JPH0480681A - 超音波振動子の駆動回路 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波式水滴除去装置などに応用される超
音波振動子の駆動回路に係り、特に超音波振動子に印加
する交流電圧および電流の位相差をＯｏに近付けて無効
電力を低減すると共に、素子の発熱を抑えるのに好適な
超音波振動子の駆動回路に関する。

〔従来の技術〕

超音波振動子の駆動回路の応用例として、例えば第１１
図に示す超音波式水滴除去装置が知られている。

超音波式水滴除去装置は、フレーム１に取付けられなバ
イザ２内に収納されたミラーホルダにガラス３および該
ガラス３の背面側に位置し、ガラス周縁に当接されたス
テンレス板からなる反射膜４を保持し、この反射膜４に
振動子ＣＬＴの裏面電極５を直接または間接接触させて
配設すると共に、振動子の裏面電極５と表面ｔｉ６＃Ｉ
に駆動回路から供給される交流電圧を印加して励振させ
、この振動を反射膜４を介してガラス３に伝えることに
より、ガラス表面に付着した水滴を霧状にして空中に飛
散させるように構成されている。

駆動回路は、発振回路Ｏ８，電力増幅回路ＰＡおよびト
ランスＴにより構成されている。すなわち、電２ｉＶＢ
から供給される直流電圧を発振回路Ｏ８で矩形周波数の
交７Ｘｔ圧に変換し、この交流電圧を電力増幅回路ＰＡ
で増幅した後、トランスＴで振動子ＣＬＴの励振に必要
な電圧に昇圧する。

発振回路は発振素子ＩＣ２のｅｏｎｔ端子の入力電圧に
よって可変される発振周波数の矩形波交流電圧を発生さ
せる。この発振周波数は発振素子ＩＣ１のＤｉｓ端子に
抵抗を介して接続されたコンデンサの充放電によってス
ィーブされる。この回路においてはコンデンサ部分のイ
ンピーダンスが高いため、インピーダンスの低いＩＣ２
のｃｏｎｔ端子との間にＦＥＴによるソースフォロウ回
路を介挿してインピーダンスの整合が図られている。

またトランスへの電力供給段の構成として、制御の容易
さ、制御素子の損失の小さいこと等によりＦＥＴ、　　
トランジスタなどスイ・ソチング素子で矩形波駆動させ
る方法が従来より広くとられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この種の装置は、トランスと振動子を振動周波数におい
て非共振状態で使用していたため、駆動回路に対して容
量性負荷となっていた。

このため、トランスに交流電圧を供給する電力増幅回路
に対して力率が低下し、無効電力を多く供給する事にな
り、電力増幅回路の消費電力は増加し、また電力増幅回
路のτカ素子の発熱も増えている。

また矩形波駆動の場合、振動させるのに必要な基本波ｆ
。の他にその奇数次高周波（３ｆｏ５ｆ。

）成分の電力も供給しようとするため、スイッチング素
子から出力側を見たインピーダンスが高周波のある周波
数で低くなっている特性の場合には不必要な電流が過大
に流れることになり、効率低下、スイッチング素子、ト
ランスの発熱をまねいている。

更にプッシュプル駆動する場合、各相のインダクタンス
、すなわち漏れ磁束はスイッチング素子のＯＦＦ時のエ
ネルギーの放出光を失ってＦＥＴのドレーン間にスパイ
ク電圧を発生させる。このスパイク電圧を防止するため
には、ＦＥＴのＯＦＦスピードを遅くし熱としてＦＥＴ
で吸収する方法、ドレーン間にスナバ回路を入れ抵抗で
吸収する方法などがあるが、いずれも発熱するという問
題がある。

この発明の目的は、無効電力を低減して高い効率が得ら
れる超音波振動子の駆動回路を提供するにある。

また他の目的は、プッシュプル駆動におけるトランス素
子などの発熱が抑えられる超音波振動子の駆動回路を提
供するにある。

〔課題を解決しようとするための手段〕上記の目的を達
成するため、本発明は矩形波の交流電圧をトランスで昇
圧して振動子に印加する駆動回路において、前記トラン
スのコアにギャップを設け、１次側に換算したトランス
巻線の並列インダクタンスと振動子のキャパシタンスと
の間で並列共振させることを特徴とする。

