JP2018094456A - Vibrator drive device and vibration generation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibrator drive device capable of efficiently suppressing with a simple structure, a change of amplitude of vibration following to change of a mechanical load of a vibrator.SOLUTION: A vibrator drive device 2 comprises: a drive voltage generation part 10 for generating an AC drive voltage Vo1 supplied to a vibrator VT; a detection part 20 for detecting a current Io flowing to the vibrator VT; and a control part 30 for controlling the drive voltage generation part 10 so that a frequency of the drive voltage Vo1 is varied. The control part 30 acquires a detection result of the detection part 20 while varying a frequency of the drive voltage Vo1, then, based on the acquired detection result, searches an antiresonant frequency fa in which a current Io flowing to the vibrator VT becomes a minimum value, in a first operation mode, and holds the frequency of the drive voltage Vo1 to the antiresonant frequency fa searched in the first operation mode in a second operation mode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、振動子に電気エネルギーを供給して振動を生じさせる振動子駆動装置とこれを用いた振動発生装置に関するものである。   The present invention relates to a vibrator driving device that generates vibration by supplying electric energy to a vibrator and a vibration generator using the vibrator driving device.

圧電効果により電気エネルギーを機械的な振動へ変換する振動子には、一般に共振周波数と反共振周波数が存在する。振動子のインピーダンスは、共振周波数で極小値となり、反共振周波数で極大値となる。   A resonator that converts electric energy into mechanical vibration by the piezoelectric effect generally has a resonance frequency and an anti-resonance frequency. The impedance of the vibrator has a minimum value at the resonance frequency and a maximum value at the anti-resonance frequency.

クロック等の発振器に用いられる水晶振動子や圧電振動子は、通常、共振周波数において駆動される。また、超音波加工機やボンディングマシン、ハンドピースなどの比較的大きなエネルギーを扱う装置においても、振動子の駆動は共振周波数で行われることが多い。   A crystal vibrator or a piezoelectric vibrator used for an oscillator such as a clock is usually driven at a resonance frequency. Also, in an apparatus that handles relatively large energy, such as an ultrasonic machine, a bonding machine, or a handpiece, the vibrator is often driven at a resonance frequency.

発振器に用いられる振動子の場合、機械的な負荷は略一定であるが、超音波加工機などにおいて対象物を振動させる振動子の場合は、使用状態に応じて機械的な負荷が大きく変動する。振動子の共振周波数は、機械的な負荷に応じて変化することから、振動子の駆動周波数が一定の場合、駆動周波数が共振周波数からずれてしまい、振動子のインピーダンスが増大する。振動子のインピーダンスが大きくなる一方で、振動子に供給される電圧が一定になっていると、振動子に供給される電力が減少し、振動の振幅が小さくなる。   In the case of a vibrator used for an oscillator, the mechanical load is substantially constant, but in the case of a vibrator that vibrates an object in an ultrasonic machine or the like, the mechanical load varies greatly depending on the use state. . Since the resonance frequency of the vibrator changes according to the mechanical load, if the drive frequency of the vibrator is constant, the drive frequency deviates from the resonance frequency and the impedance of the vibrator increases. While the impedance of the vibrator increases, if the voltage supplied to the vibrator is constant, the power supplied to the vibrator decreases and the amplitude of vibration decreases.

このような問題を回避するため、下記の特許文献1に記載される装置では、振動子の駆動周波数を共振周波数に追従させるとともに、振動子の駆動電流を一定に保つ制御が行われる。   In order to avoid such a problem, in the apparatus described in Patent Document 1 below, control is performed so that the drive frequency of the vibrator follows the resonance frequency and the drive current of the vibrator is kept constant.

特開2003−70798号公報JP 2003-70798 A

しかしながら、振動子の駆動電流を一定に保つ制御を行うためには、振動子の電流を検出する回路や、電流の検出結果と目標値との差に応じて振動子の駆動電流を可変する回路、異常動作時の過電圧に対する保護回路などが必要になる。振動子に供給する電力を一定に保つ場合には、更に複雑な回路が必要となる。   However, in order to perform control to keep the drive current of the vibrator constant, a circuit that detects the vibrator current or a circuit that varies the drive current of the vibrator according to the difference between the current detection result and the target value A protection circuit against overvoltage during abnormal operation is required. In order to keep the power supplied to the vibrator constant, a more complicated circuit is required.

また、上記特許文献1に記載される装置では、振動子の駆動周波数を共振周波数に追従させるため、振動子の電圧と電流の位相が一致するように駆動周波数を制御するPLLが構成される。しかしながら、振動子の機械的な負荷が大きくなると位相の変化が小さくなるため、PLLの制御において位相のロックが外れ易くなる。そのため、負荷が大きくなると共振点に追従するPLLの制御が働かなくなる場合がある。   Further, in the apparatus described in Patent Document 1, a PLL that controls the drive frequency so that the phase of the voltage and current of the vibrator coincides with each other in order to make the drive frequency of the vibrator follow the resonance frequency. However, since the phase change decreases as the mechanical load of the vibrator increases, the phase is easily unlocked in the PLL control. Therefore, when the load increases, the PLL control that follows the resonance point may not work.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動子の機械的負荷の変化に伴う振動の振幅の変化を簡易な構成で効果的に抑制できる振動子駆動装置と、これを用いた振動発生装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a vibrator driving device capable of effectively suppressing a change in amplitude of vibration accompanying a change in mechanical load of the vibrator with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a vibration generator using the

本発明の第1の観点に係る振動子駆動装置は、電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子を駆動する振動子駆動装置であって、前記振動子に供給される交流の駆動電圧を発生する駆動電圧発生部と、前記振動子に流れる電流又は前記振動子に供給される電力を検出する検出部と、前記駆動電圧の周波数が変化するように前記駆動電圧発生部を制御する制御部とを有する。前記制御部は、第1動作モードにおいて、前記駆動電圧の周波数を変化させながら前記検出部の検出結果を取得し、当該取得した検出結果に基づいて、前記振動子に流れる電流又は前記振動子に供給される電力が極小値となる反共振周波数を探索し、第2動作モードにおいて、前記駆動電圧の周波数を前記第1動作モードで探索した反共振周波数に保持する。   A vibrator driving device according to a first aspect of the present invention is a vibrator driving device that drives a vibrator that converts electrical energy into mechanical vibration energy, and is an alternating drive voltage supplied to the vibrator. A drive voltage generator that generates a current, a detector that detects a current flowing through the vibrator or power supplied to the vibrator, and a control that controls the drive voltage generator so that the frequency of the drive voltage changes Part. In the first operation mode, the control unit acquires the detection result of the detection unit while changing the frequency of the drive voltage, and based on the acquired detection result, the current flowing through the transducer or the transducer The anti-resonance frequency at which the supplied power is a minimum value is searched, and the frequency of the drive voltage is held at the anti-resonance frequency searched in the first operation mode in the second operation mode.

本発明の第2の観点に係る振動発生装置は、電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子と、前記振動子を駆動する上記第1の観点に係る振動子駆動装置とを有する。   A vibration generating apparatus according to a second aspect of the present invention includes a vibrator that converts electrical energy into mechanical vibration energy, and a vibrator driving apparatus according to the first aspect that drives the vibrator.

本発明によればフィードバック制御を用いない簡易な構成でありながら、振動子の機械的負荷の変動に伴う振動子の振幅の変動を抑制できる。   According to the present invention, it is possible to suppress fluctuations in the amplitude of the vibrator due to fluctuations in the mechanical load of the vibrator, while having a simple configuration without using feedback control.

本発明の実施形態に係る振動発生装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the vibration generator which concerns on embodiment of this invention. 矩形波発生回路及び波形変換回路の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a rectangular wave generation circuit and a waveform conversion circuit. スイッチングアンプ及びフィルタの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a switching amplifier and a filter. 振動子と直列に設けたインダクタの影響を説明するための図であり、回路の周波数特性のミュレーション結果を示す。It is a figure for demonstrating the influence of the inductor provided in series with the vibrator | oscillator, and shows the simulation result of the frequency characteristic of a circuit. 振動子と直列に設けたインダクタの影響を説明するための図であり、異なるインダクタンス値で得られた複数の周波数特性のシミュレーション結果を示す。It is a figure for demonstrating the influence of the inductor provided in series with the vibrator | oscillator, and shows the simulation result of the several frequency characteristic obtained by different inductance value. 振動子の機械的な負荷の影響を説明するための図であり、無負荷時と有負荷時における周波数特性のシミュレーション結果を示す。It is a figure for demonstrating the influence of the mechanical load of a vibrator | oscillator, and shows the simulation result of the frequency characteristic at the time of no load and a load. 振動子の機械的な負荷の影響を説明するための図であり、無負荷時と有負荷時における他の周波数特性のシミュレーション結果を示す。It is a figure for demonstrating the influence of the mechanical load of a vibrator | oscillator, and shows the simulation result of the other frequency characteristic at the time of no load and with load. フィルタのキャパシタの影響を説明するための図であり、回路の周波数特性のシミュレーション結果を示す。It is a figure for demonstrating the influence of the capacitor of a filter, and shows the simulation result of the frequency characteristic of a circuit. 動作時における回路の各部の信号波形を示す図であり、無負荷時と有負荷時における過渡解析のシミュレーション結果を示す。It is a figure which shows the signal waveform of each part of the circuit at the time of operation | movement, and shows the simulation result of the transient analysis at the time of no load and with load. 反共振周波数の探索処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the search process of an antiresonance frequency. 反共振周波数の探索処理を実行した場合における回路の各部の信号波形を示す図である。It is a figure which shows the signal waveform of each part of a circuit at the time of performing the search process of an antiresonance frequency.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る振動発生装置について説明する。図1は、本実施形態に係る振動発生装置1の一例を示す図である。図1に示す振動発生装置1は、電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子VTと、振動子VTに駆動用の電力を供給する振動子駆動装置2を有する。振動発生装置1は、例えば歯科用のハンドツールや電気メス、電動歯ブラシなど、振動子VTの振動を対象物に伝える装置である。そのため、使用状態(対象物の有無、対象物の材質、振動の伝え方など)に応じて振動子VTの機械的負荷が変化する。振動子VTは、例えばランジュバン型振動子であり、後述するように共振周波数と反共振周波数が存在する。   Hereinafter, a vibration generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a vibration generator 1 according to the present embodiment. A vibration generator 1 shown in FIG. 1 includes a vibrator VT that converts electrical energy into mechanical vibration energy, and a vibrator driver 2 that supplies driving power to the vibrator VT. The vibration generator 1 is a device that transmits the vibration of the vibrator VT to an object, such as a dental hand tool, an electric knife, or an electric toothbrush. Therefore, the mechanical load of the vibrator VT changes according to the usage state (the presence or absence of the object, the material of the object, how to transmit vibration, etc.). The vibrator VT is, for example, a Langevin vibrator, and has a resonance frequency and an anti-resonance frequency as described later.

図1の例において、振動子駆動装置2は、駆動電圧発生部10と、検出部20と、制御部30と、トランスTRを含む。   In the example of FIG. 1, the vibrator driving device 2 includes a driving voltage generation unit 10, a detection unit 20, a control unit 30, and a transformer TR.

[駆動電圧発生部10]
駆動電圧発生部10は、トランスTRを介して振動子VTに供給される交流の駆動電圧Vo1を発生する。駆動電圧発生部10は、制御部30の制御に従って、駆動電圧Vo1の周波数と振幅を調節する。
[Drive voltage generator 10]
The drive voltage generator 10 generates an alternating drive voltage Vo1 supplied to the vibrator VT via the transformer TR. The drive voltage generator 10 adjusts the frequency and amplitude of the drive voltage Vo <b> 1 according to the control of the controller 30.

