JPH01164104A - 振動子励振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野）、。

本発明は、超音波振動を発生させるための圧電振動子を
高効率駆動でき、圧電振動子の駆動パワーを微調整可能
な振動子励振回路に関する。

（発明の概要） 本発明は、超音波振動を発生させるための圧電振動子を
駆動する振動子励振回路において、圧電振動子の共振周
波数に追従するように制御された電圧制御発振回路への
周波数制御用信号をＶ＆調整可能にし、ひいては圧電振
動子の駆動パワーを微細に可変自在としたものである。

（従来の技術及び問題点） 超音波加工、超音波振動を利用した液体の霧化等を実行
する場合には、圧電素子をホーン等の機械構造体に一体
化した圧電振動子が利用される。

このような、圧電振動子はホーン等の機械構造体にかか
る負荷が変動すると、共振周波数（共振点）も変動する
ため、このような圧電振動子を駆動するには、周波数の
追尾が必要となり、自励発振回路やＰＬＬを使った駆動
をしなければ精度の高い駆動は出来ない。特にＱが高く
、大電力の励振が必要なボルト締めランジュバン形圧電
振動子では、周波数の追尾を行いつつパワー可変を実行
するのが非常に難しい。

ボルト締めランジュバン形圧電振動子のパワー可変のた
めの最も基本的な考えとしては、電力増幅回路としてＡ
ｌ又はＢｗｋ電力増幅回路を採用し、その入力を制御す
る構成があるが、電力増幅回路のトランジスタの電力損
失が多くて効率が低く、現在では使われなくなりつつあ
る。

一方、電力増幅回路のトランジスタを０級で駆動したり
、パルス波形で駆動する振動子励振回路は、トランジス
タをスイッチングで使うため、電力損失は少なくなる。

しかし、この場合にはパワー可変に工夫を要する。例え
ば、電力増幅回路のトランジスタをパルス波形で駆動す
る場合には、駆動パルス信号のオン期間又はオフ期間の
幅を制御してパワー可変することが提案されているが、
圧電振動子の共振周波数付近での使用に限られ、しかも
パルス幅をあまり大きく変化させると、駆動パルス信号
の周波数成分が変わってしまい、圧電振動子の共振周波
数から外れてしまうおそれがあり、０．１％程度の周波
数精度が要求される場合には、このパワー可変では圧電
振動子のばらつきを考慮すると充分ではない。

さらに、本出願人より圧電振動子の駆動パワーに略比例
する電力増幅回路の出力電流（出力トランジスタのエミ
ッタ電流）を検出し、この出力電流が一定値となるよう
に圧電振動子の共振周波数の変化に対し周波数追尾を実
行する圧電振動子の駆動方式が特開昭６１−１４４９０
１号で提案されているが、このような駆動方式を採用し
た場合、電力増幅回路の電源電圧を変更してパワー制御
を実行すると、出力電流も変動してしまい、周波数追尾
が外れてしまう問題を生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑み、超音波振動を発生させ
るための圧電振動子をその共振周波数近傍で高効率駆動
でき、しかも圧電振動子の駆動パワーを微調整可能な振
動子励振回路を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、電圧制御発振回路の発振出力を電力増幅回路
で増幅して圧電振動子を駆動するとともに、前記電力増
幅回路の出力電流に略比例した電圧値と基準電圧値とを
比較して両電圧値の差に応じた周波数制御用信号を前記
電圧制御発振回路に帰還する検出制御回路を設けた振動
子励振回路において、繰り返し周期に比較してパルス幅
の狭い周波数微調用パルス信号を用いて前記周波数制御
用信号を可変するようにしたもので、このような手段に
より従来技術の問題点を解消している。

（作用） 本発明の振動子励振回路は、繰り返し周期に比較してパ
ルス幅の狭い周波数微調用パルス信号を用いて電圧制御
発振回路の周波数制御用信号を微細に変化させ得るから
、負荷変動に伴う圧電振動子の共振周波数変化に対して
、電圧制御発振回路の発振周波数を追従させつつ、その
発振周波数を前記共振周波数より微細にずらせることに
より、圧電振動子への入力パワーを微細に可変すること
ができる。

（実施例） 以下、本発明に係る振動子励振回路の実施例を図面に従
って説明する。

第１図は実施例のブロック図、第２図はその詳細を説明
する回路図である。

これらの図に示す如く、振動子励振回路は、電圧制御発
振回路１、パルス幅可変部２、ドライブ回路（４！衝増
幅回路）３、該ドライブ回路３の出力を段間トランスＴ
１を介して受ける電力増幅回路４を有している。電力増
幅回路４の出力は、出カドランスＴ２を介して圧電振動
子ＴＤに供給される。

