JPS5913264B2 - 超音波液体霧化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁歪形または電歪形の超音波振動子を用いて
液体を霧化させる超音波液体霧化装置に関するもので、
特に超音波共振周波数が数百ＫＨ２程度以上の大電力の
超音波振動子を安定して駆動させるものである。

従来においては、数１０ＫＨ２程度の振動拡大ホーンを
有する超音波振動子を用いた超音波液体霧化装置が知ら
れており、これを利用して超音波液体燃料燃焼装置、超
音波塗装装置等が提案されている。

特に超音波液体燃料燃焼装置においては、燃料流量と空
気量とを変化させるだけで燃焼量を自由に変えられる特
徴を有しているため、この応用が急速に考えられている
。これに伴い、超音波液体霧化装置においては、安定し
た霧化特性を得るために、超音波振動子に流れる電流値
と振動振幅とが比例関係にあることを利用し、この電流
値を一定にして振動振幅を一定に制御させる装置が提案
されてきた。

次にその装置の一例を第２図の回路図により説明する。
第２図において、１はコンデンサで、抵抗２、３の各一
端とＮＰＮトランジスタ５のベースに接続され、このＮ
ＰＮトランジスタ５のエミッタは抵抗６の一端とコレク
タは抵抗４の一端及びＰＮＰトランジスタ７のベースと
接続されている。ＰＮＰトランジスタ７のコレクタは抵
抗８の一端及び９ＮＰＮトランジスタ９とＰＮＰトラン
ジスタ１０との各ベースと接続され、ＮＰＮトランジス
タ９とＰＮＰトランジスタ１０の各エミッタは超音波振
動子１１の一端と接続されている。超音波振動子１１の
他端は、抵抗１２の一端及びコンデンサ５１及びダイオ
ード１３のアノードと、ダイオード１３のカソードはコ
ンデンサ１４及び抵抗１５の各一端と、抵抗１５の他端
は抵抗１６の一端及びＮＰＮトランジスタ１９のベース
にそれぞれ接続されている。ＮＰＮトランジスタ１９の
エミツタワ は定電圧ダイオード２０のカソード及び抵
抗２２の一端と、コレクタはＮＰＮトランジスタ１８の
ベース及び抵抗２１の一端に接続されている。ＮＰＮト
ランジスタ１８のコレクタは直流電源２３の＋側に、エ
ミッタは抵抗２、４の他端及び５ トランジスタＴのコ
レクタとトランジスタ９のエミッタとに接続されている
。また、抵抗３・６・８・１２・１６、コンデンサ１４
の各他端及びＰＮＰトランジスタ１０のコレクタ及び定
電圧ダイオード２０のアノードは電源２３の一側に接続
フ されている。なお１７はコンデンサである。コンデ
ンサ１及び抵抗２・３・４・６・８及びトランジスタ５
・７・９・１０によつて電力増幅回路が構成され、その
出力部には超音波振動子１１を接続している。この超音
波振動子１１に流５ れる電流に比例した電圧を抵抗１
２によつて、増幅回路の入力（コンデンサ１）に正帰還
させるようにして超音波振動子１１の共振周波数によつ
て発振する発振回路を形成する。超音波振動子１１を流
れる電流に比例した出力電圧はダイオード１３により整
流し、コンデンサ１４により平滑し、かつ抵抗１５と抵
抗１６で分圧してトランジスタ１９のベースに加え、定
電圧ダイオード２０の両端電圧と比較するようにしてい
る。抵抗１６の両端電圧が定電圧ダイオード２０とトラ
ンジスタ１９のエミツターベース間電圧とを合わせた電
圧Ｅより高ければ、トランジスタ１９にはベース電流が
流れる。したがつてトランジスタ１９にはコレクタ電流
が流れ、抵抗２１での電圧降下が大きくなり、かつトラ
ンジスタ１８のベース電圧と工ミツタ電圧を下げて増幅
回路への供給電圧が下がるようになる。よつて超音波振
動子１１の駆動電圧が小さくなるので駆動電流が減少す
る。抵抗１６の両端電圧が比較電圧Ｅより低ければ前述
と逆の動作となり超音波振動子１１の駆動電流が増加す
る。したがつて、この回路においては、トランジスタ１
９によつて抵抗１６の両端電圧すなわち抵抗１２の両端
電圧が常に一定値に保たれるようになつており、これに
よつて超音波振動子１１の駆動電流を一定値に制御して
いる。電歪形、磁歪形の超音波振動子の振動振幅μと駆
動電流１とは、μｍＡＩ−ｆ（θ） ・・・・
・・（１）ただし Ａ：定数ｆ（θ）：駆動電流と電圧
との位相差θを変数とする関数であられされる。