駆動電圧発生部10は、例えば図1に示すように、矩形波発生回路11と、波形変換回路12と、バンドパスフィルタ13と、レンジ切替回路14と、スイッチングアンプ15と、フィルタ16を含む。   For example, as shown in FIG. 1, the drive voltage generation unit 10 includes a rectangular wave generation circuit 11, a waveform conversion circuit 12, a band pass filter 13, a range switching circuit 14, a switching amplifier 15, and a filter 16.

矩形波発生回路11は、制御部30の制御に従って振幅と周波数が設定された矩形波S11を発生する。波形変換回路12は、矩形波発生回路11から出力される矩形波S11を三角波S12に変換する。   The rectangular wave generation circuit 11 generates a rectangular wave S11 having an amplitude and a frequency set under the control of the control unit 30. The waveform conversion circuit 12 converts the rectangular wave S11 output from the rectangular wave generation circuit 11 into a triangular wave S12.

図2は、矩形波発生回路11及び波形変換回路12の構成の一例を示す図である。
図2の例において、矩形波発生回路11は、制御部30から出力されるPWM信号S30Aを平均化して直流電圧を生成するローパスフィルタ111と、ローパスフィルタ111において生成された直流電圧をスイッチングして矩形波S11を生成するスイッチ回路112を含む。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the rectangular wave generation circuit 11 and the waveform conversion circuit 12.
In the example of FIG. 2, the rectangular wave generation circuit 11 switches the DC voltage generated by the low-pass filter 111 and the low-pass filter 111 that generates a DC voltage by averaging the PWM signal S30A output from the control unit 30. A switch circuit 112 that generates a rectangular wave S11 is included.

ローパスフィルタ111は、直列に接続された抵抗R1とキャパシタCを含む。抵抗R1の一端にPWM信号S30Aが入力され、抵抗R1の他端がキャパシタC1の一端に接続され、キャパシタC1の他端がグランドに接続される。PWM信号S30Aの1周期中におけるハイレベルの期間の割合(デューティ比)が大きくなるほど、キャパシタC1に生じる直流電圧のレベルが高くなる。   Low pass filter 111 includes a resistor R1 and a capacitor C connected in series. The PWM signal S30A is input to one end of the resistor R1, the other end of the resistor R1 is connected to one end of the capacitor C1, and the other end of the capacitor C1 is connected to the ground. As the ratio (duty ratio) of the high level period in one cycle of the PWM signal S30A increases, the level of the DC voltage generated in the capacitor C1 increases.

スイッチ回路112は、制御部30から出力される制御信号S30Bに応じて相補的にオンオフする2つのスイッチSW1及びSW2を含む。スイッチSW1及びSW2は、キャパシタC1の一端と他端との間において直列に接続されており、その接続中点から矩形波S11を出力する。スイッチSW1がオンし、スイッチSW2がオフすると、矩形波S11がハイレベルとなり、スイッチSW1がオフし、スイッチSW2がオンすると、矩形波S11がローレベルとなる。   The switch circuit 112 includes two switches SW1 and SW2 that are complementarily turned on and off according to the control signal S30B output from the control unit 30. The switches SW1 and SW2 are connected in series between one end and the other end of the capacitor C1, and output a rectangular wave S11 from the connection middle point. When the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off, the rectangular wave S11 is at a high level, and when the switch SW1 is turned off and the switch SW2 is turned on, the rectangular wave S11 is at a low level.

図2の例において、波形変換回路12は、キャパシタC2及びC3と、抵抗R2〜R6と、オペアンプOP1を含む。オペアンプOP1の反転入力端子には、直列接続された抵抗R2及びR3を介して基準電圧Vrが入力される。オペアンプOP1の非反転入力端子には、直列接続された抵抗R4及びR5を介して基準電圧Vrが入力される。キャパシタC2の一端には、矩形波S11が入力され、キャパシタC2の他端は、抵抗R2及びR3の接続中点N1に接続される。抵抗R6及びキャパシタC3は、オペアンプOP1の反転入力端子と出力端子との間に並列接続される。   In the example of FIG. 2, the waveform conversion circuit 12 includes capacitors C2 and C3, resistors R2 to R6, and an operational amplifier OP1. The reference voltage Vr is input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 through the resistors R2 and R3 connected in series. The reference voltage Vr is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP1 via the resistors R4 and R5 connected in series. A rectangular wave S11 is input to one end of the capacitor C2, and the other end of the capacitor C2 is connected to a connection midpoint N1 of the resistors R2 and R3. The resistor R6 and the capacitor C3 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP1.

オペアンプOP1の非反転入力端子に基準電圧Vrが入力されるため、オペアンプOP1の反転入力端子の電圧は概ね基準電圧Vrと等しくなる。キャパシタC2がキャパシタC3に比べて十分大きな静電容量を有しているものとすると、キャパシタC2からキャパシタC3への電荷の移動に伴うキャパシタC2の電圧変化は微小である。この場合、矩形波S11がハイレベルの期間における接続中点N1の電圧は概ね一定となり、矩形波S11がローレベルの期間における接続中点N1の電圧も概ね一定となる。すなわち、接続中点N1の電圧は矩形波となり、その振幅は矩形波S11の振幅と概ね等しくなる。これにより、矩形波S11がハイレベルの期間とローレベルの期間のそれぞれにおいて、キャパシタC3には抵抗R3を介して概ね一定の電流が流れる。また、キャパシタC3の電流の方向は、矩形波S11のレベルの変化に応じて反転する。従って、オペアンプOP1の出力電圧は、時間の経過とともに一定の傾きで上昇と低下を繰り返す三角波S12となる。   Since the reference voltage Vr is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP1, the voltage at the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is approximately equal to the reference voltage Vr. Assuming that the capacitor C2 has a sufficiently large capacitance compared to the capacitor C3, the voltage change of the capacitor C2 accompanying the movement of charges from the capacitor C2 to the capacitor C3 is minute. In this case, the voltage at the connection midpoint N1 during the period when the rectangular wave S11 is at the high level is substantially constant, and the voltage at the connection midpoint N1 during the period when the rectangular wave S11 is at the low level is also approximately constant. That is, the voltage at the connection midpoint N1 is a rectangular wave, and its amplitude is approximately equal to the amplitude of the rectangular wave S11. As a result, a substantially constant current flows through the capacitor R3 through the resistor R3 in each of the period in which the rectangular wave S11 is at the high level and the period in the low level. Further, the direction of the current of the capacitor C3 is reversed according to the change in the level of the rectangular wave S11. Therefore, the output voltage of the operational amplifier OP1 becomes a triangular wave S12 that repeatedly rises and falls with a constant slope as time passes.

図1に戻る。
バンドパスフィルタ13は、波形変換回路12において発生した三角波S12から高調波成分を除去した正弦波S13を出力する。矩形波S11(三角波S12)の周波数の変化範囲が高調波に比べて十分に小さい場合、バンドパスフィルタ13の通過帯域は一定でよい。バンドパスフィルタ13は、例えば、縦続接続された複数段のバンドパスフィルタによって構成される。
Returning to FIG.
The bandpass filter 13 outputs a sine wave S13 obtained by removing harmonic components from the triangular wave S12 generated in the waveform conversion circuit 12. If the frequency change range of the rectangular wave S11 (triangular wave S12) is sufficiently smaller than the harmonics, the passband of the bandpass filter 13 may be constant. The bandpass filter 13 is configured by, for example, a plurality of stages of bandpass filters connected in cascade.

レンジ切替回路14は、スイッチングアンプ15に出力する正弦波S14の振幅の範囲を制御部30の制御信号に応じて切り替える。例えばレンジ切替回路14は、制御部30の制御信号に応じて減衰比を切り替える減衰回路を含んでおり、正弦波S13の振幅を減衰させた正弦波S14を出力する。   The range switching circuit 14 switches the amplitude range of the sine wave S14 output to the switching amplifier 15 according to the control signal of the control unit 30. For example, the range switching circuit 14 includes an attenuation circuit that switches an attenuation ratio in accordance with a control signal from the control unit 30, and outputs a sine wave S14 in which the amplitude of the sine wave S13 is attenuated.

スイッチングアンプ15は、正弦波S14に応じてパルス幅やパルス密度などが変調されたパルス波形の駆動電圧VDを出力する。スイッチングアンプ15は、例えば直流電源から供給される直流電圧Vpsをスイッチ素子(FETなど)でスイッチングすることにより、パルス波形の駆動電圧VDを生成する。フィルタ16は、スイッチングアンプ15から出力される駆動電圧VDに含まれたスイッチング成分を除去し、正弦波S14に対応する正弦波状の駆動電圧Vo1を出力する。   The switching amplifier 15 outputs a drive voltage VD having a pulse waveform in which the pulse width, the pulse density, and the like are modulated according to the sine wave S14. The switching amplifier 15 generates a drive voltage VD having a pulse waveform by switching a DC voltage Vps supplied from a DC power supply, for example, with a switch element (FET or the like). The filter 16 removes the switching component included in the drive voltage VD output from the switching amplifier 15, and outputs a sine wave drive voltage Vo1 corresponding to the sine wave S14.

図3は、スイッチングアンプ15及びフィルタ16の構成の一例を示す図である。
図3の例において、スイッチングアンプ15は、それぞれハイレベルとローレベルの電圧を切り替えて出力する第1アンプ部A1及び第2アンプ部A2と、三角波発生器153とを有する。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the switching amplifier 15 and the filter 16.
In the example of FIG. 3, the switching amplifier 15 includes a first amplifier unit A <b> 1 and a second amplifier unit A <b> 2 that switch and output a high level voltage and a low level voltage, respectively, and a triangular wave generator 153.

第1アンプ部A1は、正弦波S14に応じてパルス幅変調された第1駆動電圧VD1を出力する。第2アンプ部A2は、正弦波S14の位相を反転させた反転正弦波S14に応じてパルス幅変調された第2駆動電圧VD2を出力する。第1駆動電圧VD1と第2駆動電圧VD2との差が駆動電圧VDに相当する。   The first amplifier unit A1 outputs a first drive voltage VD1 that is pulse-width modulated in accordance with the sine wave S14. The second amplifier unit A2 outputs the second drive voltage VD2 that is pulse-width modulated in accordance with the inverted sine wave S14 obtained by inverting the phase of the sine wave S14. The difference between the first drive voltage VD1 and the second drive voltage VD2 corresponds to the drive voltage VD.

第1アンプ部A1は、図3の例において、スイッチ素子M11及びM12と、スイッチ駆動回路151と、コンパレータCP1とを含む。コンパレータCP1は、三角波発生器153において生成された一定の周波数の三角波Strと正弦波S14とを比較し、その比較結果としてパルス幅変調信号を出力する。スイッチ駆動回路151は、コンパレータCP1から出力されるパルス幅変調信号に応じて、スイッチ素子M11及びM12を相補的に駆動する。スイッチ素子M11及びM12は、例えばFETなどのトランジスタであり、直流電圧Vpsが供給される電源ラインとグランドとの間に直列接続される。スイッチ素子M11及びM12が相補的にオンオフすることにより、駆動電圧VD1は、直流電圧Vpsとゼロ電圧(グランドレベル)との間で交互に切り替わるパルス波となる。   In the example of FIG. 3, the first amplifier unit A1 includes switch elements M11 and M12, a switch drive circuit 151, and a comparator CP1. The comparator CP1 compares the triangular wave Str having a constant frequency generated by the triangular wave generator 153 with the sine wave S14, and outputs a pulse width modulation signal as a comparison result. The switch drive circuit 151 complementarily drives the switch elements M11 and M12 according to the pulse width modulation signal output from the comparator CP1. The switch elements M11 and M12 are transistors such as FETs, for example, and are connected in series between a power supply line to which the DC voltage Vps is supplied and the ground. When the switch elements M11 and M12 are turned on and off in a complementary manner, the drive voltage VD1 becomes a pulse wave that switches alternately between the DC voltage Vps and the zero voltage (ground level).

