動モードを切り替えて圧電素子５を駆動することができる。駆動回路６は、複数の振動モードのうちから最外層レンズ１を振動させるモードを切り替える切替部でもある。
　さらに、駆動回路６について、図を用いて詳しく説明する。図２は、実施の形態１に係る駆動回路６の構成を説明するためのブロック図である。図２では、圧電素子５を駆動回路６にシングルエンドで接続している例を図示しているが、当該接続方法は一例であってこれに限定されない。圧電素子５の基準電位は、例えば、グラウンドであってもよいし、バッテリの－極と接続されたボディアースであってもよい。
　駆動回路６は、制御回路６１、出力回路６２を含む。制御回路６１は、出力回路６２を制御して、駆動用電源回路７から供給される電圧Ｖｏｕｔを駆動電圧Ｖｄｒｖに変換して圧電素子５に出力する。駆動回路６は、圧電素子５に出力する駆動電圧Ｖｄｒｖを調整することにより霧化モード、加熱モードを含む複数の振動モードを切り替えて圧電素子５を駆動する。駆動用電源回路７を駆動回路６に含めずに説明したが、駆動回路６は、駆動用電源回路７を含めてもよい。
　制御回路６１は、出力回路６２に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数を制御することで、駆動信号の周波数を調整している。制御回路６１は、プログラムを実行することで所定の機能を実現するＣＰＵまたはＭＰＵのような汎用プロセッサを含む。制御回路６１は、記憶装置と通信可能に構成され、当該記憶装置に格納された演算プログラム等を呼び出して実行することにより、複数のスイッチのスイッチング処理など、制御回路６１等における各種の処理を実現する。制御回路６１は、ハードウェア資源とソフトウェアとが協働して所定の機能を実現する態様に限定されず、所定の機能を実現する専用に設計されたハードウェア回路でもよい。すなわち、制御回路６１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ以外にも、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等、種々のプロセッサで実現され得る。このような制御回路６１は、例えば、半導体集積回路である信号処理回路で構成され得る。
　圧電素子５に駆動信号が印加されると、圧電素子５のインピーダンスは、駆動信号の周波数によって変化する。図３は、実施の形態１に係る光学装置１０を振動させた場合の周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。図３に示されているように、圧電素子５は、インピーダンスが局所的に減少する周波数を複数有する。当該周波数は、振動体３の共振周波数に対応する。本実施の形態に係る光学装置１０において、共振周波数は、例えば、約３０ｋＨｚ（矢印Ｉ）、約５５０ｋＨｚ（矢印ＩＩ）に存在する。
　圧電素子５は、これらの共振周波数のいずれかに対応する駆動信号が入力されると、周波数ごとに異なる振動モードで最外層レンズ１を振動させる。例えば、約３０ｋＨｚの周波数を有する駆動信号が入力された場合、圧電素子５は、最外層レンズ１を全体的に振動させる振動モードである第１振動モードで、振動体３を介して最外層レンズ１を振動させる。第１振動モードは、最外層レンズ１に付着した液滴などの異物を霧化させて除去することができる霧化モードである。
　また、約５５０ｋＨｚの周波数を有する駆動信号が入力された場合、圧電素子５は、最外層レンズ１が昇温しやすい第２振動モード（加熱モード）で、振動体３を介して最外層レンズ１を振動させる。約５５０ｋＨｚ付近の振動は、約３０ｋＨｚの振動よりもノード数が多い高次の振動モードで最外層レンズ１を振動させている。加熱モードは、圧電素子５のインピーダンスが小さいため、大電力が圧電素子５に加えられ、最外層レンズ１を迅速に昇温できる。
　なお、第１振動モードと第２振動モードとの間、約１１０ｋＨｚの周波数に、最外層レンズ１の固有振動と共鳴する周波数が存在する。当該周波数を有する駆動信号が入力された場合、圧電素子５は、振動体３を介して最外層レンズ１の中心部を周縁部に比べてより大きく振動させる。圧電素子５は、上記した振動モード以外の振動を最外層レンズ１に与えるように構成されてもよい。また、上記の共振周波数は一例であり、光学装置１０の形状および材質等によって変更され得る。
　図３に示されているように、共振周波数に対応する周波数の駆動信号が圧電素子５に入力されると、圧電素子５のインピーダンスは局所的に最小になる。
　これまで、駆動回路６が、上記のような複数の振動モードを切り替えて圧電素子５を駆動する場合、切り替えた振動モードに応じて圧電素子５に印加する電圧を調整していた。しかし、駆動回路６において圧電素子５に印加する電圧を調整するには、駆動回路６に昇圧回路を設ける必要があり、駆動回路６の製造コストが増加する。また、霧化モードと加熱モードとでは、励振すべき振動に要求される振動加速度などの条件が異なる。たとえば、霧化モードでは、励振すべき振動の周波数が数十ｋＨｚで、振動加速度が８．０×１０５ｍ／ｓ２より大きいことが好ましい。一方、加熱モードでは、励振すべき振動の周波数が数百ｋＨｚで、解氷を行うに足り、かつ過熱を防ぐ電力を圧電素子５に供給する必要がある。
　また、霧化モードと加熱モードとでは、最適な振動量が異なっており、それを実現するために圧電素子５に印加する電圧も異なっている。一般的に、加熱モードにおける共振抵抗は、霧化モードにおける共振抵抗よりも大幅に小さく、同じ電圧を圧電素子５に印加した場合、過熱による破損や消費電力の増加を招くことになる。そのため、ハーフブリッジ回路等を用いて矩形波を供給する駆動回路では、圧電素子５に印加する電圧を調整するために昇圧回路が必要となり、駆動回路の製造コストが増加する。
