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特開2024-48484振動子の駆動電力制御回路及び駆動電力制御方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024048484
(43)【公開日】2024-04-09
(54)【発明の名称】振動子の駆動電力制御回路及び駆動電力制御方法
(51)【国際特許分類】
   B06B 1/06 20060101AFI20240402BHJP
【FI】
B06B1/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022154417
(22)【出願日】2022-09-28
(71)【出願人】
【識別番号】000128094
【氏名又は名称】株式会社エヌエフホールディングス
(71)【出願人】
【識別番号】503268143
【氏名又は名称】ナノミストテクノロジーズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003063
【氏名又は名称】弁理士法人牛木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山岸 遼平
(72)【発明者】
【氏名】山内 一幸
【テーマコード(参考)】
5D107
【Fターム(参考)】
5D107AA04
5D107BB02
5D107CC01
5D107CD01
(57)【要約】
【課題】振動子を駆動する電力を所望の値とすることができる振動子の駆動電力制御回路及び駆動電力制御方法を提供する。
【解決手段】駆動信号によって振動子1を駆動する振動子の駆動電力制御回路であって、駆動信号の周波数を可変とするか、又は、駆動信号源2と振動子1の間に設けた受動素子を含む回路において受動素子の1以上を可変とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値とする。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
駆動信号によって振動子を駆動する振動子の駆動電力制御回路であって、
前記駆動信号の周波数を可変とするか、及び/又は、
駆動信号源と前記振動子の間に設けた受動素子を含む回路において前記受動素子の1以上を可変とする、
ことによって、前記振動子を駆動する電力を所望の値とすることを特徴とする振動子の駆動電力制御回路。
【請求項2】
前記受動素子が、
前記振動子と直列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、並びに、
前記振動子と並列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、のいずれか1以上であり、
前記抵抗、前記インダクタ、及び、前記キャパシタの1以上を可変とすることを特徴とする請求項1に記載の振動子の駆動電力制御回路。
【請求項3】
可変とする前記抵抗が、能動素子を用いた可変抵抗回路、マルチプライングD/Aコンバータ、若しくは、デジタルポテンショメータである、及び/又は、
可変とする前記インダクタが、能動素子を用いた擬似インダクタ回路である、及び/又は、
可変とする前記キャパシタが、可変容量ダイオードを含む能動素子を用いた擬似キャパシタ回路、デジタルプログラマブルコンデンサ、若しくは、デジタルチューニングコンデンサであることを特徴とする請求項2に記載の振動子の駆動電力制御回路。
【請求項4】
駆動信号によって振動子を駆動する振動子の駆動電力制御方法であって、
前記駆動信号の周波数を可変とするか、及び/又は、
駆動信号源と前記振動子の間に設けた受動素子を含む回路において前記受動素子の1以上を可変とする、
ことによって、前記振動子を駆動する電力を所望の値とすることを特徴とする振動子の駆動電力制御方法。
【請求項5】
前記受動素子が、
前記振動子と直列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、並びに、
前記振動子と並列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、のいずれか1以上であり、
前記抵抗、前記インダクタ、及び、前記キャパシタの1以上を可変とすることを特徴とする請求項4に記載の振動子の駆動電力制御方法。
【請求項6】
可変とする前記抵抗が、能動素子を用いた可変抵抗回路、マルチプライングD/Aコンバータ、若しくは、デジタルポテンショメータである、及び/又は、
可変とする前記インダクタが、能動素子を用いた擬似インダクタ回路である、及び/又は、
可変とする前記キャパシタが、可変容量ダイオードを含む能動素子を用いた擬似キャパシタ回路、デジタルプログラマブルコンデンサ、若しくは、デジタルチューニングコンデンサであることを特徴とする請求項5に記載の振動子の駆動電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、振動子を駆動する電力を所望の値に制御する、回路及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
振動子の駆動電力を所望の値に制御するための手段として、例えば特許文献1では、駆動電圧を制御することによって駆動電力を制御している。より具体的には、増幅器の増幅率や、増幅器の電源電圧を制御して、駆動電圧を変化させることによって駆動電力を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平09-285154号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一例として超音波振動子のような振動子は、一般的に、駆動電力が小さいほど動作効率(一例として、霧化用の超音波振動子における霧化効率)が高いことが知られており、このことは例えば特許文献1に記載されている。