第2アンプ部A2は、図3の例において、スイッチ素子M21及びM22と、スイッチ駆動回路152と、コンパレータCP2と、反転アンプ154とを含む。反転アンプ154は、正弦波S14の位相を反転させた反転正弦波S14Aを出力する。コンパレータCP2は、三角波Strと反転正弦波S14Aとを比較し、その比較結果としてパルス幅変調信号を出力する。スイッチ駆動回路152は、コンパレータCP2から出力されるパルス幅変調信号に応じて、スイッチ素子M21及びM22を相補的に駆動する。スイッチ素子M21及びM22は、例えばFETなどのトランジスタであり、直流電圧Vpsが供給される電源ラインとグランドとの間に直列接続される。スイッチ素子M21及びM22が相補的にオンオフすることにより、駆動電圧VD2は、直流電圧Vpsとゼロ電圧(グランドレベル)との間で交互に切り替わるパルス波となる。   In the example of FIG. 3, the second amplifier unit A2 includes switch elements M21 and M22, a switch drive circuit 152, a comparator CP2, and an inverting amplifier 154. The inverting amplifier 154 outputs an inverted sine wave S14A obtained by inverting the phase of the sine wave S14. The comparator CP2 compares the triangular wave Str and the inverted sine wave S14A, and outputs a pulse width modulation signal as the comparison result. The switch drive circuit 152 drives the switch elements M21 and M22 in a complementary manner according to the pulse width modulation signal output from the comparator CP2. The switch elements M21 and M22 are transistors such as FETs, for example, and are connected in series between a power supply line to which the DC voltage Vps is supplied and the ground. When the switch elements M21 and M22 are turned on and off in a complementary manner, the drive voltage VD2 becomes a pulse wave that is alternately switched between the DC voltage Vps and the zero voltage (ground level).

図3の例において、フィルタ16は、第1チョークLc1及び第2チョークLc2と、第1キャパシタCf11及び第2キャパシタCf21を有する。第1チョークLc1及び第2チョークLc2は、スイッチングアンプ15からトランスTRの一次コイルL1へ電流が流れる経路に設けられている。すなわち、第1チョークLc1は、第1アンプ部A1の出力から一次コイルL1の一方の端子へ電流が流れる経路に設けられ、第2チョークLc2は、第2アンプ部A2の出力から一次コイルL1の他方の端子へ電流が流れる経路に設けられている。   In the example of FIG. 3, the filter 16 includes a first choke Lc1 and a second choke Lc2, a first capacitor Cf11, and a second capacitor Cf21. The first choke Lc1 and the second choke Lc2 are provided in a path through which a current flows from the switching amplifier 15 to the primary coil L1 of the transformer TR. That is, the first choke Lc1 is provided in a path through which a current flows from the output of the first amplifier unit A1 to one terminal of the primary coil L1, and the second choke Lc2 is connected to the primary coil L1 from the output of the second amplifier unit A2. It is provided in a path through which current flows to the other terminal.

第1キャパシタCf11は、第1チョークLc1から一次コイルL1へ電流が流れる経路とグラントとの間に接続される。第2キャパシタCf21は、第2チョークLc2から一次コイルL1へ電流が流れる経路とグランドとの間に接続される。   The first capacitor Cf11 is connected between a path through which a current flows from the first choke Lc1 to the primary coil L1 and the grant. The second capacitor Cf21 is connected between a path through which a current flows from the second choke Lc2 to the primary coil L1 and the ground.

また図3の例において、フィルタ16は、第1キャパシタCf11に並列接続された抵抗Rf11及びキャパシタCf12の直列回路と、第2キャパシタCf21に並列接続された抵抗Rf21及びキャパシタCf22の直列回路とを有する。   In the example of FIG. 3, the filter 16 includes a series circuit of a resistor Rf11 and a capacitor Cf12 connected in parallel to the first capacitor Cf11, and a series circuit of a resistor Rf21 and a capacitor Cf22 connected in parallel to the second capacitor Cf21. .

[トランスTR]
トランスTRの一次コイルL1は、フィルタ16から出力される正弦波状の駆動電圧Vo1を入力する。トランスTRの二次コイルL2は、駆動電圧Vo1に対して昇圧された駆動電圧Vo2を発生する。この駆動電圧Vo2が、振動子VTに供給される。
[Trans TR]
The primary coil L1 of the transformer TR receives the sinusoidal drive voltage Vo1 output from the filter 16. The secondary coil L2 of the transformer TR generates a drive voltage Vo2 that is boosted with respect to the drive voltage Vo1. This drive voltage Vo2 is supplied to the vibrator VT.

[検出部20]
検出部20は、振動子VTに流れる電流を検出する。図1の例において、検出部20は、カレントトランスCTと、シャント抵抗Rsと、電流検出アンプ21と、全波整流回路22と、ローパスフィルタ23を有する。
[Detection unit 20]
The detection unit 20 detects a current flowing through the vibrator VT. In the example of FIG. 1, the detection unit 20 includes a current transformer CT, a shunt resistor Rs, a current detection amplifier 21, a full-wave rectifier circuit 22, and a low-pass filter 23.

カレントトランスCTの一次コイルLt1は、振動子VTに流れる電流Ioの経路に設けられる。カレントトランスCTの二次コイルLt2には、電流Ioに比例した電流Isが流れる。シャント抵抗Rsは、二次コイルLc2に流れる電流Isに応じた電圧を発生する。   The primary coil Lt1 of the current transformer CT is provided in the path of the current Io flowing through the vibrator VT. A current Is proportional to the current Io flows through the secondary coil Lt2 of the current transformer CT. The shunt resistor Rs generates a voltage corresponding to the current Is flowing through the secondary coil Lc2.

電流検出アンプ21は、シャント抵抗Rsに発生する電圧を、制御部30の制御信号に応じたゲインで増幅する。全波整流回路22は、電流検出アンプ21の正弦波状の出力信号S21を全波整流する。ローパスフィルタ23は、全波整流回路22から出力される全波整流信号S22を平滑化し、電流Ioの振幅に概ね比例した信号S23を出力する。   The current detection amplifier 21 amplifies the voltage generated in the shunt resistor Rs with a gain corresponding to the control signal of the control unit 30. The full wave rectification circuit 22 performs full wave rectification on the sine wave output signal S 21 of the current detection amplifier 21. The low-pass filter 23 smoothes the full-wave rectified signal S22 output from the full-wave rectifier circuit 22, and outputs a signal S23 that is approximately proportional to the amplitude of the current Io.

[制御部30]
制御部30は、振動発生装置1の全体的な動作を制御する回路であり、例えばコンピュータを含んで構成される。制御部30は、駆動電圧Vo1の周波数や振幅が変化するように、駆動電圧発生部10を制御する。具体的には、制御部30は、矩形波発生回路11のスイッチ回路112に入力する制御信号S30Aによって、矩形波S11の周波数(周期)を制御し、矩形波発生回路11のローパスフィルタ111に入力するPWM信号S30Aによって、矩形波S11の振幅を制御する。また、制御部30は、レンジ切替回路14の減衰比を切り替えることによって、スイッチングアンプ15に入力する正弦波S14の振幅の範囲を制御する。
[Control unit 30]
The control unit 30 is a circuit that controls the overall operation of the vibration generator 1 and includes, for example, a computer. The control unit 30 controls the drive voltage generation unit 10 so that the frequency and amplitude of the drive voltage Vo1 change. Specifically, the control unit 30 controls the frequency (period) of the rectangular wave S11 by the control signal S30A input to the switch circuit 112 of the rectangular wave generation circuit 11, and inputs the control signal to the low-pass filter 111 of the rectangular wave generation circuit 11. The amplitude of the rectangular wave S11 is controlled by the PWM signal S30A. In addition, the control unit 30 controls the amplitude range of the sine wave S <b> 14 input to the switching amplifier 15 by switching the attenuation ratio of the range switching circuit 14.

更に、制御部30は、電流検出アンプ21のゲインを制御することにより、検出部20において検出される電流Ioの振幅の範囲を制御する。   Further, the control unit 30 controls the amplitude of the current Io detected by the detection unit 20 by controlling the gain of the current detection amplifier 21.

本実施形態の振動発生装置1は、動作状態に関するモードとして、駆動電圧発生部10における駆動電圧Vo1の発生を停止する動作停止モードと、振動子VTの反共振周波数の探索を行う第1動作モードと、振動子VTを駆動する第2動作モードとを有する。制御部30は、動作停止モードにおいて駆動電圧Vo1を発生するように指示する制御信号Scを外部の制御機器などから入力した場合、動作停止モードから第1動作モードに移行する。   The vibration generator 1 of the present embodiment includes an operation stop mode for stopping the generation of the drive voltage Vo1 in the drive voltage generator 10 and a first operation mode for searching for an anti-resonance frequency of the vibrator VT as modes related to the operation state. And a second operation mode for driving the vibrator VT. When the control signal Sc instructing to generate the drive voltage Vo1 is input from an external control device or the like in the operation stop mode, the control unit 30 shifts from the operation stop mode to the first operation mode.

制御部30は、第1動作モードにおいて、駆動電圧Vo1の周波数を変化させながら検出部20の検出結果(ローパスフィルタ23の出力信号S23)を取得し、当該取得した検出結果に基づいて、振動子VTに流れる電流Ioが極小値となる反共振周波数を探索する。例えば制御部30は、反共振周波数が含まれ得る所定の周波数範囲の高周波側から低周波側に向かって駆動電圧Vo1の周波数を変化させながら、検出部20において検出される電流Ioが低下から上昇へ転じる周波数を探索する。制御部30は、第1動作モードにおいて反共振周波数を探索した後、第2動作モードに移行する。   In the first operation mode, the control unit 30 acquires the detection result (the output signal S23 of the low-pass filter 23) of the detection unit 20 while changing the frequency of the drive voltage Vo1, and based on the acquired detection result, the vibrator The anti-resonance frequency at which the current Io flowing through the VT becomes a minimum value is searched. For example, the control unit 30 increases the current Io detected by the detection unit 20 from a decrease while changing the frequency of the drive voltage Vo1 from the high frequency side to the low frequency side of a predetermined frequency range in which the anti-resonance frequency can be included. Search for a frequency that turns to. After searching for the antiresonance frequency in the first operation mode, the control unit 30 transitions to the second operation mode.

制御部30は、第2動作モードにおいて、駆動電圧発生部10により駆動電圧Vo1を発生するとともに、駆動電圧Vo1の周波数を第1動作モードの探索結果の反共振周波数に保持する。   In the second operation mode, the control unit 30 generates the drive voltage Vo1 by the drive voltage generation unit 10 and holds the frequency of the drive voltage Vo1 at the anti-resonance frequency of the search result of the first operation mode.

