JP3111201B2 - 超音波デバイス駆動回路 - Google Patents
超音波デバイス駆動回路Info
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- JP3111201B2 JP3111201B2 JP04047868A JP4786892A JP3111201B2 JP 3111201 B2 JP3111201 B2 JP 3111201B2 JP 04047868 A JP04047868 A JP 04047868A JP 4786892 A JP4786892 A JP 4786892A JP 3111201 B2 JP3111201 B2 JP 3111201B2
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- piezoelectric vibrator
- electrode
- ultrasonic device
- driving circuit
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
- B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
- B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
- B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
- B05B17/0638—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers spray being produced by discharging the liquid or other fluent material through a plate comprising a plurality of orifices
- B05B17/0646—Vibrating plates, i.e. plates being directly subjected to the vibrations, e.g. having a piezoelectric transducer attached thereto
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- Special Spraying Apparatus (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミック振動子
を超音波源とする霧化デバイスに高周波電力を供給する
超音波霧化デバイス駆動回路に関する。
を超音波源とする霧化デバイスに高周波電力を供給する
超音波霧化デバイス駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】板状の圧電セラミックに電極を設けてな
る圧電振動子と、この圧電振動子に一部分が固着された
振動板とでなる複合振動子により超音波の弾性振動を発
生し、その振動板に液体を触れさせて該液体を霧化する
超音波霧化デバイスが本願発明者により特願平２ー３３
９１８１、３ー８４７３０等で出願されている。これら
超音波霧化デバイスで用いられている圧電振動子は角柱
状または矩形板状であり、その圧電振動子に振動板が梁
として固着されている。
る圧電振動子と、この圧電振動子に一部分が固着された
振動板とでなる複合振動子により超音波の弾性振動を発
生し、その振動板に液体を触れさせて該液体を霧化する
超音波霧化デバイスが本願発明者により特願平２ー３３
９１８１、３ー８４７３０等で出願されている。これら
超音波霧化デバイスで用いられている圧電振動子は角柱
状または矩形板状であり、その圧電振動子に振動板が梁
として固着されている。
【０００３】角柱状の圧電振動子２に金属製の振動板１
３を片持ち梁状に接合することによって、複合振動子１
を構成した具体例が図１１に示してある。図１２はこの
複合振動子１の分解斜視図であり、図１３はその複合振
動子１における振動板１３の拡大平面図、図１４は振動
板１３のＡ−Ａ矢視断面図である。角柱状の圧電セラミ
ック１０は厚み方向の分極軸を有し、５×１０×６ｍｍ
3 の直方体である。図のように上・下両面に電極を有し
上部電極は等面積の電極Ａ及びＢに分割されている。振
動板１３は梁１３Ａと接合部１３Ｂとでなっている。梁
１３Ａは、図１３、図１４に示すように、高密度の微細
な穴１４を有し、厚さは５０μｍである。穴１４の径は
上面側が約７μｍ、下面側が８０μｍで、円錐台形状で
ある。圧電振動子２と振動板１３との接合部１３Ｂの幅