　そこで、本実施の形態に係る光学装置１０では、入力する駆動信号の波形自体を調整することで、駆動回路６から圧電素子５に印加する電圧を変更することなく、振動モードを切り替えることができる。図４は、実施の形態１に係る駆動回路６で圧電素子５を駆動する駆動信号を説明するための図である。駆動回路６は、図４の波形ａに示すように電圧が正の値であるハイ期間ｔｈと電圧が負の値であるロー期間ｔｌとを１周期とする矩形波を駆動信号として圧電素子５に出力する。
　そして、駆動回路６は、振動モードに応じて、ハイ期間ｔｈの電圧値およびロー期間ｔｌの電圧値を変更することなく、ハイ期間ｔｈの長さとロー期間ｔｌの長さとを調整している。つまり、駆動回路６は、最外層レンズ１を振動させる霧化モードで圧電素子５を駆動する駆動信号（交流信号）の電圧Ｖｐ－ｐ＿１と、加熱モードで圧電素子５を駆動する駆動信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿（アンダーバー）２とを同じ（Ｖｐ－ｐ＿１＝Ｖｐ－ｐ＿２）にしている。なお、駆動回路６が、駆動用電源回路と、駆動用電源回路から出力される直流電圧を交流信号に変換する出力回路と、を含むと考えた場合、複数の振動モードで駆動用電源回路から出力される直流電圧が同じであると定義してもよい。つまり、駆動回路６は、最外層レンズ１を振動させる霧化モードで圧電素子５を駆動する駆動信号（交流信号）を生成するための直流電圧Ｖｏｕｔ＿１と、加熱モードで圧電素子５を駆動する駆動信号を生成するための直流電圧Ｖｏｕｔ＿（アンダーバー）２とを同じ（Ｖｏｕｔ＿１＝Ｖｏｕｔ＿２）にしている。
　さらに、駆動回路６は、霧化モードの所定期間内において圧電素子５に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と、加熱モードの所定期間内において圧電素子５に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なる（Ｖｅｆｆ＿１≠Ｖｅｆｆ＿２）ように圧電素子５を駆動している。
　ここで、電圧Ｖｐ－ｐとは、駆動信号（交流信号）の最大値（＋Ｖｐｐ）と最小値（－Ｖｐｐ）との差（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋの値）の電圧である。また、実効電圧Ｖｅｆｆは、電圧Ｖｐ－ｐの駆動信号で圧電素子５を駆動した場合に、最外層レンズ１の振動として供給される電圧値を示している。駆動回路６は、ハイ期間ｔｈの長さとロー期間ｔｌの長さとを調整することで実効電圧Ｖｅｆｆを変更し、霧化モードと加熱モードとを切り替えている。加熱モードにおいて、最外層レンズ１の過熱を防止する観点から、霧化モードの所定期間内において圧電素子５に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１が、加熱モードの所定期間内において圧電素子５に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２より大きく（Ｖｅｆｆ＿１＞Ｖｅｆｆ＿２）なることが好ましい。
　また、最外層レンズ１を振動させた場合の変位の大きさを振動振幅Ａｖとし、最外層レンズ１を励振させるために投入した電力を電力Ｐｖとする。駆動回路６が霧化モードで圧電素子５を駆動する場合、最外層レンズ１に付着した液滴などの異物を霧化させて除去することができるように、加熱モードで圧電素子５を駆動する場合に比べて最外層レンズ１の振動振幅Ａｖを大きくする必要がある。つまり、駆動回路６は、霧化モードにおける最外層レンズ１の振動振幅Ａｖ＿１が、加熱モードにおける最外層レンズ１の振動振幅Ａｖ＿２より大きくなる（Ａｖ＿１＞Ａｖ＿２）ことが好ましい。
　さらに、霧化モードで圧電素子５を駆動する場合に比べて、加熱モードで圧電素子５を駆動する場合の方が、図３で示したように共振抵抗が低いので、投入する電力Ｐｖが大きくなる。つまり、駆動回路６は、霧化モードにおいて投入する電力Ｐｖ＿１が、加熱モードにおいて投入する電力Ｐｖ＿２より小さくなる（Ｐｖ＿１＜Ｐｖ＿２）ことが好ましい。これにより、駆動回路６は、霧化モードおよび加熱モードのそれぞれの振動モードにおいて効率よく圧電素子５を駆動することができる。
　ハイ期間ｔｈとロー期間ｔｌとのうち短い方の期間ｍｉｎ（ｔｈ，ｔｌ）をアクティブ期間ｔａとすると、駆動信号のデューティ（Ｄｕｔｙ）比は、ｍｉｎ（ｔｈ，ｔｌ）／（ｔｈ＋ｔｌ）＝ｔａ／（ｔｈ＋ｔｌ）と表すことができる。ハイ期間ｔｈの長さとロー期間ｔｌの長さとを調整することは、駆動信号のデューティ比を調整することでもある。そのため、駆動回路６は、駆動信号のデューティ比を調整することで実効電圧Ｖｅｆｆを変更することができ、圧電素子５に印加する電圧Ｖｐ－ｐを変更することなく霧化モードと加熱モードとを切り替えが可能となる。
　駆動信号のデューティ比を用いて、霧化モードでの駆動信号と加熱モードの駆動信号との関係を一般化すると、式１のような関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、霧化モードのハイ期間ｔｈ＿１、ロー期間ｔｌ＿１、アクティブ期間ｔａ＿１、加熱モードのハイ期間ｔｈ＿２、ロー期間ｔｌ＿２、アクティブ期間ｔａ＿２とする。つまり、駆動回路６が圧電素子５を所定期間ｄｔ駆動する場合、駆動回路６は、霧化モードで圧電素子５を駆動する駆動信号のデューティ比を所定期間ｄｔにおいて積分した第１積分値が、加熱モードで圧電素子５を駆動する駆動信号のデューティ比を所定期間ｄｔにおいて積分した第２積分値より大きくなることが好ましい。これにより、駆動回路６は、駆動信号のデューティ比を変更することで、実効電圧Ｖｅｆｆを任意に調整することができる。