また制御部30は、第2動作モードにおいて、駆動電圧発生部10に対する駆動電圧Vo1の振幅の設定値を、制御信号Scに応じた一定の値に保つ。具体的には、制御部30は、矩形波発生回路11のローパスフィルタ111に入力するPWM信号S30Aのデューティ比と、レンジ切替回路14における減衰比を、制御信号Scに応じた一定の値に保つ。すなわち、制御部30は、振動子VTに流れる電流Ioを一定に保つフィードバック制御を行わない。   Further, in the second operation mode, the control unit 30 maintains the set value of the amplitude of the drive voltage Vo1 for the drive voltage generation unit 10 at a constant value according to the control signal Sc. Specifically, the control unit 30 maintains the duty ratio of the PWM signal S30A input to the low-pass filter 111 of the rectangular wave generation circuit 11 and the attenuation ratio in the range switching circuit 14 at constant values according to the control signal Sc. . That is, the control unit 30 does not perform feedback control that keeps the current Io flowing through the vibrator VT constant.

ここで、上述した構成を有する振動発生装置1におけるインダクタ(第1チョークLc1,第2チョークLc2)の機能について、図4及び図5を参照して説明する。   Here, the function of the inductors (first choke Lc1, second choke Lc2) in the vibration generator 1 having the above-described configuration will be described with reference to FIGS.

図4は、振動子VTと直列に設けたインダクタの影響を説明するための図であり、回路の周波数特性のシミュレーション結果を示す。図4Aは、シミュレーションを行った回路を示す。振動子VTの電気的な等価回路は、図4Aに示すように、インダクタLt、キャパシタCt1及び抵抗Rtの直列回路と、この直列回路に並列接続されたキャパシタCt2とからなる。図4Aに示す回路では、振動子VTとインダクタLmと抵抗Rsとが直列に接続され、この直列回路に信号源から電圧Viが供給される。   FIG. 4 is a diagram for explaining the influence of the inductor provided in series with the vibrator VT, and shows the simulation result of the frequency characteristics of the circuit. FIG. 4A shows a circuit on which simulation was performed. As shown in FIG. 4A, the electrical equivalent circuit of the vibrator VT includes a series circuit of an inductor Lt, a capacitor Ct1, and a resistor Rt, and a capacitor Ct2 connected in parallel to the series circuit. In the circuit shown in FIG. 4A, a vibrator VT, an inductor Lm, and a resistor Rs are connected in series, and a voltage Vi is supplied to the series circuit from a signal source.

図4B〜図4DはインダクタLmの値がゼロの場合のシミュレーション結果を示し、図4E〜図4GはインダクタLmの値が20[mH]の場合のシミュレーション結果を示す。また、図4B及び図4Eは、電圧Viの信号源からみたインピーダンスZの周波数特性を示し、図4C及び図4Fは、当該信号源から供給される電流Iの周波数特性を示し、図4D及び図4Gは、当該信号源から出力される電力Wの周波数特性を示す。なお、このシミュレーションにおいて、インダクタLtの値は0.92[H]、キャパシタCt1の値は24.3[pF]、抵抗Rtの値は332[Ω]、キャパシタCt2の値は1.02[nF]、抵抗Rsの値は50[Ω]である。   4B to 4D show simulation results when the value of the inductor Lm is zero, and FIGS. 4E to 4G show simulation results when the value of the inductor Lm is 20 [mH]. 4B and 4E show the frequency characteristics of the impedance Z as seen from the signal source of the voltage Vi, FIGS. 4C and 4F show the frequency characteristics of the current I supplied from the signal source, and FIGS. 4G indicates the frequency characteristic of the power W output from the signal source. In this simulation, the value of the inductor Lt is 0.92 [H], the value of the capacitor Ct1 is 24.3 [pF], the value of the resistor Rt is 332 [Ω], and the value of the capacitor Ct2 is 1.02 [nF. ], The value of the resistor Rs is 50 [Ω].

インダクタンスLmの値がゼロの場合(図4B〜図4D)、インピーダンスZが極小値になる(電流I,電力Wが極大値になる)共振周波数frと、インピーダンスZが極大値になる(電流I,電力Wが極小値になる)反共振周波数faとが生じる。共振周波数frは主としてインダクタLtとキャパシタCt1との直列共振に起因し、反共振周波数faは主としてインダクタLtとキャパシタCt2との並列共振に起因する。他方、インダクタLmの値が20[mH]の場合は(図4E〜図4G)、共振周波数fr及び反共振周波数faに加えて、共振周波数fxが生じる。共振周波数fxは、主としてインダクタLmとキャパシタCt2との直列共振に起因する。   When the value of the inductance Lm is zero (FIGS. 4B to 4D), the impedance Z becomes a minimum value (the current I and the power W become a maximum value) and the impedance Z becomes a maximum value (the current I , The electric power W becomes a minimum value). The resonance frequency fr is mainly caused by series resonance of the inductor Lt and the capacitor Ct1, and the anti-resonance frequency fa is mainly caused by parallel resonance of the inductor Lt and the capacitor Ct2. On the other hand, when the value of the inductor Lm is 20 [mH] (FIGS. 4E to 4G), the resonance frequency fx is generated in addition to the resonance frequency fr and the antiresonance frequency fa. The resonance frequency fx is mainly caused by series resonance of the inductor Lm and the capacitor Ct2.

図4Cと図4Fを比較して分るように、この共振周波数fxが反共振周波数faより高い周波数に生じることで、反共振周波数fa付近における電流I、電力Wの変化が強調される。すなわち、電圧Viの周波数の変化に応じた電流I、電力Wの変化が強調される。従って、インダクタLmを振動子VTと直列に設けることにより、周波数の変化に対する電流Iの変化を検出し易くなるため、電流Iが極小値になることを利用した反共振周波数faの探索が容易になる。   As can be seen by comparing FIG. 4C and FIG. 4F, the resonance frequency fx is generated at a frequency higher than the anti-resonance frequency fa, so that changes in the current I and power W near the anti-resonance frequency fa are emphasized. That is, the change in the current I and the power W according to the change in the frequency of the voltage Vi is emphasized. Accordingly, by providing the inductor Lm in series with the vibrator VT, it becomes easy to detect the change in the current I with respect to the change in the frequency. Therefore, the search for the anti-resonance frequency fa using the minimum value of the current I is easy. Become.

図5は、インダクタの値に応じた周波数特性の違いを示す図である。図5Aはシミュレーションを行った回路を示し、図5B〜図5Gは周波数特性のシミュレーション結果を示す。図5Aに示す回路は、図4Aに示す回路と異なり、インダクタLcと振動子VTとがトランスTRの一次側と二次側とに分離されている。図5Aに示す回路において、振動子VTの等価回路は図4Aと同じである。   FIG. 5 is a diagram illustrating the difference in frequency characteristics depending on the value of the inductor. FIG. 5A shows a circuit on which simulation is performed, and FIGS. 5B to 5G show simulation results of frequency characteristics. The circuit shown in FIG. 5A differs from the circuit shown in FIG. 4A in that the inductor Lc and the vibrator VT are separated on the primary side and the secondary side of the transformer TR. In the circuit shown in FIG. 5A, the equivalent circuit of the vibrator VT is the same as FIG. 4A.

トランスTRは、一次側の電圧Vo1に対して二次側の電圧Vo2を昇圧するトランスであり、一次コイルL1の値は0.4[mH]、二次コイルL2の値は250[mH]、結合係数は0.9993である。トランスTRの一次側のインピーダンスは、トランスTRの二次側からみて概ね625倍(250mH/0.4mH)になる。そのため、図4Aに示す回路における20[mH]のインダクタLmは、図5Aに示す回路における32[μH]のインダクタLcに相当する。トランスTRを設けることにより、反共振周波数faにおける大きなインピーダンスの振動子VTを高電圧で駆動し易くなるとともに、共振周波数fxを生じさせるためのインダクタLcの値を低減し易くなる。   The transformer TR is a transformer that boosts the voltage Vo2 on the secondary side with respect to the voltage Vo1 on the primary side, the value of the primary coil L1 is 0.4 [mH], the value of the secondary coil L2 is 250 [mH], The coupling coefficient is 0.9993. The impedance on the primary side of the transformer TR is approximately 625 times (250 mH / 0.4 mH) when viewed from the secondary side of the transformer TR. Therefore, the inductor Lm of 20 [mH] in the circuit shown in FIG. 4A corresponds to the inductor Lc of 32 [μH] in the circuit shown in FIG. 5A. By providing the transformer TR, it becomes easy to drive the vibrator VT having a large impedance at the anti-resonance frequency fa with a high voltage, and it is easy to reduce the value of the inductor Lc for generating the resonance frequency fx.

図5B及び図5CはインダクタLcの値が10[μH]の場合のシミュレーション結果を示し、図5D及び図5EはインダクタLcの値が20[μH]の場合のシミュレーション結果を示し、図5F及び図5EはインダクタLcの値が33[μH]の場合のシミュレーション結果を示す。また、図5B、図5D及び図5Fは振動子VTのインピーダンスZoを示し、図5C、図5E及び図5Gは振動子VTに流れる電流Ioを示す。図5のシミュレーション結果から分かるように、共振周波数fr及びfxはインダクタLcの値が大きくなるほど低下する一方、反共振周波数faはインダクタLcの値に応じて殆ど変化しない。従って、インダクタLcの値を適切に設定することにより、反共振周波数fa付近での周波数変化に対する電流Ioの変化を増大させるように共振周波数fxを設定することが可能である。   5B and 5C show simulation results when the value of the inductor Lc is 10 [μH], and FIGS. 5D and 5E show simulation results when the value of the inductor Lc is 20 [μH]. 5E shows a simulation result when the value of the inductor Lc is 33 [μH]. 5B, 5D, and 5F show the impedance Zo of the vibrator VT, and FIGS. 5C, 5E, and 5G show the current Io that flows through the vibrator VT. As can be seen from the simulation results of FIG. 5, the resonance frequencies fr and fx decrease as the value of the inductor Lc increases, while the anti-resonance frequency fa hardly changes depending on the value of the inductor Lc. Therefore, by appropriately setting the value of the inductor Lc, it is possible to set the resonance frequency fx so as to increase the change in the current Io with respect to the frequency change near the antiresonance frequency fa.

次に、振動子VTの機械的負荷が周波数特性に与える影響について、図6及び図7を参照して説明する。   Next, the influence of the mechanical load of the vibrator VT on the frequency characteristics will be described with reference to FIGS.

図6は、振動子VTの機械的な負荷の影響を説明するための図であり、無負荷時と有負荷時における周波数特性のシミュレーション結果を示す。図6のシミュレーションを行った回路は、図5Aと同じである。図6A〜図6Cは、無負荷時におけるインピーダンスZo及び電流Ioのシミュレーション結果を示す。図6D〜図6Fは、有負荷時におけるインピーダンスZo及び電流Ioのシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいて、振動子VTの抵抗Rtの値は、無負荷時に332[Ω]であり、有負荷時に6.3[kΩ]である。   FIG. 6 is a diagram for explaining the influence of the mechanical load of the vibrator VT, and shows the simulation result of the frequency characteristics when there is no load and when there is a load. The circuit on which the simulation of FIG. 6 is performed is the same as FIG. 5A. 6A to 6C show simulation results of the impedance Zo and the current Io when there is no load. 6D to 6F show simulation results of the impedance Zo and the current Io when there is a load. In this simulation, the value of the resistance Rt of the vibrator VT is 332 [Ω] when there is no load, and 6.3 [kΩ] when there is a load.