は１．５ｍｍで、この接合部１３Ｂの接着剤１５にはエ
ポキシ樹脂系アラルダイトを用いている。
３を片持ち梁状に接合することによって、複合振動子１
を構成した具体例が図１１に示してある。図１２はこの
複合振動子１の分解斜視図であり、図１３はその複合振
動子１における振動板１３の拡大平面図、図１４は振動
板１３のＡ−Ａ矢視断面図である。角柱状の圧電セラミ
ック１０は厚み方向の分極軸を有し、５×１０×６ｍｍ
3 の直方体である。図のように上・下両面に電極を有し
上部電極は等面積の電極Ａ及びＢに分割されている。振
動板１３は梁１３Ａと接合部１３Ｂとでなっている。梁
１３Ａは、図１３、図１４に示すように、高密度の微細
な穴１４を有し、厚さは５０μｍである。穴１４の径は
上面側が約７μｍ、下面側が８０μｍで、円錐台形状で
ある。圧電振動子２と振動板１３との接合部１３Ｂの幅
は１．５ｍｍで、この接合部１３Ｂの接着剤１５にはエ
ポキシ樹脂系アラルダイトを用いている。
【０００４】圧電振動子２単体の場合において、電極Ａ
とグランド電極１１間のアドミタンスの振幅と位相の周
波数特性と、この圧電振動子２に１２×５ｍｍ2 の振動
板１３を接合部１３Ｂの幅が１．５ｍｍ、梁１３Ａの長
さが１０．５ｍｍの状態で接合して複合振動子１とした
構成のアドミタンスの周波数特性とを比較した。圧電振
動子２単体と複合振動子１において、主な共振点でのア
ドミタンスの振幅と位相変化を比較すると、複合振動子
１では圧電振動子２単体におけるよりそれぞれの共振点
が小さくなっていることが確認できるとともに、新たな
共振点は得られていないことがわかった。
とグランド電極１１間のアドミタンスの振幅と位相の周
波数特性と、この圧電振動子２に１２×５ｍｍ2 の振動
板１３を接合部１３Ｂの幅が１．５ｍｍ、梁１３Ａの長
さが１０．５ｍｍの状態で接合して複合振動子１とした
構成のアドミタンスの周波数特性とを比較した。圧電振
動子２単体と複合振動子１において、主な共振点でのア
ドミタンスの振幅と位相変化を比較すると、複合振動子
１では圧電振動子２単体におけるよりそれぞれの共振点
が小さくなっていることが確認できるとともに、新たな
共振点は得られていないことがわかった。
【０００５】この複合振動子１の梁１３Ａの長さを１
０．５〜５．５ｍｍまで０．５ｍｍ間隔で変えて複合振
動子の特性を測定した。共振周波数のうちの１つについ
ての特性変化に注目すると、梁の長さが長いときの複合
振動子においては梁を接合していない圧電振動子単体に
比べて共振点が低い。しかし複合振動子の梁の長さを短
くするに従って、再び高周波側へ偏移して圧電振動子単
体の特性に近づき、梁の長さ５．５ｍｍにおける複合振
動子の特性が圧電振動子単体の特性にほぼ等しくなる。
０．５〜５．５ｍｍまで０．５ｍｍ間隔で変えて複合振
動子の特性を測定した。共振周波数のうちの１つについ
ての特性変化に注目すると、梁の長さが長いときの複合
振動子においては梁を接合していない圧電振動子単体に
比べて共振点が低い。しかし複合振動子の梁の長さを短
くするに従って、再び高周波側へ偏移して圧電振動子単
体の特性に近づき、梁の長さ５．５ｍｍにおける複合振
動子の特性が圧電振動子単体の特性にほぼ等しくなる。
【０００６】超音波霧化デバイス駆動回路は複合振動子
の共振周波数に追随した高周波電力を発生する必要があ
る。その共振周波数は複合振動子の温度に応じて変動す
る。そこで、駆動回路には複合振動子の共振周波数に追
随して周波数を変えることが求められる。
の共振周波数に追随した高周波電力を発生する必要があ
る。その共振周波数は複合振動子の温度に応じて変動す
る。そこで、駆動回路には複合振動子の共振周波数に追
随して周波数を変えることが求められる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが上述の従来の
駆動回路では回路構成が複雑であるからより一層簡単な
構成の駆動回路が求められていた。また、消費電力をさ
らに低減することも実用上から強く求められていた。そ
こで、本発明の目的は、回路構成が従来のものより簡単
でより小さい電力で作動する超音波霧化デバイス駆動回
路の提供にある。
駆動回路では回路構成が複雑であるからより一層簡単な
構成の駆動回路が求められていた。また、消費電力をさ
らに低減することも実用上から強く求められていた。そ
こで、本発明の目的は、回路構成が従来のものより簡単
でより小さい電力で作動する超音波霧化デバイス駆動回
路の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
デバイス駆動回路は、圧電セラミックの互いに平行な両
端面にそれぞれ第１及び第２の電極を設けてなる圧電振