　図４に戻って、駆動信号のデューティ比を変更した場合、図４の波形ｂのようにロー期間ｔｌが長くなると、複数の周期における電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖにならず負の値となる。駆動信号の電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖでない場合、圧電素子５にオフセットＤＣ電圧が印加されることになり、圧電素子５の両電極間にマイグレーションが起こる虞がある。
　そこで、駆動回路６は、図４の波形ｃのようにロー期間ｔｌが長くなる周期と、ハイ期間ｔｈが長くなる周期とを１周期ごとに入れ替え、所定期間ｄｔ内でロー期間ｔｌが長くなる周期と、ハイ期間ｔｈが長くなる周期とが同数となるように駆動信号を生成する。具体的に、図４の波形ｃでは、第１ハイ期間ｔｈ１と第２ロー期間ｔｌ２とが同じ長さで、第１ロー期間ｔｌ１と第２ハイ期間ｔｈ２とが同じ長さとなるように駆動信号となっている。これにより、駆動回路６は、所定期間ｄｔにおいて圧電素子５に印加される電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖとなるように圧電素子５を駆動することができ、圧電素子５の両電極間に起きるマイグレーションを防ぐことができる。
　次に、駆動信号のデューティ比を変更することで、最外層レンズ１の振動レベルを調整することができることを説明する。図５は、透光体（最外層レンズ１）の変位量と駆動信号のデューティ比との関係を説明するためのグラフである。図６は、駆動信号のデューティ比の変更による透光体（最外層レンズ１）の最大変位量の変化を説明するためのグラフである。
　図５では、横軸を周波数（ｋＨｚ）、縦軸を最外層レンズ１の変位量（μｍ）として、駆動信号のデューティ比を１０％から５０％まで変化させた場合の最外層レンズ１の変位量がプロットされている。また、図６では、横軸を駆動信号のデューティ比（％）、縦軸を最外層レンズ１の最大変位量（μｍ）として、電圧Ｖｐ－ｐが３０Ｖと５０Ｖとの場合の最外層レンズ１の最大変位量がプロットされている。なお、最外層レンズ１の変位量は、たとえばレーザードップラー変位計を用いて測定することができる。
　駆動回路６は、図５および図６に示すように、霧化モードで圧電素子５を駆動する場合、駆動信号のデューティ比を１０％から５０％に変更することで、最外層レンズ１の最大変位量を大きくすることができる。そのため、駆動回路６は、霧化モードにおいて駆動信号のデューティ比により最外層レンズ１の最大変位量（振動レベル）を調整することができる。同様に、駆動回路６は、加熱モードにおいても駆動信号のデューティ比により最外層レンズ１の最大変位量を変化させることができるので、最外層レンズ１の発熱量を精度よく調整することができる。特に、駆動回路６は、加熱モードで圧電素子５を駆動する場合、駆動信号のデューティ比で発熱量を調整することで、最外層レンズ１の過熱や解氷性能不足を防ぐことができる。
　また、駆動信号のデューティ比を変更することで、最外層レンズ１の振動レベルを調整することは、機械共振の観点からも説明することができる。図７は、駆動信号で透光体（最外層レンズ１）を励振するときの振動の過渡応答を説明するためのグラフである。図７では、横軸を時間、縦軸を最外層レンズ１の変位量としている。
　最外層レンズ１を振動させる場合、圧電素子５に電圧を印加した瞬間に最大変位量に達する訳ではなく、振動体３のＱ値に応じて、何周期かの振動により最外層レンズ１の振動が加速されて、最大変位量にまで達する。そのため、図７に示すように、駆動信号のデューティ比が小さい場合、最外層レンズ１の振動が十分に立ち上がらない状態で振動がオフ状態に切り替わるため、最外層レンズ１の変位量が最大変位量にまで達することなく頭打ちとなり小さい変位量で留まることになる。一方、駆動信号のデューティ比が大きい場合、最外層レンズ１の振動が十分に立ち上がった状態で振動がオフ状態に切り替わるため、最外層レンズ１の変位量が最大変位量にまで達することになる。
　（実施の形態２）
　実施の形態１では、駆動信号のデューティ比を調整することで実効電圧Ｖｅｆｆを変更し、電圧Ｖｐ－ｐを変更することなく霧化モードと加熱モードとを切り替えることができる光学装置１０について説明した。圧電素子５に印加している電圧の周波数が共振周波数であるかどうかは、圧電素子５に流れる電流値を検出することで、判定することができる。そこで、実施の形態２では、圧電素子に流れる電流値に応じて振動レベルを調整する光学装置について説明する。
　実施の形態２に係る光学装置は、実施の形態１に係る光学装置１０と同じ構成であるため、同じ構成について同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を繰り返さない。図８は、実施の形態２に係る駆動回路６Ａの構成を説明するための回路図である。駆動回路６Ａは、制御回路６１、出力回路６２、電流検出回路６３、コンデンサ６４、抵抗６５を含む。
　出力回路６２は、駆動用電源回路に接続される。出力回路６２は、駆動用電源回路からの電圧Ｖｏｕｔが入力される第１スイッチ６２ａと、第２スイッチ６２ｂとの直列回路を含む。第１スイッチ６２ａと第２スイッチ６２ｂとの間の接続点Ｃ１が圧電素子５にコンデンサ６４を介して接続されている。第１スイッチ６２ａ、第２スイッチ６２ｂは、例えば、金属酸化膜半導体電解効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であるが、これに限定されない。
　電流検出回路６３は、第１スイッチ６２ａに流れる電流と、第２スイッチ６２ｂに流れる電流との少なくとも一方を検出し、検出した電流の大きさを示す検出信号を制御回路６１に出力することができる。電流検出回路６３は、電流電圧変換素子６３ａ、ローパスフィルタ６３ｂ、アナログ／デジタル変換回路（ＡＤ変換回路）６３ｃを有する。
