JP7663134B2 - 光学モジュールおよび光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動によって液滴などを除去する光学モジュールおよび光学装置に関する。

特許文献１には、光学素子のドーム部を形成する曲面の端部と接続し、ドーム部に屈曲振動を発生させる加振部材を具備する液滴排除装置が開示されている。特許文献１に記載の液滴排除装置では、防滴カバーと圧電素子とが接着固定されており、圧電素子の振動によって防滴カバーを屈曲振動させ、防滴カバーの表面に付着した液滴等を除去する。

特開２０１７－１７０３０３号公報

特許文献１に記載の装置では、振動減衰を抑制するという点で未だ改善の余地がある。

本発明の一態様の光学モジュールは、
透光体と、
筒状に形成され、前記透光体を支持する振動体と、
前記振動体に配置され、前記振動体を振動させる圧電素子と、
前記振動体の内側に配置される内層光学部品と、
を備え、
前記透光体において前記内層光学部品と対向する面には、前記透光体の厚み方向に窪み、且つ曲率を有する凹部が形成されており、
前記内層光学部品は、前記透光体と対向する内層レンズを含み、
前記内層レンズは、前記透光体に向かって突出し、且つ曲率を有する第１部分と、前記第１部分の外周に設けられた第２部分と、を含み、
前記第１部分の前記外周において、前記第１部分と前記透光体との間には、第１ギャップが形成されており、
前記第２部分と前記透光体との間には、第２ギャップが形成されており、
前記第２ギャップは、前記第１ギャップより大きい。

本発明の一態様の光学装置は、
前記態様の光学モジュールと、
前記光学モジュールに配置される光学素子と、
を備える。

本発明によれば、振動減衰を抑制することができる光学モジュールおよび光学装置を提供することができる。

本発明に係る実施の形態１の光学装置の一例を示す概略斜視図である。 本発明に係る実施の形態１の光学装置の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態１の光学装置の機能的構成の一例を示すブロック図である。 透光体と内層レンズとの間のギャップを説明するための模式図である。 比較例１、比較例２及び実施例１を説明するための模式図である。 比較例１、比較例２及び実施例１における透光体の変位量及び音圧のシミュレーション結果の一例を説明するグラフである。 比較例１、比較例２及び実施例１における変位分布及び音圧分布の一例を説明する図である。 第２ギャップの寸法と透光体の変位量との関係の一例を示すグラフである。 透光体の凹部の曲率と内層レンズの第１部分の曲率との関係の一例を説明するグラフである。 変形例１の光学モジュールの主な構成を示す概略断面図である。 変形例２の光学モジュールの主な構成を示す概略断面図である。 変形例３の光学装置の主な構成を示す概略断面図である。

（本発明に至った経緯）
車両の前部や後部に撮像素子などを備える撮像ユニットを設けた車両では、撮像ユニットで取得した画像を利用して安全装置を制御したり、自動運転制御を行っている。このような撮像ユニットは、車外に配置される場合がある。この場合、撮像ユニットの外装に保護カバー又はレンズなどの透光体を配置する。

このため、透光体に雨滴（液滴）、泥、塵埃などの異物が付着することがある。透光体に異物が付着すると、撮像ユニットで取得した画像に、異物が映り込み、鮮明な画像が得られなくなる場合がある。

近年、透光体を振動させることによって透光体に付着した異物を除去する装置が開発されている。このような装置においては、筒状の振動体に透光体を配置し、圧電素子などによって振動体を振動させることによって透光体を振動させている。また、振動体の内部には、内層レンズ等の内層光学部品が配置されている。

しかしながら、振動体の内部に配置される内層光学部品の位置によっては、透光体および／または振動体の振動を減衰させる場合がある。例えば、透光体と内層光学部品との間にはギャップが設けられており、ギャップの寸法によっては振動減衰が生じる。これにより、透光体に付着した異物を十分に除去できなくなるという課題がある。これは、発明者らが発見した新たな課題である。

例えば、透光体を振動させると、当該振動により音波が発生する。透光体から生じた音波が内層光学部品で反射し、音波の腹と節とを含む定在波が生じる。音波の腹では、他の部分と比べて音圧が上昇し、空気がより圧縮された状態となる。このため、音波の腹では、圧縮された空気がダンパーとして働き、振動減衰が発生する。よって、透光体と内層光学部品との間のギャップにおいて、透光体が配置される位置に音波の腹が形成される場合、透光体の振動が減衰されてしまう。その結果、透光体に付着した異物を十分に除去できない場合がある。

また、透光体から生じた音波の反射により生じる腹と節を避けて内層光学部品を配置するため、内層光学部品を透光体に近づけて配置し、透光体と内層光学部品との間のギャップを小さくすることが考えられている。この場合、定在波の有無にかかわらず、ギャップにおける空気の体積が小さくなり、音圧が上昇する。その結果、振動減衰が発生する場合がある。

本発明者らは、鋭意検討したところ、透光体と内層光学部品との間のギャップにおける音圧の上昇を抑制することによって、振動の減衰を抑制する構成を見出し、以下の発明に至った。