動子と、この圧電振動子に一部分が固着されている振動
板とでなり、前記第１及び第２の電極のうちで少なくと
も第１の電極は互いに絶縁された電極Ａ及びＢに分割さ
れていて、前記振動板に液体を接触させることにより該
液体を霧化する超音波デバイスにおける前記第２の電極
と前記電極Ａとの間に高周波電力を印加し、前記圧電振
動子および前記振動板でなる複合振動子を励振する超音
波デバイス駆動回路であって、前記電極Ａと直流電源と
の間に接続されているコイルと、出力電圧端子が前記電
極Ａに接続され、入力電圧端子が前記電極Ｂに接続され
たトランジスタとを備え、前記トランジスタを増幅素子
とし、前記複合振動子を共振回路とする発振回路をなし
ていることを特徴とする。
デバイス駆動回路は、圧電セラミックの互いに平行な両
端面にそれぞれ第１及び第２の電極を設けてなる圧電振
動子と、この圧電振動子に一部分が固着されている振動
板とでなり、前記第１及び第２の電極のうちで少なくと
も第１の電極は互いに絶縁された電極Ａ及びＢに分割さ
れていて、前記振動板に液体を接触させることにより該
液体を霧化する超音波デバイスにおける前記第２の電極
と前記電極Ａとの間に高周波電力を印加し、前記圧電振
動子および前記振動板でなる複合振動子を励振する超音
波デバイス駆動回路であって、前記電極Ａと直流電源と
の間に接続されているコイルと、出力電圧端子が前記電
極Ａに接続され、入力電圧端子が前記電極Ｂに接続され
たトランジスタとを備え、前記トランジスタを増幅素子
とし、前記複合振動子を共振回路とする発振回路をなし
ていることを特徴とする。
【０００９】請求項２に記載の超音波デバイス駆動回路
は、前記圧電振動子の共振周波数のうちの１つが、前記
複合振動子の共振周波数のうちの１つとほぼ等しいこと
を特徴とする。
は、前記圧電振動子の共振周波数のうちの１つが、前記
複合振動子の共振周波数のうちの１つとほぼ等しいこと
を特徴とする。
【００１０】請求項３に記載の超音波デバイス駆動回路
は、前記圧電振動子が、厚さと幅の寸法比が１に近くし
かも１に等しくない矩形状の角柱であることを特徴とす
る。
は、前記圧電振動子が、厚さと幅の寸法比が１に近くし
かも１に等しくない矩形状の角柱であることを特徴とす
る。
【００１１】請求項４に記載の超音波デバイス駆動回路
は、前記圧電振動子が該圧電振動子の厚さ方向に平行に
貫通する穴を有し、該圧電振動子の前記厚さ方向に垂直
な断面の形が枠型構造を成し、前記厚さ方向の長さと、
前記枠型の外縁と内縁との最短距離との比がほぼ１に等
しいことを特徴とする。
は、前記圧電振動子が該圧電振動子の厚さ方向に平行に
貫通する穴を有し、該圧電振動子の前記厚さ方向に垂直
な断面の形が枠型構造を成し、前記厚さ方向の長さと、
前記枠型の外縁と内縁との最短距離との比がほぼ１に等
しいことを特徴とする。
【００１２】請求項５に記載の超音波デバイス駆動回路
は、請求項圧電振動子の共振周波数のうちの１つが、前
記複合振動子における２つの共振周波数の中間値にほぼ
等しいことを特徴とする。
は、請求項圧電振動子の共振周波数のうちの１つが、前
記複合振動子における２つの共振周波数の中間値にほぼ
等しいことを特徴とする。
【００１３】請求項６に記載の超音波デバイス駆動回路
は、前記圧電振動子が、長さと幅の寸法比が１に近くし
かも１に等しくない矩形状の板であることを特徴とす
る。
は、前記圧電振動子が、長さと幅の寸法比が１に近くし
かも１に等しくない矩形状の板であることを特徴とす
る。
【００１４】請求項７に記載の超音波デバイス駆動回路
は、前記複合振動子を励振する励振電圧として交流パル
ス電圧を出力し、該交流パルス電圧の電圧値および交流
周波数を調節する手段と、該交流パルス電圧のパルス幅
およびパルス繰り返し周波数を調節する手段とを備える
ことを特徴とする。
は、前記複合振動子を励振する励振電圧として交流パル
ス電圧を出力し、該交流パルス電圧の電圧値および交流
周波数を調節する手段と、該交流パルス電圧のパルス幅
およびパルス繰り返し周波数を調節する手段とを備える
ことを特徴とする。
【００１５】
【作用】本発明の超音波霧化デバイス駆動回路は増幅素
子と共振回路とでなる発振回路を構成している。その共
振回路は圧電振動子に振動板を固着してなる複合振動子
である。従って、本発明の駆動回路は自励発振回路であ
り、複合振動子の共振周波数が雰囲気温度に応じて変動
しても本発明の駆動回路はその共振周波数に追随した周
波数の高周波電力を常に複合振動子に供給できる。
子と共振回路とでなる発振回路を構成している。その共
振回路は圧電振動子に振動板を固着してなる複合振動子
である。従って、本発明の駆動回路は自励発振回路であ
り、複合振動子の共振周波数が雰囲気温度に応じて変動