ここで、圧電振動子ＴＤは、圧電素子をホーン等の機械
構造体に一体化したもので、例えばランジュバン形圧電
振動子等である。

また、電圧制御発振回路１は例えば非安定マルチバイブ
レーク等で構成され、パルス幅可変部２はＰｔ５２図に
示すように７オトカツプラＰＣ１の受光素子Ｐ　Ｒ＋で
電圧制御発振回路１のパルス幅に関係した回路定数を変
化させるも１成である。

また、電圧制御発振回路１の発振周波数を圧電振動子Ｔ
Ｄの共振周波数（共振点）の変化に追従させるために、
検出制御回路５が設けられている。

該検出＠Ｉｉ御回路５は、平滑回路６と基準電圧発生部
７と比較器８とがらなっている。前記電力増幅回路４の
トランジスタＱ１のエミッタ側には抵抗器Ｒ，が挿入さ
れ、前記電力増幅回路４の出力電流に略比例した電圧と
なる前記抵抗器Ｒ１両端の電圧が、平滑回路６で平滑さ
れて前記比較器８の一方の入力に印加される。比較器８
の他方の入力には前記基準電圧発生部７の基準電圧値Ｖ
　ｒｅｆが印加される。

ここで、比較器８は、第２図のように演算増幅器ｏＰ、
を用いた回路で構成され、平滑回路６は抵抗器Ｒ２−Ｒ
３及びコンデンサＣ１で構成されている。基準電圧発生
部７は可変抵抗器ＶＲ，を持ち、この両端の電圧が基準
電圧値Ｖ　ｒｅｆとなる。

前記検出制御回路５の出力信号は、電圧可変部９を介し
て前記電圧制御発振回路１にその周波数制御用電圧Ｓ１
として帰還される。電圧可変部９にはパルス発生回路１
０よりのパワー調整用の可変パルス信号Ｓ２が印加され
る。

ユニで、第２図のように、電圧可変部９は、電圧制御発
振回路１に周波数制御用電圧Ｓ、を印加するためのトラ
ンジスタＱ２、抵抗器Ｒ，，Ｒ３からなるエミッタ７オ
ロアと、トランジスタＱ２のベース回路に挿入されるト
ランジスタＱ３及びコンデンサＣ２と、周波数掃引のだ
めのｎデートサイリスク（ＰＵＴともいう）ｓｃ、及び
抵抗器Ｒ６１Ｒ？＊Ｒ１１とを有している。そして、前
記検出制御回路５と電圧可変部９とを結合するために、
７ｔトカツプラＰＣ２が設けられている。すなわち、７
オトカツプラＰＣ２の発光素子ＰＴ２は演算増幅器ＯＰ
、の出力側に挿入され、受光素子ＰＲ２は電圧可変部９
のトランジスタＱ、に並列に接続されている。前記パル
ス発生回路１０の可変パルス信号Ｓ２はトランジスタＱ
、のベースに印加される。

可変パルス信号Ｓ２は、第３図のように、パルス繰り返
し周期に比較してパルス幅が極めて短いものであり、前
記パルス発生回路１０はパルス繰り返し周期又はパルス
幅のいずれかを変化させ得る構成となっている。

なお、電圧制御発振回路１、パルス幅可変部２及び電圧
可変部９の低圧電源電圧Ｖｃｔは、一定値に安定化され
ている。

さらに、電力増幅回路４の高圧電源電圧Ｂ＋の電圧変動
に起因する出力パワー変動を補償するために、駆動パル
ス幅制御回路１１が設けられている。この駆動パルス幅
制御回路１１は、高圧電源電圧Ｂ＋に比例した電圧を検
出する分圧部１２と、トランジスタＱ、のべ一入側の駆
動パルスのパルス幅を検出する駆動パルス幅検出部１３
と、比較器１４とを有しており、この出力信号で前記パ
ルス幅可変部２が制御されるようになっている。すなわ
ち、ｆｊＳ２図に示すように、比較器１４は演算増幅器
ＯＰ　２を用いた回路で構成され、演算増幅器ＯＰ２の
一方の入力には抵抗器Ｒ３，Ｒ，。及び可変抵抗器■Ｒ
２を持つ分圧部１２で高圧電源電圧Ｂ＋を分圧した電圧
が印加される。また、駆動パルス幅検出部１３は、段間
トランスＴ、の２次側の電圧をトランジスタＱ４で増幅
し、ダイオードＤ、で整流し、コンデンサＣ３−Ｃ４及
びチョークＬ１で平滑して駆動パルス幅に比例した直流
電圧を演算増幅器ｏＰ２の他方の入力に印加する。そし
て、演算増幅器ＯＰ２の出力側の７オトカツプラＰＣ，
の発光素子ＰＴ、を発光させることによりパルス可変部
２となる受光素子ＰＲ，を駆動する。