本発明の第１態様の光学モジュールは、透光体と、筒状に形成され、前記透光体を支持する振動体と、前記振動体に配置され、前記振動体を振動させる圧電素子と、前記振動体の内側に配置される内層光学部品と、を備え、前記透光体において前記内層光学部品と対向する面には、前記透光体の厚み方向に窪み、且つ曲率を有する凹部が形成されており、前記内層光学部品は、前記透光体と対向する内層レンズを含み、前記内層レンズは、前記透光体に向かって突出し、且つ曲率を有する第１部分と、前記第１部分の外周に設けられた第２部分と、を含み、前記第１部分の前記外周において、前記第１部分と前記透光体との間には、第１ギャップが形成されており、前記第２部分と前記透光体との間には、第２ギャップが形成されており、前記第２ギャップは、前記第１ギャップより大きい。

このような構成により、振動減衰を抑制することができる。

前記第２部分は、前記第１部分よりも前記透光体から離れる方向に窪んだ段差であってもよい。

このような構成により、振動減衰をさらに抑制することができる。

前記第２部分は、前記内層レンズの外周に向かって、前記透光体から離れる方向に傾斜した傾斜面を有していてもよい。

このような構成により、振動減衰をさらに抑制することができる。

前記第２ギャップは、前記第１ギャップの１．２倍以上であってもよい。

このような構成により、振動減衰をさらに抑制することができる。

前記透光体の厚み方向から見て、前記内層レンズの外径は、前記透光体の前記凹部の外径より大きくてもよい。

このような構成により、内層レンズの光学的特性を維持しつつ、振動減衰を抑制することができる。

前記内層レンズの前記第１部分の前記曲率は、前記透光体の前記凹部の前記曲率よりも大きくてもよい。

このような構成により、振動減衰をさらに抑制することができる。

前記第２部分は、前記内層レンズの厚み方向と直交するフラット面を有し、前記内層光学部品は、前記内層レンズを収納する筒状のレンズ保持部を含み、前記レンズ保持部は、前記レンズ保持部の内側で、前記フラット面と接触する押さえ部を有していてもよい。

このような構成により、内層レンズの光学的特性を維持しつつ、保持することができる。

前記第１部分は、前記透光体の前記凹部内に配置されてもよい。

このような構成により、モジュールを小型化しつつ、振動減衰を抑制することができる。

前記内層レンズは、球面レンズ又は非球面レンズで構成されてもよい。

このような構成により、振動減衰をさらに抑制することができる。

前記透光体の前記凹部は、半球状に窪んだ形状を有していてもよい。

このような構成により、振動減衰をさらに抑制することができる。

本開示の一態様の光学装置は、前記態様の光学モジュールと、前記光学モジュールに配置される光学素子と、を備える。

このような構成により、振動減衰を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。さらに、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは必ずしも合致していない。

（実施の形態１）
［光学装置］
図１は、本発明に係る実施の形態１の光学装置１００の一例を示す概略斜視図である。図２は、本発明に係る実施の形態１の光学装置１００の構成の一例を示す概略断面図である。図中のＸ，Ｙ，Ｚ方向は、光学装置１００の縦方向、横方向および高さ方向を示す。

図１及び図２に示すように、光学装置１００は、光学モジュール１と、光学素子２と、を備える。光学素子２は、光学モジュール１に配置されている。具体的には、光学素子２は、光学モジュール１の内部に配置されている。

本実施形態では、光学装置１００が撮像装置である例について説明する。光学装置１００は、例えば車両の前方、後方などに取り付けられ、撮像対象を撮像する。なお、光学装置１００が取り付けられる場所は、車両に限られず、船舶、航空機などの他の装置に取り付けられてもよい。

光学素子２は、撮像素子であり、例えば、可視領域から遠赤外領域のいずれかの波長の光を受光する、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ、ボロメーターやサーモパイルである。

光学装置１００は、車両などに取り付けて屋外で使用する場合、光学素子２の視野方向に配置され外部を覆う光学モジュール１の透光体１０に雨滴、泥、塵埃等の異物が付着することがある。光学モジュール１は、透光体１０に付着した雨滴等の異物を除去するため振動を発生させることができる。

［光学モジュール］
図１及び図２に示すように、光学モジュール１は、透光体１０、振動体２０、圧電素子３０、固定部４０および内層光学部品５０を備える。なお、光学モジュール１において、固定部４０は必須の構成ではない。

＜透光体＞
透光体１０は、光学素子２が検出する波長のエネルギー線又は光が透過する透光性を有する。本実施形態では、透光体１０は、光学素子２や内層光学部品５０を異物の付着から保護するためのカバーである。光学装置１００においては、光学素子２が透光体１０を通してエネルギー線又は光を検出する。

透光体１０を形成する材料としては、例えば、透光性のプラスチック、石英、ホウ桂酸などのガラス、透光性のセラミック又は合成樹脂などを用いることができる。透光体１０を例えば強化ガラスにより形成することで、透光体１０の強度を高めることが可能である。本実施形態では、透光体１０は、ＢＫ－７（ホウ珪酸ガラス）で形成されている。

透光体１０は、例えば、ドーム形状を有する。光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、透光体１０は円形に形成されている。なお、透光体１０の形状は、これに限定されない。

本実施形態では、透光体１０は、第１主面ＰＳ１と、第１主面ＰＳ１と反対側の第２主面ＰＳ２とを有する。第１主面ＰＳ１は、透光体１０の外側に位置する主面である。第１主面ＰＳ１は、連続した湾曲面で形成されている。具体的には、第１主面ＰＳ１は、丸く湾曲している。第２主面ＰＳ２は、透光体１０の内側に位置する主面である。第２主面ＰＳ２には、平坦面に凹部１１が設けられている。

