JP2015171084A - 圧電振動子駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子の共振周波数の変動に応じて駆動信号の周波数を変えることができ、しかも安定した振幅のバースト波を生成できる圧電振動子駆動回路を提供する。【解決手段】圧電振動子駆動回路１は、圧電振動子２の駆動信号を生成するパワーアンプ３と、前記駆動信号が印加された圧電振動子２に流れる電流を検出し、その検出信号をパワーアンプ３に正帰還させる正帰還回路４と、パワーアンプ３への正帰還の量を調節して駆動信号の振幅を制限するリミッタ回路５と、パワーアンプ３から出力されるバースト状駆動信号の時間幅を設定する出力オン/オフ回路６とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波トランスデューサに用いられる圧電振動子の駆動回路に関する。

超音波トランスデューサに用いられる圧電振動子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミック等の圧電効果を有する板状の材料の両面に電極を設けたもので、電極間に交流の電圧を印加することにより、圧電振動子を機械的に振動させて超音波を発生させる。

上述の超音波トランスデューサは、距離センサ、医用超音波装置、探知ソナー、車用バックセンサ、交通量調査センサ等として広く用いられている。例えば、超音波トランスデューサを距離センサとして用いた場合、圧電振動子からバースト状の超音波を放射し、対象物で反射した超音波を同一の圧電振動子、もしくは近接した箇所に設置した別の圧電振動子で受信し、送信から受信までの時間によって対象物までの距離を測定する。

ところで、超音波トランスデューサとして用いられる圧電振動子は、固有の周波数で共振させると、通常の電圧印加では得られない大変形を起こし、強力な超音波を放射する。このため、通常は、圧電振動子の製造過程において共振周波数を測定し、その共振周波数の交流電圧を発生する発信回路を圧電振動子に接続している（例えば特許文献１参照）。

しかし、圧電振動子は、長時間の使用による経年変化や周囲の温度変動に起因して共振周波数が変動するため、超音波トランスデューサから放射される超音波の強度にバラツキが生じ、安定した強度の超音波を放射できなくなる。

このような共振周波数の変動による超音波の強度のバラツキを防止するため、共振周波数を自動的に見出し、その周波数の駆動信号を発生させる圧電振動子の駆動回路が提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１３−２２１７５５号公報 特開２０１１−８７４５５号公報

特許文献２に記載の駆動回路は、正帰還回路にＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路が組み込まれており（図６参照）、ＡＧＣ回路の作用により安定した強度の超音波を発生させることができる。

しかし、その反面、ＡＧＣがゆっくり作用するように設定されているため（明細書の段落００５２参照）、バースト波を出力する場合、立ち上がりの正帰還量が大きすぎて、圧電振動子の駆動信号の振幅が設定した値より大きくなる。結果として、安定した振幅のバースト波が得られないという問題があった。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、圧電振動子の共振周波数の変動に応じて駆動信号の周波数を変えることができ、しかも安定した振幅のバースト波を生成できる圧電振動子駆動回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる圧電振動子駆動回路は、
圧電振動子の駆動信号を生成する第１のアンプと、
前記駆動信号が印加された圧電振動子に流れる電流を検出し、その検出信号を前記第１のアンプに正帰還させる正帰還回路と、
前記正帰還回路から前記第１のアンプへの正帰還の量を調節して前記駆動信号の振幅を制限するリミッタ回路と、
前記第１のアンプから出力されるバースト状駆動信号の時間幅を設定する出力オン/オフ回路と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記正帰還回路は、前記検出信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの出力信号の前記第１のアンプへの正帰還の量を調節する抵抗とで構成されることが好ましい。

また前記リミッタ回路は、前記第１のアンプから出力される駆動信号の振幅の閾値を設定するボリュームと、当該ボリュームから出力された信号を反転増幅する第２のアンプと、当該第２のアンプの出力信号のうちプラスの信号が印加されたときに作動して、前記正帰還回路から前記第１のアンプへの正帰還の量を削減する第１のトランジスタと、前記第２のアンプの出力信号のうちマイナスの信号が印加されたときに作動して、前記正帰還回路から前記第１のアンプへの正帰還の量を削減する第２のトランジスタとで構成されることが好ましい。

また前記出力オン/オフ回路は、前記リミッタ回路の第１のトランジスタのベースに直流電圧を印加する第１のスイッチと、前記リミッタ回路の第２のトランジスタのベースに直流電圧を印加する第２のスイッチと、で構成され、前記第１のスイッチと第２のスイッチは連動して動作させることが好ましい。

