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技術 超音波振動子駆動回路

出願人 TDK株式会社
発明者 古川信男
出願日 2014年11月12日 (5年4ヶ月経過) 出願番号 2014-229507
公開日 2015年11月5日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2015-192985
状態 特許登録済
技術分野 機械的振動の発生装置
主要キーワード トランジスタ発振回路 ハートレー発振回路 正側電源ライン 動作停止期間 負側電源ライン 超音波霧化器 CR時定数回路 超音波振動子駆動回路
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図面 (5)

課題

簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路過大電流から保護する。

解決手段

超音波振動子TDを駆動するトランジスタ発振回路20と、これを保護する保護回路30とを備え、保護回路30は、発振回路20への電源供給ライン遮断するためのFETQ2と、発振回路20への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗R3と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態自己保持するSCRとを有している。FETQ2はSCRで制御され、SCRのオフ状態ではFETQ2は導通状態となり、SCRのオン状態ではFETQ2は遮断状態となって、発振回路20への電力供給を遮断する。

概要

背景

音波を発生して液体霧化する超音波霧化器が広く用いられている。そのような超音波霧化器において、超音波振動子自体又は超音波振動子両端間短絡する事象が発生すると超音波振動子駆動回路トランジスタが破損するおそれがあるため、保護対策が必要である。また、超音波振動子の劣化により漏洩電流が発生することが知られており、漏洩電流による超音波霧化器不具合に対する保護対策が必要となる。

図2は従来の超音波振動子駆動回路の基本的な回路構成を示す。この図において、超音波振動子駆動回路は、発振用トランジスタQ1、コンデンサC1〜C4、コイルL1,L2、バイアス用抵抗R1,R2を介してトランジスタQ1のコレクタベース間に接続される超音波振動子TDとを有するコルピッツ型発振回路であり、正側及び負側電源ライン間に直流電源10が接続されている。

この図2の回路構成において、超音波振動子TDの両端が短絡すると、発振用トランジスタQ1のコレクタ−ベース間が短絡状態となり過大電流が流れ、トランジスタQ1が破損してしまう。

図3は従来の超音波振動子駆動回路のもう一つの回路構成を示し、図2の回路構成に加えて、超音波振動子TDに直列直流カット用コンデンサC6を挿入している。この場合、コンデンサC6で直流成分の電流カットでき、超音波振動子TDの両端が短絡することに起因する発振用トランジスタQ1の破損は回避できるが、トランジスタQ1のベースには必ずバイアス電流をバイアス用抵抗R1,R2を介して供給する必要があるため、バイアス電流供給側が短絡した場合には、ベース電流の流入を防止することは基本的に困難である。

下記特許文献1は、圧電振動子を用いる噴霧装置において、過電流保護機能を付加したものである。

概要

簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路を過大電流から保護する。超音波振動子TDを駆動するトランジスタ発振回路20と、これを保護する保護回路30とを備え、保護回路30は、発振回路20への電源供給ライン遮断するためのFETQ2と、発振回路20への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗R3と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態自己保持するSCRとを有している。FETQ2はSCRで制御され、SCRのオフ状態ではFETQ2は導通状態となり、SCRのオン状態ではFETQ2は遮断状態となって、発振回路20への電力供給を遮断する。

目的

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路を過大電流から保護することが可能な超音波振動子駆動回路を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

超音波振動子を駆動するトランジスタ発振回路と、前記発振回路を保護する保護回路とを備え、前記保護回路は、前記発振回路への電源供給ライン遮断するための第1の半導体スイッチ素子と、前記発振回路への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態自己保持する第2の半導体スイッチ素子とを有し、前記第1の半導体スイッチ素子は前記第2の半導体スイッチ素子で制御され、前記第2の半導体スイッチ素子のオフ状態では前記第1の半導体スイッチ素子は導通状態となり、前記第2の半導体スイッチ素子のオン状態では前記第1の半導体スイッチ素子は遮断状態となって、前記発振回路への電力供給を遮断することを特徴とする超音波振動子駆動回路

請求項2

前記第2の半導体スイッチ素子のゲート時定数回路を介して前記電圧降下による電圧印加することを特徴とする請求項1に記載の超音波振動子駆動回路。

請求項3

前記発振回路による超音波振動子の駆動をオンオフするスイッチは、前記第2の半導体スイッチ素子の自己保持を解除しないように設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波振動子駆動回路。

請求項4

前記第2の半導体スイッチ素子が、サイリスタ又はトライアックであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の超音波振動子駆動回路。