図6のシミュレーション結果から分かるように、振動子VTの機械的負荷が変化しても、反共振周波数faはあまり変化しない。従って、振動子VTの駆動周波数を無負荷時に探索された反共振周波数faに保持することで、反共振周波数faに追従する制御(PLLなど)を行わなくても、有負荷時において概ね反共振周波数faに近い周波数で振動子VTを駆動することが可能である。   As can be seen from the simulation result of FIG. 6, even if the mechanical load of the vibrator VT changes, the anti-resonance frequency fa does not change much. Therefore, by maintaining the driving frequency of the vibrator VT at the anti-resonance frequency fa searched for when there is no load, it is generally anti-resonance when there is a load, without performing control (such as PLL) to follow the anti-resonance frequency fa. It is possible to drive the vibrator VT at a frequency close to the frequency fa.

また、図6Aと図6Dを比較して分るように、有負荷時には無負荷時に比べて反共振周波数faでのインピーダンスZoが小さくなる。そのため、有負荷時の反共振周波数faにおける電流Io(6.76mA:図6C)は、無負荷時の反共振周波数faにおける電流Io(0.36mA:図6F)に比べて大きくなる。このように、機械的負荷の増大に伴って電流Ioが増大するため、振動子VTに供給する電流や電力を一定に保つようなフィードバック制御を行わなくても、機械的負荷に応じた駆動電力を振動子VTに供給することが可能である。   6A and 6D, the impedance Zo at the antiresonance frequency fa becomes smaller when there is a load than when there is no load. Therefore, the current Io (6.76 mA: FIG. 6C) at the anti-resonance frequency fa when there is a load is larger than the current Io (0.36 mA: FIG. 6F) at the anti-resonance frequency fa when there is no load. As described above, since the current Io increases as the mechanical load increases, the drive power corresponding to the mechanical load can be obtained without performing feedback control to keep the current and power supplied to the vibrator VT constant. Can be supplied to the vibrator VT.

図7は、振動子VTの機械的な負荷の影響に関する他のシミュレーション結果を示す図である。図7Aはシミュレーションを行った回路を示す。図7B及び図7Cは無負荷時のシミュレーション結果を示し、図7D及び図7Eは有負荷時のシミュレーション結果を示す。図7Aに示す回路は、インダクタLcの等価回路として、インダクタLsと抵抗Rs1とキャパシタCsとの並列回路を含むとともに、当該並列回路と直列に接続された抵抗Rs2を含む。また、図7Aに示す回路は、インダクタLcからトランスTRの一次コイルL1へ流れる電流の経路とグランドとの間に接続されたキャパシタCf1及びCf2を含む。キャパシタCf2には抵抗Rf1が直列に接続されており、この直列回路とキャパシタCf1とが並列に接続される。キャパシタCf1及びCf2は、図3におけるフィルタ16のキャパシタCf11,Cf12,Cf21,Cf22に対応するものであり、インダクタLcとともにローパスフィルタを構成する。   FIG. 7 is a diagram showing another simulation result regarding the influence of the mechanical load of the vibrator VT. FIG. 7A shows a circuit on which simulation was performed. 7B and 7C show simulation results when there is no load, and FIGS. 7D and 7E show simulation results when there is a load. The circuit illustrated in FIG. 7A includes a parallel circuit of an inductor Ls, a resistor Rs1, and a capacitor Cs as an equivalent circuit of the inductor Lc, and a resistor Rs2 connected in series with the parallel circuit. The circuit shown in FIG. 7A includes capacitors Cf1 and Cf2 connected between the path of the current flowing from the inductor Lc to the primary coil L1 of the transformer TR and the ground. A resistor Rf1 is connected in series to the capacitor Cf2, and this series circuit and the capacitor Cf1 are connected in parallel. The capacitors Cf1 and Cf2 correspond to the capacitors Cf11, Cf12, Cf21, and Cf22 of the filter 16 in FIG. 3, and constitute a low-pass filter together with the inductor Lc.

図7のシミュレーションにおいて、インダクタLsの値は33[μH]、抵抗Rs1の値は56.3[kΩ]、キャパシタCsの値は10.1[pF]、抵抗Rs2の値は67[mΩ]、キャパシタCf1及びCf2の値は0.1[μF]、抵抗Rf1の値は10[Ω]である。また、このシミュレーションにおいて、振動子VTを構成するインダクタLtの値は1.58[H]、キャパシタCt1の値は15.7[pF]、キャパシタCt2の値は823[pF]である。振動子VTの抵抗Rtの値は、無負荷時に1.1[kΩ]であり、有負荷時に6.0[kΩ]である。なお、トランスTRのパラメータは、図5Aと同じである。   In the simulation of FIG. 7, the value of the inductor Ls is 33 [μH], the value of the resistor Rs1 is 56.3 [kΩ], the value of the capacitor Cs is 10.1 [pF], the value of the resistor Rs2 is 67 [mΩ], The values of the capacitors Cf1 and Cf2 are 0.1 [μF], and the value of the resistor Rf1 is 10 [Ω]. In this simulation, the value of the inductor Lt constituting the vibrator VT is 1.58 [H], the value of the capacitor Ct1 is 15.7 [pF], and the value of the capacitor Ct2 is 823 [pF]. The value of the resistance Rt of the vibrator VT is 1.1 [kΩ] when there is no load, and 6.0 [kΩ] when there is a load. Note that the parameters of the transformer TR are the same as those in FIG. 5A.

図7B及び図7Dは、信号源の電圧Viに対する電圧Vo1のゲインの周波数特性(Vo1/Vi)と、信号源の電圧Viに対する電圧Vo2のゲインの周波数特性(Vo2/Vi)をそれぞれ示す。図7C及び図7Eは、振動子VTに流れる電流Ioの周波数特性を示す。これらの周波数特性からも分かるように、振動子VTの機械的負荷の変化に伴う反共振周波数faの変化は微小である。また、図7Cと図7Eを比較して分かるように、反共振周波数faにおける電流Ioは、無負荷の場合に微小であり、機械的負荷が大きくなるほど増大する。   FIG. 7B and FIG. 7D show the frequency characteristic (Vo1 / Vi) of the gain of the voltage Vo1 with respect to the voltage Vi of the signal source and the frequency characteristic (Vo2 / Vi) of the gain of the voltage Vo2 with respect to the voltage Vi of the signal source, respectively. 7C and 7E show frequency characteristics of the current Io flowing through the vibrator VT. As can be seen from these frequency characteristics, the change in the antiresonance frequency fa accompanying the change in the mechanical load of the vibrator VT is very small. Further, as can be seen by comparing FIG. 7C and FIG. 7E, the current Io at the anti-resonance frequency fa is minute when there is no load, and increases as the mechanical load increases.

次に、フィルタ16のキャパシタ(Cf11,Cf12,Cf21,Cf22)が周波数特性に与える影響について、図8を参照してを説明する。図8A及び図8Bは、図7Aに示す回路からキャパシタCf1,Cf2及び抵抗Rf1を削除した回路で周波数特性のシミュレーションを行った結果を示す。図8C及び図8Dは、図7Aに示す回路で周波数特性のシミュレーションを行った結果を示す。   Next, the influence of the capacitors (Cf11, Cf12, Cf21, Cf22) of the filter 16 on the frequency characteristics will be described with reference to FIG. FIGS. 8A and 8B show the results of simulation of frequency characteristics in a circuit in which capacitors Cf1 and Cf2 and resistor Rf1 are deleted from the circuit shown in FIG. 7A. FIG. 8C and FIG. 8D show the results of simulation of frequency characteristics with the circuit shown in FIG. 7A.

図8A及び図8Cは、信号源の電圧Viに対する電圧Vo1のゲインの周波数特性(Vo1/Vi)と、信号源の電圧Viに対する電圧Vo2のゲインの周波数特性(Vo2/Vi)をそれぞれ示す。図8B及び図8Dは、振動子VTに流れる電流Ioの周波数特性を示す。これらのシミュレーション結果から分かるように、インダクタLcとともにローパスフィルタを構成するキャパシタCf1,Cf2は、共振周波数fxを低い周波数へシフトさせる。これは、キャパシタCf1,Cf2がトランスTRを介して振動子VTのキャパシタCt2と並列に接続されることにより、見かけ上、キャパシタCt2のキャパシタンスが大きくなった状態と等価になり、インダクタLcとキャパシタCt2との直列共振周波数が低下するためである。キャパシタCf1,Cf2の有無にかかわらず、反共振周波数faはほぼ一定となっている。そのため、キャパシタCf1,Cf2の値をインダクタLcの値と共に適切に設定することにより、反共振周波数fa付近での周波数変化に対する電流Ioの変化を増大させるように共振周波数fxを設定することが可能である。   8A and 8C show the frequency characteristic (Vo1 / Vi) of the gain of the voltage Vo1 with respect to the voltage Vi of the signal source and the frequency characteristic (Vo2 / Vi) of the gain of the voltage Vo2 with respect to the voltage Vi of the signal source, respectively. 8B and 8D show frequency characteristics of the current Io flowing through the vibrator VT. As can be seen from these simulation results, the capacitors Cf1 and Cf2 that constitute the low-pass filter together with the inductor Lc shift the resonance frequency fx to a lower frequency. This is equivalent to the state in which the capacitance of the capacitor Ct2 is apparently increased by connecting the capacitors Cf1 and Cf2 in parallel with the capacitor Ct2 of the vibrator VT via the transformer TR. The inductor Lc and the capacitor Ct2 This is because the series resonance frequency with the above decreases. The antiresonance frequency fa is substantially constant regardless of the presence or absence of the capacitors Cf1 and Cf2. Therefore, by appropriately setting the values of the capacitors Cf1 and Cf2 together with the value of the inductor Lc, the resonance frequency fx can be set so as to increase the change in the current Io with respect to the frequency change near the antiresonance frequency fa. is there.

次に、動作時における回路の各部の信号波形について、図9を参照して説明する。図9は、無負荷時と有負荷時における過渡解析のシミュレーション結果を示す。   Next, signal waveforms at various parts of the circuit during operation will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows the simulation results of the transient analysis when there is no load and when there is a load.

図9Aは、過渡解析のシミュレーションを行った回路を示しており、図9Aと図3の同一符号は同一の構成要素を示す。第1チョークLc1及び第2チョークLc2の等価回路は、図7AにおけるインダクタLcと同じである。キャパシタCf11及びCf21の値は0.1[μF]、キャパシタCf12及びCf22の値は0.01[μF]、抵抗Rf11及びRf21の値は10[Ω]である。図9Aに示す回路における他の構成は、図7Aに示す回路と同じである。   FIG. 9A shows a circuit in which a simulation of transient analysis is performed, and the same reference numerals in FIG. 9A and FIG. 3 indicate the same components. An equivalent circuit of the first choke Lc1 and the second choke Lc2 is the same as the inductor Lc in FIG. 7A. The values of the capacitors Cf11 and Cf21 are 0.1 [μF], the values of the capacitors Cf12 and Cf22 are 0.01 [μF], and the values of the resistors Rf11 and Rf21 are 10 [Ω]. Other configurations of the circuit illustrated in FIG. 9A are the same as those of the circuit illustrated in FIG. 7A.