【0005】
このため、必要な動作量(一例として、霧化用の超音波振動子における必要な霧化量)と駆動電力はトレードオフの関係にある。特に近年要求されている「省エネルギー」の観点からも、振動子の駆動電力は、必要な動作量を満たす最低限の電力に設定及び制御する必要があった。
【0006】
また、振動子の駆動電力を最適の値に制御できないと、振動子に過大な電力が印加されることがあり、振動子そのものが故障するおそれがあるという問題もあった。
【0007】
このような観点から、振動子の駆動電力を所望の値に制御することが必要であるが、従来は前述のように、駆動電圧を制御することによって駆動電力を制御するにとどまっていた。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明はかかる課題を解決するため、駆動信号によって振動子を駆動する振動子の駆動電力制御回路であって、前記駆動信号の周波数を可変とするか、及び/又は、駆動信号源と前記振動子の間に設けた受動素子を含む回路において前記受動素子の1以上を可変とすることによって、前記振動子を駆動する電力を所望の値とすることを特徴とする振動子の駆動電力制御回路を提供する。
【0009】
前記駆動電力制御回路では、前記受動素子が、前記振動子と直列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、並びに、前記振動子と並列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、のいずれか1以上であり、前記抵抗、前記インダクタ、及び、前記キャパシタの1以上を可変とする、としてもよい。
【0010】
前記駆動電力制御回路では、可変とする前記抵抗が、能動素子を用いた可変抵抗回路、マルチプライングD/Aコンバータ、若しくは、デジタルポテンショメータである、及び/又は、可変とする前記インダクタが、能動素子を用いた擬似インダクタ回路である、及び/又は、可変とする前記キャパシタが、可変容量ダイオードを含む能動素子を用いた擬似キャパシタ回路、デジタルプログラマブルコンデンサ、若しくは、デジタルチューニングコンデンサである、としてもよい。
【0011】
本発明はまた、駆動信号によって振動子を駆動する振動子の駆動電力制御方法であって、前記駆動信号の周波数を可変とするか、及び/又は、駆動信号源と前記振動子の間に設けた受動素子を含む回路において前記受動素子の1以上を可変とすることによって、前記振動子を駆動する電力を所望の値とすることを特徴とする振動子の駆動電力制御方法を提供する。
【0012】
前記駆動電力制御方法では、前記受動素子が、前記振動子と直列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、並びに、前記振動子と並列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、のいずれか1以上であり、前記抵抗、前記インダクタ、及び、前記キャパシタの1以上を可変とする、としてもよい。
【0013】
前記駆動電力制御方法では、可変とする前記抵抗が、能動素子を用いた可変抵抗回路、マルチプライングD/Aコンバータ、若しくは、デジタルポテンショメータである、及び/又は、可変とする前記インダクタが、能動素子を用いた擬似インダクタ回路である、及び/又は、可変とする前記キャパシタが、可変容量ダイオードを含む能動素子を用いた擬似キャパシタ回路、デジタルプログラマブルコンデンサ、若しくは、デジタルチューニングコンデンサである、としてもよい。
【発明の効果】
【0014】
本発明では、下記の2つの手段を提供することによって、振動子の駆動電力を所望の値に制御することができるという有用な効果を得ている。
1.振動子の駆動信号の周波数を可変とする。
2.駆動信号源と振動子の間に受動素子を含む回路を設け、受動素子の1以上を可変とする。
これらの2つの手段は、いずれか一方を使用してもよいし、両方を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】振動子の等価回路の代表的な例を示す図である。
図2】周波数fdの駆動信号によって、図1の振動子を駆動している様子を示す図である。
図3図2において駆動信号の周波数fdが変化したときの、振動子の駆動電力の変化のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
図4】可変抵抗素子Rsを振動子と直列に備える例を示す図である。
図5】可変抵抗素子Rpを振動子と並列に備える例を示す図である。
図6】Rsが変化したときの、振動子の駆動電力の変化のシミュレーション結果を示す図である。
図7】(A)可変抵抗素子Rvを用いた例を示す図、(B)可変抵抗素子Rvを用いた別の例を示す図、(C)可変抵抗素子Rs、Rpを用いた例を示す図、(D)可変抵抗素子Rs、Rpを用いた別の例を示す図である。
図8】能動素子の一種であるFETを可変抵抗素子として使用し、振動子の駆動電力を制御する回路の一例を示す図である。
図9】振動子と並列に設けたインダクタLpを可変として振動子の駆動電力を制御する回路の一例を示す図である。
図10】インダクタLpに加えて、振動子と並列にさらにキャパシタCpを設ける例を示す図である。
図11】(A)振動子と直列に設けたインダクタLsを可変として振動子の駆動電力を制御する回路の一例を示す図、(B)振動子と直列に設けたキャパシタCsを可変として振動子の駆動電力を制御する回路の一例を示す図、(C)振動子と直列に設けたインダクタLsとキャパシタCsを可変として振動子の駆動電力を制御する回路の一例を示す図である。