本発明にかかる圧電振動子駆動回路を用いれば、圧電振動子の共振周波数の変動に応じて駆動信号の周波数を変えることができる。更に、安定した振幅のバースト波を生成できるため、距離センサや医療用超音波装置等の対象物からの反射波を解析する用途に用いられる超音波トランスデューサの駆動回路として優れている。

本発明の実施の形態にかかる圧電振動子駆動回路の基本構成を示すブロック図である。 図１の圧電振動子、パワーアンプおよび正帰還回路の具体構成を示す回路図である。 図１のリミッタ回路および出力オン/オフ回路の具体構成を示す回路図である。 圧電振動子のインピーダンスカーブを示すグラフである。 パワーアンプの出力波形を示す図である（その１）。 パワーアンプの出力波形を示す図である（その２）。

以下、本発明の実施の形態にかかる圧電振動子駆動回路について、図面を参照して説明する。

＜圧電振動子駆動回路の基本構成＞
図１に、本実施の形態にかかる圧電振動子駆動回路の基本構成を示す。圧電振動子駆動回路１は、圧電振動子２、パワーアンプ３、正帰還回路４、リミッタ回路５および出力オン/オフ回路６で構成されている。

圧電振動子２は、例えば、ＰＺＴで作製された板状の圧電体の両面にＰｔ、Ｃｕ、Ａｇのスパッタリング、メッキ、導電ペーストの焼付けなどにより電極を形成したものである。圧電振動子２の電極間に交流電圧を印加すると、圧電振動子２が振動して超音波が放射される。

パワーアンプ３および正帰還回路４は、圧電振動子２と共に正帰還ループを構成している。パワーアンプ３からの駆動信号が印加された圧電振動子２に流れる電流の値を抵抗Ｒ１により検出し、検出した信号を、正帰還回路４を介してパワーアンプ３に正帰還させると、圧電振動子２の共振周波数で発振が起こり、パワーアンプ３より駆動信号として出力される。これにより圧電振動子２を最も効率よく振動させることができる。

リミッタ回路５は、パワーアンプ３から出力される駆動信号の振幅を制限するものであり、出力が閾値を超えたときに正帰還回路４からパワーアンプ３への帰還量を減少させる。パワーアンプ３の出力波形を監視してリミッタ回路５を作動させることにより、パワーアンプ３から出力される駆動信号の振幅を一定の値に保持できる。

後述するように、リミッタ回路５は高速で動作し、かつパワーアンプ３の出力信号がプラス、マイナスのいずれの場合でも作動するため、信号の立ち上がりから安定した振幅の駆動信号が得られる。

出力オン/オフ回路６は、パワーアンプ３から出力されるバースト状駆動信号の時間幅を設定するもので、リミッタ回路５に出力オン/オフ回路６を付加することにより、パワーアンプ３に入力される正帰還信号をオン/オフして任意の波数のバースト波（例えば１０波）を生成できる。

後述するように、出力オン/オフ回路６のスイッチをオンにすると、パワーアンプ３への正帰還信号がなくなるため、パワーアンプ３の出力はゼロになる。逆に、出力オン/オフ回路６のスイッチをオフにすると、パワーアンプ３の出力に共振周波数で発振する駆動信号が出現する。

出力オン/オフ回路６のスイッチがオフとなる時間をあらかじめ決めておくか、パワーアンプ３から出力される波の数をカウントして、必要な波数の信号が生成される時間だけスイッチをオフにすることにより、任意の波数のバースト波を出力することができる。

＜圧電振動子駆動回路の具体構成＞
次に、図２および図３を参照して、圧電振動子駆動回路１の具体的な構成と動作を説明する。図２は、図１のうち圧電振動子２、パワーアンプ３および正帰還回路４の回路図、図３は、同じくリミッタ回路５および出力オン/オフ回路６の回路図である。

図中、「ＯＰ」「Ｒ」「Ｃ」「Ｑ」「Ｄ」および「ＳＷ」の各符号は、それぞれオペアンプ、抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ダイオードおよびスイッチを表している。またオペアンプのＶＣは＋電源、ＶＥは−電源を示している。

最初に、正帰還ループを構成する圧電振動子２、パワーアンプ３および正帰還回路４について説明する。図２では圧電振動子２を等価回路図で表している。圧電振動子２は、誘導成分Ｌ２１、容量成分Ｃ２１，Ｃ２２および抵抗成分Ｒ２１を含み、これらの成分が直並列に接続された構成をしている。

