JP3115618B2 - 圧電振動子駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電振動子駆動回路に
関し、更に詳しく言えば、ボルト締めランジュバン振動
子（ＢＬＴ）、霧化器（加湿器、吸入器）用振動子、超
音波加工機用振動子等の圧電振動子を駆動する圧電振動
子駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の圧電振動子駆動回路例を
示した図である。

【０００３】図中、Ｄ１はクランプ用のダイオード、Ｔ
１はトランス、ＣＨはコイル、ＴＤは圧電振動子、Ｑ１
はトランジスタ、Ｒ１〜Ｒ３は抵抗、５，６は波形整形
器、１ＡはＶＣＯ、８は同相比較器、１０はＩＣ（集積
回路）、Ｗ１は１次巻線、Ｗ２は２次巻線、Ｗｒはリセ
ット巻線、Ｃはコンデンサ、ＩＮは入力端子を示す。

【０００４】従来、ボルト締めランジュバン振動子、霧
化器用振動子、超音波加工機用振動子等には、圧電振動
子が使用されていた。

【０００５】この圧電振動子の駆動回路としては、各種
の回路が知られているが、その内、圧電振動子の共振点
の変化に追従可能な圧電振動子駆動回路が知られており
（特開平１−２９３１７０号公報参照）、その回路を図
４に示す。

【０００６】この回路は、トランジスタＱ１をスイッチ
ング素子として用い、圧電振動子ＴＤの共振周波数に追
尾して駆動するものである。

【０００７】このため、圧電振動子ＴＤと直列に適当な
値のコイルＣＨを挿入し、圧電振動子ＴＤの電圧、電流
をほぼ正弦波とし、更に電流波形の位相に着目して、駆
動周波数の制御を行うものである。以下図に基づいてそ
の概要を説明する。

【０００８】図４に示したように、位相比較手段として
の同相比較器８及び制御発振器としての電圧制御発振器
（ＶＣＯ）１Ａを一体回路化、すなわちＩＣ１０とし、
これによりＰＬＬループを構成する。

【０００９】また、２次巻線Ｗ２の両端の方形波電圧Ｖ
₁ の波形の位相を取り出すために、抵抗Ｒ１、Ｒ２で分
圧した電圧を波形整形器６に入力して波形整形した後、
同相比較器８に入力する。

【００１０】更に、圧電振動子ＴＤに流れる略正弦波の
電流Ｉ₁ の位相を取り出すために、抵抗Ｒ３の電圧を波
形整形器５に入力して波形整形した後、同相比較器８に
入力する。

【００１１】同相比較器８では、波形整形器５，６の出
力を入力して位相比較を行い、２つの位相が一致してい
れば、一定の基準電圧ＶｓｔをＶＣＯ１Ａに出力し、前
記位相が不一致の場合には、Ｖｓｔ±ΔＶの電圧をＶＣ
Ｏ１Ａに出力する。

【００１２】ＶＣＯ１Ａでは、前記の電圧Ｖｓｔ、ある
いはＶｓｔ±ΔＶに応じてその出力周波数を変化させ、
このＶＣＯ１Ａの出力でトランジスタＱ１をスイッチン
グ制御することにより、常に圧電振動子ＴＤの共振周波
数に追尾した制御を行うことができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のにおいては、次のような課題があった。

【００１４】（１）圧電振動子に加える電力をコントロ
ールできないため、その出力もコントロールできない。
例えば霧化器であれば、霧化量を変えたくてもできなか
った。

【００１５】（２）入力端子ＩＮに印加する入力電圧が
変動すると、その影響を受け、その結果、圧電振動子の
出力も変動してしまう。

【００１６】（３）圧電振動子の入力電力をコントロー
ルしていないため、始動特性（立ち上り特性）が悪い。

【００１７】本発明は、このような従来の欠点を解消
し、圧電振動子に加える電力を任意にコントロールでき
るようにし、かつ電源電圧変動の影響を受けないように
すると共に、圧電振動子の始動特性を改善することを目
的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
あり、図中、２０は圧電振動子駆動部、ＴＤは圧電振動
子、２１はＤＣ−ＤＣコンバータ、２２は電源、２３は
パルス幅制御部、２４は始動制御回路、２５は定電圧制
御部、２６は遅延回路、２７，２８はスイッチ回路、Ｃ
Ｈ２０はコイル、Ｄ２０はダイオード、Ｃ２０，Ｃ２１
はコンデンサ、Ｒ２０，Ｒ２１は抵抗、ＶＲは手動電圧
調整手段（可変抵抗）、ＳＷは電源スイッチを示す。