図12】(A)図11(A)において、Lsが変化したときの、振動子の駆動電力の変化の様子のシミュレーション結果を示すグラフ図、(B)図11(B)において、Csが変化したときの、振動子の駆動電力の変化の様子のシミュレーション結果を示すグラフ図、(C)LsもCsも設けないときの振動子の駆動電力と、図11(C)において、LsとCsの影響が同程度のときの振動子の駆動電力の比較、及び、図11(C)において、LsとCsの影響が同程度のときに振動子に印加される電圧を、シミュレーションによって示すグラフ図である。
図13】(A)図11(A)において、Lsのインダクタンスを330nHにしたときのLpの影響のシミュレーション結果を示すグラフ図、(B)図11(B)において、Csのキャパシタンスを6.50nFにしたときのLpの影響のシミュレーション結果を示すグラフ図、(C)図11(C)において、Lsのインダクタンスを4.00μH、Csのキャパシタンスを1.10nFにしたときのLpの影響のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
図14】Lpなしの状態で、(A)Lsのみを設けた場合に、Lsのインダクタンスを330nHにしたときのCpの影響のシミュレーション結果を示すグラフ図、(B)Csのみを設けた場合に、Csのキャパシタンスを6.50nFにしたときのCpの影響のシミュレーション結果を示すグラフ図、(C)LsとCsを設けた場合に、Lsのインダクタンスを4.00μH、Csのキャパシタンスを1.10nFにしたときのCpの影響のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
図15】LsやCsの配置の例を示す図であり、(A)LsとCsが駆動信号の入力側に接続される例を示す図、(B)Lsが駆動信号の入力側に接続され、Csが接地側に接続される例を示す図、(C)LsとCsが接地側に接続される例を示す図、(D)Lsが接地側に接続され、Csが駆動信号の入力側に接続される例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は、以下の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または、発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。そのような変形や変更もまた、本発明の範囲に含まれる。
【0017】
本実施形態の駆動信号によって振動子1(図2等を参照)を駆動する振動子の駆動電力制御回路及び駆動電力制御方法は、駆動信号の周波数を可変とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値とする。また、駆動信号源2(図4等を参照)と振動子1の間に設けた受動素子を含む回路において受動素子の1以上を可変とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値とする。
【0018】
駆動信号源2と振動子1の間に設けた受動素子は、例えば、振動子1と直列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、並びに、振動子1と並列に設ける抵抗、インダクタ、及び、キャパシタ、のいずれか1以上とすることができる。これらの抵抗、インダクタ、及び、キャパシタの1以上を可変とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値とする。
【0019】
可変とする抵抗は、例えば、能動素子を用いた可変抵抗回路、マルチプライングD/Aコンバータ、若しくは、デジタルポテンショメータとすることができる。可変とするインダクタは、例えば、能動素子を用いた擬似インダクタ回路とすることができる。可変とするキャパシタは、例えば、可変容量ダイオードを含む能動素子を用いた擬似キャパシタ回路、デジタルプログラマブルコンデンサ、若しくは、デジタルチューニングコンデンサとすることができる。
【0020】
以下、振動子1の駆動信号の周波数を可変とする方法、及び、受動素子を可変とする方法について、それぞれ具体的な回路構成の一例を示すとともに、シミュレーション結果を参照しながら、説明する。なお、以下の回路図において、振動子1以外の部分が駆動電力制御回路である。
【0021】
<1.振動子の駆動信号の周波数を可変とする方法>
<1.1 駆動信号の周波数による駆動電力制御の概要>
【0022】
図1には、振動子1の等価回路の代表的な例を示している。ただし、これに限定するものではない。図1とは異なる等価回路で表される振動子であっても、本発明を適用することが可能である。本発明は、例えば水晶振動子やMEMS振動子などのような振動子一般に、広く適用可能である。
【0023】
振動子1の共振周波数は、図1の等価回路中のインダクタLmとキャパシタCmによる直列共振回路によって生じている。抵抗Rmは、振動子1の動作出力を示している。キャパシタCdは制動容量である。以下、これらの等価回路素子を各々、Lm、Cm、Rm、Cdと略記する。
【0024】
まず、駆動信号の周波数によって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路について説明する。なお、以下の説明に記載している周波数、位相、等価回路素子を含む素子の定数、電圧、電流、電力等の数値は一例であり、これに限定するものではない。グラフの縦軸や横軸を除き、ほとんどを有効数字3桁で記載して数値の前の「約」は省略しているが、誤差を含む場合がある。
【0025】
図2は、周波数fdの駆動信号(定電圧出力)によって、図1の振動子1を駆動している様子を示している。以下、駆動信号の周波数fdを、単にfdと記載する場合がある。
【0026】
図2中、振動子1における各等価回路素子のかっこ内の値は、シミュレーションに用いた等価回路素子の定数の一例である。この定数における共振周波数は2.40MHzとなっているが、もちろんこれに限定するものではない。以下のシミュレーション結果においても、振動子1における各等価回路素子の定数は、図2のかっこ内に示す定数を用いることとし、その説明は省略する。