しても本発明の駆動回路はその共振周波数に追随した周
波数の高周波電力を常に複合振動子に供給できる。
【００１６】また、本発明の駆動回路では直流電源と電
極Ａとの間にコイルが挿入されているから、トランジス
タが遮断状態になった時にそのコイルの逆起電圧が電極
Ａに印加される。その逆起電圧はコイルのインダクタン
スに比例して大きくなり、直流電源電圧の６倍程度の逆
起電圧を容易に生成できる。従って、本発明の駆動回路
は低い電圧の直流電源で超音波霧化デバイスを駆動でき
る。
極Ａとの間にコイルが挿入されているから、トランジス
タが遮断状態になった時にそのコイルの逆起電圧が電極
Ａに印加される。その逆起電圧はコイルのインダクタン
スに比例して大きくなり、直流電源電圧の６倍程度の逆
起電圧を容易に生成できる。従って、本発明の駆動回路
は低い電圧の直流電源で超音波霧化デバイスを駆動でき
る。
【００１７】
【実施例】次に実施例を挙げ本発明を一層詳しく説明す
る。図１は本発明の一実施例である駆動回路の構成図で
ある。この実施例では図１１に示した複合振動子１を超
音波霧化デバイスとしている。圧電振動子２の２分割電
極Ａ，Ｂのうち片側を主電極Ｍ、他方を帰還電極Ｆと
し、主電極Ｍに電気信号（高周波電力）を入力すると、
圧電的に振動が励振され、さらにその振動に応じた電気
信号が帰還電極Ｆから出力される。この動作の繰り返し
によって、複合振動子１の共振周波数の信号が雰囲気温
度の変化に追随して安定して供給される。
る。図１は本発明の一実施例である駆動回路の構成図で
ある。この実施例では図１１に示した複合振動子１を超
音波霧化デバイスとしている。圧電振動子２の２分割電
極Ａ，Ｂのうち片側を主電極Ｍ、他方を帰還電極Ｆと
し、主電極Ｍに電気信号（高周波電力）を入力すると、
圧電的に振動が励振され、さらにその振動に応じた電気
信号が帰還電極Ｆから出力される。この動作の繰り返し
によって、複合振動子１の共振周波数の信号が雰囲気温
度の変化に追随して安定して供給される。
【００１８】このことは他励駆動の際に問題となる発熱
等により、複合振動子１の共振周波数が偏移して発振条
件が悪くなるという問題点が解決されることを意味す
る。他励駆動の場合にこの問題を解決するには、図２に
示す回路のような、電圧と電流の位相差から共振点の偏
移を検知してフィードバックする方法が可能である。し
かしながら、駆動回路の部品点数が多く、構造が複雑と
なる。これに対して、図１の自励発振回路の場合には、
常に自らの最適の発振状態へと制御することができ、部
品点数がはるかに少ないという利点を有している。
等により、複合振動子１の共振周波数が偏移して発振条
件が悪くなるという問題点が解決されることを意味す
る。他励駆動の場合にこの問題を解決するには、図２に
示す回路のような、電圧と電流の位相差から共振点の偏
移を検知してフィードバックする方法が可能である。し
かしながら、駆動回路の部品点数が多く、構造が複雑と
なる。これに対して、図１の自励発振回路の場合には、
常に自らの最適の発振状態へと制御することができ、部
品点数がはるかに少ないという利点を有している。
【００１９】図１の回路においては直流電源電圧Ｖccの
約６倍の交流電圧を複合振動子１に印加することが可能
である。図３は交流電源を用いる場合のハートレー型自
励発振回路の構成図である。この回路では入力交流電圧
以上の電圧を圧電振動子２に印加できないから、高い電
圧を必要とする場合にはさらにトランスを設けて昇圧す
る必要があり、回路はさらに大きなものとなる。図１の
実施例の回路では少ない部品点数にもかかわらず、直流
電源の利用と高電圧電源を必要としないことによる電源
の小型化対応の可能性という長所を引き出すことができ
る。図１の自励型駆動回路における電圧、電源および各
素子の諸元を表１に示す。 表１ 自励型駆動回路の諸元表 ───────────────────────── 入力電圧 ０〜３０Ｖ 入力電流 ０〜２００ｍＡ トランジスタ（Ｔr） ２ＳＣ３５８８ コイル （Ｌ1） １００〜６８０μＦ 抵抗 （Ｒ1） １００Ω （Ｒ2） １０ｋΩ ─────────────────────────
約６倍の交流電圧を複合振動子１に印加することが可能
である。図３は交流電源を用いる場合のハートレー型自
励発振回路の構成図である。この回路では入力交流電圧
以上の電圧を圧電振動子２に印加できないから、高い電
圧を必要とする場合にはさらにトランスを設けて昇圧す
る必要があり、回路はさらに大きなものとなる。図１の
実施例の回路では少ない部品点数にもかかわらず、直流
電源の利用と高電圧電源を必要としないことによる電源
の小型化対応の可能性という長所を引き出すことができ