具体的には、第２主面ＰＳ２は、透光体１０において内層光学部品５０と対向する面である。第２主面ＰＳ２には、透光体１０の厚み方向（Ｚ方向）に窪み、且つ曲率を有する凹部１１が形成されている。例えば、凹部１１は、透光体１０の厚み方向（Ｚ方向）から見て、透光体１０の中央に設けられており、円形状を有する。例えば、凹部１１は、半球状に窪んだ形状を有する。

透光体１０の外周端部は、振動体２０に接合されている。具体的には、透光体１０の厚み方向（Ｚ方向）から見たときの透光体１０の外周に沿って、透光体１０の第２主面ＰＳ２と振動体２０の振動フランジ２１とが接合されている。透光体１０と振動体２０との接合は、例えば、接着材又はろう材を用いて行うことができる。または、熱圧着または陽極接合等を用いることもできる。

＜振動体＞
振動体２０は、筒状に形成され、透光体１０を支持する。また、振動体２０は、圧電素子３０によって振動させられることによって、透光体１０を振動させる。

振動体２０は、振動フランジ２１、第１筒状体２２、ばね部２３、第２筒状体２４、振動板２５および接続部２６を有する。なお、振動体２０において、接続部２６は必須の構成ではない。

振動フランジ２１は、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、円環状の板部材で形成されている。振動フランジ２１は、透光体１０の外周に沿って配置され、透光体１０と接合されている。振動フランジ２１は、透光体１０と面接触することによって透光体１０を安定して支持している。

第１筒状体２２は、一端と他端とを有する筒状に形成されている。第１筒状体２２は、内部に貫通孔が設けられた中空部材からなる。貫通孔は、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）に設けられており、第１筒状体２２の一端と他端とに貫通孔の開口が設けられている。第１筒状体２２は、例えば、円筒形状を有する。光学モジュール１の高さ方向から見て、第１筒状体２２の外形及び貫通孔の開口は、円形に形成されている。

第１筒状体２２の一端には振動フランジ２１が設けられており、第１筒状体２２の他端にはばね部２３が設けられている。第１筒状体２２は、振動フランジ２１を支持する一方で、ばね部２３によって支持されている。

ばね部２３は、第１筒状体２２の他端を支持する板バネである。ばね部２３は、弾性変形するように構成されている。ばね部２３は、円筒状の第１筒状体２２の他端を支持し、支持した位置から第１筒状体２２の外側に向かって延伸している。

ばね部２３は、板状に形成されている。また、ばね部２３は、内部に貫通孔が設けられた中空円状を有し、第１筒状体２２の周囲を円形状に囲むように延伸している。言い換えると、ばね部２３は、円環板状を有している。円環板状とは、板状部材が環状に形成されている形状を意味する。光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、ばね部２３の外形及び貫通孔の開口は、円形に形成されている。

ばね部２３は、第１筒状体２２と第２筒状体２４とを接続している。具体的には、ばね部２３は、ばね部２３の内周側で第１筒状体２２と接続され、ばね部２３の外周側で第２筒状体２４と接続されている。

第２筒状体２４は、一端と他端とを有する筒状に形成されている。第２筒状体２４は、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、第１筒状体２２よりも外側に位置し、ばね部２３を支持している。第２筒状体２４の一端には、ばね部２３が接続されている。第２筒状体２４の他端には振動板２５が接続されている。

第２筒状体２４は、内部に貫通孔が設けられた中空部材からなる。貫通孔は、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）に設けられており、第２筒状体２４の一端と他端とに貫通孔の開口が設けられている。第２筒状体２４は、例えば、円筒形状を有する。光学モジュール１の高さ方向から見て、第２筒状体２４の外形及び貫通孔の開口は、円形に形成されている。

振動板２５は、第２筒状体２４の他端から内側に伸びる板状の部材である。振動板２５は、第２筒状体２４の他端を支持し、支持した位置から第２筒状体２４の内側に向かって延伸している。

振動板２５は、内部に貫通孔が設けられた中空円状を有し、第２筒状体２４の内周に沿って設けられている。振動板２５は、円環板状を有する。

接続部２６は、振動板２５と固定部４０とを接続する。接続部２６は、振動板２５の外周端部から外側に向かって延び、且つ固定部４０に向かって屈曲している。接続部２６は、固定部４０に支持されている。接続部２６は、ノードを有するように構成されており、振動板２５からの振動が伝達されにくくなっている。

本実施形態では、第１筒状体２２、ばね部２３、第２筒状体２４、振動板２５および接続部２６は、一体的に形成される。なお、第１筒状体２２、ばね部２３、第２筒状体２４、振動板２５および接続部２６は、別体で形成されてもよいし、別部材で形成されてもよい。

上記した振動体２０を構成する要素は、例えば、金属またはセラミックスにより形成される。金属としては、例えば、ステンレス、４２アロイ、５０アロイ、インバー、スーパーインバー、コバール、アルミニウム、またはジュラルミン等を使用することができる。あるいは、振動体２０を構成する要素は、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックスで形成されていてもよいし、Ｓｉなどの半導体により形成されてもよい。さらには、振動体２０を構成する要素は、絶縁材料で覆われていてもよい。また、振動体２０を構成する要素には黒体処理がされていてもよい。