なお、演算増＠器ｏｐ、、ｏｐ２及び基準電圧発生部７
の電源電圧も一定値に安定化されている。

次に、上記実施例の動作について説明する。

まず、パルス発生回路１０よりの可変パルス信号Ｓ２が
無く、検出制御信号５の出力が無いものとして電圧制御
発振回路１の周波数掃引動作について述べる。今、電源
投入すると、電圧可変部９のコンデンサＣ２が充電され
て行くに従いトランジスタＱ２のエミッタ電流は増加し
、抵抗器Ｒ１の両端の電圧、すなわち周波数制御用電圧
Ｓ１は増加していく。この結果、電圧制御発振回路１内
のＣＲ時定数は時間の経過とともに等何カに小さ（なる
ように制御され、振動子励振回路１の発振周波数は低い
表態から高くなる方向に掃引される。

コンデンサＣ２の充電電圧が前記ｎデートサイリスタＳ
０１のデート電位を越えようとしたとき、ｎデートサイ
リスクＳ０１は導通し、コンデンサＣ２の電圧は零に戻
り、再び上記動作を繰り返す。したがって、電圧制御発
振回路１は低い発振周波数から高い発振周波数に繰り返
し掃引されることになる。

圧電振動子ＴＤの負荷変動等に起因する共振周波数の変
化に対する電圧制御発振回路１の周波数追従動作（但し
、パワー調整用の可変パルス信号Ｓ２が無い場合）は、
検出制御回路５の出力信号を７オトカツプラＰＣ２で電
圧可変部９に帰還してやることによって行なわれる。第
４図の曲線（イ）に示される圧電振動子ＴＤのインピー
ダンスの周波数特性から明らかなように、圧電振動子の
共振周波数ｆｒに近づくに従ってそのインピーダンスは
低下するから、電圧制御発振回路１の発振周波数を低い
方から高くなる方向に掃引していくと、共振周波数ｆｒ
近くで圧電振動子の入力パワーが増加し、電力増幅回路
４の抵抗器Ｒ１の両端の電圧値も大きくなる。従って、
圧電振動子の入力パワー、すなわち駆動パワーがほぼ最
大となるときの平滑回路６の出力電圧値に基準電圧発生
部７の基準電圧値〜’　ｒｅｆを一致させておけば、圧
電振動子の入力パワーがほぼ最大となる共振周波数ｆｒ
ｌ：極めて近い周波数にて演算増幅器ＯＰＩ出力側の発
光素子ＰＴ２が発光し、これとともに７オトカツプラＰ
Ｃ２を構成する受光素子ＰＲ２が低抵抗となる。

この結果、電圧制御発振回路１の発振周波数の掃引は、
受光素子ＰＲ２が低抵抗となった時点で停止され、圧電
振動子の入力パワーがほぼ最大となる共振周波数ｆｒに
極めて近い周波数（これが駆動周波数となる）で電圧制
御発振回路１は発振を継続し、これがドライブ回路３で
増幅され、さらに電力増幅回路４で電力増幅されて圧電
振動子ＴＤ′に加えられる。