る。図１の自励型駆動回路における電圧、電源および各
素子の諸元を表１に示す。 表１ 自励型駆動回路の諸元表 ───────────────────────── 入力電圧 ０〜３０Ｖ 入力電流 ０〜２００ｍＡ トランジスタ（Ｔr） ２ＳＣ３５８８ コイル （Ｌ1） １００〜６８０μＦ 抵抗 （Ｒ1） １００Ω （Ｒ2） １０ｋΩ ─────────────────────────
【００２０】霧化デバイスでは、複合振動子の梁部にス
ポンジの一端を接触させ、スポンジの他端を容器内の液
体に漬けるという構成を用いている。梁の長さを１０．
５〜５．０ｍｍ間隔で短くしながら、それぞれの長さに
ついて、複合振動子を励振させる交流駆動電圧の周波
数、単位時間あたりの霧化量、消費電力について測定を
行った。
ポンジの一端を接触させ、スポンジの他端を容器内の液
体に漬けるという構成を用いている。梁の長さを１０．
５〜５．０ｍｍ間隔で短くしながら、それぞれの長さに
ついて、複合振動子を励振させる交流駆動電圧の周波
数、単位時間あたりの霧化量、消費電力について測定を
行った。
【００２１】図１の自励回路に直流電源から０〜３０Ｖ
の直流電圧Ｖccを印加すると、コイルＬ1 の値を調整す
ることにより、主電極Ｍ側に最大１５０Ｖp-p の交流電
圧を印加させることができる。このとき帰還電極Ｆから
２．５Ｖp-p の電気信号が取り出される。この範囲内で
霧化効率が最大となる直流電源電圧Ｖcc とコイルＬ1の
インダクタンスの値を選んで試験をし、図１の回路につ
いて以下に述べる測定結果を得た。この場合、小容器内
に水を含ませたスポンジを固定し、２ｃｃの水を霧化す
るのに要する時間を測定し、１時間あたりの値に換算す
ることによって霧化量を得ている。消費電力は直流電源
の電圧と電流の積から求めた値である。
の直流電圧Ｖccを印加すると、コイルＬ1 の値を調整す
ることにより、主電極Ｍ側に最大１５０Ｖp-p の交流電
圧を印加させることができる。このとき帰還電極Ｆから
２．５Ｖp-p の電気信号が取り出される。この範囲内で
霧化効率が最大となる直流電源電圧Ｖcc とコイルＬ1の
インダクタンスの値を選んで試験をし、図１の回路につ
いて以下に述べる測定結果を得た。この場合、小容器内
に水を含ませたスポンジを固定し、２ｃｃの水を霧化す
るのに要する時間を測定し、１時間あたりの値に換算す
ることによって霧化量を得ている。消費電力は直流電源
の電圧と電流の積から求めた値である。
【００２２】図４は自励振動状態で上述の試験をしたと
きにおける梁の長さと霧化周波数の関係を示している。
電極Ａを主電極Ｍとし電極Ｂを帰還電極Ｆとして使用し
た場合と、その逆の形で使用した場合の結果を比較し、
霧化効率が良好であった組み合わせでの結果が示されて
いる。■印は電極Ａを主電極Ｍとし電極Ｂを帰還電極Ｆ
とした場合を示し、▲印はその逆の場合を示す。梁の長
さが７．０ｍｍよりも短い範囲では、主電極Ｍと帰還電
極Ｆの関係が逆転し、電極Ａを主電極Ｍとした方が良好
な動作が得られた。
きにおける梁の長さと霧化周波数の関係を示している。
電極Ａを主電極Ｍとし電極Ｂを帰還電極Ｆとして使用し
た場合と、その逆の形で使用した場合の結果を比較し、
霧化効率が良好であった組み合わせでの結果が示されて
いる。■印は電極Ａを主電極Ｍとし電極Ｂを帰還電極Ｆ
とした場合を示し、▲印はその逆の場合を示す。梁の長
さが７．０ｍｍよりも短い範囲では、主電極Ｍと帰還電
極Ｆの関係が逆転し、電極Ａを主電極Ｍとした方が良好
な動作が得られた。
【００２３】図５は梁の長さと霧化量の関係を示してい
る。梁の長さが５．０〜６．５ｍｍの範囲に限られてい
るのは、この範囲の梁の長さにおいて、特に良好な霧化
動作が得られたからである。この範囲での梁の長さと消
費電力の関係が図６に、単位消費電力あたりの霧化量、
即ち霧化効率が図７に示されている。以上の結果から、
梁の長さが５．５ｍｍの状態で最大霧化量が得られてい
る。アドミタンスの位相の周波数特性において、圧電振
動子単体の特性、梁の長さを変化させることにより得ら
れる複合振動子の特性、および電極ＡまたはＢのうち一
方を主電極Ｍとし、もう一方を帰還電極Ｆとして使用す
ることにより得られる複合振動子の特性が良好に一致す
る場合に最大霧化量が得られた。これらの実験におい
て、単位消費電力あたりの霧化効率が他励時に比較して
低い値になっている原因は、自励駆動の場合には複合振
動子で消費される電力だけでなく駆動回路で消費される
電力を含んだ値で測定したことにあり、複合振動子の部
分のみの消費電力の値で評価すれば、他励と自励の方式
において霧化効率の差はほとんどない。
る。梁の長さが５．０〜６．５ｍｍの範囲に限られてい