また、振動体２０を構成する要素の形状や配置は、上記した例に限定されない。

＜圧電素子＞
圧電素子３０は、振動体２０に配置され、振動体２０を振動させる。圧電素子３０は、振動板２５の主面に設けられている。具体的には、圧電素子３０は、振動板２５において透光体１０が位置する側と反対側の主面に設けられている。圧電素子３０は、振動板２５を振動させることによって、第２筒状体２４を貫通方向（Ｚ方向）に振動させる。例えば、圧電素子３０は、電圧が印加されることによって振動する。

圧電素子３０は、内部に貫通孔が設けられた中空円状を有する。言い換えると、圧電素子３０は、円環板状を有する。光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、圧電素子３０の外形及び貫通孔の開口は、円形に形成されている。

なお、圧電素子３０の外形及び貫通孔の開口は、これに限定されない。

圧電素子３０は、圧電体と、電極と、を有する。圧電体を形成する材料としては、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＴｉＯ_３・ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、メタニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ_２Ｏ_６）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３などの適宜の圧電セラミックス、又はＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３などの適宜の圧電単結晶などを用いることができる。電極は、例えば、Ｎｉ電極であってもよい。電極は、スパッタリング法により形成される、Ａｇ又はＡｕなどの金属薄膜からなる電極であってもよい。あるいは、電極はスパッタリングの他、めっき、蒸着でも形成可能である。

固定部４０は、振動体２０を固定する。また、固定部４０は、内層光学部品５０を固定する。固定部４０は、筒状に形成されている。例えば、固定部４０は、円筒形状を有する。なお、固定部４０の形状は、円筒形状に限定されない。固定部４０は、振動体２０と一体で形成されていてもよい。

＜内層光学部品＞
図２に示すように、内層光学部品５０は、振動体２０の内部に配置される光学部品である。例えば、内層光学部品５０は、レンズモジュールである。

本実施形態では、内層光学部品５０は、内層レンズ５１と、レンズ保持部５２と、内層フランジ５３と、を有する。

内層レンズ５１は、複数のレンズで構成されている。内層レンズ５１は、振動体２０の内側で光学素子２の光路上に配置されており、透光体１０と対向する。内層レンズ５１は、透光体１０と対向する側において、第１部分５１ａと、第２部分５１ｂと、を含む。具体的には、内層レンズ５１を構成する複数のレンズのうち、透光体１０と対向する位置に配置されるレンズが、第１部分５１ａと、第２部分５１ｂと、を含む。

第１部分５１ａは、内層レンズ５１において、透光体１０に向かって突出し、且つ曲率を有する部分である。第１部分５１ａは、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）から見て、円形状を有する。第１部分５１ａは、内層レンズ５１の中央に向かって厚みが大きくなる形状を有する。例えば、第１部分５１ａは、球面形状を有する。また、第１部分５１ａは、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）に延びる外壁を有している。第１部分５１ａは、外壁の下端で第２部分５１ｂと接続されている。

第２部分５１ｂは、内層レンズ５１において、第１部分５１ａの外周に設けられる部分である。第２部分５１ｂは、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）から見て、環状に形成されている。

本実施形態では、第２部分５１ｂは、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）において、第１部分５１ａよりも透光体１０から離れる方向に窪んだ段差である。第２部分５１ｂは、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）において、第１部分５１ａよりも透光体１０から離れた位置に形成されるフラット面ＦＳ１を有する。フラット面ＦＳ１は、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）と直交する。即ち、フラット面ＦＳ１は、Ｘ，Ｙ方向に延びている。

内層レンズ５１は、例えば、球面レンズで構成されている。なお、内層レンズ５１は、球面レンズに限定されず、非球面レンズで構成されていてもよい。

レンズ保持部５２は、内層レンズ５１を保持する。レンズ保持部５２は、一端と他端とを有する筒状に形成されている。具体的には、レンズ保持部５２は、円筒形状を有し、内層レンズ５１の外周を保持している。

レンズ保持部５２は、レンズ保持部５２の内側で第２部分５１ｂのフラット面ＦＳ１と接触する押さえ部５２ａを有する。押さえ部５２ａは、レンズ保持部５２の一端において、レンズ保持部５２の内側に突出する部材である。押さえ部５２ａは、内層光学部品５０の高さ方向（Ｚ方向）から見て、環状に形成されている。押さえ部５２ａは、第２部分５１ｂのフラット面ＦＳ１と接触し、フラット面ＦＳ１を内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）に押圧している。

本実施の形態では、レンズ保持部５２の他端において、内層レンズ５１に接触する接触部５２ｂが設けられている。接触部５２ｂは、レンズ保持部５２の他端側において、レンズ保持部５２の内側に突出する。例えば、接触部５２ｂは、内層光学部品５０の高さ方向（Ｚ方向）から見て、環状に形成されている。内層レンズ５１は、レンズ保持部５２内に収納され、押さえ部５２ａによって接触部５２ｂに対して押圧される。これにより、内層レンズ５１が、レンズ保持部５２内に保持される。なお、接触部５２ｂは、レンズ保持部５２から着脱可能であってもよい。例えば、接触部５２ｂは、円環形状を有し、ねじ構造によってレンズ保持部５２に取り付けられてもよい。