図４に、圧電振動子２の容量成分Ｃ２１、Ｃ２２、誘導成分Ｌ２１および抵抗成分Ｒ２１の値が変化したときの圧電振動子２のインピーダンスカーブを示す。図４（ａ）は共振周波数が１００ｋＨｚのときのインピーダンスカーブ、図４（ｂ）は共振周波数が１２０ｋＨｚのときのインピーダンスカーブ、図４（ｃ）は共振周波数が８０ｋＨｚのときのインピーダンスカーブである。

前述したように、長時間の使用による経年変化や周囲の温度変動に起因して、圧電振動子２の容量成分Ｃ２１、誘導成分Ｌ２１および抵抗成分Ｒ２１の値が変化することにより、共振周波数が変動する。また、製造時のロットによる特性バラツキ等に起因して、容量成分Ｃ２１、誘導成分Ｌ２１および抵抗成分Ｒ２１の値が変化し、共振周波数が変動する。

圧電振動子２に流れる電流を抵抗Ｒ１で検出し、その検出信号を、正帰還回路４を介してパワーアンプ３に正帰還させると、圧電振動子２の共振周波数で発振が起こり、パワーアンプ３から圧電振動子２の駆動信号として出力される。

圧電振動子２の駆動信号を生成するパワーアンプ３はオペアンプＯＰ３１で構成されている。パワーアンプ３の抵抗Ｒ３１およびＲ３２は増幅率を決めるのに用いられる。

正帰還回路４は、オペアンプＯＰ４１、ローパスフィルタＬＰＦ４１、ならびに抵抗Ｒ４３およびＲ４４で構成されている。

オペアンプＯＰ４１はバッファアンプとして機能し、抵抗Ｒ１の出力とローパスフィルタＬＰＦ４１の入力との間のインピーダンスマッチングを行う。抵抗Ｒ４１、Ｒ４２、コンデンサＣ４１、Ｃ４２およびオペアンプＯＰ４２で構成されるローパスフィルタＬＰＦ４１は、入力信号中の高周波成分を減衰させて共振周波数での安定した発振を実現する。

抵抗Ｒ４３およびＲ４４は、パワーアンプ３への正帰還の量を調節するために用いられる。抵抗Ｒ４３およびＲ４４の抵抗値は、安定した発振が得られるように調整された後、その値に固定した状態で使用される。

上述したように、正帰還ループを形成することにより、製造工程の違いや温度等の周囲環境の変化によって圧電振動子の共振周波数が変化しても、駆動信号の周波数を共振周波数に追随させることができる。結果として、圧電振動子２を最も効率良く駆動できる。

次に、リミッタ回路５および出力オン/オフ回路６について説明する。図３に示すように、リミッタ回路５は２つのオペアンプＯＰ５１、ＯＰ５２、ボリュームＶＲ５１、ＮＰＮトランジスタＱ５１およびＰＮＰトランジタＱ５２で構成されている。また出力オン/オフ回路６は２つのスイッチＳＷ６１、ＳＷ６２および直流電源Ｖ６１、Ｖ６２で構成されている。

最初に、リミッタ回路５について説明する。図３において、可変抵抗Ｒ５１およびＲ５２で構成されるボリュームＶＲ５１は、パワーアンプ３から出力される駆動信号の電圧の閾値を設定するものである。

オペアンプＯＰ５１はバッファアンプとして機能するもので、パワーアンプ３の出力と後段のオペアンプＯＰ５２の入力との間のインピーダンスマッチングを行う。

反転増幅器を構成するオペアンプＯＰ５２は、リミッタ回路５への入力信号を増幅するもので、増幅率は、（抵抗Ｒ５４の抵抗値）÷（抵抗Ｒ５３の抵抗値）で与えられる。

リミッタ回路５への入力信号がマイナス、すなわちオペアンプＯＰ５２の出力信号がプラスの場合には、オペアンプＯＰ５２の出力信号がダイオードＤ５１を介してＮＰＮトランジスタＱ５１のベースに印加され、リミッタ動作が行われる。

バッファアンプであるオペアンプＯＰ５１の出力信号のマイナス側の振幅が所定値を超えると、ＮＰＮトランジスタＱ５１のベースに所定値以上のプラスの電圧が作用して、ＮＰＮトランジスタＱ５１がオン状態となる。ただし、完全なオン状態ではなく、ある程度エミッタ−コレクタ間にインピーダンスを持った状態となる。

そして、正帰還回路４の出力信号の一部がＮＰＮトランジスタＱ５１のコレクタからエミッタに流れ、出力信号のプラス側に対してリミッタ動作が行われ、パワーアンプ３の出力信号のプラス側の振幅が減衰される。