いま第２図に示すような回路を用い駆動電流１を一定に
し、位相差θも一定にすれば振動振幅μは一定になる。
定数Ａは電歪・磁歪両型で大きく異なり、また、形状・
大きさによつても異なるが形状・大きさ等が一定であれ
ばほぼ同じ値を示すので同じものを量産化する際にも駆
動電流を一定にすることは非常に有利になる。このよう
に振動振幅を安定化し、霧化特性の安定化を行つてきた
が、従来のこのような定電流駆動の発振器においては振
動子を常に連続的に駆動させると共に第２図の回路例の
ように発振回路への供給電圧を制御して振動子の駆動電
流を一定にさせているため、供給電圧を制御している回
路部での熱損失が非常に多くなつて装置自体が非常に大
きくなると共に大電力用のトランジスタ等が多く必要と
されることから高価なものになるという欠点があつた。
また、近年、電歪形超音波振動子の１ＭＨｚ程度のもの
を用い、液体燃料を１０〔μｍ〕程度の粒径に微粒化し
て燃焼させる装置が提案されており、このためには振動
子を４０〜６０Ｗ程度で駆動できる大電力用の小型かつ
安価な定電流駆動の液体霧化装置が必要とされてきた。

また、数百ＫＨｚ以上の振動子には振動拡大ホーンを取
付けることができないため駆動電力が非常に大きく必要
とされていた。

本発明は、特に数百ＫＨｚ以上の超音波振動子の駆動電
流を一定に制御することのできる、大電力でかつ小型・
安価な超音波液体霧化装置を提供することを目的とする
ものである。

本発明の超音波液体霧化装置は、商用電源を整流した脈
動電圧と、超音波振動子に流れる電流に比例した電圧を
基準電圧と比較する電圧比較回路の出力電圧とを比較し
、超音波振動子の駆動回路を商用電源周波数、またはそ
の２倍の周波数によりオン、オフさせ、超音波振動子の
平均駆動電流を一定に保持して霧化させるものであり、
以下本発明の超音波液体霧化装置の回路の一実施例を第
２図に示す。

第１図において、２４は商用電源で全波整流ダイオード
ブリツジ２５と接続され、このダイオードブリツジ２５
の十出力側には、抵抗２６の一端及びダイオード２９の
アノードが、一出力側には抵抗２７・３２・３６・３８
・５０、コンデンサ３４・４７・５３・５６の各々一端
及びＮＰＮトランジスタ４６・５５の各エミツタがそれ
ぞれ接続されている。

抵抗２６の他端は抵抗２７の他端及び抵抗２８の一端と
、抵抗２８の他端はＰＮＰトランジスタ３０のベースと
、ＰＮＰトランジスタ３０のエミツタはダイオード３３
のカソードとコレクタは抵抗３１の一端とそれぞれ接続
されている。ダイオード３３のカソードは抵抗３５・３
６の各他端及びＰＮＰトランジスタ３９のコレクタと接
続され、ＰＮＰトランジスタ３９のエミツタは定電圧ダ
イオード３７のアノード及び抵抗３８の他端と、ベース
は抵抗４０・４１の各一端と接続され、抵抗４１の他端
はコンデンサ４２の一端及びダイオード４３のアノード
と、ダイオード４３のカソードは抵抗４４の一端及びカ
レントトランス５１の２次側の一端とそれぞれ接続され
ている。また、ダイオード２９のカソードはコンデンサ
３４・４２の各他端、定電圧ダイオード３７のカソード
及び抵抗３５・４０・４４の各他端、抵抗４５の一端、
コイル４８の一端及びカレントトランス５１の２次側の
他端にそれぞれ接続されている。抵抗４５の他端はコン
デンサ４７の他端及び抵抗４９の一端と、抵抗４９の他
端はＮＰＮトランジスタ４６のコレクタ、抵抗５０の他
端及び超音波振動子５２の一端、コンデンサ５３の他端
及び抵抗５４の一端と各々接続されている。また、ＮＰ
Ｎトランジスタ４６のベースは抵抗３１・３２の各他端
と接続され、抵抗５４の他端はＮＰＮトランジスタ５５
のベースと、超音波振動子５２の他端はカレントトラン
ス５１の１次側の一端と、カレントトランス５１の１次
側の他端はコイル４８の他端、ＮＰＮトランジスタ５５
のコレクタ及びコンデンサ５６の他端と各々接続されて
いる。次に以上のように構成された回路の動作につき説
明する。

抵抗４５・４９・５０・５４と、コンデンサ４７・５３
・５６と、コイル４８と、トランジスタ５５と、カレン
トトランス５１と、超音波振動子５２とによつてバイア
ス回路を含むコルピツツ形発振回路５７が構成され、超
音波振動子５２が駆動される。そして、カレントトラン
ス５１によりこの超音波振動子５２に流れる高周波電流
に比例した高周波電圧を抵抗４４の両端に発生させ、ダ
イオード４３及びコンデンサ４２により整流平滑にして
直流電圧に変換したものを抵抗４０・４１により分圧し
、トランジスタ３９のベースに加えている。また、トラ
ンジスタ５５のベースに流れるバイアス電流をトランジ
スタ４６によつて「入」，「切」させることにより発振
回路の発振を制御させている。また、抵抗２６・２７・
２８・３１・３２・３５・３６と、トランジスタ３０と
ダイオード３３とで構成された回路５８は、商用電源２
４を全波整流した脈動電圧と抵抗３６の直流の両端電圧
とを比較する電圧比較回路で、商用電源周波数の２倍の
周波数にて「オン」，「オフ」している。