内層フランジ５３は、レンズ保持部５２の外壁から外側に向かって延びる。具体的には、内層フランジ５３は、レンズ保持部５２の他端に接続され、固定部４０に向かって延びている。内層フランジ５３は、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、円環板状に形成されている。内層フランジ５３の外周は、固定部４０に接続されている。内層フランジ５３は、固定部４０に支持されることによって振動体２０の内側に固定されている。

図３は、本発明に係る実施の形態１の光学装置１００の機能的構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、圧電素子３０は、制御部３によって制御される。制御部３は、振動を発生させる駆動信号を圧電素子３０に印加する。制御部３は、例えば、給電導体を介して圧電素子３０と接続されている。圧電素子３０は、制御部３からの駆動信号に基づいて光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）に振動する。圧電素子３０が振動することによって、振動体２０を振動させ、振動体２０の振動を透光体１０に伝えることによって透光体１０が振動する。これにより、透光体１０に付着した雨滴等の異物が除去される。

制御部３は、例えば、半導体素子などで実現可能である。例えば、制御部３は、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成することができる。制御部３の機能は、ハードウェアのみで構成してもよいし、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせることにより実現してもよい。

例えば、制御部３は、記憶部に格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、所定の機能を実現する。

制御部３は、光学装置１００に含まれていてもよいし、光学装置１００とは別の制御装置に含まれていてもよい。例えば、制御部３が光学装置１００に含まれていない場合、光学装置１００は制御部３を含む制御装置によって制御されてもよい。あるいは、制御部３は、光学モジュール１に含まれていてもよい。

［ギャップについて］
次に、光学モジュール１において、透光体１０と内層レンズ５１との間に形成されるギャップについて説明する。

図２に戻って、透光体１０と内層レンズ５１との間には、ギャップＧ０が形成されている。

図４は、透光体１０と内層レンズ５１との間のギャップＧ０を説明するための模式図である。図４（ａ）は透光体１０を第１主面ＰＳ１側から見た概略図を示し、図４（ｂ）は透光体１０付近の概略断面図を示す。図４中の符号Ｄ１１は透光体１０の外径を示し、符号Ｄ１２は透光体１０の凹部１１の外径を示し、符号Ｄ２１は内層レンズ５１の第１部分５１ａの外径を示し、符号Ｄ２２は内層レンズ５１の第２部分５１ｂの外径を示す。符号Ａ１は、透光体１０の振動方向を示す。なお、凹部１１の外径Ｄ１２は、透光体１０の第２主面ＰＳ２において凹部１１を画定する径を意味する。また、内層レンズ５１の第２部分５１ｂの外径Ｄ２２は、内層レンズ５１の外径も意味する。また、符号Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２は、それぞれ、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見たときの寸法である。

本実施形態では、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）から見て、凹部１１の外径Ｄ１２は、内層レンズ５１の第１部分５１ａの外径Ｄ１１よりも大きい。また、内層レンズ５１の外径Ｄ２２は、凹部１１の外径Ｄ１２より大きい。これにより、光学的特性を向上させることができる。内層レンズ５１の外径Ｄ２２を凹部１１の外径Ｄ１２より大きくすることによって、透光体１０から入射する光が、内層レンズ５１を通って光学素子２に入射しやすくなる。

図４に示すように、ギャップＧ０は、透光体１０と内層レンズ５１との間に形成されている。具体的には、ギャップＧ０は、透光体１０の第２主面ＰＳ２と、内層レンズ５１において透光体１０の第２主面ＰＳ２と対向する面と、の間に形成されている。

ギャップＧ０においては、第１ギャップＧ１と第２ギャップＧ２とが形成されている。第１ギャップＧ１は、内層レンズ５１の第１部分５１ａの外周において、第１部分５１ａと透光体１０との間に形成される。例えば、第１ギャップＧ１は、第１部分５１ａの外周において、第１部分５１ａと凹部１１との間に形成される。第２ギャップＧ２は、内層レンズ５１の第２部分５１ｂと透光体１０との間に形成される。例えば、第２ギャップＧ２は、第２部分５１ｂのフラット面ＦＳ１と透光体１０の第２主面ＰＳ２との間に形成される。

第２ギャップＧ２は、第１ギャップＧ１よりも大きい。具体的には、光学モジュール１の高さ方向（Ｚ方向）において、第２ギャップＧ２の寸法は、第１ギャップＧ１の寸法より大きい。第２ギャップＧ２の寸法を第１ギャップG1の寸法より大きくすることによって、ギャップＧ０における空気の体積が小さくなることを抑制している。これにより、ギャップＧ０内で音圧が上昇し、振動減衰が生じることを抑制できる。

なお、本実施形態では、第２部分５１ｂには、押さえ部５２ａが配置されているが、第２ギャップＧ２を押さえ部５２ａの厚みの分小さくなった場合でも、第２ギャップＧ２は第１ギャップＧ１よりも大きくなっている。

［透光体の変位量及び音圧の関係について］
透光体１０の変位量と音圧の関係を調べるために比較例１、比較例２及び実施例１の解析モデルを用いてシミュレーションを行った。比較例１、比較例２及び実施例１の解析モデル及びシミュレーション結果について、図５～図７を用いて説明する。なお、シミュレーションは、ムラタソフトウェア株式会社製のＦｅｍｔｅｔを用いて、圧電／音波解析（調和解析、強連成）を行った。解析モデルにおいて、透光体１０の材料はホウケイ酸ガラスであり、振動体２０を形成する材料はステンレスであり、圧電素子３０はＰＺＴであった。また、透光体１０と振動体２０とは、エポキシ樹脂で接着した。また、振動体２０の共振周波数は２７ｋＨｚとした。