るのは、この範囲の梁の長さにおいて、特に良好な霧化
動作が得られたからである。この範囲での梁の長さと消
費電力の関係が図６に、単位消費電力あたりの霧化量、
即ち霧化効率が図７に示されている。以上の結果から、
梁の長さが５．５ｍｍの状態で最大霧化量が得られてい
る。アドミタンスの位相の周波数特性において、圧電振
動子単体の特性、梁の長さを変化させることにより得ら
れる複合振動子の特性、および電極ＡまたはＢのうち一
方を主電極Ｍとし、もう一方を帰還電極Ｆとして使用す
ることにより得られる複合振動子の特性が良好に一致す
る場合に最大霧化量が得られた。これらの実験におい
て、単位消費電力あたりの霧化効率が他励時に比較して
低い値になっている原因は、自励駆動の場合には複合振
動子で消費される電力だけでなく駆動回路で消費される
電力を含んだ値で測定したことにあり、複合振動子の部
分のみの消費電力の値で評価すれば、他励と自励の方式
において霧化効率の差はほとんどない。
【００２４】次に、最大の霧化量が得られた梁の長さ
（５．５ｍｍ）の霧化デバイスを励振するときにおける
駆動回路の動作特性について述べる。図８は図１の主電
極Ｍおよび帰還電極Ｆでの電圧観測波形を示している。
電源電圧Ｖcc２５ＶＤＣ，電流４０ｍＡの入力のときに
回路中のコイルＬ1 に生成される逆起電圧は１５０Ｖp-
p であり、この電圧が主電極Ｍに印加された状態で、帰
還電極Ｆから２．５Ｖの逆位相信号が出力されている。
逆起電圧はコイルＬのインダクタンスである程度の調整
が可能で、コイルＬのインダクタンスが大きいほど大き
な逆起電圧が得られる。本回路構成においては、主電極
Ｍに１００Ｖp-p 以上が印加され、帰還電極Ｆから２Ｖ
p-p 以上のフィードバック出力が得られるときに、霧化
動作が確認できた。
（５．５ｍｍ）の霧化デバイスを励振するときにおける
駆動回路の動作特性について述べる。図８は図１の主電
極Ｍおよび帰還電極Ｆでの電圧観測波形を示している。
電源電圧Ｖcc２５ＶＤＣ，電流４０ｍＡの入力のときに
回路中のコイルＬ1 に生成される逆起電圧は１５０Ｖp-
p であり、この電圧が主電極Ｍに印加された状態で、帰
還電極Ｆから２．５Ｖの逆位相信号が出力されている。
逆起電圧はコイルＬのインダクタンスである程度の調整
が可能で、コイルＬのインダクタンスが大きいほど大き
な逆起電圧が得られる。本回路構成においては、主電極
Ｍに１００Ｖp-p 以上が印加され、帰還電極Ｆから２Ｖ
p-p 以上のフィードバック出力が得られるときに、霧化
動作が確認できた。
【００２５】次に図１の回路の発振周波数の安定性につ
いて考察する。圧電振動子２のグランド電極１１を接地
し、電極Ａ側を入力、電極Ｂ側を出力端子とした場合の
複合振動子１による挿入損失と位相差の周波数依存性を
測定した結果（梁の長さ５．５ｍｍ）が図９で、実線は
位相差、破線が入力損失を示している。測定にはＨＰ製
4195A NETWORK/SPECTRUM ANALYZER を用いた。霧化周
波数で位相の反転が起き、挿入損失が最も少ないことか
ら、図１の駆動回路における周波数の安定性は十分に高
いことが明らかである。
いて考察する。圧電振動子２のグランド電極１１を接地
し、電極Ａ側を入力、電極Ｂ側を出力端子とした場合の
複合振動子１による挿入損失と位相差の周波数依存性を
測定した結果（梁の長さ５．５ｍｍ）が図９で、実線は
位相差、破線が入力損失を示している。測定にはＨＰ製
4195A NETWORK/SPECTRUM ANALYZER を用いた。霧化周
波数で位相の反転が起き、挿入損失が最も少ないことか
ら、図１の駆動回路における周波数の安定性は十分に高
いことが明らかである。
【００２６】梁の長さが５．５ｍｍの場合に、複合振動
子における電極Ａとグランド電極１１との間のアドミタ
ンスの振幅および位相の周波数特性ならびに霧化周波数
ｆｏ＝２４５．７ｋＨｚをプロットした特性図が図１０
であり、圧電振動子単体での共振点で動作していること
が確認された。
子における電極Ａとグランド電極１１との間のアドミタ
ンスの振幅および位相の周波数特性ならびに霧化周波数
ｆｏ＝２４５．７ｋＨｚをプロットした特性図が図１０
であり、圧電振動子単体での共振点で動作していること
が確認された。
【００２７】上述のように、霧化デバイスを含む形での
自励発振回路を図１の如くに構成し、霧化状態の動作特
性を測定した。梁の長さが５．５ｍｍで最大霧化効率化
が得られ、その周波数は２４５．７ｋＨｚ、霧化量は７
２ｃｃ／ｈ・Ｗであった。アドミタンスの周波数特性に
おいて、圧電振動子単体、複合振動子、電極Ａと電極Ｂ
の特性が良好に一致することが、自励駆動での最大霧化
の最適条件であり、このことを理論値と振動解析、実験