　電流電圧変換素子６３ａは、電流電圧変換素子６３ａに流れる電流を電流電圧変換素子６３ａに流れる電流の大きさに応じた電圧に変換することができる。電流電圧変換素子６３ａは、所定の抵抗値を有する抵抗（シャント抵抗）である。電流電圧変換素子６３ａは、シャント抵抗に限定されず、ホール素子であってもよい。
　ローパスフィルタ６３ｂは、遮断周波数よりも高い周波数成分を有する信号を除去するフィルタ回路である。本実施の形態において、ローパスフィルタ６３ｂは、電流電圧変換素子６３ａと第２スイッチ６２ｂとの間の接続点に接続される。ローパスフィルタ６３ｂは、電流電圧変換素子６３ａから入力された電圧を平滑化して、ＡＤ変換回路４５に出力する。
　ＡＤ変換回路６３ｃは、ローパスフィルタ６３ｂで平滑化された電圧（アナログ信号）を、制御回路６１へと入力可能なデジタル信号に変換する回路である。ＡＤ変換回路６３ｃは、デジタル信号を検出信号として制御回路６１に出力する。電流検出回路６３は、ＡＤ変換回路６３ｃを備えず、ローパスフィルタ６３ｂが平滑化された電圧を検出信号として制御回路６１に出力するように構成されてもよい。
　電流検出回路６３は、第２スイッチ６２ｂに流れる電流の大きさに基づいて生成されたデジタル信号である検出信号を制御回路６１へと出力するが、これに限定されない。例えば、電流検出回路６３は、電流電圧変換素子６３ａおよびローパスフィルタ６３ｂのみを備え、デジタル信号ではなくアナログ信号である検出信号を制御回路６１へと出力するように構成されてもよい。
　コンデンサ６４は、後述する第１状態において、駆動用電源回路によって印加された電圧Ｖｏｕｔに基づいて、電荷を溜めることができる。コンデンサ６４は、後述する第２状態において、溜まっている電荷を、第２スイッチ６２ｂを介して接地電位へと放出することができる。それによって、駆動回路６Ａは、制御回路６１が第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂのスイッチング処理を制御することで、電流Ｉ１および電流Ｉ２を圧電素子５に流すことができる。
　抵抗６５は、圧電素子５とコンデンサ６４との接続点と、接地電位との間に接続される。圧電素子５は、制御回路６１によるスイッチング処理が終了すると、一端側が抵抗６５を介して接地電位に接続されているため、一端側および他端側が等電位となる。
　駆動回路６Ａの制御回路６１は、スイッチング周波数で第１スイッチ６２ａと第２スイッチ６２ｂとを相補的に切り換えるスイッチング処理を実行する。すなわち、制御回路６１は、第１スイッチ６２ａがオンであるときに第２スイッチ６２ｂがオフである状態（第１状態）となるように第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂを制御する。また、制御回路６１は、第１スイッチ６２ａがオフであるときに第２スイッチ６２ｂがオンである状態（第２状態）となるように第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂを制御する。制御回路６１は、第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂを相補的に切り換えることで、駆動用電源回路からの電圧Ｖｏｕｔに基づいて、スイッチング周波数に応じた周波数を有する駆動電圧Ｖｄｒｖを駆動信号として圧電素子５に印加する。
　第１状態において、駆動回路６Ａ内に第１スイッチ６２ａを介して電流Ｉ１が流れる。電流Ｉ１は、図８において破線の矢印で示されている。図８に示されているように、電流Ｉ１は、駆動用電源回路から第１スイッチ６２ａを介して圧電素子５へと流れる。したがって、圧電素子５には、駆動回路６Ａ側を高電位とする電圧が印加される。
　駆動回路６Ａにおいて、第１状態において圧電素子５に電圧が印加されると、出力回路６２と圧電素子５との間に介在するコンデンサ６４で、出力回路６２側に正電荷が、接地電位側に負電荷が溜まる。制御回路６１が出力回路６２を第１状態から第２状態へと変化させると、コンデンサ６４および圧電素子５は、当該電荷を放出する。当該電荷の放出は、第２状態において、電流Ｉ２として、駆動回路６Ａ内に第２スイッチ６２ｂを介して流れる。電流Ｉ２は、図８において１点鎖線の矢印で示されている。図８に示されているように、電流Ｉ２は、圧電素子５から第２スイッチ６２ｂを介して接地電位へと流れる。また、コンデンサ６４には、出力回路６２側に負電荷が、圧電素子５側に正電荷が溜まる。したがって、圧電素子５には、駆動回路６Ａ側を低電位とする電圧が印加される。
　このように、駆動回路６Ａは、第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂをスイッチングすることで、所定の周波数で極性を反転させた駆動信号を圧電素子５に出力することができる。そのため、駆動回路６Ａは、第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂをスイッチングするスイッチング周波数を制御することで、駆動信号の周波数を調整することができる。
　また、駆動回路６Ａは、所定の周波数範囲内でスイッチング周波数を変化させることで、振動体３の共振周波数を判定することができる。具体的に、駆動回路６Ａは、所定の周波数範囲内でスイッチング周波数所定の増加幅（または減少幅）で変化させ、電流検出回路６３で検出される電流の値が最も大きいスイッチング周波数を共振周波数と判定する。そのため、駆動回路６Ａは、電流検出回路６３で検出される電流の値から振動レベルを判定することができ、判定した振動レベルに応じた駆動信号のデューティ比に変更することができる。つまり、駆動回路６Ａは、電流検出回路６３で検出される電流の値に応じて駆動信号のデューティ比を変更することができるので、デバイスの個体差や温度特性による性能差を調整することができる。