図５は、比較例１、比較例２及び実施例１を説明するための模式図である。図５に示すように、比較例１では、透光体と対向する面がフラット面である内層レンズを有する解析モデルを用いている。比較例２では、透光体と対向する面が透光体に向かって突出し、且つ曲率を有する内層レンズを有する解析モデルを用いている。比較例２の内層レンズでは、透光体と対向する面は、第１部分５１ａのみで形成されており、第２部分５１ｂを有していない。実施例１では、本実施の形態で説明する光学モジュール１の構成を有する解析モデルを用いている。なお、比較例１及び比較例２においては、内層レンズの構成のみが異なり、他の構成については実施例１と同じである。

図６は、比較例１、比較例２及び実施例１における透光体の変位量及び音圧のシミュレーション結果の一例を説明するグラフである。なお、図６に示す音圧はギャップＧ０内の音圧を示し、変位量は透光体１０の中央部分の変位量を示す。

図６に示すように、実施例１では、比較例１及び比較例２と比べて、ギャップＧ０内の音圧が小さくなり、透光体１０の変位量が大きくなっている。実施例１においては、内層レンズ５１の第１部分５１ａが透光体１０に向かって突出し、且つ曲率を有する面を形成している。このため、第１部分５１ａで反射する音波が拡散しやすい。

また、第１部分５１ａの外周に、第１部分５１ａよりも透光体１０から離れる方向に配置される第２部分５１ｂが設けられている。このため、第１部分５１ａの外周における第１部分５１ａと透光体１０との間の第１ギャップＧ１よりも、第２部分５１ｂと透光体１０との間の第２ギャップＧ２が大きくなっている。このため、ギャップＧ０内の音波が内層レンズ５１の径方向外側に向かって放出しやすくなる。

一方、比較例１では、透光体１０と面する内層レンズの面がフラットに形成されているため、内層レンズで反射する音波が拡散しにくい。また、透光体の中央から径方向外側に向かってギャップが小さくなっているため、ギャップ内の音波が内層レンズの径方向外側に放出されにくい。

比較例２では、透光体１０と面する内層レンズの面が透光体１０に向かって突出し、且つ曲率を有する面に形成されているため、内層レンズで反射する音波が拡散しやすい点で比較例１と異なる。しかしながら、透光体の中央から径方向外側に向かってギャップが小さくなっているため、ギャップ内の音波が内層レンズの径方向外側に放出されにくい点は、比較例１と同様である。

このように、実施例１では、比較例１及び比較例２と比べて、ギャップＧ０内から音波が放出されやすい構成となっており、ギャップＧ０内の音波を小さくすることができる。その結果、振動減衰を抑え、透光体１０の変位量を大きくすることができる。

図７は、比較例１、比較例２及び実施例１における変位分布及び音圧分布の一例を説明する図である。図７に示すように、比較例１では透光体の最大変位量が約６μｍであり、比較例２では最大変位量が約６．５μmであり、実施例１では最大変位量が約７．２μｍとなっている。

一方、音圧分布に着目すると、実施例１では、比較例１及び比較例２と比べて、内層レンズ５１の径方向外側に音波が放出されていることが分かる。即ち、実施例１では、比較例１及び比較例２と比べて、ギャップＧ０内に音波が集中することを抑制していることがわかる。

［第２ギャップの寸法について］
図８は、第２ギャップＧ２の寸法と透光体の変位量との関係の一例を示すグラフである。図８に示すように、第２ギャップＧ２の寸法が大きくなるほど、透光体１０の変位量が大きくなっている。本実施の形態では、第１ギャップＧ１の寸法は５０μｍである。第２ギャップＧ２の寸法は、５０μｍより大きいことが好ましい。より好ましくは、第２ギャップＧ２の寸法は、６０μｍ以上である。

あるいは、第２ギャップＧ２の寸法は、第１ギャップＧ１の寸法の１．２倍以上が好ましい。より好ましくは、第２ギャップＧ２の寸法は、第１ギャップＧ１の寸法の１．５倍以上である。

［透光体の凹部の曲率と内層レンズの第１部分の曲率の関係について］
透光体１０の凹部１１の曲率と内層レンズ５１の第１部分５１ａの曲率の関係について、図９を用いて説明する。

図９は、透光体１０の凹部１１の曲率と内層レンズ５１の第１部分５１ａの曲率との関係の一例を説明するグラフである。図９において、横軸は曲率の差を示し、縦軸は透光体１０の変位量を示す。なお、「曲率の差」とは、凹部１１の曲率から第１部分５１ａの曲率を減算した値を意味する。

図９において、曲率の差が「－１」であるとき、凹部１１の曲率より第１部分５１ａの曲率が大きい。曲率の差が「０」であるとき、凹部１１の曲率と第１部分５１ａの曲率とが等しい。曲率の差が「＋１」であるとき、凹部１１の曲率より第１部分５１ａの曲率が小さい。

図９に示すように、曲率の差が「－１」のとき、曲率の差が「０」及び「＋１」であるときと比べて、音圧が下がり、透光体１０の変位量が大きくなっている。即ち、凹部１１の曲率より第１部分５１ａの曲率が大きくなるほど、音圧が下がり、変位量が大きくなっている。