【0027】
<1.2 駆動信号の周波数による駆動電力制御の具体例>
【0028】
図3は、図2において駆動信号の周波数fdが変化したときの、振動子1の駆動電力(=Rmで消費される電力)の変化の様子を、シミュレーションによって示している。実線が駆動電力[W]を示しており、点線が駆動電力の位相[deg]を示している。
【0029】
一例として駆動信号の振幅を10.0Vrmsとしている結果、fdが共振周波数の2.40MHzのときの駆動電力(=10.0ΩのRmの消費電力)は10Wになっている。
【0030】
ここで、駆動電力を半分の5Wに下げたいときは、図3からわかる通り、fdを2.45MHzまで上げるか、2.35MHzまで下げればよい。同様に、駆動電力を6Wにしたいときは、fdを2.44MHzまで上げるか、2.36MHzまで下げればよい。
【0031】
このように、fdを調節することによって、振動子1の駆動電力を所望の値に制御することができる。
【0032】
<2.受動素子を可変とする方法>
<2.1 抵抗を用いる場合>
<2.1.1 1つの可変抵抗による駆動電力制御>
【0033】
振動子1については、上述の周波数を可変とする方法の場合と同様である。
【0034】
駆動信号源2と振動子1の間に設けた受動素子を可変とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路の例として、抵抗素子を可変とする例について説明する。
【0035】
図4には可変抵抗素子Rsを振動子1と直列に備える例を示しており、図5には可変抵抗素子Rpを振動子1と並列に備える例を示している。以下、原則としてRs、Rpと略記する。
【0036】
図6には、Rsが変化したときの、振動子1の駆動電力の変化の様子を、シミュレーションによって示している。一例として駆動信号(定電圧出力)の振幅を10.0Vrmsとしており、Rsを0.00Ω/1.00Ω/2.00Ω/3.00Ωに変化させた例を示している。実線は駆動電力[W]であり、点線は駆動電力の位相[deg]である。実線は上から順に、Rsが0.00Ωの場合/1.00Ωの場合/2.00Ωの場合/3.00Ωの場合を示しており、点線は2.40MHz未満で上から順に、Rsが0.00Ωの場合/1.00Ωの場合/2.00Ωの場合/3.00Ωの場合を示している。
【0037】
fdが共振周波数の2.40MHzにおいて、Rsが0.00Ωの場合の駆動電力(=10.0ΩのRmの消費電力)は10.0Wになっている。以下同様に、Rsが1.00Ωの場合は約8.3W、Rsが2.00Ωの場合は約6.9W、Rsが3.00Ωの場合は約5.9Wとなっている。
【0038】
即ち、Rsを可変素子とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路を実現している。
【0039】
<2.1.2 1つの可変抵抗による駆動電力制御の変形と、2つ以上の場合>
【0040】
駆動信号が理想的な定電圧出力の場合には、Rpを可変としても振動子1に印加される電圧は変化しないため、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路は実現できない。駆動信号が理想的な定電流出力の場合にRsを可変としても、同様である。
【0041】
実際には、理想的な定電圧出力や定電流出力は存在せず、駆動信号の出力インピーダンスZdは有限の値となる。定電圧出力に近い(一例としてZd<Rm)場合はRsを用いることが好ましく、定電流出力に近い(一例としてZd>Rm)場合はRpを用いることが好ましいが、これに限定するものではない。
【0042】
以降では原則として、定電圧出力の駆動信号を例として説明する。なお、定電圧出力の駆動信号とRsの組み合わせは、定電流出力の駆動信号とRpの組み合わせと等価変換可能であるので、定電流出力の駆動信号の説明は、以下省略する。
【0043】
図4図5では、各々1つの可変抵抗によって制御する例を示したが、可変抵抗を図7(A)や図7(B)のRvのように用いることも可能である。図7(A)では、Rvの一端を駆動信号源2に接続し、他端を接地し、摺動子を振動子1に接続している。図7(B)では、Rvの一端を振動子1に接続し、他端を接地し、摺動子を駆動信号源2に接続している。また、図7(C)や図7(D)のようにRsとRpの2つの抵抗を用いることも可能であり、この場合はいずれか一方を固定抵抗に置き換えることができる。図7(C)では、RpをRsと振動子1の間に設け、図7(D)では、RpをRsと駆動信号源2の間に設けている。図7(A)と図7(C)は、駆動信号が定電圧出力に近い場合に好ましく、図7(B)と図7(D)は、定電流出力に近い場合に好ましいが、これに限定するものではない。
【0044】
さらに、例えばT型やΠ型のアッテネータを使用する等、3つ以上の抵抗を用いて、そのうちの1つ以上の抵抗を可変抵抗とすることも可能であるが、例示は省略する。また、可変抵抗に直列や並列に固定抵抗を設ける等も可能であるが、例示は省略する。
【0045】
<2.1.3 能動素子を使用・併用する場合の例>
【0046】
以上、受動素子の一種である抵抗素子を可変することによって振動子1の駆動電力を制御する例を示したが、能動素子を使用又は併用して抵抗素子とすることも可能である。図8に、能動素子の一種であるFETを使用して振動子1の駆動電力を制御する回路の一例を示す。
【0047】
制御回路3ではFETにかかっている電圧V(=V1-V2)と電流IからFETの抵抗R=V/Iを測定し、その抵抗値Rが所定の抵抗値になるように、制御回路3がFETを制御している。ここで所定の抵抗値に設定するための抵抗値設定の方法は任意であり、電圧、電流、デジタル値で抵抗値を設定してもよいし、可変抵抗で抵抗値を設定できるようにしてもよい。
【0048】