またトランス巻線の直列インダクタンスと振動子のキャ
パシタンスとの間で直列共振させることを特徴とする。

またトランス巻線に外付インダクタンスを設け、該イン
ダクタンスを含む直列インダクタンスと振動子のキャパ
シタンスとの間で直列共振させることを特徴とする。

更にトランスの１次巻線の共通端子に直ＩＸ電源を、１
次巻線の両端にスイッチング素子を接続し。

該スイッチング素子を交互に０Ｎ−ＯＦＦ動作させて２
次巻線に発生される交流電圧を振動子に印加する駆動回
路であって、前記１次巻線とスイッチング素子との間に
逆相結合させたサブトランスが介挿されていることを特
徴とする。

〔作　用〕

振動子の振動周波数において並列共振させるようにトラ
ンスのコアキャップを調整することにより、第３図に示
すように、位相φがＯｏに近づいて、力率が改善される
。

また漏れ磁束を発生させたり、あるいは別個にインダク
タンスを外付けすることにより、振動子の振動周波数（
基本波）と３次高周波との間で直列共振させる。これに
より、当該直列共振周波数以上の周波数におけるインピ
ーダンスを大きくして３次以上の奇数次高周波成分がカ
ットされ、不要な電流の流れ込みがなくなる。

更に、トランスとスイッチング素子との間に逆相結合さ
れるサブトランスを介挿入した場合には、スイッチング
素子のＯＦＦ時のエネルギーが他相に流れて保存される
ため、トランスや素子の発熱が抑えられる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例企図面により説明する。

第１図は超音波振動子の駆動回路が示されている。

直流電源Ｂは、定電圧回路ＰＳを通して安定化された後
に各回路に供給される。

ＩＣ１，ＩＣ２およびＦＥＴ３は、発振回＃１０Ｓを構
成しており、第１１図に示すものと同一である。

ＩＣ３はＤ形フリップフロップでＩＣ２で発生される矩
形周波数に応じてＱ端子およびＱ端子からの出力をイン
バートバッファ（ＩＣ４）で変換してＦＥＴ１．ＦＥＴ
２を交互に０Ｎ−ＯＦＦ動作させる。ここで、ＩＣ３の
出力Ｑ及びＱはＦＥＴ１．ＦＥＴ２を高速で駆動する能
力が充分でないため、駆動能力の高いインバートバッフ
ァか介挿されている。

ＦＥＴ１．ＦＥＴ２は、ＩＣ３からのゲート信号により
、発振回路Ｏ８から供給される交流電圧をプッシュプル
によって電力増幅する。プッシュプル駆動はトランスの
８８曲線上の第１と第３象限を使用するので、同一コア
サイズで２倍の電力を扱うことができる。

ＦＥＴＩ　　２のドレンと主トランスＴ１の１次巻線と
の間にはサブトランスＴ２が挿入されている。各ＦＥＴ
のソースはアースに接続されている。

主トランス１は、交流電圧を昇圧し、振動子ＣＬＴに印
加する。

サブトランスＴ２は、ＦＥＴＩとＦＥＴ２の動作に合わ
せて逆相に結合し、ＦＥＴのＯＦＦ時のエネルギーを相
間で転流させて発熱を防止する。

サブトランスの各巻線の一端は各ＦＥＴのドレンに、他
端は主トランスの１次側に接続されている。

主トランスの１次巻線のコモン端子ＣＴは、ラインノイ
ズ除去回路ＮＥを介してｔｆｉＢおよびアース接地のコ
ンデンサに接続されている。また主トランスの２次巻線
には３０〜６０ＫＨ，で励振する振動子ＣＬＴが接続さ
れている。