このことから、透光体１０の凹部１１の曲率は、内層レンズ５１の第１部分５１ａの曲率よりも小さいことが好ましい。これにより、ギャップＧ０内の音圧を小さくでき、振動減衰を抑制できる。その結果、透光体１０の変位量を大きくすることができる。

［効果］
実施の形態１に係る光学モジュール１及び光学装置１００によれば、以下の効果を奏することができる。

光学モジュール１は、透光体１０、振動体２０、圧電素子３０および内層光学部品５０を備える。振動体２０は、筒状に形成され、透光体１０を支持する。圧電素子３０は、振動体２０に配置され、振動体２０を振動させる。内層光学部品５０は、振動体２０の内側に配置される。透光体１０において内層光学部品５０と対向する面ＰＳ２には、透光体１０の厚み方向（Ｚ方向）に窪み、且つ曲率を有する凹部１１が形成されている。内層光学部品５０は、透光体１０と対向する内層レンズ５１を含む。内層レンズ５１は、透光体１０に向かって突出し、且つ曲率を有する第１部分５１ａと、第１部分５１ａの外周に設けられた第２部分５１ｂと、を含む。第１部分５１ａの外周において、第１部分５１ａと透光体１０との間には、第１ギャップＧ１が形成されている。第２部分５１ｂと透光体１０との間には、第２ギャップＧ２が形成されている。第２ギャップＧ２は、第１ギャップＧ１より大きい。

このような構成により、振動減衰を抑制することができる。光学モジュール１によれば、透光体１０と内層レンズ５１との間に形成されるギャップＧ０内で音圧が集中することを抑制することができる。具体的には、内層レンズ５１において、第２ギャップＧ２を第１ギャップＧ１よりも大きくすることによって、ギャップＧ０内で反射した音波が内層レンズ５１の外側へ放出されやすくなる。これにより、ギャップＧ０内で音圧が小さくなり、透光体１０の振動減衰を抑制することができる。その結果、透光体１０の変位量を大きくすることができ、透光体１０に付着した液滴の除去効率を向上させることができる。

第２部分５１ｂは、第１部分５１ａよりも透光体１０から離れる方向に窪んだ段差である。このような構成により、第２ギャップＧ２を第１ギャップＧ１より大きくすることができ、透光体１０の振動減衰を抑制することができる。

第２ギャップＧ２は、第１ギャップＧ１の１．２倍以上である。このような構成により、透光体１０の振動減衰をより抑制させることができる。

透光体１０の厚み方向（Ｚ方向）から見て、内層レンズ５１の外径Ｄ２２は、透光体１０の凹部１１の外径Ｄ１２より大きい。このような構成により、光学的特性を向上させつつ、透光体１０の振動減衰を抑制することができる。

内層レンズ５１の第１部分５１ａの曲率は、透光体１０の凹部１１の曲率よりも大きい。このような構成により、第１部分５１ａで反射する音波をより拡散しやすくなる。これにより、ギャップＧ０内で音圧が集中することをより抑制することができ、振動減衰をより抑制することができる。

第２部分５１ｂは、内層レンズ５１の厚み方向（Ｚ方向）と直交するフラット面ＦＳ１を有する。内層光学部品５０は、内層レンズ５１を収納する筒状のレンズ保持部５２を含む。レンズ保持部５２は、レンズ保持部５２の内側で、フラット面ＦＳ１と接触する押さえ部５２ａを有する。このような構成により、第２部分５１ｂで音圧の集中を抑制しつつ、内層レンズ５１をレンズ保持部５２の押さえ部５２ａによって安定して保持することができる。これにより、内層レンズ５１の脱落を抑制し、位置ずれを抑制することで、光学的な経路を維持することができる。

内層レンズ５１は、球面レンズ又は非球面レンズで構成される。このような構成により、第１部分５１ａ及び第２部分５１ｂを有する内層レンズ５１を容易に作ることができる。

透光体１０の凹部１１は、半球状に窪んだ形状を有する。このような構成により、透光体１０の凹部１１においても音波を反射する際に、音波を拡散させることができる。これにより、ギャップＧ０内で音圧が集中することを抑制し、振動減衰を抑制することができる。

光学装置１００は、光学モジュール１と、光学モジュール１に配置される光学素子２と、備える。このような構成により、上述した光学モジュール１と同様の効果を奏することができる。

＜変形例１＞
図１０は、変形例１の光学モジュール１Ａの主な構成を示す概略断面図である。図１０に示すように、内層レンズ５１Ａの第２部分５１ｂａは、内層レンズ５１Ａの外周に向かって、透光体１０から離れる方向に傾斜した傾斜面ＦＳ２を有していてもよい。傾斜面ＦＳ２は、内層レンズ５１Ａの径方向外側に向かって、第２ギャップＧ２が連続して大きくなるように傾斜している。内層レンズ５１Ａは、例えば、非球面レンズで構成してもよい。

このような構成においても、第２ギャップＧ２を第１ギャップＧ１より大きくすることができるため、ギャップＧ０内の音圧の集中を抑制し、透光体１０の振動減衰を抑制することができる。