図8ではFETを双方向で2つ使用する例を示しているが、例えば単方向性として1つのFETを使用してもよいし、FET以外の能動素子を用いてもよい。また図8では、図4のRsに相当する可変抵抗を能動素子に置き換えた例を示しているが、図5図7などの可変抵抗を能動素子に置き換えてもよい。
【0049】
また、例えばマルチプライングD/Aコンバータを可変抵抗として用いて抵抗値をデジタル的に可変してもよいし、デジタル設定によって抵抗値を可変するデジタルポテンショメータと称するICも慣用されている。
【0050】
以上のように、受動素子の一種である抵抗素子を可変することによって、振動子1の駆動電力を制御することが可能である。なお、抵抗素子は電力を消費するため、省エネルギーの観点からは、抵抗素子による振動子1の駆動電力制御の変化幅は小さめにすることが好ましい。
【0051】
なお、上記のように可変抵抗の代わりとして用いることができる各種の素子(能動素子を含む)や回路も、本発明においては受動素子の一種である可変抵抗に含めることとする。また、上記のような素子や回路を抵抗値一定で用いる場合は、本発明においては受動素子の一種である抵抗素子に含めることとする。
【0052】
これは後述のインダクタやキャパシタについても同様であり、可変の受動素子の代わりとして用いることができる素子や回路は、本発明においては可変の受動素子に含めることとする。また、可変でない受動素子の代わりとして用いることができる素子や回路は、本発明においては受動素子に含めることとする。
【0053】
また、切り替え、交換、差し替え等を行うことが可能な受動素子は、本発明においては可変の受動素子に含めることとする。
【0054】
<2.2 インダクタやキャパシタを用いる場合>
<2.2.1 説明用の仮制約と、振動子に並列に設けるインダクタの例>
【0055】
次に、受動素子の一種であるインダクタやキャパシタを可変することによって振動子1の駆動電力を制御する例を示す。
【0056】
以降、説明の容易のために、仮に下記の[1]と[2]の2つの制約を設けるが、これに限定するものではなく、あくまで説明の便宜のための仮定的な制約である。
【0057】
[1]fd≒(LmとCmによる直列共振周波数)とする。
【0058】
fdをLmとCmによる直列共振周波数付近にする場合、これを数式で表現すると下記のようになる。
【0059】
【数1】
【0060】
fdをLmとCmによる直列共振周波数付近にすると、LmとCmによる直列共振回路は短絡状態に近くなるため、駆動信号がほとんどそのままRmに印加されることになる。
【0061】
[2]fd≒(LpとCdによる並列共振周波数)とする。
【0062】
駆動信号源2と振動子1の間に、振動子1と並列にインダクタLpを設ける。以下、振動子と並列に設けるインダクタLpを、原則としてLpと略記する。fdをLpとCdによる並列共振周波数付近にする場合、これを数式で表現すると下記のようになる。
【0063】
【数2】
【0064】
具体的な一例として、振動子1の等価回路の各素子の定数を図2と同じ値とし、図9のようにLpを可変インダクタとして2.93μHに調整すると、並列共振周波数が2.40MHz付近となる。
【0065】
fdをLpとCdによる並列共振周波数付近にすると、LpとCdによる並列共振回路は開放状態に近くなるため、駆動信号はほとんどCdの影響を受けないことになる。
【0066】
駆動信号が定電圧出力であれば、図9ではLpがなくてもCdの影響は受けず、駆動電力の周波数特性は図3と同様になる。しかし後述のように、駆動信号源2と振動子1の間にさらに直列に他の素子を入れる等の場合には、Cdの影響を受けることがあるので、上記のようなLpを設けることによって、以降の説明を容易にする。なおLpを設けない場合やLpのインダクタンス値が上記とは異なる場合の影響については、後述する。
【0067】
<2.2.2 振動子に並列に設けるインダクタとキャパシタの例>
【0068】
駆動信号源2と振動子1の間に受動素子を設ける別の例として、振動子1と並列にさらにキャパシタCpを設ける例を示す。
【0069】
fdをLp、とCpとCdによる並列共振周波数付近にする場合、これを数式で表現すると下記のようになる。
【0070】
【数3】
【0071】
現実的には、一般的に入手できるインダクタはインダクタンス値が限定されている。またインダクタンス可変のインダクタよりも、キャパシタンス可変のキャパシタの方が入手性もよく低コストである。よって、図9のように可変インダクタを使用するよりも、図10のように固定インダクタンと可変キャパシタを併用する方が好ましい場合がある。図10の組合せ以外に、可変インダクタと固定キャパシタの組み合わせや、可変インダクタと可変キャパシタの組み合わせも、もちろん可能である。
【0072】
さらに、このような場合の可変キャパシタは、固定キャパシタと可変キャパシタの並列接続とすることも可能である。振動子1の等価回路の各素子の定数を図2と同様とし、一例として、Lpとしては2.70μHの一般的なインダクタンス値のインダクタを用い、Cpとしては最大キャパシタンスが50.0pFの可変キャパシタと100pFの固定キャパシタを並列に接続する。可変キャパシタの容量を28.7pFに調整して、Cpの容量を128.7pFにすると、Lp、CpとCdによる並列共振周波数を2.40MHz近辺にすることができる。
【0073】
<2.2.3 振動子に直列に設けるインダクタやキャパシタの例>
【0074】
駆動信号源2と振動子1の間に直列に、インダクタLsやキャパシタCsを設ける例を、図11(A)から図11(C)に示す。以下、振動子1と直列に設けるインダクタLsは原則としてLsと略記する。また振動子1と直列に設けるキャパシタCsは原則としてCsと略記する。なお、図11(A)から図11(C)では、前述の仮の制約[2]のために、Lpは2.93μHとする。
【0075】