リミッタ回路５では、リミッタ動作のオンは瞬時に行われるが、リミッタ動作のオン状態をある程度持続させるために、抵抗Ｒ５５、Ｒ５６およびコンデンサＣ５１が設けられており、リミッタ動作のオフは、抵抗Ｒ５５、Ｒ５６の抵抗値とコンデンサＣ５１の容量によって定まる時定数により、ある程度時間がかかる。その間、ＮＰＮトランジスタＱ５１のベース電圧はプラスに保持される。

一方、リミッタ回路５への入力信号がプラス、すなわちオペアンプＯＰ５２の出力信号がマイナスの場合には、オペアンプＯＰ５２の出力信号がダイオードＤ５２を介してＰＮＰトランジスタＱ５２のベースに印加され、リミッタ動作が行われる。具体的には、ＰＮＰトランジスタＱ５２のエミッタ−コレクタ間に電流を流してパワーアンプ３の出力信号のマイナス側の振幅を制限する。

抵抗Ｒ５７、Ｒ５８およびコンデンサＣ５２は、抵抗Ｒ５５、Ｒ５６およびコンデンサＣ５１と同様の機能を発揮する。すなわち、リミッタ動作のオン状態をある程度持続されるために用いられ、抵抗Ｒ５７、Ｒ５８およびコンデンサＣ５２で定まる時間、ＰＮＰトランジスタＱ５２のベース電圧はマイナスに保持される。

図５に、前述の図４に示したそれぞれのインピーダンスカーブに対応したパワーアンプ３の出力波形を示す。図５（ａ）は圧電振動子２の共振周波数が１００ｋＨｚのときのパワーアンプ３の出力波形、図５（ｂ）は共振周波数が１２０ｋＨｚのときの出力波形、図５（ｃ）は共振周波数が８０ｋＨｚのときの出力波形である。図中、オフの矢印は、出力オン/オフ回路６のスイッチＳＷ６１、ＳＷ６２がオフとなる時刻、オンの矢印は、スイッチＳＷ６１、ＳＷ６２がオンとなる時刻を示している。

図５に示すように、リミッタ回路５により、パワーアンプ３の出力電圧の絶対値が閾値（図では５０ボルト）以上になると正帰還回路４の帰還量を減少させるため、パワーアンプ３の出力を抑えるように作動し、出力信号の振幅を一定値に保つことができる。リミッタ回路５は高速で動作し、かつパワーアンプ３の出力がプラスでもマイナスでも作動する。

次に、出力オン/オフ回路６の動作を説明する。出力オン/オフ回路６のスイッチＳＷ６１およびＳＷ６２は連動して動作させる。スイッチＳＷ６１およびＳＷ６２がオフの（開いた）状態においては、ＮＰＮトランジスタＱ５１のベースにプラスの電圧が印加され、一方、ＰＮＰトランジスタＱ５２のベースにマイナスの電圧が印加されて、リミッタ動作が行われる。

これに対して、スイッチＳＷ６１およびＳＷ６２をオンにする（閉じる）と、直流電源Ｖ６１の電圧（１ボルト程度）が抵抗Ｒ５５、Ｒ５６を介してＮＰＮトランジスタＱ５１のベースに印加されてエミッタ−コレクタ間がショート状態となり、一方、直流電源Ｖ６２の電圧（マイナス１ボルト程度）が抵抗Ｒ５７、Ｒ５８を介してＰＮＰトランジスタＱ５２のベースに印加されてエミッタ−コレクタ間がショート状態となる。

上述の一連の動作により、正帰還回路４からパワーアンプ３への正帰還量がなくなり、パワーアンプ３の出力が０になる。スイッチＳＷ６１およびＳＷ６２を再度オフにする（開く）と、パワーアンプ３の出力に、共振周波数の駆動信号が出現する。

出力オン/オフ回路６の動作時間については、予めスイッチＳＷ６１およびＳＷ６２のオフとなる時間を決めておくか、パワーアンプ３から出力される信号の波の数をカウントし、必要な波数の時間だけスイッチＳＷ６１およびＳＷ６２をオフにすることにより、任意の波数のバースト波をパワーアンプ３から出力できる。図５では、１０波カウントしたときにスイッチＳＷ６１およびＳＷ６２をオンにしている。

このように、出力オン/オフ回路６のスイッチＳＷ６１およびＳＷ６２をオンにすると、リミッタ回路５がフルに作動してパワーアンプ３への正帰還信号がなくなり、パワーアンプ３の出力は０になる。逆に、スイッチＳＷ６１およびＳＷ６２をオフにすると、パワーアンプ３の出力に共振周波数の駆動信号が出現する。