技術分野

0001

本発明は、超音波を発生して液体霧化するための超音波振動子圧電振動子)を駆動する超音波振動子駆動回路に関する。

背景技術

0002

超音波を発生して液体を霧化する超音波霧化器が広く用いられている。そのような超音波霧化器において、超音波振動子自体又は超音波振動子両端間短絡する事象が発生すると超音波振動子駆動回路のトランジスタが破損するおそれがあるため、保護対策が必要である。また、超音波振動子の劣化により漏洩電流が発生することが知られており、漏洩電流による超音波霧化器不具合に対する保護対策が必要となる。

0003

図2は従来の超音波振動子駆動回路の基本的な回路構成を示す。この図において、超音波振動子駆動回路は、発振用トランジスタQ1、コンデンサC1〜C4、コイルL1,L2、バイアス用抵抗R1,R2を介してトランジスタQ1のコレクタベース間に接続される超音波振動子TDとを有するコルピッツ型発振回路であり、正側及び負側電源ライン間に直流電源10が接続されている。

0004

この図2の回路構成において、超音波振動子TDの両端が短絡すると、発振用トランジスタQ1のコレクタ−ベース間が短絡状態となり過大電流が流れ、トランジスタQ1が破損してしまう。

0005

図3は従来の超音波振動子駆動回路のもう一つの回路構成を示し、図2の回路構成に加えて、超音波振動子TDに直列直流カット用コンデンサC6を挿入している。この場合、コンデンサC6で直流成分の電流カットでき、超音波振動子TDの両端が短絡することに起因する発振用トランジスタQ1の破損は回避できるが、トランジスタQ1のベースには必ずバイアス電流をバイアス用抵抗R1,R2を介して供給する必要があるため、バイアス電流供給側が短絡した場合には、ベース電流の流入を防止することは基本的に困難である。

0006

下記特許文献1は、圧電振動子を用いる噴霧装置において、過電流保護機能を付加したものである。

0007

特開2003−79728号公報 この特許文献1では、駆動回路振動子間電流電圧変換回路及び全波整流回路を設けさらにその出力を2値化するためのアナログディジタル変換回路と、過大電流の事象を計測する為の論理演算機構が必要となる。マイコン等の処理回路を用いると高度の処理が可能だが、マイコン用の電源、マイコン自身の費用が発生する。消費電流も多少ではあるが増加する。

先行技術

0008

また、その他の過大電流対策として、駆動回路中に抵抗フューズを挿入し、過大電流が流れた際に、フューズが溶断することで回路接続を切断する構成が提案されている。しかし、この対策では、駆動回路部品が殆ど使える状態でも使用者が簡単に抵抗フューズを交換できないため、駆動回路を稼働させようとしても使用できず、販売者に機材を返却修理する必要が発生する。

発明が解決しようとする課題

0009

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路を過大電流から保護することが可能な超音波振動子駆動回路を提供することにある。

0010

本発明の他の目的は、簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路の過大電流乃至漏洩電流を検出して動作停止とすることで安全性を向上させることが可能な超音波振動子駆動回路を提供することにある。

課題を解決するための手段

0011

本発明の第1の態様は超音波振動子駆動回路である。この超音波振動子駆動回路は、超音波振動子を駆動するトランジスタ発振回路と、前記発振回路を保護する保護回路とを備え、
前記保護回路は、前記発振回路への電源供給ライン遮断するための第1の半導体スイッチ素子と、前記発振回路への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態自己保持する第2の半導体スイッチ素子とを有し、
前記第1の半導体スイッチ素子は前記第2の半導体スイッチ素子で制御され、前記第2の半導体スイッチ素子のオフ状態では前記第1の半導体スイッチ素子は導通状態となり、前記第2の半導体スイッチ素子のオン状態では前記第1の半導体スイッチ素子は遮断状態となって、前記発振回路への電力供給を遮断することを特徴とする。

0012

前記第1の態様において、前記第2の半導体スイッチ素子のゲート時定数回路を介して前記電圧降下による電圧印加するとよい。

0013

前記第1の態様において、前記発振回路による超音波振動子の駆動をオンオフするスイッチは、前記第2の半導体スイッチ素子の自己保持を解除しないように設けられているとよい。

0014

前記第1の態様において、前記第2の半導体スイッチ素子が、サイリスタ又はトライアックであるとよい。

0015

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

発明の効果

0016

本発明に係る超音波振動子駆動回路によれば、簡単な回路構成の保護回路によって、トランジスタ発振回路を過大電流から保護可能である。また、トランジスタ発振回路の過大電流乃至漏洩電流を検出して動作停止とすることで安全性を向上させることが可能である。