図9B〜図9Gは無負荷の場合(Rt=1.1[kΩ])における各部の波形を示し、図9H〜図9Mは有負荷の場合(Rt=6.0[kΩ])における各部の波形を示す。これらの波形から分かるように、スイッチングアンプ15から出力される矩形波状の第1駆動電圧VD1及び第2駆動電圧VD2は、フィルタ16によって高周波成分が除去される。そのため、トランスTRには正弦波状の電圧Vo1(Vo1+とVo1−との差)が入力される。   9B to 9G show the waveforms of the respective parts when there is no load (Rt = 1.1 [kΩ]), and FIGS. 9H to 9M show the waveforms of the respective parts when there is a load (Rt = 6.0 [kΩ]). Waveform is shown. As can be seen from these waveforms, the filter 16 removes high-frequency components from the rectangular drive first drive voltage VD1 and second drive voltage VD2 output from the switching amplifier 15. Therefore, a sine wave voltage Vo1 (difference between Vo1 + and Vo1-) is input to the transformer TR.

次に、反共振周波数faの探索処理について説明する。図10は、制御部30による反共振周波数faの探索処理の一例を示すフローチャートである。   Next, the search process for the anti-resonance frequency fa will be described. FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a search process for the anti-resonance frequency fa by the control unit 30.

制御部30は、反共振周波数faの探索処理を行う第1動作モードに移行すると、反共振周波数faの探索処理に用いる各変数(Sa,Sb,Fg,T,Tx)を初期化する(ST100)。また、制御部30は、駆動電圧発生部10に設定する駆動電圧Vo1の振幅を最小値にする(ST105)。   When the control unit 30 shifts to the first operation mode in which the search process for the anti-resonance frequency fa is performed, each variable (Sa, Sb, Fg, T, Tx) used for the search process for the anti-resonance frequency fa is initialized (ST100). ). Further, the control unit 30 sets the amplitude of the drive voltage Vo1 set in the drive voltage generation unit 10 to the minimum value (ST105).

まず、制御部30は、周期Tのパルス列を矩形波発生回路11から出力する(ST110)。初期状態において、周期Tは最小値に設定される。例えば制御部30は、周期Tの矩形波S11を16周期分だけ矩形波発生回路11から出力する。これにより、振動子VTには、周期Tの駆動電圧Vo2が16周期にわたって供給される。   First, the control unit 30 outputs a pulse train having a period T from the rectangular wave generation circuit 11 (ST110). In the initial state, the period T is set to a minimum value. For example, the control unit 30 outputs the rectangular wave S11 having the period T from the rectangular wave generating circuit 11 for 16 periods. As a result, the driving voltage Vo2 having the period T is supplied to the vibrator VT over 16 periods.

制御部30は、ステップST110において発生したパルス列の後半において、検出部20による振動子VTの電流Ioの検出値を積算し、その電流積算値を「Sa」として記憶する(ST115)。例えば、制御部30は、16周期における最後の4周期に対応する電流Ioの検出値を積算する。   In the second half of the pulse train generated in step ST110, control unit 30 integrates the detected value of current Io of vibrator VT by detecting unit 20, and stores the current integrated value as “Sa” (ST115). For example, the control unit 30 integrates the detected value of the current Io corresponding to the last four periods in the 16 periods.

制御部30は、電流積算値Saをしきい値THと比較する(ST120)。電流積算値Saがしきい値TH以上の場合、制御部30はステップST150に移行する。ステップST150において、制御部30は、周期Tに増分値ΔTを加算した結果を、新たな周期Tとして記憶する。これにより、周期Tが大きくなるため、周波数は低下する。   Control unit 30 compares current integrated value Sa with threshold value TH (ST120). When the integrated current value Sa is equal to or greater than the threshold value TH, the control unit 30 proceeds to step ST150. In step ST150, the control unit 30 stores the result of adding the increment value ΔT to the period T as a new period T. Thereby, since the period T becomes large, the frequency decreases.

周期Tが最大値Tmaxに達している場合、制御部30は反共振周波数faの探索処理を終了する(ST155)。周期Tが最大値Tmaxより小さい場合、制御部30は最新の電流積算値Saを「Sb」に保存し(ST160)、ステップST110に戻る。制御部30は、上述したステップST110以降の処理を繰り返す。   If the period T has reached the maximum value Tmax, the control unit 30 ends the search process for the antiresonance frequency fa (ST155). When the period T is smaller than the maximum value Tmax, the control unit 30 stores the latest current integrated value Sa in “Sb” (ST160), and returns to step ST110. Control unit 30 repeats the processing after step ST110 described above.

ステップST120において積算値Saがしきい値より小さいと判定した場合、制御部30は、ステップST115で算出した今回の電流積算値Saと、ステップST160で保存した前回の電流積算値Sbとを比較する(ST125)。今回の電流積算値Saが前回の電流積算値Sbを超える場合、制御部30は、フラグデータFgの値がゼロか否かを判定する(ST130)。初期状態において、フラグデータFgの値はゼロに設定される。ステップST130においてフラグデータFgの値がゼロである場合、制御部30は、現在の周期Tから増分値ΔTだけ減算した値を(すなわち前回の電流積算値Sbの算出に使用された周期Tを)確定値の候補として「TX」に保存する(ST135)。また、この場合、制御部30は、フラグデータFgの値を「1」に設定する(ST140)。制御部30は、ステップST135及びST140の後、ステップST150に移行し、上述と同様の処理を繰り返す。   When determining in step ST120 that the integrated value Sa is smaller than the threshold value, the control unit 30 compares the current integrated value Sa calculated in step ST115 with the previous current integrated value Sb stored in step ST160. (ST125). When current integrated value Sa exceeds current integrated current value Sb, control unit 30 determines whether the value of flag data Fg is zero (ST130). In the initial state, the value of the flag data Fg is set to zero. When the value of the flag data Fg is zero in step ST130, the control unit 30 subtracts a value obtained by subtracting the increment value ΔT from the current period T (that is, the period T used to calculate the previous current integrated value Sb). It is stored in “TX” as a candidate for a definite value (ST135). In this case, the control unit 30 sets the value of the flag data Fg to “1” (ST140). After step ST135 and ST140, control unit 30 proceeds to step ST150 and repeats the same processing as described above.

ステップST130においてフラグデータFgの値が「1」の場合、制御部30は、ステップST135において保存された周期Txを探索結果の確定値として取得する(ST170)。制御部30は、第2動作モードにおいて矩形波発生回路11から出力する矩形波S11の周期を、ステップST170において確定値として取得した周期Txに保持する。   When the value of the flag data Fg is “1” in step ST130, the control unit 30 acquires the cycle Tx stored in step ST135 as a confirmed value of the search result (ST170). The control unit 30 holds the period of the rectangular wave S11 output from the rectangular wave generation circuit 11 in the second operation mode at the period Tx acquired as a definite value in step ST170.

なお、ステップST125において今回の電流積算値Saが前回の電流積算値Sb以下であった場合、制御部30は、フラグデータFgの値をゼロにリセットし(ステップST145)、ステップST150に移行する。そのため、今回の電流積算値Saが前回の電流積算値Sbを単発的に超える場合は、ステップST135で保存された周期Txが破棄され、確定値として取得されない。   When the current integrated value Sa is equal to or less than the previous current integrated value Sb in step ST125, the control unit 30 resets the value of the flag data Fg to zero (step ST145), and proceeds to step ST150. For this reason, when the current integrated value Sa of this time exceeds the previous current integrated value Sb only once, the cycle Tx stored in step ST135 is discarded and is not acquired as a fixed value.

図11は、反共振周波数faの探索処理を実行した場合における回路の各部の信号波形(S14,S23,S22)を示す図であり、反共振周波数faより高い周波数から低い周波数へ駆動周波数を走査した場合の信号波形の例を示す。   FIG. 11 is a diagram showing signal waveforms (S14, S23, S22) of each part of the circuit when the search process of the antiresonance frequency fa is executed, and the drive frequency is scanned from a frequency higher than the antiresonance frequency fa to a lower frequency. An example of a signal waveform in the case of the above is shown.

図11Aの例では、時刻t1において駆動周波数の走査が開始され、反共振周波数faに到達した後も続けて駆動周波数が走査され、2つ目の極小値を超えた時刻t2において駆動周波数の走査が停止される。この例では、電流Ioが極小値となる周波数が2つ存在するが、探索すべき反共振周波数faは最初に極小値となる周波数である。そこで、図11Bの例では、時刻t3において駆動周波数の走査が開始された後、反共振周波数fa(電流Ioの最初の極小値)が探索された時刻t4において駆動周波数の操作が停止される。このように、探索対象となる反共振周波数faよりも高い周波数から低い周波数に向かって駆動周波数を走査することにより、反共振周波数faに比べて低い周波数に存在する別の反共振周波数が誤って探索されることがない。   In the example of FIG. 11A, scanning of the driving frequency is started at time t1, and the driving frequency is continuously scanned after reaching the anti-resonance frequency fa, and scanning of the driving frequency is performed at time t2 when the second minimum value is exceeded. Is stopped. In this example, there are two frequencies at which the current Io has a minimum value, but the anti-resonance frequency fa to be searched is a frequency at which the minimum value is initially set. Therefore, in the example of FIG. 11B, after the scanning of the driving frequency is started at time t3, the operation of the driving frequency is stopped at time t4 when the antiresonance frequency fa (first minimum value of the current Io) is searched. Thus, by scanning the drive frequency from a frequency higher than the anti-resonance frequency fa to be searched toward a lower frequency, another anti-resonance frequency existing at a lower frequency than the anti-resonance frequency fa is erroneously detected. It will never be explored.

(まとめ)
本実施形態によれば、第1動作モードにおいて、駆動電圧Vo1の周波数を変化させながら取得した検出部20の検出結果に基づいて、振動子VTに流れる電流Ioが極小値となる反共振周波数faが探索される。第2動作モードでは、駆動電圧Vo1の周波数が、第1動作モードで探索された反共振周波数faに保持される。振動子VTが反共振周波数faで駆動される場合、振動子VTのインピーダンスは、振動子VTの機械的負荷が増大するほど小さくなる。振動子VTのインピーダンスが小さくなると、振動子VTの電圧が一定のままでも、振動子VTに供給される電力が大きくなる。すなわち、定電流制御などを行わなくても、振動子VTの機械的負荷の増大に伴って振動子VTに供給される電力が大きくなる。従って、定電流制御などのフィードバック制御を行わない簡易な構成でありながら、振動子VTの機械的負荷の変化に伴う振幅の変化を効果的に抑制できる。また、反共振周波数faでは、振動子VTの機械的負荷が小さいほど振動子VTのインピーダンスが大きくなるため、機械的負荷が小さい状態における消費電力を低減できる。
(Summary)
According to the present embodiment, in the first operation mode, based on the detection result of the detection unit 20 acquired while changing the frequency of the drive voltage Vo1, the antiresonance frequency fa at which the current Io flowing through the vibrator VT becomes a minimum value. Is searched. In the second operation mode, the frequency of the drive voltage Vo1 is held at the anti-resonance frequency fa searched for in the first operation mode. When the vibrator VT is driven at the anti-resonance frequency fa, the impedance of the vibrator VT decreases as the mechanical load of the vibrator VT increases. When the impedance of the vibrator VT is reduced, the power supplied to the vibrator VT is increased even if the voltage of the vibrator VT remains constant. That is, even if constant current control or the like is not performed, the power supplied to the vibrator VT increases as the mechanical load of the vibrator VT increases. Accordingly, it is possible to effectively suppress a change in amplitude due to a change in the mechanical load of the vibrator VT while having a simple configuration that does not perform feedback control such as constant current control. Further, at the anti-resonance frequency fa, the impedance of the vibrator VT increases as the mechanical load of the vibrator VT decreases, so that power consumption in a state where the mechanical load is small can be reduced.