結果の良好な対応関係をもとに説明することができた。
自励発振回路を図１の如くに構成し、霧化状態の動作特
性を測定した。梁の長さが５．５ｍｍで最大霧化効率化
が得られ、その周波数は２４５．７ｋＨｚ、霧化量は７
２ｃｃ／ｈ・Ｗであった。アドミタンスの周波数特性に
おいて、圧電振動子単体、複合振動子、電極Ａと電極Ｂ
の特性が良好に一致することが、自励駆動での最大霧化
の最適条件であり、このことを理論値と振動解析、実験
結果の良好な対応関係をもとに説明することができた。
【００２８】回路の動作原理および動作特性の考察から
本実施例で用いた駆動回路は、部品点数が少ないうえ、
直流電源を利用する低消費電力タイプであり、小型化が
可能であること、霧化周波数が安定した領域にあること
による動作の安定性等の特徴を有しているといえる。
本実施例で用いた駆動回路は、部品点数が少ないうえ、
直流電源を利用する低消費電力タイプであり、小型化が
可能であること、霧化周波数が安定した領域にあること
による動作の安定性等の特徴を有しているといえる。
【００２９】なお、図１には連続発振する発振回路で構
成した超音波霧化デバイス駆動回路を示したが、帰還電
極Ｆと抵抗Ｒ1 との間にスイッチ素子を挿入し、そのス
イッチ素子を所定パルス幅のパルス信号でＯＮ／ＯＦＦ
することにより、スイッチ素子がＯＮの期間だけにバー
スト状に発振する発振回路を構成できる。このような発
振回路で駆動回路を構成することにより、超音波霧化デ
バイスを間欠的に作動させ、パルス幅あるいはパルス繰
り返し周波数を変化させることにより霧化量を制御する
ことができる。スイッチ素子の挿入位置は発振回路の他
の位置でも差し支えない。
成した超音波霧化デバイス駆動回路を示したが、帰還電
極Ｆと抵抗Ｒ1 との間にスイッチ素子を挿入し、そのス
イッチ素子を所定パルス幅のパルス信号でＯＮ／ＯＦＦ
することにより、スイッチ素子がＯＮの期間だけにバー
スト状に発振する発振回路を構成できる。このような発
振回路で駆動回路を構成することにより、超音波霧化デ
バイスを間欠的に作動させ、パルス幅あるいはパルス繰
り返し周波数を変化させることにより霧化量を制御する
ことができる。スイッチ素子の挿入位置は発振回路の他
の位置でも差し支えない。
【００３０】
【発明の効果】以上に実施例を挙げ詳しく説明したよう
に、本発明によれば、回路構成が簡単で小さい電力で作
動する超音波霧化デバイス駆動回路を提供できる。
に、本発明によれば、回路構成が簡単で小さい電力で作
動する超音波霧化デバイス駆動回路を提供できる。
【図１】本発明の一実施例を示す回路図。
【図２】従来の圧電振動子駆動回路の一例を示す回路
図。
図。
【図３】従来の圧電振動子駆動回路の他の例を示す回路
図。
図。
【図４】図１の実施例において梁の長さを変えたときに
おける霧化に最適な高周波電圧の周波数を示す特性図。
おける霧化に最適な高周波電圧の周波数を示す特性図。
【図５】図１の実施例における梁の長さと霧化量の関係
を示す図。
を示す図。
【図６】図１の実施例における梁の長さと消費電力の関
係を示す図。
係を示す図。
【図７】図１の実施例における梁の長さと霧化効率の関
係を示す図。
係を示す図。
【図８】図１の実施例で、主電極Ｍと帰還電極Ｆにおい
てオシロスコープにより観測される電圧波形を示す図。
てオシロスコープにより観測される電圧波形を示す図。
【図９】複合振動子による挿入損失と位相差との周波数
特性を示す図。
特性を示す図。
【図１０】複合振動子における電極Ａとグランド電極１
１との間のアドミタンスの振幅および位相の周波数特性
を示す図。
１との間のアドミタンスの振幅および位相の周波数特性
を示す図。
【図１１】超音波霧化デバイスをなす複合振動子の斜視
図。
図。
【図１２】複合振動子の分解斜視図。
【図１３】振動板の部分拡大平面図。
【図１４】振動板の部分拡大断面図。
１ 複合振動子 ２ 圧電振動子 １０ 圧電セラミック １１ グランド電極 １３ 振動板 １３Ａ 振動板の梁部 １３Ｂ 振動板の接合部 １４ 振動板に設けられた円錐台形状の穴 １５ エポキシ樹脂系アラルダイト接着剤 Ａ，Ｂ 圧電振動子の上部電極
Claims (7)
- 【請求項１】 圧電セラミックの互いに平行な両端面に
それぞれ第１及び第２の電極を設けてなる圧電振動子
と、この圧電振動子に一部分が固着されている振動板と
でなり、前記第１及び第２の電極のうちで少なくとも第
１の電極は互いに絶縁された電極Ａ及びＢに分割されて
いて、前記振動板に液体を接触させることにより該液体
を霧化する超音波デバイスにおける前記第２の電極と前
記電極Ａとの間に高周波電力を印加し、前記圧電振動子
および前記振動板でなる複合振動子を励振する超音波デ