図面の簡単な説明

0017

本発明に係る超音波振動子駆動回路の第1の実施の形態を示す回路図。
従来の基本的な超音波振動子駆動回路の回路図。
従来のもう一つの超音波振動子駆動回路の回路図。
本発明に係る超音波振動子駆動回路の第2の実施の形態を示す回路図。

実施例

0018

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

0019

図1は本発明に係る超音波振動子駆動回路の第1の実施の形態であって、図2と同様のトランジスタ発振回路(コルピッツ型発振回路)20に保護回路30を付加したものである。トランジスタ発振回路20及び保護回路30は駆動基板に搭載され、図2の場合と同様に、超音波振動子TDは前記駆動基板に搭載されたトランジスタQ1のコレクタ−ベース間に接続される。

0020

保護回路30は、トランジスタ発振回路20と直流電源10とを接続する負側電源ラインに直列に挿入された電流検出抵抗R3及び第1の半導体スイッチ素子としてのエンハンスメント(enhancement type)型のN型MOSFETQ2と、正側電源ラインと負側電源ライン間に接続される抵抗R4及び第2の半導体スイッチ素子としてのサイリスタ(SCR登録商標)Q3と、サイリスタQ3のゲートに電流検出抵抗R3の電圧降下による電圧を印加するCR時定数回路(コンデンサC5及び抵抗R5)とを有している。

0021

なお、トランジスタ発振回路20には、超音波振動子TDの駆動をオン、オフするスイッチSW1がバイアス用抵抗R1,R2とトランジスタQ1のベース間に挿入され、抵抗R6がトランジスタQ1のベースと電流検出抵抗R3の一端との間に接続されている。抵抗R6はスイッチSW1がオフのときにトランジスタQ1のベースを負側ライン電位として、トランジスタQ1を確実にオフ状態とするものである。

0022

前記保護回路30において、電流検出抵抗R3は発振回路20への供給電流に比例する電圧降下を生じるものであり、その抵抗R3の両端の電圧がコンデンサC5及び抵抗R5からなる時定数回路を通してサイリスタQ3のゲートに印加される(N型MOSFETQ2が導通時は前記電圧降下が実質的にサイリスタQ3のゲートとカソード間電圧となる)。サイリスタQ3はカソードを基準としたゲート電圧が、所定値(例えば1V)以上となったときにターンオンするものである。前記所定値は、直流電源10から過大電流がトランジスタ発振回路20に流れ込んだときの電流検出抵抗R3の電圧降下に相当する電圧値である。サイリスタQ3がターンオンするとN型MOSFETQ2のゲートは負側電源ラインと同電位となって、N型MOSFETQ2はオフとなる。

0023

コンデンサC5及び抵抗R5からなる時定数回路の時定数は、電源電圧投入時に、N型MOSFETQ2が導通状態になった直後に保護回路30の保護機能が働くように設定する。すなわち、電源投入直後のN型MOSFETQ2の内部抵抗が無視できない状態のときは、サイリスタQ3のゲートとカソード間の電圧となる電流検出抵抗R3とN型MOSFETQ2の直列抵抗値による電圧降下が大きくなり、サイリスタQ3のゲート電圧が過大となって、過電流状態であると誤認してターンオンする可能性があるが、時定数回路の時定数(例えば数10ms)でゲート電圧の上昇を緩やかにして電源投入直後のサイリスタQ3の誤動作を回避している。また、前記時定数回路は外来ノイズ等に起因する急激なゲート電圧の変動も防止している。

0024

図1の構成において、トランジスタ発振回路20の発振用トランジスタQ1のコレクタ−ベース間に超音波振動子TDを接続した後、直流電源10を正側電源ライン及び負側電源ライン間に接続して電源投入し、さらにトランジスタQ1のベースバイアス回路に挿入されたスイッチSW1をオンにすれば、コルピッツ型発振回路であるトランジスタ発振回路が発振して超音波振動子TDで超音波振動を発生し、所要の液体霧化動作を行う。正常時は保護回路30の電流検出抵抗R3の電圧降下はサイリスタQ3がターンオンする所定値よりも低い電圧値である。このため、N型MOSFETQ2のゲートには抵抗R4を介して正側電源ラインの電圧が加わり、N型MOSFETQ2はオン状態を維持している。また、スイッチSW1をオフにすれば、トランジスタ発振回路20の発振は停止し、超音波振動子TDの超音波振動も停止する。