　（実施の形態３）
　実施の形態１では、駆動信号のデューティ比を調整することで実効電圧Ｖｅｆｆを変更することができる光学装置１０について説明した。しかし、実効電圧Ｖｅｆｆを変更する方法は、これに限られず、ハイ期間とロー期間とを繰り返すパルス信号である駆動信号から一部のパルス信号を間引く方法がある。実施の形態３では、駆動信号から一定の周期ごとパルス信号を間引きすることで、実効電圧を小さくすることができる光学装置について説明する。なお、実施の形態３に係る光学装置は、実施の形態１に係る光学装置１０と同じ構成であるため、同じ構成について同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を繰り返さない。
　図９は、実施の形態３に係る駆動回路６で圧電素子５を駆動する駆動信号を説明するための図である。駆動回路６は、図９の波形ａに示すように電圧が正の値であるハイ期間ｔｈと電圧が負の値であるロー期間ｔｌとを１周期とする矩形波を、圧電素子５に出力する駆動信号としている。
　駆動回路６は、実効電圧Ｖｅｆｆを変更するため、図９の波形ｂに示すように間引き期間ｔｚの電圧をローレベル（－Ｖｐｐ）に固定する。図９の波形ｂでは、間引き期間ｔｚを２周期とし、２周期ごとにパルス信号を間引きしている。なお、図９の波形ｂでは、間引き期間ｔｚの電圧をローレベル（－Ｖｐｐ）に固定すると説明したが、間引き期間ｔｚの電圧をハイレベル（＋Ｖｐｐ）に固定してもよい。
　間引き期間ｔｚの電圧をローレベル（－Ｖｐｐ）またはハイレベル（＋Ｖｐｐ）に固定した場合、図９の波形ｂのように、複数の周期における電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖにならず負の値（ハイレベル（＋Ｖｐｐ）に固定した場合、電圧の平均値は正の値）となる。駆動信号の電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖでない場合、圧電素子５にオフセットＤＣ電圧が印加されることになり、圧電素子５の両電極間にマイグレーションが起こる虞がある。
　そこで、駆動回路６は、図９の波形ｃのように間引き期間ｔｚの電圧をローレベル（－Ｖｐｐ）またはハイレベル（＋Ｖｐｐ）に固定せずに、０（ゼロ）Ｖ（ＧＮＤ）に固定する。具体的に、出力回路６２が図８に示す第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂのハーフブリッジ回路であれば、第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂをＯＦＦ状態にすることで、間引き期間ｔｚの電圧を０（ゼロ）Ｖ（ＧＮＤ）に固定することができる。
　実施の形態３に係る光学装置１０では、駆動信号に間引き期間ｔｚを設けることで実効電圧Ｖｅｆｆを変更すると説明したが、実施の形態１で説明した駆動信号のデューティ比を調整することで実効電圧Ｖｅｆｆを変更する方法と組み合わせてもよい。
　間引き期間ｔｚと駆動信号のデューティ比とを用いて、霧化モードでの駆動信号と加熱モードの駆動信号との関係を一般化すると、式２のような関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、霧化モードのハイ期間ｔｈ＿１、ロー期間ｔｌ＿１、アクティブ期間ｔａ＿１、加熱モードのハイ期間ｔｈ＿２、ロー期間ｔｌ＿２、アクティブ期間ｔａ＿２とする。霧化モードおよび加熱モードの間引き期間は、ともに間引き期間ｔｚとする。さらに、式２に示す駆動信号は、所定期間ｄｔにおける電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖとなるように、霧化モードのハイ期間ｔｈ＿１、ロー期間ｔｌ＿１、および加熱モードのハイ期間ｔｈ＿２、ロー期間ｔｌ＿２を調整することが好ましい。
　（実施の形態４）
　実施の形態１では、駆動信号のデューティ比を調整することで実効電圧Ｖｅｆｆを変更することができる光学装置１０について説明した。しかし、実効電圧Ｖｅｆｆを変更する方法は、これに限られず、駆動回路の負荷を変更する方法がある。実施の形態４では、駆動回路と圧電素子との間にフィルタ回路を挿入することで駆動回路の負荷を変更して実効電圧を小さくすることができる光学装置について説明する。なお、実施の形態４に係る光学装置は、実施の形態１に係る光学装置１０と同じ構成であるため、同じ構成について同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を繰り返さない。
　図１０は、実施の形態４に係る駆動回路６Ｂの構成を説明するための回路図である。駆動回路６Ｂは、制御回路６１、出力回路６２、電流検出回路６３、コンデンサ６４、抵抗６５、フィルタ回路６６を含む。フィルタ回路６６を駆動回路に含めず、フィルタ回路６６を、図２に示す駆動回路６と圧電素子５との間に挿入する構成でも、図８に示す駆動回路６Ａと圧電素子５との間に挿入する構成でもよい。なお、図１０に示す駆動回路６Ｂは、図８に示す駆動回路６Ａと同じ構成について同じ符号を付して詳細な説明を繰り返さない。
　フィルタ回路６６は、抵抗６６ａ、コンデンサ６６ｂを含むローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-pass　filter）である。フィルタ回路６６は、時定数（ＲＣ）よりも大幅に早い（たとえば、１／１０程度）スイッチング周波数で第１スイッチ６２ａおよび第２スイッチ６２ｂをスイッチングして得られた矩形波の駆動信号を、三角波に近い信号として出力することができる。図１１は、実施の形態４に係る駆動回路６Ｂに設けたフィルタ回路６６の特性を説明するためのグラフである。図１１では、横軸を時間、縦軸を応答としている。