＜変形例２＞
図１１は、変形例２の光学モジュール１Ｂの主な構成を示す概略断面図である。図１１に示すように、内層レンズ５１の第１部分５１ａが透光体１０Ａの凹部１１Ａ内に配置されてもよい。また、凹部１１Ａの曲率は、内層レンズ５１の第１部分５１ａの曲率より大きくてもよい。

このような構成により、透光体１０と内層レンズ５１をより近づけて配置して光学モジュール１を小型化することができる。このように透光体１０と内層レンズ５１を近づけて配置し、ギャップＧ０が小さくなったとしても、第２ギャップＧ２を第１ギャップＧ１より大きくすることによって、ギャップＧ０内から音波を放出しやすい構成となっている。これにより、光学モジュール１Ｂの小型化を実現しつつ、ギャップＧ０内の音圧の集中を抑制し、透光体１０の振動減衰を抑制することができる。

＜変形例３＞
図１２は、変形例３の光学装置１００Ａの主な構成を示す概略断面図である。図１２に示すように、光学装置１００Ａにおける光学モジュール１Cでは、振動体２０Ａの角部に湾曲部Ｒ１が設けられている。湾曲部Ｒ１は、振動体２０Ａの各構成要素が接続される部分に設けられている。湾曲部Ｒ１は、丸く湾曲した形状を有する。

振動体２０Ａの角部に湾曲部Ｒ１を設けることによって、振動体２０Ａの振動時において応力を分散させることができる。これにより、応力を低減することができるため、振動体２０Ａの疲労破壊を抑制することができ、信頼性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、第２部分５１ｂが段差又は傾斜面で構成される例について説明したが、これに限定されない。第２部分５１ｂは、第１ギャップＧ１より第２ギャップＧ２が大きくなるように形成されていればよい。例えば、第２部分５１ｂは、透光体１０から離れる方向に湾曲した湾曲面で構成されていてもよい。湾曲面とは、例えば、曲率を有する面である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明の振動装置および振動制御方法は、屋外で使用する車載カメラ、監視カメラ、またはＬｉＤＡＲ等の光センサへ適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 光学モジュール
２ 光学素子
３ 制御部
１０，１０Ａ 透光体
１１，１１Ａ 凹部
２０，２０Ａ 振動体
２１ 振動フランジ
２２ 第１筒状体
２３ ばね部
２４ 第２筒状体
２５ 振動板
２６ 接続部
３０ 圧電素子
４０ 固定部
５０ 内層光学部品
５１，５１Ａ 内層レンズ
５１ａ 第１部分
５１ｂ，５１ｂａ 第２部分
５２ レンズ保持部
５２ａ 押さえ部
５２ｂ 接触部
５３ 内層フランジ
１００，１００Ａ 光学装置
Ａ１ 振動方向
Ｃ１ 中心
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２ 外径
ＦＳ１ フラット面
ＦＳ２ 傾斜面
Ｇ０ ギャップ
Ｇ１ 第１ギャップ
Ｇ２ 第２ギャップ
ＰＳ１ 第１主面
ＰＳ２ 第２主面

Claims (11)

1. 透光体と、
   筒状に形成され、前記透光体を支持する振動体と、
   前記振動体に配置され、前記振動体を振動させる圧電素子と、
   前記振動体の内側に配置される内層光学部品と、
   を備え、
   前記透光体において前記内層光学部品と対向する面には、前記透光体の厚み方向に窪み、且つ曲率を有する凹部が形成されており、
   前記内層光学部品は、前記透光体と対向する内層レンズを含み、
   前記内層レンズは、前記透光体に向かって突出し、且つ曲率を有する第１部分と、前記第１部分の外周に設けられた第２部分と、を含み、
   前記第１部分の前記外周において、前記第１部分と前記透光体との間には、第１ギャップが形成されており、
   前記第２部分と前記透光体との間には、第２ギャップが形成されており、
   前記第２ギャップは、前記第１ギャップより大きい、
   光学モジュール。
2. 前記第２部分は、前記第１部分よりも前記透光体から離れる方向に窪んだ段差である、
   請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記第２部分は、前記内層レンズの外周に向かって、前記透光体から離れる方向に傾斜した傾斜面を有する、
   請求項１に記載の光学モジュール。
4. 前記第２ギャップは、前記第１ギャップの１．２倍以上である、
   請求項１に記載の光学モジュール。
5. 前記透光体の厚み方向から見て、前記内層レンズの外径は、前記透光体の前記凹部の外径より大きい、
   請求項１に記載の光学モジュール。
6. 前記内層レンズの前記第１部分の前記曲率は、前記透光体の前記凹部の前記曲率よりも大きい、
   請求項１に記載の光学モジュール。
7. 前記第２部分は、前記内層レンズの厚み方向と直交するフラット面を有し、
   前記内層光学部品は、前記内層レンズを収納する筒状のレンズ保持部を含み、
   前記レンズ保持部は、前記レンズ保持部の内側で、前記フラット面と接触する押さえ部を有する、
   請求項１に記載の光学モジュール。
8. 前記第１部分は、前記透光体の前記凹部内に配置される、
   請求項１に記載の光学モジュール。
9. 前記内層レンズは、球面レンズ又は非球面レンズで構成される、
   請求項１に記載の光学モジュール。
10. 前記透光体の前記凹部は、半球状に窪んだ形状を有する、
    請求項１に記載の光学モジュール。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の光学モジュールと、
    前記光学モジュールに配置される光学素子と、
    を備える、光学装置。

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