第４図の曲線（ロ）は圧電振動子ＴＤの超音波振動で液
体を霧化する場合の単位時間当たりの霧化量と圧電振動
子を駆動する周波数との関係を示す。

圧電振動子の運動周波数が圧電振動子の共振周波数ｆｒ
に一致したときに、霧化量が最大で、共振周波数ｆｒか
らずれるに従って急速に霧化量が減少することがわかる
。

さて、圧電振動子ＴＤの仕事量、例えば上述の霧化量を
実質的に最大に保つには、共振周波数ｆｒに極めて近い
周波数で電圧制御発振回路１が発振するように、検出制
御回路５で制御すれば良いが、さらに圧電振動子の入力
パワーを変更して仕事量を変えたい場合がある。このた
めに、パルス発生回路１０よりのパワー調整用の可変パ
ルス信号Ｓ２が電圧可変部９に供給される。今、第３図
（Ａ）のようにパルス繰り返し周期に比較してパルス幅
が極めて短い波形のパルス信号が電圧可変部９のトラン
ジスタＱ３のベースに印加されると、トランジスタＱ、
はパルス幅に相当するごく短い期間中低抵抗となり、こ
の結果、コンデンサＣ２の端子電圧は僅かに下降する（
コンデンサＣ２の容量が大きいため、急激な変動は起き
ない。）。すなわち、電圧可変部９にパルス信号Ｓ２を
印加すると、パルス印加前のコンデンサＣ２の端子電圧
から、パルス信号Ｓ２に比例した電圧波形を減算して平
滑した電圧値がトランジスタＱ２のベース、アース間に
得られる。そして、第３図（Ｂ）のようにパルス幅を変
えたり、同図（Ｃ）のようにパルス繰り返し周期を変え
たりすることによって、前記トランジスタＱ２のベース
、アース間の電圧値を微細に可変調整でき、ひいては周
波数制御用電圧Ｓ。

を微細に変化させ、第４図の周波数ｆ１〜ｆｒの範囲Ｗ
１において電圧制御発振回路１の発振周波数を任意に調
整でき、ひいては圧電振動子ＴＤの入力パワーを細かく
変化させ得る。例えば、共振周波数ｆｒが３５ｋＨｚで
ある場合、０．１％程度の幅で周波数を変化させること
ができる。例えば、ｆｒ：３５ｋＨｚのとき、Ｗｌは５
Ｏ−８０Ｈｚ程度の幅である。

なお、駆動パルス幅制御回路１１は、高圧電源電圧Ｂ＋
の変動に伴う圧電振動子ＴＤの入力パワー変動を補償す
るためのものであり、高圧電源電圧Ｂ＋が所定値より高
くなると７オトカツプラＰＣ１を介して電圧制御発振回
路１の出力波形のパルス幅を狭くし、電力増幅回路４の
トランジスタＱｌの導通期間を短くするように制御する
。

なお、上記実施例では、電圧制御発振回路１を低い周波
数から高い方へ掃引する場合で説明し、第４図の周波数
ｆ１〜ｆｒの範囲Ｗ１内に電圧制御発振回路１の発振周
波数を設定するようにしたが、電圧制御発振回路１を高
い周波数から低い方へ掃引し、第４図の周波数ｆｒ−ｆ
２の範囲Ｗ２内に電圧制御発振回路１の発振周波数を設
定するようにしても良い。

また、上記の電圧可変部９では、パルス信号Ｓ２に比例
した電圧波形を滅ヰして平滑した電圧値をトランジスタ
Ｑ２のベース、アース間に得ているが、パルス信号Ｓ２
に比例した電圧波形を加算して平滑した電圧値を得るよ
うにしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の振動子励振回路によれば
、パルス繰り返し周期に比較してパルス幅が極めて短い
波形のパルス信号を用いて、圧電振動子の共振周波数に
追従するように制御された電圧制御発振回路への周波数
制御用信号を微調整可能にし、ひいては圧電振動子の駆
動パワーを微細かつ略直線的に調整可能である。

【図面の簡単な説明】

１１図は本発明に係る振動子励振回路の実施例を示すブ
ロック図、第２図は同回路図、第３図はパワー調整用の
可変パルス信号Ｓ２の波形図、第４図は圧電振動子のイ
ンピーダンス及び霧化量の周波数特性を示すグラフであ
る。 １・・・電圧制御発振回路、２・・・パルス幅可変部、
３・・・ドライブ回路、４・・・電力増幅回路、５・・
・検出制御回路、６・・・平滑回路、７・・・基準電圧
発生部、８．１４・・・比較器、９・・・電圧可変部、
１０・・・パルス発生回路、１１・・・駆動パルス幅制
御回路、１２・・・分圧部、１３・・・駆動パルス幅検
出部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧制御発振回路の発振出力を電力増幅回路で増
   幅して圧電振動子を駆動するとともに、前記電力増幅回
   路の出力電流に略比例した電圧値と基準電圧値とを比較
   して両電圧値の差に応じた周波数制御用信号を前記電圧
   制御発振回路に帰還する検出制御回路を設けた振動子励
   振回路において、繰り返し周期に比較してパルス幅の狭
   い周波数微調用パルス信号を用いて前記周波数制御用信
   号を可変することを特徴とする振動子励振回路。
2. （２）前記パルス信号は前記繰り返し周期又はパルス幅
   が変化するものである特許請求の範囲第１項記載の振動
   子励振回路。