　フィルタ回路６６は、入力された矩形波の駆動信号を、図１１に示すような三角波に近い信号として出力することで、駆動信号の実効電圧を小さくすることができる。三角波に近い信号の最大値と最小値との差（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋの値）の電圧が、駆動信号の最大値（＋Ｖｐｐ）と最小値（－Ｖｐｐ）との差（ｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋの値）の電圧と同じになる場合、三角波に近い信号の実効電圧は、駆動信号の実効電圧の約１／２になる。なお、図１１に示すような三角波に近い信号の場合、駆動回路６Ｂは、最外層レンズ１を振動させる霧化モードで圧電素子５を駆動する駆動信号（交流信号）を生成するための直流電圧Ｖｏｕｔ＿１と、加熱モードで圧電素子５を駆動する駆動信号を生成するための前記直流電圧Ｖｏｕｔ＿（アンダーバー）２とを同じ（Ｖｏｕｔ＿１＝Ｖｏｕｔ＿２）にしている。
　図１０に示す駆動回路６Ｂでは、出力回路６２と圧電素子５との間にフィルタ回路６６を１段挿入した構成を示したが、これに限られずフィルタ回路６６を複数段挿入した構成でもよい。駆動回路６Ｂは、出力回路６２と圧電素子５との間にフィルタ回路６６を複数段挿入することで、正弦波の駆動信号を出力することもできる。
　霧化モードで圧電素子５を駆動する駆動信号の周波数は、図３に示すように加熱モードで圧電素子５を駆動する駆動信号の周波数より小さい。そのため、駆動回路６Ｂでは、時定数（ＲＣ）を、霧化モードで圧電素子５を駆動する駆動信号の半周期よりも小さく、加熱モードで圧電素子５を駆動する駆動信号の半周期よりも大きくすることで、霧化モードの実効電圧Ｖｅｆｆ＿１を、加熱モードの実効電圧Ｖｅｆｆ＿２より大きく（Ｖｅｆｆ＿１＞Ｖｅｆｆ＿２）することができる。
　また、駆動回路６Ｂは、フィルタ回路６６に含まれる抵抗６６ａを可変抵抗に、コンデンサ６６ｂを可変容量にすること、電流検出回路６３で検出される電流の値に応じて抵抗６６ａの抵抗値およびコンデンサ６６ｂの容量値を変更してもよい。駆動回路６Ｂは、電流検出回路６３で検出される電流の値に応じて抵抗６６ａの抵抗値およびコンデンサ６６ｂの容量値を変更することで、デバイスの個体差や温度特性による性能差を調整することができる。
　なお、実施の形態４に係る駆動回路６Ｂの構成は、他の実施の形態に係る光学装置と組み合わせることができる。
　（変形例）
　実施の形態に係る光学装置１０では、支持部３３の断面形状をＳ字形状としていると説明した。しかし、振動体に応力の集中が生じないような形状であれば、支持部の断面形状をＳ字形状に限定されない。たとえば、支持部３３の断面形状はＳ字を複数繋げた形状でもよい。また、支持部３３において応力が集中する部分を減らす断面形状であればよいので、断面形状がＳ字形状の半分である曲線形状でもよい。
　前述の実施の形態に係る撮像ユニット１００は、カメラ、ＬｉＤＡＲ，Ｒａｄａｒなどを含んでもよい。また、複数の撮像ユニット１００を並べて配置するようにしてもよい。
　前述の実施の形態に係る撮像ユニット１００は、車両に設けられる撮像ユニットに限定されず、光学装置と、透光体が視野方向となるように配置された撮像素子と、を備え、透光体への異物を除去する必要があるどのような撮像ユニットに対しても同様に適用することができる。
　（態様）
　（１）本開示に係る光学装置は、
　所定の波長の光を透過する透光体と、
　透光体を保持する筐体と、
　筐体に保持された透光体と接する振動体と、
　振動体に設けられ、振動体を振動させる圧電素子と、
　圧電素子を駆動する駆動回路と、を備え、
　振動体は、筒状体であって、透光体と第１端で接し、第１端の反対側の第２端に圧電素子が設けられ、
　駆動回路は、
　　透光体を振動させる複数の振動モードのうち第１振動モードで圧電素子を駆動する交流信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿１と、第２振動モードで圧電素子を駆動する交流信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿（アンダーバー）２とを同じにして、
　　第１振動モードの所定期間内において圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と、第２振動モードの所定期間内において圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なるように圧電素子を駆動する。
　（２）（１）に記載の光学装置において、駆動回路は、第１振動モードの所定期間内において圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１が、第２振動モードの所定期間内において圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２より大きくなるように圧電素子を駆動する。
　（３）（１）または（２）に記載の光学装置において、駆動回路は、第１振動モードにおける透光体の振動振幅Ａｖ＿１が、第２振動モードにおける透光体の振動振幅Ａｖ＿２より大きく、かつ第１振動モードにおいて投入する電力Ｐｖ＿１が、第２振動モードにおいて投入する電力Ｐｖ＿２より小さくなるように圧電素子を駆動する。