0025

一方、超音波振動子TD自体の短絡状態等に起因して発振用トランジスタQ1に過大電流が流れると、保護回路30の電流検出抵抗R3の電圧降下がサイリスタQ3がターンオンする所定値以上となり、この電圧値がコンデンサC5及び抵抗R5からなる時定数回路を通して、微小時間遅れでサイリスタQ3のゲートに印加される(この時点ではN型MOSFETQ2は導通しており、前記電圧降下がサイリスタQ3のゲートとカソード間電圧となる)。このため、サイリスタQ3がターンオンしてN型MOSFETQ2のゲート電位は負側電源ラインの電位となり(ゲート−ソース間が実質的に短絡され)、N型MOSFETQ2はオフ状態となる(トランジスタ発振回路20への電源供給ラインを遮断する)。サイリスタQ3は一旦ターンオンすると、抵抗R4を通して電流が流れて、ターンオン状態を自己保持する。このため、N型MOSFETQ2もオフ状態を維持して、トランジスタ発振回路20への通電停止を継続する。

0026

スイッチSW1のオン、オフ操作ではターンオンしたサイリスタQ3をオフ状態に戻すことはできない。直流電源10を一旦駆動回路から外し、その後直流電源10を接続することで、サイリスタQ3をオフ状態に戻すことができる。

0027

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

0028

(1)トランジスタ発振回路20への電源供給ラインを遮断するためのN型MOSFETQ2と、発振回路20への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗R3と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持するサイリスタQ3とを有する簡単な回路構成の保護回路30によって、トランジスタ発振回路20を過大電流から保護可能である。

0029

(2)保護回路30内のサイリスタQ3は一旦ターンオン後はその状態を自己保持する。このため、過大電流の原因が除去されても再度トランジスタ発振回路20に通電される不都合を除去できる。

0030

(3)コンデンサC5及び抵抗R5からなる時定数回路を通してサイリスタQ3のゲート電圧を供給しており、コンデンサC5の値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない安定した保護回路30の動作を実現できる。

0031

(4)保護回路30のサイリスタQ3は正常動作状態ではオフであり、待機電流消費しないし、過大電流検出後も抵抗R4を通した自己保持のための電流を消費するだけである。マイコン等の処理回路を使用しないので、ソフトウエア開発が不要で、簡単に回路を構成できる。

0032

図4は本発明の第2の実施の形態を示す。この第2の実施の形態は、図2と同様のトランジスタ発振回路(コルピッツ型発振回路)20に保護回路40を付加したものである。トランジスタ発振回路20及び保護回路40は駆動基板に搭載され、図2の場合と同様に、超音波振動子TDはトランジスタQ1のコレクタ−ベース間に接続される。

0033

保護回路40は、超音波振動子TDの直流電流成分(換言すれば、超音波振動子TD自体に流れる漏洩電流等)を検出し、それらの漏洩電流が所定閾値以上となった場合に、トランジスタ発振回路20への電源供給ラインを遮断してその動作を停止するものである。

0034

保護回路40は、トランジスタ発振回路20への電源供給ラインを遮断するための第1の半導体スイッチ素子としてのN型MOSFETQ2と、ゲート電圧が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持する第2の半導体スイッチ素子としてのサイリスタQ3と、サイリスタQ3に直列に接続される停止表示部としての発光ダイオードD2と、N型MOSFETQ4を有する増幅回路としてのソースフォロアと、コンデンサC7,C8と、抵抗R4,R8〜R14とを有する。

0035

また、トランジスタ発振回路20において、超音波振動子TDの直流電流成分を検出するために、超音波振動子TDの一端と発振用トランジスタQ1のベース間に直流阻止コンデンサC9及び抵抗R7の直列接続が挿入されるとともに、超音波振動子TDに対して直列に保護回路40内の抵抗R8,R9が接続される。つまり、直流電源10の正側及び負側電源ライン間に超音波振動子TD及び抵抗R8,R9の直列回路が接続され、抵抗R9が超音波振動子TDの直流電流成分に比例した検出電圧を発生する電流検出抵抗となる。

0036

保護回路40において、抵抗R9と並列交流成分を除去するためのコンデンサC7が接続されている。コンデンサC7の両端において、交流成分は、正側電流成分と負側電流成分を合計する(積分する)と「ゼロ」になるため、漏洩電流である直流成分だけが検出可能となる。

0037

超音波振動子TDの直流電流成分に比例した検出電圧を増幅する増幅回路としてのソース・フォロアは、N型MOSFETQ4を含み、そのゲートには抵抗R8とR9で分圧された電圧が印加されるようになっている。直流電源10の供給電圧が例えば48Vと高いため、一般的なFETで取り扱いやすい5V以下にベース電圧下げている。ソース・フォロアの入力側はハイインピーダンスであり、抵抗R8,R9は充分高い抵抗値とすることが可能であり、トランジスタ発振回路20に影響を及ぼさないようにすることが可能である。ソース・フォロアの出力側はロー・インピーダンスであり、サイリスタQ3を確実にターンオンさせることができる。ソース・フォロアの出力電圧はコンデンサC8及び抵抗R12からなるCR時定数回路を通してサイリスタQ3のゲートに供給される。コンデンサC8の値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない安定した動作を実現できる。