本実施形態によれば、トランスTRによって駆動電圧Vo1が昇圧されて振動子VTに印加されるため、反共振周波数faにおいて高インピーダンス状態となっている振動子VTに対して十分な電力を供給できる。   According to the present embodiment, since the drive voltage Vo1 is boosted by the transformer TR and applied to the vibrator VT, sufficient power can be supplied to the vibrator VT that is in a high impedance state at the anti-resonance frequency fa. .

本実施形態によれば、トランスTRの二次側(振動子VT側)からみた駆動電圧発生部10の出力インピーダンスが、トランスTRを設けない場合に比べて大きくなる。これにより、振動子VTの駆動周波数が反共振周波数faからずれて振動子VTのインピーダンスが減少しても、振動子VTに印加される電圧が小さくなるため、振動子VTに過剰な電流が流れることを効果的に防止できる。   According to the present embodiment, the output impedance of the drive voltage generator 10 as viewed from the secondary side (transducer VT side) of the transformer TR is larger than that in the case where the transformer TR is not provided. As a result, even if the driving frequency of the vibrator VT deviates from the anti-resonance frequency fa and the impedance of the vibrator VT decreases, the voltage applied to the vibrator VT becomes small, so that an excessive current flows through the vibrator VT. Can be effectively prevented.

本実施形態によれば、インダクタ(第1チョークLc1,第2チョークLc2)と振動子VTの静電容量成分(キャパシタCt2)との共振によって、駆動電圧Vo1の周波数の変化に応じた振動子VTの電流の変化が強調されるため、第1動作モードにおける反共振周波数の探索の精度を高めることができる。   According to the present embodiment, the resonator VT corresponding to a change in the frequency of the drive voltage Vo1 due to resonance between the inductor (first choke Lc1, second choke Lc2) and the electrostatic capacitance component (capacitor Ct2) of the resonator VT. Therefore, the accuracy of searching for the anti-resonance frequency in the first operation mode can be improved.

本実施形態によれば、駆動電圧発生部10からトランスTRの一次コイルL1へ電流が流れる経路にインダクタ(第1チョークLc1,第2チョークLc2)が設けられている。これにより、トランスTRの二次側(振動子VT側)からみたインダクタ(第1チョークLc1,第2チョークLc2)のインダクタンスが見かけ上大きくなるため、インダクタ(第1チョークLc1,第2チョークLc2)のサイズを小型化できる。   According to the present embodiment, the inductors (first choke Lc1 and second choke Lc2) are provided in the path through which current flows from the drive voltage generator 10 to the primary coil L1 of the transformer TR. As a result, the inductance of the inductor (first choke Lc1, second choke Lc2) seen from the secondary side (vibrator VT side) of the transformer TR is apparently increased, and therefore the inductor (first choke Lc1, second choke Lc2). Can be reduced in size.

本実施形態によれば、フィルタ16に含まれるチョーク(第1チョークLc1及び第2チョークLc2)が、振動子VTの静電容量成分(キャパシタCt2)との共振を生じるインダクタを兼ねており、共振用のインダクタをフィルタ16と別に設ける必要がないため、部品点数の増大を抑制できる。   According to the present embodiment, the choke (first choke Lc1 and second choke Lc2) included in the filter 16 also serves as an inductor that causes resonance with the electrostatic capacitance component (capacitor Ct2) of the vibrator VT. Therefore, an increase in the number of parts can be suppressed.

本実施形態によれば、矩形波発生回路11において発生した矩形波S11が、波形変換回路12において三角波S12に変換され、その三角波S12からバンドパスフィルタ13によって正弦波S14が抽出される。そのため、バンドパスフィルタ13において矩形波S11から正弦波S14を直接抽出する場合に比べて、抽出後の正弦波S14に含まれる高調波成分を低減できる。   According to the present embodiment, the rectangular wave S11 generated in the rectangular wave generating circuit 11 is converted into the triangular wave S12 in the waveform converting circuit 12, and the sine wave S14 is extracted from the triangular wave S12 by the bandpass filter 13. Therefore, compared with the case where the sine wave S14 is directly extracted from the rectangular wave S11 in the band pass filter 13, the harmonic component contained in the extracted sine wave S14 can be reduced.

本実施形態によれば、駆動電圧Vo1の発生を指示する制御信号Scが動作停止モードにおいて入力されると、第1動作モードにおいて反共振周波数faが探索された後、駆動電圧発生部10において駆動電圧Vo1が発生し、駆動電圧Vo1の周波数が探索結果の反共振周波数faに保持される。すなわち、第2動作モードにおいて駆動電圧Vo1の出力が開始される度に、反共振周波数faの探索が行われる。そのため、動作停止モードと第2動作モードとが頻繁に繰り返される場合(例えば歯科用ハンドツールや、電気メス、電動歯ブラシなどにおいて駆動状態と停止状態とが繰り返される場合)、駆動電圧Vo1の周波数と振動子VTの反共振周波数faとの誤差を小さくすることができる。   According to this embodiment, when the control signal Sc instructing the generation of the drive voltage Vo1 is input in the operation stop mode, the anti-resonance frequency fa is searched in the first operation mode, and then the drive voltage generator 10 drives the drive voltage Vo1. The voltage Vo1 is generated, and the frequency of the drive voltage Vo1 is held at the antiresonance frequency fa of the search result. That is, every time the output of the drive voltage Vo1 is started in the second operation mode, the search for the anti-resonance frequency fa is performed. Therefore, when the operation stop mode and the second operation mode are frequently repeated (for example, when the drive state and the stop state are repeated in a dental hand tool, an electric knife, an electric toothbrush, etc.), the frequency of the drive voltage Vo1 The error from the anti-resonance frequency fa of the vibrator VT can be reduced.

本実施形態によれば、反共振周波数faを探索する第1動作モードにおいて、所定の周波数範囲の高周波側から低周波側に向かって反共振周波数faが探索される。これにより、目標の反共振周波数faに比べて低い周波数に存在する副次的な振動モードの反共振周波数(例えば図11Aにおける2つ目の電流極小値の周波数)が誤って探索されることを効果的に防止できる。   According to the present embodiment, in the first operation mode for searching for the antiresonance frequency fa, the antiresonance frequency fa is searched from the high frequency side to the low frequency side of the predetermined frequency range. As a result, the secondary resonance mode anti-resonance frequency existing at a frequency lower than the target anti-resonance frequency fa (for example, the frequency of the second current minimum value in FIG. 11A) is erroneously searched. It can be effectively prevented.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。   Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various variations.

例えば、上述した実施形態では、検出部20において振動子VTの電流Ioを検出しているが、本発明の他の実施形態では、振動子VTに供給される電力を検出部20において検出してもよい。この場合、制御部30は、反共振周波数faの探索処理において、電力の極小値を検出すればよい。   For example, in the embodiment described above, the current Io of the vibrator VT is detected by the detection unit 20, but in the other embodiments of the present invention, the power supplied to the vibrator VT is detected by the detection unit 20. Also good. In this case, the control unit 30 may detect the minimum value of power in the search process for the anti-resonance frequency fa.

上述した実施形態に基づいて把握される本発明の技術思想に関して、以下の付記を開示する。   Regarding the technical idea of the present invention grasped based on the above-described embodiment, the following additional notes are disclosed.

[付記1」
電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子を駆動する振動子駆動装置であって、前記振動子に供給される交流の駆動電圧を発生する駆動電圧発生部と、前記振動子に流れる電流又は前記振動子に供給される電力を検出する検出部と、前記駆動電圧の周波数が変化するように前記駆動電圧発生部を制御する制御部とを有し、前記制御部は、第1動作モードにおいて、前記駆動電圧の周波数を変化させながら前記検出部の検出結果を取得し、当該取得した検出結果に基づいて、前記振動子に流れる電流又は前記振動子に供給される電力が極小値となる反共振周波数を探索し、第2動作モードにおいて、前記駆動電圧の周波数を前記第1動作モードで探索した前記反共振周波数に保持する、振動子駆動装置。
[付記2]
前記駆動電圧発生部が発生した前記駆動電圧を昇圧して前記振動子に印加するトランスを有する、付記1に記載の振動子駆動装置。
[付記3]
前記駆動電圧発生部から前記トランスの一次コイルへ電流が流れる経路に設けられ、前記反共振周波数より高い周波数において前記振動子の静電容量成分との共振を生じ、当該共振により、前記駆動電圧の周波数の変化に応じた前記振動子の電流の変化を強調するインダクタを有する、付記2に記載の振動子駆動装置。
[付記4]
前記駆動電圧発生部は、スイッチングアンプと、前記スイッチングアンプの出力電圧に含まれるスイッチング成分を除去するフィルタとを含み、前記トランスは、前記フィルタにおいて前記スイッチング成分が除去された前記スイッチングアンプの出力電圧を前記駆動電圧として昇圧し、前記フィルタは、前記スイッチングアンプから前記一次コイルへ電流が流れる経路に設けられた少なくとも1つのチョークを含み、前記チョークが前記インダクタとして働く、付記3に記載の振動子駆動装置。
[付記5]
前記スイッチングアンプは、それぞれハイレベルとローレベルの電圧を切り替えて出力する第1アンプ部及び第2アンプ部を含み、前記フィルタは、前記第1アンプ部の出力から前記一次コイルの一方の端子へ電流が流れる経路に設けられた第1チョークと、前記第2アンプ部の出力から前記一次コイルの他方の端子へ電流が流れる経路に設けられた第2チョークとを含み、前記第1チョーク及び前記第2チョークが前記インダクタとして働く、付記4に記載の振動子駆動装置。
[付記6]
前記駆動電圧発生部は、矩形波を発生する矩形波発生回路と、前記矩形波を三角波に変換する波形変換回路と、前記三角波から正弦波を抽出し、前記スイッチングアンプに入力するバンドパスフィルタとを含み、前記制御部は、前記矩形波発生回路において発生する前記矩形波の周波数を制御する、付記5に記載の振動子駆動装置。
[付記7]
前記制御部は、前記駆動電圧発生部による前記駆動電圧の発生を停止する動作停止モードにおいて前記駆動電圧を発生するように指示する制御信号を入力した場合に前記第1動作モードへ移行し、前記第1動作モードにおいて前記反共振周波数を探索した後で前記第2動作モードに移行し、前記第2動作モードにおいて前記駆動電圧発生部により前記駆動電圧を発生する、付記1乃至付記6の何れか1つに記載の振動子駆動装置。
[付記8]
前記制御部は、前記第1動作モードにおいて、前記反共振周波数が含まれ得る所定の周波数範囲の高周波側から低周波側に向かって前記駆動電圧の周波数を変化させながら、前記検出部において検出される前記電流又は前記電力が低下から上昇へ転じる周波数を探索する、付記1乃至付記7の何れか1つに記載の振動子駆動装置。
[付記9]
電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子と、前記振動子を駆動する付記1乃至付記8の何れか1つに記載の振動子駆動装置と、を有する振動発生装置。
[Appendix 1]
A vibrator driving device that drives a vibrator that converts electrical energy into mechanical vibration energy, a driving voltage generator that generates an alternating drive voltage supplied to the vibrator, and a current that flows through the vibrator Or a detection unit that detects power supplied to the vibrator, and a control unit that controls the drive voltage generation unit so that the frequency of the drive voltage changes, and the control unit is configured to operate in a first operation mode. , The detection result of the detection unit is acquired while changing the frequency of the drive voltage, and based on the acquired detection result, the current flowing through the vibrator or the power supplied to the vibrator becomes a minimum value. A vibrator drive device that searches for an anti-resonance frequency and maintains the frequency of the drive voltage at the anti-resonance frequency searched for in the first operation mode in the second operation mode.
[Appendix 2]
The vibrator drive apparatus according to appendix 1, further comprising a transformer that boosts the drive voltage generated by the drive voltage generator and applies the boosted voltage to the vibrator.
[Appendix 3]
Provided in a path through which current flows from the drive voltage generation unit to the primary coil of the transformer, resonance occurs with the capacitive component of the vibrator at a frequency higher than the anti-resonance frequency, and the resonance causes the drive voltage to The vibrator driving apparatus according to appendix 2, further comprising an inductor that emphasizes a change in current of the vibrator according to a change in frequency.
[Appendix 4]
The drive voltage generation unit includes a switching amplifier and a filter that removes a switching component included in the output voltage of the switching amplifier, and the transformer outputs an output voltage of the switching amplifier from which the switching component is removed in the filter The vibrator according to claim 3, wherein the filter includes at least one choke provided in a path through which a current flows from the switching amplifier to the primary coil, and the choke functions as the inductor. Drive device.
[Appendix 5]
The switching amplifier includes a first amplifier unit and a second amplifier unit that switch and output a high level voltage and a low level voltage, respectively, and the filter passes from the output of the first amplifier unit to one terminal of the primary coil. A first choke provided in a path through which a current flows, and a second choke provided in a path through which a current flows from the output of the second amplifier unit to the other terminal of the primary coil, the first choke and the The vibrator driving device according to appendix 4, wherein the second choke functions as the inductor.
[Appendix 6]
The drive voltage generation unit includes a rectangular wave generation circuit that generates a rectangular wave, a waveform conversion circuit that converts the rectangular wave into a triangular wave, a bandpass filter that extracts a sine wave from the triangular wave and inputs the sine wave to the switching amplifier; The vibrator driving apparatus according to appendix 5, wherein the control unit controls a frequency of the rectangular wave generated in the rectangular wave generating circuit.
[Appendix 7]
The control unit shifts to the first operation mode when a control signal instructing to generate the drive voltage is input in an operation stop mode in which generation of the drive voltage by the drive voltage generation unit is stopped, Any one of appendix 1 to appendix 6, wherein after searching for the anti-resonance frequency in the first operation mode, the mode is shifted to the second operation mode, and the drive voltage is generated by the drive voltage generator in the second operation mode. The vibrator drive device according to one.
[Appendix 8]
In the first operation mode, the control unit is detected by the detection unit while changing the frequency of the drive voltage from a high frequency side to a low frequency side in a predetermined frequency range in which the anti-resonance frequency can be included. The vibrator driving device according to any one of appendix 1 to appendix 7, wherein a search is made for a frequency at which the current or electric power changes from a decrease to an increase.
[Appendix 9]
A vibration generating device comprising: a vibrator that converts electrical energy into mechanical vibration energy; and the vibrator driving device according to any one of supplementary notes 1 to 8 that drives the vibrator.