【００１９】本発明の圧電振動子駆動回路は、上記の目
的を達成するため、次のように構成したものである。

【００２０】圧電振動子ＴＤと、前記圧電振動子の共振
周波数を追尾しながら、該圧電振動子を駆動する圧電振
動子駆動部２０と、前記圧電振動子駆動部に直流電圧を
供給するパルス幅制御（ＰＷＭ）方式によるＤＣ−ＤＣ
コンバータ２１と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出
力電圧をフィードバックして入力電圧とし、この入力電
圧を基準電圧と比較しながら、ＤＣ−ＤＣコンバータ２
１のパルス幅制御を行うパルス幅制御部２３と、前記パ
ルス幅制御部２３の入力電圧を手動で調整する手動電圧
調整手段（ＶＲ）と、前記パルス幅制御部２３の入力電
圧を始動時から所定時間のみ変化させる始動制御回路２
４を設け、前記手動電圧調整手段（ＶＲ）の調整で、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を変化させ、圧電振
動子ＴＤへの供給電力を調整可能にすると共に、前記パ
ルス幅制御部２３では、始動制御回路２４による入力電
圧変化があった際、その出力パルス幅が、定常時よりも
広くなるように制御を行い、始動時の短時間のみ、ＤＣ
−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を定常時よりも高くす
るようにした。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【作用】上記構成に基づく本発明の作用を、図１を参照
しながら説明する。

【００２４】圧電振動子駆動部２０は、圧電振動子ＴＤ
の共振周波数に追尾しながら該圧電振動子を駆動するも
のであり、この圧電振動子駆動部２０の入力電圧とし
て、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を用いる。

【００２５】電源スイッチＳＷをオンにすると、電源２
２がＤＣ−ＤＣコンバータ２１に印加して始動する。こ
の始動により、パルス幅制御部２３では、ＤＣ−ＤＣコ
ンバータ２１の出力電圧である、コンデンサＣ２１の電
圧をフイードバックし、抵抗Ｒ２０、Ｒ２１、及び手動
電圧調整手段ＶＲにより分圧した電圧を入力して制御を
開始する。

【００２６】パルス幅制御部２３では、入力電圧を基準
電圧と比較しながらその出力パルス幅を制御し、この出
力パルスでスイッチ回路２７を制御する。

【００２７】スイッチ回路２７が前記パルスで制御（オ
ン／オフ）されると、ダイオードＤ２０に流れる電流が
断続し、パルス電流となってコンデンサＣ２１を充電す
る。

【００２８】このコンデンサＣ２１の充電電圧は、ＤＣ
−ＤＣコンバータ２１の出力電圧として、圧電振動子駆
動部２０に入力する。

【００２９】ところでＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧
であるコンデンサＣ２１の出力電圧は、始動制御部２４
にも入力しており、この電圧で遅延回路２６を動作させ
る。

【００３０】このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の始
動時から遅延回路２６が遅延動作を開始し、遅延動作が
終了するまでの所定時間の間、スイッチ回路２８を制御
してパルス幅制御部２３の入力電圧を変化させる（Ｒ２
０，Ｒ２１，ＶＲ等の一部を短絡または解放）。

【００３１】この場合、パルス幅制御部２３では、出力
パルス幅が定常時よりも広くなるように制御を行う。そ
の後、上記遅延動作が終了すると、定常状態に戻る。

【００３２】このようにすれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ
２１の出力電圧、すなわち圧電振動子駆動部２０の入力
電圧は、始動時には定常時よりも大きな電圧となる。そ
の結果、圧電振動子ＴＤには、始動時の一定時間の間は
大電力を供給し、その後定常状態の電力を供給できるか
ら、起動特性が向上する。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００３４】（第１実施例の説明）図２〜図３は、本発
明の第１実施例を示した図であり、図２は、圧電振動子
駆動回路の概略構成図、図３は、圧電振動子駆動回路を
示した図である。

【００３５】図中、図１、図４と同符号は同一のものを
示す。また、Ｑ２０，Ｑ２１はトランジスタ、Ｒ２２〜
Ｒ２４は抵抗、Ｃ２２はコンデンサ、Ｂａはバッテリ、
２５は定電圧制御部を示す。

【００３６】この実施例の圧電振動子駆動回路は、図２
に示したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、圧電振
動子駆動部２０とで構成する。

【００３７】また、圧電振動子駆動部２０には圧電振動
子ＴＤを接続すると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１に
は、電源２２を接続する。