0038

なお、トランジスタ発振回路20の発振用トランジスタQ1のベースバイアス回路に挿入されたコイルL3及びコンデンサC10はトランジスタ発振回路20の交流成分の流出防止のために設けられており、抵抗R15はトランジスタQ1のベース電流の安定化のためにコイルL3とトランジスタQ1のベース間に挿入されている。定電圧ダイオードD1及び抵抗R7はトランジスタQ1の保護のために設けられている。

0039

図4の第2の実施の形態において、超音波振動子TDの漏洩電流が所定閾値以上となったとき、漏洩電流に比例する抵抗R9の両端の電圧が所定値以上となり、N型MOSFETQ4のソース電圧はサイリスタQ3がターンオンする所定値以上となり、この電圧値がコンデンサC8及び抵抗R12からなるCR時定数回路を通して、サイリスタQ3のゲートに印加される。このため、サイリスタQ3がターンオンしてN型MOSFETQ2のゲート電位は負側電源ラインの電位となり(ゲート−ソース間が実質的に短絡され)、N型MOSFETQ2はオフ状態となる(トランジスタ発振回路20への電源供給ラインを遮断する)。サイリスタQ3は一旦ターンオンすると、抵抗R4を通して電流が流れて、ターンオン状態を自己保持する。このため、N型MOSFETQ2もオフ状態を維持して、トランジスタ発振回路20への通電停止を継続する。サイリスタQ3のターンオンによりトランジスタ発振回路20の動作停止期間中、停止表示部としての発光ダイオードD2が点灯して異常を報知することができる。

0040

第2の実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

0041

(1)トランジスタ発振回路20への電源供給ラインを遮断するためのN型MOSFETQ2と、超音波振動子TDの直流電流成分(超音波振動子TD自体に流れる漏洩電流及び超音波振動子TDに並列に流れる漏洩電流)に比例する電圧を生じる電流検出抵抗R9と、前記漏洩電流に比例する電圧が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持するサイリスタQ3とを有する保護回路40によって、漏洩電流が所定閾値に達した場合に、トランジスタ発振回路20の動作を停止して使用不能とすることで、漏洩電流に起因する不具合の発生を未然に防止できる。従って、簡単な回路構成で安全性を向上させることができる。

0042

(2)保護回路40内のサイリスタQ3は一旦ターンオン後はその状態を自己保持する。このため、トランジスタ発振回路20の動作停止の原因が除去される前に、再使用する不都合を除去できる。また、前記動作停止は発光ダイオードD2の点灯で操作者に知らせることができる。

0043

(3)コンデンサC8及び抵抗R12からなる時定数回路を通してサイリスタQ3のゲート電圧を供給しており、コンデンサC8の値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない安定した保護回路40の動作を実現できる。

0044

(4)保護回路40のサイリスタQ3は正常動作状態ではオフであり、待機電流を消費しないし、漏洩電流の異常検出後も抵抗R4を通した自己保持のための電流を消費するだけである。マイコン等の処理回路を使用しないので、ソフトウエア開発が不要で、簡単に回路を構成できる。

0045

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

0046

各実施の形態においてはトランジスタ発振回路としてコルピッツ発振回路を例示したが、ハートレー発振回路、その他のトランジスタ発振回路を用いることも可能である。

0047

各実施の形態において、第1の半導体スイッチ素子としてN型MOSFETを用いたが、その他の半導体スイッチ素子を使用可能であり、例えばバイポーラトランジスタを使用する回路構成も可能である。

0048

第2の半導体スイッチ素子として、サイリスタを例示したが、トライアック等であってもよい。また、第2の半導体スイッチ素子としてフリップフロップを使用することも可能である。

0049

第2の実施の形態において、漏洩電流の検出電圧の増幅回路は、FETQ4を有するソース・フォロアを含む構成であるが、演算増幅器を使用することもできる。

0050

10直流電源
20トランジスタ発振回路
30,40保護回路
C1〜C9コンデンサ
D1定電圧ダイオード
D2発光ダイオード
L1,L2,L3コイル
Q1発振用トランジスタ
Q2,Q4エンハンスメント型のN型MOSFET
Q3サイリスタ
R1〜R15抵抗
SW1 スイッチ
TD 超音波振動子

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