1…振動発生装置、2…振動子駆動装置、10…駆動電圧発生部、11…矩形波発生回路、111…ローパスフィルタ、112…スイッチ回路、12…波形変換回路、13…バンドパスフィルタ、14…レンジ切替回路、15…スイッチングアンプ、A1…第1アンプ部、A2…第2アンプ部、151…スイッチ駆動回路、152…スイッチ駆動回路、153…三角波発生器、154…反転アンプ、16…フィルタ、Lc1…第1チョーク、Lc2…第2チョーク、20…検出部、CT…カレントトランス、21…電流検出アンプ、22…全波整流回路、23…ローパスフィルタ、30…制御部、TR…トランス、L1…一次コイル、L2…二次コイル、VT…振動子、CP1,CP2…コンパレータ、OP1…オペアンプ、fr,fx…共振周波数、fa…反共振周波数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibration generator, 2 ... Vibrator drive device, 10 ... Drive voltage generator, 11 ... Rectangular wave generation circuit, 111 ... Low pass filter, 112 ... Switch circuit, 12 ... Waveform conversion circuit, 13 ... Band pass filter, 14 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Range switching circuit, 15 ... Switching amplifier, A1 ... 1st amplifier part, A2 ... 2nd amplifier part, 151 ... Switch drive circuit, 152 ... Switch drive circuit, 153 ... Triangular wave generator, 154 ... Inverting amplifier, 16 ... Filter , Lc1 ... first choke, Lc2 ... second choke, 20 ... detection unit, CT ... current transformer, 21 ... current detection amplifier, 22 ... full wave rectifier circuit, 23 ... low pass filter, 30 ... control unit, TR ... transformer, L1 ... primary coil, L2 ... secondary coil, VT ... vibrator, CP1, CP2 ... comparator, OP1 ... operational amplifier, fr, fx ... both Frequency, fa ... anti-resonance frequency

Claims (9)

電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子を駆動する振動子駆動装置であって、
前記振動子に供給される交流の駆動電圧を発生する駆動電圧発生部と、
前記振動子に流れる電流又は前記振動子に供給される電力を検出する検出部と、
前記駆動電圧の周波数が変化するように前記駆動電圧発生部を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、
第1動作モードにおいて、前記駆動電圧の周波数を変化させながら前記検出部の検出結果を取得し、当該取得した検出結果に基づいて、前記振動子に流れる電流又は前記振動子に供給される電力が極小値となる反共振周波数を探索し、
第2動作モードにおいて、前記駆動電圧の周波数を前記第1動作モードで探索した前記反共振周波数に保持する、
振動子駆動装置。
A vibrator driving device that drives a vibrator that converts electrical energy into mechanical vibration energy,
A drive voltage generator for generating an alternating drive voltage supplied to the vibrator;
A detection unit for detecting a current flowing through the vibrator or a power supplied to the vibrator;
A controller that controls the drive voltage generator so that the frequency of the drive voltage changes,
The controller is
In the first operation mode, the detection result of the detection unit is acquired while changing the frequency of the drive voltage, and based on the acquired detection result, the current flowing through the vibrator or the power supplied to the vibrator is Search for the anti-resonance frequency that is the minimum value,
In the second operation mode, the frequency of the drive voltage is held at the anti-resonance frequency searched in the first operation mode.
Vibrator driving device.
前記駆動電圧発生部が発生した前記駆動電圧を昇圧して前記振動子に印加するトランスを有する、
請求項1に記載の振動子駆動装置。
A transformer that boosts the drive voltage generated by the drive voltage generator and applies the boosted voltage to the vibrator;
The vibrator driving apparatus according to claim 1.
前記駆動電圧発生部から前記トランスの一次コイルへ電流が流れる経路に設けられ、前記反共振周波数より高い周波数において前記振動子の静電容量成分との共振を生じ、当該共振により、前記駆動電圧の周波数の変化に応じた前記振動子の電流の変化を強調するインダクタを有する、
請求項2に記載の振動子駆動装置。
Provided in a path through which current flows from the drive voltage generation unit to the primary coil of the transformer, resonance occurs with the capacitive component of the vibrator at a frequency higher than the anti-resonance frequency, and the resonance causes the drive voltage to Having an inductor that emphasizes a change in current of the vibrator in response to a change in frequency;
The vibrator driving apparatus according to claim 2.
前記駆動電圧発生部は、
スイッチングアンプと、
前記スイッチングアンプの出力電圧に含まれるスイッチング成分を除去するフィルタとを含み、
前記トランスは、前記フィルタにおいて前記スイッチング成分が除去された前記スイッチングアンプの出力電圧を前記駆動電圧として昇圧し、
前記フィルタは、前記スイッチングアンプから前記一次コイルへ電流が流れる経路に設けられた少なくとも1つのチョークを含み、
前記チョークが前記インダクタとして働く、
請求項3に記載の振動子駆動装置。
The drive voltage generator is
A switching amplifier,
A filter for removing a switching component included in the output voltage of the switching amplifier,
The transformer boosts the output voltage of the switching amplifier from which the switching component is removed in the filter as the drive voltage,
The filter includes at least one choke provided in a path through which a current flows from the switching amplifier to the primary coil,
The choke acts as the inductor;
The vibrator driving apparatus according to claim 3.
前記スイッチングアンプは、それぞれハイレベルとローレベルの電圧を切り替えて出力する第1アンプ部及び第2アンプ部を含み、
前記フィルタは、
前記第1アンプ部の出力から前記一次コイルの一方の端子へ電流が流れる経路に設けられた第1チョークと、
前記第2アンプ部の出力から前記一次コイルの他方の端子へ電流が流れる経路に設けられた第2チョークとを含み、
前記第1チョーク及び前記第2チョークが前記インダクタとして働く、
請求項4に記載の振動子駆動装置。
The switching amplifier includes a first amplifier unit and a second amplifier unit that switch and output a high level voltage and a low level voltage, respectively.
The filter is
A first choke provided in a path through which current flows from the output of the first amplifier section to one terminal of the primary coil;
A second choke provided in a path through which a current flows from the output of the second amplifier section to the other terminal of the primary coil;
The first choke and the second choke act as the inductor;
The vibrator driving device according to claim 4.
前記駆動電圧発生部は、
矩形波を発生する矩形波発生回路と、
前記矩形波を三角波に変換する波形変換回路と、
前記三角波から正弦波を抽出し、前記スイッチングアンプに入力するバンドパスフィルタとを含み、
前記制御部は、前記矩形波発生回路において発生する前記矩形波の周波数を制御する、
請求項5に記載の振動子駆動装置。
The drive voltage generator is
A rectangular wave generating circuit for generating a rectangular wave;
A waveform conversion circuit for converting the rectangular wave into a triangular wave;
A sine wave is extracted from the triangular wave, and includes a bandpass filter that is input to the switching amplifier,
The control unit controls a frequency of the rectangular wave generated in the rectangular wave generating circuit;
The vibrator driving apparatus according to claim 5.
前記制御部は、前記駆動電圧発生部による前記駆動電圧の発生を停止する動作停止モードにおいて前記駆動電圧を発生するように指示する制御信号を入力した場合に前記第1動作モードへ移行し、前記第1動作モードにおいて前記反共振周波数を探索した後で前記第2動作モードに移行し、前記第2動作モードにおいて前記駆動電圧発生部により前記駆動電圧を発生する、
請求項1乃至6の何れか一項に記載の振動子駆動装置。
The control unit shifts to the first operation mode when a control signal instructing to generate the drive voltage is input in an operation stop mode in which generation of the drive voltage by the drive voltage generation unit is stopped, After searching for the anti-resonance frequency in the first operation mode, the mode shifts to the second operation mode, and the drive voltage is generated by the drive voltage generation unit in the second operation mode.
The vibrator driving device according to any one of claims 1 to 6.
前記制御部は、前記第1動作モードにおいて、前記反共振周波数が含まれ得る所定の周波数範囲の高周波側から低周波側に向かって前記駆動電圧の周波数を変化させながら、前記検出部において検出される前記電流又は前記電力が低下から上昇へ転じる周波数を探索する、
請求項1乃至7の何れか一項に記載の振動子駆動装置。
In the first operation mode, the control unit is detected by the detection unit while changing the frequency of the drive voltage from a high frequency side to a low frequency side in a predetermined frequency range in which the anti-resonance frequency can be included. Search for the frequency at which the current or power changes from low to high;
The vibrator driving device according to claim 1.
電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する振動子と、
前記振動子を駆動する請求項1乃至8の何れか一項に記載の振動子駆動装置と
を有する振動発生装置。
A vibrator that converts electrical energy into mechanical vibration energy;
A vibration generator comprising: the vibrator driving device according to claim 1 that drives the vibrator.
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