　（４）（１）～（３）のいずれか１項に記載の光学装置において、駆動回路は、第１振動モードで圧電素子を駆動する交流信号のデューティ比を所定期間において積分した第１積分値が、第２振動モードで圧電素子を駆動する交流信号のデューティ比を所定期間において積分した第２積分値より大きくなるように圧電素子を駆動する。
　（５）（４）に記載の光学装置において、駆動回路は、所定期間において圧電素子に印加される電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖとなるように圧電素子を駆動する。
　（６）（４）または（５）に記載の光学装置において、駆動回路は、圧電素子を駆動する交流信号において電圧値が０（ゼロ）となる期間を設けて、第１積分値が第２積分値より大きくなるように圧電素子を駆動する。
　（７）（１）～（６）のいずれか１項に記載の光学装置において、駆動回路は、
　　圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出回路と、
　　電流検出回路で検出した電流値に応じて、圧電素子を駆動する交流信号のデューティ比を変化させて実効電圧Ｖｅｆｆ＿１が実効電圧Ｖｅｆｆ＿２より大きくなるように制御する制御回路と、を含む。
　（８）（１）～（７）のいずれか１項に記載の光学装置において、駆動回路は、フィルタ回路を介して交流信号を圧電素子に出力し、
　フィルタ回路の時定数は、第１振動モードで圧電素子を駆動する交流信号の半周期より小さく、第２振動モードで圧電素子を駆動する交流信号の半周期より大きい。
　（９）（１）～（８）のいずれか１項に記載の光学装置において、
　第１振動モードは、透光体を振動させて透光体に付着した異物を霧化させる霧化モードで、
　第２振動モードは、透光体を振動させて透光体を加熱する加熱モードである。
　（１０）（９）に記載の光学装置において、
　複数の振動モードのうちから透光体を振動させるモードを切り替える切替部をさらに備え、
　切替部は、撮像素子で得られた画像に基づいて霧化モードと加熱モードとを切り替える。
　（１１）本開示に係る別の光学装置は、
　所定の波長の光を透過する透光体と、
　前記透光体を保持する筐体と、
　前記筐体に保持された前記透光体と接する振動体と、
　前記振動体に設けられ、前記振動体を振動させる圧電素子と、
　前記圧電素子を駆動する駆動回路と、を備え、
　前記振動体は、筒状体であって、前記透光体と第１端で接し、前記第１端の反対側の第２端に前記圧電素子が設けられ、
　前記駆動回路は、
　　駆動用電源回路と、前記駆動用電源回路から出力される直流電圧を交流信号に変換する出力回路と、を含み、
　　前記透光体を振動させる複数の振動モードのうち第１振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号を生成するための前記直流電圧Ｖｏｕｔ＿１と、第２振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号を生成するための前記直流電圧Ｖｏｕｔ＿（アンダーバー）２とを同じにして、
　　前記第１振動モードの所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と、前記第２振動モードの前記所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なるように前記圧電素子を駆動する。
　（１２）本開示に係る撮像ユニットは、（１）～（１１）のいずれか１項に記載の光学装置と、透光体が視野方向となるように配置された撮像素子と、を備える。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　最外層レンズ、２　筐体、２ａ　板バネ、２ｂ　リテーナ、３　振動体、４　内層レンズ、５　圧電素子、６，６Ａ，６Ｂ　駆動回路、７　駆動用電源回路、１０　光学装置、２０　撮像素子、６１　制御回路、６２　出力回路、６３　電流検出回路、６４，６６ｂ　コンデンサ、６５，６６ａ　抵抗、６６　フィルタ回路、１００　撮像ユニット。

Claims (12)

  1. 　所定の波長の光を透過する透光体と、
    　前記透光体を保持する筐体と、
    　前記筐体に保持された前記透光体と接する振動体と、
    　前記振動体に設けられ、前記振動体を振動させる圧電素子と、
    　前記圧電素子を駆動する駆動回路と、を備え、
    　前記振動体は、筒状体であって、前記透光体と第１端で接し、前記第１端の反対側の第２端に前記圧電素子が設けられ、
    　前記駆動回路は、
    　　前記透光体を振動させる複数の振動モードのうち第１振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿１と、第２振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号の電圧Ｖｐ－ｐ＿（アンダーバー）２とを同じにして、
    　　前記第１振動モードの所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と、前記第２振動モードの前記所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なるように前記圧電素子を駆動する、光学装置。
  2. 　前記駆動回路は、前記第１振動モードの前記所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１が、前記第２振動モードの前記所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２より大きくなるように前記圧電素子を駆動する、請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記駆動回路は、前記第１振動モードにおける前記透光体の振動振幅Ａｖ＿１が、前記第２振動モードにおける前記透光体の振動振幅Ａｖ＿２より大きく、かつ前記第１振動モードにおいて投入する電力Ｐｖ＿１が、前記第２振動モードにおいて投入する電力Ｐｖ＿２より小さくなるように前記圧電素子を駆動する、請求項１または請求項２に記載の光学装置。