更に、主トランスおよびサブトランスについて説明する
。

主トランスＴ１は、巻数比１・ｎのトランスであるため
、電力増幅回路側から見たトランス−振動子（１次側換
算）の等価回路は第２図に示されているように、漏れイ
ンピーダンス降下としての直列インダクタンスＬｅと磁
気的エネルギーとして寄与する並列インダクタンスＬｄ
および１次側に換算した振動子のキャパシタンスｎ”Ｃ
か上記Ｌｄに並列的に入った回路網として表わすことが
できる。ここで、トランスのコアにギャップ分設け、こ
のギャップを調整することにより振動子の共振周波数ｆ
。においてトランスの並列インダクタンスＬｄと振動子
のキャパシタンスｎ’Ｃとの間で並列共振を起こさせる
。このときの周波数特性は、第３図に示されている。共
振時において、理論上、共振周波数ｆ。で位相φがほぼ
○°になり、力率ＣＯ８φが１となって効率が最大とな
る。

ところで、矩形波駆動の場合、奇数次高調波成分での消
費電力を低減する必要がある。そのため、第４図に示す
ように、振動子の共振周波数ｆ。と３次高調波数３ｆ０
との間の周波数で直列共振を起すことにより、出力イン
ピーダンス１ｚ１を凸方向、位相φを二方向に積極的に
移動させて直列共振周波数を超えた周波数域で出力イン
ピーダンス：ｚｌをイから口に変えて大きくする。これ
により、３ｆ、、５ｆＯ・・での不要な電流が流れ込ま
なくする。そこで、直列共振は、負荷となる振動子に直
列なインダクタンスＬ　ｘ　（Ｌｅ十Ｌｏ）と振動子の
等価並列容量Ｃｘ（Ｎ２Ｃ）との間で行われ、このとき
の直列共振周波数ｆＬつａｘが第４図に示す上述のｆｏ
と３ｆｏの間に入るようにＬｘの値を決定する。以下、
Ｌｘの設定手段について説明する。

尚、Ｌｘは主トランスの漏れインダクタンスＬｅと積極
的に直列共振周波数を移動させるために入れたインダク
タンスＬＯを加えた値である。

（具体例１） トランスにコアギャップを設けた場合には、第５図に示
す等価回路となり、上記ギャップを調整してｆ。と３ｆ
ｏの間でＬｘとＣｘによる直列共振させる。

（具体例２） トランスの１次巻線にスイッチング素子としてのトラン
ジスタＴＲＩ、ＴＲ２をプッシュプル接続し、またトラ
ンスの１次巻線のコモン端子ＣＴと電源との間に外付け
のインダクタンスＬｘを挿入する。（第６図参照） ＴＲＩ　　ＴＲ２は発振回路○Ｓの出力により交互に導
通制御され、ＯＮ動作したトランジスタ側に接続された
１次巻線にＬｘを介して供給される電流によって２次側
に昇圧された交流電圧を発生させる。このとき、ｆｏと
３ｆ０との間でＬｘとＣＸにより直列共振させる。

（具体例３） トランスの１次巻線に外付けのインダクタンスＬｘｌ　
　Ｌｘ２を介してスイッチング素子としてのＦＥＴＩ、
ＦＥＴ２をブ・Ｖシュプル接続する。

（第７図参照） ＦＥＴ１．ＦＥＴ２は発振回路ＯＳの出力周波数でプッ
シュプル動作するＤ形フ）月ンブフロ・ンブの出力信号
により交互に０Ｎ−ＯＦＦ動作する。

この場合も例２と同様に、ＯＮ動作したＦＥＴと電源と
の間にインタクタンス、１次巻線が挿入される。

上記例　１〜３の構成によれば、直列共振周波数ｆＬＸ
ｅＸを超える周波数では、第４図に示すようにスイッチ
ング素子、または電力増幅回路から見たインピーダンタ
１２１が口となり、イと比へて大きくなる。したがって
３次以上の奇数次高調周波成分はカットされ、振動子の
振動に寄与しない上記高調波成分へ流れる電流が減少す
るため、振動子は効率よく振動させることができ、かつ
素子の発熱を大幅に改善することができる。

（具体例４） トランスの１次巻線の両端にサブトランスＴ２を逆相結
合させてスイッチング素子（ＴＲ，ＦＥＴ）をプッシュ
プル接続する。（第８図参照）　ＦＥＴのＯＦＦ時のエ
ネルギーは相間で転流され、ＦＥＴのドレン間にスパイ
ク電圧の発生が防止される。