【００３８】上記圧電振動子駆動部２０の回路として
は、例えば図４に示した従来例の回路と同様な構成の回
路（ただしコンデンサＣは不要）を用いる。

【００３９】そして、上記圧電振動子駆動部２を構成す
るトランスＴ１の１次巻線Ｗ１と、リセット巻線Ｗｒの
接続点に接続された入力端子ＩＮには、ＤＣ−ＤＣコン
バータ２１の出力端子を接続する。

【００４０】ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、図３に示し
たように構成されていて、電源２２のバッテリＢａから
電源スイッチＳＷを介して電源が供給される。

【００４１】ＤＣ−ＤＣコンバータ２１には、パルス幅
制御（あるいはパルス幅変調）を行うために、パルス幅
制御部２３が設けてあり、このパルス幅制御部２３の出
力パルスで、スイッチ回路２７を構成するトランジスタ
Ｑ２０をスイッチング制御する。

【００４２】また、パルス幅制御部２３には、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ２１の出力電圧（コンデンサ２１の電圧）
をフィードバックし、抵抗Ｒ２０，Ｒ２１、手動電圧調
整手段（この例では可変抵抗）ＶＲで分圧した電圧を、
入力電圧としている。

【００４３】上記パルス幅制御部２３では、入力電圧を
基準電圧と比較しながら、出力パルスのパルス幅を制御
するが、この出力パルス幅を始動時のみ広くするため
に、始動制御回路２４を設けている。

【００４４】始動制御回路２４には、遅延回路（抵抗Ｒ
２４、コンデンサＣ２２、インバータＩＮＶ）２６、ス
イッチ回路（トランジスタＱ２１、抵抗Ｒ２２、Ｒ２
３）２８、抵抗Ｒ２０，Ｒ２１、及び手動電圧調整手段
（可変抵抗）ＶＲを設ける。

【００４５】定電圧制御部２５は、ＤＣ−ＤＣコンバー
タの出力電圧を入力して定電圧化し、この定電圧化した
電圧を遅延回路２６に印加する。

【００４６】以下、実施例の動作を説明する。電源スイ
ッチＳＷをオン（閉）にすると、ＤＣ−ＤＣコンバータ
２１は動作を開始し、出力電圧Ｖｏを出力する。

【００４７】この場合、電源スイッチＳＷの投入時に
は、コンデンサＣ２２は放電された状態となっていて、
出力電圧Ｖｏが発生すると、定電圧制御部２５の出力電
圧により、コンデンサＣ２２が抵抗Ｒ２４を介して充電
を開始する。

【００４８】コンデンサＣ２２の充電初期には、インバ
ータＩＮＶに入力する電圧は小さいため、その出力電圧
が大きくなって、トランジスタＱ２１をオン状態にす
る。

【００４９】このため、抵抗Ｒ２１と手動電圧調整手段
（ＶＲ）の直列回路に対し、抵抗Ｒ２２が並列接続され
た状態となり、これらの全抵抗値は、トランジスタＱ２
１がオフの場合よりも小さくなる。

【００５０】その後、コンデンサＣ２２が所定値まで充
電されると、インバータＩＮＶの出力電圧が小さくな
り、トランジスタＱ２１がオフとなる。

【００５１】トランジスタＱ２１がオフになると、抵抗
Ｒ２２が開放状態となり、上記並列接続された状態は解
除される（ＶＲとＲ２１との直列回路となる）。

【００５２】パルス幅制御部２３では、Ｒ２０，Ｒ２
２，ＶＲの接続点の電圧を入力電圧としているので、上
記のように、トランジスタＱ２１のオン、オフにより抵
抗値の変化があると、それに応じて入力電圧が変化す
る。

【００５３】すなわち、図３の回路では、始動時から所
定時間経過後（Ｒ２４，Ｃ２２の時定数で決まる所定時
間）までは、トランジスタＱ２１がオンで、パルス幅制
御部２３の入力電圧は小さく、その後の定常状態では、
トランジスタＱ２１がオフで、前記入力電圧が大きくな
る。

【００５４】また、パルス幅制御部２３では、入力電圧
を基準値と比較しながら出力パルスのパルス幅を制御す
るが、入力電圧が小さい時は、出力パルス幅が広くなる
ようにし、入力電圧が大きい時は、出力パルス幅が狭く
なるように制御を行う。

【００５５】そして、前記パルス幅が広いと、出力電圧
Ｖｏが大きくなり、パルス幅が狭いと、出力電圧Ｖｏは
小さくなる。

【００５６】従って、電源スイッチＳＷの投入初期（始
動時）の所定時間内は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電
圧Ｖｏが大きく、前記所定時間経過後の定常状態では、
前記出力電圧Ｖｏを小さくする。