図５に示すように、パワーアンプ３から出力される１０波のバースト波の出現時間は、駆動信号の共振周波数に反比例して長くなる。またそれぞれの駆動信号の振幅は、リミッタ回路５の働きによって、共振周波数に関係なく一定の値（±５０Ｖ）を保持している。

図６に、リミッタ回路５のボリュームＶＲ５１の値を変えたときのパワーアンプ３の出力信号の波形を示す。図５と同様に１０波のバースト波が出力される。なお、共振周波数は１００ｋＨｚに設定されている。

出力信号の振幅は、下記式で示されるボリュームＶＲ５１の設定値Ａによって変わる。設定値Ａが小さいと図６（ｂ）に示すように振幅が大きくなり、設定値Ａが大きいと図６（ｃ）に示すように振幅が小さくなる。図６（ａ）は設定値Ａが中間のときの波形を示している。
Ａ＝（抵抗Ｒ５２の抵抗値）／（（抵抗Ｒ５１の抵抗値）＋（抵抗Ｒ５２の抵抗値））

図５および図６から明らかなように、本発明にかかる圧電振動子駆動回路を用いれば、圧電振動子２の共振周波数で発振し、しかも振幅が一定のバースト状駆動信号を生成できる。

更に、本実施の形態のリミッタ回路５は、パワーアンプ３のプラス／マイナスいずれの出力にも瞬時に働くため、バースト波の１波目から安定した出力電圧が得られる。

なお、本実施の形態では、パワーアンプ３、正帰還回路４およびリミッタ回路５の増幅器をオペアンプで構成したが、必ずしもオペアンプに限定されず、ＦＥＴ等の他の素子を用いて増幅器を構成してもよい。

また本実施の形態では、電流検出用の抵抗Ｒ１を圧電振動子２とアースの間に配置したが、圧電振動子２とパワーアンプ３の間に配置して抵抗Ｒ１の端子間電圧を正帰還回路４に入力させるようにしてもよい。このような構成を採用した場合、圧電振動子２がアースに接続されるため、ノイズに対して強くなる。

１ 圧電振動子駆動回路
２ 圧電振動子
３ パワーアンプ
４ 正帰還回路
５ リミッタ回路
６ 出力オン/オフ回路
Ｃ２１、Ｃ２２ 容量成分
Ｃ４１、Ｃ４２ 、Ｃ５１、Ｃ５２ コンデンサ
Ｄ５１、Ｄ５２ ダイオード
Ｌ２１ 誘導成分
ＯＰ３１、ＯＰ４１、ＯＰ４２、ＯＰ５１、ＯＰ５２ オペアンプ
Ｑ５１、Ｑ５２ トランジスタ
Ｒ１、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ４１〜Ｒ４４、Ｒ５１〜Ｒ５８ 抵抗
Ｒ２１ 抵抗成分
ＳＷ６１、ＳＷ６２ スイッチ
Ｖ６１、Ｖ６２ 直流電源

Claims (4)

1. 圧電振動子の駆動信号を生成する第１のアンプと、
   前記駆動信号が印加された圧電振動子に流れる電流を検出し、その検出信号を前記第１のアンプに正帰還させる正帰還回路と、
   前記正帰還回路から前記第１のアンプへの正帰還の量を調節して前記駆動信号の振幅を制限するリミッタ回路と、
   前記第１のアンプから出力されるバースト状駆動信号の時間幅を設定する出力オン/オフ回路と、を備えたことを特徴とする圧電振動子駆動回路。
2. 前記正帰還回路は、
   前記検出信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、
   当該ローパスフィルタの出力信号の前記第１のアンプへの正帰還の量を調節する抵抗とで構成される、請求項１に記載の圧電振動子駆動回路。
3. 前記リミッタ回路は、
   前記第１のアンプから出力される駆動信号の振幅の閾値を設定するボリュームと、
   当該ボリュームから出力された信号を反転増幅する第２のアンプと、
   当該２のアンプの出力信号のうちプラスの信号が印加されたときに作動して、前記正帰還回路から前記第１のアンプへの正帰還の量を削減する第１のトランジスタと、
   前記第２のアンプの出力信号のうちマイナスの信号が印加されたときに作動して、前記正帰還回路から前記第１のアンプへの正帰還の量を削減する第２のトランジスタとで構成される、請求項１または２に記載の圧電振動子駆動回路。
4. 前記出力オン/オフ回路は、
   前記リミッタ回路の第１のトランジスタのベースに直流電圧を印加する第１のスイッチと、
   前記リミッタ回路の第２のトランジスタのベースに直流電圧を印加する第２のスイッチと、で構成され、
   前記第１のスイッチと第２のスイッチは連動して動作させる、請求項３に記載の圧電振動子駆動回路。

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