なお、第９図はサブトランスを挿入したときの各部の波
形が示されている。

本構成によれば、ＦＥＴＩおよびＦＥＴ２は逆相にて動
作するため、ＦＥＴのＯＦＦ時のエネルギーは相間の転
流によって移動し、素子の発熱を抑えることができる。

本実施例において、ＦＥＴと主トランス間にサブトラン
スを追加して直列インダクタンスを増加させ、かつ主ト
ランスにコアギャップを作り並列インダクタンスを調整
した場合には、第１０図に示すように、ＦＥＴの温度上
昇が、例えば３分後には従来の１７６以下、すなわち１
８０°から２５゜に大幅な低下となった。また消費電流
は４〜６Ａであったのが。１５〜３．５Ａとなり、７０
〜１００％の減少が認められた。なお、改善の前後にお
ける上記消費電流の差は、無効電力及び発熱として消費
されていたものと考えられる。

〔発明の効果〕

上述のとおり、本発明によれば、振動子に交流電圧をト
ランスのコアギャップを調整してトランスと振動子との
間の並列共振と振動子自体の振動周波数を一致させたの
で、無効電力として負荷を通過していた電力か回収され
、高い効率が得られる。

Ｊたトランスとスイッチング素子との間にサブトランス
を介挿したので、直列インダクタンスの増加により強い
直列共振を起すことができ、３次以上の奇数次高周波成
分への電流の流れ込みが防止でき、更に高い効率が得ら
れると共に、スイッチング素子のＯＦＦ時エネルギーを
転流させることにより素子の発熱を抑えることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波振動子の駆動回
路図、第２図はトランスの１次側に換算した等価回路図
、第３図は第２図の等価回路による共振時の周波数特性
を示す図、第４図は直列共振点、並列共振点をもつ駆動
回路の周波数特性を示す図、第５図はトランスのコアギ
ャップ調整による等価回路図、第６図は外付インダクタ
ンスによるＵｊＪ路構成図、第７図は他の外付インダク
タンスによる回路構成図、第８図はサブトランスによる
回路構成図、第９図は第８図の動作波形を示す図、第１
０図は発熱特性を示す区、第１１図は従来の超音波式水
滴除去装置の回路構成図である。 ＣＬＴ・・・超音波振動子、Ｔ１・・主トランス、Ｔ２
・・・サブトランス、Ｆｌ、Ｆ２・・・ＦＥＴ、Ｏ８・
・・発振回路、ＩＣ３・・Ｄ形フリップフロップ、ＩＣ
４・・・インバートバッファ、ＮＥ・・ラインノイズ除
去回路、ＰＳ・安定化回路、Ｂ・・直流電源。 代理人弁理士　中　　野　　佳　　直 第 図 ｅ 第 図 並列共振 誘導 性 ｆ。 周波数 高−容 量 性 第 図 Ａニドランス Ｂ：振動子（ＣＬＴ） 第 図 ｘ 第 図 第 図 芽 図 時間（Ｊ」゛

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）矩形波の交流電圧をトランスで昇圧して振動子に
   印加する駆動回路において、前記トランスのコアにギャ
   ップを設け、１次側に換算したトランス巻線の並列イン
   ダクタンスと振動子のキャパシタンスとの間で並列共振
   させることを特徴とする超音波振動子の駆動回路。
2. （２）前記トランス巻線の直列インダクタンスと振動子
   のキャパシタンスとの間で直列共振させることを特徴と
   する請求項１記載の超音波振動子の駆動回路。
3. （３）トランス巻線に外付インダクタンスを設け、該イ
   ンダクタンスを含む直列インダクタンスと振動子のキャ
   パシタンスとの間で直列共振させることを特徴とする請
   求項１記載の超音波振動子の駆動回路。
4. （４）トランスの１次巻線の共通端子に直流電源を、１
   次巻線の両端にスイッチング素子を接続し、該スイッチ
   ング素子を交互にＯＮ−ＯＦＦ動作させて２次巻線に発
   生される交流電圧を振動子に印加する駆動回路であって
   、前記１次巻線とスイッチング素子との間に逆相結合さ
   せたサブトランスが介挿されていることを特徴とする超
   音波振動子の駆動回路。