図11(A)は可変のLsのみを設け、図11(B)は可変のCsのみを設けた例を示している。図11(C)はLsとCsの両方を設けるとともに、LsとCsの両方を可変素子とする例を示しているが、LsとCsの一方だけを可変素子とすることも、もちろん可能である。
【0076】
LsもCsも存在しない場合の振動子1の共振周波数frは、下記のように表すことができる。
【0077】
【数4】
【0078】
まず、図11(A)のようにLsのみを設ける場合を考える。前述の仮の制約[2]により、fd近辺ではLpとCdの並列共振回路はほとんど影響を与えないので、Lsが存在する場合の共振周波数frは下記のように表すことができる。
【0079】
【数5】
【0080】
即ち、Lsが存在する場合の共振周波数frは、Lsが存在しない場合の振動子1の共振周波数frよりも低下する。
【0081】
図12(A)には、Lsが変化したときの、振動子1の駆動電力の変化の様子を、シミュレーションによって示している。一例として駆動信号(定電圧出力)の振幅を10.0Vrmsとしており、Lsなしの場合/Lsが330nHの場合/Lsが680nHの場合の例を示している。実線は駆動電力[W]であり、点線は駆動電力の位相[deg]である。実線は右から左に向かって順に、Lsなしの場合/Lsが330nHの場合/Lsが680nHの場合を示しており、点線は上から下に向かって順に、Lsなしの場合/Lsが330nHの場合/Lsが680nHの場合を示している。
【0082】
fdが共振周波数の2.40MHzにおいて、駆動電力(=10.0ΩのRmの消費電力)は、Lsなしの場合に10.0Wになっている。以下同様に、Lsが330nHの場合は約8.0W、Lsが680nHの場合は約4.9Wになっている。
【0083】
即ち、Lsを可変素子とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路を実現している。
【0084】
次に図11(B)のようにCsのみを設ける場合を考える。前述の仮の制約[2]により、fd近辺ではLpとCdの並列共振回路はほとんど影響を与えないので、Csが存在する場合の共振周波数frは下記のように表すことができる。
【0085】
【数6】
【0086】
即ち、Csが存在する場合の共振周波数frは、Csが存在しない場合の振動子1の共振周波数frよりも上昇する。
【0087】
図12(B)には、Csが変化したときの、振動子1の駆動電力の変化の様子を、シミュレーションによって示している。一例として駆動信号(定電圧出力)の振幅を10.0Vrmsとしており、Csなしの場合(直結)/Cs=13.0nFの場合/Cs=6.50nFの場合の例を示している。実線は駆動電力[W]であり、点線は駆動電力の位相[deg]である。実線は左から右に向かって順に、Csなしの場合(直結)/Csが13.0nFの場合/Csが6.50nFの場合を示しており、点線は下から上に向かって順に、Csなしの場合(直結)/Csが13.0nFの場合/Csが6.50nFの場合を示している。
【0088】
fdが共振周波数の2.40MHzにおいて、駆動電力(=10.0ΩのRmの消費電力)は、Csなし(直結)の場合に10.0Wになっている。以下同様に、Csが13.0nFの場合は約7.9W、Csが6.50nFの場合は約4.9Wになっている。
【0089】
即ち、Csを可変素子とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路を実現している。
【0090】
さらに図11(C)のようにLsとCsの両方を設ける場合を考える。前述の仮の制約[2]により、fd近辺ではLpとCdの並列共振回路はほとんど影響を与えないので、LsとCsが存在する場合の共振周波数は下記のように表すことができる。
【0091】
【数7】
【0092】
即ち、Lsの影響の方が強いときは共振周波数frが下がり、Csの影響の方が強いときは共振周波数frが上昇するので、fdが共振周波数の2.40MHzにおける駆動電力を所望の値に制御することができる。
【0093】
図12(C)には、LsもCsも設けないときの振動子1の駆動電力と、LsとCsの影響が同程度にしたときの振動子1の駆動電力の比較、及び、LsとCsの影響が同程度のときに振動子1に印加される電圧を、シミュレーションによって示している。LsとCsの影響が同程度であれば、共振周波数frはLsもCsも設けないときとほぼ同じになる。LsとCsの影響が同程度の一例として、Lsを4.00μH、Csを1.10nFとしている。
【0094】
最も上の実線は、LsとCsの影響が同程度のときの、振動子1に印加される電圧[V]である。0deg前後でほとんど変化していない点線は、LsとCsの影響が同程度のときの、振動子1に印加される電圧の位相[deg]である。
【0095】
残る2本の実線の内、2.40MHzのピークが鈍い方がLsもCsも設けないときの振動子1の駆動電力[W]であり、2.40MHzのピークが鋭い方がLsとCsの影響が同程度のときの振動子1の駆動電力[W]である。
【0096】
また、残る2本の点線の内、位相変化が小さい方がLsもCsも設けないときの振動子1の駆動電力の位相[deg]であり、位相変化が大きい方がLsとCsの影響が同程度のときの振動子1の駆動電力の位相[deg]である。
【0097】
即ち、LsとCsのいずれか又は両方を可変素子とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御する回路を実現している。
【0098】
なお、このようにLsとCsの両方を設けると、所定の周波数(図12(C)における共振周波数の2.40MHz)以外の周波数における駆動電力や駆動電圧を低減することができる。シミュレーションでは駆動信号として正弦波を仮定しているが、現実的には正弦波には歪成分が含まれているし、駆動信号源2の高効率化のためにスイッチング波形(略矩形波、3値以上の階段波による擬似正弦波や、PWM波等)を使用する場合もある。このような場合にLsとCsの両方を使用すると、基本波成分以外の周波数成分を抑制することができるので、好ましい場合がある。