  4. 　前記駆動回路は、前記第１振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号のデューティ比を前記所定期間において積分した第１積分値が、前記第２振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号のデューティ比を前記所定期間において積分した第２積分値より大きくなるように前記圧電素子を駆動する、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の光学装置。
  5. 　前記駆動回路は、前記所定期間において前記圧電素子に印加される電圧の平均値が０（ゼロ）Ｖとなるように前記圧電素子を駆動する、請求項４に記載の光学装置。
  6. 　前記駆動回路は、前記圧電素子を駆動する交流信号において電圧値が０（ゼロ）となる期間を設けて、前記第１積分値が前記第２積分値より大きくなるように前記圧電素子を駆動する、請求項４または請求項５に記載の光学装置。
  7. 　前記駆動回路は、
    　　前記圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出回路と、
    　　前記電流検出回路で検出した電流値に応じて、前記圧電素子を駆動する交流信号のデューティ比を変化させて前記実効電圧Ｖｅｆｆ＿１が前記実効電圧Ｖｅｆｆ＿２より大きくなるように制御する制御回路と、を含む、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の光学装置。
  8. 　前記駆動回路は、フィルタ回路を介して交流信号を前記圧電素子に出力し、
    　前記フィルタ回路の時定数は、前記第１振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号の半周期より小さく、前記第２振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号の半周期より大きい、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の光学装置。
  9. 　前記第１振動モードは、前記透光体を振動させて前記透光体に付着した異物を霧化させる霧化モードで、
    　前記第２振動モードは、前記透光体を振動させて前記透光体を加熱する加熱モードである、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の光学装置。
  10. 　前記複数の振動モードのうちから前記透光体を振動させるモードを切り替える切替部をさらに備え、
    　前記切替部は、撮像素子で得られた画像に基づいて前記霧化モードと前記加熱モードとを切り替える、請求項９に記載の光学装置。
  11. 　所定の波長の光を透過する透光体と、
    　前記透光体を保持する筐体と、
    　前記筐体に保持された前記透光体と接する振動体と、
    　前記振動体に設けられ、前記振動体を振動させる圧電素子と、
    　前記圧電素子を駆動する駆動回路と、を備え、
    　前記振動体は、筒状体であって、前記透光体と第１端で接し、前記第１端の反対側の第２端に前記圧電素子が設けられ、
    　前記駆動回路は、
    　　駆動用電源回路と、前記駆動用電源回路から出力される直流電圧を交流信号に変換する出力回路と、を含み、
    　　前記透光体を振動させる複数の振動モードのうち第１振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号を生成するための前記直流電圧Ｖｏｕｔ＿１と、第２振動モードで前記圧電素子を駆動する交流信号を生成するための前記直流電圧Ｖｏｕｔ＿（アンダーバー）２とを同じにして、
    　　前記第１振動モードの所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿１と、前記第２振動モードの前記所定期間内において前記圧電素子に印加される実効電圧Ｖｅｆｆ＿２とが異なるように前記圧電素子を駆動する、光学装置。
  12. 　請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の前記光学装置と、
    　前記透光体が視野方向となるように配置された撮像素子と、を備える撮像ユニット。
PCT/JP2023/023278 2022-10-19 2023-06-23 光学装置、および光学装置を備える撮像ユニット WO2024084743A1 (ja)

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WO2013141377A1 (ja) * 2012-03-23 2013-09-26 株式会社ニコン 振動アクチュエータの駆動装置及び光学機器
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JP2022072661A (ja) * 2020-10-30 2022-05-17 株式会社村田製作所 洗浄装置、洗浄装置を備える撮像ユニット、および洗浄方法

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