【００５７】このため、圧電振動子ＴＤには、始動時の
短時間に大電力を供給し、その後の定常時には供給電力
を適正な値にまで下げるようにすることができる。

【００５８】また、手動電圧調整手段ＶＲを調整する
と、パルス幅制御部２３の入力電圧が手動で任意の値に
調整でき、その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力
電圧Ｖｏを手動調整できる。

【００５９】従って、圧電振動子ＴＤの供給電力を手動
調整できる。このように、手動電圧調整手段ＶＲによ
り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧Ｖｏは任意の
値に手動調整できるが、調整後は、電源２２の変動に対
して、常に定電圧出力となるように制御を行う。

【００６０】以上実施例について説明したが、本発明は
次のようにしても実施可能である。

【００６１】（１）ＤＣ−ＤＣコンバータは、パルス幅
制御方式のものであれば、他の回路でもよい。

【００６２】（２）電源２２としては、バッテリでもよ
く、また交流電源を用いてもよい。この場合、電源の種
類に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路を異なったも
のにする必要がある。

【００６３】（３）遅延回路２６は、抵抗とコンデンサ
の直列回路以外にも、各種の遅延回路が適用可能であ
る。

【００６４】（４）スイッチ回路２７，２８は、他のス
イッチング素子を用いた回路でもよい。

【００６５】（５）手動電圧調整手段としては、可変抵
抗に限らず、他の手段を用いてもよい。すなわち、パル
ス幅制御部２３の入力電圧を手動で調整できるものなら
よい。

【００６６】また、手動電圧調整手段は、始動制御回路
に設けなくてもよく、任意の場所でよい。

【００６７】（６）始動制御回路２４は、ＤＣ−ＤＣコ
ンバータ２１の内部に設けてもよいが、外部に設けても
よい。

【００６８】（７）ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、圧電
振動子駆動部２０とは、一体化した回路としてもよく、
また別の回路としてもよい。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。

【００７０】（１）手動電圧調整手段による調整で、圧
電振動子への供給電力を任意にコントロールできる。

【００７１】（２）電源電圧が変動しても、ＤＣ−ＤＣ
コンバータにより、圧電振動子駆動部の入力電圧は、全
く変動しないように制御できる。

【００７２】従って、圧電振動子の印加電圧は全く変動
せず、電源電圧変動の影響を受けない。

【００７３】（３）始動制御回路により、圧電振動子に
供給する電力を、始動時から短時間（例えば１秒間）だ
け、大電力とし、その後の定常状態では、小電力にでき
る。

【００７４】このため、圧電振動子の起動特性（立ち上
り特性）を改善できる。

【００７５】（４）圧電振動子の始動時に、大電力を供
給しなくて済む場合には、上記始動制御回路を省いた構
成とすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の実施例における圧電振動子駆動回路の
概略構成図である。

【図３】圧電振動子駆動回路を示した図である。

【図４】従来の圧電振動子駆動回路例を示した図であ
る。

【符号の説明】

ＴＤ 圧電振動子 ２ 圧電振動子駆動部 ２１ ＤＣ−ＤＣコンバータ ２２ 電源 ＳＷ 電源スイッチ ２３ パルス幅制御部 ２４ 始動制御部 ２６ 遅延回路 ＶＲ 手動電圧調整手段 ２７，２８ スイッチ回路 ＣＨ２０ コイル Ｃ２０，Ｃ２１ コンデンサ Ｄ２０ ダイオード Ｒ２０，Ｒ２１ 抵抗

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電振動子と、 前記圧電振動子の共振周波数を追尾しながら、該圧電振
   動子を駆動する圧電振動子駆動部と、前記圧電振動子駆動部に直流電圧を供給するパルス幅制
   御方式によるＤＣ−ＤＣコンバータと、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧をフィードバック
   して入力電圧とし、この入力電圧を基準電圧と比較しな
   がら、ＤＣ−ＤＣコンバータのパルス幅制御を行うパル
   ス幅制御部と、 前記パルス幅制御部の入力電圧を手動で調整する手動電
   圧調整手段と、 前記パルス幅制御部の入力電圧を始動時から所定時間の
   み変化させる始動制御回路を設け、 前記手動電圧調整手段の調整で、ＤＣ−ＤＣコンバータ
   の出力電圧を変化させ、圧電振動子への供給電力を調整
   可能にすると共に、前記パルス幅制御部では、始動制御
   回路による入力電圧変化があった際、その出力パルス幅
   が、定常時よりも広くなるように制御を行い、始動時の
   短時間のみ、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を定常時
   よりも高くする ことを特徴とした圧電振動子駆動回路。