【0099】
特に、Lsを大きくしCsを小さくすると、所定の周波数以外の周波数における駆動電力や駆動電圧を、より低減することができる。しかし現実のインダクタ素子には損失(鉄損や銅損など)が生じる。一般的にはインダクタンスが大きいほど損失が大きくなるので、Lsの選択にあたっては考慮が必要である。
【0100】
<2.2.4 振動子に並列に設けるインダクタの例>
【0101】
LsやCsを設ける場合の、Lpの影響の例を、図13(A)から図13(C)に示す。一例として駆動信号(定電圧出力)の振幅を10.0Vrmsとしており、Lpなしの場合/Lpが2.39μHの場合/Lpが1.20μHの場合の振動子1の駆動電力の変化の様子を、シミュレーションによって示している。実線は駆動電力[W]であり、点線は駆動電力の位相[deg]である。
【0102】
図13(A)には、Csは設けずLsだけを設け、Lsのインダクタンスを330nHにしたときの例を示している。実線は駆動電力が大きい方から小さい方に向けて、Lpなしの場合/Lpが2.39μHの場合/Lpが1.20μHの場合である。また、点線の位相は左から右に向けて、Lpなしの場合/Lpが2.39μHの場合/Lpが1.20μHの場合である。
【0103】
fdが共振周波数の2.40MHzにおける駆動電力は、Lpなしの場合は約9.5W、Lpが2.39μHの場合は約7.6W、Lpが1.20μHの場合は約6.2Wとなっている。実線のピーク周波数と駆動電力は、Lpなしの場合は2.37MHz、約13W、Lpが2.39μHの場合は2.38MHz、約9.5W、Lpが1.20μHの場合は2.38MHz、約7.4Wとなっている。
【0104】
Csは設けずLsだけを設けた場合において、Lpなしとした場合は、駆動電力のピーク周波数において10.0Wよりも大きな駆動電力が得られている。逆に言うと、振動子1の駆動電力を10.0Wにしたいときには、駆動信号の振幅を10.0Vrmsよりも小さくすることができる。
【0105】
また、駆動電力のピーク周波数近辺(この例においては2.38MHz近辺)においては、Lsの大小によって駆動電力が変化するので、Lsを可変素子とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御することができる。
【0106】
図13(B)には、Lsは設けずCsだけを設け、Csのキャパシタンスを6.50nFにしたときの例を示している。実線は駆動電力が小さい方から大きい方に向けて、Lpなしの場合/Lpが2.39μHの場合/Lpが1.20μHの場合である。また、点線の位相は左から右に向けて、Lpなしの場合/Lpが2.39μHの場合/Lpが1.20μHの場合である。
【0107】
fdが共振周波数の2.40MHzにおける駆動電力は、Lpなしの場合は約3.9W、Lpが2.39μHの場合は約5.2W、Lpが1.20μHの場合は約6.8Wとなっている。実線のピーク周波数と駆動電力は、Lpなしの場合は2.44MHz、約6.6W、Lpが2.39μHの場合は2.45MHz、約11W、Lpが1.20μHの場合は2.47MHz、約20.5Wとなっている。
【0108】
Lsは設けずCsだけを設けた場合においても、Lpなしとした場合は、駆動電力のピーク周波数において10.0Wよりも大きな駆動電力が得られている。逆に言うと、振動子1の駆動電力を10.0Wにしたいときには、駆動信号の振幅を10.0Vrmsよりも小さくすることができる。
【0109】
図13(C)には、LsとCsの両方を設け、Lsのインダクタンスを4.00μH、Csのキャパシタンスを1.10nFにしたときの例を示している。実線の駆動電力は右から左に向けて、Lpなしの場合/Lpが2.39μHの場合/Lpが1.20μHの場合である。点線の位相はほとんど差異がなく、Lpの影響を受けていない。また、駆動電力はいずれも2.40MHz近辺にピークがあり、いずれも約10Wとなっている。
【0110】
このように、Lpの値によって振動子1の駆動電力を制御することができる。特に、ピーク周波数を適宜選択したり、LsとCsのいずれか一方を設けたときには、Lpを可変することによって振動子1の駆動電力を大きく変化させることが可能である。
【0111】
<2.2.5 振動子に並列に設けるキャパシタの例>
【0112】
LsやCsを設ける場合の、Cpの影響の例を、図14(A)から図14(C)に示す。一例として駆動信号(定電圧出力)の振幅を10.0VrmsとしてLpなしとしており、Cpなしの場合/Cpが1.50nFの場合/Cpが3.00nFの場合の振動子1の駆動電力の変化の様子を、シミュレーションによって示している。実線は駆動電力[W]であり、点線は駆動電力の位相[deg]である。
【0113】
図14(A)には、Csは設けずLsだけを設け、Lsのインダクタンスを330nHにしたときの例を示している。実線は駆動電力が大きい方から小さい方に向けて、Cpなしの場合/Cpが1.50nFの場合/Cpが3.00nFの場合である。また、点線の位相は左から右に向けて、CpがCpなしの場合/Cpが1.50nFの場合/Cpが3.00nFの場合である。
【0114】
fdが共振周波数の2.40MHzにおける駆動電力は、Cpなしの場合は約9.6W、Cpが1.50nFの場合は約12W、Cpが3.00nFの場合は約14Wとなっている。実線のピーク周波数と駆動電力は、Cpなしの場合は2.37MHz、約13W、Cpが1.50nFの場合は2.37MHz、約16W、Cpが3.00nFの場合は2.36MHz、約22Wとなっている。
【0115】
Csは設けずLsだけを設けた場合において、Cpの値によっては、駆動電力のピーク周波数において10.0Wよりも大きな駆動電力が得られている。逆に言うと、振動子1の駆動電力を10.0Wにしたいときには、駆動信号の振幅を10.0Vrmsよりも小さくすることができる。
【0116】