バイス駆動回路であって、 前記電極Ａと直流電源との間に接続されているコイル
と、出力電圧端子が前記電極Ａに接続され、入力電圧端
子が前記電極Ｂに接続されたトランジスタとを備え、 前記トランジスタを増幅素子とし、前記複合振動子を共
振回路とする発振回路をなしていることを特徴とする超
音波デバイス駆動回路。 - 【請求項２】 前記圧電振動子の共振周波数のうちの１
つが、前記複合振動子の共振周波数のうちの１つとほぼ
等しいことを特徴とする請求項１に記載の超音波デバイ
ス駆動回路。 - 【請求項３】 前記圧電振動子は、厚さと幅の寸法比が
１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であること
を特徴とする請求項２に記載の超音波デバイス駆動回
路。 - 【請求項４】 前記圧電振動子は、該圧電振動子の厚さ
方向に平行に貫通する穴を有し、該圧電振動子の前記厚
さ方向に垂直な断面の形が枠型構造を成し、前記厚さ方
向の長さと、前記枠型の外縁と内縁との最短距離との比
がほぼ１に等しいことを特徴とする請求項２に記載の超
音波デバイス駆動回路。 - 【請求項５】 前記圧電振動子の共振周波数のうちの１
つが、前記複合振動子における２つの共振周波数の中間
値にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の超音
波デバイス駆動回路。 - 【請求項６】 前記圧電振動子は、長さと幅の寸法比が
１に近くしかも１に等しくない矩形状の板であることを
特徴とする請求項５に記載の超音波デバイス駆動回路。 - 【請求項７】 前記複合振動子を励振する励振電圧とし
て交流パルス電圧を出力し、該交流パルス電圧の電圧値
および交流周波数を調節する手段と、該交流パルス電圧
のパルス幅およびパルス繰り返し周波数を調節する手段
とを備えることを特徴とする請求項１、２、３、４、５
または６に記載の超音波デバイス駆動回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04047868A JP3111201B2 (ja) | 1992-02-04 | 1992-02-04 | 超音波デバイス駆動回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04047868A JP3111201B2 (ja) | 1992-02-04 | 1992-02-04 | 超音波デバイス駆動回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05212331A JPH05212331A (ja) | 1993-08-24 |
| JP3111201B2 true JP3111201B2 (ja) | 2000-11-20 |
Family
ID=12787357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04047868A Expired - Fee Related JP3111201B2 (ja) | 1992-02-04 | 1992-02-04 | 超音波デバイス駆動回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3111201B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4666769B2 (ja) * | 1999-03-05 | 2011-04-06 | エス．シー． ジョンソン アンド サン、インコーポレイテッド | 圧電振動器を用いて液体を噴霧化する制御システム |
| JP2008049230A (ja) * | 2006-08-22 | 2008-03-06 | Tamura Seisakusho Co Ltd | 霧化装置 |
| JP5098359B2 (ja) * | 2007-02-23 | 2012-12-12 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 超音波による霧生成方法及び装置 |
| JP5693177B2 (ja) | 2010-11-26 | 2015-04-01 | 株式会社 和光電子 | 圧電振動子駆動回路 |
-
1992
- 1992-02-04 JP JP04047868A patent/JP3111201B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05212331A (ja) | 1993-08-24 |
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