そして、抵抗３６の両端電圧は、定電圧ダイオード３７
と、抵抗３８と、トランジスタ３９とで構成された電圧
比較回路５９により抵抗４０の両端電圧と定電圧ダイオ
ード３７の基準電圧とを比較し、抵抗３６の両端電圧を
制御している。発振回路５７が動作して超音波振動子５
２が，駆動されると、駆動電流に比例した直流電圧が抵
抗４０の両端に発生する。

そして、この抵抗４０の両端電圧が増加し、その結果定
電圧ダイオード３７の基準電圧とトランジスタ３９のベ
ース・エミツタ間順方向電圧とをプラスした値より大き
くなるとトランジスタ３９にコレクタ電流が流れ、抵抗
３６の両端電圧を上昇させる。第１の電圧比較回路５８
で、抵抗２７の両端には商用電源の正弦波形の交流″屯
圧を全波整流した脈動電圧が加わつているため、抵抗３
６の両端電圧が上昇するとトランジスタ３０がしや断状
態にある時間が短くなり、したがつて、トランジスタ４
６がしや断状態にある時間が短かくなり、発振回路にて
超音波振動子５２を駆動する時間が短くなる。よつて、
超音波振動子５２を流れる平均駆動電流が減少し、抵抗
４０の両端電圧と、定電圧ダイオード３７の基準電圧と
トランジスタ３９のベース・エミツタ間順方向電圧とを
プラスした電圧とがほぼ一致する平均駆動電流値にて安
定する。平均駆動電流が減少した時には前述と逆の動作
を行い同様の状態にて安定する。

したがつて超音波振動子５２の平均１駆動電流ｌ（ζ定
電圧ダイオード３７、トランジスタ３９、及び抵抗４０
にて決定され、常に一定値に保たれる。

上述の実施例では、発振回路がコルピツツ形発振回路の
場合について示したが他のどんな発振回路でもよく、ま
た電圧比較回路も同等の働きをするものであればどのよ
うな回路でもよい。超音波振動子５２の１駆動電流に比
例した出力を取り出すものとしてカレントトランス５１
を用いたが、抵抗その他の同等の動作をするものでも良
（・ｏまた、抵抗４０・４１を可変抵抗もしくはスイツ
チ等により抵抗値の切換え可能に変えることにより、平
均１駆動電流値の設定を可変することも可能となる。ま
た、超音波振動子５２による霧化において、液体の粘性
変化により低温では大きな振動振幅を必要とするため、
抵抗４０・４１にサーミスタ等の温度変化により抵抗値
が大きく変化する素子を用いることにより、低温で平均
駆動電流値を増加させ、霧化量を得易くすることも可能
となる。

第１図においては全波整流の場合を示したが、半波整流
にても駆動電流の安定幅が変わ・るだけで同様の効果が
得られる。したがつて本実施例における超音波液体霧化
装置によれば、商用電源２４を整流した脈動電圧と、超
音波振動子５２に流れる電流に比例した電圧を基準電圧
と比較する電圧比較回路の出力電圧とを比較し、超音波
振動子５２の駆動時間幅を制御することで平均駆動電流
を一定値にさせることができ、従来の超音波振動子の駆
動回路の電源電圧を制御するものに比べ、トランジスタ
３０・３９・４６等で構成された電圧比較回路を含む定
電流制御部において使用するトランジスタ・抵抗等は小
電力のもので済み、発熱が非常に少なくなると共に小型
・安価になる。

また、駆動回路が大電力になつても同じ回路で簡単に制
御可能であり、高信頼性の液体霧化装置が可能となる。
さらに超音波振動子に流れる電流に比例した電圧を基準
電圧と比較する電圧比較回路に、可変抵抗もしくはスイ
ツチ等よりなる抵抗値切換回路を設け、超音波振動子の
平均駆動電流値の設定を可変にしても良く、あるいはサ
ーミスタ等の温度による抵抗変化が大きな素子を電圧比
較回路に設け低温にて平均駆動電流値を増加させるよう
にしても良い。

以上のように、本発明は、超音波振動子に流れる電流に
比例した電圧を基準電圧と比較する電圧比較回路と、商
用電源を整流した脈動電圧と前記電圧比較回路の出力電
圧とを比較する電圧比較回路とを備え、超音波振動子の
駆動回路は商用電源周波数により開閉させることにより
超音波振動子の駆動時間巾を制御して平均駆動電流を一
定に制御できるようになした工業的価値の極めて大なる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における定電流駆動の超音波
液体霧化装置の回路図、第２図は従来における定電流駆
動の超音波液体霧化装置の回路図である。 ２４・・・・・・商用電源、５２・・・・・・超音波振
動子、５８，５９・・・・・・電圧比較回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波振動子に流れる電流に比例した電圧を基準電
   圧と比較する電圧比較回路と、商用電源を整流した脈動
   電圧と前記電圧比較回路の出力電圧とを比較する電圧比
   較回路とを備え、超音波振動子の駆動回路は商用電源周
   波数によつて開閉させることを特徴とする超音波液体霧
   化装置。