また、駆動電力のピーク周波数近辺(この例においては2.37MHz近辺)においては、Lsの大小によって駆動電力が変化するので、Csを可変素子とすることによって、振動子1を駆動する電力を所望の値に制御することができる。
【0117】
図14(B)には、Lsは設けずCsだけを設け、Csのキャパシタンスを6.50nFにしたときの例を示している。実線は電力が大きい方から小さい方に向けて、Cpなしの場合/Cpが1.50nFの場合/Cpが3.00nFの場合である。また、点線の位相は右から左に向けて、Cpなしの場合/Cpが1.50nFの場合/Cpが3.00nFの場合である。
【0118】
fdが共振周波数の2.40MHzにおける駆動電力は、Cpなしの場合は約3.9W、Cpが1.50nFの場合は約3.2W、Cpが3.00nFの場合は約2.6Wとなっている。実線のピーク周波数と駆動電力は、Cpなしの場合は2.44MHz、約6.6W、Cpが1.50nFの場合は2.43MHz、約4.7W、Cpが3.00nFの場合は2.43MHz、約3.5Wとなっている。
【0119】
図14(C)には、LsとCsの両方を設け、Lsのインダクタンスを4.00μH、Csのキャパシタンスを1.10nFにしたときの例を示している。実線はピーク周波数がわずかに低い方からわずかに高い方に向けて、Cpなしの場合/Cpが1.50nFの場合/Cpが3.00nFの場合である。点線の位相はほとんど差異がなく、Cpの影響を受けていない。また、駆動電力はいずれも2.40MHz近辺にピークがあり、いずれも約10Wとなっている。
【0120】
このように、Cpの値によって振動子1の駆動電力を制御することができる。特に、ピーク周波数を適宜選択したり、LsとCsのいずれか一方を設けたときには、Cpを可変することによって振動子1の駆動電力を大きく変化させることが可能である。
【0121】
<2.2.6 能動素子を使用・併用する場合の例>
【0122】
以上、LsやCsとして、固定又は可変の受動素子を用いた例を示したが、能動素子を使用又は併用することも可能である。能動素子を用いてインダクタやキャパシタを実現するための様々な回路方式は、一般的に擬似インダクタ回路(シミュレーテッドインダクタ回路)や擬似キャパシタ回路(シミュレーテッドキャパシタ回路)と称されており、当業者にとっての慣用技術なので、例示は省略する。また、デジタル的に容量を設定可能な可変容量回路ICとして、デジタルプログラマブルコンデンサやデジタルチューニングコンデンサと称するICも慣用されている。さらに、可変容量ダイオードを用いて印加する直流電圧によって容量を可変する方法も慣用されている。いずれの場合も、固定素子の代わりに用いれば本発明においては固定の受動素子に含まれ、可変素子の代わりに用いれば可変の受動素子に含まれる。
【0123】
<2.2.7 LsやCsの配置の例等>
【0124】
LsやCsの配置は、いままで例示した配置に限定されない。
【0125】
図15(A)には、いままで例示したLsやCsの配置と同様の配置を示している。ここで、Ls、Cs、Lp、Cpは全て備える必要はなく、また、少なくとも1つを可変素子とすればよく、どれを可変素子にしてもよい。図15(A)の配置では、駆動信号源2の一端も振動子1の一端も接地される。
【0126】
図15(B)、図15(C)、図15(D)にはLsやCsの別の配置例を示している。ここでもLs、Cs、Lp、Cpを全て備える場合を例示しているが、図15(A)と同様、Ls、Cs、Lp、Cpは全て備える必要はなく、また、少なくとも1つを可変素子とすればよく、どれを可変素子にしてもよい。図15(B)、図15(C)、図15(D)においても、LsやCsは駆動信号源2と振動子1の間に直列に接続されており、必要に応じてどの配置を選択することも可能である。図15(B)では、Lsが駆動信号の入力側に接続され、Csが接地側に接続され、図15(C)では、LsとCsが接地側に接続され、図15(D)では、Lsが接地側に接続され、Csが駆動信号の入力側に接続されている。図中のG1で接地する場合は図15(A)と電気的にはほぼ同等となるが、振動子1の一端が接地されない。一方、図中のG1では接地せず、図中のG2で接地することも可能であるが、この場合は、振動子1の一端は接地されるが駆動信号源2の一端は接地されないので、電気的に“浮いた”(フローティングされた)駆動信号源2が必要となる。
【0127】
例えば振動子1を液体の霧化のために使用する場合に、振動子1が液体に接触する面が接地されていないときは、液体に交流が印加されることになって液体の化学的性質等に影響を及ぼす可能性がある。また、使用者が液体に触れたり振動子1に直接触れたときに、使用者が感電する可能性が生じる。このような事故を未然回避するためには、振動子1が対象物に接触する面が接地されるようにすることが好ましい。
【0128】
<3.組み合わせについて>
【0129】
以上、振動子1を駆動する電力を所望の値とするための回路や方法として、下記のような例を示した。
1.駆動信号の周波数を可変とする
2.駆動信号源2と振動子1の間に設けた受動素子の1以上を可変とする
【0130】
これらの回路や方法は、各々自由に組み合わせて利用することが可能であり、特に制限はない。受動素子の1以上を可変とする場合の今までの説明では、代表的な例として、駆動信号源2と振動子1の間に直列に接続する抵抗や、インダクタ、キャパシタ、及び、振動子1に並列に接続する抵抗や、インダクタ、キャパシタを例示したが、これに限定するものではない。受動素子を可変とする回路や方法を含む場合には、抵抗や、インダクタ、キャパシタを自由に組み合わせて自由な回路で利用することが可能であり、回路や方法に含まれる受動素子の必要な一部又は全部を可変とすることが可能である。
【符号の説明】
【0131】
1 振動子
2 駆動信号源
3 制御回路
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15